KR100265805B1 - 레이저 다이오드와 그 제조방법 - Google Patents

레이저 다이오드와 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 레이저 다이오드와 그 제조방법을 개시한다.
본 발명 레이저 다이오드는, 활성층이 횡 방향으로 단차가 형성되어 경사면상에서는100

Description

레이저 다이오드와 그 제조방법
제1도는 종래 레이저 다이오드의 개략적인 단면도이며,
제2도 내지 제3도는 본 발명 제조방법의 공정을 개략적으로 도시하는 공정 단면도이며, 그리고
제4도는 본 발명에 따른 레이저 다이오드의 개략적인 단면도이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 기판 2 : 전류제한층
3 : 제1크래드층 4 : 활성층
5 : 제2크래드층 6 : 밴드갭감소층
7 : 콘택트층 8 : 버퍼층
본 발명은 광 디스크 및 레이저 프린터등의 광 정보처리용 광원으로 폭 넓게 사용되는 670nm 파장대의 가시광 레이저 다이오드와 그 제조방법에 관한 것으로서, 레이저 다이오드의 활성층에 단차를 주어 횡방향으로의 제한성(confinement)를 강화하여 레이저 다이오드의 특성을 개선시킨 변형된 VSIS 구조의 레이저 다이오드와 그 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 레이저 다이오드를 광 디스크등의 광 정보처리 분야에 광원으로 사용하기 위한 가장 중요한 성능은 안정한 기본 횡 모드 발진이다. 즉, 발광 스폿이 단일로 되고, 더욱이 그 광 강도피크의 위치가 광 출력레벨에 따라서 이동하지 않는 것이 필요하다. 다음으로 중요한 성능은 임계치 전류가 적은 것이다. 이들 두가지의 성능을 만족시키기 위해서 개발된 것이 스트라이프(stripe)형 레이저 다이오드이다. 이 스트라이프형 레이저 다이오드는, 광 도파로가 전류주입에 의한 이득분포에 의해 결정되는 이득도파형 레이저 다이오드와 접합방향에 굴절율 분포가 설계된 굴절율 도파형 레이저 다이오드로 대별된다. 횡 모드의 안정성, 임계치 전류, 비점격차에서는 굴절율도파형 레이저 다이오드가 단연 우수하며, 현재 실용화되고 있는 레이저 다이오드는 접합 평행방향에 실효 굴절율차를 두어 접합폭에 광을 가두는 실효 굴절율 도파형 레이저 다이오드가 대부분이다. 이와 같은 실효 굴절율 도파형 레이저 다이오드의 예가 VSIS(V-channeled substrate inner stripe)형 레이저 다이오드이다. 이 VSIS형 레이저 다이오드는 스트라이프 양측의 활성층에 근접하여 광 흡수층이 형성되는데, 이것은 전류저지의 역할을 함과 동시에 내부 스트라이프 구조를 형성한다.
그러나, 상기의 670nm 파장대의 가시광 레이저 다이오드는 전형적인 SBR(Selectively buried ridge) 구조의 반도체 소자로서, 제1도에 도시되어 있는 바와 같이 기판(10) 상부에 버퍼층(20), 제1크래드층(30), 도핑안된 활성층(40) 및 제2크래드층(50)을 1차로 성장한 다음, 사진식각에 의해 상기 제2크래드층 중심부에 소정의 폭과 높이를 가지는 리지 스트라이프(ridge stripe)를 형성한다. 그 다음, 2차로 밴드갭감소층(60), 전류제한층(70), 3차로 콘택트층(80)을 성장하여 제조하였다.
그런데, 상기의 2차 내지 3차의 성장시 아연(Zn)등의 불순물이 활성층(40)내로 확산되어 비발광의 원인이 되거나 소자의 특성인 신뢰성을 저하시키는 문제점이 있었다.
