KR100287203B1 - 이중클래드구조를갖는반도체레이저다이오드 - Google Patents
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Abstract
본 발명에 따른 InGaP/InGaAlP계 반도체 레이저 다이오드는 제1도전형 GaAs 기판의 상부에 순차적으로 제1도전형 InGaAlP 클래드층, InGaP 활성층 및 제2도전형 AlGaAs 내부 클래드층이 적층되어 형성된다. 제1도전형 GaAs 기판중 중앙부위에 스트라이프 형태로 제2도전형 InGaAlP 외부 클래드층이 적층되어 있고, 제2도전형 InGaAlP 외부 클래드층을 노출시키면서 상기 제2도전형 AlGaAs 내부 클래드층의 상부에 제1도전형 GaAs 전류저지층이 적층되어 형성된다. 개구부를 통하여 노출되는 제2도전형 InGaAlP 외부 클래드층의 상부에는 제2도전형 InGaP통전용이층이 적층되고, 그 상부에는 전면에 제2도전형 GaAs 캡층이 적층되어 있다. 또한 소자의 상부 및 하부에 제2도전형 금속전극 및 제1도전형 금속전극이 구비된다. 여기서, 제2도전형 AlGaAs 내부 클래드층 및 제2도전형 InGaAlP 외부 클래드층은 서로 다른 습식 식각 특성을 갖는 것으로, 보다 용이하게 릿지 구조를 갖는 레이저 다이오드의 제작이 가능하게 되는 잇점이 있다.
Description
제1도는 종래기술에 반도체 레이저 다이오드의 단면도이다.
제2도는 본 발명에 따른 이중 클래드 구조를 갖는 반도체 레이저 다이오드의 단면도이다.
제3A도 및 제3B도는 본 발명에 따른 반도체 레이저 다이오드에서의 굴절률 및 광모드 분로를 나타낸 그래프들이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
101...n형 GaAs 기판 102...n형 GaAs 버퍼층
103...n형 InGaAlP 클래드층 104...InGaP 활성층
105...p형 InGaAlP 클래드층 106...p형 InGaP 통전용이층
107...n형 GaAs 전류저지층 108...p형 GaAs 캡층
109...p형 금속전극 110...,n형 금속전극
111...p형 AlGaAs 내부 클래드층 112...p형 InGaAlP 외부 클래드층
본 발명은 레이저 다이오드에 관한 것으로, 특히 InGaP/InGaAlP계 반도체 레이저 다이오드에 관한 것이다.
InGaP/InGaAlP계 반도체 레이저 다이오드는, MODE, DVDR등과 같은 광기록 장치에 적용되는 레이저 다이오드로서, GaAs와 격자 정합이 되는 III-V족 화합물중 밴드 갭 에너지가 가장 크므로 단파장 레이저 다이오드의 제작에 적합하다.
제1도는 종래의 반도체 레이저 다이오드의 단면도를 나타낸 것이다.
제1도를 참조하면, n형 GaAs 기판(101)의 상부에는 n형 GaAs 버퍼층(102), n형 InGaAlP 클래드층(103) 및 InGaP 활성층(104)이 순차적으로 적층되어 있다. InGaP 활성층(104)의 상부에는 중앙부위가 스트라이프 형태로 돌출된 릿지 구조를 갖는 p형 InGaAlP 클래드층(105)이 적층되어 있으며, p형 InGaAlP 클래드층(105)중 릿지 구조의 돌출부에는 p형 InGaP 통전용이층(106)이 적층되어 있고 나머지 부위에는 n형 GaAs 전류저지층(107)이 적층되어 있다. p형 InGaP 통전용이층(106) 및 n형 GaAs 전류저지층(107)로 이루어진 표면의 상부에는 p형 GaAs 캡층(108)의 상부 및 n형 GaAs 기판(101)의 하부에는 p형 금속전극(109) 및 n형 금속전극(110)이 각각 형성되어 있다. 이러한 구조는 굴절률의 변화에 따라 광도파가 수행되도록 된 구조로서, 3회 이상의 결정성장 공정을 통하여 제조된다. 그러나, 상기 구조에서 p 형 InGaAlP 클래드층(105)의 p형 도판트로서는 일반적으로 아연(Zn)이 사용되는데, 아연이 캐리어로 작용하지 못하고, 격자결함으로 다수 존재하여 광학적 열화의 원인으로 작용하는 문제점이 있다. 또한 활성층과 클래드층간에 이종장벽(hetero-barrier)이 낮아 소자의 문턱 전류값(threshold current)이 높으며, 그에 따라 고출력 동작시 고온이 발생하여 신뢰도가 저하되는 점이 있으며, 더우기, InGaAlP 재료는 열전도도가 낮아 활성층에서 발생한 열을 신속히 방출하지 못하며, 상술한 바와 같이, 열에 의한 신뢰도 저하를 더욱 증가시키는 점이 있다.
