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KR100763827B1 - 반도체 레이저 소자 및 그 제조방법 - Google Patents

반도체 레이저 소자 및 그 제조방법 Download PDF

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KR100763827B1
KR100763827B1 KR1020027016670A KR20027016670A KR100763827B1 KR 100763827 B1 KR100763827 B1 KR 100763827B1 KR 1020027016670 A KR1020027016670 A KR 1020027016670A KR 20027016670 A KR20027016670 A KR 20027016670A KR 100763827 B1 KR100763827 B1 KR 100763827B1
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layer
waveguide region
ridge
active layer
stripe
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마츠무라히로아키
Original Assignee
니치아 카가쿠 고교 가부시키가이샤
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Publication date
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Abstract

안정한 횡모드의 발진이 가능하고, F.F.P.가 뛰어난 레이저 광을 출력할 수 있는 레이저 소자를 제공하기 위하여 본 발명에 따른 제 1 반도체 레이저 소자는, 제 1 도전형 반도체층과, 활성층과, 제 1 도전형과는 다른 제 2 도전형의 반도체층이 차례로 적층된 적층구조체를 구비하고, 활성층 및 그 근방에서 폭방향의 광의 퍼짐을 제한하여 그 폭방향과 직교하는 방향에 광을 도파시키는 도파로영역이 형성된 레이저 소자에 있어서, 제 1 도파로영역은 활성층의 폭을 제한함으로써 그 활성층과 그 양측영역사이의 굴절율차에 의하여 그 제한된 활성층내에서 광을 가두도록한 영역으로 하고, 제 2 도파로영역은 활성층에서 실효적인 굴절율차를 만듬으로서 광을 가두도록 한 영역으로 한다
반도체 레이저 소자, 도파로영역, 광 가둠

Description

반도체 레이저 소자 및 그 제조방법{SEMICONDUCTOR LASER DEVICE, AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은 스트라이프형상의 리지(凸부)가 설치된 반도체 레이저 소자에 관한 것이다. 또한, 본 발명의 반도체 레이저 소자는 특히 GaN, AlN, 혹은 InN 또는 이들의 혼성결정인 III-V족 질화물 반도체(InbAldGa1-b-dN, 0
Figure 112002040586188-pct00001
b, 0
Figure 112002040586188-pct00002
d, b + d ＜ 1)를 사용한 소자에 관한 것이다.
요즈음, 질화물 반도체를 사용한 반도체 레이저 소자는, DVD등, 대용량·고밀도의 정보기록·재생이 가능한 광 디바이스 시스템으로의 이용에 대한 요구가 높아지고 있다. 이 때문에 질화물 반도체를 사용한 반도체 레이저 소자는 활발한 연구가 이루어지고 있다. 또한, 질화물 반도체를 사용한 반도체 레이저 소자는 자외영역에서부터 적색에 이르기까지 폭 넓은 가시광의 파장영역에서의 발진이 가능한 것으로 생각되며, 그 응용범위는 상기 광 디바이스 시스템의 광원에 그치지 않고, 레이저 프린터, 광 네트워크등의 광원등, 여러방면에 걸쳐있는 것으로 기대되고 있다. 특히, 레이저 소자 구조에 관하여서는, 여러가지의 연구가 이루어지고 있고, 횡모드의 바람직한 제어를 가능하게 하는 구조에 대하여서도 여러가지의 제안이 되 고 있다. 그 중에서도, 특히 유망시되고 있는 구조로서 리지도파로구조가 있고, 세계에서 선구적으로 출하가 개시된 질화물 반도체 레이저 소자에도 채용되고 있다.
반도체 레이저 소자의 구조로서 리지도파로구조는 구조가 단순한 것이기 때문에 용이하게 레이저 발진이 가능한 반면, 대량 생산에 있어서, 특성의 편차가 발생하기 쉽다. 이것은 리지도파로구조에서는 메사스트라이프의 칫수편차에 의존하여 특성이 변하지만, 메사스트라이프의 형상의 편차는 에칭 정밀도에 의존하는 것이므로, 그 에칭 정밀도 이하에서는 형상의 편차를 억제할 수 없기 때문이다. 또한, 활성층의 에칭에 의한 손상과 활성층 표면이 에칭분위기에 노출되는 것에 의한 손상이 큰 반도체 재료를 사용한 반도체 소자에서는 활성층보다도 깊게 에칭하여 리지를 형성함으로써 완전굴절율 도파형의 반도체 레이저 소자를 구성하려고 하면 활성층 및 활성층 표면의 에칭에 의한 손상때문에 레이저 특성이 악화한다. 따라서, 그와같은 반도체 레이저 소자에서는 활성층에 도달하지 않는 깊이에서 스트라이프를 설치한 실효굴절율형의 도파로구조로 하지 않으면 안된다. 그러나 실효굴절율형의 도파로구조에서는 상술한 스트라이프형상의 편차에 의한 소자 특성 변화가 뚜렷하여, 양산시에 소자특성의 편차가 커진다.
질화물 반도체를 사용한 레이저 소자에서 상술한 분야로의 응용실현을 위한 다음 과제로서는 대량생산에서 안정된 품질의 소자를 제공하는 것이 필수항목이 된다.
그러나, 현재 알려져 있는 레이저 소자 구조에서는, 리지도파로의 형성이 그 걸림돌이 되고 있다. 왜냐하면, 통상, 리지도파로의 형성에는 소자구조로 되는 질화물 반도체를 성장시킨 후, 윗층에서부터 에칭에 의해, 그 질화물 반도체의 일부를 제거하여서, 도파로를 구성하기 위한 리지(凸부)를 형성하게 되지만, 이 때의 에칭정밀도가, 상술한 바와같이, 얻어지는 레이저 소자의 특성에 큰 영향을 미치기 때문이다. 즉, 리지도파로를 형성하는 凸부의 형상, 특히 그 높이 및 폭으로서, 횡모드가 제어되어 얻어지는 레이저 광의 F.F.P.(Far.Field.Pattern.)가 결정되기 때문에 에칭에 의한 리지도파로를 형성할때, 그 깊이의 제어오차가 직접적으로 소자특성의 편차를 생기게 하는 큰 요인으로 되기 때문이다.
또한, 종래 질화물 반도체의 에칭방법으로서, RIE(반응성 이온에칭)등의 드라이에칭을 사용하는 것이 알려져 있지만, 이들의 에칭방법에서는 소자특성의 편차를 근본적으로 해결할 수 있는 정도의 정밀도로 에칭깊이를 제어하는 것이 곤란하였다.
더욱이, 근년의 소자설계에 있어서, 초격자구조등, 수개의 원자층 단위로 제어된 층이 소자구조중에 다수 설치되어서 구성되어 있는 것도 상기 에칭정밀도에 의한 소자특성 편차의 원인이 되고 있다. 즉, 소자구조를 구성하는 각층의 형성에 있어서, 각각의 막두께는 아주 높은 정밀도로 제어되어 형성되어 있으며, 그것 보다도 정밀도가 아주 약한 에칭방법을 사용하여 리지등을 형성하는 것은, 고도로 설계된 소자구조를 실현하는 것이 곤란하게 되며, 소자특성 향상의 걸림돌이 된다.
예를 들면, 질화물 반도체를 사용한 레이저 소자에 있어서, 활성층을 에칭하지 않고 활성층상에 리지도파로를 설치하는 굴절율도파형의 구조에 의해 고출력형 의 질화물 반도체 레이저 소자를 실현하기 위해, 에칭의 깊이방향의 정밀도는 리지 바로 아래의 활성층부와 기타의 활성층부와의 실효굴절율차를 100분의 1 정밀도로 제어할 필요가 있다. 그 정밀도를 실현하기 위해서는 활성층 바로 위의 층에서, 예를 들면, 그것을 p형 클래드층으로 하면, p형 클래드층이 극히 일부만 남을때까지, 0.01㎛이하의 정밀도로 깊이가 제어된 에칭으로서 리지를 형성하지 않으면 않된다. 또한, 리지도파로의 폭에 관하여서는, 그것보다도 낮은 정밀도이지만, 0.1㎛의 정밀도로 에칭을 제어할 필요가 있다.
또한, 질화물 반도체의 에칭방법으로서, RIE를 사용하면 에칭노출면 및 노출된 층이 상처를 받을 염려가 있어서, 소자특성과 소자신뢰성의 저하를 초래하게 된다. 에칭방법에는 건식에칭이외에 습식에칭을 사용하는 방법이 있지만, 질화물 반도체에 사용할 수 있는 습식에칭액은 아직 개발되어 있지 않다.
이상과 같이, 질화물 반도체를 사용한 레이저 소자의 고기능화 및 특성편차가 작은 대량생산의 실현에는 에칭공정에서의 리지도파로 형성시의 정밀도가 크게 영향을 주며, 정밀도가 뛰어난 리지도파로의 형성은 아주 중요한 과제로 되어 있다.
본 발명은 상기 사정을 감안하여, 스트라이프형상의 반도체 레이저 소자에 서도 그 발진. 도파가 뛰어난 공진기를 가진 반도체 레이저 소자이면서 안정된 횡모드 제어와 F.F.P.가 뛰어난 레이저 광을 얻을 수 있고, 또 양산시에 있어서도 소자편차가 적은 레이저 소자 혹은 단면발광소자 및 그 제조방법을 발명하기에 이른 것이다.
즉, 본 발명의 레이저 소자는 후술하는 구성에 의해 본 발명의 목적을 달성할 수 있다.
본 발명에 따른 제 1 반도체 레이저 소자는 제 1 도전형의 반도체층과, 활성층과, 상기 제 1 도전형과는 다른 제 2 도전형의 반도체층이 차례로 적층된 적층구조체를 구비하고, 상기 활성층 및 그 근방에서 폭방향으로 광이 퍼지는 것을 제한하여 그 폭방향과 직교하는 방향으로 광을 도파시키는 도파로영역이 형성되는 반도체 레이저 소자에 있어서,
상기 도파로 영역은 제 1 도파로영역과 제 2 도파로영역을 가지게 되고,
상기 제 1 도파로영역은 상기 활성층의 폭을 제한함으로써 그 활성층과 그 양측영역 사이의 굴절율차에 의하여 그 제한된 활성층내에 광을 가두도록 한 영역이고,
상기 제 2 도파로영역은 상기 활성층에서 실효적으로 굴절율차를 만듬으로서 광을 가두도록 한 영역인 것을 특징으로 한다.
이와같이, 구성된 본 발명에 따른 제 1 반도체 레이저 소자에 있어서, 상기 도파로영역이, 제 1 도파로영역을 구비하고, 이 제 1 도파로영역에서는 활성층과 그 양측영역 사이에 실제로 굴절율차를 만들어서 그 활성층내에 광을 가두도록하고 있기 때문에, 이 제 1 도파로영역에서 보다 확실히 횡모드의 발생을 억제할 수 있고, 또 빔제어를 확실히 행할 수가 있으며, F.F.P.가 뛰어난 레이저 광을 얻을 수 있다.
또한, 제 1 반도체 레이저 소자에 있어서는, 상기 활성층에서 실효적으로 굴절율이 높은 영역을 형성함으로써 구성한 제 2 도파로영역을 구비하고 있기 때문에, 제 2 도파로영역에서는 도파로로서 기능을 하는 활성층을 직접 외부에 노출시킴이 없이 도파로를 구성하기 때문에 소자의 수명을 향상시킬 수 있고, 또 신뢰성을 향상시킬 수 있다. 이상과 같이 본 발명에 따른 제 1 반도체 레이저 소자는, 제 1 도파로영역과 제 2 도파로영역의 각각의 특성을 함께 가진 레이저 소자로 할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 제 1 반도체 레이저 소자에서는, 상기 제 1 도파로영역에 있어서의 활성층을, 상기 활성층을 포함하는 제 1 리지를 형성함으로써 이 활성층의 폭을 제한하게 구성하고, 상기 실효적으로 굴절율이 높은 영역을 상기 제 2 도전형층에 제 2 리지를 형성함으로써 구성할 수가 있다.
또한, 본 발명에 따른 제 1 반도체에서는, 상기 제 1 리지를, 그 제 1 리지의 양측을 상기 제 1 도전형층이 노출될때까지 에칭함으로써 형성하고, 상기 제 2 리지를, 그 제 2 리지의 양측에서 상기 활성층상에 상기 제 2 도전형층을 남기도록 에칭함으로써 형성할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 제 1 반도체 레이저 소자에서는, 상기 제 2 리지의 양측에서의 상기 활성층위에 위치하는 상기 제 2 도전형층의 막두께가 0.1㎛이하인 것이 바람직하고, 이것에 의해 횡모드의 제어를 보다 확실하게 할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 레이저 소자에서는, 상기 제 2 리지는 상기 제 1 리지보다 긴 것이 바람직하고, 이것에 의해 더욱 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
그리고 또한, 본 발명에 따른 제 1 반도체 레이저 소자에서는, 제 1 도파로영역은 레이저 공진기의 한쪽 공진단면을 포함하는 것이 바람직하고, 이것에 의해 보다 F.F.P.이 뛰어난 레이저광을 얻을 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 제 1 반도체 레이저 소자에서는, 상기 한쪽의 공진단면을 출사면으로 하는 것이 바람직하고, 이것에 의하여 더 한층 F.F.P.가 뛰어난 레이저를 얻을 수가 있다. 또한, 본 발명에 따른 제 1 반도체 레이저 소자에서는, 상기 제 1 도파로영역의 길이는 1㎛이상인 것이 바람직하다.
그리고 또한, 본 발명에 따른 제 1 반도체 레이저 소자에서는, 상기 제 1 도전형의 반도체층과, 상기 활성층과, 상기 제 2 도전층의 반도체층을 각각 질화물 반도체에 의해 형성할 수가 있다.
또한, 상기 반도체 레이저 소자에서는, 상기 활성층은 In을 포함하는 질화물 반도체층에 의해 구성할 수 있으며, 이것에 의해 비교적 파장이 짧은 가시광 영역 및 자외영역의 레이저발진을 시킬수 있다.
또한, 본 발명에 따른 제 1 반도체 레이저 소자에서는, 상기 제 1 리지의 양측면과 상기 제 2 리지의 양측면에 각각 절연막을 형성하고, 이 절연막은 Ti, V, Zr, Nb, Hf, Ta의 각 산화물 및 SiN, BN, SiC, AlN으로되는 군으로부터 선택된 적어도 하나에 의해 구성하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 따른 제 2 반도체 레이저 소자는, 제 1 도전형층과, 활성층과, 이 제 1 도전형층과 다른 도전형의 제 2 도전형층이 차례로 적층된 적층구조체에서, 스트라이프형상의 도파로영역을 가지는 반도체 레이저 소자에 있어서, 상기 스트라이프형상의 도파로영역이, 공진기방향에서, 완전굴절율에 의해 스트라이프형상의 도파로가 설치된 제 1 도파로영역 C1과, 실효굴절율에 의해 스트라이프형상의 도파로가 설치된 제 2 도파로영역 C2를 적어도 가진 것을 특징으로 한다. 이 구성에 의해, 본 발명의 레이저 소자는 소자신뢰성이 뛰어난 제 2 도파로영역 C2와, 횡모드의 제어성, 빔 특성이 뛰어난 제 1 도파로영역 C1을 가진 것으로서, 그 양쪽의 특성을 살린 레이저 소자로 되어서, 번잡하고 복잡한 소자설계의 변경을 수반하지 않고서도 용도에 따른 여러가지의 레이저 소자를 얻을 수 있다. 이것은 실효굴절율형의 도파로는 활성층위에 있는 제 2 도전형층에 스트라이프형상의 凸부가 설치된 것으로서, 활성층을 성장시의 상태로 멈추게 해둘수 있고, 소자구동시에 도파로의 열화가 없어 소자신뢰성이 뛰어나다. 또한, 활성층보다도 깊게 에칭하여 도파로 영역의 양측에 굴절율차를 만든 굴절율형의 제 1 도파로영역 C1을 도파로내에 설치하는 것으로서 용이하게 횡모드의 제어가 가능하고, 이것을 레이저 소자의 도파로로서 가지기 때문에 도파로내의 횡모드의 변경이 용이하게 가능한 것으로 된다. 그리고. 본 명세서에서 이 제 1 도파로영역을 구성하는 도파로를 상기 실효굴절율형 도파로와의 혼동을 피하기 위하여 완전굴절율형의 도파로, 또는 참 굴절율형의 도파로로 한다.
또한, 본 발명에 따른 제 2 반도체 레이저 소자에서는, 상기 제 1 도파로영역 C1의 완전굴절율을, 제 1 도전형층, 활성층 및 제 2 도전형층을 포함하도록 설치 된 스트라이프형상의 凸부에 의해 실현하고, 상기 제 2 의 도파로영역의 실효굴절율을, 제 2 도전형층에 설치된 스트라이프형상의 凸부에 의해 실현할 수가 있다. 이 구성에 의해, 제 1 도파로영역 C1과 제 2 도파로영역 C2를, 레이저 소자내에 용이하게 설치할 수 있기 때문에, 간단한 소자설계에 의해 다양한 소자특성의 레이저 소자가 된다.
또한, 본 발명에 따른 제 3 반도체 레이저 소자는, 제 1 도전형층과 활성층과 이 제 1 도전형층과 다른 도전형의 제 2 도전형층이 차례로 적층된 적층구조체에 스트라이프형상의 도파로영역을 가진 반도체 레이저 소자에 있어서, 상기 스트라이프형상의 도파로영역이, 공진기방향에서, 상기 제 2 도전층에, 제 2 도전형층의 일부가 제거되어서, 스트라이프형상의 凸부가 설치된 제 2 도파로영역과 상기 제 1 도전형층에, 상기 제 1 도전형층, 활성층, 제 2 도전형층의 일부가 제거되어서, 스트라이프형상의 凸부가 설치된 제 1 도파로영역 C1을 가진 것을 특징으로 한다. 이 구성에 의해, 활성층의 일부를 제거하는 영역(제 1 도파로영역 C1)과 제거되지 않은 영역(제 2 도파로영역 C2)으로, 스트라이프형상의 도파로를 구성함으로써, 제거에 의하여 받게 되는 활성층의 손상을 도파로의 일부만으로 한정할 수 있어서 소자신뢰성이 향상된다. 활성층의 일부제거에 의한 손상, 소자신뢰성 저하와 소자특성 저하가 큰 반도체 재료에 있어서는 제 1 도파로영역 C1이 일부이기 때문에 그 제 1 도파로영역 C1이 점유하는 비율을 설계함으로써 소망의 소자신뢰성과, 소자 특성의 레이저 소자를 얻을 수 있다. 또한 제 1 도파로영역 C1, 제 2 도파로영역 C2의 길이(도파로를 구성하는 비율) 및 위치를 변경함으로써 여러가지 소자특성의 레이저 소자가 얻어지고, 특히 소망의 빔특성의 레이저 소자가 용이하게 얻어진다.
또한, 상기 제 2 및 제 3 반도체 레이저 소자에서는, 상기 적층구조체의 일부가 제거되어서, 스트라이프형상의 凸부로 되는 리지도파로를 형성함으로써, 상기 제 1 도파로영역 C1과 제 2 도파로영역 C2가 구성되도록 하여도 된다. 이 구성에 의해 스트라이프형상의 凸부로 되는 리지도파로구조의 레이저 소자에서 다양한 특성의 레이저 소자를 얻을 수 있다.
또한, 제 2 및 제 3 반도체 레이저 소자에서는, 상기 제 2 도파로영역 C2에서의 스트라이프의 길이를, 상기 제 1 도파로영역 C1 보다도 길게 하는 것이 바람직하다. 이 구성에 의해, 제 1 도파로 영역 C1을 설치함으로써 소자열화가 큰 반도체재료, 예를 들면 활성층의 일부가 제거 혹은 대기에 노출되게 함으로써 손상을 받는 반도체 재료에서는, 소자신뢰성이 뛰어난 레이저 소자로 된다.
또한, 상기 제 2 및 제 3 반도체 레이저 소자에서는, 상기 반도체 레이저 소자의 공진기면중, 적어도 하나의 공진기면이, 제 1 도파로영역 C1의 단부에 형성되어 있는 것이 바람직하다. 이 구성에 의해, 횡모드의 제어성이 뛰어난 제 1 도파로영역 C1을 공진기면의 한쪽에 설치하는 것으로서 기타위치에 설치하는 것보다도 효과적인 광 도파의 제어가 가능하게 되어서, 다양한 소자특성을 가진 레이저 소자 를 얻을 수 있다.
또한, 상기 제 2 및 제 3 반도체 레이저 소자에서는, 상기 제 1 도파로영역 C1의 단부에 형성된 공진기면은 출사면인 것이 바람직하다. 이 구성에 의해, 횡모드의 제어성이 뛰어난 제 1 도파로영역 C1을 레이저광의 출사면에 설치함으로써, 빔특성을 직접적으로 제어할 수 있고, 소망의 F.F.P.와 레이저광의 종횡비를 가진 레이저 소자가 얻어진다.
또한, 상기 제 2 및 제 3 반도체 레이저 소자에서는, 상기 단부에 공진기면을 가진 제 1 도파로영역 C1의 스트라이프길이가 적어도 1㎛이상인 것이 바람직하다. 이 구성에 의해, 보다 확실한 F.F.P.와 레이저 광의 종횡비의 제어가 실현되어서 이들의 특성에서 소자의 편차가 적은 레이저 소자가 얻어진다.
또한, 제 2 및 제 3 반도체 레이저 소자에서는, 상기 제 1 도전형층, 활성층 및 제 2 도전형층에 질화물 반도체를 사용하여 구성할 수 있다. 이 구성에 의해 이온주입, 재성장층에 의한 매입구조를 형성하는 것이 곤란한 질화물 반도체를 사용한 레이저 소자에서 다양한 특성의 레이저 소자를 얻을 수 있다. 또한, 질화물 반도체는 활성층의 일부를 에칭등에 의해 제거하면 소자수명이 대폭적으로 저하하기 때문에 활성층의 일부를 제거하는 완전굴절율형의 도파로로되는 레이저 소자의 실용화가 곤란하였지만, 도파로의 일부가 제 1 도파로영역 C1으로되는 것이므로 소자수명의 저하를 억제하면서 횡모드의 제어성이 뛰어난 레이저 소자를 얻을 수 있다.
또한, 상기 제 2 및 제 3 반도체 레이저 소자에서는, 상기 활성층은 In을 포함하는 질화물 반도체를 사용하여 구성할 수 있다. 이 구성에 의해, 자외영역에서부터 가시광영역의 파장을 가진 레이저 소자가 얻어진다.
또한, 상기 제 2 및 제 3 반도체 레이저 소자에서는, 상기 제 1 반도체에서 n형 질화물 반도체를 가지며, 상기 제 2 반도체층에서 p형 질화물 반도체를 가지고 있어도 된다.
