KR20040018348A - 질화 갈륨계 화합물 반도체 소자 - Google Patents

질화 갈륨계 화합물 반도체 소자 Download PDF

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KR20040018348A KR10-2003-7013157A KR20037013157A KR20040018348A KR 20040018348 A KR20040018348 A KR 20040018348A KR 20037013157 A KR20037013157 A KR 20037013157A KR 20040018348 A KR20040018348 A KR 20040018348A
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Abstract

본 발명은 수명이 길고 온도 특성이 뛰어난 질화 갈륨계 화합물 반도체 소자를 제공하는 것을 목적으로 하는 것으로, In를 포함하며 n형 불순물을 도프한 n형 질화 갈륨계 화합물 반도체로 이루어진 활성층(107) 위에, 저농도의 n형 불순물 및 p형 불순물을 포함하는(바람직하게는 논도프 성장의) 제 1 캡층(108a)과, Al를 포함하며 p형 불순물을 도프한 제 2 캡층을 적층함으로써, 활성층과 캡층의 계 표 부근에서의 도너와 억셉터의 보상을 억제한다.

Description

질화 갈륨계 화합물 반도체 소자{GALLIUM NITRIDE COMPOUND SEMICONDUCTOR ELEMENT}
질화물 반도체를 이용한 질화 갈륨계 화합물 반도체 소자는 발광 다이오드 소자(LED), 레이저 다이오드 소자(LD) 등의 발광소자와, 태양전지, 광 센서 등의 수광 소자, 또는 트랜지스터, 파워 디바이스 등의 전자 디바이스에 이용된다. 특히, 질화물 반도체를 이용한 반도체 레이저 소자는 자외선 영역으로부터 적색 영역에 이르기까지 폭넓은 가시광선 영역에서 발진이 가능한 것으로 생각되며, 그 응용 범위는 광디스크 시스템의 광원 이외에 레이저 프린터, 광 네트워크 등의 광원 등 다방면에 걸칠 것으로 기대되고 있다.
종래의 질화 갈륨계 화합물 반도체 소자에서는 In를 포함한 n형 활성층과, Al를 포함한 p형 클래드층을 조합한 헤테로 pn 접합을 기본 구성으로 갖는 경우가 많았다. 또한, In를 포함한 n형 활성층은 분해하기 쉽기 때문에, 비교적 고온에서p형 클래드층을 성장할 때 활성층이 분해하는 것을 방지하기 위해, n형 활성층과 p형 클래드층의 사이에 AlGaN으로 이루어진 캡층을 박막으로 형성하는 경우가 많다.
종래의 질화 갈륨계 화합물 반도체 소자의 일례로서 질화물 반도체 레이저의 단면도를 도 3에 나타낸다. 도 3의 질화물 반도체 레이저는 InGaN으로 이루어진 MQW 활성층을 n형 및 p형 AlGaN 클래드층 사이에 끼운 더블헤테로 구조를 가지고 있다. ELOG 성장된 GaN 기판(101) 상에, 버퍼층(102)을 통하여, n형 AlGaN 컨택트층(103), n형 InGaN 크랙 방지층(104), n형 AlGaN/GaN 초격자 클래드층(105), 언도프 GaN 광가이드층(106), InGaN으로 이루어진 양자 우물 활성층(107), p형 AlGaN 캡층(108), 언도프 GaN 광가이드층(109), p형 AlGaN/GaN 초격자 클래드층(110), p형 GaN 컨택트층(111)이 순서대로 적층되어 있다. 또한, "162"는 ZrO2로 이루어진 보호막, "164"는 SiO2와 TiO2로 이루어진 유전체 다층막, "120"은 p전극, "121"은 n전극, "122"와 "123"은 인출 전극이다.
활성층(107)은 언도프 Inx1Ga1-x1N우물층(0＜x1＜1)과 Si 도프 Inx2Ga1-x2N장벽층(0≤x2＜1, x1＞x2)이 적당한 회수만큼 교대로 반복 적층된 MQW 구조를 가지고 있다. p형 AlGaN 캡층(108)은 활성층(107)과 헤테로 pn 접합을 형성하고 있으며, 전자를 활성층(107) 안에 효과적으로 가두어 레이저의 임계값을 저하시킨다. 또한, p형 캡층(108)은 활성층(107)으로 홀을 공급하는 역할을 하기 때문에, 고농도의 Mg가 도프되어 있다. p형 캡층(108)은 15~500Å 정도의 박막으로 성장시키면 좋고, 박막이면 p형 광가이드층(109)이나 p형 광클래드층(110)보다 저온으로 성장시킬 수 있다. 따라서 p형 캡층(108)을 형성함으로써, p형 광가이드층(109) 등을 활성층 위에 직접 형성하는 경우에 비해, In를 포함하는 활성층(107)의 분해를 억제할 수 있다.
도 3에 나타내는 구조의 질화 갈륨계 화합물 반도체 레이저에 의해, 실온, 5 ㎽의 연속 발진이라는 조건에서 1만 시간이 넘는 수명을 달성할 수 있다.
그러나 질화 갈륨계 화합물 반도체 소자는, 그 용도를 확대하기 위하여 소자 수명의 향상이 한층 더 요구되고 있다. 특히, 질화 갈륨계 화합물 반도체 레이저는 소자 수명의 향상이 매우 중요하고, 또한 고온 동작시의 임계 특성 향상도 요구되고 있다.
본 발명은 질화물 반도체(InXAlYGa1-X-YN, 0≤X, 0≤Y, X＋Y≤1)를 이용한 질화 갈륨계 화합물 반도체 소자에 관한 것으로, 특히 In를 포함하는 활성층을 갖는 질화 갈륨계 화합물 반도체 소자에 관한 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예를 설명하는 개략 단면도이다.
도 2a 및 2b는 종래(도 2a) 및 본 발명(도 2b)에 따른 질화 갈륨계 화합물반도체 소자의 활성층과 p형 캡층의 계면 부근의 모습을 나타내는 개략도이다.
도 3은 종래의 질화 갈륨계 화합물 반도체 소자의 일례를 나타내는 개략 단면도이다.
본 발명자는, 질화 갈륨계 화합물 반도체 소자에 있어서, (1) n형 활성층에 근접하는 p형 캡층의 불순물 농도가 낮은 쪽이 소자 수명 및 온도 특성이 양호하게 되는 것과, (2) n형 활성층과 p형 캡층과의 pn 접합 계면에서 n형 및 p형 불순물이 서로 상쇄된 결과, 캐리어 생성에 기여하지 않는 불순물이 존재하는 것에 착안하여 본 발명을 이루기에 이르렀다.
상기 (2)의 점에 대하여 도 2a를 참조하면서 상세하게 설명한다. 도 2a는 종래의 질화물 반도체 소자에서의 p형 캡층(108)과 n형 활성층(107)과의 pn 접합 계면의 모습을 나타내는 개략도이다. 도면에 나타낸 바와 같이, p형 캡층(108)에 도프되어 있는 p형 불순물(10)은 홀을 방출하고(도면 중 a), n형 활성층(107)에 도프되어 있는 n형 불순물(12)은 전자를 방출하며(도면 중 b), 이 홀 및 전자들이 캐리어가 되어 소자 전류를 형성한다. 그런데 n형 활성층 위에 p형 캡층을 성장시킬 때, p형 캡층 내의 p형 불순물(10)은 열확산에 의해 n형 활성층으로 일부 침입하고, 반대로 n형 활성층 내의 n형 불순물(12)은 열확산에 의해 p형 캡층으로 일부 침입한다. 이 때문에, pn 접합 계면 부근에서 p형 불순물(10)의 일부와 n형 불순물(12)의 일부가 같은 영역 내에 혼재하게 되어, 도너와 억셉터가 도면 중의 c와 같이 보상되어 유효한 캐리어 생성에 기여하지 않게 된다.
