KR20030007702A - 질화물 반도체 발광 소자와 그것을 포함하는 광학 장치 - Google Patents

Abstract

질화물 반도체 발광 소자는, 복수의 양자 웰층과 복수의 장벽층이 교대로 적층된 다중 양자 웰 구조를 갖는 발광층(106)을 포함하고, 그 양자 웰층은 XN_1-x-y-zAs_xP_ySb_z(0≤x≤0.15, 0≤y≤0.2, 0≤z≤0.05, x+y+z>0)로 이루어지며, 여기서 X는 1종 이상의 Ⅲ족 원소이고, 장벽층은 적어도 Al을 포함하는 질화물 반도체층으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

Description

질화물 반도체 발광 소자와 그것을 포함하는 광학 장치{NITRIDE SEMICONDUCTOR LIGHT-EMITTING DEVICE AND OPTICAL APPARATUS INCLUDING THE SAME}

종래부터, 질화물 반도체는 발광 소자나 하이 파워 반도체 디바이스로서 이용 또는 연구되고 있다. 질화물 반도체 발광 소자의 경우, 청색부터 등나무 색까지의 넓은 색 범위 내의 발광 소자를 제작할 수 있다. 최근에는 그 질화물 반도체 발광 소자의 특성을 이용하여, 청색이나 녹색의 발광 다이오드나, 청자색의 반도체 레이저 등이 개발되고 있다. 또한, 일본 특개평10-270804에서는 GaNAs 웰층/GaN 장벽층으로 이루어지는 발광층을 포함하는 발광 소자가 보고되어 있다.

그러나, 일본 특개평10-270804에 기재된 GaNAs/GaN 발광층에서는, N의 함유율이 높은 육방정계와 N의 함유율이 낮은 입방정계(섬아연 구조)에 상 분리를 일으키기 쉬워, 발광 효율이 높은 발광 소자가 얻어지기 어렵다.

〈발명의 개시〉

따라서, 본 발명에서는 질화물 반도체로 이루어지는 양자 웰 구조를 갖는 발광층을 포함하는 질화물 반도체 발광 소자에 있어서, 그 발광층의 결정성을 개선함과 함께 상 분리를 억제함으로써, 그 발광 효율을 향상시키는 것을 주 목적으로 하고 있다.

본 발명에 따르면, 질화물 반도체 발광 소자는 복수의 양자 웰층과 복수의 장벽층이 교대로 적층된 다중 양자 웰 구조를 갖는 발광층을 포함하고, 이들 양자 웰층은 XN_1-x-y-zAs_xP_ySb_z(0≤x≤0.15, 0≤y≤0.2, 0≤z≤0.05, x+y+z>0)로 이루어지며, 여기서 X는 1종 이상의 Ⅲ족 원소이고, 장벽층은 적어도 Al을 포함하는 질화물 반도체층으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

이와 같이 빛을 발하는 작용을 하는 발광층은 양자 웰층과 장벽층을 포함하고 있으며, 양자 웰층은 장벽층에 비하여 작은 에너지 밴드 갭을 갖고 있다.

장벽층은 In을 더 포함하는 것이 바람직하다. 또한, 장벽층은, As, P, 및 Sb로부터 선택된 어느 하나의 원소를 더 포함하는 것이 바람직하다.

질화물 반도체 발광 소자는 기판을 포함하고, 발광층의 양 주면 중에서 그 기판에 가까운 제1 주면에 접하는 제1 인접 반도체층과 기판으로부터 먼 제2 주면에 접하는 제2 인접 반도체층에 있어서, 적어도 제2 인접 반도체층은 적어도 Al을 포함하는 질화물 반도체로 이루어지는 것이 바람직하다. 제1 인접 반도체층 또는 제2 인접 반도체층과 직접 접하고 있는 것은 양자 웰층인 것이 바람직하다.

장벽층의 Al 함유량은 5×10¹⁸/㎤ 이상인 것이 바람직하다. 장벽층에서, V족 원소 내의 As 함유량은 7.5% 이하, P 함유량은 10% 이하, 그리고 Sb 함유량은 2.5% 이하인 것이 바람직하다.

발광층은 2층 이상이며 10층 이하의 웰층을 포함하고 있는 것이 바람직하다. 양자 웰층은 0.4㎚ 이상이며 20㎚ 이하의 두께를 갖고 있는 것이 바람직하다. 장벽층은 1㎚ 이상이며 20㎚ 이하의 두께를 갖고 있는 것이 바람직하다.

웰층과 장벽층 중 적어도 하나는 Si, O, S, C, Ge, Zn, Cd, 및 Mg로부터 선택된 적어도 1종의 도우펀트가 첨가되어 있는 것이 바람직하다. 그와 같은 도우펀트의 첨가량은 1×10¹⁶∼1×10²⁰/㎤의 범위 내에 있는 것이 바람직하다.

질화물 반도체 발광 소자의 기판 재료로서는 GaN이 바람직하게 이용될 수 있다.

이상과 같은 질화물 반도체 발광 소자는, 광 정보 판독 장치, 광 정보 기입 장치, 광 픽업 장치, 레이저 프린터 장치, 프로젝터 장치, 표시 장치, 백색 광원 장치 등의 다양한 광학 장치에서 바람직하게 이용될 수 있는 것이다.

본 발명은 발광 효율이 높은 질화물 반도체 발광 소자와 이것을 이용한 광학 장치에 관한 것이다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 질화물 반도체 레이저 소자의 구조를 도시하는 모식적인 단면도.

도 2는 실시예에 따른 레이저 소자의 칩 분할을 설명하기 위한 모식적인 상면도.

도 3은 레이저 소자의 웰층 수와 임계값 전류 밀도와의 관계를 도시하는 그래프.

도 4(a) 및 도 4(b)는 실시예에 따른 발광 소자 중의 에너지 밴드 갭 구조를모식적으로 도시하는 도면.

도 5(a) 및 도 5(b)는 실시예에 따른 발광 소자 중의 에너지 밴드 갭 구조의 다른 예를 모식적으로 도시하는 도면.

도 6은 종래의 발광 소자 중의 에너지 밴드 갭 구조를 모식적으로 도시하는 도면이다.

도 7은 실시예로서 질화물 반도체 기판을 이용한 레이저 소자의 구조를 도시하는 모식적인 단면도.

도 8은 본 발명에 따른 발광 소자에 있어서 이용될 수 있는 질화물 반도체 두께막 기판을 도시하는 모식적인 단면도.

도 9(a)는 본 발명에 따른 발광 다이오드 소자의 일례를 도시하는 모식적인 단면도이고, 도 9(b)는 도 9(a)의 다이오드 소자에 대응하는 모식적인 상면도.

도 10은 본 발명에 따른 발광 다이오드 소자의 웰층 수와 발광 강도와의 관계를 도시하는 그래프.

도 11은 본 발명에 따른 발광 소자가 이용된 광학 장치의 일례로서의 광 디스크 기록 재생 장치를 도시하는 모식적인 블록도.

〈발명을 실시하기 위한 최량의 형태〉

본 발명의 실시의 형태의 보다 구체적인 예로서, 여러가지의 실시예가 이하에서 설명된다.

일반적으로, 질화물 반도체 결정층을 성장시킬 때에는 GaN, 사파이어, 6H-SiC, 4H-SiC, 3C-SiC, Si, 첨정석(MgAl₂O₄) 등이 기판 재료로서 이용된다. GaN 기판과 마찬가지로 질화물 반도체로 이루어지는 다른 기판도 이용할 수 있으며, 예를 들면 Al_xGa_yIn_zN(0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤z≤1, x+y+z=1) 기판을 이용할 수도 있다. 질화물 반도체 레이저인 경우에는, 수직 횡 모드의 단봉(unimodal)화를 위해서는 클래드층보다 굴절율이 낮은 층이 그 클래드층의 외측에 접하고 있을 필요가 있어, AlGaN 기판을 이용하는 것이 바람직하다. 또한, Si, O, Cl, S, C, Ge, Zn, Cd, Mg, 또는 Be가 기판에 도핑되어도 된다. n형 질화물 반도체 기판을 위해서는 이들 도핑제 중에 Si, O, 및 Cl이 특히 바람직하다.

이하의 실시예에서는, 상술한 바와 같은 기판 중에 주로 사파이어 기판과 질화물 반도체의 C면{001} 기판에 대하여 설명되지만, 그 기판의 주면이 되는 면방위로서는 C면 외에, A면{11-20}, R면{1-102}, 또는 M면{1-100}을 이용해도 된다. 또한, 이들 면방위로부터 2도 이내의 오프 각도를 갖는 기판이면, 그 위에 성장하는 반도체 결정층의 표면 모폴로지가 양호하게 된다.

