KR20140026486A - 질화물 반도체 레이저, 및 에피택셜 기판 - Google Patents

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다카시 교노
요헤이 엔야
다카미치 스미토모
유스케 요시즈미
마사키 우에노
가츠노리 야나시마
구니히코 다사이
히로시 나카지마
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스미토모덴키고교가부시키가이샤
소니 주식회사
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Abstract

광 가둠성의 저하를 축소하면서 구동 전압의 저감을 가능하게 하는 질화물 반도체 레이저를 제공한다. 반도체 영역(19)에서는, 발광층(13)의 활성층(25), 제1 클래드 영역(21) 및 제2 클래드 영역(23)은 주면(17a)상에 설치된다. 제2 클래드 영역(23)은, 제1 p형 III족 질화물 반도체층(27) 및 제2 p형 III족 질화물 반도체층(29)을 포함한다. 제1 p형 III족 질화물 반도체층(27)은 InAlGaN층을 포함하고, 제2 p형 III족 질화물 반도체층(29)은 이 InAlGaN층과 상이한 반도체를 포함한다. 이 InAlGaN층은 비등방적인 변형을 내포한다. 제1 p형 III족 질화물 반도체층(27)은 제2 p형 III족 질화물 반도체층(29)과 활성층(25) 사이에 설치된다. 제2 p형 III족 질화물 반도체층(29)의 비저항(ρ29)은 제1 p형 III족 질화물 반도체층(27)의 비저항(ρ27)보다 낮다.

Description

질화물 반도체 레이저, 및 에피택셜 기판{NITRIDE SEMICONDUCTOR LASER AND EPITAXIAL SUBSTRATE}
본 발명은, 질화물 반도체 레이저, 및 질화물 반도체 레이저를 위한 에피택셜 기판에 관한 것이다.
특허문헌 1은, 질화물 반도체 레이저 소자를 개시한다. 질화물 반도체 레이저 소자는, 가이드층이나 활성층 등의 결정성을 향상시킬 수 있고 장파장의 레이저광을 발광한다. 또한 특허문헌 2는, 산화물 반도체 레이저 소자를 개시한다. 이 산화물 반도체 레이저 소자는, 좁은 방사각이나 낮은 발진 임계값 전류의 소자 특성을 가지며, 도파 모드의 안정성이 우수하다.
특허문헌 1: 일본 특허 공개 제2000-299532호 공보 특허문헌 2: 일본 특허 공개 제2005-39107호 공보
특허문헌 1에서는, p형 클래드층이, AlaGa1-aN(0≤a<1)을 갖는 제1 질화물 반도체로 구성되고, 이 AlaGa1 - aN의 Al 조성이, 활성층에 접근함에 따라 적어지도록 조성 경사져 있다. 활성층이, InbGa1 -bN(0≤b<1)을 포함하여 이루어지는 양자 우물 구조이며, p형 가이드층이, 활성층에 접근함에 따라, In의 조성이 많아지도록 조성 경사져 있다. 이때문에, p형 가이드층의 굴절률이, 활성층에 근접함에 따라 커지고, 결과적으로 활성층으로부터 클래드층으로 광이 퍼진다. 또한 p형 클래드층의 굴절률도, 활성층에 근접함에 따라 커지고, 클래드층에 전파광이 스며 나온다.
특허문헌 2에서는, n형 ZnO 단결정 기판상에, n형 클래드층 및 비도핑 양자 우물 활성층을 설치하고 있다. n형 클래드층은, 두께 1 ㎛를 갖는 n형 Mg0.08Zn0.92O 제1 클래드층과, 두께 0.1 ㎛의 n형 Mg0.1Zn0.9O 제2 클래드층(저굴절률)의 2층으로 구성된다. 낮은 굴절률의 제2 클래드층이 제1 클래드층보다 비도핑 양자 우물 활성층에 가깝다. 이 산화물 반도체 레이저 소자에서는, 도파 모드를 안정화하고 있다. 그러나, 특허문헌 2는 III족 질화물과 상이한 반도체의 레이저 소자와 관련되어 있고, 또한 전기적 특성의 개선에 대해서는 전혀 언급되어 있지 않다. 활성층에 가까운 MgZnO층의 굴절률이, 활성층으로부터 먼 MgZnO층의 굴절률보다 작다.
본 발명은, 광 가둠의 저하를 축소하면서 구동 전압의 저감을 가능하게 하는 질화물 반도체 레이저를 제공하는 것을 목적으로 한다. 또한, 본 발명은, 이 질화물 반도체 레이저를 위한 에피택셜 기판을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일측면에 따른 질화물 반도체 레이저는, (a) 질화갈륨계 반도체를 포함하는 주면을 갖는 도전성의 지지 기체와, (b) 상기 주면 위에 설치된 활성층과, (c) 상기 주면 위에 설치된 p형 클래드 영역을 구비한다. 상기 지지 기체의 상기 주면은, 상기 질화갈륨계 반도체의 c축 방향으로 연장되는 기준축에 직교하는 기준면에 대하여 경사지고, 상기 활성층은 상기 지지 기체와 상기 p형 클래드 영역 사이에 설치되며, 상기 p형 클래드 영역은, 제1 p형 III족 질화물 반도체층 및 제2 p형 III족 질화물 반도체층을 포함하고, 상기 제1 p형 III족 질화물 반도체층은 InAlGaN층을 포함하며, 상기 제2 p형 III족 질화물 반도체층은 이 InAlGaN층의 재료와 상이한 반도체를 포함하고, 상기 InAlGaN층은 비등방적인 변형을 내포하며, 상기 제1 p형 III족 질화물 반도체층은 상기 제2 p형 III족 질화물 반도체층과 상기 활성층 사이에 설치되고, 상기 제2 p형 III족 질화물 반도체층의 비저항은, 상기 제1 p형 III족 질화물 반도체층의 비저항보다 낮다.
이 질화물 반도체 레이저에 의하면, p형 클래드 영역은, 서로 상이한 재료의 제1 및 제2 p형 III족 질화물 반도체층을 포함하기 때문에, 제1 및 제2 p형 III족 질화물 반도체층의 각각은 조성 경사가 아니고, p형 클래드 영역은, 광 가둠성을 우수한 것으로 할 수 있다. 또한, 이 제1 p형 III족 질화물 반도체층은 제2 p형 III족 질화물 반도체층과 활성층 사이에 설치되어 있다. 정공은, 제1 p형 III족 질화물 반도체층의 비저항보다 낮은 제2 p형 III족 질화물 반도체층을 전도한 후에, 제1 p형 III족 질화물 반도체층에 도달한다.
또한, 제1 p형 III족 질화물 반도체층의 InAlGaN층은 비등방적인 변형을 내포하기 때문에, 이 InAlGaN층에서의 정공은, c면상에 성장되는 InAlGaN에 비해, 작은 유효 질량을 갖는다. 이 때문에, 제1 p형 III족 질화물 반도체층의 InAlGaN층의 비저항은 제2 p형 III족 질화물 반도체층의 비저항보다 높지만, InAlGaN층에서의 전도를, 작은 유효 질량의 정공이 담당한다. 따라서, 제2 p형 III족 질화물 반도체층으로부터의 정공이, 제1 p형 III족 질화물 반도체층에 도달하고 거기서 전도할 때, InAlGaN층에서의 동적인 전기 저항이, 제1 p형 III족 질화물 반도체층의 비저항으로부터 기대되는 값보다 우수한 것이 된다. 이 결과, 순방향 구동 전압이 저감된다.
본 발명의 별도의 측면에 따른, 질화물 반도체 레이저를 위한 에피택셜 기판은, (a) 질화갈륨계 반도체를 포함하는 주면을 갖는 도전성의 기판과, (b) 상기 주면 위에 설치된 활성층과, (c) 상기 주면 위에 설치된 p형 클래드 영역을 구비한다. 상기 주면은, 상기 질화갈륨계 반도체의 c축 방향으로 연장되는 기준축에 직교하는 기준면에 대하여 경사지고, 상기 활성층은 상기 지지 기체와 상기 p형 클래드 영역 사이에 설치되며, 상기 p형 클래드 영역은, 제1 p형 III족 질화물 반도체층 및 제2 p형 III족 질화물 반도체층을 포함하고, 상기 제1 p형 III족 질화물 반도체층은 InAlGaN층을 포함하며, 상기 제2 p형 III족 질화물 반도체층은 이 InAlGaN층의 재료와 상이한 반도체를 포함하고, 상기 InAlGaN층은, 비등방적인 변형을 내포하며, 상기 제1 p형 III족 질화물 반도체층은 상기 제2 p형 III족 질화물 반도체층과 상기 활성층 사이에 설치되고, 상기 제2 p형 III족 질화물 반도체층의 비저항은, 상기 제1 p형 III족 질화물 반도체층의 비저항보다 낮다.
이 에피택셜 기판에 의하면, p형 클래드 영역은, 서로 상이한 재료를 포함하는 제1 및 제2 p형 III족 질화물 반도체층을 포함하기 때문에, 제1 및 제2 p형 III족 질화물 반도체층의 각각은 조성 경사를 포함하지 않고, 이 때문에 p형 클래드 영역의 광 가둠을 우수한 것으로 할 수 있다. 또한, 이 제1 p형 III족 질화물 반도체층은 제2 p형 III족 질화물 반도체층과 활성층 사이에 설치되어 있다. p형 클래드 영역의 정공은, 제1 p형 III족 질화물 반도체층보다 낮은 제2 p형 III족 질화물 반도체층의 비저항을 전도한 후에, 제1 p형 III족 질화물 반도체층에 도달한다.
또한, 제1 p형 III족 질화물 반도체층의 InAlGaN층은 비등방적인 변형을 내포하기 때문에, 이 InAlGaN층에서의 정공은, c면상에 성장되는 InAlGaN에 비해, 작은 유효 질량을 갖는다. 이 때문에 제1 p형 III족 질화물 반도체층의 InAlGaN층의 비저항은 제2 p형 III족 질화물 반도체층의 비저항보다 높지만, 작은 유효 질량의 정공이, InAlGaN층에서의 전도를 담당한다. 따라서, 정공이, 제2 p형 III족 질화물 반도체층으로부터 제1 p형 III족 질화물 반도체층에 도달하고 거기서 전도할 때, InAlGaN층에서의 동적인 전기 저항이, 제1 p형 III족 질화물 반도체층의 비저항으로부터 기대되는 값보다 우수한 것이 된다. 이 결과, 이 에피택셜 기판을 이용한 질화물 반도체 레이저의 순방향 구동 전압이 저감 가능하게 된다.
본 발명의 상기 측면에서는, 상기 제1 p형 III족 질화물 반도체층의 밴드갭 에너지는 상기 제2 p형 III족 질화물 반도체층의 밴드갭 에너지보다 큰 것이 좋다. 상기 측면에 의하면, p측 영역에서의 광 가둠을 양호하게 할 수 있다.
본 발명의 상기 측면에 따른 발명에서는, 상기 제1 p형 III족 질화물 반도체층의 밴드갭은 3.47 일렉트론 볼트 이상이며, 3.63 일렉트론 볼트 이하인 것이 좋다. 상기 측면에 의하면, 제1 p형 III족 질화물 반도체층은 제2 p형 III족 질화물 반도체층보다 활성층에 가깝고, 상기 밴드갭값은, GaN계 발광 소자에 양호한 광 가둠을 가능하게 한다.
본 발명의 상기 측면에 따른 발명에서는, 상기 p형 클래드 영역의 두께는 300 ㎚ 이상이고, 1000 ㎚ 이하이며, 상기 제1 및 제2 p형 III족 질화물 반도체층은, 각각 두께 d1 및 d2를 가지며, 상기 제2 p형 III족 질화물 반도체층의 두께 d2는, 0.2≤d2/(d1+d2)≤0.6을 만족시키는 것이 좋다.
