KR100892983B1 - 매립형 레이저 다이오드 형성 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 매립형 레이저 다이오드 형성 방법에 관한 것으로 경사진 기판에 패턴이 형성되는 단계를 포함하고, 상기 패턴 된 경사진 기판의 상부에 완충층이 형성되고, 상기 완충층의 형태가 조절되는 단계를 포함하며, 상기 완충층의 상부에 다중양자우물 층이 형성되는 단계를 포함한다. 본 발명에 의하면, 알루미늄이 포함된 다중양자우물 층이 일정한 성장률을 갖으며 곧게 수직으로 성장함에 따라 다중양자우물 층의 성장률 및 균일성 조절이 용이하다. 또한, 다중양자우물 층의 윗면과 아래 면의 폭이 동일하여 전극으로부터 유입되는 전자들의 구속력이 유리하여 고온동작형 광전 소자를 제공한다.
매립형 레이저 다이오드, 다중양자우물 층, 경사진 기판
Description
본 발명은 SiO2 패턴 된 경사진 인듐인(InP) 기판을 사용한 선택적 영역 성장 방법을 사용하여 경사방향, 개방층의 폭, 성장조건 등에 따라 다양한 면을 갖는 완충층을 획득하고, 상기 완충층의 상부에 알루미늄이 포함된 다중양자우물이 일정한 성장률을 갖도록 곧게 수직으로 성장하여 전극으로부터 유입되는 전자들의 구속력에 대한 균일성을 향상시키는 매립형 레이저 다이오드 형성 방법을 제공하는 데에 있다.
10G 이더넷이나 OC-192 적용을 포함하는 10-Gb/2 광 시스템에서 비냉각 변조형 레이저 다이오드는 중요한 소자이다. 비용, 크기 및 전력소모를 줄이기 위해서 이 반도체 레이저는 넓은 온도영역에서 높은 속도 및 낮은 작동 전류 특성을 갖고 있어야 한다. 이러한 높은 온도에서의 특성을 개량하기 위해서 인듐알루미늄갈륨비 소(InGaAlAs) 다중양자우물은 기존 인듐갈륨비소인(InGaAsP) 보다 전도대 전위장벽이 높은 물질로 조사된다.
한편, 알루미늄(Al)을 포함하는 물질들을 공기 중에 노출 시 산화되기 쉬우므로 공정 시 문제가 있다. 특히, 낮은 문턱 전류 및 작동전류 등의 장점을 갖는 매립형 구조의 레이저 다이오드는 공기 중에 다중양자우물을 메사 형태로 식각한 채 노출해야 하므로 구현할 수 없다. 최근 일본에서는 이를 위해서, SiO2 패턴을 이용한 선택적인 영역성장 기법을 이용하여 인듐갈륨알루미늄비소 다중양자우물 층을 메사 형태로 성장하고, 그 위에 p형 인듐인 덮개 층을 올린 후 SiO2층을 제거하고 성장하는 방식으로 매립형 구조를 만들었다.
그러나, 이 방식은 비 경사각 InP 기판을 사용한 선택영역 성장 시 측면이 54.7°의 기울기를 갖기 때문에, 다중양자우물의 성장률이 높이에 따라 변화하여 조절하기 어려우며, 높이에 따른 양자우물의 구속력에 대한 균일성이 떨어지는 문제점이 있다.
상기와 같은 종래기술의 불편함을 해결하기 위하여 산화되기 쉬운 인듐갈륨알루미늄비소(InGaAlAs) 다중양자우물 층이 포함된 매립형 레이저 다이오드를 제작할 때, 이 구조를 공정으로 처리하지 않고, 패턴 된 경사진 기판 위에 완충층 및 다중양자우물 층을 성장시켜서 넓은 온도영역에서 높은 속도 및 낮은 작동 전류 특성을 갖는 매립형 레이저 다이오드 형성 방법을 제공하는 데에 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 매립형 레이저 다이오드 형성 방법에 있어서, 경사진 기판에 경사방향, 개방층의 폭 및 성장 조건에 따라 다양한 면을 갖는 완충층 및 알루미늄을 포함하며 공기 중에 노출 시 산화되기 쉬운 인듐갈륨알루미늄비소(InGaAlAs) 다중양자우물 층을 성장한다.
