KR101013422B1 - 면발광형 반도체 레이저소자 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

면발광형(plane emission type) 반도체레이저소자(semiconductor laser device)는 n형 GaAs 단차기판(stepped substrate) 상에, 하부반사경(lower reflector), 하부클래드층(lower clad layer), 활성층(active layer), 상부클래드층(upper clad layer), 상부반사경(upper reflector) 및 p형컨택트층(p-type contact layer)의 라미네이트 구조(laminate structure)를 포함한다. 단차기판은 원형의 (100)면 상단부(circular plane upper level portion), 단차부(step portion) 및 그들 사이의 단차부를 통하여 상단부를 둘러싸는 환형의 (100)면 하단부(annular plane lower level portion)를 포함한다. Si가 n형 불순물로서 성장하고 있는 AlAs층에 주입되는 동안 AlAs층이 전류협착층(current confinement layer)으로서 단차기판 상에 성장될 때, 상단부 상측의 AlAs층의 불순물농도는 단차부 상측보다 높고, 상단부 상측의 AlAs층의 산화속도는 단차부 하측보다 느리므로, 상단부 상측의 AlAs층의 산화 과정(progress)이 자율적으로(autonomously) 억제된다. AlAs층의 산화반응의 시간제어에 의해, 상단부 상측의 원형의 AlAs층을 정확한 형상(accurate shape) 및 정확한 면적(accurate area)으로 미산화의(unoxidized) 상태로 유지할 수 있다.

Description

면발광형 반도체 레이저소자 및 그 제조방법{Plane emission type semiconductor laser device and method of manufacturing the same}
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 면발광형 반도체레이저소자의 구성을 나타내는 단면도이다.
도 2a ~ c는 본 발명의 실시예에 따른 방법에 의해 면발광형 반도체레이저소자를 제조하는데 있어서 각 공정을 설명하는 기판 단면도이다.
도 2d ~ f는 도 2c에 이어서 본 발명의 실시예에 따른 방법에 의해서 면발광형 반도체레이저소자를 제조하는데 있어서 각 공정을 설명하는 기판단면도이다.
도 3은 종래의 면발광형 반도체레이저소자의 구성을 나타내는 단면도이다.
도 4는 AlAs층의 막두께와 AlAs층의 산화속도의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 5는 단차기판의 구성을 나타내는 사시도이다.
본 발명은 면발광형 반도체레이저소자(plane emission type semiconductor laser device) 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더 상세하게는 면내 균일성(in-plane uniformity)이 우수한 구조의 전류협착층(current confinement layer)을 포함하는 면발광형 반도체 레이저소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.
면발광형 반도체 레이저소자는, 기판상에 화합물 반도체층의 다층막으로 이루어진 한 쌍의 반사경(reflectors)과, 반사경의 사이에 설치된 활성층(active layer)(발광층(light emissionn layer))을 포함하고, 기판에 대하여 직교하는 방향으로 레이저광을 방사하는 반도체 레이저소자이다. 면발광형 반도체 레이저소자는 설치하는데 장점이 크기 때문에, 연구와 개발이 활발히 행해지고 있다.
주입 전류-광 출력효율(injected current-light output efficiency)을 높이기 위해, 면발광형 반도체 레이저소자는, 전극에서 주입된 전류의 유로(flow path)를 협착하여 활성층의 발광영역에 전류를 강제적으로 집중하여 주입하도록 하는 전류협착구조가 설치되어 있다. 그 중에서, 고 Al 함유층(high-Al-content layer)을 산화하여 형성된 Al산화층으로 이루어진 산화협착층의 전류협착층이 형성하기 쉽기 때문에 주목되고 있다.
예를 들면, 일본 공개특허 제2001-284727호는, 단일 횡모드(single transverse mode)에서, 실질적으로(substantially) 진원(true circular)인 빔 형상(beam profile)의 레이저광을 효율적으로 방사하는 면발광형 반도체 레이저소자의 구성을 제공하고 있다(도 2).
여기서, 특개 2001-284727호 공보를 참조하면서, 도 3을 사용하여, 종래기술의 일반적인 산화협착형(oxidized confinement type) 전류협착구조(current confimement structure)를 가지는 면발광형 반도체 레이저소자의 구성을 설명한다. 도 3은 종래기술의 일반적인 산화협착형의 전류협착구조를 가지는 면발광형 반도체 소자의 구성을 나타내는 단면도이다.
도 3에 나타낸 바와 같이, 종래의 면발광형 반도체 레이저소자(10)는 n형 반도체 기판(12)상에 n형 화합물 반도체층의 다층막(multiplicity)으로 이루어진 하부반사경(lower reflector)(14), 하부클래드층(lower clad layer)(16), 활성층(active layer)(18), 상부클래드층(upper clad layer)(20), p형 화합물 반도체층의 다층막으로 이루어진 상부반사경(upper reflector)(22) 및 p형 컨택트층(p-type contact layer)(24)의 적층구조(laminate structure)를 포함하고 있다.
적층구조에서, 컨택트층(24), 상부반사경(22), 상부클래드층(20), 활성층(18), 하부클래드층(16) 및 하부반사경(14)의 극상부(extreme upper portion)는 메사포스트(mesa post)(26)로서 형성되어 있다.
또, p측전극(p-side electrode)(28)이 p형 컨택트층(24)에 설치되어 있는 한편, n측전극(n-side electrode)(30)이 n형 반도체 기판(12)의 이면(back side)에 설치되어 있고, 절연막(32)이 메사포스트(26)의 측면(side surface) 및 메사포스트 근방(vicinity)의 하부반사경(14)에 형성되어 있다.
