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KR100289596B1 - 반도체 발광 소자의 제조방법 - Google Patents

반도체 발광 소자의 제조방법 Download PDF

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KR100289596B1
KR100289596B1 KR1019997011120A KR19997011120A KR100289596B1 KR 100289596 B1 KR100289596 B1 KR 100289596B1 KR 1019997011120 A KR1019997011120 A KR 1019997011120A KR 19997011120 A KR19997011120 A KR 19997011120A KR 100289596 B1 KR100289596 B1 KR 100289596B1
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KR
South Korea
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layer
active layer
semiconductor
light emitting
electrode
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KR1019997011120A
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Inventor
키도구치이사오
아다치히데토
이시바시아키히코
오나카키요시
반유자부로
쿠보미노루
Original Assignee
모리시타 요이찌
마쯔시다덴기산교 가부시키가이샤
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Publication date
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Abstract

반도체 발광 소자의 제조 방법에 있어서, 활성층을 갖는 반도체 구조를 기판상에 형성하는 공정과, 적어도 상기 활성층의 일부를 제거하는 것에 의해, 상기 활성층을 갖는 돌기부와 상기 활성층을 갖지 않는 오목부를 상기 반도체 구조에 형성하는 공정과, 상기 오목부 상에 제1 전극을 형성하고, 상기 돌기부 상에 제2 전극을 형성하는 공정과, 상기 제1 전극과 방열체가 접촉한 후에, 상기 제2 전극과 상기 방열체가 접촉하도록, 상기 반도체 구조를 상기 방열체에 장하하는 공정을 포함하는 반도체 발광 소자의 제조 방법.

Description

반도체 발광 소자의 제조방법{Production method of semiconductor light-emiting device}
본 발명은 청색 발광 다이오드(blue light-emitting diodes), 청색 반도체 레이저(blue semiconductor lasers) 등의 반도체 발광 소자에 사용되는 질화갈륨계 화합물 반도체(gallium nitride type compound semiconductor)로 형성되는 발광 소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.
질소를 V족 원소로 하는 III-V 족 화합물 반도체인 AlxGayInsN(단,x1, 0y1, 0z1)계 화합물 반도체를 사용한 반도체 소자가 상온에서 뛰어난 발광 특성을 갖는다는 보고가 최근에 행해지고 이계의 화합물 반도체가 청색 발광 소자를 실현하는 재료로서 기대가 되고 있다 (예를 들면, 일본 응용 물리 저널 32(1993년) 제 L8 항과 제 L11 항(Japanese Journal of Applied Physics 32(1993) L8-L11). 질화 갈륨계 화합물 반도체를 갖춘 반도체 소자는 사파이어 기판(sapphire substrate) 위에 AlxGa1-xN 및 InyGa1-yN(단, 0x1, 0y1)로 형성되는 n 형 반도체층, i 형 반도체층 혹은 p 형 반도체층을 에피택샬 성장시킴으로서 얻어진다.
에피택샬 성장의 방법으로서는 통상 유기 금속 기상 성장법(MOVPE법: Metalorganic Vapor Phase epitaxy 법) 분자 에피택시법(MBE: Mole cular Beam Epitaxy 법) 등의 성장방법이 사용된다. 예를 들면 MOVPE 법에 대해서 간단히 설명을 하면 사파이어 기판을 설치한 반응실 내에 반응 가스로서 트리메칠갈륨(trimethylindium)(TMGa;Ga(CH3)3),트리메칠알루미늄(trimethylalu minum)(TMAl; Al(CH3)3), 트리메칠인듐(trimethylindium)(TMIn;In(CH3)3) 등의 유기금속과 암모니아(NH3) 가스를 공급하고 사파이어 기판의 표면 온도를 700∼1100℃ 의 고온으로 보존해서 기판 위에 AlGaInN 계 화합물 반도체의 에피택샬층을 성장시킨다. 이때 데칠아연(diethylzinc)(DEZn;Zn(C2H5)2) 또는 시란(silane)(SiH4) 등을 공급함으로서 AlGaInN 계 화합물 반도체를 p형 전도, i형 전도 또는 n형 전도로 제어할 수 있다.
이제까지 알려져 있는 AlGaInN계 화합물 반도체를 사용한 대표적인 장치로서 청색 발광 다이오드가 있다 (예를 들면, 일본 응용 물리 저널 32(1993년) 제L8항-제L11항(Japanese Journal of Applied Physics 32(1993) L8-L11)이 발광 다이오드는 In0.05Ga0.96N을 활성층으로 하는 더블헤테로 구조를 하고 있고 또한 활성층에 아연(Zn)이 첨가되어 있다. 이것은 발광 파장을 약 0.45μm로 조정하기 위해서이다. 이와 같이 InGaN 활성층을 사용한 종래의 발광 다이오드에 있어서 그 활성층에는 아연(Zn)만이 첨가되어 있다.
또한, AlxGa1-xN을 활성층으로 하는 MIS 구조의 발광 다이오드에 대한 보고도 되어 있다(일본국 특허 공개 헤이세이 4-10665, 특허 공개 헤이세이 4-10666, 특허 공개 헤이세이 4-10667). 이 발광 다이오드에서는 발광 파장을 변화시키기 위한 발광층을 이루는 i층 GaN에 Zn와 Si가 동시에 첨가되어 있다.
그러나 종래의 이들의 발광 다이오드에서는 아래와 같은 문제가 있었다.
InyGa1-yN 층에 Zn만이 첨가되는 경우 Zn 원자는 쌍을 이루어 InyGa1-yN층 중에서는 중공이 안정화되는 것과 같은 고유 결함(intrinsic defect)을 가진다. 그러나, 이는 비발광 중심이 되기 때문에 발광 효율을 저하시키는 문제가 있다. 또한 전계가 부가되어 있는 경우 고유결함이 증가해서, 발광 소자의 구동 전류가 높아지거나 신뢰성을 저하시키는 등의 악영향이 생기는 문제가 있다. 특히 이와 같은 문제는 높은 광밀도와 캐리어 밀도가 요구되는 반도체 레이저의 경우에 중요해진다. 또한, p형 불순물로서 Zn을 사용하는 경우, Zn의 활성화율(activation ratio)이 낮기 때문에, 많은 양의 Zn을 첨가하지 않으면 안되는 문제가 생겼다.
또한 발광 파장을 증가시키기 위해서는 활성층에 사용하는 InyGa1-yN의 In 조성을 증가시킬 필요가 있다. 예를 들면, 청녹색, 즉 신호기 등에 사용하는 경우, 520nm 정도의 파장이 바람직한 것으로 되어 있으나, 이를 위해서는 InyGa1-yN 활성층내의 In의 량을 증대시킬 필요가 있다. 그러나 In의 증가는 결정의 품질을 저하시켜서, 발광 효율이 저하한다. 따라서 In의 조성비를 크게 해서 파장이 긴 광을 출사하는 발광 소자를 얻는 것은 곤란하다.
AlGaN 층을 활성층으로 사용하는 경우, 그 밴드갭 에너지는 실온에서 3.44eV 이상, 즉 발광 파장은 360nm 이하로 되므로 비록 아연과 규소를 동시에 많이 첨가시켜도 발광 파장은 청색 영역에 없다. 따라서 AlGaN 층을 활성층으로 사용해서 청색 발광 소자를 얻는 것은 매우 곤란하다. 또한 AlGaN 층은 깊은 불순물 준위(deep impurity level)가 형성되기 쉽고, 그 결과 깊은 불순물 준위를 거쳐서 불필요한 발광을 야기하고 발광 소자의 동작 전류가 증대하는 문제가 있다.
