KR100390439B1 - 적색 레이저 다이오드 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 반도체 레이저에 관한 것으로, 특히 GaAs 컴플라이언트 기판을 이용한 적색 레이저 다이오드에 관한 것이다. 이와 같은 본 발명에 따른 적색 레이저 다이오드는 GaAs 기판과, 상기 GaAs 기판 위에 형성되는 GaAs 컴플라이언트 기판과, 상기 GaAs 컴플라이언트 기판 위에 순차적으로 형성되는 제1, 제2 도전형 Inx(GayAl1-y)1-xP 클래드층과, 상기 제1, 제2 도전형 Inx(GayAl1-y)1-xP (0.1<x<0.3,0<y<1) 클래드층 사이에 형성되고, InxGa1-xP(0<x<0.5) 양자우물층과, Inx(GayAl1-y)1-xP(0.1<x<0.3,0<y<1) 양자장벽층이 교대로 적층되어 형성되는 활성층과, 상기 제2 도전형 클래드층 상부와, 상기 기판 하부에 각각 형성되는 전극으로 이루어진다.

Description

적색 레이저 다이오드{Laser Diode for generating red light}
본 발명은 반도체 레이저에 관한 것으로, 특히 GaAs 컴플라이언트 기판을 이용한 적색 레이저 다이오드에 관한 것이다.
일반적으로 반도체 레이저는 DVD-RAM, CD-R, CD-RW와 같은 광기록 및 재생용 소자로써, 광가입자용 및 장거리 광통신의 광원, 그리고 의학용 및 산업용 등에 응용되어 널리 사용되고 있다.
최근에는 레이저 디스플레이에도 응용되고 있다. 이러한 레이저 디스플레이의 경우 적색, 청색, 녹색의 세 가지 파장이 필요한데 그 중에 적색은 630nm 파장 영역이 필요하다.
종래 기술에서는 이 적색 반도체 레이저 다이오드를 제작하기 위해서는 InGaP/InGaAlP/GaAs 계열의 양자우물 구조를 이용하여 왔다.
도 1은 종래 기술에 따른 InGaP/InGaAlP/GaAs 구조의 에너지 밴드 개념도이다.
상기 InGaP/InGaAlP/GaAs는 양자우물(quantum well)을 InGaP, 양자장벽(barrier) 및 클래드(clad) 층은 InGaAlP, 기판(substrate)은 GaAs로 사용하였다는 의미이다.
이때, 상기 GaAs 기판위에 결정성장을 하려면 격자 정합(lattice-matched)되거나, 임계 두께 내(대략 수십 nm이내)에서 변형된(strained) 구조로 하여야 한다.
그러므로, 도 1에서와 같이 양자장벽 및 클래드 층은 GaAs 기판과 격자 정합된 In0.5(GayAl1-y)0.5P (0.5<y<1)을 사용하고 양자우물은 In0.5Ga0.5P을 사용하게 된다.
이때, 양자우물에 In0.5Ga0.5P을 사용하는 경우 대략 650nm의 파장을 갖게 된다.
종래 기술에서는 양자장벽및 클래드 층으로 사용되는 In0.5(GayAl1-y)0.5P의 Al의 조성이 많게 하여도, 상기 ΔE, ΔE'을 크게 할 수 없어서 전하(carrier) 오버플로우(overflow)가 증가하고, 광이득 감소, 광손실 증가등의 문제점이 발생하여 고출력을 얻을 수 없다.
특히, 종래 기술에 따른 양자우물 구조는 635nm 이하의 파장은 구현하기가 매우 힘든데, 그 이유는 양자우물로 사용하는 InGaP 물질과 양자장벽 및 클래드 영역의 InGaAlP 물질의 에너지 간격 차이가 적어 전자나 정공(hole)의 오버플로우 현상이 고출력 작동을 어렵게 하기 때문이다.
이를 해결하기 위해서는 양자장벽이나 클래드에 사용하는 물질인 InGaAlP의 조성을 조절하여 큰 에너지 간격을 갖게 하여야 하나 이를 구현하기가 어려운데 그 이유는 다음과 같다.
