KR100546572B1 - 레이저 다이오드 제조방법 - Google Patents
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Abstract
광특성 및 전류특성이 향상된 레이저 다이오드 제조방법에 관한 것으로, 제 1 도전형 기판상에 제 1 도전형 클래드층, 활성층, 제 2 도전형 제 1 클래드층, 식각정지층, 제 2 도전형 제 2 클래드층, 제 2 도전형 제 1 캡층을 순차적으로 형성하고, 제 2 도전형 제 1 캡층상의 소정영역에 포토레지스트 패턴을 형성하며, 포토레지스트 패턴을 마스크로 제 2 도전형 제 1 캡층 및 제 2 도전형 제 2 클래드층의 일부를 반응성이온식각으로 제거하여 제 2 도전형 제 2 클래드층의 일부를 남긴 후, 남아 있는 제 2 도전형 제 2 클래드층을 습식식각으로 제거한다. 그리고, 포토레지스트 패턴을 제거하고, 식각정지층을 포함한 전면에 전류차단층을 형성한 다음, 남아 있는 제 2 도전형 제 2 클래드층 상부의 전류차단층과 제 2 도전형 제 1 캡층 일부만을 제거하고, 전류차단층을 포함한 전면에 제 2 도전형 제 2 캡층을 형성하며, 제 1 도전형 기판 하부에 제 1 전극을, 제 2 도전형 제 2 캡층상에 제 2 전극을 형성함으로써, 광특성 및 전류특성을 개선하여 낮은 발진개시전류 및 높은 수평방사각을 얻을 수 있고 균일성 및 재현성이 좋기 때문에 양산성 및 수율의 향상을 꾀할 수 있다.
Description
본 발명은 레이저 다이오드에 관한 것으로, 특히 광특성 및 전류특성이 향상된 레이저 다이오드 제조방법에 관한 것이다.
현재 일반적으로 많이 제작되고 있는 635nm, 650nm 그리고 670nm 대역의 가시광 반도체 레이저 다이오드는 InGap/AlGaInP 헤테로구조(heterostructure)를 이용한 인덱스 웨이브가이드-타입(index waveguide-type)이다.
이러한 반도체 레이저 다이오드 제작을 위한 에피(epi)구조는 결정성장시 자연적으로 생기는 수퍼래티스(superlattice)구조를 피하고자 하고 광기록밀도 향상과 관련하여 좀 더 짧은 영역의 파장을 얻기 위해 일반적으로 몇 도(예를 들면 9도, 15도)정도 미스오리엔티드(misoriented)된 기판위에 제작되어진다.
따라서, 디바이스 제작시 습식식각을 이용하여 리지(ridge)를 형성하면 기판에 의한 영향으로 비대칭적인 모양을 띄게 된다.
이로 인하여 레이저 다이오드의 특성 중 수평방사각의 크기를 감소시키고 모드(mode)의 안정성을 떨어뜨리는 결과를 나타내게 된다.
또한, 습식식각의 불안정으로 기인한 대량 생산성 및 수율증가에 적지 않은 영향을 끼친다.
도면을 참조하여 상기와 같은 문제점을 갖는 종래의 레이저 다이오드를 좀 더 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 습식식각을 이용하여 제작한 SBR(Selectively Buried Ridge) 웨이브가이드(waveguide) 레이저 다이오드로 아주 널리 이용되는 인덱스 가이드이드(index guided) AlGaInP 레이저 구조이다.
여기서 균일한 두께 t를 유지하기 위하여 도 2에 도시된 바와 같이 수십 Å인 에치스톱층(etch stop layer)을 두는 구조로 발전되어 왔다.
두께 t는 레이저의 모드특성, 광특성 그리고 전류특성에 중요한 영향을 미치는 요소로서 일정하게 유지해야 하는 것은 필수불가결하다.
도 2와 같은 SBR 구조는 제작상의 단순함이 큰 잇점이지만 기본적으로 제작시 구조적인 문제점을 가지고 있다.
