KR100323673B1 - 레이저 다이오드 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
질화갈륨을 이용한 레이저 다이오드의 구조 및 제조방법에 관한 것으로, 디브이디(DVD) 시스템에 적합한 질화물 반도체 레이저 다이오드를 제조하는 데에 그 목적이 있으며, 기판 위에 일부가 식각되어 균일하지 않은 두께로 형성된 제 1 n형 질화반도체층, 제 1 n형 질화반도체층의 두꺼운 부분 위에 윗면 중심부 일부가 식각된 형태로 형성된 n형 반도체 화합물층, 제 1 n형 질화반도체층의 얇은 부분 위에 형성된 n측 전극, n형 반도체 화합물의 식각된 부분 주위에 형성된 전류차단층, 전류차단층과 n형 반도체 화합물의 식각된 부분을 도포하도록 형성된 제 2 n형 질화반도체층, 제 2 n형 질화반도체층 위에 형성된 활성층, 활성층 위에 형성된 p형 질화반도체층, p형 질화반도체층 위에 윗면 중심부 일부가 돌출된 형태로 형성된 p형 반도체 화합물층, p형 반도체 화합물층의 돌출된 부분을 도포하도록 형성된 p측 전극을 포함하여 구성된 것이 특징으로서, 레이저의 방사각의 비대칭성이 종래보다 감소되어 디브이디(DVD) 시스템 등에 응용되는 레이저의 성능을 개선시킬 수 있다.
Description
본 발명은 청색의 파장대역을 가지는 레이저 다이오드에 관한 것이다.
종래의 질화물 반도체에 의한 레이저 다이오드는 활성층을 중심으로 도파층(waveguide)과, 클래드층(clad)을 형성하여 광을 인도하는 p-n 접합 다이오드 구조로 이루어져 있다. 이러한 다이오드에서 출사되는 레이저 광의 형태는 활성 영역의 비대칭성에 의한 비점수차(astigmatism)의 문제를 가지고 있다.
일반적으로 p형 반도체에 리지(ridge)를 형성하면 전류가 측면으로 확산되는 것을 감소시킨다. 그러면, 전류의 비대칭성은 어느 정도 줄어들지만, 리지(ridge)의 폭을 줄임으로써 이를 해결하는데는 한계가 있다. 또한, p형 반도체와 금속 간의 접촉저항이 높아져 소자 전체의 성능이 열화된다.
상기 비점수차(astigmatism)의 문제는 파장이 짧은 광일수록 더 심한 경향이 있다. 질화물 반도체 레이저 광은 대략 중심 파장이 410nm 근방이므로, 650nm, 780nm, 808nm를 가진 InGaAsP 또는 AlGaAs 등의 소자보다 비점수차(astigmatism)가 심각하다.
광의 형태는 수직 방사각과 수평 방사각으로 나타나는데, 일반적으로 수평 방사각이 수직 방사각에 비하여 현저하게 작다. 그런데, 디브이디(DVD : Digital Versatile Disc) 시스템의 광원으로 레이저 광이 사용되려면, 활성영역의 수평 길이가 감소되어 수평 방사각이 늘어난 형태가 좋다.
본 발명은 질화물 반도체를 이용한 레이저 다이오드에서 전류의 측면 확산을감소시키고, 광원의 수평 방사각을 늘려 주어 레이저 광의 비점수차(astigmatism) 문제를 해결함으로써, 디브이디(DVD) 시스템에 적합한 질화물 반도체 레이저 다이오드를 제조하는 데에 그 목적이 있다.
도 1은 일반적인 레이저 다이오드를 보여주는 구조단면도
도 2는 본 발명 제 1 실시예에 따른 레이저 다이오드를 보여주는 구조단면도
도 3a 내지 도 3h는 본 발명 제 1 실시예에 따른 레이저 다이오드의 제조 공정을 보여주는 공정단면도
도 4 및 도 5는 본 발명 제 2, 제 3 실시예에 따른 레이저 다이오드를 보여주는 구조단면도
도면의 주요부분에 대한 기호설명
1000 : 기판 1100 : 제 1 n형 질화갈륨
1200 : n측 전극 1300 : n형 질화갈륨알루미늄
1400 : 전류차단층 1500 : 제 2 n형 질화갈륨
1600 : 활성층 1700 : 제 1 p형 질화갈륨
1800 : p형 질화갈륨알루미늄 1900 : 제 2 p형 질화갈륨
2000 : p측 전극
본 발명의 레이저 다이오드는 기판 위에 형성되는 제 1 도전형 제 1 질화갈륨층과, 제 1 도전형 제 1 질화갈륨층 위에 형성되고 내부에 일정 깊이의 홈을 갖는 제 1 도전형 질화갈륨알루미늄층과, 홈을 제외한 제 1 도전형 질화갈륨알루미늄층 위에 형성되는 전류차단층과, 홈을 포함한 전류차단층 전면에 형성되는 제 1 도전형 제 2 질화갈륨층과, 제 1 도전형 제 2 질화갈륨층 위에 형성되는 활성층과, 활성층 위에 형성되는 제 2 도전형 질화갈륨층과, 제 2 도전형 질화갈륨층 위에 리지 구조로 형성되는 제 2 도전형 질화갈륨알루미늄층과, 제 2 도전형 질화갈륨알루미늄층 위에 형성되는 제 2 도전형 질화갈륨 접촉층과, 제 2 도전형 질화갈륨 접촉층 및 제 1 도전형 제 1 질화갈륨층 위에 각각 형성되는 전극으로 구성된다.