또한, AlxGa1-xN나 InyGa1-yN 등의 III족 질화물은 안정한 물질이고 화학약품에 대해서 부식되지 아니하고 에칭이 곤란하다. 따라서, 반도체 레이저와 같은 발광 소자에 있어서 활성층에서 캐리어를 속박하기 위한 구조를 형성하는 일이 곤란하다.
더 나아가서, GaN계의 발광 소자에서는 사파이어 기판이 사용되기 때문에, 분열(cleavage)에 의해 반도체 레이저의 공동(cavity)을 형성하는 것은 곤란하다. 공동을 반응성 이온 엣칭(reactive ion etching), 이온 밀링(ion milling), 집속 이온 빔 에칭(focused ion beam etching) 등의 드라이 엣칭에 의해 형성하는 것도 고려되나 이 경우 공동의 단면 근처의 반도체층에 결함이 형성된다. 이 결함은 상술한 고유결함과 같은 문제를 일으킨다.
사파이어 기판과 같은 절연 기판을 사용하는 반도체 발광 소자에서는 기판측에 전극을 설치할 수가 없다. 따라서, 발광 소자를 구성하는 반도체층의 일부에 단차를 설치하고, 그 단차에 의해 형성되는 오목부(concave portion)와 볼록부(convex portion)에 각각 전극을 형성할 필요가 있다. GaN 계의 발광 소자의 경우 1μm 이상의 단차를 설치할 필요가 있다. 그러나, 이 경우 반도체 발광 소자를 구성하는 반도체 적층 구조를 열전도가 좋은 방열체(heat sink)에 밀착시키는 일이 곤란해진다. 단차를 갖는 반도체 발광 소자의 방열이 불완전한 경우, 소자의 온도 상승에 수반하여 동작 전류가 상승하고 신뢰성이 저하되는 문제가 생긴다. 더 나아가서, 반도체 발광 소자를 구성하는 반도체 적층 구조를 방열체에 밀착시킬 수 있는 반면, 활성층에 과도의 응력이 가해지면 발광이 정지할 우려가 있다. 응력의 량이 적은 경우라도, 반도체 적층 구조를 구성하는 재료에 복굴절성(birefringence)이 생겨서, 반도체 발광 소자에서 출사한 광의 편파면(plane of polarization)이 회전하는 문제가 생긴다. 예를 들면, 반도체 레이저를 광디스크 등에 사용하는 경우에 불편한 문제를 야기한다.
본 발명은 종래 기술의 과제를 해결하고, 청색 영역의 파장의 광을 높은 발광 효율로 발광할 수 있는 높은 신뢰성을 구비한 발광 소자를 제공한다. 또한, 방열 특성(heat-releasing property)이 뛰어나고, 출사광의 편파면의 회전이 적은 반도체 발광 소자를 제공한다. 다시 이와 같은 청색 발광 소자를 간단한 공정으로 또한 높은 수율로 제조하는 방법을 제공한다.
도 1 은 본 발명의 제 1 의 실시예에 의한 반도체 발광 소자의 단면을 도시한 도면.
도 2 는 도 1 에 도시된 반도체 발광 소자 및 종래의 반도체 발광 소자의 활성층의 밴드 에너지를 모식적으로 도시한 도면.
도 3 은 불순물 농도와 발광도와의 관계를 도시하는 그래프.
도 4(a) 내지 도 4(e)는 도 1 에 도시된 반도체 발광 소자의 제조 공정을 도시한 단면도.
도 5(a) 및 도 5(b)는 각각 본 발명의 제 1 의 실시예에 의한 반도체 발광 소자의 전기적 특성 및 광학적 특성을 도시한 도면.
도 6 은 제 1 실시예의 다른 활성층의 불순물 농도의 분포를 도시한 도면.
도 7(a)는 제 1 실시예의 다른 활성층의 구조를 도시한 단면도.
도 7(b)는 도 7(a)에 도시된 구조의 불순물 농도 분포를 도시한 도면.
도 7(c)는 도 7(a)에 도시된 구조에 별도의 불순물 농도 분포를 도시한 도면.
도 8 은 제 1 의 실시예의 또다른 활성층의 구조를 도시한 단면도.
도 9 는 본 발명의 제 2 의 실시예에 의한 반도체 발광 소자의 단면도을 도시한 도면.
도 10(a) 및 도 10(b)는 도 9 에 도시된 반도체 발광 소자의 제조 공정의 앞부분을 도시한 단면도.
도 11 은 실시예에서 사용되는 전자 사이크로트론 공명 장치의 단면을 모식적으로 도시한 도면.
도 12(a) 내지 도 12(d)는 도 9 에 도시된 반도체 발광 소자의 제조 공정의 뒷부분을 도시한 단면도.
도 13 은 도 9 에 도시된 반도체 발광 소자의 제조 공정의 하나를 도시한 사시도.
도 14 는 제 2 실시예의 다른 구조를 도시한 단면도.
도 15 는 제 3 실시예에서 사용하는 반도체 발광 소자의 구조를 도시한 단면도.
도 16 은 도 15 에 도시된 발광 소자를 마운트위에 실장하는 방법을 설명하는 단면도.
도 17 은 제 3 실시예에 의한 발광 소자를 마운트위에 실장하는 다른 방법을 설명하는 단면도.
도 18 은 도 17 에 도시된 방법에 의해 실장된 반도체 발광 소자의 단면을 도시한 도면.
도 19 는 제 3 실시예에서 사용된 마운트의 다른 구조를 도시한 도면.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
30, 90 : 발광 다이오드 38, 98, 308 : 활성층
36, 40, 96, 100 : 클래드층 34, 42, 94, 102 : 접촉층
44 : 전극 50 : 전도대
54 : 도너 준위 56 : 억셉터 준위
302 : 반도체 레이저 326 : 돌기부
328 : 오목부 338, 340 : 범프
본원 발명의 반도체 발광 소자는 Ga1-xInxN(0x0.3)으로 형성되고, p 형 불순물 및 n 형 불순물 및 n 형 불순물로 첨가된 활성층과, 이 활성층을 끼고 설치된 제 1 및 제 2 의 클래드층(cladding layer)을 갖는 더블 헤테로 구조(double hetero structure)를 구비하여, 청색 영역의 광을 높은 발광 효율로 출사할 수 있다.
바람직한 실시예에 있어서, p 형 불순물 및 n 형 불순물은 각각 활성층의 전체에 걸쳐서 실질적으로 균일하게 첨가된다.
바람직한 실시예에 있어서, 제 1 의 클래드층은 p 형의 도전성을 가지며, 활성층에 있어서 p형 불순물의 농도는 이 제 1 의 클래드층에 근접하는 쪽에서는 낮고, 제 2 의 클래드층에 근접하는 쪽에서는 이 p 형 불순물의 불순물 농도가 높게 된다.
바람직한 실시예에 있어서, 활성층은 p 형 불순물만이 첨가된 복수의 p 형 층 및 n 형 불순물만이 첨가된 복수의 n 형 층이 교대로 적층된 구조를 갖는다.
바람직한 실시예에 있어서, 제 1 의 클래드층은 p 형의 도전성을 가지며, 활성층에 있어서 복수개의 p형 층들의 불순물의 농도는 이 제1의 클래드층에 근접하는 쪽에서 제 2 의 클래드층에 근접하는 쪽으로 갈수록 증가한다. 바람직한 실시예에 있어서, 복수의 p 형 층 및 복수의 n 형 층은 각각 p 형 불순물 및 n 형 불순물이 실질적으로 균일하게 첨가된다.
바람직한 실시예에 있어서, 활성층은 복수의 GaN 및 복수의 InN 층이 교대로 적층된 구조를 하고 있고, 상술한 p 형 불순물 및 n 형 불순물은 오직 상기 복수의 InN 층에만 첨가된다.
