KR100460375B1 - 반도체 레이저 다이오드 및 그의 벽개면 형성 방법 - Google Patents

반도체 레이저 다이오드 및 그의 벽개면 형성 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 반도체 레이저 다이오드 및 그의 벽개면 형성 방법에 관한 것으로, 레이저광을 방출시키는 활성층을 포함하는 적층 구조를 갖는 반도체 레이저 다이오드의 광 출력 벽개면에 형성된 ZnS막과; 상기 ZnS막에 인접한 반도체 레이저 다이오드의 내측으로 확산된 Zn 확산층으로 구성함으로서, ZnS막을 레이저 다이오드 벽개면(Facet)에 디포지션(Deposition)하여 항온조에서, 열 및 광 어닐링(Annealing)을 수행함으로서, 레이저 다이오드 벽개면으로 확산층을 형성하여 자연 산화막을 제거하고, 벽개면의 열화현상을 방지할 수 있는 효과가 발생한다.

Description

반도체 레이저 다이오드 및 그의 벽개면 형성 방법{Semiconductor laser diode array and method for manufacturing the facet thereof}
본 발명은 반도체 레이저 다이오드 및 그의 벽개면 형성 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 ZnS막을 레이저 다이오드 벽개면(Facet)에 디포지션을 하여 항온조에서, 열 및 광 어닐링(Annealing)을 수행함으로서, 레이저 다이오드 벽개면으로 확산층을 형성하여 자연 산화막을 제거하고, 벽개면의 열화현상을 방지할 수 있는 반도체 레이저 다이오드 및 그의 벽개면 형성 방법에 관한 것이다.
최근, CD(Compact disk)-RW(Rewritable) 혹은 DVD(Digital Versatile Disk)-RAM(Random Access Memory)등의 대용량 고속 저장장치의 픽업(Pick up)용으로 사용되는 레이저 다이오드의 경우에, 데이터 저장 속도의 고배속화에 따른 레이저 다이오드가 고출력화가 진행 중에 있다.
도 1은 일반적인 반도체 레이저 다이오드의 사시도로서, GaAs 기판(2)의 상부에 레이저광을 방출하는 활성층(3)을 포함하는 적층구조의 디바이스층(4)이 형성되어 있고, 상기 디바이스층(4)의 상부에 리지(6)와 그 리지(6)의 양 측면에 전류방지층(5)이 형성되어 있고, 리지(6)와 전류방지층(5)의 상부에 P-GaAs(7)과, P-메탈층(11)이 형성되어 있으며, 상기 GaAs 기판(2)의 하부에는 N-메탈층(10)이 형성되어있다.
기본적으로 상기 P-메탈층(11)에서 리지(6)를 통하여 전류가 주입되면, 활성층(3)에서는 레이저광을 방출하게 된다.
이러한 반도체 레이저 다이오드에는 다이오드의 프론트(Front) 벽개면으로만 레이저광이 방출되도록, 백 벽개면에는 HR(High Reflection)막(9)을 형성하여, 레이저광을 반사시키고, 프론트 벽개면에는 AR(Anti Reflection)막(8)을 형성하여, 레이저광을 비반사시킴으로서 레이저 다이오드의 광 출력을 향상시켰다.
그러나, 이러한 레이저 다이오드에 있어서, 고 출력화에 따라 미러 벽개면(Mirror facet)에서 발생하는 COD(Catastrophic Optical Damage)가 심각한 문제로 대두되었고, 그로 인한 소자의 신뢰성이 저하되었다.
COD 현상은 레이저 다이오드로부터 방출되는 광이 벽개면에서 흡수되면서, 열이 발생되어 에너지 밴드 갭(Energy band gab)이 더욱 작아져 더 많은 광을 흡수하게 되는 현상으로서, 결국, COD 현상은 벽개면의 기능을 저하시켜, 소자의 수명을 단축시키는 현상이다.
특히, GaAs 웨이퍼를 기판으로 하는 레이저 다이오드의 경우, 벽개면을 형성하기 위한 인위적인 클리빙(Cleaving)공정으로 벽개면에는 댕글링 본드(Dangling bond)가 불안전한 상태가 된다. 이러한 불안전한 상태의 벽개면이 산소에 노출되어 GaO, Ga2O3, AsO, As2O3등 소자의 특성을 저하시키는 자연 산화막(Native oxide)이 형성되었다.
최근, 불안정한 벽개면을 개선하기 위한 다양한 연구가 진행되고 있으며, 그 중 하나로, 벽개면에 황((NH3)2Sx)을 처리하여, 자연 산화막을 제거하는 방법이 있었고, 다른 하나가 레이저의 출사광이 흡수되지 않는 에너지 갭이 충분히 큰 물질로 벽개면에 코팅하는 방법, 즉, 비흡수 미러(Non absorbing mirror, 이하 'NAM'이라 칭함.)를 코팅하는 방법이 연구되고 있다.
