KR100279734B1 - 평면 매립형 반도체 레이저 구조 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 평면 매립형 반도체 레이저 구조 및 그 제조 방법에 관한 것이다. 그 구조는 p-n-p 구조의 전류차단층(304, 305, 306)이 반절연성 전류 차단층(309)의 양 내측면에 함께 형성된 구조이고, 이러한 구조의 제조는 메사 식각을 행하여 활성층 영역을 정의하는 과정과, 그 활성층 영역으로의 전류주입을 위하여 활성층 주변에 p-n-p 구조의 전류 차단층을 재성장하는 과정과, p-n-p 구조의 전류 차단층 재성장 후 활성층 영역 위에 크래드 층과 오옴 접촉층을 재성장하는 과정과, 크래드 층과 오옴 접촉층을 재성장한 후 변조 속도를 높여주기 위해 반절연층을 재성장하는 과정으로 제조함으로써, 고성능의 광출력 특성을 얻을 수 있을 뿐만 아니라, 변조 특성을 현저히 높일 수 있으므로 고성능의 평면 매립형 반도체 레이저를 얻을 수 있는 효과가 있다.

Description

평면 매립형 반도체 레이저 구조 및 그 제조방법

본 발명은 반도체 레이저 구조 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 특히 평면 매립형 이종접합 구조를 갖는 반도체 레이저 구조 및 그 제조방법에 관한 것이다.

광통신에 사용되는 고성능 반도체 레이저는 일반적으로 낮은 발진임계전류, 높은 양자효율 등을 갖는 평면 매립형 반도체 레이저가 사용된다.

현재 광통신 분야에 사용되는 광원은 대용량의 정보의 빠른 속도로 멀리 보내기 위해서는 고출력, 고신뢰성, 높은 변조속도를 가져야 한다.

따라서 평면 매립형 반도체 레이저에서 사용되는 전류차단층의 최적화가 이루어져야 하는데, 전류차단층으로 주로 사용되는 p-n-p의 경우 고성능의 정특성을 얻을 수 있지만, 기생정전용량이 증가하여 고속변조를 시킬 수 없게 된다.

p-n-p 전류차단층에서 생겨나는 정전용량을 감소시키기 위해서는 활성층 주변을 식각하는 방법이 주로 사용되게 되는데, 이 경우 메사 식각 형태의 활성층 주변에서 생겨나는 반도체와 절연체간의 응력 등에 의해 고출력으로 장시간 사용할 경우 신뢰성에 문제가 생긴다.

그리고 반도체 레이저의 거울면 형성을 위해 벽개(cleaving)를 할 경우, 좁은 활성층 영역에 과도한 힘이 가해져서 기계적인 응력에 의한 신뢰성의 저하를 가져오게 된다.

고속변조 특성을 향상시키기 위하여 제안된 종래의 기술로는 반절연 전류차단층을 사용하게 되는데, 주로 철(Fe)을 도핑하여 기생정전용량을 감소시키는 방법으로 p-n-p 구조에 비해 공정이 단순화되며, 변조특성의 현저한 향상을 가져올 수 있다.

그러나 이러한 반절연 전류차단층을 사용하여 재성장을 하는 경우에는 철의 확산에 의해 활성층의 특성을 저하시키게 되고, p형과 n형 물질사이에 놓이게 되면 깊은준위중심(deep-level center)에 의해 전자와 정공이 재결합하는 현상으로 전자와 정공이 반절연 전류차단층내로 주입되어 전류차단층으로서의 역할을 할 수 없게 된다.

그래서 일반적으로 사용되는 방법이 n형 반도체와 p형 반도체 사이에 반절연층을 삽입시켜 이러한 현상을 억제하는 방법이 제안되어 있기는 하나, 반도체 레이저의 정특성은 p-n-p 전류차단층을 사용하는 경우에 비해 뒤떨어지게 된다.

종래의 반절연 전류차단층을 가지는 평면 매립형 반도체 레이저의 공정 구조도를 도 1a 내지 도 1e에 도시하였다.

도 1a에서 n형 InP 기판(103) 위에 이종접합 구조의 활성층(102)과 p형 InP층(101)을 액상결정성장 장비나 유기금속화학증착 장비를 이용하여 성장시킨 후, 메사 식각을 위한 절연막(100)을 사진식각 공정을 통해 형성시킨다.