바람직한 실시예에 있어서 활성층은 p 형 불순물 및 n 형 불순물이 각각 1017cm-3에서 1020cm-3의 범위의 불순물 농도로 첨가된다.
바람직한 실시예에 있어서, p 형 불순물은 아연, 마그네슘 또는 탄소 중 어느 하나이고, n형 불순물은 규소, 유황, 세레니움(selenium) 또는 테루리움 (tellurium)들 중 하나이다.
바람직한 실시예에 있어서, 제 1 및 제 2 의 클래드층은 AlyGa1-yN(0yo.3)으로 형성된다.
바람직한 실시예에 있어서, 제 1 의 클래드층은 p 형의 도전성을 가지며, 활성층 및 이 제 1 의 클래드층의 전도대의 에너지차는 0.3eV 또는 그 이상이다.
본 발명에 따른 반도체 발광 소자는, 활성층과 이 활성층을 끼고 설치된 n 형 클래드층 및 p 형 클래드층을 포함하는, AlxGayInzN(단, 0x1, 0y1, 0z1)로 형성된 더블 헤테로 구조를 구비한 반도체 발광 소자로서, 이 p 형 클래드층은 수소를 함유하는 영역과 수소를 함유하지 아니한 영역을 갖추고 있어서, 청색 영역의 광을 높은 발광 효율(emission efficiency)로 출사할 수 있다.
바람직한 실시예에 있어서 활성층은 첨가되지 않은 AlxGayInzN, 또는 p 형 불순물과 n 형 불순물이 양편 첨가된 AlxGayInzN로 형성된다.
바람직한 실시예에 있어서 이 반도체 발광 소자는 반도체 레이저로서 이 활성층의 2 개의 단면 근처에 수소가 첨가된다.
본 발명의 반도체 발광 소자의 제조방법은 활성층과 활성층을 끼는 제 1 및 제 2 의 클래드층을 포함하고 AlxGayInzN(단, 0x1, 0y1, 0z1) 반도체로 형성되는 반도체 구조로서 이 반도체 구조는 기판위에 설치되어 있고 이 제 1 의 클래드층은 이 기판과 이 활성층에 끼워 있는 반도체 구조 위에 소정의 패턴을 갖는 마스크층을 형성하는 공정과 이 반도체 구조를 프라즈마 여기된 수소를 함유하는 기체내에 유지하고 이 마스크층을 마스크로서 이 제 2 의 클래드층에 수소를 도입하는 공정과 이 마스크층을 제거하는 공정과 이 반도체 구조상에 전극을 형성하는 공정을 포함하고 있음으로서 청색 발광 소자를 간단한 공정에 의해 높은 생산성으로 제조할 수 있다.
바람직한 실시예에 있어서 수소를 도입하는 공정에 있어서 전자 싸이크로트론 공명을 사용해서 수소를 프라즈마 여기화시킨다.
바람직한 실시예에 있어서 마스크층은 n 형 반도체층 또는 첨가되지 않은 반도체층(undoped semiconductor layer)이다.
바람직한 실시예에 있어서 마스크층은 산화 규소 또는 질화 규소로 형성된다.
본 발명의 다른 반도체 발광 소자의 제조방법은 활성층과 활성층을 끼는 제 1 및 제 2 의 클래드층을 포함하고 AlxGayInzN(단, 0x1, 0y1, 0z1) 반도체로 형성되는 반도체 구조를 기판위에 형성하는 공정과 드라이엣칭에 의해 반도체 레이저의 공진기를 형성하는 공정과 프라즈마 여기된 수소 또는 수소 화합물을 함유하는 기체내에 이 기판을 보존하고 수소를 공진기 단면에서 반도체 적층 구조내에 도입하는 공정을 포함하고 있고 그럼으로서 청색 발광 소자를 간단한 공정에 의해 높은 수율로 제조할 수 있다.
본 발명의 또 다른 반도체 발광 소자의 제조방법은 활성층과 활성층을 낀 제 1 및 제 2 의 클래드층을 포함하고 AlxGayInzN(단, 0x1, 0y1, 0z1)로 형성되는 반도체 구조를 기판위에 형성하는 공정과, 이 반도체 구조상에 소정의 패턴을 갖춘 마스크층을 형성하는 공정과, 이 마스크층을 마스크로서 이온화물(ionized substance)을 이 반도체 구조에 주입하는 공정과, 습식 에칭(wet etching)에 의해 이 이온화물이 주입된 반도체 구조의 영역을 제거하는 공정을 포함하여, 청색 발광 소자가 높은 수율로 간단한 공정에 의해 제조될 수 있다.
본 발명의 또 다른 반도체 발광 소자의 제조방법은 활성층과 활성층을 끼는 제1 및 제2의 클래드층을 포함하는 반도체 구조를 기판 상에 형성하는 공정과, 활성층 및 제1 및 제2의 클래드층의 일부를 제거하여, 반도체 구조에 돌기(projected portion) 및 오목부(concave portion)를 형성하는 공정과, 이 반도체 구조의 이 오목부 및 이 돌기 상에 제1 및 제2 의 전극을 형성하는 공정과, 이 반도체 구조의 돌기부와 오목부 사이의 단차(step difference)보다도 적은 단차를 갖는 방열체 상에, 방열체의 돌기부와 제1 전극, 방열체의 오목부와 제2 전극이 각각 접촉되도록 이 반도체 적층 구조를 장하하는 공정을 포함하여, 방열 특성에 뛰어나고 출사광편파면의 회전이 적은 반도체 발광 소자를 제조할 수 있다.
바람직한 실시예에 있어서 방열체는 돌기 및 오목부 상에 제1 및 제2 범프(bump)를 가지며, 제1 범프는 제1 전극과 접촉한 후에 이 방열체와 반도체 적층 구조를 눌러서, 제2 범프와 제2 전극을 접촉시킨다.
바람직한 실시예에 있어서, 반도체 적층 구조를 장하하는 공정은 방열체의 돌기부 및 오목부의 표면에 수지를 코팅하고, 이 수지를 경화함으로써, 반도체 적층 구조와 방열체를 서로 고정시킨다.
바람직한 실시예에 있어서, 수지는 자외선 경화 수지이고, 반도체 구조에 전압을 부가함으로써, 자외광이 방출되고, 수지가 경화된다.
바람직한 실시예에 있어서, 활성층은 AlxGayInzN(단, 0x1, 0y1, 0z1), 또는 ZnMgSSe로 형성된다.
실시예 1
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 의한 발광 다이오드(30)의 단면도를 도시한다.
발광 다이오드(30)는 활성층(38)과 활성층(38)을 끼고 설치된 클래드층(36) 및 클래드층(40)을 가진다. 활성층(38)은 In0.05Ga0.95N 으로 형성된다. 한편 클래드층(36)은 n형 불순물로서 규소가 첨가된 Al0.1Ga0.9N으로 형성되고, 클래드층(40)은 p형 불순물로서 마그네슘이 첨가된 Al0.1Ga0.9N으로 형성된다. 따라서, 발광 다이오드(30)는 활성층과 클래드층 사이에서 헤테로접합(heterojunction)이 형성된 더블 헤테로 구조를 구비하고 있다.
n형 클래드층(36)은 n형 GaN:Si로 형성되는 접촉층(contact layer)(34)을 거쳐서, 예를 들면 (0001)면을 갖는 사파이어 기판(32) 상에 설치된다. 또한, p형 클래드층(40) 상에는 p형 GaN:Mg로 형성되는 접촉층(42)이 설치된다. 더 나아가서, 접촉층(42) 상에는 Au 및 Ni의 2 층으로 형성되는 전극(46)이 설치된다. 또한, 접촉층(42), 클래드층(40), 활성층(38), 및 클래드층(36)의 일부분은 엣칭에 의해 제거된다. 접촉층(34)의 일부도 그 두께 방향의 약 중간까지 엣칭되고 Al으로 형성되는 전극(44)이 엣칭에 의해 노출된 접촉층(34)의 표면 상에 설치된다.
