KR0130066B1 - 반도체 레이저 및 그 제조방법 - Google Patents

반도체 레이저 및 그 제조방법

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KR0130066B1
KR0130066B1 KR1019890006276A KR890006276A KR0130066B1 KR 0130066 B1 KR0130066 B1 KR 0130066B1 KR 1019890006276 A KR1019890006276 A KR 1019890006276A KR 890006276 A KR890006276 A KR 890006276A KR 0130066 B1 KR0130066 B1 KR 0130066B1
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히데끼 고오도오
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미우라 아끼라
미쓰비시가가꾸 가부시기가이샤
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Abstract

내용없음

Description

반도체 레이저 및 그 제조방법
제1도는 본 발명에 관한 반도체 레이저의 구조를 표시한 도면.
제2도는 종래의 반도체 레이저의 구조를 표시한 도면.
제3도는 종래의 다중양자샘의 구조를 설명하기 위한 도면.
본 발명은 반도체 레이저에 관한 것으로, 특히 매입형 반도체 레이저 및 그 제조방법에 관한 것이다.
제2도는 종래의 대표적인 예를 표시한 것으로, 매입층을 형성하는 것에 의해 횡모우드를 제어하는 반도체 레이저의 구조를 표시한 도면이다. 도면중 22는 반절연깊나, 23은 하부 클래드층, 24는 활성층, 25는 상부클래드층, 26은 p형 캐리어 주입층, 27은 블로킹 층, 28은 n형 캐리어 주입층, 29,30은 전극이다.
제2도에 표시한 것은, 횡방향에 있어서 캐리어를 활성층에 주입하는 구조의 레이저이고, GaAs의 반절연성기판(22) 상에 AlxGa1-xAs의 하부클래드층(23), AlyGa1-yAs의 활성층(24) 및 AlxGa1-xAs의 상부클래드층(25) (단, x 및 y의 관계는 x＞y이다)을 순서로 적층해서 형성하고 있다. 이때 활성층(24)의 구조는 상기 이외에 단일양자샘, 다중양자샘 혹은 다중활성층의 것을 갖고 있어도 된다.
제3도는 종래의 다중양자샘 구조를 설명하기 위한 도면이다.
활성층의 두께를 20㎚ 이하로 하면 양자 효과가 나오므로, 전자는 극히 한정된 준위밖에 얻을 수 없고, 이때문에 한정된 준위로 전이가 생기기 때문에 발광효율이 오르고, 그 결과 쓰레쉬홀드치 전류를 낮추는 것이 가능하게 된다. 다중양자샘 구조는 이와같은 것을 이용한 것이고, 도면의 상하의 클래드층(31)(33) 사이에 형성되는 활성층(33)의 두께를 극히 얇게하고, AlGaAs로 되는 바리어층(34)과 GaAs양자샘(35)을 반복형성한다. 이경우, 광을 유효하게 활성층에 넣어 나오지 못하게 하기 위해서 바리어층의 Al 혼정비를 클래드층의 그것보다도 막게하고 있고, 또, 통상 종방향으로 전류를 흐르게 하는 구조에서는 상하의 양자샘에서의 캐리어주입이 변화되어 버리므로 샘의 수, 바리어층의 두께 및 바리어층의 혼정비에 제한이 있지만(통상, 양자샘의 수 5개, 바리어층의 두께 6~20nm, 바리어층의 AlAs비 0.2~0.3), 횡접합형 레이저에서는 이들의 제한을 받지 않는다. 이리하여 도시한 바와 같은 전도대 Ec와 가전자대 Ev의 에너지대 구조가 얻어져, 양자샘에 캐리어가 주입되어서 잔자와 효율의 재결합에 의한 발광이 행하여 지고, 각 양자샘의 사이에서는 상호작용이 있기 때문에 출력광의 코히어런시가 유지된다. 또한, 클래드층과 최초의 양자샘과의 간격을 크게하고 있는 것은, 클래드층의 에너지 레벨이 높기 때문에, 다른 양자샘과 에너지대 구조의 상사성이 저하되지 않도록 하기 위한 것이다. 또, 양자샘을 활성층에 사용하는 것에 의해 전극간 용량이 극히 적은 값으로 된다.
또, p형 및 n형 캐리어 주입층(26)(28)의 매입영역은 통상 LPE(액층결정성장)법으로 형성된다. 블로킹층(27)은 p형 및 n형 캐리어 주입층(26)(28) 사이의 기판을 통한 리이크를 방지하도록 설치되어 있다.
그러나, 캐리어 주입층의 매입영역의 형성은, LPE 법에서는 AlxGa1-xAs 상에서의 성장이 반도체 레이저의 클래드층과 같이 x치가 높아지면 멜트가 산화되어 표면 산화막이 형성되어버려 곤란하다. 이때문에, 메사 에칭을 GaAs 기판(22)까지 행한 위에 그 GaAs 기판(22)에 매입할 필요가 있었다.