소자의 제작측면에 있어서도 통전용이층으로 삽입한 p 형 InGaP 통전용이층(106)과 p형 클래드층의 식각 속도 차이가 커서 적절한 깊이의 릿지를 형성하는 매우 어려워 생산성이 저하되는 문제점이 있다.
따라서 본 발명의 목적은 상술한 바와 같은 문제점을 개선할 수 있는 반도체 레이저 다이오드를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상술한 바와 같은 반도체 레이저 다이오드를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명인 반도체 레이저 다이오드는 제1도전형 GaAs 기판;
상기 제1도전형 GaAs 기판의 상부에 순차적으로 적층된 제1도전형 InGaAlP 클래드층, InGaP 활성층 및 제2도전형 AlGaAs 내부 클래드층;
상기 제2도전형 AlGaAs 내부 클래드층 상부의 중앙에 적층된 릿지 구조를 갖는 제2도전형 InGaAlP 외부 클래이드층;
상기 제1도전형 AlGaAs 내부 클래드층의 상부 및 제2도전형 InGaAlP 외부 클래이드층의 각 측면상에 적층된 제1도전형 GaAs 전류저지츠을 구비한 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 구체적인 레이저 다이오드는, 상기 제1도전형 GaAs 전류저지층을 통하여 노출되어 있는 제2도전형 InGaAlP 외부 클래드층의 상부에 적층되는 제2도전형 InGaP 통전용이층;
상기 제2도전형 InGaP 통전용이층 밍 제1도전형 GaAs 전류저지층로 이루어진 표면의 상부에 적층되는 제2도전형 GaAs 캡층; 및
상기 제2도전형 GaAs 캡층의 상부 및 상기 제1도전형 GaAs 기판의 하부에 각각 형성되는 제1 도전층 및 제2도전층을 더 구비한다.
상기 다른 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 반도체 레이더 다이오드의 제조 방법은 제1도전형 GaAs 기판의 상부에 제1도전형 InGaAlP 클래드층, InGaP 활성층, 제2도전형 AlGaAs 내부 클래드층, 제2도전형 InGaAlP 외부 클래드층 및 제2도전형 InGaP 통정용이층을 순차적으로 결정 성장시키는 공정;
상기 제2도전형 InGaAlP 외부 클래드층이 상기 제 2도전형 AlGaAs 내부 클래드층 상부의 중앙에 릿지구조를 가지도록 소정의 부위에 마스크층을 형성하고, 상기 제2도전형 InGaP 통전용이층 및 상기 제2도전형 InGaAlP 외부 틀래드층을 선택적으로 식각하는 공정;
상기 식각 공정을 통하여 노출된 제2도전형 AlGaAs 내부 클래드층의 상부 및 상기 제2도전형 InGaP 외부 클래드층의 각 측면상에, 상기 마스크 패널을 결정성장 방지 마스크로 사용하여, 제1도전형 GaAs 전류저지층을 선택적으로 성장시키는 공정; 및
상기 마스크층을 제거한 후, 상기 제2도전형 InGaP 통전용이중 및 상기 제1도전형 GaAs 전류저지층로 이루어진 표면의 상부에 제2도전형 GaAs 캡층을 성장시키는 공정을 포함한다.
본 발명의 레이저 다이오드에서는 고온에 따른 열화를 방지하기 위하여, p형 Al0.75Ga0.25As와 In0.5(Ga0.3Al0.7)0.5P층으로 구성된 이중, 이종 접합 클래드층을 형성한다. 이러한 이중 클래드층은 캐리어 및 광의 제한성(confinement)을 항상 시켜 소자의 특성을 높이며, 또한 습식식각에 의한 선택성(selectivity)이 우수하여 별도의 식각저지층의 삽입을 필요로 하지 않게 되어 생산성을 증가시킨다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.
제2도는 본 발명에 따른 이중 클래드 구조를 갖는 반도체 레이저 다이오드의 단면도이다.
