KR100590566B1 - 레이저 다이오드 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

레이저 다이오드 및 그 제조방법이 개시된다. 개시된 레이저 다이오드는, 기판; 기판의 상부에 형성되며, 가운데 부분에는 리지(ridge)가 형성된 제1 클래드층; 제1 클래드층의 상면에 형성되는 것으로, 리지의 상면 및 경사면에 위치하는 상부 평탄부 및 경사부와, 리지의 양측에 위치하는 하부 평탄부를 포함하는 활성층; 활성층의 상면에 제1 클래드층의 리지에 대응되는 형상으로 형성되는 제2 클래드층; 및 제2 클래드층의 상부에 형성되는 것으로, 전류통과 영역과 전류통과 영역의 양측에 위치하며 산화물로 이루어지는 전류차단 영역을 포함하는 적어도 하나의 물질층;을 구비한다.

Description

레이저 다이오드 및 그 제조방법{Laser diode and method of manufacturing the same}
도 1은 종래 레이저 다이오드의 개략적인 단면도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 레이저 다이오드의 개략적인 단면도이다.
도 3a 내지 도 3e는 본 발명의 실시예에 따른 레이저 다이오드의 제조방법을 설명하기 위한 도면들이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100... n형전극 110... 기판
120... 버퍼층 130... 하부 클래드층
140... 활성층 150... 상부 클래드층
172,174... 물질층 172a,174a... 전류통과영역
172b,174b... 전류차단영역 180... 캡층
200... p형전극
본 발명은 레이저 다이오드 및 그 제조방법에 관한 것으로, 상세하게는 활성 층에 단차를 주어 횡모드 방향으로 광 구속(confinement) 효과를 향상시킬 수 있고, 산화물로 이루어진 전류차단영역을 구비함으로써 발진 개시전류를 줄일 수 있는 레이저 다이오드 및 그 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로, 반도체 레이저 다이오드는 비교적 소형이면서 레이저 발진을 위한 임계 전류(threshold current)가 일반 레이저 장치에 비해 작다는 점 등의 특징 때문에 통신 분야나 광 디스크가 사용되는 플레이어에서 고속 데이터 전송이나 고속 데이터 기록 및 판독을 위한 소자로 널리 사용되고 있다.
레이저 다이오드를 광 디스크 등의 광 정보처리 분야에서 광원으로 사용하기 위한 가장 중요한 성능은 안정한 기본 횡 모드 발진이다. 즉, 발광 스폿이 단일로 되고, 더욱이 그 광 강도피크의 위치가 광 출력 레벨에 따라서 이동하지 않는 것이 필요하다. 다음으로 중요한 성능은 임계치 전류가 적다는 것이다. 이 두가지의 성능을 만족시키기 위해서 개발된 것이 스트라이프(stripe)형 레이저 다이오드이다.
상기 스트라이프형 레이저 다이오드는, 광 도파로가 전류 주입에 의한 이득 분포에 의해 결정되는 이득 도파형 레이저 다이오드와 접합 방향에 굴절율 분포가 설계된 굴절율 도파형 레이저 다이오드로 대별된다. 횡 모드의 안정성, 임계치 전류, 비점격차에서는 굴절율 도파형 레이저 다이오드가 단연 우수하며, 현재 실용화되고 있는 레이저 다이오드는 접합 평행방향에 실효 굴절율차를 두어 접합폭에 광을 가두는 실효 굴절율 도파형 레이저 다이오드가 대부분이다. 이와 같은 실효 굴절율 도파형 레이저 다이오드의 예가 VSIS(V-channeled substrate inner stripe)형 레이저 다이오드이다. 상기 VSIS형 레이저 다이오드는 스트라이프 양측의 활성층에 근접하여 광 흡수층이 형성되는데, 이것은 전류저지의 역할을 함과 동시에 내부 스트라이프 구조를 형성한다.
도 1에는 670nm 파장대의 전형적인 SBR(selectively buried ridge) 구조의 종래 레이저 다이오드의 개략적인 단면이 도시되어 있다. 도 1을 참조하면, 기판 (10)상부에 버퍼층(20), 제1 클래드층(30), 도핑안된 활성층(40) 및 제2 클래드층(50)을 1차로 성장시킨 다음, 포토리소그라피(photolithography) 공정 및 식각공정에 의하여 상기 제2 클래드층(50) 중심부에 소정의 폭과 높이를 가지는 리지 스트라이프(ridge stripe)를 형성한다. 다음으로, 2차로 밴드갭 감소층(60) 및 전류제한층(70)을 성장시켜 형성한 다음, 3차로 콘택트층(80)을 성장시켜 형성한다.