도 1b에서 절연막 마스크를 이용하여 활성층 영역을 정의하기 위해 건식 혹은 습식 식각을 이용하여 메사 구조를 형성시킨다.

도 1c에서 활성층의 전류 및 광을 가두기 위하여 반절연 InP 전류차단층(104)을 액상결정성장 장비나 유기금속화학증착 장비를 이용하여 재성장시킨다.

도 1d에서는 메사 식각을 위해 사용된 절연막(100)을 제거한 후 p형 InP 크래드 층(105)과 p형 오옴 접촉층(106)을 액상결정성장 장비나 유기금속화학증착 장비를 이용하여 재성장시킨다.

도 1e에서 전극 형성을 위하여 절연막(100)을 사진식각 방법에 의해 활성층(102) 바로 위쪽만 열어준 후 p형 전극(108)과 n형 전극(109)을 증착시킨다.

도 1e에서 p형 크래드 층과 n형 기판 사이에 형성되어 있는 반절연 재성장층은 깊은준위중심에서 정공과 전자가 재결합하여 전류차단층으로서의 역할보다는 누설전류의 통로로 작용하는 문제점을 가지게 된다.

그리고 반절연층의 도핑에 사용되는 철(Fe)의 경우 확산에 의해 활성층에 까지 영향을 미쳐서 활성층이 빛을 흡수하는 흡수층으로 작용하기 쉬운 단점을 가지고 있다.

이러한 문제점을 해결하기 위하여 여러가지 방법이 제안되어 있으나, 활성층의 구조나 활성층 폭 등이 변할 경우 동일하게 적용하기 어려운 문제가 있어서 재현성 있는 고성능의 반도체 레이저를 구현하는 것이 힘들게 된다.

또한 종래의 고속변조용 p-n-p 구조의 전류차단층을 가지는 평면 매립형 반도체 레이저의 공정 구조도를 도 2a 내지 2f에 도시하였다.

도 2a에서 n형 InP 기판(203) 위에 이종접합 구조의 활성층(202)과 p형 InP층(201)을 액상결정성장 장비나 유기금속화학증착 장비를 이용하여 성장시킨 후, 메사 식각을 위한 절연막(200)을 사진식각 공정을 통해 형성시킨다.

도 2b에서 절연막 마스크를 이용하여 활성층(202) 영역을 정의하기 위해 건식 혹은 습식 식각을 이용하여 메사 식각 구조를 형성시킨다.

도 2c에서 활성층의 전류 및 광을 가두기 위하여 p형 InP(204)와 n형 InP(205) 전류차단층(205)을 액상결정성장 장비나 유기금속화학증착 장비를 이용하여 재성장시킨다.

도 2d에서는 메사 식각을 위해 사용된 절연막(200)을 제거한 후 p형 InP 크래드 층(206)과 p형 오옴 접촉층(207)을 액상결정성장 장비나 유기금속화학증착 장비를 이용하여 재성장하고, 절연막(208)을 사진식각 공정으로 형성시킨다.

도 2e에서는 상기 p-n-p 구조의 전류차단층에 의해 생겨나는 기생정전용량을 감소시키기 위하여 활성층 영역 주변의 채널을 건식이나 습식 식각 공정을 통해 형성시킨다.

도 2f에서는 채널 형성용 절연막(208)을 제거하고, 전극 형성을 위하여 절연막(208)을 사진식각 방법에 의해 활성층 바로 위쪽만 열어준 후 p형 전극(209)을 증착시키고 이어서 n형 전극(210)을 증착시킨다.

상기 도 2a 내지는 2f 구조는 고성능의 특성을 보이고 있으나, 메사 주변을 감싸고 있는 p-n-p(204-205-206) 구조에 의해 생겨나는 기생정전용량의 감소를 위해 채널 형성을 하게 되는 복잡한 공정이 요구되므로, 재현성이 저하되고 수율이 감소되는 등의 문제점을 가지게 된다.

또한 활성층 주변율에 채널이 형성되어 있으므로 반도체와 절연막과의 열팽창 계수의 차이에 의해 장기적으로 계속적인 스트레스를 받아 신뢰성이 저하된다.

