KR100579407B1

KR100579407B1 - Laser diode and method of manufacturing the same

Info

Publication number: KR100579407B1
Application number: KR1020040016630A
Authority: KR
Inventors: 여덕호; 최현진
Original assignee: 엘지전자 주식회사
Priority date: 2004-03-11
Filing date: 2004-03-11
Publication date: 2006-05-12
Also published as: KR20050091280A

Abstract

본 발명은 레이저 다이오드 및 그의 제조 방법에 관한 것으로, 레이저 다이오드의 리지(Ridge)의 상부를 마스킹하고, 이온 임플랜테이션(Ion implantation) 공정을 수행하여 리지의 하부의 다중 양자 우물층 영역을 제외한, 나머지 다중 양자 우물층 영역에 이온을 주입하여, 고차 모드의 광을 흡수하게 함으로써, 고차 모드 발진을 지연시켜 단일 모드의 발진 영역을 확장시킬 수 있는 효과가 발생한다. BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a laser diode and a method of fabricating the same, and masks an upper portion of a ridge of a laser diode, and performs an ion implantation process to remove the remaining quantum well layer region below the ridge. By implanting ions into the multiple quantum well layer region to absorb light in the higher order mode, the effect of delaying the higher order mode oscillation and extending the single mode oscillation region occurs.

레이저, 다이오드, 이온 임플랜테이션, 단일, 고차, 지연, 흡수Laser, Diode, Ion Implantation, Single, Higher Order, Delay, Absorption

Description

Laser diode and its manufacturing method {Laser diode and method of manufacturing the same}

도 1은 일반적인 레이저 다이오드의 단면도1 is a cross-sectional view of a typical laser diode

도 2는 본 발명에 따른 리지(Ridge)를 마스크하고, 이온 임플랜테이션(Ion implantation)시켜 마스크되지 않은 활성층에 이온주입하는 공정을 설명하기 위한 단면도FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating a process of masking a ridge according to the present invention, implanting ions into an unmasked active layer by ion implantation.

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도 6a와 6b는 본 발명에 따른 레이저 다이오드의 단일 모드와 고차 모드의 광 분포도를 개략적으로 도시한 도면6a and 6b schematically show the light distribution of the single mode and higher order mode of a laser diode according to the present invention;

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of Symbols for Main Parts of Drawings>

20 : N 질화물 반도체 기판 30 : 에피층20: N nitride semiconductor substrate 30: epi layer

31 : 다중 양자 우물층 32 : 리지(Ridge) 31: Multiple quantum well layer 32: Ridge

40 : 전류방지층 50 : 마스크40: current blocking layer 50: mask

본 발명은 레이저 다이오드 및 그의 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 리지(Ridge)의 상부를 마스킹하고, 이온 임플랜테이션 공정을 수행하여 리지의 하부의 다중 양자 우물층 영역을 제외한, 나머지 다중 양자 우물층 영역에 이온을 주입하여, 고차 모드의 광을 흡수하게 함으로써, 고차 모드 발진을 지연시켜 단일 모드의 발진 영역을 확장시킬 수 있는 레이저 다이오드 및 그의 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a laser diode and a method of manufacturing the same, and more particularly to masking the upper portion of the ridge (Ridge), and performing an ion implantation process to remove the remaining multiple quantum well layer region of the lower portion of the ridge The present invention relates to a laser diode and a method for manufacturing the same, in which ions are implanted into the layer region to absorb light in a higher order mode, thereby delaying the higher order mode oscillation to expand the single mode oscillation region.

최근, 고집적 CDRW(Compact Disk-Rewritable), DVDRW(Digital Video Disk-Re writable), BDRW(Blu-ray Disk-Rewritable)의 발전에 따라 이에 사용되는 광원인 고출력, 고효율의 레이저 다이오드(Laser diode)의 개발이 중요성을 더해 가고 있다. Recently, high power and high efficiency laser diodes, which are light sources used for high density compact disk-rewritable (CDRW), digital video disk-rewritable (DVDRW), and blur-ray disk-rewritable (BDRW), have been developed. Development is gaining in importance.

