KR100587320B1 - 반도체 레이저 다이오드의 제조방법 - Google Patents

반도체 레이저 다이오드의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 반도체 레이저 다이오드의 제조공정에서 레이저 다이오드 칩바의 양측 벽개면에 플루오르화(fluorination)에 의한 저온도 페시베이션 공정을 행함으로써, 페시베이션 이전공정에서 만들어진 소자의 고온처리에 의한 열화를 방지할 수 있고 안정하고 에너지밴드갭이 큰 페시베이션층이 형성되어서 소자의 신뢰도를 크게 향상시킬 수 있다.
반도체 레이저 다이오드, 페시베이션, 플루오르화

Description

반도체 레이저 다이오드의 제조방법{Fabricating Method of Semiconductor Laser Diode}
도 1은 종래의 반도체 레이저 다이오드의 칩바를 개략적으로 나타낸 도면,
도 2는 본 발명에 의한 상기 도 1의 칩바의 양측 벽개면에 페시베이션 공정을 수행하는 페시베이션영역을 나타낸 도면,
도 3은 본 발명의 제조방법에 의하여 양측 벽개면에 형성된 페시베이션층과 저반사율(AR)미러(또는 캡층)와 고반사율(HR)미러를 개략적으로 나타낸 도면이다.
* 주요 도면 부호의 설명 *
10 : n-메탈층 11 : 기판
12 : n-클래드층 13 : 활성층
14 : p-클래드층 15 : 전류방지층
16 : 캡층 17 : p-메탈층
18 : 페시베이션영역 19 : AR미러(또는 캡층)
18' : 페시베이션층 20 : HR미러
본 발명은 반도체 레이저 다이오드의 제조방법에 관한 것으로, 특히 벽개면에 플라즈마 플루오르화로 페시베이션층(passivation layer)을 형성하여 반도체 레이저 다이오드의 수명 특성을 향상하도록 한 반도체 레이저 다이오드의 제조방법에 관한 것이다.
최근 CD-RW, DVD-RW를 비롯한 광 저장장치의 고속화가 진행됨에 따라 광출력이 높은 레이저 반도체가 필요하게 되었다. 그러나, 출력이 높은 반도체 레이저 일수록 벽개면(mirror facet)쪽에서 열화(degradation)가 나타나며, 이는 벽개면의 표면 결함, 원치 않는 산화막등으로 인한 것이다. 이 중 COD(catastrphic optical damage)는 레이저 다이오드의 수명에 직접적인 영향을 미치게 된다. COD는 표면 결함 때문에 생긴 표면 상태들이 레이저 발진광을 흡수하게 되고, 이로 인해 표면에서의 에너지 갭이 줄어들게 되며, 이는 다시 표면에서의 광흡수를 촉진하게 되어서 표면의 광흡수→표면의 에너지 갭 감소의 과정을 반복함으로써 표면이 녹아버리는 영구적인 파괴를 말한다. 이와 같은 COD로 인하여 레이저 다이오드의 수명이 다하게 된다. 이러한 문제점을 해결하기 위한 다양한 방법들이 시도되어 왔다.
도 1은 종래의 일반적인 고출력 레이저 다이오드의 칩바(chip bar)를 개략적으로 나타낸 것으로, 상기 칩바는 이후 공정에서 분할되어질 복수개의 레이저 다이오드가 종방향으로 형성되어 있는 것으로서, 각각의 레이저 다이오드는 기판(11)의 일측상에 음극으로 사용되는 n-메탈층(11)이 형성되어 있고, 기판(11)의 타측상에는 n-클래드층(12), 활성층(13), p-클래드층(14)이 적층되어 있으며, 상기 p-클래드층(14)은 그 중앙부분이 외곽부분보다도 돌출된 리지구조로 형성되어 있으며, 상 기 p-클래드층(14)의 돌출된 리지구조의 상부에는 캡층(16)이, 그리고 상기 p-클래드층(14)의 리지구조 외곽부분에는 전류방지층(15)이 형성되어 있고, 상기 캡층(16)의 상부에는 p-메탈층(17)이 형성되어 있는 구조로 되어 있다. 그리고 상기 레이저 다이오드의 칩바는 벽개면쪽의 표면 결함을 줄이기 위해 페시베이션(passivation) 처리를 행한다. 페시베이션방법은 크게 (NH4)2S, Na2S/H2O용액을 이용한 웨트 페시베이션(wet passivation)과 H2, N2, NH 3 프라즈마를 이용한 드라이 페시베이션(dry passivation)의 두가지 방법으로 나누어지며, 이중 드라이 페시베이션이 웨트 페시베이션보다 공정이 단순하여 많이 선호되고 있다.
