KR20140127034A - 에지 에미팅 레이저 다이오드 및 그의 제조방법 - Google Patents

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KR20140127034A KR1020130045524A KR20130045524A KR20140127034A KR 20140127034 A KR20140127034 A KR 20140127034A KR 1020130045524 A KR1020130045524 A KR 1020130045524A KR 20130045524 A KR20130045524 A KR 20130045524A KR 20140127034 A KR20140127034 A KR 20140127034A
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한수욱
김정호
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주식회사 옵토웰
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Abstract

본 발명은 전방 벽개면(front facet)과 후방 벽개면(rear facet)에 의해 종단되는 레이저 발광 도파관; 상기 전방 벽개면에 형성되고, 제1패시베이션층, 상기 제1패시베이션층에 형성되는 저굴절률층을 포함하는 저반사 코팅층; 및상기 후방 벽개면에 형성되고, 상기 제2 패시베이션층, 상기 제2패시베이션층에 형성되는 저굴절률층과 고굴절률층의 스택(stack)을 포함하는 고반사율 코팅층을 포함하는 에지 에미팅 레이저 다이오드, 및 그의 제조 방법에 관한 것이다.

Description

에지 에미팅 레이저 다이오드 및 그의 제조방법{EDGE EMITTING LASER DIODE AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은 에지 에미팅 레이저 다이오드(edge emitting laser diode) 특히 고출력 레이저 다이오드의 제조방법 중 레이저 공진기 형성 방법인 벽개면(facet) 코팅에 관한 것이다.
고출력 레이저 다이오드는 새김공정, 절단공정, 용접공정, 피부 및 외과 수술등 반도체 공정에서부터 자동차 제조공정 및 의료 분야에서 널리 응용되고 있다. 고출력 레이저 다이오드 제조상 효율성의 제한을 두는 문제점 중, 전방 벽개면에서 방출되는 레이저 광이 일부 다시 흡수가 일어나 벽개면 근처의 온도를 올리고 온도 상승은 다시 밴드갭 에너지를 낮추어 광흡수가 더 많이 일어나게 하는 원인이 되어 전방 벽개면이 파괴되는 문제점이 존재한다. 이러한 현상을 COD(Catastrophic Optical Damage)라 한다. 따라서, 이를 극복하고자 전방 벽개면의 COD를 방지하기 위한 여러 가지 연구들이 진행되고 있다.
일반적으로 가시광의 적색에서부터 근적외선영역 (600 nm ~ 1100 nm) 의 레이저 다이오드는 GaAs 기판에 III-V족 화합물 반도체를 박막 성장하여 만들어진다. 그 구조는 n 타입 GaAs 기판 위에 n-GaAs 버퍼층을 적층하고, n-AlGaAs나 n-AlGaInP, 또는 n-InGaAsP 클래드층 을 적층하고, 도핑되지 않은 GaAs 또는 AlGaAS 도파로층을 적층하고, AlGaAs나 InGaAs, 또는 GaAs 활성층 적층하고, 도핑되지 않은 GaAs 또는 AlGaAS 도파로층을 적층하고, p-AlGaAs나 p-AlGaInP, 또는 p-InGaAsP 클래드층을 적층하고 p-콘택층을 적층하는 구조로 이루어진다.
이후 이온주입 또는 메사 식각에 따른 전류 주입영역을 특정하고SiO2 또는 SixNy 절연막을 증착한 후 p-금속층이 올라갈 자리의 절연막을 제거하고 p-오믹금속층을 형성한다. 에피가 성장되지 않은 뒷면의 기판에 n-금속층을 형성하고 개별 칩으로 절단한다. 개별 칩에 대하여 한쪽 면에 고반사 코팅층을 형성하고 다른 쪽 면에 저반사 코팅층을 형성한다.
상기 고반사 및 저반사 코팅층을 형성함에 있어, 일반적으로 반도체 활성층보다 밴드갭이 큰 물질을 사용하여 활성층으로부터 나오는 광이 코팅층에 흡수되는 것을 방지할 수 있다. 여기에 사용되는 코팅 물질로는 유전체로서는 알루미늄산화물(Al2O3 , n=1.755), 질화알루미늄(AlN, n=2.13), 알루미늄산질화물(AlxOyNz, x+y+z=1이다 ), 탄탈륨산화물(Ta2O5 , n=2.1), 티타늄 산화물(TiO2 , n=2.76), 지르코늄산화물(ZrO2 , n=2.17), 실리콘산화물(SiO2, n=1.53), 질화규소(Si3N4, n=1.98), 실리콘산질화물(SixOyNz, , x+y+z=1이다), 갈륨-비소(GaAs, n=3.54), 인듐-갈륨-인(InGaP, n=3.25), 비정질 실리콘 (이하 a-Si; Amorphous Si, n=3.67), 비정질 탄화규소(이하 a-SiC; Amorphous SiC=2.58) 등이 광경로상 주변의 굴절률에 따라 적정한 물질이 선택적으로 사용될 수 있다.
