KR20070012550A - 장파장 ｖｃｓｅｌ의 터널 정션 - Google Patents

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Abstract

억셉터의 최소 수소 패시베이션을 갖는 터널 정션장치(102)는 탄소로 도핑된 제1 반도체 물질의 p-형 터널 정션층(106)을 포함한다. 제1 반도체 물질은 알루미늄, 갈륨, 비소 및 안티몬을 포함한다. 제2 반도체 물질의 n-형 터널 정션층(104)은 인듐, 갈륨, 비소, 및 알루미늄 및 인 중 하나를 포함한다. p-형 및 n-형 터널 정션층 사이의 정션은 터널 정션(110)을 형성한다.
정션, 접합, VCSEL, 표면발광레이저

Description

장파장 ＶＣＳＥＬ의 터널 정션{Tunnel junctions for long-wavelength VCSELs}
본 발명은 표면 발광 레이저에 관한 것으로서, 특히 장파장의 수직공동 표면발광 레이저(VCSEL, vertical cavity surface emitting laser)의 터널 정션(tunnel junction)에 관한 것이다.
수직공동 표면발광 레이저(VCSEL, vertical cavity surface emitting laser)는 데이타 통신 시스템에서 중요한 요소가 되고 있다. 최근의 공업용 레이저들은 850nm에서 작용하는데, 이들 레이저는 GaAs 기판 상의 AlAsGaAs/GaAs 반도체 층을 이용하여 생성된다. 이들 레이저에서, 광학공동을 형성하는 미러(mirror)는 활성 영역의 적어도 한 면위의 AlAs/AlGaAs 미러와 함께 AlAs 및 GaAs의 교차층을 이용하여 형성된다. 활성 영역에 인접한 한 쪽 면에 n-형 스페이서 층이, 다른 한 쪽 면에 p-형 스페이서 층이 있으며, 전압이 레이저에 가해지면 활성 영역으로 캐리어(carrier)를 주입한다. 중요한 전자통신 장파장인 1.3 또는 1.55 미크론에서의 VCSEL 레이저 발광을 달성하기 위한 하나의 방법은 InP 기판에 기초한 물질로부터 레이저를 만들어내는 것이다.
이 방법의 하나의 문제점은 레이저의 p-도핑층의 자유 캐리어 흡수율이 높다 는 것이다. 자유 캐리어 흡수(free-carrier absorption)는 한 밴드 안의 전자 또는 홀(hole)이 낮은 에너지 준위에서 비어있는 높은 에어지 준위로 이동함으로써 방사열(radiation)을 흡수하여 나타나는 현상이다. 이 문제는 레이저의 파장이 1.3 또는 1.55 미크론의 장파장으로 증가함에 따라 더 심화된다. 그러나, 자유 캐리어 흡수는 850nm VCSEL과 같은 단파장 VCSEL에서는 중요한 문제가 아니다.
설상가상으로, p-형 층의 열악한 이동성(mobility)은 불균일한 전류 주입을 초래한다. 그러므로, 두꺼운 p-형 층은 균일한 전류 주입을 만들도록 요구될 수 있다. p-형 층의 증가된 두께는 자유 캐리어 흡수에 의한 전체 광학적 흡수를 증가시킬 수 있다.
이들 장파장 VSCEL의 문제는 최근 몇몇 그룹에서 시행된 바와 같이, n-도핑층으로 p-도핑층의 대부분을 대체하기 위한 터널 정션(tunnel junction)에 의하여 다루어질 수 있다. n-도핑층은 p-도핑층 보다 낮은 자유 캐리어 흡수율과 높은 캐리어 이동성을 갖기 때문에, 일정한 전류 주입을 얻을 수 있을 뿐만 아니라 터널 정션에 의한 p-도핑층의 대체에 의하여 전체 광학적 흡수율이 감소될 수 있다. 터널 정션 또는 에사키 정션(Esaki junction)은 잘 알려져 있고, 장파장 VCSEL 이외에도 태양전지(solar cell)과 같은 다른 용도에도 사용될 수 있다.
터널 정션이 없는 종래의 VCSEL은 활성층을 형성하는 하나의 p-n 정션을 갖는다. 캐리어 주입은 외부 전기가 정션에 가해졌을 때 n-층으로부터 p-층으로 주입되는 전자와 p-층으로부터 n-층으로의 홀(hole)에 의하여 캐리어가 p-n 정션을 가로질러 주입되게 하는 프로세스이다.
한편, 터널 정션된 VCSEL은 n-p-n 정션이 필요하다. 첫째, n-p 정션은 다량 도핑된 n-형 및 p-형 층을 갖는 터널 정션이다. 둘째, p-n 정션은 종래의 VCSEL과 같은 방식으로 활성층에 의하여 형성된다. 활성층의 p-n 정션 방향으로 전기 바이어스(electrical bias)가 가해지면, 같은 전기 바이어스가 터널 정션의 역 바이어스로 나타난다. 결과적으로, VCSEL에서 사용되는 역바이어스된 터널 정션은 p-도핑층의 홀 흐름을 n-도핑층의 전기적 흐름으로 변환한다.
터널 정션을 가능한 한 이상적인 것에 가깝게 하고, VCSEL의 시리즈 저항을 최소화하기 위하여, 터널 정션을 형성하는 층에 아주 높은 n- 및 p-도핑이 되어야 한다.
VCSEL의 터널 정션에는 낮은 광학 흡수율이 요구된다는 것도 또한 알려져 있다. VCSEL에서의 광학 흡수율이 낮으면, 기울기가 증가하는 동안 역치 전류가 감소한다. 기울기 증가와 함께 VCSEL의 최대 출력이 증가한다.