또한, 리지의 폭과 깊이를 습식 화학에칭에 의해 정확히 제어하기가 매우 어려운 문제점이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 활성층이 횡 방향으로 단차가 존재하여 경사면상에서100면 보다 밴드갭이 다소 커지는 효과에 의해 횡 방향의 제한성을 향상시키고, 발진개시 전류의 저감화와 레이저빔 특성을 향상시킬 수 있는 변형된 VSIS형 레이저 다이오드와 그 제조방법을 제공함에 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 레이저 다이오드는,
그 저면에 전극이 마련되는 기판과, 상기 기판의 상부에 제1크래드층과 활성층 및 제2크래드층이 순차적으로 형성되어 레이저빔을 발진시키는 레이저 발진층과, 상기 레이저 발진층의 상부에 마련되는 전극을 구비한 레이저 다이오드에 있어서,
상기 기판과 제1크래드층사이에는 가운데 부분에 전류주입 채널이 마련된 전류제한층이 개재되고,
상기 제1크래드층은 그 가운데 부분이 리지를 형성하고,
상기 활성층은 상기 제1크래드층의 리지에 대응하여 형성되어 평탄부와 경사부를 갖게 되어 있는 점에 그 특징이 있다.
그리고, 상기 레이저 다이오드의 바람직한 구조를 위하여 상기 전류주입 채널 내면에 버퍼층이 개재되고, 상기 전류제한층과 기판사이에 식각저지층이 개재되는 점에 그 특징이 있다.
또한, 상기 레이저 다이오드의 바람직한 구조를 위하여 상기 제2크래드층 상부에 밴드갭감소층, 콘택트층을 순차적으로 형성하는 점에도 그 특징이 있다.
그리고, 상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명 제조방법은,
(1) 기판상에 전류제한층을 성장하는 제1성장단계와,
(2) 상기 전류제한층의 가운데 부분을 선택적으로 식각하여 전류주입 채널을 형성하는 채널형성단계와,
(3) 상기 채널의 내주면에 버퍼층을 성장하고, 상기 채널에 대응하여 리지를 형성하는 제1크래드층의 일부를 성장하고, 상기 리지면에 보호버퍼층을 순차적으로 성장하는 제2성장단계와,
(4) 상기 채널형성단계에서 이용되었던 마스크를 제거하고 상기 전류제한층 및 보호버퍼층을 식각하는 마스크제거 및 식각단계와,
(5) 상기 마스크제거 및 식각단계에 연이어서 상기 리지에 대응하여 상기 전류제한층 상면까지 포함하는 제1크래드층, 활성층 및 제2크래드층을 성장하는 제3성장단계를 포함하는 것을 그 특징으로 한다.
그리고, 상기 레이저 다이오드의 바람직한 제조공정을 위하여, 상기 제1성장단계에서 기판과 전류제한층사이에 식각저지층을 개재하여 전류제한층과 같이 성장하는 것을 그 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 레이저 다이오드의 바람직한 제조공정 및 특성을 위하여, 상기 제3성장단계에서 상기 제2크래드층 성장 후에 계속해서 밴드갭감소층과 콘택트층을 더 성장하는 것을 그 특징으로 할 수 있다.
그리고, 더 나아가 상기 콘택트층의 상면 및 기판 저면에 전극을 형성하는 단계를 포함한다.
이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.
제2도 내지 제3도는 본 발명 제조방법의 공정을 개략적으로 도시하는 공정 단면도이며, 제4도는 본 발명에 따른 레이저 다이오드의 개략적인 단면도이다. 도면에서, 1은 p-GaAs 기판이며, 2는 중앙부에 전류주입 채널이 형성되어 V 형 구조를 만드는 n-GaAs 전류제한층, 3은 상기 채널에 역으로 대응하여 리지를 만드는 p-AlGaInP 제1크래드층의 일부이며, 3a는 상기 3부분과 결합하여 리지 구조의 제1크래드층을 구성하는 p-AlGaInP 제1크래드층의 일부이다. 그리고, 4는 상기 제1크래드층(3, 3a)의 리지에 대응하여 형성되어 경사면과 평탄면을 갖는, 즉 단차가 형성되는 도핑안된 GaInP 활성층이며, 5는 상기 활성층(4)의 상부에 형성되는 n-AlGaInP 제2크래드층, 6은 상기 제2크래드층(5)의 상부에 형성되는 n-GaInP 밴드갭감소층, 7은 상기 밴드갭감소층(6)의 상부에 형성되는 n-GaAs 콘택트층이다. 또한, 8은 상기 채널내주면에 형성되는 p-GaInP 버퍼층이며, 8a는 상기 제1크래드층(3)을 보호하고 결국을 열 식각공정에서 제거되는 p-GaInP 보호버퍼층, 9는 일반적인 사진 식각공정으로 상기 채널을 형성하기 위해 필요한 SiO2마스크, 그리고 10은 상기 기판(1)과 전류제한층(2)사이에 개재되는 p-GaInP 식각저지층이다. 기판(1) 저면과 콘택트층(7)상면에 형성되는 전극을 편의상 생략하였다.
