KR100472045B1 - 수직공진 표면발광 레이저 다이오드의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명에 따른 수직공진 표면발광 레이저 다이오드 제조방법은 보호막(10)을 형성한 상태에서 필요한 열처리를 수행하고 이들 열처리가 끝난 상태에서 p형 오믹금속층(14)을 형성하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의하면, 유전체 보호막(10)에 의해 p형 오믹접촉층(9)의 표면이 보호되므로 전류 가이드층(7)의 측면 산화과정, 평판화층(12)의 경화 열처리 과정, 래핑(lapping)/(polishing), 및 다이싱(dicing) 과정에서 p형 오믹접촉층(9) 표면이 손상되는 것이 방지된다. 따라서, 종래와 같이 문턱전압이 변하고 광출력이 일정치 않게 되어 소자의 신뢰성이 떨어지는 문제점을 방지할 수 있다.
Description
본 발명은 수직공진 표면발광 레이저 다이오드 제조방법에 관한 것으로서, 특히 제조과정에서 오믹접촉층의 표면이 노출되어 손상됨으로 인해 문턱전압이 변화되고 광출력이 불안정하게 되는 것을 방지할 수 있는 수직공진 표면발광 레이저 다이오드 제조방법에 관한 것이다.
수직공진 표면발광 레이저 다이오드는 광통신에 사용되는 능동소자의 대표적인 것이다. 최근의 첨단통신기술에 부응하기 위해서는 레이저 다이오드의 광출력이 안정되어야 하는데, 종래의 기술에 의하면 제조과정에서 필연적으로 광출력이 불안정하게되는 요인이 발생하여 문제이다.
도 1a 내지 도 1c는 종래의 수직공진 표면발광 레이저 다이오드의 제조방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
먼저, n형 GaAs 기판(1) 상에 완충층(2), n형 하부 브래그 반사경층(3), 하부 클래드층(4), 활성층(5), 상부 클래드층(6), 전류 가이드층(7), p형 상부 브래그 반사경층(8), 및 p형 오믹접촉층(9)을 순차적으로 형성한다.
이어서, p형 오믹접촉층(9) 상에 동그란 모양의 감광막 패턴(11)을 형성한 다음에 이를 식각마스크로 하여 상부 클래드층(6)이 노출될 때까지 p형 오믹접촉층(9), p형 상부 브래그 반사경층(8), 및 전류 가이드층(7)을 메사(mesa) 식각한다. 그리고, 전류 가이드층(7)의 측면부를 산화시킨다. 전류 가이드층(7)은 AlGaAs로 이루어질 수 있는데 이를 400℃ 이상의 습식산화 분위기에 노출시키면 Al 성분이 측면쪽에서부터 산화되어 측면부(A)는 산화되고, 중앙부(B)는 산화되지 않고 동그란 모양으로 존재하게 된다. 중앙부(B)가 전류 주입구의 역할을 하게 된다.
이어서, 메사식각되어 제거된 부분과 남은 부분과의 단차극복 및 타부분과의 고립(isolation)을 위해서 식각된 부분에 폴리이미드(polyimide)를 채워 넣고 350℃에서 60분 동안 구워 경화시킴으로서 p형 오믹접촉층(9)만을 노출시키는 폴리이미드 재질의 평탄화층(12)을 형성한다. 그리고, 전류 가이드층(7)의 중앙부(B) 상부를 동그란 모양으로 노출시키는 p형 오믹금속층(14)을 p형 오믹접촉층(9) 상에 형성한다. p형 오믹접촉층(9)은 p형 오믹금속층(14)과의 오믹접촉을 위해 도펀트(dopant)가 고농도로 도핑된 GaAs로 만든다. 이어서, 기판(1)의 뒷면에 n형 오믹금속층(15)을 형성한다.
