KR20020023117A - 광소자, 면발광형 소자 및 이들의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 효율이 높고, 동작이 안정적이며, 수율이 높은 광 소자, 질화물 반도체 면 발광 소자 및 이들의 제조 방법을 제공한다. Ⅲ-V족 화합물 반도체로 이루어지는 반도체층과 공기 등으로 이루어진 갭층을 교대로 적층한 분포 블래그 반사경(DBR; Distributed Bragg Reflector)을 포함하는 것을 특징으로 한다. 또한, Ⅲ-V족 화합물 반도체로 이루어진 반도체층과 유기막으로 이루어지는 유기막층을 교대로 적층한 분포 블래그 반사경(DBR)을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

광소자, 면발광형 소자 및 이들의 제조 방법{AN OPTICAL DEVICE, A SURFACE LIGHT EMITTING DEVICE, AND A MANUFACTURING METHOD OF THEM}

본 발명은 광 소자, 면발광형 소자 및 이들의 제조 방법에 관한 것으로, 특히, 반사 특성이 현저히 우수한 분포 블래그 반사경을 구비한 광 소자, 면발광형 소자 및 이들의 제조 방법에 관한 것이다.

발광 기능, 광 검출 기능, 광 변조 기능 등을 포함하는 각종의 광 소자에서는, 높은 반사율을 갖는 분포 블래그 반사경(Distributed Bragg Reflector, 이하 DBR이라 함)이 이용되고 있다. 이 DBR은 굴절율이 다른 2 종류의 재료를 교대로 적층하여, 그 굴절율의 차이를 이용하여 광을 반사하는 반사경이다. 이 DBR을 이용한 광 소자의 하나로서, 이하 면발광 레이저를 예로 들어 설명한다.

면발광 레이저는 기판에 대하여 수직 방향으로 레이저광을 출사하는 면발광형 소자이다. 이 소자는 2차원적인 집적화가 용이하고, 병렬 광 정보 처리나 광 인터커넥션 또는 광 디스크 등의 데이터 스토리지 분야에의 응용이 기대되고 있다. 이 면발광 레이저로는 현재까지, 파장 0.98 ㎛의 GaInAs/GaAs계 면 발광 레이저, 파장 0.78∼0.85 ㎛대의 GaAlAs/GaAs계 면 발광 레이저, 파장 0.63∼0.67 ㎛의 AlGaInP/GaAs계 면 발광 레이저 등이 개발되어 있다. 이들 면 발광 레이저는 일반적으로, 활성층과 이 활성층을 사이에 두고 위치하는 p형 및 n형 클래드층으로 이루어지는 공진기를 포함하고, 공진기를 끼워 DBR이 형성된다. 면 발광 레이저에서는 레이저광을 얻기 위해서 활성층의 상하의 DBR의 반사율을 각각 99% 이상으로 할 필요가 있다.

최근, 레이저에서는 대역 갭이 큰 질화물 반도체를 이용한 파장 약 0.4 ㎛의 단파장의 질화물 반도체계 레이저가 주목받고 있다. 이러한 단파장의 레이저에는 DVD 등의 광 디스크의 기록 밀도를 높일 수 있는 등, 여러가지의 이점이 있다. 이 때문에, 이 질화물 반도체계 레이저는 차세대의 고밀도 광 디스크 시스템의 광원 등으로서 주목받고 있다.

그러나, 종래, 이 질화물 반도체계 레이저에 있어서, 면 발광 레이저는 실용화되어 있지 않았다. 이 이유의 하나는 질화물 반도체에서는 상기한 바와 같은 높은 반사율의 DBR을 만드는 것이 곤란하기 때문이다.

즉, 질화갈륨계 레이저의 경우, DBR로서 사용 가능한 반도체 재료의 조합은 GaN과 AlGaN 또는 GaN과 AlN 등을 들 수 있다. 그러나, 굴절율 n의 차가 큰 GaN(n=2.57)과 AlN(n=2.15)로 DBR을 구성하는 경우라도, 필요로 되는 고 반사율을 얻기 위해서는 최소라도 20층 이상의 다층막을 성장할 필요가 있다. 따라서, 면 발광 레이저에서는 활성층의 상하에서 합계 40층 이상의 다층막을 형성할 필요가 있다. 그런데, GaN과 AlN의 적층 구조에서는 격자 상수의 차가 크고 A1의 결정이 단단하기 때문에, 크랙이 발생하기 쉽다. 이 때문에, 40층쯤의 다층막을 형성하면 크랙의 발생을 피할 수 없고, 수율이 현저히 저하하였다. 또한, GaN과 AlN의 다층막의 성장 속도가 느리기 때문에, 40층쯤의 다층막을 형성하면, 생산성이 현저히 저하한다고 하는 문제가 있었다. 이와 같이, 질화물 반도체에서는 고 반사율의 반사경을 얻고자 하면 층 수가 많은 적층 구조가 되어, 그 결과, 수율이나 생산성이 저하하여 버렸다. 또한, 이 DBR의 경우, 고 반사 대역(스톱 대역의 파장 폭)이 매우 좁고, DBR의 각층의 두께, 공진기의 두께, 활성층의 조성 등이 설계치보다 조금 어긋났을 뿐이더라도 발진 조건을 만족할 수 없게 되기 때문에, 안정된 레이저광이 얻어지지 않는다고 하는 문제가 있었다. 이들 이유에 의해, 종래, 질화물 반도체 면 발광 레이저는 실용화되어 있지 않았다.

본 발명은 상술한 과제의 인식에 기초하여 이루어진 것으로, 그 목적은 높은 반사율을 갖고 스톱 대역의 파장 폭이 넓으며, 제조가 용이한 DBR를 제공함으로써, 효율이 높고 동작이 안정적이며 수율이 높은 광 소자, 질화물 반도체 면 발광 소자 및 이들의 제조 방법을 제공하는 것이다.

도 1은 본 발명의 제1 실시 형태의 광 소자를 나타내는 개념도.

도 2는 본 발명의 제1 실시 형태의 광 소자의 반사경 M의 개념 사시도.

도 3은 본 발명의 제1 실시 형태의 광 소자의 반사경 M의 다른 구체예의 개념 사시도.

도 4는 본 발명의 제1 실시 형태의 광 소자의 반사경 M의 다른 구체예의 개념 사시도.

도 5는 본 발명의 제1 실시 형태의 광 소자의 반사경 M의 다른 구체예의 개념 사시도.

도 6은 본 발명의 제1 실시 형태의 광 소자의 반사경 M의 반사율 특성을 나타내는 도면.

도 7은 종래 반사경의 반사율 특성을 나타내는 도면.

도 8은 도 2의 반사경 M의 제조 방법을 나타내는 개략 공정 단면도.

도 9는 도 4 또는 도 5의 반사경 M의 제조 방법을 나타내는 개략 공정 단면도.

도 10은 본 발명의 제2 실시 형태의 광 소자의 반사경 M의 개념 사시도.

도 11은 본 발명의 제2 실시 형태의 반사경 M의 반사율 특성, 및 종래의 반사경의 반사율 특성을 나타내는 도면.

도 12는 본 발명의 제1 실시예의 질화물 반도체 면발광 레이저의 개념 사시도.

도 13a는 본 발명의 제1 실시예의 질화물 반도체 면발광형 레이저의 제조 방법을 나타내는 개념 사시도.

도 13b는 본 발명의 제1 실시예의 질화물 반도체 면발광형 레이저의 제조 방법을 나타내는 개념 사시도로, 도 13a에 계속되는 도면.

도 13c는 본 발명의 제1 실시예의 질화물 반도체 면발광형 레이저의 제조 방법을 나타내는 개념 사시도로, 도 13b에 계속되는 도면.

도 13d는 본 발명의 제1 실시예의 질화물 반도체 면발광형 레이저의 제조 방법을 나타내는 개념 사시도로, 도 13c에 계속되는 도면.

도 13e는 본 발명의 제1 실시예의 질화물 반도체 면발광형 레이저의 제조 방법을 나타내는 개념 사시도로, 도 13d에 계속되는 도면.

도 14는 본 발명의 제2 실시예의 질화물 반도체 면발광 레이저의 개념 단면도.

도 15a는 본 발명의 제2 실시예의 질화물 반도체 면발광형 레이저의 제조 방법을 나타내는 개념 사시도.

도 15b는 본 발명의 제2 실시예의 질화물 반도체 면발광형 레이저의 제조 방법을 나타내는 개념 사시도로, 도 15a에 계속되는 도면.

도 15c는 본 발명의 제2 실시예의 질화물 반도체 면발광형 레이저의 제조 방법을 나타내는 개념 사시도로, 도 15b에 계속되는 도면.

도 15d는 본 발명의 제2 실시예의 질화물 반도체 면발광형 레이저의 제조 방법을 나타내는 개념 사시도로, 도 15c에 계속되는 도면.

도 15e는 본 발명의 제2 실시예의 질화물 반도체 면발광형 레이저의 제조 방법을 나타내는 개념 사시도로, 도 15d에 계속되는 도면.

도 15f는 본 발명의 제2 실시예의 질화물 반도체 면발광형 레이저의 제조 방법을 나타내는 개념 사시도로, 도 15e에 계속되는 도면.

도 15g는 본 발명의 제2 실시예의 질화물 반도체 면발광형 레이저의 제조 방법을 나타내는 개념 사시도로, 도 15f에 계속되는 도면.

도 16은 본 발명의 제3 실시예의 광 소자의 개념 단면도.

도 17은 본 발명의 제3 실시예의 광 소자의 반사경 M의 반사율 특성을 나타내는 도면.

도 18은 본 발명의 제4 실시예의 광 소자의 개념 사시도.

도 19a는 본 발명의 제4 실시예의 광 소자의 제조 방법을 나타내는 개념 사시도.

도 19b는 본 발명의 제4 실시예의 광 소자의 제조 방법을 나타내는 개념 사시도로, 도 19a에 계속되는 도면.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

M : 분포 블래그 반사경

M1 : 반도체층

M2 : 갭층

OD : 광 소자

본 발명의 광 소자는 광을 반사하는 반사경을 포함하는 광 소자에 있어서, 상기 반사경은 Ⅲ-V족 화합물 반도체로 이루어지는 동일한 막 두께를 갖는 복수의 반도체층과, 기체 또는 진공으로 이루어지는 동일한 막 두께를 갖는 복수의 갭층이 교대로 적층된 적층체인 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 광 소자는 광을 반사하는 반사경을 포함하는 광 소자에 있어서, 상기 반사경은 Ⅲ-V족 화합물 반도체로 이루어지는 동일한 막 두께를 갖는복수의 반도체층과, 유기막으로 이루어지는 동일한 막 두께를 갖는 복수의 유기막층이 교대로 적층된 적층체인 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 광 소자의 제조 방법은 광을 반사하는 반사경을 포함하는 광 소자의 제조 방법에 있어서, 상기 반사경을, 알루미늄을 함유하는 제1 질화물 반도체로 이루어지는 반도체층과 상기 제1 질화물 반도체보다도 알루미늄의 함유율이 작은 제2 질화물 반도체로 이루어지는 에칭층을 교대로 적층한 적층체를 형성하는 단계, 상기 적층체를 수소를 함유하는 분위기속에서 가열함으로써 상기 적층체의 단면에 노출된 상기 에칭층을 에칭하여 인접하는 상기 반도체층들 사이에 간극을 형성하는 단계에 의해 형성하는 것을 특징으로 하다.

