KR100275774B1 - Short wavelength luminous semiconductor laser diode - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 GaN계 3족-5족 질화물을 이용한 단파장 면발광 반도체 레이저 다이오드에 관한 것으로, 상세하게는 공진기에 직접 상부 금속 전극과 하부 금속 전극을 접촉시키고 효과적인 전류 제한과 광도파를 가능하게 하는 구조를 갖는 단파장 면발광 반도체 레이저 다이오드 및 그 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a short wavelength surface-emitting semiconductor laser diode using GaN-based Group III-V group nitrides, and more particularly, to a structure in which an upper metal electrode and a lower metal electrode are directly contacted with a resonator, thereby enabling effective current limiting and optical waveguide. It relates to a short wavelength surface-emitting semiconductor laser diode having a and a method of manufacturing the same.
일반적으로 면발광 반도체 레이저 다이오드는 활성층 상부 및 하부에 반사율이 99 % 이상인 분산 브래그 반사기(Distributed Bragg Reflector; DBR)를 구비하여 광을 적층들의 수직 방향으로 공진하게 하는 구조를 갖는다. 이러한 DBR은 GaAs와 AlAs와 같이 서로 굴절율의 차이가 크고 격자상수가 서로 비슷하여 에피택셜(epitaxial) 성장이 가능한 물질을 번갈아 증착시킨 적층 구조를 갖거나, SiO2, Al2O3및 TiO2와 같은 절연물질 중 서로 굴절율의 차이가 큰 물질들의 쌍을 선택하여 번갈아 적층한 구조를 갖는다. DBR은 발진 파장보다 밴드갭 에너지(bandgap energy)가 커서 흡수가 일어나지 않아야 하고, 두 DBR 물질 간에 굴절율 차이가 클수록 유리하다.In general, the surface-emitting semiconductor laser diode has a structure having a distributed Bragg reflector (DBR) having a reflectance of 99% or more on the upper and lower portions of the active layer to cause the light to resonate in the vertical direction of the stacks. The DBR has a lamination structure in which a material having a large difference in refractive index and similar lattice constants, such as GaAs and AlAs, is deposited alternately with epitaxial growth, or SiO 2 , Al 2 O 3, and TiO 2 . It has a structure in which pairs of materials having a large difference in refractive index among the same insulating materials are selected and alternately stacked. The DBR has a greater bandgap energy than the oscillation wavelength, so no absorption should occur, and a larger refractive index difference between the two DBR materials is advantageous.
청색 계열의 단파장 광을 발생시키기 위하여 주로 사용되는 GaN계 반도체 레이저 다이오드에서 DBR로 사용 가능한 반도체 재료로는 GaN, AlGaN 또는 AlN 등이 있다. Al 함량이 30 % 이상인 AlGaN과 AlN 등은 밴드갭 에너지가 너무 커서 상기 화합물로 구성된 DBR을 통해 전류를 주입할 경우 구동전압이 매우 높아지고 발열로 인한 문제가 발생될 우려가 있다. 따라서 상기와 같은 물질로 형성되는 면발광 반도체 레이저 다이오드는 전류 제한 구조 및 광도파 구조가 기존의 GaAs 계 면발광 반도체 레이저 다이오드에 비하여 다른 구조를 갖도록 제작하지 않으면 안된다.GaN, AlGaN, or AlN may be used as a semiconductor material in the GaN semiconductor laser diode mainly used to generate blue-based short wavelength light as a DBR. AlGaN and AlN having an Al content of 30% or more have a bandgap energy that is too large, and when a current is injected through a DBR composed of the compound, the driving voltage becomes very high and there is a concern that heat generation may occur. Therefore, the surface-emitting semiconductor laser diode formed of the above materials must be manufactured so that the current limiting structure and the optical waveguide structure have a different structure than the conventional GaAs-based surface-emitting semiconductor laser diode.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하고자 창안된 것으로, 공진기에 직접 금속 전극들 접속시키고 효과적인 전류 제한이 가능하도록 하는 전류 제한층을 형성한 단파장 면발광 반도체 레이저 다이오드 및 그 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to improve the above problems, and provides a short wavelength surface emitting semiconductor laser diode having a current limiting layer which connects metal electrodes directly to a resonator and enables effective current limiting, and a method thereof. There is this.
