KR20050073025A - 반도체 레이저 장치 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 반도체 레이저 장치 및 그 제조방법에 관한 것으로, 특히 통전(current pass)영역의 폭을 조절하여 안정된 단일 횡모드를 구현할 수 있는 레이저 장치 및 그 제조방법에 관한 것이다. 본 발명의 일실시예에 따른 반도체 레이저 장치는 서로 대향하는 제1 표면 및 제2 표면을 갖는 반도체 기판과; 상기 반도체 기판의 제1 표면에 형성된 제1 도전형의 클래드와; 상기 제1 도전형의 클래드 위에 형성된 활성층과; 상기 활성층 위에 형성된 식각정지층과; 상기 식각정지층의 일부가 노출되도록 브이-그루브 형상으로 형성된 전류차단층과; 상기 브이-그루브 및 전류차단층 전체 상부에 형성된 제2 도전형의 클래드와; 상기 제2 도전형의 클래드 위에 형성된 광 가이드(optical guiding)층과; 상기 광 가이드(optical guiding)층 위에 형성된 통전용이층과; 상기 통전용이층 위에 형성된 캡층과; 상기 캡층 위에 형성된 제2 도전형의 전극 및 상기 반도체 기판의 제2 표면에 형성된 제1 도전형의 전극을 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.

Description

반도체 레이저 장치 및 그 제조방법{SEMICONDUCTOR LASER DEVICE AND METHOD FOR FABRICATING THE SAME}
본 발명은 반도체 레이저 장치 및 그 제조방법에 관한 것으로, 특히 통전(current pass)영역의 폭을조절하여 안정된 단일 횡모드를 구현할 수 있는 레이저 장치 및 그 제조방법에 관한 것이다.
InP계 화합물 반도체로서 광통신용 반도체 레이저에 InGaAsP 및 AlGaInAs 등의 4원계 물질들이 많이 쓰이고 있는데, 광통신 소자에 대한 점점 높은 온도특성과 고속 변조 특성 요구에 따라 최근에는 AlGaInAs 계 물질들이 크게 각광을 받고 있다. AlGaInAs 계 물질은 기존의 InGaAsP 계 물질에 비해서 전도대의 밴드 오프셋(band offset)이 크므로 온도특성이 우수하고 가전자대의 밴드 오프셋이 작으므로 고속 변조에 유리한 특성을 갖고 있는 장점이 있다. 그러나, 알루미늄(Aluminium)을 함유하고 있어 공기 중에 노출시 자연 산화막이 형성됨으로 인해 재성장이 용이하지 않아서 소자(device) 구현에 어려움이 크다. 따라서 AlGaInAs 계 물질로 소자 제작시 RWG(Ridge Wave Guide), BR(Buried Ridge) 등이 일반적으로 이용되고 있다. RWG(Ridge Wave Guide), BR(Buried Ridge) 등은 리지(ridge)를 형성하여 전류주입(current injection) 및 광 가이드(optical guiding) 기능을 수행하는데 이는 활성영역(active)을 노출시키지 않고 레이저 다이오드를 제작하기 위한 기술로서 지금까지 널리 활용되고 있다.
도 1은 종래 일반적인 RWG형 레이저 장치(10)의 구조를 개략적으로 나타낸 단면도이다. 도 1에서, RWG형 레이저 장치(10)의 경우 리지(ridge, 15)가 돌출된 형태로서, 상기 리지(15)는 금속 콘택(metal contact)을 고려해 주로 역사다리꼴 형태로 제작된다. 도면부호 11은 기판, 12는 활성층, 13은 스페이스층, 14는 식각정지층, 15는 클래드를 각각 나타낸다.
그러나, 상기 종래 RWG형 레이저 장치(10)는 리지(16)가 돌출되어 있어 물리적인 충격에 취약하여 공정 중 파손의 우려가 클 뿐만 아니라 수 마이크로미터 크기의 메사 위에 오믹(ohmic) 콘택층을 형성하는 것이 매우 어렵다. 또한 칩(chip) 저항증가의 원인이 되기도 한다.
