KR100366043B1 - 레이저 다이오드의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 반도체 레이저의 제조방법에 관한 것으로, 특히 매립형 헤테로 구조를 갖는 반도체 레이저의 제조방법에 관한 것이다. 본 제조방법에 따라 제조된 레이저 다이오드는, 활성층과 제1클래드층을 식각에 의하지 않고 유기금속기상증착법으로 성장시켜 형성시킴으로써 식각에 의해 발생되던 메사폭의 불균일 및 언더컷(undercut)부 발생의 문제점을 제거할 수 있게 되며, 또한 식각시에 사용되던 Br화합물에 의한 층간의 인터페이스 열화현상도 배제할 수 있어 결과적으로 성능 및 신뢰성이 향상된 매립형 레이저 다이오드를 제조할 수 있게 된다.

Description

레이저 다이오드의 제조방법

본 발명은 반도체 레이저의 제조방법에 관한 것으로, 특히 매립형 헤테로 구조를 갖는 반도체 레이저의 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로, 레이저 다이오드는 정보처리기기, 광통신, 광측정기기, 및 의료기기 등의 광원으로서 널리 이용되고 있다. 이 레이저 다이오드가 빛을 발진시키는 원리는, 레이저 다이오드의 p-n접합에 순방향으로 전압을 가하면 전류가 흐르게 되는데, n-영역의 전자와 p-영역의 정공(hole)이 각각 상대 영역으로 이동하여 p-n접합 부근에서 재결합하며 이 때 손실되는 에너지 량을 빛으로서 유도방출하게 된다. 이 때 방출된 빛이 레이저 다이오드의 반도체 자체 결정단면에 반사되어 왕복운동을 하면서 일정방향으로 증폭된 광파를 형성하여 발진하게 되는 것이다.

이와 같이 주입되는 전류를 증가시켜 공진손실보다 큰 이득의 유도방출이 생기면 레이저가 발진하게 되는데 이 때 레이저 발진에 필요한 이득을 주는 전류를 임계전류(threshold current)라 하는데, 전력은 전류의 제곱에 비례하므로, 임계전류의 제곱과 전기적 에너지는 비례하다고 볼 수 있다. 따라서 상기 레이저 다이오드에서 발진되는 레이저를 적은 에너지 입력으로 고출력화 하기 위해서는 상기 임계전류치를 가능한 낮출 수 있어야 한다.

그러므로 이와 같은 조건에 따라 임계전류치를 가능한 낮게 설계한 레이저 다이오드의 종류로서, 스트라입형 레이저 다이오드와 매립형 레이저 다이오드가 있다.

먼저 스트라입형 레이저 다이오드는, 캐리어와 광파를 좁은 폭의 활성영역내에 구속하여 임계전류를 낮추기 위해 좁은 띠 모양의 금속전극을 만들어서 레이저 다이오드내의 전류흐름을 공간적으로 제한시킨 구조의 레이저 다이오드로서, 캐리어의 밀도가 큰 이득영역으로 빛이 도파되므로 이득도파형이라고도 부른다.

한편, 상기 매립형 레이저 다이오드는, 활성층이 굴절율이 낮은 클래드층으로 둘러싸여 광도파로를 형성하는 구조의 레이저 다이오드로서, 굴절율도파형이라고도 불리며, 이득도파형에 비해 임계전류가 작고 발진특성이 안정되어 통신용과 정보처리용으로 많이 사용되고 있다.

이와 같은 매립형 헤테로 구조의 레이저 다이오드의 제조방법에 있어서 종래에는, 에칭법을 사용하여 광도파용 채널을 형성시키는 방법이 사용되었다.

제1도 내지 제6도에 종래의 매립형 레이저 다이오드의 제조과정을 단계별로 도시하였다.