여기서, 기판은 사파이어 기판이나 또는 질화갈륨 기판을 사용하고, 전류차단층은 제 2 도전형 질화갈륨알루미늄(AlGaN)을 사용한다.
또한, 전류차단층의 도핑농도는 1×1016/㎤ ∼ 9×1018/㎤이고, 전류차단층의 두께는 100nm ∼ 1㎛으로 하며, 제 1 도전형 질화갈륨알루미늄층 내에 형성된 홈의 폭은 1㎛ ∼ 10㎛이고, 홈의 깊이는 100nm ∼ 1㎛로 한다.
그리고, 제 1 도전형 질화갈륨알루미늄층 내에 형성된 홈의 상층부에는 리지 구조의 돌출부가 위치하도록 한다.
본 발명의 레이저 다이오드는 기판 위에 형성되는 제 1 도전형 제 1 질화갈륨층과, 제 1 도전형 제 1 질화갈륨층 위에 형성되고, 내부에 일정 깊이의 홈을 갖는 제 1 도전형 질화갈륨알루미늄층과, 홈을 제외한 제 1 도전형 질화갈륨알루미늄층 위에 형성되는 전류차단층과, 홈을 포함한 전류차단층 전면에 형성되는 제 1 도전형 제 2 질화갈륨층과, 제 1 도전형 제 2 질화갈륨층 위에 형성되는 활성층과, 활성층 위에 형성되는 제 2 도전형 질화갈륨층과, 제 2 도전형 질화갈륨층 위에 리지 구조로 형성되는 제 2 도전형 질화갈륨알루미늄층과, 제 2 도전형 질화갈륨알루미늄층 위에 형성되는 제 2 도전형 질화갈륨 접촉층과, 제 2 도전형 질화갈륨 접촉층 및 기판 하부면 위에 각각 형성되는 전극으로 구성될 수도 있다.
그리고, 본 발명에 따른 레이저 다이오드 제조방법은 기판 위에 제 1 도전형 제 1 질화갈륨층, 제 1 도전형 질화갈륨알루미늄층, 제 2 도전형 질화갈륨알루미늄층을 순차적으로 형성하는 단계와, 제 2 도전형 질화갈륨알루미늄층 위에 마스크층을 형성하고 패터닝하여 상기 제 2 도전형 질화갈륨알루미늄층의 소정영역을 노출시키는 단계와, 마스크층을 마스크로 상기 노출된 제 2 도전형 질화갈륨알루미늄층 및 그 하부에 있는 제 1 도전형 질화갈륨알루미늄층의 일부분을 식각하여 소정깊이의 홈을 형성하는 단계와, 마스크층을 제거하고 홈을 포함한 전면에 제 1 도전형 제 2 질화갈륨층을 형성하는 단계와, 제 1 도전형 제 2 질화갈륨층 위에 활성층, 제 2 도전형 질화갈륨층, 제 2 도전형 질화갈륨알루미늄층, 제 2 도전형 질화갈륨접촉층을 순차적으로 형성하는 단계와, 제 2 도전형 질화갈륨접촉층 및 제 2 도전형 질화갈륨알루미늄층의 일부분를 식각하여 리지(ridge)를 형성하는 단계와, 제 2도전형 질화갈륨접촉층 위에는 제 2 도전형 전극을 형성하고 기판 하부 또는 제 1 도전형 제 1 질화갈륨층 위에는 제 1 도전형 전극을 형성하는 단계로 이루어진다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 레이저 다이오드 및 그 제조방법을 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 3a 내지 도 3h는 본 발명에 따른 레이저 다이오드의 제조공정을 보여주는 도면으로서, 먼저 도 3a에 도시된 것과 같이 기판(1000) 위에 n형 질화갈륨(n-GaN)과 n형 질화갈륨알루미늄(n-AlGaN), 그리고 p형 질화갈륨알루미늄(p-AlGaN)으로 질화반도체층(1100, 1300, 1400)을 형성한다. 이 때, p형 질화갈륨알루미늄(p-AlGaN)은 전류차단층(1400)으로 형성될 박막이다.
