KR100453962B1 - 반도체 레이저 소자 및 그의 벽개면에 윈도우층을형성하는 방법 - Google Patents

반도체 레이저 소자 및 그의 벽개면에 윈도우층을형성하는 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 고출력 반도체 레이저 소자 및 그의 벽개면에 윈도우층을 형성하는 방법에 관한 것으로, 반도체 레이저 소자에 있어서, 반도체 레이저 소자의 광출력면에 형성된 ZnO 또는 ZnS 박막과 같은 Zn 확산 소스층과; 상기 Zn 확산 소스층과 상기 광출력면의 사이에, 상기 Zn 확산 소스층으로부터 Zn이 확산된 윈도우층을 더 구비하여 구성함으로써, 반도체 레이저 소자의 벽개면에 밴드갭이 큰 윈도우 층을 형성되어, 벽개면 근처에서 광 흡수를 줄일 수 있고, 광 투과를 할 수 있는 효과가 발생한다.

Description

반도체 레이저 소자 및 그의 벽개면에 윈도우층을 형성하는 방법{Semiconductor laser device and method for forming a window layer on the facet of thereof}
본 발명은 반도체 레이저 소자 및 그의 벽개면(Facet)에 윈도우층을 형성하는 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 벽개면에 ZnO 또는 ZnS 박막을 형성한 후, Zn을 확산하여 밴드갭이 큰 윈도우 층을 형성함으로써, 벽개면 근처에서 광 흡수를 줄일 수 있고, 광 투과를 할 수 있는 고출력 반도체 레이저 소자 및 그의 벽개면에 윈도우층을 형성하는 방법에 관한 것이다.
최근 CD-RW와 DVD 등의 광 저장장치의 고속화가 진행됨에 따라 광 출력이 높은 레이저 반도체가 필요하게 되었다.
도 1은 일반적인 반도체 레이저 다이오드의 칩바(Chip bar)를 도시한 사시도로써, GaAs 기판(10)의 상부에 N-GaAs 클래드층(11), 활성층(12)과 P-AlGaAs 클래드층(12-1)이 순차적으로 적층되어 있고, 상기 P-AlGaAs 클래드층(12-1)의 측면에 전류방지층(13)이 형성되어 있으며, 상기 P-AlGaAs 클래드층(12-1)과 상기 전류방지층(13)의 상부에 P-GaAs 캡층(14)이 적층되어 있고, 상기 GaAs 기판(10)의 하부에는 N-금속(16)과 상기 P-GaAs 캡층(14)의 상부에는 P-금속(15)이 증착되어, 하나의 반도체 레이저 다이오드(20)를 이룬다. 이러한 하나의 반도체 레이저 다이오드들이 다수로 정렬되어 반도체 레이저 다이오드의 칩바가 형성되는 것이다.
이렇게 구성된 반도체 레이저 다이오드는 활성층(12)에서 레이저가 방출됨으로, CD-RW 또는 DVD 등에 이용된다.
한편, 반도체 레이저 소자는 출력이 높아질수록, 미러 벽개면(Mirror facet)에서 발생하는 COD(Catastrophic Optical Damage)가 심각한 문제로 대두되었다.
이러한 COD를 보다 상세히 설명하면, 활성층에서 발생된 레이저를 반사하는 미러 벽개면에, 표면 결함이나 불완전한 산화막이 형성되어 소자에 악영향을 주거나 혹은, 미러 벽개면이 레이저를 충분하게 반사하지 않고, 흡수하여 열을 발생시키고, 이 열이 레이저의 출력을 높이게 하여 더 많은 레이저가 미러 벽개면에 흡수되는 사이클을 반복적으로 순환하여 레이저 반도체에 손상을 주게 된다.
상기의 COD의 문제점을 해결하고자 다양한 방법들이 시도되었으나, 각각의 방법들에는 문제점이 있었다.
그의 한 일례로써, 첫 번째로, 벽개면 표면에 황처리(sulfur treatment)를 하는 방법이 있다. 하지만, 이 방법은 습식 공정(Wet process)에서 발생하는 오염(Contamination)과 재현성 있는 조건을 얻기 어려운 단점이 있었다.
두 번째로, 활성영역보다 에너지 밴드 캡이 큰 물질을 적용하여, 윈도우 층과 같은 비 흡수층(Non-absorbing layer)을 만들어 줌으로써, COD를 효과적으로 억제하는 방법이다.
이러한, 불순물을 도입하여 에너지 밴드갭을 크게 만드는 방법은 주로 가스상태의 디메틸 아연(dimethy zinc)을 이용하는데, 원하는 부분만 확산시키기 위해서는 반드시 마스크층이 필요하고, 가스상태의 디메틸 아연을 이용함으로 인하여, 공정수행이 난해하다.
이에 본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 벽개면에 ZnO 또는 ZnS 박막을 형성한 후, Zn을 확산하여 밴드갭이 큰 윈도우 층을 형성함으로써, 벽개면 근처에서 광 흡수를 줄이고, 광 투과를 할 수 있는 반도체 레이저 소자 및 그의 벽개면에 윈도우 층을 형성하는 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 바람직한 양태(樣態)는, 반도체 레이저 소자에 있어서, 반도체 레이저 소자의 광출력면에 형성된 Zn 확산 소스층과; 상기 Zn 확산 소스층과 상기 광출력면의 사이에, 상기 Zn 확산 소스층으로부터 Zn이 확산된 윈도우층이 더 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 소자가 제공된다.
상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 바람직한 다른 양태(樣態)는, 반도체 레이저 소자의 광출력면과 그 반대쪽 면에 Zn 확산 소스층을 증착하는 제 1 단계와;
상기 제 1 단계 후에, 열처리하여 상기 Zn 확산 소스층의 내측의 광출력면과그 반대쪽 면에 Zn을 확산시켜 윈도우층을 형성하는 제 2 단계로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 소자의 벽개면에 윈도우 층을 형성하는 방법이 제공된다.