본 발명에서 경사진 기판에 패턴이 형성되는 단계를 포함하고, 상기 패턴 된 경사진 기판의 상부에 완충층이 형성되고, 상기 완충층의 형태가 조절되는 단계를 포함하며, 상기 완충층의 상부에 다중양자우물 층이 성장되는 단계를 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명에서 상기 경사진 기판의 경사각도는 5도 이상 10도 이하인 것이 바람직하다.
본 발명에서 상기 패턴이 형성되는 단계에서는 상기 경사진 기판과 동일 방향의 이산화실리콘(SiO2)를 사용하는 것이 바람직하다.
본 발명에서 상기 경사진 기판은 인듐인(InP) 기판, 갈륨비소(GaAs) 기판 및 인듐인갈륨(InAlP) 기판을 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명에서 상기 완충층은 상기 경사진 기판과 동일한 격자상수를 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명에서 상기 완충층은 유기화학기상 증착법(MOCVD)에 의해 형성되는 것이 바람직하다.
본 발명에서 상기 화학기상 증착법의 소스가스는 수소화비소(AsH3) 또는 수소화인(PH3) 중 선택된 하나의 물질인 것이 바람직하다.
본 발명에서 상기 소스가스의 분압은 1.3*10-4 내지 1.2*10-3atm인 것이 바람직하다.
본 발명에서 상기 완충층의 형태가 조절되는 단계에서는 상기 완충층의 두께와 기판의 경사각, 개방층의 폭 및 인듐의 표면 이동률의 성장 조건을 조절하는 것이 바람직하다.
본 발명에서 상기 다중양자우물 층은 인듐갈륨알루미늄비소(InGaAlAs), 알루미늄갈륨비소(AlGaAs) 및 인듐알루미늄갈륨인(InAlGaP)으로 구성된 그룹에서 선택된 하나의 물질로 이루어지는 것이 바람직하다.
본 발명에서 상기 다중양자우물 층은 상기 완충층의 화학기상 증착 시 소스 분압, 상기 완충층의 두께 및 물질층의 두께 조절에 의해 성장되는 것이 바람직하다.
본 발명에서 상기 물질층은 상기 기판과 격자 상수의 불일치가 적은 물질인 것이 바람직하다.
본 발명에서 상기 다중양자우물 층이 성장되는 단계 이후에 알루미늄(Al)이 포함되지 않는 덮개층이 성장되는 단계를 포함하고, 상기 덮개층 성장 후 이산화 실리콘(SiO2) 박막이 제거되는 단계를 포함하며, 상기 박막 제거 후 전류 차단층을 성장하여 매립형 레이저 다이오드가 형성되는 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명에 의하면, 매립형 레이저 다이오드 제작 시 경사진 기판의 경사각 및 성장조건을 이용하여 산화되기 쉬운 인듐갈륨알루미늄비소(InGaAlAs) 다중양자우물 층 및 완충층의 성장 형태를 자유롭게 조절할 수 있는 효과가 있다.
그리고, 경사진 기판의 경사각도, 개방층의 폭 및 경사방향에 따라서 다중양자우물 층의 두께 및 에너지 밴드를 조절하여 전자의 구속력을 용이하게 하는 효과가 있다.
또한, InGaAlAs 매립형 레이저 다이오드는 넓은 온도영역에서 높은 속도 및 낮은 작동 전류 특성을 나타냄에 따라 10G 이더넷 등에 적용이 가능한 효과가 있 다.
게다가, 비 냉각 변조형 레이저 다이오드의 실현이 가능하며 가격을 절감할 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 하기의 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하며, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.
도 1 은 본 발명의 일 실시 예에 따른 인듐인 기판의 상부에 형성된 완충층 및 다중양자우물 층이 성장된 형태를 나타낸 도면이다.
도 1 을 참조하면, SiO2에 의해 패턴 된 경사진 기판의 상부에 성장된 인듐인(InP) 완충층 및 인듐갈륨알루미늄비소(InGaAlAs) 다중양자우물 층의 성장형태를 나타낸다.
상기 SiO2 패턴은 줄기 형태로서 그 방향은 기판의 경사각과 동일한 방향을 나타낸다.
상기 완충층 및 다중양자우물 층이 포함된 성장층의 형태는 (001)윗면과 그 이웃면인 (113)면, (111) 측면 및 (110)수직면 등으로 구성되며, 상기 성장층의 형태는 기판의 경사각 및 기판의 개방된 부분의 폭(Wo)에 따라 달라진다.
