KR100192231B1 - 반도체 레이저 다이오드의 구조 및 그의 제조방법 - Google Patents

반도체 레이저 다이오드의 구조 및 그의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 반도체 레이저 다이오드에 관한 것으로, 특히 COP, CD-ROM의 응용소자로 쓰이는 레이저 다이오드에 있어서, 작은 비점수차를 가지므로 광픽업 효율을 향상시키고 고출력 레이저 다이오드를 적당한 반도체 레이저 다이오드의 구조 및 그의 제조방법을 제공하기 위한 것이다.
이를 위한 본 발명의 반도체 레이저 다이오드의 구조 및 그의 제조방법은 제1도전형 기판상에 제1도전형 버퍼층, 제1도전형 제1클래드층, 활성층을 순차적으로 형성하는 단계와, 상기 활성층 상부에 제2도전형 제1클래드층, 제2도전형 식각 저지층을 순차적으로 형성하는 단계와, 상기 제2도전형 식각 저지층 상부에 메사형태의 홈을 가지며, 상기 홈의 진행방향에 수직한 일측면과 상기 일측면을 제외한 부분이 단자를 갖도록 사진석판술 및 화학 식각용액을 이용하여 전류제한층을 형성하는 단계와, 상기 전류 제한층 상부에 제2도전형 제2클래드층, 제2도전형 캡층을 순차적으로 형성하는 단계와, 상기 제1도전형 기판 하부와 상기 제2도전형 캡층 상부에 각각 제1도전형 전극과 제2도전형 전극을 형성하는 단계를 포함하여 이루어짐을 특징으로 한다.

Description

반도체 레이저 다이오드의 구조 및 그의 제조방법
제1도는 종래 반도체 레이저 다이오드의 구조단면도.
제2도 (a)~(c)는 종래 반도체 레이저 다이오드의 공정단면도.
제3도는 본 발명의 제1실시예에 따른 반도체 레이저 다이오드의 구조단면도.
제4도 (a)~(d)는 본 발명의 제1실시예에 따른 반도체 레이저 다이오드의 공정단면도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
21 : n형 GaAs 기판 22 : n형 GaAs 버퍼층
23 : n형 AlGaAs 클래드층 24 : AlGaAs 활성층
23 : 제1 P형 AlGaAs 클래드층 26 : P형 InGaP 식각 저지층
27 : n형 GaAs 전류 제한층 28 : 제2 P형 AlGaAs 클래드층
29 : P형 GaAs 캡(Cap)층 30 : n형 전극
31 : P형 전극
본 발명은 반도체 레이저 다이오드에 관한 것으로, 특히 COP, CD-ROM의 응용소자로 쓰일 때 적은 비점수차를 가짐으로서 광픽업 효율을 향상시키고 고출력 LD(Laser Diode)를 구현하는데 적당하도록 한 반도체 레이저 다이오드의 구조 및 그의 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 반도체 레이저 다이오드에서 보다 효율적인 레이저를 얻기 위해서는 레이저 구조에 다중층을 쓸 필요가 있다.
즉, AlGaAs층 사이에 활성층의 GaAs층을 끼워 줌으로서 보다 낮은 개선을 이룰 수 있다.
이중-이종접합(Doulbe-heterojunction) 구조는 주입된 캐리어를 활성영역에 더욱 제한시키며 GaAs-AlGaAs 경계에서의 굴절률의 변화는 발생되는 광파를 한 곳으로 모으게 된다.
이와 같은 레이저는 광섬유 통신 시스템에 적합한 레이저 개발에 큰 진보를 가져왔다.
이하, 첨부도면을 참조하여 종래 반도체 레이저 다이오드의 구조를 설명하면 다음과 같다.
제1도는 종래 반도체 레이저 다이오드의 구조를 나타낸 구조단면도이고, 제2도는 (a)~(c)는 종래 반도체 레이저 다이오드 구조에 따른 제조공정 단면도이다.
먼저, 종래 반도체 레이저 다이오드의 구조는 제1도에서와 같이, 기판(1)상에 적층 형성되는 n형 GaAs 버퍼층(2), 클래드층(3), 활성층(4)과, 상기 활성층(4) 상부에 적층 형성되는 제1 P형 클래드층(5), 식각 저지층(6)과, 상기 식각 저지층(6) 상부에 메사형태의 홈을 갖고 형성되는 전류 제한층(7), 상기 전류 제한층(7) 상부에 적층 형성되는 제2 P형 클래드층(8), 캡(Cap)층(9), 상기 기판(1) 하부와 상기 P형 캡층(9) 상부에 형성되는 제2, 제2전극(10)(11)을 포함하여 이루어진다.