이와같이, 저반사 코팅층을 형성함으로써 반도체와 코팅층 계면에서 반사되는 광의 경로 위상차가 180도가 되어 광의 상쇄간섭을 일으키는 현상 즉, 전방 벽개면의 반사도를 낮추는 역할을 하게 된다.
한편, 고반사 코팅의 경우 반도체와 코팅층 계면에서 반사되는 광의 경로 위상차가 0도, 또는 360도가 되어 광의 보강간섭을 일으키는 현상 즉, 후방 벽개면의 반사도를 높이는 역할을 하게 된다.
이와 관련하여, 한국공개특허 제 2007-0040131호는 n형 클래드 층과 활성층 및 p 형 클래드 층을 포함하는 측면 발광 레이저 다이오드에 있어, 상기 활성층으로부터 발생되는 레이저 광이 통과하는 윈도우 영역이 스택(stack)형상으로 형성된 에지 에미팅 레이저 다이오드를 개시하고 있다.
본 발명의 목적은 레이저 다이오드 후방 벽개면 근처의 field intensity를 상대적으로 낮추어 벽개면 근처에서 흡수되는 광량을 줄여 COD(catastrophic optical damage)와 같은 벽개면 손상을 해소하면서 반사율을 높이고, 전방 벽개면 근처의 field intensity를 상대적으로 낮추어 벽개면 근처에서 흡수되는 광량을 줄여 COD(catastrophic optical damage)와 같은 벽개면 손상을 해소면서 반사율을 줄이는 에지 에미팅 레이저 다이오드 및 그의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 에지 에미팅 레이저 다이오드는 전방 벽개면(front facet)과 후방 벽개면(rear facet)에 의해 종단되는 레이저 발광 도파관; 상기 전방 벽개면에 형성되고, 제1패시베이션층, 상기 제1패시베이션층에 형성되는 저굴절률층을 포함하는 저반사 코팅층; 및 상기 후방 벽개면에 형성되고, 상기 제2패시베이션층, 상기 제2패시베이션층에 형성되는 저굴절률층과 고굴절률층의 스택(stack)을 포함하는 고반사 코팅층을 포함할 수 있다.
본 발명은 레이저 공진기를 만드는 과정에서 절개된 반도체 벽개면에 굴절률이 유사한 패시베이션층(Passivation Layer)을 쌓아 이후 고반사 및 저반사 코팅층 형성 시 반도체 벽개면의 field intensity를 최소화하여 공진하는 과정에서 반도체 벽개면에서 광의 흡수를 최소화하여 COD를 방지하는 효과를 제공한다.
도 1은 본 발명 일 구체예의 에지 에미팅 레이저 다이오드의 단면도이다.
도 2는 본 발명 다른 구체예의 에지 에미팅 레이저 다이오드의 단면도이다.
도 3은 파장(nm, x축)에 따른 반사율(%, y축)로 (a) 전방 벽개면에 저반사 코팅층이 형성되지 않은 레이저 다이오드의 전방 벽개면에서의 반사율, (b) 전방 벽개면에 제1패시베이션층과 저굴절률층(산화실리콘(SiO2))이 적층된 레이저 다이오드의 전방 벽개면에서의 반사율, (c) 전방 벽개면에 제1패시베이션층과 저굴절률층(산화알루미늄 (Al2O3))이 적층된 레이저 다이오드의 전방 벽개면에서의 반사율, (d) 전방 벽개면에 제1패시베이션층, 제3패시베이션층 및 저굴절률층(질화실리콘(SiN))이 적층된 레이저 다이오드의 전방 벽개면에서의 반사율, (e) 전방 벽개면에 제1패시베이션층, 제3패시베이션층 및 저굴절률층(산화티타늄(TiO2))이 적층된 레이저 다이오드의 전방 벽개면에서의 반사율이다.
