KR100601968B1 - 굴절율이 조절된 반도체 레이저 다이오드의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 굴절률이 조절된 반도체 레이저 다이오드 및 그 제조 방법에 관한 것이다. 반도체 기판 상에 순차적으로 형성된 하부 클래드층, InGaP 활성층, 상부 클래드층 및 캡층을 포함하는 반도체 레이저 다이오드에 있어서, 상기 하부 클래드층 및 상기 상부 클래드층은 InGaAlP/InGaP 구조의 양자 장벽층과 양자 우물층이 교대로 적층된 다중 양자 장벽 구조를 지니며, 상기 InGaP 활성층으로부터 멀어질수록 상기 InGaAlP층의 Al 몰분률이 증가하고, 상기 캡층이 형성된 부위의 상기 상부 클래드층 영역의 굴절률이 상기 캡층이 형성되지 않은 부위의 상기 상부 클래드층 영역보다 큰 굴절률을 지닌 굴절률이 조절된 반도체 레이저 다이오드를 제공한다.

Description

굴절율이 조절된 반도체 레이저 다이오드의 제조 방법{Semiconductor Laser Controllable Refraction and Manufacturing Method of the Same}

도 1은 본 발명의 실시예에 의한 굴절율이 조절된 반도체 레이저 다이오드를 나타낸 측단면도이다.

도 2a 내지 도 2e는 본 발명의 실시예에 의한 굴절율이 조절된 반도체 레이저 다이오드의 제조 공정을 나타낸 도면이다.

도 3은 본 발명의 실시예에 의한 굴절율이 조절된 반도체 레이저 다이오드의 평면도이다.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >

10... 반도체 기판 11... 버퍼층

12... 하부 클래드층 13... 활성층

14... 상부 클래드층 15... 캡층

본 발명은 반도체 레이저 다이오드의 제조 방법에 관한 것으로, 특히 활성층 양쪽 클래드층의 횡 방향 및 종 방향으로 굴절률이 조절된 반도체 레이저 다이오드 의 제조 방법에 관한 것이다.

반도체 레이저는 광 응용 기기의 광원으로 널리 이용되고 있으며, 이를 위해서 발진되는 광의 특성을 조절하는 것이 요구되어 진다. 통상적으로 광도파가 잘되는 굴절률 도파형 반도체 레이저 구조에 관한 많은 연구가 진행되고 있다.

종래로부터 비흡수 미러(Non-Absorbing Minor) 영역을 포함하는 굴절률 도파형 반도체 레이저 다이오드에 관한 연구가 진행되었으며, 종래의 비흡수 미러 구조를 포함하는 굴절률 도파형 반도체 레이저 소자는 활성층의 수평 횡모드를 형성하기 위해 식각 공정을 포함하여, 2회 내지 3회에 걸친 에피 탁시 성장 공정이 필요하므로 제조 공정 상 복잡한 과정이 필요하였다. 즉, 식각 및 성장 공정은 공정 기술상 정확한 조절이 매우 어려운 단점이 있다.

따라서, 소자의 특성 및 신뢰성을 저하시키게 되며 이는 상온 연속발진이 어려운 단파장 레이저의 경우 더 큰 영향을 미치게 된다. 또한, 기록밀도를 높이기 위해서는 소자의 고출력화가 필수적이며, 이를 위해 주로 비흡수 미러 구조를 도입하여 이를 실현시키고자 하였다. 그런데, 비흡수 미러 구조를 형성함에 있어서, 마찬가지로 식각 공정 및 성장 공정이 요구되므로 비흡수 미러 구조를 가진 굴절률 도파형 반도체 레이저 다이오드를 제조하는 공정은 더욱 복잡하게 되는 문제점이 있다.

