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KR100437859B1 - Ⅲ-ⅴ족 질화물 반도체 레이저 소자 - Google Patents

Ⅲ-ⅴ족 질화물 반도체 레이저 소자 Download PDF

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KR100437859B1
KR100437859B1 KR10-2001-0057820A KR20010057820A KR100437859B1 KR 100437859 B1 KR100437859 B1 KR 100437859B1 KR 20010057820 A KR20010057820 A KR 20010057820A KR 100437859 B1 KR100437859 B1 KR 100437859B1
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laser device
nitride semiconductor
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키무라요시노리
와나타베아쯔시
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로무 가부시키가이샤
파이오니아 코포레이션
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Abstract

Ⅲ-Ⅴ족 질화물 반도체 레이저소자는, 제조 코스트의 증가없이 우수한 발광 특성을 나타낸다. p측 가이드층의 굴절율이 n측 가이드층의 굴절율보다 크다.

Description

Ⅲ-Ⅴ족 질화물 반도체 레이저 소자{Ⅲ-Ⅴ nitride semiconductor laser device}
본 발명은 질화물 반도체 레이저 소자에 관한 것이다.
SCH(Separate Confinement Hetrostructure)는 반도체 레이저 다이오드에서 광범위하게 사용되는 구조이다. SCH 레이저 다이오드에 있어서, 활성층과 광가이드층 사이의 계면에서 밴드 스텝(band step)에 의해 주입 캐리어가 활성층에 갇히고, 광가이드층과 클래딩(cladding)층 사이의 계면에서 굴절율 스텝에 의해 광강도(optical field)가 광가이드층과 활성층에 갇힌다. (AlxGa1-x)1-yInyN(0≤x≤1, 0≤y≤1)로 표시되는 Ⅲ-Ⅴ족 질화물 반도체로 구성된 레이저 다이오드에 있어서, SCH는 종래의 반도체로 구성된 레이저 다이오드에도 사용된다. 그러나, 광 감금을 위해 충분한 두께를 갖는 양질의 AlxGa1-xN 에피택셜층과 Al 몰분율을 얻는 것이 어렵기 때문에, Ⅲ-Ⅴ족 질화물 반도체 레이저 다이오드에서 충분한 광 강도를 얻는 것은 곤란하다. 그러므로, Ⅲ-Ⅴ족 질화물 반도체 레이저 다이오드의 임계 전류밀도와 원시야 패턴(FFP : Far-Field Pattern)은, 열악한 광 감금 때문에 종래의 반도체로 구성된 레이저 다이오드보다도 열등하다.
도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 Ⅲ-Ⅴ족 질화물 반도체 레이저 다이오드는 단결정 사파이어(sapphire)로 이루어지는 기판(1) 위에서 적층 성장된 다층 구조를 가진다.
에피택셜층은, 저온에서 성장된 GaN 또는 AlN 버퍼층(2), n형 GaN 베이스층(3), n형 AlGaN 클래딩층(4), n측 GaN 광가이드층(5), 본질적으로 InGaN으로 이루어지는 활성층(6), AlGaN 전자 배리어층(7), p측 GaN 광가이드층(8), p형 AlGaN 클래딩층(9) 및 p형 GaN 콘택트층(10)으로 이루어진다.
n측 전극(12a) 및 p측 전극(12b)은, 절연층(11)의 윈도우를 통해서 베이스층(3) 및 콘택트층(10) 위에 각각 적층된다. 양질의 부드러운 단결정층을 얻기 위해, 사파이어 기판(1)상에서 첫번째로 버퍼층(2)이 성장된다. 사파이어 기판(1)이 절연체이기 때문에, 베이스층(3)은 n측 전극용 콘택트층으로서 성장된다.
상술한 바와 같이, 종래 SCH Ⅲ-Ⅴ족 질화물 반도체 레이저 다이오드의 광 감금은, (ⅰ) 클래딩층(4)의 두께를 증가시키거나 또는 (ⅱ) 클래딩층(4)의 굴절율을 내리는 것에 의해 향상될 수 있다.
