KR100372767B1 - 반도체 레이저 다이오드 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 반도체 레이저 다이오드 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 화합물 반도체기판 상에 역경사면을 갖는 홈을 형성하되 홈의 깊이를 후에 형성되는 제1클래드층과 활성층 두께의 합 보다 깊게 형성하고, 상기 홈 상측의 반도체기판과 홈 저부에 서로 불연속면을 갖는 제1클래드층과 활성층 및 제2클래드층을 순차적으로 형성한 후, 상기 홈상측의 제2클래드층 상부에만 금속전극을 형성하여 상기 홈 저부에 형성된 활성층에서의 발광을 방지하며, 상기 홈 부분에서 반도체기판을 절단하여 양측면에서는 홈상측에 형성된 활성층의 양측 단부가 홈 저부에 형성된 제2클래드 층과 만나 상기 홈 부분이 윈도우 영역이 되도록 반도체 LD 를 형성하였으므로, 상기 홈 저면 상측의 제2클래드층이 활성층보다 광 흡수율이 작아 광 흡수에 의한 산화 및 열적 안정성의 악화 등이 방지되고 공정이 간단하여 공정수율 및 소자 동작의 신뢰성이 향상된다.

Description

반도체 레이저 다이오드 및 그 제조방법
본 발명은 반도체 레이저 다이오드 ( light amplification by stimulated emission of radition diode; 이하 LD라 칭함 ) 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 특히 레이저 빔을 외부로 방출하는 효율을 증가시키기 위하여 양측에 역경사면을 갖고 그 부분상에 성장된 제1클래드층과 활성층 및 제2클래드층을 윈도우 영역으로하여 레이저빔의 흡수율이 낮고, 열적 안정성이 우수하여 공정수율 및 소자 동작의 신뢰성을 향상시킬 수 있는 기술에 관한 것이다.
최근 반도체 산업 전반의 비약적인 발전에 의해 정보 통신의 필요성이 증대되고 있으며, 효과적인 정보통신을 위한 송신 수단으로서 단일 파장이며, 직진성이 뛰어난 레이저가 주목받고 있다.
상기 레이저는 레이저 매질의 종류에 따라 기체, 액체, 고체, 반도체 및 화학 레이저로 나누어진다.
상기 반도체 레이저 다이오드는 다른 레이저에 비해 구동 전류가 작고, 소형이며, 전류의 변화에 따라 빛의 세기 및 주파수를 직접 변조 할 수 있고, 레이저의 효율이 통상 70% 이상으로 매우 높으며, 광범위한 파장 영역을 갖는 등의 이점이 있어 레이저 프린터, 바코드 리더 등과 같은 사무용 기기나 광통신 기기 등에서 광 신호 발생 장치로 널리 사용되고 있다.
또한 광 검출소자(photo detecter)는 LD 로부터 발생된 광신호가 광섬유를 통하여 수신부로 들어올 때 그 광 신호를 전기적 신호로 변환시키는 소자이다.
상기 반도체 LD는 발광 다이오드의 일종으로서, III-V족이나 II-VI족 화합물 반도체로 형성되며, 반도체 기판에 형성된 PN 접합에서 발생되는 단일 파장의 빛을 굴절율이 다른 물질의 사이에서 증폭시키는 원리로 동작된다.
현재의 반도체 LD는 통상 각 화합물 반도체 층들을 유기 금속 화학기상증착( metal organic chemical vapor deposition; 이하 MOCVD라 칭함 ) 방법이나, 액상 에피택시 ( liquid phase epitaxy; 이하 LPE라 칭함 ) 등의 방법으로 약 550∼650℃ 정도의 고온에서 형성되는데, 공기 중에 장기간 노출되는 등의 원인으로 제작 수율이 낮고, 장시간 사용 시 특성이 저하되는 등의 신뢰성 문제가 있다.
제 1 도는 종래 기술에 따른 반도체 레이저 다이오드의 단면도로서, 반도체 기판으로 N형 GaAs 기판을 사용한 예이다.
