KR100407947B1 - 반도체레이저 다이오드 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 반도체레이저 다이오드 제조방법을 제공하기 위한 것으로서, GaAs 기판 상에 n형 클래드층을 형성하는 단계; 상기 n형 클래드층 상에 광을 생성하는 활성층을 형성하는 단계; 상기 활성층 상에 p형 제1 클래드층, 식각정지막, p형 AlGaAs 계열의 제2 클래드층을 차례로 형성하는 단계; 소정의 패턴을 갖는 마스크를 상기 p형 제2 클래드층 상부에 형성하는 단계; 상기 p형 제2 클래드층을 습식식각하여 상기 식각정지막을 노출시키고, 이후 상기 습식식각을 진행하여 리지(ridge) 형태로 형성하는 단계; 상기 p형 제2 클래드층의 상부가 노출되도록 상기 노출된 식각정지막 상에 전류제한층을 형성하는 단계; 상기 전류제한층 상에 상기 p형 제2 클래드층과 연결되도록 p형 GaAs 캡층을 형성하는 단계를 포함하여 이루어지며, 리지 식각 마스크를 기존보다 넓은 것을 사용하여 오버에칭함으로써 리지의 상부면의 폭이 기존 마스크를 이용한 것에 비해 줄지 않아 주입되는 전류의 양이 줄어들지 않고 리지의 측면을 곡면이 아닌 사면으로 식각하여 전류제한층의 막질을 개선하며, 리지의 하부면의 폭을 줄일 수 있어, 전기적 특성 및 방사효율을 개선한다.

Description

반도체레이저 다이오드 제조방법{Fabrication Method for Semiconductor Laser Diode}

본 발명은 반도체레이저 다이오드 제조방법에 관한 것으로, 특히 BR(Buried Ridge) 구조를 가지는 반도체레이저 다이오드 제조방법에 관한 것이다.

도1a는 종래 기술에 따른 반도체레이저 다이오드의 단면도로, GaAs 기판(1)을 이용하여 GaAs 기판(1) 상에 n형 AlGaAs 클래드층(2), 활성층(3), p형 AlGaAs 제1 클래드층(4), 식각정지막(5), p형 AlGaAs 제2 클래드층을 형성하고, 상기 p형 AlGaAs 제2 클래드층 상부에 원하는 리지 폭을 갖는 마스크를 형성하여, 습식식각하여 리지 형태의 p형 AlGaAs 제2 클래드층(6)을 형성한다.

상기 제2 클래드층(6)을 에워싸고 리지로만 전류를 흘려주기 위해 n-GaAs 전류제한층(7)을 형성하고, p형 GaAs 캡층(8)을 형성한다.

이러한 공정 중, 레이저 다이오드의 특성을 결정짓는 가장 중요한 공정은 리지(Ridge) 형성에 있다. 일반적인 습식식각을 이용하여 리지를 형성하는 경우, 도1b를 참조하여 설명하면 다음과 같다.

일반적인 습식식각을 하면 상기 마스크의 폭만큼 리지의 상부면이 형성되고, 수직방향의 식각속도와 그 외 방향이 식각속도가 다르기 때문에 리지의 측면(c)이 곡면을 이루게 된다.

리지의 측면(c)이 곡면을 이루고 있기 때문에 이후 형성되는 전류제한층(7 :current blocking layer)을 재성장할 경우 박막의 특성이 사면 위에서 성장할 때보다 떨어지게 된다. 왜냐하면, 사면의 경우 한 플레인으로 볼 수 있고 여기에 따른 성장조건을 최적화해서 이를 적용하면 되지만, 곡면은 무수히 많은 플레인의 집합이므로 각각에 따라 성장조건이 조금씩 달라지기 때문이다. 이러한 점은 소자의 신뢰성에 영향을 주는 것이다.

또한 리지의 상부면의 폭(a)보다 리지의 하부면의 폭(b)이 넓게 때문에 임계전류값이 낮아지며, 활성층(3)에서 발생하는 광의 펀더멘탈 모드(fundamental mode)로의 발진이 용이하지 않다.

즉, b의 폭은 좁을수록 임계전류값이 높아지며, a/b의 비율은 1에 가까울수록 주입되는 전류의 통로가 넓어져서 전기적 특성이 좋다.

