KR19990017303A - 레이저 다이오드 및 그 제조방법 - Google Patents

레이저 다이오드 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

고출력용 레이저 다이오드 및 그 제조방법에 관한 것으로, 기판위에 n형 클래드층, 활성층, p형 제 1 클래드층, 식각정지층, p형 제 2 클래드층, p형 InGaP층, p형 GaAs층을 순차적으로 형성하고, p형 GaAs층위에 제 1 절연막을 형성하고 패터닝하여 제 1 절연막의 앞/뒤쪽 영역에 있는 p형 GaAs층의 일부분을 노출시킨 후, 제 1 절연막을 마스크로 노출된 p형 GaAs층 및 그 하부에 있는 층들을 제거하여 식각정지층을 노출시킨다. 그리고, 노출된 식각정지층위에 p형 제 3 클래드층, n형 AlGaInP층, n형 InGaP층, n형 GaAs층을 순차적으로 형성하고 남아 있는 제 1 절연막을 제거한 다음, n형 GaAs층과 p형 GaAs층위에 제 2 절연막을 형성하고 패터닝하여 제 2 절연막의 양측 영역에 있는 n형 GaAs층과 p형 GaAs층의 일부분을 노출시키고, 제 2 절연막을 마스크로 노출된 n형 GaAs층 및 p형 GaAs층과 그들 하부에 있는 층들을 제거하여 식각정지층을 노출시킨다. 이어, 노출된 식각정지층위에 n형 GaAs층을 형성하고 남아 있는 제 2 절연막을 제거한 후, n형 GaAs층과 p형 GaAs층위에 캡층을 형성하고, 캡층 상부 및 기판 하부에 전극을 형성함으로써, 고출력 레이저 다이오드에서 발생하는 COD를 방지한다.

Description

레이저 다이오드 및 그 제조방법
본 발명은 레이저 다이오드에 관한 것으로, 특히 고출력용 레이저 다이오드 및 그 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 옵티컬 메모리 디바이스(optical memory device)의 용량 확대가 요구됨에 따라 단파장 광원의 필요성이 역설되었고 많은 노력이 AlGaInP계 레이저 다이오드에 투자되어 만족스러운 특성을 가진 디바이스들이 개발되었다.
최근에는 리라이터블(rewritable) 또는 램(RAM) 메모리 디바이스에 사용되기 위한 고출력 AlGaInP계 레이저 다이오드의 개발에 많은 노력이 경주되어 왔다.
고출력 레이저 다이오드에 있어 가장 큰 문제는 어느 일정 정도의 광출력에 이르면 벽개면에서 COD(Catastrophic Optical Damage)가 일어나 레이저 다이오드에 영구적인 손실이 생기는데 있다.
이와 같은 문제점을 해결하기 위한 방법 중의 하나는 벽개면 근처에 있는 물질의 에너지 밴드 갭(energy band gap)을 증가시켜 광흡수를 줄이는 윈도우 구조(window structure)를 구현하는 것이다.
이 방법은 도 1에 도시된 바와 같이, 기판상에 일차 에피 성장시킨 후 SiN 마스크를 이용하여 원하는 위치에 ZnO를 증착하고 그 위에 SiO2를 입힌 후 열처리를 하여 Zn을 확산시켜 구현한다.
실제적으로 InGaAlP계 물질에 있어서는 Zn과 같은 불순물이 추가되면 물질의 성장시 자연 발생적인 초격자의 생성이 억제되어 디스오더링(disordering)이 증가함에 따라 에너지 밴드 갭이 증가하게 된다.
그러나, Zn 확산을 위한 공정들은 기존의 반도체 공정과 상용(compatible)되지 않아 소자 제작시 오염(contamination)이 생길 수 있는 가능성이 높다.
그러므로, 소자의 신뢰성(reliability)에 악영향을 끼칠 수 있다.