상기와 같은 구조를 갖는 종래 반도체 레이저 다이오드의 제조방법을 제2도 (a)~(c)를 참조하여 설명하면 다음과 같다.
즉 제2도 (a)에서와 같이, n GaAs 기판(1)상에 n-GaAs 버퍼층(2), n-AlGaAs 클래드층(Clad)층(3), AlGaAs 활성층(4) 및 제1 P-AlGaAs 클래드층(5), P-InGaP 식각 저지층(6), n-GaAs 전류 제한층(7)(CBL: Current Blokcing Layer)을 MOCVD(Metal Organic CVD)법을 이용하여 순차적으로 증착한다.
이어 제2도 (b)에서와 같이, 전류통로를 만들기 위해 상기 n-GaAs 전류제한층(7) 상부에 감광막(도시하지 않음)을 도포하여 사진석판술 및 화학식각방법을 통해 상기 P-InGaP 식각 저지층(6)이 노출되도록 상기 n-GaAs 전류 제한층(7)의 중앙 부위와 V형의 홈을 형성한다.
이어서 제2도 (c)에서와 같이, V형의 홈이 형성된 n-GaAs 전류 제한층(7) 전면에 제2-AlGaAs 클래드층(8)과 P-GaAs 캠(Cap)층(9)을 차례로 증착한다.
그리고 상기 n+GaAs 기판(1)의 두께가 약 100㎛ 정도가 되도록 상기 n+GaAs 기판(1)의 하부를 연마한 후, 상기 n+GaAs 기판(1) 하부와 상기 P-GaAs 캡층(9) 상부에 각각 제1, 제2전극(10)(11)을 형성하므로서 종래 반도체 레이저 다이오드의 제조공정을 완료하게 된다.
따라서 상기 제1, 제2전근(10)(11)에 전압을 인가하면 상기 n-AlGaAs 클래드층(3)으로부터 전자들이 그리고 상기 제1, 제2 P-AlGaAs 클래드층(5)(8)으로부터 정공들이 전압인가에 따른 전계에 의해 에너지 밴드 캡(Energy Band Gap)이 작은 AlGaAs 활성층(4)으로 모여든다.
이대 상기 AlGaAs 활성층(4)에서는 전자와 정공의 재결합(Recombination)이 이루어져 상기 AlGaAs 활성층(4)의 밴드 갭(Band Gap)에 해당하는 에너지를 빛으로 방출하게 된다.
상기 방출된 빛은 레이저 다이오드의 캐비티(Cavity)를 왕복하면서 유도방출을 유도하고 이 유도방출에 의해 빛의 파워(Power)는 증가하며 모노리틱(Monolithic)하게 되어 레이저가 방출된다.
그러나 상기와 같은 종래 반도체 레이저 다이오드의 구조는 광의 방사 원시야상(Far Field Pattern) 즉, 광의 방출방향과 수직인 원시야상의 방사각(θ2)은 약 35°광의 방출방향과 수평한 원시야상의 방사각(θ11)은 약 35°정도 되므로 비점수차가 크게 되어 CDP나 CD-롬 등의 광 픽업(Pick-up) 효율이 저하되는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로, V형 홈의 폭 및 두께를 조절하여 작은 비점수차를 갖고 광 픽-업 효율을 향상시키는데 적당한 반도체 레이저 다이오드의 구조 및 그의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 잇다.
상기 목적을 당성하기 위한 본 발명의 반도체 레이저 다이오드의 구조는 제1도 전형기판상에 적층 형성되는 제1도전형 버퍼층, 클래드층, 활성층과, 상기 제1도전형 상부에 적층 형성되는 제2도전형 제1클래드층, 제2도전형 식각 저지층, 상기 제2도전형 식각 저지층 상부에 메사형태의 홈을 가지며, 상기 홈의 진행방향에 수직한 일측면과 상기 일측면을 제외한 부분이 단차를 갖고 형성되는 전류층, 상기 전류 제한층 상부에 적층 형성되는 제2도전형 제1클래드층, 제2도전형 캡층, 상기 제1도전형 기판 하부와 상기 제2도전형 캡층 상부에 각각 형성되는 제1도전형 전극과 제2도전형 전극을 포함하여 이루어짐을 특징으로 한다.
이하, 본 발명의 반도체 레이저 다이오드의 구조를 설명하면 다음과 같다.
제3도는 본 발명의 제1실시예에 따른 반도체 레이저 다이오드의 구조를 나타낸 구조단면도이고, 제4도 (a)~(d)는 본 발명의 제1실시예에 따른 반도체 레이저 다이오드의 제조공정단면도이다.
