KR19990083384A - 반도체레이저소자 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 자외영역에서도 발진 가능한 반도체 레이저 소자를 실현할 수 있도록 하는 것과 함께 소자의 신뢰성 향상을 도모하기 위한 것으로, 사파이어로 이루어지는 기판(11) 상에 GaN으로 이루어지는 버퍼층(12)과 실리콘(Si)이 도프된 n형 GaN으로 이루어지는 n형 컨택트층(13)이 차례로 형성되어 있다. n형 컨택트층 (13) 상의 소자 형성영역에는 n형 Al0.3Ga0.7N으로 이루어지는 n형 클래드층 (14), n형 Al0.25Ga0.75N으로 이루어지는 n형 광가이드층(15), Al0.2Ga0.8N으로 이루어지는 웰층 및 Al0.25Ga0.75N으로 이루어지는 장벽층이 번갈아 적층되어 이루어지는 다중양자웰 활성층(16)과, 마그네슘(Mg)이 도프된 p형 Al0.25Ga0.75N으로 이루어지는 p형 광가이드층(17)과, p형 Al0.4Ga0.6N0.98P0.02로 이루어지는 p형 클래드층(18), p형 GaN으로 이루어지는 p형 컨택트층 (19)이 차례로 형성되어 있다.
Description
본 발명은 광정보 처리분야 등에 대한 응용이 기대되고 있는 단파장 레이저광을 출력하는 Ⅲ-Ⅴ족 질화물 반도체 레이저 소자에 관한 것이다.
최근 디지털 비디오 디스크장치 등의 대용량 광디스크장치가 실용화되고, 또 디스크 용량의 대용량화가 도모되고 있다. 광디스크장치의 대용량화에는 잘 알려져 있는 바와 같이 정보의 기록용 또는 재생용 광원이 되는 레이저광의 단파장화를 도모하는 것이 가장 유효한 수단의 하나이다. 현상태의 디지털 비디오 디스크장치에 내장되어 있는 반도체 레이저 소자는 Ⅲ-Ⅴ족 반도체 재료 중 주로 AlGaInP로 이루어지는 반도체 재료가 이용되고 있고, 그 발진 파장은 650nm이다. 따라서 현재 개발중인 고밀도 디지털 비디오 디스크장치에 대응하려면 Ⅲ-Ⅴ족 질화물 반도체 재료를 이용한 보다 단파장의 레이저 소자가 불가결하게 된다.
이하 종래의 Ⅲ-Ⅴ족 질화물 반도체 소자에 대하여 도면을 참조하여 설명하기로 한다.
도 10은 종래의 Ⅲ-Ⅴ족 질화물 반도체 레이저 소자의 단면 구성을 도시한 다 .
도 10에 도시된 바와 같이 사파이어로 이루어지는 기판(101) 상에는 기판(10 1)과 이 기판(101) 상에 성장하는 질화물 반도체 결정의 격자정수의 부정합을 완화하는 GaN으로 이루어지는 버퍼층(102)과, 저저항의 n형 GaN으로 이루어지는 n형 컨택트층(103)이 차례로 형성되어 있다. n형 컨택트층(103) 상의 소자 형성영역에는 후술하는 활성층에 전자 및 생성광을 가두는 n형 AlGaN으로 이루어지는 n형 클래드층(104), 활성층에 생성광을 가두기 쉽게 하는 n형 GaN으로 이루어지는 n형 광가이드층(105), Ga1-xInxN으로 이루어지는 웰층과, Ga1-yInyN으로 이루어지는 장벽층(단 x 및 y는 0＜y＜x＜1 임)이 번갈아 적층되어 가두어진 전자 및 정공을 재결합시켜 생성광을 생성하는 다중 양자웰 활성층(106), 상기 활성층(106)에 생성광을 가두기 쉽게 하는 p형 GaN으로 이루어지는 p형 광가이드층(107), 상면에 폭이 3㎛∼10㎛ 정도의 밭이랑 형상의 리지 스트라이프부(108a)를 갖고, 활성층(106)에 정공 및 생성광을 가두는 p형 AlGaN으로 이루어지는 p형 클래드층(108)이 차례로 형성되어 있다.
p형 클래드층(108) 상에는 저저항의 p형 GaN으로 이루어지는 p형 컨택트층 (109)이 형성되고, p형 클래드층(108) 상에서의 리지 스트라이프부(108a)의 양측부분 및 소자 형성영역의 측면은 절연막(110)으로 덮여 있다.
절연막(110) 상에는 p형 컨택트층(109)과 접하도록, 예를 들면 니켈(Ni)과 금(Au)이 적층되어 이루어지는 스트라이프 형상의 p측 전극(111)이 형성되고, n형 컨택트층(103) 상에서의 소자 형성영역의 측방에는 티탄(Ti)과 알루미늄(Al)이 적층되어 이루어지는 n측 전극(112)이 형성되어 있다.
이상과 같이 형성된 반도체 레이저 소자에 대하여 n측 전극(112)을 접지하고 , p측 전극(111)에 소정 전압을 인가하면 발진 파장이 370㎚∼430㎚의 레이저 발진을 일으킨다. 이 발진 파장은 다중 양자웰 활성층(106)을 구성하는 Ga1-xInxN 및 Ga1-yInyN의 조성이나 막두께에 따라 변화한다. 현재 실온 이상의 온도환경하에서 연속발진이 달성되고 있고, 실용화 시기도 가깝다.
그러나 상기 종래의 질화물 반도체 레이저 소자는 단파장의 발진 한계가 현상태에서는 370㎚ 정도이며, 이 이상의 단파장화는 원리적으로 곤란하다.
반도체 레이저를 단파장화하기 위해서는 금지대의 폭(에너지 갭)이 큰, 말하자면 와이드 갭 반도체를 활성층으로서 이용하면 된다. 상술한 다중양자웰 활성층 (106)을 예로 들면 웰층으로서 Ga1-xInxN의 In 조성비 x가 0, 즉 GaN을 이용하거나 또는 에너지 갭이 보다 커지는 알루미늄(Al)을 포함하는 AlGaN을 이용하면 실현할 수 있다.
