KR20010068633A - 질화물 반도체 레이저 다이오드 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

질화물 반도체 레이저 다이오드 및 그 제조방법에 관한 것으로, 사파이어 기판 위에 n형 GaN 층, DBR(Distributed Bragg Reflector) 미러층, 활성층, p형 GaN 도파층, p형 AlGaN 클래드층, 그리고 p형 GaN 오믹(ohmic) 접촉층을 순차적으로 형성한 후, p형 GaN 오믹 접촉층 및 그 하부의 p형 AlGaN 클래드층 일부를 식각하여 리지(ridge) 패턴을 형성하고, 리지 패턴을 포함하도록 p형 AlGaN 클래드층 및 그 하부의 p형 GaN 도파층, 활성층, DBR 미러층, n형 GaN 층의 일부분을 식각하여 메사(mesa) 패턴을 형성하며, 리지의 p형 GaN 오믹 접촉층 표면 일부 및 레이징(lasing)된 빛이 방출되는 면을 제외한 메사 패턴 전면에 HRC(High Reflection Coating)층을 형성한 다음, 노출된 p형 GaN 오믹 접촉층 및 n형 GaN 층 위에 각각 p형 전극과 n형 전극을 형성한다. 이와 같이 제작되는 본 발명은 활성층에서 발생된 빛이 외부로 유실되지 않고, 거울면에 의한 광증폭에 참여할 수 있도록 해주어 소자의 효율을 높여준다.

Description

질화물 반도체 레이저 다이오드 및 그 제조방법{nitride semiconductor laser diode and method for fabricating the same}
본 발명은 질화물 반도체 레이저 다이오드 및 그 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 질화물 반도체 레이저 다이오드는 활성층에서 발생되는 빛 중 많은 부분이 외부로 유출되어 레이저 동작 측면에서 효율이 높지 못한 문제점을 가지고 있다.
즉, 자연 방출(spontaneous emission)의 많은 부분이 자극 방출(stimulated emission)로 전환되지 못하고, 소자 외부로 유실되어 버린다.
빛이 외부로 유실되는 것을 차단하여 자극(stimulation)을 높여주면, 소자의 효율을 높여줄 수 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 리지(ridge) 구조의 질화물 반도체 레이저 다이오드를 보여주는 구조단면도이다.
종래의 구조는 도 1에 도시된 바와 같이 전체적으로 p-n 다이오드 형태를 띄며, 빛을 발하는 InGaN/GaN 활성층(다중 우물 구조나 이중 이종 접합 구조를 많이 사용)을 중심에 두고 GaN 도파(waveguide)층과 AlGaN 클래드(clad)층으로 둘러싸여 있다.
이는 전기적으로 전자와 정공이 활성층에서 가급적 벗어나지 않게 해주며, 발생한 빛을 가이딩(guiding)해 준다.
p형 클래드층 위에는 금속과의 접촉 저항이 지나치게 높지 않도록 하기 위한 p-GaN 접촉층이 있으며, n형 클래드층 아래에는 모재가 되는 n-GaN층이 사파이어 기판 위에 형성되어 있다.
여기서, SiO2는 패시베이션(passivation)층으로서, p-AlGaN의 오믹(ohmic) 특성이 좋을 경우, p-금속과의 누설전류가 발생하는 것을 막기 위해 삽입한다.
이와 같은 구조의 레이저 다이오드는 리지(ridge)쪽에서 전류가 유입되어 활성층에서 전자와 정공이 결합하면서 빛이 발생하는데, 발생된 빛 중 앞면과 뒷면에 형성되어 있는 거울면을 통한 광 증폭에 참여하지 못하고 사방으로 퍼져버리는 빛이 많다.
그러므로, 이러한 빛의 유실을 줄이면, 소자의 효율을 높일 수 있을 것으로기대된다.