여기서, 본 발명에 따른 질화 갈륨계 화합물 반도체 소자는, In를 포함하며 n형 불순물을 도프한 n형 질화 갈륨계 화합물 반도체로 이루어진 활성층과, Al를 포함하며 p형 불순물을 도프한 p형 질화 갈륨계 화합물 반도체로 이루어진 p형 클래드층을 갖는 질화 갈륨계 화합물 반도체 소자에 있어서, 상기 활성층과 상기 p형 클래드층의 사이에, 상기 활성층보다 저농도의 n형 불순물과 상기 p형 클래드층보다 저농도의 p형 불순물을 포함하는 질화 갈륨계 화합물 반도체로 이루어진 제 1 캡층과, Al를 포함하며 p형 불순물을 도프한 p형 질화 갈륨계 화합물 반도체로 이루어진 제 2 캡층을 적층한 것을 특징으로 한다.
보다 바람직하게는 상기 제 1 캡층은 상기 활성층에 접하여 형성되고, 더욱이 상기 제 2 캡층은 상기 제 1 캡층에 접하여 형성되어 있는 것을 특징으로 한다. 더욱 바람직하게는 p형의 광가이드층이 상기 제 2 캡층에 접하여 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.
도 2b는 본 발명에 따른 질화물 반도체 소자에서의 p형 캡층(108)과 n형 활성층(107)의 pn 접합 계면의 모습을 나타내는 개략도이다. 도 2b에 나타낸 바와같이, 본 발명에 의하면, n형 불순물 및 p형 불순물이 모두 저농도로 포함되어 있는 제 1 캡층(108a)을 n형 활성층과 p형 캡층(= 제 2 캡층(108b))의 사이에 형성하였기 때문에, 고농도의 불순물을 포함하는 p형 캡층이 n형 활성층에 직접 접하는 경우(도 2a의 경우)에 비하여 도너와 억셉터의 보상을 억제할 수 있다. 따라서 보상이 억제된만큼 p형 캡층(= 제 2 캡층)에 대한 p형 불순물의 도프량을 감소시킬 수가 있어, 소자 수명과 특성 온도를 향상시킬 수 있다.
최종 소자의 불순물 농도는 특별히 한정되지 않지만, 제 1 캡층 내의 n형 불순물 및 p형 불순물의 농도가 1.0 ×1017㎝-3이하이고, 상기 제 2 캡층의 p형 불순물의 농도가 8.0 ×1018~ 2.0 ×1019㎝-3인 것이 바람직하다. 또한, 본 발명에 있어서, 제 1 캡층 내의 n형 불순물 및 p형 불순물의 농도란, 층의 두께 방향에서의 평균치를 말한다. 제 1 캡층 내의 n형 불순물 및 p형 불순물의 농도는, 다른 층으로부터의 열확산의 영향에 의해 층의 두께 방향으로 농도 구배가 되어 있다. 즉, 제 1 캡층 내의 n형 불순물 농도는 활성층에 가까운 쪽에서 높고, 활성층으로부터 멀어짐에 따라 감소하며, 또한 반대로 제 1 캡층 내의 p형 불순물 농도는 제 2 캡층에 가까운 쪽에서 높고, 제 2 캡층으로부터 멀어짐에 따라 감소한다.
또한, 도너와 억셉터의 보상을 효과적으로 억제하기 위해서, 제 1 캡층은 n형 불순물 및 p형 불순물을 도프하지 않고 성장시키는 것이 바람직하다. 불순물을 도프하지 않고 성장시켰을 경우에도 제 1 캡층은 활성층으로부터의 열확산에 의한 n형 불순물과 제 2 캡층으로부터의 열확산에 의한 p형 불순물을 포함하게 된다.
불순물 농도가 낮은 제 1 캡층은 고저항 층이 되기 때문에, 소자의 구동 전압을 억제한다는 관점에서는 제 1 캡층이 얇은 것이 바람직하다. 반면, p형 불순물과 n형 불순물의 상쇄를 억제한다는 관점에서는 제 1 캡층이 두꺼운 것이 바람직하다. 억셉터와 도너의 보상 억제의 효과는, 활성층에 도프된 n형 불순물이 제 1 캡층 내에서 나타내는 열확산 길이와 제 2 캡층에 도프된 p형 불순물이 제 1 캡층 내에서 나타내는 열확산 길이의 합계 길이가 제 1 캡층의 막두께와 거의 같을 때에 최대가 된다. 이 때, 제 2 캡층으로부터 열확산되어 온 p형 불순물과 n형 활성층으로부터 열확산되어 온 n형 불순물이 혼재하는 영역은 이론상 없어진다. 여기서, n형 및 p형 불순물이 제 1 캡층 내에서 나타내는 열확산 길이는, 제 1 캡층으로의 상기 불순물의 열확산이 가장 활발하게 일어나는 공정에서 나타내는 값을 기준으로 한다. 즉, 「n형 불순물이 제 1 캡층 내에서 나타내는 열확산 길이」란, n형 불순물이 제 1 캡층의 성장 온도(절대온도)에서 나타내는 열확산 길이를 가리킨다. 「p형 불순물이 제 1 캡층 내에서 나타내는 열확산 길이」란, p형 불순물이 제 2 캡층의 성장 온도(절대온도)에서 나타내는 열확산 길이를 가리킨다. 또한, 적어도 우물층과 장벽층을 갖는 다중 양자 우물 구조의 활성층이 논도프로 종료되어 있는 경우에는 상기 논도프층과 제 1 캡층의 합계 막두께가 상기 열확산 길이의 합계와 동일할 때, 불순물의 보상 억제 효과가 최대가 된다. 예를 들어, 논도프 우물층과 n형 불순물 도프 장벽층을 교대로 적층한 다중 양자 우물 구조를 갖는 활성층이 논도프 우물층으로 종료되어 있는 경우에는, 우물층과 제 1 캡층의 합계 막두께가 상기 열확산 길이의 합계와 동일할 때, 불순물의 보상 억제 효과가 최대가 된다.
여기서, 열확산 길이(L)란, t초 후의 불순물의 확산 길이를 말하며, L은 (D ·t)의 제곱근으로 정해진다(L는 이론값이다). 여기서, D는 확산 정수이고, D = D0·a2exp(-U/kT)로 표현되는데, D0는 성장 초기의 확산 정수, a는 그 재료의 격자 정수, U는 그 재료의 포텐셜 에너지, k는 볼츠만 정수, T는 온도를 나타낸다.
제 1 캡층으로는 예를 들어 GaN층, InxGa1-xN층(0＜x＜1) 및 AlyGa1-yN층 (0＜y＜1)을 이용할 수 있고, 또한 이들의 2종 이상을 적층한 것을 이용할 수도 있다. GaN층은 활성층 내의 In의 해리 억제에 효과적이고, 또한 결정성이 좋은 층을 형성하기 쉽다는 점에서 바람직하다. InxGa1-xN층은 두꺼운 막으로 형성하여도 Vf의 상승이 없고, 결정성 좋게 적층할 수 있다는 점에서 바람직하다. AlyGa1-yN층(0＜y＜1)은 활성층의 In의 해리 억제에 가장 효과적이라는 점에서 바람직하다.
상술한 바와 같이, 제 1 캡층의 바람직한 막두께는, n형 및 p형 불순물이 제 1 캡층 내에서 나타내는 열확산 길이에 의존하기 때문에 제 1 캡층의 조성에 의해서도 변화한다. 예를 들면, 제 1 캡층이 GaN층으로 이루어진 경우, 제 1 캡층의 막두께는 15 ~ 100Å(보다 바람직하게는 50 ~ 80Å)인 것이 바람직하다. 제 1 캡층이 InxGa1-xN층(0＜x＜1)으로 이루어진 경우에는 막두께 15 ~ 150Å(보다 바람직하게는 85 ~ 115Å)이 바람직하다. 제 1 캡층이 AlyGa1-yN층(0＜y＜1)으로 이루어진경우에는 막두께 15 ~ 50Å(보다 바람직하게는 20 ~ 50Å)이 바람직하다.
한편, 제 2 캡층의 막두께는, 저온에서 결정성이 좋은 막을 얻기 위해서 15 ~ 500Å인 것이 바람직하다.