즉, 절연막을 마스크로 사용하여 습식식각을 통해 리지(ridge)를 형성하므로 도 2에 도시된 바와 같이 상부 리지 폭(top ridge width) WT와 하부 리지 폭(bottom ridge width) WB 사이에 많은 차이가 발생하게 되고 기판 특성으로 인해 각도 a와 각도 b처럼 비대칭적인 모양이 발생하게 된다.
여기서, WT의 크기는 전류 특성중 발진개시전류(Ith)와 연관성을 가지며, WB의 크기는 광특성중 특히 수평방사각(parallel far-field angle)의 특성과 밀접한 연관성을 갖는다.
SBR 구조에서는 절연막의 크기를 갖고 WT와 WB의 크기를 조절하게 되는데 WT와 WB 사이에는 발진개시전류와 수평방사각간의 트래드 오프(trade off)가 발생하게 되므로 두 가지 특성을 동시에 향상시키는 리지 구조를 만드는 것이 필요하게 된다.
즉, 수평방사각을 증가시키기 위해서는 WB가 작아야 하는데, 이는 WT도 더욱 감소하게 되어 결국 WT가 어느 크기 이하로 줄어들면 발진개시전류가 급격히 증가하므로 WB의 크기에 한계가 발생하게 된다.
그리고 반대로 발진개시전류를 줄이기 위해서는 WT가 커야하는데 이는 마찬가지로 WB의 크기를 증가시키는 결과를 가져와 수평방사각이 줄어들게 되는 것이다.
이와 같은 문제점들을 개선하기 위하여 도 3에 도시된 바와 같이 반응성이온식각을 이용하여 수직한 리지 구조를 만드는 연구가 많이 이루어졌다.
반응성이온식각은 비등방성 식각으로써 미스오리엔티드 웨이퍼(misoriented wafer)에 길러진 에피 구조에서도 대칭적이고 수직적인 리지 구조를 쉽게 구현할 수 있고 식각 깊이 조절이 습식식각에 비해 용이하여 디바이스 제작에 여러 가지 잇점이 있기 때문이다.
도 3에 도시된 것처럼 WT와 WB의 차이는 도 2에 도시된 습식식각을 이용한 리지 구조와는 비교할 수 없이 작아서 앞서 언급한 특성을 만족시킬 수 있다.
그러나, 반응성이온식각을 이용한 방법은 앞서 언급한바 있는 두께 t를 유지하는데 도 2와 같이 에치스톱층을 사용할 수 없으므로 전적으로 반응성이온식각의 균일도와 식각두께 조절능력에 의존해야 하는 점이 도 2와 비교하여 많은 문제점으로 지적된다.
또한 반응성이온식각을 통해 표면에 손상(damage)을 받기 때문에 n-GaAs 전류차단층을 성장시키는데 문제가 생길 수 있다.
종래 기술에 따른 레이저 다이오드에 있어서는 다음과 같은 문제점이 있었다.
습식식각을 이용하여 제작된 레이저 다이오드는 리지 모양이 비대칭적이 되어 수평방사각의 크기를 감소시키고 모드의 안정성을 떨어뜨린다.
그리고 반응성이온식각을 이용하여 제작된 레이저 다이오드는 식각의 균일도와 식각두께 조절이 어렵다.
본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로 습식식각을 이용한 리지 구조와 반응성이온식각을 이용한 리지 구조의 단점을 개선하여 광특성 및 전류특성을 향상시킨 레이저 다이오드 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명에 따른 레이저 다이오드 제조방법의 특징은 제 1 도전형 기판상에 제 1 도전형 클래드층, 활성층, 제 2 도전형 제 1 클래드층, 식각정지층, 제 2 도전형 제 2 클래드층, 제 2 도전형 제 1 캡층을 순차적으로 형성하는 스텝과, 제 2 도전형 제 1 캡층상의 소정영역에 절연막 패턴을 형성하고, 절연막 패턴을 마스크로 제 2 도전형 제 1 캡층 및 제 2 도전형 제 2 클래드층의 일부를 반응성이온식각으로 제거하여 제 2 도전형 제 2 클래드층의 일부를 남기는 스텝과, 남아 있는 제 2 도전형 제 2 클래드층을 습식식각으로 제거하는 스텝과, 절연막 패턴을 제거하고, 식각정지층을 포함한 전면에 전류차단층을 형성하는 스텝과, 남아 있는 제 2 도전형 제 2 클래드층 상부의 전류차단층과 제 2 도전형 제 1 캡층 일부만을 제거하는 스텝과, 전류차단층을 포함한 전면에 제 2 도전형 제 2 캡층을 형성하고, 제 1 도전형 기판 하부에 제 1 전극을, 제 2 도전형 제 2 캡층상에 제 2 전극을 형성하는 스텝으로 이루어지는데 있다.
