KR101238464B1 - Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자 및 ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자를 제작하는 방법 - Google Patents

Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자 및 ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자를 제작하는 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 육방정계 Ⅲ족 질화물의 c축이 m축의 방향으로 경사진 지지 기체의 반극성면 상에서, 저임계값 전류를 가능하게 하는 레이저 공진기를 갖는 Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자를 제공한다. 레이저 공진기가 되는 제1 및 제2 단면(27, 29)이, m-n면에 교차한다. Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자(11)는, m-n면과 반극성면(17a)의 교차선의 방향으로 연장되는 레이저 도파로를 갖는다. 이에 따라, 저임계값 전류를 가능하게 하는 밴드 천이의 발광을 이용할 수 있다. 레이저 구조체(13)에서는, 제1 면(13a)은 제2 면(13b)의 반대측의 면이다. 제1 및 제2 단면(27, 29)은, 제1 면(13a)의 엣지(13c)에서 제2 면(13b)의 엣지(13d)까지 연장된다. 단면(27, 29)은, 드라이 에칭에 의해 형성되지 않고, c면, m면 또는 a면 등의 이제까지의 벽개면과는 다르다.

Description

Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자 및 Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자를 제작하는 방법{Ⅲ NITRIDE SEMICONDUCTOR LASER DEVICE AND METHOD FOR MANUFACTURING Ⅲ NITRIDE SEMICONDUCTOR LASER DEVICE}
본 발명은 Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자, 및 Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자를 제작하는 방법에 관한 것이다.
비특허문헌 1에는, c면 사파이어기판 상에 제작된 반도체 레이저가 기재되어 있다. 드라이 에칭에 의해 반도체 레이저의 미러면이 형성된다. 레이저의 공진 미러면의 현미경 사진이 게재되고, 그 단면(端面)의 거칠기가 약 50 ㎚인 것이 기재되어 있다.
비특허문헌 2에는, (11-22)면 GaN 기판 상에 제작된 반도체 레이저가 기재되어 있다. 드라이 에칭에 의해 반도체 레이저의 미러면이 형성된다.
비특허문헌 3에는, 질화갈륨계 반도체 레이저가 기재되어 있다. 벽개면(cleaved facets)으로서 m면을 레이저 공진기에 이용하기 위해, 기판의 c축의 오프 방향으로 편광한 레이저 광을 생성하는 것을 제안하고 있다. 이 문헌에는, 구체적으로는, 무극성면에서는 우물 폭을 넓히는 것, 반극성면에서는 우물 폭을 좁히는 것이 기재되어 있다.
비특허문헌 1: Jpn. J. Appl. Phys. Vol. 35, (1996) L74-L76 비특허문헌 2: Appl. Phys. Express 1 (2008) 091102 비특허문헌 3: Jpn. J. Appl. Phys. Vol. 46, (2007) L789
질화갈륨계 반도체의 밴드 구조에 따르면, 레이저 발진 가능한 몇개의 천이가 존재한다. 발명자의 지견에 따르면, c축이 m축의 방향으로 경사진 반극성면의 지지 기체를 이용하는 Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자에서는, c축 및 m축에 의해 규정되는 면을 따라 레이저 도파로를 연장시킬 때, 임계값 전류를 내릴 수 있다고 생각하고 있다. 이 레이저 도파로의 방향에서는, 이들 중 천이 에너지(전도대 에너지와 가전자대 에너지의 차)의 가장 작은 모드가 레이저 발진 가능하게 되고, 이 모드의 발진이 가능하게 될 때, 임계값 전류를 내릴 수 있다.
그러나, 이 레이저 도파로의 방향에서는, 공진기 미러 때문에, c면, a면 또는 m면이라고 하는 종래의 벽개면을 이용할 수는 없다. 이 때문에, 공진기 미러의 제작을 위해, 반응성 이온 에칭(RIE)을 이용하여 반도체층의 드라이 에칭면을 형성하여 왔다. RIE법으로 형성된 공진기 미러는, 레이저 도파로에 대한 수직성, 드라이 에칭면의 평탄성 또는 이온 손상의 점에서, 개선이 요구되고 있다. 또한, 현재의 기술 레벨에서의 양호한 드라이 에칭면을 얻기 위한 프로세스 조건의 도출이 큰 부담이 된다.
발명자가 아는 한에서, 이제까지, 상기 반극성면 상에 형성된 동일한 Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자에서, c축의 경사 방향(오프 방향)으로 연장되는 레이저 도파로와 드라이 에칭을 이용하지 않고 형성된 공진기 미러용 단면의 양방이 달성되어 있지 않다.
본 발명은 이러한 사정을 감안하여 이루어진 것이다. 본 발명의 목적은 육방정계 Ⅲ족 질화물의 c축으로부터 m축의 방향으로 경사진 지지 기체의 반극성면 상에서, 저임계값 전류를 가능하게 하는 레이저 공진기를 갖는 Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자를 제공하는 것에 있고, 또한 이 Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자를 제작하는 방법을 제공하는 것에 있다.
본 발명의 일측면에 따른 Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자는, (a) 육방정계 Ⅲ족 질화물 반도체로 이루어지며 반극성 주면을 갖는 지지 기체, 및 상기 지지 기체의 상기 반극성 주면 상에 마련된 반도체 영역을 포함하는 레이저 구조체와, (b) 상기 레이저 구조체의 상기 반도체 영역 상에 마련된 전극을 구비한다. 상기 반도체 영역은, 제1 도전형의 질화갈륨계 반도체로 이루어지는 제1 클래드층과, 제2 도전형의 질화갈륨계 반도체로 이루어지는 제2 클래드층과, 상기 제1 클래드층과 상기 제2 클래드층 사이에 마련된 활성층을 포함하고, 상기 제1 클래드층, 상기 제2 클래드층 및 상기 활성층은, 상기 반극성 주면의 법선축을 따라 배열되어 있으며, 상기 활성층은 질화갈륨계 반도체층을 포함하고, 상기 지지 기체의 상기 육방정계 Ⅲ족 질화물 반도체의 c축은, 상기 육방정계 Ⅲ족 질화물 반도체의 m축의 방향으로 상기 법선축에 대하여 유한한 각도(ALPHA)로 경사지고 있으며, 상기 레이저 구조체는, 상기 육방정계 Ⅲ족 질화물 반도체의 m축 및 상기 법선축에 의해 규정되는 m-n면에 교차하는 제1 및 제2 단면을 포함하고, 상기 Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자의 레이저 공진기는 상기 제1 및 제2 단면을 포함하며, 상기 레이저 구조체는 제1 및 제2 면을 포함하고, 상기 제1 면은 상기 제2 면의 반대측의 면이며, 상기 제1 및 제2 단면은, 상기 제1 면의 엣지에서 상기 제2 면의 엣지까지 연장된다.
이 Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자에 따르면, 레이저 공진기가 되는 제1 및 제2 단면이, 육방정계 Ⅲ족 질화물 반도체의 m축 및 법선축에 의해 규정되는 m-n면에 교차하기 때문에, m-n면과 반극성면의 교차선의 방향으로 연장되는 레이저 도파로를 마련할 수 있다. 이 때문에, 저임계값 전류를 가능하게 하는 레이저 공진기를 갖는 Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자를 제공할 수 있다.
본 발명에 따른 Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자에서는, 상기 법선축과 상기 육방정계 Ⅲ족 질화물 반도체의 c축이 이루는 각도는, 45도 이상 80도 이하 또는 100도 이상 135도 이하의 범위인 것이 좋다.
이 Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자에서는, 45도 미만 및 135도를 넘는 각도에서는, 압박에 의해 형성되는 단면이 m면으로 이루어질 가능성이 높아진다. 또한, 80도를 넘어 100도 미만의 각도에서는, 원하는 평탄성 및 수직성을 얻을 수 없을 우려가 있다.
본 발명에 따른 Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자에서는, 상기 법선축과 상기 육방정계 Ⅲ족 질화물 반도체의 c축이 이루는 각도는, 63도 이상 80도 이하 또는 100도 이상 117도 이하의 범위인 것이 더 좋다.
이 Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자에서는, 63도 이상 80도 이하 또는 100도 이상 117도 이하의 범위에서는, 압박에 의해 형성되는 단면이, 기판 주면에 수직에 가까운 면을 얻을 수 있을 가능성이 높아진다. 또한, 80도를 넘어 100도 미만의 각도에서는, 원하는 평탄성 및 수직성을 얻을 수 없을 우려가 있다.
본 발명에 따른 Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자에서는, 상기 지지 기체의 두께는 400 ㎛ 이하이며, 이 Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자에서는, 레이저 공진기를 위한 양질의 단면을 얻기 위해 좋다.
본 발명에 따른 Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자에서는, 상기 지지 기체의 두께는 50 ㎛ 이상 100 ㎛ 이하인 것이 더 좋다. 두께 50 ㎛ 이상이면, 핸들링이 용이하게 되어, 생산 수율이 향상된다. 100 ㎛ 이하이면, 레이저 공진기를 위한 양질의 단면을 얻기 위해 더 좋다.
본 발명에 따른 Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자에서는, 상기 활성층으로부터의 레이저 광은, 상기 육방정계 Ⅲ족 질화물 반도체의 a축의 방향으로 편광하고 있다. 이 Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자에서, 저임계값 전류를 실현할 수 있는 밴드 천이는 편광성을 갖는다.
본 발명에 따른 Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자에서는, 상기 Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자에서의 LED 모드에서의 광은, 상기 육방정계 Ⅲ족 질화물 반도체의 a축의 방향에 편광 성분(I1)과, 상기 육방정계 Ⅲ족 질화물 반도체의 c축을 주면에 투영한 방향에 편광 성분(I2)을 포함하고, 상기 편광 성분(I1)은 상기 편광 성분(I2)보다도 크다. 이 Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자에 따르면, LED 모드에서 큰 발광 강도의 모드의 광을, 레이저 공진기를 이용하여 레이저 발진시킬 수 있다.
본 발명에 따른 Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자에서는, 상기 반극성 주면은, {20-21}면, {10-11}면, {20-2-1}면, 및 {10-1-1}면 중 어느 하나인 것이 좋다.
이 Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자에 따르면, 이들 전형적인 반극성면에서, 상기 Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자의 레이저 공진기를 구성할 수 있을 정도의 충분한 평탄성 및 수직성의 제1 및 제2 단면을 제공할 수 있다.
