KR20050017685A - 초격자 구조의 반도체층을 갖는 반도체 소자 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

초격자 구조의 반도체층을 가지는 반도체 소자 및 그 제조방법을 개시한다. 반도체 소자는 이종의 제1물질층과 제2물질층이 교번적으로 다중 적층되어 있는 초격자 구조의 반도체층을 포함하며, 초격자 구조를 이루는 상기 제1물질층과 제2물질층 각각에 다수의 홀이 형성되고, 해당 물질층의 각 홀에 인접한 다른 물질층의 물질이 채워져 있다. 본 발명에 따른 초격자 구조에서 주어진 광제한 특성을 유지하면서도 전하의 효율적인 이동을 나노-홀을 통해 허용함으로써 동작전압을 낮출수 있게 된다.

Description

초격자 구조의 반도체층을 갖는 반도체 소자 및 그 제조방법{Semiconductor device having superlattice semiconductor layer and manufacturing method thereof}

본 발명은 초격자 구조의 반도체층을 갖는 반도체 소자 및 그 제조방법에 관한 것으로서 상세히는 시리즈 저항의 감소로 동작 전압이 낮추어진 GaN 초격자 구조의 반도체층을 갖는 반도체 소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.

레이저 다이오드는 이종 물질이 다겹으로 적층된 초격자 구조를 가진다. 예를 들어 GaN 계의 레이저 다이오드(Laser Diode, 이하 LD 라 한다.)는 도 [1] 3 에 도시된 바와 같이 AlGaN 과 GaN 이 샌드위치형으로 다중 적층된 초격자 구조를 가진다. 이러한 LD 는 광제한(optical confinement)을 향상시키기 위하여 예를 들어 GaN 계의 LD 에 있어서 높은 조성의 Al 조성비가 큰 AlGaN 이 필수적이다. 그러나, 이러한 물질은 LD의 시리즈 저항(series resistance)을 증가시키고 결국 LD 의 구동 전압의 상승 요인이다. LD의 구동전압의 상승은 수명의 단축을 초래하며, 따라서 이를 개선하는 것이 과제이다.

GaN계 물질은 LED(Light Emitting Diode) 및 LD와 같은 광 소자 분야로의 응용 연구가 활발한 물질이다. 발진 전류와 구동 전압을 낮추는 것은 LD에 대한 입력 파워를 낮추고 따라서 내구성을 향상시킨다. 구동 전압의 상승은 p-적층에서 주로 유발되는데, 이는 p-타입의 도펀트인 Mg가 낮은 도핑 효율(doping efficiency)을 가지기 때문이다. GaN LD에서 p-적층은 p-GaN 광도파층, p-AlGaN/GaN 광제한층, 그리고 p-GaN 콘택층을 포함한다. (일본공개특허 평 13-308458, 평 14-111131 참조)

광제한층(optical confinement layer)은 AlGaN층의 사이에 GaN 층이 개재되는 초격자 구조를 가진다. 광제한층에서 AlGaN층의 사이에 개재된 GaN은 높은 Al 조성을 가지는 AlGaN 층의 크랙을 방지한다. 또한, GaN은 AlGaN과 함께 초격자 구조를 형성함으로써, 벌크(bulk) AlGaN 층에 비해 높은 도핑효율을 나타내게 되며, 특히 2차원적인 홀 개스(two dimensional hole gas)의 형성에 의한 깊은 액셉터(deep acceptor)의 도핑 효율의 증가와 이러한 도핑 효율의 증가에 의한 홀 농도(hole concentration)를 증가된다.

이러한 GaN 계 LD의 구동전압의 상승을 억제하기 위하여 실험 변수 변화에 의한 개량, 예를 들어 초격자의 두께 및 도펀트의 유동(flow)의 변화를 통해 p-적층을 최적화하고자 하는 연구가 진행되고 있으나, 광제한(optical confinement)을 위하여 초격자에 필수적인 높은 Al 조성의 AlGaN이 사용되어야 하기 때문에 상기와 같은 시행착오적인 방법에 의한 초격자의 최적화에 한계가 있다.

따라서, LD의 수명을 연장하기 위해서는 시리즈 저항을 낮추어야 하고 따라서 높은 저항을 나타내 보이는 초격자 구조에서의 저항을 낮추기 위하여 Al 조성을 감소시켜야 한다. 그러나, Al 조성의 감소는 초격자의 광제한을 저하시키기 때문에 Al 조성의 감소에 한계가 있다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 광제한을 감소시키지 않고 시리즈 저항을 감소시킬 수 있는 초격자 구조의 반도체층을 갖는 반도체 소자 및 그 제조방법 를 제공하는 것이다.