먼저, N형 GaAs 반도체 기판(1) 상에 N형 CaInP 로 된 제1클래드층(2), 진성 ( intrinsic; 이하 i라 칭함 ) AlGaInP 로 된 활성층(3) 그리고 P형 AlGaInP 로 된 제2클래드층(4)이 MOCVD 방법을 이용하여 순차적으로 성장되고,
상기 제2클래드층(4)상에 P형 InGaP 나 GaAs 로 된 캡층(5)이 형성되고,
상기 캡층(5)의 상측과 반도체기판(1)의 이면에 각각 금속전극(6)이 형성된다.
상기와 같이 종래 기술에 따른 LD는 LD의 방사 에너지가 높아 LD의 표면에서 광흡수가 되면, 표면의 산화 및 열적 변형이 발생하여 소자 동작의 신뢰성이 떨어지는 문제점이 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여 상기 제2클래드층의 상부에 절연재질로된 전류차단층을 형성하기도 하는데, 이는 표면에서의 전류 유입이 감소되어 산화가 방지되고, 열적 안정성이 향상되지만, 활성층에서의 레이저 빔의 흡수가 증가되어 광 발진 효율이 저하되는 다른 문제점이 있다.
또한 다른 경우에는 활성층과 제1 및 제2클래드층을 스트라이프 형상으로 메사 식각하고, 그 부분에 광흡수율이 낮은 물질을 재성장시킨 구조도 사용되고 있으나, 메사식각후 재성장이 필요하므로 공정이 복잡하고, 출력이 작아지는 등의 또다른 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 양측에 역경사면을 갖고 있는 기판 상에 클래드층들과 활성층을 성장시켜 LD를 구성하되 상기 경사면 하부에 제1클래드층과 활성층 및 제2클래드층의 일부가 포함되도록 하여 활성층보다 낮은 광 흡수율의 클래드층을 형성함으로써 기판 상측의 활성층이 경사면 하부의 제2클래드층과 만나는 윈도우 영역이 형성되어 거울면에서 광흡수에 의한 산화를 감소시키고, 열적 안정성이 향상되며, 공정이 간단하여 공정수율 및 소자동작의 신뢰성을 향상시킬 수 있는 반도체 LD를 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 반도체기판 상에 스트라이프 형상의 역경사면을 갖는 홈을 형성하고, 상기 홈 상부와 하부에 제1클래드층과 활성층 및 제2클래드층을 순차적으로 형성하여, 공정이 간단하고, 소자동작의 신뢰성을 향상시킬 수 잇는 반도체 LD의 제조 방법을 제공함에 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 반도체 LD 는,
양측에 스트라이프 형상으로 역경사면을 갖는 단차가 형성되되, 상기 경사면의 깊이가 제1클래드층 및 활성층의 두께 보다 깊게 형성된 제1도전형의 반도체기판과,
상기 단차의 상측면과 하측면에 각각 독립적으로 형성되어있는 제1클래드층과,
상기 제1클래드층들 상에 형성된 활성층과,
상기 활성층 상에 형성되되, 경사면의 인접부에서 상기 단차 상측면의 활성층과 일측이 접촉되어 있는 제2클래드층과,
상기 단차의 상부면 상에 형성된 상기 제2클래드층 상부와 상기 반도체기판의 배면에 형성된 금속전극을 구비하는 것과,
상기 제1 및 제2도전형이 서로 반대 도전형이며, 각각 N 또는 P형 인 것과,
상기 반도체기판이 N형 GaAs인 것과,
