KR100446604B1 - 단일횡모드GaN계면발광레이저다이오드및그제조방법 - Google Patents

단일횡모드GaN계면발광레이저다이오드및그제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 GaN계 III-V 족 질화물(Nitride)을 사용하는 면발광 반도체 레이저 다이오드 및 그 제조 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 단일 모드 GaN계 면발광 레이저 다이오드는 GaN 혹은 AlGaN층과 공기층의 겹층으로 하부 분산 브래그 반사기를 형성하고 고굴절율의 유전체와 저굴절율의 유전체의 겹층으로 상부 DBR 을 형성하여, 적은 DBR 겹층(pair)으로 충분한 반사율을 구현함으로써, 다층 성장시에 발생되는 결정 성장의 어려움이 해소한다.

Description

단일 횡모드 ＧａＮ계 면발광 레이저 다이오드 및 그 제조 방법
본 발명은 GaN계 III-V 족 질화물(Nitride)을 사용하는 면발광 반도체 레이저 다이오드 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로 GaN계 III-V 족 질화물(Nitride)로 제작되는 면발광 반도체 레이저는 400 nm 대의 근 자외선 및 청색 파장의 빛을 낼수 있어 고용량 정보저장기기에 사용될수 있으며 모서리 방출(edge emitting) 레이저에 비해 단일 종(횡??)모드(single longitudinal(latitudinal??) mode) 발진을 하는 등 특성이 우수한 장치이다.
면발광 반도체 레이저 다이오드는 통상 활성층 상,하에 반사율 99.9 % 이상인 분산 브래그 반사기(DBR; Distributed Bragg Refleltor)를 구비한다. 이 DBR은 GaAs 와 AlAs 와 같이 서로 격자상수가 비슷하여 에피택시 성장(epitaxial growth) 이 가능한 반도체 물질을 사용하여 제작되거나 SiO2, Al2O3, TiO2, ZnO2와 같은 유전(dielectric) 물질을 사용하여 제작된다. 전자의 경우 반도체를 통해 전류 주입이 가능하고 박막의 질이 우수하다는 장점이 있다. 이때 사용 가능한 DBR 은 발진파장 보다 밴드갭 에너지(bandgap energy)가 커 흡수가 일어나지 않아야 하고 겹층되는 두 DBR 물질 간의 굴절률 차이가 클수록 유리하다.
GaN 계 면발광 반도체 레이저 다이오드에 있어서, DBR로 사용 가능한 반도체 재료로는 GaN 또는 AlGaN 또는 AlN 등이 있다. 여기서, Al의 함량이 30%이상인 AlGaN 와 AlN 등은 밴드갭 에너지(bandgap energy)가 너무 커서 이들로 구성된 DBR을 통해 전류를 주입할 경우 구동 전압이 매우 높아지고 발열로 인한 문제가 발생할 수 있다. 뿐 만 아니라 굴절률 차이가 가장 큰 GaN 와 AlN 로 DBR을 구성하여도 요구되는 고반사율을 얻기 위해서는 최소한 20 겹(pairs) 이상의 적층을 하여야 하며 더욱이 고반사율 영역의 파장이 매우 좁아 면발광 반도체 레이저의 설계에 어려움이 있으며 공진기(Cavity)의 두께가 조금만 벗어나거나 활성층의 조성이 조금만 변하여도 발진 조건을 만족하지 못하게 된다.
이와 같은 단점을 극복하기 위해 유전체 DBR을 사용할 수도 있으나 이는 상부 DBR에만 적용이 가능하고 공진기(cavity)를 성장시키기 위해서는 하부 DBR은 결정 성장법으로 제작하여야만 한다.