따라서 본 발명은 시리즈 저항의 감소로 입력 파워가 감소되고 내구성은 향상된 초격자 구조의 반도체층을 갖는 반도체 소자 및 그 제조방법이 제공된다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따르면,

이종의 제1물질층과 제2물질층이 교번적으로 다중 적층되어 있는 초격자 구조의 반도체층을 포함하는 반도체 소자에 있어서,

초격자 구조를 이루는 상기 제1물질층과 제2물질층 각각에 다수의 홀이 형성되고, 해당 물질층의 각 홀에 인접한 다른 물질층의 물질이 채워 져 있는 것을 특징으로 하는 반도체 소자가 제공된다.

상기 본 발명의 반도체 소자에 있어서, 상기 초격자 구조는 p-형 반도체층인 것이 바람직하며, 나아가서는 초격자 구조는 GaN/AlGaN 의 구조를 가지는 것이 바람직하다.

또한, 상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 레이저 다이오드는:

레이저 공진층;

상기 레이저 공진층의 일측에 형성되는 제1반도체층; 그리고

상기 레이저공진층의 타측에 형성되는 제2반도체층;을 구비하며,

상기 제2반도체층은 이종의 제1물질에 의한 제1층과 제2물질에 의한 제2층이 다중 적층된 초격자 구조를 포함하며,

상기 초격자 구조를 이루는 제1층과 제2층 각각에 다수의 홀이 형성되어 각각의 홀에 이종의 제2물질과 제1물질이 채워져 있는 것에 특징이 있다.

상기 본 발명은 레이저 다이오드에 있어서,

상기 제1반도체층은 n-GaN계열의 Ⅲ-Ⅴ족 질화물 반도체층인 것이 바람직하며, 상기 공진층은, 상기 제1반도체층 상에 적층되고 상기 하부 클래드층보다 굴절률이 큰 하부 도파로층;과 상기 하부 도파로층의 상면에 적층되고 레이저광이 생성되는 활성층; 및 상기 활성층 상에 적층되는 상부 도파로층;을 더 포함하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 제2반도체층은 p-GaN/AlGaN로 형성하는 것이 바람직하다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 반도체 소자에서 이종의 제1물질층과 제2물질층이 교번적으로 다중 적층되어 있는 초격자 구조의 반도체층을 형성하는 방법에 있어서,

상기 제1물질층과 제2물질층을 성장할 때에 압력의 정상적 조절에 의해 해당 물질층에 다수의 나노-홀을 형성한다.

또한, 상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 다른 제조방법은, 반도체 소자에서 이종의 제1물질층과 제2물질층이 교번적으로 다중 적층되어 있는 초격자 구조의 반도체층을 형성함에 있어서,

상기 제1물질층과 제2물질층을 성장할 때에 일시적으로 성장 물질의 공급을 중단하여 해당 물질층에 다수의 나노-홀을 형성하는 점에 특징이 있다.

또한, 상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 또 다른 제조방법은, 반도체 소자에서 이종의 제1물질층과 제2물질층이 교번적으로 다중 적층되어 있는 초격자 구조의 반도체층을 형성함에 있어서,

상기 제1물질층과 제2물질층을 성장 속도를 조절하여 해당 물질층에 다수의 나노-홀을 형성하는 점에 특징이 있다.

이하 본 발명의 실시예에 따른 반도체 레이저 다이오드 및 그 제조방법을 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 도면에서 반도체 레이저 다이오드를 구성하는 각 층의 폭과 높이는 설명을 위해 과장되게 도시되었음에 유의해야 한다.

도 1는 본 발명의 실시예에 따른 반도체 레이저 다이오드를 나타낸 도면이다. 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 반도체 레이저 다이오드는, 기판(50)과, 기판의 상면에 순서대로 적층되는 제1반도체층(61), 레이저 공진층(63) 및 제2반도체층(65)를 구비한다.

하부 물질층인 제1반도체층(61)은, 기판(50)의 상면에 적층되는 것으로 버퍼 레이어(52)와 버퍼레이어(52)의 상면에 적층되는 하부 클래드층(54)을 포함한다.

상기 기판(50)은 사파이어 기판 또는 프리스탠팅 GaN 기판이 주로 이용되며, 버퍼 레이어(52)는 n-GaN 계열의 Ⅲ-Ⅴ족 질화물 화합물 반도체층으로 형성하되, 특히 n-GaN 로 형성된다. 하지만, 이에 한정되지 않으며 레이저 발진(레이징)이 가능한 Ⅲ-Ⅴ족의 다른 화합물 반도체층일 수 있다. 하부 클래드층(54)은 소정의 굴절률을 가지는 n-GaN/AlGaN 초격자 구조층인 것이 바람직하나 레이징이 가능한 다른 화합물 반도체층일 수 있다.