그리고, 도 3b에 도시된 것과 같이 p형 질화갈륨알루미늄 위에서 전류의 통과부분 즉, 전류도파로로 형성될 영역을 제외한 나머지 영역에 이산화규소(SiO2) 혹은, 질화규소(Si3N4) 등으로 절연막을 패터닝하여 전류차단층(1400)을 형성한다. 이러한 전류차단층(1400)을 형성할 때에는 포토리소그래피(photolithography) 공정과 PECVD 증착 공정에 의해 실시한다.
그 후에, 도 3c에 도시된 것과 같이 p형 질화갈륨알루미늄과 n형 질화갈륨알루미늄을 전류의 통과부분 형상으로 식각하여 전류도파로(A)를 형성한다. 이 때, n형 질화갈륨알루미늄층을 일정한 깊이로 식각한다.
전류도파로(A)가 완성된 후, 도 3d에 도시된 것과 같이 그 전류도파로(A)와 전류차단층(1400)을 덮을 수 있게 n형 질화갈륨(n-GaN)(1500)층을 형성하고, 연이어 도 3e에 도시된 것과 같이 n형 질화갈륨(1500)층 위에 활성층(1600)과 p형 질화갈륨(1700)과 p형 질화갈륨알루미늄(p-AlGaN)(1800)을 적층한다. 그리고, p형 질화갈륨알루미늄(1800) 위에 다시 접촉층으로 형성될 p형 질화갈륨(1900)을 성장시킨다.
p형 질화갈륨알루미늄(1800) 위에 p형 질화갈륨(1900)이 성장되면, 도 3f에 도시된 것과 같이 p형 질화갈륨(1900)의 일부를 식각하여 리지(ridge)를 형성한다. 이 때, 리지를 형성할 때에는 전류도파로(A)와 서로 겹쳐지도록 형성하는 것이 바람직하다. 이러한 리지를 형성하는 공정은 포토리소그래피(photolithography) 공정과 건식식각 공정에 의해 실시된다.
리지(ridge)가 형성된 후에, 도 3g에 도시된 것과 같이 기판(1000) 위의 n형 질화갈륨(1100)이 노출되도록 p형 질화갈륨알루미늄(1800) 및, 활성층(1600)과 활성층(1600) 위의 p형 질화갈륨층(1700)과, 활성층(1600) 하부의 n형 질화갈륨(1500)과, 전류차단층(1400) 및, 전류차단층(1400) 하부의 n형 질화갈륨알루미늄(1300)과 n형 질화갈륨(1100)을 식각한다.
리지의 형성이 완료되고 기판(1000) 위의 n형 질화갈륨층(1100)이 노출되어 접촉층이 완성되면, 도 3h에 도시된 것과 같이 금속을 n형 질화갈륨층(1100) 위와 리지 위에 증착하여 전극(1200, 2000)을 형성한다.
상술한 과정에 의해 완성된 본 발명의 레이저 다이오드는 도 3h 또는, 도 2에 도시된 것과 같다.
본 발명의 레이저 다이오드는 기판(1000) 위에 일부가 식각되어 균일하지 않은 두께로 형성된 제 1 n형 질화반도체층(1100)과, 제 1 n형 질화반도체층(1100) 위에 형성되어 윗면 중심부 일부가 식각된 n형 반도체 화합물층(1300)과, 제 1 n형 질화반도체층(1100)의 얇은 부분 위에 형성된 n측 전극(1200), n형 반도체 화합물층(1300)의 식각된 부분 주위에 형성된 전류차단층(1400), 전류차단층(1400)과 제 1 n형 반도체 화합물층(1300)의 식각된 부분을 도포하도록 형성된 제 2 n형 질화반도체층(1500)과, 그 위에 차례로 적층된 활성층(1600)과, p형 질화반도체층(1700), p형 질화반도체층(1700) 위에 윗면 중심부 일부가 돌출되어 리지(ridge)를 이루는 p형 반도체 화합물층(1800, 1900), 그리고 리지를 덮도록 형성된 p측 전극(2000)을 포함하여 구성되어 있다.