본 발명에 따른 Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자에서는, 상기 반극성 주면은, {20-21}면, {10-11}면, {20-2-1}면, 및 {10-1-1}면 중 어느 하나의 반극성면으로부터, m면 방향으로 -4도 이상 +4도 이하의 범위의 미경사를 갖는 면도 상기 주면으로서 양호하게 적용할 수 있다.
이 Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자에 따르면, 이들 전형적인 반극성면으로부터의 미경사면에서, 상기 Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자의 레이저 공진기를 구성할 수 있을 정도의 충분한 평탄성 및 수직성의 제1 및 제2 단면을 제공할 수 있다.
본 발명에 따른 Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자에서는, 상기 지지 기체의 적층 결함 밀도는 1×104 ㎝-1 이하인 것이 좋다.
이 Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자에 따르면, 적층 결함 밀도가 1×104 ㎝-1 이하이기 때문에, 우발적인 사정에 의해 단면의 평탄성 및/또는 수직성이 흐트러질 가능성이 낮다.
본 발명에 따른 Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자에서는, 상기 지지 기체는, GaN, AlGaN, AlN, InGaN 및 InAlGaN 중 어느 하나로 이루어질 수 있다.
이 Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자에 따르면, 이들 질화갈륨계 반도체로 이루어지는 기판을 이용할 때, 공진기로서 이용 가능한 제1 및 제2 단면을 얻을 수 있다. AlN 기판 또는 AlGaN 기판을 이용할 때, 편광도를 크게 할 수 있고, 또한 저굴절률에 의해 광가둠을 강화할 수 있다. InGaN 기판을 이용할 때, 기판과 발광층의 격자 부정합률을 작게 할 수 있어, 결정 품질을 향상시킬 수 있다.
본 발명에 따른 Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자에서는, 상기 제1 및 제2 단면 중 적어도 어느 한쪽에 마련된 유전체 다층막을 더 구비할 수 있다.
이 Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자에서도, 파단면에도 단면 코트를 적용할 수 있다. 단면 코트에 의해 반사율을 조정할 수 있다.
본 발명에 따른 Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자에서는, 상기 활성층은, 파장 360 ㎚ 이상 600 ㎚ 이하의 광을 발생하도록 마련된 양자 우물 구조를 포함할 수 있다. 이 Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자는, 반극성면의 이용에 의해, LED 모드의 편광을 유효하게 이용한 Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자를 얻을 수 있어, 저임계값 전류를 얻을 수 있다.
본 발명에 따른 Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자에서는, 상기 활성층은, 파장 430 ㎚ 이상 550 ㎚ 이하의 광을 발생하도록 마련된 양자 우물 구조를 포함하는 것이 더 좋다. 이 Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자는, 반극성면의 이용에 의해, 피에조 전계의 저감과 발광층 영역의 결정 품질 향상에 의해 양자 효율을 향상시키는 것이 가능해지고, 파장 430 ㎚ 이상 550 ㎚ 이하의 광의 발생에 양호하게 적용할 수 있다.
본 발명에 따른 Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자에서는, 상기 제1 및 제2 단면의 각각에는, 상기 지지 기체의 단면 및 상기 반도체 영역의 단면이 나타나고 있고, 상기 반도체 영역의 상기 활성층에서의 단면과 상기 육방정계 질화물 반도체로 이루어지는 지지 기체의 m축에 직교하는 기준면이 이루는 각도는, 상기 Ⅲ족 질화물 반도체의 c축 및 m축에 의해 규정되는 제1 평면에서 (ALPHA-5)도 이상 (ALPHA+5)도 이하의 범위의 각도를 이룬다.
이 Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자는, c축 및 m축 중 한쪽으로부터 다른쪽으로 취해지는 각도에 관해서, 상기 수직성을 만족하는 단면을 갖는다.
본 발명에 따른 Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자에서는, 상기 각도는, 상기 제1 평면 및 상기 법선축에 직교하는 제2 평면에서 -5도 이상 +5도 이하의 범위인 것이 좋다.
이 Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자는, 반극성면의 법선축에 수직인 면에서 규정되는 각도에 관해서, 상기 수직성을 만족하는 단면을 갖는다.
본 발명에 따른 Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자에서는, 상기 전극은 미리 정해진 축의 방향으로 연장되고 있고, 상기 제1 및 제2 단면은 상기 미리 정해진 축에 교차한다.
본 발명의 별도의 측면은, Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자를 제작하는 방법에 관한 것이다. 이 방법은, (a) 육방정계 Ⅲ족 질화물 반도체로 이루어지며 반극성 주면을 갖는 기판을 준비하는 공정과, (b) 상기 반극성 주면 상에 형성된 반도체 영역과 상기 기판을 포함하는 레이저 구조체, 애노드 전극, 및 캐소드 전극을 갖는 기판 생산물을 형성하는 공정과, (c) 상기 육방정계 Ⅲ족 질화물 반도체의 a축의 방향으로 상기 기판 생산물의 제1 면을 부분적으로 스크라이브하는 공정과, (d) 상기 기판 생산물의 제2 면에의 압박에 의해 상기 기판 생산물의 분리를 행하여, 별도의 기판 생산물 및 레이저 바를 형성하는 공정을 구비한다. 상기 제1 면은 상기 제2 면의 반대측의 면이며, 상기 반도체 영역은 상기 제1 면과 상기 기판의 사이에 위치하고, 상기 레이저 바는, 상기 제1 면에서 상기 제2 면까지 연장되며 상기 분리에 의해 형성된 제1 및 제2 단면을 가지고, 상기 제1 및 제2 단면은 상기 Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자의 레이저 공진기를 구성하며, 상기 애노드 전극 및 캐소드 전극은, 상기 레이저 구조체 상에 형성되고, 상기 반도체 영역은, 제1 도전형의 질화갈륨계 반도체로 이루어지는 제1 클래드층과, 제2 도전형의 질화갈륨계 반도체로 이루어지는 제2 클래드층과, 상기 제1 클래드층과 상기 제2 클래드층의 사이에 마련된 활성층을 포함하며, 상기 제1 클래드층, 상기 제2 클래드층 및 상기 활성층은, 상기 반극성 주면의 법선축을 따라 배열되어 있고, 상기 활성층은 질화갈륨계 반도체층을 포함하며, 상기 기판의 상기 육방정계 Ⅲ족 질화물 반도체의 c축은, 상기 육방정계 Ⅲ족 질화물 반도체의 m축의 방향으로 상기 법선축에 대하여 유한한 각도(ALPHA)로 경사지고 있고, 상기 제1 및 제2 단면은, 상기 육방정계 Ⅲ족 질화물 반도체의 m축 및 상기 법선축에 의해 규정되는 m-n면에 교차한다.
이 방법에 따르면, 육방정계 Ⅲ족 질화물 반도체의 a축의 방향으로 기판 생산물의 제1 면을 스크라이브한 후에, 기판 생산물의 제2 면에의 압박에 의해 기판 생산물의 분리를 행하여, 별도의 기판 생산물 및 레이저 바를 형성한다. 이 때문에, 육방정계 Ⅲ족 질화물 반도체의 m축과 법선축에 의해 규정되는 m-n면에 교차하도록, 레이저 바에 제1 및 제2 단면이 형성된다. 이 단면 형성에 따르면, 제1 및 제2 단면에 상기 Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자의 레이저 공진기를 구성할 수 있을 정도의 충분한 평탄성, 수직성 또는 이온 손상이 없는 공진 미러면이 제공된다.
또한, 이 방법에서는, 레이저 도파로는, 육방정계 Ⅲ족 질화물의 c축의 경사의 방향으로 연장되고 있으며, 이 레이저 도파로를 제공할 수 있는 공진기 미러 단면을 드라이 에칭면을 이용하지 않고 형성하고 있다.
본 발명에 따른 방법에서는, 상기 기판 생산물을 형성하는 상기 공정에서, 상기 기판은, 상기 기판의 두께가 400 ㎛ 이하가 되도록 슬라이스 또는 연삭이라고 하는 가공이 실시되고, 상기 제2 면은 상기 가공에 의해 형성된 가공면일 수 있다. 혹은, 상기 가공면 상에 형성된 전극을 포함하는 면일 수 있다.
본 발명에 따른 방법에서는, 상기 기판 생산물을 형성하는 상기 공정에서, 상기 기판은, 상기 기판의 두께가 50 ㎛ 이상 100 ㎛ 이하가 되도록 연마되고, 상기 제2 면은 상기 연마에 의해 형성된 연마면일 수 있다. 혹은, 상기 연마면 상에 형성된 전극을 포함하는 면일 수 있다.
이러한 두께의 기판에서는, 상기 Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자의 레이저 공진기를 구성할 수 있을 정도의 충분한 평탄성, 수직성 또는 이온 손상이 없는 제1 및 제2 단면을 수율 좋게 형성할 수 있다.
본 발명에 따른 방법에서는, 상기 각도(ALPHA)는, 45도 이상 80도 이하 및 100도 이상 135도 이하의 범위일 수 있다. 45도 미만 및 135도를 넘는 각도에서는, 압박에 의해 형성되는 단면이 m면으로 이루어질 가능성이 높아진다. 또한, 80도를 넘어 100도 미만의 각도에서는, 원하는 평탄성 및 수직성을 얻을 수 없다.
본 발명에 따른 방법에서는, 상기 각도(ALPHA)는, 63도 이상 80도 이하 및 100도 이상 117도 이하의 범위인 것이 더 좋다. 63도 미만 및 117도를 넘는 각도에서는, 압박에 의해 형성되는 단면의 일부에, m면이 출현할 가능성이 있다. 또한, 80도를 넘어 100도 미만의 각도에서는, 원하는 평탄성 및 수직성을 얻을 수 없다.
본 발명에 따른 방법에서는, 상기 반극성 주면은, {20-21}면, {10-11}면, {20-2-1}면, 및 {10-1-1}면 중 어느 하나인 것이 좋다.
이들 전형적인 반극성면에서도, 상기 Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자의 레이저 공진기를 구성할 수 있을 정도의 충분한 평탄성, 수직성 또는 이온 손상이 없는 제1 및 제2 단면을 제공할 수 있다.
본 발명에 따른 방법에서는, 상기 반극성 주면은, {20-21}면, {10-11}면, {20-2-1}면, 및 {10-1-1}면 중 어느 하나의 반극성면으로부터, m면 방향으로 -4도 이상 +4도 이하의 범위의 미경사를 갖는 면도 상기 주면으로서 양호하게 적용할 수 있다.
이들 전형적인 반극성면으로부터의 미경사면에서도, 상기 Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자의 레이저 공진기를 구성할 수 있을 정도의 충분한 평탄성, 수직성 또는 이온 손상이 없는 제1 및 제2 단면을 제공할 수 있다.
