KR20040018324A - 반도체 소자 - Google Patents
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Abstract
우물층(1)과 장벽층(2)을 가지는 양자 우물 구조의 활성층(12)이 제 1 도전형층(11), 제 2 도전형층(12)에 의해 협지된 구조를 가지는 반도체 소자에 있어서, 상기 활성층 내에서 적어도 1개의 우물층(1a)을 협지하여, 상기 제 1 도전형층(11) 측에 제 1 장벽층(2a)이, 상기 제 2 도전형층(12) 측에 제 2 장벽층(2b)이 설치되는 동시에, 제 2 장벽층(2b)이 제 1 장벽층(2a)보다도 밴드 갭 에너지가 작고, 장벽층이 비대칭인 것을 특징으로 한다. 더욱 바람직하게는, 제 2 도전형층(12) 내에는, 제 1 장벽층(2a)보다도 밴드 갭 에너지가 큰 캐리어 가둠층(28)이 설치됨으로써, 활성층을 협지하는 각 도전형층에 활성층의 비대칭 구조와는 반대의 밴드 구조가 설치된다.
이렇게 하여 반도체 소자, 특히 질화물 반도체를 사용한 발광 소자, 레이저 소자에 있어서 380㎚의 단파장역에서의 발광 효율이 우수한 활성층 및 소자 구조가 실현된다.
Description
발광 소자로서는 수은 램프의 대체품으로서 백색 LED의 제공, 포토리소그래프의 고정밀도화 등의 요구에 따라, 보다 단파장, 약 375㎚ 이하의 발광 파장의 LED, 발진 파장의 LD의 제공이 요망되고 있다.
한편, GaN계 발광 소자로서는, InGaN을 활성층으로 하는 것이 발광 효율이 좋기 때문에, 다수의 InGaN을 활성층으로 하는 발광 소자가 현재 범용되고 있으며, 이 InGaN을 활성층으로 하는 발광 소자에서는 상기 단파장의 발광을 실현하기 위해서는, In의 조성비를 적게 할 필요가 있다. 그러나, In의 조성비의 감소에 따라, InGaN이 효율적으로 발광하지 않게 되어, 임계 전류가 증가하고, 그 결과, 레이저 발진 380㎚ 이하에서는 특히 현저한 임계값의 상승이 나타난다는 문제가 발현되었다.
본 발명은 반도체 소자, 발광 소자에 관한 것으로, 특히 질화물 반도체로 이루어지는 양자 우물층을 활성층으로 하는 질화물 반도체를 사용한 발광 소자에 관한 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 소자 구조를 설명하는 개략 단면도이다.
도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 적층 구조를 설명하는 개략 단면도이고, 도 2b는 각 층의 Al 조성비의 관계를 설명하는 도면이다.
도 3a는 본 발명의 일 실시예에 따른 적층 구조를 설명하는 개략 단면도이고, 도 3b는 상기 적층 구조에 대응하여 바이어스 상태의 밴드 구조를 설명하는 개략도이다.
도 4a 및 도 4b는 종래 기술에서의 레이저 소자의 바이어스 상태의 밴드 구조를 설명하는 개략도이다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 일 실시예에 따른 소자에서의 바이어스 상태의 밴드 구조를 설명하는 개략도이다.
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 소자의 적층 구조를 설명하는 개략 단면도이고, 도 6c는 각 층의 Al 조성비의 관계를 설명하는 도면이다.
도 7은 종래 기술에서의 레이저 소자의 적층 구조에 대응한 각 층의 Al 조성비의 관계를 설명하는 도면이다.
도 8a는 본 발명의 일 실시예에 따른 소자에서의 밴드 구조(41)를 나타내는 개략도이고, 도 8b∼도 8d는 각 층에서의 각 도전형의 불순물 농도의 각종 예를 나타내는 개략도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예인 레이저 소자에 있어서, 제 2 장벽층의 Al 혼성결정비와 막 두께의 변화에 대한 임계 전류 Ith의 변화를 나타내는 개략도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예인 레이저 소자에 있어서, 제 2 장벽층의 Al 혼성결정비와 막 두께의 변화에 대한 소자 수명의 변화를 나타내는 개략도이다.
본 발명은 레이저 발진 380㎚ 이하에서는 특히 현저한 임계값의 상승이 나타나는 문제의 원인을 해명하고, 그 해결 수단을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, AlGaN 등의 Al을 함유하는 질화물 반도체를 소자에 사용하는 경우, Al을 함유하지 않는 다른 질화물 반도체에 비하여 열팽창 계수차 및 탄성이 크게 상이하고, Al을 함유하는 질화물 반도체를 사용하면, 크랙이 발생하기 쉽고, 크랙의 발생은 다른 결정성과 달리, 소자 파괴로 이어지기 때문에, 크랙의 발생을 방지하지 않으면, 질화물 반도체 소자로서 동작하지 않게 된다. 이 때문에, 상술한 380㎚ 이하의 발광 파장의 활성층을 사용한 발광 소자, 레이저 소자에서는, Al을 함유하는 질화물 반도체는 질화물 반도체의 밴드 갭 에너지를 크게 할 수 있기 때문에, 활성층, 이보다도 밴드 갭 에너지가 큰 캐리어 가둠(Confinement)층, 광가이드층, 광 가둠층 등에 사용된다. 즉, 상기 단파장 영역의 발광 소자에서 Al을 함유하는 질화물 반도체는 각 층이 다층구조가 되지만, 한편으로, 상술한 크랙 발생의 문제가 심각해져, 이 때문에, 단파장화와 크랙발생 방지는 배타적인 관계가 되는 경향이 있으며, 질화물 반도체의 발광 소자에 있어서 한층 더 심각한 단파장화의 장애로 된다. 또한, 단파장화에 있어서 GaN은 365㎚에서 광의 흡수단을 가지고, 그것보다도 10㎚정도 파장이 긴 영역에서도 높은 흡수 계수를 가지기 때문에, 상기 380㎚ 이하의 단파장 영역에서 발광 소자, 레이저 소자에 사용하는 것이 곤란해진다.
더욱이, 상술한 바와 같이 발광 소자, 레이저 소자에서의 활성층은, 그 발광 효율 및 내부 양자 효율이 그 결정성에 크게 의존하기 때문에, 활성층 아래에 배치되는 도전형층의 결정성이 소자 특성 향상에 상당히 중요한 요인이 된다. 통상,질화물 반도체 발광 소자는 n형층, 활성층, p형층의 순서로 적층된 구조를 가지고 있으나, 이 경우, n형층의 결정성을 양호한 것으로 할 필요가 있다. 한편, 상술한 바와 같이, Al을 함유하는 질화물 반도체가 Al을 함유하지 않는 다른 질화물 반도체에 비하여 결정성이 크게 악화되는 경향이 있고, 종래는 이러한 문제를 회피할 목적으로, Al을 함유하는 질화물 반도체의 하지층으로서 In을 함유하는 질화물 반도체층을 사용하여, 열팽창 계수차에 의한 내부 응력의 발생을 완화하거나, Al을 함유하는 질화물 반도체층에 인접하여, GaN 등의 Al을 함유하지 않는 질화물 반도체를 설치함으로써 결정성의 회복 및 내부 응력의 완화를 실현하고, 레이저 소자 등의 Al을 함유하는 질화물 반도체층을 소자 구조에 설치한 구조에 의해 소자를 실용적으로 동작 가능하게 하였다. 그러나, 상기 단파장의 발광 소자, 레이저 소자에서 Al을 함유하지 않는 질화물 반도체는 광 흡수층이 되어, 소자 구조에 사용하는 것이 바람직하지 않으며, 그 때문에 소자 구조는 대부분이 Al을 함유하는 질화물 반도체층을 사용하게 되어, 상술한 결정성 및 크랙의 발생에 의해, 실용적인 임계값, Vf, 발광 효율의 발광 소자, 레이저 소자를 얻을 수 없고, 특히 광가이드층 및 광 가둠층의 클래드층 등에 Al 혼성결정비가 큰 Al을 함유하는 질화물 반도체를 많이 이용한 레이저 소자에서는, 실온에서 연속 발진이 가능한 레이저 소자를 얻을 수 없었다.
본 발명은 상기 사정을 감안하여 안출된 것으로서, 밴드 구조와 조성에 비대칭성을 가지는 소자 구조에 의해 상기 과제를 해결할 수 있음을 발견하고, 단파장의 반도체 발광 소자 등의 Al을 함유하는 질화물 반도체를 사용한 소자에 있어서,상기 결정성 및 크랙 발생의 문제를 회피하고, 단파장 영역의 발광 소자, 도파로를 가지는 레이저 소자에도 사용할 수 있는 소자 구조를 얻는 것이다. 특히, 질화물 반도체와 같이 홀과 전자의 캐리어 특성이 크게 상이한 계(系)에서 활성층으로의 우수한 캐리어 주입 효율을 실현하여 적절하게 활성층에 캐리어를 가두어, 발광 효율이 우수한 밴드 구조와 조성이 비대칭인 소자 구조를 사용하는 것이며, 또한 단파장의 질화물 반도체 발광 소자에 있어서 결정성 및 소자 특성이 우수한 도파로 구조를 제공하는 것이다.
우물층과 장벽층을 가지는 양자 우물 구조의 활성층이 제 1 도전형층과 제 2 도전형층에 의해 협지된 구조를 가지는 반도체 소자에 관한 것으로서, 레이저 소자 와 단면 발광 소자로 할 경우에는, 도 2a에 나타낸 바와 같이 하부 광가이드층(26)과 상부 광가이드층(29) 사이에 활성층(27)이 설치된 도파로를 가지는 것이며, 그 경우, 광 가둠의 클래드층(25, 30)이 광가이드층보다도 활성층으로부터 이간(離間)되어 형성되고, 상부 클래드층(30)과 활성층(27) 사이에 상부 광가이드층(29), 하부 클래드층(25)과 활성층(27) 사이에 광가이드층이 설치된 구조가 된다. 한편, 본 발명이 발광 소자일 경우에는, 도 6a 및 6b에 나타낸 바와 같이, 제 1 도전형층으로서 캐리어 주입, 캐리어 가둠층이 되는 층(202)이 설치되고, 제 2 도전형층으로서 캐리어 주입층(205), 캐리어 가둠층(204)이 각각 설치되며, 제 1 도전형층은 제 2 도전형층과 같이 캐리어 가둠층과 캐리어 가둠층이 서로 다른 층으로 구성되어 있을 수도 있고, 제 2 도전형층이 캐리어 주입과 캐리어 가둠을 겸하는 층으로 한 구조일 수도 있다.
상기 활성층(27)이 도 3a, 도 3b, 도 5a 및 도 5b에 나타낸 바와 같이, 상기 장벽층(2)으로 적어도 1개의 우물층(1)을 협지하도록, 제 1 장벽층, 제 2 장벽층을 설치하고, 상기 제 1 도전형층측에 제 1 장벽층이, 상기 제 2 도전형층측에 제 2 장벽층이 설치되는 동시에, 제 2 장벽층이 제 1 장벽층보다도 밴드 갭 에너지가 작은 것을 특징으로 한다. 구체적으로는, 도 3a, 도 3b, 도 5a 및 도 5b에 나타낸 것으로서, 활성층 내에서 우물층에 의해 이간되고, 제 1 도전형층측, 제 2 도전형층측에 배치된 제 1 장벽층(2a)과 제 2 장벽층(2b) 사이에 적어도 1개의 우물층(1)이 설치되며, 제 2 장벽층(2b)의 밴드 갭 에너지를 제 1 장벽층(2a)의 밴드 갭 에너지(도면에서의 점선(53))보다 작게 함으로써, 도면에 나타낸 종래의 캐리어 경로(52)보다도 제 2 도전형층측으로부터의 캐리어 주입을 촉진할 수 있는 본원의 경로(51)를 형성하여, 즉, 전위 장벽을 작게 하여, 활성층 및 우물층으로의 캐리어의 주입 효율을 높인 구조로 하는 것이다. 특히, 질화물 반도체에서 n형층측을 제 1 도전형층, p형층측을 제 2 도전형층으로 한 구조에 있어서, 홀의 확산 길이가 전자에 비하여 작고, p형 캐리어의 활성화율도 작은 질화갈륨계 반도체 재료로는, 우물층으로의 홀의 주입을 효율적으로 행할 수 있고, 발광 효율, 임계 전류 밀도의 저감이 가능해져 바람직하다. 또한, 단파장 영역의 질화물 반도체를 사용한 발광 소자, 레이저 소자에서는, 도 2b에 나타낸 바와 같이, 종래의 제 1 장벽층(2a)과 거의 동일한 Al 혼성결정비(점선부(50))보다도 Al 혼성결정비가 작은 층으로서 제 2 장벽층(2b)이 활성층 내에 설치됨으로써, 결정성 저하를 방지하는 한편, 제 1 장벽층보다도 Al 혼성결정비가 작은 제 2 장벽층이 설치됨으로써, 두 장벽층에 의해협지된 우물층의 하계면과 상계면에 상이한 응력이 가해져, Al을 함유하는 질화물 반도체에 의한 압전계(壓電界)를 작게 하고, 밴드 갭의 왜곡(distortion)을 저감시킬 수 있으며, 우물층의 발광 효율을 향상시킬 수 있는 경향이 있다.
제 1 도전형층이 n형층이고, 상기 제 2 도전형층이 p형층인 동시에, 제 1 도전형층, 활성층, 제 2 도전형층의 순서로 적층됨으로써, 실시예에 나타낸 바와 같이 양호한 발광 소자를 얻을 수 있으며, 또한, 제 1 도전형층이 n형 질화물 반도체층을 가지고, 제 2 도전형층이 p형 질화물 반도체층을 가지는 질화물 반도체 소자에서는, 상술한 바와 같이 각 캐리어 특성을 살려, p형층이 되는 제 2 도전형층으로부터 활성층으로의 캐리어 주입을 적합하게 할 수 있다. 또한, Al을 함유하는 질화물 반도체를 많이 사용하는 단파장계의 발광 소자에 있어서, 활성층 위쪽에 위치하는 제 2 장벽층의 Al 혼성결정비를 아래쪽의 제 1 장벽층보다 작게 할 수 있어, 활성층 위에 형성되는 p측 층의 결정성을 양호하게 할 수 있다.
상기 제 1 장벽층 및 제 2 장벽층의 활성층 내에서의 배치에 있어서, 상기 활성층 내의 장벽층으로서, 상기 제 1 장벽층을 제 1 도전형층의 가장 근방에 배치하고, 상기 제 2 장벽층을 제 2 도전형층의 가장 근방에 배치함으로써, 상술한 제 2 장벽층에 의한 제 2 도전형층으로부터의 캐리어 주입 효율을 향상시키고, 제 1 장벽층에 의한 그 캐리어의 가둠 효과를 높인 구조가 되어, 제 1 장벽층, 제 2 장벽측의 각 기능을 향상시킬 수 있다.
또한, 도 5a 및 도 5b에 나타낸 바와 같이, 제 2 장벽층(2b)을 활성층(12) 내에서 가장 외측에 배치함으로써, 도 4b에 나타낸 바와 같이, 제 2 장벽층(2b)보다 외측에 우물층 등이 있는 경우에 비하여, 상기 캐리어의 주입구로서의 캐리어 주입을 촉진하는 작용이 적절하게 발현되어 바람직하다. 보다 바람직하게는, 활성층 내에서 가장 외측의 층으로서 제 1 장벽층을 둠으로써, 그 효과를 최대한 발휘할 수 있는 양자 우물 구조의 활성층이 된다. 즉, 활성층 내에서 가장 외측에 위치하는 제 1 장벽층과 제 2 장벽층 사이에 설치된 우물층 내에서 효율적으로 캐리어 주입 가둠을 실현할 수 있다.
상기 제 1 도전형층에 상기 제 1 장벽층보다도 밴드 갭 에너지가 작은 제 1 반도체층을 가지는 것을 특징으로 한다. 종래, 단파장의 발광 소자인 AlGaN계 활성층에 있어서 그것을 협지하고, 캐리어 주입층이 되는 각 도전형층에는 우물층보다도 큰 밴드 갭 에너지가 통상 필요하지만, 이 구성에서는, 도 3a, 도 3b, 도 5a 및 도 5b에 나타낸 바와 같이, 활성층(12) 내의 제 1 장벽층(2a)보다도 밴드 갭 에너지가 작은 제 1 반도체층(26)을 제 1 도전형층(11)에 설치함으로써, 결정성이 양호하게 활성층을 형성하고, 또한, 제 1 장벽층(2a)으로 제 2 도전형층(13)으로부터의 캐리어를 우물층 내에 가두는 기능을 하는 신규의 소자 구조를 제공하게 된다. 이 구조에서 특히 효과적인 것은, 상술한 단파장계의 발광 소자에서 활성층을 협지하는 층의 Al 혼성결정비를 작게 할 수 있는 것이다. 이 때, 우물층에 대해서는 적어도 GaN과 동일하거나, 그것보다도 큰 밴드 갭 에너지를 가지는 Al을 함유하는 질화물 반도체를 사용하고, 도 2b에 나타낸 바와 같이, 제 1 장벽층(2a)의 Al 혼성결정비보다 작은 Al 혼성결정비로 제 1 반도체층(26)을 형성하며, 구체적으로는 상기 조성의 것을 사용할 수 있다. 제 1 장벽층에 대해서도 상기 조성의 질화물 반도체를 사용할 수 있다. 제 1 반도체층에 대해서는, 바람직하게는 우물층보다도 밴드 갭 에너지가 큰 질화물 반도체를 사용함으로써, 활성층 및 우물층으로의 양호한 캐리어 주입층으로서 기능하고, 구체적으로는 Al을 함유하는 질화물 반도체를 사용할 수 있으며, 바람직하게는 AlxGa1-xN(0≤x＜1)을 이용하면 바람직한 결정성으로 활성층을 형성할 수 있다.
상기 구성에 더하여, 보다 바람직하게는, 제 2 도전형층 내에 제 1 장벽층보다 밴드 갭 에너지가 큰 캐리어 가둠층을 설치함으로써, 제 1 도전형층으로부터의 캐리어를 적절하게 활성층 내에 가두는 구조를 가질 수 있다. 이것은, 상술한 바와 같이, 활성층 내에서 제 2 도전형층측에 배치된 제 2 장벽층(2b)이 제 1 장벽층(2a)보다도 밴드 갭 에너지가 작고, 제 1 도전형층으로부터의 캐리어가 우물층을 초과하는 것에 대하여, 가둠이라는 장벽으로서의 기능이 작기 때문이며, 이 때문에, 제 2 장벽층(2b)에서 캐리어의 오버플로(overflow)를 방지하기 위해, 도 3a, 도 3b, 도 5a 및 도 5b에 나타낸 바와 같이, 활성층(12) 외부의 제 2 도전형층(13)내에 캐리어 가둠층(29)을 설치함으로써 이 문제를 해결할 수 있는 구조가 된다. 이 때, 보다 바람직한 구성으로서, 상기 제 1 도전형층이 n형이고, 상기 제 2 도전형이 p형인 것을 특징으로 한다. 즉, 이 구성에 의해, 질화물 반도체와 같이 캐리어 특성이 상이한 계에 있어서, 상기 제 1 장벽층은 활성층 내에서 홀의 가둠으로서 기능하는 것을 특징으로 함으로써, 우물층에 가까운 위치에서의 캐리어 가둠을 실현하고, 상기 제 1 반도체층에서는 제 1 도전형층의 전자(제 1 도전형의 캐리어) 주입으로서 기능하여, 캐리어 확산 길이가 큰 것을, 제 2 장벽층과 활성층 외부에 배치된 캐리어 가둠층에 의해 제 2 장벽층으로부터 캐리어 가둠층의 사이에 제 1 도전형층의 캐리어를 가두는 구조가 될 수 있다. 반대로, 제 2 장벽층을 제 1 도전형층으로부터의 캐리어를 충분히 가둘 수 있는 장벽으로 하는 것은, 본 발명의 밴드 갭 에너지가 작은 제 2 장벽층에 의한 캐리어 주입 효과를 떨어뜨리고, 질화물 반도체와 같이 홀과 전자의 확산 길이, 캐리어 농도가 크게 상이한 계에서의 활성층의 기능을 저하시키게 된다. 이 때문에, 활성층 외부에 캐리어 가둠층을 설치하고, 활성층 내에서 밴드 갭 에너지가 상이한 제 1 장벽층과 제 2 장벽층으로 구성된 비대칭의 활성층과 조합하여 사용하면, 상술한 본원 발명의 효과가 적절하게 발현되어 바람직하다.
상기 캐리어 가둠층에 p형 불순물을 도프하여 제 2 도전형층으로 함으로써, 도 3a, 도 3b, 도 5a 및 도 5b에 나타낸 바와 같이 바이어스 시에, 캐리어 가둠층이 n형층이 되는 제 1 도전형층으로부터의 캐리어에 대하여 큰 장벽으로서 활성층에 인접하여 형성되어, 활성층 내에서의 캐리어의 오버플로를 방지하는 구조가 될 수 있다. 반대로, p형 불순물 도프의 캐리어 가둠층을 활성층 내에 설치하면, 활성층 내부에서 pn 접합부가 형성되어, 활성층의 기능을 저하시키게 된다. 즉, 활성층에 인접한 캐리어 가둠층 부근에서 p-n 접합부를 형성함으로써, 제 1 도전형층으로부터의 캐리어를 적절하게 활성층 내에 가두는 장벽으로서의 기능을 최대한 발현시키고, 한편으로 제 1 장벽층에 의해 제 2 도전형층으로부터의 캐리어를 가두는 비대칭의 소자 구조로 함으로써, 질화물 반도체에 있어서 적합한 소자 구조가 형성된다.
상기 캐리어 가둠층은, 바람직하게는 활성층에 접하여 설치되면, 제 1 도전형층으로부터의 캐리어를 활성층에 접근하여 가둘 수 있고, 또한, 제 1 반도체층이 활성층에 접함으로써 효율적인 캐리어의 주입을 실현할 수 있어, 적합한 활성층으로의 캐리어 주입이 가능해진다.
또한, 상기 제 1 장벽층과 제 2 장벽층의 밴드 갭 에너지 차가 0.02eV 이상이 되도록 각 장벽층을 설치하는 것이 바람직하다. 이것은 제 1 도전형층으로부터의 캐리어에 대해서는, 상술한 캐리어 가둠층 또는 클래드층 등과 같이, 활성층 외부에서의 캐리어 가둠 기능을 강화한 구조로 하고, 제 2 도전형층으로부터의 캐리어에 대해서는 제 1 장벽층(2a)에 의해 우물층으로의 캐리어 가둠을 실현한다는 캐리어 가둠 구조의 비대칭성을 강화하여, 상술한 효과를 양호하게 할 수 있어 바람직하다. 즉, 제 1 장벽층에 의한 제 2 도전형층으로부터의 캐리어의 가둠 기능과, 작은 장벽인 제 2 장벽층을 넘어서 우물층으로 제 2 도전형층으로부터의 캐리어의 주입을 높이는 효과를 더 바람직한 것으로 할 수 있기 때문이다.
상기 구성에 더하여, 상기 제 1 장벽층보다도 밴드 갭 에너지가 작은 제 2 반도체층을 가지고, 상기 캐리어 가둠층을 사이에 두고 활성층으로부터 이간되어 설치되는 구조가 되게 한다. 이 제 2 반도체층은 제 1 반도체층에 대응하는 것이며, 특히 제 1 도전형층이 n형층이고, 제 2 도전형층이 p형층인 경우에, 제 1 도전형층으로부터의 캐리어를 가두는 캐리어 가둠층을 사이에 두고 설치됨으로써 활성층 안으로의 양호한 가둠을 실현하고, 또한, 상술한 바와 같이, 밴드 갭 에너지가작은 제 1 반도체층과 동일한 효과를 가질 수 있다.
또한, 상기 활성층과 같은 양자 우물 구조의 형태로서, 상기 활성층이 우물층을 복수개 가지는 다중 양자 우물 구조일 경우에는, 도 5a 및 도 5b에 나타낸 바와 같이, 상기 제 1 장벽층(2a)과 제 2 장벽층(2b) 사이에 제 1 장벽층(2a), 제 2 장벽층(2b)의 각각과 우물층(1)을 개재하여 배치된 내부 장벽층을 설치하고, 그 내부 장벽층(2c, 2d)은 제 2 장벽층(2b)과 밴드 갭 에너지가 상이한 구조로 하는 것이 바람직하다. 내부 장벽층(2c, 2d)은, 도 5a 및 도 5b에 나타낸 바와 같이, 상기 제 1 장벽층(2a)과 제 2 장벽층(2b) 사이에 설치되고, 더욱이, 제 1 장벽층(2a) 및 제 2 장벽층(2b)은 우물층(1a, 1b)을 사이에 두고 설치되는 것이며, 이 내부 장벽층이 제 2 장벽층(2b)과 상이한 밴드 갭 에너지를 가짐으로써, 도면에 화살표로 나타낸 바와 같이, 각 우물층으로의 캐리어의 분배 기능을 향상시키는 동시에, 외측에 배치된 제 1, 제 2 장벽층과 상이한 기능을 가지도록 할 수 있다. 이것에 의해, 상술한 바와 같은 제 1, 제 2 장벽층의 기능도 향상시킬 수 있다. 이 때, 바람직하게는, 도 5b에 나타낸 바와 같이, 내부 장벽층이 제 2 장벽층보다도 큰 밴드 갭 에너지를 가지게 함으로써, 제 2 도전형층으로부터의 캐리어가 제 1 도전형층측에 근접함에 따라, 내부 장벽층 및 제 1 장벽층이 감소하게 되어, 단계적으로 큰 장벽이 형성되고, 즉, 제 2 도전형층으로부터 멀어짐에 따라, 단계적으로 캐리어 가둠이 커지는 구조가 가능하여, 그 장벽층에 근접하는 각 우물층에 적절하게 캐리어를 분배하는 구조가 될 수 있다. 제 1 장벽층 근방의 우물층으로 캐리어를 주입하는 효율을 높여, 그 결과, 각 우물층에 다수의 캐리어를 주입할 수 있는 구조가된다.
