KR100637391B1 - 이득결합 분포 궤환형 반도체 레이저 다이오드의 제조방법 - Google Patents

이득결합 분포 궤환형 반도체 레이저 다이오드의 제조방법 Download PDF

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Abstract

이득결합 분포 궤환형 반도체 레이저 다이오드의 제조방법에 관하여 개시한다. 본 발명의 방법은, 질화막이 증착된 기판 상에 포토레지스트를 도포하고, 노광시키는 단계와; 포토레지스트에 요철부들이 형성되도록 소정영역을 제거하는 단계와; 경사 포토레지스트의 철부들에 금속 마스크를 증착하는 단계와; 질화막의 소정영역이 노출되도록 포토레지스트의 요부들을 제거하는 단계와; 결과물 상에 회절격자로 사용될 금속을 증착시키는 단계와; 리프트-오프 공정으로 포토레지스트의 철부를 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의하면, 포토레지스트를 노광시킨 후 일부를 제거하고 금속 마스크를 이용하여 나머지를 제거함으로써 리프트-오프 공정을 위하여 포토레지스트를 두껍게 형성하는 경우뿐만 아니라 포토레지스트가 불균일하게 도포된 경우에도 불필요한 부분을 완전히 균일하게 제거할 수 있어 재현성이 뛰어나고, 회절격자를 균일하게 형성할 수 있다.
이득결합 분포 궤환형 반도체 레이저 다이오드, 릿지 타입, 회절격자, 포토레지스트, 경사증발법