도 1 및 도 2는 본 발명에 따른 단파장 면발광 반도체 레이저 다이오드의 제작 단계별 공정 후의 수직 단면도로서,1 and 2 are vertical cross-sectional views after the step-by-step process of manufacturing a short wavelength surface-emitting semiconductor laser diode according to the present invention,
도 1은 DBR 구조를 형성한 후의 수직 단면도이고,1 is a vertical cross-sectional view after forming the DBR structure,
도 2는 전류 제한 구조 및 금속 전극 형성을 실시하여 소자를 완성한 후의 수직 단면도이며,2 is a vertical cross-sectional view after completing the device by performing the current limiting structure and metal electrode formation,
그리고 도 3은 본 발명에 따른 단파장 면발광 반도체 레이저 다이오드의 또 다른 실시예를 나타내는 수직 단면도이다.3 is a vertical cross-sectional view showing yet another embodiment of a short wavelength surface emitting semiconductor laser diode according to the present invention.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>
11. 하부 분산 브래그 반사기(DBR) 11a. GaN/AlyGa1-yN 층11. Lower Dispersion Bragg Reflector (DBR) 11a. GaN / Al y Ga 1-y N layer
11b. AlGaN/AlxGa1-xN 층 12. n-GaN 콘택트층11b. AlGaN / Al x Ga 1-x N layer 12.n-GaN contact layer
13. n-AlxGa1-xN 캐리어 제한층 14. InxGa1-xN 활성층13. n-Al x Ga 1-x N carrier confinement layer 14.In x Ga 1-x N active layer
15. p-AlxGa1-xN 캐리어 제한층 16. AlN/AlxGa1-xN 층15.p-Al x Ga 1-x N carrier confinement layer 16.AlN / Al x Ga 1-x N layer
17. p-GaN 콘택트층 18. 상부 분산 브래그 반사기(DBR)17. p-GaN contact layer 18. Top Dispersion Bragg Reflector (DBR)
18a. GaN/AlyGa1-yN 층 18b. AlGaN/AlxGa1-xN 층18a. GaN / Al y Ga 1-y N layer 18b. AlGaN / Al x Ga 1-x N layer
21. 하부 분산 브래그 반사기(DBR) 21a. GaN/AlyGa1-yN 층21. Lower Dispersion Bragg Reflector (DBR) 21a. GaN / Al y Ga 1-y N layer
21b. AlGaN/AlxGa1-xN 층 22. n-GaN 콘택트층21b. AlGaN / Al x Ga 1-x N layer 22.n-GaN contact layer
23. n-AlxGa1-xN 캐리어 제한층 24. InxGa1-xN 활성층23.n-Al x Ga 1-x N Carrier Limiting Layer 24.In x Ga 1-x N Active Layer
25. p-AlxGa1-xN 캐리어 제한층 26'. AlN/AlxGa1-xN 통전 채널층25. p-Al x Ga 1-x N carrier confinement layer 26 '. AlN / Al x Ga 1-x N conduction channel layer
26". 전류 제한층(공기층) 27. p-GaN 콘택트층26 ". Current limiting layer (air layer) 27. p-GaN contact layer
28. 상부 분산 브래그 반사기(DBR) 28a. GaN/AlyGa1-yN 층28. Upper Dispersion Bragg Reflector (DBR) 28a. GaN / Al y Ga 1-y N layer
28b. AlGaN/AlxGa1-xN 층 29. 상부 금속 전극28b. AlGaN / Al x Ga 1-x N layer 29. Top metal electrode
30. 하부 금속 전극 41. 하부 분산 브래그 반사기(DBR) 41a. GaN/AlyGa1-yN 층 41b. AlGaN/AlxGa1-xN 층30. Bottom metal electrode 41. Bottom distributed Bragg reflector (DBR) 41a. GaN / Al y Ga 1-y N layer 41b. AlGaN / Al x Ga 1-x N layer
42. n-GaN 콘택트층 43. n-AlxGa1-xN 캐리어 제한층42.n-GaN contact layer 43.n-Al x Ga 1-x N carrier confinement layer
44. InxGa1-xN 활성층 45. p-AlxGa1-xN 캐리어 제한층44.In x Ga 1-x N active layer 45.p-Al x Ga 1-x N carrier confinement layer
46'. AlN/AlxGa1-xN 통전 채널층 46". 전류 제한층(공기층)46 '. AlN / Al x Ga 1-x N conduction channel layer 46 ". Current limiting layer (air layer)
47. p-GaN 콘택트층 48. 상부 분산 브래그 반사기(DBR 48a. GaN/AlyGa1-yN 층 48b. AlGaN/AlxGa1-xN 층47. p-GaN contact layer 48. Top dispersed Bragg reflector (DBR 48a.GaN / Al y Ga 1-y N layer 48b.AlGaN / Al x Ga 1-x N layer
49. 상부 금속 전극 50. 하부 금속 전극49. Upper metal electrode 50. Lower metal electrode
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 단파장 면발광 반도체 레이저 다이오드는, 반도체 기판 상에 하부 분산 브래그 반사기, 공진기 및 상부 분산 브래그 반사기를 구비한 단파장 면발광 반도체 레이저 다이오드에 있어서, 상기 공진기 하부 및 상부 중 적어도 어느 한 곳에 상기 공진기로 전류를 공급하는 통전 채널층을 구비하되, 상기 통전 채널의 외곽을 공기층으로 하는 전류 제한층을 형성하여 상기 통전 채널의 평면적 크기를 상기 상부 분산 브래그 반사기 보다 좁은 소정의 크기로 제한하고, 발진광의 파장을 λ라 하고 n을 임의의 정수라 할 때 상기 통전 채널층을 상기 공진기에 포함시켜서 상기 통전 채널층을 포함하는 공진기의 전체 두께를 nλ로 형성한 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, the short wavelength surface emitting semiconductor laser diode according to the present invention is a short wavelength surface emitting semiconductor laser diode having a lower distributed Bragg reflector, a resonator, and an upper distributed Bragg reflector on a semiconductor substrate, And an energization channel layer for supplying current to the resonator in at least one of the upper parts, and forming a current limiting layer having an outer layer of the energization channel as an air layer to narrow the planar size of the energization channel to the narrower than the upper dispersion Bragg reflector. The total thickness of the resonator including the conducting channel layer is formed to be nλ when the conduction channel layer is included in the resonator when the wavelength of the oscillating light is limited to a predetermined size and n is any integer. do.