드라이 페시베이션 방법중, H2를 이용한 방법은 GaAs 표면의 산화막을 제거하는데 매우 효과적이나, 장시간 처리할 경우 표면 형태(surface morphology)를 나쁘게 하며, N2와 NH3를 이용한 페시베이션은 나이트라데이션(nitradation)이라 불리우며 표면에 수십 Å정도의 GaN를 만들게 된다. 이 질화막의 에너지밴드갭은 GaAs의 에너지 밴드갭보다 크기 때문에 표면에서의 광흡수를 효과적으로 차단할 수 있으며, 이러한 방법을 와이드 갭 페시베이션(wide gap passivation)이라 한다.
그러나 양질의 GaN막을 형성하기 위해 서는 고온처리가 필요하기 때문에 페시베이션 처리이전에 생성된 소자의 특성이 떨어지게될 뿐만 아니라 이로 인해 프로세스 적용상의 제한을 받게 된다는 문제점이 있다.
따라서 본 발명은 이와 같은 종래 기술의 문제점을 감안하여 안출한 것으로, 본 발명의 목적은 반도체 레이저 다이오드의 제조공정에서 소자특성을 열화시키지 않도록 저온으로 페시베이션을 수행할 수 있도록 한 반도체 레이저 다이오드의 제조방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 다른 목적은 반도체 레이저 다이오드 특성이 개선된 반도체 레이저 다이오드를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 반도체 레이저 다이오드의 COD(catastrphic optical damage)레벨을 높이기 위한 반도체 레이저 다이오드 및 반도체 레이저 다이오드의 제조방법을 제공하기 위한 것이다.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 반도체 레이저 다이오드의 제조방법은 기판상에 형성되는 n-클래드층, 활성층, p-클래드층 및 전류방지층을 구비한 복수의 반도체 레이저 다이오드로 형성되는 반도체 레이저 다이오드의 칩바를 제조하는 단계; 상기 반도체 레이저 다이오드 칩바의 양측 벽개면에 저온도로 페시베이션공정을 수행하는 단계; 그리고 상기 벽개면의 일측 광출사면에 저반사율미러를, 상기 벽개면의 타측에 고반사율미러를 형성하는 단계를 구비함을 특징으로 한다.
본 발명의 또 하나의 다른 양태에 따른 반도체 레이저 다이오드는 기판과, 기판의 일측상에 형성된 n-메탈층, 기판의 타측상에 순차 형성된 n-클래드층, 활성층, p-클래드층, 전류방지층, 캡층 및 p-메탈층을 구비하여 이루어지는 반도체 레 이저 다이오의 칩과, 상기 반도체 레이저 다이오드 칩의 양측 벽개면에 GaF3박막으로 형성되는 페시베이션층과, 상기 양측 페시베이션층상에 각각 형성되는 저반사율미러와 고반사율미러를 구비함을 특징을 한다.
본 발명에 따른 제조방법에서 상기 페시베이션 공정은 SF6, CF4 또는 F원자를 포함하는 가스를 사용한 프라즈마 강화 기상증착(PECVD)방법을 이용하여 200~350℃의 온도로 형성하는 것이 바람직하다.
상기 페시베이션 공정후, 저반사율미러 및 고반사율미러의 제조공정은 상기 페시베이션공정과 동일한 PECVD방법으로 수행하는 것이 바람직하다.
