KR20090094091A - 반도체 디바이스 및 그 제조 방법과 반도체 디바이스를 포함하는 장치 - Google Patents

반도체 디바이스 및 그 제조 방법과 반도체 디바이스를 포함하는 장치

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KR20090094091A
KR20090094091A KR1020097012066A KR20097012066A KR20090094091A KR 20090094091 A KR20090094091 A KR 20090094091A KR 1020097012066 A KR1020097012066 A KR 1020097012066A KR 20097012066 A KR20097012066 A KR 20097012066A KR 20090094091 A KR20090094091 A KR 20090094091A
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조셉 마이클 프런드
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에이저 시스템즈 인크
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Abstract

본 발명에 따른 반도체 디바이스는 활성층(active layer)과, 클래딩층(cladding layer)을 포함한다. 전자 차단층은 적어도 부분적으로 활성층과 클래딩층 사이의 영역에 위치하며, 활성층으로부터 클래딩층 쪽으로의 전자의 흐름을 위한 전위 장벽을 형성하도록 구성된다. 전자 차단층은 주기율표의 Ⅲ족의 2개의 원소와 주기율표의 Ⅴ족의 원소를 포함한다. 주기율표의 Ⅲ족의 2개의 원소 중 하나는 활성층으로부터 클래딩층 쪽 방향으로 갈수록 농도가 점진적으로 증가하는 제 1 부분과 제 1 부분과 클래딩층 사이에서 농도가 점진적으로 감소하는 제 2 부분을 포함하는 농도 프로파일을 갖는다.

Description

반도체 디바이스 및 그 제조 방법과 반도체 디바이스를 포함하는 장치{GALLIUM NITRIDE BASED SEMICONDUCTOR DEVICE WITH REDUCED STRESS ELECTRON BLOCKING LAYER}
관련 출원에 대한 교차 참조
관련 특허 출원은 본 출원과 함께 양도된 발명의 명칭이 "Gallium Nitride Based Semiconductor Device with Electron Blocking Layer"인 미국 특허 출원 제11/419,592호이며, 이는 참조로서 본 명세서에 포함된다.
본 발명은 일반적으로 반도체 디바이스에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 갈륨 나이트라이드(GaN) 기반의 반도체 디바이스에 관한 것이다.
GaN 기반의 블루-바이올렛(blue-violet) 반도체 레이저는 기술적 상업적 효과를 달성하기 쉽다. 이들 반도체 레이저는 통상의 갈륨 아스나이드(GaAs) 기반의 반도체 레이저의 파장의 약 절반인 거의 400 나노미터를 방사한다. 보다 짧은 파장은 GaN 기반의 반도체 레이저가 광 저장 및 인쇄와 같은 응용에 보다 높은 공간 분해능을 달성할 수 있게 한다. 블루레이(Blu-ray) DiscTM 및 고밀도 디지털 다용도 디스크(HD-DVDTM)는, 예를 들어 고화질 비디오 및 데이터의 저장을 위해 블루-바이올렛 반도체 레이저를 활용하는 차세대 광 디스크 포맷이다.
GaN 기반의 블루-바이올렛 반도체 레이저는 통상적으로 기판(예를 들면, 사파이어) 상에 형성된 다층 반도체 구조물과, 다층 구조물의 일부분에 전압을 인가하는 것을 용이하게 하는 전기 접촉부를 포함한다. 도 1은 종래의 GaN 기반의 반도체 레이저(100)의 단면도이고, 도 2는 다양한 구성 층들 및 통상의 동작 바이어스 상태 하의 서브층의 상대적인 전도대 레벨(Ec)을 도시하고 있다. 반도체 레이저는 사파이어 기판(110), n형 갈륨 나이트라이드(n-GaN) 베이스층(120), n형 알루미늄 갈륨 나이트라이드(n-AlGaN) 클래딩층(130) 및 n측 도핑되지 않은 GaN 도파관층(140)을 포함한다. 복수의 양자 우물(MQW) 활성층(150)이 n측 도파관층의 상부에 형성된다. 이들 양자 우물은 GaN 장벽 서브층(154)에 의해 분리된 3개의 인듐 갈륨 나이트라이드(InGaN) 우물 서브층(152)을 포함한다. MQW 활성층 상에는 p측 도핑되지 않은 GaN 도파관층(160)이 형성되고 이어서 p형 SLS(stressed layer superlattice) 클래딩층(170)이 형성된다. SLS 클래딩층은 p-AlGaN 및 p-GaN(172, 174)의 서브층을 각각 교호적으로 포함한다. p형 알루미늄 갈륨 나이트라이드(p-AlGaN) 전자 차단층(180)은 p측 도파관층 내부에 형성된다.