도 4는 (a) 전방 벽개면에 저반사 코팅층이 형성되지 않은 레이저 다이오드의 전방 벽개면에서의relative field intensity, (b) 전방 벽개면에 제1 패시베이션층과 저굴절률층(산화실리콘 (SiO2))이 적층된 레이저 다이오드의 전방 벽개면에서의relative field intensity, (c) 전방 벽개면에 제1패시베이션층과 저굴절률층(산화알루미늄 (Al2O3))이 적층된 레이저 다이오드의 전방 벽개면에서의 relative field intensity, (d) 전방 벽개면에 제1패시베이션층과 제3패시베이션층 및 저굴절률층(질화실리콘 (SiN))이 적층된 레이저 다이오드의 전방 벽개면에서의relative field intensity, (e) 전방 벽개면에 제1패시베이션층과 제3패시베이션층 및 저굴절률층(산화티타늄 (TiO2))이 적층된 레이저 다이오드의 전방 벽개면에서의 relative field intensity이다.
도 4의 (a)에서 "M"은 이득 매질, "1"은 전방 벽개면, "S"는 반도체 외부를 나타내고, (b)에서 "M"은 이득 매질, "2"는 제1패시베이션층, "1"은 산화실리콘층(SiO2), "S"는 반도체 외부를 나타내고, (c)에서 "M"은 이득 매질, "2"는 제1패시베이션층, "1"은 산화알루미늄층(Al2O3), "S"는 반도체 외부를 나타내고, (d)에서 "M"은 이득 매질, "2"는 제1패시베이션층, "1"은 질화실리콘층(SiN), "S"는 반도체 외부를 나타내고, (e)에서 "M"은 이득 매질, "2"는 제1패시베이션층, "1"은 산화티타늄층(TiO2), "S"는 반도체 외부를 나타낸다.
도 5는 파장(nm, x축)에 따른 반사율(%, y축)로 (a) 후방 벽개면에 코팅층이 형성되지 않은 레이저 다이오드의 반사율, (b) 후방 벽개면에 형성된 제2패시베이션층과 비정질 실리콘(a-Si)과 질화 실리콘(SiN)의 스택 3개가 적층된 레이저 다이오드의 반사율, (c) 후방 벽개면에 형성된 제2패시베이션층과 비정질 실리콘(a-Si)과 질화 실리콘(SiN)의 스택이 5개 적층된 레이저 다이오드의 반사율이다.
도 6은 (a) 후방 벽개면에 코팅층이 형성되지 않은 레이저 다이오드의 반사율, (b) 후방 벽개면에 형성된 제2패시베이션층, 및 질화 실리콘(SiN)과 비정질 실리콘(a-Si)의 스택이 3주기 적층된 레이저 다이오드의 relative field intensity, (c) 후방 벽개면에 형성된 제2패시베이션층에 질화 실리콘(SiN)과 비정질 실리콘(a-Si)의 스택이 5주기 적층된 레이저 다이오드의 relative field intensity 이다.
도 6의 (a)에서 "M"은 이득 매질, "1"은 후방 벽개면, "S"는 반도체 외부를 나타내고, (b)에서 "M"은 이득 매질, "7"은 제2패시베이션층, "6"은 질화실리콘(SiN), "5"는 비정질실리콘(a-Si), "4"는 질화실리콘(SiN), "3"은 비정질실리콘(a-Si), "2"는 질화실리콘(SiN), "1"은 비정질실리콘(a-Si), "S"는 반도체 외부를 나타내고, (c)에서 "M"은 이득 매질, "11"은 제2패시베이션층, "10"은 질화실리콘(SiN), "9"는 비정질실리콘(a-Si), "8"은 질화실리콘(SiN), "7"은 비정질실리콘(a-Si), "6"은 질화실리콘(SiN), "5"는 비정질실리콘(a-Si), "4"는 질화실리콘(SiN), "3"은 비정질실리콘(a-Si), "2"는 질화실리콘(SiN), "1"은 비정질실리콘(a-Si), "S"는 반도체 외부를 나타낸다.
첨부한 도면을 참고하여 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성 요소에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다.
도 1은 본 발명 일 구체예의 에지 에미팅 레이저 다이오드의 단면도이고, 도 2는 본 발명 다른 구체예의 에지 에미팅 레이저 다이오드의 단면도이다.
도 1을 참조하면, 에지 에미팅 레이저 다이오드(100)는 전방 벽개면(front facet)(20)과 후방 벽개면(rear facet)(25)에 의해 종단되는 레이저 발광 도파관(10); 전방 벽개면(20)에 형성되고, 제1패시베이션층(70a), 제1패시베이션층(70a)에 형성되는 저굴절률층(80)을 포함하는 저반사 코팅층; 후방 벽개면(25)에 형성되고, 제2 패시베이션층(30), 제2패시베이션층(30)에 형성되는 저굴절률층(40a)과 고굴절률층(40b)의 스택(stack)을 포함하는 고반사율 코팅층을 포함할 수 있다. 레이저는 전방 벽개면(20), 제1패시베이션층(70a) 및 저굴절률층(80)을 거쳐 외부로 출력될 수 있다.
