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KR20030016380A - 질화물 반도체 소자 - Google Patents

질화물 반도체 소자 Download PDF

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KR20030016380A
KR20030016380A KR10-2003-7000185A KR20037000185A KR20030016380A KR 20030016380 A KR20030016380 A KR 20030016380A KR 20037000185 A KR20037000185 A KR 20037000185A KR 20030016380 A KR20030016380 A KR 20030016380A
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KR
South Korea
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layer
nitride semiconductor
type
barrier layer
barrier
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KR10-2003-7000185A
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고자키도쿠야
Original Assignee
니치아 카가쿠 고교 가부시키가이샤
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Publication date
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Priority claimed from JP2001174903A external-priority patent/JP3803696B2/ja
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Abstract

본 발명은 p형 질화물 반도체층(11)과 n형 질화물 반도체층(13)에 끼워진 활성층(12)으로서, n형 불순물을 가지는 장벽층(2a)과 In을 포함하는 질화물 반도체로 이루어지는 우물층(1a)과 p형 불순물을 갖거나, 혹은 언도프로 성장시킨 장벽층(2c)을 적어도 가지며, 그 장벽층(2)을 p형층측에 가장 가까운 장벽층으로 배치함으로써 활성층(12)으로의 바람직한 캐리어의 주입이 가능하다.

Description

질화물 반도체 소자{nitride semiconductor device}
최근 질화물 반도체를 사용한 반도체 레이저는 DVD등, 대용량·고밀도의 정보기록·재생이 가능한 광디스크 시스템으로의 이용에 대한 요구가 높아지고 있다. 이 때문에 활발한 연구가 이루어지고 있다. 또한 질화물 반도체를 사용한 반도체 레이저 소자는 자외영역에서부터 적색에 이르기까지 폭넓게 가시광영역에서의 발진이 가능한 것으로 생각되며, 그의 응용범위는 상기 광디스크 시스템의 광원에 그치지 않고 레이저 프린터, 광네트워크등의 광원등 여러 방면에 걸쳐있는 것으로 기대되고 있다. 또한 본 출원인은 405㎚, 실온, 5㎽의 연속발진조건에서 1만 시간을 초과하는 레이저를 발표하였다.
또한 질화물 반도체를 사용한 발광소자, 수광소자등에는 In을 포함하는 질화물 반도체를 사용하여 활성층으로 한 구조를 가지고 있고, 활성층에서 보다 뛰어난 활성영역의 형성이 소자특성의 향상에 있어서 중요하게 된다.
종래 질화물 반도체 소자의 활성층으로서, n형 불순물등을 도프한 n형의 질화물 반도체가 일반적으로 사용되며, 특히 양자우물구조인 경우에는, n형 불순물이 도프된 질화물 반도체, n형 질화물 반도체가 우물층과 장벽층에 사용되었다.
질화물 반도체를 사용한 소자로서, 발광소자에서는 그 용도를 많은 분야로 넓히기 위해서는 한층 더 소자특성, 특히 소자수명의 향상을 성취하여야만 한다.
질화물 반도체를 사용한 레이저 소자로서는, 상술한 고밀도 광디스크 시스템의 판독; 기록광원등으로의 이용, 또는 더욱 다양한 응용을 위해서는 소자수명의 향상, 출력의 향상이 필수 과제이다. 또한 그 밖의 질화물 반도체에 있어서도 마찬가지로 더욱 더 소자수명, 출력의 향상이 필요하며, 질화물 소자를 사용한 발광소자에서도 발광출력의 향상이 필요하다.
종래, 과제로 되어 있는 질화물 반도체를 사용한 소자의 취약한 역방향 내전압특성은, 그 제조상의 취급, 응용제품으로의 실장할때의 취급에 있어서 파괴의 위험성이 높아 매우 중요한 과제의 하나이다.
본 발명은 상기 사정을 감안하여 이루어진 것으로, 임계값 전류밀도등의 소자특성이 우수하며 또 긴 수명, 고출력의 질화물 반도체 소자를 얻는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 발광다이오드소자(LED), 레이저다이오드소자(LD)등의 발광소자, 태양전지, 광센서등의 수광소자, 혹은 트랜지스터, 파워디바이스등의 전자디바이스에 사용되는 질화물 반도체(InXAlYGa1-X-YN, 0X, 0Y, X+Y1)를 사용한 질화물 반도체 소자에 관한 것으로, 특히 In을 포함하는 질화물 반도체층을 가지는 질화물 반도체 소자에 관한 것이다.
도 1은 본 발명의 한 실시형태를 설명하는 개략단면도이다.
도 2는 본 발명의 한 실시형태를 설명하는 개략단면도이다.
도 3은 본 발명의 한 실시형태를 설명하는 개략단면도이다.
도 4는 본 발명의 한 실시형태에 따른 적층구조의 개략단면도 및 밴드구조를 설명하는 개략도이다.
도 5는 본 발명의 한 실시형태에 따른 적층구조의 개략단면도 및 밴드구조를 설명하는 개략도이다.
도 6은 본 발명의 한 실시형태에 따른 적층구조의 개략단면도 및 밴드구조를 설명하는 개략도이다.
도 7은 본 발명의 한 실시형태에 따른 적층구조의 개략단면도 및 밴드구조를 개략도이다.
도 8a 및 도 8b는 본 발명의 한 실시형태에 따른 적층구조의 개략단면도 및 밴드구조를 설명하는 개략도이다.
도 9a 및 도 9b는 본 발명의 한 실시형태의 소자에 따른 개략단면도이다.
도 10은 본 발명의 한 실시형태에 따른 적층구조의 개략단면도 및 밴드구조를 설명하는 개략도이다.
도 11은 본 발명의 한 실시형태를 설명하는 개략단면도이다.
도 12는 본 발명에 따른 한 실시형태를 있어서의 소자수명과 장벽층 막두께와의 관계를 나타내는 도면이다.
도 13은 본 발명에 따른 한 실시형태에 있어서의 소자수명과 장벽층 막두께와의 관계를 나타내는 도면이다.
도 14는 본 발명에 따른 한 실시형태에 있어서의 소자수명과 도프량과의 관계를 나타내는 도면이다.
도 15는 본 발명에 따른 한 실시형태에 있어서의 역내압과 도프량과의 관계를 나타내는 도면이다.
(1) 본원 발명의 발광소자는 In을 포함하는 질화물 반도체로 이루어지는 우물층과 질화물 반도체로 이루어지는 장벽층을 가지는 양자우물구조의 활성층을, p형 질화물 반도체층과 n형 질화물 반도체층 사이에 끼우는 구조를 가지는 질화물 반도체 소자에 있어서, 상기 활성층이 상기 장벽층으로서, 상기 p형 질화물 반도체층에 가장 가까운 위치에 배치된 제 1 장벽층과, 이 제 1 장벽층과는 다른 제 2 장벽층을 가짐과 동시에 상기 제 1 장벽층이 실질적으로 n형 불순물을 포함하지 않으며, 상기 제 2 장벽층이 n형 불순물을 가지는 것을 특징으로 한다. 또한, 활성층중의 장벽층 중에서 제 1 장벽층 및 제 2 장벽층을 제외한 장벽층에 대하여서는 특별히 한정되지 않지만 고출력의 레이저 소자·발광소자에 사용되는 경우에는 n형 불순물로만 혹은 논도프로 하는 것이 바람직하다.
종래의 다중양자우물형(이하 MQW형) 질화물 반도체 소자에 있어서는, 활성층중의 초기 전자농도를 향상하여 발광효율을 높이기 위해, 모든 장벽층에 Si등의 n형 불순물을 도프하는 것이 일반적이었지만, 본 발명의 질화물 반도체 소자에 있어서는, 종래와 마찬가지의 n형 불순물을 도프한 장벽층도 가지면서 p형 질화물 반도체층에 가장 가까운 제 1 장벽층만이 n형 불순물이 실질적으로 포함하지 않도록 한 것이다. 이와같은 구성에 의해, 질화물 반도체 소자의 소자수명, 역내압특성을 향상시킬 수 있다.
수명특성이 향상되는 메카니즘은 반드시 자명한 것은 아니지만, 그 한가지는 캐리어의 수명이 종래보다도 길어 지는데 기여하고 있는 것이라고 추측된다. 종래에는 n형 불순물을 도프한 장벽을 p형측에 배치함으로써, p형층으로부터의 p형 불순물의 확산이 적지 않게 발생하고, 이것에 의해 n형 불순물과 p형 불순물을 함유하는 장벽층이 만들어지게 되며, 그 결과 캐리어의 수명을 저하시키는 원인이 되었다. 본 발명에 의하면, 제 1 장벽층에 n형 불순물을 도프하지 않기 때문에 n형 및 p형 불순물이 장벽층에 함께 존재하는 것을 방지할 수 있다.
또한 활성층중 장벽층에 있어서, p형층측에 배치된 장벽층(제 1 장벽층)은 n형 불순물을 실질적으로 포함하지 않음으로써, n형 불순물을 가지는 장벽층(제 2 장벽층)과는, 활성층에 있어서 그 기능이 다르다. 즉, 제 2 장벽층을 가짐으로써 n형층에서 활성층내로 주입되는 캐리어를 많게 하고, 또한 활성층의 속으로 깊게(p형층측) 도달하는 캐리어를 많게 하여, 캐리어의 주입효율을 올릴 수 있는 한편, 제 1 장벽층을 가짐으로써, n형 불순물이 포함되지 않는 장벽층이, 활성층내에서 p형층에 가장 가까운 장벽층으로서 배치함으로써, p형층으로부터의 캐리어주입을 많게 하고 또 효율을 좋게 할 수 가 있다.
제 1 장벽층에 n형 불순물이 포함되면, p형층으로부터의 캐리어주입이 저해되는 경향이 있다. 특히, n형층으로부터의 캐리어에 비하여 p형층으로부터의 캐리어는 그 확산길이가 짧은 경향이 있기 때문에, p형층으로부터 활성층으로의 캐리어주입구에 해당하는 제 1 장벽층이 n형 불순물을 가지면, p형층으로부터의 캐리어의 주입에 심각한 악영향을 미친다. 도 14에 나타낸 바와 같이, 제 1 장벽층의 n형 불순물농도가 커짐에 따라서 소자수명이 급격하게 저하되는 것을 알 수 있다.
따라서, 제 1 장벽층이 활성층에 설치됨으로써, 많은 홀을 가질 수 있고, 또한 캐리어의 수명도 길게 되는 경향이 관측되어서, 이들이 상기 특성의 향상에 기여하고 있는 것은 아닌가 하고 생각된다.
제 2 장벽층은 제 1 장벽층에 인접해 있는 것도 좋지만, 적어도 하나 이상의 우물층을 끼워서 제 1 장벽층과는 떨어지게 설치되는 것이 바람직하다. 이것에 의해, 활성층내에서 우물층을 끼워서 p측에 배치된 제 1 장벽층과, n측에 배치된 제 2 장벽층이 설치되어, 보다 효율적인 캐리어의 주입이 가능하게 되며, 예를 들면, 광디스크 시스템 광원의 레이저 소자에 있어서 손실을 줄일 수 있으며 소자특성 특히, 소자수명과 출력의 향상으로 이어진다. 이때, 바람직하게는 제 2 장벽층을 활성층중의 장벽층에 있어서 n형층에 가장 가까운 장벽층으로 함으로써, n형층으로부터의 캐리어주입구로 되어서, 캐리어의 다량 주입 및 효율적인 주입이 가능하게 되어 소자특성이 향상한다.
또한, n형 불순물을 실질적으로 포함하지 않는다는 것은, 공정중의 오염등에 의해 혼입하는 농도를 넘어서 n형 불순물을 포함하지 않는 것을 가르키며, 예를 들면, n형 불순물이 Si의 경우, 농도가 5 ×1016㎝-3이하인 것을 나타낸다.
(2) 상기 제 1 장벽층의 막두께가 제 2 장벽층의 막두께 보다 큰 것이 바람직하다. 이 구성에 의해, 소자수명의 향상이 실현된다. 제 1 장벽층이 다른 장벽층(제 2 장벽층)보다도 작은 막두께이면, 소자수명의 저하가 나타난다. 특히 제 1 장벽층이 가장 외측에 배치되면, 이 경향은 현저하다. 또한 제 1 장벽층이 활성층내에서 가장외측, 즉 최상부에 위치한 경우에 있어서, 활성층 위에 p형 질화물 반도체층을 가지면, 상기 소자 수명의 저하는 더욱 더 커진다. 예를 들면, 도 8에 나타낸 바와 같이 제 1 장벽층(2c)이 p형 전자가둠층(제 1 p형 질화물 반도체층)의가장 가깝게 배치된 경우, 이 p형 전자가둠층을 아래에 설명하는 바와 같이, 활성층, 특히 우물층에 밀접하게 영향을 미치는 층이기 때문에, 제 1 장벽층의 막두께가 활성층 및 우물층의 특성을 결정하는 중요한 층이 된다.
즉, 본 발명에 따른 질화물 반도체 소자에 있어서, 활성층중의 장벽층을, In을 포함하는 질화물 반도체로 형성하고, p형 질화물 반도체층중 적어도 활성층에 인접하는 층을, Al을 포함하는 질화물 반도체(전자가둠층)에 의해 형성하면, 활성층에 캐리어를 유효하게 가둘 수 있다. 그러나, In을 포함하는 질화물 반도체를 성장시킨 후에, Al을 포함하는 질화물 반도체를 성장시키면 InN의 높은 증기압력과 양자의 성장조건이 서로 다르기 때문에 In을 포함하는 질화물 분해를 일으키기 쉽다. 이 때문에, 제 1 장벽층은 다른 장벽층보다도 두껍게 형성하는 것이 바람직하다.
예를 들면, MOCVD법에 의해 성장을 행하는 경우, InGaN은 질소가스 분위기하에서 저온 및, 느린 가스유속조건으로 성장시키는 한편, AlGaN은 수소가스 분위기 하에서 고온 및 빠른 가스급속조건으로 성장시키는 것이 일반적이다. 따라서, 예를 들면 InGaN을 제 1 장벽층으로서 성장시킨 후에, AlGaN을 p형 질화물 반도체로서 성장시키면, 반응로내의 성장조건을 바꿀 때에 InGaN이 가스에칭에 의해 분해를 일으켜 버린다. 그래서 제 1 장벽층을 다른 장벽층보다도 두껍게 형성함으로써 제 1 장벽층이 다소 분해를 일으켜도 양호한 양자우물구조를 유지할 수 있다. 즉, 제 1 장벽층이 In을 포함하는 활성층의 분해를 방지하는 보호층으로서의 역할을 맡게 된다.
또한, p형 질화물 반도체층에 가장 가깝게 배치된 제 1 장벽층이 두꺼운 막이면, p형 전자가둠층과의 거리를 크게 할 수 있기 때문에, p형의 캐리어가 많아지더라도 충분히 넓은 공간이 확보되어, 소자의 연속구동에 있어서, 안정적으로 고농도의 캐리어를 주입할 수 있다. 따라서 소자수명등의 소자신뢰성이 향상된다.
(3) 또한, n형 질화물 반도체층에 가장 가까운 위치에 배치된 장벽층을 장벽층 B1, 이 장벽층 B1으로부터 상기 p형 질화물 반도체층을 향하여 세어서 i번째(i=1, 2, 3 …L)의 장벽층을 장벽층 Bi으로 할 때에, i=1에서 i=n(1＜n＜L)까지의 장벽층 Bi가 n형 불순물을 가지는 것이 바람직하다. 이 구성에 의해, 활성층의 각 우물층으로의 캐리어주입이 한층 효율적인 것이 된다. 또한 활성층의 안쪽 깊이(p형층측) 캐리어주입도 양호하게 되며, 다량의 캐리어주입에도 대응할 수 있게 된다. 따라서, LED, LD에 있어서 발광효율이 향상하고, 또한 발진임계값 전류밀도, 순방향 전압의 저하, 소자수명의 향상이 가능하게 된다. 그리고, 1번째부터 n번째까지의 장벽층 Bi에 n형 불순물을 가짐으로써 소자의 구동초기에, 즉시 우물층으로 캐리어가 주입될 수 있기 때문에, 임계치 전류밀도의 저하에도 기여한다.
(4) 또한, 더욱 바람직하게는 제 1 장벽층을 제외한 다른 전체의 장벽층에 n형 불순물을 도프한다. 이렇게 함으로써, 보다 한층 n형층으로부터의 캐리어주입을 많게 하고, 또 효율을 좋게 할 수 있다.
(5) 상기 제 1 장벽층이, 상기 활성층의 가장 외측에 배치되어 있는 것이 바람직하다. 제 1 장벽층이 활성층내에서 가장 p형 질화물 반도체층에 가까운 측에배치됨으로써 제 1 장벽층이 캐리어의 주입구가 되어, p형층으로부터 활성층내의 캐리어주입이 효율적이 되며, 또한 다량의 캐리어를 주입할 수 있고, 문턱값 전류밀도, 소자수명, 출력등의 소자특성이 향상된다. 또한, 대전류, 고출력의 엄격한 조건에서의 구동에 견딜 수 있는 소자신뢰성을 가지는 질화물 반도체 소자가 얻어진다. 이때, p형 질화물 반도체층은 활성층에 접하여 형성하는 것이 바람직하며, 또한 제 1 장벽층에 접하는 층으로서 후술하는 제 1 p형 질화물 반도체층을 설치할 수 있다.
(6) 또한, 상기 제 2 장벽층을, 상기 활성층내의 상기 n형 질화물 반도체층에 가까운 가장 외측 위치에 배치하는 것이 바람직하다. 이 구성에 의하여, p형 질화물 반도체층과, n형 질화물 반도체층측에 각각 제 1 p측 장벽층과 제 2 n측 장벽층이 배치된 활성층이 되며, p형층과 n형층으로부터의 캐리어가 활성층의 중앙부를 향하여 효율적으로 주입되게 된다.
(7) 상기 (6)의 구성에 있어서, 상기 제 1 p측 장벽층의 막두께가 상기 제 2 n측 장벽층의 막두께와 거의 같은 것이 바람직하다. 이 구성에 의해, 활성층내의 대칭성이 향상되고, 그 결과, 소자의 편차를 억제하여 수율이 향상되며 또한 임계값 전류밀도가 저하한다.
(8) 또한, 상기 (6)의 구성에 있어서, 상기 활성층이 2이상의 우물층을 가지며, 이 우물층과 우물층과의 사이에 제 3 장벽층을 가짐과 동시에, 상기 제 3 장벽층의 막두께가 상기 제 1 p측 장벽층 및 상기 제 2 n측 장벽층의 막두께보다도 작은 것이 바람직하다. 이 구성에 의해, 제 2 n측 장벽층 및 제 1 p측 장벽층과, 제3 장벽층과는 다른 기능을 가지게 하는 것이 가능하며, 소자특성의 편차를 억제하고, 임계값 전류밀도와 Vf를 저하시키는 것이 가능하게 된다. 즉, 제 2 n측 장벽층과 제 1 p측 장벽층이 활성층의 가장 외측에 배치되어서, n형층과 p형층으로부터의 캐리어주입구가 되어, 제 3 장벽층보다도 막두께가 크기 때문에 많은 캐리어를 유지하는 넓은 공간이 확보되며, 역으로 제 3 장벽층의 두께가 작기 때문에 활성층 전체의 막두께를 낮게 억제할 수 있고, Vf의 저하에 기여하게 된다.
(9) 상기 활성층내의 적어도 하나의 우물층이, 40Å이상의 막두께를 가지는 것이 바람직하다. 종래 우물층의 막두께는 발진·발광의 초기단계에서의 특성(에를 들면, 발진임계값전류)을 중시하여 바람직한 범위로서 약 20Å~30Å가 최적으로 되었지만, 이것으로는 대전류에서의 연속적인 구동으로 소자열화가 빨라지며, 소자수명의 향상이 방해되었다. 본 발명에서는 상기 구성에 의해 이것을 해결하였다.
즉, 본 발명의 구성에 의해 효율적인 캐리어의 주입을 가능하게 한 결과, 이에 적합한 막두께의 우물층을 설치함으로써 고출력의 발광소자, 레이저 소자의 구동에 있어서 안정성을 증가하는 것이 가능하게 되고, 또 주입전류에 대한 출력에 있어서, 손실을 낮게 억제할 수가 있으며, 소자수명에 있어서 비약적인 향상을 가능하게 할 수 있다. 고출력에서의 발광·발진에는 대량으로 주입된 캐리어를 우물층내에서 손실함이 없이 효율 좋게 발광결합시키는 것이 요구되어 왔지만, 상기 구성이 이것을 실현하는데에 적합하다.