2개의 전기 접촉부(190, 195)는 반도체 레이저(100)에 전기 바이어스를 인가할 수 있도록 동작한다. 인가된 전기 바이어스는 전자 및 정공이 MQW 활성층(150)에 주입되게 한다. 이들 주입된 전자 및 정공들 중 일부는 양자 우물에 의해 트랩되고 재결합되어 광의 광자를 생성한다. 반도체 레이저의 대향하는 두 수직면에 형성된 패시트(facet)(도시되어 있지 않음)로부터 생성된 광의 일부를 반사시킴으로써, 일부 광자는 MQW 활성층을 수 차례 통과하게 되고, 그 결과 복사선의 자극 방출이 일어난다.
도파관층(140, 160)은 반도체 레이저(100)에 광학 필름 도파관을 형성하며 MQW 활성층(150)에 주입하기 위한 전자 및 정공의 로컬 저장소 역할을 한다. 광학 필름 도파관은 도파관층보다 높은 굴절률을 갖는 클래딩층(130, 170)에 의해 완성된다. 클래딩층은 생성된 광이 반도체 레이저의 MQW 활성층에 들어가지 못하도록 제한하는 역할을 한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 반도체층(100) 내의 전자 차단층(180)은 비교적 높은 전도대 레벨(Ec)을 갖도록 구성된다. 따라서 전자 차단층은 MQW 활성층(150)으로부터의 전자의 흐름을 억제하는 역할을 하는 전위 장벽을 형성한다. 바람직하게는, 이것은 반도체 레이저의 문턱 전류(자극 방출이 발생하는 최소 전류)를 감소시켜, 보다 높은 최대 출력 전력을 허용한다. 전자 차단층은, 예를 들어 본 명세서에 참조로서 포함되는 발명의 명칭이 "Article Comprising a Quantum Well Laser"인 Belenky 등의 미국 특허 제5,448,585호에서 GaAs 기반의 반도체 레이저에 사용하기 위한 것으로 개시되어 있다. 그러나, GaN 기반의 반도체 레이저에서의 종래의 전자 차단층의 구현은 문제가 있다. MQW 활성층과 도파관층들 중 하나 사이에 위치하고 있는 전자 차단층은 MQW 활성층 상에 과도한 물리적 스트레스를 일으켜 크래킹을 일으킨다.
이에 따라, 전자 차단층을 이동시켜 MQW 활성층으로부터 이격시키려는 시도가 이루어져 왔다. 예컨대, Asano 등은 2003년 1월 IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol., 39의 "100-mV Kink-Free Blue-Violet Laser Diodes with Low Aspect Ratio"에서, 도 1에 도시된 반도체 레이저(100)와 유사한 반도체 레이저의 p측 도파관층 내의 여러 상이한 위치에 p-AlGaN 전자 차단층을 배치하는 효과를 연구하였다. 그러나, 불행히도, 그러한 노력은 MQW 활성층 내의 물리적 스트레스를 저감시키는데 제한된 성공만을 보여주었다. 크래킹을 일으키는 스트레스는 여전히 GaN 기반의 반도체 레이저에 문제점으로 남아있다.
따라서, 활성층 상에서의 부수적인 물리적 스트레스가 없는 전자 차단층을 포함하는 GaN 기반의 블루-바이올렛 반도체 레이저 설계가 요구된다.
도 1은 종래기술에 따른 GaN 기반의 반도체 레이저의 단면도.
도 2는 도 1의 반도체 레이저 내의 다양한 층들 및 서브층들의 전도대 레벨을 도시한 도면.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 GaN 기반의 반도체 레이저의 단면도.
도 4는 도 3의 반도체 레이저 내의 다양한 층들 및 서브층들의 전도대 레벨을 도시한 도면.
도 5는 도 3의 반도체 레이저 내의 전도대 레벨의 가능한 변화를 도시한 도면.
도 6은 광학 디바이스 내에 구현된 도 3의 반도체 레이저의 블록도.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 GaN 기반의 반도체 레이저의 단면도.
도 8은 도 7의 반도체 레이저 내의 다양한 층들 및 서브층들의 전도대 레벨을 도시한 도면.
본 발명의 예시적인 실시예는 레이저의 활성층 내에 과도한 물리적 스트레스를 일으키지 않으면서 전자 차단층을 반도체 레이저 내에 구현될 수 있게 함으로써 전술한 요구를 해결한다.
본 발명의 일측면에 따르면, 반도체 디바이스는 활성층 및 클래딩층을 포함한다. 전자 차단층은 활성층과 클래딩층 사이의 영역에 적어도 부분적으로 배치되고, 활성층으로부터 클래딩층으로의 전자의 흐름을 위해 전위 장벽을 형성하도록 구성된다. 전자 차단층은 주기율표의 Ⅲ족의 2개의 원소와 주기율표의 Ⅴ족 원소를 포함한다. 주기율표의 Ⅲ족의 2개의 원소 중 하나는 활성층으로부터 클래딩층 방향으로 갈수록 농도가 점진적으로 증가하는 제 1 부분과, 제 1 부분과 클래딩층 사이에서 농도가 점진적으로 감소하는 제 2 부분을 갖는 농도 프로파일을 갖는다.