또, 이 구조에서는 횡방향으로 전류를 흘릴 때 기판을 거친 리이크 전류가 생기므로, 이것을 방지하기 위해서는 어느 한쪽의 매입영역에 블로킹 층(27) [ 제2도에서는 n측 캐리어 주입층(27)의 하부에 p형 AlAs몰 비 0.2~0.4의 AlGaAs 층]을 형성하지 않으면 안된다. 이 블로킹 층을 LPE 법으로 2인치 혹은 3인치 기판과 같은 대면적에 균일하게 제어해서 형성하는 것은 곤란하고, 디바이스 프로세스상 원료절약의 저하를 가져온다.
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위한 것으로, 원료의 공급이 개스 소오스로 되어있는 MO-VPE법(유기금속기상 결정성장법), 혹은 MO-MBE법(유기금속분자선 결정 성장법)등의 Al을 포함한 3원이상의 다원계의 결정성장이 가능한 결정성장법을 사용해서 AlxGa1-xAs(0.3
Figure kpo00001
x
Figure kpo00002
0.85) 상에 매입해서 재성장시키는 것에 의해 매입형 반도체 레이저를 제작하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해서 본 발명은, 반절연성 기판상에 형성되고, AlyGa1-yAs 활성층을 고비저항의 AlxGa1-xAs의 상부 및 하부 클래드층으로 끼운 메사상으로 형성된 더블 헤테로 구조(0.3
Figure kpo00003
x
Figure kpo00004
0.85, 0
Figure kpo00005
y
Figure kpo00006
0.45, 0
Figure kpo00007
yx), AlxGa1-xAs의 하부클래드층상에 매입해서 재성장에 의해 더블헤테로 구조를 끼워서 형성된 n형 및 p형의 AlzGa1-zAs(yz
Figure kpo00008
x) 캐리어 주입층 및 표면에 전극이 형성되는 n+형 및 p+형 접촉층으로 되는 반도체 레이저 및 매입형 반도체 레이저의 제조방법에 있어서, 원료의 공급원이 모두 개스 소오스로 되어있는 MO-VPE 혹은 MO-MBE 등의 결정성장법을 사용해서 AlxGa1-xAs(0.3
Figure kpo00009
x
Figure kpo00010
0.85) 상에 매입해서 재성장 시키는 것을 특징으로하는 반도체 레이저의 제조방법을 특징으로 하고 있다.
제1도는 본 발명에 관한 반도체 레이저의 구조를 표시한 도면이다. 도면중 1은 반절연성기판, 2는 하부클래드층, 3은 활성층, 4는 상부클래드층, 5는 p형 캐리어 주입층, 6은 p+접촉층, 7은 n형 캐리어 주입층, 8은 n+접촉층, 9, 10은 전극이다.
도면에 있어서, 제2도의 경우와 마찬가지로, 예를들면 0.3~0.5mm 정도의 두께의 반절연성기판(1)상에, 두께 3nm~500nm, 바람직하기는 10~300nm의 AlyGa1-yAs 활성층(3)을, AlxGa1-xAs 클래드층(2) (4)를 끼운 더블 헤테로(DH)구조(단, 0.3
Figure kpo00011
x
Figure kpo00012
0.85, 0
Figure kpo00013
y
Figure kpo00014
0.45, 0
Figure kpo00015
y
Figure kpo00016
x)를 형성한다. 상부 클래드층(4)은 0.5~2㎛, 하부클래드층(2)는 1~5㎛이다. 또한, 기판은 AlyGa1-yAs가 기상성장될 수 있으며 유리등의 아모르퍼스 기판이라도 되고, 저저항의 것이라도 된다. 또 활성층의 구조는, 상기 이외에 단일양자샘, 다중양자샘 혹은 이들의 활성층을 2층이상 포개서 형성한것이라도 된다.
그후, 제1도와 같이 p측 또는 n측의 어느 매입영역을 형성하기 위해서, AlxGa1-xAs(0.3
Figure kpo00017
x
Figure kpo00018
0.85)의 하부 클래드층(2)의 도중까지, 약 0.2~1㎛을 남기고 메사 에칭을 행하고 이 AlxGa1-xAs 상에 p측 또는 n측(12)의 캐리어 주입영역을 형성한다. 이 경우의 캐리어 농도는, p형 캐리어 주입층(5)에 있어서는 5×1017~2×1018cm-3, p+접촉층(6)에 있어서는 2×1018~5×1019cm-3, n형 캐리어 주입층(7)에 있어서는 5×1017~2×1018cm-3, n+ 접촉층(8)에 있어서는 1×1018~3×1019cm-3정도이다(Van der Pauw법에 의해 측정). 다음에 또 한편의 영역(12) 또는 영역(11)의 메사 에칭 및 매입성장을 행한다. 