KR20120075473A - Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자 및 ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자를 제작하는 방법 - Google Patents

Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자 및 ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자를 제작하는 방법 Download PDF

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요헤이 엔야
다카시 교노
마사히로 아다치
신지 도쿠야마
다카미치 스미토모
마사키 우에노
다카토시 이케가미
코지 가타야마
다카오 나카무라
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Abstract

COD에 대한 큰 내성을 갖는 Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자를 제공한다. Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자(11)는, m-n면과 반극성면(17a)과의 교차선 방향으로 뻗어나가는 레이저 도파로를 갖는다. 레이저 도파로의 양끝에는, 레이저 공진기가 되는 제1 및 제2 단부면(26, 28)이 형성되어 있다. 제1 및 제2 단부면(26, 28)은 m-n면(또는 a-n면)에 교차한다. c+축 벡터는 도파로 벡터(WV)와 예각을 이룬다. 이 도파로 벡터(WV)는 제2 단부면(28)에서 제1 단부면(26)으로의 방향에 대응한다. 제1 단부면(C+측)(26) 상의 제1 유전체 다층막(43a)의 두께가 제2 단부면(C-측)(28) 상의 제2 유전체 다층막(43b)의 두께보다 얇다.

Description

Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자 및 Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자를 제작하는 방법{GROUP Ⅲ-NITRIDE SEMICONDUCTOR LASER ELEMENT AND METHOD FOR PREPARING GROUP Ⅲ-NITRIDE SEMICONDUCTOR LASER ELEMENT}
본 발명은, Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자 및 Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자를 제작하는 방법에 관한 것이다.
비특허문헌 1에는, m면 GaN 기판 상에 제작된 레이저 다이오드가 기재되어 있다. 레이저 다이오드는 공진기를 위한 2개의 벽개 단부면을 갖는다. 한 쪽의 벽개 단부면은 +c면이고, 다른 쪽의 벽개 단부면은 -c면이다. 이 레이저 다이오드에서는, 프론트측 단부면(출사면)의 유전체 다층막의 반사율은 70%이며, 리어측 단부면의 유전체 다층막의 반사율은 99%이다.
비특허문헌 2에는, m면에서부터 -c축 방향으로 1도의 각도로 경사진 GaN 기판 상에 제작된 레이저 다이오드가 기재되어 있다. 레이저 다이오드는 공진기를 위한 2개 벽개 단부면을 갖는다. 한 쪽의 벽개 단부면은 +c면이고, 다른 쪽의 벽개 단부면은 -c면이다. 이 레이저 다이오드에서는, 프론트측 단부면(출사면)의 유전체 다층막의 반사율은 90%이며, 리어측 단부면의 유전체 다층막의 반사율은 95%이다.
비특허문헌 1 : APPLIED PHYSICS LETTERS 94, (2009), 071105. 비특허문헌 2 : Applied Physics Express 2, (2009), 082102.
질화갈륨 기판의 반극성면 상에 발광 소자를 제작할 수 있다. 반극성을 보이는 질화갈륨면에서는, 질화갈륨의 c축이 질화갈륨 기판의 반극성면의 법선에 대하여 경사져 있다. 질화갈륨의 반극성면을 이용한 반도체 레이저의 제작에 있어서, 질화갈륨의 c축을 반도체 레이저의 도파로의 뻗는 방향으로 경사시킬 때, 공진기를 위해 이용할 수 있는 단부면을 형성할 수 있다. 이들 단부면에 원하는 반사율의 유전체 다층막을 형성하여, 공진기를 형성한다. 양 단부면 상의 유전체 다층막의 두께는, 서로 다른 반사율의 유전체 다층막을 얻기 위해서 서로 다르다. 프론트측 단부면의 유전체 다층막의 반사율이 리어측 단부면의 유전체 다층막의 반사율보다 작게 제작하며, 레이저광은 프론트측의 단부면으로부터 출사된다.
질화물 반도체 레이저 소자에 있어서도, 단부면 파괴(COD: catastrophic optical damage)가 생긴다. 발명자들의 실험에 따르면, 상기와 같은 몇 개의 반도체 레이저를 제작했을 때, 이들 반도체 레이저가 단부면 파괴에 이르는 광 강도는 여러 가지 값이며, 단부면 파괴에 이르는 광 강도의 분포가 큰 이유는 분명하지 않았다. 발명자들은, 이 점에 대해서 검토를 한 결과, 공진기를 위한 반도체 단부면의 결정 방위와 유전체 다층막층의 두께가 관계되어 있다고 하는 지견을 얻었다.
본 발명의 하나의 목적은, COD에 대한 내성을 갖는 Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자를 제공하는 것이다. 또한, 본 발명의 다른 목적은, COD에 대한 내성을 갖는 Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자를 제작하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따른 Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자는, (a) Ⅲ족 질화물 반도체로 이루어지는 반극성 주요면을 갖는 지지 기체, 및 상기 지지 기체의 상기 반극성 주요면 상에 형성된 반도체 영역을 포함하는 레이저 구조체와, (b) 상기 반도체 영역의 제1 및 제2 단부면 상에 각각 형성되며, 상기 질화물 반도체 레이저 다이오드의 공진기를 위한 제1 및 제2 유전체 다층막을 구비한다. 상기 반도체 영역은, 제1 도전형의 질화갈륨계 반도체로 이루어지는 제1 클래드층과, 제2 도전형의 질화갈륨계 반도체로 이루어지는 제2 클래드층과, 상기 제1 클래드층과 상기 제2 클래드층 사이에 형성된 활성층을 포함하고, 상기 제1 클래드층, 상기 제2 클래드층 및 상기 활성층은, 상기 반극성 주요면의 법선축을 따라서 배열되어 있고, 상기 활성층은 질화갈륨계 반도체층을 포함하고, 상기 지지 기체의 상기 Ⅲ족 질화물 반도체의 <0001>축의 방향을 나타내는 c+축 벡터는, 상기 법선축의 방향을 나타내는 법선 벡터에 대하여 상기 Ⅲ족 질화물 반도체의 m축 및 a축 중 어느 결정축 방향으로 45도 이상 80도 이하 및 100도 이상 135도 이하 범위의 각도로 경사져 있고, 상기 제1 및 제2 단부면은, 상기 육방정계 Ⅲ족 질화물 반도체의 상기 결정축 및 상기 법선축에 의해서 규정되는 기준면에 교차하고, 상기 c+축 벡터는, 상기 제2 단부면에서 상기 제1 단부면으로의 방향을 나타내는 도파로 벡터와 예각을 이루고, 상기 제1 유전체 다층막의 두께는 상기 제2 유전체 다층막의 두께보다 얇다.
이 Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자에 따르면, c+축 벡터는 도파로 벡터와 예각을 이루고 있고, 이 도파로 벡터는 제2 단부면에서 제1 단부면으로의 방향으로 향하고 있다. 또한, 제2 단부면의 법선 벡터와 c+축 벡터가 이루는 각은, 제1 단부면의 법선 벡터와 c+축 벡터가 이루는 각보다도 크다. 이 때, 제1 단부면 상의 제1 유전체 다층막의 두께가 제2 단부면 상의 제2 유전체 다층막의 두께보다 얇기 때문에, 제1 단부면 상의 제1 유전체 다층막은 프론트측으로 되고, 이 프론트측으로부터 레이저광은 출사된다. 제2 단부면 상의 제2 유전체 다층막이 리어측으로 되고, 이 리어측에서 레이저광의 대부분은 반사된다. 반극성면 상의 레이저 소자에서는, 프론트측의 제1 유전체 다층막의 두께가, 리어측의 제2 유전체 다층막의 두께보다 얇을 때, COD에 의한 단부면 파괴에 대한 내성이 커져, 단부면 상의 유전체 다층막에 기인하는 소자 열화가 저감된다.
본 발명의 일 측면에 따른 Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자에서는, 상기 레이저 구조체는 제1 및 제2 면을 포함하고, 상기 제1 면은 상기 제2 면의 반대쪽의 면이며, 상기 반도체 영역은 상기 제1 면과 상기 지지 기체와의 사이에 위치하고, 상기 제1 및 제2 단부면의 각각은, 상기 제1 면의 엣지에서부터 상기 제2 면의 엣지까지 뻗어나오는 할단면(割斷面)에 포함될 수 있다.
Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자에 따르면, 레이저 구조체의 제1 및 제2 단부면은, 육방정계 Ⅲ족 질화물 반도체의 a축 또는 m축과 주요면의 법선축에 의해 규정되는 기준면에 교차하기 때문에, 제1 및 제2 단부면을 할단면으로서 형성할 수 있고, 이 할단면은 제1 면의 엣지에서부터 제2 면의 엣지까지 뻗어나온다.
본 발명의 일 측면에 따른 Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자에서는, 상기 Ⅲ족 질화물 반도체의 c축은, 상기 질화물 반도체의 m축 방향으로 경사져 있을 수 있다. 혹은, 본 발명의 일 측면에 따른 Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자에서는, 상기 Ⅲ족 질화물 반도체의 c축은, 상기 질화물 반도체의 a축 방향으로 경사져 있을 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자에서는, 상기 지지 기체의 주요면이, {10-11}면, {20-21}면, {20-2-1}면 및 {10-1-1}면 중 어느 면으로부터 -4도 이상 4도 이하의 범위에서 경사질 수 있다. 또한, 본 발명의 일 측면에 따른 Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자에서는, 상기 지지 기체의 주요면이, {10-11}면, {20-21}면, {20-2-1}면 및 {10-1-1}면 중 어느 면일 수 있다.
이 Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자에서는, Ⅲ족 질화물 반도체의 c축이 질화물 반도체의 m축 방향으로 경사질 때, 실용적인 면 방위 및 각도 범위는 적어도 상기한 면 방위 및 각도 범위를 포함한다.
본 발명의 일 측면에 따른 Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자에서는, 상기 지지 기체의 주요면이 {11-22}면, {11-21}면, {11-2-1}면 및 {11-2-2}면 중 어느 면으로부터 -4도 이상 4도 이하의 범위에서 경사질 수 있다. 또한, 본 발명의 일 측면에 따른 Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자에서는, 상기 지지 기체의 주요면이, {11-22}면, {11-21}면, {11-2-1}면 및 {11-2-2}면 중 어느 면일 수 있다.
이 Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자에서는, Ⅲ족 질화물 반도체의 c축이 질화물 반도체의 a축 방향으로 경사질 때, 실용적인 면 방위 및 각도 범위는 적어도 상기한 면 방위 및 각도 범위를 포함한다.
본 발명의 일 측면에 따른 Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자에서는, 상기 활성층은, 구성 원소로서 In을 포함하는 동시에 왜곡을 내포하는 질화갈륨계 반도체로 이루어지는 우물층을 포함할 수 있다. 또한, 본 발명의 일 측면에 따른 Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자에서는, 상기 활성층은 왜곡을 내포하는 InGaN으로 이루어지는 우물층을 포함할 수 있다.
이 Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자에 따르면, Ⅲ족 구성 원소로서 In을 포함하는 질화갈륨계 반도체에 있어서 본건의 열화가 관찰된다. 또한, 열화의 정도는 인듐 조성의 증가에 따라 현저하게 된다.
본 발명의 일 측면에 따른 Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자에서는, 상기 활성층은 파장 430∼550 nm의 발진광을 생성하도록 설치할 수 있다.
이 Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자에 따르면, Ⅲ족 구성 원소로서 예컨대 In을 포함하는 동시에 왜곡을 내포하는 질화갈륨계 반도체로 이루어지는 우물층을 이용하여 상기한 파장 범위의 발광을 제공할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자에서는, 상기 Ⅲ족 질화물 반도체는 GaN일 수 있다. 이 Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자에 따르면, GaN 주요면을 이용한 레이저 구조체의 실현에 의해, 예컨대 상기한 파장 범위(청색에서부터 녹색까지의 파장 범위)에 있어서의 발광을 실현할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자에서는, 상기 제1 유전체 다층막 내의 유전체층은, 실리콘산화물, 실리콘질화물, 실리콘산질화물, 티탄산화물, 티탄질화물, 티탄산질화물, 지르코늄산화물, 지르코늄질화물, 지르코늄산질화물, 지르코늄불화물, 탄탈산화물, 탄탈질화물, 탄탈산질화물, 하프늄산화물, 하프늄질화물, 하프늄산질화물, 하프늄불화물, 알루미늄산화물, 알루미늄질화물, 알루미늄산질화물, 마그네슘불화물, 마그네슘산화물, 마그네슘질화물, 마그네슘산질화물, 칼슘불화물, 바륨불화물, 세륨불화물, 안티몬산화물, 비스무스산화물, 가돌리늄산화물 중 적어도 하나로 이루어질 수 있다. 상기 제2 유전체 다층막 내의 유전체층은, 실리콘산화물, 실리콘질화물, 실리콘산질화물, 티탄산화물, 티탄질화물, 티탄산질화물, 지르코늄산화물, 지르코늄질화물, 지르코늄산질화물, 지르코늄불화물, 탄탈산화물, 탄탈질화물, 탄탈산질화물, 하프늄산화물, 하프늄질화물, 하프늄산질화물, 하프늄불화물, 알루미늄산화물, 알루미늄질화물, 알루미늄산질화물, 마그네슘불화물, 마그네슘산화물, 마그네슘질화물, 마그네슘산질화물, 칼슘불화물, 바륨불화물, 세륨불화물, 안티몬산화물, 비스무스산화물, 가돌리늄산화물 중 적어도 하나로 이루어질 수 있다.