또한, 상기 제 2 및 제 3 반도체 소자에서는, 상기 제 2 도파로영역 p형 질화물 반도체를 포함하는 p형 클래드층을 가지며, 제 2 도파로영역의 스트라이프형상의 凸부가, 그 p형 클래드층의 막두께가 0.1㎛ 보다도 얇게 설치되는 것이 바람직하다. 이 구성에 의해, 낮은 임계값 전류로, 횡모드 제어성이 뛰어난 레이저 소자가 얻어진다. 여기서 p형 클래드층의 막두께란, 막두께 방향에서 凸부가 설치되어 있지 않은 영역에서의 p형 클래드층의 노출된 표면과, p형 클래드층의 아래에 접하는 인접층과의 계면 사이의 거리를 나타내는 것이며, 활성층보다 위라고하는 것은 활성층의 위에 접하는 인접층과의 계면보다도 위에 위치하는 것이다. 즉, 활성층과 p형 클래드층이 접하여 설치되어 있는 경우에는, p형 클래드층이, 0보다 크고 0.1㎛이하의 막두께로 남게 되는 깊이에서, 상기 노출된 표면·평면이 형성된다. 또한 후술의 실시예 1과 같이, 가이드층등을 활성층과 p형 클래드층 사이에 가지고 있는 경우에는, 상기 노출된 표면·평면이 상기 활성층과 그 위에 인접하는 층의 계면보다도 위에서, 또 p형 클래드층의 막두께가 0.1㎛로 되는 위치보다도 아래에, 혹은 활성층과 p형 클래드층 사이의 층에 설치되는 것이다.
또한, 상기 제 2 및 제 3 반도체 레이저 소자에서는, 제 1 도파로영역 C1의 스트라이프형상의 凸부 측면 및 제 2 도파로영역의 스트라이프형상의 凸부 측면에 질화물 반도체가 노출되어 있고, 이 스트라이프 형상의 凸부 측면에 절연막이 설치되며, 이 절연막이 Ti, V, Zr, Nb, Hf, Ta로 되는 군에서 선택되는 적어도 일종의 원소를 포함하는 산화물, 또는 SiN, BN, SiC, AlN으로되는 군에서 선택되는 적어도 일종이 되도록 하여도 된다. 이 구성에 의해, 질화물 반도체를 사용한 레이저 소자에서, 스트라이프형상의 凸부에, 양호한 굴절율차를 만들수 있고, 횡모드의 제어성이 뛰어난 스트라이프형상의 도파로영역을 가지는 레이저 소자가 얻어진다.
또한, 상기 제 2 및 제 3 반도체 레이저 소자에서는 상기 스트라이프형상의 凸부의 폭은, 1㎛이상 3㎛이하인 것이 바람직하다. 이 구성에 의해, 제 1 도파로영역 C1과 제 2 도파로영역 C2에서, 횡모드의 제어성이 뛰어난 스트라이프형상의 도파로영역을, 도파층내에 형성할 수 있고, 전류-광출력 특성에 있어서, 킹크(kink)의 발생이 없는 레이저 소자로 된다.
본 발명의 반도체 레이저 소자의 제조방법은 이하의 구성에 의해 본 발명의 목적을 달성할 수 있다.
본 발명에 따른 반도체 레이저 소자의 제조방법은, 질화물 반도체를 사용하여 제 1 도전형층과, 활성층과, 제 2 도전형층을 차례로 적층한 적층구조체를 형성하는 적층공정과, 적층구조체를 형성한 후 스트라이프형상의 제 1 보호막을 형성하는 공정과, 상기 제 1 보호막이 형성되어 있지 아니한 부분의 적층구조체를 에칭하 여 제 2 도전형층에 스트라이프형상의 凸부를 형성하는 제 1 에칭공정과, 이 제 1 에칭공정에서 노출된 표면의 일부에 제 1 보호막을 통하여 제 3 보호막을 형성하고, 이 제 3 보호막이 형성되지 않은 부분의 적층구조체를 에칭하여, 제 1 도전형층에 스트라이프형상의 凸부를 형성하는 제 2 에칭공정과, 제 1 보호막과는 다른 재료로서, 절연성을 가진 제 2 보호막을 상기 스트라이프형상의 凸부 측면 및 에칭에 의해 노출된 질화물 반도체 평면에 형성하는 공정과, 제 2 보호막을 형성한 후, 제 1 보호막을 제거하는 공정을 구비하는 것을 특징으로 한다.
도 1a는 본 발명에 따른 실시형태의 레이저 소자 구성을 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 1b는 실시형태의 레이저 소자의 제 2 도파로영역에서의 단면도이다.
도 1c는 실시형태의 레이저 소자의 제 1 도파로영역에서의 단면도이다.
도 2a는 종래의 레이저 소자에 있어서, 리지를 형성하기전의 개략단면도이다.
도 2b는 종래의 레이저 소자에 있어서, 리지를 형성한 후의 개략단면도이다.
도 2c는 도 2b의 a를 표시한 부분의 확대도이다.
도 2d는 도 2b의 b를 표시한 부분의 확대도이다.
도 3a는 본 발명의 실시형태의 레이저 소자의 층구성을 나타내는 개략적인 사시도이고, 도 3b는 도 3a의 측면도이다.
도 4a는 본 발명에 따른 일 변형예의 레이저 소자의 측면도이다.
도 4b는 본 발명에 따른 다른 변형예의 레이저 소자의 측면도이다.
도 5a ~ 도 5d는 본 발명의 레이저 소자의 리지를 형성하는 공정을 나타내는 사시도이다.
도 5e는 도 5c의 제 2 도파로영역을 형성하는 부분에서의 단면도이다.
도 5f는 도 5d의 제 2 도파로영역을 형성하는 부분에서의 단면도이다.
도 6a ~ 도 6는 도 5a ~ 도 5d에 나타내는 방법과는 다른 방법에 의한 본 발명의 레이저 소자의 리지형성공정을 나타내는 사시도이다.
도 7a ~ 도 7d는 본 발명의 레이저 소자에서의 전극을 형성하는 공정을 나타내는 사시도이다.
도 8은 본 발명에 따른 실시예 1의 레이저 소자의 제 1 도파로영역에서의 개략단면도이다.
도 9는 본 발명에 따른 실시예 1의 레이저 소자의 제 2 도파로영역에 있어서의 개략적인 단면도이다.
도 10은 실효굴절율형의 레이저 소자에 있어서의 에칭 깊이와 양호한 제품 비율과의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 11은 실효굴절율의 레이저 소자에 있어서의 에칭깊이와 구동전류와의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 12는 실효굴절율의 레이저 소자에 있어서의 에칭깊이와 소자수명과의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 13a는 본 발명에 따른 실시예 6의 레이저 소자의 사시도이다.
도 13b는 본 발명에 따른 실시예 6의 레이저 소자의 횡단면도이다.
도 14a는 본 발명에 따른 실시예 7의 레이저 소자의 사시도이다.
도 14b는 본 발명에 따른 실시예 7의 레이저 소자의 제 2 도파로영역에서의 단면도이다.
도 14c는 본 발명에 따른 실시예 7의 레이저 소자의 제 1 도파로영역에서의 단면도이다.
도 15a는 본 발명에 따른 실시예 8의 레이저 소자의 사시도이다.
도 15b는 본 발명에 따른 실시예 8의 레이저 소자의 횡단면도이다.
도 16a ~ 도 16d는 웨이퍼상에 형성된 소자를 사용하여 본 발명의 레이저 소자의 제조방법을 설명하기 위한 사시도이다.
도 17a, 도 17b는 본 발명의 레이저 소자의 제조방법에 있어서, 절단위치를 설명하기 위한 개략단면도이다.
도 18은 본 발명의 레이저소자의 제조방법에 있어서, 반사막을 형성하는 공정을 설명하기 위한 개략도이다.
이하, 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 실시형태의 반도체 레이저 소자에 대하여 설명한다.
본 발명에 따른 실시형태의 반도체 레이저 소자는 도 1a에 도시한 바와같이, 스트라이프형상의 도파로영역으로서, 제 1 도파로영역 C1과, 제 2 도파로영역 C2와 를 가진 것이다.
여기서, 제 1 도파로영역 C1은 도 1c에 도시된 바와같이, 활성층을 포함하도록 활성층(3)을 포함하여 리지(제 1 리지(201))를 형성함으로써 활성층(3)과 그 양측영역(여기서는 대기중)사이에 굴절율차를 만들어서 활성층(3)에 광을 가두도록 한 도파로영역이다. 이와같이, 활성층과 그 양측영역 사이에 실제로 굴절율차를 만들어서 광을 가두도록 한 도파로영역은 본 명세서에서는 완전굴절율형의 도파로라 부른다.
또한, 제 2 도파로영역 C2는, 도 1b에 나타낸 바와같이, 활성층 위에 위치하는 반도체에 있어서 리지(제 2 리지(202))를 형성함으로써 그 제 2 리지(202) 아래에 위치하는 활성층(3)의 실효적인 굴절율을 그 양측 활성층보다 높게 하여서 그 실효적인 굴절율이 높은 활성층(3)에 광을 가두도록 한 도파로영역이다. 이와같이, 활성층과 그 양측 영역사이에 실효적인 굴절율차를 만들어서 광을 가두도로한 도파로영역을 본 명세서에서는 실효굴절율형의 도파로라 한다.
이와같이, 본 발명에 따른 반도체 레이저 소자는 완전굴절율형의 도파로와 실효굴절율형의 도파로와를 도파로로 가진 것을 특징으로 하고 있다.
구체적인 구조로서는 제 1 도전형층, 활성층 및 제 2 도전형층과는 다른 도전형의 제 2 도전형층이 적층된 적층구조체가 형성되어서, 활성층에 도달하지 않는 깊이로 제 2 도전형층(2)에 스트라이프형상의 제 2 리지(凸부)(202)를 형성함으로써 제 2 도파로영역 C2를 구성하고, 제 2 도전형층(2), 활성층(3) 및 제 1 도전형층(1)의 일부를 포함하도록 스트라이프형상의 제 1 리지(凸부)(201)를 형성함으로써, 제 1 도파로영역 C1를 구성하는 것이다.
이와같이, 본 발명에 따른 반도체 레이저 소자는, 제 1 도파로영역 C1과 제 2 도파로영역 C2를 도파로내에 가지는 것으로서, 다양한 소자특성의 레이저 소자를 얻는 것이 가능하게 된다. 또한, 본 발명에 따른 반도체 레이저 소자는 도 3a, 도 3b, 도 4a, 도 4b에 나타낸 바와같이, 제 1 도파로영역 C1과 제 2 도파로영역 C2를 가진 도파로를 다양한 형태로 형성할 수 있다. 여기서, 도 3a는 스트라이프형상의 凸부가 적층구조체의 일부를 제거함으로써 설치된 구조의 레이저 소자의 사시도 및 일부의 단면도를 나타낸 것이고, 도 3b는 도 3a에 있어서, 백색의 화살표방향으로 관찰한 것이며, 또한 도 4a, 4b는 도 3과는 다른 형태의 도파로구조를 나타낸 것이다. 도 3a, 3b, 4a, 4b에 나타낸 바와같이, 본 발명에서는 공진기방향(凸부의 스트라이프 길이방향)에서, 제 1 도파로영역 C1과 제 2 도파로영역 C2가 여러가지 배치된 구조를 채용할 수 있다. 또한 본 발명의 레이저 소자는, 물론 제 1 도파로영역 C1과 제 2 도파로영역 C2이외의 도파로영역을 가지고 있어도 된다. 예를 들면, 도 4a에 나타낸 바와같이, 제 1 도파로영역 C1과 제 2 도파로영역 C2사이에 제 1 도파로영역 C1과 제 2 도파로영역 C2과는 다른 도파로영역(203)을 가지고 있어도 된다. 도 3a, 3b는 공진기의 한쪽의 공진기면을 포함하도록, 제 1 도파로영역 C1이 설치되어 있고, 다른 쪽의 공진기면을 포함하도록 제 2 도파로영역 C2가 설치된 구조를 가지고 있는 것이다. 도 4a에서는 제 1 도파로영역 C1을 구성하는 제 1 리지(201)와, 제 2 도파로영역 C2를 구성하는 스트라이프형상의 제 2 리지(202)가 수직방향(공진기 방향에 직교하는 방향)에 대하여 경사하도록 형성된 도파로영역(203)을 통하여 접합되어 있는 구조를 가진 반도체 레이저 소자이다. 이와같이, 제 1 도파로영역 C1과 제 2 도파로영역 C2는 도 3a, 3b에 나타낸 바와같이, 공진기방향에 있어서 거의 연속하게 형성되어 있어도 되며, 도 4a에 나타낸 바와같이 다른 영역을 사이에 끼워서 형성되어도 된다.
또한, 본 발명에 있어서 제 1 리지(201)의 폭과 제 2 리지(202)의 폭은 각각의 폭이 거의 같을 필요는 없다. 예를 들면, 도 1a ~1c, 도 3a에 나타낸 바와같이 각 리지의 측면이 경사되게 형성되어있는 경우, 제 1 도파로영역 C1을 구성하기 위해 설치된 제 1 리지(201)의 저부(바닥부)의 폭과 제 2 도파로영역 C2를 구성하기 위해 설치된 제 2 리지(202)의 저부의 폭은 필연적으로 다른 것으로 한다. 제 1 리지의 측면과 제 2 리지의 측면은 동일평면상에 위치하는 것이 바람직하다. 도 1a 및 도 3a에서는 스트라이프형상의 凸부의 측면이 경사한 메사형중 아래층에서 윗층으로 향하여 폭이 작게 되도록 경사한 순메사형이지만, 이것과는 반대로 윗층으로 향하여 폭이 커지도록 경사한 역메사형도 되고, 또는 양측이 같은 메사형이어도 되며, 양측이 다른 메사형이어도 된다.
또한, 제 1 리지(201)의 윗면의 폭과 제 2 리지(202)의 윗면의 폭은 달라도 된다. 더욱이 수평방향의 단면에서 볼때의 제 1 리지(201)의 폭과 제 2 리지(202)의 폭은 제 1 리지(201)와 제 2 리지(202)의 경계부분에서 불연속적으로 변화하도록 달라도 된다.
[공진기 구조]
본 실시형태의 반도체 레이저 소자에서는, 적층구조체의 일부를 제거하여 凸부를 형성하며, 이것에 의해, 스트라이프형상의 도파로를 구성하고 있다. 즉, 도 1, 3에 나타낸 바와같이, 제 1 도전형층(1), 활성층(3) 및 제 2 도전형층(2)등을 적층한 소자 구조에 있어서, 리지로 하는 부분 양측을 에칭등의 수단에 의해 제거하여 스트라이프형상의 凸부를 형성함으로써 공진기 구조를 구성하였다. 소위, 리지도파로의 레이저 소자에 적합한 구조이다. 그리고, 본 발명은 각각 스트라이프형상의 凸부에 의해 제 1 도파로영역 C1과 제 2 도파로영역 C2를 적으나마 설치하는 것이므로 빔특성을 개량할 수 있고, 특히 F.F.P.를 타원에서 원까지 임의 형상으로 제어가능하는등 여러가지 소자특성의 레이저 소자를 얻을 수 있는 것이다. 이 때, 스트라이프형상의 리지(凸부)는 상술한 바와같이, 도 1, 3에 나타낸 순 메사형상으로 한정되는 것은 아니고, 역 메사형상이어도 되며, 또한 수직한 측면을 가진 스트라이프이어도 된다. 즉, 본 발명에서는 요구되는 레이저 특성에 따라 리지의 형성을 변경할 수 있다.
또한, 본 발명의 레이저 소자에 있어서는, 제 1 도파로영역 C1과 제 2 도파 로영역 C2를 구성하기 위해, 각각 스트라이프형상의 凸부(201, 202)을 형성한 후, 이들 리지의 양측에 결정을 재성장시켜서, 리지를 메워도 좋다.
이와같이, 본 발명은 스트라이프형상의 리지를 가진 리지도파로 구조를 전제로하고 있기 때문에 낮은 비용으로 제조할 수 있을 뿐만 아니고, 도파로내에서 제 1 도파로영역 C1과 제 2 도파로영역 C2를 여러가지로 조합시켜서 배치하는 것이므로 여러가지 특성의 레이저 소자를 실현할 수 있다. 예를 들면, 빔특성을 제어할 수 있는 것이 가능하기 때문에 빔 보정용의 렌즈등을 사용하지 않고서도 양호한 F.F.P.를 얻을수 있다.
본 발명의 레이저 소자에서, 제 1 도파로영역 C1과 제 2 도파로영역 C2에 설치된 스트라이프형상의 제 1 및 제 2 리지(201, 202)는 도 1b, 도 1c에 나타낸 바와같은 형상이다.
또한, 본 발명은 레이저 발진소자이외의 예를 들면, 발광 다이오드등의 단면 발광소자에도 적용할 수 있다. 이 경우, 상술한 도 1등에 나타내는 구성에서, 발진 임계값 이하에서 소자를 구동시킴으로써 발광 다이오드로서 동작시킬 수가 있고, 또한 도파로 단면에서, 도파로와 단면을 수직으로 하지 않고 도파로를 단면에 수직한 방향으로부터 경사지게 함으로써 레이저 발진을 하지 않고도 단면으로부터 발광하는 소자가 얻어진다.
[적층구조체]
이하에, 본 실시형태의 반도체 레이저 소자에 있어서의 제 1 도전형층, 활성 층, 제 2 도전형층의 상세구성을 형성한다.
먼저, 본 실시형태의 반도체 레이저 소자에서는, 도 1에 도시한 바와같이 제 1 도전형층(1)과 제 2 도전형층(2)중에 각각 클래드층(5, 7)을 가지며, 그 클래드층(5, 7)에 활성층(3)을 끼워 넣으므로서 두께방향으로 광을 가두고 있다. 이와같이하여 리지에 의한 폭방향(두께방향에 직교하고 또 공진방향에 직교하는 방향)의 광 가둠과 클래드층(5, 7)에 의한 두께방향에 있어서의 광가둠에 의해 적층구조체 내부에 광 도파로영역이 설치되어 있다. 본 발명의 반도체 레이저 소자에서는, 각 반도체층으로서, 종래부터 알려져 있는 여러가지 종류의 반도체 재료를 사용할 수 있고, 예를 들면, GaAlAs계, InGsAsP계, GaAlInN계의 재료를 적의 선택하여 사용할 수 있다.
이와같이, 본 발명의 반도체 레이저 소자에 있어서, 스트라이프형상의 도파로영역은 제 1 도전형층과 제 2 도전형층에 끼워진 활성층 및 그 근방에 주로 리지에 대응하여 형성되는 것이며, 이 때 스트라이프의 길이방향과 광의 전송방향이 거의 일치하고 있는 것이다. 즉, 스트라이프형상의 도파로영역은 상술한 주로 광이 가두어지는 활성층에 의해 구성되지만, 광의 일부는 그 근방에 퍼져서 도파되기 때문에, 예를 들면, 후술하는 활성층과 클래층의 사이에 가이드층을 형성하여 그 가이드층을 포함한 영역을 광 도파층으로 하여도 된다.
[제 2 도파로영역 C2]
본 발명의 제 2 도파로영역 C2는 반도체 레이저 소자의 도파로에서, 실효굴 절율형의 도파로로서 설치된 영역이며, 구제척으로는 적층구조체에서, 활성층(3)위의 제 2 도전형층(2)에 스트라이프형상의 凸부(201)를 설치하고 활성층의 면방향(폭방향)으로 실효적인 굴절율차를 만들어서 스트라이프형상의 도파로영역을 설치한 것이다.
종래의 제 2 도파로영역 C2만으로되는 도파로를 형성한 실효굴절율형의 레이저 소자는, 도 2a에 나타낸 바와같이, 각 반도체층을 형성한 후 마스크(20)를 설치하여서 에칭에 의해 스트라이프형상의 凸부(202)를 형성하였다. 그러나, 활성층에 도달하지 않는 깊이의 에칭에 의해 스트라이프형상의 凸부(202)가 형성되어서 효율적인 굴절율차가 활성층(도전층)에 만들어지기 때문에 도 2b에 나타내는 스트라이프 폭 Sw, 리지(凸부)의 높이(스트라이프깊이) Sh1, 에칭밑면과 활성층 윗면으로부터의 거리 Sh2에 의하여 소자특성이 크게 영향을 받게 된다. 이것은, 레이저 소자의 제조에 있어서, 심각한 소자특성의 편차를 만들어내는 원인으로되는 것이다. 즉, 도 2c, 도 2d에서 에칭정밀도에 의한 凸부의 높이(에칭깊이)에 대한 오차 Hd, 스트라이프폭에 대한 오차 Wd가, 직접 소자특성의 편차를 만들어 내는 것이다. 왜냐하면, 활성층위에 설치된 스트라이프형상의 리지(凸부)(202)에 의해 활성층(도파층)내에 형성되는 도파로영역은 리지(202)에 대응하는 실효적인 굴절율차에 의해 만들어지기 때문에 상술한 凸부의 형상이 실효적인 굴절율차에 크게 영향을 주기 때문이다. 또한, 凸부의 높이에 대한 오차 Hd는, 활성층 윗면과 에칭밑면과의 거리에 대한 오차이기도 하다. 활성층 윗면과 에칭밑면과의 거리 Sh2가 상당히 크게 되면 실효적인 굴절율차가 작게 되기 때문에, 광의 가둠이 약하게 되는등 소자특성에 큰 영향을 준다. 이와같이, 凸부형상이나 활성층 윗면과 에칭 밑면과의 거리에 의하여 실효적인 굴절율이 좌우되기 때문에 그 거리편차에 대응하여 편차가 생긴다
도 10, 11, 12는 종래의 실효굴절율형의 레이저 소자에 있어서 에칭깊이에 대한 양호한 제품 비율, 구동전류값 및 레이저 수명을 나타내는 것이다. 도면에서 알수 있는 바와같이, 에칭깊이에 대하여 레이저 소자의 특성은 극히 민감하게 변화한다.
본 발명의 레이저 소자는, 활성층에 도달하지 않는 깊이로 에칭되게 되는 제 2 도파로영역 C2를 도파로의 일부로 하여 가지고 있으므로서 제 2 도파로영역 C2에서는 활성층이 에칭에 의한 손상을 받지 않도록 할 수 있으므로 소자의 신뢰성을 향상시킬 수 있다. 또한, 활성층이 대기에 노출되면 소자특성의 열화가 큰재료에서는 제 2 도파로영역 C2가 설치되어 있으므로 소자의 신뢰성의 저하를 억제할 수 있다.
[제 1 도파로영역 C1]
본 발명의 레이저 소자는, 상술한 바와같이 스트라이프형의 도파로영역으로서, 제 2 도파로영역 C2에 가하여 제 1 도파로영역 C1을 형성하는 것으로서 여러가지 특성의 레이저 소자를 용이하게 실현할 수 있다. 이것은 적층구조체에서, 활성층 및 제 1 도전형층(1)의 일부를 포함하는 스트라이프형상의 제 1 리지(凸부)(201)를 형성함으로써 구성된 제 1 도파로영역 C1이 횡모드의 제어성이 뛰어난 것에 의해 나타나는 효과가 있다.
즉, 제 1 도파로영역 C1을 제 1 리지에 의해 활성층의 폭 그 자체를 제어하여, 활성층과 그 양측 영역과의 사이에서 실제의 굴절율차에 의해 광을 가두고 있기 때문에 보다 강한 광을 가두는 것이 가능하게 된다.
이것에 의해, 소용이 없는 횡모드의 발생을 확실하게 억제할 수 있어서, 보다 확실하게 횡모드를 제어할 수 있다.
이와같이 본 발명에서는, 도파로 영역의 일부에 횡모드의 제어성이 뛰어난 제 1 도파로영역을 설치함으로써, 그 제 1 도파로 영역에 있어서 소용이 없는 횡모드의 발생을 억제하여 전체적으로 횡모드 제어성을 개량한 것이 되어서, 여러가지 빔특성의 레이저 소자를 용이하게 얻는 것이 가능하다.