상부반사경(22) 중의 활성층(18)에 가까운 층에는, 상부반사경(22)을 구성하는 화합물 반도체층 대신에, 전류협착층(34)이 형성되어 있다. 전류협착층(34)은 중앙영역(central region)에 존재하는 고Al함유층(high-Al-content layer)(34A)과, 고Al함유층(34A)을 둘러싸도록 메사포스트(26)의 외주(circumference)를 따라서 고리형상(annular shape)으로 형성된 Al산화층(Al oxide layer)(34B)으로 구성되어 있다.
Al산화층(34B)은 AlAs층, 고Al함유(high-Al-content) AlGaAs(Al조성>0.95)층 등과 같은 고Al함유층을 선택적으로 산화하여 형성되는 AlOx층이며, 전기저항이 높은 전류협착영역(current confinement region)을 구성하고 있다. 고Al함유층(34A)은 미산화의 AlAs층 또는 고Al함유 AlGaAs(Al조성>0.95)층이며, Al산화층(34B)에 비해 전기저항이 낮은 전류주입영역(current injection region)을 구성하고 있다.
상기 서술한 구성에 의해, p측전극(28)에서 n측전극(30)을 향하여 주입된 전류는 전류협착영역(34B)에 의해 제한되고(confined) 전류주입영역(34A)을 통하여 활성층(18)의 발광영역에 국소적으로(locally) 집중하여(concentratedly) 흐르고, 활성층(18) 중에 캐리어의 반전분포를 생기게 하여, 그것에 의해 레이저 발진(laser oscillation)에 영향을 줄 수 있다.
면발광형 반도체레이저소자(10)를 제조할 때, 먼저 하부반사경(14), 하부클래드층(16), 활성층(18), 상부클래드층(20), 고Al함유층으로 이루어진 상부반사경(22), 및 p형 클래드층(24)의 적층구조가 n형 반도체기판(12) 상에 형성되고, 적층구조가 에칭되어 메사포스트(26)를 형성한다.
이어서, 메사포스트(26)가 형성된 적층구조가 수증기 분위기의 전기로에 공급되고, 400℃정도로 가열되어 메사포스트(26)의 외주로부터 내측으로 고Al함유층을 산화함으로써, 고리형의 Al산화층(34B)이 형성되는 동시에 중앙영역에 미산화의 고Al함유층(34A)을 전류주입영역으로서 남겨둔다.
그런데, AlAs층 등의 고Al함유층은 산화되지 않아도 본래적으로 전기저항이 크다. 그러므로, 면발광형 반도체레이저소자의 디바이스 저항을 결정하는데 있어서, 미산화의 고Al함유층(전류주입영역)의 면적을 소정의 면적으로 제어하는 것이 필요하다.
따라서, 전류주입영역의 면적을 소정의 면적으로 제어하기 위해, Al산화층의 산화폭, 즉 메사포스트의 외주를 따라서 형성된 고리형 산화막의 산화폭을 제어하는 것이 필요하다. 또, 면발광형 반도체레이저소자의 출사광의 횡모드(transverse mode)를 제어하기 위해, Al산화층의 산화폭을 제어하는 것이 필요하다.
AlAs층 등의 고Al함유층을 산화할 때, 상기 서술한 바와 같이, 화합물 반도체층의 적층구조가 에칭되어 에어포스트형(air post type) 메사포스트를 형성하고, 고Al함유층의 수증기 산화반응(water vapor oxidation reaction)이 메사포스트의 측면에서 내측으로 진행하도록 되어 있다.
그러나, 종래의 방법에 따라, 산화폭의 제어가 반응시간의 시간제어에 의해 행해지고, 그러므로, 산화폭의 반복재현성(repetitive reproducibility) 및 면내 균일성(in-plane uniformity)은 반드시 만족스러운 것은 아니고, 통상, 산화폭의 반복재현성이 약 ±1㎛정도, 또 면내 분포도(in-plane distribution)가 대략 ±1㎛이다.
디바이스 저항치 및 횡모드의 제어를 위해서 통상 수㎛ ~ 수십㎛의 범위의 소정치로 산화폭을 제어하는 것이 필요하다. 그러나, 산화폭의 반복재현성이 ±1㎛정도이고, 또 면내 분포가 ±1㎛정도이기 때문에, 정확한 산화폭을 가지는 전류협착영역, 즉, 소정 면적의 전류주입영역을 가지는 전류협착층을 형성하는 것이 곤란하였다.
그러므로, 종래 기술에 따르면, 면발광형 반도체레이저소자의 레이저특성이 불균일하므로, 제품 생산성(yield of the product)을 향상시키는 것이 곤란하다.
따라서, 본 발명의 목적은 양호한 반복재현성 및 제어성(controllability)을 가지도록 구성된 산화협착형 전류협착층을 포함하는 면발광형 반도체레이저소자 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명자는 양호한 반복재현성 및 제어성을 가지도록 구성된 산화협착형 전류협착층을 실현하기 위한 연구의 과정에서, AlAs층의 수증기 산화반응의 산화속도와 AlAs층의 막 두께 사이의 관계에 주목하였다.
그리고, 본 발명자는 도 4에 나타내는 바와 같이, AlAs층의 수증기 산화반응의 산화속도는 AlAs층의 막 두께에 의존하고, AlAs층의 막 두께가 40nm이하로 줄어들면 급격히 감소되는 것에 주목하였다. 도 4는 AlAs층의 막 두께(nm)를 횡축으로 하고, AlAs층의 막 두께가 70nm일 때 AlAs층의 산화속도(oxidation rate)를 1로 취하여 규격화된(normalized) AlAs층의 산화속도를 종축으로 했을 때의 관계를 나타내고 있다. 사각형으로 붙인 숫자는 AlAs층의 산화속도를 나타내고 있다.
