KR100390441B1 - 수직 활성층을 가지는 청색 반도체 레이저 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 반도체 레이저에 관한 것으로, 특히 수직 활성층을 가지는 청색 반도체 레이저 제조 방법에 관한 것이다. 이와 같은 본 발명에 따른 수직 활성층을 가지는 청색 반도체 레이저 제조 방법은 기판 위에 버퍼층과, undoped-GaN층과, n-GaN층을 순차적으로 형성하는 단계와, 상기 n-GaN층 위에 SiO₂를 증착하고, 상기 SiO₂스트라이프 패턴을 형성하는 단계와, 상기 SiO₂가 없는 n-GaN층 위에만 전류 차단층을 형성하는 단계와, 상기 전류 차단층을 형성한 후 패턴된 SiO₂스트라이프를 제거하고, 상기 전류 차단층 위에 n-AlGaN층과, n-GaN층과, 활성층(MQW)과, p-GaN층과, p-AlGaN층과, P-GaN층을 순차적으로 형성하는 단계와, 상기 n-GaN층이 노출되도록 메사 형태로 식각하는 단계와, 상기 노출된 n-GaN층 표면에 n형 전극을 형성하고, 상기 메사 형성시에 식각되지 않는 p-GaN 컨택층 위에 p형 전극을 형성하는 단계를 포함하여 이루어진다.

Description

수직 활성층을 가지는 청색 반도체 레이저 제조 방법{A blue color semiconductor laser manufacturing method for have active layer vertical}

본 발명은 반도체 레이저에 관한 것으로, 특히 수직 활성층을 가지는 청색 반도체 레이저의 제조 방법에 관한 것이다.

일반적으로 종래의 청색 반도체 레이저의 제작은 다음과 같다.

도 1a는 종래의 청색 반도체 레이저의 반도체 결정층 성장을 나타낸 단면도이다.

도 1a에 도시된 바와 같이, 사파이어 또는 GaN 기판(1)위에 버퍼층(2)과, n-GaN층(3)과, InGaN 크랙 프리벤션(crack prevention)층(4)과, n-AlGaN 클래드층(5)과, n-GaN 웨이브 가이드층(6)과, 활성층(7)과, p-GaN 웨이브 가이드층(8)과, p-AlGaN 일렉트로 블록킹층(9)과, p-AlGaN 클래드층(10)과, 그리고 p-FaN 캡층(11)을 MOCVD 성장 장치를 이용하여 순차적으로 성장한다.

그 후에 건식 식각 공정을 이용하여 n-타입 전극 형성을 위하여 n-GaN층(3)의 일부가 노출되도록 메사를 형성한다.

그리고, 도파형 반도체 레이저를 위하여 상기 p-AlGaN 클래드층(10)의 일부분까지 노출되도록 폭 2~3μm의 리지를 형성하면 도 1b와 같다.

상기와 같이 건식 식각 공정에 의해 메사 및 리지 제작이 완료되면 도 1c에 도시된 같이 n-타입 전극(13)을 형성하고 메사 상부와 리지위에 절연막(12)을 형성하고 리지의 위 부분만 상기 절연막(12)을 제거하고 p-형 전극을 형성한다.

p-형 GaN은 아직까지 높은 정공(hall) 농도를 얻기가 쉽지 않기 때문에 다른 종류의 반도체에 비하여 접촉 저항이 비교적 큰 편이다.

그리고, 일반적인 반도체 레이저의 구조에서는 GaN와 절연막(12)의 굴절률 차이가 크고 파장이 짧기 때문에 레이저 발진시 단일 모드의 빛을 얻기 위해서는 리지의 폭을 2μm 정도로 좁게 제작을 하여야 한다.

따라서 종래의 레이저 다이오드는 리지 상부의 면적이 작게 되고, p형 전극은 리지 위에만 접촉되므로 반도체와 전극간의 접촉 면적이 좁아서 상대적으로 접촉 저항이 커지고 그에 따라서 소자의 동작 전압이 높아지는 단점이 있다.