우물층의 막두께 상한은, 장벽층 및 활성층의 막두께에 의존하며, 특별히 한정되지 않지만, 500Å이하인 것이 바람직하다. 특히 양자우물층구조로서 복수의층을 적층하는 것을 고려하면 300Å이하인 것이 바람직하다. 또한 50Å이상 200Å이하의 범위로 하면, 다중양자우물구조, 단일양자우물구조의 어느 쪽이어도 바람직한 활성층의 형성이 가능하다. 특히 다중양자우물구조이면 적층수(우물층과 장벽층의 쌍수)가 많아 지게 때문에 50Å이상 200Å이하의 범위내로 하는 것이 바람직하다. 또한. 이러한 적합한 범위에 우물층이 있음으로써 대전류·고출력의 발광과 발진에 있어서, 높은 소자신뢰성 및 긴 수명을 얻을 수 있고, 또한 레이저 소자에 있어서는 80㎽에서의 연속발진이 가능하게 되며, 또한 5~80㎽이라고 하는 넓은 출력영역에 있어서도 우수한 소자수명을 실현할 수 있다. 이때, 활성층이 다중양자우물구조인 경우에, 우물층의 막두께는 적어도 하나의 우물층에 적용하는 것이 필요하며, 바람직하게는 모든 우물층에 있어서, 상기 막두께를 적용하는 것이다. 이렇게 함으로써, 각 우물층에 있어서 상술한 바와 같은 효과가 얻어지고 발광재결합, 광전변환 효율이 더욱 향상한다. 우물층으로서 In을 포함하는 질화물 반도체, 더욱 바람직하게는 InGaN을 사용함으로써, 양호한 소자수명이 얻어진다. 이때 In조성비 x를 0＜x0.3의 범위로 함으로써 결정성이 양호한 막두께의 우물층을 형성할 수 있고, 바람직하게는 x0.2로 함으로써 결정성이 양호한 막두께의 우물층을 복수 형성할 수 있으며, 양호한 MQW구조의 활성층으로 할 수 있다.
(10) 상기 제 1 장벽층이 p형 불순물을 가지는 것이 바람직하다. 이 구성에 의해, 상술한 p형층으로부터의 캐리어주입이 효율적으로 되고, 또한 캐리어의 수명도 올라가는 경향이 있어서, 그 결과 역내압특성, 소자수명 및 출력의 향상에 기여하게 된다. 이것은 상술한 바와 같이, n형 불순물을 실질적으로 포함하지 않게 함으로써 p형층으로부터의 캐리어주입이 양호하게 되고, 또한 제 1 장벽층에 p형 불순물을 가짐으로써 활성층내의 캐리어주입을 더욱 촉진하는 것이 가능하게 되며, 효율적으로 다량의 캐리어가 p형층으로부터 활성층내, 그리고 활성층의 깊숙한 깊이(n형층측)까지 주입되어서, 발광재결합, 광전변환 효율 및 소자수명의 향상과 더불어 내전압특성의 향상을 실현할 수 있다.
(11) 또한 제 1 장벽층의 p형 불순물농도는 특별히 한정되는 것은 아니지만, 1 ×1016㎝-3이상 1 ×1019㎝-3이하인 것이 바람직하다. p형 불순물농도가 지나치게 낮으면 우물층으로의 홀 주입효율이 저하하고, 지나치게 높으면 제 1 장벽층중의 캐리어 이동도가 저하하고 레이저의 Vf값이 증대해 버리기 때문이다.
(12) p형 불순물농도가 이와같은 범위에 있는 제 1 장벽층은 i형 또는 p형으로 되어 있다.
(13) 제 1 장벽층으로의 p형 불순물의 도프는, 제 1 장벽층의 성장시에 행하는 것보다도 제 1 장벽층을 언도프로 성장시킨 후에 p형 질화물 반도체로부터의 확산에 의해 행하는 쪽이 바람직하다. 전자의 경우에는 제 1 장벽층의 성장시에 그 아래에 있는 n형 우물층에 p형 불순물이 확산하여 소자수명특성이 저하될 우려가 있는 한편, 후자의 경우에는 우물층에 악영향을 주지 않고 제 1 장벽층에 p형 불순물을 도프할 수 있기 때문이다.
(14) 소자 구조가 n형 질화물 반도체층, 활성층, p형 질화물 반도체층의 순서로 적층된 것이라면, 제 1 장벽층을 언도프 성장시켜도 다음에 성장시키는 p형질화물 반도체층으로부터 p형 불순물이 확산되기 때문에 p형 불순물을 가지는 장벽층으로 할 수가 있다.
(15) 본 발명의 질화물 반도체 소자는, 상기 p형 질화물 반도체층이 평균 혼성 결정비가 0＜x0.05의 Al을 포함하는 질화물 반도체로 이루어지는 상부 클래드층을 가지며, 상기 n형 질화물 반도체층이 평균 혼성결정비가 0＜x0.05의 Al을 포함하는 질화물 반도체로 되는 하부 클래드층을 가져서 레이저 소자 구조를 가지는 것이 바람직하다. 이 구성에 의해, 얻어지는 레이저 소자는, 5~100㎽의 출력으로 연속발진이 가능하고 광디스크 시스템의 판독, 기록 광원에 적합한 소자특성의 LD로 되며, 또한 긴 수명을 실현할 수 있게 된다. 클래드층의 Al의 평균 혼성결정비를 0.05이하로 억제함으로써, 고출력시의 자려(自勵)발진을 억제할 수 있는 광도파로가 만들어지고, 고출력으로 안정한 연속발진이 가능해지고, 광디스크 광원용의 LD를 얻을 수 있게 된다. 종래는 클래드층의 Al 평균조성을 0.05이상 0.3이하의 범위인 질화물 반도체를 사용하였지만, 여기에서는 광가둠이 너무 강하게 됨으로써 30㎽이상의 고출력에서의 연속발진으로 자려발진이 발생한다. 이 자려발진은 종방향의 광가둠이 크고, 광밀도를 높인 LD구조로서, 전류-광출력특성에 있어서의 킹크가 저 출력측에 발생하는 것에 기인하는 것이며, 이와같은 킹크의 발생은 광디스크 시스템의 광원으로서 불리해지며, 킹크에 기인하는 자려발진은 불안정하고, 또한 소자편차가 있다. 본 발명의 구성에서는, 클래드층에서의 굴절율차를 작게 한 광도파로로 하고, 또한 상기 범위에 있는 활성층을 사용함으로써, 다량의 캐리어를연속적으로 안정되게 주입·발광결합하는 구조로 되어서, 클래드층의 광가둠 저하에 의한 손실을 상회하여 연속발진할 수 있고, 또 활성층내에서의 발광효율을 높일 수가 있다.
상기 상부 클래드층은 p형 도전성을 가지며, 상기 하부 클래드층은 n형 도전성을 가지며, 상기 활성층이 상기 장벽층으로서, 상기 상부 클래드층의 가장 가까운 위치에 배치된 제 1 장벽층과, 이 제 1 장벽층과는 다른 제 2 장벽층을 가짐과 동시에, 상기 제 1 장벽층은 p형 불순물을 가지며, 상기 제 2 장벽층은 n형 불순물을 가지는 것이 바람직하다. 이 구성에 의해, 상술한 바와 같이 p형층으로부터의 캐리어주입이 뛰어나고 그 결과 소자특성, 특히 소자수명이 향상한다.
(16) 상기 p형 질화물 반도체중에, 활성층에 인접하여 제 1 p형 질화물 반도체층을 가지며, 이 제 1 p형 질화물 반도체층이 Al을 함유하는 질화물 반도체로 되는 것이 바람직하다. 이 구성에 의해, 도 4 ~ 7에 나타낸 바와 같이 제 1 p형 질화물 반도체층(28)이 전자가둠층으로서 기능하고, 특히 대전류 구동, 고출력의 LD와 LED에 있어서 활성층내에 다량의 캐리어를 가둘 수 있게 된다. 또한, 상기 제 1 장벽층, 장벽층 BL, 제 1 p측 장벽층과의 관계에 있어서, 도 8에 나타낸 바와 같이 이들 장벽층의 막두께가 제 1 p형 질화물 반도체층과 우물층(1b)과의 거리(dB)를 결정하기 때문에 소자특성에 서로 큰 영향을 미친다.
또한 제 1 p형 질화물 반도체층은 박막으로 성장시키면 되기 때문에, p형 클래드층보다도 저온에서 성장시킬 수 있다. 따라서, p형 전자가둠층을 형성함으로써, p형 클래드층을 활성층 위에 직접 형성하는 경우에 비하여, In을 포함하는 활성층의 분해를 억제할 수 있다. 즉, p형 전자가둠층은 제 1 장벽층과 같이 In을 포함하는 활성층의 분해를 방지하는 역할을 하는 것이 된다.
(17) 상기 제 1 p형 질화물 반도체층이, 상기 p형 질화물 반도체층의 가장 가까운 장벽층에 접하여 설치되고, 상기 활성층중의 장벽층보다도 높은 농도의 p형 불순물을 도프하여 성장하는 것이 바람직하다. 이 구성에 의해, p형층으로부터 가장 p형에 가까운 장벽층(상기 제 1 장벽층)으로의 캐리어주입을 용이하게 할 수 있다. 또한, 제 1 p형 질화물 반도체층에 p형 불순물을 고농도로 도프함으로써 장벽층으로 p형 불순물을 확산시켜서 적합한 정도의 p형 불순물을 첨가할 수 있다. 그렇게 하면, 장벽층 성장시에 불순물을 첨가하지 않아도 되기 때문에 장벽층의 결정성이 좋게 성장할 수 있다. 특히, 이 장벽층이 In을 포함하는 질화물 반도체의 경우에는 불순물 첨가에 의한 결정성 악화가 크기 때문에 그 효과는 현저해진다. 또한 제 1 p형 질화물 반도체층이 후술하는 바와 같이, Al을 포함하는 질화물 반도체로서, 그 Al 혼성결정비가 p형 클래드층의 Al 혼성결정비보다도 높은 경우에는 활성층내에 전자를 가두는 전자가둠층으로서 효과적으로 기능하여, 대전류구동, 고출력의 LD와 LED에 있어서, 발진임계값과 구동전류를 저하시키는 효과가 얻어진다.
(18) 상기 활성층에 있어서, 우물층의 수가 1이상 3이하의 범위내에 있는 것이 바람직하다. 이 구성에 의해, LD에 있어서는 발진 임계값을 우물층의 수가 4이상인 경우에 비하여 낮게 할 수 있게 된다. 또한 이때에, 상술한 바와 같이 우물층의 막두께를 40Å이상으로 함으로써, 적은 우물층내에서도 넓은 공간이 확보되어 다량의 캐리어가 주입되어도 효율적인 발광재결합이 가능하게 되고, 이것이 소자수명의 향상과 발광출력의 향상을 가능하게 한다. 특히, 우물층의 막두께가 40Å이하에서 우물층수를 4이상으로 한 경우에는 대전류로 구동시켜서 고출력의 LD와 LED를 얻으려고 하면, 상기 경우에 비하여, 박막의 각 우물층에 다량의 캐리어가 주입되게 되며, 우물층은 가혹한 조건하에서 구동시키는 것이 되어 소자의 열화가 빨리 발생한다. 또한 우물층수를 많게 하면, 캐리어는 균일하게 분포하지 않고 불균일하게 분포하는 경향이 있기 때문에, 이와같은 상태에서 대전류로 구동시키면 상기 소자열화가 심각한 문제가 된다. 이 구성에서는 상술한 가장 p형층측의 장벽층이 n형 불순물을 포함하지 않거나 혹은 p형 불순물을 가지며, 다른 장벽층이 n형 불순물을 가짐으로써 다량의 캐리어를 우물층내에 안정되게 주입할 수 있고, 또한 우물층을 상술한 바와 같은 막두께(40Å이상)로 함으로써, 이들이 밀접하게 관계하여 연속구동에 있어서 뛰어난 소자수명과 높은 발광출력의 실현에 바람직하게 작용한다.
(19) 상기 제 2 장벽층이 우물층에 끼워져 배치되고 상기 우물층과 제 2 장벽층과의 막두께비 Rt가 0.5Rt3의 범위인 것이 바람직하다. 이 구성에 의해, 특히 광디스크 시스템, 광통신시스템등에 사용되며, 응답특성이 뛰어나고, RIN이 낮은 발광소자와 레이저 소자를 얻을 수 있다. 즉, 양자우물구조의 활성층에서, 우물층, 장벽층 및 활성층의 막두께는 RIN, 응답특성에 큰 영향을 미치는 요인이 되지만, 이 구성에서는 우물층과 장벽층과의 막두께비를 상기 범위로 한정함으로써, 이들의 특성이 뛰어난 발광소자와 레이저 소자가 얻어진다.
(20) 상기 우물층의 막두께 dw가 40°dw100Å의 범위내이고, 상기 제 2장벽층의 막두께 db가 db40Å의 범위내인 것이 바람직하다. 이 구성에 의해, 상기 막두께비 Rt에 있어서, 우물층의 막두께를 상기 범위로 함으로써, 도 12에 나타낸 바와 같이 긴 수명, 고출력의 레이저 소자인 동시에, 광디스크 시스템의 광원에 적합한 RIN의 특성과 응답특성의 레이저 소자가 얻어진다. 즉, 본 발명의 발명소자에 있어서, 우물층의 막두께를 크게 함으로써 긴 수명화를 도모할 수 있는 한편, 우물층의 막두께가 커지면 응답특성과 RIN의 특성이 저하되는 경향이 있다. 이 구성에서는 이것을 바람직하게 개선한다. 또한, 장벽층의 막두께가 40Å이상에서는 도 13에 나타낸 바와 같이 양호한 소자수명이 얻어져서 광디스크 시스템이 우수한 광원이 되는 레이저 소자가 얻어진다.
(21) 상기 p형 질화물 반도체층과, 상기 n형 질화물 반도체층에 각각 상부 클래드층과 하부 클래드층을 가지며, 상부 클래드층의 질화물 반도체의 Al 평균 혼성결정비는 하부 클래드층보다도 크게 하는 것이 바람직하다. 이것은 실효굴절율형의 레이저 소자에 있어서, 실효적인 굴절율차가 만들어지는 상부 클래드층에서, Al 혼성결정비를 크게 하고, 굴절율이 작은 상부 클래드층으로 함으로써, 횡방향의 가둠을 작게 할 수 있다. 즉, 도파로의 양쪽에서 실효적인 굴절율차를 만드는 매입층과 상부 클래드층과의 굴절율차를 작게 함으로써 횡방향의 가둠을 작게 한 구조로 된다. 이것에 의해, 횡방향의 가둠을 저감하여 광밀도를 작게 함으로써 고출력 영역까지 킹크의 발생이 없는 레이저 소자로 할 수 있다.
(22) 또한, 상기 상부 클래드층의 Al 평균 혼성결정비 x가, 0＜x0.1의 범위로 함으로써, 레이저 특성, 특히 광디스크 시스템에 매우 적합하게 사용할 수 있는 전류-광출력특성등의 특성을 가지는 레이저 소자가 얻어진다. 이때 레이저 소자의 발진파장은 380㎚이상 420㎚이하의 범위로 함으로써 상기 클래드층을 사용하여 매우 적합한 레이저 소자를 얻을 수 있다.
(23) 상기 p형 질화물 반도체층은, 상기 활성층에 접하여 전자가둠층이 되는 제 1 p형 질화물 반도체층을 가지고, 활성층은 제 1 p형 질화물 반도체층으로부터의 거리 dB가 100Å이상 400Å이하의 범위인 우물층을 가지며, 이 거리 dB내에 제 1 장벽층을 가짐으로써 소자수명이 뛰어난 질화물 반도체가 얻어진다. 이것은 도 8에 나타낸 바와 같이, 제 1 p형 질화물 반도체층(28)으로부터의 거리 dB가 제 1 장벽층, 즉 불순물이, n형 불순물을 실질적으로 가지지 않거나, p형 불순물을 가지도록 조절된 장벽층을 가짐으로써, p형의 캐리어 가둠층인 제 1 p형 질화물 반도체층에 기인하는 소자열화를 방지하여 소자수명의 향상과 거리 dB의 외부에 배치된 우물층에서의 발광재결합을 촉진시킬 수 있는 소자 구조로 할 수 있다. 여기서, 거리 dB의 영역에서, 적어도 상기 제 1 장벽층을 가지며, 즉, 거리 dB의 영역에서 적어도 일부가 상술한 바와 같은 불순물, 혹은 그 양이 조절된 불순물 조정영역을 가지게 된다. 이때, 바람직하게는 거리 dB가 제 1 장벽층일 것, 즉 막두께가 dB인 제 1 장벽층을 제 1 p형 질화물 반도체층에 접하여 형성함으로써, 상기 효과를 최대한으로 이끌어낼 수 있기 때문에 바람직하다. 이와같이 거리 dB의 영역을 불순물 조정영역으로 함에 있어서, 도 8b에 나타낸 바와 같이 밴드갭에너지가 다른 층이 복수개 만들어진 구조로 할 수 있다. 예를 들면, 도 8b에서는 밴드갭에너지가 장벽층(2c)보다도 작은영역(4)이 형성되어 있지만, 영역 dB를 불순물 조정영역으로 함으로써 상기 효과가 얻어진다.
이것과는 반대로, 장벽층(2b)보다도 큰 밴드갭에너지를 가지는 층(4)을 설치하여도 마찬가지이다. 즉, 영역 dB에서, 밴드갭에너지가 다른 층이 복수개 만들어지도록 한 경우에 있어서도 영역 dB를 제 1 장벽층으로 하여 불순물 혹은 불순물량을 조절함으로써, 특성이 뛰어난 소자가 얻어진다. 또한, 거리 dB는 바람직하게는 120Å이상 200Å이하의 범위로 함으로써 매우 적합한 활성층과 소자 구조의 질화물 반도체 소자가 얻어진다.
본 발명의 질화물 반도체 소자에 사용하는 n형 불순물 소자로서는 Si, Ge, Sn, S, O, Ti, Zr등의 Ⅳ족, 혹은 Ⅵ족 원소를 사용할 수 있고, 바람직하게는 Si, Ge, Sn을, 더욱 더 바람직하게는 Si를 사용한다. 또한 p형 불순물로서는 특별히 한정되지 않지만, Be, Zn, Mn, Cr, Mg, Ca등을 들 수 있으며, 바람직하게는 Mg이 사용된다.
또한, 본 발명에 있어서, 언도프란, 질화물 반도체 성장시에 도펀트가 되는 p형 불순물, n형 불순물등을 첨가하지 않는 상태로 성장시키는 것이며, 예를 들면, 유기금속 기상성장법에서 반응용기내에 상기 도펀트가 되는 불순물을 공급하지 않는 상태로 성장시키는 것이다.
본 발명의 질화물 반도체 소자에 사용하는 질화물 반도체로서는, GaN, AlN, 혹은 InN, 혹은 이들의 혼성결정인 질화 갈륨계 화합물 반도체(InxAlyGa1-x-yN, 0x, 0y, x+y1)가 있다. 또한 이와 더불어 Ⅲ족 원소로서 B를 사용하거나, Ⅴ족 원소로서 N의 일부를 P, As로 치환한 혼성결정이어도 좋다.
[활성층]
본 발명의 활성층으로서는, 양자우물구조를 가지며 다중양자우물구조와 단일양자우물구조중의 어느 것이어도 된다. 바람직하게는 다중양자우물구조로 함으로써, 출력의 향상, 발진임계값의 저하등을 도모하는 것이 가능하게 된다. 활성층의 양자우물구조로서는 후술하는 우물층과 장벽층을 적층한 것을 사용할 수 있다. 또한 적층구조로서는 우물층을 장벽층으로 끼어 넣는 구조를 적층한 것이며, 즉, 단일양자우물구조에 있어서는 우물층을 끼어 넣도록 p형 질화물 반도체층측과, n형 질화물 반도체층측에 각각 장벽층을 적어도 1층 가지며, 다중양자우물구조에 있어서는 복수의 우물층과 장벽층이 적층된 활성층내에서 후술하는 각 실시형태를 가지는 것이다.
또한, 활성층의 구조로서 바람직하게는 가장 n형 질화물 반도체층과 p형 질화물 반도체층의 가까운 위치에 배치된 층(이하 최외층이라 한다)으로서 장벽층을 가지며, 더욱 바람직하게는 양측의 최외층이 장벽층인 것이다.
또한, 다중양자우물구조에 있어서, 우물층에 끼워진 장벽층은 특히 1층(우물층/장벽층/우물층)으로 한정하는 것이 아니고, 2층 혹은 그 이상 층인 장벽층[우물층/장벽층(1)/장벽층(2)…/우물층]과 같이 조성·불순물량이 다른 장벽층을 복수개 설치하여도 된다. 예를 들면, 도 10에 나타낸 바와 같이, 각 우물층(401) 사이에 Al을 포함하는 질화물 반도체로 이루어지는 상부장벽층(403)과 상부장벽층보다도 에너지밴드갭이 작은 하부장벽층(402)을 설치하는 구조이어도 된다.
[우물층]
본 발명의 우물층으로서는, In을 포함하는 질화물 반도체층을 사용하는 것이 바람직하고, 이때 구체적인 조성으로서는, InαGa1-αN(0＜α1)을 바람직하게는 사용할 수 있다. 이것에 의해 양호한 발광·발진을 가능하게 하는 우물층이 된다. 이때, In혼성결정비에 의해 발광파장을 결정할 수 있다. 또한 InGaN이외에도, 상술한 질화물 반도체, 예를 들면 InAlGaN, InN등을 사용할 수 있고, 또한 In을 포함하지 않는 질화물 반도체, 예를 들면 AlGaN, GaN등에도 본 발명은 적용할 수 있지만, In을 포함하는 질화물 반도체를 사용하는 쪽이 발광효율이 높아져 바람직하다.
