KR100736600B1 - 질화물 반도체 레이저 다이오드 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 질화물 반도체 레이저 다이오드 제조 방법을 제공하기 위한 것으로서, 기판 위에 형성된 제 1 접촉층의 소정 영역에 제 1 접촉층이 돌출부를 갖도록 제 1 접촉층을 소정 깊이만큼 제거하는 단계와, 돌출부 양측에 형성된 제 1 접촉층 위에 돌출부의 상부면보다 낮게 전류 제한층을 형성한 후 제 1 클래드층과, 제 1 도파층과, 활성층과, 제 2 도파층과, 제 2 클래드층과, 제 2 접촉층을 차례로 형성하는 단계와, 제 1 접촉층의 소정 영역이 노출시킨 후, 제 1 접촉층의 소정 영역 및 제 2 접촉층 위에 금속을 형성하는 단계로 구성되며, 전류 제한층을 도입하여 측면 방향으로의 전류를 제한함으로써 수평 방사각을 늘려주기 때문에 비점 수차(astigmatism) 문제를 해결하고, 금속을 p형 반도체 전면에 형성하여 p형 반도체와 금속간의 높은 저항을 줄이며 활성층의 광학적 손실 및 열적 충격을 줄여 우수한 광 가이딩 효과를 가진다.

레이저 다이오드, 활성층, 도파층, 클래드층

Description

질화물 반도체 레이저 다이오드 제조 방법{Fabricating Method for Nitride Semiconductor Laser Diode}

도 1 은 종래 기술에 따른 질화물 반도체 레이저 다이오드의 구조 단면도

도 2a 내지 도 2g 는 본 발명에 따른 질화물 반도체 레이저 다이오드의 제조 공정 단면도

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 사파이어 기판 2 : n-GaN 접촉층

3 : Al_XGa_1-XN 4 : n-GaN 도파층

5 : In_xGa_1-xN/GaN 활성층 6 : p-GaN 도파층

7 : p-Al_XGa_1-XN 8 : p-GaN 접촉층

9 : p 전극 10 : n 전극

11 : 사파이어 기판 12 : n-GaN 접촉층

13 : 유전체 마스크 14 : n-GaN 완충층

15 : p-Al_XGa_1-XN층 16 : p-GaN층

17 : n-GaN 완충층 18 : n-Al_XGa_1-XN 클래드층

19 : n-GaN 도파층 20 : In_xGa_1-xN/GaN 활성층

21 : p-GaN 도파층 22 : p-Al_XGa_1-XN 클래드층

23 : p-GaN 접촉층 24 : p 전극

25 : n 전극

본 발명은 질화물 반도체 레이저를 DVD(Digital Versatile Disc) 시스템의 광원으로 사용하기 위해 필요한 사양을 만족시킬 수 있도록 해주는 구조에 관한 것으로, 특히 질화물 반도체 레이저 다이오드 제조 방법에 관한 것이다.

최근 질화물 반도체는 청자색을 낼 수 있는 단파장 발광다이오드나 반도체 레이저를 위한 물질로서 큰 관심을 끌어왔으며 이에 대한 많은 연구가 이루어지고 있는 실정이다. 특히 이 물질을 이용한 청자색 반도체 레이저의 경우 고밀도 정보 저장 매체의 광원으로 적용될 수 있을 것으로 여겨지고 있다.

반도체 레이저를 낮은 문턱 전류(threshold current)로 동작시키기 위해서는 활성층으로의 전류공급과 측면 광 제한(light confinement)이 효율적으로 이루어져야 한다. 특히 광의 측면 제한은 레이저에서 방사되는 빔의 형태를 DVD 시스템에 적용되기 좋은 형태로 만들어준다.

종래의 질화물 반도체 레이저는 활성층을 중심으로 도파층, 클래드층을 형성 해 광을 인도해 주는 p-n 다이오드 구조를 가지고 있다.