또한, 활성층 근처에서 전류가 퍼지는 것(current spreading)을 줄이기 위해서는 스페이스층(space layer)(13)의 두께를 얇게 해야 하는데 이는 트렌치(16) 부분의 광 가이드(optical guiding)가 매우 강해져서 모드(mode) 특성이 나빠지고, 킹크(kink)가 발생하는 문제점이 있다.
결국, 상기 종래 RWG형 레이저 장치로는 메사의 폭을 줄이는데 한계가 있을 뿐만 아니라 스페이스층의 두께를 줄이는 데도 한계가 있어 고품질의 광통신 소자 구현에 문제점이 있다.
도 2는 종래 일반적인 BR형 레이저 장치(20)의 구조를 개략적으로 나타낸 단면도로, 도면부호 21은 기판, 22는 활성층, 23은 스페이스층, 14는 식각정지층, 25는 전류차단층(current blocking layer; CBL), 26은 리지, 27은 클래드를 각각 나타낸다.
상기 BR형 레이저 장치(20)의 경우 전류차단층(25)의 재성장으로 인해 상기 리지(26)를 역사다리꼴 형태로 제작하기가 어렵다. 따라서, 활성층(22) 바로위에서 리지(ridge)가 넓어지므로 전류가 한쪽으로 모이지 않고 퍼지게(spreading) 되고, 모드 특성이 불안해지는 현상을 피할 수 없다.
따라서, 본 발명의 목적은 레이저 장치의 통전(current pass)영역의 폭을 최대한 좁게 하여 안정된 단일 횡모드를 구현하고 물리적인 충격에도 비교적 안정된 반도체 레이저 장치 및 그 제조방법을 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 레이저 장치는 서로 대향하는 제1 표면 및 제2 표면을 갖는 반도체 기판과 상기 반도체 기판의 제1 표면에 형성된 제1 도전형의 클래드와 상기 제1 도전형의 클래드 위에 형성된 활성층과 상기 활성층 위에 형성된 식각정지층과 상기 식각정지층의 일부가 노출되도록 브이-그루브 형상으로 형성된 전류차단층과 상기 브이-그루브 및 전류차단층 전체 상부에 형성된 제2 도전형의 클래드와 상기 제2 도전형의 클래드 위에 형성된 광 가이드(optical guiding)층과 통전용이층 상기 통전용이층 위에 형성된 캡층과 상기 캡층 위에 형성된 제2 도전형의 전극 및 상기 반도체 기판의 제2 표면에 형성된 제1 도전형의 전극을 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 활성층의 위 또는 아래의 어느 일측에 형성된 격자(grating)를 더 포함하며, 상기 활성층은 적어도 두 종류의 반도체 층을 적층한 구조를 가지며, AlGaInAs계 물질을 포함한다. 또한, 상기 광 가이드(optical guiding)층은 p-InGaAsP, 통전용이층은 p-InP, 캡층은 p-InGaAs로 이루어짐이 바람직하다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 레이저 장치는 서로 대향하는 제1 표면 및 제2 표면을 갖는 반도체 기판과 상기 반도체 기판의 제1 표면에 형성된 제1 도전형의 클래드와 상기 제1 도전형의 클래드 위에 형성된 활성층과 상기 활성층 위에 형성된 식각정지층과 상기 식각정지층의 일부가 노출되도록 브이-그루브 형상으로 형성된 전류차단층과 상기 브이-그루브 및 전류차단층 전체 상부에 형성된 제2 도전형의 클래드와 상기 제2 도전형의 클래드 위에 형성된 광 가이드(optical guiding)층과 상기 광 가이드(optical guiding)층 위에 형성된 통전용이층과 상기 통전용이층 위에 형성된 캡층과 상기 캡층 위에 형성된 제2 도전형의 전극과 상기 반도체 기판의 제2 표면에 형성된 제1 도전형의 전극 및 상기 캡층부터 상기 제1 도전형의 클래드까지의 식각에 의해 상기 브이-그루브의 양쪽에 각각 형성된 제1 트렌치 및 제2 트렌치를 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.