그런데 활성층에 캐리어 및 생성광을 가두는 더블헤테로 구조의 레이저 소자에 있어서는 클래드층으로서 활성층보다도 더욱 에너지 갭이 큰 반도체 재료를 이용할 필요가 있다.
일반적으로 실온 이상에서 동작이 가능한 실용 레벨의 동작 특성을 얻으려면 활성층에 비하여 적어도 0.4eV 정도 큰 에너지 갭을 갖는 클래드층이 필요하다. AlGaN 반도체는 에너지 갭을 3.4eV∼6.2eV의 범위에서 크게 변경할 수 있기 때문에 에너지 갭이 큰 클래드층을 형성하는 것이 가능하다. 그러나 AlGaN으로 이루어지는 반도체를 에너지 갭이 큰 조성으로 하면, 특히 p형의 반도체를 얻는 p형 불순물 도핑은 정공의 열적인 활성화율이 저하되기 때문에 곤란하게 된다. 이런 이유로 현상태에서는 알루미늄(Al)의 조성이 최대 0.2(혼합결정으로서 Al0.2Ga0.8N)까지, 에너지 갭이 최대 4.0eV 정도까지의 p형 반도체밖에 얻어지지 않았다.
이와 같이 종래의 Ⅲ-Ⅴ족 질화물 반도체 레이저 소자는 p형 반도체층의 에너지 갭의 크기를 최대 4.0eV 정도까지밖에 얻을 수 없다는 첫번째 문제점이 있다 .
또 알루미늄(Al)의 조성이 큰 결정과 알루미늄(Al)의 조성이 작은 결정을 적층하면 적층된 결정끼리 서로의 격자정수의 차이에 기인하는 응력이 작용한다. 이런 이유로 알루미늄(Al)의 조성이 큰 반도체 결정을 클래드층으로 하여 필요한 1㎛ 이상의 막두께까지 성장시키면, 상기 반도체 결정에 균열이 생겨 레이저 특성이 악화되는 것과 함께 레이저 소자의 신뢰성이 저하된다는 두 번째 문제점이 있다.
본 발명은 상기 종래의 문제점을 해결하여, 자외영역에서도 발진 가능한 반도체 레이저 소자를 실현할 수 있도록 하는 것을 제 1의 목적으로 하고, 반도체 레이저 소자의 신뢰성 향상을 도모하는 것을 제 2의 목적으로 한다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 관한 다중 양자웰형 질화물 반도체 레이저 소자를 도시한 구성단면도.
도 2는 본 발명의 제 1 실시예에 관한 반도체 레이저 소자를 구성하는 AlGa NP로 이루어지는 질화물 반도체에서의 알루미늄(Al) 및 인(P)의 각 조성비와 에너지 갭의 관계를 나타낸 그래프.
도 3은 본 발명의 제 1 실시예에 관한 반도체 레이저 소자를 구성하는 AlGa NP로 이루어지는 질화물 반도체에서의 알루미늄(Al) 및 인(P)의 각 조성비와 가전자대 상단부의 에너지 Ev의 관계를 나타낸 그래프.
도 4는 본 발명의 제 2 실시예에 관한 다중 양자웰형 질화물 반도체 레이저 소자를 도시한 구성단면도.
도 5는 본 발명의 제 2 실시예에 관한 반도체 레이저 소자를 구성하는 AlGaN As로 이루어지는 질화물 반도체에서의 알루미늄(Al) 및 비소(As)의 각 조성비와 에너지 갭의 관계를 나타낸 그래프.
도 6은 본 발명의 제 2 실시예에 관한 반도체 레이저 소자를 구성하는 AlGaN As로 이루어지는 질화물 반도체에서의 알루미늄(Al) 및 비소(As)의 각 조성비와 가전자대 상단부의 에너지 Ev의 관계를 나타낸 그래프.
도 7은 본 발명의 제 3 실시예에 관한 다중 양자웰형 질화물 반도체 레이저 소자를 도시한 구성단면도.
도 8은 본 발명의 제 3 실시예에 관한 반도체 레이저 소자를 구성하는 AlGa NP로 이루어지는 질화물 반도체에서의 알루미늄(Al) 및 인(P)의 각 조성비와 격자정수의 관계를 나타낸 그래프.
도 9는 본 발명의 제 3 실시예에 관한 반도체 레이저 소자를 구성하는 AlGaN As로 이루어지는 질화물 반도체에서의 알루미늄(Al) 및 비소(As)의 각 조성비와 격자정수의 관계를 나타낸 그래프.
도 10은 종래의 다중 양자웰형 질화물 반도체 레이저 소자를 도시한 구성단면도.
도 11은 p형 질화 갈륨과 p형 질화 알루미늄의 각 에너지 준위를 도시한 도면.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
11 : 기판 12 : 버퍼층
13 : n형 컨택트층 14, 34 : n형 클래드층
15 : n형 광가이드층 16 : 다중 양자웰 활성층
17 : p형 광가이드층 18, 28, 38 : p형 클래드층
18a : 리지 스트라이프부 19 : p형 컨택트층
20 : p측 전극 21 : n측 전극
22 : 보호절연막 23 : 배선 전극
본 출원의 발명자들은 p형의 Ⅲ-Ⅴ족 질화물 반도체, 특히 p형 AlGaN으로 이루어지는 반도체의 에너지 갭을 4.0eV 정도밖에 얻을 수 없는 이유를 여러 가지로 검토한 결과, 다음과 같은 결론을 얻었다.
도 11은 p형 질화 갈륨(GaN)과 p형 질화 알루미늄(AlN)의 각 에너지 준위로서, 종축은 전자의 에너지를 나타낸다. 도 11에 도시된 바와 같이, GaN 및 AlN의 가전자대 Ev의 상측에는 p형 도펀트인 마그네슘(Mg)에 의한 억셉터 준위 Ea가 형성되어 있다. 이 마그네슘(Mg)은 질화물 반도체에 대하여 아주 얕은, 즉 에너지 갭이 아주 작고 활성화되기 쉬운 억셉터로 일반적으로 인정되어 있어 p형 도펀트로서 널리 이용된다.
