KR20060034456A - 반도체 레이저 다이오드 및 그 제조방법 - Google Patents

반도체 레이저 다이오드 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

리지가 없는 레이저 다이오드 및 그 제조방법을 개시한다.
레이저 다이오드는 활성층과 그 상하의 클래드층을 구비하며,
상부 클래드 층 위에는 반도체물질에 의한 전류차단층이 형성되고 전류차당층에는 도핑에 의한 전류통과영역이 마련되고, 전류통과영역은 상부 클래드층에 까지 확장되어 있다. 구조적으로 리지가 없으므로 제작이 용이하고 리지 형성에 따른 비용부담을 제거할 수 있다.
레이저, 다이오드, 전류차단, 릿지

Description

반도체 레이저 다이오드 및 그 제조방법{Laser diode and fablication method thereof}
도 1은 종래 반도체 레이저 소자의 개략적 단면도이다.
도 2는 종래 반도체 레이저 소자를 제조하는 과정 중 단위 레이저 소자가 분리되지 않은 상태의 기판을 보이는 개략적 평면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 레이저 다이오드의 개략적 단면도이다.
도 4a 내지 도 7은 본 발명에 따른 레이저 다이오드의 제조공정을 설명하는 도면이다.
본 발명은 레이저 다이오드 및 그 제조방법에 관한 것으로서 구조가 간단하고 제작이 용이한 레이저 다이오드 및 그 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 리지 웨이브 가이드 레이저 다이오드는 결정층의 정상부에 전류의 주입이 국부적으로 제한되는 리지구조를 가진다. 리지 구조는 일반적으로 상부 클래드층에 형성되며, 리지의 양측에는 전류의 차단하는 패시베이션층 또는 전류차단층이 형성되어 있다.
종래 질화물 반도체 레이저소자의 한 례를 살펴본다.
도 1을 참조하면, 사파이어 기판(10) 상에 제 1 및 제 2 영역(R1, R2)으로 구분되는 n-GaN 하부 콘택트층(12)이 적층되어 있다. 하부 콘택트층(12) 위에 다중층의 반도체물질층이 메사 구조체(mesa structure)로서 존재한다. 즉, 제1영역(R1) 상에서, n-GaN 하부 콘택트층(12)의 상면에 n-GaN/AlGaN 하부 클래드층(24), n-GaN 하부 도파층(26), InGaN 활성층(28), p-GaN 상부 도파층(30), p-GaN/AlGaN 상부 클래드층(32)이 순차적으로 적층되어 있다. 여기서, n- 및 p-GaN/AlGaN 하부 및 상부 클래드층(24, 32)의 굴절률은 n- 및 p-GaN 하부 및 상부 도파층(26, 30)보다 작고 n- 및 p-GaN 하부 및 상부 도파층(26, 30)의 굴절률은 활성층(28)의 굴절률보다 작다. 상기 메사 구조물에서, p-GaN/AlGaN 상부 클래드층(32)의 상부 가운데 부분에는 릿지 웨이브 가이드 구조를 제공하는 소정 폭의 돌출된 릿지(32a)가 형성되어 있고, 릿지(32a)의 정상면에는 p-GaN 상부 콘택트층(34)이 형성되어 있다. 상기 p-GaN/AlGaN 상부 클래드층(32)의 위에는 콘택트홀(36a)를 가지는 패시베이션층으로서의 매립층(36)이 형성되어 있다. 상기 매립층(36)의 콘택트홀(36a)은 상기 릿지(32a)의 상면에 형성된 상부 콘택트층(34)의 정상부분에 대응하며, 콘택트홀(36a)의 가장자리 부분은 상부 콘택트층(34) 상면의 가장자리 부분에 겹쳐져 있다.
상기 매립층(36) 위에는 p형 상부 전극(38)이 형성되어 있고, p형 전극(38)은 상기 매립층(36)의 콘택트홀(36a)을 통해 상기 상부 콘택트층(34)에 접촉된다. 상부 하부 콘택트층(12)에서, 제1 영역(R1)보다 낮은 제2 영역(R2)에는 n형 하부 전극(37)이 형성되어 있다.