상기와 같은 특징을 갖는 본 발명에 따른 레이저 다이오드 및 그 제조방법을 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 4a 내지 4l은 본 발명에 따른 레이저 다이오드 제조공정을 보여주는 공정단면도로서, 도 4a에 도시된 바와 같이, n형 GaAs 기판(21)상에 MOCVD 장치를 이용하여 n형 GaAs 버퍼층(22), n형 AlGaAs 클래드층(23), 활성층(24), p형 1차 AlGaAs 클래드층(25), p형 InGaP 식각정지층(26), p형 2차 AlGaAs 클래드층(27), p형 1차 GaAs 캡층(28)을 순차적으로 1차 성장시킨다.
여기서, 활성층(24)은 레이저 다이오드의 특성을 향상시키기 위하여 양자 우물 구조를 이용한 SCH(Seperated Confinement Heterostructure) 혹은 GRIN-SCH (Graded Index-SCH) 구조로 형성한다.
이어, 도 4b에 도시된 바와 같이, 성장된 p형 1차 GaAs 캡층(28)상에 제 1 산화막(29)를 형성하고, 도 4c에 도시된 바와 같이, 포토리소그래피 공정으로 p형 1차 GaAs 캡층(28)의 소정영역에 제 1 산화막(29) 패턴을 형성한다.
그리고, 도 4d에 도시된 바와 같이, 리지(ridge)를 형성하기 위해 제 1 산화막(29) 패턴을 마스크로 p형 1차 GaAs 캡층(28) 및 p형 2차 AlGaAs 클래드층(27)을 소정 깊이로 제거하여 p형 2차 AlGaAs 클래드층(27)의 일부를 남긴다.
이어, 도 4e에 도시된 바와 같이, 남아 있는 p형 2차 AlGaAs 클래드층(27)을 HF계 습식식각액을 이용하여 습식식각으로 제거하고, p형 1차 GaAs 캡층(28)상에 남아 있는 제 1 산화막(29)를 제거한다.
그리고, 도 4f에 도시된 바와 같이, n형 GaAs 전류차단층(30)을 MOCVD 장비를 이용하여 리지를 포함한 전면에 성장하고, 도 4g에 도시된 바와 같이, 전류차단층(30)상에 포토레지스트(31)를 형성하며, 도 4h에 도시된 바와 같이, 포토리소그래피 공정으로 리지영역의 전류차단층(30)이 노출되도록 포토레지스트(31) 패턴을 형성한다.
이어, 도 4i에 도시된 바와 같이, 포토레지스트(31) 패턴을 마스크로 하여 노출된 전류차단층(30)과 전류차단층(30) 아래의 p형 1차 GaAs 캡층(28) 일부분까지 식각한다.
이렇게 형성된 채널은 레이저 다이오드 구동시 전류가 흐를 수 있게 된다.
그리고, 도 4j에 도시된 바와 같이, 전류차단층(30)상에 남아있는 포토레지스트(31) 패턴을 제거하고, 도 4k에 도시된 바와 같이, MOCVD 장치를 이용하여 전류차단층(30)을 포함한 전면에 p형 2차 GaAs 캡층(32)을 성장한다.
이어, 도 4l에 도시된 바와 같이, p형 2차 GaAs 캡층(32)상에 p형 메탈 전극(33)을 형성하고 기판(21) 하부에 n형 메탈 전극(34)을 형성하여 레이저 다이오드 제작을 완료한다.
