KR101060133B1 - 레이저 다이오드의 제조 방법 - Google Patents

레이저 다이오드의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 레이저 다이오드의 구조 및 그 제조 방법 관한 것이다.
본 발명은 레이저 빔이 갈라짐 없이 모아질 수 있도록 전류 주입 영역내에 광 구속 기능을 할 수 있는 소형 리지 구조를 형성하고, 굴절율이 서로 다른 제1 P-클래드층과 제2 P-클래드층을 성장시켜 전류 주입 영역 내의 굴절율 구조를 전류 주입 영역의 중심부에서는 크게하고 그외의 주변부에서는 보다 작게하여 레이저 빔의 갈라짐 현상을 제거하여 빔 모음 효과를 갖는 레이저 다이오드를 제공하며, 그러한 레이저 다이오드의 제조 방법 또한 제공할 수 있다.
레이저 다이오드, 빔 갈라짐 현상, 빔 모음 효과(beam confinement), 소형 리지부(small ridge), 굴절율 단차(refractive index step)

Description

레이저 다이오드의 제조 방법{Laser Diode Manufacturing Method}
본 발명은 산업용 광원으로 사용되는 레이저 다이오드의 구조 및 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 리지 도파로(ridge wave guide) 방식을 채용한 고출력 레이저 다이오드의 구조 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
본 발명은 리지 도파로(ridge wave guide) 방식을 채용한 레이저 다이오드 에 관한 것이다.
일반적으로, 고출력 레이저 다이오드의 제조 시 전류 주입 영역은 리지 도파로 구조에 절연막을 이용하여 형성하는 방법 또는 절연막만을 이용한 방법을 사용한다.
도 1은 종래의 리지 도파로 구조의 레이저 다이오드의 전류 주입 영역을 도시한 단면도이고, 도 2는 또 다른 종래 기술의 게인 도파로(gain guide) 구조의 전류 주입 영역을 보인 단면도이며, 도 3은 상기 종래 기술들에 따른 전류 주입 영역의 굴절율 다이어그램(위) 및 FFH 패턴 시뮬레이션 결과 그래프(아래) 이다.
상기 도면들을 참조하여 종래 기술들의 문제점을 이하에서 살펴본다.
고출력 레이저 다이오드는 신뢰성 문제를 극복하기 위해 전류 주입영역이 10 μm 이상 넓게 사용되고 있으며, 전류 주입영역을 만드는 방법에 따라 도 1에서와 같이 리지 도파로 구조에 절연막을 이용하여 전류 주입영역을 형성하는 경우와, 도 2에서와 같이 리지부 형성 없이 절연막 만을 사용하여 전류 주입영역을 형성 하는 경우로 나뉘어 진다.
앞서 설명한 종래 방식은 모두 레이저 다이오드 동작중 공간적 홀 버닝(spatial hole burning) 또는 캐리어 주입에 의한 반도체 유전상수의 변화에 의해 도 3과 같이 굴절률의 감소 효과(점선과 같이 변함)가 발생되며 이는 고출력 레이저 다이오드의 주요 특성 중의 하나인 FFH 빔(Far Field Horizontal Beam)이 갈라지는 문제점을 발생시키는 원인으로 작용한다.
상기한 종래 기술들에 따른 FFH 빔 패턴은 도 4에 도시되어 있다. 도 4에서 보는 바와 같이, 빔의 피크가 심하게 갈라져 있음이 명백하다.
따라서 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 고출력 레이저 다이오드의 광 구속 기능을 강화시켜 빔의 갈라짐 현상을 제거하여 빔 모음 효과를 증대시킨 레이저 다이오드의 구조 및 그 제조 방법을 제공하는 데에 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 상기와 같은 고출력 레이저 다이오드의 제조에 있어서, 빔 모음 효과와 더불어 제조에 필요한 결정 성장 과정이 용이하도록 최적화된 클래드 층들의 조성을 제공하는 데에 있다.