활성층은 In를 포함하고 n형 불순물을 도프한 질화 갈륨계 화합물 반도체이면 좋고, 벌크, 단일 양자 우물 구조, 다중 양자 우물 구조 중의 어느 것이라도 좋다. 그 중에서도, In를 포함하는 질화 갈륨계 화합물 반도체로 이루어진 우물층과, n형 불순물을 첨가한 질화 갈륨계 화합물 반도체로 이루어진 장벽층을 교대로 적층하여 구성된 양자 우물 구조의 활성층을 갖는 것이 바람직하지만, 이 경우에는 제 1 캡층이 장벽층보다 저농도의 n형 불순물을 포함하도록 한다.
본 발명의 질화 갈륨계 화합물 반도체 소자에 이용하는 n형 불순물로서는 Si, Ge, Sn, S, O 등을 들 수 있고, 바람직하게는 Si, Sn가 이용된다. 또한, p형 불순물로서는 특별히 한정되지 않지만 Be, Zn, Mn, Cr, Mg, Ca 등을 들 수 있으며, 바람직하게는 Mg가 이용된다.
또한, 본 명세서에서 언도프란, 질화물 반도체 성장 시에 도펀트(dopant)가 되는 p형 불순물, n형 불순물 등을 첨가하지 않는 상태로 성장시키는 것을 가리키며, 예를 들어 유기 금속 기상(氣相) 성장법에서 반응 용기 내에 상기 도펀트가 되는 불순물을 공급하지 않는 상태로 성장시키는 것을 가리킨다.
이하, 도면을 참조하면서 본 발명의 실시예에 대해 설명한다. 본 발명의 질화 갈륨계 화합물 반도체 소자에는 GaN, AlN이나 InN, 또는 이들의 혼합 결정인 질화 갈륨계 화합물 반도체(InXAlYGa1-X-YN, 0≤X, 0≤Y, X＋Y≤1)를 이용할 수 있고, 이들의 일부를 B, P로 치환한 혼합 결정을 이용해도 좋다.
여기에서는 질화 갈륨계 화합물 반도체 소자의 일례로서 질화 갈륨계 화합물 반도체 레이저를 예로 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 질화 갈륨계 화합물 반도체 레이저를 나타내는 단면도이다.　 도 1의 질화물 반도체 레이저는 InaGa1-aN(0≤a＜1)으로 이루어진 활성층(107)이 n형 AlbGa1-bN(0≤b＜1)층(103~106)(각 층마다 b의 값은 다르다)과, p형 AlcGa1-cN(0≤c＜1)층(108~111)(각 층마다 c의 값은 다르다)의 사이에 끼워져 있어서, 이른바 더블헤테로 구조로 형성되어 있다.
활성층(107)은 Inx1Ga1-x1N우물층(0＜x1＜1)과 Inx2Ga1-x2N장벽층(0≤x2＜1, x1＞x2)이 적당한 회수만큼 교대로 반복하여 적층된 MQW 구조(다중 양자 우물 구조)를 가지고 있다. 우물층은 언도프로 형성되어 있는 한편, 모든 장벽층에는 Si, Sn등의 n형 불순물이 도프되어 있다. 장벽층에 n형 불순물이 도프되어 있기 때문에, 활성층 내의 초기 전자 농도가 커져 우물층으로의 전자 주입 효율이 높아지고, 레이저의 발광 효율이 향상된다. 활성층(107)은 우물층으로 종료되어도 좋고, 장벽층으로 종료되어도 좋다. 활성층(107)에는 증기압이 높은 InN이 비교적 다량으로 혼합결정되어 있기 때문에 분해하기 쉽고, 다른 층보다도 저온(약 900℃)에서 성장된다.
캡층(108)은 언도프로 성장된 제 1 캡층(108a)과 고농도의 Mg를 도프하여 성장된 제 2 캡층(108b)의 두 개의 층으로 구성되어 있다.
제 1 캡층(108a)은 n형 활성층(107)의 장벽층에 도프된 Si와 제 2 캡층(108b)에 도프된 Mg와의 보상을 방지하는 역할을 하며, 예를 들어, GaN층, InxGa1-xN층(0＜x＜1), AlyGa1-yN층(0＜y＜1), 또는 이들 2종 이상의 적층체를 언도프로 성장시킨 것이다. 제 1 캡층(108a)의 막두께는 약 15Å이상이고, 활성층(107)에 도프된 Si가 제 1 캡층(108a) 내에서 나타내는 열확산 길이와 제 2 캡층(108b)에 도프된 Mg가 제 1 캡층(108a) 내에서 나타내는 열확산 길이의 합계 길이 이하이다. 여기서, Si 및 Mg가 제 1 캡층(108a) 내에서 나타내는 열확산 길이(L)는 상술한 식으로 나타낼 수 있다. 이것에 의해, n형 활성층(107)으로부터 열확산된 Si와, 그 다음에 성장하는 제 2 캡층(108b)으로부터 열확산되는 Mg와의 혼재가 방지된다.
제 1 캡층(108a)을 GaN층, InxGa1-xN층(0＜x＜1), AlyGa1-yN층(0＜y＜1) 중의 2종 이상의 적층체를 언도프로 성장시킨 것으로 하는 경우, 제 1 캡층의 바람직한 막두께는, 그 적층체의 구성으로서 InGaN을 갖는 경우에는 15 ~ 150Å으로 하고, GaN을 갖는 경우에는 15 ~ 100Å으로 한다. 이것에 의해, 제 1 캡층을 단일층으로 설치한 경우와 같이, 불순물의 보상 억제 효과가 큰 질화물 반도체 레이저 소자를 얻을 수 있다.
n형 활성층(107)으로부터 제 1 캡층(108a)으로 확산된 Si는 제 1 캡층(108a)내에서, n형 활성층(107)과의 계면으로부터 제 2 캡층(108b)과의 계면을 향하여 점점 농도가 낮아진다. 반대로, 제 2 캡층(108b)으로부터 제 1 캡층(108a)으로 확산된 Mg는 제 1 캡층 내에서, 제 2 캡층(108b)과의 계면으로부터 n형 활성층(107)과의 계면을 향하여 점점 농도가 낮아진다. n형 활성층(107)및 제 2 캡층(108b)으로부터의 열확산에 의해, 제 1 캡층(108a)에 포함되는 Mg 및 Si의 농도는 각각 1.0 ×1017㎝-3이하이다. 또한, 제 1 캡층(108a)을 성장시킬 때, Si나 Mg 등의 불순물을 저농도로(활성층 및 제 2 캡층으로부터의 열확산 후의 최종적인 농도가 1.0 ×1017㎝-3이하가 되도록 하는 저농도로) 도프하면서 성장시켜도 좋다. 제 1 캡층(108a)은 n형 및 p형 불순물 모두를 거의 동일한 양만큼 포함하기 때문에, 결과적으로 i형으로 되어 있다.
제 1 캡층(108a)은 활성층(107) 중의 In 해리를 억제하기 위하여 활성층(107)과 거의 같은 온도(약 900℃)에서 성장시키는 것이 바람직하다. 활성층(107)보다 저온에서 성장시키면 활성층(107)으로부터 In이 확산되어 올 우려가있고, 활성층(107)보다 고온에서 성장시키면 활성층 중의 In이 해리하기 쉬워진다.
한편, 제 2 캡층(108b)은 활성층(107)으로의 홀 공급과 활성층으로의 전자 가둠의 역할을 하며, 예를 들어, AlzGa1-zN층(0＜z＜1, 보다 바람직하게는 0.1＜z＜0.5)에 p형 불순물로서 Mg가 8.0 ×1018~ 2.0 ×1019㎝-3의 농도로 도프되어 이루어진다. 제 2 캡층(108b)은 결정성이 양호한 박막을 얻기 위해서 1000℃ 이상의 고온에서 성장시키는 것이 바람직하다. 제 2 캡층(108b)에 도프된 Mg는 하지층을 향하여 열확산하지만, 제 1 캡층(108a)이 있기 때문에 n형 활성층(107)으로부터 확산되어 온 Si와 거의 혼합되지 않는다. 따라서 제 2 캡층(108b)에 도프된 거의 모든 Mg가 유효한 캐리어 생성에 기여하게 되어, n형 활성층 위에 직접 형성된 종래의 p형 캡층에 비해, 보다 적은 Mg 도프량으로 동등한 레이저 발진을 얻을 수 있다.