또한, 우물층의 막두께 및 우물층의 수로서는, 후술하는 제 5 실시형태에 나타낸 경우를 제외하고는 막두께 및 우물층의 수를 임의로 결정하는 것이 가능하다. 구체적인 막두께로서는 10Å이상 300Å이하의 범위, 바람직하게는 20Å이상 200Å이하의 범위로 함으로써 Vf, 임계값 전류밀도를 저감시킬 수 있다.
또한, 결정성장의 관점에서는, 20Å이상이면 막두께가 그다지 불균일하지 않고 비교적 균일한 막질 층이 얻어지며, 200Å이하로 함으로써, 결정결함의 발생을 낮게 억제하여 양호한 결정성장이 가능하게 된다. 활성층내의 우물층수로서는 특별히 한정되지 않고 1이상이며, 이때, 우물층의 수가 4이상인 경우에는 활성층을 구성하는 각 층의 막두께가 두껍게 되면, 활성층 전체의 막두께가 두꺼워져서 Vf의 상승을 초래하게 되기 때문에, 우물층의 막두께를 100Å이하의 범위로 하여, 활성층의 막두께를 낮게 억제하는 것이 바람직하다.
본 발명의 우물층에는, n형 불순물이 도프되어 있거나, 도프되어 있지 않아도 된다. 그러나 우물층은 In을 포함하는 질화물 반도체가 사용되며, n형 불순물농도가 커지면 결정성을 나쁘게 하는 경향이 있기 때문에, n형 불순물농도를 낮게 억제하여 결정성이 양호한 우물층으로 하는 것이 바람직하다. 구체적으로는 결정성을 최대한 양호하게 하기 위하여 우물층을 언도프로 성장시키는 것이며, 이때 n형 불순물농도는 5 ×1016/㎤이하로 실질적으로는 n형 불순물을 포함하지 않는 우물층으로 하는 것이다. 또한, 우물층에 n형 불순물을 도프하는 경우에는, n형 불순물농도가 1 ×1018/㎤이하 5 ×1016/㎤이상의 범위로 도프되어 있으면 결정성의 악화를 낮게 억제하고, 그리고 캐리어농도를 높게 할 수 있어, 임계값 전류밀도와 Vf을저하시킬 수 있다. 이때 우물층의 n형 불순물농도로서는 장벽층의 n형 불순물농도와 거의 같던가 혹은 작게 함으로써 우물층에서의 발광재결합을 촉진하고, 발광출력이 향상되는 경향이 있기 때문에 바람직하다. 이와 같이 n형 불순물을 도프한 우물층은 5㎽ 출력의 LD와 LED등, 저출력의 소자에 사용함으로써 임계값 전류밀도의 저하와 Vf의 저하가 얻어져 바람직하다. 또한, 우물층의 n형 불순물농도를 장벽층과 거의 같거나 혹은 그것보다도 낮게 하기 위해서는, 우물층 성장시에 장벽층 성장시보다도 적은 n형 불순물을 도프하던가, 장벽층에 도프하여 우물층을 언도프로 성장시켜서 변조도프 하여도 된다. 이때 우물층과 장벽층을 언도프로 성장시켜서 활성층의 일부를 구성하여도 된다.
특히, 대전류로 소자를 구동시키는 경우(고출력 LD, 하이파워-LED등)에는 우물층이 언도프로서, 실질적으로 n형 불순물을 포함하지 않음으로써 우물층에서의 캐리어의 재결합이 촉진되며, 높은 확률에서 발광재결합이 실현되고, 역으로 n형 불순물이 우물층에 도프되면 우물층에서의 캐리어농도가 높기 때문에, 오히려 발광재결합의 확률이 감소하고, 일정출력하에서 구동전류와 구동전류의 상승을 초래하는 악순환이 발생하고, 소자의 신뢰성(소자수명)이 대폭적으로 저하하는 경향이 있다. 이 때문에, 그와 같은 고출력의 소자(5~100㎽ 출력영역의 LD, 하이파워-LED)에서는 우물층의 n형 불순물농도를 적어도 1 ×1018/㎤이하로 한 것이며, 바람직하게는 언도프 혹은 실질적으로 n형 불순물을 포함하지 않는 농도로 함으로써 고출력에서 안정된 구동이 가능한 질화물 반도체 소자가 얻어진다. 또한, 우물층에 n형불순물을 도프한 레이저 소자에서는, 레이저광의 피크파장의 스펙트럼폭이 넓어지는 경향이 있기 때문에 1 ×1018/㎤, 바람직하게는 1 ×1017/㎤이하로 하는 것이다. 또한, 우물층에 불순물을 도프하면, 결정성의 악화도 발생하고 결정성이 악화된 우물층내에 레이저 소자와 같이 전류밀도를 크게 하여 소자를 동작시키면 우물층 및 소자의 열화가 커져 소자수명에 악영향을 미치는 경향이 있다.
[장벽층]
본 발명에 있어서, 장벽층의 조성으로서는 특별히 한정하지 않지만, 우물층보다도 In 혼성결정비가 낮은 In을 포함하는 질화물 반도체 혹은 GaN, Al을 포함하는 질화물 반도체등을 사용할 수 있다. 구체적인 조성으로서는 InβAlγGa1-γN(0β1, 0γ1), InβGa1-βN(0β＜1, α＞β), GaN, AlγGa1-γN(0＜γ1)등을 사용할 수 있다. 여기서, 우물층에 접하여 하지층이 되는 장벽층(하부장벽층)의 경우에는, Al을 포함하지 않는 질화물 반도체를 사용하는 것이 바람직하고, 구체적으로는 도 10에 나타낸 바와 같이 InβGa1-βN(0β＜1, α＞β), GaN을 사용하는 것이 바람직하다. 이것은 In을 포함하는 질화물 반도체로 되는 우물층을 AlGaN등의 Ak을 포함하는 질화물 반도체의 위에 직접 성장시키면, 결정성을 저하되는 경향이 있으며, 우물층의 기능이 악화하는 경향이 있기 때문이다. 또한 장벽층의 밴드갭에너지를 우물층보다도 크게 하도록 하는 것이며, 우물층의 결정성을 결정하는 하지층으로서도 기능하는 것을 고려하여, 상기 조성중에서 적당한 우물층과장벽층의 조성의 조합을 결정하여도 된다.
또한 후술하는 가장 p형층측의 장벽층을 제외하고, 장벽층은 n형 불순물이 도프되어 있어도, 언도프이어도 되지만, 바람직하게는 n형 불순물이 도프되어 있는 것이다. 이때, 장벽층중의 n형 불순물농도로서는, 적어도 5 ×1016/㎤이상 도프되어 있는 것으로서, 상한으로서는 1 ×1020/㎤이다. 구체적으로는, 예를 들면 LED인 경우에는, 5 ×1016/㎤이상 2 ×1018/㎤의 범위에서 n형 불순물을 가지며, 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 같은 고농도로 도프하는 경우에는 우물층을 n형 불순물을 포함하지 않거나, 언도프로 성장시키는 것이 바람직하다. 이때 통상의 LED와 고출력의 LED(하이파워-LED)와 고출력 LD(5-100㎽출력의 LD등)로서, n형 불순물이 다른 것은 고출력의 소자로는, 보다 대전류로 구동시켜서 높은 출력을 얻기 위해, 높은 캐리어농도를 필요로 하기 때문이다. 상기 바람직한 범위로 도프됨으로써 상술한 바와 같이 양호한 결정성으로 고농도의 캐리어를 주입하는 것이 가능하게 된다. 역으로, 고출력이 아닌 저출력의 LD와 LED등의 질화물 반도체 소자의 경우에는 활성층중의 일부의 장벽층에 n형 불순물을 도프한 것이나 혹은 전체의 장벽층을 실질적으로 n형 불순물을 포함하지 않는 것으로 하여도 된다.
장벽층의 막두께로서는 특별히 한정되지 않고 500Å이하, 보다 구체적으로는우물층과 마찬가지로 10Å이상 300Å이하의 범위를 적용할 수 있다.
또한, 후술하는 각 실시형태에 있어서는 p형 불순물을 도프하는 장벽층이 사용되지만, 이때 p형 불순물로서는 5 ×1016/㎤이상 1 ×1020/㎤이하의 범위, 바람직하게는 5 ×1016/㎤이상 1 ×1018/㎤이하의 범위이다. 이것은 1 ×1020/㎤이상으로 p형 불순물을 많게 하여도 캐리어농도는 거의 변화하지 않기 때문에 불순물을 함유하는 데 따른 결정성의 악화, 불순물에 의한 광의 산란작용으로 인한 손실이 커져서, 오히려 활성층에서의 발광효율을 저하시킨다. 또한, 1 ×1018/㎤이하이면, 상기 불순물의 증가에 의한 발광효율의 저하를 낮게 억제하며, 한편 활성층으로 p형으로부터의 캐리어농도를 안정되고 높게 유지하는 것이 가능하게 된다. 또한, p형 불순물의 하한으로서는 적으나마 p형 불순물을 가지는 것이 바람직하고, 이것은 불순물이 저농도인 경우에는 고농도인 경우와 비교하여 높은 확률로서, p형 불순물이 캐리어로서 기능하는 경향이 있기 때문이다. 이때, 후술하는 각 실시형태에서의 p형 불순물이 함유되는 장벽층에서, n형 불순물을 실질적으로 함유하지 않는 것이 바람직하다. 왜냐하면, p형 불순물이 함유되는 장벽층에 n형 불순물을 함유하지 않는 것만으로도, p형층으로부터의 캐리어주입을 촉진하는 장벽층으로서 기능하고, 거기에다 p형 불순물을 가짐으로써 더욱 그 작용을 강하게 하는 것이 가능해진다. 도 14, 15는 가장 p측 장벽층의 n형 불순물량과 소자수명 혹은 역내압특성과의 관계를 나타낸 것이지만, 도면으로부터 밝힌 바와 같이, n형 불순물이 많아 지면 소자수명 및 역내압특성이 급격히 저하하고, 소자특성을 악화시키고 있다. 따라서,본 발명의 반도체 소자에 있어서, p형층에 가장 가까운 장벽층(후술의 제 1 장벽층, 장벽층 BL, 제 1 p측 장벽층)은 n형 불순물을 언도프로 성장시키거나 혹은 n형 불순물을 실질적으로 포함하지 않는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 p형 불순물을 가지며, 가장 바람직하게는 n형 불순물을 포함하지 않고 p형 불순물을 가지는 것이다. 이것은 n형 불순물을 포함하지 않음으로써 p형층으로부터의 캐리어주입이 효율적으로 이루어지며, 이것과는 별도로 p형 불순물을 가짐으로써 캐리어의 주입을 촉진하여서 양자를 합치는 것, 즉 n형 불순물을 포함하지 않고 p형 불순물을 가짐으로써 p형층으로부터의 캐리어가 다량이어도 효율적인 주입이 가능하게 된다.
[n형 불순물도프]
본 발명에 있어서, 활성층에는 적어도 5 ×1016/㎤이상의 n형 불순물을 함유하는 우물층과 장벽층을 가지며, 바람직하게는 활성층중의 적어도 1층 이상의 우물층 및/또는 장벽층이 언도프 혹은 실질적으로 n형 불순물을 포함하지 않는 것이다. 이것에 의해, 활성층 전체로서는 평균하여 n형 불순물이 함유되고, 활성층의 일부를 구성하는 우물층 및/또는 장벽층에 n형 불순물이 도프됨으로써 효율적인 캐리어농도분포를 실현한다.
본 발명에 있어서, 언도프라는 것은, 의도적으로 도프하지 않는 것이며, 질화물 반도체 성장시에 n형 혹은 p형 불순물을 도프하지 않고 성장시키는 것이다. 이때, 불순물농도는 5 ×1016/㎤미만이 된다. 또한, 본 발명에서의 n형 불순물 혹은 p형 불순물을 실질적으로 포함하지 않는다는 것은, 5 ×1016/㎤미만의 농도영역이다.
이상은 아래에 설명하는 실시형태에 있어서, 설명되어 있지 않은 활성층 및 장벽층과 우물층에 대한 실시형태를 설명한 것이며, 각 실시형태에서 그 설명을 보충한다.
<제 1 실시형태>
본 발명의 질화물 반도체 소자에 있어서, 제 1 실시형태로서는 도 2와 도 3에 나타낸 바와 같이, p형 질화물 반도체층(13)과 n형 질화물 반도체층(11)으로 끼워진 활성층(12)내에, p형 질화물 반도체층에 가장 가깝게 위치하는 제 1 장벽층, 그것과는 다른 n형 불순물을 n형 불순물을 가지는 제 2 장벽층을 가지는 구조이다. 이때, 제 1 장벽층은 n형 불순물이 언도프일 것, 혹은 언도프로 성장시켜서 실질적으로 n형 불순물을 포함하지 않는 것이다. 이때, 제 1 장벽층은 활성층내의 층에서 가장 p형 질화물 반도체층에 가까운 층(이하 가장 p측 층이라 한다)이 도 2에 나타낸 바와 같이 우물층(1b)인 경우와, 도 3에 나타낸 바와 같이 그 층이 제 1 장벽층(2b)인 경우가 있지만, 어느 쪽이어도 된다. 바람직하게는 도 3에 나타낸 바와 같이 활성층내에서 가장 p측 층을 제 1 장벽층으로 함으로써, p형 질화물 반도체에 접하여 제 1 장벽층을 활성층내에 설치할 수 있고, 도 3에 나타낸 바와 같이 p형 질화물 반도체층(13)과 활성층(12)내의 제 1 장벽층(2d)과, 연속한 p형층을 활성층내까지 형성할 수 있다. 이것에 의해 p형층으로부터 활성층으로의 캐리어의 주입을 효율적으로 행할 수 있고, 소자구동에서의 손실을 줄이고, 소자특성의 향상, 특히 역방향 내전압과 소자수명의 향상이 가능하게 된다. 도 3에 나타내는 경우는, 이것과는 달리, p형 질화물 반도체층(13)과 제 1 장벽층(2c)의 사이에 우물층(1b)이 사이에 끼워져 있기 때문에 연속한 p형층이 형성되지 않는 경우도 있지만, 제 1 장벽층(2c)은 활성층내의 가장 p측 장벽층이기 때문에, 상술한 경우(도 3의 경우) 만큼은 아니지만, 마찬가지로 작용하여 효율적인 캐리의 주입이 가능하게 되며, 상술한 경우(도 3의 경우)에 비하여 그 효과는 떨어지는 경향이 있지만 동종의 효과를 얻을 수 있다. 이때, 우물층은 상술한 바와 같이 언도프인 것이 바람직하며 n형 불순물을 가지는 경우에는 장벽층보다도 저농도인 것이 바람직하다.
이것과는 달리, p형 불순물을 가지는 장벽층(이하 p형 장벽층이라 한다)이 활성층내에서 가장 p측에 위치하지 않는 장벽층인 경우는, 예를 들면 도 3에서 장벽층(2c)을 p형 장벽층으로 하면, 오히려 소자특성을 악화시키는 결과가 된다. 이것은 p형 캐리어(홀)의 확장길이가 n형에 비하여 대폭적으로 짧기 때문에, 상술한 활성층내로의 캐리어주입 효율의 향상은 거의 없고, n형 캐리어의 주입을 저해하여 손실을 크게 하게 된다. 이것은 가장 p측의 장벽층이 p형 불순물을 포함하지 않고, 가장 p측에 위치하지 않는 장벽층이 p형 불순물을 함유하는 경우에 가장 뚜렷해진다.
또한, 제 2 장벽층은 제 1 장벽층에 인접하여 n형 질화물 반도체층측(이하 n측이라 한다)에 설치되어 있어도 되지만, 도 2와 3에 나타낸 바와 같이, 적어도 1층 이상의 우물층을 사이에 끼워서 설치되어 있는 것이 바람직하다. 이렇게 함으로써, 1층 이상의 우물층을 끼워서, 가장 p측에 설치되어, p형 불순물을 가지는 제 1 장벽층과, n측에 설치되어 n형 불순물을 가지는 제 2 장벽층을 배치한 구조의 활성층으로 함으로써 우물층을 사이에 끼우지 않고 인접하여 배치된 경우에 비하여, 이 끼워진 1층 이상의 우물층내로의 캐리어주입을 보다 효율적으로 행할 수 있다. 따라서, 가장 n측의 장벽층, 도 2, 3에서는 장벽층(2a)이 적어도 제 2 장벽층일 것, 즉 제 1 장벽층과 제 2 장벽층이 활성층의 가장 외측의 장벽층으로서, 각각 p측 및 n측에 배치되어 있는 것이 바람직하다. 또한, 제 2 장벽층은 1층만이어도 되고, 제 1 장벽층을 제외한 모든 장벽층이어도 된다. 따라서, 제 1 실시형태에 있어서, 바람직하게는 가장 p측의 장벽층이 제 1 장벽층, 가장 n측의 장벽층이 제 2 장벽층인 것이며 더욱 바람직하게는 이상의 구성에 더하여, 가장 p측의 장벽층을 제외한 모든 장벽층이 제 2 장벽층인 것이다. 이것에 의해, 고출력하에서의 소자구동에 있어서, 다량의 캐리어를 효율적으로 주입하는 것이 가능하며, 고출력하의 소자신뢰성의 향상이 가능하게 된다. 이때, 가장 p측의 장벽층이 제 1 장벽층, 가장 n측의 장벽층이 제 2 장벽층인 것이외에 2번째 혹은 2번째 및 그 아래 p측에 배치된 장벽층도 p형 장벽층으로 하는 구성도 가능하지만 예를 들면 도 3에 있어서 제 1 장벽층(2d), p형 장벽층(2c)과 제 2 장벽층(2a)으로 하는 구성, 이 구성에서는 상술한 각 캐리어의 확장길이가 다름으로서 효율적인 캐리어의 주입·재결합등이 저해되어서 손실이 증가하는 경향이 있다.
본 발명의 제 1 실시형태에 있어서, 제 1 장벽층에 대하여 더욱 상세하게 설명하면 p형 불순물을 포함하는 것과 마찬가지로, 제 1 장벽층이 실질적으로 n형 불순물을 함유하지 않는 것도 상술한 작용을 만들어 내는 데 중요한 요인으로 된다. 이것은 n형 불순물을 함유하지 않음으로써 상술한 p형 불순물을 가지는 경우와 마찬가지의 효과를 기대할 수 있다. 이것은 제 1 장벽층이 n형 불순물을 포함하지 않기 때문에, 활성층내에서의 p형층 계면부근 혹은 제 1 장벽층 부근에서, p형층으로부터 활성층으로, 혹은 가장 p측의 우물층으로의 캐리어주입을 많게, 또한 효율적으로 하는 것이 가능하게 되며, 상술한 바와 마찬가지로 소자특성이 향상한다. 역으로, 제 1 장벽층에 실질적으로 n형 불순물을 포함하지 않도록 하는 것이 소자특성의 향상으로 이어지는 것이며, 더욱 바람직하게는 n형 불순물을 실질적으로 포함하징 않고 또 p형 불순물을 포함하도록 함으로써 상술한 효과가 현저한 것이 된다. 또한 제 2 장벽층에서는, p형 불순물을 언도프로 성장시키거나, 혹은 p형 불순물을 실질적으로 포함하지 않도록 하는 것이 바람직하다.
본 발명의 제 1 실시형태에 있어서, 제 1 장벽층의 막두께를 제 2 장벽층의 막두께보다도 크게 함으로써, 소자수명의 향상이 가능하게 된다. 이것은 후술하는 제 1 p형 질화물 반도체층과의 관계와 더불어, 고출력에서의 구동에 있어서, p형의 캐리어가 많이 존재하는 제 1 장벽층으로서 넓은 공간이 설치됨으로써 고출력에서도 안정된 캐리어의 주입·재결합이 가능하게 된다. 역으로, 제 2 장벽층이 제 1 장벽층보다도 막두께를 작게 함으로써, n형층측으로부터 활성층내의 각 우물층까지의 거리를 상대적으로 가깝게 하게 되어서, 각 우물층으로의 n형층측으로부터의 캐리어의 주입이 촉진된다. 이때 제 1 장벽층이 1층이상, 바람직하게는 제 1 장벽층을 제외한 모든 장벽층을 제 2 장벽층으로 함으로써 n형층으로부터 모든 우물층의 거리를 상대적으로 작게 할 수 있어서, n형층으로부터의 캐리어주입이 효율적인 것이 된다.
<제 2 실시형태>
본 발명의 제 2 실시형태로서는, 상기 활성층이 L개(L2)의 상기 장벽층을 가지며, 상기 n형 질화물 반도체층에 가장 가까운 위치에 배치된 장벽층을 장벽층 B1, 이 장벽층 B1으로부터 상기 p형 질화물 반도체층을 향하여 세어서 i번째(i=1, 2, 3, …L)의 장벽층을 장벽층 Bi로 했을 때에, i = 1에서 i= n(1＜n＜L)까지의 장벽층 Bi이 n형 불순물을 가지며, i = L의 장벽층 Bi가 p형 불순물을 가지는 것을 특징으로 한다. 여기서, 장벽층 BL이 제 1 실시형태에서의 제 1 장벽층에 해당하여, 가장 p측의 장벽층이며, 이 장벽층 BL에 의한 작용은 제 1 실시형태와 마찬가지이다.
