KR100357979B1 - 반도체 레이저 다이오드 및 그 제조 방법 - Google Patents

반도체 레이저 다이오드 및 그 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 발광 영역이 작은 단일 모드로 동작하는 리지 구조 혹은 매립 헤테로 리지(BHR: buried hetero ridge) 구조의 반도체 레이저 다이오드 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 스트라이프 상의 리지 구조의 하부를 이루는 제2상부 크래드층에 포함된 Al 성분의 함유량을 스트라이프 방향으로 달리함으로써, 즉, 레이저 빔이 나오는 경면쪽의 Al 성분의 함유량을 적게함으로써, 그 분분의 굴절율을 낮게하여 방출되는 레이저빔의 far-field pattern이 양호해지며, 그 제조 방법에 있어서는, 제2상부 크래드층을 형성하기 위한 마스크의 패턴을 레이저 빔이 나오는 경면부쪽을 상대적으로 넓게함으로써, 손쉽게 제2상부 크래드층의 레이저 빔이 나오는 경면부 쪽의 Al의 함유량을 낮게할 수 있는 장점이 있다.

Description

반도체 레이저 다이오드 및 그 제조 방법
본 발명은 광통신 분야의 광 정보 처리 시스템, POS 시스템 카운터, 레이저 포인터 및 자기 기록용 소자의 광원으로 이용되는 반도체 레이저 다이오드 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 특히 발광 영역이 작은 단일모드로 동작하는 리지 구조 혹은 매립 헤테로 리지(BHR; buried hetero ridge) 구조의 반도체 레이저 다이오드및 그 제조 방법에 관한 것이다.
광 통신 분야에서 고밀도 및 고속 정보 처리를 위해 광 기록 장치의 광원으로 쓰이는 600nm 대의 단파장 레이저 다이오드의 광 도파 구조는 전류 차단층이 고차수 모드의 발진을 흡수하여 기본 모드 발진을 유도하는 형식이므로 단일 모드(single mode) 동작이 유리하다.
제1도는 종래의 리지 구조 혹은 BHR 구조의 반도체 레이저 다이오드의 단면도이다. 이 도면을 참조하여 그 구조를 살펴보면 다음과 같다.
n-GaAs 기판(1) 상에 n-하부 크래드층(2), 하부 광도파층(3), 활성층(4), 상부 광도파층(5)이 순차로 적층되어 있다. 이 순차 적층상의 중앙부에 p-상부 크래드층(7) 및 콘택트층(8)이 순차 적층되어 리지 구조를 이루고, 이 리지 양측의 상부 광도파층(5) 상에는 전류 차단층(9)이 리지와 같은 두께로 적층되어 있다. 이 전류 차단층(9)은 리지로만 전류가 흐르도록 전류를 제한한다.
이상과 같은 BH 구조의 반도체 레이저 다이오드의 제조 방법은 다음과 같다.
먼저, 제2도에 도시된 바와 같이, n-GaAs 기판(1) 상에 n-하부 크래드충(2), 하부 광도파층(3), 활성층(4), 상부 광도파층(5) 및 리지형성용의 마스크를 만들기 위한 마스크층(6)이 순차로 1차 성장되어 적층된다. 이 때, 마스크층(6')은 SiO2나 Si3N4이 화학 기상 증착법이나 스퍼터링법과 같은 PVD법으로 중착되어 형성된다.
다음에, 제3도에 도시된 바와 같이, 마스크층(6)이 일정 폭으로 패턴되어 마스크(6')가 형성된다.
다음에, 제4도에 도시된 바와 같이, 마스크(6')를 이용한 선택적 에피택시 결정 성장에 의해 p-상부 크래드충(7) 및 콘택트층(9)이 2차성장되어 리지 구조로 형성된다.
다음에, 마스크(6')가 식각되어 제거되고 그 자리에, 제1도에 도시된 바와 같이, 평탄화를 위한 3차 성장에 의해 전류 차단층(9)이 형성되어 소자가 완성된다.