또 다른 방법은 일반적인 방법으로 도 2에 도시된 바와 같이 벽개면 근처에 전류차단층을 형성하여 전류가 주입되는 것을 막음으로써 온도 상승을 억제해 상대적으로 에너지 밴드 갭의 감소를 줄여 광흡수를 줄이는 것이다.
이 공정은 기존의 공정에서 단순히 하나의 에칭 패턴(etching pattern)만을 바꾸면 가능한 장점이 있지만 고출력, 고온 동작 시에는 여전히 COD가 발생하게 된다.
종래 기술에 따른 레이저 다이오드에 있어서는 다음과 같은 문제점이 있었다.
고출력, 고온 동작시 COD가 발생하여 레이저 다이오드에 영구적인 손실이 생긴다.
본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로 기존의 공정을 최대한 이용하여 COD를 방지할 수 있는 레이저 다이오드 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
도 1 및 도 2는 종래 기술에 따른 레이저 다이오드를 보여주는 도면
도 3a 내지 도 3h는 본 발명에 따른 레이저 다이오드의 제조공정을 보여주는 공정사시도
도 4는 본 발명에 따른 레이저 다이오드를 보여주는 구조사시도
＊ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
11 : n형 GaAs 기판 12 : n형 GaAs 버퍼층
13 : n형 AlGaInP 클래드층 14 : 활성층
15 : p형 1차 AlGaInP 클래드층 16 : p형 InGaP 식각정지층
17 : p형 2차 AlGaInP 클래드층 18 : p형 InGaP층
19 : p형 GaAs층 20 : 제 1 절연막
21 : p형 3차 AlGaInP 클래드층 22 : n형 AlGaInP층
23 : n형 InGaP층 24 : n형 GaAs층
25 : 제 2 절연막 26 : p형 GaAs 전류도통층
27 : p형 전극 28 : n형 전극
29 : 리지
본 발명에 따른 레이저 다이오드의 특징은 기판위에 형성되는 에피층들 사이에 활성층을 갖는 레이저 다이오드에서, 에피층위의 소정영역에 형성되는 리지와, 리지 앞/뒷면의 일부분을 제외한 전측면에 리지를 둘러싸도록 형성되는 전류차단층과, 전류차단층 및 리지위에 형성되는 캡층과, 캡층 상부 및 기판 하부에 형성되는 전극으로 구성되는데 있다.
본 발명에 따른 레이저 다이오드의 다른 특징은 기판위에 형성되는 제 1 도전형 클래드층과 제 2 도전형 제 1 클래드층 사이에 활성층을 갖는 레이저 다이오드에서, 제 2 도전형 제 1 클래드층위에 형성되는 식각정지층과, 식각정지층 상부의 소정영역에 제 2 도전형 제 2 클래드층, 제 2 도전형 InGaP층, 제 2 도전형 GaAs층이 순차적으로 형성되는 리지와, 리지 앞/뒷면의 식각정지층위에 소정 두께로 형성되는 제 2 도전형 제 3 클래드층과, 제 2 도전형 제 3 클래드층위에 형성되는 제 1 전류차단층과, 리지 및 제 1 전류차단층의 양측면에 형성되는 형성되는 제 2 전류차단층과, 제 1, 제 2 전류차단층 및 리지위에 형성되는 캡층과, 캡층 상부 및 기판 하부에 형성되는 전극으로 구성되는데 있다.
