KR101136239B1 - Method Of Fabricating Laser Diode - Google Patents
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Abstract
본 발명은 레이저 다이오드의 제조방법에 관한 것으로서, 수직전극 구조 반도체 레이저 다이오드의 하부 전극을 형성 시, 이온빔 증착법, 이온빔 보조 증착법, 이온빔 스퍼터링, RF/DC 스퍼터링 등과 같은 고 에너지 증착 방법을 이용하여 전극을 증착함으로써, 하부 전극의 접촉저항을 낮출 수 있으며, 이와 같은 제조방법을 통해 형성된 레이저 다이오드의 하부 전극은 솔더링(Soldering), 고온 열처리와 같은 고온 환경에서도 접촉저항이 증가되지 않는 효과가 있기 때문에, 열적으로 안정적인 전극 특성을 갖는 레이저 다이오드를 구현할 수 있다.The present invention relates to a method of manufacturing a laser diode, wherein the electrode is formed by using a high energy deposition method such as ion beam deposition, ion beam assisted deposition, ion beam sputtering, RF / DC sputtering, etc. By depositing, the contact resistance of the lower electrode can be lowered. Since the lower electrode of the laser diode formed through the manufacturing method has the effect that the contact resistance does not increase even in a high temperature environment such as soldering and high temperature heat treatment, As a result, a laser diode having stable electrode characteristics can be realized.
레이저 다이오드, 접촉저항, 열, 전극, 고에너지, 증착법 Laser diode, contact resistance, heat, electrode, high energy, deposition method
Description
도 1a과 도 1b는 종래기술에 따른 일반적인 레이저 다이오드의 구조를 개략적으로 설명하기 위한 단면도.1A and 1B are cross-sectional views schematically illustrating a structure of a general laser diode according to the prior art.
도 2는 Cr을 포함하여 이루어진 상, 하부 전극을 갖는 종래의 레이저 다이오드에서, 열처리 온도에 따라 변화되는 상, 하부 전극의 접촉저항 값을 측정한 그래프.2 is a graph measuring contact resistance values of phase and bottom electrodes changed according to heat treatment temperatures in a conventional laser diode having phase and bottom electrodes including Cr.
도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 레이저 다이오드 제조방법에 따른 바람직한 일 실시 예를 설명하기 위한 단면도.3A to 3C are cross-sectional views illustrating a preferred embodiment of the laser diode manufacturing method of the present invention.
도 4는 Ti를 포함하도록 형성한 상, 하부 전극을 갖는 본 발명의 레이저 다이오드에서, 열처리 온도에 따라 변화되는 상, 하부 전극의 접촉저항 값을 측정한 그래프.4 is a graph measuring contact resistance values of the upper and lower electrodes changed according to the heat treatment temperature in the laser diode of the present invention having the upper and lower electrodes formed to include Ti.
도 5는 하부 전극의 열처리시 열적 안정성을 확보하기 위한 여러 가지 표면처리를 수행하였을 때, 각각의 표면처리시, 온도에 따른 접촉저항 값을 측정한 그래프.5 is a graph measuring contact resistance values according to temperature during each surface treatment when various surface treatments are performed to ensure thermal stability during heat treatment of the lower electrode.
도 6은 종래 기술에 따른 전자선 증착법(E-Beam Evaporation)과 본 발명에 따른 스퍼터링(Sputtering) 증착법에 의해 각각 Ti 계열 금속을 증착시켜 형성한 후면 전극의 열처리 온도에 따른 접촉저항 값을 비교한 그래프.FIG. 6 is a graph comparing contact resistance values according to heat treatment temperatures of rear electrodes formed by depositing Ti-based metals by E-Beam Evaporation and sputtering deposition according to the present invention. .
<도면의 주요부분에 대한 설명><Description of main parts of drawing>
100. 도전성 기판 101. 식각 잔류물100.
110a. 하부 클래드층 110b. 상부 클래드층110a.
120a. 하부 웨이브가이드층 120b. 상부 웨이브가이드층120a.
130. 활성층 140. 전자방지층(EBL)130.
150. 절연막 160. 오믹(Ohmic)층150.
170a. 하부 전극 170b. 상부 전극170a.
본 발명은 레이저 다이오드 제조방법에 관한 것으로서, 특히, 하부 전극의 접촉저항을 낮출 수 있으며, 솔더링(Soldering)이나 고온 열처리 공정과 같은 고온 환경에서도 하부전극의 접촉저항 증가를 방지하여, 열적으로 안정적인 전극특성을 확보할 수 있는 수직전극 구조의 질화물계 반도체 레이저 다이오드의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method of manufacturing a laser diode, and in particular, can lower the contact resistance of the lower electrode, prevent the increase of the contact resistance of the lower electrode in a high temperature environment, such as soldering (soldering) or high temperature heat treatment process, thermally stable electrode The present invention relates to a method of manufacturing a nitride-based semiconductor laser diode having a vertical electrode structure capable of securing characteristics.