전술한 예시적인 실시예에 따르면, 반도체 레이저는 도핑된 AlGaN, GaN, InGaN 및 도핑되지 않은 AlGaN, GaN, InGaN을 포함하는 여러 층들 및 서브층들로부터 형성될 수 있다. 구성 층들 중 하나는 p-AlGaN 전자 차단층을 포함한다. p-AlGaN 전자 차단층 내의 알루미늄 농도 프로파일은 제 1 부분 및 제 2 부분을 포함한다. 제 1 부분에서, 알루미늄 농도는 점진적으로 증가한다. 제 2 부분에서는, 알루미늄 농도가 점진적으로 감소한다. 바람직하게도, 예시적인 반도체 레이저는 전자 차단층의 이점을 보여주지만(예를 들어 보다 낮은 문턱 전류) 크래킹을 일으킬 수 있는 과도한 물리적 스트레스를 겪지 않는다.
본 발명의 상기 및 다른 특징들은 첨부 도면을 참조한 하기 상세한 설명으로부터 명확해질 것이다.
본 발명은 본 발명의 측면들에 따른 예시적인 실시예를 참조하여 설명될 것이다. 그러나, 본 발명은 이들 특정 실시예에 한정되지는 않는다. 본 명세서에서 설명하는 실시예에 수많은 변형 및 수정이 이루어질 수 있으며, 그 결과는 여전히 본 발명의 범주 내에 포함될 것이다. 예를 들어, 예시적인 실시예들은 반도체 레이저를 포함하지만, 본 발명은 또한 발광 다이오드, 광검출기, 광 결합기 및 기타 그러한 반도체 디바이스를 포함한다. 따라서, 본 명세서에 개시된 특정 실시예는 어떠한 한정을 위한 것이 아니며 여기에 어떠한 한정이 있다고 생각해서도 안 된다.
본 명세서에서 사용된 "층"이란 용어는 반도체 디바이스 내의 주어진 기능 또는 기능들을 갖는 임의의 물질층을 포함한다. 층은 실질적으로 조성(composition)이 균일하거나 또는 다른 조성을 갖는 둘 이상의 서브층을 포함할 수도 있다. 이해를 쉽게 하기 위해, 도 1, 3 및 7의 여러 층들은, 이들이 실제로 다른 조성의 복수의 서브층을 포함할 때 단일 특성을 나타낸다.
본 명세서에서 사용된 "주기율표"란 용어는 화학 원소들의 주기율표를 지칭한다. 여기서 사용된 Ⅲ족은 붕소, 알루미늄, 갈륨, 인듐 및 탈륨을 포함한다. 여기서 사용된 Ⅴ족은 질소, 인, 비소, 안티몬 및 비스무스를 포함한다.
"InGaN" 및 "AlGaN"과 같은 표현은 화학식이 아니라, 단순히 조성 원소를 나열한 것이다. 따라서, 예를 들어, "InGaN"이란 표현은 3원 합금 InxGa1-xN를 포함하는 것으로 이해해야 하며, "AlGaN"은 3원 합금 AlxGa1-xN을 포함하는 것으로 이해해야 한다.
첨부 도면에 도시된 다양한 층들 및/또는 영역들은 실제 축척으로 도시되지 않았으며, 반도체 디바이스에 공통으로 사용된 타입의 하나 이상의 층들 및/또는 영역들은 설명의 편의를 위해 주어진 도면에 명시적으로 도시되지 않을 수도 있다. 이것은 명시적으로 도시되지 않은 층(들) 및/또는 영역(들)이 본 발명의 특징들을 포함하는 실제 반도체 디바이스로부터 생략된다는 것을 의미하는 것은 아니다.
도 3 및 4는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 GaN 기반의 반도체 레이저(300)를 도시한 도면이다. 보다 정확하게는, 도 3은 반도체 레이저(300)의 단면도이고, 도 4는 동작 바이어스 상태 하에서의 도 3의 반도체 레이저 내의 다양한 층들 및 서브층들의 상대적인 전도대 레벨(Ec)을 도시한 것이다. 반도체 레이저는 사파이어 기판(310), 5,000㎚ 두게의 n-GaN 베이스 층(320) 및 1,300㎚ 두께의 n-AlGaN 클래딩층(330)을 포함한다. MQW 활성층(350)은 100㎚ 두께의 n측의 도핑되지 않은 GaN 도파관층(340)과 100㎚ 두께의 p측의 도핑되지 않은 GaN 도파관층(360) 사이에 형성된다. p형 SLS 클래딩층(370)은 p측 도파관층 상에 형성된다. 또한, p-AlGaN 전자 차단층(380)은 p측 도파관층 내부에 형성된다. 전기 접촉부(390, 395)는 전기 바이어스가 반도체 레이저의 일부분에 인가될 수 있게 한다.