본 발명에 따른 레이저 다이오드 제조방법의 특징은 기판위에 제 1 도전형 클래드층, 활성층, 제 2 도전형 제 1 클래드층, 식각정지층, 제 2 도전형 제 2 클래드층, 제 2 도전형 InGaP층, 제 2 도전형 GaAs층을 순차적으로 형성하는 제 1 스텝과, 제 2 도전형 GaAs층위에 제 1 절연막을 형성하고 패터닝하여 제 1 절연막의 앞/뒤쪽 영역에 있는 제 2 도전형 GaAs층의 일부분을 노출시키는 제 2 스텝과, 제 1 절연막을 마스크로 노출된 제 2 도전형 GaAs층 및 그 하부에 있는 제 2 도전형 InGaP층, 제 2 도전형 제 2 클래드층을 제거하여 식각정지층을 노출시키는 제 3 스텝과, 노출된 식각정지층위에 제 2 도전형 제 3 클래드층, 제 1 도전형 AlGaInP층, 제 1 도전형 InGaP층, 제 1 도전형 GaAs층을 순차적으로 형성하고 남아 있는 제 1 절연막을 제거하는 제 4 스텝과, 제 1, 제 2 도전형 GaAs층위에 제 2 절연막을 형성하고 패터닝하여 제 2 절연막의 양측 영역에 있는 제 1, 제 2 도전형 GaAs층의 일부분을 노출시키는 제 5 스텝과, 제 2 절연막을 마스크로 노출된 제 1, 제 2 도전형 GaAs층과 그들 하부에 있는 제 1, 제 2 도전형 InGaP층, 제 1 도전형 AlGaInP층, 제 2 도전형 제 2 클래드층, 제 2 도전형 제 3 클래드층을 제거하여 식각정지층을 노출시키는 제 6 스텝과, 노출된 식각정지층위에 제 1 도전형 GaAs층을 형성하고 남아 있는 제 2 절연막을 제거하는 제 7 스텝과, 제 1, 제 2 도전형 GaAs층위에 캡층을 형성하는 제 8 스텝과, 캡층 상부 및 기판 하부에 전극을 형성하는 제 9 스텝으로 이루어지는데 있다.
상기와 같은 특징을 갖는 본 발명에 따른 레이저 다이오드 및 그 제조방법을 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 3a 내지 3h는 본 발명에 따른 레이저 다이오드 제조공정을 보여주는 공정사시도로서, 도 3a에 도시된 바와 같이, n형 GaAs 기판(11)상에 n형 GaAs 버퍼층(12), n형 AlGaInP 클래드층(13), 활성층(14), p형 1차 AlGaInP 클래드층(15), p형 InGaP 식각정지층(16), p형 2차 AlGaInP 클래드층(17), p형 InGaP층(18), p형 GaAs층(19)을 순차적으로 1차 성장시킨다.
이어, 도 3b에 도시된 바와 같이, 원하는 리지(ridge) 구조를 제작하기 위해 p형 GaAs층(19)상에 제 1 절연막(20)을 형성하고 패터닝하여 제 1 절연막(20)의 앞/뒤쪽 영역에 있는 p형 GaAs층(19)의 일부분을 노출시킨다.
여기서, 제 1 절연막(20)은 SiO2로 형성한다.
그리고, 도 3c에 도시된 바와 같이, 패터닝된 제 1 절연막(20)을 마스크로 노출된 p형 GaAs층(19) 및 그 하부에 있는 p형 InGaP층(18), p형 2차 AlGaInP 클래드층(17)을 제거하여 p형 InGaP 식각정지층(16)을 노출시킨다.
이어, 도 3d에 도시된 바와 같이, MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)를 이용하여 노출된 p형 InGaP 식각정지층(16)상에 Zn이 도핑된 p형 3차 AlGaInP 클래드층(21), n형 AlGaInP층(22), n형 InGaP층(23), n형 GaAs층(24)을 순차적으로 2차 성장시킨다.
여기서, MOCVD로 성장시킬 때 제 1 절연막(20)위에는 물질의 성장이 일어나지 않으므로 식각된 부위에만 성장이 일어나게 된다.
이와 같이 도 3d의 공정에서 중요한 점은 다음과 같다.
첫째, 2차 성장되는 각 층의 두께는 1차 성장된 각 층의 두께와 동일하게 성장시킨다는 점이다.