본 발명의 레이저 소자에 있어서는, 제 1 도파로영역을 한쪽의 단부에 형성하여 레이저 공진기의 한쪽 공진기면을 포함하도록 형성한 것으로 소망 형상의 빔을 보다 용이하게 얻을 수 있다. 바꾸어 말하면, 도 3b, 도4a, 4b에 나타낸 바와같이, 레이저 공진기면(4)이 제 1 도파로영역 C1의 단면에 일치하도록 형성하는 것이 바람직하다. 이것은, 공진기면의 근방영역을 제 1 도파로영역 C1으로 하는 것으로 그 공진기면에서의 반사의 전후에서 광을 횡모드로 제어할 수 있어서, 기타의 영역에 설치된 경우에 비하여, 횡모드의 제어가 도파로내에서 보다 효과적으로 기능하기 때문이다.
또한, 본 발명의 레이저 소자에 있어서는, 제 1 도파로영역 C1의 단면을 레이저 공진기면으로 하고, 그 레이저 공진기면을 출사면으로 하는 것으로, F.F.P., 종횡비가 뛰어난 빔특성의 레이저 소자를 얻을 수 있다. 이것은 제 1 도파로영역 C1을 출사면으로 설치한 것으로서, 제 1 도파로영역 C1에 있어서는 횡모드의 제어가 용이하기 때문에, 간단히 출사 레이저광의 빔특성을 제어하는 것이 가능하게 되기 때문이다. 제 1 도파로영역 C1이 도 3, 4에 나타낸 바와같이, 스트라이프형상의 제 1 리지(凸부)(201)에 의해 구성되어 있는 경우에는 그 제 1 리지(201)의 스트라이프 폭을 조정하는것으로서 용이하게 횡모드의 제어가 가능하며, 또한, 정밀도가 좋게 소망의 빔특성을 얻을 수 있다.
이 때, 출사면으로 설치되는 제 1 도파로영역 C1의 길이로서는 얻어지는 레이저광의 적어도 1 파장 길이로 형성되면 되지만, 횡모드를 제어한다고 하는 기능적인 면에서 레이저광의 다수 파장길이로 설치하는 것이 바람직하고 이것에 의해 소망의 빔특성을 얻을 수 있다.
구체적으로 1㎛이상의 길이로 제 1 도파로영역을 형성하는 것이 바람직하고, 이것에 의해 양호한 횡모드의 제어가 가능하다. 또한, 제조면을 고려하면, 제 1 도파로영역을 5㎛이상으로 설정하면, 스트라이프형상의 리지(凸부)(201)를 양호한 정밀도로 형성할 수 있기 때문에 바람직하다.
또한, 활성층폭(공진기방향에 수직한 방향에서의 길이)으로서는 10㎛이면 되지만, 50㎛이상으로 하는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하기로는 100㎛이상으로 형 성되어 있으면 된다. 이 활성층폭은 양/음극 한쌍의 전극이 기판을 끼워서 대향배치하는 구성에서는 칩의 폭에 상당하는 것으로 되며 동일면측에 양/음극 한쌍의 전극을 설치하는 구조에 있어서는 제 1 도전형층에 전극을 형성하기 위한 노출면을 형성하는 것으로 되기 때문에 칩의 폭으로부터 노출면을 형성하기 위하여 제거한 부분의 폭을 감한 길이가 된다.
[도파로의 구성]
본 발명의 레이저 소자는, 스트라이프형상의 도파로영역이 제 1 도파로영역 C1과 제 2 도파로영역 C2를 적어도 가지고 있는 것을 특징으로 하는 것이며, 복잡한 소자구성의 설계 변경을 수반하지 않고도 이들의 도파로영역을 공진기내에, 여러가지로 배치, 분포시키는 것으로서, 용이하게 레이저 소자의 특성을 변경할 수 있다. 구체적으로는 상술한 바와같이, 제 1 도파로영역 C1을 공진기면에 배치함으로써 빔특성의 제어가 용이하게 될 수 있어 소망의 특성을 용이하게 얻는 것이 가능하게 된다. 또한, 도파로를 구성하는 활성층의 측면이 노출한 제 1 도파로영역 C1이 도파로에 점유하는 비율을, 제 2 도파로영역 C2보다도 작게함으로써. 소자신뢰성이 뛰어난 레이저 소자가 얻어진다. 이것은 제 2 도파로영역 C2을 도파로내에 많이 설치함으로써 에칭에 의한 손상을 받게 되지 않는 활성층의 비율을 많게 할 수 있기 때문이다. 그 결과 소자수명을 향상시킬수 있고, 소자수명에 대하여서의 소자간의 편차를 작게 할 수 있다.
본 발명의 레이저 소자는 도파로로서 제 1 도파로영역 C1과 제 2 도파로영역 C2를 적게나마 가지는 것이지만, 기타 제 1 도파로영역 C1과 제 2 도파로영역 C2 는 다른 형태의 도파로영역을 설치하여도 된다. 예들들면, 상술한 바와같이, 도 4a에 나타낸 바와같이 제 1 도파로영역 C1과 제 2 도파로영역 C2사이에 경사되게 형성된 평면(203)에 의해 구성영역을 설치하여도 된다. 이와같이, 제 1 도파로영역 C1과 제 2 도파로영역 C2이외에 이들과는 다른 도파로영역을 설치하여도 된다. 또한, 제 1 도파로영역 C1과 제 2 도파로영역 C2는 도파로내에 적어도 하나씩 존재하고 있으면 되며, 도 4b에 나타낸 바와같이 각각의 도파로영역을 복수개 설치하여도 된다. 또한, 제 1 도파로영역 C1과 제 2 도파로영역 C2사이에 도 3, 4b에 나타낸 바와같이, 아무것도 설치하지 않아도 되며, 또는 4a와는 역 경사지게 설치하여서, 제 1 도파로영역 C1과 제 2 도파로영역 C2의 일부가 겹치도록 설치하여도 된다.
본 발명의 레이저 소자에서, 도 13에 나타낸 바와같이, 제 1 도파로영역 C1과 제 2 도파로영역 C2이외에 활성층 측면(도파층 측면)(204)이 공진기 방향에 대하여 경사하도록 형성된 제 3 도파로영역 C3을 가진 구조이어도 된다. 여기서, 도 13a는 소자구조를 설명하는 개략적인 사시도이고, 도 13b는 상부 클래드층(7)과 활성층(3)의 접합면 부근을 나타내는 단면도이다. 이 때, 제 3 도파로영역 C3은 상부 클래드층(7)상에 스트라이프형상의 리지(凸부)(202)를 제 2 도파로영역 C2와 공유하고, 활성층(도파층)의 단면(측면)(204)이 경사되게 설치되어 있다. 이상과 같이 구성된 레이저 소자에서, 도 13b에 나타낸 바와같이, 공진기 방향 AA와 활성층의 측면방향 BB와의 이루는 각 α를 조정하는 것으로서 측면(204)에 의해 도파하는 광을 모두 전반사 시킬 수 있고, 스트라이프형상의 제 1 도파로영역 C1내에, 유도하는 것이 가능하게 된다. 구체적으로는 각 α를 70°이하로 함으로써 공진기 방향 AA에서 도파하는 광을 단면(204)에 대하여 입사각 20°이상으로 할 수 있기 때문에, 손실이 없는 전반사가 기대된다. 따라서, 각 α는 목적에 따라서 70°~ 0의 범위로 각도를 선택할 수 있다. 예를 들면, 각 α를 20°이하로 함으로써 공진기 방향 AA에 도파하는 광이 단면(204)에 대하여 입사각 70°이상으로 할 수 있고, 이 경우에도 손실이 없는 전반사를 기대할 수 있다. 이들은 제 2 도파로영역 C2에서 활성층(도파층)면내에서는 실효적인 굴절율차에 의해, 스트라이프형상의 도파로영역이 형성되어 있지만 그 도파로영역으로부터 새어 나와서 도파하는 광도 존재하며 이 광은 제 2 도파로영역 C2의 단부에서 반사된다.
이때, 광의 손실이 크게 되면, 출력이 저하되고, 전류-광출력의 구배(slope)효율이 저하하는 원인이 된다. 제 2 도파로영역 C2가 제 1 도파로영역 C1보다 넓은 경우에, 상기 제 3 도파로영역 C3을 제 2 도파로영역 C2와 제 1 도파로영역 C1 사이에 설치하는 것으로서, 상술한 광의 손실을 저감시키고 또한, 도 13에 나타낸 바와같 이, 제 1 도파로영역 C1과의 접합부에서 양호한 광의 도파를 실현할 수 있다.
본 발명의 레이저 소자에서 제 1 도파로영역 C1과 제 2 도파로영역 C2를 구성하는 스트라이프형상의 리지(凸부)(201, 202)는 이들의 스트라이프폭이 다르게 되어 있어도 된다. 이와같이 스트라이프 폭을 변화함으로써 빔을 여러가지의 종횡비로 설정할 수 있다. 따라서, 본 발명의 반도체 레이저 소자에서는 제 1 리지 및 제 2 리지를 목적에 대응한 폭으로 형성할 수 있다. 예를 들면, 상세하게 함으로써 폭의 제어에 정밀도가 문제가 되지만, 보다 원에 가까운 F.F.P.를 얻을 수 있는등의 특성을 얻을 수 있기도 하고, 혹은 폭에 대응시켜서 빔의 퍼짐정도를 변경하는 것도 가능하게 된다. 구체적인 일예로서는, 도 15에 나타낸 바와같이, 제 2 도파로영역 C2의 일부(205)에서 폭을 서서히 좁게 함으로써, 제 1 도파로영역 C1과의 접합부에서의 스트라이프폭을 스트라이프폭 Sw2와 동일하게 할 수 있고, 제 1 도파로영역의 폭에 대응시켜서 여러가지 모드의 레이저 광을 발췌하는 것이 가능하게 된다. 도 15에서는 제 2 도파로영역 C2의 폭을 서서히 좁게 하도록한 부분을 제 3 도파로영역 C3으로 하여 나타내고 있다.
도 15에서는 제 2 도파로영역 C2를 구성하기 위해, 제 1 도파로영역 C1을 구성하는 제 1 리지 스트라이프폭 Sw2보다 넓은 폭 Sw1의 제 1 리지(凸부)(202)를 설치하여서, 실효적인 굴절율변화에 대한 특성변화가 작은 도파로로 하고, 제 3 도파로 영역 C3에서 스트라이프폭이 다른 도파로영역을 잘 접합할 수 있도록 도파로내의 스트라이프폭에 경사를 만든 영역(205)을 설치하여서 접합부에서의 손실을 최소한으로 하고 있다. 또한, 제 3 도파로영역 C3을 구성하기 위한 리지는 도면에 나타낸 바와같이, 활성층 보다도 위에 설치하여도 되며, 제 1 도파로영역 C1과 마찬가지로 제 1 도전형층에 도달하는 깊이로 에칭함으로써 설치하여도 되며 또는 그 사이에서도 된다.
이와같이, 본 발명의 제 1, 2의 도파로영역을 구성하기 위한 스트라이프형상의 리지는 여러가지 형상으로 형성될 수 있고, 예를 들면, 스트라이프방향(스트라이프의 길이방향)에서 스트라이프폭이 다른 테이퍼 형상으로 하여도 된다. 구체적으로는 실시예 1 혹은 도 15에 나타낸 바와같이, 제 1 도파로영역 C1을 출사측 단부에 배치한 도파로 구조에서 스트라이프폭이 큰 제 2 도파로영역 C2를 그것보다 폭이 좁은 제 1 도파로영역 C1의 스트라이프에 접근시킴에 따라 스트라이프폭을 작게 하여서 광의 도파로를 양자의 접합부까지 좁히는 구조로 된다. 이와같은 테이퍼 형상의 스트라이프는 각 도파로영역의 스트라이프에 부분적으로 형성하여도 되고, 스트라이프방향의 전 영역에서 테이퍼 형상으로 하여도 되며, 스트라이프 양단부에 접근시킴에 따라서 각각 스트라이프폭을 좁게 하도록 다른 테이퍼를 복수개 설치할 수 있다.
[질화물 반도체에서의 스트라이프]
이하, 제 1 도전형 및 제 2 도전형의 반도체, 활성층에, 질화물 반도체를 사용하여 본 발명에 따른 반도체 레이저 소자를 구성하는 경우에 대하여 설명한다.
본 발명의 레이저 소자에 사용하는 질화물 반도체로서는, GaN, AlN, 혹은 InN, 또는 이들의 혼성결정인 III-V족 질화물 반도체(InbAldGa1-b-d N, 0
Figure 112002040586188-pct00003
b, 0
Figure 112002040586188-pct00004
d, b + d
Figure 112002040586188-pct00005
1)가 있다. 또한, III족 원소로서 B를 사용하기도하고 V족원소의 N의 일부를 As, P로 치환한 혼성결정도 사용할 수 있다. 또한, 이와같은 질화물 반도체에는 각 도전형의 불순물을 첨가하여 소망의 도전형으로 할 수 있다. 질화물 반도체에 사용되는 n형 불순물로서는 구체적으로 Si, Ge, Sn, S, O, Ti, Zr등의 IV족, 혹은 VI족 원소를 사용할 수 있고, 바람직하기로는 Si, Ge, Sn을, 가장 바람직하기로는 Si를 사용한다. 또한, p형 불순물로서는 구체적으로는 Be, Zn, Mn, Cr, Mg, Ca등을 들 수 있으며, 바람직하기로는, Mg가 사용된다. 이하 본 발명의 레이저 소자에 대하여, 구체적으로 질화물 반도체를 사용한 레이저 소자에 대하여 설명한다. 여기서 질화물 반도체를 사용한 레이저 소자로는, 제 1 도전형층, 활성층, 제 2 도전형층을 적층한 적층구조체의 각층의 어느것인가에 질화물 반도체를 사용하는 것이며, 바람직하기로는 전체층에 사용하는 것이다. 예를 들면, 제 1 도전형층과 제 2 도전형층에는 각각 질화물 반도체로 되는 클래드층이 설치되고, 이들 2개의 클래드층 사이에 활성층이 설치되어서 도파로를 형상한다. 보다 구체적으로는, 제 1 도전형층에 n형 질화물 반도체층을, 제 2 도전형층에 p형 질화물 반도체층을 포함하고 활성층에서 In을 포함하는 질화물 반도체층을 포함하는 것으로 한 다.
[활성층]
본 발명에서, 질화물 반도체를 사용하여 본 발명에 따른 반도체 레이저 소자를 구성하는 경우에, 활성층에 In을 포함하는 질화물 반도체층을 가진 것으로서 자외영역, 가시영역에 있어서 청색계로부터 적색계의 파장영역의 레이저광을 발생시킬수가 있고, 또한, In을 포함하는 질화물 반도체층은 활성층이 대기에 노출되면 레이저 소자구동에 있어서, 극히 중대한 소자열화를 일으키는 경우가 있지만, 본 발명에서는 활성층에 도달하지 않는 깊이로 설치된 제 1 리지(凸부)(202)에 의해 구성된 제 2 도파로영역 C2를 포함하고 있기 때문에 그와같은 소자열화를 최소한으로 억제하는 것이 가능하다. 왜냐하면, In은 융점이 낮기 때문에 In을 포함하는 질화물 반도체는 분해, 증발이 일어나기 쉬운 재료이고, 에칭시에 손상을 받기 쉬으며, 또한, 활성층을 노출시킨 후의 가공에 있어서, 그 결정성을 유지하는 것이 곤란하게 되고, 그 결과로서 소자수명의 저하로 이어지기 때문이다.
도 12는 스트라이프형상의 凸부 형성시의 에칭깊이와, 소자수명의 관계를 나타내는 도면이다. 도면으로부터 알수 있는 바와같이, In은 포함하는 질화물 반도체를 가진 활성층에서는 활성층에 도달하는 깊이로 에칭하는 것에 의하여 급격히 소자수명이 저하하고 활성층이 대기에 노출되는 것이 레이저 소자의 소자신뢰성을 극히 악화시키는 것을 알 수 있다.
본 발명의 레이저 소자에서는, 도파로로서 제 1 도파로영역 C1과 제 2 도파 로영역 C2를 가진 것으로서, 이와같은 활성층을 대기에 노출할 때 특성열화가 우려되는 질화물 반도체를 사용한 반도체 레이저 소자에 있어서도 소자신뢰성이 뛰어난 레이저 소자를 제공하는 것이 가능하게 된다. 이것은 제 1 도파로영역 C1을 구성하기 위해 제 1 리지(凸부)(201)가 도파로의 일부만을 구성하여 소자신뢰성의 저하를 방지하는 것이 가능하게 되기 때문이다. 예를 들면, 본 발명의 질화물 반도체를 사용한 레이저 소자에서, 공진기 길이를 650㎛로 하고, 제 1 도파로영역 C1을 구성하기 위한 스트라이프형상의 제 1 리지(凸부)(201)의 길이를 10㎛로한 경우, 제 1 리지에서 노출한 활성층에 기인하는 소자신뢰성의 저하가 없는 것이 확인되며, 5㎽의 구동에서 수천시간의 수명이 확보된다.
본 발명의 질화물 반도체를 사용한 레이저 소자에서, 제 1 도파로영역 C1 혹은 제 2 도파로영역 C2를 구성하는 리지의 스트라이프폭으로서 바람직하기로는 0.5-4㎛에 설정되고, 보다 바람직하기로는 1-3㎛의 범위에 조정하는 것으로서 기본(단일) 모드로 안정한 횡모드에서의 발진이 가능하게 된다. 리지의 스트라이프폭이 1㎛미만이면 리지의 형성이 곤란하게되며, 3㎛이상이면 레이저 발진파장에 따라서는 횡모드가 다모드로 되는 경우가 있고, 4㎛이상으로 되면 안정한 횡모드가 얻어지지않는 경우가 있다. 본 발명에 있어서 더욱 1.2-2㎛의 범위로 조정하면, 더욱 더 광출력이 높은 영역에서의 횡모드를 효과적으로 안정(효과적으로 소용이 없는 횡모드의 발생을 억제한다)시킬수 있다. 본 발명에 있어서, 리지의 스트라이프폭은 제 1 도파로영역 C1과 제 2 도파로영역 C2의 적어도 한쪽이 상기 범위내에 있으면 되지만, 공진기면의 출사면측에 제 1 도파로영역 C1을 설치하는 경우에는, 이 제 1 도파로영역 C1의 스트라이프형상의 제 1 리지(凸부)(201)를 상기 범위의 폭으로 설치하는 것이 바람직하다. 또한, 본 발명은 이와같은 좁은 스트라이프구조로 한정하지 않고 스트라이프폭이 5㎛이상의 스트라라이프에도 적용할 수 있다. 또한, 도파로 단부에 제 1 도파로영역 C1을 배치하는 구성에 있어서는, 주로 이 제 1 도파로영역 C1으로 레이저 광의 광학특성을 제어하기 때문에 제 2 도파로영역 C2의 스트라이프폭은 비교적 자유롭게 설정될 수 있다.
본 발명의 질화물 반도체를 사용한 레이저 소자에 있어서, 제 1 도파로영역 C1의 단면을 공진기면(출사면)으로 할때에, 종래에 얻어질 수 없었던 횡모드의 제어성, F.F.P., 종횡비가 뛰어나고 또 소자신뢰성도 뛰어난 레이저 소자가 얻어진다. 이것은 상술한 바와같이, 활성층보다도 깊게 에칭하여 제 1 도파로영역 C1을 공진기면의 출사면측으로 설치함으로써, 레이저 소자로부터 출사하는 광을 출사직전에 제어할 수 있기 때문이다. 이와같은 것에 의해 여러가지 형상, 스폿트(spot)크기의 레이저광을 얻는 것이 가능하게 된다.
여기서, 활성층은 양자우물구조이어도 되며, 그 경우 단일양자우물, 다중양자우물의 어느 것이라도 된다. 바람직하게는 양자우물구조로 함으로써 발광효율이 뛰어나고, 고출력의 레이저 소자와 단면발광소자가 얻어질 수 있다. 또한, 제 2 도파로영역 C2를 구성하기 위한 스트라이프형상의 제 2 리지(凸부)(202)활성층에 도달하지 않는 깊이로 에칭함으로써 형성된다. 본 명세서에서, 이 제 2 리지(202)가 활성층보다도 위에 위치한다는 것은, 활성층에 도달하지 깊이로 에칭되어서 형성되는 것을 의미한다. 즉, 제 2 도파로영역 C2를 구성하는 스트라이프형상의 제 2 리지(凸부)(202)는 활성층과 그 위에 접하게 설치된 층과의 계면보다도 위에 위치하도록 설치된다.
질화물 반도체의 활성층으로서는 상술한 바와같이, In을 포함하는 질화물 반도체를 사용하는 것이 바람직하고, 구체적으로는 AlxIny Ga1-x-yN(0
Figure 112002040586188-pct00006
x
Figure 112002040586188-pct00007
1, 0 ＜ y
Figure 112002040586188-pct00008
1, x + y
Figure 112002040586188-pct00009
1)로 나타내게 되는 질화물 반도체를 사용하는 것이 바람직하다. 이경우, 양자우물구조의 활성층에 있어서는, 우물층으로서 여기에 나타낸 질화물 반도체를 사용하는 것이 바람직한 것을 의미한다. 또한, 근자외에서 가시광의 녹색까지의 파장영역(380㎚이상 550㎚)에서는, InyGa1-yN(0 ＜ y ＜ 1)을 사용하는 것이 바람직하고, 또한 그 이상의 장 파장영역(적색)에서도 마찬가지로 InyGa1-yN(0 ＜ y ＜ 1)를 사용할 수 있고, 이 때 주로 In 혼성결정비 y를 변화시킴으로써, 소망의 파장을 얻을 수 있다. 380㎚이하의 단파장의 영역에서는 GaN의 금지대역폭에 상당하는 파장이 365㎚이기 때문에 GaN과 거의 같던가 혹은 그 보다도 큰 밴드갭 에너지로 할 필요가 있기 때문에, 예를 들면, AlxInyGa1-x-yN(0 ＜ x
Figure 112002040586188-pct00010
1, 0 ＜ y
Figure 112002040586188-pct00011
1, x + y
Figure 112002040586188-pct00012
1)이 사용된다.
활성층을 양자우물구조로 하는 경우, 구체적인 우물층의 막두께로서는, 10Å이상 300Å이하의 범위, 바람직하기로는 20Å이상 200Å이하의 범위로 하는 것으로서, Vf, 임계값 전류밀도를 저감시킬수 있다. 또한, 결정성장의 관점에서는 20Å이상이면, 막두께에 큰 변동이 없이 비교적 균일한 막질층이 얻어지고, 200Å이하로 함으로써 결정결함의 발생을 낮게 억제하는 결정성장이 가능하게 된다. 활성층내의 우물층수에 대하여서는 특별히 한정되지 않고 1이상이며, 이때 우물층 수가 4이상인 경우에는, 활성층을 구성하는 각층의 막두께가 두껍게 되면, 활성층 전체의 막두께가 두껍게 되어서, Vf의 상승을 초래하게 되기 때문에, 우물층의 막두께를 100Å이하의 범위로 하여 활성층의 막두께를 낮게 억제하는 것이 바람직하다. 고출력의 LD, LED에 있어서는 우물층의 수를 1이상 3이하로 함으로써 높은 발광효율의 소자가 얻어질 수 잇는 경향이 있어 바람직하다.