상기 제1클래드층이 N형 AlGainP 이고, 활성층이 진성 InGaP이며, 제2클래드층이 P형 AlGaInP로 형성된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 반도체소자의 LD 제조방법은,
제1도전형의 화합물 반도체기판의 일측에 역경사면을 갖는 스트라이프 형상의 홈을 형성하되, 상기 홈의 깊이를 후에 형성되는 제1클래드층과 활성층 두께의 합 보다 깊게 형성하는 공정과,
상기 홈의 상측면과 하측면 상에 제1도전형의 화합물 반도체로 형성된 제1클래드층을 형성하는 공정과,
상기 제1클래드층 상에 화합물 반도체로 형성된 활성층을 형성하는 공정과,
상기 활성층 상에 제2도전형의 화합물 반도체로 형성된 제2클래드층을 형성하여 상기 홈 상측의 활성층 단부가 상기 홈 하측에 형성된 제2클래드층과 접속시키는 공정과,
상기 홈 상측의 제2클래드층의 상부와 상기 반도체기판의 타측면에 금속전극을 형성하는 공정과,
상기 반도체기판을 상기 홈 부분에서 절단하여 각각의 LD로 분리시키는 공정을 포함하며,
상기 홈 형성을 위한 식각마스크는 산화막패턴이나 질화막패턴이 사용되는 것과,
상기 제1클래드층에서 제2클래드층까지의 적층구조는 MOCVD 방법이나 LPE 방법을 이용하여 순차적으로 성장시키는 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명에 따른 반도체 LD 및 그 제조방법에 관하여 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다.
제 2A 도 내지 제 2C 도는 본 발명에 따른 반도체 LD 의 제조 공정도로서, N형 GaAs 기판을 사용한 예이며, 구조와 제조방법을 함께 설명한다.
먼저, 제1도전형의 화합물 반도체, 예를 들어 N형 GaAs 로 형성된 반도체기판(1)의 일측면에 산화막 패턴으로 형성된 식각마스크(10)를 스트라이프 형상으로 형성하고, 상기 식각마스크(10)에 의해 노출되어있는 반도체기판(1)을 역메사 식각하여 역경사면을 갖는 홈(11)을 형성한다.
이때 상기 홈(11)의 깊이는 후에 형성될 제1클래드층과 활성층 두께의 합 보다 깊게 형성한다. (제 2A 도 참조).
그 다음, 상기 식각마스크(10)를 제거하고, 상기 구조의 전표면에 제1도전형 화합물 반도체, 예를 들어 N형 AlGaInP 로 형성된 제1클래드층(2)과, 화합물 반도체로서 상기 제1클래드층(2) 보다 굴절율이 높은 조성, 예를 들어 진성 InGaP 로 형성된 활성층(3)과, 제 2 도전형, 예를 들어 P형 AlGaInP 로 형성된제2클래드층(4)을 순차적으로 MOCVD 방법으로 성장시킨다.
이때, 상기 홈(11)의 경계 부분에서 각 성장층들 간의 불연속면이 생기게되어 반도체기판(1) 상측의 활성층(3)의 단부가 홈(11)의 내측에 성장된 광흡수율이 낮은 제2클래드층(4)과 접하게 된다. (제 2B 도 참조).
그후, 상기 반도체기판(1) 상측의 제2클래드층(4)상에 금속전극(6)을 형성하고, 상기 반도체기판(1)의 타측면에도 금속전극(6)을 형성하여, 상기 홈(11) 내측의 활성층(3)이 발광하는 것을 방지하였다.
그 다음, 상기 홈(11) 부분에서 상기 구조의 반도체기판(1)을 절단하여 양측 면에 홈(11)에 의해 형성된 윈도우영역(20)을 갖는 개개의 LD로 분리하여, 상기 LD의 측면에 거울면(8)을 형성한다. (제 2C 도 참조).
