KR100284760B1 - 반도체 레이저 다이오드 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 반도체 레이저 다이오드는 그루브가 형성되어 있는 제1도전형 GaAs 기판의 상부에 제1도전형 InGaP 버퍼층, 제1도전형 InGaAlP 클래드층, InGaP 활성층, 제2도전형 InGaAlP 클래드층이 순차적으로 성장되어 있으며, 제2도전형 InGaAlP 클래드층중 그루브에는 이를 채우면서 제2도전형 GaAs 캡층이 형성되어 있다. 제2도전형 InGaAlP 클래드층 및 제2도전형 GaAs 캡층으로 이루어진 표면의 상부에는 제2도전형 금속 전극이 형성되어 있고, 제1도전형 GaAs 기판의 하부에는 제1도전형 금속 전극이 형성되어 있다. 이의 제조 방법은 제1도전형 GaAs 기판을 식각하여 그루브를 형성한 후, 이어서 제1도전형 InGaP 버퍼층으로부터 제2도전형 GaAs 캡층까지를 순차적으로 기상성장법과 같은 결정성장법을 통하여 성장시킨다. 그런 다음, 제2도전형 GaAs 캡층중 채널부위가 아닌 부위를 식각하여 평탄화한 후 제2도전형 금속 전극 및 제1도전형 금속 전극을 형성한다. 이와 같이 반도체 레이저 다이오드는 1회의 결정성장으로 소자의 제작이 완료되면서도, 상기 제2도전형 GaAs 캡층과 제2도전형 금속 전극은 오믹 접촉이 되어 전류가 흐르고 제2도전형 InGaAlP 클래드층과 제2도전형 금속 전극의 계면에는 숏키 장벽이 형성되어 전류를 차단하게 되어 효과적으로 전류의 제한이 이루어지게 되는 잇점을 갖는다.

Description

반도체 레이저 다이오드 및 그 제조방법

제1도는 본 발명에 따른 반도체 레이저 다이오드의 단면도이다.

제2(a)도 내지 제2(c)도는 본 발명에 따른 반도체 레이저 다이오드의 제조 방법을 설명하기 위하여 공정 순서에 따른 중간 구조들의 단면도를 순차적으로 나타낸 것이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

101 : p형 GaAs 기판 102 : p형 InGaP 버퍼층

103 : p형 InGaAlP 클래드층 104 : InGaP 활성층

105 : n형 InGaAlP 클래드층 106 : n형 GaAs 캡층

107 : n형 금속 전극 108 : p형 금속 전극

본 발명은 반도체 레이저 다이오드에 관한 것으로, 특히 InGaP/InGaAlP 계 반도체 레이저 다이오드 및 그의 제조 방법에 관한 것이다.

InGaP/InGaAlP 계 반도체 레이저 다이오드는 발진 파장이 대략 600m가 되는 적색 레이저 빔을 발진하는 소자로서, 소형 경량이기 때문에 일반적으로 고밀도 광 기록장치의 기록 및 재생용 광원으로 널리 사용된다. 반도체 레이저 다이오드는 일반적으로 다층 구조(layered structure)로 구성되는 것으로, 광 기록 장치의 광원으로 이용되기 위하여는 기본 모드(fundamental mode) 발진을 수행함과 동시에, 비점수차거리(astigmati느)가 작아야 한다.

또한, 반도체 레이저 다이오드는, 레이저 빔의 발진이 보다 효과적으로 수행되기 위하여, 보다 효과적으로 전류가 공급됨과 동시에 발생된 레이저 빔을 효과적으로 외부로 도파하기 위한 구조를 가져야 한다. 이를 위하여, 제안된 구조들중의대표적인 것으로서, 이득도파형 반도체 레이저 다이오드와 굴절률 도파형 반도체 레이저 다이오드를 들수 있다.

이득 도파형 반도체 레이저 다이오드는 일반적으로 제작이 간단한 잇점을 가지나, 광도파 구조의 특성상 기본 모드 발진이 어려우며, 비점수차 거리가 통상 20㎛ 이상이 되어 광 기록 장치에 응용하기 적당하지 못한 점이 있다.

