KR20030072763A - 리지 웨이브 가이드 구조의 반도체 레이저 다이오드 제조방법 - Google Patents
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Abstract
습식 식각시 좁아지는 리지 상부 폭을 확충하고 이를 통해 발진 전류의 주입(current injection)을 용이하게 하여 레이저 다이오드의 구동 전압을 낮출 수 있으며 또한, 종래와 같이 하나의 단위체로 형성되는 리지를 복수개로 분리 형성하여 전체 리지 구조에서의 상부 폭(top width)과 하부 폭(bottom width)을 독립적으로 조절할 수 있다.
이를 위해 본 발명은 기판의 상부에 n-클래드층, 활성층, 제 1 p-클래드층, 식각 저지층, 제 2 p클래드층, 제 1 p캡층을 순차적으로 형성하고, 제 1 p캡층 상부에 형성되는 마스크 패턴을 이용해 상기 제 2 p클래드층과 제 1 p캡층의 일부를 식각하여 제 1 리지를 형성한 다음, 제 1 리지와 마스크 패턴의 양 측면 및 그 양 측면 상부에 전류 방지층을 형성하고 마스크 패턴을 제거한 후 상기 제 1 리지 상부와 전류 방지층 상부에 제 2 리지를 형성하도록 한다.
Description
본 발명은 식각시 좁아지는 리지 상부 폭을 확충하고, 리지 상부 폭과 하부 폭을 독립적으로 조절할 수 있도록 하는 리지 웨이브 가이드 구조의 반도체 레이저 다이오드 제조 방법에 관한 것이다.
상기 리지 웨이브 가이드(ridge waveguide)는 일반적으로 반도체 레이저 다이오드 구조에서 활성층 상부에 형성되고 측면이 일정한 기울기를 가진 반도체 물질을 말한다.
최근 반도체 레이저 다이오드는 그 광의 주파수 폭이 좁고 지향성이 첨예하기 때문에 광통신, 다중통신, 우주통신과 같은 곳에서 실용화되어 가고 있으며, 아울러 고속 레이저 프린팅이나 컴펙트 디스크 플레이어(compact disk player) 및 컴펙트 디스크 재생/기록(compact disk read/write)과 같은 광 저장 장치 등에서 폭 넓게 사용되고 있다.
도 1 은 이러한 기존의 반도체 레이저 다이오드의 단면도로써, 이에 도시된 바와 같이 상기 레이저 다이오드는 GaAs기판(11)의 상부에 n-클래드층(12)과 활성층(13), 제 1 p-클래드층(14), 식각 저지층(15)을 순차적으로 적층하고, 상기 식각 저지층(15)을 일반적인 포토 리소그래피 방법을 사용하여 리지(Ridge)를 만든 후, 상기 리지(16, 17)의 양 측면과 그 상부에 각기 전류방지층(18)과 p-메탈층(19)을 형성한 다음, GaAs기판(11)의 하부에 n-메탈층(도시하지 않음)을 형성하여 제작된다.
한편 이렇게 제작되는 레이저 다이오드에서 웨이브 가이드를 만드는 방법은 크게 건식 식각과 습식 식각이 있는데, 그 중에서 특히 제작 공정이 단순하고 용이한 이점 때문에 습식 식각 방법이 널리 이용되고 있다.
이러한 습식 식각 방법은 제작시 기본적으로 기판으로 사용되는 물질의 결정 방향성 때문에 일정한 기울기를 가지는 측면이 형성된다.
즉, 절연막을 마스크로 사용하여 습식식각을 통해 웨이브 가이드를 형성하게 되면, 해당 에피층에 사용된 물질의 결정 방향성으로 인해 도 1b 에 도시된 바와 같이 각도 a와 각도 b가 상이하고, 리지 상부 폭(ridge top width : W1)이 리지 하부 폭(ridge bottom width : W2)보다 좁은 비대칭적인 모양의 리지 웨이브 가이드가 형성된다.
하지만 이러한 습식 식각을 통해 형성되는 리지 웨이브 가이드에는 몇 가지 문제점이 있다.
첫째는, 구조적인 특징 즉 리지 상부 폭(W1)이 좁아지면 레이저 다이오드 발진시 저항이 커지고 이렇게 커진 저항이 발진 전류의 주입(current injection)을 어렵게 만들어 결과적으로 레이저 다이오드의 구동 전압이 높아지게 된다.