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 반도체 LD 및 그 제조방법은 화합물 반도체기판 상에 역경사면을 갖는 홈을 형성하되 홈의 깊이를 후에 형성되는 제1클래드층과 활성층 두께의 합 보다 깊게 형성하고, 상기 홈 상측의 반도체기판과 홈 저부 상에 서로 불연속면을 갖는 제1클래드층과 활성층 및 제2클래드층을 순차적으로 형성한 후, 상기 홈상측의 제2클래드층 상부에만 금속전극을 형성하여 상기 홈 저부 상에 형성된 활성층에서의 발광을 방지하며, 상기 홈 부분에서 반도체기판을 절단하여 양측면에서는 홈상측에 형성된 활성층의 양측 단부가 홈 저부 상에 형성된 제2클래드층과 만나 상기 홈 부분이 윈도우 영역이 되도록 반도체 LD를 형성하였으므로, 상기 홈 저면 상측의 제2클래드층이 활성층보다 광 흡수율이 작아 광 흡수에 의한 산화 및 열적 안정성의 악화 등이 방지되고 공정이 간단하여 공정수율 및 소자 동작의 신뢰성을 향상시킬 수 있는 이점이 있다.
제 1 도는 종래 기술에 따른 반도체 레이저 다이오드의 단면도.
제 2A 도 내지 제 2C 도는 본 발명에 따른 반도체 레이저 다이오드의 제조 공정도.
〈 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 〉
1 : 반도체기판 2 : 제1클래드층
3 : 활성층 4 : 제2클래드층
5 : 캡층 6 : 금속전극
8 : 거울면 10 : 식각마스크
11 : 홈 20 : 윈도우 영역

Claims (7)

  1. 양측에 스트라이프 형상으로 역경사면을 갖는 단차가 형성되되, 상기 경사면의 깊이가 제1클래드층 및 활성층의 두께 보다 깊게 형성된 제1도전형의 반도체기판과,
    상기 단차의 상측면과 하측면에 각각 독립적으로 형성되어있는 제1클래드층과,
    상기 제1클래드층들 상에 형성된 활성층과,
    상기 활성층 상에 형성되되, 경사면의 인접부에서 상기 단차 상측면의 활성 층과 일측이 접촉되어 있는 제2클래드층과,
    상기 단차의 상부면 상에 형성된 상기 제2클래드층 상부와 상기 반도체기판의 배면에 형성된 금속전극을 구비하는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 다이오드.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2도전형이 서로 반대 도전형이며, 각각 N 또는 P형 인 것을 특징으로하는 반도체 레이저 다이오드.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 반도체기판이 N형 GaAs인 것을 특징으로하는 반도체 레이저 다이오드.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1클래드층이 N형 AlGaInP 이고, 활성층이 진성 InGaP이며, 제2클래프층이 P형 AlGaInP로 형성된 것을 특징으로하는 반도체 레이저 다이오드.
  5. 제1도전형의 화합물 반도체기판의 일측에 역경사면을 갖는 스트라이프 형상의 홈을 형성하되, 상기 홈의 길이를 후에 형성되는 제1클래드층과 활성층 두께의 합 보다 깊게 형성하는 공정과,
    상기 홈이 상측면과 하측면 상에 제1도전형의 화합물 반도체로 형성된 제1클래드층을 형성하는 공정과,
    상기 제1클래드층 상에 화합물 반도체로 형성된 활성층을 형성하는 공정과,
    상기 활성층 상에 제2도전형의 화합물 반도체로 형성된 제2클래드층을 형성하여 상기 홈 상측의 활성층 단부가 상기 홈 하측에 형성된 제2클래드층과 접속시키는 공정과,
    상기 홈 상측의 제2클래드층의 상부와 상기 반도체기판의 타측면에 금속전극을 형성하는 공정과,
    상기 반도체기판을 상기 홈 부분에서 절단하여 각각의 LD로 분리시키는 공정을 구비하는 반도체 레이저 다이오드의 제조방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 홈 형성을 위한 식각마스크는 산화막패턴이나 질화막패턴이 사용되는 것을 특징으로하는 반도체 레이저 다이오드의 제조방법.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 제1클래드층에서 제2클래드층까지의 적층구조는 MOCVD 방법이나 LPE 방법을 이용하여 순차적으로 성장시키는 것을 특징으로하는 반도체 레이저 다이오드의 제조방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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