상술한 종래의 제조방법의 문제점은 참조부호 c로 표시한 바와 같이 p형 오믹접촉층(9)의 표면이 불가결하게 노출된다는 것이다. 따라서, 전류 주입구를 형성하기 위한 전류 가이드층(7)의 측면 산화과정에서 오믹접촉층(9)의 표면도 원하지 않게 산화되며, 평탄화층(12) 경화시의 열처리 과정에서 다시 한번 p형 오믹접촉층(9) 표면에 산화막이 형성되게 된다. 이렇게 가중된 표면 손상은 래핑(lapping)과 폴리싱(polishing) 과정에서 더욱 심화되고, 또한 칩과 칩을 절단하는 웨이퍼 다이싱(dicing) 과정에서 블레이드(blade)를 냉각시키기 위해 공급되는 순수에 의해 더욱 심화되어 색깔조차 변하게 된다.
오믹접촉층(9)의 이러한 표면변화는 레이저 다이오드의 문턱전압을 크게 변화시키고, 광출력 곡선의 선형특성을 왜곡시켜 버린다. 오믹접촉층(9)의 표면변화는 출사광의 찌그러짐을 초래하는데, 이는 FFP(Far Field Pattern)로 쉽게 관측할 수 있다. 출사광의 찌그러짐은 장차 파이버(fiber)와의 정렬에 있어서 큰 문제점으로 나타나게 된다.
따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, p형 오믹금속층(14)의 형성 이전부터 p형 오믹접촉층(9)의 표면이 보호되도록 함으로써 상술한 종래의 문제점을 해결할 수 있는 수직공진 표면발광 레이저 다이오드 제조방법을 제공하는 데 있다.
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상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 수직공진 표면발광 레이저 다이오드 제조방법은; 화합물 반도체 기판 상에 완충층, 하부 브래그 반사경층, 하부클래드층, 활성층, 상부클래드층, 전류 가이드층, 상부 브래그 반사경층, 오믹접촉층, 및 유전체 보호막을 순차적으로 적층하는 단계; 상기 상부 클래드층이 노출되도록 상기 유전체 보호막, 오믹접촉층, 상부 브래그 반사경층, 및 전류 가이드층을 메사식각하는 단계; 상기 전류가이드층의 가장자리를 산화시키는 단계; 상기 메사식각된 부분을 채우면서 상기 유전체 보호막만을 노출시키는 평탄화층을 상기 결과물 상에 적층하는 단계; 상기 전류 가이드층의 중앙부 상부에 위치하는 상기 유전체 보호막의 가운데 부분만 남도록 상기 유전체 보호막의 가장자리 부분을 식각하여 상기 오믹접촉층을 노출시키는 단계; 및 상기 남아있는 유전체 보호막을 가리지 않으면서 상기 오믹접촉층에 접촉되는 오믹금속층을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이하에서, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명한다.
도 2a 내지 도 2f는 본 발명의 실시예에 따른 수직공진 표면발광 레이저 다이오드 제조방법을 설명하기 위한 도면들이다. 도면에 있어서, 종래기술과 동일한 참조번호는 동일 기능을 수행하는 구성요소를 나타내며 반복적인 설명은 생략한다.
도 2a 내지 도 2c는 평탄화층(12)을 형성하기 까지의 단계를 설명하기 위한 단면도들이다. 먼저, n형 GaAs 기판(1) 상에 완충층(2)을 5000Å 만큼 성장시키고, 그 위에 Al(16%)Ga(84%)As와 Al(92%)Ga(84%)As 층을 순서대로 교번하여 40.5쌍(pairs)적층해서 n형 하부 브래그 반사경층(Distributed Bragg Reflection layer; DBR layer, 3)을 형성시킨다. 하부 브래그 반사경층(3)을 이루는 각 층의 두께는 발진 파장의 효율에 영향이 없도록 λ/4n 이 되도록 하는 것이 좋다. 여기서, λ는 출사광의 파장이고, n은 각 층의 절대굴절율이다. 다음에, n형 하부 브래그 반사경층(3) 상에 하부 클래드층(cladding layer, 4)을 형성하고, 활성층(active layer, 5), 및 상부 클래드층(6)을 순차적으로 적층한다. 활성층(5)은 다중양자우물 구조를 갖는다.