둘째는, 설령 리지 상부 폭(W1)을 임의로 넓게 만들어 발진 전류의 주입을 높인다 하더라도 리지 하부 폭(W2)때문에 그 폭(W1)을 임의로 높일 수 없는 문제점이 있는데 이에 대해 간략히 설명한다.
리지 상부 폭(W1)은 전류 특성 중 레이저 다이오드의 발진 전류와 연관성을 가지며, 리지 하부 폭(W2)은 광 특성 중 특히 수평 방사각(parallel far-field angle)의 특성과 밀접한 연관성을 갖고 있는데 특히 레이저 다이오드의 고출력화를 위해서는 높은 수평 방사각이 요구된다.
그리고 W1과 W2 사이에는 발진 전류와 수평 방사각간의 트래드 오프(trade off)가 발생하게 됨으로 두 가지 특성을 동시에 만족시켜야 한다.
즉, 수평 방사각을 증가시키기 위해서는 W2를 작게 해야 하는데, 이는 W1을 그만큼 더욱 감소시켜야 되고 이 W1이 어느 크기 이하로 줄어들면 발진 전류가 급격히 증가하여 W1을 줄이는데는 한계가 발생한다.
그리고 이와 반대로 발진 전류를 줄이기 위해서는 W1을 크게 해야 하는데 이는 마찬가지로 W2를 증가시키는 결과를 가져와 수평 방사각이 줄어들게 되는 문제점이 발생된다.
이에 본 발명은 상기한 문제점을 해소시키기 위한 것으로, 식각시 좁아지는 리지 상부 폭을 확충하는 것과 아울러, 리지 상부 폭과 하부 폭을 독립적으로 조절할 수 있도록 하는 반도체 레이저 다이오드 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 기판의 상부에 n-클래드층, 활성층, 제 1 p-클래드층, 식각 저지층, 제 2 p클래드층, 제 1 p캡층을 순차적으로 형성하고, 제 1 p캡층 상부에 형성되는 마스크 패턴을 이용해 상기 제 1 p캡층과 제 2 p클래드층의 일부를 식각하여 제 1 리지를 형성한 다음, 제 1 리지와 마스크 패턴의 양 측면 및 그 양 측면 상부에 전류 방지층을 형성하고 마스크 패턴을 제거한 후 상기 제 1 리지 상부와 전류 방지층 상부에 제 2 리지를 형성하도록 한다.
도 1a는 일반적인 반도체 레이저 다이오드를 도시한 단면도이고,
도 1b는 일반적인 리지 웨이브 구조를 도시한 단면도이고,
도 2a 내지 도 2e는 본 발명에 따른 리지 웨이브 구조의 반도체 레이저 다이오드 제조 공정도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
21 : 기판 22 : n-클래드층
23 : 활성층 24 : 제 1 p-클래드층
25 : 식각 저지층 26 : 제 2 p-클래드층
27 : 제 1 p캡층 28 : 절연막
29 : 포토 레지스트 패턴 30 : 제 1 리지
31 : 전류 방지층 32 : 제 2 리지
33 : 제 2 p캡층 34 : p메탈층
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 살펴보면 다음과 같다.
먼저 본 발명의 반도체 레이저 다이오드 제조 방법은 도 2a에 도시된 바와 같이, MOVPE(Metal Organic Vapor Phase Epitaxy)를 이용해 GaAs기판(21)의 상부에 n-클래드층(22)과 활성층(23), 제 1 p-클래드층(24), 식각 저지층(25)을 순차적으로 적층하고, 상기 식각 저지층(25) 상부에는 웨이브 가이드인 제 2 p-클래드층(26)과 제 1 p캡층(27)을 순차적으로 형성한다.
다음 상기 제 1 p캡층(27) 상부에 플라즈마 화학 기상 증착법(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition : PECVD)을 이용해 마스크로 사용할 절연막(28)을 증착한다.
이 때 상기 절연막(28)은 텅스텐(W)이나 탄탈륨(Ta) 또는 백금(Pt)로 이루어진 금속 박막이나 실리콘 산화막(SiO2) 또는 실리콘 질화막(Si3N4)과 같은 유전체 막 중에서 선택된 어느 하나를 사용하며 그 중에서 실리콘 산화막을 사용하는 것이 가장 바람직하다.