그리고, 이에 사용되는 레이저 다이오드는 고출력, 고신뢰성, 정밀성, 열특성과 편광특성 등의 높은 수준의 전기, 기계, 광학적 특성이 요구된다. In addition, the laser diode used for this requires high levels of electrical, mechanical, and optical characteristics such as high power, high reliability, precision, thermal characteristics, and polarization characteristics.

이러한 전기 광학적 특성 중에서 높은 출력까지 단일 모드 특성이 유지되는 것은 레이저 다이오드의 응용에 있어서 매우 중요한 요소이다. Of these electro-optic characteristics, maintaining the single mode characteristics up to high power is a very important factor in the application of laser diodes.

일반적으로 통신용 레이저 다이오드는 통신의 에러를 줄이고, 광섬유와의 결합계수를 높이는 특성 제어가 중요하며, 기록용 레이저 다이오드의 경우 출력 모드 가 단일 모드일 때에만 가능하기 때문에 레이저 다이오드의 출력 특성 제어가 중요하다. In general, it is important to control the characteristics of communication laser diodes to reduce errors in communication and to increase the coupling coefficient with the optical fiber.In the case of recording laser diodes, control of the output characteristics of laser diodes is important because the output mode is only available in single mode. Do.

도 1은 일반적인 레이저 다이오드의 단면도로써, n 질화물 반도체 기판(10)의 상부에 n 클래드층(11), n 웨이브 가이드층(12), 활성층(13), 식각방지층(CBL, Current Blocking Layer)(14)과 p 웨이브 가이드층(15)이 순차적으로 형성되어 있다.1 is a cross-sectional view of a general laser diode, and includes an n clad layer 11, an n wave guide layer 12, an active layer 13, and an etch stop layer (CBL) on an n nitride semiconductor substrate 10 ( 14) and the p wave guide layer 15 are sequentially formed.

그리고, 상기 p 웨이브 가이드층(15)의 상부에 리지(Ridge)구조가 형성되고, 리지 구조는 상기 p 웨이브 가이드층(15)의 상부에 식각되어 형성된 p 클래드층(16)과 그 p 클래드층(16) 상부에 형성된 p 캡층(17)으로 이루어져 있다.A ridge structure is formed on the p wave guide layer 15, and the ridge structure is formed by etching the p clad layer 16 and the p clad layer formed on the p wave guide layer 15. (16) It consists of the p cap layer 17 formed in the upper part.

상기 식각되어 노출된 p 클래드층(16)의 상부(즉, 리지 구조의 양측)에는 유전막(18)이 형성되어 있다.The dielectric layer 18 is formed on the etched and exposed p-clad layer 16 (ie, both sides of the ridge structure).

더불어, 상기 투명전극(19)을 감싸고 상기 유전막(18)의 상부에는 p 전극(20)이 형성되고, 상기 n 질화물 반도체 기판(10)의 하부에는 n 전극(21)이 형성되어 있다.In addition, a p electrode 20 is formed on the transparent electrode 19, and an upper portion of the dielectric layer 18 is formed, and an n electrode 21 is formed below the n nitride semiconductor substrate 10.

이렇게 구성된 질화물 반도체 레이저 다이오드에서는 n 전극과 p 전극 사이에 전압이 인가되면, 활성층에서 광을 발생되고, 활성층에서 발생된 광은 반도체 레이저 다이오드의 측면으로 통하여 외부로 방출된다.In the nitride semiconductor laser diode configured as described above, when a voltage is applied between the n electrode and the p electrode, light is generated in the active layer, and light generated in the active layer is emitted to the outside through the side of the semiconductor laser diode.

이러한, 레이저 다이오드는 단일 모드가 아닌 다중 모드로 발진하는 시점을 킨크(Kink)라고 하며, 레이저 다이오드의 설계 및 제작 단계에서 이러한 킨크를 높이기 위해 광도파로의 설계가 매우 중요하며, 굴절률이 서로 다른 물질의 성장에 의해서 단일 모드의 특성 및 킨크 특성을 제어하게 된다.In this case, the laser diode is referred to as a kink at the time of oscillation in a multi-mode rather than a single mode, and the design of an optical waveguide is very important to increase such kink in the design and fabrication stage of the laser diode, and materials having different refractive indices. Growth of the single mode and kink characteristics are controlled.

하지만, 이러한 방법에도 상당한 한계가 있으므로, 고출력의 단일 모드를 필요로 하는 레이저 다이오드에 있어서는 매우 정교한 제작이 필요하다. However, these methods also have significant limitations, requiring very sophisticated fabrication for laser diodes that require high power single mode.