그리고, 이하에 설명하는 바와 같이, 본 발명자는 AlAs층의 막두께가 40nm정도이면, 도 4에 나타낸 바와 같이, 막두께 40nm를 경계로 하여 AlAs층의 산화속도가 급격히 변화하기 때문에, 전류협착층의 산화폭의 불균일이 발생되는 것을 발견하였다.
통상, 수증기 산화시 Al산화층의 체적팽창(volume expansion)에 기인하는 스트레스(stress)의 발생을 억제하여 메사 박리(mesa exfoliation)를 방지하기 위해, AlAs층의 막두께는 40nm 이상이 되지 않도록 하는 것이 필요하다. 그러나, 양호한 면내 균일성의 막두께로 40nm이하의 작은 막두께를 가지는 AlAs층을 형성하는 것이 기술적으로 어렵기 때문에, 얻어진 AlAs층은 막두께의 면내 균일성이 나쁘다.
그러므로, AlAs층의 막두께에 의존하는 AlAs층의 산화속도의 면내 균일성도 또한 나쁘다. 더구나, 막두께 40nm를 경계로 AlAs층의 산화속도가 급격히 변화한다. 따라서, 양호한 면내 균일성의 산화폭으로 AlAs층을 산화하는 것이 어렵다. 그 결과, 면발광형 반도체레이저소자의 디바이스 특성이 불균일하고, 제품 생산성의 향상이 곤란하다.
그런데, AlAs층 및 AlGaAs층 등의 고Al함유층의 수증기 산화반응의 산화속도는 고Al함유층의 막두께 뿐만 아니라 고Al함유층의 불순물농도(impurity concentration)에도 크게 영향을 받는다. 예를 들면, 고Al함유층에 주입되어 있는 불순물이 Si나 Se와 같은 n형의 도펀트(dopant)라면, 불순물 농도가 높을수록 고Al함유층의 산화속도는 느리게 되는 경향이 있다. 역으로, 고Al함유층에 포함되어 있는 불순물이 Zn와 같은 p형 도펀트라면, 불순물농도가 높을수록 산화속도는 빠르게 되는 경향이 있다.
그리고, 통상의 MOCVD공정의 성장조건하에서는, (100)면(plane)에 대하여 약간 경사진 미경사 기판(minutely inclined substrate)상의 고Al함유층에 들어 있는 Si나 Se등의 n형 도펀트의 양 혹은 Zn등의 p형 도펀트의 양은 (100)면상의 고Al함유층에 들어 있는 양에 비해, 더 적은 경향이 있다.
한편, (100)면을 상면(top face)으로 하는 상단부(upper level portion)가 그 사이의 단차부(step portion)를 통하여 하단부(lower level portion)보다 높게 설치된 단차기판(stepped substrate) 상에 고Al함유층이 에피택셜 성장되면(epitaxially grown), 단차부는 (100)면에 대하여 약간 경사하고 있으므로, 단차부에 성장된 결정의 성장방향은 (100)면에 대하여 약간 기울어진다.
따라서, 단차기판 상에 고Al함유층을 성장시키는 동안 불순물이 고Al함유층에 주입되면, 단차부에 성장된 고Al함유층의 결정은 상단부의 평평한(flat) (100)면 위에 성장된 고Al함유층의 결정보다 낮은 불순물농도를 가진다.
예를 들면, 단차기판 상에 고Al함유층을 성장시킬 때, 성장중의 고Al함유층에 미량의 n형불순물이 주입되면,
(상단부상의 (100)면에 성장하는 고Al함유층의 n형불순물농도)
> (단차부상에 성장하는 고Al함유층의 n형불순물농도)이다.
그러므로, 고Al함유층이 수증기 산화되면, 상단부의 (100)면에 성장한 고Al함유층의 n형 불순물농도(34A)가 단차부의 경사층상에 성장한 고Al함유층의 n형 불순물농도보다 높으므로,
(상단부상의 (100)면에 성장하는 고Al함유층의 산화속도)
> (단차부 상에 성장하는 고Al함유층의 산화속도)가 된다.
즉, 단차부에 성장하는 고Al함유층의 산화속도가 상단부의 (100)면에 성장하는 고Al함유층의 산화속도에 비해 빠르다.
상기의 사실을 고려할 때, Al산화층으로 이루어진 전류협착영역을 형성하도록, 상단부의 (100)면 위의 고Al함유층을 전류주입영역으로 변환하고, 단차부 상의 고Al함유층을 산화하기 위해 n형 불순물이 Al함유층의 성장시 주입될 때, 단차부 상의 고Al함유층이 비교적 빠르게 산화되고, 상단부상의 고Al함유층까지 산화가 진행될 때, 산화속도가 갑자기 감소된다. 그러므로, 고Al함유층의 산화의 진행이 자율적으로 억제되고, 산화반응의 시간적 제어에 대한 마진이 증대한다.
그 결과, 웨이퍼면 내의 고Al함유층의 막두께 분포가 다소 나빠도, 고Al함유층의 산화의 시간제어가 용이하게 되므로, 종래에 비해, Al산화층의 산화폭을 현저하게 양호한 면내 균일성으로 제어할 수 있다.
그래서, 본 발명자는, 이하와 같이 하여 전류협착층의 산화폭을 제어하는 것을 고려하였다.
먼저, 도 5에 나타내는 바와 같이, (100)면을 주면(major surface)으로 하는 GaAs기판이 에칭되고, 전류협착층의 전류협착 지름(diameter)(전류주입영역의 지름)과 동일크기이며 단차가 수㎛~서브㎛ 정도의 상단부(36a)와, 그 사이의 단차부(36b)를 통하여, 상단부(36a)를 고리형상으로 둘러싸는 하단부(36c)를 가지는 단차기판(36)을 형성한다.