Description

이득결합 분포 궤환형 반도체 레이저 다이오드의 제조방법{Method for fabricating gain-coupled distributed feedback semiconductor laser diode}
도 1은 종래의 스핀 코팅(spin coating) 방법으로 포토레지스트를 도포하고 그를 이용하여 회절격자를 형성한 경우의 전자현미경 사진;
도 2a 내지 도 2i는 본 발명의 실시예에 따른 이득결합 분포 궤환형 반도체 레이저 다이오드의 제조방법을 설명하기 위한 개략도들;
도 3a 내지 도 3h는 본 발명의 실시예에 따른 이득결합 분포 궤환형 반도체 레이저 다이오드의 제조방법을 설명하기 위한 전자현미경 사진들;
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 이득결합 분포 궤환형 반도체 레이저 다이오드의 제조방법에 의하여 제조된 이득결합 분포 궤환형 반도체 레이저 다이오드를 나타낸 개략도;
도 5a는 본 발명에 의하여 제조된 레이저 다이오드의 발진 모드에서의 스펙트럼을 관찰한 그래프; 및
도 5b는 본 발명에 의하여 제조된 이득결합 분포 궤환형 반도체 레이저 다이오드의 LIV 특성을 나타낸 그래프이다.
본 발명은 이득결합 분포 궤환형 반도체 레이저 다이오드의 제조방법에 관한 것으로서, 특히 릿지 타입의 이득결합 분포 궤환형 반도체 레이저 다이오드의 제조방법에 관한 것이다.
1960년대 반도체 레이저 다이오드가 최초로 개발된 후, 광통신 기술의 발전 및 반도체 공정 기술의 급격한 발달을 통해 우수한 성능의 반도체 레이저 다이오드가 개발되어 왔다. 이중 파장 선별성에서 우수한 성능을 실현시킬 수 있는 분포 궤환형 반도체 레이저 다이오드가 1972년 선보였고, 장거리 광통신에 적용될 수 있는 유일한 광원으로 각광받게 되었다. 이런 분포 궤환형 반도체는 일반적인 페브리-페롯(Fabry-Perot) 형태의 레이저에 공진기를 따라 주기적인 회절 격자를 형성시킴으로서 제작될 수 있는데, 광궤환시 결합효율을 높이기 위해 이득 결합을 유도하는 방법으로 소자를 설계 제작하는 것이 일반적이다. 그러나, 기존에 사용되어지던 매립형 구조 제작은 2∼3번의 반도체 성장과정을 필요로 하는 복잡함때문에 저가로 반도체 레이저 다이오드 모듈 제작할 수 없다. 특히 매립형 구조로 소자를 제작할 때, 활성층 또는 활성층 상부나 하부에 회절 격자를 형성시에 발생하는 기판 면의 손상이나 오염은 소자의 성능 저하에 큰 요인으로 작용할 수 있다. 그리하여 최근 릿지 구조의 반도체 레이저도 많이 연구되어지고 있는데, 이는 재성장 과정없이 식 각 공정만으로도 공진기를 구성하여 간단한 공정과 낮은 단가를 기대할 수 있다. 그러나 이득결합형 반도체 레이저에 이런 릿지 구조 형태를 적용할 경우 몇 가지 문제점이 따른다.
최근에는 회절격자를 제조하는 방법으로 홀로그램 노광법을 이용한 패턴 형성을 위하여 기존의 스핀 코팅(spin coating) 방법으로 포토레지스트를 도포하고 그를 이용하여 회절격자를 형성하고 있다.
도 1은 종래의 스핀 코팅(spin coating) 방법으로 포토레지스트를 도포하고 그를 이용하여 회절격자를 형성한 경우의 전자현미경 사진이다.
도 1을 참조하면, 종래의 스핀 코팅(spin coating) 방법으로 포토레지스트를 도포하면 평평한 면과 돌출된 릿지의 단차에 의해 포토레지스트가 불균일한 두께로 도포됨으로써 회절격자가 불균일하게 형성되었음을 알 수 있다. 이러한 현상은 리프트-오프(Lift-off) 방법을 이용하는 경우에는 포토레지스트의 두께가 두꺼워야 하므로 더욱 두드러진다. 이러한 문제점 때문에 전자선 노광법을 이용하는 경우에는 많은 공정시간과 불확실한 재현성 등으로 대량 생산할 수 없는 문제점이 있다.
따라서 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 재현성이 뛰어나고 회절격자를 균일하게 형성할 수 있는 이득결합 분포 궤환형 반도체 레이저 다이오드의 제조방을 제공하는 데 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 이득결합 분포 궤환형 반도체 레이저 다이오드의 제조방법은: 기판과, 상기 기판 상에 순차적으로 형성된 발광 활성층, 확산 차단층으로서의 질화막, 회절격자 및 p형 금속층과, 상기 기판 하부에 형성된 n형 금속층을 포함하여 이루어지는 분포 궤환형 반도체 레이저 다이오드의 제조방법에 있어서, 상기 질화막 상에 상기 회절격자를 형성하는 방법이, 상기 질화막 상에 포토레지스트를 도포하는 단계와; 상기 포토레지스트를 노광시키는 단계와; 상기 포토레지스트에 요철부들이 형성되도록 소정영역을 제거하는 단계와; 상기 기판의 일측부가 상향되도록 경사지게 하여 증발법으로 상기 포토레지스트의 철부들에 금속 마스크를 증착하는 단계와; 상기 기판의 타측부가 상향되도록 경사지게 하여 증발법으로 상기 포토레지스트의 철부들에 상기 금속 마스크를 증착하는 단계와; 상기 질화막의 소정영역이 노출되도록 상기 포토레지스트의 요부들을 제거하는 단계와; 상기 포토레지스트의 철부들에는 상기 금속 마스크가 증착되고 상기 포토레지스트의 요부들은 제거된 상기 단계까지의 결과물 상에 회절격자로 사용될 금속을 증착시키는 단계와; 리프트-오프 공정으로 상기 포토레지스트의 철부를 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이하에서, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명한다.
도 2a 내지 도 2i는 본 발명의 실시예에 따른 이득결합 분포 궤환형 반도체 레이저 다이오드의 제조방법을 설명하기 위한 개략도들이고, 도 3a 내지 도 3h는 본 발명의 실시예에 따른 이득결합 분포 궤환형 반도체 레이저 다이오드의 제조방법을 설명하기 위한 전자현미경 사진들이다. 이 때, 회절격자는 기판과, 기판 상에 순차적으로 형성된 발광 활성층 및 질화막으로 이루어진 결과물 상에 즉, 질화막 상에 형성되게 되므로 도 2a 내지 도 2i에는 기판과 질화막만 도시되었고, 후술하는 상세한 설명 역시 그에 따라 설명한다.