이 Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자에 따르면, 실용적인 유전체막의 재료는, 실리콘산화물(예컨대 SiO2), 실리콘질화물(예컨대 Si3N4), 실리콘산질화물(예컨대 SiOxN1-x), 티탄산화물(예컨대 TiO2), 티탄질화물(예컨대 TiN), 티탄산질화물(예컨대 TiOxN1-x), 지르코늄산화물(예컨대 ZrO2), 지르코늄질화물(예컨대 ZrN), 지르코늄산질화물(예컨대 ZrOxN1 -x), 지르코늄불화물(예컨대 ZrF4), 탄탈산화물(예컨대 Ta2O5), 탄탈질화물(예컨대 Ta3N5), 탄탈산질화물(예컨대 TaOxN1 -x), 하프늄산화물(예컨대 HfO2), 하프늄질화물(예컨대 HfN), 하프늄산질화물(예컨대 HfOxN1 -x), 하프늄불화물(예컨대 HfF4), 알루미늄산화물(예컨대 Al2O3), 알루미늄질화물(예컨대 AlN), 알루미늄산질화물(예컨대 AlOxN1 -x), 마그네슘불화물(예컨대 MgF2), 마그네슘산화물(예컨대 MgO), 마그네슘질화물(예컨대 Mg3N2), 마그네슘산질화물(예컨대 MgOxN1 -x), 칼슘불화물(예컨대 CaF2), 바륨불화물(예컨대 BaF2), 세륨불화물(예컨대 CeF3), 안티몬산화물(예컨대 Sb2O3), 비스무스산화물(예컨대 Bi2O3), 가돌리늄산화물(예컨대 Gd2O3)을 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따른 발명은, Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자를 제작하는 방법에 관한 것이다. 이 방법은, (a) 육방정계 Ⅲ족 질화물 반도체로 이루어지는 반극성 주요면을 갖는 기판을 준비하는 공정과, (b) 상기 반극성 주요면 상에 형성된 반도체 영역과 상기 기판을 포함하는 레이저 구조체, 애노드 전극 및 캐소드 전극을 갖는 기판 생산물을 형성하는 공정과, (c) 상기 기판 생산물을 형성한 후에, 제1 및 제2 단부면을 형성하는 공정과, (d) 상기 제1 및 제2 단부면에 각각 상기 질화물 반도체 레이저 소자의 공진기를 위한 제1 및 제2 유전체 다층막을 형성하는 공정을 구비한다. 상기 제1 및 제2 단부면은, 상기 육방정계 Ⅲ족 질화물 반도체의 a축 및 m축 중 어느 한 쪽의 결정축 및 상기 반극성 주요면의 법선축에 의해서 규정되는 기준면에 교차하고, 상기 반도체 영역은, 제1 도전형의 질화갈륨계 반도체로 이루어지는 제1 클래드층과, 제2 도전형의 질화갈륨계 반도체로 이루어지는 제2 클래드층과, 상기 제1 클래드층과 상기 제2 클래드층 사이에 형성된 활성층을 포함하고, 상기 제1 클래드층, 상기 제2 클래드층 및 상기 활성층은, 상기 법선축 방향으로 배열되어 있고, 상기 활성층은 질화갈륨계 반도체층을 포함하고, 상기 기판의 상기 반극성 주요면은, 상기 질화물 반도체의 <0001>축 방향을 나타내는 c+축 벡터에 직교하는 평면에 45도 이상 80도 이하 및 100도 이상 135도 이하 범위의 각도에서 교차하고 있고, 상기 c+축 벡터는, 상기 제2 단부면에서 상기 제1 단부면으로의 방향을 나타내는 도파로 벡터와 예각을 이루고, 상기 제1 유전체 다층막의 두께는 상기 제2 유전체 다층막의 두께보다 얇다.
이 방법에 따르면, c+축 벡터와 예각을 이루는 도파로 벡터는 제2 단부면에서 제1 단부면으로의 방향에 대응하고 있고, 또한 제1 단부면 상의 제1 유전체 다층막(C+측)의 두께를 제2 단부면 상의 제2 유전체 다층막(C-측)의 두께보다 얇게 형성하기 때문에, 단부면 상의 유전체 다층막과 반도체와의 계면에 기인하는 광 흡수가 저감되어, COD에 의한 단부면 파괴에 대한 내성이 커진다. 이 Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자에서는, 제2 단부면의 법선 벡터와 c+축 벡터가 이루는 각은, 제1 단부면의 법선 벡터와 c+축 벡터가 이루는 각보다도 크다. 프론트측의 제1 유전체 다층막(C-측)의 두께가, 리어측의 제2 유전체 다층막(C+측)의 두께보다 얇을 때, 제1 단부면 상의 제1 유전체 다층막은 프론트측으로 되고, 이 프론트측으로부터 레이저광은 출사된다. 제2 단부면 상의 제2 유전체 다층막은 리어측으로 되고, 이 리어측에서 레이저광의 대부분은 반사된다.
본 발명의 다른 측면에 따른 방법은, 상기 제1 및 제2 유전체 다층막을 형성하기 전에, 상기 제1 및 제2 단부면의 면 방위를 판별하는 공정을 더욱 구비한다. 이 방법에 따르면, 이 판별에 따라서, 각각의 단부면에 적절한 유전체 다층막을 선택하여 그것을 단부면에 성장할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따른 방법에서는, 제1 및 제2 단부면을 형성하는 상기 공정은, 상기 기판 생산물의 제1 면을 스크라이브하는 공정과, 상기 기판 생산물의 제2 면에의 압박에 의해 상기 기판 생산물 분리를 하여 상기 제1 및 제2 단부면을 갖는 레이저 바를 형성하는 공정을 포함할 수 있다. 상기 레이저 바의 상기 제1 및 제2 단부면은 상기 분리에 의해 형성되고, 상기 제1 면은 상기 제2 면의 반대쪽의 면이며, 상기 반도체 영역은 상기 제1 면과 상기 기판과의 사이에 위치하고, 상기 레이저 바의 상기 제1 및 제2 단부면의 각각은, 상기 제1 면에서부터 상기 제2 면에까지 뻗어나와 상기 분리에 의해 형성된 할단면에 포함된다.
이 방법에 따르면, 레이저 바의 제1 및 제2 단부면은, 육방정계 Ⅲ족 질화물 반도체의 a축 또는 m축과 주요면의 법선축에 의해 규정되는 기준면에 교차하기 때문에, 제1 및 제2 단부면은, 스크라이브 형성 및 압박에 의해서 할단면으로서 형성될 수 있고, 그 할단면은 제1 면의 엣지에서부터 제2 면의 엣지까지 뻗어나온다.
본 발명의 다른 측면에 따른 방법에서는, 상기 Ⅲ족 질화물 반도체의 c축은, 상기 질화물 반도체의 m축 방향으로 경사져 있을 수 있다. 혹은, 본 발명의 다른 측면에 따른 방법에서는, 상기 Ⅲ족 질화물 반도체의 c축은, 상기 질화물 반도체의 a축 방향으로 경사져 있을 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따른 방법에서는, 상기 기판의 주요면이, {10-11}면, {20-21}면, {20-2-1}면 및 {10-1-1}면 중 어느 면에서부터 -4도 이상 4도 이하의 범위에서 경사질 수 있다. 또한, 본 발명의 다른 측면에 따른 방법에서는, 상기 기판의 주요면이, {10-11}면, {20-21}면, {20-2-1}면 및 {10-1-1}면 중 어느 면일 수 있다.
이 방법에서는, Ⅲ족 질화물 반도체의 c축이 질화물 반도체의 m축 방향으로 경사질 때, 실용적인 면 방위 및 각도 범위는 적어도 상기한 면 방위 및 각도 범위를 포함한다.
본 발명의 다른 측면에 따른 방법에서는, 상기 기판의 주요면이 {11-22}면, {11-21}면, {11-2-1}면 및 {11-2-2}면 중 어느 면에서부터 -4도 이상 4도 이하의 범위에서 경사질 수 있다. 또한, 본 발명의 다른 측면에 따른 방법에서는, 상기 기판의 주요면이, {11-22}면, {11-21}면, {11-2-1}면 및 {11-2-2}면 중 어느 면일 수 있다.
이 기판에서는, Ⅲ족 질화물 반도체의 c축이 질화물 반도체의 a축 방향으로 경사질 때, 실용적인 면 방위 및 각도 범위는 적어도 상기한 면 방위 및 각도 범위를 포함한다.
본 발명의 다른 측면에 따른 방법에서는, 상기 활성층의 형성에서는, 구성 원소로서 In을 포함하는 동시에 왜곡을 내포하는 질화갈륨계 반도체로 이루어지는 우물층을 성장하는 것이 좋다. 또한, 본 발명의 다른 측면에 따른 방법에서는, 상기 활성층의 형성으로 성장된 우물층은 왜곡을 내포하는 InGaN으로 이루어진다. 이 왜곡은, 우물층에 인접하는 반도체층으로부터의 응력에 의한 것이다. 이 방법에 따르면, Ⅲ족 구성 원소로서 In을 포함하는 질화갈륨계 반도체에 있어서 본건의 열화가 관찰된다. 또한, 열화의 정도는 인듐 조성의 증가에 따라 현저하게 된다.
본 발명의 다른 측면에 따른 방법에서는, 상기 활성층은 파장 430∼550 nm의 발진광을 생성하도록 구성될 수 있다. 이 방법에 따르면, 구성 원소로서 In을 포함하는 동시에 왜곡을 내포하는 질화갈륨계 반도체로 이루어지는 우물층을 이용하여 상기한 파장 범위의 발광을 제공할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따른 방법에서는, 상기 Ⅲ족 질화물 반도체는 GaN인 것이 좋다. 이 방법에 따르면, GaN 주요면을 이용한 레이저 구조체의 실현에 의해, 예컨대 상기한 파장 범위(청색에서부터 녹색까지의 파장 범위)에 있어서의 발광을 실현할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따른 방법에서는, 상기 제1 유전체 다층막 내의 유전체층은, 실리콘산화물, 실리콘질화물, 실리콘산질화물, 티탄산화물, 티탄질화물, 티탄산질화물, 지르코늄산화물, 지르코늄질화물, 지르코늄산질화물, 지르코늄불화물, 탄탈산화물, 탄탈질화물, 탄탈산질화물, 하프늄산화물, 하프늄질화물, 하프늄산질화물, 하프늄불화물, 알루미늄산화물, 알루미늄질화물, 알루미늄산질화물, 마그네슘불화물, 마그네슘산화물, 마그네슘질화물, 마그네슘산질화물, 칼슘불화물, 바륨불화물, 세륨불화물, 안티몬산화물, 비스무스산화물, 가돌리늄산화물 중 적어도 하나를 이용하여 형성될 수 있다. 또한, 상기 제2 유전체 다층막 내의 유전체층은, 실리콘산화물, 실리콘질화물, 실리콘산질화물, 티탄산화물, 티탄질화물, 티탄산질화물, 지르코늄산화물, 지르코늄질화물, 지르코늄산질화물, 지르코늄불화물, 탄탈산화물, 탄탈질화물, 탄탈산질화물, 하프늄산화물, 하프늄질화물, 하프늄산질화물, 하프늄불화물, 알루미늄산화물, 알루미늄질화물, 알루미늄산질화물, 마그네슘불화물, 마그네슘산화물, 마그네슘질화물, 마그네슘산질화물, 칼슘불화물, 바륨불화물, 세륨불화물, 안티몬산화물, 비스무스산화물, 가돌리늄산화물 중 적어도 하나를 이용하여 형성될 수 있다.
이 방법에 따르면, 실용적인 유전체막은, 실리콘산화물(예컨대 SiO2), 실리콘질화물(예컨대 Si3N4), 실리콘산질화물(예컨대 SiOxN1 -x), 티탄산화물(예컨대 TiO2), 티탄질화물(예컨대 TiN), 티탄산질화물(예컨대 TiOxN1 -x), 지르코늄산화물(예컨대 ZrO2), 지르코늄질화물(예컨대 ZrN), 지르코늄산질화물(예컨대 ZrOxN1 -x), 지르코늄불화물(예컨대 ZrF4), 탄탈산화물(예컨대 Ta2O5), 탄탈질화물(예컨대 Ta3N5), 탄탈산질화물(예컨대 TaOxN1 -x), 하프늄산화물(예컨대 HfO2), 하프늄질화물(예컨대 HfN), 하프늄산질화물(예컨대 HfOxN1 -x), 하프늄불화물(예컨대 HfF4), 알루미늄산화물(예컨대 Al2O3), 알루미늄질화물(예컨대 AlN), 알루미늄산질화물(예컨대 AlOxN1 -x), 마그네슘불화물(예컨대 MgF2), 마그네슘산화물(예컨대 MgO), 마그네슘질화물(예컨대 Mg3N2), 마그네슘산질화물(예컨대 MgOxN1 -x), 칼슘불화물(예컨대 CaF2), 바륨불화물(예컨대 BaF2), 세륨불화물(예컨대 CeF3), 안티몬산화물(예컨대 Sb2O3), 비스무스산화물(예컨대 Bi2O3), 가돌리늄산화물(예컨대 Gd2O3)을 포함할 수 있다.
본 발명의 상기한 목적 및 다른 목적, 특징 및 이점은 첨부 도면을 참조하여 진행되는 본 발명의 적합한 실시형태의 이하의 상세한 기술로부터 보다 용이하게 밝혀진다.
이상 설명한 것과 같이, 본 발명에 따르면, COD에 대한 내성을 갖는 Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자가 제공된다. 또한, 본 발명에 따르면, COD에 대한 내성을 갖는 Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자를 제작하는 방법이 제공된다.
도 1은 본 실시형태에 따른 Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자의 구조를 개략적으로 도시하는 도면이다.
도 2는 Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자의 활성층에 있어서의 발광의 편광을 도시하는 도면이다.
