KR20070026091A - 반도체 장치 - Google Patents

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지에 혼고
하지메 나고
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가부시끼가이샤 도시바
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Abstract

반도체 장치는, 활성층, 제1 도전형의 제1 반도체층, 상기 활성층과 상기 제1 반도체층의 사이에 배치되며, 제1 도전형의 불순물로 도핑되고 전자 또는 정공의 오버플로를 방지하는 오버플로 방지층, 상기 활성층과 상기 오버플로 방지층의 사이, 및 상기 오버플로 방지층과 상기 제1 반도체층의 사이 중 적어도 한 곳에 배치되는 제1 도전형의 제2 반도체층, 및 상기 제1 반도체층과 상기 활성층의 사이에 배치되며, 상기 오버플로 방지층, 상기 제1 반도체층, 및 상기 제2 반도체층보다 작은 밴드갭을 갖고 제1 도전형의 불순물의 확산을 방지하는 불순물 확산 방지층을 포함한다.
불순물 확산 방지층, 활성층, 레이저 다이오드, GaN, 가이드층, 오버플로 방지층

Description

반도체 장치{SEMICONDUCTOR DEVICE}
도 1은 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 반도체 장치의 단면도.
도 2는 적층막의 깊이와 Mg 농도의 관계, 및 깊이와 밴드갭 에너지의 관계를 도시하는 도면.
도 3은 도 1의 레이저 다이오드의 제조 공정을 도시하는 공정도.
도 4는 도 3에 후속하는 공정도.
도 5는 오버플로 방지층(7)과 p형 제1 가이드층(6)의 사이에 불순물 확산 방지층(8)이 개재된 반도체 장치의 단면도.
도 6은 제2 실시 형태에 따른 레이저 다이오드의 단면도.
도 7은 불순물 확산 방지층(8)이 p형 GaN 가이드층(21)과 오버플로 방지층(7)의 사이에 개재된 레이저 다이오드의 단면도.
도 8은 p형 클래드층(10)과 p형 GaN 가이드층(21)의 사이에 불순물 확산 방지층(8)이 개재된 레이저 다이오드의 단면도.
도 9는 p형 GaN 가이드층(21)과 오버플로 방지층(7)의 사이에 불순물 확산 방지층(8)이 개재된 레이저 다이오드의 단면도.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
1: n형 GaN 기판
2: n형 GaN 버퍼층
3: n형 클래드층
4: n형 가이드층
5: 활성층
6: p형 제1 가이드층
7: GaxAl1 -xN(0<x≤1)층(오버플로 방지층)
8: InuGa1 -u-vAlvN(0<u≤1, 0<v≤1)층(불순물 확산 방지층)
9: p형 GaN 제2 가이드층
1O: p형 클래드층
11: p형 컨택트층
12: 절연층
13: p측 전극
14: n측 전극
21: p형 GaN 가이드층
[비특허문헌1] 나카무라 슈지 외, 「InGaN-Based Multi-Quantum-Well-Structure Laser Diodes」, Japanese Journal of Applied Physics, 1996년 1월 15 일 제35권, 제1B호, pp.L74-L76.
[비특허문헌2] M.Hansen 외, 「Higher efficiency InGaN laser diodes with an improved quantum well capping configuration」, Applied Physics Letters, 2002년 11월 25일 제81권, 제22호, pp.4275-4277.
본 출원은 2005년 8월 29일자로 제출된, 종래의 일본 특허 출원 제2005-247838호에 기초한 것으로, 그로부터 우선권의 이득을 청구하고, 그 전체 내용은 여기 참고로서 포함된다.
본 발명은, 질화 갈륨(GaN)계 화합물 반도체를 포함하는 반도체 장치에 관한 것이다.
질화 갈륨계(GaN계) 반도체는 광대역 갭을 갖고, GaN계 반도체의 그 특징은 고휘도 자외선 ~ 청/녹색 LED들 및 자색 레이저 다이오드의 연구 및 개발에 이용되고 있다. 또한, 고주파이면서 고출력인 GaN 트랜지스터 등이 제작되고 있다.
GaN계 반도체에서는, 전자나 정공의 유효 질량이 GaAs계 반도체의 유효 질량보다 크기 때문에, GaN계 레이저의 투명 캐리어 밀도는 GaAs계 레이저의 투명 캐리어 밀도보다 크다. 따라서, 필연적으로 GaN계 레이저의 임계치 전류 밀도는 GaAs계 레이저의 임계치 전류 밀도보다 크다. GaN계 레이저의 임계치 전류 밀도의 대표적인 값은 약 1~3kAcm-2이다.
상술한 바와 같이, GaN계 레이저는, 높은 임계치 전류 밀도를 갖기 때문에, 캐리어(특히 전자)의 오버플로를 억제하는 것이 극히 중요하다. GaN계 레이저에서는, 전자의 오버플로를 억제하기 위해, p형 불순물을 도핑한 GaAIN층이 활성층 근처에 배치되는 일이 많다(비특허문헌1, 비특허문헌2 참조).
