KR100363236B1 - 반도체 레이저 다이오드 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 III-V족 화합물 반도체 레이저 다이오드 및 그 제조방법에 관한 것으로, 특히 InGaP/InGaAlP계의 적색 반도체 레이저 다이오드 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

즉, 본 발명에 따른 반도체 레이저 다이오드는 미러면 쪽의 폭이 상대적으로 중앙부의 폭 보다 좁은 섀도우 마스크를 이용하여 활성층의 성장율(growth rate)을 조절하여 줌으로써, 용이하게 미러면 쪽에 위치한 활성층의 밴드갭 에너지를 상대적으로 크게하여 미러면 쪽을 비흡수창으로 작용하게 하여 미러면에서의 발열 문제를 해소하여 주는 장점이 있다.

Description

반도체 레이저 다이오드 및 그 제조 방법

본 발명은 III-V족 화합물 반도체 레이저 다이오드 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 특히 InGaP/InGaAlP계의 적색 반도체 레이저 다이오드 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

반도체 레이저 다이오드는 기체 혹은 고체 레이저 장치 등에 비해 소형, 경량이며, 효율이 높고, 특히 전류에 의한 직접 변조가 가능해 산업의 여러 분야에서널리 이용되며, 특히 고밀도 광 기록 장치의 광원으로 널리 이용된다.

반도체 레이저 다이오드가 광 기록 장치의 광원으로 사용되는 경우, 그 기록 밀도는 파장에 반비례하고, 출력에 비례한다 이 것은 레이저 빔의 스폿 사이즈(spot size)가 파장에 비례하고 출력에 반비례하기 때문이다.

그러므로, 광 기록 장치의 광원으로 쓰이는 반도체 레이저 다이오드는 그 출력 빔의 파장이 짧을수록, 출력이 높을수록 바람직하다.

그러나 광 기록 장치에서 반도체 레이저 다이오드가 단순히 읽기용이 아니고 읽기 및 쓰기 용으로 사용되기 위해서는 고출력 동작이 필수적이다.

그리고 레이저 다이오드가 고출력 동작을 하게되면 미러면에서 COD(catastrophic optical damage) 즉 '레이저 빔의 흡수→발열→밴드갭에너지 축소→빔의 흡수 증가'라는 악순환을 되풀이하게 되어 결국 소자가 파괴된다.

이러한 현상을 방지하고 고출력 동작이 가능하게 하기 위하여는 미려면에 보다 에너지 밴드갭이 높은 물질을 사용하여 빔의 흡수를 억제하고 이른바 창(window)을 형성하여 주는 것이 바람직하다. 그러나 현재로서는 적절한 방법이 없어 미러면을 형성한 후 재성장(regrowth)을 시키는 방법을 사용하고 있다. 따라서 공정이 번거롭고 어려우며 생산성을 크게 떨어지게 하는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하고자 창안된 것으로, 그 중앙부에서 보다 미러면에서 큰 밴드갭을 갖는 활성층이 형성되어 COD의 악순환이 되풀이 되지 않는 반도체 레이저 다이오드 및 그 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 반도체 레이저 다이오드는,

기판;

상기 기판 상에 제1크래드층, 활성층 및 제2크래드층이 순차로 적층되어 이루어진 스트라이프 상의 리지;

상기 리지의 양측에 소정의 두께로 형성된 전류 차단층;

그리고 상기 전류 차단층 및 상기 제2버퍼층 상에 형성된 캡층;을 구비하되,

상기 스트라이프 상의 활성층의 미러면 쪽의 폭 및 두께가 그 중앙부의 폭 및 두께 보다 소정의 폭 및 소정의 두께 만큼 작게 형성된 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어서, 상기 기판은 n-GaAs 로, 제1크래드층은 n-InGaAlP 로, 제2크래드층은 P-InGaAlP 로, 전류 차단층은 n-GaAs/p-GaAs/n-GaAs/p- GaAs...로, 그리고 캡층은 P-GaAs 로 형성하되, 상기 기판과 상기 제1크래드층 사이에 n-GaAs 제1버퍼층 및 제2크래드층과 캡층 사이에 p-InGaP 제2버퍼층을 각각 더 구비하여 된것이 바람직하다.