그 때문에, 바람직하게는 제 1 장벽층이 상기 내부 장벽층보다도 작은 밴드 갭 에너지를 가짐으로써, 도 5a 및 도 5b에 나타낸 바와 같이, 상술한 제 2 장벽층의 장벽을 작게 하여 제 2 도전형층으로부터의 캐리어 주입을 높이는 기능과, 내부 장벽층에 의한 각 우물층으로의 캐리어 주입 기능이라는 두 가지 기능을 향상시킬 수 있다. 또한, 밴드 갭 에너지에 있어서, 제 1 장벽층보다도 내부 장벽층을 작게 하고, 내부 장벽층보다도 제 2 장벽층을 작게 함으로써, 도 5b에 나타낸 바와 같이, 제 2 도전형층으로부터의 캐리어 주입에 대하여, 제 2 도전형층으로부터 멀어짐에 따라 밴드 갭 에너지가 커지도록 각 장벽층이 설치된 구조가 되어, 상술한 바와 같이, 각 장벽층의 기능을 향상시키고, 각각 상이한 기능을 부여하여 기능이 분리된 활성층이 될 수 있다.
내부 장벽층의 막 두께는, 활성층 내에서 내부 장벽층보다도 외측에 배치된 제 1 장벽층 및 제 2 장벽층과 비교하여 거의 동등하게 하는 것도, 다르게 하는 것도 가능하지만, 바람직하게는 제 1 장벽층, 제 2 장벽층의 적어도 한쪽보다 막 두께를 작게 한다. 이것은, 상술한 바와 같이 우물층의 사이에 형성되는 내부 장벽층은 외부에 형성되는 제 1, 제 2 장벽층과 상이한 기능을 가지고 있는 것에 기인하여, 내부 장벽층을 두껍게 하면, 장벽 기능이 강해져, 각 우물층으로의 캐리어 주입이 균등해지는 것을 저해하는 경향이 있으며, 막 두께를 외부의 장벽층보다도 얇게 하여, 각 우물층으로의 캐리어 주입 및 분배 효율을 향상시키고, 활성층 전체의 재결합 효율을 높일 수 있다. 또한, 우물층과 장벽층 사이에 걸리는 응력을 고려하면, 우물층 사이에 배치되는 내부 장벽층이 두꺼워지면, 두 층의 Al 혼성결정비가 상이한 것에 의한 우물층으로의 내부 응력의 악영향이 강해져, 우물층의 기능 저하의 원인으로 되며, 또한, Al 함유의 질화물 반도체에 의한 강한 압전(壓電)에 의해 우물층에 악영향을 미칠 것이기 때문이다. 더욱이, 내부 장벽층을 두껍게 하면, 활성층 전체의 막 두께가 커져, Al을 함유하는 질화물 반도체를 사용하는 활성층에서는, 그것에 의한 결정성 악화도 소자 특성 악화에 심각한 영향을 미치게 된다.
이 때, 예를 들어, 도 5b에 있어서, 내부 장벽층이 복수개 있는 내부 장벽층(2c)과 우물층(1b)을 사이에 두고 배치된 다른 장벽층(2d)이 설치되는 형태일 경우에는, 적어도 1개의 내부 장벽층이 외부의 제 1, 제 2 장벽층 중 적어도 한쪽보다도 막 두께를 작게 하는 것이며, 바람직하게는 모든 내부 장벽층이 제 1, 제 2 장벽층 중 적어도 한쪽보다 막 두께를 작게 하면 상기 내부 장벽층의 기능을 향상시키고, 외부의 장벽층과 기능 분리 경향이 강해져 바람직하다. 또한, 가장 근접한 우물층 사이에 조성이 상이한 장벽층이 복수 설치되는 형태에서는, 그 복수의 장벽층 중 적어도 1개의 장벽층이 외부의 장벽층 중 적어도 한쪽보다도 막 두께를 작게 하는 것이며, 바람직하게는 우물층 사이의 장벽층 전체의 막 두께, 즉, 가장 근접한 우물층 사이의 거리가 외부의 장벽층 중 적어도 한쪽보다도 막 두께를 작게 함으로써, 가장 근접한 우물층 사이에 배치된 복수의 장벽층 전체로서의 기능을 향상시킬 수 있다.
내부 장벽층의 불순물 농도는, 외부에 배치된 제 1 장벽층 및 제 2 장벽층과마찬가지로, 각 도전형의 도펀트가 되는 n형, p형 불순물 중의 하나, 혹은 둘 모두가 첨가되어 있거나, 실질적으로 도펀트를 함유하지 않는 언도프로 형성되어도 된다. 바람직하게는, 제 1 도전형층이 n형층, 제 2 도전형층이 p형층인 경우에, 내부 장벽층에는, 제 1 장벽층과 마찬가지로, n형 불순물이 도프되는 것이 바람직하다. 이것은, 질화물 반도체와 같이 전자와 홀의 확산 길이, 캐리어 농도, 이동도가 크게 상이한 재료계에 있어서는 특히 효과적이며, 활성층 내에서 p형층(제 2 도전형층)의 근방까지 n형 캐리어가 존재함으로써, p형층 근방까지, 활성층의 안쪽 깊숙이까지 효율적인 n형층으로부터의 캐리어 주입이 가능해지기 때문이다. 또한, 제 2 도전형층에는 활성층 근방에 캐리어 가둠층이 형성되고, 이 층 근방에서 pn 접합이 형성되기 때문에, 전자가 pn 접합 부근까지 효율적으로 주입되는 형태가 되어, 활성층에서의 결합 효율을 높일 수 있다. 이 때, 우물층 사이가 복수 설치되고, 내부 장벽층이 복수 설치되는 형태에서는, 적어도 1개의 내부 장벽층에 n형 불순물이 도프되는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 후술하는 바와 같이, n형층측에 배치된 내부 장벽층으로부터 차례로 n형 불순물이 도프되고, 복수의 내부 장벽층에 도프되는 것이며, 모든 내부 장벽층에 n형 불순물을 도프하는 것이 가장 바람직하다.
우물층의 불순물 농도는, 후술하는 바와 같이, n형 불순물이 저농도로 도프되는 것, 구체적으로는 제 1 도전형층이 n형층인 경우에, 제 1 장벽층보다도 n형 불순물 농도를 작게 하는 것이 바람직하다. 또한, 제 1 도전형층이 n형층인 경우에, 제 1 장벽층과 제 2 장벽층의 n형 불순물 농도로서는, 후술하는 바와 같이, 제2 장벽층의 n형 불순물 농도를 제 1 장벽층보다도 작게 함으로써, n형층(제 1 도전형층)으로부터의 캐리어 주입이 효율적으로 이루어지고, 또한, 제 2 장벽층에 있어서 p형층(제 2 도전형층)으로부터의 캐리어 주입을 저해하지 않아, 효율적인 주입이 가능해지는 경향이 있어 바람직하다.
또한, 각 도전형층에 광가이드층을 가지고, 도 8b∼도 8d에 나타낸 바와 같이, 각 도전형의 도펀트가 되는 불순물 농도가 층 내에서 상이한 경우에, 제 1 장벽층의 도펀트 양, 구체적으로는 제 1 도전형층이 n형층인 경우의, n형 불순물 농도를 제 1 도전형층 내 광가이드층의 저농도 불순물 영역보다도 고농도로 도프하는 것이, 제 1 장벽층에 의한 활성층으로의 캐리어 주입 효율을 높이는 효과, 저농도 불순물 영역에 의한 광 손실 저감의 효과를 향상시킬 수 있어 바람직하다. 또한, p형층측, 즉, 제 2 도전형층에서는, 광가이드층보다도 고농도로 p형층이 도프되는 캐리어 가둠층으로부터의 확산에 의해, 제 2 장벽층에 p형 불순물이 도프되는 경우에는, 광가이드층의 저농도 불순물 영역보다도 커지는 경향이 있다. 이것은, 저농도 불순물 영역의 막 두께보다도 캐리어 가둠층이 작아지기 때문에, 평균 불순물 농도로 비교하면 제 2 장벽층의 농도가 커지게 되고, 또한, 활성층 내에 배치되고 막 두께가 작은 제 2 장벽층에서는, 광 손실에 대한 영향이 작아, p형층으로부터의 캐리어 주입에 기여하는 효과를 얻을 수 있어 바람직하다.
이상의 소자 구조에서 상기 활성층이 질화물 반도체로 이루어지는 우물층과 장벽층을 가지고, 제 1 도전형층이 질화물 반도체를 가지며, 제 2 도전형층이 질화물 반도체를 가지는 질화물 반도체를 사용한 반도체 소자에 있어서, 상술한 바와같이, 우물층이 GaN보다도 밴드 갭 에너지가 큰 Al을 함유하는 질화물 반도체가 되는 것과 같은 단파장계의 발광 소자에 있어서 상당히 유용한 소자 구조가 된다. 즉, 활성층 외부에서 협지하는 제 1 도전형층 내의 제 1 반도체층, 제 2 도전형층 내의 제 2 반도체층이 종래보다도 밴드 갭 에너지가 작은 것으로 형성되기 때문에, 각 층에 사용되는 Al 혼성결정비를 낮게 억제한 구조가 되어, 결정성 악화 및 내부 응력을 억제한 소자 구조가 될 수 있다. 이 때, 질화물 반도체로 이루어지는 우물층의 구체적인 조성으로서는, GaN, AlxGa1-xN(0＜x≤1), AlxInyGa1-x-yN(0＜x≤1, 0＜y≤1, x+y＜1)으로 표시되는 조성의 질화물 반도체 중 어느 하나를 사용하는 것이 바람직하다. 이것은, 2원 결정의 GaN일 경우에는, 성장 시에 구성 원소가 적기 때문에 원소끼리의 반응 없이 성장할 수 있어 결정성을 양호하게 할 수 있고, 3원 결정의 AlxGa1-xN(0＜x≤1)으로 하면 GaN보다도 단파장의 발광 파장이 얻어지며, 또한 구성 원소가 더 적기 때문에 원소끼리의 반응을 억제하여 양호한 결정성으로 성장할 수 있고, 4원 결정의 AlxInyGa1-x-yN(0＜x≤1, 0＜y≤1, x+y＜1)이면, In을 함유함으로써, 발광 효율을 높인 우물층이 될 수 있어 바람직하다. 이 때, 장벽층의 조성으로서, 구체적으로는 AluInvGa1-u-vN(0＜u≤1, 0≤v≤1, u+v＜1)으로 표시되는 질화물 반도체를 사용할 수 있다. 장벽층은 우물층보다도 밴드 갭 에너지가 크기 때문에, 상기 조성의 우물층에서는, 우물층의 Al 혼성결정비(x)보다도 장벽층의 Al 혼성결정비(u)가 커지도록 (x＜u) 질화물 반도체를 사용하게 된다. 이 때, 바람직하게는, 상기 제 1 장벽층의 Al 혼성결정비(u)와 상기 우물층의 Al 혼성결정비(x)의 차이를 0.1 이상, u-x≥0.1로 한다. 이것은, 상기 단파장계의 질화물 반도체 소자에서 상술한 제 1 장벽층에 의한 캐리어 가둠 기능을 적절하게 발현시키기 위해, 0.1 이상의 Al 혼성결정비 차로 Al을 함유하는 질화물 반도체를 사용함으로써, 적합한 장벽이 형성된다. 또한, Al 혼성결정비 차(u-x)의 상한(上限)으로서는 0.5 이하로 함으로써, Al 혼성결정비가 높은 장벽층을 설치하는 것에 의한 결정성의 악화를 억제하고, 0.3 이하로 함으로써, 결정성의 악화를 억제하여 양호한 우물층의 형성이 가능해진다. 또한, Al을 함유하는 질화물 반도체로 이루어지는 제 1 장벽층, 제 2 장벽층에 있어서, 제 1 장벽층의 Al 혼성결정비(u1)와 제 2 장벽층의 Al 혼성결정비(u2)의 차, u1-u2는 0.02 이상(u1-u2≥0.02), 바람직하게는 0.05 이상(u1-u2≥0.05)으로 한다. 제 1 장벽층과 제 2 장벽층의 Al 혼성결정비의 차가 0.02 이상이면, 상술한 제 1 장벽층에 의한 캐리어 가둠 기능을 발현할 수 있고, 바람직하게는 0.05 이상으로 함으로써, 그것을 적합한 것으로 할 수 있다. 즉, 제 1 장벽층의 Al 혼성결정비를 크게 하여, 밴드 갭 에너지를 크게 할수록 적합한 캐리어 가둠을 실현할 수 있고, 또한, 제 2 장벽층의 Al 혼성결정비를 작게 하여, 밴드 갭 에너지를 작게 할수록 캐리어 주입 효율이 증대되어, 소자 특성을 향상시킬 수 있다.
또한, 상기 질화물 반도체를 사용한 소자에 있어서, 제 1 반도체층, 제 2 반도체층 중 적어도 한쪽은 Al을 함유하는 질화물 반도체로 이루어지는 재료를 사용하는 것이 바람직하다. 이것에 의해, 상기 조성의 우물층 및 장벽층을 사용할 경우에, 이들을 가지는 활성층을 협지하는 층 내에 Al을 함유하는 질화물 반도체로 이루어지는 제 1 반도체층, 제 2 반도체층을 설치함으로써, 상술한 단파장계의 질화물 반도체 소자에 있어서, 활성층을 협지하는 각 도전형층 내의 Al 혼성결정비를 저감시킨 결정성이 우수한 소자 구조의 형성이 가능해진다.
또한, 상술한 상기 제 1 장벽층의 막 두께를 상기 제 2 장벽층의 막 두께보다도 작게 함으로써, 상술한 제 1 장벽층에 의한 캐리어 가둠, 제 2 장벽층에 의한 캐리어 주입을 적절하게 할 수 있고, 또한, 우물층의 결정성을 양호하게 할 수 있다. 이것은 제 1 도전형층, 활성층, 제 2 도전형층의 순서로 적층된 소자에서 제 1 장벽층의 막 두께를 크게 하면, 그 위에 형성되는 우물층의 결정성을 악화시키기 때문이고, 또한, 제 2 장벽층의 막 두께를 제 1 장벽층보다 크게 함으로써, 근접하여 설치되는 상기 캐리어 가둠층에 의해 활성층에 미치는 악영향을 작게 할 수 있다. 구체적으로는, 상술한 단파장계의 질화물 반도체에 있어서, 밴드 갭 에너지가 큰 캐리어 가둠층에는 Al 혼성결정비가 큰 질화물 반도체가 사용되지만, 소자 구동 시에, 고저항층이 되어, 발열에 의해 근접한 활성층에 악영향을 미치게 되고, 또한, p형 불순물이 도프된 캐리어 가둠층의 경우에는, p-n 접합부가 활성층 근방에 형성되어, 그것에 따른 활성층으로의 악영향을 방지하는 것에 의한 것이다. 이것은, 제 2 장벽층이 우물층과 캐리어 가둠층 사이에 설치되어, 상기 악영향을 회피하는 스페이서로서의 기능을 가지는 것에 의한 것이며, 그것에 의해, 제 1 장벽층보다 두꺼운 제 2 장벽층을 형성함으로써, 활성층의 기능을 향상시킨 소자 구조가 될 수 있다. 한편, 제 1 장벽층은 막 두께가 지나치게 커지면, 제 1 도전형층측으로부터의 캐리어 주입을 저해하게 되기 때문에, 본 발명에서의 제 1 장벽층의 기능을 향상시키기 위해, 밴드 갭 에너지를 크게 하고, 막 두께를 얇게 하는 것이 바람직하며, 또한, 상기 Al을 함유하는 질화물 반도체로 이루어지는 제 1 장벽층의 경우에는, Al을 함유하는 질화물 반도체로 이루어지는 제 2 장벽층과 비교하여, Al 혼성결정비를 높이고, 막 두께를 얇게 하여, 결정성 악화를 억제하고, 양호한 우물층의 형성을 실현할 수 있다.
보다 바람직한 구성으로는, 제 1 장벽층의 막 두께를 30Å 이상 150Å 이하인 범위로 하고, 제 2 장벽층의 막 두께를 50Å 이상 300Å 이하인 범위로 하는 것이다. 이 구성에 의해, 제 1 장벽층을 캐리어 가둠이 가능한 막 두께로 할 수 있고, 바람직하게는 50Å 이상으로 함으로써, 가둠 효율을 높인 구조가 될 수 있다. 이것은, 제 1 장벽층의 막 두께가 작으면, 도 5b에 나타낸 바와 같이, 캐리어의 터널 현상이 발생하기 때문이며, 30Å 이상으로 함으로써 터널을 막고, 더욱이 50Å 이상으로 함으로써, 터널을 효과적으로 막아서 가둠 효율을 높일 수 있다. 제 1 장벽층의 막 두께를 150Å 이하로 함으로써, 상술한 Al을 함유하는 질화물 반도체에 의한 결정성 악화를 방지하여 양호한 우물층의 형성을 가능하게 하고, 또한, 제 1 도전형층측으로부터의 캐리어 주입을 저해하지 않는 장벽으로 할 수 있다. 또한, 제 2 장벽층의 막 두께에 대해서는, 도 5a 및 도 5b에 나타낸 바와 같이, 제 2 도전형층(28, 29)이 p형층일 경우에, p-n 접합이 제 2 장벽층(2b) 근방에 설치되기 때문에, 이 제 2 도전형층과 우물층이 지나치게 근접하면, 우물층이 그 영향을 받아, 효율적인 캐리어 재결합의 기능을 손상시키는 경향이 있기 때문이다. 또한,제 2 도전형층 내에 있어서 상술한 캐리어 가둠층(28)은 활성층 근방에 배치되고, 또한, 이 캐리어 가둠층은 큰 밴드 갭 에너지를 가지기 때문에, 조성으로서는 다른 층에 비하여 Al을 높은 혼성결정으로 가지는 층으로 되며, 그것에 의해 다른 층에 비하여 저항이 커져, 소자 동작시의 발열량이 크고, 제 2 장벽층(2b)은 이러한 열에 의한 우물층으로의 악영향을 방지하는 스페이서로서의 역할을 수행하게 된다. 이 때문에, 바람직하게는 50Å 이상의 막 두께로 하는 것이고, 보다 바람직하게는 80Å 이상으로 함으로써 상기 문제를 적절하게 방지하여 소자 특성을 양호하게 할 수 있다. 또한, 막 두께를 최대 300Å 이하로 함으로써 캐리어 가둠층의 하지(下地)가 될 때에 양호한 결정성으로 유지하고, 또한, 제 2 장벽층의 막 두께가 300Å보다 크면, 제 1 도전형층측으로부터의 캐리어가 우물층으로부터 이간된 캐리어 가둠층에 의해 가두어져 캐리어의 가둠 효율이 저하되는 경향이 있고, 더 바람직한 결정성으로 하기 위해서는, 200Å 이하로 하는 것이며, 150Å 이하로 하면 결정성이 우수하고, 적합한 위치에 캐리어 가둠층이 배치되어 바람직하다.
또한, 상술한 소자에 있어서 상기 제 1 도전형층, 제 2 도전형층 내에 상기 제 1 반도체층, 제 2 반도체층을 개재하고, 활성층으로부터 이간하여 클래드층이 각각 설치되어 있는 소자 구조에서는, 제 1 도전형층 내의 클래드층이 제 1 반도체층보다도 밴드 갭 에너지가 크고, 제 2 도전형층 내의 클래드층이 제 2 반도체층보다도 밴드 갭 에너지가 크면 바람직하다. 이것은 상술한 바와 같이, 각 장벽층에서의 캐리어 가둠과는 별도로 활성층 밖에 설치함으로써, 단계적인 밴드 구조로 하여, 캐리어의 주입을 양호하게 할 수 있다. 또한, LD와 같은 단면 발광 소자에 있어서, 광 가둠의 클래드층을 설치할 경우에는, 제 1, 제 2 질화물 반도체층을 광가이드층 등으로 할 수 있고, 또한, 종래와 같이 활성층보다도 큰 밴드 갭 에너지로 하지 않기 때문에, 비교적 격자 정합성이 우수하며, 결정성을 양호한 것으로 하여, 소자 구조를 형성할 수 있다. 구체적으로는, 상기 과제인 Al 혼성결정에 의한 결정성 악화를 억제한 소자 구조의 형성이 가능해진다. 이 때, 구체적인 구성으로서는, 제 1 반도체층, 제 2 반도체층이 각각 Al을 함유하는 질화물 반도체로 이루어지고, 제 1 반도체층, 제 2 반도체층의 Al 혼성결정비가 상기 제 1 장벽층보다도 작은 것으로 하여, 상술한 단파장계의 발광 소자에서도 우수한 결정성의 소자가 될 수 있다. 또한, 그 이외의 소자 구조로는, 도 6a에 발광 소자(200)로서 나타낸 바와 같이, 기판(201) 위에 제 1 반도체층(202)을 함유하는 제 1 도전형층(11), 제 1 장벽층(2a)과 우물층(1a)과 제 2 장벽층(2b)을 가지는 활성층(203(12)), 제 2 반도체층(205)과 캐리어 가둠층(204)을 함유하는 제 2 도전형층(13)이 적층된 구조로 될 수 있다. 여기서, 도 6a는 도전성 기판(201) 위에 상기의 소자 구조가 설치되고, 전극(207)이 기판의 뒷면에 설치되어, 기판을 협지하여 각 도전형층의 한쌍의 전극이 대향 배치된 구조이며, 도 6b는 기판의 동일 면 측에 각 도전형층의 한쌍의 전극이 배치된 구조이다.
보다 바람직한 구성으로서는, 상기 제 1 도전형층, 제 2 도전형층에 각각 설치된 광가이드층에 의해 협지된 활성층에 의해 도파로가 형성된 질화물 반도체 발광 소자에 있어서, 제 1 도전형층 내에 설치된 광가이드층이 상기 제 1 반도체층을 가지는 구조이다. 즉, 종래와 달리, 활성층(제 1 장벽층)보다 작은 밴드 갭 에너지를 가지는 제 1, 제 2 반도체층을 각 광가이드층으로 사용할 수 있고, 질화갈륨계 재료에서 격자 정수의 차, 열팽창 계수차를 작게 한 소자 구조의 형성이 가능한 발광 소자를 얻을 수 있다. 이 때, 바람직하게는, 각 가이드층이 제 1, 제 2 반도체층과 마찬가지로, 제 1 장벽층보다도 밴드 갭 에너지를 작게 함으로써, Al 혼성결정비를 낮춘 소자 구조가 될 수 있어, 결정성이 좋은 발광 소자가 된다. 즉, Al을 함유하는 질화물 반도체로 이루어지는 제 1 장벽층보다도 Al 혼성결정비가 낮은 제 1 반도체층, 제 2 반도체층을 각 광가이드층으로 사용함으로써, 도 2b에 나타낸 바와 같이, 활성층을 협지하는 하부 광가이드층(26), 상부 광가이드층(29)의 Al 혼성결정비를 작게 한 구조가 될 수 있고, 활성층 및 소자 전체의 Al 혼성결정비를 낮게 억제하여, 결정성이 우수한 소자가 될 수 있어, 신뢰성이 우수한 소자를 얻을 수 있다.
이러한 광가이드층에 의해 협지된 활성층에 있어서, 상기 클래드층을 광 가둠층으로서 더 설치하는 구조의 도파로를 가지는 발광 소자로 하면, 더 우수한 특성의 소자를 얻을 수 있다. 구체적인 구성으로는, 활성층을 협지하는 광가이드층을 끼워, 상기 제 1 도전형층, 제 2 도전형층에 광 가둠의 클래드층이 각각 설치되는 동시에, 상기 제 1 도전형층 내의 클래드층이 제 1 반도체층보다도 밴드 갭 에너지가 크고, 상기 제 1 도전형층 내의 클래드층이 제 1 반도체층보다도 밴드 갭 에너지가 크게 하는 것이다. 이것에 의해, 광가이드층과 광 가둠의 클래드층을 가지는 분리 가둠형의 발광 소자에 있어서, 질화갈륨계 반도체 재료의 밴드 갭 에너지를 크게 하고, 굴절률을 작게 하는 Al의 혼성결정비를 소자 전체에서 작게 한 발광 소자가 가능해진다. 이것에 의해, 결정성, 소자 신뢰성, 더 나아가서는 그 적층에 있어서 안정된 제조가 가능해지고, 소자 특성 편차를 작게 하여, 제조 수율을 향상시킬 수 있게 된다. 즉, Al을 함유하는 질화물 반도체로 이루어지는 하부 클래드층(25)의 Al 혼성결정비를 하부 광가이드층(26)(제 1 반도체층)보다도 크게 하고, 또한, Al을 함유하는 질화물 반도체로 이루어지는 상부 클래드층(30)의 Al 혼성결정비를 상부 광가이드층(29)(제 2 반도체층)보다도 크게 함으로써, 각 가이드층보다도 굴절률이 작은 광 가둠의 클래드층이 가능해진다. 이 때, 보다 바람직하게는, 도 2b에 나타낸 바와 같이, 광 가둠의 각 클래드층의 Al 혼성결정비를 제 1 장벽층(2a)보다도 작게 함으로써, Al 혼성결정비를 낮게 억제하여, 광 가둠에 필요한 두꺼운 막에서의 클래드층 형성에 유리한 소자 구조가 되어 바람직하다.
상기 구성에 더하여, 제 1 장벽층이 상기 클래드층보다도 밴드 갭 에너지가 큰 것으로 함으로써, 결정성이 우수한 소자 구조의 형성이 가능해진다.
이상에 의해, 이러한 도파로를 가지는 발광 소자는 레이저 소자, 단면 발광 소자, 슈퍼루미네슨트다이오드 등에 사용할 수 있다.
이하, 본 발명의 반도체 소자에 대해서 주로 질화물 반도체의 반도체 소자를사용하여 본 발명의 실시예를 설명하겠지만, 본원은 이것에 한정되지 않고, 종래 알려진 다양한 재료의 반도체, AlGaAs, AlGaP 등에 적용할 수 있는 것이다.
