KR20010090499A - 질화물반도체소자 및 그 제조방법 - Google Patents

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KR20010090499A
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야마구치아쓰시
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가네꼬 히사시
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Abstract

질화물반도체발광소자에 있어서, 발광효율을 양호하게 유지하면서 고온동작시 소자수명을 개선한다. InxAlyGa1-x-yN(O＜x＜1, 0≤y≤0.2) 발광층을 포함하는 활성층(4)을, 암모니아가스의 분압을 110hPa로 한 유기금속기상성장법에 의해 성막한다.

Description

질화물반도체소자 및 그 제조방법{Nitride semiconduct device and method of forming the same}
본 발명은, 반도체레이저등으로 이용되는 질화물반도체소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.
질화물반도체재료를 이용한 발광소자는, 질화물반도체층중에 많은 관통전위를 포함하기 때문에, 층구조의 설계시, 다른 재료계를 이용한 발광소자와는 다른 설계사상이 자주 이용된다.
통상, 반도체레이저에 있어서 활성층은, 구성재료가 균일하게 분포하고, 밴드갭의 수치가 균일하게 되어 있는 것이 바람직하다. 이들이 불균일하면, 발광효율이 저하하는 것과 함께 발광파장이 다파장으로 되기 쉽기 때문이다. 그런데, 질화물반도체레이저에서는, 활성층에 결함이 많기 때문에, 캐리어가 결함에 포착되어비발광재결합 등이 일어나기 쉽다. 이것을 피하기 위해서는, 활성층의 면내에 포텐셜의 요동을 형성하고, 이 곡부(谷部)에 캐리어를 국재화(局在化)시키는 것이 유효하게 된다. 이것에 의해, 캐리어가 결함에 포착되어 비발광재결합을 일으키는 것을 억제할 수 있다. 이와 같은 사정으로, 질화물반도체레이저에서는, 다른 재료계로 구성되는 반도체레이저와는 달리, 활성층의 구성재료의 분포가 불균일하게 되어 있는 쪽이 오히려 바람직하다고 되어 있다.
그런데, 질화갈륨계소자의 활성층으로서는 InAlGaN이 일반적으로 이용되지만, 이 InAlGaN은, 혼정(混晶)을 성장시키기 어려운 재료이고, InN과 GaN 또는 AlN이 상분리하는 경향이 있다. 이 때문에 InAlGaN활성층에 있어서는 In조성의 불균일한 영역이 형성된다. 이 상분리는 의도적으로 형성되는 것은 아니지만, 결과로서, 활성층의 면내에 포텐셜의 요동이 형성되어, 비발광재결합이 억제되는 것으로 되어, 발광효율의 향상, 문턱치전류의 저감이 도모되는 것으로 된다.
상기 사실은 특개평 10-12969호 공보에도 기재되어 있다. 이 공보에는, InGaN은 혼정을 성장시키기 어려운 재료이고, InN과 GaN이 상분리하는 경향이 강하다고 기재되어 있고, 더욱, 웰층(well layer)에 있어서 In조성의 면내불균일이 있다는 것은, 단일 InGaN 웰층에 밴드갭이 다른 InGaN영역이 존재하고, 전자와 정공이 웰층내에 In조성이 큰(포텐셜에너지로서는 낮은 방향)영역에 국재화하고 국재엑시톤을 형성하고, 레이저의 문턱치가 내려가고, 출력이 높아지는 것은 국재엑시톤에 의한 것이다.]라고 기재되어 있다.
또, 어플라이드 피직스 레터즈(APPLIED PHYSISCS LETTERS, 제71권, 2346면,1997년)에도 동일한 기재가 있다. InGaN의 성장은, 상분리를 일으키기 때문에 혼정성장이 어렵고, InGaN양자웰내에 InN조성이 요동하고 있고, 이 양자디스크와 도트와 같은 것이 엑시톤의 운동을 제한하고 비발광재결합을 억제하고 있다고 기재되어 있다. 여기에서도 In조성요동이 큰 쪽이 비발광재결합이 억제되어, 즉 발광효율이 향상된다고 되어 있다.
더욱이, 어플라이드 피직스 레터즈(APPLIED PHYSISCS LETTERS, 제70권, 제983면, 1997년)에도 동일한 기재가 있고, InGaN양자웰구조의 단면TEM사진으로, In조성요동의 구조를 관측하고, InGaN계 레이저다이오드의 높은 양자효율은, 엑시톤국재에 의한 비발광패스의 억제라고 결론짓어진다.
이와 같이 InGaN양자웰을 갖는 반도체레이저에서는, 다른 재료계와 다르고, InGaN에서의 InN과 GaN의 상분리가 일어나기 쉽고, 상분리에 의한 In조성요동이, 발광효율, 레이저문턱치, 레이저출력의 향상등 여러가지 레이저특성을 향상시킨다고 생각되어 왔다.
그러나, In조성요동이 존재하는 경우, 활성층중에서 밴드갭의 수치가 불균일하게 되고, 발진파장이 다파장으로 되거나, 주입전류에 의해 발광파장분포가 변동한다고 하는 현상을 일으키게 된다.
이와 같은 문제에 대해서, 특개평11-340580호공보에서는, 포토루미네센스(이하, 'PL'라고 약기한다) 피크파장분포로부터 측정된 활성층내의 조성균일성을 향상시키는 것이 유효하다고 기재되어 있다. 구체적으로는, In조성분포를 ±0.03의 범위내로 하는 것에 의해 150meV이하의 PL피크파장분포로 하여, 다파장발진등을 억제할 수 있는 것이 기재되어 있다.
그런데, 근년, 질화물반도체레이저에 대한 고수명화의 요청이 갑자기 강해지고 있다. 예를 들어 차세대의 광기억장치(예를 들어 디지탈비디오디스크:DVD등)의 광원으로서 이용하는 경우, 기입용도까지 포함하면, 70℃, 30mW의 APC시험에서 최저로서도 5000시간이상의 수명을 필요로 한다.
소자의 고수명화를 위한 수단으로서, 기판의 전위밀도를 저감하는 것이 효과가 있다. '피직카 스테이터스 솔리디(Physica status solidi(a)) 제176권, 15면. 1999년'에는, 저전위기판과 AlGaN/GaN변조 도프클래드를 이용하는 것으로, 실온 2mW의 광출력 일정제어(APC)시험에서 10000시간이상을 달성한 것이 기재되어 있다. 그러나, 상동문헌에 의하면 저전위기판상의 레이저에서도 60℃, 30mW의 APC시험에서 400시간남짓 수명밖에 얻을 수 없어, 현재 소망되고 있는 수준의 수명은 실현되고 있지 않다.
또, 최근 개발된 FIELO(Facet-Initiated Epitaxial Lateral Over growth('응용물리 제68권, 제7호(1999년) 제774면-제779면'등에 기재)를 이용하면, 전위밀도를 대폭 저감한 GaN기판을 얻는 것이 가능하다. 이하, 이와 같이 해서 얻어진 저전위 n-GaN기판을 이용하여, 질화물반도체레이저를 제작한 예에 관해서 도 10을 참조해서 설명한다.
도 10에 나타난 바와 같이, 저전위 n-GaN기판(101)상에 Si도프n형Al0.1Ga0.9N(실리콘농도 4x1017㎝-3, 두께 1.2㎛)로 구성된 n형클래드층(102), Si도프n형GaN(실리콘농도 4x1017㎝-3, 두께 0.1㎛)로 구성된 n형광감금층(103), In0.2Ga0.8N(두께 4nm)웰층과 Si도프In0.05Ga0.95N(실리콘농도 5x1018㎝-3, 두께 6nm)으로 구성된 배리어층으로 구성된 다중양자웰층(104)(웰수 2개), Mg도프p형Al0.2Ga0.8N으로 구성된 캡층(105), Mg도프p형GaN(Mg농도 2x1017㎝-3, 두께 0.1㎛)로 구성된 p형광잠금층(106), Mg도프p형Al0.1Ga0.9N(Mg농도 2x1017㎝-3, 두께 0.5㎛)로 구성된 p형클래드층(107), Mg도프p형GaN(Mg농도 2x1017㎝-3, 두께 0.1㎛)로 구성된 p형클래드층(108)을 순차성장시켜, LD구조를 형성하였다.
레이저구조의 형성은, 200hPa의 감압MOVPE(유기금속기상에피택시)장치를 이용해서 행해졌다. 질소원료로 이용한 암모니아의 분압은 147hPa이고, Ga, Al, In재료는 TMG, TMA, TMI를 이용하였다. 성장온도는, InGaN으로 구성된 MQW활성층(104)에서는 780℃이고, 그 외의 층에 있어서는 전부 1050℃에서 행했다. 드라이에칭에 의해 p형클래드층(107) 그리고 p형클래드층(108)을 포함하는 메사층(109)을 부분적으로 남긴 후, SiO2절연막(110)을 형성하였다. 또, 메사부분의 두출(頭出)을 노광기술에 의해 행하여, 리지구조를 형성하였다. n형기판이면에는 Ti/Al로 구성되는 n전극(111)을 형성하고, p콘택트상에는, Ni/Au로 구성되는 p전극(112)을 형성하였다. 벽개(cleavage)에 의해 레이저공진기 단면을 형성하고,편면은 TiO2/SiO2로 고반사코팅(반사율 95%)을 하였다.
얻어진 반도체레이저의 문턱치전류밀도는 3.7KA/㎠이고, 이 때의 전압은 4.7V였다. 이 소자에 대해서 70℃, 30mW, APC시험을 한 바, 평균소자수명은 200시간이었다.
상기한 바와 같이, 종래기술의 질화물계반도체레이저에서는, 고온동작시의 소자수명이 충분하지 않고, 시스템측이 요구하는 70℃, 30mW의 APC시험에서 5000시간 이상의 수명을 실현하는 것은 발견되지 않았다.
본 발명은 이러한 사정이 감안된 것이어서, 발광효율을 양호하게 유지하면서 고온동작시에서의 소자수명을 개선하는 것을 목적으로 한다.
도 1은 밴드갭에너지에서의 미시적 요동의 표준편차측정방법을 나타내는 도면이다.
도 2는 밴드갭에너지의 미시적 요동의 표준편차와 미분이득과의 관계를 설명하는 도면이다.
도 3은 실시예 1에 관계된 반도체레이저 단면구조를 나타내는 도면이다.
도 4는 밴드갭에너지의 미시적 요동의 표준편차와 고온고출력 동작시에서의 소자수명과의 관계를 나타내는 도면이다.
