KR100906760B1 - 질화물 반도체 소자 - Google Patents
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Abstract
제 1 도전형층과 제 2 도전형층 사이에 활성층(12)을 갖는 질화물 반도체 소자로서, 활성층(12)이 In과 Al을 함유하는 질화물 반도체로 이루어지는 우물층(1)과, Al을 함유하는 질화물 반도체로 이루어지는 장벽층(2)을 적어도 갖는 양자 우물 구조로 함으로써, 단파장역에서 우수한 발광 효율을 갖는 레이저 소자가 얻어진다. 상기 우물층(1)이 AlxInyGa1-x-yN(0＜x≤1, 0＜y≤1, x+y＜1)이고, 상기 장벽층(2)이 AluInvGa1-u-vN(0＜u≤1, 0≤v≤1, u+v＜1)이면 특히 바람직하다.
이러한 구성에 의해, 380㎚의 단파장역에서 발광 효율이 우수한 발광 소자를 실현할 수 있다.
Description
본 발명은 발광 다이오드 소자(LED), 레이저 다이오드 소자(LD), 수퍼포토루미네슨스 다이오드 등의 발광 소자, 태양 전지, 광센서 등의 수광 소자, 또는 트랜지스터, 파워 디바이스 등의 전자 디바이스에 이용되는 Ⅲ-Ⅴ족 질화물 반도체를 이용한 질화물 반도체 소자에 관한 것으로, 특히 발광 파장이 380㎚ 이하인 질화물 반도체 발광소자에 관한 것이다.
오늘날, 질화물 반도체를 이용한 반도체 레이저는 DVD 등, 대용량ㆍ고밀도의 정보 기록ㆍ재생이 가능한 광디스크 시스템으로의 이용에 대한 요구가 높아지고 있다. 이 때문에, 질화물 반도체를 이용한 반도체 레이저 소자는 연구가 활발히 이루어지고 있다. 또한, 질화물 반도체를 이용한 반도체 레이저 소자, 발광 소자는 자외역에서 적색에 이르기까지 폭넓은 파장역에서의 발진이 가능한 것으로 여겨지고, 그 응용 범위는 상기 광디스크 시스템의 광원 뿐만 아니라, 레이저 프린터, 광네트워크 등의 광원 등, 다방면에 미치는 것으로 기대되고 있다. 또한, 본 출원인은 405㎚, 실온, 5㎽의 연속 발진의 조건에서, 1만 시간을 초과하는 레이저를 발표하였다.
또한, 질화물 반도체를 이용한 레이저 소자, 발광 소자, 수광 소자 등에는 In을 함유하는 질화물 반도체를 이용하여 활성층으로 한 구조를 갖고 있고, 활성층에서의 보다 우수한 활성 영역의 형성이 소자 특성의 향상에 있어서 중요하게 된다.
또한, 질화물 반도체 소자, 특히 레이저 소자, 발광 소자에 있어서는 380nm 이하의 파장역에서의 발광, 발진이 더욱 중요시되고 있다. 이것은 상술한 광디스크 시스템에 있어서는 단파장화에 의해 기록 밀도 향상이 도모되고, 또한 발광 소자에 있어서는 형광체의 여기 광원으로서 중요시되며, 또한 그 이외의 응용에 있어서도 가일층의 단파장화에 의해 많은 용도가 실현된다.
질화물 반도체의 레이저 소자 또는 발광 소자에 있어서, 단파장의 발광을 얻기 위해서는, 활성층 또는 발광층의 In을 함유하는 질화물 반도체에서의 In 혼성결정비를 변화시킴으로써 발광 파장을 변경할 수 있고, 특히 In 혼성결정비를 낮추면 발광 파장을 짧게 할 수 있다. 또한, 단면 발광 소자, 레이저 소자에 있어서, 활성층이 상부, 하부 클래드층에 끼워진 구조를 갖는 경우에, 두 클래드층의 굴절률을 작게 하고, 상부, 하부 클래드층에 끼워진 도파로내의 굴절률을 높임으로써, 도파로내에 광이 효율적으로 갇히고, 결과적으로 레이저 소자에 있어서는 임계값 전류 밀도의 저하에 기여한다.
그러나, 파장이 짧아짐에 따라서, 발광층으로서 종래 이용되어 온 InGaN 또는 InGaN/InGaN의 양자 우물 구조를 이용하는 것이 어려워지고, GaN의 밴드갭인 파장 365nm이하에서는 InGaN을 발광층에 이용하는 것이 어렵게 된다. 또한, 파장이 짧아지면, 즉 도파로내의 가이드층에서 광의 흡수에 의한 손실이 발생하고, 임계값 전류가 높아진다. 또한, 상부 클래드층, 하부 클래드층에 의한 광의 가둠에 있어서도, GaN을 이용하는 것이 광의 흡수에 의한 손실, 및 도파로내에 광을 가두기 위한 굴절률차를 확보하기 때문에 Al 조성비가 큰 질화물 반도체를 이용할 필요가 있어, 결정성의 문제가 커진다.
또한, 이러한 질화물 반도체 소자의 단파장화에 대한 시도로서, AlGaN/AlGaN의 양자 우물 구조를 이용하는 것이 있지만, 종래의 InGaN계에 비해 충분한 출력이 얻어지지 않는 경향이 있다.
또한, AlGaN 등의 Al을 함유하는 질화물 반도체를 소자에 이용하는 경우에 있어서, 다른 Al을 함유하지 않는 질화물 반도체에 비해, 열팽창계수차, 탄성이 크게 다르며, Al을 함유하는 질화물 반도체를 이용하면, 크랙이 발생하기 쉽고, 크랙의 발생은 다른 결정성과 달리, 소자 파괴로 이어지는 것으로서, 크랙의 발생을 방지하지 않으면, 질화물 반도체 소자로서 동작하지 않게 된다. 이 때문에, 상술한 380㎚ 이하의 발광 파장의 활성층을 이용한 발광 소자, 레이저 소자에 있어서는 Al을 함유하는 질화물 반도체는 질화물 반도체에 있어서 밴드갭 에너지를 크게 할 수 있으므로, 활성층, 그것보다도 밴드갭 에너지가 큰 캐리어 가둠층, 광가이드층, 광가둠층 등에 이용된다. 즉, 상기 단파장역의 발광 소자에 있어서, Al을 함유하는 질화물 반도체는 각 층이 다층구조로 되지만, 한편으로 상술한 크랙 발생의 문제가 심각하여, 이 때문에 단파장화와 크랙 발생 방지는 배타적인 관계에 있는 경향이 있어, 질화물 반도체의 발광 소자에 있어서 가일층의 단파장화의 심각한 장해가 된다. 또한, 단파장화에 있어서, GaN은 365㎚에서 광의 흡수단을 갖고, 그것보다도 10㎚ 정도 파장이 긴 영역에서도 높은 흡수 계수를 갖기 때문에, 상기 380㎚ 이하의 단파장역에서의 발광 소자, 레이저 소자의 사용이 어렵게 된다.
게다가, 상술한 바와 같이 발광 소자, 레이저 소자의 활성층은 그 발광 효율, 내부 양자 효율이 그의 결정성에 크게 의존하기 때문에, 활성층 아래에 배치되는 도전형층의 결정성이 소자 특성 향상에 매우 중요한 요인이 된다. 통상, 질화물 반도체 발광 소자는 n형층, 활성층, p형층의 순으로 적층된 구조를 갖고 있지만, 이 경우 n형층의 결정성을 양호한 것으로 할 필요가 있다. 한편, 상술한 바와 같이, Al을 함유하는 질화물 반도체가 다른 Al을 함유하지 않는 질화물 반도체에 비해서 크게 결정성이 악화되는 경향이 있고, 종래는 이러한 문제를 회피할 목적으로, Al을 함유하는 질화물 반도체의 하지층으로서 In을 함유하는 질화물 반도체층을 이용해서, 열팽창계수차에 의한 내부 응력의 발생을 완화시키거나, Al을 함유하는 질화물 반도체층에 인접해서, GaN 등의 Al을 함유하지 않는 질화물 반도체를 설치해서 결정성의 회복, 내부 응력의 완화를 실현하여, 레이저 소자 등의 Al을 함유하는 질화물 반도체층을 소자 구조에 설치한 구조로 소자를 실용적으로 동작할 수 있게 하였다. 그러나, 상기 단파장의 발광 소자, 레이저 소자에 있어서, Al을 함유하지 않는 질화물 반도체는 광흡수층이 되어, 소자 구조에 이용하는 것이 바람직하지 않고, 그 때문에 소자 구조는 대부분이 Al을 함유하는 질화물 반도체층을 이용하게 되고, 상술한 결정성, 크랙의 발생에 의해 실용적인 임계값, Vf, 발광 효율의 발광 소자, 레이저 소자가 얻어지지 않고, 특히 광가이드층, 광가둠의 클래드층 등에 Al 혼성결정비가 큰 Al을 함유하는 질화물 반도체를 다용한 레이저 소자에 있 어서는 실온에서 연속 발진이 가능한 레이저 소자가 얻어지지 않았다.
본 발명에서는 질화물 반도체 소자, 특히 광 파장이 380㎚ 이하인 레이저 소자나 발광 소자에 있어서, 발광 출력을 크게 하고, 또한 임계값 전류 밀도를 저감시킨 활성층을 이용하여, 두 클래드층에 끼워진 도파로에서 광의 흡수를 낮게 억제하고, 활성층을 포함하는 도파로내에 효율적으로 광을 가두며, 보다 양호한 결정성으로 소자 구조를 형성하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 레이저 발진이 380㎚ 이하에서는 특히 현저한 임계값의 상승이 나타난다는 문제의 원인을 해명하고, 그 해결수단을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 상기 사정을 감안하여 이루어진 것으로서, 임계값 전류 밀도 등의 소자 특성이 우수하고 결정성이 양호하며, 발광 출력이 우수하고, 단파장화를 실현하는 질화물 반도체 소자를 얻는 것이다.
즉, 본 발명의 질화물 반도체 소자는 하기 구성에 의해 본 발명의 목적을 달성할 수 있다.
(1) 제 1 도전형층과 제 2 도전형층 사이에 활성층을 갖는 질화물 반도체 소자에 있어서,
상기 활성층이 In과 Al을 함유하는 질화물 반도체로 이루어지는 우물층과, Al을 함유하는 질화물 반도체로 이루어지는 장벽층을 적어도 갖는 양자 우물 구조인 질화물 반도체 소자.
이것에 의해, 우물층은 In을 함유함으로써 발광 효율을 향상시키고, 한편으로 Al 조성비를 변화시킴으로써, 원하는 밴드갭 에너지의 발광 파장이 얻어지고, 발광 효율, 내부 양자 효율이 우수한 레이저 소자, 발광 소자가 얻어진다. 또한, 장벽층으로서 적어도 Al을 가짐으로써, 우물층보다도 밴드갭 에너지를 크게 하여, 발광 파장에 맞춘 양자 우물 구조의 활성층을 형성할 수 있고, 특히 파장 380㎚ 이하의 단파장 영역에 있어서 우수한 소자 특성의 활성층을 얻을 수 있다.
(2) 상기 구성에 있어서, 상기 우물층이 AlxInyGa1-x-yN(0<x≤1, 0<y≤1, x+y<1)이고, 상기 장벽층이 AluInvGa1-u-vN(0<u≤1, 0≤v≤1, u+v<1)인 것이 바람직하다.
우물층이 InAlGaN의 4원 혼성결정으로 형성됨으로써, 구성 원소수를 최소한으로 하여 결정성의 악화를 억제하고, 또한 높은 발광 효율을 가진 우물층, 활성층이 된다. 이 때문에, 바람직하게는 0<x<1, 0<y<1로 하는 것이다. 또한, 장벽층이 AlGaN 또는 InAlGaN으로 형성됨으로써, 우물층과 장벽층 사이에 원하는 밴드갭 에너지 차를 마련하여 양자 우물 구조를 형성할 수 있고, 또한 한편으로 우물층의 구성 원소와 동일하게 하거나 작게 함으로써, 활성층내의 결정성을 양호하게 유지할 수 있다. 바람직하게는, x<u로 함으로써, 결정성이 우수한 활성층이 된다.
(3) 상기 구성에 있어서, 상기 우물층의 막두께가 장벽층의 막두께보다 작은 것이 바람직하다.
이것에 의해, 활성층내에 있어서, 캐리어의 주입이 양호하게 되어, 우수한 발광 효율의 양자 우물 구조가 된다. 특히, 활성층내에서, 가장 n형 질화물 반도체층 측에 배치된 n측 장벽층을, 우물층의 막두께 또는 다른 장벽층의 막두께, 특히 우물층에 끼워진 장벽층의 막두께보다 크게 함으로써, p형 캐리어를 활성층내에 효율적으로 가둘 수 있고, 더욱 바람직하게는 n측 장벽층의 막두께를 10㎚ 이상으로 함으로써, 우수한 홀의 가둠층으로서 기능하여, 특성이 양호한 활성층이 된다.
(4) 상기 구성에 있어서, 상기 우물층의 In 조성비(y)가 0.02 이상 0.05 이하의 범위인 것이 바람직하다.
이것에 의해, y가 0.02 이상인 것에 의해 발광 효율, 내부 양자 효율이 우수한 우물층, 활성층이 형성되고, 0.05 이하인 것에 의해, In과 Al을 함유하는 혼성결정계에서의 결정성의 악화를 억제한 활성층이 형성된다. 또한, y가 0.02∼0.05의 범위인 것에 의해 낮은 임계값 전류 밀도로 유지할 수 있다.
(5) 상기 구성에 있어서, 상기 우물층의 In 조성비(y)가 0.03 이상 0.05 이하의 범위인 것이 바람직하다.
이것에 의해, y가 0.03 이상인 것에 의해 발광 효율, 내부 양자 효율이 우수한 우물층, 활성층이 형성되고, 0.05 이하인 것에 의해, In과 Al을 함유하는 혼성결정계에서의 결정성의 악화를 억제한 활성층이 형성된다.
(6) 상기 구성에 있어서, 상기 활성층의 발광 파장이 380㎚ 이하인 것이 바람직하다.
상기 활성층 구조는 특히 파장이 380㎚ 이하인 단파장역에서 우수한 특성의 소자를 얻을 수 있다.
(7) 상기 구성에 있어서, 상기 제 1 도전형층이 제 1 광가이드층을 가지고, 제 2 도전형층이 제 2 광가이드층을 가지며, 상기 제 1 광가이드층과 제 2 광가이드층 사이에 상기 활성층을 끼우는 레이저 소자 구조를 가지고, 상기 제 1 광가이드층 및 제 2 광가이드층의 밴드갭 에너지(Eg)가 레이저광의 광자 에너지(Ep)에 비해서, 0.05eV 이상 큰 것(Eg-Ep≥0.05eV)이 바람직하다.
이것에 의해, 레이저 소자, 단면 발광 소자에 있어서, 광의 도파가 우수한 도파로를 형성할 수 있다. 더욱 바람직하게는, Eg-Ep≥0.1로 함으로써, 특히 상기 단파장역에 있어서 더욱 양호한 도파로가 형성되어, 소자 특성이 향상된다.
(8) 상기 구성에 있어서, 상기 제 1 광가이드층 및/또는 제 2 광가이드층이 AlxGa1-xN(0<x≤1)으로 이루어지는 것이 바람직하다.
이 구성에 의해, 단파장역에 있어서, 광의 손실을 억제한 도파로 구조가 가능하여, 레이저 소자, 단면 발광 소자의 특성이 향상된다.
(9) 상기 구성에 있어서, 상기 활성층의 발광 파장이 380㎚ 이하이고, 상기 제 1 도전형층 및/또는 제 2 도전형층이 AlxGa1-xN(0<x≤1)으로 이루어지는 것이 바람직하다.
예를 들면, AlGaN을 갖는 클래드층에 의해, 캐리어 가둠, 광 가둠을 양호하게 실현할 수 있고, 광가이드층을 클래드층과 활성층 사이에 갖는 경우에는 클래드층과 광가이드층 사이에서 Al 조성비를 변화시킴으로써, 양자간에 원하는 굴절률차 를 형성함으로써, 특성이 우수한 레이저 소자, 단면 발광 소자를 얻을 수 있다.
(10) 제 1 도전형층과 제 2 도전형층 사이에 활성층을 갖는 질화물 반도체 소자에 있어서, 상기 활성층이 Al을 함유하는 질화물 반도체로 이루어지는 우물층과, 이 우물층보다도 제 1 도전형층 측에 그것보다도 밴드갭 에너지가 큰 질화물 반도체로 이루어지는 제 1 장벽층을 적어도 갖는 양자 우물 구조인 동시에, 상기 제 1 도전형층에, 상기 제 1 장벽층보다도 밴드갭 에너지가 작은 제 1 질화물 반도체층을, 상기 제 1 장벽층 가까이에 설치하고 있는 질화물 반도체 소자.
종래, AlGaN계 활성층에 있어서, 그것을 끼워서, 캐리어 주입층이 되는 각 도전형층에는 우물층보다도 큰 밴드갭 에너지가 통상 필요시되지만, 이 구성에서는 활성층내의 제 1 장벽층보다도 밴드갭 에너지가 작은 제 1 질화물 반도체층을 제 1 도전형층에 설치함으로써, 결정성 좋게 활성층을 형성하고, 또한 제 1 장벽층으로 제 2 도전형층으로부터의 캐리어를 우물층내에 가두는 기능을 갖는 신규의 소자 구조를 제공하게 된다.
우물층에 대해서는 적어도 GaN과 동일하거나, 그것보다도 큰 밴드갭 에너지를 갖는 Al을 함유하는 질화물 반도체를 이용하고, 구체적으로는 상기 조성을 이용할 수 있다. 제 1 장벽층에 대해서도, 상기 조성의 질화물 반도체를 이용할 수 있다.
제 1 질화물 반도체층에 대해서는 바람직하게는 우물층보다도 밴드갭 에너지가 큰 질화물 반도체를 이용함으로써, 활성층 및 우물층으로의 양호한 캐리어 주입층으로서 기능하고, 구체적으로는 Al을 함유하는 질화물 반도체가 이용되며, 바람 직하게는 AlxGa1-xN(0≤x<1)을 이용하면 바람직한 결정성으로 활성층을 형성할 수 있다.
(11) 상기 구성에 있어서, 상기 제 1 장벽층이 활성층내에서 제 1 도전형층 측의 가장 가까이에 배치되고, 상기 제 1 질화물 반도체층이 활성층에 접하고 있는 것을 특징으로 하는 것이 바람직하다.
이 구성에 의해, 제 1 장벽층이 제 1 도전형층 측의 가까이에, 즉 활성층내의 다른 장벽층보다도 가장 제 1 도전형층의 가까이에 배치됨으로써, 상술한 바와 같이 제 1 장벽층이 제 1 도전형층 측에서 캐리어 가둠층으로서 적절히 기능하여, 우물층의 발광 효율을 높일 수 있다. 이 때, 바람직하게는 활성층내에서 가장 외측인 제 1 도전형층 측에 배치되는 것이 상기 캐리어 가둠에 있어서 바람직하게 기능할 수 있다.
(12) 상기 구성에 있어서, 상기 제 1 도전형층이 n형이고, 상기 제 2 도전형이 p형인 것이 바람직하다.
이 구성에 의해, 상기 제 1 장벽층을 홀의 가둠으로서 기능시키는 것을 특징으로 함으로써, 상기 제 1 질화물 반도체층에서는 제 1 도전형층의 전자(제 1 도전형의 캐리어) 주입으로서 기능할 수 있는 한편, 홀(제 2 도전형의 캐리어)의 가둠으로서 기능하는 것이 어렵기 때문에, 제 1 장벽층으로 홀의 가둠을 실현하는 활성층 구조가 가능하다.
(13) 상기 구성에 있어서, 상기 제 1 장벽층의 Al 혼성결정비(XB1)와 우물층 의 Al 혼성결정비(XW)가 XB1- XW≥0.05의 관계를 만족하는 것이 바람직하다.
즉, 상기 식의 관계로 Al 혼성결정비를 설정함으로써, 제 2 도전형의 캐리어(바람직하게는 홀)의 가둠으로서 제 1 장벽층을 적합하게 기능시킬 수 있다. 더욱 바람직하게는, XB1- XW≥0.1로 함으로써, 상기 캐리어 가둠에 충분히 기능하는 오프셋(전위 장벽)을 형성하는 것이 가능해진다. 이 때, Al 혼성결정비의 차(XB1- XW), 상한은 가둠 효과에 있어서 한정되는 것은 아니지만, 결정성을 고려하면, 0.5 이하로 하는 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 0.3 이하로 함으로써 결정성이 양호하고, 충분한 광 가둠으로 활성층 및 제 1 도전형층을 포함한 소자 구조를 형성할 수 있다.
(14) 상기 구성에 있어서, 상기 제 1 장벽층의 막두께가 30Å 이상인 것이 바람직하다.
이 구성에 의해, 제 1 장벽층을 캐리어 가둠이 가능한 막두께로 할 수 있고, 바람직하게는 50Å 이상으로 함으로써, 가둠 효율을 높인 구조가 가능하다. 이것은 제 1 장벽층의 막두께가 작으면, 도 14b에 나타내는 바와 같이 캐리어의 터널 현상이 발생하기 때문이며, 50Å 이상으로 함으로써, 가둠 효율을 높일 수 있다. 상한은 가둠 효과에 대해서 특별히 한정되는 것은 아니지만, 결정성을 고려하면, 300Å 이하로 하고, 더욱 바람직한 결정성을 위해서는, 200Å 이하로 하며, 150Å 이하로 하면 결정성도 양호하고 또한 상기 터널 효과를 적절하게 억제한 제 1 장벽층을 형성할 수 있다.
(15) 상기 구성에 있어서, 광가이드층에 끼워져 지지된 활성층에 의해 도파로가 형성된 질화물 반도체 발광 소자에 있어서, 제 1 도전형층내에 설치된 광가이드층이 상기 제 1 질화물 반도체층을 갖는 것이 바람직하다.
이것은 상기 제 1 질화물 반도체층을 광가이드층 또는 그 일부로서 기능시킴으로써, 광의 도파에 필요한 막두께의 가이드층을 형성하여도, Al 혼성결정비를 억제한 제 1 질화물 반도체층이 이용됨으로써, 양호한 결정성으로 활성층을 형성할 수 있다. 이러한 도파로를 갖는 발광 소자로는 레이저 소자, 단면 발광 소자, 수퍼 루미네슨스 다이오드 등을 들 수 있다.
(16) 상기 구성에 있어서, 375㎚ 이하에서 발진가능하고, AlxGa1-xN 양자 우물층(단, x≥0)을 끼우는 장벽층이 AlyInzGa1-y-zN(단, z≥0)이고, 우물층의 밴드갭(Ew)이 장벽층의 밴드갭(Eb)보다 0.2eV 이상, 더욱이 0.3eV 이상 큰 것이 더욱 바람직하다.
양자 우물층이 GaN인 경우에는 상기 밴드갭 차를 고려하여, AlyGa1-yN 조성, AlyInzGa1-y-zN 조성을 결정하는 것이 바람직하다. 양자 우물층이 AlGaN인 경우도 마찬가지로, 상기 밴드갭 차를 고려해서 AlyGa1-yN 조성, AlyInzGa
1-y-zN 조성을 결정하는 것이 바람직하다.
상기 양자 우물층만으로 활성층을 형성해도 좋지만, 양자 우물층의 양측에 상기 장벽층을 두어 단일 양자 우물층을 형성해도 된다.
다중 양자 우물층을 형성하는 경우에는 양자 우물층과 장벽층을 조합해서 활성층을 형성하지만, 최종층은 우물층으로 형성하여도 되고, 장벽층으로 형성하여도 된다. 활성층에 연결되는 층구조(갭층, 가이드층, 클래드층)와의 관계에 의해 조정할 수 있다. 다중 양자 우물의 적층수는 2 또는 3 정도로 충분하지만, 활성층의 내부 양자 효율을 저해하지 않는 범위에서 우물층수를 더욱 많게 하거나, 또는 p측에 가까운 영역의 우물층에서의 재결합률이 높은 경우가 많으므로, p측에 가까운 영역은 논도프층으로 하고, n측에 가까운 영역의 우물층에 실리콘 등을 도핑하도록 변형해도 된다.
(17) 상기 구성에 있어서, 우물층 막두께는 300Å 이하인 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 200Å 이하이다.
(18) 또한, 상기 구성에 있어서, 장벽층 막두께는 300Å 이하인 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 200Å 이하이다.
(19) 상기 구성에 있어서, 광가이드층과 클래드층을 분리해서 설치하는 SCH 구조로서, 가이드층 밴드갭(Eg)이 발진시의 광자 에너지(Ep)보다 0.05eV 큰 것이 바람직하다.
(20) 또한, 상기 구성에 있어서, 광가이드층은 AlaGa1-aN 단독으로 형성해도 되지만, AlaGa1-aN/AlbGa1-bN(a≠b) 초격자층으로 형성하는 것이 바람직하다.
(21) 또한, 상기 구성에 있어서, 클래드층은 AlcGa1-cN 단독으로 형성해도 되 지만, AlcGa1-cN/AldGa1-dN(c≠d) 초격자층으로 이루어지고, 클래드층의 밴드갭(Ec)은 가이드층의 밴드갭(Eg)보다 큰 것이 바람직하다.
(22) 상기 구성에 있어서, 양자 우물층의 바깥쪽에 굴절률을 계단형상으로 변화시킨 광가둠층을 형성하는 GRIN 구조인 경우에는, 활성층의 상하층에 논도프층을 형성하는 것이 바람직하다. 이 GRIN 구조는 상기 SCH와 병용하여, GRIN-SCH 구조로 할 수 있다.
상술한 각 구성은 단독으로 또는 적절하게 조합해서 사용할 수 있다.
이러한 구성의 실시형태의 하나로서, GaN 기판 상에 형성된 AlxGa1-xN 양자 우물층(단, x≥0)을 활성층으로 하는 375㎚ 이하에서 발진가능한 것을 특징으로 하는 AlGaN계 반도체 발광 소자이며, 다른 실시형태로는 상기 결정성, 크랙 발생의 문제를 회피한 단파장역의 발광 소자, 도파로를 갖는 레이저 소자에도 이용할 수 있는 소자 구조를 얻는 것이다.
GaN 기판은 일반적으로, 사파이어 기판 또는 탄화규소 기판보다도 그 위에 형성하는 에피층의 결함 밀도를 감소시킬 수 있다. 특히, GaN 기판의 결정 결함이 107/㎠ 이하, 104/㎠ 이하가 더욱 바람직하다. 이 때, 결졍 결함은 주로 관통 전위에 의한 것이며, 이러한 저결함 영역에 도파로 또는 전류 주입 영역을 형성한 발광 소자로 하는 것이 바람직하다. 이것 조건하에서 도파로 중에 결함이 없는 레이저 소자를 제작할 수 있게 된다.