레이저 다이오드의 제작에 있어서 도파 영역의 폭에 작은 변화가 있어도 그 모드 특성에는 큰 변화를 겪게 되므로, 이에 대한 개선이 필요하다. In the fabrication of a laser diode, even if there is a small change in the width of the waveguide region, a large change occurs in the mode characteristic, and thus an improvement is required.

상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 리지(Ridge)의 상부를 마스킹하고, 이온 임플랜테이션 공정을 수행하여 리지의 하부의 다중 양자 우물층 영역을 제외한, 나머지 다중 양자 우물층 영역에 이온을 주입하여, 고차 모드의 광을 흡수하게 함으로써, 고차 모드 발진을 지연시켜 단일 모드의 발진 영역을 확장시킬 수 있는 레이저 다이오드 및 그의 제조 방법을 제공하는 데 목적이 있다.In order to solve the problems as described above, the present invention masks the upper portion of the ridge (Ridge), and performs an ion implantation process to ion ions in the remaining multiple quantum well layer region, except for the multiple quantum well layer region of the lower portion of the ridge It is an object of the present invention to provide a laser diode and a method for manufacturing the same, which are capable of delaying higher-order mode oscillation and expanding a single-mode oscillation region by injecting light so as to absorb light of a higher-order mode.

상기한 본 발명의 목적들을 달성하기 위한 바람직한 양태(樣態)는, N 질화물 반도체 기판 상부에 다중 양자 우물층이 포함된 에피층이 형성되어 있고, 이 에피층 상부에 돌출되어 리지(Ridge)가 형성되어 있고, 리지가 존재하지 않는 에피층 상부에 전류방지층이 형성되어 있고, 전류방지층과 리지 상부에 P전극이 형성되어 있고, N 질화물 반도체 기판 하부에 N전극이 형성되어 있는 레이저 다이오드의 제조 방법에 있어서,According to a preferred aspect of the present invention, an epitaxial layer including multiple quantum well layers is formed on an N nitride semiconductor substrate, and a ridge is formed on the epitaxial layer. And a current blocking layer is formed on the epitaxial layer that does not have ridges, a P electrode is formed on the current blocking layer and the ridge, and an N electrode is formed below the N nitride semiconductor substrate. To

상기 리지 상부를 마스킹하고, 이온 임플랜테이션(Ion implantation) 공정을 수행하여 상기 리지 하부의 다중 양자 우물층 영역을 제외한, 나머지 다중 양자 우물층 영역으로 이온을 주입하는 것을 특징으로 하는 레이저 다이오드의 제조 방법 이 제공된다.A method of manufacturing a laser diode comprising masking the upper part of the ridge and implanting ions into the remaining multi-quantum well layer region except for the multi-quantum well layer region below the ridge by performing an ion implantation process. This is provided.

상기한 본 발명의 목적들을 달성하기 위한 바람직한 다른 양태(樣態)는, N 질화물 반도체 기판 상부에 다중 양자 우물층이 포함된 에피층이 형성되어 있고, 이 에피층 상부에 돌출되어 리지(Ridge)가 형성되어 있고, 리지가 존재하지 않는 에피층 상부에 전류방지층이 형성되어 있고, 전류방지층과 리지 상부에 P전극이 형성되어 있고, N 질화물 반도체 기판 하부에 N전극이 형성되어 있는 레이저 다이오드에 있어서,According to another preferred aspect of the present invention, an epitaxial layer including multiple quantum well layers is formed on an N nitride semiconductor substrate, and a ridge is formed to protrude above the epitaxial layer. Is formed, a current blocking layer is formed on an epitaxial layer without ridges, a P electrode is formed on a current blocking layer and a ridge, and an N electrode is formed below an N nitride semiconductor substrate. ,

상기 리지 하부의 다중 양자 우물층 영역을 제외한, 나머지 다중 양자 우물층 영역에는 실리콘(Si), 프로톤(Proton), 보론(Boron)과 포스퍼러스(Phosphorous) 중 선택된 어느 하나의 이온들이 주입되어, 딥(Deep) 레벨과 트랩 레벨들이 상기 리지 하부의 다중 양자 우물층 영역들보다 많은 것을 특징으로 하는 레이저 다이오드가 제공된다.Except for the multiple quantum well layer region below the ridge, the remaining multiple quantum well layer regions are implanted with ions of any one selected from silicon (Si), proton, boron, and phosphorus, A laser diode is provided, characterized in that the deep and trap levels are greater than the multiple quantum well layer regions below the ridge.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.