또한, 상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 레이저 장치의 제조방법은 서로 대향하는 제1 표면 및 제2 표면을 갖는 반도체 기판의 제1 표면에 제1 도전형의 클래드를 형성하는 과정과; 상기 제1 도전형의 클래드 위에 활성층을 형성하는 과정과; 상기 활성층 위에 식각정지층을 형성하는 과정과; 상기 식각정지층의 일부가 노출되도록 브이-그루브 형상으로 전류차단층을 형성하는 과정과; 상기 브이-그루브 및 전류차단층 전체 상부에 제2 도전형의 클래드를 형성하는 과정과; 상기 제2 도전형의 클래드 위에 광 가이드(optical guiding)층을 형성하는 과정과; 통전용이층을 형성하는 과정과; 상기 통전용이층 위에 캡층을 형성하는 과정과; 상기 캡층 위에 제2 도전형의 전극을 형성하는 과정 및 상기 반도체 기판의 제2 표면에 제1 도전형의 전극을 형성하는 과정을 포함하여 이루어짐을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 활성층은 적어도 두 종류의 반도체 층을 적층한 구조를 가지며, AlGaInAs계 물질을 포함하며, 상기 제2 도전형의 클래드는 유기금속화학기상증착법(metal organic chemical vapor deposition)에 의해 재성장 됨을 특징으로 한다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 도면에서 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 참조번호 및 부호로 나타내고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 레이저 장치의 사시도이다.
본 실시예의 반도체 레이저 장치의 요부구조에 대해 우선 설명하면, 상기 반도체 레이저 장치(100)는 n-InP 기판(101) 위에 n-InP 클래드(102), AlGaInAs MQW활성층(103), 격자(104), p-InP 스페이스층(space layer)(105) 식각정지층(etch stop layer)(106)이 순차적으로 적층되고, 상기 식각정지층 위에 전류차단층(Current Blocking Layer, CBL)(107)이 브이-그루브(v-groove) 형상을 갖도록 형성된다. 그리고, 상기 전류차단층(107) 및 브이-그루브 영역(120)의 상기 식각정지층(106) 위에 p-InP 클래드(108), p-InGaAsP 광 가이드(optical guiding)층(109), p-InP 통전 용이층(110), p-InGaAs 캡층(111), p-전극(112)이 형성되며, 상기 n-InP 기판(101)의 이면에는 n-전극(113)이 형성된 구조를 갖는다.
상기 구조에서 브이-그루브의 아래쪽 폭(V)이 통전 채널(current pass channel)이 되며, 브이-그루브 형성을 위한 식각시 브이-그루브의 폭(V)을 조절할 수 있다. 따라서, 통전 채널의 폭을 좁게 하여 전류를 한 쪽으로 모을 수 있다.
한편, 본 실시 예에서 상기 격자(104)는 활성층(103) 위에 형성된 구조를 가지나, 필요에 따라 상기 격자(104)는 활성층(103) 아래에 형성될 수도 있다.
도 4a 내지 도 4e는 본 발명의 일 실시 예에 따른 반도체 레이저 장치의 제조과정을 나타낸 도면이다.
먼저, 도 4a에서, n-InP 기판(101) 위에 n-InP 클래드(102), AlGaInAs MQW활성층(103) 및 격자(grating, 104)를 형성한다.
도 4b에서, 상기 격자(104) 위에 재성장을 통해 스페이스층(space layer)(105), 식각정지층(106), 전류차단층(107)을 차례로 형성한다.
도 4c에서, 상기 전류차단층(107)을 식각하여 브이-그루브(v-groove)(120)를 형성한다. 이때, 상기 전류차단층(107)을 식각정지층(106)까지 식각하여 브이-그루브 바닥면에서 상기 식각정지층(106)이 노출되도록 한다. 여기서, 브이-그루브의 아래쪽 폭(V)이 통전 채널(current pass channel)이 된다.
