KR100731687B1 - 레이저 다이오드 및 이의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 레이저 다이오드 및 이의 제조방법에 관한 발명으로, 와트(watt) 급의 연속 출력(continuous wave; CW)을 가지며, 공간적으로 싱글 로브(single robe) 특성을 가지는 다중 스트라이프 리지(multi stripe ridge) 도파관 구조의 레이저 다이오드 및 이의 제조방법에 관한 발명인 바, 여러 개의 리지 도파관 구조의 레이저 다이오드로 이루어진 어레이에서 전류 주입 영역을 양자 임플란트 방법을 이용하여 제한하기 위하여 임플란트 되지 않는 활성층 영역의 폭을 리지의 폭에 비해 크게 되도록 하여 리지 바로 아랫 부분에는 강한 전기장이 걸리도록 하고 임플란트된 영역 근처에서는 상대적으로 매우 미약한 전기장이 걸리도록 함으로써 임플란트에 의한 결함이 존재하는 영역은 약한 전기장만 걸리게 되어 레이저 다이오드의 신뢰성을 높일 수 있도록 한 것이다.

레이저, 다이오드, 임플란트 영역, 리지 영역, 전기장

Description

레이저 다이오드 및 이의 제조방법 {Laser diode and manufacturing method thereof}

도 1은 종래 레이저 다이오드의 사시도,

도 2a는 도 1에 도시된 레이저 다이오드의 장벽층을 포함하는 단면도,

도 2b는 종래 레이저 다이오드에서의 전기장 분포도,

도 3은 본 발명에 의한 레이저 다이오드의 단면도,

도 4는 본 발명에 의한 레이저 다이오드에서의 전기장 분포도,

도 5 내지 도 13은 본 발명에 의한 레이저 다이오드의 제조과정을 순차적으로 도시한 것이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

10 : 기판 20 : 음의 부호로 도핑된 하부 광 가둠 층

30 : 활성층 40 : 양의 부호로 도핑된 상부 광 가둠 층

50 : 식각정지층 60 : P-클래드층

70 : 접촉층 80 : 절연층

90 : 금속층(양극) 91 : 금속층(음극)

100 : 임플란트 영역 110 : 포토 레지스트

120 : 유전체 박막 130 : 식각 마스크

본 발명은 고출력 레이저 다이오드 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 상세히는 와트 급의 연속 출력(continuous wave; CW)을 가지며, 공간적으로 싱글 로브(single robe)특성을 가지는 다중 스트라이프 리지 도파관 구조의 레이저 다이오드에 관한 발명이다.

와트 급의 출력을 가지는 고출력 레이저 다이오드는 에르븀 도프 광섬유 증폭기(EDFA, erbium doped fiber amplifier)의 펌핑 소스(pumping source)로, CO₂ 가스 레이저의 펌핑 소스로, 장거리 감시를 위한 고출력 광원의 소스 등으로 그 용도가 대단히 넓다. 이런 이유로 인해 연속 출력 1와트 이상을 안정적으로 구현하는 레이저 다이오드 구조에 대한 많은 연구가 있었다.

