KR100366040B1 - 반도체레이저다이오드및그제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 낮은 광발진 개시 전류 및 광발진 모드를 손쉽게 제어할 수 있는 리지 구조를 갖는 광 도파형의 반도체 레이저 다이오드 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
즉, 반도체 레이저 다이오드는 리지 양측면에 양자 주입에 의한 고저항 영역을 형성하므로 통전 채널이 되는 리지의 폭을 더욱 줄일수 있어 발진 개시 전류 및 동작 전류를 더욱 낮출 수 있을 뿐 만 아니라 양자 주입에 의한 고저항 영역이 광 도파층에 까지 형성되어 있으므로 전류의 퍼짐(spreading)이 적어 스폿 사이즈를 보다 더 좁은 영역으로 국한시킬 수 있어 고출력으로 동작시키더라도 발진 모드의 변화나 발진되는 빔 방향의 휨 등을 현저하게 감소시킬 수 있으며, 레이저 빔의 spot size가 작으므로 횡방향의 퍼짐 각도이 더 크지게되어 종방향으로의 퍼짐각

Description

반도체 레이저 다이오드 및 그 제조 방법 {semisonductor laser diode and manufacturing method thereof}
본 발명은 리지 구조를 갖는 광도파형의 반도체 레이저 다이오드 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 특히 낮은 광발진 개시 전류 및 광발진 모드를 손쉽게 제어할 수 있는 반도체 레이저 다이오드 및 그 제조방법에 관한 것이다.
제1도는 종래의 리지 구조를 갖는 광도파형의 반도체 레이저 다이오드의 수직 단면도이다. 이 도면을 참조하여 종래의 광도파형의 반도체 레이저 다이오드의구조를 살펴보면 다음과 같다.
n-기판(1) 상에 n-제1크래드층(2), 활성층(3), 광 도파층(4)이 순차로 적층되어 있다. 광 도파층(4) 상의 중앙부에는 제2크래드층(5) 및 콘택트층(6)이 순차 적층된 리지가 스트라이프 상으로 형성되어 통전 채널을 이루고 있다. 이 리지 저면부 양측으로는 SiO2절연막(21)이 형성되어 전류가 통전 채널 이외의 영역으로 흐르는 것을 차단한다.
그리고 금속 전극(8)이 리지 상면 및 SiO2절연막(21) 상에 증착되는 동시에 기판(1) 저면에도 금속 전극(9)가 증착되어 전류를 공급하게 된다.
이와 같은 구조의 반도체 레이저 다이오드의 제조 방법은 다음과 같다.
제2도에 도시된 바와 같이, n-기판(1) 상에 n-제1크래드층(2), 활성층(3), 광도파층(4), p-제2크래드층(5), p-콘택트층(6)이 액상 에피택시(LPE: liquid phase) 혹은 유기 금속 화학 기상 증착(MOCVD)법에 의해 순차로 성장된 다음 SiO2 막(11)이 형성된다.
다음에 제3도에 도시된 바와 같이, 포토리소그래피법에 의해 SiO2막이 식각되어 형성된 마스크(11')를 이용하여 제2크래드층(5) 및 콘택트층(6)이 식각되어 메사형의 리지가 스트라이프 상으로 형성된다음, SiO2마스크(11')가 제거된다.
다음으로 제4도에 도시된 바와 같이, 재차 SiO2가 재성장되어 절연층(21)이 형성된다.
다음에 제5도에 도시된 바와 같이, 통전용 채널이 형성되도록 리지 상부의 SiO2만이 식각되어 오픈된다. 이때 마스크 형성 공정이 필요없는 자기 정렬(self-align) 포토리소그래피법이 사용된다. 즉, 포토레지스트가 마스크(10)로 사용된다.
다음에 제6도에 도시된 바와 같이, SiO2식각용 포토레지스트마스크(10)이 제거되고 Au 등의 금속으로 p형 금속 전극(8)애 증착된다. 그리고 기판(1) 저면에 n형 금속 전극(9)이 형성되어 소자가 완성된다.
