KR100612191B1 - 면발광형 반도체 레이저 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

선택 산화에서의 산화 길이 및 전류 협착(비산화) 영역의 치수 및 형상의 제어성이 높아짐으로써, 기판 면내의 균일성 및 재현성이 향상되고, 레이저 특성의 소자 간의 편차를 억제한, 생산성이 높은, 고성능의 면발광형 반도체 소자 및 그 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. 피산화층(6a)을 포함하는 메사(100)의 측면에서부터 상기 피산화층의 산화를 진행시켜 형성한 산화 영역(600)을 형성함으로써 상기 피산화층의 산화되지 않은 미산화영역에 전류를 협착시키는 면발광형 반도체 레이저로서, 상기 산화 영역과 상기 미산화 영역과의 경계 부근에, 프로톤을 함유한 프로톤 함유 영역(15, 16)이 형성된 것을 특징으로 하는 면발광형 반도체 레이저를 제공한다.
프로톤, 피산화막, 전류 협착, 메사

Description

면발광형 반도체 레이저 및 그 제조 방법{SURFACE EMITTING TYPE SEMICONDUCTOR LASER AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 면발광형 반도체 레이저의 구조를 도시하는 모식도로서, (a)는 그 평면도, (b)는 (a)의 A-A'선 단면도, (c)는 (b)의 전류 협착부(14) 부근을 확대한 단면도.
도 2는 본 발명의 실시예에서 피산화층(6a)을 산화하는 공정을 도시한 공정 단면도.
도 3은 Al을 고농도로 포함하는 AlGaAs층을 수증기 산화했을 때의 산화 시간에 대한 산화 길이의 변화를 나타내는 그래프.
도 4는 Al을 고농도로 포함하는 AlGaAs층을 수증기 산화하였을때의 함유 프로톤 농도에 대한 산화 속도의 의존성을 나타내는 그래프.
도 5는 레이저의 전류 협착부(14)의 전체에 프로톤을 도입한 구체예를 도시하는 모식도.
도 6은 프로톤 주입 영역이 형성된 면발광형 반도체 레이저의 일례를 도시하는 모식도.
도 7은 프로톤 주입 영역(15)을 형성하지 않고 원주형의 메사(100)를 그 측면에서부터 산화했을 때의 산화 영역(600) 및 전류 협착부(14)의 형상의 산화 시간 에 대한 변화, 이방성 산화의 상태를 예시한 단면도.
도 8은 프로톤 주입 영역(15)의 패턴 폭을 이방성 산화 속도에 맞추어 설정한 예를 도시하는 모식도.
도 9의 (a)는 프로톤 주입 영역을 형성하지 않는 경우의 전류 협착부(14)의 형상을 예시하는 평면도이고, (b)는 경사 기판을 이용한 경우의 프로톤 주입 영역(15)의 패턴을 예시하는 평면도이고, (c)는 원하는 정방형의 형상 및 치수의 전류 협착부(14)를 도시하는 평면도.
도 10은 본 발명의 제1 실시예의 변형예의 면발광형 반도체 레이저를 도시하는 모식도.
도 11은 본 발명의 제2 실시예에 따른 면발광형 반도체 레이저의 모식도로서, (a)는 평면도, (b)는 (a)의 A'-A선 단면도, (c)는 (a)의 B'-B선 단면도.
도 12는 제2 실시예의 변형예의 면발광형 반도체 레이저를 도시하는 모식도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1 : 기판
2, 6 : 반도체 다층막 반사경
3, 5 : 반도체 클래드층
4 : 반도체 활성층
6a : 피산화층
7 : 컨택트층
9 : 컨택트 전극
10 : 전극
12 : 에칭 영역
13 : 발광 영역
14 : 전류 협착부
15 : 부프로톤 주입 영역
100 : 메사부
600 : 산화 영역
본 발명은, 면발광형 반도체 레이저 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 특히 미소한 전류 협착 구조를 정밀하게 형성할 수 있는 면발광형 반도체 레이저 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
반도체 레이저나 반도체 발광 다이오드 등의 반도체 발광 소자는 광 통신 분야를 비롯하여, CD(Compact Disc)나 DVD(Digital Versatile Disc) 등의 광디스크 시스템 혹은 바코드 리더 등에서 널리 사용되고 있다.
이러한 반도체 발광 소자 중에서 면발광형 반도체 레이저는 활성층의 상하에 형성된 반사경에 의해 공진기 구조를 구성하는 것으로, 기판에 대하여 수직 방향으로 레이저광이 출사된다.
이 면발광형 반도체 레이저는, 기판 위에 이차원적으로 다수의 레이저 소자를 집적화할 수 있기 때문에, 고속광 LAN(Local Area Network)이나, 광배선 등의 광일렉트로닉스 분야에서 핵심(key) 디바이스로서 큰 주목을 모으고 있다.
이러한 면발광형 반도체 레이저의 특징으로는 이하의 것을 들 수 있다.
즉, 단부면 발광형 반도체 레이저에 비하여, 임계값이 낮고, 소비 전력이 낮고, 발광 효율이 높고, 고속 변조가 가능하고, 빔 퍼짐이 작고 광 파이버와의 결합이 용이하고, 단부면 벽개가 불필요하기 때문에 양산성이 우수하다는 등의 다수의 이점을 갖고 있다.
이러한 면발광형 반도체 레이저에서는, 발광 영역에 전류를 집중시키기 위한 전류 협착부가 필요하다. 이 전류 협착부를 형성하는 방법으로는, 주로 프로톤(수소 이온) 주입 방식 및 선택 산화 방식의 2개의 방식이 이용되고 있다(예를 들면, 일본 특개평9-266350호 공보, 특개2000-332355호 공보, 특개2001-93897호 공보 참조).
프로톤 주입 방식인 경우, 프로톤을 주입한 영역이 고저항화됨으로써 전류 협착부를 형성할 수 있다. 이 때, 소위 「서멀 렌즈 효과(thermal lensing effect)」에 의해, 전류 통과 영역과 그 주변 영역 사이에 약간의 굴절률 차가 발생하여, 약한 광 집중(optical confinement) 상태가 형성된다. 프로톤 주입 방식은, 이 약한 광 집중에 의해, 비프로톤 주입 영역(전류 협착 영역)의 직경이 10㎛ 정도로 넓어지더라도 안정된 횡 모드가 얻어진다는 특징을 갖는다.
한편, 선택 산화 방식인 경우, 활성층 근방의 반도체 다층막의 일부를 선택적으로 산화함으로써, 광과 전류를 동시에 미소 영역에 협착하는 2중의 집중 효과가 얻어진다. 또한, 굴절률 도파로가 형성되기 때문에, 선택 산화 방식에서는 강한 광 집중 효과가 생긴다. 이 때문에, 횡 모드를 안정화하기 위해서는, 발광 영역의 직경을 전형적으로는 5㎛ 이하로, 프로톤 주입 방식에 비해 좁게 할 필요가 있다. 즉, 선택 산화 방식의 경우는, 횡 모드 제어를 도모하기 위하여, 전류 협착 직경의 미세화를 필요로 한다.
그러나, 발광 영역 직경을 5㎛ 이하로 형성하는 것은, 프로세스적으로는 불가능하지는 않지만, 발광 영역 직경의 치수 및 형상의 제어성, 재현성에 문제가 있어, 양산성, 수율의 향상이 어렵다고 하는 과제가 있다.
다음으로, 선택 산화 방식의 면발광형 반도체 레이저의 제작 방법을 간단히 설명하며, 문제가 되는 발광 영역 직경의 치수 및 형상 제어성, 재현성에 대하여 설명한다.
먼저, 반도체 기판 상에, 반도체 다층막 반사경, 클래드층, 반도체 활성층, 클래드층, 반도체 다층막 반사경, 컨택트층을 순차 성장하여, 레이저 웨이퍼를 제작한다. 이 때 반도체 다층막 반사경은, 예를 들면 AlxGa1-xAs막/AlyGa 1-yAs막의 반복 적층 구조, 또한 피산화층으로서 반도체 다층막 반사경을 구성하는 막보다 Al 조성비가 큰 AlxGa1-xAs(x>0.95)막을 갖고 있다.
다음으로, 에칭에 의해 메사부를 형성하고, 수증기 분위기 속에서 기판을 400℃ 이상으로 가열한다. 이와 같이 함으로써, 반도체 다층막 반사경을 구성하는 반도체막 중 Al 조성비가 높은 AlGaAs막이 메사부의 측면의 노출 부분에서부터 선택적으로 산화되어 AlxGa1-xOy막이 된다. 그 산화 속도는, Al의 조성에 의해 현저히 변화한다. 예를 들면 AlxGa1-xAs에서, x=0.95∼1로 함으로써, 클래드층이나 GaAs층에 거의 영향을 주지 않고서 Al 고농도층만을 선택적으로 산화할 수 있다.