반도체 레이저 다이오드의 레이저광은 광통신, 다중통신, 우주통신과 같은 곳에서 현재 실용화되어가고 있다.Laser light of semiconductor laser diodes is currently being used in places such as optical communication, multiple communication, and space communication.
또한, 반도체 레이저는 컴팩트 디스크 플레이어(Compact Disk Player, CDP)나 디지털 다기능 디스크 플레이어(Digital Versatile Disk Player, DVDP) 등과 같은 장치에서 데이터의 전송이나 기록 및 판독을 위한 수단으로써 널리 사용되고 있다.In addition, semiconductor lasers are widely used as a means for transferring, recording, and reading data in devices such as a compact disk player (CDP) or a digital versatile disk player (DVDP).
그 중에서도 3-5족 질화물(Nitrides) 반도체 레이저 다이오드는 천이 방식이 레이저 발진 확률이 높은 직접 천이형이고, 청색 레이저 발진이 가능하다는 특성 때문에 특히 주목되고 있다.Among them, group 3-5 nitride (Nitrides) semiconductor laser diodes are particularly noticed because of their direct transition type with high laser oscillation probability and the possibility of blue laser oscillation.
이하, 도면을 참조하여 종래기술에 따른 레이저 다이오드의 구조와 문제점에 대해서 개략적으로 설명한다.Hereinafter, a structure and a problem of a laser diode according to the prior art will be described with reference to the drawings.
도 1a과 도 1b는 일반적인 레이저 다이오드의 구조를 개략적으로 설명하기 위한 단면도이다.1A and 1B are cross-sectional views schematically illustrating a structure of a general laser diode.
도 1a는 일반적인 수평전극 레이저 다이오드의 구조를 설명하기 위한 단면도이다.1A is a cross-sectional view illustrating a structure of a general horizontal electrode laser diode.
도면에 도시된 바와 같이, 수평전극 레이저 다이오드는 일반적으로 기판(10), n-GaN(11), n-클래드층(12a), p-클래드층(12b), n-웨이브가이드층(13a), p-웨이브가이드층(13b), 활성층(14), 전자방지층(15), 절연막(16), p-오믹층(17), N-전극(18a), P-전극(18b)을 포함하여 이루어진다.As shown in the figure, the horizontal electrode laser diode is generally a
이때, 상기 기판(10)으로는 질화갈륨(GaN)을 성장시키기에 적당한 사파이어 (Al2O3) 기판을 주로 사용한다.In this case, a sapphire (Al 2 O 3 ) substrate suitable for growing gallium nitride (GaN) is mainly used as the
상기 기판(10) 상부에는 n-GaN(11)이 형성되어져 있다.An n-GaN 11 is formed on the
이때, 상기 n-GaN(11)은 n타입 불순물이 도핑된 질화갈륨(GaN)층으로 일부 영역이 식각되어져 있고, 식각된 영역에 N-전극(18a)이 형성되어져 있다.In this case, the n-
상기 n-GaN(11)의 식각된 일부 영역을 제외한 나머지 영역에는 n-클래드층(12a), n-웨이브가이드층(13a), 활성층(14), 전자방지층(15), p-웨이브가이드층(13b), p-클래드층(12a)이 순차적으로 형성되어져 있다.N-
이때, 상기 p-클래드층(12a)은 일부 영역이 돌출되어진 리지(Ridge) 구조로 형성되어 있으며, 그 리지(Ridge) 상부에 p-오믹층(17)이 형성되어져 있다.In this case, the p-
그리고, 상기 p-클래드층(12a)과 p-오믹층(17)의 상측 면을 따라 절연막(16)이 형성되어 있는데, 단, 상기 p-오믹층(17) 상부는 절연막(16)이 형성되어 있지 않다.An
상기 p-오믹층(17) 상부와 전기적으로 연결되도록 P-전극(18b)이 형성되어져 있다.The P-
이와 같이, 기존에는 레이저 다이오드를 구현하기 위해서, 사파이어(Al2O3) 기판 상부에 성장시켜 만들어진 에피(Epi) 구조물의 일부 영역을 메사(Mesa)식각하고, 노출된 n-컨택층 상부에 N-전극을 형성시킨 구조를 주로 사용하였다.As such, in order to implement a laser diode, a portion of an epi structure formed by growing on an sapphire (Al 2 O 3 ) substrate is mesa-etched, and N is formed on the exposed n-contact layer. The structure in which the electrode was formed was mainly used.
하지만 최근에 질화갈륨(GaN) 기판 제조기술의 눈부신 발전에 힘입어 수백 마이크로미터 두께의 저결함 n-GaN 기판을 이용할 수 있게 되어, 도 1b와 같이 N- 전극을 GaN 기판 하부 또는 후면에 형성시키는 수직전극(Top-Down) 구조의 레이저 다이오드를 구현할 수 있게 되었다.However, with the recent development of gallium nitride (GaN) substrate manufacturing technology, low-defect n-GaN substrates of several hundreds of micrometers in thickness can be used. A laser diode with a top-down structure can be realized.
