KR100244239B1 - 레이저 다이오드 및 그 제조방법 - Google Patents

레이저 다이오드 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

큰 수평방사각을 갖는 레이저 다이오드 및 그 제조방법에 관한 것으로, 제 1 도전형 기판상에 제 1 도전형 클래드층, 활성층, 제 2 도전형 제 1 클래드층, 식각정지층, 제 2 도전형 제 2 클래드층, 제 2 도전형 InGaP층, 제 2 도전형 제 1 GaAs층을 순차적으로 형성한 후, 제 2 도전형 GaAs층상의 소정영역에 제 1 절연막 패턴을 형성하고 제 1 절연막 패턴을 마스크로 제 2 도전형 제 1 GaAs층, 제 2 도전형 InGaP층, 제 2 도전형 제 2 클래드층을 제거하여 리지를 형성한다. 그리고, 제 1 절연막 패턴을 제거하고 리지를 포함한 전면에 제 2 도전형 제 2 GaAs층을 형성한 다음, 리지 영역의 제 2 도전형 제 2 GaAs층상에 제 2 절연막 패턴을 형성하고 제 2 절연막 패턴을 마스크로 제 2 도전형 제 2 GaAs층을 제거하여 리지의 상부 및 양측면에만 제 2 도전형 제 2 GaAs층을 남긴 후, 제 2 절연막 패턴을 마스크로 제 2 도전형 제 2 GaAs층 양측에 전류차단층을 선택적으로 형성한다. 이어, 제 2 절연막 패턴을 제거하고 전류차단층 및 제 2 도전형 제 2 GaAs층상에 캡층을 형성한 후, 캡층 상부 및 기판 하부에 각각 전극을 형성함으로써, 저항의 증가 발진개시전류의 증가를 유발하지 않으면서도 리지 폭을 줄일 수 있어 수평방사각을 크게 늘릴 수 있다.

Description

레이저 다이오드 및 그 제조방법
본 발명은 레이저 다이오드에 관한 것으로, 특히 큰 수평방사각을 갖는 레이저 다이오드 및 그 제조방법에 관한 것이다.
현재 일반적으로 많이 제작되고 있는 635nm, 650nm 그리고 670nm 대역의 가시광 반도체 레이저 다이오드는 InGap/AlGaInP 헤테로구조(heterostructure)를 이용한 인덱스 웨이브가이드-타입(index waveguide-type)이다.
이러한 반도체 레이저 다이오드 제작을 위한 에피(epi)구조는 결정성장시 자연적으로 생기는 수퍼래티스(superlattice)구조를 피하고자 하고 광기록밀도 향상과 관련하여 좀 더 짧은 영역의 파장을 얻기 위해 일반적으로 몇 도(예를 들면 9도, 15도)정도 미스오리엔티드(misoriented)된 기판위에 제작되어진다.
따라서, 디바이스 제작시 습식식각을 이용하여 리지(ridge)를 형성하면 기판에 의한 영향으로 비대칭적인 모양을 띄게 된다.
이로 인하여 레이저 다이오드의 특성 중 수평방사각의 크기를 감소시키고 모드(mode)의 안정성을 떨어뜨리는 결과를 나타내게 된다.
또한, 습식식각의 불안정으로 기인한 대량 생산성 및 수율증가에 적지 않은 영향을 끼친다.
도면을 참조하여 상기와 같은 문제점을 갖는 종래의 레이저 다이오드를 좀 더 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 습식식각을 이용하여 제작한 SBR(Selectively Buried Ridge) 웨이브가이드(waveguide) 레이저 다이오드로 아주 널리 이용되는 인덱스 가이드이드(index guided) AlGaInP 레이저 구조이다.
여기서 균일한 두께 t를 유지하기 위하여 도 2에 도시된 바와 같이 수십 Å인 에치스톱층(etch stop layer)을 두는 구조로 발전되어 왔다.
두께 t는 레이저의 모드특성, 광특성 그리고 전류특성에 중요한 영향을 미치는 요소로서 일정하게 유지해야 하는 것은 필수불가결하다.
도 2와 같은 SBR 구조는 제작상의 단순함이 큰 잇점이지만 기본적으로 제작시 구조적인 문제점을 가지고 있다.