단 마그네슘(Mg)에 있어서도 GaN의 가전자대 Ev단으로부터의 억셉터 준위는 0.15eV로 비교적 크기 때문에 실온에서의 열적인 활성화율은 1% 정도에 지나지 않는다. 따라서 p형 클래드층에 필요한 캐리어 농도인 1×1017∼1018㎝-3을 얻기 위해서는 마그네슘(Mg)의 도핑농도를 1×1019∼1020㎝-3정도로 할 필요가 있다. 마그네슘 (Mg)의 도핑 농도가 1×1020㎝-3가 되는 값은 양질의 반도체 결정을 얻을 수 있는 한계값에 가깝고, 이 이상 마그네슘(Mg)을 도프하면 결정성이 현저하게 저하된다. 따라서 불순물 농도가 1×1020㎝-3가 되는 값을 도핑 농도의 한계로 하면 1×1017㎝-3이상의 캐리어 농도를 얻기 위해서는 억셉터의 열적인 활성화율을 0.1% 이상으로 할 필요가 있다.
한편 도 11에 도시된 바와 같이 AlN에서는 마그네슘(Mg)의 억셉터 준위 Ea가 더욱 깊어져서 거의 0.6eV에나 달한다. 예를 들면 AlyGa1-yN의 경우에는 알루미늄(A l)의 조성 y를 변화시키면 대략 선형으로 0.15eV에서 0.6eV까지 변화한다. 억셉터의 열적인 활성화율이 0.1% 이상이 되도록 하려면, 억셉터 준위 Ea와 가전자대의 상단부의 에너지 Ev의 차를 비교적 작게 할 필요가 있기 때문에 알루미늄(Al)의 조성 y를 크게 할 수 없다.
이상으로부터 종래의 질화물 반도체 레이저 소자의 발진 파장을 자외영역까지 단파장화하는 것은 매우 곤란하며, 발진 파장은 360㎚ 정도가 한계라고 생각할 수 있다.
따라서 본 발명은 상기 제 1의 목적을 달성하기 위해 질화물 반도체 레이저 소자의 p형 반도체층의 조성에 인 또는 비소를 가함으로써, 상기 p형 반도체층의 에너지 갭을 크게 유지한 채로 억셉터 준위와 가전자대 상단부의 에너지의 차를 작게 하는, 말하자면 억셉터 준위를 얕게 하는 구성으로 한다. 또 본 발명은 상기 제 2의 목적을 달성하기 위해 갈륨을 포함하는 질화물 반도체 레이저 소자에서의 활성층을 끼우는 반도체층의 격자정수를 질화 갈륨의 격자정수와 거의 일치시키는 구성으로 한다.
본 발명에 관한 제 1 반도체 레이저 소자는 상기 제 1의 목적을 달성하고, 기판 상에 형성된 제 1 도전형의 제 1 질화물 반도체로 이루어지는 제 1 반도체층과, 제 1 반도체층 상에 형성되고 금지대의 폭이 제 1 질화물 반도체보다도 작은 제 2 질화물 반도체로 이루어지는 제 2 반도체층과, 제 2 반도체층 상에 형성되고 금지대의 폭이 제 2 질화물 반도체보다도 큰 제 2 도전형의 제 3 질화물 반도체로 이루어지는 제 3 반도체층을 구비하고, 제 1 질화물 반도체 또는 제 3 질화물 반도체는 인을 포함한다.
제 1 반도체 레이저 소자에 의하면 제 2 반도체층은 금지대의 폭이 상기 제 2 반도체층보다도 큰 제 1 도전형의 제 1 반도체층 및 제 2 도전형의 제 3 반도체층에 의해 상하방향에서 끼워지도록 형성되어 있기 때문에, 제 2 반도체층은 제 1 반도체층 및 제 2 반도체층에서 각각 공급되는 캐리어끼리의 재결합광을 생성하는 활성층에 상당하고, 제 1 반도체층 및 제 3 반도체층은 활성층에 캐리어 및 재결합광을 가두는 클래드층 또는 광가이드층에 상당한다. 따라서 제 1 반도체층 또는 제 3 반도체층이 인(P)을 포함하기 때문에 금지대의 폭을 크게 유지한 채로 가전자대의 상단부 및 전도대의 하단부를 고에너지측(상방)으로 시프트시킬 수 있다.
제 1 반도체 레이저 소자에 있어서, 제 1 도전형이 n형이며, 제 2 도전형이 p형이며, 제 1 질화물 반도체의 조성이 AlGaN1-xPx이며, 제 3 질화물 반도체의 조성이 AlGaN1-yPy(단, x 및 y는 0≤X≤Y임)인 것이 바람직하다. 이와 같이 하면 p형의 제 3 반도체층의 인의 조성이 n형의 제 1 반도체층의 인의 조성에 비하여 크기 때문에 가전자대 상단부가 상방으로 시프트하는 것이 더욱 크게 된다. 이런 이유로 억셉터 준위와 가전자대 상단부의 에너지 갭을 보다 작게 할 수 있다.
이 경우에 n형의 제 1 질화물 반도체의 조성이 AlGaN인 것이 바람직하다. 이와 같이 하면 도너 준위와 전도대 하단부의 에너지 갭이 커지는 것을 방지할 수 있기 때문에 자외영역의 발진 파장을 확실하게 출력할 수 있게 된다.
본 발명에 관한 제 2의 반도체 레이저 소자는 상기 제 1의 목적을 달성하고, 기판 상에 형성된 제 1 도전형의 제 1 질화물 반도체로 이루어지는 제 1 반도체층과, 제 1 반도체층 상에 형성되고 금지대의 폭이 제 1 질화물 반도체보다도 작은 제 2 질화물 반도체로 이루어지는 제 2 반도체층과, 제 2 반도체층 상에 형성되고 금지대의 폭이 제 2 질화물 반도체보다도 큰 제 2 도전형의 제 3 질화물 반도체로 이루어지는 제 3 반도체층을 구비하고, 제 1 질화물 반도체 또는 제 3 질화물 반도체는 비소를 포함한다.