이하, 자세한 내용은 하기의 도 3a, 도 3b, 도 3c, 도 3d 및 도 4를 참조한다.
도 2a 및 도 2b 는 본 발명의 일 실시 예에 따른 인듐(In)과 인(P)의 원자들의 배열을 나타낸 도면 및 그래프이다.
도 2a 를 참조하면, 상기 도 1의 (001)면과 (111)면 사이의 원자배열을 나타낸 개략도로서, 상기 (001)면의 두 개의 인듐(In) 원자들은 인(P) 자리에 두 개의 흡착원자들과 이중결합을 이룬다.
반면, (111)면의 하나의 인듐(In) 원자들은 인(P) 자리에 오직 하나의 흡착원자들과 단일결합을 이룬다.
Finnie 등의 성장 모델에 의하면 성장률은 기판의 결장방향에 의존하는데, 상기 (001)방향에서 (111)방향에 이르는 (11h)표면(0°≤θ≤54.73°)에 대하여 각 θ값은 다음과 같다.
그리고, 기판의 방향각 θ에 대한 결합밀도(Bt/V)와 성장률(R)은 다음과 같다.
R∝Bt/V = 
여기서, α,β,B,t,a 그리고 V는 각각 (001)방향에서의 이용할 수 있는 결합 수, (111) 계단 방향에서의 결합 수, 2차원 단위 셀에서의 결합 수, 단층의 두께, 격자상수 및 3차원의 체적을 나타낸다.
도 2b 를 참조하면, (001)부터 (111)까지 즉, 56.74°까지에 대한 각 면의 결합밀도를 나타내며, 상기 결합밀도는 (001)에서 가장 크고 (111)에서 가장 작음을 알 수 있다.
도 3a, 도 3b, 도 3c 및 도 3d 는 본 발명의 일 실시 예에 따른 기판의 경사각도에 따른 인듐인 기판의 상부에 성장된 완충층의 단면을 나타낸 SEM 사진이다.
도 3a 는 기판의 경사 각도가 0°-off, 도 3b 는 기판의 경사 각도가 1°-off, 도 3c 는 기판의 경사 각도가 2°-off, 도 3d 는 기판의 경사 각도가 5°-off일 때의 기판의 상부에 성장된 완충층의 실험적 결과를 나타낸 것으로서, 바람직하게는 상기 기판은 n형 인듐인(n-InP) 기판을 사용한다.
도 3a 와 같이 경사각이 없는 기판은 (001)면이 가장 화학적 결합 밀도가 커서 Ⅲ족 원자들이 결합 전에 윗면으로 이동이 많아 성장률이 위쪽으로 몰리게 몰딩 되어 삼각형의 형태를 이룬다.
반면, 도 3b, 도 3c 및 도 3d 와 같이 경사각을 갖는 기판의 경우에는 경사각의 크기에 따라 경사각이 커질수록 (110)면의 크기가 커지며, (113)면의 크기 역시 증가한다.
따라서, 일반적으로 성장률이 큰 면은 그 면의 폭이 적고 성장률이 낮은 면은 면의 폭은 커지기 때문에 상기 도 3a, 도 3b, 도 3c 및 도 3d를 참조하며, 기판 의 경사각이 클수록 (111)면의 성장률이 커짐을 알 수 있다.
이러한 현상은 상기 기판이 기울어져 있을 경우에는 낮은 index 표면을 가지고 있는 (111) 옆면에 원자적 계단으로 인한 성장률의 증가가 나타나기 때문이다.
따라서, 경사가 없는 (001) 인듐인 기판이 (001)윗면에 비하여 (111)면의 성장률이 현저히 낮은데 비하여, 경사진 기판인 경우에는 (111)면의 성장률이 증가함에 따라 측면의 성장 형태를 변경시킬 수 있다.
도 4 는 본 발명의 일 실시 예에 따른 경사면의 폭 및 높이, 완충층의 높이 변화를 나타낸 그래프이다.