이어서, 고Al함유층을 가지는 적층구조가 단차기판(36) 상에 형성된다. 고Al함유층을 성장시킬 때, 성장중의 고Al함유층에 n형 불순물을 주입하여 단차부(36b)의 고Al함유층과 상단부(36a)의 (100)면 상의 고Al함유층의 사이에 n형 불순물의 농도차를 발생한다.
상기 과정에 의해, 단차부의 고Al함유층과 상단부의 고Al함유층 사이에 산화반응의 반응속도차가 발생되고, Al산화층의 산화폭이 제어된다.
본 발명자는 단차기판이 포토리소그래피처리와 에칭가공에 의해 형성될 때, 단차부의 형성에서 반복재현성이 향상될 수 있고, 따라서, Al산화층의 산화폭의 반복재현성이 ±0.1㎛ 정도로 향상될 수 있는 것을 실험에 의해 확인하였다. 이 확인에 근거하여, 본 발명이 이루어진 것이다.
본 발명의 제 1 관점에 따르면, 하부반사경과, 발광층과, 전류협착층을 가지는 상부반사경을 포함하는 면발광형 반도체 레이저소자가 제공된다.
면발광형 반도체레이저소자는 상단부와, 단차부와, 상단부보다 낮으며 그 사이의 단차부를 통하여 상단부를 둘러싸는 하단부를 포함하는는 단차기판 상에 형성된다.
전류협착층은 상단부의 평면형상(plan-view shape)과 동일 형상 및 동일 크기의 미산화의 고Al함유층을 포함하는 전류주입영역을 단차기판의 상단부의 상측에 포함한다.
전류협착층은 상기 전류주입영역의 주위에 고Al함유층을 산화함으로써 얻어진 고리형상의 Al산화층을 전류협착영역으로서 포함한다.
고Al함유층은 n형불순물이 1x1017~1x1018cm-3의 불순물농도로 주입되어 있다.
본 발명에서는, 고Al함유층을 형성할 때, 전류협착영역 형성층인 고Al함유층에 n형 불순물이 주입되고, 고Al함유층의 산화진행이 n형 불순물농도에 의존하고 있는 사실을 이용하여, 상단부 상측의 고Al함유층의 산화의 진행이 자율적으로 제어되고 있다.
더 상세하게는, 고Al함유층을 형성할 때에, n형 불순물을 고Al함유층에 주입하면, 상단부상의, 예를 들면, (100)면의 상측의 고Al함유층의 n형 불순물농도는 단차부의 상부의 고Al함유층의 n형 불순물농도보다 높게 된다. 따라서, 고Al함유층의 수증기 산화에 있어서, 상단부의 상부의 고Al함유층의 산화반응속도가 단차부 상부의 고Al함유층의 산화속도보다 느리게 되므로, 차단부의 상측의 고Al함유층이 비교적 빠르게 산화되고, 상단부의 상측의 고Al함유층까지 산화될 때, 산화속도가 갑자기 느려지게 된다. 그 결과, 상단부 상측의 고Al함유층의 산화의 진행이 자율적으로 억제되고, 산화 반응의 시간적 제어의 마진이 증대한다.
이것에 의해, 상단부 상측의 고Al함유층의 산화의 시간제어가 용이하게 된다. 그러므로, 웨이퍼면 내의 고Al함유층의 막두께 분포가 다소 나빠도, 종래에 비해, 상단부의 외측의 Al산화층의 산화폭을 대단히 양호한 면내 균일성으로 제어할 수 있다.
따라서, 상단부의, 예를 들면, (100)면 상측을 고Al함유층을 전류주입영역으로 사용하고, 단차부 상측의 Al산화층을 전류협착영역으로 사용함으로써, 제어된 전류주입영역을 가지는 전류협착층을 형성할 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 단차기판의 상단부는 그 사이의 단차부를 통하여 하단부에서 0.1㎛~5㎛의 높이에 있다. 또, 상단부 및 하단부는 각각 그 상면으로서의 (100)면을 가진다.
이러한 구성으로, 적층구조를 구성하는 각 화합물 반도체층은 단차기판의 상단부 및 하단부 상측에 평탄층(flat layer)으로 성장되고, 단차기판의 단차부의 상측의 평탄층에 연속하는 경사층(inclined layer)으로서 성장된다.
본 발명에서, 구체적으로는, 단차기판이 GaAs기판이며, 고Al함유층이 AlxGa(1-x)As층(1≥x> 0.95)이다.
본 발명의 다른 관점에 따르면, 하부반사경, 발광층 및 전류협착층을 가지는 상부반사경을 포함하는 면발광형 반도체 레이저소자의 제조방법에 있어서,
(100)면을 주면으로 하는 기판을 에칭하고, (100)면을 그 상면으로서 가지고 전류협착층의 전류주입영역과 동일 형상 및 동일 크기를 가지는 상단부와, 단차부와, (100)면을 가지는 고리형상이며, 그 사이의 단차부를 통하여 상단부를 둘러싸는 하단부를 포함하는 단차기판을 형성하는 공정과,
단차기판 상에, 상기 하부반사경, 상기 발광층 및 고Al함유층을 가지는 상부반사경을 각각 구성하는 화합물 반도체층을 순차 에피택셜 성장시키는 공정과,
각 화합물 반도체층이 단차기판의 상단부의 상부와 하단부의 하부에 평탄층으로서 성장되고, 단차기판의 단차부의 상측에 평탄층에 연속하는 경사층으로서 성장된 화합물 반도체층의 적층구조를 형성하는 공정을 포함하고,
고Al함유층을 성장시킬 때 n형 불순물이 고Al함유층에 주입되며,
상기 방법은,
형성된 적층구조중 상부반사경, 발광층 및 하부반사경의 상부를 에칭하여 메사포스트를 형성하는 공정과,
상부반사경의 고Al함유층을 수증기 산화하여, 메사포스트의 측면에서 내측으로 연장하는 고리형상의 Al산화층을 형성하고, 단차기판의 상단부에 대응하는 중앙영역에 미산화된 상태에서 고Al함유층을 잔류시키는 공정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 면발광형 반도체 레이저소자의 제조방법이 제공된다.
