KR100883478B1 - 반도체 레이저 다이오드의 제조 방법 - Google Patents

반도체 레이저 다이오드의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

절연막 하부에 반도체층인 중간층을 형성하여 전류 방지층 성장시 그 성장시간을 줄이고 모포로지를 향상시킬 수 있는 것과 아울러 리지 측면의 전류 방지층을 두텁게 형성할 수 있어 레이저 다이오드의 광특성을 향상시킬 수 있다.
이를 위해 본 발명은 식각 저지층 상부에 p-클래드층, p캡층과 중간층을 순차적으로 형성하고 중간층 상부에 절연막을 증착하여 포토레지스트 패턴을 형성한 후, 이 포토레지스트 패턴을 마스크로 하여 상기 절연막과 중간층을 식각하고 상기 포토레지스트 패턴을 제거한 다음 식각한 절연막을 마스크로 하여 상기 p-클래드층과 p캡층을 식각하여 리지를 형성하도록 한다.
모포로지, 중간층, 절연막, 패턴, 리지

Description

반도체 레이저 다이오드의 제조 방법{Method for manufacturing semiconductor laser diode}
도 1은 일반적인 반도체 레이저 다이오드의 단면도이고,
도 2a 내지 도 2b는 일반적인 반도체 레이저 다이오드의 제조 공정 중 SBR(Selective Buried Ridge)공정을 도시한 도면이고,
도 3a 내지 도 3j는 본 발명에 따른 반도체 레이저 다이오드의 제조 방법을 도시한 공정도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
30 : 기판 31 : 버퍼층
32 : n-클래드층 33 : 제 1 p-클래드층
34 : 식각 저지층 35 : 제 2 p -클래드층
36 : 제 1 p캡층 37 : 중간층
38 : 절연층 39 : 포토레지스트 패턴
40 : 절연막 패턴 41 : 중간층 패턴
42 : 리지 43 : 전류 방지층
44 : 제 2 p캡층
본 발명은 절연막 하부에 반도체층인 중간층을 형성하여 전류 방지층 성장시 성장시간을 줄이고 모포로지를 향상시킬 수 있도록 하는 반도체 레이저 다이오드 제조 방법에 관한 것이다.
최근 반도체 레이저 다이오드는 그 광의 주파수 폭이 좁고 지향성이 첨예하다는 이유로 광통신, 다중통신, 우주통신과 같은 곳에서 실용화되어 가고 있으며, 아울러 고속 레이저 프린팅이나 컴펙트 디스크 플레이어(compact disk player) 및 컴펙트 디스크 재생/기록(compact disk read/write)과 같은 광 저장 장치 등에서 폭 넓게 사용되고 있다.
도 1 은 이러한 기존의 반도체 레이저 다이오드의 단면도로써, 이에 도시된 바와 같이 상기 레이저 다이오드는 기판(10)의 상부에 버퍼층(11),n-클래드층(12)과, 활성층(12-1), 제 1 p-클래드층(13), 식각 저지층(14)을 순차적으로 적층하고, 상기 식각 저지층(14) 상부에 리지(ridge)인 제 2 p-클래드층(15)과 제 1 p캡층(16)을 형성한 후, 상기 리지(15, 16)의 양 측면에 전류방지층(17)을 형성하고 상기 전류 방지층과 제 1 p캡층 상부에 제 2 캡층(18)과 p-메탈층(도시하지 않음)을 순차적으로 형성한 다음, 상기 기판의 하부에 n-메탈층(도시하지 않음)을 형성하여 제작된다.
이렇게 제작되는 반도체 다이오드에서 기존에는 전류 방지층을 GaAs물질로 형성해 왔다.
하지만 일반적인 CD-R이나 DVD-R계통의 레이저 다이오드인 경우에는 활성층에서 나오는 광의 파장이 전류 방지층을 형성하는 GaAs물질의 밴드 갭보다 커서 전류 방지층에서 광의 흡수가 일어나며 이 경우, 광손실이 발생하게 되어 요즘에는 주로 Al조성이 높은 AlGaAs로 전류 방지층을 형성한다.
