KR100738079B1 - 질화물계 반도체 레이저 다이오드의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

공진미러면(cavity mirror plane)에서의 광학적 흡수가 최소화되고 공진미러면의 표면거칠기가 향상된 구조를 갖는 질화물계 반도체 레이저 다이오드의 제조방법이 개시된다. 본 발명에 따른 질화물계 반도체 레이저 다이오드의 제조방법은, (0001) GaN 기판면 위에 상호 레이저 공진길이만큼의 이격거리를 유지하는 적어도 두 개의 마스크를 <11-20>방향의 스트라이프 패턴으로 형성하는 단계, 상기 마스크 사이의 GaN 기판면 위에 n-GaN층을 성장시킴으로써, 상기 n-GaN층의 (1-100)면측 양단부가 타영역 보다 상대적으로 두껍게 성장되도록 하는 단계, 상기 n-GaN층 위에 순차적으로 n-클래드층과 활성층 및 p-클래드층을 적층함으로써, 상기 활성층으로부터 발생된 레이저광이 상기 활성층과 측방향으로 얼라인되게 배치된 n-클래드층 영역을 통과하여 발진하는 측면발광 레이저공진구조체를 형성하는 단계 및 상기 레이저공진구조체의 (1-100)면측을 에칭하여 공진미러면을 형성하는 단계를 포함한다.

Description

질화물계 반도체 레이저 다이오드의 제조방법{Fabrication method of nitride-based semiconductor laser diode}
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 질화물계 반도체 레이저 다이오드의 개략적 사시도이다.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 질화물계 반도체 레이저 다이오드의 개략적 사시도이다.
도 3a 내지 도 3f는 본 발명의 제1 실시예에 따른 질화물계 반도체 레이저 다이오드의 제조방법을 보여주는 공정흐름도이다.
도 4a 내지 도 4f는 본 발명의 제2 실시예에 따른 질화물계 반도체 레이저 다이오드의 제조방법을 보여주는 공정흐름도이다.
< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >
2:GaN 기판 4:사파이어 기판
12:SiO2층 12a:SiO2 마스크
16:GaN층 20, 22:n-GaN층
24:n-클래드층 25:n-광도파층
26:활성층 27:p-광도파층
28:p-클래드층 30, 31:공진미러면
본 발명은 질화물계 반도체 레이저 다이오드의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 공진미러면(cavity mirror plane)에서의 광학적 흡수가 최소화되고 공진미러면의 표면거칠기가 향상된 구조를 갖는 질화물계 반도체 레이저 다이오드의 제조방법에 관한 것이다.
측면발광(edge emitting) 반도체 레이저 다이오드에 있어서, 레이저광이 출사면으로 방출될 때 높은 광자밀도(photon density)와 주울열(joule heating)에 의해 출사면쪽의 반도체 결정 구조가 변형되면서 광흡수율이 증가하여 레이저의 문턱전류값을 높이게 된다. 높아진 문턱전류는 소자의 열특성을 악화시키며, 출사면의 광흡수율을 다시 높이게 된다. 이러한 광학적 특성 저하현상은 기하급수적으로 일어나게 되며, 반도체 레이저 소자의 수명을 급작스럽게 단축시키는 요인이 되는데, 반도체 레이저 소자에 있어서 이러한 현상을 COD(Catastrophic Optical Damage)라고 한다.
반도체 레이저 소자의 특성을 결정하는 주요한 인자 중의 하나는 레이저의 공진효율을 나타내는 특성요소(Quality factor:Q)인데, 공진면(cavity facet)의 거칠기(roughness)는 이러한 특성요소값을 결정짓는 가장 주요한 인자 중 하나이다. 공진면의 거칠기가 0에 가까울 수록 Q값은 커지게 되며, 레이저 특성이 향상될 수 있다. 종래, 질화물계 반도체 레이저의 제작에 있어서, 선긋기와 쪼갬(Notch and cleaving) 방법을 이용하여 공진미러면(cavity mirror plane)을 형성하였는데, 이와 같은 방법은 원자거칠기-단면(atomically single plane)에 가까운 공진미러면을 제공하기 어렵다는 것이 널리 알려져 있다.
따라서, 원자거칠기-단면(atomically single plane)에 가까운 공진미러면을 형성하여 그 표면거칠기 특성을 향상시킴으로써, 공진미러면에서의 광학적 흡수가 최소화 될 수 있는 반도체 레이저 다이오드의 제조공정 개발이 요구된다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 상술한 종래기술의 문제점을 개선하기 위한 것으로, 공진미러면(cavity mirror plane)에서의 광학적 흡수가 최소화되고 공진미러면의 표면거칠기가 향상된 구조를 갖는 질화물계 반도체 레이저 다이오드의 제조방법을 제공함에 있다.