MQW 활성층(350)은 적어도 하나의 InGaN 우물 서브층(352)을 포함한다. 복수의 InGaN 서브층은 GaN 장벽 서브층(354)에 의해 분리된다. MQW 활성층은 약 7㎚ 두께의 2개의 GaN 장벽 서브층에 의해 분리된 약 3.5㎚ 두께의 3개의 우물 서브층을 포함한다. 반면에, SLS 클래딩층(370)은 p-GaN 서브층(374)에 의해 분리된 다수의 p-AlGaN 서브층(372)을 포함한다. SLS 클래딩층은 통상적으로 약 2.5㎚ 두께의 p-GaN 서브층에 의해 분리된 약 100개의 2.5㎚ 두께의 p-AlGaN 서브층을 포함한다. 도시된 실시예에서, 양자 우물 서브층의 개수 및 두께와 클래딩층 내의 서브층의 개수 및 두께는 변할 수 있다. 도시된 실시예에서, n-GaN 베이스층(320) 및 n-AlGaN 클래딩층(330)은 Ⅳ족 도펀트, 바람직하게는 실리콘으로 도핑된다. 반면에, p-AlGaN 전자 차단층(380) 및 p-AlGaN 및 p-GaN 서브층(372, 374)은 Ⅱ족 도펀트, 바람직하게는 마그네슘으로 도핑된다. 여러 가지 이유로 벌크 p-AlGaN보다는 p형 클래딩층(370)을 위해 다층 p-AlGaN/p-GaN SLS 구조를 사용하는 것이 바람직하다. 첫째, 다층 SLS 구조는 벌크 p-AlGaN을 포함하는 클래딩층에 비해 클래딩층 내의 물리적 스트레스를 감소시킨다. 둘째, 다층 SLS 구조는 개선된 정공 농도를 포함한다. 실온에서의 다층 SLS 클래딩층의 평균 정공 농도는 벌크 필름(예를 들면, 마그네슘으로 도핑된 벌크 p-AlGaN) 내의 농도보다 10배 더 높을 수 있다
p-AlGaN 전자 차단층(380)은 MQW 활성층(350)으로부터 SLS 클래딩층(370)으로의 전자의 흐름을 위해 전위 장벽을 제공하도록 구성된다. 이것은 층이 큰 밴드갭을 갖고, 따라서 비교적 높은 전도대 레벨(Ec)을 갖도록 전자 차단층의 조합을 구성함으로써 달성된다. AlxGa1-xN의 밴드갭은 x의 값을 변화시킴으로써 쉽게 수정될 수 있다. 일반적으로, 알루미늄 농도가 높을수록(x의 값이 높을수록), 물질의 밴드갭이 높아진다. x의 함수로서의 AlxGa1-xN의 밴드갭은, 예를 들어 본 명세서에 참조로서 포함되는 MRS Internet Journal of Nitride Semiconductor Research 4S1, G5.2(1999)에 게재된 J.F. Muth 등의 "Absorption Coefficient and Refractive Index of GaN, AlN and AlGaN Alloys"에 설명되어 있다. 이 참조문헌에 따르면, 2원 알루미늄 나이트라이드(Al1N1)는, 예를 들어 약 6.20 전자 볼트의 밴드갭을 갖는다. 반면에, 갈륨 나이트라이드(Ga1N1)는 약 3.43 전자 볼트만의 밴드갭을 갖는다. 3원 합금 Al0.27Ga0.73N은 4.00 전자 볼트의 밴드갭을 갖는다.
본 발명의 일측면에 따르면, p-AlGaN 전자 차단층(380)에서의 알루미늄 농도 프로파일은 점진적으로 증가하는 알루미늄 농도 부분(382) 및 점진적으로 감소하는 알루미늄 농도 부분(384)의 두 부분을 포함한다. 전술한 바와 같이, AlGaN의 밴드갭이 알루미늄 농도와 상관되거나 또는 이를 따라가기 때문에, 두 부분 모두 도 4의 전자 차단층에 대한 전도대 프로파일에서 볼 수 있다. 알루미늄 농도 프로파일의 증가하는 알루미늄 농도 부분은 활성층(350)으로부터 클래딩층으로 갈수록 알루미늄 농도가 점진적으로 증가한다. 감소하는 알루미늄 농도 부분은 증가하는 알루미늄 농도 부분과 SLS 클래딩층(370) 사이에서 알루미늄 농도가 점진적으로 감소한다. 알루미늄 농도 프로파일의 증가하는 알루미늄 농도 부분과 감소하는 알루미늄 농도 부분 사이에서, 알루미늄 농도는 실질적으로 일정하게 유지되는 평탄부(plateau)(386)에 도달한다. 도시된 실시예에서, 전자 차단층의 증가하는 알루미늄 농도 부분 및 감소하는 알루미늄 농도 부분은 각각 약 10㎚의 두께를 갖는다. 평탄부는 또한 약 10㎚의 두께를 가지며, 따라서 전자 차단층의 총 두께는 약 30㎚가 된다. 그러나, 이들 두께는 단지 예시적일 뿐이며, 본 발명의 범주 내에서 다른 두께를 고려할 수도 있다.