즉, 절연막을 마스크로 사용하여 습식식각을 통해 리지(ridge)를 형성하므로 도 2에 도시된 바와 같이 상부 리지 폭(top ridge width) WT와 하부 리지 폭(bottom ridge width) WB사이에 많은 차이가 발생하게 되고 기판 특성으로 인해 각도 a와 각도 b처럼 비대칭적인 모양이 발생하게 된다.
여기서, WT의 크기는 전류 특성중 발진개시전류(Ith)와 연관성을 가지며, WB의 크기는 광특성중 특히 수평방사각(parallel far-field angle)의 특성과 밀접한 연관성을 갖는다.
SBR 구조에서는 절연막의 크기를 갖고 WT와 WB의 크기를 조절하게 되는데 WT와 WB사이에는 발진개시전류와 수평방사각간의 트래드 오프(trade off)가 발생하게 되므로 두 가지 특성을 동시에 향상시키는 리지 구조를 만드는 것이 필요하게 된다.
즉, 수평방사각을 증가시키기 위해서는 WB가 작아야 하는데, 이는 WT도 더욱 감소하게 되어 결국 WT가 어느 크기 이하로 줄어들면 발진개시전류가 급격히 증가하므로 WB의 크기에 한계가 발생하게 된다.
그리고 반대로 발진개시전류를 줄이기 위해서는 WT가 커야하는데 이는 마찬가지로 WB의 크기를 증가시키는 결과를 가져와 수평방사각이 줄어들게 되는 것이다.
이와 같은 문제점들을 개선하기 위하여 도 3에 도시된 바와 같이 반응성이온식각을 이용하여 수직한 리지 구조를 만드는 연구가 많이 이루어졌다.
반응성이온식각은 비등방성 식각으로써 미스오리엔티드 웨이퍼(misoriented wafer)에 길러진 에피 구조에서도 대칭적이고 수직적인 리지 구조를 쉽게 구현할 수 있고 식각 깊이 조절이 습식식각에 비해 용이하여 디바이스 제작에 여러 가지 잇점이 있기 때문이다.
도 3에 도시된 것처럼 WT와 WB의 차이는 도 2에 도시된 습식식각을 이용한 리지 구조와는 비교할 수 없이 작아서 앞서 언급한 특성을 만족시킬 수 있다.
그러나, 반응성이온식각을 이용하는 경우에도 리지 폭을 무한정 적게 할 수는 없다.
왜냐하면, 리지 폭이 줄어듦에 따라 WT(전류주입폭)이 좁아지게 되고 따라서 저항의 증가와 함께 발진개시전류의 상승으로 인하여 레이저 다이오드의 고온동작 및 고출력동작이 어렵게 되기 때문이다.
종래 기술에 따른 레이저 다이오드에 있어서는 다음과 같은 문제점이 있었다.
습식식각을 이용하여 제작된 레이저 다이오드는 리지 모양이 비대칭적이 되어 수평방사각의 크기를 감소시키고 모드의 안정성을 떨어뜨린다.
그리고 반응성이온식각을 이용하여 제작된 레이저 다이오드는 리지 폭의 한계로 인하여 고온동작 및 고출력동작이 어렵다.
본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로 습식식각을 이용한 리지 구조와 반응성이온식각을 이용한 리지 구조의 단점을 개선하여 큰 수평방사각을 갖는 레이저 다이오드 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
도 1 내지 3은 종래 기술에 따른 레이저 다이오드를 보여주는 구조단면도
도 4a 내지 4f는 본 발명에 따른 레이저 다이오드의 제조공정을 보여주는 공정단면도
도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
11 : n형 GaAs 기판 12 : n형 GaAs 버퍼층
13 : n형 AlGaInP 클래드층 14 : 활성층
15 : p형 1차 AlGaInP 클래드층 16 : p형 InGaP 식각정지층
17 : p형 2차 AlGaInP 클래드층 18 : p형 InGaP층
19 : p형 제 1 GaAs층 20 : 제 1 절연막
21 : p형 제 2 GaAs층 22 : 제 2 절연막
23 : n형 GaAs 전류차단층 24 : p형 GaAs 캡층
25 : p형 전극 26 : n형 전극
본 발명에 따른 레이저 다이오드의 특징은 기판위에 형성되는 에피층들과, 그들 사이에 형성되는 활성층과, 에피층위의 소정영역에 형성되는 리지와, 리지 앞/뒷면을 제외한 상기 리지 상부 및 양측면에 형성되는 전류도통로와, 전류도통로 양측면에 형성되는 전류차단층과, 전류차단층 및 전류도통로위에 형성되는 캡층과, 캡층 상부 및 기판 하부에 형성되는 전극으로 구성되는데 있다.