도 3은 Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자의 단부면과 활성층의 m면과의 관계를 도시하는 도면이다.
도 4는 본 실시형태에 따른 Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자를 제작하는 방법의 주요한 공정을 나타내는 공정 흐름도이다.
도 5는 본 실시형태에 따른 Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자를 제작하는 방법의 주요한 공정을 모식적으로 도시하는 도면이다.
도 6은 결정 격자에 있어서의 {20-21}면을 나타내는 동시에, 공진기 단부면의 주사형 전자현미경 상을 도시하는 도면이다.
도 7은 실시예 1에 도시된 레이저 다이오드의 구조를 도시하는 도면이다.
도 8은 실시예 1에 도시된 레이저 다이오드의 구조를 도시하는 도면이다.
도 9는 구한 편광도(ρ)와 임계치 전류 밀도와의 관계를 도시하는 도면이다.
도 10은 GaN 기판의 m축 방향으로의 c축의 경사각과 발진 수율과의 관계를 도시하는 도면이다.
도 11은 (0001)면 주요면에 수직인 (-1010)면 및 (10-10)면의 원자 배열, 및 (10-17)면 주요면에 수직인 (-2021)면 및 (20-2-1)면의 원자 배열을 도시하는 도면이다.
도 12는 (10-12)면 주요면에 수직인 (-4047)면 및 (40-4-7)면의 원자 배열, 및 (10-11)면 주요면에 수직인 (-2027)면 및 (20-2-7)면의 원자 배열을 도시하는 도면이다.
도 13은 (20-21)면 주요면에 수직인 (-1017)면 및 (10-1-7)면의 원자 배열, 및 (10-10)면 주요면에 수직인 (0001)면 및 (000-1)면의 원자 배열을 도시하는 도면이다.
도 14는 (20-2-1)면 주요면에 수직인 (10-17)면 및 (-101-7)면의 원자 배열, 및 (10-1-1)면 주요면에 수직인 (20-27)면 및 (-202-7)면의 원자 배열을 도시하는 도면이다.
도 15는 (10-1-2)면 주요면에 수직인 (40-47)면 및 (-404-7)면의 원자 배열, 및 (10-1-7)면 주요면에 수직인 (20-21)면 및 (-202-1)면의 원자 배열을 도시하는 도면이다.
도 16은 (000-1)면 주요면에 수직인 (10-10)면 및 (-1010)면의 원자 배열을 도시하는 도면이다.
본 발명의 지견은, 예시로서 도시된 첨부 도면을 참조하여 이하의 상세한 기술을 고려함으로써 용이하게 이해할 수 있다. 이어서, 첨부 도면을 참조하면서, Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자 및 Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자를 제작하는 방법에 따른 실시형태를 설명한다. 가능한 경우에는 동일한 부분에는 동일한 부호를 붙인다.
도 1은 본 실시형태에 따른 Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자의 구조를 개략적으로 도시하는 도면이다. Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자(11)는 이득 가이드형의 구조를 갖지만, 본 발명의 실시형태는 이득 가이드형의 구조에 한정되는 것은 아니다. Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자(11)는 레이저 구조체(13) 및 전극(15)을 갖춘다. 레이저 구조체(13)는 지지 기체(17) 및 반도체 영역(19)을 포함한다. 지지 기체(17)는, 육방정계 Ⅲ족 질화물 반도체로 이루어지는 반극성 주요면(17a)을 지니고, 이면(17b)를 갖는다. 반도체 영역(19)은 지지 기체(17)의 반극성 주요면(17a) 상에 형성되어 있다. 전극(15)은 레이저 구조체(13)의 반도체 영역(19) 상에 설치된다. 반도체 영역(19)은, 제1 클래드층(21)과, 제2 클래드층(23)과, 활성층(25)을 포함한다. 제1 클래드층(21)은, 제1 도전형의 질화갈륨계 반도체로 이루어지며, 예컨대 n형 AlGaN, n형 InAlGaN 등으로 이루어진다. 제2 클래드층(23)은 제2 도전형의 질화갈륨계 반도체로 이루어지며, 예컨대 p형 AlGaN, p형 InAlGaN 등으로 이루어진다. 활성층(25)은 제1 클래드층(21)과 제2 클래드층(23) 사이에 형성된다. 활성층(25)은 질화갈륨계 반도체층을 포함하고, 이 질화갈륨계 반도체층은 예컨대 우물층(25a)이다. 활성층(25)은 질화갈륨계 반도체로 이루어지는 장벽층(25b)을 포함하고, 우물층(25a) 및 장벽층(25b)은 교대로 배열되어 있다. 우물층(25a)은 예컨대 InGaN 등으로 이루어지고, 장벽층(25b)는 예컨대 GaN, InGaN 등으로 이루어진다. 활성층은 왜곡을 내포한다. 활성층(25)은, 파장 360 nm 이상 600 nm 이하의 빛을 발생하도록 설치된 양자 우물 구조를 포함할 수 있다. 반극성면의 이용에 의해, 파장 430 nm 이상 550 nm 이하의 빛의 발생에 적합하다. 제1 클래드층(21), 제2 클래드층(23) 및 활성층(25)은, 반극성 주요면(17a)의 법선축(NX)을 따라서 배열되어 있다. 법선축(NX)은 법선 벡터(NV)의 방향으로 뻗는다. 지지 기체(17)의 Ⅲ족 질화물 반도체의 c축(Cx)은 c축 벡터(VC)의 방향으로 뻗는다.
레이저 구조체(13)는 공진기를 위한 제1 단부면(26) 및 제2 단부면(28)을 포함한다. 공진기를 위한 도파로는, 제2 단부면(28)에서부터 제1 단부면(26)까지 뻗어나와 있고, 도파로 벡터(WV)는 제2 단부면(28)에서 제1 단부면(26)으로의 방향을 나타낸다. 레이저 구조체(13)의 제1 및 제2 단부면(26, 28)은, 육방정계 Ⅲ족 질화물 반도체의 결정축(m축 또는 a축) 및 법선축(NX)에 의해서 규정되는 기준면에 교차한다. 도 1에서는, 제1 및 제2 단부면(26, 28)은 육방정계 Ⅲ족 질화물 반도체의 m축 및 법선축(NX)에 의해서 규정되는 m-n면에 교차하고 있다. 그러나, 제1 및 제2 단부면(26, 28)은 육방정계 Ⅲ족 질화물 반도체의 a축 및 법선축(NX)에 의해서 규정되는 a-n면에 교차하고 있더라도 좋다.
도 1을 참조하면, 직교 좌표계 S 및 결정 좌표계 CR이 그려져 있다. 법선축(NX)은 직교 좌표계 S의 Z축 방향으로 향한다. 반극성 주요면(17a)은 직교 좌표계 S의 X축 및 Y축에 의해 규정되는 소정의 평면에 평행하게 뻗어나온다. 또한, 도 1에는 대표적인 c면(Sc)이 나타내어져 있다. 지지 기체(17)의 Ⅲ족 질화물 반도체의 <0001>축의 방향을 나타내는 c+축 벡터는, Ⅲ족 질화물 반도체의 m축 및 a축 중 어느 결정축 방향으로 법선 벡터(NV)에 대하여 경사진다. 이 경사 각도는 45도 이상 80도 이하 및 100도 이상 135도 이하의 범위에 있다. 본 실시예에서는, c+축 벡터의 방향은 벡터(VC)의 방향에 일치한다. 도 1에 도시되는 실시예에서는, 지지 기체(17)의 육방정계 Ⅲ족 질화물 반도체의 c+축 벡터는, 육방정계 Ⅲ족 질화물 반도체의 m축 방향으로 법선축(NX)에 대하여 유한한 각도(ALPHA)로 경사져 있다. 이 각도(ALPHA)는, 45도 이상 80도 이하의 범위 내에 있을 수 있고, 또한 100도 이상 135도 이하의 범위에 있을 수 있다.
제1 유전체 다층막(C+측)(43a)의 두께(DREF1)가 제2 유전체 다층막(C-측)(43b)의 두께(DREF2)보다 얇다. Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자(11)에 따르면, c+축 벡터는 도파로 벡터(WV)와 예각을 이루고 있고, 이 도파로 벡터(WV)는, 제2 단부면(28)에서 제1 단부면(26)으로의 방향에 대응한다. 이 때, 제1 단부면(26)(C+측) 상의 제1 유전체 다층막(43a)의 두께(DREF1)가 제2 단부면(C-측)(28) 상의 제2 유전체 다층막(43b)의 두께(DREF2)보다 얇기 때문에, 제1 유전체 다층막(43a)은 프론트측으로 되고, 이 프론트측으로부터 레이저광은 출사된다. 제2 유전체 다층막(43b)은 리어측으로 되고, 이 리어측에서 레이저광의 대부분은 반사된다. 프론트측의 제1 유전체 다층막(43a)의 두께(DREF1)가 리어측의 제2 유전체 다층막(43b)의 두께(DREF2)보다 얇을 때, 단부면 상의 유전체 다층막과 반도체 단부면과의 계면에 기인하는 빛 흡수가 저감되어, COD에 의한 단부면 파괴에 대한 내성을 크게 할 수 있다.
Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자(11)는 절연막(31)을 더욱 구비한다. 절연막(31)은, 레이저 구조체(13)의 반도체 영역(19)의 표면(19a) 상에 형성되고, 또한 표면(19a)을 덮고 있다. 반도체 영역(19)은 절연막(31)과 지지 기체(17)와의 사이에 위치한다. 지지 기체(17)는 육방정계 Ⅲ족 질화물 반도체로 이루어진다. 절연막(31)은 개구(31a)를 갖는다. 개구(31a)는 예컨대 스트라이프 형상을 이룬다. 본 실시예와 같이 c축이 m축 방향으로 경사질 때, 개구(31a)는 반도체 영역(19)의 표면(19a)과 상기한 m-n면과의 교차선(LIX) 방향으로 뻗어나온다. 교차선(LIX)은 도파로 벡터(WV) 방향으로 뻗어나온다. 한편, c축이 a축 방향으로 경사질 때, 개구(31a)는 a-n면과 표면(19a)과의 교차선(LIX) 방향으로 뻗어나온다.
전극(15)은 개구(31a)를 통해 반도체 영역(19)의 표면(19a)(예컨대 제2 도전형의 컨택트층(33))에 접촉을 이루고 있고, 상기한 교차선(LIX) 방향으로 뻗어나온다. Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자(11)에서는, 레이저 도파로는, 제1 클래드층(21), 제2 클래드층(23) 및 활성층(25)을 포함하고, 또한 상기한 교차선(LIX) 방향으로 뻗어나온다.
Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자(11)에서는, 제1 단부면(26) 및 제2 단부면(28)의 각각은 할단면일 수 있다. 이어지는 설명에서는, 제1 단부면(26) 및 제2 단부면(28)을 제1 할단면(27) 및 제2 할단면(29)으로서 참조한다. 제1 할단면(27) 및 제2 할단면(29)은, 육방정계 Ⅲ족 질화물 반도체의 m축 및 법선축(NX)에 의해서 규정되는 m-n면에 교차한다. Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자(11)의 레이저 공진기는 제1 및 제2 할단면(27, 29)을 포함하고, 제1 할단면(27) 및 제2 할단면(29)의 한 쪽에서 다른 쪽으로, 레이저 도파로가 뻗어나와 있다. 레이저 구조체(13)는 제1 면(13a) 및 제2 면(13b)을 포함하고, 제1 면(13a)은 제2 면(13b)의 반대쪽의 면이다. 제1 및 제2 할단면(27, 29)은, 제1 면(13a)의 엣지(13c)에서부터 제2 면(13b)의 엣지(13d)까지 뻗어나온다. 제1 및 제2 할단면(27, 29)은, c면, m면 또는 a면과 같은 이제까지의 벽개면과는 다르다.
이 Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자(11)에 따르면, 레이저 공진기를 구성하는 제1 및 제2 할단면(27, 29)이 m-n면에 교차한다. 이 때문에, m-n면과 반극성면(17a)과의 교차선 방향으로 뻗어나오는 레이저 도파로를 형성할 수 있다. 이러므로, Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자(11)는 저임계치 전류를 가능하게 하는 레이저 공진기를 갖게 된다.
Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자(11)는 n측 광가이드층(35) 및 p측 광가이드층(37)을 포함한다. n측 광가이드층(35)은 제1 부분(35a) 및 제2 부분(35b)을 포함하고, n측 광가이드층(35)은 예컨대 GaN, InGaN 등으로 이루어진다. p측 광가이드층(37)은, 제1 부분(37a) 및 제2 부분(37b)을 포함하고, p측 광가이드층(37)은 예컨대 GaN, InGaN 등으로 이루어진다. 캐리어 블록층(39)은, 예컨대 제1 부분(37a)과 제2 부분(37b) 사이에 형성된다. 지지 기체(17)의 이면(17b)에는 별도의 전극(41)이 설치되고, 전극(41)은 예컨대 지지 기체(17)의 이면(17b)을 덮고 있다.
