KR100991784B1 - 질화물 반도체 레이저 다이오드의 웨이퍼 벤딩 줄이는 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 질화물 반도체 레이저에 관한 것으로, 특히, 질화물 반도체 레이저 다이오드의 n쪽에 전류 제한 구조를 웨이퍼 본딩 기술을 이용하여 형성할 때 상기 웨이퍼 본딩이 용이하도록 웨이퍼 벤딩을 줄이는 것에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 상기 질화물 반도체 레이저 다이오드의 질화물 에피 레이어 상부 표면에 격자 무늬 패턴을 갖는 에칭 마스크를 형성하는 단계와, 상기 격자 무늬 패턴을 갖는 에칭 마스크를 이용하여 상기 질화물 에피 레이어 상부 표면을 식각하는 단계와, 상기 에칭 마스크를 제거하여 격자 무늬 패턴이 식각된 질화물 에피 레이어 구조를 얻는 단계를 포함하여 이루어짐으로써, n-타입 층에 전류 제한 구조를 형성하기 위한 웨이퍼 본딩 기술을 보다 용이하게 적용하는 효과가 있다.

질화물 반도체 레이저 다이오드, 질화물 에피 레이어, 웨이퍼 본딩

Description

질화물 반도체 레이저 다이오드의 웨이퍼 벤딩 줄이는 방법{Method of reduce wafer bending in Nitrides semiconductor laser diode}

도 1은 일반적인 질화물 반도체 레이저 다이오드의 질화물 에피 레이어 구조 일 예를 나타낸 도면

도 2는 종래 기술에 따른 리지(Ridge) 구조를 채용한 질화물 반도체 레이저 다이오드의 부분 단면도

도 3은 본 발명에 따른 질화물 반도체 레이저 다이오드의 n-타입 층에 리지 구조를 형성하기 위한 웨이퍼 본딩 방법을 나타낸 도면

도 4a 내지 4f는 본 발명에 따른 질화물 에피 레이어 구조의 상부에 격자 무늬 패턴을 형성하기 위한 공정을 나타낸 도면

도 5는 본 발명에 따른 격자 무늬 패턴의 일실시예를 나타낸 도면

도 6은 본 발명에 따른 웨이퍼 본딩 공정으로 제작된 질화물 반도체 레이저 다이오드의 부분 단면도

- 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 -

101 : 기판 102 : 질화물 에피 레이어

103 : p-오믹 메탈 104 : 본딩＆패드 메탈

105 : 본딩 메탈 106 : 고정용 기판

본 발명은 질화물 반도체 레이저에 관한 것으로, 특히, 질화물 반도체 레이저 다이오드의 n쪽에 전류 제한 구조를 웨이퍼 본딩 기술을 이용하여 형성할 때 상기 웨이퍼 본딩이 용이하도록 웨이퍼 벤딩을 줄이는 것에 관한 것이다.

일반적으로 질화물(Nitrides) 반도체 레이저 다이오드는 대용량 정보저장 장치와 컬러 프린터 등에 적용하기 위해 개발, 시판되고 있고, 최근에는 이것을 이용한 여러 가지 새로운 응용들이 시도되고 있다.

상기 대용량 정보저장 장치 혹은 컬러 프린터 등에 응용하기 위해서 상기 질화물 반도체 레이저 다이오드는 낮은 쓰레쉬 홀드 전류(Ith, Threshold Current)와, 높은 외부 양자 효율(η_ex, External Quantum Efficiency)뿐만 아니라, 낮은 소비전력과 수명(Life time)에 관련한 신뢰성을 위하여 낮은 구동 전압(Vop, Operating Voltage)이 요구되어 진다.

상기 낮은 구동 전압, 다시 말해 전류-전압(I-V, Current-Voltage)특성의 개선은 질화물 반도체 레이저 다이오드에서 개선이 요구되어지는 중요한 부분이다.

이러한 질화물 반도체 레이저 다이오드의 일반적인 구조의 일 예를 첨부한 도 1에 도시하였다.

