KR20010030476A - 반도체 발광 소자 - Google Patents

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Abstract

질화물계 반도체로 이루어지는 발광층(7) 상에, p-AlGaN으로 이루어지는 제2 클래드층(8) 및 p-GaN으로 이루어지는 제2 컨택트층(9a)이 순차적으로 형성된다. 제2 클래드층(8) 및 제2 컨택트층(9a)의 소정 영역이 제거되어 릿지부(10)가 형성된다. 제거되지 않고서 남은 제2 클래드층(8)의 평탄부(82) 상면 및 릿지부(10)의 양측면에 불순물이 첨가된 고저항의 전류 블록층(12)이 형성된다.

Description

반도체 발광 소자{SEMICONDUCTOR LIGHT-EMITTING DEVICE}
본 발명은 BN(질화 붕소), GaN(질화 갈륨), AlN(질화 알루미늄), InN(질화 인듐) 혹은 TlN(질화 탈륨) 또는 이들의 혼정(混晶) 등 Ⅲ-V족 질화물계 반도체(이하, 질화물계 반도체로 부른다)로 이루어지는 반도체 발광 소자에 관한 것이다.
최근, 고밀도·대용량의 광 디스크 시스템에 이용되는 기록 혹은 재생용의 광원으로서, 청색 또는 보라색의 광을 발하는 질화물계 반도체 레이저 소자의 연구 개발이 행해지고 있다. 이들의 고밀도·대용량 광 디스크 시스템에 있어서는 대용량화에 따라서, 기록·재생 속도의 향상이 요구될 것으로 생각된다. 이에 대응하기 위해서는 광원이 되는 질화물계 반도체 레이저 소자는 높은 주파수에서 동작하는 것이 필요 불가결하다. 도 17은 특개평10-321962호 공보에 기재된 종래의 반도체 레이저 소자의 구성을 나타내는 단면도이다.
도 17의 반도체 레이저 소자는 n-SiC 기판(21) 상에, GaN으로 이루어지는 n-버퍼층(22), Al0.1Ga0.9N으로 이루어지는 n-클래드층(23), 도핑되지 않은 In0.32Ga0.68N으로 이루어지는 활성층(24), Mg 도핑 Al0.1Ga0.9N으로 이루어지는 p-클래드층(25)이 순차적으로 형성되어 이루어진다.
p-클래드층(25)에는 릿지부가 형성되어 있고, p-클래드층(25)의 평탄부 상 및 릿지부 측면에 Al0.15Ga0.95N으로 이루어지는 n-표면 증발 보호층(26)이 형성되고, 릿지부 상면에 또한 Mg 고도핑 Al0.05Ga0.95N층(20)이 형성되고, n-표면 증발 보호층(26) 상에 Al0.15Ga0.85N으로 이루어지는 n-전류 블록층(27)이 형성되어 있다. n-전류 블록층(27) 및 Mg 고도핑 Al0.05Ga0.95N층(20) 상에 Mg 도핑 GaN으로 이루어지는 p-컨택트층(28)이 형성되어 있다. p-컨택트층(28) 상에 p측 전극(29)이 형성되고, n-SiC 기판(21)의 이면에 n측 전극(30)이 형성되어 있다.
도 17에 도시한 바와 같이, p-클래드층(25)의 릿지부의 양측부 및 평탄부 상에 n-전류 블록층(27)을 갖는 종래의 반도체 레이저 소자에서는 펄스 구동시에 펄스 폭이 좁아지면, 광 출력의 상승 및 하강의 응답 특성이 나빠진다.
본 발명의 목적은 좁은 펄스 폭에서의 펄스 구동시의 응답 특성이 향상된 반도체 발광 소자를 제공하는 것이다.
본 발명의 일국면에 따르는 반도체 발광 소자는 질화물계 반도체로 이루어지는 활성층과, 활성층 상에 형성되어 제1 도전형의 질화물계 반도체층으로 이루어지며 또한 평탄부 및 그 평탄부 상의 릿지부를 포함하는 클래드층과, 클래드층의 평탄부 상 및 릿지부의 측면에 형성되어 불순물을 포함하는 고저항의 질화물계 반도체로 이루어지는 제1 전류 블록층을 포함한다.
또, 제1 전류 블록층에 불순물을 함유시키는 방법으로서는 도핑에 의한 방법이나 이온 주입에 의한 방법 등이 있다.
그 반도체 발광 소자에 있어서는, 제1 전류 블록층이 불순물의 도핑에 의해 클래드층과 역의 도전형으로 되지 않고서 고저항으로 되어 있다. 그 때문에, 제1 전류 블록층과 클래드층의 계면 근방의 기생 용량을 저감할 수 있고, 좁은 펄스 폭에서의 펄스 구동시의 응답 특성이 향상된 반도체 발광 소자를 실현할 수 있다.
불순물은 아연, 베릴륨, 칼슘 및 탄소 중 적어도 하나를 포함하는 것이 바람직하다. 이들의 불순물을 첨가함으로써, 질화물계 반도체를 용이하게 고저항로 하여 좁은 펄스 폭에서의 펄스 구동시의 응답 특성을 개선할 수 있다.
제1 전류 블록층은 1.5Ω·㎝ 이상의 저항치를 포함하는 것이 바람직하다. 이 경우에는 좁은 펄스 폭에서의 펄스 구동시의 응답 특성이 충분히 개선된다.