또한, 활성층 중에서 가장 제 1 캡층에 가까운, n형 불순물을 첨가한 질화 갈륨계 화합물 반도체로 이루어진 층의 n형 불순물 농도는 5.0 ×1017~ 1.0 ×1019㎝-3인 것이 바람직하다.
이하, 도 1에 나타내는 질화물 반도체 레이저에 대한 구조를 상세히 설명한다. 기판(101)으로는 GaN을 이용하는 것이 바람직하지만, 질화물 반도체와 다른 이종기판을 이용해도 좋다. 이종기판으로서는 예를 들어 C면, R면 및 A면 중의 어느 한 면을 주면으로 하는 사파이어, 스피넬(MgAl2O4)과 같은 절연성 기판, SiC(6H,4H, 3C를 포함한다), ZnS, ZnO, GaAs, Si 및 질화물 반도체와 격자 정합하는 산화물 기판 등 질화물 반도체를 성장시킬 수 있다고 종래부터 알려져 있는, 질화물 반도체와는 다른 기판 재료를 이용할 수 있다. 바람직한 이종기판으로서는 사파이어, 스피넬을 들 수 있다. 또한, 이종기판은 오프 앵글(off-angle)되어 있어도 좋고, 이 경우 스텝 형태로 오프 앵글한 것을 이용하면 질화 갈륨으로 이루어진 하지층이 결정성 좋게 성장하기 때문에 바람직하다. 또한, 이종기판을 이용하는 경우에는, 이종기판 상에 소자 구조 형성 전의 하지층이 되는 질화물 반도체를 성장시킨 후, 이종기판을 연마 등의 방법에 의해 제거하여 질화물 반도체의 단체(單體) 기판으로서 소자 구조를 형성해도 좋고, 소자 구조 형성 후에 이종기판을 제거하는 방법도 좋다.
이종기판을 이용하는 경우에는 버퍼층(저온 성장층)과 질화물 반도체(바람직하게는 GaN)로 이루어진 하지층을 통해서 소자 구조를 형성하면, 질화물 반도체의 성장이 양호하게 된다. 또한, 이종기판 위에 설치된 하지층(성장 기판)으로서 그 외에 ELOG(Epitaxially Laterally Overgrowth) 성장시킨 질화물 반도체를 이용하면, 결정성이 양호한 성장 기판을 얻을 수 있다. ELOG 성장층의 구체적인 예로서는, 이종기판 위에 질화물 반도체층을 성장시키고, 그 표면에 질화물 반도체가 성장하기 어려운 보호막 설치 등에 의해 형성된 마스크 영역과, 질화물 반도체를 성장시키는 비마스크 영역을 스트라이프 형상으로 설치한 다음, 이 비마스크 영역으로부터 질화물 반도체를 성장시킴으로써, 막두께 방향으로의 성장에 더하여, 가로 방향으로의 성장이 이루어짐으로써, 마스크 영역에도 질화물 반도체가 성장되어 막형성된 층 등이 있다. 그 외의 형태로는, 이종기판 위에 성장시킨 질화물 반도체층에 개구부를 마련하고, 이 개구부 측면으로부터 가로 방향으로의 성장이 이루어져 형성되는 층도 좋다.
기판(101) 위에는 버퍼층(102)을 통하여 n형 질화물 반도체층인 n형 컨택트층(103), 크랙 방지층(104), n형 클래드층(105) 및 n형 광가이드층(106)이 형성되어 있다. n형 클래드층(105)을 제외한 다른 층은 소자에 따라서 생략할 수도 있다. n형 질화물 반도체층은 적어도 활성층과 접하는 부분에서 활성층보다 넓은 밴드 갭을 가질 필요가 있기 때문에, Al를 포함하는 조성인 것이 바람직하다. 또한, 각 층은 n형 불순물을 도프하면서 성장시켜서 n형으로 해도 좋고, 언도프로 성장시켜서 n형으로 해도 좋다.
n형 질화물 반도체층(103~106)의 위에는 활성층(107)이 형성되어 있다. 활성층(107)은 상술한 바와 같이 Inx1Ga1-x1N우물층(0＜x1＜1)과 Inx2Ga1-x2N 장벽층(0≤x2＜1, x1＞x2)이 적당한 회수만큼 교대로 반복하여 적층된 MQW 구조를 가지고 있다. 우물층은 언도프로 형성되어 있고, 모든 장벽층은 Si, Sn 등의 n형 불순물이 바람직하게는 1 ×1017~ 1 ×1019㎝-3의 농도로 도프되어 형성되어 있다.
활성층(107) 위에는 제 1 캡층(108a), 제 2 캡층(108b)이 형성되어 있다. 상술한 바와 같이, 제 1 캡층(108a)은 언도프로 형성되어 있지만, 기초가 되는 활성층(107)으로부터의 확산에 의해 Si 등의 n형 불순물을 포함하고 있고, 이후에 성장하는 제 2 캡층(108b)으로부터의 확산에 의해 Mg 등의 p형 불순물을 포함하고 있다. 따라서 제 1 캡층(108a) 내의 n형 불순물 농도는 활성층(107)보다 낮고, 제 1 캡층(108a) 내의 p형 불순물 농도는 제 2 캡층(108b)보다 낮아져, 모두 1 ×1017㎝-3이하가 된다.
제 2 캡층(108b)은 p형 클래드층(110)보다 높은 Al 혼합 결정비를 갖는 p형 질화물 반도체로 이루어지고, 바람직하게는 AlzGa1-zN(0.1＜z＜0.5)로 이루어진 조성을 갖는다. 또한, Mg 등의 p형 불순물이 8 ×1018~ 2 ×1019㎝-3의 농도로 도프되어 있다.
제 2 캡층(108b) 위에 p형 광가이드층(109), p형 클래드층(110), p형 컨택트층(111)이 형성되어 있다. p형 클래드층(110)을 제외한 다른 층은 소자에 따라서 생략할 수도 있다. 이들 p형 질화물 반도체층은 적어도 활성층과 접하는 부분에서 활성층보다 넓은 밴드 갭을 가질 필요가 있으며, 이 때문에, Al를 포함하는 조성인 것이 바람직하다. 또한, 각 층은 p형 불순물을 도프하면서 성장시켜서 p형으로 해도 좋고, 인접하는 다른 층으로부터 p형 불순물을 확산시켜서 p형으로 해도 좋다.
이들 제 1 캡층과 제 2 캡층은 활성층에 대해서 활성층으로부터 멀어짐에 따라 밴드 갭 에너지가 커지도록 형성하는(오프셋을 취하는) 것이 바람직하다. 즉, 제 1 캡층이 활성층의 어느 층보다 밴드 갭 에너지가 큰 층으로 형성되고, 또한 제 2 캡층이 제 1 캡층보다 밴드 갭 에너지가 큰 층으로 형성된다. 이러한 구성으로 함으로써, 가장 효율적으로 전자의 가둠이 이루어져 캐리어의 오버플로우를 억제할 수 있다. 이 바람직한 형태로서는, 활성층 내에서 제 1 캡층에 인접하는 층이InxGa1-xN층(0＜x＜1)이고, 제 1 캡층이 GaN층이고, 제 2 캡층이 AlyGa1-yN층 (0＜y＜1)인 형태나, 활성층 내에서 제 1 캡층에 인접하는 층이 InxGa1-xN층(0＜x＜1)이고, 제 1 캡층이 GaN층과 AlyGa1-yN층(0＜y＜1)이 순서대로 형성된 층이고, 제 2 캡층이 AlzGa1-zN층(y＜z, 0＜z＜1)인 형태를 들 수 있으며, 이 2개의 형태는 특히 결정성이 활성층에 가까울수록 좋고, 또한 레이저 소자로서의 수명을 연장시킬 수 있다.
n형 질화물 반도체층 및 p형 질화물 반도체층은 특히 레이저 소자, 단면 발광소자에서는 광가이드층이 설치된 구조를 가지고, 이 광가이드층에 의해 도파로가 형성된 구조가 된다. 이 광가이드층은 활성층 내의 우물층보다 큰 밴드 갭 에너지를 갖고, 또한 활성층과 광가이드층의 굴절률 차이를 작게 함으로써 양호한 도파로가 형성된다. 초격자 구조에서도 단일막으로 형성하여도 상관없다. 단일막으로 형성함으로써 초격자로 하는 경우에 비하여 전류가 흐르기 쉬워져 Vf를 내릴 수 있다. 이 때, 단일막의 막두께는 적어도 양자효과가 없을 정도의 막두께로, 바람직하게는 장벽층, 제 1 캡층, 제 2 캡층 중의 어느 것보다 큰 막두께이며, 보다 바람직하게는 300Å 이상의 막두께로 형성하는 것이 바람직하다.
p형 질화물 반도체층 중, p형 광가이드층(109)의 도중까지 리지 스트라이프(ridge stripe)가 형성되고, 또한 보호막(161, 162), p형 전극(120), n형 전극(121), p패드 전극(122) 및 n패드 전극(123)이 형성되어, 반도체 레이저가 구성되어 있다.
