KR920005132B1 - 리브도파로형 발광반도체장치 - Google Patents
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Abstract
내용 없음.
Description
제1도는 본 발명에 따른 리브도파로형 발광반도체장치의 주요부를 도시해 놓은 단면도.
제2도는 종래의 리브도파로형 발광반도체장치를 개략적으로 도시해 놓은 단면도이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : n-GaAs기판 2 : 하부클래드층
3 : 활성층 4 : 상부클래드층
5 : 중간층 6 : 저항층
7 : 메사부 8 : 메사부단면
9 : 전류저지층 10 : p형측 전극
11 : n형측 전극
[산업상의 이용분야]
본 발명은 리브도파로형(rib 導波路型) 발광반도체장치에 관한 것으로, 특히 반도체레이저로 사용되는 리브도파로형 발광도체장치에 관한 것이다.
[종래의 기술 및 그 문제점]
근년, 반도체레이저의 적용범위가 넓어지면서 그 내부에 설치된 리브도파로형 발광반도체장치도 다방면으로 이용되고 있는 바, 이하 상기 리브도파로형 발광반도체장치의 종래구조를 제2도를 참조해서 설명한다.
종래의 리브도파로형 발광도체장치에 있어서는, 우선 n-GaAs기판(51)에 격자정합된 n-In1-x(Ga1-yAly)xp결정구조의 하부클래드층(52; 실리콘도핑…3×1017cm-3, 두께…1.5μm)과, n-InGaP결정구조의 활성층(53; 도핑되지 않음…1×1017cm-3, 두께…0.1μm), p-In1-x(Ga1-yAly)xP결정구조의 상수 클래드층(54; Zn도핑…3×1017cm-3, 두께…1.5μm), p-GaAs 결정구조의 저항층(56; Zn도핑…3×l0-7cm-3, 두께…1.5μm)을 MOCVD법(Metal Organic Chemical Vapour Deposition Method)을 사용해서 차례로 성장시켜 다층막구조를 형성한다. 이어서, 통상의 사진식각공정에 의해 다층방향에 수직인 방향으로 폭이 3μm인 메사형 리브도파로를 줄무늬 모양으로 상부 클래드층(54)의 중앙부분에 형성시키는 바, 이 공정중에 저항층(56)도 마찬가지로 메사형으로 된다. 또, 상기 사진식각공정에 의해 노출된 메사형 리브도파로 및 저항층(56)의 메사부에는 전류저지층(55; 실리콘도핑…2×10-7cm-3, 두께…1.5μm)을 MOCVD법으로 성장시켜 메사형 리브도파로를 매립한 다음, n형층 전극(58)으로서 AuGe/Ni/Au를, p형측 전극(57)으로서 Ti/Pt/Au를 각각 형성시켜 리브도파로형 발광반도체장치를 완성한다.
상기 구조의 리브도파로형 발광반도체장치에 전류를 흘려주면, 전류는 리브도파로부분을 흐르게 되고, 동시에 발진횡모드(發振橫 mode)는 이 리브도파로에 의해 안정적으로 제어되게 된다.
그런데, 제2도에 나타낸 리브도파로형 발광반도체창치에 있어서는 p-In1-x(Ga1-yAly)xp결정구조에의 상부클래드층(54)과 P-GaAs결정구조의 저항층(56)사이에 이종접합(Hetro Junction)이 형성되어 그 이종접합에서의 전압강하가 크기 때문에 소비전력이 증대될 뿐만 아니라 고온동작에 적합하지 않은 문제점이 있었다.
[발명의 목적]
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 발명된 것으로, 상부클래드층과 저항층간의 이종접합에 기인하여 발생되는 큰 값의 전압강하를 해소하여 고온동작에 적합하도록 된 횡모드제어 리브드파로형 발광반도체장치를 제공하고자 함에 그 목적이 있다.
[발명의 구성]
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 리브도파로형 발광반도체장치는 도핑되지 않는 활성층(3)이 도전형이 다른 상부 및 하부클래드층(4, 2)간에 형성되어 있는 한편 상부클래드층(4)에는 다층방향에 수직인 방향으로 줄무늬모양의 메사부(7)가 형성되어 있으며, 이 메사부(7)상에 동일한 도전형의 저항층(6)이 형성되어 있고, 상기 상부클래드층(4)중 메사부(7)이외의 부분이 그 상부클래드층(4)과 반대 도전형의 전류저지층(9)으로 매립되어 있는 리보드파로형 발광반도체 장치에 있어서, 상기 줄무늬모양의 메사부(7)와 저항층(6)간에 이들 층(7,6)보다 불순물농도가 높은 중간층(5)이 형성된 구조로 되어 있다.