저반사 코팅(anti-reflection coating, AR 코팅)층은 전방 벽개면으로부터 출사되는 광의 내부 반사를 줄여 전방 벽개면에서의 광의 투과율을 높임으로써 레이저 출력을 높이는 역할을 한다. 저반사 코팅층은 제1패시베이션층, 제1패시베이션층 위에 형성된 저굴절률층을 포함한다.
제1패시베이션층(Passivation Layer)(70a)은 1 QWOT (Quarter Wave Length Optical Thickness)를 갖는 패시베이션층으로서, 반도체의 굴절률과 유사한 굴절률을 가지며, 전방 벽개면 근처의 광의 field intensity를 낮춤으로써, COD 또는 COMD와 같은 전방 벽개면의 손상을 방지하는 역할을 할 수 있다.
구체예에서, 제1패시베이션층은 갈륨-비소(GaAs, n=3.54), 인듐-갈륨-인(InGaP, n=3.25), 비정질 실리콘(a-Si, n=3.67), 비정질 탄화규소(a-SiC=2.58) 중 하나 이상 또는 이와 굴절률이 유사한 유전 물질(Dielectric material)로 형성될 수 있지만, 이에 제한되지 않는다.
제1패시베이션층(70a)은 굴절률이 2 내지 4, 바람직하게는 2.58 내지 3.67, 두께가 60nm 내지 120nm, 바람직하게는 67nm 내지 95nm 가 될 수 있다. 상기 범위에서, 레이저 다이오드에 사용될 수 있고, 전방 벽개면 손상을 방지할 수 있는 효과가 있을 수 있다.
저굴절률층(80)은 제1패시베이션층 대비 굴절률이 낮은 층으로, 전방 벽개면과 제1패시베이션층을 거쳐 출사된 레이저의 반사도를 실질적으로 줄임으로써 출력되는 빛이 많아지게 하는 역할을 한다. 저굴절률층(80)은 제1패시베이션층 대비 굴절률이 낮다면 굴절률의 범위에 제한을 두지 않는데, 예를 들면 저굴절률층은 굴절률이 1.3 내지 3, 바람직하게는 1.53 내지 2.76이 될 수 있다. 상기 범위에서, 레이저 다이오드에 사용될 수 있고, 출력 효율을 높일 수 있다.
저굴절률층(80)은 저굴절률층의 굴절률을 Mn, 레이저 발광 도파관으로부터 출사되는 광의 파장을 λo라고 할 때, 저굴절률층의 두께는 λo/Mn x 1/4이 될 수 있고, λo 는 700nm 내지 1100nm, 바람직하게는 960nm 내지 975nm가 될 수 있다. 예를 들면 저굴절률층은 두께가 85nm 내지 160nm가 될 수 있다. 상기 범위에서, 레이저 다이오드에 사용될 수 있고, 출력 효율을 높일 수 있다.
저굴절률층(80)은 알루미늄 산화물(Al2O3, n=1.755), 질화알루미늄(AlN, n=2.13), 알루미늄 산질화물(AlxOyNz, x+y+z=1이다), 탄탈륨 산화물(Ta2O5, n=2.1), 티타늄 산화물(TiO2, n=2.76), 지르코늄 산화물(ZrO2, n=2.17), 실리콘 산화물(SiO2, n=1.53), 질화규소(Si3N4, n=1.98), 실리콘 산질화물(SixOyNz, x+y+z=1이다) 중 하나 이상의 유전 물질로 형성될 수 있지만, 이에 제한되지 않는다.
저반사 코팅층(제1패시베이션층+저굴절률층)은 두께가 특별히 제한되지 않지만, 110nm 내지 350nm, 바람직하게는 150nm 내지 250nm가 될 수 있다. 상기 범위에서, 에지 에미팅 레이저 다이오드에 사용될 수 있다.
이러한 제1패시베이션층과 저굴절률층을 포함하는 저반사 코팅층으로 인하여, 레이저 다이오드에서 전방 벽개면에서의 반사율은 10% 이하, 예를 들면 0.01-5%가 될 수 있다.
후방 벽개면에는 제2패시베이션층(30), 제2패시베이션층(30)에 형성되는 저굴절률층(40a)과 고굴절률층(40b)의 스택을 포함하는 고반사율 코팅층이 형성되어 있다.
제2패시베이션층(Passivation Layer)(30)은 반도체와 굴절률이 유사한 굴절률을 가지며, 빛이 후방 벽개면과 상호 작용하지 않고 후방 벽개면을 그대로 투과되도록 함으로써, 후방 벽개면 근처의 빛의 field intensity를 낮추어 COD 또는 COMD와 같은 후방 벽개면의 손상을 방지하는 역할을 할 수 있다.