이하, 실시예로서 도 1에 나타내는 구조의 질화 갈륨계 화합물 반도체 레이저에 대해 설명한다. 또한, 실시예 1~7의 모든 실시예에서, 제 1 캡층은 언도프로 성장되어 있으나, 최종 레이저 소자로서 제 1 캡층에 존재하는 n형 불순물 및 p형 불순물의 농도는 1.0 ×1017㎝-3이하가 된다.
[실시예 1]
(기판(101))
기판으로서, 이종기판에 성장시킨 질화물 반도체, 본 실시예에서는 GaN을 두꺼운 막(100㎛)으로 성장시킨 후, 이종기판을 제거하여, 80㎛의 GaN으로 이루어진 질화물 반도체 기판을 이용한다. 기판의 자세한 형성 방법은 아래와 같다. 2인치φ, C면을 주면으로 하는 사파이어로 이루어진 이종기판을 MOVPE 반응 용기 내에 세팅하고, 온도를 500Å로 한 다음, 트리메틸갈륨(TMG), 암모니아(NH3)를 이용하여 GaN로 이루어진 버퍼층을 200Å의 막두께로 성장시킨 후, 온도를 올려 언도프의 GaN를 1.5㎛의 막두께로 성장시켜서 하지층으로 한다. 다음에, 하지층 표면에 스트라이프 형상의 마스크를 복수개 형성하고, 마스크 개구부(창부(窓部))로부터 질화물 반도체, 본 실시예에서는 GaN을 선택 성장시켜, 가로 방향의 성장을 수반한 성장(ELOG)에 의해 형성된 질화물 반도체층을 한층 더 두꺼운 막으로 성장시키고, 이종기판, 버퍼층, 하지층을 제거하여, 질화물 반도체 기판을 얻는다. 이 때, 선택 성장 시의 마스크는 SiO2로 이루어지며, 마스크의 폭을 15㎛, 개구부(창부)의 폭을 5㎛로 한다.
(버퍼층(102))
질화물 반도체 기판 위에, 온도를 1015℃로 하고, TMG(트리메틸갈륨), TMA(트리메틸알루미늄), 암모니아를 이용하여 Al0.05Ga0.95N으로 이루어진 버퍼층(102)을 4㎛의 막두께로 성장시킨다. 이 층은 AlGaN의 n형 컨택트층과 GaN으로 이루어진 질화물 반도체 기판의 사이에서 버퍼층으로서 기능한다.
(n형 컨택트층(103))
다음에 얻어진 버퍼층(102) 위에, TMG, TMA, 암모니아, 불순물 가스로서 실란 가스를 이용하여 1015℃에서 Si 도프한 Al0.05Ga0.95N으로 이루어진 n형 컨택트층(103)을 4㎛의 막두께로 성장시킨다.
(크랙 방지층(104))
다음에, TMG, TMI(트리메틸인듐), 암모니아를 이용하고, 온도를 900℃로 하여, In0.06Ga0.94N으로 이루어진 크랙 방지층(104)을 0.15㎛의 막두께로 성장시킨다. 또한, 이 크랙 방지층은 생략 가능하다.
(n형 클래드층(105))
다음에, 온도를 1015℃로 하고, 원료 가스로 TMA, TMG 및 암모니아를 이용하여 언도프의 Al0.05Ga0.95N으로 이루어진 A층을 25Å의 막두께로 성장시킨 다음, TMA를 멈추고 불순물 가스로서 실란 가스를 이용하여 Si를 5 ×1018/㎤ 도프한 GaN으로 이루어진 B층을 25Å의 막두께로 성장시킨다. 그리고 이 조작을 각각 200회 반복하여 A층과 B층을 적층해서, 막의 총두께가 1㎛인 다층막(초격자 구조)으로 구성되는 n형 클래드층(106)을 성장시킨다. 이 때, 언도프 AlGaN의 Al 혼합 결정비가 0.05 이상 0.3 이하의 범위라면 충분히 클래드층으로서 기능하는 굴절률 차이를 마련할 수 있다.
(n형 광가이드층(106))
다음에, 동일한 온도에서, 원료 가스로 TMG 및 암모니아를 이용하여 언도프의 GaN으로 이루어진 n형 광가이드층(106)을 0.15㎛의 막두께로 성장시킨다. 또한, n형 불순물을 도프하여도 좋다.
(활성층(107))
다음에, 온도를 900℃로 하고, 원료 가스로 TMI(트리메틸인듐), TMG 및 암모니아를 이용하고, 불순물 가스로서 실란 가스를 이용하여 Si를 5 ×1018/㎤ 도프한 In0.05Ga0.95N으로 이루어진 장벽층(B)을 140Å의 막두께로 형성하고, 실란 가스를 멈추고 언도프의 In0.1Ga0.9N으로 이루어진 우물층(W)을 40Å의 막두께로 형성한 다음, 이 장벽층(B), 우물층(W)을 (B)/(W)/(B)/(W) …/(B)의 순서로 적층한다. 최종층은 장벽층으로 한다. 활성층(107)은 막의 총두께 약 500Å인 다중 양자 우물 구조(MQW)가 된다.
(제 1 캡층(108a))
다음에, 동일한 온도에서, 원료 가스로 TMA, TMG 및 암모니아를 이용하여 GaN으로 이루어진 제 1 캡층(108a)을 75Å의 막두께로 성장시킨다.
(제 2 캡층(108b))
다음에, 온도를 1000℃로 올리고, 원료 가스로 TMA, TMG 및 암모니아를 이용하며, 불순물 가스로서 CP2Mg(시클로펜타디에닐마그네슘)을 이용하여 Mg를 7.5 ×1018/㎤ 도프한 Al0.3Ga0.7N으로 이루어진 제 2 캡층(108b)을 100Å의 막두께로 성장시킨다.
(p형 광가이드층(109))
다음에, 온도를 1000℃로 하고, 원료 가스로 TMG 및 암모니아를 이용하여 언도프의 GaN으로 이루어진 p형 광가이드층(109)을 0.15㎛의 막두께로 성장시킨다. 이 p형 광가이드층(109)은 언도프로 성장하지만, p형 전자 가둠층(108), p형 클래드층(110) 등의 인접층으로부터의 Mg의 확산에 의해 Mg 농도가 5 ×1016/㎤가 되어 p형을 나타낸다. 또한, 이 층은 성장 시에 의도적으로 Mg를 도프하여도 좋다.