한편, 굴절률 도파형 반도체 레이저 다이오드는, 그 안에 포함되는 각 층들의 형태변화에 기인하는 굴절률의 변화에 따라, 레이저 빔이 도파되는 소자로서, 매몰 이종(vuried hetero:BH) 구조, VSIS 구조, 선택적 매몰 릿지(selectivly buried ridge: SBR)구조 및 휨 도파(vent waveguide) 구조등이 제안되어 있다. BH구조는, 그 안에 포함되는 활성층이, 활성층의 밴드 갭 보다 높은 밴드 갭을 가짐과 동시에 활성층의 수직 및 수평 방향 굴절률보다 낮은 수직 및 수평 방향 굴절률을 갖는 물질층들에 둘러싸여 구조로서, 기본 모드 발진에는 유리한 잇점을 가지나, 고출력 동작에 어려움이 있다. 한편, 유효 굴절률 차이(dffective refractive step)를 이용하는 VSIS 구조 및 SBR 구조는 굴절률의 허수부 차이가 발생하여 비점수차거리를 줄이는 것에 한계가 있어 바람직하지 못한 점이 있다.

이에 반하여, 기판의 굴곡을 형성한 후 그 상부에 활성층을 성장시켜, 활성층이 휘어지도록 된 휨 도파 구조는 일반적으로 비점수차거리가 1㎛이하이고, 기본 모드 발진에도 유리한 장점을 갖는다. 그러나 휨도파 구조를 갖는 반도체 레이저 다이오드는 전류의 흐름을 활성영역으로 제한하기 위한 형태를 갖기 위하여 최소한 2차 이상의 결정성장 공정을 필요로 하는 점이 있다. 따라서, 제조 공정이 복잡하고, 재 결정 성장에 의하여 성장된 층들의 결정질이 저하되어 소자의 효율이 떨어지고 신뢰도가 저하되는 문제점이 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 1회의 결정성장 공정으로 그 제조가 가능한 휨 도파 반도체 레이저 다이오드를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 상기 반도체 레이저 다이오드를 제조 하는 방법을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 반도체 레이저 다이오드는 채널부위에 바닥면 및 양 경사면을 갖는 그루브가 형성되어 있는 제1도전형 GaAs 기판;

상기 제1도전형 GaAs 기판상에서 기판이 가지는 형태를 따르면서 순차적으로 형성되어 있는 제1도전형 InGaAlP 클래드층, InGaP 활성층 및 제2도전형 InGaAlP 클래드층;

상기 제2도전형 InGaAlP 클래드층의 그루브를 채우면서 형성되어 있는 제2도전형 GaAs 캡층; 및

상기 제2도전형 InGaAlP 클래드층 및 제2도전형 GaAs 캡층으로 이루어진 표면의 상부에 형성되어 있는 제2도전형 금속 전극을 구비하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 반도체 레이저 다이오드는 또한 상기 제1도전형 GaAs 기판과 상기 제1도전형 InGaAlP 클래드층 사이에 제1도전형 InGaP 버퍼층; 및

상기 제1도전형 GaAs 기판에 하부에 형성되어 있는 제1도전형 금속 전극을 더 포함한다.

상기 다른 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 반도체 레이저 다이오드의 제조 방법은 소정 제1도전형 GaAs 기판을 선택적으로 식각하여 채널부위에 바닥면 및 양 경사면을 갖는 그루브를 형성하는 제1공정;

상기 제1도전형 GaAs 기판의 상부에 기판의 형태를 따르도록 하면서, 제1도전형 InGaAlP 클래드층, InGaP 활성층, 제2도전형 InGaAlP 클래드층 및 제2도전형 GaAs 캡층을 순차적으로 결정성장시키는 제2공정;

상기 제2도전형 GaAs 캡층증 채널부위를 제외한 나머지 부위를 선택적으로 식각하여 그루브에 해당하는 제2도전형 GaAs 캡층만이 남도록 하는 제3공정; 및

상기 제3공정을 통하여 노출되는 제2도전형 InGaAlP 클래드층 및 상기 제2도전형 GaAs 캡층으로 이루어진 표면의 상부에 제2도전형 금속 전극을 형성하는 제4공정을 포함하는 것을 특징으로 한다.