이 가로 방향의 선택 산화 공정에 의해서, 메사의 측면에서부터 피산화층의 산화가 진행하여, 메사 외주(外周) 영역에는 산화된 전류 협착부가 형성되고, 메사 중심 영역에는 산화되지 않는 영역, 즉, 개구부가 형성된다. 또한, 열처리의 온도와 시간을 적절히 조정함으로써, Al을 고농도로 포함하는 피산화층 중의 산화되지 않는 개구부의 형상 및 크기를 제어할 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 선택 산화 방식에 의해 면발광형 반도체 레이저를 형성하는 경우에는, 메사부를 형성하고, 메사부의 측벽에서부터 Al을 고농도로 포함하는 AlAs층 혹은 AlGaAs층을 선택적으로 산화함으로써 전류 협착 구조를 제작한다.
그러나, 수증기 산화에 의한 선택 산화 프로세스에서는, 기판 온도, 산화층의 막 두께, Al 조성, 수증기의 유량, 질소 가스의 유량 등에 따라서 산화 속도가 결정되어, 그 프로세스의 조건 변화에 대하여 산화 속도가 크게 영향을 받는다. 이 때문에, Al을 고농도로 포함하는 AlAs층 혹은 AlGaAs층을 선택적으로 산화하는 경우에, 비산화 영역(개구부)의 치수나 형상을 재현성 좋게 제어하는 것이 어려운 문제가 있다.
이 문제를 해결하기 위해서, 종래, 산화 프로세스 시에 피산화 영역의 넓이를 실시간(real-time)으로 계측하여 제어성을 높이고자 하는 시도가 도모되고 있다. 예를 들면, Wright State Univ., IEEE Photon Technol. Lett. 10, p.197(1998)에는, AlAs층과 Al2O3 산화층의 굴절률 차, 반사율 차를 이용하여, 실제 소자 부분의 상(像)을 CCD 카메라에 의해 관찰하는 방법이 개시되어 있다.
그러나, 이 방법을 이용하여도, 반도체 기판의 전역에 걸쳐 소자의 계측이나 치수, 형상을 제어하는 것은 어렵고, 특히 전류 협착부의 치수를 10㎛ 이하로 형성하는 경우, 산화 속도가 프로세스 조건에 민감하게 반응하는 것 외에, 이하에 설명하는 「이방성 산화」가 발생하는 등, 고정밀도의 제어가 매우 곤란하다.
즉, Al을 고농도로 포함하는 AlAs층이나 AlCaAs층을 선택 산화층으로서 이용할 때, 예를 들면 AlxGa1-xAs(x>0.94)층에서는, <100>축 방향의 산화는 <110>축 방향보다도 산화 속도가 빠르다. 이와 같이 면방위에 대하여 산화 속도가 다르기 때문에, 선택 산화 프로세스에서 비 산화 영역의 형상이 산화 시간에 대하여 변화하는 문제가 있다. 이 점에 대해서는, 후에 구체예를 들어 더욱 상세히 설명한다.
한편, 선택 산화 방식의 면 발광 레이저에 있어서, AlAs 또는 Al을 고농도로 포함하는 AlGaAs층을 수증기 산화하면, 피산화층의 체적이 수축하여, 위 아래의 층에 왜곡이 생기는 문제가 있다. 산화층 Alx(Ga)Oy는, 원래의 Al(Ga)As층에 비하여 체적 수축(7%∼13% 정도)이 발생하기 때문에, 산화 후, 활성층이나 메사 구조의 중심부에 대하여 압축 응력이 인가된다. 전류 협착을 효과적으로 행하기 위해서는, 전류 블록층이 되는 피산화층에 어느 정도의 두께가 필요하지만, 이 층이 두꺼울 수록 왜곡이 커진다. 또한, 그 왜곡은 산화층의 선단에 집중하지만, 피산화층은 활성층에서부터 0.2㎛ 정도의 매우 가까운 거리에 형성되기 때문에, 이 왜곡이, 활성층의 가장 전류가 집중하는 영역에 영향을 미쳐서, 소자의 수명 저하를 가져온다.
특히, 선택 산화 프로세스 후의 열 프로세스에 대한 내성은 저하한다. 따라서, 종래의 선택 산화 방식의 면 발광 레이저에서는, Al 고농도층(피산화층)의 산화에 수반하는 체적 수축에 의해서, 활성층, 메사 구조 중심부로 압축 응력이 인가되어, 소자의 신뢰성, 수명의 저하, 열내성의 열화가 발생하는 문제가 있었다.
본 발명의 제1 면발광형 반도체 레이저는, 피산화층을 포함하는 메사의 측면에서부터 상기 피산화층의 산화를 진행시켜 형성한 산화 영역을 형성하는 것에 의해, 상기 피산화층이 산화되지 않은 부분에 전류를 협착시키는 면발광형 반도체 레이저로서,
상기 피산화층은, 상기 산화되지 않은 부분을 실질적으로 둘러싸는 위치에, 프로톤이 주입된 프로톤 함유 영역을 갖는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 제2 면발광형 반도체 레이저는, 제1 및 제2 반사경과, 상기 제1 및 제2 반사경 사이에 형성된 활성층과, 산화되지 않은 부분과, 상기 산화되지 않은 부분의 주위에 형성되어 산화된 산화 영역을 갖는 피산화층을 구비하며, 상기 산화되지 않은 부분에 전류를 협착하고, 상기 제1 및 제2 반사경 사이에서 레이저 발진하는 면발광형 반도체 레이저로서,
상기 피산화층은, 상기 산화되지 않은 부분을 실질적으로 둘러싸는 위치에, 프로톤이 주입된 프로톤 함유 영역을 갖는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 제3 면발광형 반도체 레이저는, 기판과, 상기 기판의 위에 형성되고 발광 영역을 갖는 활성층과, 상기 활성층을 협지하고, 상기 기판에 대하여 수직 방향의 공진기를 구성하는 제1 및 제2 반도체 다층막 반사경과, 상기 활성층에 전류를 주입하기 위한 한쌍의 전극과, 상기 활성층의 위 또는 아래에 형성된 피산화층을 구비하며,
상기 피산화층을 포함하는 메사가 형성되고, 상기 피산화층은, 상기 메사의 측면에서부터 상기 발광 영역의 근방에 이르는 저항이 높은 산화 영역과, 상기 산화 영역에 둘러싸이고 저항이 낮은 산화되지 않은 부분과, 상기 산화되지 않은 부분을 실질적으로 둘러싸는 위치에 형성되고 프로톤이 주입된 프로톤 함유 영역을 갖는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 면발광형 반도체 레이저의 제조 방법은, 피산화층의 일부를 산화시켜 형성한 산화 영역을 형성하는 것에 의해 상기 피산화층이 산화되지 않은 부분에 전류를 협착시키는 면발광형 반도체 레이저의 제조 방법으로서,
상기 피산화층에 프로톤을 선택적으로 도입하여 프로톤 함유부를 형성하는 공정과,
상기 피산화층의 단부로부터 상기 프로톤 함유부에 이를 때까지 산화를 진행시키는 것에 의해 상기 산화 영역을 형성하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 한다.
<실시예>
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명한다.
(제1 실시예)
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 면발광형 반도체 레이저의 구조를 도시하는 모식도로서, (a)는 평면도, (b)는 (a)의 A-A'선 단면도이고, (c)는 (b)의 전류 협착부(14) 부근을 확대한 단면도이다.
이 면발광형 반도체 레이저는, 기판(1) 위에 형성된, 발광 영역(13)을 갖는 반도체 활성층(4)과, 반도체 활성층(4)을 협지하고 기판(1)에 대하여 수직 방향의 공진기를 형성하는 반도체 활성층(4)측에서 보았을 때 기판(1)과는 반대측에 형성된 제1 반도체 다층막 반사경(6)과, 반도체 활성층(4)측에서 보았을 때 기판(1)측에 형성된 제2 반도체 다층막 반사경(2)을 갖는다. 반도체 활성층(4)의 상하에는, 반도체 클래드층(3)과 반도체 클래드층(5)이 형성되어 있다.
반도체 다층막 반사경(2, 6)은 굴절률이 다른 복수 종류의 반도체층을 교대로 적층한 구조를 갖는다. 각각의 반도체층은, 레이저광의 파장에 대하여 광학 파장이 1/4의 두께를 갖는다. 이러한 다층막 반사경을, 예를 들어, DBR(distributed bragg reflector)이라고 칭한다.
제1 반도체 다층막 반사경(6)의 위에는, 컨택트층(7)이 형성되고, 이들을 개재하여 발광 영역(13)에 전류를 주입하기 위한 컨택트 전극(9)이 형성되어 있다. 또한, 컨텍트 전극(9)은 발광 영역(13) 상을 개구하도록 형성되어 있다.
기판(1)의 이면측에는, 전극(10)이 형성되고, 제2 반도체 다층막 반사경(2) 을 개재하여, 발광 영역(13)에 전류를 주입하도록 되어 있다.
