KR100366045B1 - 반도체 레이저 다이오드 및 그 제조방법 - Google Patents

반도체 레이저 다이오드 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 레이저 다이오드 및 그 제조방법에 관하여 개시한 것으로서, 본 발명에 따른 레이저 다이오드 및 그 제조방법의 특징에 의하면 HR 코팅면 쪽의 캡층 일부를 제거하여 상대적으로 이득이 작은 반사방지막 코팅면 쪽에 전류가 더 많이 주입되도록 한 구조로 형성한 것으로서, 이러한 구조적 특징에 의해 HR 코팅면 쪽은 과잉 전류가 감소하여 손실을 줄여 낮은 임계 전압과 높은 효율을 기대할 수 있도록 한 것이다.

Description

반도체 레이저 다이오드 및 그 제조방법
본 발명은 반도체 레이저 다이오드 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 빛이 나오는 반대면의 주입 전류가 감소된 구조로 개량함으로써 효율 특성을 향상시킨 반도체 레이저 다이오드 및 그 제조방법에 관한 것이다.
반도체 레이저 다이오드는 비교적 소형이면서 가격이 저렴하고, 특히 전류조절을 통해 강도조절이 가능하다는 등의 특징을 가지고 있기 때문에 컴팩트 디스크 플레이어(CDP)나 광학 메모리, 고속 레이저 프린터등의 정보처리기기나 광통신용기기의 광원으로 그 응용범위를 넓혀가고 있다.
이러한 반도체 레이저 다이오드는 통상 그 효율을 높이기 위해 빛이 나오는 전면(front facet)에 반사방지막(AR) 코팅을, 그리그 그 반대면에는 반사막(HR) 코팅을 하여 준다. 이렇게 함으로써, 레이저 내의 이득 특성(Gain profile)이 비대칭적으로 된다. 즉, 반사막 코팅면 쪽으로 갈수록 이득이 커지고, 반사방지막 쪽으로 갈수록 이득이 작아진다. 따라서, 반사막 코팅면 쪽은 주입 전류(injected carrier)가 적어도 레이징(lasing)이 가능하고, 반사방지막 쪽은 주입 전류가 많이 필요하게 된다.
제1도는 종래의 리지 광도파형 반도체 레이저 다이오드기 구조를 나타내 보인 개략적 사시도이다.
제1도를 참조하여 보면 종래의 리지 광도파형 반도체 레이저 다이오드의 구조는 도시된 바와 같이, GaAs 또는 InP 기판(11) 위에 버퍼층(12)과 하부 크래드층(13), 제1광도파층(14), 활성층(15), 제2장도파층(16) 및 상부 크래드층(17)이 에피택시 성장에 의해 순차 적층된 레이저 발진층이 형성되어 있다. 상기 상부 크래드층(17)의 양쪽 가장자리는 계단형의 어깨부가 형성되고, 그 중앙부는 돌출되어 통전 채널의 역할을 하는 리지구조로 형성되어 있다. 그리고, 상기 상부 크래드층(17)의 리지 상면에는 캡층(18)이 성장되어 있고, 상기 상부 크래드층(17)의 양쪽 어깨부 상면 및 리지 측면에는 SiO2층을 성막하여 형성된 전류제한층(19)이 적층되어 있다. 또한, 상기 기판(11)의 저면과, 상기 캡층(18) 및 전류제한층(19)의 상면에는 각각 금속층(1)(2)이 형성되어 있는 구조를 이루고 있다.
그러나, 상기와 같은 구조의 종래 반도체 레이저 다이오드는 비대칭 (asymmetric) 이득 특성(Gain profile)에 상관없이 일정하게 전류를 주입해 준다. 이로써, 반사막(HR) 코팅면 쪽에시는 과잉 전류(excess carrier) 현상이 나타나고, 반사방지막 코팅면 쪽에서는 오히려 전류 부족 현상이 나타난다. 따라서, 반사막 (HR) 코팅면 쪽에서의 과잉 전류(excess carrier)는 손실(loss)로 작용하기 때문에 소자의 전류(threshold current)를 높이고 발진효율을 저하시키는 문제점으로 작용하였다.
따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 종래의 반도체 레이저 다이오드가 가지는 문제점을 감안하여 이를 개선코자 창출된 것으로서, 본 발명은 빛이 나오는 반대면 즉, 반사막(HR) 코팅면 쪽의 주입 전류를 감소시킨 구조 개량에 의해 효율 특성을 향상시킨 반도체 레이저 다이오드를 제공함에 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 상기 목적을 달성하기 위한 반도체 레이저 다이오드의 제조에 있어서 최적인 제조방법을 제공함에 그 다른 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 반도체 레이저 다이오드는,
기판 위에 순차 성장되어 적층 구조체를 이루는 레이저 발진층과, 캡층 및 상기 기판의 저면과 상기 캡층의 상면 각각 형성된 금속층을 포함하는 반도체 레이저 다이오드에 있어서,
상기 캡층은 부분적으로 제거된 부위가 형성되어, 그 부위의 주입 전류가 감소되도록 된 것을 특징으로 한다.