이리하여 매입층(5) (7) 및 접촉층(6) (8)으로 되는 영역(11) (12)을 형성한다. 종래에는 LPE법에 의해서 하고있기 때문에 AlxGa1-xAs의 표면산화막의 존재에 의해 결정성장이 곤란하고, 이때문에 GaAs 기판까지 파고 들어갔다. 이에 대하여, 본발명에서는 AlxGa1-xAs 상에의 재성장이 가능하고, 또한 SiO2, SiNx등의 보호막을 사용한 선택성장이 가능한 결정 성장법, 예를들면 칼륨원(트리메틸 칼륨), 비소원(아르신), 알루미늄원(트리메틸 알루미늄)등의 원료공급원이 모두 개스 소오스로 되어 있는 MO-VPE법 혹은 MO-MBE 법을 사용해서 매입하여 재성장시킨다. 단, 재성장직전에 그곳에서 HCl(염화수소)등을 사용한 기상에칭에 의해 AlxGa1-xAs 표면의 산화막의 제거를 행하고, AlzGa1-zAs(x
Figure kpo00019
zy) 매입층(5) (7)을 형성한다. 이때, 층(5) (7)은 활성층(7) 보다도 표면측면까지 성장시킨다. 이어서, PA∝GaAs(6), nA∝GaAs(8)의 접촉층을 형성한다. 접촉층상에는 전극(9) (10)이 증착에 의해 형성된다.
다음에 실시예를 설명한다.
감압 MO-VPE 법에 의해 성장온도 710~790℃, 성장압력 76Torr로 반절연성기판상에 순서대로 도우프되지 않는 (un)Al0.42Ga0.58As1.5㎛, un-GaAs 0.2㎛ 그리고 un-Al0.42Ga0.58As1.0㎛을 성장시킨다. 다음에 이 기판표면에 PCVD(프라즈마 화학기상 증착법)에 의해 Sinx막을 약 1500A 증착한다. 이 Sinx막에 레지스트를 도포하고, 자외선 노광법에 의해 한쪽면의 매입하는 영역의 패터어닝을 행하며, 충격 불산액(IHF : 24NH4F)으로 Sinx막을 벌려서, 레지스트를 제거한다. 그후, 인산과수계 에칭액(1H3PO4: 1H2O2: 3HOC2H5C2H5OH)으로 un-Al0.42Ga0.58As의 하부클래드층의 도중까지 약 1.7㎛ 메사 에칭을 하고, 감압 MO-VPE 법에 의해 710℃ Torr에 있어서, 순으로 n(또는 p)-Al0.32Ga0.68As1㎛, n(또는 p)-GaAs0.7㎛을 매입해서 성장한다. 이때 재성장직전에 HCl을 반응로내에 도입하고, 재성장표면의 약 0.05~0.2㎛을 기상 에칭에 의해 제거한다.
다음에, 동일한 프로세스를 사용해서 GaAs(y=0) 활성층의 횡폭이 약 0.15㎛이 되도록 메사 에칭을 행하고, 또 한편의 p(또는 n) 형의 매입영역을 형성한다. 그후 n측 및 p측 영역의 표면에 전극으로서 각각(에피측) AuGe/Ni/Au(표면측), (에피측) AuZn/Ni/Au(표면측)를 증착한다. 또, 상기 레이저의 작성 프로세스로서, 습식 에칭 대신에 반응로내에서 상기 보호막을 사용해서 HCl 등의 가스를 도입하고, 기상 습식 에칭으로 메사 에칭을 행하며, 그대로 매입 재성장을 행할 수도 있다. 이와같이해서 제작한 레이저는 재현성 좋고, 레이저 발진에 성공하였다. 그러나, 성장직전에 반응로 내에서 기상에칭을 행하지 않은 샘플은 모두 발진에 이르지 않았다.
제1도에 표시한 횡접합 매입 헤테로 구조에 있어서, 5양자샘 구조로하고, 공진기장 160㎛, 활성층의 폭 2.0㎛, 활성층의 두께 230nm, 바리어층의 두께 19nm, 양자샘의 두께 11nm 상은, 연속발진 동작을 행한바, 쓰레쉬홀드치전류 9.5mA, 순방향전극간 저항 34Ω, 14mA에 있어서 발진파장 868~870nm에서 1.8mW의 출력광이 얻어졌다. 또, 전극간 용량에 대해서는 0.042pF(영 바이어스시)라는 극히 적은 값이 얻어졌다.
이상과 같이 본 발명에 의하면, 횡방향으로 캐리어를 주입하는 구조의 레이저에 있어서, 원료의 공급원이 모두 개스 소오스로 되어있는 MO-VPE 혹은 MO-MBE 등의 결정성장법을 사용해서 고저항의 AlxGa1-xAs의 클래드층의 위에 매입재성장에 의해 캐리어 주입층을 형성하는 것에 의해,
① 기판까지 매사 에칭할 필요가 없고, 별도 블로킹층을 형성할 필요가 없어진다.
② 기판의 영향도 없어진다.
③ 전극간 용량을 작게하고, 그 결과 시정수를 작게하는 것이 가능하게 된다.
④ 이들의 바이어스는, 초고속도 응답 디바이스, 예를들면 포토커플러, OEIC 등의 제조에 사용할 수가 있다.
⑤ 클래드층에 의해 소자사이가 전기적으로 절연되고, 더욱이 플레이어 공정에서 작성되기 때문에 모노리딕하게 다른 전자회로 및 광회로와의 집적화가 가능하게 된다.
⑥ 원료절약저하의 원인의 하나인 블로킹 층을 형성할 필요가 없어지기 때문에 공정이 간단화 된다.