본 발명의 제1 실시예에 따른 질화물계 반도체 레이저의 제조방법은,
(0001) GaN 기판면 위에 상호 레이저 공진길이만큼의 이격거리를 유지하는 적어도 두 개의 마스크를 <11-20>방향의 스트라이프 패턴으로 형성하는 단계;
상기 마스크 사이의 GaN 기판면 위에 n-GaN층을 성장시킴으로써, 상기 n-GaN층의 (1-100)면측 양단부가 타영역 보다 상대적으로 두껍게 성장되도록 하는 단계;
상기 n-GaN층 위에 순차적으로 n-클래드층과 활성층 및 p-클래드층을 적층함으로써, 상기 활성층으로부터 발생된 레이저광이 상기 활성층과 측방향으로 얼라인 되게 배치된 n-클래드층 영역을 통과하여 발진하는 측면발광 레이저공진구조체를 형성하는 단계; 및
상기 레이저공진구조체의 (1-100)면측을 에칭하여 공진미러면을 형성하는 단계;를 포함한다. 여기에서, 상기 마스크는 SiO2, SiN 및 W 으로 이루어지는 그룹에서 선택된 어느 한 물질로 형성될 수 있다.
제1 실시예에서, 상기 n-GaN층은 측면에피성장(ELO)에 의해 형성될 수 있으며, 상기 레이저공진구조체의 (1-100)면측 에칭은 습식에칭 공정에 의해 수행된다. 상기 습식에칭 공정에서, 에틸렌 글리콜에 용해된 수산화칼륨(KOH dissolved in ethylene glycol), 액상 수산화칼륨(molten KOH), 에틸렌 글리콜에 용해된 수산화나트륨(NaOH dissolved in ethylene glycol), 액상 수산화나트륨(molten NaOH) 및 인산(Phosphoric acid)으로 이루어지는 그룹에서 선택된 어느 한 물질이 에천트로서 이용된다.
상기 측면에피성장은,
상기 <11-20>방향의 마스크 사이에 <1-100>방향으로 스트라이프 패턴의 마스크를 더 형성하는 단계; 및
상기 마스크에 의해 덮이지 않은 GaN 기판면 위에 n-GaN층을 에피텍셜 성장시키는 단계;를 포함한다. 바람직하게, 상기 <1-100>방향의 마스크는 <11-20>방향의 마스크와 적어도 5㎛ 길이만큼 이격되어 형성될 수 있다.
또한, 본 발명의 제2 실시예에 따른 질화물계 반도체 레이저의 제조방법은,
(0001) 사파이어 기판면 위에 GaN층을 형성하는 단계;
상기 GaN층에 상호 레이저 공진길이만큼의 이격거리를 유지하는 적어도 두 개의 스트라이프 패턴의 그루브를 <11-20>방향으로 형성하여 상기 사파이어 기판면을 노출시키는 단계;
상기 그루브 사이의 GaN층 위에 n-GaN층을 성장시킴으로써, 상기 n-GaN층의 (1-100)면측 양단부가 타영역 보다 상대적으로 두껍게 성장되도록 하는 단계;
상기 n-GaN층 위에 순차적으로 n-클래드층과 활성층 및 p-클래드층을 적층함으로써, 상기 활성층으로부터 발생된 레이저광이 상기 활성층과 측방향으로 얼라인되게 배치된 n-클래드층 영역을 통과하여 발진하는 측면발광 레이저공진구조체를 형성하는 단계; 및
상기 레이저공진구조체의 (1-100)면측을 에칭하여 공진미러면을 형성하는 단계;를 포함한다.
제2 실시예에서, 상기 n-GaN층은 펜데오(pendeo) 에피성장에 의해 형성될 수 있으며, 상기 레이저공진구조체의 (1-100)면측 에칭은 습식에칭 공정에 의해 수행된다.
상기 펜데오(pendeo) 에피성장은,
상기 그루브 사이의 GaN층을 <1-100>방향의 스트라이프 형태로 패터닝하여 복수의 GaN 시드를 형성하는 단계; 및
상기 GaN 시드 위에 n-GaN층을 에피텍셜 성장시키는 단계;를 포함한다. 바람직하게, 상호 이웃하는 상기 GaN 시드의 단부가 서로 연결되도록 패터닝될 수 있 다.