본 발명의 목적은 활성층에서 발생되는 빛 중 외부로 유실되는 빛을 줄여 소자의 발광 효율을 높일 수 있는 질화물 반도체 레이저 다이오드 및 그 제조방법을 제공하는데 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 리지(ridge) 구조의 질화물 반도체 레이저 다이오드를 보여주는 구조단면도
도 2는 본 발명에 따른 질화물 반도체 레이저 다이오드를 보여주는 구조단면도
도 3a 내지 도 3d는 본 발명에 따른 질화물 반도체 레이저 다이오드 제조공정을 보여주는 공정단면도
본 발명에 따른 질화물 반도체 레이저 다이오드는 기판과, 기판 위에 형성되고 제 1 도전형 층, DBR(Distributed Bragg Reflector) 미러층, 활성층, 제 2 도전형 도파층이 순차적으로 적층된 메사(mesa)와, 메사 위에 형성되고 제 2 도전형 클래드층 및 제 2 도전형 오믹(ohmic) 접촉층이 순차적으로 적층된 리지(ridge)와, 리지의 제 2 도전형 오믹 접촉층 표면 일부 및 빛이 방출되는 면을 제외한 메사 전면에 형성되는 HRC(High Reflection Coating)층과, 제 2 도전형 오믹 접촉층 및 제 1 도전형 층 위에 각각 형성되는 전극들로 구성된다.
여기서, 기판은 사파이어 기판이고, 제 1 도전형 층은 n형 GaN, 제 2 도전형 도파층은 p형 GaN, 제 2 도전형 클래드층은 p형 AlGaN, 제 2 도전형 오믹(ohmic) 접촉층은 p형 GaN으로 하며, DBR(Distributed Bragg Reflector) 미러층은 n형 AlGaN/n형 GaN의 다중층(multilayer)이고, HRC(High Reflection Coating)층은 SiO2/TiO2의 다중층으로 한다.
또한, 메사의 폭은 리지의 폭보다 1∼50㎛ 더 큰 값을 가지며, 메사의 측면은 수직하게 형성되어 있다.
본 발명에 따른 질화물 반도체 레이저 다이오드 제조방법은 기판 위에 제 1 도전형 층, DBR(Distributed Bragg Reflector) 미러층, 활성층, 제 2 도전형 도파층, 제 2 도전형 클래드층, 제 2 도전형 오믹(ohmic) 접촉층을 순차적으로 형성하는 제 1 단계와, 제 2 도전형 오믹 접촉층 및 그 하부의 제 2 도전형 클래드층 일부를 식각하여 리지(ridge) 패턴을 형성하고 리지 패턴을 포함하도록 제 2 도전형 클래드층 및 그 하부의 제 2 도전형 도파층, 활성층, DBR 미러층, 제 1 도전형 층 일부분을 식각하여 메사(mesa) 패턴을 형성하는 제 2 단계와, 제 2 도전형 오믹 접촉층의 표면 일부 및 빛이 방출되는 면을 제외한 메사 패턴 전면에 HRC(High Reflection Coating)층을 형성하는 제 3 단계와, 제 2 도전형 오믹 접촉층 및 제 1 도전형 층 위에 각각 전극을 형성하는 제 4 단계로 이루어진다.
이와 같이 제작되는 본 발명은 활성층에서 발생된 빛이 외부로 유실되지 않고, 거울면에 의한 광증폭에 참여할 수 있도록 해주어 소자의 효율을 높여준다.
본 발명의 다른 목적, 특징 및 잇점들은 첨부한 도면을 참조한 실시예들의 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.
상기와 같은 특징을 갖는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
본 발명은 질화물 반도체 레이저 다이오드를 DVD(Digital Versatile Disc) 시스템의 광원으로 사용시, 보다 높은 효율을 나타낼 수 있도록 해주는 구조로서, 외부로 유실되는 빛을 줄여 같은 전류 공급 상태에서 높은 광 파워를 나타낼 수 있도록 해준다.
도 2는 본 발명에 따른 질화물 반도체 레이저 다이오드를 보여주는 구조단면도로서, 도 2에 도시된 바와 같이 사파이어 기판 위에는 메사(mesa) 구조로 n형 GaN 도파층, DBR(Distributed Bragg Reflector) 미러층, 활성층 및 p형 GaN 클래드층이 순차적으로 적층되어 있고, 이 메사(mesa)구조 위에는 리지(ridge) 구조로 p형 AlGaN 클래드층과 p형 GaN 오믹(ohmic) 접촉층이 순차적으로 적층되어 있다.