본 발명의 질화물 반도체 소자에 사용하는 질화물 반도체로서는 GaN, AlN, 또는 InN, 또는 이들의 혼성결정인 III-V족 질화물 반도체(InαAlβGa1-α-βN, 0≤α, 0≤β, α+β≤1)이고, 또한, 이것에 더하여 III족 원소로서 B를 사용하거나, Ⅴ족 원소로서 N의 일부를 P, As로 치환한 혼성결정이어도 좋다. 또한, Al을 함유하는 질화물 반도체는 β>0이며, In을 함유하는 질화물 반도체는 α>0이다. 본 발명의 실시예에 있어서, 특히, 본 발명에 있어서 단파장계인 와이드 밴드 갭의 질화물 반도체 소자는 활성층 중에 GaN 또는 Al을 함유하는 질화물 반도체로 이루어지는 우물층을 가지고, 제 1 도전형층, 제 2 도전형층에 각각 적어도 1개의 Al을 함유하는 질화물 반도체로 이루어지는 층이 설치되는 소자이다.
또한, 질화물 반도체층에 사용하는 n형 불순물로서는 Si, Ge, Sn, S, 0, Ti, Zr 등의 Ⅳ족, 또는 VI족 원소를 사용할 수 있고, 바람직하게는 Si, Ge, Sn을, 가장 바람직하게는 Si를 사용한다. 또한, p형 불순물로서는 특별히 한정되지 않지만, Be, Zn, Mn, Cr, Mg, Ca 등을 들 수 있고, 바람직하게는 Mg가 사용된다. 이들 억셉터(accepter), 도너(donor)를 첨가함으로써, 각 도전형의 질화물 반도체층을 형성하고, 후술하는 각 도전형층을 구성한다. 또한, 본 발명에서의 제 1 도전형층, 제 2 도전형층에는 부분적으로 언도프의 층, 반절연성의 층이 적층되어 있어도 좋고, 레이저 소자에서의 역도전형의 매립층(전류 저지층)과 같이, 각 도전형층 내에 부분적으로 기생한 소자 부분을 형성하고 있어도 좋다.
이하, 본 발명의 각 층에 대해서, 질화물 반도체를 사용하여 설명한다.
본 발명의 활성층으로서는, 바람직하게는 양자 우물 구조를 가지고, GaN 또는 Al을 함유하는 질화물 반도체로 이루어지는 우물층을 가지며, Al을 함유하는 질화물 반도체 또는 In과 Al을 함유하는 질화물 반도체로 이루어지는 장벽층을 갖는다. 또한, 특히, 활성층에서의 파장이 375nm 이하의 발광을 가지는 단파장에 바람직하게 사용되고, 구체적으로는 상기 우물층의 밴드 갭 에너지가 파장이 375㎚ 이하인 것이다. 이 때, 활성층에 사용되는 질화물 반도체는 논도프(nondope), n형 불순물 도프, p형 불순물 도프 중 어느 것이어도 좋지만, 바람직하게는 논도프 또는 언도프, 또는 n형 불순물 도프의 질화물 반도체를 활성층 내에 설치함으로써, 레이저 소자, 발광 소자 등의 질화물 반도체 소자에서 고출력화를 도모할 수 있다. 바람직하게는, 우물층을 언도프로 하고, 장벽층을 n형 불순물 도프로 함으로써, 레이저 소자, 발광 소자가 고출력이면서 발광 효율이 높은 소자가 된다.
여기에서 양자 우물 구조로서는 다중양자 우물 구조, 단일 양자 우물 구조 중 어느 쪽이어도 좋다. 바람직하게는, 다중양자 우물 구조로 함으로써, 출력의 향상, 발진 임계값의 저하 등을 도모할 수 있게 된다. 활성층의 양자 우물 구조로서는, 상기 우물층을 적어도 1층, 즉 장벽층이 그 우물층을 협지하도록 양측에 적어도 1층씩 적층된 것을 사용할 수 있다. 이 때, 양자 우물 구조인 경우에, 우물층의 수는 1이상 4이하로 함으로써, 예를 들면, 레이저 소자, 발광 소자에 있어서는, 임계 전류를 낮추는 것이 가능해져 바람직하고, 더 바람직하게는, 우물층수를2 또는 3으로 한 다중양자 우물 구조로 함으로써, 고출력의 레이저 소자, 발광 소자가 얻어지는 경향이 있다.
본 발명에서 우물층으로서는, GaN 또는 Al을 함유하는 질화물 반도체를 사용하는 것이 바람직하고, 상기 GaN, Al을 함유하는 질화물 반도체로 이루어지는 우물층을 활성층 내에 적어도 1층 가지는 것이며, 다중양자 우물 구조에 있어서는, 바람직하게는, 모든 우물층이 상기 질화물 반도체로 이루어지는 우물층으로 함으로써, 단파장화되어 고출력, 고효율의 발광 소자, 레이저 소자를 얻을 수 있다. 발광 스펙트럼이 거의 단일 피크인 경우에는 이 구성이 바람직하지만, 한편으로, 복수의 피크를 가지는 다색 발광 소자에 있어서는, 상기 GaN 또는 Al을 함유하는 질화물 반도체로 이루어지는 우물층을 적어도 1층 가짐으로써, 단파장 영역의 발광 피크를 얻을 수 있고, 다양한 발광색의 발광 소자, 또는, 그 단파장 영역에서 여기되는 형광체와 조합시킨 발광 장치에 의해서도 얻을 수 있다. 이 때, 다색 발광의 소자로 할 경우에, 우물층의 구체적인 조성으로, InαGa1-αN(0<α≤1)을 사용함으로써, 자외선 영역으로부터 가시광선 영역까지의 양호한 발광·발진을 가능하게 하는 우물층이 된다. 이 때, In 혼성결정비에 의해 발광 파장을 정할 수 있다. 또한, 파장이 375㎚ 이상인 우물층을 사용한 발광 소자에서는, In을 함유하는 질화물 반도체의 우물층을 사용할 수 있고, 구체적인 조성으로서는 상기 InαGa1-αN(0<α≤1)이 바람직하다.
본 발명의 단파장계의 Al을 함유하는 질화물 반도체로 이루어지는 우물층은,종래의 InGaN의 우물층에서는 곤란한 파장 영역, 구체적으로는, GaN의 밴드 갭 에너지인 파장 365nm 부근, 또는 그것보다 짧은 파장을 얻는 것이며, 특히 파장 375m이하의 발광·발진이 가능한 밴드 갭 에너지를 가지는 우물층이다. 종래의 InGaN 3원 혼성결정의 우물층은 GaN의 밴드 갭 에너지의 파장 365nm 부근, 예를 들면 370nm에서는, In조성비를 1％이하 정도로 조정할 필요가 있어, 이와 같이 In조성비가 극단적으로 작아지면, 발광 효율이 저하하여 충분한 출력의 발광 소자, 레이저 소자를 얻기 어렵고, 또한, In조성비가 1％이하에서는 그 성장을 제어하는 것도 곤란하였다. 본 발명에서는, 바람직하게는 GaN 또는 Al을 함유하는 질화물 반도체로 이루어지는 우물층을 사용함으로써, 종래에 효율적인 발광이 어려웠던 375nm의 파장 영역에서, Al조성비(x)를 크게 함으로써, 밴드 갭 에너지를 크게 하여 단파장의 레이저 소자에 사용할 수 있다.
여기서, 단파장 발광의 우물층에 사용되는 Al을 함유하는 질화물 반도체의 구체적인 조성은 AlxInyGa1-x-yN(0<x≤1, 0≤y≤1, x+y<1)로 나타내는 조성이며, 바람직한 조성으로서는 3원 혼성결정의 AlxGa1-xN(0<x≤1), 4원 혼성결정의 AlxInyGa1-x-yN(0<x≤1, 0<y≤1, x+y<1)을 사용하는 것이며, 단파장이 되는 2원 혼성결정의 GaN으로 이루어지는 우물층을 사용할 수도 있다.
이하, Al을 함유하는 질화물 반도체의 우물층에 대해서 상세하게 설명하면, Al과 In을 함유하는 질화물 반도체는, In을 가짐으로써 우물층에서의 발광 효율을 높이는 작용을 하고, 또한 In을 가짐으로써 Al을 함유하는 질화물 반도체에 의한강한 응력을 완화시켜, 피에조 전계에 변화를 줄 수 있다. 한편, In 혼성결정비 y가 거의 0인 Al을 함유하는 질화물 반도체를 우물층에 사용하면, 질화물 반도체의 성장에 사용되는 MOCVD 등의 기상성장법에서는, 구성 원소가 많아짐에 따른 구성 원소간 반응을 억제하고, 특히 Al과 In의 반응에 의한 결정성 악화의 문제를 억제함으로써, 결정성이 우수한 우물층을 형성할 수 있다. 여기에서, Al과 In을 함유하는 질화물 반도체, 예를 들면 AlxInyGa1-x-yN(0<x≤1, 0<y≤1, x+y<1), Al을 함유하고 In을 함유하지 않는 질화물 반도체, 예를 들면 AlxGa1-xN(0<x≤1)에서의 Al조성비 x는 특별히 한정되지 않고, Al조성비를 변화시킴으로써, 원하는 밴드 갭 에너지, 파장을 얻는 것이다. 또한, 이들에 상술한 바와 같이, B, P, As 등을 사용하여, 5원 혼성결정 이상의 다원화도 가능하지만, 바람직하게는 AlInGaN의 4원 혼성결정, AlGaN의 3원 혼성결정으로 함으로써, 이 원소끼리의 반응을 방지하여, 결정성이 양호한 우물층의 형성이 가능해진다.
여기에서, Al과 In을 함유하는 질화물 반도체, 예를 들면 AlxlnyGa1-x-yN(0<x≤1, 0<y≤1, X+y<1)에서의 In 혼성결정비 y는 바람직하게는 0.02이상 0.1이하의 범위이고, 보다 바람직하게는 0.03이상 0.05이하의 범위이며, 0.02이상으로 함으로써 임계 전류 저감, 발광 효율의 향상을 도모할 수 있고, 0.03이상으로 함으로써 그들 효과를 더욱 발현할 수 있으며, 한편, 0.1보다 커지면, 상술한 바와 같이, 구성 원소끼리의 반응에 의한 결정성 악화가 나타나기 시작하고, 0.05이하로 함으로써 결정성을 양호하게 하여 발광 효율 향상, 임계 전류 저감을 가능하도록 한다.
또한, 365㎚ 이상 380㎚ 이하의 영역에서는, In을 함유하는 우물층을 사용할 수도 있다. 이 때, 질화물 반도체로 이루어지는 우물층의 구체적인 조성을, InzGa1-zN(0<z<1)로 하면 원하는 발광 파장이 얻어진다. 이 때, 장벽층의 조성으로서 구체적으로는 AluInvGa1-u-vN(0<u≤1, 0≤v≤1, u+v≤1)로 나타내는 질화물 반도체를 사용할 수 있지만, 발광 파장이 380nm에서 짧아짐에 따라서 장벽층의 Al 혼성결정비 u가 커지도록 사용한다. 그 때, 종래의 제 1 장벽층과 거의 동일한 Al 혼성결정비보다도 Al 혼성결정비가 작은 층으로서 제 2 장벽층이 활성층 내에 설치됨으로써, 결정성 저하를 방지하고, 한편으로, 제 1 장벽층보다도 Al 혼성결정비가 작은 제 2 장벽층이 설치됨으로써, 두 장벽층에 의해 협지된 In을 함유하는 우물층에 있어서, 하계면과 상계면에 상이한 응력이 가해져, Al을 함유하는 질화물 반도체에 의한 압전계를 작게 하고, 밴드 갭의 왜곡을 저감시킬 수 있으며, 우물층에서의 발광 효율을 향상시킬 수 있는 경향이 있다. 내부 장벽층을 설치하는 경우라도, 제 1 장벽층보다도 Al 혼성결정비가 작은 제 2 장벽층으로 함으로써, 상기 효과를 얻을 수 있으며, 그 때의 바람직한 내부 장벽층은, 제 1 장벽층보다도 Al 혼성결정비가 작은 층으로 하면 좋고, 또한 제 2 장벽층보다도 Al 혼성결정비가 큰 층으로 하면, 결정성의 저하를 방지할 수 있어 바람직하며, 또한 제 2 장벽층의 Al 혼성결정비와 동일하게 하면, 모든 장벽층에 있어서 우물층과의 충분한 오프셋을 얻기 쉬워져 바람직하다.
또한, 우물층의 막 두께 및 우물층의 수는, 예를 들면, 막 두께 1원자층 이상, 우물층수 1층 이상으로 정할 수 있다. 구체적인 막 두께로서는, 1㎚ 이상 30㎚ 이하의 범위이며, 막 두께가 1nm미만이면 우물층으로서 양호하게 기능시키기 곤란한 경향이 있고, 30nm을 초과하는 막 두께에서는, Al을 함유하는 질화물 반도체의 성장을 결정성 좋게하기 어려워져 소자 특성이 저하한다. 바람직하게는 2㎚ 이상 20㎚ 이하의 범위로 함으로써, Vf, 임계 전류 밀도를 저감시킬 수 있다. 또한, 결정성장의 관점에서는, 2㎚ 이상이면 막 두께에 큰 불균일이 없어 비교적 균일한 막질의 층을 얻을 수 있고, 20㎚ 이하로 함으로써 결정 결함의 발생을 낮게 억제하여 결정성장이 가능해진다. 더욱 바람직하게는, 우물층의 막 두께를 3.5㎚ 이상으로 함으로써, 고출력의 레이저 소자, 발광 소자가 얻어지는 경향이 있으며, 이것은 우물층의 막 두께를 크게 함으로써, 대전류로 구동시키는 레이저 소자와 같이, 다량의 캐리어 주입에 대해서 높은 발광 효율, 내부 양자 효율로 발광 재결합이 이루어지기 때문이며, 특히 다중양자 우물 구조에서 효과가 있다. 단일 양자 우물 구조에서는, 막 두께를 5㎚ 이상으로 함으로써, 상기와 마찬가지의 효과를 얻을 수 있다. 활성층 내의 우물층 수는 특별히 한정되지 않고, 1이상이며, 우물층의 수가 4이상인 경우에는, 활성층을 구성하는 각 층의 막 두께가 두꺼워지면, 활성층 전체의 막 두께가 두꺼워져, Vf의 상승을 초래하기 때문에, 우물층의 막 두께를 10㎚ 이하의 범위로 하여, 활성층의 막 두께를 낮게 억제하는 것이 바람직하다. 다중양자 우물 구조에서 복수의 우물층 중, 상기 범위의 막 두께에 있는 우물층을 적어도 1개 설치함으로써, 바람직하게는 모든 우물층을 상기 범위 내로 하는 것이다. 또한, 각 우물층의 막 두께가 달라도 좋고, 거의 동일해도 좋다.
본 발명의 우물층에는, p형 불순물 또는 n형 불순물이 도프되어 있어도 좋고, 언도프이어도 좋다. 우물층에 도프하는 불순물로서는, 바람직하게는 n형 불순물로 함으로써, 발광 효율의 향상에 기여하게 된다. 그러나, 우물층에는 In과 Al을 함유하는 질화물 반도체가 사용되고, 불순물농도가 커지면 결정성이 악화되는 경향이 있기 때문에, 불순물 농도를 낮게 억제하여 결정성이 양호한 우물층으로 하는 것이 바람직하다. 구체적으로는, 결정성을 최대한 양호하게 하기 위해서 우물층을 언도프로 성장시키는 것이며, 이 때, 불순물 농도는 5×1016/㎤ 이하로 실질적으로 불순물을 함유하지 않는 우물층으로 하는 것이다. 또한, 우물층에, 예를 들면, n형 불순물을 도프하는 경우에는, n형 불순물농도가 1×1018/㎤ 이하 5×1016/㎤ 이상의 범위에서 도프되어 있으면, 결정성의 악화를 낮게 억제하며, 또한 캐리어 농도를 높일 수 있어, 임계 전류 밀도, Vf을 저하시킬 수 있다. 이 때, 우물층의 n형 불순물농도로서는, 장벽층의 n형 불순물농도와 거의 동일하거나, 또는 작게 함으로써, 우물층에서의 발광 재결합을 촉진하여, 발광 출력이 향상되는 경향이 있기 때문에 바람직하다. 이 때, 우물층, 장벽층을 언도프로 성장시켜, 활성층의 일부를 구성해도 좋다. 또한, 우물층이 활성층 내에 복수개 설치되는 다중양자 우물 구조에 있어서는, 각 우물층의 불순물농도를 거의 동일하게 하여도 좋고, 다르게 하여도 좋다.
특히, 대전류로 소자를 구동시켰을 경우(고출력의 LD, 하이파워 LED, 슈퍼포토루미네슨스 다이오드 등)에는, 우물층이 언도프이면서 실질적으로 n형 불순물을함유하지 않음으로써, 우물층에서의 캐리어의 재결합이 촉진되어, 높은 효율의 발광 재결합이 실현되고, 반대로 n형 불순물이 우물층에 도프되면, 우물층에서의 캐리어 농도가 높기 때문에, 오히려 발광 재결합 확률이 감소하여, 일정 출력하에서 구동 전류의 상승을 초래하는 악순환이 발생하여 소자의 신뢰성(소자수명)이 저하하는 경향이 있다. 이 때문에, 이러한 고출력의 소자에서는, 우물층의 n형 불순물농도를 적어도 1×1018/㎤ 이하로 하는 것이며, 바람직하게는 언도프 또는 실질적으로 n형 불순물을 함유하지 않는 농도로 함으로써, 고출력에서 안정된 구동이 가능한 질화물 반도체 소자가 얻어진다. 또한, 우물층에 n형 불순물을 도프한 레이저 소자에서는, 레이저광의 피크 파장의 스펙트럼 폭이 넓어지는 경향이 있어, 바람직하지 못하므로, 이 경우 불순물농도를 1×1018/㎤, 바람직하게는 1×1017/㎤ 이하로 하는 것이다.
본 발명에서 장벽층의 조성으로는, 단파장계에서, Al을 함유하는 질화물 반도체로 이루어지는 장벽층을 사용하는 것이다. 여기에서, 본 발명의 활성층에 있어서, 활성층 내의 적어도 1개의 장벽층이 Al을 함유하는 질화물 반도체로 이루어지는 것을 필요로 하며, 활성층 내의 모든 장벽층이 Al을 함유하는 질화물 반도체로 이루어져도 좋고, Al을 함유하지 않는 질화물 반도체로 이루어지는 장벽층을 활성층 내에 설치해도 좋다. 장벽층은 우물층보다도 밴드 갭 에너지가 큰 질화물 반도체로 할 필요가 있고, 우물층의 발광 파장이 375㎚ 이하인 영역에서는, 그것에 대응하는 장벽층에는 Al을 함유하는 질화물 반도체를 사용한다. Al을 함유하는 질화물 반도체의 장벽층으로서, 바람직하게는 AluInvGal-u-vN(0<u≤1, 0≤v≤1, u+v<1)로 나타내는 질화물 반도체를 사용하는 것이다. 구체적으로는, Al을 함유하는 질화물 반도체의 장벽층은, 상기 조성식으로 나타내는 In 혼성결정비 v가 0보다 큰, AlInGaN의 4원 혼성결정, AlGaN의 3원 혼성결정을 사용할 수 있다. 또한, 장벽층의 Al조성비 u는, Al을 함유하는 질화물 반도체의 우물층의 Al조성비 x보다도 크며, u>x로 하여 우물층과 장벽층 사이에 충분한 밴드 갭 에너지의 차이를 마련함으로써, 레이저 소자, 발광 소자로서 양호한 발광 효율을 가지는 양자 우물 구조가 형성된다. 또한, 장벽층이 In을 함유할 경우(v>0), In조성비 v에 대해서는, 바람직하게는 0.1이하로 함으로써, 상술한 바와 같이 결정성의 악화를 억제하고, 더욱 바람직하게는 0.05이하의 범위를 적용할 수 있다. 이것은, In조성비 v가 0.1을 초과할 경우에는, 성장시에 Al과 In의 반응이 촉진되어, 결정성이 악화하여 양호한 막이 형성되지 않는 경향이 있기 때문이며, 또한 v≤0.05로 함으로써, 더욱 양호한 결정성으로 장벽층을 형성할 수 있다. 또한, 상술한 바와 같이, 장벽층의 In조성비는 발광 재결합이 이루어지는 우물층에 비하여 넓은 조성비를 적용할 수 있으며, 주로 Al조성비에 의해 밴드 갭 에너지의 차이를 마련하기 때문에, v≥y로 할 수도 있고, 이러한 In조성비로 함으로써 우물층, 장벽층의 임계막 두께를 변화시킬 수 있으며, 양자 우물 구조에 있어서 비교적 자유롭게 막 두께를 설정할 수 있어, 원하는 특성의 활성층을 설계할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 장벽층은 단파장계에서는, 상기 우물층과 마찬가지로 Al과 In을 함유하는 질화물 반도체, 구체적으로는 AluInvGa1-u-vN(0<u≤1, 0<v≤1, u+v<1)의 4원 혼성결정, In 혼성결정비 v가 거의 0인 Al을 함유하는 질화물 반도체, 구체적으로는 AluGa1-uN(0<u≤1)을 사용할 수 있다. 또한, 보다 장파장 영역에서는, 상술한 바와 같이, GaN 또는, In을 함유하는 질화물 반도체를 사용할 수 있고, 구체적으로는 InvGa1-vN(0≤v≤1)을 사용함으로써, 자외선 영역으로부터 적색 영역까지의 가시광선 영역에 널리 적용할 수 있다.
또한, 양자 우물 구조의 활성층에서, 장벽층은 우물층과 서로 번갈아 형성해도 좋고, 1개의 우물층에 대해서 복수의 장벽층을 설치해도 좋다. 구체적으로는, 상술한 바와 같이, 우물층으로 협지된 장벽층을 2층 이상으로 하고, 적어도 상기 제 1 장벽층, 제 2 장벽층을 가지는 구조로 하는 것이며, 다층막의 장벽층과 우물층을 번갈아 적층한 구조를 설치할 수도 있다.
또한, 장벽층에는 상술한 우물층과 마찬가지로, p형 불순물, n형 불순물이 도프되어 있거나 논도프이어도 좋지만, 바람직하게는 n형 불순물이 도프되어 있거나 논도프 또는 언도프로 되어 있는 것이 좋다. 이 때, 장벽층 중에 예를 들면, n형 불순물을 도프하는 경우, 그 농도는 적어도 5×1016/㎤ 이상 도프되어 있는 것이 좋다. 구체적으로는, 예를 들어 LED인 경우에는, 5×1016/㎤ 이상 2×1018/㎤ 이하의 범위에서 n형 불순물을 가지고, 또한, 보다 고출력의 LED 및 고출력의 LD에서는, 5×1017/㎤ 이상 1×1020/㎤ 이하의 범위, 바람직하게는 1×1018/㎤ 이상5×1019/㎤ 이하의 범위에서 도프되어 있는 것이 바람직하고, 이와 같이 고농도로 장벽층에 도프하는 경우에는, 우물층이 n형 불순물을 실질적으로 함유하지 않거나, 언도프로 성장시키는 것이 바람직하다. 또한, 장벽층에 n형 불순물을 도프하는 경우에는, 활성층 내의 모든 장벽층에 도프해도 좋고, 일부는 도프, 일부는 언도프로 한 구성이어도 좋다. 일부의 장벽층에 n형 불순물을 도프하는 경우에는, 활성층 내에서 n형층측에 배치된 장벽층을 도프하는 것이 바람직하고, 구체적으로는, n형층측으로부터 n번째의 장벽층 Bn(n=1, 2, 3…)에 도프함으로써, 전자가 효율적으로 활성층 내로 주입되고, 발광 효율, 내부 양자 효율이 우수한 소자가 된다. 이것은 장벽층에 한정되지 않고, 우물층에 대해서도 마찬가지이며, 또한 양쪽 모두를 도프하는 경우에는, n형층으로부터 n번째의 장벽층 Bn(n=1, 2 , 3 …), m번째의 우물층 Wm(m=1, 2, 3…)에 도프하는 것, 즉, n형층에 가까운 쪽부터 도프함으로써, 상기의 효과가 얻어지는 경향이 있다.
또한, 후술하는 실시예에 나타낸 바와 같이, Mg 도프의 p측 전자가둠층을 설치하는 경우, 특히 활성층 및/또는 장벽층에 접하여 설치하는 경우에는, Mg이 확산되기 때문에, 활성층 내에서 가장 p형층측에 배치된 p측 장벽층에 n형 불순물을 도프하면, 코도프(co-dope)가 되어 활성층의 기능이 악화되는 경향이 있다. 이 때문에, Mg 도프의 p측 전자가둠층을 설치하는 경우, 바람직하게는 이 p측 장벽층은 n형 불순물을 실질적으로 함유하지 않음으로써, 이것을 피할 수 있으며, 구체적으로는 5×1O16/㎤ 미만이 되도록 한다.
장벽층의 막 두께는 특별히 한정되지 않지만, 50㎚ 이하로 하여 양자 우물 구조를 구성하는 것이 좋고, 바람직하게는 우물층과 마찬가지로 1㎚ 이상 30㎚ 이하의 범위로 하며, 이것은 30㎚ 이하로 함으로써 결정성의 악화를 억제하고, 1㎚ 이상으로 함으로써 장벽층으로서 양호하게 기능할 수 있는 막 두께가 되기 때문이다. 더 바람직하게는, 2㎚ 이상 20㎚ 이하로 하며, 이것에 의해, 2㎚ 이상으로 함으로써 비교적 균일한 막이 형성되어, 보다 양호한 장벽층의 기능이 갖춰지며, 20㎚ 이하로 함으로써 결정성이 양호하게 된다.