반도체 발광 소자는 제1 전류 블록층 상에 형성되어 제1 도전형과 역의 제2 도전형의 질화물계 반도체로 이루어지는 제2 전류 블록층을 더 포함하는 것이 바람직하다. 이 경우에는, 제2 전류 블록층이 형성되지 않은 경우에 비해, 반도체 발광 소자의 동작 전류를 저감할 수 있다.
제1 전류 블록층의 두께는 0.5㎛ 이상인 것이 바람직하고, 1.0㎛ 이상인 것이 더욱 바람직하다.
또한, 클래드층의 평탄부의 두께는 0.3㎛ 이하인 것이 바람직하고, 0. 08㎛ 이하인 것이 더욱 바람직하다.
질화물계 반도체는 붕소, 갈륨, 알루미늄, 인듐 및 탈륨 중 적어도 하나를 포함하여 좋다.
본 발명의 다른 국면에 따르는 반도체 발광 소자는 질화물계 반도체로 이루어지는 활성층과, 활성층 상에 형성되어 제1 도전형의 질화물계 반도체로 이루어지며 또한 평탄부 및 그 평탄부 상의 릿지부를 포함하는 클래드층을 포함하고, 클래드층은 릿지부의 양측면에 따라서 평탄부에 오목홈을 포함하고, 클래드층의 오목홈이 매립되도록 평탄부 상 및 릿지부의 측면에 형성된 제1 전류 블록층을 더 포함한다.
그 반도체 발광 소자에 있어서는 클래드층의 릿지부의 양측면에 따른 오목홈에 제1 전류 블록층이 형성된다. 그에 따라, 오목홈의 제1 전류 블록층 근방의 기생 용량이 저감되고 반도체 발광 소자의 좁은 펄스 폭에서의 펄스 구동시의 응답 특성이 개선된다.
제1 전류 블록층은 불순물을 포함하는 고저항의 질화물계 반도체로 이루어지는 것이 바람직하다. 이 경우, 제1 전류 블록층과 클래드층의 계면 근방의 기생 용량을 저감할 수 있고, 반도체 발광 소자가 좁은 펄스 폭에서의 펄스 구동시의 응답 특성을 또한 개선할 수 있다.
또, 제1 전류 블록층에 불순물을 함유시키는 방법으로서는 도핑에 의한 방법이나 이온 주입에 의한 방법 등이 있다.
불순물은 아연, 베릴륨, 칼슘 및 탄소 중 적어도 하나를 포함하는 것이 바람직하다. 이들의 불순물을 첨가함으로써 질화물계 반도체를 용이하게 고저항으로 하여 반도체 발광 소자의 좁은 펄스 폭에서의 펄스 구동시의 응답 특성을 개선할 수 있다.
제1 전류 블록층은 1.5Ω·㎝ 이상의 저항치를 포함하는 것이 바람직하다. 이 경우에는, 반도체 발광 소자가 좁은 펄스 폭에서의 펄스 구동시의 응답 특성이 충분히 개선된다.
반도체 발광 소자는 제1 전류 블록층 상에 형성되어, 제1 도전형과 역의 제2 도전형의 질화물계 반도체로 이루어지는 제2 전류 블록층을 더 포함하는 것이 바람직하다. 이 경우에는, 반도체 발광 소자의 동작 전류를 저감시킬 수 있다.
제1 전류 블록층의 두께는 0.5㎛ 이상인 것이 바람직하고, 1.0㎛ 이상인 것이 더욱 바람직하다.
또한, 클래드층의 평탄부의 두께는 0.3㎛ 이하인 것이 바람직하고, 0. 08㎛ 이하인 것이 더욱 바람직하다.
질화물계 반도체는 붕소, 갈륨, 알루미늄, 인듐 및 탈륨 중 적어도 하나를 포함하여도 좋다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 있어서의 반도체 레이저 소자의 구성을 나타내는 개략적인 단면도.
도 2는 도 1의 반도체 레이저 소자의 활성층의 구성을 나타내는 개략적인 단면도.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 있어서의 반도체 레이저 소자의 구성을 나타내는 개략적인 단면도.
도 4는 본 발명의 제3 실시예에 따르는 반도체 레이저 소자의 구성을 나타내는 개략적인 단면도.
도 5는 도 4의 반도체 레이저 소자의 제조 방법을 나타내는 모식적 공정 단면도.
도 6은 도 4의 반도체 레이저 소자의 제조 방법을 나타내는 모식적 공정 단면도.
도 7은 도 4의 반도체 레이저 소자의 제조 방법을 나타내는 모식적 공정 단면도.
도 8은 본 발명의 제5 실시예에 있어서의 반도체 레이저 소자의 구성을 나타내는 개략적인 단면도.
도 9는 본 발명의 제6 실시예에 있어서의 반도체 레이저 소자의 구성을 나타내는 개략적인 단면도.
도 10은 본 발명의 제7 실시예에 있어서의 반도체 레이저 소자의 구성을 나타내는 개략적인 단면도.
도 11은 본 발명의 제8 실시예에 있어서의 반도체 레이저 소자의 구성을 나타내는 개략적인 단면도.
도 12는 제1, 제2, 제4 및 제5 실시예 및 비교예의 반도체 레이저 소자에 있어서의 광 출력의 상승 시간의 제2 클래드층 평탄부 두께 의존성의 측정 결과를 나타내는 도면.
도 13은 제3 실시예 및 비교예의 반도체 레이저 소자에 있어서의 광 출력의 상승 시간의 제2 클래드층 평탄부 두께 의존성의 측정 결과를 나타내는 도면.