활성층(38)은 1μm 정도의 두께를 갖고, p 형 불순물로서 기능하는 아연(Zn) 및 n 형 불순물로서 기능을 하는 규소(Si)가 활성층(38) 전체에 걸쳐서 실질적으로 균일하게 첨가된다. 활성층(38)에서 출사하는 광의 파장은 약 460mm 이다. n형 및 p형 불순물 모두가 활성층(38)에 첨가되어 있는 경우, 출사하는 광의 파장 λ는 다음 식으로 주어진다.
hν = Eg- (Ea+ Ed) + e/εγ [eV]
λ = 1.2395/hν [μm]
여기에서 Eg는 활성층의 밴드갭(bandgap), Ea는 억셉터 준위의 활성화 에너지(activation energy of an acceptor level), Ed는 도너 준위의 활성화 에너지(activation enerty of a donor level), γ은 도너 원자와 억셉터 원자 사이의 거리, ε는 활성층의 유전율, e는 전자 전하(electron charge)이다. Ed가 e/εγ 보다도 큰 경우 활성층의 밴드갭으로 정해지는 파장보다도 긴 파장의 광을 활성층(38)은 출사할 수가 있다. 도 2를 참조해서 더욱 상세히 설명을 하면 아연 및 규소가 활성층(38)에 첨가되어 있는 경우, 전도대(conduction band)(50)에서 Ed만큼 낮은 위치에서 규소의 도너 준위(54)가 형성되고, 또한 가전자대(valence band)(52)에서 Ea만큼 높은 위치에서, 아연의 억셉터 준위(56)가 형성된다. 전도대(50)에 존재하는 전자는 비발광 천이(non-radiative transition)에 의해 도너 준위(54)에 천이한 후, 발광을 수반하면서 억셉터 준위(56)로 천이할 수가 있다.
따라서, 밴드갭 Eg1의 활성층을 갖춘 종래 발광 소자에 있어서, 전도대(50)에서 억셉터 준위(56)로 직접 천이하는 경우에 출사되는 파장 λ 의 광을 Eg2보다도 큰 밴드갭 Eg1을 갖는 활성층에서 출사시킬 수가 있다. 그 결과 인듐(In) 조성률(composition ratio)이 작을 때에도, 장파장을 가지는 광을 출사할 수가 있게 되고, 작은 인듐 조성율을 가지는 고품질의 결정을 사용함으로써, 청색 영역의 파장을 가지는 광을 높은 발광 효율로 출사하는 신뢰성이 높은 발광 다이오드를 얻을 수가 있다.
또한 아연 및 규소를 첨가함으로써 형성되는 억셉터 준위 및 도너 준위에 기인하여, 재결합 확률이 높아지기 때문에 발광 효율도 개선된다. 더 나아가서, InGaN 층에 아연만이 첨가되어 있는 경우, 아연 원자는 InGaN 층에서 중공 등의 고유 결함으로써, 쌍을 이루어 안정화된다. 하지만, 아연 및 규소는 모두 InGaN 층에 첨가함으로서, 고유결함의 발생이 억제되고 발광 효율이 개선된다.
아연 및 규소의 첨가량이 많으면, 억셉터 준위 및 도너 준위가 많이 형성되므로 발광 다이오드(30)의 발광 효율은 높아진다. 그러나 첨가량이 지나치게 많으면 발광 효율은 저하한다. 이는 첨가량이 많으면 불순물 원자가 결정의 격자간 위치(interstitional positions) 등으로 들어가고 그 결과 결정 그 자체의 품질을 저하시키기 때문이다. 도 3 은 발광 강도와 첨가된 규소의 불순물 농도와의 관계를 표시하고 있다. 도 3 에 도시되는 바와 같이, 1018cm-3정도로 규소가 첨가되어 있는 경우 높은 발광 강도가 얻어진다. 최고의 발광 강도가 1이고, 그것의 1/e 의 강도를 부여하는 불순물 농도까지를 실용상 바람직한 범위라고 가정하면, 1017cm-3에서 1020cm-3정도의 범위의 값으로 불순물이 첨가되는 것이 바람직한 것임을 알 수 있다.
또한, 아연 및 규소의 첨가량은 같은 정도라도 좋고 어느쪽이 많아도 좋다. 하지만, 같은 정도로 아연 및 규소가 첨가되는 것이, 불순물 준위 밀도가 같아지므로 바람직하다. 통상 아연과 규소가 같은 정도의 불순물 농도로 첨가된 경우, 규소의 활성화율이 아연의 활성화율보다도 크기 때문에, 활성층의 전도형은 n 형으로 된다. 그러나 홀 농도(hole concentration)를 높여서 발광 효율을 향상시키기 위해서, 활성층(38)의 전도형이 p형으로 되도록 아연의 농도를 높여도 좋다.
상기에서 명백한 바와 같이 고품질의 활성층을 얻기 위해서는, 활성층을 구성하는 InxGa1-xN 중의 In 의 조성비 x 는 적은 것이 바람직하다. 그러나, 기술적으로는 0x0.3 의 범위에서 In 을 포함하는 활성층을 얻을 수가 있고 아연 및 규소를 불순물로써 첨가하는 경우, In 의 조성비를 이 범위에서 조정함으로서 발광 파장을 조정할 수 있다.
한편, 클래드층(36, 40)은 0y1 의 범위의 임의의 A1 조성비 y 를 갖는 AlyGa1-yN 로 구성되나, 활성층과의 격자 정합(lattice matching)을 고려하면 Al 조성비 y 는 0y0.3 의 범위인 것이 바람직하다. 다시 캐리어를 효율적으로 활성층에 끼워 넣기 위해서, 활성층(38) 및 최소한 p 형의 클래드층(40) 사이의 전도대의 에너지차 △Ec는 0.3eV 이상인 것이 바람직하다. 클래드층(36)과 클래드층(40)의 조성은 달라도 좋고, 예를 들면 GaN으로 형성되는 클래드층(36) 및 Al0.15Ga0.85N으로 형성되는 클래드층(40)을 사용해도 좋다.
다음으로, 발광 다이오드(30)의 제작방법의 한 예를 도 4(a) 내지 도 4(e)를 참조하면서 설명한다.
먼저 유기금속기상성장법(MOVPE 법) 등의 결정성장 방법을 사용해서(0001) 면을 갖는 사파이어 기판(32)위에 n-GaN 으로 형성되는 접촉층(34), n-Al0.1Ga0.9N 으로 형성되는 클래드층(36), Zn 및 Si를 첨가한 In0.05Ga0.95N 으로 형성되는 활성층(38), p-Al0.1Ga0.9N 으로 형성되는 클래드층(40) 및 p-GaN 으로 형성되는 접촉층(42)을 에피택샬 성장시킨다. 다시, 접촉층(42)위에 열 CVD 법 등을 사용해서 SiO2막(60)을 퇴적한다(도 4(a)). 포토리소그래피 기술(photolithography technique)과 엣칭 기술을 사용해서 SiO2막(60)의 일부를 엣칭에 의해 제거해서 접촉층(42)의 일부(64)를 노출시킨다(도 4(b)).