GaN 계 면발광 레이저 다이오드를 구성하는데 있어서 또 하나의 문제점은 그 DBR 재료의 특성상 소위 인터라-캐버티 커런트 인젝션(Intra-cavity current injection)이라는 구조로 제작되어야 전류 주입이 가능하다. 그러나 GaN, 특히 p-GaN는 결정 성장이 최초 버퍼층(buffer layer)으로부터 아일런드(island) 형태로 시작된 후 서로 합쳐지는 원리로 성장되는데 이 때문에 측면 방향으로의 저항이 매우 커서 소위 시트 레지스턴스(Sheet resistance)가 매우 크다. 따라서 측면에 금속 접촉(metal contact)을 구성했을 경우 전류 주입이 원활하지 않을 뿐 아니라 균일한 전류 주입 형태가 이루어지지 않아 단일 횡 모드 발진을 어렵게 한다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하고자 창안된 것으로, 하부 분산 브래그 반사기는 에피택시 성장법으로 형성하고 상부 분산 브래그 반사기는 유전체층으로 형성하며, 측면으로부터의 전류 주입이 용이한 DBR(Distributed Bragg Refleltor)을 갖는 단일 횡모드 GaN계 면발광 레이저 다이오드 및 그 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 단일 횡모드 GaN계 면발광 레이저 다이오드의 개략적 수직 단면도,
도 2는 도 1의 단일 횡모드 GaN계 면발광 레이저 다이오드의 일 실시예의 평면도,
도 3a는 도 2의 평면도에서 A-A' 선을 따라 절개하여 본 수직 단면도,
도 3b는 도 2의 평면도에서 B-B' 선을 따라 절개하여 본 수직 단면도,
그리고, 도 4a 내지 도 4g는 도 2의 단일 횡모드 GaN계 면발광 레이저 다이오드 실시예 제작과정을 보여주기 위한 설명도로서,
도 4a는 공진기 구조 형성후의 수직 단면도,
도 4b는 전류 차단층 형성후의 수직 단면도,
도 4c는 하부 분산 브래그 반사기 구조 식각후의 수직 단면도,
도 4d는 하부 분산 브래그 반사기에서 공기층을 형성한 후의 수직 단면도,
도 4e는 상부 금속 전극 증착후의 수직 단면도,
도 4f는 유전체로 상부 분산 브래그 반사기를 형성한 후의 수직 단면도,
그리고 도 4g는 하부 금속 전극 형성후의 수직 단면도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10. 공진기 11. InGaN 활성층
12. p-AlGaN/p-GaN 상부 캐리어 제한층 13. n-AlGaN 혹은 n-GaN 하부 캐리어 제한층
20. 하부 분산 브래그 반사기 21. GaN 혹은p-GaN 층
22. AlN 혹은 n-GaN 층 30. 상부 분산 브래그
31. 고 굴절율 유전체층 32. 저 굴절율 유전체층
40. 상부 금속 전극 50. GaN 버퍼층
55. GaN층 60. AlN 전류 통로
60'. 공기 혹은 Al2O3전류차단층 70. n-GaN 하부 콘택트층
80. p-GaN 상부 콘택트층 90. 하부 금속 전극
110. 기판
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 단일 횡모드 GaN계 면발광 레이저 다이오드는, 반도체 기판 상에 하부 분산 브래그 반사기, 공진기 및 상부 분산 브래그 반사기를 구비한 단일 모드 GaN계 면발광 레이저 다이오드에 있어서, 상기 하부 분산 브래그 반사기는 생성되는 광의 파장과 분산 브래그 반사기 구성 물질의 굴절율을 각각 λ와 n이라 할 때 각각 λ/4n 두께를 갖는 상대적 고굴절율의 GaN층 및 상대적 저굴절율의 공기층의 쌍들이 3~5겹으로 적층되고, 상기 상부 분산 브래그 반사기는 각각 λ/4n 두께를 갖는 상대적으로 저굴절율인 유전체층과 상대적으로 고굴절율인 유전체층의 쌍들이 3~5겹으로 적층된 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 하부 분산 브래그 반사기는 Al의 함량이 소정값 이하인 AlGaN층 및 공기층의 쌍들로 이루어지고, 상기 공진기는, InGaN의 다중 양자 우물층으로 형성된 활성층; 및 상기 활성층의 하부 및 상부에 각각 캐리어 제한을 위한 n-AlGaN 제1캐리어 제한층 및 p-AlGaN 제2캐리어 제한층;을 구비하며, 상기 n-AlGaN 제1캐리어 제한층 및 p-AlGaN 제2캐리어 제한층의 외측면 상에 각각 전극 접속을 위한 n-GaN 제1콘택트층 및 p-GaN 제2콘택트층을 더 구비하되, 상기 n-GaN 제1콘택트층의 중간에 전류 통로로서 n-AlN층 및 상기 n-AlN층의 주변에는 Al2O3혹은 공기로 이루어진 전류차단층을 더 구비하거나 상기 p-GaN 제2콘택트층의 중간에 전류 통로로서 p-AlN층 및 상기 p-AlN층의 주변에는 Al2O3혹은 공기로 이루어진 전류차단층을 더 구비하며, 또한 상기 n-GaN 제1콘택트층 상부 가장자리에 상기 공진기와 이격되도록 하부 전극이 형성되고, 상기 p-GaN 제2콘택트층 및 상기 상부 분산 브래그 반사기 사이에 상부 전극용 금속층이 형성된 것이 바람직하며, 상기 하부 분산 브래그 반사기, 공진기 및 상부 분산 브래그 반사기는 각각 하부 분산 브래그 반사기, 공진기 및 상부 분산 브래그 반사기의 순서로 직경이 큰 원통형으로 형성되고, 상기 원통형 하부 분산 브래그 반사기를 지지하기 위한 지지체가 상기 원통 외측에 상기 원통과 일체형으로 형성된 것이 바람직하다.