상기 공진층(63)은, 하부 클래드층(54)의 상면에 순서대로 하부 도파층(53), 활성층(56) 및 상부 도파층(55)이 적층된 구조를 가진다. 상하부 도파층(55)(53)은 활성층(56)보다 굴절률이 작은 물질로 형성하는데, GaN 계열의 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체층으로 형성하는 것이 바람직하다. 하부 도파층(53)은 n-GaN층으로, 상부 도파층(55)은 p-GaN층으로 형성한다. 활성층(56)은 레이징이 일어날 수 있는 물질층이면 어떠한 물질층이라도 사용할 수 있으며 바람직하게는 임계전류값이 작고 횡모드 특성이 안정된 레이저광을 발진할 수 있는 물질층을 사용한다. 여기에서 상기 활성층은 다중양자우물 또는 단일양자우물 중 어느 하나의 구조를 가질 수 있으며 이러한 활성층의 구조는 본 발명의 기술적 범위를 제한하지 않는다.

상부 물질층으로서의 제2반도체층(65)은 상부 도파층(55)의 상면에 적층된다. 일반적으로 상부 물질층에는 리지 웨이브 가이드를 형성하기 위해 리지(58a)가 형성된다. 이러한 리지 구조는 문헌을 통해 널리 알려져 있기 때문에 더 이상 설명되지 않는다.

제2반도체층(65)은 상부 도파층(55)보다 굴절률이 작은 상부 클래드층(58)과, 그 상면의 오믹 콘택트층(64)을 포함한다. 상부 클래드층(58)은 하부 클래드층(54)이 n형 화합물 반도체층이면 p형 화합물 반도체층으로 형성하고, 하부 클래드층(54)이 p형 화합물 반도체층이면 n형 화합물 반도체층으로 형성한다. 즉, 하부 클래드층(54)이 n-GaN/AlGaN층이면 상부 클래드층(58)은 p-GaN/AlGaN 으로 형성한다. 제2화합물 반도체층(64)도 유사하게 제1화합물 반도체층(52)이 n형 화합물 반도체층이면 p형 화합물 반도체층으로 형성하며, 그 역도 가능하다. 따라서, 제1화합물 반도체층(52)이 n-GaN 으로 형성되면 제2화합물 반도체층(64)은 p-GaN 으로 형성한다.

상기 상부 클래드층(58) 양쪽 어깨 부분의 상면과 그 중앙에 돌출된 리지(58a)의 측면을 덮는 패시베이션층으로서의 매립층(68)과 매립층(68) 상에 매립층 보호를 위해 형성되는 보호층(69)을 구비한다. 상기 매립층(68)은 일반적인 패시베이션 물질, 예를 들어 Si, Al, Zr, Ta 등으로부터 선택된 적어도 1종의 원소를 포함하는 산화물 등으로 형성할 수 있다. 한편, 보호층(69)은 상기 패시베이션 물질에 대한 양호한 식각 선택성과 접착성을 가지는 물질, 예를 들어 Cr 또는 TiO₂로 형성되며 이는 매립층(68)을 국부적으로 에칭할 때에 보호 마스크로서도 작용한다. 여기에서 상기 보호층(69)이 열전도성이 양호한 금속물질로 형성될 경우 레이저 소자 동작시 발생되는 열을 보다 효과적으로 방출할 수 있게 된다. 상기와 같은 매립층(68) 및 보호층(69)이 형성된 리지 웨이브 가이드 구조 위에 p형 상부전극(57)이 형성되어 있다. 상부 전극(57)의 중간 부분은 리지(58a) 상단의 제2화합물반도체(64)에 접촉되고 그 양쪽 부분은 상부 클래드층(58)의 양 어깨부분으로 연장되어 있다.

본 발명은 상기와 같은 구조의 레이저 다이오드에서 시리즈 저항을 크게 하는 요인인 p-GaN/AlGaN 크래드층의 구조를 개선한다. 도 2는 본 발명을 특징지우는 것으로 상기 p-크래드층의 적층 구조를 개념적으로 설명하기 위한 입체도면이며, 도 3은 본 발명에 따른 초격자 층을 대응하는 종래 LD 에서의 초격자층의 적층구조를 보인다.