(p형 클래드층(110))
이어서, 1000℃에서 언도프 Al0.05Ga0.95N으로 이루어진 층을 25Å의 막두께로 성장시킨 다음, TMA를 멈추고 CP2Mg를 이용하여 Mg 도프한 GaN으로 이루어진 층을 25Å의 막두께로 성장시키며, 이것을 90회 반복하여 막의 총두께가 0.45㎛인 초격자층으로 이루어진 p형 클래드층(110)을 성장시킨다. p형 클래드층은 적어도 한 쪽이 Al를 포함한 질화물 반도체층을 포함하고, 서로 밴드 갭 에너지가 다른 질화물 반도체층을 적층한 초격자로 제작했을 경우, 불순물을 어느 한 쪽의 층에 많이도프하여, 이른바 변조 도프를 실시하면 결정성이 좋아지는 경향이 있지만, 양쪽 모두에 똑같이 도프하여도 좋다. 클래드층(110)은 Al를 포함한 질화물 반도체층, 바람직하게는 AlXGa1-XN(0＜X＜1)을 포함하는 초격자 구조로 하는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 GaN와 AlGaN을 적층한 초격자 구조로 한다. p측 클래드층(110)을 초격자 구조로 함으로써 클래드층 전체의 Al 혼합 결정비를 올릴 수 있기 때문에, 클래드층 자체의 굴절률이 낮아지고, 또한 밴드 갭 에너지가 커지므로, 임계값을 저하시키는데 있어서 매우 효과적이다. 또한, 초격자로 함으로써, 클래드층 자체에 발생하는 피트(pit)가 초격자로 하지 않는 것보다 적어지므로 단락의 발생도 줄어든다.
(p형 컨택트층(111))
마지막으로, 1000℃에서, p형 클래드층(110) 위에 Mg를 1 ×1020/㎤ 도프한 p형 GaN으로 이루어진 p형 컨택트층(111)을 150Å의 막두께로 성장시킨다. p형 컨택트층(111)은 p형의 InXAlYGa1-X-YN(0≤X, 0≤Y, X＋Y=1)으로 구성할 수 있고, 바람직하게는 Mg를 도프한 GaN으로 하면, p전극(120)과 가장 바람직한 오믹 접촉을 얻을 수 있다. 컨택트층(111)은 전극을 형성하는 층으로, 1 ×1017/㎤ 이상의 고캐리어 농도로 하는 것이 바람직하다. 1 ×1017/㎤보다 낮으면, 전극과 바람직한 오믹 접촉을 얻기 어려워지는 경향이 있다. 또한, 컨택트층의 조성을 GaN으로 하면, 전극 재료와 바람직한 오믹 접촉을 얻기 쉬워진다. 반응 종료 후, 반응 용기 내에서웨이퍼를 질소 분위기하, 700℃에서 어닐링을 실시하여, p형층을 더욱 저저항화한다.
이상과 같이 하여 질화물 반도체를 성장시켜서 각 층을 적층한 후, 웨이퍼를 반응 용기에서 꺼내고, 최상층의 p형 컨택트층의 표면에 SiO2로 이루어진 보호막을 형성한 다음, RIE(반응성 이온 에칭)를 이용하여 SiCl4가스로 에칭하여, 도 1에 나타낸 바와 같이 n전극을 형성해야 할 n형 컨택트층(103)의 표면을 노출시킨다. 이와 같이 질화물 반도체를 깊게 에칭하려면, 보호막으로서 SiO2가 가장 적절하다.
다음에 상술하는 스트라이프 형상의 도파로 영역으로서, 리지 스트라이프를 형성한다. 우선, 최상층의 p형 컨택트층(상부 컨택트층)의 거의 전면에, PVD 장치에 의해 Si산화물(주로 SiO2)로 이루어진 제 1 보호막(161)을 0.5㎛의 막두께로 형성한 후, 제 1 보호막(161) 위에 소정 형상의 마스크를 씌우고, RIE(반응성 이온 에칭) 장치로 CF4가스를 사용하여 포토리소그래피 기술에 의해 스트라이프 폭 1.6㎛의 제 1 보호막(161)을 형성한다. 이 때, 리지 스트라이프의 높이(에칭 깊이)는 p형 컨택트층(111) 및 p형 클래드층(110), p형 광가이드층(109)의 일부를 에칭하고, p형 광가이드층(109)의 막두께가 0.1㎛가 되는 깊이까지 에칭하여 형성한다.
다음에, 리지 스트라이프 형성 후, 제 1 보호막(161) 위에서부터, Zr산화물(주로 ZrO2)로 이루어진 제 2 보호막(162)을 제 1 보호막(161)의 위와, 에칭에 의해 노출된 p형 광가이드층(109) 위에 0.5㎛의 막두께로 연속하여 형성한다.
제 2 보호막(162) 형성 후, 웨이퍼를 600℃로 열처리한다. 이와 같이, SiO2이외의 재료를 제 2 보호막으로서 형성했을 경우, 제 2 보호막 형성 후에 300℃ 이상, 바람직하게는 400℃ 이상, 질화물 반도체의 분해 온도 이하(1200℃)로 열처리함으로써, 제 2 보호막이 제 1 보호막의 용해 재료(불산)에 대해서 용해하기 어려워지기 때문에, 이 공정을 추가하는 것이 보다 바람직하다.　
다음에, 웨이퍼를 불산에 침지하고, 제 1 보호막(161)을 리프트 오프법에 의해 제거한다. 이것에 의해, p형 컨택트층(111) 위에 설치되어 있던 제 1 보호막(161)이 제거되어, p형 컨택트층이 노출된다. 이상과 같이 함으로써, 도 1에 나타낸 바와 같이, 리지 스트라이프의 측면 및 그것에 연속하는 평면(p형 광가이드층(109)의 노출면)에 제 2 보호막(162)이 형성된다.
이와 같이, p형 컨택트층(112)의 위에 형성된 제 1 보호막(161)이 제거된 후, 도 1에 나타낸 바와 같이, 상기 노출된 p형 컨택트층(111)의 표면에 Ni/Au로 이루어진 p전극(120)을 형성한다. 단, p전극(120)은 100㎛의 스트라이프 폭으로서 도 1에 나타낸 바와 같이 제 2 보호막(162) 상에 걸쳐서 형성한다. 제 2 보호막(162) 형성 후, 이미 노출된 n형 컨택트층(103)의 표면에는 Ti/Al로 이루어진 스트라이프 형상의 n전극(121)을 스트라이프와 평행한 방향으로 형성한다.
다음에, n전극을 형성하기 위해서 에칭하여 노출된 면에서, p, n전극에 인출 전극을 설치하기 위해 원하는 영역에 마스크하고, SiO2와 TiO2로 이루어진 유전체 다층막(164)를 형성한 후, p, n전극 상에 Ni－Ti-Au(1000Å－1000Å－8000Å)로이루어진 인출(패드) 전극(122, 123)을 각각 형성했다. 이 때, 활성층(107)의 폭은 200㎛의 폭(공진기 방향에 수직한 방향의 폭)이고, 공진기면(반사면 측)에도 SiO2와 TiO2로 이루어진 유전체 다층막이 형성된다.
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, 또한 바 형상의 웨이퍼를 분할하여 레이저 소자를 얻는다. 이 때, 공진기 길이는 650㎛이다.
실온에서 임계값 2.8kA/㎠, 5~30㎽의 출력에서 발진 파장 405㎚인 연속 발진 레이저 소자가 얻어진다. 레이저 소자의 소자 수명은 60℃, 5㎽의 연속 발진에서 약 2000시간이 되고, 특성 온도도 후술하는 비교예에 대해서 향상된다.
[실시예 2]
제 1 캡층(108a)을 제외하고 실시예 1과 동일하게 하여 질화물 갈륨계 화합물 반도체 레이저를 제작한다. 제 1 캡층(108a)을, 온도 900℃에서 원료 가스로 TMA, TMG 및 암모니아를 이용하여 언도프 Al0.3Ga0.7N으로서 약 35Å의 막두께로 성장시킨다. 이 질화 갈륨계 화합물 반도체 레이저도 실시예 1과 동일한 수명과 특성 온도를 나타낸다.
[실시예 3]
제 1 캡층(108a)을 제외하고 실시예 1과 동일하게 하여 질화물 갈륨계 화합물 반도체 레이저를 제작한다. 제 1 캡층(108a)을, 온도를 900℃로 하고, 원료 가스로 TMI(트리메틸인듐), TMG 및 암모니아를 이용하여 언도프 In0.05Ga0.95N으로서 약 100Å의 막두께로 성장시킨다. 이 질화 갈륨계 화합물 반도체 레이저도 실시예 1과 동일한 수명과 특성 온도를 나타낸다.