본 발명에 따른 레이저 다이오드의 다른 특징은 기판위에 형성되는 제 1 도전형 클래드층 및 제 2 도전형 제 1 클래드층과, 그들 사이에 형성되는 활성층과, 제 2 도전형 제 1 클래드층위에 형성되는 식각정지층과, 식각정지층 상부의 소정영역에 제 2 도전형 제 2 클래드층, 제 2 도전형 InGaP층, 제 2 도전형 제 1 GaAs층이 순차적으로 형성되는 리지와, 리지 상부 및 양측면에 소정 두께로 형성되는 제 2 도전형 제 2 GaAs층과, 제 2 도전형 제 2 GaAs층 양측에 형성되는 전류차단층과, 전류차단층 및 제 2 도전형 제 2 GaAs층위에 형성되는 캡층과, 캡층 상부 및 기판 하부에 형성되는 전극으로 구성되는데 있다.
본 발명에 따른 레이저 다이오드 제조방법의 특징은 제 1 도전형 기판상에 제 1 도전형 클래드층, 활성층, 제 2 도전형 제 1 클래드층, 식각정지층, 제 2 도전형 제 2 클래드층, 제 2 도전형 InGaP층, 제 2 도전형 제 1 GaAs층을 순차적으로 형성하는 스텝과, 제 2 도전형 GaAs층상의 소정영역에 제 1 절연막 패턴을 형성하고 제 1 절연막 패턴을 마스크로 제 2 도전형 제 1 GaAs층, 제 2 도전형 InGaP층, 제 2 도전형 제 2 클래드층을 제거하여 리지를 형성하는 스텝과, 제 1 절연막 패턴을 제거하고 리지를 포함한 전면에 제 2 도전형 제 2 GaAs층을 형성하는 스텝과, 리지 영역의 제 2 도전형 제 2 GaAs층상에 제 2 절연막 패턴을 형성하고 제 2 절연막 패턴을 마스크로 제 2 도전형 제 2 GaAs층을 제거하여 리지의 상부 및 양측면에만 제 2 도전형 제 2 GaAs층을 남기는 스텝과, 제 2 절연막 패턴을 마스크로 제 2 도전형 제 2 GaAs층 양측에 전류차단층을 선택적으로 형성하는 스텝과, 제 2 절연막 패턴을 제거하고 전류차단층 및 제 2 도전형 제 2 GaAs층상에 캡층을 형성하는 스텝과, 캡층 상부 및 기판 하부에 각각 전극을 형성하는 스텝으로 이루어지는데 있다.
상기와 같은 특징을 갖는 본 발명에 따른 레이저 다이오드 및 그 제조방법을 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 4a 내지 4f는 본 발명에 따른 레이저 다이오드의 제조공정을 보여주는 공정단면도로서, 도 4a에 도시된 바와 같이, n형 GaAs 기판(11)상에 n형 GaAs 버퍼층(12), n형 AlGaInP 클래드층(13), 활성층(14), p형 1차 AlGaInP 클래드층(15), p형 InGaP 식각정지층(16), p형 2차 AlGaInP 클래드층(17), p형 InGaP층(18), p형 제 1 GaAs층(19)을 순차적으로 성장시킨다.
이어, 도 4b에 도시된 바와 같이, 리지(ridge)를 제작하기 위해 p형 제 1 GaAs층(19)상에 제 1 절연막(20)을 형성하고 패터닝하여 소정영역의 p형 제 1 GaAs층(19)을 노출시킨다.
여기서, 제 1 절연막(20)은 SiO2또는 SiNX로 형성한다.
