KR100275772B1 - 레이저 다이오드와 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 레이저 다이오드와 그 제조방법을 개시한다.

본 발명 레이저 다이오드는, 전류차단층이 소정의 거리로 좌우 이격되어 상기 기판에 대해 소정의 각도로 좌우 대칭된 경사부를 갖고, 좌우 대칭된 경사부의 사이에 평탄한 전류통과 영역이 마련되어, 전류차단층과 상기 전류통과 영역에 의해 V-채널이 형성되고, 이에 의해 상기 활성층이 평탄부과 경사진 양측면을 구비한다. 이러한 구조의 레이저 다이오드는 제한된 전류통과영역에 의해 횡 모드를 용이하게 제어할 수 있으며, 발진 개시전류를 줄일 수 있고, 고출력을 얻을 수 있는 등의 이점이 있다.

Description

레이저 다이오드와 그 제조방법

제1도는 종래 레이저 다이오드의 개략적 단면도이고,

제2도는 본 발명에 따른 레이저 다이오드의 개략적 단면도이며,

그리고 제3도는 본 발명에 따른 레이저 다이오드 어레이 소자의 개략적 단면 도이다.

본 발명은 광 디스크등의 광 정보 처리용으로 폭 넓게 적용되고 있는 630∼680nm 파장대의 AlGaInP/GaInP 가시광 레이저 다이오드 및 고출력 레이저 다이오드 어레이에 관한 것으로서, 상세하게는 GaInP전류제한층의 첨가로 임계전류의 저감화를 실현할 수 있는 레이저 다이오드와 그 제조방법에 관한 것이다.

현재, 정보처리 시스템의 고성능화에 따라 광 디스크 기록 재생용등의 고출력 레이저 다이오드가 요구되고 있다. 이를 위해 현재 700nm대의 레이저 다이오드가 사용되고 있지만, 특히 단파장으로 고출력을 얻을 수 있는 레이저 다이오드가 필요하다. 종래의 고출력 가시광 레이저 다이오드는, 레이저 광을 발진하는 활성층의 상하를 크래딩층으로 덮은 더블 헤테로 구조를 평탄한 기판상에 형성하고, 그 위에 전류저지층을 마련하고 전류주입을 함으로써 발생한 이득분포로 광가이드를 행하든가, 혹은 크래딩층의 두께를 일부 두껍게 한 리지구조로 함으로써 발생하는 굴절율차를 사용해서 광 가이드를 행하고 있다. 그러나, 상기 종래의 레이저 다이오드는 모두 활성층 영역이 횡방향으로 금지대폭 분포를 가지지 않은 구조로 형성되어 있기 때문에 레이저 발진시의 횡 모드 제어가 곤란한 문제점이 있었다. 또한, 상기 종래의 레이저 다이오드는 광 가이드를 위한 더블 헤테로 구조를 형성할 때에, 번잡한 공정이 필요하기 때문에 생산성이 저하되는 문제점이 있었다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 시도로써, 제1도에 도시되어 있는 바와 같은 구조의 레이저 다이오드가 제안되었다.

제1도를 참조하면, 기판(1), 하부크래딩층(4), 활성층(5), 상부크래딩층(6), 캡층(8)이 순차적으로 적층되어 있다. 참조부호 13 및 14는 전극이다.

기판(1)은 그 중앙에 소정 높이 돌출된 메사스트라이프 부분을 갖는다. 상기 메사스트라이프 부분은 기판(1) 좌우 양측의 평탄한 주면에 대해 대해 소정 높이 돌출되어 평탄하게 형성된 상면과, 상면과 주면을 소정각도(θ)로 경사지게 연결하는 경사면으로 이루어져 있다.

이러한 구조를 갖는 기판(1) 위에 순차적으로 적층된 하부 크래딩층(4), 활성층(5), 상부크래딩층(6)도 기판(1)의 상부 표면 구조와 대응되는 구조로 적층되어 있다. 이러한 구조에서, 활성층(5)의 기판(1)의 주면 및 상면과 대응되는 부분은 초격자 구조를 갖는다. 또한, 기판(1)의 경사면과 대응되는 활성층(4)의 경사부분은 활성층(4)의 평탄부분에 비해 초격자 비율이 작게 형성된다.

그러나, 상술한 바와 같은 종래 기술은 기판을 <100>방향에서 기판(1) 주면상에서 상방으로 경사시킴으로써, 대응된 구조의 활성층(4)의 경사면의 에너지 갭이 평탄영역보다 크도록 고안하여 레이저 광의 횡 모드 및 출력을 향상시켰으나, 경사면과 평탄면사이의 에너지 갭 차이에 의해서만 횡 방향으로 캐리어가 구속되므로 누설 전류가 커 전기적 특성이 다소 열등하고 임계 전류도 크다는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로서, 횡 모드 제어의 용이성과 발진 개시 전류의 저감화를 실현할 수 있는 레이저 다이오드와 그 제조방법을 제공함을 그 목적으로 한다.

