KR0155514B1 - 횡모드 조절 고출력 레이저 다이오드 및 그의 제조방법 - Google Patents

횡모드 조절 고출력 레이저 다이오드 및 그의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 횡모드 조절 고출력 레이저 다이오드 및 그의 제조방법에 관한 것으로서, 릿지 하부 양측의 활성층에 Si, Zn, Be 또는 플로톤 등의 불순물을 이온 주입하고 고온에서 활성화시키지 않아 반절연된 전류차단영역에 의해 전류가 퍼지지 않도록 하여 고출력 동작시 높은 차수의 횡모드가 발생되는 것을 방지한다.
따라서, 레이저 다이오드 모듈에서 출력되는 광량과 광출력의 안정도를 향상시키도록 고출력 동작시 고차 모드 발생에 의한 방사 패턴의 변화를 방지할 수 있다.

Description

횡모드 조절 고출력 레이저 다이오드 및 그의 제조방법
제1도는 종래 기술에 따른 횡모드 조절 고출력 레이저 다이오드의 단면도.
제2도는 본 발명에 따른 횡모드 조절 고출력 레이저 다이오드의 단면도.
제3도 (a) 내지 (c)는 본 발명에 따른 횡모드 조절 고출력 레이저 다이오드의 제조 공정도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
31 : 반도체 기판 37 : 활성층
33,41 : 제1 및 제2클래드층 35,39 : 제1 및 제2광도파로층
42 : 릿지 43 : 오믹접촉층
44 : 그루브 45 : 절연층
46 : 전류차단영역 47,49 : N형 및 P형 전극
본 발명은 횡모드 조절 고출력 레이저 다이오드(Laser Diode) 및 그의 제조 방법에 관한 것으로서, 특히, 고출력 동작시 안정된 기본 모드로 동작하여 광의 효율을 향상시킬 수 있는 횡모드 조절 고출력 레이저 다이오드 및 그의 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로, 고출력 레이저 다이오드는 광섬유 증폭기의 여기용(pumping) 광원으로 사용된다. 특히, 광섬유 증폭기의 광증폭율이 레이저 다이오드의 광 출력에 비례하므로 0.98㎛ 정도의 파장대에서 동작하는 고출력 레이저 다이오드의 광출력을 향상시키는 것이 중요하다.
광섬유 증폭기에 사용하기 위한 광섬유가 부착된 고출력 레이저 다이오드 모듈은 레이저 다이오드의 출력을 높이거나, 또는, 레이저 다이오드와 부착되는 광섬유 사이의 광 결합 효율을 높여 출력을 향상시킬 수 있다.
상기에서 레이저 다이오드에서 출력되는 광이 손실없이 광섬유 내로 주입되도록 하여 레이저 다이오드와 부착되는 광섬유 사이의 광 결합 효율을 높일 수 있다.
그러므로, 상기 레이저 다이오드에서 출력되는 광의 방사 패턴의 각을 작게하고 레이저 다이오드의 동작 조건에 따라 방사 패턴의 중심축이 항상 일정하도록 하여야 한다.
제1도는 종래 기술에 따른 횡모드 조절 고출력 레이저 다이오드의 단면도이다.
상기 레이저 다이오드는 Si 등의 N형 불순물이 도핑된 GaAs로 이루어진 N형 반도체 기판(11)의 상부에 N형 InGaP의 제1클래드층(13), 불순물이 도핑되지 않은 InGaAsP의 제1 광도파로층(15), 불순물이 도핑되지 않은 활성층(17), 불순물이 도핑되지 않은 InGaAsP의 제2광도파로층(19), 길이 방향으로 길게 형성된 2개의 그루브(groove : 24) 사이에 소정 폭 (W1)을 갖는 릿지(redge); 22 를 포함하는 Zn 또는 Be 등의 불순물이 도핑된 P형 InGaP의 제2클레드층(21)이 순차적으로 결정 성장된다.