보통 통신용, 표시 소자용, DVD 용으로 사용되는 레이저 다이오드는 수 mW에서 수십 mW의 출력을 가진다. 이런 정도의 출력을 가지는 반도체 레이저 다이오드의 구조로는 리지 도파관(ridge waveguide; RWG) 또는 buried hetero(BH)의 구조 등이 있다. 이들 구조는 공간적으로 싱글 로브(single robe)를 유지하도록 제작된다. 레이저 다이오드의 출력을 광섬유로 결속시켜 레이저 다이오드의 출력광을 이용하고자 할 때, 공간적인 싱글 로브의 특성을 가지는 레이저 다이오드는 공간적으 로 다중 로브(multi robe)를 가지는 레이저 다이오드에 비해 광섬유로 커플링되는 커플링효율이 높은 장점을 가진다. 공간적인 싱글 로브는 반도체 레이저 다이오드의 활성층과 평행한 방향의 평행(또는 횡단(transversal)) 싱글 로브와 레이저 다이오드의 활성층과 수직한 방향(perpendicular)의 두 방향 모두에서 싱글 로브를 유지하여야 레이저 다이오드가 공간적인 싱글 로브(spatially single robe)라고 부른다. 레이저 다이오드에서 발산되는 빛이 싱글이냐 다중 로브냐 하는 것은 레이저 다이오드의 광 도파관이 몇 개의 로브를 허용하느냐에 따라 달라지게 된다. 일반적으로 반도체 레이저 다이오드의 활성층의 두께는 100nm 에서 200nm 정도이며, 이러한 두께의 활성층과 이를 둘러싸고 있는 광 가둠 층(separated confinement hetero structure) 의 두께를 모두 더하여도 대략 0.4~0.5㎛ 정도의 두께를 가진다. 이런 정도의 두께를 가지는 레이저 다이오드 구조에서는 수직 방향 다중 로브가 허용되지 않고 자동적으로 수직 방향 싱글 로브 특성이 확보된다. 그러나 수평 방향으로는 활성층 폭에 따라 수평 방향 싱글 및 멀티 로브가 결정 된다. 또한 수평 방향 로브는 RWG 또는 BH등의 레이저 다이오드 구조에 의해서도 영향을 받는다. 매립형 이종 구조(Buried hetero-structure)의 경우 강한 굴절률 유도 도파관 구조를 가지며, 이 경우 싱글 로브-다중 로브 천이는 활성층의 폭이 대략 1~2㎛ 정도에서 일어나며, 활성층의 폭이 이 수치보다 좁을 때는 싱글 로브가 발진하고 활성층의 폭이 이 수치보다 넓을 때는 멀티 로브로 동작하게 된다. 리지 도파관 구조는 약한 이득 유도 구조이므로, 수평방향 단일-다중 로브 천이가 대략 리지 폭 4~5㎛ 영역에서 일어난다. 리지의 폭이 전술한 4~5㎛보다 좁을 경우 레이저 다이오드는 수평방향으 로 싱글 로브로 동작하게 되고, 리지의 폭이 이 보다 넓을 경우 레이저 다이오드는 멀티 로브로 작동하게 된다. 그러므로 BH 또는 RWG 구조에서 싱글 로브를 유지하기 위해서는 활성층의 단면적이 좁게 유지되어야 한다. 이런 좁은 활성층을 가지는 구조에 큰 광출력을 얻기 위해 큰 전류를 흘리면, 활성층 내의 캐리어 밀도가 높아져서, hot carrier leakage, Auger recombination 등 레이저 다이오드의 특성을 떨어뜨리는 여러 가지 메카니즘이 작동하게 된다. BH 또는 단일 RWG 구조의 경우 싱글 로브로 100~200mW까지 동작되는 레이저 다이오드가 보고되고 있다.