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또한, 본 발명은, MOCVD를 이용하여 n-GaAs 기판 위에 n-GaAs 버퍼,
n-AlGaAs클래드층, n-도파로층, u-도파로층,
AlInxGaAs와 AlInyGaAs가 교대로 반복 적층된 AlInxGaAs / AlInyGaAs 조합의 다중 양자우물 (Multi Quantum Well) 활성층(Active Layer), 도파로층,
H-클래드 AlGaAs 층, p-Al0 .8GaAs 에칭 정지층 90Å,
제1 P-클래드 AlGaAs 층, P-GaAs 캡층을 순차적으로 성장시키는 제1 단계;
구연산 계열의 에칭 용액(Etchant)을 사용하여 P-GaAs 캡층을 제거하는 제2 단계;
포토 리소그라피(Photo-lithography) 방법을 사용하여 리지부(Ridge)가 생성될 부분에 식각 마스크로서 SiO2 를 형성 시키는 제3 단계;
주석산 계열의 에칭 용액으로 식각하여 리지부를 형성 시키는 제4 단계;
SiO2 식각 마스크를 제거한 다음 MOCVD를 이용하여 제2 P-클래드층과 P-GaAs 층을 차례로 성장시키는 제5 단계;
포토 리소그라피 방법을 사용하여 전류 주입 영역 이외의 P-GaAs 층 부분을 식각하기 위해 PR(Photo Resist) 마스크를 형성하는 제6 단계;
전류 주입 영역 이외의 P-GaAs 층 부분을 구연산 계열의 에칭 용액을 사용하여 제거하는 제7 단계;
PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)를 사용하여 절연막으로 사용할 SiNx 층을 전면 증착하는 제8 단계;
포토 리소그라피 공정과 RIE (Reactive Ion Etcher) 건 식각 공정을 이용하여 전류 주입 영역에 해당하는 부분의 SiNx 층을 제거 한 후, P-저항성(Ohmic) 전극 금속(Metal) Ti, Pt, Au 을 각각 순서대로 300 Å , 600 Å, 2000 Å을 e-빔 증착기(e-beam evaporator)를 이용하여 증착하는 제9 단계;
P-저항성(Ohmic) 전극 증착 단계 이후 각 칩(Chip)을 분리하기 위해 포토리소그라피 방법과 습식(Wet) 식각을 이용하여 n-GaAs 기판(100)까지 식각하는 제10 단계; 및
랩핑 및/또는 폴리싱(Lapping/Polishing)을 이용하여 n-GaAs 기판을 연마한 후 n-형 전극으로 AuGe, Ni, Au 를 각각 순서대로 800Å, 200Å, 5000Å 두께로 증착시키는 제11 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 다이오드의 제조 방법을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은, 상기 방법에 있어서, 제1 P-클래드층의 굴절율은 제2 P-클래드층의 굴절율 보다 크게 구성하는 것을 특징으로 하는 레이저 다이오드의 제조 방법을 제공할 수 있다.
위에서 설명한 바와 같은 본 발명에 따르면, 레이저 다이오드에서 방출되는 레이저 빔이 갈라짐 없이 모음 효과가 증대될 수 있어 우수한 레이저 빔을 얻을 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 레이저 빔의 모음 효과와 더불어 레이저 다이오드의 제조 과정에서 결정 성장이 용이하도록 클래드들간의 조성차를 최적화 하여 효율적으로 레이저 다이오드를 제조할 수 있는 장점이 있다.
이하에서는 상기한 바와 같은 본 발명에 의한 고출력 레이저 다이오드의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참고로 하여 상세하게 설명한다.
실시예: 808nm 레이저 다이오드의 제작
1) MOCVD를 이용하여 n-GaAs 기판(100)위에 n-GaAs 버퍼(110) 0.4 μm,
n-AlGaAs클래드층(120) 2.0 μm, n-도파로층(125) 0.18 μm , u-도파로층(127) 0.05 μm,
AlIn0.1GaAs와 AlIn0.04GaAs가 교대로 반복 적층된 AlIn0.1GaAs / AlIn0.04GaAs 조합의 다중 양자우물 (Multi Quantum Well) 활성층(130)(Active Layer) 0.035μm, u-도파로층(135) 0.05 μm , p-도파로층(137) 0.18 μm,
H-클래드 AlGaAs 층(139) 0.5μm, Al0 .8GaAs 에칭 정지층(140) 90Å,
제1 P-클래드 AlGaAs 층(150) 0.7 μm, P-GaAs 캡층(160) 0.3 μm를 순차적으로 성장시킨다(도 5 참조).
상기 제1 P-클래드 AlGaAs 층(150)의 굴절율은 표 1에 나타낸 바와 같다.
2) 구연산 계열의 에칭 용액(Etchant)을 사용하여 P-GaAs 캡층(160)을 제거 한다(도 6 참조).
3) 포토 리소그라피(Photo-lithography) 방법을 사용하여 리지부(Small Ridge)가 생성될 부분에 식각 마스크(170)로서 SiO2 0.3 μm를 형성 시킨다(도 7 참조).
4) 주석산 계열의 에칭 용액으로 식각하여 리지부(180)를 형성 시킨다(도 8 참조).
5) SiO2 식각 마스크(170)를 제거한 이후 MOCVD를 이용하여 제2 P-클래드층(190)(AlGaAs계열)과 P-GaAs 층(200)을 차례로 성장시킨다(도 9 참조).
상기 제2 P-클래드층(190)의 굴절율은 표 1에 나타낸 바와 같으며, 제1 P-클래드층(150)의 굴절율과 다르게 구성한다.