상기 제1도 내지 제6도를 참조하여 종래의 매립형 레이저 다이오드 제조과정을 설명한다. 먼저 제1도에 도시된 바와 같이, InP등과 같은 n형 기판(1)에 그 기판과 같은 도전형의 n-클래드층(2)과 3 또는 4원 화합물로 구성된 활성층(3)을 순차적으로 성장시킨다. 다음에 제2도에 도시된 바와 같이, 산화규소(SiO₂)나 Si₃N₄등과 같은 절연막(dielectric layer)을 도포한 후, 통상의 사진식각법(photolithography)으로 절연영역(8)을 형성한다. 다음에 제3도와 같이, 상기 절연영역(8)을 에칭마스크로 이용하여, 적절한 식각제(etchant)로 상기 활성층(3) 및 n-클래드층(2)을 에칭한다. 여기에 매립형 헤테로 구조를 갖도록 전류제한층을 성장시키기 위해, 제4도와 같이, 상기 절연영역(8)의 불필요한 부분을 사진식각법(photolithography)으로 제거한다. 그 후 액상으로부터 직접 침전시켜 결정성장층을 형성시키는 액상결정성장법 또는 유기 금속을 화학적으로 증착시키는 유기금속기상증착법(metal-organic chemical vapor deposition)을 사용하여, 제5도와같이, p-전류제한층(4) 및 n-전류제한층(5)을 순차적으로 성장시킨다. 그리고 활성층위에 있던 절연층(8')을 제거하고, 제6도와 같이, p-클래드층(6) 및 캡층(7)을 성장시켜 매립형 헤테로 레이저 다이오드를 완성한다.

그런데, 상술한 바와 같은 단계에 의한 제조방법에 있어서는, 상기 활성층(3)과 n-클래드층(2)을 동시에 에칭하도록 통상 Br이 포함된 용액을 에칭용액으로 사용해야 한다. 이 Br이 포함된 에칭용액은 확산제한(diffusion-limited)특성을 가지고 있어서, 에칭시 에칭용액의 대류 및 에칭샘플에서의 위치에 따라 에칭비율이 달라지게 되어 상기 활성층(3)의 에칭 후 남는 폭, 즉 메사(mesa)형 릿지(ridge)폭(W)을 일정하게 하기 어렵게 된다(제3도 참조). 또한 이 에칭에 의해 발생되는 언더컷(undercut)부(u)의 발생으로 이것이 크게 되면 이후의 성장공정이 난해해진다. 따라서 제조되는 레이저 다이오드의 특성이 일정하지 않게 되고 결과적으로 수율(yield)이 낮아지게 되어 제품의 원가가 상승되는 문제점이 있었다. 또한 상기 Br화물이 기판표면에 남아있게 되면, p-전류제한층(4) 및 n-전류제한층(5)의 성장시에 n-클래드층(2)과 p-전류제한층(4) 사이에 잔류하게 되어 다이오드의 성능을 저하시키고, 장시간 동작시 쉽게 열화되어 신뢰성이 떨어지는 문제점이 있었다.

따라서 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창출된 것으로서, 활성층 및 클래드층을 식각하지 않고 기판상에서 성장시킴으로써 다이오드 성능 열화를 방지하도록 한 매립형 레이저 다이오드의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 매립형 레이저 다이오드의 제조방법은,

기판상에 제1절연층을 형성하는 단계와,

상기 제1절연층을 일정 부위를 선택적으로 제거하는 단계와,

상기 제1절연층이 제거된 기판 상면에 선택적 결정성장처리를 통해 제1클래드층 및 활성층을 순차적으로 성장시키는 단계와,

상기 활성층 및 상기 제1절연층 상면에 제2절연층을 형성하는 단계와,

상기 제1절연층 및 제2절연층을 포토리소그래피(photolithography)법으로 선택식각하여, 상기 활성층의 일부 상면에만 제2절연층이 선택적으로 남게하는 단계와,

상기 식각된 부위에 제1전류제한층 및 제2전류제한층을 순차 성장시키는 단계와,

상기 제2절연층을 제거하는 단계, 및

상기 활성층 및 제2전류제한층 상면에 제2클래드층 및 캡층을 순차적으로 성장시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

여기서 상기 제1절연층은 유전체층으로 이루어진다.