여기에서, GaN 기판이란, ELO(epitaxicial lateral overgrowth)법으로 사파 이어 기판 등의 이종 기판 상에 GaN을 선택 성장에 의해 횡방향 성장시켜, 형성된 GaN 기판(예를 들면, GaN층상에 형성한 다수의 SiO2 스트라이프 영역과 그 영역 사이에 노출하는 GaN 영역과의 선택 성장에 의해 GaN을 횡방향 성장시켜 형성하는 GaN층으로 이루어진다), 이 기판 상에 HVPE법으로, 또는 MOCVD법과의 조합으로 GaN층을 적층하고, 기상 성장시킨 GaN 기판, 이 기판 상에 상기 ELO법으로 GaN을 기상 성장시킨 GaN 기판, NH3 초임계 유체 중에서 GaN종 결정 상에 GaN을 재결정시켜 형성한 GaN 기판 등의 GaN이 MOCVD 또는 MBE법으로 기상 성장시킬 수 있는 기판을 의미한다.
GaN 기판이 상기 ELO법을 이용해서 형성한 GaN기판으로서, 상기 기판 상에 형성한 발광 소자가 리지형 반도체 레이저인 경우에는 상기 양자 우물층으로 형성되는 도파로가 상기 SiO2 스트라이프에 평행하게 형성되어 있는 것이 바람직하다. 결정 결함은 SiO2 스트라이프에 평행하게 집적해서 발달하고, 조밀한 스트라이프 형상을 형성하므로, 결함 밀도가 조밀하지 않은 영역에 도파로를 형성함으로써 도파로 중의 결함을 없앨 수 있기 때문이다.
도 1은 본 발명의 일실시형태에 따른 레이저 소자 구조를 설명하는 개략단면도이다.
도 2a는 본 발명의 일실시형태에 따른 소자의 적층 구조를 설명하는 개략단면도이고, 도 2b는 각 층의 Al 조성비를 설명하는 개략도이다.
도 3a는 본 발명의 일실형태에 따른 소자의 적층 구조를 설명하는 개략단면도이고, 도 3b는 이 적층 구조의 에너지 밴드를 설명하는 개략도이다.
도 4는 본 발명의 일실형태에 따른 에너지 밴드를 설명하는 개략도이다.
도 5는 본 발명의 일실시형태에 따른 에너지 밴드를 설명하는 개략도이다.
도 6a는 본 발명의 일실시형태에 따른 에너지 밴드를 설명하는 개략도이고, 도 6b∼도 6d는 각 도전형 불순물(도펀트)의 도프량 변화를 설명하는 개략도이다.
도 7은 본 발명의 일실시형태에 따른 활성층의 적층 구조를 설명하는 개략단면도이다.
도 8은 본 발명의 일실시형태에 따른 소자 구조를 설명하는 개략단면도이다.
도 9a는 본 발명에 따른 활성층의 In 조성비와 발광 효율의 관계를 설명하는 개략도이고, 도 9b는 In 조성비와 임계값 전류 밀도의 관계를 설명하는 개략도이다.
도 10은 본 발명에 따른 활성층에 있어서, 펄스 발진하에서의 임계값 전류 밀도와 파장에 대한 Al 혼성결정비의 의존성을 설명하는 개략도이다.
도 11은 본 발명에 따른 활성층에 있어서, 펄스 발진하에서의 임계값 전류 밀도와 파장에 대한 In 혼성결정비의 의존성을 설명하는 개략도이다.
도 12a는 본 발명의 일실시형태에 따른 소자의 적층 구조를 설명하는 개략단면도이고, 도 12b는 이 적층 구조에 대응하여 바이어스 상태의 밴드 구조를 설명하는 개략도이다.
도 13a 및 도 13b는 종래기술에 있어서의 레이저 소자의 바이어스 상태의 밴 드 구조를 설명하는 개략도이다.
도 14a 및 도 14b는 본 발명의 일실시형태에 따른 소자에서의 바이어스 상태의 밴드 구조를 설명하는 개략도이다.
도 15a는 본 발명의 일실시형태에 따른 발광 소자의 적층 구조를 설명하는 개략단면도이고, 도 15b는 각 층의 Al 조성비를 설명하는 개략도이다.
도 16은 종래기술에서의 레이저 소자의 적층 구조에 대응한 각 층의 Al 조성비를 설명하는 개략도이다.
본 발명의 질화물 반도체 소자에 이용하는 질화물 반도체로는 GaN, AlN 또는 InN, 또는 이들의 혼성결정인 Ⅲ-Ⅴ족 질화물 반도체(InαAlβGa1-α-βN, 0≤α, 0≤β, α+β≤1)가 있고, 이에 더하여 Ⅲ족 원소로서 B를 사용하거나, Ⅴ족 원소로서 N의 일부를 P, As로 치환한 혼성결정이어도 된다. 또한, Al을 함유하는 질화물 반도체는 β>0이고, In을 함유하는 질화물 반도체는 α>0이다.
또한, 질화물 반도체층에 사용하는 n형 불순물로는 Si, Ge, Sn, S, O, Ti, Zr 등의 Ⅳ족 또는 Ⅵ족 원소를 사용할 수 있고, 바람직하게는 Si, Ge, Sn을, 더욱 바람직하게는 Si를 사용한다. 또한, p형 불순물로는 특별히 한정되지 않지만, Be, Zn, Mn, Cr, Mg, Ca 등을 들 수 있고, 바람직하게는 Mg가 사용된다. 이것에 의해, 각 도전형 질화물 반도체층을 형성하여, 후술하는 각 도전형층을 구성한다.
[실시형태 1A(양자 우물 구조)]
본 발명의 질화물 반도체 소자는 적어도 제 1 도전형층과 제 2 도전형층 사이에 활성층을 갖는 구조이며, 이하, 본 발명의 질화물 반도체 소자에 대해서 상세하게 설명한다.
(활성층)
본 발명에 있어서의 활성층으로는 양자 우물 구조를 갖는 것으로, 적어도 In과 Al을 함유하는 질화물 반도체로 이루어지는 우물층을 갖고, Al을 함유하는 질화물 반도체로 이루어지는 장벽층을 갖는다. 또한, 특히 활성층에서의 파장이 380㎚ 이하인 발광을 갖는 단파장에 바람직하게 이용되며, 구체적으로는 상기 우물층의 밴드갭 에너지가 파장 380㎚ 이하인 것이다. 이 때, 활성층에 이용되는 질화물 반도체는 논도프 혹은 언도프, 또는 n형 불순물 도프, p형 불순물 도프 중의 어느 것이라도 되지만, 바람직하게는 언도프 또는 n형 불순물 도프의 질화물 반도체를 활성층내에 형성함으로써, 레이저 소자, 발광 소자 등의 질화물 반도체 소자에 있어서, 고출력화를 꾀할 수 있다. 바람직하게는, 우물층을 언도프로 하고, 장벽층을 n형 불순물 도프로 함으로써, 레이저 소자, 발광 소자가 고출력이고 발광 효율이 높은 소자가 된다. 여기에서, 양자 우물 구조로는 다중 양자 우물 구조, 단일 양자 우물 구조 중 어느 쪽이라도 된다. 바람직하게는, 다중 양자 우물 구조로 함으로써, 출력 향상, 발진 임계값의 저하 등을 도모할 수 있게 된다. 활성층의 양자 우물 구조로는 상기 우물층, 장벽층을 적어도 1층씩 적층한 것을 이용할 수 있다. 이 때, 양자 우물 구조인 경우에, 우물층의 수는 1 이상 4 이하로 함으로써, 예를 들면 레이저 소자, 발광 소자에 있어서는 임계값 전류를 낮출 수 있게 되어 바람직 하고, 더욱 바람직하게는 우물층수를 2 또는 3으로 한 다중 양자 우물 구조로 함으로써, 고출력의 레이저 소자, 발광 소자를 얻을 수 있다.
(우물층)
본 발명에 있어서의 우물층으로는 In과 Al을 함유하는 질화물 반도체를 이용하는 것이 바람직하고, In과 Al을 함유하는 질화물 반도체로 이루어지는 우물층을 활성층내에 적어도 1층 갖는 것이며, 다중 양자 우물 구조에 있어서 바람직하게는 모든 우물층을 In과 Al을 함유하는 질화물 반도체로 이루어지는 우물층으로 함으로써, 단파장화되어, 고출력, 고효율의 발광 소자, 레이저 소자를 얻을 수 있다. 발광 스펙트럼이 거의 단일 피크인 경우에는 이 구성이 바람직하지만, 한편으로 다수의 피크를 갖는 다색 발광 소자에 있어서는 상기 In과 Al을 함유하는 질화물 반도체로 이루어지는 우물층을 적어도 1층 가짐으로써, 단파장역의 발광 피크를 얻을 수 있고, 다양한 발광색의 발광 소자 또는 그 단파장역에서 여기되는 형광체와 조합한 발광 장치로 얻을 수 있다. 이 때, 다색 발광 소자로 하는 경우에, 우물층의 구체적인 조성으로는 InαGa1-αN(0<α≤1)을 이용함으로써, 자외역에서부터 가시광역까지의 양호한 발광ㆍ발진을 가능하게 하는 우물층이 된다. 이 때, In 혼성결정비에 의해 발광 파장을 결정할 수 있다.
본 발명의 In과 Al을 함유하는 질화물 반도체로 이루어지는 우물층은, 종래의 InGaN의 우물층에서는 어려운 파장역, 구체적으로는 GaN의 밴드갭 에너지인 파장 365㎚ 부근, 또는 그것보다 짧은 파장을 얻는 것이고, 특히 파장 380㎚ 이하의 발광ㆍ발진이 가능한 밴드갭 에너지를 갖는 우물층이다. 이것은 종래의 InGaN의 우물층에서는, GaN의 밴드갭 에너지의 파장 365㎚ 부근, 예를 들면 370㎚에서는 In 조성비를 1% 이하 정도로 조정할 필요가 있고, 이와 같이 In 조성비가 극단적으로 작아지면, 발광 효율이 저하하여, 충분한 출력의 발광 소자, 레이저 소자를 얻기 어렵고, 또한 In 조성비가 1% 이하에서는 그 성장을 제어하는 것도 어렵다. 본 발명에서는 In과 Al을 함유하는 질화물 반도체로 이루어지는 우물층을 사용함으로써, 종래 효율적인 발광이 어려웠던 380㎚의 파장역에 있어서, Al 조성비(x)를 크게 함으로써 밴드갭 에너지를 크게 하고, 한편으로 In을 함유함으로써, 양호한 내부 양자 효율, 발광 효율의 발광 소자, 레이저 소자에 이용할 수 있다.
여기에서, 우물층에 이용되는 In과 Al을 함유하는 질화물 반도체의 구체적인 조성으로는 AlxInyGa1-x-yN(0<x≤1, 0<y≤1, x+y<1)으로 나타내는 조성이 있다. 이것은 질화물 반도체의 성장에 이용되고 있는 MOCVD 등의 기상 성장법으로, 구성 원소가 많아지면 구성 요소간 반응이 발생하기 쉬워지고, 이 때문에 상술한 바와 같이 B, P, As, Sb 등을 이용하여, 5원 혼성결정 이상의 다원화도 가능하지만, 바람직하게는 AlInGaN의 4원 혼성결정으로 함으로써, 이 원소끼리의 반응을 방지하여, 양호한 결정성으로 성장시킬 수 있다. 여기에서, In 조성비(y)는 0.02 이상으로 함으로써, 상술한 바와 같이 0.02 미만인 경우에 비해, 양호한 발광 효율, 내부 양자 효율이 실현되며, 또한 y≥0.03으로 함으로써, 더욱 더 그 효율이 향상하므로, 파장 380㎚ 이하의 우물층에 있어서 우수한 특성의 발광 소자, 레이저 소자를 얻을 수 있어 바람직하다. 또한, In 조성비(y)의 상한으로는 특별히 한정되지 않지만, y≤0.1로 함으로써, In을 함유하는 것에 의한 결정성의 악화를 억제하고, 더욱 바람직하게는 y≤0.05로 함으로써, 결정성을 악화시키지 않고 우물층을 형성할 수 있어, 다중 양자 우물 구조와 같이 다수의 우물층을 형성하는 경우에, 각 우물층의 결정성을 양호하게 할 수 있다. 따라서, In 조성비(y)의 범위는 바람직하게는 0.02 이상 0.1 이하이고, 더욱 바람직하게는 0.03 이상 0.05 이하이며, 또한 상기 InAlGaN의 4원 혼성결정에서 적용하는 것이 바람직하다. 여기에서, Al 조성비(x)는 특별히 한정되지 않고, Al 조성비를 변화시킴으로써, 원하는 밴드갭 에너지, 파장을 얻는 것이다.
본 발명의 AlxInyGa1-x-yN(0<x≤1, 0<y≤1, x+y<1)로 이루어지는 우물층에 있어서, 질화물 반도체의 In 조성비(y)는 도 9a, 도 9b에 나타내는 바와 같이, 0에서 0.1의 범위에 있어서 각 특성이 크게 변화한다. 발광 효율에 있어서, 도 9a에 나타내는 바와 같이, In 조성비(y)가 0.02 부근부터 대폭으로 상승하고, 0.05 부근부터 완만한 하강 곡선을 나타낸다. 한편, 임계값 전류 밀도(Jth)에서는 도 9b에 나타내는 바와 같이, 0.02 부근부터 완만한 하강 곡선을 나타내고, 0.03∼0.05의 범위부터 극소값을 취하며, 0.05를 초과하는 영역에서는 급격한 상승 곡선을 나타낸다. 여기에서, 도 9a, 도 9b는 AlxInyGa1-x-yN(0<x≤1, 0<y≤1, x+y<1)의 우물층과 AluInvGa1-u-vN(0<u≤1, 0<v≤1, u+v<1)의 장벽층에 있어서, 각 특성의 경향을 정성적(定性的)으로 나타내는 것으로, y축은 임의의 단위이다.
본 발명에 있어서, 바람직하게는 Al과 In을 함유하는 질화물 반도체의 우물층으로, 파장 380㎚ 이하가 되는 밴드갭 에너지를 형성하는 것이고, 이 때문에 Al 조성비(x)를 0.02 이상으로 한다. 또한, GaN의 밴드갭 에너지인 파장 365㎚ 이하의 영역에서는 x를 0.05 이상으로 함으로써, 단파장에서 양호한 발광ㆍ발진이 가능하게 된다.
또한, 우물층의 막두께 및 우물층의 수로는, 막두께 및 우물층의 수를 임의로 정하는 것이 가능하다. 구체적인 막두께는 1㎚ 이상 30㎚ 이하의 범위이며, 막두께 1㎚ 미만에서 우물층으로서 양호하게 기능시키기 어려운 경향이 있고, 30nm를 초과하는 막두께에서는 In과 Al을 함유하는 질화물 반도체의 성장을 결정성 좋게 하는 것이 어려워져, 소자 특성이 저하한다. 바람직하게는 2㎚ 이상 20㎚ 이하의 범위로 함으로써, Vf, 임계값 전류 밀도를 저감시킬 수 있다. 또한, 결정 성장의 관점에서는 2㎚ 이상이면, 막두께에 큰 불균일이 없고 비교적 균일한 막질의 층이 얻어지며, 20㎚ 이하로 함으로써 결정 결함의 발생을 낮게 억제하여 결정 성장이 가능해진다. 더욱 바람직하게는, 우물층의 막두께를 3.5㎚ 이상으로 함으로써, 고출력의 레이저 소자, 발광 소자가 얻어지는 경향이 있고, 이것은 우물층의 막두께를 크게 함으로써, 대전류로 구동시키는 레이저 소자와 같이, 다량의 캐리어 주입에 대하여, 높은 발광 효율, 내부 양자 효율로 발광 재결합이 이루어지는 것에 따른 것이라고 생각되며, 특히 다중 양자 우물 구조에 있어서 효과가 있다고 여겨진다. 단일 양자 우물 구조에서는 막두께를 5㎚ 이상으로 함으로써, 상기와 동일한 효과가 얻어진다. 활성층내의 우물층수는 특별히 한정되지 않고, 1 이상이며, 이 때, 우물층의 수가 4 이상인 경우에는, 활성층을 구성하는 각 층의 막두께가 두꺼워지면, 활성층 전체의 막두께가 두꺼워져, Vf의 상승을 초래하게 되므로, 우물층의 막두께를 10㎚ 이하의 범위로 하여, 활성층의 막두께를 낮게 억제하는 것이 바람직하다. 다중 양자 우물 구조에 있어서는, 다수의 우물층 중, 상기 범위안의 막두께를 가지는 우물층을 적어도 1개 형성하고, 바람직하게는 모든 우물층을 상기 범위내로 한다. 또한, 각 우물층의 막두께가 서로 다르게 되어 있어도 좋고, 거의 동일해도 된다.
본 발명의 우물층에는 p형 불순물 또는 n형 불순물이 도프되어 있어도 되고, 언도프이어도 된다. 우물층에 도프하는 불순물로는 바람직하게는 n형 불순물로 사용함으로써, 발광 효율의 향상에 기여하게 된다. 그러나, 우물층은 In과 Al을 함유하는 질화물 반도체가 이용되어, 불순물 농도가 커지면 결정성이 악화되는 경향이 있기 때문에, 불순물 농도를 낮게 억제하여 결정성이 양호한 우물층으로 하는 것이 바람직하다. 구체적으로는, 결정성을 최대한 양호하게 하기 위해 우물층을 언도프로 성장시키는 것으로, 이 때, 불순물 농도는 5×1016/㎤ 이하로 실질적으로 불순물을 함유하지 않는 우물층으로 하는 것이다. 또한, 우물층에 예를 들면 n형 불순물을 도프하는 경우에는 n형 불순물 농도가 1×1018/㎤ 이하 5×1016/㎤ 이상의 범위에서 도프되어 있으면, 결정성 악화를 낮게 억제하고, 또한 캐리어 농도를 높일 수 있어, 임계값 전류 밀도, Vf를 저하시킬 수 있다. 이 때, 우물층의 n형 불순물 농도로는 장벽층의 n형 불순물 농도와 거의 동일하거나, 또는 작게 함으로써, 우물층에서의 발광 재결합을 촉진하여, 발광 출력이 향상하는 경향이 있기 때문에 바람직하다. 이 때, 우물층, 장벽층을 언도프로 성장시켜 활성층의 일부를 구성해도 된다. 또한, 우물층이 활성층내에 다수 형성되는 다중 양자 우물 구조에 있어서는 각 우물층의 불순물 농도를 거의 같게 해도 되고, 다르게 해도 된다.
특히, 대전류로 소자를 구동시킨 경우(고출력의 LD, 하이파워 LED, 수퍼 포토루미네슨스 다이오드 등)에서는 우물층이 언도프로, 실질적으로 n형 불순물을 함유하지 않으므로써, 우물층에서의 캐리어의 재결합이 촉진되어, 높은 효율에서의 발광 재결합이 실현되며, 반대로 n형 불순물이 우물층에 도프되면, 우물층에서의 캐리어 농도가 높기 때문에, 오히려 발광 재결합의 확률이 감소하고, 일정 출력하에서 구동 전류, 구동 전류의 상승을 초래하는 악순환이 발생하여, 소자의 신뢰성(소자 수명)이 저하하는 경향이 있다. 이 때문에, 이러한 고출력의 소자에서는 우물층의 n형 불순물 농도를 적어도 1×1018/㎤ 이하로 하는 것이며, 바람직하게는 언도프 또는 실질적으로 n형 불순물을 함유하지 않는 농도로 함으로써, 고출력으로 안정한 구동이 가능한 질화물 반도체 소자를 얻을 수 있다. 또한, 우물층에 n형 불순물을 도프한 레이저 소자에서는, 레이저광의 피크 파장의 스펙트럼 폭이 넓어지는 경향이 있기 때문에, 1×1018/㎤, 바람직하게는 1×1017/㎤ 이하로 하는 것이다.
(장벽층)
본 발명에 있어서, 장벽층의 조성으로는 Al을 함유하는 질화물 반도체로 이 루어지는 장벽층을 이용하는 것이다. 여기에서, 본 발명의 활성층에 있어서, 활성층내의 적어도 1개의 장벽층이 Al을 함유하는 질화물 반도체로 이루어지는 것을 필요로 하는 것으로, 활성층내의 모든 장벽층이 Al을 함유하는 질반도체로 이루어져도 되고, Al을 함유하지 않는 질화물 반도체로 이루어지는 장벽층을 활성층내에 설치해도 된다. 장벽층은 우물층보다도 밴드갭 에너지가 큰 질화물 반도체로 할 필요가 있고, 우물층의 발광 파장이 380㎚ 이하인 영역에서는 그것에 대응하는 장벽층에는 Al을 함유하는 질화물 반도체를 이용하는 것이 바람직하다.
Al을 함유하는 질화물 반도체의 장벽층으로서, 바람직하게는 AluInvGa1-u-vN(0<u≤1, 0≤v≤1, u+v<1)으로 나타내는 질화물 반도체를 이용한다. 구체적으로는, Al을 함유하는 질화물 반도체의 장벽층은 상기 조성식으로 나타내는 AlInGaN의 4원 혼성결정, AlGaN의 3원 혼성결정을 이용할 수 있다. 또한, 장벽층의 Al 조성비(u)는 Al과 In을 함유하는 질화물 반도체의 우물층의 Al 조성비(x)보다도 크고, u>x로서, 우물층과 장벽층 사이에 충분한 밴드갭 에너지 차를 형성함으로써, 레이저 소자, 발광 소자로서 양호한 발광 효율을 갖는 양자 우물 구조가 형성된다.
또한, 장벽층이 In을 함유하는 경우(v>0), In 조성비(v)는 바람직하게는 0.1 이하로 함으로써, 결정성 악화를 억제하고, 더욱 바람직하게는 0.05 이하의 범위를 적용할 수 있다. 이것은 In 조성비(v)가 0.1을 초과하는 경우에는, 성장시에 Al과 In의 반응이 촉진되고, 결정성이 악화되어 양호한 막이 형성되지 않기 때문이며, 또한 v≤0.05로 함으로써, 더욱 더 양호한 결정성으로 장벽층을 형성할 수 있다.
또한, 상술한 바와 같이, 장벽층의 In 조성비는 우물층에 비해서 넓은 조성비를 적용할 수 있고, 주로 Al 조성비에 의해 밴드갭 에너지 차를 형성하기 때문에, v≥y로 하는 것도 가능하고, 이러한 In 조성비로 함으로써, 우물층, 장벽층의 임계 막두께를 변화시킬 수 있고, 양자 우물 구조에 있어서 비교적 자유롭게 막두께를 설정할 수 있어, 원하는 특성의 활성층을 설계할 수 있다.
또한, 양자 우물 구조의 활성층에 있어서, 장벽층은 우물층과 교대로 형성해도 되고, 1개의 우물층에 대해서 다수의 장벽층을 설치해도 된다. 구체적으로는, 우물층에 끼워진 장벽층을 2층 이상으로 하는 것으로, 다층막의 장벽층과 우물층을 교대로 적층한 구조를 형성할 수도 있다.
또한, 장벽층에는 상술한 우물층과 마찬가지로, p형 불순물, n형 불순물이 도프되어 있어도, 논도프이어도 되지만, 바람직하게는 n형 불순물이 도프되어 있거나 논도프 또는 언도프로로 되어 있는 것이 좋다. 이 때, 장벽층 중에 예를 들면 n형 불순물을 도프하는 경우에는 그 농도로서, 적어도 5×1016/㎤ 이상 도프되어 있는 것이 좋다. 구체적으로는, 예를 들면 LED인 경우에는 5×1016/㎤ 이상 2×1018/㎤ 이하의 범위에서 n형 불순물을 갖으며, 또한 보다 고출력의 LED 및 고출력의 LD에서는 5×1017/㎤ 이상 1×1020/㎤ 이하의 범위, 바람직하게는 1×1018/㎤ 이상 5×1019/㎤ 이하의 범위로 도프되어 있는 것이 바람직하고, 이와 같이 고농도로 장벽층에 도프하는 경우에는 우물층이 n형 불순물을 실질적으로 함유하지 않거나 언 도프로 성장시키는 것이 바람직하다.
또한, 장벽층에 n형 불순물을 도프하는 경우에는 활성층내의 모든 장벽층에 도프해도 되고, 일부를 도프, 일부를 언도프로 하는 구성이어도 된다. 일부의 장벽층에 n형 불순물을 도프하는 경우에는 활성층내에서 n형층 측에 배치된 장벽층에 도프하는 것이 바람직하고, 구체적으로는 n형층 측에서부터 세어 n번째의 장벽층 Bn(n=1, 2, 3…)에 도프함으로써, 전자가 효율적으로 활성층내에 주입되어, 발광 효율, 내부 양자 효율이 뛰어난 소자가 된다. 이것은 장벽층에 한정되지 않고, 우물층에 대해서도 마찬가지이며, 또한 양쪽에 도프하는 경우에는 n형층에서부터 세어 n번째의 장벽층 Bn(n=1, 2, 3…), m번째의 우물층 Wm(m=1, 2, 3…)에 도프하는 것, 즉 n형측에 가까운 측부터 도프함으로써, 상기 효과가 얻어지는 경향이 있다.
또한, 후술하는 실시예에 나타내는 바와 같이, Mg 도프의 p측 전자 가둠층을 형성하는 경우, 특히 활성층 및/또는 장벽층에 접해서 형성하는 경우에는 Mg가 확산하기 때문에, 활성층내에서 가장 p형층 측에 배치된 p측 장벽층에 n형 불순물을 도프하면, 코도프(codope)가 되어 활성층의 기능이 악화되는 경향이 있다. 이 때문에, Mg 도프의 p측 전자 가둠층을 형성하는 경우, 바람직하게는 이 p측 장벽층은 n형 불순물을 실질적으로 함유하지 않음으로써, 이것을 회피할 수 있고, 구체적으로는 5×1016/㎤ 미만이 되도록 한다.
장벽층의 막두께는 특별히 한정되지 않지만, 50㎚ 이하로 하여 양자 우물 구조를 구성하며, 바람직하게는 우물층과 마찬가지로 1㎚ 이상 30㎚ 이하의 범위로 하고, 이것은 30㎚ 이하로 함으로써 결정성 악화를 억제하고, 1㎚ 이상으로 함으로써 장벽층으로서 양호하게 기능할 수 있는 막두께가 되기 때문이다. 더욱 바람직하게는, 2㎚ 이상 20㎚ 이하로 하는 것으로, 이것에 의해 2㎚ 이상으로 함으로써 비교적 균일한 막이 형성되고, 더욱 양호하게 장벽층의 기능이 구비되며, 20nm 이하로 함으로써 결정성이 양호하게 된다.
본 발명의 양자 우물 구조의 활성층에 있어서, 바람직한 실시형태로는 상기 4원 혼성결정의 AlxInyGa1-x-yN(0<x<1, 0<y<1, x+y<1)로 이루어지는 우물층과, 4원 혼성결정의 AluInvGa1-u-vN(0<u<1, 0<v<1, u+v<1) 또는 3원 혼성결정의 AluGa1-uN(0<u<1)로 이루어지는 장벽층을 1쌍 이상 갖는 것이다. 구체적으로는, 도 7의 활성층(12)으로서 나타내는 바와 같이, InAlGaN의 우물층(1)을 1층 이상, InAlGaN 또는 AlGaN의 장벽층(2)을 1층 이상 갖는 것으로, 이것에 의해 In을 함유하는 질화물 반도체의 우물층에 의해, 내부 양자 효율, 발광 효율이 우수한 우물층이 되고, 또한 Al을 함유하는 질화물 반도체에 의해 그 Al 조성비를 조정함으로써, 도 10에 나타내는 바와 같이, 380㎚ 이하의 단파장역에서의 발광이 가능한 우물층이 가능하다. 또한, 그 우물층(1)보다 큰 밴드갭 에너지의 장벽층(2)을 InAlGaN 또는 AlGaN으로 함으로써, 상기 단파장역에 있어서도 우수한 장벽층을 제공할 수 있다.