도 2는 Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자(11)의 활성층(25)에 있어서의 발광의 편광을 도시하는 도면이다. 도 3은 c축 및 m축에 의해 규정되는 단면을 모식적으로 도시하는 도면이다. 도 2에 도시하는 것과 같이, 유전체 다층막(43a, 43b)은 각각 제1 및 제2 할단면(27, 29)에 형성된다. 유전체 다층막(43a, 43b)의 유전체층의 각각의 재료는, 예컨대 실리콘산화물, 실리콘질화물, 실리콘산질화물, 티탄산화물, 티탄질화물, 티탄산질화물, 지르코늄산화물, 지르코늄질화물, 지르코늄산질화물, 지르코늄불화물, 탄탈산화물, 탄탈질화물, 탄탈산질화물, 하프늄산화물, 하프늄질화물, 하프늄산질화물, 하프늄불화물, 알루미늄산화물, 알루미늄질화물, 알루미늄산질화물, 마그네슘불화물, 마그네슘산화물, 마그네슘질화물, 마그네슘산질화물, 칼슘불화물, 바륨불화물, 세륨불화물, 안티몬산화물, 비스무스산화물, 가돌리늄산화물 중 적어도 하나로 이루어질 수 있다. 이 Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자(11)에 따르면, 실용적인 유전체막은, 실리콘산화물(예컨대 SiO2), 실리콘질화물(예컨대 Si3N4), 실리콘산질화물(예컨대 SiOxN1 -x), 티탄산화물(예컨대 TiO2), 티탄질화물(예컨대 TiN), 티탄산질화물(예컨대 TiOxN1 -x), 지르코늄산화물(예컨대 ZrO2), 지르코늄질화물(예컨대 ZrN), 지르코늄산질화물(예컨대 ZrOxN1 -x), 지르코늄불화물(예컨대 ZrF4), 탄탈산화물(예컨대 Ta2O5), 탄탈질화물(예컨대 Ta3N5), 탄탈산질화물(예컨대 TaOxN1 -x), 하프늄산화물(예컨대 HfO2), 하프늄질화물(예컨대 HfN), 하프늄산질화물(예컨대 HfOxN1 -x), 하프늄불화물(예컨대 HfF4), 알루미늄산화물(예컨대 Al2O3), 알루미늄질화물(예컨대 AlN), 알루미늄산질화물(예컨대 AlOxN1 -x), 마그네슘불화물(예컨대 MgF2), 마그네슘산화물(예컨대 MgO), 마그네슘질화물(예컨대 Mg3N2), 마그네슘산질화물(예컨대 MgOxN1 -x), 칼슘불화물(예컨대 CaF2), 바륨불화물(예컨대 BaF2), 세륨불화물(예컨대 CeF3), 안티몬산화물(예컨대 Sb2O3), 비스무스산화물(예컨대 Bi2O3), 가돌리늄산화물(예컨대 Gd2O3) 중 적어도 하나로 이루어질 수 있다. 이들 재료를 이용하여, 파단면(27, 29)에도 단부면 코트를 적용할 수 있다. 단부면 코트에 의해 반사율을 조정할 수 있다. 이 조정된 반사율에 의해, 제1 유전체 다층막(C-측)(43a)의 반사율이 제2 유전체 다층막(C+측)(43b)의 반사율보다 작을 때, COD에 대해서, 단부면 상의 유전체 다층막과 반도체와의 계면에 기인하는 소자 열화가 저감된다.
도 2의 (b)부에 도시하는 것과 같이, 활성층(25)으로부터의 레이저광 L은 육방정계 Ⅲ족 질화물 반도체의 a축 방향으로 편광되고 있다. 이 Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자(11)에 있어서, 저임계치 전류를 실현할 수 있는 밴드 천이(遷移)는 편광성을 갖는 빛을 발생할 수 있다. 레이저 공진기를 위한 제1 및 제2 할단면(27, 29)은, c면, m면 또는 a면과 같은 이제까지의 벽개면과는 다르다. 그러나, 제1 및 제2 할단면(27, 29)은 공진기를 위한, 미러로서의 평탄성, 수직성을 갖는다. 이러므로, 제1 및 제2 할단면(27, 29)과 이들 할단면(27, 29) 사이로 뻗어나오는 레이저 도파로를 이용하여, 도 2의 (b)부에 도시하는 것과 같이, c축을 주요면에 투영한 방향으로 편광하는 천이에 의한 발광(I2)보다도 강한 천이에 의한 발광(I1)을 이용하여 저임계치의 레이저 발진이 가능하게 된다.
Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자(11)에서는, 제1 및 제2 할단면(27, 29)의 각각에는, 지지 기체(17)의 단부면(17c) 및 반도체 영역(19)의 단부면(19c)이 나타나고 있고, 단부면(17c) 및 단부면(19c)은 유전체 다층막(43a)으로 덮여 있다. 지지 기체(17)의 단부면(17c) 및 활성층(25)에 있어서의 단부면(25c)의 법선 벡터(NA)와 활성층(25)의 m축 벡터(MA)가 이루는 각도(BETA)는, Ⅲ족 질화물 반도체의 c축 및 m축에 의해서 규정되는 제1 평면(S1)에 있어서 규정되는 성분 (BETA)1과, 제1 평면(S1) 및 법선축(NX)에 직교하는 제2 평면(S2)에 있어서 규정되는 성분 (BETA)2에 의해서 규정된다. 성분 (BETA)1은, Ⅲ족 질화물 반도체의 c축 및 m축에 의해서 규정되는 제1 평면(S1)에 있어서 (ALPHA-4)도 이상 (ALPHA+4)도 이하의 범위인 것이 바람직하다. 이 각도 범위는, 도 3에 있어서, 대표적인 m면(SM)과 참조면(FA)이 이루는 각도로서 나타내어져 있다. 대표적인 m면(SM)이, 이해를 쉽게 하기 위해서, 도 3에 있어서, 레이저 구조체의 내측에서부터 외측에 걸쳐 나타내어져 있다. 참조면(FA)은 활성층(25)의 단부면(25c)을 따라서 뻗어나온다. 이 Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자(11)는, c축 및 m축의 한 쪽에서 다른 쪽으로 취해지는 각도(BETA)에 대해서, 상기한 수직성을 만족하는 단부면을 갖는다. 또한, 성분 (BETA)2은 제2 평면(S2)에 있어서 -4도 이상 +4도 이하의 범위인 것이 바람직하다. 여기서, BETA2=(BETA)1 2+(BETA)2 2이다. 이 때, Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자(11)의 단부면(27, 29)은, 반극성면(17a)의 법선축(NX)에 수직인 면에 있어서 규정되는 각도에 관해서 광학적인 의미로 수직성을 만족한다.
다시 도 1을 참조하면, Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자(11)에서는, 지지 기체(17)의 두께(DSUB)는 400 μm 이하인 것이 바람직하다. 이 Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자에서는, 레이저 공진기를 위한 양질의 할단면을 얻기 위해서 적합하다. Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자(11)에서는, 지지 기체(17)의 두께(DSUB)는 50 μm 이상 100 μm 이하인 것이 더욱 바람직하다. 이 Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자(11)에서는, 레이저 공진기를 위한 양질의 할단면을 얻기 위해서 더욱 적합하다. 또한, 핸들링이 용이하게 되어, 생산 수율을 향상시킬 수 있다.
Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자(11)에서는, 법선축(NX)과 육방정계 Ⅲ족 질화물 반도체의 c축이 이루는 각도(ALPHA)는 45도 이상인 것이 바람직하고, 또한 80도 이하인 것이 바람직하다. 또한, 각도(ALPHA)는 100도 이상인 것이 바람직하고, 또한 135도 이하인 것이 바람직하다. 45도 미만 및 135도를 넘는 각도에서는, 압박에 의해 형성되는 단부면이 m면으로 이루어질 가능성이 높아진다. 또한, 80도를 넘고 100도 미만인 각도에서는, 원하는 평탄성 및 수직성을 얻지 못할 우려가 있다.
Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자(11)에서는, 파단면 형성의 관점에서, 더욱 바람직하게는, 법선축(NX)과 육방정계 Ⅲ족 질화물 반도체의 c축이 이루는 각도(ALPHA)는 63도 이상인 것이 바람직하고, 또한 80도 이하인 것이 바람직하다. 또한, 각도(ALPHA)는 100도 이상인 것이 바람직하고, 또한 117도 이하인 것이 바람직하다. 63도 미만 및 117도를 넘는 각도에서는, 압박에 의해 형성되는 단부면의 일부에, m면이 출현할 가능성이 있다. 또한, 80도를 넘고 100도 미만인 각도에서는, 원하는 평탄성 및 수직성을 얻지 못할 우려가 있다.
Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자(11)에서는, Ⅲ족 질화물 반도체의 c축이 질화물 반도체의 m축 방향으로 경사질 때, 실용적인 면 방위 및 각도 범위는 적어도 이하의 면 방위 및 각도 범위를 포함한다. 예컨대, 지지 기체(17)의 주요면(17a)이, {10-11}면, {20-21}면, {20-2-1}면, {10-1-1}면 중 어느 면으로부터 -4도 이상 4도 이하의 범위에서 경사질 수 있다. 또한, 지지 기체(17)의 주요면(17a)이 {10-11}면, {20-21}면, {20-2-1}면, {10-1-1}면 중 어느 면일 수 있다.
Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자(11)에서는, Ⅲ족 질화물 반도체의 c축이 질화물 반도체의 a축 방향으로 경사질 때, 실용적인 면 방위 및 각도 범위는 적어도 이하의 면 방위 및 각도 범위를 포함한다. 지지 기체(17)의 주요면(17a)이 {11-22}면, {11-21}면, {11-2-1}면, {11-2-2}면 중 어느 면으로부터 -4도 이상 4도 이하의 범위에서 경사질 수 있다. 또한, 지지 기체(17)의 주요면(17a)이 {11-22}면, {11-21}면, {11-2-1}면, {11-2-2}면 중 어느 면일 수 있다.
이들 전형적인 반극성면(17a)에 있어서, 상기 Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자(11)의 레이저 공진기를 구성할 수 있을 정도의 충분한 평탄성 및 수직성을 갖는 제1 및 제2 단부면(26, 28)을 제공할 수 있다. 이들 전형적인 면 방위에 걸친 각도 범위에 있어서, 충분한 평탄성 및 수직성을 보이는 단부면을 얻을 수 있다. 제1 유전체 다층막(C-측)(43a)의 두께가 제2 유전체 다층막(C+측)(43b)의 두께보다 얇을 때, 유전체 다층막과 반도체 발광층의 단부면과의 계면에 기인하는 열화를 피할 수 있다. 또한, 제1 유전체 다층막(C-측)(43a)의 반사율이 제2 유전체 다층막(C+측)(43b)의 반사율보다 작을 때, 단부면 상의 유전체 다층막과 반도체 단부면과의 계면에 기인하는 빛 흡수가 저감되어, COD에 의한 단부면 파괴에 대한 내성을 크게 할 수 있다.
지지 기체(17)는, GaN, AlN, AlGaN, InGaN 및 InAlGaN 중 어느 것으로 이루어질 수 있다. 이들 질화갈륨계 반도체로 이루어지는 기판을 이용할 때, 공진기로서 이용할 수 있는 할단면(27, 29)을 얻을 수 있다.
지지 기체(17)는 GaN일 수 있다. 이 Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자에 따르면, GaN 주요면을 이용한 레이저 구조체의 실현에 의해, 예컨대 상기한 파장 범위(청색에서부터 녹색까지의 파장 범위)에 있어서의 발광을 실현할 수 있다. 또한, AlN 또는 AlGaN 기판을 이용할 때, 편광도를 크게 할 수 있고, 또한 저굴절율에 의해 광 구속(optical confinement)을 강화할 수 있다. InGaN 기판을 이용할 때, 기판과 발광층과의 격자 부정합율을 작게 할 수 있어, 결정 품질을 향상시킬 수 있다. 또한, Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자(11)에서는, 지지 기체(17)의 적층 결함 밀도는 1×104 cm-1 이하일 수 있다. 적층 결함 밀도가 1×104 cm-1 이하이기 때문에, 우발적인 사정에 의해 할단면의 평탄성 및/또는 수직성이 흐트러질 가능성이 낮다.
도 4는 본 실시형태에 따른 Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자를 제작하는 방법의 주요한 공정을 도시하는 도면이다. 도 5의 (a)부를 참조하면, 기판(51)이 도시되어 있다. 본 실시예에서는, 기판(51)의 <0001>축이 m축 방향으로 경사져 있지만, 본 제작 방법은, a축 방향으로 <0001>축이 경사진 기판(51)에도 적용 가능하다. 도 4에 있어서의 공정 S101에서는, Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자의 제작을 위한 기판(51)을 준비한다. 기판(51)의 육방정계 Ⅲ족 질화물 반도체의 <0001>축(벡터 VC)은, 육방정계 Ⅲ족 질화물 반도체의 m축 방향(벡터 VM)의 방향으로 법선축(NX)에 대하여 유한한 각도(ALPHA)로 경사져 있다. 이 때문에, 기판(51)은 육방정계 Ⅲ족 질화물 반도체로 이루어지는 반극성 주요면(51a)을 갖는다.
공정 S102에서는 기판 생산물(SP)를 형성한다. 도 5의 (a)부에서는, 기판 생산물(SP)은 거의 원판형의 부재로서 나타내어져 있지만, 기판 생산물(SP)의 형상은 이것에 한정되는 것은 아니다. 기판 생산물(SP)을 얻기 위해서, 우선, 공정 S103에서는 레이저 구조체(55)를 형성한다. 레이저 구조체(55)는, 반도체 영역(53) 및 기판(51)을 포함하고 있고, 공정 S103에서는, 반도체 영역(53)은 반극성 주요면(51a) 상에 형성된다. 반도체 영역(53)을 형성하기 위해서, 반극성 주요면(51a) 상에, 제1 도전형의 질화갈륨계 반도체 영역(57), 발광층(59) 및 제2 도전형의 질화갈륨계 반도체 영역(61)을 순차 성장한다. 질화갈륨계 반도체 영역(57)은 예컨대 n형 클래드층을 포함하고, 질화갈륨계 반도체 영역(61)은 예컨대 p형 클래드층을 포함할 수 있다. 발광층(59)은 질화갈륨계 반도체 영역(57)과 질화갈륨계 반도체 영역(61)과의 사이에 형성되고, 또한 활성층, 광가이드층 및 전자블록층 등을 포함할 수 있다. 질화갈륨계 반도체 영역(57), 발광층(59) 및 제2 도전형의 질화갈륨계 반도체 영역(61)은, 반극성 주요면(51a)의 법선축(NX)을 따라서 배열되어 있다. 이들 반도체층은 주요면(51a) 상에 에피택셜 성장된다. 반도체 영역(53) 위는 절연막(54)으로 덮여 있다. 절연막(54)은 예컨대 실리콘산화물로 이루어진다. 절연막(54)의 개구(54a)를 갖는다. 개구(54a)는 예컨대 스트라이프 형상을 이룬다. 도 5의 (a)부를 참조하면, 도파로 벡터(WV)가 나타내어져 있으며, 본 실시예에서는, 이 벡터(WV)는 m-n면에 평행하게 뻗어나온다. 필요한 경우에는, 절연막(54)의 형성에 앞서서, 반도체 영역(53)에 릿지 구조를 형성하더라도 좋다. 이 릿지 구조는 릿지 형상으로 가공된 질화갈륨계 반도체 영역(61)을 포함할 수 있다.