상기 측면에 의하면, 제2 p형 III족 질화물 반도체층의 두께가 상기 범위의 값을 가질 때, 제2 p형 III족 질화물 반도체층이, 나머지의 두께를 갖는 제1 p형 III족 질화물 반도체층과 함께, 양호한 광 가둠 및 낮은 구동 전압을 제공할 수 있다. 예컨대 상기 범위의 두께를 갖는 제2 p형 III족 질화물 반도체층은 그 낮은 비저항에 의해, 또한 상기 범위의 나머지 두께를 갖는 제1 p형 III족 질화물 반도체층은 그 낮은 유효 질량에 의해, 구동 전압의 저감에 도움이 된다. 상기 범위내의 두께를 각각 갖는 제1 및 제2 p형 III족 질화물 반도체층은, 전극과 양호한 접촉을 이루기 위해 필요한 콘택트층의 두께보다 두껍다.
본 발명의 상기 측면에 따른 발명에서는, 상기 제1 및 제2 p형 III족 질화물 반도체층에는 마그네슘(Mg)이 첨가되어 있고, 상기 제1 p형 III족 질화물 반도체층의 마그네슘 농도는 상기 제2 p형 III족 질화물 반도체층의 마그네슘 농도보다 작은 것이 좋다.
상기 측면에 의하면, 활성층에 가까운 제1 p형 III족 질화물 반도체층의 마그네슘 농도가 제2 p형 III족 질화물 반도체층의 마그네슘 농도보다 작기 때문에, 도펀트의 광 흡수에 기인하는 흡수 손실의 증대 및 도펀트의 이온 산란에 기인하는 이동도의 저감을 억제할 수 있다.
본 발명의 상기 측면에 따른 발명에서는, 상기 제1 p형 III족 질화물 반도체층의 마그네슘 농도는 8×1017㎝-3 이상일 수 있다. 마그네슘 농도가 이 범위일 때, 제1 p형 III족 질화물 반도체층의 비저항이 낮아진다. 또한, 상기 제1 p형 III족 질화물 반도체층의 마그네슘 농도는 2×1019㎝-3 이하일 수 있다. 마그네슘 농도가 이 범위를 초과할 때, 도펀트의 광 흡수에 기인하는 흡수 손실이, 임계값 전류의 증대에 현저히 영향을 미친다. 또한 도펀트의 이온 산란에 의한 이동도의 저감이 현저하게 된다.
본 발명의 상기 측면에 따른 발명에서는, 상기 지지 기체의 상기 주면과 상기 기준축이 이루는 각도는, 10도 이상 80도 이하 또는 100도 이상 170도 이하인 것이 좋다. 상기 측면에 의하면, 지지 기체 또는 기판의 주면의 경사가 이 각도 범위일 때, 정공의 유효 질량이 충분히 작아지고, 제1 및 제2 p형 III족 질화물 반도체층을 포함하는 p형 클래드 영역의 효과가 유효하게 발현된다.
본 발명의 상기 측면에 따른 발명에서는, 상기 지지 기체의 상기 주면과 상기 기준축이 이루는 각도는, 63도 이상 80도 이하 또는 100도 이상 117도 이하인 것이 좋다. 또한, 이 때, 상기 질화갈륨계 반도체의 c축은, 이 c축으로부터 상기 질화갈륨계 반도체의 m축에의 방향으로 경사지는 것이 좋다. 상기 측면에 의하면, 지지 기체 또는 기판의 주면의 경사가 이 각도 범위일 때, InAlGaN층의 성장을 위한 하지(下地)의 반극성면은, 이 InAlGaN 성장에서의 인듐 취득에 우수하다. 우수한 In 취득의 덕택으로, 양호한 결정성의 InAlGaN을 성장시킬 수 있고, 양호한 전기 전도의 InAlGaN층을 2층 클래드 영역에 제공하는 것을 용이하게 한다.
본 발명의 상기 측면에 따른 발명은, 상기 p형 클래드 영역에 접합을 이루도록 설치된 p형 콘택트 영역과, 상기 p형 콘택트 영역에 접합을 이루도록 설치된 전극을 더 구비할 수 있다. 상기 p형 콘택트 영역의 두께는 300 ㎚ 미만이고, 상기 p형 클래드 영역의 밴드갭 에너지는 상기 p형 콘택트 영역의 밴드갭 에너지 이상일 수 있다. 상기 측면에 의하면, 낮은 비저항의 제2 p형 III족 질화물 반도체층에, 밴드갭 에너지가 작고 억셉터의 활성화 에너지가 작은 p형 콘택트 영역으로부터 정공이 공급되어, 구동 전압의 저감에 도움이 된다.
본 발명의 상기 측면에 따른 발명은, 상기 p형 클래드 영역에 접합을 이루도록 설치된 p형 콘택트 영역과, 상기 p형 콘택트 영역에 접합을 이루도록 설치된 전극을 더 구비할 수 있다. 상기 p형 콘택트 영역의 두께는 300 ㎚ 미만이고, 상기 p형 클래드 영역의 p형 도펀트 농도는 상기 p형 콘택트 영역의 p형 도펀트 농도보다 낮을 수 있다. 상기 측면에 의하면, 낮은 비저항의 제2 p형 III족 질화물 반도체층에, p형 콘택트 영역으로부터 정공이 공급되어, 구동 전압의 저감에 도움이 된다. 또한 전극의 접촉 저항을 낮게 할 수 있다.
본 발명의 상기 측면에 따른 발명에서는, 상기 제2 p형 III족 질화물 반도체층은, 변형을 내포하는 InAlGaN층 및 변형을 내포하는 AlGaN층 중 어느 한 쪽인 것이 좋다.
상기 측면에 의하면, 제2 p형 III족 질화물 반도체층이 AlGaN층을 포함할 때, 이 AlGaN층은, InAlGaN층에 접합을 이루고 있고, 또한 비등방적인 변형을 내포한다. 이 변형에 의해, 제2 p형 III족 질화물 반도체층의 AlGaN층에서의 정공의 유효 질량을 작게 할 수 있다. 이 때문에, 제1 p형 III족 질화물 반도체층에의 정공의 유입을 용이하게 할 수 있다.
또한, 상기 측면에 의하면, 제2 p형 III족 질화물 반도체층이 InAlGaN층을 포함할 때, 이 InAlGaN층은, 하지의 InAlGaN층에 접합을 이루고 있고, 또한 비등방적인 변형을 내포한다. 이 변형에 의해, 제2 p형 III족 질화물 반도체층의 InAlGaN층에서의 정공의 유효 질량을 작게 할 수 있다. 또한, 제1 및 제2 p형 III족 질화물 반도체층간의 격자 정합과 독립하여, 원하는 밴드갭을 제2 p형 III족 질화물 반도체층에 제공할 수 있다.
본 발명의 상기 측면에 따른 발명에서는, 상기 제2 p형 III족 질화물 반도체층은 GaN층을 포함할 수 있다. 상기 측면에 의하면, GaN에 의한 낮은 비저항과 InAlGaN층에 의한 작은 유효 질량의 기술적 기여를 얻을 수 있다.
본 발명의 상기 측면에 따른 발명에서는, 상기 활성층은, 480 ㎚ 이상 550 ㎚ 이하의 광을 발생시키도록 설치되는 것이 좋다. 상기 측면에 의하면, 상기 파장 범위에서 양호한 광 가둠 및 낮은 구동 전압을 제공할 수 있다.
본 발명의 상기 측면에 따른 발명에서, 상기 c축은, 이 c축으로부터 상기 질화갈륨계 반도체의 m축에의 방향으로 경사지고, 상기 활성층은 InGaN층을 포함하는 것이 좋다. 상기 측면에 의하면, 활성층의 발광에서, 저임계값의 레이저 발진을 가능하게 하는 밴드간 이동이 선택된다.
본 발명의 상기 측면에 따른 발명은, 상기 활성층과 상기 지지 기체 사이에 설치된 n측 InGaN 광 가이드층과, 상기 활성층과 상기 p형 클래드층 사이에 설치된 p측 InGaN 광 가이드층을 더 구비할 수 있다. 상기 n측 InGaN 광 가이드층의 두께는, 상기 p측 InGaN 광 가이드층의 두께보다 큰 것이 좋다.
상기 측면에 의하면, n측 InGaN 광 가이드층의 두께를 p측 InGaN 광 가이드층의 두께보다 크게 하기 때문에, 활성층을 포함하는 광 도파로를 전파하는 광의 전계 분포의 피크가 n형 영역으로 이동하고, 낮은 구동 전압을 위해 p형 클래드 영역의 굴절률이, 광 가둠에 원하는 값에 비해 약간 높아질 때라도, 광 도파로 전체로서 양호한 광 가둠을 발광 소자에 제공할 수 있다.
본 발명의 상기 측면에 따른 발명은, 상기 활성층과 상기 지지 기체 사이에 설치된 n측 InGaN 광 가이드층과, 상기 활성층과 상기 p형 클래드층 사이에 설치된 p측 InGaN 광 가이드층을 더 구비할 수 있다. 상기 n측 InGaN 광 가이드층의 인듐 조성은, 상기 p측 InGaN 광 가이드층의 인듐 조성보다 큰 것이 좋다.
상기 측면에 의하면, n측 InGaN 광 가이드층의 인듐 조성을 p측 InGaN 광 가이드층의 인듐 조성보다 크게 하기 때문에, 활성층을 포함하는 광 도파로를 전파하는 광의 전계 분포의 피크가 n형 영역으로 이동하고, 낮은 구동 전압을 위해 p형 클래드 영역의 굴절률이, 광 가둠에 원하는 값에 비해 약간 높아질 때라도, 광 도파로 전체로서 양호한 광 가둠을 발광 소자에 제공할 수 있다.
본 발명의 상기 측면에 따른 발명은, 상기 활성층과 상기 지지 기체 사이에 설치된 n측 InGaN 광 가이드층과, 상기 활성층과 상기 p형 클래드층 사이에 설치된 p측 InGaN 광 가이드층을 더 구비할 수 있다. 상기 n측 InGaN 광 가이드층의 인듐 조성은 0.04 이상인 것이 좋다.
상기 측면에 의하면, n측 및 p측 InGaN 광 가이드층의 인듐 조성이 모두 0.04 이상이기 때문에, 이들 InGaN 광 가이드층의 굴절률을 높게 할 수 있다. 따라서, 광 도파로 전체로서 양호한 광 가둠을 발광 소자에 제공할 수 있다.
본 발명의 상기 측면에 따른 발명은, 상기 활성층과 상기 지지 기체 사이에 설치된 n측 InGaN 광 가이드층과, 상기 활성층과 상기 p형 클래드 영역 사이에 설치된 p측 InGaN 광 가이드층을 더 구비할 수 있다. 상기 n측 InGaN 광 가이드층의 두께와 상기 n측 InGaN 광 가이드층의 인듐 조성의 곱은, 상기 p측 InGaN 광 가이드층의 두께와 상기 p측 InGaN 광 가이드층의 인듐 조성의 곱보다 크고, 상기 n측 InGaN 광 가이드층의 두께와 상기 n측 InGaN 광 가이드층의 인듐 조성의 곱은 2 이상 10 이하이며, 여기서, 상기 n측 InGaN 광 가이드층의 두께의 단위는 ㎚로 표시되고, 상기 n측 InGaN 광 가이드층의 인듐 조성은 III족 구성 원소에 대한 몰비로 표시된다.
상기 측면에 의하면, n측 InGaN 광 가이드층의 두께와 인듐 조성의 곱을 p측 InGaN 광 가이드층의 두께와 인듐 조성의 곱보다 크게 하기 때문에, 활성층을 포함하는 광 도파로를 전파하는 광의 전계 분포의 피크가 n형 영역으로 이동하고, 낮은 구동 전압을 위해 p형 클래드 영역의 굴절률이, 광 가둠에 원하는 값에 비해 약간 높아질 때라도, 광 도파로 전체로서 양호한 광 가둠을 발광 소자에 제공할 수 있다.
