KR200318416Y1 - 질화물 반도체 레이저 소자 - Google Patents

질화물 반도체 레이저 소자 Download PDF

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KR200318416Y1
KR200318416Y1 KR20-2003-0008719U KR20030008719U KR200318416Y1 KR 200318416 Y1 KR200318416 Y1 KR 200318416Y1 KR 20030008719 U KR20030008719 U KR 20030008719U KR 200318416 Y1 KR200318416 Y1 KR 200318416Y1
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KR
South Korea
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nitride semiconductor
laser device
layer
film
semiconductor laser
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KR20-2003-0008719U
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듀이린스키로버트
도라진스키로만
가르친스키저지
시에르즈토브스키레젝
간바라야스오
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니치아 카가쿠 고교 가부시키가이샤
암모노 에스피. 제트오. 오.
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/30—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region

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Abstract

고출력 타이프의 공진기단면을 구비한 질화물 반도체 레이저 소자를 제공하는 것으로서, n형 질화물 반도체층과 p형 질화물 반도체층 사이에, In을 포함하는 질화물 반도체로 되는 활성층을 포함하는 공진기를 가진 질화물 반도체 레이저 소자에 있어서, 상기 레이저 소자의 대향하는 공진기단면의 적어도 출사단면에 상기 In을 포함하는 질화물 반도체로 되는 활성층에 손상을 주지 않는 저온으로 형성되는 단결정 AlxGa1-xN(0x

Description

질화물 반도체 레이저 소자{Nitride Semiconductor Laser Device}
본 고안은 공진기단면에 단결정 AlxGa1-xN(0x1)으로 되는 단면막을 형성하여 되는 반도체 레이저 소자에 관한 것이다.
종래부터 널리 사용되고 있는 GaAs계의 반도체를 사용한 반도체 레이저 소자는 그 공진기 단면에 보호막을 형성하는 윈도구조에 의하여 레이저 소자의 장수명화를 가능하게 하였다. 질화물 반도체 레이저 소자에 있어서도 질화물 반도체는 RIE(반응성 이온에칭)이나 벽개에 의하여 형성된 공진기단면은 밴드갭에너지가 작기 때문에 출사광의 흡수가 단면에서 일어나고, 이 흡수에 의해 단면에 열이 발생하며, 100㎽이상의 고출력 레이저를 실현하기에는 수명특성의 문제가 생긴다. 이 때문에 보호막으로서는 AlGaInN 반도체막을 형성하는 방법(특개평 7-249830), AlN등의 보호막을 형성하는 방법(특개 2002-26442)이 제안되어 있다.
그러나, 상기에 설명한 보호막을 기상성장법에 의해 단결정으로 형성하는 경우에는 1000℃이상의 성장온도가 필요하고, 이러한 성장온도에서는 In을 포함하는 활성층이 손상을 받는다. 그 때문에, 이러한 보호막을 활성층이 손상하지 않는 온도로 형성하게 되면, 보호막은 아몰러스로 된다. 아몰러스의 보호막을 반도체 레이저 소장의 윈도구조에 사용하면 단결정으로 되지 않기 때문에 출사광의 산란이 생기고, 레이저 빔형상이 균일하게 되지 않으며, 또한 아몰러스는 색을 지니기 때문에 광흡수가 생기면 단면에서의 발열에 의해 단면열화가 일어난다고 하는 문제점이 있다.
그래서, 본 고안은 상기 문제를 해결하기 위해서는 활성층에 손상을 주지 않는 저온으로, 게다가 상기 문제가 생기지 않는 단결정 AlxGa1-xN(0x1)으로 되는 단면막을 구비하는 질화물 반도체 레이저 소자를 제공하는 것을 목적으로 한다.
도 1은 본 고안에 따른 질화물 반도체 레이저 소자의 단면절단도이다.
도 2a~도 2d는 양 단면에 단면막을 마스크로하여 형성하는 경우의 제조공정을 나타내는 단면도이다.
도 3a~도 3e는 본 고안에 따른 실시형태의 질화물 반도체 레이저 소자의 단면막 제조공정을 나타내는 단면도이다.
도 4는 기판에 보호막을 형성하여 본 고안을 적용하는 경우에 있어서 실시형태의 웨이퍼 단면도이다.
도 5a~도 5e는 벽개에 의한 질화물 반도체 레이저 소자의 제조방법에 본 고안을 적용한 경우의 공정설명도이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호 설명 *
1 : 도광판 2 : LED 광원
3 : 지지체 4 : 반사표면
10 : 일단면 11 : 광확산부
11a : 노치 12 : 발광표면
21 : LED 칩 31 : 소자씨드
100 : LED 바 광원 101 : 도광판
103 : 반사체 104 : 일단면
105 : 노치 111 : 광확산부
111a : 노치 124 : 투광성 수지
126 : 광출사표면
211a, 311a, 411a, 511a, 611a : 노치
211, 311, 411, 511, 611 : 광확산부
501 : 도광판 504 : 단면
505 : 오목부 506 : 상단단
507 : 하단단
본 고안에 따른 질화물 반도체 레이저 소자는 n형 질화물 반도체층과 p형 질화물 반도체층과의 사이에 In을 포함하는 질화물 반도체로 되는 활성층을 포함하는 공진기를 가진 질화물 반도체 레이저 소자에 있어서, 상기 레이저 소자의 대향하는공진기단면의 적어도 출사단면에, 상기 활성층에 손상을 주지 않는 저온으로 성장된 활성층보다 밴드갭에너지가 큰 단결정 AlxGa1-xN(0x1)으로 되는 단면막을 가진 것을 특징으로 한다.