제1 및 제2 실시예에서, 상기 n-클래드층은 활성층 보다 더 큰 밴드갭 폭을 가지는 물질로 형성되는 것이 바람직하다. 예를 들어, 상기 n-클래드층은 AlxGa(1-x)N(0≤x<1) 물질로 형성될 수 있다. 그리고, 제1 및 제2 실시예에서, 상기 n-클래드층과 활성층 사이에 InyGa(1-y)N(0≤y<1) 물질로 n-광도파층을 형성하는 단계;를 더 포함할 수 있으며, 상기 활성층과 p-클래드층 사이에 InyGa(1-y)N(0≤y<1) 물질로 p-광도파층을 형성하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
상기와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의하면, 공진미러면에서 레이저 발진광의 광학적 흡수가 최소화됨으로써, 공진미러면의 광학적 손상(optical damage)이 줄어들고, 레이저 특성이 향상된 질화물계 반도체 레이저 다이오드를 얻을 수 있다.
이하, 본 발명에 따른 질화물계 반도체 레이저 다이오드 제조방법의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 층이나 영역들의 두께는 명세서의 명확성을 위해 과장되게 도시된 것이다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 질화물계 반도체 레이저 다이오드의 개략적 사시도이다.
도 1을 참조하면, 제1 실시예에 따른 질화물계 반도체 레이저 다이오드는 GaN 기판(2)과 그 위에 순차적으로 형성된 n-GaN층(20), n-클래드층(24), n-광도파층(25), 활성층(26), p-광도파층(27) 및 p-클래드층(28)을 포함한다.
제1 실시예에 따른 레이저 다이오드는 GaN <1-100>방향으로 레이저 공진길이(laser cavity length;L)를 가진다. 여기에서, 상기 n-GaN층(20)의 (1-100)면측 양단부는 타영역 보다 상대적으로 두껍게 형성되어, 상기 n-GaN층(20) 상면의 양단에 단차부가 마련될 수 있다.
그리고, 단차부가 마련된 상기 n-GaN층(20) 위에 순차적으로 n-클래드층(24), n-광도파층(25), 활성층(26), p-광도파층(27) 및 p-클래드층(28)이 균일한 두께로 적층되어, 상기 활성층(26)과 측방향으로 n-클래드층(24)의 일영역이 얼라인되게 배치된 구조를 갖는 측면발광 레이저 공진구조체(edge emitting laser cavity structure)가 구현되었다. 따라서, 상기 활성층(26)으로부터 발생된 레이저광은 상기 활성층(26)과 측방향으로 얼라인되게 배치된 n-클래드층(24)의 일영역을 통과하여 발진될 수 있다.
그리고, 상기 레이저 공진구조체의 (1-100)면측이 에칭되어 공진미러면(cavity mirror plane, 30)이 형성되었으며, 이와 같이 형성된 상기 공진미러면(30)의 표면거칠기 특성은 우수하다.
상기 활성층(26)은 레이징이 일어날 수 있는 물질층이면 어떠한 물질층이라도 사용할 수 있으며, 바람직하게는 임계전류값이 작고 횡모드 특성이 안정된 레이저광을 발진할 수 있는 물질층을 사용한다. 활성층(26)으로 Al이 소정 비율 함유된 InxAlyGa1-x-yN(0≤x<1, 0≤y<1 그리고 x+y<1)인 GaN계열의 Ⅲ-V족 질화물계 화합물 반도체층을 사용하는 것이 바람직하다. 여기에서, 상기 활성층(26)은 다중양자우 물 또는 단일양자우물 중 어느 하나의 구조를 가질 수 있으며, 이러한 활성층(26)의 구조는 본 발명의 기술적 범위를 제한하지 않는다. 그리고, 상기 n-광도파층(25)과 p-광도파층(27)은 InyGa(1-y)N(0≤y<1) 물질로 형성될 수 있으며, 상기 n-클래드층(24)과 p-클래드층(28)은 AlxGa(1-x)N(0≤x<1) 물질로 형성될 수 있다.