본 발명의 상기 측면에 따른 발명에서는, 상기 지지 기체는 GaN 기판이고, 상기 GaN 기판의 c축의 격자 상수 D1(GaN)은, 상기 지지 기체의 상기 주면에 평행한 성분 D1(GaN)p와 상기 지지 기체의 상기 주면에 수직인 성분 D1(GaN)n을 가지며, 상기 InAlGaN층에서의 c축의 격자 상수 D1(InAlGaN)은, 상기 지지 기체의 상기 주면에 평행한 성분 D1(InAlGaN)p와 상기 지지 기체의 상기 주면에 수직인 성분 D1(InAlGaN)n을 가지며, 상기 InAlGaN층에서의 격자 부정합도 R1p는, (D1(InAlGaN)p-D1(GaN)p)/D1(GaN)p에 의해 규정되고, 상기 격자 부정합도 R1p는 -0.15% 이상 +0.2% 이하이다.
상기 측면에 의하면, 큰 밴드갭을 갖는 제1 p형 III족 질화물 반도체층에 미스피트 전위가 들어가지 않는다. 격자 정합에 따른 2개의 결정축 중 c축에 따른 격자 상수를 격자 정합시키는 것을 의도하고 있고, 다른 한 쪽의 축(a축 또는 m축)은 변형되어 있다. 이 비등방적인 변형에 의해 상기 유효 질량 저감의 효과를 발현시킨다.
본 발명의 상기 측면에 따른 발명에서는, 상기 지지 기체는 GaN 기판이고, 상기 c축은, 상기 질화갈륨계 반도체의 a축 및 m축 중 어느 한 쪽의 결정축에 경사져 있으며, 상기 GaN 기판의 c축의 격자 상수 D1(GaN)은, 상기 지지 기체의 상기 주면에 평행한 성분 D1(GaN)p와 상기 지지 기체의 상기 주면에 수직인 성분 D1(GaN)n을 가지며, 상기 InAlGaN층에서의 c축의 격자 상수 D1(InAlGaN)은, 상기 지지 기체의 상기 주면에 평행한 성분 D1(InAlGaN)p와 상기 지지 기체의 상기 주면에 수직인 성분 D1(InAlGaN)n을 가지며, 상기 InAlGaN층에서의 격자 부정합도 R1p는, (D1(InAlGaN)p-D1(GaN)p)/D1(GaN)p에 의해 규정되고, 상기 격자 부정합도 R1p는 -0.15% 이상 0% 이하이며, 상기 a축 및 m축 중 어느 다른 쪽 결정축에 관해서, 상기 InAlGaN층에서의 격자 부정합도 R2p는, (D2(InAlGaN)p-D2(GaN)p)/D2(GaN)p에 의해 규정되고, 상기 격자 부정합도 R2p는, 0% 이상 0.2% 이하를 만족시키며, 상기 D2(InAlGaN)p는 상기 D1(InAlGaN)p에 직교하고, 상기 D2(GaN)p는 상기 D1(GaN)p에 직교한다.
상기 측면에 의하면, 격자 정합에 따른 2개의 결정축 중 어느 한 쪽의 결정축에 격자 정합시키는 것이 아니다. 즉, 2개의 결정축 모두, 작은 어느 정도의 범위에서 변형되어 있다. 큰 밴드갭의 InAlGaN에서는, 결정축의 한 쪽에 관한 격자 정합을 행할 때, 다른 한 쪽의 격자 부정합도가 커지고, 제1 p형 III족 질화물 반도체층의 InAlGaN이 완화될 가능성이 있다. 이러한 InAlGaN을 이용할 때, 양결정축 모두 격자 정합되지 않지만, InAlGaN에 격자 부정합도가 낮은 조성을 제공하는 것이, 완화를 방지하기 때문에 유효하다. 양축에 관한 변형에 의해, 상기 유효 질량을 저감시킬 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 일측면에 의하면, 광 가둠성의 저하를 축소하면서 구동 전압의 저감을 가능하게 하는 질화물 반도체 레이저가 제공된다. 또한 본 발명의 별도의 측면에 의하면, 이 질화물 반도체 레이저를 위한 에피택셜 기판이 제공된다.
도 1은 본 실시형태에 따른 III족 질화물 반도체 레이저의 구조를 개략적으로 도시하는 도면이다.
도 2는 p형 클래드 영역에서의 비저항, 밴드갭 Eg 및 p형 도펀트 농도의 관계를 도시하는 도면이다.
도 3은 p형 클래드 영역에서의 제1 및 제2 p형 III족 질화물 반도체층이 가능한 구조를 도시하는 도면이다.
도 4는 실시예 1에서 제작된 III족 질화물 반도체 레이저의 구조를 개략적으로 도시하는 도면이다.
도 5는 실시예 1에서의 III족 질화물 반도체 레이저를 제작하는 공정 플로우를 도시하는 도면이다.
도 6은 실시예 1의 반도체 레이저 LD1과 반도체 레이저 LC1의 구동 특성(I-V 커브)을 도시하는 도면이다.
도 7은 실시예 2에서 제작된 III족 질화물 반도체 레이저의 구조를 개략적으로 도시하는 도면이다.
도 8은 실시예 3에서 제작된 III족 질화물 반도체 레이저의 구조를 개략적으로 도시하는 도면이다.
도 9는 실시예 4에서 제작된 III족 질화물 반도체 레이저의 특성을 도시하는 도면이다.
계속해서, 첨부 도면을 참조하면서, 본 발명의 질화물 반도체 레이저, 에피택셜 기판, 및 질화물 반도체 레이저 및 에피택셜 기판을 제조하는 방법에 따른 실시형태를 설명한다. 가능한 경우에는, 동일한 부분에는 동일한 부호를 붙인다.
도 1은, 본 실시형태에 따른 III족 질화물 반도체 레이저의 구조를 개략적으로 도시하는 도면이다. III족 질화물 반도체 레이저(11)는, 이득 가이드형의 구조를 갖지만, 본 발명의 실시형태는, 이득 가이드형의 구조에 한정되는 것이 아니고, 예컨대 리지 구조를 가질 수도 있다. III족 질화물 반도체 레이저(11)는, 지지 기체(17) 및 반도체 영역(19)을 포함한다. III족 질화물 반도체 레이저(11)를 위한 에피택셜 기판(EP)은, 지지 기체(17) 대신에 기판을 포함하고, 반도체 영역(19) 대신에 반도체 적층을 갖는다. 이 반도체 적층의 층 구조는 반도체 영역(19)의 층 구조와 동일하다. 에피택셜 기판(EP)은 전극을 포함하지 않는다.
이어서, III족 질화물 반도체 레이저(11)를 설명하지만, 이 기술은 III족 질화물 반도체 레이저(11)를 위한 에피택셜 기판(EP)에도 적용된다. 지지 기체(17)는 도전성을 갖고 있고, 이 도전성은, 예컨대 이 반도체 레이저(11)에 전류를 흘리기 위해 필요한 정도의 값이다. 지지 기체(17)는 주면(17a) 및 이면(17b)을 갖는다. 주면(17a)은 질화갈륨계 반도체를 포함하고, 예컨대 육방정계 GaN을 포함한다. 적절한 실시예에서는, 지지 기체(17)는 육방정계 III족 질화물 반도체를 포함하고, 더 나아가서는 질화갈륨계 반도체를 포함할 수 있다. 주면(17a)은, 질화갈륨계 반도체의 c축 방향[c축 벡터(VC)의 방향]으로 연장되는 기준축에 직교하는 기준면[예컨대, 대표적인 c면(Sc)]에 대하여 경사진다. 또한, 주면(17a)은 반극성을 나타낸다. 반도체 영역(19)은, 지지 기체(17)의 주면(17a)상에 설치되어 있다.
반도체 영역(19)은, 발광층(13)과, 제1 클래드 영역(21)과, 제2 클래드 영역(23)을 포함한다. 발광층(13)은 활성층(25)을 포함할 수 있고, 활성층(25)은 주면(17a)상에 설치된다. 제1 클래드 영역(n형 클래드 영역)(21) 및 제2 클래드 영역(p형 클래드 영역)(23)은 주면(17a)상에 설치된다. 활성층(25)은 지지 기체(17)와 제2 클래드 영역(23) 사이에 설치된다. 제1 클래드 영역(21)은, 하나 또는 복수의 질화갈륨계 반도체층을 포함하고, 예컨대 n형 GaN, n형 AlGaN, n형 InAlGaN 등을 포함한다. 제2 클래드 영역(23)은, 제1 p형 III족 질화물 반도체층(27) 및 제2 p형 III족 질화물 반도체층(29)을 포함한다. 제1 p형 III족 질화물 반도체층(27)은 InAlGaN층을 포함하고, 이 InAlGaN층은 비등방적인 변형을 내포한다. 제2 p형 III족 질화물 반도체층(29)은, 이 InAlGaN층의 재료와 상이한 반도체를 포함하고, 예컨대 구성 원소는 동일하고 조성이 상이한 재료나 구성 원소수가 상이한 재료를 포함할 수 있다. 제2 클래드 영역(23)에서는, 제2 p형 III족 질화물 반도체층(29)은 p형 질화갈륨계 반도체를 포함하고, 예컨대 p형 GaN, p형 AlGaN, p형 InAlGaN 등을 포함한다. 제1 p형 III족 질화물 반도체층(27)은 제2 p형 III족 질화물 반도체층(29)과 활성층(25) 사이에 설치된다. 제2 p형 III족 질화물 반도체층(29)의 비저항(ρ29)은 제1 p형 III족 질화물 반도체층(27)의 비저항(ρ27)보다 낮다.
이 질화물 반도체 레이저(11)에 의하면, 제2 클래드 영역(23)은, 서로 상이한 재료의 제1 및 제2 p형 III족 질화물 반도체층(27, 29)을 포함하기 때문에, 제1및 제2 p형 III족 질화물 반도체층(27, 29) 각각은 조성 경사가 아니라, 제2 클래드 영역(23)은 광 가둠성을 우수한 것으로 할 수 있다. 또한, 이 제1 p형 III 질화물 반도체층(27)은 제2 p형 III족 질화물 반도체층(29)과 활성층(25) 사이에 설치되어 있다. 정공은, 제1 p형 III족 질화물 반도체층(27)보다 낮은 비저항의 제2 p형 III족 질화물 반도체층(29)을 전도한 후에, 제1 p형 III족 질화물 반도체층(27)에 도달한다.
또한, 제1 p형 III족 질화물 반도체층(27)의 InAlGaN층은 비등방적인 변형을 내포하기 때문에, 이 InAlGaN층에서의 정공은, c면상에 성장되는 InAlGaN에 비해, 작은 유효 질량을 갖는다. 이 때문에, 제1 p형 III족 질화물 반도체층(27)의 InAlGaN층의 비저항은 제2 p형 III족 질화물 반도체층(29)의 비저항보다 높지만, InAlGaN층에서의 전도를, 작은 유효 질량의 정공이 담당하기 때문에, 정공이, 제1 p형 III족 질화물 반도체층(27)에 도달하고 거기서 전도할 때, InAlGaN층에서의 동적인 전기 저항이, 제1 p형 III족 질화물 반도체층(27)의 비저항으로부터 기대되는 값보다 우수한 것이 된다. 이 결과, 순방향 구동 전압이 저감된다.
따라서, 본 실시형태에 의하면, 광 가둠성의 저하를 축소하면서 구동 전압의 저감을 가능하게 하는 질화물 반도체 레이저(11)가 제공되고, 또한 이 질화물 반도체 레이저(11)를 위한 에피택셜 기판(EP)이 제공된다.
도 2는, p형 클래드 영역에서의 2개의 클래드층에서의 변형, 비저항, 밴드갭 Eg 및 p형 도펀트 농도의 관계를 도시한 도면이다. 도 2의 (a)부를 참조하면, 변형 및 비저항의 관계가 도시된다. 2층 클래드층의 비저항 및 유효 질량에 기인하는 전기적 전도의 기술적 기여를 얻으면서, 2층 클래드층의 채용에 의해 광 가둠도 확보하고 있다.