본 발명에 있어서, 상기 통전 채널층을 포함한 공진기는, InxGa1-xN의 다중 양자 우물층으로 형성된 활성층; 상기 활성층의 하부 및 상부에 각각 캐리어 제한을 위한 n-AlxGa1-xN 하부 캐리어 제한층 및 p-AlxGa1-xN 상부 캐리어 제한층; 및 AlN 혹은 AlxGa1-xN으로 형성된 통전 채널층;을 구비하고, 상기 통전 채널층을 포함하는 공진기의 상부 및 하부에 각각 전극 접속을 위한 n-GaN 하부 콘택트층 및 p-GaN 상부 콘택트층을 더 구비하며, 상기 n-GaN 하부 콘택트층 및 p-GaN 상부 콘택트층의 상부 가장자리에 각각 상기 상부 분산 브래그 반사기 및 공진기와 이격되도록 금속 전극이 형성되며, 상기 하부 및 상부 분산 브래그 반사기는 각각 상대적으로 굴절율이 큰 GaN층과 상대적으로 굴절율이 작은 AlGaN층의 겹층이 복수회 반복적으로 적층되거나 상대적으로 굴절율이 큰 AlyGa1-yN층과 상대적으로 굴절율이 작은 AlxGa1-xN층이 번갈아 복수회 반복적으로 적층되어 형성되며(x 〉y), 상기 하부 분산 브래그 반사기, 공진기 및 상부 분산 브래그 반사기는 각각 하부 분산 브래그 반사기, 공진기 및 상부 분산 브래그 반사기의 순서로 직경이 큰 원통형 혹은 다각통형으로 형성되며, 상기 통전 채널층은 직경이 10~200 μm의 범위가 되도록 형성된 것이 바람직하며, 상기 하부 분산 브래그 반사기의 반사율을 상기 상부 분산 브래그 반사기의 반사율 보다 크게 하여 레이저 빔이 상기 상부 분산 브래그 반사기로부터 방출되도록 형성되거나, 상기 상부 분산 브래그 반사기의 반사율을 상기 하부 분산 브래그 반사기의 반사율 보다 크게 하여 레이저 빔이 상기 하부 분산 브래그 반사기로부터 방출되도록 형성된 것이 바람직하다.In the present invention, the resonator including the conduction channel layer, the active layer formed of a multi-quantum well layer of In x Ga 1-x N; An n-Al x Ga 1-x N lower carrier limiting layer and a p-Al x Ga 1-x N upper carrier limiting layer for carrier limitation respectively below and above the active layer; And a conducting channel layer formed of AlN or Al x Ga 1-x N, wherein an n-GaN lower contact layer and a p-GaN upper contact for electrode connection are respectively formed on the upper and lower portions of the resonator including the conducting channel layer. And a metal electrode formed at an upper edge of the n-GaN lower contact layer and the p-GaN upper contact layer so as to be spaced apart from the upper distributed Bragg reflector and the resonator, respectively. A lamination layer of a relatively high refractive index GaN layer and a relatively small refractive index AlGaN layer is repeatedly stacked, or a relatively large refractive index Al y Ga 1-y N layer and a relatively small refractive index Al x Ga 1-x N The layers are formed by alternately stacking a plurality of times (x > y), wherein the lower distributed Bragg reflector, the resonator and the upper distributed Bragg reflector are respectively the lower distributed Bragg reflector, the resonator and the image. It is preferably formed in a cylindrical or polygonal cylinder with a large diameter in the order of the secondary dispersion Bragg reflector, the conduction channel layer is preferably formed so that the diameter ranges from 10 to 200 μm, the reflectance of the lower dispersion Bragg reflector to the upper dispersion Bragg The laser beam is formed to be emitted from the upper distributed Bragg reflector by being larger than the reflector of the reflector, or the laser beam is emitted from the lower distributed Bragg reflector by making the reflectance of the upper distributed Bragg reflector larger than the reflectance of the lower distributed Bragg reflector. It is preferable.