즉, 2차 성장되는 p형 3차 AlGaInP 클래드층(21)과 n형 AlGaInP층(22)의 총 두께는 1차 성장되는 p형 2차 AlGaInP 클래드층(17)의 두께와 동일하고, 2차 성장되는 n형 InGaP층(23)의 두께는 1차 성장되는 p형 InGaP층(18)의 두께와 동일하며, 2차 성장되는 n형 GaAs층(24)의 두께는 1차 성장되는 p형 GaAs층(19)의 두께와 동일하다.
이와 같이 1차 성장되는 웨이퍼의 각 층과 동일한 물질을 동일한 두께로 2차 성장시키는 이유는 2차 성장된 영역에서도 1차 성장된 웨이퍼와 동일한 식각 성질을 가지게 함으로써 후공정인 식각 공정을 용이하게 하는데 있다.
둘째, p형 3차 AlGaInP 클래드층(21)을 Zn로 아주 높게 도핑(doping)한다는 점이다.
바로 이 층이 후공정인 MOCVD성장시 활성영역으로 확산시키고자 하는 Zn의 소스로서의 역할을 하게 된다.
도핑의 농도와 두께는 후공정인 MOCVD성장온도와 시간이 Zn 확산에 영향을 미치므로 각각의 후공정에 맞게 최적화되어야 한다.
셋째, 2차 성장된 n형 AlGaInP층(22), n형 InGaP층(23), n형 GaAs층(24)은 벽개면 근처로 주입되는 전류를 차단하는 전류차단층 역할을 하게 된다는 점이다.
넷째, 2차 성장된 p형 3차 AlGaInP 클래드층(21)의 두께(최대 0.8㎛)는 식각된 부위의 넓이(W), 즉 p형 3차 AlGaInP 클래드층(21)의 폭보다 얇게 성장시킨다는 점이다.
그 이유는 2차 성장된 p형 3차 AlGaInP 클래드층(21)에 의한 전류 퍼짐(current spreading) 현상을 줄이기 위해서다.
그리고, 도 3e에 도시된 바와 같이, 남아 있는 제 1 절연막(20)을 제거한 다음, n형 GaAs층(24) 및 p형 GaAs층(19)상에 제 2 절연막(25)을 형성하고 패터닝하여 제 2 절연막의 양측 영역에 있는 n형 GaAs층(24) 및 p형 GaAs층(19)의 일부분을 노출시킨다.
이어, 도 3f에 도시된 바와 같이, 패터닝된 제 2 절연막(25)을 마스크로 노출된 n형 GaAs층(24)과 p형 GaAs층(19) 및 그들 하부에 있는 n형 InGaP층(23), n형 AlGaInP층(22), p형 3차 AlGaInP 클래드층(21), p형 InGaP층(18), p형 2차 AlGaInP 클래드층(17)을 제거하여 p형 InGaP 식각정지층(16)을 노출시킨다.
그리고, 도 3g에 도시된 바와 같이, MOCVD를 이용하여 노출된 p형 InGaP 식각정지층(16)상에 n형 GaAs층(24)을 3차 성장시킨다.
이때에도 역시 도 3d의 공정과 마찬가지로 제 2 절연막(25)상에는 성장이 일어나지 않고 식각된 부위에만 성장이 일어난다.
여기서, n형 GaAs층(24)은 벽개면 근처로 주입되는 전류를 차단하는 전류차단층 역할을 하게 된다.
이어, 도 3h에 도시된 바와 같이, 남아 있는 제 2 절연막(25)을 제거하고 n형 GaAs층(24)과 p형 GaAs층(19)상에 p형 GaAs 전류도통층(26)을 형성한다.
그리고, p형 GaAs 전류도통층(26)상에 p형 전극(27)을 형성하고 n형 GaAs 기판(11) 하부에는 n형 전극(28)을 형성하여 레이저 다이오드를 제작한다.