제 2 반도체 레이저 소자에 의하면 제 1 반도체 레이저 소자와 마찬가지로 제 1 반도체층 또는 제 3 반도체층이 비소(As)를 포함하기 때문에, 금지대의 폭을 크게 유지한 채로 가전자대의 상단부 및 전도대의 하단부를 고에너지측으로 시프트시킬 수 있다.
제 2 반도체 레이저 소자에 있어서, 제 1 도전형이 n형이며, 제 2 도전형이 p형이며, 제 1 질화물 반도체의 조성이 AlGaN1-xAsx이며, 제 3 질화물 반도체의 조성이 AlGaN1-yAsy(단, x 및 y는 0≤x≤y임)인 것이 바람직하다. 이와 같이 하면 p형의 제 3 반도체층의 비소의 조성이 n형의 제 1 반도체층의 비소의 조성에 비하여 크기 때문에 가전자대 상단부가 상방으로 시프트하는 것이 더욱 크게 된다. 이런 이유로 억셉터 준위와 가전자대 상단부의 에너지 갭을 더욱 작게 할 수 있다.
이 경우에 n형의 제 1 질화물 반도체의 조성이 AlGaN인 것이 바람직하다. 이와 같이 하면 도너 준위와 전도대 하단부의 에너지 갭이 크게 되는 것을 방지할 수 있기 때문에 자외영역의 발진 파장을 확실하게 출력할 수 있게 된다.
본 발명에 관한 제 3 반도체 레이저 소자는 상기 제 2의 목적을 달성하고, 기판 상에 형성된 제 1 도전형의 제 1 질화물 반도체로 이루어지는 제 1 반도체층과, 제 1 반도체층 상에 형성되고 갈륨을 포함하며 또 금지대의 폭이 제 1 질화물 반도체보다도 작은 제 2 질화물 반도체로 이루어지는 제 2 반도체층과, 제 2 반도체층 상에 형성되고 금지대의 폭이 제 2 질화물 반도체보다도 큰 제 2 도전형의 제 3 질화물 반도체로 이루어지는 제 3 반도체층을 구비하며, 제 1 질화물 반도체 및 제 3 질화물 반도체는 그 격자정수가 질화 갈륨의 격자정수와 거의 일치하는 조성을 갖고 있다.
제 3 반도체 레이저 소자에 의하면 갈륨을 포함하며 또 금지대의 폭이 제 1 질화물 반도체보다도 작은 제 2 질화물 반도체로 이루어지는 제 2 반도체층이 실질적으로 활성층이 된다. 따라서 클래드층 또는 가이드층에 상당하는 제 1 반도체층 및 제 3 반도체층은 그 격자정수가 질화 갈륨의 격자정수와 거의 일치하는 조성을 갖고 있기 때문에 결정 성장시에 격자정수의 차이에 기인하는 응력이 생기지 않는다.
제 1∼제 3 반도체 레이저 소자에 있어서, 제 1 질화물 반도체 또는 제 3 질화물 반도체의 금지대의 폭은 4eV 이상인 것이 바람직하다.
상술한 목적 및 기타의 목적과 본 발명의 특징 및 이점은 첨부 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통해 보다 분명해 질 것이다.
( 실시예 )
( 제 1 실시예 )
본 발명의 제 1 실시예에 대하여 도면을 참조하여 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 관한 다중양자웰형 질화물 반도체 레이저 소자의 단면 구성을 도시한다. 여기에서는 레이저 소자의 구성을 더블헤테로 접합을 형성하는 각 반도체층의 제조방법으로서 설명하기로 한다.
도 1에 도시된 바와 같이 우선 유기금속 기상성장(MOVPE)법을 이용하여, 예를 들면 면방위가 (0001)면인 사파이어로 이루어지는 기판(11) 상에 기판(11)과 상기 기판(11) 상에 성장하는 질화물 반도체 결정과의 격자정수의 부정합을 완화시켜 결정결함이 적은 반도체층을 얻기 위한 GaN으로 이루어지는 버퍼층(12)과, 실리콘 (Si)을 n형 도펀트로 하는 저저항의 n형 GaN으로 이루어지는 n형 컨택트층(13)과, 후술하는 활성층에 전자 및 생성광을 가두는 n형 Al0.3Ga0.7N으로 이루어지는 n형 클래드층(14)과, 활성층에 생성광을 가두기 쉽게 하는 n형 Al0.25Ga0.75N으로 이루어지는 n형 광가이드층 (15)을 차례로 성장시킨다.
계속해서 n형 광가이드층(15) 상에 Al0.2Ga0.8N으로 이루어지는 웰층과 Al0.25Ga0.75N으로 이루어지는 장벽층을 번갈아 적층함으로써, 가두어진 전자 및 정공이 재결합되어 이루어지는 생성광을 생성하는 다중 양자웰 활성층(16)과, 마그네슘 (Mg)을 p형 도펀트로 하고 활성층(16)에 생성광을 가두기 쉽게 하는 p형 Al0.25Ga0.75N으로 이루어지는 p형 광가이드층(17)과, 활성층(16)에 정공 및 생성광을 가두는 p형 Al0.4Ga0.6N0.98P0.02로 이루어지는 p형 클래드층(18)과, 저저항의 p형 GaN으로 이루어지는 p형 컨택트층(19)을 차례로 성장시킨다. 이에 따라 활성층(16)이 상하방향으로부터 상기 활성층(16)보다도 에너지 갭이 큰 n형 클래드층(14) 및 p형 클래드층 (18)에 의해 끼워져 이루어지는 더블헤테로 접합부를 갖는 에피택셜층을 형성한다.
에피택셜층을 형성한 후 p형 컨택트층(19) 및 p형 클래드층(18)에서의 소자 형성영역에 대하여 선택적으로 드라이에칭을 실행함으로써 폭이 5㎛ 정도이고 상부가 p형 컨택트층(19)으로 이루어지는 밭이랑 형상의 리지 스트라이프부(18a)를 형성한다.