VCSEL의 광학 흡수는 광학 흡수, 분산 손실 등으로 이루어진다. 광학 흡수는 자유 캐리어 흡수 및 밴드갭 흡수(bandgap absortion)로 이루어진다. 파장의 양자 에너지가 밴드갭 에너지보다 클 때, 일반적으로 4000 cm-1 보다 큰 밴드갭 흡수율은 대략 100 cm-1보다 작은 범위의 자유 캐리어 흡수율과 비교하여 우세하다.
활성층 또는 활성영역은 광학 이득을 제공하는 반도체 주입 레이저 또는 발광 다이오드 내의 층 또는 영역이다. 활성 영역은 실제로 단일층이 아니라 다중층이며, 각 층은 고유의 격자 상수를 갖는다. 일반적으로, 활성 영역은 압축 변형된 양자웰층 및 대개 신장 변형된 장벽층(barrier layer)과 함께 다중 양자웰(quantum well)로 구성된다. 터널 정션은 입력된 전자를 활성 영역으로 주입되는 홀로 변환한다. 전자는 활성 영역의 n-면으로부터 활성영역으로, 그리고 p-면으로부터 홀로 주입된다. 활성 영역에서의 전자와 홀의 재조합은 레이저를 작동시키는 광자(photon)를 만든다.
층 만큼 많은 격자 상수가 존재할 수 있으며, 이들은 모두 다를 수 있다. 통상 같은 상태로(기판에 맞춰진 격자) 유지하려고 하나, 때로는 추가된 설계 유연성을 위하여 왜곡을 가하여 변화시킬 수 있다. 예를 들면, 활성 영역 양자웰은 레이저에서의 낮은 역치 및 높은 이득과 같은 특정 이점을 얻기 위하여 강하게 왜곡된다. 그러나 왜곡된 층의 두께가 일정 두께수준을 넘어가면 결정 결점이 나타나서 장치의 기능의 약화와 신뢰성의 약화를 초래하기 때문에 왜곡된 층의 두께는 제한된다. 그러므로, 왜곡된 층은 활성 영역 양자웰과 같이 정말로 필요한 경우가 아니면 사용되어서는 안 된다. 광학 공동을 형성하기 위한 스페이서 층을 갖는 피드백 공진기가 레이저 발생을 위해 VCSEL에서 일반적으로 사용된다.
하나의 기술적 과제는 터널 정션에 터널링(tunneling)의 높은 가능성이 요구된다는 것이다. 입자가 그들의 양자-역학적 성질에 따라 터널링의 한정적 가능성을 갖을 것임을 예측하는 양자 역학 법칙에 근거하여, 터널링은 필요한 에너지 때문에 통과할 수 없는 경계(barrier)를 통과할 수 있는 특정 원자 입자 능력의 알려진 효과이다. 터널링 가능성이 증가하면, 전기 저항은 감소한다. 전기저항의 감소로 인하여, 장치 내부의 줄열(joule heat)은 감소한다. 열의 감소로 인하여, 최대 출력 및 장치 전체의 온도 형성(temperature performance)은 모두 증가한다.
터널링 가능성을 증가시키기 위한 하나의 중요한 방법은 터널 정션을 형성하는 n-형 및 p-형 각각의 도핑 레벨(doping level)을 가능한 한 높게 하는 것이다. 동시에, 저 열확산성 도펀트(dopant)가 터널 정션의 도핑에 필요하다.
포지션 콘트롤(position control)은 저 확산성 도펀트가 필요한 이유이다. 일반적으로, 터널 정션은 광학 공동(optical cavity) 내의 정재파(standing wave)의 노드에 위치한다. 광학 흡수는 광학 영역의 세기에 비례하기 때문에, 정재파의 노드에서의 흡수는 적다. 저 확산성 도펀트는 터널 정션의 포지션을 결정할 수 있도록 하기 위해 필요한 것이다. 그러나, 도펀트가 어디에나 확산되면, 터널 정션은 더이상 정재파의 노드와 일치하지 않고, 광학 흡수는 증가한다.
탄소는 매우 낮은 확산계수를 갖으므로, 확산은 피하면서 아주 높은 p-도핑을 얻기 위해 p-도펀트로 탄소(C)를 사용한다. 유감스럽게도, 유기금속 화학 증착(OMCVD: organometallic chemical vapor diposition)으로 성장된 많은 물질에서, 상당한 분율의 탄소 억셉터(acceptor)가 높은 홀(hole) 농도를 방해하는 수소(H) 원자로 보상된다. 이러한 문제는 분자 빔 에피택시(MBE: molecular beam epitaxy)에 의한 물질의 성장으로 회피될 수 있으나, 높은 부피 제조를 위한 바람직한 방법은 OMCVD이다. 그러므로, 바람직한 고부피 성장 기술인 OMCVD에 의하여 높은 p-형 도핑을 얻는 것은 수소에 의한 억셉터의 패시베이션(passivation)에 의하여 어려움을 갖는다.
터널링의 가능성을 증가시키기 위한 또 하나의 방법은 터널 정션이 p-형 터 널 정션층 물질의 가전자대 에너지(Ev: valence band energy)와 n-형 터널 정션층 물질의 전도대 에너지(Ec: conduction band energy) 사이의 바람직한 작은 차이를 유지하는 것이다. 이를 위하여, 터널 정션을 형성하는 물질들의 밴드갭(bandgap)은 최소화되어야 한다. 그러나, 각각의 터널 정션 층의 밴드갭이 레이징 파장에 대해 너무 낮으면, 밴드갭에 의한 광학 흡수가 증가된다. 장파장 VCSEL 연구의 장기간의 문제는 이들 기준에 맞는 터널 정션층 물질의 최적 조성을 어떻게 공식화하고, 다른 기술 및 제조에 있어서 빛 흡수를 어떻게 최소화하는 것에 있다.