공간적인 싱글 로브가 중요하지 않은 응용에 대해서는 고출력을 얻기 위해 스트라이프 레이저 다이오드 또는 BAL 구조의 레이저 다이오드를 채택할 수 있다. 이런 구조는 활성층의 폭을 수십 ㎛에서 수백 ㎛ 정도로 넓게 만든 구조이다. 이런 구조에서는 활성층의 면적이 넓으므로, 큰 전류를 주입하여도 BH 구조나 단일 RWG구조에 비해 상대적으로 낮은 캐리어 밀도를 유지할 수 있어서 큰 광출력을 얻을 수 있다는 장점이 있다. 그러나 이 경우에 활성층 단면 전체에서 균일한 빛이 나오는 것이 아니고 자발적으로 빛이 몇 개의 좁은 영역에서 집중적으로 방출되는 필라멘테이션(filamentation) 현상이 발생하게 된다. 이는 활성층 내부에서의 작은 불균일에 의해 빛이 강도가 다른 지역에 비해 세지는 영역이 존재하게 되고, 빛의 세기가 강하게 되면 이 지역으로 전류들이 모이는 gain guiding 구조가 형성되고 전하들이 모이면 이 전하들이 다시 더욱 센 빛을 만들어내기 때문에 발생하는 현상이다. 더 강해진 빛의 강도는 다시 gain guiding 과정을 거쳐 더 많은 전류가 이 지역으로 모이게 한다. 이런 과정을 통해 레이저 다이오드 단면의 어느 한 지역이 주 변에 비해 매우 강하게 발광하는 필라멘테이션 현상이 발생하게 된다. 이런 필라멘테이션 현상에 의한 발광은 레이저 다이오드의 한 위치에 안정되어 있지 않고 여기저기로 움직이게 되는데, 이는 순간적인 불균형에 의해 gain guiding 현상이 일어나 전류가 모이게 되면 전류가 집중되는 영역에 열이 발생하게 되며, 열은 레이저 다이오드의 광 방출 특성이 나빠지게 작용하므로 결국 빛의 방출이 줄어들게 된다. Gain guiding 현상과 열적 열화가 동시에 일어나는 것이 아니라 시간차를 두고 일어나므로 한 지역에서 빛이 강하게 방출 된 다음에는 다른 지역에서 빛이 강하게 방출되는 현상이 반복된다. 또한 이런 필라멘테이션 현상은 활성층 단면에서 여러 개가 동시에 발생되게 되며, 이들 필라멘트에 의한 빛들 사이의 간섭에 의해 외부로 방출되는 빛의 far field 패턴이 들쭉날쭉한 현상을 보이게 된다. (Eckard Deichsel and Frank Demaria ; Annual Report 1999, Dept. of Optoelectronics, University of Ulm)

그러므로 필라멘테이션 현상이 있는 레이저 다이오드의 far field 패턴은 안정화되어 있지 않으며 동작 조건 및 시간에 따라 연속적으로 변화하게 된다 (Robert J. Lang, Anders G. Larsson, and Jeffrey G. Cody, IEEE Journal of Quantum Electrons, Vol. 27, NO. 3, March 1991)

시간에 따라 필라멘테이션이 안정화 되어 있지 못하므로 far field 패턴 또한 시간에 따라 불안정하게 변화하게 된다. 또한 필라멘테이션 특성은 레이저 다이오드의 동작 조건 변화에 대해서도 민감하게 반응하여 변화한다. (John R. Marciante and Govind P. Agrawal, IEEE Photonics Technology Letters, Vol. 10, NO. 1, January 1998)

광 출력의 이러한 요동은 광을 이용하는 시그널 프로세스에서는 relative intensity noise(RIN)로 작용하게 되어 시그널 프로세스의 특성을 떨어트리게 된다.

이에 따라 고출력을 유지하면서 안정된 공간적인 싱글 로브를 얻기 위한 방법이 연구되어 왔다. 고출력을 유지하면서 안정된 공간적인 싱글 로브를 얻는 방법으로 MOPA(master oscillator power amplifier)의 방식과 위상 정렬 방식의 레이저 다이오드를 들 수 있다. MOPA 방식은 레이저 발진되는 빛의 특성을 결정하는 마스터 레이저(master laser)와 이 마스터 레이저 다이오드에서 방출되는 빛을 단지 증폭하는 기능을 가진 광 증폭기를 하나의 칩으로 만드는 방식이다. 이 경우 광 증폭기는 자체 발진을 하지 않아야 하므로 캐리어 주입 레벨을 높이기 힘든 문제점이 있어 수 와트 급의 공간적인 싱글 로브 발진은 어려운 상황이다.(Hans Wenzel., Bernd Sumpf, Gotz Erbert ; C. R. Physique 4 (2003) 649-661)