또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 단파장 면발광 반도체 레이저 다이오드의 제조 방법은, (가) 반도체 기판 위에 예비 하부 분산 브래그 반사기, 예비 공진기층 및 예비 상부 분산 브래그 반사기층을 순차로 성장시킨 다음 상기 예비 상부 분산 브래그 반사기층을 제1건식 식각법으로 원통형으로 식각하여 상부 분산 브래그 반사기를 형성하는 단계; (나) 상기 예비 공진기층을 제2건식 식각법으로 상기 상부 분산 브래그 반사기의 직경 보다 큰 직경의 원통형으로 식각하여 공진기층을 형성하는 단계; (다) 상기 예비 하부 분산 브래그 반사기층을 제3건식 식각법으로 상기 공진기층의 직경 보다 큰 직경의 원통형으로 식각하여 하부 분산 브래그 반사기를 형성하는 단계; 및 (라) 상기 공진기층에 포함된 통전 채널층을 측면으로부터 식각하여 제거함으로써 공기층으로 이루어지는 전류 제한층을 상기 통전 채널층의 외곽에 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, in order to achieve the above object, the method for manufacturing a short wavelength surface-emitting semiconductor laser diode according to the present invention includes (a) a preliminary lower distributed Bragg reflector, a preliminary resonator layer, and a preliminary upper distributed Bragg reflector layer sequentially on a semiconductor substrate. Growing and then etching the preliminary upper dispersed Bragg reflector layer into a cylindrical shape by a first dry etching method to form an upper dispersed Bragg reflector; (B) etching the preliminary resonator layer into a cylindrical shape having a diameter larger than that of the upper dispersed Bragg reflector by a second dry etching method to form a resonator layer; (C) etching the preliminary lower distributed Bragg reflector layer into a cylindrical shape having a diameter larger than that of the resonator layer by a third dry etching method to form a lower distributed Bragg reflector; And (d) forming a current confined layer formed of an air layer on the outer side of the conducting channel layer by removing the conduction channel layer included in the resonator layer by etching it from a side surface thereof.
본 발명에 있어서, 상기 (가) 단계에서 상기 예비 하부 및 상부 분산 브래그 반사기층들은 각각 상대적으로 굴절율이 큰 GaN층과 상대적으로 굴절율이 작은 AlGaN층을 복수회 반복하여 적층하거나 상대적으로 굴절율이 큰 AlyGa1-yN층과 상대적으로 굴절율이 작은 AlxGa1-xN층을 복수회 반복적으로 적층하여 형성되고, 상기 예비 공진기층은 n-AlxGa1-xN 하부 캐리어 제한층, InxGa1-xN의 활성층, p-AlxGa1-xN 상부 캐리어 제한층 및 AlN 혹은 AlxGa1-xN 통전 채널층을 순차로 적층하여 형성하되, 생성되는 광의 파장을 λ, 브래그 반사기층의 구성 물질의 굴절율을 n 이라 할 때, 상기 상부 및 하부 분산 브래그 반사기층들의 적층들은 각각 λ/4n 두께씩 교대로 적층되고, 상기 (라) 단계에서 상기 AlN 혹은 AlxGa1-xN 통전 채널층이 상기 상부 및 하부 분산 브래그 반사기의 GaN 혹은 AlyGa1-yN 고굴절율층들과 같은 속도로 식각되는 것을 방지하기 위하여, 상기 (가) 단계에서 상기 상부 및 하부 분산 브래그 반사기의 GaN 혹은 AlyGa1-yN 고굴절율층들을 AlN 혹은 AlxGa1-xN 통전 채널층 보다 Al의 몰비가 작도록 형성하며, 상기 예비 공진기층은, 생성되는 광의 파장을 λ, 임의의 정수를 m이라 할 때, 전체적으로 mλ의 두께로 형성되며, 상기 (가) 단계에서 n-AlxGa1-xN 캐리어 제한층의 하부 및 상기 p-AlxGa1-xN 캐리어 제한층의 상부에 각각 금속 접촉을 위한 n-GaN 콘택트층 및 p-GaN 콘택트층을 형성하는 서브 단계;를 더 포함하며, 상기 (라) 단계 다음에 상기 n-GaN 콘택트층 및 p-GaN 콘택트층의 가장자리 상면에 전극용 금속을 각각 증착하는 단계;를 더 포함하며, 상기 (라) 단계는 습식 식각법에 의해 이루어지는 것이 바람직하다.In the present invention, in the step (a), the preliminary lower and upper dispersed Bragg reflector layers may each be formed by repeatedly stacking a GaN layer having a relatively high refractive index and an AlGaN layer having a relatively small refractive index, or Al having a relatively large refractive index. It is formed by repeatedly stacking a y Ga 1-y N layer and a relatively small Al x Ga 1-x N layer a plurality of times, the pre-resonator layer is n-Al x Ga 1-x N lower carrier limiting layer, It is formed by sequentially stacking an In x Ga 1-x N active layer, a p-Al x Ga 1-x N upper carrier limiting layer, and an AlN or Al x Ga 1-x N conduction channel layer, wherein the wavelength of the generated light is λ. When the