KR101087803B1

KR101087803B1 - 광방출 반도체소자

Info

Publication number: KR101087803B1
Application number: KR1020057025057A
Authority: KR
Inventors: 라이너 부텐다이히; 노르베르트 린더; 베른트 마이어; 이네스 피에트촌카
Original assignee: 오스람 옵토 세미컨덕터스 게엠베하
Priority date: 2003-06-27
Filing date: 2004-06-25
Publication date: 2011-11-29
Also published as: EP1642347B1; DE10329079B4; WO2005004244A2; US7629670B2; DE502004007853D1; CN1813359A; EP1642347A2; US20060284192A1; DE10329079A1; JP2007507083A; TWI240435B; CN100539211C; EP1959507A1; DE502004010654D1; TW200501463A; WO2005004244A3; EP1959507B1; JP5150099B2; KR20060031646A

Abstract

본 발명은 광방출 반도체소자에 관한 것으로, 상기 광방출 반도체소자는 n 도핑된 구속층(14; 34), p 도핑된 구속층(22), 그리고 n 도핑된 구속층(14)과 p 도핑된 구속층(22) 사이에 배치되며 광자를 방출하는 활성층(18)을 포함한다. 본 발명에 따르면, 상기 n 도핑된 구속층(14)이 높은 활성 도핑 및 급격한 도핑 프로파일을 생성하기 위해 제 1의 n 도펀트에 의해(또는 서로 다른 두 개의 n 도펀트에 의해) 도핑되고, 상기 활성층(18)이 상기 활성층의 층 품질을 개선하기 위해 상기 제 1 도펀트와 다른 제 2의 n 도펀트에 의해서만 도핑된다.

Description

광방출 반도체소자{RADIATION-EMITTING SEMI-CONDUCTOR COMPONENT}

본 발명은 층 구조물을 갖는 광방출 반도체소자에 관한 것으로, 상기 층 구조물은 n 도핑된 구속층(confinement layer), p 도핑된 구속층 그리고 상기 n 도핑된 구속층과 상기 p 도핑된 구속층 사이에 배치되며 광자(photon)를 방출하는 활성층(active layer)을 포함한다.

상기 구속층들은 특히 층 구조물의 영역 중에서 광자를 생성하는 활성 영역에 전하 캐리어를 제한할 수 있는 재료층 또는 재료층 시퀀스를 의미한다.

본 발명과 관련하여 볼 때 "구속층(confinement layer)"은 구속층 기능을 포함하는 개별 재료층 및 재료층 시퀀스를 의미한다. 또한, "광자를 방출하는 층"은 동작시 광자를 방출할 수 있는 개별 재료층 및 재료층 시퀀스를 의미한다.

본 특허출원은 독일특허 제 103 29 079.6호(우선일자: 2003.6.27.)의 우선권을 청구하며, 그 공개내용을 본 출원이 참고하고 있다.

AlInGaP을 기반으로 하는 레이저다이오드 및 발광다이오드뿐만 아니라, 다른 재료 시스템에서도 구속층들에서 최대한 높은 n 도핑이 추구되어, 누설전류에 의한 전하 캐리어 손실을 최소화할 수 있다. 이와 동시에, 레이저 모드의 흡수율(absorption)이 증가되는 것을 막기 위해 레이저다이오드의 도파관(waveguide)의 에지 상에서 도핑의 급격한 강하가 나타나는 것이 바람직하다. 이러한 조건들이 충족될지라도, - 경우에 따라서는 n 도펀트에 의해 도핑되는 - 활성층의 전기적, 광학적 및/또는 전기광학적 품질(quality)이 불충분하게 나타나는 경우가 발생한다. 이와 반대로 활성층의 전기적 또는 광학적 품질을 개선할 수 있는 다른 도펀트가 사용될 경우에는, 제조된 소자들의 효율 감소와 같은 다른 단점들이 발생한다.

본 발명의 목적은 활성층의 전기적 품질 및/또는 광학적 품질을 개선하고 및/또는 높은 효율을 갖는 전술한 유형의 광방출 반도체소자를 제공하는 것이다.

상기 목적은 청구항 1항의 특징들을 지닌 광방출 반도체소자에 의해 달성된다.

본 발명의 또 다른 바람직한 실시예들은 청구항 2항 내지 13항에 제시된다.