도 3에 도시된 바와 같이 편평한 GaN/AlGaN이 다중으로 적층된 종래의 초격자 구조와는 달리, 본 발명에 따르면 도 2에 도시된 바와 같이 초격자 층을 이루는 제1층(581)과 제2층(582)이 교번적으로 반복 적층되어 있고 각 층에 다수의 홀(581a, 582a)가 형성되어 있다. 예를 들어 AlGaN으로 된 제1층(581)과 p- 도핑된 GaN 제2층(582) 각각에 다수의 홀(581a)(582a)이 형성되어 있다. 각 층의 홀(581a, 582a)에는 해당 층에 접한 다른 층의 물질로 채워져 있다. 즉, 제1층(581)의 홀(581a)에는 제2층(582)의 물질로 채워져 있고 제2층(582)의 홀(582a)에는 제1층(581)의 물질로 채워져 있다. 이러한 구조에 따르면, 이종 물질이 반복적으로 적층된 구조에 의해 상호 이격되어 있는 상하 동종물질층이 그 사이에 마련된 이종 물질층의 홀을 통해 상호 연결되어 있게 된다. 따라서 도핑된 GaN 제2층(582)에 비해 낮은 저항을 가진 상하의 AlGaN 층 등이 모두 연결되어 있고 따라서 초격자 구조 전체적으로 연결되어 있는 AlGaN 에 비해 전기적 저항이 낮추어 지게 된다.

위의 구조에서 상기 홀(581a, 582a)은 각 층에 무수히 존재하며, 그 크기는 수 미크론에서 수 나노미터의 범위이다. 본 발명은 전술한 바와 같이 p-크래드층과 같은 초격자 구조에서의 저항을 낮출 수 있는 기술을 제공한다. 이것은 전술한 바와 같이 각 물질층에 수 나노미터 크기 내지 미크론 크기의 홀의 형성에 의해 가능해 진다. 이러한 홀(이하 나노-홀)은 상하 분리되어 있는 동종 물질층이 상호 연결되고 따라서 LD 소자의 구동 전압을 낮춘다.

초격자 내에 형성된 이런 나노-홀들을 통해 이동하는 정공들은 높은 Al 조성의 GaN 과 AlGaN 사이의 경계 또는 장벽을 통해 이동할 확률이 감소하게 되고 따라서 LD 소자의 시리즈 저항을 현저하게 낮추게 된다. 실제로, 나노-홀을 구비한 초격자를 LD에 적용한 실험을 통해 종래의 LD 에 비해 약 1 V 가량의 구동 전압 감소를 확인 할 수 있었다. 따라서 구동전압 감소에 따른 입력 파워의 감소와 이에 따른 소자의 열화 감소로 인해 보다 장수명의 LD 를 얻을 수 있게 되었다.

본 발명에 따라 나노-홀을 가지는 초격자를 적용한 시편과 종래 방법에 의해 제조된 시편에 대한 특성 테스트를 실시하였다.

도 3에 도시된 바와 같이 상기한 바와 같은 홀이 없는 일반적인 샌드위치 구조의 AlGaN/GaN 초격자를 DXRD 2θ-ω 스캔(scan)을 통해 AlGaN -1st 피이크(peak)를 살펴보면, FWHM 값이 100~250 arcsec 근처로 상당히 예리한(sharp) 상태를 보인다(도 4a 참고). 이런 계면은 정공이 활성층 쪽으로 이동하는 데에 커다란 장벽 역할을 하여 소자의 저항을 증가시키고 그로 인해 구동 전압이 높아져서 입력 파워를 높이고 따라서 소자의 수명을 단축시킨다.

도 4a 및 도 4b는 종래 초격자 구조(도 3) 및 본 발명에 따른 초격자(도 2)가 적용된 LD 시편에 대한 (0002) 2 θ-ω 스캔 결과를 보인다. 전체적으로 유사한 결과를 보이며 특히, AlGaN 영차 피이크 (0th peak)의 위치가 두 시편에서 동일하게 나타남을 알수 있다. 이는 두 시편에 포함된 Al 조성이 동일함을 보여주며 따라서 양자의 광제한(optical confinement)는 차이가 없을 것임을 예측할 수 있다. 그러나 두 시편 간 AlGaN - 1차 피이크(1st peak)의 강도(intensity)와 FWHM이 거의 2배 정도 차이가 남을 알 수 있다. 이것은 초격자에서 AlGaN과 GaN 층 사이의 계면에 상당히 불균일함을 나타낸다.

도 5는 실제 제작된 종래 초격자 구조를 가지는 시편의 TEM 이미지이다. 그리고 도 6a는 본 발명에 따라 나노-홀이 마련된 초격자 구조를 가지는 시편의 TEM 이미지이며, 도 6b는 도 6a의 작은 사각부분을 확대해 보인 사진이다.