공정 S104에서는, 레이저 구조체(55) 상에, 애노드 전극(58a) 및 캐소드 전극(58b)이 형성된다. 또한, 기판(51)의 이면에 전극을 형성하기 전에, 결정 성장에 이용한 기판의 이면을 연마하여, 원하는 두께(DSUB)의 기판 생산물(SP)을 형성한다. 전극의 형성에서는, 예컨대 애노드 전극(58a)이 반도체 영역(53) 상에 형성되는 동시에, 캐소드 전극(58b)이 기판(51)의 이면(연마면)(51b) 상에 형성된다. 애노드 전극(58a)은 X축 방향으로 뻗고, 캐소드 전극(58b)은 이면(51b)의 전면을 덮고 있다. 이들 공정에 의해, 기판 생산물(SP)이 형성된다. 기판 생산물(SP)은, 제1 면(63a)과, 이것과 반대쪽에 위치하는 제2 면(63b)을 포함한다. 반도체 영역(53)은 제1 면(63a)과 기판(51)과의 사이에 위치한다.
이어서, 공정 S105에서는, 레이저 공진기를 위한 단부면을 형성한다. 본 실시예에서는, 기판 생산물(SP)로부터 레이저 바를 제작한다. 레이저 바는, 유전체 다층막을 형성할 수 있는 1쌍의 단부면을 갖는다. 이어서, 레이저 바 및 단부면의 제작 일례를 설명한다.
공정 S106에서는, 도 5의 (b)부에 도시하는 것과 같이, 기판 생산물(SP)의 제1 면(63a)을 스크라이브한다. 이 스크라이브는 레이저 스크라이버(10a)를 이용하여 이루어진다. 스크라이브에 의해 스크라이브 홈(65a)이 형성된다. 도 5의 (b)부에서는, 5개의 스크라이브구 홈이 이미 형성되어 있으며, 레이저 빔(LB)을 이용하여 스크라이브 홈(65b)의 형성이 진행되고 있다. 스크라이브 홈(65a)의 길이는, 육방정계 Ⅲ족 질화물 반도체의 a축 및 법선축(NX)에 의해서 규정되는 a-n면과 제1 면(63a)과의 교차선(AIS)의 길이보다도 짧고, 교차선(AIS)의 일부분에 레이저 빔(LB)의 조사가 이루어진다. 레이저 빔(LB)의 조사에 의해, 특정한 방향으로 뻗어나와 반도체 영역에 도달하는 홈이 제1 면(63a)에 형성된다. 스크라이브 홈(65a)은 예컨대 기판 생산물(SP)의 한 엣지에 형성될 수 있다.
공정 S107에서는, 도 5의 (c)부에 도시되는 것과 같이, 기판 생산물(SP)의 제2 면(63b)에의 압박에 의해 기판 생산물(SP)을 분리하여, 기판 생산물(SP1) 및 레이저 바(LB1)를 형성한다. 압박은, 예컨대 블레이드(69)와 같은 브레이킹 장치를 이용하여 이루어진다. 블레이드(69)는, 한 방향으로 뻗어나오는 엣지(69a)와, 엣지(69a)를 규정하는 적어도 2개의 블레이드면(69b, 69c)을 포함한다. 또한, 기판 생산물(SP1)의 압박은 지지 장치(71) 상에 있어서 이루어진다. 지지 장치(71)는, 지지면(71a)과 오목부(71b)를 포함하고, 오목부(71b)는 한 방향으로 뻗어나온다. 오목부(71b)는 지지면(71a)에 형성되어 있다. 기판 생산물(SP1)의 스크라이브 홈(65a)의 방향 및 위치를 지지 장치(71)의 오목부(71b)의 뻗는 방향에 맞춰, 기판 생산물(SP1)을 지지 장치(71) 상에 있어서 오목부(71b)에 위치 결정한다. 오목부(71b)의 연장 방향으로 브레이킹 장치의 엣지 방향을 맞춰, 제2 면(63b)에 교차하는 방향에서 브레이킹 장치의 엣지를 기판 생산물(SP1)에 압박한다. 교차 방향은 바람직하게는 제2 면(63b)에 거의 수직 방향이다. 이에 따라, 기판 생산물(SP)을 분리하여, 기판 생산물(SP1) 및 레이저 바(LB1)를 형성한다. 압박에 의해, 제1 및 제2 단부면(67a, 67b)을 갖는 레이저 바(LB1)가 형성되고, 이들 단부면(67a, 67b)에서는, 적어도 발광층의 일부는 반도체 레이저의 공진 미러에 적용할 수 있을 정도의 수직성 및 평탄성을 갖는다.
형성된 레이저 바(LB1)는, 상기 분리에 의해 형성된 제1 및 제2 단부면(67a, 67b)을 지니고, 단부면(67a, 67b)의 각각은, 제1 면(63a)에서부터 제2 면(63b)에까지 뻗어나온다. 이 때문에, 단부면(67a, 67b)은, 상기 Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자의 레이저 공진기를 구성하여, XZ면에 교차한다. 이 XZ면은, 육방정계 Ⅲ족 질화물 반도체의 m축 및 법선축(NX)에 의해서 규정되는 m-n면에 대응한다. 레이저 바(LB0, LB1)의 각각에, 도파로 벡터(WV)가 나타내어져 있다. 도파로 벡터(WV)는, 단부면(67a)에서 단부면(67b)으로의 방향으로 향하고 있다. 도 5의 (c)부에 있어서, 레이저 바(LB0)는 c축 벡터(VC)의 방향을 나타내기 위해서 일부 파단하여 나타내어져 있다. 도파로 벡터(WV)는 c축 벡터(VC)와 예각을 이룬다.
이 방법에 따르면, 육방정계 Ⅲ족 질화물 반도체의 a축 방향으로 기판 생산물(SP)의 제1 면(63a)을 스크라이브한 후에, 기판생산물(SP)의 제2 면(63b)에의 압박에 의해 기판 생산물(SP) 분리를 하여, 새로운 기판 생산물(SP1) 및 레이저 바(LB1)를 형성한다. 이 때문에, m-n면에 교차하도록, 레이저 바(LB1)에 제1 및 제2 단부면(67a, 67b)이 형성된다. 이 단부면 형성에 따르면, 제1 및 제2 단부면(67a, 67b)에 상기 Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자의 레이저 공진기를 구성할 수 있을 정도의 충분한 평탄성 및 수직성이 제공된다. 형성된 레이저 도파로는, 육방정계 Ⅲ족 질화물의 c축의 경사 방향으로 뻗어나와 있다. 이 방법에서는, 이 레이저 도파로를 제공할 수 있는 공진기 미러 단부면을 형성하고 있다.
이 방법에 따르면, 기판 생산물(SP1)의 할단(割斷)에 의해, 새로운 기판 생산물(SP1) 및 레이저 바(LB1)가 형성된다. 공정 S108에서는, 압박에 의한 분리를 반복하여, 다수의 레이저 바를 제작한다. 이 할단은 레이저 바(LB1)의 할단선(BREAK)에 비해서 짧은 스크라이브 홈(65a)을 이용하여 야기된다.
공정 S109에서는, 레이저 바(LB1)의 단부면(67a, 67b)에 유전체 다층막을 형성하여, 레이저 바 생산물을 형성한다. 이 공정은, 예컨대 다음과 같이 이루어진다. 공정 S110에서는, 레이저 바(LB1)의 단부면(67a, 67b)의 면 방위를 판별한다. 판별을 위해, 예컨대 c+축 벡터의 방향을 조사할 수 있다. 혹은, 판별을 위해, 단부면(67a, 67b)을 제작할 때에, 단부면(67a, 67b)과 c+축 벡터의 방향을 관련짓는, 예컨대 다음과 같은 처리 및/또는 조작을 할 수 있다: c+축 벡터의 방향을 나타내는 마크를 레이저 바 상에 제작한다; 및/또는, 제작된 레이저 바를 c+축 벡터의 방향을 나타내도록 배치한다. 판별 후에 있어서, 레이저 바(LB1)에 있어서, 제2 단부면(67b)의 법선 벡터와 c+축 벡터가 이루는 각은 제1 단부면(67a)의 법선 벡터와 c+축 벡터가 이루는 각보다도 크다.
판별 후에, 공정 S111에서는, 레이저 바(LB1)의 단부면(67a, 67b)에 유전체 다층막을 형성한다. 이 방법에 따르면, 레이저 바(LB1)에 있어서, c+축 벡터와 예각을 이루는 도파로 벡터(WV)의 방향은 제2 단부면(67a)에서 제1 단부면(67b)으로의 방향에 대응한다. 이 레이저 바 생산물에 있어서, 제1 단부면(67b) 상의 제1 유전체 다층막(C+측)의 두께(DREF1)를 제2 단부면(67a) 상의 제2 유전체 다층막(C-측)의 두께(DREF2)보다 얇게 형성하기 때문에, COD에 의한 단부면 파괴에 대한 내성을 크게 할 수 있다. 제1 유전체 다층막(C+측)의 두께(DREF1)가 제2 유전체 다층막(C-측)의 두께(DREF2)보다 얇을 때, 제1 단부면 상의 제1 유전체 다층막은 프론트측으로 되고, 이 프론트측으로부터 레이저광은 출사된다. 제2 단부면 상의 제2 유전체 다층막은 리어측으로 되고, 이 리어측에서 레이저광의 대부분은 반사된다.
공정 S112에서는, 이 레이저 바 생산물을 개개의 반도체 레이저의 칩으로 분리한다.
본 실시형태에 따른 제조 방법에서는, 각도(ALPHA)는, 45도 이상 80도 이하 및 100도 이상 135도 이하의 범위일 수 있다. 45도 미만 및 135도를 넘는 각도에서는, 압박에 의해 형성되는 단부면이 m면으로 이루어질 가능성이 높아진다. 또한, 80도를 넘고 100도 미만인 각도에서는, 원하는 평탄성 및 수직성을 얻지 못할 우려가 있다. 더욱 바람직하게는, 각도(ALPHA)는, 63도 이상 80도 이하 및 100도 이상 117도 이하의 범위일 수 있다. 45도 미만 및 135도를 넘는 각도에서는, 압박에 의해 형성되는 단부면의 일부에, m면이 형성될 가능성이 있다. 또한, 80도를 넘고 100도 미만인 각도에서는, 원하는 평탄성 및 수직성을 얻을 수 없을 우려가 있다. 반극성 주요면(51a)은, {20-21}면, {10-11}면, {20-2-1}면 및 {10-1-1}면 중 어느 면일 수 있고, 혹은, c축이 a축 방향으로 경사질 때 {11-22}면, {11-21}면, {11-2-1}면, {11-2-2}면 중 어느 면일 수 있다. 더욱이, 이들 면에서부터 -4도 이상 +4도 이하의 범위에서 미세하게 경사진 면도 상기한 주요면으로서 적합하다. 이들 전형적인 반극성면에 있어서, 상기 Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자의 레이저 공진기를 구성할 수 있을 정도의 광학적인 평탄성 및 수직성으로 레이저 공진기를 위한 단부면을 제공할 수 있다.
또한, 기판(51)은 GaN, AlN, AlGaN, InGaN 및 InAlGaN 중 어느 것으로 이루어질 수 있다. 이들 질화갈륨계 반도체로 이루어지는 기판을 이용할 때, 레이저 공진기로서 이용할 수 있는 단부면을 얻을 수 있다. 기판(51)은 바람직하게는 GaN으로 이루어진다.
기판 생산물(SP)을 형성하는 공정 S106에 있어서, 결정 성장에 사용된 반도체 기판은, 기판 두께가 400 μm 이하가 되도록 슬라이스 또는 연삭과 같은 가공이 실시되며, 제2 면(63b)은 연마에 의해 형성된 가공면일 수 있다. 이 기판 두께에서는, 할단을 사용할 때, 상기 Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자의 레이저 공진기를 구성할 수 있을 정도의 충분한 평탄성, 수직성을 수율 좋게 얻을 수 있다. 또한, 할단을 사용할 때, 이온 손상이 없는 단부면(67a, 67b)을 형성할 수 있다. 제2 면(63b)이 연마에 의해 형성된 연마면이고, 연마되어 기판 두께가 100 μm 이하라면 더욱 바람직하다. 또한, 기판 생산물(SP)의 취급을 용이하게 하기 위해서는, 기판 두께가 50 μm 이상인 것이 바람직하다. 할단을 사용하지 않을 때는, 단부면(67a, 67b)은, 예컨대 에칭에 의해 형성된 에칭면일 수 있다. 에칭면에는 발광층의 단부면이 나타나고 있다.