III족 질화물 반도체 레이저 소자(11)에서는, 반도체 영역(19)은, 육방정계 III족 질화물 반도체의 m축 및 법선축(NX)에 의해 규정되는 m-n면에 교차하는 제1 단부면(28a) 및 제2 단부면(28b)을 포함한다. 또한 전극(15)은 반도체 영역(19)상에 설치되고, 전극(41)은 지지 기체(17)의 이면(17b)상에 설치된다.
제1 클래드층(21), 제2 클래드층(23) 및 활성층(25)은, 반극성의 주면(17a)의 법선축(NX)을 따라 배열되어 있다. 활성층(25)은, 제1 클래드층(21)과 제2 클래드층(23) 사이에 설치된다. 활성층(25)은 질화갈륨계 반도체층을 포함하고, 이 질화갈륨계 반도체층은 예컨대 우물층(25a)이다. 활성층(25)은 질화갈륨계 반도체를 포함하는 장벽층(25b)을 포함하고, 우물층(25a) 및 장벽층(25b)은 교대로 배열되어 있다. 우물층(25a)은, 예컨대 InGaN 등을 포함하고, 장벽층(25b)은 예컨대 GaN, InGaN 등을 포함한다. 활성층(25)은, 반극성면의 이용에 의해, 파장 430 ㎚ 이상 570 ㎚ 이하의 광을 발생시키도록 설치된 양자 우물 구조를 포함할 수 있다. 또한 반도체 레이저 소자(11)는, 파장 480 ㎚ 이상 550 ㎚ 이하의 광의 발생에 좋다. 상기 파장 범위에서 양호한 광 가둠 및 낮은 구동 전압을 제공할 수 있다.
도 1을 참조하면, 직교 좌표계(S) 및 결정 좌표계(CR)가 그려져 있다. 법선축(NX)은, 직교 좌표계(S)의 Z축의 방향을 향한다. 주면(17a)은, 직교 좌표계(S)의 X축 및 Y축에 의해 규정되는 정해진 평면에 평행하게 연장된다. 또한, 도 1에는, 대표적인 c면(Sc)이 그려져 있다. 도 1에 도시되는 실시예에서는, 지지 기체(17)의 III족 질화물 반도체의 c축은, III족 질화물 반도체의 m축의 방향으로 법선축(NX) 에 대하여 유한한 각도(ALPHA)로 경사져 있다.
III족 질화물 반도체 레이저(11)는, 절연막(31) 및 p형 콘택트 영역(33)을 더 구비한다. p형 콘택트 영역(33)은, p형 클래드 영역(23)상에 설치된다. p형 클래드 영역(23)의 밴드갭 에너지는 p형 콘택트 영역(33)의 밴드갭 에너지 이상이다. 또한, 제2 p형 III족 질화물 반도체층(29)의 p형 도펀트 농도는 p형 콘택트 영역(33)의 p형 도펀트 농도보다 낮다. 절연막(31)은 반도체 영역(19)[p형 콘택트 영역(33)]의 표면(19a)을 덮고 있다. 절연막(31)은 개구(31a)를 가지며, 개구(31a)는 반도체 영역(19)의 표면(19a)과 상기 m-n면의 교차선(LIX)의 방향으로 연장되고, 예컨대 스트라이프 형상을 이룬다. 전극(15)은, 개구(31a)를 통해 반도체 영역(19)의 표면(19a)[예컨대, p형 콘택트 영역(33)]에 접촉을 이루고 있고, 상기 교차선(LIX)의 방향으로 연장된다. III족 질화물 반도체 레이저(11)에서는, 레이저 도파로는, 제1 클래드층(21), 제2 클래드층(23) 및 활성층(25)을 포함하고, 또한 상기 교차선(LIX)의 방향으로 연장된다.
III족 질화물 반도체 레이저(11)에서는, 제1 단부면(28a) 및 제2 단부면(28b)은, 육방정계 III족 질화물 반도체의 m축 및 법선축(NX)에 의해 규정되는 m-n면에 교차한다. III족 질화물 반도체 레이저 소자(11)의 레이저 공진기는 제1 및 제2 단부면(28a, 28b)을 포함하고, 제1 및 제2 단부면(28a, 28b)의 한쪽으로부터 다른쪽에, 레이저 도파로가 연장되어 있다. 제1 및 제2 단부면(28a, 28b)은 c면, m면 또는 a면이라고 하는 지금까지의 벽개면과는 상이하다. 이 III족 질화물 반도체 레이저(11)에 의하면, 레이저 공진기를 구성하는 제1 및 제2 단부면(28a, 28b)이 m-n면에 교차한다. 레이저 도파로는, m-n면과 반극성면(17a)의 교차선의 방향으로 연장된다. III족 질화물 반도체 레이저(11)는, 저임계값 전류를 가능하게 하는 레이저 공진기를 가지며, 활성층(25)의 발광에서, 저임계값의 레이저 발진을 가능하게 하는 밴드간 이동이 선택된다.
또한, 도 1에 도시되는 바와 같이, 제1 및 제2 단부면(28a, 28b)의 각각에 유전체 다층막(43a, 43b)을 설치할 수 있다. 단부면(28a, 28b)에도 단부면 코트를 적용할 수 있다. 단부면 코트에 의해 반사율을 조정할 수 있다.
III족 질화물 반도체 레이저 소자(11)는, n측 광 가이드 영역(35) 및 p측 광 가이드 영역(37)을 포함한다. n측 광 가이드 영역(35)은 하나 또는 복수의 n측 광 가이드층을 포함할 수 있다. p측 광 가이드 영역(37)은 하나 또는 복수의 p측 광 가이드층을 포함할 수 있다. n측 광 가이드 영역(35)은, 예컨대 n측 제1 광 가이드층(35a) 및 n측 제2 광 가이드층(35b)을 포함하고, n측 광 가이드 영역(35)은 예컨대 GaN, InGaN 등을 포함한다. p측 광 가이드 영역(37)은 p측 제1광 가이드층(37a) 및 p측 제2 광 가이드층(37b)을 포함하고, p측 광 가이드 영역(37)은 예컨대 GaN, InGaN 등을 포함한다. 전자 블록층(39)은, 예컨대 p측 제1 광 가이드층(37a)과 p측 제2 광 가이드층(37b) 사이에 설치된다.
제2 클래드 영역(23)을 설명한다. 도 1의 (b)부를 참조하면, 제1 p형 III족 질화물 반도체층(27)은 단일의 밴드갭 에너지(E1)를 가지며, 제2 p형 III족 질화물 반도체층(29)이 단일의 밴드갭 에너지(E2)를 갖는다. 밴드갭 에너지(E1)는 밴드갭 에너지(E2)보다 큰 것이 좋다. 제1 p형 III족 질화물 반도체층(27)의 굴절률(n1)은 제2 p형 III족 질화물 반도체층(29)의 굴절률(n2)보다 작기 때문에, p측 영역에서의 광 가둠을 양호하게 할 수 있다.
제1 및 제2 p형 III족 질화물 반도체층(27, 29)에는, p형 도펀트, 예컨대 마그네슘(Mg)이 첨가되어 있고, 제1 p형 III족 질화물 반도체층(27)의 마그네슘 농도는 제2 p형 III족 질화물 반도체층(29)의 마그네슘 농도보다 작은 것이 좋다. 제1 p형 III족 질화물 반도체층(27)의 마그네슘 농도가, 제2 p형 III족 질화물 반도체층(29)의 마그네슘 농도보다 작기 때문에, 도펀트의 광 흡수에 기인하는 흡수 손실의 증대 및 도펀트 이온의 이온 산란에 기인하는 이동도의 저감을 억제할 수 있다.
제1 p형 III족 질화물 반도체층(27)의 밴드갭 에너지(E1)를 제2 p형 III족 질화물 반도체층(29)의 밴드갭 에너지(E2)보다 크게 하여, 광 가둠성을 향상시킨다. 또한, 제1 p형 III족 질화물 반도체층(27)의 마그네슘 농도를 제2 p형 III족 질화물 반도체층(29)의 마그네슘 농도보다 작게 하여, 제1 p형 III족 질화물 반도체층(27)에서의 흡수 손실의 증대와 이동도의 저하를 작게 한다.
예컨대 제1 p형 III족 질화물 반도체층(27)의 밴드갭은 3.47 일렉트론 볼트 이상이고, 3.63 일렉트론 볼트 이하인 것이 좋다. 밴드갭 Eg의 범위는 파장 342 ㎚∼357 ㎚에 상당한다. 이 범위이면, 파장 480 ㎚∼550 ㎚의 광을 가두기 위해 좋은 굴절률이 얻어진다. 이 소자에서는, 제1 p형 III족 질화물 반도체층(27)이 제2 p형 III족 질화물 반도체층(29)보다 활성층(25)에 가깝고, 상기 밴드갭값은 GaN계 발광 소자에 양호한 광 가둠을 가능하게 한다.
또한 예컨대 제1 p형 III족 질화물 반도체층(27)의 마그네슘 농도는 8×1017 ㎝-3 이상일 수 있다. 마그네슘 농도가 이 범위일 때, 제1 p형 III족 질화물 반도체층(27)의 비저항이 낮아진다. 또한 제1 p형 III족 질화물 반도체층(27)의 마그네슘 농도는 2×1019 ㎝-3 이하일 수 있다. 마그네슘 농도가 이 범위일 때, 이온 산란에 의한 이동도 저하가 크지 않고, 또한 흡수 손실에 의한 임계값 전류의 증대에 현저히 영향을 미치는 경우는 없다.
제2 p형 III족 질화물 반도체층(29)의 마그네슘 농도는 7×1018 ㎝-3 이상일 수 있다. 마그네슘 농도가 이 범위일 때, 자유 홀 농도를 높게 할 수 있다. 또한 제1 p형 III족 질화물 반도체층(27)의 마그네슘 농도는 5×1019 ㎝-3 이하일 수 있다. 마그네슘 농도가 이 범위를 초과할 때, 결정성이 악화되기 쉬워져 광 가둠에 충분한 막 두께를 갖는 클래드층을 결정성 좋게 성장시키는 것이 곤란해진다.
도 2의 (b)부를 참조하면, 변형, 비저항 및 밴드갭 Eg의 관계가 도시된다. 2층 클래드층의 채용에 의해 비저항 및 유효 질량에 기인하는 전기적 전도의 기술적 기여를 얻으면서, 밴드갭 Eg(굴절률)의 프로파일에 기초하여 광 가둠도 확보하고 있다.
도 2의 (c)부를 참조하면, p형 클래드 영역에서의 변형, 비저항, 밴드갭 Eg 및 p형 도펀트 농도의 관계가 도시되어 있다. 2층 클래드층의 채용에 의해 비저항 및 유효 질량에 기인하는 전기적 전도의 기술적 기여를 얻으면서, 밴드갭 Eg(굴절률)의 프로파일에 기초하여 광 가둠을 확보하고, 추가로 Mg 도펀트 농도 프로파일에 기초하여 임계값 전류의 증가를 억제하며, 구동 전압의 저감을 도모하고 있다.
제1 p형 III족 질화물 반도체층(27)에 높은 밴드갭 및 낮은 도펀트 농도를 부여한다. 이들에 추가로, 제1 p형 III족 질화물 반도체층(27)에 낮은 비저항을 부여하는 것은 어렵다. 왜냐하면, 제1 p형 III족 질화물 반도체층(27)의 정공 밀도를 높일 때, p형 도펀트 농도를 증가시켜 비저항을 내리는 것은, p형 도펀트 이온에 의한 캐리어 산란을 증가시킨다.
제1 p형 III족 질화물 반도체층(27)의 비저항이 높지만, 압축 변형을 내포하는 InAlGaN층의 이동도가 높기 때문에, 동적으로 정공 농도를 높이는 것에 의해 동적인 전기 저항을 내릴 수 있다. 정공 농도를 높이는 것은, 레이저 구동시에는, 낮은 비저항의 제2 p형 III족 질화물 반도체층(29)으로부터 정공을 제1 p형 III족 질화물 반도체층(27)에 흘리는 것에 의해 가능하다. 레이저 구동시에서는, 제1 p형 III족 질화물 반도체층(27)의 정공 농도가 높아지고, 전기 저항이 내려간다.
