KR101019790B1 - 반도체 레이저 다이오드의 거울면 형성방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 반도체 레이저 다이오드의 거울면 형성방법에 관한 것으로, 일면에 질화물 반도체층이 적층되어 복수의 반도체 레이저 다이오드 구조가 형성되어 있는 기판을 상기 반도체 레이저 다이오드의 거울면을 형성하려는 방향과 평행한 방향 및 수직한 방향으로 절단하는 스크라이빙 공정을 추가적으로 수행하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, 사파이어 기판과 GaN계 에피층의 격자 상수 및 열팽창 계수의 차이로 인해 발생하는 응력을 감소시켜 양질의 거울면을 형성함으로 인해 반도체 레이저 다이오드의 문턱전류 및 수율을 향상시키는 효과가 있다.

스크라이빙(scribing), 응력, 거울면, 크랙(crack), 반도체 레이저 다이오드

Description

반도체 레이저 다이오드의 거울면 형성방법{ Method for fabricating a mirror of semiconductor laser diode }

도 1a 내지 도 1e 는 종래 GaN계 반도체 레이저 다이오드의 거울면 형성방법을 나타낸 공정 단면도.

도 2a 내지 도 2g 는 본 발명의 GaN계 반도체 레이저 다이오드의 거울면 형성방법을 나타낸 공정 단면도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호 설명 *

100 : 사파이어 기판 110 : 연마한 사파이어 기판

200 : 복수의 반도체 레이저 다이오드 구조물

300, 310 : 반도체 레이저 다이오드의 거울면

본 발명은 반도체 레이저 다이오드의 거울면 형성방법에 관한 것으로서, 질화물계 반도체 레이저 다이오드의 거울면 형성시 상기 반도체 레이저 다이오드의 거울면을 형성하려는 방향과 평행한 방향 및 수직한 방향으로 기판을 절단하는 스 크라이빙 공정을 추가적으로 수행함으로 인하여 기판과 에피층의 격자 상수 및 열팽창 계수의 차이로 인해 발생하는 응력을 감소시켜 양질의 거울면이 형성되도록 하는 반도체 레이저 다이오드의 거울면 형성방법에 관한 것이다.

측면 발광(Edge emission)하는 구조의 반도체 레이저 다이오드에서는 활성층에서 캐리어의 재결합에 의해 형성된 광이 상기 반도체 레이저 다이오드의 측면에 형성되는 거울면에 의해 공진하여 레이징하게 된다.

일반적으로 거울면으로는 기판과 에피층의 단결정 벽개면(cleavage facet)을 사용하게 되는데, 이 때 형성되는 거울면의 거칠기나 각도 등의 특성은 반도체 레이저 다이오드의 문턱 전류, 신뢰성 등의 주요한 특성을 좌우하게 된다.

결정면이 에피층의 결정면과 일치하는 동종기판을 사용하는 GaAs계, Si계, InP계 등의 반도체 레이저 다이오드는 대부분의 경우 에지 스크라이빙(edge scribing)과 브레이킹(breaking)을 사용하여 양질의 자연 벽개면을 얻을수 있다.

그러나, 결정면이 에피층의 결정면과 일치하지 않는 이종기판을 사용하는 경우에는 상기의 자연 벽개면 형성이 어려워지며, 특히 사파이어 기판 상부에 GaN계 에피층이 적층된 경우, 상기 사파이어 기판과 GaN계 에피층의 결정면이 30˚어긋나게 성장되어 일반적인 방법으로는 벽개면을 형성하기가 힘들다.

또한, 사파이어 기판과 GaN계 에피층의 격자 상수 및 열팽창 계수는 차이가 많이 나기 때문에 상기 사파이어 기판이 휘어지는 현상이 발생하며, 이로 인해 발생하는 응력(stress) 역시 반도체 레이저 다이오드의 거울면 형성시 장애로 작용한다.

도 1a 내지 도 1e 는 종래 질화물계 반도체 레이저 다이오드의 거울면 형성방법을 나타낸 공정 단면도이다. 먼저 사파이어 기판(10)을 준비하고(도 1a), 상기 사파이어 기판(10) 일면의 상부에 질화물계 예를 들면, GaN계 반도체층들이 적층되어 이루어진 복수의 반도체 레이저 다이오드 구조물(20)을 형성한다(도 1b).

그 후, 래핑(Lapping) 및 폴리싱(Polishing) 공정과 같은 연마공정을 수행하여 상기 사파이어 기판(10)의 상기 복수의 반도체 레이저 다이오드 구조물(20)이 형성되지 않은 이면의 두께를 감소시킨다(도 1c). 즉, 상기 연마공정을 수행한 결과 사파이어 기판의 두께는 d₁ 에서 d₂ 로 감소된다.