Claims (5)

  1. 반절연성 기판상에 형성되어, AlyGa1-yAs 활성층을 고비저항의 AlxGa1-xAs의 상부 및 하부 클래드층으로 끼운 메사상으로 형성된 더블 헤테로구조(0.3
    Figure kpo00020
    x
    Figure kpo00021
    0.85, 0
    Figure kpo00022
    y
    Figure kpo00023
    0.45, 0
    Figure kpo00024
    yx), AlxGa1-xAs의 하부클래드층 상에 매입해서 재성장에 의해 더블헤테로 구조를 끼워서 형성된 n형 및 p형의 AlzGa1-zAs(yz
    Figure kpo00025
    x) 캐리어 주입층 및 표면에 전극이 형성되는 n+형 및 p+형 접촉층으로 되는 반도체 레이저.
  2. 매입 재성장에 의한 캐리어 주입층의 형성은, 원료의 공급원이 모두 개스 소오스로 되어있는 MO-VPE 혹은 MO-MBE 등의 결정성장법을 사용해서 행하는 것을 특징으로하는 제1항 기재의 반도체 레이저.
  3. 횡방향에 pn 접합을 갖는 제1항 기재의 반도체 레이저.
  4. 매입형 반도체 레이저의 제조방법에 있어서, 원료의 공급원이 모두 개스 소오스로 되어있는 MO-VPE 혹은 MO-MBE 등의 결정성장법을 사용해서 AlxGa1-xAs(0.3
    Figure kpo00026
    x
    Figure kpo00027
    0.85) 상에 매입해서 재성장 시키는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저의 제조방법.
  5. 재성장 직전에 기상에칭에 의해 AlxGa1-xAs 표면의 산화막의 제거를 행하는 제4항 기재의 반도체 레이저의 제조방법.
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