도 1b는 일반적인 수직전극 레이저 다이오드의 구조를 설명하기 위한 단면도이다.1B is a cross-sectional view illustrating a structure of a general vertical electrode laser diode.
도면에 도시된 바와 같이, 수직전극 레이저 다이오드는 기판이 필요치 않고, 상기한 수평전극 레이저 다이오드의 구조에 비해, 면적이 작기 때문에, 웨이퍼 단위의 소자 제조 공정시, 집적도의 향상, 공정의 단순화 등 많은 장점을 가지고 있다.As shown in the figure, since the vertical electrode laser diode does not require a substrate and has a small area compared to the structure of the horizontal electrode laser diode described above, during the device manufacturing process in units of wafers, the degree of integration is improved and the process is simplified. It has advantages
하지만, 수직전극 구조 레이저 다이오드의 기판 하부면 또는 후면 N-전극(18a)은 소자 제작 최종 단계인 래핑(Lapping), 폴리싱(Polishing)과 같은 공정 이후에 형성되기 때문에, 상부의 P-전극(18b) 형성과는 다르게 기술적인 어려움이 크다.However, since the substrate lower surface or backside N-
구체적으로, 종래의 N-전극을 위한 n 오믹(Ohmic) 형성 기술은 대부분 섭씨 500℃ 이상의 가열조건에서 제작되는데, 수직전극 구조의 레이저 다이오드 제조 과정상 상부 구조가 완성된 후에 N-전극을 형성하므로, 부득이하게도 이와 같은 고온 환경으로 인하여, 상부 p 오믹컨택층을 비롯한 유전막 또는 절연막 파괴 등의 문제점등이 발생된다.Specifically, the conventional n-ohmic (Ohmic) forming technology for the N-electrode is manufactured in most heating conditions of 500 ℃ or more, since the N-electrode is formed after the upper structure is completed in the laser diode manufacturing process of the vertical electrode structure Inevitably, due to such a high temperature environment, problems such as dielectric film or insulating film destruction including the upper p ohmic contact layer occur.
그렇다고, 하부 전극(N-전극)을 낮은 온도에서 제작하게 되면, 이후 솔더링(Soldering)이나 고온 열처리와 같은 고온 환경에서 전극특성을 안정적으로 유지하 기가 어렵기 때문에, 이와 같은 문제를 고려하여 레이저 다이오드의 하부전극을 형성하여야 한다.However, when the lower electrode (N-electrode) is manufactured at a low temperature, it is difficult to stably maintain the electrode characteristics in a high temperature environment such as soldering or high temperature heat treatment. A bottom electrode should be formed.
도 2는 Cr을 포함하여 이루어진 상, 하부 전극을 갖는 종래의 레이저 다이오드에서, 열처리 온도에 따라 변화되는 상, 하부 전극의 접촉저항 값을 측정한 그래프이다.FIG. 2 is a graph of measuring contact resistance values of phase and bottom electrodes changed according to a heat treatment temperature in a conventional laser diode having phase and bottom electrodes including Cr.
이때, 상기 상, 하부 전극은 전자선 증착법(E-Beam Evaporation)을 통해 Cr, Ni, Au를 순서대로 적층되도록 증착시킨 것을 특징으로 한다.At this time, the upper and lower electrodes are characterized in that the deposited to be sequentially stacked Cr, Ni, Au by E-Beam Evaporation (E-Beam Evaporation).
그래프에서 보는 바와 같이, 종래의 전극 형성방법에 의한 레이저 다이오드의 상부 전극은 열처리시와 같은 고온조건에서도 낮은 접촉저항 값을 잘 유지하는 반면에, 하부 전극은 고온으로 갈수록 접촉저항 값이 크게 상승하여 전극특성이 퇴화한다는 문제점이 있다.As shown in the graph, the upper electrode of the laser diode according to the conventional electrode forming method maintains a low contact resistance value well even at high temperature conditions such as during heat treatment, while the lower electrode has a large increase in contact resistance value at higher temperatures. There is a problem that the electrode characteristics deteriorate.
따라서, 레이저 다이오드에서 하부 전극의 접촉저항 값이 열처리시와 같은 고온조건에서도 증가 혹은 퇴화하지 않으며, 안정적인 하부 전극특성을 갖는 레이저 다이오드를 구현하기 위한 하부 전극 형성방법이 요구되고 있다.Accordingly, there is a need for a method of forming a lower electrode for realizing a laser diode having stable lower electrode characteristics without increasing or decreasing the contact resistance value of the lower electrode in a laser diode even at a high temperature condition such as during heat treatment.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위해서, 본 발명은 이온빔 증착법, 이온빔 보조 증착법, 이온빔 스퍼터링 RF/DC 스퍼터링 등의 고 에너지 증착 방법을 이용하여 레이저 다이오드의 하부 전극을 형성함으로써, 하부 전극의 접촉저항을 저하시키고, 고온 열처리 공정이나 솔더링(Soldering) 공정과 같은 고온 제작 환경에 노출되더라도 하부 전극의 접촉저항 상승을 방지할 수 있는, 열적으로 안정된 전극특성을 갖는 수직 전극 구조 레이저 다이오드의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.In order to solve the above problems, the present invention forms a lower electrode of the laser diode by using a high energy deposition method, such as ion beam deposition, ion beam assisted deposition, ion beam sputtering RF / DC sputtering, thereby lowering the contact resistance of the lower electrode To provide a method for manufacturing a vertical electrode structure laser diode having a thermally stable electrode characteristics that can prevent the lower electrode contact resistance rises even when exposed to high temperature manufacturing environment, such as high temperature heat treatment process or soldering process. The purpose.