먼저, 본 발명의 제1실시예에 따른 반도체 레이저 다이오드의 구조는 제3도에 나타낸 바와 같이, 기판(21)상에 적층 형성되는 n형 GaAs 버퍼층(22), 클래드층(23), 활성층(24)과 상기 n형 활성층(24) 상부에 적층 형성되는 제1 P형 클래드층(25), 식각 저지층(26), 상기 식각 저지층(26) 상부에 메사형태의 홈을 가지며 일측면과 상기 일측면을 제외한 부분이 서로 단차를 갖고 형성되는 전류 제한증(27)과, 상기 전류 제한층(27) 상부에 적층 형성되는 제2 P형 클래드층(28), 캡(Cap)층(29), 상기 기판(21) 하부와 상기 P형 캡(29)층 상부에 형성되는 제1, 제2전극(30)(31)을 포함하여 이루어진다.
상기와 같은 구조를 갖는 본 발명의 제1실시예에 따른 반도체 레이저 다이오드의 제조방법은 다음과 같다.
제4도 (a)에서와 같이, n형, GaAs 기판(21)상에 n-GaAs 버퍼층(22), n-AlGaAs 클래드층(23), AlGaAs 활성층(24) 그리고 제1 P-AlGaAs 클래드층(25)과 P-InGaP 식각 저지층(26)을 순차적으로 증착한 다음 상기 P-InGaP 식각 저지층(26) 상부에 MOCVD법을 이용하여 n-GaAs 전류 제한층(27)을 약 2㎛ 정도의 두께로 증착한다.
이어 제4도 (b)에서와 같이, 상기 n-GaAs 전류 제한층(27)의 방출면 부위를 제외한 나머지 부분을 제1사진석판술(Photolithography) 및 화학식각(HBr : H2O2: H2O = 1 : 1 : 10)으로 약 0.8㎛ 정도로 만든 다음, 제4도(c)에서와 같이 제2사진석판술 및 화학식각공정으로 상기 n-GaAs 전류제한층(27)의 중앙 부위에 메사형태의 홈을 형성한다.
이때 상기 n-GaAs 전류 제한층(27)의 두께는 방출면 부위보다 미러(Mirror)부위가 더 두꺼우므로 화학식각시 상기 방출면 부위보다 미러(Mirror)부위에서 메사형의 홈이 좁게 형성된다.
즉 상기 식각용액을(NH4OH : H2O2= 1 : 20) 사용하면, InGaP 식각 저지층(26)으로 인해 더 이상 수직식각은 되지 않고 수평식각이 되기 때문이다. 이어 제4도 (d)에서와 같이, 상기 메사형의 홈이 형성된 n-GaAs 전류 제한층(27) 전면에 제2 P-AlGaAs 클래드층(28), P-GaAs 캡(Cap)층(29)을 MOCVD법으로 증착한 후 상기 기판(21)의 두께가 약 100㎛ 정도가 되도록 기판(21)의 하부를 연마한 다음, 기판(21) 하부 및 상기 P-GaAs 캡층(29) 상부에 각각 제1, 제2전극(n형)(P형)(30)(31)을 형성하면 본 발명의 제1 실시예에 따른 레이저 다이오드의 제조공정을 완료한다.
한편 제5도는 본 발명의 제2실시예에 따른 반도체 레이저 다이오드의 구조를 나타낸 구조단면도이고, 제6도 (a)~(d)는 본 발명의 제2실시예에 따른 반도체 레이저 다이오드의 제조공정 단면도이다.
먼저 본 발명의 제2실시예에 따른 반도체 레이저 다이오드의 구조는 제5도에서와 같이, 기판(41)에 적층 형성되는 n형 버퍼층(42), 클래드층(43), 활성층(44)과, 상기 활성층(44) 상부에 적층 형성되는 제1 P형 클래드층(45), 식각 저지층(46), 상기 식각 저지층(46) 상부에 메사형태의 홈을 가지며, 상기 메사형 홈의 진행방향과 수직한 양측면과 중앙부가 단차를 갖고 형성되고 전류 제한층(47), 상기 전류 제한층(47) 상부에 적층 형성되는 제2 P형 클래드층(48), 캡(Cap)층(49), 상기 기판(41) 하부와 상기 P형 캡(Cap)층(49), 상부에 형성되는 제1, 제2전극(50)(51)을 포함하여 이루어진다.
상기와 같은 구조를 갖는 본 발명이 제2실시예에 따른 반도체 레이저 다이오드의 제조공정은 제6도 (a)에서와 같이, n-GaAs 기판 위에 MOCVD법으로 n-GaAs 버퍼층, n-AlGaAs 클래드층, AlGaAs 활성층, 그리고 제1 P-AlGaAs 클래드층, P-InGaP 식각 저지층을 차례로 증착한다.