또한 상기 선택적 결정성장처리는 유기금속기상증착법(metal-organic chemical vapor deposition)을 이용하는 것이 바람직하며, 상기 포토리소그래피(photolithography)처리는, 이미지 리버스 포토레지스트(image reverse photoresist) 및 포지티브 포토레지스트(positive photoresist)를 순차적으로 사용하는 이중 포토리소그래피(double photolithography)처리를 이용하는 것이 바람직하다.

이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 바람직한 제조방법을 상세히 설명한다. 제7도 내지 제12도에 본 발명에 따른 레이저 다이오드의 한 제조방법을 단계별로 도시하였다. 상기 제7도 내지 제12도를 참조하여 본 발명에 따른 매립형 헤테로 레이저 다이오드의 제조방법을 설명한다.

먼저 제7도에 도시된 바와 같이, 기판(10)상에 제1절연층(80)을 형성시킨다. 이 제1절연층(80) 도포과정은 플라즈마(plasma)를 사용하여 증속된 에너지를 이용하는 플라스마강화화학증착법(plasma enhanced chemical vapor deposition)을 사용하여 균일한 절연층을 형성시키는 것이 바람직하다.

다음으로 제8도에 도시된 바와 같이, 상기 제1절연층(80)을 선택적으로 소정 부위(80a, 80b)만 남도록 제거한다.

다음으로 제9도와 같이, 상기 제1절연층(80)이 제거된 부위에 선택적 결정성장처리를 통해 제1클래드층(20) 및 활성층(30)을 순차적으로 성장시킨다. 이 선택적 결정성장처리는 유기금속을 증착하여 성장시키는 유기금속 기상증착법(metal-organic chemical vapor deposition)을 사용하는 것이 바람직하다.

이어서 제10도와 같이, 상기 성장이 완료된 활성층(30) 및 상기 남아있는 제1절연층(80a, 80b) 표면에 제2절연층(80')을 형성시킨다.

그 후 제11도와 같이, 상기 제2절연층(80')이 도포된 표면을 포토리소그래피 처리하여 상기 남아있는 제1절연층(80a, 80b)을 제거하고, 제2절연층(80')을 선택적으로 제거하여 상기 활성층(30) 일부 상면에만 제2절연층(80')이 선택적으로 남게한다. 상기 포트리소그래피(photolithography) 처리는, 이미지 리버스 포토레지스트(image reverse photoresist) 및 포지티브 포토레지스트(positive photoresist)를 순차적으로 사용하는 이중 포토리소그래피(double photolithography)처리를 사용한다.

다음으로 제12도와 같이, 상기 제거된 부위에 제1전류제한층(40) 및 제2전류제한층(50)을 순차적으로 형성시킨다.

계속해서 제13도에 도시된 바대로 상기 활성층(30) 표면에 남아있는 제2절연층(80'a)을 제거한 후, 제14도와 같이 상기 활성층(30) 및 제2전류제한층(50) 상면에 제2클래드층(60) 및 캡층(70)을 순차적으로 형성시킨다.

따라서 상기 제조방법에 따라 제조된 레이저 다이오드는, 활성층과 제1클래드층을 식각에 의하지 않고 유기금속기상증착법으로 성장시켜 형성시킴으로써 식각에 의해 발생되던 메사폭(W)의 불균일 및 언더컷(undercut)부(u) 발생의 문제점을 제거할 수 있게 되며(제3도 참조), 또한 식각시에 사용되던 Br화합물에 의한 층간의 인터페이스 열화현상도 배제할 수 있어 결과적으로 성능 및 신뢰성이 향상된 매립형 레이저 다이오드를 제조할 수 있게 된다.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참조로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 등록 청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야만 할 것이다.

