KR101028276B1 - 반도체 레이저 다이오드 및 그 제조방법 - Google Patents

반도체 레이저 다이오드 및 그 제조방법 Download PDF

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본 발명은 반도체 레이저 다이오드에 안정적으로 전류가 흐를수 있고, 성장된 반도체층간의 계면 불안정을 개선할 수 있는 반도체 레이저 다이오드 및 그 제조방법을 개시한다. 개시된 본 발명은 반도체 기판 상에 버퍼층을 성장하는 단계; 상기 버퍼층 상에 N형 클래드층과 제 1 도파로를 성장하는 단계; 상기 제 1 도파로 상에 활성층과, 제 2 도파로를 차례로 성장하는 단계; 상기 제 2 도파로 상에 P형 클래드층을 성장하고, 계속해서 제 1 글레이딩층을 성장시키는 단계; 상기 제 1 글레이딩층을 상에 헤테로 버퍼층을 성장하는 단계; 상기 헤테로 버퍼층 상에 제 2 글레이딩층을 성장하는 단계; 및 상기 제 2 글레이딩층 상에 P형 콘택층을 성장하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
Figure R1020040041288
레이저 다이오드, 경사, 에너지 밴드, 완충, 전류

Description

반도체 레이저 다이오드 및 그 제조방법{SEMICONDUCTOR LASER DIODE AND METHOD FOR MANUFACTURING USING THE SAME }
도 1은 종래 기술에 따른 반도체 레이저 다이오드의 구조를 도시한 도면.
도 2는 상기 도 1의 헤테로 버퍼층과 이들의 에너지 밴드 갭을 도시한 도면.
도 3은 본 발명에 따른 반도체 레이저 다이오드의 구조를 도시한 도면.
도 4는 상기 도 3의 헤테로 버퍼층과 이들의 에너지 밴드 갭을 도시한 도면.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
100: N형 GaAs 기판 101: N형 GaAs 버퍼층
102: N형 InGaAlP 클래드층 103: 제 1 도파로(Wave guiding layer)
105: 활성층 106: 제 2 도파로
107: P형 InGaAlP 클래드층 108: P형 InGaP 층(hetero buffer layer)
109: P형 GaAs 콘택층 110: P형 InGaAlP 글레이딩층
111: P형 AlGaAs 글레이딩층
본 발명은 반도체 레이저 다이오드에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 반도 체 레이저 다이오드에 안정적으로 전류가 흐를 수 있고, 성장된 반도체층간의 계면 불안정을 개선할 수 있는 반도체 레이저 다이오드 및 그 제조방법에 관한 것이다.
최근 정보 처리용 시스템, 광통신용 단파장 레이저 다이오드 등과 레이저 프린터, 바코드 판독기 등의 레이저 다이오드 응용제품이 상용화됨에 따라 레이저 다이오드의 구조와 제조방법도 많은 발전을 하게 되었다.
특히 상부에 사각형의 돌출부를 가진 릿지형(ridge)레이저 다이오드는 낮은 문턱 전류(Threshold current)로 구동시킬 수 있는 이점 때문에 많은 연구가 진행 중에 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 반도체 레이저 다이오드의 구조를 도시한 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 반도체 레이저 다이오드는 N형 GaAs 기판(10) 상에 순차적으로 형성되는 반도체 층들은 기상성장법(Vapor Phase Epitaxy: VPE), 유기금속 기상성장법(Organo-Metalic VPE), MBE(Molecular Beam Epitaxy)을 사용하여 순차적으로 성장시킨다.
상기와 같은 구조를 갖는 반도체 레이저 다이오드의 제조 공정은 다음과 같다.
먼저, N형 GaAs 기판(10) 상에 N형 GaAs 버퍼층(1), N형 InGaAlP 클래드층(2)을 성장시키고, 계속해서 상기 N형 InGaAlP 클래드층(2) 상에 InGaAlP를 이용한 제 1 도파로(Wave guiding layer: 3)를 성장시킨다.