본 발명의 양자 우물 구조의 활성층에 있어서, 단파장계의 발광 소자에서의 바람직한 실시예로서는, 상기 2원, 3원 혼성결정의 AlxGa1-xN(0≤x<1), 4원 혼성결정의 AlxInyGa1-x-yN(0<x≤1, 0<y≤1, x+y<1)로 이루어지는 우물층과, 4원 혼성결정의 AluInvGa1-u-vN(0<u<1, 0<v<1, u+v<1) 또는 3원 혼성결정의 AluGa1-uN(0<u<1)로 이루어지는 장벽층을 한쌍 이상 가진다. 구체적으로는, 도 3a, 도 3b, 도 5a 및 도 5b에 활성층(12)으로 나타낸 바와 같이, AlGaN 또는 AlInGaN의 우물층(1)을 1층 이상, InAlGaN 또는 AlGaN의 장벽층(2)을 2층 이상 가지는 것이며, 이것에 의해 내부 양자 효율, 발광 효율이 우수한 우물층이 되고, 또한 Al을 함유하는 질화물 반도체에 의해 그 Al조성비를 조정함으로써, 도 3a 및 도 3b에 나타낸 바와 같이, 375㎚ 이하의 단파장 영역에서 발광이 가능한 우물층을 형성할 수 있다. 또한, 그 우물층(1)보다도 밴드 갭 에너지가 큰 장벽층(2)을, InAlGaN 또는 AlGaN으로 함으로써, 상기 단파장 영역에서도 우수한 장벽층을 제공할 수 있다.
(활성층과 그것을 협지하는 제 1 도전형층, 제 2 도전형층)
본 발명의 실시예에 있어서, 활성층(12)을 협지하는 제 1 도전형층(11), 제 2 도전형층(13)의 적층구조에서, 특히 활성층의 근방에 배치되는 층, 구체적으로는 활성층에 접하여 인접해서 배치되는 층과 활성층과의 관계에 대하여, 아래에 상세하게 설명한다.
종래에 제안되어 채용되고 있는 레이저 소자 구조는, 도 4a 및 도 4b에 그 밴드구조를, 도 7에 도 2a의 적층구조에서의 Al 혼성결정비의 변화를 나타낸 바와 같이, 활성층을 협지하는 광가이드층(26, 29), 또한 그 양쪽 외측을 협지하는 클래드층(25, 30)의 순서로 밴드 갭 에너지가 커지는 구조가 채용되어 왔다. 예를 들면, 파장 410nm의 AlGaN/InGaN계 질화물 반도체 레이저 소자에서는, 도 7에 있어서, 광가이드층(26, 29)의 Al조성비를 0의 기점으로 하고, 그것보다도 밴드 갭 에너지가 작은 활성층에 있어서는, In 혼성결정비로 치환함으로써, 종래의 레이저 소자의 밴드 갭 구조가 된다. 또한, 종래의 자외선 영역의 단파장에서의 AlGaN계 반도체 레이저 소자에서는, 도 7에 나타낸 바와 같이, 활성층의 외측에 광가이드층(26, 39), 또한 그 외측에 클래드층의 순서로, Al 혼성결정비를 크게 하고, 그것에 의해 도 4a 및 도 4b에 나타낸 바와 같이, 활성층으로부터 외측을 향해서 밴드 갭 에너지를 크게한 구조가 제안되어 왔다. 또한, 종래의 자외선 영역 발광의 AlGaN계 질화물 반도체 발광 소자에 있어서는, 상기 레이저 소자에서 클래드층, 또는 광가이드층을 제외한 구조가 제안되었고, 구체적으로는 도 7에 나타내는 광가이드층(26, 29), 클래드층(25, 30)을 캐리어 가둠층으로 사용한 구조, 즉, 발광층(활성층(27))보다도 Al조성비를 크게 하여 밴드 갭 에너지가 큰 층을 형성해 왔다. 그러나, 이와 같이, Al 혼성결정비를 활성층의 외측을 향해서, 순서대로 커지게 하는 구조에서는, 결정성의 악화, 특히 크랙의 발생이 심각한 문제를 낳게 된다.
본 발명에서는, 도 2a 및 도 2b에 나타낸 바와 같이, 활성층(27)을 협지하는 양쪽 광가이드층(26, 29)이 활성층 내의 장벽층(2)보다도 밴드 갭 에너지를 작게 하고, Al 혼성결정비를 작게 한 구조로 함으로써, 상술한 종래의 구조에서의 크랙의 발생을 적합하게 억제하여, 실온에서 연속 발진이 가능한 구조로 할 수 있다. 구체적으로는, 제 1 도전형층 내에 제 1 반도체층(26)이 설치되고, 상기 제 1 반도체층(26)을 활성층 내의 장벽층(2), 특히 제 1 장벽층(2a)보다도 밴드 갭 에너지가 작아지도록, 즉, 단파장 영역의 활성층에 있어서는, 장벽층의 Al 혼성결정비보다 작은 제 1 반도체층의 Al 혼성결정비를 작게 하는 것이다. 이 때, 우물층과 제 1 반도체층의 관계는, 활성층의 우물층에서 발광 재결합시키기 위해서, 우물층보다도 제 1 반도체층의 밴드 갭 에너지를 크게 한다. 또한, 이 관계는 제 2 도전형층에도 적용할 수 있고, 구체적으로는, 제 2 도전형층 내의 제 2 반도체층(29)을, 활성층 중의 장벽층보다도 밴드 갭 에너지를 작게, 또 Al 혼성결정비를 작게 하는 것이다. 이들 장벽층보다도 Al 혼성결정비가 작은 제 1 반도체층(제 2 반도체층)을 사용하고, 활성층의 부근, 바람직하게는 인접해서 배치함으로써, 양호한 캐리어 가둠, 및 결정성이 양호한 활성층을 실현할 수 있으며, 또한 이들 층을 광가이드층에 사용함으로써, 단파장 영역에 있어서 적합합 도파로 구조가 형성된다. 이하에서이에 대하여, 상세하게 설명한다.
본 발명의 일 실시예에서의 질화물 반도체 소자는, 도 2a 및 도 3a에 나타낸 바와 같이, 제 1 도전형층(11), 제 2 도전형층(13)의 사이에 활성층(12)이 설치된 구조로, 구체적인 적층 구조는, 도 2a에 나타낸 바와 같이, 제 1 도전형층(11)으로서, 콘택트층(23), 하부 클래드층(25), 하부 광가이드층(26)이 순서대로 적층되고, 그 위에 활성층(27), 활성층 위에 제 2 도전형층(13)으로서 캐리어 가둠층(28), 상부 광가이드층(29), 상부 클래드층(30), 콘택트층(24)이 순서대로 적층된 구조를 갖고 있다. 여기에서, 캐리어 가둠층, 광가이드층, 클래드층, 콘택트층의 서로 이웃하는 층은, 도 2a에 나타낸 바와 같이, 서로 접하는 경우에 한정되지 않고, 각 층사이에 다른 층이 설치되어 이간되어 있어도 좋다. 여기에서, 도 2a는 본 발명의 도파로 구조를 가지는 소자의 적층 구조를 나타내는 단면도이며, 도 3a은 활성층 및 그것을 협지하여 배치된 활성층의 가까운 층의 적층 구조(40)을 나타내고, 도 3b은 그 적층 구조(40)에 대응한 바이어스 상태의 밴드 구조(41), 특히 제 1 도전형층(11)을 n형층측, 제 2 도전형층(13)을 p형층측으로 했을 경우를 나타내는 것이다. 도 4a, 도 4b, 도 5a 및 도 5b의 밴드 구조(41)에 대해서도 도 3b와 마찬가지이며, 각 도면에서 백색 원(백색으로 칠해진 원)은 홀을, 흑색 원(흑색으로 전부 칠한 원)은 전자의 캐리어를 나타내고, 화살표는 각 캐리어의 움직임을 개략적으로 나타내는 것이며, 반대 방향으로 구부러진 화살표는 밴드오프셋에 의해 각 캐리어가 갇히는 형태를 나타내고, 실선은 도전대(Ec), 가전자대(Ev)를 나타내며, 점선은페르미 준위(EF)를 나타내고 있다. 도 3a로부터 알 수 있듯이, 우물층(1)을 협지하는 장벽층(2a, 2b)보다도 밴드 갭 에너지가 작은 제 1 반도체층(26), 제 2 반도체층(29)이 활성층을 협지하여 배치되고, 상부·하부 가이드층으로서 사용되고 있다. 여기에서는, 제 2 도전형층(p형층측) 내에서 활성층의 부근, 바람직하게는 인접해서 캐리어 가둠층(28)이 설치되고, 제 2 반도체층(29)과 활성층(27)의 사이에 설치되어 있다. 즉, 활성층 내의 장벽층(2a)에 의해 홀이 우물층 내에 갇히고, 전자는 장벽층(2b) 및/또는 활성층(27)에 인접하는 캐리어 가둠층(28)에 의해 갇힌 구조로 되어 있다. 종래의 밴드 구조인 도 4a 및 도 4b에서는, 캐리어를 가두기 위한 오프셋이 제 1 도전형층 중의 광가이드층(26)과 활성층(27), 장벽층(2a)의 사이에 설치되고, 활성층(27), 장벽층(2a)보다도 밴드 갭 에너지가 큰 질화물 반도체층 또는 광가이드층(26)이 활성층에 인접해서 설치되어, 캐리어 가둠층으로서 기능하지만, 활성층(27), 장벽층(2a)에 인접하는 제 1 반도체층(26)에서는, 활성층에 캐리어를 가두는 구조로 되어 있지 않아, 가장 제 1 도전형층측에 배치된 제 1 장벽층(2a)으로 우물층(1a) 내에 가둬진다.
이하, 우물층, 장벽층, 및 제 1 반도체층(제 2 반도체층)의 관계에 대하여 설명한다. 본 발명의 질화물 반도체 소자는, 상술한 바와 같이, 제 1 도전형층, 활성층, 제 2 도전형층이 적층된 구조이지만, 여기에서는, 제 1 도전형층을 n형의 질화물 반도체를 가지는 n형층, 제 2 도전형층을 p형의 질화물 반도체를 가지는 p형층으로서 설명한다. 상술한 바와 같이, 양자 우물 구조의 활성층에 있어서, n형층측에 가장 가깝게 배치된 n측 장벽층을 제 1 장벽층, 한편, p형층측에 가장 가깝게 배치된 p측 장벽층을 제 2 장벽층으로서 설명한다. 여기에서, 본 발명에서는, 바람직하게는 n측 장벽층의 근방에서 제 1 도전형층(n형층) 내에 설치된 제 1 반도체층과의 관계에 있어서, 제 1 장벽층보다 제 1 반도체층이 밴드 갭 에너지를 크게 하는 것이 바람직하다. 본 발명의 활성층에는, 적어도 제 1 장벽층과 그것보다도 밴드 갭 에너지가 작은 제 2 장벽층과, 그들 장벽층의 사이에 적어도 1개의 우물층을 갖는다. 이 때, 제 1 장벽층은 우물층보다도 제 1 도전형층(n형층) 측에, 제 2 장벽층은 우물층보다도 제 2 도전형층(p형층) 측에 설치할 필요가 있다. 이 때문에, 활성층 내에서는 적어도 1개의 우물층보다도 p형층측에 설치된 제 2 장벽층(p측 장벽층)을 설치하고, 적어도 제 1 장벽층과 제 2 장벽층으로 우물층을 협지하는 구조가 설치되어 있는 것이 바람직하다. 왜냐하면, 우물층을 협지하여 설치된 제 1 장벽층과 제 2 장벽층은, 각각 n형층의 가장 근방, p형층의 가장 근방에 설치된 장벽층이어서, 상이한 기능을 갖기 때문이다.
제 1 장벽층은, 활성층 내에서 가장 n형층의 근방에 배치된 장벽층이며, 더욱 바람직하게는, 활성층 내에서 가장 외측에, 가장 n형층측에 설치되는 것이며, 더 바람직하게는, n형층, 제 1 반도체층에 접하여 설치되는 것이다. 이것은 우물층을 개재시켜, n형층에 이간하여 제 1 장벽층이 설치되면, 예를 들면 도 4b에 나타내는 형태에서는, 제 1 장벽층(2a)보다도 n형층측에 있는 우물층에서는 캐리어의 주입이 있어, n형층측으로 오버플로하는 캐리어가 발생하며, 한편 제 1 장벽층을 두껍운 막으로 하여 n형층측으로의 오버플로를 억제하면, 그것보다도 n형층측에 있는 우물층에서 캐리어가 주입되지 않아, 발광 재결합 등의 우물층으로서의 기능을 손상시키는 것이 되기 때문이다. 반대로, 제 1 장벽층은 제 1 장벽층과 p형층으로 협지되어 활성층 내의 우물층으로 캐리어를 가두기 위한 장벽으로서 기능하고, 또한, 제 2 장벽층도 마찬가지로, 제 2 장벽층과 n형층 사이의 우물층에 캐리어 가둠층으로서 기능하는 한편, 우물층에 협지된 장벽층, 예를 들면 도 5a 및 도 5b의 장벽층(2c, 2d)은, 각 우물층에 캐리어를 분산시켜 가두는 기능을 갖고, 제 1 장벽층, 제 2 장벽층과 우물층 사이의 장벽층은 상이한 기능을 가지게 된다. 그 때문에, 제 1 장벽층의 기능을 최대한 활용하기 위해서는, 활성층 내의 가장 외측에 제 1 장벽층, 제 2 장벽층을 배치함으로써, 활성층 내에 캐리어를 적합하게 가둘 수 있게 된다.
또한, 제 2 장벽층에 대해서는, 상술한 바와 같이, 이 제 2 장벽층에 부가하여, 후술하는 캐리어 가둠층을 활성층의 외부, 바람직하게는 활성층에 접하여, 제 2 도전형층(p형층) 내에 설치함으로써, 캐리어를 활성층 내의 비대칭인 장벽층의 구조에 대응하여 설치되어, 각 우물층에 가두는 구조로 할 수 있다. 이와 같이, 제 2 장벽층에 부가하여, 캐리어 가둠층을 활성층 외부에 배치함으로써, 질화물 반도체에 있어서, 홀에 비하여 전자는 확산되기 쉬운 성질이 있고, 캐리어 확산 길이도 긴 경향이 있지만, 이것을 개선하여 활성층 내, 특히 우물층 내에 적합하게 캐리어를 가두어, 주입할 수 있는 구조가 된다. 여기에서, 제 2 장벽층은, 제 1 장벽층과 마찬가지로, 우물층보다도 p형층(제 2 도전형층) 측에 배치되고, 더 바람직하게는 p형층의 가장 근방에 배치된 장벽층으로 하며, 가장 바람직하게는, 활성층에 있어서 가장 외측에, p형층측에 배치시킴으로써, 적합한 캐리어 주입이 가능해진다. 또한, 캐리어 가둠층과의 관계로부터, 캐리어 가둠층과 이간해서 배치할 수도 있지만, 바람직하게는, p형층 중의 캐리어 가둠층(28)에 접하여 제 2 장벽층을 형성함으로써, 제 1 반도체층보다도 밴드 갭 에너지가 큰 캐리어 가둠층에 대해서, 제 1 장벽층보다도 밴드 갭 에너지가 작은 제 2 장벽층에 의한 캐리어의 우물층으로의 주입을 촉진할 수 있어 바람직하다.
또한, 상술한 제 1 장벽층, 제 2 장벽층과 같이, 활성층 내에서 우물층보다도 제 1 도전형층, 제 2 도전형층의 근방 배치되고, 활성층 내의 장벽층 중에서도 가장 외측의 장벽층 이외의 장벽층은, 예를 들면, 도 5a 및 도 5b에 나타낸 바와 같이, 제 1 우물층(1a)과 제 2 우물층(1b), 제 2 우물층(1b)과 제 3 우물층(1c)으로 협지된 내부 장벽층(2c, 2d)을 설치할 수도 있다. 특히, 다중양자 우물 구조에 있어서는, 이러한 우물층으로 협지된 내부 장벽층을 사용함으로써, 복수개 존재하는 우물층에 있어서, 캐리어가 적합하게 각 우물층으로 분배되어 주입·가두어진다. 즉, 상기 제 1 장벽층(2a), 제 2 장벽층(2b)과 상이한 기능을 가지는 것이며, 제 1 장벽층, 제 2 장벽층보다도 막 두께를 얇게 해도, 우물층에 협지된 장벽층의 기능을 손상시키지 않는 양자 우물 구조로 할 수 있으며, 활성층 전체의 막 두께를 억제하여, Vf의 상승을 억제할 수 있어 바람직하다. 또한, 도 5a에 나타낸 바와 같이, 제 1 장벽층(2a), 제 2 장벽층(2b)보다도, 밴드 갭 에너지가 큰 내부 장벽층(2c)으로 하면, 각 도전형층으로부터 주입된 캐리어에 대해서, 우물층 사이에 협지된 장벽이 큰 이들 내부 장벽층(2c, 2d)에 의해, 활성층에 인접하는 각 도전형층으로부터 캐리어를 주입할 때에, 큰 내부 장벽층을 넘어가게 되고, 특히 제 2 도전형층측으로부터 낮은 장벽의 제 2 장벽층을 넘어서 우물층에 캐리어가 주입될 때에, 내부 장벽층을 넘어, 제 1 도전형층측에 있는 우물층으로의 캐리어 주입 효율이 저하하는 경향이 있다. 또한, 도 5b에 나타낸 바와 같이, 제 1 장벽층(2a), 제 2 장벽층(2b)보다도, 우물층에 협지된 장벽층(2c, 2d)으로 하면, 이들 내부에 위치하는 장벽층에서의 가둠 기능을 약하게 하여, 외부에 위치하는 제 1 장벽층(2a), 제 2 장벽층(2b)을 이들 장벽층에 비해 강하게 함으로써, 우물층수가 많아져도, 외부의 장벽층이 큰 장벽을 형성하기 때문에, 각 우물층으로의 캐리어의 주입·가둠을 적합하게 실현할 수 있는 구조를 형성할 수 있다. 즉, 상술한 바와 같이, 내부 장벽층의 밴드 갭 에너지를 도 5b에 나타낸 바와 같이, 제 1 반도체층보다도 작게 함으로써, 제 2 도전형층측으로부터의 캐리어 주입에 있어서, 가장 먼 제 1 장벽층이 가장 큰 밴드 갭 에너지를 가질 수 있고, 각 우물층으로의 주입을 양호하게 할 수 있다. 또한, 이 때 바람직하게는, 내부 장벽층의 밴드 갭 에너지를 제 2 장벽층보다도 크게 함으로써, 도 5b에 나타낸 바와 같이, 제 1 도전형층측으로부터 제 2 도전형층측으로 근접함에 따라, 단계적으로 밴드 갭 에너지가 커지는 장벽층이 구성되어, 각 우물층으로의 바람직한 캐리어 주입이 가능해진다.
이상, 설명한 바와 같이, 외부의 장벽층인 제 1 장벽층(2a), 제 2 장벽층(2)은 내부의 우물층에 협지된 장벽층과 상이한 기능을 갖기 때문에, 내부의 장벽층과 외부의 장벽층의 사이에서, 막 두께, 밴드 갭 에너지, 조성을 다르게 한 구성으로서, 원하는 소자 특성의 소자를 얻을 수 있게 된다. 또한, 도 5b에 나타낸 바와 같이, 내부 장벽층을 여러개 가지는 활성층에서는, 각각의 내부 장벽층을 다른 조성, 밴드 갭 에너지, 막 두께로 할 수도 있고, 바람직하게는 거의 동일한 조성, 밴드 갭 에너지, 막 두께로 함으로써, 내부 장벽층에서 거의 균등한 기능을 부여할 수 있어, 각 우물층으로의 캐리어의 주입이 적합하게 이루어진다.
또한, 상술한 바와 같이, 각 장벽층의 불순물 도프로서는, 가장 n형층측에 위치하는 제 1 장벽층(2b)에는, n형 불순물을 도프하는 것이 상술한 이유에 의해 바람직하고, 가장 p형층측에 배치되는 제 2 장벽층에는, n형 불순물을 도프하는 것 보다도, 실질적으로 n형 불순물이 도프되어 있지 않는 상태, 구체적으로는, 5 ×1016/㎤ 이하의 불순물 농도로 하는 것이 바람직하다. 이것은, 질화물 반도체에 사용되는 p형 불순물은, 확산성이 높은 불순물이 많고, 예를 들면, 자주 사용되는 Mg, Zn 등은 적층구조 안을 넓게 확산하는 경향이 있으며, 장벽층에 p형 불순물이 도프되면 그것에 인접하는 우물층으로의 확산이 발생하여, 우물층에서의 캐리어의 발광 재결합을 저해하는 경향이 있기 때문이다. 또한, p형층측에 가까운 제 2 장벽층을 언도프로 함으로써, p형층으로부터의 불순물의 확산을 그 장벽층 내에서 멈추게하는 작용이 부여되어, 우물층으로의 새로운 불순물의 확산을 방지할 수 있어 바람직하다. 특히, 캐리어 가둠층(28)을 p형층 내에 가지고, 제 2 장벽층에 근접해서, 바람직하게는 제 2 장벽층에 접하여 배치되는 경우에는, 캐리어 가둠층은 비교적 고저항 층이 되는 경향이 있기 때문에, 고농도로 p형 불순물이 도프되는 경향이 있어, 이 불순물의 확산이 문제가 되지만, 제 2 장벽층을 언도프로 함으로써 이확산에 의한 우물층의 기능 저하를 방지할 수 있어 바람직하다. 또한, 캐리어 가둠층 근방에 있어서, p-n접합이 형성되고, 도 3a, 도 3b, 도 5a 및 도 5b 등에 나타낸 바와 같이, 캐리어 가둠층에서는, 소자 구조 내에 있어서, 가장 큰 Al 혼성결정비로 형성되는 경향이 있기 때문에, 높은 Al 혼성결정비의 질화물 반도체에 의한 큰 압전이 걸려 우물층에 악영향을 미치게되는 경향이 있지만, 캐리어 가둠층보다도 Al 혼성결정비가 작은 제 2 장벽층을 언도프로 형성함으로써, 우물층으로의 악영향을 억제할 수 있는 경향이 있어 바람직하다.
또한, 제 1 장벽층, 제 2 장벽층과의 비교에 있어서, 제 1 장벽층을 제 2 장벽층보다도 두껍게 형성하는 경우에는, 제 2 도전형층 내에 캐리어 가둠층(28)을 설치함으로써, 제 2 장벽층에 의한 활성층 안으로의 캐리어 가둠 기능을 저하시키며, 즉, 상기 내부 장벽층에 가깝게 움직이는 장벽층으로 하여, 캐리어 가둠층(28)으로서 주로 활성층으로의 캐리어 가둠을 실현하는 구조가 되어, 활성층 전체의 막 두께를 얇게 할 수 있어 Vf 저하에 기여할 수 있으며, 또한, 질화물 반도체에 있어서는, 홀의 확산 길이가 전자의 확산 길이보다도 충분히 작기 때문에, 홀의 주입구가 되는 제 1 장벽층의 막 두께가 얇아서, 우물층으로의 캐리어 주입이 효율적으로 이루어져 바람직하다. 한편, p형 불순물이 도프된 캐리어 가둠층(28)을 가지는 경우, 또는, 활성층의 부근, 바람직하게는 활성층에 접하여 배치된 제 2 반도체층(29)이 제 1 장벽층보다도 큰 밴드 갭 에너지를 가지는 경우에는, Al 혼성결정비가 높은 층이 활성층에 인접해서 설치되게 된다. 이 때문에, Al 혼성결정비가 높은 층은 고저항이기 때문에, 이 층에서는 소자동작 중에 큰 발열을 발생시키며, 그것이 우물층에 접근하면, 우물층에 대하여 열에 의한 악영향을 주어, 소자 특성을 저하시키는 경향이 있다. 또한, 이러한 Al 혼성결정비가 큰 층과 활성층의 계면, 또는 Al 혼성결정비가 큰 층의 활성층 측 계면, 또는 그 근방에 있어서, 도 3a, 도 3b, 도 5a 및 도 5b에 나타낸 바와 같이, p-n접합이 형성되고, 그 근처에 활성층의 우물층이 설치되어 있으면, 우물층에서의 발광 재결합에 있어서 바이어스가 악영향을 미치는 경향이 있다. 즉, 제 1 장벽층을 우물층과 높은 Al 혼성결정층과의 사이를 열어, 상기 높은 Al 혼성결정층에 의한 악영향이 우물층에 미치지 않도록 이간시키는 스페이서로서 기능시키면 바람직하다. 이 경우, 제 1 장벽층의 구체적인 막 두께는 적어도 20Å 이상으로 함으로써, 상기 스페이서로서의 기능을 발현할 수 있고, 바람직하게는, 40Å 이상의 막 두께로 하여 우물층으로의 영향을 억제한 활성층이 될 수 있어 바람직하다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 대해서 설명한다.
본 발명에서의 소자 구조로서는, 양자 우물 구조의 활성층을 제 1 도전형층과 제 2 도전형층으로 협지하는 구조를 가지며, 활성층, 제 1 도전형층, 제 2 도전형층의 각 층에는 질화물 반도체로 이루어지는 층이 이용되고 있다. 구체적으로는, 도 2a에 나타낸 바와 같이, 기판(21) 위에 제 1 도전형층(11), 활성층(12), 제 2 도전형층(13)이 적층된 구조를 가지는 소자이며, 활성층은 적어도 장벽층과 우물층을 가지는 양자 우물 구조로 구성된다. 여기서, 제 1 도전형층과 제 2 도전형층 사이에 설치된 양자 우물 구조의 활성층(12)에는, 도 3a의 적층 구조(40)에 나타낸 바와 같이, 적어도 상기 제 1 도전형층(11) 측에 배치된 제 1 장벽층(2a)과, 상기제 2 도전형층(13) 측에 배치된 제 2 장벽층(2b)과, 이들 제 1 장벽층(2a)과 제 2 장벽층(2b)으로 협지된 적어도 1개의 우물층(1)을 가지는 것이다. 특히, 이들 제 1 장벽층(2a)과 제 2 장벽층(2b)은 각각 가장 제 1 도전형층측, 제 2 도전형층측에 배치된 장벽층인 것이 바람직하고, 또한, 이들 장벽층은 활성층 내에서 가장 외측에 배치되는 것이 바람직하다. 이것은, 도 5a 및 도 5b에 나타낸 바와 같이, 내부에 배치된 내부장벽층(2c, 2d)과, 상기 제 1 장벽층(2a), 제 2 장벽층(2b)은 서로 다른 기능을 가지기 때문이다.