또한, 우물층에는 p또는 n형의 불순물(억셉터 또는 도너)이 도프되어 있어도, 언도프 혹은 논도프이어도 된다. 그러나, 우물층으로 In을 포함하는 질화물 반도체를 사용하는 경우, n형 불순물농도가 크게 되면 결정성이 악화하는 경향이 있기 때문에 n형 불순물 농도를 낮게 억제하여서 결정성이 양호한 우물층으로 하는 것이 바람직하다. 구체적으로는, 결정성을 최대한 양호한 것으로 하기 위해 우물층을 언도프를 성장시키는 것이 바람직하다. 구체적으로는, n형 불순물농도를 5 X 1016/㎤ 이하로 하는 것이 바람직하다. 한편, n형 불순물 농도를 5 X 1016/㎤ 이하의 상태는 극히 불순물농도가 낮은 상태이고, 이 상태에서는 실질적으로 n형 불순 물을 포함하지 않는 우물층으로 말할 수 있다. 또한, 우물층에 n형 불순물을 도프하는 경우에는 n형 불순물농도가 1 X 1018/㎤ 이하 5 X 1016/㎤ 이상의 범위로 도프되어 있으면, 결정성의 악화를 낮게 억제할 수 있고, 또한 캐리어농도를 높게 할 수 있다.
장벽층의 조성으로서는 특별히 한정되지 않지만, 우물층과 마찬가지의 질화물 반도체를 사용할 수 있고, 구체적으로는 우물층보다 더 혼성결정비가 낮은 InGaN등의 In을 포함하는 질화물 반도체, 혹은 GaN, AlGaN등의 Al를 포함하는 질화물 반도체등을 사용할 수 있다. 이때, 장벽층은 우물층보다도 밴드갭 에너지를 크게 하는 것이 필요하다. 구체적인 조성으로서는 InβGa1-βN(0
Figure 112002040586188-pct00013
β＜1, α＞β), GaN, AlγGa1-γN(0 ＜ γ
Figure 112002040586188-pct00014
1)등을 사용할 수 있고, 바람직하기로는 InβGa1-βN(0
Figure 112002040586188-pct00015
β＜ 1, α＞ β), GaN을 사용함으로써 양호한 결정성인 장벽층이 형성될 수 있다. 이것은 In을 포함하는 질화물 반도체로 되는 우물층을, AlGaN등의 Al를 포함하는 질화물 반도체위에 직접 성장시키면, 결정성이 저하하는 경향이 있고, 우물층의 기능이 악화하는 경향이 있기 때문이다. AlγGa1-γN(0 ＜ γ
Figure 112002040586188-pct00016
1)을 장벽층으로 사용하는 경우에는 Al을 포함하는 장벽층을 우물층위에 설치하도록 하고 우물층의 아래에는 InβGa1-βN(0
Figure 112002040586188-pct00017
β＜1, α＞β), GaN의 장벽층을 사용한 다층막의 장벽층으로 함으로써 이것을 회피할 수 있다. 이와같이, 다중 양자우물구조에 있어서 우물층에 끼워진 장벽층은 특별히 1층인 것(우물층/장벽층/우물층)에 한정하는 것은 아니 고, 2층 혹은 그 이상 층의 장벽층을, 「우물층/장벽층(1)/장벽층(2)/‥‥‥/우물층」과 같이, 조성, 불순물량등이 다른 장벽층을 복수개 설치하여도 된다. 여기서 α은 우물층의 In조성비이며, α＞ β로서 장벽층의 In조성비 β를 우물층보다도 작게하는 것이 바람직하다.
장벽층은, n형 불순물이 도프되어 있어도 논도프이어도 되지만, 바람직하기로는 n형 불순물이 도프되어 있는 것이다. 이 때, 장벽층 중의 n형 불순물 농도로서는 적어도 5 X 1016/㎤ 이상 도프되어 있는 것이 바람직하며, 상한으로는 1 X 1020/㎤이다. 구체적으로는 예를 들면, 높은 출력이 요구되지 않는 LED인 경우에는 5 X 1016/㎤ 이상 2 X 1018/㎤ 이하의 범위에서 n형 불순물을 가지는 것이 바람직하고 또한 보다 고출력의 LED 및 고출력의 LD에서는 5 X 1017/㎤ 이상 1 X 1020/㎤ 이하의 범위, 바람직하기로는 1 X 1018/㎤ 이상 5 X 1019/㎤ 이하의 범위로서 도프되어 있는 것이 바람직하며, 이와 같이 고농도를 도프하는 경우에는 우물층에 n형 불순물을 실질적으로 포함하지 않던가 언도프로 성장시키는 것이 바람직하다. 이 때, 통상의 LED와 고출력의 LED(하이파워 LED)와 고출력의 LD(5~100㎽의 출력의 LD등)으로서 n형 불순물량이 다른 것은 고출력의 소자에서는, 더욱 대전류로 구동시켜 높은 출력을 얻기 위하여 높은 캐리어 농도를 필요로 하기 때문이다. 상기 바람직한 범위로 도프됨으로서, 상술한 바와같이 양호한 결정성으로 고농도의 캐리어를 주입하는 것이 가능하게 된다.
이와는 반대로, 고출력이 아닌 저출력의 LD, LED등의 질화물 반도체 소자의 경우에는, 활성층중의 일부의 장벽층에 n형 불순물을 도프한것, 혹은 전체의 장벽층을 실질적으로 n형 불순물을 포함하지 않는 것으로 하여도 된다. n형 불순물을 도프하는 경우에는 활성층내의 전체의 장벽층에 도프하여도 되며 일부의 장벽층에 도프하여도 된다. 일부의 장벽층에 n형 불순물을 도프하는 경우에는, 활성층내에서 n형층 측에 배치된 장벽층에 도프하는 것이 바람직하며, 구체적으로는 n형층 측으로부터 세어서 n번째의 장벽층 Bn(n=1, 2, 3 ‥‥)에 도프함으로써, 전자가 효율적으로 활성층내에 주입되어서 발광효율, 내부양자효율에 뛰어난 소자로 된다. 이것은 장벽층에 한정하지 않고, 우물층에 대하여서도 마찬가지이며, 또한 양쪽에 도프하는 경우에는 n형 층으로부터 세어서 n번째의 장벽층 Bn(n=1, 2, 3 ‥‥), m번째의 우물층 Wm(m=1, 2, 3 ‥‥)에 도프함으로써, 즉 n형층에 가까운측으로부터 도프함으로써 상기 효과가 얻어지는 경향이 있다.
장벽층의 막두께로서는 특별히 한정되지 않고 500Å이하, 보다 구체적으로는 우물층과 마찬가지로 10Å이상 300Å이하의 범위가 적용될 수 있다.
본 발명의 질화물 반도체를 사용한 레이저 소자에서, 적층구조체로서, 제 1 도전형층에 n형 질화물 반도체를 가지는 것, 제 2 도전형층에 p형 질화물 반도체를 사용하는 것이 바람직하며, 구체적으로는 각각의 도전형층에 n형 클래드층과 p형 클래드층을 설치하여서 도파로를 구성하도록 한다. 이 때 각 클래드층과 활성층사이에는 후술하는 바와 같은 가이드층과 전자가둠층등을 설치하여도 된다.
[p형 클래드층]
본 발명의 질화물 반도체를 사용한 레이저 소자에서, 제 2 도전형층 혹은 제 1 도전형층으로서 p형 질화물 반도체(제 1 p형 질화물 반도체)를 포함하는 p형 클래드층을 설치하는 것이 바람직하다. 이 때, p형 클래드층이 설치된 도전층과는 다른 도전형층에, n형 질화물 반도체를 포함하는 n형 클래드층을 설치하여 적층구조체에 도파로를 형성한다. 또한, 이 p형 클래드층에 사용되는 질화물 반도체로서는 광을 가두기 위해 충분한 굴절율차가 마련되어 있으면 되며, Al을 포함하는 질화물 반도체층이 바람직하게 사용된다. 또한, 이 층은 단일 혹은 다층막이어도 되고, 구체적으로는 실시예에 나타낸 바와같이, AlGaN과 GaN을 번갈아 적층한 초격자구조이어도 되며, 초격자구조로 하면 결정성을 양호한 것으로 할 수 있어 바람직하다. 또한, 이 층은 p형 불순물이 도포되어 있어도 되고, 언도프이어도 되며 실시예에 나타낸 바와같이 다층막에서, 그것을 구성하는 적어도 하나의 층에 도프한 것이어도 된다. 그리고, 발진파장이 장파장의 430-550㎚의 레이저 소자에서는 그 클래드층은 p형 불순물을 도프한 GaN이 바람직하다. 또한, 막두께로서는 특별히 한정되는 것은 아니지만, 100Å이상 2㎛이하로 형성하는 것으로서, 바람직하기로는 500Å이상 1㎛이하의 범위로 형성하는 것으로서 충분한 광의 가둠층으로서 기능을 한다.
또한, 본 발명에서 활성층과 p형 클래드층 사이에 후술하는 전자가둠층, 광 가이드층을 설치하여도 된다. 이 때, 광 가이드층을 설치하는 경우에는 n형 클래드층과 활성층사이에도 광 가이드층을 설치하여서 활성층을 광 가이드층으로 끼워넣는 구조로 하는 것이 바람직하다. 이 경우에는 SCH구조로 되며 클래드층의 Al 조성비를 가이드층의 Al 조성비보다 크게함으로써 굴절율차를 만들어서 클래층으로 광을 가둘수 있다. 클래드층과 가이드층이 각각 다층막으로 형성되는 경우에는 Al의 조성비의 크고 작음은 Al평균조성에 의해 결정된다.
[p형 전자가둠층]
또한, 활성층과 p형 클래드층과의 사이에, 바람직하기로는 활성층과 p형 광 가이드층과의 사이에 설치되어 있는 p형 전자가둠층은 활성층으로의 캐리어를 가두도록 기능하는 층이며, 임계값 전류를 저하시킴으로써 용이한 발진에 기여하며, 구체적으로는 AlGaN을 사용한다. 특히, 제 2 도전형층에, p형 클래드층, p형 전자가둠층을 설치하게 구성함으로써 보다 효과적인 전자 가둠효과가 얻어질 수 있다. 이 p형 전자가둠층에 AlGaN을 사용하는 경우에는 바람직하기로는 p형 불순물을 도프한 것으로 함으로써, 확실하게 상기 기능을 발휘할 수 있지만, 논도프이어도 상기 캐리어의 가두는 기능을 가진다. 막두께의 하한으로서는 적어도 10Å으로, 바람직하기로는 20Å이다. 또한 막두께로서는 500Å이하로 형성하고, AlxGa1-xN의 조성으로서는 x가 0이상, 바람직하기로는 0.2이상으로 함으로써 상기 효과가 충분히 기대될 수 있다. 또한, n형층 측에도 홀을 활성층내에 가두는 n측 캐리어 가둠층을 설치해도 좋다. 홀 가둠은 전자를 가두는 경우인 만큼 오프셋(활성층과의 밴드갭 차)을 만들지 않아도 가둠이 가능하다. 구체적으로는, p측 전자가둠층과 마찬가지의 조성을 적용할 수 있다. 또한, 결정성을 양호한 것으로 하기 위해서는 Al을 포함하지 않는 질화물 반도체에 의해 형성되어도 되며, 구체적으로는 활성층의 장벽층과 거의 같은 조성을 사용할 수 있고, 이 경우에는 캐리어를 가두게 되는 n측 장벽층을 활성층내에서 가장 n형층 측으로 배치시키는 것이 바람직하며, 혹은 활성층에 접하여 n형 층내에 배치하여도 된다. 이와같이 p측, n측의 캐리어 가둠층은 바람직하기로는 활성층에 접하여 설치함으로써 효율이 좋게 활성층 혹은 우물층내에 캐리어를 주입할 수 있고 다른 형태로서는 활성층내에서 P측, n측의 층과 접하는 층을 캐리어 가둠층으로 할 수 있다.
[p형 가이드층]
본 발명에서 활성층을 끼우는 가이드층을 클래드층보다 내측으로 설치하여서 광 도파로를 형성함으로써 질화물 반도체에서 뛰어난 도파로를 형성할 수 있다. 이때, 도파로(활성층과 이것을 끼워넣는 양 가이드층)의 막두께로서는 구체적으로 6000Å이하로 하여, 발진 임계값 전류의 급격한 증대를 억제하고, 바람직하기로는 4500Å이하로 하는 것으로, 낮게 억제된 발진 임계값 전류로 기본모드에 의한 장 수명의 연속발진이 가능하게 된다. 또한, 양 가이드층은 거의 같은 막두께로 형성하는 것이 바람직하고 가이드층의 막두께로서는 100Å이상 1㎛이하의 범위로 설정하는 것이 바람직하며, 보다 바람직하기로는 500Å이상 2000Å이하로 형성함으로써 양호한 광 도파로를 설치할 수 있다. 또한, 가이드층으로서는 질화물 반도체로 되고 그 외측에 설치되는 클래드층과 비교하여 도파로를 형성하기 위한 충분한 에너지 밴드갭을 가지고 있으면 되고, 단일막, 다층막의 어느것이라도 된다. 또한, 광 가이드층으로서, 구체적으로는 활성층과 거의같이, 바람직하기로는 그것보다도 큰 밴드캡 에너지로 하는 것으로서 양호한 도파로의 형성이 가능하며 양자우물구조의 경우에는 우물층보다도 밴드갭에너지를 크게하며 바람직하기로는 장벽층보다도 크게 할 수 있다. 더욱으로는 활성층의 발광파장 보다도 10㎚정도이상의 밴드갭에너지를 광 가이드층에 마련하는 것으로서 광의 도파에 뛰어난 도파로가 형성될 수 있다.
p측 광 가이드층으로서 구체적으로는 발진파장이 370~470㎚에서는 언도프의 GaN을 사용하고 비교적 장파장 영역(450㎛이상)에서는 InGaN/GaN의 다층막 구조를 사용하는 것이 바람직하다. 이것에 의해 장파장의 영역에서 활성층 및 광 가이드층에 의해 구성되는 도파로내의 굴절율을 크게 할 수 있고 클래드층과의 굴절율차를 크게 할 수 있다. 또한 370㎚이하의 단파장의 영역에서는 GaN의 흡수단이 365㎚이기 때문에, 바람직하기로는 Al를 포함하는 반도체를 사용하는 것이며, 구체적으로는 AlxGa1-xN(0 ＜ x ＜ 1)를 사용하는 것이 바람직하고, AlGaN/GaN으로되는 다층막, 이것을 번갈아 적층한 다층막, 또는 각층을 초격자로한 초격자 다층막으로 할 수 있다. n형 가이드층의 구체적인 구성은 p형 가이드층과 마찬가지며, 활성층의 에너지 밴드갭을 고려하여 GaN, InGaN을 사용하고, 언도프의 GaN, 활성층에 접근함에 따라 In혼성결정비를 작게한 InGaN과 GaN과를 번갈아 적층한 다층막으로 설치하면 바람직한 도파로로 된다.
[n형 클래드층]
본 발명의 질화물 반도체를 사용한 레이저 소자에서, n형 클래드층에 사용되는 질화물 반도체로서는, p형 클래드층과 마찬가지로 광을 가두기 위해 충분한 굴 절율차가 마련되어 있으면 되고, Al을 포함하는 질화물 반도체층이 바람직하게 사용된다. 또한, 이 층은 단일 혹은 다층막이어도 되며 구체적으로는 실시예에 나타낸 바와같이 AlGaN과 GaN과를 번갈아 적층한 초격자구조이어도 된다. 또한, 이 n형 클래드층은 캐리어의 가둠층 및 광 가둠층으로서 작용하고, 다층막 구조로하는 경우에는 상술한 바와같이, Al를 포함하는 질화물 반도체, 바람직하기로는 AlGaN를 성장시키면 된다. 또한, 이 층은 n형 불순물이 도프되어 있어도 되고, 언도프이어도 되며, 실시예에 나타낸바와같이 다층막층에서 그것을 구성하는 적어도 하나의 층에 도프한 것이어도 된다. 그리고, 발진파장이 장파장인 430-550㎚의 레이저 소자에서는 그 클래드층은 n형 불순물을 도프한 GaN이 바람직하다. 또한, 막두께로서는 p형 클래드층과 마찬가지로 특별히 한정되는 것은 아니지만, 100Å이상 2㎛이하에서 형성하는 것으로서, 바람직하기로는 500Å이상 1㎛이하의 범위에서 형성하는 것으로서 충분한 광의 가둠층으로 기능한다.
여기서, 질화물 반도체를 사용한 레이저 소자에서, 스트라이프형상의 리지를 설치하는 위치를 Al 포함하는 질화물 반도체내로 하고, 노출한 질화물 반도체 표면 및 凸부 측면에 절연막을 설치하는 것으로서 양호한 절연이 되어서 절연막위에 전극을 형성하여도 누설전류가 없는 레이저 소자를 얻을 수 있다. 이것은 Al를 포함하는 질화물 반도체에는 양호한 오믹접촉을 달성할 수 있는 재료가 거의 없기 때문에, 이 반도체 표면에 절연막, 전극등을 설치하여도 누설전류의 발생이 거의 없고, 양호한 절연이 이루어질 수 있다. 역으로, Al를 포함하지 않는 질화물 반도체 표면에 전극을 설치하면 그 전극재료와 질화물 반도체와의 사이에 오믹접촉이 형성되 기 쉽고 Al를 포함하지 않는 질화물 반도체 표면에 절연막을 끼워서 전극을 형성하면, 절연막 전극의 막질에 따라 절연막에 미소한 구멍이 있는 경우에 누설의 원인으로 된다. 이때문에 이들을 해결하기 위하여 절연이 충분하게 확보되는 막두께로 절연막을 형성하던가 전극의 형상, 위치를 노출한 반도체 표면에 겹치지 않도록 하는 등의 배려가 필요하게 되어서 레이저 소자구조의 설계에 있어서, 큰 제약을 주게 된다. 또한 리지(凸부)가 설치되는 위치가 문제로 되는 것은 리지(凸부)형성시에 노출되는 리지 양측의 질화물 반도체 표면(평면)은 리지(凸부) 측면에 비하여 극히 큰 면적을 차지하며 이 표면에서 양호한 절연성이 확보되는 것으로서, 여러가지 전극형상을 적용할 수 있고, 또 전극형성위치를 비교적 자유롭게 선택하는 설계자유도가 높은 레이저 소자로 되어서, 리지(凸부)의 형성에 있어서 극히 유리하게 된다. 여기서, Al를 포함하는 질화물 반도체로서는 구체적으로 AlGaN 혹은 상술한 AlGaN/GaN의 초격자 다층구조등이 바람직하게 사용된다.
여기서, 제 1 도파로영역 C1과 제 2 도파로영역 C2로서 설치되는 스트라이프형상의 제 1 리지(凸부)(201)와 제 2 리지(202)는 도 1b, 1c에 나타낸 바와같이, 각 리지의 양측을 제거하는 것으로서 형성된다. 凸부(202)는 상부 클래드층(7)에 설치되고, 그 때, 凸부이외의 영역에 있어서, 상부 클래드층(7)이 노출된 표면평면의 위치가 에칭길이로 된다.
[전극]
본 발명의 레이저 소자에서, 스트라이프상의 제 1 리지 및 제 2 리지상에 설 치되는 전극형상에 의한 본 발명은 특별히 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 도 1, 7등에 나타낸 바와같이, 제 1 도파로영역 C1과 제 2 도파로영역 C2으로서 설치된 스트라이프형상의 제 1 리지(201) 및 제 2 리지(202) 각각의 거의 전면에 설치된 구조이어도 된다. 또한, 예를 들면, 제 2 도파로영역 C2에만 전극을 설치하고, 제 2 도파로영역 C2에 우선적으로 캐리어를 주입하도록 하여도 되며, 그 역으로 제 1 도파로영역 C1에만 전극을 설치하는 구조로 하여, 공진기방향에서 도파로내를 기능분리시켜도 된다.
[절연막]
본 발명의 레이저 소자에서, 상기 적층구조체의 일부를 제거하고 스트라이프형상의 리지를 설치하여 공진기로 하도록 한 경우에는, 그 스트라이프의 측면 및 그것에 연속하는 리지 양측의 평면(凸부가 설치되어 있는 평면)에 절연막을 형성하는 것이 바람직하다. 예를 들면, 도 1에 나타낸 바와같은 스트라이프형상의 리지를 설치한 후, 그 리지 측면으로부터 리지의 양측 표면에 걸쳐서 설치한다.
본 발명의 레이저 소자에 있어서, 질화물 반도체를 사용한 경우에는 도 7, 8, 9에 나타낸 바와같이, 절연막으로서 제 2 보호막(162)를 설치하는 것이 바람직하다.
제 2 보호막의 재료로서는 SiO2이외의 재료, 바람직하게는 Ti, V, Zr, Nb, Hf, Ta로되는 군으로부터 선택된 적어도 일종의 원소를 포함하는 산화물, SiN, BN, SiC, AlN중의 적어도 일종으로 형성하는 것이 바람직하며, 그중에서도 Zr, Hf의 산화물, BN, SiC를 사용하는 것이 특히 바람직하다. 이들 재료는 불산에 대하여서도 다소 용해하는 성질을 가지고 있는 것도 있지만, 레이저 소자의 절연층으로서 사용되면 매입층으로서 SiO2보다도 상당히 신뢰성이 높게 되는 경향이 있다. 또한, 일반적으로 PVD, CVD와 같은 기상으로 막을 형성한 산화물계 박막은 그 원소와 산소가 해당량 반응한 산화물로 되기가 어렵기 때문에 산화물계 박막의 절연성에 대한 신뢰성이 불충분하게 되는 경향이 있지만, 본 발명에서 선택된 상기 원소의 PVD, CVD에 의한 산화물 BN, SiC, AlN은 Si산화물보다도 절연성에 관한 신뢰성이 뛰어나다. 게다가 산화물의 굴절율을 질화물 반도체 보다도 작은것(예를 들면, SiC이외의 것)을 선택하면 레이저 소자의 매입층으로서 아주 양호하게 형성될 수 있다. 더욱이 제 1 보호막(161)을 Si산화물을 이용하여 형성하면, Si산화물은 불산에 의해 제거되기 때문에, 도 7b에 나타낸 바와같이, 리지의 윗면에만 제 1 보호막을 형성하고, 그 위 및 리지의 측면, 그 리지의 양측 평면(에칭스톱층), 제 2 보호막(162)을 연속하게 형성하여서 제 1 보호막(161)을 선택적으로 제거하면, 도 7c에 나타낸 바와같이, 리지의 윗면을 제거하는 면에 균일한 막두께를 가진 제 2 보호막(162)을 형성할 수 있다.
또한, 제 2 보호막의 막두께로서는, 구체적으로 500Å이상 1㎛이하의 범위, 바람직하기로는 1000Å이상 5000Å이하의 범위로 하는 것이다. 왜냐하면, 500Å이하이면, 전극의 형성시에 충분한 절연성을 확보하는 것이 곤란하고, 1㎛이상이면, 오히려 보호막의 균일성이 잃어버려서 양호한 절연막으로 되지 않기 때문이다. 또한, 상기 바람직한 범위로 함으로써 리지(凸부)측면에서, 리지와의 사이에 양호한 굴절율차를 가진 균일한 막이 형성된다.