위상 정렬 방식은 싱글 로브를 유지하는 여러 개의 레이저 다이오드를 결합함에 있어서 가장 기본적인 fundamental 로브 이외의 고차원 로브가 각 레이저 다이오드 사이의 위상에 따라 상쇄되고, 궁극적으로 fundamental 로브만 살아남게 하는 방법으로 E. Kapon, J. Katz, and A. Yariv,("Supermode analysis of phased-locked array of semiconductor lasers", Optics Letter Vol. 9, 125-127, April 1984)등의 논문으로 상세히 설명되어 있다. 위상 정렬 방식에서는 각 레이저 다이오드들이 광학적으로 연결되어 있는 특징이 있다. 이런 방식으로 만들어지는 레이 저 빛은 공간적인 싱글 로브를 유지할 뿐만 아니라 스펙트럼 상에서도 하나의 레이저 다이오드처럼 행동한다. 그러나 위상 정렬 방식은 각 요소 레이저 다이오드의 위치 및 간격을 매우 정밀하게 제어해야 한다. 위상 정렬 방식에서 각 레이저 다이오드의 간격 및 폭 등은 유효 굴절률을 기준으로 계산되는데, 유효 굴절률은 레이저 다이오드의 구조(structure)의 함수로 주어진다. 그러므로 위상 정렬 방식은 최적화가 쉽지 않으며, 재현성에 문제를 가지고 있다.

폭이 넓은 레이저 다이오드에서 싱글 로브 far-field 패턴을 구현하는 여러가지 방법들이 시도되고 있다. 그 중의 한가지는 레이저 반사면에서의 반사율을 반사면 위치에 따라 달라지게 함으로써 공간적인 고차 모드가 발진하는 것을 방지하는 방법이 있다. 이러한 방법 중 한 가지 방법으로, 반사막 코팅을 할 때 위치에 따라 반사막의 유효 굴절률을 바꾸어 주는 방법이 있다.(Michal Szyman'ski, Jacek M. Kubica, and Pawel Szczepan'ski ; IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol. 37, NO. 3, March 2001) 그러나 이 방법은 매우 좁은 영역에서 반사율을 조절하여야 한다는 어려운 점이 있다. 이 외에 레이저 다이오드 방출면을 평면이 아닌 곡면으로 가공하는 방법 등이 제시되어 있지만 반사막 코팅 및 절단공정에서 문제를 가지고 있다.

위에서 제시한 여러 선행 기술들은 한 개의 칩으로 제작되는 반도체 칩 내부에서 칩 내부의 광학적 상호 작용을 조절함으로써 공간상의 싱글 로브와 스펙트럼 상의 단일 특성 레이저 다이오드를 구현하는데 목적이 있다. 하지만 단지 공간적인 싱글 로브가 필요할 경우에는 이와 전혀 다른 접근 방법으로 고출력을 얻을 수 있 는 방법이 있다. 그 방법은 광학적으로 독립된 여러 개의 레이저 다이오드를 사용하는 방법이다. 이 경우 각각의 레이저 다이오드에서 방출되는 빛들은 간섭이 전혀 없으므로 인해, 이들 방출 빛 사이에 상호작용도 없으며 단지 파워의 중첩만이 있다. 그러므로 공간적인 싱글 로브 특성을 가지는 여러 개의 레이저 다이오드를 집적하여 고출력을 확보하며, 공간적 싱글 로브의 특성을 얻을 수 있다. 각각 개별적으로 패키지 된 여러 개의 레이저 다이오드를 하나로 묶는 방법은 언제든지 가능한 방법이나, 여러 번의 칩 패키지가 필요하므로 패키지 가격이 높아지고 공간이 커지는 문제가 발생하게 된다. 그러므로 싱글 칩 안에서 광학적으로 완전히 독립된 여러 개의 레이저 다이오드를 집적시키는 방법이 필요하다.

