KR100287205B1 - 반도체레이저소자및그의제조방법 - Google Patents

Abstract

고효율과 신뢰성이 개선된 반도체 레이저소자와 그 제조방법을 제공한다. 본 발명은 기판 상에 형성되며 국부적인 레이저 발진영역을 갖는 활성층과, 상기 활성층 상하부에 상, 하부클래드이 형성된다. 상기 하부 클래드층과 활성층은 U자홈 구조로 형성되며, 상기 상부 클래드층은 상기 U자홈에 대응되는 부위에 상대적으로 낮게 위치하고 N형 불순물로 도핑된 바닥면과 상기 바닥면의 양측에 소정 각도 경사진 P형 불순물로 도우핑된 경사면으로 구성된 U자홈구조로 구성된다. 본 발명은 1차 에피택시로 제작이 용이하다. 또 상부 클래드층이 전류 통전영역과 전류 차단영역으로 분리되어 전류의 퍼짐이 억제되기 때문에 구동 전류값이 적고 고출력이 가능한 반도체 레이저를 얻을 수 있다.

Description

반도체 레이저소자 및 그 제조방법

제1도 및 제2도는 종래의 기술에 의한 반도체 레이저 소자의 개략적 단면도.

제3도는 본 발명에 따른 반도체 레이저 소자의 개략적 단면도.

제4도 내지 제6도는 본 발명에 따른 반도체 레이저 소자의 제작단계별 개략적 단면도.

본 발명은 광 디스크나 광 자기디스크등의 광 정보처리용으로 사용되는 반도체 레이저 소자 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 특히 고효율과 고출력 동작이 가능한 굴절률 도파형의 반도체 레이저 소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 유도방출에 의한 빛의 증폭을 이용한 레이저는 단광성(單光性), 지향성 및 고강도를 특징으로 하며, 헬륨-네온(He-Ne) 레이저나 아르곤(Ar) 레이저와 같은 기체 레이저와 YAG 레이저나 루비 레이저와 같은 고체 레이저로부터, 소형이며 고주파에서 바이어스 전류를 변조함으로써 변조가 용이한 반도체 레이저에 이르는 다양한 종류가 있다. 그 중에서도 특히 반도체 레이저는 상기와 같은 특성 때문에 컴팩트 디스크 플레이어(CDP)나 광 메모리, 고속 레이저 프린터등의 정보처리기기 및 광 통신용기기로서, 기존의 헬륨-네온등의 기체레이저등을 대체하여 그 응용 범위를 넓혀가고 있다.

또 반도체 레이저 소자는 P-N접합을 기본으로 하여 양자전자(Quantum Electron)의 개념을 포함하는 반도체 소자로서, 반도체 물질로 구성된 박막, 즉 활성층에 전류를 주입하여 인위적으로 전자-정공 재결합을 유도함으로써 재결합에 따르는 감소 에너지에 해당하는 빛을 발진한다.

최근 반도체 레이저의 성능은, 파장을 결정하는 재료의 개발과, 임계전류, 광출력, 발진효율, 단일파장, 스펙트럼 선폭 따위의 특성과 신뢰성을 결정하는 소자구조를 실현하기 위한 에피텍셜(Epitaxial) 성장기술 및 미세가공 기술의 진보에 의하여 현저한 발전을 거듭하고 있다. 특히 에피텍셜 성장기술에서 종래의 액상성장법(Liquid Phase Epitaxy; LPE법)을 대신하여 유기금속 기상성장법(Metal Organic Chemical Vapor Deposition; MOCVD) 및 분자선 성장법(Molecular Beam Epitaxy; MBE)등의 기상성장법이 널리 사용되어, 이에 따라서 원자층 수준의 제어가 가능하게 되었다.

한편 광디스크로 대변되는 광 정보처리용 반도체 레이저소자는 광정보 처리속도를 높이고 정보저장밀도를 높이기 위해서 반도체 레이저소자의 단파장화와 고출력화를 요구하게 된다. 또한, 반도체 레이저 소자는 광출력(Opitical Power)를 높이고, 효율을 증대시키며, 원하는 형태의 비임을 얻기 위하여 여러가지 형태의 소자 구조를 갖고 있다.

상기한 소자구조 중에서 제1도 및 제2도를 참조하여 종래의 반도체 레이저 소자의 일예를 도시한다.

제1도는 종래의 VSIS(V-channel substrate inner stripe)구조로서, 저면에 p-하부전극(8)이 형성된 p-GaAs 기판(1)의 상면에 p-GaAs 버퍼층(2)과 n-GaAs 전류차단층(3)이 순차적으로 형성되어 있으며 상기 버퍼층과 전류차단층의 중앙 소정부위가 V자홈 형태로 식각되어 있다.