결정층을 성장시키는 방법으로는, 일반적으로 유기 금속 기상 성장법(MOCVD), 분자선 에피텍셜법(MBE), 하이드라이드 기상 성장법(HVPE) 등이 이용된다. 이들 중에서도, 제작되는 질화물 반도체층의 결정성이나 생산성을 고려하면, 기판으로서는 GaN 또는 사파이어를 사용하고, 결정 성장 방법으로서는 MOCVD법을 이용하는 것이 가장 일반적이다.

〈실시예 1〉

이하에서, 본 발명의 실시예 1에 의한 질화물 반도체 레이저 다이오드 소자를 설명한다.

도 1의 모식적인 단면도에 도시된 실시예 1에 따른 질화물 반도체 레이저 다이오드 소자는 C면(0001) 사파이어 기판(100), GaN 버퍼층(101), n형 GaN 컨택트층(102), n형 In_0.07Ga_0.93N 크랙 방지층(103), n형 Al_0.1Ga_0.9N 클래드층(104), n형 GaN 광 가이드층(105), 발광층(106), p형 Al_0.2Ga_0.8N 차폐층(107), p형 GaN 광 가이드층(108), p형 Al_0.1Ga_0.9클래드층(109), p형 GaN 컨택트층(110), n형 전극(111), p형 전극(112), 및 SiO₂유전체막(113)을 포함하고 있다.

도 1의 레이저 다이오드 소자를 제작하는 경우, 우선 MOCVD 장치 내에 사파이어 기판(100)을 세트하고, V족 원소인 N용 원료로서의 NH₃(암모니아)와 Ⅲ족 원소인 Ga용 원료로서의 TMGa(트리메틸갈륨)을 이용하여, 비교적 낮은 550℃의 기판 온도 하에서 GaN 버퍼층(101)을 25㎚의 두께로 성장시킨다. 다음으로, 상기한 N용과 Ga용의 원료 외에 SiH₄(실란)도 이용하여, 1050℃ 온도 하에서 n형 GaN 컨택트층(102)(Si 불순물 농도: 1×10¹⁸/㎤)을 3㎛의 두께로 성장시킨다. 계속해서, 기판 온도를 700℃ 내지 800℃로 정도로 낮추고, Ⅲ족 원소인 In용 원료로서 TMIn(트리메틸인듐)을 이용하여, n형 In_0.07Ga_0.93N 크랙 방지층(103)을 40㎚의 두께로 성장시킨다. 다시 기판 온도를 1050℃로 높이고, Ⅲ족 원소인 Al용 원료로서TMAl(트리메틸 알루미늄)을 이용하여 두께 0.8㎛의 n형 Al_0.1Ga_0.9N 클래드층(104)(Si 불순물 농도: 1×10¹⁸/㎤)을 성장시키고, 계속해서 n형 GaN 광 가이드층(105)(Si 불순물 농도: 1×10¹⁸/㎤)을 0.1㎛의 두께로 성장시킨다.

그 후, 기판 온도가 800℃로 낮아지고, 두께가 6㎚인 복수의 Al_0.02In_0.07Ga_0.91N 장벽층과 두께가 4㎚인 복수의 GaN_1-xAs_x(x=0.02) 웰층이 교대로 적층된 다중 양자 웰 구조를 갖는 발광층(106)을 형성한다. 본 실시예에서는, 발광층(106)은 장벽층에서 개시하여 장벽층에서 종료하는 다중 양자 웰 구조를 갖고, 3층의 양자 웰층을 포함하고 있다. 이들 장벽층과 웰층의 성장 시에는 이들 양방이 1×10¹⁸/㎤의 Si 불순물 농도를 갖도록, SiH₄가 첨가되었다. 또, 장벽층과 웰층의 성장 동안에 또는 웰층과 장벽층의 성장 동안에, 1초 이상으로 180초 이하의 성장 중단 기간을 삽입해도 된다. 이렇게 함으로써, 장벽층과 웰층의 평탄성이 향상되어, 발광 반 너비를 작게 할 수 있다.

일반적으로, 웰층에서 As, P, 또는 Sb의 함유량은 목적으로 하는 발광 소자의 발광 파장에 따라 조절할 수 있다. 예를 들면, 청자색의 410㎚ 근방의 발광 파장을 얻기 위해서는, GaN_1-xAs_x의 경우에는 x=0.02, GaN_1-yP_y의 경우에는 y=0.03, 그리고 GaN_1-zSb_z의 경우에는 z=0.01로 하면 된다. 또한, 청색의 470㎚ 부근의 발광 파장을 얻기 위해서는, GaN_1-xAs_x의 경우에는 x=0.03, GaN_1-yP_y의 경우에는 y=0.06,그리고 GaN_1-zSb_z의 경우에는 z=0.02로 하면 된다. 또한, 녹색의 520㎚ 근방의 발광 파장을 얻기 위해서는, GaN_1-xAs_x의 경우에는 x=0.05, GaN_1-yP_y의 경우에는 y=0.08, 그리고 GaN_1-zSb_z의 경우에는 z=0.03으로 하면 된다. 또한, 적색의 650㎚ 근방의 발광 파장을 얻기 위해서는, GaN_1-xAs_x의 경우에는 x=0.07, GaN_1-yP_y의 경우에는 y=0.12, 그리고 GaN_1-zSb_z의 경우에는 z=0.04로 하면 된다.

또한, 웰층으로서 InGaNAs계 또는 InGaNP계 반도체를 이용하는 경우에 목적으로 하는 발광 파장을 얻기 위해서는, In의 함유 비율 y에 따라, 하기 표 1 또는 표 2에 기재한 수치를 함유 비율 x의 값으로서 채용하면 된다.

발광층(106)을 형성한 후에는 기판을 다시 1050℃까지 승온하여, 두께 20㎚의 p형 Al_0.2Ga_0.8N 차폐층(107), 두께 0.1㎛의 p형 GaN 광 가이드층(108), 두께 0.5㎛의 p형 Al_0.1Ga_0.9N 클래드층(109), 및 두께 0.1㎛의 p형 GaN 컨택트층(110)을 순차적으로 성장시킨다. 또, p형 불순물로서는 EtCP₂Mg(비스에틸렌 시클로펜타 디에닐마그네슘)을 이용하여 5×10¹⁹∼2×10²⁰/㎤의 농도로 Mg가 첨가될 수 있다.

p형 GaN 컨택트층(110)에 있어서의 p형 불순물 농도는, p형 전극(112)과의 접합면에 근접함에 따라 높아지는 것이 바람직하다. 그렇게 하면, p형 전극과의 사이의 컨택트 저항이 보다 저감될 수 있다. 또한, p형층 내에서의 p형 불순물인 Mg의 활성화를 방해하는 잔류 수소를 제거하기 위해서, p형층의 성장 중에 미량의 산소를 혼입시켜도 된다.

p형 GaN 컨택트층(110)의 성장 후, MOCVD 장치의 리액터 내의 전체 가스를 질소 캐리어 가스와 NH₃대신에, 60℃/분의 냉각 속도로 온도를 강하시킨다. 기판 온도가 800℃로 저하한 시점에서 NH₃의 공급을 정지하고, 그 800℃의 기판 온도를 5분간 유지하고 나서 실온까지 냉각시킨다. 또, 이러한 일시적인 기판의 유지 온도는 650℃ 내지 900℃의 범위 내인 것이 바람직하고, 유지 시간은 3분 내지 10분의 범위 내인 것이 바람직하다. 또한, 그 유지 온도로부터 실온까지의 냉각 속도는 30℃/분 이상인 것이 바람직하다.

이렇게 해서 형성된 성장막의 표면을 라만 측정에 의해 평가한 결과, 종래의 질화물 반도체막에서 이용되고 있는 p형화 어닐링을 행하지 않아도, 성장 직후에이미 p형의 특성을 보이고 있었다. 또한, p형 전극(112)을 형성했을 때에, 그 컨택트 저항도 저감되어 있었다.

본 발명에서와 같이 발광층이 As, P, 또는 Sb를 포함하는 경우, 열에 의한 발광층의 손상(상 분리에 의한 발광 강도의 저하와 색 얼룩의 발생 등)이 생기기 쉬워, NH₃이외의 분위기 중에서 발광층의 성장 온도보다 높은 온도로 기판을 유지하는 것은 발광 강도의 저하를 초래하기 때문에 바람직하지 않다. 따라서, 상술한 바와 같이 MOCVD 장치로부터 기판을 추출하는 과정에서 p형화를 행하는 방법은, 기판의 추출 후에 p형화를 위한 어닐링을 생략할 수 있게 되어, 매우 유용한 것이다. 또, 종래의 p형화 어닐링을 생략하지 않으면 Mg의 활성화율이 더욱 향상되지만, 그 때에는 발광층의 손상을 고려하여 적어도 발광층의 성장 온도 이하(약 900℃ 이하)에서 어닐링 시간을 짧게(10분 이하) 할 필요가 있다. 한편, 도 1(또는 도 7 또는 도 9(a) 및 도 9(b))에 도시되어 있는 바와 같이 발광층(106(904))의 측면(레이저 다이오드의 경우에는 광 사출 단부면을 제외함)을 유전체막(113(910))으로 덮고 나서 어닐링함으로써 발광층으로부터의 질소 또는 As(또는 P 또는 Sb)의 방출을 방지하여, 발광층의 상 분리나 편석을 억제할 수 있다.