반도체 레이저 다이오드의 제작 단가를 줄이기 위해서는 가능하면 칩의 면적이 좁으면 좋다. 칩의 면적이 작아지면 칩의 제작 단가가 감소할 뿐만 아니라, 결함이 개입될 확률도 줄어들어 생산 수율도 높아진다. 기존의 리지 도파관 구조 레이저 다이오드를 어레이로 만들고 에레이 각각의 레이저 다이오드들을 광학적으로 분리시키기 위해서는 각 레이저 다이오드 사이의 활성층 영역과 SCH 영역을 제거하여야 한다. 활성층과 SCH 영역이 제거되지 않으면 빛이 가이드 되어 다른 레이저 다이오드에서 발생하는 빛과 상호작용을 하게 된다. 활성층을 제거하지 않으면서도 레이저 다이오드 사이의 광학적 커플링을 제거하기 위해서는 200~400㎛ 이상의 넓은 간격이 필요하다. 경제적인 칩 제작을 위해서는 레이저 다이오드 사이의 거리가 좁아져서 광학적으로 비활성화 된 영역의 면적이 최소화 될 필요가 있다. 그러므로 레이저 다이오드 사이의 거리를 줄이면서도 각 다이오드 사이의 광학적 커플링을 제거하기 위해서는 레이저 다이오드 사이의 활성층과 SCH 영역을 완전히 제거하는 과정이 필요하다. 레이저 다이오드 사이의 활성층과 SCH 영역이 완전히 제거되고 이 영역이 굴절률이 반도체에 비해 매우 낮은 공기 또는 SiNx, SiO₂ 또는 기타 굴절률이 낮은 물질로 채워 질 경우, 각 레이저 다이오드의 발진 빛은 강한 인덱스 변화를 겪게 되고, 이로 인해 각각의 레이저 다이오드에서 발진하는 광이 각 레이저 다이오드로 국한되게 된다. 그러므로 레이저 다이오드 사이의 활성층과 SCH 영역을 완전히 제거함으로써 각 레이저 다이오드들을 광학적으로 분리시킬 수 있게 된다. 그러나 단순히 레이저 다이오드 사이의 영역의 활성층과 SCH 영역을 제거할 경우, 전류가 주입되는 레이저 다이오드의 활성층이 외부(공기 또는 유전체 등)에 직접 노출되어 큰 누설전류가 생기게 된다. 이러한 제거된 영역에서 발생하는 표면에는 댕글링 본드(dangling bond)의 결함이 형성되고 이 댕글링 본드가 정공과 전자의 비발광 천이를 일으키기 때문이다. 댕글링 본드란 반도체를 형성하는 원자간 결합에서 8 최외각 전자의 룰(rule)을 만족시키지 못하는 결합을 말한다. 이 댕글링 본드는 에너지 갭(gap) 내의 결함 상태(defect state)를 형성하게 된다. 활성층의 부분적 제거에 의해 형성된 표면에 존재하는 댕글링 본드 부분에 p-n 접합이 형성되어 있을 경우 이 부분으로 큰 누설 전류가 흐르게 된다. 그러므로 고 집적의 싱글 로브 고출력 레이어 다이오드 어레이를 만들기 위해서는 각 레이저 다이오드 사이의 활성층과 SCH 영역을 완전히 제거해 주는 과정과, 노출되는 활성층 영역의 댕글링 본드에 의한 누설전류를 줄이는 두 가지 과정이 동시에 요구된다.

이러한 노력의 일환으로 미국 특허 제6757313에 여러 개의 리지 도파관 구조의 레이저 다이오드로 이루어진 어레이에서 각 어레이 사이의 활성층 영역을 완전히 식각하여 각 레이저 스트립을 광학적으로 완전히 분리시키며 전류 주입 영역은 양자 임플란트를 이용하여 제한하는 방법이 시도되어 있다. 도 1 및 도 2a에 미국 특허 제6757313호에 의한 반도체 레이저 다이오드의 구조가 도시되어 있는데, 이는 기판(215), 양자우물구조를 갖는 활성층(210), 이 활성층(210) 상부의 양극층(212), 상기 활성층(210)과 양극(212) 사이에 형성되며 P타입 클래드층과 감금층을 갖는 영역(218), 기판(215) 하부의 음극층(214), 활성층(210)과 기판(215) 사이에 형성되며 감금층과 N타입 클래드층이 형성된 영역(220)을 포함하여 이루어져 있다.

도 1 및 도 2a에서 부호 216은 절연층이고, 217은 개구이며, 222는 리지이고, 223은 채널이며, 224는 이득 영역(gain region)이고, 226은 전도성 감소영역이며, 230은 광증폭구역이고, 231,232,233은 전류의 흐름을 의미하며, 240은 이득영역과 전도성 감소영역 사이의 인터페이스이다.