제2패시베이션층은 반도체와 굴절률이 유사한 물질로 형성될 수 있는데, 예를 들면 갈륨-비소(GaAs, n=3.54), 인듐-갈륨-인(InGaP, n=3.25), 비정질 실리콘 (a-Si, n=3.67), 비정질 탄화규소(a-SiC=2.58) 또는 이와 굴절률이 유사한 유전물질로 형성될 수 있다.
제2패시베이션층(30)은 굴절률이 2 내지 4, 바람직하게는 2.58 내지 3.67, 두께가 60nm 내지 120nm, 바람직하게는 67nm 내지 95nm가 될 수 있다. 상기 범위에서, 레이저 다이오드에 사용될 수 있고, 후방 벽개면 손상을 방지할 수 있는 효과가 있을 수 있다.
스택은 저굴절률층(40a)과 고굴절률층(40b)의 적층체로서, 제2패시베이션층에 적층되어 후방 벽개면에서 출사되는 레이저의 반사율을 더 높이고, 이로 인해 COD 또는 COMD와 같은 후방 벽개면의 손상을 방지할 수 있다. 그 결과, 고반사율 코팅층의 반사율은 95% 이상, 예를 들면 97% 내지 100%가 될 수 있다. 이는 레이저 발광 도파관에서 출사되는 레이저 중 후방 벽개면으로 출사되는 레이저를 고효율로 전방 벽개면으로 다시 반사시켜 줌으로써 광출력도 높일 수 있다.
스택 중 저굴절률층은 제2패시베이션층 대비 굴절률이 낮은 층이고, 스택 중 고굴절률층은 저굴절률층 대비 굴절률이 높은 층으로서, 저굴절률층은 굴절률이 1.3 내지 3, 바람직하게는 1.53 내지 2.17이고, 고굴절률층은 굴절률이 1.5 내지 4, 바람직하게는 1.75 내지 2.76이 될 수 있다. 상기 범위에서, 레이저 발광 도파관에서 출사되는 레이저 중 후방 벽개면으로 출사되는 레이저를 고효율로 전방 벽개면으로 다시 반사시켜 줌으로써 광출력도 높일 수 있다.
후방 벽개면에 형성되는 저굴절률층과 고굴절률층의 스택의 개수는 특별히 제한되지 않는데, 예를 들면 스택은 1 내지 5개 적층될 수 있다. 예를 들면 스택 5개가 적층된 경우, 저굴절률층/고굴절률층/저굴절률층/고굴절률층/저굴절률층/고굴절률층/저굴절률층/고굴절률층/저굴절률층/고굴절률층을 포함하는 스택을 의미한다.
저굴절률층과 고굴절률층은 상술한 반사율, 굴절률을 제공할 수 있는 재질이라면 특별히 제한되지 않는다. 예를 들면, 저굴절률층과 고굴절률층은 각각 상기 유전 물질 중 하나 이상으로 형성될 수 있다.
고반사율 코팅층 중 저굴절률층의 굴절률을 Sn, 레이저 발광 도파관으로부터 출사되는 광의 파장을 λo라고 할 때, 저굴절률층의 두께는 λo/Sn x 1/4이 될 수 있고, 고반사율 코팅층 중 고굴절률층의 굴절률을 Tn, 레이저 발광 도파관으로부터 출사되는 광의 파장을 λo라고 할 때, 고굴절률층의 두께는 λo/Tn x 1/4이 될 수 있다. λo 는 700nm 내지 1100nm, 바람직하게는 960nm 내지 975nm가 될 수 있다. 저굴절률층과 고굴절률층의 두께는 특별히 제한되지 않으며, 각각 60nm 내지 190nm, 바람직하게는 85nm 내지 160nm가 될 수 있다. 상기 범위에서, 레이저 발광 도파관에서 출사되는 레이저 중 후방 벽개면으로 출사되는 레이저를 고효율로 전방 벽개면으로 다시 반사시켜 줌으로써 광출력도 높일 수 있다.
고 반사율 코팅층은 두께가 150nm 내지 2100nm, 바람직하게는 260nm 내지 1600nm가 될 수 있다.
전방 벽개면과 후방 벽개면은 각각 레이저 발광 도파관의 절단면(cleaved) 또는 식각된(etched) 면을 의미할 수 있다.