또한, 본 발명의 광 소자의 제조 방법은 광을 반사하는 반사경을 포함하는 광 소자의 제조 방법에 있어서, 상기 반사경을, 알루미늄을 함유하는 제1 질화물 반도체로 이루어지는 반도체층과 상기 제1 질화물 반도체보다도 알루미늄의 함유율이 작은 제2 질화물 반도체로 이루어지는 에칭층을 교대로 적층한 적층체를 형성하는 단계와, 상기 적층체를 수소를 함유하는 분위기속에서 가열함으로써 상기 적층체의 단면에 노출된 상기 에칭층을 에칭하여 인접하는 상기 반도체층들 사이에 간극을 형성하는 단계와, 상기 간극에 유기막층을 형성하는 단계에 의해 형성하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 면 발광형 소자의 제조 방법은 질화물 반도체로 이루어지는 활성층으로부터의 광을 반사하는 제1 반사경과 상기 활성층으로부터의 광을 반사하는 제2 반사경이 상기 활성층을 사이에 두고 배치된 면 발광형 소자의 제조 방법에있어서, 상기 제1 반사경과 상기 제2 반사경의 적어도 한쪽을, 알루미늄을 함유하는 제1 질화물 반도체로 이루어지는 반도체층과 상기 제1 질화물 반도체보다도 알루미늄의 함유율이 작은 제2 질화물 반도체로 이루어진 에칭층을 교대로 적층한 적층체를 형성하는 단계와, 상기 적층체를 수소를 함유하는 분위기속에서 가열함으로써, 상기 적층체의 단면에 노출된 상기 에칭층을 에칭하여 인접하는 상기 반도체층들 사이에 간극을 형성하는 단계에 의해 형성하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 면 발광형 소자의 제조 방법은 질화물 반도체로 이루어지는 활성층으로부터의 광을 반사하는 제1 반사경과 상기 활성층으로부터의 광을 반사하는 제2 반사경이 상기 활성층을 끼워 배치된 면 발광형 소자의 제조 방법에 있어서, 상기 제1 반사경과 상기 제2 반사경의 적어도 한쪽을, 알루미늄을 함유하는 제1 질화물 반도체로 이루어지는 반도체층과 상기 제1 질화물 반도체보다도 알루미늄의 함유율이 작은 제2 질화물 반도체로 이루어진 에칭층을 교대로 적층한 적층체를 형성하는 단계와, 상기 적층체를 수소를 함유하는 분위기속에서 가열함으로써, 상기 적층체의 단면에 노출된 상기 에칭층을 에칭하여 인접하는 상기 반도체층들 사이에 간극을 형성하는 단계와, 상기 간극에 유기막층을 형성하는 단계에 의해 형성하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 본원 명세서에 있어서 질화물 반도체란, B_1-x-y-zIn_xAl_yGa_zN(0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤z≤1, 0≤x+y+z≤1)되는 화학식에 있어서 조성비 x, y 및 z를 각각의 범위 내에서 변화시킨 모든 조성의 반도체를 포함하는 것으로 한다. 예를 들면,InGaN(x=0.4, y=0, z=0.6)도 질화물 반도체에 포함되는 것으로 한다. 또한, V 족 원소인 N(질소)의 일부를 As(비소)나 P(인)로 치환한 것도 포함되는 것으로 한다. 이 때, Ⅲ족 원소로서는 상기한 3개의 원소(In, Al, Ga)중 어느 하나가 포함되고, 또한, V족 원소로서는 반드시 N(질소)가 포함되는 것으로 한다.

이하, 도면을 참조하면서 본 발명의 실시 형태의 광 소자에 대하여 설명한다. 본 실시 형태의 광 소자의 특징의 하나는 반사율이 높고 스톱 대역의 파장 폭이 넓고 제조가 용이한 분포 블래그 반사경(Distributed Bragg Reflector, 이하 DBR이라 함)을 구비한 것이다. 우선, 제1 실시 형태에서는 AlGaN과 공기를 교대로 적층한 DBR을 이용한 광 소자에 대하여 설명한다. 다음에, 제2 실시 형태에서는 AlGaN과 유기막을 교대로 적층한 DBR을 구비한 광 소자에 대하여 설명한다. 그 후, 이 제1 및 제2 실시 형태에 관하여, 구체예로서의 실시예를 예를 들면서, 보다 상세히 설명한다.

[제1 실시 형태]

제1 실시 형태의 광 소자의 특징의 하나는 도 1에서 알 수 있는 바와 같이, AlGaN과 공기를 교대로 적층한 분포 블래그 반사경 M을 포함하고 있다는 점이다. 이하에서는 우선 도 1을 참조로 하여 분포 블래그 반사경 M의 작용에 대하여 간단히 설명하고, 다음에 도 2∼도 5를 참조로 하여 분포 블래그 반사경 M의 구조에 대하여 설명하고, 다음에 도 6∼도 7을 참조로 하여 분포 블래그 반사경 M의 특성을 종래예와 비교하면서 설명한 다음, 도 8∼도 9를 이용하여 분포 블래그 반사경 M의 제조 방법에 대하여 설명한다. 또한, 이하에서는 분포 블래그 반사경을 반사경이라고 부르는 경우가 있다.

도 1은 본 발명의 제1 실시 형태의 광 소자 OD의 구성을 나타내는 개념 단면도이다. 광 소자 OD는 발광 소자라도 수광 소자라도 광 변조 소자라도 좋고, 또는 이들을 조합한 것이어도 좋다. 이 광 소자 OD는 기체(基體) B 상에, 분포 블래그 반사경 M을 갖는다. 반사경 M은 특정한 파장의 입사광 L을 반사한다. 반사하는 방향은 도시한 바와 같이 반사경 M의 주면에 대하여 경사 방향이라도 좋고, 또는 주면에 대하여 수직 방향이라도 좋다. 입사광 L의 방출원은 도시한 바와 같이 광 소자 OD 중에 설치되어 있어도 좋고, 또한 외부에 설치되어 있어도 좋다. 또한, 반사된 입사광 L은 광 소자 OD의 내부에서 변조 또는 광전 변환 등의 처리를 받더라도 좋고, 또는, 그대로 외부에 방출되더라도 좋다. 또한, 반사경 M에 입사한 입사광 L의 일부는 반사되지않고서, 반사경 M을 투과하도록 하여도 좋다.

다음에, 도 2∼도 5를 참조로 하여, 반사경 M의 구조에 대하여 설명한다.

도 2는 분포 블래그 반사경 M의 구조를 나타내는 개념 사시도이다. 반사경 M은 Al_0.05Ga_0.95N으로 이루어지는 반도체층 M1과 공기로 이루어지는 갭층 M2가 교대로 적층된 구조이다. 이 반사경 M은 반도체층 M1이 GaN으로 이루어지는 지지부 S에 의해 상호 간격을 두고 적층되어 구성되어 있다. 이 반사경 M에서, 파장 λ의 입사광에 대하여 높은 반사율을 얻기 위해서는, 반도체층 M1 및 갭층 M2의 두께를, 각각 λ/4n₁및 λ/4n₂로 한다. 여기서, n₁은 Al_0.05Ga_0.95N의 굴절율 약 2.57이고, n₂는 공기의 굴절율 약 1이다. 예를 들면, 400 nm의 입사광 L에 대하여 높은 반사율의 반사경 M을 얻기 위해서는 반도체층 M1의 두께를 약 40 nm, 갭층 M2의 두께를 약 100 nm로 한다. 이 반사경 M에서는 반도체층 M1의 Al_0.05Ga_0.95N과 갭층 M2의 공기의 큰 굴절율의 차를 이용하여, 입사광 L을 고효율로 반사한다.

여기서, 도 2의 반사경 M에서는 갭층 M2를 공기로 이루어지는 층으로 하였지만, 그 밖의 기체 또는 진공 공간으로 이루어지는 층으로 할 수도 있다. 또한, 도 2의 반사경에서는 반도체층 M1을 Al_0.05Ga_0.95N으로 이루어지는 층으로 하였지만, 다른 질화물 반도체로 이루어진 층으로 할 수도 있다. 단, 반도체층 M1은 Al을 함유하는 질화물 반도체인 것이 바람직하다. 예를 들면, 도 2와 같이 AlGaN을 이용하면, AlGaN은 GaN에 비해서 기초 흡수단의 파장이 대폭 짧기 때문에, 반사경 M이 반사하는 최단 파장을 대폭 짧게 할 수 있다. 단, 반도체층 M1에는 광 소자 OD의 입사광 L의 파장에 따라서, 질화물 반도체 이외의 Ⅲ-V족 반도체나 Si를 사용해도 좋다. 또한, 각부의 막 두께, 층 수, 치수 등의 관계는 적절하게 변경할 수 있다.

도 3은 반사경 M의 다른 구체예를 나타내는 개념 사시도이다. 도 3의 예에 있어서는 반사경 M의 한쪽에만 지지부 S가 설치되는데, 이를 테면, 반도체층 M1은 「한쪽 지지 기둥 형상」으로 지지되어 있다. 그리고, 층 M1의 사이에는 갭층 M2가 형성되어 있다.

도 4 및 도 5는 반사경 M의 다른 구체예를 나타내는 개념 사시도이다. 이들의 예에 있어서는 지지부 S가 반사경 M 중 어느 하나의 측면에서 연속하여 설치되고, 여기에서 반도체층 M1의 각각이 연장하여 DBR을 형성하고 있다. 환언하면, 반도체층 M1의 각각의 단부가 지지부 S에 연결된 구성을 갖는다. 도 4 및 도 5의 반사경 M에서는 지지부 S에도 반도체층 M1과 마찬가지로, Al_0.05Ga_0.95N을 이용하고 있다. 도 4는 반사경 M의 양단에 지지부 S가 설치된 예이고, 도 5는 반사경 M의 일단에 지지부 S가 설치된 예를 각각 나타낸다. 단, 본 발명은 이들 구체예에 한정되지 않고, 지지부 S는 반사경 M의 주위를 둘러싸도록 설치되어 있어도 좋고, 또는, 반사경 M의 내부의 일부분을 관통하도록 받침대 형태로 설치되어 있어도 좋다.

다음에, 도 6∼도 7을 참조로 하여, 반사경 M의 특성에 대하여 설명한다. 도 6은 도 2에 나타낸 반사경 M의 반사율 특성을 나타내는 그래프도이다. 이 도 6은 도 2의 반사경 M의 각층의 막 두께를 파장 400 nm 전후의 입사광 L에 대하여 높은 반사율이 얻어지도록 설계한 경우의 데이터이다. 횡축은 입사광 L의 파장(Wavelength)을, 종축은 이 입사광에 대한 반사율 R을 나타내고 있다. 이 도 6에서는 도 2의 반사경 M에서, Al_0.05Ga_0.95N으로 이루어지는 반도체층 M1과 공기로 이루어지는 갭층 M2를 3쌍 조합한 경우 및 4쌍 조합한 경우의 반사율 R을 나타내고 있다.