먼저 도 2a 및 도 3a를 참조하면, 마스크 얼라인 및 식각 공정에 의해 형성된 릿지 구조에 홀로그램 또는 전자빔 노광시의 광흡수와 열처리시 형성된 금속 회 절격자의 확산을 방지하기 위해 질화막(200)이 증착된 기판(100) 상에 원액 포토레지스트(300)를 도포한다.
다음에 도 2b 및 도 3b를 참조하면, 포토레지스트(300)를 홀로그램 노광법 또는 전자빔 노광법으로 노광시킨 후 포토레지스트(300)에 요철부(凹凸部)들이 형성되도록 소정영역을 제거한다. 즉, 포토레지스트(300)에 홈들을 형성한다.
그 다음에 도 2c 및 도 3c를 참조하면, 기판(100)의 일측부가 상향되도록 경사지게 하여 증발법으로 포토레지스트의 철부(凸部)(310)들에 금속 마스크(400)를 증착한다. 그리고 도 2d 및 도 3d를 참조하면, 기판(100)의 타측부가 상향되도록 경사지게 하여 증발법으로 포토레지스트의 철부(310)들에 금속 마스크(400)를 또 증착한다. 이와 같이, 경사증발법을 반복적으로 수행함으로써 포토레지스트의 철부(310)들만에 균일하게 금속 마스크(400)를 증착할 수 있다.
이어서 도 2e 및 도 2f와 도 3e를 참조하면, 기판(100) 상에 증착된 질화막(200)의 소정영역이 노출되도록 포토레지스트의 요부(凹部)(320)들을 반응성 이온 식각으로 제거한다. 이와 같이, 포토레지시트(300)를 패터닝된 상태, 즉 노광시킨 후 일부를 제거하고 금속 마스크(400)를 이용하여 나머지를 제거함으로써 리프트-오프 공정을 위하여 포토레지스트를 두껍게 형성하는 경우뿐만 아니라 포토레지스트가 불균일하게 도포된 경우에도 불필요한 부분을 완전히 균일하게 제거할 수 있어 재현성이 뛰어난 장점이 있다.
계속해서 도 2g 및 도 2h와 도 3f를 참조하면, 포토레지스트의 요부(320)들이 제거된 결과물 상에 회절격자로 사용될 금속(500), 예컨대 Cr 등을 증발법으로 증착시킨다. 회절격자로 사용될 금속(500)은 완전하게 제거된 포토레지스트의 요부(320)가 있던 자리에 증착되므로, 회절격자로 사용될 금속(500)은 균일하게 증착되게 된다.
그리고 도 2i 및 도 3g와 같이 리프트-오프 공정으로 포토레지스트의 철부(310)를 제거하면, 도 3h와 같은 회절격자가 형성된다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 이득결합 분포 궤환형 반도체 레이저 다이오드의 제조방법에 의하여 제조된 이득결합 분포 궤환형 반도체 레이저 다이오드를 나타낸 개략도이다.
도 4를 참조하면, 이득결합 분포 궤환형 반도체 레이저 다이오드는 InP, GaAs 등의 반도체 기판(100) 상에 활성층(10), SiNx 등으로 이루어진 광흡수 및 확산차단층(200), Cr 등으로 이루어진 금속 회절격자(500) 및 p형 금속층(20)이 순차적으로 적층되며, 기판(100) 하부에 n형 금속층(30)이 형성되어 있다.
도 5a는 본 발명에 의하여 제조된 레이저 다이오드의 발진 모드에서의 스펙트럼을 관찰한 그래프이다.
도 5a를 참조하면, 측대파 억압비(SMSR: Side Mode Suppression Ratio)가 30dB 이상으로 나타나고 있다. 여기서, SMSR은 가장 강한 강도의 모드와 그 다음으로 강한 모드의 강도의 차이를 나타내는 것으로 보통 데시벨(dB)로 표현된다. 그런데, 상용화된 이득결합 분포 궤환형 반도체 레이저 다이오드의 측대파 억압비가 30dB 이상인 것을 감안하면 본 발명에 의하여 제조된 레이저 다이오드가 이득결합 분포 궤환형 반도체 레이저 다이오드임을 알 수 있다.
도 5b는 본 발명에 의하여 제조된 이득결합 분포 궤환형 반도체 레이저 다이오드의 LIV 특성을 나타낸 그래프이다.
도 5b를 참조하면, 본 발명에 의하여 제조된 이득결합 분포 궤환형 반도체 레이저 다이오드의 문턱전류가 약 26mA 정도로 나타나며, 전압은 전류레벨 100mA에서 1.8V 정도이다. 일반적으로, 좋은 특성의 레이저 다이오드는 문턱전류가 낮고, 같은 전류 레벨에서 낮은 저항치를 가진다. 본 발명에 의하여 제조된 이득결합 분포 궤환형 반도체 레이저 다이오드는 문턱 전류가 10mA 이하인 상용 소자들보다 다소 높은 문턱 전류를 보이지만, 상용 소자는 보통 매립형 구조로 제작되며 회절격자의 제조에 있어서도 전자빔 노광법이 대부분 사용되기 때문에 제작 단가가 높아지는 단점이 있다. 반면에 본 발명에 의하여 제조된 레이저 다이오드와 같은 릿지 타입의 레이저 다이오드의 구조에서는 문턱전류가 20~30mA의 범위에서 형성되도록 제조하는 것이 용이하지 않으며, 재현성 역시 보장할 수 없으므로 본 발명에 의하여 제조된 레이저 다이오드는 종래의 경우보다 품질이 향상되었음을 알 수 있다.
상술한 바와 같은 본 발명에 따른 이득결합 분포 궤환형 반도체 레이저 다이오드의 제조방법에 의하면, 포토레지스트를 노광시킨 후 일부를 제거하고 금속 마스크를 이용하여 나머지를 제거함으로써 리프트-오프 공정을 위하여 포토레지스트를 두껍게 형성하는 경우뿐만 아니라 포토레지스트가 불균일하게 도포된 경우에도 불필요한 부분을 완전히 균일하게 제거할 수 있어 재현성이 뛰어나고, 회절격자를 균일하게 형성할 수 있다.
또한, 전자빔 노광법을 이용하는 경우에도 많은 공정시간과 불확실한 재현성으로 인한 문제점을 해결할 수 있다.
나아가, 경사증발법을 반복적으로 수행함으로써 포토레지스트의 필요한 영역에만 균일하게 금속 마스크를 증착할 수 있는 장점이 있다.
본 발명은 상기 실시예에만 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 많은 변형이 가능함은 명백하다.

