KR100363239B1 - 레이저 다이오드 및 그 제조방법 - Google Patents

레이저 다이오드 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

전류제한층으로 브래그 반사기층을 형성한 레이저 다이오드 및 그 제조방법이 개시되어 있다.
개시된 레이저 다이오드는 기판의 상부에 버퍼층, 하부 크래드층, 제1웨이브가이드층, 활성층 및 제2웨이브가이드층이 순차로 적층 형성되고, 그 상부에 전류제한층과, 상부크래드층 및 접촉층을 형성 구비하며, 특히 전류제한층은 제2웨이브가이드층 상부에 최초 에피택시 공정과 동일 공정으로 형성되며 전류가 흐를 수 있는 소정 위치에 공동을 가지는, AlxGa1-xAs 반도체 물질과 AlAs반도체 물질이 교대로 복수번 적층되어 이루어진 브래그 반사기층이고, 그 상부에 상부크래드층 및 접촉층이 순차로 형성되어 있는 점에 그 특징이 있다. 따라서, 상부크래드층을 식각할 필요가 없으며, 2회의 에피택시 공정 및 식각 공정으로 레이저 다이오드를 제조할 수 있다.

Description

레이저 다이오드 및 그 제조방법
본 발명은 레이저 다이오드 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 특히 브래그 반사기를 이용한 인덱스 가이드(index guide)형 레이저 다이오드 및 그 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 유도방출에 의해 광을 발진 혹은 증폭시키는 레이저는 단색성과, 지향성이 우수하며, 그 출력이 일반 광에 비하여 대단히 크고, 극초단펄스를 발생시키는 성질을 가지고 있으므로, 자연과학 및 응용과학분야에서 널리 사용되고 있다.
특히, 반도체 레이저 다이오드는 He-Ne 기체 레이저 또는 Nd:YAG레이저와 같은 고체 레이저에 비하여 그 크기가 작고, 대량 생산이 용이하므로 가격이 매우 저렴하다. 또한 전류 조절을 통하여 광강도 조절이 용이하다. 따라서, 컴팩트 디스크 플레이어, 레이저 프린터, 바코더 판독기 그리고 레이저 스캐너등의 정보처리기기 및 광통신용 기기로서 그 응용 범위를 넓혀가고 있다.
제1도는 종래의 3단계 에피택시 공정에 의해 제조된 레이저 다이오드의 개략적인 단면도이다.
도시한 바와 같이 1단계 에피택시 공정으로 n-GaAs기판(11) 위에 n-GaAs 버퍼층(13)과, n형 크래드층(15), 제l웨이브가이드(waveguide)층(17), 활성층(19), 제2웨이브가이드층(21) 및 p형 크래드층(23)을 순차로 성장시킨다. 이후, 상기 p형 크래드층(23)을 선택적으로 식각한다. 상기 p형 크래드층(23)의 식각두께오차는 인덱스 가이드형 레이저 다이오드의 특성에 영향을 미칠 수 있으므로, 정밀한 식각이 요구된다.
식각 공정이후, 제2단계 에피택시 공정으로 상기 p형 크래드층 (23)의 식각된 부분의 상부에 전류제한층(25)을 성장시킨다.
제3단계 에피택시 공정은 상기 p형 크래드층(23) 및 전류제한층(25)의 상부에 P형 접촉층(27)을 형성함으로써 레이저 다이오드를 제작할 수 있다.
이와 같이 이루어진 종래의 레이저 다이오드는 전류제한층(25) 성장을 포함하여 3단계의 에피택시 공정을 실시함으로써 제작하게 되는데 각 에피택시 공정마다 결정성장의 어려움이 있어서, 레이저 다이오드의 성능을 저하시킬 우려가 있었다. 또한, p형 크래드층의 에칭시 정확한 두께 조절을 해야만 신뢰성이 있는 레이저 다이오드를 제작할 수 있는등의 문제점이 있었다.
따라서, 본 발명은 상술한 바와 같은 점들을 감안하여 안출된 것으로서, 전류제한층으로 브래그 반사기층을 성장시킴으로 에픽택시 공정 단계를 줄이도록 하고, 저전압에서도 구동될 수 있는 양자효율이 높은 신뢰성이 우수한 고출력 레이저 다이오드를 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 상기 레이저 다이오드를 제조하는데 적합한 제조방법을 제공하는데 다른 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 레이저 다이오드는,
기판의 상부에 버퍼층, 하부 크래드층, 제1 웨이브가이드층, 활성층 및 제2웨이브가이드층이 순차로 적층 형성되고, 그 상부에 전류제한층과, 상부크래드층 및 접촉층이 형성 구비되어 있는 레이저 다이오드에 있어서,
상기 전류제한층은 상기 제2웨이브가이드층 상부에 최초 에피택시 공정과 동일 공정으로 형성되며 전류가 흐를 수 있는 소정 위치에 공동을 가지는 브래그반사기층이고, 그 상부에 상기 상부크래드층 및 접촉층이 순차로 형성 구비되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는 상기 브래그반사기층는 AlxGa1-xAs 반도체 물질과 AlAs반도체물질이 교대로 복수번 적층되어 이루어져 있다.
상기 다른 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 레이저 다이오드 제조방법은,
기판상에 순차로 버퍼층, 하부 크래드층, 제l웨이브 가이드층, 활성층, 제2웨이브가이드층 및 브래그 반사기층을 에피택시 공정에 의해 형성하는 단계;와
상기 브래그 반사기층의 중앙부를 식각하여 제한된 범위로 상기 활성층에 전류를 공급하는 단계, 및
