KR100278631B1 - 반도체 레이저 다이오드 및 그 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 EDFA(Er³⁺doped fiber amplifier)에 사용되는 광 증폭용 980nm 파장대의 화합물 반도체 레이저 다이오드에 관한 것으로서, 특히 전류 차단층을 인너 스트라이프(inner stripe)형태로 적용한 SBR(Selectively Buried Ridge)구조의 굴절율 도파형 반도체 레이저 다이오드 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

즉, 본 발명에 따른 반도체 레이저 다이오드는 HCI 가스에 의한 건식 식각을 행한후 바로 그(제)자리(in situ) 재성장으로 전류 차단층을 선택 성장시킴으로써, 식각된 제2상부 크래드층 계면의 AI 성분의 산화를 막아 재성장 계면 특성이 좋고, 선택적 식각 특성이 좋으며 소자의 신뢰성이 향상되는 효과가 있다.

더욱이, GaInP 와 AlGaAs의 2중 크래드층을 형성함으로써, HCI가스 식각시 GaInP 층이 식각 저지층의 역할을 하여 식각 깊이의 정확한 제어가 가능하며, 또 AI이 없는 이 GaInP 크래드층은 활성층 바로 상하에 형성되므로 소자의 특성 및 신뢰성이 향상되는 효과가 있다.

Description

반도체 레이저 다이오드 및 그 제조방법

제1도는 종래의 SBR 구조를 가지는 레이저 다이오드의 수직 단면도이고,

제2도 내지 제5도는 종래의 SBR 구조를 가지는 레이저 다이오드의 제조 단계별 공정 상태도로서,

제2도는 1차성장 후의 수직 단면도이고,

제3도는 식각 공정후의 수직 단면도이고,

제4도는 선택적 2차성 후의 수직 단면도이고,

제5도는 3차성장 후의 수직 단면도이다.

제6도는 본 발명에 따르는 반도체 레이저 다이오드의 수직 단면도이고,

제7도는 내지 제10도는 본 발명에 따른 레이저 다이오드의 제조 단계별 공정 상태도로서,

제7도는 1차성장 후의 수직 단면도이고,

제8도는 선택적 HCI 식각 공정 후의 수직 단면도이고,

제9도는 선택적 2차성장 후의 수직 단면도이고,

제10도는 3차성장 후의 수직 단면도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1 : n⁺-GaAs 기판 2 : n-AlGaAs 하부 크래드층

4 : undoped-GaAs 하부 도파층 5 : undoped-InGaAs SQW 활성층

6 : undoped-GaAs 상부 도파층 8 : p-AlGaAs 상부 크래드층

9 : p-GaAs 콘택트층 10 : n⁺-GaAs 전류 차단층

11 : p⁺-GaAs 캡층 12 : SiO₂마스크

21 : n⁺-GaAs 기판 22 : n-AlGaAs 제1하부 크래드층

23 : n-InGaP 제2하부 크래드층 24 : undoped-GaAs 하부 도파층

25 : undoped-InGaAs SQW 활성층 26 : undoped-GaAs 상부 도파층

27 : p-InGaP 제1상부 크래드층 28 : p-AlGaAs 제2상부 크래드층

29 : p-GaAs 콘택트층 30 : n⁺-GaAs 전류 차단층

31 : p⁺-GaAs 캡층 32 : SiO₂마스크

본 발명은 EDFA(Er³⁺doped fiber amplifier)에 사용되는 광 증폭용 980nm 파장대의 화합물 반도체 레이저 다이오드에 관한 것으로서, 특히 전류 차단층을 인너 스트라이프(inner stripe)형태로 적용한 SBR(Selectively Buried Ridge)구조의 굴절율 도파형 반도체 레이저 다이오드 및 그 제조방법에 관한 것이다.

제1도는 종래의 SBR 구조를 가지는 레이저 다이오드의 수직 단면도이다. 이 도면을 참조하면서 그 구조를 살펴보면 다음과 같다.

n⁺-GaAs기판(1) 상면에 n-AlGaAs 하부 크래드층(2), undoped-GaAs 하부 도파층(4), undoped-InGaAs SQW(single quantum well) 활성층(5) 및 undoped-GaAs 상부 도파층(6)이 순차로 적층되어 있다.

이 순차 적층 상면에는 그 중앙에 정상면을 가지는 리지가 형성된 p-AlGaAs 상부 크래드층(8)이 있고, 이 리지 정상면에는 p-GaAs 콘택트층(9)가 적층되어 통전 채널을 이루고 있다.

그리고 상기 리지 양측으로는 n⁺-GaAs 전류 차단층(10)이 상기 콘택트층(9) 높이 까지 형성되어 있으며, 그 상면으로는 p⁺-GaAs 캡층(11)이 적층된 구조로 되어 있다.

