KR100460374B1 - 반도체 레이저 다이오드 어레이 및 그의 제조 방법 - Google Patents

반도체 레이저 다이오드 어레이 및 그의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 반도체 레이저 다이오드 어레이 및 그의 제조 방법에 관한 것으로, 레이저광을 방출하는 활성층을 포함하는 화합물반도체 적층기판의 상부에 형성된 에칭방지층과; 상기 활성층이 레이저광을 방출할 수 있도록, 상기 에칭방지층의 상부에 형성되어 전류가 유입되는 상호 이격된 복수의 리지들과; 상기 리지들의 상부면, 각 측면 및 상기 에칭방지층의 노출면을 따라 형성된 p-메탈층과; 상기 화합물반도체 적층기판의 하부에 형성된 n-메탈층으로 구성하되, 한 리지의 측면에 형성된 p-메탈층은 이웃 리지의 측면의 p-메탈층과 이격되어 있도록 구성함으로써, 상호 이격되어 광 고립된 리지들을 구현하여 광 간섭을 방지할 뿐만 아니라 열적으로 안정되며, 공정을 단순화시킬 수 있는 효과가 발생한다.

Description

반도체 레이저 다이오드 어레이 및 그의 제조 방법{Semiconductor laser diode array and method for manufacturing the same}
본 발명은 반도체 레이저 다이오드 어레이 및 그의 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 상호 이격되어 광 고립된 리지들을 구현하여 광 간섭을 방지할 뿐만 아니라 열적으로 안정되며, 공정을 단순화시킬 수 있는 반도체 레이저 다이오드 어레이 및 그의 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 고출력 에지 방출(Edge-emitting) 반도체 레이저 어레이는 고체상태(Solid-state) 레이저 펌핑용, 자유 공간 광통신(Free-space optical communication)용, 의료용 및 디스플레이용 등 다양한 분야에서 사용되고 있다.
기존의 고출력 반도체 레이저 어레이는 고출력을 얻기 위해 리지 폭을 증가시켜 활성영역의 면적을 증가시키는 한편, 어레이 형태로 활성영역을 여러 개 사용한다.
도 1은 일반적인 리지 타입 반도체 레이저 다이오드 어레이의 일부 사시도로써, 레이저광을 방출하는 활성층(12)을 포함하는 반도체 레이저 다이오드 어레이(10)의 상부면에는 복수의 리지(11)들이 형성되어 있다.
물론, 도 1에는 도시되어 있지 않지만, 상기 복수의 리지(11)들의 사이에는 전류방지층이 있고, 그 상부에는 캡층과 메탈층이 존재한다. 또한, 반도체 레이저 다이오드 어레이(10)의 하부에도 메탈층이 있다.
이러한 리지 타입 반도체 레이저 다이오드 어레이(10)에서는 활성층(12)에서발생된 레이저광이 반도체 레이저 다이오드 어레이(10)의 에지(Edge)에서, 즉, 측면부에서 방출된다.
한편, 상기 반도체 레이저 다이오드 어레이(10)의 길이는 어레이가 응용되는 대상에 따라 다르지만, 대략 1㎝ 이고, 리지의 갯수와 반도체 레이저 다이오드 어레이의 폭(W)은 얻고자 하는 광 출력(Optical power)에 의해 정해진다.
예를 들어, 고체 레이저의 광 펌핑용으로 사용되는 808㎚ 레이저 다이오드 어레이는 리지 폭이 대략 150㎛이고, 리지와 리지 사이의 간격은 대략 500㎛이다.
이렇게 복수의 리지들을 배열시킨 반도체 레이저 다이오드 어레이는 리지와 리지 사이에 전류방지층(CBL, Current Blocking Layer)을 통한 광 간섭이 발생되어 광 출력을 저하시키는 요인이 되고 있다.
이에 따라, 최근에 상기 리지와 리지 사이에서 발생되는 광 간섭을 리지와 리지 사이에 트렌치(Trench)를 삽입한 구조를 채용하여 방지하였다.
그러나, 트렌치를 이용한 반도체 레이저 다이오드 어레이는 SiN 또는 SiO2와 같은 유전막을 사용하여 전류가 리지 이외의 영역으로는 흐르지 않도록 해야 한다.
