KR100265802B1 - 고출력 반도체 레이저 소자 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 고출력 반도체 레이저에 관한 것으로서, 평탄한 바닥면과 양측 경사면을 가진 중앙홈을 포함하는 제 1 전도형의 반도체기판; 상기 반도체기판상에 마련되고, 상기 중앙홈의 평탄한 바닥면 상에서는 제 1 전도형을 가지며 상기 경사면 상에서는 제 1 및 제 2 전도형이 교호로 반복해서 적층된 하부 클래드 및 전류 제한층; 상기 하부 클래드 및 전류제한층 상에 형성되고 상기 전류제한층에 의해 측방이 제한된 중앙홈의 바닥면 상의 영역으로 광발진영역이 한정되는 활성층; 및 상기 활성층상에 형성된 제 2 전도형의 상부 클래드층을 구비하는 것을 특징으로 한다.
따라서, 본 발명은 반도체 레이저 소자의 고출력화가 가능하고 제조공정이 매우 간단해진다.

Description

고출력 반도체 레이저 소자 및 그 제조방법
제 1 도는 종래의 굴절률 도파형 레이저 다이오드의 단면도.
제 2 도 내지 제 5 도는 제 1 도의 레이저 다이오드의 제조 공정순서도.
제 6 도는 본 발명에 의한 고출력 반도체 레이저 다이오드의 단면도
제 7 도는 제 6 도의 전류제한층을 설명하기 위한 도면.
제 8 도는 제 6 도의 전류제한층의 밴드갭 구조를 설명하기위한 도면.
제 9 도는 본 발명의 경사면의 경사각도 대 발진파장의 관계를 나타낸 그래프선도.
본 발명은 고출력 반도체 레이저 소자 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 특히 새로운 전류 및 광제한 구조를 가진 고출력 반도체 레이저 다이오드 및 그 제조방법에 관한 것이다.
반도체 레이저는 주로 3-5족 화합물 반도체에 의한 780nm 파장의 적색 반도체 레이저가 개발되어 컴팩트 디스크의 광원으로 사용되어 그 수요가 크게 증가하였다. 그러나, 780nm 파장의 적색 반도체 레이저는 사람 눈에 의한 감지효율이 매우 낮은 문제가 있었다. 그러나, 최근에 밴드갭이 큰 4원/3원 혼정계 화합물, 즉 InGaAlP/InGaP의 결정성장 기술의 발달로 사람의 눈에 의한 감지효율이 높은 670nm의 단파장 반도체 레이저가 개발됨에 따라 반도체 레이저는 포인터, 바코드 스캐너, 레이저빔 프린터, 고밀도 광파일 시스템, 의료기기의 광원, 광통신의 광원 및 고체 레이저의 펌핑용 광원 등의 그 응용범위가 크게 확대되고 있다.
제 1 도는 종래의 굴절률 도파형 반도체 레이저 다이오드의 단면구조를 나타낸다. 종래의 반도체 레이저 다이오드는 반도체기판(1)상에 버퍼층(2), 하부 클래드층(3), 활성층(4), 중앙부에 메사구조를 가진 상부 클래드층(5), 상기 메사구조의 상부면 상에 형성된 통전용이층(6), 상기 메사구조의 측면을 매몰하는 전류차단층(7), 상기 통전용이층(6) 및 전류차단층(7)상에 형성된 캡층(8), 캡층상에 형성된 상부 전극(9), 기판(1)의 저면에 형성된 하부전극(10)을 가진다.
이와같은 종래의 반도체 레이저 다이오드는 제 2 도 내지 제 5 도를 참조하면, 기판(1)상에 버퍼층(2), 하부 클래드층(3), 활성층(4), 상부 클래드층(5), 통전용이층(6)을 순차적으로 에피택시 성장시키고, 통전용이층(6) 상에 식각마스크층(11)을 형성한 후, 통전용이층(6)과 상부 클래드층(5)의 일부 깊이 까지 식각해서 메사구조를 형성한다. 이어서, 식각된 상부 클래드층(5)상에 전류차단층(7)을 에피택시 성장하여 노출된 메사구조의 측면을 매몰한다. 매몰 후에 식각마스크층을 제거하고 전류차단층(7)과 통전용이층(6)상에 캡층을 에피택시 성장하여 형성하고 상하부전극(9, 10)을 형성하여서 제작한다.