이 때, 본 발명의 레이저 다이오드는 각 질화반도체층이 질화갈륨(GaN)으로 이루어지고, 반도체 화합물층이 질화갈륨알루미늄(AlGaN)으로 이루어지며, 각 전극은 금속으로 이루어져 구성된다.
본 발명의 레이저 다이오드가 종래의 레이저 다이오드와 두드러지게 다른 부분은 일정한 폭의 전류도파로(A)가 형성되어 전류가 활성층의 측면을 통해 확산되는 것을 감소시키는 전류차단층(1400)이다. 이러한 전류차단층(1400)으로 인하여 레이저의 비점수차가 줄어드는 효과가 있다.
이러한 효과를 거두기 위한 본 발명의 레이저 다이오드는 p형 질화갈륨알루미늄에 의해 형성된 전류차단층(1400)이 그 위의 n형 질화갈륨(1300)과 P-N 접합되어 있는 구조를 포함하여 구성되어 있다. 이러한 전류차단층(1400)의 P-N 접합은 전류의 흐름에 역행하는 역방향 접합이므로, n측 전극(1200)을 통해 인가되는 전류가 n형 질화갈륨알루미늄(1300)을 통해 활성층(1600) 하부의 n형 질화갈륨(1500)으로 흐르는 것을 차단되는 것이다. 그 결과, 전류도파로(A)만을 통해 전류가 흐르므로, 전류가 활성층 측면으로 확산되는 양이 감소되어 종래보다 비점수차가 줄어든다.
전류차단층(1400)을 이루는 p형 질화갈륨알루미늄(p-AlGaN)층의 도핑농도는 1×1016/㎤에서 9×1018/㎤의 범위를 이루며, 그의 두께는 100 나노미터(nm) 내지 1 마이크로 미터(㎛)를 이룬다. 이 때, 전류차단층(1400)이 형성되지 않아 전류도파로(A)를 이루는 영역의 폭은 1 마이크로 미터(㎛) 내지 10 마이크로 미터(㎛)의 범위를 가진다.
전류도파로(A)를 통해 n형 질화갈륨알루미늄(1300)과 접촉되어 있는 n형 질화갈륨(1500)의 부분은 다른 부분에 비해 두껍다. 그로 인하여 레이저의 확산을 방지하는 효과가 배가되어 광분포의 수평거리가 줄어드는 효과가 있다. 이러한 두께차이를 형성하기 위하여 전류차단층(1400)에 가려지지 않은 n형 질화갈륨알루미늄(1300)을 식각하는 깊이는 100 나노미터(㎚) 내지 1 마이크로 미터(㎛)의 범위인 것이 바람직하다.
이러한 전류차단층(1400)은 리지(ridge)와 더불어 전류가 측면으로 확산되는 것을 방지하는 역할을 수행하므로, 종래의 구조보다 전류의 측면확산을 더욱 방지할 수 있다.
도 4 및 도 5는 본 발명에 따른 레이저 다이오드의 다른 실시예를 보여주는 도면으로서, 도 4에 도시된 바와 같이 사파이어 기판 대신에 질화갈륨 기판을 사용하여 본 발명의 구조를 제작하여도 동일한 효과를 얻을 수 있다.
또한, 도 5에 도시된 바와 같이 레이저 다이오드의 상부와 하부에 전극이 형성된 구조에서도 본 발명의 방법을 이용할 수 있다.
즉, p형 질화갈륨층 상부 및 기판 하부에 각각 p형 전극과 n형 전극이 형성된 구조를 갖는 레이저 다이오드에서도 본 발명과 같이 제작하면 효과적으로 수평방사각을 늘려줄 수 있다.
본 발명의 레이저 다이오드는 전류가 활성층의 측면으로 확산되는 것이 전류차단층에 의해 방지된다. 따라서, 레이저의 방사각의 비대칭성이 종래보다 감소되어 디브이디(DVD) 시스템 등에 응용되는 레이저로서의 효용성을 늘려주는 효과가 있다.
Claims (11)
- 기판 위에 형성되는 제 1 도전형 제 1 질화갈륨층;상기 제 1 도전형 제 1 질화갈륨층 위에 형성되고, 내부에 일정 깊이의 홈을 갖는 제 1 도전형 질화갈륨알루미늄층;상기 홈을 제외한 제 1 도전형 질화갈륨알루미늄층 위에 형성되는 전류차단층;상기 홈을 포함한 전류차단층 전면에 형성되는 제 1 도전형 제 2 질화갈륨층;상기 제 1 도전형 제 2 질화갈륨층 위에 형성되는 활성층;상기 활성층 위에 형성되는 제 2 도전형 질화갈륨층;상기 제 2 도전형 질화갈륨층 위에 리지 구조로 형성되는 제 2 도전형 질화갈륨알루미늄층;상기 제 2 도전형 질화갈륨알루미늄층 위에 형성되는 제 2 도전형 질화갈륨 접촉층; 그리고,상기 제 2 도전형 질화갈륨 접촉층 및 제 1 도전형 제 1 질화갈륨층 위에 각각 형성되는 전극으로 구성되는 것을 특징으로 하는 레이저 다이오드.