상기 제1 실시예에 따른 질화물계 반도체 레이저 다이오드는 상기 활성층(26)으로부터 발생된 레이저광이 상기 활성층(26)과 측방향으로 얼라인되게 배치된 n-클래드층(24)의 일영역을 통과하여 출사되는 구조를 갖는다. 여기에서, AlxGa(1-x)N(0≤x<1) 등과 같은 n-클래드층(24)의 형성물질은 InxAlyGa1-x-yN(0≤x<1, 0≤y<1 그리고 x+y<1) 등과 같은 활성층(26)의 형성물질 보다 더 큰 밴드갭 폭을 가지기 때문에, 공진미러면(30)에서의 광흡수가 최소화될 수 있다. 구체적으로, 레이저가 출사되는 윈도우 영역의 밴드갭 폭이 활성층의 밴드갭 폭 보다 클 경우, 공진미러면(30)에서의 레이저광 흡수가 최소화되어 COD(Catastrophic Optical Damage)가 발생되는 광출력 임계값이 높아지게 되고, 이로써 COD이하의 출력에서 동작하는 레이저 소자의 안정성이 확보될 수 있다. 따라서, 공진미러면(30)에서 레이저 발진광의 광학적 흡수가 최소화됨으로써, 공진미러면의 광학적 손상(optical damage)이 줄어들고, 질화물계 반도체 소자의 레이저 특성이 향상될 수 있다.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 질화물계 반도체 레이저 다이오드의 개략적 사시도이다. 여기에서, 제1 실시예와 동일한 구성요소에 대하여는 중복되는 설명을 생략하기로 하고, 동일한 참조번호를 그대로 사용하기로 한다. 도 2를 참조 하면, 제2 실시예에 따른 질화물계 반도체 레이저 다이오드는 제1 실시예에 따른 레이저 다이오드와 동일한 구조를 가지며, 다만, 프리스탠딩 GaN 기판 대신 사파이어 기판 위에 적층된 GaN 기판을 이용한다는 점이 다르며, 이후에서 후술되는 바와 같이 그 제조공정에 있어서 명백한 차이가 있다.
도 3a 내지 도 3f는 본 발명의 제1 실시예에 따른 질화물계 반도체 레이저 다이오드의 제조방법을 보여주는 공정흐름도이다. 이러한 질화물계 반도체 레이저 다이오드의 제조에 있어서 각각의 물질층의 형성방법은 널리 알려져 있으므로, 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다. 예를 들어, 각각의 물질층은 CVD, MOCVD, PECVD 및 PVD 등과 같은 박막증착 방법으로 형성될 수 있다.
도 3a 및 도 3b를 참조하면, 먼저 (0001) GaN 기판면(2)을 준비하여, 상기 GaN 기판면(2) 위에 SiO2층(12)을 형성한다. 그리고나서, 상기 SiO2층(12)을 패터닝하여 상호 레이저 공진길이(L)만큼의 이격거리를 유지하는 적어도 두 개의 SiO2 마스크(12a)를 형성한다. 이 때, 상기 SiO2 마스크(12a)는 <11-20>방향의 스트라이프 패턴으로 형성한다. 여기에서, 상기 레이저 공진길이(L)는 100㎛ 내지 2000㎛ 범위로 정의될 수 있다. 그리고, 상기 마스크(12a)는 5㎛ 내지 100㎛ 범위의 폭(width)으로 형성되는 것이 바람직하다. 여기에서, 상기 마스크 재질로써, SiO2 뿐만 아니라, SiN 또는 W 등과 같은 다양한 물질이 이용될 수 있으며, 상기 마스크의 재질은 본 발명의 권리범위를 제한하지 않는다.
도 3c를 참조하여, 상기 마스크(12a) 사이의 GaN 기판면(2) 위에 n-GaN층 (20)을 에피텍셜 성장시킨다. 상기 마스크(12a)의 설치로 인하여, 마스크(12a) 사이에 형성되는 n-GaN층(20)의 (1-100)면측 양단부가 타영역 보다 상대적으로 두껍게 성장될 수 있다. 구체적으로, 상기 마스크(12a)가 n-GaN층(20)의 성장에 기여하지 않은 잉여 소스가스의 확산경로를 제공하여, 화살표로 표시된 바와 같이 잉여 소스가스는 상기 마스크(12a) 상면을 따라 n-GaN층(20)의 (1-100)면측 양단부에 우선적으로 공급될 수 있다. 결과적으로, 상기 n-GaN층(20)의 (1-100)면측 양단부가 타영역 보다 상대적으로 두껍게 성장되어, 상기 n-GaN층(20) 상면의 양단에 단차부(20a)가 마련될 수 있다. 그리고, 이와 같은 n-GaN층(20)의 표면구조는 이후에 그 위에 성장되는 적층물들의 형상, 즉 레이저 공진구조체의 구조에 영향을 준다. 이에 대하여는 차후에 해당도면에서 상세하게 설명하기로 한다.