따라서, 종래의 반도체 레이저 다이오드는 횡방향의 굴절률 도파관을 형성하기 위해 메사구조를 형성하기 위한 식각공정과 식각마스크층의 제거공정이 에피택시 성장공정들 사이에 수행됨으로 적어도 3차의 에피택시 성장공정을 단속적으로 거쳐야 하기 때문에 제조공정이 복잡하고 식각된 상부 클래드층이 노출되기 때문에 Al이 자연산화되어 자연산화막이 형성되고, 상부 클래드층의 식각 깊이를 조절하는 것이 어려우므로 소자의 특성저하 및 신뢰성의 문제가 있었다.
본 발명의 목적은 이와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 고출력이 가능한 새로운 반도체 레이저 소자를 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 제조공정이 간단한 고출력 반도체 레이저 소자의 제조방법을 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 소자는 평탄한 바닥면과 양측 경사면을 가진 중앙홈을 포함하는 제 1 전도형의 반도체기판; 상기 반도체기판상에 마련되고, 상기 중앙홈의 평탄한 바닥면 상에서는 제 1 전도형을 가지며 상기 경사면 상에서는 제 1 및 제 2 전도형이 교호로 반복해서 적층된 하부 클래드 및 전류 제한층; 상기 하부 클래드 및 전류제한층 상에 형성되고 상기 전류제한층에 의해 측방이 제한된 중앙홈의 바닥면 상의 영역으로 광발진영역이 한정되는 활성층; 및 상기 활성층상에 형성된 제 2 전도형의 상부 클래드층을 구비하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 제조방법은 상면이 제 2 결정방향을 가진 제 1 전도형의 반도체기판의 중앙부에 경사면이 제 1 결정방향을 가지며 평탄한 바닥면이 제 2 결정방향을 가지는 홈을 형성하는 공정; 및 상기 중앙홈이 형성된 반도체기판 상에, 제 1 전도형의 버퍼층, 상기 중앙홈의 평탄한 바닥면 상에서는 제 1 전도형을 가지며 상기 경사면 상에서는 제 1 및 제 2 전도형이 교호로 반복해서 적층된 하부 클래드 및 전류제한층, 활성층 및 제 2 전도형의 상부 클래드층을 순차적으로 에피택시 성장하는 공정을 구비하는 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명하고자 한다.
제 6 도는 본 발명에 의한 고출력 반도체 레이저 다이오드의 단면구조를 나타낸다. 중앙부에 양측 경사면(30)과 평탄한 바닥면(32)을 가진 홈이 형성되고 평탄한 상면(34)을 가지는 제 1 전도형, 즉 n-GaAs 반도체기판(10)상에 순차적으로 n-GaAs 버퍼층(12), n-In1-x(Ga1-yAly)xP 과 p-In1-x(Ga1-yAly)xP이 교호로 반복해서 적층된 전류제한층(13) 및 n-In1-x(Ga1-yAly)xP 하부 클래드층(14), In1-xGaxP 활성층(16), p-In1-x(Ga1-yAly)xP 상부 클래드층(18), p-In1-x(Ga1-yAly)xP 전류통로층(19) 및 n-In1-x(Ga1-yAly)xP 전류차단층(20), p-In1-xGaxP 통전용이층(22), p-GaAs 캡층(24)을 가진다. 상기 캡층(24)상에는 상부전극(26)이 형성되고, 상기 반도체기판(10)의 저면에는 하부전극(28)이 형성된다. 상기 반도체 기판(10)은 홈의 바닥면(32)과 평탄한 상면(34)의 결정방향이 제 2 결정방향인 (100)면이고 홈의 경사면(30)의 결정방향이 제 1 결정방향인 (311)A면이다. 버퍼층(12)은 홈의 경사면(30)상에서는 경사면(30)의 결정방향에 따라 (311)A면의 결정방향을 가지며 평탄한 상면(34)상에서는 (100)면의 결정방향을 가진다. 버퍼층(12)상에 형성되는 In1-x(Ga1-yAly)xP층은 (311)A면상에서는 제 7 도에 도시한 바와같이 p-n 다층구조의 전류제한층(13)이 되고 (100)면상에서는 n형, 즉 제 1 전도형의 하부 클래드층(14)이 된다.