본 발명에서는, 이 장벽층들을 가지는 활성층에서 제 1 장벽층(2a)의 밴드 갭 에너지보다 제 2 장벽층(2b)의 밴드 갭 에너지가 작은 것을 특징으로 하고 있다. 구체적으로는, 도 3a, 도 3b, 도 5a 및 도 5b 등에 나타낸 바와 같이, 제 1 장벽층(2a)보다 제 2 장벽층(2b)이 밴드 갭 에너지가 작음으로써, 제 2 도전형층(13) 측으로부터의 캐리어 주입에 있어서, 도면에서 화살표로 나타낸 바와 같이, 종래의 경로(52)보다도 본 발명의 경로(51)가 더 장벽이 작아, 효율적인 우물층(1a)으로의 캐리어 주입을 실현할 수 있다. 또한, 제 2 도전형층(13) 측의 캐리어는, 도면에서 화살표로 나타낸 바와 같이, 밴드 갭 에너지가 크고, 제 1 도전형층(11) 측의 제 1 장벽층(2a)에 의해 우물층(1a) 내에 가두어진다. 이 때, 특히 바람직하게는, 제 1 도전형층(11)이 n형층이고, 제 2 도전형층(13)이 p형층이면, 도 3a, 도 3b, 도 5a 및 도 5b에 나타낸 바와 같이, 전도체 측에 비하여 가전자대 측에 큰 장벽이 형성됨으로써, 질화물 반도체와 같이 홀의 확산 길이가 전자에 비하여 작은 계에 있어서, 장벽층과 같은 박막으로, 작은 장벽에 의해서도 적합한 홀의 주입, 가둠이 실현된다. 또한, n형층(11)측, p형층(13)측의 소자 구조에서, 도 3a, 도 3b, 도 5a 및 도 5b에 나타낸 바와 같이, 질화물 반도체 소자에서는 pn 접합부가 활성층과 p형층(13)의 계면 근방에 형성되는 경향이 있고, 제 2 장벽층(2b)의 밴드 갭 에너지가 크면, 홀의 주입에 대한 장벽이 커지는 경향이 있기 때문이다.
한편, n형층(11)측과 p형층(13)측 사이에 활성층이 설치된 소자 구조에서, 전자의 가둠을 고려할 때, 도 3a, 도 3b, 도 5a 및 도 5b에 나타낸 바와 같이, p형층(13) 내의 활성층 근방에 전자 가둠의 캐리어 가둠층(28)을 배치함으로써, 상술한 pn접합부가 캐리어 가둠층(28) 근방에 형성되고, 전자를 가두는데 적합한 장벽이 형성되기 때문에, 상기 장벽층과 더불어 이용하는 것이 바람직하다. 이 때, 더 바람직하게는, 도 3a, 도 3b, 도 5a 및 도 5b에 나타낸 바와 같이, 활성층에 접하여 캐리어 가둠층(28)이 제 2 도전형층(13) 내에 설치됨으로써, 우물층 근방에 큰 장벽이 형성되어 가둠 효과를 높일 수 있어 바람직하고, 더 바람직하게는, 도 3a에 나타낸 바와 같이, 활성층(27) 내에서 제 2 도전형층(13) 측에서 가장 외측의 층으로서 배치된 제 2 장벽층(2b)에 접하여 캐리어 가둠층(28)이 형성됨으로써, 장벽이 작은 제 2 장벽층(2b)에서 가두기 어려운 제 1 도전형층(11) 측으로부터의 캐리어를 적합하게 가두는 구조를 실현할 수 있다.
본 발명의 일 실시예로서는, 상기 제 1 실시예에 조합하여 적용되는 것으로, 구체적으로는 도 3a, 도 3b, 도 5a 및 도 5b에 나타낸 바와 같이, 제 1 장벽층(2a)보다도 밴드 갭 에너지가 작은 제 1 반도체층(26)을 제 1 도전형층(11)측에 설치하는 것이며, 또한 제 2 도전형층(13)측에도 마찬가지로, 제 1 장벽층(2a)보다도 밴드 갭 에너지가 작은 제 2 반도체층(29)을 배치하는 것이다. 이 때, 제 2 도전형층(13)에 있어서 제 2 반도체층(29)을 설치하는 경우에, 상술한 캐리어 가둠층(28)을 개재하여 활성층으로부터 이간하여 제 2 반도체층(29)을 설치하는 것, 즉, 제 2 반도체층(29)과 활성층(12) 사이에 캐리어 가둠층(28)을 설치하는 것이 바람직하다.
이와 같이, 활성층(12), 특히 그 활성층(12) 내에서 가장 큰 밴드 갭 에너지를 가진 제 1 장벽층(2a)보다도 밴드 갭 에너지가 작은 질화물 반도체층을, 활성층(12)을 협지하는 제 1 도전형층(11)측 및 제 2 도전형층(13)측에 설치함으로써, 단파장 영역의 발광 소자에서 소자 특성을 향상시킬 수 있게 된다. 이것은, 상술한 바와 같이, 종래의 단파장 영역의 질화물 반도체 발광 소자에서, 도 4a 및 도 4b에 나타낸 바와 같이, 활성층보다도 밴드 갭 에너지가 큰 층, 즉, Al 혼성결정비가 높은 층을 설치할 필요가 있고, 열팽창 계수차 등의 영향으로 결정성이 악화된다. 본 발명에서는, 종래의 소자와는 달리, 활성층을 협지하는 제 1 도전형층(11)측 및 제 2 도전형층(13)측에 활성층보다도 밴드 갭 에너지가 작은 층을 설치함으로써, 결정성 악화를 억제하고, 양호한 결정성의 활성층, 소자 형성을 가능하게 한다. 또한, 실시예에 나타낸 바와 같이, 제 1 도전형층(11), 활성층(12), 제 2 도전형층(13)의 순서로 적층된 소자에서는, 활성층(12) 아래에 배치되는 제 1 도전형층(11)의 Al 혼성결정비를 작게 억제함으로써, 양호한 결정성으로 활성층의 형성이 가능해지고, 활성층을 협지하는 제 1 도전형층(11) 및 제 2도전형층(13)에 각각 활성층, 특히 제 1 장벽층(2a)보다도 Al 혼성결정비가 작은 층을 설치함으로써, Al을 함유하는 질화물 반도체에 의해 활성층에 인가되는 강한 응력을 완화시켜, 소자 구동이 우수한 활성층의 형성이 가능해진다.
이하, 본 발명의 소자에 사용되는 각 층에 대해서, 특히 단파장계에서의 실시예에 의거하여 상세하게 설명한다.
(레이저 소자, 도파로 구조)
본 발명의 일 실시예는, 질화물 반도체 소자 구조로서, 활성층을 제 1 도전형층 및 제 2 도전형층에 의해 협지하는 구조를 가지는 레이저 소자, 단면 발광 소자로 한다. 구체적으로는, 도 2a에 나타낸 바와 같이, 기판 위에 제 1 도전형층(11), 활성층(12), 제 2 도전형층(13)이 적층된 구조를 갖고, 더 나아가서는, 제 1 도전형층(11) 내에 제 1 광가이드층(26), 제 2 도전형층(13) 내에 제 2 광가이드층(29)이 적어도 설치되고, 이들 제 1 및 제 2 광가이드층(26, 29)에 의해 활성층을 협지하는 구조를 가지며, 제 1 및 제 2 광가이드층과 그 사이의 활성층으로 도파로를 형성한다. 또한，후술하는 바와 같이, 제 1 도전형층이 하부 클래드층(25), 제 2 도전형층이 상부 클래드층(30)을 각각 가지는 경우에는, 이 상부 및 하부 클래드층(25, 30)에 의해 협지되고, 활성층을 함유하는 영역이 도파로가 된다. 상부 클래드층(25) 및 하부 클래드층(30)에 의해 사이에 협지된 도파로 내에 광가이드층을 설치하면, 임계 전류 밀도를 저감시켜 고출력의 레이저 소자가 얻어진다. 이하, 도파로에 광가이드층을 가지는 소자 구조에 대해서, 특히 우물층의 밴드 갭 에너지가 GaN과 거의 동일하거나, 그것보다도 큰 와이드 밴드 갭의 단파장계에 대해서 설명한다.
본 발명의 제 1 실시예에 있어서, 도 2a에 나타낸 바와 같이, 도파로로서 활성층(12)과, 제 1 도전형층(11) 내의 제 1 광가이드층(29), 제 2 도전형층 내의 제 2 광가이드층(26)이 설치된 구조를 가지고, 특히 상술한 파장 380㎚ 이하의 활성층을 사용한 도파로가 설치된 구조를 특징으로 하는 소자이다.
이 도파로는, 주로 활성층으로부터의 광을 도파시키는 것이며, 이 도파로 구조에 의해 레이저 소자, 단면 발광 소자에서 발광 효율, 임계 전류 밀도, 그 이외의 소자 특성이 다양하게 변화한다. 광가이드층은 이와 같이 활성층을 협지하여 형성되지만, 제 1 도전형층 및 제 2 도전형층 중 적어도 한쪽에만 광가이드층을 형성하는 것, 즉, 제 1 광가이드층 또는 제 2 광가이드층만이어도 좋지만, 바람직하게는 활성층의 양측에 광가이드층을 설치함으로써, 임계 전류 밀도가 저하되어 고출력의 레이저 소자가 얻어진다.
본 발명의 제 1 광가이드층(26) 및 제 2 광가이드층(29)으로서는, Al을 함유하는 질화물 반도체가 사용되고, 또한, 도 3b, 도 5a 및 도 5b의 밴드 구조(41)로서 나타낸 바와 같이, 적어도 양자 우물 구조의 활성층(27) 내의 우물층(1)보다도 큰 밴드 갭 에너지를 가지며, 또한 활성층(27)과 광가이드층(26, 29)의 굴절률차를 작게 하여 도파로 구조로 한다. 또한, 광가이드층은 도 3b, 도 5a 및 도 5b에 나타낸 바와 같이, 광가이드층(26, 29)의 전부가 장벽층보다도 밴드 갭 에너지가 작아도 좋고, 도 4a 및 도 4b에 나타낸 바와 같이, 장벽층보다도 큰 층이 광가이드층의 일부로서 설치되어 있어도 좋다. 이 경우, 제 1 장벽층을 제외한 광가이드층,또는 그 일부가 장벽층보다도 밴드 갭 에너지를 크게 하거나, 또는 도 5b에 나타낸 바와 같이, 내부 장벽층, 제 2 장벽층, 즉, 활성층 중의 장벽층의 일부보다 광가이드층의 밴드 갭 에너지를 크게 할 수 있다. 즉, 바람직하게는, 광가이드층이 제 1 장벽층보다도 밴드 갭 에너지가 작은 제 1 반도체층을 가지는 것, 더욱 바람직하게는 제 1 반도체층으로 이루어지는 광가이드층, 또는 제 1 반도체층 이외의 층을 가지는 다층막의 광가이드층에서, 광가이드층 전체를 제 1 장벽층보다도 밴드 갭 에너지를 작게 함으로써, 상기 제 1 장벽층의 캐리어 가둠층으로서의 기능을 적합하게 발현할 수 있다. 또한, Al 혼성결정비가 작은 광가이드층을 형성함으로써, 예를 들어, 그것에 의해 하부 광가이드층이 형성되면, Al을 함유하는 질화물 반도체에 의한 결정성 악화를 억제하여 활성층을 형성할 수 있고, 발광 소자 및 레이저 소자 특성이 우수한 소자를 얻을 수 있다. 이 때, 더욱 바람직하게는, 광가이드층의 일부, 바람직하게는 전부의 밴드 갭 에너지를 내부 장벽층보다도 작게 하는 것, 더욱 바람직하게는, 제 1 장벽층보다도 작게 함으로써, 더욱 우수한 소자를 만들 수 있다. 즉, 상기 단파장계에서는, Al을 함유하는 질화물 반도체로 이루어지는 광가이드층의 일부, 바람직하게는 전부의 Al 혼성결정비를 내부 장벽층보다 작게 하고, 더 바람직하게는 제 2 장벽층보다도 작게 하는 것이다. 또한, 제 1 반도체층을, 제 1 도전형층 내의 광가이드층을 설치하는 것과 마찬가지로, 제 2 도전형층에 광가이드층을 설치할 경우에 있어서, 상술한 바와 같이, 제 2 장벽층보다도 밴드 갭 에너지가 작은 제 2 반도체층을 설치할 수도 있으며, 이 때의 작용도 제 1 반도체층과 마찬가지이다. 또한, 제 2 반도체층이 상부 광가이드층에 설치되는 경우에 있어서, 광가이드층의 조성으로서 구체적으로는, 1nαAlβGa1-α-βN(0≤α, 0<β, α+β≤1)이 사용된다. 바람직하게는, In을 함유하지 않는 질화물 반도체로 하는 것, 즉, In 조성비가 0인 질화물 반도체로 함으로써, In을 함유하지 않는 것에 의한 광의 흡수를 방지하고, 광의 손실을 낮게 억제한 도파로를 형성할 수 있다. 또한, 바람직하게는 AlβGa1-βN(0≤β≤1)을 사용함으로써, 자외선 영역으로부터 적색역까지의 폭넓은 파장 영역에 적용할 수 있는 도파로가 형성된다. 특히, 상기 파장 380㎚ 이하의 단파장 영역의 광을 도파시키기 위해서는, 바람직하게는 AlβGa1-βN(0<β≤1)이 사용된다. 이것은, GaN에서는 상기 단파장 영역의 광을 흡수하고, 그것이 손실로 되어, 임계 전류 밀도, 전류-광출력 특성을 악화시키기 때문이다. 특히, 광가이드층의 Al 조성비 β는 광가이드층의 밴드 갭 에너지 Eg, 활성층 발광의 광자 에너지 Ep에 비하여, 0.05eV 이상 커지도록(Eg-Ep≥0.05eV) 조정하는 것이 바람직하다. 이것에 의해, 상기 단파장 영역에서, 가이드층에 의한 광의 손실이 억제된 도파로가 형성되기 때문이며, 더욱 바람직하게는 Eg-Ep≥0.1로 함으로써, 더욱 우수한 도파로를 형성할 수 있다. 즉, 이 조건을 충족시키고, 또한, 상술한 제 1 장벽층보다도 밴드 갭 에너지를 작게 한 광가이드층으로 함으로써 소자 특성이 우수한 도파로가 형성된다.
또한, 제 1 광가이드층(26) 및 제 2 광가이드층(29)은 어느 한쪽 또는 양쪽이 단일막으로 형성되어 있어도 좋고, 다층막으로 형성되어 있어도 좋다. 단일막의 질화물 반도체로 이루어지는 광가이드층을 형성할 경우에는, 도 3a에 나타낸 바와 같이, 활성층(27)을 협지하는 제 1 광가이드층(26), 제 2 광가이드층(29)의 적층 구조(40)가 설치되고, 그 밴드 구조(41)는 활성층보다도 밴드 갭 에너지가 커지도록 한다. 구체적으로는, 상기 AlβGa1-βN(0≤β≤1)을 사용하는 것이며, 상기 단파장 영역에서는 AlβGa1-βN(0<β≤1)을 사용하고, 더욱 바람직하게는 상술한 바와 같이 제 1 광가이드층 및 제 2 광가이드층의 밴드 갭 에너지 Eg가 광자 에너지 Ep에 비하여, 0.05eV 이상 커지도록(Eg-Ep≥0.05eV, 바람직하게는 Eg-Ep≥0.1) Al 조성비 β를 조절한다.
제 1 광가이드층(26) 및 제 2 광가이드층(29)의 막 두께는, 특별히 한정되지 않으며, 구체적으로는 10㎚ 이상 5㎛ 이하의 범위이고, 바람직하게는 20㎚ 이상 1㎛ 이하의 범위이며, 더 바람직하게는 50㎚ 이상 300㎚ 이하의 범위로 한다. 이것에 의해, 10㎚ 이상에서 가이드층으로서 기능하고, 20㎚ 이상으로 함으로써 임계 전류 밀도를 저하시키는 도파로가 형성되는 경향이 있으며, 50㎚ 이상으로 함으로써 임계 전류 밀도를 더 저하시키는 경향이 있기 때문이다. 또한, 5㎛ 이하에서는 가이드층으로서 기능하고, 1㎛ 이하에서 광이 도파할 때의 손실을 감소시켜, 300㎚ 이하로 함으로써 광의 손실을 더욱 억제할 수 있는 경향이 있기 때문이다.
본 발명의 광가이드층을 다층막의 질화물 반도체로 구성해도 좋고, 그 경우도 상기와 마찬가지로, In을 함유하지 않는 질화물 반도체를 사용하는 것이 바람직하며, 또한, 상기 AlβGa1-βN(0≤β≤1)을 사용하는 것이 바람직하고, 상기 단파장 영역에 있어서는 AlβGa1-βN(0<β≤1)을 사용하는 것이 바람직하며, 이 질화물 반도체를 사용하여 적어도 조성이 서로 다른 질화물 반도체층을 각각의 광가이드층에 1층 이상 사용한 다층막으로 한다. 구체적으로는, 제 1 광가이드층(26)에 제 1 층, 제 1 층과 상이한 조성의 제 2 층, 제 2 광가이드층(29)에 제 3 층과, 제 3 층과 상이한 조성의 제 4 층을 사용한다. 여기서, 제 1 내지 제 4 층은 질화물 반도체로 이루어진다. 이것에 의해, 각 가이드층 내의 제 1 층과 제 2 층의 사이, 제 3 층과 제 4 층의 사이에서 Al 조성비를 상이하게 하여, 밴드 갭 에너지 및 굴절률이 상이한 다층막 구조로 해도 좋다.
예를 들면, 제 1 도전형층, 활성층, 제 2 도전형층이 적층된 구조에서, 제 1 광가이드층이 제 1 층과 제 2 층을 가지고, 제 2 광가이드층이 제 3 층과 제 4 층을 가지며, 제 2 층과 제 3 층을 활성층 측에 배치하고, 제 1 층과 제 4 층을 활성층으로부터 먼 위치에 배치한 구조로 하여, 밴드 갭 에너지를 활성층에 근접시킴에 따라서 단계적으로 작아지게 한 구조로 한다. 구체적으로는, 활성층 측의 제 2 층, 제 3 층의 Al 조성비 β2, β3을 활성층으로부터 먼 제 1 층, 제 4 층의 Al 조성비 β1, β4보다도 작게 하는 것, β1>β2, β4>β3으로 함으로써, 단계적인 밴드 구조가 되고, 도파로 내의 활성층에 캐리어가 효율적으로 주입되며, 또한, 활성층 및 활성층 부근의 굴절률이 커지기 때문에, 도파로 내에서 활성층 부근에 광이 많이 분포된 구조로 할 수 있다. 이와 같이, 광가이드층을 다층막으로 하는데는,Al 조성비를 크게 하면 결정성이 악화되는 경향이 있고, 단일막으로 광가이드층을 형성하는 것이 결정성의 악화때문에 곤란한 경우, 또는 특성 악화가 발생할 경우에, 다층막으로 형성하여 결정성의 악화를 작게 억제할 수 있기 때문이다. 또한, 상기 β1>β2, β4>β3와는 반대로, β1<β2, β4<β3로 하여, 활성층에 가까운 가이드층(제 2 층, 제 3 층)의 밴드 갭 에너지를 크게 하고, 굴절률을 작게 하며, 먼 가이드층(제 1 층, 제 4 층)을 작게 하고, 굴절률을 크게 할 수도 있지만, 바람직하게는 상기 캐리어 주입, 광의 분포가 양호해지기 때문에, β1>β2, β4>β3로 하는 것이다. 또한, 다층막의 광가이드층으로 하는 경우에, 상기, 제 1 내지 제 4 층에 한정되지 않고, 각 광가이드층을 3층 이상으로 구성해도 좋고, 제 1 층(제 3 층)과 제 2 층(제 4 층)을 번갈아 복수 적층한, 즉, 제 1 층과 제 2 층을 한쌍으로 하여 복수의 쌍을 적층하여 가이드층을 구성해도 좋다. 또한, 다층막의 광가이드층으로 하는 경우에는, 상기 조건식 Eg－Ep≥0.05eV를 계산하는 경우에는, 광가이드층 전체의 평균 조성에 의해 산출한다. 예를 들면, AlβGa1-β1N(0<β1≤1)으로 이루어지는 막 두께 d1의 제 1 층, Alβ2Ga1-β2N(0<β2≤1, β1≠β2)으로 이루어지는 막 두께 d2의 제 2 층으로 제 1 광가이드층을 구성할 경우에는, Al의 평균 조성 βm은 각 구성층의 막 두께로 가중 평균한 다음 식 βm=(d1×β1+d2×β2)/(d1+d2)에 의해 얻어진다.
또한, 본 발명의 광가이드층에서, 활성층에 근접함에 따라 밴드 갭 에너지가작아지도록 조성 경사시킨 GRIN 구조로 해도 좋다. 구체적으로는, Al 조성비 β를 경사시키는 것, 즉, 활성층에 근접함에 따라 Al 조성비 β가 작아지도록 조성 경사시킴으로써, GRIN 구조로 할 수 있어 캐리어의 주입 효율이 향상된다. 이 때, 조성 경사는 도 8a에 나타낸 바와 같이 연속적으로 조성을 경사시켜도 좋고, 불연속적으로 단계적으로 조성을 경사시켜도 좋다. 또한, 초격자 다층막 구조와 같이, 예를 들어, 상기 제 1 광가이드층의 제 1 층/제 2 층을 번갈아 적층한 복수쌍을 가지는 구조에서도, Al을 조성 경사시켜, 활성층에 근접함에 따라 밴드 갭 에너지가 작아지도록 해도 좋고, 이 경우, 적어도 어느 한쪽 층만을, 예를 들어, 제 1 층만을 조성 경사시켜도 좋고, 쌍을 구성하는 모든 층, 예를 들어, 제 1 층 및 제 2 층을 조성 경사시켜도 좋다. 또한, 광가이드층의 막 두께 방향에서 부분적으로 조성 경사가 마련되어 있어도 좋고, 바람직하게는 막 두께 방향의 모든 영역에서 조성 경사시키는 것이 캐리어의 주입 효율이 더 향상되는 경향이 있다.
또한, 다층막의 광가이드층에서, 다층막의 초격자 구조로 해도 좋고, 초격자 구조를 사용함으로써, 상기 Al을 함유하는 질화물 반도체에 의한 결정성의 악화를 억제하여, 양호한 결정성의 도파로를 형성할 수 있다. 구체적으로는, 제 1 광가이드층(26)에서, 상기 제 1 층과 제 2 층을 번갈아 적층하여, 적어도 한쪽을 2층 이상, 바람직하게는 각 층을 2층 이상으로 하는 것, 또는 제 1 층과 제 2 층을 한 쌍으로 하여 복수쌍을 적층한 구조로 한다. 이 때, 각 층의 질화물 반도체의 조성은 상기와 마찬가지이지만, 바람직하게는 제 1 층/제 2 층이,Alβ1Gal-β1N(0≤β1≤1)/Alβ2Ga1-β2N(0≤β2≤1, β1≠β2), 상기 단파장 영역에 있어서는 Alβ1Gal-β1N(0<β1≤1)/Alβ2Ga1-β2N(0<β2≤1, β1≠β2)을 사용함으로써, 광의 손실을 억제하고, 또한, 초격자 구조에 의해 결정성의 악화도 억제한 도파로가 형성된다. 광가이드층을 초격자 구조로 하기 위해서, 다층막을 구성하는 각 층의 막 두께가 초격자가 되도록 설정하는 것이며, 조성 및 각 층의 조합에 의해 그 막 두께는 다르지만, 구체적으로는 10㎚ 이하로 하는 것이며, 바람직하게는 7.5㎚ 이하로 함으로써 결정성을 양호하게 유지할 수 있고, 더 바람직하게는 5㎚ 이하로 함으로써 보다 양호한 결정성을 얻을 수 있다.
또한, 본 발명의 광가이드층에 있어서, 각 도전형의 불순물은, 적어도 층의 일부에 도프되는 것이 캐리어의 이동·주입이 양호해지기 때문에 바람직하고, 이 때 도전형의 불순물은 광가이드층의 일부 또는 부분적으로 도프하는 형태, 전체적으로 도프하는 형태 중 어느 하나이어도 좋다. 또한, 다층막의 광가이드층에 있어서는, 예를 들면 상기 제 1 층, 제 2 층을 가지는 제 1 광가이드층에 있어서, 양쪽에 도프해도 좋고, 또는 제 1 층과 제 2 층에서 다른 도프량으로 하거나, 한 쪽은 도프하고, 다른 쪽을 언도프로 한 변조 도프로 해도 좋다. 예를 들면, 상기 제 1 광가이드층에 있어서 제 1 층과 제 2 층을 번갈아 적층한, 또는, 복수쌍을 설치한 구조와 같은 초격자 다층막 구조에 있어서 바람직하게는, 한쪽 층, 예를 들면 제 1 층에만 도프한 변조 도프로 함으로써, 불순물 도프에 의한 결정성의 악화를 억제할 수 있다. 더 바람직하게는, Al 조성비가 낮은 층에만 도프함으로써, 결정성이 양호한 층에 도프할 수 있고, 불순물 도프에 의한 결정성의 악화를 억제하고, 불순물 도프에 의한 활성화도 양호해져 바람직하다. 이것은, 예를 들면, 상기 제 1 층/제 2 층이, Alβ1Gal-β1N(0≤β1≤1)/Alβ2Ga1-β2N(0<β2≤1, β1<β2)의 초격자 다층막 구조인 제 1 광가이드층에 있어서, Al 조성비가 작은 제 2 층에 불순물 도프하고 제 1 층을 언도프로 함으로써, Al 조성비가 작은 제 2 층은 제 1 층보다 결정성이 좋고, 이 때문에 이 결정성이 좋은 층에 불순물 도프함으로써, 양호한 활성화가 실현되어, 캐리어의 이동·주입이 우수한 광가이드층이 된다.