그리고 반도체레이저 제작시 중요한 거울면 형성을 위해 벽개를 하게 되는데, 활성층 영역의 폭이 좁기 때문에 생겨나는 기계적인 손상에 의해 특성 저하나 신뢰성이 떨어지는 문제점을 안고 있다.

한편, 선행논문을 보면 Journal of Quantum Electronics에 게재된 “Analysis of current leakage in InGaAsP/InP buried heterostructure lasers[저자 Ohtoshi, Vol. 25, no.6 1396 1375, 1989년 6월]”은 매립형 반도체레이저의 전류차단층 위치, 두께, 도핑에 따른 고온 동작 특성을 2차원적으로 계산함으로써 전류차단층의 두께와 도핑을 변화시켜 고온 동작 특성을 개선할 수 있었으나, 고속동작특성 개선에 부분에 대한 언급이 없었으며, p-n-p 전류차단층에서는 고속변조특성을 확보하기가 어려운 문제점이 있었다.

또한, Journal of Quantum Electronics에 게재된 “Analysis of leakage curret in buried heterostructure lasers with semiinsulating blocking lasers[저자 S.A.Asada, vol. 25, no.6, pp. 1362 - 1368, 1989년 6월]”은 반절연층 매립형 반도체레이저의 누설전류 억제 방안의 제시를 위해 반절연층 위에 n형 반도체를 성장하거나, InGaAs층을 성장시켜 누설전류를 감소시킴으로써 누설전류를 억제할 수 있었으나, 복합전류차단층에 대한 근본적인 문제점을 해결할 수 없었고, 반절연층이 가지는 근본적인 문제점을 향상시킬 수 없었으며, 반절연 전류차단층이 p-n-p 구조의 전류차단층에 비해 근본적으로 특성이 우수하지 못한 문제점이 있었다.

다음으로 Japanese Journal of Applied Physics에 게재된 “High-performance strain-compensated MQW heterostructure laser diodes with low leakage current[저자 H. S. Cho, 권, 호 vol. 35, no. 3, pp. 1751 - 1757, 1996년 3월]”는 p-n-p 전류차단층을 가지는 매립형 반도체레이저의 누설전류에 의한 동작특성을 조사하기 위해 2단계 식각에 의해 누설전류를 줄여주는 방법을 제공함으로써 누설전류를 감소시켜 반도체레이저의 출력 특성을 개선시켰으나, 변조속도는 고려하지 않고 누설전류에 의한 영향을 조사하므로써 변조속도를 개선시키지 못한 문제점이 있었다.

선행특허로는 “미국특허 Method for fabricating a planar buried heterostructure laser diode[권리권자 J. K. Lee 등록번호 5665612, 1997. 9. 9]”는 메사 식각 방법을 달리하여 누설전류를 줄여주는 것을 목적으로 하고, 비선택 식각을 동시에 행하여 누설전류를 줄여줌으로써 누설전류를 감소시킬 수 있었으나, 식각 방법 자체에 비중을 두고 단점을 해결하였으므로 식각 방법에 제한이 되어 있었으므로, 고속 변조 특성을 확보하지 못하였다.

또한, “미국특허 Method of fabricating semiconductor laser[권리권자 K. Fujihara, 등록번호 5227015, 1993. 7. 13]”는 1회의 성장으로 평면 매립형 반도체레이저 제작을 하고 전류차단층의 설계용 이상을 확보하기 위해 2단계 식각 방법에 의해 전류차단층 재성장을 용이하게 함으로써, 재성장 횟수를 줄여주어 고성능 평면 매립형 반도체레이저를 제작할 수 있었으나, 고속변조특성 개선을 위한 방안이 없었으며, 성장방법보다는 재성장층의 구조에 초점을 둠으로 인해 재성장층 구조에 의한 효과가 언급되지 않았다.