또한, 레이저 발진시에 발생하는 열을 리지 부분으로만 방출시켜야 하고 절연막은 열전도도가 낮기 때문에 리지 이외의 부분으로는 효과적으로 열을 방출시키기 어렵다.

그리고, 수직 방사각과 수평 방사각의 큰 차이로 인해 파 필드 패턴이 타원형을 가지게 되는데 실제로 픽-업 장치와 같은 시스템에 레이저 다이오드를 사용하기 위해서는 타원형의 방출 레이저 빔을 원형으로 만들어 주기 위해서 렌즈를 이용하여야 하므로 장치의 제작 가격이 비싸진다는 단점이 있다.

또한, 레이저 다이오드 제작시에 사파이어 기판으로부터 발생되는 결정 결함을 줄이기 위해서 ELO(Epitaxially Lateral Overgrowth) 또는 Pendeo 라고 하는, 측면 결정 성장을 이용한 기판을 이용하여야 하는데 이럴 경우 기판 제작을 위해 시간이 많이 소요되고 그에 따라서 레이저 다이오드의 생산 단가도 비싸진다는 단점이 발생한다.

따라서, 본 발명의 목적은 이상에서 언급한 종래 기술의 문제점을 감안하여 안출한 것으로서, 접촉 저항을 최소화하고, 열의 방출 면적을 최대화 하여 소자의 동작 전압을 향상시키는 수직 활성층을 가지는 반도체 레이저 제조 방법을 제공하기 위한 것이다.

이상과 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 특징에 따르면, 기판 위에 버퍼층과, undopde-GaN층과, n-GaN층을 순차적으로 형성하는 단계와, 상기 n-GaN층 위에 SiO₂를 증착하고, 상기 SiO₂스트라이프 패턴을 형성하는 단계와, 상기 SiO₂가 없는 n-GaN층 위에만 전류 차단층을 형성하는 단계와, 상기 전류 차단층을 형성한 후 패턴된 SiO₂스트라이프를 제거하고, 상기 전류 차단층 위에 n-AlGaN층과, n-GaN층과, 활성층(MQW)과, p-GaN층과, p-AlGaN층과, P-GaN층을 순차적으로 형성하는 단계와, 상기 n-GaN층이 노출되도록 메사 형태로 식각하는 단계와, 상기 노출된 n-GaN층 표면에 n형 전극을 형성하고, 상기 메사 형성시에 식각되지 않는 p-GaN 컨택층 위에 p형 전극을 형성하는 단계를 포함하여 이루어진다.

바람직하게, 상기 SiO₂스트라이프 패턴은 폭이 200~300 μm이다.

그리고, 상기 전류 차단층의 두께는 1.2~2 μm 범위에서 조절하고, Al 조성비는 20~30%이다.

도 1a는 종래 청색 반도체 레이저의 반도체 결정층 성장을 나타낸 도면

도 1b는 종래 청색 반도체 레이저의 메사 및 리지 에칭을 나타낸 도면

도 1c는 종래 청색 반도체 레이저의 패시베이션 레이어 및 전극 형성을 나타낸 도면

도 2a는 본 발명에 따른 수직 활성층을 가지는 청색 반도체 레이저의 1차 성장을 나타낸 도면

도 2b는 본 발명에 따른 수직 활성층을 가지는 청색 반도체 레이저의 선택 성장 마스크 형성을 나타낸 도면

도 2c는 본 발명에 따른 수직 활성층을 가지는 청색 반도체 레이저의 2차 성장을 나타낸 도면

도 2d는 본 발명에 따른 수직 활성층을 가지는 청색 반도체 레이저의 3차 성장을 나타낸 도면

도 2e는 본 발명에 따른 수직 활성층을 가지는 청색 반도체 레이저의 메사 형성과 전극 형성을 나타낸 도면

도 2f는 본 발명에 따른 수직 활성층을 가지는 청색 반도체 레이저의Quantum 와이어(wire) 구조를 위한 활성층 부분을 나타낸 도면

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

10 : 사파이어 기판 20 : 버퍼층

20 : undoped-GaN층 40 : n-GaN층

50 : SiO₂60 : p-AlGaN

70 : n-AlGaN 80 : 활성층(MQW)

90 : p-AlGaN층 100 : p-GaN층

110 : n-전극 120 : p-전극

이하 본 발명의 바람직한 일 실시 예에 따른 구성 및 작용을 첨부된 도면을 참조하여 설명한다.