또한, 제 2 보호막을 질화물 반도체의 매입층에 의해 형성할 수 있고, 반절연성, i형 질화물 반도체, 각 도파로영역의 리지와는 역의 도전형의 경우에, 예를 들면, 실시예 1의 제 2 도파로영역 C2에 있어서는, n형 질화물 반도체로 되는 매입층을 형성하고 그 매입층을 제 2 보호막으로 사용할 수 있다. 또한, 매입층의 구체예로서는, AlGaN등의 Al을 포함하는 질화물 반도체에 의해 리지와의 사이에 굴절율차를 만들기도 하고, 전류저지층으로서 기능하도록 하기도 함으로써 횡방향의 광가둠이 실현되고, In를 포함하는 질화물 반도체에 의해 광흡수계수의 차를 만들어서 레이저 소자로서의 양호한 광학특성이 실현된다. 매입층에, i형 반절연성이외의 층을 사용하는 경우에는 제 2의 도파로영역은 제 2 도전형과는 다른 제 1 도전형의 매입층으로 하면된다. 한편, 제 1 도파로영역을 구성하는 제 1 리지에서는 활성층을 끼워서 제 1, 2의 도전형층이 각각 스트라이프형상으로 형성되기 때문에, 제 1 도전형층, 혹은 제 1 도전형층 및 활성층의 양측 영역에서는 제 1 도전형층과 다른 제 2 도전형층의 매입층으로 하고, 제 2 도전형층, 혹은 제 2 도전형층 및 활성층의 영역에서는 제 2 도전형과는 다른 제 1 도전형의 매입층으로 한다. 이와같이, 제 1 도파로영역, 제 2 도파로영역에서 매입층을 다른 층구성으로 할 수 있다. 또한, 매입층은 제 2 보호막과 마찬가지로 스트라이프 측면의 일부, 바람직하기로 는 거의 전면에 형성한다. 더욱이, 매입층은 리지 측면과 그 리지 양측의 질화물 반도체의 표면(평면)에 연속하여 형성함으로써, 보다 양호한 광 가둠, 전류 협착기능을 발휘시킬 수 있어 바람직하다. 또한, 매입층을 형성한 후, 더욱 그 위에 질화물 반도체층을 매입층 및/또는 스트라이프 상부에 형성하여 각 도파로영역을 구성하는 리지를 소자내부에 배치한 구조로 할 수 있다.
본 발명에 따른 질화물 반도체를 사용한 레이저 소자의 공진기 길이로서는 400~900㎛의 범위이면, 전후의 미러의 반사율을 제어함으로써 구동전류를 낮게할 수 있어 바람직하다.
[제조방법]
이상과 같이, 본 발명의 질화물 반도체를 사용한 레이저 소자는, 양호한 소자특성을 실현할 수 있고, 또한 그 제 1 도파로영역 C1과 제 2 도파로영역 C2로 되는 스트라이프는 이하의 방법으로 형성함으로써 본 발명의 레이저 소자에서의 스트라이프형상의 도파로영역을 정밀도가 좋고 또 수율이 양호하게 제조될 수 있다. 또한, 이하의 제조방법에 의해 신뢰성이 높은 레이저 소자를 제조할 수 있다. 이하 그 제조방법에 대하여 상세히 설명한다.
또한, 도 8, 9에 나타낸 바와같이, 이종(異種)기판의 동일면측에 양/음극 한쌍의 전극을 형성한 소자를 제조하는 경우에는 도 7에 나타낸 바와같이, 음전극을 형성하는 n형 콘택트층을 노출시키기 위해 그 깊이까지 에칭을 행하고, 그 후 스트라이프형상의 도파로영역을 형성하는 에칭을 행한다.
[스트라이프형상 리지(凸부)의 형성방법 1]
도 5는 본 발명의 전극형성방법의 공정을 설명하기 위해, 질화물 반도체를 사용한 소자구조를 형성한 웨이퍼의 일부를 나타내는 개략적인 사시도이며, 도 6도 마찬가지의 도면으로서, 본 발명에서의 다른 실시형태를 설명하는 것이고, 도 7은 제 2 보호막 형성후의 공정을 설명하는 도면이며, 도 7b는 도 7a에서 제 2 도파로영역 C2의 단면도를 나타낸 것이고, 도 7c는 도 7d에 있어서, 제 2 도파로영역 C2의 단면도를 나타낸 것이다. 본 발명의 제조방법에 있어서, 도 5a에 나타낸 바와같이, 소자구조를 구성하는 각 반도체층을 적층한 후 최상층에 있는 제 2 도전형층중의 콘택트층(8) 위에 스트라이프형상의 제 1 보호막(161)을 형성한다.
제 1 보호막(161)은, 특별히 절연성과는 관계없이, 질화물 반도체의 에칭속도와 차가 있는 재료이면 어떠한 재료도 된다. 예를 들면, Si 산화물(SiO2를 포함), 포트레지스트등이 사용되며, 바람직하기로는 후에 형성하는 제 2 보호막과 용해도차를 만들기 위해 제 2 보호막 보다도 산에 대하여 용해하기 쉬운 성질을 가지고 있는 재료를 선택한다. 산으로서는 불산이 바람직하게 사용되며, 그 때문에 불산에 대하여 용해하기 쉬운 재료로서 Si산화물을 사용하는 것이 바람직하다. 제 1 보호막의 스트라이프폭(W)은 3㎛-1㎛로 조정한다. 제 1 보호막(161)의 스트라이프폭이 대략 도파로영역을 구성하기 위한 리지의 스트라이프폭에 상당하다.
도 5a는 상기 제 1 보호막(161)이 적층구조체 표면에 형성된 형태를 나타낸 것이다. 즉 5a에 나타낸 바와같은 스트라이프형상의 제 1 보호막은 먼저 적층구조 체 표면의 거의 전면에 제 2 보호막을 형성한 후, 포토리소그래피 기술에 의해 소망 형상의 마스크를 제 1 보호막 표면에 설치하여 콘택트층(8)표면에 스트라이프형상의 제 1 보호막(161)을 형성한다.
또한, 5a에 나타낸 스트라이프형상의 제 1 보호막(161)을 형성하는 것에는 리프트오프법을 사용하는 것도 될 수 있다. 즉, 스트라이프형상의 구멍이 열려진 형상의 포트레지스트를 형성하고, 그 포토레지스트의 위로부터 전면에 제 1 보호막을 형성하며, 그 후 포토레지스트를 용해 제거함으로써 콘택트층(8)과 접촉하고 있는 제 1 보호막(161)만을 남기는 수단이다. 그리고, 리프트오프법으로 스트라이프형상의 제 1 보호막을 형성하기 보다도 상술한 바와같이 에칭에 의해 형성함으로써 단면이 거의 수직으로 형상이 갖추어진 스트라이프가 얻어지기 쉬운 경향이 있다.
다음에 도 5b에 도시된 바와같이, 제 1 보호막(161)을 마스크로하고, 그 제 1 보호막(161)이 형성되어 있지 않은 부분을 콘택트층(8)에서 에칭하여, 제 1 보호막(161)의 바로 아래부분에 보호막의 형상에 따른 스트라이프형상의 리지를 형성한다. 에칭을 행하는 경우, 에칭스톱을 어느 위치로 하는 가에 따라 레이저 소자의 구조, 특성이 다르게 된다.
질화물 반도체를 사용하여 형성한 층을 에칭하는 수단으로서는 예를 들면, RIE(반응성 이온에칭)와 같은 건식에칭을 사용하고 Si산화물로되는 제 1 보호막을 에칭하는데는 CF4와 같은 불소화합물계의 가스를 사용하는 것이 바람직하고, 제 2 공정에서는 질화물 반도체를 에칭하는데에는 다른 III-V족 화합물 반도체로 자주 사용되고 있는 Cl2, CCl4, SiCl4와 같은 염소계 가스를 사용하면, Si산화물과의 선택비가 크게 되기 때문에 바람직하다.
이어서, 도 5c에 나타낸 바와같이, 스트라이프형상의 리지 일부를 덮도록, 제 3 보호막(163)을 형성한다. 제 3 보호막(163)으로서는 레지스트막으로서 내건식 에칭성인 일반적으로 알려져 있는 레지스트막을 형성할 수 있고, 구체적으로는 광 경화성 수지등을 사용할 수 있다. 이 때, 제 3 보호막(163)에 덮혀진 스트라이프형상의 리지가 제 2 도파로영역 C2를 구성하기 위한 제 2 리지(202)로 되며, 제 3 보호막으로 덮혀져 있지 않는 영역에, 제 1 도파로영역 C1을 구성하기 위한 제 2 리지(凸부)(201)가 형성된다. 이와같이하여 설치된 제 3 보호막(163)과 제 1 보호막(161)을 마스크로하여, 이들의 마스크가 형성되어 있지 않는 적층구조체에 더욱 클래드층(5)에 도달하는 깊이로 에칭하여 깊이가 다른 스트라이프형상의 리지(제 1 리지)가 형성된다.
다음에 도 7a에 도시된 바와같이, 제 1 보호막(161)과 다른 재료이고, 절연성을 가진 제 2 보호막(162)을 스트라이프형상의 리지(凸부)측면과 에칭되어 노출된 층(도 7에서는 클래드층(5, 7))의 평면에 형성한다. 제 1 보호막(161)은 제 2 보호막(162)과 다른 재료로 형성하고, 에칭수단에 대하여 제 1 보호막(161)과 제 2 보호막(162)에서 선택성을 가지고 있다. 그 때문에, 후에 제 1 보호막(161)만을 예를 들면, 불산으로 제거하면 다음 도 7b에 나타낸 바와같은 리지의 윗면을 열어서 클래드층(5, 7)의 표면(에칭에 의해 노출된 질화물 반도체의 평면)과 리지의 측 면 양쪽에 연속한 제 2 보호막(162)을 형성할 수 있다. 이와같이, 제 2 보호막(162)을 연속하여 형성함으로써 높은 절연성을 유지할 수 있다. 또한, 제 1 보호막(161)의 위에서 연속하여 제 2 보호막(162)을 형성하면, 클래드층(5, 7)위에 균일한 막두께로 형성될 수 있기 때문에 막두께가 불균일해지기가 어려워서 막두께의 불균일로 인한 전류집중도 발생하지 않게 된다. 그리고, 이 공정에서 에칭스톱을 클래드층(5, 7)의 중간으로하고 있기 때문에 도 7a에서는 제 2 보호막(162)은 클래드층(5, 7)의 평면(노출된 윗면)에 형성되지만 에칭스토퍼를 클래드층(5, 7)보다도 아래로 하면, 당연히 제 2 보호막은 그 에칭스토퍼로한 층의 평면에 형성되는 것은 말할 것도 없다.
다음 공정에서는, 도 7b에 도시된 바와같이, 제 1 보호막(161)을 리프트오프법에 의해 제거한다. 그 후에 제 2 보호막(162)과 콘택트층(18)위에 이 콘택트층(8)과 전기적으로 접촉하도록 전극을 형성한다. 본 발명에서는 리지의 위에 스트라이프형상의 개구부를 가진 제 2 보호막을 먼저 형성하고 있기 때문에 이 전극을 형성할 때에 스트라이프트폭이 좁은 콘택트층에만 전극을 형성할 필요가 없고, 개구부에 노출된 콘택트층으로부터 제 2 절연막위에 연속한 전극을 대면적으로 형성할 수 있다. 이것에 의해, 오믹접촉을 겸한 전극재료를 선택하여 오믹접촉용의 전극과 본딩용의 전극을 겸한 전극을 같이 형성할 수 있다.
질화물 반도체를 사용한 레이저 소자에서는, 스트라이프형상의 도파로영역을 형성하는 경우 습식에칭으로는 에칭이 어렵기 때문에 건식에칭이 사용된다. 건식에칭에는 제 1 보호막과 질화물 반도체와의 선택성이 중요시되기 때문에 제 1 보호 막으로서 SiO2가 사용된다. 그러나 SiO2를 에칭스토퍼로한 층의 윗면에 형성하는 제 2 보호막에도 사용하면, 절연성이 불충분하고, 또한, 제 1 보호막과 동일재료이기 때문에 제 1 보호막만을 제거하는 것이 곤란하게 된다. 이 때문에, 본 발명에서는 제 2 보호막을 SiO2이외의 재료로 하고, 제 1 보호막 사이의 선택성을 확보하고 있다. 또한, 제 2 보호막형성후에는 질화물 반도체를 에칭할 수 없기 때문에 제 2 보호막은 질화물 반도체와의 사이의 에칭속도에 관하여 문제로 되는 것은 없다.
[스트라이프형상의 凸부 형성방법 2]
도 16은 본 발명에 따른 반도체 레이저 소자의 따른 제조방법의 공정을 설명하기 위하여, 질화물 반도체를 사용하여 소자구조를 형성한 웨이퍼의 일부를 나타내는 개략적인 사시도이다. 각 공정은 상술한 형성방법 1의 공정과 거의 마찬가지로 행하지만, 여기서는 음전극을 형성하는 n형 콘택트층을 노출시키기 위해 에칭을 행할때에 동시에 공진기 단면을 형성하는 것이다. 즉, 형성방법 1과는 각 부위의 형성된 순서가 다르다. 형성방법 2에서는, 먼저 n형 콘택트층을 노출시킨다(도 16a). 이때, 공진기 단면도 동시에 형성하여 놓고, 이어서 스트라이프형상의 리지(凸부) 및 제 1, 제 2 도파로영역, 그리고 전극을 형성하는 공정은 상기 형성방법 1과 마찬가지로 행한다(도 16b). 이와같이, 먼저 에칭에 의해 공진기 단면을 형성하여 놓음으로서 분할(cleavage)만으로는 양호한 공진기 단면이 얻어질 수 없는 경우등에도 대응할 수 있다.
이상 설명한 바와같이, 본 발명의 레이저 소자에서, 제 1 도파로영역 C1과 제 2 도파로영역 C2를 구성하기 위한 스트라이프형상의 제 2 리지(凸부)(202)를 효율적으로 형성할 수 있고, 또한 전극을 적층구조체의 리지표면에 형성할 수 있다.
[에칭수단]
본 발명의 제조방법에서, 질화물 반도체의 에칭수단으로서는 예를 들면, RIE(반응성 이온에칭)과 같은 건식에칭을 사용하는 경우 제 1 공정에서 많이 사용하는 Si산화물로 이루어지는 제 1 보호막을 에칭하기 위해 CF4와 같은 불소화합물계 가스를 사용하는 것이 바람직하며, 제 2 공정에서는 질화물 반도체를 에칭하기 위해 다른 III-V족 화합물 반도체로 자주 사용되고 있는 Cl2, CCl4, SiCl4와 같은 염소계의 가스를 사용하는 것이 Si산화물과의 선택비가 커질 수 있어 바람직하다.
[칩화]
도 17은 상술한 웨이퍼상에 형성된 적층구조체를 칩화할 때의 절단위치를 설명하기 위한 개략적인 단면도이다. 도 17a은 기판만을, 도 17b는 기판과 n형층을 분할하는 경우를 나타낸다. 또한, 한 쌍의 전극이 형성된 영역을 하나의 단위로 하여 도면에서와 같이, 좌에서 Ⅰ, Ⅱ, Ⅲ, Ⅳ로 한다. 도 17a의 Ia, Ⅱa, Ⅳa는 제 1 도파로영역이 우측으로 향하여 있고, Ⅲa는 그 역으로 향하여 있다. 또한, 17b는 Ib, Ⅱb, Ⅲb는 제 1 도전형 영역이 우측으로 향하여져 있고, Ⅳb는 그 역으로 향하여져 있다. 그리고 이와같은 분할전의 배치는 공정등에 따라서 바람직한 것을 선택할 수 있다.
AA 절단위치로 분할하면, 칩에 의해 형성된 공진기 단면을 그대로 남길수 있다. I 및 Ⅱ에서는 AA 절단면으로 분할한 후 다시 BB 절단면으로 분할하면, 광 반사측의 공진기 단면이 분할면이 된다. 또한, Ⅱ는 DD 절단면으로 분할함으로써 광 출사측의 공진기 단면도 분할면이 된다. 또한, CC 절단면으로 분할하면, Ⅲa과 Ⅳa의 광 반사측의 공진기 단면이 동시에 분할면으로서 형성된다. 마찬가지로 EE 단면으로 분할하면, Ⅲb과 Ⅳb의 광 출사측의 공진기 단면이 동시에 분할면으로서 형성된다. 이와같이 소자의 단면 및 공진기면은 절단위치에 따라 에칭단면 혹은 분할면으로 할 수 있다.
여기서, 도 17a에 나타난 Ia 및 Ⅱa의 사이와 같이 Ia의 공진기 단면과 Ⅱb의 공진기 단면의 사이에는 기판만이 존재하도록 하는데에는 전술한 도 16b와 같이 에칭에 의해 공진기 단면을 형성한 것을 다시 기판까지 에칭함으로써 얻을 수 있다. 이와같이 기판까지 에칭하는 것은 분할 할때에 반도체층에 클랙이 생기는 것을 방지하기 위해서다. 여기서, 도 16a를 거치지 않고 한번의 에칭으로 기판까지 노출시키면 에칭시간이 길게되기 때문에 먼저 노출되는 활성층 근방의 에칭면이 거칠게 되어버려서 양호한 공진기 단면을 얻기 어렵게 된다. 그러나, 도 16a와 같은 n형층까지의 에칭공정을 거치고, 이어서 기판까지의 에칭을 행한도록 두번으로 나누어 행함으로써 양호한 공진기 단면이 얻어지고, 또 분할도 하기 쉽게 될 수 있다. 도 16d는 도 16c를 화살표 위치에서 절단한 도면이지만, 상기한 바와같이 두번의 에칭공정을 거침으로서 도면중의 D와 같은 돌출영역이 생긴다. 기판까지 에칭할 때에는 이 돌출영역 D의 광 출사방향으로의 돌출이 작게 되도록 할 필요가 있 다. 왜냐하면, D의 폭(돌출길이)이 크게되면 광 출사면으로부터 출사된 광이 차폐되어서 양호한 F.F.P.를 얻을 수 없게 되기 때문이다. 이 경우 적어도 광 출사측의 단면에서의 D가 작으면 문제는 없다.
[반사막]
도 18은 공진기 단면에 설치된 반사막의 형성방법을 설명하기 위한 개략도이다. 도 18과 같이 바(bar) 형상으로 분할한 반도체를 광 반사측의 단면 혹은 광 출사측의 단면이 반사막의 원료와 대향하도록 배치하여 스퍼터등의 방법으로 반사막을 형성한다. 이와같이, 바 형상으로 분할하고 그 분할면을 반사막의 원료와 대향하도록 설치하여 스퍼터로 형성하기 때문에 다층막에 의한 경우에도 막질이 균일하여 열화하기 어려운 고품질의 반사막을 형성할 수 있다. 이와같은 반사막은 고출력이 요구되는 소자에 사용하는 경우에 보다 효과적이며 특히 다층막으로 함으로써 고출력에 견디는 반사막으로 할 수 있다. 단면의 반사막은 전극의 상부층부터 스퍼터링하여도 측면으로 되어있는 공진기 단면에 까지 돌아 들어가도록하게 형성할 수 있다. 그러나 이 경우 바 형상으로하여 단면을 위로 향하도록하는 공정을 생략할 수 있는 장점이 있지만, 단면에 대하여 횡방향으로부터 돌아 들어가도록 형성되기가 어렵기 때문에 균일한 막, 특히 다층막이 얻어지기가 어렵게 되어 막질이 다소 열화하는 것으로 된다. 그리고, 이와같은 반사막은 광 반사단면 및 광 출사단면의 양쪽에 설치하여도 되고 한쪽에만 설치하여도 되며, 또한 다른재료를 사용하여도 된다.
또한, 본 발명에서 기타 활성층, 클래드층의 디바이스 구조로서는 특별히 한 정되지 않으며 여러가지의 층구조를 사용할 수 있다. 디바이스구조의 구체적인 실시예의 형태로서는 예를 들면, 후술하는 실시예에 기재되어 있는 디바이스구조를 들수 있다. 또한, 전극등도 특별히 한정되지 않고, 여러가지의 것을 사용할 수 있다. 또한, 레이저 소자로서 사용된 각층의 질화물 반도체는 특별히 그 조성에 한정되는 것은 아니고 상술한 조성식(InbAlcGa1-b-c N, 0
Figure 112002040586188-pct00018
b, 0
Figure 112002040586188-pct00019
d, b + d ＜ 1)로 나타내는 질화물 반도체를 사용할 수 있다.
본 발명에서 질화물 반도체의 성장은 MOVPE, MOCVD(유기금속화학 기상성장법), HVPE(헬라이드 기상성장법), MBE(분자선 기상성장법)등 질화물 반도체를 성장시키는 것으로 알려져 있는 기존의 방법을 적용할 수 있다.
[실시예]
이하, 본 발명에 따른 실시예에 대하여 설명한다.
이하의 실시예는 질화물 반도체를 사용한 레이저 소자이지만 본 발명의 레이저 소자는 이것에 한정하지 않으며 본 발명의 기술적 사상에 있어서, 여러가지 반도체에 실시될 수 있는 것은 말할 것도 없다.
[실시예 1]
이하, 실시예 1의 레이저 소자에 대하여 설명한다. 구체적으로는 실시예 1로서 도 8에 나타낸 단면구조를 가진 제 2 도파로영역 C2와 도 9에 나타낸 단면구조를 가진 제 1 도파로영역 C1을 구비한 레이저 소자를 제작한다.
여기서, 본 실시예 1에서는 사파이어기판, 즉 기판으로서 질화물 반도체와 다른 이종(異種)기판을 사용하고 있지만, GaN기판등의 질화물 반도체로 되는 기판을 사용하여도 된다. 여기서 이종기판으로서는 예를 들면, C면, R면, 및 A면의 어느 것을 주 면으로하는 사파이어, 스피넬(MgAl2O2)와 같은 절연성기판, SiC(6H, 4H, 3C를 포함), ZnS, ZnO, GaAs, Si 및 질화물 반도체와 크로스로 맞추는 산화물 기판등, 질화물 반도체를 성장시키는 것이 가능한 기판을 사용할 수 있다. 또한 이종기판으로서는, 사파이어, 스피넬을 들 수 있다. 또한 이종기판은 통상 사용되는 저 지수면으로부터 경사진면을 가지고 있어도 되며(오프앵글), 이 경우 스텝형상으로 오프앵글된 기판을 사용하면 질화갈륨으로되는 하지층(base layer)의 성장을 결정성이 좋게 성장시킬 수 있다.
또한, 이종기판을 사용하는 경우에는 이종기판상에 하지층으로되는 질화물 반도체를 성장시킨 후 소자구조형을 형성하기전에 이종기판을 연마등의 방법으로 제거하여 하지층만으로하고 이 하지층을 질화물 반도체의 단일체기판으로하여 소자구조를 형성하여도 되며, 또한, 소자구조형성후에 이종기판을 제거하여도 된다.
도 8과 같이, 이종기판을 사용하는 경우에는 버퍼층과 하지층을 형성한 위에 소자구조를 형성하면 양호한 질화물 반도체로 되는 소자구조를 형성할 수 있다. 여기서, 도 8은 제 2 도파로영역 C2에서의 소자구조를 설명하는 단면도이며, 도 9는 제 1 도파로영역 C1에서의 소자구조를 설명하는 단면도이다.
(버퍼층(102))
실시예 1에서는 최초에 2인치의 직경을 가진 C면을 주면으로하는 사파이어로 되는 이종기판(101)을 MOVPE 반응기내에 세트시키고, 온도를 500℃로 하고, 트리메틸갈륨(TMG), 암모니아(NH3)를 사용하여 GaN으로되는 버퍼층을 200Å의 두께로 성장시킨다.