또한, p-In1-x(Ga1-yAly)xP 상부 클래드층(18)상에 형성되는 제 2 전도형의 p-In1-x(Ga1-yAly)xP 전류통로층(19)은 (311)A면의 결정방향을 가진 상부 클래드층(18)의 V홈상에서만 형성되고 n형, 즉 제 1 전도형의 n-In1-x(Ga1-yAly)xP 전류차단층(20)은 (100)면의 결정방향을 가진 상부 클래드층(18)의 평탄한 상면 위에서만 형성된다. 여기서, 상기 p-In1-x(Ga1-yAly)xP 전류통로층(19)에 포함되는 제 2 전도형의 불순물은 Zn이고, n-In1-x(Ga1-yAly)xP 전류차단층(20)에 포함되는 제 1 전도형의 불순물은 Se이다. 따라서, 반도체기판(10)의 평탄한 상면(34) 상에 형성된 n-In1-x(Ga1-yAly)xP 하부 클래드층(14)를 통해서는 상부의 n-In1-x(Ga1-yAly)xP 전류차단층(18)에 의해 전류공급이 차단되므로 중앙홈의 바닥면(32)상에 형성된 사다리꼴의 n-In1-x(Ga1-yAly)xP 하부 클래드층(14)의 상부에 형성된 p-In1-x(Ga1-yAly)xP 전류통로층(19)을 통해서만 상부 전극(26)으로부터 하부 전극(28)으로 전류가 흐르게 된다. 상기 하부 클래드 및 전류제한층(13, 14), 활성층(16), 상부 클래드층(18) 및 전류통로 및 전류차단층(19, 20)의 In1-x(Ga1-yAly)xP/In1-xGaxP층구조에 있어서 x값은 0.5이고 y값은 0.7이다.
활성층(16)의 광발진영역(17)은 양측의 전류제한층(13)에 의해 측방향으로의 전류제한과 광제한이 되고 상하의 클래드층(18, 14)에 의해 세로방향의 광제한이 되게 된다. 제 8 도를 참조하면, 전류제한 및 하부 클래드층(13, 14)의 밴드갭은 전류제한층(13)의 밴드갭(W1)이 하부 클래드층(14)의 밴드갭(W2) 보다 더 높게 된다. 따라서, 높은 밴드 갭을 가진 전류제한층(13)에 의해 활성층(16)의 광발진영역(17)과 하부 클래드층(14)내에서 가로방향의 전류흐름을 제한하게 된다. 따라서, 이러한 제한구조는 반도체 레이저 다이오드의 스레쉬홀드전압을 감소시키고 광손실을 저하시킬 수 있으므로 소자의 고출력화를 가능하게 한다.
이와같이 형성된 본 발명의 단파장 반도체 레이저 다이오드의 제조방법은 다음과 같다.
먼저, 평탄한 상면(34)이 (100)면을 가진 n-GaAs 반도체기판(10)상에 광발진영역(17)을 한정하기 위해 양측에 메사구조를 형성하기 위한 SiO2 식각마스크층을 형성한 후에 등방성 식각공정을 수행해서 스트립상의 메사 리지구조를 형성한다. 따라서, 메사 리지구조의 사이에는 (311)A의 결정방향을 가진 리지의 경사면(30)을 측벽으로 하고 (100)의 결정방향을 가진 평탄한 바닥면(32)을 가진 홈이 형성된다.