적층구조의 형성공정에서, 성장중의 고Al함유층 중에 n형 불순물을 주입할 때, 상단부의 상측에 평탄층으로서 성장된 고Al함유층의 n형 불순물의 불순물농도가 단차부의 상측에 경사층으로서 성장된 고Al함유층의 n형 불순물의 불순물농도보다 높게 된다.
본 발명에 따른 방법에서, 고Al함유층을 형성할 때, n형 불순물이 전류협착영역 형성층인 고Al함유층에 주입되고, 고Al함유층의 산화반응속도가 n형 불순물농도에 의존하고 있는 것을 이용하여, 상단부의 상측의 고Al함유층의 산화의 진행이 자율적으로 제어되고 있다.
보다 상세히 설명하면, 고Al함유층을 형성할 때 n형 불순물이 고Al함유층에 주입되면, 단차부의 상측의 고Al함유층의 n형 불순물농도는 상단부의 상측의 고Al함유층의 n형 불순물농도보다 낮으므로, 단차부의 상측의 고Al함유층의 산화반응속도는 상단부의 상측의 고Al함유층의 산화반응속도보다 높게 된다.
그러므로, 단차부의 상측의 고Al함유층이 비교적 빠르게 산화되고, 산화가 상단부의 상측의 고Al함유층에 도달하면, 산화속도가 갑자기 저하된다. 따라서, 고Al함유층의 산화의 진행이 자율적으로 억제되고, 산화반응의 시간적 제어에 대한 마진이 증대한다.
결과적으로, 상단부의 상측의 고Al함유층의 산화의 시간적 제어가 용이하게 되므로, 웨이퍼면 내의 고Al함유층의 막두께 분포가 다소 나빠도, 종래에 비해 상단부의 외측의 Al산화층의 산화폭을 대단히 양호한 면내 균일성으로 제어할 수 있다.
따라서, 상단부의 (100)면의 상측의 고Al함유층을 전류주입영역으로 사용하고, 단차부의 상측의 Al산화층을 전류협착영역으로 사용함으로써, 제어된 전류주입영역을 가지는 전류협착층을 형성할 수 있다.
더구나, 포토리소그래피 처리와 에칭에 의해 형성된 단차기판으로, 단차부의 형성에서 반복재현성이 향상되고, 따라서 Al산화층의 산화폭의 반복재현성이 약 ±0.1㎛ 정도로 향상될 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시예에 근거하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다. 도전형, 막종류, 막두께, 성막방법, 그 외 치수 등은 본 발명의 이해를 용이하게 하기 위한 예시이며, 본 발명은 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다.
면발광형 반도체레이저소자의 실시예
본 실시예는 본 발명에 따르는 면발광형 반도체레이저소자의 실시형태의 일예이며, 도 1은 본 실시예에 따른 면발광형 반도체레이저소자의 구성을 나타내는 단면도이다.
본 실시예의 면발광형 반도체레이저소자(40)는, n형 GaAs 단차기판(stepped substrate)(42) 상에, 하부반사경(lower reflector)(44), 막두께 100nm의 비도프(non-doped) Al0.5Ga0.5As 하부클래드층(lower clad layer)(46), 활성층(active layer)(48), 막두께 100nm의 비도프 Al0.5Ga0.5As 상부클래드층(upper clad layer)(50), 상부반사경(upper reflector)(52) 및 불순물농도가 1 x 1019/cm3 이상의 p형 GaAs 컨택트층(contact layer)(54)의 적층구조(laminate structure)를 포함하고 있다.
n형 GaAs 단차기판(42)은, 직경 10㎛의 원형 (100)면 상단부(circular (100) plane upper level portion)(42a)와, 높이 1㎛의 단차부(step portion)(42b)와, 그 사이의 단차부(42b)를 통하여 상단부(42a)를 둘러싸는 고리형 (100)면 하단부(annular (100) plane lower level portion)(42c)로 구성되어 있다.
이 때문에, 단차기판(42) 상에 애피텍셜 성장시킨 각 화합물 반도체층은, 도 1에 나타낸 바와 같이, 상단부(42a) 및 하단부(42c) 상측에 성장한 평탄층과, 평탄층에 연속하여 단차부(42b) 상측에 성장한 경사층을 포함한다.
활성층(48)은 막두께 10nm의 비도프 Al0.3Ga0.7As 광가이드층(optical guide layer)과, 막두께 7nm의 비도프 GaAs층 및 막두께 5nm의 비도프 Al0.3Ga0.7As층으로 이루어진 3중 양자 우물구조(triple quantum well structure)와, 막두께 10nm의 비도프 Al0.3Ga0.7As 광가이드층으로 구성되어 있다.
하부반사경(44)은 그들 사이에 Al조성이 0.2에서 0.92로 증대하는 막두께 100Å의 중간층을 가지는 n형 Al0.2Ga0.8As층과 n형 Al0.92Ga0.08As층의 복수 쌍의 다층막(multi-layer film)으로서 형성되고, 각층의 n형 불순물농도는 약 2 x 1018/cm3이다.
상부반사경(52)은 그들 사이에 Al조성이 0.2에서 0.92로 증대하는 막두께 100Å의 중간층을 가지는 p형 Al0.2Ga0.8As층과 p형 Al0.92Ga0.08As층의 복수 쌍의 다층막으로서 형성되고, 각층의 p형 불순물농도는 약 2 x 1018/cm3이다.
적층구조중, p형GaAs 컨택트층(54), 상부반사경(52), 상부클래드층(50), 활성층(48), 하부클래드층(46) 및 하부반사경(44)의 극상부(extreme upper portion)는 메사포스트(mesa post)(56)로서 형성되어 있다.