상기 (ⅰ)의 방법 사용시, GaN보다 작은 격자정수를 가지는 AlGaN의 클래딩층(4)이 GaN의 베이스층(3) 위에 형성되는 경우, 인장응력이 클래딩층(4) 내부에 생긴다. 이것이 크랙(crack)을 용이하게 형성한다. 클래딩층(4)의 두께가 두꺼워지면, 이 경향은 특히 현저해진다. 이와 같은 클래딩층(4)의 크랙은, 레이저 다이오드의 발광 특성을 저하시킨다.
베이스층(3)과 클래딩층(4)의 사이에서 성장된 변형 완화층(미도시)은 격자 부정합을 완화한다. 변형 완화층을 이용함으로써, 크랙이 클래딩층(4)에서 감소될 수 있고, 또 클래딩층(4)의 두께가 두꺼워질 수 있다. 예컨대, 변형 완화층은 InGaN으로 이루어지고, 두께는 약 0.1~0.2㎛이다. 그러나, 격자 부정합을 완화하기 위한 변형 에너지는 변형으로서 변형 완화층에 저장되어, 변형 완화층의 결정 품질을 크게 저하시킨다. 게다가, 변형 완화층에 저장된 변형은 새로운 전위(dislocation)를 생성하며, 그리고 활성층에서 광 게인(gain)을 저하시킨다. 그러므로, 임계 전류밀도는 증가한다.
또한, 상기 (ⅰ)의 방법은 클래딩층(4)의 두께 증가뿐만 아니라 성장 시간도 증가시켜, 제조 코스트를 증가시키므로 바람직하지 않다.
상기 (ⅱ)의 방법에 의하면, 클래딩층(4)에서 Al 몰분율을 증가시킴으로써클래딩층(4)의 굴절율이 저감될 수 있다. Al 몰분율이 증가하면, AlGaN의 격자정수는 감소한다. 그 결과, 클래딩층(4)에 보다 큰 인장응력이 작용하여, 클래딩층(4)에서 크랙을 생성한다.
상기 (ⅰ) 및 (ⅱ)의 방법에 부가해서, 클래딩층(4)의 굴절율을 내리는 것이 아니고, 가이드층(5)의 굴절율을 증가시킴으로써 광 감금을 향상시키는 또 다른 방법이 있다. 예컨대, 미량의 In이라도 굴절율을 상당히 증가시킬수 있다. 높은 굴절율을 가지는 광가이드층(5)은, 클래딩층(4)의 두께를 증가시키지 않고 광 감금을 향상시킬수 있다.
유기금속 화학기상성장(MOCVD)법으로 InGaN이 성장되면, 거의 V자 형태의 단면을 가지는 피트(pit)가 그 표면에 생긴다. 피트는 하층의 전위로부터 시작되어 InGaN층의 두께의 비례해서 성장하도록 성장한다. 활성층(6)에 대한 광 감금을 개선하기 위해, 광가이드층(5)은 일정한 정도의 두께를 가진다. 그러므로, 매우 큰 피트가 광가이드층(5)의 표면에 생긴다. 큰 피트를 갖는 광가이드층(5)에 걸쳐 성장한 활성층(6)이 평탄면을 갖더라도, 활성층(6), 광가이드층(5) 및 광가이드층(7)을 포함하는 도파관 영역내에서 안내된 광이 큰 피트에 의해 산란되므로, 큰 피트의 발생은 레이저 특성의 열화를 초래한다. 바꾸어 말하면, 광가이드층을 위한 InGaN의 사용은, 광가이드층의 굴절율을 증가시킬수 있고, 또한 산란 손실도 증가시키므로, 임계 전류밀도의 증가를 초래한다.
따라서, 본 발명의 목적은 제조 코스트의 증가없이 우수한 발광 특성을 나타내는 반도체 레이저 소자를 제공하는 것이다.