다음으로, MOCVD 장치로부터 추출한 에피택셜 웨이퍼를 레이저 다이오드 소자로 가공하는 프로세스에 대하여 설명한다.

우선, 반응성 이온 에칭 장치를 이용하여 n형 GaN 컨택트층(102)의 일부를 노출시키고, 이 노출 부분 위에 Hf/Au의 순서로 적층되어 이루어지는 n형전극(111)을 형성한다. 이 n형 전극(111)의 재료로서는 Ti/Al, Ti/Mo, Hf/Al 등의 적층을 이용할 수도 있다. Hf는 n형 전극의 컨택트 저항을 낮추는데 유효하다. p형 전극 부분에서는 사파이어 기판(100)의 <1-100> 방향을 따라 스트라이프 형상으로 에칭을 행하고, SiO₂유전체막(113)을 증착하고, p형 GaN 컨택트층(110)을 노출시켜, Pd/Au의 순서의 적층을 증착하고, 이렇게 해서 폭 2㎛의 릿지 스트라이프 형상의 p형 전극(112)을 형성한다. 이 p형 전극의 재료로서는 Ni/Au, 또는 Pd/Mo/Au 등의 적층을 이용할 수도 있다.

마지막으로, 벽개(clearage) 또는 드라이 에칭을 이용하여, 공진기 길이가 500㎛인 패브리-페로(Fabry-Perot) 공진기를 제작한다. 이 공진기 길이는, 일반적으로 300㎛ 내지 1000㎛의 범위 내에 있는 것이 바람직하다. 공진기의 미러 단부면은 사파이어 기판의 M면과 일치하도록 형성된다(도 2 참조). 벽개와 레이저 소자의 칩 분할은 도 2의 파선 2A와 2B를 따라 기판측으로부터 스크라이버를 이용하여 행해진다. 이렇게 함으로써, 레이저 단부면의 평면성이 얻어짐과 함께 스크라이브에 의한 부스러기가 에피택셜층의 표면에 부착되지 않기 때문에, 발광 소자의 수율이 양호하게 된다.

또, 레이저 공진기의 귀환법으로서는 패브리-페로형에 한정되지 않고, 일반적으로 알려져 있는 DFB(분포 귀환)형, DBR(분포 플러그 반사)형 등도 이용하여 얻는 것은 물론이다.

패브리-페로 공진기의 미러 단부면을 형성한 후에는, 그 미러 단부면에 SiO₂와 TiO₂의 유전체막을 교대로 증착하고, 70%의 반사율을 갖는 유전체 다층 반사막을 형성한다. 이 유전체 다층 반사막으로서는 SiO₂/Al₂O₃등의 다층막을 이용할 수도 있다.

또, n형 GaN 컨택트층(102)의 일부를 반응성 이온 에칭을 이용하여 노출시킨 것은 절연성의 사파이어 기판(100)이 사용되고 있기 때문이다. 따라서, GaN 기판 또는 SiC 기판과 같은 도전성을 갖는 기판을 사용하는 경우에는 n형 GaN층(102)의 일부를 노출시킬 필요는 없고, 그 도전성 기판의 이면 상에 n형 전극을 형성해도 된다. 또한, 상술한 실시예에서는 기판측으로부터 복수의 n형층, 발광층, 복수의 p형층의 순서로 결정 성장시키고 있지만, 반대로 복수의 p형층, 발광층, 및 복수의 n형층의 순서로 결정 성장시켜도 된다.

다음으로, 상술한 바와 같은 레이저 다이오드 칩을 패키지에 실장하는 방법에 대하여 설명한다. 우선, 상술한 바와 같은 발광층을 포함하는 레이저 다이오드가 그 특성을 살려 고밀도 기록용 광 디스크에 적합한 청자색(파장 410㎚)의 고출력(50㎽) 레이저로서 이용되는 경우, 예를 들면, In 땜납재를 이용하여 반도체 접합을 하측으로 하여 칩을 패키지 본체에 접속하는 것이 바람직하다. 또한, 패키지 본체나 히트 싱크부에 직접 칩을 부착하는 것이 아니라, Si, AlN, 다이아몬드, Mo, CuW, BN, SiC, Fe, Cu 등의 양호한 열전도성을 갖는 서브 마운트를 통해 접합시켜도 된다.

한편, 열전도율이 높은 SiC 기판, 질화물 반도체 기판(예를 들면 GaN 기판),또는 GaN 두께막 기판(예를 들면 도 8에 도시하는 기판(800)의 시드 기판(801)을 연삭 제거한 것) 위에 상술한 발광층을 포함하는 질화물 반도체 레이저 다이오드를 제작한 경우에는, 예를 들면 In 땜납재를 이용하여 반도체 접합을 상측으로 하여 패키지 본체에 접속할 수도 있다. 이 경우에도, 패키지 본체나 히트 싱크부에 직접 칩의 기판을 부착하는 것이 아니라, Si, AlN, 다이아몬드, Mo, CuW, BN, SiC, Fe, Cu 등의 서브마운트를 통해 접속해도 된다.

이상과 같이 하여, 발광층을 구성하고 있는 웰층에 As(또는 P 또는 Sb)를 포함하는 질화물 반도체를 이용한 레이저 다이오드를 제작할 수 있다.

다음으로, 상술한 실시예의 레이저 다이오드에 포함되는 발광층(106)에 관련하여 보다 상세히 설명한다.

본 발명과 같이 As, P, 또는 Sb를 포함하는 질화물 반도체의 웰층에서는 현재 실용화되어 있는 InGaN 웰층에 비하여 전자와 홀의 유효 질량이 작아지기 때문에, InGaN층을 이용한 종래의 레이저 발진 임계값 전류 밀도에 비하여 그 임계값을 낮게 할 수 있다. 이에 의해, 저소비 전력이며 고출력인 레이저 소자나 그 장기 수명화의 실현이 가능하게 된다.

그러나, 질화물 반도체 결정에 있어서 As, P, 또는 Sb의 혼정 비율이 높아지면, 그 결정 중에서 N의 함유율이 높은 육방정계와 N의 함유율이 낮은 입방정계(섬아연 구조)에 상 분리를 일으키게 된다. 이를 억제하기 위해서는 발광층을 구성하고 있는 웰층과 장벽층을 적정화할 필요가 있다.

우선, 웰층은 700℃ 이상이며 900℃ 이하의 온도에서 성장시켜야만 한다.왜냐하면, As, P, 또는 Sb를 포함하는 웰층은 이 성장 온도 범위로부터 벗어나면 쉽게 상 분리를 일으키기 때문이다.

또한, 웰층의 두께는 0.4∼20㎚의 범위 내에 있는 것이 바람직하다. 왜냐하면, 웰층 중의 As, P, 또는 Sb의 함유 비율이 낮은 경우에, 예를 들면 청자색의 파장 대역(400㎚ 전후)에서는 웰층의 두께가 20㎚ 이하이면 상 분리를 일으키고 있는 영역을 3% 이하로 억제할 수 있기 때문이다. 또한, 웰층 중의 As, P, 또는 Sb의 함유 비율이 높은 경우에는, 예를 들면 적색의 파장 대역(650㎚ 전후)에서는 웰층의 두께가 5㎚ 이하이면 상 분리를 일으키고 있는 영역을 3% 이하로 억제할 수 있다. 한편, 웰층의 두께가 0.4㎚ 이상인 것을 필요로 하는 것은, 이 두께보다 얇으면 웰층이 발광 영역으로서 작용하지 않게 되기 때문이다.

다음으로, 장벽층의 적정화에 관하여, 우선 상기한 상 분리 현상을 보다 적확하게 파악하기 위해서, GaNAs 웰층/GaN 장벽층의 발광층을 제작하여, 투과형 전자 현미경(TEM)으로 그 발광층의 계면을 관찰하였다. 그 결과, GaN층 위의 GaNAs층과의 계면보다 GaNAs층 위의 GaN층과의 계면에서 현저한 상 분리가 관찰되었다. 또한, 웰층과 장벽층과의 적층 수가 증대함에 따라 이 경향이 현저하게 되고, 에피택셜 성장 최외표면에 가까운 영역에서는 발광층이 거의 상 분리를 일으키고 있었다.