여기서, 상기 사파이어 기판(10) 상부에 성장시킨 복수의 반도체 레이저 다이오드 구조물(20)은 GaN계 반도체로 이루어진 층이 적층된 에피층으로서, 상기 사파이어(α- Al₂O₃)는 격자 상수가 a:4.758 , c:12.991 (Å)이고 열팽창 계수가 a:7.5 , c:8.5 ( ×10^-6/K) 인데 반하여, 상기 GaN은 격자 상수가 a:3.189 , c:5.185 (Å)이고 열팽창 계수가 a:5.59 , c:3.17 ( ×10^-6/K) 이다.

이와 같이, 상기 사파이어와 GaN는 격자 상수(16.02 %) 및 열팽창 계수(35.5 %)의 차이가 많이 나기 때문에 복수의 반도체 레이저 다이오드 구조물(20)이 형성된 후에, 사파이어 기판(10)이 휘어지는 현상이 발생한다.

이러한 사파이어 기판(10)의 휘어짐은 상기 연마공정 중, 적층된 에피층과 사파이어 기판(10)간에 응력(stress)을 유발시킨다.

연이어, 상기 연마된 사파이어 기판(11)을 상기 반도체 레이저 다이오드의 공진폭(L_C)과 동일한 폭을 갖도록 상기 반도체 레이저 다이오드의 거울면(30)을 형성하려는 방향과 평행한 방향으로 절단하는 제1스크라이빙 공정을 수행한다(도 1d).

다음으로, 상기 제1스크라이빙 공정을 수행한 기판을 상기 반도체 레이저 다이오드의 거울면(30)(31) 방향과 수직한 방향으로 절단하는 제2스크라이빙 공정을 수행하여 각각 별개의 반도체 레이저 다이오드(21)(22)(23)(24)(25)를 형성한다(도 1e).

상기 제1스크라이빙 공정을 통하여 상기 반도체 레이저 다이오드의 거울면(30)(31)이 형성되는데, 상기 제1스크라이빙 공정 수행시 상기 사파이어 기판(11)이 휘어지는 결과 발생하는 응력(stress)으로 인해 상기 반도체 레이저 다이오드의 거울면(30)(31)이 깨지거나 크랙(crack)이 발생하여 반도체 레이저 다이오드의 전류특성과 수율이 저하되는 문제점이 있다.

본 발명의 목적은, 질화물계 반도체 레이저 다이오드의 거울면 형성시 상기 반도체 레이저 다이오드의 거울면을 형성하려는 방향과 평행한 방향 및 수직한 방향으로 기판을 절단하는 스크라이빙 공정을 추가적으로 수행함으로 인하여 기판과 에피층의 격자 상수 및 열팽창 계수의 차이로 인해 발생하는 응력을 감소시켜 양질 의 거울면이 형성되도록 하는 반도체 레이저 다이오드의 거울면 형성방법을 제공하는데 있다.

본 발명의 반도체 레이저 다이오드의 거울면 형성방법의 실시예는, 일면에 질화물 반도체층이 적층되어 복수의 반도체 레이저 다이오드 구조가 형성되어 있는 기판을 상기 반도체 레이저 다이오드의 공진폭보다 큰 폭을 갖도록 상기 반도체 레이저 다이오드의 거울면을 형성하려는 방향과 평행한 방향으로 절단하는 제1스크라이빙 단계와, 상기 제1스크라이빙을 한 기판을 상기 반도체 레이저 다이오드의 칩 간격보다 큰 폭을 갖도록 상기 반도체 레이저 다이오드의 거울면을 형성하려는 방향과 수직한 방향으로 절단하는 제2스크라이빙 단계와, 상기 제2스크라이빙을 한 기판을 상기 반도체 레이저 다이오드의 공진폭과 동일한 폭이 되도록 상기 반도체 레이저 다이오드의 거울면을 형성하려는 방향과 평행한 방향으로 절단하는 제3스크라이빙 단계로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

상기 제1스크라이빙 단계의 스크라이빙 폭(L₁)과 상기 반도체 레이저 다이오드의 공진폭(L_C)사이에는 L_C 〈 L₁ 〈 2 L_C 의 관계를 만족하는 것을 특징으로 한다.

상기 제2스크라이빙 단계의 스크라이빙 폭(L₂)은 3 ~ 10 ㎜ 인 것을 특징으로 한다.

이하, 도 2a 내지 도 2g 를 참조하여 본 발명의 반도체 레이저 다이오드의 거울면 형성방법에 대해 상세히 설명한다.

먼저 사파이어 기판(100)을 준비하고(도 2a), 상기 사파이어 기판(100) 일면의 상부에 질화물계 예를 들면, GaN계 반도체층들이 적층되어 이루어진 복수의 반도체 레이저 다이오드 구조물(200)을 형성한다(도 2b).

