KR100239499B1 - 반도체 레이저 다이오드 및 그 제조방법 - Google Patents

반도체 레이저 다이오드 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

반도체 레이저 다이오드 및 그 제조방법은 IC와 집적화를 쉽게 할 수 있고, 인덱스 가이딩 효과를 향상시키기 위한 것으로서, 반절연 기판의 중앙 부위상에 로우어 클래드층, 활성층, 업퍼 클래드층이 차례로 형성되고, 이들 층 양측에 제1도 전형 클래드층과 제1도전형 캡층이 형성되고 일측은 제2도전형 물질로 확산된 제2도전형 확산 영역이 형성되고, 제2도전형 확산 영역위에 제2도전형 전극이 형성되고, 제2도전형으로 확산되지 않은 일측의 캡층 위에 제1도전형 전극이 형성되고, 그에 상응하는 반도체 레이저 다이오드 제조방법을 제공함에 그 요지가 있다.

Description

반도체 레이저 다이오드 및 제조방법
본 발명은 반도체 레이저 다이오드에 관한 것으로, 특히 수평 전류 주입이 가능하도록 메탈(metal) 전극을 상부에 갖는 매립형 반도체 레이저 다이오드 및 그 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 반도체 레이저 다이오드는 크게 VSIS(V-channeled Substrate Inner Stripe) 구조, BH(Buried Hetero) 구조와 TJS(Transverse Junction Stripe) 구조로 나눌 수 있다.
이들 모두는 n형 전극으로 주입된 전자와 p형 전극으로 주입된 정공이 활성 영역에서 만나 전자-정공쌍으로 재결합하면서 광을 내러 레이저(Laser)로 발진하게 된다.
이하, 종래 기술에 따른 반도체 레이저 다이오드에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 살펴보기로 하자.
제1(a)도 내지 제1(c)도는 종래 기술에 따른 반도체 레이저 다이오드의 구조를 나타낸 단면도이다.
이에 도시된 바와 같이, 제1(a)도는 종래 기술에 VSIS 구조의 반도체 레이저 다이오드의 단면도로서, p형 GaAs 기판(1) 위에 n형 GaAs 전류 제한층(2)이 성장되어 중앙의 소정 부위가 V홈 형태로 제거되고, 그 위에 p형 Al0.45Ga0.55As 클래드층(3), Al0.14Ga0.86As 활성층(4), n형 Al0.45Ga0.55As 클래드층(5)과 n형 GaAs 캡층(6)이 차례로 형성되고 상기 n형 GaAs 캡층(6) 위와 p형 GaAs 기판(1) 아래에 각각 n형 전극(7)과 p형 전극(8)이 형성된 구조이다.
그리고, 제1(b)도는 종래 기술에 따른 BH 구조의 반도체 레이저 다이오드의 구조를 나타낸 단면도로서, n형 GaAs 기판(1a) 위의 중앙 소정 부위에 n형 Al0.45Ga0.55As 1차 클래드층(5), 활성층(4), p형 Al0.45Ga0.55As 클래드층(3)과 p형 GaAs 캡층(6a)이 차례로 적층되어 형성되고, 이들 양측 부위에 n형 Al0.45Ga0.55As 2차 클래드층(5a)이 상기 p형 GaAs 캡층(6a)보다 약간 낮게 형성되고, 상기 n형 Al0.45Ga0.55As 2차 클래드층(5a) 위에만 p형 GaAs 캡층(6a)의 높이로 Si3N4혹은 SiO2절연층(9)이 형성된다.
아울러, n형 GaAs 기판(1a) 아래에 n형 전극(7)이 형성되고, 상기 p형 GaAs 캡층(6a)과 절연층(9)에 걸쳐 그 위에 p형 전극(8)이 형성된 구조이다.