상기 브래그 반사기층의 상부 및 식각된 상부에 상부 크래드층과 p형 접촉층을 순차로 형성하는 단계로 이루어진 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
제2도는 본 발명에 의한 레이저 다이오드를 나타낸 개략적인 단면도이다.
도시한 바와 같이 기판(31)의 상부에 버퍼층(33), 하부 크래드층(35), 제1웨이브가이드층(37), 활성층(39), 제2웨이브가이드층(41) 및 전류제한층(43)이 단일 에피택시 공정을 통하여 순차로 적층 형성되고, 그 상부에 상부크래드층(45) 및 접촉층(47)이 다른 에피택시 공정을 통하여 형성 구비되어 있다.
상기 기판(31)과 상기 버퍼층(33)은 n-GaAs 인 반도체 물질이고, 상기 하부 크래드층(35)은 n형 반도체 물질이고, 상기 상부 크래드층(45)은 p형 반도체 물질로 된 것이 바람직하다. 상기 제1 및 제2웨이브가이드층(37,41)은 상기 활성층(39)에서 레이징 된 광을 복수번 반사시켜 증폭시키며, 그 출사 방향을 유도하는 층으로 상기 전류제한층(43)의 식각시 차별화를 위하여 상기 전류제한층(43)과 다른 반도체 물질로 이루어져 있다. 한번의 에피택시 공정을 통하여 상기 기판(31)에서 전류제한층(43)까지 형성한다. 상기 전류제한층(43)은 상기 활성층(39)의 일부에 전류 공급을 원활히 할 수 있도록 식각을 통하여 중앙부에 공동을 형성하였다.
상기 전류제한층(43)은 상기 제2웨이브가이드층(41) 상에 적층 성장되어 있으며, AlxGa1-xAs 반도체 물질과 AlAs반도체 물질이 교대로 복수번 적충되어 이루어진 브래그반사기(distributed Bragg reflector;DBR)층으로, 상기 제2웨이브가이드층(41)을 빠져나온 빛을 반사시키는 역할을 병행한다.
상기 접촉층(47)은 상부 크래드층과 같은 형의 반도체 물질 즉, p-GaAs로 이루어져 있다.
이하, 본 발명에 따른 레이저 다이오드 제조방법을 상세히 설명한다.
대략적으로, 2단계의 에피택시 공정과 1단계의 식각공정을 통하여 제조한다.
즉, 최초의 에피택시 공정은 n-GaAs 기판(31) 상에, n-GaAs 버퍼층(33), n형 크래드층(35), 제1웨이브가이드층(37), 활성층(39), 제2웨이브가이드층(41) 및 전류제한층(43)을 성장 형성시키는 단계이다. 상기 전류제한층(43)은 AlxGa1-xAs 반도체 물질과 AlAs반도체 물질이 교대로 복수번 적층 형성된 브래그반사기층이다. 이 브래그반사기층(43)은 상기 활성층(39)에 공급되는 전류의 영역을 제한하여 소정 위치에서만 광이 출사되도록 한다.
이와 같이 적층한후, 상기 브래그반사기층(43)의 중앙부 소정위치에 공동을형성되도록 식각한다. 상기 브래그반사기층(43)을 이루는 반도체 물질은 상기 제2웨이브가이드층(41)과 차별화 되어 있어서, 식각공정시 제2웨이브가이드층(41)에는 아무런 영향을 주지않도록 선택적으로 식각할 수 있다.
식각단계 이후, 상기 제2차 에피택시 공정을 실시한다. 이 제2차 에피택시 공정은 상기 n-크래드층(35)과 대응되는 p-크래드층(45)과, p-GaAs등의 반도체 물질로 된 p-접촉층(47)을 성장 형성한다.
언급한 바와 같이 2단계의 에피택시공정과 식각공정을 통하여 결정을 성장 시킨후 일반적인 금속막을 입혀 레이저 다이오드를 제작한다.
본 발명의 동작을 설명하면, 다음과 같다.
P-접촉층위에 증착된 금속층(미도시)과 n-GaAs 기판(31)에 인가되는 전원에 의하여 상기 금속층에서 상기 기판(31)까지 전류가 흐르게 된다. 이때 상기 브래그반사기층(43) 즉, 전류제한층이 형성된 부분은 전류의 흐름이 제한되고, 식각 형성된 브래그반사기층의 공동으로 전류가 흐르게 된다. 이 부분을 통과한 전류가 상기 활성층(39)의 레이징에 기여하게 된다.
상기 브래그반사기층(43)은 전류제한 뿐만 아니라 AlxGa1-xAs 반도체 물질과 AlAs반도체 물질의 Al조성을 조절하여 상기 활성층(39)과의 반사율차이 (△n)를 크게 함으로써 광증폭 및 출사효율을 향상시킨 인덱스 가이드형의 레이저 다이오드를 제작할 수 있다.
이와 같이 이루어진 레이저 다이오드는 상기한 종래의 레이저 다이오드에 비하여 단, 2회의 에피택시 공정과, 식각공정을 통하여 제작하므로, 결정성장 공정에 따른 문제점을 줄일 수 있으며, 상부 크래드층을 식각하지 않으므로, 이 상부 크래드층의 식각 공정시 두께 조절이 불필요하게 되어 상부 크래드층의 식각시 발생될 수 있는 문제점들을 근본적으로 해결하였다. 또한, 브래그 반사기를 전류제한층으로 사용 성장시킴으로써 선택적 에칭이 가능하여 간단하고, 신뢰성이 있다.
레이저 다이오드를 이루는 각 층의 물질은 그 특성이 요구되는 조건에 따라 바뀔 수 있으므로 특정 물질로 한정되는 것이 아니다.
본 발명은 상기한 실시예에 국한되는 것이 아니고, 청구범위 내에서 변경 실시가 가능하다.
제1도는 종래의 레이저 다이오드를 나타낸 개략적인 단면도.
제2도는 본 발명에 따른 레이저 다이오드를 나타낸 개략적인 단면도.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
31...n-기판33...n-버퍼층
35...n-크래드층37...제1웨이브가이드층
39...활성층41...제2웨이브가이드층
43...전류제한층45...p-크래드층
47...p-전극층