먼저, 벽개면에 황((NH3)2Sx)처리하는 방법은 황으로 레이저 다이오드의 표면처리를 수행한 후 신속히 AR(Anti-Reflection) 코팅을 수행해야 하며, 그렇지 못한 경우 벽개면이 부식되어, 소자의 특성이 저하되는 문제점을 안고 있다.
그리고, NAM을 코팅하는 방법은 활성층의 주변의 벽개면에만 국부적으로 ZnO막을 형성하기 위한 포토 마스크 공정을 필수적으로 수행하여야 하고, 반도체 성장 중에 열처리(Thermal annealing)공정을 수행함으로, 반도체 레이저 다이오드의 제조 공정이 복잡해지는 문제가 있고, 실제적으로 소자의 양산에 적용하기에는 어려웠다.
이에 본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, ZnS막과 이로부터 확산된 Zn 확산층을 형성하여 자연 산화막을 제거하고, 벽개면의 열화현상을 방지할 수 있는 반도체 레이저 다이오드를 제공하는 데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적은 ZnS막을 레이저 다이오드 벽개면(Facet)에 디포지션하여 항온조에서, 열 및 광 어닐링(Annealing)을 수행하여 활성층을 중심으로 확산층의 두께가 얇게 하여 광 출력을 향상시킬 수 있는 반도체 레이저 다이오드의 벽개면 형성방법을 제공하는 데 있다.
상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 바람직한 양태(樣態)는, 레이저광을 방출시키는 활성층을 포함하는 적층 구조를 갖는 반도체 레이저 다이오드의 광 출력 벽개면의 전면에 형성된 ZnS막과;
상기 ZnS막에 인접한 반도체 레이저 다이오드의 내측으로 확산된 Zn 확산층으로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 다이오드가 제공된다.
상기한 본 발명의 다른 목적을 달성하기 위한 바람직한 양태(樣態)는, 레이저광을 방출시키는 활성층을 포함하는 적층 구조를 갖는 반도체 레이저 다이오드의 광 출력 벽개면에 ZnS막을 코팅하는 제 1 단계와;
상기 제 1 단계 후, 상기 반도체 레이저 다이오드를 동작시켜, 레이저광을 출력시킴과 동시에, 열처리하여 상기 ZnS막에 인접한 반도체 레이저 다이오드의 내측으로 Zn 확산층을 형성하는 제 2 단계로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 다이오드가 제공된다.
도 1은 일반적인 반도체 레이저 다이오드의 사시도이다.
도 2는 본 발명에 따른 NAM 벽개면에 적용된 에너지 밴드를 도시한 도면이다.
도 3a와 3b는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 반도체 레이저의 벽개면에 ZnS를 코팅시킨 후, 확산시킨 상태를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 반도체 레이저의 벽개면에 ZnS를 코팅시킨 후, 열 및 광 처리하여 확산시킨 상태를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 제 2 실시예에 따라 열 및 광 이닐링(Annealing)하는 방법에 대한 구현도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
60,61,120 : ZnS막 65,66,121,122 : Zn확산층
63,64 : GaSx막 100 : n-GaAs 기판
101 : n-웨이브 가이드층 102 : 활성층
103 : p-웨이브 가이드층 104 : 에칭방지층
105 : 전류방지층 106 : p-캡층
107 : 리지(Ridge) 108 : p-메탈층
109 : n-메탈층 200 : 반도체 레이저 다이오드 어레이
210,220 : 전극 230 : 전원
240 : 항온조
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하면 다음과 같다.
도 2는 본 발명에 따른 NAM 벽개면에 적용된 에너지 밴드를 도시한 도면으로서, 반도체 레이저 다이오드의 벽개면에 ZnS와 같은 NAM막을 코팅시키고, 의도적으로 확산시키면, 의도적인 다수의 Zn 불순물이 활성층(51)의 양자 우물(Quantum well)구조의 격자 내부로 확산된다. 이 때, 불순물이 확산된 양자 우물 구조의 에너지 밴드갭이 확산되지 않은 양자 우물 구조의 에너지 밴드갭보다 커지는 불순물 유도 혼란(Impurity induced disordering) 현상이 발생된다.
이렇게, 반도체 레이저 벽개면 근방의 에너지 밴드 갭이 레이저 방출되는 에너지 밴드 갭보다 커지게 되면, 광 출력이 벽개면에 흡수되지 않으므로, 벽개면의 열화 및 COD 현상을 억제시킬 수 있게 된다.
도 3a와 3b는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 반도체 레이저의 벽개면에 ZnS를 코팅시킨 후, 확산시킨 상태를 도시한 도면으로서, 반도체 레이저 다이오드(50)의 광 출력 벽개면 또는 그 반대 벽개면에 RF 스퍼터링 공정을 이용하여, ZnS막(60,61)을 대략 100Å 정도 형성한다. 그 후, 반도체 레이저 다이오드를 열처리하면 상기 ZnS막(60,61)으로부터 Zn이 확산된 Zn 확산층(65,66)이 형성된다.(도 3a)
이러한 Zn 확산층은 Zn의 확산에 의한 불순물 유도 혼란(Impurity induceddisodering) 현상으로, 확산되기 전의 벽개면보다 에너지 밴드 갭이 200meV 정도 증가된 NAM구조의 특성을 갖는다.