또한, 제1(c)도는 종래 기술에 따른 TJS 구조의 반도체 레이저 다이오드의 구조를 나타낸 단면도로서, n형 GaAs 기판(1a) 위에 n형 Al0.45Ga0.55As 1차 클래드층(5)과 n형 Al0.14Ga0.86As 층(4a), n형 Al0.45Ga0.55As 클래드층(5a), p형 Al0.45Ga0.55As 클래드층(3), p형 GaAs 캡층(6a)이 차례로 형성되고 상기 p형 GaAs 캡층(6a) 위의 소정의 부위에 마스크(9a)를 형성하여 상기 n형 Al0.45Ga0.55As 1차 클래드층(5)까지 Zn을 이온 주입하여 p형 영역(10)이 형성되고, 상기 n형 Al0.14Ga0.86As층(4a)과 p형 영역(10)의 계면에 활성층(4)이 형성되고, n형 GaAs 기판(1a) 아래에 n형 전극(7)이 형성되고, 상기 마스크(9a)와 p형 GaAs 캡층(6a)에 걸려 그 위에 p형 전극(8)이 형성되어 이루어진 구조이다.
이와 같이 구성된 종래 기술에 따른 반도체 레이저 다이오드에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
먼저, n형 전극으로 주입된 전자와 p형 전극으로 주입된 정공은 활성층에서 만나 전자와 정공이 재결합하여 광을 낸다.
이때, 제1(a)도에 도시된 바와 같은 VSIS 구조는 클래드층의 두께를 변화시켜 활성층과의 유효 굴절율치(effective index difference)를 이용하여 인덱스 가이딩(Index guiding)을 유도하고 전류는 전류 제한층으로 제한되어 수직 방향으로 흐르게 된다.
또한, 제1(b)도에 도시된 바와 같은 BH 구조는 클래드층으로 활성층을 완전히 감싸서 유효 굴절율차가 아닌 실굴절율차로 인덱스 가이딩을 강하게 하고 전류는 저항과 에너지 갭이 작은 활성층을 지나 수직으로 흐르게 된다.
한편, 제1(c)도에 도시된 바와 같은 TJS 구조는 Zn확산에 의하여 작은 영역에만 활성층을 만들어 위와 아래의 클래드층에 의하여 인덱스 가이딩 효과를 얻고 전류는 활성층에서만 수평으로 흐르게 되고, 그외의 부분에서는 수직으로 흐른다.
그러나 종래 기술에 따른 반도체 레이저 다이오드는 n형 혹은 p형 기판을 사용하여 수직으로만 전류를 흐르게 하기 때문에, 반 절연체 기판을 사용하는 IC와, n형 혹은 p형 기판을 사용하는 레이저 다이오드를 한 웨이퍼상에 동시에 성장하여 OEIC(Opto-Electric Integrated Circuit) 등의 소자를 형성함으로 소자의 집적화가 어렵고, 전류 주입을 위하여 기판 또는 성장층중 하나와 스템(stem)을 본딩(bonding)하여야 하는데 이 본딩은 납땜(solder)으로 한다.
상기 납땜시, 소자의 특성을 고려하여 납땜(AuGe, AuSn, PbSn 등의 접합물)선정 및 접합 온도를 결정해야 하는데 결정에 어려움이 있을 뿐만 아니라, 활성층이 매립형이 아닌 경우에 강한 인덱스 가이등을 얻기 위하여 제1(a)도에 도시된 바와 같은 VSIS 구조에서는 클래드층의 두께를 정확하게 변화시켜 주어야 하고, 매립형의 경우 제1(b)도에 도시된 바와 같은 BH 구조도 활성층의 에칭에 의한 손상으로 발진 결함이 생길 가능성이 있으며, 제1(c)에 도시된 바와 같은 TJS 구조에서도 Zn등을 확산하여 활성층을 형성함으로 Zn확산의 정확한 조절이 필요하게 되는 등 공정의 어려움과 이로 인한 소자의 특성이 저하되는 문제점이 있다.
따라서 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, IC와 집적화를 쉽게 할 수 있고, 인텍스 가이딩 효과를 향상시킬 수 있도록 한 반도체 레이저 다이오드를 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 상기와 같은 구조에 상응하는 반도체 레이저 다이오드 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
제1(a)도 내지 제1(c)도는 종래 기술에 따른 반도체 레이저 다이오드의 구조를 나타낸 단면도.
제2(a)도 내지 제2(d)도는 본 발명에 따른 반도체 레이저 다이오드의 공정을 나타난 단면도.