도 1은 Ⅲ-Ⅴ족 질화물 반도체 레이저 소자의 단면도,
도 2는 클래딩(cladding)층에서의 In 몰분율와 광 감금계수 사이의 관계를 나타내는 그래프,
도 3은 비교예로서 적층방향에서 반도체 레이저 소자(In 몰분율 y=0)의 굴절율과 소자내에서의 광 강도(대수축) 분포를 나타내는 도면(각 축은 임의단위),
도 4는 본 발명의 적층방향에서 반도체 레이저 소자(In 몰분율 y=0.010)의 굴절율과 소자내에서의 광 강도(대수축) 분포를 나타내는 도면(각 축은 임의단위),
도 5는 본 발명의 적층방향(임의단위)에서 반도체 레이저 소자(In 몰분율 y=0.015)의 굴절율과 소자내에서의 광 강도(대수축) 분포를 나타내는 도면(각 축은 임의단위),
도 6은 광가이드층의 막 두께와 In 몰분율이 변화될 때의 원시야 패턴을 나타내는 매트릭스 도면,
도 7의 (a)~(c)는 도 6의 각 지점(a, b, c)에서의 원시야 패턴을 나타내는 도면,
도 8은 본 발명에 의한 또 다른 Ⅲ-Ⅴ족 질화물 반도체 레이저 소자의 단면도,
도 9는 본 발명에 의한 다른 Ⅲ-Ⅴ족 질화물 반도체 레이저 소자의 단면도이다.
[도면의 주요부분에 대한 부호의 설명]
1 : 기판 2 : 버퍼층
3 : 베이스층 4, 9 : 클래딩층
5, 8 : 가이드층 6 : 활성층
7 : 전자배리어층 10 : 콘택트층
11 : 절연층 12a : n측 전극
12b : p측 전극 13 : 중간층
14 : 마스크층
본 발명에 의한 질화물 반도체 레이저 소자는, n측 AlGan 클래딩층; n측 가이드층; 활성층; p측 가이드층 및 p측 AlGaN 클래딩층을 포함하고, 상기 p측 가이드층의 굴절율이 상기 n측 가이드층의 굴절율보다 큰 Ⅲ-Ⅴ족 질화물 반도체 레이저 소자이다.
본 발명에 의한 반도체 레이저 소자를 구성하는 각 층에 대한 재료의 조성비는, 종래의 Ⅲ-Ⅴ족 질화물 반도체 레이저 다이오드의 대응하는 층에 대한 것과 부분적으로 다르지만, 본 발명에 의한 반도체 레이저 소자는 종래의 Ⅲ-Ⅴ족 질화물 반도체 레이저 다이오드와 유사한 단면 구조를 가진다.
이것은, 도 1을 참조하여 아래에 설명된다. AIn이나 GaN 등의 저온 버퍼층(2)이 사파이어 기판(1) 위에 성장되고, 도전성을 갖기 위해 Si 등이 도핑된 n측 GaN 베이스층(3)이 버퍼층(2) 위에서 약 4~6㎛ 두께로 성장된다. Al 몰분율 x=0.06과 0.6㎛의 두께를 가지는 n측 AlxGa1-xN 클래딩층(4)과 n측 GaN 광가이드층(5)이 베이스층(3) 위에서 성장된다. 다음에, Iny1Ga1-yN(y1=0.08, 30Å)/Iny2Ga1-y2N(y2=0.01, 60Å)의 5층을 가지는 MQW 활성층(6)이 발광층으로서 광가이드층(5) 위에 성장된다. 다음에, 0.02㎛의 두께를 가지는 AlxGa1-xN 전자배리어층(7), p형이 되도록 마그네슘이 도핑된 p측 InyGa1-yN 광가이드층(8), 0.4㎛의 두께와 Al 몰분율 x=0.06을 가지는 p측 AlxGa1-xN 클래딩층(9) 및 0.1㎛의 두께를 가지는 p측 콘택트층(10)이 MQW 활성층(6) 위에서 순서대로 성장된다. p측 전극(12b) 및 n측 전극(12a)은 절연층(11)의 윈도우를 통해서 p측 콘택트층(10) 및 n측 GaN 베이스층(3) 위에 각각 적층된다.