이와 같이, 제작된 레이저 다이오드는 가장 최적화된 리지 구조를 구현할 수 있어 리지의 상부 폭과 하부 폭의 크기 차이에서 오는 광특성 및 전류특성을 크게 개선할 수 있는 것이다.
본 발명에 따른 레이저 다이오드 제조방법에 있어서는 다음과 같은 효과가 있다.
본 발명은 반응성이온식각과 습식식각을 이용하여 리지 구조를 최적화 시킴으로써 종래와 같이 습식식각만의 공정과 반응성이온식각만의 공정에서 오는 각각의 문제점을 해결할 수 있다.
즉, 리지의 상부 폭과 하부 폭의 크기 차이에서 오는 광특성 및 전류특성을 개선시킬 수 있으므로 낮은 발진개시전류 및 높은 수평방사각을 확보할 수 있어 이를 이용한 시스템에 보다 효율적으로 사용할 수 있다.
또한, 습식식각만을 이용한 공정 보다는 균일성 및 재현성이 좋기 때문에 양산성 및 수율의 향상을 꾀할 수 있다.
도 1 내지 도 3은 종래 기술에 따른 레이저 다이오드를 보여주는 구조단면도
도 4a 내지 4l은 본 발명에 따른 레이저 다이오드 제조공정을 보여주는 공정단면도
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >
21 : n형 GaAs 기판 22 : n형 GaAs 버퍼층
23 : n형 AlGaAs 클래드층 24 : 활성층
25 : p형 1차 AlGaAs 클래드층 26 : p형 InGaP 식각정지층
27 : p형 2차 AlGaAs 클래드층 28 : p형 1차 GaAs 캡층
29 : 산화막 30 : n형 GaAs 전류차단층
31 : 포토레지스트 32 : p형 2차 GaAs 캡층
33 : p형 메탈 전극 34 : n형 메탈 전극
Claims (4)
- 제 1 도전형 기판상에 제 1 도전형 클래드층, 활성층, 제 2 도전형 제 1 클래드층, 식각정지층, 제 2 도전형 제 2 클래드층, 제 2 도전형 제 1 캡층을 순차적으로 형성하는 단계;상기 제 2 도전형 제 1 캡층상의 소정영역에 산화막 패턴을 형성하고, 산화막 패턴을 마스크로 상기 제 2 도전형 제 1 캡층 및 제 2 도전형 제 2 클래드층의 일부를 반응성이온식각으로 제거하여 상기 제 2 도전형 제 2 클래드층의 일부를 남기는 단계;상기 남아 있는 제 2 도전형 제 2 클래드층을 습식식각으로 제거하는 단계;상기 산화막 패턴을 제거하고, 상기 식각정지층을 포함한 전면에 전류차단층을 형성하는 단계;상기 남아 있는 제 2 도전형 제 2 클래드층 상부의 전류차단층과 제 2 도전형 제 1 캡층 일부만을 제거하는 단계;상기 전류차단층을 포함한 전면에 제 2 도전형 제 2 캡층을 형성하고, 상기 제 1 도전형 기판 하부에 제 1 전극을, 제 2 도전형 제 2 캡층상에 제 2 전극을 형성하는 단계로 이루어져 리지 구조를 형성하는 것을 특징으로 하는 레이저 다이오드 제조방법.
- 제 1항에 있어서,상기 활성층은 레이저 다이오드의 특성을 향상시키기 위하여 양자 우물 구조를 이용한 SCH(Seperated Confinement Heterostructure) 또는 GRIN-SCH(Graded Index-Seperated Confinement Heterostructure)구조로 형성하는 것을 특징으로 하는 레이저 다이오드 제조방법.
- 제 1항에 있어서,상기 남아 있는 제 2 도전형 제 2 클래드층을 습식식각으로 제거하는 단계에서 습식식각은 HF계 습식 식각 액을 이용는 것을 특징으로 하는 레이저 다이오드 제조방법.
- 제 1항에 있어서,상기 제 1전극은 n형 메탈 전극, 제 2전극은 p형 메탈 전극임을 특징으로 하는 레이저 다이오드 제조방법.
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