KR100281917B1 - 레이저 다이오드 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 레이저 다이오드의 제조 방법에 관한 것으로서 특히 안정된 재결정 성장이 가능한 반도체 레이저 다이오드에 관한 것이다.

본 발명의 레이저 다이오드 제조 방법은, 기판상에 레이저 발진을 위한 다중의 결정층을 성장시키는 1차결정 성장단계와, 상기 결정층의 헤테로구조의 형성을 위한 제1, 제2마스크층을 형성하는 단계와, 상기 에칭액으로 결정층을 소정 깊이 에칭하여 상하의 메사 구조와 역메사 구조의 결정층을 형성하는 단계와, 상기 2개의 마스크 중 하부의 제1마스크의 양단을 에칭하여 제1마스크에 접촉된 하부 메사구조층의 정상면과 그 폭을 실질적으로 일치시키는 단계와, 상기 제2마스크를 제거하는 에칭단계와, 상기 제1마스크 하부 양측의 에칭된 헤테로 구조의 양측 영역에 다중의 전류 차단층을 형성하는 재결정 성장단계와, 상기 기판의 저면에와 상기 헤테로 구조의 상부에 오믹 금속 전극을 형성하는 단계를 포함한다.

Description

레이저 다이오드 제조방법

제1도 내지 제6도는 종래 레이저 다이오드의 제조 공정을 단계적으로 보인다.

제7도 내지 제13도는 본 발명 제조 방법에 의한 레이저 다이오드 제작공정에 있어서 결정성장 및 성형 과정을 단계적으로 보인다.

본 발명은 레이저 다이오드의 제조 방법에 관한 것으로서 특히 안정된 재결정 성장이 가능한 반도체 레이저 다이오드에 관한 것이다.

반도체 레이저 다이오드에서 단일 횡 모드 발진을 위하여는 수평방향 즉, 기판에 대해 나란한 방향으로 소정의 폭을 갖도록 활성층을 마련할 필요있다.

제1도 내지 제6도는 종래 레이저 다이오드의 제조 공정을 단계적으로 보인다.

제1도는 1차 결정 성장 단계를 거친 적층 구조를 보이는 것으로서, 기판(10) 위에 LPE(Liquid Phase Epitaxy)법을 통해 레이저 다이오드에서 필요한 기본층을 형성한다. 이를 위하여 먼저 GaAs 기판(10)의 (100)면상에 InGaP 조성을 갖는 제1크래드층(Clad Layer(20), InGaaP 조성의 제1도파층(Wave Guide Layer, 30), 활성층(Active Layer, 40), 제2도파층(50) 그리고 InGaP 조성의 제2크래드층(60)을 연속적으로 결정성장법에 의해 순차적으로 적층한다.

제2도는 헤테로 구조(Herostructure)의 리지(Ridge)를 형성하기 위한 마스크(Mask, 90)의 형성상태를 보인다. 이 과정에서는 소정의 에칭액 예를 들어 Br 계의 에칭액에 대해 불용성을 갖는 SiO₂등을 적층하고 이를 포토 리소그래피법에 의해 에칭하여 도시된 바와 같은 스트라이프(stripe) 타입의 마스크(90)를 형성한다. 이때 스트라이프는 〈011〉방향으로 향하게 하여 리지가 역메사 및 메사 형태를 갖도록 한다.

제3도는 전술한 바와 같은 에칭액에 의해 메사 리지(mesa ridge)가 형성된 상태를 보인다. 도시된 바와 같이 메사 리지가 활성층(40)을 경계로 상하 역메사 구조와 메사 구조로 마련되어 있다. 이를 위하여 전술한 적층이 마련되어 있는 기판(10)을 에칭액에 담구어 에칭 온도 및 시간 등을 조절하여 도시된 바와 같은 목적하는 형상으로 에칭한다. 이러한 과정에서 상기 적층의 맨 위부분이 상기 마스크(90) 보다 안으로 에칭되어 상기 마스크(90)가 노출되는 오버행(Overhang, 13)이 나타나게 된다.