도 11로부터 알 수 있는 바와 같이, 파장 370㎚ 이상의 영역에 있어서, 우물층의 In 혼성결정비(y)를 Al 혼성결정비(x) 이상으로 크게 해도(y≥x), 임계값 전류 밀도가 크게 변화하지 않고, 양호한 발진 특성을 갖는 레이저 소자가 얻어지며, 즉 Al 혼성결정비(x)가 0<x≤0.1인 범위에 있어서 y≥x로 함으로써, 양호한 발광 소자, 레이저 소자가 얻어진다. 한편, 도 10에 나타내는 바와 같이, 우물층의 Al 혼성결정비(x)를 In 혼성결정비(y) 이상으로 크게 함으로써(x≥y), 발광 파장(발진 파장)을 380㎚ 이하의 범위로 단파장의 발광이 얻어지고, 즉 우물층의 In 혼성결정비(y)가 0<y≤0.1인 범위에 있어서 Al 혼성결정비(x)를 y에 비해서 크게 함으로써(x≥y), 단파장의 발광이 얻어진다. 이들 우물층에서의 Al 혼성결정비와 In 혼성결정비의 관계에 있어서, 상기 4원 혼성결정 InAlGaN의 우물층에서, Ga의 혼성결정비(z)(z=1-x-y)는 In 혼성결정비(y), Al 혼성결정비(x)보다도 크게 하는 것, z>x, z>y인 것에 의해, 상기 경향을 나타내는 우물층, 활성층이 얻어진다. 바람직하게는, 0<x≤0.1, 0<y≤0.1에 있어서 z>x, z>y가 되도록, 4원 혼성결정의 InAlGaN을 이용하는 것이다.
[실시형태 1B(레이저 소자, 도파로 구조)]
본 발명의 또 하나의 실시형태 1B는 질화물 반도체 소자 구조로서, 실시형태 1A의 활성층을 제 1 도전형층, 제 2 도전형층에 끼워 넣는 구조를 갖는 레이저 소자이다. 구체적으로는, 도 2a에 나타내는 바와 같이, 기판 상에 제 1 도전형층(11), 활성층(12), 제 2 도전형층(13)이 적층된 구조를 갖고, 나아가서는 제 1 도전형층(11) 내에 제 1 광가이드층(26), 제 2 도전형층(13) 내에 제 2 광가이드층(29)이 적어도 설치되며, 이들 제 1, 제 2 광가이드층(26, 29)으로 활성층을 끼워 넣는 구조를 갖고, 제 1, 제 2 광가이드층과 그 사이의 활성층에 의해 도파로를 형성한다. 또한, 후술하는 바와 같이, 제 1 도전형층이 하부 클래드층(25), 제 2 도전형층이 상부 클래드층(30)을 각각 갖는 경우에는 이 상부, 하부 클래드층(25, 30)에 끼워 넣어져서, 활성층을 포함하는 영역이 도파로가 된다. 상부 클래드층(25), 하부 클래드층(30)에 끼워진 도파로 내에 광가이드층을 설치하면, 임계값 전류 밀도를 저감시켜, 고출력의 레이저 소자가 얻어진다. 이하에, 도파로에 광가이드층을 갖는 소자 구조에 대해서 설명한다.
본 발명의 실시형태 1B에 있어서, 도 2a에 나타내는 바와 같이, 도파로로서 활성층(12)과 제 1 도전형층(11)내의 제 1 광가이드층(29), 제 2 도전형층 내의 제 2 광가이드층(26)이 설치된 구조를 갖고, 특히 상술한 파장 380㎚ 이하의 활성층을 이용한 도파로가 설치된 구조를 특징으로 하는 소자이다.
이 도파로는 주로 활성층으로부터의 광을 도파시키는 것으로서, 이 도파로 구조에 의해 레이저 소자, 단면 발광 소자에 있어서 발광 효율, 임계 전류 밀도, 그 밖의 소자 특성이 다양하게 변화한다. 광가이드층은 이와 같이 활성층을 끼워 형성되지만, 제 1 도전형층, 제 2 도전형층 중 적어도 한쪽에만 광가이드층을 형성하는 것, 즉 제 1 광가이드층 또는 제 2 광가이드층만이어도 되지만, 바람직하게는 활성층의 양측에 광가이드층을 설치함으로써, 임계값 전류 밀도가 저하하여, 고출력의 레이저 소자를 얻을 수 있다.
본 발명의 제 1 광가이드층(26), 제 2 광가이드층(29)으로는 Al을 함유하는 질화물 반도체가 이용되고, 또한 도 3b∼도 6의 밴드 구조(41)로서 나타내는 바와 같이, 적어도 양자 우물 구조의 활성층(27) 내의 우물층(1)보다도 큰 밴드갭 에너지로 하고, 또한 활성층(27)과 광가이드층(26, 29)의 굴절률 차를 작게 하여, 도파 로 구조로 한다. 또한, 광가이드층은 도 6에 나타내는 바와 같이 장벽층보다도 밴드갭 에너지를 작게 해도 되고, 도 3b∼도 5에 나타내는 바와 같이 크게 해도 된다. 광가이드층의 조성으로서 구체적으로는 InαAlβGa1-α-βN(0≤α, 0<β, α+β≤1)이 이용된다. 바람직하게는, In을 함유하지 않는 질화물 반도체로 하는 것, 즉 In 조성비가 0인 질화물 반도체로 함으로써, In을 함유하는 것에 의한 광 흡수를 방지하여, 광 손실을 낮게 억제한 도파로로 할 수 있다. 또한, 바람직하게는 AlβGa1-βN(0≤β≤1)을 이용함으로써, 자외역에서 적색역까지의 폭넓은 파장역에 적용할 수 있는 도파로가 된다. 특히 상기 파장 380㎚ 이하의 단파장역의 광을 도파시키기 위해서는 바람직하게는 AlβGa1-βN(0<β≤1)이 이용된다. 이것은 GaN에서는 상기 단파장역의 광을 흡수하고, 그것이 손실이 되어, 임계값 전류 밀도, 전류-광출력 특성을 악화시키기 때문이다. 특히, 광가이드층의 Al 조성비(β)는 광가이드층의 밴드갭 에너지(Eg), 활성층 발광의 광자 에너지(Ep)에 비해서, 0.05eV 이상 커지도록(Eg-Ep≥0.05eV) 조정하는 것이 바람직하다. 이에 의해, 상기 단파장역에 있어서 가이드층에 의한 광의 손실이 억제된 도파로가 되기 때문이며, 더욱 바람직하게는 Eg-Ep≥0.1로 함으로써, 더욱 더 우수한 도파로를 형성할 수 있다.
여기에서, 도 3a, 도 3b는 본 발명의 질화물 반도체 소자에 있어서, 소자의 적층 구조(40)와, 그것에 대응한 밴드 구조(41)를 나타내는 것이며, 적층 구조(40)는 우물층(1)과 장벽층(2)을 갖는 양자 우물 구조의 활성층(27)을, 제 1 도전형층(11)과 제 2 도전형층(13)에 끼워 넣는 구조를 나타내는 것이다. 도 4∼도 6은 도 3b와 동일하게 밴드 구조(41)를 나타내는 것이다.
또한, 제 1 광가이드층(26), 제 2 광가이드층(29)은 어느 한쪽 또는 양쪽이 단일막으로 형성되어 있어도 되고, 다층막으로 형성되어 있어도 된다. 단일막의 질화물 반도체로 이루어지는 광가이드층을 형성하는 경우에는 도 3a에 나타내는 바와 같이, 활성층(27)을 끼우는 제 1 광가이드층(26), 제 2 광가이드층(29)의 적층 구조(40)가 형성되고, 그 밴드 구조(41)는 활성층보다도 밴드갭 에너지가 커지도록 한다. 구체적으로는, 상기 AlβGa1-βN(0≤β≤1)을 이용하는 것으로, 상기 단파장역에 있어서는 AlβGa1-βN(0<β≤1)을 이용하며, 더욱 바람직하게는 상술한 바와 같이 제 1 광가이드층 및 제 2 광가이드층의 밴드갭 에너지E(g)가 광자 에너지(Ep)에 비해서 0.05eV 이상 커질도록(Eg-Ep≥0.05eV, 바람직하게는 Eg-Ep≥0.1), Al 조성비(β)를 조절한다.
제 1 광가이드층, 제 2 광가이드층의 막두께는 특별히 한정되지 않고, 구체적으로는 10㎚ 이상 5㎛ 이하의 범위이며, 바람직하게는 20㎚ 이상 1㎛ 이하의 범위이고, 더욱 바람직하게는 50㎚ 이상 300㎚ 이하의 범위로 한다. 이것에 의해, 10㎚ 이상에서 가이드층으로서 기능하고, 20㎚ 이상으로 함으로써 임계값 전류 밀도를 저하시키는 도파로가 형성되는 경향이 있으며, 50㎚ 이상으로 함으로써 더욱 더 임계값 전류 밀도를 저하시키는 경향이 있기 때문이다. 또한, 5㎛ 이하에서는 가이드층으로서 기능하고, 1㎛ 이하에서 광이 도파할 때의 손실을 감소시키며, 300 ㎚ 이하로 함으로써 광 손실을 더욱 더 억제할 수 있는 경향이 있기 때문이다.
본 발명의 광가이드층을 다층막의 질화물 반도체로 구성해도 되고, 그 경우도 상기와 마찬가지로, In을 함유하지 않는 질화물 반도체를 이용하는 것이 바람직하며, 또한 상기 AlβGa1-βN(0≤β≤1)을 이용하는 것이 바람직하고, 상기 단파장역에 있어서는 AlβGa1-βN(0<β≤1)을 이용하는 것이 바람직하고, 이 질화물 반도체를 이용해서 적어도 서로 조성이 다른 질화물 반도체층을 각각의 광가이드층에 1층 이상 이용한 다층막으로 한다. 구체적으로는, 제 1 광가이드층(26)에 제 1 층, 제 1 층과 다른 조성의 제 2 층, 제 2 광가이드층(29)에 제 3 층, 제 3 층과 다른 조성의 제 4 층을 이용한다. 여기에서, 제 1∼제 4 층은 질화물 반도체로 이루어진다. 이것에 의해, 각 가이드층내의 제 1 층과 제 2 층 사이, 제 3 층과 제 4 층 사이에 있어서, Al 조성비를 서로 다르게 해서, 밴드갭 에너지, 굴절률이 다른 다층막 구조로 해도 된다.
예를 들면, 제 1 도전형층, 활성층, 제 2 도전형층이 적층된 구조에서, 제 1 광가이드층이 제 1 층과 제 2 층을 갖고, 제 2 광가이드층이 제 3 층과 제 4 층을 갖으며, 제 2 층과 제 3 층을 활성층 측에 배치하고, 제 1 층과 제 4 층을 활성층에서 먼 위치에 배치한 구조로하여, 활성층에 근접함에 따라서 밴드갭 에너지가 단계적으로 작아지는 구조로 한다.
구체적으로는, 활성층 측의 제 2 층, 제 3 층의 Al 조성비(β2, β2)를 활성층에서 먼 제 1 층, 제 4 층의 Al 조성비(β1, β4)보다도 작게 하는 것, β1>β2, β4>β3으로 함으로써, 단계적인 밴드 구조가 되며, 도파로내의 활성층에 캐리어가 효율적으로 주입되고, 또한 활성층 및 활성층 부근이 굴절률이 커지기 때문에, 도파로내에서 활성층 부근에 광이 많이 분포한 구조가 될 수 있다. 이와 같이, 광가이드층을 다층막으로 하는 것은 Al 조성비를 크게 하면 결정성이 악화되는 경향이 있고, 단일막으로 광가이드층을 형성하는 것이 결정성의 악화로 인해 어려운 경우 또는 특성 악화가 발생하는 경우에, 다층막으로 형성해서 결정성의 악화를 작게 억제할 수 있기 때문이다.
또한, 상기 β1>β2, β4>β3과는 반대로, β1<β2, β4<β3로 해서, 활성층에 가까운 가이드층(제 2 층, 제 3 층)의 밴드갭 에너지를 크게 하여, 굴절률을 작게 하고, 먼 가이드층(제 1 층, 제 4 층)을 작게 하여, 굴절률을 크게 하는 것도 가능하지만, 바람직하게는 상기 캐리어 주입, 광의 분포가 양호하게 되기 때문에, β1>β2, β4>β3으로 하는 것이다. 또한, 다층막의 광가이드층으로 하는 경우에, 상기 제 1∼제 4 층에 한정되지 않고, 각 광가이드층을 3층 이상으로 구성해도 되고, 제 1 층(제 3 층)과 제 2 층(제 4 층)을 교대로 다수 적층한, 즉 제 1 층과 제 2 층을 1쌍으로 해서 다수의 쌍을 적층하여 가이드층을 구성해도 된다.
또한, 다층막의 광가이드층으로 하는 경우에는, 상기 조건식, Eg-Ep≥0.05eV를 계산하는 경우에는, 광가이드층 전체의 평균 조성에 의해 산출한다. 예를 들면, Alβ1Ga1-β1N(0<β1≤1)로 이루어지는 막두께(d1)의 제 1 층, Al
β2Ga1-β2N (0<β2≤1, β1≠β2)으로 이루어지는 막두께(d2)의 제 2 층으로 제 1 광가이드층을 구성 하는 경우에는, Al의 평균 조성(βm)이 βm=(d1×β1+d2
×β2)/(d1+d2)으로 얻어진다.
또한, 본 발명의 광가이드층에 있어서, 도 4에 나타내는 바와 같이, 활성층에 근접함에 따라서 밴드갭 에너지가 작아지도록, 조성 경사시킨 GRIN 구조로 해도 된다. 구체적으로는, Al 조성비(β)를 경사시키는 것, 즉 활성층에 근접함에 따라서 Al 조성비(β)가 작아지도록 조성 경사시킴으로써, GRIN 구조로 할 수 있어 캐리어의 주입 효율이 향상한다. 이 때, 조성 경사는 도 4에 나타내는 바와 같이 연속적으로 조성을 경사시켜도 되고, 불연속으로 단계적으로 조성을 경사시켜도 된다. 또한, 초격자 다층막 구조와 같이, 예를 들면 상기 제 1 광가이드층의 제 1 층/제 2 층을 교대로 적층한 다수 쌍을 갖는 구조에 있어서도, Al을 조성 경사시켜, 활성층에 근접함에 따라서 밴드갭 에너지가 작아지도록 해도 되고, 이 경우, 적어도 어느 한 쪽의 층만, 예를 들면 제 1 층만을 조성 경사시켜도 되고, 쌍을 구성하는 모든 층, 예를 들면 제 1 층 및 제 2 층을 조성 경사시켜도 된다. 또한, 광가이드층의 막두께 방향에 있어서, 부분적으로 조성 경사가 형성되어 있어도 되고, 바람직하게는 막두께 방향에서의 모든 영역에서 조성 경사시키는 쪽이 캐리어의 주입 효율이 향상하는 경향이 있다.
또한, 다층막의 광가이드층에 있어서, 도 5에 나타내는 바와 같이, 다층막의 초격자 구조로 해도 되고, 초격자 구조를 이용함으로써, 상기 Al을 함유하는 질화물 반도체에 의한 결정성의 악화를 억제하여, 양호한 결정성의 도파로를 형성할 수 있다. 구체적으로는, 제 1 광가이드층(26)에 있어서, 상기 제 1 층과, 제 2 층을 교대로 적층하여, 적어도 한쪽을 2층 이상, 바람직하게는 각 층을 2층 이상으로 하는 것, 또는 제 1 층과 제 2 층을 1쌍으로 하여 다수 쌍 적층한 구조로 한다. 이 때, 각 층의 질화물 반도체의 조성은 상기와 마찬가지이지만, 바람직하게는 제 1 층/제 2 층이 Alβ1Ga1-β1N(0≤β1≤1)/Alβ2Ga1-β2N (0≤β2≤1, β1≠β2), 상기 단파장역에 있어서는 Alβ1Ga1-β1N(0<β1≤1)/Alβ2Ga1-β2N (0<β2≤1, β1≠β2)을 이용함으로써 광의 손실을 억제하고, 또한 초격자 구조에 의해 결정성의 악화도 억제한 도파로가 형성된다. 광가이드층을 초격자 구조로 하기 위해서는 다층막을 구성하는 각 층의 막두께가 초격자가 되도록 설정하고, 조성 및 각 층의 조합에 따라 그 막두께는 다르지만, 구체적으로는 10㎚ 이하로 하며, 바람직하게는 7.5㎚ 이하로 함으로써 결정성을 양호하게 유지할 수 있고, 더욱 바람직하게는 5㎚ 이하로 함으로써 더욱 양호한 결정성으로 할 수 있다.
또한, 본 발명의 광가이드층에 있어서, 각 도전형의 불순물은 적어도 도프되는 것이 캐리어의 이동ㆍ주입이 양호하게 되기 때문에 바람직하고, 이 때 도전형의 불순물은 광가이드층의 일부 또는 부분적으로 도프하는 형태, 전체에 도프하는 형태 중 어느 것이어도 된다. 또한, 다층막의 광가이드층에 있어서는 예를 들면 상기 제 1 층, 제 2 층을 갖는 제 1 광가이드층에 있어서, 양쪽에 도프해도 되고, 또는 제 1 층과 제 2 층을 서로 다른 도프량으로 하거나, 한쪽에 도프하고 다른 쪽을 언도프로 한 변조 도프로 해도 된다. 예를 들면, 상기 제 1 광가이드층에 있어서 제 1 층과 제 2 층을 교대로 적층하거나 또는 다수 쌍 설치한 구조와 같은 초격자 다층막 구조에 있어서, 바람직하게는 한쪽의 층 예를 들면 제 1 층에만 도프한 변조 도프로 함으로써, 불순물 도프에 의한 결정성의 악화를 억제할 수 있다. 더욱 바람직하게는, Al 조성비가 낮은 층에만 도프함으로써, 결정성이 양호한 층에 도프할 수 있어, 불순물 도프에 의한 결정성의 악화를 억제하고, 불순물 도프에 의한 활성화도 양호해져 바람직하다. 이것은 예를 들면 상기 제 1 층/제 2 층이 Alβ1Ga1-β1N(0≤β1≤1)/Alβ2Ga1-β2N(0<β2≤1, β1<β2)의 초격자 다층막 구조인 제 1 광가이드층에 있어서, Al 조성비가 작은 제 2 층에 불순물 도프하고, 제 1 층을 언도프로 함으로써, Al 조성비가 작은 제 2 층은 제 1 층보다 결정성이 양호하고, 이 때문에 이 결정성이 양호한 층에 불순물을 도프함으로써, 양호한 활성화가 실현되어, 캐리어의 이동ㆍ주입이 우수한 광가이드층이 된다.
또한, 본 발명의 광가이드층의 불순물 도프에 대해서, 도 6a∼도 6d에 도프량 변화(42)로서 나타내는 바와 같이, 제 1, 제 2 광가이드층(26, 29)에 있어서, 불순물 도프량을, 활성층에 근접함에 따라서 도프량을 작게 하거나, 또는 활성층에서 먼 영역에 비해서 활성층에 가까운 영역의 도프량을 작게 하면, 도파로, 특히 광가이드층내에 있어서 광의 손실을 더욱 감소시켜, 양호한 광의 도파를 실현할 수 있고, 임계값 전류 밀도의 저감, 구동 전류의 저감화를 도모할 수 있다. 이것은 불순물 도프한 영역을 광이 도파하면, 불순물에 의해 광의 흡수가 발생하기 때문에 광의 손실이 발생하기 때문이다.
더욱이, 도파로는 상술한 바와 같이, 제 1 광가이드층(26)과 제 2 광가이드 층(29)으로 활성층(27)을 끼우는 구조를 적어도 갖고 있고, 또한 그 가이드층의 외측 또는 도파로를, 가이드층보다 굴절률이 작은 상부ㆍ하부 클래드층(25, 30)으로 끼우는 구조로서 광이 도파로내에 갇힌 구조가 되어, 도파로내의 활성층 및 활성층 근방에 많은 광이 분포하기 때문에, 그 활성층 근방의 영역에 있어서 불순물 도프량을 적게 함으로써, 광이 많이 분포하는 영역에서의 광의 손실이 감소하게 되어, 광의 손실이 적은 도파로가 된다.
구체적으로는, 제 1 광가이드층, 제 2 광가이드층에 있어서, 각 층의 막두께의 절반으로 영역을 구획하여 활성층에 가까운 영역과 먼 영역을 고려한 경우, 활성층에 가까운 영역의 도전형 불순물 농도를, 활성층과 먼 영역의 불순물 농도보다도 작게 하는 것이다. 광가이드층의 불순물 농도로는 특별히 한정되지 않지만, 구체적으로는 활성층에 가까운 영역에 있어서 5×1017/㎤ 이하로 하는 것이다. 여기에서, 상기 불순물 도프란, 제 1 광가이드층에 제 1 도전형의 불순물을 도프하고, 제 2 광가이드층에 제 2 도전형의 불순물을 도프하는 것을 가리키는 것이다.
광가이드층내에서 도프량을 변화시키는 형태로는 구체예로서, 도 6b∼도 6d에 도프량 변화(42a, 42b, 42c)로서 나타내는 바와 같이, 각 광가이드층내에 있어서, 활성층에 근접함에 따라서 완만하게, 연속적으로 도프량을 작게 하는 형태(42a), 불연속으로 단계적으로 도프량을 작게 하는 형태(42b), 그리고 단계적인 도프량 변화를 세밀하게 하여, 광가이드층내에서 부분적으로 도프량 변화를 형성하는 형태(42c) 중의 어느 것이라도 되고, 또한 이들을 조합해서 이용해도 된다.
바람직하게는, 광가이드층내에 있어서, 활성층 측으로부터의 거리가 50㎚ 이하인 영역을 언도프로 함으로써, 광의 손실 저감이 가능하게 되고, 바람직하게는 100㎚ 이하의 영역을 언도프로 함으로써, 양호한 광손실의 저감, 임계값 전류 밀도, 구동 전류의 저감이 가능하게 된다. 이 때, 광가이드층의 막두께는 언도프 영역을 50㎚ 이하의 영역으로 하는 경우에는 50㎚ 이상의 막두께로 하고, 100㎚ 이하의 영역으로 하는 경우에는 100㎚ 이상의 막두께로 하는 것은 물론이다. 이 때, 상기 언도프 영역을 광가이드층내에 형성하는 경우, 바람직하게는 상술한 조성 경사 구조의 광가이드층과 조합해서 이용하며, 이것은 도 4에 나타내는 바와 같이, 밴드갭 에너지가 활성층에 근접함에 따라서 작아지는 밴드 구조인 것에 의해, 불순물 도프되지 않은 영역이 활성층 근방에 형성되어도, 캐리어의 주입 효율의 저하를 억제한 광가이드층이 형성되기 때문이다. 이 때, 조성 경사의 광가이드층은 상술한 바와 같이 GRIN 구조가 바람직하며, 또한 상기 다층막 구조에서, 밴드갭 에너지가 활성층에 근접함에 따라서 작아지는 구조라도, 언도프 영역의 형성에 효과가 있다. 여기에서, 각 광가이드층내에 있어서, 성장시에 불순물 도프하지 않더라도, 즉 언도프로 광가이드층을 성장시켜도, 인접층으로부터 불순물이 확산하는 경우가 있고, 이 경우에는 언도프로 성장시킨 상기 영역에 있어서도 불순물이 도프된 것으로 된다.
구체적으로는, p형 불순물로서 바람직하게 이용되는 Mg는 이러한 확산 현상이 일어나기 쉽고, 실시예 1에서 나타내는 바와 같이, 언도프로 p측 광가이드층을 형성하더라도, 인접층의 전자 가둠층과 클래드층으로부터의 확산에 의해, p형 불순 물이 도프된다. 이와 같이, 확산에 의해 불순물 도프가 이루어지는 경우에는, 상술한 바와 같이 활성층에 가까운 영역의 불순물 농도를 먼 영역보다도 작게 하는 것이다. 이러한 도프 영역은 적어도 한쪽의 광가이드층에 형성하는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 양쪽의 광가이드층에 형성함으로써 광의 손실을 저감시킨 도파로가 된다.
또한, 상기 광가이드층에서의 층 구성, 불순물 도프의 형태, 조성, 막두께 등은 제 1 광가이드층, 제 2 광가이드층에서 동일한 것으로 해도 되고, 다르게 해도 된다. 예를 들면, 제 1 광가이드층을 단일막으로 하고, 제 2 광가이드층을 다층막으로 하여, 양 광가이드층의 층 구성을 다르게 하도록 한 형태 등이 있다.
(클래드층)
상기 실시형태 1A, 실시형태 1B에 있어서, 제 1 도전형층, 활성층, 제 2 도전형층이 적층된 구조로, 제 1 도전형층이 하부 클래드층을 갖고, 제 2 도전형층이 상부 클래드층을 갖는 질화물 반도체 소자로 해도 된다. 구체적으로는, 도 2a에 나타내는 바와 같이, 기판 상에, 제 1 도전형층(11), 활성층(12), 제 2 도전형층(13)이 적층된 구조를 갖고, 나아가서는 제 1 도전형층(11)내에 하부 클래드층(25), 제 2 도전형층(13)내에 상부 클래드층(30)이 적어도 설치되고, 이들 상부, 하부 클래드층(25, 30)에 활성층을 끼워 넣는 구조를 갖고 있다. 상부 클래드층(25), 하부 클래드층(30)에 끼워진 도파로내에, 상술한 광가이드층을 설치해도 된다. 이하에, 클래드층을 갖는 소자 구조에 대해서 설명한다.
상부, 하부 클래드층(25, 30)의 조성은 도 3b ∼도 6a의 밴드 구조(41)로 나 타내는 바와 같이, 활성층보다도 밴드갭 에너지가 커지도록 하는 것이고, 또한 상기 레이저 소자, 단면 발광 소자에 있어서 제 1, 제 2 광가이드층(26, 29)을 갖는 경우에는, 광가이드층과 동일하게 또는 그것보다 크게 한다. 이것은 상부ㆍ하부 클래드층을 캐리어 가둠, 광가둠으로서 기능시키는 것이고, 광가이드층을 갖는 경우에는 광가둠층으로서 기능시킨다. 클래드층에 이용되는 질화물 반도체로는 Al을 함유하는 질화물 반도체가 바람직하게 이용되고, InaAlbGa1-a-bN(0≤a, 0<b, a+b≤1)으로 나타내는 질화물 반도체가 이용된다. 바람직하게는, In 조성비(a)가 0인 질화물 반도체를 이용함으로써, In을 함유하는 질화물 반도체에서는 클래드층 내에서 광의 흡수에 의한 손실이 발생하기 쉬운 경향이 있기 때문이다. 이 때문에, 바람직하게는 AlbGa1-bN(0<b≤1)으로 나타내는 질화물 반도체를 이용함으로써, 양호한 광가둠, 또한 가이드층을 설치하지 않은 경우에는 양호한 캐리어 가둠이 가능해진다.