도 1 및 2a에 도시된 레이저 다이오드에서 전류 주입 영역의 제한은 양자 임플란트에 의해 구현되고 있다. 이런 방법을 통해 각 레이저 다이오드의 광학적 커플링을 없앨 수 있으며, 노출된 활성층 영역이 전기적으로 불활성이므로 누설전류도 줄일 수 있다. 그러나 종래 특허에서 양자 임플란트 영역은 리지 바로 아랫 부분을 제외한 모든 영역에 걸쳐 시행되고 있다. 양자 임플란트는 강력한 에너지를 가지는 양자를 반도체에 조사시켜, 양자가 임플란트 된 지역에 많은 결정 결함들을 만들고, 이들 결정 결함들이 전자와 정공에 대한 딥 트랩(deep trap)으로 작용하도 록 함으로써 전류의 확산을 막는 방법이다. 이런 결함들은 전기적 특성을 띄고 있으며, 이들 결함들이 강한 전기장에 노출되면 결함들이 이동하여 결함 클러스터를 형성하게 되며 이로 인해 레이저 다이오드의 안정성을 저해할 수 있다.

도 2b에 상기한 미국 특허 제6757313호의 방법으로 제작된 레이저 다이오드의 전기장 분포를 도시하였다. InP계의 레이저 다이오드에서 구동 전압은 대략 1.5V이며, GaAs 계의 레이저 다이오드의 구동 전압은 대략 2.0V 정도이다. P-N 접합 구조의 InP 또는 GaAs 기반의 레이저 다이오드에서 대부분의 전압 강하가 일어나는 고갈(depletion) 영역은 대략 그 두께가 0.2~0.4㎛ 정도이다. 그러므로 도 2b에서는 고갈 영역의 모든 영역에서 75 또는 100 KV/cm의 강력한 전기장이 걸리게 되며, 이러한 전기장에 따른 전류가 화살표로 도시된 바와 같이 리지(222) 아랫 부분에 균일하게 흐르게 된다. 도 2b에서 화살표의 굵기는 전기장(electric field)의 강도 또는 이에 따른 전류의 강도를 보여준다. 이런 강력한 전기장에 결함들이 존재하게 되면 결함들의 전기적 활성으로 인해 레이저 다이오드의 신뢰성을 해치게 된다.

미국 특허 제6757313호의 경우 임플란트 되는 영역은 리지 제작 과정에서 형성되는 그루브(groove)를 사용하므로, 임플란트 되지 않는 영역과 리지 영역을 분리시킬 수 없다.

본 발명의 목적은 고출력 레이저 다이오드를 하나의 칩으로 집적함에 있어 서, 싱글 로브 특성을 만족하면서도 안정성도 우수한 레이저 다이오드 구조 및 이러한 레이저 다이오드를 제조하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

즉, 본 발명은 싱글 로브 특성을 갖는 어레이 형태의 고출력 레이저 다이오드 칩을 제작함에 있어서, 각 레이저 다이오드가 광학적으로 완전히 분리되며, 표면 누설전류가 최소화 됨과 동시에 레이저 다이오드의 신뢰성이 증가한 레이저 다이오드를 제공하는데 있다.

본 발명에 의한 고출력의 반도체 레이저 다이오드의 구조와 제조과정 및 그 작용 메카니즘을 첨부된 도면과 함께 상세히 설명하기로 한다.

본 발명의 기본 사상은 미국 특허 제6757313호의 양자 임플란트 영역을 리지 영역과 달리하는 방법이다. 본 발명에 의한 레이저 다이오드의 구조가 도 3에 도시되어 있다.

미국 특허 제6757313호에서 양자 임플란트 되지 않는 영역은 리지 바로 아랫 부분이며, 리지 바로 아랫 부분을 제외한 영역은 모두 양자 임플란트 되는 영역이다. 그러므로 미국 특허 제6757313호에서 전기장은 임플란트 되지 않은 전 영역에서 균일한 특성을 보인다. 도 4에는 본 발명에 의한 레이저 다이오드에서의 전기장 분포가 도시되어 있다.

