KR930000916B1 - 매립형 이종구조 반도체 레이저 제조방법 - Google Patents

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내용 없음.

Description

매립형 이종구조 반도체 레이저 제조방법

제1도는 일반적인 매립형 이종구조 레이저 다이오드의 단면도

제2도는 본 발명에 의한 반도체 레이저 제조방법의 공정순서를 나타낸 흐름도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : n-InP기판 2 : n-InP 버퍼층

3 : InGaAsP 활성층 4 : P-InP 클래드층

5 : p-InGaAsP 캡층 6 : p-InP 전류차단층

7 : n-InP 전류차단층

본 발명은 수소확산공정을 부가한 매립형 이종구조 반도체 레이저(buried heterostructure semiconductor laser) 제조공정에 관한 것이다.

광통신용 광원으로 널리 이용되는 매립형 이종구조 반도체 레이저의 일종인 매립형 이종구조 레이저 다이오드는 제2도에 도시한 바와 같이 n-InP 기판(1)위에 액상성장 방법으로 n-InP 버퍼층(2), InGaAsP 활성층(3), p-InP 클래드층(4) 및 p-InGaAsP 캡층(5)을 차례로 성장시키고 역메사(inverse mesa) 구조로 화학 에칭을 한다음 액상성장 방법으로 전류차단층(6,7)을 성장시켜 만들어지는데 이때 InP 성장 온도인 600℃ 부근의 고온에 노출된 역메사 구조의 경계면은 열손상을 입게 된다. 즉 , 고온에 노출되므로써 ″P″ 원자의 분압이 높아져 InP 또는 InGaAsP의 ″P″ 우너자가 결정구조로 부터 떨어져 나가기 때문에 경계면에는 인듐(In)이 인(P) 보다 풍부하게 되어 결정구조가 부분적으로 깨어지게 된다.

상기한 열적 손상을 피하기 위해 종래에는 전류차단층의 재성장시 온도를 580℃ 내지 590℃로 낮추어서 결정을 재성장하는 방법, InP 다결정을 덮개로 사용하여 'P'의 분압을 높여 주는 방법, 및 재성장시 액상 에피텍셜 성장 바로 직전에 인듐으로 약간 녹여 주어 열적손상을 보상해 주는 방법들이 보편적으로 사용되었다.

그러나 상기한 방법들은 열적손상을 완전히 피하지 못하였으며, 특히 재성장시 액상 에피텍셜 성장 바로직전에 인듐으로 약간 녹여 주어 열적 손상을 보상해 주는 방법은 인듐에 InP가 매우 빠른 속도로 녹기 때문에 InP를 미리 약간 녹여 불포화 상태로 만들어야 하는데 온도조절이 매우 어렵고 특수한 부대장치가 요구되는 문제점이 있다.

또한 반도체 레이저의 신뢰도를 결정하는 열화현상 과점에서 보면 기판 표면 및 각 성장층에 존재하는 결정결합들과 접촉금속의 원소들이 동작전류에 의해 유도되어 활성층(3)으로이동하게 되고 특히 누설전류 경로에 의해 상대적으로 높은 전류밀도 및 온도변화 분포를 가지는 활성층의 좌우 경계면에 모이게 되어 반도체 레이저의 동작특성 및 수명을 저하시키는 문제점이 있다.

상기한 문제점을 제거하기 위해 안출된 본 발명은 재성장후에 간단한 수소확산공정을 부가하여 역메사 구조의 경계면의 결정결함을 불활성하여 높은 신뢰성을 갖는 매립형 이종구조 반도체 레이저를 제공함에 그목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명은 기판상에 활성층, 클래드층, 및 캡층을 역메사(inverse mesa)구조로 형성하고 그 측면에 전류차단층을 형성하고 그 위에 전극을 형성한 구조로 된 매립형 이종구조 반도체 레이저의 제조방법에 있어서, 기판상에 활성층, 클래드층, 및 캡층으로 형성된 이종접합 구조 웨이퍼를 성장시킨 후 활성층, 클래드층, 및 캡층을 역메사 구조로 에칭하고 그 측면에 전류차단층을 형성하는 공정을 마친 반도체 레이저 칩을 플라즈마(plasma) 발생장치에 넣고 수소를 흘리면서 수소분자를 원자 상태로 분리시켜 원자상태의 수소를 확산에 의해 반도체레이저 칩에 침투하도록 하는 제 1 공정, 및 상기 공정이 끝난 상태에서 플라즈마를 발생하지 않고, 수소만 흘려주면서 350℃의 온도에서 열처리를 수행하는 제 2 공정에 의해 수행된다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예를 상세히 설명한다.