이어, 도 2b에 도시된 바와 같이, 포토리소그래피(Photolithography) 공정 및 식각 공정으로 절연막(28)의 일부분만 남도록 제거한다.
그리고 나서 상기 절연막(28)을 마스크로 이용해 식각 용액(etching solution)으로 상기 제 1 p캡층(27)과 제 2 p-클래드층(26)의 일부를 식각하여 식각 저지층(25) 상부에 제 1 리지(ridge)(30)를 형성한다(도 2b).
이 때 식각 용액으로는 암모니아계 식각 용액을 사용하며, 특히 NH4OH를 사용하는 것이 가장 바람직하다.
한편 여기서 제 1 리지(30) 폭과 두께는 레이저 다이오드 제작시 중요한 공정 변수가 되는데 상기와 같이 식각 저지층(25)이 형성되어 있으면, 리지 폭을 정확히 조절할 수 있어 저전류 발진이 가능하고 수평 방사각을 크게 만들수 있으며 또한 그 두께를 성장시에 조절할 수 있어 다양한 발진 파장모드를 갖는 레이저 다이오드를 제작할 수 있다.
식각 저지층(25)에 적용되는 원리는 어떤 종류의 식각액에 식각이 되는 반도체 물질과 식각이 되지 않는 반도체 물질이 존재한다는 선택적 식각 특성을 이용하는 것으로, 예를 들면, 암모니아계의 식각액에 GaAs와 AlGaAs는 식각이 되고 InGaP는 식각이 되지 않는 성질을 이용한다.
즉, 제 1 리지(30)를 형성하기 위해 암모니아계 식각액으로 식각을 하면 식각저지층(25) 표면 위까지만 식각이 되고, 그 이후에는 깊이 방향으로 식각이 되지 않는 반면에 시간이 지날수록 수평 방향으로만 식각이 일어나 리지 폭은 좁아지게 된다.
이러한 특성으로 인해 단지 식각 시간만을 조절하면 원하는 리지 폭과 두께를 정확히 조절하여 성장된 상태를 그대로 유지할 수 있다.
한편 상기 제 1 리지(30)를 구성하는 물질의 결정 방향에 따른 식각 속도의 차이로 인해 상기 제 1 리지(30)는 도 2b에 도시된 바와 같이 일정한 측면 기울기를 가지게 된다.
이는 상기 제 1 리지(30)의 상부 폭(top width)이 하부 폭(bottom width) 보다 좁아지는 결과를 초래하는데 이러한 현상은 제 1 리지(30)의 두께가 두꺼울수록 상부 폭과 하부 폭의 차이가 많이 발생되기 때문에, 본 발명에서는 기존 리지 두께인 1㎛ ~ 1.5㎛와 비교할 때 절반 정도인 약 0.4㎛ ~ 0.75㎛ 두께를 가지도록 형성하는데 0.5㎛가 가장 바람직하며 나머지 절반 정도의 두께는 다음 단계인 제 2 리지 형성 공정에서 이루어지도록 한다.
다음 도 2c에 도시된 바와 같이, 상기 제 1 리지(30)와 포토 레지스트 패턴(29)의 양 측면 및 그 양 측면 상부에 선택 영역 성장법(Selective Area Growth : SAG)을 이용해 전류 방지층(Current Blocking Layer: CBL)(31)을 형성한다.
상기 선택 영역 성장법(SAG)은 선택적으로 원하는 부분에 결정을 성장시키는 방법으로, 절연막의 마스크 패턴이 형성된 부분은 결정이 성장되지 않고, 마스크 패턴이 형성되지 않은 부분만 결정이 성장되는데, 이는 마스크 패턴에서 윈도우 영역으로 기상(gas phase) 상태에서의 확산(diffusion) 효과로 인해 마스크 표면은 흡착율이 낮아 탈착되는 분자의 농도가 높은 반면에 결정성장이 이루어지는 윈도우 영역은 흡착율이 높아 두 영역의 농도차가 다르고 이에 따라 마스크 패턴에서 탈착된 분자들이 윈도우 영역으로 표면 이동되기 때문이다.