여기에서 도면에 도시되진 않았지만, 바람직하게 상기 n-GaN층(20)은 측면에피성장(Epitaxial Lateral Overgrowth;ELO)에 의해 형성될 수 있다. 미국특허 US 6,051,849는 ELO 기술의 구성 및 그 효과를 상세하게 개시하고 있으므로, ELO 기술에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다. 상기 ELO 기술을 본 발명의 제1 실시예에 응용할 수 있다. 구체적으로, 상기 <11-20>방향의 SiO2 마스크(12a) 사이에 <1-100>방향으로 스트라이프 패턴의 SiO2 마스크(미도시)를 더 형성한다. 바람직하게, 상기 <1-100>방향의 마스크는 <11-20>방향의 마스크와 적어도 5㎛ 길이만큼 이격되어 형성될 수 있다. 그리고나서, 상기 마스크(미도시)에 의해 덮이지 않은 GaN 기판면(2) 위에 n-GaN층(20)을 에피텍셜 성장시킬 수 있다. 이와 같은 ELO 기술은 n- GaN층(20) 내에 전위(dislocation) 등과 같은 결함(defect)의 형성을 최소화할 수 있다.
도 3d를 참조하면, 상기 n-GaN층(20) 위에 순차적으로 n-클래드층(24), n-광도파층(25), 활성층(26), p-광도파층(27) 및 p-클래드층(28)을 적층함으로써, 상기 활성층(26)과 상기 n-클래드층(24)의 일영역이 측방향으로 얼라인되게 배치되는 측면발광 레이저공진구조체를 형성한다. 상기 레이저 공진구조체에서, 상기 활성층(26)으로부터 발생된 레이저광은 상기 활성층(26)과 측방향으로 얼라인되게 배치된 n-클래드층(24)의 일영역을 통과하여 발진될 수 있다.
상기 활성층(26)은 레이징이 일어날 수 있는 물질층이면 어떠한 물질층이라도 사용할 수 있으며, 바람직하게는 임계전류값이 작고 횡모드 특성이 안정된 레이저광을 발진할 수 있는 물질층을 사용한다. 활성층(26)으로 Al이 소정 비율 함유된 InxAlyGa1-x-yN(0≤x<1, 0≤y<1 그리고 x+y<1)인 GaN계열의 Ⅲ-V족 질화물계 화합물 반도체층을 사용하는 것이 바람직하다. 여기에서, 상기 활성층(26)은 다중양자우물 또는 단일양자우물 중 어느 하나의 구조를 가질 수 있으며, 이러한 활성층(26)의 구조는 본 발명의 기술적 범위를 제한하지 않는다. 그리고, 상기 n-광도파층(25)과 p-광도파층(27)은 InyGa(1-y)N(0≤y<1) 물질로 형성될 수 있으며, 이들은 반드시 필요한 구성요소는 아니므로 포함되지 않을 수도 있다.
상기 n-클래드층(24)은 활성층(26)의 형성물질 보다 더 큰 밴드갭 폭을 가지는 물질로 형성되어야 한다. 예를 들어, 상기 n-클래드층(24)은 AlxGa(1-x)N(0≤x<1) 물질로 형성되며, p-클래드층(28)은 AlxGa(1-x)N(0≤x<1) 물질로 형성될 수 있다.
여기에서, AlxGa(1-x)N(0≤x<1) 등과 같은 n-클래드층(24)의 형성물질은 InxAlyGa1-x-yN(0≤x<1, 0≤y<1 그리고 x+y<1) 등과 같은 활성층(26)의 형성물질 보다 더 큰 밴드갭 폭을 가지기 때문에, 공진미러면(30)에서의 광흡수가 최소화될 수 있다. 구체적으로, 레이저가 출사되는 윈도우 영역의 밴드갭 폭이 활성층의 밴드갭 폭 보다 클 경우, 공진미러면(30)에서의 레이저광 흡수가 최소화되어 COD(Catastrophic Optical Damage)가 발생되는 광출력 임계값이 높아지게 되고, 이로써 COD이하의 출력에서 동작하는 레이저 소자의 안정성이 확보될 수 있다. 따라서, 공진미러면(30)에서 레이저 발진광의 광학적 흡수가 최소화됨으로써, 공진미러면의 광학적 손상(optical damage)이 줄어들고, 질화물계 반도체 소자의 레이저 특성이 향상될 수 있다.