본 발명에 따른 광방출 반도체소자의 경우에는, n 도핑된 구속층이 특히 높은 활성 도핑 및 급격한 도핑 프로파일을 형성하기 위해 제 1의 n 도펀트에 의해 도핑되고, 활성층은 특히 활성층의 층 품질의 개선을 위해 제 1 도펀트와 다른 제 2의 n 도펀트에 의해 도핑된다.

따라서 본 발명은 두 개의 상이한 n 도펀트의 사용을 고려하는데, 이러한 상이한 두 개의 n 도펀트는 층 구조물의 상이한 위치에서 삽입되어, 두 개의 도펀트의 상이한 특성들이 부분적으로 활용될 수 있다.

이 경우, 제 1의 n 도펀트는 구속층의 최대로 높은 활성 도핑 및 급격한 도핑 프로파일을 허용하도록 선택된다. 이와 반대로, 활성층은 제 2의 n 도펀트에 의해 도핑되는데, 상기 제 2의 n 도펀트는 활성층의 전기적 품질 및/또는 광학적 품질을 개선하기 위해 적합하다. 이 경우, K.L.Chang외 공저, J.Appl.Phys.92,6582(2002)에 공지된 바와 같은 배열 효과(arrangement effect)의 억제 또는 비방출성(non-emitting) 중심의 억제가 개선 사항으로서 고려된다.

본 발명의 한 바람직한 실시예에서는, n 도핑된 구속층이 제 1의 n 도펀트 및 추가 도펀트, 특히 제 2의 n 도펀트에 의해 도핑된다. 이를 통해, 활성 도핑이 두 개의 활성 도펀트 농도의 합산에 이르기까지 증가될 수 있다. 이와 동시에, 높이 달성가능한 도핑 및 급격한 도핑 프로파일의 장점이 유지된다.

본 발명의 한 바람직한 개선예에서는, 반도체소자가 발광다이오드이다. 이 경우, 발광다이오드의 활성층은 균질층(homogeneous layer)에 의해 형성되거나, 하나의 양자 웰(quantum well) 또는 멀티 양자 웰에 의해 형성될 수 있다.

본 발명의 다른 한 바람직한 개선예에서는, 반도체 소자가 에지 방출형(edge emitting) 발광다이오드이며, 여기서 활성층과 n 도핑된 구속층 사이에 제 1 도파관층이 배치되고, 활성층과 p 도핑된 구속층 사이에 제 2 도파관층이 배치된다.

레이저다이오드의 제 1 도파관층은 도핑되지 않거나, 활성층과 같이 제 2의 n 도펀트에 의해 도핑될 수 있다. 그러나 제 1 도파관층은 두 개의 n 도펀트에 의해 도핑될 수 있거나, 단지 제 1의 n 도펀트에 의해서만 도핑될 수 있다.

제 2 도파관층은 바람직하게는 도핑되지 않는다.

제 1의 n 도펀트로서 바람직하게는 실리콘(silicon)이 사용되는데, 상기 실리콘에 의해 매우 높은 n 도핑 및 급격하게 강하하는 도핑 프로파일이 나타날 수 있다.

제 2의 n 도펀트로서 바람직하게는 텔루르(tellurium)가 사용된다. 여기서 발견된 놀라운 사실은, 텔루르가 활성층에서 바람직하지 않은 배열 효과를 억제하거나 일반적으로는 활성층의 광-전기적(optical-electrical) 품질을 개선하는 특성을 지닌다는 것이다. 다른 한편으로 텔루르가 에피택셜 성장(epitaxial growth)시에 매우 강력하게 확산되기 때문에, 구속층 및 활성층을 위한 유일한 도펀트로서 텔루르를 사용하면 비교적 낮은 효율의 부품이 형성된다.

레이저다이오드(들)의 p 도핑된 구속층들은 바람직하게는 마그네슘 또는 아연으로 도핑된다.

본 발명은 특히 바람직하게는 A1InGaP을 기반으로 형성되는 층 구조물을 갖는 광방출 반도체소자에서 사용될 수 있다.

또한, 본 발명은 예컨대 AlGaAs, InGaAlAs 또는 InGaAsP와 같은 다른 재료 시스템을 기반으로 하는 층 구조물에서도 바람직하게 사용될 수 있는데, 이때 배열 효과가 나타날 수 있거나 활성층의 전기적 품질 및/또는 광학적 품질이 도펀트에 의해 영향받을 수 있다.