또한, GaInP 전류제한층을 GaAs기판과 완전하게 격자정합시키면서 식각이 가능한 레이저 다이오드의 제조방법과, PLLA(Phase-Locked Linear Array) 형태로 구성하여 고출력을 얻을 수 있고, 그리고 발진 파장을 가변시킬 수 있는 레이저 다이오드 어레이 소자를 제공함을 그 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 레이저 다이오드는, 기판과, 상기 기판의 상연에 하부 버퍼층과, 전류차단층이 형성되고, 상기 하부버퍼층과 상기 전류차단층 상면에 형성된 하부크래딩층과, 상기 하부크래딩층의 상면에 형성되어 레이저 광을 발생하는 활성층과, 상기 활성층의 상부에 상부크래딩층 및 상부 버퍼층이 순차적으로 적층되는 레이저 다이오드에 있어서, 상기 전류차단층은 상기 하부 버퍼층 상면에 소정거리 좌우 이격되어 상기 기판에 대해 소정의 각도로 좌우 대향된 대칭적 경사부와, 각 경사부로부터 연장된 평탄부를 각도록 형성되어, 상기 양 경사부에 의해 V-채널을 형성시키고, 상기 양 경사부 사이의 평탄한 영역을 전류통과영역으로 제공하게 하며, 상기 하부버퍼층과 상기 전류차단층 위에 순차적으로 형성되는 상기 하부 크래딩층, 활성층, 상부크래딩층은 상기 전류차단층의 평탄부와 V-채널 형상에 대응되게 형성된다.

상기 본 발명 레이저 다이오드의 구체적인 유형은, 기판과, 전류통과 영역이 마련되는 하부버퍼층과, 채널을 형성하는 전류차단층이 순차적으로 적층되고, 상기 채널에 대응되는 경사부와 평탄부를 갖도록 상기 하부버퍼층과 상기 전류차단층에 순차적으로 적층형성되는 하부 크래딩층, 활성층, 상부 크래딩층, 상부 버퍼층 그리고 캡층을 구비한 형태이다.

또한, 상기 레이저 다이오드를 PLLA(Phase-Locked Linear Array) 형태로 구성하여 레이저 다이오드 어레이 소자를 구성할 수 있는 점에 그 특징이 있다.

한편, 상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명 레이저 다이오드 제조방법은, 기판과, 상기 기판의 상면에 제한된 전류가 흐르는 전류통과영역이 마련된 하부 버퍼층이 형성되고, 상기 하부 버퍼층의 상면에 제한된 전류통과 영역을 위한 스트라이프상 통과영역을 형성하도록 좌우로 분리된 전류차단층과, 상기 하부버퍼층과 상기 전류차단층 상면에 형성되는 하부크래딩층과, 상기 하부 크래딩층의 상면에 형성되어 레이저 광을 발생하는 활성층과, 상기 활성층의 상부에 상부 크래딩층, 상부 버퍼층, 및 캡층이 순차적을 적층되는 레이저 다이오드를 제조함에 있어서, 상기 기판 위에 하부 버퍼층과 전류차단층을 순차적으로 형성하는 단계와, 상기 전류차단층의 중앙부분을 상기 하부 버퍼층 상면까지 소정 각도로 제거하여 상기 하부버퍼층 중앙부근에 전류통과 영역과, V-채널을 형성하도록 전류차단층을 리소그래피(Lithography)하는 단계와, 상기 전류차단층과 전류통과 영역위에 상기 하부크래딩층, 활성층, 상부 크래딩층을 상기 V-채널과 대응되는 형상을 갖도록 순차적으로 형성하는 단계;를 포함한다.

이하 첨부된 도면을 참조하면서, 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.