refractive index of the constituent material of the Bragg reflector layer is n, the stacks of the upper and lower dispersed Bragg reflector layers are alternately stacked by λ / 4n thickness, respectively, and in the step (D), the AlN or Al x Ga 1 -x N conduction channel layer is the top and bottom distributed Bragg To GaN or Al y Ga 1-y N and a fraud preventing the etching at the same rate as the high refractive index layer, wherein (a) said upper and lower distributed Bragg reflector in step GaN or Al y Ga 1-y N and the The refractive index layers are formed such that the molar ratio of Al is smaller than that of the AlN or Al x Ga 1-x N conducting channel layer, and the preliminary resonator layer has a total of mλ when the wavelength of generated light is λ and an arbitrary integer is m. is formed to a thickness, n-GaN for each metal contact on top of the (a) the lower portion of the n-Al x Ga 1-x n carrier trapping layer in step and the p-Al x Ga 1-x n carrier trapping layer And forming a contact layer and a p-GaN contact layer, and further comprising depositing a metal for an electrode on an upper surface of an edge of the n-GaN contact layer and a p-GaN contact layer after the step (d). It further comprises; The step (d) is preferably made by a wet etching method The.
이하 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 단파장 면발광 반도체 레이저 다이오드 및 그 제조 방법을 상세하게 설명한다.Hereinafter, a short wavelength surface emitting semiconductor laser diode and a method of manufacturing the same according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
본 발명에 따른 면발광 반도체 레이저 다이오드는, GaN계 3-5족 질화물을 이용하여 단파장의 레이저 빔을 발생시키는 소자로서, 공진기에 직접 상부 금속 전극과 하부 금속 전극을 접촉시키고, 효과적인 전류 제한을 위하여 전류의 흐름을 제한하는 AlN으로 형성된 통전 채널층의 폭을 측면으로부터 식각하여 통전 채널의 폭을 제한하는 전류 제한층(공기층)을 형성한 점에 특징이 있다. 이 공기로 이루어진 전류 제한층은 광도파를 가능케 하는 효과를 갖는다. 이러한 특징들에 대하여 그 구조부터 상세하게 설명하면 다음과 같다.The surface-emitting semiconductor laser diode according to the present invention is a device for generating a short-wavelength laser beam using GaN-based group 3-5 nitride, and the upper metal electrode and the lower metal electrode are brought into contact with the resonator directly for effective current limiting. The width of the conduction channel layer formed of AlN for restricting the flow of current is etched from the side to form a current limiting layer (air layer) for limiting the width of the conduction channel. The current confined layer made of air has an effect of enabling optical waveguide. These features will be described in detail from the structure as follows.
도 2는 본 발명에 따른 단파장 면발광 반도체 레이저 다이오드의 수직 단면도이다. 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 단파장 면발광 반도체 레이저 다이오드는, 기판(미도시) 상면에 상대적으로 굴절율이 큰 GaN층(21a)과 상대적으로 굴절율이 낮은 AlGaN층(21b)의 겹층 혹은 상대적으로 굴절율이 큰 AlyGa1-yN층(21a)과 상대적으로 굴절율이 낮은 AlxGa1-xN층(21b)의 겹층(x>y)으로 적층된 하부 분산 브래그 반사기(21), 하부 분산 브래그 반사기(21) 위에 적층된 n-GaN 콘택트층(22), n-GaN 콘택트층(22) 위에 n-AlxGa1-xN 하부 캐리어 제한층(23), InxGa1-xN 활성층(24), p-AlxGa1-xN 상부 캐리어 제한층(25) 및 AlN 혹은 AlxGa1-xN의 통전 채널층(26')이 순차로 적층된 공진기, 공진기의 AlN 혹은 AlxGa1-xN의 통전 채널층(26') 상에 적층된 p-GaN 콘택트층(27) 및 p-GaN 콘택트층(27) 위에 상대적으로 굴절율이 높은 GaN층(28a)과 상대적으로 굴절율이 낮은 AlGaN층(28b)의 겹층 혹은 상대적으로 굴절율이 큰 AlyGa1-yN층(28a)과 상대적으로 굴절율이 낮은 AlxGa1-xN층(28b)의 겹층(x>y)으로 적층된 상부 분산 브래그 반사기(28)를 구비한다. 여기서, AlN 혹은 AlxGa1-xN의 통전 채널층(26')은 측면으로부터 식각되어 10~200μm 정도의 좁은 전류 통로로 형성된다. 