다른 알려지지 않은 특성, 특히 이행성은 수소(H) 패시베이션(passivation)을 최소화하는 동안, 탄소(C)를 사용하여 높은 p-레벨을 갖는 AlGaInAs와 같은 대체물질을 도핑하는 어려움을 갖는다. 최근에는 C-도핑된 GaAsSb에는 수소에 의한 패시베이션의 문제가 거의 존재하지 않는 것으로 알려졌다. 그러나, 다른 기술 및 제조과제에는 여전히 맞춰져야 한다. 우리는 GaAsSb의 밴드갭이 심지어 1.55 미크론 장파장 VCSEL에서 사용하기에도 매우 낮은 것을 알아냈다. 인장 변형된(tensile strained) GaAsSb 조차도 고유 밴드갭 이하의 에너지에서 과도한 흡수를 초래하는 다량의 p-도핑된 반도체에 형성된 밴드테일(bandtail)에 의해 1.3 미크론과 같은 장파장 VCSEL에 적합하기에는 매우 낮은 밴드갭을 갖을 수 있다.
GaAsSb와 같은 몇몇 특정 물질 시스템의 장파장 VCSEL내의 탄소-도핑된 터널 정션을 위한 몇몇의 접근에서, 스트레인(strain) 및 밴드갭은 상호 연결된다. 밴드갭이 스트레인에 독립적이지 않으면, 터널 정션의 바람직하지 않은 특성을 극복 하기 위한 유연성이 없다. 밴드갭으로부터 스트레인을 분리하는 것은 몇몇 반도체 장치에서 잘 알려져 있다. 그러나 특정 물질 시스템 및 특정 장치 실행에서의 분리의 필요나 실행은 알려져 있지 않다. 분리를 위해 최적의 밴드갭 값은 미리 계산 되어야 제조원료 및 시간이 낭비되지 않는다.
AlGaAsSb는 1.3 또는 1.55 미크론의 레이징 파장보다 큰 밴드갭을 갖을 수 있다. GaAsSb의 밴드갭은 너무 좁아서, GaAsSb가 터널 정션의 요소로 사용되는 경우에는 큰 흡수 또는 손실을 갖는다. 선행 미국특허출원 제2004/0051113호의 도 4로부터 알 수 있는 바와 같이, "InP"가 오른편 수직 축에 일반적인 기판 물질로 사용된다. InP 상의 층을 성장을 위해, 층의 격자상수는 InP의 격자상수에 맞춰져야 한다. GaAsSb에 있어서, 약 0.5 분율의 Sb가 InP에 맞춰진다. 그러나, 이 경우에, GaAsSb의 밴드갭은 1.55 또는 1.31 um 레이저의 파장에서 VCSEL 레이징에 사용되는 터널 정션에의 과도한 흡수를 방지하기에는 충분하지 않은 약 1.55 um이다.
최적의 밴드갭을 미리 계산하는데에 있어서 부가적 현상이 미리 고려되어야 한다. 밴드테일은 알려져 있으나, VCSEL 또는 다른 장치에 사용되는 터널 정션층 내의 그 존재는 아직 알려지지 않았다. 예를 들면, 다량의 p-도핑은 밴드테일을 야기하고, 이는 반도체 고유의 밴드갭 에너지보다 낮은 에너지에서의 흡수를 초래한다. p-형층에 있어서, 흡수가 무시할 만한 정도인 고유의 밴드갭보다 낮은 효과적인 밴드갭을 정의할 수 있다. 밴드테일 및 이로부터의 유효한 밴드갭의 존재는 도핑 레벨에 의존한다. p-층에서의 흡수를 최소화하기 위하여 레이징 파장의 양자 에너지와 유효한 밴드갭 간의 충분한 분리가 유지되어야 한다. 레이징 파장의 양자 에너지와 터널 정션의 p-층의 고유 밴드갭 간의 이러한 분리는 매우 높은 레이저 빛의 흡수를 야기한다.
장파장 VCSEL의 터널 정션에서 p-도핑 및 n-도핑이 특정 물질 시스템과 함께 어떻게 사용되는가 하는 구체적인 성질은 그 결정 구조가 낮은 시리즈 저항의 제공, 캐리어의 활성영역으로의 주입, 및 자유 캐리어 흡수 효과의 최소화를 포함하는 다중 기능을 수행할 것이기 때문에 중요한 문제이다.
p-형 물질에 있어서, 밴드테일은 상당한 흡수가 일어나는 에너지에서의 감소를 야기한다(유효 밴드갭이 감소된다). n-형 물질에서, 밴드필링(band filling)에 의한 모스-버스테인 효과(Moss-Burstein effect)는 더 높은 에너지로의 흡수의 이동을 야기한다(유효 밴드갭이 증가된다). n-형 물질에서의 큰 밴드필링 때문에, 밴드테일은 유효 밴드갭을 감소시키는데에 있어서 역할을 수행하지 않는다. n-형 터널 정션을 위해, 모스-버스테인 이동이 없는 경우보다 작은 고유 밴드갭을 갖는 물질을 사용할 수 있다.
모스-버스테인 효과는 p-형물질에서도 존재할 수 있으나, 전자보다 홀의 질량이 크기 때문에 밴드필링은 매우 작다. 그러므로, p-형 물질에서 상당한 흡수가 발생하는 (밴드테일에 의한 효과에 반대되는) 에너지의 필수적인 증가도 없다.
효과로 미리 계산되지 않은 또 다른 것은 다량의 도핑은 밴드테일의 형성을 야기하고, 고유 밴드갭의 경우보다 낮은 에너지에서 흡수가 일어난다는 것이다. 이들 밴드테일은 바람직한 특징이 아니라 피할 수 없는 것이며, 레이징 파장에서 흡수가 증가된 합력(resultant)은 p-형 터널 정션층의 고유 밴드갭을 증가시킴으로써 극복되어야 한다.