상기 제 1 도파로(3)가 성장되면, InGaP/InGaAlP로된 활성층(5)을 성장시키 고, 상기 활성층(5) 상에 InGaAlP를 이용한 제 2 도파로(6)를 성장시킨다.
상기 제 2 도파로(6)가 성장되면, P형 InGaAlP 클래드층(7)과 P형 InGaP 층(8) 및 P형 전극과 연결되는 P형 GaAs 콘택층(9)을 순차적으로 성장시킨다.
상기 P형 InGaP 층(8)은 P형 InGaAlP 클래드층(7)과 P형 GaAs 콘택층(9) 사이의 에너지 갭 차이를 줄여, 전류 흐름을 원활하게 하는 완충(buffer) 역할을 한다.
이렇게 N형 GaAs 기판(10) 상에 반도체층이 순차적으로 성장되면, 도면에서는 상세하게 도시하지 않았지만, 성장된 결과물을 이용하여 포토(photo) 공정과 식각(etch) 공정을 진행한다.
상기 식각 공정에서는 활성층(5) 상부에 성장된 P형 InGaAlP 클래드층(7)까지 릿지(ridge) 형태로 패터닝하고, 릿지 주위에 전류 차단층(CBL: Current Blocking Layer) 을 성장시켜 반도체 레이저 다이오드를 제조하게 된다.
이와 같이 제조된 반도체 레이저 다이오드는 P 전극, N 전극으로 전압이 인가되면, P형 클래드층에서는 정공(Hole)이 활성층으로 주입되고, N형 클래드층에서는 전자가 활성층으로 주입된다.
상기 활성층에 주입된 정공과 전자가 결합하여 에너지 준위가 떨어지면서 광을 외부로 발생시키게 된다.
따라서, 광효율이 좋은 레이저 다이오드를 생산하기 위해서는 활성층의 면적이 넓어야하고, 정공과 전자의 주입이 원활해야 한다. 또한, 상기 활성층에서 광이 발생하면 높은 열이 발생하는데, 이러한 열에 의하여 온도가 상승하면 저항이 높아 져 정공이나 전자의 주입이 원활하게 이루어지지 않게 되므로, 레이저 다이오드는 방열 성능도 좋아야 한다.
도 2는 상기 도 1의 헤테로 버퍼층과 이들의 에너지 밴드 갭을 도시한 도면이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 반도체 레이저 다이오드의 P형 InGaAlP 클래드층, P형 InGaP 층 및 P형 GaAs 콘택층을 확대하였다.
일반적으로 기상성장법(MOCVD, MBE)에 의하여 반도체층을 성장하는 방법은 특성상 각각의 반도체층의 조성 변화가 급격하여 계면 불안정이 있다.
이것은 전류(정공)의 흐름을 방해하는 원인이 되어, 활성층에 전류가 원활하게 주입되지 못하도록 한다.
그래서 도 2에서는 P형 InGaAlP 클래드층과 P형 GaAs 콘택층 사이에 P형 InGaP으로 구성되어 있는 헤테로 버퍼층(hetero buffer layer)을 형성하였다.
상기 P형 InGaP 층은 P형 InGaAlP 클래드층과 P형 GaAs 콘택층이 1eV 에너지 밴드 갭을 가지고 있어, 에너지의 급격한 변화를 완충하기 위해서 형성하였다.
또한, 상기 P형 InGaP 층은 상기 P형 InGaAlP 클래드층과 P형 GaAs 콘택층이 다른 물질로 집적 접촉하여 성장할 경우 계면 불안정으로 인한 전류의 흐름을 저해하는 것을 방지하기 위해서 형성하였다.
따라서, 상기 4성계 물질인 상기 P형 InGaAlP 클래드층은 GaAs의 격자 상수를 고려하여 조성비를 조정하여 기판 물질인 GaAs와 격자 정합을 맞추도록 성장한다.
