KR100568323B1 - 다파장 반도체 레이저 제조방법 - Google Patents

다파장 반도체 레이저 제조방법 Download PDF

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KR100568323B1
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Abstract

본 발명은 2파장 반도체 레이저 소자, 나아가 다파장 반도체 레이저 소자의 제조방법에 관한 것으로서, 적어도 제1 영역과 제2 영역으로 분리된 상면을 갖는 기판을 마련하는 단계와, 상기 제1 영역만이 개방되도록 상기 기판 상에 제1 유전체 마스크를 형성하는 단계와, 상기 기판의 제1 영역 상에 제1 반도체 레이저를 위한 에피택셜층을 성장시키는 단계와, 상기 제1 반도체 레이저의 에피택셜층 성장단계에서 형성된 제1 유전체 마스크 상의 다결정층이 함께 제거되도록 상기 제1 유전체 마스크를 리프트오프시키는 단계와, 상기 기판의 제2 영역만이 개방되도록 상기 기판 상에 제2 유전체 마스크를 형성하는 단계와, 상기 기판의 제2 영역 상에 제2 반도체 레이저를 위한 에피택셜층을 성장시키는 단계와, 상기 제2 반도체 레이저의 에피택셜층 성장단계에서 형성된 제2 유전체 마스크 상의 다결정층이 함께 제거되도록 상기 제2 유전체 마스크를 리프트오프시키는 단계를 포함하는 다파장 반도체 레이저 제조방법을 제공한다.
2파장 반도체 레이저 소자(two wavelength semiconductor laser device), SAG MOCVD(selective area growth MOCVD), 유전체 마스크(dielectric mask), 다결정질층(poly crystral layer)

Description

다파장 반도체 레이저 제조방법{METHOD OF PRODUCING MULTI-WAVELENGTH SEMICONDUCTOR LASER DEVICE}
도1a 내지 도1f는 종래의 2파장 반도체 레이저 제조방법을 설명하기 위한 공정단면도이다.
도2a 내지 도2f는 본 발명의 일 실시형태에 따른 2파장 반도체 레이저 제조방법을 설명하기 위한 공정단면도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호설명>
11,41: 기판 42 : 제1 유전체 마스크
10a,40a: 제1 반도체 레이저 13a,43a: n형 AlGaAs 클래드층
14a,44a: AlGaAs 활성층 15a,45a: p형 AlGaAs 클래드층
10b,40b: 제2 반도체 레이저 13b,43b: n형 AlGaInP 클래드층
14a,44a: AlGaInP 활성층 15a,45a: p형 AlGaInP 클래드층
47: 제2 유전체 마스크
본 발명은 다파장 반도체 레이저에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 서로 다른 파장의 레이저광을 동시에 또는 선택적으로 발진할 수 있는 다파장 반도체 레이저의 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로, 반도체 레이저는 유도방출에 의해 증폭된 광을 출력하는 반도체 소자로서, 그 출력광은 좁은 주파수폭(단파장특성)을 가지며 지향성을 우수하고, 고출력이 보장되는 장점을 갖고 있다. 이러한 장점으로 인해, CD나 DVD와 같은 광디스크시스템의 광픽업장치 등을 위한 광원으로 각광을 받고 있다.
최근 광디스크기술분야에서는, 2개이상의 서로 다른 파장을 발진할 수 있는 다파장 반도체 레이저 소자가 요구되고 있다. 대표적으로, 비교적 저밀도인 CD 재생기(780㎚)와 비교적 고밀도인 DVD재생기(635 또는 650㎚)를 위해 사용되는 2파장 반도체 레이저가 있을 수 있다.
도1a 내지 도1f는 종래의 2파장 반도체 레이저 소자의 제조방법을 나타내는 공정설명도이다. 즉, AlGaAs계인 제1 반도체 레이저(780㎚파장광)와 AlGaInP계인 제2 반도체 레이저(650㎚파장광)가 모놀리식으로 단일 기판 상에 구현된 2파장 반도체 레이저 소자의 제조방법을 설명하기 위한 도면이다.
