KR101338894B1 - 수직공진 표면발광 레이저의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 수직공진 표면발광 레이저의 제조방법은, 기판 상에 하부 미러층, 활성층, 전류 가이드층, 상부 미러층을 형성하는 단계; 활성층이 노출되도록 상부 미러층 및 전류 가이드층을 메사(mesa) 식각하는 단계; 메사 식각으로 노출된 활성층 표면, 전류 가이드층, 상부 미러층 전면에 패시베이션 물질막을 형성하는 단계; 패시베이션 물질막의 표면 일부를 노출시키는 오픈 영역을 가지는 마스크 패턴을 형성하는 단계; 및 마스크 패턴을 식각배리어마스크로 패시베이션 물질막의 노출된 표면을 제거하여 전류 가이드층의 측면부를 선택적으로 노출시키는 패시베이션층을 형성하는 단계; 및 전류 가이드층의 노출된 측면부를 산화시켜 전류 가이드층의 중앙부에 전류 주입구를 형성하는 단계를 포함한다.

Description

수직공진 표면발광 레이저의 제조방법{The method for manufacturing of a vertical-cavity surface-emitting laser}
본 발명은 레이저에 관한 것으로, 보다 상세하게는 수직공진 표면발광 레이저의 제조방법에 관한 것이다.
수직공진 표면발광 레이저(VCSEL: Vertical Cavity Surface Emitting LASER)는 다층박막 구조인 두 개의 다층반사막(DBR: Distributed Bragg Reflector) 사이에 주로 양자우물층(Multi Quantum Well)을 포함하는 공진기(resonance cavity)가 배치된 구조로 이루어지며, 전류주입에 의해 이득(gain)을 얻는 레이저 장치로 정의될 수 있다. 수직공진 표면발광 레이저는 일반적인 측면발광 레이저와는 달리 웨이퍼의 표면에 수직 방향으로 빛을 방출하는 레이저이다. 수직공진 표면발광 레이저의 수직 방향으로 빛을 방출하는 특성은 다른 반도체 부품과의 집적화를 가능하게 하였다. 수직공진 표면발광 레이저장치는 다양한 형태의 센서에 응용되고 있다.
도 1은 일반적인 수직공진 표면발광 레이저(VCSEL)를 개략적으로 나타내보인 단면도이다.
도 1을 참조하면, 반도체 기판(100) 위에 하부 미러층(DBR: Distributed Bragg Reflector, 110), 활성층(120)이 적층되어 있고, 전류 가이드층(125) 및 상부 미러층(140)이 메사(mesa) 구조의 패턴 형상으로 활성층(120) 위에 배치된다. 여기서 메사 구조의 패턴 형상으로 형성된 전류 가이드층(125) 및 상부 미러층(140)은 측면이 노출된 구조로 이루어진다. 전류 가이드층(125)에는 산화 분위기에 노출시키는 공정이 수행된다. 그러면 전류 가이드층(125)의 측면에서부터 산화되어 측면부(125a)는 산화되고 중앙부(125b)는 산화되지 않고 존재하게 된다. 산화되지 않고 남아 있는 중앙부(125b)가 전류 주입구가 되어 이 부분으로 전류나 광이 통과하게 된다.
