KR101014720B1

KR101014720B1 - 반도체 레이저 다이오드 제조 방법

Info

Publication number: KR101014720B1
Application number: KR1020040003891A
Authority: KR
Inventors: 김성원
Original assignee: 엘지전자 주식회사
Priority date: 2004-01-19
Filing date: 2004-01-19
Publication date: 2011-02-16
Also published as: US7074633B2; CN1645693A; EP1555732A3; EP1555732B1; JP2005210124A; EP1555732A2; CN1328832C; US20050157768A1; KR20050076089A

Abstract

본 발명은 반도체 레이저 다이오드에 관한 것으로, 특히 반도체의 n쪽에 리지 구조를 갖도록 반도체 레이저를 제조하는 방법에 관한 것이다.

본 발명에 따르면, 기판, 도핑되지 않은 GaN 층, n-타입 층, 활성층, EBL, p-타입 층을 순차적으로 증착하여 질화물 반도체 층을 형성하는 단계와; 상기 p-타입 층 상부에 별도의 고정 기판을 접착하여 질화물 반도체 층을 고정시키는 단계와; 상기 질화물 반도체 층의 기판 및 도핑되지 않은 GaN층을 래핑하여 제거하는 단계와; 상기 n-타입 층에 리지 구조를 형성하는 단계와; 상기 리지 구조 상부에 n-패드 메탈을 형성하는 단계;를 포함하여 이루어짐으로써, n-타입 층에 리지 구조를 손쉽게 형성하고, 소자의 I-V 특성을 향상시키며, 열 발생 억제 및 동작 수명 연장 등의 개선 효과가 있다.

질화물 반도체 레이저 다이오드, 리지, 웨이퍼 본딩

Description

반도체 레이저 다이오드 제조 방법{Manufacturing process of semiconductor laser diode}

도 1은 일반적인 질화물 반도체 레이저 다이오드의 단면도

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

도 3 내지 도 5는 본 발명에 따른 웨이퍼 본딩 기술을 이용하여 n-타입 층에 리지 구조를 갖는 질화물 반도체 레이저 다이오드의 제조 단계를 나타낸 도면

도 6은 본 발명에 따른 n-타입 층에 리지 구조를 채용한 질화물 반도체 레이저 다이오드의 부분 단면도

- 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 -

101 : 기판 102 : 질화물 에피레이어(Epilayer)

103 : p-오믹 메탈 104 : 패드 및 본딩 메탈

105 : 본딩 메탈 106 : 고정용 기판

107 : n-패드 메탈 108 : n-GaN

109 : InGaN 110 : n-클래딩 층

111 : 절연막 112 : n-웨이브 가이드 층

113 : 활성층 114 : EBL

본 발명은 반도체 레이저 다이오드에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 질화물 반도체 레이저 다이오드를 제조하는 방법에 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 혹은 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)해 준다.

이러한, 상기의 일반적인 질화물 반도체 레이저 다이오드 구조에서, 레이저광의 방사를 원활히 수행하기 위해, 리지(Ridge) 구조를 채용하여 광 특성을 향상 시킨 레이저 다이오드가 개발되었다.

첨부한 도 2는 종래 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 오 믹 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 있다.

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.

따라서, 본 발명의 목적은 이와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, n-타입 층에 비해 상당히 큰 저항과 오믹 컨택 형성의 어려움을 갖고 있는 p-타입 층의 리지 구조 대신 n-타입 층에 리지 구조를 제작하는 방법을 제안하는데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 반도체 레이저 다이오드 제조 방법은, 기판, 도핑되지 않은 GaN 층, n-타입 층, 활성층, EBL, p-타입 층을 순차적으로 증착하여 질화물 반도체 층을 형성하는 단계와; 상기 p-타입 층 상부에 별도의 고정 기판을 접착하여 질화물 반도체 층을 고정시키는 단계와; 상기 질화물 반도체 층의 기판 및 도핑되지 않은 GaN층을 래핑하여 제거하는 단계와; 상기 n-타입 층에 리지 구조를 형성하는 단계와; 상기 리지 구조 상부에 n-패드 메탈을 형성하는 단계;를 포함하여 이루어짐을 특징으로 한다.

상기 고정 기판으로 GaAs나 열 전도율이 좋은 Si을 사용하는 것을 특징으로 한다.

상기 질화물 반도체 층을 고정시키는 단계는, 상기 p-타입 층 상부에 p-오믹 메탈을 증착하는 단계와; 상기 p-오믹 메탈 상부에 패드 메탈 및 본딩 메탈을 증착시키는 단계와; 상기 고정 기판에 본딩 메탈을 접착 시키는 단계와; 상기 증착된 패드 메탈 및 본딩 메탈 상부에 상기 본딩 메탈이 증착된 고정 기판을 압착하면서 열처리하여 접착시키는 단계;를 포함하여 이루어짐을 특징으로 한다.

상기 p-타입 층 상부의 p-GaN 층과 상기 p-오믹 메탈 사이를 오믹(Ohmic) 상태로 만들기 위해 열처리하는 단계;를 더 포함하여 이루어짐을 특징으로 한다.

상기 제거된 면의 손상을 줄이기 위해 RIE와 열처리를 수행하는 단계;를 더 포함하여 이루어짐을 특징으로 한다.

상기 n-타입 층에 리지 구조를 형성하는 단계는, 상기 n-타입 층의 n-클래딩 층, InGaN 층, n-GaN층의 중앙 부분만 남기고 좌, 우를 에칭하여 제거하는 단계와; 상기 제거된 면에 절연막을 증착하는 단계;를 포함하여 이루어짐을 특징으로 한다.