도 3e 및 도 3f를 함께 참조하면, 상기 레이저공진구조체의 (1-100)면측을 에칭하여 공진미러면(30)을 형성한다. 상기 레이저공진구조체의 (1-100)면측 에칭은 습식에칭 공정에 의해 수행될 수 있으며, 표면거칠기(surface roughness)가 최소화되어 원자-단면(atomically single plane)에 가까운 공진미러면(30)을 얻을 수 있다. 상기 습식에칭 공정에서, 에틸렌 글리콜에 용해된 수산화칼륨(KOH dissolved in ethylene glycol), 액상 수산화칼륨(molten KOH), 에틸렌 글리콜에 용해된 수산화나트륨(NaOH dissolved in ethylene glycol), 액상 수산화나트륨(molten NaOH) 및 인산(Phosphoric acid)으로 이루어지는 그룹에서 선택된 어느 한 물질이 에천트 로서 이용될 수 있다. 이와 같이 표면거칠기 특성이 우수할 경우, 공진미러면(30)에서 광학적 흡수가 종래보다 작아질 수 있어, 레이저 특성이 향상된다.
도 4a 내지 도 4f는 본 발명의 제2 실시예에 따른 질화물계 반도체 레이저 다이오드의 제조방법을 보여주는 공정흐름도이다. 여기에서, 도 3a 내지 도 3f에 도시된 제1 실시예와 동일한 구성요소에 대하여는 중복되는 설명을 생략하기로 하고, 동일한 참조번호를 그대로 사용하기로 한다.
도 4a 및 도 4b를 참조하면, 먼저 (0001) 사파이어 기판면(4)을 준비하여, 상기 사파이어 기판면(4) 위에 GaN층(16)을 형성한다. 그리고나서, 상기 GaN층(16)에 상호 레이저 공진길이(L)만큼의 이격거리를 유지하는 적어도 두 개의 그루브(groove)를 형성하여, 상기 사파이어 기판면(4)을 노출시킨다. 이 때, 상기 그루브는 <11-20>방향의 스트라이프 패턴으로 형성되어야 한다. 여기에서, 상기 레이저 공진길이(L)는 100㎛ 내지 2000㎛ 범위로 정의될 수 있다. 그리고, 상기 그루브는 5㎛ 내지 100㎛ 범위의 폭(width)으로 형성되는 것이 바람직하다.
도 4c를 참조하여, 상기 그루부 사이의 GaN층(16) 위에 n-GaN층(22)을 에피텍셜 성장시킨다. 상기 그루브의 형성으로 인하여, 그루브 사이에 형성되는 n-GaN층(22)의 (1-100)면측 양단부가 타영역 보다 상대적으로 두껍게 성장될 수 있다. 구체적으로, 상기 그루브가 n-GaN층(22)의 성장에 기여하지 않은 잉여 소스가스의 확산경로를 제공하여, 화살표로 표시된 바와 같이 잉여 소스가스는 상기 그루브를 따라 n-GaN층(22)의 (1-100)면측 양단부에 우선적으로 공급될 수 있다. 결과적으로, 상기 n-GaN층(22)의 (1-100)면측 양단부가 타영역 보다 상대적으로 두껍게 성 장되어, 상기 n-GaN층(22) 상면의 양단에 단차부(22a)가 마련될 수 있다. 그리고, 이와 같은 n-GaN층(22)의 표면구조는 이후에 그 위에 성장되는 적층물들의 형상, 즉 레이저 공진구조체의 구조에 영향을 준다. 이에 대하여는 제1 실시예에서 이미 상세하게 기술된 바 있다.
여기에서 도면에 도시되진 않았지만, 바람직하게 상기 n-GaN층(22)은 펜데오(pendeo) 에피성장에 의해 형성될 수 있다. 미국특허 US 6,265,289 B1은 pendeo 에피성장 기술의 구성 및 그 효과를 상세하게 개시하고 있으므로, pendeo 에피성장 기술에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다. 상기 pendeo 에피성장 기술을 본 발명의 제2 실시예에 응용할 수 있다. 구체적으로, 상기 그루브 사이의 GaN층(16)을 <1-100>방향의 스트라이프 형태로 패터닝하여 복수의 GaN 시드(미도시)를 형성한다. 바람직하게, 상호 이웃하는 상기 GaN 시드(미도시)의 단부가 서로 연결되도록 패터닝될 수 있다. 그리고나서, 상기 GaN 시드(미도시) 위에 n-GaN층(22)을 에피텍셜 성장시킬 수 있다. 이와 같은 pendeo 에피성장 기술은 n-GaN층(22) 내에 전위 등과 같은 결함의 형성을 최소화할 수 있다.