작용
상기와 같이 구성된 본 발명의 리브도파로형 발광반도체장치에서는 상부클래드층과 저항층간에 형성되는 이종접합의 가전자대의 전위차를 줄임으로써 이 이종전합에서의 전압강하가 해소되도록 상기 양층간에 불순물농도가 높은 p형의 중간층에, 배치하였는바, 그 결과 가전자대의 불연속부를 줄일수 있게 됨은 물론 상기 이종접합의 접합특성이 급격한 접합, 즉 계단접합으로 부터 원만한 구배(勾配)를 갖는 경사형 접합으로 변경됨으로써, 이 이종접합에서의 전압강하를 감소시킬 수 있게 된다.
또, 상기 불순물농도가 높은 중간층(이하, 중간층으로 기재한다)은 그 금지대폭이 상부클래드 층 저항층의 금지대폭과 동일하거나, 혹은 각각의 금지대폭의 중간값으로 될 필요가 있다.
그런데, 상기 이종접합의 접합특성이 경사형접합으로 되는 한편 중간층의 금지대폭이 상기의 조건을 만족시키려면, 상부클래드층과 하부클래드층의 결정구조는 각각 In1-x(Ga1-yAly)xp로 활성층의 결정구조는 In1-x(Ga1-zAlz)p로, 중간층의 결정구조는 In1-x(Ga1-rAlr)xp로 해주는 한편, y≥z, r, 또 0＜y≤1의 조건이 각각 만족되도록 해주면 된다.
그리고, 상기 조건을 만조시킬 수 있는 중간층의 또 다른 결정구조는 Ga(1-s)Al(s)As(이때, 0≤S0≤0.8) 및 In1-x(Ga1-mAlm) (P1-nASn) (이때, 0≤m≤1.0, 0≤n≤1)이 있다.
또, 상기 Ga(1-s)Al(s)As의 결정구조로 된 중간층은 0≤S≤0.8의 조건을 반드시 만족시킬 필요가 있으며, 더욱이 그 도전형을 p형으로 형성시키는 한편 그 캐리어농도를 3×10-7cm-3이상으로 할 필요가 있다.
상기한 것처럼, 중간층으로서 Ga(1-s)Al(s)As의 결정구조를 사용하게 되면, p-In(GaAl)p의 결정구조를 사용하는 경우보다 캐리어농도를 높일 수 있게 되고, 캐리어농도를 용이하게 제어할 수 있게 된다. Ga(1-s)Al(s)결정구조의 Zn확산계수가 p-In(GaAl)p결정구조의 Zn확산계수보다 작으므로 상기 상부클래드층으로의 이상확산(異常擴散)을 억제할 수 있으며 저항층과 중간층을 동일한 식각용액으로 처리할 수 있으므로 메사형 리브도파로의 폭을 쉽게 제어할 수 있게 되어 양산성(量産性)을 향상시킬 수 있게 된다.
[실시예]
이하, 제1도를 참조해서 본 발명의 1실시예를 상세히 설명한다.
본 1실시예의 발광반도체장치를 형성하기 위해서는, 우선 실리콘을 1×1018cm-3정도로 도핑시킨 n-GaAs기판(1)상에 격자정합되는 III-V족결정을 MOCVD법을 사용해서 성장시키는데, 이때 MOCVD법의 조건은 0.1기압, 성장온도는 750℃이고, 유기금속으로서 트리메틸칼륨이나 트리메틸알류미늄, 트리메틸인듐의 III족물질과 II족물질인 디메틸아연을 사용하며, 또 IV, V족 물질로서는 실란이라 아르신 및 포스핀을 사용한다. 여기서, 각각의 농도는 실란 100p.p.m, 아르신 10vol%, 포스핀 20vol%이다.
상기한 조건하에서 n-GaAs기판(1)의 표면에 n-In0.46(Ga0.3Al0.7)0.1P(실리콘도핑; 3×10-7cm-3, 두께1.5μm)결정구조의 하부클래층(2)과, In0.49Ga0.51p(도핑시키지 않음; 1×1027cm-3, 두께; 0.1μm)결정구조의 활성층(3), p-In0.09(Ga0.3Al0.7)0.51p(Zn도핑; 3×10-7cm-3, 두께 1.5μm)결정구조의 상부클래드층(4), p-In0.49(Ga0.8Al0.2)0.51p(Zn도핑; 5×10-8cm-3, 두께; 0.2μm)결정구조의 중간층(5), p-GaAs(Zn도핑; 1×1O18cm13, 두께 0.5μm)결정구조의 저항층(6)을 차례로 적층성장시켜 다층막을 형성한다.