도 5 내지 도 6b에서 밝은 부분은 AlGaN 영역이며, 어두운 부분은 GaN 영역이다. 도 5에 도시된 바와 같이 종래 구조의 초격자의 이미지는 명확하게 구획된 AlGaN과 GaN의 계면을 보인다. 그러나, 도 6a 및 도 6b에 도시된 바와 같이, 본 발명에 의한 초격자는 의 계면의 구별이 힘들다. 계면 상태를 좀 더 명확하게 확인하기 위하여 확대된 도 6b를 살펴보면 계면의 불균일성과 더불어 나노-홀 들이 AlGaN과 AlGaN 또는 GaN과 GaN의 중간층(interlayer)에 형성되어 동종 물질 층을 서로를 수직방향으로 연결시켜주고 있음을 알 수 있다. 도 6b에서 어두운 영역의 화살표는 도핑된 된 GaN 영역이 수직방향으로 연결된 나노-홀을 따라 진행한다는 것을 표시한 것이다. 초격자 이미지를 배제하고 AlGaN과 GaN의 영역을 구분해 보인 도 6b에서 우측상부의 밝은 사각형영역(b-3)은 AlGaN과 GaN의 수직방향의 나노-홀 들이 상당한 넓은 영역에 걸쳐서 형성되어 있음을 보여 준다.

따라서 정공들이 활성층으로 이동할 때, 장벽을 넘기 보다는 이 나노-홀 을 따라 이동할 확률이 훨씬 높아지게 되며, 좀 더 많은 수직방향의 나노-홀을 형성할수록 LD의 시리즈 저항을 더욱 낮출수 있을 것으로 기대된다.

도 7a와 도 7b는 100 Torr 압력 하에서 얻어진 종래 초격자와 200 Torr 압력하에서 성장된 나노-홀 초격자를 적용한 두 시편에 대한 시리즈 저항과 50 mA에서의 전압(b)의 비교를 보여준다. 여기에서 상기와 같은 압력외의 다른 성장조건은 동일하게 주었다. 본 발명에 따른 나노-홀 초격자를 갖는 시편은 종래 시편에 비해 약 2배 정도 낮은 시리즈 저항을 가짐을 알수 있다. 이러한 결과, 도 7b에 도시된 바와 같이 50 mA에서의 전압은 약 1 V 정도 감소하였으며, 각각의 공동부 길이(cavity length)에 대해서 동일한 양상을 얻을 수 있었다. 위의 결과는 초격자를 성장할 때에 적절한 압력 조절에 의해 초격자에 나노-홀을 형성할 수 있음을 보여 준다.

아래의 표는 위에서 나타낸 실시예의 결과들을 종래기술과 비교하여 정리한 것이다. 예상했던 바와 같이 임계 전압은 광제한의 변화가 없기 때문에 두 시편이 거의 유사하게 나타나며, 결국 전압 감소에 의해 약 20 % 정도의 입력파워의 감소를 얻을 수 있었다. 이것은 LD 소자 수명의 향상과 직결된다.

이하 본 발명에 따라 초격자에 나노-홀을 형성하는 방법의 실시예들을 설명한다. 크래드층과 같은 초격자 구조에 나노홀을 형성하는 방법에는 여러가지가 있다.

1) 결정 성장 중 성장 압력을 증가시키는 것이 그 한 실시예이다. 성장 압력을 증가시키면 성장층에서의 탈착(desorption)이 증가하며 Al과 Ga의 결합(incorporation)이 감소하게 되고 따라서 계면의 AlGaN 혹은 GaN layer가 성장이 불균일해진다. 이런 불균일성을 어느 이상 증가하면 AlGaN과 GaN 레이어 적층 중 측면 방향으로 미세하게 비어있는 공간들이 형성되며, 이 위에 연속적으로 AlGaN과 GaN 레이어가 적층되면 결국 이런 영역을 통해서 AlGaN과 AlGaN, GaN과 GaN 레이어가 연결되는 나노-홀(또는 nano-channel)이 형성된다. 적당한 반응기(reactor)의 압력은 150 Torr에서 상압 사이이며, 더욱 바람직하게는 150 ~ 400 Torr에서 하는 것이 좋다.

2) 두 번째로 AlGaN과 GaN 성장 시 임의로 성장 중단시간을 두는 방법이다. 초격자를 성장 시킬때에, 반응기의 분위기는 NH₃와 H₂의 공급되고 있는 상태가 된다. 이 때 Ga, Al의 공급을 끊으면 H₂에 의한 인-시튜 에칭(in-situ etching)이 진행되어 오히려 성장된 결정층을 국부적으로 에칭함으로써 나노-홀을 형성할 수 있게 된다. 성장 중단 시간의 범위는 대개 3 ~ 50 초 사이로 하지만, 바람직하게는 3 ~ 15 초 정도이다.