제1 반도체 다층막 반사경(6), 반도체 활성층(4), 반도체 클래드층(3) 및 반도체 클래드층(5)은, 볼록한 형상의 메사부(100)를 형성하고 있다. 제1 반도체 다층막 반사경(6)과 반도체 활성층(4)을 포함하는 메사부(100)의 주변에는, 메사 형성용의 에칭 영역(12)이 형성되어 있다.
제1 반도체 다층막 반사경(6)을 구성하는 반도체층 중 어느 하나는, 알루미늄(Al)을 고농도로 포함하는 피산화층(6a)으로 되어 있다. 피산화층(6a)은, 메사부(100)의 측벽으로부터 발광 영역(13)을 향해 가로방향으로 산화되어 형성된 산화 영역(600)을 갖고, 이의 내측이 전류 협착부(14)로 되어 있다. 그리고, 산화 영역(600)의 선단부에는 프로톤 주입 영역(15)이 형성되어 있다. 프로톤 주입 영역(15)은 피산화층(6a)의 산화 속도를 저하시켜 전류 협착부(14)의 개구 형상을 제어하는 역할을 한다. 이와 같이 하여 형성된 전류 협착부(14)에 의해, 발광 영역(13)에의 전류를 모을 수 있다.
도 1에서는, 피산화층(6a)을 3층 형성한 경우를 예시했지만, 본 발명은 이에 한정되지 않고, 피산화층(6a)은 1층만이라도 되며, 또는 2층 혹은 4층 이상 형성하여도 된다.
메사 형성용 에칭 영역(12)의 표면에는 폴리이미드(11)가 형성되고, 이 위에 본딩 패드(17)가 형성되어 있다. 본딩 패드(17)는, 배선(9a)에 의해서 컨택트 전극(9)과 접속되어 있다.
본 실시예의 면발광형 반도체 레이저는, 프로톤 주입 영역(15)을 갖기 때문 에, 메사부(100)의 측벽으로부터 발광 영역(13)을 향하여 피산화층(6a)을 가로방향으로 산화할 때, 피산화층(6a) 중에 프로톤이 주입된 부분(16)에서 산화 속도를 프로톤 농도에 비례하여 크게 감속할 수 있다.
도 2는 본 실시예에서 피산화층(6a)을 산화하는 공정을 도시한 공정 단면도이다. 즉, 도 2의 (a)에 도시한 바와 같이, 피산화층(6a)의 단부면은 메사의 측면에 노출되고, 또한 메사 내부에서는 프로톤이 주입된 프로톤 주입 영역(15)이 형성되고, 피산화층(6a)에도 프로톤이 도입된 부분(16)이 형성되어 있다.
이 상태에서, 도 2의 (b)에 도시한 바와 같이, 메사 측면에 노출되어 있는 피산화층(6a)의 단부면으로부터 산화를 진행시키면, 산화 영역(600)이 도면에 화살표로 나타낸 방향으로 넓어진다.
그리고, 도 2의 (c)에 도시한 바와 같이, 산화 영역(600)이 프로톤 주입 영역(15)에 다다르면, 산화 속도가 저하하여, 산화 영역(600)의 선단을 이 영역(15) 내에 용이하게 정지시킬 수 있다. 나중에 상술하는 바와 같이, 본 발명에서는, 1×1018/㎤ 정도의 비교적 저농도의 프로톤의 존재에 의해서, 산화 속도를 5분의 1 정도까지 감속시킬 수 있다. 이에 따라, 프로톤 주입 영역에서 산화를 정지시키는 것이 용이해진다.
그 결과, 메사부(100)의 측벽에서부터 피산화층(6a)을 산화하여 전류 협착부(14)를 형성할 때, 발광 영역(13)의 치수 및 형상을 정밀하게 제어할 수 있다. 또한, 동일 웨이퍼 상에 형성한 복수의 소자 사이에서 전류 협착부(14)의 치수의 편차를 억제할 수 있고, 또한 이방성 산화에 의한 전류 협착부(14)의 형상의 왜곡을 억제하는 것도 가능하게 된다.
이에 따라, 선택 산화 방식의 면발광형 반도체 레이저의 제작에 있어서, 출사 빔 패턴의 치수 및 형상의 제어성, 균일성, 재현성이 높아지고, 발진 임계값, 광 출력, 횡 모드 제어 등, 레이저 특성에 대해서도 소자간의 편차가 억제되어 고성능의 면발광형 반도체 레이저 소자를 높은 수율로 양산하는 것이 가능하다.
도 3은 Al을 고농도로 포함하는 AlGaAs층을 수증기 산화하였을 때의 산화시간에 대한 산화 길이의 변화를 나타내는 그래프이다. 여기서, 「산화 길이」란 수증기 분위기에 노출된 AlGaAs의 단부면에서 측정한 산화 부분의 길이를 말한다. 도면에서, 산화 속도의 재현성은, ±10% 전후의 오차를 포함하며, 현상의 산화 프로세스에서는 재현성 좋고 고정밀도로 제어하는 것은 곤란하다는 것을 알 수 있다.
예를 들면, 메사(100)를 45㎛2, 전류 협착부(14)의 개구를 5㎛2의 형상으로 하는 면발광형 반도체 레이저를 제작하는 경우, 측벽으로부터의 피산화층(6a)의 산화 길이는 20㎛로 설정된다. 피산화층(6a)의 산화 속도의 재현성에는, 통상은 거의 ±10% 정도의 편차가 생긴다. 이 때, 프로톤 주입 영역(15)을 갖지 않는 선택 산화 프로세스 공정인 경우, 산화 길이는 20㎛±2㎛(즉, 18㎛∼22㎛)가 된다. 따라서, 전류 협착부(14)(개구부)의 치수는 (메사 치수 45)-2×(산화 길이 20±2) = 5±4㎛가 되고, 전류 협착부(14)의 치수 정밀도는, 목표치에 대하여 ±80%도 편차가 생기게 된다. 이와 같이, 원하는 전류 협착부(14)의 치수(빔 치수)가 10㎛ 이 하가 되면, 목표치에 대한 실제의 치수의 편차율은 매우 커진다.
이에 대하여, 본 실시예의 면발광형 반도체 레이저에서는, 프로톤 주입 영역(15)을 갖기 때문에, 메사부(100)의 측벽에서 발광 영역(13)을 향하여 가로방향으로 피산화층(6a)이 선택 산화될 때, 프로톤이 주입된 부분(16)에서, 피산화층(6a)의 산화 속도는 함유 프로톤 농도에 거의 비례하여 크게 감속된다.
도 4의 (a)는 Al을 고농도로 포함하는 AlGaAs층을 수증기 산화할 때의 함유프로톤 농도에 대한 산화 속도의 의존성을 나타내는 그래프이다. 횡축은 AlGaAs층에 함유되는 프로톤 농도를 나타내고, 종축은 프로톤을 함유하지 않는 경우의 산화 속도를 「1」로 하였을 때의 상대적인 산화 속도를 나타낸다.
도 4의 (a)로부터, Al을 고농도로 포함하는 AlGaAs층의 산화 속도는, 프로톤을 1×1018/㎝3 정도의 농도가 되도록 도입함으로써, 약 20퍼센트 정도의 속도까지 크게 감속할 수 있음을 알 수 있다.
종래, 프로톤을 주입하여, 반도체층을 고저항화하는 기술이 이용되고 있다. 고저항화하기 위해서는, 전형적으로는, 도우즈량으로 1×1015/㎤ 정도의 프로톤을 주입할 필요가 있다. 이것은 농도로 환산하면 1×l020/㎤에 가까운 농도가 된다.
이에 대하여, 본 발명에 따르면, 1/10 내지 1/100 정도의 양의 프로톤에 의해, 반도체층의 산화를 충분히 감속시킬 수 있다. 즉, 나중에 구체예로서 예를 드는 바와 같이, 5×1013/㎠ 정도의 도우즈량으로, 프로톤의 농도를 1×1018/㎤로 할 수 있어, 반도체층의 산화를 충분히 감속시킬 수 있다.
즉, 본 발명에 따르면, 반도체층을 고저항화시키지 않고 산화 속도를 저하시킬 수 있다. 따라서, 레이저의 활성 영역 전체에 프로톤을 주입하는 것도 가능하다.
도 5는 레이저의 전류 협착부(4)의 전체에 프로톤을 도입한 구체예를 도시하는 모식도로서, (a)는 주요부 평면도, (b)는 일부 확대도, (c) 및 (d)는 각각, (a) 및 (b)의 A-A'선 단면도이다.
본 구체예에서, 프로톤 주입 영역(15)이 전류 협착부(14)의 전체를 피복하도록 형성되어 있다. 프로톤의 주입량을 적절하게 조절하면, 전류 협착부(14)의 저항을 너무 높게 하지 않고, 산화의 진행을 저지하여 소정의 전류 협착 구조를 정밀하게 형성하는 것이 가능하다.