이와 같은 상부 클래드층(32)에 마련된 릿지 웨이브 가이드 구조는 활성층(28)으로 주입되는 전류를 제한하여 활성층(28)에서의 레이저 발진을 위한 공진 영역의 폭을 제한하여 횡모드(transverse mode)를 안정화시키고 그리고 동작 전류를 낮춘다.
이러한 일반적인 질화물반도체레이저소자의 제조과정은, 사파이어 기판에 다층 구조의 GaN 계 반도체물질층을 형성한 후 건식 에칭에 의해 전류주입영역에 대응하는 릿지를 형성하고, 그리고 n-GaN 하부콘택트층의 노출과 공진면을 형성시키기 위한 n-GaN 하부 콘택트층 상부의 메사 구조물이 형성하기 위한 소위 경면 에칭이 수행된다. 이러한 에칭과정 이후에는 리지 양측에 대한 매립층의 형성, 매립층에서 리지 상부에 대응하는 콘택홀을 형성하는 단계 등이 요구된다.
이와 같이 종래 레이저 다이오드는 전류제한을 위하여 릿지를 이용하기 때문에 릿지를 형성하고 릿지에 제한적으로 전류가 주입되게 하기 위한 매립층 및 콘택홀 등을 형성하는 등의 복잡한 과정을 요구한다. 이와 같은 복잡한 공정을 가능한 한 단축하는 것이 여러측면에서 유리하며 이를 위한 연구가 필요하다.
본 발명은 새로운 구조의 전류 주입 구조를 가지는 레이저 다이오드와 그 제조방법을 제공한다.
본 발명은 제작이 용이하고 제작단가가 저렴한 레이저 다이오드 및 그 제조방법을 제공한다.
본 발명에 따른 레이저 다이오드는:
기판 상에 레이저 공진층, 공진층 상하부의 클래드층을 갖는 샌드위치 구조의 결정층과;
상기 결정층 상에 형성되는 전류저지층; 그리고
상기 전류저지층과 상기 상부 클래드층에 연속 형성되는 국지적 불순물 전류통과영역을 구비한다.
또한 본 발명에 따른 레이저 다이오드의 제조방법은:
기판에 레이저 공진층, 공진층 상하부의 클래드층을 에 의한 샌드위치 구조의 결정층을 형성하는 단계;
상기 결정층 상에 전류 저지층을 형성하는 단계; 그리고
상기 전류저지층으로 부터 상기 클래드층에 이르는 국지적 전류전류통과영역을 형성 하는 단계;를 포함한다.
이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 레이저 다이오드 및 그 제조방법의 한 실시예를 상세히 설명한다.
도 3을 참조하면, 사파이어 기판(111) 상에 n-GaN 하부 콘택트층(112)이 적층되어 있다. 이러한 하부 콘택트층(112)의 일측에는 n 형 하부 전극(118b)이 형성되고 타측에는 다중 층의 반도체 물질에 의한 메사 구조체(mesa structure)가 형성된다. 즉, n-GaN 하부 콘택트층(112)의 상면에 n-GaN/AlGaN 하부 클래드층(113), InGaN 활성층(114), p-GaN/AlGaN 상부 클래드층(115)이 순차적으로 적층되어 있다. 위의 구조에서 상기 활성층(144) 상하에 마련 상, 하부 도파층은 편의상 생략되었다.