제4도는 재결정 성장 단계를 거쳐 상기 헤테로구조가 메몰된 즉, BH구조(Burried Heterostructure)가 구성되어 있는 상태를 보인다. 이러한 구조는 재결정성장(Regrowth) 과정을 거쳐 얻어진 것으로서 상호 반대 도전형의 전류 차단층(70)(80)을 형성한다. 이때에 제1전류 차단층(70)은 접촉된 제1크래드층(20)과 반대 도전성을 가지며, 그리고 제2전류 차단층(80)은 제2크래드층(60)과 반대 도전성을 가진다. 이러한 결정성장과정에서는 마스크(90)에 의해 가려진 상기 오버행(13)의 하부 일부에 성장 멜트(melt)의 접촉이 이루어지지 않아 결정성장이 이루어 지지 않게 되어 비성장 영역(14)이 생성되게 된다.

제5도는 상부 오믹 전극층을 마련하기 앞서 헤테로구조의 상부에만의 전기적 접촉을 허용하는 마스크(90')층이 형성된 것을 보이는데, 이 마스크(90')는 저술한 바와 같이 SiO₂, SiN₃등과 같은 절연층을 포토리소그래피법에 의해 성형하여 얻는다. 이때에, 상기 오버행(13)의 하부에 형성된 비성장 영역(14)의 바닥에 마스크(90')의 소재인 절연물이 형성되게 되며, 여전히 오버행 (13)의 하부에 비성장 영역이 잔존한다.

제6도는 상기 기판(10)의 저면에와 상기 마스크(90')의 상부에 오믹 금속 전극(11)(12)이 증착법등에 의해 형성되어 소자가 완성된 상태를 보인다.

이상과 같은 과정을 거친 레이저 다이오드는 전술한 바와 같이 습식식각시 제조과정 중 비성장 영역이 필연적으로 나타나게 되는데, 이것은 보다 엄밀한 공정 조절을 통해 줄일 수는 있는나 완전 제거는 사실상 불가능하다. 이와 같은 비성장 영역에는 상부 오믹 전극(11)이 일부 침투하게 되어 동작시 전류누설 등에 의한 소자 특성을 크게 떨어지게 되는 문제가 야기되는데, 이러한 문제는 정도 차이는 있지만 상기와 같은 구조의 단일모드의 레이저 다이오드를 제작하는데 있어 뛰어 넘을 수 없는 한계이다.

본 발명은 전류차단층을 성공적을 형성할 수 있는 레이저 다이오드의 제조방법을 제공함에 그 목적이 있다.

또한 본 발명은 신뢰성이 높고 내부 결함에 의한 특성 저하가 적은 레이저 다이오드의 제조방법을 제공함에 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 레이저 다이오드의 제조 방법은, 기판상에 활성층과 상하 크래드층 등을 갖는 다중의 결정층을 성장시키는 1차결정 성장단계와, 상기 결정층의 상위면에 헤테로구조의 형성을 위한 소정 형상의 제1, 제2마스크층을 형성하는 마스크 형성단계와,상기 기판에 에칭액을 가하여 상기 마스크에 가리워지지 않은 결정층을 소정 깊이 에칭하여 상기 활성층을 경계로 그 상하에 역메사, 구조와 메사 구조의 결정층을 형성하는 단계와,상기 2개의 마스크 중 하부의 제1마스크의 양단을 에칭하여 제1마스크에 접촉된 하부 메사구조층의 에칭끝단과 그 폭을 실질적으로 일치시키는 단계와, 상기 제2마스크를 제거하는 단계와, 상기 마스크 하부 양측의 에칭된 헤테로 구조의 양측 영역에 다중의 전류 차단층을 형성하는 단계와, 상기 기판의 저면에와 상기 헤테로 구조의 상부에 오믹 금속 전극을 형성하는 단계를, 포함하는 점에 그 특징이 있다. 상기 본 발명에 있어서, 상기 마스크 형성단계는, 상기 결정층의 위에 제1마스크를 위한 소재층을 형성하는 단계와, 상기 소재층 위에 포토리소그래피법에 의해 소정 패턴의 제2마스크를 형성하는 단계, 상기 제2마스크에 중첩되지 않은 상기 소재층의 부위를 제거하여 제1마스크를 형성하는 단계를 포함하며, 상기 제1마스크는 SiO₂로 이루어 지며, 제2마스크는 포토레지스터로 이루어 지도록 하는 것이 바람직하다.