엣칭된 SiO2막(60)을 마스크로서 접촉층(42)의 표면에서 접촉층(34)의 도중까지 달하도록 이온 주입법을 사용해서 Si 를 주입한다(도 4(c)). 이에 따라 Si 가 주입된 영역(62)은 데미지를 받아 결정성이 저하된다. 그후 황산(H2SO4)중에 침지하고 Si 이온을 주입한 영역(60), 즉 접촉층(42), 클래드층(40), 활성층(38), 클래드층(36) 및 접촉층(34)의 일부를 제거한다(도 4(d)). Si 이온을 주입한 영역(62)의 엣칭은 비교적 용이하고 그 밖의 엣칭액 예를 들자면 인산(H8PO4)이나 수산화나트륨(NaOH) 등을 사용해도 좋다. 한편 Si 이온이 주입되어 있지 아니한 영역은 견고하고 황산으로 엣칭되지 아니한다.
그 후 SiO2막(60)을 제거하고 접촉층(42)위 및 접촉층(34)의 노출된 일부(64)위에 전극(46, 44)을 형성한다(도 4(e)).
이와 같은 방법에 의해 도 1 에 도시된 바와 같은 발광 다이오드(30)를 제작할 수가 있다. 습식 에칭(wet etching)을 사용하기 위해 발광 다이오드를 제작하는 공정이 용이해지고 생산성을 향상시킬 수가 있게 된다.
이와 같이 해서 작성된 발광 다이오드(30)의 전기적 특성 및 광학적 특성을 각각 도 5(a) 및 도 5(b)에 도시한다. 입상 전압 2V 의 양호한 다이오드가 얻어지고 발광 파장이 460nm 의 청색 영역에 있는 것이 알 수 있다.
상술한 실시예에서 표시한 발광 다이오드(30)에 사용하는 활성층(38)으로서 다음에 표시하는 바와 같은 각종의 개변이 가능하다.
먼저 활성층(38)의 조성이나 활성층(38)에 첨가하는 p 형 불순물 및 n 형 불순물을 적절하게 선택함으로서 활성층에서 출사되는 광의 파장을 조절할 수가 있다. 구체적으로는 In0.10Ga0.90N 에 p 형 불순물 및 n 형 불순물로서 아연 및 규소를 첨가하면 파장 460nm 부근의 광을 출사시킬 수가 있다. 또한 In0.38Ga0.50N 에 p 형 불순물로서 마그네슘(Mg)을 첨가하고 n 형 불순물로서 유황(sulfur)(S), 셀레니윰(selenium)(Se), 혹은 텔루리움(tellurium)(Te) 중 어느 하나를 첨가해도 같은 파장의 광출사시킬 수가 있다. 또한 In0.30Ga0.70N 에 p 형 불순물 및 n 형 불순물로서 마그네슘 및 규소를 첨가하면 파장 500nm 부근의 광을 출사시킬 수가 있다. 마그네슘은 반도체중에서 확산되기 어렵기 때문에 p 형 불순물로서 마그네슘을 선택하면 발광 효율이 높아진다. 또한 클래드층에 사용하는 p 형 불순물과 같은 원료로 되므로 소자 제작 공정이 간단해진다. 또한 p 형 불순물이외에 탄소(C)를 사용해도 좋다. 탄소도 반도체중에서 확산되기 어렵고 고농도로 첨가할 수가 있기 때문에 발광 효율을 높게 할 수가 있다. 예를 들자면 GaN 에 Si 와 C 를 첨가하면 파장 430nm 의 광을 출사시킬 수도 있다. C 의 억셉터 준위는 얕으므로 Si 의 도너 준위와 C 의 억셉터 준위 사이의 에너지가 커지고 파장도 짧아진다.
또한 발광 다이오드의 활성층중에서 불순물 농도에 구배를 지도록 해도 좋다. 도 6 은 클래드층(36, 40)에 끼워진 활성층(70)중의 불순물 농도를 도시하고 있다.
활성층(70)은 아연 및 규소가 첨가되어 있는 점에서는 활성층(38)과 같다. 그러나 p 형 불순물인 아연의 농도는 p 형 Al0.1Ga0.9N 로 형성되는 클래드층(40)에 접하는 면(72)에서 n 형 Al0.1Ga0.9N 로 형성되는 클래드층(36)에 접하는 면(74)으로 향함에 따라서 커진다. 면(72)에 있어서 아연의 농도는 약 1017cm-3이고 면(74)에 있어서 약 1019cm-3로 된다. 한편 n 형 불순물인 규소의 농도는 n 형 Al0.1Ga0.9N 로 형성되는 클래드층(360)에 접하는 면(74)에서 p 형 Al0.1Ga0.9N 로 형성되는 클래드층(40)에 접하는 면(72)으로 향함에 따라서 커지도록 된다. 면(74)에 있어서 규소의 농도는 약 1017cm-3이고 면(72)에 있어서 약 1019cm-3으로 되어 있다. 도 6 에서는 불순물의 농도가 직선적으로 변화되어 있는 예를 표시하고 있으나, 아연의 농도가 면(72)쪽에서 적고, 면(74)쪽에서 커져 있으면 단계적으로 변화되도 좋고 곡선적인 구배로 되도 좋다.
이와 같은 구조에 의하면 활성층(70)에 있어서 p 형의 클래드층(40)에서 멀어짐에 따라서 p 형 불순물 농도가 높아지기 때문에 이동도가 적은 홀을 활성층(70)에 있어서 클래드층(40)과 접해 있는 면(72)에서 멀리까지 확산시키기 쉽게 된다. 따라서 활성층(70)의 두께를 보다 크게 할 수가 있고 발광 효율을 더욱 크게 할 수가 있다. 또한 여기에서는 n 형 불순물인 Si 의 농도는 p 형 불순물과 대칭적으로 분포되어 있는 경우를 설명하였으나 n 형 불순물은 활성층(70) 전체에 걸쳐서 균일하게 분포되어 있어도 좋다.
또한 활성층은 말하자면 변조 첨가 구조(modulation doping structure)를 구비하고 있어도 좋다. 도 7(a)에 도시된 바와 같이 클래드층(36, 40)에 끼워진 활성층(80)에 있어서 p 형 불순물만이 첨가된 복수의 In0.05Ga0.95N 층(76) 및 n 형 불순물만이 첨가된 복수의 In0.05Ga0.95N 층(78)이 교대로 적층되어 있다. 이 구조에 의하면 전자 및 홀은 공간적으로 분리된 상태에서 속박되므로 재결합 확률이 증대되고 전자 및 홀이 공간적으로 분리되어 있지 아니한 경우에 비해 발광 효율은 1 자리정도 향상된다.
각 In0.05Ga0.95N 층(76) 및 In0.05Ga0.95N 층(78)의 불순물 농도는 도 7(b)에 도시하는 바와 같이 같아도 좋고 각각의 농도를 약 1019cm-3로 하였다. 또한, 도 6을 참조해서 설명한 바와 같이 농도 구배가 있어도 좋다. 구체적으로는 도 7(c)에 도시하는 바와 같이 복수의 GaInN 층(76)중 클래드층(36)에 가까운 In0.05Ga0.95N 층(76)의 p 형 불순물 농도는 높고 클래드층(40)에 가까운 In0.05Ga0.95N 층(76)의 p 형 불순물 농도는 낮게 되어 있다.
한편 복수의 In0.05Ga0.95N 층(78)중 클래드층(36)에 가까운 In0.05Ga0.95N 층(76)의 n 형 불순물 농도는 낮고 클래드층(40)에 가까운 In0.05Ga0.95N 층(76)의 p 형 불순물 농도는 높게되어 있다. 이와 같은 구조에 의하면 더욱 발광 효율을 향상시킬 수가 있다.