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

도 3 내지 도 5는 본 발명에 따른 웨이퍼 본딩 기술을 이용하여 n-타입 층에 리지 구조를 갖는 질화물 반도체 레이저 다이오드의 제조 단계를 나타낸 도면이다.

먼저, 도 3과 같이, 사파이어(Sapphire(Al₂O₃)), SiC, 또는 GaN 기판(101) 상부에 도 1과 같은 구조(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, 도 4와 같이, 고정용 기판(106)에 본딩 메탈(105)을 증착한다. 상기 고정용 기판(106)은 도 3과 같이 증착된 구조를 고정시키기 위한 목적으로 사용되 며, GaAs나 열효율이 좋은 Si을 사용한다.

상기 본딩 메탈(105)이 증착된 고정용 기판(106)과 도 3과 같은 질화물 구조를 압착하면서 열처리를 하여 첨부한 도 5와 같이 접합시킨다.

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

도 5와 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.

이때, 상기 래핑으로 인한 n-타입 층의 손상(damage)을 줄이기 위해 RIE(Reactive Ion Etching)와 열처리를 수행한다. 이는, 이후 증착될 n-패드 메탈과 n-타입 층간의 오믹 접촉, 즉, 접촉 비저항의 증가를 방지하기 위함이다.

상기와 같이 기판과 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 증착하게 된다.

상기와 같은 공정으로 제작된, n-타입 층에 생성된 리지 구조를 채용한 질화 물 반도체 레이저 다이오드의 부분 단면을 첨부한 도 6에 도시하였다.

도 6과 같이, EBL(114), 활성층(MQW : Multi-Quantum Well)(113), n-웨이브 가이드(GaN) 층(112) 상부에 중앙 부분이 돌출된 형태로 n-클래딩 층(110)이 형성되어 있고, 상기 n-클래딩 층(110) 상부에 InGaN 층(109), n-GaN층(108)이 형성된 리지 구조를 이루고 있다.

그리고, 상기 리지 구조의 측면과 상기 n-웨이브 가이드 층(112) 상부에는 절연막(111)이 형성되고, 상기 절연막(111)과 n-GaN 층(108) 상부에는 n-패드 메탈층(107)이 형성된다.

이와 같은 구조는, 홀 농도(Carrier Concentration)와 이동성(Mobility)가 p-타입 층보다 월등히 좋은 n-타입 층에 리지 구조를 구성하게 되어, 저항이 감소(홀 농도 및 이동성은 저항과 반비례)되고, 상기 오믹 접촉 메탈층(108) 형성이 용이해진다.

이와 같은 공정 이후에는 Junction-Up/Down 또는 Top-Down 방식으로 레이저 다이오드 패키지 제작을 위한 공정을 진행하게 된다.

이상의 설명에서와 같이 본 발명에 따른 반도체 레이저 다이오드 제조 방법은 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 고정용 기판을 사용하여 질화물 반도체 층을 고정시킴으로써 n-타입 층에 리지 구조를 손쉽게 형성하는 효과가 있다.

둘째, n-타입 층에 리지 구조를 형성함으로써 소자의 I-V 특성을 향상시키 고, 열 발생 억제 및 동작 수명 연장 등의 개선 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

기판, 도핑되지 않은 GaN 층, n-타입 층, 활성층, EBL, p-타입 층을 순차적으로 증착하여 질화물 반도체 층을 형성하는 단계;

상기 p-타입 층 상부에 별도의 고정 기판을 접착하여 질화물 반도체 층을 고정시키는 단계;

상기 질화물 반도체 층의 기판 및 도핑되지 않은 GaN층을 래핑하여 제거하는 단계;

상기 n-타입 층에 리지 구조를 형성하는 단계; 및

상기 리지 구조 상부에 n-패드 메탈을 형성하는 단계;를 포함하여 이루어지는 반도체 레이저 다이오드 제조 방법.
제 1 항에 있어서,

상기 고정 기판으로 GaAs 또는 Si를 사용하는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 다이오드 제조 방법.
제 1 항에 있어서, 상기 질화물 반도체 층 고정 단계는,

상기 p-타입 층 상부에 p-오믹 메탈을 증착하는 단계;

상기 p-오믹 메탈 상부에 패드 메탈 및 본딩 메탈을 증착시키는 단계;

상기 고정 기판에 본딩 메탈을 접착시키는 단계; 및

상기 증착된 패드 메탈 및 본딩 메탈 상부에 상기 본딩 메탈이 증착된 고정 기판을 압착하면서 열처리하여 접착시키는 단계;를 포함하여 이루어지는 반도체 레이저 다이오드 제조 방법.
제 3 항에 있어서,

상기 p-타입 층 상부의 p-GaN 층과 상기 p-오믹 메탈 사이를 오믹(Ohmic) 상태로 만들기 위해 열처리하는 단계;를 더 포함하여 이루어지는 반도체 레이저 다이오드 제조 방법.
제 1 항에 있어서,

상기 도핑되지 않은 GaN층이 제거된 면의 손상을 줄이기 위해 RIE와 열처리를 수행하는 단계;를 더 포함하여 이루어지는 반도체 레이저 다이오드 제조 방법.
제 1 항에 있어서, 상기 리지 구조 형성 단계는,

상기 n-타입 층의 n-클래딩 층, InGaN 층, n-GaN층의 중앙 부분만 남기고 좌, 우를 에칭하여 제거하는 단계; 및

상기 n-타입 층의 n-클래딩 층, InGaN 층, n-GaN층이 제거된 면에 절연막을 증착하는 단계;를 포함하여 이루어지는 반도체 레이저 다이오드 제조 방법.