이러한 사실로부터, GaNAs 웰층의 상 분리가 그 웰층 상에 접하는 장벽층을 통해 차례로 전파하고, 최외표면 근방에서 발광층 전역이 상 분리를 일으켰다고 생각된다. 이것은 이러한 발광층에서는 복수의 웰층과 장벽층이 교대로 적층된 다중양자 웰 구조를 제작하는 것이 곤란한 것을 시사하고 있다. 또한, GaNAs층 위의 GaN 층과의 계면에서 상 분리가 현저하였으로, GaNAs층 위에 GaN층이 성장할 때에, Ga의 N에 대한 흡착율보다 As에 대한 흡착율이 높을 것으로 생각된다. 또한, GaN 결정은 본래는 1000℃ 이상에서 성장시키는 것이 바람직하지만, 웰층의 상 분리를 억제하기 위해서는 웰층과 동일한 온도에서 성장시켜야 하고, GaN의 결정성의 저하가 Ga와 As와의 흡착율을 높이고 있다고 생각된다. 또한, 발광층 상에 p형층을 성장시킬 때에 그 온도를 1000℃ 이상으로 올릴 필요가 있지만, 이러한 고온에서는 GaNAs 웰층 표면에 As 편석을 일으키기 쉬워, 웰층과 장벽층과의 계면에서의 As의 내부 확산에 의한 상 분리를 유발하는 것이라고 생각된다.

상술한 바와 같은 상 분리는 GaNP, GaNSb, GaNAsPSb, InGaNAs, InGaNP, InGaNSb, 또는 InGaNAsPSb 등의 웰층과 같이 As, P, 또는 Sb를 포함하는 다른 질화물 반도체 웰층에서도 마찬가지로 생길 수 있는 것이다. 단, 적어도 As, P, 또는 Sb를 포함하고, 또한 Al도 포함하는 웰층은 후술하는 본 발명에 따른 장벽층의 것과 마찬가지의 효과가 얻어져, 웰층으로서 바람직하게 이용될 수 있다. 예를 들면, AlInGaNAs, AlInGaNP, AlInGaNSb, 또는 AlInGaNAsPSb 등이 웰층으로서 이용될 수 있다.

웰층의 상 분리를 억제하기 위해서는 Al을 포함하는 질화물 반도체의 장벽층이 요구된다. Al은 기상 반응성이 높기 때문에, 에피택셜 웨이퍼의 표면에 도달하기 전에, 대부분이 Al을 함유하는 질화물 반도체 결정핵으로 되어 그 웨이퍼 표면 상에 피착한다. 그리고, Al은 화학적 결합력이 강하기 때문에, As, P, 또는 Sb를포함하는 웰층 위에 그 안정된 장벽층을 적층해도, As(또는 P 또는 Sb)와의 결합에 의한 재결정화를 일으키지 않는다. 또한, 안정된 장벽층은 웰층 내로부터의 As(또는 P 또는 Sb)나 N의 방출을 방지하도록 작용할 수도 있다.

또한, p형층을 적층하기 위해서 기판 온도를 웰층의 성장 온도보다 높은 온도(1000℃ 이상)로 높여도, Al을 함유하는 질화물 반도체 결정은 안정적으로 존재할 수 있기 때문에, As(또는 P 또는 Sb)의 편석에 의한 장벽층 내에의 확산이 생기기 어렵다. 따라서, Al을 함유하는 장벽층은 1개의 웰층의 상 분리의 영향이 다른 웰층에 전파하는 것을 방지하도록 작용할 수 있다. 즉, Al을 함유하는 장벽층을 이용함으로써, 다중 양자 웰 구조의 제작이 가능하게 된다.

그러나, Al을 함유하는 질화물 반도체 결정은, 일반적으로 성장 온도를 (900℃ 이상으로) 높이지 않으면 결정성이 나쁘게 된다. 그러나, As, P, Sb, 또는 In 중 어느 원소를 그 장벽층 중에 첨가함으로써, 그 장벽층의 성장 온도를 웰층의 성장 온도와 동등한 정도까지 낮출 수 있다. 이에 의해, 장벽층이 높은 성장 온도에 기인하는 발광층 중의 상 분리를 방지함과 함께, 장벽층의 결정성을 양호하게 할 수 있다. 이러한 장벽층 중의 V족 원소에 있어서의 As, P, 또는 Sb의 각각의 함유량으로서는 As의 경우에는 7.5% 이하, P의 경우에는 10% 이하, 그리고 Sb의 경우에는 2.5% 이하인 것이 바람직하다. 이것은 Al을 포함하는 장벽층이어도 As, P, 또는 Sb의 함유량이 지나치게 많아지면, 상 분리가 일어나기 시작하기 때문이다. 또한, 장벽층 내의 Ⅲ족 원소에 있어서의 In의 함유량은 15% 이하이면 된다. 왜냐하면, 장벽층이 Al을 함유하고 있기 때문에, In이 15% 이하이면 종래의 InGaN에서는관찰된 농도 분리가 거의 보이지 않기 때문이다.

또한, Al과, As, P, 또는 Sb의 원소를 함유하는 장벽층 중에, In이 더 첨가되어도 된다. 왜냐하면, In을 함유하면 장벽층 내의 에너지 밴드 갭이 작아지기 때문에, As, P, 또는 Sb의 함유량을 작게 할 수 있기 때문이다.

장벽층의 두께에 대해서는 1㎚ 이상이며 20㎚ 이하인 것이 바람직하다. 다중 양자 웰 구조에 의한 서브 밴드를 구성하기 위해서는, 장벽층의 두께는 웰층에 비하여 동등하거나 얇은 것이 바람직하지만, 웰층의 상 분리의 영향을 차폐하기 위해서는 웰층에 비하여 동등하거나 조금 두꺼운 것이 바람직하다.

발광층의 불순물의 첨가에 관해서는, 본 실시예에서는 웰층과 장벽층의 양방에 불순물로서 SiH₄(Si)을 첨가하였지만, 한 쪽 층에만 첨가해도 되고, 양층 모두 첨가하지 않아도 레이저 발진은 가능하다. 그러나, 포토 루미네센스(PL) 측정에 따르면, 웰층과 장벽층의 양방에 SiH₄을 첨가한 경우에, 첨가하지 않은 경우에 비하여 PL 발광 강도가 약 1.2배 내지 1.4배 정도 강해졌다. 이 때문에, 발광 다이오드에 있어서는 발광층 내에 SiH₄(Si) 등의 불순물을 첨가하는 것이 바람직하다. 본 발명의 웰층을 구성하고 있는 것은 As, P, 또는 Sb를 포함하는 혼정계이므로, 그 웰층 내에 In이 포함되어 있어도, As, P 및 Sb를 전혀 포함하지 않는 InGaN 결정에 비하여, In에 의한 국소 준위(localized energy level)를 형성하기 어렵기 때문에, 발광 강도는 웰층의 결정성에 강하게 의존한다고 생각된다. 따라서, Si 등의 불순물을 첨가함으로써 발광층의 결정성을 향상시킬 필요가 있다. 즉, 이러한 불순물에 의해 결정 성장을 위한 핵을 생성하고, 그 핵을 바탕으로 하여 웰층이 결정 성장함으로써 그 결정성이 향상된다. 본 실시예에서는 Si(SiH₄)을 1×10¹⁸/㎤의 농도로 첨가하였지만, Si 이외에 O, S, C, Ge, Zn, Cd, Mg 등을 첨가해도 마찬가지의 효과가 얻어진다. 또한, 이들 첨가 원자의 농도는 약 1×10¹⁶∼1×10²⁰/㎤ 정도가 바람직하다.

일반적으로, 레이저 다이오드의 경우에는 장벽층에만 불순물을 첨가하는 변조 도핑을 행하면, 웰층 내에서의 캐리어 흡수가 없기 때문에 임계값 전류 밀도가 저하되지만, 오히려 본 발명의 웰층에서는 불순물을 첨가한 쪽이 레이저의 임계값이 낮았다. 이것은 본 실시예에서는 질화물 반도체 기판과 상이한 사파이어 기판으로부터 출발하여 결정 성장을 진행시키고 있기 때문에, 결정 결함이 많고(관통 전위 밀도가 약 1×10¹⁰/㎠), 웰층 내에서의 불순물에 의한 캐리어 흡수를 고려하는 것보다 불순물을 첨가하여 결정성을 향상시킨 것이 레이저 임계값 전류 밀도의 저감에 유효하였다고 생각된다.

