KR930010127B1 - 반도체발광소자 - Google Patents
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Abstract
내용 없음.
Description
제 1 도는 본 발명에 따른 반도체발광소자의 1실시예의 단면도.
제 2 도는 제 1 도에 도시된 반도체발광소자의 제조공정을 나타낸 단면도.
제 3 도는 종래예의 반도체발광소자의 단면도.
제 4 도는 In Ga P결정의 성장온도와 밴드갭에너지(Eg)의 관계를 나타낸 단면도이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1, 21 : n형 Ga As 기판 2, 22 : n형 Ga As 버퍼층
3, 23 : n형 In1-y(Ga1-sAls)yP 크래드층 4 : n형 In1-y(Ga1-xAlx)yP 활성층
5, 25 : p형 In1-y(Ga1-sAls)yP 크래드층 6, 26 : n형 Ga As 전류협착층
7, 27 : p형 Ga As 오믹접촉층 24 : 비도우프 In Ga P 활성층
[산업상의 이용분야]
본 발명은 이중헤테로구조의 반도체발광소자에 관한 것으로, 특히 In Ga Al P결정으로 이루어진 600nm전후의 발광파장을 갖는 고출력 레이저다이오드 등의 활성층의 개선에 관한 것이다.
[종래의 기술과 그 문제점]
In Ga Al P계의 반도체레이저는 바코드독출기(bar code reader)라던지 레이저프린터의 독출용 광원 등에 널리 사용되고 있는 바, 유기 금속기상성장(MOCVD로 약칭함)법 내지는 분자선에티텍시(MBE)법을 이용한 이중헤테로접합구조의 종래 In Ga Al P계 레이저의 일례로서 제 3 도에 단면이 도시된 IS(Inner Strip)구조가 있다.
제 3 도에서, n형 Ga As 기판(21)상에는 n형 Ga As 버퍼층(22)과 n형 In1-y(Ga1-sAls)yP 크래드층(23), 비도우프 In1-y(Ga1-xAlx)yP 활성층(24), p형 In1-y(Ga1-sAls)yP 크래드층(25) 및 n형 Ga As 전류협착층(26)을 순차 MOCVD법에 의하여 적층하게 된다(제 1 회째의 성장). 다음에 포토리소그라피법에 의해 스트라이프(strip)형상의 개구를 갖는 레지스트패턴을 형성한 다음, Ga As는 에칭되지만 In Ga Al P는 에칭되지 않는 용액을 사용하여 p형 In Ga Al P 크래드층(25)에 도달하는 스트라이프형상 결손부(28)를 형성하게 되고, 이어 제2MOCVD법에 의한 결정성장(結晶成長)을 행하여 p형 Ga As 오믹접촉층(27)을 형성하게 되며, 이와 같이 함으로써 전형적인 이득도파형 반도체레이저를 얻을 수 있게 되는 바, 이 IS레이저는 통상 p형 도우펀트로 Zn, n형 도우펀트로 Si를 사용하고 있다.
다음, 상기 IS레이저동작의 개요에 대해 설명한다. 제 3 도에 도시된 적층기판의 상면과 하면에는 도시되지는 않았지만 금속전극이 피착되어 동작시 순방향전압(상면전극-정, 하면전극-부)이 인가되고, p형 크래드층(25)으로 정공(正孔) 또는 n형 크래드층(23)으로부터 전자가 각각 활성층(24)에 주입된다. n형 전류협착층(26)과 p형 크래드층(25)는 역바이어스되어 있으므로 여기전류(勵起電流)는 스트라이프형상 결손부(28)를 메우고 있는 p형 오믹접촉층(27)부분에 흐르게 된다. 즉, 상기 캐리어주입은 스트라이프형상 결손부(28)의 바로 아래 근방으로 제한된다.