또한 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 반도체 레이저 다이오드의 제조 방법은,

기판 상에 스페이스층 및 마스크층을 순차로 성장시키는 단계;

상기 마스크층을 포토리소그래피법을 사용하여 미러면 쪽의 폭이 그중앙부의 폭 보다 소정의 폭 만큼 좁도록 식각하여 섀도우 마스크를 형성하는 단계;

상기 섀도우 마스크를 이용하여 상기 스페이스층을 식각하여 스페이스를 형성하는 단계;

상기 스페이스 및 섀도우 마스크를 이용하여 n-GaAs 제1버퍼층, n-제1크래드층, 활성층, p-제2크래드층, p-InGaP 제2버퍼층을 순차로 성장시키고 상기 섀도우 마스크 및 스페이스를 제거하여 스트라이프 상의 제1단 리지를 형성하는 단계;

상기 스트라이프 상의 제1단 리지의 양쪽을 소정의 폭 만큼 상기 제2크래드층 하부 까지 식각하여 스트라이프 상의 제2단 리지를 형성하는 단계;

상기 제1단 및 제2단 리지 양측에 전류 차단층을 형성하는 단계;

상기 2단 리지 스트라이프 및 상기 전류 차단층 상에 캡층을 형성하는 단계;를

포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어서, 상기 스페이스층과 마스크층은 서로 에칭 선택성이 큰 물질로 형성하는 것이 바람직하며,

상기 스페이스층 및 마스크층은 각각 상기 제1버퍼층, 제1크래드층, 활성층, 제2크래드층, 제2버퍼층과 서로 에칭 선택성이 큰 물질로 형성하는 것이 바람직하며,

상기 전류 차단층은 n형 및 p형의 반도체를 반복되게 적층하여 형성된 것이 바람직하며,

상기 스페이스는 소정의 두께로 형성되는 것이 바람직하다.

이하 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 반도체 레이저 다이오드 및 그 제조 방법을 설명한다.

제1도는 본 발명에 따른 비흡수창 형성 고출력 반도체 레이저 다이오드의 수직 단면도이다. 이 도면을 참조하여 본 발명에 따른 반도체 레이저 다이오드의 구조를 살펴보면 다음과 같다.

본 발명의 반도체 레이저 다이오드는 n-GaAs 기판(1), 이 기판(1) 상에 n-GaAs 제1버퍼층(2), n-InGaAlP 제1크래드층(3), 활성층(4), p-InGaAlP 제2크래드층(5), p-InGaP 제2버퍼층(6)이 순차로 적층된 스트라이프 상의 리지, 이 스트라이프 상의 리지 양측으로 균일한 두께로 형성된 n-GaAs/p-GaAs/n-GaAs/p- GaAs... 전류 차단층(7) 및 p-GaAs 캡층(8)로 형성된다. 여기서 활성층(4)을 포함하는 스트라이프 상의 리지는 미러면 쪽의 폭이 그 중심부의 폭 보다 상대적으로 좁게 형성된다. 이와 같이, 활성층(4)의 미러면 쪽의 폭을 그 중앙부의 폭보다 좁게하여 양자 우물(Quantum Well)의 두께가 증가하게 함으로써, 중앙부의 에너지 밴드갭 보다 상대적으로 미러면의 밴드갭 에너지가 크게되어 활성층의 미러면 쪽이 비흡수창(non-absorbing mirror)으로 작용하게 된다. 따라서 이 미러면 쪽의 활성층에서는 거의 광을 흡수하지 않게 된다.

이와 같은 구조의 반도체 레이저 다이오드의 동작 원리 및 광도파원리는 통상적인 SBR(selectively buried ridge) 구조의 반도체 레이저 다이오드의 동작 원리 및 광도파 원리와 같으며, 그 제조 방법을 도면을 참조하면서 설명하면 다음과 같다.