도 1은 일반적인 질화물 반도체 레이저 다이오드의 단면도로써, 사파이어 혹 은 GaN 기판(미도시) 상부에 차례로 적층되어 형성된, 도핑되지 않은 GaN층(Undoped GaN)(1), n-GaN층(2), 추종층(Compliance layer, (InGaN))(3), n-클래딩 층(n-Cladding layer(n-AlGaN))(4), n-웨이브 가이드층(n-Waveguide(GaN))(5), 활성층(MQW : Multi-Quantum Well)(6), EBL(Electron Blocking Layer)(7), p-웨이브 가이드 층(p-Waveguide(GaN))(8), p-클레딩 층(p-Cladding layer(p-AlGaN))(9), 캡층(Capping layer(p-GaN))(10)으로 구성되고, 상기 캡층(10) 상부에 p-패드 메탈층(미도시)이 형성된다.

물론, 도 1에 도시된 상태에서 상기 n-GaN층(2)은 기판(미도시)과 함께 좌측 혹은 우측으로 연장되어 있고, 메사 식각되어 노출된 n-패드 메탈층(미도시)이 형성되어 있다.

이와 같은 구조를 갖는 질화물 반도체 레이저는 전체적으로 p-n 다이오드 형태를 띄며, 빛을 발하는 활성층(6)을 중심에 두고, GaN 웨이브 가이드층(5,8)과 AlGaN 클래딩 층(4,9)으로 둘러싸여 있는 형태를 띈다.

즉, 상기 p-패드 메탈층(미도시)으로부터 주입된 전류에 의해 상기 활성층(6)에서 전자와 정공이 결합되면서 빛을 발생하게 되고, 이 빛은 상기 캡층(p-GaN)(10)을 통해 외부로 방출되도록 동작하게 되는 것이다.

이때, 상기 GaN 웨이브 가이드 층(5,8)과 AlGaN 클래딩 층(4,9)은 전자와 정공이 활성층(6)에서 가급적 벗어나지 않게 해주며, 발생한 빛을 가이딩(guiding)해주는 역할을 한다.

이러한, 상기의 일반적인 질화물 반도체 레이저 다이오드 구조에서, 레이저 광의 방사를 원활히 수행하기 위해, 전류 제한 구조(Current confining structure : ex. 리지(Ridge) 구조)를 채용하여 광 특성을 향상시킨 레이저 다이오드가 개발되었다.

첨부한 도 2는 종래의 리지(Ridge) 구조를 채용한 질화물 반도체 레이저 다이오드의 부분 단면도로써, 상기 도 1의 활성층(6), EBL(7), p-웨이브 가이드 층(8) 상부에 중앙 부분이 돌출된 형태로 p-클래딩 층(9)이 형성되어 있고, 상기 p-클래딩 층(9) 상부에 캡층(10) 및 오믹 접촉 메탈(Ohmic Contact Metal)(11)이 형성된 리지 구조를 이루고 있다.

상기 리지 구조는 일반적으로 폭 3㎛ 이하로 제조되며, 상기 p-패드 메탈층(13)으로부터 주입된 전류가 흐르는 부분이다.

그리고, 상기 리지 구조의 측면과 상기 p-웨이브 가이드 층(8) 상부에는 절연막(12)이 형성되고, 상기 절연막(12)과 오믹 접촉 메탈층(11) 상부에는 p-패드 메탈층(13)이 형성된다.

종래 기술에 따르면 이러한 리지 구조는 일반적으로 p-타입 층(8,9,10)에 형성된다.

이는, p-타입 층을 성장시킬 때, 도펀트(dopant)로 마그네슘(Mg)을 사용하게 되는데, 상기 도펀트로 사용되는 마그네슘은 메모리 효과(Memory effect)가 있어서, 상기 p-타입 층을 n-타입 층, 웨이브 가이드 층, 활성층 등을 성장시킨 이후에 성장시켜야 하기 때문으로, 상기 p-타입 층에 리지 구조를 만드는 것이 구조적으로 간단했기 때문이다.

하지만, 질화물(Nitrides)은 다른 계열의 화합물 반도체 보다 밴드 갭(Band Gap)이 크고, 홀 농도(Carrier Concentration)와 이동성(Mobility)이 낮아 상기 오믹 컨택 메탈(11)의 형성이 힘들다.

또한, n-타입 층보다 p-타입 층에서 홀 농도와 이동성이 현격히 낮아 저항이 크게 증가하고, 오믹 컨택 메탈(11) 형성의 어려움이 있었다.