[실시예 4]
활성층(107)의 최종층을 약 40Å 두께의 우물층으로 하고, 제 1 캡층(108a)의 두께를 약 60Å로 하는 것 외에는 실시예 3과 동일하게 하여 질화물 갈륨계 화합물 반도체 레이저를 제작한다. 이 질화 갈륨계 화합물 반도체 레이저도 실시예 1과 동일한 수명과 특성 온도를 나타낸다.
[실시예 5]
활성층(107), 제 1 캡층(108a) 및 제 2 캡층(108b)을 다음과 같이 성장시키는 것 외에는 실시예 1과 동일하게 하여 질화 갈륨계 화합물 반도체 레이저를 제작한다.
(활성층(107))
다음에, 온도를 900℃로 하고, 원료 가스로 TMI(트리메틸인듐), TMG 및 암모니아를 이용하며, 불순물 가스로서 실란 가스를 이용하여 Si를 5 ×1018/㎤ 도프한 In0.05Ga0.95N으로 이루어진 장벽층(B)을 140Å의 막두께로 형성하고, 실란 가스를 멈추고 언도프의 In0.1Ga0.9N으로 이루어진 우물층(W)을 70Å의 막두께로 형성하며, 이 장벽층(B), 우물층(W)을 (B)/(W)/(B)/(W)…/(B)의 순서로 적층한다. 최종층은 장벽층으로 하고, 최종층만 Si의 도프량을 1 ×1018/㎤로 한다. 활성층(107)은 막의 총두께가 560Å인 다중 양자 우물 구조(MQW)가 된다.
(제 1 캡층(108a))
다음에, 동일한 온도에서, 원료 가스로 TMA, TMG 및 암모니아를 이용하여 Al0.15Ga0.85N으로 이루어진 제 1 캡층(108a)을 30Å의 막두께로 성장시킨다.
(제 2 캡층(108b))
다음에, 온도를 1000℃로 올리고, 원료 가스로 TMA, TMG 및 암모니아를 이용하며, 불순물 가스로서 Cp2Mg(시클로펜타디에닐마그네슘)을 이용하여 Mg를 7.5 ×1018/㎤ 도프한 Al0.25Ga0.75N으로 이루어진 제 2 캡층(108b)을 70Å의 막두께로 성장시킨다.
이것에 의해 얻을 수 있는 레이저 소자는 실온에서 임계값 2.8kA/㎠, 5~30㎽의 출력에서 발진 파장 405㎚인 연속 발진 레이저 소자를 얻을 수 있다. 레이저 소자의 소자 수명은 60℃, 5㎽의 연속 발진에서 약 3500시간이 되며, 특성 온도도 후술하는 비교예에 대해서 향상된다.
[실시예 6]
제 1 캡층(108a) 및 제 2 캡층(108b)을 다음과 같이 성장시키는 것 외에는 실시예 5와 동일하게 하여 질화 갈륨계 화합물 반도체 레이저를 제작한다.
(제 1 캡층(108a))
900℃에서, 원료 가스로 TMA, TMG 및 암모니아를 이용하여 GaN으로 이루어진 제 1 캡층(108a)을 30Å의 막두께로 성장시킨다.
(제 2 캡층(108b))
다음에, 온도를 1000℃로 올리고, 원료 가스로 TMA, TMG 및 암모니아를 이용하며, 불순물 가스로서 Cp2Mg(시클로펜타디에닐마그네슘)을 이용하여 Mg를 7.5 ×1018/㎤ 도프한 Al0.25Ga0.75N으로 이루어진 제 2 캡층(108b)을 100Å의 막두께로 성장시킨다.
이에 의해 얻어지는 레이저 소자는 실온에서 임계값 2.8kA/㎠, 5~30㎽의 출력에서 발진 파장 405㎚인 연속 발진 레이저 소자이다. 레이저 소자의 소자 수명은 60℃, 5㎽의 연속 발진에서 약 3000시간이 되며, 특성 온도도 후술하는 비교예에 대해서 향상된다.
[실시예 7]
활성층(107), 제 1 캡층(108a) 및 제 2 캡층(108b)을 다음과 같이 성장시키는 것 외에는 실시예 1과 동일하게 하여 질화 갈륨계 화합물 반도체 레이저를 제작한다.
(활성층(107))
다음에, 온도를 900℃로 하고, 원료 가스로 TMI(트리메틸인듐), TMG 및 암모니아를 이용하며, 불순물 가스로서 실란 가스를 이용하여 Si를 5 ×1018/㎤ 도프한In0.05Ga0.95N으로 이루어진 장벽층(B)을 140Å의 막두께로 형성하고, 실란 가스를 멈추고 언도프의 In0.1Ga0.9N으로 이루어진 우물층(W)을 70Å의 막두께로 형성하며, 이 장벽층(B), 우물층(W)을 (B)/(W)/(B)/(W)…/(B)의 순서로 적층한다. 최종층은 장벽층으로 하고, Si의 도프량이 1 ×1018/㎤인 In0.05Ga0.95N으로 이루어진 층(막두께가 100Å)과, 언도프의 In0.05Ga0.95N으로 이루어진 층(막두께가 50Å)의 2층이 순서대로 적층된 층으로 한다. 활성층(107)은 막의 총두께가 570Å인 다중 양자 우물 구조(MQW)가 된다.
(제 1 캡층(108a))
다음에, 같은 온도에서, 원료 가스로 TMA, TMG 및 암모니아를 이용하여 Al0.15Ga0.85N으로 이루어진 제 1 캡층(108a)을 30Å의 막두께로 성장시킨다.
(제 2 캡층(108b))
다음에, 온도를 1000℃로 올리고, 원료 가스로 TMA, TMG 및 암모니아를 이용하며, 불순물 가스로서 Cp2Mg(시클로펜타디에닐마그네슘)을 이용하여 Mg를 7.5 ×1018/㎤ 도프한 Al0.25Ga0.75N으로 이루어진 제 2 캡층(108b)을 70Å의 막두께로 성장시킨다.
이에 의해 얻어지는 레이저 소자는 실온에서 임계값 2.8kA/㎠, 5~30㎽의 출력에서 발진 파장 405㎚인 연속 발진 레이저 소자이다. 레이저 소자의 소자 수명은 60℃, 5㎽의 연속 발진에서 약 2800시간이 되며, 특성 온도도 후술하는 비교예에 대해서 향상된다.
[변형예 1]
다음에 변형예로서, 활성층(107), 제 1 캡층(108a) 및 제 2 캡층(108b)을 다음과 같이 성장시킨다. 그 이외의 구성은 실시예 1과 동일하게 하여 질화 갈륨계 화합물 반도체 레이저를 제작한다.
(활성층(107))
다음에, 온도를 900℃로 하고, 원료 가스로 TMI(트리메틸인듐), TMG 및 암모니아를 이용하며, 불순물 가스로서 실란 가스를 이용하여 Si를 5 ×1018/㎤ 도프한 In0.05Ga0.95N으로 이루어진 장벽층(B)을 140Å의 막두께로 형성하고, 실란 가스를 멈추고 언도프의 In0.1Ga0.9N으로 이루어진 우물층(W)을 70Å의 막두께로 형성하며, 이 장벽층(B), 우물층(W)을 (B)/(W)/(B)/(W) …/(B)의 순서로 적층한다. 최종층은 장벽층으로 하고, 최종층만 언도프로 한다. 활성층(107)은 막의 총두께 560Å인 다중 양자 우물 구조(MQW)가 된다.
(제 1 캡층(108a))
다음에, 같은 온도에서, 원료 가스로 TMA, TMG 및 암모니아를 이용하여 GaN으로 이루어진 제 1 캡층(108a)을 30Å의 막두께로 성장시킨다.
(제 2 캡층(108b))
다음에, 온도를 1000℃에 올리고, 원료 가스로 TMA, TMG 및 암모니아를 이용하며, 불순물 가스로서 Cp2Mg(시클로펜타디에닐마그네슘)을 이용하여 Mg를 7.5 ×1018/㎤ 도프한 Al0.25Ga0.75N으로 이루어진 제 2 캡층(108b)을 70Å의 막두께로 성장시킨다.