제2도 내지 제11도는 본 발명에 따른 비흡수창 고출력 반도체 레이저 다이오드의 제조 단계별 사시도이다.

먼저 제2도에 도시된 바와 같이, n-GaAs 기판(1) 상에 1차 에피택시로 두께3㎛ 전후의 스페이스층(space layer, 11)과 마스크층(12)을 형성한다. 이 때 스페이스층(11)과 마스크층(12)은 서로 습식 에칭 선택성(wet etching selectivity)이 큰 것으로 하여 포토리소그래피법으로 에칭하여 섀도우 마스크를 만들었을 때 언드-컷(under-cut)을 적절히 조절할 수 있도록 한다. 그리고 이후에 성장되는 n-GaAs 제1버퍼층(2), n-InGaAIP 제1크래드층(3), 활성층(4), p-InGaAlP 제2크래드층(5), p-InGaP 제2버퍼층(6)과도 각각 에칭 선택성이 커야한다.

다음에 일반적인 포토리소그래피법에 의한 에칭 공정을 통해, 제3도에 도시된 바와 같은, 스페이스(11') 및 섀도우 마스크(12')를 만든다. 섀도우 마스크(12')의 패턴은 제3도에 도시된 바와 같이, 미러면쪽에는 그 폭이 넓게하고, 공진기 중간 부분에서는 마스크 폭을 좁게 형성한다. 즉, 섀도우 마스크는 양쪽 미러면에서의 활성층 성장율이 공진기 중앙부에서의 성장율 보다 작게하기 위하여 섀도우 마스크의 폭을 좁게하고(10∼20㎛), 공진기 중앙부에서는 60㎛ 이상으로 한다.

섀도우 마스크 사용시 활성층의 성장율은, 이상과 같이, 섀도우 마스크의 폭이 좁아지면 작아지는 경향이 있으며, 이러한 정도는 섀도우 마스크의 높이에 의해서도 영향을 받으므로 이러한 인수(factor)들을 적절하게 조절하여 밴드갭을 조절한다. 다음에 제3도에 도시된 바와같은 상기 스페이스(11') 및 섀도우 마스크(12')를 이용하여, 제4도에 도시된 바와 같이, n-GaAs 버퍼층(2), n-제1크래드층(3), 활성층(4), p-제2크래드층(5), p-InGaP 제2버퍼층(6)을 순차적으로 성장시킨후, 스페이스(11') 및 섀도우 마스크(12')를 제거하여 제1단의 리지 스트라이프를 형성한다. 이 때 활성층(4)은, 섀도우 마스크(12')의 패턴이 제3도에 도시된 바와 같이 미러면 쪽에 그 폭이 좁아서, 공진기 중앙부에서는 정상적인 성장율로 성장되나, 미러면 쪽에서는 마스크 폭이 좁아 성장율이 감소하므로 양자우물(QUANTUM WELL)의 사이즈(폭 및 두께)가 작아져서 밴드갭 에너지가 증가하게 된다. 따라서 공진기의 미러면 쪽은 비흡수창으로 작용하게 된다. 즉, 상기 1단 리지스트라이프의 수직 단면 구조는 제5도 및 제6도에 도시된 바와 같이 미러면 쪽이 좁게 형성되며, 활성층의 두께는 미러면 쪽의 두께가 중앙부의 두께 보다 약간 얇게되어, 미러면 밴드갭 에너지가 공진기 중앙부 보다 높은 NAM(non-absorbing mirror) 구조를 갖게되므로 미러면에서의 COD 레벨이 높아져 고출력 동작을 할 수 있게된다.

그리고, 상기 1단 리지 스트라이프의 수직 단면 구조는 제5도 및 제6도에 도시된 바와 같이 미러면 쪽이 좁게 형성되며, 활성층의 두께는 미러면 쪽의 두께가 중앙부의 두께 보다 약간 얇게된다. 제5도는 이 1단 리지 스트라이프에서 A-A' 라인(미러면 부근)을 따라 절단한 수직 단면도이고, 제6도는 1단 리지 스트라이프의 B-B' 라인(중앙부)을 따라 절단한 수직 단면도이다.