그리고 “일본특허 반도체레이저의 제조방법[권리권자 堀川英明, 등록번호 평 4-130691, 1992. 5. 1]”에서는 메사 식각 방법의 개선을 통하여 재성장 특성을 개선시켜 고성능 반도체레이저를 제작하기 위해, 비선택 식각 후 활성층 측면만 선택식각하여 재성장층의 이상 성장을 억제함으로써 반도체레이저의 특성을 개선하였으나, 재성장측면에서 특성개선을 시도함으로 인해 전류차단층의 구조변화를 통해 전반적인 성능 개선을 하지 못하였다.

상기 문제점을 해결하기 위해 본 발명은 기존의 공정에서 전류차단층의 구조만을 변화시킴으로써, 기존의 반도체레이저에서 사용되는 p-n-p 전류차단층의 낮은 누설전류 특성을 유지하면서, 반절연 잔류차단층의 높은 변조속도를 동시에 구현하여 반도체 레이저에서의 동작 특성을 개선시키는데 그 목적이 있다.

도 1a 내지 도 1e 는 종래의 반절연 전류차단층을 갖는 평면 매립형 반도체 레이저 제조 공정도,

도 2a 내지 도 2f 는 종래의 p-n-p 전류차단층을 갖는 평면 매립형 반도체 레이저 제조 공정도,

도 3a 내지 도 3f 는 본 발명이 적용되는 평면 매립형 반도체 레이저 제조 공정도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

300, 310 : 절연막 301 : p-InP 크래드 층

302 : 활성층 303 : n-InP 기판

304 : p-InP 전류차단 층 305 : n-InP 전류 차단층

306 : p-InP 크래드 층 307 : p-InGaAs 오옴 접촉층

308 : 절연막 309 : 반절연성 InP 전류 차단층

311 : p형 전극 312 : n형 전극

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 평면 매립형 반도체 레이저 구조는, n형 InP 기판 위에 순차로 적층된 활성층과 p형 InP 크래드층이 메사식각되어 형성되고, 그 식각된 활성층의 양측면에 소정거리를 두고 상기 기판 위에 순차로 적층된 p형 InP 전류차단층, n형 InP 전류차단층 및 p형 오옴접촉층의 일부만이 매립되게 형성된 p-n-p 구조의 전류 차단층과; 상기 p-n-p 구조의 전류 차단층 양측면에 형성되되, 상기 일부만 식각된 부분에 형성되는 반절연성 InP 전류 차단층이 동일 기판상에 함께 형성되고, 상기 두 전류 차단층이 전극형성을 위한 개구가 형성된 절연막 위의 p 형 전극과 상기 기판 하부에 형성되는 n형 전극 사이에 형성된 것을 하나의 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 다른 특징인 평면 매립형 반도체 레이저의 제조방법은, 반도체 기판상에 형성된 활성층, 전류차단층, 오옴 접촉층을 포함하여 이루어진 평면 매립형 반도체에 있어서, 전류차단층을 p-n-p 구조와 반절연층을 전류차단층으로 동시에 사용하도록 하고, 메사 식각을 행하여 상기 활성층 영역을 정의하는 과정과, 상기 활성층 영역으로의 전류주입을 위하여 활성층 주변에 p-n-p 구조의 전류 차단층을 재성장하는 과정과, 상기 전류 차단층 재성장 후 활성층 영역 위에 크래드 층과 오옴 접촉층을 재성장하는 과정과, 크래드 층과 오옴 접촉층을 재성장한 후 변조 속도를 높여주기 위해 반절연층을 재성장하는 과정으로 제조하는 것을 특징으로 한다.

이와 같은 특징을 갖는 본 발명은 p-n-p 전류차단층이 가지는 낮은 누설전류 기능과 고속변조를 위한 반절연 전류차단층을 동시에 동일 기판상에 함께 사용함으로써, 고성능의 고속변조용 반도체레이저의 제작이 가능하게 한다.

즉, 본 발명에 따른 전류차단층은, 기존의 반절연 평면 매립형 반도체 레이저(도 1e)의 구조에 비해 낮은 누설전류를 가지며, p-n-p 전류차단층에 비해 높은 변조속도를 갖는다.