본 실시예의 반도체 레이저 소자에서 n측 광가이드층이 GaN으로 형성되므로, 성장 후 n측 광가이드층(5)의 표면에 피트가 형성되지 않아, 상술한 산란 손실의 문제가 발생하지 않는다. p측 가이드층(8)이 InGaN으로 형성되어 굴절율을 증가시키므로, 광의 감금 효율이 향상될 수 있다.
마그네슘을 InGaN에 도핑하면 피트의 발생이 억제된다. p형 도펀트로서 마그네슘이 p측 광가이드층(8)에 도핑되면, 산란 손실을 증가시키는 피트가 바람직하게 생기지 않는다.
InyGa1-yN으로 형성된 p측 광가이드층(8)의 굴절율 레벨은, In 몰분율 y를 조절함으로써 제어될 수 있다. 즉, 광 감금 상태가 제어될 수 있다. p측 광가이드층(8)에서 In 몰분율 y를 증가시키면, p측 광가이드층(8)의 굴절율을 증가시킬수 있다. 레이저 소자의 발광 특성을 향상시키는 설정으로서, InyGa1-yN으로 형성된 p측 광가이드층(8)이 0.05㎛ 이상의 두께와, In 몰분율 y=0.005 이상을 가지는 것이 바람직하다.
이하에, 본 발명과 비교예의 반도체 레이저 소자의 발광 특성에 대한 시뮬레이션 결과를 논한다.
도 2는, n측 광가이드층(5)과 p측 가이드층(8)의 두께를 모두 0.2㎛로 설정한 p측 광가이드층(8)의 In 몰분율 y에서 활성층(5)에 대한 광 감금계수(P)와, p측 InyGa1-yN 가이드층(8)의 굴절율을 변화시키기 위해 In 몰분율 y가 변화될 때 얻어진 활성층에서의 광 감금계수(Γ)의 의존상태를 나타낸다.
In 몰분율 y가 증가하면, 광 감금계수(Γ)는 특히 y=0.015 근방에서 급격히 상승한 이후 완만하게 하강한다. 즉, n측 광가이드층(5)과 p측 광가이드층(8)의 두께가 모두 0.2㎛인 경우, In 몰분율 y=0.015 이상일 때 양호한 광 감금이 달성된다.
도 3 내지 도 6에 도시된 바와 같이, n측 광가이드층(5) 및 p측 광가이드층(8)의 두께를 모두 0.2㎛로 설정하고, p측 InyGa1-yN 가이드층(8)의 굴절율을 변화시키기 위해 In 몰분율 y가 0(비교예)에서, 0.010 및 0.015(이상 본 발명)으로 변화될 때 소자의 성장 방향에서의 광 강도분포와 원시야 패턴이 계산된다. 도 3 내지 도 5에서의 굴절율 분포에 있어서, 소자를 구성하는 각 층의 굴절율은 도 1에서 각 층을 표시한 것과 동일한 번호로서 나타낸다.
도 3에 도시된 바와 같이, 비교예에서 In 몰분율 y=0인 경우, 즉 p측 광가이드층(8)이 n측 광가이드층(5)에 사용된 것과 동일한 재료의 GaN으로 형성되고, 광가이드층(8)의 굴절율이 n측 광가이드층(5)과 베이스층(3)의 굴절율과 동일한 경우, 광 강도분포(16)는 n측 광가이드층(5)과 p측 광가이드층(8)을 포함하는 활성층(6)의 근방뿐만 아니라 16a 및 16b로 표시된 베이스층(3)의 일부에서도피크(peak)를 가진다.