그러므로, 장파장 VCSEL에 부합하는 단순한 효과적인 터널 정션은 수행제한 및 제조제한 특성을 극복하는 것이 바람직하다. 제조 기준은 OMCVD 반응기에서 억셉터의 최소 수소 패시베이션을 포함한다. 제조원료 및 시간을 낭비하지 않고, 터널링의 가능성을 증가시키는 분리된 스트레인 및 밴드갭 장파장 VCSEL 터널 정션층을 위해 소정의 최적 밴드갭 값을 결정하는 것이 바람직하다.
본 발명은 p-형 터널 정션으로서 C-도핑된 AlGaAsSb의 사용을 개시하고, P++-AlGaAsSb/N++-AlGaInAs 조합이 뛰어난 터널 정션을 만든다는 것을 설명한다. Al의 도입은 AlGaAsSb에서 밴드갭으로부터 스트레인을 분리할 수 있게 하고, 터널 정션의 설계에 있어서의 부가적인 자유를 허락한다. Al의 도입은 또한 다량 p-도핑된 반도체에 형성된 밴드테일의 악영향을 극복할 수 있게 한다.
본 발명의 하나의 관점은 억셉터의 최소 수소 패시베이션을 갖는 터널 정션 장치이다. 터널 정션 장치는 탄소로 도핑된 제1 반도체 물질의 p-형 터널 정션을 포함한다. 상기 제1 반도체 물질은 알루미늄(Al), 갈륨(Ga), 비소(As), 및 안티몬(Sb)을 포함한다. 제2 반도체 물질의 n-형 터널 정션층은 인듐(In), 갈륨(Ga), 비소(As), 및 알루미늄(Al)과 인(P) 중 하나를 포함한다. p-형 및 n-형 터널 정션층 간의 정션은 터널 정션을 형성한다.
다른 관점에서, 본 발명은 제1 반도체 물질을 도핑하여 약 1.5×1019 cm-3 내지 3×1020 cm-3의 범위의 탄소 농도를 갖는 p-형 터널 정션층을 형성하는 것을 포함한다.
본 발명의 부가적인 특징 및 효과는 하기 구체적인 명세서에 나타날 것이며, 일부는 첨부된 도면뿐만 아니라, 다음의 구체적인 설명, 청구항을 포함하는 여기에 기재된 바와 같은 본 발명의 실행에 의하여 기술분야의 숙련된 자들에게 명백하게 이해될 것이다.
앞서 언급된 일반적인 기재 및 다음의 구체적인 기재는 본 발병의 실시예를 제시하고, 청구된 바와 같은 본 발명의 본질 및 특성을 이해하기 위한 개요 또는 구성을 제공하는 것으로 이해될 것이다. 첨부된 도면은 본 발명의 이해를 한층 더 제공하기 위하여 포함되며, 본 명세서의 한 부분으로 구성되고 구체화되었다. 도면은 본 발명의 다양한 실시예를 나타내며, 본 명세서와 함께 본 발명의 원리 및 작용을 설명하기 위해 제공된다.
첨부된 도면에 설명된 예들은 본 발명의 바람직한 실시예로서 구체적으로 참조된다. 모든 도면에는 가능하면 동일한 참조 번호가 동일하거나 유사한 부분을 언급하기 위해 사용될 것이다. 본 발명의 반도체 장치의 일 실시예는 도 1에 나타나며, 처음부터 끝까지 참조 번호 100으로 지정된다.
도 1을 보면, 억셉터의 최소 수소 패시베이션을 갖는 터널 정션 장치(102)는 탄소(C)로 도핑된 제1 반도체 물질의 p-형 터널 접합층(106)을 포함한다. 새로운 물질 시스템의 조합의 일부로서, 제1 반도체 물질은 알루미늄(Al), 갈륨(Ga), 비소(As) 및 안티몬(Sb)을 포함한다. 본 발명은 탄소 억셉터의 수소 보상이 종래 p-형 터널 정션층을 형성하기 위하여 사용되어온 AlGaInAs와 같은 물질에서보다 상당히 적기 때문에 터널 정션을 위한 p-물질로서 탄소 도핑된 AlGaAsSb를 사용한다.
p-형 터널 정션층(106)과 병치되는 제2 반도체 물질의 n-형 터널 정션층(104)은 인듐(In), 갈륨(Ga), 비소(As), 및 알루미늄(Al)과 인(P) 중 하나를 포함한다. p-형 및 n-형 터널 정션층 사이의 정션은 터널 정션(110)을 형성한다.
적어도 하나의 터널 정션층(104 또는 106)은 30nm 이하의 두께를 갖는다. 바람직하게는 각 터널 정션층(104 및 106)은 30nm 이하의 두께를 갖는다.
도 2에 따르면, 도 1의 반도체 장치(100)가 구체화된 도 1의 터널 정션 구조(102)를 갖는 발광 장치로서 보다 자세히 나타나 있다. InP 기판(240)은 윗면과 윗면 반대쪽에 아랫면을 갖으며, 기판 밴드갭 및 기판 격자 상수로 특징 지워진다. 터널층(104 및106)이 충분히 얇게 성장하기 때문에, 적어도 하나의 터널층은 +/- 2%의 기판 격자상수 내에서 매치되는 스트레인을 갖을 수 있다.
InP 기판(240)이 결정성장 후에 선택적으로 제거될 수 있음이 인식될 수 있다. 그러나 InP 기판은 결정성장을 위하여 필요하기 때문에, 터널 정션은 여전히 격자 매치 조건을 만족시킬 필요가 있다. GaAs/AlAs 미러로 구성된 분배 브래그 리플렉터(DBR: distributed Bragg reflector)와 같은 제1 간섭 리플렉터(230)는 InP 기판(240)의 제거 후 InP 기초 터널 정션(102) 및 활성영역(212)에 놓여지거나 결합된다.