그런데, 상기의 2차 내지 3차 성장시 아연(Zn) 등의 불순물이 활성층(40) 내로 확산되어 비발광의 원인이 되거나 소자의 특성인 신뢰성을 저하시키는 문제점이 있었다. 그리고, 리지의 폭과 깊이를 습식 화학에칭에 의해 정확히 제어하기가 매우 어려운 문제점이 있었다.
본 발명은 활성층에 단차를 주어 횡방향으로 광 구속(confinement) 효과를 향상시킬 수 있고, 산화물로 이루어진 전류차단영역을 구비함으로써 발진 개시전류를 줄일 수 있는 개선된 구조의 레이저 다이오드 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여,
본 발명에 따른 레이저 다이오드는,
기판;
상기 기판의 상부에 형성되며, 가운데 부분에는 리지(ridge)가 형성된 제1 클래드층;
상기 제1 클래드층의 상면에 형성되는 것으로, 상기 리지의 상면 및 경사면에 위치하는 상부 평탄부 및 경사부와, 상기 리지의 양측에 위치하는 하부 평탄부를 포함하는 활성층;
상기 활성층의 상면에 상기 제1 클래드층의 리지에 대응되는 형상으로 형성되는 제2 클래드층; 및
상기 제2 클래드층의 상부에 형성되는 것으로, 전류통과 영역과 상기 전류통과 영역의 양측에 위치하며 산화물로 이루어지는 전류차단 영역을 포함하는 적어도 하나의 물질층;을 구비한다.
상기 활성층의 경사부는 상기 활성층의 상부 및 하부 평탄부보다 얇은 것이 바람직하다.
상기 물질층은 상기 제1 클래드층의 리지에 대응하는 상부 평탄부 및 경사부와 상기 리치의 양측에 대응하는 하부 평탄부를 포함하며, 상기 물질층의 상부 평탄부에는 상기 전류통과 영역이 형성되고, 상기 물질층의 경사부 및 하부 평탄부에는 전류차단 영역이 형성되는 것이 바람직하다.
상기 물질층의 경사부는 상기 물질층의 상부 및 하부 평탄부보다 얇은 것이 바람직하다.
상기 전류통과 영역은 AlXGa1-XAs(0.5≤X≤1)으로 이루어지고, 상기 전류차단영역은 상기 AlXGa1-XAs의 산화물로 이루어질 수 있다.
본 발명에 따른 레이저 다이오드의 제조방법은,
기판 상부에 제1 클래드층을 형성하는 단계;
상기 제1 클래드층의 가운데 부분에 리지를 형성하는 단계;
상기 제1 클래드층의 상부에 상기 리지에 대응되는 형상으로 활성층 및 제2 클래드층을 순차적으로 형성하는 단계;
상기 제2 클래드층의 상부에 적어도 하나의 물질층을 형성하는 단계; 및
상기 물질층의 양측을 산화시켜 전류차단 영역을 형성하는 단계;을 포함한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 레이저 다이오드를 도시한 개략적인 단면도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 레이저 다이오드는 기판(110)과 상기 기판(110)의 상부에 형성되는 레이저 발진층과, 상기 레이저 발진층의 상부에 형성되는 것으로, 전류통과 영역(172a,174a)과 전류차단 영역(172b,174b)을 포함하는 적어도 하나의 물질층(172,174)을 구비한다. 여기서, 상기 레이저 발진층은 활성층(140)과, 상기 활성층(140)의 하부 및 상부에 각각 형성되는 제1 및 제2 클래 드층(130,150)으로 이루어진다.
상기 기판(110)은 n-GaAs으로 이루어질 수 있다. 그리고, 상기 기판(110)의 상면에는 n-GaAs로 이루어지는 버퍼층(120)이 형성될 수 있다.