이 레이저 소자에 있어서, 제 1 캡층(108a)에 가장 가까운 n형 불순물을 첨가한 질화 갈륨계 화합물 반도체로 이루어진 층은 언도프의 장벽층과 언도프의 우물층을 사이에 개재한 Si 도프된 장벽층이 되고, n형 불순물을 첨가한 층과 p형 불순물을 첨가한 층 사이의 언도프 층의 막의 총두께는 240Å이 된다.
이에 의해 얻어지는 레이저 소자는, 모든 실시예와 비교하여 수명은 짧아지지만, 비교예 1~3과 비교해서는 수명이 길어진다.
[비교예 1]
제 1 캡층(108a)을 형성하지 않고 활성층(107) 위에 직접 제 2 캡층(108b)을 형성하는 것 이외에는 실시예 1과 동일하게 하여 질화 갈륨계 화합물 반도체 레이저를 제작한다. 실온에서 임계값 4.0kA/㎠, 5~30㎽의 출력에서 발진 파장 405㎚인 연속 발진 레이저 소자를 얻을 수 있다. 레이저 소자의 소자 수명은 60℃, 5㎽의 연속 발진에서 약 1000시간이 되며, 특성 온도는 약 200K가 된다.
［비교예 2]
제 1 캡층(108a)을 형성하지 않고 활성층(107) 위에 직접 제 2 캡층(108b)을 이하와 같이 형성하는 것 이외에는 실시예 1과 동일하게 하여 질화 갈륨계 화합물 반도체 레이저를 제작한다.
(제 2 캡층(108b))
다음에, 온도를 1000℃로 올리고, 원료 가스로 TMA, TMG 및 암모니아를 이용하며, 불순물 가스로서 Cp2Mg(시클로펜타디에닐마그네슘)을 이용하여 Mg를 1.0 ×1019/㎤ 도프한 Al0.3Ga0.7N으로 이루어진 제 2 캡층(108b)을 100Å의 막두께로 성장시킨다.
실온에서 임계값 2.8kA/㎠, 5~30㎽의 출력에서 발진 파장 405㎚인 연속 발진 레이저 소자를 얻을 수 있다. 레이저 소자의 소자 수명은 60℃, 5㎽의 연속 발진에서 약 1000시간이 되며, 특성 온도는 약 200K가 된다.
［비교예 3］
제 1 캡층(108a) 및 제 2 캡층(108b)을 다음과 같이 성장시키는 것 이외에는 실시예 1과 동일하게 하여 질화 갈륨계 화합물 반도체 레이저를 제작한다.
(제 1 캡층(108a))
900℃에서, 원료 가스로 TMA, TMG 및 암모니아를 이용하고, 불순물 가스로서 Cp2Mg(시클로펜타디에닐마그네슘)을 이용하여 Mg를 1.0 ×1019/㎤ 도프한 GaN으로 이루어진 제 1 캡층(108a)을 30Å의 막두께로 성장시킨다.
(제 2 캡층(108b))
다음에, 온도를 1000℃로 올리고, 원료 가스로 TMA, TMG 및 암모니아를 이용하며, 불순물 가스로서 Cp2Mg(시클로펜타디에닐마그네슘)을 이용하여 Mg를 7.5×1018/㎤ 도프한 Al0.25Ga0.75N으로 이루어진 제 2 캡층(108b)을 100Å의 막두께로 성장시킨다.
이것에 의해 얻을 수 있는 레이저 소자는 제 1 캡층의 p형 불순물이 제 2 캡층과 비교해 많기 때문에 수명이 짧아져서, 60℃, 5㎽의 연속 발진에서 약 800시간이 되고, 또한 제 2 캡층의 p형 불순물이 제 1 캡층과 비교해 적기 때문에, 실시예 1과 비교해 Vf가 높아진다.
본 발명에 의하면, In를 포함하는 활성층 위에 형성하는 p형 캡층을, 불순물 농도가 낮은(바람직하게는 논도프의) 제 1 캡층과 p형 불순물을 도프한 제 2 캡층의 2층으로 구성함으로써, 활성층과 p형 캡층의 계면 부근에서 일어나는 도너와 억셉터의 보상을 억제할 수 있기 때문에, p형 캡층의 p형 불순물 농도를 감소시켜서, 수명이 길고 온도 특성이 뛰어난 질화 갈륨계 화합물 반도체 소자를 얻을 수 있다.

Claims (12)

  1. In를 포함하며 n형 불순물을 도프한 n형 질화 갈륨계 화합물 반도체로 이루어진 활성층과, Al를 포함하며 p형 불순물을 도프한 p형 질화 갈륨계 화합물 반도체로 이루어진 p형 클래드층을 가지는 질화 갈륨계 화합물 반도체 소자에 있어서,
    상기 활성층과 상기 p형 클래드층의 사이에, 상기 활성층보다 저농도의 n형 불순물과 상기 p형 클래드층보다 저농도의 p형 불순물을 포함하는 질화 갈륨계 화합물 반도체로 이루어진 제 1 캡층과, Al를 포함하며 p형 불순물을 도프한 p형 질화 갈륨계 화합물 반도체로 이루어진 제 2 캡층을 적층한 것을 특징으로 하는 질화 갈륨계 화합물 반도체 소자.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 캡층은 상기 활성층에 접하여 형성되고, 또한 상기 제 2 캡층은 제 1 캡층에 접하여 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 질화 갈륨계 화합물 반도체 소자.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 캡층의 n형 불순물 및 p형 불순물의 농도가 1.0 ×1017/cm-3이하이고, 상기 제 2 캡층의 p형 불순물의 농도가 8.0 ×1018~ 2.0 ×1019/cm-3인 것을 특징으로 하는 질화 갈륨계 화합물 반도체 소자.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 캡층이 n형 불순물 및 p형 불순물을 도프하지 않고 성장되어, 상기 활성층으로부터의 열확산에 의해 n형 불순물을 포함하고, 상기 제 2 캡층으로부터의 열확산에 의해 p형 불순물을 포함하는 것을 특징으로 하는 질화 갈륨계 화합물 반도체 소자.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 캡층의 막두께가, 상기 활성층에 도프된 n형 불순물이 상기 제 1 캡층 내에서 나타내는 열확산 길이와 상기 제 2 캡층에 도프된 p형 불순물이 상기 제 1 캡층 내에서 나타내는 열확산 길이의 합계 길이 이하인 것을 특징으로 하는 질화 갈륨계 화합물 반도체 소자.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 캡층이 GaN층, InxGa1-xN층(0＜x＜1) 및 AlyGa1-yN층(0＜y＜1)으로 이루어진 군(群)으로부터 선택된 1층 또는 이들의 적층체로 이루어지는 것을 특징으로 하는 질화 갈륨계 화합물 반도체 소자.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 캡층이 GaN층으로 이루어지고, 막두께가 15~100Å인 것을 특징으로 하는 질화 갈륨계 화합물 반도체 소자.
  8. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 캡층이 InxGa1-xN층(0＜x＜1)으로 이루어지고, 막두께가 15~150Å인 것을 특징으로 하는 질화 갈륨계 화합물 반도체 소자.
  9. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 캡층이 AlyGa1-yN층(0＜y＜1)으로 이루어지고, 막두께가 15~50Å인 것을 특징으로 하는 질화 갈륨계 화합물 반도체 소자.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 2 캡층의 막두께가 15~500Å인 것을 특징으로 하는 질화 갈륨계 화합물 반도체 소자.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 활성층이 In를 포함하는 질화 갈륨계 화합물 반도체로 이루어진 우물층과, n형 불순물을 첨가한 질화 갈륨계 화합물 반도체로 이루어진 장벽층을 교대로적층하여 구성되고, 상기 제 1 캡층이 상기 장벽층보다 저농도의 n형 불순물을 포함하는 것을 특징으로 하는 질화 갈륨계 화합물 반도체 소자.
  12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 활성층 중 가장 제 1 캡층에 가까운, n형 불순물을 첨가한 질화 갈륨계 화합물 반도체로 이루어진 층의 n형 불순물 농도는 5.0 ×1017~ 1.0 ×1019/cm-3인 것을 특징으로 하는 질화 갈륨계 화합물 반도체 소자.
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