이어서, 상부 클래드층(6) 상에 Al(98%)Ga(2%)As로 이루어지는 전류 가이드층(7)을 300Å 두께로 형성한다. 그리고, 전류 가이드층(7) 상에 Al(92%)Ga(8%)As와 Al(16%)Ga(84%)As 층을 순서대로 교번하여 24쌍(pairs) 적층해서 p형 상부 브래그 반사경층(8)을 형성한다. 다음에, p형 오믹접촉층(9)을 100Å 두께로 형성하는데, p형 오믹금속층(14)과의 오믹접촉 저항을 낮추기 위해 p형 도펀트가 3 x 1019/cm3 정도로 고농도 도핑된 GaAs로 형성한다. 상부 브래그 반사경층(8)은 광이 표면쪽으로 출사되도록 하부 브래그 반사경층(3)보다 층수를 작게 하는 것이 좋다.
다음에, p형 오믹접촉층(9) 상에 SixOy 또는 SixNy로 이루어지는 유전체 보호막(10)을 CVD, 스퍼터링, 또는 E-빔 증착법 등으로 형성한다. 이 때, 그 두께는 λ/2n의 배수이다. 여기서, λ는 출사되는 레이저광의 파장이고, n은 유전체 보호막(10)의 절대굴절율이다. 또한, 출사광의 효율에 영향이 없을 정도로 100~500Å 만큼 얇은 것도 가능하다.
이어서, 유전체 보호막(10) 상에 동그란 모양의 감광막 패턴(11)을 형성하고, 이를 식각마스크로 하여 유전체 보호막(10)을 ICP(inductively coupled plasma)를 이용한 건식식각방법으로 우선 제거하고, 그 다음에 상부 클래드층(6)이 노출될 때까지 오믹접촉층(9), 상부 브래그 반사경층(8), 전류 가이드층(7)을 메사(mesa) 식각한다. 이렇게 형성된 메사 패턴에 의해 칩의 실제적인 면적이 결정된다.
다음에, 유기 용매를 이용하여 감광막 패턴(11)을 제거하고, 400℃ 이상의 습식산화 분위기에서 전류 가이드층(7)의 측면부를 산화시킨다. 전류 가이드층(7)의 구성성분 중 Al이 산화됨으로써 이러한 산화가 이루어진다. 따라서, 측면부(A)는 산화되고, 중앙부(B)는 산화되지 않고 동그란 모양으로 존재하게 된다. 중앙부(B)는 전류 주입구의 역할을 하게 된다.
다음에, 메사식각되어 제거된 부분과 남은 부분과의 단차극복 및 타부분과의 고립(isolation)을 위해서 식각된 부분에 폴리이미드(polyimide)를 채워 넣고 350℃에서 60분 동안 구워 경화시킴으로서 유전체 보호막(10)만을 노출시키는 폴리이미드 재질의 평탄화층(12)을 형성한다.
도 2d 및 도 2f는 p형 오믹금속층(14)을 형성시키는 단계까지를 설명하기 위한 단면도들이다. 먼저, p형 오믹금속층(14)이 형성될 자리를 한정하는 감광막 패턴(13)을 형성하고, 감광막 패턴(13)을 식각마스크로 하여 p형 오믹접촉층(9)이 노출될 때까지 유전체 보호막(10)을 식각한다.
다음에, p형 오믹접촉층(9) 표면에 생길 수도 있는 표면산화막을 제거하기 위하여 표면처리를 실시 한 후에 p형 오믹금속층(14)을 예컨대 E-빔 증착법으로 상기 결과물 전면에 증착한다. 이어서, 감광막 패턴(13)을 제거하는 리프트 오프(lift-off)공정을 거치면, p형 오믹금속층(14)이 p형 오믹접촉층(9)에 접촉되면서 그 가운데 동그란 부분에 위치하는 오믹접촉층(9) 표면이 유전체 보호막(10)에 의해 보호되는 결과물이 형성된다. p형 오믹금속층(14)의 오믹특성과 접착력을 향상시키기 위하여 350℃에서 30초간 급속열처리를 하면 좋다.