식각공정 후에 상기 식각 마스크층을 제거하고 유기금속 기상성장(MOCVD)장치내에서 순차적으로 n-GaAs 버퍼층(12), n-In1-x(Ga1-yAly)xP과 p-In1-x(Ga1-yAly)xP이 교호로 반복해서 적층된 다층구조의 전류제한층(13) 및 n-In1-x(Ga1-yAly)xP 하부 클래드층(14), In1-xGaxP 활성층(16), p-In1-x(Ga1-yAly)xP 상부 클래드층(18), p-In1-x(Ga1-yAly)xP 전류통로층(19) 및 n-In1-x(Ga1-yAly)xP 전류차단층(20), p-In1-xGaxP 통전용이층(22), p-GaAs 캡층(24)을 에피택시 성장한다. 이때, 기판(10) 상에서 성장되는 n-GaAs 버퍼층(12)은 하부층의 결정방향을 그대로 가지고 성장되므로 경사면(30)상에서는 (311)A면의 결정방향을 가지며 상면(34) 및 바닥면(32) 위에서는 (100)면의 결정방향을 가지게 된다. 이와같은 두가지 결정방향을 가진 버퍼층(12) 상에 p형 불순물인 Zn과 n형 불순물인 Se을 동시에 공급하다가 n형 불순물만 공급하는 것을 교호로 반복 수행하면서 In1-x(Ga1-yAly)xP를 성장시키면 (311)A면 상에서는 p- 및 n-In1-x(Ga1-yAly)xP의 다층구조로 된 전류제한층(13)이 성장되고 (100)면상에서는 n-In1-x(Ga1-yAly)xP 하부 클래드층(14)이 동시에 성장하게 된다. 이러한 동시 도우핑(Simultaneous Doping)법은 1993년 발간된 J. Electron Material, Vol. 22, No.4, 361에 개시되어 있다. 또한, 전류통과층(190) 및 전류차단층(20)도 동시 도우핑법에 의해 동시에 형성한다. 에피택시공정후에 캡층(24)상에는 상부 전극(26)을 형성하고 반도체기판(10)의 저면에는 하부전극(28)을 형성한다. 여기서, 하부 클래드층(14)의 두께조절에 의해 활성층(16)의 광발진영역(17)의 가로길이를 조절하여 레이저빔의 비점수차(Astigmatism)를 개선할 수 있다.
이상과 같이 본 발명에서는 MOCVD법에 의한 결정성장시에 결정면에 따라 불순물이 선택적으로 도우핑되는 동시 성장법을 이용하여 활성층의 광발진영역의 양측방을 밴드갭이 큰 전류제한층으로 전기적 및 광학적으로 제한함으로써 고출력화가 가능하다. 또한, 한번의 식각공정 이후에 1차 에피택시 공정으로 나머지 층들을 순차적으로 연속해서 형성할 수 있으므로 제조공정이 매우 간단하다. 또한, 하부 클래드층의 두께조절로 활성층의 광발진영역의 가로길이를 조정하여 양자세선(Quantum Wire) 레이저를 구현할 수 있다.

Claims (13)

  1. 제 1 결정방향을 가진 경사면과 제 2 결정방향을 가진 평탄한 바닥면을 포함하는 홈이 중앙부에 형성되고 상면이 제 2 결정방향을 가지는 제 1 전도형의 반도체기판;
    상기 반도체기판의 상면과 중앙홈의 바닥면 및 양측 경사면 상에 소정 두께로 형성된 제 1 전도형의 버퍼층;
    상기 버퍼층의 중앙홈의 양측 경사면상에 형성되고 밴드갭에너지가 높은 전류제한층;
    상기 버퍼층의 평탄한 상면 및 중앙홈의 평탄한 바닥면상에 형성된 제 1 전도형의 하부 클래드층;
    상기 전류제한층과 상기 하부 클래드층상에 하부층의 굴곡을따라 소정 두께로 형성되는 활성층;
    상기 활성층상에 형성되는 제 2 전도형의 상부 클래드층;
    상기 상부 클래드층의 중앙 V홈의 경사면상에 형성된 제 2 전도형의 전류통로층;
    상기 상부 클래드층의 평탄한 상면상에 형성된 제 1 전도형의 전류차단층;
    상기 전류차단층 및 전류통로층상에 형성된 제 2 전도형의 통전용이층; 및
    상기 통전용이층상에 형성된 제 2 전도형의 캡층을 구비하는 것을 특징으로 하는 고출력 반도체 레이저 소자.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 반도체기판의 제 1 결정방향은 (311)A면의 결정방향이고, 제 2 결정방향은 (100)면의 결정방향인 것을 특징으로 하는 고출력 반도체 레이저 소자.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 전류제한층은 제 1 및 제 2 전도형의 층이 교호로 반복해서 적층된 다층구조인 것을 특징으로 하는 고출력 반도체 레이저 소자.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 전류제한층의 제 2 전도형의 불순물로 Zn을 포함하고, 제 1 전도형의 불순물로 Se을 포함하는 것을 특징으로 하는 고출력 반도체 레이저 소자.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 전도형의 전류통로층은 제 2 전도형 불순물로 Zn을 포함하고, 상기 제 1 전도형의 전류차단층은 제 1 전도형의 불순물로 Se을 포함하는 것을 특징으로 하는 고출력 반도체 레이저 소자.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 반도체기판, 버퍼층 및 캡층은 GaAs이고 상기 전류 제한층, 하부 클래드층, 상부 클래드층, 전류통로층 및 전류차단층은 In1-x(Ga1-yAly)xP이고 상기 활성층 및 통전용이층은 In1-x(Ga1-yAly)xP이고 상기 활성층 및 통전용이층은 In1-xGaxP인 것을 특징으로 하는 고출력 반도체 레이저 소자.