양자 장벽이나 클래드의 에너지 간격을 키우는 방법은 두 가지인데, 첫 번째 방법은 Al의 조성을 크게 하여 InAlP을 만드는 방법이나, 이러한 방법은 에너지 간격을 증가시키는 것에 한계가 있을 뿐만 아니라 Al이 많아질수록 산화가 잘 되기때문에 카타스트로 광밀도 레벨(Catastrophic Optical Density : COD)나 결함들에 의해 고출력 작동을 어렵게 한다.
두 번째 방법은 In의 양을 줄이면 큰 에너지 간격을 얻을 수 있으나 GaAs 기판을 사용하는 경우 격자상수의 차이로 인해 양질의 에피층을 성장시키기가 매우 어렵다.
이러한 이유로 인해 650nm 파장을 사용하는데 이 파장 영역을 레이저 디스플레이에서 사용하려면 630nm 파장에 비해 4배 이상의 출력을 요구하게 되어 구현하기가 힘들뿐만 아니라 열이 많이 발생하여 제어하기가 어렵고 소비전력이 증가하는 문제점을 갖고 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 이상에서 언급한 종래 기술의 문제점을 감안하여 안출한 것으로서, 고출력의 적색광 발생을 위한 반도체 레이저 다이오드를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 다른 목적은 전하 오버 플로우 현상을 줄이기 위한 적색광 발생을 위한 반도체 레이저 다이오드를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 630nm 영역의 파장을 갖는 적색광 발생을 위한 반도체 레이저 다이오드를 제공하기 위한 것이다.
이상과 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 특징에 따르면, GaAs 컴플라이언트 기판을 이용하여 격자결함이 없는 InxGa1-xP(0.3<x<0.5) 양자우물과Inx(GayAl1-y)1-xP(0.1<x<0.3) 양자장벽을 이용하여 630nm 파장대의 반도체 레이저를 구성하여 이루어진다.
이상과 같은 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 특징에 따르면, GaAs 기판과, 상기 GaAs 기판 위에 형성되는 GaAs 컴플라이언트 기판과, 상기 GaAs 컴플라이언트 기판 위에 순차적으로 형성되는 제1, 제2 도전형 Inx(GayAl1-y)1-xP 클래드층과, 상기 제1, 제2 도전형 Inx(GayAl1-y)1-xP(0.1<x<0.3,0<y<1) 클래드층 사이에 형성되고, InxGa1-xP(0<x<0.5) 양자우물층과, Inx(GayAl1-y)1-xP(0.1<x<0.3,0<y<1) 양자장벽층이 교대로 적층되어 형성되는 활성층과, 상기 제2 도전형 클래드층 상부와, 상기 기판 하부에 각각 형성되는 전극으로 이루어진다.
이때, 상기 컴플라이언트 기판과 상기 제1 도전형 클래드층 사이, 상기 제2 도전형 클래드 층과 상기 전극 사이에 InGaP 계열의 버퍼층이 더 형성되고, 이 버퍼층은 InxGa1-xP(0<x<0.5)의 물질로 이루어진다.
또한, 상기 제1 도전형 클래드 층과 상기 활성층 사이에, 상기 활성층과 상기 제2 도전형 클래드 층 사이에 각각 InGaAlP 계열의 도파층이 더 형성되며, 이 도파층은 Inx(GayAl1-y)1-xP(0.1<x<0.3,0<y<1)의 물질로 이루어진다.