상기 버퍼층(120)의 상면에는 가운데 부분에 리지(ridge)가 형성된 제1 클래드층(130)이 형성되어 있다. 여기서, 상기 제1 클래드층(130)은 n-InGaAlP로 이루어질 수 있다. 그리고, 상기 제1 클래드층(130)의 상면에는 활성층(140)이 소정 두께로 형성되어 있다. 상기 활성층(140)은 InGaP로 이루어질 수 있다. 상기 활성층(140)은 상기 제1 클래드층(130)에 형성된 리지의 상면 및 경사면에 각각 위치하는 상부 평탄부와 경사부, 그리고 상기 리지의 양측에 위치하는 하부 평판부를 포함한다. 여기서, 상기 활성층(140)은 경사부에서의 두께가 상부 및 하부 평탄부에서의 두께보다 얇게 형성되어 있다. 이와 같이, 상기 활성층(140)에 단차를 주어 경사부에서의 두께를 얇게 형성하게 되면, 상기 활성층(140)의 경사부에서 에너지 밴드갭(energy band gap)이 커지기 때문에 광 구속 효과를 향상시킬 수 있게 된다. 상기 활성층(140)의 상면에는 제2 클래드층(150)이 상기 제1 클래드층(130)의 리지에 대응되는 형상으로 형성되어 있다. 상기 제2 클래드층(150)은 p-InGaAlP로 이루어질 수 있다.
그리고, 상기 제2 클래드층(150)의 상면에는 적어도 하나의 물질층(172,174)이 형성되어 있다. 여기서, 각 물질층(172,174)은 대략 20nm ~ 1000nm의 두께로 형성될 수 있다. 한편, 도 2에는 2개의 물질층(172,174)이 형성된 경우가 도시되어 있지만, 본 실시예에서는 이에 한정되지 않고 다양한 개수의 물질층이 형성될 수 있다. 상기 물질층(172,174)은 상기 제2 클래드층(150)의 상면에 소정 두께로 형성됨으로써 상기 제1 클래드층(130)의 리지에 대응하는 상부 평판부 및 경사부와, 상기 제1 클래드층(130)의 리지 양측에 대응하는 하부 평탄부를 포함하게 된다. 여기서, 상기 물질층(172,174)은 경사부에서의 두께가 상부 및 하부 평탄부에서의 두께보다 얇게 형성되어 있다. 그리고, 상기 물질층(172,174)의 상부 평탄부에는 전류통과 영역(172a,174a)이 형성되며, 상기 물질층(172,174)의 경사부 및 하부 평판부에는 전류차단 영역(172b,174b)이 형성된다. 상기 전류통과 영역(172a,174a)은 p-AlXGa1-XAs(0.5≤X≤1)으로 이루어지고, 상기 전류차단영역(172b,174b)은 상기 p-AlXGa1-XAs의 산화물로 이루어질 수 있다. 여기서, 상기 전류통과 영역(172a,174a)과 전류차단 영역(172b,174b)은 p-AlXGa1-XAs으로 이루어지는 층의 양측을 선택적 습식산화방법에 의하여 소정 시간 동안 산화시킴으로써 형성될 수 있다.
한편, 상기 물질층들(172,174) 사이에는 p-GaAs층(173)이 형성될 수 있으며, 상기 물질층(172,174)의 하부 및 상부에도 각각 p-GaAs층(171,175)이 더 형성될 수 있다. 그리고, 상기 물질층(172,174)의 상부에는 p-GaAs로 이루어진 캡층(180)이 형성되어 있으며, 상기 기판(110)의 하면 및 캡층(188)의 상면에는 각각 n형 전극(100) 및 p형 전극(200)이 형성되어 있다.
상기와 같은 구조의 레이저 다이오드에서는, 상기 활성층(140)에 단차를 주어 경사부에서의 두께를 얇게 형성함으로써 광 구속 효과를 향상시킬 수 있게 되고, 또한 산화물로 이루어진 전류차단 영역(172b,174b)을 구비함으로써 발진 개시 전류를 줄일 수 있게 된다.
이하에서는 도 3a 내지 도 3e를 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 레이저 다이오드를 제조하는 방법을 설명하기로 한다.