레이저 발광 도파관은 에지 에미팅 레이저 다이오드에서 레이저 발광을 위한 통상의 발광 도파관으로서, 예를 들면 GaAs 기판 상에, n 도핑된 GaAs 버퍼층, n 타입 AlGaAs 클래드층, n 타입 AlGaAs 영역, GaAs 양자 우물을 형성하는 도핑되지 않은 영역, p타입 AlGaAs 영역, AlGaAs 상부 클래드층이 적층되어 구성될 수 있지만, 이에 제한되지 않는다.
제1패시베이션층과 저굴절률층 사이에는 하나 이상의 제3패시베이션층(Passivation Layer)이 더 형성될 수 있다. 제3패시베이션층은 저굴절률층의 굴절률 또는 매질에 따라 소정 범위의 굴절률을 가져, 제1패시베이션층의 역할을 보완할 수 있다.
도 2는 본 발명 다른 구체예의 레이저 발광 다이오드의 단면도이다.
도 2를 참조하면, 에지 에미팅 레이저 다이오드(200)는 전방 벽개면(front facet)(20)과 후방 벽개면(rear facet)(25)에 의해 종단되는 레이저 발광 도파관(10); 전방 벽개면(20)에 형성되고, 제1패시베이션층(70a), 제1패시베이션층(70a)에 형성되는 제3패시베이션층(70b), 제3패시베이션층에 형성되는 저굴절률층(80)을 포함하는 저반사 코팅층; 후방 벽개면(25)에 형성되고, 제2 패시베이션층(30), 제2패시베이션층(30)에 형성되고 저굴절률층(40a), 고굴절률층(40b), 저굴절률층(50a), 고굴절률층(50b), 저굴절률층(60a), 고굴절률층(60b)의 스택을 포함하는 고반사율 코팅층을 포함할 수 있다. 레이저는 전방 벽개면(20), 제1패시베이션층(70a), 제3패시베이션층(70b), 및 저굴절률층(80)을 거쳐 외부로 출력될 수 있다.
제3패시베이션층은 1 QWOT (Quarter Wave Length Optical Thickness)를 갖는 패시베이션층으로서, 반도체와 굴절률이 유사한 물질로 형성되고, 전방 벽개면 근처의 field intensity를 낮추어 COD 또는 COMD와 같은 전방 벽개면의 손상을 방지하는 역할을 할 수 있다.
구체예에서, 제3패시베이션층은 갈륨-비소(GaAs, n=3.54), 인듐-갈륨-인(InGaP, n=3.25), 비정질 실리콘 (a-Si, n=3.67), 비정질 탄화규소(a- SiC=2.58) 중 하나 이상 또는 이와 굴절률이 유사한 유전 물질 중 하나 이상으로 형성될 수 있지만, 이에 제한되지 않는다.
제3패시베이션층(70b)은 굴절률이 굴절률이 2 내지 4, 바람직하게는 2.58 내지 3.67, 두께가 60nm 내지 120nm, 바람직하게는 67nm 내지 95nm가 될 수 있다. 상기 범위에서, 레이저 다이오드에 사용될 수 있고, 전방 벽개면 손상을 방지할 수 있는 효과가 있을 수 있다.
본 발명의 다른 관점인 에지 에미팅 레이저 다이오드의 제조방법은 레이저 발광 도파관의 양 측면을 절단하여 전방 벽개면(front facet)과 후방 벽개면(rear facet)을 형성하고, 상기 후방 벽개면에 제2패시베이션층, 저굴절률층과 고굴절률층의 스택을 순서대로 형성하고, 상기 전방 벽개면에 제1패시베이션층, 저굴절률층을 순서대로 형성하는 단계를 포함한다.
전방 벽개면과 후방 벽개면은 레이저 발광 도파관으로부터 통상의 방법으로 형성될 수 있다. 예를 들면, 레이저 발광 도파관의 양 측면을 절개하거나 또는 식각함으로써 형성될 수 있다.
제1패시베이션층은 PEVCD(플라즈마 화학 기상 증착법)과 MOCVD(유기 금속 화학 기상 증착법)으로 형성할 수 있다.
저굴절률층은 전방 벽개면에 제1패시베이션층을 형성시킨 후 통상의 방법으로 형성할 수 있는데, 알루미늄 산화물(Al2O3, n=1.755), 질화알루미늄(AlN, n=2.13), 알루미늄 산질화물(AlxOyNz, x+y+z=1이다), 탄탈륨 산화물(Ta2O5, n=2.1), 티타늄 산화물(TiO2, n=2.76), 지르코늄 산화물(ZrO2, n=2.17), 실리콘 산화물(SiO2, n=1.53), 질화규소(Si3N4, n=1.98), 실리콘 산질화물(SixOyNz, x+y+z=1이다) 중 하나 이상을 PEVCD(플라즈마 화학 기상 증착)를 이용하여 형성할 수 있다. 단, 저굴절률층의 굴절률은 제1패시베이션층 대비 낮게 해야 한다.