제1도는 매립형 이종구조 레이저 다이오드의 단면도, 제2도는 본 발명에 의한 반도체 레이저 제조방법의 공정 순서를 나타낸 흐르도로서, 도면에서 1은 n-InP 기파, 2는 n-InP 버퍼층, 3은 InGaAsP 활성층, 4는 p-InP 클래드층, 5는 p-InGaAsP 캡층, 6은 p-InP전류차단층, 7은 n-InP 전류차단층을 각각 나타낸다.

본 발명은 제1도 및 제2도에 도시한 바와 같이 역메사 구조의 경계면을 열손상을 최소화하기 위해 종래의 기술에 수소확산의 공정을 부가하는 방법으로 구성된다. 제1도와 같이 n-InP 기판(1) 위에 n-InP 버퍼층(2), InGaAsP 활성층(3), p-InP 클래드층(4) 및 p-InGaAsP 캡층(5)을 역매사 형으로 형성하고 그 측면에 전류차단층(6, 7)을 형성한 구조로 된 반도체 레이저는 2회의 결정성장, 즉, n-InP 기판(1) 위해 n-InP 버퍼층(2), InGaAsP 활성층(3), p-InP 클래드층(4) 및 p-InGaAsP 캡층(5)을 형성하는 첫번째 결정 성장과 전류차단층(6, 7)을 형성하는 두번째 결정 성장이 불가피하여 두번째로 성장되는 결정층(6, 7)들은 pn 또는 pnp 등의 구조로 되어 전류의 흐름을 방지하는 역할을 하게 된다. 즉 반도체 레이저를 동작시킬때 전류가 흐르지 못하도록 한다. 그런데 만약 전류차단층이 p-InP층(6)과 n-InP층(7)으로 전류가 흐르는 경우 발진 개시 전류는 높아지고 또 역메사 구조의 경계면을 따라 전류가 흐를 경우도 활성층으로의 캐리어 공급효율이 떨어지므로 발진 개시 전류가 높아지게 된다. 반도체 레이저에서 발진 개시 전류가 높아 많은 전류가 흐르면 더욱 많은 열이 발생하게 되고 이는 반도체 레이저 자체의 온도를 상승시켜 누설전류를 더욱 증가시키는 상승작용을 한다.

n-InP 기판(1) 위에 n-InP 버퍼층(2), InGaAsP 활성층(3), p-InP 클래드층(4) 및 p-InGaAsP캡층(5)의 이종접합구조 웨이퍼를 성장시킨후(21), 화학에칭으로 역메사 구조를 형성하고(22), 전류차단층(6, 7)을 성장시키고(23), 옴접촉을 위한 전극을 형성하는(24) 등의 높은 온도에서 수행해야 할 공정이 끝난 상태의 반도체 레이저 칩을 깨끗이 세척한다. 세척된 반도체 레이저 칩을 플라즈마(plasma)를 발생시킬 수 있는 장치에 올린다음 칩의 온도를 250℃로 유지하고 수소분자를 흘리면서 RF 교류 전류를 전극양단에 가함으로써 플라즈마를 발생시키고 이때 수소가 이온화된 원자상태로 분리되며, 이들이 시료 내부로 확산되어 침투되도록 한다(25). 이때 수소의 압력은 0.1 내지 0.3torr 정도가 적당하다. 수소확산이 끝나면 플라즈마를 중단하고 350℃의 온도에서 수분간 열처리를 한다음 소자를 분리하고(26), 패키징한다(27). 상기 열처리는 수소 확산에 의해 불활성화된 도펀트를 확산시키는데 목적이 있으며, 깊은 준위를 갖는 경계면의 결정 결함들은 열처리 온도가 이보다 높기 때문에 활성화되지 못한다.

상기의 수소확산 방법은 실리콘 결정 및 갈륨비소등의 반도체에서 많이 사용되어진 방법으로 에스. 제이. 피아톤(S.J. Pearton)등의 논문(Applied physics A. Vol.43 참조)에 상세히 기록되어 있다. 수소를 첨가할수 있는 방법으로 수소 이온빔을 반도체에 주입시키는 것도 있다. 이때 수소 이온빔에 의해 시료가 손상되지 않도록 수소 이온빔의 강도를 낮추고 빔의 퍼짐을 넓게 해야 한다. 에스. 제이. 피아톤 등의 상기 논문에 의하면 수소는 원자 상태로 반도체 결정 내부로 침투하여 반도체 내부의 깊은 준위를 갖는 원소들이 활성화되지 못하도록 결합해 버린다. 또한 결정결함에 의해서 생기는 댕글링 본드(dangling bond)를 이루고 있는 깊은 준위의 전자들과 결합하여 활성화되는 현상을 막고 결정과 다른 결정사이의 경계면에 많이 발생하는 결정결함에 의해 유도되는 댕글링 본드도 활성화 하지 못하도록 패시베이션(passivation)하게 된다.