상기 V자홈과 전류차단층(3)의 상면에 p-AlGaInP 하부 클래드층(4), GaInP 활성층(5), n-AlGaInP 상부 클래드층(6) 및 n-GaAs 캡층(7)이 순차적으로 적층되어 있다. 계속해서 상기 n-GaAs 캡층(7) 상부에 n-상부전극(9)이 형성되어 있다.

종래 VSIS구조는 2차 에피택시(성장)으로 제작되는 구조로서, 상기 활성층(5)은 U자홈 위에 2차 에피택시로 형성되기 때문에 1차 에피택시후 U자홈의 노출로 인한 오염 확률이 높고, 상기 U자홈의 오염은 2차 에피택시의 결정결함을 유발하여 반도체 레이저 소자의 효율 및 신뢰도가 저하되는 문제점이 있다.

제2도는 종래의 리지 스트라이프(ridge stripe)구조로서, P-InGaAlP 클래드층(5)의 상면 중앙에 리지가 마련되고 이 리지의 상부에 p-InGaP 통전용이층(6)이 형성되며, 이 위에 상기 통전용이층(6)의 중앙부위를 노출시키는 개구부를 갖는 n-GaAs 전류제한층(7)이 형성되고 전류제한층(7)의 위에는 p-GaAs 캡층(8)이 형성되며, 캡층 위에는 p-금속전극(9)이 형성된다. 그리고 p-InGaAlP 클래드층의 하부에는 GaInP 활성층(4)이 마련되고 활성층의 밑에는 n-InGaAlP 클래드층(3)과 버퍼층(2)이 마련된다. 이상과 같은 단층구조물은 그 저면에 n-금속전극(10)이 형성되는 기판 상에 형성된다.

상기한 종래의 리지구조는 3번에 거친 결정성장이 요구되며 FTM을 얻기 위해서는 활성층(4)의 두께와 활성층과 p-클래드층간(5)의 거리를 정확하게 조절해야 하는 공정상의 어려움이 있다.

또한 단일모드와 비점수차거리를 낮추기 위해서 활성층과 p-클래드층 간의 거리를 감소시켜야 하는데, 너무 감소시켰을 경우 광파워밀도(optical power density)가 높아져 소자의 출력을 높일수 없게 되는 문제점이 있다.

본 발명의 목적은 상기 문제점이 개선된 반도체 레이저 소자를 제공하는 것이다.

또한 본 발명의 다른 목적은 상기 반도체 레이저 소자를 제조하는데 적합한 반도체 레이저 소자의 적합한 제조방법을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본발명의 반도체 레이저 소자는,

기판 상에 형성되며 국부적인 레이저 발진영역을 갖는 활성층과, 상기 활성층 상하부에 상,하부클래드층을 갖춘 반도체 레이저 소자에 있어서,

상기 하부 클래드층과 상기 활성층은 U자홈 구조로 형성되며, 상기 상부 클래드층은 상기 U자홈에 대응되는 부위에 상대적으로 낮게 위치하고 N형 불순물로 도핑된 바닥면과 상기 바닥면의 양측에 소정 각도 경사진 P형 불순물로 도우핑된 경사면으로 구성된 U자홈구조로 구성되는 것을 특징으로 한다.

예를 들면 상기 상부 클래드층의 바닥면은 n-InGaAlP로, 상기 경사면은 p-InGaAlP로 형성할 수 있다.

본 발명의 구체적인 반도체 레이저 소자는,

U자홈을 갖는 p-GaAs 기판;

상기 U자홈을 갖는 기판의 상부에 대응하여 형성된 p-InGaAlP 하부 클래드층;

상기 하부 클래드층 상에 형성된 GaInP 활성층;

상기 활성층의 U자홈에 대응되는 부위에 상대적으로 낮게 위치하고 n-InGaAlP으로 형성된 바닥면이 마련되고, 상기 바닥면의 양측에 소정 각도 경사진 경사면이 p-InGaAlP으로 형성된 U자홈 구조의 상부 클래드층을 구비하는 점에 그 특징이 있다.

또 상기 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제조방법은,

기판을 식각하여 U자홈 구조를 갖는 기판을 형성하는 단계;

상기 U자홈 구조를 갖는 기판의 전면에 하부 클래드층을 형성하는 단계;

상기 하부 클래드층 상에 활성층을 형성하는 단계; 및

동시 도우핑과정을 통하여, 상기 활성층의 U자홈에 대응되는 부위에 상대적으로 낮게 위치한 바닥면과 상기 바닥면의 양측에 소정 각도 경사진 경사면을 갖는 U자홈 구조의 상부 클래드층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 제조방법은 1차 에피택시에 의해 제조되며 상기 상부 클래드층은 유기금속 기상성장법(MOCVD)의 동시 도우핑 기술이나 분자선 성장법(MBE)의 면선택 도우핑(plane selective doping)기술을 사용하여 성장시킨다.

