KR100281919B1 - 반도체 레이저 다이오드 및 그 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 반도체 레이저 다이오드 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 상세하게는 반도체 레이저 다이오드와 같은 광소자를 전자 소자와 함께 하이브리드(hybride) 구조화함에 있어서, 동일 반 절연성 기판 상에 전자 소자와 광소자를 함께 형성할 때 배선의 끊어짐이 없이 손쉽게 제작할 수 있는 반도체 레이저 다이오드 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

즉, 본 발명에 따른 레이저 다이오드 및 그 제조 방법은, 구조면에서 BH구조로 함으로써, 전류 제한 효과가 월등히 양호하며, 출사광의 광 도파 효과도 훨씬 향상시킬 수 있으며, 그리고 이러한 제조 방법에 의하면 에피택시 성장 공정 및 포토리소그래피 공정이 종래에 비해 1회씩 줄어들므로 공정이 간단하고 생산비가 절감되며 무엇보다도 제조 공정상의 오염의 소지를 줄일수 있어 소자의 특성을 향상시킬 수 있다. 그리고 본 발명의 소자는 강력 굴절율 도파(strong-index guide)형이므로 발진광의 모드 조절도 용이한 효과도 있다.

Description

반도체 레이저 다이오드 및 그 제조 방법

제1도 내지 제6도는 종래의 반도체 레이저 다이오드의 제조 단계별 공정 후의 수직 단면도로서,

제1도는 에칭에 의한 메사 구조 형성후의 수직 단면도,

제2도는 에피택시 성장 후의 수직 단면도,

제3도는 대칭 에칭한 다음 전극 형성용 n-GaAs 성장후의 수직 단면도,

제4도는 전류 차단층 형성 후의 수직 단면도,

제5도는 p-금속 전극 형성 후의 수직 단면도,

제6도는 n-금속 전극 형성 후의 수직 단면도,

제7도 내지 제12도는 본 발명에 따른 반도체 레이저 다이오드의 제조 단계별 공정 후의 수직 단면도로서,

제7도는 에칭에 의한 메사 구조 형성후의 수직 단면도,

제8도는 에피택시 성장 후의 수직 단면도,

제9도는 전류 차단층 형성 영역 확보를 위한 에칭공정 후의 수직 단면도,

제10도는 전류 차단층 성장 후의 수직 단면도,

제11도는 p-금속 전극 형성 후의 수직 단면도,

제12도는 n-금속 전극 형성 후의 수직 단면도이다.

〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉

1 : GaAs 반절연성 기판 2 : 전자 소자 형성 영역

3 : SiO₂마스크 4 : 레이저 다이오드 형성 영역

5 : n-GaAs 제1콘택트층 6 : n-AlGaAs 하부 크래드층

7 : u-GaAs 활성층 8 : p-AlGaAs 상부 크래드층

9 : p-GaAs 캡층 11 : 에칭된 부분

12 : n-GaAs 제2콘택트층 13a, b : 전류 차단층

15 : 금속 전극(p) 16 : 금속 전극(n)

21 : GaAs 반절연성 기판 22 : 전자 소자 형성 영역

23 : SiO₂마스크 24 : 레이저 다이오드 형성 영역

24 : n-GaAs 콘택트층 26 : n-AlGaAs 하부 크래드층

27 : u-GaAs 활성층 28 : p-AlGaAs 상부 크래드층

29 : p-GaAs 캡층 35 : 금속 전극(p)

36 : 금속 전극(n) 40 : GaAs 절연층

본 발명은 반도체 레이저 다이오드 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 상세하게는 반도체 레이저 다이오드와 같은 광소자를 전자 소자와 함께 하이브리드(hybrid) 구조화함에 있어서, 동일 반 절연성 기판 상에 전자 소자와 광소자를 함께 형성할 때 배선의 끊어짐이 없이 손쉽게 제작할 수 있는 반도체 레이저 다이오드 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

제1도 내지 제6도는 종래의 반도체 레이저 다이오드의 제조 단계별 공정 후의 수직 단면도로서, 제6도의 완성된 소자의 수직 단면도를 통해 그 구조를 살펴보면 다음과 같다.

일측부가 광소자 형성을 위해 메사형으로 형성된 반절연성(Semi Insulating) GaAs 기판(1) 상면에 n-GaAs 콘택트층(5), AlGaAs 하부 크래드층(6), u-GaAs 활성층(7), AlGaAs 상부 크래드층(8), 그리고 GaAs 캡층(9)이 순차 적층되어 있다.

이 적층들의 일측면은 식각되어 기판의 메사구조의 경사부와 역삼각형의 골짜기 모양으로 형성되어 제2콘택트층(12)이 형성되어 상기 적층의 제1콘택트층(5)과 금속전극(16, n) 사이에서 전류 통로의 구실을 하고 있다.