(하지층(103))
버퍼층(102)을 성장시킨 후, 온도를 1050℃로 하여, TMG, 암모니아를 사용하여 언도프 GaN으로되는 질화물 반도체층(103)을 4㎛의 막두께로 성장시킨다. 이 층은 소자구조를 형성하기 위한 하지층(성장기판)으로 하여 형성한 것이다. 하지층으로서 기타 ELOG(Epitaxially Laterally Overgrowth)성장시킨 질화물 반도체를 사용할 수 있고, 이렇게 하면 보다 결정성이 양호한 질화물 반도체를 성장시킬 수 있다. ELOG성장으로는 횡방향 성장을 따르는 성장방법의 총칭이며 예를 들면, 이종기판상에 질화물 반도체층을 성장시킨 후 그 표면에 질화물 반도체의 성장이 곤란한 보호막을 예를 들면, 스트라이프형상에서 일정한 간격으로 형성하고 그 보호막 사이에 노출된 질화물 반도체 표면으로부터 새롭게 질화물 반도체를 성장시킴으로써 기판전체를 질화물 반도체로 덮는 성장방법이다. 즉, 마스크가 형성된 마스크영역과 질화물 반도체가 노출한 비 마스크영역을 번갈아 형성하고 그 비 마스크영역에 노출한 질화물 반도체 표면으로부터 질화물 반도체를 다시 성장시키면, 최초에는 두께방향으로 성장이 진행되지만, 성장이 진행함에 따라 마스크영역을 덮도록 횡방향으로 성장하여 기판전체를 덮도록 한다.
또한, ELOG성장으로서 이종기판상에 최초로 성장시킨 질화물 반도체에 있어 서, 기판표면이 노출하도록 개구부를 설치하고 그 개구부측면에 위치하는 질화물 반도체로부터 횡방향으로 질화물 반도체를 성장시킴으로써 막을 형성하는 방법도 있다.
본 발명에서는 이들 여러가지의 ELOG성장을 사용할 수 있고, 이들의 ELOG 성장방법을 사용하여 질화물 반도체를 성장시키면, 횡방향의 성장에 의해 형성된 질화물 반도체는 결정성이 양호한 것이 때문에 전체적으로 결정성이 양호한 질화물 반도체가 얻어진다고하는 이점이 있다.
다음에 질화물 반도체로 되는 하지층위에 소자구조를 구성하는 이하의 각층을 적층한다.
(n형 콘택트층(104))
먼저, 얻어진 질화물 반도체기판(하지층)(103)상에 TMG, 암모니아 및 불순물가스로서 실란가스를 사용하여 1050℃에서 Si를 1 X 1018/㎤을 도프한 GaN으로되는 n형 콘택트층(104)를 4.5㎛ 막두께로 성장시킨다.
(클랙방지층(105))
다음에, TMG, TMI(트리메틸인듐) 및 암모니아를 사용하고 온도를 800℃로 하여 In0.06Ga0.94N으로되는 클랙방지층(105)을 0.15㎛의 막두께로 성장시킨다. 한편, 이 클랙방지층은 생략가능하다.
(n형 클래드층(106))
다음에 온도를 1050℃로 하고 원료가스로서 TMA(트리메틸알루미늄), TMG 및 암모니아를 사용하여, 언도프의 AlGaN으로되는 A층을 25Å의 막두께로 성장시키고, 이어서 TMA를 중지하고 불순물가스로서 실란가스를 사용하여 Si를 5 X 1018/㎤으로 도프한 GaN으로되는 B층을 25Å의 막두께로 성장시킨다. 그리고, 이 조작을 각각 160회 반복하여 A층과 B층을 적층하여 총 막두께 8000Å의 다층막(초격자구조)으로되는 n형 콘택트층(106)을 성장시킨다. 이 때, 언도프 AlGaN의 Al혼성결정비로서는 0.05이상 0.3이하의 범위이면 충분히 클래드층으로서 기능하는 굴절율차를 만들 수 있다.
(n형 광 가이드층(107))
다음에 마찬가지의 온도에서, 원료가스로서 TMG 및 암모니아를 사용하여 언도프의 GaN으로되는 n형 광 가이드층(107)을 0.1㎛ 막두께로 성장시킨다. n형 광 가이드층(107)에는 n형 불순물을 도프하여도 된다.
(활성층(108))
다음에 온도를 800℃로 하고 원료가스로서 TMI(트리메틸인듐), TMG 및 암모니아를 사용하며 불순물가스로서 실란가스를 사용하여 Si를 5 X 1018/㎤ 도프한 In0.5Ga0.95N으로되는 장벽층을 100Å의 막두께로 성장시킨다. 이어서 실란가스를 잠그고, 언도프의 In0.1Ga0.9N으로 이루어지는 우물층을 50Å의 막두께로 성장시킨다. 이 조작을 3회 반복하고 최후가 장벽층으로 되도록 적층한 총 막두께 550Å의 다중양자우물구조(MQW)의 활성층(108)을 성장시킨다.
(p형 전자 가둠층(109))
다음에, 마찬가지의 온도에서 원료가스를 TMA, TMG 및 암모니아를 사용하고 불순물가스로서 CP2Mg(씨클로펜타디에닐 마그네슘)를 사용하여 Mg를 1 X 1019/㎤ 도프한 AlGaN으로되는 p형 전자 가둠층(109)을 100Å의 막두께로 성장시킨다. 이 층은 특별히 만들지 않아도 좋지만, 전자 가둠층으로서 기능하여 임계값의 저하에 기여한다.
(p형 광 가이드층(110))
다음에 온도를 1050℃로 하고, 원료가스로서 TMG 및 암모니아를 사용하여 언도프의 GaN으로되는 p형 광 가이드층(110)을 750Å의 막두께로 성장시킨다.
이 p형 광 가이드층(110)은 언도프로하여 성장시키지만, p형 전자 가둠층(109)으로부터의 Mg확산에 의해 Mg농도가 5 X 1016/㎤으로되는 p형을 나타낸다. 또한, 이층은 성장시에 의도적으로 Mg를 도프하지 않아도 된다.
(p형 클래드층(111))
이어서, 1050℃로 언도프의 Al0.16Ga0.84N으로되는 층을 25Å의 막두께로 성장시키고, 이어서 TMA를 중지하고 Cp2Mg를 사용하여 Mg도프 GaN으로되는 층을 25Å의 막두께로 성장시키며, 이것을 반복함으로써 층 막두께 0.6㎛의 초격자층으로되는 p형 클래드층(111)을 성장시킨다. p형 클래드층은 적어도 한쪽이 Al을 포함하는 질화물 반도체를 포함하고, 서로 밴드갭에너지가 다른 질화물 반도체를 적층한 초격 자로서 제작하는 경우, 불순물은 어느 한쪽의 층에 많이 도프하여 소위 변조도프를 행하면 결정성이 좋게되는 경향이 있다. 그러나, 본 발명에서는 양쪽을 동일하게 도프하여도 된다. 클래드층(111)은 Al을 포함하는 질화물 반도체층, 바람직하기로는 AlxGa1-xN(0 ＜ x ＜ 1)을 포함하는 초격자구조를 하는 것이 바람직하고 더욱 바람직하기로는 GaN과 AlGaN을 적층한 초격자구조로 한다. p형 클래드층(111)을 초격자구조로 함으로써 클래드층 전체로서의 Al혼성결정비를 크게할 수 있기 때문에 클래드층 자체의 굴절율을 작게할 수 있고, 더욱이 밴드갭에너지를 크게할 수 있으므로 임계값을 저하시키는데에 아주 유효하다. 더욱이, 초격자로 함으로써 클래드층 자체에 발생하는 피트가 초격자로 하지 않는 것에 비교하여 적게할 수 있으므로 회로단락의 발생도 적어진다.
(p형 콘택트층(112))
최후로 1050℃에서, p형 클래드층(111)의 위에 Mg를 1 X 1020/㎤ 도프한 p형 GaN으로되는 p형 콘택트층(112)을 150Å의 막두께로 성장시킨다. p형 콘택트층은 p형의 InxAlyGa1-x-yN(0
Figure 112002040586188-pct00020
x, 0
Figure 112002040586188-pct00021
y, x + y
Figure 112002040586188-pct00022
1)으로 구성할 수 있고, 바람직하기로는 Mg를 도프한 GaN으로 하면 p전극(20)과 가장 바람직한 오믹접촉이 얻어진다. 콘택트층(112)은 전극을 형성하는 층이기 때문에 1 X 1017/㎤이상의 높은 캐리어농도로 하는 것이 바람직하다. 1 X 1017/㎤보다 낮으면 전극과 바람직한 오믹접촉을 얻는 것이 어렵게 되는 경향이 있다. 또한, 콘택트층의 조성을 GaN으로하면 전극 재료와 바람직한 오믹접촉이 얻어지기 쉽게 된다. 반응 종료후, 반응용기내에서 웨이퍼는 질소 분위기중에서 700℃로 어닐링을 행하여 p형층을 더욱 저저항화한다.
이상과 같이하여 질화물 반도체층을 성장시킨 각층을 적층한 후 웨이퍼는 반응용기에서 꺼내어서 최상층의 p형 콘택트층의 표면에 SiO2로되는 보호막을 형성하고 RIE(반응성 이온에칭)를 사용하여 SiCl4가스로 에칭하여 도 8에 도시한 바와같이 n전극을 형성하여야할 n형 콘택트층(104)의 표면을 노출시킨다. 이와같이 질화물 반도체를 깊게 에칭하는데에는 보호막으로서 SiO2가 최적이다. 또한, n형 콘택트층(104)을 노출시킴과 동시에 공진기면으로되는 활성층 단면을 노출시켜서 에칭 단면을 공진기면으로 하여도 된다.
다음에 상술한 스트라이프형상의 도파로영역으로서 제 1 도파로영역 C1과 제 2 도파로영역 C2를 형성하는 방법에 대하여 설명한다. 먼저 최상층의 p형 콘택트층(상부 콘택트층)(8)의 거의 전면에 PVD장치에 의해, Si산화물(주로하여 SiO2)으로되는 제 1 보호막을 0.5㎛의 막두께로 형성한 후, 패터닝함으로써 제 1 보호막(161)을 형성한다(실시형태의 설명에 사용한 도 5a 참조). 여기서, 제 1 보호막(161)의 패터닝은 포토리소그래피 기술 및 CF4 가스를 사용한 RIE(반응성 이온에칭) 장치에 의해 행한다. 다음에, 제 1 보호막 C1을 마스크를 하여 그 마스크 양쪽에 p형 클래드층(111)이 얇게 남도록 p형 콘택트층(112)및 p형 클래드층(111)의 일부분을 제거함으로써, 활성층(3)보다도 위에, 스트라이프형상의 凸부분을 형성한다(실시형태의 설명에 사용된 도 5b를 참조). 이것에 의해, 제 2 도파로영역 C2를 구성하기 위한 제 2 리지(202)가 형성된다. 이때, 제 2 리지는, p형 콘택트층(112), 및 p형 클래드층(111)의 일부를 에칭하여 p형 클래드층(111)의 막두께가 0.01㎛로 되는 깊이까지 에칭되게 형성되어진다.
다음에 제 3 보호막(163)을 제거한다. 그리고, 제 1 도파로영역 C1과 제 2 도파로영역 C2를 형성한 웨이퍼를 PVD장치로 이송하고, Zr산화물(주로하여 ZrO2)로되는 제 2 보호막(162)을 제 1 보호막(161)의 위, 제 1 및 제 2 리지의 측면, 에칭에 의해 노출된 p형 클래드층(111) 및 n형 클래드층(106)의 위에 0.5㎛의 막두께로 연속하여 형성한다(실시형태의 설명에 사용한 도 7a참조).
제 2 보호막(162)형성후, 웨이퍼를 600℃로 열처리한다. 이와같이 SiO2이외의 재료로 제 2 보호막을 형성한 경우, 제 2 보호막의 막형성후에 300℃이상, 바람직하기로는 400℃이상에서, 질화물 반도체의 분해온도 이하(1200℃)에서 열처리 함으로써, 제 2 보호막을 제 1 보호막을 용해시키는 재료(불산)에 대하여 용해시키기가 어렵기 때문에, 이 열처리 공정을 부가하는 것이 바람직하다.
다음에 웨이퍼를 불산에 침적하고, 제 1 보호막(161)을 제거한다(리프트오프법), 이것에 의해 p형 콘택트층(112)의 위에 설치되어 있는 제 1 보호막(161)이 제거되어서, p형 콘택트층(112)이 노출된다. 이상과 같이하여 제 1 도파로영역 C1 및 제 2 도파로영역 C2에 설치된 스트라이프형상의 제 1 과 제 2의 리지(凸부)(201, 202)의 측면과 그것에 연속하는 리지 양쪽의 평면(제 2 리지 양측에 위치하는 p형 클래드층(111)의 표면과 제 1 리지 양측에 위치하는 n형 클래드층의 표면)에 제 2 보호막(162)이 형성된다(실시형태의 설명에서 사용한 도 7b, c참조). 이어서 n전극(121)을 형성하는 영역에서 n형 콘택트층(104)에 이르는 깊이로 에칭하여 n형 전극(121)을 형성하기 위한 n형 콘택트층(104)의 표면을 노출시킨다(실시형태의 설명에 사용한 도 7c참조).
이와같이, p형 콘택트층(112)의 위에 설치된 제 1 보호막(161)이 제거된 후,도 8에 도시된 바와같이, 그 노출한 p형 콘택트층의 표면에 오믹접촉하는 Ni/Au로되는 p전극(120)을 형성한다. 단, p전극(120)은 100㎛폭으로 하여 도 8에 나타낸 바와같이 제 2 보호막(162)의 위에 걸쳐서 형성한다. 이 때, p전극(120)은 스트라이프방향에서, 본 실시예 1에서는 제 2 도파로영역 C2에만 형성되어있다. 또한, 본 실시예 1에서는 p전극(120)은 제 2 도파로영역 C2의 양 단부에 도달하지 않는 길이로 형성된다. 제 2 보호막(162)의 형성후 이미 노출된 n형 콘택트층(104)의 표면에는 Ti/Al로되는 n전극(21)을 스트라이프의 평행한 방향으로 형성한다.
다음에 p 및 n전극의 인출전극을 설치하기 위한 영역에 마스크를 하고, SiO2와 TiO2로되는 유전체 다층막(164)을 형성한다. 그리고, 그 마스크를 제거함으로써 유전체 다층막(164)에서, p 및 n전극상에 개구되는 개구부를 형성하고, 그 개구부를 통하여 p, n전극위에 Ni-Ti-Au(1000Å-1000Å-8000Å)으로되는 인출(패드) 전극(122, 123)을 각각 형성한다. 그리고, 본 실시예 1에서, 제 2 도파로영역 C2에 있어서의 활성층(108)의 폭은 200㎛의 폭(공진기 방향에 수직한 방향의 폭)으로 형성한다. 또한, 가이드층도 마찬가지의 폭으로 형성되어있다.
n전극과 p전극을 형성한 후, 더욱 기판이 노출될 때까지 에칭하여 제 1 도파로영역 C1과 제 2 도파로영역 C2의 단부에 공진기면을 설치한다.
본 실시예 1의 레이저 소자에서는 공진기의 전체길이가 650㎛로 되도록, 또한,제 1 도파로영역 C1은 한쪽의 공진단면을 포함하는 전체길이가 5㎛로 되도록 형성하였다. 따라서 제 2 도파로영역 C2는 다른 쪽의 단면을 포함하는 전체길이가 645㎛이다. 그리고, 에칭단면인 공진기 단면에 각각 SiO2와 TiO2로 되는 유전체 다층막을 형성하였다. 그후 웨이퍼의 사파이어기판을 연마하여 70㎛로 하고 스트라이프형상의 전극에 수직한 방향으로 기판측으로부터 바 형상으로 분할하고 또 바 형상의 웨이퍼를 개개의 소자마다 분할하여 레이저 소자를 얻는다.
한편, 실시예 1에서는 에칭면에 유전체 다층막을 형성함으로써 공진기면을 형성하였지만 공지기면의 형성방법으로서 GaN의 분할면인(11-00) M면에서, 웨이퍼를 바 형상으로 분할하여 그 면을 공진기면으로하는 방법을 사용하여도 된다.
이상과 같이하여 제작된 실시예 1의 레이저 소자에 있어서 실온에서 임계값 2.0 ㎄/㎠, 30㎽의 출력으로 발진파장 405㎚의 연속 발진이 확인되고, 또한 F.F.P.에서 양호한 빔이 얻어지며, 그 종횡비는 1.5로 광 디바이스시스템의 광원으로서 충분히 만족하는 빔특성을 가진다. 이와같이 뛰어난 특성은 주로 이득영역으로서 기능하는 제 2 도파로영역 C2의 스트라이프 폭에 관계없이 출사측의 제 1 도파로영역 C1의 凸부의 폭을 적절히 조절함으로써, 소망 광특성의 레이저광을 발췌한다고 하는 본 발명의 특유의 작용에 의한 것이다. 또한, 본 실시예 1의 레이저 소자는 5-30㎽에서의 광출력영역에서 횡모드의 이동이 없이 광 디바이스시스템의 판독과 기록 광원으로서 적합한 특성을 가진다. 또한, 30㎽에서의 구동에 있어서, 종래의 굴절율도파형의 레이저 소자와 마찬가지로 뛰어난 레이저 소자가 얻어진다.
또한 실시예 1에서는, 도 7c에 나타낸 바와같이, 제 1 도파로영역 C1에 걸치는(덮는) 길이로 p전극을 설치하여도 되고, 그와같이 하여도, 실시예 1과 같이 빔특성이 뛰어난 레이저 소자로, 소자수명이 길다.
[실시예 2]
실시예 1에서, 제 1 도파로영역 C1의 길이를 1㎛로하는 이외는 실시예 1과 마찬가지로하여 레이저 소자를 얻는다. 제 1 도파로영역 C1을 이와같이 짧게 형성하기 위해서는 실시예 1에 있어서, 실제로 얻어지는 공진기 길이보다도 스트라이프형상의 제 1 리지를 길게(예를 들면, 수십 ㎛-100㎛ 정도의 길이) 형성한 후, 제 1 도파로영역 C1이 소망길이로 되는 위치에서 에칭 또는 기판분할에 의해 공진기면을 형성한다. 이 때문에, 실시예 1에 비하여 제 2 리지(201)의 형상을 안정하게 형성하는 것이 어렵게 되지만, 이 길이로도 횡모드의 양호한 제어는 가능하고, 또 제 1 도파로영역이 짧게 되기 때문에 소자수명에 대하여서는 실시예 1보다는 약간 뛰어나게 된다.
[실시예 3]
실시예 3의 반도체 레이저 소자는 양단부에 각각 5㎛길이의 제 1 도파로영역 C1을 형성하는 것 이외는 실시예 1과 마찬가지로 구성한다(도 4b 참조). 즉, 본 실시예 3의 레이저 소자에서는 중앙부에, 제 2 도파로영역 C2를 배치하고, 그 양측에 제 1 도파로영역 C1을 배치하여, 그 제 1 도파로영역 C1 공진기가 각각 공진기면을 포함하도록 하고 있다. 이와같이 구성된 실시예 3의 레이저 소자는 레이저의 빔형상에 있어서 F.F.P. 및 종횡비 모두가 실시예 1과 거의 같은 특성을 가진다.
[실시예 4]
실시예 1에 있어서, 제 2 도파로영역 C2를 구성하기 위한 제 2 리지(凸부)(202)를 그 제 2 리지의 양측에 500Å 두께의 p형 가이드가 남도록 에칭함으로써 형성한 것이외에는 실시예 1과 마찬가지로 구성한다. 얻어지는 레이저 소자는 실시예 1에 비하여 임계값 전류가 낮게 되는 경향이 있지만, 빔특성에 대하여서는 실시예 1과 거의 같이 양호한 것이 얻어진다.
[실시예 5]
본 실시예 5의 레이저 소자는, 실시예 1에 있어서 제 1 도파로영역 C1과 제 2 도파로영역 C2의 사이에 경사면을 설치한 것이외는 실시예 1과 마찬가지로 구 성한다(도 4a 참조).
즉, 실시예 5에서는 제 1 도파로영역 C1과 제 2 도파로영역 C2의 경계에서 제 1 리지의 양측에 위치하는 n형 클래드층(106)의 표면과 제 2 리지 양측에 위치하는 p형 클래드층(111)의 표면사이에 형성되는 에칭단면을 n형 클래드층(106)의 표면에 대하여 90°이상으로 되도록 경사되어있다.
이와같이 제작된 레이저 소자는 실시예 1에 비하여 소자특성에 편차가 생기는 경우가 있지만, 양호한 F.F.P.가 얻어지고 또 신뢰성을 향상 시킬 수 있다고하는 본 발명의 효과가 얻어진다.
[실시예 6]
본 실시예 6의 반도체 레이저 소자는, 도 13에 나타낸 바와같이 제 1 도파로영역 C1과 제 2 도파로영역 C2 사이에 제 3 도파로영역 C3을 설치한 것이외는 실시예 1과 마찬가지로 제작된다. 즉, 본 실시예 6의 레이저 소자는 제 2 도전형층(p형 클래드층(111))에 도달하는 깊이에서 제 2 리지(凸부)(202)를 형성한 후, 제 1 도전형층(n형 클래드층(106))까지 에칭하여 제 1 리지를 형성할 때에 공진기 방향과 이루는 각 α가 20°인 측면(204)을 가진다. 제 3 도파로영역 C3을 동시에 형성한다. 이와같이하여 제 1 도파로영역 C1과 제 2 도파로영역 C2이외에, 제 3 도파로영역 C3을 가진 실시예 6의 레이저 소자가 제작된다. 이와같이 레이저 소자에서는 제 2 도파로영역 C2에서 활성층면내에 퍼져서 도파된 광이 제 3 도파로영역 C3의 측면(204)에서 반사되어 제 1 도파로영역 C1으로 유도되기 때문에 원할한 도파가 가능하게 된다. 즉, 공진기 방향으로 도파하는 광이 측면(204)에 입사각(90°- α)으로 입사함으로써, 측면(204)에서 모두 반사되고, 광의 손실없이 스트라이프형상의 도파로영역내에 유도될 수 있기 때문이다. 제 2 도파로영역 C2와 제 3 도파로영역 C3에서는 제 2 도전형층(p형 클래드층(111))에 설치된 제 2 리지(凸부)(202)에 의해 실효적인 굴절율차가 활성층내에 만들어지게 되어서 스트라이프형상의 도파로영역이 형성되고, 이 제 3 도파로영역 C3에서는 제 2 리지의 바로 아래 영역에서 새어 나와서 도파하는 광을 제 1 도파로영역 C1내로 적절하게 유도할 수 있다.
이상과같이, 실시예 6에서는 측면(204)이 제 1 도파로영역 C1에서의 제 1 리지(凸부)(201) 측면에 대하여 경사지게 설치되어있기 때문에 원활한 광의 도파를 실현할 수 있다. 또한, 측면(204)과 제 2 도파로영역 C2와의 경계부에서 도 13에 나타낸 바와같이 굴곡함이 없이 직접 제 2 도파로영역 C2의 측면에 접속되어도 된다.
이와같이, 본 실시예 6의 레이저 소자에서는, 제 2 도파로영역 C2에 있어서 활성층내에서의 스트라이프형상의 도파로영역내 혹은 그것을 벗어나 도파하는 광을 제 1 도파로영역 C1을 효율적으로 유도할 수 있기때문에 소자특성을 향상시킬 수 있다. 본 실시예 6의 레이저 소자에서는 특히 임계값 전류밀도를 저하시킬수 있고 R 구배효율을 향상시킬 수 있다.
[실시예 7]
실시예 7의 레이저 소자는 제 1 도파로영역 C1을 측면이 2단으로된 2단 리지에 의해 구성한 점이 실시예 1과 다르며 그것이외 부분은 실시예 1과 마찬가지로 구성된다.