이상과 같은 본 발명에 의한 반도체 레이저 다이오드의 제조방법에 의하면, 200~350℃의 저온으로 페시베이션공정을 수행하기 때문에 고온에서의 공정으로 인한 페시베이션 이전공정에서 만들어진 소자의 특성이 열화되는 것이 방지되므로 양질의 반도체 레이저 다이오드를 제공할 수 있음과 동시에 프로세스적용이 크게 제한 받지 않으며, 또한 PECVD방법으로 페시베이션공정과 저반사율미러형성공정 및 고반사율미러형성공정을 수행하기 때문에 동일 PECVD쳄버내에서 연속적으로 페시베이션공정과 저반사율미러 및 고반사율미러의 형성공정을 수행할 수 있어 공정이 간단하여진다.
이하 본 발명의 실시예를 첨부도면에 근거하여 상세히 설명한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 먼저 종래의 제조방법과 마찬가지로, 기판(11)의 일측에 n-메탈층(10)이 형성되고, 기판(11)의 타측상에 n-클래드층(12), 활성층(13), 리지구조의 p-클래드층(14), 상기 리지구조의 측면에 전류방지층(15), p-클래드층(14)의 리지구조의 상부 및 전류방지층(15)의 상부에 캡층(16), 그리고 p-메탈층(17)이 순차로 적층되어 형성된 웨이퍼로부터 분할하여 소정의 갯수의 반도체 레이저 다이오드로 형성되는 칩바를 만든다.
그 다음 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 반도체 레이저 다이오드 칩바의 양쪽 벽개면, 즉 페시베이션영역에 F원자를 포함하는 가스, CF4 또는 SF6 가스를 사용하여 PECVD(plasma enhanced chemical vapor deposition)쳄버내에서 200~330℃의 온도범위에서 페시베이션공정을 행한다. 페시베이션 공정은 200~330℃의 온도 범위에서 수행되므로, 페시베이션 이전공정에서 만들어진 소자의 열화를 방지할 수 있고, 프로세스 적용이 크게 제한 받지 않을 뿐만 아니라, 페시베이션영역(18)에서는 CF4, SF6 또는 F원자를 포함하는 가스는 벽개면의 표면 결함을 만드는 As, AsOx와 반응하여 AsF3형태의 휘발성물질로 되어 제거되므로 벽개면에서 비발광성 결함(nonradiative defect)을 크게 줄일 수 있다. 또한 양질의 안정적이며, GaN보다 더 큰 에너지밴드갭을 갖는 GaF3박막층의 페시베이션층(18')을 형성할 수 있으므로 GaAs 표면에 와이드 갭(wide gap) 물질을 만들 수 있어 벽개면쪽에 페시베이션 공정후 페시베이션층(18')에 의한 밴드갭이 큰 윈도층을 만들어 줌으로써 COD를 방지할 수 있도록 벽개면 근처에서 광흡수를 줄이게 되고, 이로 인해 COD를 방지할 수 있다
상기 페시베이션 공정이 끝난 후 연속적으로 동일 PECVD쳄버내에서 상기 칩 바의 벽개면 일측에 SiON박막층을 형성한다. 이 SiON박막층은 SiH4/NH3/N2O 가스를 사용하여 증착하며, NH3/N2O의 비율을 조절하여 광학적 굴절률을 레이저 광의 파장에 따라 적절히 조절하며, 이때 굴절률은 1.46~2.0의 범위까지 가능하다. SiON박막층의 두께는 용도에 따라 결정되며, SiON자체를 저반사율미러(19)로 사용하기 위해서는 λ/4n(단 λ는 레이저 파장, n은 정수) 두께로 증착하고, 단지, 캡층(19)으로 사용할 경우(이때, 캡층위에 본 실시예와 다른 방법에 의해 저반사율미러가 형성될 수 있다)는 10nm이내의 두께로 증착된다. 또한 상기 벽개면의 다른 측에는 동일한 PECVD쳄버를 SiH4와 N2O 가스를 사용하여 SiO2박막층을, SiH4 와 NH3가스를 사용하여 SiN박막층을 번갈아 형성하여 복수쌍의 SiO2/SiN으로 고반사율미러(20)를 형성한다. 도 3은 반도체 레이저 다이오드 칩바의 양측 벽개면에 SiON의 저반사율미러(19)와 복수쌍의 SiO2/SiN의 고반사율미러(20)를 형성한다. 본 발명의 실시예서는 PECVD방법으로 저반사율미러와 고반사율미러를 형성하였지만, 스퍼터링방법으로 저반율미러는 SiO2, Al2O3를 사용하여 SiON박막층으로 형성하고 고반사율미러는 SiO2와 TiO2를 번갈아 사용하여 번갈아 형성되는 SiO2박막층과 SiN박막층의 쌍 즉, 복수쌍의 SiO2/SiN으로 형성할 수 도 있으나, PECVD방법으로 저반사율미러와 고반사율미러를 사용하는 것이 동일의 PECVD쳄버를 사용하여 페시베이션 공정을 행한 후 연이어 저반사율미러와 고반사율미러의 형성공정을 수행할 수 있어 공정상 매우 유리하다.