상기 메사 구조체에서, p-GaN/AlGaN 상부 클래드층(32)의 상면은 평탄하며, 이위에 본 발명을 특징지우는 반도체 물질에 의한 전류차단층(116)이 형성되어 있다. 또한 전류차단층(116)에는 발명을 특징지우는 것으로 불순물 확산 또는 주입에 의해 얻어진 전류통과영역(117)이 형성되어 있으며, 이러한 전류통과영역(117)은 상부 클래드층(115)에 까지 확장되어 있다. 상기 전류차단층(116)은 p-GaN/AlGaN 상부 클래드층과 역극성을 가지는 물질 예를 들어 n-AlGaN으로 형성될 수 있으며, 이로써 전류차단층(116)가 상부 클래드층(115) 사이에 전류차단을 위한 전류 차단 장벽이 마련된다. 다른 실시예에 따르면, 상기 전류차단층(116)은 전기적으로 매우 높은 저항을 가지는 반도체 물질, 예를 들어 도핑이 되지 않은(undopted) AlGaN 으로 형성될 수 있다. 어떤 물질의 경우는 도핑이 되지 않아도 n-또는 p-형의 물성을 가질 수 있는데 본 발명에 있어서는 상기 전류차단층(116)은 적어도 상기 상부 클래드층과는 같은 극성을 가져서는 안된다. 즉, 상부 클래드층이 p-형이면 상기 전류차단층(116)은 p-형 이어서는 안되며, 상부 클래드층이 n-형인 경우는 역시 전류차단층(116)은 n-형이어서는 안된다. 이러한 전류통과영역의 폭은 0.5 내지 50 미크론정도의 폭을 가진다.
상기 전류차단층(116)에는 충분히 도핑된 p+-GaN 콘택층(117)으로도 확장된다. 상기 전류차단층(116)의 위에는 상부 전극(118a)이 형성되어 있다.
이상과 같은 구조의 본 발명에 따른 레이저 다이오드는 구조적으로 종래의 리지 구조를 가지지 않고 따라서 이를 제조공정이 불필요하다. 리지에 의한 전류주입을 높은 저항이나 전류차단 장벽에 의해 제한하고 높은 전도성을 가지는 확산 또는 불순물 주입영역, 즉 전류통과영역(119)에 의해 활성층(114)으로의 전류공급을 허용한다. 이러한 본 발명의 레이저 다이오드는 릿지 웨이브 가이드가 아닌 이득 웨이브 가이드(gain wave guide) 구조를 가지는 것이 그 특징이 있다.
이하 본 발명에 따른 레이저 다이오드의 제조방법을 단계적으로 설명한다.
<레이저 다이오드 결정층 형성>
도 4a에 도시된 바와 같이 사파이어 등의 기판(111) 상에 알려진 방법에 의해 n-GaN 하부 콘택트층(112), 활성층으로서 InxAlyGa1-x-yN(0≤x ≤1, 0 ≤y ≤1 그리고 x+y ≤1)인 GaN계열의 III-V족 질화물 화합물 반도체층(114), p-GaN/AlGaN 상부 클래드층(115)을 순차적으로 성장시킨다.
도 4b에 도시된 바와 같이 상기 상부 크래드층(115) 위에 전류차단을 위한 전류차단층으로 도핑되지 않은 AlGaN(un-AlGaN) 또는 도핑된 n-GaN(116)층을 형성한다.
도 4c에 도시된 바와 같이 상기 전류차단층(115) 위에 콘택층으로 충분히 도핑된 p+ GaN 층(117)을 형성한다.
<전류통과영역의 형성>
전류통과영역의 형성은 아래와 같이 확산(diffusion) 또는 불순물 주입(implantation)등에 의해 수행할 수 있다.
가. 확산
도 5a 에 도시된 바와 같이 상기 콘택층(117)위에 전류통과영역(119) 형성을 위한 Zn 또는 Si 확산물질층(120)을 형성한다. 확산물질층(120)의 위치는 기존의 리지 형성위치와 실질적으로 동일하며 적절히 위칙 변경된다.
도 5b에 도시된 바와 같이 퍼니스 내부에서 열처리하여 상기 확산물질층을 그 하부의 반도체 물질층으로 확산시킨다. 이때 열확산은 국지적으로 일어나며, 이를 통해 반도체 물질층의 수직 하방으로 확산되어 상기 콘택층(117)으로 부터 상부 클래드층(115)에 이르는 전류통과영역(119)을 형성한다.
나. 불순물 주입
도 6에 도시된 바와 같이 이온주입장치 등에 의해 상기 결정층의 상부로 부터 상부 클래드층에 까지 Zn 또는 Si 이온을 주입하여 전류주입영역(119)을 형성한다.