또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 단일 횡모드 GaN계 면발광 레이저 다이오드의 제조 방법은, (가) 반도체 기판 위에 예비 하부 분산 브래그 반사기 및 예비 공진기층을 순차로 성장시킨 다음, 상기 예비 공진기층을 제1건식 식각법으로 패터닝하여 공진기를 형성하는 단계; (나) 상기 공진기의 적어도 일측 캐리어 제한층을 측면으로부터 산화시켜 전류차단층을 형성하는 단계; (다) 식각 마스크를 만든 후, 제2건식 식각법으로 상기 기판 상면 까지 건식 식각하여 예비 하부 DBR층을 형성하는 단계; (라) 상기 예비 DBR층의 AlN층을 선택적인 습식 식각법으로 측면으로부터 식각하여 제거함으로써 공기로 이루어지는 저 굴절율층을 형성하여 하부 DBR을 형성하는 단계; (마) 상기 공진기 상에 금속을 소정의 두께 이하로 증착하여 상부 전극을 형성하는 단계; 및 (바) 상기 상부 전극 상에 상대적으로 굴절율 차가 큰 두 개의 유전체의 겹층을 복수회 적층하고 패터닝하여 상부 분산 브래그 반사기를 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 (가) 단계 앞에 상기 반도체 기판 바로 위에 유기 금속 화학 기상 증착법 또는 MBE법을 이용하여 AlN 또는 GaN으로 성장시켜 버퍼층을 형성하는 단계를 더 포함하고, 상기 (가) 단계에서, 생성되는 광의 파장을 λ,브래그 반사기층의 구성 물질의 굴절율을 n 이라 할 때, 상기 하부 분산 브래그 반사기층은 GaN 또는 Al 함량이 상대적으로 작은 AlGaN 와 AlN 또는 Al 함량이 상대적으로 높은 AlGaN를 λ/4n 두께씩 교대로 3~5회 적층하며, 상기 예비 공진기를 형성하는 단계는, 상기 예비 하부 분산 브래그 반사기층 상에 캐리어 제한을 위한 n-AlGaN 캐리어 제한층을 형성하는 서브 단계; 상기 n-AlGaN 캐리어 제한층 상에 InGaN 또는 GaN 으로 다중 양자우물 구조의 활성층을 형성하는 서브 단계; 상기 활성층 상에 캐리어 제한을 위한 p-AlGaN 캐리어 제한층을 형성하는 서브 단계;를 포함하며, 상기 n-AlGaN 캐리어 제한층의 하부 및 상기 p-AlGaN 캐리어 제한층의 상부에 각각 금속 접촉을 위한 n-GaN 콘택트층 및 p-GaN 콘택트층을 형성하는 서브 단계;를 더 포함하되, 상기 p-GaN 콘택트층을 형성하는 서브 단계에서 상기 p-GaN 캐리어 제한층을 형성하는 도중에 p-AlN층을 형성하는 서브 단계;를 더 포함하며,상기 (나) 단계에서 산화시키는 대신에 상기 일측 캐리어 제한층의 일부를 측면으로부터 식각하여 제거하여 전류차단층을 형성하며, 상기 (라) 단계에서 상기 선택적인 습식 식각법의 에첸트로 KOH 용액을 사용하며, 상기 (마) 단계에서 상기 n-GaN 콘택트층의 가장자리 상면에도 전극용 금속을 증착하고 패터닝하여 하부 전극을 형성하는 서브 단계;를 더 포함하며, 상기 (바) 단계에서, 생성되는 광의 파장을 λ, 브래그 반사기층의 구성 물질의 굴절율을 n 이라 할 때, 상기 상부 분산 브래그 반사기층은 상대적으로 고굴절율을 갖는 유전체와 저굴절율을 갖는 유전체를 λ/4n 두께씩 교대로 적층하는 것이 바람직하며, 상기 (가) 단계에서 상기 예비 하부 분산 브래그 반사기층으로 AlxOy층과 GaN의 겹층을 3~5겹으로 적층하고, 상기 (라) 단계에서 각각 습식 식각법으로 AlxOy층을 제거함으로써 각각 GaN층과 공기층의 겹층으로 이루어지는 하부 분산 브래그 반사기를 형성하는 것도 바람직하며, 상기 (가) 단계에서 상기 예비 하부 분산 브래그 반사기층으로 p-GaN층과 n-GaN층의 겹층을 3~5겹으로 적층하고, 상기 (라) 단계에서 각각 광전자 에칭법으로 n-GaN층 만을 선택적으로 식각하여 제거함으로써 각각 p-GaN층과 공기층의 겹층으로 이루어지는 하부 분산 브래그 반사기를 형성하는 것도 바람직하다.
이하 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 단일 횡모드 GaN계 면발광 레이저 다이오드 및 그 제조 방법을 상세하게 설명한다.