수직 방향으로의 전류의 제한과 광 제한은 밴드 갭 차이를 도입한 이중이종접합구조와 유전율 차이를 이용할 수 있도록 해주는 도파층, 클래드층의 도입하는 방법을 사용한다.

일반적으로 수평 방향으로의 전류의 측면 확산의 제한을 위해 p형 반도체 쪽에 리지(ridge)를 형성하여 활성 영역의 비대칭성을 줄이는 방법을 많이 사용한다. 이것은 리지 폭을 줄임으로써 더 큰 측면 확산의 제한이 가능하지만, 리지 폭을 줄일 경우 p형 반도체와 금속간의 접촉 저항으로 인해 소자 전체 저항이 높아져 소자의 성능이 열화된다.

따라서 리지를 형성하여 전류의 측면 확산을 줄이는 데는 한계가 있으므로 이러한 다이오드를 통해 나오는 광의 형태에 있어 활성 영역의 비대칭성에 의한 비점 수차(astigmatism) 문제가 심각하다.

일반적으로 비점 수차의 문제는 파장이 짧을수록 더 심한 것으로 알려져 있다. 따라서 질화물 반도체 레이저의 경우 중심 파장이 410㎚ 근방이므로, InGaAsP나 AlGaAs 등을 이용한 소자(650㎚, 780㎚, 808㎚)보다 비점 수차 문제가 심각하다. 광의 형태는 수직 방사각과 수평 방사각으로 나타내게 되는데 일반적으로 수평 방사각이 수직 방사각에 비해 현저히 작다. 따라서 활성 영역의 수평길이를 감소시켜 수평 방사각을 늘려주는 것이 DVD 시스템이 광원으로서의 효용성을 늘리는 측면에 있어서 필요하다.

광의 측면 제한을 위해 리지가 Al_XGa_1-XN 클래드층에 의해 좌우로 샌드위치 모양이 되도록 하는 베리드 리지(buried ridge) 형태를 도입하기도 한다.

베리드 리지 구조는 활성층이 성장된 후에 냉각을 하였다가 Al_XGa_1-XN층 등의 상층부를 성장하는 공정이 필요하기 때문에 활성층에 열충격이 가해지는 것을 막을 수 없다. 이미 성장된 활성층 구조와 새로 성장된 Al_XGa_1-XN층과의 계면에서 광학적 손실이 발생하고 Al_XGa_1-XN층이 새로 성장하는 동안 활성층이 열적인 충격을 받게 되는 측면도 있다. 또한 p형 반도체와 금속간의 접촉 저항 감소 효과를 얻기 위해 p형 반도체 전면에 금속을 증착한 경우라고 하더라도 Al_XGa_1-XN층의 높은 저항으로 인해 큰 효과를 볼 수가 없다.

도 1 은 종래 기술에 따른 전류의 측면 확산 제한을 위한 리지 구조 질화물 반도체 레이저를 나타낸 도면이다.

전체적으로는 p-n 다이오드 형태를 띄면서 빛을 발하는 In_xGa_1-xN/GaN 활성층(5 : 다중우물구조나 이중이종접합구조를 많이 사용)을 중심에 두고 GaN 도파층(4, 6)과, Al_1-XGa_XN(3)과, p-Al_XGa_1-XN(7)으로 둘러싸 전기적으로 전자와 정공이 활성층(5)에서 가급적 벗어나지 않게 해주며 발생한 빛을 가이딩(guiding)해주게 된다.

p-Al_XGa_1-XN(7) 위에는 금속(9)과의 접촉 저항이 지나치게 높지 않도록 하기 위한 p-GaN 접촉층(8)이 형성되어 있으며, 아래에는 모재가 되는 n-GaN 접촉층(2) 이 일반적으로 사용되는 사파이어 기판(1) 위에 형성되어 있다.

이상에서 설명한 종래 기술에 따른 질화물 반도체 레이저 다이오드 제조 방법은 다음과 같은 문제점이 있다.