도 1은 종래 기술에 따른 InGaP/InGaAlP/GaAs 구조의 에너지 밴드 개념도
도 2는 본 발명에 따른 GaAs 컴플라이이언트 기판의 생성 과정을 나타낸 도면
도 3은 본 발명에 따른 GaAs 컴플라이언트 기판을 GaAs 씨드 기판에 부착시키기 위한 장치를 나타낸 도면
도 4는 본 발명에 따른 InGaP/InGaAlP/GaAs 구조의 에너지 밴드 개념도
도 5a 내지 도 5b는 종래 기술과 본 발명에 따른 구조의 차이에 의한 전하 오버플로우를 설명하기 위한 도면
도 6은 GaAs 컴플라이언트 기판위에 InGaP/InGaAlP 다중 양자 우물 구조(Muliti Quantum Well-Separated Confinement Heterostructure; MQW-SCH)를 성장시킨 일 예를 나타낸 도면
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
1 : GaAs 씨드 기판 6 : 양자 우물
2 : GaAs 컴플라이언트 기판 7 : 양자 장벽
3 : 버퍼층 8 : 활성층
4 : 클래드층
5 : 도파층
이하 본 발명의 바람직한 일 실시 예에 따른 구성 및 작용을 첨부된 도면을 참조하여 설명한다.
도 2는 본 발명에 따른 GaAs 컴플라이언트 기판의 생성 과정을 나타낸 도면들이다.
도 2의 (a)에서는 제1 GaAs 기판위에 MOCVD, MBE 또는 MO-MBE 등 화합물 반도체 에피탁시 장비를 이용하여 에치 스탑 레이어(Etch stop layer)인 AlGaAs 또는 AlAs를 10nm에서 300nm까지 성장시킨다. 이후에 이 AlGaAs 또는 AlAs상에 다른 기판으로 전이되어질 제2 GaAs 기판을 필요한 두께로 성장시킨다. 이하에서, 이 제2 GaAs 기판은 GaAs 컴플라이언트 기판으로 칭하기도 한다.
참고적으로, 컴플라이언트 기판이라 함은 기존의 임계 두께보다 훨씬 더 큰 임계두께를 갖는 기판이다. 이러한 현상이 일어날 수 있는 이유는 기판의 두께가 매우 얇기 때문이다. 기존의 임계두께는 정방 왜곡(tetragonal distortion)을 받으며, 부정규(pseudomoiphic)하게 성장하다가 에피층이 받는 스트레스가 임계값 이상을 가질 때 결함을 발생시키며 이는 에피층에 커다란 손상을 준다. 이러한 결함의 발생은 기판은 매우 두껍고, 성장되는 에피층은 그에 비해 매우 얇을 때 발생한다. 그러나, 컴플라이언트 기판은 매우 얇기 때문에 성장되는 에피층 내에는 결함이 발생하지 않는다.
도 2의 (b)에서는, 상기 생성된 제2 GaAs 기판이 전이되어 질 씨드(Seed) 기판인 제3 GaAs 기판을 TCE, 아세톤(Aceton), 메탄올(Methoanol)의 순서로 세척한 후, 이 세척된 제3 GaAs 기판을 HF나 HCI를 DI(초순수)에 희석시킨 용액에 담구어 친수성 표면이 형성되도록 한다. 이때, 제3 GaAs 기판의 친수성의 정도를 알아보기 위하여 웨팅 앵글(wetting angle)을 측정한다.
상기 친수성 표면 처리된 제3 GaAs 기판과, 상기 제2 GaAs 기판의 방향을 트위스크시켜 부착시킨다. 이때, 두 기판은 반 데르 발스(Van der vaals)의 힘으로 부착된다.
이렇게 부착된 기판들을 도 3의 기구를 이용하여 압력을 가하면서 500~650℃에서 열처리한다. 이 열처리에 의해 두 기판 표면 원자간의 결합이 공유결합으로 바뀌게 된다.
도 3에서 고정기(fixture)와 돔(dome)의 형태가 원형으로 된 이유는 두 개의 접촉된 기판에 골고루 압력을 주기 위해서이다. 또한, 돔은 알루미늄이나 흑연(graphite)으로 각각 제작한다. 여기서, 압력을 일으키는 원동력은 온도 상승시의 고정기, 시편들(Samples), 돔, 플레이트(Plate)의 열팽창에 의해 발생한다.