본 발명은, 고반사율의 분산 브래그 반사기를 얻기 위해서 최소한 20 겹(pairs) 이상의 적층을 하여야 하며, 더욱이 고반사율 영역의 파장이 매우 좁아 면발광 반도체 레이저의 설계에 어려움이 있으며 공진기(Cavity)의 두께가 조금만 벗어나거나 활성층의 조성이 조금만 변하여도 발진 조건을 만족하지 못하는 종래의 적층 물질 자체의 제약을 극복하기 위하여, 하부 DBR은 GaN 또는 Al의 함량이 적은 AlGaN와 공기를 교대로 적층하는 DBR을 사용하며, 상부 DBR은 상대적으로 굴절율이 큰 유전체와 굴절율이 작은 유전체의 겹층으로 구성하되 p-콘택트 금속(contact metal) 위에 구비되도록 하여 균일한 전류 주입이 가능하도록 한 점에 특징이 있다. 또한, 단일 횡 모우드 동작을 구현하기 위하여 p-AlN 전류 통로를 10 μm 이하의 구경(aperture)을 갖도록 형성한다. 이와 같은 특징을 갖는 단일 횡모드 GaN계면발광 레이저 다이오드의 구조를 상세하게 설명하면 다음과 같다.
먼저, 본 발명에 따른 단일 횡모드 GaN계 면발광 레이저 다이오드는 기본적으로 도 1에 예시된 바와 같이 발진 파장의 정수 배 두께를 갖는 공진기(Cavity)(10) 하부에 GaN/Air DBR(20)이 구비되고, 그 상부에는 상대적으로 큰 굴절율을 갖는 유전체(Dielectric)(31) 및 작은 굴절율의 유전체(32)로 구성된 DBR(30)이 구비된다. 공진기(cavity)(10)는 InGaN의 다중 양자 우물(quantum well)로 구성된 활성층(11)과 이를 중심으로 그 하부에 캐리어 제한(carrier confinement)을 위한 n-GaN 혹은 n-AlGaN 캐리어 제한층(13)과 그 상부에 역시 캐리어 제한을 위한 p-GaN 혹은 p-AlGaN 캐리어 제한층(12)이 적층된 구조로 형성된다. 공진기(10)과 유전체(Dielectric) DBR(30) 사이에는 p-콘택트 금속(Contact metal)(40)이 삽입되어 균일한 전류 주입이 이루어지게 된다. 활성층(11)에서 발생한 빛은 공진기(10)의 상부 및 하부 DBR(20, 30)의 아래 위로 공진하며 발진된다. 이 때 공진 조건을 만족하기위해 공진기(10)의 두께는 발진 파장의 정수배가 되어야 하며, 또한 모서리 발광 레이저 다이오드(edge emitting laser diode)에 비해 공진 길이가 매우 짧으므로 경면 손실(mirror loss)을 줄이기 위해 반사율이 99.5 % 이상 되어야 한다. 주지된 바와 같이, 공기의 굴절율은 1이므로, 하부 분산 브래그 반사기(20)는 3~5겹의 적층으로도 충분히 높은 반사율을 얻을 수 있으며, 상부 분산 브래그 반사기(30)도 하부 분산 반사기(20)의 겹층에 상응하는 반사율을 갖도록 제작하는 것이 바람직하다.
이상과 같은 특징을 갖는 단일 모드 GaN계 면발광 레이저 다이오드의 실시예의 평면도가 도 2에 도시된다. 도 3a 및 도 3b는 각각 도 2의 평면 구조에서 A-A'선 및 B-B'선을 따라 절개한 수직 단면도들이다. 도시된 바와 같이, 실시예는 기판(110) 상에 버퍼층(50), GaN층(55), 하부 DBR(20), n-GaN 하부 콘택트층(70), 공진기(10), p-GaN 상부 콘택트층(80), 상부 전극용 금속층(40) 및 상부 DBR(30)이 순차로 적층된 원통형 구조를 기본 구조로 하고, 그 주변에 하부 DBR의 공기층을 유지하기 위한 지지체를 갖는다. 도 3a 및 도 3b에서 공기층이 형성된(종래의 AlN층이 제거된) 상태에서 어떻게 GaN층(21)의 위치가 고정되는가를 알 수 있다. 즉, 공기층(22)을 만들기 위하여 식각되는 물질(AlN 혹은 n-GaN)이 가장자리에서 완전히 식가되지 않고 남아서 지지체(22')의 역할을 함으로써 공기층들을 유지한다. 또한, 공진기(40)는 n-AlGaN 하부 캐리어 제한층(13)과 InGaN 활성층(11) 및 p-AlGaN 상부 캐리어 제한층(12)으로 이루어진다. 공진기(Cavity)(10) 상하부에는 각각 n-GaN 콘택트층(70) 및 p-GaN 콘택트층(80)이 구비된다. 특히, p-GaN 상부 콘택트층(80)의 중간에는 제한(confinement)된 전류를 공진기(10)에 공급하기 위한 p-AlN 통전 채널(60)이 구비되며, p-AlN 통전 채널(60) 주변에는 공기 혹은 Al2O3등으로 형성된 전류차단층(60')이 구비된다. 