도 6에서 알 수 있는 바와 같이, 도 2에 나타낸 반사경 M에서는 3쌍 적층한 것만으로, 99% 이상의 고반사율이 얻어진다. 예를 들면, 면 발광 레이저에서는 임계 전류 밀도를 저감하기 위해서, DBR의 반사율은 높을수록 바람직하고, 99% 이상의 고 반사율의 반사경이 필요하게 되지만, 도 2의 반사경 M에서는 3쌍 적층한 것만으로 이러한 고 반사율이 얻어진다. 또한, 도 2의 반사경으로, 4쌍 적층하면99.9% 이상의 반사율이 얻어지고, 게다가 그 고반사 대역(스톱 대역의 파장 폭)은 약 60 nm로 매우 넓게 된다. 또한, 반사율 99.5%의 고 반사 대역은 약 140 nm로도 된다. 이와 같이, 도 2의 반사경 M은 적층하는 층 수가 적더라도, 우수한 특성을 얻을 수 있다.

이것에 대하여, 비교예로서, 도 7에, 종래의 DBR의 반사율 특성을 나타낸다. 도 7은 GaN층과 AlN층을 교대로 15쌍 또는 20쌍 적층한 DBR의 데이터이다. 도 6과 마찬가지로, 횡축은 입사광 L의 파장(Wavelength)을, 종축은 이 입사광 L에 대한 반사율 R을 보이고 있다. 이 반사경도, 파장이 400 nm 전후에 있어서 높은 반사율이 얻어지도록 형성된 반사경이다.

도 7에서 알 수 있는 바와 같이, GaN층과 AlN층을 조합한 종래의 DBR에서는 15쌍의 다층막에서는 99%의 고 반사율을 얻을 수 없다. 99%의 고 반사율을 얻기 위해서는 20쌍 이상의 다층막을 성장할 필요가 있다. 또한, 도 7의 종래의 DBR에서는 20쌍의 다층막을 성장한 경우라도, 반사율 99.5% 이상의 고 반사 대역(스톱 대역의 파장 폭)은 약 15 nm 정도로 매우 좁다.

이상과 같이, 도 6에 나타내는 본 실시 형태의 DBR은 도 7에 나타내는 종래의 DBR에 비교하여, 적은 층 수로 우수한 특성이 얻어진다.

다만, 도 2와 같은 갭층 M2를 이용한 반사경 M을 형성하는 것은, 종래, 매우 곤란하다고 생각되고 있었다. 왜냐하면, 종래의 에칭 방법에서는 갭층 M2를 도 2와 같은 형상으로 에칭할 수 없기 때문이다. 즉, 상술한 바와 같이, 도 2의 갭층 M2의 두께는 100 nm 정도로 얇고, 도 2와 같은 형상으로 에칭하기 위해서는 미세가공이 요구된다. 그러나, 질화물 반도체는 결정이 단단하기 때문에, 드라이 에칭을 이용하여 이러한 미세 가공을 행하는 것은 곤란하다. 또한, 웨트 에칭을 이용한 경우도, 에칭액이 두께 약 100 nm의 간극을 침입(侵入)하는 것이 곤란하기 때문에, 도 2와 같은 형상으로 에칭하는 것은 어렵다. 게다가, 도 2로부터 알 수 있는 바와 같이, 갭층 M2는 주기적으로 3∼4층 형성할 필요가 있어, 높은 가공 정밀도가 요구된다. 이 때문에, 종래의 기술 상식에서는 도 2와 같은 갭층 M2를 형성하는 것은 매우 곤란하다고 생각되고 있었다. 그러나 본 발명자는 갭층 M2를 형성하여 높은 반사율의 DBR을 얻도록 각종의 실험을 반복하였다. 그 결과, 독자적으로 발명한 기상 에칭법을 이용하여, 이것을 실현할 수 있다는 것을 깨달았다. 이하, 도 8∼도 9를 참조로 하여, 이 기상 에칭법을 설명한다.

도 8은 도 2에 나타낸 반사경 M의 제조 방법을 나타내는 개념 단면도이다.

우선, 도 8(a)에 도시한 바와 같이, 소정의 기체 B 상에, MOCVD법(metal organic chemical vapor deposition : 유기 금속 화학 기상 성장법) 또는 MBE법(molecular beam epitaxy : 분자선 에피택시)에 의해, Al_0.05Ga_0.95N으로 이루어지는 반도체층 M1과 GaN으로 이루어지는 에칭층 E의 적층 구조를 형성한다.

다음에, 도 8(b)에 도시한 바와 같이, 적층 구조의 일부를 선택적으로 제거하여 그 측면 SF를 노출시킨다. 이 제거는 예를 들면, 레지스트 등의 마스크와 RIE(reactive ion etching : 반응성 이온 에칭) 또는 이온 밀링 등의 에칭 방법을 이용하여 행할 수 있다. 또한, 도 8(b)에 있어서는 적층 구조만을 선택적으로 에칭한 예를 나타내었지만, 기체 B까지 에칭해도 좋다.

다음에, 도 8(c)에 도시한 바와 같이, 본 발명자가 독자적으로 발명한 기상 에칭법을 이용하여, 측면 SF에서 에칭층 E를 선택적으로 에칭 제거한다. 즉, 도 8(b)의 적층체를, 수소를 함유하는 분위기속에서 1000 ℃ 전후로 승온하면, 에칭층 E는 에칭되고, 반도체층 M1은 거의 에칭되지 않는다. 이에 따라, 에칭층 E만을 선택적으로 에칭 제거할 수 있다.

다음에, 도 8(d)에 도시한 바와 같이, 에칭이 소정량 진행한 단계에서 에칭을 정지한다. 그 결과, 에칭층 E의 일부가 반도체층 M1을 지지하는 지지부 S로서 잔류하여, 도 2의 DBR 반사경 M이 완성한다.

상기한 기상 에칭법에서는 Al을 함유하지 않는 질화물 반도체와 비교하여, Al을 약간이더라도 함유한 질화물 반도체의 에칭 속도가 대폭 저하한다는 것을 이용하고 있다. 즉, 도 8(b)의 적층체를 수소를 함유하는 분위기속에서 1000 ℃ 전후로 승온하면, GaN으로 이루어지는 에칭층 E는 에칭되는 반면, Al_0.05Ga_0.95N으로 이루어지는 반도체층 M1은 거의 에칭되지 않는다. 이것은 본 발명자의 독자적의 검토에 의해 얻어진 결과이다. 이와 같이 GaN이 에칭되는 이유에 대하여, 본 발명자는 GaN이 고온에서 수소와 반응하여, Ga(기상)와 NH₃(기상)이 분해하여 승화하기 때문이라고 생각하고 있다. 또한, AlGaN이 에칭되지 않는 것은 Al을 함유함으로써, V족 원소와의 결합력이 강해져 분해가 생기기 어렵게 되기 때문이다고 생각된다. 그리고, 이 에칭 속도의 차이를 이용하여 선택적인 에칭을 행할 수 있다.

여기서, 도 8에서는 반도체층 M1이 AlGaN으로 이루어지고, 에칭층 E가 GaN으로 이루어지는 경우에 대해 설명하였지만, 본 발명은 이것에 한정되는 것이 아니다. 즉, 반도체층 M1의 Al 함유율을 에칭층 E의 A1 함유율보다도 높게 하면, 에칭층 E의 에칭 속도가 반도체층 M1의 에칭 속도보다도 빠르게 되기 때문에, 선택적인 에칭을 행할 수 있다. 예를 들면, 반도체층 M1을 Al_xGa_1-xN(0<x≤1)으로 하고, 에칭층 E를 Al_yGa_1-yN(0≤y<x)으로 할 수 있다.

또한, 본 발명자의 실험에 따르면, In 함유량이 많은 질화물 반도체는 에칭 속도가 빠르게 되는 것도 판명하고 있다. 따라서, 예를 들면, 반도체층 M1을 GaN이나 AlGaN으로 하고, 에칭층 E를 InGaN으로 하여도, 선택적인 에칭을 행할 수 있다.

또한, 본 발명자의 검토의 결과, 기상 에칭의 분위기로서, 질소, 암모니아, 헬륨, 아르곤, 크세논 및 네온 중의 어느 하나와 수소와의 혼합 분위기, 또는 이들 중의 2 이상과 수소와의 혼합 분위기, 또는 수소 분위기를 이용한 경우에, 양호한 에칭을 행할 수 있었다.

이상 설명한 기상 에칭법에서는 높은 에칭 속도가 얻어진다. 예를 들면, 본 발명자의 실험에 따르면, 반도체층 M1로서 두께 40 nm의 AlGaN층을 이용하고, 에칭층 E로서 두께 100 nm의 GaN을 이용한 경우에, 수소와 질소를 체적비로 1 : 3의 비율로 혼합한 1 기압의 분위기속에서 약 1100 ℃에서 2분간 유지한 바, 에칭층 E를 측면 SF으로부터 약 5 ㎛의 거리까지 사이드 에칭할 수 있었다. 이와 같이 높은에칭 속도가 얻어지기 때문에, 도 2와 같은 DBR을 용이하게 형성할 수 있다.

반면, 종래의 웨트 에칭을 이용한 경우에는 에칭액이 두께 1OO nm의 간극을 침입하는 것이 곤란하기 때문에, 측면 SF으로부터 사이드 에칭하는 것은 매우 곤란하였다. 또한, AlGaN에 대하여 GaN을 우선적으로 에칭하는 에칭액도 없었다.

또한, 기상 에칭은 상술된 바와 같이, 수소를 함유하는 분위기에서 행할 수 있다. 이 분위기는 종래의 CDE나 RIE 등의 드라이 에칭에서 이용되어 온 소위 에칭 가스와는 달리, 질화물 반도체에 대하여 화학적인 반응을 현저히 발생시키지 않는다. 또한, 기상 에칭법에 있어서는, 종래 이용되어 온 부식성 반응성 가스는 이용하지 않는다. 이 때문에, 기상 에칭에서는 부식성의 에칭 가스나 플라즈마 등에 의한 결정의 손상을 일으키지 않고, DBR을 형성할 수 있다.

다음에, 기상 에칭법을 이용한 다른 DBR의 제조 방법을 설명한다. 도 9는 도 4 또는 도 5에 나타낸 반사경의 제조 방법을 나타내는 개념 단면도이다. 도 9에 대해서는 도 8에 관하여 상술한 것과 마찬가지의 요소에는 동일한 부호를 붙이고, 상세한 설명은 생략한다.

도 9에 예시한 제조 방법에 있어서는 도 9(b)의 공정에서, Al_0.05Ga_0.95N으로 이루어지는 지지부 S를 매립하여 형성한다. 구체적으로는, 적층체의 일부를 선택적으로 제거하고, 이 부분에 반도체 재료를 매립하여 성장함으로써, 지지부 S를 매립하여 형성할 수 있다. 이와 같이 지지부 S를 매립하여 형성한 후는 도 8에 관하여 상술한 것과 마찬가지의 공정에 의해, 에칭층 E를 기상 에칭한다. 단, 도 9의반사경 M의 경우에는 지지부 S가 Al_0.05Ga_0.95N이기 때문에, 이 지지부 S는 에칭되지 않는다. 따라서, 이 지지부 S에 의해서 기상 에칭을 용이하고 또한 확실하게 정지시킬 수 있다. 그 결과로서, 반도체층 M1과 갭층 M2에 의해 형성되는 반사 영역의 치수를 엄밀히 제어할 수 있다.