이 때, 메사 구조의 측면은 거의 수직하게 형성된다.
그 이유에 대해서는 후술하기로 한다.
그리고, 리지 구조의 p형 GaN 오믹 접촉층 표면 일부 및 빛이 방출되는 면을 제외한 메사 전면에 HRC(High Reflection Coating)층이 형성되고, p형 GaN 오믹 접촉층 및 n형 GaN 층 위에 각각 p형 전극과 n형 전극이 형성되어 있다.
본 발명은 도 1과 같은 종래의 구조와는 달리 n형 AlGaN/n형 GaN의 다중층(multilayer)으로 구성된 DBR(Distributed Bragg Reflector) 미러를 가지며, 본 발명의 메사(mesa) 폭 Wm은 리지(ridge) 폭에 비해 그다지 넓지 않다.
또한, 본 발명은 패시베이션(passivation) 층으로 종래와 같은 SiO2대신에 SiO2/TiO2의 다중층으로 구성된 HRC(High Reflection Coating)층을 사용한다.
본 발명의 활성층에서 정공과 전자의 결합으로 형성된 빛은 좌우로는 HRC에 의해 제한(confinement)이 이루어지며, 아래로는 DBR 미러에 의해 제한이 이루어진다.
이를 통해 종래 구조의 레이저 다이오드에 비해 좁은 영역에 빛이 제한되어외부로 유실되는 빛이 크게 줄어든다.
이는 광증폭 효율의 증대로 이어지며 전체적인 소자의 성능 개선에 직결된다.
그리고, 메사 폭 Wm은 리지 폭에 비해 약 1∼50㎛ 더 큰 값을 갖는다.
예를 들어, 리지 폭이 약 5㎛일 경우, 메사 폭 Wm은 약 6∼55㎛의 범위에서 형성될 수 있다.
만일 메사 폭이 리지 폭에 비해 지나치게 넓게 되면, 빛이 메사 좌우에 있는 반사면에 이르기 전에 소자 내부에서의 흡수가 일어나서 반사면이 제대로 역할을 감당할 수 없다.
반사막 역할을 하는 HRC는 종래 구조에서 SiO2가 담당하던 패시베이션층으로서의 역할도 겸할 수 있도록 되어 있어 HRC 증착 후 별도의 패시베이션 공정이 필요없다.
이러한 구조의 도입은 유실되는 빛의 양을 극소화함으로써, 거울면을 통해 이루어지는 광 증폭에 기여하는 빛의 양을 늘려 소자의 효율을 크게 향상시킨다.
도 3a 내지 도 3d는 본 발명에 따른 질화물 반도체 레이저 다이오드 제조공정을 보여주는 공정단면도로서, 먼저 도 3a에 도시된 바와 같이 사파이어 기판 위에 n형 GaN 층, DBR(Distributed Bragg Reflector) 미러층, 활성층, p형 GaN 도파층, p형 AlGaN 클래드층, 그리고 p형 GaN 오믹(ohmic) 접촉층을 순차적으로 형성한다.
이어, 도 3b에 도시된 바와 같이 포토리소그래피(photolithography)법과 건식 식각을 이용하여 p형 GaN 오믹 접촉층 및 그 하부의 p형 AlGaN 클래드층 일부를 식각하여 리지(ridge) 패턴을 형성하고, 리지 패턴을 포함하도록 p형 AlGaN 클래드층 및 그 하부의 p형 GaN 도파층, 활성층, DBR 미러층, n형 GaN 층 일부분을 식각하여 메사(mesa) 패턴을 형성한다.
이 때, 메사의 좌우측에 증착될 반사막이 충분한 반사 효과를 가질 수 있도록 수직하게 식각되도록 한다.
그 이유는 반사막 자체의 반사율이 높아도 활성층과 수직이 되도록 반사면이 형성되지 않으면 반사 효과가 떨어지기 때문이다.
그리고, 리지의 p형 GaN 오믹 접촉층 표면 일부 및 레이징(lasing)된 빛이 방출되는 면을 제외한 메사 패턴 전면에 HRC(High Reflection Coating)층을 형성한다.