이들 원형의 p-GaN 콘택트층(80) 상에 형성된 상부 전극용 금속층(40) 및 n-GaN 콘택트층(70)의 가장자리에 각각 형성된 전극(미도시, 도 4g의 90 참조) 사이에 전압이 인가되면, 상기 전류차단층(60')에 의해 흐르는 전류가, 통전 채널(60) 이외의 영역으로 흐르는 것이 방지된다. 여기서, n-GaN 콘택트층(70) 및 p-GaN 콘택트층(80)은 그 두께에 따라 공진기(10)로 형성될 수도 있고, DBR의 첫 번째 고굴절율층으로 형성될 수 도 있다. 즉, DBR의 첫 번째 고굴절율층으로 설계될 경우에는 λ/4n (λ는 레이저 파장, n은 매질의 굴절률)의 두께를 가지며, 공진기로 설계될 경우에는 광도파에 유리하도록 발진 파장의 정수배의 두께를 갖도록 설계된다. 또한, 하부 분산 브래그 반사기(20)는 GaN 혹은 p-GaN층과 공기층의 3~5겹의 적층으로도 충분히 높은 반사율을 얻으며, 상부 분산 브래그 반사기(30)도 하부 분산 반사기(20)의 겹층에 상응하는 반사율을 갖도록 상대적으로 고굴절율을 갖는 유전체(31)와 저굴절율을 갖는 유전체(32)의 겹층으로 제작한다.
이와 같은 구조를 갖는 단일 횡모드 GaN계 면발광 레이저 다이오드의 제조 방법은 다음과 같다.
먼저, 도 4a에 도시된 바와 같이, 기판(110) 위에 AlN 또는 GaN로 구성된 버퍼층(50)을 성장시킨 후, 이 버퍼층(50) 상에 예비 하부 DBR(20'), 예비 하부 콘택트층(70'), 예비 공진기(Cavity)층(10') 및 예비 상부 콘택트층(80')을 순차로 성장시키고, 다음으로 제1건식 식각법을 사용하여 예비 공진기(10')층 및 예비 상부 콘택트층(80')을 도 2의 부재번호 200번 영역과 같은 모양으로 패터닝한다.
통상 이 때 사용되는 결정성장법은 유기 금속 화학 기상 증착(MOCVD; Metal Organic Chemical Vapor Deposition) 또는 MBE(Molcular Beam Epitaxy)법 등이 사용된다. 여기서, 예비 공진기(Cavity)층(10')은 n-AlGaN 예비 하부 캐리어 제한층(13')과 InGaN 예비 활성층(11') 및 p-AlGaN 예비 상부 캐리어 제한층(12')의 순으로 성장된다. 예비 하부 DBR(20')은 GaN 또는 Al 함량이 작은 AlGaN 와 AlN또는 Al 함량이 높은 AlGaN를 λ/4n (λ는 발진 파장, n은 DBR을 구성하는 물질의 굴절률) 두께씩 교대로(겹으로) 적층하여 제작한다. AlN 또는 Al 함량이 높은 AlGaN의 식각층(22')은 결정성장 후 습식 식각법에 의해 선택적으로 제거되고 결국 그 빈 공간의 공기가 저 굴절율층(low refractive index layer)이 되는데, 공기의 굴절률은 1 이므로 λ/4 두께로 적층된다. 이 때 적층되는 겹층(pair)의 수는 원하는 반사율을 고려하여 적절히 조절하면 되나, 통상 3 ~ 5 겹(pairs) 내로 적층하여 원하는 반사율을 얻는다. GaAs를 중심으로하는 종래의 면발광 레이저 다이오드와 달리 본 발명에 따른 단일 모드 GaN 계 면발광 레이저 다이오드는 DBR을 통해 전류가 주입되는 것이 아니므로 DBR 적층시 n형 또는 p형으로 도핑할 필요는 없다. 예비 공진기(Cavity)(10')는 다중 양자우물(quantum well)로 구성된 예비 활성층(11') 및 그 상하에 각각 적층된 n-AlGaN 캐리어 제한층(13') 및 p-AlGaN 캐리어 제한층(12')으로 형성된다. 특히, 공진기(Cavity)(10) 혹은 상부 DBR( )의 일부로서 형성될 p-GaN 예비 상부 콘택트층(80')의 사이에는 얇은(수십 Å) 전류 통로용의 p-AlN층(60a)이 삽입되도록 성장시킨다.
이와 같이 각 층 들이 적층된 다음 패터닝시에는, 도 2의 "200"영역과 같은 원형 패턴의 에칭 마스크를 만든 후, p-GaN 상부 콘택트층(80'), 예비 공진기층(40') 및 일부 n-GaN 하부 콘택트층(70')을 제1건식 식각법으로 n-GaN 콘택트층(70')까지 식각하여, p-GaN 상부 콘택트층(80), 공진기층(10") 및 n-GaN 하부 콘택트층(70")을 형성한다.