본 발명의 레이저 다이오드 제조방법은, 도전성 기판 상부에 하부 클래드층, 하부 웨이브가이드층, 활성층, 전자방지층(Electron Blocking Layer, EBL), 상부 웨이브가이드층, 상부 클래드층, 오믹층, 상부 전극을 순차적으로 형성하는 단계; 도전성 기판 하부를 래핑(Lapping) 및 폴리싱(Polishing) 하는 단계; 도전성 기판 하부를 균일하게 건식식각(Dry Etching)하는 단계 및; 도전성 기판 하부에 이온빔 증착법(Ion Beam Deposition), 이온빔 보조 증착법(Ion Beam Assisted Deposition), 이온빔 스퍼터링(Ion Beam Sputtering), RF(Radio Frequency) 스퍼터링(Sputtering), DC(Direct Current) 스퍼터링(Sputtering) 중 어느 하나의 증착 방법을 통해 하부 전극을 증착하는 단계;로 이루어지는 것을 특징으로 한다.In the laser diode manufacturing method of the present invention, a lower cladding layer, a lower waveguide layer, an active layer, an electron blocking layer (EBL), an upper waveguide layer, an upper cladding layer, an ohmic layer, and an upper electrode are sequentially formed on a conductive substrate. Forming to; Lapping and polishing the conductive substrate underneath; Uniformly dry etching the lower portion of the conductive substrate; Ion Beam Deposition, Ion Beam Assisted Deposition, Ion Beam Sputtering, RF (Radio Frequency) Sputtering, DC (Direct Current) Sputtering And depositing a lower electrode through any one of the deposition methods.
이하, 본 발명의 레이저 다이오드 제조방법에 따른 바람직한 실시 예에 대해서 상세히 설명한다.Hereinafter, a preferred embodiment according to the laser diode manufacturing method of the present invention will be described in detail.
도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 레이저 다이오드 제조방법에 따른 바람직한 일 실시 예를 설명하기 위한 단면도이다.3A to 3C are cross-sectional views illustrating a preferred embodiment of the laser diode manufacturing method of the present invention.
도 3a는 도전성 기판(100) 상부에 하부 클래드층(110a), 하부 웨이브가이드층(120a), 활성층(130), 전자방지층(Electron Blocking Layer, EBL)(140), 상부 웨이브가이드층(120b), 상부 클래드층(110b), 오믹층(160), 상부 전극(170b)을 순차적으로 형성한 후, 도전성 기판 하부를 래핑(Lapping) 및 폴리싱(Polishing) 한 단계를 나타낸다.3A illustrates a
여기서, 상기 도전성 기판(100)으로는 n 타입 불순물이 도핑된 질화갈륨(GaN) 기판을 사용한다.Here, a gallium nitride (GaN) substrate doped with n-type impurities is used as the
먼저, 도시된 바와 같이, 상기 도전성 기판(100) 상부에 상기 하부 클래드층(110a), 하부 웨이브가이드층(120a), 활성층(130), 전자방지층(140), 상부 웨이브가이드층(120b), 상부 클래드층(110b)을 순차적으로 성장시킨다.First, as shown, the lower
이때, 상기 하부 클래드층(110a)과 상기 하부 웨이브가이드층(120a)은 n 타입 불순물이 도핑되어 형성되고, 상기 상부 클래드층(110b)과 상기 상부 웨이브가이드층(120b)은 p 타입 불순물이 도핑되어 형성된다.In this case, the lower
또한, 상기 활성층(130)은 질화갈륨(GaN)계 물질로 이루어지는 것이 바람직하다.In addition, the
한편, 상기 상부 클래드층(110b)은 도시된 바와 같이 식각 방법을 통해 중심 영역의 일부를 돌출시킨 리지(Ridge) 구조로 형성하며, 상기 리지(Ridge) 구조 상부에 상기 오믹층(160)을 형성시킨다.Meanwhile, the upper clad
상기 오믹층(160)을 형성하기 이전에, 상기 리지(Ridge) 측면을 포함한 상기 상부 클래드층(110b) 상부의 전면에는 절연막(150)을 형성시켜 두는 것이 바람직하다.Before forming the
이때, 도시된 바와 같이 상기 리지(Ridge) 구조 상부에 상기 오믹층(160)을 형성하기 위한 영역은 제외하고 상기 절연막(150)을 형성시키는 것이 바람직하다.In this case, it is preferable to form the insulating
상기 오믹층(160) 상부에는 레이저 다이오드를 외부와 전기적으로 연결시키기 위한 상부 전극(170b)을 형성시킨다.An
이와 같은 공정을 마치고, 상기 도전성 기판 하부에 하부 전극을 형성하기 전에, 기판 하부의 표면을 균일하게 만들기 위해서, 래핑(Lapping) 및 폴리싱(Polishing) 공정을 수행하는 것이 바람직하다.After finishing this process and before forming the lower electrode under the conductive substrate, it is preferable to perform a lapping and polishing process in order to make the surface of the lower substrate uniform.