그런데 전류 가이드층(125)을 산화 분위기에 노출시키는 공정 수행시 전류 가이드층(125)뿐 아니라 상부 미러층(140) 또한 산화 분위기에 노출됨에 따라 상부 미러층(140)의 측면부(C) 또한 일부 산화될 수 있다. 상부 미러층(140)의 측면부(C)가 산화되는 경우 산화된 부분에서 수축이 발생하고, 수축이 발생된 부분에 스트레스가 발생하면서 크랙(crack)과 같은 결함이 발생할 수 있다. 이 경우 이후 소자의 제작을 완료한 후 제품의 신뢰성을 검사하기 위해 고온고압 조건에서 진행하는 신뢰성 테스트 진행시 크랙과 같은 결함에 의해 소자 불량으로 작용하는 문제가 된다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 될 수 있다. 전류 가이드층에만 선택적으로 산화되고 전류 가이드층 이외의 영역에는 산화가 이루어지지 않아 소자의 신뢰성을 향상시킬 수 있는 수직공진 표면발광 레이저의 제조방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 실시예에 따른 수직공진 표면발광 레이저의 제조방법은, 기판 상에 하부 미러층, 활성층, 전류 가이드층, 상부 미러층을 형성하는 단계; 상기 활성층이 노출되도록 상기 상부 미러층 및 전류 가이드층을 메사(mesa) 식각하는 단계; 상기 메사 식각으로 노출된 활성층 표면, 전류 가이드층, 상부 미러층 전면에 패시베이션 물질막을 형성하는 단계; 상기 패시베이션 물질막의 표면 일부를 노출시키는 오픈 영역을 가지는 마스크 패턴을 형성하는 단계; 및 상기 마스크 패턴을 식각배리어마스크로 패시베이션 물질막의 노출된 표면을 제거하여 상기 전류 가이드층의 측면부를 선택적으로 노출시키는 패시베이션층을 형성하는 단계; 및 상기 전류 가이드층의 노출된 측면부를 산화시켜 상기 전류 가이드층의 중앙부에 전류 주입구를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 전류 주입구를 형성하는 단계 이후에, 상기 패시베이션층을 포함하는 기판 전면에 평탄화층을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 메사 패턴의 측벽을 패시베이션층으로 보호하는 상태에서 산화 공정을 수행함에 따라 전류 가이드층의 측면부만 선택적으로 산화시킬 수 있어 상부 미러층의 측면부가 산화되는 것을 방지할 수 있다.
이에 따라 산화에 의한 스트레스를 완화시켜 소자의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 일반적인 수직공진 표면발광 레이저(VCSEL)를 개략적으로 나타내보인 단면도이다.
도 2 내지 도 9는 본 발명의 실시예에 따른 수직공진 표면발광 레이저의 제조방법을 설명하기 위해 나타내보인 도면들이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세히 설명하고자 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도 2 내지 도 9는 본 발명의 실시예에 따른 수직공진 표면발광 레이저의 제조방법을 설명하기 위해 나타내보인 도면들이다.
도 2를 참조하면, 기판(200) 상에 하부 미러층(220), 활성층(230), 전류 가이드층(250), 상부 미러층(270) 및 표면 보호층(280)을 형성한다. 비록 도면에 도시하지는 않았지만, 기판(200)과 하부 미러층(220) 사이의 스트레스를 완화시키는 버퍼층을 더 포함하여 형성할 수 있다.
하부 미러층(220)은 n형의 알루미늄 갈륨 아세나이드(AlGaAs)층으로 알루미늄(Al)의 조성비가 서로 다른 제1 AlGaAs층(205) 및 제2 AlGaAs층(210)을 교대로 적층하여 형성하며, 20층 내지 30층 적층하여 형성한다. 하부 미러층(220)은 유기금속화학기상증착법(MOCVD; Metal organic chemical vapor deposition)에 의해 형성할 수 있다. 하부 미러층(220)의 교대로 적층되는 층을 서로 다른 알루미늄 조성비를 가지게 형성함으로써 서로 다른 굴절률을 가지게 되면서 반사가 발생하게 된다.
활성층(230)은 전자와 정공의 재결합에 따른 에너지 천이에 의하여 광을 생성하며, 다중 양자 우물(Quantum well)을 가지며, P-N 접합 구조를 갖는다. 활성층(230)은 알루미늄 조성비가 서로 다른 층들의 다중층 구조로 형성할 수 있다.
상부 미러층(270)은 p형의 불순물이 도핑된 알루미늄 갈륨 아세나이드(AlGaAs)층으로 알루미늄(Al)의 조성비가 서로 다른 제1 AlGaAs층(260) 및 제2 AlGaAs층(265)을 교대로 적층하여 형성할 수 있으며, 적어도 20층 이상 적층하여 형성한다. 상부 미러층(270)은 하부 금속층(220)과 마찬가지로 유기금속화학기상증착법(MOCVD)에 의해 형성할 수 있다. 여기서 상부 미러층(270)은 하부 미러층(270)보다 적층된 수를 적게 형성하여 반사율에 차이를 둠으로써 레이저 발진광이 상부 미러층(270)을 통해 방출되도록 할 수 있다.