그리고 이 제2콘택트층(12)과 활성층(7) 상부의 적층들과의 전기적 절연을 위한 전류 차단층(13a)과 이 전류 차단층(13a)과 함께 상부의 적층들에 전류를 제한 공급하는 통전채널을 형성하기 위한 전류 차단층(13b)가 형성되어 있다. 이 통전채널 상부에는 금속 전극(15, p)이 형성되어 있다.

이상과 같은 구조의 반도체 레이저 다이오드의 제조 방법을 제1도 내지 제6도의 제조 단계별 수직 단면도를 통하여 살펴보면 다음과 같다.

제1도에 도시된 바와 같이, 반절연성(semi-insulating) GaAs 기판(1) 상면이 포토리소그래피법에 의해 메사 형태로 식각된다. 여기에 제2도에 도시된 바와 같이, 유기 금속 화학 기상 성장법(MOCVD)이나 MBE(molecular beam epitaxy)법으로 n-GaAs 제1콘택트층(5), n-AlGaAs 하부 크래드층(6), undoped-GaAs 또는 AlGaAs 활성층(7), p-AlGaAs 상부 크래드층(8), p-GaAs 캡층(9)이 순차로 성장된다. 다음으로 제3도에 도시된 바와 같이, 포토리소그래피법에 의해 순차 성장된 적층들의 가장자리 부분이 식각되어 역삼각형의 골짜기 구조가 형성된 다음, 이 식각된 영역에 전류 통로를 형성하기 위하여 n-GaAs 제2콘택트층(12)이 성장된다. 이때 식각용 마스크로는 SiO₂막(3)이 사용된다.

다음에 제4도에 도시된 바와 같이, 앞에서 사용된 SiO₂막(3)은 제거되고 다시 새로운 마스크로 SiO₂막(3')이 증착된 다음 포토리소그래피 공정으로 전류 차단을 위해 상기 역삼각 구조의 일부와 상기 활성층(7) 상부의 적층들(8, 9)의 일부(13a, 13b의 영역)가 식각된다. 그리고 이 식각된 자리에는 역시 MOCVD법이나 MBE범에 의해 반절연성 GaAs가 성장되어 전류 차단층(13a, 13b)이 형성된다.

다음 제5도에 도시된 바와 같이, 상기 마스크로 사용된 SiO₂막(3')이 제거되고 새로운 마스크로 SiO₂막(3")이 증착되고, 이를 마스크로 하여 p형 금속전극(5)이 증착된다. 그리고 마찬가지 방법으로 제6도에 도시된 바와 같이, 상기 SiO₂막(3")의 n-GaAS(12)와의 접촉 부분을 제거하여 개구한 다음 n형 금속전극(16)이 증착되어 소자가 완성된다.

그러나, 이러한 구조의 반도체 레이저 다이오드를 제조하는 데에는, 앞에서 설명한 바와같이, 3회의 에피택시 성장과 3회의 포토리소그래피 공정이 요구되는 등 제조 공정이 아주 복잡하여 포토리소그래피 공정 및 에피택시 성장 공정을 번갈아 하는 동안 기판이 오염될 소지가 많고, 공정이 복잡하여 제조비용의 상승으로 양산성이 좋지않게 된다.

또한 전류 차단층(13a, 13b)을 에칭할 때 활성층(7) 까지 에칭하지 않으면 n-GaAS 제2콘택트층(12)과 p-GaAs캡층(9) 및 p-AlGaAs 상부 크래드층(8)이 바로 도통될 염려가 있으므로, 이경우 누설 전류에 의해 소자의 효율이 떨어지게 되므로 좋은 레이저 발진 특성을 기대하기가 어렵다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하고자 창안된 것으로, 비교적 제작 공정이 간단하여 오염의 소지가 적고, 레이저 발진 특성이 우수한 반도체 레이저 다이오드 및 그 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 반도체 레이저 다이오드는, 그 일측 상면이 식각되어 메사형 돌출부가 형성된 기판; 상기 메사형 돌출부의 경사면을 포함한 상기 기판의 식각된 면 상에 적층된 콘택트층; 상기 콘택트층의 평탄면 중앙에 소정의 폭으로 적층된 하부 크래드층; 상기 하부 크래드층의 폭에 대응하는 폭으로 상기 하부 크래드층 상면에 적층된 활성층; 상기 활성층의 폭에 대응하는 폭으로 상기 활성층 상면에 적층된 상부 크래드층; 그리고 상기 상부 크래드층의 폭에 대응하는 폭으로 상기 상부 크래드층 상면에 적층된 캡층; 상기 순차 적층된 하부 크래드층, 활성층, 상부 크래드층 및 캡층은 리지를 이루고, 이 리지 양쪽 측면에 전기적 절연을 위하여 형성된 전류 차단층;을 구비하여 된 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어서, 상기 기판에서 상기 돌출부의 높이는 10㎛ 내지 15㎛의 범위 내인 것이 바람직하며, 상기 콘택트층은 5㎛ 내지 10㎛ 이상의 두께로 형성된 것이 바람직하다.