A1InGaP을 기반으로 하는 상기 유형의 층 구조물 그룹은 우선 광방출 반도체소자를 위해 적합한 도입부에 언급한 유형의 III/V 연결반도체 구조물을 나타내며, 상기 III/V 연결반도체 구조물은 상이한 단일 층으로 이루어진 층 시퀀스를 가지며 재료 시스템 A1_xIn_yGa_1-x-yP(0≤x≤1, 0≤y≤1 그리고 x+y≤1)로 이루어진 III/V 연결반도체 재료를 갖는 하나 이상의 단일 층을 포함한다. 이러한 III/V 연결반도체 구조물은 예컨대 종래의 pn 전이, 이종접합(double hetero) 구조, 싱글 양자 웰 구조(SQW 구조) 또는 멀티 양자 웰 구조(MQW 구조)를 갖는다. 이러한 구조들은 당업자에게 공지되어 있으므로 여기서는 자세히 설명되지 않는다.

이는 A1GaAs, InGaA1As 또는 InGaAsP를 기반으로 하는 층 구조물에서도 유사하게 적용된다.

도펀트 주입시, 경우에 따라 성장 온도에 따른 도펀트의 상이한 삽입 상태가 활용될 수 있다. 예컨대 성장 온도의 상승과 함께 실리콘 삽입도 증가하며, 텔루르 삽입은 감소한다. 따라서, 소자 구조물들 내에서 나타나는 상이한 도펀트 농도가 사전설정된 온도 프로파일에 의해 조절될 수 있다.

도면과 관련한 실시예들에 대한 아래의 설명에서 본 발명의 또 다른 바람직한 실시예들, 특징들 및 세부사항이 나타난다.

도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 레이저다이오드의 개략적인 단면도이고,

도 2는 본 발명의 다른 한 실시예에 따른 발광다이오드의 개략적인 단면도이다.

여기서 분명히 알아야 할 사실은 도면에서 층 구조물들과 층 두께의 관계들은 척도에 맞지 않게 도시되어 있다는 것이다.

제 1 실시예:

도 1의 개략적인 단면도에 도시되는 본 발명의 제 1 실시예는 A1InGaP을 기반으로 하는 에지 방출형 레이저다이오드 층 구조물(10)이다.

도 1의 개략도에서는 본 발명의 이해를 위해 중요한 층들만이 도시된다. 그 러나 완충층(buffer layer), 중간층, 콘택층, 경사층 및 이와 유사한 층과 같은 추가의 층들이 존재할 수도 있다.

레이저다이오드 층 구조물(10)의 경우에는, 실리콘 도핑된 GaAs 기판(12) 상에서 A1InGaP을 기반으로 하는 층 시퀀스가 성장한다.

A1InGaP을 기반으로 하는 층 시퀀스는 아래와 같다:

바람직하게는 실리콘으로 n 도핑되는, n 도핑된 In₀ _.5(A1_xGa_1-x)_0.5 P 구속층(14)이 GaAs 기판(12) 상에 제공되고,

GaAs 기판(12)으로부터 볼 때 n 도핑된 구속층(14) 뒤에 배치되는 도핑되지 않은 제 1의 In_0.5(A1_xGa_1-x)_0.5 P 도파관층(16)이 제공되고,

GaAs 기판(12)으로부터 볼 때 도핑되지 않은 In₀ _.5(A1_xGa_1-x)_0.5P 도파관층(16) 뒤에 배치되는 텔루르 도핑된 활성 In_zGa₁ _- _zP 층(18)이 제공되고,

GaAs 기판(12)으로부터 볼 때 텔루르 도핑된 활성 In_zGa₁ _- _zP 층(18) 뒤에 배치되는 도핑되지 않은 제 2의 In₀ _.5(A1_yGa_1-Y)_0.5 P 도파관층(20)이 제공되고,

GaAs 기판(12)으로부터 볼 때 제 2의 In_0.5(A1_YGa_1-Y)_0.5P 도파관층(20) 뒤에 배치되는 p 도핑된 In_0.5(A1_xGa_1-x)_0.5 P 구속층(22)이 제공되며, 상기 구속층(22)은 바람직하게는 마그네슘 및/또는 아연으로 p 도핑된다.

지수 변수(x, y 및 z)에 대해 아래와 같이 적용된다: 0≤x≤1, 0≤y≤1 및 0≤z≤1.

제 1 실시예에서는, n 도핑된 In₀ _.5(A1_xGa_1-x)_0.5P 구속층(14)을 위한 제 1의 n 도펀트로서 실리콘이 사용된다. 따라서 n 도핑된 In₀ _.5(A1_xGa_1-x)_0.5P 구속층(14)에서는 바람직하게는 높은 n 도핑 및 급속한 강하를 갖는 도핑 프로파일이 달성된다.