이와 같은, n-타입 층에 비하여 p-타입 층의 현격한 저항 증가, 오믹 컨택 형성의 어려움 이외에 기존 구조의 리지는 소자 저항의 급격한 증가를 유발한다(이는 특히 I-V 특성에 치명적이다).

이 같은 저항의 증가는 구동 전압의 증가 뿐 아니라, p-패드 메탈과 접하는 리지 부분의 열 발생을 가져와 p 오믹 메탈 체계의 열화와 소자 특성의 열화 뿐 아니라, 소자 신뢰성의 중요 항목인 수명(Life time)에 결정적인 악영향을 주는 단점이 있다.

이와 같은 단점을 보완하기 위하여 최근에는 n-타입 층에 리지 구조를 웨이퍼 본딩 기술을 이용하여 제작하는 방법이 제안되었다.

하지만, 질화물(Nitrides) 성장에 사용되는 사파이어와 SiC 기판의 경우 질화물과 기판간의 격자 상수가 달라 성장 후 벤딩(Bending)이 발생하게 된다.

또한, HVPE(Hydride Vapor Phase Epitaxy) 방법으로 성장된 GaN 기판의 경우 기판 자체가 벤딩되어 있다.

이처럼 발생되는 벤딩은 웨이퍼 본딩 기술을 적용하여 n-타입 층에 리지 구조를 형성하는데 어려움이 있을뿐 아니라, 접촉면에서 변형(strain)이 부위별로 차 이가 많이 나서 사파이어나 SiC 기판처럼 얇게 래핑(lapping)할 경우에는 원하는 두께 및 균일도로 가공하기 어려운 문제가 있었다.

따라서, 본 발명의 목적은 이와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, n-타입 층에 리지 구조를 갖기 위하여 채택한 웨이퍼 본딩 기술을 보다 용이하게 적용하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 웨이퍼 본딩한 접촉면에서 발생하는 벤딩으로 인한 스트레스를 줄여주는데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 질화물 반도체 레이저 다이오드의 웨이퍼 벤딩 줄이는 방법은, 웨이퍼 본딩 기술을 이용하여 질화물 반도체 레이저 다이오드의 n-타입 층에 전류 제한 구조를 형성하기 위한 방법에 있어서, 상기 질화물 반도체 레이저 다이오드의 질화물 에피 레이어 상부 표면에 격자 무늬 패턴을 갖는 에칭 마스크를 형성하는 단계와, 상기 격자 무늬 패턴을 갖는 에칭 마스크를 이용하여 상기 질화물 에피 레이어 상부 표면을 식각하는 단계와, 상기 에칭 마스크를 제거하여 격자 무늬 패턴이 식각된 질화물 에피 레이어 구조를 형성하는 단계를 포함하여 이루어짐을 특징으로 한다.

상기 에칭 마스크 형성 단계는, 상기 질화물 에피 레이어 상부에 포토 레지스트를 도포하는 단계와, 상기 도포된 포토 레지스터에 격자 무늬 패턴을 갖는 마스크를 이용하여 UV 노광하는 단계와, 상기 UV 노광된 면을 현상하는 단계를 포함 하여 이루어짐을 특징으로 한다.

상기 포토 레지스터 도포 단계 이전에 상기 질화물 에피 레이어 상부에 메탈 또는 유전막을 증착하는 단계를 더 포함하여 이루어짐을 특징으로 한다.

상기 질화물 에피 레이어 상부 격자 무늬 패턴이 식각된 층은 p-GaN층 혹은 p-오믹 메탈 층인 것을 특징으로 한다.

이하 발명의 바람직한 실시예에 따른 구성 및 작용을 첨부한 도면을 참조하여 설명한다.

도 3은 본 발명에 따른 질화물 반도체 레이저 다이오드의 n-타입 층에 리지 구조를 형성하기 위한 웨이퍼 본딩 방법을 나타낸 도면이다.

도 3과 같이, 사파이어(Sapphire(Al₂O₃)), SiC, 또는 GaN 기판(101) 상부에 도 1과 같은 구조(질화물 에피 레이어(epilayer))(102)를 성장시킨다.