제2도에서, 제1도전형인 n형 GaAs 기판(101)의 상부에는 n형 GaAs 버퍼층(102), n형 InGaAlP 클래드층(103), InGaP 활성층(104) 및 제2도전형인 p형 AlGaAs 내부 클래드층(111)이 순차적으로 적층되어 형성되어 있다. p형 AlGaAs 내부 클래드층(111)의 표면중 중앙에는 도면에 도시된 단면에 수직인 방향으로 선형태(stripe type)의 릿지 구조를 나타내도록 p 형 InGaAlP 외부 클래드층(112)이 형성되어 있고, p 형 InGaAlP 외부 클래드층(112)의 상부에는 p형 InGaP 통전용이층(106)이 적층되어 형성되어 있다. 한편, p형 AlGaAs 내부 클래트층(111)의 상부 및 p 형 InGaAlP 외부 클래드층(112)의 각 측면상에는 n형 GaAs 전류저지층(107)이 적층되어 형성되어 있다. p형 InGaP 통전용이층(106) 및 n형 GaAs 전류지지층(107)로 이루어진 표면에는 p형 GaAs 캡층(108)이 성장되어 형성되고, p형 GaAs 캡층(108)의 상부 및 n형 GaAs 기란(101)의 하부에는 p형 금속전극(109)및 n형 금속전극(110)이 각각 형성되어 있다.
이와 같은 구조를 갖는 반도체 레이저 다이오드의 동작을 설명하면 다음과 같다.
InGaP/InGaAlP계의 레이저 다이오드는 전도 전자대(conduction band)에서의 에너지 장벅이 낮아 p형 클래드층으로의 전자의 유출이 많아 레이저 발진을 위한 문턱 전류값이 높아진다.
이러한 단점을 해결하기 위하여 본 발명에서는 p형 AlGaAs 내부 클래드층(111)와 p형 InGaAlP 외부 클래드층(112)로 구성되는 이중 클래드(double clad) 구조를 사용한다.
특히 내부 클래드층(111) p-Al0.75Ga0.25As로 구성하고 외부 클래드층은 p-In0.5(Ga0.3Al0.7)0.5P로 구성한다.
이중 클래드 구조는 전류 및 광의 제한성(confinement)이 향상되어 문턱 전류값을 비롯한 소자의 특성이 개선되며 p-Al0.75Ga0.25As 층은 InGaAlP층에 비하여 결정질이 우수하여 산란 손실(scattering loss)과 같은 내부 손실이 감소하여 소자의 효율을 증가시킨다.
제3A도 및 제3B도는 본 발명에 따른 반도체 레이저 다이오드에서의 굴절률 및 광모드 분포를 나타낸 그래프들로서, 가로축은 결정성장 방향과 동일한 방향으로의 거리를 나타내며, 세로축은 각각 굴절률 및 광강도를 나타낸다.
3A도에서 알 수 있는 바와 같이, p형 Al0.75Ga0.25As 내부 클래드층(111)은 n형 In0.5(Ga0.3Al0.7)0.5P 클래드층에 비하여 굴절률이 크며, 그에 따라 제3B도에 도시한 바와 같이, 과의 모드(optical mode)가 p형 클래드층쪽으로 치우치게 된다.
또한, p형 내부 클래드층(111)을 구성하는 AlGaAs 은 결정질이 우수할 뿐 아니라 어셉터(acceptor)의 결합 에너지(binding energy)가 낮아 결정결합으로 남아 있는 아연(Zn)의 양도 작기 때문에 종래 기술에 비해 광학적 열화에 강하다.
여기서, 상기 본 발명에 따른 반도체 레이저 다이오드의 제조 방법을 살펴보기로 한다.
다시 제2도를 참조하면, 먼저 n형 GaAs 기판(101)을 마련한 후 그 상부에 n형 GaAs 버퍼층(102), n형 InGaAlP 클래드층(103), InGaP 활성층(104), p형 AlGaAs 내부 클래드층(111), p형 InGaAlP 외부 클래드층(112) 및 p형 InGaP 통전용이(106)을 유기 금속 기상성장법(metal orgranic vapor deposition; MOCVD)등과 같은 결정 성장법에 따라 순차적으로 성장시킨다. 그런 다음, 릿지 형성을 위한 소정 마스크 패턴을 사용하여 p형 InGaAlP 외부 클래드층(112) 및 p형 InGaP 통전용이층(106)을 선택적으로 식각한다. p형 AlGaAs 내부 클래드층(111)은 p형 InGaAlP 외부 클래드층(112)을 식각하는 식각용액에 의하여 식각되지 않는 특성을 가지므로, 결과적으로 이를 식각저지층으로서 사용하여 릿지를 형성하게 됨을 알수 있다. 이어서, 상기 마스크 패턴을 결정성장 방지 마스크로 사용하여 p형 AlGaAs 내부 클래드층(111)의 상부 및 상기 제2도전형 InGaAlP 외부 클래드층의 각 측면상에 n형 GaAs 전류저지층(107)을 선택적으로 성장시킨 후, 상기 마스크 패턴을 제거한다. 이어서, n형 GaAs 전류저지층(107) 및 p형 InGaP 통전용이층(106)으로 이루어진 표면의 상부에 p형 GaAs 캡층(108)을 형성시킨다.