먼저, 도 3a를 참조하면, n-GaAs로 이루어진 기판(110) 상에 n-GaAs 버퍼층(120)을 형성하고, 상기 버퍼층(120)의 상면에 n-InGaAlP로 이루어진 제1 클래드층(130)을 소정 두께로 형성한다. 다음으로, 도 3b를 참조하면, 상기 제1 클래드층(130)의 상면 가운데 부분에 식각마스크(250)를 형성한다. 여기서, 상기 식각마스크(250)는 SiO2로 이루어질 수 있다. 상기 식각마스크(250)는 제1 클래드층(130)의 상면에 SiO2층을 형성하고, 이를 포토리소그라피 공정에 의하여 소정 형상으로 패터닝함으로써 형성될 수 있다. 그리고, 상기 식각마스크(250)의 양측에 있는 제1 클래드층(130)을 소정 깊이로 경사식각하고 상기 식각마스크(250)를 제거하게 되면, 제1 클래드층(130)의 가운데 부분에 리지가 형성된다.
이어서, 도 3c를 참조하면, 리지가 형성된 제1 클래드층(130)의 상면에 InGaP로 이루어진 활성층(140)을 성장 형성한다. 상기 활성층(140)은 상기 제1 클래드층(130)에 형성된 리지의 상면 및 경사면에 각각 위치하는 상부 평탄부와 경사부, 그리고 상기 리지의 양측에 위치하는 하부 평판부를 포함한다. 여기서, 상기 활성층(140)은 상기 제1 클래드층(130)의 상면에 성장 형성되므로, 일반적으로 경사부에서의 두께가 상부 및 하부 평탄부에서의 두께보다 얇게 형성된다. 다음으로, 상기 활성층(140)의 상면에 상기 제1 클래드층(130)의 리지에 대응되도록 p- InGaAlP로 이루어진 제2 클래드층(150)을 형성하고, 상기 제2 클래드층(150)의 상부에는 p-AlXGa1-XAs(0.5≤X≤1)로 이루어진 적어도 하나의 물질층(172',174')을 성장 형성한다. 한편, 도 3c에서는 2개의 물질층(172',174')이 형성된 경우가 도시되어 있지만, 본 실시예에서는 이에 한정되지 않고 다양한 개수의 물질층이 형성될 수 있다. 상기 물질층들(172',174')은 상기 제1 클래드층(130)의 리지에 대응하는 상부 평판부 및 경사부와, 상기 제1 클래드층(130)의 리지 양측에 대응하는 하부 평탄부를 포함하게 된다. 여기서, 상기 물질층들(172',174')은 경사부에서의 두께가 상부 및 하부 평탄부에서의 두께보다 얇게 형성된다. 한편, 상기 물질층들(172',174') 사이에는 p-GaAs층(173)이 형성될 수 있으며, 상기 물질층(172',174')의 하부 및 상부에도 각각 p-GaAs층(171,175)이 형성될 수 있다. 그리고, 상기 물질층(172',174')의 상부에는 p-GaAs로 이루어진 캡층(180)을 형성한다.
다음으로, 도 3d를 참조하면, 상기 물질층(172',174')의 양측을 선택적으로 산화시켜 상기 물질층(172',174')의 하부 평탄부와 경사부에 p-AlXGa1-XAs의 산화물로 이루어진 전류차단 영역(172b,174b)을 형성한다. 그리고, 상기 물질층(172',174')의 상부 평탄부에는 p-AlXGa1-XAs(0.5≤X≤1)로 이루어진 전류통과 영역(172a,174a)이 형성된다. 이때, 상기 전류차단 영역(172b,174b)은 상기 물질층(172',174')의 양측을 선택적 습식산화방법에 의하여 소정시간 동안 산화시킴으로써 형성될 수 있다. 여기서, p-AlXGa1-XAs으로 이루어진 물질층(172',174')은 그 두께가 얇을수록 산화되는 속도가 느려지므로, 상기 물질층(172',174')의 경사부에서 의 산화속도는 상기 하부 평탄부에서의 산화속도보다 느려지게 된다. 이에 따라, 상기 물질층(172',174')의 경사부에서는 원하는 위치까지 물질층(172',174')을 산화시키기가 용이하므로, 상기 물질층(172',174')의 경사부와 하부 평탄부에만 p-AlXGa1-XAs의 산화물로 이루어진 전류차단 영역(172b,174b)을 용이하게 형성할 수 있게 된다. 도 3d에서 참조부호 172,174는 전류통과 영역(172a,174a)과 전류차단 영역(172b,174b)을 포함하는 물질층을 나타낸다.