이러한 유전막은 열 전도성이 반도체에 비해 나쁘기 때문에, 고출력 동작을 하는 어레이 레이저 다이오드에서는 열 방출이 원활하지 않고, 소자의 특성을 저하시키는 원인이 되었다.
도 2는 일반적인 리지를 노출시킨 반도체 레이저 다이오드 어레이의 평면도로써, 반도체 레이저 다이오드 어레이의 벽개면(Facet)의 한쪽은 Ar(Anti-reflecting) 코팅막(14)이 형성되어 있고, 다른 한쪽은 Hr(High-reflecting) 코팅막(13)이 형성되어 있어, 레이저광이 Ar 코팅막(14)의 벽개면 방향으로만 출력되는 구조를 도시하고 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 이상적인 경우는, Ar 코팅막(14)의 벽개면으로만 광이 출력되어야 하지만, 리지와 리지 사이에는 전술한 바와 같은, 전류방지층이 있고, 이 전류방지층으로 광이 고립되어 있지 않은 경우에는, 리지를 가로질러, ASE(Amplified spontaneous emission)가 광 출력면인 Ar 코팅막(14)의 수직방향으로 출력되고, 이는 광 손실이 되어 반도체 레이저 다이오드 어레이의 특성을 크게 저하시킨다.
이에 본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 리지와 리지 사이의 광 간섭이 발생하지 않는 반도체 레이저 다이오드 어레이를 제공하는 데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적은 열적으로 안정되고, 공정을 단순화시킬 수 있는 반도체 레이저 다이오드 어레이의 제조방법을 제공하는 데 있다.
상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 바람직한 양태(樣態)는, 레이저광을 방출하는 활성층을 포함하는 화합물반도체 적층기판의 상부에 형성된 에칭방지층과;
상기 활성층이 레이저광을 방출할 수 있도록, 상기 에칭방지층의 상부에 형성되어 전류가 유입되는 상호 이격된 복수의 리지들과;
상기 리지들의 상부면, 각 측면 및 상기 에칭방지층의 노출면을 따라 형성된 p-메탈층과;
상기 화합물반도체 적층기판의 하부에 형성된 n-메탈층으로 구성하되, 한 리지의 측면에 형성된 p-메탈층은 이웃 리지의 측면의 p-메탈층과 이격되어 있는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 다이오드 어레이가 제공된다.
상기한 본 발명의 다른 목적을 달성하기 위한 바람직한 양태(樣態)는, 레이저광을 방출하는 활성층을 포함하는 화합물반도체 적층기판의 상부에 에칭방지층을 형성하는 제 1 단계와;
상기 에칭방지층의 상부에 p-클래드층과 캡층을 순차적으로 적층하는 제 2 단계와;
상기 p-클래드층과 캡층의 일부분을 제거하여, 상기 에칭방지층의 상부에 이격된 복수의 리지들을 형성하는 제 3 단계와;
상기 리지들의 상부면, 각 측면 및 상기 에칭방지층의 노출면을 따라 p-메탈층을 형성하고, 상기 화합물반도체 적층기판의 하부에 n-메탈층을 형성하는 제 4 단계로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 다이오드 어레이의 제조방법이 제공된다.
도 1은 일반적인 리지 타입 반도체 레이저 다이오드 어레이의 사시도이다.
도 2는 일반적인 리지 타입 반도체 레이저 다이오드 어레이의 평면도이다.
도 3a 내지 3c는 본 발명에 따른 리지와 리지 사이의 광 간섭이 발생하지 않는 반도체 레이저 다이오드 어레이를 제조하기 위한 공정도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10 : 반도체 레이저 다이오드 어레이 11 : 리지
12 : 활성층 13 : Hr 코팅막
14 : Ar 코팅막 50 : 화합물 반도체층
51 : n-클래드층 52 : n-웨이브 가이드층
53 : 활성층 54 : p-웨이브 가이드층
55 : 에칭방지층 56 : p-클래드층
57 : p-버퍼층 58 : p-캡층
59, 60 : p,n-메탈층 100 : 화합물반도체 적층기판
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하면 다음과 같다.