그러나, 실제 디바이스 구조의 결정 성장동안, 가이드층의 재료로서 이용되는 InGaN과 GaN/GaAIN은 서로 다른 온도에서 성장한다. InGaN이 성장 온도는 약 700~800℃인데 반해, GaN/GaAIN의 성장 온도는 1000~1100℃이다. 다시 말해, InGaN이 성장된 후에, 성장은 일시 정지되고, InGaN은 승온 과정을 거치고, 그 다음 GaN/GaAIN이 성장된다. 이 승온 과정에 있어서, 열손상에 의해 야기된 결함이 결정 성장층에 도입된다는 것이 발견되었다. 이러한 결함을 갖는 층이 활성층 가까이에 배치되면, 디바이스의 수명이 저하될 우려가 있다. 따라서, 그러한 결함을 갖는 층을 활성층으로부터 멀리 위치시키는 것이, 고신뢰성 디바이스를 실현하는데 중요하다.
또한, p형 불순물로 도핑된 GaAIN층이 활성층에 매우 가깝게 배치되어 있을 경우, p형 불순물에 의한 자유 캐리어 손실이 발생하여, 반대로 임계치 전류 밀도가 상승한다. 또한, p형 불순물이 활성층에 확산될 우려가 있다. 이 경우, 손실이 증대되고, 임계치 전류 밀도도 증가한다. 설령 레이저 다이오드의 통전 초기 단계에서 p형 불순물의 활성층으로의 확산이 억제되었다고 하더라도, 정광 출력(constant optical output)하의 수명 시험을 행하는 동안, 활성층으로의 불순물 확산이 발생하여, 그 결과 임계치 전류 밀도의 증대를 초래하고, 최종적으로는 레이저 다이오드로서 사용할 수 없을 수도 있다. 이와 같이, p형 불순물의 활성층으 로의 확산은 디바이스의 신뢰성에도 관련된 중대한 문제이다.
본 발명은, 불순물이 활성층으로 확산하는 것을 막을 수 있는 반도체 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 양태에 따르면,
활성층과;
제1 도전형의 제1 반도체층과;
상기 활성층과 상기 제1 반도체층의 사이에 배치되고 제1 도전형의 불순물로 도핑된, 전자 또는 정공의 오버플로를 방지하는 오버플로 방지층과, 상기 활성층과 상기 오버플로 방지층의 사이, 및 상기 오버플로 방지층과 상기 제1 반도체층의 사이 중 적어도 한 곳에 배치되는 제1 도전형의 제2 반도체층과;
상기 제1 반도체층과 상기 활성층의 사이에 배치되고, 상기 오버플로 방지층, 상기 제1 반도체층, 및 제2 반도체층보다 작은 밴드갭을 갖고 제1 도전형의 불순물의 확산을 방지하는 불순물 확산 방지층
을 포함하고,
상기 활성층, 오버플로 방지층, 제1 반도체층, 제2 반도체층, 및 불순물 확산 방지층 각각은 GaN계 화합물 반도체로 이루어지는 반도체 장치가 제공된다.
또한, 본 발명의 일 양태에 따르면,
활성층과;
제1 도전형의 제1 반도체층과;
상기 활성층과 상기 제1 반도체층의 사이에 배치되고, 제1 도전형의 불순물로 도핑된, 전자 또는 정공의 오버플로를 방지하는 오버플로 방지층과;
상기 활성층과 상기 오버플로 방지층의 사이, 및 상기 오버플로 방지층과 상기 제1 반도체층의 사이 중 어느 한 곳에 배치되는 제1 도전형의 제2 반도체층과;
상기 오버플로 방지층과 상기 제2 반도체층의 사이에 배치되고, 상기 오버플로 방지층, 상기 제1 반도체층, 및 제2 반도체층보다 작은 밴드갭을 갖고 제1 도전형의 불순물의 확산을 방지하는 불순물 확산 방지층
을 포함하고,
상기 활성층, 오버플로 방지층, 제1 반도체층, 제2 반도체층, 및 불순물 확산 방지층 각각은 GaN계 화합물 반도체로 이루어지는 반도체 장치가 제공된다.
또한, 본 발명의 일 양태에 따르면,
활성층과;
제1 도전형의 제1 반도체층과;
상기 활성층과 상기 제1 반도체층의 사이에 배치되고, 제1 도전형의 불순물로 도핑된, 전자 또는 정공의 오버플로를 방지하는 오버플로 방지층과;
상기 오버플로 방지층과 상기 제1 반도체층의 사이에 배치되는 제1 도전형의 제2 반도체층과;
상기 오버플로 방지층과 상기 활성층의 사이에 배치되는 제1 도전형의 제3 반도체층과;
상기 오버플로 방지층과 상기 제2 반도체층 사이, 및 상기 오버플로 방지층 과 상기 제3 반도체층의 사이 중 적어도 한 곳에 배치되고, 상기 오버플로 방지층, 상기 제1 반도체층, 상기 제2 반도체층, 및 제3 반도체층보다 작은 밴드갭을 갖고, 제1 도전형의 불순물의 확산을 방지하는 불순물 확산 방지층
을 포함하고,
상기 활성층, 오버플로 방지층, 제1 반도체층, 제2 반도체층, 제3 반도체층, 및 불순물 확산 방지층 각각은 GaN계 화합물 반도체로 이루어지는 반도체 장치가 제공된다.
이제, 도면을 참조하여, 본 발명의 실시 형태들이 설명될 것이다.