본 실시형태에 따른 레이저 단부면의 제조 방법에서는, 레이저 바(LB1)에 있어서도, 도 2를 참조하면서 설명된 각도(BETA)가 규정된다. 레이저 바(LB1)에서는, 각도(BETA)의 성분 (BETA)1은, Ⅲ족 질화물 반도체의 c축 및 m축에 의해서 규정되는 제1 평면(도 2를 참조한 설명에 있어서의 제1 평면(S1)에 대응하는 면)에 있어서 (ALPHA-4)도 이상 (ALPHA+4)도 이하의 범위인 것이 바람직하다. 레이저 바(LB1)의 단부면(67a, 67b)은, c축 및 m축의 한 쪽에서부터 다른 쪽으로 취해지는 면에 있어서 규정된 각도(BETA)의 각도 성분에 관해서 상기한 수직성을 만족한다. 또한, 각도(BETA)의 성분 (BETA)2은, 제2 평면(도 2에 도시된 제2 평면(S2)에 대응하는 면)에 있어서 -4도 이상 +4도 이하의 범위인 것이 바람직하다. 이 때, 레이저 바(LB1)의 단부면(67a, 67b)은, 반극성면(51a)의 법선축(NX)에 수직인 면에 있어서 규정되는 각도(BETA)의 각도 성분에 관해서 상기한 수직성을 만족한다.
단부면(67a, 67b)은, 반극성면(51a) 상에 에피택셜로 성장된 복수의 질화갈륨계 반도체층에의 압박에 의한 브레이크에 의해서 형성된다. 반극성면(51a) 상에의 에피택셜막이기 때문에, 단부면(67a, 67b)은, 지금까지 공진기 미러로서 이용되어 온 c면, m면 또는 a면과 같은 낮은 면 지수의 벽개면이 아니다. 그러나, 반극성면(51a) 상에의 에피택셜막의 적층 브레이크에 있어서, 단부면(67a, 67b)은 공진기 미러로서 적용할 수 있는 평탄성 및 수직성을 갖는다.
(실시예 1)
다음과 같이, 레이저 다이오드를 유기 금속 기상 성장법에 의해 성장했다. 원료에는 트리메틸갈륨(TMGa), 트리메틸알루미늄(TMAl), 트리메틸인듐(TMIn), 암모니아(NH3), 실란(SiH4), 비스시클로펜타디에닐마그네슘(Cp2Mg)을 이용했다. 기판(71)으로서, {20-21} GaN 기판을 준비했다. 이 GaN 기판은, HVPE법으로 두껍게 성장한 (0001) GaN 잉곳으로부터 m축 방향으로 75도의 범위 각도로 웨이퍼 슬라이스 장치를 이용하여 잘라내어 제작되었다.
이 기판을 반응로 내의 서셉터 상에 배치한 후에, 도 7 및 도 8에 도시되는 레이저 구조체를 위한 에피택셜층을 이하의 성장 순서로 성장했다. 기판(71)을 성장로에 배치한 후에, 우선, 기판(71) 상에 n형 GaN 층(두께 : 1000 nm)(72)을 성장했다. 이어서, n형 InAlGaN 클래드층(두께 : 1200 nm)(73)을 n형 GaN층(72) 상에 성장했다. 계속해서, 발광층을 제작했다. 우선, n형 GaN 가이드층(두께 : 200 nm)(74a) 및 언도프 InGaN 가이드층(두께 : 65 nm)(74b)을 n형 InAlGaN 클래드층(73) 상에 성장했다. 계속해서, 활성층(75)을 성장했다. 이 활성층(75)은, GaN(두께 : 15 nm)/InGaN(두께 : 3 nm)로 구성되는 2 주기의 다중 양자 우물 구조(MQW)를 갖는다. 이 후에, 언도프 InGaN 가이드층(두께 : 65 nm)(76a), p형 AlGaN 블록층(두께 : 20 nm)(76d), p형 InGaN 가이드층(두께 : 50 nm)(76b) 및 p형 GaN 가이드층(두께 200 nm)(76c)을 활성층(75) 상에 성장했다. 다음에, p형 InAlGaN 클래드층(두께 : 400 nm)(77)을 발광층 상에 성장했다. 마지막으로, p형 GaN 컨택트층(두께 : 50 nm)(78)을 p형 InAlGaN 클래드층(77) 상에 성장했다.
이 에피택셜 기판을 이용하여, 포토리소그래피법 및 에칭법에 의해 인덱스 가이드형 레이저를 제작했다. 우선, 포토리소그래피를 이용하여 스트라이프형 마스크를 형성했다. 마스크는, c축을 주요면에 투영한 방향으로 뻗어나온다. 이 마스크를 이용하여 드라이 에칭을 행하여, 2 μm 폭의 스트라이프형 릿지 구조를 제작했다. 드라이 에칭에는 예컨대 염소 가스(Cl2)를 이용했다. 스트라이프형의 개구를 갖는 절연막(79)을 릿지 구조의 표면에 형성했다. 절연막(79)으로서는 예컨대 진공증착법에 의해 형성한 SiO2를 이용했다. 절연막(79)을 형성한 후, p측 전극(80a) 및 n측 전극(80b)을 제작하여 기판 생산물을 제작했다. p측 전극(80a)을 진공증착법에 의해서 제작했다. p측 전극(80a)은 예컨대 Ni/Au였다. 이 에피택셜 기판의 이면을 연마하여, 100 μm까지 얇게 했다. 이면의 연마는 다이아몬드 슬러리를 이용하여 이루어졌다. 연마면에는 n측 전극(80b)을 증착에 의해 형성했다. n측 전극(80b)은 Ti/Al/Ti/Au로 이루어졌다.
이 기판 생산물로부터 스크라이브에 의해서 레이저 바를 제작하기 위해서, 파장 355 nm의 YAG 레이저를 조사할 수 있는 레이저 스크라이버를 이용했다. 스크라이브 홈의 형성 조건으로서 이하의 것을 이용했다.
레이저 광 출력 100 mW.
주사 속도 5 mm/초.
형성된 스크라이브 홈은, 예컨대, 길이 30 μm, 폭 10 μm, 깊이 40 μm의 홈이었다. 800 μm 피치로 기판의 절연막 개구 부위를 통해서 에피택셜 표면에 직접 레이저광을 조사함으로써, 스크라이브 홈을 형성했다. 공진기 길이는 600 μm로 했다. 블레이드를 이용하여, 공진 미러를 할단에 의해 제작했다. 기판 생산물의 이면의 압박에 의해 브레이크함으로써, 레이저 바를 제작했다.
도 6은, 결정 격자에 있어서의 {20-21}면을 나타내는 동시에, 공진기 단부면의 주사형 전자현미경 상을 도시하는 도면이다. 보다 구체적으로, {20-21}면의 GaN 기판에 대해서, 결정 방위와 할단면과의 관계를 도시한 것이, 도 6의 (b)부와 도 6의 (c)부이다. 도 6의 (b)부는 레이저 스트라이프를 <11-20> 방향으로 형성한 단부면의 면 방위를 나타내고 있고, 종래의 질화물 반도체 레이저의 공진기 단부면으로서 이용되어 온 m면 또는 c면으로 나타내어지는 벽개면을 단부면(81d) 또는 c면(81)으로서 나타내고 있다. 도 6의 (c)부는 레이저 스트라이프를 c축을 주요면에 투영한 방향(이후, M 방향이라고 부름)에 형성한 단부면의 면 방위를 나타내고 있고, 반극성면(71a)과 함께 레이저 공진기를 위한 단부면(81a, 81b)이 나타내어진다. 단부면(81a, 81b)은 반극성면(71a)에 거의 직교하고 있지만, 종래의 c면, m면 또는 a면 등의 현재까지의 벽개면과는 다르다.
본 실시예에 있어서의 {20-21}면 GaN 기판 상의 레이저 다이오드에서는, 공진기를 위한 단부면은 극성을 갖는 방향(예컨대 c+축 벡터의 방향)에 대하여 경사지기 때문에, 이들 단부면의 결정면의 화학적 성질은 등가가 아니다. 이어지는 설명에서는, +c면에 가까운 단부면(81a)을 {-1017} 단부면으로서 참조하는 동시에, -c면에 가까운 단부면(81b)을 {10-1-7} 단부면으로서 참조한다. 또한, 이들 단부면의 법선 벡터로서, 거의 법선 벡터가 되는 <-1014> 및 <10-1-4> 방향을 편의적으로 사용한다.
레이저 바의 단부면에 진공증착법에 의해서 유전체 다층막(82a, 82b)을 코팅했다. 유전체 다층막은, 서로 굴절율이 다른 2층, 예컨대 SiO2와 TiO2를 교대로 적층하여 구성했다. 막 두께는 각각 50∼100 nm의 범위에서 조정하여, 반사율의 중심 파장이 500∼530 nm의 범위가 되도록 설계했다. 동일 웨이퍼를 사전에 3 분할하여, 이하의 3 시료를 제작했다.
디바이스 A.
{10-1-7} 단부면 상에 반사막(4 주기, 반사율 60%)을 형성했다. {10-1-7} 단부면을 광출사면(프론트)으로 한다.
{-1017} 단부면 상에 반사막(10 주기, 반사율 95%)을 형성했다. {-1017} 단부면을 반사면(리어)으로 한다.
디바이스 B.
{10-1-7} 단부면 상에 반사막(10 주기, 반사율 95%)을 형성했다. {10-1-7} 단부면을 반사면(리어)으로 한다.
{-1017} 단부면 상에 반사막을(4 주기, 반사율 60%)을 형성했다. {-1017} 단부면을 광출사면(프론트)으로 한다.
디바이스 C.
결정면을 고려하지 않고(바에 의해 섞인 상태로), 광출사면(프론트), 반사면(리어)를 형성. 반사막의 막 두께는 상기와 같게 했다.
이들의 레이저 소자를 TO 헤더에 실장한 후, 이 실장 디바이스에 통전하여 소자 수명을 평가했다. 전원에는 DC 전원을 이용했다. 제작된 레이저 다이오드 중, 발진 파장이 520∼530 nm인 디바이스의 전류-광 출력 특성을 평가했다. 광 출력 측정을 할 때는, 레이저 소자의 단부면으로부터의 발광을 포토다이오드에 의해서 검출했다. 레이저 소자에는 최대 400 mA까지의 통전을 하여, COD 파괴가 생긴 전류치를 조사했다. COD 파괴라고 판정한 기준은, 본 실시예에서는, 전류-광 출력 특성에 있어서의 고전류역에서의 광 출력 저하의 유무 및 통전 후의 단부면에 물리적 파괴의 유무에 의해서 판단했다.
디바이스 A∼C의 수치는 400 mA까지 통전했을 때의 최대 광 출력치를 나타낸다(단위 : 밀리와트 : mW).
디바이스종, 디바이스 A, 디바이스 B, 디바이스 시료 C.
SUB1 : 148, (163), 133.
SUB2 : 120, (126), (124).
SUB3 : 150, (218), (163).
SUB4 : 132, (204), 153.
SUB5 : (137), (140), 142.
SUB6 : 140, (163), (210).
SUB7 : 162, (169), 143.
SUB8 : 162, (189), (220).
SUB9 : (124), (135), (132).
SUB10 : (105), (105), (105).
둥근 괄호가 된 표시는 최대 전류 400 mA라도 COD 파괴되지 않음을 나타내고 있으며, 400 mA에서의 광 출력이다.
상기 결과로부터, 디바이스마다의 COD 파괴가 생기는 광 출력치(COD 레벨)를 어림하면, 다음의 결과를 얻을 수 있었다.
디바이스 A.
10 칩 중 COD 파괴는 7 칩.
7 칩의 평균치 : 144 mW.
디바이스 B.
10 칩 중 COD 파괴는 0 칩.
디바이스 C.
10 칩 중 COD 파괴는 4 칩.
4 칩의 평균치 : 142 mW.
상기한 결과는, 동일한 에피택셜 기판으로부터 제작된 레이저 다이오드 칩에 있어서, 결정면과 반사막 총수와의 관계를 고려함으로써, 양호한 소자 수명을 얻는 것을 보이고 있다. 동일한 에피택셜 웨이퍼로부터 잘라낸 레이저 칩이라도, 결정면과 광출사면의 관계를 고려하지 않으면, COD 레벨이 낮음을 알 수 있다. 디바이스 A와 같이 화학적 성질이 약한 {10-1-7}면 측을 광출사면으로 한 경우에, COD 레벨이 낮음을 생각할 수 있다. COD 레벨은, 동작 전류가 높을수록, 또한 동작 전압이 높을수록 저하된다. 이 때문에, 소자의 발열이 클수록, 소자로부터의 방열이 작을수록, COD 레벨은 저하한다. 또한, 발광하는 우물층의 총 두께가 6 nm 이하이고, 단일 우물층당 광 밀도가 높아지는 구조에서는, 더욱 COD 레벨이 저하한다.
레이저 바의 단부면에 있어서의 극성(c축이 어느 쪽을 향하는 가라는 면 방위)의 판별은, 예컨대 다음과 같이 이루어질 수 있다: 도파로에 평행한 면을 집속 이온 빔(FIB)법으로 잘라내어 투과형 전자현미경(TEM)법의 관찰에 있어서, 수속 전자선 회절(CBED) 평가에 의해서 조사할 수 있다. 막 총수는, 투과형 전자현미경에 의해서 유전체 다층막의 부위를 관찰함으로써 조사할 수 있다. 소자 열화의 원인은, 반사막에 접하는 높은 In 조성의 우물층의 결정 품질이 열화되고 있다고 추측된다. 이 열화를 억제하여, 긴 수명의 소자를 얻기 위해서는, -c면에 가까운 단부면의 반사 막 두께를 두껍게 형성하고, +c면에 가까운 단부면의 반사 막 두께를 얇게 형성하는 것이 좋다.