이하, 본 발명의 실시예에 따른 평면 매립형 반도체 레이저의 제조공정을 도 3a 내지 도 3f의 단면도를 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

먼저, 도 3a에 도시된 바와 같이, n형 InP형 기판(303) 상에 이종접합 구조의 InGaAs 혹은 InGaAsP 활성층(302)과 산화막 혹은 질화막의 p형 InP 크래드 층(301)을 액상결정성장장비 또는 유기금속화학증착 장비를 이용하여 성장시킨 후, 산화막 혹은 질화막의 절연막(300)을 증착하고 사진식각 공정을 통해 메사 형성을 위한 스트라이프를 형성시킨다.

그리고, 도 3b에서, 상기 형성된 절연막(300)을 식각 마스크로 하여 건식 혹은 습식 식각 공정을 통해 상기 p형 InP 크래드층(301), 활성층(302) 및 상기 기판(303)의 일부만을 메사 구조로 식각한다.

도 3c는, 전류 차단층을 재성장시키는 공정으로서, 상기 활성층(302)의 양측면에 소정 거리를 두고 p형 InP 전류차단층(304) 및 n형 InP 층(305)을 순차로 적층한다.

다음으로, 도 3d와 같이 메사 식각을 위해 사용된 절연막(300)을 제거한 후, 상기 n 형 InP 층(305) 위에 p형 InP 크래드 층(306)과 p형 InGaAs 오옴 접촉층(307)을 성장시킨다. 이상과 같은 도 3d까지의 공정은 일반적인 평면 매립형 반도체 레이저의 공정과 동일한 것이다. 그러나, 본 발명에서는 도 3d에서 도시된 바와 같이, 활성층(302) 양측면에 형성된 p-n-p 전류 차단층 구조(304-305-306)에 의해 생겨나는 기생정전용량이 커져 ㎓ 이상의 고속변조를 달성하기가 어려웠기 때문에, 산화막 혹은 질화막의 절연막(308)을 사진식각 방법을 통해 스트라이프를 형성하여 p-n-p 전류 차단층에 의해 생겨나는 기생정전용량을 제거하게 된다.

이에 따라, 도 3e의 공정에서는, 고속변조를 위해 절연막(308)을 마스크로 하여 습식 혹은 건식 식각 공정에 의해 p-n-p 전류차단층을 남기고 상기 형성된 기판(303)의 일부를 소정 깊이로 더 식각한 후 반절연성 InP 전류 차단층(309)을 상기 p-n-p 구조의 전류차단층의 양측면에 재성장시킨다.

마지막으로, 도 3f에 도시된 바와 같이, 식각용으로 사용된 절연막(308)을 제거한 후 전극형성을 위한 절연막(310)을 형성하고 사진 식각 방법을 이용하여 활성층 바로 위쪽 부분만 개방한 후, p 형 전극(311)과 n 형 전극(312)을 증착시킨다.

상기한 공정을 통해 제조된 평면 매립형 반도체 레이저의 경우, 반절연 전류 차단층 만을 사용하는 경우에 비해 활성층 측면을 p-n-p 구조의 전류 차단층을 사용함으로써 반절연층에서 생기기 쉬운 이중 주입(double injection)과 같은 현상을 억제할 수 있을 뿐 아니라, 철(Fe)의 확산에 의해 비발광 재결합 중심을 형성할 수 있는 문제를 제거할 수 있으므로 누설전류를 획기적으로 개선할 수 있다.

또한, 활성층 주변을 형성하고 있는 일부의 p-n-p 전류 차단층만을 남기고 대부분을 반절연층으로 구성함으로써, p-n-p 전류차단층만을 사용하는 경우에 비해 기생정전용량을 대폭 감소시킬 수 있으므로 ㎓ 이상의 고속변조가 가능하다.

그리고 채널 형성을 통해 기생정전용량을 줄이는 p-n-p 전류 차단층을 가지는 평면 매립형 반도체 레이저에 비해 공정이 단순화되어서 재현성 및 수율이 대폭 개선되며, 채널에 의해 생기기 쉬운 신뢰성의 저하를 방지할 수 있으므로, 고출력이면서 고속변조가 가능한 장점을 가지게 된다.