활성 영역(212)은 InP 기판(240)의 윗면 위로 성장한다. 활성 영역(212)은 터널 정선 구조(102)로부터 주입된 전하에 응하여 레이징 파장에서 빛을 생성하도록 형성된 효과적인 밴드갭을 갖는다. 계획적으로, 활성 영역(212)은 1000 nm와 1650 nm 사이의 파장을 갖는 빛을 생성하도록 구성된다.
레이징 파장에서 빛을 강하게 반사하는 제1 간섭 리플렉터(230)는 InP 기판(240)에 가깝게 그리고 터널 정션 구조(102)에 멀게 놓여진다. 제2 간섭 리플렉터(232)는 제1 간섭 리플렉터(230)에 멀게 그리고 터널 정션 구조(102)에 가깝게 놓여진다. 제2 간섭 리플렉터(232)는 실질적으로 제1 및 제2 간섭 리플렉터(230 및 232) 사이에 배치된 활성 영역(212)에 의하여 생성된 레이징 파장에서 빛을 반사한다.
레이징 파장과의 소정의 관계에 있는 제1 및 제2 간섭 리플렉터(230 및 232)의 반대되는 말단들 사이의 광학 거리는 수직공진 표면발광 레이저(VCSEL)를 위한 수직광학공동(vertical optical cavity)(250)을 형성한다. 필요한 광학거리는 제공하기 위하여 하나 이상의 스페이서(spacer)가 제1 및 제2 간섭 리플렉터(230 및232)의 사이에 배치된다. 예를 들면, 터널 정션 스페이서층(246)이 터널 정션 구조(102)를 에워싸는 동안, 기판쪽 스페이서층(216) 및 먼쪽 스페이서층(218) 사이에 활성 영역(212)이 끼워진다. 계획에 의해, 광학 공동(250)은 이때 활성 영역(212)에서 생성된 빛의 레이징 파장에서 공진한다.
바람직하게, 터널 정션 구조(102)는 약 400-700℃의 범위의 온도 설정으로 OMCVD 챔버에서 적층 성장한다. n-형 터널 정션층(104) 및 활성 영역(212) 사이에 적층 성장된, 제1 터널 정션층의 제1 반도체 물질은 p-형 터널 정션층(106)을 형성하기 위하여 약 1.5×1019 cm-3 내지 3×1020 cm-3 범위의 탄소농도로 도핑된다.
유사하게 성장된 제2 반도체 물질은 n-형 터널 정션층(104)를 제공하기 위하여 약 1.5×1019 cm-3 내지 5×1019 cm-3 범위의 실리콘(Si) 농도로 도핑된다. 그러나, Sn과 같은 다른 n-형 도펀트가 사용될 수도 있다.
도 3a 및 도3b을 보면, 도 2의 InP 기판(240) 상의 다량의 p-도핑된 AlGaAsSb층(106)에 대한 흡수도 대 에너지 및 광루미네선스(PL: Photoluminescence) 세기 대 에너지의 그래프가 각각 나타나 있다. 본 발명에 따르면, p-형 터널 정션층(104)은 적어도 80 밀리전자볼트(meV)까지 실온에서의 레이징 파장의 에너지(312) 보다 큰 효과적인 밴드갭(414)을 갖도록 설계된다.
PL 피크(PL peak)가 발생하는 에너지는 물질의 효과적인 밴드갭(414)에 거의 대응된다. 도 3a로부터 알 수 있는 바와 같이, 이 에너지에서의 흡수도는 높다. 도 3a로부터, 흡수도는 PL 피크 에너지 보다 80meV 아래의 에너지에서 크기가 약 2 차수 만큼 감소된다는 것을 알 수 있다. 레이저 빛의 흡수를 최소화하기 위하여, p-도핑된 AlGaAsSb층(106)이 될 구성요소를 레이징 파장의 광자 에너지(312) 보다 80 meV 높은 (거의 유효 밴드갭 에너지인) 이 물질의 PL 피크 에너지가 되도록 선택해야한다. 이 80 meV 간격은 터널 정션층의 유효 밴드갭(414)과 레이징 파장의 광자 에너지 간에는 필요하나, 터널 정션층의 고유 밴드갭과 레이징 파장의 광자 에너지 사이에는 필요하지 않다. 미리 최적의 밴드갭 값을 결정하는 것은 제조원료 및 시간을 절감한다. 그러므로, 탄소 도핑된 AlGaAsSb p-터널 정션층(106)(및 n-도핑된 터널 정션층(104))의 유효 밴드갭은 각각 다음 수학식을 만족해야하며, 여기서 유효 밴드갭(414)은 레이징 파장(312)의 광자 에너지에 관한 것이다:
유효 밴드갭(meV) ≥ 실온에서의 레이징 파장 에너지 + 80 meV
수학식 1을 사용할 때, n-형 터널 정션층의 유효 밴드갭(414)은 또한 레이징 파장의 광자 에너지(312)에 관한 것이다. 본 발명의 개시에 따르면, 실제로 n-형층에 p-형층과 같은 수학식을 사용하는 것이 좋다. 이는 더 작은 고유 밴드갭을 갖는 물질도 사용할 수 있게 하는 것으로, 터널링 가능성을 증가시켜 터널 정션 성능를 향상시키기에는 더 좋다. n-형층의 경우에, 유효 밴드갭은 도 4b에 나타난 바와 같이 고유 밴드갭 보다 크다.
도 4a 및 4b를 보면, p- 및 n-도핑된 GaAs의 흡수율 대 에너지가 각각 그래프화 되어 있다. AlGaAsSb p-형 터널 정션층(106) 및 AlGaInAs n-형 터널 정션층에 대한 그래프는 그 곡선이 더 낮은 에너지 값으로 이동된다는 것을 제외하고는 유사하다. GaAs가 AlGaAsSb 대신에 나타난 것이기는 하나, p-층 및 n-층에 대한 곡선 사이에 같은 경향이 존재한다.