또 활성층(24)의 밴드갭에너지는 크래드층(23,25)의 밴드갭에너지보다 작게 되도록 재료의 혼정비(混晶比)가 정해져 있고, 이 때문에 주입된 캐리어는 얇은 활성층(24)내에 고밀도로 감금되어 전도대의 전자와 가전자대의 정공과의 재결합이 이루어져 밴드갭에너지에 대응하는 파장의 빛을 방출하게 된다.
한편, 활성층(24)의 상, 하면은 그 보다 굴절율이 작은 크래드층(23,25)에 의해 끼워지게 되어 상기 방출된 빛은 활성층(24)내에 감금되게 된다. 또 반도체레이저의 경우에는 스트라이프형상 결손부(28)의 길이방향 바로 아래 근방의 활성층부분이 발광영역으로서 그 양단면에 도시되지는 않았지만 반사경면(反射鏡面)이 형성되고, 이 평행한 반사경면에 끼워져 있는 활성층부분은 광공진기(光共振器)를 형성하게 되며, 이 활성층내의 상기 방출광은 유도방출에 의해 증폭되어 레이저광이 얻어지게 된다.
또, n형 Ga As 버퍼층(22)의 작용은 n형 Ga As 기판(21)상에 n형 크래드층(23)으로부터 최상층의 p형 Ga As 오믹접촉층(27)까지 적층하는 경우의 격자부정합을 완화함과 더불어 결정성장층내의 격자결함의 증식 또는 발생을 완화하게 된다.
상기한 바와 같은 반도체발광소자에는 결정성장의 단계에서 다음과 같은 문제가 있다. 즉, 결정성장중 비도우프활성층(24)에 p형 크래드층(25)의 도우펀트인 Zn이 확산되기 때문에 활성층(24)의 도전형이 p형으로 됨과 더불어 발진파장이 단파장화되어 임계치전류가 상승된다는 문제가 있다.
즉, 상기한 반도체발광소자는 결정성장중에 비도우프활성층에 이 활성층과 헤테로접합하는 p형 크래드층의 도우펀트, 예컨대 Zn이 확산되어 활성층의 도전형이 p형으로 되어 활성층의 밴드갭에너지가 증가된다는 과제가 있고, 이 때문에 발진파장은 단파장으로 이행되어 활성층의 굴절율의 감소에 의하여 발진임계치전류도 상승하게 되므로 소자의 생산성이라던지 신뢰성이 저하된다는 문제가 있다.
[발명의 목적]
본 발명의 상기한 문제를 해결하기 위한 것으로, In Ga Al P계 이중헤테로접합구조의 반도체발광소자에서 결정성장시 In1-y(Ga1-xAlx)yP 활성층 p형 Ga Al P 크래드층의 도우펀트, 예컨대 Zn이 확산되는 것을 저지하여 발광소자의 발광파장이 단파장으로 이행되거나 발진임계치전류가 증가되거나 하는 일없이 소자의 생산성과 신뢰성을 향상시킬 수 있는 구조의 반도체발광소자를 제공함에 그 목적이 있다.
[발명의 구성]
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 In Ga Al P계 이중헤테로접합형 발광소자는 In1-y(Ga1-xAlx)yP(0≤x〈1, y0.5) 활성층에 이 활성층의 결정구조를 변화시키지않는 도우펀트 예컨대 Si 등을 도우핑해서 p형 In Ga Al P 크래드층의 도우펀트가 상기 활성층에 확산되는 것을 저지하는 구조로 되어 있다.
상기 In Ga P 또는 In Ga Al P로 이루어진 활성층의 결정구조는 이후에 상술하는 바와 같이 자연초격자(自然超格子)를 형성하고 있다고 고려되는 바, 예컨대 Zn이 확산되면 이 초격자는 무질서화되어 In P 또는 In Ga Al의 혼정화(합금화)가 수행된다. 또 혼정화된 상기 활성층의 밴드갭에너지(Eg)는 자연초격자화된 상기 활성층의 Eg보다 크게 된다. 즉 P형 크래드층의 도우펀트가 활성층에 확산되면 활성층의 결정구조가 변화되고 Eg가 증가하게 되어 발진파장의 단파장의 이행과 발진임계치전류의 상승이 나타나게 된다.