도 3에서, 발광층(다중 양자 웰 구조)에 포함되는 웰층의 수와 레이저 임계값 전류 밀도와의 관계가 사파이어 기판을 이용한 경우와 GaN 기판을 이용한 경우에서 상대적으로 비교되어 있다. 이 그래프의 횡축은 웰층의 수를 나타내고, 종축은 임계값 전류 밀도를 나타내고 있다. 또한, 0 표시는 사파이어 기판을 이용한 경우의 레이저 임계값 전류 밀도를 나타내고, ● 표시는 GaN 기판을 이용한 경우를나타내고 있다. 웰층 수가 10층 이하일 때에 임계값 전류 밀도가 낮아져, 실온 연속 발진이 가능하게 된다. 또한, 발진 임계값 전류 밀도를 더욱 저감시키기 위해서는 웰층 수가 2층 이상이며 5층 이하인 것이 바람직하다. 또한, 사파이어 기판보다 GaN 기판을 이용한 경우에 임계값 전류 밀도가 낮아지는 것을 알 수 있다.

발광층(106) 상에는 p형 AlGaN 차폐층(107)과 p형층(108)이 이 순서로 적층되도록 형성되어 있다. 이 p형층(108)은 레이저 다이오드의 경우에는 p형 광 가이드층에 대응하지만, 발광 다이오드의 경우에는 p형 클래드층 또는 p형 컨택트층에 대응한다.

PL 측정에 따르면, 차폐층(107)이 없는 경우와 있는 경우의 비교에서는, 차폐층이 있는 경우가 설계 발광 파장으로부터의 시프트량이 작아 PL 발광 강도도 강하였다. 상술한 레이저 다이오드의 발광층에 관련하여 설명한 바와 같이, 발광층(106)에 비하여 그 위의 p형층(108)의 성장 온도는 높기 때문에 발광층의 상 분리를 촉진하도록 작용한다. 그러나, 발광층과 그 위의 p형층 사이에 접하는 계면에 Al을 함유하는 차폐층(107)을 형성함으로써, 발광층의 상 분리를 억제하고 또한 As, P, 또는 Sb를 함유하는 발광층(106)으로부터의 영향(상 분리 등)이 p형층(108)으로 전파하는 것도 방지할 수 있다고 생각된다. 특히, 다중 양자 웰 구조를 갖는 발광층(106)이 웰층에서 개시하여 웰층에서 종료하는 도 4(b)의 구조를 갖는 경우에, 차폐층(107)의 효과가 현저하게 인정되었다.

이상의 점으로부터, 차폐층(107)은 적어도 Al을 함유하고 있는 것이 중요하다. 또한, 차폐층의 극성은 p형인 것이 바람직하다. 왜냐하면, 차폐층이 p형이아니면 발광층 근방의 pn 접합의 위치가 변화하여 발광 효율이 저하되기 때문이다.

상술한 경우와 마찬가지로, n형 AlGaN 차폐층을 발광층(106)과 n형층(105) 사이에 접하도록 형성해도 된다. 이 n형층(105)은 레이저 다이오드의 경우에는 n형 광 가이드층에 상당하지만, 발광 다이오드의 경우에는 n형 클래드층 또는 n형 컨택트층에 상당한다. 그와 같은 n형 AlGaN 차폐층의 효과는 p형 AlGaN 차폐층(107)과 거의 마찬가지이다.

다음으로, 발광층의 밴드 갭 구조에 관해서는, 도 6에서 종래의 밴드 갭 구조(특개평10-270804)가 도시되고, 도 4(a)에서 본 실시예의 밴드 갭 구조가 도시되어 있다. 도 6에서의 종래의 밴드 갭 구조에서는, 클래드층이 AlGaN, 광 가이드층이 GaN, 장벽층이 GaN, 그리고 웰층이 GaNAs로 구성되어 있어, 광 가이드층과 장벽층이 동일한 질화물 반도체 재료이므로, 이들의 에너지 밴드 갭과 굴절율도 동일하다. 따라서, 이 경우에는 서브 밴드에 의한 다중 양자 웰 효과를 얻기 어려워, 레이저 다이오드의 경우에는 이득의 감소(임계값 전류 밀도의 증가)를 초래하고, 발광 다이오드의 경우에는 파장의 반 너비의 증가(색 얼룩의 원인)를 초래한다. 또한, AlGaN 클래드층/GaN 광 가이드층의 경우에는 원래 서로의 굴절율 차가 작아 장벽층도 GaN으로 구성되어 있기 때문에 광 가둠 효과가 작아져, 수직 횡 모드의 특성이 양호하지 않다.

그래서, 본 실시예에서는 도 4(a)에 도시되어 있는 바와 같이 광 가이드층에 비하여 장벽층의 에너지 밴드 갭이 작아진다. 이에 의해, 도 6에 도시된 종래예에 비하여 서브 밴드에 의한 다중 양자 웰 효과가 얻기 쉬워지고, 또한 광 가이드층보다 장벽층의 굴절율이 커져 광 가둠 효과가 향상되어, 수직 횡 모드의 특성(단봉화)이 개선된다. 특히, 장벽층이 As, P, 또는 Sb를 함유하고 있는 경우에, 그 굴절율이 커지는 경향이 현저하여 바람직하다.

상술한 바와 같이 광 가이드층에 비하여 장벽층의 에너지 밴드 갭을 작게 하는 발광층의 구성은 도 4(a)와 도 4(b)에 도시되어 있는 바와 같이 2종류가 가능하다. 즉, 다중 양자 웰 구조를 갖는 발광층이 장벽층에서 시작되어 장벽층에서 끝나는 구성과 웰층에서 시작되어 웰층에서 끝나는 구성 중 어느 구성이어도 된다. 또한, 차폐층을 이용하지 않는 경우의 발광층의 밴드 갭 구조는 도 5(a)와 도 5(b)에 도시된 상태로 된다.

〈실시예 2〉

실시예 2에서는 실시예 1에서 설명된 다중 양자 웰 구조를 갖는 발광층 중의 웰층과 장벽층의 질화물 반도체 재료가 다양하게 바뀌었다. 이들 웰층과 장벽층의 질화물 반도체 재료의 조합이 표 3에 정의되어 있다.

표 3에서, △ 표시는 그다지 바람직하지 않은 웰층과 장벽층의 질화물 반도체 재료의 조합을 나타내고, ◎ 표시는 바람직한 조합을 나타내고 있다. 또, 표 3에서 AlGaN 장벽층만이 그다지 바람직하지 않은 것은 이하의 이유에서이다. 즉, 상술한 바와 같이 본 발명의 웰층의 성장 온도가 700℃ 이상 900℃ 이하가 아니면 그 웰층 내에서 결정계가 다른 상 분리가 생긴다. 그런데, AlGaN 장벽층의 적정한 성장 온도는 적어도 900℃ 이상이므로, 그 장벽층을 그 적정 성장 온도로 성장시키면, 웰층 내에서 상 분리가 생기게 된다. 한편, 웰층에 적정한 성장 온도(700℃ 이상 900℃ 이하)에서 장벽층을 성장시키면, 그 경우에는 AlGaN 장벽층의 결정성이 저하되어 바람직하지 않다. 유일하게, AlGaN 장벽층과 웰층의 양방에 적합한 성장 온도는 900℃ 밖에 없어, 결정 성장 범위가 좁아 제어성이 부족하기 때문이다.

표 3에서, 웰층은 As, P, 또는 Sb 중 어느 원소를 포함하고 있지만, 이들 복수 종류의 원소를 포함하고 있어도 된다. 즉, XGaN_1-x-y-zAs_xP_ySb_z(0≤X≤0.15, 0≤y≤0.2, 0≤z≤0.05, x+y+z>0)의 혼정이어도 되고, 여기서 X는 1종 이상의 Ⅲ족 원소를 나타낸다. 또, 이들 질화물 반도체 재료를 이용한 발광층에 관한 그 밖의 조건은 실시예 1의 경우와 마찬가지이다.

〈실시예 3〉

도 7에 도시된 실시예 3에서는, 실시예 1에서 이용된 사파이어 기판(100) 대신에 주면으로서 C면({0001}면)을 갖는 n형 GaN 기판(700)이 이용되었다. GaN 기판을 이용하는 경우, GaN 버퍼층(101)을 생략하여 n형 GaN층(102)을 직접 GaN 기판위에 성장시켜도 된다. 그러나, 현재 상업적으로 입수 가능한 GaN 기판은 그 결정성이나 표면 모폴로지가 충분히 양호하지 않기 때문에, 이들을 개선하기 위해서 GaN 버퍼층(101)을 삽입하는 것이 바람직하다.