레이저 소자, 단면 발광 소자에 있어서, 도파로를 상부, 하부 클래드층에 끼우는 구조에 있어서, 도파로와 클래드층 사이, 구체적으로는 활성층 및/또는 광가이드층 사이에 충분한 굴절률 차를 형성해서, 도파로내에 광이 갇혀 광이 도파되는 구성으로 한다. 이러한 굴절률 차를 형성하기 위해서는 AlbGa1-bN(0<b≤1)이 바람직하게 이용되고, 광가이드층의 Al 조성(평균 조성)비(β)와의 사이에서 적어도 β≤b의 관계를 만족시키도록 하고, 바람직하게는 b-β≥0.05가 되게 함으로써 충분한 굴절률 차가 형성된다. 또한, 클래드층에 의한 광의 가둠은 클래드층의 막두께에도 의존하므로, 막두께도 고려해서 질화물 반도체의 조성을 결정한다.
본 발명의 클래드층은 상기 광가이드층과 마찬가지로, 단일막으로 형성해도 되고, 다층막으로 형성해도 되고, 또한 다층막 초격자 구조로 해도 된다. 단일막으로 클래드층을 형성하는 경우에는, 상기 질화물 반도체로 이루어지는 단일막을 형성함으로써, 다층막으로 형성하는 경우에 비해서, 광, 캐리어 가둠 구조의 설계가 용이하며, 또한 클래드층의 성장에 걸리는 시간을 단축할 수 있다. 한편, AlGaN 등의 Al을 함유하는 질화물 반도체는 결정성 좋게 성장시키는 것이 어렵고, 특히 단일막과 같이 어느 일정 이상의 막두께로 성장시키면 크랙이 발생하기 쉬워진다.
클래드층을 다층막으로 형성하는 경우에는 조성이 다른 질화물 반도체를 다수 적층하는 것으로, 구체적으로는 Al 조성비가 다른 질화물 반도체를 다수 적층한다. 이와 같이 다층막으로 형성하면, 단일막일 경우의 결정성의 악화, 크랙의 발생을 억제하는 것이 가능하게 된다.
구체적으로는, 다층막으로서, 제 1 층과, 그것과 다른 조성의 제 2 층을 적층하고, 굴절률, 밴드갭 에너지가 다른 층을 다수 설치한다. 예를 들면, Al 조성비(b1)의 제 1 층과, Al 조성비(b2)(b1≠b2)의 제 2 층을 적층한 구조의 다층막이어도 되고, 이 때 Al 조성비를 b1<b2(0≤b1, b2≤1)로 한 구성으로 하면, Al 조성비가 큰 제 1 층에서 굴절률, 밴드갭 에너지를 크게 하고, Al 조성비가 작은 제 2 층에서 제 1 층을 형성하는 것에 의한 결정성의 악화를 억제할 수 있다. 또한, 제 1 층, 제 2 층을 적층하고, 제 2 층과 조성이 다른 제 3 층을 적층하는 것 등에 의해, 더욱이 다수의 조성이 다른 층을 적층해도 된다. 또한, 제 1 층, 제 2 층을 교대로 다수 적층한 구조이어도 되고, 적어도 제 1 층, 제 2 층을 갖는 쌍을 다수 쌍 형성한 구조로 해도 된다. 이러한 다층막 구조에서는 Al을 함유하는 질화물 반도체의 결정성 악화를 억제하여, 막두께를 크게 할 수 있기 때문에, 광가둠에 있어서 중요시되는 막두께를 얻을 수 있게 된다.
다층막 구조의 클래드층에 있어서, 초격자 구조로 함으로써 더욱 결정성을 양호한 것으로 하여, 클래드층을 형성할 수 있어서 바람직하다. 여기에서, 초격자 구조는 클래드층의 적어도 일부에 형성하는 것으로, 바람직하게는 전체를 초격자 구조를 형성함으로써, 결정성 좋게 클래드층을 형성할 수 있다. 이 때, 초격자 구조로는 광가이드층의 경우와 마찬가지로, 적어도 제 1 층과, 제 2 층을 교대로 다수 적층하거나, 적어도 제 1 층과 제 2 층을 갖는 쌍을 다수 쌍 설치한 구조로 한다. 초격자 구조를 구성하는 각 층의 막두께로는 조성 및 각 층의 조합에 따라 그 막두께는 다르지만, 구체적으로는 10㎚ 이하로 하며, 바람직하게는 7.5㎚ 이하로 함으로써 결정성을 양호하게 유지할 수 있고, 더욱 바람직하게는 5㎚ 이하로 함으로써, 더욱 양호한 결정성으로 할 수 있다.
클래드층에는 적어도 각 도전형의 불순물을 도프하는 것이 바람직하고, 광가이드층과 마찬가지로 전체에 도프해도 되고 부분적으로 도프해도 된다. 또한, 다층막의 경우에도 광가이드층과 마찬가지로, 예를 들면 상기 제 1 층, 제 2 층을 갖는 다층막에서, 양쪽에 도프해도 되고, 또는 제 1 층과 제 2 층을 다른 도프량으로 하거나, 한쪽에 도프하고, 다른 쪽을 언도프로 한 변조 도프로 해도 된다. 예를 들면, 상기 제 1 층/제 2 층이 Alb1Ga1-b1N(0≤b1≤1)/Alb2Ga1-b2
N(0<b2≤b1, b1<b2)의 초격자 다층막 구조인 경우에, Al 조성비가 작은 제 2 층에 불순물을 도프하고, 제 1 층을 언도프로 함으로써, 광가이드층과 마찬가지로 결정성을 양호하게 할 수 있다.
클래드층의 막두께로는 특별히 한정되지 않지만, 10㎚ 이상 2㎛ 이하, 50㎚ 이상 1㎛ 이하의 범위로 형성한다. 이것은 10㎚ 이상으로 함으로써 캐리어를 가둘 수 있고, 2㎛ 이하로 함으로써 결정성의 악화를 억제하며, 또한 50㎚ 이상으로 함으로써 광가둠이 가능하게 되어, 레이저 소자, 단면 발광 소자 등에 이용할 수 있고, 1㎛ 이하로 함으로써 결정성 좋게 클래드층을 형성할 수 있다.
여기에서, 상부 클래드층, 하부 클래드층으로는 Al을 함유하는 질화물 반도체가 바람직하게 이용되고, 이것에 의해, 도파로와 두 클래드층 사이에서 굴절률 차를 크게 할 수 있다. 이 때, 클래드층의 질화물 반도체에는 In을 함유하지 않는 것이 바람직하며, 그 이유는 In을 함유하는 질화물 반도체는 In을 함유하지 않는 경우에 비해서 결정성이 악화되는 경향이 있으며, 특히 활성층 상에 p측 클래드층을 갖는 구조에서는, 그 p측 클래드층에 In을 함유하는 질화물 반도체를 이용하면, 결정성의 악화가 크고, 소자 특성을 크게 악화시키기 때문이다. 이 때, 클래드층에 이용하는 질화물 반도체로서 구체적으로는 AlbGa1-bN(0<b<1)이 바람직하게 이용된다.
(캐리어 가둠층<p측 전자 가둠층>)
본 발명에 있어서, 도 3b, 도 4의 밴드 구조(41)로 나타내는 바와 같이, 활성층(27) 내부 또는 활성층 근방에 캐리어 가둠층(28)을 설치해도 된다. 도면에 도시하는 바와 같이, 레이저 소자, 단면 발광 소자와 같이, 광가이드층(26, 29), 클래드층(25, 30)을 갖는 구조인 경우에는, 광가이드층(26, 29)과 활성층(27) 사이, 또는 활성층 또는 광가이드층의 일부로서 설치하면 된다. 여기에서, 이 캐리어 가둠층은 캐리어를 활성층 또는 우물층 내에 가두는 것으로, 레이저 소자, 고출력의 발광 소자 등에 있어서, 소자 구동 등에 의한 온도 상승, 전류 밀도 증대에 의해서 캐리어가 활성층을 오버플로하는 것을 방지할 수 있게 되어, 활성층 내에 캐리어가 효율적으로 주입되는 구조가 가능하다.
구체적으로는, 도 4에 나타내는 바와 같이, 제 2 도전형층 측에 배치된 캐리어 가둠층(28b)에 의해 제 1 도전형층으로부터의 캐리어를 가두고, 제 1 도전형층 측의 캐리어 가둠층(28a)에 의해 제 2 도전형층으로부터의 캐리어를 가둔다. 이 캐리어 가둠층은 적어도 한쪽에 설치하는 것이 바람직하고, 실시예 1에 나타내는 바와 같이, 제 1 도전형층을 n형, 제 2 도전형층을 p형으로 한 소자에 있어서, 적어도 p형층 측에 캐리어 가둠층을 설치하는 것이 바람직하다. 이것은 질화물 반도체에 있어서, 전자의 확산 길이가 홀의 확산 길이에 비해서 길기 때문에, 전자 쪽이 활성층을 오버플로하기 쉽고, 이 때문에 전자를 가두는 캐리어 가둠층(28)을 p형층 측에 설치함으로써, 고출력의 레이저 소자, 발광 소자가 얻어지기 때문이다. 이하 p형층 측에 캐리어 가둠층을 p측 전자 가둠층으로서 설치하는 예를 설명하는데, 그것은 도전형층을 대신하는 것으로서 n형층 측에도 적용할 수 있는 것이다. 특히, p측 전자 가둠층을 적어도 설치하는 것이 바람직하고, 이것은 전자가 홀에 비해서 캐리어 확산 길이가 길고, 활성층을 오버플로하기 쉽기 때문이다.
이 p측 전자 가둠층으로는 Al을 함유하는 질화물 반도체를 이용하는 것으로, 구체적으로는 AlcGa1-cN(0<c<1)을 이용한다. 이 때, Al 조성비(c)로는 캐리어 가둠층으로서 기능하도록, 활성층보다 충분히 큰 밴드갭 에너지를 가질(오프셋을 취할) 필요가 있어, 적어도 0.1≤c<1의 범위로 하는 것이고, 바람직하게는 0.2≤s<0.5의 범위로 하는 것이다. 왜냐하면, c가 0.1 이하이면 레이저 소자에 있어서 충분한 전자 가둠층으로서 기능하지 않고, 0.2 이상이면 충분히 전자를 가둘 수 있어(캐리어의 가둠), 캐리어의 오버플로를 억제하고, 게다가 0.5 이하이면 크랙의 발생을 낮게 억제해서 성장시킬 수 있으며, 더욱 바람직하게는 c를 0.35 이하로 함으로써 양호한 결정성으로 성장시킬 수 있기 때문이다. 또한, 상기 광가이드층을 갖는 경우에는 그보다 큰 밴드갭 에너지의 캐리어 가둠층으로 하는 것이 바람직하고, 상기 클래드층을 갖는 경우에는 클래드층과 대략 동일하거나 그것보다도 큰 밴드갭 에너지의 캐리어 가둠층으로 하는 것이다. 이것은 캐리어의 가둠에는 광의 가둠이 되는 클래드층보다 높은 혼성결정비의 질화물 반도체가 필요하기 때문이다.
이 p측 전자 가둠층은 본 발명의 질화물 반도체 소자에 이용할 수 있고, 특히 레이저 소자와 같이 대전류로 구동시키고, 다량의 캐리어를 활성층내에 주입하는 경우에 있어서, p측 전자 가둠층을 갖고 있지 않은 경우에 비해서 효과적인 캐리어 가둠을 가능하게 하여, 레이저 소자뿐만 아니라, 고출력의 LED에도 이용할 수 있다.
본 발명의 캐리어 가둠층의 막두께는 적어도 100㎚ 이하로 하며, 바람직하게는 40㎚ 이하로 한다. 이것은 Al을 함유하는 질화물 반도체는 다른 질화물 반도체(Al을 함유하지 않는다)에 비해서 벌크 저항이 크고, 또한 p측 전자 가둠층의 Al 혼성결정비는 상술한 바와 같이 높게 설정되기 때문에, 100㎚를 초과해서 소자내에 형성하면, 극도로 고저항 층이 되어, 순방향 전압(Vf)의 대폭적인 증가를 초래하게 되기 때문이며, 40㎚ 이하이면 Vf의 상승을 낮게 억제할 수 있으며, 더욱 바람직하게는 20㎚ 이하로 함으로써 더욱 낮게 억제하는 것이 가능해진다. 여기에서, p측 전자 가둠층의 막두께의 하한으로는 적어도 1㎚ 이상, 바람직하게는 5㎚ 이상으로 함으로써, 전자 가둠으로서 양호하게 기능한다. 여기에서, 캐리어 가둠층은 단일막으로 형성해도 되고, 조성이 다른 다층막으로 형성해도 된다.
또한, 본 발명의 질화물 반도체 소자에 있어서, 광가이드층을 설치하지 않고 클래드층만을 설치하는 경우에는, 활성층과 클래드층 사이에 상술한 바와 같이 캐리어를 가두기에 충분한 밴드 오프셋이 존재하면, 캐리어 가둠층을 클래드층과는 별도로 설치할 필요는 없지만, 광가이드층을 갖는 구조와 같이, 클래드층이 활성층으로부터 이간되어 배치되는 경우에는 활성층과 클래드층 사이에, 바람직하게는 활성층 근방에 캐리어 가둠층을 설치하는 것이 좋다. 이것은 활성층으로부터 떨어진 위치에 캐리어 가둠층을 설치하면 상기 캐리어의 오버플로를 억제하는 효과가 없어지기 때문이다. 구체적으로는, 활성층과 p측 전자 가둠층(캐리어 가둠층)의 거리는 100㎚ 이하로 함으로써 캐리어의 가둠으로서 기능하고, 더욱 바람직하게는 500 Å 이하로 함으로써 양호한 캐리어를 가둘 수 있게 된다. 활성층 외부에 캐리어 가둠층을 배치하는 경우에는, 가장 바람직하게는 활성층에 접해서 배치함으로써, 가장 효율적으로 캐리어가 활성층내에 갇힌다. 활성층 내부에 배치하는 경우에는, 장벽층 또는 그의 일부로서 설치할 수 있고, 구체적으로는, 활성층내에서 각 도전형층에 가장 가까운 위치에. 즉 활성층내에서 가장 외측의 층으로서 배치함으로써, 활성층 내부의 우물층 내에 캐리어가 효율적으로 주입된다.
예를 들면, 도 4에 있어서, 캐리어 가둠층(28)을 활성층내에서 가장 바깥쪽 장벽층으로서 설치하여, 각 도전형층과 가장 가까운 층이 된다. 이와 같이, 활성층내에 캐리어 가둠층을 설치하는 경우에는 활성층 내부의 장벽층에 비해서 밴드갭 에너지를 크게 하는 것이고, 활성층 내부의 장벽층은 가장 바깥쪽을 제외한 장벽층으로서, 우물층에 끼워진 장벽층이다.
본 발명의 p측 전자 가둠층(캐리어 가둠층)에는 언도프이어도 되고, p형 불순물(각 도전형의 불순물)이 도프되어도 된다. 바람직하게는, 각 도전형의 불순물이 도프되는 것이며, 예를 들면 p측 전자 가둠층에서는 p형 불순물이 도프되는 것으로, 이것은 도프함으로써 캐리어의 이동도가 높아져서 Vf를 저하시킬 수 있기 때문이다.
또한, 레이저 소자, 하이파워 LED 등의 대전류로 구동시키는 경우에는, 캐리어의 이동도를 높이기 때문에, 고농도로 도프하는 것이 바람직하다. 구체적인 도프량으로는 적어도 5×1016/㎤ 이상 도프하는 것이고, 바람직하게는 1×1018/㎤ 이상 도프하는 것이며, 상기 대전류 구동의 소자에 있어서는 1×1018/㎤ 이상, 바람직하게는 1×1019/㎤ 이상 도프하는 것이다. p형 불순물량의 상한은 특별히 한정되지 않지만, 1×1021/㎤ 이하로 한다. 단, p형 불순물량이 많아지면, 벌크 저항이 커지는 경향이 있고, 결과적으로 Vf가 상승하게 되므로, 이것을 회피하는 경우에 바람직하게는 필요한 캐리어 이동도를 확보할 수 있는 최저한의 p형 불순물 농도로 하는 것이다. 또한, 언도프로 캐리어 가둠층을 형성하여, 인접층으로부터의 불순물 확산에 의해 도프하는 것도 가능하다.
또한, n측에 p형 캐리어 가둠층을 설치하는 경우에는, 상기 p측 전자 가둠층과 같이, 활성층ㆍ장벽층 사이에 큰 밴드 오프셋을 설치할 필요는 없다. 이것은 소자에 전압을 인가하면, 전자를 가두는 오프셋이 작아져, Al 조성비가 큰 질화물 반도체의 가둠층을 필요로 하지만, 홀을 가두는 오프셋은 거의 변화하지 않으므로, p측 전자 가둠층만큼 Al 조성비를 높일 필요가 없다. 구체적으로는, 활성층내에서 가장 n측에 배치된 n측 장벽층으로, 홀의 가둠층으로서 기능시킬 수 있고, 특히 막두께를 10nm 이상으로 함으로써, 우수한 홀 가둠 기능을 갖게 된다.
즉, 실시예에 나타내는 바와 같이, n측 장벽층(2a)은 다른 장벽층에 비해서 막두께를 크게 함으로써, 캐리어 가둠 기능을 적절하게 끌어낼 수 있다. 이것은 다중 양자 우물 구조에 있어서, 다른 장벽층(2b, 2c)은 우물층에 끼워진 구조이므로, 막두께를 크게 하면 캐리어가 효율적으로 우물층에 주입되는 것을 방해하는 경우가 있기 때문이며, 한편 n측 장벽층(2a)은 우물층에 끼워지지 않고 형성되므로, 캐리어 가둠 기능을 강하게 함으로서, 양호한 활성층의 구조가 된다. 이 n측 장벽층은 바람직하게는 활성층내에서 가장 바깥쪽에 배치된 층이므로, 캐리어 가둠이 유효하게 기능하고, 또한 막두께의 상한은 특별히 한정되지 않지만, 30㎚ 이하로 하는 것으로, 다층막으로 형성해도 된다. 단일 양자 우물 구조에 있어서도 마찬가지로, n측 장벽층(2a)을 캐리어 가둠으로 기능시킴으로써, 우물층내에 캐리어를 적절하게 주입할 수 있다.
본 발명의 질화물 반도체의 레이저 소자, 단면 발광 소자에서는 실시예에 나타내는 바와 같이, 스트라이프형상 도파로로서 리지를 형성한 후, 리지 측면에 매립층이 되는 절연막을 형성한다. 이 때, 매립층으로는, 여기에서 제 2 보호막의 재료로는 SiO2 이외의 재료, 바람직하게는 Ti, V, Zr, Nb, Hf, Ta로 이루어지는 그룹 중에서 선택된 적어도 1종의 원소를 함유하는 산화물, SiN, BN, SiC, AlN 중 적어도 1종으로 형성하는 것이 바람직하며, 그 중에서도 Zr, Hf의 산화물, BN, SiC를 이용하는 것이 특히 바람직하다. 또한, 매립층으로서, 반절연성, i형 질화물 반도체, 리지부와는 반대의 도전형, 실시예에 있어서는 n형 질화물 반도체를 이용할 수 있고, AlGaN 등의 Al을 함유하는 질화물 반도체에 의해 굴절률 차를 형성하거나, 전류 저지층으로서 기능시킴으로서 횡방향의 광의 가둠이 실현되고, In을 함유하는 질화물 반도체에 의해 광흡수계수 차를 형성하여, 레이저 소자의 광학 특성이 실현된다. 또한, 에칭 등에 의해 리지를 형성하지 않고, B, Al 등의 이온을 주입하고, 비주입 영역을 스트라이프 형상으로 하여, 전류가 흐르는 영역으로 하는 구조를 취 할 수도 있다.
또한, 리지폭은 1㎛ 이상 3㎛ 이하, 바람직하게는 1.5㎛ 이상 2㎛ 이하로 함으로써, 광디스크 시스템의 광원으로서, 우수한 스폿 형상, 빔 형상의 레이저광을 얻을 수 있다.
[실시형태 2]
다음에, 본 발명의 다른 실시형태 2에 관해 설명하겠지만, 이 실시형태 2는 상술한 각 실시형태와 조합해서 시용할 수도 있다.
(활성층)
본 발명에서의 활성층으로는 바람직하게는 양자 우물 구조를 갖는 것으로, GaN 또는 Al을 함유하는 질화물 반도체로 이루어지는 우물층을 갖고, Al을 함유하는 질화물 반도체 또는 In과 Al을 함유하는 질화물 반도체로 이루어지는 장벽층을 갖는다. 또한, 특히 활성층에서의 파장이 375㎚ 이하의 발광을 갖는 단파장에 바람직하게 이용되고, 구체적으로는 상기 우물층의 밴드갭 에너지가 파장 375㎚ 이하이다. 이 때, 활성층에 이용되는 질화물 반도체는 논도프, n형 불순물 도프, p형 불순물 도프 중 어느 것이라도 되지만, 바람직하게는 논도프 혹은 언도프, 또는 n형 불순물 도프의 질화물 반도체를 활성층내에 설치함으로써, 레이저 소자, 발광 소자 등의 질화물 반도체 소자에 있어서 고출력화가 도모된다. 바람직하게는, 우물층을 언도프로 하고, 장벽층을 n형 불순물 도프로 함으로써, 레이저 소자, 발광 소자가 고출력의 발광 효율이 높은 소자가 된다. 여기에서, 양자 우물 구조로는 다중 양자 우물 구조, 단일 양자 우물 구조 중 어느 쪽이라도 좋다. 바람직하게 는, 다중 양자 우물 구조로 함으로써, 출력 향상, 발진 임계값의 저하 등을 도모할 수 있게 된다. 활성층의 양자 우물 구조로는 상기 우물층, 장벽층을 적어도 1층씩 적층한 것을 이용할 수 있다. 이 때, 양자 우물 구조인 경우에, 우물층 수로는 1 이상 4 이하로 함으로써, 예를 들면 레이저 소자, 발광 소자에 있어서는 임계값 전류를 낮출 수 있게 되어 바람직하고, 더욱 바람직하게는 우물층 수를 2 또는 3으로 한 다중 양자 우물 구조로 함으로써, 고출력의 레이저 소자, 발광 소자가 얻어지는 경향이 있다.
(우물층)
본 발명에서 우물층으로는 GaN 또는 Al을 함유하는 질화물 반도체를 이용하는 것이 바람직하고, 상기 GaN, Al을 함유하는 질화물 반도체로 이루어지는 우물층을 활성층내에 적어도 1층 갖으며, 다중 양자 우물 구조에 있어서는, 바람직하게는 모든 우물층을 상기 질화물 반도체로 이루어지는 우물층으로 함으로써, 단파장화되어, 고출력, 고효율의 발광 소자, 레이저 소자를 얻을 수 있다. 발광 스펙트럼이 거의 단일 피크인 경우에는 이 구성이 바람직하지만, 한편으로 다수의 피크를 갖는 다색 발광 소자에 있어서는 상기 GaN 또는 Al을 함유하는 질화물 반도체로 이루어지는 우물층을 적어도 1층 가짐으로써 단파장역의 발광 피크를 얻을 수 있고, 다양한 발광색의 발광 소자 또는 그 단파장역에서 여기되는 형광체와 조합한 발광 장치로 얻을 수 있다. 이 때, 다색 발광 소자로 하는 경우에, 우물층의 구체적인 조성으로는 InαGa1-αN(0<α≤1)을 이용함으로써, 자외역에서 가시광역까지의 양호한 발광ㆍ 발진을 가능하게 하는 우물층이 된다. 이 때, In 혼성결정비에 의해 발광 파장을 결정할 수 있다.
본 발명의 Al을 함유하는 질화물 반도체로 이루어지는 우물층은, 종래의 InGaN의 우물층에서는 어려운 파장역, 구체적으로는 GaN의 밴드갭 에너지인 파장 365㎚ 부근, 또는 그것보다 짧은 파장을 얻는 것으로, 특히 파장 375㎚ 이하의 발광ㆍ발진이 가능한 밴드갭 에너지를 갖는 우물층이다. 이것은 종래의 InGaN의 우물층에서는 GaN의 밴드갭 에너지의 파장 365㎚ 부근, 예를 들면 370㎚에서는 In 조성비를 1% 이하 정도로 조정할 필요가 있고, 이와 같이 In 조성비가 극단적으로 작아지면, 발광 효율이 저하하여, 충분한 출력의 발광 소자, 레이저 소자가 얻어지기 어렵고, 또한 In 조성비가 1% 이하에서는 그의 성장을 제어하는 것도 어렵다. 본 발명에서는 바람직하게는 GaN 또는 Al을 함유하는 질화물 반도체로 이루어지는 우물층을 이용하고 있으므로, 종래 효율적인 발광이 어려웠던 375㎚의 파장역에 있어서, Al 조성비(x)를 크게 함으로써 밴드갭 에너지를 크게 하여, 단파장의 레이저 소자에 이용하는 것이 가능하다.
여기에서, 우물층에 이용되는 Al을 함유하는 질화물 반도체의 구체적인 조성은 AlxInyGa1-x-yN(0<x≤1, 0≤y≤1, x+y<1)으로 나타내는 조성이며, 바람직한 조성으로는 AlxGa1-xN(0<x≤1)으로, 상기 우물층이 GaN인 경우를 포함하여, 본 발명에서의 바람직한 우물층의 조성은 AlxGa1-xN(0≤x≤1)로 나타내는 질화물 반도체를 이용하는 것이다. 이것은 질화물 반도체의 성장에 이용되고 있는 MOCVD 등의 기상 성장법으 로는 구성 원소가 많아지면 구성 요소 사이에서의 반응이 발생하기 쉬워지고, 이 때문에 상술한 바와 같이 B, P, As, Sb 등을 이용하여 5원 혼성결정 이상의 다원화도 가능하지만, 바람직하게는 AlInGaN의 4원 혼성결정으로 함으로써, 이 원소끼리의 반응을 방지하여, 양호한 결정성으로 성장시킨다. 또한, 상기 조성식 AlxInyGa
1-x-yN의 4원 혼성결정에 있어서는, 성장시에 Al과 In의 반응에 의해 결정성 악화의 문제가 발생하는 경향이 있기 때문에, 바람직하게는 AlxGa1-xN로 함으로써 더욱 양호한 결정성에서의 우물층의 형성이 가능하게 되고, 이들 Al을 함유하는 질화물 반도체에서는 Al 혼성결정비를 크게 함으로써 상기 단파장역(λ≤375㎚)에 있어서 발광, 발진이 가능한 소자가 될 수 있다. 여기에서, Al 조성비(x)는 특별히 한정되지 않으며, Al 조성비를 변화시킴으로써 원하는 밴드갭 에너지, 파장을 얻는다.
본 실시형태에서 양자 우물 구조의 활성층은 상기 2원, 3원 혼성결정의 AlxGa1-xN(0≤x≤1)로 이루어지는 우물층과, 4원 혼성결정의 AluInv
Ga1-u-vN(0<u<1, 0<v<1, u+v<1) 또는 3원 혼성결정의 AluGa1-uN(0<u<1)으로 이루어지는 장벽층을 1쌍 이상 갖는 것이 바람직하다.