도 14는 제6 내지 제8 실시예 및 비교예의 반도체 레이저 소자에 있어서의 광 출력의 상승 시간의 제2 클래드층 평탄부 두께 의존성의 측정 결과를 나타내는 도면.
도 15는 제1 실시예의 반도체 레이저 소자에 있어서의 광 출력 상승 시간의 전류 블록층 두께 의존성의 측정 결과를 나타내는 도면.
도 16은 제1 및 제2 실시예의 반도체 레이저 소자에 있어서의 동작 전류의 제2 클래드층 평탄부 두께 의존성의 측정 결과를 나타내는 도면.
도 17은 종래의 반도체 레이저 소자의 구성을 나타내는 개략적인 단면도.
〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉
1 : 기판
2 : 버퍼층
3 : GaN층
4 : 제1 컨택트층
5 : 크랙 방지층
6 : 제1 클래드층
7 : 발광층
8 : 제2 클래드층
9a ; 제2 컨택트층
10 : 릿지부
(제1 실시예)
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 있어서의 질화물계 반도체 레이저 소자의 구조를 나타내는 개략적인 단면도이다. 제1 실시예의 반도체 레이저 소자는 릿지도 파형의 반도체 레이저 소자이다.
도 1의 반도체 레이저 소자에 있어서, 사파이어 기판(1)의 C면 상에, MOCVD법(유기 금속 화학적 기상 성장법)에 의해 도핑되지 않은 Al0.5Ga0.5N으로 이루어지는 두께 25㎚의 버퍼층(2), 도핑되지 않은 GaN으로 이루어지는 두께 2㎛의 도핑되지 않은 GaN층(3), Si 도핑의 n-GaN으로 이루어지는 두께 3㎛의 제1 컨택트층(4), Si 도핑의 n-In0.1Ga0.9N으로 이루어지는 두께 0.1㎛의 크랙 방지층(5), Si 도핑의 n-Al0.07Gao0.93N으로 이루어지는 두께 1.5㎛의 제1 클래드층(6), 후술하는 다중양자 웰 구조의 발광층(7), Mg 도핑의 p-Al0.07Ga0.93N으로 이루어지는 두께 1.5㎛의 제2 클래드층(8) 및 Mg 도핑의 p-GaN으로 이루어지는 두께 0.05㎛의 제2 컨택트층(9a)이 순차적으로 적층되어 있다.
반응성 이온 에칭(RIE)법 또는 반응성 이온 빔 에칭(RIBE)법에 의해 제2 컨택트층(9a) 및 제2 클래드층(8)의 스트라이프형의 영역의 양측이 소정의 두께 d1을 남기고 제거되어 스트라이프형의 릿지부(10)가 형성된다. 이 때의 릿지부(10)의 폭은 2.0 내지 5.0㎛ 사이에서 조정된다. 제2 클래드층(8)은 두께 d1의 평탄부(82) 및 볼록부(81)로 이루어진다.
제2 컨택트층(9a)으로부터 제1 컨택트층(4)의 일부 영역이 소정의 깊이까지 에칭에 의해 제거되고, 제1 컨택트층(4)에 전극 형성면(11)이 형성된다.
릿지부(10)의 양측면 및 제2 클래드층(8)의 평탄부(82) 상에는 두께 d2의 Al0.12Ga0.88N으로 이루어지는 전류 블록층(12)이 형성되어 있다. 또한 제2 컨택트층(9a)의 상면으로부터 전류 블록층(12)의 상면에 걸쳐 Mg 도핑의 p-GaN으로 이루어지는 두께 0.5㎛의 제3 컨택트층(9b)이 적층되어 있다.
또한, 제3 컨택트층(9b) 상에는 p측 전극(131)이 형성되고, 제1 컨택트층(4)의 전극 형성면(11)에는 n측 전극(132)이 형성되어 있다.
도 2는 발광층(7)의 구조를 나타내는 단면도이다. 발광층(7)은 제1 클래드층(6) 상에 형성된 Si 도핑의 n-GaN으로 이루어지는 두께 0.1㎛의 제1 광 가이드층(71)과, 그 위에 형성된 활성층(72)과, 그 위에 형성된 Mg 도핑의 p-GaN으로 이루어지는 두께 0.1㎛의 제2 광 가이드층(73)으로 이루어진다. 활성층(72)은 Si 도핑의 n-In0.02Ga0.98N으로 이루어지는 두께 6㎚의 배리어층(721, 723, 725, 727)과, Si 도핑의 n-In0.10Ga0.90N으로 이루어지는 두께 3㎚의 웰층(722, 724, 726)이 교대로 적층되어 이루어지는 다중양자 웰 구조를 갖는다.
Al0.12Ga0.88N으로 이루어지는 전류 블록층(12)은 불순물의 도핑에 의해 고저항으로 되어 있다. 불순물로서는, 아연, 베릴륨, 칼슘 및 탄소 중 적어도 하나가 이용된다.
본 실시예의 반도체 레이저 소자에 있어서는 Al0.12Ga0.88N으로 이루어지는 전류 블록층(12)이 불순물의 도핑에 의해 고저항으로 됨으로써 전류 블록층(12)과 제2 클래드층(8)의 평탄부(82)의 계면의 기생 용량이 감소한다. 그에 따라, 펄스 구동시에 광 출력의 상승 시간 tr이 단축된다. 마찬가지의 이유로부터, 펄스 구동시에 광 출력의 하강 시간이 단축된다. 그에 따라, 도 1의 반도체 레이저 소자의 광 출력의 응답 특성이 개선된다.