그리고, 릿지(22)를 포함하는 제2클래드층(21)의 상부에 P형의 오믹접촉층(23)이 형성되고, 상기 릿지(22) 상부에 형성된 오믹접촉층(23)의 상부에 P형 전극(29)이 형성되며, 전술한 구조의 P형 전극(29)을 제외한 전면에 SiO2등의 절연물질로 이루어진 절연층(25)이 형성되고, 상기 반도체 기판(11)의 하부 표면에 각기 형성된 N형 전극(27)이 형성되어 이루어진다.
상술한 구조의 레이저 다이오드는 활성층(17)이 불순물이 도핑되지 않은 InGaAs/ InGaAsP가 하나의 쌍(pair)을 이루는 다수개의 쌍으로 이루어진 다중 양자 우물 구조로 형성되며 상기 N형 및 P형 전극(27),(29)을 통해 입력되는 전자와 정공의 재결합에 의해 광을 발생한다.
상기에서, P형 전극(29)을 통해 주입되는 정공이 릿지(22)에 제한되므로 활성층(17)에서는 릿지(22) 하부 영역에서만 이득이 발생되어 광을 생성한다.
상기 생성된 광은 수직 방향으로는 활성층(17)과 제1 및 제2광도파로층(15),(19)과 제1 및 제2클래드층(13),(21)의 굴절률의 차이에 의해, 그리고, 수평 방향으로는 활성층(17)이 릿지(22)의 하부 부분과 그 이외의 부분에서 유효 굴절률이 다르므로 제한된다.
그러므로, 상기 생성된 광은 그루브(24) 사이의 활성층(17)으로 집속된다.
따라서, 상기 릿지(22)의 폭(W1)을 상기 레이저 다이오드의 고출력화를 위해 활성층(17)의 단면 크기가 단일 횡모드를 유지할 수 있는 범위 내에서 가능한 크게 한다.
그러나, 상술한 레이저 다이오드는 높은 전류를 주입하여 고출력 동작을 시키면 전류의 퍼짐 현상에 의해 기본 횡 모드의 유지가 어렵게 되고 높은 차수의 횡모드가 활성층의 단면 가장자리에서 높은 이득을 얻어 발진하므로 출사면에서 출력되는 광의 방사 패턴을 변화시킨다.
즉, 기본 횡모드로 동작할 때의 방사 패턴의 중심축은 공진기의 축과 일치하나 고차 모드가 발진하면 단원 형태가 아닌 방사 패턴을 유지하게 된다.
그러므로, 기본 횡모드 동작을 기준으로 광섬유를 광학적으로 정렬시킨 레이저 다이오드 모듈은 광섬유로 결합되는 광량이 변하게 되어 출력되는 광량을 저하시킬 뿐만 아니라 광출력의 안정도를 저하시키는 문제점이 있었다.
따라서, 본 발명의 목적은 레이저 다이오드 모듈에서 출력되는 광량과 광출력의 안정도를 향상시키도록 고출력 동작시 고차 모드 발생에 의한 방사 패턴의 변화를 방지할 수 있는 레이저 다이오드 및 그의 제조방법을 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 레이저 다이오드는 제1도전형의 반도체 기판과, 상기 반도체 기판의 상부에 형성된 제1도전형의 제1클래드층과, 상기 제1클래드층의 상부에 불순물이 도핑되지 않고 형성된 제1광도파로층과, 상기 제1광도파로드층의 상부에 불순물이 도핑되지 않은 상기 제1광도파로층 보다 광굴절률이 큰 물질이 양자우물 구조로 형성된 활성층과, 상기 활성층의 소정 부분에 소정 거리 이격되어 길이 방향으로 길게 형성되어 반절연성을 갖는 전류차단영역과, 상기 활성층의 상부에 불순물이 도핑되지 않은 상기 활성층 보다 광굴절률이 작은 상기 제1광도파로층과 동일한 물질로 형성된 제2광도파로층과, 상기 제2광도파로층 상부에 상기 전류차단영역과 대응하도록 길이 방향으로 길게 형성된 그루브 사이에 소정 폭을 갖는 릿지를 포함하는 제2도전형의 제2클래드층과, 상기 제2클래드층의 상부에 형성된 불순물이 고농도로 도핑된 제2도전형의 오믹접촉층과, 