본 발명의 목적은 상술한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 레이저 빔에 유도된 무질서 기술을 사용해서 활성층 상하의 클래드층의 수평 횡방향 굴절률 변화와 수직 방향의 굴절율 변화를 한 공정으로 동시에 형성 할 수 있는 반도체 레이저 소자의 제조 방법 및 소자를 제공하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서는

반도체 기판 상에 순차적으로 형성된 하부 클래드층, InGaP 활성층, 상부 클래드층 및 캡층을 포함하는 반도체 레이저 다이오드에 있어서,

상기 하부 클래드층 및 상기 상부 클래드층은 InGaAlP/InGaP 구조의 양자 장벽층과 양자 우물층이 교대로 적층된 다중 양자 장벽 구조를 지니며, 상기 InGaP 활성층으로부터 멀어질수록 상기 InGaAlP층의 Al 몰분율이 증가하고,

상기 캡층이 형성된 부위의 상기 상부 클래드층 영역의 굴절률이 상기 캡층이 형성되지 않은 부위의 상기 상부 클래드층 영역보다 큰 굴절률을 지니는 반도체 레이저 다이오드를 제공한다.

본 발명에 있어서, 상기 캡층은 메사 스트립 리지 구조를 지닌 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어서, 상기 기판 및 상기 하부 클래드층 사이에 형성된 버퍼층을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에서는 반도체 레이저 다이오드의 제조 방법에 있어서,

(가) 기판상에 InGaAlP 및 InGaP를 교대로 적층하되, 상기 InGaAlP층의 Al의 몰분율을 점차 감소시키며 하부 클래드층을 형성하는 단계;

(나) 상기 하부 클래드층 상에 InGaP를 적층하여 활성층을 형성시키는 단계;

(다) 상기 활성층상에 InGaAlP 및 InGaP를 교대로 적층하되, 상기 InGaAlP층의 Al의 몰분율을 점차 증가시키며 상부 클래드층을 형성하는 단계;

(라) 상기 상부 클래드층 상에 메사 스트립 리지 구조를 지닌 캡층을 형성시키고, 그 상방에서 레이저 빔을 조사하는 단계;를 포함하는 굴절률이 조절된 반도체 레이저 다이오드의 제조 방법을 제공한다.

본 발명에 있어서, 상기 기판과 하부 클래드층 사이에 버퍼층을 형성시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어서, 상기 상기 기판 및 상기 버퍼층은 n형 GaAs로 형성하며, 상기 캡층은 p형 GaAs로 형성하는 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 의한 굴절률이 조절된 반도체 레이저 다이오드의 제조 방법에 대해 보다 상세히 설명하고자 한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 의한 굴절률이 조절된 반도체 레이저 다이오드의 구조를 나타낸 단면도이다. 도 1을 참조하면, 반도체 기판(10)이 마련되며, 상기 반도체 기판 상에 버퍼층(11)이 형성되어 있다. 버퍼층(11) 상에는 다중 양자 장벽 구조를 지닌 하부 클래드층(12)이 마련되며, 그 상부에는 활성층(13)이 마련된다. 그리고, 활성층(13) 상에는 상부 클래드 층(14)이 형성되어 있다. 상부 클래드층(14) 상에는 메사 스트립 리지 구조를 지닌 캡층(15)이 형성된다.

여기서, 반도체 기판(10) 및 버퍼층(11)은 n형 GaAs로 형성될 수 있다. 그리고, 하부 클래드층(12)은 n형 InGaAlP 및 n형 InGaP이 교대로 반복하여 형성된 구조를 지니고 있다. 또한, 상부 클래드층(14)은 p형 InGaAlP 및 p형 InGaP가 교대로 반복하여 형성된 구조를 지니고 있다. 활성층(13)은 InGaP로 형성되어 있다. 그리고, 캡층(15)은 p형 GaAs로 형성되어 있다. 상술한 구조에 더하여, 반도체 기판(10) 하부에는 n형 전극(미도시)이 더 마련될 수 있으며, 캡층(15) 상에는 p형 전극이 더 마련될 수 있다.

하부 클래드층(12) 및 상부 클래드층(14)은 본 발명의 특징부로서, 활성층(13)으로부터 멀어질 수록 굴절률이 낮아지는 구성을 지니고 있다. 즉, 활성층(13) 영역으로부터 멀어질 수록 굴절률이 감소되어 밴드갭 에너지가 커지므로, 활성층(13)에서 발생된 레이저 발진 영역을 한정할 수 있다. 그리고, 캡층(15)이 형성되지 않은 부위의 상부 클래드층(14)(도 4의 A 영역)은 낮은 굴절률을 지니며, 밴드갭 에너지를 높인 구조를 지니도록 하여 비흡수 영역을 인위적으로 형성시킴으로써 레이저 발진 영역을 더욱 한정할 수 있다.