필요에 따라 10분에서 10시간 정도 상기 부착된 기판들을 열처리한 후, 리프트-오프 공정을 수행한다. 이때, 제1 GaAs 기판은 젯(jet) 에칭을 통해 제거한다. 젯 부식액(etchant)은 NH4OH와, H2O2의 혼합물로 하는데, 이는 분당 수 마이크로미터(수 μm)를 에칭하며, AlGaAs 또는 AlAs는 거의 에칭하지 않는다. 이러한 특성을 이용하여 제1 GaAs 기판을 제거한 후, 다시 HF와 DI의 혼합물로 AlGaAs나 AlAs를 제거한다. 이 용액은 제2 GaAs 기판은 에칭하지 않고, AlAs나 AlGaAs만 에칭한다. 이러한 공정을 모두 마치면 도 2의 (c)와 같이 GaAs 씨드 기판(제3 GaAs 기판)위에 제2 GaAs 기판 즉, GaAs 컴플라이언트 기판이 생성된다.
도 4는 본 발명에 따른 InGaP/InGaAlP/GaAs 구조의 에너지 밴드 개념도이다.
도 4를 참조하면, 도 2에서와 같이 생성된 GaAs(C-GaAs) 컴플라이언트 기판을 사용하면 Inx(GayAl1-y)1-xP (0<x<0.5)과 같이 GaAs 기판에서는 격자상수가 차이가 나서 성장시킬 수 없는 물질을 결정성장시킬 수 있다. 이 경우 양자우물은 630nm의 파장을 갖도록In x Ga 1-x P(0.3<x<0.5)의 물질을 사용하고 양자장벽과 클래드층은 Inx(GayAl1-y)1-xP (0.3<x<0.5, 0<y<1)으로 사용하면 ΔE, ΔE'을 기존의 방법보다 크게 증가시킬 수 있다.
도 5a 내지 도 5b는 종래 기술과 본 발명에 따른 구조의 차이에 의한 전하 오버플로우를 설명한 개념도이다.
도 5a 내지 도 5b에서, ΔE는 양자우물과 양자장벽간의 에너지 차를 나타내고, ΔE'는 양자장벽과 클래드 층간의 에너지 차를 나타낸다.
기 설명한 바와 같이, 본 발명은 양자우물은 InxGa1-xP (0.3<x<0.5)의 물질을 사용하고, 양자장벽과 클래드 층은 Inx(GayAl1-y)1-xP (0.3<x<0.5, 0<y<1)으로 사용함으로써, ΔE와, ΔE'를 크게 할 수 있다.
이로 인해 도 5a 내지 도 5b에 도시된 바와 같이, 영역 1과 영역 2의 전하밀도는 도 5a에 비해 도 5b에서 작아지며, ΔE가 커지면, 양자우물에 전하들이 잘 가둬지고 광이득이 증가한다. 또한, ΔE'이 증가하면 고온 및 고출력 동작에서 오버플로우되는 전하들을 줄일 수 있다.
도 6은 GaAs 컴플라이언트 기판위에 InGaP/InGaAlP 다중 양자 우물구조(Muliti Quantum Well-Separated Confinement Heterostructure; MQW-SCH)를 성장시킨 일 예를 나타낸 도면이다.
도 6을 참조하면, 이 구조의 특징은 GaAs 기판의 격자상수에 맞춰 결정성장을 할 필요가 없으므로 In의 조성이 0.5보다 작은 값을 사용할 수 있다는 것이다.
따라서, 본 발명에 따른 레이저 다이오드는 GaAs 씨드 기판(1)과, 상기 GaAs 기판(1)상에, 별도의 장치를 이용하여 열과 압력 처리에 의해 부착된 GaAs 컴플라이언트 기판(2)과, 상기 GaAs 컴플라이언트 기판(2) 상에 InGaAlP 계열의 클래드 층(4)과, 상기 클래드 층(4) 상에 InGaP 계열의 활성층(8)으로 이루어진다.
여기서, 상기 GaAs 컴플라이언트 기판(2)과, InGaAlP 계열의 클래드 층(4) 사이에는 InGaP 계열의 버퍼 층이 더 성장된다.
또한, 상기 클래드 층(4)과, InGaP 계열의 활성층(8) 사이에는 InGaAlP 계열의 도파층(5)이 더 성장된다.