따라서 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 리지 식각 마스크를 기존보다 넓은 것을 사용하여 오버-에칭함으로써 리지의 상부면의 폭이 기존 마스크를 이용한 것에 비해 줄지 않아 주입되는 전류의 양이 줄어들지 않고 리지의 측면을 곡면이 아닌 사면으로 식각하여 전류제한층의 막질을 개선하며, 리지의 하부면의 폭을 줄일 수 있어, 전기적 특성 및 방사효율이 개선된 반도체레이저 다이오드 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

그리고, p형 제2 클래드층의 조성을 약간 변화시켜 리지의 측면이 사면을 갖도록 식각을 촉진시켜 상기의 목적을 제공할 수 있다.

도1a는 종래 기술에 따른 반도체레이저 다이오드의 단면도.

도1b는 상기 도1a의 A부분의 상세도.

도2a 내지 도2g는 본 발명에 따른 반도체레이저 다이오드의 제조방법을 도시한 공정 단면도.

도3a는 종래기술에 따른 반도체레이저 다이오드의 단면의 SEM.

도3b는 본 발명에 따른 반도체레이저 다이오드의 단면의 SEM.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : GaAs 기판 2 : n형 AlGaAs 클래드층

3 : 활성층 4 : p형 AlGaAs 제1 클래드층

5 : 식각정지막 6 : p형 AlGaAs 제2 클래드층

7 : n-GaAs 전류제한층 8 : p형 GaAs 캡층

11 : GaAs 기판 12 : n형 AlGaAs 클래드층

13 : 활성층 14 : p형 AlGaAs 제1 클래드층

15 : 식각정지막 16 : p형 AlGaAs 제2 클래드층

17 리지 형태의 p형 AlGaAs 제2 클래드층

18 : n-GaAs 전류제한층 19 : p형 GaAs 캡층

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 반도체레이저 다이오드 제조방법의 특징은 GaAs 기판 상에 n형 클래드층을 형성하는 단계; 상기 n형 클래드층 상에 광을 생성하는 활성층을 형성하는 단계; 상기 활성층 상에 p형 제1 클래드층, 식각정지막, p형 AlGaAs 계열의 제2 클래드층을 차례로 형성하는 단계; 소정의 패턴을 갖는 마스크를 상기 p형 제2 클래드층 상부에 형성하는 단계; 상기 p형 제2 클래드층을 습식식각하여 상기 식각정지막을 노출시키고, 이후 상기 습식식각을 진행하여 리지(ridge) 형태로 형성하는 단계; 상기 p형 제2 클래드층의 상부가 노출되도록 상기 노출된 식각정지막 상에 전류제한층을 형성하는 단계; 상기 전류제한층 상에 상기 p형 제2 클래드층과 연결되도록 p형 GaAs 캡층을 형성하는 단계를 포함하여 이루어지는데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 반도체레이저 다이오드 제조방법의 다른 특징은 p형 제 2 클래드층의 Al 대 Ga의 조성비는 Al의 조성비가 Ga의 조성비보다 점점 낮아지도록 상기 p형 제2 클래드층을 MOCVD 방법으로 형성하여 리지의 측면을 더욱 사면에 가깝게 형성시키는데 있다.

상기 p형 제2 클래드층을 습식식각하여 리지 형태로 만들고, 오버 에칭(over-etching)을 진행하고 Al이 조성을 변화시켜 리지 형태의 p형 제2 클래드층의 측면이 소정의 기울기를 갖는 사면의 형태를 갖도록 하여, 상기 리지 측면에 형성되는 전류제한층의 막질을 개선시킬 수 있다.

또한 상기 마스크의 폭을 증가시켜 오버 에칭하면 종래의 리지의 상부면의폭은 일정하게 유지하여 임계전류값을 유지할 수 있고, 또한 리지의 측면이 수직 방향으로는 상기 식각정지막으로 인해 식각이 일어나지 않고, 수평 방향으로 식각이 잘 일어나 리지의 하부면의 폭이 줄어들어 전기적 특성 및 수평 방사각을 증가시킬 수 있어 레이저의 방사 특성을 향상시킬 수 있다.

본 발명의 다른 목적, 특성 및 잇점들은 첨부한 도면을 참조한 실시예들의 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.