본 발명에 따른 방법에서는, 상기 스크라이브는, 레이저 스크라이버를 이용하여 행해지고, 상기 스크라이브에 의해 스크라이브 홈이 형성되며, 상기 스크라이브 홈의 길이는, 상기 육방정계 Ⅲ족 질화물 반도체의 a축 및 상기 법선축에 의해 규정되는 a-n면과 상기 제1 면의 교차선의 길이보다도 짧다.
이 방법에 따르면, 기판 생산물의 할단에 의해, 별도의 기판 생산물 및 레이저 바가 형성된다. 이 할단은, 레이저 바의 할단선에 비해 짧은 스크라이브 홈을 이용하여 야기된다.
본 발명에 따른 방법에서는, 상기 제1 및 제2 단면의 각각에서의 상기 활성층의 단면은, 상기 육방정계 질화물 반도체로 이루어지는 지지 기체의 m축에 직교하는 기준면에 대하여, 상기 육방정계 Ⅲ족 질화물 반도체의 c축 및 m축에 의해 규정되는 평면에서 (ALPHA-5)도 이상 (ALPHA+5)도 이하의 범위의 각도를 이룰 수 있다.
이 방법에 따르면, c축 및 m축 중 한쪽으로부터 다른쪽으로 취해지는 각도에 관해서, 상기 수직성을 갖는 단면을 형성할 수 있다.
본 발명에 따른 방법에서는, 상기 기판은, GaN, AlN, AlGaN, InGaN 및 InAlGaN 중 어느 하나로 이루어질 수 있다. 이 방법에 따르면, 이들 질화갈륨계 반도체로 이루어지는 기판을 이용할 때, 공진기로서 이용 가능한 제1 및 제2 단면을 얻을 수 있다.
본 발명의 상기 목적, 특징, 및 이점은, 첨부 도면을 참조하여 진행되는 본 발명의 적합한 실시형태의 이하의 상세한 서술로부터, 보다 용이하게 분명해진다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 육방정계 Ⅲ족 질화물의 c축이 m축의 방향으로 경사진 지지 기체의 반극성면 상에서, 저임계값 전류를 가능하게 하는 레이저 공진기를 갖는 Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자가 제공된다. 또한, 본 발명에 따르면, 이 Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자를 제작하는 방법이 제공된다.
도 1은 본 실시형태에 따른 Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자의 구조를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자에서의 활성층에서의 밴드 구조를 나타내는 도면이다.
도 3은 Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자의 활성층에서의 발광의 편광을 나타내는 도면이다.
도 4는 Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자의 단면과 활성층의 m면의 관계를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 실시형태에 따른 Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자를 제작하는 방법의 주요한 공정을 나타내는 공정 흐름도이다.
도 6은 본 실시형태에 따른 Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자를 제작하는 방법의 주요한 공정을 모식적으로 나타내는 도면이다.
도 7은 결정 격자에서의 {20-21}면을 나타내며, 공진기 단면의 주사형 전자 현미경상을 나타내는 도면이다.
도 8은 실시예 1에 나타낸 레이저 다이오드의 구조를 나타내는 도면이다.
도 9는 구한 편광도(ρ)와 임계값 전류 밀도의 관계를 나타내는 도면이다.
도 10은 GaN 기판의 m축 방향에의 c축의 경사각과 발진 수율의 관계를 나타내는 도면이다.
도 11은 적층 결함 밀도와 발진 수율의 관계를 나타내는 도면이다.
도 12는 기판 두께와 발진 수율의 관계를 나타내는 도면이다.
도 13은 (20-21)면과 다른 면방위(지수)가 이루는 각도를 나타내는 도면이다.
도 14는 (20-21)면과 (-101-6)면 및 (-1016)면에서의 원자 배치를 나타내는 도면이다.
도 15는 (20-21)면과 (-101-7)면 및 (-1017)면에서의 원자 배치를 나타내는 도면이다.
도 16은 (20-21)면과 (-101-8)면 및 (-1018)면에서의 원자 배치를 나타내는 도면이다.
본 발명의 지견은, 예시로서 나타낸 첨부 도면을 참조하여 이하의 상세한 기술을 고려함으로써 용이하게 이해할 수 있다. 이어서, 첨부 도면을 참조하면서, 본 발명의 Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자, 및 Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자를 제작하는 방법에 따른 실시형태를 설명한다. 가능한 경우에는, 동일한 부분에는 동일한 부호를 붙인다.
도 1은 본 실시형태에 따른 Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자의 구조를 개략적으로 나타내는 도면이다. Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자(11)는, 이득 가이드형의 구조를 갖지만, 본 발명의 실시형태는, 이득 가이드형의 구조에 한정되는 것이 아니다. Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자(11)는, 레이저 구조체(13) 및 전극(15)을 구비한다. 레이저 구조체(13)는, 지지 기체(17) 및 반도체 영역(19)을 포함한다. 지지 기체(17)는, 육방정계 Ⅲ족 질화물 반도체로 이루어지며, 또한 반극성 주면(17a) 및 이면(17b)를 갖는다. 반도체 영역(19)은, 지지 기체(17)의 반극성 주면(17a) 상에 마련된다. 전극(15)은, 레이저 구조체(13)의 반도체 영역(19) 상에 마련된다. 반도체 영역(19)은, 제1 클래드층(21)과, 제2 클래드층(23)과, 활성층(25)을 포함한다. 제1 클래드층(21)은, 제1 도전형의 질화갈륨계 반도체로 이루어지며, 예컨대 n형 AlGaN, n형 InAlGaN 등으로 이루어진다. 제2 클래드층(23)은, 제2 도전형의 질화갈륨계 반도체로 이루어지며, 예컨대 p형 AlGaN, p형 InAlGaN 등으로 이루어진다. 활성층(25)은, 제1 클래드층(21)과 제2 클래드층(23)의 사이에 마련된다. 활성층(25)은 질화갈륨계 반도체층을 포함하고, 이 질화갈륨계 반도체층은, 예컨대 우물층(25a)이다. 활성층(25)은 질화갈륨계 반도체로 이루어지는 장벽층(25b)을 포함하고, 우물층(25a) 및 장벽층(25b)은 교대로 배열되어 있다. 우물층(25a)은, 예컨대 InGaN 등으로 이루어지며, 장벽층(25b)은, 예컨대 GaN, InGaN 등으로 이루어진다. 활성층(25)은, 파장 360 ㎚ 이상 600 ㎚ 이하의 광을 발생하도록 마련된 양자 우물 구조를 포함할 수 있고, 반극성면의 이용에 의해, 파장 430 ㎚ 이상 550 ㎚ 이하의 광의 발생에 양호하게 적용할 수 있다. 제1 클래드층(21), 제2 클래드층(23) 및 활성층(25)은, 반극성 주면(17a)의 법선축(NX)을 따라 배열되어 있다. Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자(11)에서는, 레이저 구조체(13)는, 육방정계 Ⅲ족 질화물 반도체의 m축 및 법선축(NX)에 의해 규정되는 m-n면에 교차하는 제1 단면(27) 및 제2 단면(29)을 포함한다.
도 1을 참조하면, 직교 좌표계(S) 및 결정 좌표계(CR)가 그려져 있다. 법선축(NX)은, 직교 좌표계(S)의 Z축의 방향을 향한다. 반극성 주면(17a)은, 직교 좌표계(S)의 X축 및 Y축에 의해 규정되는 미리 정해진 평면에 평행하게 연장된다. 또한, 도 1에는, 대표적인 c면(Sc)이 그려져 있다. 지지 기체(17)의 육방정계 Ⅲ족 질화물 반도체의 c축은, 육방정계 Ⅲ족 질화물 반도체의 m축의 방향으로 법선축(NX)에 대하여 유한한 각도(ALPHA)로 경사지고 있다.
Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자(11)는, 절연막(31)을 더 구비한다. 절연막(31)은 레이저 구조체(13)의 반도체 영역(19)의 표면(19a)을 덮고 있고, 반도체 영역(19)은 절연막(31)과 지지 기체(17)의 사이에 위치한다. 지지 기체(17)는 육방정계 Ⅲ족 질화물 반도체로 이루어진다. 절연막(31)은 개구(31a)를 가지며, 개구(31a)는 반도체 영역(19)의 표면(19a)과 상기 m-n면의 교차선(LIX)의 방향으로 연장되고, 예컨대 스트라이프 형상을 이룬다. 전극(15)은, 개구(31a)를 통해 반도체 영역(19)의 표면(19a)[예컨대 제2 도전형의 컨택트층(33)]에 접촉을 이루고 있고, 상기 교차선(LIX)의 방향으로 연장된다. Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자(11)에서는, 레이저 도파로는, 제1 클래드층(21), 제2 클래드층(23) 및 활성층(25)을 포함하고, 또한 상기한 교차선(LIX)의 방향으로 연장된다.
Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자(11)에서는, 제1 단면(27) 및 제2 단면(29)은, 육방정계 Ⅲ족 질화물 반도체의 m축 및 법선축(NX)에 의해 규정되는 m-n면에 교차한다. Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자(11)의 레이저 공진기는 제1 및 제2 단면(27, 29)을 포함하고, 제1 단면(27) 및 제2 단면(29)의 한쪽으로부터 다른쪽에, 레이저 도파로가 연장되어 있다. 레이저 구조체(13)는 제1 면(13a) 및 제2 면(13b)을 포함하고, 제1 면(13a)은 제2 면(13b)의 반대측의 면이다. 제1 및 제2 단면(27, 29)은, 제1 면(13a)의 엣지(13c)에서 제2 면(13b)의 엣지(13d)까지 연장된다. 제1 및 제2 단면(27, 29)은, c면, m면 또는 a면이라고 하는 이제까지의 벽개면과는 다르다.
이 Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자(11)에 따르면, 레이저 공진기를 구성하는 제1 및 제2 단면(27, 29)이 m-n면에 교차한다. 이 때문에, m-n면과 반극성면(17a)의 교차선의 방향으로 연장되는 레이저 도파로를 마련할 수 있다. 이 때문에, Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자(11)는, 저임계값 전류를 가능하게 하는 레이저 공진기를 갖게 된다.
Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자(11)는, n측 광가이드층(35) 및 p측 광가이드층(37)을 포함한다. n측 광가이드층(35)은, 제1 부분(35a) 및 제2 부분(35b)을 포함하고, n측 광가이드층(35)은, 예컨대 GaN, InGaN 등으로 이루어진다. p측 광가이드층(37)은, 제1 부분(37a) 및 제2 부분(37b)을 포함하며, p측 광가이드층(37)은, 예컨대 GaN, InGaN 등으로 이루어진다. 캐리어 블록층(39)은, 예컨대 제1 부분(37a)과 제2 부분(37b)의 사이에 마련된다. 지지 기체(17)의 이면(17b)에는 별도의 전극(41)이 마련되며, 전극(41)은, 예컨대 지지 기체(17)의 이면(17b)을 덮고 있다.
도 2는 Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자에서의 활성층에서의 밴드 구조를 나타내는 도면이다. 도 3은 Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자(11)의 활성층(25)에서의 발광의 편광을 나타내는 도면이다. 도 4는 c축 및 m축에 의해 규정되는 단면(斷面)을 모식적으로 나타내는 도면이다. 도 2(a)를 참조하면, 밴드 구조(BAND)의 Γ점 근방에서는, 전도대와 가전자대 사이의 가능한 천이는, 3가지 있다. A 밴드 및 B 밴드는 비교적 작은 에너지차이다. 전도대와 A 밴드의 천이(Ea)에 의한 발광은 a축 방향에 편광하고 있고, 전도대와 B 밴드와의 천이(Eb)에 의한 발광은 c축을 주면에 투영한 방향에 편광하고 있다. 레이저 발진에 관해서, 천이(Ea)의 임계값은 천이(Eb)의 임계값보다도 작다.
도 2(b)를 참조하면, Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자(11)에서의 LED 모드에서의 광의 스펙트럼이 나타나 있다. LED 모드에서의 광은, 육방정계 Ⅲ족 질화물 반도체의 a축의 방향의 편광 성분(I1)과, 육방정계 Ⅲ족 질화물 반도체의 c축을 주면에 투영한 방향의 편광 성분(I2)을 포함하고, 편광 성분(I1)은 편광 성분(I2)보다도 크다. 편광도(ρ)는 (I1-I2)/(I1+I2)에 의해 규정된다. 이 Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자(11)의 레이저 공진기를 이용하여, LED 모드에서 큰 발광 강도의 모드의 광을 레이저 발진시킬 수 있다.
도 3에 나타내는 바와 같이, 제1 및 제2 단면(27, 29) 중 적어도 한쪽, 또는 각각에 마련된 유전체 다층막(43a, 43b)을 더 구비할 수 있다. 단면(27, 29)에도 단면 코트를 적용할 수 있다. 단면 코트에 의해 반사율을 조정할 수 있다.
도 3(b)에 나타내는 바와 같이, 활성층(25)으로부터의 레이저 광(L)은 육방정계 Ⅲ족 질화물 반도체의 a축의 방향으로 편광하고 있다. 이 Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자(11)에서, 저임계값 전류를 실현할 수 있는 밴드 천이는 편광성을 갖는다. 레이저 공진기를 위한 제1 및 제2 단면(27, 29)은, c면, m면 또는 a면이라고 하는 이제까지의 벽개면과는 다르다. 그러나, 제1 및 제2 단면(27, 29)은 공진기를 위한, 미러로서의 평탄성, 수직성을 갖는다. 이 때문에, 제1 및 제2 단면(27, 29)과 이들의 단면(27, 29) 사이에 연장되는 레이저 도파로를 이용하여, 도 3(b)에 나타내는 바와 같이, c축을 주면에 투영한 방향으로 편광하는 천이(Eb)의 발광보다도 강한 천이(Ea)의 발광을 이용하여 저임계값의 레이저 발진이 가능하게 된다.
Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자(11)에서는, 제1 및 제2 단면(27, 29)의 각각에는, 지지 기체(17)의 단면(17c) 및 반도체 영역(19)의 단면(19c)이 나타나 있고, 단면(17c) 및 단면(19c)은 유전체 다층막(43a)으로 덮여져 있다. 지지 기체(17)의 단면(17c) 및 활성층(25)에서의 단면(25c)의 법선 벡터(NA)와 활성층(25)의 m축 벡터(MA)가 이루는 각도(BETA)는, Ⅲ족 질화물 반도체의 c축 및 m축에 의해 규정되는 제1 평면(S1)에서 규정되는 성분[(BETA)1]과, 제1 평면(S1)(이해를 용이하게 하기 위해 「S1」로서 참조함) 및 법선축(NX)에 직교하는 제2 평면(S2)(이해를 용이하게 하기 위해 「S2」로서 참조함)에서 규정되는 성분[(BETA)2]에 의해 규정된다. 성분[(BETA)1]은, Ⅲ족 질화물 반도체의 c축 및 m축에 의해 규정되는 제1 평면(S1)에서 (ALPHA-5)도 이상 (ALPHA+5)도 이하의 범위인 것이 좋다. 이 각도 범위는, 도 4에서, 대표적인 m면(SM)과 참조면(FA)이 이루는 각도로서 나타나고 있다. 대표적인 m면(SM)이, 이해를 용이하게 하기 위해, 도 4에서, 레이저 구조체의 내측으로부터 외측에 걸쳐 그려져 있다. 참조면(FA)은, 활성층(25)의 단면(25c)을 따라 연장된다. 이 Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자(11)는, c축 및 m축의 한쪽으로부터 다른쪽으로 취해지는 각도(BETA)에 관해서, 상기 수직성을 만족하는 단면을 갖는다. 또한, 성분[(BETA)2]은 제2 평면(S2)에서 -5도 이상 +5도 이하의 범위인 것이 좋다. 여기서, BETA2=(BETA)1 2+(BETA)2 2이다. 이때, Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자(11)의 단면(27, 29)은, 반극성면(17a)의 법선축(NX)에 수직인 면에서 규정되는 각도에 관해서 상기 수직성을 만족한다.
재차 도 1을 참조하면, Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자(11)에서는, 지지 기체(17)의 두께(DSUB)는 400 ㎛ 이하인 것이 좋다. 이 Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자에서는, 레이저 공진기를 위한 양질의 단면을 얻기 위해 좋다. Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자(11)에서는, 지지 기체(17)의 두께(DSUB)는 50 ㎛ 이상 100 ㎛ 이하인 것이 더 좋다. 이 Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자(11)에서는, 레이저 공진기를 위한 양질의 단면을 얻기 위해 더 좋다. 또한, 핸들링이 용이해져, 생산 수율을 향상시킬 수 있다.
Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자(11)에서는, 법선축(NX)과 육방정계 Ⅲ족 질화물 반도체의 c축이 이루는 각도(ALPHA)는 45도 이상인 것이 좋고, 또한 80도 이하인 것이 좋다. 또한, 각도(ALPHA)는 100도 이상인 것이 좋고, 또한 135도 이하인 것이 좋다. 45도 미만 및 135도를 넘는 각도에서는, 압박에 의해 형성되는 단면이 m면으로 이루어질 가능성이 높아진다. 또한, 80도를 넘어 100도 미만의 각도에서는, 원하는 평탄성 및 수직성을 얻을 수 없을 우려가 있다.
Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자(11)에서는, 더 좋게는, 법선축(NX)과 육방정계 Ⅲ족 질화물 반도체의 c축이 이루는 각도(ALPHA)는 63도 이상인 것이 좋고, 또한 80도 이하인 것이 좋다. 또한, 각도(ALPHA)는 100도 이상인 것이 좋고, 또한 117도 이하인 것이 좋다. 63도 미만 및 117도를 넘는 각도에서는, 압박에 의해 형성되는 단면의 일부에, m면이 출현할 가능성이 있다. 또한, 80도를 넘어 100도 미만의 각도에서는, 원하는 평탄성 및 수직성을 얻을 수 없을 우려가 있다.
반극성 주면(17a)은, {20-21}면, {10-11}면, {20-2-1}면, 및 {10-1-1}면 중 어느 하나일 수 있다. 더욱, 이들 면으로부터 -4도 이상 +4도 이하의 범위로 미경사한 면도 상기 주면으로서 좋다. 이들 전형적인 반극성면(17a)에서, 상기 Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자(11)의 레이저 공진기를 구성할 수 있을 정도의 충분한 평탄성 및 수직성의 제1 및 제2 단면(27, 29)을 제공할 수 있다. 또한, 이들의 전형적인 면방위에 걸친 각도의 범위에서, 충분한 평탄성 및 수직성을 나타내는 단면을 얻을 수 있다.
Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자(11)에서는, 지지 기체(17)의 적층 결함 밀도는 1×104 ㎝-1 이하일 수 있다. 적층 결함 밀도가 1×104 ㎝-1 이하이기 때문에, 우발적인 사정에 의해 단면의 평탄성 및/또는 수직성이 흐트러질 가능성이 낮다. 또한, 지지 기체(17)는, GaN, AlN, AlGaN, InGaN 및 InAlGaN 중 어느 하나로 이루어질 수 있다. 이들 질화갈륨계 반도체로 이루어지는 기판을 이용할 때, 공진기로서 이용 가능한 단면(27, 29)을 얻을 수 있다. AlN 또는 AlGaN 기판을 이용할 때, 편광도를 크게 할 수 있고, 또한 저굴절률에 의해 광가둠을 강화할 수 있다. InGaN 기판을 이용할 때, 기판과 발광층의 격자 부정합률을 작게 할 수 있어, 결정 품질을 향상시킬 수 있다.
도 5는 본 실시형태에 따른 Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자를 제작하는 방법의 주요한 공정을 나타내는 도면이다. 도 6(a)를 참조하면, 기판(51)이 나타나 있다. 공정 S101에서는, Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자의 제작을 위한 기판(51)을 준비한다. 기판(51)의 육방정계 Ⅲ족 질화물 반도체의 c축[벡터(VC)]은, 육방정계 Ⅲ족 질화물 반도체의 m축 방향[벡터(VM)]으로 법선축(NX)에 대하여 유한한 각도(ALPHA)로 경사지고 있다. 이 때문에, 기판(51)은, 육방정계 Ⅲ족 질화물 반도체로 이루어지는 반극성 주면(51a)을 갖는다.