도 4의 (b)는 Al(Ga)As층의 산화 시간에 대한 산화 길이의 변화의 재현성을 본 실시예인 경우와 종래예(도 3)를 같이 나타낸 그래프이다.
본 실시예에서는, 피산화층(6a)인 AlGaAs층의 프로톤 주입 부분(16)에서 산화의 진행이 억제됨으로써, 산화 길이의 목표치로부터의 편차는 ±2㎛에서 ±0.8㎛로 절반 이하로 억제할 수 있는 것을 알 수 있다.
도 6은 프로톤 주입 영역이 형성된 면발광형 반도체 레이저의 일례를 도시하는 모식도로서, (a)는 주요부 평면도, (b)는 일부 확대도, (c) 및 (d)는 각각, (a) 및 (b)의 A-A'선 단면도이다.
도 6에 도시한 바와 같이, 4㎛2으로부터 6㎛2까지 사이의 2㎛ 폭의 영역에 프로톤 주입을 행하고, 4㎛2으로부터 6㎛2 내에서의 피산화층(6a), Al(Ga)As층에 주입되는 프로톤 농도를 1×1018/㎝3로 한다. 또한, 산화 속도의 재현성이 통상의 ±10% 내의 정밀도라고 하면, 전류 협착부(14)의 소망 치수가 되는 영역에 형성된 프로톤 주입 영역(15(l6))에 의해 산화의 진행이 억제되고, 그 결과 산화 길이는 20±0.8㎛(즉, 19.2㎛∼20.8㎛)의 정밀도로 재현한다. 즉, 전류 협착부(14)의 개구경은 (메사 직경 45㎛)-(산화 길이 20±0.8㎛)=5±1.6㎛가 된다.
이 때, 목표치에 대한 편차율은 ±32%에 들어가게 됨으로써, 종래의 80%에 비하여, 약 50%의 개선이 도모되어, 전류 협착부의 치수의 제어성이 크게 개선되는 것을 알 수 있다.
또한, 본 발명은, 목표치에 대한 치수의 편차율이 커지는 10㎛ 이하인 경우, 전류 협착부(14)의 개구경의 제어성, 재현성, 균일성의 향상을 도모하는 데에 있어서 매우 효과적이 된다. 전류 협착 직경을 10㎛ 이하로 축소함으로써, 2중의 폐쇄 효과가 얻어져, 매우 낮은 임계값 전류 동작(서브 mA) 등 고성능화가 가능하게 된다.
한편, 본 실시예에 따르면, 이방성 산화에 의한 형상의 왜곡도 보정 가능하다.
도 7은, 프로톤 주입 영역(15)을 형성하지 않고서 원주형의 메사(100)의 피산화층을 그 측면에서부터 산화했을 때의 산화 영역(600) 및 전류 협착부(14)의 형 상의 산화 시간에 대한 변화, 이방성 산화의 패턴을 예시한 단면도이다. 참조 부호 12는 메사 주위의 기판부를 나타낸다.
산화 시간의 증가와 함께, 산화 영역(21)은 넓어져 가지만, 이 때 a 및 b로 나타낸 방향에서는 산화 속도가 느리고, 비 산화 영역(14)은, a 및 b로 나타낸 방향을 꼭지각으로 하는 마름모꼴로 되어 가는 패턴을 알 수 있다. 또한, 이 마름모꼴은 산화 시간이 길어지면 종횡의 차가 확대되어 가는 것도 알 수 있다.
이와 같이 산화 영역의 치수나 발광 영역이 되는 형상을 제어하는 것은, 선택 산화 방식으로는 어렵고, 발광 영역(비 산화 영역 혹은 전류 협착부 또는 출사 빔) 치수 및 형상, 횡 모드 제어가 어렵고, 또한 발진 임계값, 광 출력 등의 레이저 특성의 편차가 발생하기 쉽다고 하는 문제가 있다.
이에 대하여, 본 실시예에 따르면, 면방위의 산화 속도에 대응하여, 프로톤 주입 영역(15)의 패턴 치수나 배치를 연구하는 것에 의해 보정 가능하다. 상기 구체예와 마찬가지의 메사 치수 45㎛2으로, 5㎛2의 전류 협착부(14)를 선택 산화에 의해 형성하는 경우에는, 도 8의 (a) 내지 (d)에 도시한 바와 같이, 프로톤 주입 영역(15)의 폭을, 산화 속도가 빠른 방위에 대해서는 4㎛∼6㎛의 2㎛ 폭으로 하고, 산화 속도가 느린 방위에 대해서는 5㎛∼6㎛의 1㎛의 폭으로 하면 된다. 즉, 프로톤 주입 영역(15)의 패턴 폭을 이방성 산화 속도에 맞추어 설정한다.
이 때, 피산화층(6a), 즉 Al(Ga)As층에 주입되는 프로톤 농도가 1×1018/㎤가 되도록 이온 주입을 행한 것에, 선택 산화 프로세스를 실시했을 때, 종래예보다 도 전류 협착부(14)의 이방성이 완화되어, 원하는 정방형의 형상 및 치수의 전류 협착부(14)가 얻어진다. 보다 구체적으로는, 프로톤 주입 영역(15)의 패턴을 조절함으로써, 이방성 산화에 의한 전류 협착부(14)의 형상의 왜곡은, 종래에서는 세로와 가로에서 0.7㎛의 치수 차를 발생하였으나, 본 실시예에서는 0.1㎛로 저감되었다.
또한, 기판(1)으로서, 통상의 (100)면 등의 면방위의 기판으로부터 임의의 각도 경사시킨 경사 기판(1)을 이용한 경우, 이방성 산화에 의한 형상의 왜곡은 더욱 현저하게 된다. 예를 들면, 원형의 메사 구조에서는, 도 9의 (a)에 도시한 바와 같이 개구부(전류 협착부(14))의 형상은, 왜곡된 마름모꼴이 된다(여기서의 경사각은, 예를 들면 10°정도이다).
이에 대하여, 본 실시예에서는, 우선, 경사 기판에서의 각 면방위의 산화 속도를 구하고, 원하는 치수 및 형상이 얻어지도록 프로톤 주입 영역(15)의 패턴을 결정할 수 있다.
도 9의 (b)은, 경사 기판을 이용한 경우의 프로톤 주입 영역(15)의 패턴을 예시하는 평면도이다. 이 패턴을 이용하여, 피산화층(6a)의 프로톤 주입 부분(16)에 원하는 농도가 얻어지는 조건으로 이온 주입 처리한 후, 메사 측면에서부터 선택 산화 프로세스를 행한다. 그 결과, 도 9의 (c)에 도시한 바와 같이, 원하는 정방형의 형상 및 치수의 전류 협착부(14)가 얻어진다. 예를 들면, 종래예(도 9(a))에서는 세로와 가로에서 약 1.1㎛의 치수 차를 발생하고 있었으나, 본 실시예(도 9(c))에서는 세로와 가로의 치수 차를 0.1㎛로까지 저감할 수 있다.
이 때 산화 속도의 제어성을 높게 하기 위해서는, 피산화층(6a)의 프로톤 주입 부분(16)의 프로톤 농도 및 치수에 대하여, 농도 1×1017/㎤ 이상의 영역을 폭 l∼10㎛에 걸쳐 형성하는 것이 적합하고, 또한 산화 시간 및 소자 저항을 증대시키지 않기 위해서도 적합한 조건으로 되는 것을 알 수 있다.
다음으로, 도 1에 도시한 본 실시예의 면발광형 반도체 레이저의 제조 방법에 대하여 구체적으로 설명한다.
먼저, 세정된 두께 400㎛의 직경 3인치, 면방위 (100)의 n형 GaAs 기판(1)의 위에, MOCVD 장치를 이용하여 n형의 반도체 다층막 반사경(2), 클래드층(3), 반도체 활성층(4), 클래드층(5), 전류 협착부(14)가 되는 피산화층(6a), p형의 반도체 다층막 반사경(6), 컨택트층(7)을 순차 성장한다.
일례로, 반도체 활성층(4)과 클래드층(3 및 5)으로 이루어지는 공진기의 상하에 반도체 다층막 반사경(2 및 6)을 배치한 것을 기본 구조로 하고, 1.3㎛대의 GalnNAs 면발광형 반도체 레이저를 형성하는 구체예에 대하여 설명한다.
이 경우에는, 반도체 다층막 반사경(2)은, 파장 1.3㎛의 광학 파장 1/4의 두께로 n형 GaAs층(고 굴절률 층)과 n형 AlyGa1-yAs(0<y<1)(저 굴절률 층)가 교대로 적층된 구조로 한다. 본 구체예에서는, Al 조성 y=0.94의 Al0.94Ga0.06As층을 저 굴절률 층으로서 이용할 수 있다.
또한, 반도체 다층막 반사경(2)의 n형 도우펀트로서, 실리콘(Si)을 이용하 고, 도우펀트 농도를 2×1016/㎤로 할 수 있다. 클래드층(3)은 n형 GalnP로 한다.