본 발명에 따른 반도체레이저 다이오드 제조방법의 바람직한 실시예에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다

도2a 내지 도2g는 본 발명에 따른 반도체레이저 다이오드의 제조방법을 도시한 공정 단면도이다.

CD-R용 레이저 다이오드(LD)에 사용되는 다이오드의 물질은 GaAs/AlGaAs 계열을 이용하며, 이를 예시하여 설명하면 다음과 같다.

먼저 도2a에 도시한 바와 같이, GaAs 기판(11)을 이용하여 GaAs 기판(11) 상에 n형 AlGaAs 클래드층(12), 활성층(13), p형 AlGaAs 제1 클래드층(14), 식각정지막(15), p형 AlGaAs 제2 클래드층(16)을 형성하고, 소정 패턴을 갖는 마스크(PR)을 형성한다.

이어 도2b 내지 도2e에 도시한 바와 같이, 상기 p형 AlGaAs 제2 클래드층(16)을 습식식각하면 도2f에 도시한 바와 같은 리지 형태의 p형 AlGaAs 제2 클래드층(17)을 형성한다.

도2b 내지 도2e의 점선은 습식식각되는 과정을 몇 단계로 간략히 도시한 것이다.

상기 습식식각 용액으로는 황산과 과산화수소수와 물을 적절히 섞은 것을 사용하기도 하고, 흔히 NH₄OH:H₂O₂:H₂O를 적절한 비율로 혼합하여 쓰기도 한다. 각각이 조금씩은 차이가 있으나 식각되는 성질에 있어서, 식각되는 물질 및 식각되는 방향에 따라 식각속도가 다르다는 공통된 특성이 있다.

첫째, 식각되는 방향에 의해 리지 식각의 경우 수직으로 식각될 때는 (100)면의 식각속도를 가지며, 측면으로 식각될 때는 측면의 각도에 따라 (111) 혹은 다양한 면 각각의 식각속도를 가지고 식각된다.

따라서 도2b 및 도2c에 도시한 바와 같이, 수직방향과 측면방향의 식각속도가 달라 곡면 형상으로 식각이 진행된다.

이어, 도2c에 도시한 바와 같이 식각정지막(15) 상부까지 p형 AlGaAs 제2 클래드층(16)을 식각하여 측면이 곡면인 리지 형상으로 형성을 한 후, 도2d에 도시한 바와 같이, 오버 에칭을 진행하면 수직방향으로는 상기 식각정지막(15)에 의해 식각이 더 이상 진행되지 않으며, 곡면의 곡률이 하부가 크므로 리지의 하부쪽으로 갈수록 식각이 잘 이루어져 도2e에 도시한 바와 같이 리지의 측면이 사면에 가깝게 형성된다.

이 결과는 도3a(종래기술에 따른 반도체레이저 다이오드의 단면) 및 도3b의 SEM(본 발명에 따른 반도체레이저 다이오드의 단면)을 참조하면, 도3b에 도시한 바와 같이, 식각정지막을 갖는 p형 AlGaAs 제2 클래드 에피면을 계속 식각했을 경우수직으로는 더 이상 식각되지 않고 측면으로만 식각이 이루어짐을 알 수 있다. 처음에는 수직방향과 수평방향의 식각속도가 다른 것을 고려하여 리지가 형성되지만 점점 시간이 지나면 더 이상 수직방향으로는 식각되지 않기 때문에 이러한 식각 변수가 사라져 옆면이 곡면이 아닌 사면처럼 반듯해진다. 또한 리지의 상부면 폭/리지의 하부면 폭의 값도 0.38에서 0.47로 좋아짐을 알 수 있다.

이어 PR을 제거하면 도2f에 도시한 바와 같이 사면을 갖고, 리지의 상부면 폭과 리지의 하부면 폭의 차가 줄어든 리지 형상의 제2 클래드층(17)이 형성되고, 이어 도2g에 도시한 바와 같이, 상기와 같은 제2 클래드층(17)을 에워싸고 리지로만 전류를 흘려주기 위해 n-GaAs 전류제한층(18)을 형성하면 상기 전류제한층(18)의 막질이 향상되고, 이러 p형 GaAs 캡층(19)을 형성한다.