이상과 같은 본 발명에 있어서는 특히 1차의 에피택시에 의하여 반도체 레이저소자가 제작되어 공정단축으로 인한 불량발생율을 낮추어 수율을 높일수 있고 제작이 용이하다.

또한 U자홈의 상부 클래드층이 동시 도우핑 과정을 통하여 전류 통전영역과 전류 차단영역으로 분리되어 전류의 퍼짐이 억제되기 때문에 구동 전류값이 적고 고출력이 가능한 반도체 레이저를 얻을 수 있다.

이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.

제3도는 본 발명에 따른 반도체 레이저 소자의 구조를 도시한 단면도이다.

저면에 p-하부전극(90)이 형성되고, U자홈을 갖는 p-GaAs 기판(10)과 상기 기판(10)의 U자홈과 기판(10) 상부에 p-GaInP 버퍼층(20)이 형성되어 있다. 상기 버퍼층(20)의 상부에 p-InGaAlP 하부 클래드층(30)이 마련되어 있고, 상기 하부 클래드층(30)의 상부에는 GaInP 활성층(40)이 상기 U자홈에 대응되게 형성되어 있다. 상기 활성층(40)은 GaInP로 구성되어 있으나 InGaP, GaAs, AlGaAs, InGaAs 및 InGaAs등과 같은 물질로 구성될 수 있다. 또 상기 활성층(40)의 U자홈에 대응되는 부위에 상대적으로 낮게 위치하고 n-InGaAlP으로 형성된 바닥면(50)이 마련되고, 상기 바닥면의 양측에 소정 각도 경사진 경사면(60)이 p-InGaAlP으로 형성된 상부 클래드층이 형성되어 있다. 상기 바닥면(50)은 전류 통전영역으로 상기 경사면(60)은 전류차단 영역으로 작용하며, 상기 상부 클래드층은 n상부 클래드층(바닥면)과 p상부 클래드층(경사면)으로 분리할 수 있다. 또한 상기 상부 클래드층은 InGaAlP로 구성되어 있으나 InGaP로 형성할 수도 있다. 상기 상부 클래드층의 U자홈 상부에 n-GaAs 캡층(70a)이 형성되어 있고, 상기 상부 클래드층과 캡층(70a) 상에는 n-상부전극(80)이 순차적으로 형성되어 있다.

본 발명에 있어서 상기 활성층(40)의 U자홈 상부의 바닥면(50)에 형성된 전류 통전영역은 N형불순물로 도우핑 되어 있고, 상기 활성층(40)의 U자홈 상부의 경사면(50)에 형성된 전류차단 영역은 P형 불순물로 도핑되어 있다.

본 발명의 구조는 전류 통전영역(채널, 50)의 상부에는 n-GaAs 캡층(70)과 n전극층(80)이 오우믹(ohmic)접촉이 되어 전류가 흐르나 n전극층(80)과 n상부 클래드층(60)간에는 n상부 클래드층(60)의 밴드갭 에너지가 높아 쇼트키 장벽(Schottky barrier)가 발생하여 전류의 흐름이 억제되는 구조로 되어 있다. 또 상기 캡층(70)으로 주입된 전류는 상기 상부 클래드층의 경사면(60)에서는 횡방향으로 리버스 접합(reverse junction)을 만나게 되어 전류퍼짐이 억제되어 소자의 효율이 증대된다.

또한, 본 발명은 활성층(40)이 U자홈 구조로 되어 있어 상기 활성층의 양끝단에서 굴절률이 낮은 p상부 클래드층(경사면)을 만나게 되어 광도파가 잘되며 비점수차 거리가 작은 소자를 얻을 수 있다.

이러한 구조의 본 발명의 반도체 레이저 소자는 변형된 VSIS 구조를 가지게 된다.

이하 상기 본 발명의 반도체 레이저 소자의 제조방법을 상세하게 설명한다.

제4도 내지 제6도는 상기한 본 발명의 반도체 레이저 소자의 제조방법의 일예를 나타내기 위한 개략도이다.

제4도는 기판의 초기상태를 도시한 단면도로서 p-GaAs 기판(10)이 사진식각 공정을 통하여 중앙 소정부위가 U자홈 형태로 식각한다.

제5도를 참조하면 U자홈 형태로 식각되어 있는 기판(10) 상부에 p-GaInP 버퍼층(20)이 형성되어 있으며 상기 버퍼층(20)도 상기 기판(10)과 기판(10)의 U자홈 상부에 형성되므로 상기 기판(10)과 마찬가지로 U자홈 형태로 형성된다. 계속해서 상기 버퍼층(20)의 상부에는 p-AlGalnP하부 클래드층(30)과 GaInP 활성층(40)이 순차적으로 형성되는데 상기 버퍼층(20)의 하부구조에 따라 U자홈을 갖는 구조로 형성된다. 또 상기 활성층(40)상에는 상부클래드층을 형성하는데 상기 U자홈에 대응되는 부위에는 상대적으로 낮게 위치하고 n-InGaAlP으로 형성된 바닥면(50: n상부 클래드층)과 상기 바닥면의 양측에 소정 각도로 경사지고 p-InGaAlP으로 형성된 경사면(60: p상부 클래드층)을 동시에 형성한다.