하지만, 이와 같은 래핑 및 폴리싱 공정으로 인해, 기판 하부 표면에는 기계적 손상영역이 생길 수 있으며, 이후 형성시킬 전극의 접촉저항을 보다 줄이기 위해서, 표면을 좀 더 균일하게 형성할 필요가 있다.However, due to the lapping and polishing processes, mechanical damage regions may be formed on the lower surface of the substrate, and the surface needs to be more uniformly formed in order to further reduce the contact resistance of the electrode to be formed.
도 3b는 도전성 기판(100) 하부를 균일하게 건식 식각(Dry Etching)한 단계를 나타낸다.3B illustrates a step of dry etching the lower portion of the
상기한 바와 같은 기판 하부 표면의 불균일함 및 기계적 손상영역을 제거시 키기 위해서, 건식 식각을 이용하여 기판 하부 표면을 식각하는 것이 바람직하다.In order to remove the non-uniformity and mechanical damage areas of the lower surface of the substrate as described above, it is desirable to etch the lower surface of the substrate using dry etching.
그러나, 이러한 상기 식각 잔류물(101)들 또한 이후 형성시킬 전극의 오믹 결합을 억제하여, 접촉저항을 증가시키는 요인이 되며, 이후 솔더링(Soldering)과 같은 열처리시에도 오믹 특성을 저하시키는 요인이 된다.However, the
도 3c는 도전성 기판(100) 하부에 고 에너지 증착 방법을 통해 하부 전극(170a)을 형성하여, 본 발명에 따른 수직전극 구조의 레이저 다이오드를 완성한 단계를 나타낸다.3C illustrates a step of forming a
여기서, 고 에너지 증착 방법은 이온빔 증착법(Ion Beam Deposition), 이온빔 보조 증착법(Ion Beam Assisted Deposition), 이온빔 스퍼터링(Ion Beam Sputtering), RF(Radio Frequency)/DC(Direct Current) 스퍼터링(Sputtering) 등이 있다.The high energy deposition method may include ion beam deposition, ion beam assisted deposition, ion beam sputtering, RF / direct current sputtering, and the like. have.
그리고, 상기 하부 전극(170a)은 n 타입 불순물이 도핑되어 있는 질화갈륨(GaN) 기판과 n 오믹 접촉할 수 있는 Cr, Ti, Al, Pd계 등의 금속물질로 형성하는 것이 바람직하다.In addition, the
이때, 상기한 고 에너지 증착 방법들은 종래의 전자선 증착법(E-Beam Evaporation)과 달리, 증착되는 입자의 에너지를 증착 분위기의 조절을 통해 수십 eV에서 수백 eV까지 조절할 수 있기 때문에, 전극의 유효 오믹 결합 밀도를 증가시킬 수 있는 장점이 있다.At this time, unlike the conventional E-Beam Evaporation (E-Beam Evaporation), since the energy of the deposited particles can be adjusted from tens of eV to several hundred eV through the control of the deposition atmosphere, the effective ohmic coupling of the electrode There is an advantage to increase the density.
또한, 이와 같은 고 에너지 증착 방법들은 조사되는 고 에너지 입자들이 식 각 공정의 부산물로써 생성된 식각 잔류물(101)들을 제거시키기 때문에, 하부 전극(170b)과 기판(100) 사이의 깨끗한 계면특성을 확보할 수 있으며, 하부 전극에서의 접촉저항을 보다 감소시키는 효과가 있다.In addition, these high energy deposition methods remove the
한편, 상기 하부 전극 증착 공정은 솔더(Solder)의 녹는 온도 이상에서 수행하는 것이 바람직한데, 왜냐하면, 이후 수행하게 될 소자 패키징(Packaging) 공정 중 솔더링(Soldering)과 같은 고온 열처리 공정시 전극 특성이 퇴화되는 것을 방지하기 위해서이다.On the other hand, the lower electrode deposition process is preferably carried out at the melting temperature of the solder (Solder), because the electrode properties deteriorate during the high temperature heat treatment process such as soldering (Soldering) during the device packaging process to be performed later This is to prevent it.
도 4는 Ti를 포함하도록 형성한 상, 하부 전극을 갖는 본 발명의 레이저 다이오드에서, 열처리 온도에 따라 변화되는 상, 하부 전극의 접촉저항 값을 측정한 그래프이다.FIG. 4 is a graph measuring contact resistance values of the upper and lower electrodes changed according to a heat treatment temperature in the laser diode of the present invention having the upper and lower electrodes formed to include Ti.