  7. 평탄한 바닥면과 양측 경사면을 가진 중앙홈을 포함하는 제 1 전도형의 반도체 기판;
    상기 반도체기판상에 마련되고, 상기 중앙홈의 평탄한 바닥면상에서는 제 1 전도형을 가지며 상기 경사면 상에서는 제 1 및 제 2 전도형이 교호로 반복해서 적층된 하부 클래드 및 전류 제한층;
    상기 하부 클래드 및 전류제한층 상에 형성되고 상기 전류제한층에 의해 측방이 제한된 중앙홈의 바닥면 상의 영역으로 광발진영역이 한정되는 활성층; 및
    상기 활성층상에 형성된 제 2 전도형의 상부 클래드층을 구비하는 것을 특징으로 하는 고출력 반도체 레이저 소자.
  8. 상면이 제 2 결정방향을 가진 제 1 전도형의 반도체기판의 중앙부에 경사면이 제 1 결정방향을 가지며 평탄한 바닥면이 제 2 결정방향을 가지는 홈을 형성하는 공정; 및
    상기 중앙홈이 형성된 반도체기판 상에, 제 1 전도형의 버퍼층, 상기 중앙홈의 평탄한 바닥면 상에서는 제 1 전도형을 가지며 상기 경사면상에서는 제 1 및 제 2 전도형이 교호로 반복해서 적층된 하부 클래드 및 전류제한층, 활성층 및 제 2 전도형의 상부 클래드층을 순차적으로 에피택시 성장하는 공정을 구비하는 것을 특징으로 하는 고출력 반도체 레이저 소자의 제조방법.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 하부 클래드 및 전류제한층은 제 1 및 제 2 전도형의 불순물들을 한번은 동시에 공급하고 또 한번은 제 1 전도형의 불순물만을 공급하는 것을 교호로 반복하면서 에피택시 성장하는 것을 특징으로 하는 고출력 반도체 레이저 소자의 제조방법.
  10. 제 8 항에 있어서, 상기 제조방법은 제 1 전도형의 불순물과 제 2 전도형의 불순물의 동시 도핑법에 의해 제 1 결정방향을 가진 상기 상부 클래드층 상에는 제 2 전도형의 전류통로층을 형성하고 제 2 결정방향을 가진 상기 상부 클래드층 상에는 제 1 전도형의 전류차단층을 동시에 형성하는 공정;
    상기 전류통로층 및 전류차단층상에 제 2 전도형의 통전용이층을 형성하는 공정; 및
    상기 통전용이층상에 제 2 전도형의 캡층을 형성하는 공정을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 고출력 반도체 레이저 소자의 제조방법.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 동시 도핑법에서 제 1 전도형의 불순물은 Zn이고 제 2 전도형의 불순물은 Se인 것을 특징으로 하는 단파장 반도체 레이저 소자의 제조방법.
  12. 제 8 항에 있어서, 상기 제 1 결정방향은 (311)A면이고 상기 제 2 결정방향은 (100)면인 것을 특징으로 하는 고출력 반도체 레이저 소자의 제조방법.
  13. 제 8 항에 있어서, 레이저빔의 비점수차를 개선하기 위하여 상기 활성층의 광발진영역의 가로길이를 하부 클래드층의 두께로 조절하는 것을 특징으로 하는 고출력 반도체 레이저 소자의 제조방법.
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