도 4d 내지 도 4f를 참조하여, 상기 n-GaN층(22) 위에 순차적으로 n-클래드층(24), n-광도파층(25), 활성층(26), p-광도파층(27) 및 p-클래드층(28)을 적층함으로써, 상기 활성층(26)과 상기 n-클래드층(24)의 일영역이 측방향으로 얼라인되게 배치되는 측면발광 레이저공진구조체를 형성한다. 그리고나서, 상기 레이저공진구조체의 (1-100)면측을 에칭하여 공진미러면(31)을 형성한다. 도 4d 내지 도 4f에 도시된 공정은 도 3d 내지 도 3f에 도시된 제1 실시예의 공정과 동일하므로, 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
상기와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의하면,
원자거칠기-단면(atomically single plane)에 가까운 공진미러면이 형성될 수 있어, 그 공진미러면의 표면거칠기(surface roughness)가 최소화되는 질화물계 반도체 레이저 다이오드를 얻을 수 있다.
특히, 이와 같은 구조의 질화물계 반도체 레이저 다이오드는, 활성층으로부터의 레이저 발진광이 활성층 보다 더 큰 밴드갭 폭을 가지는 물질로 형성된 물질층, 즉 n-클래드층을 통과하여 측방향으로(laterally) 출사되는 구조를 가지기 때문에, 그 공진미러면에서의 광흡수가 최소화될 수 있다.
따라서, 공진미러면에서 레이저 발진광의 광학적 흡수가 최소화됨으로써, 공진미러면의 광학적 손상(optical damage)이 줄어들고, 질화물계 반도체 소자의 레이저 특성이 향상될 수 있다.
이러한 본원 발명의 이해를 돕기 위하여 몇몇의 모범적인 실시예가 설명되고 첨부된 도면에 도시되었으나, 이러한 실시예들은 단지 넓은 발명을 예시하고 이를 제한하지 않는다는 점이 이해되어야 할 것이며, 그리고 본 발명은 도시되고 설명된 구조와 배열에 국한되지 않는다는 점이 이해되어야 할 것이며, 이는 다양한 다른 수정이 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 일어날 수 있기 때문이다.

Claims (21)

  1. (0001) GaN 기판면 위에 상호 레이저 공진길이만큼의 이격거리를 유지하는 적어도 두 개의 마스크를 <11-20>방향의 스트라이프 패턴으로 형성하는 단계;
    상기 마스크 사이의 GaN 기판면 위에 n-GaN층을 성장시킴으로써, 상기 n-GaN층의 (1-100)면측 양단부가 타영역 보다 상대적으로 두껍게 성장되도록 하는 단계;
    상기 n-GaN층 위에 순차적으로 n-클래드층과 활성층 및 p-클래드층을 적층함으로써, 상기 활성층으로부터 발생된 레이저광이 상기 활성층과 측방향으로 정렬되게 배치된 n-클래드층 영역을 통과하여 발진하는 측면발광 레이저공진구조체를 형성하는 단계; 및
    상기 레이저공진구조체의 (1-100)면측을 에칭하여 공진미러면을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물계 반도체 레이저 다이오드의 제조방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 마스크는 SiO2, SiN 및 W 으로 이루어지는 그룹에서 선택된 어느 한 물질로 형성되는 것을 특징으로 하는 질화물계 반도체 레이저 다이오드의 제조방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 n-클래드층은 활성층 보다 더 큰 밴드갭 폭을 가지는 물질로 형성되는 것을 특징으로 하는 질화물계 반도체 레이저 다이오드의 제조방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 n-클래드층은 AlxGa(1-x)N(0≤x<1) 물질로 형성되는 것을 특징으로 하는 질화물계 반도체 레이저 다이오드의 제조방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 n-클래드층과 활성층 사이에 InyGa(1-y)N(0≤y<1) 물질로 n-광도파층을 형성하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물계 반도체 레이저 다이오드의 제조방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 활성층과 p-클래드층 사이에 InyGa(1-y)N(0≤y<1) 물질로 p-광도파층을 형성하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물계 반도체 레이저 다이오드의 제조방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 레이저공진구조체의 (1-100)면측 에칭은 습식에칭 공정에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 질화물계 반도체 레이저 다이오드의 제조방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 습식에칭 공정에서, 에틸렌 글리콜에 용해된 수산화칼륨(KOH dissolved in ethylene glycol), 액상 수산화칼륨(molten KOH), 에틸렌 글리콜에 용해된 수산화나트륨(NaOH dissolved in ethylene glycol), 액상 수산화나트륨(molten NaOH) 및 인산(Phosphoric acid)으로 이루어지는 그룹에서 선택된 어느 한 물질이 에천트로서 이용되는 것을 특징으로 하는 질화물계 반도체 레이저 다이오드의 제조방법.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 n-GaN층은 측면에피성장(ELO)에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 질화물계 반도체 레이저 다이오드의 제조방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 측면에피성장은,
    상기 <11-20>방향의 마스크 사이에 <1-100>방향으로 스트라이프 패턴의 마스크를 더 형성하는 단계; 및
    상기 마스크에 의해 덮이지 않은 GaN 기판면 위에 n-GaN층을 에피텍셜 성장시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물계 반도체 레이저 다이오드의 제조방법.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 <1-100>방향의 마스크는 <11-20>방향의 마스크와 5㎛ 길이만큼 이격되어 형성되는 것을 특징으로 하는 질화물계 반도체 레이저 다이오드의 제조방법.