도 3a 내지 3c는 본 발명에 따른 리지와 리지 사이의 광 간섭이 발생하지 않는 반도체 레이저 다이오드 어레이를 제조하기 위한 공정도로써, 먼저, 도 3a에 도시된 바와 같이, 레이저광을 방출하는 활성층(53)을 포함하는 화합물반도체 적층기판(100)의 상부에 에칭방지층(55)을 형성하고, 상기 에칭방지층(55)의 상부에 p-클래드층(56), 버퍼층(57)과 캡층(58)을 순차적으로 적층한다.
여기서, 상기 화합물반도체 적층기판(100)은 금속 유기 화학 증착(MOCVD, Metal Organic Chemical Vapor Deposition)공정을 수행하여, 화합물반도체층(50)의 상부에 n-클래드층(51), n-웨이브가이드층(52), 활성층(53)과 p-웨이브가이드층(54)이 순차적으로 적층되어 있는 기판이다.
상기 화합물반도체는 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체이며, 더 상세하게는 GaAs, GaP, GaAs1-xPx, AlGaAs, InP와 ln1-xGaxP 중 선택된 어느 하나를 적용하여 제조하는 것이 바람직하다.
그리고, 상기 에칭방지층(55)의 상부에는 버퍼층(57)이 없는 p-클래드층(56)과 캡층(58)을 순차적으로 적층할 수도 있다.
게다가, 상기 에칭방지층(55), n-클래드층(51), n-웨이브가이드층(52), 활성층(53), p-웨이브가이드층(54), p-클래드층(56), 버퍼층(57)과 캡층(58)은 각각 GaAs, GaP, GaAs1-xPx, AlGaAs, InP와 ln1-xGaxP 중 선택된 어느 하나의 화합물 반도체를 적용하여 제조할 수 있다.
이러한, 상기의 레이저 다이오드 어레이의 각 층들이 다른 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체들이 적용되도록 복수의 소자가 제조되면, 각 소자들이 방출하는 광의 파장과 특성은 각기 다르게 된다.
따라서, 본 발명의 반도체 레이저 다이오드 어레이 구조는 모든 화합물 반도체들을 적용하여 제조할 수 있는 것을 특징으로 한다.
상기 도 3a에 도시된 바와 같이, 캡층(58)까지 형성한 다음, 상기 p-클래드층(56), 버퍼층(57)과 캡층(58)의 일부분을 제거하여, 상기 에칭방지층(55)의 상부에 이격된 복수의 리지(56')들을 형성함으로써, 복수의 리지(56')들 사이에 트랜치(Trench) 구조를 만든다.(도 3b)
그런 다음, 상기 리지(56')들의 상부, 각 측면과 상기 에칭방지층(55)의 노출면(리지와 리지 사이의 에칭방지층의 표면)을 따라 p-메탈층(59)을 형성하고, 상기 화합물반도체 적층기판(100)의 하부에 n-메탈층(60)을 형성한다.(도 3c)
상기의 제조 공정으로, 레이저광을 방출하는 활성층을 포함하는 화합물반도체 적층기판(100)의 상부에 형성된 에칭방지층(55)과; 상기 활성층이 레이저광을 방출할 수 있도록, 상기 에칭방지층(55)의 상부에 형성되어 전류가 유입되는 상호 이격된 복수의 리지(56')들과; 상기 리지(56')들의 상부면, 각 측면 및 상기 에칭방지층(55)의 노출면을 따라 형성된 p-메탈층(59)과; 상기 화합물반도체 적층기판(100)의 하부에 형성된 n-메탈층(60)으로 구성하되, 한 리지(56')의 측면에 형성된 p-메탈층은 이웃 리지의 측면의 p-메탈층과 이격되어 있는 반도체 레이저 다이오드 어레이를 제조할 수 있게 된다.