즉, 실시예 7에서는 활성층까지 도달하지 않도록 에칭함으로써 스트라이프형상의 리지를 형성한 후, 제 1 도파로영역을 형성한 부분에서 그 리지의 스트라이프폭보다도 넓게 리지를 n형 클래드층(106)까지 에칭함으로써 2단 리지를 형성한다.
여기서, 도 14a는 본 실시예 7의 레이저 소자구조를 설명하는 사시도이고, 도 14c는 제 1 도파로영역 C1에서의 단면도이며, 도 14b는 제 2 도파로영역 C2에서의 단면도이다. 본 실시예 7의 레이저 소자에서는 도 14a에 나타낸 바와같이 제 1 도파로영역 C2가, 폭 Sw1의 상부리지(凸부)와 폭 Sw2의 하부리지(凸부)로 되는 2단 리지에 의해 형성되어있다. 이 제 1 도파로영역 C1에 있어서 활성층은 하부리지의 가운데에 위치하고 그 하부리지의 폭 Sw2에 의해 활성층(3)의 폭이 결정되어 있기 때문에 실질적으로는 하부리지에 의해 도파로가 형성되어 있는 것으로 생각될 수 있다. 이 실시예 7의 구조로 하면 실시예 1등의 제 1 리지를 형성하는 경우에 비교하여, 하부리지 폭 Sw2의 제어가 용이하게 되며, 그 결과 제 1 도파로영역의 활성층의 폭을 정밀도가 좋게 형성할 수 있다. 이것은 도 5에 나타낸 방법으로 제 1 도파로영역 C1을 구성하기 위한 제 1 리지(201)를 형성하면, 하나의 마스크에 의해 2단계에서 에칭하게 되기 때문에 2번째의 에칭에 의해 제 1 도전형층(1)에 도달하는 깊이로 에칭할때에 최초에 형성된 제 2 리지와 공통하는 부분과 그 아래부분과의 경계에서 측면에 단차가 생기고, 그 아래부분의 폭을 정밀도 좋게 제어될 수 없는 경우가 있기 때문이다.
그러나, 본 실시예 7에서는 제 2 리지와 공통 에칭공정으로 상부리지를 형성한 후에, 하부리지를 형성하기 때문에 상부리지를 형성한 때의 마스크와는 다른 마스크를 형성하고 그 다른 마스크를 사용하여 에칭함으로써 하부리지를 형성하고 있기 때문에, 하부리지의 폭을 정밀도 좋게 형성할 수 있고, 그 하부리지내에 위치하는 활성층(3)의 폭을 정밀도 좋게 형성할 수 있다.
따라서, 본 실시예에 의하면, 제 1 실시예의 동등한 특성을 가지고 또 제조편차가 적은 레이저 소자를 제공할 수 있다. 즉, 실시예 7의 레이저 소자는 제조에서 유리한 것이다.
[실시예 8]
본 실시예 8의 레이저 소자는 제 1 도파로영역 C1과 제 2 도파로영역 C2사이에 제 3 도파로영역을 형성한 레이저 소자에서 그 제 3 도파로영역을 실시예 6과는 다른 형태로 구성한 예이다.
구체적으로는 본 실시예 8의 레이저 소자에 있어서, 제 3 도파로영역 C3은 도 15a에 나타낸 바와같이, p형 클래드층(111) 및 p형 콘택트층(112)에 설치된 제 3 리지에 의해 구성되어 있고, 그 제 3 리지는 제 1 도파로영역으로 접근함에 따라 폭이 좁아지게 되도록 형성되어있다.
즉, 본 실시예 8에서는 제 3 도파로영역을 형성함으로써 도파로의 폭이 서로 다른 제 1 도파로영역과 제 2 도파로영역을 도파로의 폭을 불연속으로 변화시키지 않고 접속할 수 있다.
여기서, 도 15a는, 실시예 8의 레이저 소자구조를 설명하는 사시도이고, 도 15b는 활성층에서의 횡단면도이다. 또한 도 15b에서, Sw1로 표시하는 폭은 제 2 리지의 저부에서의 폭이며, Sw2로 표시하는 폭은 제 1 리지에서의 활성층 부분의 폭이다.
여기서, 도 15b에서의 가상선(2점 쇄선)은 제 2 리지 및 제 3 리지를 활성층의 횡단면에 투명한 선이지만, 제 2 도파로영역 및 제 3 도파로영역에서의 도파로는, 각각 제 2 리지 및 제 3 리지에 대응하여 활성층내에서 실효적인 굴절율차가 형성됨으로서 구성되기 때문에, 그 가상선(2점 쇄선)은 실질적으로는 제 2 도파로영역 및 제 3 도파로영역에서의 도파로는 나타내고 있는 것으로 생각할 수 있다.
이상과 같이 제작된 실시예 8의 레이저 소자는 실시예 1과 마찬가지로 뛰어난 특성이 얻어진다.
[실시예 9]
본 실시예 9는 실시예 1과 마찬가지로 구성되는 레이저 소자를 실시예 1과는 다른 방법으로 제작한 예이다.
즉, 본실시예 9에서는 제 1 리지를 형성한 후에 제 2 리지를 형성하고 있다.
구체적으로는 실시예 1과 마찬가지로 하여 각층을 적층하고, 그 후 도 5a에 나타낸 바와같이 적층체 표면에 스트라이프형상의 제 1 보호막(161)을 형성한다. 그리고, 도 6a에 나타낸 바와같이, 제 1 보호막(161)의 일부(제 1 도파로영역으로 형성하는 부분)을 제거하여 제 3 보호막(163)을 형성하고, 도 6b에 나타낸 바와같이, 제 1 보호막(161)의 양측을 하부 클래드층(5)(n형 클래드층(106))이 노출하는 깊이로 에칭하여 제 1 리지(201)를 형성한다. 이어서 제 3 보호막(163)을 일단 제거한 후, 도 6c에 나타낸 바와같이, 제 1 리지(201)를 덮도록 제 3 보호막(163)을 형성한다. 이 상태에서는 제 2 도파로영역을 형성하는 부분에 있어서의 제 1 보호막(161)의 양측 이외는 제 1 보호막(161) 및 제 3 보호막(163)중의 적어도 한쪽의 보호막으로 덮어져 있게 된다. 이와같은 상태로한 후, 제 1 보호막(161) 및 제 3 보호막(163)으로 덮여져 있지 않는 영역을 활성층까지 도달하지 않도록 에칭함으로써 제 2 리지를 형성한다.
이 때, 제 1 도파로영역 C1과 제 2 도파로영역 C2를 구성하는 각 리지의 리지폭과 리지높이는 실시예 1과 마찬가지로 한다. 이어서, 제 1 도파로영역 C1위의 제 3 보호막(163)을 제거하여 스트라이프형상의 마스크인 제 1 보호막만 남기고, 그후 공정은 실시예 1과 마찬가지로 제 2 보호막(매입층)을 스트라이프측면 및 그것에 연속하는 질화물 반도체층 평면으로 형성한다. 그후 더욱 실시예 1과 마찬가지로 하여 레이저 소자를 얻는다. 이상의 실시예 9의 방법에 의하면 실시예 1로 설명한 방법과 비교하여 공정수가 많게 되지만, 실시예 1과 마찬가지의 레이저 소자를 제조할 수 있다.
[실시예 10]
본 실시예 10은 질화물 반도체 기판을 사용하여 레이저 소자를 제작하는 예이며, 기본적인 소자구조로서 제 2 도파로영역 C2에 있어서는 도 8에 나타낸 구조를 가지고 제 1 도파로영역 C1에 있어서는 도 9에 나타낸 구조를 가진다.
(기판(101))
본 실시예 10에서는 이하와 같이 제작된 두께 80㎛의 GaN으로되는 질화물 반도체기판을 사용한다.
여기에서는 먼저 질화물 반도체를 성장시키는 이종기판으로서, 두께가 425㎛, 2인치 직경, 주면이 C면, 오리엔테이션플래트면(이하 오리프라면이라 기재한다)이 A면인 사파이어기판을 마련하고, MOCVD반응 용기내에 이 웨이퍼를 세트한다. 다음에 온도를 510℃로 하고, 캐리어 가스로서 수소, 원료가스로서 암모니아와 TMG(트리메틸갈륨)을 사용하여 사파이어기판상에 GaN으로되는 저온성장 버퍼층을 약 200Å(옹스트롬)의 막두께로 성장시키고, 다시 온도를 1050℃로 하고 원료가스로 TMG와 암모니아를 사용하여 언도프의 GaN으로되는 하지층을 2.5㎛의 막두께로 성장시킨다. 이어서, 웨이퍼를 사파이어기판의 오리프라면(A면)에 수직한 방향으로부터 θ= 0.3°만큼 경사한 방향으로, 각각 폭 6㎛의 스트라이프형상의 SiO2로되는 복수의 마스크를, 마스크사이의 간격(마스크 개구부)이 14㎛로 되도록 평행하게 형성한다. 그리고 난 후, MOCVD장치로 되돌아 가게 하여 언도프 GaN을 15㎛의 막두께로 성장시킨다. 이와같이하면, 마스크 개구부로부터 선택적으로 성장된 GaN은 마스크 개구부에서는 주로 종방향(두께방향)으로 성장하고, 마스크의 위에서는 횡방향으로 성장하여 마스크 및 마스크 개구부를 덮는 하지층이 형성된다(ELOG성장). 이와같이 성장된 하지층에서 횡방향으로 성장된 질화물 반도체층은 관통전위(貫通轉位)를 줄일 수 있다. 구체적으로 관통전위는 마스크 개구부위와, 마스크 양측으로부터 횡방향으로 성장한 질화물 반도체가 접합하는 마스크 중앙부 부근에서 전위밀도가 1010/㎠ 정도로 높게 되고, 마스크 중앙부를 제외한 마스크위에서는 전위밀도가 108/㎠ 정도로 낮게 된다.
이어서, 웨이퍼를 HVPE장치에 얹어놓고 하지층상에 다시 언도프의 GaN을 약 100㎛의 막두께로 성장시킨다(이 약 100㎛ 막두께로 성장된 층을 후(厚)막층이라 한다). 이어서, 이종기판, 저온성장 버퍼층, 하지층 및 후막층의 일부를 제거하여 후막층 만으로 하여(단체화), 막두께 80㎛의 GaN기판을 얻는다. 여기서, HVPE에 의한 후막층은 GaN이외에 다른 질화물 반도체를 사용하여도 되지만, 본 발명에서는 양호한 결정성으로, 또 후막의 질화물 반도체를 용이하게 성장할 수 있는 GaN 또는 AlN를 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 이종기판등의 제거는 이하에 나타내는 소자구조를 형성한 후, 도파로를 형성한 후 또는 전극을 형성한 후의 어느 것의 단계에서 행하여도 된다. 또한, 웨이퍼를 바 형상, 칩형상으로 절단하기 전에 이종기판등을 제거함으로써 칩형상으로 절단할 때에 질화물 반도체의 분할면(육방결정계 에 근사한 {11-00} M면, {1010} A면, {0001} C면)을 사용하여 절단·분할할 수 있다.
(하지층(102))
질화물 반도체 기판(101)상에 질화물 반도체 기판을 제조할 때의 하지층과 마찬가지로 스트라이프형상의 SiO2 마스크를 사용하여 횡방향 성장을 따르도록 질화물 반도체를 성장시킴으로써 하지층(102)을 15㎛의 막두께로 형성한다.
(버퍼층(103))
다음에 하지층(102)위에, Al 혼성결정비가 0.01인 언도프 AlGaN으로되는 버퍼층(103)을 형성한다. 이 버퍼층(103)은 생략가능하지만 횡방향 성장을 사용한 기판이 GaN인 경우에 혹은 횡방향으로 성장시켜서 형성한 하지층이 GaN인 경우에 그것 보다도 열팽창계수가 작은 질화물 반도체 즉, AlaGa1-aN(0 ＜ a
Figure 112006017804336-pct00023
1)등으로되는 버퍼층(103)을 사용함으로써 피트를 줄일수 있기 때문에, 버퍼층(103)을 형성하는 것이 바람직하다. 즉, 하지층(102)과 같이 횡방향 성장을 따라 막이 형성된 질화물 반도체상에 다른 질화물 반도체를 성장시키면 피트가 발생하기 쉽지만, 이 버퍼층(103)은 피트의 발생을 방지하는 효과가 있다.
또한, 버퍼층(103)의 Al 혼성결정비 a가 0 ＜ a ＜ 0.3인 것이 바람직하며 이것에 의해 결정성이 양호한 버퍼층을 형성할 수 있다. 또한, 이 버퍼층을 n측 콘택트층으로의 기능을 겸하는 층으로 형성하여도 좋으며, 버퍼층(103)을 형성한 후 상기 버퍼터층과 마찬가지의 조성식으로 나타내는 n측 콘택트층을 형성하고, 이 n측 콘택트층(104)에도 버퍼효과를 가지도록 하여도 된다. 즉, 이 버퍼층(103)은 횡방향 성장층(GaN기판)과 소자구조를 구성하는 질화물 반도체층의 사이에 또는 소자구조중의 활성층과 횡방향 성장층(GaN기판)사이에 설치함으로써, 더욱 바람직하기로는 소자구조중의 기판측, 하부 클래드층과 횡방향 성장층(GaN기판)과의 사이에 적어도 1층이상 설치함으로써, 피트를 줄일 수 있어 소자특성을 향상시킬 수 있다. 또한 n형 콘택트층의 기능을 겸하여 구비한 버퍼층으로 하는 경우에는 전극과의 양호한 오믹접촉이 얻어지도록 Al 혼성결정비 a를 0.1이하로 하는 것이 바람직하다. 이 하지층(102)상에 형성하는 버퍼층은 상술한 이종기판상에 설치된 버퍼층과 마찬가지로 300℃이상 900℃이하의 저온에서 성장시켜도 되지만, 바람직하기로는 800℃이상 1200℃이하의 온도로 단결정 성장시키면, 상술한 피트저감효과가 보다 효과적으로 얻어지는 경향이 있다. 한편, 이 버퍼층(103)은 n형, p형 불순물을 도프하여도 되고, 언도프이어도 되지만, 결정성을 양호한 것으로 하기 위해서는 언도프로 형성하는 것이 바람직하다. 또한, 2층이상의 버퍼층을 설치하는 경우에는 n형, p형 불순물농도, Al 혼성결정비를 변화시켜서 설치할 수 있다.
(n측 콘택층(104))
버퍼층(103)위에 막두께 4㎛, Si를 3 X 1018/㎤ 도프한 Al0.01Ga0.99N으로되는 n측 콘택트층(104)을 형성한다.
(클랙방지층(105))
n측 콘택트층(104)위에 막두께 0.15㎛의 In0.06Ga0.94N으로되는 클랙방지층(105)을 형성한다.
(n측 클래드층(106))
클랙방지층(105)위에 전체 막두께 1.2㎛의 초격자구조의 n측 클래드층(106)을 형성한다.
구체적으로는, 막두께 25Å의 언도프 Al0.05Ga0.95N층과 막두께 25Å의 Si를 1 X 1019/㎤ 도프한 GaN층과를 번갈아 적층함으로써 n측 클래드층(106)을 형성한다.
(n측 광 가이드층(107))
n측 클래드층(106) 위에 막두께 0.15㎛의 언도프 GaN으로되는 n측 광 가이드층(107)을 형성한다.
(활성층(108))
n측 광 가이드층(107)위에 전체 막두께 550Å의 다중양자우물구조의 활성층(108)을 형성한다.
구체적으로는, Si를 5 X 1018/㎤ 도프한 막두께 140Å의 Si 도프 In0.05Ga0.95 N으로되는 장벽층(B)과 막두께 50Å의 언도프 In0.13Ga0.87N으로되는 우물층(W)을 (B)-(W)-(B)-(W)-(B)의 순서로 적층함으로써 활성층(108)을 형성한다.
(p측 전자 가둠층(109))
활성층(108) 위에 막두께 100Å, Mg를 1 X 1020/㎤ 도프한 p형 Al0.3Ga0.7N으로되는 p측 전자 가둠층(109)를 형성한다.
(p측 광 가이드층(110))
p측 전자 가둠층(109) 위에 막두께 0.15㎛의 Mg를 1 X 1018/㎤ 도프한 p형 GaN으로되는 p측 광 가이드층(110)을 형성한다.
(p측 클래드층(111))
p측 광 가이드층(110) 위에 전체 막두께 0.45㎛의 초격자구조의 p측 클래드층(111)을 형성한다.
구체적으로는, 막두께 25Å의 언도프 Al0.05Ga0.95N과, 막두께 25Å인 Mg를 1 X 1020/㎤ 도프한 p형 GaN과를 번갈아 적층함으로써 p측 클래드층(111)을 형성한다.
(p측 콘택층(112))
p측 클래드층(111) 위에 막두께 150Å, Mg를 2 X 1020/㎤ 도프한 p형 GaN으로되는 p측 콘택트층(112)을 형성한다.
이상과 같이, n측 콘택트층(104)~p측 콘택트층(112)까지의 소자구조를 형성한 후, 실시예 1 과 마찬가지로하여 n측 콘택트층(104)을 노출시켜서 제 1 도파로영역 C1과 제 2 도파로영역 C2를 에칭하여 형성하고, 제 2 보호막(162)(매입층)을 제 1 리지 및 제 2 리지의 각 측면 및 이것에 연속하는 질화물 반도체층을 평면으로 형성한다. 이 때, 제 2 도파로영역 C2를 구성하기 위한 제 2 리지는, 제 2 리지 양측의 p측 광 가이드층(110)의 막두께가 0.1㎛으로되는 깊이로 에칭함으로써 형성한다.
다음에 본 실시예 10에 있어서 각 레이저 소자의 공진단면의 형성방법에 대하여 설명한다.
본 실시예 10에서는 2개의 레이저 소자를 1조로 하고, 2개의 레이저 소자가 하나의 면(대향면)에 대하여 대칭되게 마주보도록 배치함으로써 효율적으로 각 공진기면을 형성하고 있다.
구체적으로는, 10㎛길이의 제 1 도파로영역 C1(1조의 레이저 소자의 제 1 도파로영역이 연결된 상태의 것)를 끼워서 그 양측에 각각 645㎛ 길이의 제 2 도파로영역 C2을 형성한다(도 17b의 Ⅲb 및 Ⅳb의 부분을 참조).
이 양측의 제 2 도파로영역 C2의 외측 단면은 n측 콘택트층을 노출시킬때의 에칭에 의해 동시에 형성한다.
이어서, 실시예 1과 마찬가지로 n측 콘택트층(104)과 p측 콘택트층(112)의 표면에 n전극(121) 및 p전극(120)을 형성한다.
다음에 제 2 도파로영역의 단면과 도파로영역을 구성하기 위한 측면을 포함하는 노출된 전면에 유전체 다층막으로되는 절연막(반사막)(164)을 형성한다.
이것에 의해, 제 2 도파로영역 C2 단면에서 반사막으로서 기능하고 다른부분에서 절연막으로서 기능(특히 p-n 전극간의 단락을 방지하는 기능)하는 절연막(164)이 형성된다. 또한, 본 실시예 10에서는, p전극(120)은 도 8, 9와 다르게 p측 콘택층(112)의 표면 일부에 p측 콘택트층(112)의 스트라이프폭 보다도 작 은 폭으로 형성하고 또한 p전극(120)의 스트라이프방향에서는 제 2 도파로영역 C2 상부에만 형성한다. 또한, p전극(120)은 제 2 도파로영역 C2의 단부로부터는 약간 떨어지게 형성한다.
그 다음, n전극과 p전극위의 절연막(164)의 일부를 제거하여 각 전극을 노출시키고, 각 전극표면상에 전기적으로 접속하는 패드전극(122, 123)을 형성한다. 다음에, 길이가 10㎛인 제 1 도파로영역 C1의 거의 중앙부(도 17b의 E-E선을 참조)에서, 질화물 반도체의 M면으로 분할하여 바 형상으로하고, 다시 이 바를 각 소자사이에서 분할된 M면에 수직한 A면으로 공진기 방향에 평행하게 분할하여 레이저 칩을 얻는다.
이상과 같이하여 얻어진 레이저 칩은 실시에 1과 마찬가지로 약 5㎛ 길이의 제 1 도파로영역 C1과 645㎛길이의 제 2 도파로영역 C2를 가지며, 제 1 도파로영역 C1의 단면을 출사측으로 한다.
얻어진 레이저 소자는 실온에서 임계값 전류밀도 2.5㎄/㎠, 임계값 전압 4.5V이고, 발진파장은 405㎚이며, 출사되는 레이저 빔의 종횡비는 1.5이다. 또한, 30㎽의 연속발진으로 1000시간이상 수명의 고출력 레이저 소자가 얻어진다. 또한, 본 레이저 소자는 5㎽~80㎽의 출력영역에서 연속발진이 가능하고 그 출력영역에서 광 디바이스 시스템의 광원으로서 적합한 빔특성을 가진다.
[실시예 11]
실시예 11의 레이저 소자는 실시예 10의 두께 80㎛인 언도프 GaN으로되는 기판 대신에, 기판(101)으로서 막두께 80㎛의 Si가 도프된 n형 GaN을 사용하여 구성한다. 그리고, 이 Si가 도프된 n형 GaN으로되는 기판(101)은 실시예 10과 마찬가지로 하여 이종기판위에 저온성장 버퍼층을 형성하고 하지층을 횡방향 성장에 따라 성장하여 형성한 후, HVPE에 의해 후막의 Si도프한 GaN을 100㎛로 성장시키고 이종기판을 제거하여 얻어진다.
실시예 11에서는 n형 GaN기판(101)위에 Si도프 Al0.01Ga0.99N으로되는 버퍼층(102)을 형성하고, 그 위에 소자구조로서 실시예 1과 마찬가지로 n측 콘택트층(104)~p측 콘택트층(112)까지 적층한다.
이어서, 각 소자의 도파로영역을 형성하기 위한 영역을 규정하기 위하여 n측 콘택트층(112)의 표면이 노출하도록 에칭하여 분리홈을 형성한다. 실시예 11에서는 실시예 10과는 다르게 동일면측에 양/음극 한쌍의 전극을 형성하지 않고, 기판을 끼워서 전극을 대향배치하는 구조로 하기 때문에 n측 콘택트층 노출면에 n전극을 설치하는 스페이스를 만들 필요는 없다. 따라서 인접하는 소자를 실시예 10에 비교하여 근접하여 배치할 수 있다.
또한 실시예 11에서는, 에칭에 의해 n측 콘택트층을 노출시킴으로써 각 영역을 규정하고 있지만, 본 구성에서는 전극을 대향배치하기 때문에 에칭하지 않고 이하의 공정을 행하여도 된다. 또한, 분리홈을 형성하는 경우에는 n측 콘택트층과 기판사이의 층을 노출시키도록하여도 되고, 기판을 노출시키토록 분리홈을 형성하 도록 하여도 된다. 또한, 기판을 노출시켜서 분리홈을 형성하는 경우, 기판의 도중까지 에칭하여 기판을 노출시켜도 된다.
한편, 각 소자를 구성하기 위해 규정하는 영역은 반드시 각 소자마다 형성할 필요는 없고, 실시예 10에서 설명한 바와같이 2개의 소자를 구성하기 위한 영역을 일체로 형성하여도 되고, 또는, 3이상의 소자를 형성하는 영역을 일체로 형성하여도 된다(예를 들면, 도 17a, 도 17b의 Ⅲ 및 Ⅳ로 나타내는 부분을 일체로 형성한다).