또한, 본 발명의 광가이드층의 불순물 도프에 대하여, 도 8b∼도 8d에 도프량 변화(42)로서 나타낸 바와 같이, 제 1, 2 의 광가이드층(26, 29)에 있어서, 불순물 도프량을 활성층에 근접함에 따라서 도프량을 작게 하는, 또는, 활성층으로부터 먼 영역에 비하여 활성층에 가까운 영역의 도프량을 작게 하면, 도파로, 특히 광가이드층 내에 있어서 광의 손실을 더욱 감소시키고, 양호한 광의 도파를 실현할 수 있으며, 임계 전류 밀도의 저감, 구동 전류의 저감화를 도모할 수 있다. 이것은, 불순물 도프한 영역을 광이 도파하면, 불순물에 의해 광의 흡수가 발생하기 때문에 광의 손실이 발생하기 때문이다. 이에 더하여, 도파로는 상술한 바와 같이, 제 1 광가이드층(26)과 제 2 광가이드층(29)으로 활성층(27)을 협지하는 구조를 적어도 갖고 있고, 또한 그 가이드층의 외측 또는 도파로를, 가이드층보다 굴절률이 작은 상부·하부 클래드층(25, 30)으로 협지하는 구조로 광이 도파로 내에 갇힌 구조가 되어, 도파로 내의 활성층(27) 및 활성층 근방에 많은 광이 분포되기 때문에,그 활성층 근방의 영역에 있어서 불순물 도프량을 적게 함으로써, 즉 활성층 측에 저농도 불순물 영역을 설치하고, 그 외측(활성층으로부터 떨어진 영역)에 고농도 불순물영역을 설치함으로써, 광이 많이 분포하는 영역에서의 광의 손실이 감소하게 되어, 광의 손실이 적은 도파로를 형성할 수 있다. 구체적으로는, 제 1 광가이드층(26), 제 2 광가이드층(29)에 있어서, 각 층의 막 두께의 반으로 영역을 구획하여 활성층에 가까운 영역과 먼 영역을 고려했을 경우, 활성층에 가까운 영역의 도전형 불순물 농도를 활성층에 먼 영역의 불순물 농도보다도 작게 하는 것이고, 활성층에 가까운 영역이 저농도 불순물 영역, 활성층에 먼 영역이 고농도 불순물 영역이 된다. 광가이드층의 불순물 농도는, 특별히 한정되지 않지만, 구체적으로는 활성층에 가까운 영역에 있어서 5×1017/㎤ 이하로 한다. 여기서, 상기 불순물 도프는, 제 1 광가이드층에 제 1 도전형의 불순물을 도프, 제 2 광가이드층에 제 2 도전형의 불순물을 도프하는 것을 가리키는 것이다.
광가이드층 내에서 도프량을 변화시키는 형태의, 구체적인 예로서, 각 광가이드층 내에 있어서, 활성층에 근접함에 따라 완만하게 연속적으로 도프량을 줄이는 형태(42a), 불연속적으로 단계적으로 도프량을 줄이는 형태(42b), 또 그 단계적인 도프량 변화를 상세하게 하여, 광가이드층 내에서 부분적으로 도프량 변화를 마련하는 형태(42c) 중 어느 하나이어도 좋고, 또 이들을 조합하여 사용해도 좋다. 바람직하게는, 광가이드층 내에 있어서, 활성층 측으로부터의 거리가 50㎚ 이하인 영역을 언도프(저농도 불순물 영역)로 함으로써, 광의 손실을 저감시킬 수 있게 되고, 바람직하게는 100㎚ 이하의 영역을 언도프(저농도 불순물 영역)로 함으로써, 양호한 광손실의 저감, 임계 전류 밀도, 구동 전류의 저감이 가능해진다. 이 때, 광가이드층의 막 두께는, 언도프 영역(저농도 불순물 영역)을 50㎚ 이하의 영역으로 하는 경우에는 50㎚ 이상으로 하고, 100㎚ 이하의 영역으로 하는 경우에는, 100㎚ 이상으로 한다. 이 때, 상기 언도프 영역을 광가이드층 내에 설치하는 경우, 바람직하게는, 상술한 조성 경사 구조의 광가이드층과 조합하여 사용하는 것이고, 이것은 도 8a에 나타낸 바와 같이, 밴드 갭 에너지가 활성층에 근접함에 따라 작아지는 밴드 구조이기 때문에, 불순물 도프되지 않는 영역이 활성층 근방에 설치되어도, 캐리어의 주입 효율의 저하를 억제한 광가이드층이 형성되기 때문이다. 이 때, 조성 경사의 광가이드층은 상술한 바와 같이, GRIN 구조가 바람직하고, 또 상기 다층막 구조에서, 밴드 갭 에너지가 활성층에 근접함에 따라 작아지는 구조이더라도 언도프 영역의 형성에 효과가 있다. 여기서, 각 광가이드층 내에 있어서, 성장시에 불순물을 도프하지 않아도, 즉 언도프로 광가이드층을 성장시켜도, 인접층으로부터 불순물이 확산되는 경우가 있으며, 그 경우에는 언도프로 성장시킨 상기 영역에 있어서도, 불순물이 도프되게 된다. 구체적으로는, p형 불순물로서 바람직하게 사용되는 Mg은, 이러한 확산 현상이 일어나기 쉽고, 실시예 1에서 나타낸 바와 같이, 언도프로 p측 광가이드층을 형성해도, 인접층인 전자 가둠층과 클래드층으로부터의 확산에 의해, p형 불순물이 도프된다. 이와 같이, 확산에 의해 불순물 도프가 이루어지는 경우에는, 상술한 바와 같이, 활성층에 가까운 영역의 불순물 농도를 먼 영역보다도 작게 하는 것이다. 이러한 도프 영역은, 적어도 한쪽의 광가이드층에 설치하는 것이 바람직하고, 더 바람직하게는 양쪽의 광가이드층에 설치함으로써 광의 손실을 저감시킨 도파로가 된다. 또한, 도 8b∼도 8d에서의 61, 62 는 각 광가이드층에서의 도프량 변화를 나타내고 있다.
또한, 상기 광가이드층에서의 층 구성, 불순물 도프의 형태, 조성, 막 두께 등은 제 1 광가이드층, 제 2 광가이드층에서 동일해도 좋고, 다르게 해도 좋다. 예를 들면, 제 1 광가이드층을 단일막으로 하고, 제 2 광가이드층을 다층막으로 하여, 양쪽 광가이드층의 층 구성을 다르게 한 형태 등이 있다.
(클래드층)
본 발명의 일 실시예에 있어서, 제 1 도전형층, 활성층, 제 2 도전형층이 적층된 구조로, 제 1 도전형층이 하부 클래드층을 갖고, 제 2 도전형층이 상부 클래드층을 가지는 질화물 반도체 소자로 하여도 좋다. 구체적으로는, 도 2a에 나타낸 바와 같이, 기판 상에 제 1 도전형층(11), 활성층(12), 제 2 도전형층(13)이 적층된 구조를 갖고, 또한, 제 1 도전형층(11) 내에 하부 클래드층(25), 제 2 도전형층(13) 내에 상부 클래드층(30)이 적어도 설치되고, 이들 상부, 하부 클래드층(25, 30)으로 활성층을 협지하는 구조를 갖고 있다. 상부 클래드층(25), 하부 클래드층(30)에 의해 광 가둠이 이루어지고, 그들에 협지된 도파로 내에 상술한 광가이드층을 설치해도 좋다. 이하에, 클래드층을 가지는 소자 구조에 대하여 설명한다.
상부, 하부 클래드층(25, 30)의 조성은, 도 3b, 도 5a 및 도 5b의 밴드 구조(41)에 나타낸 바와 같이, 활성층(우물층)보다도 밴드 갭 에너지가 커지도록하는 것이고, 또 상기 레이저 소자, 단면 발광 소자에 있어서 제 1, 2 광가이드층(26, 29)을 가지는 경우에는, 광가이드층과 동등하거나 그것보다 크게 하고, 굴절률을 광가이드층보다 작게 한다. 이것은, 상부·하부 클래드층을 캐리어 가둠, 광 가둠으로서 기능시키는 것이며, 광가이드층을 가지는 경우에는 광 가둠층으로서 기능시킨다. 클래드층에 사용되는 질화물 반도체로서는, Al을 함유하는 질화물 반도체가 바람직하게 사용되고, InaAlbGa1-a-bN(0≤a, 0<b, a+b≤1)로 나타나는 질화물 반도체가 사용된다. 바람직하게는, In 조성비 a가 0인 질화물 반도체를 사용함으로써, In을 함유하는 질화물 반도체에서는 클래드층 내에서 광의 흡수에 의한 손실이 발생하기 쉬운 경향이 있기 때문이다. 이 때문에, 바람직하게는 AlbGa1-bN(0<b≤1)로 나타나는 질화물 반도체를 사용함으로써, 양호한 광 가둠, 또한 가이드층을 설치하지 않는 경우에는 양호한 캐리어 가둠이 가능해진다. 레이저 소자, 단면 발광 소자에 있어서 도파로를 상부, 하부 클래드층으로 협지하는 구조에 있어서, 도파로와 클래드층의 사이, 구체적으로는 활성층 및/또는 광가이드층의 사이에 충분한 굴절률차를 마련하여, 도파로 내에 광이 갇혀 광이 도파하는 구성으로 한다. 이러한 굴절률차를 마련하기 위해서는, AlbGa1-bN(0<b≤1)이 바람직하게 사용되고, 광가이드층의 Al 조성(평균 조성)비 β와의 사이에서, 적어도 β≤b의 관계를 충족시키도록 하고, 바람직하게는 b-β≥0.05가 되도록 함으로써 충분한 굴절률차가 마련된다. 또한, 클래드층에 의한 광의 가둠은, 클래드층의 막 두께에도 의존하기 때문에, 막 두께도 고려하여 질화물 반도체의 조성을 결정한다. 본 발명의실시예에서는, 도 2b에 나타낸 바와 같이, 각 클래드층의 Al 혼성결정비(평균 조성)를 제 1 장벽층보다도 작게 함으로써, 광 가둠에 필요한 굴절률차를 광가이드층과의 사이에 마련하고, 또한, 두꺼운 막으로 클래드층을 형성할 수 있다. 즉, 상술한 Al 혼성결정비가 활성층, 특히 제 1 장벽층보다도 낮은 광가이드층에 대해서 원하는 굴절률차가 마련된 클래드층을 형성함으로써, 클래드층의 Al 혼성결정비를 작게 할 수 있게 된다. 또한, 실시예에서는, 제 2 장벽층보다도 밴드 갭 에너지가 작은 광가이드층이 형성되어 있기 때문에, 클래드층의 Al 혼성결정비를 최대한 낮게 억제한 구조가 되어, 소자 특성이 우수한 단파장계의 질화물 반도체 소자가 얻어진다.
본 발명의 클래드층은, 상기 광가이드층과 마찬가지로, 단일막으로 형성해도 좋고, 다층막으로 형성해도 좋고, 또 다층막 초격자 구조로 해도 좋다. 단일막으로 클래드층을 형성하는 경우에는, 상기 질화물 반도체로 이루어지는 단일막을 형성함으로써, 다층막으로 형성하는 경우에 비하여, 광, 캐리어 가둠 구조의 설계가 용이하고, 또 클래드층의 성장에 걸리는 시간을 단축할 수 있다. 한편, AlGaN 등의 Al을 함유하는 질화물 반도체는, 양호한 결정성으로 성장시키기 어렵고, 특히 단일막과 같이, 어느 일정 이상의 막 두께로 성장 시키면 크랙이 발생하기 쉬워진다.
클래드층을 다층막으로 형성하는 경우에는, 조성이 다른 질화물 반도체를 복수 적층하는 것이며, 구체적으로는 Al 조성비가 다른 질화물 반도체를 복수 적층한다. 이와 같이 다층막으로 형성하면, 단일막일 때의 결정성의 악화, 크랙의 발생을 억제할 수 있게 된다. 구체적으로는, 다층막으로서 제 1 층과, 그것과 다른 조성의 제 2 층을 적층하고, 굴절률, 밴드 갭 에너지가 다른 층을 복수 설치한다. 예를 들면, Al 조성비 bl의 제 1 층과, Al 조성비 b2(bl≠b2)의 제 2 층을 적층한 구조의 다층막이어도 좋고, 이 때 Al 조성비를 bl<b2(0≤bl, b2≤1)으로 한 구성으로 하면, Al 조성비가 큰 제 1 층에서 굴절률, 밴드 갭 에너지를 크게 하고, Al 조성비가 작은 제 2 층에서 제 1 층의 형성에 의한 결정성의 악화를 억제할 수 있다. 또한, 제 1 층, 제 2 층을 적층하고, 제 2 층과 조성이 상이한 제 3 층을 적층하거나, 또한 조성이 다른 복수의 층을 적층해도 좋다. 또한, 제 1 층, 제 2 층을 번갈아 복수 적층한 구조이어도 좋고, 적어도 제 1 층, 제 2 층을 가지는 쌍을 여러개 형성한 구조로 해도 좋다. 이러한, 다층막 구조에서는, Al을 함유하는 질화물 반도체의 결정성 악화를 억제하여 막 두께를 두껍게 할 수 있기 때문에, 광 가둠에 있어서 중요한 막 두께를 얻을 수 있게 된다.
다층막 구조의 클래드층에 있어서, 초격자 구조로 함으로써, 또한 결정성을 양호한 것으로 하여, 클래드층을 형성할 수 있어 바람직하다. 여기서, 초격자 구조는, 클래드층의 적어도 일부에 설치하는 것이며, 바람직하게는 전부에 초격자 구조를 설치함으로써, 양호한 결정성으로 클래드층을 형성할 수 있다. 이 때, 초격자 구조로서는, 광가이드층의 경우와 마찬가지로, 적어도 제 1 층과 제 2 층을 번갈아 여러쌍 적층하거나, 적어도 제 1 층과 제 2 층을 가지는 쌍을, 복수쌍 설치한 구조로 한다. 초격자 구조를 구성하는 각 층의 막 두께는, 조성 및 각 층의 조합에 의해 그 두께는 다르지만, 구체적으로는 10㎚ 이하로 하고, 바람직하게는 7.5㎚이하로 함으로써 결정성을 양호하게 유지할 수 있고, 더욱 바람직하게는 5㎚ 이하로 함으로써 보다 양호한 결정성으로 할 수 있다.
클래드층에는, 적어도 각 도전형의 불순물을 도프하는 것이 바람직하고, 광가이드층과 마찬가지로, 전체에 도프하거나 부분적으로 도프하여도 좋다. 또한, 다층막의 경우에도 광가이드층과 마찬가지로, 예를 들면 상기 제 1 층, 제 2 층을 가지는 다층막에서 양쪽에 도프해도 좋고, 또는 제 1 층과 제 2 층에서 다른 도프량으로 하거나, 한쪽은 도프하고, 다른쪽은 언도프로 한 변조 도프로 해도 좋다. 예를 들면, 상기 제 1 층/제 2 층이, Alb1Ga1-b1N(0≤b1≤1)/Alb2Ga1-b2N(0<b2≤b1, b1<b2)의 초격자 다층막 구조인 경우에, Al 조성비가 작은 제 2 층에 불순물 도프하고, 제 1 층을 언도프로 함으로써, 광가이드층과 마찬가지로 결정성을 좋게 할 수 있다.
클래드층의 막 두께는 특별히 한정되지 않지만, 10㎚ 이상 2㎛ 이하, 50㎚ 이상 1㎛ 이하의 범위에서 형성한다. 즉, 10㎚ 이상으로 함으로써 캐리어의 가둠이 가능해지고, 2㎛ 이하로 함으로써 결정성의 악화를 억제하고, 또한 50㎚ 이상으로 함으로써 광 가둠이 가능해져 레이저 소자, 단면 발광 소자 등에 사용할 수 있고, 1㎛ 이하로 함으로써 양호한 결정성으로 클래드층을 형성할 수 있다.
여기서, 상부 클래드층, 하부 클래드층으로는, 상기 단파장계에 있어서 Al을 함유하는 질화물 반도체가 바람직하게 사용되고, 이것에 의해 도파로와 양 클래드층 사이에서 굴절률차를 크게 취할 수 있다. 이 때, 클래드층의 질화물 반도체는,In을 함유하지 않는 것이 바람직하고, 왜냐하면, In을 함유하는 질화물 반도체는 In을 함유하지 않는 경우에 비하여 결정성이 악화되는 경향이 있고, 특히, 활성층 위에 p측 클래드층을 가지는 구조에서는, 그 p측 클래드층에 In을 함유하는 질화물 반도체를 사용하면, 결정성의 악화가 커서 소자 특성을 크게 악화시키게 되기 때문이다. 이 때, 클래드층에 사용하는 질화물 반도체로서 구체적으로는, AlbGa1-bN(0<b<1)이 바람직하게 사용된다.
(캐리어 가둠층<p측 전자 가둠층>)
본 발명에 있어서, 도 3b, 도 5a 및 도 5b의 밴드 구조(41)에 나타낸 바와 같이, 활성층(27) 내부, 또는 활성층 근방에 캐리어 가둠층(28)을 설치하는 것이 상기 활성층 내에서의 제 1, 2 장벽층 비대칭 구조와의 조합에 있어서 바람직하다. 도 2a, 도 3a, 도 5a 및 도 5b에 나타낸 바와 같이, 레이저 소자, 단면 발광 소자와 같이, 광가이드층(26, 29), 클래드층(25, 30)을 가지는 구조의 경우에는, 광가이드층(26, 29)과 활성층(27)의 사이, 또는, 활성층 또는 광가이드층의 일부로서 설치하면 좋다. 여기서, 이 캐리어 가둠층은 캐리어를 활성층 또는 우물층 내에 가두는 것이며, 레이저 소자, 고출력의 발광 소자 등에 있어서, 소자 구동 등에 의한 온도 상승, 전류 밀도 증대에 의해 캐리어가 활성층을 오버플로하는 것을 방지할 수 있게 되어, 활성층 내에 캐리어가 효율적으로 주입되는 구조가 가능해진다. 구체적으로는 도 3a, 도 5a 및 도 5b에 나타낸 바와 같이, 제 2 도전형층측에 배치된 캐리어 가둠층(28b)에 의해 제 1 도전형층으로부터의 캐리어를 가두고, 제 1 도전형층측의 캐리어 가둠층(28a)에 의해 제 2 도전형층으로부터의 캐리어를 가둔다. 이 캐리어 가둠층은 적어도 한쪽에 설치하는 것이 바람직하고, 실시예 1에 나타낸 바와 같이, 제 1 도전형층을 n형, 제 2 도전형층을 p형으로 한 소자에 있어서, 적어도 p형층측에 캐리어 가둠층을 설치하는 것이 바람직하다. 이것은, 질화물 반도체에 있어서, 전자의 확산 길이가 홀의 확산 길이에 비하여 길기 때문에, 전자 쪽이 활성층을 오버플로하기 쉽고, 이 때문에 전자를 가두는 캐리어 가둠층(28)을 p형층측에 설치함으로써, 고출력의 레이저 소자, 발광 소자가 얻어진다. 특히, 밴드 갭 에너지가 작은 제 2 장벽층과 조합하여 사용한 소자에 대하여,이하 p형층측에 캐리어 가둠층을, p측 전자 가둠층으로서 설치하는 예를 설명하는데, 그것은 도전형층을 바꿈으로써, n형층측에도 적용할 수 있는 것이다. 특히, p측 전자 가둠층을 적어도 설치하는 것이 바람직하고, 이것은 전자가 홀에 비하여 캐리어 확산 길이가 길고, 활성층을 오버플로하기 쉽기 때문이다.
이 p측 전자 가둠층으로서는, Al을 함유하는 질화물 반도체를 사용하며, 구체적으로는 AlcGa1-cN(0<c<1)을 사용한다. 이 때, Al 조성비 c로서는, 캐리어 가둠층으로서 기능하도록, 활성층보다 충분히 큰 밴드 갭 에너지를 가질(오프셋을 취함) 필요가 있으며, 적어도 0.1≤c<1의 범위로 하고, 바람직하게는 0.2≤c<0.5의 범위로 한다. 왜냐하면, c가 0.1이하이면 레이저 소자에 있어서, 충분한 전자 가둠층으로서 기능하지 못하고, 0.2이상이면 충분히 전자가 가두어져(캐리어의 가둠) 캐리어의 오버플로를 억제하고, 또한 0.5이하이면 크랙의 발생을 낮게 억제하여 성장시킬 수 있으며, 더욱 바람직하게는 c를 0.35이하로 함으로써 양호한 결정성으로 성장시킬 수 있다. 또한, 상기 광가이드층을 가지는 경우에는, 그것보다도 큰 밴드 갭 에너지의 캐리어 가둠층으로 하는 것이 바람직하고, 상기 클래드층을 가지는 경우에는, 클래드층과 거의 동일하거나 그것보다도 큰 밴드 갭 에너지의 캐리어 가둠층으로 하는 것이다. 이것은 캐리어를 가두는데는 광을 가두는 클래드층보다 높은 혼성결정비의 질화물 반도체가 필요해지기 때문이다. 이 p측 전자 가둠층은, 본 발명의 질화물 반도체 소자에 사용할 수 있고, 특히 레이저 소자와 같이, 대전류로 구동시켜, 다량의 캐리어를 활성층 내에 주입할 경우에 있어서, p측 전자 가둠층을 갖지 않는 경우에 비하여 효과적인 캐리어의 가둠을 가능하게 하여, 레이저 소자뿐만 아니라 고출력의 LED에도 사용할 수 있다. 또한, 이 때, 제 1 장벽층보다도 밴드 갭 에너지가 큰 캐리어 가둠층으로 함으로써, 상기 활성층 비대칭 구조에 있어서 우수한 소자 특성을 얻을 수 있다.
본 발명의 캐리어 가둠층의 막 두께는, 적어도 100㎚ 이하로 하며, 바람직하게는 40㎚ 이하로 한다. 이것은, Al을 함유하는 질화물 반도체는, 다른 질화물 반도체(Al을 함유하지 않음)에 비하여 벌크 저항이 크고, 또한 p측 전자 가둠층의 Al 혼성결정비는 상술한 바와 같이 높게 설정되기 때문에, 100nm을 초과하여 소자 내에 설치하면, 매우 고저항의 층이 되어 순방향 전압 Vf가 대폭 증가되기 때문이며, 40㎚ 이하이면 Vf의 상승을 낮게 억제할 수 있고, 더욱 바람직하게는 20㎚ 이하로 함으로써 더욱 낮게 억제할 수 있게 된다. 여기서, p측 전자 가둠층의 막 두께의 하한으로는, 적어도 1㎚ 이상, 바람직하게는 5㎚ 이상으로 함으로써, 전자 가둠으로서 양호하게 기능한다. 여기서, 캐리어 가둠층은 단일막으로 형성해도 좋고, 조성이 다른 다층막으로 형성해도 좋다.
또한, 본 발명의 질화물 반도체 소자에 있어서, 광가이드층을 설치하지 않고, 클래드층만을 설치할 경우에는, 활성층과 클래드층의 사이에 상술한 바와 같이, 캐리어를 가두기에 충분한 밴드 오프셋이 존재하면, 캐리어 가둠층을 클래드층과는 별도로 설치할 필요는 없지만, 광가이드층을 가지는 구조와 같이, 클래드층이 활성층으로부터 이간하여 배치되는 경우에는, 활성층과 클래드층의 사이에, 바람직하게는 활성층 근방에 캐리어 가둠층을 설치하는 것이 좋다. 이것은, 활성층으로부터 떨어진 위치에 캐리어 가둠층을 설치하면, 상기 캐리어의 오버플로를 억제하는 효과가 없어지기 때문이다. 구체적으로는, 활성층과 p측 전자 가둠층(캐리어 가둠층)과의 거리는, 100㎚ 이하로 함으로써 캐리어를 가두는 기능을 하고, 더 바람직하게는 500Å 이하로 함으로써 양호한 캐리어 가둠을 행할 수 있게 된다. 활성층 외부에 캐리어 가둠층을 배치할 경우에는, 가장 바람직하게는 활성층에 접하여 배치함으로써, 가장 효율적으로 캐리어가 활성층 안에 가두어진다. 이와 같이, 활성층 내에 캐리어 가둠층을 설치할 경우에는, 활성층 내부의 장벽층, 특히 제 1 장벽층에 비하여 밴드 갭 에너지를 크게 하며, 바람직하게는, 활성층 내의 모든 장벽층보다도 밴드 갭 에너지를 크게 함으로써, 상기 활성층 비대칭 구조에 적합한 활성층 외부의 캐리어 가둠층을 형성할 수 있다.
본 발명의 p측 전자 가둠층(캐리어 가둠층)은 언도프이거나, p형 불순물(각 도전형의 불순물)이 도프되어 있어도 좋다. 바람직하게는, 각 도전형으로 설정하는 불순물이 도프되는 것이며, 예를 들면 p측 전자 가둠층에서는 p형 불순물이 도프되는 것으로, 이는 도프함으로써 캐리어의 이동도가 높아져 Vf를 저하시킬 수 있기 때문이다. 또한, 레이저 소자, 하이파워(high power) LED 등의 대전류로 구동시키는 경우에는, 캐리어의 이동도를 높이기 때문에, 고농도로 도프하는 것이 바람직하다. 구체적인 도프량으로는, 적어도 5×1016/㎤ 이상 도프하는 것이고, 바람직하게는 1×1018/㎤ 이상 도프하는 것이며, 상기 대전류 구동의 소자에 있어서는, 1×1018/㎤ 이상, 바람직하게는 1×1019/㎤ 이상 도프하는 것이다. p형 불순물량의 상한은 특별히 한정되지 않지만, 1×1021/㎤ 이하로 한다. 단, p형 불순물량이 많아지면, 벌크 저항이 커지는 경향이 있어, 결과적으로 Vf가 상승하게 되기 때문에, 이것을 피하기 위해 바람직하게는, 필요한 캐리어 이동도를 확보할 수 있는 최저한의 p형 불순물 농도로 한다. 또한, 언도프로 캐리어 가둠층을 형성하여, 인접층으로부터의 불순물 확산에 의해 도프할 수도 있다.