도 1은 일반적인 반도체 레이저 다이오드의 칩바(Chip bar)를 도시한 사시도이다.
도 2a와 2b는 반도체 레이저 소자에 Zn 확산 소스층을 증착하고, 열처리하여 광출력면에 윈도우를 형성하는 공정순서도이다.
도 3은 Zn 확산 소스층에서 반도체 레이저 소자로 Zn이 확산되는 원리를 도시한 부분 단면도이다.
도 4a 내지 4c는 본 발명에 따른 고출력 반도체 레이저 소자의 벽개면(Facet)에 윈도우층을 형성하는 공정 순서도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10 : GaAs 기판 11 : N-AlGaAs 클래드(Clad)층
12-1 : P-AlGaAs 클래드층 12 : 활성층
13 : 전류방지층 14 : P-GaAs 캡(Cap)층
15 : P-금속 16 : N-금속
20 : 반도체 레이저 다이오드 30, 31 : 확산소스층
35, 35' : 윈도우층 40 : AR 코팅막
50 : HR 코팅막
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하면 다음과 같다.
도 2a와 2b는 반도체 레이저 소자에 Zn 확산 소스층을 증착하고, 열처리하여 광출력면에 윈도우를 형성하는 공정순서도로써, 반도체 레이저 소자(20)의 광출력면에 Zn 확산 소스층(30)을 증착한다.(도 2a)
상기 Zn 확산 소스층(30)을 증착한 후에, 열처리하여 상기 Zn 확산 소스층(30)의 내측에 Zn을 확산시켜 윈도우층(35)을 형성한다.(도 2b)
상기 Zn 확산 소스층(30)은 RF 스퍼터링방법, 플라즈마 화학 기상 증착(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition; PECVD) 방법, 이빔 이베퍼레이션(E-Beam evaporation) 방법과 써멀 이베퍼레이션(Thermal evaporation) 방법 등으로 ZnS 또는 ZnO를 증착하는 것이 바람직하다.
이러한 Zn 확산 소스층은 반도체 레이저 소자(20)에서 방출되는 레이저에 대하여, 비반사(Anti-Reflection)될 수 있는 비반사 거울면 코팅(Anti-Reflection mirror facet coating)막(이하 'AR 코팅막'이라 칭함)의 역할을 동시에 수행하게 할 수 있고, 또는 단지 패시베이션 층(Passivation layer)으로의 역할도 할 수 있다.
이렇게 Zn 확산 소스층이 AR 코팅막으로 이용될 경우에는, 상기 Zn 확산 소스층은 λ/4n(λ : 방출되는 광의 파장, n : Zn 확산 소스층의 굴절률), 패시베이션층으로 사용할 경우는 λ/2n 두께로 증착하는 것이 좋다.
그러면, Zn 확산 소스층에서 반도체 레이저 소자로 Zn이 확산되는 원리에 대하여 자세히 살펴보자.
도 3은 Zn 확산 소스층에서 반도체 레이저 소자로 Zn이 확산되는 원리를 도시한 부분 단면도로써, Zn 확산 소스층(30)을 ZnO 또는 ZnS로 하여 반도체 레이저 소자(20)의 광출력면에 증착한 후, 열처리 공정을 수행하면, Zn 확산 소스층(30)에서 Zn이 광출력면으로 확산되어서 윈도우층이 형성된다.
퍼니스(Furnace)에서 열처리방법과 RTA(Rapid Thermal Annealing)방법을 이용하여 약 450℃ 정도의 온도로 상기 Zn 확산 소스층(30)을 열처리하면, 상기 Zn 확산 소스층(30)의 과잉 Zn원자가 광출력면으로 확산되어 윈도우층(35)을 형성한다.
여기서 상기 퍼니스로 열처리하는 방법보다는 제어가 용이한 RTA방법을 이용하는 것이 바람직하다.
도 4a 내지 4c는 본 발명에 따른 고출력 반도체 레이저 소자의 벽개면(Facet)에 윈도우층을 형성하는 공정 순서도로써, 우선 반도체 레이저 소자(20)의 광출력면 및 그 반대쪽 면에 Zn 확산 소스층(30,31)을 증착한다.(도 4a)
아래의 경우는, 상기 Zn 확산 소스층(30,31)이 단지 확산용으로만 이용되며, Zn 확산 소스층의 두께는 λ/2n(λ : 방출되는 광의 파장, n : Zn 확산 소스층의 굴절률)로 형성하는 것이 바람직하다.
그런 다음, 상기 광출력면에 위치한 Zn 확산 소스층(30)에는 AR 코팅 비반사막(40)을 증착하고, 상기 광출력면의 반대쪽 면의 Zn 확산 소스층(31)에는 고반사 거울면 코팅(High-Reflection mirror facet coating)막(이하 'HR 코팅막'이라 칭함)(50)을 증착한다.(도 4b)
여기서, AR 코팅막(40)은 Al2O3또는 SiO2를 적용하는 것이 바람직하고, HR 코팅막(50)은 SiO2와 TiO2를 교대로 증착하여 복수의 박막을 형성하는 것이 바람직하다.
이렇게 AR 코팅막(40)과 HR 코팅막(50)이 증착된 후에, 열처리를 수행하면, 상기 AR 코팅막(40)과 HR 코팅막(50)은 캡(Cap)의 역할을 수행하여, Zn 확산 소스층(30,31)에서 Zn의 확산이 더욱 잘 되도록 도와준다.
따라서, Zn 확산 소스층(30,31)의 내측에는 Zn이 확산된 윈도우층(35,35')이 형성된다.(도 4c)
이상에서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명은 반도체 레이저 소자의 벽개면에 ZnO 또는 ZnS 박막을 형성한 후, Zn을 확산하여 밴드갭이 큰 윈도우 층을 형성함으로써, 벽개면 근처에서 광 흡수를 줄일 수 있고, 광 투과를 할 수 있는 효과가 있다.
본 발명은 구체적인 예에 대해서만 상세히 설명되었지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.