공정 S102에서는, 기판 생산물(SP)을 형성한다. 도 6(a)에서는, 기판 생산물(SP)은 거의 원판형의 부재로서 그려져 있지만, 기판 생산물(SP)의 형상은 이에 한정되는 것이 아니다. 기판 생산물(SP)을 얻기 위해, 우선, 공정 S103에서는, 레이저 구조체(55)를 형성한다. 레이저 구조체(55)는, 반도체 영역(53) 및 기판(51)을 포함하고 있고, 공정 S103에서는, 반도체 영역(53)은 반극성 주면(51a) 상에 형성된다. 반도체 영역(53)을 형성하기 위해, 반극성 주면(51a) 상에, 제1 도전형의 질화갈륨계 반도체 영역(57), 발광층(59), 및 제2 도전형의 질화갈륨계 반도체 영역(61)을 순서대로 성장시킨다. 질화갈륨계 반도체 영역(57)은, 예컨대 n형 클래드층을 포함하고, 질화갈륨계 반도체 영역(61)은, 예컨대 p형 클래드층을 포함할 수 있다. 발광층(59)은 질화갈륨계 반도체 영역(57)과 질화갈륨계 반도체 영역(61) 사이에 마련되고, 또한 활성층, 광가이드층 및 전자 블록층 등을 포함할 수 있다. 질화갈륨계 반도체 영역(57), 발광층(59), 및 제2 도전형의 질화갈륨계 반도체 영역(61)은, 반극성 주면(51a)의 법선축(NX)을 따라 배열되어 있다. 이들 반도체층은 에피택셜 성장된다. 반도체 영역(53) 상은, 절연막(54)으로 덮여져 있다. 절연막(54)은, 예컨대 실리콘 산화물로 이루어진다. 절연막(54)의 개구(54a)를 갖는다. 개구(54a)는, 예컨대 스트라이프 형상을 이룬다.
공정 S104에서는, 레이저 구조체(55) 상에, 애노드 전극(58a) 및 캐소드 전극(58b)이 형성된다. 또한, 기판(51)의 이면에 전극을 형성하기 전에, 결정 성장에 이용한 기판의 이면을 연마하여, 원하는 두께(DSUB)의 기판 생산물(SP)을 형성한다. 전극의 형성에서는, 예컨대 애노드 전극(58a)이 반도체 영역(53) 상에 형성되며, 캐소드 전극(58b)이 기판(51)의 이면(연마면)(51b) 상에 형성된다. 애노드 전극(58a)은 X축 방향으로 연장되고, 캐소드 전극(58b)은 이면(51b)의 전체면을 덮고 있다. 이들 공정에 의해, 기판 생산물(SP)이 형성된다. 기판 생산물(SP)은, 제1 면(63a)과, 이것에 반대측에 위치하는 제2 면(63b)을 포함한다. 반도체 영역(53)은 제1 면(63a)과 기판(51) 사이에 위치한다.
공정 S105에서는, 도 6(b)에 나타내는 바와 같이, 기판 생산물(SP)의 제1 면(63a)을 스크라이브한다. 이 스크라이브는, 레이저 스크라이버(10a)를 이용하여 행해진다. 스크라이브에 의해 스크라이브 홈(65a)이 형성된다. 도 6(b)에서는, 5개의 스크라이브 홈이 이미 형성되어 있고, 레이저 빔(LB)을 이용하여 스크라이브 홈(65b)의 형성이 진행되고 있다. 스크라이브 홈(65a)의 길이는, 육방정계 Ⅲ족 질화물 반도체의 a축 및 법선축(NX)에 의해 규정되는 a-n면과 제1 면(63a)의 교차선(AIS)의 길이보다도 짧고, 교차선(AIS)의 일부분에 레이저 빔(LB)의 조사가 행해진다. 레이저 빔(LB)의 조사에 의해, 특정 방향으로 연장되며 반도체 영역에 도달하는 홈이 제1 면(63a)에 형성된다. 스크라이브 홈(65a)은, 예컨대 기판 생산물(SP)의 일엣지에 형성될 수 있다.
공정 S106에서는, 도 6(c)에 나타내는 바와 같이, 기판 생산물(SP)의 제2 면(63b)에의 압박에 의해 기판 생산물(SP)의 분리를 행하여, 기판 생산물(SP1) 및 레이저 바(LB1)를 형성한다. 압박은, 예컨대 블레이드(69)라고 하는 브레이킹 장치를 이용하여 행해진다. 블레이드(69)는, 일방향으로 연장되는 엣지(69a)와, 엣지(69a)를 규정하는 적어도 2개의 블레이드면(69b, 69c)을 포함한다. 또한, 기판 생산물(SP1)의 압박은 지지 장치(71) 상에서 행해진다. 지지 장치(71)는, 지지면(71a)과 오목부(71b)를 포함하고, 오목부(71b)는 일방향으로 연장된다. 오목부(71b)는, 지지면(71a)에 형성되어 있다. 기판 생산물(SP1)의 스크라이브 홈(65a)의 방향 및 위치를 지지 장치(71)의 오목부(71b)의 연장 방향에 맞추어, 기판 생산물(SP1)을 지지 장치(71) 상에서 오목부(71b)에 위치 결정한다. 오목부(71b)의 연장 방향으로 브레이킹 장치의 엣지의 방향을 맞추어, 제2 면(63b)에 교차하는 방향으로부터 브레이킹 장치의 엣지를 기판 생산물(SP1)에 압박한다. 교차 방향은 제2 면(63b)에 거의 수직 방향인 것이 좋다. 이에 따라, 기판 생산물(SP)의 분리를 행하여, 기판 생산물(SP1) 및 레이저 바(LB1)를 형성한다. 압박에 의해, 제1 및 제2 단면(67a, 67b)을 갖는 레이저 바(LB1)가 형성되고, 이들 단면(67a, 67b)은, 적어도 발광층의 일부가 반도체 레이저의 공진 미러에 적용 가능한 정도의 수직성 및 평탄성을 갖는다.
형성된 레이저 바(LB1)는, 상기 분리에 의해 형성된 제1 및 제2 단면(67a, 67b)을 가지고, 단면(67a, 67b)의 각각은, 제1 면(63a)에서 제2 면(63b)에까지 연장된다. 이 때문에, 단면(67a, 67b)은, 상기 Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자의 레이저 공진기를 구성하고, XZ면에 교차한다. 이 XZ면은, 육방정계 Ⅲ족 질화물 반도체의 m축 및 법선축(NX)에 의해 규정되는 m-n면에 대응한다.
이 방법에 따르면, 육방정계 Ⅲ족 질화물 반도체의 a축의 방향으로 기판 생산물(SP)의 제1 면(63a)을 스크라이브한 후에, 기판 생산물(SP)의 제2 면(63b)에의 압박에 의해 기판 생산물(SP)의 분리를 행하여, 새로운 기판 생산물(SP1) 및 레이저 바(LB1)를 형성한다. 이 때문에, m-n면에 교차하도록, 레이저 바(LB1)에 제1 및 제2 단면(67a, 67b)이 형성된다. 이 단면 형성에 따르면, 제1 및 제2 단면(67a, 67b)에 상기 Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자의 레이저 공진기를 구성할 수 있을 정도의 충분한 평탄성 및 수직성이 제공된다.
또한, 이 방법에서는, 형성된 레이저 도파로는, 육방정계 Ⅲ족 질화물의 c축의 경사의 방향으로 연장되고 있다. 드라이 에칭면을 이용하지 않고, 이 레이저 도파로를 제공할 수 있는 공진기 미러 단면을 형성하고 있다.
이 방법에 따르면, 기판 생산물(SP1)의 할단에 의해, 새로운 기판 생산물(SP1) 및 레이저 바(LB1)가 형성된다. 공정 S107에서는, 압박에 의한 분리를 반복하여, 다수의 레이저 바를 제작한다. 이 할단은, 레이저 바(LB1)의 할단선(BREAK)에 비해 짧은 스크라이브 홈(65a)을 이용하여 야기된다.
공정 S108에서는, 레이저 바(LB1)의 단면(67a, 67b)에 유전체 다층막을 형성하여, 레이저 바 생산물을 형성한다. 공정 S109에서는, 이 레이저 바 생산물을 각각의 반도체 레이저의 칩으로 분리한다.
본 실시형태에 따른 제조 방법에서는, 각도(ALPHA)는, 45도 이상 80도 이하 및 100도 이상 135도 이하의 범위일 수 있다. 45도 미만 및 135도를 넘는 각도에서는, 압박에 의해 형성되는 단면이 m면으로 이루어질 가능성이 높아진다. 또한, 80도를 넘어 100도 미만의 각도에서는, 원하는 평탄성 및 수직성을 얻을 수 없을 우려가 있다. 더 좋게는, 각도(ALPHA)는, 63도 이상 80도 이하 및 100도 이상 117도 이하의 범위일 수 있다. 45도 미만 및 135도를 넘는 각도에서는, 압박에 의해 형성되는 단면의 일부에, m면이 출현할 가능성이 있다. 또한, 80도를 넘어 100도 미만의 각도에서는, 원하는 평탄성 및 수직성을 얻을 수 없을 우려가 있다. 반극성 주면(51a)은, {20-21}면, {10-11}면, {20-2-1}면, 및 {10-1-1}면 중 어느 하나일 수 있다. 또한, 이들 면으로부터 -4도 이상 +4도 이하의 범위로 미경사한 면도 상기 주면으로서 좋다. 이들 전형적인 반극성면에서, 상기 Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자의 레이저 공진기를 구성할 수 있을 정도의 충분한 평탄성 및 수직성으로 레이저 공진기를 위한 단면을 제공할 수 있다.
또한, 기판(51)은, GaN, AlN, AlGaN, InGaN 및 InAlGaN 중 어느 하나로 이루어질 수 있다. 이들 질화갈륨계 반도체로 이루어지는 기판을 이용할 때, 레이저 공진기로서 이용 가능한 단면을 얻을 수 있다. 기판(51)은 GaN으로 이루어지는 것이 좋다.
기판 생산물(SP)을 형성하는 공정 S104에서, 결정 성장에 사용된 반도체 기판은, 기판 두께가 400 ㎛ 이하가 되도록 슬라이스 또는 연삭이라고 하는 가공이 실시되고, 제2 면(63b)이 연마에 의해 형성된 가공면일 수 있다. 이 기판 두께로서는, 상기 Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자의 레이저 공진기를 구성할 수 있을 정도의 충분한 평탄성, 수직성 또는 이온 손상이 없는 단면(67a, 67b)을 수율 좋게 형성할 수 있다. 제2 면(63b)이 연마에 의해 형성된 연마면이며, 연마되어 기판 두께가 100 ㎛ 이하이면 더 좋다. 또한, 기판 생산물(SP)을 비교적 용이하게 취급하기 위해서는, 기판 두께가 50 ㎛ 이상인 것이 좋다.