첫째, 활성층을 중심으로 도파층, 클래드층을 형성하여 광을 인도해 주는 p-n 다이오드 구조를 이용한 레이저 다이오드는 리지를 형성하여 전류의 측면 확산을 줄이는 데 한계가 있으므로 다이오드를 통해 나오는 광의 형태는 활성 영역의 비대칭성에 의한 비점 수차(astigmatism) 문제가 심각하다.

둘째, 베리드 리지(buried ridge) 형태를 이용한 레이저 다이오드는 이미 성장된 활성층과 새로 성장된 클래드층의 경계면에서 광학적 손실 및 활성층의 열적 충격이 발생한다.

셋제, 반도체와 금속간의 접촉 저항의 감소가 어렵다.

따라서 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 활성층의 손상을 억제하면서 광의 수평 방사각을 늘리는데 있어 리지를 도입하지 않고 전류 제한 효과를 얻고, p형 반도체와 금속간의 접촉 저항을 줄임으로써 DVD 시스템의 광원으로 적합한 질화물 반도체 레이저 다이오드 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 질화물 반도체 레이저 다이오드 제조 방법의 특징은 기판 위에 제 1 접촉층을 형성하고, 상기 제 1 접촉층 의 소정 영역을 소정 깊이 만큼 제거하여 돌출부를 형성하는 제 1 단계와, 상기 돌출부의 상부 면을 제외한 상기 제 1 접촉층을 덮도록 전류 제한층을 형성하는 제 2 단계와, 상기 전류 제한층과 상기 돌출부에 제 1 클래드층과, 제 1 도파층과, 활성층과, 제 2 도파층과, 제 2 클래드층과, 제 2 접촉층을 차례로 형성하는 제 3 단계와, 상기 제 1 접촉층의 소정 영역이 노출되도록 상기 제 2 접촉층과, 제 2 클래드층과, 제 2 도파층과, 활성층과, 제 1 도파층과, 제 1 클래드층과, 전류 제한층을 선택적으로 제거하는 제 4 단계와, 상기 노출된 제 1 접촉층의 소정 영역 및 상기 제 2 접촉층 위에 금속을 형성하는 제 5 단계를 포함하여 이루어지는데 있다.

상기 제 1 클래드층 하부에 완충막이 더 형성되기도 하며, 상기 전류 제한층 하부에 완충막이 더 형성되기도 한다.

상기 전류 제한층은 다단의 기울기를 가지고 형성되고, 상기 다단의 기울기 중 최소의 기울기를 갖고 형성된 전류 제한층은 상기 돌출부의 상부 면보다 100㎚∼1㎛ 만큼 낮게 형성된다.

본 발명의 특징에 따른 작용은 전류 제한층을 도입하여 측면 방향으로의 전류를 제한함으로써 수평 방사각을 늘려주기 때문에 비점 수차(astigmatism) 문제를 해결하고, 금속을 p형 반도체 전면에 형성하여 p형 반도체와 금속간의 높은 저항을 줄이며 활성층의 광학적 손실 및 열적 충격을 줄일 수 있다.

본 발명의 다른 목적, 특성 및 잇점들은 첨부한 도면을 참조한 실시예들의 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.

본 발명에 따른 질화물 반도체 레이저 다이오드 제조 방법의 바람직한 실시 예에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도 2a 내지 도 2g 는 본 발명에 따른 질화물 반도체 레이저 다이오드의 제조 공정 단면도이다.

먼저, 도 2a 에 도시된 바와 같이 사파이어 기판(11) 위에 n-GaN 접촉층(12)을 형성한다. 이어 도 2b 에 도시된 바와 같이 n-GaN 접촉층(12)의 소정 영역 위에 PECVD 증착법과 포토리소그래피 법을 이용하여 전류 통로 영역이 될 부분에만 SiO₂ 나 Si₃N₄와 같은 유전체 마스크(13)를 형성한다.