상기한 다른 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 의한 반도체 레이저 다이오드의 제조방법은,
기판 위에 레이저 발진층과 캡층을 순차적으로 에피택시 성장시켜 적층구조체를 형성하는 성장단계와;
상기 적충구조체 위에 산화막을 증착하여, 포토리소그래피에 의해 소정 패턴의 식각 마스크를 형성하고, 상기 캡층 및 레이저 발진층의 양단을 소정 깊이 만큼 식각하여 중앙부에 리지를 형성하는 제1식각단계와;
상기 식각 마스크를 제거하고, 상기 결과물의 상부에 포토레스트를 도포하여 부분적으로 오픈된 마스크를 이용해 상기 캡층을 부분적으로 식각하여 제거하는 제2식각단계와;
상기 결과물의 상부에 산화막을 증착하고, 그 위에 포토레지스트를 도포하여 노광에 의해 리지 상부의 산환막을 제거하고 리지 양쪽에 전류제한층을 형성하는제1증착단계와;
상기 결과물에 잔류된 포토레지스트를 제거하고, 상기 전류제한층 및 캡층 상부와 상기 기판의 하면에 각각 제1금속층 및 제2금속층을 증착하는 제2증착단계;를 순차 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 본 발명에 따른 레이저 다이오드 및 제조방법에 있어서, 특히 상기 캡층의 부분적 제거 부위는 HR 코팅면 쪽에 형성되는 것이 바람직하고, 캡층의 상면 전체 면적에서 12.5 내지 33%치 면적이 제기되는 것이 바람직하다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 바람직한 실시예에 따른 본 발명의 반도체 레이저 다이오드 및 그 제조방법에 대하여 상세히 설명한다.
제2도는 본 발명에 따른 반도체 레이저 다이오드의 구조를 나타내 보인 개략적 사시도이다.
제2도를 참조하면 본 발명에 의한 반도체 레이저 다이오드는 도시된 바와 같이, GaAs 또는 InP 기판(21) 위에 버퍼층(22)과 하부 크래드층(23), 제1광도파층 (24), 활성층(25), 제2광도파층(26) 및 상부 크래드층(27)이 에피택시 성장에 의해 순차 적층된 레이저 발진층이 형성되어 있다. 상기 상부 크래드층(27)의 양쪽 가장자리는 계단형의 어깨부가 형성되고, 그 중앙부는 돌출되어 통전 채널의 역할을 하는 리지구조로 형성되어 있다. 그리고, 상기 상부 크래드층(27)의 리지 상면에는 캡층(28)이 성장되어 있고, 상기 상부 크래드층(17)의 양쪽 어깨부 상면 및 리지 측면에는 SiO2층을 성막하여 형성된 전류제한층(29)이 적층되어 있다. 또한, 상기기판(21)의 저면과, 상기 캡층(28) 및 전류제한층(29)의 상면에는 각각 금속층 (1')(2')이 형성되어 있는 구조를 이루고 있다.
이러한 구조는 전체적으로 볼 때, 상술한 바 있는 종래의 구조와 동일한 것이지만, 상기 구조에서 본 발명을 특징지우는 것은 상기 캡층(28)은 반사막(HR) 코팅면 쪽으로 치우친 영역에 부분적으로 제거된 부위(R)가 형성되어 있는 것이다. 이러한 구조의 특징에 의하면, 반사막(HR) 코팅면 쪽의 캡층(28) 일부가 제거되어 상대적으로 이득이 작은 반사방지막(AR) 코팅면 쪽에 전류가 더 많이 주입된다. 따라서, 반사막(HR) 코팅면 쪽은 과잉 전류가 감소하여 손실을 줄일 수가 있다.
한편, 본 발명의 바람직한 실시예에 의하면 상기 캡층이 부분적으로 제거된 부위(R)는 캡층(28)의 상면 전체 면적에서 12.5 내지 33%의 면적이 제거된 것이 바람직하다. 그리고, 상기 캡층이 부분적으로 제거된 부위(R)의 형태는 일정 간격을 두고 복수의 영역에 형성되어 있는 것이 바람직하다.
상기와 같은 구조적 특징을 갖는 본 발명에 의한 레이저 다이오드는 제2도에 예시한 바와 같은 리지 광도파(Ridge waveguide) 구조이 레이저 다이오드를 그 예로 설명하였으나 이에 한정되는 것은 아니고, 매립헤테로(buried hetero) 구조, 플래너형(planar broad stripe) 구조 등의 레이저 다이오드에 있어서도 캡층이 부분적으로 제거된 부위를 형성한 구조의 적용이 가능하다.