이상과 같은 공정으로 제작된 리지 구조를 갖는 광도파형의 반도체 레이저 다이오드에 전류를 흘리게 되면 제1도에 도시된 바와 같은 화살표 방향으로 전류가 흐르게된다. 전류가 흐르는 활성층 부분에서는 발진이 일어나게 되며, 이 때 발진된 광은 발광부(101)와 그 이외의 부분과의 유효 굴절율차에 의하여 발광부(101) 쪽으로 가이딩(guiding)된다. 그러나 이와 같은 구조의 레이저 다이오드는 리지를 통하여 흐르는 전류가 광도파층(4)에서 부터 옆으로 퍼지게되어 발진 개시 전류가 비교적 크지게되므로 종작 전류가 크지게된다.
도한 리지의 폭이 통상 2～4μm인데, 발광부(101)에 불순물이 있거나 활성층(3)의 에피택시 성장막 등이 균일하지 않을 경우, 고출력 동작 또는 장시간 동작시, 발진 모드가 바뀌거나 발진하는 광의 경로가 휘거나하므로 광섬유 등과의 커플링시 커플링 효율(coupling efficiency)이 떨어지는 결과를 초래하게 된다. 이를 개선하기 위하여 리지의 폭 및 리지 형성을 위한 에칭 공정후 남는 광도파층의 두께를 사진 식각법으로 조절하고 있으나 이를 원하는 두께로 조절하기란 매우 어렵다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하기 위하여 창안된 것으로, 리지를 통하여 활성층으로 주입되는 전류가 흐르는 폭을 제한하는 동시에 광도파층의 두께를 효율적으로 조절함으로써 발진 개시 전류가 작고 발광 모드가 개선되는 굴절을 도파형의 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 적층된 제1크래드층;
상기 제1크래드층 상에 적충된 활성층;
상기 활성층 상에 적충된 광 도파층,
상기 광 도파층 상의 중앙부에 형성되며 그 양측으로 상기 광도파층의 표면이 노출되도록 형성되어 메사 구조의 리지를 형성하도록 순차적층되는 제2크래드층 및 콘택트층;
상기 메사 구조의 리지의 콘택트층 상면을 제외하고 상기 리지 양측면 및 리지가 형성되지 않은 광도파층 상에 형성되는 양자충돌(proton bombardment)에 의한 고저항 영역;
상기 메사 구조의 리지의 콘택트층 상면 및, 상기 고저항 영역에서 상기 리지의 측면에 형성된 부분을 제외한 나머지 노출 부분에 형성되는 절연층;을 구비한다.
본 발명에 있어서, 상기 절연층은 SiO2로 이루어진 것이 바람직하며, 상기 고저항 영역은 상기 광 도파층의 소정의 깊이 까지 형성된 것이 바람직하다.
또한 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 반도체 레이저 다이오드의 제조 방법은,
기판 상에 제1크래드층, 활성층, 광도파층, 제2크래드층, 콘택트층을 순차 성장시키는 단계;
상기 성장된 콘택트층 상에 마스크를 형성하는 단계;
상기 마스크를 이용하여 상기 제2크래드층 및 콘택트층을 선택적으로 식각하여 메사형의 리지를 스트라이프 상으로 형설하는 단계;
상기 리지 양측의 식각된 부분에 소정의 폭 및 깊이로 고저항 영역을 형성하는 단계;
상기 마스크를 식각하여 제거하는 단계;
절연층을 전 노출면에 재형성하는 단계;
통전용 채널이 형성되도록 리지 상부의 절연층 만을 선택적으로 식각하는 단계;를
포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 적층 단계는 LPE법 혹은 MOCVD법으로 이루어지는 것이 바람직하며,
상기 마스크는 포토리소그래피법에 의해 형성되는 것이 바람직하며,
상기 마스크는 SiO2로 이루어지는 것이 바람직하며,
상기 고저항 영역은 양자 충돌에 의하여 형성되는 것이 바람직하며,
상기 절연충은 SiO2로 형성되는 것이 바람직하다.
이하 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 반도체 레이저 다이오드 및 그 제조 방법을 설명한다.