본 발명에서는, 활성층 외부, 특히 p형층측에 배치되고, p형 불순물이 도프된 p측 캐리어 가둠층을 사용함으로써, 인가시에 도 3b 및 도 5b에 나타낸 바와 같이, 활성층 근방에 배치된 캐리어 가둠층 부근에서 p-n 접합부가 형성되고, p형층측으로부터의 캐리어 주입을 방해하는 오프셋이 설치되지 않으며, 오프셋이 작은 제 2 장벽층에 의해 우물층에 대한 효율적인 캐리어 주입을 실현한다.
[실시예 1]
이하, 실시예로서, 도 1에 나타낸 바와 같은 레이저 소자 구조의 질화물 반도체를 사용한 레이저 소자에 대하여 설명한다.
(기판(101))
기판으로서, 이종기판에 성장시킨 질화물 반도체, 본 실시예에서는 GaN을 두꺼운 막(100㎛)으로 성장시킨 후, 이종기판을 제거하여 80㎛의 GaN으로 이루어지는 질화물 반도체 기판을 사용한다. 기판의 상세한 형성 방법은 아래와 같다. 2인치 ø, C면을 주면으로 하는 사파이어로 이루어지는 이종기판을 MOVPE 반응 용기 내에 세트하고, 온도는 500℃로 하고 트리메틸갈륨(TMG), 암모니아(NH3)를 사용하고, GaN으로 이루어지는 버퍼층을 200Å의 두께로 성장시키고, 그 후, 온도를 올려서 언도프의 GaN을 1.5㎛ 두께로 성장시켜서, 하지층으로 한다. 다음에, 하지층 표면에 스트라이프 형상의 마스크를 여러개 형성하고, 마스크 개구부(윈도우부)로부터 질화물 반도체, 본 실시예에서는 GaN을 선택 성장시켜서, 횡방향의 성장을 수반한 성장(ELOG)에 의해 막형성된 질화물 반도체층을, 또한 두꺼운 막으로 성장 시켜서, 이종기판, 버퍼층, 하지층을 제거하여, 질화물 반도체 기판을 얻는다. 이 때, 선택 성장 시의 마스크 스트라이프는 SiO2로 이루어지며, 마스크 두께 0.1㎛, 마스크 간격 20㎛, 개구부(윈도우부)폭 8㎛로, GaN(1-100) 방향으로 한다.
(버퍼층(102))
상기 GaN 기판 위에, 온도를 1050℃로 하고, TMG(트리메틸갈륨), TMA(트리메틸알루미늄), 암모니아를 사용하고, Al0.05Ga0.95N로 이루어지는 버퍼층 102을 4㎛ 두께로 성장시킨다. 이 층은 AlGaN의 n형 콘택트층과, GaN으로 이루어지는 질화물 반도체 기판의 사이에서, 버퍼층으로서 기능한다. 다음에, 질화물 반도체로 이루어지는 하지층 위에, 소자 구조가 되는 각 층을 적층한다.
(n측 콘택트층(103))
다음에 얻어진 버퍼층(102) 위에 TMG, TMA, 암모니아, 불순물 가스로서 실란가스를 사용하고, 1050℃에서 Si도프한 Al0.05Ga0.95N로 이루어지는 n형 콘택트층(103)을 5㎛의 막 두께로 성장시킨다.
(크랙 방지층(104))
이어서, TMG, TMI(트리메틸인듐), 암모니아, 불순물 가스로서 실란가스를 사용하고, 온도를 800℃로 하여 Si도프한 In0.06Ga0.94N로 이루어지는 크랙 방지층(104)을 0.15㎛의 막 두께로 성장시킨다.
(n측 클래드층(105) : 하부 클래드층(25))
다음에, 온도를 1050℃로 하고, 원료가스에 TMA, TMG 및 암모니아, 불순물 가스로서 실란가스를 사용하며, Si을 5×1018/㎤ 도프한 Al0.05Ga0.95N로 이루어지는 A층을 25Å 두께로 성장시키고, 이어서 불순물 가스를 중지하고, 언도프의 Al0.1Ga0.9N로 이루어지는 B층을 25Å 두께로 성장시킨다. 그리고, 이 조작을 각각 100회 반복하여 A층과 B층으로 적층하고, 다층막(초격자 구조)로 이루어지는 막 두께 0.5㎛의 n형 클래드층(106)을 성장시킨다. 이 때, 언도프 AlGaN의 Al 혼성결정비는0.05이상 0.3이하의 범위이면, 충분히 클래드층으로서 기능하는 굴절률차를 마련할 수 있다. 이 때, n측 클래드층의 Al의 평균 혼성결정비는 0.75이며, 도 2b에 나타낸 바와 같이, n측 클래드층(25)의 Al 혼성결정비는, 제 1 장벽층(2a)보다도 작고, 제 2 장벽층(2b)보다도 크며, 광가이드층(26)보다도 크며, 밴드 갭 에너지의 비교에서도 마찬가지로, n측 클래드층(25)의 밴드 갭 에너지는 제 1 장벽층(2a)보다도 작고, 제 2 장벽층(2b)보다도 크고, 광가이드층(26)보다도 큰 구성이 된다. 또한, n형 불순물 농도의 비교에 있어서, n측 클래드층(25), 제 1 장벽층(2a)이 광가이드층보다도 큰 구성이 된다.
(n측 광가이드층(106) : 하부 광가이드층(26))
다음에, 같은 온도에서, 원료가스로 TMA, TMG 및 암모니아를 사용하고, 언도프의 Al0.05Ga0.95N으로 이루어지는 n형 광가이드층(106)을 0.15㎛ 두께로 성장시킨다. 또한, n형 불순물을 도프해도 좋다. 본 발명에서는 이 층이 제 1 반도체층이 된다. 또한, 본 실시예의 n측 광가이드층, 활성층, 캐리어 가둠층, p측 광가이드층은 도 3a에 있어서, 각각, 하부 광가이드층(제 1 반도체층)(26), 활성층(27), 캐리어 가둠층(28), 상부 광가이드층(제 2 반도체층)(29)에 대응하고 있다.
(활성층(107)(27, 12))
이어서, 같은 온도에서, 원료가스로 TMA, TMG 및 암모니아를 사용하고, 불순물 가스로서 실란가스를 사용하여, Si을 5×1018/㎤ 도프한 Al0.15Ga0.85N으로 이루어지는 장벽층(제 1 장벽층(2a))을 100Å 두께로 하고, TMA 및 실란가스를 중지하고,언도프의 GaN으로 이루어지는 우물층(1a)(W)을 100Å 두께로 하며, 최후의 장벽층(제 2 장벽층(2b))으로서, 언도프의 Al0.05Ga0.95N을 150Å 두께로, (B)/(W)/(B)의 순서로 적층하여, 단일 양자 우물 구조의 활성층으로 한다. 활성층(107)은, 장벽층(B), 우물층(W)을 (B)/(W)/(B)의 적층체를 반복하여 형성하여, 다중양자 우물구조(MQW)로 할 수도 있다. 이 때, 우물층(1a)은, 제 1 장벽층(2a)보다도 n형 불순물 농도가 작고, 제 2 장벽층(2b)은 제 1 장벽층(2a)보다도 n형 불순물 농도가 작으며, 밴드 갭 에너지, Al 혼성결정비도 작아, 막 두께가 큰 구성이 된다,
(p측 전자 가둠층(108) : 캐리어 가둠층(28))
다음에, 같은 온도에서, 원료 가스로 TMA, TMG 및 암모니아를 사용하고, 불순물 가스로서 Cp2Mg(시클로펜타디에닐마그네슘)을 사용하고, Mg을 1×1019/㎤ 도프한 Al0.3Ga0.7N로 이루어지는 p형 전자 가둠층(108)을 100Å 두께로 성장 시킨다. 이 층은 특별히 설치하지 않아도 되지만, 설치함으로써 전자 가둠으로서 기능하여 임계값의 저하에 기여하는 것이 된다.
(p측 광가이드층(109) : 상부 광가이드층(29))
다음에, 온도를 1050℃로 하고, 원료 가스로 TMA, TMG 및 암모니아를 사용하여, 언도프의 Al0.05Ga0.95N로 이루어지는 p측 광가이드층(109)을 0.15㎛ 두께로 성장시킨다. 이 p형 광가이드층(109)은, 언도프로서 성장 시키지만, p형 전자 가둠층(108), p형 클래드층(110) 등의 인접층으로부터의 Mg의 확산에 의해, Mg 농도가 5×1016/㎤가 되어 p형을 나타낸다. 또한, 이 층은 성장시에 의도적으로 Mg을 도프해도 좋다. 이 층이 제 2 반도체층이 된다.
(p측 클래드층(110) : 상부 클래드층(30))
이어서, TMA을 중지하고, Cp2Mg을 사용하여, 1050℃ 에서 Mg도프한 Al0.05Ga0.95N으로 이루어지는 층을 25Å 두께로 성장시키고, 이어서, Cp2Mg을 중지하고, 언도프 Al0.1Ga0.9N로 이루어지는 층을 25Å 두께로 성장시켜, 그것을 100회 반복하여 총 막 두께 0.5㎛의 초격자층으로 이루어지는 p형 클래드층(110)을 성장시킨다. p형 클래드층은 적어도 한쪽이 Al을 함유하는 질화물 반도체층을 함유하고, 서로 밴드 갭 에너지가 다른 질화물 반도체층을 적층한 초격자로 제작했을 경우, 불순물은 어느 한쪽 층에 많이 도프하여, 소위 변조 도프를 행하면 결정성이 좋아지는 경향이 있지만, 양쪽에 똑같이 도프해도 좋다. p측 클래드층(110)을 초격자 구조로 함으로써, 클래드층 전체의 Al 혼성결정비를 올릴 수 있으므로, 클래드층 자체의 굴절률이 작아지고, 또한 밴드 갭 에너지가 커지므로, 임계값을 저하시키는데 있어서 매우 효과적이다. 또한, 초격자로 함으로써, 클래드층 자체에 발생하는 비트가 초격자로 하지 않는 것보다도 적고, 쇼트의 발생도 낮아진다. 이 때, n측 클래드층과 마찬가지로, Al의 평균 혼성결정비는 0.75이며, 도 2b에 나타낸 바와 같이, p측 클래드층(30)의 Al 혼성결정비는 제 1 장벽층(2a)보다도 작고, 제 2 장벽층(2b)보다도 크며, 광가이드층(29)보다도 크고, 밴드 갭 에너지의 비교에 있어서도 마찬가지로, p측 클래드층(30)의 밴드 갭 에너지는 제 1 장벽층(2a)보다도 작고, 제 2 장벽층(2b)보다도 크며, 광가이드층(29)보다도 큰 구성이 된다. 또한, p형 불순물 농도의 비교에 있어서, 캐리어 가둠층(28)이 p측 클래드층(30)보다도 크고, p측 클래드층(30)이 광가이드층(29)보다도 크고, 제 2 장벽층(2b), 광가이드층(29)에는 캐리어 가둠층(28)로부터의 불순물 확산에 의해 저농도로 도프된, 또는 언도프의 구성이 된다.
(p측 콘택트층(111))
마지막으로, 1050℃에서 p형 클래드층(110) 위에, Mg을 1×1020／㎤ 도프한 p형 GaN로 이루어지는 p형 콘택트층(111)을 150Å 두께로 성장시킨다. p형 콘택트층(111)은 p형의 InXAlYGa1-X-YN(0≤X, 0≤Y, X+Y≤1)로 구성할 수 있고, 바람직하게는 Mg을 도프한 GaN로 하면, p전극(120)과 가장 바람직한 오믹 접촉을 얻을 수 있다. 콘택트층(111)은 전극을 형성하는 층이므로, 1×1017/㎤ 이상의 고캐리어 농도로 하는 것이 바람직하다. 1×1017/㎤보다도 낮으면 전극과 바람직한 오믹을 얻기 어려워지는 경향이 있다. 또한, 콘택트층의 조성을 GaN으로 하면, 전극 재료와 바람직한 오믹이 얻기 쉬워진다. 반응 종료 후, 반응 용기 내에 있어서 웨이퍼를 질소 분위기 중, 700℃로 어닐링을 행하여 p형층을 더욱 저저항화한다. 이와 같이, 각 층이 적층된 소자 구조는, 도 2a에 나타내는 적층체가 되고, 또 도 2b에 나타내는 Al 혼성결정비를 가지는 소자 구조가 된다. 구체적으로는, 제 1 장벽층(2a)보다도 Al 혼성결정비가 작고, 우물층(1a)보다도 Al 혼성결정비가 큰, Al 평균 조성을 가지는 n측 클래드층(26), p측 클래드층이, 활성층, 광가이드층(26, 29)을 협지하여 설치되고, 또 n측 광가이드층(26), p측 광가이드층(29)의 Al 혼성결정비도 제 1 장벽층(2a)보다도 Al 혼성결정비보다 작고, 우물층(1a)보다도 Al 혼성결정비보다 큰 질화물 반도체로 형성되어 있다. 또한, 클래드층(25, 30)의 Al 혼성결정비는 광가이드층(26, 29)보다도 크고, 광가이드층(26, 29)의 Al 혼성결정비는, 제 2 장벽층(2b)보다도 작은 질화물 반도체로 형성되어 있다.
이상과 같이 하여, 질화물 반도체를 성장시켜 각 층을 적층한 후, 웨이퍼를 반응 용기로부터 인출하여 최상층인 p형 콘택트층의 표면에 SiO2로 이루어지는 보호막을 형성하고, RIE(반응성 이온 에칭)을 사용하여 SiCl4가스로 에칭하여, 도 1에 나타낸 바와 같이, n전극을 형성할 n형 콘택트층(103)의 표면을 노출시킨다. 이와 같이 질화물 반도체를 깊게 에칭하는데는 보호막으로서 SiO2가 최적이다.
이어서, 상술한 스트라이프 형상의 도파로 영역으로서, 리지스트라이프를 형성한다. 우선, 최상층인 p형 콘택트층(상부 콘택트층)의 거의 모든 면에, PVD 장치로, Si 산화물(주로, SiO2)로 이루어지는 제 1 보호막(161)을 0.5㎛ 두께로 형성한 후, 제 1 보호막(161) 위에 소정 형상의 마스크를 올려놓고, RIE(반응성 이온 에칭)장치로, CF4가스를 사용하여 포토리소그래피 기술에 의해 스트라이프 폭 1.6㎛의 제 1 보호막(161)으로 한다. 이 때, 리지스트라이프의 높이(에칭 깊이)는, p형 콘택트층(111), 및 p형 클래드층(109), p형 광가이드층(110)의 일부를 에칭하여, p형 광가이드층(109)의 막 두께가 0.1㎛이 되는 깊이까지 에칭하여 형성한다.
다음에, 리지스트라이프 형성 후, 제 1 보호막(161) 위로부터, Zr 산화물(주로 ZrO2)로 이루어지는 제 2 보호막(162)을, 제 1 보호막(161) 위와, 에칭에 의해 노출된 p형 광가이드층(109) 위에 0.5㎛의 막 두께로 연속하여 형성한다.
제 2 보호막(162) 형성 후, 웨이퍼를 600℃에서 열처리한다. 이와 같이 SiO2이외의 재료를 제 2 보호막으로서 형성한 경우, 제 2 보호막 형성 후에, 300℃이상, 바람직하게는 400℃이상, 질화물 반도체의 분해온도이하(1200℃)에서 열처리함으로써, 제 2 보호막이 제 1 보호막의 용해 재료(플루오르화수소산)에 대하여 용해하기 어려워지기 때문에, 이 공정을 가하는 것이 더욱 바람직하다.
다음에, 웨이퍼를 플루오르화수소산에 담가, 제 1 보호막(161)을 리프트오프법으로 제거한다. 이것에 의해, p형 콘택트층(111) 위에 설치되어 있던 제 1 보호막(161)이 제거되어, p형 콘택트층이 노출된다. 이와 같이 하여, 도 1에 나타낸 바와 같이, 리지스트라이프의 측면, 및 그것에 연속하는 평면(p형 광가이드층(109)의 노출면)에 제 2 보호막(162)이 형성된다.
이와 같이, p형 콘택트층(112) 위에 설치된 제 1 보호막(161)이 제거된 후, 도 1에 나타낸 바와 같이, 그 노출된 p형 콘택트층(111)의 표면에 Ni/Au로 이루어지는 p전극(120)을 형성한다. 단, p전극(120)은 100㎛의 스트라이프 폭으로 하여, 도 1에 나타낸 바와 같이, 제 2 보호막(162) 위에 걸쳐서 형성한다. 제 2 보호막(162) 형성 후, 이미 노출시킨 n형 콘택트층(103)의 표면에는 Ti/Al로 이루어지는 스트라이프 형상의 n전극(121)을 스트라이프와 평행한 방향으로 형성한다.
이어서, n전극을 형성하기 위해 에칭하여 노출된 면에서 p, n전극에, 인출 전극을 설치하기 위해 원하는 영역에 마스크하고, SiO2과 ZrO2로 이루어지는 유전체 다층막(164)을 설치한 후, p, n전극 위에 Ni-Ti-Au(1000Å－1000Å－8000Å)로 이루어지는 인출(패드) 전극(122, 123)을 각각 설치했다. 이 때, 활성층(107)의 폭은, 200㎛(공진기 방향으로 수직 방향의 폭)이며, 공진기면(반사면 측)에도 SiO2와 ZrO2로 이루어지는 유전체 다층막이 설치된다.
이상과 같이 하여, n전극과 p전극을 형성한 후, 스트라이프 형상의 전극에 수직 방향으로 질화물 반도체의 M면(GaN의 M면, (11-00) 등)에서 바(bar) 형상으로 분할하고, 더욱이 바 형상의 웨이퍼를 분할하여 레이저 소자를 얻는다. 이 때, 공진기 길이는 600㎛이다.
실온에서 임계 전류 Ith가 61mA, 전류 밀도 Jth가 3.8kA/cm2, 발진 파장이 369nm인 연속 발진의 레이저 소자가 얻어지고, 실온에서의 연속 발진 조건하에서의 소자의 추정 수명은 약 4000시간인 레이저 소자가 얻어진다.
[실시예 2]
실시예 1에 있어서, 활성층을 아래와 같이 하는 것 이외에는, 실시예 1과 마찬가지로 하여 레이저 소자를 얻는다.
(활성층(107)(27, 12))
Si도프 Al0.15Ga0.85N, 막 두께 150Å로 이루어지는 제 1 장벽층(2a), 언도프 GaN, 막 두께 100Å로 이루어지는 우물층(1b), 언도프 AluGa1-uN, 막 두께 d(Å)로 이루어지는 제 2 장벽층(2b)을 순서대로 적층한 단일 양자 우물 구조의 활성층으로 한다.
제 2 장벽층의 Al 혼성결정비(u)를 0.05(실시예 1과 동일한 Al 혼성결정비), 0.1, 0.15(비교예)로 한 경우에 있어서, 제 2 장벽층의 막 두께 변화에 대한 임계 전류, 제 2 장벽층의 막 두께 변화에 대한 소자 수명을 각각 도 9 및 10에 나타낸다. 도 9에 나타내는 제 2 장벽층의 막 두께 변화에 대한 임계 전류 변화는, 제 2 장벽층의 Al 혼성결정비가 u=0.05일 때의 그래프 a, u=0.1일 때의 변화를 그래프 e, u=0.15(비교예)일 때의 변화를 그래프 c로서 나타낸다. 또한, 도 10에 나타내는 제 2 장벽층의 막 두께 변화에 대한 소자 수명 변화는, 제 2 장벽층의 Al 혼성결정비 u=0.05일 때의 변화를 그래프 d, u=0.1일 때의 변화를 그래프 e, u=0.15(비교예)일 때의 변화를 그래프 f로서 나타낸다. 이 때, 막 두께 d는, d=50Å, 10Å, 150Å로 변화시켜 각 특성을 평가한다.
도 9에서 관찰되는 바와 같이, 제 2 장벽층의 Al 혼성결정비(u)를 0.05(실시예 1과 동일함)로 한 경우에, 실시예 1과 동일한 막 두께 150Å의 이외에, 막 두께를 50Å, 100Å으로 변화시켜도 임계 전류(1th)에 거의 변화가 보여지지 않는 레이저 소자가 된다. 한편, 도 10에 나타낸 바와 같이, 제 2 장벽층의 Al 혼성결정비(u)를 0.05(실시예 1과 동일함)로 했을 경우에, 실시예 1과 동일한 막두께 150Å 이외에, 막 두께를 변화시키면, 도면으로부터 알 수 있듯이, 소자수명이 크게 변화하고, 제 1 장벽층과 거의 동일한 막 두께 100Å의 경우에 약 반 정도의 소자수명이 되고, 제 1 장벽층보다 막 두께가 얇은 50Å의 경우에 더욱 반 정도의 소자수명이 되는 경향이 보여진다. 따라서, 실시예 1에 나타낸 바와 같이, 제 2 장벽층의 Al 혼성결정비(u)가, 제 1 장벽층보다도 작은 경우에 있어서, 제 2 장벽층의 막 두께에 대해서, 임계 전류는 거의 변화하지 않는 경향이 있지만, 소자수명은 제 1 장벽층과 거의 동일한 막 두께 또는 그것보다도 작은 경우에 비하여, 제 1 장벽층보다도 제 2 장벽층의 막 두께를 크게 한 경우에 급격하게 소자수명이 향상되는 경향이 보여진다.
다음에, 제 2 장벽층의 Al 혼성결정비(u)가 0.1의 경우에 있어서, u=0.05인 경우와는 달리, 막 두께(d)가 두꺼워짐에 따라서 도 9의 그래프 b로서 나타낸 바와 같이, 임계 전류 Ith가 상승하는 경향이 보여지고, 한편, 소자수명에 대해서는, 도 10의 그래프 e로 나타낸 바와 같이, 막 두께(d)가 두꺼워짐에 따라서 소자수명의 감소 경향이 보여진다. 이것은 u=0.05의 경우와 달리, Al 혼성결정비가 커짐으로써 오프셋이 커지고, 특히 제 2 반도체층과의 오프셋이 커짐으로써, 제 2 도전형층으로부터의 캐리어 주입 효율이 저하했기 때문이라고 생각된다. 즉, 제 2 반도체층(p측 광가이드층)보다도 큰 Al 혼성결정비의 질화물 반도체로 형성되고, 제 2 장벽층(2b)이 제 2 반도체층보다도 밴드 갭 에너지가 커짐으로써, 도 3b에 나타낸 바와 같이, u=0.05인 제 2 장벽층과 제 2 반도체층과 거의 동일한 Al 혼성결정비, 밴드 갭 에너지인 경우에 비하여, 보다 큰 오프셋이 형성되어 임계 전류의 상승 경향을 낳고 있다고 생각된다. 또한, 우물층이 GaN이므로, Al을 함유하는 질화물 반도체로 이루어지는 제 2 장벽층이 형성되면, 열팽창 계수차에 의해 강한 응력이 걸려, Al 혼성결정비(u)가 0.1로 커짐으로써, 결정성 악화에 의한 임계 전류의 상승, 소자수명의 저하에 미치는 영향도 크다고 생각된다. 특히, 막 두께가 두꺼워짐으로써, 임계 전류가 상승하고 있기 때문에, 결정성의 악화에 의한 영향이 커지고 있는 것으로 생각된다. 또한, 상술한 바와 같이, 제 2 장벽층에는 캐리어 가둠층으로부터 우물층을 떼어내기 위한 스페이서로서의 기능이 있음을 설명했는데, u=0.1에서는 제 2 장벽층에 의한 결정성 악화에 의해 스페이서로서의 기능도 악화되었으며, 또한, 제 2 장벽층의 Al 혼성결정비가 커짐으로써, pn접합부에 있는 캐리어 가둠층만큼 영향이 없다고 생각되지만, 층의 고저항화에 따른 영향도 나타나고 있다.
다음에, 비교예로서, 제 2 장벽층의 Al 혼성결정비가 제 1 장벽층과 거의 같은 0.15인 경우에는, 도 9의 그래프 c로서 임계 전류 변화를 나타내지만, 막 두께가 두꺼워짐으로써 급격하게 임계 전류가 상승하는 경향이 관찰되고, 이것은 결정성 악화와 오프셋이 커진 것이 상승적으로 작용하여, u=0.1인 경우와 비교하여 급격한 상승 경향이 나타난다. 또한, 도 10의 그래프 f로서 소자수명 변화를 나타낸 바와 같이, u=0.1인 경우에 비하여, 더욱 감소하는 경향이 관찰되며, 결정성 악화와 밴드 오프셋의 변화에 의한 상승 작용에 의한 것으로 생각된다.
[실시예 3]
실시예 1에 있어서, 활성층을 아래와 같이 하는 것 이외에는, 실시예 1과 마찬가지로 하여 레이저 소자를 얻는다.
(활성층 107(27, 12))
Si도프 Al0.15Ga0.85N, 막 두께 200Å로 이루어지는 제 1 장벽층(2a), 언도프 Al0.04In0.02Ga0.94N, 막 두께 100Å로 이루어지는 우물층(1b), 언도프 Al0.05Ga0.95N, 막 두께 150Å로 이루어지는 제 2 장벽층(2b)을 순차적으로 적층한 단일 양자 우물 구조의 활성층으로 한다.
얻어지는 레이저 소자는, 실시예 1에 비교하여, 우물층에 4원 혼성결정 AlInGaN을 사용했지만, 발진 파장은 거의 동일한 370nm로 실온에서 연속 발진하고, Al과 In의 성장시의 반응에 의해 결정성이 악화하고 있지만, In을 함유함으로써 발광 효율이 향상하고 있으며, 임계 전류는 50mA와 실시예 1보다도 낮은 레이저 소자가 얻어지는 경향이 있다. 소자수명에 대해서는, 실시예 1과 거의 동등한 것이 얻어지는 경향이 있다.