이와 같이 제작된 본 발명에 따른 레이저 다이오드 구조상의 특징을 살펴보면, 도 4에 도시된 바와 같이, p형 InGaP 식각정지층(16)상의 소정영역에 p형 2차 AlGaInP 클래드층(17), p형 InGaP층(18), p형 GaAs층(19)이 적층된 리지(ridge)(29)의 앞면과 뒷면에 Zn이 도핑된 p형 3차 AlGaInP 클래드층(21), n형 AlGaInP층(22), n형 InGaP층(23), n형 GaAs층(24)을 형성하여 Zn의 확산을 가능케하고 전류차단층의 역할을 동시에 수행하게 한다.
또한, 리지의 양측면에도 n형 GaAs층(24)을 형성하여 전류차단층 역할을 수행한다.
즉, 본 발명에 따른 레이저 다이오드는 리지 앞/뒷면의 일부분(Zn이 도핑된 p형 3차 AlGaInP 클래드층(21))을 제외한 전측면에 리지를 둘러싸도록 전류차단층이 형성되는 구조를 갖는다.
본 발명에 따른 레이저 다이오드 및 그 제조방법에 있어서는 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 레이저 다이오드의 벽개면 근처에 Zn 확산에 의한 디스오더링(disordering)을 유발시켜 출력되는 빛의 재흡수를 막을 뿐만 아니라 전류도 아울러 차단함으로써 전류의 흐름에 따른 온도 상승을 억제하여 빛의 흡수를 감소시켜 고출력 레이저 다이오드에서 발생하는 벽개면에서의 COD를 방지할 수 잇다.
둘째, 기존의 공정을 최대한 이용하여 Zn 확산에 의한 윈도우 구조를 제작할 수 있으므로 공정이 용이하다.

Claims (14)

  1. 기판위에 형성되는 에피층들 사이에 활성층을 갖는 레이저 다이오드에서,
    상기 에피층위의 소정영역에 형성되는 리지;
    상기 리지 앞/뒷면의 일부분을 제외한 전측면에 상기 리지를 둘러싸도록 형성되는 전류차단층;
    상기 전류차단층 및 리지위에 형성되는 캡층;
    상기 캡층 상부 및 기판 하부에 형성되는 전극을 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 레이저 다이오드.
  2. 기판위에 형성되는 제 1 도전형 클래드층과 제 2 도전형 제 1 클래드층 사이에 활성층을 갖는 레이저 다이오드에서,
    상기 제 2 도전형 제 1 클래드층위에 형성되는 식각정지층;
    상기 식각정지층 상부의 소정영역에 제 2 도전형 제 2 클래드층, 제 2 도전형 InGaP층, 제 2 도전형 GaAs층이 순차적으로 형성되는 리지;
    상기 리지 앞/뒷면의 식각정지층위에 소정 두께로 형성되는 제 2 도전형 제 3 클래드층;
    상기 제 2 도전형 제 3 클래드층위에 형성되는 제 1 전류차단층;
    상기 리지 및 제 1 전류차단층의 양측면에 형성되는 형성되는 제 2 전류차단층;
    상기 제 1, 제 2 전류차단층 및 리지위에 형성되는 캡층;
    상기 캡층 상부 및 기판 하부에 형성되는 전극을 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 레이저 다이오드.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 제 2 도전형 제 3 클래드층은 Zn이 도핑됨을 특징으로 하는 레이저 다이오드.
  4. 제 2 항에 있어서, 상기 클래드층은 AlGaInP임을 특징으로 하는 레이저 다이오드.
  5. 제 2 항에 있어서, 상기 제 2 전류차단층은 제 1 도전형 GaAs임을 특징으로 하는 레이저 다이오드.
  6. 제 2 항에 있어서, 상기 제 1 전류차단층은 제 1 도전형 AlGaInP층, 제 1 도전형 InGaP층, 제 1 도전형 GaAs층이 적층되어 형성됨을 특징으로 하는 레이저 다이오드.
  7. 제 2 항에 있어서, 상기 제 2 도전형 제 3 클래드층의 두께는 상기 리지의 제 2 도전형 제 2 클래드층의 두께보다 얇음을 특징으로 하는 레이저 다이오드.