이와 같은 본 발명에 의한 반도체 레이저 다이오드의 제조방법에 의하면 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 반도체 레이저 다이오드 칩바의 벽개면의 GaAs표면을 200~330℃의 저온으로 SF6, CF4 또는 F원자를 포함하는 가스를 사용하여 플루오르화함으로써 페시베이션 공정을 수행하기 때문에 페시베이션 이전공정까지 만들어진 소자의 고온처리로 인한 열화를 방지할 수 있고, 상기 벽개면에서의 표면 결함을 만드는 As, AsOx를 AsF3형태의 휘발성물질로 되게 하여 제거하므로 벽개면에서 비발광성 결함(nonradiative defect)를 크게 줄일 수 있다.
둘째, 페시베이션 공정시 GaN보다 큰 에너지밴드갭을 갖는 양질의 GaF3로 되는 페시베이션층이 저온에서 만들어지므로 페시베이션 공정 후 밴드갭이 큰 위인도층을 벽개면의 근처에서 만들어지게되어 광흡수를 크게 줄일 수 있고, 이로 인해 COD를 크게 억제할 수 있어 소자의 신뢰도를 높일 수 있고 향후 GaAs뿐만 아니라 GaN공정에도 적용시킬 수 있다.
셋째, PECVD방법을 이용하여 페시베이션 공정후 양측 벽개면에 각각 저반사율미러와 고반사율미러를 증착하므로 페시베이션공정후 연속하여 페시베이션 공정과 동일 PECVD쳄버내에서 저반사율미러와 고반사율미러를 증착할 수 있어 공정이 간소화된다.

Claims (8)

  1. 기판상에 형성되는 n-클래드층, 활성층, p-클래드층, 전류방지층을 구비한 복수의 반도체 레이저 다이오드로 형성되는 반도체 레이저 다이오드의 칩바를 제조하는 단계;
    상기 반도체 레이저 다이오드 칩바의 양측 벽개면에 SF6, CF4 또는 F원자를 포함하는 가스를 사용한 프라즈마 강화 기상증착(PECVD)방법에 의해 200~330℃ 온도에서 GaF3박막을 형성하여 페시베이션 공정을 수행하는 단계; 그리고
    상기 벽개면의 일측 광출사면에 저반사율(Anti Reflection)미러를, 상기 벽개면의 타측면에 고반사율(High Reflection)미러를 형성하는 단계를 구비함을 특징으로 하는 반도체 레이저 다이오드의 제조방법.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 저반사율미러의 형성공정과 고반사율미러의 형성공정은 상기 페시베이션 공정을 수행한 챔버내에서 PECVD방법으로 수행됨을 특징으로 하는 반도체 레이저 다이오드의 제조방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 저반사율미러의 형성공정은 SiH4/NH3/N2O 가스를 사용하여 SiON박막층으로 형성됨을 특징으로 하는 반도체 레이저 다이오드의 제조방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 SiON박막층의 두께를 λ/4n(단 λ는 레이저 파장, n은 정수)조절됨을 특징으로 하는 반도체 레이저 다이오드의 제조방법.
  6. 제 3 항에 있어서,
    상기 고반사율미러의 형성공정은 SiH4와 N2O 가스를 사용하여 SiO2박막층을, SiH4와 NH3가스를 사용하여 SiN박막층을 번갈아 형성하여 복수쌍의 SiO2/SiN박막층으로 형성함을 특징으로 하는 반도체 레이저 다이오드의 제조방법.
  7. 삭제
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