그런데 이 경우 전류 방지층을 이루는 AlGaAs의 Al조성이 0.7이상으로 높은 경우 리지 측면 및 절연막 하부의 모포로지(morphology)가 특히 나빠져 반도체 다이오드의 특성 저하를 초래한다.
이러한 특성 저하는 전류 방지층의 Al조성이 높을수록 더욱 심화되는데, 더욱이 도 2a에 도시된 바와 같이, 리지(15, 16)의 상부 폭(top width)보다 측면으로 일정 부분 돌출되게 형성된 절연막(20)은 전류 방지층(17) 성장시 가스 흐름을 방해할 뿐만 아니라 전류 방지층과의 접촉영역(21)에 격자 부정합으로 인해 모포로지가 나빠지게 된다.
또한 설령 도 2b에 도시된 바와 같이, 절연막(20)을 리지(15, 16) 상변에만 형성되게 할 수도 있으나, 절연막(20)의 일정 부분이 돌출되지 않으면 리지(15, 16) 위쪽으로 전류 방지층(17)이 형성되는 영역(22)이 발생하게 되고 이에 따라 전류 주입구가 좁아져 레이저 다이오드이 전기적 특성이 나빠지게 된다.
이와 같이, 절연막은 리지의 상부 폭보다 측면으로 일정부분 돌출되게 형성하면서, 전류 방지층과 절연막의 접촉 영역에 모포로지가 나빠지지 않도록 절연막의 폭을 적절히 조절하여야 하나 이러한 조절이 쉽지가 않고, 그 공정이 복잡하고 번거로워 전류 방지층 성장시 성장시간(growth time)이 길어질 뿐만 아니라 특히 전류 방지층과 절연막의 접촉 영역에 모포로지가 나빠지게 되는 문제점이 있어 왔다.
이에 본 발명은 상기한 문제점을 해소시키기 위한 것으로, 절연막 하부에 반도체층인 중간층을 형성하여 전류 방지층 성장시 성장시간을 줄이고 모포로지를 향상시킬 수 있도록 하는 반도체 레이저 다이오드 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 식각 저지층 상부에 p-클래드층, p캡층과 중간층을 순차적으로 형성하고, 중간층 상부에 절연막을 증착하여 포토레지스트 패턴을 형성한 후, 이 포토레지스트 패턴을 마스크로 하여 상기 절연막과 중간층을 식각하고 상기 포토레지스트 패턴을 제거하고, 식각한 절연막을 마스크로 하여 상기 p-클래드층과 p캡층을 식각하여 리지를 형성하도록 한다.
그리고 상기 중간층은 그 폭이 상부에 위치한 절연막의 폭보다 조금 더 작게 형성하고, 상기 리지를 구성하는 계열의 화합물과 다른 계열의 화합물로 이루어지도록 하는 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 살펴보면 다음과 같다.
먼저 본 발명은 도 3a에 도시된 바와 같이, MOVPE(Metal Organic Vapor Phase Epitaxy)성장법을 이용해 기판(30)의 상부에 버퍼층(31), n-클래드층(32), 활성층(32-1), 제 1 p-클래드층(33), 식각 저지층(34)을 순차적으로 적층한 후, 상기 식각 저지층 (34)상부에 제 2 p-클래드층(35)과 제 1 p캡층(36)을 형성한다.
그리고 나서 상기 제 1p캡층(36) 상부에 반도체층인 중간층(epi-layer)(37)을 증착한다.
이 때 중간층(37)은 그 하부에 위치한 제 1 p캡층(36)과, 제 2 p-클래드층(35)을 구성하는 화합물과 다른 계열의 화합물을 사용한다.