도 5는 실시예에 관계되는 반도체레이저의 레이저구조를 형성하는데 이용되는 반응장치의 개략구성을 나타내는 도면이다.
도 6은 실시예에 관계되는 반도체레이저의 레이저구조를 형성하는데 이용되는 반응장치의 개략구성을 나타내는 도면이다.
도 7은 시작(試作)된 반도체레이저의 발진스펙트럼측정결과를 나타내는 도면이다.
도 8은 InGaN발광층 형성시의 암모니아분압과, 얻어진 반도체레이저의 미분이득과의 관계를 나타내는 도면이다.
도 9는 실시예 2에 관계되는 반도체레이저의 단면구조를 나타내는 도면이다.
도 10은 종래의 반도체레이저의 단면구조를 나타내는 도면이다.
도 11은 종래의 반도체레이저의 단면구조를 나타내는 도면이다.
도 12는 TiO2와 SiO2를 교대로 형성한 다층막의 반사스펙트럼이다.
도 13은 본 발명에 관계되는 반도체소자와 종래의 반도체소자의 관계를 나타내는 도면이다.
도 14는 참고예로 제작한 반도체레이저의 캐소드루미네센스상이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
1... 저전위n형기판 2... n형클래드층
3... n형광감금층 4... MQW활성층
5... p형캡층 6... p형광감금층
7... p형클래드층 8... p형콘택트층
9... 메사형 10... SiO2절연막
11... n전극 12... p전극
21... 저전위n형기판 22... n형클래드층
23... n형광감금층 24... MQW활성층
25... p형캡층 26... p광감금층
27... p형클래드층 28... p형콘택트층
29... 메사형 30... SiO2절연막
31... n전극 32... p전극
101... 저전위n-GaN기판 102... n형클래드층
103... n형광감금층 104... MQW활성층
105... p형캡층 106... p형광감금층
107... p형클래드층 108... p형콘택트층
109... 메사형 110... SiO2절연막
111... n전극 112... p전극
본 발명에 관련된 반도체레이저는, 이하의 사항에 의해 특정된다.
[1] 질화갈륨계재료로 구성되는 하지층과, 클래드층과, InxAlyGa1-x-yN(O＜x＜1, 0≤y≤0.2) 발광층을 포함하는 활성층이 이 순서로 적층된 구조를 갖고, 상기 발광층에서의 In조성의 미시적 요동의 표준편차 Δx가 0.067이하인 것을 특징으로 하는 질화물반도체소자.
[2] 질화갈륨계재료로 구성되는 하지층과, 클래드층과, InxAlyGa1-x-yN(O＜x＜1, 0≤y≤0.2) 발광층을 포함하는 활성층이 이 순서로 적층된 구조를 갖고, 상기 발광층에 있어서는 밴드갭에너지의 미시적 요동의 표준편차 σ가 40meV이하인 것을 특징으로 하는 질화물반도체소자.
[3] 질화갈륨계재료로 구성되는 하지층과, 클래드층과, InxAlyGa1-x-yN(O＜x＜1, 0≤y≤0.2) 발광층을 포함하는 활성층이 이 순서로 적층된 구조를 갖고, 상기 활성층의 미분이득 dg/dn이 dg/dn≥1.0x10-20(㎡)을 만족시키는 것을 특징으로 하는 질화물반도체소자.
[4] [1] 내지 [3] 중 어느 하나에 기재된 질화물반도체소자에 있어서, 상기 하지층은, GaN기판 또는 AlGaN기판인 것을 특징으로 하는 질화물반도체소자.
[5] [1] 내지 [3] 중 어느 하나에 기재된 질화물반도체소자에 있어서, 상기 하지층의 이면에 사파이어기판을 구비한 것을 특징으로 하는 질화물반도체소자.
[6] [1] 내지 [5] 중 어느 하나에 기재된 질화물반도체소자에 있어서, 상기 하지층의 표면전위밀도가 108개/㎠미만인 것을 특징으로 하는 질화물반도체소자.
[7] [1] 내지 [6] 중 어느 하나에 기재된 질화물반도체소자에 있어서, 포토루미네센스피크파장분포가 40meV이하인 것을 특징으로 하는 질화물반도체소자.
[8] [1] 내지 [7] 중 어느 하나에 기재된 질화물반도체소자에 있어서, 상기 클래드층이 AlGaN으로 구성되는 것을 특징으로 하는 질화물반도체소자.
[9] 질화갈륨계재료로 구성되는 하지층의 상부에 클래드층을 형성한 후, 그 상부에, 암모니아가스를 포함하는 원료가스를 이용해서 유기금속기상성장법에 의 해 InxAlyGa1-x-yN(O＜x＜1, 0≤y≤0.2) 발광층을 포함하는 활성층을 형성하는 공정을포함하고, 상기 발광층을 형성할 때, 암모니아가스의 분압을 110hPa이하로 하는 것을 특징으로 하는 질화물반도체소자의 제조방법.
[10] [9]에 기재된 질화물반도체소자의 제조방법에 있어서, 상기 하지층은, GaN기판 또는 AlGaN기판인 것을 특징으로 하는 질화물반도체소자의 제조방법.
[11] [9]에 기재된 질화물반도체소자의 제조방법에 있어서, 상기 하지층의 이면에 사파이어기판을 구비한 것을 특징으로 하는 질화물반도체소자의 제조방법.
[12] [9] 내지 [11] 중 어느 하나에 기재된 질화물반도체소자의 제조방법에 있어서, 상기 하지층의 표면전위밀도가 108개/㎠미만인 것을 특징으로 하는 질화물반도체소자의 제조방법.
전술한 바와 같이, InGaN활성층을 구비한 종래의 질화갈륨레이저에서는, 활성층이 많은 전위를 포함하기 때문에, In조성요동이 존재하는 쪽이 양호한 레이저특성이 얻어진다고 하는 것이 기술상식으로 되어 있다.
이것에 대해 본 발명은, 하지층의 전위밀도를 대폭적으로 저감한 위에, In조성과 밴드갭의 미시적 요동을 일정치이하로 하고 있다. 이것에 의해, 발광효율과 레이저문턱치전압을 양호하게 유지하면서 소자의 고수명화를 실현하고 있다.
반도체레이저소자의 열화(劣化)는 크게 나누면, 단면열화와 활성층의 결함증식에 의해 야기된다. 단면열화는 충격열화라고도 불리고, 그 이름대로 순식간에 레이저발진이 멈추는 것이다. 한편, 활성층의 결함증식은 서서히 증가해 나가는 것이고, 동작전류가 서서히 열화해 간다. 종래기술에서 서술한 도 10의 레이저에관해서는, 서서히 동작전류가 열화하는 현상이 확인되어, 후자의 타입의 열화, 즉, 활성층의 결함증식에 기인하는 열화가 일어나고 있는 것이 확인되고 있다. 따라서, 소자의 고수명화를 도모하기 위해서는, 활성층을 열화발생이 어려운 구조로 하는 것이 효과가 있다고 생각된다.
활성층의 조성분포와 밴드갭에너지의 요동이 존재하는 경우, 국소적으로 변형이 발생하고, 고온동작시에, 열, 광, 혹은 캐리어등으로 에너지를 받아서 결함이 발생하는 것이라고 추측된다. 본 발명자들은, 이러한 추측과, 소자수명을 길게 하기 위해서는 활성층의 조성분포와 밴드갭에너지의 요동을 저감하는 것이 효과가 있다고 생각했다.
여기서, 활성층의 조성분포와 밴드갭에너지의 '요동'에는, 거시적 스케일에 있어서의 요동과, 미시적 스케일에 있어서의 요동이 있다. 거시적 스케일에 있어서의 요동이란, 예를 들어 현미PL측정등에 의해 측정가능한 거리스케일의 요동을 말하고, 포토루미네센스피크파장분포를 말한다. 포토루미네센스피크파장분포란, 관측된 포토루미네센스피크파장의 최대치에서 최저치까지의 에너지의 범위를 말한다.
한편, 미시적 스케일에 있어서 요동이란, 이것보다도 근거리의 요동을 의미한다. 종래기술에 있어서의 '요동'이란, 상기 거시적 스케일에 있어서의 요동, 즉 PL측정에 의해 관측된 요동을 의미하는 것이 일반적이고, 측정원리상, 1㎛정도의 거리스케일에 있어서의 요동을 의미하고 있다. 전술한 특개평 11-340580호공보에 기재되어 있는 것도 상기 거시적 스케일에 있어서의 요동이고, 이것을 저감시키는것에 의해 다파장발진의 방지를 도모하고 있다. 이것에 대해 본 발명은, 이것보다도 근거리스케일에 있어서의 요동, 즉, 미시적스케일에 있어서의 요동에 착안한 것이다. 미시적스케일에 있어서의 발광층조성분포와 밴드갭에너지의 요동이란, 캐리어확산장(약 1㎛)보다도 단거리스케일에 있어서의 요동이라고 하는 의미이다. 참고예 및 도 14(캐소드루미네센스상)으로 후술한 바와 같이, 본 발명에서는, 서브미크론오더, 구체적으로는 500nm이하의 스케일에 있어서의 미시적 요동을 억제하고, 이것에 의해 발광층의 국소변형을 안정적으로 억제해서 소자의 고수명화를 도모하고 있다.
전술한 특개평 11-340580호공보에서는, 거시적 스케일에 있어서의 요동을 저감하는 것으로 다파장발진을 충분히 억제할 수 있는 것이 기재되어 있다. 그러나, 본 발명이 목적으로 하는, 고온동작시에 있어서의 소자의 고수명화는, 거시적 스케일에 있어서의 요동을 저감하는 것으로는 실현곤란하다(이 점에 관해서는, 실시예에서 후술한다). 본 발명에서는, 현미PL로 관측할 수 있는 스케일보다도 더욱 미시적 영역에 있어서의 조성 및 밴드갭 요동을 저감하고, 이것에 의해, 고온동작시에 소자의 고수명화를 실현하고 있다.
이와 같은 미시적 영역에 있어서의 요동을 제어하는 것에 관한 검토는 지금까지 보고된 예가 없고, 이러한 요동이 소자성능에 주는 영향은 알려져 있지 않았다. 또, 이와 같은 미시적 요동을 저감하는 구체적인 수단에 관한 식견은 얻어지지 않았다. 거시적 스케일에 있어서의 요동을 저감하기 위해서는, 상기 특개평11-340580호공보에 기재되어 있는 바와 같이 기판의 전위밀도의 저감과, 활성층의 성막속도의 조정에 의해, 어느 정도 실현하는 것도 가능하다. 그러나, 본 발명과 같은 미시적 요동을 저감하기 위해서는, 이와 같은 수단만으로는 실현곤란하고, 더욱이 고도한 결정성장의 억제가 필요하게 된다.