PECVD를 이용한 산화막(Oxide film) 계열의 저굴절률층 적층은 챔버내 온도는 200℃~300℃, 바람직하게는240℃~260℃, 챔버내 기압은 0.4torr~1.0torr, 바람직하게는 0.6torr~0.8torr, 챔버내 환경은 SiH4/N2O=188sccm/200sccm, 플라즈마 형성을 위하여 필요한 전기에너지는 25W 내지 35W, 바람직하게는 30W이며, 질화막(Nitride film) 계열의 저굴출절층 적층은 챔버내 온도는 200℃~300℃, 바람직하게는 240℃~260℃, 챔버내 기압은 0.4torr~1.0torr, 바람직하게는 0.6torr~0.8torr,챔버내 환경은 SiH4/N2O=200sccm/20sccm, 플라즈마 형성을 위하여 필요한 전기에너지는 40W~75W, 바람직하게는 55W~65W이다. 위와 같은 적층조건에서 산화막 (Oxide film)계열의 적층률은 분당 170Å ~ 190 Å정도이며, 질화막(Nitride film)계열의 적층률 분당 90 Å ~ 110 Å정도이다.
MOCVD를 이용한 패시베이션층 적층은 챔버내 온도는 200℃~500℃, 바람직하게는 430℃~480℃, MO source를 이용하여GaAs는 비소(Arsenic) 분위기에서/InGaP 인(Phosphine) 분위기에서 적층을 하게 된다.
저굴절률층은 상술한 굴절률 범위를 제공할 수 있다면 그 재질에 제한을 두지 않는데, 각각 알루미늄 산화물, 알루미늄 산질화물, 탄탈륨 산화물, 티타늄 산화물, 지르코늄 산화물, 실리콘 산질화물 중 하나 이상으로 형성될 수 있지만, 이에 제한되지 않는다.
제2패시베이션층은 PEVCD(플라즈마 화학 기상 증착법)과 MOCVD(유기 금속 화학 기상 증착법)로 형성할 수 있다.
저굴절률층과 고굴절률층의 스택은 후방 벽개면에 제2패시베이션층을 형성한 후 PEVCD(플라즈마 화학 기상 증착법)로 형성할 수 있다.
도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 레이저 다이오드의 반사율을 측정한 것으로, 후방 벽개면에는 제2패시베이션층(비정질 실리콘), 저굴절률층(비정질 질화 실리콘)과 고굴절률층(비정질 실리콘)의 스택이 순서대로 적층되고, (a) 내지 (e)에 따라 전방 벽개면에는 제1패시베이션층(비정질 실리콘), 또는 제1패시베이션층(비정질 실리콘)과 제3패시베이션층(비정질 실리콘)에 저굴절률층((b)산화실리콘, (c)산화알루미늄, (d)질화실리콘, (e)산화티타늄)을 서로 달리하여 적층시킴으로써 반사율이 감소함을 확인하였고, 저굴절률층을 이루는 물질의 종류에 따라 패시베이션층의 적층수가 달라짐을 확인하였다. 도 3에서 "반사율"은 X-축(파장)대별 Y축(굴절률)의 값을 의미한다.
도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 레이저 다이오드에서 반도체 내부, 패시베이션층과 저굴절률층, 반도체 외부 세 구간에 걸쳐 빛의 relative field intensity를 측정한 것으로, 후방 벽개면에는 제2패시베이션층(비정질 실리콘), 저굴절률층(비정질 질화 실리콘)과 고굴절률층(비정질 실리콘)의 스택을 순서대로 적층하고, (a) 내지 (e)에 따라, 전방 벽개면에는 제1패시베이션층(비정질 실리콘), 또는 제1패시베이션층(비정질 실리콘)과 제3패시베이션층(비정질 실리콘)에 저굴절률층((b)산화실리콘, (c)산화알루미늄, (d)질화실리콘, (e)산화티타늄)을 적층시켜, 전방 벽개면 근처의 relative field intensity 역시 감소함을 확인하였다.
도 3, 도 4를 참조하면, 본 발명의 레이저 다이오드는 레이저가 출력되는 전방 벽개면에서의 반사도를 감소시키고, 레이저 다이오드 전방 벽개면 근처의 field intensity를 상대적으로 낮춤으로써 전방 벽개면 근처에서 흡수되는 광량을 줄여 COD 또는 COMD와 같은 전방 벽개면에서의 손상을 해소할 수 있다.