도펀트 농도의 증가만큼 곡선의 번호의 진행도 증가한다. 예를 들어 곡선(400)은 자유 홀 농도가 약 1.6×1016cm-3인 도 4a의 p-형 도핑 그래프 및 자유 전자 농도가 약 5×1013cm- 3 인 도 4b의 n-형 도핑 그래프 모두에서 출발기준으로서 고순도 GaAs에 대한 경우를 나타낸다. 도펀트 농도의 증가로, 곡선(422)은 각각 자유 홀 농도가 약 2.2×1017cm-3인 도 4a의 p-형 도핑 그래프, 및 자유 전자 농도가 5.9×1017cm-3인 도 4b의 n-도핑 그래프 모두에서 그 다음 더 높은 농도를 나타낸다. 곡선들의 급수는 그 다음 곡선(424, 426, 428, 및 430)으로 유사한 시리즈로 계속된다(도4a 참조).
그래프의 비교로부터, p-형 층의 흡수 에지(absorption edge)(402)는 도펀트 농도 증가에 따라 증가하는 곡선 번호의 진행에 나타난 바와 같이 p-도펀트 농도의 증가에 따라 작은 에너지로 이동하려는 경향이 있다.
한편, n-형 층의 흡수 에지(402)는 도펀트 농도의 증가에 따라 증가하는 곡선 번호의 진행에 나타난 바와 같이 더 높은 에너지로 이동한다. 그러므로, 유효 밴드갭(414)은 n-형 반도체 내의 모스-버스테인 효과(Moss-Burstein effect)로 인해 고유 밴드갭(412)보다 크게 나타난다. 따라서, 선행된 미국특허출원 제004/0051113호에 기재된 고유 밴드갭 값을 이용하여 n-형 터널 정션층(104)의 밴드갭을 설계하는 데에 문제가 되지 않는다.
선행된 미국특허출원 제004/0051113호의 52 번째 단락에서, n-형 층의 고유 밴드갭은 활성영역에 생성된 빛의 흡수를 피하기 위해 충분히 높은 고유 밴드갭을 갖는 p-형 물질과 다르다고 개시되었다. n 및 p 층 각각의 밴드갭은 터널링의 가능성을 증가시키고 더 좋은 터널 정션을 만들 수 있을 만큼 낮아야 한다. 또한, 선행된 미국특허출원 제004/0051113호는 p-형 터널 정션층 물질의 가전자대 에너지와 n-형 터널 정션층 물질의 전도대 사이의 에너지 차이는 또한 작아야 한다는 것을 개시하고 있다.
만일 레이징 파장의 광자 에너지와 같은 고유 밴드갭을 갖는 n-형 층이 사용되는 경우, (고유 밴드갭(412)보다 매우 높은) 이 층의 유효 밴드갭(414)은 이미 수학식 1을 만족할 것이다. 다른 회사들은 이미 레이저 파장의 광자 에너지보다 좁은 고유 밴드갭 n-형 층을 갖는 터널 정션을 갖는 VCSEL에 대해 설명하였다.
그러나 p-형 정션층(106)은 선행된 미국특허출원 제004/0051113호에 따라 설계되는 경우 문제점을 갖는다. 그것은 유효 밴드갭과 레이징 파장의 광자에너지 사이의 80 meV 차이가 왜 p-형 물질에 대해 제안되는가 하는 것이다. 본 발명에 개시된 바에 따르면, p-형 터널 정션층을 형성하기 위하여 고유 밴드갭을 갖는 제1 반도체 물질의 탄소 농도로의 도핑은 매우 높아서 바람직하지 않은 밴드테일이 형성되어 사실상 p-형 층의 고유 밴드갭(412)을 유효 밴드갭(414)으로 감소시킨다.
(효과(404)를 야기하는) 밴드 테일은 그 도핑되지 않은 또는 고유의 값(412)로부터 p-형 층의 밴드갭(414)을 효과적으로 감소시킨다 - 이것이 실제(또는 고유의) 밴드갭(412)과 다른 유효 밴드갭(414)를 갖는 이유이다. (효과(404)를 야기하는) 밴드 테일이 유효 밴드갭(414)를 증가시키고 감소시키기 때문에, p-형 층에서의 도핑 증가에 따라 더 큰 고유 밴드갭이 요구된다.
터널 정션층(104 및 106)에 의한 흡수는 그들을 VCSEL 내의 레이저 빛에 의하여 형성된 정재파 패턴이 존재하지 않는 곳에 배치함으로써 보다 최소화될 수 있다.
빛 흡수가 방지될 때보다 상당히 큰 알루미늄 분율은 p-형 터널 정션층 물질 의 가전자대 에너지와 n-형 터널 정션층 물질의 전도대 에너지 사이의 바람직한 작은 차이를 유지하고, 가능한 한 작은 밴드갭을 유지하기 위하여 회피되어야 한다.
본 발명의 개시에 따르면, 밴드갭은 터널 정션층에서의 바람직하지 않은 흡수를 극복하기 위한 더 많은 유연성을 제공하기 위하여 스트레인과 독립적으로 변화된다. 스트레인과 밴드갭은 본 발명의 개시에 따라 분리될 수 있다. 제1 반도체 물질이 p-형 터널 정션층 내에 알루미늄(Al)을 포함하는 이유는 p-형 터널 정션층(106)의 격자상수를 유지하고 터널 정션 구조(102)의 p-형 터널 정션층(106)의 유효 밴드갭이 흡수를 막는 레이징 파장의 광자 에너지보다 높게 되도록 하여 밴드갭으로부터 격자 상수 스트레인을 분리하기 위해서이다.
p-형 터널 정션층에 Al를 포함하는 것은 터널 정션의 n-형 층에 영향을 주지 않는다. 또한 Al을 포함하는 것은 p-형 터널 정션층의 격자 상수를 유지하고, 밴드갭이 유지되는 동안 스트레인이 p-형 터널 정션층에 맞춰질 수 있게 한다. 상기 스트레인은 (n-터널 정션층에서와 유사하게) 스트레인된 층에의 전위(dislocation) 도입없이 30 nm p-터널 정션층 내의 2% 까지일 수 있다.