다음에, 고온 및 산소 분위기에서 p-GaN 예비 상부 콘택트층(80") 사이의 p-AlN층(60a)을 노출된 측면으로부터 산화시키거나 식각하여 도 4b에 도시된 바와 같은 전류차단층(60')을 형성한다. 반면에 원형 패턴의 중심부는 산화시키거나 식각하지 않고 여전히 p-AlN 로 남게하여 전류 통로(60)로 사용 되게한다. 형성된 산화막 혹은 공기층(60')은 발진된 빔을 도파(waveguide)시키는 역할을 하게 되어 단일 횡 모우드 동작을 할수있게 한다.
다음에, 도 2의 "300" 영역과 같은 패턴으로 식각 마스크를 만든 후, 일부 n-GaN 하부 콘택트층(70") 및 예비 하부 DBR층(20')을 제2건식 식각법으로 GaN층(55)의 상면 까지 건식 식각하여, 도 4c에 도시된 바와 같이, n-GaN 하부 콘택트층(70) 및 예비 하부 DBR층(20")을 형성한다.
다음에, 상기와 같이 노출된 예비 하부 DBR층(20")의 AlN층(22")을 측면으로부터 제거하여 공기로 구성된 저 굴절율층(low refractive index layer)(22)을 형성하여, 도 4d에 도시된 바와 같이, 하부 DBR(20)을 형성한다. 여기서, 에천트(etchant)로 KOH 용액을 사용한다.
다음에, p-GaN 상부 콘택트층(80) 상에, 도 4e에 도시된 바와 같이, p-콘택트 금속(contact metal)을 증착하여 상부 금속 전극(40)을 형성한다. 이 때, p-콘택트 금속(contact metal)의 증착 두께는 수십 ~수백 Å으로 하여 광손실을 최소화한다.
다음에, 상기 상부 금속 전극(40) 상에 상대적으로 고굴절율을 갖는 유전체(31') 및 저굴절율을 갖는 유전체(32')를 λ/4n (λ는 발진 파장, n은 DBR을 구성하는 물질의 굴절률) 두께씩 교대로(겹으로) 적층하고 선택적으로 식각하여,도 4f에 도시된 바와 같은 상부 DBR(30)을 형성한다. 이 때 적층되는 겹층(pair)의 수는 원하는 반사율을 고려하여 적절히 조절하며, 가능한한 하부 DBR(20)과 조화를 이루도록 3 ~ 5 겹(pairs) 내로 조절한다.
다음에, 하부 콘택트층(70)의 상면 가장자리에, 도 4g에 도시된 바와 같이, n-오믹 콘택 금속(ohmic contact metal)을 증착하여 하부 금속 전극(90)을 형성함으로써, 소자의 제작을 완료한다.
이상과 같은 제조 방법 외에 하부 DBR층으로 AlxOy/GaN 겹층을 적층하여 습식 식각법으로 AlxOy층을 제거하여 공기층을 저굴절율층으로 하는 DBR을 제조하는 방법도 있으며, 광전자 에칭(PEC; photo electrical etching)시 p-GaN 보다 n-GaN 의 식각 속도가 빠른 성질을 이용하여, DBR층으로 p-GaN/n-GaN 겹층을 적층하여 광전자 에칭법으로 n-GaN 층을 제거하여 DBR을 제조하는 방법도 있다. 이 때 하부 DBR의 p-GaN층은 두 전극의 외부에 위치하여 전류의 흐름과는 무관하므로 p형으로 도핑되어도 아무런 상관이 없다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 단일 모드 GaN계 면발광 레이저 다이오드는 GaN 혹은 AlGaN층과 공기층의 겹층 및 고굴절율의 유전체와 저굴절율의 유전체의 겹층을 3~5회의 적층으로 각각 하부 DBR 및 상부 DBR을 형성하여, 적은 DBR 겹층(pair)으로 충분한 반사율을 구현함으로써, 다층 성장시에 발생되는 결정 성장의 어려움이 해소되어 제조가 용이하며, AlN 측방 산화(lateral oxidation)로전류제한(current confinement) 및 광도파(wave guide)를 구현하여 높은 양자효율의 동작과 단일 횡모드를 얻을 수 있다. 또한, 효과적이고 균일한 전류 주입(current injection)으로 안정된 단일 횡 모드 동작이 가능하다.