다음으로 저항층(6)에는 CVD법으로 SiO2막(도시하지 않음)을 1,000Å성장시킨 후, 공지의 사진식각공정을 사용해서 상부클래드층(4)의 중앙부분의 3μm폭만을 남겨놓고 다른 부분은 제거하는 바, 이때, 저항층(6)과 SiO2막도 함께 제거한다. 이 사진식각공정에 이용되는 식각용액으로 p-GaAs저항층(6)에는 황산계를, 중간층(5) 및 상부클래드층(4)에는 브롬산계를 각각 이용한다.
상기 공정에 의해 3μm폭으로 형성한 메사부(7)는 다층방향과 수직방향으로 상부클래드층(4)의 중앙부분에 줄무늬모양으로 연장·형성되어 수동용(受動用)리브도파로로서 기능한다. 이때, 메사부(7)이외의 위치에서 상부클래드층(4)의 두께는 0.2μm가 되도록 조절한다. 그리고, 상기 공정에 의해서 저항층(6)도 마찬가지로 메사형으로 형성된다.
이어서, 수동용 리브도파로인 3μm폭의 메사부(7)의 메사부단면(8) 및 메사형 저항층(6)이 덮히도록 MOCVD법으로 전류저지층(9; 실리콘도핑…2×10-7cm-3, 두께…1.5μm)을 성장·형성시킨 다음, 저항층(6)에 성장시킨 SiO2막을 브롬산계 식각용액을 사용해서 제거하며, 노출면에는 각각 전극(10,11)을 형성시킨다. 즉, 저항층(6)의 노출면에는 p형측 전극(10)으로서 Ti/Pt/Au를, 또 n-GaAs기판(1)으 노출면에서는 n형측 전극(11)으로서 AuGe/Ni/Au를 증착법 또는 스퍼터링법을 이용해서 각각 증착시킴으로써 리브도파로형 발광반도체장치를 완성한다.
상기 발광반도체장치에 필요한 각 층을 MOCVD법으로 형성시킬 때, 성장온도와 그 발광반도체장치의 발진파장간에는 밀접한 관계가 있는 바, 성장온도가 600℃이하라던지 750℃이상인 경우에는 n-GaAs기판(1)에 격자정합되는 InGap결정구조의 금지대표에 가까운 1.9ev에서 발진하지만, 600℃∼750℃의 성장온도범위에서는 1.9ev이하에서 발진하는 것으로 알려져 있다.
더욱이 750℃이상에서 성장시키면, 결정의 품질은 그외의 온도에서 성장시킨 경우보다 우수하므로, 통상적으로는 750℃이상에 결정성장을 행한다. 그렇지만 p형 불순불 물질인 아연은 성장온도가 높고, 또 성장시의 압력이 낮은 경우에는 정결정내로 도핑되는 양이 적으므로 예컨대 상부클래드층(4)에는 3×10-7cm-3밖에 도핑되지 못한다.
한편, 상부클래드층(4)과 저항층(6)간의 이종접합에 있어서, 가전자대의 불연속부는 ◁Ev=Eg1-Eg2-◁Ec로 표시되는 바, 여기에서 Eg1은 상부클래드층(4)의 금지대폭을, Eg2는 저항층(6)의 금지대폭을, ◁Ec는 이들 각층(4,6)의 전도대에 있어서의 불연속부를 각각 나타낸다. 여기서, 상부클래드층(4)과 저항층(6)간에 전압을 인가할 때, 상기 불연속부를 넘는 높은 전압을 인가해 줌으로써 비로서 전류가 흐르게 된다.
그런데, 상기 가전자대의 불연속부를 작게 하려면, 이종접합간의 금지대폭을 줄이는 것이 중요하며, 가전자대의 불연속부의 스파이크의 폭을 줄임으로써 이종접합에서의 전압강하를 줄일 수 있게 된다.
본 발명에서는 상기한 바와 같이 상부클래드층(4)과 저항층(6)간에 양자보다 불순물농도가 높은 중간층(5)을 형성시킴으로써 가전자대의 불연속부를 줄일 수 있게 됨과 동시에 상기 이종접합이 급격한 접합, 즉 계단접합으로 부터 완만한 구배를 갖는 경사협접합으로 변경됨에 따라 상기 이종접합에서의 전압강하를 감소시킬 수 있게된다.
또, 상기와 같은 리브도파로형 발광반도체장치, 즉 레이저장치에 전류를 흘려주면, 전류는 전류저지층(9)으로는 주입되지 못하고 저항층(6)으로만 주입되게 되고, 리브도파로 이외의 위치에서 발광되는 빛은 전류저지층(9)으로 흡수되므로 횡모드제어되는 레이저발진을 얻을 수 있게 된다.