활성 In_zGa₁ _- _zP 층(18)을 위한 제 2 도펀트로서 텔루르가 사용되는데, 상기 텔루르는 바람직하게 높은 전기적 품질 및 광학적 품질을 지닌 활성층의 형성을 위해 사용된다. 특히 텔루르 도핑에 의해 활성층의 결정(crystal) 구조 내에서 나타나는 바람직하지 않은 배열 효과가 억제된다.

제 2 실시예:

전술한 제 1 실시예와는 달리, 본 발명의 제 2 실시예(도 1 참조), 즉 A1InGaP을 기반으로 하는 에지 방출형 레이저다이오드 층 구조물의 경우에는, 제 1의 In₀ _.5(A1_xGa_1-x)_0.5P 도파관층(16)이 마찬가지로 텔루르에 의해 도핑된다. 이러한 방식으로 실리콘 도핑된 GaAs 기판(12) 상에 실리콘으로 n 도핑된 In₀ _.5(A1_xGa_1-x)_0.5P 구속층(14), 텔루르에 의해 n 도핑된 제 1의 In₀ _.5(A1_xGa_1-x)_0.5P 도파관층(16), 텔루르에 의해 n 도핑된 활성 In_zGa₁ _- _zP 층(18), 도핑되지 않은 제 2의 In₀ _.5(A1_yGa_1-y)_0.5P 도파관층(20) 그리고 마그네슘 또는 아연으로 p 도핑된 In₀ _.5(A1_xGa_1-x)_0.5P 구속층(22)이 성장하는 층 시퀀스가 형성된다.

선택적으로 제 1의 In₀ _.5(A1_xGa_1-x)_0.5P 도파관층(16)이 실리콘에 의해 추가로 도핑될 수 있다.

도파관층의 도핑에 의해 바람직하게는 전하 캐리어 손실이 더욱 감소되거나, 소자의 효율이 높아진다.

제 3 실시예:

본 발명의 제 3 실시예(도 1 참조), 즉 A1InGaP을 기반으로 하는 에지 방출형 레이저다이오드 층 구조물에서는, 제 1 실시예와 달리 n 도핑된 In_0.5(A1_xGa_1-x)_0.5P 구속층(14)이 하나의 n 도펀트에 의해서뿐만 아니라 제 1의 n 도펀트 및 제 2의 n 도펀트와 같은 두 개의 n 도펀트에 의해 도핑되어, 바람직하게는 전체 활성 도펀트 농도가 이상적인 경우 두 개의 도펀트 농도의 합산에 이르기까지 증가할 수 있다.

이 경우, 제 1의 In₀ _.5(A1_xGa_1-x)_0.5P 도파관층(16)은 도핑되지 않고, 텔루르에 의해 도핑되거나 실리콘 및 텔루르에 의해 도핑될 수 있다.

전체적으로 실리콘 도핑된 GaAs 기판(12) 상에서 아래의 층들을 갖는 층 시퀀스가 성장한다:

실리콘 및 텔루르에 의해 n 도핑된 In₀ _.5(A1_xGa_1-x)_0.5P 구속층(14),

도핑되지 않거나 텔루르에 의해 n 도핑된 제 1의 In₀ _.5(A1_xGa_1-x)_0.5P 도파관층(16),

텔루르에 의해 n 도핑된 활성 In_zGa₁ _- _zP 층(18),

도핑되지 않은 제 2의 In₀ _.5(A1_yGa_1-y)_0.5P 도파관층(20), 그리고

마그네슘 또는 아연으로 p 도핑된 In₀ _.5(A1_xGa_1-x)_0.5P 구속층(22).

제 1 실시예에서와 같이, 제 1의 n 도펀트로서 실리콘이 사용되고 제 2의 n 도펀트로서 텔루르가 사용된다. 그 결과, 위에서 이미 기술한 장점들이 나타난다.

제 4 실시예:

도 2에서 개략적으로 도시된 본 발명의 제 4 실시예는 A1InGaP을 기반으로 하는 발광다이오드 층 구조물(30)이며, 상기 층 구조물(30)은 실리콘 도핑된 GaAs 기판(32) 상에서 성장한다.