혹은, 도 8 에 도시하는 바와 같이 InN(82) 층과 GaN 층(84)과의 적층 구조를 구비한 활성층(86)을 클래드층(36)과 클래드층(40)과의 사이에 설치해도 좋다. 활성층(86)에 있어서 1 원자층의 두께(thickness of a 1-atom layer)를 갖는 InN 층(82)과 9 원자층의 두께를 갖는 GaN 층(84)을 교대로 쌓음으로서 전체로서 In0.1Ga0.9N 의 조성을 갖춘 활성층(86)을 형성할 수가 있다. 이 경우 아연 및 규소를 InN 층(82)들 에만 첨가하는 것이 바람직하다. Ga 보다도 In 의 증기압의 편이 높고 불순물과 치환되기 쉽기 때문이다. 이에 따라 아연 및 규소가 결정중의 In 원자의 위치에 들어가고 확실하게 p 형 및 n 형 불순물로 된다. 그 결과 p 형 불순물의 활성화율이 향상하고 발광 효율을 향상시킬 수가 있다.
활성층(86)은 원자층 에피택샬 성장법에 의해 성장된다. 구체적으로는 트리메칠갈륨(trimethylgallium)과 암모니아를 9 회 교대로 성장실로 도입해서 GaN 층을 9 층 기판위에 성장시키고 다음에 트리메칠인듐과 암모니아를 1 회 교대로 성장실로 도입함으로서 InN 층을 1 층 성장시킬 수가 있다. InN 층을 성장시킬 때에는 디메칠아연(dimethylzinc)과 실레인(silane)을 동시에 공급하고 InN 층에 아연과 규소를 첨가하면 된다.
또한 본 실시예에서는 기판으로서 사파이어를 사용한 경우에 대해서 설명하였으나 SiC, 스피넬(spinel), ZnO 등의 다른 기판을 사용해도 좋다.
실시예 2
도 9 는 본 발명의 제 2 실시예에 의한 청색 반도체 레이저(90)의 단면도를 도시하고 있다.
반도체 레이저(90)는 활성층(98)과 활성층(98)을 끼고 설치된 클래드층(96) 및 클래드층(100)을 갖추고 있다. 활성층(98)은 In0.1Ga0.9N 으로 형성된다. 클래드층(96)은 n 형 불순물로서 규소가 첨가된 Al0.1Ga0.9N 로 형성되고 클래드층(100)은 p 형 불순물로서 마그네슘이 첨가된 Al0.1Ga0.9N 으로 형성되기 때문에 활성층과 클래드층 사이에서 헤테로 접합이 형성된 더블헤테로 구조를 발광 다이오드(90)는 구비하고 있다.
활성층(98)은 아연만이 불순물로서 첨가되어 있어도 좋고 실시예 1 에서 상세히 설명한 p 형 불순물 및 n 형 불순물의 양편을 포함하는 InGaN 계 반도체층이라도 좋다. 즉 도 1 에 도시하는 발광 소자의 활성층(38)과 같은 불순물 첨가 방법, 혹은 도 6 내지 도 8 에 도시하는 불순물 첨가 방법에서 p 형 및 n 형 불순물이 첨가된 InGaN 계 반도체층이라도 좋다. 또한 후술하는 바와 같이 활성층(98)에 있어서 공진기를 형성하는 2 개의 단면 근처에는 꼭같은 수소가 첨가되고 고저항화되어 있다.
클래드층(96)은 n 형 GaN 로 형성되는 접촉층(94)을 거쳐서 예를 들면 (0001)면을 갖춘 사파이어 기판(92)위에 설치되어 있다. 또한, 클래드층(100)위에는 pGaN으로 형성되는 접촉층(102)이 설치되어 있다. 다시, 접촉층(102)위에는 전극(106)이 설치되어 있다. 또한, 접촉층(102), 클래드층(100) 활성층(98), 클래드층(96)의 일부분은 에칭에 의해 제거되어 있다. 접촉층(94)의 일부도 그것의 두께 방향의 도중까지 에칭되어 있고 전극(104)이 접촉층(94)의 에칭에 의해 노출된 면 위에 설치되어 있다.
접촉층(102) 및 클래드층(100)의 일부에는 수소가 함유된 영역(108)이 형성되어 있다. 영역(108)은 수소의 함유에 의해 고저항화되어 있다. 수소의 함유하지 아니한 영역은 공진기 방향으로 연장되는 스트라이프 형상(stripe shape)으로 되어 있고 이 영역은 저항은 낮은 상태로 유지되어 있다. 따라서 수소를 함유하지 아니한 클래드층(100) 아래의 활성층(98)의 일부(110)에 전극(106)에서 주입된 정공이 효과적으로 주입되고 캐리어의 효과적인 가두기가 가능해지고 반도체 레이저의 임계 전류(threshold current)를 저감할 수 있다. 이와 같이 p-Al0.1Ga0.9N 클래드층쪽에 전류 구속 기능(current confinement function)을 구비하게 하고 신뢰성이 높은 반도체 레이저를 얻을 수가 있다.
영역(108)이 고저항화하는 이유는 결정중에 진입한 원자형상의 수소는 p 형 불순물 (억셉터 불순물) 혹은 최근접의 구성 원소와 결합하고 p 형 불순물의 억셉터로서의 기능을 저하시키거나 불활성화시키기 때문이다. 그때문에 불순물 무첨가의 반도체와 등가로 되고 저항이 상승한다.
n 형 불순물 이하도 같은 불활성화가 생기는 것도 고려되나, 수소 원자에 의한 불활성화의 효과는 p 형 반도체의 편이 현저하고 전류 협착으로서의 기능은 p 형의 접촉층(102) 및 p 형의 클래드층(100)쪽에 제작하는 편이 바람직하다. 또한 AlxGayInzN 계의 재료에 대해서 특히 원자 형상의 수소의 불활성의 효과가 크고 p-AlxGayInzN 는 원자 형상의 수소에 의해 반절연성의 상태로 되고 저항이 급격히 상승해서 캐리어의 가두기가 효과적으로 행해질 수 있으므로 도 4(a) 내지 4(e)에 도시된 바와 같은 구조의 레이저를 제작할 수 있다.
다음에 이 반도체 레이저의 제작방법을 도 10(a), 10(b), 도 11 및 도 12(a) 내지 도 12(d)를 사용해서 설명한다.
먼저 MOVPE 법 등의 결정성장방법을 사용해서 (0001)면 사파이아 기판(92)위에 n-GaN 으로 형성되는 접촉층(94) n-Al0.1Ga0.9N 으로 형성되는 클래드층(96), In0.1Ga0.9N 으로 형성되는 활성층(98), p-A10.1Ga0.9N 으로 형성되는 클래드층(100), p-GaN 으로 형성되는 접촉층(102)을 에피택셜 성장한다.(도 10(a)). 다이 접촉층(102)위에 마스크층(112)이 형성된다. 마스크층(112)은 p 형 반도체 이외로 형성되는 반도체층이나 절연층으로서 수소이온을 투과하지 아니하는 것이라면 좋다. 예를 들자면 첨가되지 않은 GaN 나 n 형 GaAs, p 형 GaN 혹은 SiO2, Si3N4, Si 등을 마스크층으로 하여 사용할 수가 있다. 포토리소그래피 기술과 엣칭 기술을 사용해서 마스크층(112)을 스트라이프 형상으로 가공하고 접촉층(102)의 일부를 노출시킨다.(도 10(b)).