반도체 활성층(4)은, 발광 피크 파장이 1.3㎛로 되도록 조정한 GaxIn1-xAsyN 1-y(0≤x≤1, 0≤y<1)층과, 배리어층으로서 GaAs층을 교대로 적층한 양자 웰 구조로 한다. 여기서는, GaxIn1-xAsyN1-y(0≤x≤1, 0≤y<1)층을 중심으로 하여, 그 상하에 GaAs층을 적층한 3층 구조로 한다. 양자 웰 층인 GaxIn1-xAsyN1-y (0≤x≤1, 0≤y<1)층의 In 조성은 30%∼35%, 질소(N) 조성은 0.5%∼1.0%로 하고, 두께는 7㎚로 한다.
이 GaxIn1-xAsyN1-y(0≤x≤1, 0≤y<1)층의 격자 상수는, n형 GaAs 기판(1)보다 크도록 조성을 제어하고, 약 2.5%의 압축 왜곡을 내재하는 조성 Ga0.66In0.34As0.99 N0.01로 한다. 이와 같이 왜곡을 도입하면, 레이저의 미분 이득 계수가 증대하여, 무왜곡인 경우에 비하여 임계 전류값을 한층 저감할 수 있다.
클래드층(5)은 p형 GaInP로 한다. 또한, 반도체 다층막 반사경(6)은, 파장 1.3㎛의 광학 파장 1/4의 두께로 p형 GaAs층(고굴절률 층)과 p형 AlyGa1-yAs(0<y<1)(저 굴절률 층)가 교대로 적층된 구조로 할 수 있다. n형 반도체 다층막 반사경(2)과 마찬가지로, Al 조성 y=0.94의 Al0.94Ga0.06As층을 저 굴절률 층에 이용할 수 있다.
또한, 반도체 다층막 반사경(6)의 p형 도우펀트로서는, 탄소(C)를 이용하여, 그 도우펀트 농도가 2×1018/㎤(양자 웰 층(3) 부근)∼1×1019/㎤(컨택트층(7) 부근) 와 같이 깊이 방향으로 변화하게 한다.
피산화층(6a)은, 반도체 다층막 반사경(6)을 구성하는 AlGaAs층 중 어느 한 층 또는 복수의 층의 Al 조성비 x를 보다 크게 함으로써 형성한다. 구체적으로는, 피산화층(6a)으로서는 AlxGa1-xAs(x>0.98)를 이용할 수 있다. 본 구체예에서는 AlAs층을 이용한다. 컨택트층(7)은 p형 GaAs로 하고, p형 도우펀트로서 C(탄소)를 이용하고, 도우펀트 농도는 2×1019/㎤로 하였다.
다음으로, 포토 리소그래피와 에칭 공정에 의해 n형 반도체 다층막 반사경(2)의 상부까지 에칭을 행하여, 메사(100)를 형성한다. 구체적으로는, 예를 들면, ICP(Inductively Coulpled Plasma) 플라즈마 드라이 에칭 장치에 의해, 삼염화붕소·질소 혼합 가스에 의한 에칭 처리를 행한다. 이 때, 안테나 출력, 바이어스 출력, 기판 온도를 조정함으로써, 이방성 에칭이 발생하는 조건에 의해 메사(100)를 형성한다. 여기서는, 전류 협착부(14)를 5㎛2의 형상으로 하는 면발광형 반도체 레이저의 제작을 행하기 때문에, 45㎛2의 메사(100)가 얻어지도록 수직으로 에칭을 행한다.
다음으로, 프로톤 주입 영역(15)을 형성한다. 여기서는, SiO2막(8) 및 레지스트 패턴을 인프라 마스크에 사용하여, 프로톤의 인프라 주입을 행한다. 다음의 공정의 선택 산화에 있어서, 이 공정으로 형성한 피산화층(6a)의 프로톤 주입 부분(16)에서, 산화 속도는 프로톤 농도에 비례하여 크게 감속한다. 도 4의 (a)에 대하여 상술한 바와 같이, 기판 온도 400℃에서의 AlGaAs층(6a)의 산화 속도의 프 로톤 농도 의존성을 살펴보면, 프로톤 농도가 1×1017/㎤ 이상에서는, 산화 속도는 1/3 이하로 저하한다.
1×1017/㎤∼1×1018/㎤ 정도의 프로톤 농도에서는, 반도체 다층막 반사경(6)의 탄소(C)의 도핑 농도에 비하여 낮고, 주입 영역은 거의 고저항화되지 않는다. 즉, 프로톤이 주입된 부분에서 프로톤의 농도를 소정의 범위로 제어하면, 피산화층(6a)의 산화 속도를 제어할 수 있으며, 또한 소자 저항은 높게는 되지 않는다. 또한, 프로톤 주입 공정에서는, 가속 전압에 의해, 프로톤의 침입 깊이, 분포의 제어, 또한 도우즈량에 의해, 전류 협착부(14)에 중복되는 프로톤 농도의 제어가 가능하다.
구체적으로는, 피산화층(6a), AlAs층(여기서는, 표면으로부터 깊이 2.6㎛에 위치함)의 이온 주입 영역(16)의 프로톤 농도가 1×1018/㎤가 되도록, 가속 전압을 320keV, 도우즈량을 5×1013/㎤로 하여 이온 주입을 행한다. 또한, 여기서 치수 및 이방성 산화를 제어하기 위한 프로톤 주입 영역 패턴을 적절하게 이용하는 것이 가능하다.
다음으로, 수증기 분위기 속에서 400℃∼450℃의 열 처리를 행하고, 피산화층(6a)을 메사(100)의 측면에서부터 가로방향으로 선택 산화하여 산화 영역(600)을 형성한다. 이 때, 프로톤 주입 영역(15)을 갖기 때문에, 메사(100)의 측벽으로부터 발광 영역(13)을 향하여 가로방향으로 산화될 때, 피산화층(6a)의 프로톤 주입 부분(16)에서 산화 속도는 프로톤 농도에 비례하여 크게 감속하고, 산화 시간을 조정함으로써, 산화가 프로톤 주입 영역 내에서 정지되어, 원하는 전류 협착 치수 및 형상이 얻어진다.
종래의 선택 산화 프로세스에서는, 산화 속도의 재현성의 문제 외에, 기판면 내에서도 치수 편차가 발생하기 때문에 산화 길이의 치수의 균일성이 나쁘다. 이에 대하여, 본 구체예의 소자에 대하여, 전류 협착 치수의 면내 편차(3인치 웨이퍼면내)를 평가한 결과, 3σ 값은, 종래에 비하여 약 40%의 개선이 보이고, 면내 치수 편차에 대하여도 큰 효과가 있는 것으로 나타났다. 또한 이방성 산화에 의한 형상의 왜곡도, 세로와 가로의 치수 차가 약 0.7㎛에서 약 0.1㎛로 저감되었다.
다음으로, 폴리이미드(11)를 이용하여 메사 에칭부(12)를 매립하고, 그 위에 본딩 패드(17)를 형성한다. 다음으로, 배선부(18)가 형성되어야 할 부분과 광 추출구가 될 p형 반도체 다층막 반사경(6) 상의 절연막(8)을 제거하고, p형 GaAs 컨택트층(7) 상에 p측 전극(9)을 형성한다. 이 때, 본딩 패드(17)와 p측 전극(9)을 연결하는 배선(18)을 동시에 형성하고, 그 후, 기판 이면에는 n측 전극(10)을 형성한다.
이와 같이 하여 제작한 면발광형 반도체 레이저에 있어서, 파장 1.3㎛에서 활성층의 압축 왜곡 도입의 효과에 의해 저 임계 전류 밀도(1kA/㎠)에서의 실온 연속 발진이 얻어지고, 고온에서의 특성도 양호하였다. 또한 이방성 산화에 의해 발생하는 비 산화 영역, 출사빔 패턴의 형상이 개선되어, 원하는 빔 패턴 형상이 얻어졌다. 이 결과, 횡 모드의 안정화가 도모되었다. 또한 면내 전역에 걸쳐 재현 성 좋고, 치수 및 형상이 균일화되어, 단일 모드 발진, 임계값, 광 출력 등의 레이저 특성도 균일화되며, 고성능의 면발광 반도체 레이저 소자의 양산성이 향상되었다. 특히 전류 협착부(14)가 둘러싸는 빔 직경의 치수가, 목표치에 대한 치수의 편차율이 커지는 10㎛ 이하인 경우, 치수의 제어성, 재현성, 균일성의 향상을 도모하는 데에 있어서 본 발명이 유효하다는 것을 알았다.
도 10은 본 실시예의 변형예의 면발광형 반도체 레이저를 도시하는 모식도로서, 도 1의 (b)에 대응하는 단면도이다.