그리고, 패터닝된 제 1 절연막(20)을 마스크로 반응성이온식각 또는 습식식각하여 노출된 p형 제 1 GaAs층(19), p형 InGaP층(18), p형 2차 AlGaInP 클래드층(17)을 제거하여 리지(ridge)를 형성한다.
이어, 도 4c에 도시된 바와 같이, 남아 있는 제 1 절연막(20)을 제거하고, 리지를 포함한 전면에 p형 제 2 GaAs층(21)을 형성한다.
그리고, 도 4d에 도시된 바와 같이, 리지 상부의 p형 제 2 GaAs층(21)상에 제 2 절연막(22) 패턴을 형성하고, 제 2 절연막(22) 패턴을 마스크로 하여 반응성이온식각으로 p형 제 2 GaAs층(21)의 일부분을 제거한 다음, 반응성이온식각으로부터 유발된 표면의 데미지(damage)층 제거를 위해 다시 습식식각공정으로 남아 있는 p형 제 2 GaAs층(21)을 제거하여 리지의 상부 및 양측면에만 p형 제 2 GaAs층(21)을 남긴다.
이어, 도 4e에 도시된 바와 같이, 선택적 성장(selective growth)으로 p형 제 2 GaAs층(21) 양측에 n형 GaAs 전류차단층(23)을 형성한 후, 제 2 절연막(22) 패턴을 제거한다.
여기서, n형 GaAs 전류차단층(23) 형성시 상기 방법 이외에 제 2 절연막(22) 패턴을 제거하고, 전면 재성장으로 p형 제 2 GaAs층(21)을 포함한 전면에 n형 GaAs 전류차단층(23)을 형성한 다음, 전류통로를 만들어 주기 위해 식각공정으로 n형 GaAs 전류차단층(23)의 일부분을 제거하여 p형 제 2 GaAs층(21)의 상부가 노출되도록 하는 방법을 사용할 수도 있다.
그리고, 도 4f에 도시된 바와 같이, n형 GaAs 전류차단층(23)을 포함한 전면에 p형 GaAs 캡층(24)을 형성한 후, p형 GaAs 캡층(24)상에 p형 전극(25)을 형성하고 n형 GaAs 기판(11) 하부에는 n형 전극(26)을 형성하여 레이저 다이오드를 제작한다.
상기와 같이 제작되는 본 발명의 레이저 다이오드의 동작을 설명하면 다음과 같다.
먼저, 전류의 흐름을 보면 도 4f에 도시된 바와 같이, 양쪽 전극에 바이어스를 인가하면 홀(hole)들이 n형 GaAs 전류차단층(23)의 영향으로 인해 리지위의 오픈(open)부분으로 흘러들어가게 된다.
이 홀들은 다시 화살표로 표시한 것 처럼 리지부분 및 리지 양측의 p형 제 2 GaAs층(21)을 통하여 활성층(14)으로 흘러들어가게 된다.
또한, 전자들은 n형 AlGaInP 클래드층(13)으로부터 활성층(14)으로 흘러들어가 활성층(14)에서 재결합에 의해 광이 발생되고 레이저 다이오드의 양쪽면에 형성되는 미러(mirror)에 의해 증폭되어 레이징(lasing)이 일어난다.
한편, 광의 가이딩(guiding)면에서는 종래의 구조와 거의 동일하지만, 종래에서는 리지 양쪽이 n형 GaAs 전류차단층인 반면에 본 발명은 리지 양쪽이 p형 제 2 GaAs층(21) 및 n형 GaAs 전류차단층(23)이 동시에 형성되어 있는 것이 다르다.
그러나, 레이저 광의 파장이 630∼650nm 정도이기 때문에 광의 흡수는 종래의 구조와 동일하게 일어남으로써 가이딩도 종래와 동일하다.
그러므로, 본 발명은 수평방사각을 크게하기 위하여 저항 및 발진개시전류의 증가를 유발하지 않고서도 리지 폭을 줄일 수 있다.
즉, 본 발명은 리지 양쪽에 p형 제 2 GaAs층(21)을 형성하여 전류도통로를 만듦으로써 리지 폭의 감소에 따른 저항의 증가나 발진개시전류의 증가를 막을 수 있게 한 것이다.