Claims (24)

  1. 반도체 기판 상에 하부 분산 브래그 반사기, 공진기 및 상부 분산 브래그 반사기를 구비한 단일 모드 GaN계 면발광 레이저 다이오드에 있어서,
    상기 하부 분산 브래그 반사기는 생성되는 광의 파장과 분산 브래그 반사기 구성 물질의 굴절율을 각각 λ와 n이라 할 때 각각 λ/4n 두께를 갖는 상대적 고굴절율의 GaN층 및 상대적 저굴절율의 공기층의 쌍들이 3~5겹으로 적층되고, 상기 상부 분산 브래그 반사기는 각각 λ/4n 두께를 갖는 상대적으로 저굴절율인 유전체층과 상대적으로 고굴절율인 유전체층의 쌍들이 3~5겹으로 적층된 것을 특징으로 하는 단일 모드 GaN계 면발광 레이저 다이오드.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 하부 분산 브래그 반사기의 GaN층은 Al을 포함하여, 상기 하부 분산 브래그 반사기가 AlGaN층 및 공기층의 쌍들로 이루어지도록 된 것을 특징으로 하는 단일 모드 GaN계 면발광 레이저 다이오드.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 공진기는,
    InGaN의 다중 양자 우물층으로 형성된 활성층; 및
    상기 활성층의 하부 및 상부에 각각 캐리어 제한을 위한 n-AlGaN 제1캐리어제한층 및 p-AlGaN 제2캐리어 제한층;을
    구비한 것을 특징으로 하는 단일 모드 GaN계 면발광 레이저 다이오드.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 n-AlGaN 제1캐리어 제한층 및 p-AlGaN 제2캐리어 제한층의 외측면 상에 각각 전극 접속을 위한 n-GaN 제1콘택트층 및 p-GaN 제2콘택트층을 더 구비한 것을 특징으로 하는 단일 모드 GaN계 면발광 레이저 다이오드.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 n-GaN 제1콘택트층의 중간에 전류 통로로서 n-AlN층 및 상기 n-AlN층의 주변에는 Al2O3혹은 공기로 이루어진 전류차단층을 더 구비한 것을 특징으로 하는 단일 모드 GaN계 면발광 레이저 다이오드.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 p-GaN 제2콘택트층의 중간에 전류 통로로서 p-AlN층 및 상기 p-AlN층의 주변에는 Al2O3혹은 공기로 이루어진 전류차단층을 더 구비한 것을 특징으로 하는 단일 모드 GaN계 면발광 레이저 다이오드.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 n-GaN 제1콘택트층 상부 가장자리에 상기 공진기와 이격되도록 하부 전극이 형성된 것을 특징으로 하는 단일 모드 GaN계 면발광 레이저 다이오드.
  8. 제4항에 있어서,
    상기 p-GaN 제2콘택트층 및 상기 상부 분산 브래그 반사기 사이에 상부 전극용 금속층이 형성된 것을 특징으로 하는 단일 모드 GaN계 면발광 레이저 다이오드.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 하부 분산 브래그 반사기, 공진기 및 상부 분산 브래그 반사기는 각각 하부 분산 브래그 반사기, 공진기 및 상부 분산 브래그 반사기의 순서로 직경이 큰 원통형으로 형성되고, 상기 원통형 하부 분산 브래그 반사기를 지지하기 위한 지지체가 상기 원통 외측에 상기 원통과 일체형으로 형성된 것을 특징으로 하는 단일 모드 GaN계 면발광 레이저 다이오드.
  10. (가) 반도체 기판 위에 예비 하부 분산 브래그 반사기 및 예비 공진기층을 순차로 성장시킨 다음, 상기 예비 공진기층을 제1건식 식각법으로 패터닝하여 공진기를 형성하는 단계;
    (나) 상기 공진기의 적어도 일측 캐리어 제한층을 측면으로부터 산화시켜 전류차단층을 형성하는 단계;
    (다) 식각 마스크를 만든 후, 제2건식 식각법으로 상기 기판 상면 까지 건식식각하여 예비 하부 DBR층을 형성하는 단계;
    (라) 상기 예비 DBR층의 AlN층을 선택적인 습식 식각법으로 측면으로부터 식각하여 제거함으로써 공기로 이루어지는 저 굴절율층을 형성하여 하부 DBR을 형성하는 단계;
    (마) 상기 공진기 상에 금속을 소정의 두께 이하로 증착하여 상부 전극을 형성하는 단계; 및
    (바) 상기 상부 전극 상에 상대적으로 굴절율 차가 큰 두 개의 유전체의 겹층을 복수회 적층하고 패터닝하여 상부 분산 브래그 반사기를 형성하는 단계;를
    포함하는 것을 특징으로 하는 단일 모드 GaN계 면발광 레이저 다이오드의 제조 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 (가) 단계 앞에 상기 반도체 기판 바로 위에 AlN 또는 GaN으로 성장시켜 버퍼층을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 단일 모드 GaN계 면발광 레이저 다이오드의 제조 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 버퍼층의 결정 성장에는 유기 금속 화학 기상 증착법 또는 MBE법을 사용하는 것을 특징으로 하는 단일 모드 GaN계 면발광 레이저 다이오드의 제조 방법.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 (가) 단계에서, 생성되는 광의 파장을 λ, 브래그 반사기층의 구성 물질의 굴절율을 n 이라 할 때, 상기 하부 분산 브래그 반사기층은 GaN 또는 Al 함량이 상대적으로 작은 AlGaN 와 AlN 또는 Al 함량이 상대적으로 높은 AlGaN를 λ/4n 두께씩 교대로 적층하는 것을 특징으로 하는 단일 모드 GaN계 면발광 레이저 다이오드의 제조 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 GaN 또는 AlGaN 와 AlN 또는 AlGaN의 겹층은 3~5겹으로 적층하는 것을 특징으로 하는 단일 모드 GaN계 면발광 레이저 다이오드의 제조 방법.