전자 차단층(380)은 전자의 흐름에 대한 전위 장벽을 제공하도록 설계되지만, 이는 전자 차단층이 층을 지나는 모든 전자 흐름을 완전히 차단한다는 것을 의미하는 것으로 이해해서는 안 된다. 대신에, 전자 차단층은 적어도, 전자 차단층을 포함하지 않는 다른 반도체 레이저에서 관측되는 전자의 흐름에 비해, 디바이스 동작 온도 및 바이어스에서 전자의 흐름을 상당히 더 낮게 한다. 전자 차단층은 바람직하게는 p측 도파관층(360)의 전도대 레벨보다 약 50 밀리일렉트론 볼트의 레벨의 전위 장벽을 갖는다. 전위 장벽은 충분한 양의 전자 터널링 및 누설을 겪지 않는 충분한 두께를 갖는다. 통상적으로, 전위 장벽은 적어도 약 10㎚의 두께를 갖는다.
도 5는 도 3 및 4에 도시된 실시예의 변형예를 도시한 것이다. 도 5에서, p-AlGaN 전자 차단층(380') 내의 알루미늄 농도 프로파일의 증가하는 알루미늄 농도 부분(382') 및 감소하는 알루미늄 농도 부분(384')은 평탄부없이 서로 인접해 있어, 증가하는 알루미늄 농도 부분과 감소하는 알루미늄 농도 부분이 두 부분 사이에 농도 평탄부를 갖기보다 최대 알루미늄 농도 값에서 변곡점(inflection)을 형성한다. 당업자라면 보다 얇은 전자 차단층을 제조하기 위해 이러한 변형예를 원할 수도 있다는 것을 인식할 수 있을 것이다.
바람직하게는, 본 발명의 측면들에 따라 전자 차단층(380)을 구성하면, 레이저에 과도한 물리적 스트레스를 일으키지 않고 반도체 레이저(300) 내에 전자 차단층을 구현할 수 있다. 일반적으로, GaN 기반의 반도체 레이저 내의 많은 물리적 스트레스는 인접하는 층들 및 서브층들 사이의 격자 부정합에 의해 일어난다. 도 3, 4, 5에 도시된 방식으로 전자 차단층을 구성함으로써, 보다 낮은 알루미늄 농도의 p-AlGaN으로부터 보다 높은 알루미늄 농도의 p-AlGaN으로 점진적인 변화가 일어나고, 그 후 다시 낮은 알루미늄 농도의 p-AlGaN으로의 점진적인 변화가 일어난다. 이는 이들 인접한 층들 간의 격자 부정합의 심각성을 감소시키며, 따라서 도 1 및 2에 도시된 반도체 레이저(100)와 같은 종래의 반도체 레이저에 비해 반도체 레이저에서의 전체적인 물리적 스트레스를 감소시킨다.
반도체 레이저(300)의 전술한 설계는 예시적인 것이며, 본 발명의 범주 내에서 많은 다른 설계가 이루어질 수 있음에 유의하라. 예를 들어, 제 1 조성의 InGaN과 제 2 조성의 InGaN의 교호적인 서브층으로부터 MQW 활성층(350)을 형성하거나 또는 본 명세서에 명시적으로 개시된 것과 다른 두께를 갖는 반도체 레이저를 구성하는 층들 및 서브층들을 형성하는 것이 바람직할 수 있다. 다른 예로서, 인듐 갈륨 포스파이드(InGaP)와 같은 AlGaN 이외의 3원 Ⅲ-Ⅴ족 화합물로 전자 차단층(380)을 형성하는 것이 바람직할 수도 있다. 그러면 SLS 클래딩 서브층(372, 374)이, 예를 들어 InGaP 및 인듐 포스파이드(InP)를 각각 포함할 수 있다. 전자 차단층에 InGaP를 이용하면, 인듐의 농도는 도 4 및 5에 도시된 것과 유사한 전도대 프로파일을 생성하도록 변할 수 있다. 양자 우물 서브층의 개수 및 두께는 클래딩층 내의 서브층의 개수 및 두께처럼 변할 수 있다. 이들 실시예들의 상기 및 다른 변형예는 당업자에게 명확할 것이다.