이와같은 구조는 AlGaAs를 크래드층으로 사용하고, GaAs/InGaAs를 SCH (seperate confinement heterostructure) 구조로 형성하여 레이저 발진층을 이루고, 이 레이저 발진층의 InGaAs 활성층은 SQW(single quantum well)을 가지며, SBR 광 도파 구조로 되어 있다.

이상과 같은 구조의 반도체 레이저 다이오드의 제조 방법은 다음과 같다.

제2도에 도시된 바와 같이, n⁺-GaAs기판(1) 상면에 n-AlGaAs 하부 크래드층 (2), undoped-GaAs 하부 도파층(4), undoped-InGaAs SQW활성층(5), undoped-GaAs 상부 도파층(6), p-AlGaAs 상부 크래드층(8) 및 p-GaAs 콘택트층(9)이 순차로 1차 성장된다.

그리고 제3도에 도시된 바와 같이, 습식 식각법으로 상부 크래드층(8) 및 콘택트층(9)이 선택적으로 식각되어 리지 구조가 형성된다. 이때, SiO₂마스크가 사용되며, 상부 크래드층(8)의 일정 깊이까지 식각된다.

다음에 제4도에 도시된 바와 같이, 위의 리지 양측으로 상기 SiO₂마스크(12)를 그대로 사용하여 선택적으로 n⁺-GaAs 전류 차단층(10)이 2차 성장된 다음, 제5도에 도시된 바와 같이, 마스크가 제거되고, p⁺-GaAs 캡층(11)이 3차 성장되어 소자가 완성된다.

이와같이 제작되는 SBR 레이저 다이오드는 습식 식각에 의해 리지가 형성될 때 식각 깊이를 정확히 제어하기가 어렵고, 리지 형성을 위한 식각후 선택적 2차 성장 공정이 이루어지기 전, 상부 크래드층의 AI성분이 공기 중에 노출되기 때문에 노출 표면이 산화되거나 오염에 의하여 2차 성장 계면이 나빠질 우려가 있다. 이는 바로 레이저 다이오드의 특성 및 신뢰성에 치명적인 타격을 주게된다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하고자 창안된 것으로, 식각후 재성장시 식각 표면의 산화를 방지하여 계면특성이 좋고 고품질의 전류 차단층이 성장될 수 있도록 하여주며, 또한 식각 깊이가 정확하게 제어될 수 있는 반도체 레이저 다이오드 및 그 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 반도체 레이저 다이오드는, 기판과, 이 기판 상면에 하부 크래드층, 하부 도파층, 활성층, 상부 도파층 및 상부 크래드층으로 이루어지는 레이저 발진층과, 이 레이저 발진층 상면에 전류 차단층, 콘택트층 및 캡층이 마련된 반도체 레이저 다이오드에 있어서, 상기 상부 크래드층 및 하부 크래드층은 각각 서로 다른 물질이 순차 적응된 제1상부 크래드층과 제2상부 크래드층 및 제1하부 크래드층과 제2하부 크래드층으로 분리 형성되고, 상기 제2상부 크래드층은 상기 제1상부 크래드층 보다 좁은 폭을 가지며 그 상단에는 정상면이 마련되는 리지 형상을 가지며, 상기 제1상부 크래드층의 양측에는 상기 정상면을 제외한 상기 제2상부 크래드층을 매몰시키는 전류차단층이 형성되고, 상기 전류차단층의 사이로 노출된 상기 제2상부 크래드층의 정상면에는 콘택트 층이 형성이 형성되고, 상기 콘택트 층의 상부, 또는 상기 콘택트 층의 상부와 이 콘택트층 양측의 전류 차단층의 상부에는, 캡층이 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어서, 상기 기판은 n⁺-GaAs로, 상기 제1하부 크래드층은 n-AlGaAs로, 상기 제2하부 크래드층은 n-InGaP로, 상기 하부 도파층은 undoped-GaAs로, 상기 활성층은 undoped-InGaAs로, 상기 상부 도파층은 undoped-GaAs로, 상기 제1상부 크래드층은 p-InGaP로, 상기 제2상부 크래드층은 p-AlGaAs로, 상기 콘택트층은 p-GaAs로, 상기 전류 차단층은 n⁺-GaAs로, 상기 캡층은 p⁺-GaAs로 각각 형성되는 것이 바람직하며, 상기 제1상부 크래드층의 두께는 0.2~0.25㎛ 범위 내의 값을 가지는 것이 바람직하다.