이상과 같이 본 발명에 관계된 질화물반도체소자는, 종래, 착안된 것이 없는 미시적 스케일에 있어서의 발광층조성분포와 밴드갭에너지의 요동을 저감하고, 혹은 미분이득을 일정이상으로 하고 있다. 이것에 의해, 발광층의 국소변형을 저감하고, 고온동작시에 있어서의 활성층의 열화를 방지하고 있다. 또, 본 발명에 있어서의 '발광층'이란, 활성층 중에 포함된 층이고, 반전분포에 의해 이득이 발생하는 층을 말하는 것으로 한다. 양자웰구조의 활성층에 있어서는, 양자웰층이 본 발명에 있어서의 발광층에 상당하고, 양자웰구조이외의 구조의 활성층에서는, 통상, 활성층전체가 발광층으로 된다.
또, 본 발명에 관계되는 질화물반도체소자는, 표면전위밀도가 108개/㎠미만인 질화갈륨계 재료로 구성되는 하지층을 이용하고, 그 위에 클래드층 및 활성층을 적층시키고 있다. 하지층의 표면전위밀도가 낮기 때문에, 그 상부에 형성되는 활성층의 전위밀도를 저감할 수 있다. 또, 하지층을 질화갈륨계 재료에 의해 구성하기 때문에, 클래드층의 잔류변형을 저감하고, 결과로서 활성층의 잔류변형을 저감할 수 있다.
본 발명은, 이상 상술한 작용의 총화에 의해, 활성층의 전위밀도를 저감하는 것과 동시에, 소자의 고온동작등으로 후발적으로 발생하는 결함의 발생을 효과적으로 방지하고 있다.
이 결과, 캐리어가 결함에 트랩되어 비발광재결합을 야기하는 것을 방지하고, 소자의 고수명화, 고효율화를 실현하고 있다. 구체적으로는, 소자의 효율을 저하시키지 않고, 고온(70℃) 고출력(30mW) 동작시에 있어서, 5000시간 이상의 소자수명을 실현할 수 있다.
그런데, 발광층에 있어서의 In조성과 밴드갭에너지의 요동에 관해서, 거시적 요동만이 아니고 미시적 요동까지 저감한 경우, 종래의 기술상식에 따르면, 이하의 이유에 의해 문턱치전류밀도가 열화되는 것이 염려된다. 즉, 상기 요동을 저감시킨 경우, 요동이 존재하는 경우와 비교해서 반전분포를 형성하기 어렵게 된다. 또, 전위밀도를 저감시킨 것으로서도 발광층에는 일정 정도의 전위가 포함되기 때문에, 이 전위에 의해 비발광재결합이 일어날 수 있다. 이상의 것에서, 종래의 기술상식에 의하면 레이저문턱치전류밀도의 상승이 염려된다.
그러나, 본 발명자의 검토에 의하면, 실시예에서 후술한 바와 같이, 레이저의 문턱치전류밀도의 열화는 일어나지 않는 것이 확인된다. 발광층에 있어서의 In조성과 밴드갭에너지의 미시적 요동을 저감시킨 경우, 미분이득이 향상된다. 이 기여가 크기 때문에 레이저의 문턱치전류밀도를 양호하게 유지할 수 있다는 것이라고 추측된다.
본 발명의 질화물반도체소자의 제조방법은, 하지층으로서, 표면전위밀도가 108개/㎠미만의 질화갈륨계 재료를 선택하는 것과 동시에, 발광층을 형성할 때, 암모니아가스의 분압을 소정의 수치 이하로 하고 있다. 이 때문에, 발광층에 있어서의 In조성과 밴드갭의 미시적 요동을 확실하게 저감하는 것이 가능하고, 이 결과, 미분이득을 향상시킬 수 있다. 고수명화, 고효율의 소자를 안정적으로 제조할 수 있다. 하지층은, GaN기판 또는 AlGaN기판으로 하는 것이 바람직하다. 기판으로서 사파이어를 이용한 구성, 즉, GaN등으로 구성되는 하지층의 이면에 사파이어기판을 구비한 구성으로 해도 좋다. 이와 같이 하여, 미시적 요동을 고정밀로 제어하기 쉽게 된다. 예를 들어 SiC기판을 이용하면, 열팽창율의 관계에서 반도체층에 인장변형이 발생하기 때문에, 미시적 요동을 고정밀로 안정하게 제어하는 것이 곤란하게 된다. 또, 하지층의 표면전위밀도는, 108개/㎠미만으로 하는 것이 바람직하다. 이와 같이 하여 미시적 요동을 확실하게 저감할 수 있다.
발명의 실시형태
본 발명에 있어서, '발광층에 있어서의 In의 조성의 미시적 요동', 및 '밴드갭에너지의 미시적 요동'이란, 공간분포에 있어서의 요동(변동)을 말한다. 또, '미시적 요동'이란, 전술한 바와 같이, 서브미크론오더 이하의 요동을 말한다. 종래 행해지고 있던 현미PL측정에서는, 통상, 스폿경이 1㎛ 이상이고, 측정의 원리상, 1㎛ 이상의 거리스케일에 있어서의 요동이 관측되고 있었다. 이것에 대해 본 발명에서의 미시적 요동이란, 이 방법으로는 관측될 수 없는 영역내의 요동을 말한다.
본 발명에 있어서, 활성층을 다중양자웰구조로 하는 경우, 상기 요동은, 각양자웰층 전체에 걸친 요동을 의미한다.
본 발명에 있어서 In조성과 밴드갭에너지의 거시적 요동 및 미시적 요동을 저감하기 위한 구체적 수단으로서, 암모니아분압을 낮추는 것이 효과가 있다. 예를 들어 암모니아분압을 110hPa이하로 하고, 질화갈륨계 반도체층의 성장속도를 적절하게 선택하는 것에 의해, 도 8에 나타난 바와 같이 미분이득을 1.0x10-20(㎡)이상으로 할 수 있고, 그 결과, 발광층의 In조성의 미시적 요동을 안정적으로 저감할 수 있다. 또, PL파장분포(밴드갭에너지의 거시적 요동)을 20meV이하로 할 수 있다.
본 발명에 있어서, 내부손실을 저감하기 위해서는, p형 SCH(Self Confinement Heterostructure)층을 논도프로 하고, 성장온도를 예를 들어 1100℃이상으로 높게 하는 것이 유효하다. 이것에 의해 내부손실을 낮출 수 있다. 일반적으로 SCH층의 p형도프에는 Mg가 이용되지만, Mg도프한 경우, 결정성이 저하됨과 동시에 불순물준위가 형성되어, 내부손실의 저하를 초래하는 원인이 된다. 이 영향을 배제하고, 더욱 성장조건을 적절하게 선택하는 것에 의해 내부손실을 유효하게 저감할 수 있다.
본 발명에 있어서, 포토루미네센스의 피크파장분포는, 바람직하게 40meV이하, 보다 바람직하게 20mV이하로 한다. 이와 같이 하여 문턱치전류를 보다 효과적으로 저감할 수 있다. 이 수치가 너무 크면, 문턱치전류가 크게 되어 소비전력이 커진다.
본 발명에 있어서의 하지층이란, 레이저등을 구성하는 층을 성장시킬 때에 하지로 되는 층을 말한다. 하지층 자체를 GaN기판, AlGaN기판등의 결정성장기판으로 할 수도 있고, 하지층의 하부에 사파이어기판을 구비한 구성으로 할 수도 있다. 또, 하지층의 표면전위밀도란, 하지층의 표면에 존재하는 관통전위의 밀도를 말한다.
표면전위밀도가 108개/㎠미만의 하지층은, 이하에서 나타나는 FIELO 혹은 펜디오에피택시법 등에 의해 얻을 수 있다. 이하, 이들 방법에 대해서 설명한다.
(FIELO에 의한 하지층의 형성)
예를 들어, 사파이어등의 기판상에 얇은 GaN을 형성하고, 그 위에 스트라이프상의 SiO2마스크를 형성한다. 마스크개구부에 GaN을 선택횡방향성장시켜서, 표면전위밀도가 작은 GaN층이 얻어진다. 이것은 전위가 SiO2마스크로 블록되는 것뿐만 아니라, 선택횡방향성장시에 기판수평방향으로 구부러지기 때문이다. 이 방법은, '응용물리 제68권, 제7호(1999년) 제774면-제779면'등에 기재되어 있다.
(펜테오에피택시법에 의한 하지층의 형성)
예를 들어, 기판상에 저온버퍼층을 형성한 후, 단결정으로 구성되는 GaN층을 형성한다. 다음 마스크를 이용해서 선택에칭하여 스트라이프상으로 길게 한 GaN의 패턴을 형성한다. 이 GaN스트라이프의 상면 또는 측면에서 결정성장시켜서, 표면전위밀도가 작은 하지층을 형성할 수 있다. 펜테오에피택시법에 관해서는, 예를 들어 'Tsvetankas. Zhelevaet. Al.; MRSInternet J. Nitride Semicond. Res. 4S1,G3.38(1999)'등에 기재되어 있다.
또, 이하와 같은 방법을 이용하면, 더욱 전위밀도를 저감한 기판을 얻을 수도 있다. 즉, 사파이어기판상에 직접, 또는 버퍼층을 개재해서 질화갈륨계 재료로 구성되는 단결정층을 형성한다. 다음, 이 단결정층을 에칭해서 사이를 둔 섬형상(이하, 도상)의 형태로 한다. 이와 같은 형태로 된 단결정층을 기점으로 해서 결정성장시켜서, 표면전위밀도가 작은 하지층을 형성할 수 있다. 또, 상기 도상의 형태는, 에칭에 의하지 않고, 단결정층성장조건을 적절하게 선택하여, 직접 도상의 형태를 갖는 단결정층을 형성해도 좋다.