Claims (10)

  1. 반도체 레이저 소자에 있어서,
    반도체 레이저 소자의 광출력면 전체에 형성된 Zn 확산 소스층과;
    상기 Zn 확산 소스층과 상기 광출력면의 사이에, 상기 Zn 확산 소스층으로부터 Zn이 확산된 윈도우층이 더 구비된 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 소자.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 광출력면의 반대쪽 면에 Zn 확산 소스층이 더 형성되어 있고,
    상기 광출력면의 반대쪽 면에 형성된 Zn 확산 소스층으로부터 Zn이 확산된 윈도우층이 상기 광출력면의 반대쪽 면과 상기 Zn 확산 소스층의 사이에 더 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 소자.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 Zn 확산 소스층은 ZnO 또는 ZnS인 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 소자.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 Zn 확산 소스층의 두께는 λ/4n(λ : 방출되는 광의 파장, n : Zn 확산 소스층의 굴절률) 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 소자.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 광출력면에 형성된 Zn 확산 소스층의 외측면에 AR 코팅막(Anti-Reflection mirror facet coating막)이 더 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 소자.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 Zn 확산 소스층의 두께는 λ/2n(λ : 방출되는 광의 파장, n : Zn 확산 소스층의 굴절률) 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 소자.
  7. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 광출력면의 반대쪽 면에 형성된 Zn 확산 소스층의 외측면들에 HR 코팅막(High-Reflection mirror facet coating막)이 더 형성된 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 소자.
  8. 반도체 레이저 소자의 광출력면과 그 반대쪽 면 전체에 Zn 확산 소스층을 각각 증착하는 제 1 단계와;
    상기 제 1 단계 후에, 상기 각각의 Zn 확산소스층을 열처리하여 상기 Zn 확산 소스층의 내측의 광출력면과 그 반대쪽 면에 Zn을 확산시켜 윈도우층을 형성하는 제 2 단계로 구성된 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 소자의 벽개면에 윈도우층을 형성하는 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 각각의 Zn 확산 소스층은 ZnO 또는 ZnS인 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 소자의 벽개면에 윈도우층을 형성하는 방법.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 제 1 단계와 제 2 단계의 사이에, 상기 광출력면의 Zn 확산 소스층에는 AR 코팅막을 증착하고, 상기 광출력면의 반대쪽 면의 Zn 확산 소스층에는 HR 코팅막을 증착하는 단계가 더 구비된 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 소자의 벽개면에 윈도우층을 형성하는 방법.
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