또, 전류 블록층(12)의 저항치는, 광 출력의 응답 특성을 충분히 개선하기 위해서는 1. 5Ω·㎝ 이상인 것이 바람직하다.
(제2 실시예)
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 있어서의 반도체 레이저 소자의 구성을 나타내는 개략적인 단면도이다.
도 3의 반도체 레이저 소자와 도 1의 반도체 레이저 소자는 전류 블록층의 구성은 다르지만, 도 3의 반도체 레이저 소자의 제2 전류 블록층(121) 이외의 부분은 도 1의 반도체 레이저 소자와 마찬가지이다. 도 3의 반도체 레이저 소자에 있어서는, 도 1의 반도체 레이저 소자의 전류 블록층(12) 상에 층 두께 0.3㎛의 n-Al0.12Ga0.88N으로 이루어지는 제2 전류 블록층(121)이 형성되어 있다. n형 도우펀트로서는 예를 들면 Si가 이용된다.
본 실시예의 반도체 레이저 소자에 있어서는, Al0.12Ga0.88N으로 이루어지는 전류 블록층(12)이 불순물의 도핑에 의해 고저항으로 됨으로써 도 1의 반도체 레이저 소자와 마찬가지로 광 출력의 응답 특성이 개선된다. 또한, 제2 클래드층(8)과는 역의 도전형의 제2 전류 블록층(121)을 설치함으로써 동작 전류가 저감된다.
(제3 실시예)
도 4는 본 발명의 제3 실시예에 있어서의 반도체 레이저 소자의 구성을 나타내는 개략적인 단면도이다.
도 4의 반도체 레이저 소자와 도 1의 반도체 레이저 소자는 제2 클래드층 및 전류 블록층이 다르지만, 도 4의 반도체 레이저 소자의 제2 클래드층(108) 및 전류 블록층(112) 이외의 부분은 도 1의 반도체 레이저 소자와 마찬가지의 구조를 갖는다. 도 4의 제2 클래드층(108)은 발광층(7) 상에 형성되어 평탄부(182) 및 볼록부(181)을 갖고, 볼록부(181)의 양측면에 따라서 평탄부(182) 상에 오목홈(183)이 형성되어 있다. 제2 클래드층(108)의 오목홈(183)이 매립되도록, 제2 클래드층(108)의 평탄부(182)의 상면 및 볼록부(181)의 양측면에 전류 블록층(112)이 형성되어 있다.
본 실시예의 반도체 레이저 소자에 있어서는, 오목홈이 n형의 전류 블록층(112)에 의해 매립됨으로써 광 출력의 상승 시간 및 하강 시간이 짧아지고, 광 출력의 응답 특성이 개선된다.
도 5 내지 도 7은 도 4의 반도체 레이저 소자의 제조 공정을 나타내는 모식적 공정 단면도이다.
도 5a에 도시한 바와 같이, 사파이어 기판(1)의 C면 상에 MOCVD법(유기 금속 화학적 기상 퇴적법)에 의해 도핑되지 않은 Al0.5Ga0.5N으로 이루어지는 두께 25㎚의 버퍼층(2), 도핑되지 않은 GaN으로 이루어지는 두께 2㎛의 도핑되지 않은 GaN층(3), Si 도핑의 n-GaN으로 이루어지는 두께 3㎛의 제1 컨택트층(4), Si 도핑의 n-In0.1Ga0.9N으로 이루어지는 두께 0.1㎛의 크랙 방지층(5), Si 도핑의 n-Al0.07Ga0.93N으로 이루어지는 두께 1.5㎛의 제1 클래드층(6), 후술하는 다중양자 웰 구조의 발광층(7), Mg 도핑의 p-Al0.07Ga0.93N으로 이루어지는 두께 1.5㎛의 제2 클래드층(8) 및 Mg 도핑의 p-GaN으로 이루어지는 두께 0.05㎛의 제2 컨택트층(9a)가 순차적으로 적층된다.
도 5b에 도시한 바와 같이, 제2 컨택트층(9a)의 상면의 소정 영역에 SiO2막(400) 및 Ni막(401)을 형성한다. 이들 SiO2막(400) 및 Ni막(401)을 마스크로서 RIBE법 또는 RIE법에 의해 n-컨택트층(4)의 일부 영역을 소정의 깊이까지 에칭하고, n측 전극을 형성하기 위한 전극 형성면(11)을 형성한다.
도 6a에 도시한 바와 같이, 도 4의 오목홈(183)에 대응하는 영역의 SiO2막(400) 및 Ni막(401)을 제거하여, SiO2막(400a∼400c) 및 Ni막(401a∼401c)을 형성한다. 이들 SiO2막(400a∼400c) 및 Ni막(401a∼401c)을 마스크로서 RIBE법 또는 RIE법에 의해 p-GaN으로 이루어지는 제2 컨택트층(9a)의 일부를 제거하고, 제2 컨택트층(9a)에 도달하는 폭 1㎛, 깊이 0.05㎛의 오목부를 형성한다.
도 6b에 도시한 바와 같이, SiO2막(400b) 및 Ni막(401b)을 남기고 SiO2막(400a, 400c) 및 Ni막(401a, 401c)을 제거하여, SiO2막(400b) 및 Ni막(401b)을 마스크로서 p-클래드층(8)의 평탄부(182)의 두께가 d1이 되도록 소정의 깊이까지 에칭한다.
