KR100278630B1 - 반도체 레이저 다이오드 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

동시 도핑기술을 이용하여 리지의 측면에 전류차단층을 형성한 단일 모우드 발진성이 우수한 굴절률 도파형 반도체 레이저 다이오드 및 그 제조방법에 관하여 기술한다. p형 기판상에 평탄하게 형성된 p형 클래드층 및 활성층이 형성되어 있고, 상기 활성층상에 그 중앙부분에 일정한 경사면과 평탄면을 지닌 리지가 형성되어 있는 n형 클래드층이 형성되어 있다. 상기 n형 클래드층 리지부의 상기 경사면과 평탄한 면상으로 서로 다른 형태로 도우핑되어 전류흐름을 일정한 영역으로 유도할 수 있도록 형성된 전류유도층이 형성되고, 상기 리지 위로 전류의 통로를 위한 개구부를 구비하고, 상기 전류유도층상에 절연층이 형성되어 있다. 2차의 결정성장만으로 제작이 완료되어 공정이 단순하고, 양호한 결정성장층을 얻는다.

Description

반도체 레이저 다이오드 및 그 제조방법

제1도는 종래의 굴절률 도파형 반도체 레이져 다이오드를 나타내는 단면도.

제2도는 본 발명에 의한 굴절률 도파형 반도체 레이져 다이오드의 일례를 나타내는 단면도.

본 발명은 반도체 레이저 다이오드 및 그 제조방법에 관한 것으로, 특히 정보처리기기, 플라스틱 광통신, POS(Point of Sales) 시스템 등에 사용되는 굴절률 도파형 반도체 레이저 다이오드 및 그 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 에너지 상태 E₂에 있는 물질입자는 그 가진 에너지의 일부를 광으로 방출하면서 에너지가 보다 낮은 상태 E₁로 천이한다. 이때 광자의 방출에는 외부로부터의 자극없이 일어나는 자연방출과, 외부로부터 두 에너지준위의 차이에 상당하는 에너지의 광으로 자극되어 광자를 방출하는 유도방출(induced emission)이 있다. 열평형상태에서는 이러한 유도방출 보다도 에너지준위가 높은 상태로의 광자의 흡수가 많이 일어나지만, 일정한 방법에 의해 자연방출이 흡수를 상회하는 부(負)온도상태로 가져갈 수 있다.

레이저는 이러한 부온도상태를 이용하여 광의 발진, 증폭을 일으키는 것으로서, 가간섭성(可干涉性), 단광성(單光性), 지향성 및 고강도를 특징으로 하며, 헬륨-네온(He-Ne) 레이저나, 아르곤(Ar) 레이저와 같은 기체 레이저와 YAG레이저나 루비 레이저와 같은 고체 레이저로부터, 소형이며 고주파에서 바이어스 전류를 변조함으로써 변조가 용이한 반도체 레이저에 이르는 다양한 종류가 있다.

그 중에서도 특히 반도체 레이저는, 직접천이형의 발광다이오드에 광의 공진기 구조를 구비하여 전류밀도를 크게하여 레이저 작용을 일으키는 것으로서, 상기와 같은 특성 때문에 컴팩트 디스크 플레이어(CDP)나 광학 메모리, 고속 레이저 프린터등의 정보처리기기 및 광통신용기기로서, 기존의 헬륨-네온등의 기체 레이저등을 대체하여 그 응용범위를 넓혀가고 있다.

일반적으로 반도체 레이저 소자는 P-N접합을 기본으로 하여 양자 전자(Quantum Electron)의 개념을 포함하는 반도체 소자로서, 반도체 물질로 구성된 박막, 즉 활성층에 전류를 전류를 주입하여 인위적으로 전자-정공 재결합을 유도함으로써 재결합에 따르는 감소 에너지에 해당하는 빛을 발진하게 하는 것을 그 원리로 하고 있는 것이다.