바람직한 실시예에 의한 반도체 레이저 다이오드의 제조 방법에서 상기 제2공정은 기상성장법을 통하여 각 층들을 결정성장하는 공정이며, 또한 상기 제1도전형 InGaAlP 클래드층을 성장시키키에 앞서 제1도전형 InGaP 버퍼층을 성장시키는 공정을 더 포함하게 된다.

간략히 말하면, 본 발명에 따른 반도체 레이저 다이오드는 전류의 제한(confinement)를 위하여 별도의 전류 차단층을 성장시키는 대신에 제2도전형 InGaAlP층과 제2도전형 금속 사이에 접촉 계면에서 발생하는 숏키 장벽(Schottky barrier)에 의하여 전류가 차단되도록 한 것이다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 관하여 상세히 설명하기로 한다.

제1도는 본 발명에 따른 휨 도파형 반도체 레이저 다이오드의 단면도이다.

제1도를 참조하면, p형 GaAs 기판(101)에는 바닥면 및 양경사면들을 갖는 채널이 형성되어 있고, 그 상부에 p형 InGaP 버퍼층(102), p형 InGaAlP 클래드층(103), InGaP 활성층(104) 및 n형 InGaAlP 클래드층(105)이 상기 기판에 형성된 그루브의 형태를 따르면서 적층되어 있다. 그리고, n형 InGaAlP 클래드층(105)중 그루브 부위를 채우면서 n형 GaAs 캡층(106)이 형성되어 있으며, n형 InGaAlP 클래드층(105) 및 n형 GaAs 캡층(106)으로 이루어진 표면의 상부에는 n형 금속 전극(107)이 형성되어 있고, 상기 p형 GaAs 기판(101)의 하부에는 p형 금속 전극(108)이 형성되어 있다. 여기서, 상기 n형 GaAs 캡층(106)과 n형 금속 전극(107)은 오믹 접촉(ohmic contact)되어 전류가 흐르는 반면에, 상기 n형 InGaAlP 클래드층(105)과 상기 n형 금속 전극(107)의 계면에는 숏키 장벽(schottky berrier)이 형성되어 전류의 흐름이 차단된다. 즉, 전류의 흐름이 채널 영역으로만 제한되는 효과가 있게 된다. 또한, 채널 상부로 주입된 전류는 좌, 우 경사면에서 성장된 결정층들의 밴드 갭 에너지가 면지수가 (100)인 평탄면상에 성장된 결정층들에 비하여 일반적으로 높은 크기 때문에, 전류 퍼짐(current spreading) 현상이 감소하게 된다.

이와 같은 반도체 레이저 다이오드의 제조 방법을 제2(a)도 내지 제2(c)도를 참조하여, 설명하기로 한다.

먼저, 제2(a)도에 도시한 바와 같이, 소정 p형 GaAs 기판(101)을 마련한 후, 이를 선택적으로 식각하여 채널부위에 바닥면 및 양 경사면을 갖는 그루브를 형성한다. 그런 다음, 그루브가 형성된 기판의 상부에 기상성장법과 같은 결정성장 방법을 통하여, p형 InGap 버퍼층(102), p형 InGaAlp 클래드층(103), InGaP 활성층(104), n형 InGaAlP 클래드층(105) 및 n형 GaAs 캡층(106)을 순차적으로 성장시킨다. 여기서, 순차적으로 성장되는 층들은 제2(b)도에 도시한 바와 같이, 상기 기판이 갖는 형태를 따르게 된다. 특히, n형 GaAs 캡층(106)의 두께는 상기 그 하부층인 n형 InGaAlP 클래드층(105)이 갖는 그루브의 깊이와 같도록 하는 것이 바람직하다. 이어서, 통상적인 포토 리소그래피 공정을 통하여 상기 n형 GaAs 캡층(106)의 상부에 마스크 패턴을 형성한다. 그런 다음, 상기 마스크 패턴을 이용하여, n형 GaAs 캡층(106)중 그루브에 성장된 부분이 아닌 나머지 부분을 식각한다. 이러한 식각 공정이 완료되면, 식각 공정을 통하여 노출된 n형 InGaAlP 클래드층(105)과 n형 GaAs 캡층(106)이 이루는 표면을 제2(c)도에 도시한 바와 같이 평탄면이 된다.