즉, 상기 기판(101) 상부에 도핑되지 않은 GaN층(Undoped GaN), n-GaN층, 추종층(Compliance layer, (InGaN)), n-클래딩 층(n-Cladding layer(n-AlGaN)), n-웨이브 가이드층(n-Waveguide(GaN)), 활성층(MQW : Multi-Quantum Well), EBL(Electron Blocking Layer), p-웨이브 가이드 층(p-Waveguide(GaN)), p-클레딩 층(p-Cladding layer(p-AlGaN)), 캡층(Capping layer(p-GaN))이 순서대로 성장되는 것이다.

이후, p-오믹 메탈(p-Ohmic Metal)(103)을 증착시키는데, 상기 p-오믹 메탈(103)은 대체적으로 메탈이지만, p-층의 웨이브 펑션(wavefunction)을 맞출 수 있는 전도성 물질을 포함한다.

상기 p-오믹 메탈(103) 증착 후 패드 메탈과 본딩 메탈(Pad Metal＆Bonding Metal)(104)을 증착한다.

이때, 상기 캡층(p-GaN)과 p-오믹 메탈(103) 사이의 오믹(Ohmic) 상태를 만들어주기 위해 열처리를 한다. 그러나, 이후 공정에서 이루어질 열처리 단계에서 행하여도 무방하다.

이후, 고정용 기판(106)에 본딩 메탈(105)을 증착한다. 상기 고정용 기판(106)은 증착된 구조를 고정시키기 위한 목적으로 사용되며, GaAs나 열효율이 좋은 Si을 사용한다.

상기 본딩 메탈(105)이 증착된 고정용 기판(106)과 도 3과 같은 질화물 구조를 압착하면서 열처리를 하여 도 3의 화살표 방향으로 압착시킨다.

이때, 상기 캡층(p-GaN)과 p-오믹 메탈(103) 사이의 오믹(Ohmic) 상태를 만들어주기 위한 열처리를 이 부분에서 대치할 수 있다.

본 발명에 따르면, 상기와 같이 고정용 기판(106)을 압착시키기 전에, 상기 질화물(102)과 기판(101)간의 격자 상수가 다른 관계로 발생하는 벤딩으로 인한 문제를 극복하기 위해 상기 도 1과 같은 에피레이어(102) 혹은 p-오믹 메탈(103)의 표면에 패턴을 떠서 식각(etching)하는 공정을 거치게 된다.

이러한 식각 단계를 첨부한 도 4a 내지 4f에 도시하였다.

최초, 도 4a와 같이, 도 1과 같은 에피 레이어(102) 상부인 p-GaN층 표면에 메탈(Metal) 또는 유전막을 E-beam evaporate, sputtering system, PECVD 등을 사 용하여 증착한다. 이때, 상기 p-GaN층 표면 뿐 아니라 앞서 언급한 바와 같이 p-오믹 메탈(103) 상부에 증착하여도 무방하다.

이후, 도 4b와 같이, 메탈 또는 유전막 상부에 포토 레지스트(Photo Resist)를 도포함으로써 식각 마스크를 제조하게 된다.

즉, 상기 메탈 또는 유전막은 두껍게 식각하기 위해 사용하는 것으로, 상기 포토 레지스트 자체를 식각 마스크로 사용하여도 무방하다.

상기 도포된 포토 레지스트에 마스크를 이용하여 도 4c와 같이 UV 노광시킨다.

상기 마스크는 첨부한 도 5와 같은 격자 무늬를 띄도록 제작되며, 상기 무늬는 식각하는 면의 벤딩 방향에 의해 결정된다.

따라서, 상기 마스크를 이용하여 UV 노광시키게 되면, 도 5와 같은 격자 무늬를 갖는 패턴이 나타나게 된다. 상기 도 5와 같은 격자 무늬 패턴은 본 발명의 일실시예로써 이러한 패턴에 한정하지 않는다.

이후, 도 4d와 같이 현상(develope)하고, 상기 현상된 면을 도 4e와 같이 ECR RIE(Reactive Ion Etching), ICP RIE, CAIBE 등을 이용하여 식각한다.

상기와 같이 식각한 이후 리프트 오프(lift-off) 공정을 통해 상기 메탈 또는 유전막을 제거하게 되면 도 4f와 같은 형태로 p-GaN층에 격자 무늬 패턴이 식각되게 된다.