최근 반도체 레이저의 성능은, 파장을 결정하는 재료의 개발과, 임계전류값, 광출력, 효율, 단일파장, 스펙트럼선폭 따위의 특성과 신뢰성을 결정하는 에피택셜(Epitaxial) 성장기술 및 미세가공 기술의 진보에 의하여 현저한 발전을 거듭하고 있다.

특히 에피택셜 성장기술에서는 종래의 액상성장법(Liquid Phase Epitaxy:LPE법)을 대신하여 유기금속 기상성장법(Metal Organic Chemical Vapor Deposition:MOCVD) 및 MBE(Molecular Beam Epitaxy)법 등에 의하여 원자층 수준의 제어가 가능하게 되었으며, 양자우물(Quantum Well)을 활성층(active layer)으로 하는 '양자우물 레이저'가 실현되는 등의 임계전류값의 저감, 효율의 향상, 고출력화, 고속동작, 스펙트럼선폭의 협소화등 대폭적인 성능의 향상이 이루어 졌다.

한편 반도체 레이저의 재료로서, AlGalnP계의 레이저는 상기 MOCVD법에 의해 최초로 실현된 것으로써, 실은 연속방진이 가능한 캐리어의 주입에 의한 반도체 레이저로서 III-V족 화합물 반도체 레이저 중 가장 짧은 0.6㎛대(帶)의 파장을 지닌 적색 가시광 레이저이다. 계측 따위에 널리 사용되는 헬륨-네온 레이저를 대체하는 것으로서, 현재 실용화되어 지고 있는 것은 활성층이 GaAs 기판과 격자정합을 이루는 InGaP이다.

한편 반도체 레이저 다이오드가 CDP, LDP, MODD 등의 광기록기기의 기록 및 재생을 위한 광원으로 사용됨에 있어 그 모우드는 기기의 잡음(noise) 특성과 관계되기 때문에 안정된 단일 모우드(Fundamental Mode) 발진을 하여야 한다.

상기의 단일 모우드 발진은 굴절률 도파형(Index Guide) 구조에 의해 가능하며, 일반적으로 굴절률 도파형 반도체 레이저 다이오드는 2차 혹은 3차 이상의 결정성장공정을 필요로 한다.

현재, 단파장 반도체 레이저의 굴절률 도파형 구조로서 사용되고 있는 레이저 다이오드의 한 예로서 제1도에 도시된 레이저 레이져 다이오드를 들 수 있다.

도면을 참조하면, p-In_0.5, (Ga_0.3Al_0.7)_0.5P 클래드 층(5)의 상면 중앙에 리지가 형성되고 이 리지의 상부에 p-In_0.5Ga_0.5P 통전용이층(6)이 형성되며, 이 위에 상기 통전용이층(6)의 중앙부위를 노출시키는 개구부를 갖는 n-GaAs 전류차단층(7)이 형성되며, 전류차단층(7)의 위에는 p-GaAs 캡층(8)이 형성되고 캡층(8)의 위에는 p-금속전극(9)이 형성된다. 그리고, p-클래드층(5)의 하부에는 In_0.6Ga_0.6P 활성층(4)이 마련되고, 활성층(4)의 밑에는 n-In_0.6(Ga_0.3Al_0.7)_0.5P 클래드층(3)와 n-GaAs 버펑층(2)이 마련된다. 이상과 같은 단층 구조물은 그 저면에 n-금속전극(10)이 형성되는 n-GaAs 기판(1)상에 형성된다.

이러한 구조의 레이저 다이오드는 3차에 거친 결정성장 과정이 요구되어 공정이 복잡할 뿐 아니라 시간이 많이 소요되어 수율과 양산성에 있어 불리하다.