  15. 제11항에 있어서,
    상기 (가) 단계에서 상기 예비 공진기를 형성하는 단계는,
    상기 예비 하부 분산 브래그 반사기층 상에 캐리어 제한을 위한 n-AlGaN 캐리어 제한층을 형성하는 서브 단계;
    상기 n-AlGaN 캐리어 제한층 상에 InGaN 또는 GaN 으로 다중 양자우물 구조의 활성층을 형성하는 서브 단계;
    상기 활성층 상에 캐리어 제한을 위한 p-AlGaN 캐리어 제한층을 형성하는 서브 단계;를
    포함하는 것을 특징으로 하는 단일 모드 GaN계 면발광 레이저 다이오드의 제조 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 n-AlGaN 캐리어 제한층의 하부 및 상기 p-AlGaN 캐리어 제한층의 상부에 각각 금속 접촉을 위한 n-GaN 콘택트층 및 p-GaN 콘택트층을 형성하는 서브 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 단일 모드 GaN계 면발광 레이저 다이오드의 제조 방법.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 p-GaN 콘택트층을 형성하는 서브 단계에서 상기 p-GaN 콘택트층을 형성하는 도중에 p-AlN층을 형성하는 서브 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 단일 모드 GaN계 면발광 레이저 다이오드의 제조 방법.
  18. 제10항에 있어서,
    상기 (나) 단계에서 산화시키는 대신에 상기 일측 캐리어 제한층의 일부를 측면으로부터 식각하여 제거하는 것을 특징으로 하는 단일 모드 GaN계 면발광 레이저 다이오드의 제조 방법.
  19. 제17항에 있어서,
    상기 (나) 단계에서 상기 p-AlN층의 일정 폭을 측면으로부터 산화시키거나식각하여 제거함으로써 전류차단층을 형성하는 것을 특징으로 하는 단일 모드 GaN계 면발광 레이저 다이오드의 제조 방법.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 (라) 단계에서 상기 선택적인 습식 식각법의 에첸트로 KOH 용액을 사용하는 것을 특징으로 하는 단일 모드 GaN계 면발광 레이저 다이오드의 제조 방법.
  21. 제16항에 있어서,
    상기 (마) 단계에서 상기 n-GaN 콘택트층의 가장자리 상면에 전극용 금속을 증착하고 패터닝하여 하부 전극을 형성하는 서브 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 단일 모드 GaN계 면발광 레이저 다이오드의 제조 방법.
  22. 제11항에 있어서,
    상기 (바) 단계에서, 생성되는 광의 파장을 λ, 브래그 반사기층의 구성 물질의 굴절율을 n 이라 할 때, 상기 상부 분산 브래그 반사기층은 상대적으로 고굴절율을 갖는 유전체와 저굴절율을 갖는 유전체를 λ/4n 두께씩 교대로 적층하는 것을 특징으로 하는 단일 모드 GaN계 면발광 레이저 다이오드의 제조 방법.
  23. 제10항에 있어서,
    상기 (가) 단계에서 상기 예비 하부 분산 브래그 반사기층으로 AlxOy층과 GaN의 겹층을 3~5겹으로 적층하고, 상기 (라) 단계에서 각각 습식 식각법으로 AlxOy층을 제거함으로써 각각 GaN층과 공기층의 겹층으로 이루어지는 하부 분산 브래그 반사기를 형성하는 것을 특징으로 하는 단일 모드 GaN계 면발광 레이저 다이오드의 제조 방법.
  24. 제10항에 있어서,
    상기 (가) 단계에서 상기 예비 하부 분산 브래그 반사기층으로 p-GaN층과 n-GaN층의 겹층을 3~5겹으로 적층하고, 상기 (라) 단계에서 각각 광전자 에칭법으로 n-GaN층 만을 선택적으로 식각하여 제거함으로써 각각 p-GaN층과 공기층의 겹층으로 이루어지는 하부 분산 브래그 반사기를 형성하는 것을 특징으로 하는 단일 모드 GaN계 면발광 레이저 다이오드의 제조 방법.
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