KR100537742B1 - 고출력 반도체 레이저 다이오드 어레이 및 그의 제조방법 - Google Patents

고출력 반도체 레이저 다이오드 어레이 및 그의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 고출력 반도체 레이저 다이오드 어레이 및 그의 제조방법에 관한 것으로, 화합물 반도체 기판의 상부에 n-클래드층, n-웨이브 가이드층, 활성층, p-웨이브 가이드층, 제 1 p-클래드층, 식각방지층(Etching Stop Layer, ESL), 제 2 p-클래드층, 버퍼층, 캡층을 순차적으로 성장시키는 제 1 단계와; 상기 식각방지층의 상부에 제 2 p-클래드층, 버퍼층과 캡층이 적층된 리지가 상호 이격되어 다수개로 형성된 것으로 정의되는 리지 그룹들을 상기 식각방지층의 상부에 각각 이격시켜 복수개로 형성하는 제 2 단계와; 상기 각각의 리지들 상부의 일부를 노출시키고, 상기 식각방지층의 상부와 각각의 리지들을 감싸며 유전체막을 형성하는 제 3 단계와; 상기 유전체막과 상기 노출된 다수 리지들의 상부에 p-금속층을 형성하고, 상기 화합물 반도체 기판의 하부에 n-금속층을 형성하는 제 4 단계를 수행하여 소자를 제조한다.
따라서, 본 발명은 다수의 리지들로 정의되는 리지 그룹을 복수개로 형성함으로써, 반도체 레이저 다이오드가 발진시 열이 분산되어, 온도 증가를 작게 할 수 있고, 전류가 좁은 리지내에서 비교적 균일하게 주입됨으로 광분포도를 안정화시킬 수 있는 효과가 발생한다.

Description

고출력 반도체 레이저 다이오드 어레이 및 그의 제조방법{High output semiconductor laser diode array and method of manufacturing the same}
본 발명은 고출력 반도체 레이저 다이오드 어레이 및 그의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 다수의 리지들로 정의되는 리지 그룹을 복수개로 형성함으로써, 반도체 레이저 다이오드가 발진시 열이 분산되어, 온도 증가를 작게 할 수 있고, 전류가 좁은 리지내에서 비교적 균일하게 주입됨으로 광분포도를 안정화시킬 수 있는 고출력 반도체 레이저 다이오드 어레이 및 그의 제조방법에 관한 것이다.
최근, 고출력 반도체 레이저 다이오드 어레이는 고체 상태 레이저(Solid-state laser) 펌핑용, 자유 공간 광통신(Free-space optical communication), 의료용, 디스플레이용 등 많은 분야에 사용되고 있다.
통상, 적색 및 적외선 영역의 고출력 반도체 레이저 다이오드 어레이는 질화갈륨 기판에 MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition) 또는 MBE(Molecular Beam Epitaxy) 등의 공정을 수행하여 제조하고 있다.
도 1은 일반적인 반도체 레이저 다이오드 어레이의 사시도로서, 레이저광을 방출하는 활성층(5)이 구비된 반도체 레이저 다이오드 어레이(10)의 상부에는 상호 분리된 복수의 리지(Ridge)(7)들이 형성되어 있어, 리지(7)로 유입되는 전류에 의해서 활성층(5)은 레이저광을 방출한다.
보통 하나의 반도체 레이저 다이오드 어레이에 20 ~ 30개 정도의 리지가 형성되어 있으며, 반도체 레이저 다이오드 어레이(10)의 폭(W)은 1㎝이며, 리지폭은 대략 10㎛ ~ 150㎛이다.
이 때, 반도체 레이저 다이오드 어레이가 고출력을 얻기 위해서는 큰 광이득이 있어야 하고, 활성영역의 면적이 넓어야 한다.
이러한 목적에 의해, 활성층의 두께를 두껍게 하고, 리지 폭을 10㎛이상에서 150㎛정도의 폭까지 사용한다.
그러나, 이렇게 면적이 넓어지면 전하의 분포가 불균일할 수 있고, 또한 비발광 결합이 발생되어 열 발생을 증가시켜, 소자의 열 특성을 저하시킬 뿐만 아니라 광분포를 왜곡시키기도 한다.
그러므로, 그러한 문제점들은 고출력을 얻는데 큰 장애로 작용하고 있다.
즉, 넓은 리지를 사용하는 경우, 수평 방향의 광분포는 단일모드(Single mode)를 갖지 못하고, 다중모드(Multi mode)를 갖게 되고, 고출력으로 갈수록 전하분포의 변화 및 열발생 등으로 인해 출력을 저하시키는 문제점이 발생한다.