제3도는 본 발명에 따른 반도체 레이저 다이오드 발진시를 나타낸 평면도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
11 : 반절연 기판 12 : 클래드층
13 : 캡층 14 : 마스크
15 : Zn 확산 영역 16 : 로우어 클래드층
17 : 활성층 18 : 업퍼 클래드층
19 : p형 전극 20 : n형 전극
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 반도체 레이저 다이오드의 특징은, 발절연 기판의 중앙 부위상에 로우어 클래드층, 활성층, 업퍼 클래드층이 차례로 형성되고, 이들 층 양측에 제1도전형 클래드층과 제1도전형 캡층이 형성되고 일측은 제2도전형 물질로 확산된 제2도전형 확산 영역이 형성되고, 제2도전형 확산 영역위에 제2도전형 전극이 형성되고, 제2도전형으로 확산되지 않은 일측의 캡층 위에 제1도전형 전극이 형성되는데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 반도체 레이저 다이오드 제조방법의 특징은, 반절연 기판 위에 제1도전형 클래드층과 제1도전형 캡층을 차례로 형성하는 공정과, 상기 제1도전형 클래드층과 캡층의 일부분에 제2도전형 물질을 상기 반절연 기판 표면까지 확산하여 제2도전형 확산 영역을 형성하는 공정과, 상기 제2도전형 확산 영역과 확산되지 않은 영역의 경계면 부근을 포토 에치 공정으로 반절연 기판 표면까지 제거하는 공정과, 상기 제거된 부분에 로우어 클래드층, 활성층 업퍼 클래드층을 차례로 형성하는 공정과, 상기 제2도전형 확산 영역상에 제2도전형 전극을 형성하고 제2도전형이 확산되지 않은 영역상에 제1도전형 전극을 형성하는 공정으로 이루어지는데 있다.
이하, 본 발명에 따른 반도체 레이저 다이오드 및 그 제조방법에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
제2(a)도 내지 제2(d)도는 본 발명에 따른 반도체 레이저 다이오드의 공정을 나타낸 단면도로서, 제2(a)도에 도시된 바와 같이 반절연 기판(11)에 전류 흐름층 겸 클래드층인 n형 Al0.45Ga0.55As(12)를 성장하고 그 위에 n형 GaAs 캡층(13)을 성장한다.
그리고, 제2(b)도에 도시된 바와 같이 상기 n형 GaAs 캡층(13) 위의 일부분에 Si3N4혹은 SiO2등으로 마스크(14)를 형성하여 상기 반절연 기판(11)까지 Zn을 확산시켜 Zn 확산 영역(15)을 형성하고 마스크(14)를 제거한다.
이후, 제2(c)도에 도시된 바와 같이 Zn 확산 영역(15)과 Zn 이 확산되지 않은 영역의 경계면을 제외한 영역에 다시 마스크(14a)를 형성하여 상기 반절연 기판(11)의 일부까지 상기 경계면 영역을 식각한다.
그 다음, 제2(d)도에 도시된 바와 같이 식각된 부분에 MOCVD(Metal Organic Chemical Vapour Deposition)법으로 언도프트(Undoped)된 Al0.45Ga0.55As 로우어(lover) 클래드층(16)과 활성층(17), Al0.45Ga0.55As 업퍼(Upper) 클래드층(18)을 차례로 성장한 다음, 상기 마스크(14a)를 제거하고 Zn 확산 영역(15) 위에 p형 전극(19)을 형성하고, Zn이 확산되지 않은 영역의 n형 GaAs 캡층(13) 위에 n형 전극(20)을 전자빔으로 형성한다.
이와 같은 제조방법으로 완성된 반도체 레이저 다이오드의 구조는 제2(d)도에 도시된 바와 같다.
즉, 발절연 기판(11) 위의 중앙 소정 부위에 언도프트된 Al0.45Ga0.55As 로우어 클래드층(16), 활성층(17), Al0.45Ga0.55As 업퍼 클래드층(18)이 형성되고, 이들 층 양측에는 전류 흐름층 겸 클래드층인 n형 Al0.45Ga0.55As층(12)과 n형 GaAs 캡층(13)이 형성되어, 일측은 p형 불순물인 Zn이 확산된 Zn 확산 영역(15)이 형성되고, Zn 확산 영역의 캡층 위에 p형 전극(19)이 형성되고, Zn이 확산되지 않은 영역인 n형 GaAs 캡층(13) 위에 n형 전극(20)이 형성된다.