이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 레이저 다이오드의 제조방법의 한 실시예를 상세히 설명한다.

제7도 내지 제13도는 본 발명 제조 방법에 의한 결정성장 및 성형 과정을 단계적으로 보인다.

특히, 제7도는 1차 결정 성장 단계를 거친 적층 구조를 보인다.

기판(100) 위에 LPE(Liquid Phase Epitaxy)법을 통해 레이저 다이오드에서 필요한 기본층을 형성한다. 이 기본층은 레이저 광을 발생하기 위한 활성층을 중심으로 하여 그 상하에 도파층 및 크래드층이 대칭적으로 마련되는 샌드위치 구조를 갖추며, 필요에 따라 다른 기능의 결정층이 추가될 수 있다.

이러한 구조를 위하여 먼저 n-GaAs 기판(100) 상에 n-InGaP 조성을 갖는 제1크래드층(Clad Layer(200), n-InGaAsP 조성의 제1도파층(Wave Guide Layer, 300), 활성층(Active Layer, 400), p-InGaAsP 조성의 제2도파층(500) 그리고 p-InGaP 조성의 제2크래드층(600)을 연속적으로 결정성장법에 의해 순차적으로 적층한다.

제8도는 주입된 전류를 활성층 내에 한정(confine)할 수 있는 헤테로 구조(Herostructure)의 리지(Ridge)를 형성하기 위한 마스크(Mask, 900, 901)의 형성상태를 보인다. 이 과정에서는 제1마스크(900)의 소재로 SiO₂또는 Si₃N₄등을 화학 기상 증착법(CVD) 또는 스퍼트링(sputtering)법에 의해 적층하고 이를 포토 레지스터와 현상액을 사용하는 포토 리소그래피법에 의해 에칭하여 도시된 바와 같은 스트립 타입의 제2마스크(901)를 형성한다. 다음에 습식 또는 건식 식각, 방법에 의해 SiO₂또는 Si₃N₄로 구성된 제1마스크(900)를 제2마스크(901)와 같은 형태로 에칭한다. 이때에 포토리소그래피법시 사용된 포토레지스터에 의한 제2마스크(901)을 제거하지 않고 다음의 리지 에칭단계의 과정으로 옮긴다. 그리고 상기 제2마스크(901)의 소재도 역시 상기 에칭액에 대해 불용성이 강한 물질, 예를 들어 폴리이미드를 사용하거나, 에칭용 포토레지스터를 사용하는 것이 바람직한다.

제9도는 전술한 바와 같은 에칭액에 의해 제1, 제2 마스크(900, 901)의 하부에 메사 리지 구조가 형성된 상태를 보인다. 즉, 도시된 바와 같이 메사 리지가 활성층(400)을 경계로 상하 역메사 구조와 메사 구조가 마련되어 있다. 이를 위하여 전술한 적층이 마련되어 있는 기판(100)을 에칭액에 담구어 에칭 온도 및 시간 등을 조절하여 도시된 바와 같은 목적하는 형상, 즉 활성층을 중심으로 그 상하에 역메사구조와 메사 구조의 적층구조가 마련되도록 에칭한다. 이러한 과정을 통해 상기 마스크(900)가 상기 적층으로 부터 소정거리 벗어난 오버행(Overhang, 130)이 나타나게 된다.

제10도는 제1마스크(900)의 오버행(130)을 제거한 상태를 보인다. 이를 위하여 제2마스크(901)에 대해 용해력이 약한 불산계(또는 BOE)인 산계통의 에칭액을 사용하여 노출된 제1마스크(900)의 양단을 소정 깊이 에칭하여 제1마스크(900)가 상브 크래드(60)의 정상면 폭과 일치되게 조절한다.