다음에, 기판 전체가 적절한 두께, 예컨대 200㎛되도록 래핑(Lapping)과 폴리싱(polishing)하고, 기판(1) 뒷면에 n형 오믹금속층(15)을 증착한 후 오믹특성과 접착력 향상을 위해 350℃에서 30초간 다시 급속열처리한다. 그리고, 다이싱(dicing) 장비를 이용하여 각 칩들을 절단한다. 다이싱 과정에서 블레이드(blade)를 냉각하기 위해 순수가 분사된다.
상술한 바와 같이 본 발명에 의하면, 유전체 보호막(10)에 의해 p형 오믹접촉층(9)의 표면이 보호되므로 전류 가이드층(7)의 측면 산화과정, 평탄화층(12)의 경화 열처리 과정, 래핑(lapping)/(polishing), 및 다이싱(dicing) 과정에서 p형 오믹접촉층(9) 표면이 손상되는 것이 방지된다. 따라서, 종래와 같이 문턱전압이 변하고 광출력이 일정치 않게 되어 소자의 신뢰성이 떨어지는 문제점을 방지할 수 있다.
본 발명은 상기 실시예에만 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 많은 변형이 가능함은 명백하다.
도 1a 내지 도 1c는 종래의 수직공진 표면발광 레이저 다이오드의 제조방법을 설명하기 위한 단면도들;
도 2a 내지 도 2f는 본 발명의 실시예에 따른 수직공진 표면발광 레이저 다이오드 제조방법을 설명하기 위한 도면들이다.
< 도면의 주요 부분에 대한 참조번호의 설명 >
1: n형 GaAs 기판 2: 완충층
3: n형 하부 브래그 반사경층 4: 하부 클래드층
5: 활성층 6: 상부 클래드층
7: 전류 가이드층 8: p형 상부 브래그 반사경층
9: p형 오믹접촉층 10: 유전체 보호막
11: 감광막 패턴 12: 평탄화층
14: p형 오믹금속층 15: n형 오믹금속층
Claims (11)
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- 화합물 반도체 기판 상에 완충층, 하부 브래그 반사경층, 하부클래드층, 활성층, 상부클래드층, 전류 가이드층, 상부 브래그 반사경층, 오믹접촉층, 및 유전체 보호막을 순차적으로 적층하는 단계;상기 상부 클래드층이 노출되도록 상기 유전체 보호막, 오믹접촉층, 상부 브래그 반사경층, 및 전류 가이드층을 메사식각하는 단계;상기 전류가이드층의 가장자리를 산화시키는 단계;상기 메사식각된 부분을 채우면서 상기 유전체 보호막만을 노출시키는 평탄화층을 상기 결과물 상에 적층하는 단계;상기 전류 가이드층의 중앙부 상부에 위치하는 상기 유전체 보호막의 가운데 부분만 남도록 상기 유전체 보호막의 가장자리 부분을 식각하여 상기 오믹접촉층을 노출시키는 단계; 및상기 남아있는 유전체 보호막을 가리지 않으면서 상기 오믹접촉층에 접촉되는 오믹금속층을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 수직공진 표면발광 레이저 다이오드 제조방법.
- 제6항에 있어서, 상기 유전체 보호막이 SixOy 또는 SixNy로 이루어지는 것을 특징으로 하는 수진공진 표면발광 레이저 다이오드 제조방법.
- 제6항에 있어서, 상기 유전체 보호막의 두께가 λ/2n 의 배수인 것을 특징으로 하는 수진공진 표면발광 레이저 다이오드 제조방법, 여기서, λ는 출사되는 레이저광의 파장이고, n은 상기 유전체 보호막의 절대굴절율 임.
- 제6항에 있어서, 상기 유전체 보호막의 두께가 100~500Å 인 것을 특징으로 하는 수직공진 표면발광 레이저 다이오드 제조방법.
- 제6항에 있어서, 상기 기판, 하부 브래그 반사경층, 활성층, 전류 가이드층, 상부 브래그 반사경층, 및 오믹접촉층은 모두 GaAs 기반 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 수진공진 표면발광 레이저 다이오드 제조방법.
- 제10항에 있어서, 상기 전류가이드층은 AlGaAs로 이루어지고, 상기 전류 가이드층의 측면부 산화는 습식산화방법에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는 수직공진 표면발광 레이저 다이오드 제조방법.
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