상술한 바와 같이 본 발명 레이저 다이오드는 활성층(4)이 상기 제1크래드층(3)의 리지에 대응하여 형성됨으로써 제4도에 도시되어 있는 바와 같이 경사면을 갖는다. 즉, 활성층(4)이 횡 방향으로 단차가 존재하여 경사면상에서는 평탄면인100면보다 밴드갭이 다소 커지는 효과에 의해 횡 방향의 제한성을 향상시키고 발진 개시전류의 저감화와 레이저빔 특성을 향상시킬 수 있는 것이다.
이하 본 발명 제조방법을 설명한다.
(1) (제1차성장단계) p-GaAs 기판(1)상에 p-GaInP 식각저지층(10)과 n-GaAs 전류제한층(2)을 통상적인 성장법에 의해 순차적으로 성장시킨다. 이때, 공정의 일관성을 위해 분자선 성장법으로 성장하는 것이 바람직하다.
(2) (채널형성단계) 제2도에 도시되어 있는 바와 같이, 전류제한층(2) 위에 SiO2마스크(9)를 형성하여 통상적인 사진식각공정으로 상기 식각저지층(10) 및 전류제한층(2)의 가운데 부분을 선택적으로 식각하여 전류주입 채널을 형성한다.
(3) 제2차성장단계) 제2도에 도시되어 있는 바와 같이, 상기 채널의 내주면에 p-GaInP 버퍼층(8)을 선택적으로 성장하고, 상기 채널에 역으로 대응한 리지를 갖는 p-AlGaInP 제1크래드층(3)를 선택적으로 성장하고, 상기 리지의 상면과 경사면에 p-GaInP 보호버퍼층(8a)을 선택적으로 성장한다. 이와 같은 선택적 성장기교는 식각이 아닌 성장에 의해 소자의 주요 치수가 결정됨으로 각종 매개변수를 정확히 제어하여 재현성있는 특성을 얻게 할 수 있다.
(4) (마스크제거 및 식각단계) 제3도에 도시되어 있는 바와 같이, 상기 채널형성단계에서 이용되었던 SiO2마스크(9)를 제거하고 식각한다. 이때, 식각을 통상적인 분자선성장법(MBE)의 As4플럭스(flux)에 의한 열세척(thermal cleaning)에 의하는 것이 바람직하다. 이와 같은 열세척의 경우, 전류제한층(2)에는 거의 결함을 주지 않고 보호버퍼층(8a)층만 선택적으로 제거할 수 있기 때문에 이후의 재성장을 깨끗한 표면위에서 수행할 수 있는 것이다.
또한, 제2도에 도시되어 있는 바와 같이, 제1크래드층(3)의 리지상면과 경사면에 보호버퍼층(8a)을 얇게 성장한 상태에서 마스크를 제거함으로 제1크래드층(3)의 공기중 노출에 의한 산화에 의해 재성장계면특성이 나빠지는 것을 방지할 수 있다.
(5) (제3차성장단계) 제4도에 도시되어 있는 바와 같이, 상기 마스크제거 및 식각단계에 연이어서 상기 리지에 대응하여 상기 전류제한층(2) 상면까지 포함하는 p-AlGaInP 제1크래드층(3a), 도핑안된 GaInP 활성층(4), n-AlGaInP 제2크래드층(5), n-GaInP 밴드갭감소층(6) 및 n-GaAs 콘택트층(7)을 순차적으로 성장한다. 이때, 제조공정의 일관성을 위해서 분자선성장법을 사용하여 성장하는 것이 바람직하다.