제11도는 상기 제2마스크를 제거한 후 재결정 성장 단계를 거쳐 상기 헤테로 구조의 에칭영역에 전류차단층(700)(800)을 형성한 상태를 보인다. 이러한 구조는 일반적인 재결정성장(Regrowth) 과정을 거쳐 얻어진 것으로서 상호 반대 도전형의 전류 차단층(700)(800)을 형성한다. 이때에 제1전류 차단층(70)은 접촉된 n-InGaP 조성의 제1크래드층(20)과 반대 도전성을 가지는 p-InGaP 의 조성을 가지며, 그리고 제2전류 차단층(80)은 p-GaP 조성의 제2크래드층(60)과 반대 도전성을 가지는 n-InGaAsP 조성을 가진다. 이러한 결정성장과정에서는 종래와 같이 마스크(900)에 오버행이 존재하지 않기 때문에 전술한 문제의 근원이 되는 비성장 영역이 나타나지 않게 된다.

제12도는 상부 오믹 전극층을 마련하기 앞서 헤테로구조의 상부에만의 전기적 접촉을 허용하는 마스크(903)층이 형성된 것을 보인다. 이 마스크(903)는 전술한 바와 같이 SiO_2,Si₃N₄등과 같은 절연층을 포토리소그래피법에 의해 성형하여 얻는다.

제13도는 상기 기판(100)의 저면에와 상기 마스크(903)의 상부에 오믹 금속 전극(110)(120)이 증착법등에 의해 형성되어 소자가 완성된 상태를 보인다.

이상과 같은 본 발명 제조 방법에 의하면 오버행의 제거에 의한 전류 차단층의 결정 성장이 성공적으로 이루어 지게 되며, 또한 이로 인해 소재 표면의 평활도가 개선되게 됨으로써 고신뢰성의 레이저 다이오드를 제작할 수 있게 된다.

이러한 레이저 다이오드 제조방법은 전술한 실시예의 InGaAsP/GaAs계 레이저 다이오드 뿐 아니라 AlGaAs, INGaAlP, InP 계의 레이저 다이오드의 제작에도 적용할 수 있다. 이상과 같은 본 발명에 레이저 다이오드의 제조방법의 이점을 요약하면, 양질의 전류 차단층을 얻을 수 있고, 그리고 표면 평활도가 높은 레이저 다이오드를 얻을 수 있어서 설계여부가 크다. 또한 높은 평활도에 의하면 주입된 전류의 누설을 야기시키는 요인이 줄어 들게 되어 소자의 특성을 향상시킬 수 있다.

Claims (3)

1. 기판상에 활성층과 상하 크래드층 등을 갖는 다중의 결정층을 성장시키는 1차결정 성장단계와, 상기 결정층의 상위면에 원하는 형태의 패턴 형성을 위한 소정 형상의 제1, 제2마스크층을 형성하는 마스크 형성단계와, 상기 기판에 에칭액을 가하여 상기 마스크에 가리워지지 않은 결정층을 소정 깊이 에칭하여 상기 활성층을 경계로 그 상하에 역메사 구조와 메사 구조의 결정층을 형성하는 단계와, 상기 2개의 마스크 중 하부의 제1마스크의 양단을 에칭하여 제1마스크에 접촉된 하부 메사구조층의 정상면과 그 폭을 실질적으로 일치시키는 단계와, 상기 제2마스크를 제거하는 단계와, 상기 마스크 하부의 에칭된 헤테로 구조의 양측 영역에 다중의 전류 차단층을 형성하는 단계와, 상기 기판의 저면에와 상기 헤테로 구조의 상부에 오믹 금속 전극을 형성하는 단계를, 포함하는 것을 특징을 하는 레이저 다이오드 제조방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 마스크 형성단계는, 상기 결정층의 위에 제1마스크를 위한 소재층을 형성하는 단계와, 상기 소재층 위에 포토리소그래피법에 의해 소정 패턴의 제2마스크를 형성하는 단계, 상기 제2마스크에 중첩되지 않은 상기 소재층의 부위를 제거하여 제1마스크를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 다이오드 제조방법.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제1마스크는 SiO₂또는 Si₃N₄로 이루어 지며, 제2마스크는 포토레지스트로 이루어 지는 것을 특징으로 하는 레이저 다이오드 제조방법.