또한 상기와 같은 구조의 반도체 레이저 다이오드를 제조하는 방법은, 기판 상면의 일측부에 제1마스크를 형성한 다음 선택적으로 식각하여 메사 구조를 형성하는 식각 단계; 상기 메사 구조의 측면을 포함한 식각된 평탄면 상에 콘택트층, 하부 크래드층, 활성층, 상부 크래드층 및 캡층을 순차적으로 성장시키는 제1성장 단계; 상기 제1마스크를 제거하고 제2마스크를 형성하여 상기 성장된 적층의 중앙 상면에, 상기 성장 적층에서 콘택트층을 제외한 나머지 성장 적층을 식각하여 리지를 형성하는 리지 형성 단계; 상기 리지 형성 단계에서 식각된 부분에 전류 차단층을 선택적으로 성장시키는 제2성장 단계; 상기 제2마스크를 제거하고 제3마스크를 형성한 다음, 상기 리지 상면에 제1금속 전극을 증착하는 제1전극 증착 단계; 그리고 상기 제3마스크의 상기 콘택트층과의 접촉부를 식각하여 개구한 다음 제2금속 전극을 증착하는 제2금속 전극 증착 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 제조 방법에 있어서, 상기 식각 단계에서 상기 기판을 10㎛ 내지 15㎛ 의 범위 내에서 식각하는 것이 바람직하며, 상기 제1성장 단계에서 상기 콘택트층은 5㎛ 내지 10㎛ 이상 성장시키는 것이 바람직하다.

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

먼저 제12도의 본 발명의 반도체 레이저 다이오드의 수직 단면도를 통해 그 구조를 살펴보면 다음과 같다.

전기 소자 형성을 위한 전기 소자 형성 영역(22)과, 광 소자 형성을 위한 광 소자 형성 영역(24)으로 나뉘어 메사형으로 형성된 반절연성(Semi Insulating) GaAs 기판(21)의 광 소자 영역(24) 상면에 n-GaAs 콘택트층(25), AlGaAs 하부 크래드층(26), u-GaAs 활성층(27), AlGaAs 상부 크래드층(28), 그리고 GaAs 캡층(29)이 순차 적층된다.

이 적층들에서 콘택트층(25)을 제외한 나머지 적층들은 식각되어 광소자 영역(24)의 중앙부에 리지를 형성한다.

그리고 상기 콘택트층(25) 상부의 상기 리지 양측에 식각된 부분에는 전기적 절연을 위한 전류 차단층(40)이 형성된다. 따라서 이 리지는 통전채널의 구실을 하게 되며, BH구조의 레이저 다이오드가 된다.

이상과 같은 BH구조의 반도체 레이저 다이오드의 제조 방법을 제7도 내지 제12도의 제조 단계별 수직 단면도를 통하여 살펴보면 다음과 같다.

제7도에 도시된 바와 같이, 반절연성(semi-insulating) GaAs 기판(21) 상면에 SiO₂막을 증착하여 마스크(23)를 형성한 다음 포토리소그래피법으로 기판을 식각하여 메사 구조를 형성한다. 이때 식각 깊이는 10~15㎛로 한다.

여기에 제8도에 도시된 바와 같이, 유기 금속 화학 기상 성장법(MOCVD)이나 MBE(molecular beam epitaxy)법으로 n-GaAs 제1콘택트층(25), n-AlGaAs 하부 크래드층(26), undoped-GaAs 또는 AlGaAs 활성층(27), p-AlGaAs 상부 크래드층(28), p-GaAs 캡층(29)을 순차로 성장시킨다.

다음으로 제9도에 도시된 바와 같이, 앞서의 SiO₂마스크(23)를 제거하고, 새로운 SiO₂마스크(33)를 형성한 다음 포토리소그래피법으로 상기 적층들에서 n-GaAs 콘택트층(25)을 제외한 나머지 적층들을 식각하여 리지를 형성한다. 이렇게 함으로써 BH 구조의 레이저 다이오드를 형성할 수 있게 되는데, 이 리지는 전류 통로가 되는 통전 채널을 겸한 레이저 발진부가 된다.

다음에 제10도에 도시된 바와 같이, SiO₂막(33)을 그대로 이용하여 MOCVD법이나 MBE법으로 반절연성 GaAs를 성장시켜 전류 차단층(40)을 형성시킨다. 이와 같이 함으로써 전류 차단 효과 및 레이저 광의 광도파 효과를 극대화할 수 있는 구조가 된다.