제1도 내지 제6도는 종래의 레이저 다이오드의 제조공정을 단계별로 도시한 단면도로서,

제1도는 기판상에 제1클래드층 및 활성층을 순차적으로 성장시킨 후의 단면도,

제2도는 활성층위에 절연층을 형성하여 그 절연층을 선택적으로 일부를 식각한 후의 단면도,

제3도는 활성층 및 제1클래드층을 식각하여 채널을 형성시킨 후의 단면도,

제4도는 절연층을 선택적으로 식각한 후의 단면도,

제5도는 제1전류제한층 및 제2전류제한층을 순차적으로 성장시킨 후의 단면도,

제6도는 제2클래드층 및 캡층을 형성시킨 후의 단면도.

제7도 내지 제14도는 본 발명에 따른 레이저 다이오드의 제조과정을 단계별로 도시한 단면도로서,

제7도는 기판상에 제1절연층을 형성한 후의 단면도,

제8도는 제1절연층을 형성하여 그 제1절연층을 선택적으로 식각한 후의 단면도,

제9도는 기판상에 제1절연층이 형성되지 않은 부위에 제1클래드층 및 활성층을 순차적으로 성장시킨 후의 단면도,

제10도는 활성층 및 제1절연층의 상측면에 제2절연층을 형성한 후의 단면도,

제11도는 제2절연층 및 제1절연층을 선택적으로 식각한 후의 단면도,

제12도는 제1전류제한층 및 제2전류제한층을 순차적으로 성장시킨 후의 단면도,

제13도는 제2절연층을 제거한 후의 단면도,

제14도는 제2클래드층 및 캡층을 형성시킨 후의 단면도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10...기판 20...제1클래드층

30...활성층 40...제1전류제한층

50...제2전류제한층 60...제2클래드층

70...캡층 80...제1절연층

80'...제2절연층

Claims (6)

1. 매립형 헤테로 반도체 레이저를 제조하는 방법에 있어서,

   기판상에 제1절연층을 형성시키는 단계:

   상기 제1절연층의 일정 부위를 선택적으로 제거하는 단계:

   상기 제1절연층이 제거된 기판상면에 선택적 결정성장처리를 통해 제1클래드층 및 활성층을 순차적으로 성장시키는 단계;

   상기 활성층 및 상기 제1절연층 상면에 제2절연층을 형성시키는 단계;

   상기 제1절연층 및 제2절연층을 선택적으로 제거하여 상기 활성층의 일부 상면에만 제2절연층이 남게하는 단계;

   상기 식각된 부위에 제1전류제한층 및 제2전류제한층을 순차적으로 형성시키는 단계 ;

   상기 활성층 표면에 남아있는 제2절연층을 제거하는 단계; 및

   상기 활성층 및 제2전류제한층 표면에 제2클래드층 및 캡층을 순차적으로 성장시키는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 다이오드의 제조방법.
2. 제1항에 있어서,

   상기 제1절연층은 유전체층으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 레이저 다이오드의 제조방법.
3. 제1항에 있어서,

   상기 제1절연층 형성과정은 플라스마 강화 화학증착법을 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 다이오드의 제조방법.
4. 제1항에 있어서,

   상기 제1절연층의 선택적 일정부위 제거는, 그 제1절연층에 하나 이상의 스트라입형 채널이 형성되도록 제거하는 것을 특징으로 하는 레이저 다이오드의 제조방법.
5. 제1항에 있어서,

   상기 선택적 결정성장처리는 유기금속 기상증착법을 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 다이오드의 제조방법.
6. 제1항에 있어서,

   상기 포토리소그래피 처리는, 이미지 리버스 포토레지스트 및 포지티브 포토레지스트를 순차적으로 사용하는 이중 포토리소그래피 처리를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 다이오드의 제조방법.