또한, 도 4 및 5에 도시된 특정 실시예에서 전자 차단층(380, 380')의 알루미늄 농도 프로파일은 각각 점진적으로 선형으로 증가 및 감소하지만, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 대신에, 툴링 또는 다른 이유로 인해 비선형 방식으로 점진적으로 증가 및 감소하는 농도 프로파일을 갖는 Ⅲ족 원소를 갖는 전자 차단층을 형성하는 것이 바람직할 수도 있다. 예를 들어, 계단형으로 또는 포물선 방식으로 점진적으로 증가 및 감소하는 알루미늄 농도 프로파일을 갖는 전자 차단층을 형성하는 것이 바람직할 수도 있다. 이러한 다른 구성이 고려될 수 있으며 본 발명의 범주 내에 여전히 포함된다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 광학 디바이스(600) 내에 구현된 반도체 레이저(300)의 블록도이다. 광학 디바이스는, 예를 들어 고밀도 데이터 판독/기록 능력을 갖는 광 디스크 또는 광섬유 통신 시스템 내의 구성요소일 수 있다. 광학 디바이스 내의 반도체 레이저의 동작은 대체로 통상적이며 당업자에게 잘 알려져 있다. 또한, 반도체 레이저의 동작은, 예를 들어 본 명세서에 참조로서 포함되는 1996년 William Andrews Inc.에 게재된 P. Holloway 등의 "Handbook of Compound Semiconductors" 및 1998년 Elsevier에 게재된 E. Kapon의 "Semiconductor Lasers Ⅱ"와 같은 쉽게 구할 수 있는 다수의 참조문헌에 상세하게 기재되어 있다.
전술한 바와 같이, 반도체 레이저(300)는 전기 접촉부(390, 395) 양단에 전기 제어 바이어스를 인가함으로써 전력을 공급받는다. 일반적으로, 전기접촉부에 인가된 제어 바이어스의 양이 클수록, 반도체 레이저의 MQW 활성층(350)에서 발생하는 자극 방출의 양이 커지고 광출력의 양이 커진다. 광학 디바이스(600)에서, 제어 회로(610)가 반도체 레이저의 전기 접촉부에 제어 바이어스를 인가한다. 정확한 레이저 출력 전력은 선택적으로 반도체 레이저의 출력 전력을 측정하고 이 측정치를 제어 회로에 다시 공급하는 하나 이상의 모니터 포토다이오드의 사용에 의해 관리될 수 있다. 제어 회로는 광학 디바이스 내의 회로의 별개의 부분이거나 또는 디바이스의 다른 회로에 통합될 수도 있다.
반도체 레이저(300)는 바람직하게는 당업자에게 공지되어 있는 종래의 반도체 처리 기술들을 이용하여 도 3에 도시된 층들을 도면에 도시된 바와 같이 바닥으로부터 상부로 순차적으로 배치함으로써 형성된다. 사파이어와 GaN 사이의 큰 격자 부정합(약 15%) 때문에, n-GaN 베이스층(320)은 바람직하게는 ELO(epitaxial lateral overgrowth)를 이용하여 사파이어 기판(310) 상에 형성된다. ELO 프로세스에서, 사파이어는 먼저 GaN 내에서 <1100> 방향으로 진행하는 사파이어 표면의 반복적인 스트라이프를 노출하도록 패터닝되는 얇은 실리콘 이산화물 마스크로 코팅된다. 그 다음에 n-GaN 베이스층이 노출된 사파이어 상에서 금속 유기 화학 기상 증착(MOCVD)에 의해 증착된다. 증착 동안에, n-GaN이 유착되어 결함이 거의 없는 고품질 벌크 필름을 형성한다.
그 다음에 MOCVD를 포함하는 단계들을 이용하여 나머지 필름들이 순차적으로 증착될 수 있다. MOCVD 증착 기법(금속 산화물 기상 에피택시라고도 함)이 반도체 처리에 통상적으로 이용되며 이는 당업자에게 공지되어 있다. MOCVD에서, 증착이 발생하는 필름 스택이 요구된 화학 원소를 포함하는 유기 화합물(즉, 프리커서)에 노출된다. 예를 들어, 트리메틸 갈륨 또는 트리메틸 알루미늄과 같은 금속 유기 화합물이 암모니아와 같은 반응제와 함께 사용될 수 있다. 이 프로세스는 캐리어 기체를 통해 프리커서를 성장 챔버 내의 핫 존에 이송하는 것으로 구성된다. 이들 프리커서는 분리되거나 다른 화합물과 반응하여 박막을 생성한다. 도펀트 반응물이 추가되어 도핑된 필름을 형성할 수도 있다.
본 명세서에 기재된 화합물 Ⅲ-Ⅴ족 물질의 MOCVD용 반응 장치는 상용화되어 있다. 예를 들면, Veeco Instruments Inc(뉴욕 우드베리에 위치한 회사)는 연구 개발 및 상용 반도체 디바이스 제조를 위한 반응 장치를 제조 및 판매를 한다. 또한, 당업자는 p-AlGaN 전자 차단층(380) 내에 알루미늄 농도 프로파일을 형성하는 방법을 인식할 수 있을 것이다. MOCVD 성장 시퀀스 동안에, 예를 들면, 증착이 발생하여 증가하는 알루미늄 농도 부분(382)을 생성함에 따라 알루미늄 프리커서(예컨대, 트리메틸 알루미늄)가 점진적으로 증가할 수 있다. 이어서, MOCVD 성장 시퀀스 동안에도, 알루미늄 프리커서는 점진적으로 감소하여 감소하는 알루미늄 농도 부분(384)을 형성할 수 있다.