도 1의 (b)에 도시한 구조인 경우, 상부 전극(9)의 개구경은 전류 협착부(14)와 동등 또는 크고, 상부 전극(9)의 선단은 프로톤 주입 영역(15)의 위에 형성되어 있다.
이에 대하여, 본 변형예에서는, 상부 전극(9) 개구경이 전류 협착 직경(14)보다도 작고, 상부 전극(9)의 선단은 프로톤 주입 영역(15)보다도 내측의 발광 영역의 위까지 연장되어 있다. 이와 같이 해도, 주입한 프로톤 농도는, 컨택트 저항이나 전류 협착 경로의 변화를 미칠 정도로 크지 않기 때문에, 도 1의 구조의 소자와 마찬가지로 본 발명의 효과가 얻어진다.
(제2 실시예)
다음으로 본 발명의 제2 실시예에 대하여 설명한다.
도 11은 본 발명의 제2 실시예에 따른 면발광형 반도체 레이저의 모식도로서, (a)는 평면도, (b)는 (a)의 A'-A선 단면도, (c)는 (a)의 B'-B선 단면도이다. 도 11에서, 도 1 내지 도 10에서 설명한 것과 마찬가지의 요소에는 동일한 부호를 붙이고 상세한 설명은 생략한다.
본 실시예에서는, 제1 반도체 다층막 반사경(6) 및 반도체 활성층(4)을 포함하는 메사(100)의 주변에 오목부(120)가 형성되어 있다. 이 오목부(120)에 의해, 메사(100)와 사이를 두고 주변부(50)가 형성되어 있다. 또한, 주변부(50)도 메사(100)와 동일한 적층 구조를 갖고 있으며, 메사(100)의 표면과 이 주변부(50)의 표면은 거의 동일한 높이로 형성되어 있다.
주변부(50)의 위에는 주변 전극(9b)이 형성되어 있다. 그리고 컨택트 전극(9)과 주변 전극(9b)은 배선부(18)에 의해서 연결되어 있다. 또한, 주변 전극(9b)과 본딩 패드(17)는 배선부(9a)에 의해 연결되어 있다.
한편, 컨택트층(7)의 위에는, 예를 들면 실리콘 질화막으로 이루어지는 표면 보호막(8)이 형성되어 있다.
이와 같은 면발광형 반도체 레이저는 화살표(19)로 나타낸 바와 같이, 컨택트 전극(9)으로부터 제1 반도체 다층막 반사경(6)을 개재하여 발광 영역(13)에 전류를 주입함으로써 발광한다.
이 면발광형 반도체 레이저는 컨택트 전극(9)과 본딩 패드(17)와 이들을 연결하는 배선부(9a)가 거의 동일 레벨로 형성되어 있고, 평탄화 처리를 필요로 하지 않는 구조로 되어 있다. 이 때문에, 배선의 절단을 방지할 수 있는 이점을 갖는다.
또한, 도 11의 (c)에 도시한 바와 같이, 컨택트 전극(9)과 주변 전극(9b)을 연결하는 배선부(18)의 하층에, 프로톤 주입에 의해 형성된 고저항 영역(150)을 형 성함으로써, 화살표(22)로 나타낸 바와 같은 전류 패스에 의한 전류 성분을 차단할 수 있다. 따라서, 이 면발광형 반도체 레이저에서는, 화살표(19)로 나타낸 전류 버스에 의해서만 전류를 흘리는 것이 가능하여, 매우 효율적으로 전류 협착을 할 수 있어, 저임계치화, 고속 응답성, 양산성의 향상이 가능하게 된다.
또한, 이 면발광형 반도체 레이저는, 인장 응력을 갖는 막(8)을 형성함으로써, 선택 산화 프로세스 등의 열 프로세스에 수반하여 발생하는 압축 응력이 활성층이나 메사 구조 중심부로 인가되는 것을 완화할 수 있다. 또한, 피산화층(6a)에의 프로톤 주입에 의해, 산화 영역의 이방성 산화 형상을 보정할 수 있기 때문에, 계면에서의 균열이나 파손이 억제되고, 선택 산화 프로세스 후의 열 프로세스에 대한 내성도 높아져, 소자의 신뢰성의 향상, 장기 수명화가 가능하게 된다.
또한, 출사 빔 패턴의 치수 및 형상의 제어성, 균일성, 재현성이 높아지므로, 발진 임계값, 광 출력, 횡 모드 제어 등, 레이저 특성에 대해서도 소자 사이의 편차가 억제되어, 고성능의 면발광형 반도체 레이저 소자의 양산성이 향상된다.
다음으로 이 면발광형 반도체 레이저의 제작 방법에 대하여 구체적으로 설명한다.
우선, GaAs 기판(1)의 위에 반도체 적층 구조를 성장시킨다. 상세한 내용은 제1 실시예에 관하여 상술한 것과 마찬가지로 할 수 있다.
다음으로, 패턴 형성용의 에칭 마스크막(8)으로서, Si3N4막을 형성한다. 이 때에, 원료 가스, SiH4, NH3, N2의 압력, 유량을 조정함으로써 막 응력을 제어하여, 150MPa의 인장 응력을 갖는 막으로서 형성하였다. 막(8)의 인장 응력의 값은, 수증기 산화 프로세스에서 에칭 마스크막(8)과 GaAs 기판(1) 사이에서 발생하는 열응력(thermal stress) σT를 고려하여 결정한다.
예를 들면, 수증기 산화 프로세스 온도를 420℃로 설정한 경우, Si3N4막(EF=160GPa, σF=2.7×10-7/K)와 기판의 GaAs(αs=6.0×10-6/K) 사이에서는, σT=-158MPa인 압축 응력이 발생한다. 즉, 기판(1)에 압축 응력이 인가된다. 따라서, 이 압축 응력을 완화하기 위해서, 인장 응력을 갖는 막(8)을 형성하여 활성층(4)에 인가되는 압축 응력을 완화하여, 열내성을 높인다. 또한, 에칭 마스크막(8)으로서, 인장 응력을 갖는 막을 형성함으로써, Al을 고농도로 포함하는 피산화층(6a)의 산화에 수반되는 체적 수축에 의해 인가되는 활성층(4), 메사 구조(100) 중심부에의 압축 응력도 완화되어, 계면에서의 균열이나 파손이 억제되고, 선택 산화 프로세스 후의 열 프로세스에 대하여도 내성이 높아져, 소자의 신뢰성의 향상, 장기 수명화가 도모된다.
한편, 종래예에서 많이 이용되고 있는 에칭 마스크막의 재료인 SiO2 박막(EF=74GPa, αF=0.4×10-6/K)을 이용하는 경우, 수증기 산화 프로세스에서, 에칭 마스크막(8)과 GaAs 기판(1) 사이에서 발생하는 열응력 σT=-124MPa의 압축 응력 외에, 성막 시의 응력도 -200MPa 정도의 압축 응력을 갖는 막이 되기 쉽다. 따라서, 수증기 산화 프로세스 및 프로세스 후에, 활성층에 인가되는 압축 응력은 더욱 증가하고, 열내성도 약해진다.
다음으로, 프로톤 주입 영역(15)을 형성한다. 여기서는, Si3N4막(8) 및 레지스트를 인프라 마스크에 사용하여, 아이솔레이션용 패턴(150) 및 선택 산화 제어용 프로톤 주입 영역(15)을 형성한다.
다음으로, 이온 주입 장치에 의해, 아이솔레이션용 패턴부(150)에는, 가속 전압 100, 200, 300keV, 도우즈량을 각각 1×1015/㎠ 조사하여, 프로톤을 주입하여 고저항 영역(150)을 형성한다. 이 때, 깊이 0.5∼2.5㎛ 영역에 균일하게 프로톤이 분포하고, 깊이 약 4㎛ 부근까지 고저항화 되어 있다(본 실시예에서는, 표면에서부터 활성층까지의 깊이는 약 3㎛).
또한, 선택 산화 제어용의 프로톤 주입 영역(15)에 대해서는, 피산화층(6a), AlAs층(표면에서부터 깊이 2.6㎛)의 이온 주입 영역의 프로톤 농도가 1×1018/㎤가 되도록, 가속 전압을 320keV, 도우즈량을 5×1013/㎠로 하는 조건으로 이온 주입을 행하였다. 선택 산화 제어용의 프로톤 주입 영역(15)의 프로톤 인프라 조건에서는, 주입 영역은 고저항되지 않는 농도이다. 그러나, 도 4의 (a)에 도시한 Al(Ga)As층의 산화 속도의 프로톤 농도 의존성으로부터 알 수 있듯이, 산화 속도는 1/3 이하로 저하한다.
따라서, 선택 산화층(6a)의 산화 속도를 제어할 수 있고, 또한 소자 저항도 높게 되지는 않는다. 또한, 여기서, 이방성 산화를 억제하기 위해서 프로톤 주입 영역 패턴을 적절하게 설정하여도 된다.