도 2는 본 발명에 따른 리지(Ridge)를 마스크하고, 이온 임플랜테이션(Ion implantation)시켜 마스크되지 않은 활성층에 이온주입하는 공정을 설명하기 위한 단면도로서, 개략적으로, 레이저 다이오드는 N 질화물 반도체 기판(20) 상부에 다중 양자 우물층(MQW)(31)이 포함된 에피층(30)이 형성되어 있고, 이 에피층(30) 상부에 돌출되어 리지(Ridge)(32)가 형성되어 있고, 리지(32)가 존재하지 않는 에피 층(30) 상부에 전류방지층(40)이 형성되어 있고, 전류방지층(40)과 리지(32) 상부에 P전극이 형성되어 있고, N 질화물 반도체 기판(20) 하부에 N전극이 형성되어 있는 구조로 이루어진다.FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating a process of masking a ridge according to the present invention, implanting ions into an unmasked active layer by ion implantation, and schematically, a laser diode comprising an N nitride semiconductor substrate ( 20) An epitaxial layer 30 including a multi-quantum well layer (MQW) 31 is formed on the upper portion, and a ridge 32 is formed by protruding above the epitaxial layer 30. The current blocking layer 40 is formed on the epitaxial layer 30 where the 32 is not present, the P electrode is formed on the current blocking layer 40 and the ridge 32, and the N nitride semiconductor substrate 20 is formed. It has a structure in which an N electrode is formed at the bottom.

본 발명에서는 보다 큰 전류값에서 고차모드의 발진이 이루어지도록 하여, 단일 모드의 발진 영역이 확장되도록, 리지(Ridge)(32)의 상부를 마스킹하고, 이온 임플랜테이션 공정을 수행하여 상기 다중 양자 우물층(30)으로 이온을 주입하는 것을 특징으로 한다.In the present invention, the oscillation of the higher order mode is performed at a larger current value, so that the upper portion of the ridge 32 is masked to expand the single mode oscillation region, and an ion implantation process is performed to perform the multiple quantum well. It is characterized by implanting ions into the layer 30.

이 때, 본 발명은 이온 임플랜테이션 공정을 수행한 후, RTP공정을 수행하지 않아, 다중 양자 우물층의 흡수 특성만을 변화시키는 것이다.In this case, the present invention does not perform the RTP process after performing the ion implantation process, thereby changing only the absorption characteristics of the multi-quantum well layer.

여기서, 이온 임플랜테이션에 사용되는 이온은 실리콘(Si), 프로톤(Proton), 보론(Boron)과 포스퍼러스(Phosphorous) 중 선택된 어느 하나인 것이 바람직하다.Herein, the ions used in the ion implantation may be any one selected from silicon (Si), proton, boron, and phosphorus.

그리고, 리지(32)의 상부에 유전체(Dielectric)막 또는 포토 레지스터(Photo-resistor)막을 형성하고, 이를 패터닝하여 마스크(50)를 형성함으로써, 리지를 마스킹할 수 있는 것이다.The ridge 32 may be masked by forming a dielectric film or a photo-resistor film on the ridge 32 and patterning the mask 50.

이렇게, 상기 리지 영역에 대응되는 다중 양자 우물층 영역을 제외한, 나머지 다중 양자 우물층 영역에 이온이 주입되면, 이온이 주입된 다중 양자 우물층에는 딥 레벨(Deep level) 또는 트랩(Trap) 레벨이 형성되어, 다중 양자 우물층에서 생성된 광을 흡수하게 된다.As such, when ions are implanted in the remaining multi quantum well layer region except for the multi quantum well layer region corresponding to the ridge region, a deep level or a trap level is applied to the multi quantum well layer in which the ions are implanted. And absorb light generated in the multiple quantum well layer.