(제1 실시 형태)
도 1은 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 반도체 장치의 단면도이다. 도 1은 반도체 발광 디바이스, 보다 구체적으로는 레이저 다이오드의 단면 구조를 도시하고 있다. 도 1에 도시된 레이저 다이오드는, n형 GaN 기판(1) 상에 형성되는 n형 GaN 버퍼층(2)과, 그 위에 형성되는 n형 클래드층(3)과, 그 위에 형성되는 n형 가이드층(4)과, 그 위에 형성되는 활성층(5)과, 그 위에 형성되는 p형 제1 가이드층(6)과, 그 위에 형성되는 GaxA11-xN(0<x≤1)층(오버플로 방지층)(7)과, 그 위에 형성되는 InyGa1-yN(0<y≤1)층(불순물 확산 방지층)(8)과, 그 위에 형성되는 p형 GaN 제2 가이드층(9)과, 그 위에 형성되는 p형 클래드층(10)과, 그 위에 형성되는 p형 컨택트층(11)을 포함하고 있다. 또한, 오버플로 방지층은 보다 일반적으로 In1 -x- yGaxAlyN(0≤x<1, 0<y≤1)으로 확장할 수도 있다.
불순물 확산 방지층(8)의 In의 조성비는 오버플로 방지층(7), 가이드층(6, 9), 및 p형 클래드층(10)의 In의 조성비보다도 높게 설정되어 있다. 후술하는 불순물 확산의 가이드로서, 불순물 확산 방지층(8)의 In의 조성비는 2~10%, 바람직하게는 3~8%로 설정되고, 오버플로 방지층(7)과 가이드층(6, 9)의 In의 조성비는 2% 이하로 설정된다. 일반적으로, In의 조성비가 증가함에 따라, 굴절률은 증가하고 밴드갭은 감소한다. 불순물 확산 방지층(8)의 In 조성비가 작으면 불순물 확산 방지의 효과를 얻는 것이 어려워진다. 또한, 발광 효율의 관점에서, 불순물 확산 방지층(8)의 In 조성비는 활성층의 양자 우물층의 In 조성비보다 작게 하는 것이 바람직하다.
p형 클래드층(10)은 볼록부를 갖는다. 볼록부의 최상면에는 p형 GaN 컨택트층(11)이 형성되고, 볼록부의 측벽부와 볼록부 이외의 p형 클래드층(10)의 표면 부분에는 절연층(12)이 형성되어 있다. p형 GaN 컨택트층(11) 상에는 p형 전극(13)이 형성되고, n형 GaN 기판(1)의 이면측에는 n형 전극(14)이 형성되어 있다.
도 1의 레이저 다이오드는, 오버플로 방지층(7)과 p형 GaN 제2 가이드층(9)의 사이에 불순물 확산 방지층(8)을 구비하고 있다. 이 불순물 확산 방지층(8)은, p형 GaN 가이드층(9) 및 p형 클래드층(10) 등의 내부에 존재하는 p형 불순물을 흡수하고, 이에 의해, p형 불순물이 활성층에 확산되지 않게 된다. 또한, 불순물 확산 방지층(8)을 p형 클래드층(10)에 근접하여 배치함으로써 불순물 확산을 충분히 막을 수 있지만, 불순물 확산 방지층(8)을 활성층(5)에 근접하여 배치시키는 것이 불순물 확산 방지 효과를 보다 향상시킬 수 있다. 그 이유는, 활성층(5)과 p형 클래드층(10)의 사이에 존재하는 하나 또는 복수의 p형 반도체층 중 가능한 한 많은 p형 반도체층에 포함된 p형 불순물의 확산을 방지할 수 있기 때문이다. 그러나, 불순물 확산 방지층(8)을 활성층(5)에 접하여 설치한 경우에는, 활성층(5)의 양자 우물층이 불순물 확산 방지층(8)보다도 밴드갭이 작다. 따라서, 불순물 확산 방지층(8)에 의해 p형 불순물이 충분히 흡수되지 않아 활성층(5)으로 p형 불순물이 확산되는 경우가 있어 바람직하지 않다.
본 발명자는, GaN, GaAIN 및 InGaN으로 이루어지는 적층막에 대하여, 2차 이온 질량 분석법(SIMS; Secondary Ion-microprobe Mass Spectrometry)을 이용해서 p형 불순물(예를 들면 Mg)의 도핑 프로파일을 조사했다. 그 결과, 도핑 농도가 일정하게 되도록 설계했는데도 불구하고, SIMS의 매트릭스 효과를 고려하더라도, InGaN에서의 Mg 농도가 가장 높다는 것이 발견되었다. 도 2는 이 결과를 도시한다. 도 2의 차트 "a"에서, 횡축은 상기 적층막의 깊이 위치를 나타내고, 종축은 Mg 농도를 나타낸다. 또한, 차트 "b"에서, 횡축을 상기 적층막의 깊이 위치를 나타내고, 종축은 밴드갭 에너지를 나타낸다.
도 2의 차트 "a"로부터 알 수 있는 바와 같이, 불순물 확산 방지층(8)이 가장 높은 Mg 농도를 갖는다. 또한, 차트 "b"로부터 알 수 있는 바와 같이, 불순물 확산 방지층(8)의 가장 낮은 밴드갭 에너지를 갖는다.
InGaN의 Mg 농도가 높은 원인으로서, InGaN은 GaN이나 GaAlN보다 격자 상수 가 크고(보다 엄밀하게는 c축 방향에서의 격자 상수가 크고), Mg가 막 내로 들어가기 쉽기 때문이다.