[실시예 4]
실시예 1에 있어서, 활성층을 아래와 같이 하는 것 이외에는, 실시예 1과 마찬가지로 하여 레이저 소자를 얻는다.
(활성층(107)(27, 12))
Si도프 Al0.15In0.01Ga0.84N, 막 두께 200Å로 이루어지는 제 1 장벽층(2a), 언도프 Al0.04In0.02Ga0.94N, 막 두께 100Å로 이루어지는 우물층(1b), 언도프Al0.05In0.01Ga0.84N, 막 두께 150Å로 이루어지는 제 2 장벽층(2b)을 순서대로 적층한 단일 양자 우물 구조의 활성층으로 한다.
얻어지는 레이저 소자는, 실시예 1, 3에 비하여, 임계 전류가 약간 커지는 경향이 있고, 또 소자수명도 약간 짧아지는 경향이 관찰된다. 이것은, 장벽층과 우물층 모두에 4원 혼성결정의 AlInGaN을 사용함으로써, 상술한 In과 Al의 반응에 의한 결정성 악화의 영향이 실시예 3보다도 커지기 때문이다. 그러나 한편, 실시예 1∼3과 달리, 4원 혼성결정의 AlInGaN을 사용함으로써, 장벽층을 AlGaN으로 한 실시예 1∼3과 달리, 웨이퍼면 내에서의 각 소자 칩의 특성의 편차가 작아지는 경향이 관찰되며, 제조에서의 수율이 향상하는 경향이 얻어진다. 이것은, AlGaN을 사용할 경우보다도 4원 혼성결정의 AlInGaN을 우물층, 장벽층에 사용하는 편이, 면 내에 균일한 막 형성이 실현되고 있는 것으로 생각된다.
[실시예 5]
실시예 1에 있어서, 활성층을 아래와 같이 하는 것 이외에는, 실시예 1과 마찬가지로 하여 레이저 소자를 얻는다.
(활성층(107)(27, 12))
Si도프 Al0.15Ga0.85N, 막 두께 200Å로 이루어지는 제 1 장벽층(2a), 언도프 Al0.02Ga0.98N, 막 두께 100Å로 이루어지는 우물층(1b), 언도프 Al0.05Ga0.95N, 막 두께 150Å로 이루어지는 제 2 장벽층(2b)을 순서대로 적층한 단일 양자 우물 구조의 활성층으로 한다.
얻어지는 레이저 소자는, 우물층의 밴드 갭 에너지가 커짐으로써, 실시예 1∼3에 비교하여 발진 파장이 짧아지지만, 임계 전류가 상승하는 경향이 있고, 또 소자수명도 짧아지는 경향이 있다. 이것은, 우물층의 Al 혼성결정비를 크게 함으로써, 제 2 장벽층과의 밴드 오프셋이 작아져, 제 1 도전형층으로부터의 캐리어가 우물층 내에 갇히는 효율이 저하했기 때문이다. 또한, 실시예 3과 비교하여 웨이퍼면 내에서의 소자 칩의 특성에 편차가 크고, 4원 혼성결졍의 AlInGaN을 우물층에 사용하는 경우에 비하여 웨이퍼면 내의 막 형성에 편차가 발생하고 있기 때문이다. 따라서, 우물층, 제 1 장벽층, 제 2 장벽층 중 어느 하나에 In과 Al을 함유하는 질화물 반도체를 사용함으로써, 수율이 우수한 반도체 소자가 얻어지고, 더욱 바람직하게는, 상기 층 내, 적어도 우물층이 In과 Al을 함유하는 질화물 반도체로 이루어지는 층으로 함으로써, 발광 효율을 높이고 수율 향상을 도모할 수 있다.
[실시예 6]
실시예 1에 있어서, n측 광가이드층, p측 광가이드층의 조성을 AlxGa1-xN으로 하는 것 이외에는, 실시예 1과 마찬가지로 하여 레이저 소자를 얻는다.
x=0.15로 하여, 제 2 장벽층과 거의 동일한 Al 혼성결정비, 거의 동일한 밴드 갭 에너지로 함으로써, 제 2 도전형층(제 2 반도체층)으로부터의 캐리어 주입에서의 제 2 장벽층과의 밴드 오프셋이 작아지지만, 도 3b, 도 5a 및 도 5b에 나타낸 바와 같이, pn접합부를 걸쳐서 주입되기 때문에, 오프셋이 작아짐에 따른 주입 효율에 대한 기여는 작은 경향이 있다. 한편, 광가이드층과 같이 소자 내에서 막 두께 층의 Al 혼성결정비를 크게 함으로써, 상기 실시예 2와 같이, 장벽층, 우물층을 막 두께가 작은 층의 경우와 달리 결정성 악화가 크며, 소자 특성, 임계 전류의 상승, 소자수명의 저하가 관찰된다. 광가이드층의 Al 혼성결정비(x)를 크게하면 더욱 그 경향이 커지고, 또한 Al 혼성결정비(x)를 제 1 장벽층의 Al 혼성결정비보다 크게 하면, 그 경향이 강해져 소자 특성이 크게 저하하는 경향이 있다. 본 발명에서는, 실시예 1∼3에 나타낸 바와 같이, 제 1 반도체층, 제 2 반도체층의 밴드 갭 에너지를 작게 하고, 특히 단파장계의 질화물 반도체에 있어서는 밴드 갭 에너지를 작게 하여 Al 혼성결정비를 작게 하는 것이 소자 특성의 향상으로 이어지는 경향이 관찰된다.
[실시예 7]
실시예 1에 있어서, 활성층 내의 각 층을 아래와 같이 하는 것 이외에는, 실시예 1과 마찬가지로 하여 레이저 소자를 얻는다.
제 1 장벽층을 언도프로 형성하고, 그 외에는 실시예 1과 동일한 활성층으로 한 경우, 임계 전류가 113mA로 커지는 경향이 관찰되고, 제 1 장벽층에는 n형 불순물이 도프되어 있는 것이 임계 전류가 낮은 레이저 소자가 얻어지는 경향이 있다. 우물층을 Si도프로 형성하고, 그 외에는 실시예 1과 동일한 활성층으로 한 경우, 웨이퍼당 레이저 발진을 나타내지 않는 소자의 수가 많아지고, 레이저 소자에 있어서는 우물층을 언도프하는 편이 바람직한 경향이 있다.
도 5a에 나타낸 바와 같이, 다중양자우물의 활성층으로서, Si도프Al0.15Ga0.85N, 100Å의 제 1 장벽층(2a), 언도프 GaN, 50Å의 우물층(1a), Si도프Al0.1Ga0.9N, 100Å의 내부 장벽층(2c), 언도프 GaN, 50Å의 우물층(1b), 언도프 Al0.05Ga0.95N, 150Å의 제 2 장벽층(2b)을 적층하여 레이저 소자를 얻으면, 실시예 1보다도 임계 전류가 상승하는 경향이 있으나 양호한 레이저 소자가 얻어진다. 이것은, 내부 장벽층이 설치됨으로써, AlGaN 장벽층에 의한 내부 응력, 강한 압전계에 의해 우물층의 기능이 저하되기 때문이라고 생각된다. 또한, 도 5a에 나타낸 바와 같이, 제 1 장벽층(2a)보다도 내부 장벽층(2c) Al 혼성결정비를 크게 하면, 그 경향이 현저해지고, Al을 함유하는 질화물 반도체에 의한 결정성 악화의 영향도 증가하여, 소자 특성이 크게 악화하는 경향이 있다. 한편, 내부 장벽층(2c)을 도 5b에 나타낸 바와 같이, 제 2 장벽층(2b)보다도 Al 혼성결정비를 작게 하여 밴드 갭 에너지를 작게 하면, 상술한 바와 같이, 내부 장벽층과 우물층의 오프셋이 작아지고, 각 우물층에 대한 분배 기능이 저하되며, 한편, Al을 함유하는 질화물 반도체층을 설치함에 따른 상술한 악영향이 증가하기 때문에, 내부 장벽층의 밴드 갭 에너지가 제 2 장벽층보다 크고, 제 1 장벽층보다 작은 경우에 비하여 소자 특성이 악화하는 경향이 있다.
[실시예 8]
실시예 1에 있어서, 도 8a에 나타낸 바와 같이, 광가이드층을 아래와 같이 조성 경사시켜 형성하는 것 이외에는, 실시예 1과 마찬가지로 하여 레이저 소자를 얻는다.
(n측 광가이드층(106)(제 1 광가이드층(26)))
AlxGa1-xN을 막 두께 0.15㎛로 형성하고, 이 때, 성장함에 따라서, 즉 활성층에 근접함에 따라, Al 조성비(x)를 0.1에서 0.02로 변화시키고, 막 두께 방향으로 조성 경사시킨 n측 광가이드층(106)을 설치한다. 이 때, n측 광가이드층은, 최초의 막 두께 0.1㎛의 영역(고농도 불순물 영역)은 Si도프로 형성하고, 나머지의 막 두께 0.05㎛의 영역(활성층 측 50nm의 영역, 저농도 불순물 영역)에서 언도프로 형성한다. 여기서는, 활성층 근방의 광가이드층에 있어서, 제 1 장벽층보다도 밴드 갭 에너지가 작은 일부의 영역이 제 1 반도체층이 된다.
(p측 광가이드층(109)(제 2 광가이드층(29)))
AlxGal-xN을 막 두께 0.15㎛로 형성하고, 이 때, 성장함에 따라서 Al 조성비(x)를 0.02에서 0.1로 변화시키고, 막 두께 방향으로 조성 경사시켜, 활성층에 근접함에 따라 Al 혼성결정비가 작아, 밴드 갭 에너지를 작게 한 p측 광가이드층(109)을 설치한다. 여기서, p측 광가이드층은, 최초의 막 두께 0.05㎛(활성층 측 0.05㎛의 영역(저농도 불순물 영역))은 언도프로 형성하고, 나머지의 막 두께 0.1㎛의 영역에서는 Mg도프로 형성한다. 이 때, 활성층 및 p측 전자 가둠층 근방의 p측 광가이드층(29)에 있어서, 제 2 장벽층보다도 Al 혼성결정비가 작아, 밴드 갭 에너지가 작은 일부의 영역이 제 2 반도체층이 된다.
얻어지는 레이저 소자는, 실시예 1에 비교하여, Al의 평균 조성은 거의 동일한 것이나, 도 8a에 나타낸 바와 같이, 밴드 갭 에너지가 경사진 광가이드층을 설치함으로써, 캐리어의 활성층에 대한 주입 효율이 양호해져 내부 양자 효율이 향상하는 경향이 있다. 또한, 광가이드층 내의 활성층에 가까운 측(활성층 측)에 언도프 영역(저농도 불순물 영역)을 설치했기 때문에, 불순물 도프함에 따른 광의 손실이 낮게 억제된 도파로 구조가 되어, 임계 전류 밀도가 감소하는 경향이 있다.
[실시예 9]
실시예 1에 있어서, 활성층을 아래와 같이 하는 것 이외에는, 실시예 1과 마찬가지로 하여 레이저 소자를 얻는다.
(활성층(107)(27, 12))
Si도프 Al0.15Ga0.85N, 막 두께 75Å로 이루어지는 제 1 장벽층(2a), 언도프 In0.02Ga0.98N, 막 두께 100Å로 이루어지는 우물층(1b), 언도프 Al0.1Ga0.9N, 막 두께 45Å로 이루어지는 제 2 장벽층(2b)을 순서대로 적층한 단일 양자 우물 구조의 활성층으로 한다.
실온에서 발진 파장 371nm, 임계 전류 Ith가 30mA인 연속 발진의 레이저 소자가 얻어진다.
[실시예 10]
실시예 1에 있어서, 활성층을 아래와 같이 하는 것 이외에는, 실시예 1과 마찬가지로 하여 레이저 소자를 얻는다.
다중양자우물의 활성층으로서, Si도프 Al0.15Ga0.85N, 75Å의 제 1 장벽층(2a),언도프 In0.02Ga0.98N, 50Å의 우물층(1a), Si도프 Al0.1Ga0.9N, 50Å의 내부 장벽층(2c), 언도프 In0.02Ga0.98N, 50Å의 우물층(1b), 언도프 Al0.1Ga0.9N, 50Å의 제 2 장벽층(2b)을 적층하여 레이저 소자를 얻는다.
실온에서 발진 파장 371nm, 임계 전류 Ith가 30mA인 연속 발진의 레이저 소자가 얻어진다.
[실시예 11]
도 6b를 바탕으로 본 발명의 발광 소자(200)에 대하여 설명한다. 여기서는, 200b에 나타낸 바와 같이, 기판의 동일면 측에, 양음극 한쌍의 전극을 설치하는 구조의 발광 소자를 제작한다.
사파이어(C면)로 이루어지는 기판(201)을 MOVPE의 반응 용기 내에 세트하고, 수소를 흘리면서, 기판의 온도를 1050℃까지 상승시켜 기판의 클리닝을 행한다.
버퍼층(도시 생략) : 이어서, 온도를 510℃에서, 기판(1) 위에 GaN로 이루어지는 저온 성장의 버퍼층을 약 100Å의 막 두께로 성장 시킨다. 이 저온 성장층을 다음에 성장시키는 층보다도 저온에서 성장시켜, 기판과의 격자 부정합을 완화시키는 것이며, 기판의 종류에 따라서는 생략할 수 있다.
하지층(도시 생략) : 버퍼층 성장 후, 온도 1050℃에서 언도프 GaN층을 1.5㎛의 막 두께로 성장시킨다. 이 층은, 언도프층에서 성장시킴으로써, 그 위에 형성하는 소자 구조의 하지층이 되어, 성장 기판이 된다.
n형 콘택트층(202) : 이어서 1050℃에서 Si을 4.5×1018/㎤ 도프한Al0.05Ga0.95N로 이루어지는 n형 콘택트층(전류 주입층)(202)을 2㎛의 막 두께로 성장 시킨다. 여기에서는, n측 콘택트층(202)이 제 1 반도체층이 된다.
활성층(203) : 언도프 Al0.15Ga0.85N로 이루어지는 장벽층(제 1 장벽층(2a))을 100Å 두께로 성장시키고, 이어서 언도프 Al0.05Ga0.95N로 이루어지는 우물층을 30Å 두께로 성장시킨다. 이어서, 막 두께 30Å, Al0.1Ga0.9N로 이루어지는 내부 장벽층(도시 생략)을 성장 시키고, 우물층(1) 4층(도시 생략)과 내부 장벽층 3층(도시 생략)을 번갈아 적층하며, 마지막으로 제 2 장벽층(2b)으로서 막 두께 40Å의 Al0.1Ga0.9N을 성장시켜, 총 막 두께 380Å의 다중양자 우물 구조로 이루어지는 활성층(203)을 성장시킨다. 이 활성층에서는, 도 5b에 나타낸 바와 같이, 제 1 장벽층(2a)보다도, Al 혼성결정비가 작고, 밴드 갭 에너지가 작으며, 제 2 장벽층(2b)보다도 Al 혼성결정비가 크고, 밴드 갭 에너지가 큰, 내부 장벽층(2b 등)을 형성한 구조이다.
p측 클래드층(204) : 언도프의 Al0.2Ga0.8N로 이루어지는 A층(204)을 40Å 두께로 성장시키고, 이어서 Mg을 5×1019/㎤ 도프한 Al0.05Ga0.95N로 이루어지는 B층(205)을 25Å 두께로 성장시킨다. 그리고, 이들의 조작을 되풀이하여, A층, B층의 순서로 서로 5층씩 적층하고, 마지막으로 A층을 40Å의 막 두께로 성장시킨 초격자 구조의 다층막으로 이루어지는 p측 다층막 클래드층(204)을 365Å의 막 두께로 성장시킨다. 이 때, 최초의 B층이 제 2 장벽층보다도 밴드 갭 에너지가 작고, Al 혼성결정비가 작은 제 2 반도체층이 된다.
p측 콘택트층(205) : 이어서, Mg을 1×1020/㎤ 도프한 GaN로 이루어지는 p형 콘택트층(205)을 200Å의 막 두께로 성장 시킨다.
반응 종료 후, 온도를 실온까지 내리고, 또한 질소분위기 중, 웨이퍼를 반응 용기 내에서 700℃에서 어닐링을 행하여, p형층을 더욱 저저항화한다.
어닐링 후, 웨이퍼를 반응 용기로부터 인출하고, 최상층의 p측 콘택트층(205)의 표면에 소정 형상의 마스크를 형성하며, RIE(반응성 이온 에칭) 장치에서 p측 콘택트층(205) 측으로부터 에칭을 행하여, 도 6b에 나타낸 바와 같이, n측 콘택트층(202)의 표면을 노출시킨다.
에칭 후, 최상층에 있는 p측 콘택트층(205)의 거의 전면에 막 두께 200Å의 Ni와 Au를 함유하는 투광성의 p전극(206)과, 그 p전극(206) 위에 본딩용의 Au로 이루어지는 p패드 전극(도시 생략)을 0.5㎛의 막 두께로 형성한다. 한편, 에칭에 의해 노출시킨 n측 콘택트층(202)의 표면에는 W와 Al을 함유하는 n전극(207)을 형성하여 LED소자로 했다.
이 LED소자는 파장 360nm의 자외발광을 나타내고, 특히, 상기 제 2 장벽층을 설치함으로써, 양호한 결정성으로 활성층을 형성할 수 있어, 발광 특성이 우수한 발광 소자가 얻어진다.
[비교예 1]
상기 실시예 2에서 나타낸 바와 같이, 실시예 1에 있어서, 제 2 장벽층의 Al 혼성결정비(u)를 제 1 장벽층과 동일한 0.15로 하고, 도 9 및 10에 각각 그래프 c와 그래프 f로서 나타낸 바와 같이, 막 두께 변화에 대한 임계 전류 변화와 소자수명 변화를 측정했다.
본 발명의 질화물 반도체 소자는, 낮은 임계 전류로 375㎚ 이하라는 단파장의 발광 소자, 레이저 소자를 얻을 수 있다. 따라서, 발광 다이오드는 자외선 영역에서 여기(勵起)하는 형광체와 조합하여 형광 램프의 대체품을 제공할 수 있다. 한편, 레이저 소자는 우수한 FWHM을 나타내며, 우수한 해상도가 얻어지기 때문에, 포토리소그래프의 광원, 광조형(光造形)의 광원으로서 유용하다.
Claims (27)
- 우물층과 장벽층을 가지는 양자 우물 구조의 활성층이 제 1 도전형층 및 제 2 도전형층에 의해 협지된 구조를 가지는 반도체 소자에 있어서,상기 활성층 내에서 적어도 하나의 우물층을 협지하여, 상기 제 1 도전형층측에 제 1 장벽층이, 상기 제 2 도전형층측에 제 2 장벽층이 설치되는 동시에,제 2 장벽층이 제 1 장벽층보다도 밴드 갭 에너지가 작은 것을 특징으로 하는 반도체 소자.
- 제 1 항에 있어서,상기 제 1 도전형층이 n형 질화물 반도체를 가지는 n형층이고, 상기 제 2 도전형층이 p형 질화물 반도체를 가지는 p형층이며, 상기 활성층이 질화물 반도체로 이루어지는 우물층과 장벽층을 가지는 동시에, 제 1 도전형층, 활성층, 제 2 도전형층의 순서로 적층되어 있는 것을 특징으로 하는 반도체 소자.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,상기 활성층 내의 장벽층으로서, 상기 제 1 장벽층이 제 1 도전형층의 가장 가까운 곳에 배치되고, 상기 제 2 장벽층이 제 2 도전형층의 가장 가까운 곳에 배치된 장벽층인 것을 특징으로 하는 반도체 소자.
- 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,상기 제 2 장벽층은 활성층 내에서 가장 외측에 배치된 층인 것을 특징으로 하는 반도체 소자.
- 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,상기 제 1 도전형층이 상기 제 1 장벽층보다도 밴드 갭 에너지가 작은 제 1 반도체층을 가지는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 소자.
- 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,상기 제 2 도전형층이 상기 제 1 장벽층보다도 밴드 갭 에너지가 큰 캐리어 가둠층을 가지는 것을 특징으로 하는 반도체 소자.
- 제 6 항에 있어서,상기 제 2 도전형층이 상기 제 1 장벽층보다도 밴드 갭 에너지가 작은 제 2 반도체층을 가지고, 상기 캐리어 가둠층을 사이에 두고 활성층으로부터 이간되어 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 반도체 소자.
- 제 6 항 또는 제 7 항에 있어서,상기 캐리어 가둠층에 p형 불순물이 도프되어 있는 것을 특징으로 하는 반도체 소자.
- 제 6 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,상기 제 1 반도체층 및/또는 캐리어 가둠층이 활성층에 접하여 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 반도체 소자.
- 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,상기 제 1 장벽층과 제 2 장벽층의 밴드 갭 에너지 차가 0.02eV 이상인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 소자.
- 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,상기 활성층이 우물층을 복수개 가지는 다중 양자 우물 구조이며, 상기 제 1 장벽층과 제 2 장벽층 사이에 제 1 장벽층, 제 2 장벽층과 우물층을 사이에 두고 배치된 내부 장벽층을 가지고, 상기 내부 장벽층이 제 2 장벽층과 밴드 갭 에너지가 상이한 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 소자.
- 제 11 항에 있어서,상기 내부 장벽층이 제 2 장벽층보다도 밴드 갭 에너지가 큰 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 소자.
- 제 11 항 또는 제 12 항에 있어서,상기 제 1 장벽층이 상기 내부 장벽층보다도 밴드 갭 에너지가 큰 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 소자.
- 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,상기 활성층이 질화물 반도체로 이루어지는 우물층과 장벽층을 가지고, 제 1 도전형층이 질화물 반도체를 가지며, 제 2 도전형층이 질화물 반도체를 가지는 반도체 소자에 있어서,상기 우물층이 GaN, 또는 GaN보다도 밴드 갭 에너지가 큰 Al을 함유하는 질화물 반도체로 이루어지는 것을 특징으로 하는 반도체 소자.
- 제 14 항에 있어서,상기 우물층의 조성이 GaN, AlxGa1-xN(0＜x≤1), AlxInyGa1-x-yN(0＜x≤1, 0＜y≤1, x+y＜1) 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 반도체 소자.
- 제 14 항 또는 제 15 항에 있어서,상기 장벽층의 조성이 AluInvGa1-u-vN(0＜u≤1, 0≤v≤1, u+v＜1)인 것을 특징으로 하는 반도체 소자.
- 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,상기 활성층이 질화물 반도체로 이루어지는 우물층과 장벽층을 가지고, 제 1 도전형층이 질화물 반도체를 가지며, 제 2 도전형층이 질화물 반도체를 가지는 반도체 소자에 있어서,상기 우물층의 조성이 InzGa1-zN(0＜z＜1)이고, 상기 장벽층의 조성이 AluInvGa1-u-vN(0＜u≤1, 0≤v≤1, u+v＜1)인 것을 특징으로 하는 반도체 소자.
- 제 14 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 있어서,상기 제 1 장벽층의 Al 혼성결정비 u와 상기 우물층의 Al 혼성결정비 x의 차가 0.1 이상, u-x≥0.1인 것을 특징으로 하는 반도체 소자.
- 제 14 항 내지 제 18 항 중 어느 한 항에 있어서,상기 제 1 반도체층 및 제 2 반도체층 중 적어도 한쪽이 Al을 함유하는 질화물 반도체로 이루어지는 것을 특징으로 하는 반도체 소자.
- 제 6 항 내지 제 19 항 중 어느 한 항에 있어서,상기 제 1 장벽층의 막 두께가 상기 제 2 장벽층의 막 두께보다도 얇은 것을 특징으로 하는 반도체 소자.
- 제 1 항 내지 제 20 항 중 어느 한 항에 있어서,상기 제 1 장벽층의 막 두께가 30Å 이상 150Å 이하의 범위인 것을 특징으로 하는 반도체 소자.
- 제 1 항 내지 제 21 항 중 어느 한 항에 있어서,상기 제 2 장벽층의 막 두께가 50Å 이상 300Å 이하의 범위인 것을 특징으로 하는 반도체 소자.
- 제 6 항 내지 제 22 항 중 어느 한 항에 있어서,상기 제 1 도전형층, 제 2 도전형층 내에 상기 제 1 반도체층, 제 2 반도체층을 사이에 두고, 활성층으로부터 이간하여 클래드층이 각각 설치되어 있는 동시에,제 1 도전형층 내의 클래드층이 제 1 반도체층보다도 밴드 갭 에너지가 크고, 제 2 도전형층 내의 클래드층이 제 2 반도체층보다도 밴드 갭 에너지가 큰 것을 특징으로 하는 반도체 소자.
- 제 5 항 내지 제 22 항 중 어느 한 항에 있어서,상기 제 1 도전형층, 제 2 도전형층에 각각 설치된 광 가둠의 클래드층에 협지된 활성층에 의해 도파로가 형성된 발광 소자에 있어서,제 1 도전형층 내에 설치된 광가이드층이 상기 제 1 반도체층을 가지는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 소자.
- 제 24 항에 있어서,상기 제 2 도전형층 내에 설치된 광가이드층이 상기 제 1 장벽층보다도 밴드 갭 에너지가 작은 제 2 반도체층을 가지는 것을 특징으로 하는 반도체 소자.
- 제 24 항 또는 제 25 항에 있어서,상기 제 1 반도체층, 제 2 반도체층 중 적어도 한쪽이 Al을 함유하는 질화물 반도체로 이루어지고, 상기 Al을 함유하는 질화물 반도체의 Al 혼성결정비가 상기 질화물 반도체로 이루어지는 제 1 장벽층의 Al 혼성결정비보다도 작은 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 소자.
- 제 23 항 내지 제 26 항 중 어느 한 항에 있어서,상기 제 1 장벽층이 상기 클래드층보다도 밴드 갭 에너지가 큰 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 소자.
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