하부 클래드층(12) 및 상부 클래드층(14)의 상하 방향 굴절률 조절은 다음과 같이 실현시킨다. 하부 클래드층(12) 및 상부 클래드층(14)은 InGaAlP/InGaP/InGaAlP/InGaP.. 의 반복적인 다층막 형태로 형성시킨다. 그리고, 활성층(13)으로부터 멀어질 수록 Al의 몰분률이 높아지도록 조절한다. 따라서, 활성층(13)에 가까운 영역에 비하여 굴절률이 점차로 낮아지도록 하여 활성층(13)에서 발생된 레이저의 발진 영역을 제한하는 것이다.

이하, 도 2a 내지 도 2e를 참조하여, 본 발명의 실시예에 의한 굴절률이 조절된 반도체 레이저 다이오드의 제조 방법에 대해 보다 상세하게 설명하고자 한다.

먼저, 도 2a에 도시한 바와 같이 n형 GaAs 반도체 기판(10)을 마련하고, 그 상부에 n형 GaAs 버퍼층(11)을 적층시킨다.

그리고, 도 2b에 나타낸 바와 같이, 버퍼층(11) 상에 하부 클래드층(12)을 형성시킨다. 하부 클래드층(12)은 n형 InGaAlP/n형 InGaP의 연속적인 다층막으로 형성시키며, 상부로 갈수록 InGaAlP의 Al 몰분률이 감소하도록 조절하여 형성시킨다. 따라서, 하부 클래드층(12)은 하방에서 상방으로 갈수록 굴절률이 증가하는 구조를 지니며, 에너지 밴드갭이 점차 감소한 구조를 지닌다. 그리고, 하부 클래드층(12) 상부에 활성층(13)을 형성시킨다. 활성층(13)은 InGaP로 형성시킨다. 그리고, 상부 클래드층(14)은 p형 InGaAlP/p형 InGaP의 반복적인 구조의 다층막 형태로 형성시키며, 상부로 갈수록 InGaAlP의 Al 몰분률이 증가하도록 형성시킨다. 따라서, 에너지 밴드갭이 점차 증가하게 되며, 굴절률이 감소하는 형태가 된다.

다음으로, 도 2c에 나타낸 바와 같이, 상부 클래드층(14) 상부에 캡층(15)을 형성시킨다. 캡층(15)은 p형 GaAs로 형성시킬 수 있다. 캡층(15)을 형성시킨 뒤, 도 2d에 나타낸 바와 같이, 캡층(15)을 메사 스트립 리지 구조를 지니도록 식각한다. 식각 공정에 의하여, 상부 클래드층(14)의 일부 영역에만 캡층(15)이 형성되고, 캡층(15)이 형성되지 않은 나머지 영역의 상부 클래드층(14)은 노출된다.

다음으로, 도 2e에 나타낸 바와 같이, 상부 클래드층(14) 및 캡층(15) 상에서 레이저 빔 등을 조사한다. 이 때, 레이저빔의 파장은 상부 클래드층(14) 및 캡층(15)의 두께에 따라서 조절할 수 있으며, 바람직하게는 약 800nm 파장 대 이하의 레이저빔을 사용한다. 캡층(15)이 메사 구조를 지니고 있으므로, 상방에서 조사한 레이저빔은 상부 클래드층(14)에 직접 조사된 경우에는 다층막 구조의 상부 클래드 층(14)을 투과하여 상부 클래드층(14) 내부의 다층막 구조에 영향을 미친다.

캡층(15) 상방으로 조사한 레이저빔은 캡층(15)을 투과하지 못하여 상부 클래드층(14) 내부의 다층막 구조에 영향을 미치지 못한다. 이를 도 3을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 도 3은 본 발명의 실시예에 의한 굴절률이 조절된 반도체 레이저 다이오드의 상방에서 본 평면도이다. 도 3을 참조하면, 레이저가 캡층(15)의 A 영역 및 상부 클래드층(14)인 B 영역 모두에 조사가 되지만, A 영역을 투과하지는 못하며, B 영역에 조사된 레이저빔은 해당 부위의 상부 클래드층(14)의 다층막 구조에 영향을 미친다. 즉, InGaAlP/InGaP의 격자 배열을 무질서하게 만들며, 양자 장벽층인 InGaAlP과 양자 우물층인 InGaP의 인터 믹싱을 유발한다. 따라서, 도 4의 B 영역에서는 밴드갭 에너지가 증가하며, 굴절률이 감소하게 된다.