이어 도 2c 에 도시된 바와 같이 유전체 마스크(13)를 이용하여 유전체 마스크(13)가 형성되지 않은 영역의 n-GaN 접촉층(12)을 소정 깊이 만큼 식각한다. 즉, 전류가 통과할 부분(전류 통로 폭 : W)을 제외한 나머지 부분을 식각한다.

이어 도 2d 에 도시된 바와 같이 상기 식각된 n-GaN 접촉층(12)의 측면에 n-GaN 완충층(14)과, p-Al_XGa_1-XN층(15)과, p-GaN층(16)을 선택 에피 성장을 실시하여 형성한다.

이어 도 2e 에 도시된 바와 같이 유전막 마스크(13)를 제거한다.

이어 도 2f 에 도시된 바와 같이 전면에 n-GaN 완충층(17)과, n-Al_XGa_1-XN 클래드층(18)과, n-GaN 도파층(19)과, In_xGa_1-xN/GaN 활성층(20)과, p-GaN 도파층(21)과, p-Al_XGa_1-XN 클래드층(22)과, p-GaN 접촉층(23)을 성장한다. n-GaN 완충층(14)은 n-Al_XGa_1-XN층(15)의 성장을 위한 완충 역할을 하며 p-GaN층(16)과 n-GaN 완충층(17) 은 이후에 성장되는 막에 대한 완충 역할을 한다.

이어 도 2g 에 도시된 바와 같이 n-GaN 접촉층(12)이 드러나도록 건식 식각을 시행하여 메사(mesa)를 형성한 후 n-GaN 접촉층(12)과 p-GaN 접촉층(23)에 각각 p, n 금속(24, 25)을 형성한다. p 금속(24)은 메사 위쪽 부분을 모두 이용하여 금속이 증착된다. p-GaN 접촉층(23)은 p 금속(24)과의 접촉 저항을 낮추기 위하여 p-GaN 도파층(21)보다 높은 도핑 농도를 가진다.

p-Al_XGa_1-XN 층(15)과, p-GaN층(16)에 의해 전류 통로 폭(W)을 제외한 부분으로는 전류가 흐를 수 없다. 리지를 이용하지 않고 좌우 방향으로 전류 제한 효과를 가져올 수 있도록 한 것이다. 이를 통해 이후 형성하게 되는 p-GaN 접촉층(23)에 전면으로 p 금속(24)을 증착할 수 있게 되어 p-GaN 접촉층(23)과 p 금속(24)간에 낮은 접촉 저항을 갖게 된다.

그리고 전류 통로 폭(W) 위에 활성층(20)을 살펴보면 좌우에 p-GaN 도파층(21)과, p-Al_XGa_1-XN 클래드층(22)이 있는 것을 볼 수 있다. 이에 의해 측면 방향에 있어 빛이 가이딩되는 측면 즉, 인덱스 가이딩(lateral index guiding) 효과가 발생한다.

또한 제작 공정상에서 In_xGa_1-xN/GaN 활성층(20)이 성장된 후에 냉각을 하였다가 다시 상층부를 성장하는 공정을 겪지 않기 때문에 활성층(20)에 추가로 열적 충격을 가하는 것이 배제된 상태로 우수한 광 가이딩 효과를 가져온다.

따라서 p형 반도체 쪽에 리지를 형성하지 않고 p-Al_XGa_1-XN 층(15)과, p-GaN 층(16)등의 전류 차단층을 도입하여 좌우 방향으로의 전류 제한 효과를 가져옴으로써 p 금속(24)을 p형 반도체 전면에 형성할 수 있어 p형 반도체와 금속간의 높은 저항을 줄이고, 활성층(20)에 열적 충격을 가하는 공정없이 측면 방향으로 우수한 광가이딩 효과를 이끌어낼 수 있는 구조를 도입한다.