본 발명에 있어서의 하지층의 표면전위밀도는, 108개/㎠미만이지만, 보다 바람직하게는 107개/㎠이하이다. 하지층의 전위밀도가 높으면, In조성과 밴드갭의 미시적 요동을 저감하고, 혹은 미분이득을 향상시켜도, 소자수명을 향상시키는 것은 곤란하다. 표면전위밀도를 108개/㎠미만, 특히 107개/㎠이하로 한 경우는, 상기 미시적 요동의 저감등에 의한 작용과의 상승작용이 얻어지고, 양호한 소자특성을 유지하면서 소자수명의 향상을 도모할 수 있다. 또, 하지층의 표면전위밀도는, 에칭피트를 측정하는, 혹은 단면부를 TEM관찰하는 등, 공지의 방법에 의해 측정할 수 있다. 이와 같은 저전위밀도의 하지층은, 상기 도상의 형태를 갖는 단결정층을 형성하고, 이것을 기점으로 해서 결정성장을 행하여 실현할 수 있다.
하지층의 태양으로서는, (i) 기판상에 FIELO에 의해 성장시킨 저전위 GaN층, 혹은 저전위 AlGaN층, (ii) 기판상에 펜디오에피택시법에 의해 성장시킨 저전위GaN층, 혹은 저전위 AlGaN층, (iii) 기판상에 도상에 단결정질화갈륨층을 형성하고, 이것을 기점으로서 결정성장을 하는 것에 의해 얻어진 GaN층, 혹은 저전위 AlGaN층, (iv) 상기 (i)-(iii)에 의해 저전위층을 얻은 후, 이면의 기판을 연마, 에칭등에 의해 제거한 것, 등을 들 수 있다.
또, 본 발명에 있어서 하지층은 표면전위밀도가 낮은 것이고, 예를 들어 500℃에서 퇴적을 한, 소위 저온버퍼층은 포함되지 않는다.
본 발명의 하지층은 질화갈륨계 재료로 구성되는 것이지만, 여기서 말하는 '질화갈륨계재료'란, AlGaN, GaN등, 구성원소로서 질소 및 갈륨을 포함하는 재료를 말한다. 여기서, 하지층으로서 GaN 또는 AlGa을 이용한 경우, 광감금율을 양호하게 하면서 소자수명의 개선을 도모할 수 있다. 질화갈륨계 반도체레이저에서는, 통상, AlGaN으로 구성되는 클래드층이 이용되지만, 양호한 광감금율을 실현하기 위해서는, 클래드층의 Al조성비를 높이고, 막 두께를 두껍게 하는 것이 바람직하다. 예를 들면 광디스크용도로 이용하는 발광파장 390-430nm의 반도체레이저에 있어서는, 클래드층의 막 두께를 1㎛이상으로 하는 것이 바람직하고, Al조성비를, 0.05 이상, 보다 바람직하게는 0.07이상으로 하는 것이 바람직하다. 이와 같은 경우에 있어서, 하지층으로서 GaN 또는 AlGaN을 선택하는 것이 효과가 있다. 이와 같이 하면, 하지층과 클래드층의 열팽창계수와 격자정수가 근사한 것이 되고, 이종재료를 하지층으로서 이용한 경우에 비해, 클래드층의 잔류변형이 저감되기 때문에, 고온동작시에 활성층의 열화를 일층 효과적으로 방지할 수 있다.한편, 클래드층의 막두께와 Al조성을 소망의 범위로 하는 것이 가능하게 되고, 광감금율을 양호하게할 수 있다.
또, 하지층으로서 GaN 또는 AlGaN을 이용한 경우, 하지층의 막두께를 일정 정도 두껍게 하면, 더욱 효과적이다. 예를 들어, 1㎛이상, 보다 바람직하게는 5㎛이상의 하지층으로 하면, 잔류변형은 보다 효과적으로 저감된다.
이상, 본 발명에 있어서의 하지층에 관해서 설명하였지만, 발광층에 있어서의 In조성과 밴드갭에너지의 미시적 요동, 미분이득이 바람직한 범위에 있는 질화반도체소자를 얻기 위해서는, 하지층의 선택뿐만 아니라, 발광층의 성장조건등에 관해서도 유의할 필요가 있다. 도 8은, 암모니아가스의 분압을 변화시켜 InGaN양자웰활성층을 형성한 경우의 미분이득을 나타내는 도면이다. 발광층은, 암모니아가스를 포함하는 원료가스를 이용해서 유기금속기상성장법에 의해 형성하는 것으로 하고, 이 때, 암모니아가스의 분압을 110hPa이하, 보다 바람직하게는 95hPa이하로 하면, 상기 미시적 요동, 미분이득이 바람직한 범위에 있는 질화물반도체소자를 얻을 수 있다는 것을 알았다.
본 발명에 있어서는, 발광층에 있어서의 In조성의 미시적 요동의 표준편차 Δx는, 바람직하게 0.067이하, 보다 바람직하게는 0.04이하로 한다. 이것에 의해, 고온출력동작시의 소자수명을 일층 길게 할 수 있다.
또한, 본 발명에 있어서는, 발광층에 있어서의 밴드갭에너지의 미시적 요동의 표준편차 σ는, 바람직하게 40meV이하, 보다 바람직하게는 30meV이하로 한다. 이것에 의해, 고온동작시의 소자수명을 일층 길게 할 수 있다.
더욱이, 본 발명에 있어서는, 활성층의 미분이득 dg/dn을, 바람직하게1.0x10-20(㎡)이상, 보다 바람직하게는 1.4x10-20(㎡)이상으로 한다. 이것에 의해, 고온동작시의 소자수명을 일층 길게 할 수 있다.
다음, 본 발명에 있어서의 '미시적 요동'의 측정방법에 대해서 설명한다.
본 발명의 질화물반도체소자는, 발광층에 있어서의 In조성의 미시적 요동과 밴드갭에너지의 미시적 요동을 저감하는 것이다. 여기서, 미시적 요동의 제어방법이 문제가 된다. 종래 행해지고 있던 현미PL측정에서는 이와 같은 미시적 요동을 관측하는 것이 곤란했기 때문이다. 본 발명자들은, 이와 같은 미시적 요동을 발광수명의 의존성에서 구했다. 이하, 상세하게 설명한다.
우선, 도 10의 InGaN양자웰 레이저소자에 있어서의 InGaN양자웰내의 In조성미시적 요동의 기인한 밴드갭에너지의 미시적 요동을 측정했다. 측정방법의 상세를 이하에 나타낸다.
도 1은, 종래기술에서 설명한 도 10에 나타난 반도체레이저에 대해서, 발광수명의 온도변화를 측정한 결과이다. 발광수명은 다음과 같이 측정했다. 우선, 반도체레이저시료에 피코초 티탄사파이어레이저의 제2고주파(파장 370nm, 출력 5mW, 반복주파수 80MHz)의 광을 표면으로부터 조사해서 여기했다. 발광은 렌즈로 분광기에 집광해서, 분광된 광을 광전자증배관으로 검출하고, 단일광자계수법에 의해 시간분해측정을 했다. 시간분해측정은 스트릭카메라를 이용해서 행할 수도 있다. 온도는, 액체헬륨을 이용한 온도가변 크라이오스타트에 의해, 5K에서 300K의 범위로 변화시켰다.
발광수명의 온도변화는 밴드갭에너지의 미시적 요동과 관련되어 있다. 미시적 요동이 있는 경우, 광여기된 전자는 In조성 미시적 요동에 의해 형성된 포텐셜 미시적 요동의 골짜기에 붙잡히기 때문에, 자유롭게 움직일 수 없게 되어, 결함(비복사중심)에 붙잡힐 확률이 감소하고, 발광수명은 긴 수치로 된다. 그러나, 온도가 높아져서, 열에너지에 의해 미시적 요동에 의한 포텐셜장벽을 넘을 수 있게 되면, 전자는 자유로이 움직일 수 있게 되어 비복사중심에 붙잡힐 확률이 급증하고, 발광수명도 급격하게 짧아진다. 도 1에서 100K정도에서 발광수명이 짧아지기 시작하는 것은, 이 온도 이상에서 열여기의 효과가 나타나기 시작하기 때문이라고 설명할 수 있다. 정량적으로는, 도 1의 곡선은
τPL -1= τ0 -1+ AT1/2exp(-T0/T) (1)
라는 식에서 피팅할 수 있다. 여기서, τPL은 발광수명, T은 온도, τ0, A, T0은 피팅의 파라미터이다. 상기 수학식 1은 다음과 같이 설명된다. 온도가 낮은 경우에는, 전자는 미시적 요동에 의한 포텐셜의 계곡에 붙잡혀서 거의 움직일 수 없기 때문에, 거기서의 고유의 수명 τ0에 의해 재결합한다. 저온에서는 상기 수학식 1의 제2항은 유효하지 않고, 제1항만이 유효하기 때문에 발광수명은 τ0으로 일정하게 된다. 온도가 높아지면, 전자의 열여기가 일어나지만, 미시적 요동에 의한 포텐셜장벽의 크기를 kT0(k는 볼쯔만정수)로 하면, 여기된 캐리어의 비율은 exp(-T0/T)로 비례한다. 그리고, 여기된 캐리어의 일부는 열속도로 돌려 움직이는 사이에 결함(비복사중심)에 포획된다. 이 포획의 확률은, Nvs로 나타내진다. 여기서, N은 결함밀도, v는 열속도, s는 포획단면적을 나타낸다. 온도의존성에만 착안하면 열속도가 온도의 평방근에 비례하는 것에 의해,
Nvs = AT1/2
로 기술할 수 있다. 따라서, 온도가 높아지면, 상기 메카니즘에 의해, 비복사재결합이 활발화되기 때문에, 캐리어의 재결합속도는,
AT1/2exp(-T0/T),
즉 수학식 1의 제2항에 의해 증가하는 것으로 된다. 이와 같이, 피팅에 의해 구해진 파라미터 T0은 In조성 미시적 요동정도의 지표가 되는 파라미터가 된다. 도 1에서는 피팅에 의해 T0은 460K로 구해진다.
