KR100459888B1 - 반도체 레이저 다이오드 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 반도체 레이저 다이오드는 소자의 최하부에 위치된 기판; 기판의 상면에 적층 형성된 제1 n형 GaN층; 제1 n형 GaN층의 상면에 적층 형성된 n형 AlxGa1-xN 클래딩 층; n형 AlxGa1-xN층 상면의 대략 중심부에 소정 폭의 리지 스트라이프 형태로 적층 형성된 제2 n형 GaN층; 제2 n형 GaN층의 상면에 제2 n형 GaN층과 동일한 리지 스트라이프 형태로 적층 형성된 활성층; 활성층의 상면에 활성층과 동일한 리지 스트라이프 형태로 적층 형성된 p형 GaN층; p형 GaN층 상면에 p형 GaN층과 동일한 리지 스트라이프 형태로 적층 형성된 p형 Alx'Ga1-x'N 클래딩 층; 및 상기 제2 n형 GaN층, 활성층, p형 GaN층 및 p형 Alx'Ga1-x'N층으로 구성된 리지 스트라이프 양측의 상기 n형 AlxGa1-xN층 상면에 리지 스트라이프의 상단부까지 적층 형성된 비도핑의 AlxGa1-xN 전류 제한층을 포함한다.
이와 같은 본 발명에 의하면, 비도핑의 AlxGa1-xN 전류 제한층의 Al의 조성비가 상기 p형 Alx'Ga1-x'N 클래딩 층의 Al의 조성비보다 크게 되어 있어, 굴절률 차이에 의해 레이저 다이오드의 측방향으로 캐리어가 퍼지는 것을 막아줄 뿐만 아니라, 광제한을 증가시켜 소자의 임계전류 및 동작전압을 낮출 수 있다. 그 결과 안정된 동작특성 및 긴 수명의 레이저 다이오드의 구현이 가능해진다.

Description

반도체 레이저 다이오드 및 그 제조방법{A semiconductor laser diode and manufacturing method thereof}
본 발명은 반도체 레이저 다이오드 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 더 상세히는 이득 도파형으로 제작되던 GaN계 레이저 다이오드를 굴절률 도파형으로 제작하여 측방향의 캐리어(carrier) 및 광제한(optical confinement)을 증가시킴으로써 소자의 임계전류 및 동작전압을 감소시키고, 안정된 동작특성을 얻을 수 있는 반도체 레이저 다이오드 및 그 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로, 반도체 레이저 다이오드는 크게 이득 도파형(gain wave-guide)과 굴절률 도파형(index wave-guide)으로 대별된다. 그리고, 굴절률 도파형은 다시 BH(buried heterostructure)와 같은 강굴절률 도파형과 리지 스트라이프(ridge stripe) 구조와 같은 약굴절률 도파형으로 구분할 수 있다. 단파장 레이저 다이오드는 그 응용분야의 특성상 리지 스트라이프 구조가 적합하며, 이러한 구조에는 통상 2∼3회의 결정성장(epitaxy)이 요구되는 IS(inner stripe) 구조나 SBR(select- ively buried ridge) 구조가 바람직한 특성을 나타낼 수 있다. 특히, GaN과 같이 재성장이 어려운 경우에는 1회의 결정성장으로 가능한 리지 스트라이프 구조가 바람직하다고 할 수 있다.
종래 GaN계 레이저 다이오드는 그 제작의 용이성으로 인해 주로 이득 도파형으로 제작되어 왔다. 그러나, 그와 같이 이득 도파형으로 제작된 GaN계 레이저 다이오드는 높은 임계전류와 동작전압으로 소자의 수명이 짧아 상용화에 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 창출된 것으로서, GaN계 레이저 다이오드를 굴절률 도파형으로 제작함으로써 소자의 임계전류 및 동작전압을 감소시키고, 안정된 동작특성을 얻을 수 있는 반도체 레이저 다이오드 및 그 제조방법을 제공함에 그 목적이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 반도체 레이저 다이오드의 제조방법에 따라 기판 위에 GaN계 레이저 다이오드 구조체를 성장시킨 상태도.
도 2는 도 1의 구조체 위에 소정 패턴의 마스크를 부착하고 포토 리소그라피를 실시하는 상태도.
도 3은 도 2의 포토 리소그라피를 마친 구조체에서 마스크를 제거하고 선택적 에칭을 실시하여 리지 스트라이프를 형성한 상태도.