그래프에서 보는 바와 같이, Ti, Pt, Au가 순서대로 적층되어 이루어진 상, 하부 전극은 도 2에서 언급한 종래의 Cr, Ni, Au가 순서대로 적층되어 이루어진 상, 하부 전극과 비교할 때, 모든 열처리 온도 영역에서 상대적으로 접촉저항이 낮음을 알 수 있다.As shown in the graph, the phase electrode and the lower electrode formed by sequentially stacking Ti, Pt and Au are all heat treated when compared with the phase electrode formed by sequentially stacking Cr, Ni and Au mentioned in FIG. It can be seen that the contact resistance is relatively low in the temperature range.
특히, 고온에서 하부 전극의 접촉저항이 종래에 비해 상대적으로 낮고, 상부 전극과 하부 전극 간의 접촉저항 차이가 크지 않기 때문에, Ti를 포함하도록 하는 전극 형성방법이 열적으로 안정된 전극특성을 구현하는데 월등히 낫다는 것을 알 수 있다.In particular, since the contact resistance of the lower electrode at a high temperature is relatively low and the difference in contact resistance between the upper electrode and the lower electrode is not large, an electrode forming method including Ti is much better for realizing thermally stable electrode characteristics. It can be seen that.
참고로, 도면에 도시된 바와 같이 하부 전극의 접촉저항 값은 상부 전극의 접촉저항 값에 비해서 크게 측정되는데, 이러한 이유는, 도전성 기판 상, 하부의 물리적 특성 차이 때문이다.For reference, as shown in the drawing, the contact resistance value of the lower electrode is measured larger than the contact resistance value of the upper electrode, because of the difference in physical properties of the lower and upper conductive substrate.
도전성 기판의 대표적인 질화갈륨(GaN) 기판을 예로 들자면, 성장된 질화갈륨(GaN) 기판은 성장방향과 수직방향으로 극성(Polarity)을 갖고 있으며, 통상적으로, 고품질의 기판이란 상부 방향으로 갈륨(Ga) 극성(Polarity)을 이루는 구조를 갖는다.As a representative gallium nitride (GaN) substrate of a conductive substrate, for example, the grown gallium nitride (GaN) substrate has a polarity in the direction perpendicular to the growth direction, and typically, a high quality substrate is a gallium (Ga) in the upper direction. ) It has a structure that forms polarity.
그리고, 실제로 레이저 다이오드와 같은 반도체 소자에서 사용되는 질화갈륨(GaN) 기판도 상부 면은 갈륨(Ga) 극성 면이며, 하부 면은 질소(N) 극성 면을 띠기 때문에, 물리적 특성이나 전기적 특성에 있어서 차이를 나타내게 되며, 그러한 기판의 특성은 상, 하부 전극 등 다른 요소들에도 영향을 미치게 되는 것이다.In addition, gallium nitride (GaN) substrates actually used in semiconductor devices such as laser diodes also have a gallium (Ga) polarity plane and a lower surface have a nitrogen (N) polarity plane. The characteristics of such a substrate also affect other factors such as upper and lower electrodes.
도 5는 하부 전극의 열처리시 열적 안정성을 확보하기 위한 여러 가지 표면처리를 수행하였을 때, 각각의 표면처리시, 열처리 온도에 따른 접촉저항 값을 측정한 그래프이다.FIG. 5 is a graph measuring contact resistance values according to heat treatment temperatures during each surface treatment when various surface treatments are performed to ensure thermal stability during heat treatment of the lower electrode.
도시된 바와 같이, 질화갈륨(GaN) 기판의 다양한 습식 식각 또는 표면 처리 후에도 기판 하부 전극의 열적 안정성이 확보되지 못함을 보여주고 있다.As shown, it has been shown that even after various wet etching or surface treatment of a gallium nitride (GaN) substrate, the thermal stability of the lower electrode of the substrate is not secured.
그래프에서, A 그룹은 후면 습식 식각(Wet Etching)을 수행한 그룹의 온도에 따른 접촉저항 값의 변화를 나타낸 것이고, B 그룹은 습식 세척(Wet Cleaning)을 수행한 그룹의 온도에 따른 접촉저항 값의 변화를 나타낸 것이다.In the graph, group A shows the change of contact resistance value according to the temperature of the group which performed wet etching and the group B shows the contact resistance value according to the temperature of the group which performed wet cleaning. The change is shown.
그래프를 분석해보면, A 그룹에서보다 B 그룹에서 상대적으로 온도에 따른 접촉저항이 낮게 나오긴 했지만, 고온에서의 접촉저항 수치는 소자의 전기적 특성을 저하시킬 만큼 여전히 높은 값이라고 할 수 있다.Analyzing the graph, although the contact resistance with temperature was lower in group B than in group A, the contact resistance at high temperature is still high enough to degrade the electrical characteristics of the device.
이러한 실험 결과는 다음과 같은 두 가지 이유 또는 사실로 인해 비롯된 것이다.These experimental results are due to two reasons or facts.