[제2 실시 형태]

제2 실시 형태의 광 소자의 특징의 하나는 AlGaN과 유기 재료를 교대로 적층한 분포 블래그 반사경 M을 구비하고 있다는 점이다. 광 소자의 전체의 구성은 제1 실시 형태(도 1)와 마찬가지이므로, 상세한 설명은 생략한다.

도 10은 제2 실시 형태의 광 소자의 분포 블래그 반사경 M의 구조를 나타내는 개념 단면도이다. 반사경 M은 AlGaN으로 이루어지는 반도체층 M3과 투명한 유기계 고분자 재료인 폴리메타크릴산메틸(PMMA)로 이루어지는 유기막 M4이 교대로 7쌍 적층된 구조이다. 여기서, 투명한 유기계 고분자 재료로는, 그 외에, 폴리카네이트(PC), 폴리디에틸렌그리콜비스아릴카보네이트, 폴리스틸렌(PS), 경질폴리염화비닐(경질 PVC), 스틸렌-메타크릴산메틸 공중합체(MS 수지), 아크릴로니트릴-스틸렌 공중합체(AS 수지), 폴리메타크릴산시클로헥실(PCHMA), 폴리(4-메틸펜텐-1)(TPX) 등을 이용할 수도 있다. 또한, 후술의 실시예에서 설명하는 바와 같이, 유기막 M4에 도전성을 갖는 유기 재료나, 포토크로미즘을 나타내는 유기 재료를 이용할 수도 있다. 도 10의 반사경 M에서, 유기막 M4를 구성하는 유기 재료의 굴절율은 약 1.3∼1.7이고, 반도체층 M3을 구성하는 AlGaN의 굴절율은 약 2.57이다.도 10의 반사경 M에서는 이 유기 재료와 AlGaN의 큰 굴절율의 차를 이용하여, 입사광 L을 높은 효율로 반사한다.

도 11는 도 10에 나타낸 반사경 M의 반사율 특성을, 종래의 반사경과 비교하면서 나타낸 도면이다. 이 도 11은 반사경 M의 각층의 막 두께를 파장 400 nm 전후의 입사광 L에 대하여 높은 반사율이 얻어지도록 설계한 경우의 데이터이다.

또한, 종래예는 GaN과 AlN을 20쌍 조합하고, 각층의 막 두께를 파장 400 nm 전후의 입사광 L에 대하여 높은 반사율이 얻어지도록 설계한 경우의 데이터이다. 도 11의 횡축은 입사광 L의 파장(Wavelength)을, 종축은 이 입사광 L 에 대한 반사율 R을 보이고 있다.

도 11에서 알 수 있는 바와 같이, 도 10에 나타낸 AlGaN/PMMA의 조합에 의한 DBR에서는 7쌍으로 99.5% 이상의 고 반사율을 얻을 수 있다. 더구나, 그 고 반사 대역은 약 60 nm로 넓고, 또한 반사율 99% 이상의 고 반사 대역은 약 100 nm에도 미친다. 반면, 종래의 AlN/GaN 다층막 DBR에서는 20쌍 이상의 다층막을 형성한 DBR에서도, 반사율 99.5% 이상으로 되는 고 반사 대역은 약 10 nm 정도로 좁다.

도 10에 나타낸 바와 같은 유기막 M4를 이용한 반사경 M을 형성하는 것도, 제1 실시 형태와 마찬가지로, 종래는 매우 곤란하다고 생각되고 있었다. 그러나, 본 발명자는 상술한 기상 에칭법을 이용하여, 이러한 반사경 M을 형성할 수 있는 것을 독자적으로 깨달았다. 이 구체적인 방법에 대해서는 후술의 실시예 2에서 설명한다.

(실시예)

다음에, 상술한 본 발명의 실시 형태의 광 소자에 대하여, 실시예를 참조하면서, 보다 상세히 설명한다. 이하, 제1 실시예에서는 제1 실시 형태의 광 소자의 DBR을 이용한 질화물 반도체 면 발광 레이저에 대하여, 제2 실시예에서는 제2 실시 형태의 광 소자의 DBR을 이용한 질화물 반도체 면 발광 레이저에 대하여, 제3 및 제4 실시 형태에서는 그 밖의 광 소자에 대하여 설명한다.

(제1 실시예)

우선, 본 발명의 제1 실시예로서, 제1 실시 형태의 광 소자의 DBR을, 질화물 반도체 면 발광 레이저에 적용한 구체예에 대하여 설명한다.

도 12는 제1 실시예의 질화물 반도체 면 발광 레이저의 개념 단면도이다. 도 12는 개념도로서, 설명을 용이하게 하기 위해서 각층의 배율은 변경하여 도시하고 있다.

사파이어 기판(12) 상에는, 버퍼층(14)을 통해, 약 100 nm의 GaN층(18)과 약 40 nm의 Al_0.05Ga_0.95N층(16)을 교대로 4쌍 적층한 하측 적층체 ML이 형성되어 있다. 이 하측 적층체 ML의 일부에서 GaN층(18)이 제거되어 갭층(20)이 형성되고, AlGaN층(반도체층)(16)과 갭층(20)의 4쌍의 적층에 의한 하측 DBR가 형성되어 있다. 이 하측 DBR의 상에는 Si 도핑의 GaN으로 이루어지는 n형 컨택트층(24), Mg 도핑의 Al_0.05Ga_0.95N으로 이루어지는 막 두께 0.1 ㎛의 p형 전류 블록층(26)이 순차 적층되어 있다. 이 n형 컨택트층(24), p형 전류 블록층(26)에는 개구가 형성되어 있다. 그리고, 이 개구는 Si 도핑의 Al_0.05Ga_0.95N으로 이루어지는 제1 n형 클래드층(28A)로매립되어 있다. 이 제1 n형 클래드층(28A)과 p형 전류 블록층(26) 상에는 Si 도핑의 Al_0.05Ga_0.95N으로 이루어지는 제2 n형 클래드층(28B), InGaN을 포함하는 MQW 구조의 활성층(30), Mg 도핑의 Al_0.05Ga_0.95N으로 이루어지는 p형 클래드층(32)이 순차 형성되어 있다. 이 p형 클래드층(32)의 상에는 약 100 nm의 GaN층(40)과 약 40 nm의 Al_0.05Ga_0.95N층(42)을 교대로 4쌍 적층한 상측 적층체 ML이 형성되어 있다. 이 상측 적층체 ML에 있어서도, GaN층(40)의 일부가 제거되어 갭층(44)이 형성되고, Al_0.05Ga_0.95N층(42)과 갭층(44)의 4쌍의 적층에 의한 상측 DBR이 형성되어 있다.

도 12의 면 발광 레이저에서는 n형 컨택트층(24)의 노출부에 설치된 n측 전극(50)과 p형 클래드층(32)의 노출부에 설치된 p측 전극(60)으로 이루어지는 활성층(30)에 전류가 주입된다. 여기서, p형 전류 블록층(26)은 활성층(30)에 주입되는 전류를 집광하는 기능을 한다. 즉, n측 전극(50)으로부터의 전류는 p형 전류 블록층(26)을 통하지 않고, 제1 n형 클래드층(28A)을 통하여, 이 제1 n형 클래드층(28A)의 상측의 활성층(30)에 집광하여 주입된다. 그 결과, 제1 클래드층(28A)의 상측 부분의 활성층(30)으로부터 광이 방사된다. 이 광의 파장은 활성층(30)의 조성에 의해 조정할 수가 있어, 도 12의 레이저에서는 약 400 nm가 되도록 하였다. 방사된 광은 활성층(30)의 상하의 DBR에서 증폭되어, 레이저광이 되어, 도면 중 상하 방향으로 방사된다. 여기서, 상술한 바와 같이, 레이저광을 얻기 위해서는 DBR의 반사율을 99% 이상으로 할 필요가 있다.

이상 설명한 도 12의 질화물 반도체 면 발광 레이저에서는 Al_0.05Ga_0.95N(n= 2.57)층(16, 42)과 공기(n=1)층(20, 44)을 이용함으로써, 굴절율의 차가 큰 재료를 조합한 DBR을 얻을 수 있다. 이 때문에, 도 6에 관하여 상술한 바와 같이, 겨우 3쌍 적층한 것에서도, 면 발광 레이저에 필요한 99% 이상의 반사율의 DBR이 얻어진다. 그리고, 도 10과 같이 4쌍 적층하면 99.9%의 반사율이 얻어진다. 또한, 이 도 10의 레이저에서는 DBR을, 저 A1 조성의 AlGaN을 이용하여 만들 수 있다. 이와 같이 도 10의 질화물 반도체 면 발광 레이저에서는 적은 적층 수로, 또한 저 Al 조성의 층에 의해, 고 반사율의 DBR를 얻을 수 있기 때문에, 제조가 용이하고, 크랙이 발생하기 어렵고, 수율을 높게 할 수 있다.

또한, 도 12의 질화물 반도체 면 발광 레이저에서는 도 6에 관하여 상술한 바와 같이, 99.9% 이상의 고 반사 대역(스톱 대역의 파장 폭)이 약 60 nm로 매우 넓고, 또한 99.5%의 고 반사 대역이 약 140 nm로 매우 넓은 DBR을 얻을 수 있다. 이 때문에, DBR의 각층의 두께, 공진기의 두께, 활성층의 조성 등이 설계치로부터 어느 정도 어긋나더라도 레이저광에 큰 영향을 주지 않고, 안정된 레이저광을 얻을 수 있다.

또한, 도 12의 질화물 반도체 면 발광 레이저에서는 99.9% 이상의 높은 반사율의 DBR이 얻어지기 때문에, 발진 임계 전류 밀도를 매우 작게 할 수 있다.

또한, 도 12의 질화물 반도체 면 발광 레이저에서는 DBR의 적층 수가 적기 때문에, 생산성도 낮아지지 않는다.

이것에 대하여, 종래, 이러한 질화물 반도체 면 발광 레이저의 DBR로서, GaN층과 AlGaN층 또는 AlN층과의 조합을 이용하는 것이 생각되고 있었다. 이러한 종래의 DBR을 이용한 경우에는 도 7에 관하여 상술한 바와 같이, 99% 이상의 고 반사율을 얻기 위해서 20쌍 이상의 다층막을 성장할 필요가 있다. 따라서, 도 12의 면 발광 레이저에서는 활성층(30)의 하측과 상측의 DBR에서 합쳐서 40쌍 이상의 다층막을 성장할 필요가 있다. 그러나, 상술한 바와 같이, 이러한 40쌍 이상의 다층막을 성장시키면 크랙이 발생하는 것을 피할 수 없어, 수율이 현저히 저하하였다. 또한, 이 DBR은 반사율 99.5% 이상의 고 반사 대역(스톱 대역의 파장 폭)이 약 15 nm 정도로 매우 좁고, DBR의 각층의 두께, 공진기의 두께, 활성층의 조성 등이 설계치에서 약간이라도 어긋나도 발진 조건을 만족할 수 없게 되기 때문에, 안정된 레이저광이 얻어지지 않았다.