다음으로 리지 스트라이프부(18a)의 p형 컨택트층(19) 상에 니켈(Ni)과 금 (Au)의 적층체로 이루어지는 p측 전극(20)을 선택적으로 형성하고, 그 후 에피택셜층의 소자 형성영역을 마스크하여 n형 컨택트층(13)이 노출될 때까지 드라이 에칭을 실행함으로써 n형 컨택트층(13)의 상면에 n측 전극 형성영역을 형성하고, 계속해서 n형 컨택트층(13) 상의 n측 전극형성영역에 티탄(Ti)과 알루미늄(Al)의 적층체로 이루어지는 n측 전극(21)을 선택적으로 형성한다.
다음으로 p형 클래드층(18) 상에서의 리지 스트라이프부(18a)의 양측부분 및 소자 형성영역의 측면에 실리콘 산화막 등으로 이루어지는 보호절연막(22)을 형성한다.
다음으로 보호절연막(22) 상의 p측 전극(20)을 포함하는 영역에 상기 p측 전극(20)과 전기적으로 접속되는 배선전극(23)을 형성함으로써 도 1에 도시된 질화물 반도체 레이저 소자를 얻는다.
이하 상기와 같이 구성된 반도체 레이저 소자의 동작 및 그 동작 특성에 대하여 도면을 참조하여 설명하기로 한다.
본 실시예에 관한 반도체 레이저 소자의 다중양자웰 활성층(16)의 실효적인 에너지 갭은 약 4eV이다. 따라서 n측 전극(21)을 접지하고, p측 전극(20)에 소정 전압을 인가하면 활성층(16)에 대하여 p측 전극(20)으로부터는 정공이 주입되고, n측 전극(21)으로부터는 전자가 각각 주입되어 활성층(16)에서 광학 이득을 발생시킴으로써 발진 파장이 약 310㎚의 레이저 발진이 생긴다.
도 2는 본 실시예에 관한 반도체 레이저 소자를 구성하는 AlGaNP로 이루어지는 질화물 반도체에서의 알루미늄(Al) 및 인(P)의 각 조성비와 에너지 갭의 관계를 나타낸다. 도 2에 도시된 바와 같이 알루미늄(Al)의 조성비가 0.3이고 인(P)의 조성비가 0인 n형 클래드층(14) 및 알루미늄(Al)의 조성비가 0.4이고 인(P)의 조성비가 0.02인 p형 클래드층(18)은 모두 에너지 갭의 크기가 약 4.4eV로 되어 있고, 전자 및 정공을 활성층(16)에 확실하게 가둘 수 있다.
도 3은 본 실시예에 관한 반도체 레이저 소자를 구성하는 AlGaNP로 이루어지는 질화물 반도체에서의 알루미늄(Al) 및 인(P)의 각 조성비와 가전자대 상단부의 에너지 Ev와의 관계를 베가드의 법칙(Vegard's Law)에 기초하여 산출한 결과를 나타낸다. 도 3에서 종축 상의 OeV는 알루미늄(Al)의 조성비 x 및 인(P)의 조성비 y가 모두 0인 경우로서, GaN 결정에서의 가전자대 상단부의 에너지 Ev를 나타낸다.
도 3에 도시된 바와 같이 알루미늄(Al)의 조성비가 0.4이고 인(P)의 조성비가 0인 경우는 GaN 혼합결정에 비하여 가전자대 상단부의 에너지 Ev가 0.17eV 만큼 저하된다. 이에 따라 억셉터 준위는 0.17eV 만큼 깊게 된다. 그러나 본 실시예에 있어서는 p형 클래드층(18)으로서 알루미늄(Al)의 조성비가 0.4이고 인(P)의 조성비가 0.02인 Al0.4Ga0.6N0.98P0.02를 이용하고 있기 때문에 GaN 혼합결정의 가전자대 상단부의 에너지 Ev와 거의 차가 없고, 반대로 억셉터 준위는 약간 얕게 되어 있기도 하다.
여기에서 본 실시예의 특징인 n형 클래드층(14) 및 p형 클래드층(18)에 대한 불순물 도핑에 대하여 설명하기로 한다.
n형 클래드층(14)은 n형 도펀트로서 실리콘(Si)을 이용함으로써 1×1018㎝-3정도의 캐리어 농도를 실현할 수 있다.
또 도 3에 도시된 바와 같이 Ⅲ-Ⅴ족 질화물 반도체로 이루어지는 p형 클래드층(18)은 상기 p형 클래드층(18)에 대하여 Ⅴ족의 인(P)을 그 조성에 첨가함으로써, p형 도펀트인 마그네슘(Mg)에 의해 생성되는 억셉터 준위 Ea를 GaN과 거의 동등한 0.15eV 정도로 할 수 있다.
도 3에서 알 수 있는 바와 같이 Ⅲ-Ⅴ족 질화물 반도체에서 알루미늄(Al)의 조성이 커지면 가전자대 상단부의 에너지 Ev가 저에너지측(하방)으로 벗어난다. 그러나 본 실시예에서는 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이 인을 첨가함으로써 4eV 이상의 에너지 갭을 유지한 채로 가전자대 상단부의 에너지 Ev를 고에너지측(상방)으로 시프트시킬 수 있고, 이에 따라 억셉터의 활성화율을 향상시키고 있다.
일반적으로 정공의 열적인 활성화율 p를 단순하게 표현하면,
p=e×p{-(Ea-Ev)/kT}
와 같이 나타낼 수 있다. 여기에서 Ea는 억셉터 준위를 나타내고, Ev는 가전자대 상단부의 에너지를 나타내고, k는 볼트만 정수를 나타내고, T는 절대온도를 나타낸다. 실제로는 이 정도로 단순하지는 않지만 억셉터 준위 Ea와 가전자대 Ev의 차가 커지면 p형 도펀트의 활성화율 p가 급격히 저하되는 것에 변함은 없다.
도 3에 도시된 바와 같이 알루미늄(Al)의 조성 x가 커질수록 가전자대 상단부의 에너지 Ev가 작아지기 때문에, 억셉터 준위 Ea와 가전자대 상단부의 에너지 Ev의 차인 불순물 깊이가 증대되어 활성화율 p가 작아진다.