그리고, 더 나아가 상기 콘택트층(7)의 상면 및 기판(1) 저면에 전극을 증착형성하여 하나의 완전한 레이저 다이오드를 완성한다.
이러한 본 발명에 의한 효과를 살펴보면, 상술한 바와 같이 활성층이 횡 방향으로 단차가 존재하여 경사면상에서는100면 보다 밴드갭이 약간 커지는 효과에 의해 횡 방향의 제한성 강화로 발진개시 전류가 저감화되고, 원형의 레이저빔이 가능하다. 그리고, 활성층내 불순물의 주입 감소로 소자 신뢰성이 향상되며, 발광 효율이 증대된다. 또한, 깨끗한 표면위에서 재성장을 수행할 수 있고, 공기중에서 결정층의 노출에 의한 산화에 의해 재성장 계면특성이 나빠지는 것을 방지할 수 있다. 더욱이 리지의 형상이 식각이 아닌 성장에 의해 소자의 주요치수가 결정됨으로 각종 매개변수를 정확히 제어하여 재현성 있는 특성을 얻을 수 있다.
그리고, 상술한 바와 같은 본 발명 레이저 다이오드와 그 제조방법은 상술한 명세서에 의해서라기 보다는 첨부되는 청구의 범위에 의해 정해지고, 본 발명의 의미, 범위 및 균등물에 해당되는 모든 변화물은 본 발명에 포함될 것이다.

Claims (7)

  1. 그 저면에 전극이 마련되는 기판과, 상기 기판의 상부에 제1크래드층과 활성층 및 제2크래드층이 순차적으로 형성되어 레이저빔을 발진시키는 레이저 발진층과, 상기 레이저 발진층의 상부에 마련되는 전극을 구비한 레이저 다이오드에 있어서,
    상기 기판과 제1크래드층사이에는 가운데 부분에 전류주입 채널이 마련된 전류제한층이 개재되고,
    상기 제1크래드층은 그 가운데 부분이 리지를 형성하고,
    상기 활성층은 상기 제1크래드층의 리지에 대응하여 형성되어 평탄부와 경사부를 마련하는 것을 특징으로 하는 레이저 다이오드.
  2. 제1항에 있어서, 상기 전류주입 채널 내면에 버퍼층이 개재되고, 상기 전류제한층과 기판사이에 식각저지층이 개재되는 것을 특징으로 하는 레이저 다이오드.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제2크래드층 상부에 밴드갭감소층, 콘택트층이 순차적으로 형성된 것을 특징으로 하는 레이저 다이오드.
  4. (1) 기판상에 전류제한층을 성장하는 제1성장단계,
    (2) 상기 전류제한층의 가운데 부분을 선택적으로 식각하여 전류주입 채널을 형성하는 채널형성단계,
    (3) 상기 채널의 내주면에 버퍼층을 성장하고, 상기 채널에 대응하여 리지를 형성하는 제1크래드층의 일부를 성장하고, 상기 리지면에 보호버퍼층을 순차적으로 성장하는 제2성장단계,
    (4) 상기 채널형성단계에서 이용되었던 마스크를 제거하고 상기 전류제한층 및 보호버퍼층을 식각하는 마스크제거 및 식각단계, 및
    (5) 상기 마스크제거 및 식각단계에 연이어서 상기 리지에 대응하여 상기 전류제한층 상면까지 포함하는 제1크래드층, 활성층 및 제2크래드층을 성장하는 제3성장단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 다이오드의 제조방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 제1성장단계에서 기판과 전류제한층사이에 식각저지층을 개재하여 전류제한층과 같이 성장하는 것을 특징으로 하는 레이저 다이오드의 제조방법.
  6. 제4항에 있어서, 상기 제3성장단계에서 상기 제2크레드층 성장후에 계속해서 밴드갭감소층과 콘택트층을 더 성장하는 것을 특징으로 하는 레이저 다이오드의 제조방법.
  7. 제4항에 있어서, 상기 마스크제거 및 식각단계에서 식각공정이 분자선성장법의 열세척에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 레이저 다이오드의 제조방법.
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