이상 설명한 바와 같이, 제1 p형 III족 질화물 반도체층(27)의 p형 도펀트 농도를 제2 p형 III족 질화물 반도체층(29)의 p형 도펀트 농도보다 낮게 하고, p형 도펀트에 의한 이온 산란을 저감하게 된다. 이것은, 이동도의 향상을 위해 유효하다. 이 p형 도펀트 농도 저감은, 또한, 제1 p형 III족 질화물 반도체층(27)의 광 흡수를 저감하고 있다.
도 3은, p형 클래드 영역에서의 제1 및 제2 p형 III족 질화물 반도체층의 가능한 구조를 도시하는 도면이다. 반극성면상에 설치된 InAlGaN은, 완화되지 않고 비등방적인 변형을 내포할 때, 이 변형에 의해 가전자대의 축퇴가 풀려, 정공의 유효 질량이 작아진다고 생각된다.
도 3의 (a)부에 도시되는 바와 같이, 제2 p형 III족 질화물 반도체층(29)이 GaN을 포함할 때, 제2 p형 III족 질화물 반도체층(29)의 비저항을 작게 하는 것은 3원계나 4원계 질화물 반도체에 비해 용이하다. 즉, GaN에 의한 낮은 비저항과 InAlGaN층에 의한 작은 유효 질량의 기술적 기여를 얻을 수 있다.
도 3의 (b)부에 도시되는 바와 같이, 제2 p형 III족 질화물 반도체층(29)이 AlGaN을 포함하고, 이 AlGaN이 비등방적인 변형을 내포한다. 이것에 의해, 제2 p형 III족 질화물 반도체층(29)으로부터 제1 p형 III족 질화물 반도체층(27)에의 정공유입을 용이하게 한다.
제2 p형 III족 질화물 반도체층(29)이, 변형을 내포하는 AlGaN층을 포함할 때, 이 AlGaN층은, 하지의 InAlGaN층(27)에 접합을 이루고 있고, 또한 비등방적인 변형을 내포한다. 이 변형에 의해, 제2 p형 III족 질화물 반도체층(29)의 AlGaN층에서의 정공의 유효 질량을 작게 할 수 있다. 이때문에, 제1 p형 III족 질화물 반도체층(27)에의 정공의 유입을 용이하게 할 수 있다.
도 3의 (c)부에 도시되는 바와 같이, 제2 p형 III족 질화물 반도체층(29)이 InAlGaN을 포함하고, 하지의 InAlGaN층(27)에 접합을 이루고 있으며, 이 InAlGaN이 비등방적인 변형을 내포할 때, 제2 p형 III족 질화물 반도체층(29)에서의 정공의 유효 질량도 작아진다. 이 유효 질량 저감은, 제2 p형 III족 질화물 반도체층(29)으로부터 제1 p형 III족 질화물 반도체층(27)에의 정공 유입을 용이하게 하는 점에서 유효하다. 즉, InAlGaN층의 낮은 비저항과 InAlGaN층에 의한 작은 유효 질량의 기술적 기여를 얻을 수 있다.
4원계 질화물 반도체에서는, 3원계 질화물 반도체에 비해, 밴드갭 및 격자 상수를 서로 독립적으로 결정할 수 있다. 이것은, 격자 부정합의 조정에 도움이 된다. 밴드갭 Eg를 크게 하기 위해서는, InAlGaN의 Al 조성 및 In 조성을 높게 하는 것이 필요하고, 제1 p형 III족 질화물 반도체층(27)의 InAlGaN에서는, 격자 정합이 복잡하다. 반극성면상에 설치된 InAlGaN은, c축의 경사 방향(이하, 「오프 방향」으로 기재)과 이 오프 방향에 수직인 방향의 양쪽 모두를 동시에 GaN에 대하여 격자 정합시킬 수는 없다. 왜냐하면, 격자 상수의 비 c/a가 GaN, AlN, InN의 각각에서 상이하기 때문이다. InAlGaN의 완화에 의해, 유효 질량의 저감 효과를 얻을 수 있게 된다.
제1 및 제2 p형 III족 질화물 반도체층(27, 29)이 모두 InAlGaN을 포함하는 구조는, 다른 2개의 구조에 비해, 광 가둠 및 구동 전압의 저감의 점에서 좋다.
도 3의 (a)부, (b)부 및 (c)부에 도시되는 p형 클래드 영역에서, 제1 및 제2 p형 III족 질화물 반도체층(27, 29)의 계면에는, 완화를 야기할 정도의 실질적인 미스피트 전위는 형성되어 있지 않다. 또한, 제2 클래드 영역(23)은, 발광층(13)상에 성장되지만, 제2 클래드 영역(23)과 발광층(13)의 계면에는, 완화를 야기할 정도의 실질적인 미스피트 전위는 형성되어 있지 않다.
지지 기체(17)상의 반도체 영역(19)은, 지지 기체(17)의 주면(17a)의 법선축(NX)의 방향으로 배열된 복수의 III속 질화물 반도체층(21, 13, 23, 33)을 포함한다. 반도체 영역(19)내에는, 이들의 III족 질화물 반도체층이 형성하는 복수의 접합(계면)이 있고, 이들 계면에는 완화를 야기할 정도의 미스피트 전위는 형성되어 있지 않다. 이 때문에 지지 기체(17)의 주면(17a)이 예컨대 GaN을 포함할 때, 반도체 영역(19)의 III족 질화물 반도체층의 각각은, 그 격자 상수와 GaN의 격자 상수의 차이에 따른 변형을 내포한다.
이미 설명한 바와 같이, 반극성면상에 설치된 InAlGaN은, 격자 상수의 비 c/a가 GaN, AlN, InN의 각각에서 상이하기 때문에, c축의 경사 방향(즉, 오프 방향)과 이 오프 방향에 수직인 방향의 양쪽 모두를 동시에 GaN에 대하여 격자 정합시킬 수 없다. 이 점에 대해서, GaN 기판상의 InAlGaN을 예로서 설명한다.
(격자 정합의 형태 1)
지지 기체(17)가 GaN 기판일 때, 이 GaN 기판의 c축의 격자 상수 D1(GaN)은, 지지 기체(17)의 주면(17a)에 평행한 성분 D1(GaN)p와 지지 기체(17)의 주면(17a)에 수직인 성분 D1(GaN)n을 갖는다. 제1 p형 III족 질화물 반도체층(27)의 InAlGaN층에서의 c축의 격자 상수 D1(InAlGaN)은, 지지 기체(17)의 주면(17a)에 평행한 성분 D1(InAlGaN)p와 지지 기체(17)의 주면(17a)에 수직인 성분 D1(InAlGaN)n을 갖는다. InAlGaN층에서의 격자 부정합도 R1p를 (D1(InAlGaN)p-D1(GaN)p)/D1(GaN)p로서 규정할 때, 이 격자 부정합도 R1p는 -0.15% 이상 +0.2% 이하이다.
이 구조에서는, 큰 밴드갭을 갖는 제1 p형 III족 질화물 반도체층(27)에 미스피트 전위가 들어가지 않는다. 상기 조건은, 격자 정합에 따른 2개의 결정축 중 c축에 따른 격자 상수를 격자 정합시키는 것을 의도하고 있고, 제1 p형 III족 질화물 반도체층(27)은, 다른 한 쪽의 축(a축 또는 m축)은 변형되어 있다. 이 비등방적인 변형에 의해 상기 유효 질량의 저감 효과를 달성할 수 있다.
(격자 정합의 형태 2)
지지 기체(17)가 GaN 기판일 때, 이 GaN 기판의 c축에 직교하는 결정축(a축 또는 m축)의 격자 상수 D2(GaN)는, 지지 기체(17)의 주면(17a)에 평행한 성분 D2(GaN)p와 지지 기체(17)의 주면(17a)에 수직인 성분 D2(GaN)n을 갖는다. 제1 p형 III족 질화물 반도체층(27)의 InAlGaN층의 c축에 직교하는 결정축의 격자 상수 D2(InAlGaN)는, 지지 기체(17)의 주면(17a)에 평행한 성분 D2(InAlGaN)p와 지지 기체(17)의 주면(17a)에 수직인 성분 D2(InAlGaN)n을 갖는다. InAlGaN층에서의 격자 부정합도 R2p를 (D2(InAlGaN)p-D2(GaN)p)/D2(GaN)p로서 규정할 때, 이 격자 부정합도 R2p는 -0.15% 이상 +0.2% 이하이다. 또한 오프 방향이 정확히 a축 또는 m축일 때, D2(GaN)n과 D2(InAlGaN)n은 제로이다. 오프 방향이 약간 a축 또는 m축으로부터 어긋났을 때, D2(GaN)n과 D2(InAlGaN)n은 제로에 가까운 매우 작은 값이다.
이 구조에서는, 큰 밴드갭을 갖는 제1 p형 III족 질화물 반도체층(27)에 미스피트 전위가 들어가지 않는다. 격자 정합에 따른 2개의 결정축 중 c축에 직교하는 격자 상수를 격자 정합시키는 것을 의도하고 있고, 제1 p형 III족 질화물 반도체층(27)은, 다른 c축 방향으로는 변형되어 있다. 이 비등방적인 변형에 의해 상기 유효 질량의 저감 효과를 달성할 수 있다.
(격자 정합의 형태 3)
지지 기체(17)는 GaN 기판이며, 이 GaN 기판의 c축은, GaN 기판의 a축 및 m축 중 어느 한 쪽의 결정축(여기서는, m축)으로 경사져 있다. GaN 기판의 c축의 격자 상수 D1(GaN)은 지지 기체(17)의 주면(17a)에 평행한 성분 D1(GaN)p와 지지 기체(17)의 주면(17a)에 수직인 성분 D1(GaN)n을 갖는다. 제1 p형 III족 질화물 반도체층(27)의 InAlGaN층에서의 c축의 격자 상수 D1(InAlGaN)은, 지지 기체(17)의 주면(17a)에 평행한 성분 D1(InAlGaN)p와 지지 기체(17)의 주면(17a)에 수직인 성분 D1(InAlGaN)n을 갖는다. 이 InAlGaN층에서의 격자 부정합도 R1p는, [D1(InAlGaN)p-D1(GaN)p)/D1(GaN)p로서 규정된다. 이 격자 부정합도 R1p는 -0.15% 이상 0% 이하이다. c축이 m축의 방향으로 경사져 있는 형태에서는 a축에 관하여, 제1 p형 III족 질화물 반도체층(27)의 InAlGaN층에서의 격자 부정합도 R2p는, (D2(InAlGaN)p-D2(GaN)p)/D2(GaN)p로서 규정된다. 이 격자 부정합도 R2p는 0% 이상 0.2% 이하를 만족시킨다. 여기서, D2(InAlGaN)p는 D1(InAlGaN)p에 직교하고, D2(GaN)p는 D1(GaN)p에 직교한다.
이 구조에서는, 격자 정합에 따른 2개의 결정축 중 어느 한 쪽의 결정축에 격자 정합시키는 것이 아니다. 즉, 2개의 결정축 모두, 작은 어느 정도의 범위에서 변형되어 있다. 큰 밴드갭을 갖는 제1 p형 III족 질화물 반도체층(27)의 InAlGaN에서는, 결정축의 한 쪽에 관한 격자 정합을 행할 때, 다른 한 쪽의 격자 부정합도가 커져, 제2 p형 III족 질화물 반도체층(29)의 InAlGaN이 완화될 가능성이 있다. 이러한 InAlGaN을 이용할 때, 양 결정축 모두 격자 정합하지 않지만, InAlGaN에 격자 부정합도를 낮게 하는 조성을 제공하는 것이, 완화를 방지하기 때문에 유효하다. 양 축에 관한 비등방적인 변형에 의해, 상기 유효 질량 저감을 제공할 수 있다.