제2도는 본 발명에 따른 레이저 다이오드의 개략적 단면도이고, 제3도는 본 발명에 따른 레이저 다이오드 어레이 소자의 개략적 단면도이다. 도면에서 1은 <100>면 방향의 n-GaAs로 된 기판, 2는 n-GaAs로 되어 중앙 부근에 전류통과 영역을 형성하는 하부버퍼층, 3은 p^--GaInP로 형성되고 소정의 거리로 좌우 분리되어 소정각도의 경사부를 갖는 전류차단층, 4는 n-AlInGaP로 된 하부크래딩층, 5는 InGaP로 된 활성층, 6은 p-AlInGaP로 된 상부크래딩층, 7은 p-InGaAs로 된 상부버퍼층, 8은 p⁺-GaAs로 된 캡층, 11은 레이저 광이 방사되는 광빔방사영역, 12는 제한된 전류를 통과시키는 전류통과 영역, 13, 14는 P-전극과 n-전극이다. 여기서, 전류차단층(3)의 첨두부호 p^--는 통상적인 P형 반도체를 형성하기 위해 첨자없이 p-로 표기되는 p형 도핑레벨 보다 약간 낮은 도핑레벨이 적용된 것을 나타내고, 캡층(8)의 p⁺-는 통상적인 P형 반도체를 형성하기 위해 p-로 표기되는 p형 도핑레벨보다 약간 높은 도핑레벨이 적용된 것을 나타낸다.

제2도에서 알 수 있는 바와 같이, 하부 버퍼층(20) 위에 상호 소정거리 이격되어 분리 형성된 전류차단층(3)에 의해 V형 채널이 형성되어 있다. 하부버퍼층(2)과 전류차단층(3)에 의해 형성되는 V형 채널은 전류통과 영역(12)을 형성하는 평탄면과 전류차단층(3)의 경사부를 형성하는 경사면을 가지고 있다. 상기 전류차단층은 <100>면 방향에서 5∼7° 정도 경사지게 하는 것이 바람직한데, 이는 5∼7° 정도의 경사각으로 경사진 채널에 대응하여 형성되는 평탄면과 경사부를 갖는 활성층(5)이 상기 평탄면의 에너지 밴드갭과 경사부의 에너지 밴드갭의 차이를 이용하여 발진영역을 제한하여 횡 모드를 개선하기 때문이다. 즉, 경사부의 에너지 밴드갭을 평탄부의 에너지 밴드갭보다 크게 구성하여 발진영역을 경사부 사이내에 있는 평탄부영역으로 제한하는 것이다. 이와 같은 구성에 의해서 제2도 및 제3도에 도시되어 바와 같이 광 효율이 개선된 광빔 스폿(11)을 얻을 수 있다. 또한 전류차단층(3)은 전류의 흐름을 전류통과 영역(12)으로 국한시켜 캐리어를 발진영역으로 제한함으로써 전류의 누설을 방지하며, 이에 의해 발진 개시 전류의 저감화를 구현하며, 전류를 상기 발진영역부근에 국한하여 더욱더 개선된 광빔 스폿(11)을 구현할 수 있다. 이와 더불어서, V-채널의 폭을 변화시키면 발진파장이 달라지므로 발진파장의 가변화가 용이하다. 상술한 바와 같은 레이저 다이오드의 단위 소자들을 제3도에 도시되어 있는 바와 같이 반복적으로 형성시켜 PLLA(Phase-Locked Linear Array) 형태로 구성하면 용이하게 고출력화를 얻을 수 있으며, 채널의 폭을 조절하여 각 광빔 스폿마다 발진파장을 다르게 한 멀티-빔 레이저 다이오드 어레이 소자의 구현도 가능하다.

본 발명의 상세한 설명에서는 n형 기판을 사용하였지만, 그와 반대로 p형 기판을 사용하여도 상관없으며, 이때는 각각의 층을 상황에 맞게 교체하여야 한다.

이하 본 발명 제조방법을 설명한다.

1. (제1차성장과정) 기판(1)위에 <100>면 방향으로 하부버퍼층(2)과 전류차단층(3)을 성장시킨다. 상기 GaInP 전류차단층은 GaAs 기판(1)과 완전하게 격자 정합이 되며, 이는 후속 공정의 선택적 식각을 가능하게 한다.

2. (리소그래피과정) 통상의 리소그래피에 의해 전류차단층(3)의 중앙부분을 제거시켜 V-채널을 형성한다. HCl과 H₃PO₄이 1 : 1로 혼합된 식각액을 사용하여 GaAs 하부 버퍼층(2)에서 식각이 정지되도록 한다.

3. (제2차성장단계) 상기 리소그래피에 의해 형성된 V-채널위에 성장법으로 상기 채널에 대응하는 평탄부와 경사부를 구비하는 하부크래딩층(4), 활성층(5), 상부그패딩층(6), 상부버퍼층(70 및 캡층(8)을 순차적으로 성장시킨다. 통상적인 유기금속 기상성장법에 의해 성장시키는 것이 바람직하다. 캡층(8) 상부와 기판(1) 하부에 각각 전극(13)(14)을 형성하면 소자 제조가 완료된다.