실시예 3에서는 n형 GaN 기판(700)을 이용하고 있기 때문에, n형 전극(111)은 GaN 기판(700)의 이면에 형성할 수 있다. 또한, GaN 기판은 벽개 단부면이 매우 평활하기 때문에, 공진기 길이가 300㎛인 패브리-페로 공진기를 낮은 미러 손실로 제작할 수 있다. 또, 실시예 1의 경우와 마찬가지로 공진기 길이는, 일반적으로 300㎛ 내지 1000㎛의 범위 내에 있는 것이 바람직하다. 공진기의 미러 단부면은 GaN 기판(700)의 {1-100}면에 대응하도록 형성된다. 또한, 레이저 소자의 벽개와 칩 분할은 상술한 도 2의 경우와 마찬가지로 기판 측으로부터 스크라이버에 의해 행해진다. 또한, 레이저 공진기의 귀환 방법으로서, 상술한 DFB나 TBR을 이용하는 것도 물론 가능하고, 또한 미러 단부면에 실시예 1의 경우와 마찬가지의 유전 다층 반사막이 형성되어도 되는 것은 물론이다.

사파이어 기판 대신에 GaN 기판을 이용함으로써, 에피택셜 웨이퍼 내에 크랙을 생기지 않아 n형 AlGaN 클래드층(104)과 p형 AlGaN 클래드층(109)의 두께를 크게 할 수 있다. 바람직하게는, 이들 AlGaN 클래드층의 두께는 0.8∼1.8㎛의 범위 내에 설정된다. 이에 의해, 수직 횡 모드의 단봉화와 광 가둠 효율이 개선되어, 레이저 소자의 광학 특성의 향상과 레이저 임계값 전류 밀도의 저감을 도모할 수 있다.

그런데, 상술한 바와 같이 본 발명에 따른 발광층에 포함되는 웰층의 특성은그 웰층의 결정성(결정 결함)에 강하게 의존하기 때문에, 본 실시예에서와 같이 GaN 기판을 이용하여 해당 웰층을 포함하는 질화물 반도체 레이저 다이오드 소자를 제작하면, 그 발광층 내의 결정 결함 밀도(예를 들면, 관통 전위 밀도)가 저감되어, 사파이어 기판이 이용된 실시예 1에 비하여 레이저 발진 임계값 전류 밀도가 10% 내지 20%만큼 저감된다(도 3 참조).

또, 본 실시예에서의 발광층에 관한 그 밖의 조건에 대해서는, 실시예 1의 경우와 마찬가지이다. 단, 발광층 내의 불순물 농도에 관해서는 장벽층 내에만 불순물을 첨가하는 변조 도핑, 또는 웰층에 3×10¹⁸/㎤ 이하의 농도의 불순물을 첨가함으로써, 레이저 임계값 전류 밀도가 실시예 1에 비하여 저감하였다. 이것은 상술한 바와 같이 발광층의 결정성이 사파이어 기판을 이용한 경우에 비하여 향상되었기 때문이라고 생각된다.

〈실시예 4〉

실시예 4는 실시예 1의 사파이어 기판(100)을 도 8에 도시된 기판(800)으로 치환한 것을 제외하고, 실시예 1 또는 실시예 3과 마찬가지이다. 도 8의 기판(800)은 순차적으로 적층된 시드 기판(801), 버퍼층(802), n형 GaN막(803), 유전체막(804), 및 n형 GaN 두께막(805)을 포함하고 있다.

이러한 기판(800)의 제작에 있어서는, 우선 시드 기판(801) 위에 MOCVD법으로 550℃의 비교적 저온에서 버퍼층(802)을 적층한다. 그 위에, 1050℃ 온도에서 Si을 도핑하면서 두께 1㎛의 n형 GaN막(803)이 형성된다.

n형 GaN막(803)이 형성된 웨이퍼를 MOCVD 장치로부터 추출하고, 스퍼터법, CVD법, 또는 EB 증착법을 이용하여 유전체막(804)을 두께 100㎚로 형성하고, 리소그래피 기술을 이용하여 그 유전체막(804)이 주기적인 스트라이프 형상 패턴으로 가공된다. 이들 스트라이프는 n형 GaN막(803)의 <1-100> 방향을 따르고 있고, 이 방향에 직교하는 방향인 <11-20> 방향으로 10㎛의 주기적 피치와 5㎛의 스트라이프 폭을 갖고 있다.

다음으로, 스트라이프 형상으로 가공된 유전체막(804)이 형성된 웨이퍼가 HVPE 장치 내에 세트되고, 1×10¹⁸/㎤의 Si 농도와 350㎛의 두께를 갖는 n형 GaN 두께막(805)이 1100℃의 성장 온도에서 퇴적된다.

n형 GaN 두께막(805)이 형성된 웨이퍼는 HVPE 장치로부터 추출되고, 그 위에 실시예 1(도 1 참조)과 마찬가지의 레이저 다이오드가 제작되었다. 단, 실시예 4에서는 레이저 다이오드의 릿지 스트라이프 부분 1A가 도 8의 라인(810, 811)의 바로 윗쪽에 위치하지 않도록 제작되었다. 이것은 관통 전위 밀도(즉, 결정 결함 밀도)가 적은 부분에 레이저 소자를 제작하기 위함이다. 이와 같이 하여 제작된 실시예 4의 레이저 다이오드의 특성은 기본적으로 실시예 3의 경우와 마찬가지이었다.

또, 기판(800)은 연마기로 시드 기판(801)을 제거한 후에 레이저 다이오드용 기판으로서 이용되어도 된다. 또한, 기판(800)은 버퍼층(802) 이하의 모든 층을 연마기로 제거한 후에 레이저 다이오드 기판으로서 이용되어도 된다. 또한,기판(800)은 유전체막(804) 이하의 모든 층을 연마기로 제거한 후에 레이저 다이오드용 기판으로서 이용되어도 된다. 시드 기판(801)이 제거되는 경우, 실시예 3의 경우와 마찬가지로 그 기판의 이면 상에 n형 전극(111)을 형성할 수 있다. 또, 시드 기판(801)은 레이저 다이오드가 제작된 후에 제거할 수도 있다.

상기한 기판(800)의 제작에 있어서, 시드 기판(801)으로서는 C면 사파이어, M면 사파이어, A면 사파이어, R면 사파이어, GaAs, ZnO, MgO, 첨정석, Ge, Si, 6H-SiC, 4H-SiC, 3C-SiC 등의 어느 하나가 이용되어도 된다. 버퍼층(802)으로서는 450℃ 내지 600℃의 비교적 저온에서 성장된 GaN층, AlN층, Al_xGa_1-xN(0<x<1) 층, 또는 In_yGa_1-yN(0<y≤1)층의 어느 하나가 이용되어도 된다. n형 GaN막(803) 대신에, n형 Al_zGa_1-zN(0<z<1)막이 이용될 수 있다. 유전체막(804)으로서는 SiO₂막, SiN_x막, TiO₂막, 또는 Al₂O₃막 중 어느 하나가 이용되어도 된다. n형 GaN 후막(805) 대신에, n형 Al_wGa_1-wN(0<w≤1) 후막이어도 되고, 그 막 두께는 20㎛ 이상이면 된다.

〈실시예 5〉

실시예 5에서는 실시예 1의 광 가이드층의 재료가 다양하게 바뀌었다. 실시예 1에서는 n형 광 가이드층(105)과 p형 광 가이드층(108)이 모두 GaN으로 형성되어 있었지만, 이들 GaN층의 질소 원자의 일부가 As, P, 또는 Sb 중 어느 원소로 치환되어도 된다. 즉, GaN_1-x-y-zAs_xP_ySb_z(0≤x≤0.075, 0≤y≤0.1, 0≤z≤0.025, x+y+z>0)의 광 가이드층을 이용할 수 있다.

종래의 AlGaN 클래드층/GaN 광 가이드층에서는, 가령 클래드층 내의 Al 함유량을 증대시켰다고 해도, 이들 서로의 층의 굴절율 차가 작고, 반대로 격자 부정합이 증가하여 크랙의 발생이나 결정성의 저하를 초래한다. 한편, AlGaN 클래드층과 GaNAsPSb 광 가이드층과의 조합의 경우, As, P, 또는 Sb에 의한 밴드 갭에 있어서의 매우 큰 보우잉 효과 때문에, 종래에 비하여 근소한 격자 부정합으로 에너지 갭 차가 커질뿐만 아니라 굴절율 차도 커진다. 이에 의해, 질화물 반도체 레이저 다이오드 소자에 있어서 레이저 광을 효율적으로 가둘 수 있어, 수직 횡 모드 특성(단봉화)이 향상된다.

GaN_1-x-y-zAs_xP_ySb_z(0≤x≤0.075, 0≤y≤0.1, 0≤z≤0.025, x+y+z>0) 광 가이드층에서의 조성 비율에 관해서는, 그 광 가이드층이 발광층 내의 장벽층에 비하여 에너지 밴드 갭이 커지도록 x, y, 및 z의 조성비를 조정하면 된다. 예를 들면, 청자색 레이저(파장 410㎚) 소자 내의 GaN_1-xAs_x광 가이드층의 경우에는 As의 조성 비율 x가 0.02 이하로, GaN_1-yP_y광 가이드층의 경우에는 P의 조성 비율 y가 0.03 이하로, 그리고 GaN_1-zSb_z광 가이드층의 경우에는 Sb의 조성 비율 z가 0.01 이하로 조정된다. 또, 실시예 5에서의 발광층에 관한 다른 조건은 실시예 1의 경우와 마찬가지이다.