도 2a는 본 발명에 따른 수직 활성층을 가지는 청색 반도체 레이저의 1차 성장을 나타내 도면이다.

도 2a에 도시된 바와 같이, 사파이어 기판(10) 위에 버퍼층(20),과 undoped GaN(30)과, n-GaN(40) 층을 순차적으로 성장한다.

상기 기판(10) 위에 버퍼층(20),과 undoped GaN(30),과 n-GaN(40) 층의 성장은 MOCVD 장치를 이용하여 성장한다.

그리고, 상기 버퍼층(20)의 두께는 GaN을 20~50nm 두께로 하고 undoped GaN은 2~3μm, 그리고 상기 n-GaN은 3~5μm의 두께를 가지게 한다.

도 2b는 본 발명에 따른 수직 활성층을 가지는 청색 반도체 레이저의 선택성장 마스크 형성을 나타낸 도면이다.

도 2b에 도시된 바와 같이, 도 2a에 따른 1차 성장이 완료되면, 상기 MOCVD 장치로부터 웨이퍼(wafer)를 꺼내고, 상기 n-GaN층(40) 위에 SiO₂(50)를 100~300nm 두께로 증착한다.

이후, 상기 SiO₂(50)의 폭이 200~300μm가 되도록 상기 SiO₂스트라이프(stripe)를 제작하여 사진 식각 공정을 통하여 패턴을 형성한다.

도 2c는 본 발명에 따른 수직 활성층을 가지는 청색 반도체 레이저의 2차 성장을 나타낸 도면이다.

도 2c에 도시된 바와 같이, 상기 MOCVD 장치를 사용하여 p-AlGaN층(60)을 성장한다.

상기 p-AlGaN층(60) 형성시, 상기 SiO₂(50)가 없는 n-GaN(40)층 위에만 성장한다.

그리고, 상기 p-AlGaN층(60)의 두께는 0.2~2μm의 범위에서 조절하는데 가장 이상적인 경우는 1μm 정도로 조성하고, Al 조성비는 20~30%가 되도록 한다.

이어서, 상기 p-AlGaN층(60)의 성장이 완료되면, 상기 웨이퍼를 꺼내어 선택적 성장용 마스크로 사용했던 상기 SiO₂(50)를 HF로 제거한다.

도 2d는 본 발명에 따른 수직 활성층을 가지는 청색 반도체 레이저의 3차 성장을 나타낸 도면이다.

도 2d를 참고하면, 상기 SiO₂(50)를 제거한 한 후, 다시 상기 MOCVD 장치에 넣고 n-AlGaN 클래드층(70)과, n-GaN 웨이브 가이드층/다중 양자 우물(multi Quantum Well)(이하 MQW) 활성층(InGaN)(80)과, p-GaN 웨이브 가이드층/p-AlGaN 클래드층(90)과, p-GaN층(100)들을 순차적으로 성장한다.

편의상, 상기 도 2d에는 p형, n형 웨이브 가이드층들인 p-GaN과, n-GaN은 표시하지 않았으나, 각 층들의 위치는 앞에서 설명한 순서에 위치한다.

상기와 같은 도 2d의 3차 성장 시에는, 각 층들의 두께 조절이 매우 중요한데, 기판에 수직한 방향보다 기판에 평행한 방향으로의 결정 성장 속도가, 빠른 경우를 나타내므로, 3차 성장에 의해 성장된 반도체 박막층들이, 기판에 평행한 방향보다 수직한 방향으로 그 두께가 더 두꺼운 모양을 보이고 있지만, 일반적으로 MOCVD의 성장 조건을 조절하여 양쪽 방향의 성장 속도 비율을 조절할 수가 있으므로 원하는 목적에 알맞도록 측면 성장된 부분의 두께나 모양을 조절할 수 있다.