따라서, 제 2 실시형태에 있어서의 장벽층은 BL은, 적어도 p형 불순물을 가지며, 더욱 바람직하게는 n형 불순물을 실질적으로 함유하지 않음으로써, 장벽층 BL에는 우선적으로 p형의 캐리어가 주입되어서, 효율적인 캐리어주입을 가능하게 한다. 또한, i=1에서 i=n까지의 장벽층 Bi에는 n형 불순물을 가짐으로써 n형측에 가까운 순서로 n개의 장벽층에 n형 불순물이 도프되며 캐리어농도가 높아지기 때문에 n형층으로부터 활성층내부로 캐리어가 원활하게 주입되고 그 결과 캐리어의 주입·재결합이 촉진되어서 소자특성이 향상한다. 이때, 우물층은 언도프나 n형 불순물을 도프하는 어느쪽이어도 된다. 특히 대전류로 소자(고출력 LD, LED등)를 구동시킨 경우에는 상술한 바와 같이, 우물층이 언도프로서 실질적으로 n형 불순물을 함유하지 않음으로써 우물층에서의 캐리어 재결합이 촉진되어, 소자특성과 소자신뢰성이 풍부한 질화물 반도체 소자가 된다.
여기서, 제 2 실시형태에서의 n은, 적어도 조건식 0＜n＜L을 만족해야 하며, 바람직하게는 m＜n＜L, ㎚=L/2(단, ㎚는 소수점이하를 잘라버린 정의 정수)의 조건을 만족하는 것이다. 이것은, 활성층내의 장벽층 총수의 거의 절반 이상에 n형 불순물이 함유됨으로써, n형층으로부터의 캐리어가 활성층의 안쪽 깊이(p형층측)까지 효율적인 주입이 가능하기 때문이며, 특히 활성층중의 우물층의 수가 3이상 혹은 활성층내부의 적층수가 7이상인 다중양자우물구조의 경우에 유리하게 동작한다. 구체적으로는, 도 2 와 3에 있어서, 장벽층(2a, 2b)을 장벽층 Bi로 하여 n형 불순물로 도프하고, 장벽층(2c, 도 2)을 혹은 장벽층(2d, 도3)을 장벽층 BL로 하여 p형 불순물을 도프하며, 장벽층 Bi과 BL에 끼워진 다른 장벽층을 언도프하여 활성층을 구성한다.
또한 제 2 실시형태에 있어서, 장벽층 BL의 막두께가 장벽층 Bi(i ≠L)의 막두께보다도 크게 함으로써, 상술한 바와 같이 다량의 캐리어를 안정되게 우물층으로 주입할 필요가 있는 고출력의 소자에서, p형층에 가장 가깝게(p형층으로부터의 캐리어주입구 부근), p형의 캐리어가 많이 존재하는 장벽층 BL이 넓은 공간을 가짐으로써 안정되게 다량의 캐리어를 p형층으로부터 우물층으로 주입할 수 있어서, 소자신뢰성과 소자수명이 향상된다.
<제 3 실시형태>
본 실시형태에서는 활성층(107)은 Inx1Ga1-x1N 우물층(0＜x1＜1)과 Inx2Ga1-x2N장벽층(0x2＜1, x1＞x2)이 장벽층-우물층-장벽층의 순서로 적당한 회수만큼 번갈아 반복 적층된 MQW구조를 가지고 있으며, 활성층의 양단은 모두 장벽층으로 되어 있다. 우물층은 언도프로 형성되어 있다. 한편, p형 전자가둠층에 인접한 제 1 장벽층을 제어하고, 모든 장벽층에는 Si, Sn등의 n형 불순물이 도프되어 있으며, 제 1 장벽층은 언도프로 성장되어 있다. 또한, 제 1 장벽층에는 인접하는 p형 질화물 반도체층으로부터 Mg등의 p형 불순물이 확산되어 있다.
제 1 장벽층을 제외한 장벽층에 n형 불순물이 도프되어 있는 것에 의해, 활성층중의 초기 전자농도가 커져 우물층으로의 전자주입효율이 높아지며, 레이저의 발광효율이 향상한다. 한편, 제 1 장벽층은, 가장 p형층측에 있기 때문에 우물층으로의 전자주입에는 기여하지 않는다. 그래서, 제 1 장벽층에 n형 불순물을 도프하지 않고 오히려 p형 불순물을 p형층로부터의 확산에 의하여 실질적으로 도프함으로써 우물층으로의 홀 주입 효율을 높일수 있다. 또한, 제 1 장벽층에 n형 불순물을 도프하지 않음으로써 장벽층속에 다른 형태의 불순물이 존재하여 캐리어의 이동도가 저하되는 것을 방지할 수 있다.
활성층(107)의 구체적인 예에 대하여 설명한다.
활성층(107)은 Inx1Ga1-x2N 우물층(0＜x1＜1)과 Inx2Ga1-x2N 장벽층(0x2＜1, x1＞x2)이 적당한 회수만큼 번갈아 반복하여 적층된 MQW 구조를 가지고 있으며, 활성층의 양단은 모두 장벽층으로 되어 있다. 우물층은 언도프로 되어 있으며, 제 1장벽층을 제외한 모든 장벽층은 Si, Sn등의 n형 불순물이 바람직하게는 1 ×1017~1 ×1019㎝-3의 농도로 도프하여 형성되어 있다.
제 1 장벽층은 언도프로 형성되어 있고, 다음에 성장시키는 p형 전자가둠층(108)으로부터의 확산에 의하여 Mg등의 p형 불순물을 1 ×1016~ 1 ×1019㎝-3으로 포함하고 있다. 그리고, 제 1 장벽층을 성장시킬 때에, Mg등의 p형 불순물을 1 ×1019㎝-3이하의 농도로 도프하면서 성장시켜도 된다. 또한, 제 1 장벽층은, 다음에 p형 전자가둠층을 성장시킬 때의 가스에칭에 의한 분해의 영향을 억제하기 위하여 다른 장벽층보다도 두껍게 형성되어 있다.
제 1 장벽층의 매우 적당한 두께는, p형 전자가둠층(08)의 성장조건에 따라서 적당히 바뀌지만, 예를 들면 바람직하게는, 다른 장벽층의 1.1~10배 더욱 바람직하게는 1.1~5배의 두께로 성장시킨다. 이것에 의해, 제 1 장벽층은 In을 포함하는 활성층의 분해를 방지하는 보호막으로서의 역할을 맡는다.
<제 4 실시형태>
본 발명의 제 4 실시형태로서는, 상기 활성층내의 가장 외측의 층으로서, p형 질화물 반도체층에 가까운 위치에 배치된 제 1 p형 장벽층과, 상기 n형 질화물 반도체층에 가까운 위치에 배치된 제 2 n측 장벽층을 가짐과 동시에, 제 1 p측 장벽층이 p형 불순물을 가지며, 제 2 n측 장벽층이 n형 불순물을 가지는 것을 특징으로 한다. 이 구성은, 구체적으로는 도 3에 나타낸 바와 같이 활성층이 가장 외측의 제 1 p측 장벽층(2a), 제 2 n측 장벽층(2d)에 끼워져서 우물층(1), 장벽층(2b, 2c)이 설치된 구조로 된다. 활성층내에서 가장 p측의 층으로서 제 1 p측 장벽층이 설치됨으로써 상술한 바와 같이 p형층으로부터의 효율적인 캐리어의 주입을 가능하게 하고, 또한 활성층내에서 가장 n측의 층으로서 제 2 n측 장벽층이 설치됨으로써 n형층으로부터의 캐리의 주입을 양호하게 한다. 그 결과, 활성층내로 p형층과 n형층으로부터의 효율적인 캐리어의 주입·재결합을 가능하게 하여 고출력 소자에서도 높은 소자신뢰성 및 소자수명의 향상이 가능하게 된다. 이때, 바람직하게는 도 3에 나타낸 바와 같이, 제 1 p측 장벽층(2d)과 제 2 n측 장벽층(2a)에 접하여, p형층과 n형층이 설치되어 있고, 이것에 의해, 직접적으로 활성층에 p형층과 n형층이 접속되어 보다 양호한 캐리어의 주입이 실현된다. 이때, 제 1 p측 장벽층과 제 2 n측 장벽층에 끼워진 장벽층, 예를 들면 도 3에서의 장벽층(2b, 2c)으로서는 특별히 한정되는 것은 아니지만 상술한 바와 같이 바람직하게는 n형 불순물이 도프되어 있고, 이것에 의해 n형층으로부터의 캐리어주입이 효율좋게 되어서 소자신뢰성이 향상한다.
또한 상기 제 1 p측 장벽층의 막두께가 상기 제 2 n측 장벽층의 막두께와 거의 같음으로써, 도 5, 7에 나타낸 바와 같이, 활성층 가장 외측의 층이 거의 대칭의 장벽층이 설치되어서, 소자의 편차를 방지하고 수율이 향상한다. 이것은 상세하게는 불명확 하지만 p형층과 n형층의 캐리어주입구로 되는 제 1 p측 장벽층과 제 2 n측 장벽층이 대칭됨으로써, 활성층의 층구성에 있어서 대칭성이 증가하고, 이것에 의하여 임계값 전류의 저하와 안정된 소자수명을 얻는 것이 가능해지는 것으로생각된다.
또한, 제 4 실시형태에 있어서, 활성층이 2이상의 우물층을 가지며, 이 우물층과 우물층과의 사이에 제 3 장벽층을 가짐과 동시에 상기 제 3 장벽층의 두께가, 상기 제 1 p측 장벽층 및 상기 제 2 n측 장벽층의 두께보다도 작음으로써 더욱 소자특성의 향상이 가능하게 된다. 이것은 활성층의 가장 외측에 배치된 제 2 n측 장벽층과 제 1 p측 장벽층은 각각 n형층과 p형층으로부터의 캐리어주입구로 되고, 다른 장벽층보다도 큰 막두께이기 때문에, 대량의 캐리어를 보전하여 유지하는 넓은 공간이 확보되어서, 대전류에서도 안정된 소자의 구동을 가능하게 된다. 한편, 제 3 장벽층은 우물층에 끼워져 있기 때문에 캐리어가 각 우물층으로 주입되도록 설치되어서 우물층 사이를 연락할 수 있으면 충분하기 때문에 외측의 장벽층과 같은 두꺼운 막으로 설치할 필요가 없다. 아울러, 활성층내에서 외측에 두꺼운 막의 장벽층과 활성층 중앙부에서 얇은 막의 장벽층 구성으로 이루어져 있어서, 외측의 장벽층으로 p형층과 n형층으로부터의 캐리어를 주입하고, n형층과 p형층에서 보아서 반대측에 위치하며, 제 3 장벽층보다도 두꺼운 막의 제 1 p측 장벽층과 제 2 n측 장벽층에 의해 튼튼한 장벽으로서 기능하여 각 우물층으로 캐리어의 주입·발광재결합이 촉진된다. 또한 제 3 장벽층이 외측의 장벽층보다도 얇게 설치함으로써 활성층 전체의 막두께를 낮게 억제하는 것이 가능해져 Vf와 임계값 전류밀도의 저하에 기여하게 된다.
이상 설명한 바와 같이, 제 1~4의 실시형태에 있어서, 공통하는 구성으로서 이하 같이 된다.
제 1~4의 실시형태에서, 활성층 내부에서 가장 p형층측에 배치된 장벽층(제 1 장벽층, 장벽층 BL, 제 1 p측 장벽층)이 실질적으로 n형 불순물을 포함하지 않음으로써 활성층내의 캐리어주입이 촉진되어서, 뛰어난 소자수명과 고출력의 질화물 반도체 소자가 얻어지고, 또한 p형 불순물을 함유함으로써 다량의 캐리어로서도 효율이 좋게 주입·발광재결합되며, 고출력으로 긴 수명의 질화물 반도체 소자가 얻어진다. 이때 가장 p형층측의 장벽층이 p형 불순물을 가질 때에는 n형 불순물을 언도프로 하던가, n형 불순물을 언도프로 성장시켜서 실질적으로 n형 불순물을 포함하지 않는 상태로 하는 것이 바람직하다. 이것은 가장 p형층측의 장벽층이 p형 불순물을 가지고 있는 경우에 n형 불순물을 가지면, p형층으로부터의 캐리어주입이 저해되는 경향이 있어서, 다량의 캐리어를 효율적으로 주입하는 효과가 약하고 그 결과 소자수명과 출력특성을 저하시키기 때문이다.
<제 5 실시형태 : 레이저 소자>
본 발명의 질화물 반도체 소자에 있어서, 레이저 소자의 실시형태로서는, 활성층을 p형 질화물 반도체층과 n형 질화물 반도체층내의 n형 클래드층과 p형 클래드층으로 끼워 넣는 구조를 적어도 가지고 있는 것으로 이루어진다. 또한 실시예에서 나타낸 바와 같이, 클래드층과 활성층과의 사이에 활성층을 끼우는 광가이드층을 설치하여도 된다.
도 1은 본 발명에 따른 질화물 반도체 레이저의 한 예를 나타낸 단면도이다. GaN기판(101)상에서, InxGa1-xN(0x＜1)으로 이루어지는 활성층(107)이 n형 AlyGa1-yN (0y＜1)층(103~106)(각층마다 y값은 다르다)과, p형 AlzGa1-zN(0z＜1)층(108~111) (각층마다 z값은 다르다)에 의하여 끼워져 있으며 소위 더블헤테로 구조가 형성되어 있다.
여기서, n형 클래드층과 p형 클래드층으로서는, Al을 포함하는 질화물 반도체가 사용되며, 구체적으로는 AlbGa1-bN(0＜b＜1)이 매우 적합하게 사용된다.
본 발명에 있어서, 광가이드층의 조성으로서는 특별히 한정되는 것은 아니고 질화물 반도체로 되며, 도파로 형성에 충분한 에너지밴드갭을 가지고 있으면 되고, 단일막과 다층막 어느쪽이어도 된다. 예를 들면, 파장 370~470㎚에서는 GaN을 사용하고, 그것보다도 긴 파장에서는 InGaN/GaN의 다층막구조를 사용함으로써 도파로의 굴절율차를 크게 할 수 있고, 이와 같이 상술한 여러 가지의 질화물 반도체, InGaN/GaN과 AlGaN등을 사용할 수 있다. 또한, 가이드층과 클래드층은 초격자 다층막으로 할 수 있다.
이하, 도 1에 나타내는 질화물 반도체 레이저에 대하여 구조를 상세하게 설명한다.
기판(101)상에는 버퍼층(102)을 사이에 끼어서, n형 질화물 반도체층인 n형 콘택트층(103), 크랙방지층(104), n형 클래드층(105) 및 n형 광가이드층(106)이 형성되어 있다. n형 클래드층(105)을 제외한 다른 층은 소자에 따라서는 생략할 수 있다. n형 질화물 반도체층은 적어도 활성층과 접하는 부분에 있어서 활성층보다 넓은 밴드갭을 가질 필요가 있으며, 그 때문에 Al을 포함하는 조성인 것이 바람직하다. 또한, 각층은 n형 불순물을 도프하면서 성장시켜 n형으로 하여도 되고, 언도프로 성장시켜서 n형으로 하여도 된다.
n형 질화물 반도체층(103-106)위에는, 활성층(107)이 형성되어 있다. 활성층(107)의 구성은 전술한 바와 같다.
활성층(107)위에는 p형 질화물 반도체층으로서, p형 전자가둠층(108), p형 광가이드층(109), p형 클래드층(110)과 p형 콘택트층(111)이 형성되어 있다. p형 클래드층(110)을 제외한 다른 층은 소자에 따라서 생략할 수 있다. p형 질화물 반도체층은 적어도 활성층과 접하는 부분에 있어서 활성층보다도 넓은 밴드갭을 가지는 것이 필요하며, 그 때문에 Al을 포함하는 조성인 것이 바람직하다. 또한 각층은 p형 불순물을 도프하면서 성장시켜 p형으로 하여도 되고, 인접하는 다른 층으로부터 p형 불순물을 확산시켜서 p형으로 하여도 된다.
p형 전자가둠층(108)은, p형 클래드층(110)보다도 높은 Al 혼성결정비를 가지는 p형 질화물 반도체로 되며, 바람직하게는 AlxGa1-xN(0.1＜x＜0.5)로 되는 조성을 가진다. Mg등의 p형 불순물이 고농도로, 바람직하게는 5 ×1017~1 ×1019㎝-3의 농도로 도프되어 있다. 이것에 의해, p형 전자가둠층(108)은 전자를 활성층속으로 유효하게 가둘수 있어 레이저의 임계값을 저하시킨다. 또한 p형 전자가둠층(108)은, 30~200Å정도의 박막으로 성장시키면 되고, 박막이라면 p형 광가이드층(109)나 p형 광클래드층(110)보다도 저온에서 성장시킬 수 있다. 따라서, p형 전자가둠층(108)을 형성함으로써 p형 광가이드층(109)등을 활성층위에 직접 형성하는 경우에 비하여, In을 포함하는 활성층의 분해를 억제할 수 있다.
또한, p형 전자가둠층(109)은 언도프로 성장된 제 1 장벽층에 p형 불순물을 확산시켜서 공급하는 역할을 맡고 있으며, 양자는 협동하여 활성층(107)을 분해로부터 보호함과 동시에 활성층(107)으로의 홀 주입효율을 높이는 역할을 한다. 즉 MQW 활성층의 최종층으로서 언도프 Inx2Ga1-x2N층(0x2＜1)을 다른 장벽층보다도 두껍게 형성하고, 그위에 Mg등의 p형 불순물을 고농도로 도프한 p형 AlxGa1-xN(0.1＜x＜0.5)로 되는 박막을 저온에서 성장시킴으로써, In을 포함하는 활성층(107)이 분해로부터 보호됨과 동시에 p형 AlxGa1-xN층으로부터 언도프 Inx2Ga1-x2N층에 Mg등의 p형 불순물이 확산하여 활성층으로의 홀 주입효율을 향상 할 수 있다.
p형 질화물 반도체층중, p형 광가이드층(109)의 도중까지 리지스트라이프가 형성되고, 더욱 보호막(161, 162), p형 전극(120), n형 전극(121), p패드전극(122) 및 n패드전극(123)이 형성되어 반도체 레이저가 구성되어 있다.
[전자가둠층 : 제 1 p형 질화물 반도체층]
본 발명에 있어서, p형 질화물 반도체층으로서, 특히 레이저 소자에 있어서 제 1 p형 질화물 반도체층을 설치하는 것이 바람직하다. 이 제 1 p형 질화물 반도체층으로서는 Al을 포함하는 질화물 반도체층을 사용하는 것이며, 구체적으로는 AlaGa1-aN(0＜a＜1)을 사용한다. 이때, Al 혼성결정비 γ로서는 레이저 소자에 사용되는 경우에는 전자가둠층으로서 기능하도록, 활성층보다도 충분히 큰 밴드갭에너지를 가질(오프세트를 취할) 필요가 있고, 적어도 0.1γ＜1의 범위로 하는 것이며, 바람직하게는 0.2a＜0.5의 범위로 하는 것이다. 왜냐하면, γ가 0.1이하이면 레이저 소자에 있어서, 충분한 전자가둠층으로서 기능하지 못하고, 0.2이상이면 충분히 전자가둠(캐리어의 가둠)이 이루어져, 캐리어 오버플로우를 억제하며, 아울러 0.5이하이면 클랙 발생을 낮게 억제하여 성장시킬 수 있고, 더욱 바람직하게는 γ를 0.35이하로 함으로써 양호한 결정성으로 성장할 수 있다. 이때, Al 혼성결정비는 p형 클래드층보다도 크게 하는 것이며, 이것은 캐리어의 가둠시에는 광을 가두는 클래드층보다도 높은 혼성결정비의 질화물 반도체 소자가 필요하게 되기 때문이다. 이 제 1 p형 질화물 반도체층은 본 발명의 질화물 반도체 소자에 사용할 수 있고, 특히 레이저 소자와 같이, 대전류로 구동시켜서 다량의 캐리어를 활성층내로 주입하는 경우에 있어서, 제 1 p형 질화물 반도체층을 가지고 있지 않는 경우에 비하여 효과적인 캐리어의 가둠을 가능하게 하여서, 레이저 소자뿐만이 아니고, 고출력의 LED에서도 사용할 수 있다.
본 발명의 제 1 p형 질화물 반도체층의 막두께로서는, 적어도 1000Å이하로 하는 것이며, 바람직하게는 400Å이하로 하는 것이다. 이것은 Al을 포함하는 질화물 반도체는 다른 질화물 반도체(Al을 포함하지 않는)에 비하여 벌크 저항이 크기 때문에, 1000Å를 초과하여 소자내에 설치하면, 극히 고저항층이 되어 순방향 전압 Vf의 대폭적인 증가를 초래하기 때문이며, 400Å이하이면 Vf의 상승을 낮게 억제하는 것이 가능하고, 더욱 바람직하게는 200Å이하로 함으로써 더욱 낮게 억제하는것이 가능하게 된다. 여기서, 제 1 p질화물 반도체층의 막두께의 하한으로서는 적어도 10Å이상, 바람직하게는 50Å이상으로 함으로써, 전자가둠시에 양호하게 작용한다.