제7도는 본 발명에 따른 반도체 레이저 다이오드의 수직 단면도이다. 이 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 광도파형의 반도체 레이저 다이오드의 구조를 살펴보면 다음과 같다.
n-기판(1) 상에 n-제1크래드층(2), 활성층(3), 광 도파층(4)이 순차로 적층된다. 광 도파층(4) 상의 중앙부에는 P-제2크래드층(5) 및 P-콘택트층(6)이 순차 적층된 리지가 스트라이프 상으로 형성되어 통전 채널을 이룬다. 이 리지 저면부 양측으로는 SiO2절연막(21)이 형성되어 전류가 통전 채널 이외의 영역으로 흐르는 것을 차단한다. 더욱이 본 발명에서는 리지 양측면부 및 절연층(21)의 하부에 일정한 목 및 깊이의 고저항 영역(7)이 형성된다. 이 리지 양측면부에 형성된 고저항 영역(7)에 의해 통전 채널의 폭이 조절될 수 있으며, 절연층(21)하부의 광 도파층에 형성된 고저항 영역(7)은 리지를 통과한 전류가 확산되는 것을 방지하여 주는 효과가 있다.
그리고 금속 전극(8)이 리지 상면 및 SiO2절연층(21) 상에 증착되는 동시에 기판(1) 저면에도 금속 전극(9)가 증착된 구조로 되어있다.
이와 같은 구조의 반도체 레이저 다이오드의 제조 방법은 다음과 같다.
제8도 내지 제13도는 본 발명에 따른 반도체 레이저 다이오드의 제조 단계별 공정후의 수직 단면도이다. 이 도면들을 참조하면서 본 발명의 레이저 다이오드의 제조 방법을 설명하면 다음과 같다.
먼저 제8도에 도시된 바와 같이, 기판(1) 상에 n-제1크래드층(2), 활성층(3), 광도파층(4), p-제2크래드층(5), p-콘택트층(6)을 액상 에피택시(LPE: liquid phase) 혹은 유기 금속 화학 기상 증착(MOCVD;metal organic chemical vapor deposition)법으로 순차로 성장시킨 다음 SiO2막(11)을 형성한다.
다음에 제9도에 도시된 바와 같이, 포토리소그래피법으로 SiO2막을 식각하여 마스크(11')를 형성한 다음, 이것을 이용하여 제2크래드층(5) 및 콘택트층(6)을 식각하여 메사형의 리지를 스트라이프 상으로 형성한다. 이 때 형성되는 SiO2 마스크는 다음 단계에서 실시되는 양자 충돌(protron bombardment)에 대한 마스크 역할도 병행해야 하므로 충분한 두께가 확보되어야 한다.
다음에 제10도에 도시된 바와 같이, 리지 양측면의 식각된 부분에 양자 충돌(protron bombardment)을 실시함으로써, 소망하는 폭과 깊이로 양자를 주입하여 고저항 영역(7)을 형성한다. 이때 마스크는 식각 공정의 마스크를 그대로 사용하여, 리지 양측면을 포함한 식각면에 고저항 영역이 형성되도록 한다.
다음으로 제11도에 도시된 바와 같이, SiO2마스크(11')를 식각하여 제거한 다음, SiO2를 재성장시켜 절연충(21)을 형성한다.
다음에 제12도에 도시된 바와 같이, 통전용 채널이 형성되도록 리지 상부의 SiO2만을 식각하여 오픈시킨다. 이때 마스크 형성 공정이 필요없는 자기 정렬(self-align) 사진 식각 공정을 적용하여 식각한다. 즉, 포토레지스트를 마스크(10)로 사용한다.
다음에 제13도에 도시된 바와 같이, SiO2식각용 포토레지스트 마스크(10)를 제거하고, Au 등의 금속으로 p형 금속 전극(8)을 증착한다음, 기판(1) 저면에 n형 금속 전극(9)을 형성하여 소자를 완성시킨다.
이상과 같은 방법으로 제작된 리지 구조를 갖는 광 도파형의 반도체 레이저 다이오드는 리지 양측면에 양자 주입에 의한 고저항 영역을 형성하므로 통전 채널이 되는 리지의 폭을 더욱 줄일수 있어 발진 개시 전류 및 동작 전류를 더욱 낮출 수 있을 뿐 만 아니라 양자 주입에 의한 고저항 영역이 광 도파층에 까지 형성되어 있으므로 전류의 퍼짐(spreading)이 적어 광발진부(102)를 보다 더 좁은 영역으로 국한시킬 수 있어 고출력으로 동작시키더라도 발진 모터의 변화나 발진되는 빔 방향의 휨 등을 현저하게 감소시킬 수 있다. 또한 발진하는 레이저 빔의 near field pattern 즉, 발진부의 크기(spot size)가 작으므로 횡방향의 퍼짐 각도이 더 크지게되어 종방향으로의 퍼짐각과의 비가 줄어들게 되어 광 섬유로의 집광성이 향상되는 등의 부수적인 효과도 얻을 수 있다.