도 2로부터 알 수 있는 바와 같이, 상기 적층막 각 층에 있어서 Mg 농도와 밴드갭 에너지는 상호 상관 관계가 있다. 따라서, 도 1의 레이저 다이오드에 있어서도, InyGa1-yN 불순물 확산 방지층(8)이 불순물 확산 방지층(8)의 양면에 배치되는 오버플로 방지층(7)과 p형 GaN 제2 가이드층(9)보다도 밴드갭 에너지가 작은 재료로 구성되면, p형 GaN 제2 가이드층(9)이나 p형 클래드층(10) 등에 포함되는 p형 불순물을 불순물 확산 방지층(8)의 내부에 축적할 수 있다. 다시 말해서, 불순물 확산 방지층(8)의 c축 방향의 격자 상수가 불순물 확산 방지층(8) 양면에 배치되는 오버플로 방지층(7)과 p형 GaN 제2 가이드층(9)의 c축 방향의 격자 상수보다도 크게 이루어진다. 따라서, p형 불순물이 불순물 확산 방지층(8)의 내부에 축적될 수 있다.
따라서, 본 실시 형태에서는, p형 불순물로 도핑된 오버플로 방지층(7) 상에, 밴드갭이 보다 작은 InyGa1-yN층을 포함하는 불순물 확산 방지층(8)을 배치하고, 불순물 확산 방지층(8) 내에 p형 불순물을 축적하여, p형 불순물이 활성층으로 확산되지 않도록 한다.
도 3 및 도 4는 도 1의 레이저 다이오드의 제조 공정을 도시하는 공정 도면이다. 우선, n형 GaN 기판(1) 상에, n형 불순물로 도핑된 n형 GaN 버퍼층(2)의 결정이 성장된다(도 3(a)). 결정 성장에는, 예를 들면 유기 금속 기상 성장 법(MOCVD: Metal Organic Chemical Vapor Deposition)이 이용된다. 또한, 분자선 에피택시법(MBE; Molecular Beam Epitaxy)이 결정 성장에 이용될 수도 있다. n형 불순물은 Si나 Ge일 수 있다. 본 실시 형태에서는 Si을 이용한다.
다음으로, n형 GaN 버퍼층(2) 상에, 도핑되지 않은 Ga0 .9Al0 .1N층과 약 1×1018cm-3의 n형 불순물로 도핑된 GaN층을 포함하는 초격자의 n형 클래드층(3)을 성장시킨다(도 3(b)). n형 클래드층(3)의 재료에는 특별히 제한은 없다. 예를 들면, Ga0 .95Al0 .05N의 후막을 이용해도 된다. 혹은, Ga0 .9Al0 .1N층과 GaN층 모두를 n형 불순물로 도핑해서 n형 클래드층(3)을 형성해도 된다.
다음으로, n형 클래드층(3) 상에, 약 0.1㎛의 두께를 갖는 GaN으로 이루어진 n형 가이드층(4)이 성장된다. n형 가이드층(4)은 약 1×1018cm-3의 n형 불순물로 도핑된다. 대안적으로, n형 가이드층(4)은 약 0.1㎛의 두께를 갖는 In0.01Ga0.99N으로 구성될 수도 있다. n형 GaN 버퍼층(2), n형 클래드층(3) 및 n형 가이드층(4)은 1000~1100℃에서 성장된다.
다음으로, n형 가이드층(4) 상에 다중 양자 우물(MQW: Multiple Quantum Well) 구조를 갖는 활성층(5)을 형성한다(도 3(c)). 이 구조에서, 약 3.5㎚의 두께를 갖는 도핑되지 않은 In0.1Ga0.9N층을 각각 포함하는 양자 우물층들과, 약 7㎚의 두께를 갖는 도핑되지 않은 In0.01Ga0.99N층을 각각 포함하는 배리어층이 교대로 적층되어, 이 양자 우물의 양면에 배리어층들이 배치된다. 이 경우에, 성장 온도는 700~800℃이다.
다음으로, 활성층(5) 상에, In0.005Ga0.995N으로 이루어지는 p형 제1 가이드층(6)을 성장시킨다. p형 제1 가이드층(6)의 막 두께는 약 90㎚이면 된다. p형 제1 가이드층(6)은 도핑되지 않을 수도 있고, 혹은 약 1×1017cm-3 ~ 5×1018cm-3의 Mg로 도핑될 수도 있다. Mg는 p형 분술물이다. 활성층 아래에 배치되는 n형 가이드층(5)이 GaN 또는 Inx1Ga1 -x1N(0<x1<1)로 구성되고, 활성층이 Inx2Ga1-x2N(0<x2≤1)을 포함하는 양자 우물과, Inx3Ga1-x3N(0≤x3<1, x2>x3)을 포함하는 배리어층을 갖는 단일 또는 다중 양자 우물 구조인 경우, p형 제1 가이드층(6)은 Inx4Ga1 -x4N(0≤x4<1, x3>x4)로 구성된다.
다음으로, p형 제1 가이드층(6) 상에, 약 10㎚의 두께를 갖는 Ga0.8Al0.2N층을 성장시킨다. Ga0 .8Al0 .2N층은 약 4×1018cm-3 ~ 약 5×1019cm-3의 Mg로 도핑된다. 이 Ga0.8Al0.2N층은, 전자의 오버플로를 방지하기 위해 설치되기 때문에, 오버플로 방지층(7)이라고도 불린다. p형 제1 가이드층(6)과 오버플로 방지층(7)은 1000~1100℃에서 성장된다.