도 7a에 도시한 바와 같이, SiO2막(400b)을 마스크로서 n-전류 블록층(112)을 선택 성장시킨다.
마지막으로, 도 7b에 도시한 바와 같이, 제3 컨택트층(9b)을 성장하여 p측 전극(131) 및 n측 전극(132)을 형성한다.
또, 상기 제조 방법 대신에, 릿지부(10)의 양측면에 따른 부분에서의 에칭 속도가 큰 것을 이용하여 릿지부(10)를 형성한 후, p-클래드층(8)의 평탄부의 전면을 에칭함으로써도 릿지부(10)의 양측면에 따라서 오목홈(183)을 설치하는 것이 가능하다.
(제4 실시예)
제4 실시예의 반도체 레이저 소자는 도 4의 반도체 레이저 소자의 전류 블록층(112)이 불순물이 첨가된 고저항의 Al0.12Ga0.88N으로 형성된다. 제4 실시예의 반도체 레이저 소자의 전류 블록층 이외의 구성은 도 4의 반도체 레이저 소자와 마찬가지이다.
본 실시예의 반도체 레이저 소자에 있어서는, Al0.12Ga0.88N으로 이루어지는 전류 블록층이 불순물의 도핑에 의해 고저항으로 됨으로써 도 1의 반도체 레이저 소자와 마찬가지로 광 출력의 응답 특성이 개선된다.
또, 전류 블록층의 저항치는 광 출력의 응답 특성을 충분히 개선하기 위해서는 1.5Ω·㎝ 이상인 것이 바람직하다.
(제5 실시예)
도 8은 본 발명의 제5 실시예에 있어서의 반도체 레이저 소자의 구성을 나타내는 개략적인 단면도이다.
도 8의 반도체 레이저 소자와 도 3의 반도체 레이저 소자는 제2 클래드층 및 전류 블록층이 다르다. 그러나, 도 8의 반도체 레이저 소자의 제2 클래드층(108) 및 전류 블록층(120) 이외의 부분은 도 3의 반도체 레이저 소자와 마찬가지의 구조를 갖는다. 도 8의 제2 클래드층(108)은 발광층(7) 상에 형성되어 평탄부(182) 및 스트라이프형의 볼록부(181)을 갖고, 스트라이프형의 볼록부(181)의 양측면에 따라서 평탄부(182) 상에 오목홈(183)이 형성되어 있다. 제2 클래드층(108)의 오목홈(183)이 매립되도록, 제2 클래드층(108)의 평탄부(182)의 상면 및 볼록부(181)의 양측면에 전류 블록층(120)이 형성되어 있다. 오목홈(183)이 형성되어 있는 부분의 제2 클래드층(108)의 두께 d3은 평탄부(182)의 두께 d1보다도 얇아진다.
본 실시예의 반도체 레이저 소자에 있어서는, Al0.12Ga.088N으로 이루어지는 전류 블록층(120)이 불순물의 도핑에 의해 고저항으로 됨으로써, 도 1의 반도체 레이저 소자와 마찬가지로 광 출력의 응답 특성이 개선된다. 또한, 제2 클래드층(8)과는 역의 도전형의 제2 전류 블록층(121)을 설치함으로써 동작 전류가 저감된다. 오목홈(183)이 전류 블록층(120)에 의해 매립되어 있으므로, 광 출력의 응답 특성이 더욱 좋아진다.
(제6 실시예)
도 9는 본 발명의 제6 실시예에 있어서의 반도체 레이저 소자의 구성을 나타내는 개략적인 단면도이다.
도 9의 반도체 레이저 소자와 도 1의 반도체 레이저 소자는 기판 및 기판과 크랙 방지층 사이의 각 층 및 제2 클래드층은 다르지만, 다른 부분의 구성은 도 1의 반도체 레이저 소자와 마찬가지이다. 즉, 도 9의 반도체 레이저 소자는 n-GaN 기판(301) 상에, MOCVD법에 의해 Si 도핑의 n-GaN으로 이루어지는 두께 3㎛의 버퍼층(304), 도 1의 반도체 레이저 소자와 마찬가지의 각 층(5 내지 7), Mg 도핑의 p-Al0.07Ga0.93N으로 이루어지는 두께 1.5㎛의 제2 클래드층(308) 및 제2 컨택트층(9a)이 순차적으로 적층되어 이루어진다.
반응성 이온 에칭(RIE)법 또는 반응성 이온 빔 에칭(RIBE)법에 의해 제2 컨택트층(9a) 및 제2 클래드층(308)의 일부 영역이 소정의 두께 d1을 남기고 제거되어 스트라이프형의 릿지부(10)가 형성된다. 이 때의 릿지부(10)의 폭은 2.0 내지 5.0㎛의 사이에서 조정된다. 제2 클래드층(308)은 두께 d1의 평탄부(382) 및 볼록부(381)로 이루어진다.
또한, 릿지부(10)의 양측면 및 제2 클래드층(308)의 평탄부(382)에는 두께 d2의 Al0.12Ga0.88N으로 이루어지는 전류 블록층(12)이 형성되어 있다. 또한 제2 컨택트층(9a)의 상면으로부터 전류 블록층(12)의 상면에 걸쳐 Mg 도핑의 p-GaN으로 이루어지는 두께 0. 5㎛의 제3 컨택트층(9b)이 적층되어 있다.
또한, p-제3 컨택트층(9a) 상에는 p측 전극(331)이 형성되고, n-GaN 기판(301)의 이면에는 n측 전극(332)이 형성되어 있다.