클래드 영역은 내측의 광 도파로에 광을 가두도록 작용한다. 제2 클래드 영역(23)(p형 클래드 영역)이 2개의 반도체층을 포함할 때, 이 p형 클래드 영역의 한쪽의 반도체층만으로는 충분한 광 가둠이 제공되지 않지만, 제2 클래드 영역(23)의 2개의 반도체층의 총 두께가 광 가둠에 충분할정도로 두껍고, 이들 2층에 의해 충분한 광 가둠이 제공된다.
예컨대, 제2 클래드 영역(23)의 두께 d23은 300 ㎚ 이상이고, 1000 ㎚ 이하인 것이 좋다. 제2 클래드 영역(23)의 두께 d23이 300 ㎚ 이상이면, 발광층(13)에의 광 가둠이 양호하게 되고, p형 콘택트 영역(33) 및 전극(15)에의 광의 누설이 억제된다. 또한 제2 클래드 영역(23)의 두께 d23이 1000 ㎚ 이하일 때, 직렬 저항 성분 증가에 수반하는 구동 전압의 증가가 억제된다.
제1 및 제2 p형 III족 질화물 반도체층(27, 29)은, 각각 두께 d1 및 d2를 갖는다. 제2 p형 III족 질화물 반도체층(29)의 두께 d2는, 0.2≤d2/(d1+d2)≤0.6을 만족시키는 것이 좋다. 제2 p형 III족 질화물 반도체층(29)의 두께 d2가 상기 범위의 값을 가질 때, 제2 p형 III족 질화물 반도체층(29)이, 나머지의 두께 d1을 갖는 제1 p형 III족 질화물 반도체층(27)과 함께, 양호한 광 가둠 및 낮은 구동 전압을 제공할 수 있다. 예컨대 상기 범위의 두께 d2를 갖는 제2 p형 III족 질화물 반도체층(29)은 그 낮은 비저항에 의해, 또한 상기 범위의 나머지의 두께를 갖는 제1 p형 III족 질화물 반도체층(27)은 그 낮은 유효 질량에 의해, 구동 전압의 저감에 도움이 된다. 상기 범위내의 두께를 각각 갖는 제1 및 제2 p형 III족 질화물 반도체층(27, 29)은, 전극(15)과 양호한 접촉을 이루기 위해 필요한 콘택트 영역(33)의 두께보다 크다.
제1 p형 III족 질화물 반도체층(27)의 두께는, 그 재료에 기초하는 임계막 두께보다 작다. 이것에 의해, 제1 p형 III족 질화물 반도체층(27)이 완화되는 것을 방지할 수 있다. 또한 제2 p형 III족 질화물 반도체층(29)의 두께는, 그 재료에 기초하는 임계막 두께보다 작다. 이것에 의해, 제2 p형 III족 질화물 반도체층(29)이 완화되는 것을 방지할 수 있다.
이미 설명한 바와 같이, 지지 기체(17)[에피택셜 기판(EP)의 기판]의 주면(17a)은 반극성을 나타낸다. 주면[에피택셜 기판(EP)의 기판 주면](17a)과 기준축(Cx)이 이루는 각도(ALPHA)는 10도 이상 80도 이하 또는 100도 이상 170도 이하인 것이 좋다. 지지 기체(17)의 주면(17a)의 경사가 이 각도 범위일 때, 정공의 유효 질량이 충분히 작아지고, 제1 및 제2 p형 III족 질화물 반도체층(27, 29)을 포함하는 p형 클래드 영역(23)의 효과가 유효하게 발현된다.
또한, 주면(17a)과 기준축(Cx)이 이루는 각도(ALPHA)는 63도 이상 80도 이하 또는 100도 이상 117도 이하인 것이 좋다. 주면(17a)의 경사가 이 각도 범위일 때, InAlGaN층의 성장을 위한 하지의 반극성면[즉, 주면(17a)]은, 이 InAlGaN 성장에서의 인듐 취득에 우수하다. 우수한 In 취득의 덕택으로, 양호한 결정성의 InAlGaN을 성장시킬 수 있고, 양호한 전기 전도의 InAlGaN층을 2층 클래드 구조에 제공하는 것을 용이하게 한다. 이 때, c축은, 이 c축으로부터 질화갈륨계 반도체의 m축에의 방향으로 경사져 있는 것이 좋다.
다시 도 1을 참조하면, p형 콘택트 영역(33)은, 제2 클래드 영역(23)에 접합을 이루도록 설치되고, 전극(15)이 p형 콘택트 영역(33)에 접합을 이루도록 설치된다. p형 콘택트 영역(33)의 두께는 예컨대 300 ㎚ 미만이며, p형 콘택트 영역(33)의 두께는 예컨대 10 ㎚ 이상일 수 있다.
제2 클래드 영역(23)에서는, 제2 p형 III족 질화물 반도체층(29)의 밴드갭 에너지 E2는 p형 콘택트 영역(33)의 밴드갭 에너지 Ec 이상인 것이 좋다. 이 구조에 의하면, 밴드갭 에너지가 작고 억셉터의 활성화 에너지가 작은 p형 콘택트 영역(33)으로부터 정공이, 낮은 비저항의 제2 p형 III족 질화물 반도체층(29)에 공급되어, 구동 전압의 저감에 도움이 된다.
또한, 제2 클래드 영역(23)에서는, p형 콘택트 영역(33)의 p형 도펀트 농도는 제2 클래드 영역(23)의 p형 도펀트 농도보다 높은 것이 좋다. 이 구조에 의하면, 낮은 비저항의 제2 p형 III족 질화물 반도체층(29)에, 높은 도펀트 농도의 p형 콘택트 영역(33)으로부터 정공이 공급되어, 구동 전압의 저감에 도움이 된다. 또한, 전극의 접촉 저항을 낮게 할 수 있다.
(실시예 1)
도 4는, 실시예 1에서 제작된 III족 질화물 반도체 레이저의 구조를 개략적으로 도시하는 도면이다. 이 III족 질화물 반도체 레이저는, 도 5에 도시되는 공정 플로우에 따라 제작된다.
공정 S101에서는, 반극성 주면을 갖는 III족 질화물 기판을 준비한다. 본 실시예에서는, m축 방향으로 75도의 각도로 경사진 반극성 주면을 갖는 GaN 기판(51)을 준비한다. 이 반극성 주면의 면방위는, (20-21)면에 대응한다. 이 GaN 기판(51)의 반극성 주면상에, 발진 파장 520 ㎚대에서 동작하는 LD 구조 LD1을 갖는 반도체 영역을 성장시킨다.
공정 S102에서는, 성장로에 GaN 기판(51)을 배치한 후에, GaN 기판(51)의 전처리(서멀 클리닝)를 행한다. 이 전처리는, 암모니아 및 수소를 포함하는 분위기중, 섭씨 1050도의 열처리 온도, 10분간의 처리 시간의 조건으로 행해진다.
이 전처리 후에, 공정 S103에서는, 섭씨 1050도의 성장 온도로 GaN 기판(51)상에 n형 GaN층(53)이라고 하는 질화갈륨계 반도체층을 성장시킨다. n형 GaN층(53)의 두께는 예컨대 500 ㎚이다. 공정 S104에서는, 이 질화갈륨계 반도체층상에 n형 클래드 영역을 성장시킨다. n형 클래드 영역은, 예컨대 섭씨 840도의 성장 온도에서 성장된 InAlGaN층(55)을 포함한다. 이 n형 클래드 영역의 두께는 예컨대 2 ㎛이다. n형 InAlGaN층(55)은 비등방적인 변형을 내포한다. 공정 S105에서는, n형 클래드 영역상의 n측 광 가이드층을 성장시킨다. 본 실시예에서는, n측 광 가이드층은, 예컨대 섭씨 840도의 성장 온도에서 성장된 n형 InGaN층(57)을 포함한다. n형 InGaN층(57)의 두께는, 예컨대 200 ㎚이다. n형 InGaN층(57)은 압축 변형을 내포한다.
공정 S106에서는, n측 광 가이드층상에 활성층(59)을 성장시킨다. 활성층(59)은, 장벽층 및 우물층을 포함한다. 본 실시예에서는, 장벽층은, 예컨대 섭씨 840도의 성장 온도에서 성장된 GaN층(59a)을 포함하고, 이 GaN층(59a)의 두께는 예컨대 15 ㎚이다. 우물층은, 예컨대 섭씨 790도의 성장 온도에서 성장된 In0.3Ga0.7N층(59b)을 포함하고, InGaN층(59b)의 두께는 예컨대 3 ㎚이다. 이 InGaN층(59b)는 압축 변형을 내포한다.
공정 S107에서는, 활성층(59)상의 p측 광 가이드층을 성장시킨다. 본 실시예에서는, p측 광 가이드층은, 예컨대 섭씨 840도의 성장 온도에서 성장된 InGaN층(61)을 포함한다. p측 InGaN층(61)의 두께는, 예컨대 200 ㎚이다. p측 InGaN층(61)은 압축 변형을 내포한다.
공정 S108에서는, p측 광 가이드층상에 전자 블록층을 성장시킨다. 본 실시예에서는, 전자 블록층은, 예컨대 섭씨 1000도의 성장 온도에서 성장된 p형 Al0.12Ga0.88N층(63)을 포함한다. Al0.12Ga0.88N층(63)의 두께는, 예컨대 20 ㎚이다. Al0.12Ga0.88N층(63)은 인장 변형을 내포한다.
공정 S109에서는, 전자 블록층상에 p형 클래드 영역(65)을 성장시킨다. p형 클래드 영역(65)의 성장에서는, 공정 S110에서, 우선, 전자 블록층상에 제1 클래드층을 성장시킨다. 제1 클래드층은 p형 In0.03Al0.14Ga0.83N층(67)이다. 이 p형 In0.03Al0.14Ga0.83N층(67)은, 예컨대 섭씨 840도의 성장 온도에서 성장된다. 이 p형 In0.03Al0.14Ga0.83N층(67)의 두께는 예컨대 200 ㎚이다. p형 In0.03Al0.14Ga0.83N층(67)은, 전자 블록층에 접합을 이루고, 또한 비등방적인 변형을 내포한다.
p형 클래드 영역의 성장에서는, 이어서, 공정 S111에서, 제1 클래드층상에 제2 클래드층을 코히런트하게 성장시킨다. 제2 클래드층은 p형 In0.02Al0.07Ga0.91N층(69)을 성장시킨다. 이 p형 In0.02Al0.07Ga0.91N층(69)은, 예컨대 섭씨 840도의 성장 온도에서 성장된다. 이 p형 In0 .02Al0 .07Ga0 .91N층(69)의 두께는 예컨대 200 ㎚이다. p형 In0 .02Al0 .07Ga0 .91N층(69)은, 제1 클래드층에 접합을 이루고, 또한 비등방적인 변형을 내포한다.
본 실시예에서는, 제1 클래드층의 In0.03Al0.14Ga0.83N의 비저항은 예컨대 50 Ω·㎝이며, 제2 클래드층의 In0.02Al0.07Ga0.91N의 비저항은 예컨대 8 Ω·㎝이다. 제1 클래드층의 Mg 농도는 예컨대 6×1018 ㎝-3이며, 제2 클래드층의 Mg 농도는 예컨대 1×1019 ㎝-3이다. 제1 클래드층의 밴드갭 에너지는 예컨대 3.54 일렉트론 볼트(eV)이고, 제2 클래드층의 비저항은 예컨대 3.48 eV이다. 1 eV는, 1.602×10-19 줄로 환산된다. 제1 클래드층의 InAlGaN은, a축 방향에 관해서 GaN에 대략 격자 정합되어 있고, c축의 경사 방향에 관해서 GaN에 대하여 -0.24%의 격자 부정합도를 갖는다. 제2 클래드층의 InAlGaN은, a축 방향에 관해서 GaN에 대하여 +0.05%의 격자 부정합도를 갖고 있고, c축의 경사 방향에 관해서 -0.08%의 격자 부정합도를 갖는다.
공정 S112에서는, p형 클래드 영역(65)상에 p형 콘택트층(71)을 성장시킨다. 본 실시예에서는, p형 콘택트층(71)은, 예컨대 섭씨 1000도의 성장 온도에서 성장된 GaN층을 포함한다. p형 콘택트층(71)의 두께는, 예컨대 50 ㎚이다. 이들의 공정에 의해, 에피택셜 기판 EP1이 제작된다.