다음으로, 오버플로 방지층(7) 상에, InyGa1-yN(0<y≤1)으로 이루어지는 불순물 확산 방지층(8)을 성장시킨다(도 3(d)). In의 조성 y는 예를 들면, y=0.02, 막 두께는 3㎚이다. 이 막 두께는 예를 들면 1~15㎚, 바람직하게는 1~10㎚로 설정된 다. 막 두께가 얇으면 불순물 확산 방지의 효과를 얻는 것이 어렵게 되고, 막 두께가 두꺼우면 광 강도 분포가 변화하여 바람직하지 않다. 불순물 확산 방지층(8)은 700~800℃에서 성장되는 것이 바람직하다. In의 조성이 낮을 경우(예를 들면 3% 이하인 경우), 불순물 확산 방지층(8)은 1000~1100℃에서 성장될 수도 있다. 불순물 확산 방지층(8)은, 약 1×1017cm-3 ~ 약 1×1019cm-3의 Mg로 도핑될 수도 있다.
다음으로, InyGa1 - yN층 상에, 약 2×1018cm-3 ~ 약 5×1019cm-3의 Mg로 도핑된 p형 GaN 제2 가이드층(9)을 성장시킨다. 이 층의 막 두께는 예를 들면 0.05㎛이다. 다음으로, p형 GaN 제2 가이드층(9) 상에, 초격자 구조의 p형 클래드층(10)을 성장시킨다. 초격자 구조는 도핑되지 않은 Ga0.9Al0.1N층과, 약 1×1019cm-3 ~ 약 5×1019cm-3의 Mg로 도핑된 GaN을 포함한다. p형 클래드층(10)의 재료는 특별히 한정되지 않는다. p형 클래드층(10)은 예를 들면 Ga0.95Al0.05N을 포함하는 p형 불순물로 도핑된 후막(막 두께 약 0.6㎛)일 수도 있다. 대안적으로, Ga0.9Al0.1N과 GaN의 양방이 p형 불순물로 도핑될 수도 있다. 다음으로, p형 클래드층(10) 상에, p형 불순물로 도핑된 막 두께 0.1㎛인 GaN층을 포함하는 p형 컨택트층(11)을 형성한다(도 4(a)). GaN층 대신, p형 불순물로 도핑된 InGaAlN층이 사용될 수도 있다. p형 GaN 제2 가이드층(9), p형 클래드층(10) 및 p형 컨택트층(11)은 1000~1100℃에서 성장된다.
도 3 ~ 도 4(a)의 공정에 따라서 결정 성장을 행한 웨이퍼에 대하여 디바이스 프로세스를 행함으로써, 최종적으로 레이저 다이오드가 형성된다. 리소그래피 및 드라이에칭에 의해, p형 컨택트층(11)과 p형 클래드층(10)의 일부를 제거하고, 볼록부를 갖는 리지 구조(ridge structure)를 형성한다(도 4(b)). 또한, 볼록부의 측벽 부분과 볼록부 이외의 p형 클래드층(10)의 표면 부분에는 절연층(12)을 형성한다(도 4(c)).
다음으로, 약 3×1019cm-3 ~ 약 1×1022cm-3의 Mg로 도핑된 p형 GaN 컨택트층(11)과 절연층(12) 상에 p형 전극(13)을 형성함과 함께, n-GaN 기판의 이면측에 n형 전극(14)을 형성한다.
레이저 다이오드의 단부면은 벽개(cleavage)에 의해 형성되고, 광 취출면(light extracting surface)과는 반대측의 면에는 고반사율을 갖는 코팅이 실시된다.
p형 클래드층(10)과 p형 GaN 컨택트층(11)을 포함하는 볼록부 적층 구조는, 도면과 수직인 방향으로 연장하고 공진기로서 역할을 한다.
또한, 볼록부 적층 구조의 형상은, 도 1에 도시한 바와 같은 단면에서 수직 측벽을 갖는 사각형에 한하지 않는다. 이 구조는 메사형(mesa)의 사면을 갖는 사다리꼴 형상의 볼록부를 가질 수도 있다. p형 컨택트층(11)의 폭(리지 폭)은 약 2㎛이고, 공진기 길이는 예를 들면 600㎛로 설정된다.
볼록부의 측벽부와 볼록부 이외의 p형 클래드층(10)의 표면 부분에는, 볼록부가 삽입된 절연층(12)을 포함하는 전류 블록층이 형성되어 있다. 이 전류 블록층에 의해 레이저 다이오드의 가로 모드(transverse mode)가 제어된다. 전류 블록층의 두께는 설계에 따라 임의로 선택할 수 있지만, 약 0.3㎛ ~ 0.8㎛, 예를 들면 약 0.5㎛로 설정되는 것이 바람직하다.
전류 블록층의 재료로서는, 예를 들면 AlN막, Ga0.8Al0.2N막 등의 고-비저항(high-resistivity) 반도체막, 플로톤을 조사한 반도체막, 실리콘 산화막(SiO2막), SiO2막과 ZrO2막으로 이루어지는 다층막 등이 이용된다. 다시 말해, 전류 블록층의 재료로서는, 활성층(5)에 이용되는 질화물계 III-V족 화합물 반도체보다도 굴절률이 낮은 재료인 한 다양한 재료가 채용 가능하다.
또한, 본 실시 형태에 따른 레이저 다이오드가 항상 리지 도파관 레이저 구조를 가져야 하는 것은 아니다. 예를 들면, 매립형 레이저 구조의 경우에, 절연막 대신, n형 GaN이나 n형 GaAlN 등의 n형 반도체층이 pn 접합 분리에 의해 전류 블록층으로 사용될 수도 있다.
p형 GaN 컨택트층(11) 상에는, 예를 들면 팔라듐-백금-금(Pd/Pt/Au)의 복합막을 포함하는 p형 전극(13)이 형성된다. 예를 들면, Pd막은 두께가 0.05㎛, Pt막은 두께가 0.05㎛, Au막은 두께가 1.0㎛이다.