상기 MOCVD 장치에 의한 3차 성장이 완료되면, 상기 웨이퍼를 꺼내어 건식 식각 공정을 이용하여 메사를 형성하는데, 이 때 메사 형성을 위한 건식 식각은 상기 1차 성장에서 형성된 상기 n-GaN층(40)의 일부가 노출되는 위치까지 실시한다.

상기 건식 식각에 의한 메사 형성이 완료되면, 상기 건식 식각에 의해서 노출된 n-GaN층 표면에 n형 전극(110)을 형성하고 상기 메사 형성 시에 식각되지 않는 분분, 즉 상기 P-GaN 컨택층(100)층 표면에 p형 전극(120)을 형성하여 소자의 제작을 완료하는데 제작이 완료된 소자의 단면 모습은 도 2e와 같다.

상기 제작이 완료된 소자의 p형(120) 전극 및 n형 전극(110)을 통하여, 전류를 인가하면 전류 차단 역할을 하는 전류 차단층 즉, 2차 성장 시에 형성된 p-AlGaN층(60)에 의해서 대분분의 전류는 기판에 수직한 방향으로 형성된 활성층(MQW)(80)을 통하여 흐르게 되고, 이에 활성층(80)을 통해 발생한 빛은 소자의 양쪽 단면에 위치한 거울에 의한 증폭 작용에 의해서 발진을 하며, 이에 따라서 소자의 양쪽 단면으로부터 레이저 빛을 출력한다.

대부분의 반도체 레이저는, 기판에 수평한 방향과 수직한 방향의 웨이브 가이드 비대칭 구조에 의해서 출력되는 레이저 빛의 파 필드 패턴(Far Field Pattern)이 길쭉한 타원형 모양을 가지게 되지만, 상기 MOCVD 성장 조건에 따라서 기판에 수직한 방향의 활성층(MQW)(80) 길이를 조절하는 것이 가능하고, 상기 활성층(MQW)층(80) 전후에 성장하는, n형 및 p형 웨이브 가이드층들과 클래드층 역할을 하는 n-AlGaN(70)과 p-AlGaN층(90)들의 두께 및 모양을 원하는 대로 조절할 수 있기 때문에, 상기 수직 활성층(MQW)(80)의, 상하 방향 및 좌우 방향으로의 빛의 가둠을 대칭적으로 형성할 수가 있고, 이에 따라서 출력되는 레이저 빛의 파 필드 패턴을 원형에 가깝게 조절할 수 잇다.

또한, 출력되는 레이저 빛의 파 필드 패턴에 있어서, 원형의 파 필드 패턴 뿐만 아니라 타원형의 파 필드 패턴에서도 수평방향과 수직방향의 비율을 원하는 대로 조절하는 것이 가능하다.

그리고, 상기 2차 성장 시에 형성하는 전류 차단층인 p-AlGaN(60)의 두께를 적절히 조절하고, 상기 3차 성장 시, MOCVD 성장 조건을 조절하여 수직활성층(MQW)(80)의 길이를 최소화하면서, 수평 방향의 활성층(MQW)(80)은 두께를 상대적으로 얇게하여 양자 와이어(Quantum Wire)로서 작용할 수 있도록 소자를 제작 할 수 있다.

상기 활성층(MQW)(80)이 아닌, 양자 와이어(Quantum Wire)인 경우에는 발진에 필요한 전류밀도를 낮출 수가 있다.

도 2f는 본 발명에 따른 수직 활성층을 가지는 청색 반도체 레이저의 양자 와이어(Quantum Wire) 구조를 나타낸 도면이다.

또한 질화물 반도체는 다른 종류의 반도체와는 달리 아직까지 높은 정공 농도를 가지는 p형 GaN(100)을 얻기가 어려워서 p형 전극(120)과의 접촉 저항이 크게 되는데 본 발명에서는 훨씬 넓은 면적에 상기 p형 전극(120)을 형성하기 때문에, 접촉 저항을 거의 무시할 수 있을 정도로 낮출 수가 있으며, 넓은 면적의 상기 p형 전극(120)을 통하여, 소자의 동작 시 동작전압을 크게 감소할 수 있고, 저항에 의한 열의 발생도 크게 감소된다.