따라서 앞에서 설명한 바와 같이 본 실시예에서는 Ⅲ-Ⅴ족 질화물 반도체의 Ⅴ족 원소에 인을 첨가하고, 다시 인의 조성비 y를 최적화함으로써 가전자대 상단부의 에너지 Ev를 고에너지측으로 시프트시킨다. 이에 따라 억셉터 준위 Ea와 가전자대 Ev의 차(Ea-Ev)를 작게 하고 있다.
그런데 도 2에 도시된 바와 같이 AlGaN으로 이루어지는 질화물 반도체에 인(P)을 첨가하면 에너지 갭도 작아지기 때문에 소정의 에너지 갭을 얻기 위해서는 알루미늄(Al)의 조성비를 크게 할 필요가 있다.
이와 같이 본 실시예에 의하면 알루미늄(Al)을 포함하는 Ⅲ-Ⅴ족 질화물 반도체에 대하여 알루미늄(Al)의 조성비를 크게 함으로써 소정의 에너지 갭을 유지하면서 인(P)을 그 조성에 첨가함으로써, 억셉터 준위 Ea와 가전자대 Ev의 차를 작게 할 수 있다. 이에 따라 억셉터의 열적인 활성화율이 높아지고, 자외영역의 발진 파장에 상당하는 에너지 갭을 갖는 활성층(16)을 동작시키는 데에 필요한 p형 클래드층(18)을 얻을 수 있다.
또 자외영역의 발진 파장을 얻는 경우에는 인(P)을 첨가하면 도너 준위가 반대로 깊어지고, 도너의 활성화율이 약간 저하되기 때문에 n형 클래드층(14)에 있어서는 인(P)의 조성을 작게 하는 것이 바람직하고, 또 인(P)을 첨가하지 않는 AlGaN을 이용하는 것이 바람직하다.
단 발진 파장이 청색 정도로, 발진 파장이 비교적 긴 경우에는 n형 클래드층 (14)을 p형 클래드층(18)과 같은 4원 혼합결정으로 하면, 결정성장 장치의 운용상의 이유때문에 레이저 소자의 제조가 용이하게 된다. 따라서 레이저광의 발진 파장에 따라, 즉 용도에 따라 n형 클래드층(14)의 조성을 결정하면 된다.
이상 설명한 바와 같이 알루미늄(Al)을 포함하는 Ⅲ-Ⅴ족 질화물 반도체의 조성에 인(P)을 첨가함으로써 소정의 에너지 갭을 유지한 채로 얕은 억셉터 준위를 생성할 수 있다. 그 결과, p형 AlGaNP로 이루어지는 혼합결정을 더블헤테로형 반도체 레이저 소자의 p형 클래드층에 이용하면 자외영역에까지 미치는 단파장영역에서 발진 가능한 반도체 레이저 소자를 실현할 수 있다.
또 활성층(16)보다도 에너지 갭이 큰 n형 광가이드층(15) 및 p형 광가이드층 (17)에 대하여, 특히 p형 광가이드층(17)에 대하여 그 조성에 인(P)을 첨가해도 된다.
( 제 2 실시예 )
이하 본 발명의 제 2 실시예에 대하여 도면을 참조하여 설명하기로 한다.
도 4는 본 발명의 제 2 실시예에 관한 다중양자웰형 질화물 반도체 레이저 소자의 단면 구성을 도시한다. 도 4에서 도 1에 도시된 구성부재와 동일한 구성부재에는 동일한 부호를 붙임으로써 설명을 생략하기로 한다.
도 4에 도시된 바와 같이 본 실시예에서는 p형 클래드층(28)이 마그네슘(Mg)이 도프된 p형 Al0.4Ga0.6N0.98As0.02로 이루어지는 반도체층에 의해 형성되어 있다.
도 5는 본 실시예에 관한 반도체 레이저 소자를 구성하는 AlGaNAs로 이루어지는 질화물 반도체에서의 알루미늄(Al) 및 비소(As)의 각 조성비와 에너지 갭의 관계를 나타낸다. 또 도 6은 본 실시예에 관한 반도체 레이저 소자를 구성하는 AlGaNAs로 이루어지는 질화물 반도체에서의 알루미늄(Al) 및 비소(As)의 각 조성비와 가전자대 상단부의 에너지 Ev의 관계를 베가드 법칙에 기초하여 계산한 결과를 나타낸다.
도 5에 도시된 바와 같이 p형 클래드층(28)은 알루미늄(Al)의 조성비가 0.4이고 또 비소(As)의 조성비가 0.02이기 때문에 에너지 갭의 크기는 4.3eV 정도로 되어 있고, 전자 및 정공을 활성층(16)에 가둘 수 있다.
또 도 6에 도시된 바와 같이 억셉터 준위 Ea와 가전자대 상단부의 에너지 Ev의 차(Ea-Ev)는 비소(As)의 조성비가 0인 경우보다도 작게 되어 있다.
따라서 제 1 실시예와 마찬가지로 알루미늄(Al)을 포함하는 Ⅲ-Ⅴ족 질화물 반도체의 조성에 비소(As)를 첨가하는 것과 함께, 알루미늄(Al)의 조성비를 0.4 정도로 높게 설정함으로써 소정의 에너지 갭을 유지한 채로 비소(As)를 포함하지 않는 경우에 비해 얕은 억셉터 준위를 생성할 수 있다. 그 결과 p형 AlGaNAs로 이루어지는 혼합결정을 더블헤테로형 반도체 레이저 소자의 p형 클래드층에 이용하면 자외영역에까지 미치는 단파장 영역에서 발진 가능한 반도체 레이저 소자를 실현할 수 있다.
또 자외영역의 발진 파장을 얻는 경우에는 비소(As)를 첨가하면 도너의 활성화율이 약간 저하되기 때문에 n형 클래드층(14)에서의 비소(As)의 조성을 작게 하는 것이 바람직하고, 또 비소(As)를 첨가하지 않는 편이 바람직하다.
단 발진 파장이 청색 정도로, 발진 파장이 비교적 긴 경우에는 n형 클래드층 (14)을 p형 클래드층(28)과 같은 4원 혼합결정으로 하면 레이저 소자의 제조가 용이하게 된다. 따라서 용도에 따라 n형 클래드층(14)의 조성을 결정하면 된다.