n형 InGaAlP 클래드층(105) 및 n형 GaAs 캡층(106)으로 이루어진 표면의 상부와 상기 p형 GaAs 기판(101)의 하부에 n형 GaAs n형 금속 전극(107) 및 p형 금속 전극(108)을 형성하기 위한 금속화공정(metalization)이 수행된다.

상술한 바와 같은 반도체 레이져 다이오드가 갖는 잇점을 살펴보면 다음과 같다.

1) 1회의 결정성장 공정으로 소자의 제조가 가능하여 생산성이 높고, 재결정성장에 수반되는 문제점들을 제거하게 되어 소자의 효율 및 신뢰도가 증대된다.

2) 휨 도파형태를 가지므로, 기본 모드 발진에 유리하고 비점수차거리가 작다.

3) n형 숏키 장벽에 의하여 전류가 차단되므로 고출력 동작이 가능하다.

4) n형 GaAs 캡층을 선택적으로 식각하여 소자의 표면이 평편하고 조립공정이 용이하고 활성층에서 발생된 열을 신속히 방출하므로 열특성이 향상된다.

이상, 본 발명은 구체적인 실시예를 들어 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 국한되지 아니하고, 당업자가 가진 통상적인 지식의 범위내에서 그 변형이나 개량이 가능하다.

Claims (5)

1. 채널부위에 바닥면 및 양 경사면을 갖는 그루브가 형성되어 있는 제1도전형 GaAs 기판; 상기 제1도전형 GaAs 기판 상부에, 기판이 가지는 형태를 따르면서 순차적으로 형성되어 있는 제1도전형 InGaAlP 클래드층, InGaP 활성층 및 제2도전형 InGaAlP 클래드층; 상기 제2도전형 InGaAlP 클래드층의 그루브의 내부만을 채우면서 형성되어 있는 제2도전형 GaAs 캡층; 및 상기 제2도전형 InGaAlP 클래드층 및 제2도전형 GaAs 캡층으로 이루어진 평탄한 표면의 상부에 형성되는 제2도전형 금속 전극을 포함하고 상기 제2도전형 금속전극과 GaAs 캡층 간에는 쇼트키 장벽이 형성되고, 상기 제2도전형 금속전극과 제 2도전형 InGaAlP 클래드층과는 오믹접촉이 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 다이오드.
2. 제1항에 있어서, 상기 제1도전형 GaAs 기판과 상기 제1도전형 InGaAlP 클래드층 사이에 제1도전형 InGaP 버퍼층을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 다이오드.
3. 제1항에 있어서, 상기 제1도전형 GaAs 기판에 하부에 형성되어 있는 제1도전형 금속전극을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 다이오드.
4. 소정 제1도전형 GaAs 기판을 선택적으로 식각하여 채널부위에 바닥면 및 양 경사면을 갖는 그루브를 형성하는 제1공정; 상기 제1도전형 GaAs 기판의 상부에 기판의 형태를 따르도록 하면서, 제1도전형 InGaAlP 클래드층, InGaP 활성층, 제2도전형 InGaAlP 클래드층 및 제2도전형 GaAs 캡층을 순차적으로 결정성장시키는 제2공정; 상기 제2도전형 GaAs 캡층증 채널부위를 제외한 나머지 부위를 선택적으로 식각하여 상기 그루브에만 제2도전형 GaAs 캡층을 남기는 제3공정; 및 상기 제3공정을 통하여 노출되는 제2도전형 InGaAlP 클래드층 및 상기 제2도전형 GaAs 캡층으로 이루어진 표면의 상부에 제2도전형 금속 전극을 형성하는 제4공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 다이오드의 제조 방법.
5. 제4항에 있어서, 상기 제2공정은 기상성장법을 통하여 각층들을 결정성장하는 공정인 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 다이오드의 제조 방법.