제 1 P-클래드층(150)의 조성 AlxGaAs 와 제2 P-클래드층(190)의 조성 AlyGaAs에서, x와 y의 차이가 너무 작으면 발명의 따른 효과가 나타나지 않으며, 그 차이가 너무 크면 결정 성장이 어렵다. 따라서, 적절한 조성차를 두어 발명의 효과와 공정의 용이성을 모두 만족시킬 수 있는 최적 조건을 선택할 필요가 있다.
x는 0.4 내지 0.6, y는 0.4 내지 0.7로 선택할 수 있으며, 본 실시예에서는 x=0.5, y=0.6으로 선택하였다.
6) 포토리소그라피(Photo-Lithography)방법을 사용하여 전류 주입 영역 이외의 P-GaAs 층(200) 부분을 식각하기 위해 PR(Photo Resist) 마스크(210)를 형성한다(도 10 참조).
7) 전류 주입 영역 이외의 P-GaAs 층(200) 부분을 구연산 계열의 에칭 용액을 사용하여 제거한다.
그 다음, PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)를 사용하여 절연막으로 사용할 SiNx 층(220)을 전면 증착한다(도 11 참조).
8) 포토리소그라피 공정과 RIE (Reactive Ion Etcher) 건 식각 공정을 이용하여 전류 주입 영역에 해당하는 부분의 SiNx 층(220)을 제거 한 후, P-저항성(Ohmic) 전극 금속(Metal) Ti, Pt, Au 을 각각 순서대로 300 Å , 600 Å, 2000 Å을 e-빔 증착기(e-beam evaporator)를 이용하여 증착한다(도 12 참조).
여기서, 전류 주입 영역 W의 폭은 소형 리지부 하단의 폭 Ws 보다 크게 구성하고, 전류 주입 영역의 베이스층이 되는 P-GaAs층(200)의 총 길이 보다 작거나 같 게 형성한다.
9) P-저항성(Ohmic) 전극 증착 단계 이후 각 칩(Chip)을 분리하기 위해 포토리소그라피 방법과 습식(Wet) 식각을 이용하여 n-GaAs 기판(100)까지 식각을 실시한다(도 12 참조).
10) 랩핑 및/또는 폴리싱(Lapping/Polishing)을 이용하여 n-GaAs 기판(100)의 두께를 100μm로 연마 후 n-형 전극으로 AuGe, Ni, Au 를 각각 순서대로 800Å, 200Å, 5000Å 두께로 증착시킨다(도 13 참조).
상기한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의하면, 레이저 다이오드의 전류 주입 영역의 굴절율을 중심부에서 더 높게 단차를 두어 레이저 빔의 갈라짐 현상을 없애 잘 모아진 레이저 빔을 발생시키는 레이저 다이오드를 제작할 수 있다.
본 실시예에 따라 제작된 레이저 다이오드의 구조가 도 14에 도시되어 있으며, 그에 대한 FFH 빔 패턴이 도 15에 도시된다.
도 15에서 볼 수 있듯이 종래 기술의 FFH 빔 패턴을 나타내는 도 4에 비해 빔의 갈라짐 현상이 제거되어 향상 되었음을 알 수 있다.
또한, FFH 빔이 갈라지는 정도를 지표로 나타내기 위해, FFH 빔의 갈라지는 정도를 "1-(빔의 극소 세기/빔의 극대 세기)"의 수치로 정의하여, 그 수치를 종래 기술과 본 실시예의 레이저 다이오드에 대해 표 2에 비교 도시하였다.
표 2에서 보는 바와 같이 본 실시예의 레이저 다이오드의 빔 갈라짐 현상은 종래 기술에 비해 현저히 감소되었음을 알 수 있다.
[표 1: 제1 P-클래드층과 제2 P-클래드층의 굴절율]
제1 P-클래드층(Al0.5GaAs) 제2 P-클래드층(Al0.6GaAs)
3.258 3.197
[표 2: 종래 기술 대비 본 실시예의 FFH 갈라짐 비교]
종래 기술의 FFH 빔 갈라짐 정도 본 실시예에 따른 FFH 빔 갈라짐 정도
0.72 0.1
본 발명의 권리는 위에서 설명된 실시예에 한정되지 않고 청구범위에 기재된바에 의해 정의되며, 본 발명의 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 청구범위에 기재된 권리범위 내에서 다양한 변형과 개작을 할 수 있다는 것은 자명하다.
도 1은 종래의 리지 도파로식 레이저 다이오드의 구조를 도시한 단면도.
도 2는 또 다른 종래 기술인 게인 도파로식 레이저 다이오드의 구조를 보인 단면도.
도 3은 종래 기술에 따른 굴절율 다이어그램 및 FFH 패턴 시뮬레이션 그래프.
도 4는 종래 기술에 따른 FFH 빔 패턴 그래프.
도 5는 본 실시예에 따른 레이저 다이오드 제조 공정 중 MOCVD 공정에 따른 층상 단면도.