이하에서는 상기한 본 발명에 따른 레이저 다이오드의 제조방법에 대해 상세히 설명한다.
제3도 내지 제13도는 본 발명에 의한 레이저 다이오드의 단계별 제조공정도로서, 이들 도면들을 참조하여 보면 본 발명에 의한 레이저 다이오드의 제조방법은 다음과 같다.
먼저, 제3도에 도시된 바와 같이 GaAs 또는 InP 기판(12) 위에 통상의 MOCVD 또는 MBE 방법을 이용하여 버퍼층(22), 하부 크래드층(23), 활성층(24), 제1광도파층(24), 상부 크래드층(25), 제2광도파층(26), 상부 크래드층(27) 및 캡층(28)을 순차 성장시켜 레이저 발진층을 형성하고, 상기 캡층(28) 상면에 SiO2유전체막(31)을 증착시킨다.
이어서, 제4도에서와 같이 상기 SiO2유전체막(31)을 패터닝에 의해 소정 폭의 스트라이프형 식각 마스크(32)로 형성한다.
다음에, 제5도에 예시된 바와 같이 상기 식각 마그크(32)를 이용하여 건식 식각법에 의해 상기 캡층(28)의 양쪽을 선택적으로 식각하여 소정 폭을 가지는 스트라이프형으로 형성하고, 이어서 상기 상부 크래드층(27)의 양쪽 가장자리를 소정 폭과 깊이 만큼 식각하여 중앙부가 돌출된 리지구조를 형성한다.
제6도는 리지 상부의 식각 마스크(32)를 BOE(buffer oxide etchant)로 제거하여 리지를 완성한 구조를 보인 것이다.
그런 다음, 본 발명에 의한 제조방법을 특징짓는 단계적 요소로서, 제7도에 예시한 바와 같이 상기 결과물의 상부에 포토레지스트(33)를 도포하여 패터닝 준비를 하고, 제8도에서와 같이 부분적으로 오픈되어 있는 개구부(34a)가 다수 형성되어 있는 마스크(34)를 이용하여 노광에 의해 제9도에 예시된 바와 같이 포토레지스트가 부분적으로 제거되어 캡층(28)의 상면 일부가 노출된다.
제8도는 레이저 다이오드의 길이 방향의 측면도로서, 이를 참조하면 상기 마스크(34)는 도시된 바와 같이 부분적으로 오픈된 개구부(34a)가 레이저 다이오드의 반사막(HR) 코팅면 쪽에 위치하도록 배치된다. 그리고, 상기 개구부(34a)의 오픈된 부분은 마스크의 전체 길이에 대해 12.5 내지 33%의 길이를 가진다. 또한, 상기 개구부(34a)는 레이저 다이오드의 중앙부에서 반사막(HR) 코팅면 쪽 사이에 위치하며, 그 오픈폭은 일정하게 형성할 수도 있으나, 일정 간격을 두고 반사막(HR) 코팅면 쪽으로 갈수록 그 폭이 넓게 형성된 것이 바람직하다.
다음 단계로서, 제9도의 측면도에서와 같이 상기 캡층(28)의 상면 일부가 상기 마스크(34)의 개구부(34a)로 노출된 상태에서 건식 또는 습식 식각법을 이용하여 상기 캡층(28)의 노출 부위를 제거해 낸다. 제10도는 상기 과정에 의해 캡층이 부분적으로 제거된 구조기 측면을 보인 것이다.
그런 다음, 제11도에 도시된 단면도에서와 같이, 상기 결과물의 상부에 SiO2산화막(29)을 증착하고, 그 위에 포토레지스트(36)를 도포한 다음, 노광 과정에 의해 제12도의 단면도와 같이 리지 상부의 SiO2산화막을 노출시켜 제거함으로써, 리지 양쪽에 잔류한 SiO2산화막이 전류제한층(29)으로 형성된다.
마지막으로, 상기 결과물에 잔류된 포토레지스트(36)를 제거하고, 상기 전류제한층(29) 및 캡층(28)의 상부에 p-금속층(2')을, 그리고 상기 기판(21)의 저면에 n-금속충을 각각 증착하여 소자의 제작을 완료하게 된다.