상기 상부 클래드층의 성장은 유기금속 기상성장법(MOCVD)과 분자선 성장법(MBE)을 이용한다. 상기 유기금속 기상성장법은 P형 불순물과 N형 불순물을 동시에 공급하여 상기 경사면(60)은 P형 불순물로 도핑하고 상기 바닥면(50)은 N형불순물로 도우핑하며, 상기 분자선 성장법은 양성 불순물(amphoteric dopant)인 실리콘(예를 들면 Si)을 이용하여 상기 유기금속 기상성장법과 마찬가지로 상기 경사면(60)은 P형 불순물로 도우핑하고 상기 바닥면(50)은 N형불순물로 도핑한다. 계속하여 상기 상부 클래드층의 상부에 n-GaAs 캡층(70)을 형성한다.

제6도를 참조하면, 상기 상부 클래드층의 상부에 형성된 캡층(70)중에서 채널 영역이외의 부분에 형성된 캡층(70)을 부분식각하여 채널영역 상에만(70a)이 남는다. 상기 캡층(70)의 부분 식각은 다이본딩시에 표면의 단차를 줄여 편평한 접촉을 형성하기 때문에 소자의 열특성과 발진빔의 삐뚫어 지는 문제를 해결할 수 있다.

특히 본 발명의 제조 방법에 있어서는 1차 에피택시로 반도체 레이저소자를 완성하고 상기 상부 클래드층을 유기금속 성장법(MOCVD)의 동시 도우핑 기술이나 분자선 성장법(MBE)의 면선택 도우핑(plane selective doping)기술을 이용하여 성장시킨다.

이상과 같은 본 발명의 반도체 레이저소자는 굴절률 도파형 소자로서 1차 에피택시로 제작용이하고, 공정 단축으로 불량 발생율을 낮추어 수율을 높일수 있다.

또 표면에 단차가 적어 다이 본딩시에 표면의 단차를 줄여 편평한 접촉을 형성하기 때문에 소자의 열특성과 발진빔의 삐뚫어 지는 문제를 해결할 수 있다.

또한 U자홈의 상부 클래드층의 동시 도우핑 과정을 통하여 전류통전영역과 전류 차단영역으로 분리되어 전류의 퍼짐이 억제되기 때문에 구동 전류값이 적고 고출력이 가능한 반도체 레이저를 얻을 수 있다.

이상, 본 발명을 상기 실시예에 의해 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 이에 제한되는 것은 아니고, 당업자의 통상의 지식의 범위내에서 그 변형이나 개량이 가능함은 물론이다.

Claims (5)

1. 기판 상에 형성되며 국부적인 레이저 발진영역을 갖는 활성층과, 상기 활성층 상하부에 상, 하부클래드층을 갖춘 반도체 레이저 소자에 있어서,

   상기 하부 클래드층과 상기활성층은 U자홈 구조로 형성되며, 상기 상부 클래드층은 상기 U자홈에 대응되는 부위에 상대적으로 낮게 위치하고 N형 불순물로 도핑된 바닥면과 상기 바닥면의 양측에 소정 각도 경사진 P형 불순물로 도우핑된 경사면으로 구성된 U자홈구조인 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 소자.
2. 제1항에 있어서, 상기 상부클래드층의 U자홈 구조에 대응하여 N형의 캡층이 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 소자.
3. 제1항에 있어서, 상기 활성층은 InGaP, GaAs, AlGaAs, InGaAs 또는 InGaAs중에서 어느 하나의 소재로 구성되며, 상기 상부클래드층은 InGaAlP 또는 InGaP인 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 소자.
4. 기판을 식각하여 U자홈 구조를 갖는 기판을 형성하는 단계;

   상기 U자홈 구조를 갖는 기판의 전면에 하부 클래드층을 형성하는 단계;

   상기 하부 클래드층 상에 활성층을 형성하는 단계; 및

   동시 도우핑과정을 통하여, 상기 활성층의 U자홈에 대응되는 부위에 상대적으로 낮게 위치한 바닥면과 상기 바닥면의 양측에 소정 각도 경사진 경사면을 갖는 U자 홈구조의 상부 클래드층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 소자의 제조방법.
5. 제4항에 있어서, 상기 상부 클래드층은 유기금속 기상성장법(MOCVD)의 동시 도핑법이나 분자선 성장법의 면선택도핑(plane selective doping)법을 이용하여 형성하는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 소자의 제조방법.