또, p측전극(58)은 p형 컨택트층(54)에 설치되어 있고, n측전극(60)은 n형 GaAs 단차기판(42)의 이면(back side)에 설치되어 있으며, 절연막(62)은 메사포스트(56)의 측면(side surface) 및 메사포스트 주위의(around) 하부반사경(44)에 형성되어 있다.
또, 상부반사경(52)에서, 상부클래드층(50)의 상측의, 그들 사이에 2쌍의 층을 가지는 위치에, 상부반사경(52)을 구성하는 AlGaAs층 대신에 전류협착층(64)이 설치되어 있다.
전류협착층(64)은 상부반사경(52)을 구성하는 AlGaAs층 대신에 형성된 막두께 30nm의 AlAs층을 수증기 산화(water vapor oxidation)했을 때 중앙영역에 잔류시킨 미산화 AlAs층(unoxidized AlAs layer)(64A), 메사포스트(56)의 측면에서 내측으로(inward) AlAs층을 수증기 산화하여 AlAs층(64)의 외측에 형성된 고리형 Al 산화층(annular Al oxide layer)(64B)으로 구성되어 있다. 또, AlAs층을 형성할 때, n형 불순물, 예를 들면, Si가, 불순물농도 1 x 1018/cm-3으로 AlAs층에 주입된다.
미산화 AlAs층(64A)은 직경이 GaAs 단차기판(42)의 상단부(42a)의 직경과 같은 직경을 가지는 원형영역(circular region)이며, 전류주입영역으로서 기능한다. 한편, Al산화층(64B)은 높은 전기저항을 가지는 전류협착영역으로서 기능한다.
본 실시예에서, AlAs층이 GaAs 단차기판(42)의 상측에 전류협착층(64)으로서 성장되고, AlAs층의 성장중에 n형 불순물로서 Si가 AlAs층에 주입된다. 그 결과로서, n형 불순물농도의 차이가 단차부(42b)의 상측의 AlAs층과 상단부(42a)의 상측의 AlAs층 사이에서 발생되고, 상단부(42a)의 상측의 AlAs층의 불순물농도가 단차부(42b)의 상측의 AlAs층의 불순물농도보다 높다.
그러므로, 상단부(42a)의 상측의 AlAs층의 산화속도가 단차부(42b)의 상측의 AlAs층의 산화속도에 비해 낮으므로, 산화반응이 상단부(42a)의 상측의 AlAs층에 도달하면 산화반응이 급격히 정지하고, 상단부(42a)의 상측의 AlAs층의 산화의 진행이 자율적으로 유지된다. 따라서, 산화반응의 시간적 제어가 용이하게 된다.
그러므로, AlAs층의 산화반응을 시간 제어함으로써, 상단부(42a)의 상측의 원형 AlAs층을 정확한 형상 및 정확한 면적으로 미산화 상태로 유지할 수 있다. 이는 산화폭의 면내 균일성을 높일 수 있게 한다.
상기한 관점에서, 상단부(42a)의 상측의 AlAs층(64A)을 전류주입영역으로 사용하고, 단차부(42b)의 상측의 Al산화층(64B)을 전류협착영역으로 사용함으로써, 제어된 전류주입영역을 가지는 전류협착층을 형성할 수 있다.
면발광형 반도체레이저소자의 제조방법의 실시예
본 실시예는 본 발명에 따른 면발광형 반도체레이저소자의 제조방법을 상기 실시예에 따른 면발광형 반도체레이저소자의 제조에 적용한 실시형태의 일례이다. 도 2a~2c 및 도 2d~2f는 본 실시예에 따른 방법에 의해 면발광형 반도체레이저소자를 제조하는데 있어서 각 공정을 설명하는 기판의 단면도이다.
본 실시형태에서, 먼저, 도 2a에 나타낸 바와 같이, 직경 10㎛의 원형 패턴을 가지는 에칭마스크(68)가 (100)면을 주면으로 하는 n형 GaAs기판(66) 상에 형성된다.
이어서, n형 GaAs기판(66)이 에칭마스크(68)를 사용한 드라이 에칭법에 의해 에칭되고, 도 2b에 나타낸 바와 같이, 직경 10㎛의 원형 (100)면 상단부(42a), 높이 1㎛의 단차부(42b), 그 사이의 단차부(42b)를 통하여 상단부(42a)를 둘러싸는 고리형 (100)면 하단부(42c)를 가지는 n형 GaAs기판(42)을 형성한다.
다음에, 하부반사경(44), 막두께 100nm의 비도프 Al0.5Ga0.5As 하부클래드층(46), 활성층(48), 막두께 100nm의 비도프 Al0.5Ga0.5As 상부클래드층(50), 상부반사경(52) 및 불순물농도 1 x 1019/cm3의 p형 GaAs컨택트층(54)이 n형 GaAs단차기판(42)상에 MOCVD법에 의해 순차 성장되어, 도 2c에 나타낸 바와 같은 적층구조(70)를 형성한다.
본 실시형태에서는, 화합물 반도체층이 단차기판(42)의 상측에 애피텍셜 성장되고 있으므로, 도 2c에 나타낸 바와 같이, 각각의 화합물 반도체층은 상단부(42a)의 상측 및 하단부(42c)의 상측에 평탄층으로서 성장되고, 단차부(42b)의 상측에 평탄층에 연속하는 경사층으로서 형성된다.
하부반사경(44)의 형성에 있어서, n형 Al0.2Ga0.8As층과 n형 Al0.92Ga0.08As층의 복수의 쌍으로 구성되고, Al조성이 0.2에서 0.92로 증대하는 막두께 100Å의 중간층을 가지는 복수 쌍의 다층막이 애피텍셜 성장된다. 더욱이, 각 층은 약 2x1018/cm3의 n형 불순물농도를 가진다.