즉, n형 전극(20)과 p형 전극(19)이 모두 레이저 다이오드 상부에 형성되어 전류가 수평으로 흐르게 되며, 활성층은 굴절율이 작은 클래드 물질로 감싸여진 구조이다.
이와 같은 구조로 이루어진 본 발명에 따른 반도체 레이저 다이오드의 동작에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
먼저, n형 전극(20)으로 주입된 전자는 n형 GaAs 캡층(13)을 지나, n형 Al0.45Ga0.55As 클래드층(12)으로 훌러가고, p형 전극(19)으로 주입된 정공은 Zn 확산 영역(15)으로 흘러간다.
이 전자와 정공은 반절연 기판(11)쪽으로 흐르지 못하며 활성층(17), 로우어 클래드층(16) 및 업퍼 클래드층(18)으로 흐를 가능성을 가지고 있다.
여기서, 전자와 정공은 상대적으로 에어지 갭(energe gap)이 작은 활성층(17)으로 모이게 되고, 활성 영역이 발진을 하게 된 후로는 연속적으로 활성층으로만 모여 전자-정공쌍을 이루므로 레이저 광선을 발하게 된다.
또한, 활성층(17)이 클래드층으로 둘러싸여 있기 때문에 강한 인덱스 가이딩을 유도할 수 있다.
제3도은 본 발명에 따른 반도체 레이저 다이오드 발진시를 나타낸 평면도로서, 에너지 갭이 작은 활성층이 클래드층(18)으로 덮어 있으므로 광 발진 형태를 관찰하여 비발광 중심(non-radiative center)인 다크 스포트 디펙트(Dark Spot Defect)나 다크 라인 디펙트(Dark Line Defect)를 조사하는 것이 가능하다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 반도체 레이저 다이오드는 반절연 기판을 사용할 수 있으므로, 발절연 기판을 사용하는 IC의 한 웨이퍼상에 성장시켜 집적화를 가능하게 하고, 패키지(package) 공정시 레이저 다이오드를 스템에 본딩할 경우, 납땜의 선택 문제, 본딩 온도 설정 문제 등을 고려하지 않고 싼 값의 접착물로 대치할 수 있으며, 활성층이 클래드층으로 둘러싸여 강한 인덱스 가이딩에 의한 싱글 모드(single mode) 발진이 쉬게 이루어질 뿐만 아니라, 활성층이 에너지 갭이 상대적으로 큰 AlGaAs로 덮어져 있어 발진광을 관찰할 수 있으므로 비발광 중심 등의 결함을 손쉽게 조사할 수 있는 효과가 있다.

Claims (3)

  1. 반절연 기판의 중앙 부위상에 로우러 클래드층, 활성층, 업퍼 클래드층이 차례로 형성되고, 이들 층 양측에 제1도전형 클래드층과 제1도전형 캡층이 형성되고 일측은 제2도전형 물질로 확산된 제2도전형 확산 영역이 형성되고, 제2도전형 확산 영역위에 제2도전형 전극이 형성되고, 제2도전형으로 확산되지 않은 일측의 캡층 위에 제1도전형 전극이 형성됨을 특징으로 하는 반도체 레이저 다이오드.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제2도전형 확산 영역은 Zn으로 확산되어짐을 특징으로 하는 반도체 레이저 다이오드.
  3. 반절연 기판 위에 제1도전형 클래드층과 제1도전형 캡층을 차례로 형성하는 공정과; 상기 제1도전형 클래드층과 캡층의 일부분에 제2도전형 물질을 상기 반절연 기판 표면까지 확산하여 제2도전형 확산 영역을 형성하는 공정과; 상기 제2도전형 확산 영역과 확산되지 않은 영역의 경계면 부근을 포토 에치 공정으로 반절연 기판 표면까지 제거하는 공정과; 상기 제거된 부분에 로우어 클래드층, 활성층, 업퍼 클래드층을 차례로 형성하는 공정과; 상기 제2도전형 확산 영역상에 제2도전형 전극을 형성하고 제2도전형이 확산되지 않은 영역상에 제1도전형 전극을 형성하는 공정으로 이루어짐을 특징으로 하는 반도체 레이저 다이오드 제조방법.
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