또 활성층(16)보다도 에너지 갭이 큰 n형 광가이드층(15) 및 p형 광가이드층 (17)에 대하여, 특히 p형 광가이드층(17)에 대하여 그 조성에 비소(As)를 첨가해도 된다.
( 제 3 실시예 )
이하 본 발명의 제 3 실시예에 대하여 도면을 참조하여 설명하기로 한다.
도 7은 본 발명의 제 3 실시예에 관한 다중 양자웰형 질화물 반도체 레이저 소자의 단면 구성을 도시한다. 도 7에서 도 1에 도시된 구성부재와 동일한 구성부재에는 동일한 부호를 붙임으로써 설명을 생략하기로 한다.
도 7에 도시된 바와 같이 본 실시예에서 n형 클래드층(34)은 실리콘(Si)이 도프된 n형 Al0.4Ga0.6N0.98P0.02로 이루어지는 반도체층에 의해 형성되고, p형 클래드층 (38)은 마그네슘(Mg)이 도프된 p형 Al0.4Ga0.6N0.98P0.02로 이루어지는 반도체층에 의해 형성되어 있다.
여기에서도 제 1 실시예와 마찬가지로 다중 양자웰 활성층(16)의 실효적인 에너지 갭은 약 4eV이다. 따라서 활성층(16)으로부터 출력되는 레이저광의 발진 파장은 약 310nm로 된다.
도 2에 도시된 바와 같이 n형 클래드층(34) 및 p형 클래드층(38)의 에너지 갭의 크기는 모두 4.4eV 정도이며, 전자 및 정공을 활성층(16)에 확실하게 가둘 수 있다.
제 1 실시예 및 제 2 실시예에서는 알루미늄(Al)을 포함하는 Ⅲ-Ⅴ족 질화물 반도체 레이저 소자에 있어서, p형 반도체층의 억셉터의 활성화율을 향상시키는 구성을 설명하였으나, 본 실시예는 알루미늄(Al)을 포함하는 Ⅲ-Ⅴ족 질화물 반도체 레이저 소자에서의 반도체 결정의 결정 품질을 향상시키는 구성을 설명하기로 한다.
앞에서 설명한 바와 같이, 알루미늄(Al)을 포함하는 Ⅲ-Ⅴ족 질화물 반도체에 있어서, 예를 들면 비교적 두꺼운 막두께를 필요로 하는 클래드층이 에너지 갭을 크게 하기 위한 알루미늄(Al)을 많이 포함하면 클래드층에 균열이 생기기 쉽게 된다. 따라서 클래드층 자체의 막두께는 알루미늄(Al)의 조성비를 크게 할수록 균열이 생기지 않을 정도로 제한된다.
균열이 생기는 이유는 알루미늄(Al)의 조성비를 크게 하면 알루미늄(Al)을 포함하는 Ⅲ-Ⅴ족 질화물 반도체의 격자정수와 Ⅲ-Ⅴ족 질화물 반도체의 주요한 반도체인 질화 갈륨(GaN)의 격자정수와 차가 확대되기 때문이다.
도 8은 본 실시예에 관한 반도체 레이저 소자를 구성하는 AlGaNP로 이루어지는 질화물 반도체에서의 알루미늄(Al) 및 인(P)의 각 조성비와 격자정수의 관계를 나타낸다. 도 8에서 종축상의 흰점 표시는 알루미늄(Al)의 조성비 x 및 인(P)의 조성비 y가 모두 0인 경우에서, GaN 결정의 격자정수를 나타낸다.
도 8에 도시된 바와 같이 본 반도체 레이저 소자의 클래드층(34, 38)은 알루미늄(Al)의 조성비가 0.4이고, 인(P)의 조성비가 0.02이기 때문에 각 클래드층(34, 38)의 격자정수는 GaN 결정의 격자정수인 3.19Å과 거의 일치한다. 따라서 결정성장시에 있어서, n형 컨택트층(13)과 n형 클래드층(34) 사이 및 p형 컨택트층(19)과 p형 클래드층(38) 사이에서 각각 응력이 생기지 않기 때문에 균열 등의 격자결함을 억제할 수 있어 고품질의 반도체 결정을 얻을 수 있다.
이와 같이 본 실시예에 의하면 와이드 갭 반도체로 이루어지는 질화물 반도체 레이저 소자에 있어서, 에너지 갭을 크게 할 필요가 있는 클래드층은 격자결함이 매우 적은 고품질의 반도체 결정으로 이루어지기 때문에 수명이 길고, 낮은 임계값 전류로 동작하게 되어 고성능의 단파장 반도체 레이저 소자를 실현할 수 있다.
또 도 9는 AlGaNAs로 이루어지는 질화물 반도체에서의 알루미늄(Al) 및 비소 (As)의 각 조성비와 격자정수의 관계를 나타낸다. 따라서 도 7에 도시된 n형 클래드층(34)으로서 n형 Al0.4Ga0.6N0.98As0.02로 이루어지는 반도체층을 이용하는 것과 함께, p형 클래드층(38)으로서 p형 Al0.4Ga0.6N0.98As0.02로 이루어지는 반도체층을 이용한 경우라도 각 클래드층(34, 38)의 격자정수를 GaN 결정의 격자정수와 거의 일치시킬 수 있다.
본 발명에 관한 제 1 반도체 레이저 소자에 의하면 제 1 반도체층 또는 제 3 반도체층이 인(P)을 포함하기 때문에 금지대의 폭을 크게 유지한 채로 가전자대의 상단부 및 전도대의 하단부를 고에너지측으로 시프트시킬 수 있으므로, 제 1 반도체층 및 제 3 반도체층 중 억셉터가 도프된 반도체층에서 억셉터 준위를 작게 할 수 있다. 이로써 제 1 반도체층 또는 제 3 반도체층의 정공의 활성화율을 크게 할 수 있기 때문에 자외영역에까지 미치는 파장에 상당하는 에너지 갭을 갖는 제 2 반도체층(활성층)에 있어서, 제 1 반도체층 또는 제 3 반도체층에 의해 캐리어를 확실하게 가둘 수 있으므로 자외영역에까지 미치는 단파장의 레이저광을 확실하게 발진할 수 있다.