구체적으로는, 도 12a, 도 12b 및 도 14a, 도 14b에서 활성층(12)으로서 나타내는 바와 같이, AlGaN의 우물층(1)을 1층 이상, InAlGaN 또는 AlGaN의 장벽층(2)을 1층 이상 갖는 것으로, 이것에 의해 내부 양자 효율, 발광 효율이 우수한 우물층이 되고, 또한 Al을 함유하는 질화물 반도체에 의해, 그 Al 조성비를 조정함으로써, 도 12a에 나타내는 바와 같이, 375㎚ 이하의 단파장역에서 발광이 가능한 우물층이 될 수 있다. 또한, 그 우물층(1)보다도 큰 밴드갭 에너지를 갖는 장벽층(2)을, InAlGaN 또는 AlGaN으로 함으로써, 상기 단파장역에 있어서도 우수한 장벽층을 제공할 수 있다.
(활성층과 인접층)
본 실시형태 2에 있어서, 활성층을 끼우는 제 1 도전형층, 제 2 도전형층의 적층 구조에서, 특히 활성층 가까이에 배치되는 층, 구체적으로는 활성층에 접하여 인접해서 배치되는 층과 활성층과의 관계에 대해서, 이하 상세하게 설명한다.
종래 제안되고 있는 레이저 소자 구조는 도 13a, 도 13b에 그 밴드 구조를, 도 16에 도 2a의 적층 구조에서의 Al 혼성결정비의 변화를 나타내는 바와 같이, 활성층을 끼우는 광가이드층(26, 29), 또한 그의 양 외측을 끼우는 클래드층(25, 30)의 순으로 밴드갭 에너지가 커지는 구조가 채택되어 왔다. 예를 들면, 파장 410㎚의 AlGaN/InGaN계 질화물 반도체 레이저 소자에서는 도 16에 있어서 광가이드층(26, 29)의 Al 조성비를 0의 기점으로 하여, 그것보다도 밴드갭 에너지가 작은 활성층에 있어서는 In 혼성결정비로 치환함으로써, 종래의 레이저 소자의 밴드갭 구조가 된다. 또한, 종래의 자외역의 단파장에서의 AlGaN계 반도체 레이저 소자에서는 도 16에 나타내는 바와 같이, 활성층 외측의 광가이드층(26, 29), 그리고 그의 외측의 클래드층 순으로 Al 혼성결정비를 크게 하고, 그것에 의해 도 13a, 도 13b에 나타내는 바와 같이 활성층에서 외측을 향해서 밴드갭 에너지를 크게 한 구조가 제안되어 왔다. 또한, 종래의 자외역 발광의 AlGaN계 질화물 반도체 발광 소자에 있어서는, 상기 레이저 소자에 있어서 클래드층 또는 광가이드층을 제외한 구조가 제안되고 있으며, 구체적으로는 도 16에 나타내는 광가이드층(26, 29), 클래드층(25, 30)을 캐리어 가둠층에 이용한 구조, 즉 발광층(활성층(27))보다도 Al 조성비를 크게 하고, 밴드갭 에너지가 큰 층을 형성하였다. 그러나, 이와 같이 Al 혼성결정비를 활성층의 외측을 향해서, 순서대로 크게 해 가는 구조에서는 결정성의 악화, 특히 크랙의 발생이 심각한 문제를 낳았다.
본 발명에서는 도 2a에 나타내는 바와 같이 활성층(27)을 끼우는 양 광가이드층(26, 29)을, 활성층내의 장벽층(2)보다도 밴드갭 에너지를 작게 하고, Al 혼성결정비를 작게 한 구조로 함으로써, 상술한 종래의 구조에서의 크랙 발생을 적절하게 억제하여, 실온에서 연속 발진가능한 구조가 될 수 있다. 구체적으로는, 제 1 도전형층내에 제 1 질화물 반도체층이 설치되고, 이 제 1 질화물 반도체층을 활성층내의 장벽층보다도 밴드갭 에너지가 작아지도록, 즉 AlGaN계 활성층에 있어서는 장벽층의 Al 혼성결정비보다 작은 제 1 질화물 반도체층의 Al 혼성결정비를 작게 하는 것이다. 이 때, 우물층과 제 1 질화물 반도체층과의 관계는, 활성층의 우물층에 있어서 발광 재결합시키기 위해, 우물층보다도 제 1 질화물 반도체층의 밴드갭 에너지를 크게 한다. 또한, 이 관계는 제 2 도전형층에도 적용할 수 있고, 구체적으로는 제 2 도전형층내의 제 2 질화물 반도체층을, 활성층 중의 장벽층보다도 밴드갭 에너지를 작게 하고, 또한 Al 혼성결정비를 작게 하는 것이다. 이들 장벽층보다도 Al 혼성결정비가 작은 제 1 질화물 반도체층(제 2 질화물 반도체층)을 이용하여, 활성층에 가까이, 바람직하게는 인접하게 배치함으로써, 양호한 캐리어 가 둠 및 결정성이 양호한 활성층을 실현할 수 있고, 또한 이들 층을 광가이드층에 이용함으로써, 단파장역에 있어서 적합한 도파로 구조가 형성된다. 이하, 이것에 대해서 상세하게 설명한다.
본 실시형태 2에서의 질화물 반도체 소자는 도 2a 및 도 12a에 나타내는 바와 같이, 제 1 도전형층(11), 제 2 도전형층(13) 사이에 활성층(12)이 설치된 구조로서, 구체적인 적층 구조로는 도면에 나타내는 바와 같이 제 1 도전형층(11)으로서 콘택트층(23), 하부 클래드층(25), 하부 광가이드층(26)이 순서대로 적층되고, 그 위에 활성층(27), 활성층 위에 제 2 도전형층(13)으로서 캐리어 가둠층(28), 상부 광가이드층(29), 상부 클래드층(30), 콘택트층(24)이 순서대로 적층된 구조를 갖고 있다. 여기에서, 캐리어 가둠층, 광가이드층, 클래드층, 콘택트층에 서로 인접하는 층은 도면에 나타내는 바와 같이 접하는 경우에 한정되지 않고, 각 층간에 별도의 층을 설치해서 이간되어 있어도 된다.
여기에서, 도 2a는 본 발명에서의 도파로 구조를 갖는 소자의 적층 구조를 나타내는 단면도이고, 도 12a, 도 12b는 활성층 및 그것을 끼워 배치된 활성층 근처의 적층 구조(40)와, 그 적층 구조(40)에 대응한 바이어스 상태의 밴드 구조(41), 특히 제 1 도전형층(11)을 n형층 측, 제 2 도전형층(13)을 p형층 측으로 한 경우를 나타내는 것이다. 도 13a, 도 13b 및 도 14a, 도 14b의 밴드 구조(41)에 대해서도 도 12b와 마찬가지이며, 도면 중의 흰색 원은 홀을, 검은색 원은 전자를 나타내고, 화살표는 각 캐리어의 움직임을 개략적으로 나타내는 것이며, 실선은 도 전대(Ec), 가(價)전자대(Ev)를 나타내고, 점선은 의사 페르미 준위(EF)를 나타내고 있다. 도 12b로부터 알 수 있는 바와 같이, 우물층(1)을 끼우는 장벽층(2a, 2b)보다도 밴드갭 에너지가 작은 제 1 질화물 반도체층(26), 제 2 질화물 반도체층(29)이 활성층을 끼워서 배치되어, 상부ㆍ하부 광가이드층으로서 이용되고 있다.
여기에서는, 제 2 도전형층(p형층 측) 내에, 활성층 근처, 바람직하게는 인접해서 캐리어 가둠층(28)이 설치되고, 제 2 질화물 반도체층(29)과 활성층(27) 사이에 설치되어 있다. 즉, 활성층내의 장벽층(2a)에 의해 홀이 우물층내에 갇히고, 전자는 장벽층(2b) 및/또는 활성층(27)에 인접하는 캐리어 가둠층(28)에 의해 갇힌 구조로 되어 있다. 종래의 구조인 도 13a, 도 13b에서는 캐리어를 가두기 위한 오프셋이 제 1 도전형층 중의 층(26)과 활성층(27), 장벽층(2a) 사이에 설치되고, 활성층(27), 장벽층(2a)보다도 밴드갭 에너지가 큰 질화물 반도체층 또는 광가이드층(26)이 활성층에 인접해서 설치되어 캐리어 가둠으로서 기능하지만, 활성층(27), 장벽층(2a)에 인접하는 제 1 질화물 반도체층(26)에서는 활성층에 캐리어를 가두는 구조로 되어 있지 않고, 가장 제 1 도전형층 측에 배치된 제 1 장벽층(2a)에 의해 우물층(1a)내에 갇힌다.
이하, 우물층, 장벽층 및 제 1 질화물 반도체층(제 2 질화물 반도체층)의 관계에 대해서 설명한다. 본 발명의 질화물 반도체 소자는 상술한 바와 같이 제 1 도전형층, 활성층, 제 2 도전형층이 적층된 구조이지만, 여기에서는 제 1 도전형층을 n형 질화물 반도체를 갖는 n형층, 제 2 도전형층을 p형 질화물 반도체를 갖는 p 형층으로서 설명한다. 상술한 바와 같이, 양자 우물 구조의 활성층에 있어서, n형층 측에 가장 가깝게 배치된 n측 장벽층을 제 1 장벽층, 한편 p형층 측에 가장 가깝게 배치된 p측 장벽층을 제 2 장벽층으로서 설명한다. 여기에서, 본 발명에서는 바람직하게는 n측 장벽층 가까이에서, 제 1 도전형층(n형층)내에 설치된 제 1 질화물 반도체층과의 관계에 있어서, 제 1 장벽층보다 제 1 질화물 반도체층이 밴드갭 에너지가 크게 되어 있으므로, 적어도 제 1 장벽층과 우물층을 갖는 활성층으로 한다. 이 때, 제 1 장벽층은 우물층보다도 n형층 측에 설치될 필요가 있다. 이 때문에, 본 발명에 있어서 활성층은 적어도 우물층과, 우물층보다도 n형층 측에 설치된 제 1 장벽층을 갖는다. 바람직하게는, 우물층보다도 p형층 측에 설치된 제 2 장벽층(p측 장벽층)을 설치하고, 적어도 제 1 장벽층과 제 2 장벽층에 우물층을 끼워 넣는 구조가 형성되어 있는 것이 바람직하다. 왜냐하면, 우물층을 끼워 설치된 제 1 장벽층과 제 2 장벽층은 각각 n형층의 가장 가까이, p형층의 가장 가까이에 설치된 장벽층이므로, 서로 다른 기능을 갖기 때문이다.
제 1 장벽층은 활성층 중에서 가장 n형층 가까이에 배치된 장벽층이고, 더욱 바람직하게는 활성층내에서 가장 외측이고, n형층의 가장 가까이에 설치되는 것이고, 더욱 바람직하게는, n형층, 제 1 질화물 반도체층에 접해서 설치되는 것이다. 이것은 우물층을 통해, n형층에 이간해서 제 1 장벽층이 설치되면, 예를 들면 도 13b에 나타내는 형태에서는 제 1 장벽층(2a)보다도 n형층 측에 있는 우물층에서는 캐리어의 주입이 있어, n형층 측으로 오버플로하는 캐리어가 발생하고, 한편으로 제 1 장벽층을 두껍게 하여 n형층으로의 오버플로를 억제하면, 그것보다도 n형층 측에 있는 우물층에 있어서 캐리어가 주입되지 않아, 발광 재결합 등의 우물층으로서의 기능을 손상시키게 되기 때문이다. 반대로, 제 1 장벽층은 제 1 장벽층과 p형층에 끼워지는 활성층내의 우물층으로 캐리어를 가두기 위한 장벽으로서 기능하고, 또한 제 2 장벽층도 마찬가지로 제 2 장벽층과 n형층 사이의 우물층에 캐리어를 가두는 기능을 하는 한편, 우물층에 끼워진 장벽층, 예를 들면 도 14a, 도 14b의 장벽층(2c, 2d)은 각 우물층에 캐리어를 분산하여 가두는 기능을 갖고, 제 1 장벽층, 제 2 장벽층과 우물층 사이의 장벽층에서는 다른 기능을 갖게 된다. 이 때문에, 제 1 장벽층의 기능을 최대한 활용하기 위해서는, 활성층 내의 가장 외측에 제 1 장벽층, 제 2 장벽층을 배치함으로써, 활성층내에 캐리어를 적절하게 가두는 것이 가능해진다.
또한, 제 2 장벽층(제 2 p측 장벽층)에 대해서는, 이것을 설치하는 대신에, 후술하는 캐리어 가둠층을 활성층의 외부, 바람직하게는 활성층에 접해서 제 2 도전형층(p형층) 안에 설치함으로써, 캐리어를 활성층 중의 우물층에 가둘 수도 있다. 바람직하게는, 이 캐리어 가둠층(28)에다가, 활성층 내에 제 2 장벽층을 설치함으로써, 질화물 반도체에 있어서 홀에 비해서 전자는 확산하기 쉬운 성질이 있고, 캐리어 확산길이도 긴 경향이 있지만, 이것을 개선하여, 활성층내, 특히 우물층내에 적절하게 캐리어를 가두고, 주입할 수 있는 구조가 된다. 여기에서, 제 2 장벽층은 제 1 장벽층과 마찬가지로, 우물층보다도 p형층(제 2 도전형층) 측에 배치되고, 더욱 바람직하게는 p형층의 가장 가까이에 배치된 장벽층으로 하고, 더욱 바람직하게는 활성층에 있어서 가장 외측으로, p형층 측에 배치시킴으로써, 적절한 캐리어 주입이 가능해진다. 또한, 캐리어 가둠층과의 관계로부터, 캐리어 가둠층과 이간해서 배치시킬 수도 있지만, 바람직하게는 p형층 중의 캐리어 가둠층(28)에 접해서 제 2 장벽층을 형성함으로써, 캐리어 가둠층에 대하여 보조적으로, 제 2 장벽층에 의한 캐리어의 가둠, 우물층에로의 주입을 가능하게 할 수 있어 바람직하다.
또한, 상술한 제 1 장벽층, 제 2 장벽층과 같이, 활성층내에서 우물층보다도 제 1 도전형층, 제 2 도전형층 가까이에 배치되고, 활성층 중의 장벽층 중에서도 가장 외측의 장벽층 이외의 장벽층은 예를 들면 도 14a, 도 14b에 나타내는 바와 같이, 우물층(1a)과 우물층(1b), 우물층(1b)과 우물층(1c)으로 끼워진 장벽층(2c, 2d)을 설치할 수도 있다. 특히, 다중 양자 우물 구조에 있어서는, 이러한 우물층에 끼워진 장벽층을 이용함으로써, 다수 존재하는 우물층에 있어서 캐리어가 적절하게 각 우물층에 분배되어, 주입ㆍ갇힌다. 즉, 상기 제 1 장벽층(2a), 제 2 장벽층(2b)과 다른 기능을 갖는 것으로, 제 1 장벽층, 제 2 장벽층보다도 막두께를 얇게 하더라도, 우물층에 끼워진 장벽층의 기능을 손상시키지 않는 양자 우물 구조로 할 수 있고, 활성층 전체의 막두께를 억제해서, Vf의 상승을 억제할 수 있어 바람직하다. 또한, 도 14a에 나타내는 바와 같이, 제 1 장벽층(2a), 제 2 장벽층(2b)보다도 우물층에 끼워진 장벽층(2c)으로 하면, 각 도전형층으로부터 주입된 캐리어에 대해서, 우물층 사이에 개재하는 장벽이 큰 이 장벽층(2c)에 의해 인접하는 우물층에 직접적으로 적절하게 가두어, 주입시킬 수 있어 바람직하다. 또한, 도 14b에 나타내는 바와 같이, 제 1 장벽층(2a), 제 2 장벽층(2b)보다도 우물층에 끼 워진 장벽층(2c, 2d)으로 하면, 이들 내부에 위치하는 장벽층에서의 가둠 기능을 약하게 해서, 외부에 위치하는 제 1 장벽층(2a), 제 2 장벽층(2b)을 이들 장벽층과 비교하여 강하게 함으로써, 우물층 수가 많아져도 외부의 장벽층이 큰 장벽을 형성하기 때문에, 각 우물층으로의 캐리어의 주입ㆍ가둠을 적절하게 실현할 수 있는 구조가 가능하다.
이상 설명한 바와 같이, 외부의 장벽층인 제 1 장벽층(2a), 제 2 장벽층(2c)은 내부의 우물층에 끼워진 장벽층과 다른 기능을 갖기 때문에, 내부의 장벽층과 외부의 장벽층 사이에서, 막두께, 밴드갭 에너지, 조성을 다르게 한 구성으로 하여, 원하는 소자 특성의 소자를 얻을 수 있게 된다. 또한, 내부 장벽층이 도 14b에 나타내는 바와 같이, 다수 갖는 활성층에서는 각 내부 장벽층 사이에서 다른 조성, 밴드갭 에너지, 막두께로 하는 것도 가능하며, 거의 동일한 조성, 밴드갭 에너지, 막두께로 할 수도 있고, 바람직하게는, 거의 동일한 조성, 밴드갭 에너지, 막두께로 함으로써, 내부 장벽층에 거의 균등한 기능을 부여할 수 있어, 각 우물층으로의 캐리어 주입이 적절하게 이루어진다.
또한, 상술한 바와 같이, 각 장벽층으로의 불순물 도프로는 가장 n형층 측에 위치하는 제 1 장벽층(2b)에는 n형 불순물을 도프하는 것이 상술한 이유 때문에 바람직하고, 가장 p형층 측에 배치되는 제 2 장벽층에는 n형 불순물을 도프하는 것보다도 실질적으로 n형 불순물이 도프되어 있지 않은 상태, 구체적으로는 5×1016/㎤ 이하의 불순물 농도로 하는 것이 바람직하다. 이것은, 질화물 반도체에 이용되는 p형 불순물은 확산성이 높은 불순물이 많고, 예를 들면 자주 이용되는 Mg, Zn 등은 적층 구조내를 넓게 확산하는 경향이 있고, 장벽층에 p형 불순물이 도프되면 그것에 인접하는 우물층으로의 확산이 일어나서, 우물층에서의 캐리어의 발광 재결합을 저해하는 경향이 있기 때문이다. 또한, p형층 측에 가까운 제 2 장벽층을 언도프로 함으로써, p형층으로부터의 불순물의 확산을 그 장벽층 내에 멈추게 하는 작용이 부여되고, 우물층으로의 그 이상의 불순물의 확산을 방지할 수 있어 바람직하다. 특히, 캐리어 가둠층(28)을 p형층 안에 갖고, 제 2 장벽층에 근접해서, 바람직하게는 제 2 장벽층에 접해서 배치되는 경우에는, 캐리어 가둠층은 비교적 고저항의 층이 되는 경향이 있으므로, 고농도로 p형 불순물이 도프되는 경향이 있어, 이 불순물의 확산이 문제되지만, 제 2 장벽층을 언도프로 함으로써 이 확산에 의한 우물층의 기능 저하를 방지할 수 있어 바람직하다. 또한, 캐리어 가둠층 근방에 있어서 p-n 접합이 형성되고, 도 12b, 도 14a 등에 나타내는 바와 같이, 캐리어 가둠층에서는 소자 구조내에 있어서 가장 큰 Al 혼성결정비로 형성되는 경향이 있으므로, 고 Al 혼성결정비의 질화물 반도체에 의한 큰 압전이 걸리고, 우물층에 악영향을 미치는 경향이 있지만, 캐리어 가둠층보다도 Al 혼성결정비가 작은 제 2 장벽층을 언도프로 형성함으로써, 우물층으로의 악영향을 억제할 수 있는 경향이 있어, 바람직하다.
또한, 제 1 장벽층, 제 2 장벽층과의 비교에 있어서, 제 1 장벽층을 제 2 장벽층보다도 큰 막두께로 하는 경우에는, 제 2 도전형층 중에 캐리어 가둠층(28)을 설치함으로써, 제 2 장벽층에 의한 활성층내로의 캐리어 가둠 기능을 저하시켜, 즉, 상기 내부 장벽층에 가까운 기능을 하는 장벽층으로 하여, 캐리어 가둠층(28)으로서 주로 활성층으로의 캐리어 가둠을 실현하는 구조로 할 수 있고, 활성층 전체의 막두께를 작게 할 수 있으므로, Vf 저하에 기여할 수 있고, 또한 질화물 반도체에 있어서는 홀의 확산 길이가 전자의 확산 길이보다도 충분히 작기 때문에, 홀의 주입구가 되는 제 1 장벽층의 막두께가 작아져, 우물층으로의 캐리어 주입이 효율적으로 이루어져 바람직하다. 한편, p형 불순물이 도프된 캐리어 가둠층(28)을 갖는 경우 또는 활성층 근처, 바람직하게는 활성층에 접해서 배치된 제 2 질화물 반도체층(29)이 제 1 장벽층보다도 큰 밴드갭 에너지를 갖는 경우에는, Al 혼성결정비가 높은 층이 활성층에 인접해서 설치되게 된다. 이 때문에, Al 혼성결정비가 높은 층은 고저항이므로, 이 층에서는 소자 동작 중에 큰 발열을 일으키고, 그것이 우물층에 접근하고 있으면, 우물층으로의 열에 의한 악영향이 발생하여, 소자 특성을 저하시키는 경향이 있다. 또한, 이러한 Al 혼성결정비가 큰 층과 활성층의 계면, 또는 Al 혼성결정비가 큰 층의 활성층 측 계면, 또는 그 근방에 있어서, 도 12b, 도 14a, 도 14b에 나타내는 바와 같이 p-n 접합이 형성되고, 그 근처에 활성층의 우물층이 설치되어 있으면, 우물층에서의 발광 재결합에 있어서 바이어스가 악영향을 미치는 경향이 있다. 즉, 제 1 장벽층은 우물층과 Al 고 혼성결정층 사이를 떼어, 상기 Al 고 혼성결정층에 의한 악영향이 우물층에 미치지 않도록 이간시키는 스페이서로서 기능시키면 바람직하다. 이 경우, 제 1 장벽층의 구체적인 막두께로는 적어도 20Å 이상으로 함으로써 상기 스페이서의 기능을 실현할 수 있고, 바람직하게는 40Å 이상의 막두께로 함으로써 우물층으로의 영향을 억제한 활 성층이 될 수 있어 바람직하다.
본 발명의 제 1 광가이드층(26), 제 2 광가이드층(29)으로는, Al을 함유하는 질화물 반도체가 이용되고, 또한 도 12b, 도 14a, 도 14b의 밴드 구조(41)로서 나타내는 바와 같이, 적어도 양자 우물 구조의 활성층(27) 내의 우물층(1)보다도 큰 밴드갭 에너지로 하고, 또한 활성층(27)과 광가이드층(26, 29)의 굴절률 차를 작게 해서, 도파로 구조로 한다. 또한, 광가이드층은 도 12b, 도 14a, 도 14b에 나타내는 바와 같이, 장벽층보다도 밴드갭 에너지가 작아도 되고, 도 13a, 도 13b에 나타내는 바와 같이, 광가이드층의 일부를 장벽층보다도 크게 해도 된다. 이 경우, 제 1 장벽층을 제외한 광가이드층 또는 그 일부가 장벽층보다도 밴드갭 에너지를 크게 하거나, 또는 도 14a, 도 14b에 나타내는 바와 같이, 내부 장벽층, 즉 활성층 중의 장벽층의 일부보다 광가이드층의 밴드갭 에너지를 크게 할 수 있다.
즉, 바람직하게는 광가이드층이 제 1 장벽층보다도 밴드갭 에너지가 작은 제 1 질화물 반도체층을 갖는 것, 더욱 바람직하게는 제 1 질화물 반도체층으로 이루어지는 광가이드층으로 하는 것, 또는 제 1 질화물 반도체층 이외의 층을 갖는 다층막의 광가이드층에 있어서, 광가이드층 전체를 제 1 장벽층보다도 밴드갭 에너지를 작게 함으로써, 상기 제 1 장벽층의 캐리어 가둠층으로서의 기능을 적합하게 실현할 수 있고, 또한 Al 혼성결정비가 작은 광가이드층을 형성함으로써, 예를 들면 그것에 의해 하부 광가이드층이 형성되면, Al을 함유하는 질화물 반도체에 의한 결정성 악화를 억제하여, 활성층을 형성할 수 있고, 발광 소자, 레이저 소자 특성이 우수한 소자를 얻을 수 있다. 또한, 제 1 질화물 반도체층을 제 1 도전형층 중의 광가이드층을 설치하는 것과 마찬가지로, 제 2 도전형층에 광가이드층을 설치하는 경우에 있어서, 상술한 바와 같이 제 2 장벽층보다도 밴드갭 에너지가 작은 제 2 질화물 반도체층을 설치할 수도 있고, 이 때의 작용에 대해서도 제 1 질화물 반도체층과 마찬가지이다.
또한, 제 2 질화물 반도체층이 상부 광가이드층에 설치되는 경우에 있어서, 광가이드층의 조성으로서, 구체적으로는 InαAlβGa1-α-βN(0≤α, 0<β, α+β≤1)이 이용된다. 바람직하게는, In을 함유하지 않는 질화물 반도체로 하는 것, 즉 In 조성비가 0인 질화물 반도체로 함으로써, In을 함유하는 것에 의한 광의 흡수를 방지하여, 광의 손실을 낮게 억제한 도파로로 할 수 있다. 또한, 바람직하게는 AlβGa1-βN(0≤β≤1)을 이용함으로써, 자외역에서 적색역까지의 폭넓은 파장역에 적용할 수 있는 도파로가 된다. 특히 상기 파장 380㎚ 이하의 단파장역의 광을 도파시키기 위해서는, 바람직하게는 AlβGa1-βN(0<β≤1)이 이용된다. 이것은 GaN에서는 상기 단파장역의 광을 흡수하고, 그것이 손실이 되어, 임계값 전류 밀도, 전류-광출력 특성을 악화시키기 때문이다. 특히, 광가이드층의 Al 조성비(β)는 광가이드층의 밴드갭 에너지(Eg), 활성층의 발광의 광자 에너지(Ep)에 비해서, 0.05eV 이상 커지도록(Eg-Ep≥0.05eV) 조정하는 것이 바람직하다. 이것에 의해, 상기 단파장역에 있어서 가이드층에 의한 광의 손실이 억제된 도파로가 되기 때문이며, 더욱 바람직하게는 Eg-Ep≥0.1로 함으로써, 더욱 우수한 도파로가 형성된다.
제 1 질화물 반도체층이 광가이드층인 경우, 초격자 구조에서도 단일막으로 형성해도 상관없다. 단일막으로 형성함으로써, 초격자로 하는 경우에 비해서 전류가 흐르기 쉬워져, Vf를 낮출 수 있다. 그 때, 단일막의 막두께는 적어도 양자 효과가 없을 정도의 막두께로, 바람직하게는 제 1 장벽층(제 2 질화물 반도체층의 경우에는 제 2 장벽층)보다도 큰 막두께로, 보다 바람직하게는 300Å 이상의 두께로 형성하는 것이 바람직하다.
한편, 광가이드층을 초격자로 하는 경우, 초격자를 구성하는 모든 층에 Al을 포함하는 것이 바람직하다. 또는 초격자를 구성하는 적어도 1개의 층이 Al을 포함하고, 이 층의 밴드갭 에너지가 활성층의 외부 장벽층보다 작고, 또한 활성층의 내부 장벽층보다 큰 것이 바람직하다. 이것에 의해, 활성층내에서의 캐리어 가둠 기능을 충분히 발휘할 수 있다.