도 4d에서, 상기 브이-그루브가 형성된 구조 전체 상부에 p-InP 클래드(108), p-InGaAsP 광 가이드(optical guiding)층 (109), p-InP 통전 용이층(110), p-InGaAs 캡층(111)을 유기금속화학기상증착법(metal organic chemical vapor deposition MOCVD)으로 성장시켜 적층한다. 여기서, 결정 성장시 기판(wafer)의 고속 회전으로 인하여 성장 물질의 표면이동(surface migration) 효과가 발생하는데 이로 인하여 브이-그루브 부분이 먼저 채워지게 되며, 채워지는 정도는 성장 속도, 성장 온도 등 다양한 요소(factor)가 변수로 작용하므로 적절히 조절할 수 있다. 또한, 상기 p-InGaAsP 광 가이드(optical guiding)층(109) 은 주변의 p-InP 층보다 굴절률이 크므로 두께에 따라 빔의 수직 방향으로의 발산(vertical beam divergence)을 조절하는 기능을 한다. 따라서 브이-그루브 부분에 성장시, 이 부분에서 optical field 가 주변 부분에 비해서 커지므로 빔의 발산(beam divergence)을 선택적으로 줄일 수 있는 장점이 있다.
도 4e에서, 상기 p-InGaAs 캡층(111) 위에 p-전극(112)을 형성하고, 상기 n-InP 기판(101)의 이면에 n-전극(113)을 형성한다.
한편, 도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 반도체 레이저 장치의 제조과정 중 일부 과정을 나타낸 단면도로써, 도 4d 단계 후 상기 캡층(111)부터 n-InP 클래드(102)까지 식각하여 상기 브이-그루브 양쪽에 트렌치(130)를 형성한 상태를 나타낸다. 상기 트렌치 형성은 기생 커패시턴스(parasitic capacitance)를 줄여 변조특성을 향상시키기 위한 공정으로 주로 고속 동작 소자에 적용된다.
한편 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 아니 되며 후술하는 특허청구의 범위뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
상술한 바와 같이 본 발명은 통전(current pass) 영역이 브이-그루브 형상으로 형성됨으로써 통전 채널의 폭을 최대한 좁게 하여 단일 횡 모드를 구현할 수 있다. 그리고 브이-그루브 부분에서 광 가이드(optical guiding)층의 두께가 주변 영역에 비해 두껍게 형성되므로 수직방향의 빔(beam)을 선택적으로 조절할 수 장점이 있다.
또한, 물리적인 충격에도 비교적 강하여 칩을 다루기(handling)가 용이하다.
도 1은 종래 일반적인 RWG형 레이저 장치의 구조를 개략적으로 나타낸 단면도,
도 2는 종래 일반적인 BR형 레이저 장치의 구조를 개략적으로 나타낸 단면도,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 레이저 장치의 사시도,
도 4a 내지 도 4e는 본 발명의일 실시예에 따른 반도체 레이저 장치의 제조과정을 나타낸 도면,
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 반도체 레이저 장치의 제조과정 중 일부 과정을 나타낸 단면도.

Claims (12)

  1. 서로 대향하는 제1 표면 및 제2 표면을 갖는 반도체 기판과;
    상기 반도체 기판의 제1 표면에 형성된 제1 도전형의 클래드와 ;
    상기 제1 도전형의 클래드 위에 형성된 활성층과;
    상기 활성층 위에 형성된 식각정지층과;
    상기 식각정지층의 일부가 노출되도록 브이-그루브 형상으로 형성된 전류차단층과;
    상기 브이-그루브 및 전류차단층 전체 상부에 형성된 제2 도전형의 클래드와;
    상기 제2 도전형의 클래드 위에 형성된 광 가이드(optical guiding)층과;
    상기 광 가이드층 위에 형성된 통전 용이층과;
    상기 통전용이층 위에 형성된 캡층과;
    상기 캡층 위에 형성된 제2 도전형의 전극; 및
    상기 반도체 기판의 제2 표면에 형성된 제1 도전형의 전극을 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 반도체 레이저 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 활성층의 위 또는 아래의 어느 일측에 형성된 격자(grating)를 더 포함함을 특징으로 하는 반도체 레이저 장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 활성층은
    적어도 두 종류의 반도체 층을 적층한 구조를 가지며, AlGaInAs계 물질을 포함함을 특징으로 하는 반도체 레이저 장치.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 광 가이드층은
    p-InGaAsP 로 이루어짐을 특징으로 하는 반도체 레이저 장치.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 제1 도전형은 n형이며, 제2 도전형은 p형임을 특징으로 하는 반도체 레이저 장치.