이러한 본 발명 제조방법에 있어서, 상기 레이저 광빔 스폿의 광 효율성을 위해서 상기 경사부의 경사각을 5∼7° 정도로 하는 것이 바람직하다. 이는 광빔의 최적 효율의 범주이다. 또한, 상기 식각과정에서 V-채널의 폭을 필요에 따라 선택적으로 변화시켜 발진파장의 영역을 가변화 할 수 있고, 상기의 제조과정에 의한 레이저 다이오드를 PLLA형태로 구성하여 용이하게 고출력화를 도모할 수 있다. 그리고, 상기 레이저 다이오드는 한번의 식각과정과 성장과정을 통해 제조되므로 번잡한 제조공정이 없어 제조가 용이하다.

이상과 같은 본 발명 레이저 다이오드는 전류통과영역에 대응되게 상호 분리되어 형성된 전류차단층에 의해 임계전류 즉, 발진 개시전류을 줄일 수 있으며, 에너지 밴드갭의 차이가 있는 평탄부와 경사부를 마련함으로써 횡 모드제어가 가능하며, 레이저 다이오드를 PLLA형태로 하여 고출력이 가능하다.

그리고, 이상과 같은 본 발명 레이저 다이오드 제조방법은, 선택적 식각으로 채널폭의 정확한 제어가 가능하여 소자제작이 용이한 이점을 제공한다.

Claims (7)

1. 기판과, 상기 기판의 상면에 하부 버퍼층과, 전류차단층이 형성되고, 상기 하부버퍼층과 상기 전류차단층 상면에 형성된 하부크래딩층과, 상기 하부크래딩층의 상면에 형성되어 레이저 광을 발생하는 활성층과, 상기 활성층의 상부에 상부크래딩층 및 상부 버퍼층이 순차적으로 적층되는 레이저 다이오드에 있어서, 상기 전류차단층은 상기 하부 버퍼층 상면에 소정거리 좌우 이격되어 상기 기판에 대해 소정의 각도로 좌우 대향된 대칭적 경사부와, 각 경사부로부터 연장된 평탄부를 각도록 형성되어, 상기 양 경사부에 의해 V-채널을 형성시키고, 상기 양 경사부 사이의 평탄한 영역을 전류통과영역으로 제공하게 하며, 상기 하부버퍼층과 상기 전류차단층 위에 순차적으로 형성되는 상기 하부 크래딩층, 활성층, 상부크래딩층은 상기 전류차단층의 평탄부와 V-채널 형상에 대응되게 형성된 것을 특징으로 하는 레이저 다이오드.
2. 제1항에 있어서, 상기 채널이 다수 소정 간격으로 반복 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 레이저 다이오드.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 V-채널 형상에 대응되는 상기 활성층의 경사진 양측면의 경사각이 5∼7° 인 것을 특징으로 하는 레이저 다이오드.
4. 기판과, 상기 기판의 상면에 제한된 전류가 흐르는 전류통과영역이 마련된 하부 버퍼층이 형성되고, 상기 하부 버퍼층의 상면에 제한된 전류통과 영역을 위한 스트라이프상 통과영역을 형성하도록 좌우로 분리된 전류차단층과, 상기 하부버퍼층과 상기 전류차단층 상면에 형성되는 하부크래딩층과, 상기 하부 크래딩층의 상면에 형성되어 레이저 광을 발생하는 활성층과, 상기 활성층의 상부에 상부 크래딩층, 상부 버퍼층, 및 캡층이 순차적을 적층되는 레이저 다이오드를 제조함에 있어서, 상기 기판 위에 하부 버퍼층과 전류차단층을 순차적으로 형성하는 단계와, 상기 전류차단층의 중앙부분을 상기 하부 버퍼층 상면까지 소정 각도로 제거하여 상기 하부버퍼층 중간부근에 형성되는 전류통과 영역과, V-채널을 형성하도록 전류차단층을 리소그래피(Lithography)하는 단계와, 상기 전류차단층과 전류통과 영역위에 상기 하부크래딩층, 활성층, 상부 크래딩층을 상기 V-채널과 대응되는 형상을 갖도록 순차적으로 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 다이오드의 제조 방법.
5. 제4항에 있어서, 상기 리소그래피 단계에서 상기 전류차단층의 일부를 제거하기 위해 HCl과 H₃PO₄가 동일한 혼합비로 혼합된 식각액이 사용되는 것을 특징으로 하는 레이저 다이오드의 제조 방법.
6. 제4항에 있어서, 상기 채널이 다수 소정 간격으로 반복 배열되도록 제조하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 다이오드의 제조 방법.
7. 제4항에 있어서, 상기 V-채널과 대응되는 상기 활성층의 경사진 양측면의 경사각이 5∼7°로 되도록 성장하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 다이오드의 제조 방법.