또한 레이저 소자에 있어서, 이 제 1 p형 질화물 반도체 소자는 전자가둠층으로서 작용을 하기 위하여, 활성층과 클래드층 사이에 설치되는 것이며, 더욱 가이드층을 가지는 경우에는 가이드층과 활성층 사이에 설치하는 것이다. 이때, 활성층과 제 1 p형 질화물 반도체층과의 거리는 적어도 1000Å이하로 함으로써 캐리어의 가둠으로서 기능하며, 바람직하게는 500Å이하로 함으로써 양호한 캐리어의 가둠이 가능하게 된다. 즉, 제 1 p형 질화물 반도체층은 활성층에 가까울수록 캐리어의 가둠이 효과적으로 기능하며, 게다가 레이저 소자에 있어서 활성층과 제 1 p형 질화물 반도체층 사이에는 대부분의 경우, 특히 다른 층을 필요하는 것이 아니기 때문에, 보통은 활성층에 접하여 제 1 p형 질화물 반도체층을 설치하는 것이 가장 바람직하다. 이때, 양자우물구조의 활성층내에서 가장 p형 질화물 반도체층측에 위치하는 층과, 제 1 p형 질화물 반도체층을 접하게 설치하면 결정성이 악화하는 경우에, 이것을 피하기 위하여 결정성장에서 버퍼층을 양자의 사이에 설치하는 것도 가능하다. 예를 들면, 활성층의 가장 p측의 층을 InGaN, AlGaN의 제 1 p형 질화물층과의 사이에, GaN으로 이루어진 버퍼층을 설치하는 것이나 또는 제 1 p형 질화물 반도체층보다도 낮은 Al 혼성결정비의 Al을 포함하는 질화물 반도체로 이루어지는 버퍼층등이 있다.
여기서, 제 1 p형 질화물 반도체층과 활성층과의 위치관계, 특히 우물층과의거리는 레이저 소자의 임계값 전류밀도와 소자수명을 결정하는 중요한 요인으로 되며, 구체적으로는 제 1 p형 질화물 반도체층이 활성층에 가까울수록 임계값 전류밀도를 저하시킬수 있지만, 가까울수록 소자수명이 저하 된다. 이것은 상술한 바와 같이, 제 1 p형 질화물 반도체층이 다른 층에 비하여 극히 높은 저항을 가지는 층이기 때문에 소자구동시에 있어서 발열량이 커지며, 즉 소자내에서 고온을 나타내는 것으로 생각되며, 이것이 열에 약한 활성층과 우물층에 악영향을 미쳐서 소자수명을 크게 저하시키는 것으로 생각된다. 한편, 상술한 바와 같이 캐리어의 가둠을 맡고 있는 제 1 p형 질화물 반도체층은 활성층, 특히 우물층에 가까울수록 캐리어의 가둠이 효과적으로 되기때문에, 활성층으로부터 떨어지면 그 효과가 약해진다.
따라서, 소자수명의 저하를 억제하기 위해, 도 8a에 나타낸 바와 같이, 우물층(1b)으로부터 제 1 p형 질화물 반도체층(28)의 거리 dB를 적어도 100Å이상으로 하며, 바람직하게는 120Å이상으로 하며, 더욱 바람직하게는 140Å이상으로 한다. 왜냐하면, 우물층과 제 1 p형 질화물 반도체층과의 거리 dB가 100Å보다 짧으면, 소자수명이 급격하게 저하하는 경향을 보이기 때문이며, 120Å이상이면 소자수명의 대폭적인 향상이 가능하며, 150Å이상이면 더욱 소자수명이 향상되는 경향이 있는데, 임계값 전류밀도는 서서히 높아 지는 경향을 보이기 시작한다. 또한, 그 거리가 200Å보다 크게 되면 임계값 전류밀도의 분명한 상승 경향을 보이고, 400Å보다 크면 임계값 전류밀도의 급격한 상승이 일어나는 경향이 있기 때문에, 상기 거리의 상한으로서는 400Å이하, 바람직하게는 200Å이하로 하는 것이다. 이것은 제 1 p형 질화물 반도체층이 우물층으로부터 떨어짐으로써 캐리어의 가둠효율이 저하하고, 이것이 주된 원인이 되어서 임계값 전류밀도가 상승하는 것이며, 또한 발광효율의 저하를 초래하는 것이라고 생각된다.
여기서, 거리의 기준이 되는 우물층은 도 8에서, 활성층내에서 가장 p형층(13)측의 장벽층(2c)에 인접하여, n형층측에 배치된 우물층(1b)이다. 양자우물구조의 활성층에서, 활성층에 접하여 제 1 p형 질화물 반도체층이 설치되는 경우에, 도 8a에 나타낸 바와 같이 가장 p형층측의 장벽층(2c)에 접하여 제 1 p형 질화물 반도체층(28)이 설치될 때와, 도 8b에 나타낸 바와 같이 가장 p형층(13)측의 장벽층(2c)과 제 1 p형 질화물 반도체층(28)과의 사이에 우물층(4)을 가질 때가 있다. 가장 p형층(13)측의 장벽층(2c)과 제 1 p형 질화물 반도체층(28) 사이에 우물층(4)을 가지는 경우에는, 이 우물층(4)이 오히려 p형층(13)에 지나치게 접근되어서, p형층으로부터 주입된 캐리어가 거의 우물층(4)을 빠져나가서, 이 우물층(4)에서의 발광재결합이 일어나지 않아, 우물층으로서 기능을 하지 않는 것으로 된다.
이때, 가장 p형층측의 장벽층(2c)이 p형 불순물을 가지는 경우, 이 장벽층(2c)보다도 n형층측에 위치하는 우물층(1a, 1b)으로의 캐리어주입이 양호하게 되는 한편, 상술한 바와 같은 상기 장벽층(4)보다도 p형층측에 위치하는 우물층(4)을 캐리어가 통과하여, 발광재결합에 기여하지 않는 경향이 더욱 더 강하게 되어서, 우물층으로서의 기능을 급격하게 잃어버리게 된다. 이때문에 도 8b에 나타낸 우물층(4)과 제 1 p형 질화물 반도체층 사이에는, 상술한 바와 같은 거리에의한 특성의 변화가 없고, 상기 우물층과의 거리 dB는, 가장 p형층측의 장벽층보다도 p형층측에 위치하는 상기 우물층(1c)에 관계없이, 가장 p형층측의 장벽층보다도 n형층측에 위치하는 우물층과의 거리가 되고, 역으로 이와 같은 활성층내에서 가장 p형층측의 층으로 이루어지는 우물층을 가지고 있어도, 상술한 바와 같은 거리 dB에 의한 특성의 변화가 보인다.
또한, 이와 같은 가장 p형층측의 장벽층보다도 p형층측에 배치된 우물층은, 우물층으로서 충분하게 기능하지 않을 뿐만 아니라, 이 우물층을 가지고 있지 않는 경우에 비하여 소자수명등의 소자특성이 악화하는 경향이 있기 때문에, 바람직하게는 이와 같은 우물층을 가지지 않고, 활성층내에서 가장 p형층측에 배치되는 층을 장벽층으로 할 것, 즉, 도 8b보다도 도 8a의 구성으로 하는 것이다.
또한, 가장 p형층측의 장벽층(2c)과 제 1 p형 질화물 반도체층(28)이 접하도록 설치되어 있는 경우에는, 상기 우물층과 제 1 p형 질화물 반도체층 사이에 장벽층(2c)(가장 p형층측의 장벽층)을 설치하여 이 장벽층의 막두께로서 상기 거리 dB를 결정할 수 있다. 따라서, 가장 p형층측의 장벽층(상술한 제 1 장벽층, 장벽층 BL, 제 1 p측 장벽층)의 막두께는 질화물 반도체의 소자특성을 결정하는 중요한 요소가 된다. 아울러, 레이저 소자에 있어서 임계값 전류밀도의 상승은 상술한 캐리어의 가둠이 주된 원인이기 때문에 상술한 활성층과 제 1 p형 질화물 반도체층과의 관계가 여기에서도 적용된다.
본 발명의 제 1 p형 질화물 반도체에는 통상 p형 불순물이 도프되고, 레이저소자, 하이파워-LED등의 대전류로 구동시키는 경우에는 캐리어의 이동도를 높이기 위해 고농도로 도프한다. 구체적인 도프량으로서는, 적어도 5 ×1016/㎤이상 도프하는 것이고, 바람직하게는 1 ×1018/㎤이상 도프하는 것이며, 상기 대전류구동의 소자에서는 1 ×1018/㎤이상, 바람직하게는 1 ×1019/㎤이상 도프하는 것이다. p형 불순물량의 상한은 특별하게 한정되지 않지만 1 ×1021/㎤이하로 하는 것이다.
단, p형 불순물량이 많아지면, 벌크저항이 커지는 경향이 있고, 그 결과 Vf가 상승하기 때문에, 이것을 회피하기 위해 바람직하게는 필요한 캐리어 이동도를 확보할 수 있는 최저한의 p형 불순물 농도로 하는 것이다. 또한, Mg등의 확산경향이 강한 p형 불순물을 사용하는 경우에는, 제 1 p형 질화물 반도체층을 언도프로 성장시켜서, 그 인접층, 예를 들면 광가이드층등으로부터의 불순물 확산에 의해 도프하는 것도 가능하다. 더욱이, 제 1 p형 질화물 반도체층을 언도프로 성장시키고, 인접층 혹은 p형 불순물 확산 영역외에 p형 불순물 도프층이 존재하고, 제 1 p형 질화물 반도체층에 불순물 확산이 없는 경우에 있어서, 언도프로 하더라도 상술한 바와 같이 캐리어를 적절히 터널링할 수 있는 막두께로 한다면 언도프로 설치할 수도 있다.
또한, 본 발명의 레이저 소자에 있어서, 제 1 p형 질화물 반도체층에 접하여 p형 광가이드층을 설치하는 경우에, p형 불순물을 제 1 p형 질화물 반도체층으로부터의 확산에 의해 도프하면 양호한 광가이드층이 된다. 이것은 가이드층내의 p형불순물은 광도파시 광산란물질이 되기 때문에, 도전성을 확보할 수 있는 범위내에서, 될수 있는 한 저농도로 불순물을 가지는 것이 결과적으로 소자특성의 향상으로 이어져서 바람직하다. 그러나, p형 광가이드층의 성장시에 p형 불순물을 도프하는 방법에서는, 상기 광손실을 낮게 억제하는 저농도영역에서, 불순물도프를 제어하는 것이 곤란한 것이 문제가 된다. 왜냐하면, 질화물 반도체 소자는, 일반적으로 n형층/활성층/p형층의 순서로 적층된 구조를 가지지만, 이 구조로 성장시키면 활성층내의 InGaN등 때문에, 그후에 이어지는 층의 성장에서 In의 분해등을 방지할 필요가 있고, p형층의 성장온도를 700~900℃ 정도의 저온으로 성장시키는 방법이 일반적으로 사용되지만, 저온이기 때문에 불순물 도프량의 제어성이 부족하다. 또한, p형 불순물로서 일반적으로 Mg이 사용되지만, 비교적 도프량의 제어가 곤란할 수도 있고, 성장시에 상기 저농도영역에서 불순물을 도프하면 소자특성의 편차를 만들어내는 원인이 된다. 따라서, 제 1 p형 질화물 반도체층은, 광가이드층으로의 p형 불순물 확산을 고려하여, 제 1 p형 질화물 반도체층의 성장시에 고농도로 불순물을 도프함으로써, 불순물 공급층으로서의 역할을 맡는 것이 바람직하다. 또한, 상술한 각 실시형태에 있어서, 제 1 p형 질화물 반도체층에 접하는 장벽층(상기 제 1 장벽층, 장벽층 BL, 제 1 p측 장벽층)에, p형 불순물을 도프하는 경우에도 마찬가지로, 불순물을 공급하는 층으로서 기능시키는 것이 가능하게 된다.
본 발명의 레이저 소자에 있어서는, 실시예에 나타낸 바와 같이, 리지를 설치한 후 리지측면에 매입층이 되는 절연막을 형성한다. 이때, 매입층으로서는, 여기에서 제 2 보호막의 재료로서는 SiO2이외의 재료, 바람직하게는 Ti, V, Zr, Nb, Hf, Ta로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 일종의 원소를 포함하는 산화물, SiN, BN, SiC, AlN중의 적어도 일종으로 형성하는 것이 바람직하고, 그 중에서도 Zr, Hf의 산화물, BN, SiC를 사용하는 것이 특히 바람직하다. 또한, 매입층으로서, 반절연성, i형의 질화물 반도체, 리지부와는 반대의 도전형, 실시예에 있어서는 n형의 질화물 반도체, 전류 협착층으로 하려면 AlGaN등의 Al을 포함하는 질화물 반도체, 또한, InGaN등의 In을 포함하는 질화물 반도체에 의해 매입층을 도파로보다도 광흡수가 큰 구조로 하여 이 광손실에 의한 도파로 구조등을 사용할 수 있다.
또한, 에칭등에 의해 리지를 만들지 않고 B, Al등의 이온을 주입하여, 비 주입영역을 스트라이프 형상으로 하여 전류가 흐르는 영역으로 하는 구조를 만들 수도 있다. 이때 사용되는 질화물 반도체로서는, InxAl1-yGa1-x-yN(0x1, 0y1, x+y=1)으로 표시되는 질화물 반도체를 바람직하게 사용할 수 있다.
또한, 본 발명의 제 1 p형 질화물 반도체층은, 상술한 바와 같이 캐리어를 가두는 기능을 하고, 실시예에 나타낸 바와 같이, 발광소자에 있어서는, 광가둠의 클래드층을 필요로 하지 않고, 캐리어 가둠의 클래드층만을 만드는 경우에도 제 1 p형 질화물 반도체층을 클래드층으로서 적용할 수 있다. 또한, 이 제 1 p형 질화물 반도체층은 활성층내에 전자를 가두기 위하여, 활성층과의 사이에 밴드오프셋을 만들거나, 즉, 밴드갭에너지를 활성층보다도 크게 하여 양자 사이에 전위장벽을 만들지만, SCH구조의 레이저 소자에 있어서는, 가이드층보다도 큰 밴드갭에너지로 하는 것이 바람직하다. 또한, 밴드갭에너지가 다른 2층이상의 층으로 이루어진 클래드층을 설치하는 경우에는, 클래드층내에서 제 1 p형 질화물 반도체층을 활성층측에 배치하며, 바람직하게는 다른 층보다도 밴드갭에너지를 크게 설치한다.
구체적으로는 밴드갭에너지가 큰 제 1 p형 질화물 반도체층을 제 1 클래드층으로 하고, 그것보다 밴드갭에너지가 작은 제 2 클래드층을 제 1 클래드층보다도 활성층으로부터 멀리 배치하는 구조로 할 수 있고, 예를 들면 실시예 1에 있어서 가이드층을 제외한 구조가 된다.
이상 설명한 바와 같이, 제 1 p형 질화물 반도체층을 토대로 상기 제 1 장벽층(가장 P측의 장벽층)을 생각하면, 도 8에 나타낸 바와 같은 밴드 구조에 있어서, 캐리어 가둠을 맡은 제 1 p형 질화물 반도체층에 의해 활성층으로의 캐리어 가둠이 결정되는 것을 감안하면, 본 발명에 있어서 제 1 p형 질화물 반도체층에 접하는 위치로부터 활성층으로 할 수 있다. 즉, 가장 p측의 장벽층이 다른 장벽층과 다른 기능을 가지는 경우에 있어서, 상술한 바와 같이, 캐리어 가둠의 제 1 p형 질화물 반도체층과 밀접한 관계를 가지기 때문에, 제 1 p형 질화물 반도체층에 접하는 경계면에서부터 활성층으로서 생각할 수 있다. 이와 같이, 제 1 p형 질화물 반도체층에 접하는 위치로부터 활성층인 것을 고려하면, 제 1 장벽층과 제 1 p형 질화물 반도체층 사이에, 예를 들면 도 8b에 나타낸 우물층(4)과 같이, 어떠한 층이 개재되더라도, 본 발명의 제 1 장벽층, 가장 p측의 장벽층에 의한 상술한 효과를 이룰 수 있게 된다. 구체적으로는 도 8b에 나타낸 형태 이외에, 제 1 장벽층과 제 1 p형 질화물 반도체층 사이에, 이들의 중간 밴드갭에너지를 가지는 층을 끼워도 좋다. 더욱이, 상술한 바와 같이, 제 1 장벽층, 가장 p측의 장벽층은 다른 장벽층, 예를 들면 우물층에 끼워진 장벽층과 그 기능이 크게 다르기 때문에, 다른 조성, 밴드갭에너지로 하는 것도 가능하다. 또한, 리지폭으로서는 1㎛이상 3㎛이하, 바람직하게는 1.5㎛이상 2㎛이하로 함으로써, 광디스크 시스템의 광원으로서 뛰어난 스폿 형상, 빔 형상의 레이저광이 얻어진다. 또한, 본 발명의 레이저 소자는 리지 구조의 굴절율 도파형에 한정되지 않으며, 이득 도파형이어도 되고, 리지에 있어서, 리지 측면을 재성장에 의해 매입한 BH구조, 혹은 리지를 재성장에 의해 매입하는 구조이어도 되며, 전류 협착층을 설치한 구조이어도 좋으며, 상기 활성층은 모든 레이저 소자 구조에 유효하다.
<제 6 실시형태>
이상에 설명한 질화물 반도체 소자에 있어서, 제 4 실시형태에서는 양자 우물구조의 활성층을, Al을 포함하는 질화물 반도체를 가지는 상부 클래드층과, Al을 포함하는 질화물 반도체를 가지는 하부 클래드층으로 끼우는 레이저 소자 구조를 가지는 질화물 반도체 소자로서, 상기 상부 클래드층, 하부 클래드층의 Al 평균 혼성결정비 x가 0＜x0.05인 것을 특징으로 한다. 이것은 클래층의 Al 혼성결정비를 0.05이하로 하여, 상부 클래드층, 하부 클래드층으로 끼워지는 광도파로의 가둠을 완화하여, 활성층의 장벽층, 우물층의 막두께비를 상기 범위로 하여, 자려발진을 억제하면서, 출력특성, 소자수명을 향상시키는 것이 가능하게 된다. 이것은 Al 혼성결정비를 낮게 함으로써 클래드층에서의 굴절율차를 저하시켜서, 이로 인해 광도파로내의 광분포를 넓힐 수 있고, 고출력으로도 자려발진을 방지할 수 있는 레이저소자가 되어, 5-100㎽의 출력에서 연속발진이 가능하고, 광디스크 시스템의 판독, 기록광원에 적합한 소자특성의 레이저 소자가 얻어진다. 이때, 바람직하게는 도 3, 4, 6, 7 에 나타낸 바와 같이, 상기 상부, 하부 클래드층과 활성층 사이에 광가이드층을 가짐으로써, 클래드층에서의 굴절율차를 작게 하여 광분포를 넓히더라도 가이드층내에 광이 많이 분포하여, 광의 누설에 의한 손실을 낮게 억제할 수 있다.
또한, 활성층에 있어서, 우물층이 40Å이상의 두꺼운 막으로, 막두께의 비 Rt가 1/3이상 1이하의 범위인 경우에는, 상술한 제 1~4의 실시형태, 제 5의 실시형태에 있어서도 소자특성의 향상이 가능하다. 이것에 대하여서도, 어떻게 작용하여 소자특성이 향상되는 지는 명백하지 않지만, 종래 우물층보다도 충분하게 두꺼운 장벽층을 설치함으로써, 우물층에서의 발광재결합의 확률을 높이는 구조가 사용되어 왔다. 그러나, 상기 활성층에서는 우물층을 40Å이상으로 두껍게 하고, 또한 우물층에 비교하여 장벽층을 얇게 구성함으로써, 우물층이 두꺼워져 발광재결합의 영역이 증가하고, 우물층사이에 설치되는 장벽층이 얇게 됨으로써 각 우물층에 고르게 캐리어가 주입되어, 발광재결합 확률이 높아진다. 또한 고출력의 소자에서는 대전류로 구동되기 때문에 다량의 캐리어가 우물층으로 주입되지만, 우물층이 두꺼움으로써 발광재결합하는 영역을 넓힐 수 있고, 장벽층이 얇음으로써 장벽층을 뛰어 넘어서 각 우물층으로 균일하게 주입되는 경향이 있다.