다음에, 제7도에 도시된 바와 같이, SiO₂마스크(13)를 형성한 다음 스트라이프 상의 제1단 리지의 양쪽을 제2크래드층(5) 하부 까지 식각하는 패터닝을 행하여 스트라이프 상의 제2단 리지를 형성한다. 이와 같이 제2크래드층(5)의 양쪽을 그 하부 까지 식각하여 줌으로써, 굴절율 도파형 구조를 이루도록 한다. 이상과 같은 제2단 리지의 수직 단면 구조는 제8도 및 제9도에 도시된 바와 같다. 제8도는 2단 리지 스트라이프에서 A-A' 라인(미러면 부근)을 따라 절단한 수직 단면도이고, 제9도는 2단 리지 스트라이프의 B-B' 라인(중앙부)을 따라 절단한 수직 단면도이다.

다음에 제10도에 도시된 바와 같이, n-GaAs/p-GaAs/n-GaAs/p-GaAs...를 선택적으로 일정한 두께로 성장시켜 전류 차단층을 형성한다. 이 전류 차단층은 n 형 및 p형의 불순물이 번갈아 도핑된 GaAs층들이 적층된 구조여서 전류가 효과적으로 차단된다.

다음에 제11도에 도시된 바와 같이, p-GaAs 를 성장시켜 캡층(8)을 형성한다. 여기서 금속 전극(9,10)을 각각 종착하여 소자의 제작을 완료한다.

이상과 같이 미러면 쪽의 폭이 상대적으로 좁은 마스크를 사용하여 활성층(4)을 성장시키게 되면, 활성층(4)의 종방향으로 제12도에 도시된 바와 같이, 밴드갭 에너지의 차이가 발생하여 미러면 쪽에서는 비흡수창의 역할을 한다. 즉 섀도우 마스크의 폭을 미러면 쪽에서 좁게하여 활성층의 중앙부를 정상적인 성장율로 성장되게 하는 반면, 미러면 쪽의 마스크 폭은 좁게하여, 활성층의 미러면 쪽의 성장율은 감소하게 함으로써, 활성층 미러면 쪽의 양자 우물(Quantum Well)의 두께가 감소하여 밴드갭이 커지므로, 상대적으로 미러면의 밴드갭 에너지가 높게되어 비흡수창의 역할을 하는 것이다. 이러한 레이저 다이오드의 종 모드(longitudinal mode)를 미러면 쪽의 비흡수창 형성에 이용하여 레이저 다이오드의 미러면에서의 발열 문제를 해결하게 된다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 반도체 레이저 다이오드는 미러면쪽의 폭이 상대적으로 중앙부의 폭 보다 좁은 섀도우 마스크를 이용하여 활성층의 성장율(growth rate)을 조절하여 줌으로써, 용이하게 미러면 쪽에 위치한 활성층의 밴드갭 에너지를 상대적으로 크게하여 미러면 쪽을 비흡수창으로 작용하게 하여 미러면에서의 발열 문제를 해소하여 주는 장점이 있다.

제1도는 본 발명에 따른 비흡수 미러 반도체 레이저 다이오드의 수직 단면도,

제2도 내지 제11도는 본 발명에 따른 비흡수 미러 반도체 레이저 다이오드의 제조 단계별 사시도로서,

제2도는 마스크층 형성후의 사시도,

제3도는 섀도우 마스크 형성후의 사시도,

제4도는 P-InGaP 버퍼층 까지 성장시킨후의 섀도우 마스크를 제거한 후의 사시도,

제5도는 제4도의 A-A' 라인을 따라 절단한 수직 단면도,

제6도는 제4도의 B-B' 라인을 따라 절단한 수직 단면도,

제7도는 SiO₂마스크를 형성한 다음 패터닝하여 리지 스트라이프를 형성한 후의 사시도,

제8도는 제7도의 A-A' 라인을 따라 절단한 수직 단면도,

제9도는 제7도의 B-B' 라인을 따라 절단한 수직 단면도,

제10도는 전류 차단층을 선택 성장시킨 후의 사시도,

제11도는 캡층 성장후의 사시도,

그리고 제12도는 제1도의 반도체 레이저 다이오드의 공진기 길이 방향에 따른 활성층의 에너지 밴드갭 선도이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