제작한 레이저의 기본 특성을 평가하기 위해서, 통전에 의한 평가를 실온에서 행했다. 전원에는, 펄스 폭 500 ns, 듀티비 0.1%의 펄스 전원을 이용하여 행했다. 광 출력 측정을 할 때에는, 레이저 단부면으로부터의 발광을 포토다이오드에 의해서 검출하여, 전류-광 출력 특성(I-L 특성)을 조사했다. 발광 파장을 측정할 때에는, 레이저 단부면으로부터의 발광을 광파이버에 통과시키고, 검출기에 스펙트럼 애널라이저를 이용하여 스펙트럼 측정을 했다. 편광 상태를 조사할 때는, 레이저로부터의 발광을 편광판을 통해서 관측하는 동시에 편광판을 회전시킴으로써, 레이저광의 편광 상태를 조사했다. LED 모드 광을 관측할 때에는, 광파이버를 레이저의 상면측에 배치하여, 레이저 소자의 상면으로부터 방출되는 빛을 측정했다.
모든 레이저에서 발진 후의 편광 상태를 확인한 결과, a축 방향으로 편광되고 있음을 알 수 있었다. 발진 파장은 500∼530 nm였다.
모든 레이저에서 LED 모드(자연 방출광)의 편광 상태를 측정했다. a축 방향의 편광 성분을 I1, m축을 주요면에 투영한 방향의 편광 성분을 I2로 하여, (I1-I2)/(I1+I2)를 편광도(ρ)라 정의했다. 이렇게 해서, 구한 편광도(ρ)와 임계치 전류 밀도의 최소치의 관계를 조사한 결과, 도 9를 얻을 수 있었다. 도 9로부터, 편광도가 플러스인 경우에, 레이저 스트라이프 M 방향의 레이저에서는, 임계치 전류 밀도가 크게 저하되는 것을 알 수 있다. 즉, 편광도가 플러스(I1>I2)이고, 또한 오프 방향으로 도파로를 설치한 경우에, 임계치 전류 밀도가 대폭 저하되는 것을 알 수 있다. 도 9에 도시된 데이터는 이하의 것이다.
임계치 전류, 임계치 전류.
편광도, (M 방향 스트라이프), (<11-20> 스트라이프)
0.08, 64, 20.
0.05, 18, 42.
0.15, 9, 48.
0.276, 7, 52.
0.4, 6.
GaN 기판의 m축 방향으로의 c축의 경사각과 발진 수율의 관계를 조사한 결과, 도 10을 얻을 수 있었다. 본 실시예에서는, 발진 수율에 대해서는, (발진 칩의 수)/(측정 칩의 수)로 정의했다. 또한, 도 10은, 기판의 적층 결함 밀도가 1×104(cm-1) 이하인 기판이며 또한 M 방향의 레이저 스트라이프를 포함하는 레이저에 있어서의 측정치를 플롯한 것이다. 도 10으로부터, 오프각이 45도 이하에서는, 발진 수율이 매우 낮음을 알 수 있다. 단부면 상태를 광학현미경으로 관찰한 결과, 43도보다 작은 각도에서는, 대부분의 칩에서 m면이 출현하여, 수직성을 얻을 수 없음을 알 수 있었다. 또한, 오프각이 63도 이상 80도 이하인 범위에서는, 수직성이 향상되어, 발진 수율이 50% 이상으로 증가하는 것을 알 수 있다. 이들 사실로부터, GaN 기판의 오프 각도의 범위는 63도 이상 80도 이하가 최적이다. 한편, 이 결정적(結晶的)으로 등가인 단부면을 갖게 되는 각도 범위인, 100도 이상 117도 이하의 범위에서도 같은 결과를 얻을 수 있다.
도 10에 도시된 데이터는 이하의 것이다.
경사각, 수율.
10, 0.1.
43, 0.2.
58, 50.
63, 65.
66, 80.
71, 85.
75, 80.
79, 75.
85, 45.
90, 35.
(실시예 2)
질화갈륨의 기판 주요면의 면 지수와 기판 주요면에 수직이며 또한 c축을 주요면에 투영한 방향에 거의 수직인 면 지수는 이하에 나타낸다. 각도의 단위는 「도」이다.
주요 면 지수 (0001)과 이루는 각
주요면에 수직인 제1 단부면의 면 지수
주요면과 이루는 각
(0001) : 0.00, (-1010), 90.00; 도 11의 (a)부.
(10-17) : 15.01, (-2021), 90.10; 도 11의 (b)부.
(10-12) : 43.19, (-4047), 90.20; 도 12의 (a)부.
(10-11) : 61.96, (-2027), 90.17; 도 12의 (b)부.
(20-21) : 75.09, (-1017), 90.10; 도 13의 (a)부.
(10-10) : 90.00, (0001), 90.00; 도 13의 (b)부.
(20-2-1) : 104.91, (10-17), 89.90; 도 14의 (a)부.
(10-1-1) : 118.04, (20-27), 89.83; 도 14의 (b)부.
(10-1-2) : 136.81, (40-47), 89.80; 도 15의 (a)부.
(10-1-7) : 164.99, (20-21), 89.90; 도 15의 (b)부.
(000-1) : 180.00, (10-10), 90.00; 도 16.
도 11∼도 16은, 주요면에 수직인 광 공진기로서의 단부면으로 될 수 있는 면 지수의 결정 표면에 있어서의 원자 배열을 모식적으로 도시하는 도면이다. 도 11의 (a)부를 참조하면, (0001)면 주요면에 수직인 (-1010)면 및 (10-10)면의 원자 배열이 모식적으로 나타내어져 있다. 도 11의 (b)부를 참조하면, (10-17)면 주요면에 수직인 (-2021)면 및 (20-2-1)면의 원자 배열이 모식적으로 나타내어져 있다. 도 12의 (a)부를 참조하면, (10-12)면 주요면에 수직인 (-4047)면 및 (40-4-7)면의 원자 배열이 모식적으로 나타내어져 있다. 도 12의 (b)부를 참조하면, (10-11)면 주요면에 수직인 (-2027)면 및 (20-2-7)면의 원자 배열이 나타내어져 있다. 도 13의 (a)부를 참조하면, (20-21)면 주요면에 수직인 (-1017)면 및 (10-1-7)면의 원자 배열이 모식적으로 나타내어져 있다. 도 13의 (b)부를 참조하면, (10-10)면 주요면에 수직인 (0001)면 및 (000-1)면의 원자 배열이 모식적으로 나타내어져 있다. 도 14의 (a)부를 참조하면, (20-2-1)면 주요면에 수직인 (10-17)면 및 (-101-7)면의 원자 배열이 나타내어져 있다. 도 14의 (b)부를 참조하면, (10-1-1)면 주요면에 수직인 (20-27)면 및 (-202-7)면의 원자 배열이 나타내어져 있다. 도 15의 (a)부를 참조하면, (10-1-2)면 주요면에 수직인 (40-47)면 및 (-404-7)면의 원자 배열이 모식적으로 나타내어져 있다. 도 15의 (b)부를 참조하면, (10-1-7)면 주요면에 수직인 (20-21)면 및 (-202-1)면의 원자 배열이 나타내어져 있다. 도 16을 참조하면, (000-1)면 주요면에 수직인 (10-10)면 및 (-1010)면의 원자 배열이 모식적으로 나타내어져 있다. 이들 도면 중에서는, 검은 둥근 모양이 질소 원자를, 흰 둥근 모양이 Ⅲ족 원자를 나타내고 있다.
도 11∼도 16을 참조하면, c면으로부터 비교적 작은 오프각의 면이라도 구성 원자의 표면 배열이 변화되어, 표면의 모습이 크게 변화되는 것을 이해할 수 있다. 예컨대, 도 11의 (b)부에서는, 기판 주요면이 (10-17)인 경우이며, (0001)면과 이루는 각도는 약 15도이다. 이 때의 제1 단부면은 (-2021), 제2 단부면은 (20-2-1)이며, 이 2개의 결정면은 최외측 표면에 있어서의 구성 원소의 종류 및 결정과 결합하는 본드수 및 각도가 크게 다르기 때문에, 화학적 성질이 크게 다르다. 종래, 질화물 반도체 레이저에 널리 이용되어 왔던 것과 같은 기판 주요면이 (0001)면일 때에는, 도 11의 (a)부에 도시하는 것과 같이, 공진기를 위한 단부면은 (10-10)면과 (-1010)면이며, 이 2개의 결정면은 최외측 표면에 있어서의 구성 원소의 종류 및 결정과 결합하는 본드수 및 각도가 동일이기 때문에, 화학적 성질이 동일하다. 기판 주요면이 (0001)면으로부터 경사 각도가 커짐에 따라서, 단부면의 표면에 있어서의 구성 원소의 종류 및 결정과의 결합 본드수 및 각도가 크게 변화되는 것이 드러난다. 이 때문에, 기판 주요면이 (0001)면인 레이저 다이오드에서는, 단부면 코트의 특성에 특별히 주의를 기울지 않더라도 양호한 레이저 소자를 제작하는 것이 가능하지만, 기판 주요면이 반극성면인 레이저 다이오드에서는, 단부면 코트의 형성에 있어서 단부면의 면 방위를 반드시 통일시킴으로써, 디바이스 특성의 개선을 도모할 수 있다.
COD 파괴의 원인은 다음과 같이 생각되고 있다: 반도체와 유전체의 계면에 있어서, 밴드갭 중의 결함 등의 준위가 빛을 흡수하고, 발열하여, 실효 밴드갭을 작게 하여, 더욱 흡수량이 증가한다고 하는 부 피드백(negative feedback)에 의해서 파괴에 이른다. 발명자들의 지견에 따르면, 구성 원소의 표면 배치에 있어서, 결정과 3 라인의 본드로 결합하는 질소 원자의 수가, 연속으로 2곳 이상 배치되는 비율이 높아지면, 상기한 반응이 촉진된다고 추측된다. 이 때, GaN 기판의 <0001>축의 방향을 나타내는 c+축 벡터는, GaN 기판의 주요면의 법선축 방향을 나타내는 법선 벡터에 대하여 GaN 기판의 m축 및 a축 중 어느 결정축 방향으로 약 45도 이상 80도 이하 및 100도 이상 135도 이하 범위의 각도로 경사지고 있다. 예컨대, 도 13의 (a)부에서는, 기판 주요면이 (20-21)면인 경우이며, (0001)면과 이루는 각도는 약 75도이다. 이 때의 제1 단부면은 (-1017)면, 제2 단부면은 (10-1-7)면이며, (10-1-7)면에는, 결정과 3 라인의 본드로 결합하는 질소 원자의 수가 연속으로 3곳 배치되고 있다. 따라서, 단부면 코트막과 높은 In 조성 InGaN 우물층과의 사이에 계면 준위가 발생하기 쉽고, 이 계면 준위에 의한 광 흡수가 촉진되고, 발열 및 흡수량 증대가 증가하여, 이윽고 COD 파괴에 이른다.
이 레이저 다이오드에 있어서, c+축 벡터와 예각을 이루는 도파로 벡터(WV)는, 제2 단부면(예컨대 도 1의 단부면(28))에서 제1 단부면(예컨대 도 1의 단부면(26))으로의 방향을 향할 때, 제1 단부면(C+측) 상의 제1 유전체 다층막의 두께를 제2 단부면(C-측) 상의 제2 유전체 다층막의 두께보다 얇게 하면, 제1 유전체 다층막은 프론트측에 위치하여, 이 프론트측으로부터 레이저광이 출사된다. 제2 유전체 다층막은 리어측에 위치하여, 이 리어측에서 레이저광이 반사된다. 제1 유전체 다층막의 두께가 제2 유전체 다층막의 두께보다 얇을 때, COD 파괴를 피하여, COD 파괴에 대한 내성의 저하를 억제할 수 있다.
상기한 실시예를 포함한 여러 가지 실험에 의해서, 각도(ALPHA)는, 45도 이상 80도 이하 및 100도 이상 135도 이하의 범위일 수 있다. 발진 칩 수율 및 소자 수명을 향상시키기 위해서는, 각도(ALPHA)는, 63도 이상 80도 이하 및 100도 이상 117도 이하의 범위일 수 있다. <0001>축의 m축 방향으로의 경사에서는, 전형적인 반극성 주요면, 예컨대 {20-21}면, {10-11}면, {20-2-1}면 및 {10-1-1}면 중 어느 것일 수 있다. 더욱이, 이들 반극성면으로부터의 미세한 경사면일 수 있다. 또한, 반극성 주요면은, 예컨대 {20-21}면, {10-11}면, {20-2-1}면 및 {10-1-1}면 중 어느 면으로부터, m면 방향으로 -4도 이상 +4도 이하의 범위에서 오프된 미세 경사면일 수 있다. <0001>축의 a축 방향으로의 경사에서는, 전형적인 반극성 주요면, 예컨대 {11-22}면, {11-21}면, {11-2-1}면, {11-2-2}면 중 어느 면일 수 있다. 더욱이, 이들 반극성면으로부터의 미세 경사면일 수 있다. 또한, 반극성 주요면은, 예컨대 {11-22}면, {11-21}면, {11-2-1}면 및 {11-2-2}면 중 어느 면으로부터 a면 방향으로 -4도 이상 +4도 이하의 범위에서 미세한 경사면일 수 있다.
적합한 실시형태에 있어서 본 발명의 원리를 도시하여 설명해 왔지만, 본 발명은, 그와 같은 원리로부터 일탈하지 않고 배치 및 상세에 있어서 변경될 수 있음은 당업자가 인식할 수 있다. 본 발명은, 본 실시형태에 개시된 특정한 구성에 한정되는 것은 아니다. 따라서, 특허청구범위 및 그 정신의 범위에서 오는 모든 수정 및 변경에 권리를 청구한다.