여기서, In을 포함하는 질화물 반도체로 되는 활성층에 손상을 주지 않는 저온으로는 In을 포함하는 질화물 반도체로 되는 활성층의 형성온도 이하를 말한다. In을 포함하는 질화물 반도체로 되는 활성층은 통상 성장온도 900℃로 성장시키기 때문에 그 성장온도 이하의 온도라면, 상기 활성층이 분해등에 의해 손상을 받지 않는다. 따라서, 단면막의 성장온도가 900℃이하, 바람직하게는 600℃이하, 더욱 바람직하게는 500℃이하인 것이 좋다.
또한, 본 고안에 따른 질화물 반도체 레이저 소자에 있어서, In을 포함하는 질화물 반도체로 되는 활성층을 포함하는 공진기는 광도파영역을 말하며, 통상 활성층과 광가이드층에 의해 구성된다. 따라서, 본 고안에 있어서의 단면막은 적어도 상기 공진기단면영역을 덮도록 형성하면 된다. 상기 활성층은, 적어도 하나의 InGaN 우물층 또는 InAlGaN 우물층을 포함하고, 단일 또는 다중양자우물구조에 의해 구성된다.
본 고안의 단면막은 단결정 AlxGa1-xN(0x1)으로 구성된다. 이 혼성비율은 단면막의 기능과의 관계에 의하여 결정된다. 요컨대 활성층의 출사단면 밴드갭에너지는 출사단면 형성시에 행하는 에칭이나 벽개에 의하여 좁아지게 되기 때문에 단면막에 의해 이 단면의 밴드갭에너지를 광흡수가 없어지는 밴드갭에너지까지 확장하도록 혼정비가 결정된다. 단면막의 결정성을 고려하면 Al혼정비는 0.3이하, 바람직하게는 0.15이하가 좋다. 본 고안에 따른 질화물 반도체 레이자 소자에 있어서, 상기 단면막의 막두께는 50Å이상인 것이 바람직하지만, 단면막의 균일성을 확보하기 위해서는 1마이크로 이하, 바람직하게는 2000Å인 것이 좋다.
본 고안에서는 상기 단결정의 AlxGa1-xN(0x1)을 상기 저온으로 성장시키기 때문에 AMMONO법이 적용된다. 암모니아의 초임계 상태에서 AlxGa1-xN(0x1) 단결정층을 소정씨드면(본 고안에서는 레이저 소자의 공진기단면)에 형성하는 방법이며, AMMONO법의 채용에 의해 상기 단결정 단면막은 900℃이하, 바람직하게는 600℃이하, 더욱 바람직하게는 500℃이하에서 단결정 단면막을 형성할 수 있다. AMMONO법을 채용하면 통상으로 클레이브조성의 영향을 받아 상기 단면막은 Ni, Cr, Co, Ti, Fe, Al, Si, Mn으로 되는 군으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함하는 경우가 있다. 또한, 상기 단면막은 AMMONO법의 특징으로 하여 미네랄라이저로서 사용하는 족번호 1(IUPAC. 1989)원소, Li, K, Na 또는 Cs를 적어도 하나를 함유한다. 상기 단면막이 상기 질화물 반도체 레이저 소자로부터의 출사광을 흡수하지 않기 때문에 출사단면에서의 열흡수가 없게 되어 100㎽이상의 질화물 반도체 레이저 소자에 있어서도 COD의 발생은 억제된다.
또한, 상기 질화물 반도체 레이저 소자는 GaN기판, 사파이어기판, 스피넬기판, ZnO기판, SiC기판, 기타에는 사파이어기판등의 이종기판상에 GaN의 횡방향으로 성장된 ELO성장기판, 표면에 凹凸을 가진 질화물 반도체를 성장시킨 기판으로 되는군으로부터 선택되는 기판상에 형성된다. 여기서, ELO(Epitaxial-Lateral-Overgrowth) 기판으로 되는 GaN의 횡방향 성장을 이용한 기판으로, 전위결함을 저감시킨 기판이다. 초임계 암모니아중에서 AlxGa1-xN(0x1)을 단면막으로 하여 성장시키는 본 고안에 있어서는 GaN기판이 바람직하다. 단면막과 다른 조성의 이종기판을 단면막의 형성중에 초임계 암모니아를 사용하고 있는 질화물 반도체 레이저 소자의 경우, 단면막의 형성중에 초임계 암모니아중에 용해하여 재결정하는 단면막의 반도체중에 혼재하여, 불순물로 되는 경우를 극력히 피하기 때문이다. 상기 GaN기판은 초임계 암모니아에서 성장시킨 GaN기판등이다. 질화물 반도체와 다른 기판상에 성장시킨 질화물 반도체 레이저 소자는 디바이스공정에 있어서, 벽개를 행하는 것이 어려웠다. 이것은 GaN을 성장시킨 이종기판이 벽개성을 가지고 있지 않기 때문이다. 그러나, GaN기판은 벽개특성을 가지고 있기 때문에 공진기단면을 형성할 때에 경면(鏡面)을 얻는 것에 뛰어난 벽개에 의한 단면형성이 가능하게 되기 때문이다. 또 호모에피택셜성장이기 때문에 상기 레이저 소자를 성장 후에 기판의 휘어짐을 억제할 수 있다. 이것에 의해, 크랙의 발생이 없게 된다. 더욱이, 상기 GaN기판을 통상 레이저 소자를 형성하는 성장면이 C면으로 된다. 기상성장법에 의해 얻어지는 GaN기판을 얻기 때문이다. AMMONO법에 의하면, 초임계 암모니아중에서 GaN의 벌크 단결정을 C축 방향에 두께 2.5㎝이상으로 성장시킨 후 커팅하면 직경 1인치 이상인 A면이나 M면을 주면으로 한 GaN기판을 얻을 수 있다. A면 또는 M면은 극성이 없기(non-polar) 때문에 활성층에 분극작용을 미치지 않게 된다. 게다가 결함밀도가 104/㎝2 정도 또는 그 이하의 것이 얻어질 수 있다. 그밖에 (000-1)면을 주면으로 하는 GaN기판을 극성전환함으로써 C면인 (0001)면을 주면으로 할 수 있다.