다음에, 도 13a∼도 13e를 참조로 하여, 본 실시예의 면 발광 레이저의 제조 방법에 대하여 설명한다. 도 13a∼도 13e는 본 실시예의 면 발광 레이저의 제조 방법을 개념적으로 나타내는 사시도이다. 도 13a∼도 13e에서, 사파이어 기판(12)은 실제는 직경 약 5×10⁴㎛의 원형이지만, 이 일부를 절취한 상태를 개념적으로 보이고 있다. 또한, 도 13a∼도 13e에서는 설명을 하기 쉽게 하기 위해서, 각층의 배율을 바꿔 보이고 있다. 또한, 도 12의 기판(12)은 도 13a의 기판(12)을 미세히 절단한 것이고, 그 1변의 길이는 약 5×1O²㎛이다.

우선, 도 13a에 나타낸 바와 같이, 사파이어 기판(12) 상에 MOCVD법에 의해,버퍼층(14)을 10∼200 nm 정도의 막 두께로 성장한다. 그리고, 버퍼층(14) 상에, 막 두께 약 40 nm의 Al_0.05Ga_0.95N층(16)과 막 두께 약 100 nm의 GaN층(18)을 교대로 4쌍 적층한다. 그 후, Si 도핑의 GaN으로 이루어지는 n형 컨택트층(24)을 적층하고, Mg 도핑 Al_0.05Ga_0.95N으로 이루어지는 p형 전류 블록층(26)을 0.1 ㎛의 두께로 적층한다.

다음에, 웨이퍼를 MOCVD 장치에서 인출하고, 도 13b에서 알 수 있는 바와 같이, 광 노광 프로세스에 의해 레지스트 또는 SiO₂등으로 이루어지는 마스크(300)를 형성한다. 그리고, 도 13b에 도시한 바와 같이, 반응성 이온 에칭(RIE)이나 반응성 이온 빔 에칭(RIBE) 등의 드라이 에칭법에 의해, 최하층의 Si 도핑 Al_0.05Ga_0.95N층(16)에 달하는 구형의 개구 H를 형성한다. 그 후, 필요에 따라서 마스크(300)를 제거한 후, 분위기의 조정이 가능한 가열로에 웨이퍼를 세트한다. 그리고, 질소 가스를 4 SLM 흘리고, 웨이퍼 온도를 1000 ℃까지 약 4분으로 승온한다. 이 과정에서는 질소 분위기로 가열 승온함으로써, 웨이퍼에 부착하고 있는 수분이나 불순물 가스가 제거된다. 또한, 이 승온 과정에서의 GaN층(18)의 분해증발에 의한 에칭은 거의 무시할 수 있다.

다음에, 도 13c에서 알 수 있는 바와 같이, 웨이퍼 온도가 1000 ℃에 도달한 곳에서, 4 SLM의 질소 가스 외에, 1 SLM의 수소 가스를 도입하여, Si 도핑 GaN 층(18)의 기상 에칭을 개시한다. 그리고, 이 분위기에 있어서, 1000 ℃에서 2분간 유지하였다. 이 공정에서, GaN층(18)은 수소와의 반응에 의해 분해증발이 촉진되어, 기상 에칭이 진행한다. 한편, Al_0.05Ga_0.95N층(16)의 에칭은 거의 진행하지 않고, 선택 에칭이 행하여진다. 즉, GaN층(18) 및 GaN으로 이루어지는 n형 컨택트층(24)은 구형의 구멍 H의 측면에서 사이드 에칭되지만, Al_0.05Ga_0.95N층(16)의 사이드 에칭은 생기지 않는다. 그 후, 수소 가스의 공급을 정지하고 다시 질소 분위기로 되돌려, 실온까지 강온하였다. 이 공정에 의해, 도 13c에 도시한 바와 같이, 구형의 개구 H의 측면에서 약 20 ㎛ 범위 내의 GaN층(18)은 완전하게 에칭 제거되고, 그 결과로서, Al_0.05Ga_0.95N층(16)과 갭층(20)의 DBR 구조가 형성되었다. 또한, 도 13c 에서는 GaN층(18)과 같이 GaN 컨택트층(24)도 기상 에칭되는 경우를 예시하였다. 이것에 대하여, 도 12에 예시한 바와 같이, 컨택트층(24)의 개구의 사이즈를 DBR의 갭층(20)의 사이즈보다도 작게 형성하고 싶은 경우에는, GaN 컨택트층(24)에 AlGaN층(16)보다도 소량의 Al을 함유시키면 좋고, 미량의 Al을 함유시키면 족한다. 이와 같이 하면, 컨택트층(24)의 저항은 상승시키는 일없이, 기상 에칭의 속도를 대폭 저하시키는 것이 가능해진다. 그 결과로서, 도 10에 나타낸 바와 같이, 컨택트층(24)의 개구의 사이즈를 DBR의 갭층(20)보다도 작게 형성하는 것도 가능해진다.

다음에, 도 13d에 도시한 바와 같이, 전류 협착용의 창 W를 형성한다. 구체적으로는, 웨이퍼를 가열로에서 인출하고, 다시 광 노광 프로세스에 의해 p형 전류 블록층(26) 상에 도시하지 않은 마스크를 형성하여, 드라이 에칭법 또는 KOH에 의한 웨트 에칭법 등에 의해 폭 약 10 ㎛의 구형의 창 W를 형성하였다.

다음에, 도 13e에 도시한 바와 같이, 레이저 구조를 적층 형성한다. 구체적으로는, 우선, 창 W를 형성하기 위해서 이용한 레지스트 또는 SiO₂등의 마스크(도시하지 않음)을 제거하고, 웨이퍼를 다시 MOCVD 장치에 세트한다. 다음에, 암모니아 가스를 공급하여, 질소 가스 20 SLM, 암모니아 가스 10 SLM의 혼합 가스를 흘려, 기판 온도를 1080 ℃까지 승온한다. 다음에, 기판 온도가 1080 ℃에 도달함과 동시에, 트리메틸갈륨(TMG), 트리메틸 알루미늄(TMA) 및 실란 가스 및 수소 가스의 공급을 개시하고, Si 도핑의 Al_0.05Ga_0.95N으로 이루어지는 n형 클래드층(28B)을 성장한다. 이 층의 성장 중에, p형 전류 블록층(26)에 형성한 스트라이프형의 창 W는 매립되어 매립부(28A)가 형성된다. 다음에, InGaN을 포함하는 MQW 구조의 활성층(30), Mg 도핑의 Al_0.05Ga_0.95N으로 이루어지는 p형 클래드층(32)을 적층한다. 그 후, GaN층(40)과 Al_0.05Ga_0.95N층(42)을 교대로 4쌍 적층한다. 이 때, GaN층(40)과 Al_0.05Ga_0.95N층(42)의 막 두께는 하측 DBR과 마찬가지로 한다. 다음에, MOCVD 장치에서 웨이퍼를 인출하고, 광 노광 프로세스에 의해 마스크를 형성하여, 드라이 에칭법에 의해, p형 클래드층(32)에 도달하는 구형 상의 구멍 H를 개구한다. 그 후, 상술한 하측 DBR의 형성과 마찬가지의 기상 에칭법에 의해, Al_0.05Ga_0.95N층(42)과 갭층(44)의 DBR 구조를 형성한다.

다음에, 광 노광 프로세스로 마스크를 형성하고, 드라이 에칭법에 의해 p형 클래드층(32) 및 n형 컨택트층(26)의 일부를 각각 노출시켜, 소자 분리를 행하였다. 그리고, 리프트 오프법에 의해, n측 전극(50), p측 전극(60)을 형성하여, 도 12에 나타낸 면 발광 레이저가 완성한다.

이상 설명한 제조 방법에서는 본 발명자가 독자적으로 발명한 기상 에칭법을 이용함으로써 반사율이 높은 DBR를 형성하여, 면 발광의 질화물 반도체 레이저를 얻을 수 있다. 이것에 대하여, 종래는 질화물 반도체를 에칭하는 유효한 방법이 존재하지 않아, 반사율이 높은 DBR을 형성하는 것이 곤란하여, 면 발광의 질화물 반도체 레이저를 얻는 것은 곤란하였다.

(제2 실시예)

다음에, 제2 실시예로서, 제2 실시 형태의 DBR을, 질화물 반도체 면 발광 레이저에 적용한 구체예에 대하여 설명한다.

도 14는 제2 실시예의 질화물 반도체 면 발광 레이저의 개념 단면도이다. 사파이어 기판(112) 상에는 버퍼층(114)을 거쳐, GaN 버퍼층(115)이 형성되어 있다. 그리고 GaN 버퍼층(115) 상에는 AlN층(116)과 GaN층(118)을 교대로 20쌍 적층한 하측 DBR(l17)이 형성되어 있다. 이 하측 DBR(117) 상에는 n형 컨택트층(124), n형 AlGaN 클래드층(128), InGaN을 포함하는 MQW 구조의 활성층(130), p형 AlGaN 클래드층(132)이 순차 형성되어 있다. 이 p형 AlGaN 클래드층(132) 상에는 n형 AlGaN 전류 협착층(134), 제1 p형 GaN 컨택트층(136A)가 형성되고, 이들 상에는 제2 p형 GaN 컨택트층(136B)이 형성되어 있다. 이 제2 p형 GaN 컨택트층(136B) 상에는 Mg 도핑의 Al_0.05Ga_0.95N으로 이루어지는 반도체층(142)과폴리메타크릴산메틸(PMMA)로 이루어지는 유기막층(144)을 교대로 7쌍 적층한 상측 DBR(141)이 형성되어 있다. 반도체층(142) 및 유기막층(144)의 막 두께는 각각, λ/4n₃및 λ/4n₄이다. 여기서, n₃은 Al_0.05Ga_0.95N의 굴절율, n₄는 PMMA의 굴절율, λ는 면 발광 레이저의 발진 파장이다.

도 14의 면 발광 레이저에서는 n형 컨택트층(124)의 노출부에 설치된 n측 전극(150)과 제1 p형 클래드층(136B) 및 상측 DBR(141)의 노출부에 설치된 p측 전극(160)에서 활성층(130)으로 전류가 주입된다. 여기서, n형 전류 블록층(134)은 활성층(130)에 주입되는 전류를 집광하는 기능을 한다. 즉, 전류는 제1 p형 클래드층(136A)의 하측의 활성층(130)에 집광하여 주입된다. 그 결과, 제1 p형 클래드층(136A)의 하측 부분의 활성층(130)으로부터 광이 방사된다. 방사된 광은 활성층(130)의 상측 DBR(141)과 하측 DBR(117)에서 증폭되어, 레이저광으로 되어, 도면 중 상하 방향으로 방사된다.