상기 조건에서 성장 방향에서의 원시야 패턴은, 도 7의 (c)에 도시된 바와 같이, 복수의 폭이 좁고 예리한 피크를 가지며 바람직하지 않다. 적층 방향에서의 원시야 패턴은 소자에서의 광 강도분포에 의해 영향을 잘 받는다. 즉, 활성층(6) 근방에서의 광 감금이 약하고, 베이스층(3)으로 광 강도가 누설할 때, 원시야 패턴은 폭이 좁고 예리한 피크를 가지는 복수의 피크 형태를 가진다. 소자 내부에서 활성층(6) 근방의 광 감금이 양호한 경우, 원시야 패턴에서 상기 폭이 좁고 예리한 피크는 상대적으로 작아지게 되고, 상기 패턴은 폭이 넓은 단일 피크 패턴에 가까워진다.
도 4에 도시된 바와 같이, In 몰분율 y=0.010인 경우, 즉 p측 광가이드층(8)의 굴절율이 n측 광가이드층(5)의 굴절율보다 약간 높은 경우라도, 광의 강도분포(16)는 베이스층(3)의 일부에 피크(16a)를 가진다. 즉, 광 강도는 베이스층(3) 부분으로 누설한다. 또, 이 경우 원시야 패턴은 도 7의 (b)에 도시된 복수의 피크 패턴을 가지며, 도 7의 (c)에 도시된 것보다 폭이 넓은 단일 피크 형상에 가까워진다. 바꾸어 말하면, In 몰분율 y=0인 경우와 비교해서 소자 내부에서의 광 감금효율이 향상된 것이 명백하다.
또, 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명에 의한 In 몰분율 y=0.015인 경우, 즉 p측 광가이드층(8)의 굴절율이 도 4에 도시된 경우보다 더 높은 경우, 광의 강도분포(16)는 n측 광가이드층(5)과 p측 광가이드층(8)을 포함하는 활성층(6)의 근방에 집중되고, 활성층(6)에서 발광이 발생하여 소자 내부에서 도파된 광이활성층(6)의 근방에 양호하게 감금되는 것이 명백하다. 이때, 원시야 패턴은 도 7의 (a)에 도시된 폭이 넓은 단일 피크 패턴을 가지며, 폭이 좁고 예리한 피크가 관찰되지 않아 소자의 발광 특성으로서 매우 바람직하다.
상술한 것은, n측 광가이드층(5)과 p측 광가이드층(8)의 두께가 모두 0.2㎛로 설정된 경우이다. 다음에, 베이스층(3)으로의 광 강도 누설과 원시야 패턴의 광 강도분포는, p측 InyGa1-yN 가이드층(8)에서의 In 몰분율와 그 두께가 변화될 때 얻어진다. n측 광가이드층(5)은 GaN으로 형성되고, n측 광가이드층(5)과 p측 광가이드층(8)은 동일한 두께를 가지는 것에 주의한다. 즉, p측 광가이드층(8)의 두께가 0.1㎛일때, n측 광가이드층(5)의 두께도 0.1㎛이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 곡선(17)은 광 강도 누설이 없는 것을 보증하고, 단일 피크 원시야 패턴을 제공하여 가장 바람직한 발광 특성을 보증하는 (경계)조건을 나타낸다. 곡선(17)은 In 몰분율 y와 p측 광가이드층 두께 t(㎛)와의 사이에서, yt=0.003의 관계가 만족되는 것을 발견하였다. 도 2를 더 고려하면, 곡선(17)보다도 In 몰분율 y가 낮으면, 발광 특성이 급격히 열화하는데 반하여, 곡선(17)보다 In 몰분율 y가 더 높게 되어도 발광 특성은 많이 열화하지 않는다. 즉, 곡선(17)에 의해 2분할되는 영역에 있어서, 곡선(17)을 포함하고, 막 두께가 두꺼우며, In 몰분율 y가 큰 상부영역(A)은 바람직한 단일 피크 원시야 패턴을 제공한다.