상기 질화물 반도체 레이저 소자가 GaN기판의 C면상에 형성되면, 레이저 소자의 활성층에 분극작용을 주지 않으며, 게다가 공진기 출사면이 M면으로 되고, M면상에 M면 단면막이 형성되어서, 벽개에 유리하다. 상기 질화물 반도체 레이저 소자가 초임계 암모니아중에서 성장된 GaN기판의 M면상에 형성되면, 활성층에 분극작용이 미치지 않고, 게다가 공진기 출사면에 극성이 없는 A면 단면막을 형성할 수 있다.
본 고안은 질화물 반도체 레이저 소자의 제공에 있으며, 그 제조방법은 n형 질화물 반도체층과 p형 질화물 반도체층과의 사이에, In을 포함하는 질화물 반도체로 되는 활성층을 포함하는 공진기를 가진 질화물 반도체 레이저 소자의 제조방법에 있으며, 상기 레이저 소자에 에칭 또는 벽개를 행하여 대향하는 공진기단면을 형성하는 제 1 공정과, 상기 레이저 소자의 대향하는 공진기단면의 적어도 출사단면에 상기 활성층에 손상을 주지 않는 저온으로 성장되는 단결정 AlxGa1-xN(0x1)으로 되는 단면막을 형성하는 제 2 공정을 구비를 한다.
상기 제 2 공정은 초임계 암모니아중에서 상기 단면막을 형성함으로써 활성층에 손상을 주지 않는 저온으로 단결정의 AlxGa1-xN(0x1)으로 할 수 있다.
상기 제 2 공정에 있어서, 적어도 공진기의 p형 콘택트층의 상면에 초임계암모니아에 대하여 용해도가 단면막에 동등 또는 낮은 마스크를 형성한 후, 상기 단면막을 형성한다. 이 마스크를 형성함으로써 용해성이 강한 초임계 암모니아중에 있어서 질화물 반도체 레이저 소자의 단면막형성시에 레이저 소자의 공진기가 p형 콘택트층의 상면과 단면과의 각으로부터 용해하는 것을 억제할 수 있다.
상기 마스크는 산화규소, 질화규소, 질화암모늄, 모리브덴, 텅스텐으로 되는 군에서 선택된 것이 좋다. 이들 마스크재는 초임계 암모니아중에서 GaN에 비하여 안정하기 때문에, 이 마스크재로 피복한 영역의 콘택트표면에서는 용해를 억제할 수 있다. 마스크는 후공정에서 릿지의 형성시에 제거가 용이하다.
상기 질화물 레이저 소자의 제조방법에 있어서, 상기 단면막은 초임계 암모니아중에서의 성장온도가 100℃이상 900℃이하이다. 질화물 반도체 레이저 소자는 활성층을 InGaN을 포함한 양자우물구조를 하고 있기 때문에, 900℃보다 높은 온도에서 활성층상에 층을 성장하면 이 활성층은 분해할 우려가 있다. 본 고안에 의하면, 900℃이하, 바람직하게는 600℃이하의 온도에서 단면막을 성장시킬 수 있다.
[실시예]
이하 본 고안에 따른 실시형태에 대하여 설명한다.
도 1 은 본 고안에 따른 반도체 레이저 소자의 단면도로서, 사파이어기판(1)상에 n형 질화물 반도체층(2)과 p형 질화물 반도체층(4)이 적층되어 있고, 그 사이에 In을 포함하는 질화물 반도체로 되는 단일 또는 다중우물구조의 활성층(3)이 형성되어 있다. 이것에 의해 근자외(近紫外)에서부터 가시광의 녹색까지의 파장영역(370㎚이상 550㎚이하)에서 발광효율이 뛰어난 레이저 소자가 얻어진다.n형 질화물 반도체층(2)은 n-콘택트층(21), 크랙방지층(22), n형 클래드층(23) 및 n형 광가이드층(24)으로 된다. 또한, 상기 크랙방지층(22)은 GaN기판을 사용한 경우에는 웨이퍼의 휘어짐이 억제되기 때문에 생략가능하게 된다. p형 질화물 반도체층(4)은 캡층(41), p형 광가이드층(42), p형 클래드층(43), p형 콘택트층(44)으로 된다. 여기서, 상기 사파이어기판(1)상에 전위(轉位)결함저감층으로서 ELO이나 피트저감을 목적으로 한 AlGaN층을 개재시켜서 n콘택트층(21)을 형성하여도 된다. 상기 실시태양에서는, 반도체 레이저 소자의 공진기는 상기 활성층(3)과 p형층 및 n형층의 광가이드층(24, 42) 또는 캡층(41)으로 구성되어 있다. 공진기단면의 출사단면에는 단결정 AlxGa1-xN(0x1)으로 되는 단면막(5)이 형성되어 있다. 이 단면막은 공진기단면의 광반사측에도 형성하면(도 2) 반사광에 의한 단면열화를 억제할 수 있다.