이상 설명한 것과 같이, 상기 실시형태에 따르면, COD에 대한 내성을 갖는 Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자가 제공된다. 또한, 상기 실시형태에 따르면, COD에 대한 내성을 갖는 Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자를 제작하는 방법이 제공된다.
11 : Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자, 13 : 레이저 구조체, 13a : 제1 면, 13b : 제2 면, 13c, 13d : 엣지, 15 : 전극, 17 : 지지 기체, 17a : 반극성 주요면, 17b : 지지 기체 이면, 17c : 지지 기체 단부면, 19 : 반도체 영역, 19a : 반도체 영역 표면, 19c : 반도체 영역 단부면, 21 : 제1 클래드층, 23 : 제2 클래드층, 25 : 활성층, 25a : 우물층, 25b : 장벽층, 27, 29 : 할단면, ALPHA : 각도, Sc : c면, NX : 법선축, 31 : 절연막, 31a : 절연막 개구, 35 : n측 광가이드층, 37 : p측 광가이드층, 39 : 캐리어 블록층, 41 : 전극, 43a, 43b : 유전체 다층막, MA : m축 벡터, BETA : 각도, DSUB : 지지 기체 두께, 51 : 기판, 51a : 반극성 주요면, SP : 기판 생산물, 57 : 질화갈륨계 반도체 영역, 59 : 발광층, 61 : 질화갈륨계 반도체 영역, 53 : 반도체 영역, 54 : 절연막, 54a : 절연막 개구, 55 : 레이저 구조체, 58a : 애노드 전극, 58b : 캐소드 전극, 63a : 제1 면, 63b : 제2 면, 10a : 레이저 스크라이버, 65a : 스크라이브 홈, 65b : 스크라이브 홈, LB : 레이저 빔, SP1 : 기판 생산물, LB1 : 레이저 바, 69 : 블레이드, 69a : 엣지, 69b, 69 c : 블레이드면, 71 : 지지 장치, 71a : 지지면, 71b : 오목부

Claims (21)

  1. Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자로서,
    Ⅲ족 질화물 반도체로 이루어지는 반극성 주요면을 갖는 지지 기체, 및 상기 지지 기체의 상기 반극성 주요면 상에 형성된 반도체 영역을 포함하는 레이저 구조체와,
    상기 반도체 영역의 제1 및 제2 단부면 상에 각각 형성되며, 상기 질화물 반도체 레이저 소자의 공진기를 위한 제1 및 제2 유전체 다층막을 포함하고,
    상기 반도체 영역은, 제1 도전형의 질화갈륨계 반도체로 이루어지는 제1 클래드층과, 제2 도전형의 질화갈륨계 반도체로 이루어지는 제2 클래드층과, 상기 제1 클래드층과 상기 제2 클래드층 사이에 형성된 활성층을 포함하고,
    상기 제1 클래드층, 상기 제2 클래드층 및 상기 활성층은, 상기 반극성 주요면의 법선축을 따라서 배열되어 있고,
    상기 활성층은 질화갈륨계 반도체층을 포함하고,
    상기 지지 기체의 상기 Ⅲ족 질화물 반도체의 <0001>축 방향을 나타내는 c+축 벡터는, 상기 법선축의 방향을 나타내는 법선 벡터에 대하여 상기 Ⅲ족 질화물 반도체의 m축 및 a축 중 어느 하나의 결정축 방향으로 45도 이상 80도 이하 및 100도 이상 135도 이하 범위의 각도로 경사져 있고,
    상기 제1 및 제2 단부면은, 상기 육방정계 Ⅲ족 질화물 반도체의 상기 결정축 및 상기 법선축에 의해서 규정되는 기준면에 교차하고,
    상기 c+축 벡터는, 상기 제2 단부면에서 상기 제1 단부면으로의 방향을 나타내는 도파로 벡터와 예각을 이루고,
    상기 제1 유전체 다층막의 두께는, 상기 제2 유전체 다층막의 두께보다 얇은 Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자.
  2. 제1항에 있어서, 상기 레이저 구조체는 제1 및 제2 면을 포함하고, 상기 제1 면은 상기 제2 면의 반대쪽의 면이며,
    상기 반도체 영역은 상기 제1 면과 상기 지지 기체와의 사이에 위치하고,
    상기 제1 및 제2 단부면의 각각은, 상기 제1 면의 엣지에서부터 상기 제2 면의 엣지까지 뻗어나오는 할단면에 포함되는 Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 Ⅲ족 질화물 반도체의 c축은, 상기 질화물 반도체의 m축 방향으로 경사져 있는 Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자.
  4. 제1항 내지 제3항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 지지 기체의 주요면이, {10-11}, {20-21}, {20-2-1} 및 {10-1-1} 중 어느 면에서부터 -4도 이상 4도 이하의 범위에서 경사지는 Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 Ⅲ족 질화물 반도체의 c축은, 상기 질화물 반도체의 a축 방향으로 경사져 있는 Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자.
  6. 제1항, 제2항, 제5항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 지지 기체의 주요면이, {11-22}, {11-21}, {11-2-1} 및 {11-2-2} 중 어느 면으로부터 -4도 이상 4도 이하의 범위에서 경사지는 Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자.
  7. 제1항 내지 제6항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 활성층은, 구성 원소로서 In을 포함하고 왜곡을 내포하는 질화갈륨계 반도체로 이루어지는 우물층을 포함하는 Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자.
  8. 제1항 내지 제7항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 활성층은, 파장 430 nm∼550 nm의 발진광을 생성하도록 형성되는 Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 Ⅲ족 질화물 반도체는 GaN인 Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자.
  10. 제1항 내지 제9항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 유전체 다층막 내의 유전체층은, 실리콘산화물, 실리콘질화물, 실리콘산질화물, 티탄산화물, 티탄질화물, 티탄산질화물, 지르코늄산화물, 지르코늄질화물, 지르코늄산질화물, 지르코늄불화물, 탄탈산화물, 탄탈질화물, 탄탈산질화물, 하프늄산화물, 하프늄질화물, 하프늄산질화물, 하프늄불화물, 알루미늄산화물, 알루미늄질화물, 알루미늄산질화물, 마그네슘불화물, 마그네슘산화물, 마그네슘질화물, 마그네슘산질화물, 칼슘불화물, 바륨불화물, 세륨불화물, 안티몬산화물, 비스무스산화물, 가돌리늄산화물 중 적어도 하나로 이루어지고,
    상기 제2 유전체 다층막 내의 유전체층은, 실리콘산화물, 실리콘질화물, 실리콘산질화물, 티탄산화물, 티탄질화물, 티탄산질화물, 지르코늄산화물, 지르코늄질화물, 지르코늄산질화물, 지르코늄불화물, 탄탈산화물, 탄탈질화물, 탄탈산질화물, 하프늄산화물, 하프늄질화물, 하프늄산질화물, 하프늄불화물, 알루미늄산화물, 알루미늄질화물, 알루미늄산질화물, 마그네슘불화물, 마그네슘산화물, 마그네슘질화물, 마그네슘산질화물, 칼슘불화물, 바륨불화물, 세륨불화물, 안티몬산화물, 비스무스산화물, 가돌리늄산화물 중 적어도 하나로 이루어지는 Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자.
  11. Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자를 제작하는 방법으로서,
    육방정계 Ⅲ족 질화물 반도체로 이루어지는 반극성 주요면을 갖는 기판을 준비하는 공정과,
    상기 반극성 주요면 상에 형성된 반도체 영역과 상기 기판을 포함하는 레이저 구조체, 애노드 전극, 및 캐소드 전극을 갖는 기판 생산물을 형성하는 공정과,
    상기 기판 생산물을 형성한 후에, 제1 및 제2 단부면을 형성하는 공정과,
    상기 제1 및 제2 단부면에 각각 상기 질화물 반도체 레이저 소자의 공진기를 위한 제1 및 제2 유전체 다층막을 형성하는 공정을 포함하고,
    상기 제1 및 제2 단부면은, 상기 육방정계 Ⅲ족 질화물 반도체의 a축 및 m축 중 어느 하나의 결정축 및 상기 반극성 주요면의 법선축에 의해서 규정되는 기준면에 교차하고,
    상기 반도체 영역은, 제1 도전형의 질화갈륨계 반도체로 이루어지는 제1 클래드층과, 제2 도전형의 질화갈륨계 반도체로 이루어지는 제2 클래드층과, 상기 제1 클래드층과 상기 제2 클래드층 사이에 형성된 활성층을 포함하고,
    상기 제1 클래드층, 상기 제2 클래드층 및 상기 활성층은, 상기 법선축 방향으로 배열되어 있고,
    상기 활성층은 질화갈륨계 반도체층을 포함하고,
    상기 기판의 상기 반극성 주요면은, 상기 질화물 반도체의 <0001>축 방향을 나타내는 c+축 벡터에 직교하는 평면에 45도 이상 80도 이하 및 100도 이상 135도 이하 범위의 각도로 교차하고 있고,
    상기 c+축 벡터는, 상기 제2 단부면에서 상기 제1 단부면으로의 방향을 나타내는 도파로 벡터와 예각을 이루고,
    상기 제1 유전체 다층막의 두께는, 상기 제2 유전체 다층막의 두께보다 얇은 Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자를 제작하는 방법.
  12. 제11항에 있어서, 상기 제1 및 제2 유전체 다층막을 형성하기 전에, 상기 제1 및 제2 단부면의 면 방위를 판별하는 공정을 더 포함하는 Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자를 제작하는 방법.
  13. 제11항 또는 제12항에 있어서, 제1 및 제2 단부면을 형성하는 상기 공정은,
    상기 기판 생산물의 제1 면을 스크라이브하는 공정과,
    상기 기판 생산물의 제2 면에의 압박에 의해 상기 기판 생산물 분리를 하여, 상기 제1 및 제2 단부면을 갖는 레이저 바를 형성하는 공정을 포함하고,
    상기 레이저 바의 상기 제1 및 제2 단부면은 상기 분리에 의해 형성되고,
    상기 제1 면은 상기 제2 면의 반대쪽의 면이며,
    상기 반도체 영역은 상기 제1 면과 상기 기판과의 사이에 위치하고,
    상기 레이저 바의 상기 제1 및 제2 단부면의 각각은, 상기 제1 면에서부터 상기 제2 면에까지 뻗어나와 상기 분리에 의해 형성된 할단면에 포함되는 Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자를 제작하는 방법.
  14. 제11항 내지 제13항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 Ⅲ족 질화물 반도체의 c축은 상기 질화물 반도체의 m축 방향으로 경사져 있는 Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자를 제작하는 방법.
  15. 제11항 내지 제14항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 기판의 주요면이, {10-11}, {20-21}, {20-2-1} 및 {10-1-1} 중 어느 면에서부터 -4도 이상 4도 이하의 범위에서 경사지는 Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자를 제작하는 방법.
  16. 제11항 내지 제13항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 Ⅲ족 질화물 반도체의 c축은, 상기 질화물 반도체의 a축 방향으로 경사져 있는 Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자를 제작하는 방법.
  17. 제11항 내지 제13항, 제16항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 기판의 주요면이, {11-22}, {11-21}, {11-2-1} 및 {11-2-2} 중 어느 면에서부터 -4도 이상 4도 이하의 범위에서 경사지는 Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자를 제작하는 방법.
  18. 제11항 내지 제17항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 활성층의 형성은, 구성 원소로서 In을 포함하고 왜곡을 내포하는 질화갈륨계 반도체로 이루어지는 우물층을 성장시키는 공정을 포함하는 Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자를 제작하는 방법.
  19. 제11항 내지 제18항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 활성층은, 파장 430 nm∼550 nm의 발진광을 생성하도록 구성되는 Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자를 제작하는 방법.
  20. 제11항 내지 제19항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 Ⅲ족 질화물 반도체는 GaN인 Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자를 제작하는 방법.
  21. 제11항 내지 제20항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 유전체 다층막 내의 유전체층은, 실리콘산화물, 실리콘질화물, 실리콘산질화물, 티탄산화물, 티탄질화물, 티탄산질화물, 지르코늄산화물, 지르코늄질화물, 지르코늄산질화물, 지르코늄불화물, 탄탈산화물, 탄탈질화물, 탄탈산질화물, 하프늄산화물, 하프늄질화물, 하프늄산질화물, 하프늄불화물, 알루미늄산화물, 알루미늄질화물, 알루미늄산질화물, 마그네슘불화물, 마그네슘산화물, 마그네슘질화물, 마그네슘산질화물, 칼슘불화물, 바륨불화물, 세륨불화물, 안티몬산화물, 비스무스산화물, 가돌리늄산화물 중 적어도 하나를 이용하여 형성되고,
    상기 제2 유전체 다층막 내의 유전체층은, 실리콘산화물, 실리콘질화물, 실리콘산질화물, 티탄산화물, 티탄질화물, 티탄산질화물, 지르코늄산화물, 지르코늄질화물, 지르코늄산질화물, 지르코늄불화물, 탄탈산화물, 탄탈질화물, 탄탈산질화물, 하프늄산화물, 하프늄질화물, 하프늄산질화물, 하프늄불화물, 알루미늄산화물, 알루미늄질화물, 알루미늄산질화물, 마그네슘불화물, 마그네슘산화물, 마그네슘질화물, 마그네슘산질화물, 칼슘불화물, 바륨불화물, 세륨불화물, 안티몬산화물, 비스무스산화물, 가돌리늄산화물 중 적어도 하나를 이용하여 형성되는 Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자를 제작하는 방법.
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