이와 같은, 본 발명의 반도체 레이저 다이오드 어레이 구조에서는 상기 에칭방지층(55)이 리지(56')를 형성하는 에칭을 할 때, 원하는 두께만 에칭을 할 수 있고, 별도의 마스크를 사용하지 않고 공정을 수행할 수 있는 장점과 더불어, p-메탈층(59)과 쇼트키 배리어(Schottky barrier)(도 3c의 'B'영역)를 형성하여, 상기 에칭방지층(55)의 하부로 전류를 유입하지 못하게 하는 장점이 있다.
그리고, 리지 영역은 p형으로 도핑된 화합물 반도체(예를 들어,GaAs층)이 Ti/Pt/Au와 같은 p-메탈층(59)과 옴접촉(Ohmic Contact)(도 3c의 'A'영역)이 되어 있어 전류가 잘 흐른다.
그러므로, 리지 영역에만 전류가 유입될 수 있게 된다. 더 상세하게는, 쇼트키 에너지 장벽은 반도체 레이저가 작동하는 출력범위 내에서 전류가 리지 영역에 비해 거의 흐르지 않게 된다.
또한, 본 발명은 리지와 리지가 상호 이격되어 있기 때문에, 광 간섭은 일어나지 않을 뿐만 아니라, 열을 잘 전달시키지 못하는 SiN이나 SiO2등과 같은 유전막을 사용하지 않음으로써, 열이 많이 발생하는 어레이 반도체 레이저 다이오드에 안정적으로 작동할 수 있는 장점이 있다.
이상에서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명은 상호 이격되어 광 고립된 리지들을 구현하여 광 간섭을 방지하고, 열적으로 안정되고, 공정을 단순화시킬 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 (9)

  1. 레이저광을 방출하는 활성층을 포함하는 화합물반도체 적층기판의 상부에 형성된 에칭방지층과;
    상기 활성층이 레이저광을 방출할 수 있도록, 상기 에칭방지층의 상부에 형성되어 전류가 유입되는 상호 이격되며, p-클래드층, 버퍼층과 캡층으로 이루어진 복수의 리지들과;
    상기 리지들의 상부면, 각 측면 및 상기 에칭방지층의 노출면을 따라 형성된 p-메탈층과;
    상기 화합물반도체 적층기판의 하부에 형성된 n-메탈층으로 구성하되, 한 리지의 측면에 형성된 p-메탈층은 이웃 리지의 측면의 p-메탈층과 이격되어 있는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 다이오드 어레이.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 p-클래드층, 버퍼층과 캡층 각각은 GaAs, GaP, GaAs1-xPx, AlGaAs, InP와 ln1-xGaxP 중 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 다이오드 어레이.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 화합물반도체 적층기판은 화합물반도체층의 상부에 n-클래드층, n-웨이브가이드층, 활성층과 p-웨이브가이드층이 순차적으로 적층되어 있는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 다이오드 어레이.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 에칭방지층, n-클래드층, n-웨이브가이드층, 활성층과 p-웨이브가이드층 각각은 GaAs, GaP, GaAs1-xPx, AlGaAs, InP와 ln1-xGaxP 중 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 다이오드 어레이.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 화합물 반도체는 GaAs, GaP, GaAs1-xPx, AlGaAs, InP와 ln1-xGaxP 중 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 다이오드 어레이.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 리지의 상부는 p-메탈층과 옴접촉(Ohmic Contact)되어 있고, 상기 에칭방지층과 p-메탈층(59)은 쇼트키 배리어(Schottky barrier)가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 다이오드 어레이.
  8. 레이저광을 방출하는 활성층을 포함하는 화합물반도체 적층기판의 상부에 에칭방지층을 형성하는 제 1 단계와;
    상기 에칭방지층의 상부에 p-클래드층, 버퍼층과 캡층을 순차적으로 적층하는 제 2 단계와;
    상기 p-클래드층, 버퍼층과 캡층의 일부분을 제거하여, 상기 에칭방지층의 상부에 이격된 복수의 리지들을 형성하는 제 3 단계와;
    상기 리지들의 상부면, 각 측면 및 상기 에칭방지층의 노출면을 따라 p-메탈층을 형성하고, 상기 화합물반도체 적층기판의 하부에 n-메탈층을 형성하는 제 4 단계로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 다이오드 어레이의 제조방법.
  9. 삭제
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