  8. 기판위에 제 1 도전형 클래드층, 활성층, 제 2 도전형 제 1 클래드층, 식각정지층, 제 2 도전형 제 2 클래드층, 제 2 도전형 InGaP층, 제 2 도전형 GaAs층을 순차적으로 형성하는 제 1 스텝;
    상기 제 2 도전형 GaAs층위에 제 1 절연막을 형성하고 패터닝하여 제 1 절연막의 앞/뒤쪽 영역에 있는 제 2 도전형 GaAs층의 일부분을 노출시키는 제 2 스텝;
    상기 제 1 절연막을 마스크로 노출된 제 2 도전형 GaAs층 및 그 하부에 있는 제 2 도전형 InGaP층, 제 2 도전형 제 2 클래드층을 제거하여 상기 식각정지층을 노출시키는 제 3 스텝;
    상기 노출된 식각정지층위에 제 2 도전형 제 3 클래드층, 제 1 도전형 AlGaInP층, 제 1 도전형 InGaP층, 제 1 도전형 GaAs층을 순차적으로 형성하고 상기 남아 있는 제 1 절연막을 제거하는 제 4 스텝;
    상기 제 1, 제 2 도전형 GaAs층위에 제 2 절연막을 형성하고 패터닝하여 제 2 절연막의 양측 영역에 있는 제 1, 제 2 도전형 GaAs층의 일부분을 노출시키는 제 5 스텝;
    상기 제 2 절연막을 마스크로 노출된 제 1, 제 2 도전형 GaAs층과 그들 하부에 있는 제 1, 제 2 도전형 InGaP층, 제 1 도전형 AlGaInP층, 제 2 도전형 제 2 클래드층, 제 2 도전형 제 3 클래드층을 제거하여 상기 식각정지층을 노출시키는 제 6 스텝;
    상기 노출된 식각정지층위에 제 1 도전형 GaAs층을 형성하고 상기 남아 있는 제 2 절연막을 제거하는 제 7 스텝;
    상기 제 1, 제 2 도전형 GaAs층위에 캡층을 형성하는 제 8 스텝;
    상기 캡층 상부 및 기판 하부에 전극을 형성하는 제 9 스텝으로 이루어짐을 특징으로 하는 레이저 다이오드 제조방법.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 제 1, 제 2 절연막은 SiO2임을 특징으로 하는 레이저 다이오드 제조방법.
  10. 제 8 항에 있어서, 상기 제 2 도전형 제 3 클래드층, 제 1 도전형 AlGaInP층, 제 1 도전형 InGaP층, 제 1 도전형 GaAs층은 MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)법으로 형성됨을 특징으로 하는 레이저 다이오드 제조방법.
  11. 제 8 항에 있어서, 상기 제 2 도전형 제 3 클래드층은 Zn를 도핑함을 특징으로 하는 레이저 다이오드 제조방법.
  12. 제 8 항에 있어서, 상기 클래드층은 AlGaInP로 형성함을 특징으로 하는 레이저 다이오드 제조방법.
  13. 제 8 항에 있어서, 상기 제 4 스텝에서 식각정지층위에 형성되는 제 2 도전형 제 3 클래드층과 제 1 도전형 AlGaInP층의 총 두께는 제 1 스텝의 제 2 도전형 제 2 클래드층의 두께와 동일하고 제 4 스텝의 제 1 도전형 InGaP층, 제 1 도전형 GaAs층의 각 두께는 제 1 스텝의 제 2 도전형 InGaP층과 제 2 도전형 GaAs층의 각 두께와 동일함을 특징으로 하는 레이저 다이오드 제조방법.
  14. 제 8 항에 있어서, 상기 제 4 스텝에서 제 2 도전형 제 3 클래드층의 두께는 그의 폭보다 얇음을 특징으로 하는 레이저 다이오드 제조방법.
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