제 1 도전형층과 제 1 장벽층의 계면은 격자 부정합성인 것이 바람직하다. 구체적으로는, 제 1 장벽층이 AluInvGa1-u-vN(0<u<1, 0<v<1, u+v<1)으로 이루어질 때, 제 1 질화물 반도체층은 AlxGa1-xN(0≤x<1)으로 한다. 제 1 도전형층을 제 1 장벽층과 격자 정합시키기 위해, 상기 4원 혼성결정의 질화물 반도체로 하면, In을 혼성결정시키게 되지만, In을 첨가한 4원 혼성결정의 질화물 반도체는 예를 들면 300Å 이상의 막두께를 형성하기 어렵다. 따라서, 제 1 도전형층을 In을 함유하지 않은 격자 부정합성의 AlGaN으로 하는 것이 바람직하다.
[실시형태 3]
다음에, 본 발명의 또 다른 실시형태 3으로서, 더욱 구체적인 소자 구조를 예시한다.
(실시형태 3-1)
활성층(AlGaN 장벽층/GaN 우물층/AlGaN 장벽층) SCH 구조
p-GaN 콘택트층
p-Al0.1Ga0.9N/Al0.05Ga0.95N 초격자 클래드층
(상부 클래드층(30))
p-Al0.04Ga0.96N 가이드층(상부 가이드층(29))
p-Al0.3Ga0.7N(캐리어 가둠층(28))
활성층(Al0.15Ga0.85N장벽층(제1 장벽층)(100Å)/GaN 우물층(100Å)/Al0.15Ga
0.85N 장벽층(제 2 장벽층)(45Å)
n-Al0.04Ga0.96N 가이드층(하부 가이드층(26))
n-Al0.1Ga0.9N/Al0.05Ga0.95N 초격자 클래드층
(하부 클래드층(25))
n-InGaN 크랙 방지층
n-Al0.02-0.03GaN(Si 도프: 캐리어 농도 2×1018㎝-3)
기판(결합 밀도 5×105/㎤: ELOG 기판 상에 HVPE법으로 GaN을 결정 성장시킨 기판)
(실시형태 3-2)
활성층(AlInGaN 장벽층/GaN 우물층/AlInGaN 장벽층) SCH 구조
실시형태 3-1에 있어서, 활성층을 이하에 나타내는 것으로 하고, 그 외에는 동일한 구조로 한다.
활성층(Al0.15In0.03Ga0.82N 장벽층(제 1 장벽층)(100Å)/GaN 우물층(100Å)/ Al0.15In0.03Ga0.82N 장벽층(제 2 장벽층)(45Å))
(실시형태 3-3)
활성층(AlGaN 장벽층/AlGaN 우물층/AlGaN 장벽층) SCH 구조(발진 파장 360㎚)
실시형태 3-1에 있어서, 활성층을 이하에 나타내는 것으로 하고, 그 외에는 동일한 구조로 한다.
활성층(Al0.20Ga0.80N 장벽층(제 1 장벽층)(100Å)/Al0.05Ga0.95
N 우물층(100Å)/ Al0.20Ga0.80N 장벽층(제 2 장벽층)(45Å))
(실시형태 3-4)
활성층(AlInGaN 장벽층/AlGaN 우물층/AlInGaN 장벽층) SCH 구조(발진 파장 360㎚)
실시형태 3-1에 있어서, 활성층을 이하에 나타내는 것으로 하고, 그 외에는 동일한 구조로 한다.
활성층(Al0.15In0.03Ga0.82N 장벽층(제 1 장벽층)(100Å)/GaN 우물층(100Å)/ Al0.15In0.03Ga0.82N 장벽층(제 2 장벽층)(45Å))
(실시형태 3-5)
활성층(AlGaN 장벽층/GaN 우물층/AlGaN 장벽층) GRIN 구조
p-GaN 콘택트층
실시형태 3-1에 있어서, 광가이드층을 이용하지 않고, 클래드층을 이하에 나타내는 것으로 하고, 그 외에는 동일한 구조로 한다.
p-AlaGa1-aN/AlbGa1-bN 초격자 클래드층(상부 클래드층(30))
n-AlcGa1-cN/AldGa1-dN 초격자 클래드층(하부 클래드층(25))
(실시형태 3-6)
활성층(AlInGaN 장벽층/GaN 우물층/AlInGaN 장벽층) GRIN 구조
실시형태 3-1에 있어서, 광가이드층을 이용하지 않고, 클래드층과 활성층을 이하에 나타내는 것으로 하고, 그 외에는 동일한 구조로 한다.
p-AlaGa1-aN/AlbGa1-bN 초격자 클래드층(상부 클래드층(30))
활성층(Al0.15In0.03Ga0.82N 장벽층(제 1 장벽층)(45Å)/GaN 우물층(100Å)/ Al0.15In0.03Ga0.82N 장벽층(제 2 장벽층)(45Å))
n-AlcGa1-cN/AldGa1-dN 초격자 클래드층(하부 클래드층(25))
(실시형태 3-7)
활성층(AlGaN 장벽층/AlGaN 우물층/AlGaN 장벽층) GRIN 구조(발진 파장 360㎚)
실시형태 3-1에 있어서, 광가이드층을 이용하지 않고, 클래드층과 활성층을 이하에 나타내는 것으로 하고, 그 외에는 동일한 구조로 한다.
p-AlaGa1-aN/AlbGa1-bN 초격자 클래드층(상부 클래드층(30))
활성층(Al0.20Ga0.80N 장벽층(제 1 장벽층)(100Å)/Al0.05Ga0.95
N 우물층(100Å)/ Al0.20Ga0.80N 장벽층(제 2 장벽층)(45Å))
n-AlcGa1-cN/AldGa1-dN 초격자 클래드층(하부 클래드층(25))
(실시형태 3-8)
활성층(AlInGaN 장벽층/AlGaN 우물층/AlInGaN 장벽층) GRIN 구조(발진 파장 360㎚)
실시형태 3-1에 있어서, 광가이드층을 이용하지 않고, 클래드층과 활성층을 이하에 나타내는 것으로 하고, 그 외에는 동일한 구조로 한다.
p-AleGa1-eN 조성 경사 클래드층(상부 클래드층(30))
활성층(Al0.15In0.03Ga0.82N 장벽층(제 1 장벽층)(100Å)/GaN 우물층(100Å)/ Al0.15In0.03Ga0.82N 장벽층(제 2 장벽층)(45Å))
n-AlfGa1-fN 조성 경사 클래드층(하부 클래드층(25))
(실시형태 3-9)
활성층(AlGaN 장벽층/GaN 우물층/AlGaN 장벽층) GRIN-SCH 구조
실시형태 3-1에 있어서, 광가이드층을 이하에 나타내는 것으로 하고, 그 외에는 동일한 구조로 한다.
p-AlgGa1-gN 조성 경사 가이드층(상부 가이드층(29))
활성층(Al0.15Ga0.85N장벽층(제1 장벽층)(100Å)/GaN 우물층(100Å)/Al0.15Ga
0.85N 장벽층(제 2 장벽층)(45Å))
n-AlhGa1-hN 조성 경사 가이드층(하부 가이드층(26))
(실시형태 3-10)
활성층(AlInGaN 장벽층/GaN 우물층/AlInGaN 장벽층) GRIN-SCH 구조(발진 파장 360㎚)
실시형태 3-1에 있어서, 광가이드층과 활성층을 이하에 나타내는 것으로 하고, 그 외에는 동일한 구조로 한다.
p-AlgGa1-gN 조성 경사 가이드층(상부 가이드층(29))
활성층(Al0.15In0.03Ga0.82N 장벽층(제 1 장벽층)(100Å)/GaN 우물층(100Å)/ Al0.15In0.03Ga0.82N 장벽층(제 2 장벽층)(45Å))
n-AlhGa1-hN 조성 경사 가이드층(하부 가이드층(26))
(실시형태 3-11)
활성층(AlGaN 장벽층/AlGaN 우물층/AlGaN 장벽층) GRIN-SCH 구조(발진 파장 360㎚)
실시형태 3-1에 있어서, 광가이드층과 활성층을 이하에 나타내는 것으로 하고, 그 외에는 동일한 구조로 한다.
p-AlgGa1-gN 조성 경사 가이드층(상부 가이드층(29))
활성층(Al0.20Ga0.80N 장벽층(제 1 장벽층)(100Å)/Al0.05Ga0.95
N 우물층(100Å)/ Al0.20Ga0.80N 장벽층(제 2 장벽층)(45Å))
n-AlhGa1-hN 조성 경사 가이드층(하부 가이드층(26))
(실시형태 3-12)
활성층(AlInGaN 장벽층/AlGaN 우물층/AlInGaN 장벽층) GRIN-SCH 구조(발진 파장 360㎚)
실시형태 3-1에 있어서, 광가이드층과 활성층을 이하에 나타내는 것으로 하고, 그 외에는 동일한 구조로 한다.
p-AlgGa1-gN 조성 경사 가이드층(상부 가이드층(29))
활성층(Al0.15In0.03Ga0.82N 장벽층(제 1 장벽층)(100Å)/GaN 우물층(100Å)/ Al0.15In0.03Ga0.82N 장벽층(제 2 장벽층)(45Å))
p-AlgGa1-gN 조성 경사 가이드층(하부 가이드층(26))
상기 실시형태 3-1∼12의 특징에 대해서 이하에 각각 기술한다.
실시형태 3-1은 활성층을 상부, 하부 클래드층에 끼우고, 각 클래드층과 활 성층 사이에는 상부 광가이드층과 하부 광가이드층이 설치되고, 클래드층은 한쪽에 변조 도프한 초격자 구조이고, 각 광가이드층은 제 1 장벽층, 제 2 장벽층보다도 밴드갭 에너지가 작으며, 또한 Al 혼성결정비가 작은 것이고, 장벽층은 AlGaN의 3원 혼성결정으로 형성되어 있다.
실시형태 3-2가 실시형태 3-1과 다른 점은 제 1 장벽층, 제 2 장벽층을 AlInGaN의 4원 혼성결정으로 형성하고 있는 것에 있다.
실시형태 3-3이 실시형태 3-1, 3-2와 다른 점은 우물층을 AlGaN의 3원 혼성결정으로 하고 있는 것에 있다. 실시형태 3-4가 실시형태 3-1, 3-2, 3-3과 다른 점은 우물층을 AlGaN의 3원 혼성결정으로 하고, 장벽층을 AlInGaN의 4원 혼성결정으로 하고 있는 것에 있다.
실시형태 3-5가 실시형태 3-1, 3-2, 3-3, 3-4와 다른 점은 상부, 하부 클래드층을 한쪽의 층은 도프시킨 변조 도프의 초격자 클래드층으로 하고, 한쪽의 층은 Al 조성비(a, c)를 활성층에 근접함에 따라서 작게 하고, 활성층 근방(활성층으로부터의 거리가 0.1㎛ 이하인 영역)의 밴드갭 에너지(Ec)가 Ep보다도 0.05eV 이상이 되도록 하고, 한편 이 근방에 있어서, 제 1 장벽층, 제 2 장벽층보다도 Al 혼성결정비, 밴드갭 에너지를 작게 한다. 이 때, Al 조성비는 a>b, c>d이다.
실시형태 3-8이 실시형태 3-1∼7과 다른 점은, 상부, 하부 클래드층으로서 AlGaN층에 있어서, Al 혼성결정비(e, f)를 활성층에 근접함에 따라서 작게 하고, 활성층 근방(활성층으로부터의 거리가 0.1㎛ 이하인 영역)의 밴드갭 에너지(Ec)가 Ep보다도 0.05eV 이상이 되도록 하고, 한편 이 근방에 있어서, 제 1 장벽층, 제 2 장벽층보다도 Al 혼성결정비, 밴드갭 에너지를 작게 한다.
실시형태 3-9가 실시형태 3-1∼8과 다른 점은 가이드층을 조성 경사 구조로 하고, Al 혼성결정비(g, h)를 활성층에 근접함에 따라서 작게 하고, 그 가이드층의 일부가 제 1 장벽층, 제 2 장벽층보다도 Al 혼성결정비, 밴드갭 에너지가 작게 되도록 한다.
[실시예 1]
이하, 실시예로서, 도 1에 나타내는 바와 같은 레이저 소자 구조, 그리고 도 1에 나타내는 도파로 구조에 대해서, 질화물 반도체를 이용한 레이저 소자에 관해서 설명한다. 여기에서는 제 1 도전형층으로서 n형 질화물 반도체를, 제 2 도전형층으로서 p형 질화물 반도체를 형성하고 있지만, 본 발명은 이것에 한정되지 않고, 반대로 제 1 도전형층을 p형으로, 제 2 도전형층을 n형으로 한 구조이어도 된다.
여기에서, 본 실시예에서는 GaN 기판을 이용하고 있지만, 기판으로서 질화물 반도체와 다른 이종 기판을 이용해도 된다. 이종 기판으로는 예를 들면 C면, R면 및 A면 중의 어느 하나를 주면으로 하는 사파이어, 스피넬(MgAl2O4)과 같은 절연성 기판, SiC(6H, 4H, 3C를 포함한다), ZnS, ZnO, GaAs, Si 및 질화물 반도체와 격자 정합하는 산화물 기판 등, 질화물 반도체를 성장시키는 것이 가능하여 종래부터 알려져 있고, 질화물 반도체와는 다른 기판 재료를 이용할 수 있다. 바람직한 이종 기판으로는 사파이어, 스피넬을 들 수 있다. 또한, 이종 기판은 오프앵글하고 있 어도 되고, 이 경우 스텝형상으로 오프앵글한 것을 이용하면 질화갈륨으로 이루어지는 하지층의 성장을 결정성 좋게 성장시키기 때문에 바람직하다. 또한, 이종 기판을 이용하는 경우에는 이종 기판 상에 소자 구조 형성 전의 하지층이 되는 질화물 반도체를 성장시킨 후, 이종 기판을 연마 등의 방법에 의해 제거해서, 질화물 반도체의 단체(單體) 기판으로서 소자 구조를 형성해도 되고, 또한 소자 구조 형성 후에 이종 기판을 제거하는 방법이어도 된다. GaN 기판 외에, AlN 등의 질화물 반도체의 기판을 이용해도 된다.
이종 기판을 이용하는 경우에는 버퍼층(저온 성장층), 질화물 반도체(바람직하게는 GaN)로 이루어지는 하지층을 통해, 소자 구조를 형성하는 것, 질화물 반도체의 성장이 양호한 것이 된다. 또한, 이종 기판 상에 설치하는 하지층(성장 기판)으로서, 그 이외에 ELOG(Epitaxially Laterally Overgrowth) 성장시킨 질화물 반도체를 이용하면 결정성이 양호한 성장 기판이 얻어진다. ELOG층의 구체예로는 이종 기판 상에, 질화물 반도체층을 성장시키고, 그 표면에 질화물 반도체의 성장이 어려운 보호막을 형성하는 등에 의해 형성한 마스크 영역과, 질화물 반도체를 성장시키는 비마스크 영역을 스트라이프 형상으로 형성하고, 그 비마스크 영역으로부터 질화물 반도체를 성장시킴으로써, 막두께 방향으로의 성장에 부가해서, 횡방향으로의 성장이 이루어지므로, 마스크 영역에도 질화물 반도체가 성장해서 막형성된 층 등이 있다. 그 외의 형태에서는 이종 기판 상에 성장시킨 질화물 반도체층에 개구부를 형성하고, 그 개구부 측면으로부터 횡방향으로의 성장이 이루어져서 막형성되는 층이어도 된다.
(기판(101))
기판으로서, 이종 기판에 성장시킨 질화물 반도체, 본 실시예에서는 GaN을 후막(100㎛)으로 성장시킨 후, 이종 기판을 제거해서, 80㎛의 GaN으로 이루어지는 질화물 반도체 기판을 이용한다. 기판의 상세한 형성 방법은 이하와 같다. 2인치
, C면을 주면으로 하는 사파이어로 이루어지는 이종 기판을 MOVPE 반응 용기내에 세트하고, 온도를 500℃로 하며, 트리메틸갈륨(TMG), 암모니아(NH3)을 이용하여, GaN으로 이루어지는 저온 성장 버퍼층을 200Å의 두께로 성장시키고, 그 후, 온도를 높여, 언도프의 GaN을 1.5㎛의 두께로 성장시켜서, 하지층으로 한다. 다음에, 하지층 표면에 스트라이프형상의 마스크를 다수 형성하고, 마스크 개구부(창부)로부터 질화물 반도체, 본 실시예에서는 GaN을 선택 성장시키고, 횡방향의 성장을 수반한 성장(ELOG)에 의해 성장된 질화물 반도체층(횡방향 성장층)을 형성하며, 계속해서 HVPE에 의해 100㎛의 막두께의 GaN을 성장시켜, 이종 기판, 버퍼층, 하지층을 제거해서, GaN으로 이루어지는 질화물 반도체 기판을 얻는다.
이 때, 선택 성장시의 마스크는 SiO2로 이루어지고, 마스크폭 15㎛, 개구부(창부) 폭 5㎛로 함으로써, 관통 전위를 저감할 수 있다. 구체적으로는, 마스크 상부와 같이 횡방향으로 성장한 영역에서는 관통 전위가 저감되고, 마스크 개구부에서는 거의 막두께 성장에 의해 막형성되므로, 관통 전위에 변화가 없고, 이것에 의해 관통 전위 밀도가 큰 영역과 작은 영역이 분포된 층이 된다. 두꺼운 막의 질화물 반도체층의 형성에는 HVPE법이 성장 속도를 크게 할 수 있어 바람직하고, HVPE 로 성장시키는 질화물 반도체로는 GaN, AlN을 이용하면, 양호한 결정성으로 후막 성장이 가능하다. GaN 기판을 HVPE로 형성하면, 생성된 핵으로부터 핵성장한 도메인이 막두께 방향으로 성장함에 따라서 각 도메인이 결합해서 막형성되는 3차원의 성장 형태가 되는 경향이 있고, 이러한 경우에는 핵성장에 수반해서 관통 전위도 전파되므로, 상기 횡방향 성장층에 의한 분포된 관통 전위가 분산되는 경향이 있다.
(버퍼층(102))
질화물 반도체 기판 상에, 온도를 1050℃로 하고, TMG(트리메틸갈륨), TMA(트리메틸알루미늄), 암모니아를 이용하여, Al0.05Ga0.95N으로 이루어지는 버퍼층(102)을 4㎛의 두께로 성장시킨다. 이 층은 AlGaN의 n측 콘택트층과, GaN으로 이루어지는 질화물 반도체 기판 사이에서 버퍼층으로서 기능한다.
구체적으로는, 횡방향 성장층 또는 그것을 이용해서 형성한 기판이 GaN인 경우에, 그것보다도 열팽창계수가 작은 질화물 반도체의 AlaGa1-aN(0<a≤1)로 이루어지는 버퍼층(102)을 이용함으로써, 피트를 저감시킬 수 있다. 바람직하게는, 질화물 반도체의 횡방향 성장층인 GaN 위에 설치한다. 또한, 버퍼층(102)의 Al 혼성결정비(a)가 0<a<0.3이면, 결정성을 양호한 것으로 하여 버퍼층을 형성할 수 있다. 이 버퍼층을 n측 콘택트층으로서 형성해도 되고, 버퍼층(102)을 형성한 후, 상기 버퍼층의 조성식으로 나타내는 n측 콘택트층을 형성하여, 버퍼층(102)과 그 위의 n측 콘택트층(104)에도 버퍼 효과를 갖게 하는 형태이어도 된다. 즉, 이 버퍼층(102) 은 횡방향 성장을 이용한 질화물 반도체 기판 또는 그 위에 형성한 횡방향 성장층과 소자 구조 사이, 또는 소자 구조 중의 활성층과 횡방향 성장층(기판), 또는 그 위에 형성한 횡방향 성장층(기판) 사이에 설치하는 것, 더욱 바람직하게는 소자 구조 중의 기판측, 하부 클래드층과 횡방향 성장층(기판) 사이에, 적어도 1층 이상 설치함으로써, 피트를 저감하여, 소자 특성을 향상시킬 수 있다.
또한, n측 콘택트층을 버퍼층으로 하는 경우에는, 전극과의 양호한 옴 접촉이 얻어지도록, n측 콘택트층의 Al 혼성결정비(a)를 0.1 이하로 하는 것이 바람직하다. 이 제 1 질화물 반도체층, 또는 그 위에 형성한 횡방향 성장층 위에 형성하는 버퍼층은 상술한 이종 기판 상에 형성하는 버퍼층과 마찬가지로 300℃ 이상 900℃ 이하의 온도에서 성장시켜도 되고, 800℃ 이상 1200℃ 이하의 온도에서 성장시켜도 되며, 바람직하게는 800℃ 이상 1200℃ 이하의 온도에서 단결정 성장시키면, 상술한 피트 저감 효과가 얻어지는 경향이 있다. 이 버퍼층은 n형, p형 불순물을 도프해도 되고, 언도프해도 되지만, 결정성을 양호하게 하기 위해서는 언도프로 형성하는 것이 바람직하다. 2층 이상의 버퍼층을 형성하는 경우에는 n형, p형 불순물 농도, Al 혼성결정비를 변화시켜서 형성할 수 있다.
다음에, 질화물 반도체로 이루어지는 하지층 위에, 소자 구조가 되는 각 층을 적층한다. 여기에서, 제 1 도전형층으로서, n측 콘택트층(110)∼n측 광가이드층을 형성하고, 제 2 도전형층으로서 p측 전자 가둠층(108)∼p측 콘택트층(111)을 형성한다.
(n측 콘택트층(103))
다음에 얻어진 버퍼층(102) 상에 TMG, TMA, 암모니아, 불순물 가스로서 실란가스를 이용하여, 1050℃에서 Si를 도프한 Al0.05Ga0.95N으로 이루어지는 n측 콘택트층(103)을 4㎛의 두께로 성장시킨다. n측 콘택트층, 또는 버퍼층 등의 하지층에, Al을 함유하는 질화물 반도체, 구체적으로는 AlxGa1-xN(0<x≤1)을 이용함으로써, GaN 등의 Al을 함유하지 않는 질화물 반도체에 비해서, ELOG를 이용한 것에 의한 결정성의 악화, 특히 피트의 발생을 억제하여, 양호한 하지층 표면을 제공할 수 있는 경향이 있어서, Al을 함유하는 질화물 반도체를 이용하는 것이 바람직하다.
(크랙 방지층(104))
다음에, TMG, TMI(트리메틸인듐), 암모니아를 이용하여, 온도를 800℃로 하여, In0.06Ga0.94N으로 이루어지는 크랙 방지층(104)을 0.15㎛의 막두께로 성장시킨다. 또한, 이 크랙 방지층은 생략가능하다.
(n측 클래드층(105)(하부 클래드층(25))
다음에, 온도를 1050℃로 하고, 원료 가스로 TMA, TMG 및 암모니아를 이용하여, 언도프의 Al0.14Ga0.86N으로 이루어지는 A층을 25Å의 막두께로 성장시키고, 계속해서 TMA를 중지하고, 불순물 가스로서 실란가스를 이용하여, Si를 5×1018/㎤ 도프한 GaN으로 이루어지는 B층을 25Å의 두께로 성장시킨다. 그리고, A층, B층을 교대로 적층하는 조작을 각각 120회 반복해서 A층과 B층을 적층하여, 총 막두께 0.6㎛의 다층막(초격자 구조)으로 이루어지는 n측 클래드층(106)을 성장시킨다.
(n측 광가이드층(106)(제 1 광가이드층(26))
다음에, 동일한 온도에서, 원료 가스로 TMG 및 암모니아를 이용하여, Si를 도프한 GaN으로 이루어지는 막두께 25Å의 A층, 원료가스에 TMA를 가해서, Al0.05Ga0.95N으로 이루어지는 막두께 25Å의 B층을 교대로 30회 반복해서 적층하여, 초격자 다층막으로 이루어지는 막두께 0.15㎛의 n측 광가이드층(106)으로 성장시킨다.
(활성층(107))
다음에, 온도를 800℃로 하고, 도 7에 나타내는 바와 같이 원료 가스로 TMI(트리메틸인듐), TMG, TMA를 이용하여, Si 도프된 Al0.1Ga0.9N으로 이루어지는 장벽층, 그 위에 언도프된 In0.03Al0.02Ga0.95N으로 이루어지는 우물층을, 장벽층(2a)/우물층(1a)/장벽층(2b)/우물층(1b)/장벽층(2c)의 순서로 적층한다. 이 때, 도 7에 나타내는 바와 같이, 장벽층(2a)을 200Å, 장벽층(2b, 2c)을 40Å의 막두께로 형성하고, 우물층(1a, 1b)을 70Å의 막두께로 형성한다. 활성층(107)은 총 막두께가 약 420Å인 다중 양자 우물 구조(MQW)가 된다.
(p측 전자 가둠층(108)(캐리어 가둠층(28))
다음에, 동일한 온도에서, 원료 가스로 TMA, TMG 및 암모니아를 이용하고, 불순물 가스로서 Cp2Mg(시클로펜타디에닐마그네슘)을 이용하여, Mg를 1×1019/㎤ 도프한 Al0.3Ga0.7N으로 이루어지는 p측 전자 가둠층(108)을 10㎚의 막두께로 성장시킨 다. 이 층은 특별히 형성되어 있지 않아도 되지만, 형성함으로써 전자 가둠으로서 기능하여, 임계값의 저하에 기여하게 된다.
(p측 광가이드층(109)(제 2 광가이드층(29))
다음에, 온도를 1050℃로 하고, 원료 가스로 TMG 및 암모니아를 이용하여, Mg를 도프한 GaN으로 이루어지는 막두께 25Å의 A층, 원료 가스에 TMA를 가해서, Al0.06Ga0.94N으로 이루어지는 막두께 25Å의 B층을 교대로 30회 반복해서 적층하고, 막두께 0.15㎛로 초격자 다층막 구조의 p측 광가이드층(109)을 성장시킨다.
이 p측 광가이드층(109)은 p측 전자 가둠층(108), p측 클래드층(109) 등의 인접층으로부터의 Mg의 확산에 의해 Mg가 도프되므로, 언도프로 형성해도 Mg 도프층이 될 수 있다.
(p측 클래드층(110)(상부 클래드층(30))
계속해서, 1050℃에서 언도프 Al0.14Ga0.86N으로 이루어지는 A층을 25Å의 막두께로 성장시키고, 계속해서 Cp2Mg를 이용해서, Mg 도프 Al0.14Ga0.86N으로 이루어지는 B층을 25Å의 막두께로 성장시키고, A층, B층을 교대로 적층하는 조작을 100회 반복해서 총 막두께 0.5㎛의 초격자 다층막으로 이루어지는 p측 클래드층(110)을 성장시킨다.