제 1 반도체 레이저 소자에 있어서, 제 1 도전형이 n형이며, 제 2 도전형이 p형이며, 제 1 질화물 반도체의 조성이 AlGaN1-xPx이며, 제 3 질화물 반도체의 조성이 AlGaN1-yPy(단, x 및 y는 0≤x≤y임)이면, p형의 제 3 반도체층의 인의 조성이 n형의 제 1 반도체층의 인의 조성에 비해 크기 때문에 가전자대 상단부가 상방으로 시프트하는 것이 더욱 크게 되므로 억셉터 준위와 가전자대 상단부의 에너지 갭을 작게 할 수 있다. 또 제 2 반도체층에 대하여 기판측에 n형의 제 1 반도체층을 형성하고, 제 2 반도체층에 대하여 기판과 반대측에 p형 반도체층을 형성하고 있기 때문에 형성된 반도체 결정의 품질이 향상된다.
본 발명에 관한 제 2 반도체 레이저 소자에 의하면 본 발명의 제 1 반도체 레이저 소자와 마찬가지로 제 1 반도체층 또는 제 3 반도체층이 비소(As)를 포함하기 때문에, 금지대의 폭을 크게 유지한 채로 가전자대의 상단부 및 전도대의 하단부를 고에너지측으로 시프트시킬 수 있으므로 제 1 반도체층 및 제 3 반도체층 중 억셉터가 도프된 반도체층에서 억셉터 준위를 작게 할 수 있다. 이에 따라 제 1 반도체층 또는 제 3 반도체층의 정공의 활성화율을 크게 할 수 있기 때문에 자외영역에까지 미치는 단파장의 레이저광을 확실하게 발진할 수 있다.
본 발명에 관한 제 3 반도체 레이저 소자에 의하면 결정성장시에 격자정수의 차이에 기인하는 응력이 생기지 않기 때문에, 제 1 반도체층 또는 제 3 반도체층을 상대적으로 큰 막두께가 필요한 클래드층에 이용하는 경우라도 상기 제 1 반도체층 또는 제 3 반도체층에 균열이 생기기 어렵게 되어 반도체 결정의 품질이 향상되므로 장기 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
제 1 ∼ 제 3 반도체 레이저 소자에 있어서, 제 1 질화물 반도체 및 제 3 질화물 반도체의 금지대의 폭은 4eV 이상이면 발진 파장이 자외영역에까지 미치는 레이저광을 출력할 수 있다.
상술한 본 발명의 바람직한 실시예들은 예시의 목적을 위해 개시된 것이며, 당업자라면 첨부된 특허청구의 범위에 개시된 본 발명의 사상과 범위를 통해 각종 수정, 변경, 대체 및 부가가 가능할 것이다.
Claims (7)
- 기판 상에 형성된 제 1 도전형의 제 1 질화물 반도체로 이루어지는 제 1 반도체층과,상기 제 1 반도체층 상에 형성되고, 금지대의 폭이 상기 제 1 질화물 반도체보다도 작은 제 2 질화물 반도체로 이루어지는 제 2 반도체층과,상기 제 2 반도체층 상에 형성되고, 금지대의 폭이 상기 제 2 질화물 반도체보다도 큰 제 2 도전형의 제 3 질화물 반도체로 이루어지는 제 3 반도체층을 구비하며,상기 제 1 질화물 반도체 또는 상기 제 3 질화물 반도체는 인을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 소자.
- 제 1항에 있어서,상기 제 1 도전형은 n형이며, 상기 제 2 도전형은 p형이며, 상기 제 1 질화물 반도체의 조성은 AlGaN1-xPx이며, 상기 제 3 질화물 반도체의 조성은 AlGaN1-yPy(단, x 및 y는 0≤x≤y임)인 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 소자.
- 기판 상에 형성된 제 1 도전형의 제 1 질화물 반도체로 이루어지는 제 1 반도체층과,상기 제 1 반도체층 상에 형성되고, 금지대의 폭이 상기 제 1 질화물 반도체보다도 작은 제 2 질화물 반도체로 이루어지는 제 2 반도체층과,상기 제 2 반도체층 상에 형성되고, 금지대의 폭이 상기 제 2 질화물 반도체보다도 큰 제 2 도전형의 제 3 질화물 반도체로 이루어지는 제 3 반도체층을 구비하며,상기 제 1 질화물 반도체 또는 상기 제 3 질화물 반도체는 비소를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 소자.
- 제 3항에 있어서,상기 제 1 도전형은 n형이며, 상기 제 2 도전형은 p형이며, 상기 제 1 질화물 반도체의 조성은 AlGaN1-xAsx이며, 상기 제 3 질화물 반도체의 조성은 AlGaN1-yAsy(단, x 및 y는 0≤x≤y임)인 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 소자.
- 기판 상에 형성된 제 1 도전형의 제 1 질화물 반도체로 이루어지는 제 1 반도체층과,상기 제 1 반도체층 상에 형성되고, 갈륨을 포함하며, 또 금지대의 폭이 상기 제 1 질화물 반도체보다도 작은 제 2 질화물 반도체로 이루어지는 제 2 반도체층과,상기 제 2 반도체층 상에 형성되고, 금지대의 폭이 상기 제 2 질화물 반도체보다도 큰 제 2 도전형의 제 3 질화물 반도체로 이루어지는 제 3 반도체층을 구비하며,상기 제 1 질화물 반도체 및 제 3 질화물 반도체는 그 격자정수가 질화 갈륨의 격자정수와 거의 일치하는 조성을 갖는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 소자.
- 제 5항에 있어서,상기 제 1 질화물 반도체 및 제 3 질화물 반도체의 조성은 AlGaNP 또는 AlGaNAs인 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 소자.
- 제 1항, 3항 및 5항 중 어느 한 항에 있어서,상기 제 1 질화물 반도체 또는 제 3 질화물 반도체의 금지대의 폭은 4eV 이상인 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 소자.
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