이상과 같은 본 발명은 기존의 고속변조용 평면매립형 반도체레이저에서 반절연 전류차단층을 가지는 경우에는 고속변조 효율은 우수하지만 광출력 특성이 저하되었던 문제점과, 채널이 형성된 p-n-p 전류차단층 구조의 경우에 공정이 복잡하여 재현성과 수율이 저하되고, 채널에 의한 신뢰성의 문제점을 해결함으로써, 복합적인 전류차단층 구조에 의해 활성층 측면을 통해 흐르는 누설전류 감소뿐만 아니라, 고속변조 특성을 획기적으로 개선할 수 있다.

또한, 공정이 단순화되어 재현성이나 신뢰성 측면에 우수한 특성을 보이므로 고성능 반도체레이저를 제작할 수 있는 효과를 가지고 있다.

Claims (6)

1. n형 InP 기판 위에 순차로 적층된 활성층과 p형 InP 크래드층이 메사식각되어 형성되고, 그 식각된 활성층의 양측면에 소정거리를 두고 상기 기판 위에 순차로 적층된 p형 InP 전류차단층, n형 InP 전류차단층 및 p형 오옴접촉층의 일부만이 매립되게 형성된 p-n-p 구조의 전류 차단층과;

   상기 p-n-p 구조의 전류 차단층 양측면에 형성되고, 상기 일부만 식각된 부분에 형성되는 반절연성 InP 전류 차단층이 동일 기판상에 함께 형성되고,

   상기 두 전류 차단층이 전극형성을 위한 개구가 형성된 절연막 위의 p 형 전극과 상기 기판 하부에 형성되는 n형 전극 사이에 형성되어, 활성층 측면을 통해 흐르는 누설전류를 감소시킴과 동시에 고속변조 특성을 향상시킬 수 있는 것을 특징으로 하는 평면 매립형 반도체 레이저 구조.
2. 반도체 기판 상에 형성된 활성층, 전류 차단층, 오옴 접촉층을 포함하여 이루어진 평면 매립형 반도체 제조 방법에 있어서,

   메사 식각을 수행하여 활성층 영역을 정의하는 제 1 과정과;

   상기 활성층 영역으로의 전류주입을 위하여 활성층 주변에 p-n-p 구조의 전류 차단층을 재성장하는 제 2 과정과;

   전류 차단층 형성 후 상기 활성층 영역 위에 크래드 층과 오옴 접촉층을 재성장하는 제 3 과정과; 및

   상기 크래드 층 및 오옴 접촉층 재성장 후 변조속도를 높여주기 위해 반절연성 전류 차단층을 재성장하는 제 4 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 평면 매립형 반도체 레이저의 제조방법.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 제 1 과정은

   n형 InP 반도체 기판 상에 이종접합 구조의 활성층과 p형 InP 크래드 층을 액상결정성장이나 유기금속화학증착 장비를 이용하여 성장시킨 후 절연막을 증착하고 사진식각 공정을 통해 메사 형성을 위한 스트라이프를 형성하는 제 1 단계와;

   상기 절연막을 식각 마스크로 하여 건식 혹은 습식 식각 공정을 통해 메사 식각을 하는 제 2 단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 평면 매립형 반도체 레이저의 제조방법.
4. 제 2 항에 있어서, 상기 제 2 과정은

   상기 n형 InP 반도체 기판 상에 p형 InP 층 및 n형 InP 층의 재성장층으로 이루어진 전류 차단층을 재성장시키는 것을 특징으로 하는 평면 매립형 반도체 레이저의 제조방법.
5. 제 2 항에 있어서, 상기 제 3 과정은

   절연막을 사진식각 공정을 통해 스트라이프를 형성하여 p-n-p 전류 차단층에 의해 생겨나는 기생정전용량을 제거하는 것을 특징으로 하는 평면 매립형 반도체 레이저의 제조방법.
6. 제 2 항에 있어서, 상기 제 4 과정은

   고속변조를 위해 절연막을 식각마스크로 하여 습식 혹은 건식 식각에 의해 p-n-p 전류 차단층 일부만 남기고 기판까지 식각한 후 반절연 InP 전류차단층을 재성장시키는 제 1 단계와;

   식각용으로 사용된 절연막을 제거한 후 전극형성을 위한 절연막을 형성하고 사진식각 공정을 이용하여 활성층 바로 위쪽 부분만 개방한 후 p형 전극과 n형 전극을 증착시키는 제 2 단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 평면 매립형 반도체 레이저의 제조방법.