다음, 파라미터 T0와 실제의 밴드갭에너지 미시적 요동의 관계에 관해서 서술한다. kT0는 전자가 자유롭게 움직이기 위해서 필요한 열에너지의 크기이므로, 공간적으로 분포하는 전자의 포텐셜 미시적 요동과 비례관계에 있는 것이 당연하다. 양자웰과 같은 2차원계에 있어서 포텐셜 미시적 요동이 있는 경우, 포텐셜의 공간적인 평균치이하의 에너지의 전자는 국재하고(즉, 자유로이 움직일 수 없다), 평균치 이하의 에너지를 갖는 전자는 자유롭게 움질일 수 있는 것이, 고전적인 파코레이션이론에서 유도된다. 따라서, kT0은 포텐셜의 계곡아래에서 평균포텐셜까지의 에너지로 생각된다. 포텐셜의 공간분포가 정규분포라고 하고, 그 표준편차를 σe라고 하면, 포텐셜의 계곡은 평균치에서 2σe정도 저에너지측에 있기 때문에, σe=0.5kT0로 되는 것이 유도된다. InGaN의 밴드갭에너지의 미시적 요동(표준편차: σg)은, 전도대(전자)의 포텐셜 미시적 요동과 가전자대(정공)의 포텐셜 미시적 요동을 더한 것으로 되기 때문에, '어플라이드 피직스 레터즈(APPLIED PHYSISCE LETTERS), 제68권, 2541면, 1996년'에 있어서 Martin들이 서술하고 있는 바와 같이, InGaN계의 전도대와 가전자의 밴드오프셋비를 3:7로 하면, σg=3.33 σe=1.67kT0로 된다. 이 식을 이용하여, 실험에서 구해진 T0에서, InGaN의 밴드갭에너지의 미시적 요동(표준편차 σg)을 구할 수 있다. 도 1의 경우, 밴드갭에너지의 미시적 요동의 표준편차 σg로서, 66meV라 하는 큰 수치가 얻어졌다.
도 10의 반도체레이저에 관해서 1㎛의 미소스폿경으로 현미PL측정을 한 결과에서는, PL피크파장의 분포가 ±1nm에 들어가 있고(±9meV이하에 상당), 1㎛을 넘는 사이즈의 In조성요동이 존재하지 않았다. 그런데, 발광수명의 온도의존성에서 구해진 방법으로 측정한 경우에는, 밴드갭에너지의 요동이 관측된다. 이것에서, 도 10의 반도체레이저로 대표되는 종래의 반도체레이저에서는, PL측정에서는 관측에 걸리지 않는 미시적 요동, 즉 서브미크론오더의 미시적 요동이 존재하고 있는 것이 명확하게 되었다.
이상, In조성 미시적 요동을 밴드갭에너지의 미시적 요동의 표준편차로서 표현하였지만, InxGa1-xN중의 In조성 미시적 요동의 표준편차 Δx와 상술한 밴드갭에너지의 미시적 요동의 표준편차 σ와의 관계를 다음에 설명한다. 오사무라(Osamura)들이 저널 오브 어플라이드피직스, 제46권, 3432면, 1975년에 서술하고 있는 바와 같이, InxGa1-xN의 밴드갭에너지는,
Eg(x) = 3.40(1-x)+2.07x-1.0x(1-x)
(단위 eV)
로 나타내진다. 이 식을 이용하면, 청색레이저다이오드의 활성층에 이용하는 InGaN의 조성범위(x=0.15근방: x=0.1-0.3정도)에서는, dEg/dx=0.6(eV)
로 된다. 따라서, In조성 x의 공간분포의 표준편차 Δx와 밴드갭에너지의 표준편차 σg와의 관계는,
Δx=σg/0.6(eV)
로 된다. 이 관계에 의해, 전술의 '밴드갭에너지의 미시적 요동의 표준편차가 40meV 이하인 것'은 'In조성 미시적 요동의 표준편차 Δx가 0.067이하인 것'이라고 바꾸어 말할 수도 있다.
다음, InxGa1-xN의 밴드갭에너지의 미시적 요동의 표준편차 σ와 레이저에 있어서의 미분이득의 관계를 나타낸다. 상기 In조성 미시적 요동 혹은 밴드갭에너지 미시적 요동은, 다음과 같이, 미분이득과도 대응관계가 있다. 도 2는 밴드갭에너지의 공간적인 미시적 요동과 미분이득과의 관계를 이론적으로 계산한 결과이다. 도면에 나타난 바와 같이, 밴드갭에너지의 미시적 요동이 클수록 미분이득이 작게 되는 것을 알았다. 미시적 요동이 큰 경우, 밴드단에서의 상태밀도의 시작은 완만하게 되기 때문에, 캐리어주입에 의한 이득포화가 일어나기 쉽고 미분이득은 작은 수치로 된다. 이것에 대해, 미시적 요동이 작은 경우에는, 양자웰의 2차원성에 의한 계단함수의 상태밀도가 유효하게 되고, 큰 미분이득이 얻어진다. 이와 같은 기구에 의해서, 조성 미시적 요동과 미분이득의 대응함수가 생기고 있다. 도 2에서, 밴드갭에너지의 미시적 요동 40meV에서의 미분이득이 1.0 x 10-20m2에 대응하고 있는 것에서, 전술의 '밴드갭에너지의 미시적 요동이 40meV이하인 것'은 '미분이득이 1.0 x 10-20m2이상인 것'이라고 바꾸어 말할 수도 있다.
한편, 여기까지 서술한 사항에 관해서는, InxAlyGa1-x-yN(O＜x＜1, 0≤y≤0.2)발광층을 구비한 소자에 공통으로 적합하지만, 본 발명에 있어서의 발광층은, 특히, InxAlyGa1-x-yN(O＜x≤0.3, 0≤y≤0.05), 혹은 InxGa1-xN(O＜x≤0.3)의 조성을 갖는 것으로 하는 것이 바람직하다.
다음, 본 발명과 종래기술과의 관계에 관해서 설명한다. 여기서는 종래기술의 대표예로서, 종래기술 1(IEEE JOURNAL OF SELECTED TOPICS IN QUANTUM ELECTRONICS, VOL. 3, NO. 3, JUNE 1997에 기재), 종래기술 2,3(특개평 11-340580호공보에 기재)을 들어, 이들과 본 발명과의 관계에 관해서 설명한다.
우선 본 발명은, 기판으로서 질화갈륨계재료 또는 사파이어를 이용한 위에, 활성층의 조성분포와 밴드갭에너지의 요동을 규정하고 있다. 기판으로서 SiC을 이용한 기술도 있지만, 본 발명에 있어서는 SiC을 사용하면, 미시적 조성요동을 조절하는 것이 곤란하게 된다. SiC, 사파이어 및 GaN계 반도체의 열팽창율의 대소관계는,
사파이어＞ GaN계 반도체 ＞ SiC
로 되어 있다. 이 때문에, SiC기판상에 GaN계 반도체층을 성막한 후, 냉각하면, 기판에 구속된 GaN계 반도체층의 수평면내에 인장변형이 잔존한다. 따라서, SiC기판을 이용한 반도체레이저에서는, 일반적으로 활성층에 인장열변형이 잔존한다. 인장변형이 잔존하는 경우, 조성요동, 특히 미시적 요동을 안정적으로 조절하는 것이 곤란하게 되기 쉽다.
이것에 대해서 사파이어 기판을 이용한 경우는, GaN계 반도체층의 수평면내에는 압축열변형이 잔존하는 것이 된다. 압축변형에 대한 반도체층의 강도는, 인장변형에 대한 강도보다 높기 때문에, 이 경우는 조성요동을 비교적 안정적으로 조절할 수 있다. 또, GaN과 AlGaN으로 구성된 기판을 이용한 경우는, 기판과 그 위에 형성된 GaN계 반도체층이 동일한 열팽창율을 갖기 때문에, GaN계 반도체층중의 잔존열변형은 거의 발생하지 않는다. 이 때문에, 조성요동, 특히 미시적 요동을 안정적으로 조절할 수 있다.
이상의 것에서, 본원발명에서는 기판으로서 질화갈륨계 재료 또는 사파이어를 이용하고 있다.
다음 요동과 이득의 수치범위에 관해서 본 발명과 종래기술을 대비한 결과를 나타낸다. 종래기술 1에 기재된 반도체레이저의 구조를 도 16으로 나타낸다. 이 레이저는 사파이어기판을 이용한 일반적인 질화칼륨계 레이저의 구조를 나타내는 것이다. 사파이어기판상에, GaN버퍼층을 개재해서, AlGaN클래드층, InGaN 다중양자웰(MQW) 활성층이 형성된 층구조로 되어 있다.
종래기술 2,3에는, SiC기판을 이용한 질화갈륨계 반도체레이저가 개시되어 있다. 상기 공보에서는, 종래의 반도체레이저는, 공진기내의 활성층의 포토루미네센스파장의 분포가 150meV정도인(이것을 종래기술 2로 한다)것에 대해서, 동공보기재의 발명에서는 90meV이하 정도로 저감되어 있다(이것을 종래기술 3으로 한다)고 기재되어 있다. SiC기판을 이용한 이유에 관해서는, 동공보의 단락 161에 이하와 같이 기재되어 있다. 즉, '종래의 단파장반도체레이저에 있어서는, 나이트라이드계 화합물반도체와의 격자부정합이 13%정도로 대단히 큰 사파이어를 성장기판으로 이용하기 때문에, 공진기내의 활성층의 전위밀도는 1010㎝-2정도이지만, 나이트라이드계 화합물반도체에 있어서는, 전위는 비발광중심을 형성하지 않기 때문에 디바이스의 특성에는 영향을 미치지 않는다고 말해지고 있으므로, 이와 같은 전위밀도를 완전히 문제로 되지 않게 디바이스화가 진행되고 있지만, 상술한 바와 같이, 전위밀도와 조성불균일이 상관을 나타내고, 전위밀도가 적게 되면 조성불균일도 작게 되므로, 격자부정합이 3%로 대폭 저감되는 SiC기판을 이용하여, 전위밀도를 109㎝-2이하로, 적어도, 107㎝-2정도까지는 저감할 수 있어, 이것에 의해, 다파장발진이 억제된 단파장반도체발광소자를 실현할 수 있다.'고 기재되어 있다.
본 발명과 상기 종래기술과의 관계를 도 13에 나타낸다. 도면 중, 해칭을 실시한 영역이 본 발명에 관계되는 질화물반도체레이저를 포함하는 영역이다. 종래기술에서는, 어느 것이라도 미시적 요동이 크게 되어 있다. 종래기술 1에는, 미분이득이 5.8 x 10-17㎠로 기재되어 있고, 이것은, 활성층밴드갭의 미시적 요동으로 환산하면 약 100meV로 된다. 이것에 대해서 본 발명은, 미시적 요동 40meV 이하로 되어 있다.