더욱이 2차 결정 성장시 p-In_0.5, (Ga_0.3Al_0.7)_0.5P 클래드 층(5)을 식각하고 그 위에 다시 n-GaAs 전류차단층(7)을 재성장하여야 하는데, 이때 상기 구조에서는 n-전계차단층(7)을 형성함에 있어서 리지 상층부에 예를 들어, 실리콘 산화막과 같은 절연막을 증착한 상태에서 선택적 성장(Selective Epitaxy)을 시켜야 하는 데 이는 매우 고도의 기술을 요할 뿐만아니라, 에피택셜 성장 후 상기 실리콘 산화막을 제거하는 경우 실리콘 산화막과 화합물 반도체간의 열팽창계수가 다른 관계로 실리콘 산화막 하부에 있는 상기 p-In_0.5, Ga_0.5P 통전용이층(6)이 스트레스를 받아 결정 질(crystal quality)이 저하되며 고저항화가 되기 쉬워 소자의 특성을 저하시키는 문제가 발생한다.

또한 상기 구조에서는 리지(ridge) 형성을 위한 식각 공정시 p형 클래드층(5)과 p-InGaP 통전용이층(6)을 같이 식각하여야 하는데, 이들 두 층은 식각속도의 차이가 커서 정확한 깊이까지 식각하기가 어려우며, 식각 후에도 이들 두 층간에 단차가 발생하여 이후 n형 GaAs 전계차단층(7)을 위한 결정성장을 어렵게 하는 문제점이 발생한다.

따라서 본 발명의 목적은 상기 종래 기술의 문제점을 개선하는 것으로써, p형 GaAs기판을 사용하여 안정된 단일 모우드의 발진이 가능한 굴절률 도파형 반도체 레이저 다이오드를 제공하는 데 있다.

또한 본 발명의 다른 목적은 p형 GaAs 기판을 사용하고 동시 도우핑기술을 사용하여 안정된 단일 모우드 발진이 가능한 반도체 레이저 다이오드를 제조하는 적절한 방법을 제공하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 반도체 레이저 다이오드는 제1도전형 기판; 상기 기판상에 평탄하게 형성된 제1도전형 제1클래드층; 상기 제1클래드층상에 평탄하게 형성되어 국부적 발진영역을 가지는 활성층; 상기 활성층상에서 그 중앙부분에 일정한 경사면과 평판면을 지닌 리지가 형성되어 있는 제2도전형 제2클래드층: 상기 제2클래드층 리지부의 상기 경사면상에는 전류차단 영역이 형성되고, 상기 제2클래드층의 평탄한 면상에는 전류 통과영역이 형성되어 있는 전류유도층: 및 상기 리지 위로 전류의 통로를 위한 개구부를 구비하고 상기 전류유도층상에 형성되어 있는 절연층을 구비하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

본 발명은 상기 활성층/클래드층을 구성하는 물질로서, InGaP/InGaAlP계의 레이저 다이오드에 대하여 적용된 뿐만 아니라, GaAs/AlGaAs 계, InGaAs/AlGaAs 계, InGaAs/IgGaP 계, AlGaAs/AlGaAs 계, InGaAs/AlGaAs P계, 등 물질에 관계없이 모든 2원정계, 3원정계 및 4원정계 화합물 반도체 레이저 다이오드에 폭 넓게 적용될 수 있다.

본 발명에서 상기 전류유도층은 1차 결정성장에 의해 상기 n형 클래드층까지 성장시킨 후 식각하여 경사면을 갖는 리지(ridge)를 형성하고, 상기 n형 클래드층상으로 2차 결정성장을 함에 있어서, 평탄한 (100)면 상으로는 n형 불순물이 도핑되고, 경사면((311)A면 또는 (111)A면)을 따라서는 n/p/n/p식으로 교번 도핑되거나, p형 불순물이 도핑되어 형성된 것임을 그 특징으로 한다.