그리고 이와 같은 구조의 반도체 레이저 다이오드의 제조 방법은, 기판 상면에 제1하부 크래드층, 제2하부 크래드층, 하부 도파층, 활성층, 상부 도파층, 제1상부 크래드층, 제2상부 크래드층 및 콘택트층을 순차적으로 성장시키는 제1차 성장 단계와; 상기 제2상부 크래드층 및 상기 콘택트층이 메사형 리지 형태로 상기 제1상부 크래드층 중앙 상면에 형성되도록 그 양쪽을 소정의 폭으로 상기 제1상부 크래드층 상면 까지 선택적으로 식각하는 식각 단계와; 상기 식각된 부분에 전류 차단층을 선택적으로 재성장시키는 제2차 성장 단계와; 상기 전류 차단층 및 상기 콘택트층 상면에 캡층을 성장시키는 제3차 성장 단계를; 포함하는것을 특징으로 한다.

본 발명의 제조 방법에 있어서, 상기 식각 단계는 기상 식각법을 적용하는 것이 바람직하며, 특히 상기 제1상부 크래드층 및 제2상부 크래드층은 각각 GaInP와 AlGaAs로 형성하며, 상기 기상 식각법은 HCI 가스와 AsH₃가스를 혼합한 혼합 가스를 사용하는 것이 바람직하다.

또한, 제2차 성장 단계는 상기 전류 차단층을 상기 기상 식각에 연이어 그 (제)자리(in situ) 재성장시키는 성장법을 적용하는 것이 바람직하다.

이하 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 반도체 레이저 다이오드 및 그 제조방법을 설명한다.

제6도는 본 발명에 따른 반도체 레이저 다이오드의 수직 단면도이다. 이 도면을 참조하면서 그 구조를 살펴보면 다음과 같다.

n⁺-GaAs기판(21) 상면에 n-AlGaAs 제1하부 크래드층(22), n-InGaP 제2하부 크래드층(23), undoped-GaAs 하부 도파층(24), undoped-InGaAs SQW(single quantum well) 활성층(25), undoped-GaAs 상부 도파층(26) 및 p-GaInP 제1상부 크래드층이 순차로 적층되어 있다.

이 순차 적층 중앙 상면에는 정상면을 가지는 리지형의 p-AlGaAs 제2상부 크래드층(28)이 형성되고, 이 리지 정상면에는 p-GaAs 콘택트층(29)가 적층되어 통전 채널을 이룬다.

그리고 상기 리지 양측으로는 n⁺-GaAs 전류 차단층(30)이 상기 콘택트층(29) 상면 높이 까지 형성되며, 그 상면으로는 p⁺-GaAs캡층(31)이 적층된 구조로 된다.

이와같은 구조는 AlGaAs/GaInP의 듀얼(dual) 크래드층으로 소자의 특성을 개선하고, GaAs/InGaAs를 SCH(seperate confinement heterostructure) 구조로 형성하여 레이저 발진층을 이루고, 이 레이저 발진층의 InGaAs 활성층은 SQW(single quantum well)을 가지며, SBR 광도파 구조로 되어 있다.

이상과 같은 구조의 반도체 레이저 다이오드 제조 방법은 다음과 같다.

제7도에 도시된 바와 같이, n⁺-GaAs기판(21) 상면에 n-AlGaAs 제1하부 크래드층(22), n-InGaP 제2하부 크래드층(23), undoped-GaAs 하부 도파층(24), undoped -InGaAs SQW 활성층(25), undoped-GaAs 상부 도파층(26), p-InGaP 제1상부 크래드층 (27), p-AlGaAs 제2상부 크래드층(28) 및 p-GaAs 콘택트층(29)을 유기 금속 화학 기상증착(MOCVD)법으로 순차로 1차 성장시킨다.

그리고 제8도에 도시된 바와 같이, 기상 식각법으로 제2상부 크래드층(28) 및 콘택트층(29)를 선택적으로 식각하여 리지 구조를 형성한다. 이때, SiO₂마스크 (32)가 사용되며, 제1상부 크래드층(28)의 상면까지 식각한다. 식각에 사용하는 가스는 HCI 가스와 AsH₃가스를 혼합하여 MOCVD 반응관 내에 흘리면서 건식 식각을 행한다.

다음에 제9도에 도시된 바와 같이, 위의 리지 양측으로 위의 SiO₂마스크(32)를 그대로 사용하여 그(제)자리(in situ) 재성장에 의해 n⁺-GaAs 전류 차단층(30)을 선택적으로 2차성장시킨다. 이와 같이 HCI 가스를 이용한 기상 식각후 바로 그(제)자리 재성장을 행함으로써, 제2상부 크래드층의 AI 성분의 산화를 방지하여 깨끗한 계면 상에 고품질의 전류 차단층(30)을 성장시킬 수 있게 된다. 또한, GaInP와 AlGaAs의 2중 크래드층으로 HCI 가스 식각시 AlGaAs 층에서 식각이 정지되도록 함으로써, 매우 정확하게 식각 깊이를 제어할 수 있다.