본 실시형태에 따른 레이저 단면의 제조 방법에서는, 레이저 바(LB1)에서도, 도 3을 참조하면서 설명된 각도(BETA)가 규정된다. 레이저 바(LB1)에서는, 각도(BETA)의 성분[(BETA)1]은, Ⅲ족 질화물 반도체의 c축 및 m축에 의해 규정되는 제1 평면[도 3을 참조한 설명에서의 제1 평면(S1)에 대응하는 면]에서 (ALPHA-5)도 이상 (ALPHA+5)도 이하의 범위인 것이 좋다. 레이저 바(LB1)의 단면(67a, 67b)은, c축 및 m축의 한쪽으로부터 다른쪽으로 취해지는 각도(BETA)의 각도 성분에 관해서 상기 수직성을 만족한다. 또한, 각도(BETA)의 성분[(BETA)2]은, 제2 평면[도 3에 나타낸 제2 평면(S2)에 대응하는 면]에서 -5도 이상 +5도 이하의 범위인 것이 좋다. 이때, 레이저 바(LB1)의 단면(67a, 67b)은, 반극성면(51a)의 법선축(NX)에 수직인 면에서 규정되는 각도(BETA)의 각도 성분에 관해서 상기 수직성을 만족한다.
단면(67a, 67b)은, 반극성면(51a) 상에 에피택셜로 성장된 복수의 질화갈륨계 반도체층에의 압박에 의한 브레이크에 의해 형성된다. 반극성면(51a) 상에의 에피택셜막이기 때문에, 단면(67a, 67b)은, 이제까지 공진기 미러로서 이용되어 온 c면, m면, 또는 a면이라고 하는 바닥면 지수의 벽개면이 아니다. 그러나, 반극성면(51a) 상에의 에피택셜막의 적층의 브레이크에서, 단면(67a, 67b)은, 공진기 미러로서 적용 가능한 평탄성 및 수직성을 갖는다.
(실시예 1)
이하의 대로, 반극성면 GaN 기판을 준비하고, 단면의 수직성을 관찰하였다. 기판에는, HVPE법으로 두껍게 성장시킨 (0001) GaN 잉곳으로부터 m축 방향에 75도의 각도로 추출한 {20-21}면 GaN 기판을 이용하였다. GaN 기판의 주면은 경면 마무리이며, 이면은 연삭 마무리된 배 껍질과 같은 거칠거칠한 상태였다. 기판의 두께는 370 ㎛였다.
배 껍질과 같은 거칠거칠한 상태의 이면측에, 다이아몬드 펜을 이용하여, c축을 기판 주면에 투영한 방향으로 수직으로 표시선을 넣은 후, 압박하여 기판을 할단하였다. 얻어진 단면의 수직성을 관찰하기 위해, 주사형 전자 현미경을 이용하여 a면 방향에서 기판을 관찰하였다.
도 7(a)는 단면을 a면 방향에서 관찰한 주사형 전자 현미경상이고, 우측의 단면이 단면이다. 단면은 반극성 주면에 대하여, 평탄성 및 수직성을 갖는 것을 알 수 있다.
(실시예 2)
실시예 1에서는, 반극성 {20-21}면을 갖는 GaN 기판에서, c축을 기판 주면에 투영한 방향으로 수직으로 표시선을 넣어 압박하여 얻은 단면은, 기판 주면에 대하여 평탄성 및 수직성을 갖는 것을 알 수 있었다. 그래서 이 단면을 레이저의 공진기로서의 유용성을 조사하기 위해, 이하와 같이, 도 8에 나타내는 레이저 다이오드를 유기 금속 기상 성장법에 따라 성장시켰다. 원료에는 트리메틸갈륨(TMGa), 트리메틸알루미늄(TMAl), 트리메틸인듐(TMIn), 암모니아(NH3), 실란(SiH4)을 이용하였다. 기판(71)을 준비하였다. 기판(71)에는, HVPE법으로 두껍게 성장시킨 (0001) GaN 잉곳으로부터 m축 방향으로 0도에서 90도의 범위의 각도로 웨이퍼 슬라이스 장치를 이용하여 추출하고, m축 방향에의 c축의 경사 각도(ALPHA)가, 0도에서 90도의 범위의 원하는 오프각을 갖는 GaN 기판을 제작하였다. 예컨대, 75도의 각도로 추출하였을 때, {20-21}면 GaN 기판을 얻을 수 있고, 도 7(b)에 나타내는 육방정계의 결정 격자에서 참조 부호 71a에 의해 나타내고 있다.
성장 전에, 기판의 적층 결함 밀도를 조사하기 위해, 캐소드 루미네센스법에 따라, 기판을 관찰하였다. 캐소드 루미네센스에서는, 전자선에 의해 여기된 캐리어의 발광 과정을 관찰하지만, 적층 결함이 존재하면, 그 근방에서는 캐리어가 비발광 재결합하기 때문에, 암선형으로 관찰된다. 그 암선의 단위 길이당의 밀도(선밀도)를 구하고, 적층 결함 밀도로 정의하였다. 여기서는, 적층 결함 밀도를 조사하기 위해, 비파괴 측정의 캐소드 루미네센스법을 이용하였지만, 파괴 측정의 투과형 전자 현미경을 이용하여도 좋다. 투과형 전자 현미경에서는, a축 방향으로부터 시료 단면(斷面)을 관찰하였을 때, 기판으로부터 시료 표면을 향하여 m축 방향으로 신장하는 결함이 지지 기체에 포함되는 적층 결함이며, 캐소드 루미네센스법의 경우와 마찬가지로, 적층 결함의 선밀도를 구할 수 있다.
이 기판(71)을 반응로 내의 서셉터 상에 배치한 후에, 이하의 성장 순서로 에피택셜층을 성장시켰다. 우선, 두께 1000 ㎚의 n형 GaN(72)을 성장시켰다. 다음에, 두께 1200 ㎚의 n형 InAlGaN 클래드층(73)을 성장시켰다. 계속해서, 두께 200 ㎚의 n형 GaN 가이드층(74a) 및 두께 65 ㎚의 언도프 InGaN 가이드층(74b)을 성장시킨 후에, GaN 두께 15 ㎚/InGaN 두께 3 ㎚로 구성되는 3주기 MQW(75)를 성장시켰다. 계속해서, 두께 65 ㎚의 언도프 InGaN 가이드층(76a), 두께 20 ㎚의 p형 AlGaN 블록층(77a) 및 두께 200 ㎚의 p형 GaN 가이드층(76b)을 성장시켰다. 다음에, 두께 400 ㎚의 p형 InAlGaN 클래드층(77b)을 성장시켰다. 마지막으로, 두께 50 ㎚의 p형 GaN 컨택트층(78)을 성장하였다.
SiO2의 절연막(79)을 컨택트층(78) 상에 성막한 후에, 포토리소그래피를 이용하여 폭 10 ㎛의 스트라이프창을 웨트 에칭에 의해 형성하였다. 여기서, 이하의 2와 같이 스트라이프 방향의 컨택트창을 형성하였다. 레이저 스트라이프가 (1) M 방향(컨택트창이 c축 및 m축에 의해 규정되는 미리 정해진 면을 따른 방향)의 것과, (2) A 방향: <11-20> 방향의 것이다.
스트라이프창을 형성한 후에, Ni/Au로 이루어지는 p측 전극(80a)과 Ti/Al로 이루어지는 패드 전극을 증착하였다. 계속해서, GaN 기판(GaN 웨이퍼)의 이면을 다이아몬드 슬러리를 이용하여 연마하고, 이면이 미러 상태인 기판 생산물을 제작하였다. 이때, 접촉식 막후계를 이용하여 기판 생산물의 두께를 측정하였다. 두께의 측정에는, 시료 단면으로부터의 현미경에 의해서도 행하여도 좋다. 현미경에는, 광학 현미경이나, 주사형 전자 현미경을 이용할 수 있다. GaN 기판(GaN 웨이퍼)의 이면(연마면)에는 Ti/Al/Ti/Au로 이루어지는 n측 전극(80b)을 증착에 의해 형성하였다.
이들 2종류의 레이저 스트라이프에 대한 공진기 미러의 제작에는, 파장 355 ㎚의 YAG 레이저를 이용하는 레이저 스크라이버를 이용하였다. 레이저 스크라이버를 이용하여 브레이크한 경우에는, 다이아몬드 스크라이브를 이용한 경우와 비교하여, 발진 칩 수율을 향상시키는 것이 가능하다. 스크라이브 홈의 형성 조건으로서 이하의 것을 이용하였다: 레이저 광출력 100 ㎽; 주사 속도는 5 ㎜/s. 형성된 스크라이브 홈은, 예컨대, 길이 30 ㎛, 폭 10 ㎛, 깊이 40 ㎛의 홈이었다. 800 ㎛ 피치로 기판의 절연막 개구 부분을 통해 에피택셜 표면에 직접 레이저 광을 조사함으로써, 스크라이브 홈을 형성하였다. 공진기 길이는 600 ㎛로 하였다.
블레이드를 이용하여, 공진 미러를 할단에 의해 제작하였다. 기판 이면측에 압박에 의해 브레이크함으로써, 레이저 바를 제작하였다. 보다 구체적으로, {20-21}면의 GaN 기판에 대해서, 결정 방위와 단면의 관계를 나타낸 것이, 도 7(b)와 도 7(c)이다. 도 7(b)는 레이저 스트라이프를 (1) M 방향으로 마련한 경우이며, 반극성면(71a)과 함께 레이저 공진기를 위한 단면(81a, 81b)이 나타난다. 단면(81a, 81b)은 반극성면(71a)에 거의 직교하고 있지만, 종래의 c면, m면 또는 a면 등의 이제까지의 벽개면과는 다르다. 도 7(c)는 레이저 스트라이프를 (2) <11-20> 방향에 마련한 경우이며, 반극성면(71a)과 함께 레이저 공진기를 위한 단면(81c, 81d)이 나타난다. 단면(81c, 81d)은 반극성면(71a)에 거의 직교하고 있고, a면으로 구성된다.
브레이크에 의해 형성된 단면을 주사형 전자 현미경으로 관찰한 결과, (1) 및 (2)의 각각에서, 현저한 요철은 관찰되지 않았다. 이 것으로부터, 단면의 평탄성(요철의 크기)은, 20 ㎚ 이하로 추정된다. 또한, 단면의 시료 표면에 대한 수직성은, ±5도의 범위 내였다.