이때, 우물층의 막두께가 40Å이상으로서, 우물층과 장벽층의 막두께비 Rt(Rt=[우물층의 막두께]/[장벽층의 막두께])가 1/3이상 1이하의 범위이면, 광디스크 시스템의 광원으로서 우수한 특성의 레이저 소자가 얻어진다. 이것은 우물층의막두께를 40Å이상으로 함으로써, 도 12에 나타낸 바와 같이, 소자수명이 뛰어난 소자가 되며, 상기 범위에 있음으로써, RIN(상대잡음강도)을 낮게 억제하는 경향이 있기 때문이다. 더욱 바람직하게는, 우물층의 막두께를 50Å이상으로 함으로써 더욱 소자수명의 향상이 가능하게 된다. 또한, Rt가 1이상의 경우에는 RIN은 커지지만, 소자수명이 길고 출력이 큰 레이저 소자가 얻어지기 때문에 광디스크 시스템이외에도 응용이 가능하다. 이상에 있어서 장벽층의 막두께는 40Å이상으로 함으로써, 도 13에 나타낸 바와 같이 소자수명이 뛰어난 레이저 소자가 얻어지기 때문에 바람직하다.
<제 7의 실시형태 : 우물층의 수>
이상, 설명한 제 1~6의 실시형태에 있어서, 활성층중의 우물층 수를 1이상 3이하로 함으로써 대전류의 소자구동에서도 양호한 소자특성의 질화물 반도체 소자가 얻어진다. 이것은 종래 활성층중의 우물층수로서 4~6정도를 사용하고 있었지만, 우물층의 수를 많게 하면 캐리어의 재결합 확률을 높일 수 있는 반면, 장벽층의 수를 포함시키면 필연적으로 활성층 전체의 막두께가 커져서 Vf가 커지는 경향이 있다. 또한, 우물층의 수를 많게 하여도 그다지 캐리어의 재결합 확률이 높아지지 않는다는 사실이 실험 결과 밝혀졌고, 특히 LD와 같이 대전류, 고전류 밀도로 구동시키는 소자의 경우에는, 특히 그 경향이 현저하다. 예를 들면, LD의 경우에는, 다중양자우물구조에서 우물층 수를 변화시키면, 우물층의 수가 감소함으로써 임계값 전류가 낮아지는 경향이 있고, 우물층의 수가 6에서 4로 되는 사이에서 급격하게 감소하며, 또한 4에서 3의 사이에서 완만하게 감소하며, 그리고 우물층의수가 2 혹은 3에서 극소치를 나타내며 1의 경우, 즉, 단일양자우물구조에서는 2, 3의 경우보다 조금 높아지거나, 2와 3 사이의 값을 취하는 경향이 있다. 또한, 고출력의 LED에 대하여서도 마찬가지의 경향이 관찰된다.
여기서, 각 도면에 대하여 이하에 설명한다.
도 2, 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 개략단면도이며, 특히 레이저 소자에 있어서, 활성층(12)이 n형층(11)과 p형층(13)으로 끼어 넣어진 구조를 나타낸 것이다. 도 2는 활성층(12)이 상부 클래드층(30)과 하부 클래드층(25)으로 끼워지고, 활성층(12)과 상부 클래드층(30)사이에 전자가둠층인 제 1 p형 질화물 반도체층(28)을 가지며, 활성층(12)의 양자우물구조는, 장벽층(2a)/우물층(1a)을 한쌍으로 하여 반복 적층되고, 최후에 장벽층(2c)이 설치된 구조를 가지고 있다. 도 3은 도 2와 비교하여 다른 점은, 상부, 하부 클래드층(30, 25)과 활성층(12)사이에 상부, 하부 광가이드층(29, 26)을 가지는 것이다. 도 4~8, 10은 활성층(12) 혹은 활성층 주변의 적층구조(20)와, 그 적층구조(20) 아래에, 이에 대응한 에너지 밴드갭(21)을 나타낸 것이다. 도 4, 6은 활성층의 양자우물구조가 막두께에 있어서 비대칭인 구조를 가지며, 이와는 반대로 도 5, 7은 대칭적인 구조를 가지며, 도 4, 5는 활성층내의 우물층의 수가 3이며, 도 6, 7은 2이며, 도 5는 광가이드층을 포함하지 않으며, 도 4, 7, 8은 광가이드층을 가지는 구조이다. 도 8은 활성층(12)과 p형층(13)이 적층된 구조로서, p형층(13)내의 제 1 p형 질화물 반도체층(28)과 활성층, 가장 p형층측에 배치된 장벽층(2c), 및 그 장벽층(2c)보다도 n형층에 가까운측에 배치된 우물층(1b)과의 관계를 나타낸 것이다.
<제 8 실시형태>
본 발명에 있어서, 제 8 실시형태는 DVD, CD등의 광디스크 시스템의 광원에 적합한 고속 응답특성, RIN으로 이루어지는 레이저 소자를 얻을 수 있다. 구체적으로는, 양자우물구조의 활성층에 있어서, 제 1 장벽층(가장 p측의 장벽층)과 제 2 장벽층을 가지는 경우에, 제 2 장벽층과 우물층과의 막두께비 Rt를 0.5Rt3의 범위로 하는 것이다. 이때, 제 1 장벽층(가장 p측의 장벽층)과 제 2 장벽층은 상기 실시형태와 마찬가지이다. 특히, 이 막두께비에 있어서, 제 2 장벽층은 MQW에 있어서는 우물층에 끼워진 장벽층, 즉, 우물층간의 거리로 하는 것이 중요하다. 상술한 바와 같이, 가장 p측의 장벽층과 그 밖의 장벽층과는 다른 기능을 가지기 때문에, 상기 응답특성, RIN에 영향을 주는 장벽층은 상기 가장 p측의 장벽층(제 1 장벽층)이외의 장벽층이 중요하며, 특히 MQW에 있어서, 우물층에 끼워진 장벽층과 우물층의 막두께비가 상기 특성에 크게 영향을 미치게 된다. 막두께비 Rt가 상기 범위이면, 광디스크 시스템의 광원이 뛰어난 레이저 소자가 되며, 0.5미만이면 장벽층의 막두께가 우물층에 비하여 너무 커지며, 특히 응답특성이 악화되는 경향이 있고, 또한 3을 넘으면, 특히 RIN에 악영향을 미쳐서 고주파 중첩하에서의 잡음이 큰 광원이 되는 경향이 있다. 바람직하게는 0.8Rt2로 함으로써, 상기 각 특성이 뛰어난 소자가 된다. 또한, 이때, 우물층의 막두께 dw는 각각 40Ådw100Å가 바람직하다. 왜냐하면, 도 12로부터 알 수 있는 바와 같이, 상기 각 실시형태에 있어서, 우물층이 두꺼운 막이 될수록 양호한 소자수명이 실현되기 때문이며, 한편으로, 막두께가 100Å을 넘으면, 응답특성, RIN의 악화가 커져서, 광디스크 시스템의 광원에 적합하지 않게 되는 경향이 있다. 또한, 바람직하게는 60Ådw80Å로 하는 것이다. 이것은 소자수명의 다른 평가인 열화속도의 평가시, 우물층의 막두께가 커지면 열화속도가 저하하는 경향이 있지만, 60Å이상 80Å이하의 영역에서 우물층의 막두께를 크게 하면, 급격한 저하가 관찰되며, 80Å을 넘는 영역에서는 완만하게 저하되는 경향이 있기 때문이다. 또한, 장벽층(제 2 장벽층)의 막두께 db는 도 13의 막두께와 소자수명과의 관계로부터 40Å이상으로 함으로써 뛰어난 소자수명의 레이저 소자로 할 수 있다.
이 실시형태는, 상기 1~7의 실시형태와 조합하여 적용하면 바람직하다. 또한, 상기 제 2 장벽층은, 도 6, 7에 나타낸 형태에 있어서, 적어도 활성층중의 장벽층에서, 상기 가장 p측의 장벽층(제 1 장벽층)(2c)이외의 장벽층의 어딘가에 적용하는 것이며, 바람직하게는 상술한 바와 같이 우물층에 끼워진 장벽층(2b)에 적용하는 것이며, 더욱 바람직하게는 상기 가장 p측의 장벽층을 제외하는 모든 장벽층에 적용하는 것이 상기 특성상 바람직하다.
이하, 본 발명의 실시예에 대하여 설명한다.
[실시예 1]
이하, 실시예로서 도 8에 나타낸 바와 같은 레이저 소자 구조의 질화물 반도체를 사용한 레이저 소자에 대하여 설명한다.
여기서, 본 실시예에서는 GaN기판을 사용하고 있지만, 기판으로서 질화물 반도체와 다른 이종기판을 사용하여도 된다. 이종기판으로서는, 예를 들면 C면, R면및 A면의 어느 것인가를 주면으로 하는 사파이어, 스피넬(MgAl2O4)과 같은 절연성기판, SiC(6H, 4H, 3C을 포함), ZnS, ZnO, GaAs, Si 및 질화물 반도체와 격자정합하는 산화물 기판등, 질화물 반도체를 성장시킬 수 있는 것으로 종래부터 알려져 왔으며, 질화물 반도체와 다른 기판재료를 사용할 수 있다. 바람직한 이종기판으로서 사파이어, 스피넬을 들 수 있다. 또한, 이종기판은 오프앵글로 되어 있어도 좋으며, 이 경우 스텝형상으로 오프앵글한 것을 사용하면 질화갈륨으로 이루어진 하지층의 결정성을 좋게 성장시키기 때문에 바람직하다. 또한, 이종기판을 사용한 경우에는, 이종기판상에 소자 구조 형성전의 하지층이 되는 질화물 반도체를 성장시킨 후, 이종기판을 연마등의 방법에 의해 제거하여서, 질화물 반도체의 단일체 기판으로서 소자 구조를 형성하여도 되며, 또한, 소자 구조 형성후에 이종기판을 제거하는 방법도 된다.
이종기판을 사용하는 경우에는, 버퍼층(저온성장층), 질화물 반도체(바람직하게는 GaN)로 이루어진 하지층을 통해 소자 구조를 형성하면, 질화물 반도체의 성장이 양호해진다. 또한, 이종기판상에 설치되는 하지층(성장기판)으로서, 그 밖에 ELOG(Epitaxially Laterally Overgrowth)성장시킨 질화물 반도체를 사용하면 결정성이 양호한 성장기판이 얻어진다. ELOG성장층의 구체적인 예로서는, 이종기판상에 질화물 반도체층을 성장시키고, 그 표면에 질화물 반도체의 성장이 곤란한 보호막등을 설치하여 형성한 마스크 영역과, 질화물 반도체를 성장시키는 비(非)마크스 영역을 스트라이프 형상으로 마련하고, 이 비마크스 영역으로부터 질화물 반도체를성장시킴으로써, 막두께 방향으로의 성장과 더불어 횡방향으로의 성장이 이루어짐으로써, 마크스 영역에도 질화물 반도체가 성장하여 성막된 층이 있다. 그 밖의 형태로는, 이종기판상에 성장시킨 질화물 반도체층에 개구부를 만들고, 그 개구부 측면으로부터 횡방향으로의 성장이 이루어져, 막이 형성되는 층이어도 된다.
(기판(101))
기판으로서, 이종기판에 성장시킨 질화물 반도체, 본 실시예에서는 GaN을 두꺼운 막(100㎛)으로 성장시킨 후, 이종기판을 제거하여, 80㎛의 GaN으로 이루어진 질화물 반도체 기판을 사용한다. 기판의 상세한 형성 방법은 이하와 같다. 2인치 직경(Ø), C면을 주면으로 하는 사파이어로 이루어진 이종기판을 MOVPE반응 용기내에 세트하고, 온도를 500℃로 하여, 트리메틸갈륨(TMG), 암모니아(NH3)를 사용하고, GaN으로 이루어진 버퍼층을 200Å의 막두께로 성장시켜, 그 후, 온도를 올려서 언도프의 GaN을 1.5㎛ 막두께로 성장시켜서, 하지층으로 한다. 이어서, 하지층 표면에 스트라이프 형상의 마스크를 복수개 형성하여, 마스크 개구부(윈도우부)로부터 질화물 반도체, 본 실시예에서는 GaN을 선택 성장시키고, 횡방향의 성장을 수반한 성장(ELOG)에 의해 막이 형성된 질화물 반도체층을 더욱 두껍게 성장시키고, 이종기판, 버퍼층, 하지층을 제거하여 질화물 반도체 기판을 얻는다.
이때, 선택 성장시의 마스크는 SiO2로 이루어지며, 마스크폭 15㎛, 개구부폭 5㎛로 한다.
(버퍼층(102))
질화물 반도체 기판위에, 온도를 1050℃로 하여서 TMG(트리메틸갈륨), TMA(트리메틸 알루미늄), 암모니아를 사용하여, Al0.05Ga0.95N으로 이루어지는 버퍼층(102)을 4㎛의 막두께로 성장시킨다. 이층은 AlGaN의 n형 콘택트층과 GaN으로 이루어지는 질화물 반도체 기판과의 사이에서 버퍼층으로서 기능한다. 이어서, 질화물 반도체로 되는 하지층의 위에 소자 구조로 되는 각층을 적층한다.
구체적으로는, 횡방향 성장층 혹은 그것을 사용하여 형성한 기판이 GaN인 경우에, 그것보다도 열팽창 계수가 작은 질화물 반도체의 AlaGa1-aN(0＜a1)으로 이루어지는 버퍼층(102)을 사용함으로써, 피트를 저감시킬 수 있다. 바람직하게는, 질화물 반도체의 횡방향 성장층인 GaN의 위에 설치한다. 또한, 버퍼층(102)의 Al 혼성결정비 a가 0＜a＜0.3이면, 결정성을 양호하게 하여 버퍼층을 형성할 수 있다. 이 버퍼층을 n측 콘택트층으로서 성장시켜도 되며 버퍼층(102)을 형성한 후, 상기 버퍼층의 조성식으로 표시되는 n측 콘택트층을 형성하여, 버퍼층(102)과 그 위의 n측 콘택트층(104)에도 버퍼 효과를 내게 하는 형태여도 좋다. 즉, 이 버퍼층(102)은 횡방향 성장을 이용한 질화물 반도체 기판, 혹은 그 위에 형성한 횡방향 성장층과 소자 구조와의 사이에, 또는 소자 구조중의 활성층과 횡방향 성장층(기판), 혹은 그 위에 형성한 횡방향 성장층(기판)과의 사이에 설치하거나, 더욱 바람직하게는 소자 구조중의 기판측, 하부 클래드층과 횡방향 성장층(기판)의 사이에 적어도 1층이상 설치함으로써 피트를 저감하고 소자특성을 향상시킬 수 있다. 이 버퍼층은 본 발명에 있어서, 활성층, 특히 상술한 두꺼운 막의 In을 포함하는 질화물 반도체의 형성에 있어서 결정성을 양호하게 할 수 있기 때문에 버퍼층을 형성하는 것이 바람직하다.
(n형 콘택트층(103))
이어서, 얻어진 버퍼층(102)위에 TMG, TMA, 암모니아, 불순물가스로서 실란가스를 사용하고, 1050℃에서 Si도프한 Al0.05Ga0.95N으로 이루어지는 n형 콘택트층(103)을 4㎛의 막두께로 성장시킨다.
(크랙방지층(104))
이어서, TMG, TMI(트리메틸인듐), 암모니아를 사용하고, 온도를 800℃로 하여 In0.06Ga0.94N으로 이루어지는 크랙방지층(104)을 0.15㎛의 막두께로 성장시킨다. 한편, 이 크랙방지층은 생략 가능하다.
(n형 클래드층(105))
이어서, 온도를 1050℃로 하고, 원료가스에 TMA, TMG 및 암모니아를 사용하여, 언도프의 Al0.05Ga0.95N으로 이루어지는 A층을 25Å의 막두께로 성장시키고, 이어서 TMA을 중지하고, 불순물가스로서 실란가스를 사용하고, Si를 5 ×1018/㎤ 도프한 GaN으로 이루어지는 B층을 25Å의 막두께로 성장시킨다. 그리고, 이 조작을 각각 200회 반복하여 A층과 B층으로 적층하고, 총막두께 1㎛의 다층막(초격자구조)으로 이루어진 n형 클래드층(106)을 성장시킨다. 이때 언도프의 AlGaN의 Al 혼성결정비로서는 0.05이상 0.3이하의 범위이면 충분히 클래드층으로서 기능하는 굴절율차를 만들 수 있다.
(n형 광가이드층(106))
이어서, 마찬가지의 온도에서 원료가스로서 TMG 및 암모니아를 사용하고, 언도프의 GaN으로 이루어지는 n형 광가이드층(106)을 0.15㎛의 막두께로 성장시킨다. 또한, n형 불순물을 도프하여도 된다.
(활성층(107))
이어서, 온도를 800℃로 하고, 원료가스로서 TMI(트리메틸인듐), TMG 및 암모니아를 사용하며, 불순물가스로서 실란가스를 사용하고, Si를 5 ×1018/㎤도프한 In0.05Ga0.95N으로 이루어지는 장벽층(B)을 140Å의 막두께로, 실란가스를 중지하고, 언도프의 In0.1Ga0.9N으로 이루어지는 우물층(W)을 25Å의 막두께로, 이 장벽층(B)과 우물층(W)을 (B)/(W)/(B)/(W)의 순서로 적층한다. 마지막에 최상부의 장벽층의 원료가스로서 TMI(트리메틸인듐), TMG 및 암모니아를 사용하여, 언도프의 In0.05Ga0.95N을 140Å의 막두께로 성장시킨다. 활성층(107)은 총막두께 약 470Å의 다중양자우물구조(MQW)가 된다.
(p형 전자가둠층(108): 제 1 p형 질화물 반도체층)
이어서, 마찬가지 온도에서 원료가스로서 TMA, TMG 및 암모니아를 사용하고, 불순물가스로서 Cp2Mg(시클로펜타디에닐 마그네슘)을 사용하고, Mg을 1 ×1019/㎤ 도프한 Al0.3Ga0.7N으로 이루어지는 p형 전자가둠층(108)을 100Å의 막두께로 성장시킨다. 이층은 특별히 설치하지 않아도 되지만, 설치함으로써 전자가둠으로 기능하여, 임계값의 저하에 기여하게 된다. 또한, 여기에서는 p형 전자가둠층(108)으로부터 p형 불순물인 Mg이, 그것에 인접하는 최상부의 장벽층으로 확산하여, 최상부의 장벽층에 Mg이 5~10 ×1016/㎤정도 도프된 상태로 된다.
(p형 광가이드층(109))
이어서, 온도를 1050℃로 하고, 원료가스로서 TMG 및 암모니아를 사용하여, 언도프의 GaN으로 이루어지는 p형 광가이드층(109)을 0.15㎛의 막두께로 성장시킨다.
이 p형 광가이드층(109)은 언도프로서 성장시키지만, p형 전자가둠층(108), p형 클래드층등의 인접층으로부터의 Mg확산에 의해, Mg농도가 5 ×1016/㎤로 되어 p형을 나타낸다. 또한, 이 층은 성장시에 의도적으로 Mg을 도프하여도 된다.
(p형 클래드층(110))
이어서, 1050℃에서 언도프 Al0.05Ga0.95N으로 이루어지는 층을 25Å의 막두께로 성장시키고, 이어서 TMA을 중지하고, Cp2Mg을 사용하여 Mg도프 GaN으로 이루어지는 층을 25Å 막두께로 성장시켜, 그것을 90회 반복하여 총막두께 0.45㎛의 초격자층으로 되는 p형 클래드층(110)을 성장시킨다. p형 클래드층은 적어도 한쪽이 Al을 포함하는 질화물 반도체층을 포함하고, 서로 밴드갭에너지가 다른 질화물 반도체층을 적층한 초격자로 제작하는 경우, 불순물은 어느 한쪽 층에 많이 도프하여, 소위 변조도프를 행하면 결정성이 양호하게 되는 경향이 있지만, 양쪽에 동일하게도프하여도 된다. 클래드층(110)은 Al을 포함하는 질화물 반도체층, 바람직하게는 AlxGa1-xN(0＜x＜1)을 포함하는 초격자구조로 하는 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 GaN과 AlGaN을 적층한 초격자구조로 한다. p측 클래드층(110)을 초격자구조로 함으로써, 클래드층 전체의 Al 혼성결정비를 올릴 수 있기 때문에, 클래드층 자체의 굴절율이 작아지고, 더욱이 밴드갭에너지가 커지므로 임계값을 저하시켜서 아주 유효하다. 또한, 초격자로 함으로써 클래드층 자체에 발생하는 피트가 초격자로 하지 않는 것보다도 작아지므로 단락의 발생도 낮게 된다.
(p형 콘택트층(111))
마지막으로, 1050℃에서 p형 클래드층(110)의 위에 Mg을 1 ×1020/㎤도프한 p형 GaN으로 이루어지는 p형 콘택트층(111)을 150Å의 막두께로 성장시킨다. p형 콘택트층(111)은 p형의 InxAlyGa1-x-yN(0x, 0y, x+y1)으로 구성될 수 있고, 바람직하게는 Mg을 도프한 GaN으로 하면, p전극(120)과 가장 바람직한 오믹접촉이 얻어진다. 콘택트층(111)은 전극을 형성하는 층이기 때문에, 1 ×1017/㎤이상의 고캐리어 농도로 하는 것이 바람직하다. 1 ×1017/㎤보다도 낮으면 전극과 바람직한 오믹을 얻기 어려운 경향이 있다. 또한 콘택트층의 조성을 GaN으로 하면, 전극재료와 바람직한 오믹이 얻기 쉬워진다. 반응종료 후, 반응용기내에서 웨이퍼를 질소분위기하에서 700℃로 어닐링을 행하여 p형층을 더욱 저 저항화한다.