그러나 BH 구조는 3차에 걸친 성장 공정을 거치기 때문에, 성장공정 상의 오차에 의한 손실이 커서, 소자에 대한 신뢰성이 떨어지는 단점이 있다. 또한, 이러한 리지형 구조의 반도체 레이저 라이오드는 p-상부 크래드층(7)이 일정한 조성을 가지고 있기 때문에, 광통신용의 반도체 레이저 다이오드가 갖추어야 할 단일 모드(single mode)의 동작이 가능하도록 레이저 빔의 수직 제한(confinement)을 향상시키기 어려운 단점이 있다(즉, far-field pattern이 나빠지게 되는 단점의 보완이 어렵다.).
본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하고자 창안된 것으로, 성장공정이 간단하고 단일 모드로 동작하는(far-field pattern이 양호한)반도체 레이저 다이오드 및 그 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 반도체 레이저 다이오드는,
기판과. 이 기판 상에 순차로 적층된 하부 크래드층, 활성층 및 제1상부 크래드층들과, 상기 제1상부 크래드층 상에 스트라이프 상의 리지 형상을 이루도록순차 적층된 제2상부 크래드층 및 콘택트층과, 이 리지 형상의 제2상부 크래드층 및 콘택트층 측면의 상기 제1상부크래드층 상에 적층된 전류 차단층을 구비하여 된 반도체 레이저 다이오드에 있어서,
상기 스트라이프 상의 리지 형상의 하부를 이루는 상기 제2상부크래드층의 레이저 방출이 일어나는 경면쪽의 굴절율이 그 내부쪽의 굴절율 보다 작도록 형성한 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 제2상부 크래드층은 AlxGal-xAs로 형성된 것이 바람직하며,
상기 제2상부 크패드층은 경면쪽의 Al 함유량이 그 내부쪽의 Al함유량 보다 적은 것이 바람직하다.
또한 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 반도체레이저 다이오드의 제조 방법은,
기판 상에 하부 크래드층, 활성층, 제1상부 크래드층을 순차로 성장시키는 제1성장 단계:
상기 제1상부 크래드층 상에 그 중앙부에 일정폭이 스트라이프상으로 식각되고 일 경면쪽의 폭이 안쪽 보다 넓은 마스크를 형성하는 단계,
상기 마스크를 이용한 선택 성장법으로 상기 제1상부 크래드층의 중앙 상부에 제2상부 크래드층 및 콘택트층을 스프라이프 상의 리지형태로 성장시키는 제2성장 단계;
상기 마스크를 제거하는 단계;
그리고 상기 스트라이프 상의 리지 양측에 선택적으로 전류 차단층을 성장시키는 제3성장 단계;를
포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 제l성장 단계에서 상기 제1상부 크래드층상에 산화 방지층을 더 성장시키는 것이 바람직하며,
상기 제2상부 크래드층은 AlxGa1-xAs로 형성되는 것이 바람직하며,
상기 제2상부 크패드층은 경면쪽의 Al 함유량이 그 내부쪽의 Al함유량 보다 적도록 성장되는 것이 바람직하다.
이하 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 반도체 레이저 다이오드 및 그 제조 방법을 설명한다.
제5도는 본 발명에 따른 반도체 레이저 다이오드의 단면도이다. 이 도면에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 반도체 레이저 다이오드의구조는 다음과 같다.
기판(11) 상에 하부 크래드층(12), 하부 광도파층(13), 활성층(14), 상부 광도파층(15), 제1상부 크래드충(16) 및 산화 방지층(17)이 순차로 적층된다. 이 산화 방지층(17)은 제조 공정상 제1상부 크래드층(16)에 포함된 Al의 산화를 방지하기 위한 것으로 공정시 AlxGa1-xAs로 형성된 제l상부 크래드층(16)이 공기 중에 노출되는 것을 방지하기 위한 보호막의 구실을 할 뿐으로 레이저 발진에 필수적으로 구비되어야 할 층은 아니다. 그리고 이 산화 방지층(17) 상의 중앙에 제2상부 크래드층(18) 및 콘택트층(19)이 스프라이프 상의 리지 형상을 이루도록 형성되며, 이 리지 형상의 제2상부 크래드층 및 콘택트층 측면의 산화 방지층(17) 상에 전류 차단층(20)이 형성된다 여기서 리지 하부의 제2상부 크래드층(18)은 본 발명의 특징부로서, AlxGal-xAs로 형성되며, 레이저 방출이 일어나는 쪽의 경면 부근의 굴절율이 그 안쪽의 굴절율 보다 낮도록, Al농도가 그 안쪽의 Al 농도 보다 낮도록 제조된 점에 특징이 있다.