둘째, 식각물질에 따라 식각속도가 달라지는데 한 예로, NH₄OH:H₂O₂:H₂O를 1:1:10으로 섞어 상온에서 식각할 때 GaAs층에 비해 Al_0.6GaAs층은 약 1.6배 빠른 식각속도를 갖는다. 즉, Al조성이 높아지면 식각 속도는 일반적으로 빨라진다. 이는 과산화수소수에 의해 산화되기가 쉽기 때문이다.

즉, Al조성에 따라 식각속도가 달라짐을 이용하여 p형 AlGaAs 제2 클래드층(16) 구조를 생각해보면, 이때 이 조성 차이를 미미하게 두면서 MOCVD등의 방법으로 형성한다.

Al과 Ga의 조성비에 있어서, Al 조성을 점점 균등(step)하게 또는 비균등(graded)하게 낮추며 p형 AlGaAs 제2 클래드층(16)을 형성하고, 패턴 폭이큰 PR 리지 마스크(PR)를 이용하여 오버 에칭시키면 리지 아래쪽은 윗쪽보다 식각이 빨라진다.

즉, 리지 상부면의 AlGaAs의 조성을 Al_xGa_1-xAs, 리지 하부면의 AlGaAs 조성을 Al_yGa_1-yAs라 할때, x=0.55, y=0.60 이와 같이 하여 Al 조성을 점점 균등(step)하게 또는 비균등(graded)하게 낮추면 광 특성에는 큰 영향을 주지 않고 리지 아래쪽은 윗쪽보다 식각이 빨라지게 할 수 있다.

따라서, p형 AlGaAs 제2 클래드층(16)의 물질의 조성비도 변화시키고, 기존 보다 큰 마스크를 이용하여 오버에칭하면 리지의 측면을 사면에 가깝게 형성할 수 있고, 리지의 하부면의 폭을 상부면의 폭의 차이를 효과적으로 줄일 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같은 본 발명에 따른 반도체레이저 다이오드 제조방법은 다음과 같은 효과가 있다.

리지 식각 마스크를 기존보다 넓은 것을 사용하여 오버에칭함으로써 리지의 상부면의 폭이 기존 마스크를 이용한 것에 비해 줄지 않아 주입되는 전류의 양이 줄어들지 않고 리지의 측면을 곡면이 아닌 사면으로 식각하여 전류제한층의 막질을 개선하며, 리지의 하부면의 폭을 줄일 수 있어, 전기적 특성 및 방사효율을 개선한다.

p형 제2 클래드층의 조성을 약간 변화시켜 리지의 측면이 사면을 갖도록 식각을 촉진시켜 전기적 특성 및 방사효율을 개선한다.

이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술 사상을 이탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다.

따라서, 본 발명의 기술적 범위는 실시예에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의하여 정해져야 한다.

Claims (4)

1. GaAs 기판 상에 n형 클래드층을 형성하는 단계;

   상기 n형 클래드층 상에 광을 생성하는 활성층을 형성하는 단계;

   상기 활성층 상에 p형 제1 클래드층, 식각정지막, p형 AlGaAs 계열의 제2 클래드층을 차례로 형성하는 단계;

   소정의 패턴을 갖는 마스크를 상기 p형 제2 클래드층 상부에 형성하는 단계;

   상기 p형 제2 클래드층을 습식식각하여 상기 식각정지막을 노출시키고, 이후 상기 습식식각을 진행하여 리지(ridge) 형태로 형성하는 단계;

   상기 p형 제2 클래드층의 상부가 노출되도록 상기 노출된 식각정지막 상에 전류제한층을 형성하는 단계;

   상기 전류제한층 상에 상기 p형 제2 클래드층과 연결되도록 p형 GaAs 캡층을 형성하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 반도체레이저 다이오드 제조방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 리지 형태의 p형 제2 클래드층의 측면은 소정의 기울기를 갖는 사면을 갖도록 상기 p형 제2 클래드층을 과도 습식식각하는 것을 특징으로 하는 반도체레이저 다이오드 제조방법.
3. 삭제
4. 제3항에 있어서, 상기 AlGaAs 계열로 이루어진 p형 제2 클래드층에서, Al 대 Ga의 조성비는 Al의 조성비가 Ga의 조성비보다 점점 낮아지도록 상기 p형 제2 클래드층을 형성하는 것을 특징으로 하는 반도체레이저 다이오드 제조방법.