이상과 같이 질화물 반도체를 성장시켜 각 층을 적층한 후, 웨이퍼를 반응용기로부터 꺼내어 최상층의 p형 콘택트층의 표면에 SiO2로 이루어지는 보호막을 형성하고, RIE(반응성 이온 에칭)을 사용하여 SiCl4가스에 의해 에칭하여서, 도 1에 나타낸 바와 같이, n전극을 형성할 n형 콘택트층(103)의 표면을 노출시킨다. 이와 같이 질화물 반도체를 깊게 에칭하는데는 보호막으로서 SiO2가 최적이다.
이어서, 상술한 스트라이프 형상의 도파로영역으로서, 리지스트라이프를 형성한다. 먼저, 최상층의 p형 콘택트층(상부 콘택트층)의 대략 전(全)면에, PVD장치에 의해 Si산화물(주로 SiO2)로 이루어지는 제 1 보호막(161)을 0.5㎛막두께로 형성한 후, 제 1 보호막(161)위에 소정형상의 마스크를 올려놓고, RIE(반응성 이온 에칭)장치에 의해, CF4가스를 사용하여 포토리소그래피기술로 스트라이프 폭 1.6㎛의 제 1 보호막(161)으로 한다. 이때, 리지스트라이프의 높이(에칭깊이)는 p형 콘택트층(111) 및 p형 클래드층(109), p형 광가이드층(110)의 일부를 에칭하여, p형 광가이드층(109)의 막두께가 0.1㎛으로 되는 깊이까지 에칭하여서 형성한다.
이어서, 리지스트라이프 형성후, 제 1 보호막(161)의 위에서, Zr산화물(주로 ZrO2)로 이루어지는 제 2 보호막(162)을 제 1 보호막(161)의 위와, 에칭에 의해 노출된 p형 가이드층(109)위에 0.5㎛의 막두께로 연속하여 형성한다.
제 2 보호막(102)형성후, 웨이퍼를 600℃에서 열처리한다. 이와 같이 SiO2이외의 재료를 제 2 보호막으로서 형성한 경우, 제 2 보호막의 막 형성후에 300℃이상, 바람직하게는 400℃이상, 질화물 반도체의 분해온도이하(1200℃)로 열처리함으로써, 제 2 보호막이 제 1 보호막의 용해재료(불산)에 대하여 용해가 어렵기 때문에, 이 공정을 가하는 것이 더욱 바람직하다.
이어서, 웨이퍼를 불산에 담가, 제 1 보호막(161)을 리프트오프법에 의해 제거한다. 이것에 의해, p형 콘택트층(111)위에 있는 제 1 보호막(161)이 제거되어서 p형 콘택트층이 노출된다. 이상과 같이 하여, 도 1에 나타낸 바와 같이 리지스트라이프의 측면 및 그것에 연속하는 평면(p형 광가이드층(109)의 노출면)에 제 2 보호막(162)이 형성된다.
이와 같이, p형 콘택트층(112)의 위에 설치된 제 1 보호막(161)이 제거된 후, 도 1에 나타낸 바와 같이, 그 노출된 p형 콘택트층(111)의 표면에 Ni/Au로 이루어지는 p전극(120)을 형성한다. 단, p전극(120)은 100㎛ 스트라이프폭으로 하여 도 1에 나타낸 바와 같이, 제 2 보호막(162)위에 걸쳐서 형성한다. 제 2 보호막(162)형성후, 이미 노출된 n형 콘택트층(103)의 표면에는 Ti/Al로 되는 스트라이프 형상의 n전극(121)을 스트라이프와 평행한 방향으로 형성한다.
이어서, n전극을 형성하기 위해 에칭하여 노출된 면의 p, n전극에, 인출전극을 설치하기 위해 소망의 영역에 마스크하고, SiO2와 TiO2로 되는 유전체다층막(164)을 설치한 후, p, n전극상에 Ni-Ti-Au(1000Å-1000Å-8000Å)로 되는 인출(패드)전극(122, 123)을 각각 설치하였다. 이때, 활성층(107)의 폭은 200㎛의 폭(공진기방향과 수직한 방향의 폭)이며, 공진기면(반사면측)에도 SiO2와 TiO2로 되는 유전체다층막이 만들어진다.
이상과 같이 하여, n전극과 p전극을 형성한 후, 스트라이프 형상의 전극에 수직한 방향으로 질화물 반도체의 M면(GaN의 M면,(11-00)등)에서 바 형상으로 분할하여, 더욱이 바 형상의 웨이퍼를 분할하여 레이저 소자를 얻는다. 이때, 공진기 길이는 650㎛이다.
이와 같이 하여 얻어지는 레이저 소자는, 도 7에 나타내는 적층구조(20) 및 밴드갭에너지도(圖)가 되는 것이며, 상술한 제 1, 2, 4, 5의 실시예에 상당하는 것이다.
바 형상으로 할 때에, 에칭단면에 끼워진 도파로영역내에서 분할(벽개:劈開)하여 얻어진 분할면을 공진기면으로 하여도 되고, 도파로영역의 외부에서 분할하여 에칭단면을 공진기면으로 하여도 되며, 한쪽을 에칭단면, 다른 쪽을 분할면으로 한, 한쌍의 공진기면을 형성하여도 된다. 또한, 상기 에칭단면의 공진면에는 유전체다층막으로 이루어지는 반사막이 설치되는데, 분할면의 공진기면에도, 분할후에 반사막을 형성하여도 된다. 이때, 반사막으로서는 SiO2, TiO2, ZrO2, ZnO, Al2O3, MgO, 폴리이미드로 이루어지는 군의 적어도 일종을 사용하는 것이며 λ/4n(λ는 파장, n은 재료의 굴절율)의 막두께로 적층한 다층막으로 하여도 되고, 1층만을 사용하여도 되며, 반사막과 동시에 공진기 단면의 노출을 방지하는 표면 보호막 기능을 하게 해도 된다. 표면 보호막 기능을 하게 하는 경우에는, λ/2n의 막두께로 형성하여도 된다. 또한, 소자가공공정에서, 에칭단면을 형성하지 않고, 즉, n전극형성면(n측 콘택트층)만을 노출시켜서, 한쌍의 분할면을 공진기면으로 하는 레이저 소자로 하여도 된다.
바 형상의 웨이퍼를 더욱 분할할 때에도, 질화물 반도체(단체기판)의 분할면을 사용할 수 있고, 바 형상으로 분할했을 때의 분할면에 수직한 질화물 반도체(GaN)를 육방결정계에 근사한 M면, A면({1010})으로 분할하여 칩을 인출하여도 되고, 또한 바 형상으로 분할할 때에 질화물 반도체의 A면을 사용하여도 된다.
실온에서 임계값 2.8㎄/㎠, 5~30㎽인 출력에서 발진파장 405㎚의 연속발진의 레이저 소자가 얻어진다. 얻어진 레이저 소자의 소자수명은 비교예 1에 비하여 60℃, 5㎽의 연속발진에서 2-3배에 상당하는 2000~3000시간의 소자수명이 얻어진다.
또한 역방향내전압특성에 있어서는 비교예 1에 비하여 역방향내전압에 대한 검사를 하였던 바, 많은 레이저 소자가 파괴되지 않으며, 다시 전압을 올려서 100V에서의 검사에 있어서도 파괴되지 않는 것으로 보아, 비교예 1에 비하여 대략 2배의 역방향내전압특성의 향상이 관찰된다.
[실시예 2]
실시예 1에 있어서, 활성층중의 장벽층내에 활성층과 p형 전자가둠층과의 경계면에 위치하는 장벽층(마지막에 적층한 장벽층, 가장 p측에 위치하는 장벽층)을, Mg을 1 ×1018/㎤도프하여 형성하는 것 이외에는 마찬가지로 하여 레이저 소자를 얻는다.
얻어지는 레이저 소자는 실시예 1에 비하여 상기 마지막의 장벽층에 의해 많은 Mg이 도프된다. 또한 그 특성은 소자수명과 역내전압특성에 있어서 거의 같은것이 얻어진다.
[실시예 3]
활성층을 아래의 조건으로 형성하는 것 이외에는 실시예 1과 마찬가지로 하여 질화물 반도체 소자를 제작하였다.
(활성층(107))
이어서, 온도를 800℃로 하여, 원료가스로서 TMI(트리메틸인듐), TMG 및 암모니아를 사용하고, 불순물가스로서 실란가스를 사용하고, Si를 5 ×1018/㎤도프한 In0.05Ga0.95N으로 이루어지는 장벽층(B)을 140Å의 막두께로 하고, 실란가스를 중지하여, 언도프의 In0.1Ga0.9N으로 이루어지는 우물층(W)을 40Å의 막두께로 하여서, 이 장벽층(B)과 우물층(W)을 (B)/(W)/(B)/(W)의 순서로 적층한다. 마지막에 최종장벽층으로서 원료가스로서 TMI(트리메틸인듐), TMG 및 암모니아를 사용하여 언도프의 In0.05Ga0.95N을 성장시킨다. 활성층(107)은 총막두께 약500Å의 다중양자우물구조(MQW)로 된다.
실온에 있어서 임계값 2.8㎄/㎤, 5-30㎽의 출력에서 발진파장이 405㎚인 연속발진의 레이저 소자가 얻어진다. 얻어진 레이저 소자의 소자수명은 60℃, 5㎽의 연속발진에서 5000~6000시간이 된다. 이것은 실온에서 10만 시간에 가까운 소자수명에 상당한다. 또한, 역방향내전압으로서는 약 45V가 얻어진다.
[실시예 4]
실시예 3에서 활성층중의 장벽층내에 활성층과 p형 전자가둠층과의 경계면에위치하는 장벽층(최종장벽층)을, Mg을 1 ×1018/㎤도프하여 형성하는 이외에는 마찬가지로 하여 레이저 소자를 얻는다. 얻어진 레이저 소자는 실시예 3에 비하여 상기 마지막의 장벽층에 보다 많은 Mg이 도프된다. 또한 그 특성은 소자수명과 역방향내전압특성에 있어서 거의 동일한 것이 얻어진다.
[실시예 5]
실시예 1에서, 우물층의 막두께를 55Å로 한다. 그 결과 얻어진 레이저 소자는 실시예 1에 비하여 소자수명이 크게 향상하고, 50℃, 30㎽의 조건으로 연속발진시켰던 바, 1000~2000시간의 긴 수명의 레이저 소자가 얻어진다. 또한, 마찬가지로 실시예 1에서 우물층의 막두께를 60, 80, 90Å로 증가함으로써, 소자수명은 막두께에 거의 비례하여 증가하는 경향이 있고, 한편 우물층의 막두께를 증가시킴으로써 활성층 전체의 막두께의 증가에 의해 Vf와 임계치 전류의 증가가 확인된다. 그러나, 어느 경우에도 비교예 1에 비하여 아주 뛰어난 소자수명을 가지는 것이다. 또한, Vf와 임계값 전류에 대하여서는 활성층 전체의 막두께와 관련이 있으며, 그 적층구조에 의존하기 때문에 일률적으로 말할 수 없지만, 실시예 1과 같이 우물층의 수가 2층으로 작은 경우의 다중양자우물구조로서 최소의 우물층수에는 우물층 막두께의 변화에는 그다지 크게 의존하지 않으며, Vf와 임계값 전류의 상승은 낮게 억제되어, 실시예 1보다도 약간 커지는 정도이며 LD의 연속발진에 있어 중대한 소자특성의 악화에까지 이르지 않는다. 이 때문에, 우물층의 막두께는 40Å이상으로 소자특성의 향상이 도모되며, 바람직하게는 50Å이상으로 함으로써 더욱 현저하게대폭적인 긴 수명이 가능하게 된다. 또한 이때, 우물층의 막두께를 50Å이상으로 하면, 출력 80㎽에서의 발진이 가능하며 100㎽의 출력이 얻어지는 것이다.
[실시예 6]
실시예 1에 있어서, 마지막의 장벽층(최상부에 위치하는 장벽층)을 150Å의 막두께로 하였던 바, 소자수명이 실시예 1보다도 길어지는 경향이 있다. 이것은 도 9a 및 도 9b에 나타낸 바와 같이 최상부 장벽층(2c)이 두꺼워짐으로써, 우물층(1b)과 p형 전자가둠층(28)과의 거리 dB가 필연적으로 커져서, 상술한 바와 같이 제 1 p형 질화물 반도체층(p형 전자가둠층)은 고저항이기 때문에, 소자구동시에는 다른 층보다도 높은 온도로 되는 것으로 생각되며, 이 층과 우물층을 떨어뜨려놓음으로써 우물층을 온도상승에 의한 악영향으로부터 보호하여 양호한 발진특성으로서의 레이저발진이 이루어지는 것에 의한 것이라 생각된다.
[실시예 7]
실시예 1에서, 활성층이 장벽층의 막두께 70Å에서, 장벽층/우물층/장벽층/우물층의 순서로 적층되며, 마지막에 막두께 140Å의 장벽층을 적층한다. 이때, 우물층의 막두께를 22.5Å, 45Å, 90Å, 130Å로 변화시켜서, 50℃. 30㎽의 조건으로 연속발진시킨 때의 소자수명을 도 12에 나타낸다. 도면으로부터 밝힌 바와 같이, 우물층의 막두께의 증가에 따라서 소자수명이 증가하여, 뛰어난 소자수명의 레이저 소자가 얻어진다. 이때, 우물층의 막두께 45Å, 90Å, 130Å에서는 실시예 5와 마찬가지로 30㎽이상의 고출력 발진이 가능하며, 90Å, 130Å의 경우에는 80~100㎽에서의 출력이 가능한 레이저 소자가 얻어진다.
[실시예 8]
실시예 1에서, 활성층이 우물층의 막두께 45Å로 장벽층/우물층/장벽층/우물층의 순서로 적층하고, 마지막에 막두께 140Å의 장벽층을 적층한다. 이때, 마지막에 적층한 장벽층 이외의 장벽층의 막두께를 22.5Å, 45Å, 90Å, 135Å로 변화시켜서, 50℃, 30㎽의 조건에서 연속발진시켰을 때의 소자수명을 도 13에 나타낸다. 도면으로부터 밝힌 바와 같이, 장벽층의 막두께가 증가하면 50Å부근에서 막두께를 증가시켜도 소자수명은 거의 일정하여 변화하지 않는 경향이 관찰된다.
따라서, 장벽층으로서 적어도 40Å이상으로 함으로써 본 발명의 질화물 반도체 소자로서 뛰어난 소자수명이 실현될 수 있다.
[실시예 9]
실시예 1에서, 클래드층의 다층막에 있어서의 AlGaN층의 Al 혼성결정비를 0.1로 하는 이외에는 마찬가지로 하여 레이저 소자를 얻는다. 얻어진 레이저 소자는 클래드층의 Al 평균 혼성결정비가 0.05이고, 30㎽로 단일모드, 연속발진에서 자려발진이 관측되는 수가 있다. 또한, 클래드층의 다층막중의 AlGaN에서의 Al 혼성결정비를 0.15로하면, 이때 클래드층의 Al 평균 혼성결정비가 약 0.78로 되고, Al 평균 혼성결정비가 0.05인 경우에 비하여 명백하게 높은 확률로 자려발진하는 것이 확인된다. 이 때문에 클래드층에서의 Al 평균 혼성결정비는 0.05이하, 바람직하게는 0.025 혹은 0.03이하로 함으로써 확실히 자려발진이 없는 레이저 소자가 얻어진다.
[실시예 10]
실시예 1에서, 최상부의 장벽층(가장 p형층측에 배치된 장벽층)을 150Å의 막두께로 성장시키는 이외에는 실시예 1과 마찬가지로 하여 레이저 소자를 얻는다.
얻어진 레이저 소자는 실시예 1에 비하여 약간이나마 소자수명이 상승하는 경향이 관찰된다. 역으로, 최상부의 장벽층을 100Å의 막두께로 한 레이저 소자에서는 실시예 1에 비하여 소자수명이 대폭 저하한다.
[실시예 11]
실시예 1에서, p형 전자가둠층(108)을 설치하지 않고 활성층(107) 위에 직접 p형 광가이드층(109)을 설치하는 것을 제외하고는 실시예 1과 마찬가지로 하여 레이저 소자를 얻는다. 얻어진 레이저 소자는 Vf가 약 1V정도 저하하지만, 임계값 전류가 급격하게 상승하여, 레이저 소자중에는 발진이 곤란한 것도 관찰된다. 이것은 고저항의 제 1 p형 질화물 반도체층(p형 전자가둠층(108))을 포함하지 않음으로써 Vf가 저하하지만, 활성층내로의 전자가둠이 곤란하게 되어서, 임계값의 급격한 상승으로 이어지는 것으로 생각된다.
[실시예 12]
실시예 1에서, 우물층의 수를 3층, 장벽층의 수를 4층으로 하여, 도 4에 나타낸 바와 같이, 적층한 활성층으로 한 이외에는 실시예 1과 마찬가지로 하여 레이저 소자를 얻는다. 얻어진 레이저 소자는 실시예 1에 비하여 활성층 전체의 막두께가 커지기 때문에 Vf가 상승하고, 또한 우물층수가 많음으로써 임계값 전류도 약간 상승하는 경향이 관찰된다. 또한, 장벽층/우물층으로 번갈아 적층하고, 마지막에 장벽층을 적층하여 장벽층 5층, 우물층 4층의 활성층으로 하면, 우물층이 2층또는 3층인 경우에 비하여 명백하게 임계값 전류가 상승하고 또한 Vf도 높아진다.
여기서, 도 4에서 최초의 장벽층(제 2 n측 장벽층)(2a)과 마지막의 장벽층(제 1 p측 장벽층)(2d)을 막두께 140Å로 하고, 장벽층(2b, 2c)의 막두께를 100Å로 한 경우(도 5에 나타낸 활성층의 구조)에는, 상기 도 5의 경우에 비하여 소자특성의 편차, 특히 소자수명의 칩간의 편차가 감소하여, 양호한 소자특성의 레이저 소자가 얻어지는 경향이 관찰된다.
[비교예 1]
실시예 1에서 활성층중의 장벽층 전체를 Si로 도프하는 이외에는 마찬가지로하여 레이저 소자를 얻는다. 얻어진 레이저 소자는 60℃, 5㎽출력으로의 연속발진에서, 1000시간의 소자수명이 된다. 또한, 얻어진 레이저 소자의 역방향내전압특성에 대하여 평가하였던 바, 레이저 소자가 대부분 역방향내전압 50V의 조건에서 파괴된다. 여기서, 활성층중에서 마지막에 적층한 장벽층의 Si도프량을 1 ×1017, 1 ×1018, 1 ×1019/㎤으로 변화시키고, 소자수명과 역내전압특성의 변화를 조사하여 도 14, 15에 나타낸다. 도면중에서 언도프는 실시예 1에 대응한다. 도면으로부터 밝힌 바와 같이, 활성층내에서 가장 p형층측에 배치된 장벽층에 Si를 도프하면, 도프량이 많아짐에 따라 소자수명과 역내전압특성이 저하하여 소자특성이 악화되는 것을 알 수 있다.
얻어진 레이저 소자에 대하여 SIMS(2차 이온 질량 분석법)등에 의해 분석한 바, 활성층중의 장벽층내에서 p형 전자가둠층과의 경계면에 위치하는 최상부의 장벽층(가장 p형층측에 위치하는 장벽층)에 Si와 Mg이 검출된다. 따라서, 얻어진 레이저 소자는 상기 최상부의 장벽층에 Si와 Mg이 도프된 상태를 가지게 되며, 이것이 실시예 1에서 얻어진 레이저 소자와 비교하여 그 특성이 크게 저하하는 원인으로 생각된다. 그러나, 도 14, 15에 나타낸 바와 같이 Si도프량을 변화시킨 경우에 Mg도프량은 변화하지 않기 때문에 소자특성의 저하는 주로 n형 불순물에 기인하는 것으로 생각된다.
[실시예 13]
실시예 1에서 활성층(107)대신에 도 10 및 이하에 설명하는 활성층(407)을 사용하여 레이저 소자를 얻는다.