도 4와 같은 구조에서 전기장은 양의 부호로 도핑된 리지 영역에서 음의 부호로 도핑된 광 가둠층(separate confinement hetero-structure layer) 사이에서 발생된다. 리지 바로 아랫 부분에서 p-n 고갈 영역의 길이는 일반적인 레이저 다이오드와 같이 0.2㎛ 정도이다. 전기장은 p-n 영역 사이에서 걸리게 되므로 이 지역에서 걸리는 전기장 세기는 GaAs계의 레이저 다이오드에서 대략 100KV/cm로 미국 특허 제6757313호와 동일하다. 그러나 리지의 바깥쪽 영역에서는 전기장이 대각선 방향으로 걸리게 된다. 임플란트 영역을 리지 바로 아랫 부분으로부터 5㎛ 정도 떨어진 영역에 형성할 경우, 이 방향으로 전기장이 걸리는 영역의 길이는 5㎛ 이상으로 증가하게 된다. P-N 접합에 의한 바이어스 전압은 일정하므로(GaAs의 경우 2.0V) 이 영역에서의 전기장의 세기는 4KV/cm가 된다. 즉, 리지 바로 아랫 부분에는 100KV/cm의 강한 전기장이 걸리는데 비해 임플란트된 영역 근처에서는 4KV/cm의 상대적으로 매우 미약한 전기장이 걸리게 된다. 그러므로 임플란트에 의한 결함이 존재하는 영역은 약한 전기장만 걸리게 되어 전류의 흐름이 제한 될 뿐만 아니라 결함의 이동이 제한되어 레이저 다이오드의 신뢰성에 문제를 발생시키지 않는 것이다.

도 5 내지 도 13은 본 발명에 의한 레이저 다이오드의 제조과정이 순차적으로 도시되어 있다.

도 5의 형태와 같이 먼저 레이저 다이오드 구조의 에피(epi)를 성장한다.(공정 S1)

그 다음으로, 도 6에 도시된 바와 같이 일반적인 포토 리소그래피(photo-lithography) 방법을 이용하여 양자 임플란트가 되지 않아야 할 영역을 포토 레지 스트(110)로 한정한다. 이때 포토 레지스트(110)의 폭은 이후에 제작될 리지 폭 보다 크게 하며, 바람직스럽게는 10~20㎛ 정도의 폭이 되도록 한다. 이렇게 제작된 기판(10)을 양자 임플란트를 시키게 되면(S2) 도 7에 도시된 바와 같이 임플란트 된 영역과 임플란트 되지 않은 영역이 형성되게 된다. 도 7에서 임플란트된 깊이는 기판(10)까지 일부 포함되도록 깊게 임플란트시킨다. 반절연 특성을 갖도록 하는 양자 임플란트는 유사한 특성을 갖는 다른 임플란트 방식으로 대치될 수 있으며, 이중 몇 가지를 예로 들면, 헬륨 임플란트과 산화물 임플란트 등이 있다.

도 8은 도 7에서 사용된 포토 레지스트(110)를 제거하고 리지가 형성될 부분을 보호하기 위한 SiNx 또는 SiO2의 유전체 박막(120)을 형성한 상태이다. 유전체 박막(120)의 형성에는 일반적인 포토 리소그래피과정을 이용한다. 이때 형성된 유전체 박막(120)의 폭은 1~5㎛ 정도가 바람직스럽다. 그런 후, 습식 식각 또는 건식 식각을 이용하여 리지를 형성한다.(S3)

리지가 형성된 기판의 단면을 도 9에 도시하였다. 도 6에서 도 8까지의 과정을 거침으로써 리지 정의 영역과 임플란트 정의 영역을 분리시킬 수 있다.

본 발명이 추구하는 바는 여러 개의 레이저 다이오드를 하나의 칩에 집적시킴에 있어, 각 레이저 다이오드의 광학적 커플링을 제거시켜 궁극적으로 안정된 공간적인 싱글 로브를 형성시킴에 있다.

도 10은 도 9에서 사용된 유전체 박막(120)을 제거한 후, 각 레이저 다이오드 스트립을 분리하기 위한 식각 마스크(130)를 기판 상부에 형성한 그림이다.