도 13은, 횡축을 In조성의 미시적 요동(서브미크론오더의 요동), 종축을 In조성의 거시적 요동(1 미크론이상의 거리스케일의 요동)으로 한 것이다. 종래기술은 어느 것도 거시적 요동이 크게 되어 있다. 종래기술 1에서는 거시적 요동에 관한 언급은 없지만, 레이저구조 및 그 제조프로세스를 고려하면, 종래기술 2와 3과 동일한 일반적 수준인 것이라고 생각된다. 이것에 대해서 본 발명의 바람직한 범위는, 도면중 해칭부분 중 거시적 요동 40meV이하, 보다 바람직하게는 20meV이하의 영역이다.
[실시예]
우선, 실시예로 제작한 반도체레이저의 반사율의 측정방법에 관해서 서술한다. 시작한 레이저공진기의 반사율 R은, 반도체의 면을 벽개만 한 경우 R=(n-1/n+1)2로 나타내진다(예를 들면 末松安晴伊賀健一공저 광화이버통신입문 옴사). 단, n은 반도체의 굴절율이다. GaN의 굴절율은 파장에 의해서도 다르지만 전형적인 질화물반도체레이저파장인 400nm에서는 2.553정도인 것이 알려져 있기 때문에, 반사율은 19%가 된다. 한편, 고반사미러를 얻기 위해서는 통상 유전체 다층막을 이용한 것이 많다. 이것은, 높은 굴절율과 낮은 굴절율의 유전체를 교대로 형성하는 것으로 높은 반사율을 얻는 것이 가능하다. 이 때의 반사율은 사용하는 재료의 굴절율과 층두께와 층수로 정해지고, 예를 들어 TiO2(굴절율 2.31)와 SiO2(굴절율 1.44)를 100nm씩 교대로 형성한 경우의 반사스펙트럼을 도 12에 나타냈다. 도 12에 있는 것과 같이 파장 400nm부근에서 큰 반사율을 갖는 스펙트럼이 얻어졌다. 이들 스펙트럼은 층수를 증가시켜 반사율을 변화시킬 수 있고, TiO2/SiO2의 페어를 하나 형성하면 약 50%반사가 얻어지고, 3개로 하면 90%이상의 반사율이 얻어진다. 따라서, 코팅재료와 층두께가 알려지면 반사율의 크기를 조사하는 것이 가능하다.
형성된 고반사 코팅의 반사율을 측정하는 또 하나의 수단으로서, 반도체레이저를 사용하는 것이 고려된다. 반도체레이저의 단면의 반사율 R1,R2에서 나오는 광출력 P1과 P2의 관계는, P1/P2=(1-R2)/(1-R2)x(R2/R1)0.5이다. 따라서, P1과 P2의 광출력비와 일방의 반사율이 알려지면 또 하나의 반사율을 알 수 있다. 특히 일방이 언코트인 경우 19%의 반사율이 예상되기 때문에 이 방법은 효과가 있다.
한편, 통상의 질화물반도체레이저의 고반사코트에는 TiO2/SiO2등의 유전체다층막미러가 이용되고, 반사율은 80%이상이다. 이 경우, 양면HR코트의 경우는 미러손실이 1㎝-1정도로 된다. 또, 편면HR코트의 경우, 공진기장이 400㎛정도이면, 미러손실이 20㎝-1정도이다.
실시예 1
상기한 FIELO법에 의해, 저전위 n-GaN기판을 제작하였다. 얻어진 기판에 관해서, 인산계 용액을 이용해서 발생시킨 에칭피트의 밀도를 측정하여 기판표면의 전위밀도를 측정한 바, 표면전위밀도는 1.0x107개/㎝-2였다.
이 저전위 n-GaN기판을 이용해서 질화갈륨레이저를 제작하였다. 도 3은 본 실시에에 관계되는 반도체레이저의 구조단면도이다. 도 3 중, 저전위 n-GaN기판(1) 상에 Si도프n형 Al0.1Ga0.9N(실리콘농도 4x1017㎝-3, 막두께 1.2㎛)로 구성되는 n형클래드층(2), Si도프n형 GaN(실리콘농도 4x1017㎝-3, 막두께 0.1㎛)으로 구성된 n형광감금층(3), In0.2Ga0.8N(막두께 4nm)웰층과 Si도프 In0.05Ga0.95N(실리콘농도 5x1018㎝-3, 막두께 6nm)배리어층으로 구성되는 다중양자웰(MQW)층(4)(웰수 2개), Mg도프p형 Al0.2Ga0.8N으로 구성되는 캡층(5), Mg도프p형 GaN(Mg농도 2x1017㎝-3, 막두께 0.1㎛)으로 구성되는 p형광감금층(6), Mg도프p형 Al0.1Ga0.9N(Mg농도 2x1017㎝-3, 막두께 0.5㎛)으로 구성되는 p형클래드층(7), Mg도프p형 GaN(Mg농도 2x1017㎝-3, 막두께 0.1㎛)으로 구성되는 p형콘택트층(8)을 순차적으로 성장시켜서, 레이저구조를 형성하였다.
여기서, 레이저구조의 형성은, 200hPa의 감압MOVP법에 의해 행했다.
성막장치의 반응관형상은, 도 5와 같이 되어 있다. 도 5(a)는상면도이고 도 5(b)는 측면도이다. 반응관을 일층유형반응관이고, III족 및 V족 원료가 각각 별도의 라인으로 도입된다. 도 5(a)의 원형부분에 기판을 도입하고, 그 바로 위에 가열기구가 배치되어 있다. 또, 도 6과 같이, 기판을 하부에 도입해도 좋다. 이 경우는 기판 바로 아래에 가열기구가 배치되어 있다. 또, 원료의 라인은 상하 반대이어도 좋다.
질소원료에 이용한 암모니아의 분압은 120hPa이고, InGaN활성층(4)에서의 암모니아분압은, 각각 147hPa(샘플1), 134hPa(샘플2), 120hPa(샘플3), 107hPa(샘플4), 93hPa(샘플5), 53hPa(샘플6)으로 했다. Ga, Al, In재료는 TMG, TMA, TMI를 이용하고 있다. 성장온도는, InGaNMQW활성층(4)에서는 780℃이고, 그 외의 층에 있어서는 전부 1050℃로 행했다.
드라이에칭에 의해 p형클래드층(7) 그리고 p형클래드층(8)을 포함한 메사형(9)을 부분적으로 남긴 후, SiO2절연막(10)을 형성하고, 메사부분의 두출을 노광기술에 의해 행하고, 리지구조를 형성하였다. n형기판이면에는 Ti/Al으로 구성된 n전극(11)을 형성하고, p콘택트상에는, Ni/Au으로 구성되는 p전극(12)을 형성하였다. 벽개에 의해 레이저공진기단면을 형성하고, 편면에 관해서는 TiO2/SiO2에 의해 고반사코팅(반사율 95%)를 행하였다.
샘플 1-5의 소자에 있어서의 문턱치전류밀도는 각각, 3.8KA/㎠(샘플 1),3.7KA/㎠(샘플 2), 3.7KA/㎠(샘플 3), 3.8KA/㎠(샘플 4), 3.6KA/㎠(샘플 5), 3.8KA/㎠(샘플 6)이고, 이 때의 전압은 각각, 4.8V(샘플 1), 4.7V(샘플 2), 4.9V(샘플 3), 5V(샘플 4), 4.7V(샘플 5), 4.8V(샘플 6)였다.
이와 같이 성장조건이 다른 샘플에서도, 문턱치전류밀도와 전압은 거의 동일한 수치를 나타냈다.
본 레이저의 In조성 미시적 요동에 기인한, 발광층(양자웰층) 밴드갭에너지의 미시적 요동의 측정을 상기 수법으로 행한 바, 표준편차는 σ=82meV(샘플1), 66meV(샘플2), 52meV(샘플3), 41meV(샘플4), 22meV(샘플5), 5meV(샘플6)였다. 따라서, 발광층(양자웰층)에 있어서의 In조성 미시적 요동의 표준편차는 Δx=0.14(샘플1), 0.11(샘플2), 0.087(샘플3), 0.067(샘플4), 0.037(샘플5), 0.0083(샘플6)였다.
또, 완화진동주파수의 측정에 의해 각 레이저소자의 미분이득을 측정한 바, dg/dN=0.6x10-20㎡(샘플1), 0.7x10-20㎡(샘플2), 0.8x10-20㎡(샘플3), 0.10x10-20㎡(샘플4), 1.4x10-20㎡(샘플5), 2.2x10-20㎡(샘플6)이고, 도 2의 이론치와 거의 일치하는 것을 알았다. 한편, 상기 미분이득의 측정방법은, '반도체레이저'(伊藤良一著, 培風館, 147-154면)에 기재되어 있다.
본 실시예에서 시작한 레이저와 동일한 InGaN활성층에 관해서, 1㎛의 미소스폿경으로 포토루미네센스(현미PL)측정을 행했다. 측정은, 50㎛ x 50㎛의 영역을 1㎛마다 미소스폿을 이동시켜, 여기는 He-Cd레이저를 이용해서 행했다. 그 결과,모든 샘플에 있어서, PL피크 파장의 분포가 ±1nm에 들어가 있고, 오히려 한층 그 분포는 2500㎛2영역내에 일정한 방향으로 경사하고 있다. 실시예기재의 조건으로 제작한 모든 반도체레이저의 스펙트럼측정(분해능은 0.02nm)을 행한 바, 도 7과 같이 레이저발진후는 단일 종모드로 발진(전류는 문턱치전압의 1.2배)하고 있다. 따라서, 저전위 GaN기판상에 성장한 InGaN혼정에서는 모두 1㎛을 넘는 사이즈의 In조성요동이 존재하지 않는 것이, 이 실험에서 판명되었다. 이것으로부터, 종래의 반도체레이저에서는, 분해능 1㎛의 미소구역을 관찰할 수 있는 포토루미네센스측정에 있어서, InGaN양자웰중의 In조성요동이 관찰되지 않는다는 것도, 서브미크론오더의 미시적 요동이 존재하는 것이 명확하게 되었다. 미분이득에 대해서는, 캐리어의 확산길이에 비해서 짧은 범위에서 분포하는 미시적 요동이 주로 관여하고 있는 것으로 추측된다.
실시예 1에서 제작된 각 샘플의 70℃, 30mW, APC시험의 결과를 도 4에 나타낸다. 도 4에 나타난 대로, 고온고출력조건하의 소자수명은 미시적 요동에 대해서 대단히 민감하고, 밴드갭 미시적 요동의 표준편차가 50meV보다 작게 되는 것으로 급격하게 장수명화하고, 40meV에서는 5000시간에 달하였다. In조성 미시적 요동이 큰 경우, 국소적인 변형이 생기고, 고온레이저동작시의 열, 광, 캐리어 등으로부터의 에너지에 의해 결함을 생성하기 쉽고, 열화가 촉진된다고 생각된다. 일단 결함이 생기면, 거기에 광으로 변환되지 않은 캐리어의 재결합이 생기고, 국소적인 발열을 일으킨다. 발열은 결함을 생기게 하기 때문에, 네가티브피드백이 걸려, 열화가 촉진된다고 생각된다.