〈실시예 6〉

실시예 6은 질화물 반도체 발광 다이오드 소자에 관한 것이다. 실시예 6의 질화물 반도체 발광 다이오드 소자의 모식적인 종단면도인, 도 9(a)와, 상면도인도 9(b)가 도시되어 있다.

도 9(a)의 발광 다이오드 소자는 C면(0001) 사파이어 기판(900), GaN 버퍼층(901)(막 두께 30㎚), n형 GaN층 컨택트(902)(막 두께 3㎛, Si 불순물 농도 1×10¹⁸/㎤), n형 Al_0.1Ga_0.9N 차폐층겸 클래드층(903)(막 두께 20㎚, Si 불순물 농도 1×10¹⁸/㎤), 발광층(904), p형 Al_0.1Ga_0.9N 차폐층겸 클래드층(905)(막 두께 20㎚, Mg 불순물 농도 6×10¹⁹/㎤), p형 GaN 컨택트층(906)(막 두께 200㎚, Mg 불순물 농도 1×10²⁰/㎤), 투광성 p형 전극(907), 패드 전극(908), n형 전극(909), 및 유전체막(910)을 포함하고 있다.

단, 이러한 발광 다이오드 소자에 있어서, Al_0.1Ga_0.9N 차폐층겸 클래드층(903)은 생략되어도 된다. 또한, p형 전극(907)은 Ni 또는 Pd로 형성되고, 패드 전극(908)은 Au로 형성되고, 그리고 n형 전극(909)은 Hf/Au, Ti/Al, Ti/Mo, 또는 Hf/Al의 적층체로 형성될 수 있다.

본 실시예의 발광층에서는, 웰층과 장벽층의 각각에 SiH₄(Si 불순물 농도 5×10¹⁷/㎤)이 첨가되어 있다. 또, 이들 웰층과 장벽층의 질화물 반도체 재료에 대해서는 실시예 1의 경우와 마찬가지이다. 또한, 사파이어 기판(900) 대신에 GaN 기판을 이용한 경우에는 실시예 3과 마찬가지의 효과가 얻어지고, 도 8에 도시한 기판을 이용한 경우에는 실시예 4와 마찬가지의 효과가 얻어진다. 또한, GaN 기판은 도전성 기판이므로, 도 9(b)와 같이 발광 소자의 한 면측에 p형 전극(907)과 n형 전극(909)을 모두 형성해도 되고, GaN 기판의 이면 상에 n형 전극을 형성하고 에피택셜 최외표면 상에 투광성 p형 전극을 형성해도 된다.

또, 실시예 6에서의 발광층(904)에 포함되는 웰층과 장벽층에 관한 조건은 실시예 1의 경우와 마찬가지이다.

도 10에서는 발광 다이오드 소자의 발광층에 포함되는 웰층 수와 발광 강도의 관계가 도시되어 있다. 즉, 이 그래프에 있어서 횡축은 웰층 수를 나타내고, 종축은 발광 강도(arb. units: 규격화된 임의 단위)를 나타내고 있다. 즉, 도 10에서, 발광 다이오드의 발광 강도는 GaNP 웰층(GaNAs 웰층 또는 GaNSb 웰층으로도 무방함) 대신에 종래의 InGaN 웰층을 이용한 경우를 기준(파선)으로 하여 규격화되어 도시되어 있다. 또한, 그래프에서의 ○ 표시는 사파이어 기판을 이용한 경우의 발광 강도를 나타내고, ● 표시는 GaN 기판을 이용한 경우의 발광 강도를 나타내고 있다. 이 그래프로부터, 발광 다이오드에 포함되는 웰층의 바람직한 수는 2층 이상이며 10층 이하인 것을 알 수 있다. 또한, 사파이어 기판보다 GaN 기판을 이용한 경우에 발광 강도가 향상되는 것을 알 수 있다.

〈실시예 7〉

실시예 7은 질화물 반도체 슈퍼 루미너센트 다이오드 소자에 관한 것이다. 이 발광 소자에 있어서의 구성이나 결정 성장 방법은 실시예 1의 경우와 마찬가지이다. 또, 사파이어 기판 대신에 GaN 기판을 이용한 경우에는 실시예 3과 마찬가지의 효과가 얻어지고, 도 8에 도시된 기판을 이용한 경우에는 실시예 4와 마찬가지의 효과가 얻어진다. 또한, 발광층에 포함되는 웰층 수와 발광 강도와의 관계에 대해서는 실시예 6의 경우와 마찬가지이다.

〈실시예 8〉

실시예 8에서는 실시예 1, 3, 4, 6 및 7에서의 발광층 내의 웰층과 장벽층에 불순물 Si 대신에 1×10²⁰/㎤의 C가 첨가되었다. 이와 같이 웰층과 장벽층에서 불순물 Si 대신에 C를 이용한 경우에도 마찬가지의 효과가 얻어졌다.

〈실시예 9〉

실시예 9에서는 실시예 1, 3, 4, 6 및 7에서의 발광층 내의 웰층과 장벽층에 불순물로서 Si 대신에 1×10¹⁶/㎤의 Mg가 첨가되었다. 이와 같이 웰층과 장벽층에서 불순물로서 Si 대신에 Mg를 이용한 경우에도 마찬가지의 효과가 얻어졌다.

〈실시예 10〉

실시예 10에서는 실시예 1, 3, 4, 6 및 7에서의 발광층에 포함되는 웰층과 장벽층이 5주기의 GaN_0.98P_0.02웰층(두께 2㎚)/Al_0.01In_0.06Ga_0.93N 장벽층(두께 4㎚)으로 대체되었지만, 각각의 실시예와 마찬가지의 효과가 얻어졌다.

〈실시예 11〉

실시예 11에서는 실시예 1, 3, 4, 6 및 7의 발광층에 포함되는 웰층과 장벽층이 10주기의 GaN_0.95Sb_0.05웰층(두께 0.4㎚)/GaN 장벽층(두께 1㎚, Al 농도 5×10¹⁸/㎤)으로 대체된 것만 각각의 실시예와 다르게 되어 있다. 이 실시예 11에의한 발광 소자와 종래의 발광 소자에 대하여 PL 측정을 행한 결과, 전혀 Al을 포함하지 않는 GaN 장벽층을 포함하는 종래의 소자에서는 발광층 내의 상 분리에 기인하는 복수의 발광 파장 피크가 관찰되었지만, 실시예 11에 의한 소자에서는 1개의 발광 파장 피크만이 관찰되었다. 이러한 점으로부터, 실시예 11에서의 발광 소자에서는 발광층 내의 상 분리가 억제된 것이라고 생각된다.

〈실시예 12〉

실시예 12에서는 실시예 1, 3, 4, 6 및 7에서의 발광층에 포함되는 웰층과 장벽층이 2주기의 GaN_0.97As_0.03웰층(두께 6㎚)/In_0.04Al_0.02Ga_0.94N_0.99P_0.01장벽층(두께 6㎚)으로 대체되었지만, 각각의 실시예와 마찬가지의 효과가 얻어졌다.

〈실시예 13〉

실시예 13에서는 실시예 1, 3, 4, 6 및 7에서의 발광층에 포함되는 웰층과 장벽층이 4주기의 GaN_0.98As_0.02웰층(두께 4㎚)/Al_0.01Ga_0.99N_0.99As_0.01장벽층(두께 10㎚)으로 대체되었지만, 각각의 실시예와 마찬가지의 효과가 얻어졌다.

〈실시예 14〉

실시예 14에서는 실시예 1, 3, 4, 6 및 7에서의 발광층에 포함되는 웰층과 장벽층이 3주기의 GaN_0.97P_0.03웰층(두께 18㎚)/Al_0.01Ga_0.99N_0.98P_0.02장벽층(두께 20㎚)으로 대체되었지만, 각각의 실시예와 마찬가지인 효과가 얻어졌다.

〈실시예 15〉

실시예 15에서는 실시예 1, 3, 4, 6 및 7에서의 발광층에 포함되는 웰층과장벽층이 3주기의 GaN_0.97P_0.03웰층(두께 5㎚)/Al_0.1Ga_0.9N_0.94P_0.06장벽층(두께 5㎚)으로 대체되었지만, 각각의 실시예와 마찬가지인 효과가 얻어졌다.