활성층(48)의 형성에 있어서, 막두께 10nm의 비도프 Al0.3Ga0.7As 광가이드층, 막두께 7nm의 비도프 GaAs층 및 막두께 5nm의 비도프 Al0.3Ga0.7As층으로 이루어진 3중 양자 우물구조와, 막두께 10nm의 비도프 Al0.3Ga0.7As 광가이드층이 하부클래드층(46) 상에 순차적으로 애피텍셜 성장된다.
상부반사경(52)의 형성에 있어서, p형 Al0.2Ga0.8As층과 p형 Al0.92Ga0.08As층의 복수의 쌍으로 구성되고, Al조성이 0.2에서 0.92로 증대하는 막두께 100Å의 중간층을 가지는 다층막이 애피텍셜 성장된다. 더욱이, 각 층은 약 2 x 1018/cm3의 p형 불순물농도를 가진다.
또, 상부반사경(52)의 형성에 있어서, 그들 사이에 2쌍의 층을 가지는 상부클래드층(50)의 상측의 위치에서, 상부반사경(52)을 구성하는 AlGaAs층 대신에 AlAs층(72)이 애피텍셜 성장된다. AlAs층(72)의 형성에 있어서, n형 불순물로서 Si가 불순물농도 1 x 1018/cm-3으로 AlAs층(72)에 주입된다.
다음으로, 적층구조(70)중, p형GaAs 컨택트층(54), AlAs층(72)을 포함하는 상부반사경(52), 상부클래드층(50), 활성층(48), 하부클래드층(46) 및 하부반사경(44)의 극상부가 에칭되어, 도 2d에 나타낸 바와 같이, 메사포스트(56)를 형성한다.
이어서, 메사포스트(56)로 형성된 적층구조(70)는 산화온도 400℃~450℃, 수증기 유량(flow rate) 0.5g/min, N2 캐리어 가스 유량 10~20 l/min의 조건으로 수증기 산화된다.
이것에 의해, 도 2e에 나타낸 바와 같이, AlAs층(72)은 메사포스트(56)의 측면에서 내측으로 수증기 산화되고, GaAs 단차기판(42)의 하단부(42c) 및 단차부(42b)의 상측의 AlAs층(72)은 고리형 Al산화층(64B)을 구성하며, 상단부(42a)의 상측의 AlAs층(72)은 미산화 상태로 중앙에 잔류하는 AlAs층(64A)을 구성한다.
미산화의 AlAs층(64A)은 GaAs 단차기판(42)의 상단부(42a)의 직경과 동일한 직경을 가지는 원형영역이며, 전류주입영역으로서 기능한다. 한편, Al산화층(58B)은 높은 전기저항을 가지는 전류협착영역으로서 기능한다.
이어서, 절연막(62)이 기판 전면(entire surface)에 형성되고, 이어서 메사포스트(56) 상의 절연막(62)이 제거되어 p형GaAs 컨택트층(54)을 노출시키며, p측전극(58)이 p형GaAs 컨택트층(54) 위에 설치되고, n형GaAs 단차기판(42)의 이면이 연마되어(polished) 기판의 두께를 소정의 값으로 조정하며(regulate), 그 위에 n측 전극(60)이 형성된다.
본 실시형태에서는, GaAs 단차기판(42) 상측에 전류협착층(64)으로서 AlAs층이 성장되고, AlAs층의 성장중에 n형 불순물로서 Si가 AlAs층에 주입된다. 그 결과, 단차부(42b)의 상측의 AlAs층과 상단부(42a)의 상측의 AlAs층의 사이에 n형 불순물의 농도의 차이가 발생하고, 상단부(42a)의 상측의 AlAs층의 불순물 농도가 단차부(42b)의 상측의 AlAs층의 불순물농도보다 높다.
그러므로, 상단부(42a)의 상측의 AlAs층의 산화속도가 단차부(42b)의 상측의 AlAs층의 산화속도에 비해 느리게 되므로, 산화반응이 상단부(42a)의 상측의 AlAs층에 도달하면 산화반응이 급격히 정지하게 되고, 상단부(42a)의 상측의 AlAs층의 산화의 진행이 자율적으로 억제되며, 따라서 산화반응의 시간적 제어가 용이하게 실행된다.
그러므로, AlAs층의 산화반응을 시간 제어함으로써, 상단부(42a)의 상측의 원형 AlAs층(64A)을 정확한 형상 및 면적으로 미산화 상태로 유지할 수 있다.
상기한 관점에서, 상단부(42a)의 상측의 AlAs층(64A)을 전류주입영역으로 사용하고, 단차부(42b)의 상측의 Al산화층(64B)을 전류협착영역으로 사용함으로써, 제어된 전류주입영역을 가지는 전류협착층을 형성할 수 있다.
본 발명은 상기한 실시예들에 기재된 내용으로만 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 것이며, 따라서 청구범위와 동등한 범위 내에서의 모든 변경(changes) 및 수정(modifications)이 본 발명에 의해 포함되는(embraced) 것이다.
본 발명 및 본 발명방법에서는, 전류협착영역 형성층인 고Al함유층의 형성에 있어서, n형 불순물을 주입하고, 고Al함유층의 산화반응속도가 n형 불순물농도에 의존하고 있는 것을 이용하여, 상단부상의 고Al함유층의 산화의 진행을 자율적으로 억제하고 있다.
이것에 의해, 상단부상의 고Al함유층의 산화반응의 시간적 제어가 용이하게 되므로, 웨이퍼면 내의 고Al함유층의 성막 분포가 다소 나빠도 종래에 비해 상단부의 외측의 Al 산화층의 산화폭을 매우 양호한 면내 균일성으로 제어할 수 있다.