도 2는 종래 기술에 따른 반도체 레이저 다이오드 어레이의 단면도로서, MOCVD 장비를 사용하여 GaAs 기판(20)의 상부에 n-클래드층(21), n-웨이브 가이드층(22), 활성층(23), p-웨이브 가이드층(24), 제 1 p-클래드층(25), 식각방지층(Etching Stop Layer, ESL)(26), 제 2 p-클래드층(27), 버퍼층(28), GaAs 캡층(29)을 순차적으로 성장시키고, 상기 GaAs 캡층(29), 버퍼층(28)과 제 2 p-클래드층(27)의 일부를 상기 식각방지층(26)까지 식각하여, 상기 GaAs 캡층(29), 버퍼층(28)과 제 2 p-클래드층(27)으로 이루어지고, 상호 이격된 리지(Ridge)들을 상기 식각방지층(26)의 상부에 형성한다.
그리고, 상기 리지들을 감싸면서 상기 식각방지층(26)의 상부에 p-금속층(30)을 형성하고, 상기 GaAs 기판(20)의 하부에 n-금속층(31)을 형성하면, 종래 기술에 따른 반도체 레이저 다이오드 어레이의 제조가 완료된다.
이러한 공정을 통해 제조된 반도체 레이저 다이오드 어레이는 히트싱크(Heat Sink) 또는 서브마운트(Submount)에 솔더(Solder)를 이용해 접합한 후, 전류를 흘려주면 작동하게 된다.
이 때, 전류가 주입되면, 리지영역으로만 전류가 흐르게 된다.
도 3은 종래 기술에 따른 반도체 레이저 다이오드 어레이의 리지에 전류가 주입되는 상태를 도시한 개념도로서, 정공(Hole)은 p-금속층(57)에서 리지의 p-클래드층(55)과 p-웨이브 가이드층(54)을 통해 활성층(53)으로 주입되고, 전자는 n-금속층(58)을 통해 리지로 제한된 영역의 n-클래드층(51)과 n-웨이브 가이드층(52)을 통하여 활성층(53)으로 주입된다.
주입된 정공과 전자는 활성층(53)에서 자발적인 재결합(Stimulated Recombination)에 의해 레이저광이 발생한다.
여기서, 종래 기술에 따른 리지는 넓기 때문에, 리지의 중심부분과 끝부분의 전류밀도가 다를 수 있고, 광모드가 단일모드가 아니고, 다중모드로 발생되기 때문에, 근접장 패턴(Near Field Pattern)이 매우 복잡하다.
또한, 비발광성 재결합에 의해 활성층, 웨이브 가이드층과 클래드층에서 열이 발생하게 되고, 리지의 끝부분에 비해 중심부의 온도가 더 높이 올라가게 된다.
이러한 이유들로 인해 스페이셜 정공-버닝(Spatial hole-burning)이 일어나고, 특성을 저하시키게 된다.
특히, 635㎚ InGaP/InGaAlP/InAlP 반도체 레이저 다이오드의 경우, 클래드 물질로 사용하는 InAlP의 열전도성이 다른 AlGaAs나 InGaAlP 물질에 비해 떨어져 열 방출에 문제가 있고, InGaP/InGaAlP 활성층의 경우도 밴드 옵셋(Band offset)이 작아 열 특성이 저하됨으로, 열적인 문제가 심각하다.
또한, 브로드 리지(Broad ridge)를 사용하여, 고출력을 얻어야 하는 경우는 더욱이 열문제로 인해 원하는 출력을 얻지 못할 때가 있다.
이에 본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 다수의 리지들로 정의되는 리지 그룹을 복수개로 형성함으로써, 반도체 레이저 다이오드가 발진시 열이 분산되어, 온도 증가를 작게 할 수 있고, 전류가 좁은 리지내에서 비교적 균일하게 주입됨으로 광분포도를 안정화시킬 수 있는 고출력 반도체 레이저 다이오드 어레이 및 그의 제조방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기한 본 발명의 목적들을 달성하기 위한 바람직한 양태(樣態)는, 화합물 반도체 기판의 상부에 n-클래드층, n-웨이브 가이드층, 활성층, p-웨이브 가이드층, 제 1 p-클래드층과 식각방지층(Etching Stop Layer, ESL)이 순차적으로 성장된 적층구조와;
리지 그룹은 상기 식각방지층의 상부에 제 2 p-클래드층, 버퍼층과 캡층이 적층된 리지가 상호 이격되어 다수개로 형성된 것을 정의하며, 상기 식각방지층의 상부에 각각 이격되어 형성된 복수개의 리지 그룹들과;
상기 각각의 리지들 상부의 일부를 노출시키며, 상기 식각방지층의 상부와 각각의 리지들을 감싸며 형성된 유전체막과;
상기 유전체막과 상기 노출된 다수 리지들의 상부에 형성된 p-금속층과;
상기 화합물 반도체 기판의 하부에 형성된 n-금속층으로 구성된 고출력 반도체 레이저 다이오드 어레이가 제공된다.