본 실시예에 있어서도 전류 블록층(12)이 불순물이 도핑되어 고저항으로 되어 있으므로, 도 1의 반도체 레이저와 마찬가지로, 광 출력의 상승 시간 및 하강 시간이 단축되고, 광 출력의 응답 특성이 개선된다.
(제7 실시예)
도 10은 본 발명의 제7 실시예에 있어서의 반도체 레이저 소자의 구성을 나타내는 개략적인 단면도이다.
도 10의 반도체 레이저 소자와 도 9의 반도체 레이저 소자는 전류 블록층의 구성은 다르지만, 도 10의 반도체 레이저 소자의 제2 전류 블록층(121) 이외의 부분은 도 9의 반도체 레이저 소자와 마찬가지이다. 즉, 도 10의 반도체 레이저 소자에는 도 9의 반도체 레이저 소자의 전류 블록층(12) 상에, 층 두께 0.3㎛의 n-Al0.12Ga0.88N으로 이루어지는 제2 전류 블록층(121)이 형성되어 있다.
본 실시예의 반도체 레이저 소자에 있어서는, Al0.12Ga0.88N으로 이루어지는 전류 블록층(12)이 불순물의 도핑에 의해 고저항으로 됨으로써 도 1의 반도체 레이저 소자와 마찬가지로 광 출력의 응답 특성이 개선된다. 또한, 제2 클래드층(8)과는 역의 도전형의 제2 전류 블록층(121)을 설치함으로써 동작 전류가 저감된다.
(제8 실시예)
도 11은 본 발명의 제8 실시예에 있어서의 반도체 레이저 소자의 구성을 나타내는 개략적인 단면도이다.
도 11의 반도체 레이저 소자와 도 10의 반도체 레이저 소자는 제2 클래드층 및 전류 블록층이 다르지만, 도 10의 반도체 레이저 소자의 제2 클래드층(308) 및 전류 블록층(12) 이외의 부분은 도 10의 반도체 레이저 소자와 마찬가지의 구조를 갖는다. 도 11의 제2 클래드층(318)은 평탄부(382) 및 스트라이프형의 볼록부(381)를 갖고, 스트라이프형의 볼록부(381)의 양측면에 따라서 평탄부(382) 상에 오목홈(383)이 형성되어 있다. 제2 클래드층(318)의 오목홈(383)이 매립되도록, 제2 클래드층(318)의 평탄부(382)의 상면 및 볼록부(381)의 양측면에 전류 블록층(120)이 형성되어 있다.
본 실시예의 반도체 레이저 소자에 있어서는, Al0.12Ga0.88N으로 이루어지는 전류 블록층(120)이 불순물의 도핑에 의해 고저항으로 됨으로써 도 1의 반도체 레이저 소자와 마찬가지로 광 출력의 응답 특성이 개선된다. 또한, 제2 클래드층(318)과는 역의 도전형의 제2 전류 블록층(121)을 설치함으로써 동작 전류가 저감된다. 또한, 오목홈(383)이 전류 블록층(120)에 의해 매립되어 있으므로, 더욱 광 출력의 응답 특성이 좋아진다.
또, 전류 블록층(120)의 저항치는, 광 출력의 응답 특성을 충분히 개선하기 위해서는 1.5Ω·㎝ 이상인 것이 바람직하다.
〈실시예〉
도 1에 도시한 제1 실시예의 반도체 레이저 소자, 도 3에 도시한 제2 실시예의 반도체 레이저 소자, 도 4에 도시한 제3 실시예의 반도체 레이저 소자, 제4 실시예의 반도체 레이저 소자, 도 8에 도시한 제5 반도체 레이저 소자, 도 9에 도시한 제6 실시예의 반도체 레이저 소자, 도 10에 도시한 제7 실시예의 반도체 레이저 소자, 도 11에 도시한 제8 실시예의 반도체 레이저 소자 및 비교예의 반도체 레이저 소자를 제작하고 특성을 측정하였다.
도 1의 제1 실시예, 도 3의 제2 실시예, 도 9의 제6 실시예 및 도 10의 제7 실시예의 반도체 레이저 소자는 릿지부(10)의 폭을 3㎛로 설정하고, 전류 블록층(12)의 두께 d2를 0.5㎛로 설정하여, 전류 블록층(12)에 불순물로서 Zn(아연)을 도핑하였다. 도 4의 제3 실시예의 반도체 레이저 소자는 릿지부(10)의 폭을 3㎛로 설정하고, 전류 블록층(112)의 두께 d2를 0.5㎛로 설정하여, 전류 블록층(112)에는 Si를 도핑하였다. 도 8의 제5 실시예 및 도 11의 제8 실시예의 반도체 레이저 소자에서는 릿지부(10)의 폭을 3㎛로 설정하고, 전류 블록층(120)의 두께 d2를 0.5㎛로 설정하여, 전류 블록층(120)에 불순물로서 Zn을 도핑하였다. 또한, 오목홈(183, 383)의 깊이(즉 d1-d3)를 0.05㎛로 설정하였다.
제4 실시예의 반도체 레이저 소자는 전류 블록층에 불순물로서 Zn을 도핑한 점을 제외하고 도 4의 제3 실시예의 반도체 레이저 소자와 마찬가지의 구조를 갖는다. 비교예의 반도체 레이저 소자는 전류 블록층에 Si만을 도핑하여 n형으로 하는 점을 제외하고 도 1의 제1 실시예의 반도체 레이저 소자와 마찬가지의 구조를 갖는다.