도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 레이저 다이오드의 반사율을 측정한 것으로, 전방 벽개면에는 제1패시베이션층(비정질 실리콘), 저굴절률층(산화실리콘)을 적층하고, 후방 벽개면에는 (a) 내지 (c)에 따라 제2패시베이션층(비정질 실리콘), 및 저굴절률층으로 비정질 실리콘(a- Si), 고굴절률층으로 질화 실리콘(SiN)을 적층하되 적층 스택 개수만 달리하여((a)는 적층하지 않음. (b)는 적층 스택 개수가 3, (c)는 적층 스택 개수가 5), 후방 벽개면에서의 반사율을 확인한 결과, 후방 벽개면에서의 반사율이 증가함을 확인하였다. 도 5에서 "반사율"은 X-축(파장)대별 Y축(굴절률)의 값을 의미한다.
도 6을 참조하면, 본 발명에 따른 레이저 다이오드에서 반도체 내부, 패시베이션층과 저굴절률층, 반도체 외부 세 구간에 걸쳐 빛의 relative field intensity를 측정한 것으로, 전방 벽개면에는 제1패시베이션층(비정질 실리콘), 저굴절률층(산화실리콘)을 적층하고, 후방 벽개면에는 (a) 내지 (c)에 따라 제2패시베이션층(비정질 실리콘), 및 저굴절률층으로 비정질 실리콘(a-Si), 고굴절률층으로 질화 실리콘(SiN)을 적층하되 적층 스택 개수만 달리하여((a)는 적층하지 않음. (b)는 적층 스택 개수가 3, (c)는 적층 스택 개수가 5), 후방 벽개면 근처의 relative field intensity 역시 감소함을 확인하였다.
이로 인해, 도 5, 도 6을 참조하면 본 발명의 레이저 다이오드는 레이저가 출력되는 후방 벽개면에서의 반사도를 높이고, 레이저 다이오드 후방 벽개면 근처의 field intensity를 상대적으로 낮춤으로써 후방 벽개면 근처에서 흡수되는 광량을 줄여 COD 또는 COMD와 같은 후방 벽개면 손상을 해소할 수 있다.
본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 용이하게 실시될 수 있으며, 이러한 변형이나 변경은 모두 본 발명의 영역에 포함되는 것으로 볼 수 있다.

Claims (9)

  1. 전방 벽개면(front facet)과 후방 벽개면(rear facet)에 의해 종단되는 레이저 발광 도파관;
    상기 전방 벽개면에 형성되고, 제1패시베이션층, 상기 제1패시베이션층에 형성되는 저굴절률층을 포함하는 저반사 코팅층; 및
    상기 후방 벽개면에 형성되고, 상기 제2 패시베이션층, 상기 제2패시베이션층에 형성되는 저굴절률층과 고굴절률층의 스택(stack)을 포함하는 고반사율 코팅층을 포함하는 에지 에미팅 레이저 다이오드.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1패시베이션층은 1 QWOT(Quarter Wave Length Optical Thickness)를 갖는 에지 에미팅 레이저 다이오드.
  3. 제1항에 있어서, 상기 저반사 코팅층에 있어서, 상기 제1패시베이션층과 상기 저굴절률층 사이에 제3 패시베이션층을 더 포함하는 에지 에미팅 레이저 다이오드.
  4. 제3항에 있어서, 상기 제1패시베이션층과 상기 제3 패시베이션층은 각각 1 QWOT(Quarter Wave Length Optical Thickness)를 갖는 에지 에미팅 레이저 다이오드.
  5. 제1항에 있어서, 상기 제1패시베이션층은 굴절률이 2 내지 4, 두께가 60nm 내지 120nm인 에지 에미팅 레이저 다이오드.
  6. 제1항에 있어서, 상기 저반사 코팅층의 상기 저굴절률층은 굴절률이 1.3 내지 3이고, 두께가 80nm 내지 190nm인 에지 에미팅 레이저 다이오드.
  7. 제1항에 있어서, 상기 에지 에미팅 레이저 다이오드는 상기 스택 1 내지 5개가 적층된 에지 에미팅 레이저 다이오드.
  8. 제1항에 있어서, 상기 제2패시베이션층은 굴절률이 2 내지 4, 두께가 60nm 내지 120nm인 에지 에미팅 레이저 다이오드.
  9. 제1항에 있어서, 상기 고반사율 코팅층 중, 상기 저굴절률층은 굴절률이 1.3 내지 3, 상기 고굴절률층은 굴절률이 1.5 내지 4, 상기 저굴절률층과 고굴절률층의 두께는 각각 60nm 내지 190nm인 에지 에미팅 레이저 다이오드.
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