이하 본 실시예의 형태에 따른 질화물 반도체 레이저 소자의 대표적인 3가지의 제조방법을 설명한다.
도 2a~d는 마스크를 형성하지 않고 단면막을 공진기 양단면에 만드는 공정을 나타내고,
도 3a~e는 공진기의 출사단면측이외에 마스크를 만들고, 출사면에 단면막을 형성하는 공정을 나타내며,
도 5a~e는 공진기의 출사단면을 M면으로 하고, 릿지, 전극을 형성한 후에 벽개로 출사단면을 형성한다. 이어 그 단면측이외에 마스크를 만들고 출사단면에 M면 단면막을 형성하며, 그 후 벽개등에 의해 칩화함으로써 레이저 소자를 형성하는 공정을 나타낸 것이다.
도 2에 나타내는 제 1 방법에서는 먼저 사파이어기판(1)상에 700℃이하의 저온으로 성장시킨 버퍼층(11)을 형성하고, 이 버퍼층(11)위에 n형 질화물 반도체층(2), 활성층(3) 및 p형 질화물 반도체층(4)을 순차로 성장시킨 웨이퍼를 준비한다(도 2a). 여기서, 저온 버퍼층(11)상에 ELO층을 개재시켜서 n형 질화물 반도체층을 성장시키면, 결함을 저감시킬 수 있다.
다음에, 상기 웨이퍼를 에칭에 의해 공진기단면 및 n 콘택트층(21)을 노출한다(도 2b). 그 후 공진기단면을 노출한 웨이퍼에 AMMONO법을 적용하여 단면막(5)을 형성한다.
포토크레이브내에 단면막의 원료로 되는 피드스토크, 반응촉진제로 되는 미네랄라이저와 같이, 상기 웨이퍼를 세트하고 암모니아를 투입하여 소정의 온도관리를 행함으로써 초임계 상태로 한다.
상기 웨이퍼는 사파이어기판(1)에 n형 질화물 반도체층(2), 활성층(3) 및 p형 질화물 반도체층(4)을 순차성장시킨 웨이퍼를 사용하지만 이것에 대신하여 사파이어기판과 같은 이종기판을 제거한 웨이퍼, 기판(1)에 n형 질화물 반도체층(2), 활성층(3) 및 p형 질화물 반도체층(4)을 순차성장시킨 웨이퍼로서, 공진기단면의 반사광측만을 초임계 암모니아에 용해하지 않던가 용해하여도 단면막중에 혼입하지 않는 재료, 예를 들면 Ag등으로 마스킹(6)한 웨이퍼, 상기 기판만을 마스킹한 웨이퍼(도 4)를 사용할 수 있다.
상기 초임계 암모니아중에서는 GaN의 용해도도 높고, p형 질화물 반도체층(4)의 표면에 마스크를 형성하지 않으면 가장 윗표면과 출사단면과의 각부에서 질화물 반도체가 용해한다. 그 때문에 p형 질화물 반도체(4)의 가장 윗표면인 p형 콘택트층을 마스크한다. 이 마스크재는 산화규소, 질화규소, 질화알루미늄, 모리브덴, 텅스텐으로부터 선택된다. 이들의 마스크재는 초임계 암모니아중에서 GaN에 비하여 안정하기 때문에 GaN의 용해를 억제할 수 있다. 이것에 의해 p형 콘택트층위에 마스크를 형성하면 p형 콘택트층과 출사단면과의 각부가 용해하는 것을 억제할 수 있는 것을 의미한다. 또한 단면막을 형성한 후 공정으로 제거가 용히한 것이 바람직하다. 이 마스크의 막압력은 1㎛이상으로 한다.
상기 표시한 웨이퍼를 포트그레이브내에 반응시킨 후의 웨이퍼는 질화물 반도체층의 노출면에 단결정 AlxGa1-xN(0x1)으로 되는 단면막을 형성하고 있다(도 2c).
이어서, p형 반도체층(4)위의 단면막을 취하고, 출사면상에 상기 보호막을, 반대측에는 반사막을 형성하고 홈부에서 커내어서 레이저 소자를 얻는다. 역기서 상기 보호막과 반사막은 동일 재료이어도 되며, 보호작용과 반사작용을 가지는 SiO2나 TiO2또는 이들의 복수개 막으로 형성된다.
도 3에 도시하는 제조방법에서는 먼저 GaN기판(1)의 C면상에 n형 질화물 반도체층(2), 즉 n-콘택트층(21), 크랙방지층(22), n형 클래드층(23) 및 n형 광가이드층(24), 이어서 활성층(3), p형 질화물 반도체층(4), 즉 캡층(41), p형 광가이드층(42), p형 클래드층(43), p 콘택트층(44)을 순차성장시킨 웨이퍼를 준비한다(도 3a). 여기서 GaN기판을 사용하기 때문에, 제 1 방법과 같이 저온 버퍼층(11)위에 ELO층을 개재하여 n형 질화물 반도체층(2)을 성장시키지 않고, 에피층의 결함을 낮출수 가 있다.
다음에, 상기 웨이퍼를 에칭에 의해 공진기단면 및 n-콘택트층(21)을 노출하고, 공진기단면의 출사면측을 제거하여 마스크(7)을 형성한다(도 3b). 그 후 공진기단면을 노출한 웨이퍼에 AMMONO법을 적용하여 단면막을 형성한다(도 3c).