우선, 도1a와 같이, n형 GaAs기판(11) 상에 제1 반도체 레이저를 위한 에피택셜층을 형성한다. 즉, n형 AlGaAs 클래드층(13a), AlGaAs계 활성층(14a), p형 AlGaAs 클래드층(15a), p형 캡층(16a)을 순차적으로 성장시킨다.
이어, 도1b와 같이, 포토리소그래피공정과 에칭공정을 이용하여 상기 에피택셜층(13a,14a,15a,16a)을 선택적으로 제거하여 GaAs 기판(11) 상면의 일영역을 노출시킨다.
다음으로, 도1c와 같이, 노출된 GaAs기판(11) 상면에 제2 반도체 레이저를 위한 에피택셜층을 형성한다. 즉, n형 AlGaInP 클래드층(13b), AlGaInP계 활성층(14b), p형 AlGaInP 클래드층(15b) 및 p형 캡층(16b)을 순차적으로 성장시킨다.
이어, 도1d와 같이, 추가적인 포토리소그래피공정과 에칭공정을 이용하여, 상기 제1 반도체 레이저의 에피택셜층(13a,14a,15a,16a) 위에 제2 반도체 레이저의 에피택셜층(13b,14b,15b,16b)을 제거하는 동시에, 2개의 에피택셜구조를 서로 분리시킨다.
다음으로, 도1e와 같이, 상기 p형 AlGaAs 클래드층(15a)과 상기 p형 AlGaInP 클래드층(15b)을 통상의 방법으로 선택적으로 에칭하여 전류주입효율향상을 위한 리지구조를 형성한다.
끝으로, 도1f와 같이 리지가 형성된 p형 클래드층(15a,15b) 상면에 유전체물질로 전류제한층(18a,18b)을 형성하고, 포토리스그래피공정과 에칭공정을 적용하여 각 p형 캡층을 노출시킨 후에, Ti, Pt, Au 또는 그 합금으로, 노출된 p형 캡층(16a,16b) 상에 p측 전극(19a,19b)을 형성하고, Au/Ge, Au, Ni 또는 그 합금을 이용하여 GaAs기판(11) 하면에 n측 전극(18)을 형성한다.
이와 같이, 2개의 서로 다른 파장의 반도체 레이저(10a,10b)를 동일 기판(11) 상에 형성하여 단일칩형태의 2파장 반도체 레이저소자(10)로 구현할 수 있다.
하지만, 종래의 2파장 반도체 레이저 제조방법에서는, 포토리소그래피공정과 에칭공정이 다수회 반복될 뿐만 아니라, 도1d에 도시된 레이저소자 격리를 위한 에칭공정은 복잡한 에칭공정조건이 요구되므로, 전체 공정이 복잡해지며 이로 인해 수율이 저하되는 문제가 있다.
특히, 제1 반도체 레이저의 AlGaAs계 에피택셜층과 GaAs기판의 높은 선택성이 보장되지 않으므로, 도1b의 에칭과정에서 후속 성장되는 제2 반도체 레이저의 성장면인 기판 표면이 손상되기 쉬우며, 심한 경우에는 기판의 일부가 소정의 깊이를 에칭될 수 있다는 문제가 있다. 따라서, 양질의 에피택셜층을 얻기 어려울 뿐만 아니라, 도1f에 도시된 바와 같이 2개의 레이저의 활성영역 위치가 일정한 갭을 갖는 정렬불량이 야기될 수 있다.
본 발명은 상술된 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 그 목적은 유전체 마스크를 이용하여 우수한 국부적 선택성을 갖는 에피택셜층을 성장시키며, 상기 유전체 마스크에 형성되는 다결정층을 에피택셜층에 손상없이 제거함으로써, 결정성을 우수하고 레이저 정렬이 용이한 다파장 반도체 레이저 소자의 제조방법을 제공하는데 있다.