상술한 본 발명에 의한 레이저 다이오드의 제조방법은 도면에 예시한 바와 같이 리지 광도파(Ridge waveguide) 구조를 갖는 레이저 다이오드의 예를 들어 설명하였으나, 이에 한정되는 것은 아니고 매립 헤테로(buried hetero) 구조, 플래너형(planar broad stripe) 구조 등의 레이저 다이오드에 있어서도 캡층이 부분적으로 제거된 부위를 형성하는 단계의 적용이 가능하다. 따라서, 제7도 내지 제11도에 예시된 과정은 본 발명에 의한 레이저 다이오드의 제조방법을 특징짓는 단계적 요소로서 여러 다른 형의 구조를 가지는 레이저 다이오드의 제조에 작용할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 의한 반도체 레이저 다이오드는 반사막(HR) 코팅면 쪽의 캡층 일부를 제거하여 상대적으로 이득이 작은 반사방지막(AR) 코팅면 쪽에 전류가 더 많이 주입되도록 한 구조로 형성한 것으로서, 이러한 구조적 특징에 의해 HR 코팅면 쪽은 과잉 전류가 감소하여 손실을 줄일 수 있게 된다. 따라서, 낮은 임계 전압(Threshold)과 높은 효율을 기대할 수 있는 레이저 다이오드를 얻을 수 있다.
제1도는 종래의 리지 광도파(Ridege waveguide)형 반도체 레이저 다이오드의 구조를 나타내 보인 개략적 사시도이다.
제2도는 본 발명에 의한 리지 광도파형 반도체 레이저 다이오드의 구조를 나타내 보인 개략적 사시도이다.
제3도 내지 제13도는 본 발명에 의한 리지 광도파형 반도체 레이저 다이오드의 단계별 제조공정도이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1, 1'. .제1금속층 2, 2'..제2금속층
11, 21..기판 12, 22..버퍼층
13, 23..하부 크래드층 14, 24..제1광도파층
15, 25..활성층 16, 26..제2광도파층
17, 27..상부크래층 18, 28..캡층
19, 29..전류제한층 31..SiO2유전체막
32..식각 마스크 33..포토레지스트

Claims (10)

  1. 기판 위에 순차 성장되어 적층 구조체를 이루는 레이저 발진층과, 상기 레이저 발진층의 일부에 적층되는 전류제한층 및 캡층, 그리고 상기 기판의 저면과 상기 캡층의 상면에 각각 형성된 금속층을 포함하는 반도체 레이저 다이오드에 있어서,
    상기 캡층은 부분적으로 제거된 부위가 형성되어, 그 부위의 주입 전류가 감소되도록 된 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 다이오드.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 캡층이 부분적으로 제거된 부위는 HR 코팅면 쪽으로 치우쳐 형성된 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 다이오드.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 캡층이 부분적으로 제거된 부위는 캡층 상면의 전체 면적에서 12.5 내지 33%의 면적이 제거된 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 다이오드.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 캡층이 부분적으로 제거된 부위는 일정 간격을 두고 복수의 영역에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 다이오드.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 캡층이 부분적으로 제거된 부위는 일정 간격을 두고, HR 코팅면 쪽으로 갈수록 그 길이가 길게 형성된 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 다이오드.
  6. 기판 위에 레이저 발진층과 캡층을 순차적으로 에피택시 성장시켜 적층구조체를 형성하는 성장단계와:
    상기 적층구조체 위에 산화막을 증착하여, 포토리소그래피에 의해 소정 패턴의 식각 마스크를 형성하고, 상기 캡층 및 레이저 발진층의 양단을 소정 깊이 만큼 식각하여 중앙부에 리지를 형성하는 제1식각각단계와;
    상기 식각 마스크를 제거하고, 상기 결과물의 상부에 포토레스트를 도포하여 부분적으로 오픈된 마스크를 이용해 상기 캡층을 부분적으로 식각하여 제거하는 제2식각단계와:
    상기 결과물의 상부에 산화막을 증착하고, 그 위에 포토레지스트를 도포하여 노광에 의해 리지 상부의 산화막을 제거하고 리지 양쪽에 전류제한층을 형성하는 제1증착단계와:
    상기 결과물에 잔류된 포토레지스트를 제거하고, 상기 전류제한층 및 캡층 상부와 상기 기판의 하면에 각각 제1금속층 및 제2금속층을 증착하는 제2증착단계:를 순차 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 다이오드의 제조방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제2식각단계에서 상기 캡층이 부분적으로 제거되는 부위는 HR 코팅면 쪽으로 치우쳐 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 다이오드의 제조방법.
  8. 제6항 또는 제7항에 있어서,
    제2식각단계에서 상기 캡층이 부분적으로 제거된 부위는 캡층 상면의 전체 면적에서 12.5 내지 33%의 면적이 제거되는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 다이오드의 제조방법.
  9. 제6항 또는 제7항에 있어서,
    상기 제2식각단계에서 상기 캡층이 부분적으로 제거된 부위는 일정 간격을 두고 복수의 영역에 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 다이오드의 제조방법.
  10. 제6항 또는 제7항에 있어서,
    상기 제2식각단계에서 상기 캡층이 부분적으로 제거된 부위는 일정 간격을 두고, HR 코팅면 쪽으로 갈수록 그 길이가 길게 형성된 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 다이오드의 제조방법.
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