또한 상기 다른 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 반도체 레이저 다이오드의 제조방법은, 제1도전형 기판상에 제1도전형 제1클래드층, 레이저를 발진하는 활성층, 제2도전형 제2클래드층을 차례로 형성하는 단계: 상기 제2클래드층의 일부를 식각하여 그 중앙부분에 일정한 경사면과 평탄면을 지닌 리지를 형성하는 단계: 상기 제2클래드층상에, 제1도전형 및 제2도전형 불순물을 동시 도핑하면서 결정성장시켜 상기 경사면상에는 전류차단영역을 갖고, 상기 평탄한 면에는 전류통과영역을 갖고 있어, 전류흐름을 상기 전류통과영역으로 유도할 수 있도록 전류유도층을 형성하는 단계: 상기 리지 위로 전류의 통로를 위한 개구부를 구비하도록 상기 전류유도층상에 절연층을 형성하는 단계를 구비하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

본 발명에서는 상기 p형 기판상에 p형 클래드층, 활성층, n형 클래드층을 차례로 성장시키는 1차 에피택시 공정과, 상기 전류유도층을 형성하기 위한 2차 에피택시 공정에 의해 완성되어 소자의 생산성이 크게 향상된다.

또한 본 발명에서는 경사면을 갖는 리지(ridge)가 형성된 상기 n형 클래드층상으로 2차 결정성장을 함에 있어서, n형 불순물과 p형 불순물을 동시에 도핑함을 특징으로 한다. 즉, n형 도펀트는 지속적으로 함께 도핑하되 p형 도펀트는 일정한 간격으로 단속적으로 공급하면 상기 n형 클래드층의 평탄한 (100)면 상으로는 n형 불순물이 도핑되고, 경사면 ((311)A면 또는 (111)A면)을 따라서는 n/p/n/p식으로 교번, 도핑된다.

또한 n형 도펀트와 p형 도펀트를 같이 공급할 수도 있다. 이때는 상기 평탄한 면에는 n형으로, 상기 경사면으로는 p형으로 도핑되어 형성된다.

본 발명에서는 상기 n형 클래드층의 경사면상에 형성된 n/p/n/p... 식으로 교번도핑된 층이 전류차단층으로 작용하여 전류 퍼짐 현상이 방지되며 활성영역만으로 전류가 흐르도록 제한된다.

이하 본 발명을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하겠다.

제2도는 본 발명에 의한 반도체 레이저 다이오드의 단면도를 나타내며, InGaPs/InGaAlP계에 적용된 예를 나타낸다.

제2도는 참조하면, p-GaAs 기판(23)상에 동전용이층으로서 p-InGaP층(16), p-InGaAlP 클래드층(15), InGaP 활성층(14)이 차례로 평탄하게 형성되어 있다. 상기 InGaP 활성층(14)상으로는 그 중앙부분에 리지(ridge)가 형성된 n-InGaAlP 클래드층(13)이 형성된다. 상기 리지는 그 측벽이 일정한 경사면을 띠며, 예를 들어 (311)A면 또는 (111)A면이 되며, 그 상부표면은 평탄한 (100)면이 된다. 또한 상기 리지 주위는 평탄한 (100)면을 이룬다.

상기 평탄한 면과 경사면을 지닌 n형 클래드층(13)상으로는, 전류유도층이 형성된다. 상기 전류유도층은 상기 평탄한 (100)면상으로는 n형 도펀트가 도핑되며(22), 상기 경사면상으로는 p/n/p/n... 형태(21)로 도핑되거나, p형으로 도핑된 GaAs 에피택셜층이다.

상기 전류유도층상으로는 실리콘 산화막(SiO₂)와 같은 절연층(24)이 형성되며, 상기 리지의 위로는 개구부가 형성되어 전류의 통로를 제공한다. 상기 개구부를 통하여 노출된 상기 전류유도층을 포함하여 전면에 n형 금속전극층(20)이 형성되며, 상기 p형 기판(23)에는 p형 금속전극층(19)이 연결되어 있다.

상기 리지가 형성된 n형 클래드층(13)의 평탄한(100)면 상으로는, 예를 들어 n형 도펀트(H₂Se)가 주입된 n-GaAs층(22)이 형성되며, 경사면상으로는 DMZn(Di=Methyl Zn) 또는 DEZn(Di-Ethyℓ Zn) 따위의 p형 도펀트와 상기 n형 도펀트가 교번하여 도핑된 n/p/n/p..GaAs층(21)이 형성된다. 상기 경사면에 형성된 n/p/n/p.층(21)은 전류흐름을 차단하는 역할을 하게된다.