다음 제11도에 도시된 바와 같이, 상기 마스크로 사용된 SiO₂막(23)을 제거하고 새로운 SiO₂막(43)을 증착하여 마스크로 형성한 다음, 포토리소그래피법에 의해 리지 상부를 개구하여 p형 금속전극(35)를 증착시킨다. 그리고 마찬가지 방법으로 제12도에 도시된 바와 같이, p형 금속 전극 형성 방법과 마찬가지로 상기 SiO₂막(43)을 n-GaAs 콘택트층(12)과 접촉하고 있는 영역을 제거하고 n형 금속전극(36)을 증착시켜 소자를 완성시킨다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 레이저 다이오드 및 그 제조 방법은, 구조면에서 BH구조로 함으로써, 전류 제한 효과가 월등히 양호하며, 출사광의 광 도파 효과도 훨씬 향상시킬 수 있으며, 그리고 이러한 제조 방법에 의하면 에피택시 성장 공정 및 포토리소그래피 공정이 종래에 비해 1회씩 줄어들므로 공정이 간단하고 생산비가 절감되며 무엇보다도 제조 공정상의 오염의 소지를 줄일수 있어 소자의 특성을 향상시킬 수 있다. 그리고 본 발명의 소자는 강력 굴절율 도파(strong-index guide)형이므로 발진광의 모드조절도 용이한 이점을 가진다.

Claims (11)

1. 그 일측 상면이 식각되어 메사형 돌출부가 형성된 기판; 상기 메사형 돌출부의 경사면을 포함한 상기 기판의 식각된 면 상에 적층된 콘택트층; 상기 콘택트층의 평탄면 중앙에 소정의 폭으로 적층된 하부 크래드층; 상기 하부 크래드층의 폭에 대응하는 폭으로 상기 하부 크래드층 상면에 적층된 활성층; 상기 활성층의 폭에 대응하는 폭으로 상기 활성층 상면에 적층된 상부 크래드층; 그리고 상기 상부 크래드층의 폭에 대응하는 폭으로 상기 상부 크래드층 상면에 적층된 캡층; 상기 순차 적층된 하부 크래드층, 활성층, 상부 크래드층 및 캡층은 리지를 이루고, 이 리지 양쪽 측면에 전기적 절연을 위하여 형성된 전류 차단층;을 구비하여 된 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 다이오드.
2. 제1항에 있어서, 상기 기판은 반절연성 기판으로 이루어진 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 다이오드.
3. 제1항에 있어서, 상기 전류 차단층은 반절연성 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 다이오드.
4. 제1항에 있어서, 상기 기판에서 상기 돌출부의 높이는 10㎛ 내지 15㎛의 범위 내에서 형성된 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 다이오드.
5. 제1항에 있어서, 상기 콘택트층은 5㎛ 내지 10㎛ 이상의 두께로 형성된 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 다이오드.
6. 기판 상면의 일측부를 제1마스크를 형성한 다음 선택적으로 식각하여 메사 구조를 형성하는 식각 단계; 상기 메사 구조의 측면을 포함한 식각된 평탄면 상에 콘택트층, 하부 크래드층, 활성층, 상부 크래드층 및 캡층을 순차적으로 성장시키는 제1성장 단계; 상기 제1마스크를 제거하고 제2마스크를 형성하여 상기 성장된 적층의 중앙 상면에, 상기 성장 적층에서 콘택트층을 제외한 나머지 성장 적층을 식각하여 리지를 형성하는 리지 형성 단계; 상기 리지 형성 단계에서 식각된 부분에 전류 차단층을 선택적으로 성장시키는 제2성장 단계; 상기 제2마스크를 제거하고 제3마스크를 형성한 다음, 상기 리지 상면에 제1금속 전극을 증착하는 제1전극 증착 단계; 그리고 상기 제3마스크의 상기 콘택트층과의 접촉부를 식각하여 개구한 다음 제2금속 전극을 증착하는 제2금속 전극 증착 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 다이오드의 제조 방법.
7. 제6항에 있어서, 상기 제1, 제2 및 제3마스크는 SiO₂로 이루어지는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 다이오드의 제조 방법.
8. 제6항에 있어서, 상기 제1 및 제2성장 단계는 유기 금속 화학 기상 성장(MOCVD)법이나 MBE법에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 다이오드의 제조 방법.
9. 제6항에 있어서, 상기 전류 차단층은 반절연성 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 다이오드의 제조 방법.
10. 제6항에 있어서, 상기 식각 단계에서 상기 기판을 10㎛ 내지 15㎛ 의 범위 내에서 식각하는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 다이오드의 제조 방법.
11. 제6항에 있어서, 상기 제1성장 단계에서 상기 콘택트층은 5㎛ 내지 10㎛ 이상 성장시키는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 다이오드의 제조 방법.