상기 P형 InGaP 층의 경우에도 기판 물질인 GaAs와 격자 정합을 맞추도록 성장한다.
그래서 상기 P형 InGaAlP 클래드층과 P형 GaAs 콘택층 사이에 P형 InGaP 층을 성장시킴으로써, P형 InGaAlP 클래드층과 P형 InGaP 층, P형 GaAs 콘택층과 P형 InGaP 층이 각각 0.5eV 에너지 밴드 갭으로 줄어들어 전류의 원활한 흐름을 개선하였다.
그러나, 종래 기술에서와 같이 P형 InGaAlP 클래드층과 P형 GaAs 콘택층 사이에 P형 InGaP 층을 성장시킴으로써, 0.5eV 에너지 밴드 갭으로 줄였지만, 보다 높은 광효율을 구현하기 위해서는 더욱 안정된 전류 흐름이 요구된다.
또한, P형 InGaP 층을 삽입함으로써, 에너지 밴드 갭은 줄였지만, 여전히 P형 InGaAlP 클래드층과 P형 GaAs 콘택층과의 계면 불안정이 존재하는 문제가 있다.
본 발명은, 반도체 레이저 다이오드의 P형 InGaAlP 클래드층과 P형 InGaP 층 및 P형 GaAs 콘택층 사이에 각각 제 1, 제 2 글레이딩층(Grading layer)을 성장시킴으로써, 안정적인 전류 흐름과 계면 불안정을 개선할 수 있는 반도체 레이저 다이오드 및 그 제조방법을 제공함에 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한, 본 발명에 따른 반도체 레이저 다이오드 제조방법은,
반도체 기판 상에 버퍼층을 성장하는 단계;
상기 버퍼층 상에 제 1 클래드층과 제 1 도파로를 성장하는 단계;
상기 제 1 도파로 상에 활성층과, 제 2 도파로를 차례로 성장하는 단계;
상기 제 2 도파로 상에 제 2 클래드층을 성장하는 단계;
상기 제 2 클래드층 상에 헤테로 버퍼층을 성장하는 단계;
상기 헤테로 버퍼층 상에 콘택층을 성장하는 단계; 및
상기 헤테로 버퍼층을 성장시키기 전 단계 또는 상기 콘택층을 성장시키기 전 단게에 한개 이상의 글레이딩층을 성장하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 글레이딩층은 조성비가 성장에 따라 변화하여 상기 P형 클래드층과 헤테로 버퍼층 사이 또는 상기 헤테로 버퍼층과 상기 콘택층 사이에 경사를 갖는 에너지 밴드를 형성하고, 상기 글레이딩층은 성장에 따라 조성비가 변화되면서 상부면 에서는 접촉하는 상기 헤테로 버퍼층 또는 상기 콘택층과 조성이 동일하도록 하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 반도체 레이저 다이오드는,
반도체 기판;
상기 반도체 기판 상에 형성된 버퍼층;
상기 버퍼층 상에 형성된 데 1 클래드층과 제 1 도파로;
상기 제 1 도파로 상에 형성된 활성층과 제 2 도파로;
상기 제 2 도파로 상에 형성된 제 2 클래드층, 헤테로 버퍼층 및 콘택층; 및
상기 제 2 클래드층과 헤테로 버퍼층 사이 또는 상기 헤테로 버퍼층과 콘택 층 사이에 형성되는 한개이상의 글레이딩층;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 글레이딩층은 층의 두께에 따라 성분 조성비가 다르게 형성되고, 상기 글레이딩층은 상기 제 2 클래드층과 헤테로 버퍼층 사이 또는 상기 헤테로 버퍼층과 콘택층 사이에서 에너지 밴드가 소정의 기울기를 갖으며, 상기 글레이딩층의 Al 조성비가 대략 0.7~0, 또는 0.3~0을 포함하는 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 글레이딩층은 에너지 밴드가 상기 제 2 클래드층과 헤테로 버퍼층 사이 또는 상기 헤테로 버퍼층과 콘택층 사이의 중간 레벨을 갖는층이 한개 또는 다수개로 형성되고, 상기 글레이딩층은 Al 조성비가 0.4~0.3 또는 0.2~0.1 범위 내에 존재하는 층이 한개 또는 다수개로 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 반도체 레이저 다이오드의 P형 InGaAlP 클래드층과 P형 InGaP 층 및 P형 GaAs 콘택층 사이에 각각 제 1, 제 2 글레이딩층(Grading layer)을 성장시킴으로써, 안정적인 전류 흐름과 계면 불안정을 개선할 수 있다.