여기에서 n-GaN 접촉층(12)에 형성된 전류 통로의 높이와 n-GaN 완충층(14)과, p-Al_XGa_1-XN층(15)과, p-GaN층(16)의 두께를 적절히 조절해주지 못하면 p-GaN 도파층(21)과, p-Al_XGa_1-XN 클래드층(22)에 의한 측면 인덱스 가이딩 효과를 크게 만들 수 없다. 즉, 경사가 지나치게 완만하도록 되었을 경우 빛이 측면으로 느끼는p-GaN 도파층(21)과, p-Al_XGa_1-XN 클래드층(22)의 두께가 지나치게 두껍게 되어 p-Al_XGa_1-XN 클래드층(22)이 멀기 때문에 적절한 광 제한 효과를 기대할 수 없다. 반면 단차가 지나치게 크게 되면 측면과 바닥 부분을 전체적으로 덮어줄 수 있도록 성장이 일어나기 어렵다. 이 단차의 범위는 100㎚∼1㎛이다.

이상에서 설명한 바와 같은 본 발명에 따른 질화물 반도체 레이저 다이오드 제조 방법은 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, p형 반도체 쪽에 리지를 형성하지 않고 전류 차단층을 도입하여 측면 방향으로의 전류를 제한함으로써 수평 방사각을 늘려주기 때문에 활성 영역의 비대칭성에 의한 비점 수차(astigmatism) 문제를 해결하고, 금속을 p형 반도체 전면에 형성할 수 있어 p형 반도체와 금속간의 높은 저항을 줄이는 효과를 가진다.

둘째, 제작 공정상에서 활성층이 성장된 후에 냉각을 하였다가 다시 상층부를 성장하는 공정을 겪지 않기 때문에 활성층에 끼치는 열적 충격을 줄여 우수한 광 특성을 가진다.

이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술 사상을 이탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다.

따라서, 본 발명의 기술적 범위는 실시예에 기재된 내용으로 한정되는 이 아니라 특허 청구의 범위에 의하여 정해져야 한다.

Claims (6)

1. 기판 위에 제 1 접촉층을 형성하고, 상기 제 1 접촉층을 식각하여 돌출부를 형성하는 제 1 단계와,

   상기 돌출부의 상부 면을 제외한 상기 제 1 접촉층을 덮도록 전류 제한층을 형성하는 제 2 단계와,

   상기 전류 제한층과 상기 돌출부에 제 1 클래드층과, 제 1 도파층과, 활성층과, 제 2 도파층과, 제 2 클래드층과, 제 2 접촉층을 차례로 형성하는 제 3 단계와,

   상기 제 1 접촉층이 일부 노출되도록 상기 제 2 접촉층과, 제 2 클래드층과, 제 2 도파층과, 활성층과, 제 1 도파층과, 제 1 클래드층과, 전류 제한층을 식각하는 제 4 단계와,

   상기 제 4 단계에서 노출된 제 1 접촉층 및 상기 제 3 단계에서 형성된 제 2 접촉층 위에 금속을 형성하는 제 5 단계를 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 질화물 반도체 레이저 다이오드 제조 방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 클래드층 하부에 완충막이 더 형성됨을 특징으로 하는 질화물 반도체 레이저 다이오드 제조 방법.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 전류 제한층 하부에 완충막이 더 형성됨을 특징으로 하는 질화물 반도체 레이저 다이오드 제조 방법.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 전류 제한층은 다층으로 형성되는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 레이저 다이오드 제조 방법.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 전류 제한층의 상층부는 상기 돌출부의 상부 면보다 100㎚∼1㎛ 만큼 낮게 형성됨을 특징으로 하는 질화물 반도체 레이저 다이오드 제조 방법.
6. 제 1 항에 있어서,

   제 1 접촉층에 형성되는 금속은 n 금속이고, 제 2 접촉층에 형성되는 금속은 p 금속인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 레이저 다이오드 제조 방법.

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