제1도는 종래의 반도체 레이저 다이오드의 수직 단면도,
제2도 내지 제6도는 제1도의 반도체 레이저 다이오드의 제조 단계별 공정후의 수직 단면도로서,
제2도는 SiO2막 형성 후의 수직 단면도,
제3도는 리지 형성후의 수직 단면도,
제4도는 절연층 형성후의 수직 단면도,
제5도는 리지 상부의 절연층 제거후의 수직 단면도,
제6도는 금속 전극을 증착하여 소자를 완성한 후의 수직 단면도,
제7도는 본 발명에 따른 반도체 레이저 다이오드의 수직 단면도,
제8도 내지 제13도는 본 발명에 따른 반도체 레이저 다이오드의 제조 단계별 공정후의 수직 단면도로서,
제8도는 SiO2막 형성 후의 수직 단면도,
제9도는 리지 형성후의 수직 단면도,
제10도는 고저항 영역 형성후의 수직 단면도,
제11도는 절연층 형성후의 수직 단면도,
제12도는 리지 상부의 절연층 제거후의 수직 단면도,
그리고 제13도는 금속 전극을 증착하여 소자를 완성한 후의 수직 단면도이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 n-기판 2. n-제1크래드층
3. 활성층 4. 광 도파층
5. p-제2크래드층 6. p-콘택트층
7. 고저항 영역 8. 금속 전극(p)
9. 금속 전극(n) 10. 포토레지스트
11. ,21. SiO2절연막 101. , 102, 발광부

Claims (8)

  1. 기판;
    상기 기판 상에 적층된 제1크래드층;
    상기 제1크래드층 상에 적충된 활성층;
    상기 활성층 상에 적충된 광 도파층;
    상기 광 도파층 상의 중앙부에 형성되며 그 양측으로 상기 광도파층의 표면이 노출되도록 형성되어 메사 구조의 리지를 형성하도록 순차적층되는 제2크래드층 및 콘택트층;
    상기 메사 구조의 리지의 콘택트층 상면을 제외하고 상기 리지 양측면 및 리지가 형성되지 않은 광도파층 상에 형성되는 양자충돌(proton bombardment)에 의한 고저항 영역;
    상기 메사 구조의 리지의 콘택트층 상면 및, 상기 고저항 영역에서 상기 리지의 측면에 형성된 부분을 제외한 나머지 노출 부분에 형성되는 절연층;을 구비하여 된 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 다이오드.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 절연층은 SiO2로 이루어진 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 다이오드.
  3. 기판 상에 제1크래드층, 활성층, 광도파층, 제2크래드층, 콘택트층을 순차 성장시키는 단계;
    상기 성장된 콘택트층 상에 마스크를 형성하는 단계;
    상기 마스크를 이용하여 상기 제2크래드층 및 콘택트층을 선택적으로 식각하여 메사형의 리지를 스트라이프 상으로 형성하는 단계;
    상기 리지 양측의 식각된 부분에 소정의 폭 및 깊이로 고저항 영역을 형성하는 단계;
    상기 마스크를 식각하여 제거하는 단계;
    절연층을 전 노출면에 재형성하는 단계;
    통전용 채널이 형성되도록 리지 상부의 절연층 만을 선택적으로 식각하는 단계;를
    포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 다이오드의 제조 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 적층 단계는 LPE법 혹은 MOCVB법으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 다이오드의 제조 방법.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 마스크는 포토리소그래피법에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 다이오드의 제조 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 마스크는 SiO2로 이루어지는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 다이오드의 제조 방법.
  7. 제3항에 있어서,
    상기 고저항 영역은 양자 충돌에 의하여 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 다이오드의 제조 방법.
  8. 제3항에 있어서,
    상기 절연층은 SiO2로 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 다이오드의 제조 방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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