도 4 를 참조하면, SiO2로 패턴 된 5°-off (001) 인듐인 기판 위에 인듐인을 성장할 때, 기판의 개방된 부분의 폭(Wo)이 450nm 에서 750nm 까지 변화된 패턴에 대하여 같은 성장 두께로 인듐인을 성장하였을 경우 경사면(111)면의 폭(W(111)), 경사면(113)면의 폭(W(113)), 경사면(110)의 높이(H(110)) 및 상기 경사면(110)의 높이를 제외한 나머지 완충층의 높이(Hincl)에 대한 변화를 나타낸다.
도 4에 의하면, 상기 기판의 개방된 부분의 폭(Wo)이 약 600nm이하에서는 성장두께가 증가하여 (001) 윗면이 사라지며, 초과성장된 인듐인은 (111)면의 성장을 촉진시킨다. 이때, (111)면과 (113)면의 폭은 각각 증가와 감소 후 곧 일정한 길이로 유지하는 반면 (110)면의 높이는 계속 증가한다.
따라서 상기 기판의 개방된 부분의 폭(Wo)과 기판의 경사각에 따라 성장되는 인듐인의 형태 변화를 조절할 수 있다.
도 5a 및 도 5b 는 본 발명의 일 실시 예에 따른 InGaAlAs 매립형 레이저 다이오드를 나타낸 SEM 사진 및 단면도이며, 도 6 은 본 발명의 일 실시 예에 따른 매립형 레이저 다이오드 형성 방법을 나타낸 플로우차트이다.
도 5a 및 도 5b 를 참조하면, 본 발명의 SiO2 패턴 된 경사진 기판을 이용하여 레이저 다이오드를 구성하는 것으로서 내부에 기판 및 버퍼층(500), Grating 층(510), SiO2 마스크층(520), n형 인듐인층(530), 활성층(540) 및 p형 인듐인층(550)을 포함한다.
도 6 을 참조하면, 일정한 결정축을 가지며 그 표면에 결정축에 대하여 경사진 기판을 형성하고, 상기 경사진 기판의 상부에 경사 방향과 동일한 방향으로 SiO2 패턴을 형성(S100)한다.
이때, 상기 경사진 기판은 경사각도 5도 이상의 경사 각도로 이루어지는 것이 바람직하며, 인듐인(InP) 기판, 갈륨비소(GaAs) 기판 및 인듐인갈륨(InAlP) 기판 등을 사용한다.
상기 SiO2 패턴이 형성된 후, 상부에 기판과 동일한 격자상수를 갖는 재료의 완충층을 화학기상 증착법을 사용하여 형성(S110)하며, 더욱 바람직하게는 유기금속화학기상 증착법(MOCVD)를 사용한다. 이때, 상기 완충층은 기판의 경사각, 개방층의 폭 및 인듐의 표면 이동률과 같은 성장 조건 및 완충층의 두께를 이용하여 다양한 형태로 조절(S120)한다.
상기 화학기상 증착법 사용시 소스가스는 수소화비소(AsH3) 또는 수소화 인(PH3) 중 선택된 하나의 물질을 사용하고, 가스분압은 1.3*10-4 내지 1.2*10-3atm범위를 사용한다.
상기 완충층 위에 인듐갈륨알루미늄비소(InGaAlAs) 다중양자우물 층을 성장(S130)하되 상기 완충층과 격자 상수의 불일치가 적고 목표로 삼는 레이저의 파장에 맞도록 인듐, 갈륨, 비소, 인 비율을 조절한다.
상기 다중양자우물 층을 성장(S130)하기 위해서는 상기 완충층의 화학기상 증착 시 소스분압, 상기 완충층의 두께 및 상기 물질층의 두께를 조절하여 산화되기 쉬운 인듐갈륨알루미늄비소(InGaAlAs) 다중양자우물 층을 성장(S130)한다.
상기 성장된 다중양자우물 층의 상부에 p형 인듐인(InP) 덮개층을 성장(S140)시키고, SiO2 박막을 제거(S150)한 후 일반적인 매립형 레이저 다이오드의 전류차단층을 성장(S160)한다.
상기와 같이, 본 발명의 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술 분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
도 1 은 본 발명의 일 실시 예에 따른 인듐인 기판의 상부에 형성된 완충층 및 다중양자우물 층이 성장된 형태를 나타낸 도면.
도 2a 및 도 2b 는 본 발명의 일 실시 예에 따른 인듐(In)과 인(P)의 원자들의 배열을 나타낸 도면 및 그래프.