공정 S113에서는, p형 콘택트층(71)상에 절연막을 성막하고, 또한 이 절연막에, 레이저 도파로의 방향으로 연장되는 스트라이프창을 웨트 에칭에 의해 형성하여, 보호 절연층(73)을 형성한다. 스트라이프창의 폭은 예컨대 10 ㎛이다. p형 콘택트층(71) 및 보호 절연층(73)상에 애노드 전극(75)을 형성하고 GaN 기판의 이면에 캐소드 전극을 형성한다. 애노드 전극(75)은 스트라이프창을 통해 p형 콘택트층(71)에 접촉을 이룬다. 애노드 전극(75)은, Ni/Au을 포함하는 오믹 전극과 Ti/Au을 포함하는 패드 전극을 포함하고, 이들은 증착에 의해 형성된다. 캐소드 전극(77)은, Ti/Al을 포함하는 오믹 전극과 Ti/Au을 포함하는 패드 전극을 포함하고, 이들은 증착에 의해 형성된다. 이들의 공정에 의해, 에피택셜 기판 EP1로부터 기판 생산물이 제작된다.
공정 S114에서는, 기판 생산물로부터 레이저바를 제작한다. 레이저바의 공진기 길이는 600 ㎛이다. 레이저바의 레이저 단부면상에는, 유전체 다층막을 성막한다. 유전체 다층막은 예컨대 SiO2/TiO2의 다층막을 포함한다.
상기 LD 구조의 제작과는 별도로, 단일의 p형 클래드층(p형 In0.03Al0.14Ga0.83N층, 두께 400 ㎚)을 포함하는 p 클래드 영역을 포함하는 LD 구조 LC1을 제작한다. LD 구조 LC1은, p형 클래드 영역의 구조를 제외하고, LD 구조 LD1과 같은 구조를 갖는다.
도 6은, 실시예 1의 반도체 레이저 LD1과 반도체 레이저 LC1의 구동 특성(I-V 커브)울 도시하는 도면이다. 실시예 1의 반도체 레이저 LD1의 I-V 커브는, 반도체 레이저 LC1의 I-V 커브의 하측에 있고, 이것은 반도체 레이저 LD1의 구동 전압이 저감된 것을 도시하고 있다. 반도체 레이저 LD1의 구동 전압(Vf)(구동 전류 600 ㎃에서의 전압)은 예컨대 7.3 볼트이고, 반도체 레이저 LC1의 구동 전압(Vf)은 예컨대 8.4 볼트이다. 실시예 1의 반도체 레이저 LD1과 반도체 레이저 LC1의 임계값 전류는, 함께 600 ㎃∼700 ㎃ 정도이며, 양자에 유의차는 확인되지 않는다. 도 6을 참조하면, 실시예 1의 반도체 레이저 LD1의 2층 클래드층의 구조는, 광 가둠이 악화되지 않고, 구동 전압(Vf)을 저감할 수 있는 것을 도시하고 있다.
실시예 1의 에피택셜 기판을 단면 TEM법에 의해 관찰할 때, 반도체 레이저 LD1의 전자 블록층과 제1 클래드층의 계면, 제2 클래드층과 콘택트층의 계면, 제1 및 제2 클래드층의 계면 중 어디에도 미스피트 전위는 확인되지 않는다. 따라서, 전자 블록층 및 제1 및 제2 클래드층 중 어느 것이나 변형을 내포하고 있다.
발명자 등의 지견에 의하면, 클래드층에 이용하는 반도체의 비저항으로서 50 Ω·㎝의 값은 비교적 큰 값이다. 그러나, 레이저 동작시의 구동 전압(Vf)이 저감된다. 이것은, 비등방적인 변형을 내포하는 In0.03Al0.14Ga0.83N의 유효 질량이 반극성면에서는 저감되고, In0.03Al0.14Ga0.83N에 유입된 정공이 효율적으로 전도되어 있기 때문이라고 생각된다. 또한, 이 In0.03Al0.14Ga0.83N을 양호한 결정 품질로 성장시킬 수 있는 것은, 균일한 인듐 취득의 반극성면이 제공하는 기술적 기여이며, c면에서는 얻어지지 않는다.
이 반극성면상에서의 비등방적인 변형을 내포하는 InAlGaN층과, 이 층의 비저항보다 작은 비저항의 질화갈륨계 반도체층을 포함하는 p형 클래드 영역에서, 낮은 비저항에 의한 전도와 높은 이동도에 의한 전도의 조합에 의해, 낮은 구동 전압에의 기술적 기여가 현저히 인출된 것으로 생각된다.
(실시예 2)
도 7은, 실시예 2에서 제작된 III족 질화물 반도체 레이저의 구조를 개략적으로 도시하는 도면이다. 실시예 2에서의 반도체 레이저 LD2는, 반도체 레이저 LD1에서의 제2 클래드층의 InAlGaN층(69) 대신에, p형 GaN층(68)을 성장시킨다. 제2 클래드층의 p형 GaN층(68)의 비저항은 예컨대 3 Ω·㎝이고, p형 GaN층(68)의 Mg 농도는 예컨대 1×1019 ㎝-3이다. 반도체 레이저 LD2의 구동 전압(Vf)은 반도체 레이저 LD1의 구동 전압(Vf)보다 0.8 볼트 저감된다. 반도체 레이저 LD2의 경계값 전류는 800 ㎃∼900 ㎃ 정도이다.
(실시예 3)
도 8은, 실시예 3에서 제작된 III족 질화물 반도체 레이저의 구조를 개략적으로 도시하는 도면이다. 도 8의 (a)부, (b)부 및 (c)부를 참조하면, p형 클래드 영역은, 발광층에 접합을 이루는 p형 InAlGaN층과, 이 p형 InAlGaN층에 접합을 이루는 GaN층을 포함한다.
제2 클래드층에 p형 GaN층을 이용한 실시예 2에서의 광 가이드층으로부터 이 광 가이드층의 구조를 변경함으로써, 임계값 전류의 저감의 효과를 얻을 수 있다. 도 8의 (a)부에 도시되는 바와 같이, p측 및 n측의 광 가이드층의 InGaN에서의 인듐 조성을 0.03보다 큰 값, 예컨대 0.04 이상으로 하는 것이 좋다. 이 실시예에 의하면, n측 및 p측 InGaN 광 가이드층의 인듐 조성이 함께 상기 값 이상이기 때문에, 이들 InGaN 광 가이드층의 굴절률을 높게 할 수 있다. 따라서, 광 도파로 전체로서 양호한 광 가둠을 발광 소자에 제공할 수 있다.
별도의 실시예에서는, 도 8의 (b)부에 도시되는 바와 같이, n측 InGaN 광 가이드층의 인듐 조성은 p측 InGaN 광 가이드층의 인듐 조성보다 큰 것이 좋다. 또한 여기서 n측 InGaN 광 가이드층의 두께와 인듐 조성의 곱은 8, p측 InGaN 광 가이드층의 두께와 인듐 조성의 곱은 4이며, n측 InGaN 광 가이드층 쪽이 값이 크다. 이 실시예에 의하면, n측 InGaN 광 가이드층의 인듐 조성을 p측 InGaN 광 가이드층의 인듐 조성보다 크게 하기 때문에, 활성층을 포함하는 광 도파로를 전파하는 광의 전계 분포의 피크가 n형 영역으로 이동하고, 낮은 구동 전압을 위해 p형 클래드 영역의 굴절률이, 광 가둠에 원하는 값에 비해 약간 높아질 때라도, 광 도파로 전체로서 양호한 광 가둠을 발광 소자에 제공할 수 있다. 이 구조에서는, p형 클래드 영역의 굴절률이 다소 높은 경우라도 충분한 광 가둠을 실현할 수 있다. 광 가이드층의 인듐 조성을 크게 하는 구조에 비해, 비대칭인 인듐 조성을 p측 및 n측의 광 가이드층에 이용하는 것은, 설계값으로부터의 어긋남에 관한 허용 범위를 넓힐 수 있다.
또 다른 실시예에서는, 도 8의 (c)부에 도시되는 바와 같이, n측 InGaN 광 가이드층의 두께는, p측 InGaN 광 가이드층의 두께보다 큰 것이 좋다. 또한 여기서 n측 InGaN 광 가이드층의 두께와 인듐 조성의 곱은 7.5, p측 InGaN 광 가이드층의 두께와 인듐 조성의 곱은 4.5이며, n측 InGaN 광 가이드층 쪽이 값이 크다. 이 실시예에 의하면, n측 InGaN 광 가이드층의 두께를 p측 InGaN 광 가이드층의 두께보다 크게 하기 때문에, 활성층을 포함하는 광 도파로를 전파하는 광의 전계 분포의 피크가 n형 영역으로 이동하고, 낮은 구동 전압을 위해 p형 클래드 영역의 굴절률이, 광 가둠에 있어서, 원하는 값에 비해 약간 높아질 때라도, 광 도파로 전체로서 양호한 광 가둠을 발광 소자에 제공할 수 있다.
실시예 3에 대해서는, 제2 클래드층이 GaN층인 것을 예로서 설명하고 있지만, 제2 클래드층이 AlGaN이나 InAlGaN에서도 유사한 기술적 기여를 얻을 수 있다.
실시예 3의 도 8의 (c)부의 구조를 베이스로, p형 클래드 영역의 p형 InAlGaN층과 p형 GaN층의 막 두께비를 변화시킨 LD를 제작한다. 도 9는, 실시예 4에서 제작된 III족 질화물 반도체 레이저의 특성을 도시한 도면이다. 도 9의 (a)부는 임계값 전류(Ith)의 막 두께비 d2/(d1+d2) 의존성을 도시한다. 도 9의 (a)부로부터, 막 두께비의 증가에 따라, 임계값 전류(Ith)가 상승하고 있는 것을 알 수 있다. 이 이유로서, 막 두께비의 증가에 의해 광 가둠이 악화된 것, 및 Mg 농도가 높은 p형 GaN층의 비율이 늘어 흡수 손실이 증가한 것이 원인이라고 생각된다. 막 두께비가 0.6 이하이면, 막 두께비 제로에 대한 임계값 전류(Ith)의 상승률은 1할 이하로 억제할 수 있다. 또한, 도 9의 (b)부는 구동 전압(Vf)(구동 전류 600 ㎃)의 막 두께비 d2/(d1+d2) 의존성을 도시한다. 도 9의 (b)부로부터, 막 두께비의 증가에 따라 Vf가 저감되어 있는 것을 알 수 있다. 이 효과는 p형 GaN층을 약간 포함시킨 것만으로도 나타나고, 막 두께비가 0.2 이상이면 현저한 Vf 저감 효과가 얻어진다. 이것은, 작은 유효 질량을 갖는 p형 InAlGaN층에 정공을 주입하기 위한 p형 GaN층을 조합시킨 효과라고 생각된다.
본 발명은, 본 실시형태에 개시된 특정 구성으로 한정되지 않는다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시형태에 의하면, 광 가둠성의 저하를 축소하면서 구동 전압의 저감을 가능하게 하는 질화물 반도체 레이저가 제공된다. 또한, 본 발명의 실시형태에 의하면, 이 질화물 반도체 레이저를 위한 에피택셜 기판이 제공된다.