다음으로, p측 전극(9)과 광 추출구(23) 부분의 에칭 마스크막(8)을 제거하고, p형 GaAs 컨택트층 상에는 p측 전극(9)을 패터닝 형성하고, 또한 보호막(8)의 위에는, 배선부(9a), 주변 전극(9b), 배선부(18), 본딩 패드(17)를 패터닝 형성한다.
다음으로, 마찬가지의 포토리소그래피 공정에 의해 에칭 마스크막(8)에 메사 패턴을 형성하고, n형 반도체 다층막 반사경(2)의 상부까지 에칭을 행하여, 오목부(120)와 그것에 둘러싸인 메사(100)를 형성한다. 메사 패턴은, 상술한 바와 마찬가지로 ICP(Inductively Coupled Plasma) 플라즈마 드라이 에칭 장치에 의해, 삼염화붕소, 질소 혼합 가스에 의한 에칭 처리를 행할 수 있다.
또한 이 때, 안테나 출력, 바이어스 출력, 기판 온도를 조정함으로써, 이방성 에칭이 발생하는 조건으로 한다. 여기에서는, 전류 협착부(14)를 φ45㎛의 원형으로 하는 면발광형 반도체 레이저의 제작을 행하기 위해서, 메사(100)를 φ45㎛의 원주 형상으로 하는 에칭을 행한다.
다음으로, 수증기 분위기 속에서 400℃∼450℃의 열 처리를 행하고, 피산화층(6a)을 메사 측면의 노출부로부터 가로방향으로 선택적으로 산화하여 산화 영역(600)을 형성한다. 이 때, 측면으로부터의 산화 길이를 20㎛로 하여, 5㎛ 직경의 전류 협착부(비산화 영역)(14)를 형성할 수 있다. 본 구체예에 따라, 프로톤 주입 부분(16)을 형성함으로써, 종래 방식에 비하여, 전류 협착부(14)의 면내 치수 편차(3인치 웨이퍼면내)의 3σ값으로 약 40퍼센트의 개선을 볼 수 있다.
또한, 이방성 산화에 의한 형상의 왜곡도, 세로 방향과 가로방향에서, 종래에는 0.75㎛의 치수 차가 생겼으나, 본 구체예에서는 0.1㎛로 저감되었다. 또한, 본 구체예에서는 대칭성이 높은 산화 영역(600)이 형성되기 때문에, 피산화층(6a)의 체적 수축에 의해 활성층과 메사 구조 중심부에 인가되는 압축 응력은, 보다 등방적으로 인가되게 된다.
다음으로 기판 이면에 n측 전극(10)을 형성하여 레이저의 주요부가 완성된다.
이와 같이 하여 제작된 면발광형 반도체 레이저는, 파장 1.3㎛에서 활성층(4)의 압축 왜곡 도입의 효과 외에, 배선 패스 아래에 프로톤 주입에 의한 고저항 영역(150)을 형성함으로써 누설 전류(22)가 저지되어, 저임계 전류 밀도, 단일 모드의 실온 연속 발진이 얻어지고, 고온에서의 특성도 양호하였다.
또한 본 실시예에서의 구조는, 컨택트 전극(9), 배선부(18), 주변 전극(9b), 배선부(9a), 본딩 패드(17)가 거의 동일 레벨로 형성되어 있기 때문에, 절단이 없고, 또한 양산성에도 우수한 면발광 반도체 레이저를 제공할 수 있는 이점도 갖는다.
또한, 제1 실시예에 대하여 상술한 것과 마찬가지로 이방성 산화에 의해 발생하는 전류 협착부(14), 출사 빔 패턴의 치수 및 형상이 개선되어, 원하는 빔 패턴 치수 및 형상이 얻어진다. 또한, 대칭성이 높은 산화 영역이 형성되기 때문에, 선택 산화 프로세스에서의 활성층, 메사 구조 중심부에의 압축 응력의 인가는 등방적이 된다. 또한, 인장 응력을 갖는 막(8)의 형성에 의해, 압축 응력이 등방적으 로 완화되기 때문에, 계면에서의 균열이나 파손이 억제되어, 선택 산화 프로세스 후의 열 프로세스에 대한 내성도 향상되며, 소자의 신뢰성의 향상, 장기 수명화가 가능하게 된다. 특히, 왜곡이 큰 양자 웰층 GaxIn1-xAsyN1-y(0≤x≤1, 0≤y<1)를 활성층에 이용한 면발광형 레이저에 대하여, 본 발명의 효과는 크다.
또한, 출사 빔 패턴의 치수 및 형상의 제어성, 균일성, 재현성이 높아지고, 발진 임계값, 광 출력, 횡 모드 제어 등, 레이저 특성에 대하여도, 소자 사이의 편차가 억제되어, 고성능의 면발광형 반도체 레이저 소자의 양산성이 향상되었다. 특히, 빔 직경을 10㎛ 이하로 하는 경우, 목표치에 대한 치수의 편차율이 크게 되지만, 본 실시예에 의해, 치수의 제어성, 재현성, 균일성의 향상을 도모하는 것이 가능하다.
도 12는 본 실시예에 따른 변형예의 면발광형 반도체 레이저를 도시하는 모식도로서, (a)는 평면도, (b)는 (a)의 A'-A선 단면도, (c)는 (a)의 B'-B선 단면도이다. 도 12에 대해서는, 도 1 내지 도 11에 대하여 상술한 것과 마찬가지의 요소에 동일한 부호를 붙이고 상세한 설명은 생략한다.
본 변형예에서는, 배선부(18)의 아래에 공동(200)이 형성되어 있다. 즉, 도 11에 나타낸 레이저의 경우, 메사 영역밖으로의 누설 전류(22)를 저지하기 위해서, p측 전극의 배선부(18)의 아래에 프로톤 주입에 의해 고저항 영역(150)을 형성하였다. 이에 대하여, 본 변형예에서는 이 대신에 공동(200)을 형성한다. 이와 같이 하여도, 가로방향의 누설 전류(22)를 저지할 수 있다.
이 경우, 수증기 산화 프로세스 후, 아이솔레이션용의 레지스트 패턴을 형성하여, SH(황산과 과산화수소수의 혼합액) 용액 처리에 의해 p측 전극의 배선부(18)의 아래의 GaAs 컨택트층(7)과 상부 반도체 다층막 반사경(6)을 에칭에 의해 제거하여, 공동(200)을 형성할 수 있게 된다. 배선부(18)의 아래에는 공동(200)을 형성함으로써, 의사 메사 영역(100)의 외측으로의 누설 전류(22)를 완전하게 차단할 수 있다.
이상, 도 1 내지 도 12를 참조하면서, 본 발명의 실시예에 대하여 설명하였다. 그러나, 본 발명은, 이들 구체예에 한정되는 것이 아니다.
예를 들면, 상기 구체예에서는, 활성층(4)으로서, GaxIn1-xAsyN1-y (0≤x≤1, 0≤y<1)를 이용하여 설명하였지만, 그것에 한하지 않고, InGaAlP계, AlGgAs계나 InGaAsP계 등, 여러가지 재료를 이용할 수 있다.
클래드층(3 및 5)과 반도체 다층막 반사경(2 및 6)은 역시 여러 가지 재료를 이용할 수 있다. 예를 들면, 반도체 다층막 반사경(2 및 6)으로서는, AlGaAs층과 GaAs층의 적층 구조에 한정하지 않고, Al을 포함하지 않는 굴절률이 큰 재료와 작은 재료의 적층 구조도 가능하다. 또한, GaInP/GaAs, GaInPAs/GaAs, GaInP/GaInAs, GaInP/GaPAs, GaInP/GaInAs, GaP/GaInNAs 등의 조합을 이용할 수 있다.
또한, 반도체층의 성장 방법에 대해서도, MBE(molecular beam epitaxy)법 등을 이용하는 것도 가능하다. 또한, 상술한 구체예에서는, 적층 구조로서 3중 양자 웰 구조의 예를 나타내었으나, 그 밖의 양자 웰을 이용한 구조 등을 이용하는 것도 가능하다.
또한, 피산화층(6a)이 1층인 경우를 설명하였으나, 복수층인 경우도 마찬가지의 효과를 얻을 수 있다.
또한, 전류 협착부(14)의 평면 형상으로서, 본 구체예에서는, 주로 정방형으로 한 경우를 예로 들었지만, 원이나 장방형, 타원 등의 형상에 있어서도 치수나 형상 제어를 행할 수 있는 것은 분명하다.
또한, 프로톤 주입 영역의 패턴으로서, 상술한 구체예에서는 1∼2㎛ 폭의 패턴을 형성하는 경우를 예로 들었지만, 원하는 치수 정밀도나 프로톤 농도에 대응하여, 패턴 폭을 바꾸더라도, 마찬가지의 효과가 얻어지는 것은 분명하다. 또한, 프로톤 주입 영역의 패턴 형상에 대하여도, 원하는 형상이나 용도에 맞추어, 적합한 패턴 형상으로 함으로써 큰 효과가 얻어진다. 또한 프로톤 주입 영역의 표면에서부터의 깊이에 대해서도, 피산화층(6a)의 위치나 구조나 원하는 프로톤 농도에 맞추어, 이온 주입에서의 가속 전압이나 도우즈량을 조정함으로써, 큰 효과가 얻어지는 것은 분명하다.