도 4는 도 3의 구조체의 리지 스트라이프의 양측에 전류 제한층을 성장하여 소자를 완성한 상태도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
101...기판 102...제1 n-GaN층
103...n-AlxGa1-xN 클래딩 층 104...제2 n-GaN층
105...활성층 106...p-GaN층
107...p-Alx'Ga1-x'N 클래딩 층 108...비도핑의 AlxGa1-xN층
200...마스크 300...리지 스트라이프
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 반도체 레이저 다이오드는,
소자의 최하부에 위치된 기판;
상기 기판의 상면에 적층 형성된 제1 n형 GaN층;
상기 제1 n형 GaN층의 상면에 적층 형성된 n형 AlxGa1-xN 클래딩 층;
상기 n형 AlxGa1-xN층 상면의 대략 중심부에 소정 폭의 리지 스트라이프 형태로 적층 형성된 제2 n형 GaN층;
상기 제2 n형 GaN층의 상면에 제2 n형 GaN층과 동일한 리지 스트라이프 형태로 적층 형성된 활성층;
상기 활성층의 상면에 활성층과 동일한 리지 스트라이프 형태로 적층 형성된 p형 GaN층;
상기 p형 GaN층 상면에 p형 GaN층과 동일한 리지 스트라이프 형태로 적층 형성된 p형 Alx'Ga1-x'N 클래딩 층; 및
상기 제2 n형 GaN층, 활성층, p형 GaN층 및 p형 Alx'Ga1-x'N층으로 구성된 리지 스트라이프 양측의 상기 n형 AlxGa1-xN층 상면에 리지 스트라이프의 상단부까지 적층 형성된 비도핑의 AlxGa1-xN 전류 제한층을 포함하는 점에 그 특징이 있다.
여기서, 특히 상기 비도핑의 AlxGa1-xN 전류 제한층의 Al의 조성비가 상기 p형 Alx'Ga1-x'N 클래딩 층의 Al의 조성비보다 크게 하는 것이 바람직하다. 왜냐하면, 그렇게 할 경우 굴절률 차이에 의해 레이저 다이오드의 측방향으로 캐리어가 퍼지는 것을 막아줄 뿐만 아니라, 광제한을 증가시켜 소자의 임계전류를 감소시켜 주기 때문이다.
또한, 상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 반도체 레이저 다이오드의 제조방법은,
기판 위에 제1 n형 GaN층, n형 AlxGa1-xN 클래딩 층, 제2 n형 GaN층, 활성층, p형 GaN층 및 p형 Alx'Ga1-x'N 클래딩 층을 순차적으로 적층 형성하는 단계;
상기 p형 Alx'Ga1-x'N 클래딩 층 위에 리지 스트라이프 형성을 위한 소정 패턴의 마스크를 부착하고, 포토리소그라피를 실시하는 단계;
상기 마스크를 제거하고, 상기 n형 AlxGa1-xN 클래딩 층이 드러날 때까지 선택적으로 에칭하여 리지 스트라이프를 형성하는 단계; 및
상기 리지 스트라이프 양측의 n형 AlxGa1-xN 클래딩 층 상면에 비도핑의AlxGa1-xN 전류 제한층을 리지 스트라이프의 상단부까지 형성하는 단계를 포함하는 점에 그 특징이 있다.
이와 같은 본 발명에 의하면, 비도핑의 AlxGa1-xN 전류 제한층의 Al의 조성비가 상기 p형 Alx'Ga1-x'N 클래딩 층의 Al의 조성비보다 크게 되어 있어, 굴절률 차이에 의해 레이저 다이오드의 측방향으로 캐리어가 퍼지는 것을 막아줄 뿐만 아니라, 광제한을 증가시켜 소자의 임계전류 및 동작전압을 낮출 수 있다. 그 결과 안정된 동작특성 및 긴 수명의 레이저 다이오드의 구현이 가능해진다.
이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.
도 1 내지 도 4는 본 발명에 따른 반도체 레이저 다이오드의 제조방법에 따라 반도체 레이저 다이오드를 제조하는 과정을 단계별로 나타내 보인 것으로서, 도 1은 기판 위에 GaN계 레이저 다이오드 구조체를 성장시킨 상태도, 도 2는 도 1의 구조체 위에 소정 패턴의 마스크를 부착하고 포토 리소그라피를 실시하는 상태도, 도 3은 포토 리소그라피 후 마스크를 제거하고 선택적 에칭을 실시하여 리지 스트라이프를 형성한 상태도, 도 4는 도 3의 구조체의 리지 스트라이프의 양측에 전류 제한층을 성장하여 소자를 완성한 상태도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 반도체 레이저 다이오드의 제조방법에 따라 먼저 기판(101) 위에 제1 n-GaN층(102), n-AlxGa1-xN 클래딩 층(103), 제2 n-GaN층(104), 활성층(105), p-GaN층(106) 및 p-Alx'Ga1-x'N 클래딩 층(107)을 순차적으로 적층 형성한다. 여기서, 이와 같은 구조체의 적층 형성을 위해 MOCVD(metalorganic chemical vapor deposition)법, MBE(molecular beam epitaxy)법 등이 사용될 수 있다.
이와 같이 1차 성장이 완료되면, 도 2에 도시된 바와 같이 상기 p-Alx'Ga1-x'N 클래딩 층(107) 위에 리지 스트라이프의 형성을 위한 소정 패턴의 마스크(200)를 부착하고, 포토리소그라피(photolithography)를 실시한다. 이때, 마스크(200)의 재질로는 SiO2등이 사용될 수 있다.