첫째, 어떠한 표면처리를 하더라도 표면 상태에 오염물질을 남길 수밖에 없으며, 종래의 전자선 증착 방법으로는 깨끗한 계면을 갖는 하부 전극과 질화갈륨(GaN) 기판 사이의 계면을 확보하지 못한다.First, no matter what kind of surface treatment, there is no choice but to leave contaminants in the surface state, and the conventional electron beam deposition method does not secure an interface between a lower electrode having a clean interface and a gallium nitride (GaN) substrate.
구체적으로, 전자선 증착방법의 경우 증착되는 금속 입자들의 에너지가 매우 낮아 표면 위에 잔류하는 오염물질을 붕괴시키지 못하고, 그 위에 금속 입자들이 증착되기 때문에, 결국, 금속과 반도체 사이의 계면에 오염물질을 포함하게 된다. Specifically, in the electron beam deposition method, since the energy of the deposited metal particles is so low that they do not collapse the contaminants remaining on the surface, and the metal particles are deposited thereon, eventually, the contaminants are included at the interface between the metal and the semiconductor. Done.
이러한 오염물질들은 표면처리 후의 세정잔류물을 비롯하여, 표면처리 후 대기중 노출에 의한 오염에 기인한 것이다.These contaminants are attributable to contamination by surface exposure after surface treatment, including cleaning residues after surface treatment.
이러한 잔류물들은 실제 오믹 형성을 위한 금속과 반도체간의 유효 결합, 예를 들자면, Ti의 경우 Ti-N 결합의 형성을 방해하여, 오믹 접촉 특성을 저하시키게 된다.These residues interfere with the formation of effective bonds between the metal and the semiconductor for the actual ohmic formation, for example Ti-N bonds, thereby degrading the ohmic contact properties.
또한, 이러한 불순 결합들은 낮은 온도에서도 쉽게 분해되지만, 온도가 높아질수록 주위 유효 오믹 결합을 더욱 붕괴시키는 역할을 하여 전극 특성을 퇴화시키게 된다.In addition, these impurity bonds readily decompose at low temperatures, but as the temperature increases, they serve to further disrupt the surrounding effective ohmic bonds, thereby degrading electrode properties.
둘째, 증착되어지는 물질의 에너지가 높을수록, 기판 표면의 결합 전이를 일으킬 확률이 커지게 되며, 이는 질화갈륨(GaN) 기판의 n 오믹 형성을 위해 중요한 역할을 담당하게 된다.Second, the higher the energy of the material being deposited, the greater the probability of causing bond transitions on the substrate surface, which plays an important role for the n-omic formation of gallium nitride (GaN) substrates.
즉, 예를 들어, Ti로 오믹(Ohmic) 전극을 형성하기 위해, 고 에너지의 Ti 입자들을 질화갈륨(GaN) 기판 위에 조사하게 되면, 기판의 표면 Ga-N 결합이 붕괴됨과 동시에 Ti-N 결합이 쉽게 형성된다.That is, for example, when Ti particles of high energy are irradiated onto a gallium nitride (GaN) substrate in order to form an ohmic electrode with Ti, the surface Ga-N bond of the substrate collapses and the Ti-N bond simultaneously. This is easily formed.
이러한 결합은 금속 전극과 질화갈륨(GaN) 기판 사이의 계면에 고밀도의 N-공간(Vacancy)을 생산해 내며, 이러한 N-공간(Vacancy)은 질화갈륨(GaN) 기판에서 n 도우너(Donor)로 작용하여, 계면에 고밀도의 n 도핑(Dopping) 효과를 유도하게 된다.This bond produces a high density of N-Vacancy at the interface between the metal electrode and gallium nitride (GaN) substrate, which acts as an n donor on the gallium nitride (GaN) substrate. Thus, a high density n doping effect is induced at the interface.
따라서, 전극과 질화갈륨(GaN) 기판 간의 에너지 밴드(Energy Band) 폭이 감소되고, 전자의 터널링(Tunneling) 확률이 크게 높아지게 되어, 낮은 접촉저항 값을 갖는 전극을 만들 수 있게 된다.Therefore, the width of the energy band between the electrode and the gallium nitride (GaN) substrate is reduced, and the probability of tunneling of electrons is greatly increased, thereby making it possible to produce an electrode having a low contact resistance value.
이와 같은 전극을 만들기 위한 고 에너지 증착 방법에는 이미 언급했듯이, 이온빔 증착법(Ion Beam Deposition), 이온빔 보조 증착법(Ion Beam Assisted Deposition), 이온빔 스퍼터링(Ion Beam Sputtering), RF(Radio Frequency)/DC(Direct Current) 스퍼터링(Sputtering) 등이 있다.As already mentioned in the high-energy deposition method for making such an electrode, ion beam deposition, ion beam assisted deposition, ion beam sputtering, radio frequency (dc) / dc (direct) Current) sputtering and the like.