우선, 제1 내지 제8 실시예의 반도체 레이저 소자 및 비교예의 반도체 레이저 소자의 상승 시간 tr과 제2 클래드층 평탄부의 두께 d1의 관계를 측정하였다. 측정 결과를 도 12, 도 13 및 도 14에 도시한다. 또한, 제1 내지 제3 실시예, 제6 실시예 및 제7 실시예의 반도체 레이저 소자에 관한 측정 결과를 표 1에 도시한다. 또, 제4, 제5 및 제8 실시예의 반도체 레이저 소자에 관한 제2 클래드층 평탄부의 두께 d1이 0.3㎛인 경우에 관해서 측정을 행하였다. 제4, 제5 및 제8 실시예의 반도체 레이저 소자의 상승 시간 tr은 각각 0.13㎱, 0.08㎱ 및 0.06㎱이었다.
또, 광 출력의 상승 시간 tr은 광 출력이 피크시 5mW의 10%가 된 시점으로부터 90%에 도달하기까지의 시간으로 정의하였다. 또한, 펄스 폭 50㎱, 듀티 사이클 50%(반복 주파수 10MHz)의 펄스 구동 조건으로 측정을 행하였다.
제2 클래드층 평탄부의 두께 d1(㎛) 0.02 0.08 0.2 0.3 0.4 0.5
상승 시간 tr(㎱) (제1 실시예) 0.01 0.03 0.12 0.2 0.59 0.98
상승 시간 tr(㎱) (제2 실시예) 0.01 0.01 0.06 0.12 0.35 0.66
상승 시간 tr(㎱) (제3 실시예) 0.06 0.14 0.62 1.1 2.5 3.9
상승 시간 tr(㎱) (제6 실시예) 0.01 0.03 0.10 0.18 0.50 0.80
상승 시간 tr(㎱) (제7 실시예) 0.01 0.01 0.05 0.10 0.35 0.60
상승 시간 tr(㎱) (비교예) 0.08 0.20 0.8 1.4 2.8 4.4
제1 내지 제8 실시예의 반도체 레이저 소자의 상승 시간 tr은 제2 클래드층 평탄부의 두께 d1에 상관없이 항상 비교예의 반도체 레이저 소자의 상승 시간 tr보다도 짧게 되어 있다.
제1 내지 제3, 제6 및 제7 실시예의 반도체 레이저 소자에 있어서, 제2 클래드층 평탄부의 두께 d1의 감소에 따라, 광 출력 상승 시간 tr은 감소한다. 제1 내지 제3, 제6 및 제7 실시예의 반도체 레이저 소자에 있어서, 제2 클래드층 평탄부의 두께 d1이 0.3㎛ 이상일 때에는 제2 클래드층 평탄부의 두께 d1의 증가에 따라 상승 시간 tr이 급격하게 증가한다. 제2 클래드층 평탄부의 두께 d1이 0.3㎛ 이하인 곳에서 상승 시간 tr의 증가가 완만하게 되고, 0.08㎛ 이하에서 또한 증가가 완만하게 된다. 따라서, 짧은 상승 시간 tr을 안정적으로 확보하기 위해서는, 제2 클래드층 평탄부의 두께 d1은 0.3㎛ 이하인 것이 바람직하고, 0.08㎛ 이하인 것이 더욱 바람직하다.
제2 클래드층 평탄부의 두께 d1이 0.3㎛인 곳에서 제1 내지 제8 실시예의 반도체 레이저 소자의 상승 시간 tr을 비교하면, 제3 실시예의 반도체 레이저 소자의 상승 시간 tr보다도 제1 및 제6 실시예의 반도체 레이저 소자의 상승 시간 tr이 작고, 제1및 제6 실시예의 반도체 레이저 소자의 상승 시간 tr보다도 제2, 제4 및 제7 실시예의 반도체 레이저 소자의 상승 시간 tr이 작고, 제2, 제4 및 제7 실시예의 반도체 레이저 소자의 상승 시간 tr보다도 제5 및 제8 실시예의 반도체 레이저 소자의 상승 시간 tr이 작다 것을 알 수 있다.
이것은 전류 블록층에 불순물을 첨가하여 고저항으로 하는 효과와, 제2 전류 블록층(121)을 형성함으로써 상승 시간 tr이 단축되는 효과와, 전류 블록층에 의해 제2 클래드층의 형성된 오목홈을 매립하는 것에 의한 상승 시간 tr의 단축의 효과를 상호 더하는 것이 가능한 것을 나타내고 있다.
다음에, 도 1의 제1 실시예의 반도체 레이저 소자에 관해서 전류 블록층의 두께 d2의 상승 시간 tr과의 관계에 관해서 측정을 행하였다. 측정 결과를 도 15 및 표 2에 도시한다.
전류 방지층 두께 d2(㎛) 0.25 0.37 0.5 0.75 1.0 1.5
상승 시간 tr(㎱) 0.71 0.47 0.2 0.08 0.02 0.01
또, 제2 클래드층(8)의 평탄부(82)의 두께 d1은 0.3㎛로 설정하였다. 이 측정 결과로부터, 전류 블록층(12)의 두께 d2의 증가에 따라 상승 시간 tr이 감소하는 것을 알 수 있다. 전류 블록층(12)의 두께 d2가 0.5㎛ 이하의 영역에서는 두께 d2의 감소에 따라 상승 시간 tr이 급격히 증가하고 있다. 한편, 전류 블록층(12)의 두께 d2가 지점 1.0㎛ 이상의 영역에서 거의 감소하지 않게 된다. 따라서, 짧은 상승 시간 tr을 안정적으로 확보하기 위해서는, 전류 블록층(12)의 두께 d2는 0.5㎛ 이상인 것이 바람직하고, 1.0㎛ 이상인 것이 더욱 바람직하다.