도 6은 본 실시예에 따른 레이저 다이오드 제조 공정 중 P-GaAs 캡층 제거 공정에 따른 층상 단면도.
도 7은 본 실시예에 따른 레이저 다이오드 제조 공정 중 마스크 형성 단계를 나타내는 층상 단면도.
도 8은 본 실시예에 따른 레이저 다이오드 제조 공정 중 리지부 형성 단계를 나나태는 층상 단면도.
도 9는 본 실시예에 따른 레이저 다이오드 제조 공정 중 제2 P-클래드층과 P-GaAs층을 형성하는 단계를 나나태는 층상 단면도.
도 10은 본 실시예에 따른 레이저 다이오드 제조 공정 중 전류 주입 영역 이외의 P-GaAs 층 부분을 식각하기 위한 포토 리소그라피 단계를 나타내는 층상 단면도.
도 11은 전류 주입 영역 이외의 P-GaAs 층 부분을 에칭 용액으로 제거하고 절연막을 증착하는 단계를 나타내는 층상 단면도.
도 12는 전류 주입 영역의 절연막을 제거 한 후 P 형 전극을 증착하는 단계를 나타내는 층상 단면도.
도 13은 N 형 전극을 증착하는 단계를 나타내는 층상 단면도.
도 14는 본 실시예에 따른 레이저 다이오드의 층상 단면도
도 15는 본 실시예에 따른 레이저 다이오드의 FFH 빔 패턴을 나타내는 그래프.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
100: GaAs 기판 110: 버퍼층
120: N-클래드층 130: 활성층
140: 에칭 정지층 150: 제1 P-클래드층
160: P-GaAs층 170: SiO2 마스크
180: 리지부 190: 제2 P-클래드층
200: P-GaAs 층 210: PR마스크
220: 절연막 230: P형 전극
240: N형 전극

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  6. MOCVD를 이용하여 n-GaAs 기판 위에 n-GaAs 버퍼,
    n-AlGaAs클래드층, n-도파로층, u-도파로층,
    AlInxGaAs와 AlInyGaAs가 교대로 반복 적층된 AlInxGaAs / AlInyGaAs 조합의 다중 양자우물 (Multi Quantum Well) 활성층(Active Layer), 도파로층,
    H-클래드 AlGaAs 층, p-Al0.8GaAs 에칭 정지층 90Å,
    제1 P-클래드 AlGaAs 층, P-GaAs 캡층을 순차적으로 성장시키는 제1 단계;
    구연산 계열의 에칭 용액(Etchant)을 사용하여 P-GaAs 캡층을 제거하는 제2 단계;
    포토 리소그라피(Photo-lithography) 방법을 사용하여 리지부(Ridge)가 생성될 부분에 식각 마스크로서 SiO2 를 형성시키는 제3 단계;
    주석산 계열의 에칭 용액으로 식각하여 리지부를 형성 시키는 제4 단계;
    SiO2 식각 마스크를 제거한 다음 MOCVD를 이용하여 제2 P-클래드층과 P-GaAs 층을 차례로 성장시키는 제5 단계;
    포토 리소그라피 방법을 사용하여 전류 주입 영역 이외의 P-GaAs 층 부분을 식각하기 위해 PR(Photo Resist) 마스크를 형성하는 제6 단계;
    전류 주입 영역 이외의 P-GaAs 층 부분을 구연산 계열의 에칭 용액을 사용하여 제거하는 제7 단계;
    PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)를 사용하여 절연막으로 사용할 SiNx 층을 전면 증착하는 제8 단계;
    포토 리소그라피 공정과 RIE (Reactive Ion Etcher) 건 식각 공정을 이용하여 전류 주입 영역을 제외한 부분의 SiNx 층을 제거 한 후, P-저항성(Ohmic) 전극 금속(Metal) Ti, Pt, Au 을 각각 순서대로 300 Å , 600 Å, 2000 Å을 e-빔 증착기(e-beam evaporator)를 이용하여 증착하는 제9 단계;
    P-저항성(Ohmic) 전극 증착 단계 이후 각 칩(Chip)을 분리하기 위해 포토리소그라피 방법과 습식(Wet) 식각을 이용하여 n-GaAs 기판(100)까지 식각하는 제10 단계; 및
    랩핑 및/또는 폴리싱(Lapping/Polishing)을 이용하여 n-GaAs 기판을 연마한 후 n-형 전극으로 AuGe, Ni, Au 를 각각 순서대로 800Å, 200Å, 5000Å 두께로 증착시키는 제11 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 다이오드의 제조 방법.
  7. 제6항에 있어서, 제1 P-클래드층의 굴절율은 제2 P-클래드층의 굴절율 보다 크게 구성하는 것을 특징으로 하는 레이저 다이오드의 제조 방법.
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