포토리소그라피가 완료되면, 도 3에 도시된 바와 같이 상기 마스크(200)를 제거하고, 상기 n-AlxGa1-xN 클래딩 층(103)이 드러날 때까지 선택적으로 에칭(etching)하여 리지 스트라이프(300)를 형성한다. 여기서, 에칭액에 의해 에칭을 실시하면, 상기 마스크(200)가 부착되었던 부분은 경화되어 에칭액에 의해 에칭되지 않고, 그 나머지 부분만 에칭된다.
이렇게 하여 리지 스트라이프(300)의 형성이 완료되면, 그 리지 스트라이프(300) 양측의 상기 n-AlxGa1-xN 클래딩 층(103) 상면에 비도핑의 AlxGa1-xN 전류 제한층(108)을 리지 스트라이프(300)의 상단부까지 형성한다. 이때, 이 비도핑의 AlxGa1-xN 전류 제한층(108)의 Al의 조성비를 상기 p-Alx'Ga1-x'N 클래딩 층(107)의 Al의 조성비보다 크게 한다. 이는 굴절률 차이에 의해 레이저 다이오드의 측방향으로 캐리어가 퍼지는 것을 방지하고, 광제한을 증가시켜 소자의 임계전류를 낮추기 위해서이다. 그리고, 이 비도핑의 AlxGa1-xN 전류 제한층(108)의 형성을 위해MOCVD나 MBE 법이 사용될 수 있다.
이상에 의해 사실상 소자는 완성되며, 이후에 소자의 최상부 및 최하부에 전극을 각각 마련함으로써 하나의 완전잔 레이저 다이오드가 완성된다.
이상의 설명에서와 같이 본 발명에 따른 반도체 레이저 다이오드 및 그 제조방법은 비도핑의 AlxGa1-xN 전류 제한층의 Al의 조성비를 p형 Alx'Ga1-x'N 클래딩 층의 Al의 조성비보다 큰 값을 가지도록 구성하므로, 굴절률 차이에 의해 레이저 다이오드의 측방향으로 캐리어가 퍼지는 것을 막아줄 뿐만 아니라, 광제한을 증가시켜 소자의 임계전류 및 동작전압을 낮출 수 있다. 그 결과 안정된 동작특성 및 긴 수명의 레이저 다이오드의 구현할 수 있는 장점이 있다.

Claims (5)

  1. 소자의 최하부에 위치된 기판;
    상기 기판의 상면에 적층 형성된 제1 n형 GaN층;
    상기 제1 n형 GaN층의 상면에 적층 형성된 n형 AlxGa1-xN 클래딩 층;
    상기 n형 AlxGa1-xN층 상면의 대략 중심부에 소정 폭의 리지 스트라이프 형태로 적층 형성된 제2 n형 GaN층;
    상기 제2 n형 GaN층의 상면에 제2 n형 GaN층과 동일한 리지 스트라이프 형태로 적층 형성된 활성층;
    상기 활성층의 상면에 활성층과 동일한 리지 스트라이프 형태로 적층 형성된 p형 GaN층;
    상기 p형 GaN층 상면에 p형 GaN층과 동일한 리지 스트라이프 형태로 적층 형성된 p형 Alx'Ga1-x'N 클래딩 층; 및
    상기 제2 n형 GaN층, 활성층, p형 GaN층 및 p형 Alx'Ga1-x'N 클래딩 층으로 구성된 리지 스트라이프 양측의 상기 n형 AlxGa1-xN 클래딩 층 상면에 리지 스트라이프의 상단부까지 적층 형성된 비도핑의 AlxGa1-xN 전류 제한층을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 다이오드.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 비도핑의 AlxGa1-xN 전류 제한층의 Al의 조성비가 상기 p형 Alx'Ga1-x'N 클래딩 층의 Al의 조성비보다 큰 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 다이오드.
  3. 기판 위에 제1 n형 GaN층, n형 AlxGa1-xN 클래딩 층, 제2 n형 GaN층, 활성층, p형 GaN층 및 p형 Alx'Ga1-x'N 클래딩 층을 순차적으로 적층 형성하는 단계;
    상기 p형 Alx'Ga1-x'N 클래딩 층 위에 리지 스트라이프 형성을 위한 소정 패턴의 마스크를 부착하고, 포토리소그라피를 실시하는 단계;
    상기 마스크를 제거하고, 상기 n형 AlxGa1-xN 클래딩 층이 드러날 때까지 선택적으로 에칭하여 리지 스트라이프를 형성하는 단계; 및
    상기 리지 스트라이프 양측의 n형 AlxGa1-xN 클래딩 층 상면에 비도핑의 AlxGa1-xN 전류 제한층을 리지 스트라이프의 상단부까지 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 다이오드의 제조방법.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 비도핑의 AlxGa1-xN 전류 제한층은 MOCVD법에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 다이오드의 제조방법.
  5. 제 3항에 있어서,
    상기 비도핑의 AlxGa1-xN 전류 제한층은 MBE법에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 다이오드의 제조방법.
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