이상 설명한 도 14의 질화물 반도체 면 발광 레이저에서는 상측 DBR(141)에, Al_0.05Ga_0.95N으로 이루어지는 반도체층(142)과 PMMA로 이루어지는 유기막층(144)을 이용함으로써, 굴절율의 차가 큰 재료를 조합한 DBR을 얻을 수 있다. 이 때문에, 도 11에 관하여 상술한 바와 같이, 7쌍의 적층으로 99.5% 이상의 반사율의 DBR을 얻을 수 있다. 또한, 도 14의 질화물 반도체 면 발광 레이저에서는 후술의 제조 방법으로부터도 알 수 있는 바와 같이, 상측 DBR을, 저 Al 조성의 Al_0.05Ga_0.95N층(반도체층)(142)을 이용하여 만들 수 있다. 이와 같이, 도 14의 질화물 반도체 면 발광 레이저에서는 적은 적층 수로, 또한 저 Al 조성의 층에 의해, 고 반사율의 DBR를 얻을 수 있기 때문에, 크랙이 발생하기 어렵게 되어, 수율을 높게 할 수 있다.

여기서, 도 14의 질화물 반도체 면 발광 레이저에서는 하측 DBR(121)에는, 종래 이용되고 있던, GaN층(118)과 AlN층(116)의 조합의 DBR를 이용하였다. 그러나, 상측 DBR(141)에, 반도체층(142)과 유기막층(144)의 조합의 DBR를 이용하였기 때문에, 크랙은 발생하지 않았다. 이것에 대하여, 상측 DBR(141)에도 종래의 DBR을 이용한 경우에는 크랙이 발생하여, 수율이 현저히 저하하였다.

또한, 도 14의 질화물 반도체 면 발광 레이저에서는 도 11에 관하여 상술한 바와 같이, 99.9% 이상이 높은 반사율의 상측 DBR이 얻어지기 때문에, 발진 임계 전류 밀도를 작게 할 수 있다.

이상 설명한 도 14의 질화물 반도체 면 발광 레이저에서는 하측 DBR에 GaN층(118)과 AlN층(116)의 조합의 DBR을 이용한 예를 나타내었지만, 이것을, 상측 DBR과 마찬가지로, 반도체층과 유기막층의 조합의 DBR로 할 수도 있다. 이와 같이 하면, 안정된 레이저광을 얻을 수 있다. 즉, 반도체층과 유기막층의 조합의 DBR에서는 도 11에 관하여 상술한 바와 같이, 99.9% 이상의 고 반사 대역(스톱 대역의 파장 폭)이 약 60 nm로 매우 넓고, 또한 99.5%의 고 반사 대역이 약 100 nm에도 미친다. 이 때문에, DBR의 각층의 두께, 공진기의 두께, 활성층의 조성 등이 설계치로부터 어느 정도 어긋나더라도 레이저광의 반사율이 크게 영향받지지 않아, 안정된 레이저광을 얻을 수 있다.

또한, 도 14의 질화물 반도체 면 발광 레이저에서는 PMMA로 이루어지는 유기막층(144)을 이용한 DBR을 나타내었지만, 유기막층(144)에, 제2 실시 형태에서 설명한 각종의 투명한 유기계 고분자 재료를 이용할 수도 있다. 또한, 이 유기막층(144)에, 도전성을 갖는 유기 재료를 이용할 수도 있다. 이러한 도전성을 갖는 유기 재료에는 π전자 공액계 고분자, 직쇄상 전π공액계 고분자, 비공액 고분자가 있다. 이들 유기 재료는 그 자신 또는 도핑에 의해 금속 영역의 높은 도전성을 나타낸다. 또한 구체적으로는, π전자 공액계 고분자 및 직쇄상 전(全)π공액계 고분자로서, ① 지방족 공액계: 폴리아세틸렌류, 폴리디아세틸렌류, ② 방향(芳香)족 공액계: 폴리(p-페닐렌)류, ③ 혼합형 공액계: 폴리(p-페닐렌비닐렌), 폴리(페닐렌칼코게나이드)류, ④ 복소환식 공액계: 폴리피롤, 폴리 티오펜, 폴리 플란, 폴리카르바졸, 폴리퀴놀린류, ⑤ 함헤테로 원자 공액계: 폴리아닐린류, ⑥ 복쇄형 공액계(사다리형 공액계)를 들 수 있다. 또한, 비공액계 고분자로서, ① 측쇄에 π전자 공액계기(카르바졸, 페로센, 피렌, 피렌, 프탈로시아닌)을 포함하는 고분자, ② 대환형 금속 착체(프탈로시아닌 등)을 주요 체인에 포함하는 고분자: 니켈프탈로시아닌, ③ 고분자 폴리양이온-TCNQ 래디컬 음이온염 등을 들 수 있다. 이들 도전성을 나타내는 유기막을 이용하면, 상측 DBR(141)을 통해서 활성층(130)으로 전류 주입을 행할 수 있어, p측 전극(160)의 형성을 용이하게 할 수 있다.

다음에, 도 15a ∼도 15g의 개념 사시도를 참조로 하여, 도 14의 면 발광 레이저의 제조 방법에 대하여 설명한다.

우선, 도 15a에 도시한 바와 같이, 사파이어 기판(112) 상에, MOCVD법에 의해, 버퍼층(114)을 10∼200 nm 정도의 막 두께로 성장한다. 그리고, 버퍼층(114)상에, GaN 버퍼층(115)을 0.3 ㎛의 막 두께로 성장한다. 계속해서, AlN층(116)과 GaN층(118)을 교대로 20쌍 적층하여 하측 DBR(117)을 형성한다. 그 후, Si 도핑의 GaN으로 이루어지는 n형 컨택트층(124), Si 도핑의 Al_0.05Ga_0.95N으로 이루어지는 n형 클래드층(128), InGaN을 포함하는 MQW 구조의 활성층(130), Mg 도핑의 Al_0.05Ga_0.95N으로 이루어지는 p형 클래드층(132), Si 도핑의 GaN으로 이루어지는 전류 협착층(134)을 순차 적층한다.

다음에, 도 15b에 도시한 바와 같이, 웨이퍼를 MOCVD 장치에서 인출하여 에칭 마스크로 되는 SiO₂를 피착하고, 광 노광 프로세스에 의해 전류 협착층(134)의 일부를 노출시켜, SiO₂에 개구 패턴 H를 형성한다.

다음에, 도 15c에 도시한 바와 같이, 전류 협착층(134)에 창부 CH를 형성한다. 즉, 우선, 도 15c의 웨이퍼를 가열로에 세트하고, 질소 가스를 4 SLM 흘려서, 웨이퍼를 1000 ℃까지 4분간 승온한다. 이 승온 과정에서는 GaN으로 이루어지는 전류 협착층(134)의 분해 증발은 거의 무시할 수 있다. 그리고, 웨이퍼가 1000 ℃에 도달한 곳에서, 수소 가스를 도입하고, 질소 가스 4 SLM과 수소 가스 1 SLM의 혼합 가스를 흘린 분위기에 있어서 2분간 유지하였다. 그 후, 수소 가스의 공급을 정지하고 다시 질소 분위기로 되돌리고, 실온까지 강온하였다. 이 공정에서, GaN으로 이루어지는 전류 협착층(134)의 개구 패턴 H에 노출한 부분은 수소와의 반응에 의해서 분해 증발하여, 에칭된다. 한편, AlGaN으로 이루어지는 p형 클래드층(132)은 이 조건에서는 에칭되지 않기 때문에, 이 p형 클래드층(132)에서에칭은 멈춘다. 이 공정에 의해, GaN으로 이루어지는 전류 협착층(134)에, p형 클래드층(132)에 도달하는 창부 CH가 형성된다. 그 후 SiO₂마스크를 제거한다.

다음에, 도 15d에 도시한 바와 같이, 레이저 구조를 적층 형성한다. 즉, 도 15c의 적층체를 다시 MOCVD 장치에 세트하고, 질소 가스 분위기에서 기판 온도를 1080 ℃까지 승온한다. 그리고, 기판 온도가 1080 ℃에 도달함과 동시에 암모니아 가스 및 수소 가스의 공급을 개시하고, 또한 Ga와 Mg의 원료 가스의 공급을 개시한다. 이에 따라, Mg 도핑의 GaN으로 이루어지는 제1 p형 클래드층(136A)(도 14), 및 제2 p형 클래드층(136B)을 형성한다. 다음에, Mg 도핑의 Al_0.05Ga_0.95N층(142)과 Mg 도핑의 GaN층(140)을 교대로 7쌍 적층하고, Al_0.05Ga_0.95N과 GaN의 다층막(138)을 형성한다. 그 후, MOCVD 장치에서 웨이퍼를 추출한다.

다음에, 도 15e에서 알 수 있는 바와 같이, 광 노광 프로세스에 의해 마스크를 형성하고, 드라이 에칭에 의해 다층막(138)의 일부를 에칭하여, 메사를 형성한다. 이 때, 다층막(138)의 가장 하측의 Al_0.05Ga_0.95N층(142)은 에칭하지 않는다. 그 후, 마스크를 제거한다.

다음에, 도 15f에 도시한 바와 같이, 상측 DBR(141)을 형성한다. 즉, 우선, 전술의 기상 에칭법을 행함으로써, 도 15f에 점선으로 나타낸 부분의 하측의 GaN층(140)을 선택적으로 에칭한다. 그 후, 용매에 녹인 PMMA를 도 15f의 적층체에 스핀 코팅하거나, 또는 PMMA를 녹인 용매 중에 이 적층체를 침지함으로써, 상기한 기상 에칭된 부분에 PMMA로 이루어지는 유기막층(144)을 형성한다. 이 공정에의해서, Al_0.05Ga_0.95N층(반도체층)(142)과 유기막층(144)을 교대로 7쌍 적층한 DBR(141)을 형성한다.

다음에, 도 15g에서 알 수 있는 바와 같이, 광 노광 프로세스로 마스크를 형성후, 다층막(138)의 가장 하측의 Al_0.05Ga_0.95N층(142)을 에칭하여, 제2 p형 컨택트층(136B)의 일부를 노출시킨다. 그 후, 광 노광 프로세스 및 드라이 에칭에 의해 n형 컨택트층(124)의 일부를 노출시키고, 리프트 오프에 의해 p측 전극(160) 및 n 측 전극(150)(도 14)을 형성하여, 도 14의 면 발광 레이저가 완성한다. 또한, 도 14는 도 15g의 적층체를 점선에 따라서 절단한 단면도이다. 단, 도 15g에서는 n측 전극(150) 부근은 보이고 있지 않다.

이상 설명한 제조 방법에서는 본 발명자가 독자적으로 발명한 기상 에칭법을 이용함으로써 반사율이 높은 DBR을 형성하여, 면 발광의 질화물 반도체 레이저를 얻을 수 있다. 이것에 대하여, 종래는 질화물 반도체를 에칭하는 유효한 방법이 존재하지 않아, 반사율이 높은 DBR을 형성하는 것이 곤란하고, 면 발광의 질화물 반도체 레이저를 얻는 것은 곤란하였다.

(제3 실시예)

다음에, 본 발명의 제3 실시예로서, 제1 실시 형태의 DBR과 단면 출사형의 InGaAsP계 반도체 레이저를 조합한 광 소자에 대하여 설명한다.