다음에, 제1 실시예 및 제2 실시예의 반도체 레이저 소자에 관해서 제2 클래드층 평탄부의 두께 d1과 동작 전류와의 관계를 측정하였다. 측정 결과를 도 16 및 표 3에 도시한다.
제2 클래드층 평탄부의 두께 d1(㎛) 0.02 0.08 0.2 0.3 0.4 0.5
동작 전류(㎃) (제1 실시예) 72 74 77 79 81 83
동작 전류(㎃) (제2 실시예) 69 71 73 74 76 78
이 결과로부터, 도 3에 도시한 제2 실시예의 반도체 레이저 소자의 동작 전류쪽이 도 1에 도시한 제1 실시예의 반도체 레이저 소자의 동작 전류보다도 3 내지 5㎃ 작아지는 것을 알 수 있다.
본 발명은 좁은 펄스 폭에서의 펄스 구동시의 응답 특성이 향상된 반도체 발광 소자를 제공할 수 있는 이점이 있다.

Claims (19)

  1. 반도체 발광 소자에 있어서,
    질화물계 반도체로 이루어지는 활성층,
    상기 활성층 상에 형성되어, 제1 도전형의 질화물계 반도체층으로 이루어지며 또한 평탄부 및 그 평탄부 상의 릿지부를 포함하는 클래드층, 및
    상기 클래드층의 상기 평탄부 상부 및 상기 릿지부의 측면에 형성되어, 불순물을 포함하는 고저항의 질화물계 반도체로 이루어지는 제1 전류 블록층을 포함하는 반도체 발광 소자.
  2. 제1항에 있어서, 상기 불순물은 아연, 베릴륨, 칼슘 및 탄소 중 적어도 하나를 포함하는 반도체 발광 소자.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제1 전류 블록층은 1.5Ω·㎝ 이상의 저항치를 포함하는 반도체 발광 소자.
  4. 제1항에 있어서, 상기 제1 전류 블록층 상에 형성되어, 상기 제1 도전형과 역의 제2 도전형의 질화물계 반도체로 이루어지는 제2 전류 블록층을 더 포함하는 반도체 발광 소자.
  5. 제1항에 있어서, 상기 제1 전류 블록층의 두께는 0.5㎛ 이상인 반도체 발광 소자.
  6. 제1항에 있어서, 상기 제1 전류 블록층의 두께는 1.0㎛ 이상인 반도체 발광 소자.
  7. 제1항에 있어서, 상기 클래드층의 평탄부의 두께는 0.3㎛ 이하인 반도체 발광 소자.
  8. 제7항에 있어서, 상기 클래드층의 평탄부의 두께는 0.08㎛ 이하인 반도체 발광 소자.
  9. 제1항에 있어서, 상기 질화물계 반도체는 붕소, 갈륨, 알루미늄, 인듐 및 탈륨 중 적어도 하나를 포함하는 반도체 발광 소자.
  10. 반도체 발광 소자에 있어서,
    질화물계 반도체로 이루어지는 활성층, 및
    상기 활성층 상에 형성되어, 제1 도전형의 질화물계 반도체로 이루어지며 또한 평탄부 및 그 평탄부 상의 릿지부를 포함하는 클래드층을 포함하고,
    상기 클래드층은 상기 릿지부의 양측면에 따라서 상기 평탄부에 오목홈을 포함하고,
    상기 클래드층의 상기 오목홈이 매립되도록 상기 평탄부 상 및 상기 릿지부의 측면에 형성된 제1 전류 블록층을 더 포함하는 반도체 발광 소자.
  11. 제10항에 있어서, 상기 제1 전류 블록층은 불순물을 포함하는 고저항의 질화물계 반도체로 이루어지는 반도체 발광 소자.
  12. 제10항에 있어서, 상기 불순물은 아연, 베릴륨, 칼슘 및 탄소 중 적어도 하나를 포함하는 반도체 발광 소자.
  13. 제10항에 있어서, 상기 제1 전류 블록층은 1.5Ω·㎝ 이상의 저항치를 갖는 반도체 발광 소자.
  14. 제10항에 있어서, 상기 제1 전류 블록층 상에 형성되어, 상기 제1 도전형과 역의 제2 도전형의 질화물계 반도체로 이루어지는 제2 전류 블록층을 더 포함하는 반도체 발광 소자.
  15. 제10항에 있어서, 상기 제1 전류 블록층의 두께는 0.5㎛ 이상인 반도체 발광 소자.
  16. 제15항에 있어서, 상기 제1 전류 블록층의 두께는 1.0㎛ 이상인 반도체 발광 소자.
  17. 제10항에 있어서, 상기 클래드층의 평탄부의 두께는 0.3㎛ 이하인 반도체 발광 소자.
  18. 제17항에 있어서, 상기 클래드층의 평탄부의 두께는 0.08㎛ 이하인 반도체 발광 소자.
  19. 제10항에 있어서, 상기 질화물계 반도체는 붕소, 갈륨, 알루미늄, 인듐 및. 탈륨 중 적어도 1개를 포함하는 반도체 발광 소자.
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