마지막으로, 도 3e를 참조하면, 상기 n-GaAs 기판(110)의 하면 및 p-GaAs 캡층(180)의 상면에 각각 n형 전극(100) 및 p형 전극(200)을 형성하게 되면 본 발명의 실시예에 따른 레이저 다이오드가 완성된다.
이와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 레이저 다이오드는 한번의 재성장(regrowth)으로 제조될 수 있으므로 제조공정이 단순하며, 물질층 두께의 산화속도 차이에 의해 전류차단 영역을 용이하게 형성할 수 있다.
이상에서 본 발명에 따른 바람직한 실시예가 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 의하면 활성층에 단차를 주어 경사부에서의 두께를 얇게 형성함으로써 광 구속 효과를 향상시킬 수 있게 되고, 산화물 로 이루어진 전류차단 영역을 구비함으로써 발진 개시전류를 줄일 수 있게 된다. 그리고, 본 발명의 실시예에 따른 레이저 다이오드는 한번의 재성장으로 제조될 수 있으므로 제조공정이 단순하며, 물질층 두께의 산화속도 차이에 의해 전류차단 영역을 용이하게 형성할 수 있다.

Claims (10)

  1. 기판;
    상기 기판의 상부에 형성되며, 가운데 부분에는 리지(ridge)가 형성된 제1 클래드층;
    상기 제1 클래드층의 상면에 형성되는 것으로, 상기 리지의 상면 및 경사면에 위치하는 상부 평탄부 및 경사부와, 상기 리지의 양측에 위치하는 하부 평탄부를 포함하는 활성층;
    상기 활성층의 상면에 상기 제1 클래드층의 리지에 대응되는 형상으로 형성되는 제2 클래드층; 및
    상기 제2 클래드층의 상부에 형성되는 것으로, 전류통과 영역과 상기 전류통과 영역의 양측에 위치하며 산화물로 이루어지는 전류차단 영역을 포함하는 적어도 하나의 물질층;을 구비하는 것을 특징으로 하는 레이저 다이오드.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 활성층의 경사부는 상기 활성층의 상부 및 하부 평탄부보다 얇은 것을 특징으로 하는 레이저 다이오드.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 물질층은 상기 제1 클래드층의 리지에 대응하는 상부 평탄부 및 경사부와 상기 리치의 양측에 대응하는 하부 평탄부를 포함하며, 상기 물질층의 상부 평탄부에는 상기 전류통과 영역이 형성되고, 상기 물질층의 경사부 및 하부 평탄부에는 전류차단 영역이 형성되는 것을 특징으로 하는 레이저 다이오드.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 물질층의 경사부는 상기 물질층의 상부 및 하부 평탄부보다 얇은 것을 특징으로 하는 레이저 다이오드.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 전류통과 영역은 AlXGa1-XAs(0.5≤X≤1)으로 이루어지고, 상기 전류차단영역은 상기 AlXGa1-XAs의 산화물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 레이저 다이오드.
  6. 기판 상부에 제1 클래드층을 형성하는 단계;
    상기 제1 클래드층의 가운데 부분에 리지를 형성하는 단계;
    상기 제1 클래드층의 상부에 상기 리지에 대응되는 형상으로 활성층 및 제2 클래드층을 순차적으로 형성하는 단계;
    상기 제2 클래드층의 상부에 적어도 하나의 물질층을 형성하는 단계; 및
    상기 물질층의 양측을 산화시켜 전류차단 영역을 형성하는 단계;을 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 다이오드의 제조방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 리지를 형성하는 단계는;
    상기 제1 클래드층의 가운데 부분에 식각마스크를 형성하는 단계; 및
    상기 식각마스크의 양측에 위치한 상기 제1 클래드층을 소정 깊이로 식각하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 다이오드의 제조방법.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 물질층은 AlXGa1-XAs(0.5≤X≤1)으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 레이저 다이오드의 제조방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 물질층은 상기 제1 클래드층의 리지에 대응하는 상부 평탄부 및 경사부와 상기 리치의 양측에 대응하는 하부 평탄부를 포함하며, 상기 전류차단 영역은 상기 물질층의 하부 평탄부 및 경사부를 산화시킴으로써 형성되는 것을 특징으로 하는 레이저 다이오드의 제조방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 물질층은 선택적 습식산화방법에 의하여 산화되는 것을 특징으로 하는 레이저 다이오드의 제조방법.
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