그러나, 본 발명은 MOCVD에 의한 물질의 증착에 한정되지는 않는다. 분자 빔 에피택시(MBE) 또한 본 명세서에 개시된 바와 같은 Ⅲ-Ⅴ족 화합물을 형성할 수 있다. MBE에서, 물질들은 원자 또는 분자로 기체의 빔으로 기판 상에 증착된다. 통상, 각각의 물질은 개별적으로 제어된 빔으로 전달되며, 따라서 원소 및 이들의 관련 농도의 선택은 임의의 주어진 층에 대해 조정되어, 그 층의 조성 및 저닉적 특징을 규정할 수 있다. 빔의 세기는 층의 두께, 균일성 및 순도의 정확한 제어를 위해 조정된다. 따라서, MBE에 의해 전체적으로 또는 부분적으로 형성된 본 발명의 특징들을 포함하는 반도체 레이저 또는 MOCVD 이외의 다른 방법들은 본 발명의 범주 내에 여전히 포함된다.
필름 스택을 형성한 후에, 종래의 포토리소그래피 및 반응성 이온 에칭 기법을 이용하여 전기 접촉부(390)가 n-GaN 베이스층(320)과 접촉하여 위치할 수 있도록 필름 스택의 일부가 제거된다. 그 다음에 종래의 금속 증착에 의해 노출된 n-GaN 베이스층 및 SLS 클래딩층(380) 상에 전기 접촉부(390, 395)(예를 들면, 백금 및 금을 포함하는 합금)가 증착된다. 그 다음에 분리된 반도체 레이저 디바이스를 형성하도록 다층 구조가 절단되고, 이어서 부분적으로 반사 미러 역할을 하도록 반도체 레이저(300)의 2개의 대향 수직면 상에 패싯이 형성된다. 이들 패싯은 이들 미러의 반사를 정확하게 제어하도록 반사 방지 필름으로 코팅될 수 있다.
본 발명의 범주 내에 포함되는 반도체 레이저에 있어서, 전자 차단층은 p측 도파관층 내에 위치할 필요는 없다. 전자 차단층은 대신에 MQW 활성층에 인접하거나 SLS 클래딩층에 인접할 수 있다. 도 7은, 본 발명의 다른 실시예에 따른 반도체 레이저(700)의 단면도이다. 또한, 도 8은 동작 바이어스 상태 하에서의 반도체 레이저 내의 다양한 층들 및 서브층들의 상대적인 전도대 레벨(Ec)을 e시한 것이다. 반도체 레이저는 사파이어 기판(710)과, 5,000㎚ 두께의 n-GaN 베이스층(720) 및 1,300㎚ 두께의 n-AlGaN 클래딩층(730)을 포함한다. MQW 활성층(750)은 100㎚ 두께의 n측의 도핑되지 않은 GaN 도파관층(740) 및 100㎚ 두께의 p측의 도핑되지 않은 GaN 도파관층(760) 사이에 형성된다. p-AlGaN 전자 차단층(770)은 p측 도파관층 상에 형성되고, 이어서 p형 SLS 클래딩층(780)이 전자 차단층 상에 형성된다. 전기 접촉부(790, 795)는 전기 바이어스가 반도체 레이저의 일부분에 인가되게 한다.
반도체 레이저(700) 내의 p-AlGaN 전자 차단층(770)은 SLS 클래딩층(780)에 인접하게 배치된다. 전자 차단층의 증가하는 알루미늄 농도 부분(772)은 활성층(350)으로부터 클래딩층 쪽으로 갈수록 알루미늄 농도가 점진걱으로 증가하는 반면에, 감소하는 알루미늄 농도 부분(774)은 증가하는 알루미늄 농도 부분과 SLS 클래딩층 사이에서 알루미늄 농도가 점진적으로 감소한다. 바람직하게는, 이런 방법으로 반도체 레이저를 구성하는 것이 반도체 레이저 내의 물리적 스트레스를 훨씬 더 감소시킬 수 있다. 알루미늄 농도 프로파일을 전자 차단층에 도입함으로써 격자 부정합으로부터 유도된 물리적 스트레스를 감소시키는 것 외에, 이 실시예에서의 전자 차단층이 MQW 활성층(750)으로부터 물리적으로 분리된다. 물리적 분리는 전자 차단층으로 인한 물리적 스트레스에 의해 MQW 활성층에 결함이 발생할 가성성을 줄이기에 충분한 거리이다. 반도체 레이저에 스트레스로 인한 결함이 발생할 가능성을 감소시키기 위해 전자 분리층이 MQW 활성층으로부터 분리되는 통상적인 거리는 약 50㎚이다.