이와 같이 결정성장이 완료되면, p형 GaAs 캡층(108)의 상부 및 n형 GaAs 기란(101)의 하부에 p형 금속전극(109) 및 n형 금속전극(110)을 형성시키기 위한 근속화공장(metalization)을 수행한다. 이와 같이 종래보다 용이하게 릿지 구조를 갖는 반도체 레이저 다이오드의 제작이 가능하게 된다.
상술한 바와 같은 반도체 레이저 다이오드 및 그 제조 방법이 가지는 장점을 살펴보면 다음과 같다.
1) 이중 클래드 구조를 이용하여 전류 및 광의 confinement가 향상된다.
2) 광의 모드가 AlGaAs층 위에 형성되므로, 광학적 열화에 강한 특성을 갖는다.
3) 내부 클래드층을 식각 저지층으로 사용하게 되므로, 광도파 구조를 제작이 용이하여 생산성이 향상된다.
이상, 본 발명을 실시예를 들어 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 이에 제한되는 것은 아니고, 당업자의 통상적인 지식의 범위내에서 그 변형이나 개량이 가능함은 물론이다.
Claims (6)
- 제1도전형 GaAs 기판;상기 제1도전형 GaAs 기판의 상부에 순차적으로 적층된 제1도전형 InGaAlP 클래드층, InGaP 활성층 및 제2도전형 AlGaAs 내부 클래드층;상기 제2도전형 AlGaAs 내부 클래드층 상부의 중앙에 적층된 릿지 구조를 갖는 제2도전형 InGaAlP 외부 클래드층;상기 제1도전형 AlGaAs 내부 클래드층의 상부 및 제2도전형 InGaAlP 외부 클래드층의 각 측면상에 적층된 제1도전형 GaAs 전류저지층을 구비한 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 다이오드.
- 제1항에 있어서, 상기 제1도전형 GaAs 전류저지층을 통하여 노출되어 있는 제2도전형 InGaAlP 외부클래드층의 상부에 적층된 제2도전형 InGaP 통전용이층;상기 제2도전형 InGaP 통전용이층 및 제1도전형 GaAs 전류저지층으로 이루어진 표면의 상부에 적층된 제2도전형 캡층; 및상기 제1도전형 GaAs 기판의 하부 및 상기 제2도전형 GaAs 캡층의 상부에 각각 형성된 제1 도전층 및 제2 도전층을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 다이오드.
- 제1항에 있어서, 상기 제1도전형 InGaAlP 클래드층 및 제2도전형 InGaAlP 클래드층은 In0.5(Ga0.3Al0.7)0.5P 물질로 구성되는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 다이오드.
- 제1항에 있어서, 상기 InGaP 활성층은 In0.5Ga0.5P 물질로 구성되는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 다이오드.
- 제1항에 있어서, 상기 제2도전형 AlGaAs 내부 클래드층은 Al0.75Ga0.25As 물질로 구성되고, 상기 제2도전형 InGaAlP 외부 클래드층은 In0.5(Ga0.3Al0.7)0.5P 물질로 구성되는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 다이오드.
- 제1도전형 GaAs 기판의 상부에 제1도전형 InGaAlP 클래드층, InGaP 활성층, 제2도전형 AlGaAs 내부 클래드층, 제2도전형 InGaAlP 외부 클래드층 및 제2도전형 InGaP 통전용이층을 순차적으로 결정 성장시키는 공정;상기 제2도전형 InGaAlP 외부 클래드층이 상기 제 2도전형 AlGaAs 내부 클래드층 상부의 중앙에서 릿지구조를 가지도록 소정의 부위에 마스크층을 형성하고, 상기 제2도전형 InGaP 통전용이층 및 상기 제2도전형 InGalP 외부 클래드층을 선택적으로 식각하는 공정;상기 식각 공정을 통하여 노출된 제2도전형 AlGaAs 내부 클래드층의 상부 및 상기 제2도전형 InGaAlP 외부 클래드층의 각 측면상에, 상기 마스크 패턴을 결정성장 방지 마스크로 사용하여, 제1도전형 GaAs 전류저지층을 선택적으로 성장시키는 공정; 및상기 마스크층을 제거한 후, 상기 제2도전형 InGaP 통전용이층 및 상기 제1도전형 GaAs 전류저지층로 이루어진 표면의 상부에 제2도전형 GaAs 캡층을 성장시키는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 다이오드 제조 방법.
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| LAPS | Lapse due to unpaid annual fee |