식각된 부분의 공기층은 전류 제한층(26")의 기능을 가지며, 광도파에 기여하게 된다. n-GaN 콘택트층(22)의 가장자리 상부 및 p-GaN 콘택트층(27)의 가장자리 상부에는 각각 금속이 증착되어 하부 전극(30) 및 상부 전극(29)이 형성된다.2 is a vertical cross-sectional view of a short wavelength surface emitting semiconductor laser diode according to the present invention. As shown, the short-wavelength surface-emitting semiconductor laser diode according to the present invention is a layer of a GaN layer 21a having a relatively high refractive index and an AlGaN layer 21b having a relatively low refractive index or a relatively high refractive index on an upper surface of a substrate (not shown). Lower diffused Bragg reflector 21, which is stacked in a layer (x> y) of a high refractive index Al y Ga 1-y N layer 21a and a relatively low refractive index Al x Ga 1-x N layer 21b. N-GaN contact layer 22 stacked on distributed Bragg reflector 21, n-Al x Ga 1-x N lower carrier limiting layer 23, In x Ga 1-x stacked on n-GaN contact layer 22 N active layer 24, p-Al x Ga 1-x N upper carrier limiting layer 25 and AlN or Al x Ga 1-x N conduction channel layer 26 'sequentially stacked resonator, AlN of resonator Or on the p-GaN contact layer 27 and the p-GaN contact layer 27 stacked on the Al x Ga 1-x N conduction channel layer 26 'and the GaN layer 28a having a relatively high refractive index. Of AlGaN layers 28b having low refractive index Or relative to the refractive index are stacked to a large Al y Ga 1-y N layer (28a) and relatively gyeopcheung (x> y) of Al x Ga 1-x N layer (28b) of low refractive index upper distributed Bragg reflector (28 ). Here, the conductive channel layer 26 'of AlN or Al x Ga 1-x N is etched from the side to form a narrow current path of about 10 to 200 μm. The etched portion of the air layer functions as a current confining layer 26 "and contributes to the optical waveguide. The upper portion of the edge of the n-GaN contact layer 22 and the upper portion of the edge of the p-GaN contact layer 27 are respectively. Metal is deposited to form the lower electrode 30 and the upper electrode 29.
이와 같이, 본 발명에 따른 단파장 면발광 반도체 레이저 다이오드는 활성층(24)과 그 상하에 위치한 캐리어 제한층(23, 25)으로 이루어지는 공진기에 직접 금속 전극이 형성된 구조로서, 이러한 구조를 실현하기 위하여 공진기의 상하에 n-GaN 콘택트층(22) 및 p-GaN 콘택트층(27)을 형성하고 그 가장자리 상부에 p-오믹 금속이나 n-오믹 금속을 증착하여 하부 전극(30) 및 상부 전극(29)을 형성하고 있고, 또한 캐리어 제한층(25) 상부에 AlN이나 AlGaN을 증착하여 형성된 층의 일부를 선택적으로 식각하여 전류의 제한이 가능하도록 통전 채널을 형성함과 동시에 광도파 구조를 형성한다. 이와 같은 AlN 혹은 AlGaN의 통전 채널층(26')은 하부 콘택트층(22)과 n-AlxGa1-xN 캐리어 제한층(23) 사이에 형성되어도 무방하며, 도 3에 도시된 바와 같이, 공진기의 상하에 모두 형성되어도 무방하다.As described above, the short wavelength surface-emitting semiconductor laser diode according to the present invention has a structure in which a metal electrode is directly formed in the resonator including the active layer 24 and the carrier limiting layers 23 and 25 located above and below. The n-GaN contact layer 22 and the p-GaN contact layer 27 are formed on and under the upper portion of the lower electrode 30 and the upper electrode 29 by depositing a p-omic metal or an n-omic metal on the edge thereof. In addition, a portion of the layer formed by depositing AlN or AlGaN on the carrier limiting layer 25 is selectively etched to form a conduction channel so as to limit the current and to form an optical waveguide structure. The AlN or AlGaN conduction channel layer 26 ′ may be formed between the lower contact layer 22 and the n-Al x Ga 1-x N carrier limiting layer 23, as shown in FIG. 3. It may be formed above and below the resonator.