한편, Si를 상기 활성층에 도우핑해도 자연초격자는 무질서화되지 않기 때문에 Eg도 변화되지 않고 임계치전류도 상승되지 않는다.
In Ga P는 In Ga Al P 활성층에 Si를 도우핑하면 Si는 III족원소인 In Ga등과 치환되어 도우너로 작용하게 된다. 또, Si가 도우핑된 n형 활성층상에 p형 In Ga Al P 크래드층을 소정의 온도로 결정성장시킬 때 p형 크래드층의 도우펀트는 Si로 인해 활성층으로의 확산이 저지된다.
[실시예]
본 발명에 따른 반도체발광소자의 1실시예로서 In Ga Al P계 가시광 반도체레이저소자에 대해 제 1 도와 제 2 도를 참조하여 설명한다.
제 1 도는 In Ga Al P계 가시광 반도체레이저소자의 모식적 단면도로서, n형 Ga As 기판(1)상에 n형 Ga As 버퍼층(2)이 적층되고, n형 In Ga Al P크래드층(3)과 p형 In Ga Al P 크래드층(5) 사이에 n형 In Ga Al P활성층(4)을 끼워 넣음에 의해 적층된 이중헤테로접합구조체가 상기 버퍼층(2)상에 설치되어 있다. 또, p형 크래드층(5)상에 스트라이프형상 결손부(8)를 갖춘 n형 Ga As 전류협착층(6)과 p형 Ga As 오믹접촉층(7)이 순서대로 적층되어 있는 한편, 상기 적층기판의 상면과 하면에는 금속전극(9,10)이 피착되어 있다.
상기 반도체레이저소자의 제조방법의 개요에 대해 제 2 도를 참조해서 설명한다.
제 2a 도에 도시된 바와 같이 n형 Ga As 기판(1)상에 도우너농도 n=5×1017atoms/㎤, 두께 0.5㎛의 n형 Ga As 버퍼층(2)과, n=5×1017atoms/㎤, 두께 0.9㎛의 n형 In1-y(Ga1-sAls)yP 크래드층(3), n=1×1019atoms/㎤ 두께 0.06㎛의 n형 In1-y(Ga1-xAlx)yP 활성층(4), 억셉터농도 p=3×1017atoms/㎤, 두께 0.9㎛의 p형 In1-y(Ga1-sAls)yP 크래드층(5) 및, n=2×1018atoms/㎤, 두께 0.6㎛의 n형 Ga As 전류협착층(6)을 이 순서로 유기금속기상성장법에 의해 순차적으로 적층하게 되는데, 이 경우 결정성장온도는 약 720℃전후로 한다. 상기 본 실시예에서는x=0,y=0.5,s=0.7이고, 또 n형 불순물(도우너)은 Si, p형 불순물(억셉터)로서는 Zn을 사용하고 있다.
다음, 제 2b 도에 도시된 바와같이 n형 전류협착층(6)에 포토리소그라피법에 의해 스트라이프형상의 개구를 갖는 레지스트막(11)을 형성하여 이를 마스크해서 H2SO4: H2O2: H2O=8 : 1 : 1의 에칭액(온도 20℃)의 선택성을 이용하여 n형 전류협착층(6)에 스트라이프형상 결손부(8)를 형성하게 된다.
이어, 레지스트막(11)을 제거하여 표면세정처리를 실시한 후 MOCVD법에 의해 제 2 회째의 결정성장을 수행하여 p형 GaAs오믹접촉층(7)을 적층하고, 상기 적층기판의 상면과 하면에 금속전극(9,10)을 증착법에 의해 피착하여 제 1 도에 도시된 반도체레이저소자를 얻게 된다.