그리고 졍션 다운 패키지(Junction Down Package)를 실시하여 소자를 동작시키는 경우, 소자로부터 발생하는 열을 전극으로 사용된 금속을 통하여 방출시키므로 절연막을 통하여 열을 방출시키는 경우에 비해서 훨씬 더 효과적으로 방출 할 수 있다.

또한, 결정 결함이 적은 반도체층을 얻기 위하여, ELOG 또는 Pendep 방법을 이용하며, 질화물 반도체 결정 성장이 측면 방향, 즉 기판에 평행한 방향으로 이루어지면 결정 결함이 줄어드는 것을 이용한다.

이상의 설명에서와 같이 본 발명은 수직 MQW 부분의 길이를 조절하는 것이 가능하고 상기 MQW 주변의 클래드층들과 웨이브 가이드 층들의 모양과 두께 조절이 가능하므로 파 필드 패턴을 원하는 대로 만들 수 있는 효과가 있으며, 양자 우물(quantub well) 뿐만 아니라 양자 와이어(quantum Wire)의 활성층도 만들 수 있으므로 동작 전류를 낮출 수 있는 효과가 있다.

또한, 전류 차단층의 도입으로 넓은 면적의 p형 전극을 형성할 수가 있어서 동작 전압을 낮추는 것이 가능하며 소자의 동작 시에 발생하는 열을 효과적으로 방출할 수 있다.

그리고, 결정 결함이 적은 기판을 따로 준비할 필요가 없기 때문에 공정 시간을 줄이고, 그에 따라 생산 단가도 낮출 수 있으며, 질화물 반도체에서는 청색, 녹색 그리고 자외선 영역의 파장을 가지는 모든 레이저 다이오드의 제작에 응용이 가능하며 질화물 반도체 이외의 화합물 반도체를 이용하는 모든 레이저 다이오드의 응용에 적용이 가능한 선택적 결정 성장 방법이며 특히 픽-업(Pick-up) 장치등에 사용하는 경우 렌즈 시스템을 생략할 수가 있어서 시스템 가??을 낮추는 효과가 있고 quantum 와이어 형태로 활성층을 제작하는 경우 소자의 동작 전력을 낮출 수 있는 효과가 있다.

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 것이아니라 특허 청구 범위에 의해서 정해져야 한다.

Claims (3)

1. 기판 위에 버퍼층과, undoped-GaN층과, n-GaN층을 순차적으로 형성하는 단계와;

   상기 n-GaN층 위에 SiO₂를 증착하고, 상기 SiO₂스트라이프 패턴을 형성하는 단계와;

   상기 SiO₂가 없는 n-GaN층 위에만 전류 차단층을 형성하는 단계와;

   상기 전류 차단층을 형성한 후 패턴된 SiO₂스트라이프를 제거하고, 상기 전류 차단층 위에 n-AlGaN층과, n-GaN층과, 활성층(MQW)과, p-GaN층과, p-AlGaN층과, P-GaN층을 순차적으로 형성하는 단계와;

   상기 n-GaN층이 노출되도록 메사 형태로 식각하는 단계와;

   상기 노출된 n-GaN층 표면에 n형 전극을 형성하고, 상기 메사 형성시에 식각되지 않는 p-GaN 컨택층 위에 p형 전극을 형성하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 수직 활성층을 가지는 청색 반도체 레이저 제조 방법.
2. 제 1항에 있어서, 상기 SiO₂스트라이프 패턴은 폭이 200~300 μm인 것을 특징으로 하는 수직 활성층을 가지는 청색 반도제 레이저 제조 방법.
3. 제 1항에 있어서, 전류 차단층의 두께는 1.2~2 μm 범위이고, Al 조성비는20~30%인 것을 특징으로 하는 수직 활성층을 가지는 청색 반도체 레이저 제조 방법.