상기한 기술적 과제를 달성하기 위해서, 본 발명은,
적어도 제1 영역과 제2 영역으로 분리된 상면을 갖는 기판을 마련하는 단계와, 상기 제1 영역만이 개방되도록 상기 기판 상에 제1 유전체 마스크를 형성하는 단계와, 상기 기판의 제1 영역 상에 제1 반도체 레이저를 위한 에피택셜층을 성장시키는 단계와, 상기 제1 반도체 레이저의 에피택셜층 성장단계에서 형성된 제1 유전체 마스크 상의 다결정층이 함께 제거되도록 상기 제1 유전체 마스크를 리프트오프시키는 단계와, 상기 기판의 제2 영역만이 개방되도록 상기 기판 상에 제2 유전체 마스크를 형성하는 단계와, 상기 기판의 제2 영역 상에 제2 반도체 레이저를 위한 에피택셜층을 성장시키는 단계와, 상기 제2 반도체 레이저의 에피택셜층 성장단계에서 형성된 제2 유전체 마스크 상의 다결정층이 함께 제거되도록 상기 제2 유전체 마스크를 리프트오프시키는 단계를 포함하는 다파장 반도체 레이저 제조방법을 제공한다.
바람직하게, 상기 제1 및 제2 유전체 마스크를 리프트오프시키는 단계는, 상기 유전체 마스크에 BOE에천트와 함께 초음파에 의한 진동을 적용하는 방식으로 실행될 수 있다. 여기서, 상기 BOE에천트는 HF계 에천트일 수 있다.
상기 제1 유전체 마스크를 형성하는 단계는, 상기 기판의 상면에 유전체막을 형성하는 단계와, 상기 제1 영역 상의 유전체막 부분이 제거되도록 선택적인 에칭 을 실시하는 단계로 구현될 수 있으며, 이와 유사하게, 상기 제2 유전체 마스크를 형성하는 단계는 상기 기판 상면에 유전체막을 형성하는 단계와, 상기 제2 영역 상의 유전체막 부분이 제거되도록 선택적인 에칭을 실시하는 단계로 구현될 수 있다. 이 때에 기판 전체에 형성되는 각 유전체막의 두께는 각각 0.1∼0.3㎛인 것이 바람직하다.
바람직하게는, 상기 제1 및 제2 반도체 레이저를 위한 에피택셜층을 형성하는 단계는, MOCVD법에 의해 실행되며, 상기 제1 및 제2 유전체 마스크는 SiO2 또는 SiNx일 수 있다.
상기 제1 및 제2 반도체 레이저를 위한 에피택셜층을 형성하는 단계는, 각각제1 도전형 클래드층, 활성층, 제2 도전형 클래드층 및 제2 도전형 캡층을 순차적으로 형성하는 단계일 수 있으며, 상기 제1 반도체 레이저를 위한 에피택셜층은 AlGaAs계 반도체물질이며, 상기 제2 반도체 레이저를 위한 에피택셜층은 AlGaInP계 반도체물질일 수 있다.
본 발명은 서로 다른 파장을 갖는 3개이상의 반도체 레이저를 포함한 다파장 반도체 레이저 제조방법으로도 구현될 수 있다. 이러한 실시형태에서는, 상기 기판의 상면은 상기 제1 및 제2 영역과 분리된 추가적인 제3 영역을 가지며, 상기 제2 반도체 레이저를 위한 에피택셜층을 성장시킨 후에, 상기 기판의 제3 영역만이 개 방되도록 상기 기판 상에 제3 유전체 마스크를 형성하는 단계와, 상기 기판의 제3 영역 상에 제3 반도체 레이저를 위한 에피택셜층을 성장시키는 단계와, 상기 제2 반도체 레이저의 에피택셜층 성장단계에서 형성된 제2 유전체 마스크 상의 다결정층이 함께 제거되도록 상기 제2 유전체 마스크를 리프트오프시키는 단계가 추가적으로 실시된다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.
도2a 내지 도2f는 본 발명의 일 실시형태에 따른 2파장 반도체 레이저 제조방법을 설명하기 위한 공정단면도이다. 단일 기판(21) 상에 780㎚파장의 제1 반도체 레이저와 650㎚파장의 제2 반도체 레이저가 구현된 2파장 반도체 레이저 소자의 제조방법을 설명하기 위한 도면이다.