도 16은 제3 실시예의 광 소자의 개념 단면도이다. 기판 SU 상에는 발진 파장 1.55 ㎛의 단면 출사형의 InGaAsP계 반도체 레이저 LD가 마운트되어 있다.

기판 SU의 표면에는 질화물 반도체 레이저 LD의 전면에 경사진 면 P가 형성되어, 이 경사진 면 P 상에 반사경 M이 설치되어 있다. 이 반사경 M은 Al_0.05Ga_0.95N으로 이루어지는 반도체층 M1과 공기로 이루어지는 갭층 M2를 교대로 3쌍 적층한 구조이다. 그리고, 레이저 소자 LB에서 방출된 레이저광 L은 반사경 M에 의해 반사되어 기판 SU에 대하여 대략 수직 상측으로 출사된다. 기판 SU에는 주면이 (100)면에서 소정의 경사 방위를 갖는 실리콘 웨이퍼를 이용하였다. 그리고, 경사진 면 P는 이 실리콘 웨이퍼의 (111)면에 의해 형성하였다.

도 16의 반사경 M의 기본 구조는 도 2에 관하여 상술한 것과 마찬가지이지만, 파장 1.55 ㎛의 광에 대한 반사율이 높게 되도록, 반도체층 M1의 막 두께를 약 150 nm, 갭층 M2의 막 두께를 약 390 nm로 하였다. 이 반사경 M의 반사율 특성을, 도 17에 나타낸다. 도 17에 도시한 바와 같이, 이 반사경 M은 파장 1.55 nm를 중심으로 하여 매우 넓은 파장 범위에서 높은 반사율이 얻어진다.

이상 설명한 도 16의 광 소자에서는 Al_0.05Ga_0.95N으로 이루어지는 반도체층 M1과 공기로 이루어지는 갭층 M2로 이루어지는 반사경 M을 이용하였기 때문에, 발진 파장 1.55 ㎛의 레이저광을 매우 높은 반사율로 반사할 수 있다. 이 때문에, 기판 SU에 대하여 수직 방향으로 파장 1.55 ㎛의 레이저광을 출사하는 광 소자에 있어서, 발광 효율을 매우 높게 할 수 있다.

또한, 도 16의 광 소자의 반사경 M은 도 17에 도시한 바와 같이, 반사하는 광의 파장 범위가 매우 넓다. 따라서, 레이저 LD의 마운트 위치, 반사경 M의 각층의 막 두께, 레이저광 L의 파장 등이 다소 어긋나더라도 반사율이 거의 변화하지 않는다. 이 때문에, 도 16의 광 소자에서는 안정된 동작이 얻어진다.

또한, 도 16의 광 소자의 반사경 M은 도 2에 관하여 상술한 바와 같이, 적은 적층 수로 높은 반사율이 얻어진다. 이 때문에, 도 16의 광 소자를 이용하는 것으로, 제조를 쉽게 하여, 수율을 높게 할 수 있다.

이상 설명한 도 16의 광 소자의 반사경 M은 반도체층 M1, 갭층 M2의 막 두께를 필요에 따라서 조정함으로써, 반사하는 레이저광 L의 파장을 바꿀 수 있다. 이에 따라, 도 16의 InGaAsP계 반도체 레이저 LD를 대신하여, InGaAs계 레이저, InGaAlP계 레이저, GaInNAs계 레이저를 이용할 수도 있다.

또한, 도 16의 광 소자의 반사경 M은 반도체층 M1, 갭층 M2의 막 두께를 필요에 따라서 조정함으로써, 다른 파장의 레이저광 L에 대한 공통의 반사경으로서 이용하는 것이 가능하다. 즉, 이 반사경은 도 17 및 도 11에서 알 수 있는 바와 같이, 고 반사율이고 또는 광 반사율 영역이 넓기 때문에, 파장이 다른 여러 종류의 레이저광 L에 대한 공통의 반사경으로서 이용할 수 있다. 예를 들면, 이 반사경을, 광 디스크의 신호 판독·기입용의 광 픽업의 일부에 이용할 수 있다. 이 광 픽업에서는 DVD용의 레이저와 CD용의 레이저를 병용하는 경우가 많지만, 이 반사경을 이용하는 것으로, 양방의 레이저광에 대하여 높은 반사율을 얻을 수 있다.

(제4 실시예)

다음에, 본 발명의 제4 실시예로서, 제2 실시 형태의 DBR과 단면 출사형 질화물계 반도체 레이저를 조합한 광 소자에 대하여 설명한다.

도 18은 제4 실시예의 광 소자의 개념 사시도이다. 사파이어 기판 SU 상에는 단면(端面) 방출형 질화물 반도체 레이저 LD가 마운트되어 있다. 사파이어 기판 SU의 표면에는 레이저 고정층(230)을 통해 질화물 반도체 레이저 LD가 마운트되어 있다. 그리고, 이 질화물 반도체 레이저 LD의 전면에 경사진 면 P가 형성되고, 이 경사진 면 P 상에 반사경 M이 설치되어 있다. 이 반사경 M의 구조는 도 6에 관하여 상술한 것과 마찬가지이다. 그리고, 질화물 반도체 레이저 LD에서 방출된 레이저광 L은 반사경 M에 의해 반사되어 기판 SU에 대하여 대략 수직 상측으로 출사된다.

도 18의 광 소자에서는 반도체층 M3과 유기막층 M4로 이루어지는 반사경 M을 이용하였기 때문에, 단면 출사형 질화물 반도체 레이저 LD에서의 레이저광을 매우 높은 반사율로 반사할 수 있다. 이 때문에, 기판 SU에 대하여 수직 방향으로 레이저광을 출사하는 광 소자에 있어서, 발광 효율을 높게 할 수 있다.

또한, 도 18의 광 소자의 반사경 M은 도 11에 도시한 바와 같이, 반사하는 광의 파장 범위가 매우 넓다. 따라서, 레이저 LD의 마운트 위치, 반사경 M의 각층의 막 두께, 레이저광 L의 파장 등이 다소 어긋나더라도 반사율이 거의 변화하지 않는다. 이 때문에, 도 18의 광 소자에서는 안정된 동작이 얻어진다.

또한, 도 18의 광 소자의 반사경 M은 도 11에 관하여 상술한 바와 같이, 적은 적층 수로 높은 반사율이 얻어진다. 이 때문에, 도 18의 광 소자를 이용하는 것으로, 제조를 용이하게 하여 수율을 높일 수 있다.

다음에, 이 제조 방법에 대하여, 도 19a, 도 19b를 참조로 하여 설명한다.

우선, 도 19a에서 알 수 있는 바와 같이, 사파이어 (0001) 기판 SU 상에, 저온 버퍼층을 통해, 약 2 ㎛ 두께의 제1 GaN 층(200)을 형성하고, 그 위에 SiO₂패턴(210)을 형성한다. 그 후, 도 19a에 도시한 바와 같이, SiO₂패턴(210)의 <11-20> 방향으로, 스트라이프형 창을 갖는 패턴 T를 형성한다. 또한, 여기서 (0001)면을 주면으로 하는 GaN 기판을 이용할 수도 있다.

다음에, 도 19b에 도시한 바와 같이, 상기 SiO₂패턴(210)의 창 T를 이용하여, MOCVD법에 의해 GaN을 선택 성장시킴으로써, {1-101) 파셋면 P를 갖는 제2 GaN층(220)을 형성한다.

다음에, 노출된 SiO₂패턴(22O)를 제거한 후, 파셋면 P 상에, AlGaN층 M3과 GaN층(도시하지 않음)의 다층막을 형성한다. 그리고, 제2 실시예에서 설명한 방법에 의해 GaN층을 선택적으로 에칭하여, 유기막층 M4를 형성한다. 그 후, 레이저 고정층(230)을 통해 레이저 LD를 마운트하여 도 18의 광 소자가 얻어진다.

이상 설명한 도 19의 광 소자에서는 DBR의 유기막 M4의 재료로서 포토크로미즘을 나타내는 재료를 사용하더라도 좋다. 그 재료로서는 ① 스페로벤조피란계 고분자, ② 플기트계 분자, ③디아릴에텐계 분자, ④시클로팬계 분자 등을 이용할 수 있다. 일반적으로, 포토크로미즘을 나타내는 재료는 광여기 상태에서 화학 결합을 재조립하는 성질을 갖기 때문에, 광을 받으면 전자 상태가 상이한 다른 이성체로 변환한다. 이 때문에, 흡수 스펙트럼이 다른 두개의 이성체를 가역적으로 생성할 수 있다. 이것에 의해, 광 스위치 기능을 갖는 고 반사율의 DBR을 형성할 수 있다.

이상, 구체예를 참조하면서, 본 발명의 실시 형태에 대하여 설명하였다. 그러나, 본 발명은 이들 구체예에 한정되는 것이 아니다.

예를 들면, 본 실시 형태의 반사경을, LED(light emitting diode : 발광 다이오드)의 이면측에서의 반사 미러로서 사용할 수 있다.

또한, Al_xGa_1-xN(0≤X≤1)층과 갭층과의 다층 구조, 또는 Al_xGa_1-xN(0≤X≤1)층과 유기막층과의 다층 구조에 의해 형성된 반사경을, 이종 재료끼리의 접착 기술에 의해, InGaAs계 레이저, InGaAsP계 레이저, InGaAlP계 레이저, GaAlNAs계 레이저 등의 상하로 접착할 수도 있다. 이에 따라, 예를 들면 종래 양호한 DBR 재료이었던 InGaAsP계 등에 있어서도 면 발광 레이저가 실현가능하다.

본원 발명은 광 소자, 질화물 반도체 면 발광 소자 및 이들의 제조 방법에 있어서, Ⅲ-V족 화합물 반도체로 이루어지는 반도체층과, 공기 또는 유기막 등으로 이루어진 갭층을 교대로 적층한 분포 블래그 반사경(DBR; Distributed Bragg Reflector)을 포함하는 구조에 의해, DBR의 반사율, 스톱 대역의 파장 폭을 개선하고 제조를 보다 용이하게 할 수 있으며, 결과적으로, 효율을 높이고 동작을 안정화하며 수율을 높일 수 있다.