예를 들면, 제 1 p캡층(36)이 GaAs이고 제 2 p-클래드층(35)이 AlGaAs일 경우 상기 중간층(37)은 InGaP를 사용하는데, 이는 상기 제 1 p캡층(36)과 제 2 p-클래드층(35)을 식각하여 리지를 형성할 때 상기 중간층이 식각시 영향을 받지 않도록 하기 위함이다.
한편 상기 중간층(37)의 두께는 레이저 다이오드 광의 발산이 영향을 받지 않도록 90 ~ 110 옹스트롬 정도로 얇게 하는데 약 100옹스트롬 정도가 가장 바람직하다.
이어 상기 제 1 p캡층(36) 상부에 중간층(37)이 증착되면, 증착된 중간층(37) 상부에 SBR(selective buried ridge)구조를 위해 마스크로 사용할 절연막(38)을 증착한다(도 3b).
상기 절연막(38)은 플라즈마 화학 기상 증착법(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition : PECVD)등을 이용해 증착하고, 유전체 막 또는 금속 박막중에서 선택된 어느 하나를 사용한다.
특히, 금속 박막은 W나 Ta 또는 Pt로 이루어진 박막을 사용하고 상기 유전체 막은 실리콘 산화막(SiO2) 또는 실리콘 질화막(Si3N4)과 같은 막을 사용하는 것이 바람직하다.
다음 중간층(37) 상부에 절연막(38)이 형성되면, 형성된 절연막(38) 상부에 포토 레지스트를 도포한 후 포토리소그래피(Photolithography) 공정을 통해 그 일부분만 남도록 제거하여 포토 레지스트 패턴(39)을 형성한다(도 3c).
형성한 포토 레지스트 패턴(39)을 마스크로 상기 절연막(38)을 식각하여 절연막 패턴(40)을 형성한 후(도 3d), 상기 절연막 패턴(40)을 이용해 그 하부에 위치한 중간층(37)을 식각하여 중간층 패턴을 형성한다(도 3e).
이 때, 상기 중간층 패턴(41)의 폭이 상부에 위치한 절연막 패턴(40)의 폭보다 작도록 그 폭을 조금 더 식각하여 주는데, 이는 후의 전류 방지층 성장시 절연막위로 상기 전류 방지층이 웃자라는 것을 방지하여 주기 위한 것으로 약 0.5㎛정도 더 식각하는 것이 바람직하다.
이어, 포토 레지스트 패턴(39)을 제거하고(도 3f), 상기 절연막 패턴(40)을 마스크로 이용해 식각 용액(etching solution)으로 상기 제 1 p캡층과 제 2 p-클래드층의 일부를 식각하여 식각 저지층(34) 상부에 리지(ridge)(42)를 형성한다(도 3g).
이 때 형성하는 리지(42)의 두께는 약 1㎛ ~ 1.5㎛로 하고, 상기 식각 용액은 상기 중간층 패턴(41)은 식각이 되지 않으면서 상기 리지(42)를 구성하는 제 1 p캡층과 제 2 p-클래드층은 식각이 되도록 하는 에천트를 사용한다.
예를 들면, 상기 제 1 p캡층과 제 2 p-클래드층이 각기 GaAs와 AlGaAs으로 이루어진 층이고 상기 중간층이 InGaP으로 이루어진 층일 경우에는 식각 용액으로 암모니아계 식각 용액, 특히 NH4OH를 사용하는 것이 가장 바람직하다.
이는 식각 저지층(34)에 적용되는 원리가 어떤 종류의 식각액에 식각이 되는 반도체 물질과 식각이 되지 않는 반도체 물질이 존재한다는 선택적 식각 특성을 이용한 것으로, 예를 들면, 암모니아계의 식각액에 GaAs와 AlGaAs는 식각이 되고 InGaP는 식각이 되지 않는 성질을 가지고 있기 때문이다.
다음 식각 저지층(34) 상부에 리지(42)가 형성되면, 형성된 리지(42)와 중간층 패턴(41)을 둘러싸도록 전류 방지층(Current Blocking Layer : CBL)(43)을 형성한다(도 3h).