11: III족 질화물 반도체 레이저 소자, 13: 발광층, 15: 전극, 17: 지지 기체, 17a: 지지 기체 주면, 17b: 지지 기체 이면, 19: 반도체 영역, 19a: 반도체 영역 표면, 21: 제1 클래드층, 23: 제2 클래드층, 25: 활성층, 25a: 우물층, 25b: 장벽층, 28a, 28b: 단부면, ALPHA: 각도, Sc: c면, NX: 법선축, 31: 절연막, 31a: 절연막 개구, 35: n측 광 가이드 영역, 37: p측 광 가이드 영역, 39: 전자 블록층, 41: 전극, 43a, 43b: 유전체 다층막, 51: 기판, 51a: 반극성 주면, 53: n형 GaN층(버퍼층), 55: n형 클래드 영역, 57: InGaN층, 59: 활성층, 61: InGaN층, 63: 전자 블록층. 65: p형 클래드 영역, 67: p형 In0 .03Al0 .14Ga0 .83N층, 69: p형 In0.02Al0.07Ga0.91N층, 71: p형 콘택트층

Claims (21)

  1. 질화물 반도체 레이저로서,
    질화갈륨계 반도체를 포함하는 주면을 갖는 도전성의 지지 기체와,
    상기 주면 위에 설치된 활성층과,
    상기 주면 위에 설치된 p형 클래드 영역
    을 구비하고,
    상기 주면은, 상기 질화갈륨계 반도체의 c축 방향으로 연장되는 기준축에 직교하는 기준면에 대하여 경사지며,
    상기 활성층은 상기 지지 기체와 상기 p형 클래드 영역 사이에 설치되고,
    상기 p형 클래드 영역은, 제1 p형 III족 질화물 반도체층 및 제2 p형 III족 질화물 반도체층을 포함하며,
    상기 제1 p형 III족 질화물 반도체층은 InAlGaN층을 포함하고,
    상기 제2 p형 III족 질화물 반도체층은 상기 InAlGaN층의 재료와 상이한 반도체를 포함하며,
    상기 InAlGaN층은, 비등방적인 변형을 내포하고,
    상기 제1 p형 III족 질화물 반도체층은 상기 제2 p형 III족 질화물 반도체층과 상기 활성층 사이에 설치되며,
    상기 제2 p형 III족 질화물 반도체층의 비저항은, 상기 제1 p형 III족 질화물 반도체층의 비저항보다 낮은 것인 질화물 반도체 레이저.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 p형 III족 질화물 반도체층의 밴드갭 에너지는 상기 제2 p형 III족 질화물 반도체층의 밴드갭 에너지보다 큰 것인 질화물 반도체 레이저.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제1 p형 III족 질화물 반도체층의 밴드갭은 3.47 일렉트론 볼트 이상이고, 3.63 일렉트론 볼트 이하인 것인 질화물 반도체 레이저.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 및 제2 p형 III족 질화물 반도체층에는 마그네슘(Mg)이 첨가되어 있고,
    상기 제1 p형 III족 질화물 반도체층의 마그네슘 농도는 상기 제2 p형 III족 질화물 반도체층의 마그네슘 농도보다 작은 것인 질화물 반도체 레이저.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 p형 III족 질화물 반도체층의 마그네슘 농도는 8×1017 ㎝-3 이상이고, 2×1019 ㎝-3 이하인 것인 질화물 반도체 레이저.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 p형 클래드 영역의 두께는 300 ㎚ 이상이고, 1000 ㎚ 이하이며,
    상기 제1 및 제2 p형 III족 질화물 반도체층은, 각각 두께 d1 및 d2를 가지며, 상기 제2 p형 III족 질화물 반도체층의 두께는, 0.2≤d2/(d1+d2)≤0.6을 만족시키는 것인 질화물 반도체 레이저.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 지지 기체의 상기 주면과 상기 기준축이 이루는 각도는, 10도 이상 80도 이하 또는 100도 이상 170도 이하 인 것인 질화물 반도체 레이저.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 지지 기체의 상기 주면과 상기 기준축이 이루는 각도는, 63도 이상 80도 이하 또는 100도 이상 117도 이하인 것인 질화물 반도체 레이저.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 p형 클래드 영역 위에 설치된 p형 콘택트 영역과,
    상기 p형 콘택트 영역에 접합을 이루도록 설치된 전극
    을 더 포함하고,
    상기 p형 콘택트 영역의 두께는 300 ㎚ 미만이며,
    상기 p형 클래드 영역의 밴드갭 에너지는 상기 p형 콘택트 영역의 밴드갭 에너지 이상인 것인 질화물 반도체 레이저.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 p형 클래드 영역 위에 설치된 p형 콘택트 영역과,
    상기 p형 콘택트 영역에 접합을 이루도록 설치된 전극
    을 더 포함하고,
    상기 제2 p형 III족 질화물 반도체층의 p형 도펀트 농도는 상기 p형 콘택트 영역의 p형 도펀트 농도보다 낮은 것인 질화물 반도체 레이저.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제2 p형 III족 질화물 반도체층은, 변형을 내포하는 InAlGaN층 및 변형을 내포하는 AlGaN층 중 어느 한 쪽인 것인 질화물 반도체 레이저.
  12. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제2 p형 III족 질화물 반도체층은 GaN층을 포함하는 것인 질화물 반도체 레이저.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 활성층은 480 ㎚ 이상 550 ㎚ 이하의 광을 발생시키도록 설치되는 것인 질화물 반도체 레이저.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 활성층과 상기 지지 기체 사이에 설치된 n측 InGaN 광 가이드층과,
    상기 활성층과 상기 p형 클래드 영역 사이에 설치된 p측 InGaN 광 가이드층
    을 더 포함하고,
    상기 n측 InGaN 광 가이드층의 두께는, 상기 p측 InGaN 광 가이드층의 두께보다 큰 것인 질화물 반도체 레이저.
  15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 활성층과 상기 지지 기체 사이에 설치된 n측 InGaN 광 가이드층과,
    상기 활성층과 상기 p형 클래드 영역 사이에 설치된 p측 InGaN 광 가이드층
    을 더 포함하고,
    상기 n측 InGaN 광 가이드층의 인듐 조성은, 상기 p측 InGaN 광 가이드층의 인듐 조성보다 큰 것인 질화물 반도체 레이저.
  16. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 활성층과 상기 지지 기체 사이에 설치된 n측 InGaN 광 가이드층과,
    상기 활성층과 상기 p형 클래드 영역 사이에 설치된 p측 InGaN 광 가이드층
    을 더 포함하고,
    상기 n측 InGaN 광 가이드층의 인듐 조성은 0.04 이상인 것인 질화물 반도체 레이저.
  17. 제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 활성층과 상기 지지 기체 사이에 설치된 n측 InGaN 광 가이드층과,
    상기 활성층과 상기 p형 클래드 영역 사이에 설치된 p측 InGaN 광 가이드층
    을 더 포함하고,
    상기 n측 InGaN 광 가이드층의 두께와 상기 n측 InGaN 광 가이드층의 인듐 조성의 곱은, 상기 p측 InGaN 광 가이드층의 두께와 상기 p측 InGaN 광 가이드층의 인듐 조성의 곱보다 크고,
    상기 n측 InGaN 광 가이드층의 두께와 상기 n측 InGaN 광 가이드층의 인듐 조성의 곱은 2 이상 10 이하이며, 여기서, 상기 n측 InGaN 광 가이드층의 두께의 단위는 ㎚로 나타내고, 상기 n측 InGaN 광 가이드층의 인듐 조성은 III족 구성 원소에 대한 몰비로 나타내는 것인 질화물 반도체 레이저.
  18. 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 c축은, 상기 질화갈륨계 반도체의 a축 및 m축 중 어느 한 쪽의 결정축에 경사져 있고,
    상기 지지 기체는 GaN 기판이며, 상기 GaN 기판의 c축의 격자 상수 D1(GaN)은, 상기 지지 기체의 상기 주면에 평행한 성분 D1(GaN)p와 상기 지지 기체의 상기 주면에 수직인 성분 D1(GaN)n을 가지며,
    상기 InAlGaN층에서의 c축의 격자 상수 D1(InAlGaN)은, 상기 지지 기체의 상기 주면에 평행한 성분 D1(InAlGaN)p와 상기 지지 기체의 상기 주면에 수직인 성분 D1(InAlGaN)n을 가지며,
    상기 InAlGaN층에서의 격자 부정합도 R1p는, (D1(InAlGaN)p-D1(GaN)p)/D1(GaN)p에 의해 규정되고,
    상기 격자 부정합도 R1p는 -0.15% 이상 +0.2% 이하인 것인 질화물 반도체 레이저.
  19. 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 c축은, 상기 질화갈륨계 반도체의 a축 및 m축 중 어느 한 쪽의 결정축에 경사져 있고,
    상기 지지 기체는 GaN 기판이며, 상기 GaN 기판의 c축에 직교하는 결정축의 격자 상수 D2(GaN)는, 상기 지지 기체의 상기 주면에 평행한 성분 D2(GaN)p와 상기 지지 기체의 상기 주면에 수직인 성분 D2(GaN)n을 가지며,
    상기 InAlGaN층의 c축에 직교하는 결정축의 격자 상수 D2(InAlGaN)는, 상기 지지 기체의 상기 주면에 평행한 성분 D2(InAlGaN)p와 상기 지지 기체의 상기 주면에 수직인 성분 D2(InAlGaN)n을 가지며,
    상기 InAlGaN층에서의 격자 부정합도 R2p는, (D2(InAlGaN)p-D2(GaN)p)/D2(GaN)p에 의해 규정되고,
    상기 격자 부정합도 R2p는 -0.15% 이상 +0.2% 이하인 것인 질화물 반도체 레이저.
  20. 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 c축은, 상기 질화갈륨계 반도체의 a축 및 m축 중 어느 한 쪽의 결정축에 경사져 있고,
    상기 지지 기체는 GaN 기판이며,
    상기 GaN 기판의 c축의 격자 상수 D1(GaN)은, 상기 지지 기체의 상기 주면에 평행한 성분 D1(GaN)p와 상기 지지 기체의 상기 주면에 수직인 성분 D1(GaN)n을 가지며,
    상기 InAlGaN층에서의 c축의 격자 상수 D1(InAlGaN)은, 상기 지지 기체의 상기 주면에 평행한 성분 D1(InAlGaN)p와 상기 지지 기체의 상기 주면에 수직인 성분 D1(InAlGaN)n을 가지며,
    상기 InAlGaN층에서의 격자 부정합도 R1p는, (D1(InAlGaN)p-D1(GaN)p)/D1(GaN)p에 의해 규정되고,
    상기 격자 부정합도 R1p는 -0.15% 이상 0% 이하이며,
    상기 a축 및 m축 중 어느 다른쪽의 결정축에 관해서, 상기 InAlGaN층에서의 격자 부정합도 R2p는, (D2(InAlGaN)p-D2(GaN)p)/D2(GaN)p에 의해 규정되고,
    상기 격자 부정합도 R2p는, 0% 이상 0.2% 이하를 만족시키며,
    상기 D2(InAlGaN)p는 상기 D1(InAlGaN)p에 직교하고,
    상기 D2(GaN)p는 상기 D1(GaN)p에 직교하는 것인 질화물 반도체 레이저.
  21. 질화물 반도체 레이저를 위한 에피택셜 기판으로서,
    질화갈륨계 반도체를 포함하는 주면을 갖는 기판과,
    상기 주면 위에 설치된 활성층과,
    상기 주면 위에 설치된 p형 클래드 영역
    을 구비하고,
    상기 주면은, 상기 질화갈륨계 반도체의 c축 방향으로 연장되는 기준축에 직교하는 기준면에 대하여 경사지며,
    상기 활성층은 상기 기판과 상기 p형 클래드 영역 사이에 설치되고,
    상기 p형 클래드 영역은, 제1 p형 III족 질화물 반도체층 및 제2 p형 III족 질화물 반도체층을 포함하며,
    상기 제1 p형 III족 질화물 반도체층은 InAlGaN층을 포함하고,
    상기 제2 p형 III족 질화물 반도체층은 상기 InAlGaN층의 재료와 상이한 반도체를 포함하며,
    상기 InAlGaN층은, 비등방적인 변형을 내포하고,
    상기 제1 p형 III족 질화물 반도체층은 상기 제2 p형 III족 질화물 반도체층과 상기 활성층 사이에 설치되며,
    상기 제2 p형 III족 질화물 반도체층의 비저항은, 상기 제1 p형 III족 질화물 반도체층의 비저항보다 낮은 것인 에피택셜 기판.
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