<메사 구조체 및 전극 형성>
도 7a에 도시된 바와 같이 상기 적층구조물을 패터닝하여 반도체 적층구조를 가지는 메사 구조체과 그 측의 계단부(112a)를 형성한다. 계단부(112a)는 하부 콘택트층(112)에 형성된다.
도 7b에 도시된 바와 같이 상기 메사 구조체의 상부 즉 상부 콘택트층(117)과 하부 콘택트층(112) 위에 상부 전극(118a) 및 하부 전극(118b)을 형성한다.
상기와 같은 본 발명에 따르면 종래 제조방법에 적용되었던 릿지 형성, 패턴을 이용한 전극의 형성 과정이 제거됨으로 모노리식 성장(Monolithic Growth)에 의해 레이저 다이오드를 형성할 수 있다. 이러한 본 발명의 제조방법은 종래의 방법에 비해 간단하고 제작이 용이하다. 구조적으로 본 발명에 따른 레이저 다이오드는 릿지를 가지지 않으므로 전체적으로 결정층의 상면이 평탄한 특징을 가진다.
본 발명의 방법에 따르면 확산을 위한 물질패턴의 크기 또는 이온주입영역의 크기 조절에 의해 활성층에 대한 전류 주입 영역의 효과적으로 제어할 수 있다. 이러한 전류주입영역의 제한에 의해 레이저 다이오드의 이상적인 단일 횡 모드 발진을 돕는다.
상기와 같은 제조방법 등에 의해 제조될 수 있는 본 발명에 따른 레이저 다이오드는 다양한 물질계의 레이져 다이오드에 적용될 수 있다. 예를 들어 AlGaN계, InGaAlP 계 레이저 다이오드 등에 적용될 수 있다.

Claims (11)

  1. 기판 상에 레이저 공진층, 공진층 상하부의 클래드층를 갖는 샌드위치 구조의 결정층과;
    상기 결정층 상에 형성되는 전류저지층; 그리고
    상기 전류저지층과 상기 상부 클래드층에 국지적으로 연속 형성되는 불순물 전류통과영역을; 구비하는 것을 특징으로 하는 레이저 다이오드.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 전류저지층은 도핑되지 않은 반도체 물질층인 것을 특징으로 하는 레이저 다이오드.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 전류저지층은 상기 상부 크래딩층과 다른 극성을 가지도록 도핑된 반도체 물질층인 것을 특징으로 하는 레이저 다이오드.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 전류저지층에 Zn과 Si 중 어느 하나의 물질인 주입되어 있는 것을 특징으로 하는 레이저 다이오드.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 전류저지층의 위에 콘택트층과 상부 전극이 순차적으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 레이저 다이오드.
  6. 제 1 항 내지 제 4 항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 결정층은 AlGaN 계 물질 및 InGaAlP 계 물질 중의 어느 하나의 물질로 형성된 것을 특징으로 하는 레이저 다이오드.
  7. 기판에 레이저 공진층, 공진층 상하부의 클래드층을 에 의한 샌드위치 구조의 결정층을 형성하는 단계;
    상기 결정층 상에 전류 저지층을 형성하는 단계; 그리고
    상기 전류저지층으로 부터 상기 클래드층에 이르는 전류통과영역을 국지적으로 형성 하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 다이오드의 제조방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 전류저지층은 도핑 되지 않은 반도체 물질로 형성하는 것을 특징으로 하는 레이저 다이오드.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 전류저지층을 형성하는 단계는:
    반도체 물질층을 형성하는 단계;
    상기 반도체 물질층에 불순물을 주입하는 단계;를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 레이저 다이오드의 제조방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 불순물은 Zn과 Si 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 레이저 다이오드의 제조방법.
  11. 제 7 항 내지 제 10 항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 결정층은 AlGaN 계 물질 및 InGaAlP 계 물질 중의 어느 하나의 물질로 형성하는 것을 특징으로 하는 레이저 다이오드의 제조방법.
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