도 11 에 도시된 바와 같은 전자 싸이크로트론공명(ECR) 장치(120)를 사용해서 도 10(b)에 도시되는 반도체 구조에 수소 이온을 도입한다. 전자 싸이크로트론 공명 장치(120)는 챔버(chamber)(124)와 그 주위에 설치된 마그네트 코일(122) 시료 홀더(126), 셔터(shutter)(130), 가스도입구(132)를 구비하고 있다. 가스도입구(132)로부터 챔버(124)에 도입된 수소는 마이크로파에 의해 챔버(124)내에서 플라즈마화되고 플라즈마 흐름(128)이 시료 홀더(126)에 셋트된 사파이어 기판(92)에 조사된다. 그때, 사파이아 기판(92)은 약 350℃ 의 온도로 유지되어 있다. 그 결과 접촉층(102)의 마스크층(112)에 덮혀 있지 아니한 표면에서 원자 형상의 수소가 접촉층(102) 및 클래드층(100)에 주입된다(도 12(a)). 이것은 마스크층(112)내를 원자 형상의 수소가 통과할 수 없기 때문에 마스크로서 기능을 하기 때문이다. 이 공정에 의해 억셉터가 불활성된 영역(108)이 형성된다. 그 후, 마스크층(112)을 제거하고 접촉층(102)의 전체면을 노출시킨후 전극(106)을 형성한다.(도 12(b)).
그 후, 도 12(b)에 도시된 구조를 구비한 사파이아 기판(92)을 전자 싸이크로트론 공명(ECR) 장치(120)로 도입하고 염소가스를 사용해서 접촉층(102), 클래드층(100), 활성층(98), 클래드층(96)의 일부 및 접촉층(94)의 일부를 층의 도중까지 에칭한다(도 12(c)). 다시, 도 13 에 도시하는 바와 같이 에칭에 의해 공진기 단면(136, 138)을 형성한다.
계속해서 사파이아 기판(92)을 약 350℃로 유지하면서 가스도입구(132)에서 수소를 챔버(124)내로 도입하고 전자 싸이크로트론 공명에 의해 플라즈마 여기된 수소 분위기중에 엣칭된 단면을 쬔다. 이에 따라 공진기 단면(136, 138)으로부터 원자 형상의 수소가 침입하여 공진기의 단면 근처의 빈 구멍 등의 고유결함이 수소에 의해 보상된다. 그 결과 비발광 중심의 형성을 억제하여 동작전류의 상승이나 신뢰성의 저하를 억제할 수가 있다.
마지막으로 전극(104)을 접촉층(94)위에 형성해서 반도체 레이저(90)가 완성된다.
이와 같은 방법에 의하면 활성층에 근접한 영역에 엣칭 등의 가공을 하지 아니함으로 신뢰성이 높은 반도체 레이저를 용이하게 생산성이 좋게 제작할 수가 있다. 또한, 전자 싸이크로트론 공명에 의하면 수소의 여기 효율이 좋고 효율적으로 고저항의 영역을 제작할 수 있고 또한 이온 주입 등과는 달리 반도체 결정에 대한 피해는 거의 볼 수 없다. 또한 전자 싸이크로트론 공명에 의하면 수소의 여기 효율(good excitation efficiency of hydrogen)이 좋기 때문에 효율적으로 고저항의 영역을 제작할 수가 있다. 다시 전자 사이크로트론 공명에 의하면 자계 방향 즉 반도체 레이저를 구성하는 각 층에 수평 방향으로는 수소플라즈마는 확산되기 어려운 성질이 있기 때문에 스트라이프 형상으로 가공된 마스크층(112)의 폭과 거의 같은 폭으로 적층 구조에 원자형상의 수소를 침입시킬 수가 있다. 스트라이프의 폭은 약 4μm 로 좁기 때문에 이 효과는 크다.
또한, 공진기 단면(136, 138) 근처로의 원자형상의 수소의 주입에 의해 단면 근처의 반도체층은 고저항비를 갖도록 한다. 따라서 공진기 단면 근처에서의 발열은 억제되고 공진기 단면의 온도상승을 저감해서 반도체 레이저의 신뢰성을 높일 수가 있다.
위 실시예에서는 플라즈마 여기된 수소 중에 설치된 시료의 온도는 약 350℃로 유지하기로 하였으나 이 온도를 바꿈으로서 수소원자에 의한 억셉터의 불활성화를 제어할 수가 있다. 또한 수소원소를 함유하는 기체로서 수소를 사용해서 설명을 하였으나 수소원소를 포함해서 기체면 암모니아(NH3) 등의 가스를 사용해도 좋다.
위의 실시예에서는 반도체 레이저를 구성하는 재료로서 AlGaInN 계를 사용해서 설명하였으나 밴드갭의 큰 다른 재료라도 좋고 II-VI 족 화합물인 ZnMgSSe계에서도 본 발명의 효과는 크다. 예를 들면, 도 14에 도시된 바와 같이 반절연성 ZnSe로 구성되는 기판(202)위에 n-ZnMgSSe로 형성되는 클래드층(204), n-ZnSe으로 형성되는 광 속박 층(light confinement layer)(208), CdZnSe으로 형성되는 활성층(210), p-ZnSe으로 형성되는 광 속박 층(212), p-ZnMgSSe로 형성되는 클래드층(214) 및 p-ZnSe 로 형성되는 접촉층(216)을 갖춘 반도체 레이저(200)에 적용해도 좋다. 접촉층(216), 크랫트층(214), 광 속박 층(212)의 일부에는 수소가 첨가된 영역(220)이 형성되어 있고 접촉층(216)위에 형성된 전극(218)과 클래드층(204)위에 형성된 전극(204) 사이에 부가된 전압에 의해 활성층(210)을 흐르는 전류가 협착된다.
또한 본 실시예에서는 기판으로서 사파이아를 사용한 경우에 대해서 설명을 하였으나 SiC, 스피넬, ZnO 등의 다른 기판을 사용해도 좋다.
실시예 3
본 실시예에서는 본 발명에 의한 반도체 레이저의 실장 방법을 설명한다.
본 실시예에서 사용하는 반도체 레이저(302)는 도 15에 도시된 바와 같이 사파이아 등의 기판(320)위의 형성된 반도체 구조(304)를 갖추고 있다. 반도체 구조(304)는 활성층(308)과 활성층을 끼는 클래드층(306, 310)을 포함하고 있다. 활성층(308)은 InxGa1-xN 으로 형성되고 클래드층(306, 310)은 각각 p-AlyGa1-yN 및 n-AlyGa1-yN으로 형성된다. 반도체 구조(304)는 단차를 갖고 있고 단차에 의해 형성된 오목부(314)와 돌기부(312)가 형성되어 있다. 최소한 활성층(306)은 돌기부(312)에 포함되어 있다. 또한 돌기부(312)의 표면에는 클래드층(306)에 전기적으로 접속된 전극(316)이 형성되고, 오목부(314)의 표면에는 클래드층(310)에 전기적으로 접속된 전극(318)이 형성되어 있다. 전극(316, 318) 각각의 표면의 위치는 2.8μm 의 갭 D1이 있다.
도 16 에 도시된 바와 같이 반도체 레이저(302)가 실장되는 마운트(mount)(324)도 단차(step difference)를 갖추고 있고 그 단차에 의해 돌기부(326) 및 오목부(328)가 형성되어 있다. 돌기(326) 및 오목부(328)의 표면에는 범프(330, 332)가 각각 설치되어 있다. 마운트(324)는 방열체인 Si로 형성되고, 범프(330, 332)는 금과 주석의 합금으로 형성된다. 범프(330, 332)의 각각의 표면의 위치는 3.0μm 의 갭 D2 가 있다.
실장 방법은 도 16에서 설명된다. 서브마운트(submount)(324)위에 진공 콜릿(vacuum collet)(322)을 사용해서 반도체 레이저(302)를 셋트한다. 반도체 레이저(302)를 마운트(324)에 접근시켜 가면 D2 가 D1 보다 크기 때문에 먼저 반도체 레이저(302)의 전극(318)이 범프(330)와 접촉된다. 반도체 레이저(302)쪽에서 하중을 걸어서 범프(330)를 압착하여 범프(330)의 두께를 엷게 하고 전극(316)과 범프(332)가 접촉하도록 한다. 그 후 280℃까지 Si 서브마운트(301)를 가열시켜 범프(330) 및 범프(332)를 용융해서 반도체 레이저(302)와 서브마운트(324)를 밀착시킨다.