〈실시예 16〉

실시예 16에서는 실시예 1, 3, 4, 6 및 7에서의 발광층에 포함되는 웰층과 장벽층이 3주기의 In_0.05Ga_0.95N_0.98P_0.02웰층(두께 4㎚)/Al_0.01In_0.06Ga_0.93N 장벽층(두께 8㎚)으로 대체되었지만, 각각의 실시예와 마찬가지인 효과가 얻어졌다.

〈실시예 17〉

실시예 17에서는 실시예 1, 3, 4, 6 및 7에서의 발광층에 포함되는 웰층과 장벽층이 5주기의 In_0.1Ga_0.9N_0.94As_0.06웰층(두께 2㎚)/Al_0.01In_0.06Ga_0.93N 장벽층(두께 4㎚)으로 대체되었지만, 각각의 실시예와 마찬가지인 효과가 얻어졌다.

〈실시예 18〉

실시예 18에서는 실시예 1, 3, 4, 6 및 7에서의 발광층에 포함되는 웰층과 장벽층이 5주기의 Al_0.01In_0.1Ga_0.89N_0.94As_0.06웰층(두께 2㎚)/Al_0.01In_0.06Ga_0.93N 장벽층(두께 4㎚)으로 대체되었지만, 각각의 실시예와 마찬가지인 효과가 얻어졌다.

〈실시예 19〉

실시예 19에서는 실시예 1, 3, 4, 6 및 7에서의 발광층에 포함되는 웰층과 장벽층이 3주기의 Al_0.01In_0.05Ga_0.94N_0.96P_0.04웰층(두께 4㎚)/Al_0.01In_0.06Ga_0.93N 장벽층(두게 8㎚)으로 대체되었지만, 각각의 실시예와 마찬가지인 효과가 얻어졌다.

〈실시예 20〉

실시예 20에서는 실시예 1 내지 실시예 5에 따른 질화물 반도체 레이저를 이용한 광학 장치가 제작되었다. 본 발명에 따른, 예를 들면 청자색(400∼410㎚의 발광 파장) 질화물 반도체 레이저를 이용한 광학 장치에서는, 종래의 질화물 반도체 레이저에 비하여 레이저 발진 임계값 전류 밀도가 낮아, 레이저 광 중의 자연 방출광이 감소하여 노이즈 광도 저감한다. 또한, 그와 같은 레이저 소자는 고출력(50㎽)이며 또한 고온 분위기 중에서 안정적으로 동작할 수 있기 때문에, 고밀도 기록 재생용 광 디스크의 기록 재생용 광학 장치에 적합하다.

도 11에는, 본 발명에 따른 레이저 소자(1)를 포함하는 광학 장치의 일례로서, 광 픽업 장치(2)를 포함하는 광 디스크 정보 기록 재생 장치의 모식적인 블록도가 도시되어 있다. 이 광학 정보 기록 재생 장치에서, 레이저 광(3)은 입력 정보에 따라 광 변조기(4)로 변조되고, 주사 미러(5) 및 렌즈(6)를 통해 디스크(7) 상에 기록된다. 디스크(7)는 모터(8)에 의해 회전된다. 재생 시에는 디스크(7) 상의 피트 배열에 의해 광학적으로 변조된 반사 레이저 광이 빔 스플리터(9)를 통해 검출기(10)로 검출되고, 이에 의해 재생 신호가 얻어진다. 이들 각 요소의 동작은 제어 회로(11)에 의해 제어된다. 레이저 소자(1)의 출력에 대해서는 통상은 기록 시에 30㎽이고, 재생 시에는 5㎽ 정도이다.

본 발명에 따른 레이저 소자는 상술한 바와 같은 광 디스크 기록 재생 장치에 이용될 수 있을 뿐만 아니라, 레이저 프린터, 빛의 3원색(청색, 녹색, 적색) 레이저 다이오드에 의한 프로젝터 등에 이용할 수 있다.

〈실시예 21〉

실시예 21에서는 실시예 6과 7에 의한 질화물 반도체 발광 다이오드가 광학 장치에 이용되었다. 일례로서, 본 발명에 따른 발광층을 이용한 빛의 3원색(적색, 녹색, 청색)에 의한 발광 다이오드 또는 슈퍼-루미너센트 다이오드를 포함하는 백색 광원을 제작할 수 있으며, 또한 이들 3원색을 이용한 디스플레이를 제작할 수도 있었다.

종래의 액정 디스플레이에 이용되고 있었던 할로겐 광원 대신에 이러한 본 발명에 따른 발광 소자를 이용한 백색 광원을 이용함으로써, 저소비 전력이며 고휘도의 백라이트를 얻을 수 있다. 즉, 본 발명의 발광 소자를 이용한 백색 광원은 휴대형 노트북 퍼스널 컴퓨터, 휴대 전화 등에 의한 맨-머신 인터페이스의 액정 디스플레이용 백라이트로서 이용할 수 있어, 소형화되고 고선명의 액정 디스플레이를 제공할 수 있게 된다.

또, 본 발명에서의 XN_1-x-y-zAs_xP_ySb_z웰층은 x≤0.15, y≤0.2, 및 z≤0.05의 조건을 충족시켜야 한다. 왜냐하면, 이 조건을 충족시키지 않으면 그 웰층의 결정성이 악화되기 때문이다.

이상과 같이 본 발명에 따르면, 복수의 양자 웰층과 복수의 장벽층이 교대로 적층된 다중 양자 웰 구조를 갖는 발광층을 포함하는 질화물 반도체 발광 소자에 있어서, 그 양자 웰층을 XN_1-x-y-zAs_xP_ySb_z(0≤x≤0.15, 0≤y≤0.2, 0≤z≤0.05,x+y+z>0)로 형성하고, 또한 장벽층에 Al을 함유시킴으로써, 웰층의 상 분리를 억제하여 그 발광 소자의 발광 효율을 향상시킬 수 있다. 또, 여기서 X는 1종 이상의 Ⅲ족 원소를 나타내고 있다.

Claims (14)

1. 복수의 양자 웰층과 복수의 장벽층이 교대로 적층된 다중 양자 웰 구조를 갖는 발광층을 포함하고,

   상기 양자 웰층은 XN_1-x-y-zAs_xP_ySb_z(0≤x≤0.15, 0≤y≤0.2, 0≤z≤0.05, x+y+z>0)로 이루어지고, 여기서 X는 1종 이상의 Ⅲ족 원소이며,

   상기 장벽층은 적어도 Al을 포함하는 질화물 반도체층으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 소자.
2. 제1항에 있어서,

   상기 장벽층은 In을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 소자.
3. 제1항에 있어서,

   상기 장벽층은 As, P, 및 Sb로부터 선택된 어느 하나의 원소를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 소자.
4. 제1항에 있어서,

   상기 질화물 반도체 발광 소자에 포함되는 복수의 반도체층을 성장시키기 위한 기판을 포함하고, 상기 발광층의 양 주면 중에서 상기 기판에 가까운 제1 주면에 접하는 제1 인접 반도체층과 상기 기판으로부터 먼 제2 주면에 접하는 제2 인접 반도체층에서, 적어도 상기 제2 인접 반도체층은 적어도 Al을 포함하는 질화물 반도체로 이루어지는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 소자.
5. 제4항에 있어서,

   상기 제1 인접 반도체층 또는 상기 제2 인접 반도체층과 직접 접하고 있는 것은 상기 웰층인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 소자.
6. 제1항에 있어서,

   상기 장벽층의 Al 함유량이 5×10¹⁸/㎤ 이상인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 소자.
7. 제3항에 있어서,

   상기 장벽층에서, V족 원소 내의 As 함유량은 7.5% 이하이고, P 함유량은 10% 이하이며, 그리고 Sb 함유량은 2.5% 이하인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 소자.
8. 제1항에 있어서,

   상기 발광층은 2층 이상이며 10층 이하의 상기 웰층을 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 소자.
9. 제1항에 있어서,

   상기 웰층은 0.4㎚ 이상이며 20㎚ 이하의 두께를 갖고 있는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 소자.
10. 제1항에 있어서,

    상기 장벽층은 1㎚ 이상이며 20㎚ 이하의 두께를 갖고 있는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 소자.
11. 제1항에 있어서,

    상기 웰층과 상기 장벽층 중 적어도 한쪽은 Si, O, S, C, Ge, Zn, Cd, 및 Mg로부터 선택된 적어도 1종의 도우펀트가 첨가되어 있는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 소자.
12. 제11항에 있어서,

    상기 도우펀트의 첨가량은 1×10¹⁶∼1×10²⁰/㎤의 범위 내에 있는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 소자.
13. 제1항에 있어서,

    상기 발광 소자는 GaN 기판을 이용하여 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 소자.
14. 청구항 1에 기재된 상기 질화물 반도체 발광 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 장치.