한편, n형 GaN 기판(1)의 이면측에는, 예를 들면 티탄-백금-금(Pi/Pt/Au)의 복합막을 포함하는 n형 전극(14)이 형성된다. n 형 전극(14)의 재료로서는, 예를 들면 두께가 0.05㎛인 Ti막, 두께가 0.05㎛인 Pt막 및 두께가 1.0㎛인 Au막이 이용된다.
도 3 및 도 4의 제조 프로세스에 의해 제작되는 레이저 다이오드는, 전류-광 출력 특성에서의 임계치 전류가 평균적으로 35㎃이다. 오버플로 방지층(7) 상에 불순물 확산 방지층(8)을 설치하지 않는 레이저 다이오드의 경우에도, 임계치 전류는 평균적으로 약 35㎃였다. 이에 의해, 불순물 확산 방지층(8)의 유무로 인해 레이저 다이오드의 초기 특성에 차이가 야기되지 않음을 알 수 있다.
다음으로, 본 발명자는, 광 출력을 일정하게 한 상태에서의 수명을 측정하는 통전 시험을 행하였다. 이 통전 시험에서는, 광 출력 50㎽, 동작 온도 75℃로, 레이저 다이오드를 연속 발진시켜, 동작 전류의 상승률을 조사했다. 동작 전류가 초기치의 20% 상승한 시간을 레이저 다이오드의 수명으로서 정의한다. 이 정의에 따라 도 1의 레이저 다이오드의 수명을 측정한 결과, 상승률의 변화로부터 추정했을 때 수명은 1000시간 이상이었다. 한편, 불순물 확산 방지층(8)을 갖지 않는 레이저 다이오드의 수명은 200~300 시간인 것으로 추정되었다.
이러한 수명의 차가 발생한 이유에 대해서 아래 설명할 것이다. 불순물 확산 방지층(8)이 없을 경우, 통전 시험동안, p형 클래드층(10)과 p형 제2 가이드층(9) 내의 p형 불순물(예를 들면 Mg)이 서서히 불순물이 적은 활성층(5)을 향해 확산하기 시작한다. 활성층(5)에 p형 불순물이 확산되면, 자유 캐리어 손실이 발생하기 때문에, 레이저 다이오드에서 임계치 전류가 상승한다. 또한, 임계치 전류 이상에서의 전류 변화량에 대한 광 출력 변화량의 비를 나타내는 슬로프 효율이 낮 아진다. 따라서, 광 출력을 일정하게 하고자 하는 경우에 동작 전류가 상승하게 된다.
한편, 본 실시 형태와 같이 불순물 확산 방지층(8)을 설치했을 경우, 불순물 확산 방지층(8)에 p형 불순물이 축적되어, 활성층(5)으로의 p형 불순물의 확산을 억제할 수 있다. 이 때문에, 수명이 길어지고, 신뢰성이 높은 레이저 다이오드를 제공할 수 있다.
도 1의 레이저 다이오드는, 오버플로 방지층(7)과 p형 GaN 제2 가이드층(9)의 사이에 불순물 확산 방지층(8)이 개재되어 있지만, 도 5에 도시하는 바와 같이, 오버플로 방지층(7)과 p형 제1 가이드층(6)의 사이에 불순물 확산 방지층(8)이 개재될 수도 있다. 도 5에서도, 오버플로 방지층(7) 내의 p형 불순물은 불순물 확산 방지층(8)에 명확하게 축적될 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 실시 형태에서는, 활성층(5)에 근접하여 InyGa1-yN으로 이루어지는 불순물 확산 방지층(8)이 배치되기 때문에, p형 클래드층(10)이나 p형 제2 가이드층(9) 등의 내부에 존재하는 p형 불순물을 불순물 확산 방지층(8)에 축적할 수 있어, p형 불순물이 활성층(5)에 확산하지 않게 된다. 이 때문에, 레이저 다이오드의 수명을 연장시킬 수 있고, 신뢰성 향상을 도모할 수 있다.
(제2 실시 형태)
제2 실시 형태는, 레이저 다이오드의 구조가 제1 실시 형태와는 상이한 것이다.
도 6은 제2 실시 형태에 따른 레이저 다이오드의 단면도이다. 도 6의 레이저 다이오드는, 도 1의 p형 제1 가이드층(6)과 p형 GaN 제2 가이드층(9)을 한 층으로 통합한 p형 GaN 가이드층(21)을 갖는다. 이 가이드층은 활성층(5)과 오버플로 방지층(7)의 사이에 개재되어 있다. 확실히 말하면, 도 6의 레이저 다이오드는, n형 GaN 기판(1) 상에 형성되는 n형 GaN 버퍼층(2)과, 그 위에 형성되는 n형 클래드층(3)과, 그 위에 형성되는 n형 가이드층(4)과, 그 위에 형성되는 활성층(5)과, 그 위에 형성되는 p형 GaN 가이드층(21)과, 그 위에 형성되는 Ga0.8Al0.2N층(오버플로 방지층(7))과, 그 위에 형성되는 InyGa1-yN(0<y≤1)층(불순물 확산 방지층(8))과, 그 위에 형성되는 p형 클래드층(10)을 포함한다.