이상 첨부 도면을 참고하여 본 발명의 실시예들을 설명하였지만, 본 발명은 이들 실시예에 한정되지 않는다. 반도체 디바이스는 여러 원소 배열을 포함할 수 있고 여러 방법들에 의해 형성될 수 있으며, 이들 또한 본 발명의 범주 내에 포함된다. 각 실시예에 대한 특징들의 모든 조합을 설명하지 않았지만, 당업자는 일실시예에 대해 설명한 특징들이 다른 실시예에 이용될 수 있음을 알 수 있을 것이다. 당업자는 첨부한 청구범위로부터 벗어나지 않는 다양한 다른 변화 및 변형들을 인식할 수 있을 것이다.

Claims (10)

  1. 반도체 디바이스로서,
    활성층(active layer)과,
    클래딩층(cladding layer)과,
    적어도 부분적으로 상기 활성층과 상기 클래딩층 사이의 영역에 위치하며, 상기 활성층으로부터 상기 클래딩층 쪽으로의 전자의 흐름을 위한 전위 장벽을 형성하도록 구성된 전자 차단층(electron blocking layer)을 포함하되,
    상기 전자 차단층은 주기율표의 Ⅲ족의 2개의 원소와 주기율표의 Ⅴ족의 원소를 포함하고, 상기 주기율표의 Ⅲ족의 2개의 원소 중 하나는 상기 활성층으로부터 상기 클래딩층 방향으로 갈수록 농도가 점진적으로 증가하는 제 1 부분과 상기 제 1 부분과 상기 클래딩층 사이에서 농도가 점진적으로 감소하는 제 2 부분을 포함하는 농도 프로파일을 갖는
    반도체 디바이스.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 전위 장벽은 적어도 약 50 밀리일렉트론 볼트의 장벽 높이를 갖는
    반도체 디바이스.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 농도 프로파일의 상기 제 1 및 제 2 부분 중 적어도 하나는 약 10㎚ 이상의 두께를 갖는
    반도체 디바이스.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 농도 프로파일의 상기 제 1 및 제 2 부분은 각각 약 10㎚ 이상의 두께를 갖는
    반도체 디바이스.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 부분 및 상기 제 2 부분을 포함하는 상기 주기율표의 Ⅲ족의 2개의 원소 중 하나의 농도 프로파일은 상기 농도 프로파일의 제 3 부분을 포함하되, 상기 제 3 부분에서는 상기 2개의 원소 중 한 원소의 농도가 실질적으로 일정한
    반도체 디바이스.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 농도 프로파일의 상기 제 1 및 제 2 부분은 서로 접하여 상기 농도 프로파일 내의 변곡점(inflection)을 형성하는
    반도체 디바이스.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 부분과 상기 제 2 부분을 포함하는 농도 프로파일을 갖는 상기 주기율표의 Ⅲ족의 2개의 원소 중 하나는 알루미늄을 포함하는
    반도체 디바이스.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 전자 차단층은 마그네슘으로 도핑되는
    반도체 디바이스.
  9. 반도체 디바이스 제조 방법으로서,
    활성층을 형성하는 단계와,
    클래딩층을 형성하는 단계와,
    적어도 부분적으로 상기 활성층과 상기 클래딩층 사이의 영역에 위치하며, 상기 활성층으로부터 상기 클래딩층 쪽으로의 전자의 흐름을 위한 전위 장벽을 형성하도록 구성된 전자 차단층을 형성하는 단계를 포함하되,
    상기 전자 차단층은 주기율표의 Ⅲ족의 2개의 원소와 주기율표의 Ⅴ족의 원소를 포함하고, 상기 주기율표의 Ⅲ족의 2개의 원소 중 하나는 상기 활성층으로부터 상기 클래딩층 방향으로 갈수록 농도가 점진적으로 증가하는 제 1 부분과 상기 제 1 부분과 상기 클래딩층 사이에서 농도가 점진적으로 감소하는 제 2 부분을 포함하는 농도 프로파일을 갖는
    반도체 디바이스 제조 방법.
  10. 반도체 디바이스와,
    상기 반도체 디바이스를 제어하도록 동작하는 제어 회로를 포함하며,
    상기 반도체 디바이스는
    활성층과,
    클래딩층과,
    적어도 부분적으로 상기 활성층과 상기 클래딩층 사이의 영역에 위치하며, 상기 활성층으로부터 상기 클래딩층 쪽으로의 전자의 흐름을 위한 전위 장벽을 형성하도록 구성된 전자 차단층을 포함하되,
    상기 전자 차단층은 주기율표의 Ⅲ족의 2개의 원소와 주기율표의 Ⅴ족의 원소를 포함하고, 상기 주기율표의 Ⅲ족의 2개의 원소 중 하나는 상기 활성층으로부터 상기 클래딩층 쪽 방향으로 갈수록 농도가 점진적으로 증가하는 제 1 부분과 상기 제 1 부분과 상기 클래딩층 사이에서 농도가 점진적으로 감소하는 제 2 부분을 포함하는 농도 프로파일을 갖는
    장치.
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