또한, 공진기는 공진조건을 만족시키기 위해서 발진되는 파장의 정수배 만큼의 두께로 적층한다. 그리고 발진되는 광이 소자의 상방으로 방출되게 하려면 상부 DBR의 반사율을 하부 DBR의 반사율보다 낮게 제작하는 것이 바람직하다. 그 반대로 발진되는 광이 소자의 하방으로 방출되게 하려면 하부 DBR의 반사율을 상부 DBR의 반사율보다 낮게 제작한다.In addition, the resonator is laminated to a thickness of an integer multiple of the oscillation wavelength in order to satisfy the resonance conditions. In order to emit light emitted above the device, it is preferable to make the reflectance of the upper DBR lower than that of the lower DBR. On the contrary, in order to emit light emitted under the device, the reflectance of the lower DBR is made lower than that of the upper DBR.
이상과 같은 구조를 갖는 단파장 면발광 반도체 레이저 다이오드의 제조 방법은 다음과 같다.The manufacturing method of the short wavelength surface-emitting semiconductor laser diode which has the above structure is as follows.
먼저, 도 1에 도시된 바와 같이, 기판(미도시) 상에 GaN층(21a)과 AlGaN층(21b)의 겹층 혹은 AlyGa1-yN층(21a)과 AlxGa1-xN층(21b)의 겹층(x>y)으로 적층된 하부 분산 브래그 반사기(21), n-GaN 콘택트층(22), n-AlxGa1-xN 하부 캐리어 제한층(23), InxGa1-xN 활성층(24), p-AlxGa1-xN 상부 캐리어 제한층(25) 및 AlN 혹은 AlxGa1-xN의 통전 채널층(26')으로 이루어지는 공진기, p-GaN 콘택트층(27) 및 GaN층(28a)과 AlGaN층(28b)의 겹층 혹은 AlyGa1-yN층(28a)과 AlxGa1-xN층(28b)의 겹층(x>y)으로 이루어지는 상부 분산 브래그 반사기(28)를 순차로 적층한다(제1단계).First, as shown in FIG. 1, a layer of a GaN layer 21a and an AlGaN layer 21b or an Al y Ga 1-y N layer 21a and Al x Ga 1-x N on a substrate (not shown). Bottom dispersed Bragg reflector 21, n-GaN contact layer 22, n-Al x Ga 1-x N bottom carrier confinement layer 23, In x stacked in a layer (x> y) of layer 21b A resonator consisting of a Ga 1-x N active layer 24, a p-Al x Ga 1-x N top carrier confinement layer 25 and a conducting channel layer 26 'of AlN or Al x Ga 1-x N, p- Lamination layer of GaN contact layer 27 and GaN layer 28a and AlGaN layer 28b or lamination layer of Al y Ga 1-y N layer 28a and Al x Ga 1-x N layer 28b (x> y The upper dispersion Bragg reflector 28 which consists of) is sequentially laminated (first step).
다음에, 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 제1단계에서와 같이 성장된 적층들 중 상부 분산 브래그 반사기 구조용 적층들, 공진기용 적층들 및 하부 분산 브래그 반사기용 적층들을 각각 소정의 반경을 가지는 원형 또는 다각형 패턴의 식각 마스크를 이용하여 식각함으로써 원통형 혹은 다각통형의 상부 분산 브래그 반사기(28), 공진기 및 하부 분산 브래그 반사기(21)를 형성한다(제2단계). 이 때, 각 통형의 구경은 n-콘택트층 및 p-콘택트층의 가장자리 상부에 금속 전극을 형성할 수 있을 만큼의 여유를 두도록 결정한다. 이러한 제2단계는, 먼저, 도 1에 도시된 바와 같이, 원형 혹은 다각형의 식각 마스크를 이용하여 건식 식각법으로 p-GaN 콘택트층(27)까지 식각하는 상부 DBR 형성 서브 단계와, 다음에 보다 큰 식각 마스크를 이용하여 재차 건식 식각법으로 n-GaN 콘택트층(22) 중간까지 식각하는 공진기 형성 서브 단계와, 다음에, 보다 큰 식각 마스크를 이용하여 건식 식각법으로 기판(미도시) 까지 식각하는 하부 DBR 형성 서브 단계로 이루어진다.Next, as shown in FIG. 1, the upper distributed Bragg reflector structural stacks, the resonator stacks, and the lower distributed Bragg reflector stacks, each of which are grown as in the first step, have a predetermined radius. Alternatively, by etching using an etching mask of a polygonal pattern, a cylindrical or polygonal cylindrical upper distributed Bragg reflector 28, a resonator and a lower distributed Bragg reflector 21 are formed (second step). At this time, the diameter of each cylindrical shape is determined so as to leave enough room to form a metal electrode on the edges of the n-contact layer and the p-contact layer. This second step, first, as shown in Figure 1, using a circular or polygonal etching mask, the upper DBR forming sub-step of etching to the p-GaN contact layer 27 by dry etching method, and then more A resonator forming sub-step of etching to the middle of the n-GaN contact layer 22 again by dry etching using a large etching mask; and then etching to a substrate (not shown) by dry etching using a larger etching mask. It consists of a lower DBR forming substep.