그 후, 래핑(Lapping) 및 폴리싱(Polishing) 공정과 같은 연마공정을 수행하여 상기 사파이어 기판(100)의 상기 복수의 반도체 레이저 다이오드 구조물(200)이 형성되지 않은 이면의 두께를 감소시킨다(도 2c). 즉, 상기 연마공정을 수행한 결과 사파이어 기판(100)의 두께는 d₁ 에서 d₂ 로 감소된다.

여기서, 래핑 공정은 상기 사파이어 기판(100)의 두께를 크게 감소시키므로 이 후 공정에서 보다 용이하게 스크라이빙 공정을 수행할 수 있게 한다.

그리고, 상기 래핑 공정으로 인하여 사파이어 기판(110)의 표면조도(surface roughness)는 원하는 표면조도 이상으로 거칠어진 상태가 되는데, 폴리싱 공정을 연속적으로 수행하여 상기 래핑 공정으로 인해 거칠어진 사파이어 기판(110)의 표면조도를 향상시킨다.

다음으로, 반도체 레이저 다이오드의 공진폭을 L_C 라고 하였을 때, 상기 연마한 사파이어 기판(110)을 상기 반도체 레이저 다이오드의 거울면을 형성하려는 방향과 평행한 방향으로 상기 반도체 레이저 다이오드의 공진폭(L_C)보다 넓은 폭( L₁ )으로 절단하는 제1스크라이빙 공정을 수행한다.(도 2d).

상기 제1스크라이빙 공정을 통하여 상기 반도체 레이저 다이오드의 거울면 을 형성하려는 방향과 수직한 방향으로 생기는 응력을 감소시킬수 있다.

즉, 상기 복수의 반도체 레이저 다이오드 구조물(200)이 상기 사파이어 기판(100)의 상부에 형성된 후 상기 사파이어 기판(100)과 GaN의 격자 상수 및 열팽창 계수의 차이로 인해 상기 사파이어 기판(100)이 휘어지게 되는데, 이러한 사파이어 기판(100)의 휘어짐은 상기 연마공정 중에 적층된 에피층과 사파이어 기판(110)간에 응력(stress)을 유발시킨다.

상기 유발된 응력은 상기 연마된 사파이어 기판(110)의 전 방향에 걸쳐 발생하게 되는데, 상기 연마된 사파이어 기판(110)을 상기 반도체 레이저 다이오드의 거울면을 형성하려는 방향과 평행한 방향으로 상기 반도체 레이저 다이오드의 공진폭보다 넓게 절단하는 제1스크라이빙 공정을 수행함으로써 상기 반도체 레이저 다이오드의 거울면을 형성하려는 방향과 수직한 방향으로 생기는 응력을 감소시키는 것이다.

여기서, 상기 제1스크라이빙 폭(L₁)은 상기 반도체 레이저 다이오드의 수율과 응력 제어의 효과 등을 고려할 때 상기 반도체 레이저 다이오드의 공진폭(L_C)의 2배 이하가 되게 하는 것이 바람직하다.

이 경우, 상기 제1스크라이빙 폭(L₁)과 상기 반도체 레이저 다이오드의 공진폭(L_C)은 L_C 〈 L₁ 〈 2 L_C 의 관계를 만족한다.

그 후, 상기 제1스크라이빙 공정을 수행한 기판을 상기 반도체 레이저 다이 오드의 거울면을 형성하려는 방향과 수직한 방향으로 절단하는 제2스크라이빙 공정을 수행한다(도 2e).

이 때, 제2스크라이빙 폭을 L₂ 라고 하자. 만약, 제2스크라이빙 폭(L₂)이 반도체 레이저 다이오드의 칩 간격(L_D)보다 작으면 후속 공정을 수행하는데 어려움이 있으므로 상기 제2스크라이빙 폭(L₂)은 상기 반도체 레이저 다이오드의 칩 간격(L_D)보다 커야 한다.

일반적으로 질화물계 반도체 레이저 다이오드의 경우 칩 간격(L_D)은 약 200 ~ 500 ㎛ 이므로 상기 제2스크라이빙 폭(L₂)은 이보다 넓은 폭을 갖도록 한다.

또한, 상기 제2스크라이빙 폭(L₂)은 응력 감소의 효과를 고려할때 10 ㎜ 를 넘지 않도록 하며, 바람직하게는 3 ~ 10 ㎜ 가 되도록 한다.