따라서, 상단부 상의 고Al함유층을 전류주입영역으로 하고, 단차부 상의 Al산화층을 전류협착영역으로 함으로써, 제어된 전류주입영역을 가지는 전류협착층을 형성할 수 있다.

Claims (9)

  1. 하부반사경(lower reflector), 발광층(light emission layer) 및 전류협착층(current confinement layer)을 가지는 상부반사경(upper reflector)을 포함하는 면발광형 반도체 레이저소자(plane emission type semiconductor laser device)에 있어서,
    상기 면발광형 반도체 레이저소자는, 상단부(upper level portion)와, 단차부(step portion)와, 상기 상단부보다 낮고 그 사이의 상기 단차부를 통하여 상기 상단부를 둘러싸는 하단부(lower level portion)를 가지는 단차기판(stepped substrate) 상에 형성되고,
    상기 전류협착층은, 상기 단차기판의 상기 상단부의 상측(upper side)에, 상기 상단부의 평면 형상(plan-view shape)과 동일한 형상을 가지고 상기 상단부의 크기(size)와 동일한 크기를 가지는 미산화 고Al 함유층(unoxidized high-Al-content layer)으로 이루어진 전류주입영역(current injection region)을 포함하며,
    상기 전류협착층은, 전류협착영역으로서, 상기 전류주입영역의 주위에 고Al 함유층을 산화시킴으로써 얻어지는 고리형 Al 산화층(aunnlar Al oxide layer)을 포함하고,
    상기 고Al 함유층은, 1x1017~1x1018cm-3의 불순물농도로 n형 불순물이 주입(dope)되어 있는 것을 특징으로 하는 면발광형 반도체 레이저소자.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 단차기판의 상기 상단부는, 그 사이의 상기 단차부를 통하여, 상기 하단부로부터 0.1㎛~5㎛의 높이에 있는 것을 특징으로 하는 면발광형 반도체 레이저소자.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 상단부 및 하단부는 각각 그 상면(top surface)으로서 (100)면((100) plane)을 가지는 것을 특징으로 하는 면발광형 반도체 레이저소자.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 하부반사경, 상기 발광층 및 상기 전류협착층을 포함하는 상부반사경을 구성하는 각 화합물 반도체층(compound semiconductor layer)은, 상기 단차기판의 상기 상단부의 상측 및 상기 단차기판의 상기 하단부의 상측에 평탄층(flat layer)으로서 성장되고, 상기 단차기판의 상기 단차부의 상측의 상기 평탄층에 연속하는 경사층(inclined layer)으로서 성장되는 것을 특징으로 하는 면발광형 반도체 레이저소자.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 단차기판의 상기 상단부의 평면 형상이 원형인 것을 특징으로 하는 면발광형 반도체 레이저소자.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 단차기판은 GaAs기판이며, 상기 고Al 함유층은 AlxGa(1-x)As층(1≥x>0.95)인 것을 특징으로 하는 면발광형 반도체 레이저소자.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 하부반사경은 n형이고, 상기 상부반사경은 p형인 것을 특징으로 하는 면발광형 반도체 레이저소자.
  8. 하부반사경, 발광층 및 전류협착층을 가지는 상부반사경을 포함하는 면발광형 반도체 레이저소자의 제조방법에 있어서,
    (100)면을 주면으로 하는 기판을 에칭하여, (100)면을 그 상면(top surface)으로서 가지고 전류협착층의 전류주입영역과 동일한 형상 및 동일한 크기를 가지는 상단부와, 단차부와, (100)면을 가지며 그 사이의 상기 단차부를 통하여 상기 상단부를 둘러싸는 고리형 하단부를 포함하는 단차기판을 형성하는 단계와,
    상기 단차기판 상에, 상기 하부반사경, 상기 발광층, 고Al 함유층을 가지는 상기 상부반사경을 각각 구성하는 화합물 반도체층을 순차적으로(sequntially) 에피택셜 성장시켜(epitaxially growing),
    각 상기 화합물 반도체층이 상기 단차기판의 상기 상단부의 상측 및 상기 단차기판의 상기 하단부의 상측에 평탄층으로서 성장되고, 상기 단차기판의 상기 단차부의 상측에 상기 평탄층에 연속하는 경사층으로서 성장된 상기 화합물 반도체층의 적층구조를 형성하는 단계를 포함하여 구성되고,
    상기 고Al 함유층을 성장시킬 때 n형 불순물이 상기 고Al 함유층에 주입되며,
    상기 방법은,
    상기 형성된 적층구조중 상기 상부반사경, 상기 발광층 및 상기 하부반사경의 상부(upper portion)를 에칭하여, 메사포스트(mesa post)를 형성하는 단계와,
    상기 상부반사경의 고Al 함유층을 수증기 산화(water vapor oxidation)하여, 상기 메사포스트의 측면(side surface)으로부터 내측으로(inward) 연장하는(extending) 고리형 Al 산화층(annular Al oxide layer)을 형성하고, 상기 단차기판의 상기 상단부에 대응하는 중앙영역(central region)에 미산화 상태(unoxidized state)로 상기 고Al 함유층을 유지(maintain)시키는 단계를 더 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 면발광형 반도체 레이저소자의 제조방법.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 n형불순물이 상기 적층구조의 형성단계에서 성장중의 상기 고Al 함유층에 주입될(implanted) 때, 상기 상단부의 상측에 상기 평탄층으로서 성장된 상기 고Al 함유층의 상기 n형 불순물의 불순물농도가 상기 단차부의 상측에 경사층으로서 성장된 상기 고Al 함유층의 상기 n형 불순물의 불순물농도보다 높게 되도록 구성된 것을 특징으로 하는 면발광형 반도체 레이저소자의 제조방법.
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