이렇게 형성하는 전류 방지층(43)은 종전과 달리 절연막과 직접 접촉하는 것이 아니라 반도체층인 중간층 패턴과 접촉함으로 그 접촉 영역에는 격자 정합으로 인해 모포로지가 향상되게 된다.
한편 상기 전류 방지층(43)은 선택 영역 성장법(Selective Area Growth : SAG)을 이용해 형성하는데, 상기 선택 영역 성장법(SAG)은 선택적으로 원하는 부분에 결정을 성장시키는 방법으로, 절연막 패턴(40)이 형성된 부분은 결정이 성장되지 않고, 절연막 패턴(40)이 형성되지 않은 부분만 결정이 성장되는 방법이다.
이는 절연막 패턴(40)에서 윈도우 영역으로 기상(gas phase) 상태에서의 확산(diffusion) 효과로 인해 절연막 표면은 흡착율이 낮아 탈착되는 분자의 농도가 높은 반면에 결정성장이 이루어지는 윈도우 영역은 흡착율이 높아 두 영역의 농도차가 다르고 이에 따라 절연막 패턴(40)에서 탈착된 분자들이 윈도우 영역으로 표면 이동되기 때문이다.
다음 절연막 패턴(40)을 제거하고(도 3i), 상기 중간층 패턴(41)과 전류 방지층(43) 상부에 제 2 p캡층(44)을 증착한 후(도 3j), 상기 제 2 p캡층 상부에는 p메탈층(도시하지 않음)을 형성하고 기판의 하부에는 n메탈층(도시하지 않음)을 각기 또는 동시에 형성하여 반도체 레이저 다이오드의 제조 공정을 종료한다.
이상에서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 반도체 레이저 다이오드 제조 방법은 절연막 하부에 반도체층인 중간층을 형성하여 전류 방지층 성장시 그 성장시간을 줄이고 모포로지를 향상시킬 수 있는 것과 아울러 리지 측면의 전류 방지층을 두텁게 형성할 수 있어 레이저 다이오드의 광특성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
본 발명은 기재된 구체적인 예에 대해서만 상세히 설명되었지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.

Claims (7)

  1. 기판의 상부에 버퍼층, n-클래드층, 활성층, 제1 p-클래드층, 식각 저지층을 순차적으로 형성하는 제 1 단계와;
    상기 식각 저지층 상부에 제2 p-클래드층, p캡층을 순차적으로 형성하는 제 2 단계와;
    상기 p캡층 상부에 중간층을 형성하는 제 3 단계와;
    상기 중간층 상부에 절연막을 증착하여 포토레지스트 패턴을 형성하는 제 4 단계와;
    상기 포토레지스트 패턴을 마스크로 하여 상기 절연막과 중간층을 식각하고 상기 포토레지스트 패턴을 제거하는 제 5 단계와 ;
    상기 식각한 절연막을 마스크로 하여 상기 제2 p-클래드층과 p캡층을 식각하여 리지를 형성하는 제 6 단계를 포함하여 이루어지는 반도체 레이저 다이오드의 제조 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 제2 p-클래드층과 p캡층은;
    Ⅲ-Ⅴ족 화합물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 다이오드의 제조 방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 제 5 단계는;
    상기 중간층의 폭을 상기 절연막의 폭보다 더 작게 식각하는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 다이오드의 제조 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 중간층의 폭은 상기 절연막의 폭보다 2.5㎛ 더 작은 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 다이오드의 제조 방법.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 중간층은;
    두께가 90 ~ 110옹스트롬인 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 다이오드의 제조 방법.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 중간층은;
    상기 리지를 구성하는 계열의 화합물과 다른 계열의 화합물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 다이오드의 제조 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 리지는 GaAs 또는 AlGaAs이고, 상기 중간층은 InGaP인 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 다이오드의 제조 방법.
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