또한, 피산화 영역에 주입하는 프로톤 농도에 대해서도, 여기서는 1×1017/㎤부터 1×1018/㎤의 농도를 이용하여 설명하였지만, 이보다도 고농도 혹은 저농도의 프로톤을 이용하여도 마찬가지의 효과가 얻어진다. 고농도의 프로톤을 주입하는 경우, 피산화층(6a)의 산화 속도가 크게 저하하여, 원하는 위치에서 산화의 진행을 억제할 수 있고, 전류 협착부(14)의 치수 및 형상의 제어성은 더욱 높아지므 로, 적합하다.
단, 반도체 다층막 반사경(2, 6)의 도우펀트 농도보다도, 프로톤을 고농도로 주입하는 경우, 주입 영역은, 고저항화하여, 전류가 흐르기 어렵게 되기 때문에, 선택 산화에 의한 전류 협착부(14)에 전류가 흐르기 쉽고, 좁혀지도록, 주입 영역(15) 및 상부 전극(9)이나 광추출부(23)의 위치나 크기를 고안할 필요가 있다.
이 점에 관해서는, 예를 들면, 도 10에 도시한 바와 같이, 상부 전극(9)의 개구경이 전류 협착부 직경(14)보다 작고, 프로톤 주입 영역(15)보다도 내측으로 연장시키면, 1×1018/㎤보다 고농도의 프로톤을 도입할 수 있다.
또한, 상술한 구체예에서는, 피산화층(6a)으로서, AlAs층을 이용하였지만, Al 조성비가 큰 AlxGa1-xAs(x>0.95)를 이용하여도 마찬가지로, 프로톤 농도에 따라, 수증기 산화 프로세스에 있어서 산화 속도는 같은 정도로 저하하여, 본 발명과 마찬가지의 효과가 얻어진다.
기타, 당업자가 적절하게 설계 변경한 모든 면발광형 반도체 레이저도, 본 발명의 요지를 포함하는 한, 본 발명의 범위에 포함된다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 미소한 전류 흡착 구조를 정밀하게 형성할 수 있다.

Claims (17)

  1. 피산화층을 포함하는 메사의 측면에서부터 상기 피산화층의 산화를 진행시켜 형성한 산화 영역을 형성하는 것에 의해 상기 피산화층의 산화되지 않은 부분에 전류를 협착시키는 면발광형 반도체 레이저로서,
    상기 피산화층은, 상기 산화되지 않은 부분을 실질적으로 둘러싸는 위치에, 프로톤이 주입된 프로톤 함유 영역을 포함하는 것을 특징으로 하는 면발광형 반도체 레이저.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 프로톤 함유 영역은, 상기 산화 영역과 상기 산화되지 않은 부분과의 경계 부근에 선택적으로 형성되고, 상기 산화되지 않은 부분의 중앙 부근에는 형성되어 있지 않는 것을 특징으로 하는 면발광형 반도체 레이저.
  3. 제1항에 있어서,
    활성층에 대하여 막면을 따르는 방향으로 인장 응력을 가하는 막을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 면발광형 반도체 레이저.
  4. 피산화층을 포함하는 메사의 측면에서부터 상기 피산화층의 산화를 진행시켜 형성한 산화 영역을 형성하는 것에 의해 상기 피산화층의 산화되지 않은 부분에 전류를 협착시키는 면발광형 반도체 레이저로서,
    상기 피산화층은, 상기 산화되지 않은 부분에 프로톤의 농도가 1×1018/㎤ 이하의 프로톤 함유 영역을 갖는 것을 특징으로 하는 면발광형 반도체 레이저.
  5. 제1 및 제2 반사경과,
    상기 제1 및 제2 반사경 사이에 형성된 활성층과,
    산화되지 않은 부분과, 상기 산화되지 않은 부분의 주위에 형성되고 산화된 산화 영역을 갖는 피산화층을 포함하며,
    상기 산화되지 않은 부분에 전류를 협착하여, 상기 제1 및 제2 반사경 사이에서 레이저 발진하는 면발광형 반도체 레이저로서,
    상기 피산화층은, 상기 산화되지 않은 부분을 실질적으로 둘러싸는 위치에, 프로톤이 주입된 프로톤 함유 영역을 갖는 것을 특징으로 하는 면발광형 반도체 레이저.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 프로톤 함유 영역은, 상기 산화 영역과 상기 산화되지 않은 부분과의 경계 부근에 선택적으로 형성되고, 상기 산화되지 않은 부분의 중앙 부근에는 형성되어 있지 않는 것을 특징으로 하는 면발광형 반도체 레이저.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 프로톤 함유 영역은, 상기 산화되지 않은 부분의 전체에 걸쳐서 형성되는 것을 특징으로 하는 면발광형 반도체 레이저.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 프로톤 함유 영역에서의 프로톤의 농도는, 1×1018/㎤ 이하인 것을 특징으로 하는 면발광형 반도체 레이저.
  9. 제5항에 있어서,
    상기 활성층에 대하여 막면을 따르는 방향으로 인장 응력을 가하는 막을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 면발광형 반도체 레이저.
  10. 기판과,
    상기 기판 위에 형성되고 발광 영역을 갖는 활성층과,
    상기 활성층을 협지하고, 상기 기판에 대하여 수직 방향의 공진기를 구성하는 제1 및 제2 반도체 다층막 반사경과,
    상기 활성층에 전류를 주입하기 위한 한쌍의 전극과,
    상기 활성층의 위 또는 아래에 형성된 피산화층
    을 포함하고,
    상기 피산화층을 포함하는 메사가 형성되고,
    상기 피산화층은, 상기 메사의 측면에서부터 상기 발광 영역의 근방에 이르는 저항이 높은 산화 영역과, 상기 산화 영역에 둘러싸이고 저항이 낮은 산화되지 않은 부분과, 상기 산화되지 않은 부분을 실질적으로 둘러싸는 위치에 형성되고 프로톤이 주입된 프로톤 함유 영역을 갖는 것을 특징으로 하는 면발광형 반도체 레이저.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 프로톤 함유 영역은, 상기 산화 영역과 상기 산화되지 않은 부분과의 경계 부근에 선택적으로 형성되고, 상기 산화되지 않은 부분의 중앙 부근에는 형성되어 있지 않고,
    상기 한쌍의 전극 중에 상기 활성층 위에 형성된 전극은, 상기 활성층으로부터 방출되는 광을 외부에 방출하기 위한 개구를 갖고,
    상기 개구는, 상기 산화되지 않은 부분 중에 상기 프로톤 함유 영역보다도 내측의 부분보다도 큰 것을 특징으로 하는 면발광형 반도체 레이저.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 프로톤 함유 영역은, 상기 산화 영역과 상기 산화되지 않은 부분과의 경계 부근에 선택적으로 형성되고, 상기 산화되지 않은 부분의 중앙 부근에는 형성되어 있지 않는 것을 특징으로 하는 면발광형 반도체 레이저.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 프로톤 함유 영역은, 상기 산화되지 않은 부분의 전체에 걸쳐서 형성되는 것을 특징으로 하는 면발광형 반도체 레이저.
  14. 제10항에 있어서,
    상기 프로톤 함유 영역에서의 프로톤의 농도는 1×1018/㎤ 이하인 것을 특징으로 하는 면발광형 반도체 레이저.
  15. 제10항에 있어서,
    상기 활성층에 대하여 막면을 따르는 방향으로 인장 응력을 가하는 막을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 면발광형 반도체 레이저.
  16. 피산화층을 포함하는 메사의 측면에서부터 상기 피산화층의 일부를 산화시켜 형성한 산화 영역을 형성하는 것에 의해 상기 피산화층의 산화되지 않은 부분에 전류를 협착시키는 면발광형 반도체 레이저의 제조 방법으로서,
    상기 피산화층에 프로톤을 선택적으로 도입하여 프로톤 함유 영역을 형성하는 공정과,
    상기 피산화층의 단부에서부터 상기 프로톤 함유 영역에 이를 때까지 산화를 진행시키는 것에 의해 상기 산화 영역을 형성하는 공정
    을 포함하고,
    상기 프로톤 함유 영역을 상기 메사의 측면으로부터 떨어진 위치에 형성하고, 또한 상기 프로톤 함유 영역에 상기 산화 영역과 상기 산화되지 않은 부분을 포함하도록 형성하는 것을 특징으로 하는 면발광형 반도체 레이저의 제조 방법.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 프로톤 함유 영역에서의 프로톤의 농도는 1×1018/㎤ 이하인 것을 특징으로 하는 면발광형 반도체 레이저의 제조 방법.
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