레이저 바의 단면에 진공 증착법에 따라 유전체 다층막을 코팅하였다. 유전체 다층막은, SiO2과 TiO2를 교대로 적층하여 구성하였다. 막 두께는 각각, 50∼100 ㎚의 범위로 조정하여, 반사율의 중심 파장이 500∼530 ㎚의 범위가 되도록 설계하였다. 편측의 반사면을 10주기로 하며, 반사율의 설계값을 약 95％로 설계하고, 다른 편측의 반사면을 6주기로 하며, 반사율의 설계값을 약 80％로 하였다.
통전에 의한 평가를 실온에서 행하였다. 전원에는, 펄스 폭 500 ㎱, 듀티비 0.1％의 펄스 전원을 이용하며, 표면 전극에 바늘을 떨어뜨려 통전하였다. 광출력 측정 시에는, 레이저 바 단면으로부터의 발광을 포토다이오드에 의해 검출하여, 전류-광출력 특성(I-L 특성)을 조사하였다. 발광 파장을 측정할 때에는, 레이저 바 단면으로부터의 발광을 광 파이버에 통과시키고, 검출기에 스펙트럼 애널라이저를 이용하여 스펙트럼 측정을 행하였다. 편광 상태를 조사할 때에는, 레이저 바로부터의 발광에 편광판을 통해 회전시킴으로써, 편광 상태를 조사하였다. LED 모드광을 관측할 때에는, 광 파이버를 레이저 바 표면측에 배치함으로써, 표면으로부터 방출되는 광을 측정하였다.
모든 레이저에서 발진 후의 편광 상태를 확인한 결과, a축 방향으로 편광하고 있는 것을 알 수 있었다. 발진 파장은 500∼530 ㎚였다.
모든 레이저에서 LED 모드(자연 방출광)의 편광 상태를 측정하였다. a축의 방향의 편광 성분을 I1, m축을 주면에 투영한 방향의 편광 성분을 I2로 하고, (I1-I2)/(I1+I2)를 편광도(ρ)로 정의하였다. 이렇게 하여, 구한 편광도(ρ)와 임계값 전류 밀도의 최소값의 관계를 조사한 결과, 도 9를 얻을 수 있었다. 도 9로부터, 편광도가 플러스인 경우에, (1) 레이저 스트라이프 M 방향의 레이저에서는, 임계값 전류 밀도가 크게 저하하는 것을 알 수 있다. 즉, 편광도가 플러스(I1>I2)이며, 또한 오프 방향으로 도파로를 마련한 경우에, 임계값 전류 밀도가 대폭 저하하는 것을 알 수 있다. 도 9에 나타낸 데이터는 이하의 것이다.
임계값 전류 임계값 전류
편광도, (M 방향 스트라이프), (<11-20> 스트라이프)
0.08 64 20
0.05 18 42
0.15 9 48
0.276 7 52
0.4 6
GaN 기판의 m축 방향에의 c축의 경사각과 발진 수율의 관계를 조사한 결과, 도 10을 얻을 수 있었다. 본 실시예에서는, 발진 수율에 대해서는, (발진 칩수)/(측정 칩수)로 정의하였다. 또한, 도 10은 기판의 적층 결함 밀도가 1×104(㎝-1) 이하의 기판이며, 또한 레이저 스트라이프가 (1) M 방향의 레이저에서, 플롯한 것이다. 도 10으로부터, 오프각이 45도 이하에서는, 발진 수율이 매우 낮은 것을 알 수 있다. 단면 상태를 광학 현미경으로 관찰한 결과, 45도보다 작은 각도에서는, 거의 칩에서 m면이 출현하고, 수직성을 얻을 수 없는 것을 알 수 있었다. 또한, 오프각이 63도 이상 80도 이하의 범위에서는, 수직성이 향상하며, 발진 수율이 50％ 이상으로 증가하는 것을 알 수 있다. 이들 사실로부터, GaN 기판의 오프 각도의 범위는, 63도 이상 80도 이하가 최적이다. 또한, 이 결정적으로 등가인 단면을 갖게 되는 각도 범위인, 100도 이상 117도 이하의 범위라도, 마찬가지의 결과를 얻을 수 있다. 도 10에 나타낸 데이터는 이하의 것이다.
경사각, 수율
10 0.1
43 0.2
58 50
63 65
66 80
71 85
75 80
79 75
85 45
90 35
적층 결함 밀도와 발진 수율의 관계를 조사한 결과, 도 11을 얻을 수 있었다. 발진 수율의 정의에 대해서는, 상기와 마찬가지이다. 도 11로부터, 적층 결함 밀도가 1×104(㎝-1)를 넘으면 급격하게 발진 수율이 저하하는 것을 알 수 있다. 또한, 단면 상태를 광학 현미경으로 관찰한 결과, 발진 수율이 저하한 샘플에서는, 단면의 요철이 격심하며 평탄한 단면을 얻을 수 없는 것을 알 수 있었다. 적층 결함의 존재에 의해, 분할되기 쉬움에 차이가 나타난 것이 원인이라고 생각된다. 이 것으로부터, 기판에 포함되는 적층 결함 밀도가 1×104(㎝-1) 이하인 것이 좋다.
도 11에 나타낸 데이터는 이하의 것이다.
적층 결함 밀도(㎝-1), 수율
500 80
1000 75
4000 70
8000 65
10000 20
50000 2
기판 두께와 발진 수율의 관계를 조사한 결과, 도 12를 얻을 수 있었다. 발진 수율의 정의에 대해서는, 상기와 마찬가지이다. 또한, 도 12에서는, 기판의 적층 결함 밀도 1×104(㎝-1) 이하이며, 또한 레이저 스트라이프가 (1) M 방향의 레이저에서, 플롯하였다. 도 12로부터, 기판 두께가 100 ㎛보다도 얇으며 50 ㎛보다도 두꺼울 때에, 발진 수율이 높다. 이것은, 기판 두께가 100 ㎛보다도 두꺼우면, 단면의 수직성이 악화되는 것에 의한다. 또한, 50 ㎛보다도 얇으면, 핸들링이 곤란하며, 칩이 파괴되기 쉬워지는 것에 의한다. 이들로부터, 기판의 두께는, 50 ㎛ 이상 100 ㎛ 이하가 최적이다. 도 12에 나타낸 데이터는 이하의 것이다.
기판 두께, 수율
48 10
80 65
90 70
110 45
150 48
200 30
400 20
(실시예 3)
실시예 2에서는, {20-21}면을 갖는 GaN 기판 상에, 반도체 레이저를 위한 복수의 에피택셜막을 성장시켰다. 상기한 바와 같이, 스크라이브 홈의 형성과 압박에 의해 광공진기용의 단면이 형성되었다. 이들의 단면의 후보를 찾아내기 위해, (20-21)면에 90도 근방의 각도를 이루며, a면과는 상이한 면방위를 계산에 의해 구하였다. 도 13을 참조하면, 이하의 각도 및 면방위가, (20-21)면에 대하여 90도 근방의 각도를 갖는다.
구체적인 면지수, {20-21}면에 대한 각도
(-1016):92.46도;
(-1017):90.10도;
(-1018):88.29도.
도 14는 (20-21)면과 (-101-6)면 및 (-1016)면에서의 원자 배치를 나타내는 도면이다. 도 15는 (20-21)면과 (-101-7)면 및 (-1017)면에서의 원자 배치를 나타내는 도면이다. 도 16은 (20-21)면과 (-101-8)면 및 (-1018)면에서의 원자 배치를 나타내는 도면이다. 도 14∼도 16에 나타내는 바와 같이, 화살표에 의해 나타내는 국소적인 원자 배치는 전하적으로 중성인 원자의 배열을 나타내고, 전기적 중성의 원자 배치가 주기적으로 출현하고 있다. 성장면에 대하여, 비교적 수직인 면을 얻을 수 있는 이유는, 이 전하적으로 중성인 원자 배열이 주기적으로 나타남으로써, 단면의 생성이 비교적 안정으로 되어 있는 것이 생각될 가능성이 있다.
상기 실시예 1∼3을 포함한 여러가지 실험에 의해, 각도(ALPHA)는, 45도 이상 80도 이하 및 100도 이상 135도 이하의 범위일 수 있다. 발진 칩 수율을 향상시키기 위해서는, 각도(ALPHA)는, 63도 이상 80도 이하 및 100도 이상 117도 이하의 범위일 수 있다. 전형적인 반극성 주면, {20-21}면, {10-11}면, {20-2-1}면, 및 {10-1-1}면 중 어느 하나일 수 있다. 또한, 이들 반극성면으로부터의 미경사면일 수 있다. 예컨대, 반극성 주면은, {20-21}면, {10-11}면, {20-2-1}면, 및 {10-1-1}면 중 어느 하나의 면으로부터, m면 방향으로 -4도 이상 +4도 이하의 범위로 오프한 미경사면일 수 있다.
적합한 실시형태에서 본 발명의 원리를 도시하며 설명하여 왔지만, 본 발명은 그와 같은 원리로부터 일탈하는 일 없이 배치 및 상세에서 변경될 수 있는 것은, 당업자에 의해 인식된다. 본 발명은 본 실시형태에 개시된 특정 구성에 한정되는 것이 아니다. 따라서, 특허청구의 범위 및 그 정신의 범위로부터 오는 모든 수정 및 변경에 권리를 청구한다.