3) 마지막으로 각각의 층이 균일하게 형성될 수 없도록 성장 속도를 증가시키는 것이다. 이는 아일랜드 성장 모드(island growth mode)를 얻기 위해 필요한 확산(diffusion) 시간과 연관이 되었으리라 예측된다. 나노-홀을 형성시킬 수 있는 일반적인 성장 속도 범위는 1 ~ 10 Å/s 이지만, 바람직하게는 2 ~ 6 Å/s 를 사용한다.

상기와 같은 방법에 의해 나노-홀이 형성하면서 초격자 층을 형성하는 과정은 다음과 같다.

도 8a에 도시된 바와 같이, 하부 물질층, 예를 들어 LD의 p형 웨이브 가이드 레이어(WGL) 위에 다수의 나노-홀을 갖는 제1물질층(AlGaN)을 형성한다. 나노-홀을 갖는 레이어의 형성방법은 전술한 3가지 방법 중의 어느 하나가 선택될 수 있다.

도 8b에 도시된 바와 같이, 제1물질층 위에 홀을 갖는 제2물질층(GaN)을 형성한다. 이때에 제2물질층(GaN)의 일부 물질은 제1층의 홀 내부를 채우게 된다.

도 8c에 도시된 바와 같이, 제2물질층(GaN) 위에 같은 방법으로 다시 제1물질층(AlGaN)을 형성한다. 이 단계에서 형성되는 제1물질층(AlGaN)의 일부가 역시 그 하부의 제2층의 홀 내부를 채우게 된다.

도 8d에 도시된 같이 상기 제1물질층(AlGaN) 위에 다시 제2물질층(GaN)을 형성한다. 역시 이 단계에서 형성되는 제2물질층(GaN)의 일부 물질이 그 하부의 제1물질층(AlGaN)의 홀을 채우게 된다.

상기와 같은 과정을 원하는 회수만큼 반복하게 되면 제1의 물질층을 개재한 그 상하의 제2물질층이 제1의 물질층에 형성된 홀을 통해서 상호 연결되고, 결과적으로 전체 적층에서 동종 물질이 하나로 연결되게 된다.

상기와 같은 본 발명의 초격자는 LD의 크래드층에 적용될 수 있으며, 그 외에 광제한 및 낮은 시리즈 저항이 요구되는 어떠한 초격자 구조에 적용될 수 있다. 그러나, LD의 경우는 p-형층에서 시리즈 저항의 상승이 이루어지므로 p-층 구조에 적용되는 것이 바람직하며, 어떤 경우에는 n-형 층에도 적용가능한다. n-형 층의 경우는 전자가 흐르는 영역이므로 상기 나노홀을 통해 전자가 저항이 높은 계면간의 장벽을 통하지 않고 역시 공진층으로 유도될 수 있게 된다. 본 발명에서 응용되어지는 물질은 일반적인 AlGaN/GaN 초격자에 한정되지 않고, 서로 다른 질화물계 물질 모두에 적용될 수 있다. 즉, Al_xIn_yGa_1-x-yN/Al_x'In_y'Ga_1-x'-y'N (0≤x, x', y, y'<1)에 모두 해당된다. 이는 에너지 밴드갭(energy-band gap) 차이에 의한 생긴 장벽에 의한 저항을 줄이는데 모두 효과가 있기 때문이다. 또한, 도펀트가 Si와 같은 n-타입 이든 Mg과 같은 p-타입이든 간에 상관이 없다. 도핑이 실시되는 레이어도 Al_xIn_yGa_1-x-yN/Al_x'In_y'Ga_1-x'-y'N 양쪽에 하여도 되고 반대로 어느 한 쪽의 레이어에만 해도 관계 없다.

<< 레이저 다이오드의 구체적인 제조방법의 한 실시예>>

이하의 실시예는 도 9에 도시된 구조의 레이저 다이오드를 제조하는 방법을 설명한다. 이하의 설명에서 참조되는 도 9는 리지 웨이브 가이드가 아직 형성되지 않은 결과물을 개략적으로 보인다. 아래의 공정 설명에서, 기판에 대한 단순한 결정층의 성장이 반복되고 적층 수의 증가 외에 다른 프로파일의 변화가 없으므로 각 공정에 대응하는 도면이 없이 도 9에 의존하여 설명된다.