이러한 격자 무늬 패턴은 질화물(102)과 기판(101)간의 격자 상수가 다른 관계로 발생하는 벤딩을 줄여주는 역할을 수행하게 된다.

이후, 앞서 언급한 바와 같이, 이후, p-오믹 메탈(p-Ohmic Metal)(103)을 증착시키고, 패드 메탈과 본딩 메탈(Pad Metal＆Bonding Metal)(104)을 증착한 연후에 본딩 메탈(105)이 증착된 고정용 기판(106)을 압착시킨다.

상기와 같이 압착시킨 형태를 첨부한 도 6에 도시하였다.

즉, 도 6과 같이, 격자 무늬 패턴이 형성된(미도시) 도 1과 같은 질화물 에피 레이어(102) 상부(p-GaN층) 혹은 p-오믹 메탈 층(103)이 존재하고, 상기 p-오믹 메탈 층(103)과 고정용 기판을 접착 메탈(104)을 이용하여 열처리하여 압착함으로써 접착시키게 된다.(웨이퍼 본딩)

이후, 상기 도 6과 같은 구조에서, 사파이어(Sapphire(Al₂O₃)), SiC, 또는 GaN 기판(101)과 도 1과 같은 질화물 구조(102)에서 도핑되지 않은 GaN을 래핑(Lapping)하여 제거함으로써 n-타입 층이 노출되도록 한다.

상기와 같이 기판(101)과 도핑되지 않은 GaN층이 제거된 이후에는, 노출된 n-타입층의 중앙 부분을 남기고, 좌, 우를 식각(etching)하여 제거한다.

즉, n-타입 층의 n-GaN층, InGaN층, n-클래딩 층의 중앙 부분이 돌출된 형태의 리지 구조를 갖도록 좌우를 에칭하여 제거하는 것이다.

상기 제거된 면, 즉, 리지 구조의 좌, 우와 n-웨이브 가이드 층 상부에는 절연막을 증착하고, 상기 리지 구조 및 절연막 상부에는 n-패드 메탈을 증착함으로써 n-타입 층에 전류 제한 구조인 리지 구조를 용이하게 형성하게 된다.

이상의 설명에서와 같이 본 발명에 따른 질화물 반도체 레이저 다이오드의 웨이퍼 벤딩을 줄이는 방법은 n-타입 층에 전류 제한 구조를 형성하기 위한 웨이퍼 본딩 기술을 보다 용이하게 적용하는 효과가 있다.

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

따라서, 본 발명의 기술적 범위는 실시예에 기재된 내용으로 한정하는 것이 아니라 특허 청구 범위에 의해서 정해져야 한다.

Claims (4)

1. 웨이퍼 본딩 기술을 이용하여 질화물 반도체 레이저 다이오드의 n-타입 층에 전류 제한 구조를 형성하기 위한 방법에 있어서,

   상기 질화물 반도체 레이저 다이오드의 질화물 에피 레이어 상부 표면에 격자 무늬 패턴을 갖는 에칭 마스크를 형성하는 단계와,

   상기 격자 무늬 패턴을 갖는 에칭 마스크를 이용하여 상기 질화물 에피 레이어 상부 표면을 식각하는 단계와,

   상기 에칭 마스크를 제거하여 격자 무늬 패턴이 식각된 질화물 에피 레이어 구조를 형성하는 단계를 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 질화물 반도체 레이저 다이오드의 웨이퍼 벤딩 줄이는 방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 에칭 마스크 형성 단계는,

   상기 질화물 에피 레이어 상부에 포토 레지스트를 도포하는 단계와,

   상기 도포된 포토 레지스터에 격자 무늬 패턴을 갖는 마스크를 이용하여 UV 노광하는 단계와,

   상기 UV 노광된 면을 현상하는 단계를 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 질화물 반도체 레이저 다이오드의 웨이퍼 벤딩 줄이는 방법.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 포토 레지스터 도포 단계 이전에 상기 질화물 에피 레이어 상부에 메탈 또는 유전막을 증착하는 단계를 더 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 질화물 반도체 레이저 다이오드의 웨이퍼 벤딩 줄이는 방법.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 질화물 에피 레이어 상부 격자 무늬 패턴이 식각된 층은 p-GaN층 혹은 p-오믹 메탈 층인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 레이저 다이오드의 웨이퍼 벤딩 줄이는 방법.

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