이 때, 메사의 좌측 바닥쪽에는 나중에 p형 전극이 증착될 것이므로 충분한 면적의 HRC를 확보하는 것이 필요하다.
그러므로, HRC를 메사 패턴 측면 외에 n형 GaN 층의 표면까지 형성한다.
마지막으로, 노출된 p형 GaN 오믹 접촉층 및 n형 GaN 층 위에 각각 p형 전극과 n형 전극을 형성한다.
본 발명에 따른 질화물 반도체 레이저 다이오드 및 그 제조방법에 있어서는 다음과 같은 효과가 있다.
본 발명은 활성층에서 발생된 빛이 외부로 유실되지 않고, 거울면에 의한 광증폭에 참여하는 빛을 늘려주어 같은 전류를 주입하였을 때, 상대적으로 높은 광 파워를 얻을 수 있다.
이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다.
따라서, 본 발명의 기술적 범위는 실시예에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의하여 정해져야 한다.

Claims (9)

  1. 기판;
    상기 기판 위에 형성되고, 제 1 도전형 층, DBR(Distributed Bragg Reflector) 미러층, 활성층, 제 2 도전형 도파층이 순차적으로 적층된 메사(mesa);
    상기 메사 위에 형성되고, 제 2 도전형 클래드층 및 제 2 도전형 오믹(ohmic) 접촉층이 순차적으로 적층된 리지(ridge);
    상기 리지의 제 2 도전형 오믹 접촉층 표면 일부 및 빛이 방출되는 면을 제외한 상기 메사 전면에 형성되는 HRC(High Reflection Coating)층; 그리고,
    상기 제 2 도전형 오믹 접촉층 및 제 1 도전형 층 위에 각각 형성되는 전극들로 구성되는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 레이저 다이오드.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 기판은 사파이어 기판이고, 상기 제 1 도전형 층은 n형 GaN, 제 2 도전형 도파층은 p형 GaN, 제 2 도전형 클래드층은 p형 AlGaN, 제 2 도전형 오믹(ohmic) 접촉층은 p형 GaN인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 레이저 다이오드.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 DBR(Distributed Bragg Reflector) 미러층은 n형 AlGaN/n형 GaN의 다중층(multilayer)이고, HRC(High Reflection Coating)층은 SiO2/TiO2의 다중층인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 레이저 다이오드.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 메사의 폭은 상기 리지의 폭보다 1∼50㎛ 더 큰 값을 갖는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 레이저 다이오드.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 메사의 측면은 수직한 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 레이저 다이오드.
  6. 기판 위에 제 1 도전형 층, DBR(Distributed Bragg Reflector) 미러층, 활성층, 제 2 도전형 도파층, 제 2 도전형 클래드층, 제 2 도전형 오믹(ohmic) 접촉층을 순차적으로 형성하는 제 1 단계;
    상기 제 2 도전형 오믹 접촉층 및 그 하부의 제 2 도전형 클래드층 일부를 식각하여 리지(ridge) 패턴을 형성하고, 상기 리지 패턴을 포함하도록 상기 제 2 도전형 클래드층 및 그 하부의 제 2 도전형 도파층, 활성층, DBR 미러층, 제 1 도전형 층 일부분을 식각하여 메사(mesa) 패턴을 형성하는 제 2 단계;
    상기 제 2 도전형 오믹 접촉층의 표면 일부 및 빛이 방출되는 면을 제외한 상기 메사 패턴 전면에 HRC(High Reflection Coating)층을 형성하는 제 3 단계; 그리고,
    상기 제 2 도전형 오믹 접촉층 및 제 1 도전형 층 위에 각각 전극을 형성하는 제 4 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 레이저 다이오드 제조방법.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 제 2 단계는 포토리소그래피 공정과 건식 식각 공정을 이용하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 레이저 다이오드 제조방법.
  8. 제 6 항에 있어서, 상기 제 2 단계에서, 메사 패턴 형성시, 메사 패턴의 측면이 수직하도록 식각하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 레이저 다이오드 제조방법.
  9. 제 6 항에 있어서, 상기 HRC(High Reflection Coating)층은 메사 패턴 측면 외에 제 1 도전형 층의 표면까지 형성하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 레이저 다이오드 제조방법.
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