반도체 레이저 공정에 이 결과를 도입하면 1차 성장된 결정과 2차 성장된 전류차단층 사이의 경계면에 많이 발생할 수 있는 결정결함과 열손상에 의해 발생되는 결정결함등이 수소와의 결함으로 인하여 전기적으로 비활성적이 되기 때문에 전류차단층 내지 경계면으로 흐르는 누설전류는 많이 감소하게 된다. 또 결정결함들을 불활성시키므로 전류에 의해 유도도는 결정결함들의 활성층으로의 이동현상도 상당히 저지시킬수 있으므로 열화현상의 주된 메카니즘도 차단할 수 있어 수명 및 동작특성의 향상에 상당한 기여를 하게 된다.

한편 수소는 반도체 내부에서 p형 도핑물질도 불활성화시키게 되나 이는 InP 반도체의 경우 350℃에서 열처리에 의해 수소와 결합된 p형 물질을 다시 활성화 시킬수 있다. 이 온도에서 깊은 준위와 결합된 수소는 계속 결합상태를 유지하는 것이 더블유. 씨이. 도이트리몬트(W. C. Dautremont) 등에 의해 밝혀져 있다.

(Journal of Applied Physics, Vol. 66, 1989년). 따라서 상기의 결과를 이용하면 반도체 레이저의 중요 구성요소인 pn 접합구조에는 전혀 영향을 주지 않고 경계면에 많이 존재하는 결정결함 및 댕글링 본드들을 불활성적으로 만들수 있어 누설 전류를 줄이게 되므로, 발진개시 전류를 낮출수 있다.

따라서 상기 본 발명은 다음과 같은 작용효과를 갖는다.

가. 매립형 이종구조를 갖는 반도체 레이저에 있어서 2호에 걸친 결정성장 과정에 의해 발생하는 경계면의 결정결함에 의해 유도된 깊은 준위를 불활성화하여 발진개시 전류를 낮추어 줌으로써 반도체 레이저의 특성을 좋게 한다. 특히 발진개시 전류를 낮추므로 전력의 소모를 줄일수 있고, 열발생이 줄어들므로 수명이 길어진다. 또한 매립형 이종접합 구조에서는 경계면에서 열화(degration) 현상이 심한데 이의 피해를 크게 줄일 수 있다.

나. 반도체 결정성장시 필수적으로 포함되는 결정결함들이 수소와의 결합에 의해 불활성화(deactivation)되므로 전류유도에 의해 결정결함들이 활성층으로 이동하는 것을 막을 수 있어 반도체레이저의 열화현상을 감소시키고 수명을 길게한다.

상술한 효과를 갖는 본 발명은 2차 결정성장을 요구하는 다른 소자에도 적용할 수 있으며 특히 2회의 결정성장을 요구하는 반도체 레이저의 경우에 적용이 가능하다. 또한 InP 계의 매립형 반도체 레이저에 적용될수 있으며, 경계면 문제가 심각하지 않는 GaAs계 반도체 레이저에도 적용이 가능하다. 즉, 2차 결정성 장시 열적손상이 심각하지 않더라도 경계면에는 여전히 결정결함이 발생하므로 이를 불활성화시킬 수 있고 전류온도에 의해 결정결함들이 활성층으로 이동하는 현상을 막을 수 있다.

Claims (2)

1. 기판상에 활성층(3), 클래드층(4), 및 캡층(5)을 역메사(inverse mesa) 구조로 형성하고 그 측면에 전류차단층(6, 7)을 형성하고 그 위에 전극을 형성한 구조로 된 매립형 이종구조 반도체 레이저의 제조방법에 있어서, 기판사에 활성층(3), 클래드층(4) 및 캡층(5)으로 형성된 이종접합 구조 웨이퍼를 성장시킨후, 활성층(3), 클래드층(4), 및 캡층(5)을 역메사 구조로 에칭하고 그 측면에 전류차단층(6, 7)을 형성하고 그 위에 전극을 형성하는 공정을 마친 반도체 레이저 칩을 플라즈마(plasma) 발생장치에 넣고, 수소를 흘리면서 수소분자를 원자상태로 분리시켜 원자 상태의 수소를 확산에 의해 반도체 레이저 칩에 침투하도록하는 제 1 공정과, 상기 공정이 끝난 상태에서 플라즈마를 발생하지 않고, 수소만 흘려주면서 350℃의 온도에서 열처리를 수행하는 제 2공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 매립형 이종구조 반도체 레이저 제조방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 플라즈마 발생장치를 이용하여 반도체 레이저 칩에 수소를 첨가하는 공정은 수소 이온빔을 이용하여 상기 반도체 레이저 칩에 수소를 첨가하는 공정으로 대체될수 있는 것을 특징으로 하는 매립형 이종구조 반도체 레이저 제조방법.

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