차세대반도체연구회

미국 UCSB의 나카무라 슈지 교수그룹은 AlGaN 클래딩층을 필요호하지않는 비극성 청자색 반도체레이저에 관한 논문을 발표했다. 시작품은 GaN층이 클랭딩층이 된다. AlGaN의 클래딩층은 청자색 반도체 레이저에 있어서 활성층이 발하는 광을 가두기 쉽게하기위하여 폭넓게 이용되고 있다. 그러나 '청자색 레이저의 신뢰성은 AlGaN 클래딩층에 의해 좌우된다고해도 과언이 아니다'라고 말한 나카무라 교수의 이번 AlGaN 클래딩층을 도입하지 않은 비극성 청자색 레이저의 다이오드의 개발로, 레이저 소자의 신뢰성 향상을 기대할 수 있게 되었다. 이 방법은 GaN 결정의 비극성면상에 레이저 소자를 제작하는 것으로 실현하였다. (JJAP, 2007년 3월 발표) <내용요약> 1. Crack(크랙)발생의 가능성이 현저히 줄어든다. AlGaN 클래딩층을 필요로 하지않고 신뢰성향상을 꾀한것은, 크랙이 발생하는 가능성이 적기때문이다. GaN와 AlGaN는 격자상수가 열팽창계수가 서로 다르기때문에 tensile strain(인장 뒤틀림)이 생겨서 크랙이 발생하는 위험이 있다. 이 때문에, 현재의 청자색 반도체 레이저으 AlGaN 클래딩층은 광을 가두기위한 효과와 크랙발생의 억제를 동시에 할 수 있도록 AlGaN의 조성이나 두께를 제어하고 있다. 또한 일본 샤프는 특수한 Groove(도랑) 구조를 GaN기판에 설계하여 크랙의 발생을 억제하고 있다. 이번 논문에는 AlGaN 클래딩층을 필요로 하지않는 레이저소자가 2종류 게재되어있다. 펄스발진시의 문턱치(Threshold)전류밀도와 문턱치전압이 5.6kA/cm2, 7.6V와 3.7kA/cm2, 6.7V의 두개의 소자이다. 후자는 p형 GaN층에 도핑한 Mg를 줄인것이고, 활성층의 두께도 다르다. 발진파장은 411.3nm이다. 단, 이번 시작품에서는 AlGaN를 완전히 사용하지 않은 것은 아니다. 전자블록(block)층으로서, 활성층의 상층에 Mg을 도핑한 p형 AlGaN층을 두고있다. 활성층에는 InGaN와 GaN의 다중양자우물구조(MQW)를 채택하고 있다. 2. 비극성면을 이용하여 AlGaN 클래딩층을 없앤다. 클래딩층이 필요없게 된것은 피에조(Piezo)전계의 영향을 크게 억제함으로서 양자우물층의 두께를 8nm로 두껍게할 수 있게 되었기 때문이라고 설명하고 있다. 시판되고 있는 일반적인 청자색 레이저에서는 GaN결정의 c면으로 불리는 극성면상에 레이저소자를 형성하고 있다. 그 때문에 활성층내에서 피에조전계가 발생하고 있고, 양자우물층을 8nm정도의 두께로 하면 발광하지않고, 4nm이하로 얇게해야 발광한다고 한다. 이 얇은 활성층에 광을 가두어서 레이저 발진시키는데 AlGaN의 클래딩층을 이용하고 있다. 이번 발표에는 레이저소자를 GaN결정의 비극성면상에 형성했기 때문에, 피에조전계의 영향이 거의 일어나지 않는다. 비극성면은 c면의 법선방향의 면을 말한다. 또한, 레이저소자가 발하는 편광광의 전계의 진동방향에 맞추어서 스트라이프(stripe)전극을 형성한 것도, AlGaN 클래딩층 없이 광을 가두어두는 효과(optical confinement effect)를 높여, 레이저발진을 할 수 있게된 한 요인이다.