그리고 제10도에 도시된 바와 같이, 마스크(32)를 제거하고, p⁺-GaAs캡층(31)을 3차 성장시켜 소자를 완성한다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 반도체 레이저 다이오드는 HCI 가스에 의한 건식 식각을 행한후 바로 그(제)자리(in situ) 재성장으로 전류 차단층을 선택 성장시킴으로써, 식각된 제2상부 크래드층 계면의 AI 성분의 산화를 막아 재성장 계면 특성이 좋고, 선택적 식각 특성이 좋으며 소자의 신뢰성이 향상되는 효과가 있다.

더욱이, GaInP와 AlGaAs의 2중 크래드층을 형성함으로써, HCI 가스 식각시 GaInP층이 식각 저지층의 역할을 하여 식각 깊이의 정확한 제어가 가능하며, 또 AI이 없는 이 GaInP 크래드층은 활성층 바로 상하에 형성되므로 소자의 특성 및 신뢰성이 향상되는 효과가 있다.

Claims (7)

1. 기판과, 이 기판 상면에 하부 크래드층, 하부 도파층, 활성층, 상부 도파층 및 상부 크래드층으로 이루어지는 레이저 발진층과, 이 레이저 발진층 상면에 전류 차단층, 콘택트층 및 캡층이 마련된 반도체 레이저 다이오드에 있어서, 상기 상부 크래드층 및 하부 크래드층은 각각 서로 다른 물질이 순차 적층된 제1상부 크래드층과 제2상부 크래드층 및 제1하부 크래드층과 제2하부 크래드층으로 분리 형성되고, 상기 제2상부 크래드층은 상기 제1상부 크래드층보다 좁은 폭을 가지며 그 상단에는 정상면이 마련되는 리지 형상을 가지며, 상기 제1상부 크래드층의 양측에는 상기 정상면을 제외한 상기 제2상부 크래드층을 매몰시키는 전류차단층이 형성되고, 상기 전류차단층의 사이로 노출된 상기 제2상부 크래드층의 정상면에는 콘택트 층이 형성되고, 상기 콘택트 층의 상부, 또는 상기 콘택트 층의 상부와 이 콘택트 층 양측의 전류 차단층의 상부에는, 캡층이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 다이오드.
2. 제1항에 있어서, 상기 기판은, n⁺-GaAs로, 상기 제1하부 크래드층은 n-AlGaAs로, 상기 제2하부 크래드층은 n-InGaP로, 상기 하부 도파층은 undoped-GaAs로, 상기 활성층은 undoped-InGaAs로, 상기 상부 도파층은 undoped-GaAs로, 상기 제1상부 크래드층은 p-InGaP로, 상기 제2상부 크래드층은 p-AlGaAs로, 상기 콘택트층은 p-GaAs로, 상기 전류 차단층은 n⁺-GaAs로, 상기 캡층은 p⁺-GaAs로 각각 형성된 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 다이오드.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제1상부 크래드층의 두께는 0.2~0.25㎛범위내의 값을 가지는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 다이오드.
4. 기판 상면에 제1하부 크래드층, 제2하부 크래드층, 하부 도파층, 활성층, 상부 도파층, 제1상부 크래드층, 제2상부 크래드층 및 콘택트층을 순차적으로 성장시키는 제1차 성장 단계와; 상기 제2상부 크래드층 및 상기 콘택트층이 메사형 리지 형태로 상기 제1상부 크래드층 중앙 상면에 형성되도록 그 양쪽을 소정의 폭으로 상기 제1상부 크래드층 상면까지 선택적으로 식각하는 식각 단계와; 상기 식각된 부분에 전류 차단층을 선택적으로 재성장시키는 제2차 성장 단계와; 상기 전류 차단층 및 상기 콘택트층 상면에 캡층을 성장시키는 제3차 성장 단계를; 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 다이오드 제조 방법.
5. 제4항에 있어서, 상기 식각 단계는 기상 식각법을 적용하는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 다이오드 제조 방법.
6. 제5항에 있어서, 상기 제1상부 크래드층 및 제2상부 크래드층은 각각 GaInP와 AlGaAs로 형성하며, 상기 기상 식각법은 HCI 가스와 AsH₃가스를 혼합한 혼합 가스를 사용하는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 다이오드 제조 방법.
7. 제4항에 있어서, 제2차 성장 단계는 상기 전류 차단층을 상기 기상 식각에 연이어 그(제)자리(in situ) 재성장시키는 성장법을 적용하는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 다이오드 제조 방법.