도 3a 도시된 바와 같이, Zn확산층(65,66)이 형성되면, Zn확산층(65,66)과 ZnS막(60,61)의 사이에는 GaSx막(63,64)이 더 존재할 수 있다.
상기 GaSx막(63,64)은 확산도(Diffusivity)가 Zn에 비해 떨어지는 황(S)이 이미 벽개면에 성장된 GaO(자연 산화막)의 'O'와 자리를 바꾸게 되어 형성된다.
이런, GaSx막(63,64)은 안정적인 격자구조를 가지고 있어, 벽개면의 열화현상을 줄이게 되는 역할을 수행하고, 더불어 소자의 신뢰성을 향상시키게 된다.
도 4는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 반도체 레이저의 벽개면에 ZnS를 코팅시킨 후, 열 및 광 처리하여 확산시킨 상태를 도시한 도면으로서, n-GaAs 기판(100)의 상부에, n-웨이브 가이드층(101), 활성층(102), p-웨이브 가이드층(103)과 에칭방지층(104)이 순차적으로 적층되고, 상기 에칭방지층(104)의 상부에 리지(107)와 그 리지(107) 주변의 전류방지층(105)이 형성되고, 리지(107)와 전류방지층(105)의 상부에 p-캡층(106)과 p-메탈층(108)이 순차적으로 적층되어 있고, 상기 n-GaAs 기판(100)의 하부에 n-메탈층(109)이 형성되어 있는 반도체 레이저 다이오드의 광출력면에 ZnS막(120)을 형성되어 있다.
여기서, 반도체 레이저 다이오드를 동작시키면서, 열처리하면, p-웨이브 가이드층(103), 활성층(102)과 n-웨이브 가이드층(101)에는 광이 방출되면서 주변의 층보다도 고온의 상태가 되어, 활성층(102)과 그 인접지역(p-웨이브 가이드층(103)과 n-웨이브 가이드층(101))에 확산된 Zn 확산층(121)이 활성층(102) 인접지역을 벗어난 반도체 레이저 다이오드의 적층 구조(p-웨이브 가이드층(103), 활성층(102)과 n-웨이브 가이드층(104) 이외의 층)에 형성된 Zn 확산층(122,123)보다 더 두껍게 형성된다.
따라서, 반도체 레이저 다이오드를 동작시키면서, 열처리하면 활성층(102)을 중심으로 Zn 확산층이 주변으로 갈수록 점점 두께가 대략적으로 얇아지게 되는 현상이 발생된다. 이런 현상은 활성층에 실질적인 에너지 밴드갭이 큰 확산층을 형성함으로서, 반도체 레이저 다이오드의 광 출력을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
도 5는 본 발명의 제 2 실시예에 따라 열 및 광 이닐링(Annealing)하는 방법에 대한 구현도로서, 대략 70℃ 이상의 항온조(240)에 ZnS막이 형성된 반도체 레이저 다이오드 어레이(200)를 투입하고, 이 반도체 레이저 다이오드(200)의 상, 하부에 연결된 전극들(210,220)과 전원(230)을 연결하여, 반도체 레이저 다이오드 어레이(200)를 동작시켜, 활성층으로부터 광을 출력시키면서, 열처리한다.
따라서, 본 발명은 활성층의 에너지 밴드 갭보다 에너지 밴드 갭이 높은 NAM구조의 Zn 확산층 및 GaSx막을 형성하여, 벽개면의 열화 및 COD 현상을 억제시킬 수 있게 된다.
더불어, 광 출력면에 형성된 ZnS막의 외부에 AR(Anti-Reflection)막과 광 출력면의 반대면에 형성된 ZnS막의 외부에 HR(High-Reflection)막 이 더 형성되어 있을 수 있고, 상기 AR막이 TiO2이면 ZnS막은 125Å이하의 두께로 형성하고, AR막이SiO2이면 ZnS막은 200Å이하의 두께로 형성하는 것이 바람직하다.
이상에서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명은 ZnS막을 레이저 다이오드 벽개면(Facet)에 디포지션을 하여 항온조에서, 열 및 광 어닐링(Annealing)을 수행함으로서, 레이저 다이오드 벽개면으로 확산층을 형성하여 자연 산화막을 제거하고, 벽개면의 열화현상을 방지할 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 (6)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 레이저광을 방출시키는 활성층을 포함하는 적층 구조를 갖는 반도체 레이저 다이오드의 광 출력 벽개면의 전면에 ZnS막을 코팅하는 제 1 단계와;
    상기 제 1 단계후, 상기 반도체 레이저 다이오드를 동작시켜 레이저광을 출력시킴과 동시에 열처리하여, 상기 활성층을 중심으로 활성층에서 멀어질수록 점점 두께가 얇아지는 Zn 확산층을 상기 ZnS막에 인접한 반도체 레이저 다이오드의 내측으로 형성하고, 상기 ZnS막과 Zn 확산층 사이에 GaSx막을 형성하는 제 2 단계로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 다이오드의 벽개면 형성 방법.
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