(p측 콘택트층(111))
최후로, 1050℃에서, p측 클래드층(110) 상에, Mg를 1×1020/㎤ 도프한 p형 GaN으로 이루어지는 p측 콘택트층(111)을 150Å의 막두께로 성장시킨다. p측 콘택 트층(111)은 p형의 InXAlYGa1-X-YN(0≤X, 0≤Y, X+Y≤1)으로 구성할 수 있고, 바람직하게는 p형 불순물을 도프한 GaN 또는 Al 조성비 0.3 이하의 AlGaN으로 하면, p전극(120)과 가장 바람직한 옴 접촉이 얻어지고, 가장 바람직하게는 GaN으로 하면 최량의 옴 접촉이 가능해진다. 콘택트층(111)은 전극을 형성하는 층이므로, 1×1017/㎤ 이상의 고 캐리어 농도로 하는 것이 바람직하다. 1×1017/㎤ 보다도 낮으면 전극과 바람직한 옴을 얻는 것이 어려워지는 경향이 있다. 또한, 콘택트층의 조성을 GaN으로 하면, 전극 재료와 바람직한 옴을 얻기 쉬워진다. 반응 종료후, 반응 용기내에 있어서, 웨이퍼를 질소분위기 중에서, 700℃에서 어닐링하여, p형층을 더욱 저저항화한다.
이상과 같이 하여, 질화물 반도체를 성장시키고 각 층을 적층한 후, 웨이퍼를 반응 용기에서 꺼내고, 최상층의 p측 콘택트층의 표면에 SiO2로 이루어지는 보호막을 형성하고, RIE(반응성 이온 에칭)를 이용하여 SiCl4 가스로 에칭하여, 도 1에 나타내는 바와 같이, n 전극을 형성해야 할 n측 콘택트층(103)의 표면을 노출시킨다. 이와 같이 질화물 반도체를 깊게 에칭하기 위해서는 보호막으로서 SiO2가 최적이다.
다음에, 상술한 스트라이프 형상 도파로 영역으로서, 리지 스트라이프를 형성한다. 우선, 최상층의 p측 콘택트층(상부 콘택트층)의 거의 전면에, PVD 장치에 의해 Si 산화물(주로, SiO2)로 이루어지는 제 1 보호막(161)을 0.5㎛의 두께로 형성 한 후, 제 1 보호막 위에 소정 형상의 마스크를 씌우고, RIE(반응성 이온 에칭) 장치에 의해, CF4 가스를 이용하여 포토리소그래피 기술에 의해서 스트라이프 폭 1.6㎛의 제 1 보호막(161)으로 한다. 이 때, 리지 스트라이프의 높이(에칭 깊이)는 p측 콘택트층(111) 및 p측 클래드층(109), p측 광가이드층(110)의 일부를 에칭하여, p측 광가이드층(109)의 막두께가 0.1㎛가 되는 깊이까지 에칭해서 형성한다.
다음에, 리지 스트라이프 형성 후, 제 1 보호막(161) 위부터, Zr 산화물(주로 ZrO2)로 이루어지는 제 2 보호막(162)을, 제 1 보호막 위와, 에칭에 의해 노출된 p측 광가이드층(109) 위에 0.5㎛의 막두께로 연속해서 형성한다.
제 2 보호막(162)의 형성후, 웨이퍼를 600℃에서 열처리한다. 이와 같이 SiO2 이외의 재료를 제 2 보호막으로서 형성한 경우, 제 2 보호막 형성 후에, 300℃ 이상, 바람직하게는 400℃ 이상, 질화물 반도체의 분해 온도 이하(1200℃)에서 열처리함으로써, 제 2 보호막이 제 1 보호막의 용해 재료(플루오르화수소산)에 대해서 용해되기 어려워지기 때문에, 이 공정을 가하는 것이 더욱 바람직하다.
다음에, 웨이퍼를 플루오르화수소산에 침지하고, 제 1 보호막(161)을 리프트오프법에 의해 제거한다. 이것에 의해, p측 콘택트층(111) 위에 형성되어 있던 제 1 보호막(161)이 제거되어, p측 콘택트층이 노출된다. 이상과 같이 하여, 도 1에 나타내는 바와 같이, 리지 스트라이프의 측면 및 그것에 연속하는 평면(p측 광가이드층(109)의 노출면)에 제 2 보호막(매립층(162))이 형성된다.
이와 같이, p측 콘택트층(112) 위에 형성된 제 1 보호막(161)이 제거된 후, 도 1에 나타내는 바와 같이, 그 노출된 p측 콘택트층(111)의 표면에 Ni/Au로 이루어지는 p 전극(120)을 형성한다. 단, p전극(120)은 100㎛의 스트라이프 폭으로 하여, 도 1에 나타내는 바와 같이, 제 2 보호막(162) 위에 걸쳐서 형성한다. 제 2 보호막(162) 형성 후, 이미 노출시킨 n측 콘택트층(103)의 표면에는 Ti/Al로 이루어지는 스트라이프 형상 n 전극(121)을 스트라이프와 평행한 방향에서 형성한다.
다음에, n 전극을 형성하기 위해 에칭하여 노출된 면에서 p, n 전극에, 취출 전극을 형성하기 위해 원하는 영역에 마스크하고, SiO2와 TiO2로 이루어지는 유전체 다층막(164)을 형성한 후, p, n 전극 상에 Ni-Ti-Au(1000Å-1000Å-8000Å)로 이루어지는 취출(패드) 전극(122, 123)을 각각 형성하였다. 이 때, 활성층(107)의 폭은 200㎛의 폭(공진기 방향에 수직한 방향의 폭)이고, 공진기면(반사면측)에도 SiO2와 TiO2로 이루어지는 유전체 다층막이 형성된다. 이상과 같이 하여, n 전극과 p 전극을 형성한 후, 스트라이프 형상 전극에 수직한 방향으로, 질화물 반도체의 M면(GaN의 M면, (11-00) 등)에서 바(bar) 형상으로 분할하고, 또한 바 형상의 웨이퍼를 분할해서 레이저 소자를 얻는다. 이 때, 공진기 길이는 650㎛이다.
바 형상으로 할 때, 에칭 단면에 끼워진 도파로 영역내에서 벽개(劈開)하여, 얻어진 벽개면을 공진기면으로 해도 되고, 도파로 영역 밖에서 벽개해서 에칭 단면을 공진기면으로 해도 되며, 한쪽을 에칭 단면, 다른 쪽을 벽개면으로 한 1쌍의 공진기면을 형성해도 된다. 또한, 상기 에칭 단면의 공진면에는 유전체 다층막으로 이루어지는 반사막이 형성되지만, 벽개면의 공진기면에도 벽개 후에 반사막을 형성 해도 된다. 이 때, 반사막으로는 SiO2, TiO2, ZrO2, ZnO, Al2O
3, MgO, 폴리이미드로 이루어지는 그룹 중에서 적어도 1종을 이용하는 것으로, 
/4n(
는 파장, n은 재료의 굴절률)의 막두께로 적층한 다층막으로 해도 되고, 1층만 이용해도 되고, 반사막과 동시에 공진기 단면의 노출을 방지하는 표면 보호막으로서 기능시켜도 된다. 표면 보호막으로서 기능시키기 위해서는, 
/2n의 막두께로 형성하면 된다. 또한, 소자 가공 공정에서, 에칭 단면을 형성하지 않고, 즉 n 전극 형성면(n측 콘택트층)만을 노출시키고, 한 쌍의 벽개면을 공진기면으로 하는 레이저 소자로 해도 된다.
바 형상의 웨이퍼를 더욱이 분할할 때에도, 질화물 반도체(단체 기판)의 벽개면을 이용할 수 있고, 바 형상으로 벽개했을 때의 벽개면에 수직한 질화물 반도체(GaN)를 육방정계에서 근사한 M면, A면({1010})으로 벽개해서, 칩을 취출해도 되고, 또한 바 형상으로 벽개할 때, 질화물 반도체의 A면을 이용해도 된다.
얻어지는 레이저 소자는 파장 370㎚이고 실온에서 연속 발진하는 질화물 반도체 소자가 얻어진다. 또한, n측, p측 광가이드층은 Al의 평균 조성비가 0.03인 AlGaN으로 구성되고, 제 1 광가이드층 및 제 2 광가이드층의 밴드갭 에너지(Eg)와, 레이저광(활성층의 발광 파장)의 광자 에너지(Ep)의 차, Eg-Ep가 0.05eV 이상이 되는 도파로가 형성되어 있다.
[실시예 2]
실시예 1에 있어서, 활성층을 이하와 같이 형성하는 것 외에는, 실시예 1과 동일한 방법으로 행하여 레이저 소자를 얻는다.
(활성층(107))
Si 도프된 In0.01Al0.1Ga0.89N으로 이루어지는 장벽층, 그 위에 언도프된 In0.03Al0.02Ga0.95N으로 이루어지는 우물층을, 장벽층(2a)/우물층(1a)/장벽층(2b)/우물층(1b) /장벽층(2c)의 순서로 적층한다. 이 때, 도 7에 나타내는 바와 같이 장벽층(2a)을 200Å, 장벽층(2b, 2c)을 40Å의 두께로 형성하고, 우물층(1a, 1b)을 70Å의 두께로 형성한다. 활성층(107)은 총 막두께가 약 420Å인 다중 양자 우물 구조(MQW)가 된다.
얻어지는 레이저 소자는 실시예 1과 마찬가지로, 파장 370㎚이고 실온에서 연속 발진하는 질화물 반도체 소자가 얻어진다.
[실시예 3]
실시예 1에 있어서, 활성층, 광가이드층, 클래드층을 이하와 같이 형성하는 것 이외에는, 실시예 1과 동일한 방법으로 행하여 레이저 소자를 얻는다.
(n측 클래드층(105)(하부 클래드층(25))
25Å의 두께로 언도프된 Al0.3Ga0.7N으로 이루어지는 A층과, 25Å의 막두께로 Si를 5×1018/㎤ 도프한 Al0.2Ga0.8N으로 이루어지는 B층을 교대로 적층하는 조작을 각각 120회 반복해서 A층과 B층을 적층하고, 총 막두께 0.6㎛의 다층막(초격자 구조)으로 이루어지는 n측 클래드층(106)을 성장시킨다.
(n측 광가이드층(106)(제 1 광가이드층(26))
Si 도프 Al0.1Ga0.9N으로 이루어지는 막두께 25Å의 A층, Al0.03Ga0.1
N으로 이루어지는 막두께 25Å의 B층을 교대로 30회 반복해서 적층하고, 초격자 다층막으로 이루어지는 막두께 0.15㎛의 n측 광가이드층(106)으로 성장시킨다.
(활성층(107))
Si 도프된 Al0.2Ga0.8N으로 이루어지는 장벽층, 그 위에 언도프된 In0.03Al0.02Ga0.95N으로 이루어지는 우물층을, 장벽층(2a)/우물층(1a)/장벽층(2b)/우물층(1b) /장벽층(2c)의 순서로 적층한다. 이 때, 도 7에 나타내는 바와 같이, 장벽층(2a)을 200Å, 장벽층(2b, 2c)을 40Å의 두께로, 우물층(1a, 1b)을 70Å의 두께로 형성한다. 활성층(107)은 총 막두께가 약 420Å인 다중 양자 우물 구조(MQW)가 된다.
(p측 광가이드층(109)(제 2 광가이드층(29))
Mg 도프 Al0.1Ga0.9N으로 이루어지는 막두께 25Å의 A층과, Al0.1Ga0.9
N으로 이루어지는 막두께 25Å의 B층을 교대로 30회 반복해서 적층하여, 막두께 0.15㎛로 초격자 다층막 구조의 p측 광가이드층(109)을 성장시킨다.
(p측 클래드층(110)(상부 클래드층(30))
언도프 Al0.3Ga0.7N으로 이루어지는 A층을 25Å의 막두께로 성장시키고, Mg 도프 Al0.1Ga0.9N으로 이루어지는 B층을 25Å의 막두께로 성장시켜, A층, B층을 교대로 적층하는 조작을 각각 100회 반복해서 총 막두께 0.5㎛의 초격자 다층막 구조로 이루어지는 p측 클래드층(110)을 성장시킨다.
얻어지는 레이저 소자는 실시예 1보다도 짧은 파장 영역인 파장 350㎚이고 실온에서 연속 발진하는 질화물 반도체 소자가 얻어진다. 또한, n측, p측 광가이드층은 Al의 평균 조성비가 0.2인 AlGaN으로 구성되고, 제 1 광가이드층 및 제 2 광가이드층의 밴드갭 에너지(Eg)와, 레이저광의 광자 에너지(Ep)의 차, Eg-E
p가 0.05eV 이상이 되는 도파로가 형성되어 있다.
[실시예 4]
실시예 1에 있어서, 각 광가이드층을 이하와 같이 형성하는 것 이외에는, 실시예 1과 동일한 방법으로 행하여 레이저 소자를 얻는다.
(n측 광가이드층(106)(제 1 광가이드층(26))
Si 도프 Al0.03Ga0.97N(실시예 1의 Al 평균 조성)으로 이루어지는 막두께 0.15㎛로 n측 광가이드층(106)을 형성하여, 단일막으로 광가이드층을 형성한다.
(p측 광가이드층(109)(제 2 광가이드층(29))
Mg 도프 Al0.03Ga0.97N(실시예 1의 Al 평균 조성)으로 이루어지는 막두께 0.15㎛로 p측 광가이드층(109)을 형성하여, 단일막으로 광가이드층을 설치한다.
얻어지는 레이저 소자는 실시예 1에 비교하여, Al의 평균 조성은 동일하지만, 단일막으로 광가이드층을 형성함으로써 결정성이 악화되는 경향이 있고, 또한 광가이드층의 도프 영역을 크게 했기 때문에, 불순물을 도프한 것에 의한 광의 손 실이 많이 발생하는 경향이 있으며, 임계값 전류 밀도가 증대하는 경향이 있다.
또한, 이것과는 다른 단일막의 광가이드층으로서, 실시예 1에 있어서 p측 광가이드층, n측 광가이드층을 각각 언도프의 Al0.035Ga0.965N, 75㎚의 막두께로 형성하고, 장벽층(2c)과 우물층(1b)을 형성하지 않은 단일 양자 우물 구조의 활성층을 형성한다. 얻어지는 레이저 소자는 실시예 1에 비교하여 광가이드층이 단일막이기 때문에 결정성이 악화되지만, 한편으로 막두께를 약 절반으로 함으로써, 결정성 악화에 의한 소자 열화를 억제할 수 있다. 또한, 광가이드층을 언도프로 형성함으로써, 도파로내에서의 광의 손실을 억제한 구조가 되고, 게다가 활성층이 단일 양자 우물 구조이기 때문에, 활성층내의 결정성 악화를 억제함으로써, 실시예 1과 거의 동일한 레이저 소자가 얻어진다. 여기에서, 언도프는 성장시에 의도적으로 도프하지 않는 것을 가리키는 것으로, p측 광가이드층은 상술한 바와 같이 인접층의 p측 전자 가둠층, p측 클래드층으로부터의 Mg 확산에 의해 Mg가 약간 도프된 것이다. n측 광가이드층은 Si는 거의 확산되지 않고 논도프층으로 되지만, 질화물 반도체에 있어서 n형 캐리어의 확산 길이는 p형에 비해서 길고, 또한 논도프의 질화물 반도체는 N원자 빈 자리(vacancy)에 의해 고저항이지만 n형을 나타내므로, 언도프의 n측 광가이드층으로 해도 캐리어를 활성층내에 주입할 수 있다.
[실시예 5]
실시예1에 있어서, 도 4에 나타내는 바와 같이, 광가이드층을 아래와 같이 조성 경사시켜 형성하는 것 이외에는, 실시예 1과 동일한 방법으로 행하여 레이저 소자를 얻는다.
(n측 광가이드층(106)(제 1 광가이드층(26))
AlxGa1-xN을 막두께 0.15㎛로 형성하고, 이 때, 성장함에 따라서 Al 조성비(x)를 0.05에서 0.01로 변화시켜, 막두께 방향으로 조성 경사시킨 n측 광가이드층(106)을 형성한다. 이 때, n측 광가이드층은 최초의 막두께 50nm의 영역은 Si 도프로 형성하고, 나머지의 막두께 0.1㎛의 영역(활성층측 0.1㎛의 영역)에서 언도프로 형성한다.
(p측 광가이드층(109)(제 2 광가이드층(29))
AlxGa1-xN을 막두께 0.15㎛로 형성하고, 이 때, 성장함에 따라서 Al 조성비(x)를 0.01에서 0.05로 변화시켜, 막두께 방향으로 조성 경사시킨 p측 광가이드층(109)을 설치한다. 이 때, p측 광가이드층은, 최초의 막두께 0.1㎛(활성층측 0.1㎛의 영역)은 언도프로 형성하고, 나머지의 막두께 50nm의 영역에서는 Mg 도프로 형성한다.
얻어지는 레이저 소자는 실시예 1에 비교하여, Al의 평균 조성은 거의 동일하지만, 도 4에 나타내는 바와 같이, 밴드갭 에너지가 경사진 광가이드층을 형성함으로써, 캐리어의 활성층으로의 주입 효율이 양호하게 되어, 내부 양자 효율이 향상하는 경향이 있다. 또한, 광가이드층내의 활성층에 가까운 측(활성층측)에 언도프 영역을 설치했기 때문에, 불순물을 도프한 것에 의한 광의 손실이 낮게 억제된 도파로 구조가 되어, 임계값 전류 밀도가 감소하는 경향이 있다.
[실시예 6]
실시예 5에 있어서, 도 4에 나타내는 바와 같이, 광가이드층을 아래와 같이 조성 경사시켜 형성하는 것 이외에는, 실시예 1과 동일한 방법으로 행하여 레이저 소자를 얻는다.
(n측 광가이드층(106)(제 1 광가이드층(26))
AlxGa1-xN으로 이루어지는 막두께 25Å의 A층, AlyGa1-yN(x>y)으로 이루어지는 막두께 25Å의 B층을 교대로 30회 반복해서 적층하고, 막두께 0.15㎛의 초격자 다층막 구조로 n측 광가이드층을 형성한다. 이 때, 성장함에 따라서 Al 조성비(x)를 0.05에서 0.03으로 변화시키고, Al 조성비(y)를 0.015로 일정하게 하여, 조성 경사시킨 n측 광가이드층(106)을 설치한다. 이 때, n측 광가이드층은 최초의 막두께 50nm의 영역은 A층, B층 모두 Si 도프로 형성하고, 나머지의 막두께 0.1㎛(활성층측 0.1㎛의 영역)에서 A층만을 Si 도프하고, B층을 언도프로 형성하는 변조 도프를 이용한다.
(p측 광가이드층(109)(제 2 광가이드층(29))
AlxGa1-xN으로 이루어지는 막두께 25Å의 A층, AlyGa1-yN(x>y)으로 이루어지는 막두께 25Å의 B층을 교대로 30회 반복해서 적층하고, 막두께 0.15㎛의 초격자 다층막 구조로 p측 광가이드층(109)을 형성한다. 여기에서, p측 광가이드층은 최초의 막두께 0.1㎛(활성층측 0.1㎛의 영역)은 A층만을 Mg 도프, B층을 언도프로 형성하고, 나머지의 막두께 50nm의 영역에서 A층, B층 모두 Mg 도프로 형성한다.
얻어지는 레이저 소자는 실시예 4에 비교하여, Al의 평균 조성은 거의 동일하지만, 초격자 구조로 함으로써 결정성이 양호해져, 소자 특성이 향상한다. 또한, 한편으로 광가이드층의 언도프 영역을 실시예 4에 비해 작게 했기 때문에, 광의 손실이 커져, 임계값 전류 밀도가 약간 증대하는 경향이 있다.
[실시예 7]
도 8에 나타내는 면발광형 레이저 소자에 대해서 이하 설명한다.
(기판(501))
실시예 1에 이용한 질화물 반도체 기판(101)과 동일한 기판(501)을 이용한다.
질화물 반도체 기판(501) 상에, 반사막(530)으로서, AlxGa1-xN(0≤x≤1)으로 이루어지는 제 1 층(531)과, 제 1 층과 다른 조성의 AlyGa1-yN(0<y≤1, x<y)으로 이루어지는 제 2 층(532)을 교대로 각각 3층씩 적층한다. 이 때, 각 층은 
/(4n)(단, 
는 광의 파장, n은 재료의 굴절률)의 식을 만족시키는 막두께로 형성한다. 질화물 반도체의 반사막은 제 1, 2 층을, AlxGa1-xN(0≤x≤1)으로 나타내는 조성이 서로 다른 질화물 반도체를 교대로 적층한 다층막을 이용할 수 있고, 이 때, 각 층을 1층 이상, 제 1 층/제 2 층의 쌍을 1쌍 이상 형성한다. 구체적으로는, 제 1 층/제 2 층을 AlGaN/AlGaN, GaN/AlGaN, AlGaN/AlN, GaN/AlN 등으로 형성할 수 있다. AlxGa1-xN/AlyGa1-yN(0<x, x<y<1)이면 AlGaN 다층막이므로 열팽창계수차를 작게 할 수 있어 결정성 좋게 형성할 수 있고, GaN/AlyGa1-yN(0<y<1)이면 GaN층에 의해 결정성이 개선된 다층막이 될 수 있다. 또한, Al 조성비의 차(y-x)를 크게 하면, 제 1 층과 제 2 층의 굴절률 차가 커져 반사율이 높아지고, 구체적으로는 y-x≥0.3으로 하고, 바람직하게는 y-x≥0.5로 함으로써 반사율이 높은 다층막 반사막을 형성할 수 있다. 또한, 실시예 1과 마찬가지로, 다층막층으로서 AlyGa1-yN(0<y≤1)을 형성함으로써, 버퍼층(102)으로서 기능하여, 피트 저감 효과가 얻어진다. 또한, 반사막은 기판과 활성층 사이, 활성층 위에 형성할 수 있고, 활성층 위의 반사막은 상기 유전체 다층막을 적응할 수 있다. 또한, 기판과 활성층 사이에 반사막을 형성한 면발광형 발광 소자에도 적응할 수 있다.
계속해서, 실시예 1과 동일한 조건으로, n측 콘택트층(533), 활성층(534), p측 전자 가둠층(도시되지 않음), p측 콘택트층(535)을 적층하고, 원형상 개구부를 갖는 SiO2로 이루어지는 블록층(536)을 설치하고, 그 원형상 개구부로부터 Mg 도프 GaN을 성장시켜, 제 2 p측 콘택트층(537)을 형성한다. 이 때, p측 콘택트층(535), 제 2 p측 콘택트층(537)은 어느 한쪽만을 형성한 것이어도 된다. 그 제 2 p측 콘택트층(537) 위에, SiO2/TiO2로 이루어지는 유전체 다층막을 형성하여 반사막(538)으로 하고, 상기 블록층(536)의 개구부 위에 원형상으로 설치한다. 그리고 n측 콘택트층(533)이 노출되는 깊이까지 에칭하여, 노출된 n측 콘택트층(533) 위에 링형상의 n 전극(521), 제 2 p측 콘택트층(537) 위에 반사막(538)의 주위를 둘러싸는 p 전극(520)을 각각 형성한다. 이와 같이 하여, 얻어지는 면발광형 레이저 소자는 실시예 1과 마찬가지로, 단파장역에서 발진하는 레이저 소자가 된다.
[실시예 8]
실시예 1에 있어서, 클래드층, 광가이드층, 활성층을 다음의 조건으로 형성한 소자 구조의 레이저 소자를 형성한다.
상부, 하부 클래드층으로서, 막두께 25Å의 Al0.1Ga0.9N과 막두께 25Å의 Al0.05Ga0.95N을 교대로 100층씩 적층한 초격자 다층막 구조(500Å)로 하고, 이 때, p측, n측의 클래드층에 있어서 도펀트로서 각각 Mg, Si를 초격자층의 한쪽에 도프한다.
상부, 하부 광가이드층으로서, 언도프의 Al0.04Ga0.96N을 0.15㎛로 형성한다.
활성층으로서, Al0.15In0.01Ga0.84N(200Å)의 장벽층, 막두께 100Å의 우물층, Al0.15In0.01Ga0.84N(45Å)의 장벽층을 적층한 양자 우물 구조로 한다.
도 10에 나타내는 Al 혼성결정비(x)(x=0.03, 0.06, 0.08)의 의존성에 대해서는 우물층을 AlxIn0.04Ga0.96-xN으로 하고, 도 11의 In 혼성결정비((y)(y=0.02, 0.03, 0.04, 0.07)의 의존성에 대해서는 우물층을 Al0.03InyGa0.97-yN으로 하며, 각각 펄스 발진하에서의 임계값 전류 밀도, 파장 변화를 나타내는 것이다.
도 11에 나타내는 바와 같이, 임계값 전류 밀도(Jth)에서는 In 혼성결정비(y)가 0.02 부근에서부터 y가 커짐에 따라서 하강 곡선을 나타내고, 0.03∼0.05의 범위 부근에서 극소값을 취하고, 0.05를 초과하는 영역에서는 상승 경향을 나타낸다. 또한, Al 혼성결정비(x)에 대해서는 도 10에 나타내는 바와 같이, x≤0.1의 범위에 있어서 Al 혼성결정비(x)의 증가에 따라 상승 경향이 있고, 0<x≤0.6의 범위에서 바람직하게 임계값 전류를 낮출 수 있다.
[실시예 9]
다시, 도 1에 나타내는 리지형 질화물 반도체 레이저를 참조한다.
기판(101) 상에는 버퍼층(102)을 통해, n형 질화물 반도체층인 n형 콘택트층(103), 크랙 방지층(104), n형 클래드층(105) 및 n형 광가이드층(106)이 형성되어 있다. n형 클래드층(105)을 제외한 다른 층은 소자에 따라서는 생략할 수도 있다. n형 질화물 반도체층은 적어도 활성층과 접하는 부분에 있어서 활성층보다도 넓은 밴드갭을 가질 필요가 있고, 그 때문에 Al을 함유하는 조성이 바람직하다. 또한, 각 층은 n형 불순물을 도프하면서 성장시켜 n형으로 해도 되고, 언도프로 성장시켜 n형으로 해도 된다.
n형 질화물 반도체층(103∼106) 상에는 활성층(107)이 형성되어 있다. 활성층(107)은 상술한 바와 같이 Alx1Ga1-x2N 우물층(0≤x1<1)과 Alx2Ga
1-x2N 장벽층(0<x2<1, x1<x2)이 적당한 회수만큼 교대로 반복해서 적층된 MQW 구조를 갖고 있고, 활성층의 양단은 모두 장벽층으로 되어 있다. 우물층은 언도프로 형성되어 있고, 모든 장벽층은 Si, Sn 등의 n형 불순물이 바람직하게는 1×1017∼1×1019㎝-3의 농도로 도프되어 형성되어 있다.
최종 장벽층은 언도프로 형성되어 있고, 다음에 성장시키는 p형 전자 가둠층(108)으로부터의 확산에 의해서 Mg 등의 p형 불순물을 1×1018∼1×1019㎝-3
포함하고 있는 경우가 있다. 한편, 최종 장벽층을 성장시킬 때, Mg 등의 p형 불순물을 1×1019㎝-3 이하의 농도로 도프하면서 성장시켜도 된다. 또한, 최종 장벽층에 다른 장벽층과 마찬가지로 Si 등의 n형 불순물을 도프해도 된다.