이어서 상기 P-InGaP 식각 저지층 상부에 n-GaAs 전류 제한층을 증착한 후 제6도 (b)에서와 같이, 상기 n-GaAs 전류 제한층 미러(Mirror) 부분을 제1사진석판술 및 화학식각을 통해 약 1.2㎛ 정도를 식각한다.
이어, n-GaAs 전류 제한층에 전류통로를 만들기 위해 제2사진석판술 및 화학식각공정을 통해 제6도 (c)에서와 같이, 메사형태의 홈을 형성한다.
이때 상기 화학식각 용액은 NH4OH : H2O2: H2O : 1 : 1 : 10의 비율로 혼합한 식각용액을 사용한다.
따라서, 상기 n-GaAs 전류 제한층의 두께가 얇은 부분에서 중앙부위에 비해 메사형태의 홈이 넓게 형성된다.
이어 제6도 (d)에서와 같이, 메사형태의 홈이 형성된 n-GaAs 전류 제한층 상부에 제2 P-AlGaAs 클래드층, P-GaAs 캡(Cap)층을 MOCVD법으로 증착한 후, 상기 기판 하부를 연마하여 기판의 두께를 약 100㎛ 정도로 한 다음 기판 하부 및 P-GaAs 캡(Cap)층 상부에 각각 제1, 제2전극(n형, P형)을 형성한다.
따라서 미러부근의 광도파로 면적이 넓기 때문에 광의 밀도가 적어지게 되어 하이-파워 동작이 가능하다.
이어 상술한 바와 같이, 본 발명의 반도체 레이저 다이오드의 구조는 원시야상의 수직, 수평비(θ2/θ11)가 낮아 CDP, CD-ROM 등의 광 픽-업(Pick-up) 효율을 향상시키고, LBP, MOP의 기록 및 펌핑(Pumping)용 레이저 다이오드로 사용되는 고출력의 레이저 다이오드를 구현할 수 있다.

Claims (6)

  1. 제1도전형 기판상에 제1도전형 버퍼층, 제1도전형 제1클래드층, 활성층을 순차적으로 형성되는 단계와, 상기 활성층 상부에 제2도전형 제1클래드층, 제2도전형 식각 저지층을 순차적으로 형성하는 단계와, 상기 제2도전형 식각 저지층 상부에 메사형태의 홈을 가지며, 상기 홈의 진행방향에 수직한 일측면과 상기 일측면을 제외한 부분이 단차를 갖도록 사진석판술 및 화학식각용액을 이용하여 전류제한층을 형성하는 단계와, 상기 전류 제한층 상부에 제2도전형 제2클래드층, 제2도전형 캡층을 순차적으로 형성하는 단계와, 상기 제1도전형 기판 하부와 상기 제2도전형 캡층 상부에 각각 제1도전형 전극과 제2도전형 전극을 형성하는 단계를 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 반도체 레이저 다이오드의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 메사형태의 홈은 사진석판술 및 화학식각용액을 사용함을 특징으로 하는 반도체 레이저 다이오드의 제조방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제1도전형 기판의 두께는 약 100㎛가 되도록 연마함을 특징으로 하는 반도체 레이저 다이오드의 제조방법.
  4. 제2항에 있어서, 상기 화학식각용액은 HBr : H2O2: H2O : 1 : 1 : 10으로 혼합된 용액을 사용함을 특징으로 하는 반도체 레이저 다이오드의 제조방법.
  5. 제2항에 있어서, 상기 화학식각용액은 HB2: H2O2: H2O = 1 : 20으로 혼합된 용액을 사용함을 특징으로 하는 반도체 레이저 다이오드의 제조방법.
  6. 제1도전형 기판상에 적층 형성되는 제1도전형 버퍼층, 제1도전형 제1클래드층, 활성층과, 상기 제1도전형 상부에 적층 형성되는 제2도전형 제1클래드층, 제2도전형 식각저지층, 상기 제2도전형 식각저지층 상부에 메사형태의 홈을 가지며, 홈의 진행 방향에 수직한 양측면과 중앙부분이 서로 단자를 갖고 형성되는 전류제한층, 상기 전류 제한층 상부에 적층 형성되는 제2도전형 제2클래드층, 제2도전형 캡(Cap)층, 상기 제1도전형 기판 하부와 상기 제2도전형 캡층 상부에 각각 형성되는 제1도전형 전극, 제2도전형 전극을 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 반도체 레이저 다이오드의 구조.
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