광을 도파하는 방향에 대하여 수직한 방향에 대하여서도 마찬가지로, 소자사이에 분리홈을 형성하지 않고 복수의 영역을 연속하여 형성하여도 된다.
또한, 기판을 분할하는 부분에 있어서 활성층보다도 깊게 에칭함으로써 홈을 형성한 후 그 홈부분에서 기판을 분할하면(예를 들면, 도 17a, 도 17b에서 A-A로 표시하는 부분), 분할의 충격에 의한 활성층부분에서의 깨지고 떨어지는 것을 회피할 수 있다.
본 실시예 11에서는 하나의 소자마다 영역을 분리하여 각 소자를 제작한다. 이어서, 실시예 10과 마찬가지로 각 도파로영역을 구성하기 위하여 각각 스트라이프형상의 리지를 형성하고 각 소자에 대응하여 영역마다 각각 제 1 도파로영역 C1과 제 2 도파로영역 C2를 형성한다. 이 때, 제 1 도파로영역 C1은 스트라이프길이를 10㎛로 형성한다.
이어서, 실시예 10과 마찬가지로 p측 콘택트층에 표면에 그 표면보다도 폭이 좁은 스트라이프형상의 p전극을 제 2 도파로영역 C2에만 형성한다. 여기서 스트라이프형상의 p전극은 제 2 도파로영역 C2를 구성하기 위한 제 2 리지의 단면에서 약간 떨어지도록 그 단부에 도달하지 않는 길이로서 형성한다.
다음에 기판의 이면측(소자구조가 형성된 기판면에 대향하는 면측)에 n전극을 형성하고 p전극과 n전극을 기판 및 소자구조를 끼워서 대향배치한다. 이어서, 실시예 10과 마찬가지로 기판의 소자구조가 형성된 측의 표면 거의 전면에 유전체 다층막으로 되는 절연막(반사막)(164)를 형성하고 p전극의 일부를 노출시켜서 그 노출한 p전극에 전기적으로 접속하는 패드전극을 형성한다.
최후로, 도 17b의 Ⅱ에 나타낸 바와같이 공진기에 수직한 절단방향으로하여 제 1 도파로영역 C1에서 그 거의 중앙부의 D-D 절단위치와 각 소자간의 A-A절단위치에서 기판의 M면으로 분할하고, 바 형상으로한 후 그 분할면에 수직한 A면에서 소자간을 분할하여 칩형상의 레이저 소자를 얻는다.
이와같이하여 얻어진 레이저 소자는 제 1 도파로영역 C1의 단부에 설치된 분할면과 제 2 도파로영역 C2의 단부에 설치되어 반사막이 만들어지는 에칭단면을 공진기면으로 가지게 하여 레이저 발진을 시킬수 있다. 이와같이하여 얻어진 레이저 소자는 실시예 10과 마찬가지로 뛰어난 레이저 특성을 가진다.
[실시예 12]
실시예 12의 레이저 소자는 실시예 10에 있어서, n형 콘택트층까지 에칭할 때에 동시에 공진기 단면을 형성하고, 이 공진기 단면간의 기판을 분할하기 전에 기판까지 에칭하여 도 17a의 Ⅰ 및 Ⅱ에서 AA 절단면으로 분할한다. 이 때, 공진기 단면으로부터 돌출한 부분은 3㎛로 하였다. 이와같이하여 얻어진 레이저 소자의 특성은 실시예 10과 마찬가지로 뛰어난 소자특성과 광학특성을 가진다.
[비교예 1]
비교예 1로서, 실시예 1에 있어서의 제 1 도파로영역을 형성하지 않고, 전체길이에 걸쳐서 제 2 도파로영역을 형성한 레이저 소자를 제작하였다.
본 비교예 1에서는, 실시예 1과 마찬가지로 소자구조로되는 각층을 적층한다. 그 후 도 5b에 나타낸 바와같이 제 1 보호막(161)을 마스크로 사용하여 스트라이프형상의 제 2 리지를 소자의 한 단면에서 다른 단면에 이르도록 형성한다.
다음에, 그 전체길이에 걸쳐서 형성된 제 1 리지의 측면 및 그 양측의 에칭노출면에 ZrO2로되는 보호막을 형성하고 웨이퍼를 불산에 침적하여서 제 1 보호막(161)을 리프트오프범에 의해 제거한다. 이어서, 실시예 1과 마찬가지로 공진기면과 각 전극을 형성하여서 제 2 도파로영역 C2를 구성하기 위한 제 2 리지만을 가진 비교예의 레이저 소자를 얻는다.
이상과 같이하여 제작된 비교예 1의 레이저 소자는 불필요한 횡모드를 효과적으로 억제하는 것이 곤란하여서 횡모드의 안정성이 떨어지고 전류 광출력 특성에 있어서 킹크(kink)의 발생이 자주 일어나는 레이저 소자로 된다.
특히 광출력이 큰 고출력 영역, 예를 들면, 광 디스크 시스템의 데이터 기록 시에 필요한 30㎽의 출력등의 조건하에서는 횡모드의 이동이 발생하기 쉽다. 또한, 스트라이프형상의 제 2 리지의 칫수 정밀도에 소자특성이 민감하게 반응하기 때문에 도 10에 나타낸 바와같이 소자간의 편차가 크고 제조수율을 향상시키는 것이 어렵다. 또한, 얻어진 레이저 광의 스폿(spot)의 종횡비는 2.5~3.0사이에 있는 것이 대부분이기 때문에 종횡비의 합격선을 2.0이하로 하면 제조수율이 크게 낮아진다.
이하, 본 발명에 따른 레이저 소자의 구성에 의해 얻어지는 효과(레이저 소자수명, 구동전류, 횡모드의 제어성)를 확인하기 위해 행한 검토결과에 대하여 설명한다.
본 검토에서는, 실시예 1과 마찬가지의 소자구조(반도체 적층구조)를 사용하여, 에칭깊이를 순차 변화시켜서 리지의 높이가 다른 레이저 소자를 제작하여 각 레이저 소자에 대하여 레이저 소자수명, 구동전류, 횡모드의 제어성을 평가하였다.
도 12는 에칭깊이에 대한 레이저 수명(광출력은 30㎽로 하여 시험하였다)을 나타낸 것이다.
도 12에 나타낸 바와같이, 에칭깊이를 p형 클래드층과 p형 광 가이드층의 경계부근으로 한 경우에, 가장 소자수명이 길게 되고, 그것 보다도 얕게 하거나 깊게 하여도 수명이 짧게 된다. 또한, p형 광 가이드층과 p형 전자 가둠층과의 경계부근까지 에칭하면, 레이저수명은 급격히 낮아지게 되고 활성층에 도달하는 깊이까지 스트라이프형상의 도파로영역이 형성되면, 소자수명에 큰 악영향을 미치는 것을 나타내고 있다. 따라서 소자수명을 고려한 경우, p형 전자가둠층에 도달하지 않는 깊이로 에칭이 행하여지는 쪽이 좋다. 또한, p형 클래드층과 p형 광 가이드층의 경계에서 위 아래 0.1㎛ 정도 범위의 깊이까지 에칭하여 리지를 형성하면, 극히 양호한 수명이 얻어지는 것이 이해될 수 있다. 또한, 두께방향의 광의 가둠을 고려하면 p형 가이드층까지 도달하지 않도록 에칭하는 것이 바람직하고, 이점을 포함하면, p형 광 가이드층과 p형 클래드층의 계면부근으로부터 그 경계위의 0.1㎛사이에 도달하는 깊이로 에칭하는 것이 더욱 바람직하다.
도 10은 에칭깊이에 대한 양호한 제품 비율을 나타낸 그래프이다. 도 10으로부터, p형 클래드층과 p형 광 가이드층의 경계상의 0.1㎛ 보다도 깊게 에칭함으로써 높은 양호한 제품 비율이 얻어질수 있음을 알 수 있다. 여기서, 도 10의 양호한 제품 비율로는 발진을 확인한 소자중 5㎽로 기본 단일 횡모드 발진이 가능한 소자의 비율을 나타낸 것이며 이때의 도파로영역의 스트라이프폭은 1.8㎛이었다.
또한, 에칭깊이가 리지의 양측에서 p형 클래드층이 0.1㎛이상 남는 깊이로 에칭하면 킹크의 발생이 급격하게 일어나서 대폭적으로 양품율이 감소한다.
도 11은 에칭깊이에 대한 구동전류(광출력 30㎽에 대한)를 나타낸 것으로서, 이 검토에서 도파로영역은 폭 1.8㎛로 설정하였다. 도 11로부터 명백한 바와같이, p형 광 가이드층의 중간점(두께방향의 중간점) 보다 깊은곳(활성층측)까지 에칭하면, 에칭깊이에 관계없이 50㎃로 일정하게 된다. 또한, p형 광 가이드층의 중간점부터 서서히 에칭깊이로 얕게 하여 가면, p형 클래드층과 p형 광 가이드층의 경계위의 0.1㎛까지는 완만하게 전류값이 상승하고, p형 클래드층과 p형 광 가이드층의 경계상의 0.1㎛보다 얕은 에칭깊이(리지의 양측에, p형 클래드층이 막두께 0.1㎛ 이상의 두께로 남아있는 에칭깊이)로 하면 급격히 전류값이 상승한다. 또한, p형 클래드층이 0.25㎛이상의 두께로서 남도록 에칭하면 30㎽의 광출력이 얻어질 수 없게 된다.
[비교예 2]
비교예 2로서, 실시예 1에서 제 2 도파로영역을 형성하지 않고, 전체길이에 걸쳐서 제 1 도파로영역을 형성한 레이저 소자를 제작한다.
본 비교예 2에서는 실시예 1과 마찬가지로 소자구조로되는 각 층을 적층한다. 그 후 도 5a에 나타낸 바와같이 스트라이프형상의 제 1 보호막(161)을 설치하고, 제 1 보호막의 양측영역을 하부클래드층(5)에 도달하는 깊이로 에칭함으로써 제 1 도파로영역 C1를 구성하기 위한 스트라이프형상의 리지를 형성한다. 그 후 리지의 윗면 및 측면, 그 리지 양측의 에칭노출면에, ZrO2로 되는 보호막을 형성하고 웨이퍼를 불산에 침적하여 제 1 보호막(161)을 리프트오프법에 의해 제거한다. 이어서, 실시예 1과 마찬가지로 공진기면, 각 전극을 형성하여 도 9에 나타낸 바와같은 단면구조를 가지며, 또 제 1 도파로영역 C1만을 가진 레이저 소자를 얻는다. 이 비교예 2에서 스트라이프형상의 리지는 실시예 1의 제 1 도파로영역 C1과 마찬가지로 리지양측의 n형 클래드층의 막두께가 0.2㎛로되는 깊이까지 에칭되어서 형성된다.
얻어진 레이저 소자는 활성층보다도 깊게 에칭한 스트라이프이기 때문에 실시예 1에 비하여 소자수명이 떨어지며, 도 12에 나타낸 바와같이, 소자수명이 짧고 실용을 감당해낼 수 있는 레이저소자로는 되지 않는다.
본 발명의 레이저 소자는 도파로로서, 공진기 방향에 제 1 도파로영역 C1과 제 2 도파로영역 C2를 가진 것으로서 소자신뢰성, 횡모드의 제어성이 뛰어나다. 또한, 본 발명에 의하면 간단한 설계변경으로 다양한 소자특성의 레이저 소자를 제공할 수 있다.
또한, 종래에는 실용상 감당해낼 수 있는 소자 실용성과, 안정된 횡모드의 발진등, 뛰어난 소자특성의 양립이 곤란하였지만, 본 발명의 레이저 소자에서는 생산성 및 신뢰성이 뛰어나고 또 소자특성이 뛰어난 레이저 소자를 얻는 것이 가능하게 된다. 또한, 제 1 도파로영역 C1을 공진기면의 출사면측에 일부설치함으로써 다양한 스폿형상, 종횡비의 빔을 발췌할 수 있는 것이 가능하게 된다. 즉, 본 발명에 의하면 여러가지의 빔특성을 실현할 수 있고, 레이저 소자의 응용범위를 확대함에 있어서 그 효과는 대단한 것이다.
종래에는, 질화물 반도체를 사용한 레이저 소자에 있어서, 결정의 재성장, 양성자등의 이온주입이 곤란하기 때문에 스트라이프의 레이저 소자만이 제조수율 및 생산성을 감당해낼 수 있었다. 또한, In을 포함하는 질화물 반도체를 가진 활성층이 대기에 노출되면 그 손상이 커서 소자수명이 대폭적으로 떨어지는 것이므로 실효굴절율형 레이저 소자만이 선택될 수 있었다. 그러나, 본 발명의 레이저 소자에서는 제 1 도파로영역 C1과 제 2 도파로영역 C2를 가짐으로서 소자신뢰성을 확보 하면서 횡모드의 제어성과 빔특성이 뛰어난 레이저 소자를 얻는 것이 가능하게 되고, 또한, 그 소자구조는 양산에 있어서도 뛰어난 수율로 제조가능하게 되기 때문에 질화물 반도체를 사용한 레이저 소자의 응용 및 비약적인 보급을 가능하게 할 수 있다. 또한, 고밀도기록의 광 디스크 시스템의 광원으로서 데이터 판독시(5㎽) 및 데이터 기록시(30㎽)의 양쪽의 광출력영역에 있어서 횡모드의 이동이 없고 또한, 30㎽구동에서도 1000시간을 초과할 수 있는 레이저 소자이고, 광원으로서 종횡비가 1.0~1.5의 범위로 뛰어난 레이저 소자를 제공할 수 있다.

Claims (37)

  1. 제 1 도전형 반도체층과, 활성층과, 상기 제 1 도전형과는 다른 제 2 도전형 반도체층이 차례로 적층된 적층구조체를 구비하고, 상기 활성층 및 그 근방에서 횡방향으로 광이 퍼지는 것을 제한하여 그 폭방향과 직교하는 방향으로 광을 도파시키는 도파로영역이 형성되어 이루어지는 반도체 레이저 소자에 있어서,
    상기 도파로영역은 적어도 제 1 도파로영역과 제 2 도파로영역을 가지고 이루어지고,
    상기 제 1 도파로영역은 상기 활성층의 폭을 제한함으로써 상기 활성층과 그 양측영역 사이의 굴절율차에 의해 상기 제한된 활성층내에 광을 가두도록 한 영역인 동시에, 상기 제한된 활성층의 폭방향으로, 상기 활성층의 폭보다 좁은 폭에서 광을 가두도록 실효적인 굴절율차가 형성된 것이며,
    상기 제 2 도파로영역은 상기 활성층에서 실효적으로 굴절율차를 형성함으로써 광을 가두도록 한 영역인 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 소자.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 도파로영역에서의 활성층은, 상기 활성층을 포함하는 제 1 리지를 형성함으로써 상기 활성층의 폭이 제한되고,
    상기 실효적으로 굴절율차가 형성된 영역은, 상기 제 2 도전형층에 제 2 리지(제 2 도파로영역), 및 상기 제 1 리지의 상부리지(제 1 도파로영역)를 형성함으로써 형성되어 있는 반도체 레이저 소자.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 리지는 그 상부리지의 양측을 상기 제 1 도전형층이 노출할 때까지 제거함으로써 형성되며, 상기 제 2 리지 및 상기 상부리지는 그 리지의 양측에서 상기 활성층 위에 상기 제 2 도전형층을 남기도록 제거함으로써 형성된 반도체 레이저 소자.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 도전형층, 활성층, 제 2 도전형층에 질화물 반도체가 사용되고 있는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 소자.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 활성층이 In을 포함하는 질화물 반도체층인 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 소자.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 제 1 반도체층에서 n형 질화물 반도체를 가지고, 상기 제 2 반도체층에서 p형 질화물 반도체를 가지는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 소자.
  7. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 2 리지 및 상기 상부리지의 폭이 1㎛ 이상 3㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 소자.
  8. 제 1 도전형층과, 활성층과, 상기 제 1 도전형층과 다른 도전형의 제 2 도전형층이 차례로 적층된 적층구조체로, 제 2 도전형층에 설치된 리지에 의해 형성된 리지 도파로영역을 가지는 반도체 레이저 소자에 있어서,
    상기 도파로영역은 적어도 제 1 도파로영역과 제 2 도파로영역을 가지고 이루어지며,
    제 1 도파로영역은 상기 리지(상부리지)의 아래에, 제 1 도전형층에 설치된 상기 상부리지보다 폭이 넓은 하부리지를 구비한 2단 리지로 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 소자.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 상부리지의 양측에서의, 상기 활성층 위에 위치하는 상기 제 2 도전형층의 막두께가 0.1㎛ 이하인 반도체 레이저 소자.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 제 1 도전형층, 활성층, 제 2 도전형층에 질화물 반도체가 사용되고 있는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 소자.
  11. 제 8 항에 있어서,
    상기 활성층이 In을 포함하는 질화물 반도체층인 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 소자.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 제 1 반도체층에서 n형 질화물 반도체를 가지고, 상기 제 2 반도체층에서 p형 질화물 반도체를 가지는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 소자.
  13. 제 8 항에 있어서,
    상기 상부리지의 폭이 1㎛ 이상 3㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 소자.
  14. 제 1 도전형층과, 활성층과, 상기 제 1 도전형층과 다른 도전형의 제 2 도전형층이 차례로 적층된 적층구조체에, 제 2 도전형층에 스트라이프 형상의 리지를 마련함으로써 실효 굴절율형의 도파로영역을 가지는 반도체 레이저 소자에 있어서,
    상기 도파로영역은 적어도 제 1 도파로영역과 제 2 도파로영역을 가지고 이루어지며,
    제 1 도파로영역은 상기 리지보다도 넓은 폭의 활성층과 그 양 외측의 영역에서 굴절율차가 마련된 완전 굴절율에 의해 상기 활성층 내에 광이 갇히는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 소자.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 완전 굴절율이 제 1 도전형층에 설치된 스트라이프 형상의 볼록부에 의해 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 소자.
  16. 제 14 항에 있어서,
    상기 제 1 도전형층, 활성층, 제 2 도전형층에 질화물 반도체가 사용되고 있는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 소자.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 활성층이 In을 포함하는 질화물 반도체층인 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 소자.
  18. 제 16 항에 있어서,
    상기 제 1 반도체층에서 n형 질화물 반도체를 가지고, 상기 제 2 반도체층에서 p형 질화물 반도체를 가지는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 소자.
  19. 제 14 항에 있어서,
    상기 리지의 폭이 1㎛ 이상 3㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 소자.
  20. 제 1 도전형층과, 활성층과, 상기 제 1 도전형층과 다른 도전형의 제 2 도전형층이 차례로 적층된 적층구조체에, 스트라이프 형상의 도파로영역을 가지는 반도체 레이저 소자에 있어서,
    상기 스트라이프 형상의 도파로영역이 공진기 방향에 있어서, 상기 제 2 도전형층에 제 2 도전형층의 일부가 제거되어 스트라이프 형상의 볼록부가 마련된 제 2 도파로영역과,
    상기 제 2 도전형층에 형성된 스트라이프 형상의 볼록부(상부측 볼록부)와, 상기 제 1 도전형층에 상기 제 2 도전형층, 활성층, 제 1 도전형층의 일부가 제거되어 형성되는 스트라이프 형상의 볼록부(하부측 볼록부)가 설치된 제 1 도파로영역을 적어도 가지는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 소자.
  21. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 도파로영역은 공진기 방향에서의 길이가 상기 제 1 도파로영역보다 긴 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 소자.
  22. 제 1 항에 있어서,
    상기 반도체 레이저 소자의 공진기면 중, 적어도 하나의 공진기면이 상기 제 1 도파로영역의 끝부분에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 소자.
  23. 제 22 항에 있어서,
    상기 제 1 도파로영역의 끝부분에 형성된 공진기면이 출사면인 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 소자.
  24. 제 23 항에 있어서,
    상기 제 2 도파로영역에만 전극이 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 소자.
  25. 제 23 항에 있어서,
    상기 제 1 도파로영역과 제 2 도파로영역의 사이에 공진기 방향으로 경사진 활성층 측면을 가지고 제 1 도파로영역과 제 2 도파로영역이 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 소자.
  26. 제 23 항에 있어서,
    상기 제 1 도파로영역과 제 2 도파로영역의 측면이 굴곡되어 서로 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 소자.
  27. 제 22 항에 있어서,
    상기 끝부분에 공진기면을 가지는 제 1 도파로영역은, 공진기 방향의 길이가 적어도 1㎛ 이상인 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 소자.
  28. 제 20 항에 있어서,
    상기 제 1 도전형층, 활성층, 제 2 도전형층에 질화물 반도체가 사용되고 있는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 소자.
  29. 제 28 항에 있어서,
    상기 활성층이 In을 포함하는 질화물 반도체층인 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 소자.
  30. 제 28 항에 있어서,
    상기 제 1 반도체층에서 n형 질화물 반도체를 가지고, 상기 제 2 반도체층에서 p형 질화물 반도체를 가지는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 소자.
  31. 제 3 항에 있어서,
    상기 제 2 도전형층은 p형 클래드층을 가지며, 상기 제 2 리지 및 상부리지의 양측에 위치하는 상기 p형 클래드층의 막두께가 0.1㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 소자.
  32. 제 4 항에 있어서,
    상기 제 1 도파로영역의 스트라이프 형상의 볼록부 혹은 리지 측면, 및 제 2 도파로영역의 스트라이프 형상의 볼록부 또는 리지 측면에 질화물 반도체가 노출되어 있으며, 상기 스트라이프 형상의 볼록부 또는 리지 측면에 절연막이 설치되고, 상기 절연막이 Ti, V, Zr, Nb, Hf, Ta로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1종의 원소를 포함하는 산화물, 또는 SiN, BN, SiC, AlN으로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1종으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 소자.
  33. 제 32 항에 있어서,
    상기 제 1 도파로영역과 제 2 도파로영역에 있어서 상기 절연막이 서로 다른 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 소자.
  34. 제 20 항에 있어서,
    상기 스트라이프 형상의 볼록부가 1㎛ 이상 3㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 소자.
  35. 질화물 반도체를 사용하여, 제 1 도전형층과, 활성층과, 제 2 도전형층을 차례로 적층한 적층구조체를 형성하는 적층공정과,
    제 2 도전형층 위에 스트라이프 형상의 제 1 보호막을 설치하여 에칭하고, 제 2 도전형층에 스트라이프 형상의 볼록부를 설치하는 상부리지 형성공정과,
    상기 제 1 보호막을 통하여 제 3 보호막을 설치하여 에칭하고, 상기 스트라이프 형상 볼록부의 스트라이프 방향 일부에 상기 볼록부보다 폭이 넓은 스트라이프 형상의 볼록부를 상기 볼록부보다 아래의 제 1 도전형층에 형성하는 하부리지 형성공정을 구비하여 이루어지는 반도체 레이저 소자의 제조방법.
  36. 제 35 항에 있어서,
    상기 하부리지 형성공정 후, 상기 제 3 보호막을 제거하여 상기 제 1 보호막을 통하여 절연성을 가지는 제 2 보호막을 상기 스트라이프 형상의 볼록부 측면, 및 에칭에 의해 노출된 질화물 반도체의 평면에 형성하는 공정, 제 2 보호막을 형성한 후, 제 1 보호막을 제거하는 공정을 구비하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 소자의 제조방법.
  37. 제 36 항에 있어서,
    상기 보호막 형성공정 후, 상기 적층구조체를 제 1 도파로영역의 도중에서 절단하여, 공진기면이 벽개면이 되도록 분할하는 공정을 구비하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 소자의 제조방법.
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