A1InGaP을 기반으로 하는 이러한 층 시퀀스(30)는 아래와 같다:

바람직하게는 실리콘으로 n 도핑된, n 도핑된 In₀ _.5(A1_xGa_1-x)_0.5P 구속층(34)이 GaAs 기판(12) 상에 제공되고,

GaAs 기판(12)으로부터 볼 때 n 도핑된 In₀ _.5(A1_xGa_1-x)_0.5P 구속층(34) 뒤에 배치되는 n 도핑된 활성 In₀ _.5(A1_yGa_1-y)_0.5P 층(36)이 제공되고, 상기 n 도핑된 활성 In_0.5(A1_yGa_1-y)_0.5P 층(36)은 바람직하게는 텔루르에 의해 n 도핑되며,

GaAs 기판(12)으로부터 볼 때 n 도핑된 활성 In_0.5(A1_yGa_1-y)_0.5P 층(36) 뒤에 배치되는 p 도핑된 In_0.5(A1_xGa_1-x)_0.5P 구속층(38)이 제공되며, 상기 p 도핑된 In_0.5(A1_xGa_1-x)_0.5P 구속층(38)은 바람직하게 마그네슘 및/또는 아연으로 p 도핑된다.

이 경우 활성층은 균질층일 뿐만 아니라 하나의 양자 웰 구조 또는 멀티 양자 웰 구조로 형성될 수 있다.

전술한 실시예의 경우와 같이, 발광다이오드에서 달성되는 바람직한 효과에 의해 n 구속층(34)을 위한 제 1의 n 도펀트로서 실리콘이 사용되고, 활성층(36)을 위한 제 2 도펀트로서 텔루르가 사용된다.

전술한 상세한 설명, 도면 및 청구항에 공개되는 본 발명의 특징들은 본 발명의 구체화를 위해 개별 형태로 그리고 임의의 조합 형태로 나타날 수도 있다.

물론, 본 발명은 실시예들을 참고로 한 설명에 의해 해당 실시예에만 제한되지는 않는다. 오히려 본 발명은 각각의 새로운 특징 및 각각의 특징 조합을 포함하며, 이러한 특징 조합은 특히 상이한 청구항들의 개별 특징들의 각각의 조합 또는 상이한 실시예들을 서로 포함하며, 관련 특징 또는 관련 조합 자체에 대해서는 청구항 또는 실시예에서 상세히 제시되지 않는다.

Claims

광방출 반도체소자로서,

상기 광방출 반도체소자는,

n 도핑된 구속층(confinement layer)(14; 34),

p 도핑된 구속층(22; 38), 그리고

상기 n 도핑된 구속층(14; 34)과 상기 p 도핑된 구속층(22; 38) 사이에 배치되며 광자(photon)를 방출하는 활성층(active layer)(18; 36)을 포함하고, AlInGaP, AlGaAs, InGaAlAs 또는 InGaAsP를 기반으로 하는 층 구조물을 갖고,

상기 광방출 반도체소자는 레이저다이오드(10)이며, 상기 레이저다이오드에서 상기 활성층(18)과 상기 n 도핑된 구속층(14) 사이에 제1 도파관층(16)이 배치되고, 상기 활성층(18)과 상기 p 도핑된 구속층(22) 사이에 제2 도파관층(20)이 배치되며,

상기 n 도핑된 구속층(14; 34)이 제1 n 도펀트에 의해 도핑되고,

상기 활성층(18; 36)이 상기 제1 n 도펀트와 상이한 제2 n 도펀트에 의해 도핑되며,

상기 제1 도파관층(16)이 상기 제2 n 도펀트에 의해 도핑되는,

광방출 반도체소자.
제 1항에 있어서,

상기 n 도핑된 구속층(14; 34)은 상기 제1 n 도펀트와 추가 도펀트 모두에 의해 도핑되는,

광방출 반도체소자.
제 1항에 있어서,

상기 n 도핑된 구속층(14; 34)은 상기 제1 n 도펀트와 상기 제2 n 도펀트 모두에 의해 도핑되는,

광방출 반도체소자.
제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 제2 도파관층(20)은 도핑되지 않은,

광방출 반도체소자.
제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 제1 n 도펀트로서 실리콘이 사용되는,

광방출 반도체소자.
제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 제2 n 도펀트로서 텔루르(tellurium)가 사용되는,

광방출 반도체소자.
제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 p 도핑된 구속층(22; 38)이 마그네슘, 탄소 또는 아연으로 도핑되는,

광방출 반도체소자.
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