Claims (4)

  1. 기판의 상부에 버퍼층, 하부 크래드층, 제1웨이브가이드층, 활성층 및 제2웨이브가이드층이 순차로 적층 형성되고, 그 상부에 전류제한층과, 상부크래드층 및 접촉층이 형성 구비되어 있는 레이저 다이오드에 있어서,
    상기 전류제한층은 상기 제2웨이브가이드층 상부에 최초 에피택시 공정과 동일 공정으로 형성되며 전류가 흐를 수 있는 소정 위치에 공동을 가지는 브래그 반사기층이고, 그 상부에 상기 상부크래드층 및 접촉층이 순차로 형성 구비되어 있되,
    상기 브래그 반사기층는 AlxGa1-xAs 반도체 물질과 AlAs반도체 물질이 교대로 복수번 적층되어 이루어진 것을 특징으로 하는 레이저 다이오드.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제2 웨이브가이드층은 상기 브래그 반사기층과 선택적으로 에칭되도록 된 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 레이저 다이오드.
  3. 기판상에 순차로 버퍼층, 하부 크래드층, 제1웨이브 가이드층, 활성층, 제2웨이브가이드층 및 브래그 반사기층을 에피택시 공정에 의해 형성하는 단계;와
    상기 브래그 반사기층의 중앙부를 식각하여 제한된 범위로 상기 활성층에 전류를 공급하도록 식각단계; 및
    상기 브래그 반사기층의 상부 및 식각된 상부에 상부 크래드층과 p형 접촉층을 순차로 형성하는 단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 레이저 다이오드 제조방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 브래그 반사기층의 물질로 AlxGa1-xAs 반도체 물질과 AlAs 반도체 물질이 교대로 복수번 적층되어 이루어져 있고, 상기 p형 접촉층은 p-GaAs 층 인것을 특징으로 하는 레이저 다이오드 제조방법.
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