다른 실시예로서 중간층(5)으로 사용되는 p-In0.49(Ga0.8Al0.2)0.51결정구조를 대신해서 Ga(1-s)Al(s)As결정구조를 사용할 수 있는 바, 그 공정순서는 P-In0.49(Ga0.3Al0.7)0.51p(Zn도핑; 3×10-7㎝-3, 두께 1.5μm)결정구조의 상부클래드층(4)을 MOCVD법으로 성장·형성시킨 후, p-Ga0.6Al0.4As(Zn도핑; 1×1019cm-3, 두께 0.2μm)결정구조의 중간층(5)을 동일한 방법으로 성장·형성시키고, 그 위에 p-GaAs(Zn도핑; 1x10-8cm-3, 두께 0.5μm)결정구조의 저항층(6)을 성장·형성시킨다. 이어서, 이 저항층(6)상에 SiO2막을 CVD법으로 1000Å성장시키고 사진식각공정을 실행해서 3μm폭만을 남기고 나머지 부분을 제거하게 되면, 다층방향에 수직방향으로 연장·형성된 줄무늬모양에 메사부(7)가 상술한 것과 마찬가지로 얻어진다.
또, 상기 사진식각공정에서 사용되는 식각용액으로는 p-GaAs저항층(6) 및 p-Ga0.6Al0.4As의 중간층(5)에 대해서는 황산계 식각용액을, p-In0.49(Ga0.3Al0.7)0.51p상부클래드층(4)에 대해서는 브롬산계 식각용액을 각각 사용한다. 이 경우, 메사부(7)이외의 위치에서 상부클래드층(4)의 두께가 0.2μm가 되도록 조절하며, 이후의 공정은 상기한 실시예와 동일하다.
다음으로, 중간층(5)에 대해서 설명한다.
In1-x(Ga1-mAlm)(P1-nAln)결정구조의 평균조성비를 예컨대 In0.49(Ga0.8Al0.2) (P0.95As0.05)로 해서 이를 중간층(5)으로 사용하는 경우에 GaAs결정과 In0.49(Ga0.8Al0.7)0.51p클래드층(4)간의 격자부정합도는 0.05%로 되지만, In(GaAl)(PAS)결정구조의 각 조성비를 다르게 한 박막을 교대로 성장시킨 왜초격자(歪超格子)를 중간층(5)으로 사용하면 이를 GaAs결정에 격자정합시킬 수 있게 된다.
따라서, 상기 결정을 중간층(5)으로 사용하게 되면, GaAlAs결정과 마찬가지로 캐리어불순물의 농도를 1×1019cm-3이상으로 도핑시킬 수 있음은 물론 가전자대의 불연속부(◁Ev)가 GaAlAs결정보다도 적어지는 특성을 갖게 되어, 저항층(6)과 상부클래드층(4)간의 이종접합에서의 전압강하를 0.1V정도로 낮출 수 있게된다.
그리고, 본 실시예에서는 p형 불순물로서 Zn을 사용하고 있지만, 그외에 예컨대 Mg등도 사용할 수 있다.
[발명의 효과]
상기한 바와 같이 클래드층과 저항층에 경계부분에 양자보다 불순물농도가 높은 중간층을 배치함에 따라 종래 공진기창(共振器長) 300μm, 줄무늬폭 3μm인 리브도파로를 갖는 레이저의 동작전압을 3.0V로 부터 2.3V로 낮출 수 있게 된다.
그 결과, 이종접합에서의 열발생이 방지되므로 온도특성이 종래에 비하여 개선되며, 게다가 동작전류의 상승도 억제할 수 있게 된다.
또, 종래 50℃에서 가능하던 연속발진이 100℃에서까지 가능해져 아주 큰 폭으로 특성이 개선되고, 더욱이 또 650nm의 발진주파수를 갖는 가시광횡 모드제어 레이저를 개발하려는 목적을 달성할 수 있게 된다.
Claims (1)
- 도핑되지 않은 활성층(3)이 도전형이 다른 상부 및 하부 클래드층(4,2)간에 형성되어 있고, 상기 상부 클래드층(4)에는 다층방향에 수직인 방향으로 줄무늬모양의 메사부(7)가 형성되어 있으며, 이 메사부(7)상에 상부클래드층(4)과 동일한 도전형의 저항층(6)이 형성되어 있고, 상기 상부 클래드층(4)중 메사부(7)이외의 부분이 그 상부클래드층(4)과 반대도전형의 전류저지층(9)으로 매립되어 있는 리브도파로형 발광반도체장치에 있어서, 상기 줄무늬모양이 메사부(7)와 저항층(6)간에 이를 층(7,6)보다 불순물농도가 높은 중간층(5)이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 리브도파로형 발광반도체장치.
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