상기 활성층(14)의 보다 구체적인 조성비는 In_0.5Ga_0.5P이며, 상기 n,p형 클래드층(13,15)은 In_0.5(Ga_0.3Al_0.7)_0.5P로 할 수 있다.

본 실시예에서는 상기 활성층/클래드층을 구성하는 물질로서, InGaP/InGaAlP계의 레이저 다이오드에 대하여 적용하였으나, GaAs/AlGaAs계, InGaAs/AlGaAs계, InGaAs/InGaP계, AlGaAs/AlGaAs계, InGaAs/InGaAsP계 등 물질에 관계없이 모든 2원정계, 3원정계 및 4원정계 화합물 반도체 레이저 다이오드에 폭 넓게 적용될 수 있다.

한편, 상기 제2도에 나타난 본 발명의 반도체 레이저 다이오드의 제조과정을 살펴보면 다음과 같다.

우선, P형 기판(23)상에, p형 통전용이층(16), p형 클래드층(15), 레이저를 발진하는 활성층(14), n형 클래드층(13)을 1차 에피택시 공정에 의해 차례로 형성한다.

이어서, 상기 p형 클래드층(13)의 일부를 식각하여 그 중앙부분에 일정한 경사면을 지닌 리지를 형성한다. 이때 식각되는 것은 n형 클래드층(13)만이다. 상기 리지의 경사면은 예를 들어 (311)A면 또는 (111)A면이 되도록 한다. 또한 상기 경사면을 제외한 평탄한 면은 (100)이 되도록 한다.

이어서, 상기 n형 클래드층(13)상으로, n형, p형 불순물을 동시 도핑하면서 GaAs를 2차 결정성장시켜 상기 경사면과 평탄한 면상으로 서로 다른 형태로 도핑되어 전류흐름을 일정한 영역으로 유도할 수 있도록 전류유도층을 형성한다. GaAs층을 성장시키면서 n형 도펀트(H₂Se)는 지속적으로 공급하면서, p형 도펀트(예를 들어 DMZn(Di-Methyl Zn), DEZn(Di-Ethyl Zn))는 일정한 간격을 두고 단속적으로 공급하던가, p형 도펀트를 n형 도펀트와 계속하여 함께 도핑시킨다. 따라서, 상기 평탄한 n형 클래드층 상으로는 n형으로 도핑된 GaAs 에피택셜층이 형성되고, 상기 경사면상으로는 p/n/p/n.. 또는 p형으로 도핑된 GaAs층이 형성된다.

이어서, 상기 리지 위로 전류의 통로를 위한 개구부를 구비하도록 상기 전류유도층상에 절연층(240을 형성한다. 즉 상기 절연층으로서 실리콘 산화막을 전면에 증착시킨 후 통상의 사진식각기술에 의해 상기 리지 위로 개구부를 형성한다.

이어서 전면에 n형 금속전극층(20)을 형성한다. 또한 상기 p형 기판(23)의 하부로는 p형 금속전극층(19)을 통상의 방법으로 형성한다.

이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명에 의하면, 2차의 결정성장만으로 소자의 제작이 완료되기 때문에 공정이 단순화 되고, 생산성이 매우 향상된다.

또한 상기 리지의 경사면상에 형성된 n/p/n/p.. 또는 p형태로 도핑된 GaAs층으로 인하여 전류 퍼짐 현상이 배제되고 그에 따라 소자효율이 증가하고 구동전류값이 낮아지게 된다.

또한 종래의 선택적 에피택시 공정을 배제할 수 있어 양질의 결정층을 형성하는데 매우 유리하며, 리지 형성을 위한 식각공정시 한 종류의 물질(InGaAlP)만 식각하므로 식각 깊이 조정이 용이하며, 종래와 같은 식각된 층간의 단착 유발되지 않아 결정성장이 양호하게 일어난다.