1. 먼저 MOCVD 장치에서 ELOG, GaN 또는 사파이어 기판의 표면에 n-GaN 콘택트층을 성장시킨다. 여기에서 소스로서 TMG, 암모니아, 도펀트 가스로서 SiH₄ 가스를 사용하여 1030 ℃에서 0.5 ㎛의 두께로 n-GaN 콘택트층을 성장시킨다.

2. 동일한 온도에서 n-크래드층(n-clad layer)을 종래 방법을 따라 초격자 구조를 형성하거나, 아니면 전술한 본 발명의 방법에 의해 나노-홀이 형성된 초격자 구조를 형성한다.

3. 콘택트층 성장시와 동일한 온도에서 원료 가스로 TMG, 암모니아와 SiH₄가스를 이용하여 0.1 ㎛의 두께로 n-GaN 웨이브가이드층을 성장시킨다.

4. 다음에 온도를 870 ℃로 낮추고 원료 가스로 TMI, TMG 및 암모니아를 이용하고, 도펀트 가스로서 SiH₄ 가스를 이용하여 n-In_0.02Ga_0.98N으로 된 상정합층(phase matching layer)을 280 Å 성장 한 후, n-In_0.02Ga_0.98N으로 된 장벽층을 100 Å의 두께로 성장시킨다. 따라서, 상기 상정합층은 장벽층과 동일한 물질로서 장벽층의 일부가 된다.

5. SiH₄ 가스 공급이 없이 원료 가스로 TMI, TMG 및 암모니아를 이용하여 In_0.08Ga_0.92N으로 된 우물층을 40 Å의 막 두께로 성장한다. 이것을 3회 반복하고 마지막 층은 장벽층으로 끝나게 함으로써 상기 장벽층 및 우물층에 의해 다중양자우물을 얻는다.

6. 상기 MQW 위에 확산방지층(diffusion barrier layer)로서 In_0.02Ga_0.98N을 280 Å 두께로 성장한다.

7. 다음에, 온도를 1030 ℃로 높여서 원료 가스로 TMA, TMG 및 암모니아를 사용하고 도펀트 가스로서 Cp₂Mg를 이용하여 AlGaN/p-GaN layer를 교대로 적층하여 총 두께 200 Å의 MQB(multi-quantum barrier)를 성장시킨다.

8. 다음에, 원료가스로 TMG 및 암모니아를 이용하고, 도펀트 가스로 Cp₂Mg를 이용하여 p-GaN 도파층을 0,1 ㎛ 두께로 성장한다.

9. 나노-홀을 갖는 AlGaN/p-GaN 초격자 구조의 p-크래드층를 성장한다.

10. p-클래드층 위에 TMG, 암모니아, Cp₂Mg를 이용하여 300 Å의 p-콘택트층(contact layer)을 성장시킨다.

반응 종료 후, 일반적으로 알려진 바와 같이 레이저의 공진기 방향으로 결정면을 식각한 다음, 패시베이션(passivation) 층으로 전류통로를 정의하여 리지 구조를 형성한다. 그리고, n-GaN 층 상부에는 n형 전극을 형성하고, 리지 위에는 p형 전극을 형성하여 레이저 다이오드를 제작한다. 제작후 GaN 반도체 레이저 다이오드에서 소자 동작 시 발생하는 열을 용이하게 방출하기 위한 방법인 플립칩 본딩 방법을 실시하여 열방출을 용이하게 한다.

본 발명은 초격자 구조에서 주어진 광제한 특성을 유지하면서도 전하의 효율적인 이동을 나노-홀을 통해 허용함으로써 광제한특성이 좋으면서도 동작전압이 낮은 소자를 얻을 수 있다.

즉, AlGaN/GaN 초격자 성장 시 상호 모순된 조건의 구동 전압과 광제한 특성문제를 동시에 해결할 수 있게 된다. 따라서 LED, LD 등의 초격자 사용하는 소자의 구동에 있어서 입력 파워를 줄일 수 있어 결국 소자의 수명 증가를 얻을 수 있다.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 한해서 정해져야 할 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 반도체 소자의 한 실시예를 보이는 개략적 단면도이다.

도 2는 본 발명에 따른 반도체 소자에서 초격자 구조를 설명하기 위한 도면이다.

도 3은 도 2에 도시된 본 발명에 다른 초격자 구조에 대비하여 종래 반도체 소자의 초격자 구조를 설명하기 위한 도면이다.

도 4a 및 도 4b는 종래 초격자 구조(도 3) 및 본 발명에 따른 초격자(도 2)가 적용된 LD 시편에 대한 (002) 2 θ-ω 스캔 결과를 보인다.

도 5는 실제 제작된 종래 초격자 구조를 가지는 시편의 TEM 이미지이다.