상기한 본 발명의 목적들을 달성하기 위한 바람직한 다른 양태(樣態)는, 화합물 반도체 기판의 상부에 n-클래드층, n-웨이브 가이드층, 활성층, p-웨이브 가이드층과 다수의 리지를 갖는 p-클래드층이 적층되어 상기 다수의 리지를 갖는 p-클래드층에서 주입된 정공과 상기 화합물 반도체 기판에서 주입된 전자에 의해 활성층에서 광을 방출하는 고출력 반도체 레이저 다이오드 어레이에 있어서,
상기 다수의 리지들의 각각은 상호 이격되어 있는 복수개의 서브 리지들로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 고출력 반도체 레이저 다이오드 어레이가 제공된다.
상기한 본 발명의 목적들을 달성하기 위한 바람직한 또 다른 양태(樣態)는, 화합물 반도체 기판의 상부에 n-클래드층, n-웨이브 가이드층, 활성층, p-웨이브 가이드층, 제 1 p-클래드층, 식각방지층(Etching Stop Layer, ESL), 제 2 p-클래드층, 버퍼층, 캡층을 순차적으로 성장시키는 제 1 단계와;
상기 식각방지층의 상부에 제 2 p-클래드층, 버퍼층과 캡층이 적층된 리지가 상호 이격되어 다수개로 형성된 것으로 정의되는 리지 그룹들을 상기 식각방지층의 상부에 각각 이격시켜 복수개로 형성하는 제 2 단계와;
상기 각각의 리지들 상부의 일부를 노출시키고, 상기 식각방지층의 상부와 각각의 리지들을 감싸며 유전체막을 형성하는 제 3 단계와;
상기 유전체막과 상기 노출된 다수 리지들의 상부에 p-금속층을 형성하고, 상기 화합물 반도체 기판의 하부에 n-금속층을 형성하는 제 4 단계로 구성된 고출력 반도체 레이저 다이오드 어레이의 제조방법이 제공된다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하면 다음과 같다.
도 4는 본 발명에 따른 반도체 레이저 다이오드 어레이가 다수개의 보조 리지들을 구비하는 상태를 도시한 개념도로서, 활성층을 포함하는 적층 반도체 구조(80)의 상부에는 상호 일정간격 이격된 다수의 리지(82)들로 이루어진 리지 그룹(83a,83b,83c)들이 복수개로 형성되어 있다.
이렇게 다수의 리지(82)들로 이루어진 리지 그룹(83a,83b,83c)들을 복수개로 형성한 본 발명은, 종래 기술에 따른 반도체 레이저 다이오드 어레이에 형성된 복수개의 리지들에 비하여, 열특성을 개선되고 광분포가 안정화된다.
즉, 종래 기술에 따른 반도체 레이저 다이오드 어레이의 리지가 50㎛ 폭으로 형성되어 있으면, 10㎛의 보조 리지 5개를 20㎛ 간격으로 배치할 수 있으며, 이럴 경우, 종래 기술에 따른 리지는 50㎛ 폭에서 열이 발생하여 그 중심부의 온도가 높아지게 되나, 본 발명에 따른 리지는 10㎛ 폭으로 보조 리지 5개가 20㎛ 간격으로 형성되어 있어, 열이 130㎛에 걸쳐 분산되게 된다.
그러므로, 반도체 레이저 다이오드가 발진시 온도의 증가가 상대적으로 작게된다.
또한, 전류가 좁은 리지내에서 비교적 균일하게 주입됨으로 광분포도 안정적이다.
따라서, 본 발명의 리지 구조를 적용시키면, 635㎚ InGaP/InGaAlP/InAlP 반도체 레이저 다이오드의 경우에도 열특성이 우수해지고, 고출력이 가능하게 된다.
도 5는 본 발명에 따른 반도체 레이저 다이오드 어레이의 리지에 전류가 주입되는 상태를 도시한 개념도로서, 본 발명은 반도체 레이저 다이오드 어레이에 레이저광을 방출하는 영역을 정의하는 복수개의 리지영역을 형성하되, 각각의 리지영역은 다수개의 보조 리지들로 형성하는 것이다.
즉, 하나의 리지영역을 도시된 도 5를 참조하면, 상호 일정간격 이격되어 형성된 p-클래드층(75)의 다수 리지들은 각각 상부의 일부가 노출되며 유전체막(76)으로 감싸여지고, 노출된 면에는 p-금속층(77)이 형성되어 있음을 알 수 있다.