  6. 서로 대향하는 제1 표면 및 제2 표면을 갖는 반도체 기판과;
    상기 반도체 기판의 제1 표면에 형성된 제1 도전형의 클래드와;
    상기 제1 도전형의 클래드 위에 형성된 활성층과;
    상기 활성층 위에 형성된 식각정지층과;
    상기 식각정지층의 일부가 노출되도록 브이-그루브 형상으로 형성된 전류차단층과;
    상기 브이-그루브 및 전류차단층 전체 상부에 형성된 제2 도전형의 클래드와;
    상기 제2 도전형의 클래드 위에 형성된 광 가이드층과;
    상기 광 가이드층 위에 형성된 통전 용이층과;
    상기 통전용이층 위에 형성된 캡층과;
    상기 캡층 위에 형성된 제2 도전형의 전극과 ;
    상기 반도체 기판의 제2 표면에 형성된 제1 도전형의 전극; 및
    상기 캡층부터 상기 제1 도전형의 클래드까지의 식각에 의해 상기 브이-그루브의 양쪽에 각각 형성된 제1 트렌치 및 제2 트렌치를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 반도체 레이저 장치.
  7. 서로 대향하는 제1 표면 및 제2 표면을 갖는 반도체 기판의 상기 제1 표면에 제1 도전형의 클래드를 형성하는 과정과;
    상기 제1 도전형의 클래드 위에 활성층을 형성하는 과정과;
    상기 활성층 위에 식각정지층을 형성하는 과정과;
    상기 식각정지층의 일부가 노출되도록 브이-그루브 형상으로 전류차단층을 형성하는 과정과;
    상기 브이-그루브 및 전류차단층 전체 상부에 제2 도전형의 클래드를 형성하는 과정과;
    상기 제2 도전형의 클래드 위에 광 가이드층을 형성하는 과정과;
    상기 광 가이드층 위에 통전 용이층을 형성하는 과정과;
    상기 통전용이층 위에 캡층을 형성하는 과정과;
    상기 캡층 위에 제2 도전형의 전극을 형성하는 과정; 및
    상기 반도체 기판의 제2 표면에 제1 도전형의 전극을 형성하는 과정을 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 반도체 레이저 장치의 제조방법.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 활성층의 위 또는 아래의 어느 일측에 격자(grating)를 형성하는 과정을 더 포함함을 특징으로 하는 반도체 레이저 장치의 제조방법.
  9. 제 7 항 또는 제 8 항에 있어서, 상기 캡층 형성 후 상기 캡층부터 상기 반도체 기판까지 식각하여 상기 브이-그루브 양쪽에 트렌치를 형성하는 과정을 더 포함함을 특징으로 하는 반도체 레이저 장치의 제조방법.
  10. 제 7 항 또는 제 8 항에 있어서, 상기 활성층은
    적어도 두 종류의 반도체 층을 적층한 구조를 가지며, AlGaInAs계 물질을 포함함을 특징으로 하는 반도체 레이저 장치의 제조방법.
  11. 제 7 항 또는 제 8 항에 있어서, 상기 제2 도전형의 클래드는
    유기금속화학기상증착법(metal organic chemical vapor deposition)에 의해 재성장 됨을 특징으로 하는 반도체 레이저 장치의 제조방법.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 제2 도전형의 클래드는
    p-InP 로 이루어짐을 특징으로 하는 반도체 레이저 장치의 제조방법.
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