상기 반도체 기판의 하부 표면과 상기 릿지의 오믹접촉층에 형성된 제1 및 제2 도전형 전극을 포함한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 레이저 다이오드의 제조방법은 제1도전형의 반도체 기판 상에 제1도전형의 제1클래드층, 불순물이 도핑되지 않은 제1광도파로층, 불순물이 도핑되지 않은 활성층, 불순물이 도핑되지 않은 제2광도파로층, 제2도전형의 제2클래드층 및 제2도전형의 오믹접촉층을 순차적으로 결정 성장하는 공정과, 상기 오믹접촉층의 상부의 소정 부분에 소정폭을 가지는 마스크 패턴을 길이 방향으로 길게 형성하는 공정과, 상기 마스크 패턴을 식각 마스크로 사용하여 상기 제2광도파로층이 노출되도록 오믹접촉층 및 제2클래드층을 식각하여 그루브를 형성하고 리지를 한정하는 공정과, 상기 그루브 하부의 활성층에 이온 주입하여 전류차단영역을 형성하는 공정과, 상기 마스크를 제거하고 전술한 구조의 전 표면에 절연층을 형성하고 포토리소그래피 방법으로 상기 릿지 상부의 오믹접촉층을 노출시키는 공정과, 상기 반도체 기판의 하부 표면과 오믹접촉층의 노출된 부분에 1 및 제2전극을 형성하는 공정을 구비한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.
제2도는 본 발명에 따른 횡모드 조절 고출력 레이저 다이오드의 단면도이다.
상기 레이저 다이오드는 Si 등의 N형 불순물이 도핑된 GaAs 로 이루어진 N형 반도체 기판(31)의 상부에 N형 InGaP의 제1클래드층(33), 불순물이 도핑되지 않은 InGaAsP의 제1광도파로층(35), 불순물이 도핑되지 않은 활성층(37), 불순물이 도핑되지 않은 InGaAsP의 제2광도파로층(39), 길이 방향으로 길게 형성된 2개의 그루브(44) 사이에 소정 폭(W2)을 갖는 릿지(42)를 포함하는 P형 InGaP의 제2클래드층(41)이 순차적으로 결정 성장되며, 상기 그루브(44) 하부의 활성층(37)에 전류차단 영역(46)이 형성된다.
그리고, 릿지(42)를 포함하는 클래드층(41)의 상부에 P형의 오믹접촉층(43)이 형성되고, 상기 릿지(42) 상부에 형성된 오믹접촉층(43)의 상부에 P형 전극(49)이 형성되며, 전술한 구조의 P형 전극(49)을 제외한 전면에 SiO2등의 절연물질로 이루어진 절연층(45)이 형성되고, 상기 반도체 기판(31)의 하부 표면에 각기 형성된 N형 전극(47)이 형성되어 이루어진다.
상기 반도체 기판(31)은 소정 길이(L)를 가지며 Si 등의 불순물이 5 × 1017cm-3~ 5 × 1018cm-3정도로 도핑된 N형 GaAs로 이루어진다.
제1클래드층(33)은 Si 등의 불순물이 5 × 1017cm-3~ 5 × 1018cm-3정도로 도핑되어 12000~18000Å 정도의 두께로 결정 성장된 N형 InGaP로 이루어지며 반도체 기판(31)과 상부에 결정성장 되는 층들 사이에 격자부정합(lattice mismatch)이 발생되는 것을 방지한다. 또한, 제1클래드층(33)은 광의 굴절률이 상기 제1광도파로층(35) 보다 작게된다.
활성층(37)은 불순물이 도핑되지 않은 InGaAs/ InGaAsP가 하나의 쌍(pair)을 이루는 다수개의 쌍이 500~1500Å 정도의 두께로 다중 양자 우물 구조를 갖거나, 또는, 불순물이 도핑되지 않은 InGaAs가 60~120Å 정도의 두께로 결정성장되어 형성되며 상기 N형 및 P형 전극(47),(49)을 통해 입력되는 전자와 정공의 재결합에 의해 광을 발생한다.