비교예 1
저전위 n-GaN기판(1) 대신에 사파이어기판(고전위밀도:전위밀도가 5x108개/㎠이상)을 이용하고, 이 위에 500℃로 성장시킨 저온버퍼층을 개재해서 실시예 1과 동일한 레이저구조를 형성하였다. 소자수명의 개선을 확인되지 않았다.
사파이어기판을 이용한 반도체레이저에 있어서의 밴드갭에너지의 요동을 측정한 바, 성장조건에 따르지 않고, σ=80meV±5meV의 범위내에 들어가 있고, In조성요동의 변화가 없으므로 소자수명이 연장되지 않았다고 추정된다.
실시예 1과 비교예 1의 비교에서, 소자수명과 In조성요동의 상관을 알고, InGaN양자웰의 암모니아성장압력을 변화하는 것으로, 다른 In조성요동의 양자웰을 얻을 수 있지만, 이 수법은 일예에 있어서, 다른 수법에 따라 In조성요동을 제어해도 좋다.
실시예 2
도 9는 본 실시예에 관계되는 반도체레이저구조 단면도이다. 실시예 1에서 이용한 것과 동일한 저전위 n-GaN기판을 이용하여, 반도체레이저를 제작하였다.
저전위 n-GaN기판(21) 상에 Si도프n형 Al0.1Ga0.9N(실리콘농도 4x1017㎝-3, 막두께 1.2㎛)로 구성되는 n형클래드층(22), Si도프n형 GaN(실리콘농도 4x1017㎝-3, 막두께 0.1㎛)으로 구성된 n형광감금층(23), Al0.01In0.2Ga0.79N(막두께 4nm)웰층과 Si도프Al0.01In0.05Ga0.94N(실리콘농도 5x1018㎝-3, 막두께 6nm)배리어층으로 구성되는 다중양자웰(MQW)층(24)(웰수 2개), Mg도프p형 Al0.2Ga0.8N으로 구성되는 캡층(25), Mg도프p형 GaN(Mg농도 2x1017㎝-3, 막두께 0.1㎛)으로 구성되는 p형광감금층(26), Mg도프p형 Al0.1Ga0.9N(Mg농도 2x1017㎝-3, 막두께 0.5㎛)으로 구성되는 p형클래드층(27), Mg도프 p형GaN(Mg농도 2x1017㎝-3, 막두께 0.1㎛)으로 구성되는 p형콘택트층(28)을 순차적으로 성장시켜서, LD구조를 형성한다. 레이저구조는 200hPa의 감압 MOVPE장치에서 성장이 행해지고, 질소원료로 이용한 암모니아의 분압은 120hPa이고, InGaN활성층(24)에서의 암모니아분압은, 각각 147hPa(샘플7), 134hPa(샘플8), 120hPa(샘플9), 107hPa(샘플10), 93hPa(샘플11), 53hPa(샘플12)으로 했다. 성장조건으로서는, 실시예 1과 동일한 조건을 사용하고 있다. 드라이에칭에 의해 p형클래드층(27) 그리고 p형클래드층(28)을 포함한 메사형(29)을 부분적으로 남긴 후, SiO2절연막(30)을 부착하여, 메사부분의 두출을 노광기술에 의해 행하고, 리지구조를 형성하였다. n형기판이면에는 Ti/Al로 구성된 n전극(31)을 형성하고, p콘택트상에는, Ni/Au로 구성된 p전극(32)을 형성하였다.
본 실시예에서 얻어진 반도체레이저 중, 샘플10-12에 관해서는, 하기 조건을 만족시키고 있다.
(i) In조성의 미시적 요동의 표준편차 Δx가 0.067이하
(ii) 밴드갭에너지의 미시적 요동의 표준편차 σ가 40meV이하
(iii) 미분이득 dg/dn이 1.0x10-20(㎡)이상
그 결과, 샘플 10-12에 관해서는, 70℃, 30mW, APC시험의 결과, 5000시간이상의 소자수명이 얻어졌다.
본 실시예에서 나타난 바와 같이, 활성층에 AlInGaN의 사원혼정(四元混晶)을 이용해도 실시예 1의 레이저와 동일하게, 고수명화를 도모할 수 있었다. 이것은 Al을 활성층에 혼입해도 소자수명에 효과적인 조성요동의 크기는 In에 의존하기 때문이라고 생각된다. 한편, 문턱치전류에 관해서는, 샘플 7-12에서 거의 동일한 수치를 나타냈다.
참고예 1
InGaN활성층의 성장에 처해, 질소원료로 이용한 암모니아분압을 147hPa로서 제작한 반도체레이저에 관해서, 이하의 측정을 했다.
① 현미PL측정(1㎛분해능)에 의한 거시적 요동의 측정
② 미분이득측정(완화진동측정)에 의한 미시적 조성요동의 측정
③ CL(캐소드루미네센스)관찰에 의한 미시적 조성요동의 측정
캐소드루미네센스에 의한 측정에서는, 양자웰활성층상에 캡층을 형성한 단계에서 성장을 정지해서 얻어진 평가용 샘플을 별도 제작해서, 이 샘플에 대해서 전자선을 조사하고, 분광하면서 특정의 파장에서의 매핑을 했다. 가속전압은 3kV로 하고, 실온에서 측정을 했다.
1㎛분해능의 현미PL로 관찰한 결과, PL파장분포 20meV이하라고 하는 결과가 얻어졌지만, 완화진동측정에 의한 측정의 결과, 미시적 요동은 82meV라고 구해졌다. 또, CL상에서는 400-500nm의 영역이 관측되었다(도 14).
이상과 같이, 본 샘플에서는 거시적인 요동이 없어도 서브미크론오더의 미시적인 요동이 있는 것을 알았다.
이상 설명한 바와 같이 본 발명의 질화물반도체소자에 의하면, ① 발광층에 있어서의 In조성의 미시적 요동의 표준편차 Δx가 0.067이하, 또는 ② 상기 발광층에 있어서의 밴드갭에너지의 미시적 요동의 표준편차 σ가 40meV이하, 또는 ③ 활성층의 미분이득 dg/dn이 dg/dn≥1.0x10-20(㎡)되는 구성을 갖고 있기 때문에, 소자의 효율을 양호하게 유지하면서 고온동작시에서의 소자수명을 길게 할 수 있다. 구체적으로는, 70℃, 30mW, APC시험에 있어서, 5000시간 이상의 소자수명을 실현할 수 있다.
또 본 발명의 질화물반도체소자의 제조방법에 의하면, 하지층으로서, 표면전위밀도가 1x108개/㎝-2미만의 질화갈륨계 재료를 선택함과 동시에, 발광층을 형성할 때, 암모니아가스의 분압을 소정의 수치이하로 하고 있다. 이 때문에, 발광층에 있어서의 In조성과 밴드갭에너지의 미시적 요동을 확실하게 저감할 수 있어, 고수명소자를 안정적으로 제조할 수 있다.

Claims (74)

  1. 질화갈륨-기초재료로 만들어진 하지층;
    상기 하지층 위에 연장되는 클래드층; 및
    상기 클래드층 위에 연장되고, 적어도 InxAlyGa1-x-yN(O＜x＜1, 0≤y≤0.2)의 발광층(O＜x＜1, 0≤y≤0.2)으로 구성되는 활성층을 포함하고,
    상기 발광층의 인듐조성에서의 미시적 요동의 표준편차 Δx가 0.067이하인 반도체소자.
  2. 제1항에 있어서, 상기 발광층의 상기 인듐조성에서의 미시적 요동의 상기 표준편차 Δx가 0.04이하인 반도체소자.
  3. 제1항에 있어서, 상기 발광층의 밴드갭에너지에서의 미시적 요동의 표준편차 σ가 40meV이하인 반도체소자.
  4. 제3항에 있어서, 상기 발광층의 상기 밴드갭에너지에서의 미시적 요동의 상기 표준편차 σ가 30meV이하인 반도체소자.
  5. 제1항에 있어서, 상기 활성층의 미분이득 "dg/dn"이 dg/dn≥1.0x10-20(㎡)을만족시키는 반도체소자.
  6. 제5항에 있어서, 상기 활성층의 상기 미분이득 "dg/dn"이 dg/dn≥1.4x10-20(㎡)을 만족시키는 반도체소자.
  7. 제1항에 있어서, 상기 하지층의 상면의 표면전위밀도가 1x108개/㎝-2미만인 반도체소자.
  8. 제1항에 있어서, 상기 클래드층과 상기 활성층 사이 계면의 표면전위밀도가 1x108개/㎝-2미만인 반도체소자.
  9. 제1항에 있어서, 포토-루미네센스피크파장분포가 40meV 이하인 반도체소자.
  10. 제9항에 있어서, 상기 포토-루미네센스피크파장분포가 20meV 이하인 반도체소자.
  11. 제1항에 있어서, 적어도 상기 발광층은 InxAlyGa1-x-yN(O＜x＜0.3, 0≤y≤0.05)을 포함하는 반도체소자.
  12. 제1항에 있어서, 상기 클래드층은 상기 활성층 보다 낮은 굴절율을 갖는 질화갈륨기초재료를 갖는 반도체소자.
  13. 제1항에 있어서, 상기 하지층은 기판 위에 연장되는 반도체소자.
  14. 제13항에 있어서, 상기 하지층은 GaN 및 AlGaN으로 이루어진 그룹에서 선택되는 하나를 포함하고, 상기 클래드층은 0.05이상의 알루미늄지수를 갖는 AlGaN을 포함하는 반도체소자.
  15. 제14항에 있어서, 상기 하지층의 두께는 1마이크로미터 이상인 반도체소자.
  16. 제1항에 있어서, 상기 하지층은 질화갈륨기초재료의 기판을 포함하는 반도체소자.
  17. 질화갈륨-기초재료로 만들어진 하지층;
    상기 하지층 위에 연장되는 클래드층; 및
    상기 클래드층 위에 연장되고, 적어도 InxAlyGa1-x-yN(O＜x＜1, 0≤y≤0.2)의 발광층(O＜x＜1, 0≤y≤0.2)으로 구성되는 활성층을 포함하고,
    상기 발광층의 밴드갭에너지에서의 미시적 요동의 표준편차 σ가 40meV 이하인 반도체소자.