Claims (30)

1. 광을 반사하는 반사경을 포함하는 광 소자에 있어서,

   상기 반사경은, 알루미늄을 함유하는 제1 질화물 반도체로 이루어지는 동일한 막 두께를 갖는 복수의 반도체층과, 기체 또는 진공으로 이루어지는 동일한 막 두께를 갖는 복수의 갭층이 교대로 적층된 적층체인 것을 특징으로 하는 광 소자.
2. 제1항에 있어서, 상기 반사경은 파장 λ의 광을 반사하는 반사경이고, 상기 반도체층의 막 두께는 λ/4n₁-상기 n₁은 상기 반도체층을 이루는 Ⅲ-V족 화합물 반도체의 굴절율임-이고, 상기 갭층의 막 두께는 λ/4n₂-상기 n₂는 상기 기체 또는 진공의 굴절율임-인 것을 특징으로 하는 광 소자.
3. 제1항에 있어서, 상기 반도체층의 각각은 인접하는 상기 반도체층들 사이에 개재되는 지지부에 의해서 지지되어 있고, 상기 지지부는 상기 제1 질화물 반도체보다도 알루미늄의 함유율이 작은 제2 질화물 반도체를 포함하는 것을 특징으로 하는 광 소자.
4. 제3항에 있어서, 상기 제1 질화물 반도체는 Al_xGa_1-xN(0≤x≤1)이고, 상기 제2 질화물 반도체는 Al_yGa_1-yN(0≤y<x) 또는 In_zGa_1-zN(0≤z≤1)인 것을 특징으로 하는 광 소자.
5. 제1항에 있어서, 상기 반사경은 상기 적층 방향으로 일체적으로 연장하는 지지부를 더 포함하고, 상기 복수의 반도체층의 각각은 그 단부가 상기 지지부에 연결되어 지지되어 이루어지고, 상기 지지부는 상기 제1 질화물 반도체와 알루미늄의 함유율이 동일하든지 이것보다도 알루미늄의 함유율이 높은 제3 질화물 반도체를 포함하는 것을 특징으로 하는 광 소자.
6. 제1항에 있어서, 상기 광 소자는 면 발광형 소자이고 상기 반사경을 활성층으로부터의 광을 반사하도록 배치한 것을 특징으로 하는 광 소자.
7. 제6항에 있어서, 상기 활성층은 질화물 반도체로 이루어지는 것을 특징으로 하는 광 소자.
8. 제1항에 있어서, 상기 광 소자는 면 발광형 소자이고, 질화물 반도체로 이루어지는 활성층으로부터의 광을 반사하는 제1 반사경과 상기 활성층으로부터의 광을 반사하는 제2 반사경이 상기 활성층을 사이에 두고 배치되며, 상기 제1 반사경과 상기 제2 반사경의 적어도 하나가 상기 반사경에 의해 만들어져 있는 것을 특징으로 하는 광 소자.
9. 제8항에 있어서, 상기 활성층은 질화물 반도체로 이루어지는 것을 특징으로 하는 광 소자.
10. 광을 반사하는 반사경을 포함하는 광 소자에 있어서,

    상기 반사경은, 알루미늄을 함유하는 질화물 반도체로 이루어지는 동일한 막 두께를 갖는 복수의 반도체층과, 유기막으로 이루어지는 동일한 막 두께를 갖는 복수의 유기막층이 교대로 적층된 적층체인 것을 특징으로 하는 광 소자.
11. 제10항에 있어서, 상기 반사경은 파장 λ의 광을 반사하는 반사경이고, 상기 반도체층의 막 두께는 λ/4n₃-상기 n₃은 상기 반도체층을 이루는 Ⅲ-V족 화합물 반도체의 굴절율임-이고, 상기 유기막층의 막 두께는 λ/4n₄-상기 n₄는 상기 유기막의 굴절율임-인 것을 특징으로 하는 광 소자.
12. 제10항에 있어서, 상기 유기막은 투명한 유기계 고분자 재료를 함유하고, 상기 투명한 유기계 고분자 재료는 폴리메타크릴산메틸, 폴리카네이트, 폴리디에틸렌그리콜비스아릴카보네이트, 폴리스틸렌, 경질폴리염화비닐, 스틸렌-메타크릴산메틸 공중합체, 아크릴로니트릴-스틸렌 공중합체, 폴리메타크릴산시클로헥실, 폴리 (4-메틸펜텐-1) 중의 어느 하나인 것을 특징으로 하는 광 소자.
13. 제10항에 있어서, 상기 유기막은 도전성을 갖는 유기 재료를 함유하고, 상기 도전성을 갖는 유기 재료는 π전자 공액계 고분자, 직쇄상 전(全)π공액계 고분자, 비공액계 고분자 중의 어느 하나인 것을 특징으로 하는 광 소자.
14. 제10항에 있어서, 상기 유기막은 포트크로미즘을 나타내는 유기 재료를 함유하고, 상기 포트크로미즘을 나타내는 유기 재료는 스페로벤조피란계 고분자, 풀기트계 분자, 디아릴에텐계 분자, 시클로팬 분자 중의 어느 하나인 것을 특징으로 하는 광 소자.
15. 제10항에 있어서, 상기 광 소자는 면 발광형 소자이고 상기 반사경을 활성층으로부터의 광을 반사하도록 배치한 것을 특징으로 하는 광 소자.
16. 제15항에 있어서, 상기 활성층은 질화물 반도체로 이루어지는 것을 특징으로 하는 광 소자.
17. 제10항에 있어서, 상기 광 소자는 면 발광형 소자이고, 질화물 반도체로 이루어지는 활성층으로부터의 광을 반사하는 제1 반사경과 상기 활성층으로부터의 광을 반사하는 제2 반사경이 상기 활성층을 사이에 두고 배치되며, 상기 제1 반사경과 상기 제2 반사경의 적어도 하나가 상기 반사경에 의해 만들어지고 있는 것을 특징으로 하는 광 소자.
18. 제17항에 있어서, 상기 활성층은 질화물 반도체로 이루어지는 것을 특징으로 하는 광 소자.
19. 광을 반사하는 반사경을 포함하는 광 소자의 제조 방법에 있어서,

    상기 반사경을,

    알루미늄을 함유하는 제1 질화물 반도체로 이루어지는 반도체층과 상기 제1 질화물 반도체보다도 알루미늄의 함유율이 작은 제2 질화물 반도체로 이루어지는 에칭층을 교대로 적층한 적층체를 형성하는 단계와,

    상기 적층체를 수소를 함유하는 분위기속에서 가열함으로써, 상기 적층체의 단면(端面)에 노출된 상기 에칭층을 에칭하여 인접하는 상기 반도체층들 사이에 간극을 형성하는 단계

    에 의해 형성하는 것을 특징으로 하는 광 소자의 제조 방법.
20. 제19항에 있어서, 상기 수소를 함유하는 분위기는, 질소, 암모니아, 헬륨, 아르곤, 크세논 및 네온 중의 적어도 1종과 수소와의 혼합 기체, 또는 수소 중의 어느 하나인 것을 특징으로 하는 광 소자의 제조 방법.
21. 제19항에 있어서, 상기 제1 질화물 반도체는 Al_xGa_1-xN(0≤x≤1)이고, 상기제2 질화물 반도체는 Al_yGa_1-yN(0≤y<x) 또는 In_zGa_1-zN(0≤z≤1)인 것을 특징으로 하는 광 소자의 제조 방법.
22. 광을 반사하는 반사경을 포함하는 광 소자의 제조 방법에 있어서,

    상기 반사경을,

    알루미늄을 함유하는 제1 질화물 반도체로 이루어지는 반도체층과 상기 제1 질화물 반도체보다도 알루미늄의 함유율이 작은 제2 질화물 반도체로 이루어지는 에칭층을 교대로 적층한 적층체를 형성하는 단계와,

    상기 적층체를 수소를 함유하는 분위기속에서 가열함으로써, 상기 적층체의 단면에 노출된 상기 에칭층을 에칭하여 인접하는 상기 반도체층들 사이에 간극을 형성하는 단계와,

    상기 간극에 유기막층을 형성하는 단계

    에 의해 형성하는 것을 특징으로 하는 광 소자의 제조 방법.
23. 제22항에 있어서, 상기 수소를 함유하는 분위기는 질소, 암모니아, 헬륨, 아르곤, 크세논 및 네온 중의 적어도 1종과 수소와의 혼합 기체, 또는 수소 중의 어느 하나인 것을 특징으로 하는 광 소자의 제조 방법.
24. 제22항에 있어서, 상기 제1 질화물 반도체는 Al_xGa_1-xN(0≤x≤1)이고, 상기제2 질화물 반도체는 Al_yGa_1-yN(0≤y<x) 또는 In_zGa_1-zN(0≤z≤1)인 것을 특징으로 하는 광 소자의 제조 방법.
25. 활성층으로부터의 광을 반사하는 제1 반사경과 상기 활성층으로부터의 광을 반사하는 제2 반사경이 상기 활성층을 사이에 두고 배치된 면 발광형 소자의 제조 방법에 있어서,

    상기 제1 반사경과 상기 제2 반사경의 적어도 한쪽을,

    알루미늄을 함유하는 제1 질화물 반도체로 이루어지는 반도체층과 상기 제1 질화물 반도체보다도 알루미늄의 함유율이 작은 제2 질화물 반도체로 이루어지는 에칭층을 교대로 적층한 적층체를 형성하는 단계와,

    상기 적층체를 수소를 함유하는 분위기속에서 가열함으로써, 상기 적층체의 단면에 노출된 상기 에칭층을 에칭하여 인접하는 상기 반도체층들 사이에 간극을 형성하는 단계

    에 의해 형성하는 것을 특징으로 하는 면 발광형 소자의 제조 방법.
26. 제25항에 있어서, 상기 수소를 함유하는 분위기는 질소, 암모니아, 헬륨, 아르곤, 크세논 및 네온 중의 적어도 1종과 수소와의 혼합 기체, 또는 수소 중의 어느 하나인 것을 특징으로 하는 면 발광형 소자의 제조 방법.
27. 제25항에 있어서, 상기 제1 질화물 반도체는 Al_xGa_1-xN(0≤x≤1)이고, 상기 제2 질화물 반도체는 Al_yGa_1-yN(0≤y<x) 또는 In_zGa_1-zN(0≤z≤1)인 것을 특징으로 하는 면 발광형 소자의 제조 방법.
28. 활성층으로부터의 광을 반사하는 제1 반사경과 상기 활성층으로부터의 광을 반사하는 제2 반사경이 상기 활성층을 사이에 두고 배치된 면 발광형 소자의 제조 방법에 있어서,

    상기 제1 반사경과 상기 제2 반사경의 적어도 한쪽을,

    알루미늄을 함유하는 제1 질화물 반도체로 이루어지는 반도체층과 상기 제1 질화물 반도체보다도 알루미늄의 함유율이 작은 제2 질화물 반도체로 이루어지는 에칭층을 교대로 적층한 적층체를 형성하는 단계와,

    상기 적층체를 수소를 함유하는 분위기속에서 가열함으로써, 상기 적층체의 단면에 노출된 상기 에칭층을 에칭하여 인접하는 상기 반도체층들 사이에 간극을 형성하는 단계와,

    상기 간극에 유기막층을 형성하는 단계

    에 의해 형성하는 것을 특징으로 하는 면 발광형 소자의 제조 방법.
29. 제28항에 있어서, 상기 수소를 함유하는 분위기는 질소, 암모니아, 헬륨, 아르곤, 크세논 및 네온 중의 적어도 1종과 수소와의 혼합 기체, 또는 수소 중의 어느 하나인 것을 특징으로 하는 면 발광형 소자의 제조 방법.
30. 제28항에 있어서, 상기 제1 질화물 반도체는 Al_xGa_1-xN(0≤x≤1)이고, 상기 제2 질화물 반도체는 Al_yGa_1-yN(0≤y<x) 또는 In_zGa_1-zN(0≤z≤1)인 것을 특징으로 하는 면 발광형 소자의 제조 방법.