이와 같은 방법에 의해 오목부, 볼록부에 존재하는 반도체 레이저를 열전도가 좋은 방열체에 밀착시킬 수가 있다. 따라서 반도체 레이저의 온도 상승을 억제시킬 수 있고 신뢰성의 저하를 억제할 수 있다.
다시 반도체 레이저(302)의 오목부(314)에 설치된 전극(318)이 범프(330)와 접촉하게 되어, 반도체 레이저의 활성층(308)에는 과도한 압력이 걸리지 않게 되고, 반도체 레이저에 악영향을 미치는 일이 없다. 특히 응력에 의해 생기는 구성 재료의 복굴절성에 기인하는 출사광의 편파면의 회전이란 문제가 생기지 아니한다.
실시예에서는 범프의 재료로서 금과 주석의 합금을 사용하나 용융시켜 반도체 레이저와 방열체를 밀착시킬 수 있는 재료이면 좋은데, 예를 들면 납과 금의 합금이나 인듐 등이라도 상관없다.
또한 아래에 설명하는 바와 같이 반도체 레이저(302)와 마운트(324) 사이에 자외선 경화수지를 주입해도 좋다. 도 17 및 도 18 에 도시된 바와 같이 사브마운트(306)의 돌기(326) 및 오목부(328)에 각각 설치된 전극 범프(338, 340)를 피복하는 것과 같이 마운트(324)의 표면에 자외선 경화 수지(336)를 도포한다. 이 경우 범프(338, 340)는 도금 등에 의해 형성된 금으로 형성된다.
상기의 설명과 같이 먼저 반도체 레이저(302)의 전극(318)을 범프(338)와 접촉시켜 반도체 레이저(302)쪽에서 하중을 걸어서 범프(338)를 침적시켜 범프(338)의 두께를 엷게하고 전극(316)과 범프(340)가 접촉하게 한다. 이때 범프(338)과 범프(340) 사이의 저항을 모니터 해두면 전극(318)과 범프(338)와의 접촉이 확인된다. 그후 반도체 레이저(302)에 전압을 부가해서 발광시킨다. 이 경우 반드시 레이저 발진시킬 필요는 없다. 반도체 레이저(302)로부터 새어나오기 시작한 광을 자외선 경화수지(336)가 흡수하여 경화시켜 반도체 레이저(302)를 사브마운트(324)위에 실장시킬 수 있다. 자외선 경화수지를 효율적으로 경화시킬 수 있는 파장의 광을 출사하는 반도체 레이저의 재료로서는 AlGaInN 계나 ZnMgSSe 계 등이 있다.
이와 같은 방법에 의해 오목부, 볼록부가 존재하는 반도체 레이저를 열전도가 좋은 방열체에 밀착시킬 수가 있다. 따라서, 반도체 레이저의 온도상승을 억제할 수 있고 신뢰성의 저하를 억제할 수 있다.
더 나아가서, 반도체 레이저(302)의 오목부(314)에 설치된 전극(318)이 범프(338)와 접촉하게 되어, 반도체 레이저의 활성층(308)에 과도한 압력이 걸리는 일이 없고 반도체 레이저에 악영향을 미치는 일이 없다. 특히 응력에 따라 생기는 구성재료의 복굴절성에 기인하는 출자광의 편파면의 회전이란 문제가 발생되지 않는다.
실시예에서는 반도체 레이저를 발광시켜서 자외선 경화수지를 경화시켰으나 외부에서 자외선을 조사시켜 경화시켜도 관계없다.
실시예에서는 반도체 레이저를 서브마운트에 실장시키는 수지로서 자외선 경화수지를 사용했으나 열경화 수지라도 관계없다. 또한 서브마운트로서 다른 방열이 좋은 재료로서 예를 들면, SiC, C, AlN 등을 사용해도 본 발명의 효과는 크다.
또한 상술한 실시예에서는 Si 서브마운트에 오목부, 볼록부를 설치하고 있으나 도 19 에 도시된 바와 같이 두께가 D2 만큼 다른 2 개의 범프(342, 344)를 편평한 표면을 갖는 마운트(346)에 설치하여 상기 기술내용과 같이해서 반도체 레이저를 마운트 상에 실장시킬 수 있다.
본 발명에 의하면 높은 신뢰성이 구비되고, 높은 발광 효율로 청색 영역 파장의 광을 발광시킬 수 있는 발광 소자를 얻을 수가 있다. 또한 방열성이 뛰어난 출사광 편파면의 회전이 적은 반도체 발광 소자를 얻을 수가 있다.
상기와 같은 청색 발광 소자를 간단한 공정과 높은 생산성으로 제조하는 방법이 제공된다.

Claims (6)

  1. 반도체 발광 소자의 제조 방법에 있어서,
    활성층을 갖는 반도체 구조를 기판상에 형성하는 공정과,
    적어도 상기 활성층의 일부를 제거하는 것에 의해, 상기 활성층을 갖는 돌기부와 상기 활성층을 갖지 않는 오목부를 상기 반도체 구조에 형성하는 공정과,
    상기 오목부 상에 제1 전극을, 또한 상기 돌기부 상에 제2 전극을 각각 형성하는 공정과,
    상기 제1 전극과 방열체가 접촉한 후에, 상기 제2 전극과 상기 방열체가 접촉하도록, 상기 반도체 구조를 상기 방열체에 제공하는 공정을 포함하는 반도체 발광 소자의 제조 방법.
  2. 반도체 발광 소자의 제조 방법에 있어서,
    활성층을 갖는 반도체 구조를 기판상에 형성하는 공정과,
    적어도 상기 활성층의 일부를 제거하는 것에 의해, 상기 활성층을 갖는 돌기부와 상기 활성층을 갖지 않는 오목부를 상기 반도체 구조에 형성하는 공정과,
    상기 오목부 상에 제1 전극을, 또한 상기 돌기부 상에 제2 전극을 각각 형성하는 공정과,
    상기 제1 전극과 상기 제2 전극과의 사이의 단차 보다도 큰 단차를 갖는 방열체 상에, 상기 방열체의 돌기부와 상기 제1 전극이 접촉하며, 또한 상기 방열체의 오목부와 상기 제2 전극이 접촉하도록 상기 반도체 구조를 제공하는 공정을 포함하는 반도체 발광 소자의 제조 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 방열체의 상기 돌기부 상에 제1 범프를 형성하고 또한 상기 방열체의 상기 오목부 상에 제2 범프를 각각 형성하여, 상기 제1 범프가 상기 제1 전극과 접촉한 후에, 상기 방열체와 상기 반도체 구조를 억압하여, 상기 제2 범프와 상기 제2 전극을 접촉시키는 반도체 발광 소자의 제조 방법.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 반도체 구조를 제공하는 공정은, 상기 방열체의 상기 돌기부 및 상기 오목부의 표면에 수지를 도포하여, 상기 수지를 경화함으로써, 상기 반도체 구조와 상기 방열체를 고정하여, 제공하는 반도체 발광 소자의 제조 방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 수지는 자외선 경화 수지이며, 상기 반도체 구조에 전압을 인가하는 것에 의해, 자외광을 발광시켜, 상기 수지를 경화시키는 반도체 발광 소자의 제조 방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 활성층은 AlXGayInzN (단지, 0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤z≤1), 또는 ZnMgSSe로 이루어지는 반도체 발광 소자의 제조 방법.
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