Al의 첨가에 의하여, 동일한 격자 상수가 유지될 수 있으나, 밴드갭이 증가할 수 있다. GaAsSb에서의 As/Sb 비율을 바꾸면, 밴드갭이 바뀌며, 격자 상수가 바뀌기 때문에 스트레인도 변한다. AlGaAsSb에서(또는 AlGaInAs, AlGaAs 등에서) Al/Ga 비율을 바꾸면, 격자상수는 거의 일정하고 밴드갭만 바뀐다.
본 발명에 따르면, p-형 AlGaAsSb층에서 흡수가 일어나는 파장은 그러므로 바람직하지 않은 밴드테일의 효과를 보상하기 위하여 감소된다. 감소단계는 p-형 AlGaAsSb층이 실온에서의 레이징파장의 광자 에너지보다 적어도 80 밀리전자볼트 만큼 큰 유효 밴드갭을 갖는 것과 같이 충분히 낮은 흡수를 얻기 위해 적당히 조절된 Al/Ga 및 As/Sb 비율에 의하여 p-형 AlGaAsSb층의 조성을 조절하는 것을 포함한다. 스트레인이 일정하게 유지되면 Al/Ga 비율만이 조정된다.
실험적으로, 주어진 도핑 레벨에서 As/Sb 비율은 스트레인을 조절하기 위하여, Al/Ga 비율은 유효 밴드갭(레이징 파장의 광자 에너지에 대해 80 meV 이상)을 조절하기 위하여 조정된다. 스트레인 변화의 계산은 5×1019 cm-3까지 도핑된 스트레인 변화가 매우 작은 것으며, 무시할 수 있을 정도인 것임을 시사한다. 어떤 경우에는, 도펀트 가스(CBr4 또는 CCl4)의 도입이 화학적 성장을 바꾸고, 스트레인을 변화시키는 As/Sb 비율(및 가능하면 Al/Ga 비율)의 변화를 유도하며, 유효 밴드갭은도핑에 의해 변화되므로, AlGaAsSb의 조성이 어떠한지 결정하는 것은 어렵지만 바람직한 유효 밴드갭 및 스트레인을 얻기 위하여 조정될 수 있다.
+/-2%에서 InxGayAl(1-x-y)As 및 InP 사이의 스트레인을 유지하기 위하여, 바람직한 밴드갭을 달성하기 위하여 조정된 y값과 함께, x는 0.83≥x≥0.24를 만족해야 한다. 물질 시스템의 최석의 선택을 위한 본 발명의 개시에 따르면, n-형 터널 정션층(104)의 반도체 물질은 인듐 알루미늄 갈륨 비화물(InxGayAl(1-x-y)As)로 필수적으로 구성되며, 여기에서 0.83≥x≥0.24 및 y≥0이다. n-형 터널 정션층(104)을 위한 이러한 물질 조성과 함께, p-형 터널 정션층(106)의 반도체 물질은 알루미늄 비 화 갈륨 안티몬화물 (AlyGa(1-y)As(1-x)Sbx)로 필수적으로 구성되며, 여기에서 0.752≥x≥0.22 및 y≥0이다.
대신에, n-형 터널 정션층(104)의 조성과 상관없이, p-형 터널 정션층의 반도체 물질은 알루미늄 비화 갈륨 안티몬화물 AlyGa(1-y)As(1-x)Sbx로 필수적으로 구성되며, 여기에서 0.752≥x≥0.22 및 y≥0이다.
만일 n-형 터널 정션층(104)의 반도체 물질이 인듐 비화 갈륨 인화물 InyGa(1-y)As(1-x)Px로 필수적으로 구성되고, 여기에서 1≥x≥0 및 1≥y≥0.24인 경우에는, 알루미늄 비화 갈륨 안티몬화물 AlyGa(1-y)As(1-x)Sbx로 필수적으로 구성되고 0.752≥x≥0.22 및 y≥0인 p-형 터널 정션층의 반도체 물질이 터널 정션을 위한 탄소 도핑된 p-형 물질로 사용된다.
만일 InyGa(1-y)As(1-x)Px가 InP에 매치된 격자(lattice)인 경우에는 다음 수학식 2와 같다.
y=(0.2154+0.2021x)/(0.4051+0.0125x)
그러나 InyGa(1-y)As(1-x)Px층은 +/-2%의 스트레인을 갖도록 설계될 수 있다. 탄소 억셉터의 수소 보상이 AlGaInAs와 같은 물질에서 상당히 적기 때문에 AlGaAsSb는 바람직한 p-형 터널 정션층이며, 터널 정션을 형성하기 위하여 일반적으로 사용된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예의 터널 정션 구조의 개략 측면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예인 도 1의 터널 정션 구조를 구체화하는 수직공진 표면발광 레이서의 개략 측면도이다.
도 3a는 본 발명에 따른 도 2의 InP 기판(240) 상의 다량 p-도핑된 AlGaAsSb 층(106)에 대한 흡수도 대 에너지의 그래프이다.
도 3b는 본 발명에 따른 도 2의 InP 기판(240) 상의 다량 p-도핑된 AlGaAsSb 층(106)에 대한 광루미네선스(PL: photoluminescence) 세기 대 에너지의 그래프이다.
도 4a는 p-도핑된 GaAs층에서의 흡수도 대 에너지의 그래프이다.
도 4b는 n-도핑된 GaAs층에서의 흡수도 대 에너지의 그래프이다.
본 발명은 다음 실시예로 더 명확해질 것이다.