상기에서 활성층(37)이 불순물이 도핑되지 않은 InGaAs로 형성되면 제1 및 제2광도파로층(35),(39)과 양자우물 구조를 갖는다.
또한, 상기 활성층(37)의 소정 부분에 전류의 퍼짐을 방지하는 전류 차단영역(46)이 형성된다. 상기 전류차단영역(46)은 Si, Zn, Be 또는 플로톤(Proton : H3) 등의 불순물이 이온 주입되고 활성화되지 않아 반절연을 이룬다.
그러므로 상기 활성층(39)에서 발생되는 광은 상기 전류차단영역(46)의 사이에 한정된다.
제1 및 제2광도파로층(35),(39)은 불순물이 도핑되지 않은 InGaAsP가 400~900Å 정도의 두께로 결정성장되며, 상기 활성층(37) 보다 굴절률이 작아 발생된 광을 수평 방향으로 활성층(37)에 제한하여 굴절율 도파를 이루도록 한다.
제2클래드층(41)은 Zn 또는 Be 등의 P형 불순물이 5 × 1017cm-3~ 1 × 1018cm-3정도로 도핑된 InGaP가 12000~18000Å 정도의 두께로 결정 성장되며, 상기 제1 및 제2광도파로층(35),(39) 보다 굴절률이 작다.
그리고, 제2클래드층(41)은 2개의 그루브(44)에 의해 소정 폭(W2)을 갖는 릿지(42)가 한정된다.
상기 릿지(42)는 전류차단영역(46)과 함께 활성층(37)에서 발생되는 광을 수평 방향으로 한정하여 이득 도파를 이루도록 한다.
오믹접촉층(43)은 아연(Zn) 등이 1 × 1019cm-3이상의 고농도로 도핑된 GaAs가 2000~4000Å 정도의 두께로 형성되어 P형 전극(49)이 오믹접촉을 이루도록 한다.
N형 및 P형 전극(47),(49)은 각기 아연이 도핑된 금(Au)과 크름(Cr)/금으로 반도체 기판(31) 및 오믹접촉층(43)의 표면에 오믹접촉을 이루도록 형성된다.
절연층(45)은 SiO2또는 Si3NX등의 절연물로 P형 전극(49)을 제외한 오믹접촉층(43), 제2클래드층(41) 및 제2광도파로층(39)의 노출면에 형성된다.
상술한 구조의 레이저 다이오드는 활성층(37)이 불순물이 도핑되지 않은 InGaAs/ InGaAsP가 하나의 쌍(pair)을 이루는 다수 개의 쌍으로 이루어진 다중 양자 우물 구조로 형성되며 상기 N형 및 P형 전극(47),(49)을 통해 입력되는 전자와 정공의 재결합에 의해 광을 발생한다.
상기에서 P형 전극(49)을 통해 주입되는 정공이 릿지(42) 뿐만 아니라 전류차단영역(46)에 의해 제한되므로 활성층(37)에서는 전류차단영역(46)의 사이에서만 이득이 발생되어 광이 생성된다.
또한, 상기 제1 및 제2광도파로층(35),(39)과 제1 및 제2클래드층(33),(41)의 굴절률이 활성층(37) 보다 작으므로 활성층(37)에서 발생된 광은 수직 방향으로는 활성층(37) 내로 제한된다.
그러므로, 활성층(37)에서 생성된 광은 전류차단영역(46)에 의해 도파로의 가장자리 부분에 의한 이득을 억제하여 고차 모드의 발생을 방지하고 높은 광 출력에서도 기본 횡 모드로 발진한다.
상기에서, 전류차단영역(46)의 저항이 커질수록 고출력에서 기본 횡모드의 유지가 용이하다.