본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않으며, 이하 청구되는 청구범위로부터 파악되는 본 발명의 기술적 요지가 미치는 범위 내에서 다양한 변형,변경이 이루어 질 수 있음은 물론이다.

Claims (11)

1. 제1도전형 기판; 상기 기판상에 평탄하게 형성된 제1도전형 제1클래드층; 상기 제1클래드층상에 평탄하게 형성되어 국부적 발진영역을 가지는 활성층; 상기 활성층상에서 그 중앙부분에 일정한 경사면과 평탄면을 지닌 리지가 형성되어 있는 제2도전형 제2클래드층; 상기 제2클래드층 리지부의 상기 경사면상에는 전류차단 영역이 형성되고, 상기 제2클레드층의 평탄한 면상에는 전류 통과영역이 형성되어 있는 전류유도층; 및 형성되어 있는 전류유도층; 및 상기 리지 위로 전류의 통로를 위한 개구부를 구비하고 상기 전류유도층상에 형성되어 있는 절연층을 구비하여 이루어진 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 다이오드.
2. 제1항에 있어서, 상기 활성층/클래드층은 InGaP/InGaAlP계, GaAs/AlGaAs계, InGaAs/AlGaAs계, InGaAs/InGaP계, AlGaAs/AlGaAs계, 및 InGaAs/InGaAsp계로 이루어진 군으로부터 선택되어진 어느 하나인 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 다이오드.
3. 제1항에 있어서, 상기 경사면은 (311)A면은 또는 (111)A면으로 이루어진 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 다이오드.
4. 제1항에 있어서, 상기 전류유도층의 전류통과 영역은 제2도전형 불순물로 도핑되어 있고, 상기 전류 차단 영역은 제1도전형/제2도전형/제1도전형/제2도전형...형태로 도핑되어 있는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 다이오드.
5. 제1항에 있어서, 상기 전류 통과 영역은 제2도전형 불순물로 도핑되어 있고, 상기 전류 차단 영역은 제1도전형 불순물로 도핑되어 있는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 다이오드.
6. 제1항에 있어서, 상기 전류유도층은 GaAs 에피택셜층인 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 다이오드.
7. 제1항에 있어서, 상기 p형 기판과 p형 클래드층 사이에 형성된 InGaP 통전용이층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 다이오드.
8. 제1도전형 기판상에 제1도전형 제1클래드층, 레이저를 발진하는 활성층, 제2도전형 제2클래드층을 차례로 형성하는 단계; 상기 제2클래드층의 일부를 식각하여 그 중앙부분에 일정한 경사면과 평탄면을 지닌 리지를 형성하는 단계; 상기 제2클래드층상에, 제1도전형 및 제2도전형 불순물을 동시 도핑하면서 결정성장시켜 상기 경사면상에는 전류차단영역을 갖고, 상기 평탄한면에는 전류통과영역을 갖고 있어, 전류흐름을 상기 전류통과영역으로 유도할 수 있도록 전류유도층을 형성하는 단계; 상기 리지 위로 전류의 통로를 위한 개구부를 구비하도록 상기 전류유도층상에 절연층을 형성하는 단계를 구비하여 이루어진 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 다이오드의 제조방법.
9. 제8항에 있어서, 상기 전류유도층은 제2도전형, 제1도전형 불순물을 동시에 도핑하면서 에피택시 공정에 의해 형성됨을 특징으로 하는 반도체 레이저 다이오드의 제조방법.
10. 제9항에 있어서, 상기 제2도전형 불순물은 지속적으로 공급되고 제1도전형 불순물은 일정한 간격을 두고 단속적으로 공급되는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 다이오드의 제조방법.
11. 제9항에 있어서, 상기 제2도전형 불순물과 제1도전형 불순물은 계속하여 함께 공급되는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 다이오드의 제조방법.