한편 이러한 선택 영역 성장법(SAG)을 이용해 형성하는 상기 전류 방지층(CBL)(31)의 두께는 제 1 리지(30)의 두께보다 두껍게 형성하고 후속 공정에서 형성될 제 2 리지의 두께에 따라 형성하며, 최적으로는 제 1 리지(30) 두께의 2배 정도로 형성하는 것이 가장 바람직하다.
다음 포토 레지스트 패턴(29)을 제거하고, 상기 전류 방지층(31)으로 둘러싸인 영역과 상기 전류 방지층(31) 상부에 제 2 리지(32)와 제 2 p캡층(33)을 순차적으로 형성한 후(도 2d), 상기 제 2 p캡층(33)상부에 p메탈층(34)을 형성하고 GaAs기판의 하부에는 n메탈층(도시하지 않음)을 각기 또는 동시에 형성하여(도 2e) 본 발명의 제조 공정을 종료한다.
이상에서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 리지 웨이브 가이드를 가진 반도체 레이저 다이오드의 제조 방법은 식각시 좁아지는 리지 상부 폭을 확충하고 이를 통해 발진 전류의 주입(current injection)을 용이하게 하여 레이저 다이오드의 구동 전압을 낮출 수 있으며 또한, 종래와 같이 하나의 단위체로 형성되는 리지를 복수개로 분리 형성하여 전체 리지 구조에서의 상부 폭(top width)과 하부 폭(bottom width)을 독립적으로 조절할 수 있는 효과가 있다.
본 발명은 기재된 구체적인 예에 대해서만 상세히 설명되었지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.
Claims (5)
- 기판의 상부에 n-클래드층, 활성층, 제 1 p-클래드층, 식각 저지층, 제 2 p클래드층, 제 1 p캡층을 순차적으로 형성하는 제 1 단계와 ;상기 제 1 p캡층 상부에 절연막을 증착하여 마스크 패턴을 형성하고, 형성한 마스크 패턴을 이용해 상기 제 1 p캡층과 제 2 p클래드층의 일부를 식각하여 제 1 리지를 형성하는 제 2 단계와 ;상기 제 1 리지와 마스크 패턴의 양 측면 및 그 양 측면 상부에 전류 방지층을 형성하는 제 3 단계와 ;상기 마스크 패턴을 제거하고 상기 제 1 리지 상부와 전류 방지층 상부에 제 2 리지를 형성하는 제 4 단계와 ;상기 제 2 리지 상부에 제 2 p캡층과 p-메탈층을 순차적으로 형성하고, 상기 기판의 하부에 n-메탈층을 형성하는 제 5 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 리지 웨이브 가이드 구조의 반도체 레이저 다이오드 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 제 1 리지와 제 2 리지는 두께가 동일한 것을 특징으로 하는 리지 웨이브 가이드 구조의 반도체 레이저 다이오드 제조 방법.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 제 1 리지는 ;두께가 0.4㎛ ~ 0.75㎛인 것을 특징으로 하는 리지 웨이브 가이드 구조의 반도체 레이저 다이오드 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 절연막은 ;금속 박막 또는 유전체 막인 것을 특징으로 하는 리지 웨이브 가이드 구조의 반도체 레이저 다이오드 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 제 3 단계는 ;상기 전류 방지층을 암모니아계 식각용액으로 선택 영역 성장법(Selective Area growth)을 이용해 형성하는 것을 특징으로 하는 리지 웨이브 가이드 구조의 반도체 레이저 다이오드 제조 방법.
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| KR1020020011950A KR100883717B1 (ko) | 2002-03-06 | 2002-03-06 | 리지 웨이브 가이드 구조의 반도체 레이저 다이오드 제조방법 |
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|---|---|
| KR (1) | KR100883717B1 (ko) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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| JP2000068591A (ja) * | 1998-08-24 | 2000-03-03 | Mitsubishi Electric Corp | 半導体レーザ装置及びその製造方法 |
-
2002
- 2002-03-06 KR KR1020020011950A patent/KR100883717B1/ko not_active IP Right Cessation
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20220050430A (ko) * | 2020-10-16 | 2022-04-25 | (주)큐에스아이 | 반도체 레이저 다이오드 소자 및 그 제조 방법 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
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| KR100883717B1 (ko) | 2009-02-12 |
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