즉, 제조된 레이저 다이오드의 다중 양자 우물은 이온 주입된 영역(Ion implanted region)과 이온 주입되지 않은 영역(Non-implanted region)으로 나뉘게 된다. That is, the multi-quantum well of the manufactured laser diode is divided into an ion implanted region and a non-implanted region.

이 두 영역간에는 다중 양자 우물의 대부분 모든 특성은 변화하지 않고, 주입된 이온에 의한 흡수(Absorption) 특성의 변화가 크게 나타나게 된다. Most of the properties of the multiple quantum wells do not change between these two regions, and the change of absorption characteristics by the implanted ions is large.

그러므로, 이온 주입되지 않은 영역은 이온 주입된 영역보다 광 흡수가 훨씬더 잘된다.Therefore, non-ion implanted regions have much better light absorption than ion implanted regions.

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도 6a와 6b는 본 발명에 따른 레이저 다이오드의 단일 모드와 고차 모드의 광 분포도를 개략적으로 도시한 도면으로서, 먼저, 도 6a에 도시된 바와 같이, 단일 모드의 광 분포는 마스킹 영역, 즉, 이온 임플랜테이션이 되지 않은 영역으로 국한되어 단일 모드는 정상적인 발진을 하게 된다.6A and 6B schematically illustrate light distribution diagrams of a single mode and a higher order mode of a laser diode according to the present invention. First, as shown in FIG. 6A, the light distribution of a single mode is a masking region, that is, an ion. It is confined to an area that is not implanted, so that a single mode can oscillate normally.

그러나, 도 6b와 같이, 고차 모드는 이온 임플랜테이션된 영역까지 분포하게 된다.However, as shown in FIG. 6B, the higher order mode is distributed up to the ion implanted region.

이 때, 이온 임플랜테이션된 영역에서는 생성된 광이 전술된 바와 같이, 흡수하게 되어 고차 모드는 미약하게 발진을 하게 되는데, 발진 전류를 크게하여야만 고차 모드는 발진을 하게 된다.At this time, in the ion-implanted region, the generated light is absorbed as described above, so that the higher-order mode oscillates weakly. Only when the oscillation current is increased, the higher-order mode oscillates.

따라서, 종래 기술에 비하여, 본 발명은 고차 모드를 지연시킬 수 있게 되고, 단일 모드가 발진을 확장시킬 수 있게 되는 것이다. Thus, in comparison with the prior art, the present invention can delay the higher order mode, and the single mode can extend the oscillation.

이상 상술한 바와 같이, 본 발명은 리지(Ridge)의 상부를 마스킹하고, 이온 임플랜테이션 공정을 수행하여 리지의 하부의 다중 양자 우물층 영역을 제외한, 나머지 다중 양자 우물층 영역에 이온을 주입하여, 고차 모드의 광을 흡수하게 함으로써, 고차 모드 발진을 지연시켜 단일 모드의 발진 영역을 확장시킬 수 있는 효과가 있다.As described above, the present invention masks the upper portion of the ridge (Ridge), performs an ion implantation process to implant ions into the remaining multi-quantum well layer region, except the multi-quantum well layer region of the lower portion of the ridge, By absorbing the light of the higher order mode, there is an effect that the oscillation region of the single mode can be extended by delaying the higher order mode oscillation.

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.Although the invention has been described in detail only with respect to specific examples, it will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations are possible within the spirit of the invention, and such modifications and variations belong to the appended claims.

Claims

An epitaxial layer including multiple quantum well layers is formed on the N-nitride semiconductor substrate, protrudes on the epitaxial layer to form a ridge, and a current blocking layer is formed on the epitaxial layer on which the ridge does not exist. In the method of manufacturing a laser diode, the P electrode is formed on the current blocking layer and the ridge, and the N electrode is formed below the N nitride semiconductor substrate.

A method of manufacturing a laser diode comprising masking the upper part of the ridge and implanting ions into the remaining multi-quantum well layer region except for the multi-quantum well layer region below the ridge by performing an ion implantation process. .

The method of claim 1,

Ions implanted in the ion implantation process,

Method of manufacturing a laser diode, characterized in that any one selected from silicon (Si), Proton, Boron (Phos) and phosphorus (Phosphorous).

The method according to claim 1 or 2,

Masking the ridge top,

And forming a mask by forming a dielectric film or a photo resistor film on the ridge, and patterning the dielectric film or photoresist film.

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