또한, 조사되는 입자의 에너지에 의해 오믹 결합을 억제하고, 후 열처리시 오믹특성을 저하시키는 표면 잔류 오염물들을 더불어 제거시키게 되어, 전극과 질화갈륨(GaN) 기판 사이의 균일한 계면 특성을 확보하게 되어 전극의 접촉저항을 감소시키게 된다.In addition, the ohmic bonds are suppressed by the energy of the irradiated particles, and the surface residual contaminants that degrade the ohmic properties during post-heat treatment are also removed, thereby securing a uniform interface property between the electrode and the gallium nitride (GaN) substrate. The contact resistance of the electrode is reduced.
도 6은 종래 기술에 따른 전자선 증착법(E-Beam Evaporation)과 본 발명에 따른 스퍼터링(Sputtering) 증착법에 의해 각각 Ti 계열 금속을 증착시켜 형성한 하부 전극의 열처리 온도에 따른 접촉저항 값을 비교한 그래프이다.FIG. 6 is a graph comparing contact resistance values according to heat treatment temperatures of lower electrodes formed by depositing Ti-based metals by E-Beam Evaporation and sputtering deposition according to the present invention. to be.
도시된 바와 같이, 전자선 증착법(E-Beam Evaporation)에 의해 형성된 Ti 계열의 후면 전극은 다양한 열처리 과정의 온도에 따라서 접촉저항 값이 점점 상승하는 반면에, 고 에너지 증착법의 하나인 스퍼터링(Sputtering) 방법을 이용하여 형성된 Ti 계열의 후면 전극은 열처리 과정의 온도 변화에 따른 접촉저항 값의 상승이 발생하지 않게 된다.As shown, while the Ti-type back electrode formed by E-Beam Evaporation has a contact resistance value gradually increasing according to the temperature of various heat treatment processes, the sputtering method is one of the high energy deposition methods. The Ti-based back electrode formed by using does not increase the value of the contact resistance according to the temperature change during the heat treatment process.
이와 같이, 스퍼터링(Sputtering) 증착된 Ti 전극의 경우, 종래의 전자선 증착법에 의한 Ti 전극의 경우와 비교할 것도 없이 어떠한 온도 상태에서도 안정적인 접촉저항 값을 보인다.As described above, in the case of the sputtered deposited Ti electrode, stable contact resistance values are exhibited at any temperature without being compared with the case of the Ti electrode by the conventional electron beam deposition method.
결과적으로, 이와 같은 본 발명의 고 에너지 증착방법을 이용한 전극 증착방법이, 열적으로 안정된 하부 전극 특성을 갖는 레이저 다이오드를 구현할 수 있는 방법임을 명확하게 보여준다.As a result, it is clearly shown that the electrode deposition method using the high energy deposition method of the present invention can realize a laser diode having thermally stable lower electrode characteristics.
이상, 본 발명의 실시 예에 따른 발명의 구성을 상세히 설명하였지만, 본 발명은 반드시 이러한 실시 예로 국한되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 변형 실시될 수 있다.While the configuration of the invention according to the embodiment of the present invention has been described in detail, the present invention is not necessarily limited to these embodiments, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention.
상기와 같은 본 발명의 레이저 다이오드 제조방법에 따르면, 이온빔 증착법, 이온빔 보조 증착법, 스퍼터링(Sputtering) 등의 고 에너지 증착법을 이용하여 하부 전극을 형성함으로써, 열적 안정성이 확보된 하부 전극을 구현할 수 있으며, 더불어, 유효 오믹 결합을 방해하는 기판 표면의 오염물질, 다시 말해서, 식각 잔류물등을 고 에너지 증착 공정시 더불어 제거시킴으로써, 접촉저항, 문턱 전압 및 구동 전압 특성이 향상된 레이저 다이오드를 구현하는 효과가 있다.According to the laser diode manufacturing method of the present invention as described above, by forming a lower electrode using a high-energy deposition method, such as ion beam deposition, ion beam assisted deposition, sputtering, it is possible to implement a lower electrode having a thermal stability, In addition, by removing contaminants on the substrate surface, that is, etching residues, etc. that interfere with effective ohmic coupling during the high energy deposition process, there is an effect of implementing a laser diode having improved contact resistance, threshold voltage and driving voltage characteristics.
또한, 본 발명의 레이저 다이오드 제조방법에 따르면, 이후 질화물계 반도체 레이저 다이오드의 패키징이나 솔더링(Soldering)과 같은 고온 노출과 같은 분위기에서의 접촉저항의 안정성을 확보해주어, 패키징시 발생되는 문턱전압 및 구동전압 상승을 효과적으로 억제, 소자의 신뢰성을 향상시키며, 이와 같은 방법을 통해 형성한 후면전극은 종래에 비해 매우 우수한 부착력 특성을 보이는 효과가 있다.In addition, according to the method of manufacturing the laser diode of the present invention, the stability of contact resistance in an atmosphere such as high temperature exposure such as packaging or soldering of the nitride-based semiconductor laser diode is ensured, the threshold voltage and driving generated during packaging It effectively suppresses the voltage rise, improves the reliability of the device, and the rear electrode formed by the above method has the effect of showing a very excellent adhesion characteristics compared to the prior art.
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