따라서, 하부 클래드층(12) 및 상부 클래드층(14)을 다층막 구조로 형성하며, Al의 몰분률을 조절하여 수직 방향의 굴절률 변화를 유도하고, 상부 클래드층(14)에 대해 레이저빔을 조사하여 일정 부분에 대한 수평 방향의 굴절률 변화를 유도하는 구조가 된다.

상기한 설명에서 많은 사항이 구체적으로 기재되어 있으나, 그들은 발명의 범위를 한정하는 것이라기보다, 바람직한 실시예의 예시로서 해석되어야 한다. 따라서, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 의하여 정하여 질 것이 아니고 특허 청구범위에 기재된 기술적 사상에 의해 정하여져야 한다.

본 발명에 의하면 반도체 레이저 다이오드의 활성층 양측 부의 하부 클래드 층 및 상부 클래드층을 다층막 형태의 다중 양자 장벽 구조로 형성시키며, Al의 몰 몰분률 조절하여 수직 방향의 굴절률 도파형 레이저 발진을 유도하며, 상부 클래드층의 일부 영역에 레이저빔을 조사하여 해당 영역의 굴절률 변화를 유도하여 더욱 레이저 발진 영역을 한정한 반도체 레이저 다이오드의 구조를 제공할 수 있다.

Claims (6)

1. 반도체 기판 상에 순차적으로 형성된 하부 클래드층, InGaP 활성층, 상부 클래드층 및 캡층을 포함하는 반도체 레이저 다이오드에 있어서,

   상기 하부 클래드층 및 상기 상부 클래드층은 InGaAlP/InGaP 구조의 양자 장벽층과 양자 우물층이 교대로 적층된 다중 양자 장벽 구조를 지니며, 상기 InGaP 활성층으로부터 멀어질수록 상기 InGaAlP층의 Al 몰분률이 증가하고,

   상기 캡층이 형성된 부위의 상기 상부 클래드층 영역의 굴절률이 상기 캡층이 형성되지 않은 부위의 상기 상부 클래드층 영역보다 굴절률이 큰 것을 특징으로 하는 굴절률이 조절된 반도체 레이저 다이오드.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 캡층은 메사 스트립 리지 구조를 지닌 것을 특징으로 하는 굴절률이 조절된 반도체 레이저 다이오드.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 기판 및 상기 하부 클래드층 사이에 형성된 버퍼층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 굴절률이 조절된 반도체 레이저 다이오드.
4. 반도체 레이저 다이오드의 제조 방법에 있어서,

   (가) 기판 상에 InGaAlP 및 InGaP를 교대로 적층하되, 상기 InGaAlP층의 Al의 몰분율을 점차 감소시키며 하부 클래드층을 형성하는 단계;

   (나) 상기 하부 클래드층 상에 InGaP를 적층하여 활성층을 형성시키는 단계;

   (다) 상기 활성층상에 InGaAlP 및 InGaP를 교대로 적층하되, 상기 InGaAlP층의 Al의 몰분율을 점차 증가시키며 상부 클래드층을 형성하는 단계;

   (라) 상기 상부 클래드층 상에 메사 스트립 리지 구조를 지닌 캡층을 형성시키고, 그 상방에서 레이저빔을 조사하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 굴절률이 조절된 반도체 레이저 다이오드의 제조 방법.
5. 제 4항에 있어서,

   상기 기판과 하부 클래드층 사이에 버퍼층을 형성시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 굴절률이 조절된 반도체 레이저 다이오드의 제조 방법.
6. 제 5항에 있어서,

   상기 기판 및 상기 버퍼층은 n형 GaAs로 형성하며, 상기 캡층은 p형 GaAs로 형성하는 것을 특징으로 하는 굴절률이 조절된 반도체 레이저 다이오드의 제조 방 법.

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