- 제 1 항에 있어서, 상기 기판은 사파이어 기판, 질화갈륨 기판 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 레이저 다이오드.
- 제 1 항에 있어서, 상기 전류차단층은 제 2 도전형 질화갈륨알루미늄(AlGaN)인 것을 특징으로 하는 레이저 다이오드.
- 제 1 항에 있어서, 상기 전류차단층의 도핑농도는 1×1016/㎤ ∼ 9×1018/㎤이고, 전류차단층의 두께는 100nm ∼ 1㎛인 것을 특징으로 하는 레이저 다이오드.
- 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 도전형 질화갈륨알루미늄층 내에 형성된 홈의 폭은 1㎛ ∼ 10㎛이고, 홈의 깊이는 100nm ∼ 1㎛인 것을 특징으로 하는 레이저 다이오드.
- 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 도전형 질화갈륨알루미늄층 내에 형성된 홈의 상층부에는 리지 구조의 돌출부가 위치하는 것을 특징으로 하는 레이저 다이오드.
- 기판 위에 형성되는 제 1 도전형 제 1 질화갈륨층;상기 제 1 도전형 제 1 질화갈륨층 위에 형성되고, 내부에 일정 깊이의 홈을 갖는 제 1 도전형 질화갈륨알루미늄층;상기 홈을 제외한 제 1 도전형 질화갈륨알루미늄층 위에 형성되는 전류차단층;상기 홈을 포함한 전류차단층 전면에 형성되는 제 1 도전형 제 2 질화갈륨층;상기 제 1 도전형 제 2 질화갈륨층 위에 형성되는 활성층;상기 활성층 위에 형성되는 제 2 도전형 질화갈륨층;상기 제 2 도전형 질화갈륨층 위에 리지 구조로 형성되는 제 2 도전형 질화갈륨알루미늄층;상기 제 2 도전형 질화갈륨알루미늄층 위에 형성되는 제 2 도전형 질화갈륨 접촉층; 그리고,상기 제 2 도전형 질화갈륨 접촉층 및 기판 하부면 위에 각각 형성되는 전극으로 구성되는 것을 특징으로 하는 레이저 다이오드.
- 제 7 항에 있어서, 상기 기판은 사파이어 기판, 질화갈륨 기판 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 레이저 다이오드.
- 기판 위에 제 1 도전형 제 1 질화갈륨층, 제 1 도전형 질화갈륨알루미늄층, 제 2 도전형 질화갈륨알루미늄층을 순차적으로 형성하는 단계;상기 제 2 도전형 질화갈륨알루미늄층 위에 마스크층을 형성하고 패터닝하여 상기 제 2 도전형 질화갈륨알루미늄층의 소정영역을 노출시키는 단계;상기 마스크층을 마스크로 상기 노출된 제 2 도전형 질화갈륨알루미늄층 및 그 하부에 있는 제 1 도전형 질화갈륨알루미늄층의 일부분을 식각하여 소정깊이의 홈을 형성하는 단계;상기 마스크층을 제거하고, 상기 홈을 포함한 전면에 제 1 도전형 제 2 질화갈륨층을 형성하는 단계;상기 제 1 도전형 제 2 질화갈륨층 위에 활성층, 제 2 도전형 질화갈륨층, 제 2 도전형 질화갈륨알루미늄층, 제 2 도전형 질화갈륨접촉층을 순차적으로 형성하는 단계;상기 제 2 도전형 질화갈륨접촉층 및 제 2 도전형 질화갈륨알루미늄층의 일부분를 식각하여 리지(ridge)를 형성하는 단계; 그리고,상기 제 2 도전형 질화갈륨접촉층 위에는 제 2 도전형 전극을 형성하고, 상기 기판 하부 또는 제 1 도전형 제 1 질화갈륨층 위에는 제 1 도전형 전극을 형성하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 레이저 다이오드 제조방법.
- 제 9 항에 있어서, 상기 마스크층은 SiO2, Si3N4중 어느 하나로 형성되는 것을 특징으로 하는 레이저 다이오드 제조방법.
- 제 9 항에 있어서, 상기 상기 제 1 도전형 제 2 질화갈륨층은 그 표면이 평저 다이오드.
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