상기 제1스크라이빙 공정을 통하여 상기 반도체 레이저 다이오드의 거울면 을 형성하려는 방향과 수직한 방향으로 생기는 응력을 감소시켰다면, 상기 제2스크라이빙 공정을 통하여는 상기 반도체 레이저 다이오드의 거울면을 형성하려는 방향과 평행한 방향으로 생기는 응력을 감소시킬수 있다.

다음으로, 도 2f 에서 도시된 바와 같이, 상기 제2스크라이빙 공정을 수행한 기판을 스크라이빙 폭이 상기 반도체 레이저 다이오드의 공진폭(L_C)과 동일한 폭이 되도록 상기 반도체 레이저 다이오드의 거울면을 형성하려는 방향과 평행한 방향으로 절단하는 제3스크라이빙 공정을 수행한다. 여기서, 제3스크라이빙 폭을 L₃ 라고 하면, L₃ = L_C 가 된다.

다음으로, 상기 제3스크라이빙 공정을 수행한 기판을 상기 반도체 레이저 다이오드의 거울면(300)(310) 방향과 수직한 방향으로 절단하는 제4스크라이빙 공정을 수행하여 각각 별개의 반도체 레이저 다이오드(210)(220)를 형성한다(도 2g).

상기 제1스크라이빙 공정을 통하여 상기 연마된 사파이어 기판(110) 내부에서 상기 반도체 레이저 다이오드의 거울면을 형성하려는 방향과 수직한 방향으로 생기는 응력을 감소시켰고, 상기 제2스크라이빙 공정을 통하여 상기 반도체 레이저 다이오드의 거울면을 형성하려는 방향과 평행한 방향으로 생기는 응력을 감소시켰기 때문에 상기 제3스크라이빙 공정을 수행하여 거울면을 형성하는 경우, 거울면의 깨어짐이나 크랙(crack)이 발생하지 않는 양질의 거울면이 형성된다.

본 발명에 따라 상기 연마된 사파이어 기판(110)을 반도체 레이저 다이오드의 거울면을 형성하려는 방향과 평행한 방향 및 수직한 방향으로 추가적으로 절단하는 제1 및 제2스크라이빙 공정을 수행할 때, 상기 제1 및 제2스크라이빙 공정이 상기 연마된 사파이어 기판(110)상에 형성되어 있는 반도체 레이저 다이오드(200)에 걸쳐 행해지는 경우 그 반도체 레이저 다이오드는 사용할 수 없게 되어 반도체 레이저 다이오드의 수율의 저하가 염려된다.

그러나, 상기 제3스크라이빙 공정을 수행한 결과 형성되는 거울면은 크랙(crack)이나 깨어짐이 없기 때문에 결과적으로 반도체 레이저 다이오드의 수율은 향상되게 된다.

한편, 상기에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시 예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 마련되는 본 발명의 정신이나 분야를 이탈하지 않는 한도 내에서 본 발명이 다양하게 개조 및 변화될 수 있다는 것을 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자는 용이하게 알 수 있다.

본 발명에 의하면 질화물계 반도체 레이저 다이오드에 있어 사파이어 기판과 에피층과의 격자 상수 및 열팽창 계수의 차이로 인해 발생하는 응력을 감소시켜 양질의 거울면을 형성함으로 인하여 반도체 레이저 다이오드의 문턱전류 및 수율을 향상시키는 효과가 있다.

Claims (3)

1. 일면에 질화물 반도체층이 적층되어 복수의 반도체 레이저 다이오드 구조가 형성되어 있는 기판을 상기 반도체 레이저 다이오드의 공진폭보다 큰 폭을 갖도록 상기 반도체 레이저 다이오드의 거울면을 형성하려는 방향과 평행한 방향으로 절단하는 제1스크라이빙 단계;

   상기 제1스크라이빙을 한 기판을 상기 반도체 레이저 다이오드의 칩 간격보다 큰 폭을 갖도록 상기 반도체 레이저 다이오드의 거울면을 형성하려는 방향과 수직한 방향으로 절단하는 제2스크라이빙 단계; 및

   상기 제2스크라이빙을 한 기판을 상기 반도체 레이저 다이오드의 공진폭과 동일한 폭이 되도록 상기 반도체 레이저 다이오드의 거울면을 형성하려는 방향과 평행한 방향으로 절단하는 제3스크라이빙 단계로 이루어지는 반도체 레이저 다이오드의 거울면 형성방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 제1스크라이빙 단계의 스크라이빙 폭(L₁)과 상기 반도체 레이저 다이오드의 공진폭(L_C)사이에는 L_C 〈 L₁ 〈 2 L_C 의 관계를 만족하는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 다이오드의 거울면 형성방법.
3. 제1항에 있어서, 상기 제2스크라이빙 단계의 스크라이빙 폭(L₂)은 3 ~ 10 ㎜ 인 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 다이오드의 거울면 형성방법.

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