다음에, 단면막을 형성한 후, 마스크(7)을 택하여 통상의 디바이스공정에 의해 릿지를 형성한다(도 3d). 광도파를 행하는 릿지스트라이프는 공진기 방향에 형성된다. 릿지의 폭은 1.0~20㎛이고, 릿지의 깊이는 p형 클래드층 또는 p형 가이드층까지 도달하여 있다. 그 후 릿지를 덮도록 ZrO2막으로 되는 매입층(70)을 형성한다. 릿지 최상부의 p형 콘택트층(43)에 접촉하도록 p형 오믹전극(80)을 형성한다. 상기 릿지의 수는 단수만은 아니고, 복수로 형성하여 멀티스트라이프형 레이저 소자로 할 수 있다. 그 다음, n형 콘택트층(21)의 표면에 n전극(90)을 p전극과 평행하게 형성한다. 이어서 p패드전극(110), n패드전극(120)을 형성한다. 다시 SiO2와 TiO2를 번갈아 형성하여 패턴닝함으로써 p전극 및 n전극 위를 제외하고 전체를 덮도록 SiO2/TiO2절연막을 레이저 발진을 위한 반사막(100)으로서 기능하도록 형성한다. 최후에 웨이퍼을 스크라이빙하여 개개의 질화물 반도체 레이저 소자를 분할한다. 이상과 같이하여, 질화물 반도체 레이저 소자를 제작할 수 있다(도 3e, 도1).
또한, 상기 단면막위에 공진을 효율좋게 행하기 위한 보호막을 형성하여도 된다. 이 보호막은 단면막인 AlGaN과 굴절율차를 가진 것이다. 구체적으로는 Nb, Ni, Cr, Ti, Cu, Fe, Zr, Hf, W, Rh, Ru, Mg, Al, Sc, Y, Mo, Ta, Co, Pd, Ag, Au, Pt, Ga, 또는 이들의 산화물, 질화물, 불소화물등의 화합물이다.
도 5a~ 5e는 제 3 방법으로서, 기판으로 GaN기판(1)의 A면을 사용하고 출사단면을 M면으로 하여 벽개에 의해 레이저 소자를 얻는 공정을 나타낸다. 이 GaN기판(1)위에 제 2 방법과 마찬가지로 질화물 레이저 소자를 형성한다. 동일부재에는 동일번호를 붙여서 설명을 생략한다. 다음에, 에칭에 의해 콘택트층(21)을 노출시킨다(도 5a). 그 후 릿지를 형성하고(도 5b), 다시 릿지 최상부의 p형 콘택트층(43)에 접촉하도록 p오믹전극(80)을 형성한다. 다음에 출사단면을 벽개에 의해 형성한다. 이것에 의해, 웨이퍼는 바 형상으로 된다. 그 후 초임계 암모니아중에서 단면막(5)을 형성한다(도 5d). 이것을 벽개하여 레이저 소자를 제작할 수 있다(도 5e).
초임계 암모니아를 사용한 AMMONO법으로는 초임계 상태의 암모니아중에서, 질화갈륨계 화합물이 음(-)의 용해도 곡선을 나타내는 것을 이용한 질화물 반도체의 성장법으로서, 폴란드출원(P-347918호 및 P-350375호) 및 PCT 출원(PCT/IB02/04185)에 상세히 기재되어 있으며, 당업자는 이하의 요약 및 실시예를 참조하여 용이하게 본 고안을 실시할 수 있다.
이러한 방법에 대하여 요약하면, 상기 음의 용해도 곡선과 반응계내에 있어서, 고온영역에서 질화물 반도체의 용해도가 낮고, 저온영역은 질화물 반도체의 용해도가 높은 것을 의미하며, 오토크레이브중에서 고온영역과 저온영역을 형성하여 그 온도차를 적절히 관리하면 저온영역에서는 질화물 용해가 생기는 한편, 고온영역에서는 질화물의 재결정이 일어나, 저온영역으로부터 고온영역으로 대류를 시킴으로써, 고온영역에서 질화물을 소정농도로 유지하고, 질화물 성장을 씨드위에 선택적으로 행하는 것이다.
따라서, 상기 웨이퍼는 상기 오토크레이브 반응계내에서의 고온영역에 배치되고, 피드스토크는 저온영역에 배치된다. 이것에 의해, 먼저 저온영역의 피드스토크가 용해하고, 과포화 상태를 형성한다. 다음에 반응계내에서는 대류가 일어나고 용해한 피드스토크는 고온영역으로 흐른다. 이 고온영역은 용해도가 낮기 때문에 용해한 피드스토크는 씨드인 웨이퍼상에서 재결정한다. 이 재결정에 의해 본 고안은 단면막을 형성한다. 또한, 이 방법은 질화물 반도체의 기상성장과 같은 900℃이상에서 질화물 반도체를 성장시키는 것이 아니고, 900℃이하, 바람직하게는 600℃이하, 더욱 바람직하게는 500℃이하의 저온에서 질화물 반도체를 성장시키는 것이 특징이기 때문에 고온영역에 배치된 웨이퍼의 In을 포함하는 활성층은 열에 의한 분해는 발생하지 않는다.
상기 피드스토크에는 단면막의 조성에 의하면 변하지만 단면막을 GaN막으로 형성하는 경우는, 일반적으로 GaN 단결정 또는 다결정을 사용하던가, 또는 GaN의 전구체나 Ga메탈을 사용하여, 일단 GaN 단결정 또는 다결정을 형성하고, 이것을 재결정시킬 수 있다. GaN은 HVPE법이나 MOCVD법의 기상성장에 의하여 형성된 것이나AMMONO법, 플럭스법이나 고압법에 의하여 형성된 것을 사용할 수 있다. GaN의 전구체에는 갈륨어지드, 갈륨이미드, 갈륨어미드 또는 이들의 혼합물을 사용할 수 있다.