도 8에 도시된 바와 같이, 광가이드층(5)과 활성층(6)의 사이에 약 500Å,바람직하게는 300Å의 InGaN으로 이루어지는 중간층(13)이 설치될 수 있다. 상술한 바와 같이, 유기금속 화학기상성장(MOCVD)법에 의해 약 300Å 이상의 두께로 InGaN이 형성되면, 그 형성 후 InGaN의 표면에 피트가 생긴다. 피트는 InGaN층보다 하층의 전위 부분에서 시작되는 것은 공지되었다. 도 8에 도시된 바와 같이, 전위를 가지는 베이스층(3) 위에서 성장된 n측 클래딩층(4)과 n측 광가이드층(5)이 성장되고, 그 광가이드층(5) 위에 약 500Å 이하의 두께를 가지는 InGaN 중간층(13)이 더 형성될 때, 중간층(13)의 표면에 미세한 피트가 생긴다. 활성층(6)이 중간층(13) 위에 성장되면, 활성층(6)은 베이스층(3)의 미세한 피트 또는 전위에 걸친 영역을 회피하도록 하여 성장한다. 활성층(6)을 관통하는 전위는 비발광 재결합센터로서 작용하지만, 활성층(6) 아래에 삽입된 InGaN 중간층(13)을 통해 전위 부분을 회피하도록 성장하는 활성층(6)에서 비발광 재결합에 의한 무효전류가 저감될 수 있다. 이것은 임계 전류밀도의 증가를 억제할 수 있어 바람직하다. 일정한 크기 이상의 피트는, 활성층(6)의 평탄성을 저해하고, 도파광을 산란시키므로 바람직하지 않다.
또, 도 6의 점선 곡선(17')은, 중간층(13)이 설치될 때의 곡선(17)과 동일 한 조건(즉, 발광 특성을 향상하는 경계 조건)을 만족하는 관계를 나타낸다. 광가이드층(8)의 두께가 변화되지 않으면, InGaN 중간층(13)이 설치되지 않은 경우와 비교해서 몰분율을 저감하는 방향으로 조건이 연장된다.
또한, 도 9에 나타내는 바와 같이, n측 GaN 베이스층(3) 내부에 SiO2등으로 이루어지는 마스크층(14)이 형성되고, 횡방향에서 GaN의 성장이 촉진되어 마스크상부의 반도체층에서의 전위밀도를 저감하는 ELO(Epitaxial Laterally Overgrowth) 등의 기술을 이용하여 마련된 두꺼운 베이스 위에 레이저 구조체가 설치되는 경우에도, 우수한 원시야 패턴을 가지는 레이저 소자가 제공될 수 있는 것도 확인되었다.
본 발명에 의하면, 소자를 구성하는 층의 두께를 증가시키지 않고 우수한 발광 특성을 나타내는 반도체 레이저 소자를 제공할 수 있으므로, 제조 코스트를 증가시키지 않는다.

Claims (7)

  1. n측 AlGaN 클래딩층과;
    n측 가이드층과;
    활성층과;
    p측 가이드층과;
    p측 AlGaN 클래딩층을 포함하고,
    상기 p측 가이드층은 InyGa1-yN(0<y≤1)으로 형성되고, 상기 n측 가이드층은 InxGa1-xN(0≤x<1, x<y)으로 형성되는 것을 특징으로 하는 Ⅲ-Ⅴ족 질화물 반도체 레이저 소자.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 p측 가이드층은 0.05㎛ 이상의 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 Ⅲ-Ⅴ족 질화물 반도체 레이저 소자.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 p측 가이드층은 y=0.005 이상의 InyGa1-yN으로 형성되는 것을 특징으로 하는 Ⅲ-Ⅴ족 질화물 반도체 레이저 소자.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 n측 가이드층은 GaN으로 형성된 것을 특징으로 하는 Ⅲ-Ⅴ족 질화물 반도체 레이저 소자.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 n측 가이드층과 상기 활성층의 사이에 InGaN의 중간층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 Ⅲ-Ⅴ족 질화물 반도체 레이저 소자.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 중간층은 500Å 이하의 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 Ⅲ-Ⅴ족 질화물 반도체 레이저 소자.
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