본 실시예에서 레이저소자의 활성층은 혼정비x=0,y=0.5에 의해 In Ga P결정으로 구성되고, 또 이 반도체레이저소자는 In Ga P 활성층에 Si가 도우핑되어 n도전형으로 하는 것이 종래의 반도체레이저 소자와 다르며, 레이저소자로서의 작용, 기능들은 종래의 소자와 거의 같다.
또, In Ga P결정의 경우 결정성장온도와 밴드갭에너지(Eg)의 사이에는 제 4 도에 도시된 바와같은 관계가 있는 바(참고문헌, Journal of Crystal Growth, 93(1988), p406~411), 이 제 4 도의 횡축은 In Ga P결정의 성장온도, 종축은 밴드갭에너지(Eg)를 나타낸다. 한편, 레이저의 발진파장을 670±10nm 정도로 하기위해서는 성장온도를 650℃~720℃로 해야만 하고, 이 성장온도에서는 비도우프 In Ga P가 자연초격자를 형성하게 되며, 여기에 Zn이 확산되면 초격자가 무질서화되어 합금 In Ga P로 되므로 Eg가 크게 된다. 비도우프 In Ga P 활성층의 경우에 발진파장이 단파장화되어 발진임계치전류가 상승하게 되지만, Si를 도우핑해도 초격자는 무질서화 되지 않으므로 Eg도 변화되지 않고 발진파장라던지 임계치전류의 변화는 없다.
상기한 반도체레이저소자에서는 n형 도우펀트로서 초격자를 무질서화하지 않는 Si를 In Ga P 활성층에 도우핑해서 n형 활성층으로 하기 때문에 그후의 p형 크래드층등의 결정성장시에 p형 크래드층의 Zn이 활성층으로 확산되는 것을 저지할 수 있게 된다.
상기한 본 발명의 실시예는 In1-y(Ga1-xAlx)yP 활성층으로y=0.5와x=0의 3원혼정의 활성층에 대해 설명했지만x≠0인 4원혼정으로 본 발명을 적용할 수 있다. 단, 이 경우에는 활성층의 조성비x,y와 크래드층의 조성비s,y를 선별함에 따라 양 층의 격자정합을 유지하면서 레이저발진조건을 만족하는 구조가 필요하게 된다.
또, 상기 실시예에서는 반도체발광소자로서 발진파장이 약 670nm의 반도체레이저소자를 취급하였지만, 이 소자에 한정되지는 않는다. 또한 본 발명은 발진파장이 같지 않은 다른 반도체레이저소자에 대해서도 또는 광통신용 발광다이오드(LED)등의 IS구조의 LED에도 적용할 수 있다.
[발명의 효과]
이상에서 설명한 바와같이, 본 발명의 In Ga Al P계 이중 헤테로 접합구조의 반도체발광소자에 있어서는 활성층에 n형 도우펀트로서 Si를 도우핑함에 따라 활성층의 결정구조를 변화시키지 않고, 또 결정 성장시에는 p형 In Ga Al P 크래드층으로부터 Zn확산을 저지할 수 있다. 또 본 발명에 의해, 발광소자의 발광파장이 단파장으로 이행되거나, 레이저소자의 경우 발진임계치전류가 증가되거나 하는 일없이 소자의 생산성과 신뢰성이 개선되는 구조의 반도체발광소자를 제공할 수 있다.
Claims (1)
- In1-y(Ga1-xAlx)yP(0≤x〈1, y0.5) 활성층(4)이 사이에 삽입되고, 이 활성층보다 큰 밴드갭에너지의 p도전형(5)과 n도전형(3)의 In Ga Al P크래드층을 적층해서 이루어진 이중헤테로접합구조를 갖춘 반도체발광소자에 있어서, n도전형 도우펀트로서 Si를 그 활성층에 도우핑해서 구성된 것을 특징으로 하는 반도체발광소자.
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Cited By (1)
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| KR20150082589A (ko) * | 2012-11-12 | 2015-07-15 | 오스람 옵토 세미컨덕터스 게엠베하 | 광전자 반도체 칩 및 광전자 반도체 칩들의 제조 방법 |
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