도 6의 레이저 다이오드에서는, p형 클래드층(10) 내의 p형 불순물을 불순물 확산 방지층(8)에 축적할 수 있기 때문에, 활성층(5)으로의 p형 불순물의 확산을 방지할 수 있다.
도 6에서는, 불순물 확산 방지층(8)이 오버플로 방지층(7)과 p형 클래드층(10)의 사이에 개재되어 있다. 불순물 확산 방지층(8)은 도 7에 도시한 바와 같이 p형 GaN 가이드층(21)과 오버플로 방지층(7)의 사이에 개재될 수도 있다.
도 7의 레이저 다이오드에서는, p형 클래드층(10)뿐만 아니라, 오버플로 방지층(7) 내의 p형 불순물도 불순물 확산 방지층(8)에 축적할 수 있다.
도 6 및 도 7의 레이저 다이오드에 있어서, p형 GaN 가이드층(21)과 오버플로 방지층(7)의 적층 순서를 교체해도 된다. 이 경우, 도 8 또는 도 9에 도시된 레이저 다이오드가 얻어진다. 도 8의 레이저 다이오드에서는, p형 클래드층(10)과 p형 GaN 가이드층(21)의 사이에 불순물 확산 방지층(8)이 개재되어 있다. 도 9의 다이오드에서는, p형 GaN 가이드층(21)과 오버플로 방지층(7)의 사이에 불순물 확산 방지층(8)이 배치되어 있다.
상술한 바와 같이, 도 6~도 9에 도시된 구조들 중 어느 것에서도, 불순물 확산 방지층(8)에 p형 불순물을 축적할 수 있다. 따라서, 활성층으로의 p형 불순물의 확산을 방지할 수 있어, 레이저 다이오드의 수명을 연장시킬 수 있다.
제1 및 제2 실시 형태에서는, p형 불순물로 Mg를 이용했다. Zn 등이 이용될 수도 있다.
또한, 제1 및 제2 실시 형태에서는, 레이저 다이오드가 불순물 확산 방지층(8)을 포함하는 예를 설명했다. 본 발명은 레이저 다이오드뿐만 아니라, 발광 다이오드나 광 검출기 등의 광 디바이스나, 트랜지스터(예를 들면, HBT(Heterojunction Bipolar Transistor)) 등의 전자 디바이스에도 적용 가능하다.
또한, 상기 각 실시 형태에서는, 불순물 확산 방지층(8)에 p형 불순물을 축적하는 예를 설명했다. n형 불순물로 도핑된 정공의 오버플로를 방지하는 오버플로 방지층과 n형 가이드층이 설치되는 경우에는, 이들 층에 인접해서 형성되는 불순물 확산 방지층의 내부에 n형 불순물을 축적해도 된다.
본 발명에 따르면, 불순물 확산 방지층을 설치함으로써, 제1 도전형의 불순물이 활성층에 확산하지 않게 되어, 디바이스의 특성이 향상된다.

Claims (18)

  1. 활성층;
    제1 도전형의 제1 반도체층;
    상기 활성층과 상기 제1 반도체층의 사이에 배치되며, 제1 도전형의 불순물로 도핑되고 전자 또는 정공의 오버플로를 방지하는 오버플로 방지층;
    상기 활성층과 상기 오버플로 방지층의 사이, 및 상기 오버플로 방지층과 상기 제1 반도체층의 사이 중 적어도 한 곳에 배치되는 제1 도전형의 제2 반도체층; 및
    상기 제1 반도체층과 상기 활성층의 사이에 배치되며, 상기 오버플로 방지층, 상기 제1 반도체층, 및 상기 제2 반도체층보다 작은 밴드갭을 갖고 제1 도전형의 불순물의 확산을 방지하는 불순물 확산 방지층
    을 포함하고,
    상기 활성층, 상기 오버플로 방지층, 상기 제1 반도체층, 상기 제2 반도체층, 및 상기 불순물 확산 방지층 각각은 GaN계 화합물 반도체로 형성되는 반도체 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 불순물 확산 방지층은 In을 포함하고,
    상기 불순물 확산 방지층에서의 In의 조성비는 상기 오버플로 방지층, 상기 제1 반도체층, 및 상기 제2 반도체층에서의 In의 조성비보다도 높은 반도체 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 활성층은 소정 파장의 광을 방출하고,
    상기 제1 도전형은 p형이고,
    상기 제1 반도체층은 p형 클래드층으로서 이용되고,
    상기 제2 반도체층은 p형 가이드층으로서 이용되며,
    상기 오버플로 방지층은 전자의 오버플로를 방지하는 반도체 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 활성층의 상기 p형 가이드층과는 반대편 측에 배치되고, GaN 또는 Inx1Ga1-x1N(0<x1<1)을 포함하는 n형 가이드층을 더 포함하고,
    상기 활성층은 Inx2Ga1 -x2N(0<x2≤1)의 양자 우물과, Inx3Ga1 -x3N(0≤x3<1, x2>x3)의 배리어층을 갖는 단일 또는 다중 양자 우물 구조를 포함하며,
    상기 p형 가이드층은 Inx4Ga1-x4N(0≤x4<1, x3>x4)을 갖는 반도체 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 오버플로 방지층은 Ga1 - yAlyN 층(0<y≤1)을 갖는 반도체 장치.