전류 가이드층(250)은 상부 미러층(270)과 활성층(230) 사이에 배치되며, AlGaAs층으로 형성할 수 있다. 표면 보호층(280)은 상부 미러층(270)이 대기중에 노출되어 산화되는 것을 방지하기 위해 상부 미러층(270) 표면 위에 형성한다. 다음에 표면 보호층(280)의 표면을 일부 노출시키는 레지스트 패턴(290)을 형성한다. 레지스트 패턴(290)은 표면 보호층(280) 위에 레지스트 물질을 도포하고 노광 및 현상 공정을 진행하여 원형의 형상을 가지게 형성할 수 있다.
도 3을 참조하면, 도 2의 레지스트 패턴(270)을 식각마스크로 하여 표면 보호층(280), 상부 미러층(270) 및 전류 가이드층(250)을 식각하여 메사 패턴(mesa pattern, 330)을 형성한다. 그리고 레지스트 패턴(270)은 스트립(strip) 공정을 진행하여 제거한다. 여기서 메사 패턴(330)은 원형의 형상을 가지는 레지스트 패턴(290)을 식각마스크로 이용함에 따라 평면이 원형의 형상을 가지게 형성된다. 메사 패턴(330)은 활성층(230)의 표면을 일부 노출시키게 형성한다. 여기서 메사 패턴(330)은 전류 가이드 패턴(320)을 포함하는 상부 미러 패턴(310) 및 표면 보호 패턴(300)을 포함한다.
도 4를 참조하면, 기판(200) 전면에 패시베이션층(340)을 형성한다. 패시베이션층(340)은 메사 패턴(330)의 양 측면, 상부면 및 활성층(230)의 노출된 표면을 따라 형성한다. 패시베이션층(340)은 후속 진행할 산화공정에서 전류 가이드패턴(320)을 제외한 나머지 영역들이 산화되는 것을 방지하기 위한 보호막 역할을 한다. 이에 따라 패시베이션층(340)은 산화 소스에 영향을 받지 않는 절연 물질로 형성하는 것이 바람직하며, 본 발명에서는 바람직한 공정 실시예로 실리콘질화물(SiN)을 포함하여 패시베이션층(340)을 형성한다. 그러나 산화 소스에 영향을 받지 않는 절연물질이라면 실리콘질화물에 한정되지 않는 것은 자명하다.
도 5를 참조하면, 메사 패턴(330)의 측면부 및 상부면을 덮는 마스크 패턴(350)을 형성한다. 이를 위해 패시베이션층(340)이 형성된 메사 패턴(330) 상에 레지스트막을 도포한다. 다음에 노광 및 현상 공정을 포함하는 리소그래피(lithography) 공정을 진행하여 메사 패턴(330)은 차단하면서 패시베이션층(340)의 표면 일부를 노출시키는 오픈 영역을 가지는 마스크 패턴(350)을 형성한다.
도 6을 참조하면, 마스크 패턴(350)을 배리어 마스크로 패시베이션층(340)의 노출된 표면을 제거한다. 패시베이션층(340)의 노출된 표면은 패시베이션층(340)을 구성하는 실리콘질화물(SiN)을 선택적으로 제거할 수 있는 습식식각용액을 공급하여 제거하는 습식식각(wet etching) 방법으로 제거하거나 또는 플라즈마와 같은 건식식각소스를 공급하여 제거하는 건식식각(dry etching) 방법으로 제거할 수 있다. 이러한 습식식각 또는 건식식각 방법으로 패시베이션층(340)의 노출된 표면을 제거하면 전류 가이드 패턴(320)의 측면부(A)가 노출된다. 여기서 전류 가이드 패턴(320)의 측면부를 제외한 메사 패턴(330)의 나머지 부분은 마스크 패턴(350)에 의해 덮여 있어 식각 공정에 의한 영향을 받지 않는다.