최종 장벽층 상에는 p형 질화물 반도체층으로서, p형 전자 가둠층(108), p형 광가이드층(109), p형 클래드층(110), p형 콘택트층(111)이 형성되어 있다. p형 클래드층(110)을 제외한 다른 층은 소자에 따라서는 생략할 수도 있다. p형 질화물 반도체층은 적어도 활성층과 접하는 부분에 있어서 활성층보다도 넓은 밴드갭을 갖는 것이 필요하며, 그 때문에 Al을 함유하는 조성인 것이 바람직하다. 또한, 각 층은 p형 불순물을 도프하면서 성장시켜 p형으로 해도 되고, 인접하는 다른 층으로부터 p형 불순물을 확산시켜 p형으로 해도 된다.
p형 전자 가둠층(108)은 p형 클래드층(110)보다도 높은 Al 혼성결정비를 갖는 p형 질화물 반도체로 이루어지고, 바람직하게는 AlxGa1-xN(0.1<x<0.5)인 조성을 갖는다. 또한, Mg 등의 p형 불순물이 고농도로, 바람직하게는 5×1017∼1×1019㎝
-3의 농도로 도프되어 있다. 이것에 의해, p형 전자 가둠층(108)은 전자를 활성층 중에 유효하게 가둘 수 있어, 레이저의 임계값을 저하시킨다. 또한, p형 전자 가둠층(108)은 30∼200Å 정도의 박막으로 성장시키면 되고, 박막이면 p형 광가이드층(109)이나 p형 클래드층(110)보다도 저온에서 성장시킬 수 있다.
또한, p형 전자 가둠층(108)은 언도프로 성장시킨 최종 장벽층에 p형 불순물을 확산에 의해서 공급하는 역할을 하고 있고, 양자는 협동해서, 활성층(107)을 분해로부터 보호하는 동시에, 활성층(107)으로의 홀 주입 효율을 높이는 역할을 하도록 해도 된다.
p형 질화물 반도체층 중, p형 광가이드층(109)의 도중까지 리지 스트라이프가 형성되고, 또한 보호막(161, 162), p형 전극(120), n형 전극(121), p 패드 전극(122) 및 n 패드 전극(123)이 형성되어 반도체 레이저가 구성되어 있다.
본 실시예는 실시예 1의 구성 및 구조 프로세스와 거의 동일하지만, 실시예 1의 발진 파장(370㎚)보다 짧은 발진 파장(366㎚)으로 설정하므로, 하기와 같이 활성층(107)의 양자 우물층의 조성을 AlGaN의 3원 재료로 변경하고 있다. 또한, n측 클래드층(105), n측 광가이드층(106), p측 광가이드층(109), p측 클래드층(110)에 대해서도 하기와 같이 조성을 변경하고 있다.
(n측 클래드층(105)(하부 클래드층(25))
다음에, 온도를 1050℃로 하고, 원료 가스로 TMA, TMG 및 암모니아, 불순물 가스로서 실란가스를 이용하여, Si를 5×1018/㎤ 도프한 Al0.05Ga0.95N으로 이루어지는 A층을 25Å의 막두께로 성장시키고, 계속해서 불순물 가스를 중지하고, 언도프의 Al0.1Ga0.9N으로 이루어지는 B층을 25Å의 막두께로 성장시킨다. 그리고, 이 조작을 각각 100회 반복해서 A층, B층을 적층하고, 다층막(초격자 구조)으로 이루어지는 n형 클래드층(106)을 성장시킨다. 이 때, 언도프 AlGaN의 Al 혼성결정비로는 0.05 이상 0.3 이하의 범위이면, 충분히 클래드층으로서 기능하는 굴절률 차를 형성할 수 있다.
(n측 광가이드층(106)(하부 광가이드층(26))
다음에, 동일한 온도에서, 원료 가스로 TMA, TMG 및 암모니아를 이용하여, 언도프의 Al0.05Ga0.95N으로 이루어지는 n형 광가이드층(106)을 0.15㎛의 막두께로 성장시킨다. 또한, n형 불순물을 도프해도 된다. 이 층이 제 1 질화물 반도체층으로 된다.
(활성층(107)(27, 12))
다음에, 동일한 온도에서, 원료 가스로 TMA, TMG 및 암모니아를 이용하고, 불순물 가스로서 실란 가스를 이용하여, Si를 5×1018/㎤ 도프한 Al0.15Ga0.85
N으로 이루어지는 장벽층(제 1 장벽층(2a))(B)을 100Å의 막두께로, TMA 및 실란 가스를 중지하고, 언도프의 GaN으로 이루어지는 우물층(W)을 100Å의 막두께로, 최후의 장벽층(제 2 장벽층(2b))으로서, 언도프의 Al0.15Ga0.85N을 45Å의 막두께로, (B)/(W)/(B)의 순으로 적층한다. 활성층(107)은 (B)/(W)/(B)의 순으로 적층을 반복하여, 다중 양자 우물 구조(MQW)로 할 수도 있다.
(p측 광가이드층(109): 상부 광가이드층(29))
다음에, 온도를 1050℃로 하고, 원료 가스로 TMA, TMG 및 암모니아를 이용하여, 언도프의 Al0.05Ga0.95N으로 이루어지는 p측 광가이드층(109)을 0.15㎛의 막두께 로 성장시킨다. 이 p형 광가이드층(109)은 언도프로서 성장시키지만, p형 전자 가둠층(108), p형 클래드층(110) 등의 인접층으로부터의 Mg의 확산에 의해 Mg 농도가 5×1016/㎤가 되어 p형을 나타낸다. 또한, 이 층은 성장시에 의도적으로 Mg를 도프해도 된다. 이 층이 제 2 질화물 반도체층으로 된다.
(p측 클래드층(110): 상부 클래드층(30))
계속해서, TMA를 중지하고, Cp2Mg를 이용해서, 1050℃에서 Mg 도프 Al0.05Ga0.95N으로 이루어지는 층을 25Å의 막두께로 성장시키고, 계속해서, Cp2
Mg를 중지하고, 언도프 Al0.10Ga0.90N으로 이루어지는 층을 25Å의 막두께로 성장시키고, 그것을 100회 반복해서 총 막두께 0.45㎛의 초격자층으로 이루어지는 p형 클래드층(110)을 성장시킨다. p형 클래드층은 적어도 한쪽이 Al을 함유하는 질화물 반도체층을 포함하고, 서로 밴드갭 에너지가 다른 질화물 반도체층을 적층한 초격자로 제작한 경우, 불순물은 어느 한쪽의 층에 많이 도프하여, 소위 변조 도프를 행하면 결정성이 양호해지는 경향이 있지만, 양쪽에 동일하게 도프해도 된다. p측 클래드층(110)을 초격자 구조로 함으로써, 클래드층 전체의 Al 혼성결정비를 높일 수 있으므로, 클래드층 자체의 굴절률이 낮아지고, 또한 밴드갭 에너지가 커지므로, 임계값을 저하시키는 데 있어서 매우 유효하다. 또한, 초격자로 한 것에 의해, 클래드층 자체에 발생하는 피트가 초격자로 하지 않는 것보다 적어, 단락(short)의 발생도 낮아진다.
본 실시예에서는 실온에 있어서 임계값 전류 53mA, 전류 밀도 3.5kA/㎠ 발진 파장 366㎚의 연속 발진의 레이저 소자가 얻어진다.
[실시예 10]
본 실시예에서는 활성층을 이하와 같이 하는 것 이외에는, 실시예 9와 동일한 방법으로 행하여 레이저 소자를 얻는다.
(활성층(107)(27, 12))
Si 도프 Al0.15Ga0.85N, 막두께 200Å로 이루어지는 제 1 장벽층(2a), 언도프 GaN, 막두께 100Å로 이루어지는 우물층(1b), 언도프 Al0.15Ga0.85N, 막두께 45Å로 이루어지는 제 2 장벽층(2b)을 순서대로 적층한 단일 양자 우물 구조의 활성층으로 한다.
얻어지는 레이저 소자는 실시예 9와 비교하여, 제 1 장벽층이 두꺼워짐으로써, 우물층의 결정성이 악화되는 경향이 있고, 임계값 전류(Jth)가 100mA로 커지는 경향이 있다.
[실시예 11]
본 실시예에서는 활성층을 이하와 같이 하는 것 이외에는, 실시예 9와 동일한 방법으로 행하여 레이저 소자를 얻는다.
(활성층(27))
Si 도프 Al0.15Ga0.85N, 막두께 100Å로 이루어지는 제 1 장벽층(2a), 언도프 GaN, 막두께 100Å로 이루어지는 우물층(1b), 언도프 Al0.15Ga0.85N, 막두께 150Å로 이루어지는 제 2 장벽층(2b)을 순서대로 적층한 단일 양자 우물 구조의 활성층으로 한다.
얻어지는 레이저 소자는 실시예 9에 비교하여, 제 2 장벽층이 두꺼워짐으로써, Vf가 상승하는 경향이 있고, 임계값 전류(Jth)가 100mA로 커지는 경향이 있다. 여기에서는, 제 2 장벽층이 제 1 장벽층보다도 막두께가 크고, 또한 막두께가 100Å 이상으로 형성되며, p-n 접합 부근인 p측 전자 가둠층의 고저항으로, 발열량이 큰 층이 우물층으로부터 제 2 장벽층에 의해 분리된 구조가 되어, 그 영향을 작게 할 수 있는 한편, 제 2 장벽층에 의한 저항값의 상승이 영향을 주는 구조가 된다.
[실시예 12]
본 실시예에서는 활성층을 이하와 같이 하는 것 이외에는, 실시예 9와 동일한 방법으로 행하여 레이저 소자를 얻는다.
(활성층(27))
Si 도프 Al0.05Ga0.95N, 막두께 100Å로 이루어지는 제 1 장벽층(2a), 언도프 GaN, 막두께 100Å로 이루어지는 우물층(1b), 언도프 Al0.05Ga0.95N, 막두께 150Å로 이루어지는 제 2 장벽층(2b)을 순서대로 적층한 단일 양자 우물 구조의 활성층으로 한다.
얻어지는 레이저 소자는 실시예 9에 비교하여, 제 1 장벽층, 제 2 장벽층의 Al 혼성결정비를 작게 해서, 밴드갭 에너지를 작게 하고, 우물층과의 밴드갭 에너지 차이도 작게 함으로써, 우물층으로의 캐리어 가둠이 악화되는 경향이 있고, 임 계값 전류(Jth)가 200mA로 커지는 경향이 있다. 여기에서, 우물층과 장벽층(제 1 장벽층)의 Al 혼성결정비 차(XB1-XW)는 0.05이고, 이 Al 혼성결정비 차를 경계로 해서, 장벽층과 우물층의 Al 혼성결정비 차를 크게 함으로써, 임계값이 저하하는 경향이 관찰된다.
[실시예 13]
본 실시예에서는 도 6b에 나타내는 바와 같이, 광가이드층을 이하와 같이 조성 경사시켜 형성하는 것 이외에는, 실시예 9와 동일한 방법으로 행하여 레이저 소자를 얻는다.
(n측 광가이드층(106)(제 1 광가이드층(26))
AlxGa1-xN을 막두께 0.15㎛로 형성하고, 이 때, 성장함에 따라서, 즉 활성층에 근접함에 따라서, Al 조성비(x)를 0.1에서 0.02로 변화시켜, 막두께 방향으로 조성 경사시킨 n측 광가이드층(106)을 설치한다. 이 때, n측 광가이드층은 최초의 막두께 50nm의 영역은 Si 도프로 형성하고, 나머지의 막두께 0.1㎛의 영역(활성층측 0.1㎛의 영역)에서 언도프로 형성한다. 여기에서는 활성층 근방의 광가이드층에 있어서, 제 1 장벽층보다도 밴드갭 에너지가 작은 일부의 영역이 제 1 질화물 반도체층으로 된다.
(p측 광가이드층(109)(제 2 광가이드층(29))
AlxGa1-xN을 막두께 0.15㎛로 형성하고, 이 때, 성장함에 따라서 Al 조성비(x)를 0.02에서 0.1로 변화시켜, 막두께 방향으로 조성 경사시키고, 활성층 에 근접함에 따라서 Al 혼성결정비가 작고, 밴드갭 에너지를 작게 한 p측 광가이드층(109)을 형성한다. 여기에서, p측 광가이드층은 최초의 막두께 0.1㎛(활성층측 0.1㎛의 영역)은 언도프로 형성하고, 나머지의 막두께 50㎚의 영역에서는 Mg 도프로 형성한다. 이 때, 활성층 및 p측 전자 가둠층 근방의 p측 광가이드층(29)에 있어서, 제 2 장벽층보다도 Al 혼성결정비가 작고, 밴드갭 에너지가 작은 일부의 영역이 제 2 질화물 반도체층으로 된다.
얻어지는 레이저 소자는 실시예 9와 비교하여, Al의 평균 조성은 거의 동일하지만, 도 6b에 나타내는 바와 같이, 밴드갭 에너지가 경사진 광가이드층을 형성함으로써, 캐리어의 활성층으로의 주입 효율이 양호해져, 내부 양자 효율이 향상하는 경향이 있다. 또한, 광가이드층내의 활성층에 가까운 측(활성층측)에 언도프 영역을 형성했기 때문에, 불순물 도프에 의한 광의 손실이 낮게 억제된 도파로 구조가 되어, 임계값 전류 밀도가 저감되는 경향이 있다.
[실시예 14]
본 실시예에서는 도 6b에 나타내는 바와 같이, 광가이드층을 이하와 같이 조성 경사시켜 형성하는 것 이외에는, 실시예 9와 동일한 방법으로 행하여 레이저 소자를 얻는다.
(n측 광가이드층(106)(제 1 광가이드층(26))
AlxGa1-xN으로 이루어지는 막두께 25Å의 A층, AlyGa1-yN(x>y)으로 이루어지는 막두께 25Å의 B층을 교대로 30회 반복해서 적층하고, 막두께 0.15㎛의 초격자 다 층막 구조로 n측 광가이드층을 형성한다. 이 때, 성장함에 따라서 A층의 Al 조성비(x)를 0.05에서 0.03으로 변화시켜, B층의 Al 조성비(y)를 0.015로 일정하게 하여, 조성 경사시킨 n측 광가이드층(106)을 형성한다. 이 때, n측 광가이드층은 최초의 막두께 50㎚의 영역은 A층, B층 모두 Si 도프로 형성하고, 나머지의 막두께 0.1㎛의 영역(활성층측 0.1㎛의 영역)에서 A층만을 Si 도프, B층을 언도프로 형성하는 변조 도프를 이용한다. 여기에서, n측 광가이드층은 활성층 중의 제 1 장벽층보다도 밴드갭 에너지 및 Al 혼성결정비가 작아져, 제 1 질화물 반도체층으로 된다.
(p측 광가이드층(109)(제 2 광가이드층(29))
AlxGa1-xN으로 이루어지는 막두께 25Å의 A층, AlyGa1-yN(x>y)으로 이루어지는 막두께 25Å의 B층을 교대로 30회 반복해서 적층하고, 막두께 0.15㎛의 초격자 다층막 구조로 p측 광가이드층(109)을 형성한다. 이 때, 성장함에 따라서 A층의 Al 조성비(x)를 0.03에서 0.05로 변화시키고, B층의 Al 조성비(y)를 0.015로 일정하게 하여, 조성 경사시켜, 즉 활성층, p측 전자 가둠층(108)으로부터 멀어짐에 따라서 밴드갭 에너지를 크게 하여, Al 평균 조성을 크게 한 p측 광가이드층(109)을 형성한다. 여기서, p측 광가이드층은 최초의 막두께 0.1㎛(활성층측 0.1㎛의 영역)은 A층만을 Mg 도프, B층을 언도프로 형성하고, 나머지의 막두께 50㎚의 영역에서 A층, B층 모두 Mg 도프로 형성한다. 또한, 여기에서는 A층과 B층으로 주기적으로 적층된 다층막에 있어서, 한쪽 층만을 조성 경사시켰지만, 양쪽을 조성 경사시킬 수도 있다.
얻어지는 레이저 소자는 실시예 13에 비교하여, Al의 평균 조성은 거의 동일하지만, 초격자 구조로 함으로써 결정성이 양호하게 되어, 소자 특성이 향상한다. 또한, 한편으로 광가이드층의 언도프 영역을 실시예 13에 비해서 작게 했기 때문에, 광의 손실이 커져, 임계값 전류 밀도가 약간 증대하는 경향이 있다.
[비교예 1]
도 14a에 나타내는 바와 같이, 광가이드층을 활성층의 우물층, 장벽층의 어느것보다도 큰 밴드갭 에너지로 하고, 도 16에 나타내는 바와 같이, 활성층보다도 광가이드층의 Al 혼성결정비를 크게 하며, 또한 광가이드층보다도 클래드층의 Al 혼성결정비를 크게 한 구조로, 레이저 소자를 제작한다. 여기에서는 광가이드층, 클래드층을 하기와 같이 하는 것 이외에는, 실시예 9와 동일한 방법으로 행하여 레이저 소자를 얻는다.
(n측 클래드층(하부 클래드층(25))
Si 도프한 n형의 Al0.17Ga0.83N, 막두께 25Å의 A층과, Si 도프한 n형의 Al0.20Ga0.75N, 막두께 25Å의 B층을 교대로 100층씩 반복해서 적층하여, 초격자 다층막의 클래드층을 형성한다.
(n측 광가이드층(하부 광가이드층(26))
언도프의 Al0.17Ga0.8N을 막두께 0.15㎛로 형성한다.
(p측 광가이드층(상부 광가이드층(29))
언도프의 Al0.17Ga0.8N을 막두께 0.15㎛로 형성한다.
(p측 클래드층(상부 클래드층(30))
Mg 도프한 n형의 Al0.2Ga0.8N, 막두께 25Å의 A층과, Mg 도프한 n형의 Al0.25Ga0.75N, 막두께 25Å의 B층을 교대로 100층씩 반복해서 적층하여, 초격자 다층막의 클래드층을 형성한다.
얻어지는 레이저 소자는 그 대부분에 크랙이 발생하여, 소자 동작이 불가능한 것이다. 또한, 소자 동작이 가능한 것이어도, 결정성 악화에 의한 리크 전류가 많이 발생하여, 레이저 발진하는 것을 얻을 수 없게 된다.
[실시예 15]
도 15a, 도 15b를 참조해서, 본 발명의 발광 소자(200)에 대해서 설명한다. 여기에서는 200b로 나타내는 바와 같이, 기판의 동일면측에, 양음 한 쌍의 전극을 형성하는 구조의 발광 소자를 제작한다.
사파이어(C면)로 이루어지는 기판(201)을 MOVPE의 반응 용기내에 세트하고, 수소를 흘리면서, 기판의 온도를 1050℃까지 상승시켜, 기판의 클리닝을 행한다.
버퍼층(도시되지 않음): 계속해서, 온도 510℃에서, 기판(1) 상에 GaN으로 이루어지는 저온 성장의 버퍼층을 약 100Å의 막두께로 성장시킨다. 이 저온 성장층을 다음에 성장시키는 층보다도 저온에서 성장시켜, 기판과의 격자 부정합을 완화시키는 것으로, 기판의 종류에 따라서는 생략할 수 있다.
하지층(도시되지 않음): 버퍼층 성장 후, 온도 1050℃에서, 언도프 GaN층을 1.5㎛의 막두께로 성장시킨다. 이 층은 언도프층으로 성장시킴으로써, 그 위에 형성하는 소자 구조의 하지층이 되어, 성장 기판이 된다.
n형 콘택트층(202): 계속해서 1050℃에서, Si를 4.5×1018/㎤ 도프한 Al0.05Ga0.95N으로 이루어지는 n형 콘택트층(전류 주입층)(202)을 2㎛의 막두께로 성장시킨다. 여기에서는, n측 콘택트층(202)이 제 1 질화물 반도체층으로 된다.
활성층(203): 언도프 Al0.15Ga0.85N으로 이루어지는 장벽층(제 1 장벽층(2a))을 100Å의 막두께로 성장시키고, 계속해서 언도프 Al0.05Ga0.95N으로 이루어지는 우물층을 30Å의 막두께로 성장시킨다. 계속해서, 막두께 30Å, Al0.1Ga0.9N으로 이루어지는 내부 장벽층(도시되지 않음)을 성장시키고, 우물층(1) 4층(도시되지 않음)과 내부 장벽층 3층(도시하지 않음)을 교대로 적층하고, 마지막에 제 2 장벽층(2b)으로서 막두께 40Å의 Al0.15Ga0.85N을 성장시키고, 총 막두께 380Å의 다중 양자 우물 구조로 이루어지는 활성층(203)을 성장시킨다. 이 활성층에서는 도 14b에 나타내는 바와 같이 제 1 장벽층(2a) 및 제 2 장벽층(2b)보다도 Al 혼성결정비가 작고, 밴드갭 에너지가 작은 내부 장벽층(2b) 등을 형성한 구조이다.
p측 클래드층(204): 언도프의 Al0.2Ga0.8N으로 이루어지는 A층(204)을 40Å의 막두께로 성장시키고, 계속해서 Mg를 5×1019/㎤ 도프한 Al0.05Ga0.95N으로 이루어지는 B층(205)을 25Å의 막두께로 성장시킨다. 그리고, 이들 조작을 반복해서, A층, B 층의 순으로 교대로 5층씩 적층하고, 마지막에 A층을 40Å의 막두께로 성장시킨 초격자 구조의 다층막으로 이루어지는 p측 다층막 클래드층(204)을 365Å의 막두께로 성장시킨다. 이 때, 최초의 B층이 제 2 장벽층보다도 밴드갭 에너지가 작고, Al 혼성결정비가 작은 제 2 질화물 반도체층으로 된다.
p측 콘택트층(205) : 게속해서 Mg를 1×1020/㎤ 도프한 GaN으로 이루어지는 p형 콘택트층(205)을 200Å의 막두께로 성장시킨다.
반응 종료후, 온도를 실온까지 낮추고, 또한 질소분위기 중에서, 웨이퍼를 반응 용기내에서 700℃에서 어닐링하여, p형층을 더욱 저저항화한다.
어닐링 후, 웨이퍼를 반응 용기로부터 꺼내어, 최상층의 p측 콘택트층(205)의 표면에 소정 형상의 마스크를 형성하고, RIE(반응성 이온 에칭) 장치로 p측 콘택트층(205) 측부터 에칭을 행하여, 도 15a에 나타내는 바와 같이 n측 콘택트층(202)의 표면을 노출시킨다.
에칭 후, 최상층에 있는 p측 콘택트층(205)의 거의 전면에 막두께 200Å의 Ni와 Au를 함유하는 투광성 p 전극(206)과, 이 p 전극(206) 상에 본딩용 Au로 이루어지는 p 패드 전극(도시되지 않음)을 0.5㎛의 막두께로 형성한다. 한편, 에칭에 의해 노출시킨 n측 콘택트층(202)의 표면에는 W와 Al을 함유하는 n 전극(207)을 형성해서 LED 소자로 하였다.
이 LED 소자는 파장 355㎚의 자외 발광을 나타내고, 특히 상기 제 1 질화물 반도체층을 형성함으로써, 결정성 좋게 활성층이 형성되어, 발광 특성이 우수한 발 광 소자가 얻어진다.
본 발명의 질화물 반도체 소자는 380㎚ 이하의 단파장역에 있어서, 레이저 발진이 가능한 활성층, 도파로 구조를 얻을 수 있다. 특히, InAlGaN의 우물층에 있어서, In 혼성결정비를 0.02∼0.05, 바람직하게는 0.03∼0.05의 범위로 하고, Al 조성비를 변화시켜 원하는 발광 파장의 금제대폭(禁制帶幅)을 형성하여, 단파장역의 발광 소자, 레이저 소자를 얻음으로써, 내부 양자 효율, 발광 효율이 우수한 소자가 된다.
또한, 본 발명의 질화물 반도체 소자는 낮은 임계값 전류로 375㎚ 이하라는 단파장 발광 소자, 레이저 소자를 얻을 수 있다. 따라서, 발광 다이오드는 소정의 형광체와 조합하여 형광 램프의 대체품을 제공할 수 있다. 한편, 레이저 소자는 우수한 FWHM을 나타내고, 우수한 해상도가 얻어지기 때문에, 포토리소그래프 소자로서 유용하다.
Claims (35)
- n형층과 p형층 사이에 활성층을 갖는 질화물 반도체 소자에 있어서,상기 활성층이, Al을 함유하는 질화물 반도체로 이루어지는 우물층과 상기 p형층 측에 가장 가깝게 설치되며 상기 우물층보다도 밴드갭 에너지가 큰 질화물 반도체로 이루어지는 p측 장벽층과 상기 n형층 측에 가장 가깝게 설치되며 상기 우물층보다도 밴드갭 에너지가 큰 질화물 반도체로 이루어지는 동시에 상기 p측 장벽층보다도 막두께가 큰 n측 장벽층을 적어도 가지는 양자 우물 구조를 가지고,활성층보다 큰 밴드갭 에너지를 가지는 Al을 포함하는 질화물 반도체로 이루어지며 또 p형 불순물이 도프된 캐리어 가둠층을 상기 활성층의 p측 장벽층에 인접해서 갖는 질화물 반도체 소자.
- 제 1 항에 있어서,상기 활성층은, n측 광가이드층과 p측 광가이드층 사이에 끼워지고,상기 n측 광가이드층은, 상기 활성층 내의 장벽층보다도 밴드갭 에너지가 작고, 활성층에 인접해서 가지며,상기 p측 광가이드층은, 상기 활성층 내의 장벽층보다도 밴드갭 에너지가 작고, 상기 캐리어 가둠층에 인접해서 갖는 질화물 반도체 소자.
- 제 1 항에 있어서,상기 활성층 내의 각 장벽층의 막두께가, 30Å~300Å의 범위인 질화물 반도체 소자.
- 제 1 항에 있어서,상기 우물층은 In과 Al을 포함하는 질화물 반도체로 이루어지고,상기 장벽층은 Al을 포함하는 질화물 반도체로 이루어지는 질화물 반도체 소자.
- 제 1 항에 있어서,상기 우물층이 AlxInyGa1-x-yN(0<x≤1, 0<y≤1, x+y<1)이고, 상기 장벽층이 AluInvGa1-u-vN(0<u≤1, 0≤v≤1, u+v<1)인 질화물 반도체 소자.
- 제 4 항에 있어서,상기 우물층의 막두께가 장벽층의 막두께보다도 작은 질화물 반도체 소자.
- 제 4 항에 있어서,상기 우물층의 In 조성비(y)가 0.02 이상 0.05 이하의 범위인 질화물 반도체 소자.
- 제 2 항에 있어서,상기 n측 광가이드층이 AlxGa1-xN(0<x≤1)으로 이루어지는 질화물 반도체 소자.
- 제 2 항에 있어서,상기 p측 광가이드층이 AlxGa1-xN(0<x≤1)으로 이루어지는 질화물 반도체 소자.
- 제 2 항에 있어서,상기 n측 광가이드층 및 p측 광가이드층이 AlxGa1-xN(0<x≤1)으로 이루어지는 질화물 반도체 소자.
- 제 4 항에 있어서,상기 우물층의 Al 혼성 결정비(x)와 In 조성비(y)가 x≥y의 관계를 만족시키는 질화물 반도체 소자.
- 제 1 항에 있어서,상기 p형층, 상기 활성층 및 상기 n형층은 질화물 반도체의 기판상에 적층되어 있는 질화물 반도체 소자.
- 제 1 항, 제 2 항 또는 제 10 항에 있어서,상기 n측 장벽층은 n형 불순물이 도프되어 있고, 상기 p측 장벽층은 n형 불순물이 5×1016/cm3 이하의 불순물 농도인 질화물 반도체 소자.
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