이하, 첨부한 도면에 의거하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 자세히 설명하도록 한다.
도 3은 본 발명에 따른 반도체 레이저 다이오드의 구조를 도시한 도면이다.
도 3에 도시된 바와 같이, N형 GaAs 기판(100) 상에 N형 GaAs 버퍼층(101), N형 InGaAlP 클래드층(102)을 성장시키고, 계속해서 상기 N형 InGaAlP 클래드층(102) 상에 InGaAlP를 이용한 제 1 도파로(Wave guiding layer: 103)를 성장시킨다.
상기 제 1 도파로(103)가 성장되면, InGaP/InGaAlP로된 활성층(105)을 성장 시키고, 상기 활성층(105) 상에 InGaAlP를 이용한 제 2 도파로(106)를 성장시킨다.
상기 제 2 도파로(106)가 성장되면, P형 InGaAlP 클래드층(107)과 P형 InGaAlP 글레이딩층(110)을 차례로 성장시킨다.
상기 P형 InGaAlP 글레이딩층(110)은 상기 P형 InGaAlP 클래드층(107)과 이후에 성장될 P형 InGaP 층(헤테로 버퍼층: 108)과의 에너지 밴드 갭을 완만하게 하는 형성하는 역할을 한다.
즉, 상기 P형 InGaAlP 글레이딩층(110)은 물질의 조성비가 변화되면서 성장되기 때문에 상기 P형 InGaAlP 클래드층(107)과 에너지 밴드 갭 차이를 완충하는 P형 InGaP 층(108) 사이에 에너지 차이를 완만하게 변화시키는 에너지 밴드를 형성한다.
그러므로 상기 P형 InGaAlP 클래드층(107)과 P형 InGaP 층(108)의 에너지 밴드 갭이 0.5eV이지만, 상기 P형 InGaAlP 글레이딩층(110)에 의해서 순차적으로 감소하는 에너지 밴드 갭이 존재하게 되어 전류 흐름이 원활해진다.
상기와 같이, 상기 P형 InGaAlP 글레이딩층(110)이 형성되면, 계속해서 상기 P형 InGaP 층(108)을 성장시킨 다음, 상기 P형 AlGaAs 글레이딩층(111)과 P형 GaAs 콘택층(109)을 순차적으로 형성한다.
마찬가지로 상기 P형 AlGaAs 글레이딩층(111)은 상기 P형 InGaP 층(108)과 상기 P형 AlGaAs 글레이딩층(111) 이후에 성장될 P형 GaAs 콘택층(109)과의 에너지 밴드 갭을 완만하게 하는 역할을 한다.
즉, 상기 P형 AlGaAs 글레이딩층(111)도 물질 조성비가 변화되면서 성장될 수 있도록 하여, 상기 P형 InGaP 층(108)과 P형 GaAs 콘택층(109)과의 에너지 밴드 갭 사이에 경사지도록 에너지 밴드를 형성한다.
이것은 상기 P형 InGaP 층(108)과 P형 GaAs 콘택층(109) 사이의 전류 이동을 원활하게 하는 장점이 있다.
도 4는 상기 도 3의 헤테로 버퍼층과 이들의 에너지 밴드 갭을 도시한 도면이다.