1. n-GaAs 기판 2. n-GaAs 제1버퍼층

3. n-InGaAlP 제1크래드층 4. 활성층

5. p-InGaAlP 제2크래드층 6. p-InGaP 제2버퍼층

7. n-GaAs/p-GaAs/n-GaAs/p-GaAs...전류 차단층

8 p-GaAs 캡층 9. 금속(p)

10. 금속(n) 11. 스페이서

12. 마스크 13. SiO₂

Claims (7)

1. 기판;

   상기 기판 상에 제1 버퍼층, 제1크래드층, 활성층, 제2크래드층 및 제2 버퍼층이 순차로 적층되어 이루어진 스트라이프 상의 리지;

   상기 리지의 양측에 소정의 두께로 형성된 전류 차단층;

   그리고 상기 전류 차단층 및 상기 제2버퍼층 상에 형성된 캡층;을 구비하되,

   상기 스트라이프 상의 활성층의 미러면 쪽의 폭 및 두께가 그 중앙부의 폭 및 두께 보다 소정의 폭 및 소정의 두께 만큼 작게 형성된 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 다이오드.
2. 제1항에 있어서,

   상기 기판은 n-GaAs로, 상기 제1 크래드층은 n-InGaAlP로, 상기 제2 크래드층은 p-InGaAlP로, 상기 전류 차단층은 n-GaAs/p-GaAs/n-GaAs/p-GaAs로, 상기 캡층은 p-GaAs로, 상기 제1 및 제2 버퍼층은 각각 n-GaAs 및 p-InGaP으로 형성된 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 다이오드.
3. 기판 상에 스페이스층 및 마스크층을 순차로 성장시키는 단계;

   상기 마스크층을 포토리소그래피법을 사용하여 미러면 쪽의 폭이 그 중앙부의 폭 보다 소정의 폭 만큼 좁도록 식각하여 섀도우 마스크를 형성하는 단계;

   상기 섀도우 마스크를 이용하여 상기 스페이스층을 식각하여 스페이스를 형성하는 단계;

   상기 스페이스 및 섀도우 마스크를 이용하여 n-GaAs 제1버퍼층, n-제1크래드층, 활성층, p-제2크래드층, p-InGaP 제2버퍼층을 순차로 성장시키고 상기 새도우 마스크 및 스페이스를 제거하여 스트라이프 상의 제1단 리지를 형성하는 단계;

   상기 스트라이프 상의 제1단 리지의 양쪽을 소정의 폭 만큼 상기 제2크래드층 하부 까지 식각하여 스트라이프 상의 제2단 리지를 형성하는 단계;

   상기 제1단 및 제2단 리지 양측에 전류 차단층을 형성하는 단계;

   상기 2단 리지 스트라이프 및 상기 전류 차단층 상에 캡층을 형성하는 단계;를

   포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 다이오드의 제조 방법.
4. 제3항에 있어서,

   상기 스페이스층과 마스크충은 서로 에칭 선택성이 큰 물질로 형성하는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 다이오드의 제조 방법.
5. 제3항에 있어서,

   상기 스페이스층 및 마스크층은 각각 상기 제1버퍼층, 제1크래드층, 활성층, 제2크래드층, 제2버퍼층과 서로 에칭 선택성이 큰 물질로 형성하는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 다이오드의 제조 방법.
6. 제3항에 있어서,

   상기 전류 차단층은 n형 및 p형의 반도체를 반복되게 적층하여 형성된 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 다이오드의 제조 방법.
7. 제3항에 있어서,

   상기 스페이스는 소정의 두께로 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 다이오드의 제조 방법.