도 3a, 도 3b, 도 3c 및 도 3d 는 본 발명의 일 실시 예에 따른 기판의 경사각도에 따른 인듐인 기판의 상부에 성장된 완충층의 단면을 나타낸 SEM 사진.
도 4 는 본 발명의 일 실시 예에 따른 경사면의 폭 및 높이, 완충층의 높이 변화를 나타낸 그래프.
도 5a 및 도 5b 는 본 발명의 일 실시 예에 따른 InGaAlAs 매립형 레이저 다이오드를 나타낸 SEM 사진 및 단면도.
도 6 은 본 발명의 일 실시 예에 따른 매립형 레이저 다이오드 형성 방법을 나타낸 플로우차트.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
500 : 기판 및 버퍼층 510 : Grating 층
520 : SiO2 마스크층 530 : n형 인듐인층
540 : 활성층 550 : p형 인듐인층
Claims (13)
- 경사진 기판에 패턴이 형성되는 단계;상기 패턴 된 경사진 기판의 상부에 완충층이 형성되고, 상기 완충층의 형태가 조절되는 단계; 및상기 완충층의 상부에 다중양자우물 층이 성장되는 단계를 포함하는 매립형 레이저 다이오드 형성 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 경사진 기판은 경사각도는 5도 이상 10도 이하인 것을 특징으로 하는 매립형 레이저 다이오드 형성 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 패턴이 형성되는 단계에서는 상기 경사진 기판과 동일 방향의 이산화실리콘(SiO2)를 사용하는 것을 특징으로 하는 매립형 레이저 다이오드 형성 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 경사진 기판은 인듐인(InP) 기판, 갈륨비소(GaAs) 기판 및 인듐인갈륨(InAlP) 기판을 포함하는 것을 특징으로 하는 매립형 레이저 다이오드 형성 방 법.
- 제 1 항에 있어서,상기 완충층은 상기 경사진 기판과 동일한 격자상수를 포함하는 것을 특징으로 하는 매립형 레이저 다이오드 형성 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 완충층은 유기화학기상 증착법에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 매립형 레이저 다이오드 형성 방법.
- 제 6 항에 있어서,상기 유기화학기상 증착법의 소스가스는 수소화비소(AsH3) 또는 수소화인(PH3) 중 선택된 하나의 물질인 것을 특징으로 하는 매립형 레이저 다이오드 형성 방법.
- 제 7 항에 있어서,상기 소스가스의 분압은 1.3*10-4 내지 1.2*10-3atm인 것을 특징으로 하는 매립형 레이저 다이오드 형성 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 완충층이 형태가 조절되는 단계에서는 상기 완충층의 두께와 기판의 경사각, 개방층의 폭 및 인듐의 표면 이동률의 성장 조건을 조절하는 것을 특징으로 하는 매립형 레이저 다이오드 형성 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 다중양자우물 층은 인듐갈륨알루미늄비소(InGaAlAs), 알루미늄갈륨비소(AlGaAs) 및 인듐알루미늄갈륨인(InAlGaP)으로 구성된 그룹에서 선택된 하나의 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 매립형 레이저 다이오드 형성 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 다중양자우물 층은 상기 완충층의 화학기상 증착 시 소스분압, 상기 완충층의 두께 및 물질층의 두께 조절에 의해 성장되는 것을 특징으로 하는 매립형 레이저 다이오드 형성 방법.
- 삭제
- 제 1 항에 있어서,상기 다중양자우물 층이 성장되는 단계 이후에 알루미늄(Al)이 포함되지 않는 덮개층이 성장되는 단계;상기 덮개층 성장 후 이산화 실리콘(SiO2) 박막이 제거되는 단계; 및상기 박막 제거 후 전류 차단층을 성장하여 매립형 레이저 다이오드가 형성되는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 매립형 레이저 다이오드 형성 방법.
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| KR100379617B1 (ko) * | 2001-03-26 | 2003-04-10 | 한국과학기술연구원 | 경사진 기판을 이용한 양자점 어레이 형성방법 |
| KR20050084406A (ko) * | 2002-12-20 | 2005-08-26 | 크리 인코포레이티드 | 자기정렬 반도체 메사와 콘택층을 구비한 반도체 소자형성방법 및 그에 관련된 소자 |
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