(활성층(407))
온도를 880℃로 하여서, 원료가스로 TMI, TMG 및 암모니아를 사용하고, 불순물가스로서 실란가스를 사용하고, Si을 5 ×1018/㎤도프한 In0.01Ga0.99N으로 이루어지는 제 1 장벽층(401a)을 100Å의 막두께로 성장시킨다. 이어서, 온도를 820℃로 내리고, 실란가스를 중지하여 언도프의 In0.3Ga0.07N으로 이루어진 우물층(402a)을 50Å의 막두께로 성장시킨다. 더욱이, 동온도에서 TMA를 사용하여 Al0.3Ga0.07N으로 이루어지는 제 2 장벽층(403a)을 10Å의 막두께로 성장시킨다. 이들 제 1 장벽층(401a), 우물층(402a)과 제 2 장벽층(403a)의 3층 구조를, 도 10에 나타낸 바와 같이 1회 더 반복하여 각 층(401b, 402b, 403b)을 적층하고. 마지막으로 최상부의 장벽층(404)으로서 언도프의 In0.01Ga0.99N을 막두께 140Å로 형성하여, 총막두께 460Å의 다중양자우물(MQW)로 이루어지는 활성층(407)을 형성한다. 이때, 가장 p형층측에 위치하는 최상부의 장벽층(404)에는, 인접하는 p형 전자가둠층(108)으로부터 p형 불순물의 Mg이 확산하여 Mg을 가지는 장벽층이 된다. 얻어진 레이저 소자는 파장 470㎚의 광이 얻어지고, 고출력에서 수명이 긴 레이저 소자가 된다. 이때, 우물층의 상부에 설치되는 제 2 장벽층으로서는 Al을 포함하는 질화물 반도체로 하며, 바람직하게는 AlzGa1-zN(0＜z1)으로 표시되는 질화물 반도체로 함으로써, 우물층에 적당한 凹凸부가 형성되어서, In의 편석(偏析), 혹은 농도분포가 발생하고, 이것으로서 양자 도트 혹은 양자 세선(細線)의 효과가 얻어지는 것으로 생각되며, 제 2 장벽층을 설치하지 않는 경우에 비하여 고출력의 질화물 반도체 소자가 된다. 이때, Al 혼성결정비 z는 0.3이상으로 함으로써 우물층의 凹凸이 양호해져 바람직하다. 이때, 제 2 장벽층은 특별히 우물층에 접하여 설치되지 않아도 마찬가지의 효과를 얻을 수 있다. 또한, 우물층에 접하여 하부에 위치하는 장벽층은 제 1 장벽층과 같이 Al을 포함하지 않는 장벽층으로 함으로써 결정성이 양호한 우물층을 형성할 수 있어서 바람직하다.
[실시예 14]
도 9a 및 도 9b에 나타내는 발광소자를 이하와 같이 하여 제작한다.
사파이어(C면)로 이루어지는 기판(301)을 MOVPE의 반응 용기내에 세트하고, 수소를 흘리면서 기판의 온도를 1050℃까지 상승시켜서, 기판의 클리닝을 행한다.
(버퍼층(302))
이어서, 온도를 510℃까지 내리고, 캐리어가스에 수소, 원료가스에 암모니아와 TMG(트리메틸 갈륨), TMA(트리메틸 알루미늄)을 사용하여 기판(301)상에 GaN으로 이루어지는 버퍼층(302)을 약 150Å의 막두께로 성장시킨다.
(하지층(303))
버퍼층(302)성장후, TMG만을 중지하고, 온도를 1050℃까지 상승시킨다. 1050℃가 되면 마찬가지로 원료가스로서 TMG과 암모니아가스를 사용하고, 언도프 GaN으로 이루어지는 하지층(303)을 1.5㎛의 막두께로 성장시킨다. 이 하지층(303)은 질화물 반도체를 성장시키는 기판으로서 기능한다.
(n형 콘택트층(304))
이어서, 1050℃에서 마찬가지로 원료가스로서 TMG과 암모니아가스를, 불순물가스로서 실란가스를 사용하고, Si를 4.5 ×1018/㎤도프한 GaN으로 이루어지는 n형 콘택트층(304)을 2.25㎛의 막두께로 성장시킨다.
(n측 제 1 다층막층(305))
이어서 실란가스만을 중지하고, 1050℃에서 TMG과 암모니아가스를 사용하여 언도프 GaN으로 이루어지는 하층(305a)을 3000Å의 막두께로 성장시키고, 이어서 같은 온도로 실란가스를 추가하여 Si를 4.5 ×1018/㎤도프한 GaN으로 이루어지는 중간층(305b)을 300Å의 막두께로 성장시키며, 이어서 실란가스만을 중지하고 같은 온도에서 언도프 GaN으로 이루어지는 상층(305c)을 50Å의 막두께로 성장시켜서,305a/305b/305c의 3층으로 되는 총막두께 3350Å의 제 1 다층막(305)을 성장시킨다.
(n측 제 2 다층막층(306))
이어서, 마찬가지의 온도에서 언도프 GaN으로 이루어지는 제 2 질화물 반도체층을 40Å로 성장시키고, 이어서 온도를 800℃로 하고 TMG, TMI과 암모니아를 사용하여 언도프 In0.13Ga0.87N으로 이루어지는 제 1 질화물 반도체층을 20Å로 성장시킨다. 이들의 조작을 반복하여 제 2 질화물 반도체층+ 제 1 질화물 반도체층의 순서로 번갈아 10층씩 적층시키고, 마지막에 GaN으로 이루어지는 제 2 질화물 반도체층을 40Å로 성장시켜서 형성되는 초격자구조의 다층막으로 이루어지는 n측 제 2 다층막층(306)을 640Å의 막두께로 성장시킨다.
(활성층(307))
이어서, GaN으로 이루어지는 장벽층을 250Å의 막두께로 성장시키고, 이어서 온도를 800℃로 하여 TMG, TMI 및 암모니아를 사용하여 언도프된 In0.3Ga0.7N으로 이루어지는 우물층을 30Å의 막두께로 성장시킨다. 그리고, 장벽층 B1/우물층/장벽층 B2/우물층/ 장벽층 B3/우물층/장벽층 B4/우물층/장벽층 B5/우물층/장벽층 B6/우물층/장벽층 B7의 순서로 장벽층을 7층, 우물층을 6층으로 번갈아 적층하여, 총막두께 1930Å의 다중양자우물구조로 이루어지는 활성층(307)을 성장시킨다. 이때, 장벽층(B1, B2)에는 Si를 1 ×1017/㎤도프하고, 나머지의 장벽층 Bi(i=3, 4, …7)는 언도프로 형성한다.
(p형 다층막 클래드층(308))
이어서, 온도를 1050℃에서 TMG, TMA, 암모니아 및 Cp2Mg(시클로펜타디에닐 마그네슘)을 사용하여, Mg을 1 ×1020/㎤도프한 p형 Al0.2Ga0.8N으로 이루어지는 제 3 질화물 반도체층을 40Å의 막두께로 성장시키고, 이어서 온도를 800℃로 하여, TMG, TMI, 암모니아, Cp2Mg을 사용하여 Mg을 1 ×1020/㎤도프한 In0.03Ga0.97N으로 이루어지는 제 4 질화물 반도체층을 25Å의 막두께로 성장시킨다. 이들의 조작을 반복하여 제 3 질화물 반도체층+제 4 질화물 반도체층의 순서로 번갈아 5층씩 적층하고, 마지막에 제 3 질화물 반도체층을 40Å의 막두께로 성장시킨 초격자구조의 다층막으로 되는 p형 다층막 클래드층(308)을 365Å의 막두께로 성장시킨다.
(p형 GaN 콘택트층(310))
이어서 1050℃에서, TMG, 암모니아 및 Cp2Mg을 사용하고, Mg을 1 ×1020/㎤도프한 p형 GaN으로 이루어지는 p형 콘택트층(310)을 700Å의 막두께로 성장시킨다.
반응종료 후, 온도를 실온까지 내리고, 다시 질소분위기하에서, 웨이퍼를 반응용기내에서 700℃로 어닐링을 행하여 p형층을 더욱 저 저항화한다.
어닐링후, 웨이퍼를 반응용기로부터 꺼내어서, 최상층의 p형 콘택트층(310)의 표면에 소정형상의 마스크를 형성하고, RIE(반응성 이온 에칭)장치로 p형 콘택트층측으로부터 에칭을 행하여, 도 9a 및 9b에 나타낸 바와 같이 n형 콘택트층(4)의 표면을 노출시킨다.
에칭후, 최상층인 p형 콘택트층(310) 거의 전면에 막두께 200Å의 Ni과 Au을 포함하는 투광성의 p전극(311)과, 그 p전극(311)의 위에 본딩용 Au으로 이루어지는 p패드전극을 0.5㎛의 두께로 형성한다. 한편, 에칭에 의해 노출시킨 n형 콘택트층(304)의 표면에는 W와 Al을 포함하는 n전극(312)을 형성하여 발광소자를 얻는다. 얻어진 발광소자는 n형층에 가장 가까운 장벽층(B1)과 그 다음의 장벽층 B2에 n형 불순물이 도프되어 있기 때문에 n형층으로부터의 캐리어가 활성층의 안쪽 깊이(p형층측)까지 효율적으로 주입되어서 전체의 장벽층을 언도프한 비교예 2에 비하여, 광전변환 효율이 향상하여, Vf 및 리크전류가 감소하고 발광출력이 향상한다.
[실시예 15]
실시예 14의 활성층에서, 가장 p측에 위치하는 장벽층 B7에, p형 불순물로서 Mg을 1 ×1018/㎤도프하는 것이외에는 실시예 14와 마찬가지로 하여 발광소자를 얻는다. 얻어진 발광소자는 실시예 14에 비하여 최상부의 장벽층 B7에 p형 불순물을 가짐으로써 p형층으로부터의 캐리어 주입도 효율적이 되며, 광전변환 효율이 향상되고 발광출력도 향상된다.
[비교예 2]
실시예 14에서, 활성층중의 모든 장벽층과 우물층도 언도프를 성장시키는 이외에는 실시예 14와 마찬가지로 하여 발광소자를 얻는다. 얻어진 발광소자는 실시예 14에 비하여 발광효율이 낮고, 또한 소자수명이 떨어지는 경향이 있다.
[실시예 16]
도 11에 나타내는 면 발광형의 레이저 소자에 대하여 이하에 설명한다.
(기판(501))
실시예 1에 사용한 질화물 반도체 기판(101)과 마찬가지의 기판(501)을 사용한다.
질화물 반도체 기판(501)상에 반사막(530)으로서, AlN으로 이루어지는 제 1 층(531)과 GaN으로 이루어지는 제 2 층(532)을 번갈아서 각각 3층씩 적층한다. 이때, 각 층은 λ/(4n)(단, λ은 광의 파장, n은 재료의 굴절율)식을 만족하는 막두께로 설치하고, 여기에서는 n=2(AlN)와 2.5(GaN)으로서, 각 막두께를 제 1 층 약 500Å, 제 2 층 약 400Å의 막두께로 형성한다. 이때, 질화물 반도체의 반사막은 제 1, 2층을 InxAlyGa1-x-yN(0x1, 0y1, x+y=1)으로 나타내는 질화물 반도체를 사용할 수 있고, 질화물 반도체의 반사막은 제 1, 2층을 AlxGa1-xN(0x1)으로 나타내는 조성이 다른 질화물 반도체를 번갈아 적층한 다층막을 이용하는 것이 바람직하며, 이때, 각 층을 1층 이상, 제 1 층/ 제 2 층의 쌍을 1쌍이상 형성한다. 구체적으로는 제 1 층/ 제 2 층을 AlGaN/AlGaN, GaN/AlGaN, AlGaN/AlN, GaN/AlN등으로 형성할 수 있다. AlxGa1-xN/AlyGa1-yN(0＜x, x＜y＜1)이면 AlGaN 다층막이기 때문에 열팽창 계수차를 작게 할 수 있으며 결정성을 양호하게 형성할 수 있고, GaN/AlyGa1-yN(0＜y＜1)이면 GaN층에 의해 결정성이 개선된 다층막으로 할 수 있다.또한, Al조성비의 차이(y-x)를 크게 하면, 제 1 층과 제 2 층과의 굴절율차가 커져서 반사율이 높아지며, 구체적으로는 y-x0.3으로 하고, 바람직하게는 y-x0.5로 함으로써, 반사율이 높은 다층막반사막을 형성할 수 있다. 또한, 실시예 1과 마찬가지로 다층막으로서, AlyGa1-yN(0＜y1)을 형성함으로써, 버퍼층(102)으로 기능하여 피트저감효과가 얻어진다.
이어서, 실시예 2(우물층 55Å)와 마찬가지의 조건으로, n형 콘택트층(533), 활성층(534), p형 전자가둠층(도시안됨)과 p형 콘택트층(535)을 적층하여, 원형상의 개구부를 가지는 SiO2로 되는 블럭층(536)을 설치하고, 그 원형상의 개구부로부터 Mg도프 GaN을 성장시켜서 제 2 p형 콘택트층(537)을 형성한다. 이때, p형 콘택트층(535), 제 2 p형 콘택트층(537)은 어느 것인가의 한쪽만을 형성하여도 된다. 그 제 2 p형 콘택트층(537)상에 SiO2/TiO2로 되는 유전체 다층막을 형성하여 반사막(538)으로 하고 상기 블럭층(536)의 개구부위에 원형상으로 설치한다. 그리고, n형 콘택트층(533)이 노출되는 깊이까지 에칭하여, 노출된 n형 콘택트층(533)위에 링크형상의 n전극(521)과 제 2 p형 콘택트층(537)위에 반사막(538)의 주위를 둘러싸는 p전극(520)을 각각 형성한다. 이렇게 하여 얻어진 면 발광형의 레이저 소자는 실시예 2와 마찬가지로 소자수명이 길고, 고출력의 레이저 소자가 얻어진다.
[실시예 17]
실시예 1에 있어서, 하기의 활성층과 p측 클래드층으로 한 것 이외에는 마찬가지로 하여 레이저 소자를 얻는다.
(활성층(107))
Si를 5 ×1018/㎤ 도프한 In0.05Ga0.95N으로 이루어지는 장벽층(B)을 70Å의 막두께로 하고, 실란가스를 중지하여 언도프의 In0.15Ga0.9N으로 이루어지는 우물층(W)을 70Å의 막두께로 하고, 이 장벽층(B)과 우물층(W)을 (B)/(W)/(B)/(W)의 순서로 적층한다. 최후에 최상부의 장벽층으로서, 원료가스로서 TMI(트리메틸인듐)을 사용하여 언도프의 In0.05Ga0.95N을 150Å의 막두께로 성장시킨다. 활성층(107)은 총막두께 약 430Å인 다중양자우물구조(MQW)로 한다.
(p형 클래드층(110))
이어서, 언도프 Al0.10Ga0.95N으로 이루어지는 층을 25Å의 막두께와 Mg 도프의 GaN으로 이루어지는 층을 25Å의 막두께로 성장시키고, 그것을 90회 반복하여 총막두께 0.45㎛의 초격자구조로 되는 P형 클래드층(110)을 성장시킨다.
이와 같이 하여 얻어진 레이저 소자는 활성층에 있어서, 가장 p형층측에 배치된 장벽층을 제외한 장벽층과, 우물층의 비 Rt가 1이지만, 도 12에 나타내는 우물층 두께와 소자수명과의 관계를 가져서, 고출력과 긴 수명을 실현할 수 있는 레이저 소자가 되고, 또한 상기 장벽층(n측 장벽층 혹은 우물층에 끼워진 장벽층)의 막두께가 작아져서 광디스크의 시스템에 있어서, 우수한 응답특성과 RIN의 레이저 소자가 얻어진다. 또한, n측 클래드층보다도 p측 클래드층의 Al 혼성결정비를 크게 함으로써, 매입층(162)과의 굴절율차가 작게 되며, 횡방향의 가둠이 작은 실효굴절율형의 레이저 소자로 할 수 있어서 고출력영역까지 킹크의 발생이 없는 레이저 소자가 된다. p측 클래드층으로서 바람직하게는 평균조성을 AlxGa1-xN으로 하고, Al 평균조성비 x를 0x0.1로 함으로써 킹크의 발생을 억제한 레이저 소자가 얻어진다.
본 발명의 질화물 레이저 소자는, 라이프특성(소자수명)이 뛰어나고, 또한 종래 문제가 되었던 질화물 반도체를 사용한 소자에 있어서 취약했던 역방향내전압특성을 대폭으로 향상한 것으로서, 고출력의 질화물 반도체 소자가 얻어진다. 또한, 본 발명의 질화물 반도체 소자에서 레이저 소자로 한 경우에 있어서도 마찬가지의 특성향상이 얻어지고, 더욱이 자려발진이 없는 뛰어난 레이저 소자로 된다.
발명의 상세한 설명에 포함되어 있음.

Claims (23)

  1. In을 포함하는 질화물 반도체로 이루어지는 우물층과, 질화물 반도체로 이루어지는 장벽층을 가지는 양자우물구조의 활성층을, p형 질화물 반도체층과, n형 질화물 반도체층으로 끼우는 구조를 질화물 반도체 소자에 있어서,
    상기 활성층이 상기 장벽층으로서, 상기 p형 질화물 반도체층의 가장 가까운 위치에 배치된 제 1 장벽층과, 이 제 1 장벽층과는 다른 제 2 장벽층을 가짐과 동시에,
    상기 제 1 장벽층이 실질적으로 n형 불순물을 포함하지 않고, 상기 제 2 장벽층이 n형 불순물을 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 소자.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 장벽층의 막두께가, 제 2 장벽층의 막두께보다도 큰 것을 특징으로 하는 질화물 반도체.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 활성층이 L개(L2)의 상기 장벽층을 가지며,
    상기 n형 질화물 반도체층의 가장 가까운 위치에 배치된 장벽층을 장벽층 B1, 이 장벽층 B1으로부터 상기 p형 질화물 반도체를 향하여 세어서 i번째(i=1, 2, 3 …L)의 장벽층을 장벽층 Bi으로 했을 때에,
    i=1에서 i=n(1＜n＜L)까지의 장벽층 B1가 n형 불순물을 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 소자.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 장벽층을 제외한 모든 장벽층이 n형 불순물을 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 소자.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 장벽층이 상기 활성층의 가장 외측에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 소자.
  6. 제 7 항에 있어서,
    상기 제 2 장벽층이, 상기 활성층내의 상기 n형 질화물 반도체층에 가까운 가장 외측의 배치된 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 소자.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 제 1 장벽층의 막두께가, 상기 제 2 장벽층의 막두께와 거의 같은 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 소자.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 활성층이 2이상의 우물층을 가지며, 이 우물층과 우물층 사이에 제 3 장벽층을 가짐과 동시에,
    상기 제 3 장벽층의 막두께가, 상기 제 1 p측 장벽층 및 상기 제 2 n측 장벽층의 막두께보다도 작은 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 소자.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 활성층내의 적어도 하나의 우물층이 40Å이상의 막두께를 가지는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 소자.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 장벽층이, p형 불순물을 가지는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 소자.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 장벽층이 p형, 불순물을 5 ×1016㎝-3이상 1 ×1019㎝-3이하 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 소자.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 장벽층이, p형 또는 i형인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 소자.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 제 1 장벽층이, 불순물을 도프하지 않고 성장시킨 것으로서, 상기 p형 질화물 반도체층으로부터의 확산에 의해 p형 불순물을 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 소자.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 n형 질화물 반도체층, 상기 활성층 및 상기 p형 질화물 반도체층의 순서로 적층된 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 소자.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 p형 질화물 반도체층은, 평균 혼성결정비 x가 0＜x0.05의 알루미늄(Al)을 포함하는 질화물 반도체층으로 이루어지는 상부 클래드층을 가지고, 상기 n형 질화물 반도체층이, 평균 혼성결정비 x가 0＜x0.05의 알루미늄을 포함하는 질화물 반도체로 이루어지는 하부 클래드층을 가지며, 레이저 소자 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 소자.
  16. 제 1 항에 있어서,
    상기 p형 질화물 반도체층중에, 활성층에 인접하여 제 1 p형 질화물 반도체층을 가지며, 이 제 1 p형 질화물 반도체층이 Al을 포함하는 질화물 반도체로 이루어지는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 소자.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 제 1 p형 질화물 반도체층이, 상기 제 1 p형 질화물 반도체층의 가장 가까운 장벽층에 접하여 설치되고, 상기 활성층중의 장벽층보다도 높은 농도의 p형 불순물을 도프하여 성장하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 소자.
  18. 제 1 항에 있어서,
    상기 활성층에 있어서, 우물층의 수가 1이상 3이하의 범위인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 소자.
  19. 상기 제 2 장벽층이 우물층에 끼워져서 배치되고, 상기 우물층과 제 2 장벽층과의 막두께비 Rt(=[우물층의 막두께/[장벽층의 막두께])가 0.5Rt3의 범위인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 소자.
  20. 상기 우물층의 막두께 dw가, 40Ådw100Å의 범위이고, 상기 제 2 장벽층의 막두께 db가, db40Å의 범위인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 소자.
  21. 제 1 항에 있어서,
    상기 p형 질화물 반도체층은, Al을 포함하는 질화물 반도체로 이루어지는 상부 클래드층을 가지며, 상기 n형 질화물 반도체층으로 이루어지는 하부 클래드층을 가지며, 그 상부 클래드층의 Al 평균 혼성결정비가 하부 클래드층보다도 큰 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 소자.
  22. 제 21 항에 있어서,
    상기 상부 클래드층의 Al 평균 혼성결정비 x가 0＜x0.1의 범위인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 소자.
  23. 제 1 항에 있어서,
    상기 p형 질화물 반도체층이, 상기 활성층에 접하여 전자가둠층이 되는 제 1 p형 질화물 반도체층을 가지고, 활성층이 제 1 p형 질화물 반도체층으로부터의 거리 dB가 100Å이상 400Å이하의 범위인 우물층을 가지며, 그 거리 dB내에 제 1 장벽층을 가지는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 소자.
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