이상과 같은 구조의 반도체 레이저 다이오드를 제조하기 위한 방법은 다음과 같다.
먼저, 기판(11) 상에 하부 크래드층(12), 하부 광도파층(13), 활성층(14), 상부 광도파층(15), 제1상부 크래드충(16) 및 산화 방지층(17)을, 제6도에 도시된 바와 같이, 순차로 성장시킨다 (제1성장단계). 여기서, 산화 방지층(l7)은 제조 공정상 제1상부 크래드층(16)에 포함된 Al의 산화를 방지하기 위한 것으로 공정시 제l상부 크래드층(16)이 공기 중에 노출되는 것을 방지하기 위한 보호막의 구실을 한다.
다음에 제6도에 도시된 바와 같이, 산화 방지층(17) 상에 마스크 형성용의 마스크층(21)을 형성한 다음, 제7도에 도시된 바와 같이, 산화방지층(17) 상의 중앙부에 일정폭이 스트라이프 상으로 식각되고 레이저빔이 방출되는 경면쪽의 폭이 그 안쪽 방향(상대쪽 방향)의 폭 보다 넓은 마스크(21')를 형성한다. 여기서, 제8도는 레이저 방출이 일어나는 경면쪽인 제7도의 A-A' 라인을 따라 절개한 단면을보여주고, 제9도는 그 안쪽인 제7도의 B-B' 라인을 따라 절개한 단면을 보여준다.
다음에, 상기와 같은 마스크(21')를 이용하여 산화 방지층(17)의 중앙 상부에 제2상부 크래드층(18) 및 콘택트층(19)을 스트라이프 상의 리지 형태로 선택적으로 성장시킨다(제2성장 단계). 이와 같이, 레이저빔이 나오는 경면쪽의 폭이 넓은 마스크(21')를 이용하여 AlxGal-xAs를 선택적으로 성장시켜 제2상부 크래드층 (18)을 형성하게 되면, 마스크(21') 표면에 도달한 Al, Ga, As 성분들은 그 표면에서 증착이되지않고 재탈착되던가 마스크(21') 중앙의 산화 방지층(17)의 노출면으로 확산되어, 이 산화 방지층(17) 상에 선택적으로 성장이 일어나 리지구조를 이루도록 성장된다. 이 때, 제8도에 도시된 바와 같은 마스크(21')의 폭이 넓은, 레이저 빔이 나오는, 경면 쪽의 산화 방지층(17) 상에는, 제9도에 도시된 바와 같은 폭이 좁은 산화 방지층(17)상 보다, 잉여 원자나 분자가 많이 몰리게 되는데, 특히 Al 성분은 탈착이 심해서 확산에 의한 결정 성장에 크게 영향을 주지 않으나, Ga 성분은 확산이 잘되어 산화 방지층(17) 상에서 성장이 잘된다. 따라서, 재결정성장시 전체적인 Ga 성분의 량이 늘어나면서 Al 성분의 양은 상대적으로 감소하므로, 제2상부 크래드층의 레이저 빔이 나오는 경면 쪽에는 Al성분이 적도록 형성시킬 수 있게 된다. 이와 같이, Al 성분이 적게되면 굴절율이 상대적으로 낮아져, far-field pattern이 양호한 레이저 빔을 방출하게 되므로, 광통신용 소자로서의 조건인 광섬유와의 결합계수(coupiing coefficient)가 향상되는 장점이 있다.
다음에, 제11도에 도시된 바와 같이, 마스크(21')를 제거한다. 이때, 산화방지층(17)이 없다면, 제l상부 크래드층(16)이 공기 중에 노출되므로, 제1상부 크래드층(16)에 포함된 Al 성분이 산화되어, 소자의 성능을 저하시키게 된다. 다음에, 제5도에 도시된 바와 같이, 스트라이프상의 리지 양측에 선택적으로 전류 차단층(20)을 성장시켜 소자를 완성한다 (제3성장 단계).
