KR100289728B1 - 반도체레이저소자및그제조방법 - Google Patents
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Abstract
반도체 레이저 소자를 제공한다. 본 발명의 반도체 레이저 소자는 중앙 상부에 리지를 갖는 기판과, 상기 리지의 상부 표면 및 상기 기판표면의 평탄부에 형성된 전류 통전 영역과 상기 리지 측면의 경사부에 형성된 전류 차단 영역을 갖는 전류 제한층과, 상기 전류 제한층 상에 형성된 하부 클래드층과, 상기 하부 클래드층 상에 형성되고 상기 리지에 상응하는 돌출부를 갖는 활성층과, 상기 활성층 상에 형성된 상부 클래드층을 포함한다. 본 발명은 1차 에피택시로 제작이 용이하고, 공정단축으로 불량 발생율을 낮추어 수율을 높일수 있으며, 발진개시 전류값와 비점수차거리가 적고 고출력이 가능하다.
Description
제1도는 종래의 기술에 의한 반도체 레이저 소자의 개략적 단명도.
제2도는 본 발명에 따른 반도체 레이저 소자의 개략적 단면도,
제3도 내지 제5도는 본 발명에 따른 반도체 레이저 소자의 제작단계별 개략적 단면도.
본 발명은 광 디스크나 광 자기디스크등의 광 정보처리용으로 사용되는 반도체 레이저 소자 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 특히 발진개시전류 작고 고출력을 갖는 반도체 레이저 소자와 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 루비레이저와 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 광학 메모리, 고속 레이저 프린터등의 정보처리기기 및 광 통신용기기로서, 기존의 헬륨-네온등의 기체레이저등을 대체하여 그 응용범위를 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 에피택셜(Epitaxial) 성장기술 및 미세가공 기술의 진보에 의하여 현저한 발전을 거듭하고 있다. 특히 에피택셜 성장기술에서는 종래의 액상성장법(Liquid Phase Epitaxy; LPE법)을 대신하여 유기금속 기상성장법(Metal Organic Chemical Vapor Deposition; MOCVD) 및 분자선 성장법(Molecular Beam Epitaxy; MBE)등의 사용확대에 의해 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(Optical Power)를 높이고, 효율을 증대시키며, 원하는 형태의 비임을 얻기 위하여 여러가지 형태의 소자 구조를 갖고 있다.
상기한 소자구조 중에서 제1도에서 종래의 반도체 레이저 소자의 일예를 도시한다.
제1도는 종래의 리지 스트라이프(ridge stripe)구조로서, p-GaAs기판(1)을 리지 형태로 식각하여 리지구조의 기판(1)이 마련되고, 이 리지의 양측면에 n-GaAs 전류 제한층(2)이 형성된다. 상기 전류 제한층(2)의 위에는 p-AlGaInP 하부 클래드층(3), GaInP 활성층(4) 및 n-AlGaInP 상부 클래드층(5)이 마련되어 있으며, 상기 상부 클래드층(5)상에는 n-GaInP 버퍼층(6) 및 n-GaAs 캡층(7)이 형성되어 있다.
종래 리지구조는 기판(1)을 리지구조로 형성한후 리지 양측에 선택적으로 전류 제한층(2)을 1차 성장시켜 활성층(4)에 전류를 제한적으로 공급하고, 상기 전류 제한층(2)과 리지 상단면에 2차 성장시키는 구조로 되어있다.
상기한 종래의 리지구조는 2번에 거친 결친성장이 요구되며, 전류 제한층(2)을 선택적 성장에 의해 형성되므로 제조공정이 복잡하여 반도체 레이저 소자의 신뢰성과 효율이 저하되는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 상기 문제점이 개선된 신규한 구조를 갖는 반도체 레이저 소자를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은, 상기 반도체 레이저 소자를 제조하는데 적합한 반도체 레이저 소자의 제조방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 반도체 레이저 소자는 중앙상부에 리지를 갖는 기판과, 상기 리지의 상부 표면 및 상기 기판 표면의 평탕부에 형성된 전류 통전 영역과 상기 리지 측면의 경사부에 형성된 전류 차단 영역을 갖는 전류 제한층과, 상기 전류 제한층 상에 형성된 하부 클래드층과, 상기 하부 클래드층 상에 형성되고 상기 리지에 상응하는 돌출부를 갖는 활성층과, 상기 활성층 상에 형성된 상부 클래드층을 포함한다.
상기 전류 제한층은 복수의 서브 전류 제한층들로 구성되며, 상기 평탄부의 서브 전류 제한층은 제1도전형 불순물로 도핑되어 있고, 상기 경사부의 서브 전류 제한층은 제1도전형 불순물과 제2도전형 불순물로 교대로 도우핑되어 있다. 상기 제1 도전형 불순물은 N형불순물, 제2도전형 불순물은 P형불순물로 구성할 수 있다.