  12. (0001) 사파이어 기판면 위에 GaN층을 형성하는 단계;
    상기 GaN층에 상호 레이저 공진길이만큼의 이격거리를 유지하는 적어도 두 개의 스트라이프 패턴의 그루브를 <11-20>방향으로 형성하여 상기 사파이어 기판면을 노출시키는 단계;
    상기 그루브 사이의 GaN층 위에 n-GaN층을 성장시킴으로써, 상기 n-GaN층의 (1-100)면측 양단부가 타영역 보다 상대적으로 두껍게 성장되도록 하는 단계;
    상기 n-GaN층 위에 순차적으로 n-클래드층과 활성층 및 p-클래드층을 적층함으로써, 상기 활성층으로부터 발생된 레이저광이 상기 활성층과 측방향으로 정렬되게 배치된 n-클래드층 영역을 통과하여 발진하는 측면발광 레이저공진구조체를 형성하는 단계; 및
    상기 레이저공진구조체의 (1-100)면측을 에칭하여 공진미러면을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물계 반도체 레이저 다이오드의 제조방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 n-클래드층은 활성층 보다 더 큰 밴드갭 폭을 가지는 물질로 형성되는 것을 특징으로 하는 질화물계 반도체 레이저 다이오드의 제조방법.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 n-클래드층은 AlxGa(1-x)N(0≤x<1) 물질로 형성되는 것을 특징으로 하는 질화물계 반도체 레이저 다이오드의 제조방법.
  15. 제 12 항에 있어서,
    상기 n-클래드층과 활성층 사이에 InyGa(1-y)N(0≤y<1) 물질로 n-광도파층을 형성하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물계 반도체 레이저 다이오드의 제조방법.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 활성층과 p-클래드층 사이에 InyGa(1-y)N(0≤y<1) 물질로 p-광도파층을 형성하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물계 반도체 레이저 다이오드의 제조방법.
  17. 제 12 항에 있어서,
    상기 레이저공진구조체의 (1-100)면측 에칭은 습식에칭 공정에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 질화물계 반도체 레이저 다이오드의 제조방법.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 습식에칭 공정에서, 에틸렌 글리콜에 용해된 수산화칼륨(KOH dissolved in ethylene glycol), 액상 수산화칼륨(molten KOH), 에틸렌 글리콜에 용해된 수산화나트륨(NaOH dissolved in ethylene glycol), 액상 수산화나트륨(molten NaOH) 및 인산(Phosphoric acid)으로 이루어지는 그룹에서 선택된 어느 한 물질이 에천트로서 이용되는 것을 특징으로 하는 질화물계 반도체 레이저 다이오드의 제조방법.
  19. 제 12 항에 있어서,
    상기 n-GaN층은 펜데오(pendeo) 에피성장에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 질화물계 반도체 레이저 다이오드의 제조방법.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 펜데오(pendeo) 에피성장은,
    상기 그루브 사이의 GaN층을 <1-100>방향의 스트라이프 형태로 패터닝하여 복수의 GaN 시드를 형성하는 단계; 및
    상기 GaN 시드 위에 n-GaN층을 에피텍셜 성장시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물계 반도체 레이저 다이오드의 제조방법.
  21. 제 20 항에 있어서,
    상호 이웃하는 상기 GaN 시드의 단부가 서로 연결되도록 패터닝되는 것을 특징으로 하는 질화물계 반도체 레이저 다이오드의 제조방법.
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