11…Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자, 13…레이저 구조체, 13a…제1 면, 13b…제2 면, 13c, 13d…엣지, 15…전극, 17…지지 기체, 17a…반극성 주면, 17b…지지 기체 이면, 17c…지지 기체 단면, 19…반도체 영역, 19a…반도체 영역 표면, 19c…반도체 영역 단면, 21…제1 클래드층, 23…제2 클래드층, 25…활성층, 25a…우물층, 25b…장벽층, 27, 29…단면, ALPHA…각도, Sc…c면, NX…법선축, 31…절연막, 31a…절연막 개구, 35…n측 광가이드층, 37…p측 광가이드층, 39…캐리어 블록층, 41…전극, 43a, 43b…유전체 다층막, MA…m축 벡터, BETA…각도, DSUB…지지 기체 두께, 51…기판, 51a…반극성 주면, SP…기판 생산물, 57…질화갈륨계 반도체 영역, 59…발광층, 61…질화갈륨계 반도체 영역, 53…반도체 영역, 54…절연막, 54a…절연막 개구, 55…레이저 구조체, 58a…애노드 전극, 58b…캐소드 전극, 63a…제1 면, 63b…제2 면, 10a…레이저 스크라이버, 65a…스크라이브 홈, 65b…스크라이브 홈, LB…레이저 빔, SP1…기판 생산물, LB1…레이저 바, 69…블레이드, 69a…엣지, 69b, 69c…블레이드면, 71…지지 장치, 71a…지지면, 71b…오목부

Claims (25)

  1. Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자로서,
    육방정계 Ⅲ족 질화물 반도체로 이루어지며 반극성 주면을 갖는 지지 기체, 및 상기 지지 기체의 상기 반극성 주면 상에 마련된 반도체 영역을 포함하는 레이저 구조체와,
    상기 레이저 구조체의 상기 반도체 영역 상에 마련된 전극
    을 구비하고,
    상기 반도체 영역은, 제1 도전형의 질화갈륨계 반도체로 이루어지는 제1 클래드층과, 제2 도전형의 질화갈륨계 반도체로 이루어지는 제2 클래드층과, 상기 제1 클래드층과 상기 제2 클래드층의 사이에 마련된 활성층을 포함하며,
    상기 제1 클래드층, 상기 제2 클래드층 및 상기 활성층은 상기 반극성 주면의 법선축을 따라 배열되어 있고,
    상기 활성층은 질화갈륨계 반도체층을 포함하며,
    상기 지지 기체의 상기 육방정계 Ⅲ족 질화물 반도체의 c축은, 상기 육방정계 Ⅲ족 질화물 반도체의 m축의 방향으로 상기 법선축에 대하여 소정의 각도(ALPHA)로 경사져 있고,
    상기 레이저 구조체는, 상기 육방정계 Ⅲ족 질화물 반도체의 m축에 평행한 축과 상기 법선축에 의해 규정되는 m-n면에 교차하는 제1 및 제2 단면을 포함하며,
    상기 제1 및 제2 단면의 각각에는, 상기 지지 기체의 단면(端面) 및 상기 반도체 영역의 단면(端面)이 나타나 있고,
    상기 반도체 영역의 상기 활성층에서의 단면과 상기 육방정계 Ⅲ족 질화물 반도체로 이루어지는 지지 기체의 m축에 직교하는 기준면이 이루는 각도는, 상기 육방정계 Ⅲ족 질화물 반도체의 c축 및 m축에 의해 규정되는 제1 평면에서 (ALPHA-5)도 이상 (ALPHA+5)도 이하의 범위의 각도를 이루고,
    상기 Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자의 레이저 공진기는 상기 제1 및 제2 단면을 포함하고,
    상기 레이저 구조체는 제1 및 제2 면을 포함하며, 상기 제1 면은 상기 제2 면의 반대측의 면이고,
    상기 제1 및 제2 단면은, 각각 상기 제1 면의 엣지에서 상기 제2 면의 엣지까지 연장되는 것을 특징으로 하는 Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자.
  2. 제1항에 있어서, 상기 법선축과 상기 육방정계 Ⅲ족 질화물 반도체의 c축이 이루는 각도는, 45도 이상 80도 이하 또는 100도 이상 135도 이하의 범위인 것을 특징으로 하는 Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 법선축과 상기 육방정계 Ⅲ족 질화물 반도체의 c축이 이루는 각도는, 63도 이상 80도 이하 또는 100도 이상 117도 이하의 범위인 것을 특징으로 하는 Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 지지 기체의 두께는 0 초과 400 ㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 지지 기체의 두께는 50 ㎛ 이상 100 ㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 활성층으로부터의 레이저 광은, 상기 육방정계 Ⅲ족 질화물 반도체의 a축의 방향으로 편광하고 있는 것을 특징으로 하는 Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자에서의 LED 모드에서의 광은, 상기 육방정계 Ⅲ족 질화물 반도체의 a축의 방향으로 편광 성분(I1)과, 상기 육방정계 Ⅲ족 질화물 반도체의 c축을 주면에 투영한 방향으로 편광 성분(I2)을 포함하고,
    상기 편광 성분(I1)은 상기 편광 성분(I2)보다도 큰 것을 특징으로 하는 Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 반극성 주면은, {20-21}면, {10-11}면, {20-2-1}면, 및 {10-1-1}면 중 어느 하나의 면으로부터 -4도 이상 + 4도 이하의 범위로 오프한 미(微)경사면인 것을 특징으로 하는 Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자.
  9. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 반극성 주면은, {20-21}면, {10-11}면, {20-2-1}면, 및 {10-1-1}면 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자.
  10. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 지지 기체의 적층 결함 밀도는 0 초과 1×104 ㎝-1 이하인 것을 특징으로 하는 Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자.
  11. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 지지 기체는, GaN, AlGaN, AlN, InGaN 및 InAlGaN 중 어느 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자.
  12. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제1 및 제2 단면 중 어느 한쪽 이상에 마련된 유전체 다층막을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자.
  13. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 활성층은, 파장 360 ㎚ 이상 600 ㎚ 이하의 광을 발생하도록 마련된 발광 영역을 포함하는 것을 특징으로 하는 Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자.
  14. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 활성층은, 파장 430 ㎚ 이상 550 ㎚ 이하의 광을 발생하도록 마련된 양자 우물 구조를 포함하는 것을 특징으로 하는 Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자.
  15. 삭제
  16. 제1항에 있어서, 상기 각도는, 상기 제1 평면 및 상기 법선축에 직교하는 제2 평면에서 -5도 이상 +5도 이하의 범위가 되는 것을 특징으로 하는 Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자.
  17. Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자를 제작하는 방법으로서,
    육방정계 Ⅲ족 질화물 반도체로 이루어지며 반극성 주면을 갖는 기판을 준비하는 공정과,
    상기 반극성 주면 상에 형성된 반도체 영역과 상기 기판을 포함하는 레이저 구조체, 애노드 전극, 및 캐소드 전극을 갖는 기판 생산물을 형성하는 공정과,
    상기 육방정계 Ⅲ족 질화물 반도체의 a축의 방향으로 상기 기판 생산물의 제1 면을 부분적으로 스크라이브하는 공정과,
    상기 기판 생산물의 제2 면에의 압박에 의해 상기 기판 생산물의 분리를 행하여, 별도의 기판 생산물 및 레이저 바를 형성하는 공정
    을 포함하고,
    상기 제1 면은 상기 제2 면의 반대측의 면이며,
    상기 반도체 영역은 상기 제1 면과 상기 기판의 사이에 위치하고,
    상기 레이저 바는, 상기 제1 면에서 상기 제2 면에까지 연장되며 상기 분리에 의해 형성된 제1 및 제2 단면(端面)을 가지고,
    상기 제1 및 제2 단면은 상기 Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자의 레이저 공진기를 구성하며,
    상기 애노드 전극 및 캐소드 전극은, 상기 레이저 구조체 상에 형성되고,
    상기 반도체 영역은, 제1 도전형의 질화갈륨계 반도체로 이루어지는 제1 클래드층과, 제2 도전형의 질화갈륨계 반도체로 이루어지는 제2 클래드층과, 상기 제1 클래드층과 상기 제2 클래드층 사이에 마련된 활성층을 포함하며,
    상기 제1 클래드층, 상기 제2 클래드층 및 상기 활성층은 상기 반극성 주면의 법선축을 따라 배열되어 있고,
    상기 활성층은 질화갈륨계 반도체층을 포함하며,
    상기 기판의 상기 육방정계 Ⅲ족 질화물 반도체의 c축은, 상기 육방정계 Ⅲ족 질화물 반도체의 m축의 방향으로 상기 법선축에 대하여 소정의 각도(ALPHA)로 경사져 있고,
    상기 제1 및 제2 단면은, 상기 육방정계 Ⅲ족 질화물 반도체의 m축에 평행한 축과 상기 법선축에 의해 규정되는 m-n면에 교차하고,
    상기 제1 및 제2 단면의 각각에서의 상기 활성층의 단면은, 상기 육방정계 Ⅲ족 질화물 반도체로 이루어지는 지지 기체의 m축에 직교하는 기준면에 대하여, 상기 육방정계 Ⅲ족 질화물 반도체의 c축 및 m축에 의해 규정되는 평면에서 (ALPHA-5)도 이상 (ALPHA+5)도 이하의 범위의 각도를 이루는 것을 특징으로 하는 Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자를 제작하는 방법.
  18. 제17항에 있어서, 상기 각도(ALPHA)는 45도 이상 80도 이하 또는 100도 이상 135도 이하의 범위인 것을 특징으로 하는 Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자를 제작하는 방법.
  19. 제17항 또는 제18항에 있어서, 상기 각도(ALPHA)는 63도 이상 80도 이하 또는 100도 이상 117도 이하의 범위인 것을 특징으로 하는 Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자를 제작하는 방법.
  20. 제17항 또는 제18항에 있어서, 상기 기판 생산물을 형성하는 상기 공정에서, 상기 기판은, 상기 기판의 두께가 0 초과 400 ㎛ 이하가 되도록 슬라이스 또는 연삭이라고 하는 가공이 실시되고,
    상기 제2 면은 상기 가공에 의해 형성된 가공면, 또는 상기 가공면에 위에 형성된 전극을 포함하는 면인 것을 특징으로 하는 Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자를 제작하는 방법.
  21. 제17항 또는 제18항에 있어서, 상기 기판 생산물을 형성하는 상기 공정에서, 상기 기판은, 상기 기판의 두께가 50 ㎛ 이상 100 ㎛ 이하가 되도록 연마되고,
    상기 제2 면은 상기 연마에 의해 형성된 연마면, 또는 상기 연마면에 위에 형성된 전극을 포함하는 면인 것을 특징으로 하는 Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자를 제작하는 방법.
  22. 제17항 또는 제18항에 있어서, 상기 스크라이브는, 레이저 스크라이버를 이용하여 행해지고,
    상기 스크라이브에 의해 스크라이브 홈이 형성되며, 상기 스크라이브 홈의 길이는, 상기 육방정계 Ⅲ족 질화물 반도체의 a축에 평행한 축과 상기 법선축에 의해 규정되는 a-n면과 상기 제1 면의 교차선의 길이보다도 짧은 것을 특징으로 하는 Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자를 제작하는 방법.
  23. 제17항 또는 제18항에 있어서, 상기 반극성 주면은, {20-21}면, {10-11}면, {20-2-1}면, 및 {10-1-1}면 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자를 제작하는 방법.
  24. 삭제
  25. 제17항 또는 제18항에 있어서, 상기 기판은, GaN, AlGaN, AlN, InGaN 및 InAlGaN 중 어느 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자를 제작하는 방법.
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