도 4에 도시된 바와 같이, P형 InGaAlP 클래드층, P형 InGaP 층 및 P형 GaAs 콘택층 사이에 제 1, 제 2 글레이딩층(Grading layer)이 형성되어 있음을 볼 수 있다.
상기 제 1 글레이딩층(Grading layer)은 P형 InGaAlP으로 조성되어 있고, 상기 제 2 글레이딩층(Grading layer)은 P형 AlGaAs로 조성되어 있다.
도면에 도시된 바와 같이, 구체적 조성비에 따른 에너지 밴드 갭의 변화를 설명하면 다음과 같다.
상기 P형 In0.5(Ga0.3Al0.7)0.5P 조성비를 갖는 클래드층과 P형 In0.5Ga0.5P 조성비를 갖는 층 사이에는 P형 In0.5(Ga0.3→1.0Al0.7→0)0.5P 조성비에 따라 성장되는 제 1 글레이딩층이 형성한다.
그러면, 상기 제 1 글레이딩층의 Ga은 0.3에서 1.0으로 조성비가 변화되고, Al은 0.7에서 0(함유량 0%)로 조성비가 변화되어 상기 P형 In0.5(Ga0.3Al0.7) 0.5P 조성비를 갖는 클래드층과 P형 In0.5Ga0.5P 조성비를 갖는 층 사이에서 에너지 밴드 갭이 완만한 경사를 갖게 된다.
마찬가지로 P형 In0.5Ga0.5P 조성비를 갖는 층 P형 GaAs 콘택층 사이에는 P형 Al0.3→0Ga0.7→1.0As로 조성비가 변화하는 제 2 글레이딩층을 이 형성하면, 두층 사이에 완만한 경사를 갖는 에너지 밴드 갭이 형성된다.
따라서, 본 발명에서는 P형 InGaAlP 클래드층과 P형 GaAs 콘택층 사이에 P형 InGaP 층을 성장시켜, 각 층간의 에너지 밴드 갭 차이를 0.5eV 에너지 밴드 갭으로 낮춘 상태에서 P형 InGaAlP 클래드층, P형 InGaP 층 및 P형 GaAs 콘택층 사이에 제 1, 제 2 글레이딩층을 삽입함으로써, 0.5eV 에너지 밴드 갭을 완만하게 하였다.
그러므로 제 1 글레이딩층과 제 2 글레이딩층에 의하여 전류의 흐름을 안정적으로 유지시켜면서, 전류 이동량을 증가시켜 레이저 다이오드의 광효율을 향상시켰다.
상기 P형 InGaAlP 클래드층, P형 InGaP 층 및 P형 GaAs 콘택층 사이에 성장된 제 1, 제 2 글레이딩층의 상하부면의 물질 조성비가 성장되면서 접촉되는 층의 성분과 동일하게 함으로써, 각 층간의 계면 불안정을 제거하여 신뢰성을 향상시켰다.
즉, 상기 제 1 글레이딩층의 조성 중에서 Al은 0.7에서 0(함유량 0%)으로 조성비가 변화되는데, 0%로 성장되는 계면에는 Al함량이 없는 P형 InGaP 층과 접촉한다.
상기 제 2 글레이딩층의 조성 중에서 Al이 0.3에서 0%로 조성비가 변화되는 데, 상기 제 2 글레이딩층과 접촉하는 계면에는 Al층이 없는 P형 GaAs 콘택층과 접촉한다.
그리고 상기 클래드층과 헤테로 버퍼층 사이 또는 상기 헤테로 버퍼층과 콘택층 사이의 중간 에너지 밴드를 갖는 상기 제 1, 2 글레이딩층과 같은 층을 한개 또는 다수개 형성함으로써, 보다 에너지 갭 사이의 경사를 완만하게 형성하여 전류 흐름이 용이하도록 할 수 있다.