이렇게 형성된 본 발명의 고출력 반도체 레이저 다이오드는 정공(Hole)이 p-금속층(77)에서 p-클래드층(75)의 다수 리지와 p-웨이브 가이드층(74)을 통해 활성층(73)으로 주입되고, 전자는 n-금속층(78)을 통해 리지로 제한된 영역의 n-클래드층(71)과 n-웨이브 가이드층(72)을 통하여 활성층(73)으로 주입된다.
주입된 정공과 전자는 활성층(73)에서 자발적인 재결합(Stimulated Recombination)에 의해 레이저광이 발생한다.
도 6a 내지 6d는 본 발명에 따른 고출력 반도체 레이저 다이오드 어레이의 제조 공정 단면도로서, MOCVD 장비를 사용하여 화합물 반도체 기판(100)의 상부에 n-클래드층(101), n-웨이브 가이드층(102), 활성층(103), p-웨이브 가이드층(104), 제 1 p-클래드층(105), 식각방지층(Etching Stop Layer, ESL)(106), 제 2 p-클래드층(107), 버퍼층(108), 캡층(109)을 순차적으로 성장시킨다.(도 6a)
그 후, 상기 캡층(109)에서 상기 식각방지층(106)까지 식각하여, 상기 식각방지층(106)의 상부에 제 2 p-클래드층(107), 버퍼층(108)과 캡층(109)이 적층된 리지가 상호 이격되어 다수개로 형성된 것으로 정의되는 리지 그룹들을 상기 식각방지층(106)의 상부에 각각 이격시켜 복수개로 형성한다.(도 6b)
그 다음, 상기 각각의 리지들 상부의 일부를 노출시키고, 상기 식각방지층(106)의 상부와 각각의 리지들을 감싸며 유전체막(120)을 형성한다.(도 6c)
마지막으로, 상기 유전체막(120)과 상기 노출된 다수 리지들의 상부에 p-금속층(130)을 형성하고, 상기 화합물 반도체 기판(100)의 하부에 n-금속층(132)을 형성한다.(도 6d)
이상 상술한 바와 같이, 본 발명은 다수의 리지들로 정의되는 리지 그룹을 복수개로 형성함으로써, 반도체 레이저 다이오드가 발진시 열이 분산되어, 온도 증가를 작게 할 수 있고, 전류가 좁은 리지내에서 비교적 균일하게 주입됨으로 광분포도를 안정화시킬 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.
도 1은 일반적인 반도체 레이저 다이오드 어레이의 사시도이다.
도 2는 종래 기술에 따른 반도체 레이저 다이오드 어레이의 단면도이다.
도 3은 종래 기술에 따른 반도체 레이저 다이오드 어레이의 리지에 전류가 주입되는 상태를 도시한 개념도이다.
도 4는 본 발명에 따른 반도체 레이저 다이오드 어레이가 다수개의 보조 리지들을 구비하는 상태를 도시한 개념도이다.
도 5는 본 발명에 따른 반도체 레이저 다이오드 어레이의 리지에 전류가 주입되는 상태를 도시한 개념도이다.
도 6a 내지 6d는 본 발명에 따른 고출력 반도체 레이저 다이오드 어레이의 제조 공정 단면도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
5,23,53,73,103 : 활성층 7,82 : 리지(Ridge)
10 : 반도체 레이저 다이오드 어레이 20 : GaAs기판
21,51,101 : n-클래드층 22,52,72,102 : n-웨이브 가이드층
24,54,74,104 : p-웨이브 가이드층 25,27,55,71,75,105,107 : p-클래드층
26,106 : 식각방지층 28,108 : 버퍼층
29,109 : 캡층 30,57,77,130 : p-금속층
31,58,78,132 : n-금속층 76,120 : 유전체막
80 : 적층 반도체 구조 83a,83b,83c : 리지 그룹
100 : 화합물 반도체 기판

Claims (3)

  1. 삭제
  2. 화합물 반도체 기판의 상부에 n-클래드층, n-웨이브 가이드층, 활성층, p-웨이브 가이드층과 리지형 p-클래드층이 적층되어 상기 리지형 p-클래드층에서 주입된 정공과 상기 화합물 반도체 기판에서 주입된 전자에 의해 활성층에서 광을 방출하는 고출력 반도체 레이저 다이오드 어레이에 있어서,
    상기 리지형 p-클래드층은 상호 이격되어 있는 복수개의 서브 리지들로 형성되어 있고,
    상기 복수개의 서브 리지들은 각각 상부의 일부가 노출되며 유전체막으로 감싸여지고, 노출된 면에 p-금속층이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 고출력 반도체 레이저 다이오드 어레이.
  3. 삭제
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