제3도 (a) 내지 (c)는 본 발명에 따른 횡모드 조절 고출력 레이저 다이오드의 제조 공정도이다.
제3도 (a)를 참조하면, N형 GaAs의 반도체 기판(31) 상에 N형 InGaP의 제1클래드층(33), 불순물이 도핑되지 않은 제1광도파로층(35), 불순물이 도핑되지 않은 활성층(37) 및 불순물이 도핑되지 않은 제2광도파로층(39), P형 InGaP 의 제2클래드층(41) 및 P형 GaAs의 오믹접촉층(43)을 LPE(Liquide Phase Epitaxy) 또는 MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition) 방법에 의해 순차적으로 형성한다.
상기에서, 반도체 기판(31)은 소정 길이(L)를 가지며 Si 등의 불순물이 5 × 1017cm-3~ 1 × 1018cm-3정도로 도핑된 N형 GaAs로 이루어지며, 제1클래드층(33)은 Si 등의 불순물이 5 × 1017cm-3~ 5 × 1018cm-3정도로 도핑되어 InGaP 가 12000~18000Å 정도의 두께로 형성된다.
그리고 활성층(37)은 불순물이 도핑되지 않은 InGaAs/ InGaAsP 가 하나의 쌍(pair)을 이루는 다수개의 쌍이 다중 양자 우물 구조로 500~1500Å 정도의 두께로 형성된다.
상기 제1 및 제2광도파로층(35),(39)은 불순물이 도핑되지 않은 InGaAsP 가 400~900Å 정도의 두께로 형성되며, 제2클래드층(41)은 Zn 또는 Be 등의 P형 불순물이 5 × 1017cm-3~ 5 × 1018cm-3정도로 도핑된 InGaP가 12000~18000Å 정도의 두께로 형성된다.
그리고, 오믹접촉층(43)은 아연(Zn)등이 1 × 1019cm-3이상의 고농도로 도핑된 GaAs가 2000~4000Å 정도의 두께로 형성된다.
제3도 (b)를 참조하면, 상기 오믹접촉층(43)의 상부의 소정 부분에 통상의 포토리쏘그래피 방법에 의해 SiO2또는 Si3NX(X ≒ 4) 등으로 2000~3000Å 정도의 두께와 소정 폭(W2)을 갖는 마스크 패턴(51)을 길게 형성한다.
그리고, 상기 마스크 패턴(51)을 식각 마스크로 사용하여 상기 제2광도파로층(39)이 노출되도록 오믹접촉층(43) 및 제2클래드층(41)을 습식 또는 건식 방법으로 식각하여 그루브(44)를 형성하여 리지(42)를 한정한다.
그리고, 전술한 구조의 전면에 Si, Zn, Be 또는 플로톤 등의 불순물을 이온 주입한다.
이때, 불순물은 그루브(44) 하부의 활성층(37)에 주입되어 전류차단영역(46)을 형성하는데, 그루브(44) 이외의 부분은 상기 마스크 패턴(51)에 의해 불순물이 주입되지 않는다.
일반적으로, Si, Zn, Be 또는 플로톤 등의 불순물을 이온 주입한 후 주입된 불순물 이온을 활성화시키지 않으면 반절연 또는 절연 영역이 형성된다.
그러므로, 상기 이온 주입 후 불순물을 활성화시키기 위한 900~1000℃ 정도의 고온에서 실시하는 열처리 공정을 하지 않는다.
제3도 (c)를 참조하면, 상기 마스크 패턴(51)을 제거한다.
그리고, 상술한 구조의 전 표면에 SiO2또는 Si3NX을 증착하여 절연층(45)을 형성한다.
그 다음, 상기 절연층(45)의 상부에 포토레지스트층(도시되지 않음)을 형성한 후 통상의 노광 및 현상 방법에 의해 리지(42) 상부의 오믹접촉층(43)을 노출시키고 상기 포토레지스트층을 제거한다.
계속해서, 반도체 기판(31)의 하부 표면과 오믹접촉층(43)의 노출된 부분에 각기 금(Au)과 크롬(Cr)/금 등의 도전성이 좋은 금속으로 N형 및 P형 전극(47),(49)을 형성한다.