Claims (4)

  1. 기판과, 상기 기판 상에 순차적으로 형성된 발광 활성층, 확산 차단층으로서의 질화막, 회절격자 및 p형 금속층과, 상기 기판 하부에 형성된 n형 금속층을 포함하여 이루어지는 분포 궤환형 반도체 레이저 다이오드의 제조방법에 있어서,
    상기 질화막 상에 상기 회절격자를 형성하는 방법이:
    상기 질화막 상에 포토레지스트를 도포하는 단계와;
    상기 포토레지스트를 노광시키는 단계와;
    상기 포토레지스트에 요철부들이 형성되도록 소정영역을 제거하는 단계와;
    상기 기판의 일측부가 상향되도록 경사지게 하여 증발법으로 상기 포토레지스트의 철부들에 금속 마스크를 증착하는 단계와;
    상기 기판의 타측부가 상향되도록 경사지게 하여 증발법으로 상기 포토레지스트의 철부들에 상기 금속 마스크를 증착하는 단계와;
    상기 질화막의 소정영역이 노출되도록 상기 포토레지스트의 요부들을 제거하는 단계와;
    상기 포토레지스트의 철부들에는 상기 금속 마스크가 증착되고 상기 포토레지스트의 요부들은 제거된 상기 단계까지의 결과물 상에 회절격자로 사용될 금속을 증착시키는 단계와;
    리프트-오프 공정으로 상기 포토레지스트의 철부를 제거하는 단계를 포함하는 이득결합 분포 궤환형 반도체 레이저 다이오드의 제조방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 포토레지스트는 홀로그램 노광법 또는 전자빔 노광법을 이용하여 노광시키는 것을 특징으로 하는 이득결합 분포 궤환형 반도체 레이저 다이오드의 제조방법.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 포토레지스트의 요부는 이온 식각으로 제거하는 것을 특징으로 하는 이득결합 분포 궤환형 반도체 레이저 다이오드의 제조방법.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 회절격자로 사용될 금속은 증발법으로 증착하는 것을 특징으로 하는 이득결합 분포 궤환형 반도체 레이저 다이오드의 제조방법.
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