AlN의 경우는 GaN과 마찬가지로 AlN 단결정 또는 다결정을 사용하던가 또는 AlN의 전구체나 Al메탈을 사용하여, 일단 AlN 단결정 또는 다결정을 형성하고, 이것을 재결정시킬 수 있다.
AlGaN의 경우는 AlN과 GaN의 공정(共晶)이기 때문에 양자의 피드스토크를 적절히 혼합하여 사용하지만, 메탈과 단결정 또는 다결정(예를 들면 Al메탈과 GaN 단결정 또는 다결정)을 사용하여, 바람직하게는 미네랄라이저를 2종이상 사용하는 것에 의해 소정의 조성을 얻는 것이 가능하다.
상기 미네랄라이저에는, 알카리금속(Li, Na, K, Cs) 또는 알카리금속 착체(알카리금속 아미드, 알카리금속이미드)를 사용할 수 있다. 여기서, 상기 알카리금속은 암모니아와 몰비가 1:200 ~ 1:2로서, 바람직하게는 Li를 사용한다. Li는 용해도가 낮은 미네랄라이저이기 때문에 노출된 단면을 용해하는 것을 억제할 수 있고, 게다가 50Å이상 1㎛이하라고 하는 얇은 단면막형성에도 편리하다.
상기 오토크레이브는 주로 Ni, Cr, Co로 되는 합금으로 구성되지만, 기타로는 Ti, Fe, Al, Si, Mn등을 함유하고 있다.
여기서 단결정 AlxGa1-xN으로 되는 단면막(5)의 막두께는 50Å이상으로 하는 것이 바람직하다. 이 막두께가 50Å보다 얇으면 에칭단면을 평탄화하는 효과가 작게 되기 때문이다. 또한, 막두께의 상한으로서는 당업자가 실시가능한 막두께이면 된다. 즉 본 고안에서는 단면막은 스트라이프 측면과 단면, 및 n형 콘택트층(21)의 표면에서 성장되지만 적어도 n형 콘택트층(21)의 표면위에 성장하는 막이 스트라이프의 활성층을 매입하는 것이 없도록 1㎛이하엣 성장을 중지하는 것이 바람직하다.
또한, 단면막(5)에 있어서, 효과적으로 평탄화하기 위해 Al의 혼정을 낮게 하는 것이 바람직하다. 그러나 본 고안과 같이 창 구조의 효과를 높이려면 Al을 소량만큼 혼정시킨다. 이 때문에 Al혼정이 제로이어도 되고, 단면막(5)은 AlxGa1-xN이고, 바람직하게는 0x0.3이며, 더욱 바람직하게는 0x0.15이다.
또한, 에칭후의 스트라이프 측면과 단면에 단면층을 성장시키면, 스트라이프의 측면과 단면을 매끄러운 미러면에 가까운 상태의 면으로 될 수 있다. 즉 에칭직후에 있어서, 스트라이프의 측면과 단면은 비교적 요철이 많은 면이지만, 단면막을 성장시킴으로써, 이 요철이 해소되어 매끄러운 면으로 된다. 또한, 단면막은 단일막이어도 되고, Al의 조성이 다른 복수층으로 되는 다층막이어도 된다.
이하에 본 고안에 따른 실시예를 나타낸다.
그러나 본 고안은 이하의 실시예에 한정되는 것이 아니다.
실시예 1
먼저 직경 2인치, C면을 주면으로 한 사파이어기판(1)을 MOCVD반응용기내에 세트하고, 온도를 510℃로 하며, 캐리어가스로서 수소, 원료가스로서 암모니아와TMG(트리메틸갈륨)을 사용하여 사파이어기판위에 GaN으로 되는 저온성장 버퍼층(11)을 200Å의 막두께로 성장시킨다.
사파이어를 성장시킨 후,
(1) n형 콘택트층으로서 Si를 3 ×1018/㎤ 도프한 GaN을 4㎛,
(2) 크랙방지층으론서 언도프 In0.06Ga0.94N을 1.5㎛,
(3) n형 클래드층으로서, 언도프 Al0.1Ga0.9N을 25Å과, Si를 1 ×1019/㎤ 도프한 n형 GaN층과를 번갈아 반복 적층하여 총 막두께 1.2㎛의 초격자,
(4) n형 광가이드층으로서 언도프 GaN을 0.2㎛,
(5) 활성층으로서 Si 도프 In0.05Ga0.95N으로 되는 장벽층 100Å과 언도프 In0.1Ga0.9N으로 되는 우물층 40Å과를 번갈아 적층한 장벽층/우물층/장벽층/우물층/장벽층으로 되는 총 막두께 380Å의 양자 우물층,
(6) p형 캡층으로서 Mg을 1 ×1020/㎤ 도프한 p형 Al0.3Ga0.7N을 300Å,
(7) p형 광가이드층으로서 언도프 GaN층을 0.2㎛,
(8) p형 클래드층으로서 언도프 Al0.16Ga0.84N25Å와 언도프 GaN25Å과를 번갈아 적층한 총 막두께 0.6㎛의 초격자층,
(9) p형 콘택트층으로서 Mg을 1 ×1020/㎤ 도프한 p형 GaN층을 150Å, 순차적층한다.
적층후, MOCVD반응용기내를 질소분위기로서 700℃에서 웨이퍼를 어닐링하여 p형 질화물 반도체층을 더욱 저저항화한다.