본 발명의 구체적인 유형의 반도체 레이저 소자는, 중앙소정 부위에 리지를 갖는 n-GaAs 기판; 상기 리지의 상부 표면상과 기판상에 위치하고 n-GaAs로 형성된 복수의 평탄부와 상기 리지 측면상에 형성되고 상기 리지에 대응하여 경사지고 p-GaAs와 n-GaAs으로 교대로 형성된 복수의 경사부를 갖는 전류제한층; 상기 전류제한층 상에 형성된 n-AlGaInP 하부 클래드층; 상기 하부 클래드층 상에 형성된 GaInP 활성층; 상기 하부 클래드층 상에 형성된 p-AlGaInP 상부 클래드층을 구비한 것을 특징으로 한다.
또 상기 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제조방법은 기판의 중앙상부에 리지를 형성하는 단계와, 상기 리지의 상부 표면과 상기 기판상의 평탄부에는 전류 통전 영역을 갖고 상기 리지의 측면의 경사부에는 전류 차단 영역을 갖는 전류 제한층을 형성하는 단계와, 상기 전류제한층상에 상기 리지에 상응하는 돌출부를 갖는 하부 클래드층, 활성층 및 상부클래드층을 순차적으로 형성하는 단계를 포함한다.
본 발명의 제조방법은 1차 에피택시(성장)에 의해 제조되며 상기 전류 통전 영역과 전류 차단 영역을 갖는 전류 제한층은 분자선 성장법(MBE)의 면선택 도우핑(plane selective doping)기술을 사용하여 성장시킨다.
이상과 같은 본 발명에 있어서는 1차의 에피택시에 의하여 반도체 레이저 소자가 제작되어 공정단축으로 인한 불량발생율을 낮추어 수율을 높일수 있고 제작이 용이하다.
또한 리지 구조의 전류제한층은 면선택 도우핑 과정을 통하여 전류통전 영역과 전류 차단 영역으로 분리되어 전류의 퍼짐이 억제되기 때문에 발진개기 전류값이 적고 고출력이 가능한 반도체 레이저를 얻을 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.
제2도는 본 발명에 따른 반도체 레이저소자의 구조를 도시한 단면도이다.
구체적으로, 본 발명의 반도체 레이저 소자는 중앙 상부에 리지를 갖는 n-GaAs 기판(10)과 리지 구조의 기판(10) 상에 n-GaInP 버퍼층(20)이 형성되어 있다. 상기 버퍼층의 상부에 상기 리지에 대응하여 복수층의 GaAs 전류 제한층이 마련되어 있다.
상기 전류 제한층은 복수의 서브 전류 제한층으로 구성되며, 상기 리지의 상부 표면과 기판 상면에 형성되는 복수의 평탄부(31, 40, 51, 60)과 상기 평탄부의 양측에 상기 리지의 측면에 대응하여 소정 각도 경사진 복수의 경사부(32, 40, 52, 60)로 분리할 수 있다. 상기 평탄부는 n-GaAs의 복수층(31, 40, 51, 60)으로 되어 있으며, 상기 경사부는 p-GaAs(32) / n-GaAs(40) / p-GaAs(52) / n-GaAs(60)의 복수층으로 형성되어 있다.
상기 전류 제한층 상에 n-AlGaInP층(70, 하부 클래드층), GaInP활성층(80) 및 p-AlGaInP(90, 상부 클래드층)이 순차적으로 상기 리지 구조에 대응하여 요철구조로 되어 있다. 또 상기 상부 클래드층(90)의 상부에 p-GaInP 버퍼층(100)과 p-GaAs 캡층(110)이 순차적으로 형성되어 있다.
본 발명의 반도체 레이저 소자에 있어서, 상기 리지 상부 표면 및 기판 상에 형성되고 전류 통전 영역으로 작용하는 서브 전류 제한층은 N형불순물로 도우핑 되어 있고, 상기 경사면에 형성되어 전류 차단 영역으로 작용하는 서브 전류 제한층은 P형과 N형 불순물로 교대로 도핑되어 있다.
본 발명의 구조는 전류 통전 영역(채널, 31,40,51,60)으로 전류가 제한적으로 흐르며, 전류 제한층의 경사면에서 횡방향으로 리버스 접합(reverse junction)을 만나게 되어 전류퍼짐이 억제되어 소자의 효율이 증대된다. 또한 본 발명은 활성층(80)이 경사면을 갖는 요철구조로 되어 있어, 활성층(80) 내의 발광영역이 경사면에 의해 제한되어 발진개시 전류가 낮고 비점수차 거리가 작고 횡모드제어가 용이하다.
본 발명의 반도체 레이저 소자에 있어서, 활성층(80)은 GaInP로 구성하였으나 InGaP, GaAs, AlGaAs, InGaAs 및 InGaAsP등의 물질로 구성할 수도 있다. 또한 상 하부클래드층(70, 90)은 InGaAlP 또는 InGaP를 사용할 수 있다.
이하, 본 발명의 반도체 레이저 소자의 제조 방법을 상세하게 설명한다.