  6. 활성층;
    제1 도전형의 제1 반도체층;
    상기 활성층과 상기 제1 반도체층의 사이에 배치되며, 제1 도전형의 불순물로 도핑되고 전자 또는 정공의 오버플로를 방지하는 오버플로 방지층;
    상기 활성층과 상기 오버플로 방지층의 사이, 및 상기 오버플로 방지층과 상기 제1 반도체층의 사이 중 어느 한 곳에 배치되는 제1 도전형의 제2 반도체층; 및
    상기 오버플로 방지층과 상기 제2 반도체층의 사이에 배치되며, 상기 오버플로 방지층, 상기 제1 반도체층, 및 상기 제2 반도체층보다 작은 밴드갭을 갖고 제1 도전형의 불순물의 확산을 방지하는 불순물 확산 방지층
    을 포함하고,
    상기 활성층, 상기 오버플로 방지층, 상기 제1 반도체층, 상기 제2 반도체층, 및 상기 불순물 확산 방지층 각각은 GaN계 화합물 반도체로 형성되는 반도체 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제2 반도체층은 상기 활성층과 상기 오버플로 방지층의 사이에 배치되고,
    상기 불순물 확산 방지층은 상기 제2 반도체층과 상기 오버플로 방지층의 사이에 배치되는 반도체 장치.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 불순물 확산 방지층은 In을 포함하고,
    상기 불순물 확산 방지층에서의 In의 조성비는 상기 오버플로 방지층, 상기 제1 반도체층, 및 상기 제2 반도체층에서의 In의 조성비보다 높은 반도체 장치.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 활성층은 소정 파장의 광을 방출하고,
    상기 제1 도전형은 p형이고,
    상기 제1 반도체층은 p형 클래드층으로서 이용되고,
    상기 제2 반도체층은 p형 가이드층으로서 이용되며,
    상기 오버플로 방지층은 전자의 오버플로를 방지하는 반도체 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 활성층의 상기 p형 가이드층과는 반대편 측에 배치되고, GaN 또는 Inx1Ga1-x1N(0<x1<1)을 포함하는 n형 가이드층을 더 포함하고,
    상기 활성층은 Inx2Ga1 -x2N(0<x2≤1)의 양자 우물과, Inx3Ga1 -x3N(0≤x3<1, x2>x3)의 배리어층을 갖는 단일 또는 다중 양자 우물 구조를 포함하며,
    상기 p형 가이드층은 Inx4Ga1-x4N(0≤x4<1, x3>x4)을 갖는 반도체 장치.
  11. 제6항에 있어서,
    상기 오버플로 방지층은 Ga1 - yAlyN 층(0<y≤1)을 갖는 반도체 장치.
  12. 활성층;
    제1 도전형의 제1 반도체층;
    상기 활성층과 상기 제1 반도체층의 사이에 배치되며, 제1 도전형의 불순물로 도핑되고 전자 또는 정공의 오버플로를 방지하는 오버플로 방지층;
    상기 오버플로 방지층과 상기 제1 반도체층의 사이에 배치되는 제1 도전형의 제2 반도체층;
    상기 활성층과 상기 오버플로 방지층의 사이에 배치되는 제1 도전형의 제3 반도체층; 및
    상기 오버플로 방지층과 상기 제2 반도체층 사이, 및 상기 오버플로 방지층과 상기 제3 반도체층의 사이 중 적어도 한 곳에 배치되고, 상기 오버플로 방지층, 상기 제1 반도체층, 상기 제2 반도체층, 및 상기 제3 반도체층보다 작은 밴드갭을 갖고, 제1 도전형의 불순물의 확산을 방지하는 불순물 확산 방지층
    을 포함하고,
    상기 활성층, 상기 오버플로 방지층, 상기 제1 반도체층, 상기 제2 반도체층, 상기 제3 반도체층, 및 상기 불순물 확산 방지층 각각은 GaN계 화합물 반도체로 형성되는 반도체 장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 불순물 확산 방지층은 상기 제2 반도체층과 상기 오버플로 방지층의 사이에 배치되는 반도체 장치.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 불순물 확산 방지층은 상기 제3 반도체층과 상기 오버플로 방지층의 사이에 배치되는 반도체 장치.
  15. 제12항에 있어서,
    상기 불순물 확산 방지층은 In을 포함하고,
    상기 불순물 확산 방지층에서의 In의 조성비는 상기 오버플로 방지층, 상기 제1 반도체층, 상기 제2 반도체층, 및 상기 제3 반도체층에서의 In의 조성비보다 높은 반도체 장치.
  16. 제12항에 있어서,
    상기 활성층은 소정 파장의 광을 방출하고,
    상기 제1 도전형은 p형이고,
    상기 제1 반도체층은 p형 클래드층으로서 이용되고,
    상기 제2 반도체층 및 상기 제3 반도체층 각각은 p형 가이드층으로서 이용되 며,
    상기 오버플로 방지층은 전자의 오버플로를 방지하는 반도체 장치.
  17. 제12항에 있어서,
    상기 활성층의 상기 p형 가이드층과는 반대편 측에 배치되고, GaN 또는 Inx1Ga1-x1N(0<x1<1)를 포함하는 n형 가이드층을 더 포함하고,
    상기 활성층은 Inx2Ga1 -x2N(0<x2≤1)의 양자 우물과, Inx3Ga1 -x3N(0≤x3<1, x2>x3)의 배리어층을 갖는 단일 또는 다중 양자 우물 구조를 포함하며,
    상기 p형 가이드층은 Inx4Ga1-x4N(0≤x4<1, x3>x4)을 갖는 반도체 장치.
  18. 제12항에 있어서,
    상기 오버플로 방지층은 Ga1 - yAlyN 층(0<y≤1)을 갖는 반도체 장치.
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