우선, 도2a와 같이, n형 GaAs기판(41) 상에 제1 영역(41a)이 노출된 제1 유전체 마스크(42)를 형성한다. 상기 제1 유전체 마스크(42)는 상기 기판(41)의 상면 전체에 유전체막을 증착한 후에 적절한 포토리소그래피공정과 에칭공정을 이용하여 제1 영역(41a)을 노출시킴으로써 형성될 수 있다. 이 때에 증착되는 유전체막의 두께는 0.1∼0.3㎛일 수 있으며, 상기 제1 유전체 마스크(42)는 바람직하게는 SiO2 또는 SiNx일 수 있다. 후속 에피택셜층 성장공정시에 상기 제1 유전체 마스크(42)상에 는 결정성장이 억제되고, 노출된 제1 영역(41a)에서만 원하는 결정성장을 얻을 수 있다.
이어, 도2b와 같이, n형 GaAs기판(41)의 제1 영역(41a)에 제1 반도체 레이저를 위한 에피택셜층, 즉 n형 AlGaAs 클래드층(43a), AlGaAs계 활성층(44a), p형 AlGaAs 클래드층(45a) 및 p형 캡층(46a)을 순차적으로 성장시킨다. 이러한 성장공정은 바람직하게 MOCVD공정으로 구현될 수 있다. 이 경우에 상기 제1 유전체 마스크(42) 상에는 결정성장은 억제되나, 원하지 않는 다결정질(P1)이 형성될 수 있다.
다결정질(P1)의 형성을 방지하기 위해서, 적절한 에칭가스를 주입하여 다결정질을 제거하면서 성장공정을 실행할 수 있다. 이 경우에 에칭가스로 사용되는 CBr4계 에천트 중 C성분은 제1 반도체 레이저의 에피택셜 성장중에 n형 도펀트로 작용하여 반도체 레이저의 특성 불량을 야기할 수 있으며, 에피택셜층의 모폴로지를 저하시키는 문제가 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해서, 본 발명에서는 유전체 마스크를 리프트오프시키는 공정을 이용하여 이미 형성된 다결정질을 제거하는 방식을 이용한다. 즉, 상기 제1 반도체 레이저의 에피택셜층 성장단계에서 형성된 제1 유전체 마스크(42) 상의 다결정층(P1)이 함께 제거되도록 상기 제1 유전체 마스크(42)를 리프트오프시킨다. 바람직하게 이러한 리프트오프공정은 상기 제1 유전체 마스크(42)에 BOE에천트를 적용하면서 초음파를 이용하여 진동을 유발함으로써 보다 효과적으로 실시될 수 있다.
이어, 도2c와 같이, 상기 제2 영역(41b)만이 개방되도록 상기 기판(41) 상에 제2 유전체 마스크(47)를 형성한다. 상기 제2 유전체 마스크(47)는 상기 제1 유전체 마스크(42) 형성공정과 유사하게, 추가적으로 유전체막을 증착한 후에 적절한 포토리소그래피공정과 에칭공정을 이용하여 제2 영역(41b)을 노출시킴으로써 형성될 수 있으며, 상기 제1 유전체 마스크(42)와 동일하게 SiO2 또는 SiNx일 수 있다. 이 때에 증착되는 유전체막의 두께는 0.1∼0.3㎛일 수 있다.