도 11은 도 10의 과정으로 형성된 식각 마스크(130)를 이용하여 각 레이저 다이오드의 광학적 커플링을 제거하기 위한 식각을 행한 후의 기판 단면이다. 이때 식각 방법으로는 습식 또는 건식 또는 이들 두 식각 방법의 혼합된 형태의 식각 방법을 사용할 수 있다. 이 때 식각은 도 5에 도시된 기판(10)의 일부분을 포함하며 부호 20,30,40,50의 층을 모두 포함한다. 바람직하게는 기판(10) 중 양자 임플란트된 일부분은 남도록 식각하는 것이 바람직하다. 이렇게 함으로써 식각되지 않은 반절연 특성을 갖는 임플란트 영역으로 인해, 유전체 박막(80)의 공백(void) 등에 의해 금속층(90)으로부터 기판(10)으로 직접 누설되는 누설전류를 효과적으로 차단할 수 있다.(S4)

도 11에서 식각을 위하여 사용된 유전체 박막(130)을 제거 한 후, 전체 기판의 상면을 다시 유전체 박막(80)으로 덮는다. 이 후 일반적인 포토 리소그래피 방법을 이용하여 접촉층(70) 위의 유전체 박막을 제거한다.(S5) 이렇게 제작된 기판의 단면이 도 12에 도시되어 있다.

마지막으로, 도 12와 같이 제작된 기판의 상,하 양면에 금속층(90,91)을 형성(S6)하면 본 발명에서 구현하고자 하는 신뢰성이 높으며, 고출력이 가능하며, 공간적인 싱글 로브의 특징을 가지는 레이저 다이오드가 완성된다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명에 의한 레이저 다이오드는 각 레이저 다이오드가 광학적으로 완전히 분리되며, 표면 누설전류가 최소화 됨과 동시에 레이저 다이오드의 신뢰성을 높일 수 있는 유용한 효과를 갖는다.

Claims (5)

1. 여러 개의 리지 도파관 구조의 레이저 다이오드가 하나의 반도체 칩에 형성되는 방법으로 만들어지는 어레이에서 전류 주입 영역을 양자 임플란트 방법을 이용하여 제한하기 위하여 기판 상에 음의 부호로 도핑된 하부 광 가둠층(Negatively doped lower Separate Confinement Hetero-structure layer), 활성층, 양의 부호로 도핑 된 상부 광 가둠 층(upper Separate Confinement Hetero-structure layer), 식각정지층, 양의 부호로 도핑된 클래드층 (positively doped cladding layer) 및 접촉층을 형성하는 공정(S1)과,

   포토 리소그래피(photo-lithography) 방법을 이용하여 양자 임플란트가 되지 않아야 할 영역을 포토 레지스트로 한정하여 양자 임플란트를 시키는 공정(S2)과,

   상기 포토 레지스트를 제거하고 포토 리소그래피 방법을 이용하여 리지가 형성될 부분에 유전체 박막을 형성한 후, 습식 식각 또는 건식 식각을 이용하여 리지를 형성하는 공정(S3)과,

   상기 리지 형성공정에서 사용된 유전체 박막을 제거한 후 각 레이저 다이오드 스트립을 광학적으로 분리하기 위한 식각 마스크를 기판 상부에 형성하여 식각하는 공정(S4)과,

   식각 마스크를 제거한 후 전체 기판의 상면을 다시 유전체 박막으로 덮고 포토 리소그래피 방법을 이용하여 접촉층 위의 유전체 박막을 제거하는 공정(S5) 및 기판의 상,하 양면에 금속층을 형성하는 공정(S6)을 포함하는 레이저 다이오드의 제조방법에 있어서;

   상기 공정(S2)에서 임플란트 되지 않는 활성층 영역의 폭을 리지의 폭에 비해 크게 되도록 포토 레지스트의 영역을 설정함을 특징으로 하는 레이저 다이오드의 제조방법.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 공정(S2)에서 임플란트 되는 영역의 임플란트 깊이는 기판의 일부분까지 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 다이오드의 제조방법.
3. 청구항 2에 있어서,

   상기 공정(S4)에서 식각 깊이를 기판의 일부까지 포함되도록 함과 동시에 임플란트 된 영역의 일부를 남기는 것을 특징으로 하는 레이저 다이오드의 제조방법.
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