따라서, 상기 제 1, 2 글레이딩층은 에너지 밴드 갭을 완만하게 경사지도록 하면서, 층간의 접촉면에서는 성분이 동일하도록 함으로써, 접촉 계면에서 층간 격자 상수가 맞지 않아 불안정하게 되는 문제점을 해결하였다.
이상에서 자세히 설명된 바와 같이, 본 발명은 반도체 레이저 다이오드의 P형 InGaAlP 클래드층과 P형 InGaP 층 및 P형 GaAs 콘택층 사이에 각각 제 1, 제 2 글레이딩층(Grading layer)을 성장시킴으로써, 안정적인 전류 흐름과 계면 불안정을 개선할 수 있는 효과가 있다.
본 발명은 상기한 실시 예에 한정되지 않고, 이하 청구 범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능할 것이다.

Claims (9)

  1. 반도체 기판 상에 버퍼층을 성장하는 단계;
    상기 버퍼층 상에 제 1 클래드층과 제 1 도파로를 성장하는 단계;
    상기 제 1 도파로 상에 활성층과, 제 2 도파로를 차례로 성장하는 단계;
    상기 제 2 도파로 상에 제 2 클래드층을 성장하는 단계;
    상기 제 2 클래드층 상에 헤테로 버퍼층을 성장하는 단계;
    상기 헤테로 버퍼층 상에 콘택층을 성장하는 단계; 및
    상기 헤테로 버퍼층을 성장시키기 전 단계 또는 상기 콘택층을 성장시키기 전 단계에 한개 이상의 글레이딩층을 성장하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 다이오드 제조방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 글레이딩층은 조성비가 성장에 따라 변화하여 상기 제 2 클래드층과 헤테로 버퍼층 사이 또는 상기 헤테로 버퍼층과 상기 콘택층 사이에 경사를 갖는 에너지 밴드를 형성하는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 다이오드 제조방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 글레이딩층은 성장에 따라 조성비가 변화되면서 상부면 에서는 접촉하는 상기 헤테로 버퍼층 또는 상기 콘택층과 조성이 동일하도록 하는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 다이오드 제조방법.
  4. 반도체 기판;
    상기 반도체 기판 상에 형성된 버퍼층;
    상기 버퍼층 상에 형성된 데 1 클래드층과 제 1 도파로;
    상기 제 1 도파로 상에 형성된 활성층과 제 2 도파로;
    상기 제 2 도파로 상에 형성된 제 2 클래드층, 헤테로 버퍼층 및 콘택층; 및
    상기 제 2 클래드층과 헤테로 버퍼층 사이 또는 상기 헤테로 버퍼층과 콘택층 사이에 형성되는 한개이상의 글레이딩층;을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 다이오드.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 글레이딩층은 층의 두께에 따라 성분 조성비가 다르게 형성된 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 다이오드.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 글레이딩층은 상기 제 2 클래드층과 헤테로 버퍼층 사이 또는 상기 헤테로 버퍼층과 콘택층 사이에서 에너지 밴드가 소정의 기울기를 갖는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 다이오드.
  7. 제 4 항에 있어서,
    상기 글레이딩층의 Al 조성비가 0.0~0.7, 또는 0.0~0.3을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 다이오드.
  8. 제 4 항에 있어서,
    상기 글레이딩층은 에너지 밴드가 상기 제 2 클래드층과 헤테로 버퍼층 사이 또는 상기 헤테로 버퍼층과 콘택층 사이의 중간 레벨을 갖는층이 한개 또는 다수개로 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 다이오드.
  9. 제 4 항에 있어서,
    상기 글레이딩층은 Al 조성비가 0.3~0.4 또는 0.1~0.2 범위 내에 존재하는 층이 한개 또는 다수개로 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 다이오드.
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US20030118066A1 (en) 2001-12-21 2003-06-26 Xerox Corporation Graded semiconductor layers for reducing threshold voltage for a nitride-based laser diode structure

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