제3도 내지 제5도는 본 발명의 반도체 레이저 소자의 제조 방법의 일례를 나타내기 위한 개략도이다.
제3도는 기판(10)의 초기상태를 도시한 단면도이다. 구체적으로, p-GaAs 기판(10)이 사진식각 공정을 통하여 중앙 상부에 리지구조를 형성한다.
제4도는 상기 기판(10) 상부에 전류제한층을 성장시키는 단계를 도시한 단면도이다. 구체적으로, 리지구조로 식각되어 있는 기판(10) 상부에 n-GaInP 버퍼층(20)을 형성한다. 상기 버퍼층(20)도 상기 기판(10)과 기판의 리지 상부에 형성되므로 상기 기판(10)과 마찬가지로 리지구조로 형성된다.
상기 버퍼층(20)의 상부에 GaAs 전류제한층을 형성하는데, 먼저 분자선 성장법(MBE)의 실리콘(Si)을 면 선택 도우핑하여 리지의 상부표면과 기판 상면은 n-GaAs층(31)으로, 리지에 대응하는 경사면은 p-GaAs(32)층으로 도핑하고, 다음에 주석(Sn)을 도우핑하여 n-GaAs층(40)을 형성하여 제1 서브 전류 제한층을 형성한다.
상기 제1 서브 전류 제한층 상에 상기한 실리콘 면 선택 도우핑과정을 통해 n-GaAs층(51)층과 p-GaAs(52)층을 마련하고 상기 n-GaAs층(51)층 및 p-GaAs(52)층 상에 주석 도우핑 과정을 통해 n-GaAs층(60)을 형성하여 제2 서브 전류 제한층을 형성한다. 상기 제1 서브 전류 제한층과 제2 서브 전류 제한층은 동일한 구조로 되어 있고 동시에 하나의 전류제한층을 구성한다.
제5도를 참조하면, 상기 전류제한층 상에 n-AlGaInP층(70, 하부클래드층), GaInP활성층(80) 및 p-AlGaInP(90, 상부 클래드층)이 순차적으로 형성한다. 또 상기 상부 클래드층의 상부에 p-GaInP버퍼층(100)과 p-GaAs 캡층(110)이 순차적 형성한다.
특히, 본 발명의 반도체 레이저 소자의 제조 방법에 있어서는 1차 에피택시로 반도체 레이저소자를 완성하고, 상기 전류제한층은 분자선성장법(MBE)의 Si을 이용한 면선택 도우핑(plane selective doping)기술과 주석도핑을 통하여 성장시킨다. 상기 면선택 도핑 기술은 실리콘이 GaAs (111)A면 상에서 p형 불순물로 작용하며, (100)면상에서는 n형 불순물로 작용한다.
이상과 같은 본 발명의 반도체 레이저 소자는 굴절률 도파형 소자로서 1차 에피택시로 제작이 용이하고, 공적 단축으로 불량 발생율을 낮추어 수율을 높일 수 있다.
또한 리지 구조의 전류 제한층의 동시 도우핑 과정을 통하여 전류 통전 영역과 전류 차단 영역으로 분리되어 전류의 퍼짐이 억제되고 활성층내의 발광영역이 경사면에 의해 제한되기 때문에 발진개시 전류값와 비점수차거리가 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)
- 중앙 상부에 리지를 갖는 기판; 상기 리지의 상부 표면 및 상기 기판 표면의 평탄부에 형성된 전류 통전 영역과 상기 리지 측면의 경사부에 형성된 전류 차단 영역을 갖는 전류 제한층; 상기 전류 제한층 상에 형성된 하부 클래드층; 상기 하부 클래드층 상에 형성되고 상기 리지에 상응하는 돌출부를 갖는 활성층; 및 상기 활성층 상에 형성된 상부 클래드층을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 소자.
- 제1항에 있어서, 상기 전류 제한층은 복수의 서브 전류 제한층들로 구성되며, 상기 평탄부의 서브 전류 제한층은 제1도전형 불순물로 도핑되어 있고, 상기 경사부의 서브 전류 제한층은 제1도전형 불순물과 제2도전형 불순물로 교대로 도우핑되어 있는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 소자.
- 제1항에 있어서, 상기 전류제한층은 GaAs로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 소자.
- 기판의 중앙상부에 리지를 형성하는 단계; 상기 리지의 상부 표면과 상기 기판 상의 평탄부에는 전류 통전 영역을 갖고 상기 리지의 측면의 경사부에는 전류 차단 영역을 갖는 전류 제한층을 형성하는 단게; 및 상기 전류제한층상에 상기 리지에 상응하는 돌출부를 갖는 하부클래드층, 활성층 및 상부클래드층을 순차적으로 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 소자의 제조방법.
- 제4항에 있어서, 상기 전류 통전 영역과 전류 차단 영역을 갖는 전류 제한층은 실리콘과 주석을 불순물로서 사용한 분자선 성장법의 면선택도핑(plane selective doping)법을 이용하여 형성하는 것을 특징으로 한느 반도체 레이저소자의 제조방법.
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