  18. 제17항에 있어서, 상기 발광층의 상기 밴드갭에너지에서의 미시적 요동의 표준편차 σ가 30meV 이하인 반도체소자.
  19. 제17항에 있어서, 상기 발광층의 상기 인듐조성에서의 미시적 요동의 상기 표준편차 Δx가 0.067 이하인 반도체소자.
  20. 제19항에 있어서, 상기 발광층의 상기 인듐조성에서의 미시적 요동의 상기 표준편차 Δx가 0.04 이하인 반도체소자.
  21. 제17항에 있어서, 상기 활성층의 미분이득 "dg/dn"이 dg/dn≥1.0x10-20(㎡)을 만족시키는 반도체소자.
  22. 제21항에 있어서, 상기 활성층의 상기 미분이득 "dg/dn"이 dg/dn≥1.4x10-20(㎡)을 만족시키는 반도체소자.
  23. 제17항에 있어서, 상기 하지층의 상면의 표면전위밀도가 1x108개/㎝-2미만인반도체소자.
  24. 제17항에 있어서, 상기 클래드층과 상기 활성층 사이 계면의 표면전위밀도가 1x108개/㎝-2미만인 반도체소자.
  25. 제17항에 있어서, 포토-루미네센스피크파장분포가 40meV이하인 반도체소자.
  26. 제25항에 있어서, 상기 포토-루미네센스피크파장분포가 20meV이하인 반도체소자.
  27. 제17항에 있어서, 적어도 상기 발광층은 InxAlyGa1-x-yN(O＜x≤0.3, 0≤y≤0.05)을 포함하는 반도체소자.
  28. 제17항에 있어서, 상기 클래드층은 상기 활성층 보다 낮은 굴절율을 갖는 질화갈륨기초재료를 갖는 반도체소자.
  29. 제17항에 있어서, 상기 하지층은 기판 위에 연장되는 반도체소자.
  30. 제29항에 있어서, 상기 하지층은 GaN 및 AlGaN으로 이루어진 그룹에서 선택되는 하나를 포함하고, 상기 클래드층은 0.05이상의 알루미늄지수를 갖는 AlGaN을 포함하는 반도체소자.
  31. 제30항에 있어서, 상기 하지층의 두께는 1마이크로미터 이상인 반도체소자.
  32. 제17항에 있어서, 상기 하지층은 질화갈륨기초재료의 기판을 포함하는 반도체소자.
  33. 질화갈륨-기초재료로 만들어진 하지층;
    상기 하지층 위에 연장되는 클래드층; 및
    상기 클래드층 위에 연장되고, 적어도 InxAlyGa1-x-yN(O＜x＜1, 0≤y≤0.2)의 발광층(O＜x＜1, 0≤y≤0.2)으로 구성되는 활성층을 포함하고,
    상기 활성층의 미분이득 "dg/dn"이 dg/dn≥1.0x10-20(㎡)을 만족시키는 반도체소자.
  34. 제33항에 있어서, 상기 활성층의 상기 미분이득 "dg/dn"이 dg/dn≥1.4x10-20(㎡)을 만족시키는 반도체소자.
  35. 제33항에 있어서, 상기 발광층의 상기 밴드갭에너지에서의 미시적 요동의 표준편차 σ가 40meV 이하인 반도체소자.
  36. 제35항에 있어서, 상기 발광층의 상기 밴드갭에너지에서의 미시적 요동의 표준편차 σ가 30meV 이하인 반도체소자.
  37. 제33항에 있어서, 상기 발광층의 인듐조성에서의 미시적 요동의 상기 표준편차 Δx가 0.067 이하인 반도체소자.
  38. 제37항에 있어서, 상기 발광층의 상기 인듐조성에서의 미시적 요동의 상기 표준편차 Δx가 0.04 이하인 반도체소자.
  39. 제33항에 있어서, 상기 하지층의 상면의 표면전위밀도가 1x108개/㎝-2미만인 반도체소자.
  40. 제33항에 있어서, 상기 클래드층과 상기 활성층 사이 계면의 표면전위밀도가 1x108개/㎝-2미만인 반도체소자.
  41. 제33항에 있어서, 포토-루미네센스피크파장분포가 40meV 이하인 반도체소자.
  42. 제41항에 있어서, 상기 포토-루미네센스피크파장분포가 20meV 이하인 반도체소자.
  43. 제33항에 있어서, 적어도 상기 발광층은 InxAlyGa1-x-yN(O＜x≤0.3, 0≤y≤0.05)을 포함하는 반도체소자.
  44. 제33항에 있어서, 상기 클래드층은 상기 활성층 보다 낮은 굴절율을 갖는 질화갈륨기초재료를 갖는 반도체소자.
  45. 제33항에 있어서, 상기 하지층은 기판 위에 연장되는 반도체소자.
  46. 제45항에 있어서, 상기 하지층은 GaN 및 AlGaN으로 이루어진 그룹에서 선택되는 하나를 포함하고, 상기 클래드층은 0.05이상의 알루미늄지수를 갖는 AlGaN을 포함하는 반도체소자.
  47. 제46항에 있어서, 상기 하지층의 두께는 1마이크로미터 이상인 반도체소자.
  48. 제33항에 있어서, 상기 하지층은 질화갈륨기초재료의 기판을 포함하는 반도체소자.
  49. 적어도 InxAlyGa1-x-yN(O＜x＜1, 0≤y≤0.2)의 제1발광층(O＜x＜1, 0≤y≤0.2)으로 구성되는 활성층을 포함하고,
    상기 발광층의 인듐조성에서의 미시적 요동의 표준편차 Δx가 0.067 이하인 적층구조.
  50. 제49항에 있어서, 상기 발광층의 상기 인듐조성에서의 미시적 요동의 상기 표준편차 Δx가 0.04 이하인 적층구조.
  51. 제49항에 있어서, 상기 발광층의 밴드갭에너지에서의 미시적 요동의 표준편차 σ가 40meV 이하인 적층구조.
  52. 제51항에 있어서, 상기 발광층의 상기 밴드갭에너지에서의 미시적 요동의 상기 표준편차 σ가 30meV 이하인 적층구조.
  53. 제49항에 있어서, 상기 제1층의 저면의 표면전위밀도가 1x108개/㎝-2미만인 적층구조.
  54. 제49항에 있어서, 포토-루미네센스피크파장분포가 40meV 이하인 적층구조.
  55. 제54항에 있어서, 상기 포토-루미네센스피크파장분포가 20meV 이하인 적층구조.
  56. 제49항에 있어서, 적어도 상기 발광층은 InxAlyGa1-x-yN(O＜x≤0.3, 0≤y≤0.05)을 포함하는 적층구조.
  57. 적어도 InxAlyGa1-x-yN(O＜x＜1, 0≤y≤0.2)의 제1발광층(O＜x＜1, 0≤y≤0.2)으로 구성되는 활성층을 포함하고,
    상기 발광층의 밴드갭에너지에서의 미시적 요동의 표준편차 σ가 40meV 이하인 적층구조.
  58. 제57항에 있어서, 상기 발광층의 상기 밴드갭에너지에서의 미시적 요동의 상기 표준편차 σ가 30meV 이하인 적층구조.
  59. 제57항에 있어서, 상기 발광층의 상기 인듐조성에서의 미시적 요동의 상기 표준편차 Δx가 0.067 이하인 적층구조.
  60. 제59항에 있어서, 상기 발광층의 상기 인듐조성에서의 미시적 요동의 상기표준편차 Δx가 0.04 이하인 적층구조.
  61. 제57항에 있어서, 상기 제1층의 저면의 표면전위밀도가 1x108개/㎝-2미만인 적층구조.
  62. 제57항에 있어서, 포토-루미네센스피크파장분포가 40meV 이하인 적층구조.
  63. 제62항에 있어서, 상기 포토-루미네센스피크파장분포가 20meV 이하인 적층구조.
  64. 제57항에 있어서, 적어도 상기 발광층은 InxAlyGa1-x-yN(O＜x≤0.3, 0≤y≤0.05)을 포함하는 적층구조.
  65. 질화갈륨-기초재료로 만들어진 하지층 위에 클래드층을 형성하는 단계; 및
    상기 클래드층 위에 암모니아가스를 함유하는 소스가스를 이용하는 금속유기기상에피택시법에 의해, 적어도 InxAlyGa1-x-yN(O＜x＜1, 0≤y≤0.2)의 발광층(O＜x＜1, 0≤y≤0.2)으로 구성되는 활성층을 형성하는 단계를 포함하고,
    적어도 상기 발광층이 형성될 때, 상기 암모니아가스의 부분압력이 110hPa이하로 유지되는 반도체소자의 제조방법.
  66. 제65항에 있어서, 적어도 상기 발광층이 형성될 때, 상기 암모니아가스의 상기 부분압이 95hPa이하로 유지되는 반도체소자의 제조방법.
  67. 제65항에 있어서, 상기 하지층의 상면의 표면전위밀도가 1x108개/㎝-2미만인 반도체소자의 제조방법.
  68. 제65항에 있어서, 상기 클래드층과 상기 활성층 사이 계면의 표면전위밀도가 1x108개/㎝-2미만인 반도체소자의 제조방법.
  69. 제65항에 있어서, 적어도 상기 발광층은 InxAlyGa1-x-yN(O＜x≤0.3, 0≤y≤0.05)을 포함하는 반도체소자의 제조방법.
  70. 제65항에 있어서, 상기 클래드층은 상기 활성층 보다 낮은 굴절율을 갖는 질화갈륨기초재료를 갖는 반도체소자의 제조방법.
  71. 제65항에 있어서, 상기 하지층은 기판 위에 형성되는 반도체소자의 제조방법.
  72. 제71항에 있어서, 상기 하지층은 GaN 및 AlGaN으로 이루어진 그룹에서 선택되는 하나를 포함하고, 상기 클래드층은 0.05이상의 알루미늄지수를 갖는 AlGaN을 포함하는 반도체소자의 제조방법.
  73. 제72항에 있어서, 상기 하지층의 두께는 1마이크로미터 이상인 반도체소자의 제조방법.
  74. 제65항에 있어서, 상기 클래드층은 질화갈륨기초재료의 기판을 포함하는 상기 하지층 위에 형성되는 반도체소자의 제조방법.
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