어닐링후, 웨이퍼를 반응용기에서 꺼내어서, 최상층의 p형 콘택트층 표면에 스트라이프 형상의 SiO2로 되는 보호막(마스크)를 형성하고, RIE에 의해 에칭을 행함으로써 스트라이프를 형성하여 공진기 단면 및 n형 콘택트층의 표면을 노출시킨다. p형 콘택트층의 표면에 형성된 SiO2보호막(마스크)은 습식에칭에 의해 제거한다.
다음에 웨이퍼를 시스템내가 초임계 암모니아인 반응용기(오토크레이브)내에 배치시킨다. 오토크레이브(36㎤)내에는, 웨이퍼이외에는 피드스토크로서 GaN을 0.5g, 암모니아를 14.7g, 또한 미네랄라이저로서 Li를 0.036g, 준비하여 밀폐한다. 이 오토크레이브내의 온도는 500℃이하로서, 고온영역과 저온영역을 형성한다. 550℃의 고온영역에는 웨이퍼를 배치시키고, 450℃의 저온영역에는 피드스토크의 GaN, Ga메탈을 배치시킨다. 이 오토크레이브내를 밀폐한 상태에서 3일간 방치한다.
이상과 같이 저온조건으로 초임게 암모니아중에서 단결정 GaN으로 되는 단면막을 100Å의 막두께를 스트라이프의 단면과 측면 및 노출된 n형 콘택트층의 표면, p형 콘택트층의 표면에 성장시킨다.
다음에, 단결정 GaN으로 되는 단면막을 형성한 후, 최상층의 p형 콘택트층의 상면에 형성한 단결정 GaN을 에칭제거한 후, 이 p형 콘택트층의 상면에 폭 1.5㎛의스트라이프 형상의 SiO2마스크를 형성하고, p형 클래드층의 도중까지 에칭함으로써 스트라이프부에 있어 다시 릿지를 형성한다. 이 에칭은, 에칭후 릿지양측의 p형 클래드층 막두께가 0.1㎛으로 되도록 행한다.
이상과 같이하여 폭 1.5㎛의 릿지부를 형성한다.
다음에 스파터법을 사용하여 SiO2마스크의 위에서부터 스트라이프의 상면을 덮도록 ZrO2막을 0.5㎛ 막두께로 형성한다.
그 열처리후, 스트라이프의 상면에 있어, 릿지부의 측면 및 릿지부의 양측 p 클래드층 표면에 ZrO2막으로 되는 매입층(70)을 형성한다. 이 ZrO2막에 의하여 레이저 발진시의 횡모드를 안정시킬 수 있다.
다음에, p형 콘택트층에 오믹접촉하도록 Ni/Au로 되는 p전극(80)을 형성하고, n콘택트층위에 Ti/Al로 되는 n전극(90)을 형성한다. 이어서, 웨이퍼를 600℃로 열처리한다. 그 후 p, n전극위에 Ni(1000Å)-Ti(1000Å)-Au(8000Å)로 되는 패드전극을 각각 형성한다. 그래서 SiO2와 TiO2로 되는 반사막(100)을 형성한 후 최후에 웨이퍼를 스크라이빙하여 개개의 질화물 반도체 소자로 분할한다.
이상과 같이하여 얻어진 질화물 반도체 레이저 소자에 각각 히트싱크를 설치하여, 레이저 발진을 행하면, COD레벨의 향상에 의해 임계값 2.0㎄/㎠, 100㎽, 바람직하게는 200㎽의 출력에서 발진파장 405㎚의 연속발진시간의 향상이 기대된다.
실시예 2
실시예 1에 있어서, 스트라이프부의 한쪽의 출사단면에만, 단결정 GaN으로 되는 단면막을 막두께 1㎛로 성장시키고, 기타의 점에는 실시예 1과 마찬가지로 하여 질화물 반도체 레이저 소자를 제작하였다.
이상과 같이하여 얻어진 레이저 소자에 각각 히트싱크를 설치하여 레이저 발진을 시켜던 바, 실시예 1과 마찬가지로 임계값 2.0㎄/㎠, 100㎽의 출력으로 발진파장 405㎚의 연속발진에서의 장수명을 기대할 수 있다.
실시예 3
실시예 1에 있어서, 사파이어기판상에 버퍼층을 형성한 후, HVPE법에 의하여, 막두께 100㎛의 GaN을 형성한다. 그 후, 실시예 1과 마찬가지로 n형 질화물 반도체층, 활성층, p형 질화물 반도체층을 형성하고 사파이어기판을 제거하여서 단체 GaN기판으로 한다. 기타의 점은 실시예 1과 마찬가지로 하여 공진기단면을 형성하고, 그 후 초임계 암모니아중에서 단결정 GaN을 100Å의 막두께로 단면막에 형성한다.
제작된 질화물 반도체 레이저 소자는 실시예 1과 마찬가지의 효과가 기대된다.
실시예 4
실시예 1에 있어서, 사파이어기판위에 버퍼층을 형성한 후, ELO층을 개재하여 HVPE법에 의해 막두께 100㎛의 GaN을 형성한다. 그 후 실시예 1과 마찬가지로 n형 질화물 반도체층, 활성층, p형 질화물 반도체층을 형성하고, 사파이어기판을 제거하여서 단체(單體) GaN기판상에 질화물 반도체 레이저 소자가 형성된다. 상기단체 GaN기판을 벽개성을 가지기 때문에 단면막의 형성을 벽개로 얻는다. 그 후 단면막으로서 단결정 GaN을 초임계 암모니아중에서 막두께 1㎛로 출사단면에 형성한다. 기타의 점은 실시예 1과 마찬가지로 하여 공진기단면을 형성하여 질화물 반도체 레이저 소자를 제작하였다.