상술한 바와 같이 본 발명은 릿지 하부 양측의 활성층에 Si, Zn, Be 또는 플로톤 등의 불순물을 이온 주입하고 고온에서 활성화시키지 않아 반절연된 전류차단영역에 의해 전류가 퍼지지 않도록 하여 고출력 동작시 높은 차수의 횡모드가 발생되는 것을 방지한다.
따라서, 본 발명은 레이저 다이오드 모듈에서 출력되는 광량과 광출력의 안정도를 향상시키도록 고출력 동작시 고차 모드 발생에 의한 방사 패턴의 변화를 방지할 수 있는 잇점이 있다.

Claims (5)

  1. 제1도전형의 반도체 기판과, 상기 반도체 기판의 상부에 형성된 제1도전형의 제1클래드층과, 상기 제1클래드층의 상부에 불순물이 도핑되지 않고 형성된 제1광도파로층과, 상기 제1광도파로층의 상부에 불순물이 도핑되지 않은 상기 제1광도파로층 보다 광굴절률이 큰 물질이 양자우물 구조로 형성된 활성층과, 상기 활성층의 소정 부분에 소정 거리 이격되어 길이 방향으로 길게 형성되어 반절연성을 갖는 전류차단영역과, 상기 활성층의 상부에 불순물이 도핑되지 않은 상기 활성층보다 광굴절률이 작은 상기 제1광도파로층과 동일한 물질로 형성된 제2광도파로층과, 상기 제2광도파로층 상부에 상기 전류차단영역과 대응하도록 길이 방향으로 길게 형성된 그루브 사이에 소정 폭을 갖는 릿지를 포함하는 제2 도전형의 제2클래드층과, 상기 제2클래드층의 상부에 형성된 불순물이 고농도로 도핑된 제2도전형의 오믹접촉층과, 상기 반도체 기판의 하부 표면과 상기 릿지의 오믹접촉층에 형성된 제1 및 제2도전형 전극을 포함하는 횡모드 조절 고출력 레이저 다이오드.
  2. 제1항에 있어서, 상기 전류차단층은 Si, Zn, Be 또는 플로톤(Proton : H3) 의 불순물이 이온 주입하여 형성된 횡모드 조절 고출력 레이저 다이오드.
  3. 제1도전형의 반도체 기판 상에 제1도전형의 제1클래드층, 불순물이 도핑되지 않은 제1광도파로층, 불순물이 도핑되지 않은 활성층, 불순물이 도핑되지 않은 제2광도파로층, 제2도전형의 제2클래드층 및 제2도전형의 오믹접촉층을 순차적으로 결정 성장하는 공정과, 상기 오믹접촉층의 상부의 소정 부분에 소정 폭을 가지는 마스크 패턴을 길이 방향으로 길게 형성하는 공정과, 상기 마스크 패턴을 식각 마스크로 사용하여 상기 제2광도파로층이 노출되도록 오믹접촉층 및 제2클래드층을 식각하여 그루브를 형성하고 리지를 한정하는 공정과, 상기 그루브 하부의 활성층에 이온 주입하여 전류차단영역을 형성하는 공정과, 상기 마스크를 제거하고 전술한 구조의 전 표면에 절연층을 형성하고 포토리소그래피 방법으로 상기 릿지 상부의 오믹접촉층을 노출시키는 공정과, 상기 반도체 기판의 하부 표면과 오믹접촉층의 노출된 부분에 1 및 제2전극을 형성하는 공정을 구비하는 횡모드 조절 고출력 레이저 다이오드의 제조방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 마스크 패턴을 SiO2또는 Si3NX으로 형성하는 횡모드 조절 고출력 레이저 다이오드의 제조방법.
  5. 제3항에 있어서, 전류차단층을 Si, Zn, Be 또는 플로톤을 이온 주입하여 형성하는 횡모드 조절 고출력 레이저 다이오드의 제조방법.
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