이상 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 반도체 레이저 다이오드는 스트라이프 상의 리지 구조의 하부를 이루는 제2상부 크래드층에 포함된 Al 성분의 함유량을 스트라이프 방향으로 달리함으로써, 즉, 레이저 빔이 나오는 경면쪽의 Al 성분의 함유량을 적게함으로써, 그 분분의 굴절율을 낮게하여 방출되는 레이저 빔의 far-field pattern이 양호해지며, 그 제조방법에 있어서는, 제2상부 크래드층을 형성하기 위한 마스크의 패턴을 레이저 빔이 나오는 경면부 쪽을 상대적으로 넓게함으로써, 손쉽게 제2상부 크래드층의 레이저 빔이 나오는 경면부 쪽의 Al의 함유량을 낮게할 수 있는 장점이 있다.
제l도는 종래의 BHR 구조의 반도체 레이저 다이오드의 단면도,
제2도 내지 제4도는 제1도의 반도체 레이저 다이오드의 제조 단계별 단면도로서,
제2도는 마스크층 형성후의 단면도,
제3도는 제2도의 마스크층을 패턴하여 리지 형성용 마스크 형성한 후의 단면도,
제4도는 리지 형성 후의 단면도.
제5도는 본 발명에 따른 반도체 레이저 다이오드의 단면도,
제6도 내지 제11도는 제5도의 반도체 레이저 다이오드의 제조 단계별 단면도 및 사시도로서,
제6도는 마스크층 형성후의 단면도,
제7도는 제6도의 마스크층을 패턴하여 리지 형성용 마스크를 형성한 후의 사시도,
제8도는 제7도의 A-A' 라인을 따라 절개한 단면도,
제9도는 제7도의 B-B' 라인을 따라 절개한 단면도,
제10도는 리지를 성장시킨 후의 사시도,
그리고 제11도는 마스크를 제거한 후의 사시도이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
1. n-GaAs 기판 2. n-하부 크래드층
3. 하부 광도파층 4. 활성층
5. 상부 광도파층 6. 마스크층
6'. 마스크 7. p-상부 크래드층
8. 콘택트층 9. 전류 차단층
11 n-GaAs 기판 12, n-하부 크래드층
13. 하부 광도파층 14. 활성층
15. 상부 광도파층 16. p-상부 제1크래드층
17. 식각 저지층 18 p-상부 제2크래드층
19. 콘택트층 20. p-전류 차단층
21. 마스크층 21'. 마스크

Claims (7)

  1. 기판과, 이 기판 상에 순차로 적층된 하부 크래드층, 활성층 및 제1상부 크래드층들과, 상기 제1상부 크래드층 상에 스트라이프 상의 리지 형상을 이루도록 순차 적층된 제2상부 크래드층 및 콘택트층과, 이리치 형상의 제2상부 크래드층 및 콘택트층 측면의 상기 제1상부 크래드층 상에 적층된 전류 차단층을 구비하여 된 반도체 레이저 다이오드에 있어서,
    상기 스트라이프 상의 리지 형상의 하부를 이루는 상기 제2상부 크래드층의 레이저 방출이 일어나는 경면쪽의 굴절율이 그 내부쪽의 굴절율 보다 작도록 형성한 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 다이오드.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제2상부 크래드충은 AlxGal-xAs로 형성된 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 다이오드.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제2상부 크패드층은 경면쪽의 Al 함유량이 그 내부쪽의 Al함유량 보다 적은 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 다이오드.
  4. 기판 상에 하부 크래드층, 활성층, 제1상부 크래드층을 순차로 성장시키는 제1성장 단계:
    상기 제1상부 크래드층 상에 그 중앙부에 일정폭이 스트라이프상으로 식각되고 일 경련쪽의 폭이 안쪽 보다 넓은 마스크를 형성하는 단계:
    상기 마스크를 이용한 선택 성장법으로 상기 제1상부 크래드층의 중앙 상부에 제2상부 크래드층 및 콘택트층을 스트라이프 상의 리지형태로 성장시키는 제2성장 단계;
    상기 마스크를 제거하는 단계:
    그리고 상기 스트라이프 상의 리지 양측에 선택적으로 전류 차단층을 성장시키는 제3성장 단계:를
    포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 다이오드의 제조 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1성장 단계에서 상기 제1상부 크래드층 상에 산화 방지층을 더 성장시키는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 다이오드의 제조 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제2상부 크래드충은 AlxGal-xAs로 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 다이오드의 제조 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제2상부 크패드층은 경면쪽의 Al 함유량이 그 내부쪽의 Al함유량 보다 적도록 성장되는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 다이오드의 제조 방법.
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