도 7을 참조하면, 마스크 패턴(350)을 스트립 공정을 이용하여 제거한다. 그러면 전류 가이드 패턴(320)의 측면부만 선택적으로 노출되어 있고, 패시베이션층(340)이 메사 패턴(330)의 측벽 일부 및 상부면을 덮는 형태로 형성된다.
도 8을 참조하면, 전류 가이드 패턴(320, 도 7 참조)의 측면부(355)를 산화시킨다. 이를 위해 전류 가이드 패턴(320)을 포함하는 기판(300)을 습식산화분위기에 노출시킨다. 그러면 전류 가이드 패턴(320)의 노출된 양쪽 측면부(355)에서부터 산화 소스가 침투하여 산화가 이루어진다. 이러한 산화는 전류 가이드 패턴(320)의 구성성분인 알루미늄(Al)이 산화됨으로써 이루어진다. 따라서 측면부(355)는 산화되고, 중앙부(X)는 산화되지 않고 존재한게 된다. 산화되지 않고 남아 있는 중앙부(X)는 전류 주입구가 되어 이후 이 부분으로 전류나 광이 통과하게 된다.
한편, 전류 가이드 패턴의 측면부(355)에 산화가 진행되는 동안 나머지 영역, 예를 들어 상부 미러 패턴(330) 및 표면 보호 패턴(300)은 패시베이션층(340)에 의해 덮여 있어 산화 소스로부터 차단되어 산화 공정에 의한 영향을 받지 않는다.
다음에 도 9에 도시한 바와 같이, 이후 형성될 금속연결 패드의 형성이 잘 이루어지도록 전류가 통하지 않는 절연성 물질(370)을 이용하여 평탄화 공정을 한다. 절연성 물질(370)은 폴리이미드, SiOx 또는 SiNx를 포함하여 형성할 수 있다. 여기서 절연성 물질(370)을 형성하기 전에 패시베이션층(340)을 제거한 다음 절연성 물질(370)을 형성할 수도 있다.
본 발명에 따르면 전류 가이드층을 제외한 메사 패턴의 측벽을 패시베이션층으로 보호하는 상태에서 전류 가이드층의 측면부를 산화시키는 산화 공정을 수행함에 따라 상부 미러층의 측면부가 산화되는 것을 방지할 수 있다. 상부 미러층의 측면부가 산화되는 것을 방지함에 따라 상부 미러층이 산화되어 수축이 발생함에 따라 유발되는 스트레스에 의해 소자의 신뢰성이 저하되는 것을 방지할 수 있다.
200: 기판 220: 하부 미러층
230: 활성층 250: 전류 가이드층
270: 상부 미러층 280: 표면 보호층
320: 전류 가이드 패턴 340: 패시베이션층
350 : 마스크 패턴 355: 전류 가이드 패턴의 측면부

Claims (2)

  1. 기판 상에 하부 미러층, 활성층, 전류 가이드층, 상부 미러층을 형성하는 단계;
    상기 활성층이 노출되도록 상기 상부 미러층 및 전류 가이드층을 메사(mesa) 식각하는 단계;
    상기 메사 식각으로 노출된 활성층 표면, 전류 가이드층, 상부 미러층 전면에 패시베이션 물질막을 형성하는 단계;
    상기 패시베이션 물질막의 표면 일부를 노출시키는 오픈 영역을 가지는 마스크 패턴을 형성하는 단계; 및
    상기 마스크 패턴을 식각배리어마스크로 패시베이션 물질막의 노출된 표면을 제거하여 상기 전류 가이드층 상부의 상부 미러층의 측면부 전체를 덮으면서 상기 전류 가이드층의 측면부만을 선택적으로 노출시키는 패시베이션층을 형성하는 단계; 및
    상기 전류 가이드층의 노출된 측면부를 산화시켜 상기 전류 가이드층의 중앙부에 전류 주입구를 형성하는 단계를 포함하는 수직공진 표면발광 레이저의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 전류 주입구를 형성하는 단계 이후에,
    상기 패시베이션층을 포함하는 기판 전면에 평탄화층을 형성하는 단게를 더 포함하는 수직공진 표면발광 레이저의 제조방법.
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