도 6a는 본 발명에 따라 나노-홀이 마련된 초격자 구조를 가지는 시편의 TEM 이미지이다.

도 6b는 도 6a의 작은 사각부분을 확대해 보인 이미지다.

도 7a와 도 7b는 100 Torr 압력하에서 얻어진 종래 초격자와 200 Torr 압력하에서 성장된 나노-홀 초격자를 적용한 두 시편에 대한 시리즈 저항과 50 mA에서의 전압(b)의 비교를 보여준다.

도 8a 내지 도 8d 는 본 발명에 따른 초격자 형성 방법을 보이는 공정도이다.

도 9는 본 발명에 따른 레이저 다이오드의 일례를 보이는 개략적 단면도이다.

Claims (13)

1. 이종의 제1물질층과 제2물질층이 교번적으로 다중 적층되어 있는 초격자 구조의 반도체층을 포함하는 반도체 소자에 있어서,

   초격자 구조를 이루는 상기 제1물질층과 제2물질층 각각에 다수의 홀이 형성되고, 해당 물질층의 각 홀에 인접한 다른 물질층의 물질이 채워 져 있는 것을 특징으로 하는 반도체 소자.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 초격자 구조는 p-형 반도체층인 것을 특징으로 하는 반도체 소자.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 초격자 구조는 GaN/AlGaN 의 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 반도체 소자.
4. 레이저 공진층;

   상기 레이저 공진층의 일측에 형성되는 제1반도체층; 그리고

   상기 레이저공진층의 타측에 형성되는 제2반도체층;을 구비하며,

   상기 제2반도체층은 이종의 제1물질에 의한 제1층과 제2물질에 의한 제2층이 다중 적층된 초격자 구조를 포함하며,

   상기 초격자 구조를 이루는 제1층과 제2층 각각에 다수의 홀이 형성되어 각각의 홀에 이종의 제2물질과 제1물질이 채워져 있는 것을 특징으로 하는 레이저 다이오드.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 제1반도체층은 n-GaN계열의 Ⅲ-Ⅴ족 질화물 반도체층인 것을 특징으로 하는 레이저 다이오드.
6. 제 4 항에 있어서,

   상기 공진층은,

   상기 제1반도체층 상에 적층되고 상기 하부 클래드층보다 굴절률이 큰 하부 도파로층;과 상기 하부 도파로층의 상면에 적층되고 레이저광이 생성되는 활성층; 및 상기 활성층 상에 적층되는 상부 도파로층;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 다이오드.
7. 제 4 항에 있어서,

   상기 제2반도체층은 p-GaN/AlGaN로 형성하는 것을 특징으로 하는 레이저 다이오드.
8. 반도체 소자에서 이종의 제1물질층과 제2물질층이 교번적으로 다중 적층되어 있는 초격자 구조의 반도체층을 형성하는 방법에 있어서,

   상기 제1물질층과 제2물질층을 성장할 때에 압력의 150torr 이상으로 조절하여 해당 물질층에 다수의 나노-홀을 형성하는 것을 특징으로 하는 초격자 반도체층 형성방법.
9. 제 8 항에 있어서,

   상기 압력은 150 ~ 400 Torr 사이인 것을 특징으로 하는 초격자 반도체 층 형성방법.
10. 초격자 반도체층을 갖는 반도체 소자에서 이종의 제1물질층과 제2물질층이 교번적으로 다중 적층되어 있는 초격자 구조의 반도체층을 형성하는 방법에 있어서,

    상기 제1물질층과 제2물질층을 성장할 때에 3 ~ 50 초 동안 일시적으로 성장 물질의 공급을 중단하여 해당 물질층에 다수의 나노-홀을 형성하는 것을 특징으로 하는 초격자 반도체층을 갖는 반도체 소자 제조방법.
11. 제 10 항에 있어서,

    상기 성장 물질 공급 중단 시간은 3 ~ 15 초인 것을 특징으로 하는 초격자 반도체층을 갖는 반도체 소자 제조방법.
12. 초격자 반도체층을 갖는 반도체 소자에서 이종의 제1물질층과 제2물질층이 교번적으로 다중 적층되어 있는 초격자 구조의 반도체층을 형성하는 방법에 있어서,

    상기 제1물질층과 제2물질층을 성장 속도를 1 ~ 10 Å/s 로 조절하여 해당 물질층에 다수의 나노-홀을 형성하는 것을 특징으로 하는 초격자 반도체층을 갖는 반도체 소자 제조방법.
13. 제 12 항에 있어서,

    상기 성장 속도는2 ~ 6 Å/s 인 것을 특징으로 하는 초격자 반도체층을 갖는 반도체 소자 제조방법.