또한, 상기 활성층(8)의 상부에는, 상기 GaAs 컴플라이언트 기판(2) 상에 순서대로 성장된 버퍼층(3)과, 클래드 층(4)과, 도파층(5)이 역순으로 성장된다.
상기 활성층(8)은 InGaP 계열의 복수의 양자 우물들(6)과, 이 복수의 양자 우물들(7) 사이에 각각 성장된 InGaAlP 계열의 복수의 양자 장벽들(7)로 이루어진다.
상기 버퍼층(3)은 InxGa1-xP(0<x<0.5)의 물질로 이루어진다. 또한, 상기 도파층(4)과, 양자장벽(7)은 Inx(GayAl1-y)1-xP(0.1<x<0.3,0<y<1)의 물질로 이루어진다.단, 상기 클래드 층(7)은 상기 도파층(4)과 양자장벽(7)의 y에 대하여 Inx(Ga1-yAly)1-xP (0.1<x<0.3,0<y<1)의 물질로 이루어진다. 이때, 상기 GaAs 기판(1) 상부와, 활성층(8)의 상부에 있는 각각의 클래드 층(7)은 서로 다른 도전형을 갖는다.
상기 복수의 양자우물(6)은 InxGa1-xP (0.3<x<0.5)의 물질로 이루어진다.
상기 제2 도전형 클래드층 상부(7)와, 상기 GaAs 기판(1) 하부에는 각각의 전극(미도시)이 형성된다.
이상의 설명에서와 같이 본 발명은 630nm의 고출력 고온 동작이 가능한 반도체 레이저 다이오드를 구현하기 위해 GaAs 컴플라이언트 기판 기술을 이용하여 새로운 구조를 제시하였다. 그러므로, GaAs 컴플라이언트 기판을 사용하여 높은 양자장벽과 클래드 층으로 전하 오버플로우를 줄이고, 광이득과 광손실을 줄임으로써 레이저 디스플레이 등에 응용될 630nm 고출력 반도체 레이저 다이오드의 제작을 가능케하는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 GaN등과 같은 청색 계열 및 적외선 영역의 반도체 레이저 다이오드의 제작에도 동일한 효과가 있으리라 기대된다.
이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술 사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다.
따라서, 본 발명의 기술적 범위는 실시예에 기재된 내용으로 한정하는 것이 아니라 특허 청구 범위에 의해서 정해져야 한다.

Claims (5)

  1. GaAs 기판;
    상기 GaAs 기판 위에 형성되는 GaAs 컴플라이언트 기판;
    상기 GaAs 컴플라이언트 기판 위에 순차적으로 형성되는 제1, 제2 도전형 Inx(GayAl1-y)1-xP 클래드층;
    상기 제1, 제2 도전형 Inx(GayAl1-y)1-xP(0.1<x<0.3,0<y<1) 클래드층 사이에 형성되고, InxGa1-xP(0<x<0.5) 양자우물층과, Inx(GayAl1-y)1-xP(0.1<x<0.3,0<y<1) 양자장벽층이 교대로 적층되어 형성되는 활성층;
    상기 제2 도전형 클래드층 상부와, 상기 기판 하부에 각각 형성되는 전극으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 적색 레이저 다이오드
  2. 제1 항에 있어서, 상기 컴플라이언트 기판과 상기 제1 도전형 클래드층 사이, 상기 제2 도전형 클래드 층과 상기 전극 사이에 InGaP 계열의 버퍼층이 더 형성되는 것을 특징으로 하는 적색 레이저 다이오드
  3. 제2 항에 있어서, 상기 버퍼층은 InxGa1-xP(0<x<0.5)의 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 적색 레이저 다이오드
  4. 제1 항에 있어서, 상기 제1 도전형 클래드 층과 상기 활성층 사이에, 상기 활성층과 상기 제2 도전형 클래드 층 사이에 각각 InGaAlP 계열의 도파층이 더 형성되는 것을 특징으로 하는 적색 레이저 다이오드
  5. 제4 항에 있어서, 상기 도파층은 Inx(GayAl1-y)1-xP(0.1<x<0.3,0<y<1)의 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 적색 레이저 다이오드.
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