다음에, 도 2에 도시된 바와 같이, p-AlxGa1-xN 상부 캐리어 제한층(25) 상부에 위치한 AlN 혹은 AlxGa1-xN 층(26)을 AlN 혹은 AlxGa1-xN 만을 선택적으로 식각하는 용액으로 측면부를 습식 식각하여 통전 채널층(26')을 형성한다(제3단계). 이 때 통전 채널층(26')의 직경은 원하는 레이저 빔의 크기를 고려하여 10~200㎛ 정도에서 결정한다.Next, as shown in FIG. 2, the AlN or Al x Ga 1-x N layer 26 positioned on the p-Al x Ga 1-x N upper carrier limiting layer 25 is replaced with AlN or Al x Ga 1. Wet etching the side portion with a solution to selectively etch only -x N to form the energization channel layer 26 '(step 3). At this time, the diameter of the energization channel layer 26 'is determined in the range of 10 to 200 mu m in consideration of the size of the desired laser beam.
다음에, 도 2에 도시된 바와 같이, n-GaN 콘택트층(22)의 가장자리 상부 및 p-GaN 콘택트층(27)의 가장자리 상부에 각각 전류 주입을 위한 n-오믹 금속(30)과 p-오믹 금속(29)을 증착시켜 하부 전극 및 상부 전극을 형성한다(제4단계). 이와 같이 하여 소자를 완성한다.Next, as shown in FIG. 2, the n-ohmic metal 30 and p− for current injection are respectively above the edge of the n-GaN contact layer 22 and above the edge of the p-GaN contact layer 27. The ohmic metal 29 is deposited to form a lower electrode and an upper electrode (fourth step). In this way, the device is completed.
이와 같이, 본 발명에 따른 단파장 면발광 반도체 레이저 다이오드의 제조 방법은, 상기 제1단계에서 상부 DBR 과 하부 DBR은 GaN 과 AlGaN으로 구성하거나 AlyGa1-yN 과 AlxGa1-xN (단, y < x)로 구성함으로써, 겹층 상호 간의 굴절율의 차가 심하게 하여 반사율을 최대한 높인다. 상기 제3단계에서 형성된 통전 채널층의 구경은 원하는 빔의 크기에 따라 조절되며 통상 10~200 ㎛정도로 설계된다. 도 2를 참조하면 활성층 상부에 위치하고 측면이 식각된 AlN 층을 통해서 전류가 주입되는 구조이므로 활성층에서 만 광이 발생되도록 조절된다. 또한 상기 AlN 층이 식각된 후에 빈 공간에는 굴절율이 1인 공기가 채워져 광도파 역할을 하게 된다. 상기 AlN층은 AlGaN계 화합물로도 대치될 수 있으며, 식각 공정 중에 DBR의 상대적인 저굴절율층(low index layer)이 같은 속도로 식각되는 것을 방지하기 위해서 상기 저 굴절율층은 AlN층(26)보다 Al 몰비(mole fraction)가 작도록 제작된다.As described above, in the method of manufacturing the short wavelength surface-emitting semiconductor laser diode according to the present invention, in the first step, the upper DBR and the lower DBR are composed of GaN and AlGaN or Al y Ga 1-y N and Al x Ga 1-x N However, by configuring y <x, the difference in refractive index between the layers is severe, and the reflectance is as high as possible. The aperture of the energization channel layer formed in the third step is adjusted according to the desired beam size and is usually designed to about 10 ~ 200 ㎛. Referring to FIG. 2, since the current is injected through the AlN layer having the upper side of the active layer and etched, the light is only generated in the active layer. In addition, after the AlN layer is etched, air having a refractive index of 1 is filled in the empty space to serve as an optical waveguide. The AlN layer may be replaced with an AlGaN-based compound, and the low refractive index layer is less than the AlN layer 26 to prevent the relative low index layer of the DBR from being etched at the same rate during the etching process. The mole fraction is made small.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 단파장 면발광 반도체 레이저 다이오드 및 그 제조 방법은 공진기에 직접 전류 제한층을 상하 양측 혹은 일측에 구비하고, 효과적인 전류 제한을 위하여 전류 제한층을 AlN을 제거한 공기층으로 형성함으로써, 활성층으로 전류를 집중시켜 발진되는 광의 효율을 높이고, 공기층에 의한 광도파 효과 까지 얻을 수 있다.As described above, the short-wavelength surface-emitting semiconductor laser diode and a method of manufacturing the same according to the present invention include a current limiting layer directly on the resonator at both upper and lower sides or one side, and the current limiting layer is formed of an air layer from which AlN is removed for effective current limiting. As a result, the efficiency of the light emitted by concentrating the current in the active layer can be increased, and the optical waveguide effect by the air layer can be obtained.
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