제작된 질화물 반도체 레이저 소자는 실시예 1과 마찬가지의 효과가 기대된다.
실시예 5
실시예 1에 있어서, 사파이어기판상에 Ag코팅을 행한다. 기타의 점은 실시예 1과 마찬가지로 하여 질화물 반도체 레이저 소자를 제작하였다.
실시예 6
실시예 1에 있어서, 최상층의 p형 콘택트층의 표면에 격자패턴상의 SiO2로 되는 보호막을 형성하고, RIE에 의해 에칭을 행하여 공진기단면 및 n형 콘택트층의 표면을 노출시킨다. 다음에 p형 콘택트층의 표면에 형성된 상기 SiO2마스크를 막두께 0.5㎛인 상태에서 웨이퍼를 시스템내가 초임계 암모니아인 반응용기(오토크레이브)내에 배치시킨다. 기타의 점은 실시예 1과 마찬가지로 하여 질화물 반도체 레이저 소자를 제작하였다.
이상과 같이하여 얻어진 레이저 소자에 각각 히트싱크를 설치하여 레이저 발진을 시켜던 바, 실시예 1과 마찬가지로 임계값 2.0㎄/㎠, 100㎽의 출력으로 발진파장 405㎚의 연속발진에서의 장수명을 기대할 수 있다.
실시예 7
실시예 1에 있어서, 기판으로 두께가 100㎛의 단결정 GaN기판을 사용한다. 또한, 공진기단면을 형성하기 위해 단면을 벽개에 의해 노출시켜서, SiO2로 되는 마스크를 형성하고, 그 후 단면막을 성장시킨다. 기타의 점은 실시예 1과 마찬가지로 하여 질화물 반도체 레이저 소자를 제작하였다.
이상과 같이하여 얻어진 레이저 소자에 각각 히트싱크를 설치하여 레이저 발진을 시켜던 바, 실시예 1과 마찬가지로 임계값 2.0㎄/㎠, 100㎽의 출력으로 발진파장 405㎚의 연속발진에서의 장수명을 기대할 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 본 고안에 따른 질화물 반도체 레이저 소자는, n형 질화물 반도체층과 p형 질화물 반도체층 사이에 In을 포함하는 질화물 반도체로 되는 활성층을 구비하는 공진기를 가진 질화물 반도체 레이저 소자에 있어서, 상기 레이저 소자의 대향하는 공진기단면의 적어도 출사면에, 상기 In을 포함하는 질화물 반도체로 되는 활성층보다 저온에서 형성된 단결정 AlxGa1-xN(0x1)로 되는 단면막을 가지고 있기 때문에, 출사단면의 밴드갭에너지를 넓힐 수 있다. 이 때문에 단면에서의 광흡수를 억제하고, COD렙ㄹ을 향상시킬 수 있다.
이것에 의해, 본 고안에 의하면 신뢰성이 높고 수명특성이 양호한 출력 100㎽이상의 질화물 반도체 레이저 소자를 제공할 수 있다.

Claims (11)

  1. 구형 질화물 반도체층과 p형 질화물 반도체층 사이에 In을 포함하는 질화물 반도체로 되는 활성층을 포함하는 공진기를 가진 질화물 반도체 레이저 소자에 있어서, 상기 레이저 소자에 대향하는 공진기단면은 적어도 출사면 단면에 활성층에 손상을 주지 않게 저온으로 형성되고 상기 활성층보다 밴드갭에너지가 큰 단결정 AlxGa1-xN(0x1)으로 되는 단면막을 포함하여 구성됨을 특징으로 되는 질화물 반도체 레이저 소자.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 단면막의 막두께가 50Å이상 1㎛이하인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 레이저 소자.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 공진기 단면에 초임계 암모니아중에서 단결정 AlxGa1-xN(0x1)로 되는 단면막을 형성하여 되는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 레이저 소자.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 공진기의 p형 콘택트층을 적어도 마스킹하여 초임계 암모니아중에서 단결정 AlxGa1-xN(0x1)로 되는 단면막을 상기 공진기단면에 형성하여서 됨을 특징으로 하는 질화물 반도체 레이저 소자.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 단면막은 족번호 1(IUPAC 1989)원소를 적어도 하나를 함유하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 레이저 소자.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 활성층은 적어도 하나의 InGaN 우물층 또는 InAlGaN 우물층을 포함하는 양자우물구조인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 레이저 소자.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 질화물 레이저 소자는 GaN기판, 사파이어기판, 스피넬기판, ZnO기판, SiC기판, ELO성장기판, 표면에 요철을 가진 질화물 반도체를 성장시킨 기판으로 되는 군으로부터 선택되는 기판상에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 레이저 소자.
  8. 제 1 항 내지 제 6 항의 어느 한 항에 있어서,
    상기 질화물 반도체 레이저 소자가 GaN기판의 C면, A면, 또는 M면상에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 레이저 소자.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 질화물 반도체 레이저 소자가 GaN기판의 C면상에 형성되고, 상기 단면막이 M면 또는 A면상에 성장된 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 레이저 소자.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 질화물 반도체 레이저 소자가 GaN기판의 A면상에 형성되고, 공진기 출사면이 M면으로서, 이 M면은 상기 단면막이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 레이저 소자.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 질화물 반도체 레이저 소자가 초임계 암모니아중에서 성장된 GaN기판의 M면상에 형성되고, 공진기 출사면이 A면으로서, 이 A면상에 상기 단면막이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 레이저 소자.
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