이어, 도2d와 같이, 상기 GaAs기판(41)의 제2 영역(41b) 상에 제2 반도체 레이저를 위한 에피택셜층, 즉 n형 AlGaInP 클래드층(43b), AlGaInP계 활성층(44b), p형 AlGaInP 클래드층(45b) 및 p형 캡층(46b)을 순차적으로 성장시킨다. 본 에피택셜층성장이 실행되는 기판의 제2 영역(41b)은 상기 유전체물질(예, 제1 유전체마스크(41a))이 제거된 면이므로, 종래의 반도체결정의 건식에칭공정에서와 같은 손상이 발생되지 않으며, 나아가 상기 제1 영역(41a)과 동일한 높이를 갖도록 유지할 수 있다. 따라서, 상기 제2 반도체 레이저를 위한 에피택셜층의 높은 결정성이 보장될 뿐만 아니라, 2개의 레이저간의 정렬불량을 방지할 수 있다. 에피택셜층의 성장 후에, 상기 제2 유전체 마스크(47)를 리프트오프시켜 상기 제2 유전체 마스크(47) 상의 다결정층(P2)을 함께 제거한다. 앞서 설명한 바와 같이 바람직하게 이러한 리프트오프공정은 상기 제2 유전체 마스크(47)에 BOE에천트를 적용하면서 초음파를 이용하여 진동을 유발함으로써 용이하게 구현될 수 있다. 본 발명에서 사용되 는 BOE 에천트로는 HF계 에천트가 사용될 수 있다.
다음으로, 도2e와 같이, 상기 p형 AlGaAs 클래드층(45a)과 상기 p형 AlGaInP 클래드층(45b)을 상기 p형 캡층(46a,46b)와 함께 통상의 방법으로 선택적으로 에칭하여 전류주입효율향상을 위한 리지구조를 형성한다. 이러한 리지구조형성공정은 각 p형 클래드층(45a,45b)의 내부에 에칭정지층(미도시)을 삽입하여 용이하게 실시될 수 있다.
최종적으로, 도2f와 같이 리지가 형성된 p형 클래드층(45a,45b) 상면에 유전체물질로 전류제한층(48a,48b)을 형성하고, 포토리스그래피공정과 에칭공정을 적용하여 각 p형 캡층(46a,46b)을 노출시킨 후에, 노출된 p형 캡층(46a,46b)과 GaAs기판(41) 하면에 각각 p측 전극(49a,49b)과 n측 전극(49c)을 형성한다. 일반적으로 상기 p측 전극(49a,49b)은 Ti, Pt, Au 또는 그 합금일 수 있으며, n측 전극(49c)은 Au/Ge, Au, Ni 또는 그 합금일 수 있다.
본 발명은 SAG MOCVD공정과 같이 유전체 마스크를 이용하여 선택적 에피택셜층 성장을 수행함으로써, 동일한 레벨을 유지하는 평면 상에서 서로 다른 파장을 갖는 2개의 반도체 레이저를 구현할 수 있다. 또한, 다결정질 형성을 억제하기 위해서, CBr4계 가스와 같은 불이익한 에천트를 사용하거나 공정조건을 엄격하게 제한 하지 않고, 리프트오프공정을 통해 유전체 마스크를 제거함으로써 원하지 않는 다결정질층을 용이하게 제거할 수 있다.
본 명세서에서, 본 발명을 2파장 반도체 레이저 소자의 제조방법으로만 도시되어 설명되었으나, 상기 기판의 상면을 2개의 분리된 영역이 아닌 3개의 영역으로 분리하고, 추가된 제3 영역에 대해 제2 유전체 마스크 형성 및 제2 반도체 레이저의 에피택셜층 성정과정을 유사하게 반복 실시함으로써 3파장 반도체 레이저 소자를 제조할 수 있다. 예를 들어, 상기 기판의 제3 영역만이 개방되도록 상기 기판 상에 제3 유전체 마스크를 형성한 후에, 상기 기판의 제3 영역 상에 제3 반도체 레이저를 위한 에피택셜층을 성장시키고, 상기 제3 유전체 마스크를 리프트오프공정으로 제거함으로써 3파장 반도체 레이저소자도 제조할 수 있다.