실시예 1
p-형 AlGaAsSb 터널 정션층(106)의 밴드갭은 Al/Ga 비율을 조정함으로써 적합한 값으로 조성될 수 있다. p-형 AlGaAsSb층(106) 및 AlGaInAs층(104)는 스트레인될 수 있다. 1.3 미크론 VCSEL에 대하여, AlGaAsSb 및 AlGaInAs의 유효 밴드갭 파장은 1.2 미크론이 되도록 선택되나, 다른 적합한 값도 수학식 1이 만족되는 한 사용될 수 있다. C-도핑된 AlGaAsSb는 트리메틸알루미늄, 트리에틸갈륨, 아르신, 트리메틸안티몬 및 사브롬화탄소와 같은 적합한 전구체를 사용하여 OMCVD로 성장된 다. 그러나, 이외의 다른 어떠한 성장 방법도 사용될 수 있다. AlGaAsSb에서 3×1020 cm-3의 홀농도가 얻어진다. 캐리어 가스는 수소이며, 성장온도는 550℃까지 이다. 더 높은 성장온도는 C 억셉터의 수소 농도를 최소화하기 위해 바람직하다. 시약들은 트리메틸알루미늄, 트리에틸갈륨, 트리메틸인듐, 아르신, 포스핀, 트리메틸안티몬, 디실란 및 사브롬화탄소였다. 시약 공급은 InP 기판에 대해 격자 매칭되는 동안, AlGaAsSb 및 AlGaInAs 모두에 대해 1.2 미크론의 유효 밴드갭 파장을 얻도록 조정되었다. 사브롬화탄소를 이용하여 p-도핑되었다. 디실란을 이용하여 n-도핑하였다.
본 발명의 개념 및 범위에서 벗어나지 않는 다양한 변경 및 변형이 본 발명에 의하여 가능하다는 것은 기술분야의 숙련된 자에게 명백할 것이다. 그러므로, 본 발명은 첨부된 특허청구범위 및 그 균등범위 내에 속하는 본 발명의 변경 및 변형을 포함하는 것이다.

Claims (10)

  1. 탄소로 도핑되고 알루미늄(Al), 갈륨(Ga), 비소(As) 및 안티몬(Sb)를 포함하는 제1 반도체 물질의 p-형 터널 정션층;
    인듐(In), 갈륨(Ga), 비소(As), 및 알루미늄(Al)과 인(P) 중 하나를 포함하는 제2 반도체 물질의 n-형 터널 정션층; 및
    상기 터널 정션층들 사이의 터널 정션을 포함하는, 억셉터의 최소 수소 패시베이션을 갖는 터널 정션 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 n-형 터널 정션층의 반도체 물질은 인듐 알루미늄 갈륨 비화물 InxGayAl(1-x-y)As로 필수적으로 구성되며, 여기에서 0.83≥x≥0.24 및 y≥0인 것을 특징으로 하는 터널 정션 장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 p-형 터널 정션층의 반도체 물질은 알루미늄 비화 갈륨 안티몬화물 AlyGa(1-y)As(1-x)Sbx로 필수적으로 구성되며, 여기에서 0.752≥x≥0.22 및 y≥0인 것을 특징으로 하는 터널 정션 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 p-형 터널 정션층의 반도체 물질은 알루미늄 비화 갈륨 안티몬화물 AlyGa(1-y)As(1-x)Sbx로 필수적으로 구성되며, 여기에서 0.752≥x≥0.22 및 y≥0인 것을 특징으로 하는 터널 정션 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 n-형 터널 정션층의 반도체 물질은 인듐 비화 갈륨 인화물 InxGa(1-y)As(1-x)Px로 필수적으로 구성되며, 여기에서 1≥x≥0 및 1≥y≥0.24인 것을 특징으로 하는 터널 정션 장치.
  6. 제5항에 있어서, 상기 p-형 터널 정션층의 반도체 물질은 알루미늄 비화 갈륨 안티몬화물 AlyGa(1-y)As(1-x)Sbx로 필수적으로 구성되며, 여기에서 0.752≥x≥0.22 및 y≥0인 것을 특징으로 하는 터널 정션 장치.
  7. 제1항에 있어서, 1000 nm와 1650 nm 사이의 파장을 갖는 빛을 생성하도록 구성된 것을 특징으로 하는 터널 정션 장치.
  8. 제1항에 있어서, 적어도 하나의 상기 터널 정션층은 30 nm 이하의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 터널 정션 장치.
  9. 제1항에 있어서, 상기 터널 정션층 각각은 30 nm 이하의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 터널 정션 장치.
  10. 윗면과 윗면 반대편의 아랫면을 가지며, 기판 밴드갭과 기판 격자상수를 특징으로 하는 InP 기판을 제공하는 단계;
    상기 기판 위에 주입된 전하에 대응하여 레이징 파장에서 빛을 생성하도록 형성된 유효 밴드갭을 갖는 활성영역을 성장시키는 단계; 및
    상기 활성영역 위에 알루미늄(Al), 갈륨(Ga), 비소(As) 및 안티몬(Sb)을 포함하는 제1 반도체 물질의 실온에서의 레이징 파장의 광자 에너지 보다 적어도 80 밀리전자볼트 더 큰 유효 밴드갭을 갖는 제1 터널 정션층을 성장시키는 단계;
    약 1.5×1019 cm-3 내지 3×1020 cm-3 범위의 탄소 농도를 갖는 p-형 터널 정션층을 형성하도록 상기 제1 반도체 물질을 도핑하는 단계; 및
    터널 정션 구조를 형성하기 위해 상기 제1 터널 정션층과 병치된 인듐(In), 갈륨(Ga), 비소(As), 및 알루미늄(Al)과 인(P) 중 하나를 포함하는 제2 반도체 물질의 제2 터널 정션층을 형성하는 단계를 포함하며, 적어도 하나의 상기 터널층은 기판 격자 상수의 +/-2% 내에 매치되는 스트레인을 갖는 터널 정션 구조를 제작하는 방법.
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