또한 전류도통로인 p형 제 2 GaAs층(21)은 리지의 p형 2차 AlGaInP 클래드층(17)의 측면으로도 전류를 유입되게 함으로써 AlGaInP계의 낮은 전류전도도를 어느 정도 보완할 수 있어 전체의 씨리즈(series) 저항을 줄일 수 있게 한다.
본 발명에 따른 레이저 다이오드 및 그 제조방법에 있어서는 다음과 같은 효과가 있다.
저항의 증가 발진개시전류의 증가를 유발하지 않으면서도 리지 폭을 줄일 수 있어 수평방사각을 크게 늘릴 수 있다.

Claims (5)

  1. 기판위에 형성되는 에피층들 사이에 활성층을 갖는 레이저 다이오드에서,
    상기 에피층위의 소정영역에 형성되는 리지;
    상기 리지 앞/뒷면을 제외한 상기 리지 상부 및 양측면에 형성되는 전류도통로;
    상기 전류도통로 양측면에 형성되는 전류차단층;
    상기 전류차단층 및 전류도통로위에 형성되는 캡층;
    상기 캡층 상부 및 기판 하부에 형성되는 전극을 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 레이저 다이오드.
  2. 기판위에 형성되는 제 1 도전형 클래드층과 제 2 도전형 제 1 클래드층 사이에 활성층을 갖는 레이저 다이오드에서,
    상기 제 2 도전형 제 1 클래드층위에 형성되는 식각정지층;
    상기 식각정지층 상부의 소정영역에 제 2 도전형 제 2 클래드층, 제 2 도전형 InGaP층, 제 2 도전형 제 1 GaAs층이 순차적으로 형성되는 리지;
    상기 리지 상부 및 양측면에 소정 두께로 형성되는 제 2 도전형 제 2 GaAs층;
    상기 제 2 도전형 제 2 GaAs층 양측에 형성되는 전류차단층;
    상기 전류차단층 및 제 2 도전형 제 2 GaAs층위에 형성되는 캡층;
    상기 캡층 상부 및 기판 하부에 형성되는 전극을 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 레이저 다이오드.
  3. 제 1 도전형 기판상에 제 1 도전형 클래드층, 활성층, 제 2 도전형 제 1 클래드층, 식각정지층, 제 2 도전형 제 2 클래드층, 제 2 도전형 InGaP층, 제 2 도전형 제 1 GaAs층을 순차적으로 형성하는 스텝;
    상기 제 2 도전형 GaAs층상의 소정영역에 제 1 절연막 패턴을 형성하고, 제 1 절연막 패턴을 마스크로 상기 제 2 도전형 제 1 GaAs층, 제 2 도전형 InGaP층, 제 2 도전형 제 2 클래드층을 제거하여 리지를 형성하는 스텝;
    상기 제 1 절연막 패턴을 제거하고, 리지를 포함한 전면에 제 2 도전형 제 2 GaAs층을 형성하는 스텝;
    상기 리지 영역의 제 2 도전형 제 2 GaAs층상에 제 2 절연막 패턴을 형성하고, 제 2 절연막 패턴을 마스크로 상기 제 2 도전형 제 2 GaAs층을 제거하여 상기 리지의 상부 및 양측면에만 제 2 도전형 제 2 GaAs층을 남기는 스텝;
    상기 제 2 절연막 패턴을 마스크로 상기 제 2 도전형 제 2 GaAs층 양측에 전류차단층을 선택적으로 형성하는 스텝;
    상기 제 2 절연막 패턴을 제거하고, 상기 전류차단층 및 제 2 도전형 제 2 GaAs층상에 캡층을 형성하는 스텝;
    상기 캡층 상부 및 기판 하부에 각각 전극을 형성하는 스텝으로 이루어짐을 특징으로 하는 레이저 다이오드 제조방법.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 제 1, 제 2 절연막은 SiO2또는 SiNX임을 특징으로 하는 레이저 다이오드 제조방법.
  5. 제 3 항에 있어서, 상기 전류차단층은 상기 제 2 절연막 패턴을 제거하고 전면에 전류차단층을 형성한 후, 제 2 도전형 제 2 GaAs층 상부가 노출되도록 전류차단층을 제거하여 형성함을 특징으로 하는 레이저 다이오드 제조방법.
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