이와 같이, 본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니며, 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 한다. 따라서, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능할 것이며, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다고 할 것이다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 SAG MOCVD공정과 같이 유전체 마스크를 이용한 선택적 에피택셜층 성장공정을 적용함으로써, 동일한 레벨의 기판 상에 2개의 반도체 레이저를 보다 용이하게 제조할 뿐만 아니라, 결정성장면으로 제공될 표면에 대한 손상을 방지할 수 있다. 또한, 유전체 마스크 상에 다결정질층을 에피택셜층 성장 후에 유전체 마스크를 리프트오프시켜 제거함으로써 공정을 단순하는 동시에 CBr4계 에칭가스에 의한 불이익한 영향을 방지할 수 있다.

Claims (10)

  1. 적어도 제1 영역과 제2 영역으로 분리된 상면을 갖는 기판을 마련하는 단계;
    상기 제1 영역만이 개방되도록 상기 기판 상에 제1 유전체 마스크를 형성하는 단계;
    상기 기판의 제1 영역 상에 제1 반도체 레이저를 위한 에피택셜층을 성장시키는 단계;
    상기 제1 반도체 레이저의 에피택셜층 성장단계에서 형성된 제1 유전체 마스크 상의 다결정층이 함께 제거되도록 상기 제1 유전체 마스크를 리프트오프시키는 단계;
    상기 기판의 제2 영역만이 개방되도록 상기 기판 상에 제2 유전체 마스크를 형성하는 단계;
    상기 기판의 제2 영역 상에 제2 반도체 레이저를 위한 에피택셜층을 성장시키는 단계; 및,
    상기 제2 반도체 레이저의 에피택셜층 성장단계에서 형성된 제2 유전체 마스크 상의 다결정층이 함께 제거되도록 상기 제2 유전체 마스크를 리프트오프시키는 단계를 포함하는 다파장 반도체 레이저 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 유전체 마스크를 형성하는 단계는, 각각 상기 기판의 상면 에 유전체막을 형성하는 단계와, 상기 제1 영역 또는 제2 영역 상의 유전체막 부분이 제거되도록 선택적인 에칭을 실시하는 단계인 것을 특징으로 하는 다파장 반도체 레이저 제조방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 유전체막의 두께는 각각 0.1∼0.3㎛인 것을 특징으로 하는 다파장 반도체 레이저 제조방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 유전체 마스크를 리프트오프시키는 단계는,
    상기 유전체 마스크에 BOE에천트와 함께 초음파에 의한 진동을 적용하여 상기 제1 및 제2 유전체마스크를 리프트오프시키는 단계인 것을 특징으로 하는 다파장 반도체 레이저 제조방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 BOE에천트는 HF계 에천트인 것을 특징으로 하는 다파장 반도체 레이저 제조방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 반도체 레이저를 위한 에피택셜층을 형성하는 단계는, MOCVD법에 의해 실행되는 것을 특징으로 하는 다파장 반도체 레이저 제조방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 유전체 마스크는 SiO2 또는 SiNx인 것을 특징으로 하는 다파장 반도체 레이저 제조방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 반도체 레이저를 위한 에피택셜층을 형성하는 단계는, 각각제1 도전형 클래드층, 활성층, 제2 도전형 클래드층 및 제2 도전형 캡층을 순차적으로 형성하는 단계인 것을 특징으로 하는 다파장 반도체 레이저 제조방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제1 반도체 레이저를 위한 에피택셜층은 AlGaAs계 반도체물질이며, 상기 제2 반도체 레이저를 위한 에피택셜층은 AlGaInP계 반도체물질인 것을 특징으로 하는 다파장 반도체 레이저 제조방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 기판의 상면은 상기 제1 및 제2 영역과 분리된 추가적인 제3 영역을 가지며,
    상기 제2 반도체 레이저를 위한 에피택셜층을 성장시킨 후에, 상기 기판의 제3 영역만이 개방되도록 상기 기판 상에 제3 유전체 마스크를 형성하는 단계와, 상기 기판의 제3 영역 상에 제3 반도체 레이저를 위한 에피택셜층을 성장시키는 단계와, 상기 제3 반도체 레이저의 에피택셜층 성장단계에서 형성된 제3 유전체 마스크 상의 다결정층이 함께 제거되도록 상기 제3 유전체 마스크를 리프트오프시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다파장 반도체 레이저 제조방법.
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