KR960014733B1 - Manufacturing method of surface emitting semiconductor laser diode using substrate with mesa pattern - Google Patents

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Abstract

forming a mesa pattern(2) on a semiconductor substrate(1); forming an etching barrier layer(3), a n-cladding layer(4), an active layer(5), a p-cladding layer(6) and a p-contact layer(7) on the substrate(1); defining a lasing region(9) by forming an insulating film(8) for a dry etching mask after forming a photoresist pattern on the p-contact layer(7); forming the lasing region(9) by etching the wafer to the top of the etching barrier layer(3); forming a p-electrode(10) on the p-contact layer(7) of the lasing region(9) and a n-electrode(11) on the bottom of the substrate(1); and forming a mirror(12).

Description

메사패턴이 있는 기판을 이용한 표면방출 반도체 레이저 다이오드 소자의 제조방법Method for manufacturing surface-emitting semiconductor laser diode device using mesa patterned substrate

제1도는 일반적인 측면(facet) 방출형 반도체 레이저 다이오드의 단면도.1 is a cross-sectional view of a typical facet-emitting semiconductor laser diode.

제2a∼f도는 본 발명의 메사패턴이 형성된 기판을 이용하여 표면방출 레이저 다이오드 소자를 제조하는 공정을 보여주는 단면도이다.2A to 2F are cross-sectional views showing a process of manufacturing a surface-emitting laser diode device using the substrate on which the mesa pattern of the present invention is formed.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명* Explanation of symbols for main parts of the drawings

1 : 기판 2 : 메사패턴1 substrate 2 mesa pattern

3 : 식각 중지층 4 : n형 클래드층3: etching stop layer 4: n-type cladding layer

5 : 활성층 6 : P형 클래드층5: active layer 6: P-type cladding layer

7 : P형 콘택트층 8 : 절연막7: P-type contact layer 8: insulating film

9 : 레이저 발진부분 10 : P형 전극9 laser oscillation part 10 P-type electrode

11 : n형 전극 12 : 반사경11 n-type electrode 12 reflector

본 발명은 메사(mesa)패턴이 형성된 기판을 사용하여 표면 방출형 레이저 다이오드 소자를 제조하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method of manufacturing a surface-emitting laser diode device using a substrate on which a mesa pattern is formed.

일반적으로 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체는 결정면에 따른 식각율이 서로 다르므로, 식각방법에 따라 식각후 형성된 메사(mesa) 측면의 수평면에 대한 기울기를 조절할 수 있다.In general, since the group III-V compound semiconductors have different etch rates according to the crystal plane, the inclination of the group III-V compound semiconductor with respect to the horizontal plane of the mesa side formed after the etching may be adjusted.

특히, 가장 많이 쓰이는 갈륨비소(100) 기판은 H2SO4: H2O2: H2O용액이나 H3PO4: H2O2: H2O용액을 사용한 습식식각을 이용하여 기판의 결정(111)면이 노출되게 함으로서 기판의 수평한 면에 약 55o의 기울기를 측면으로 갖는 메사구조의 패턴형성이 가능하다.In particular, the most commonly used gallium arsenide (100) substrate is a wet etching using H 2 SO 4 : H 2 O 2 : H 2 O solution or H 3 PO 4 : H 2 O 2 : H 2 O solution By exposing the crystal 111 plane, it is possible to form a mesa structure having a slope of about 55 ° on the horizontal plane of the substrate.

본 발명은 이러한 특징을 이용하여 메사형상으로 식각된 기판에 측면방출 레이저 다이오드를 만들고, 메사의 경사진 식각면을 레이저빔의 반사경으로 사용하여 표면방출 레이저 소자를 얻는 것이다.The present invention is to make a side emission laser diode on a substrate mesa-etched using this feature, and to obtain a surface emission laser device using the inclined etching surface of the mesa as a reflector of the laser beam.

제1도는 일반적인 측면방출형 반도체 레이저 다이오드의 단면도로서, 기판(20)상에 n형 클래드층(21), 활성층(22), P형 클래드층(23), P형 콘택트층(24), 절연층(25), P형 전극(26)이 순차 형성되어 있고, 상기 기판(20) 하부에는 n형 전극(27)이 형성되어 있다.1 is a cross-sectional view of a general side-emitting semiconductor laser diode, in which an n-type cladding layer 21, an active layer 22, a P-type cladding layer 23, a P-type contact layer 24, and an insulating layer are formed on a substrate 20. FIG. The layer 25 and the P-type electrode 26 are sequentially formed, and the n-type electrode 27 is formed below the substrate 20.

이러한 구조를 갖는 레이저 다이오드에서는 상기 활성층(22)에서 방사되는 광을 수평적으로 발생되기 때문에 출력효율이 광을 집속하는 것에 비해 저하되는 문제점이 있는 것이다.In the laser diode having such a structure, since light emitted from the active layer 22 is generated horizontally, the output efficiency is lower than that of focusing light.

이하, 본 발명의 실시예를 첨부도면에 의거하여 상세히 설명한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

제2a∼f도는 본 발명에 따른 메사패턴이 형성된 기판을 사용하여 표면방출형 레이저 다이오드 소자를 제조하는 공정을 보여주고 있다.2a to f show a process for manufacturing a surface-emitting laser diode device using a substrate having a mesa pattern according to the present invention.

제2a도에서는 반도체 기판(1)에 메사패턴을 형성시키는 공정을 도시한 것으로서, 반도체 기판(1)은 GaAs와 같은 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 재료를 사용한다.FIG. 2A illustrates a step of forming a mesa pattern on the semiconductor substrate 1, wherein the semiconductor substrate 1 uses a III-V group compound material such as GaAs.

또한, 반도체 기판(1)은 기판표면이 (100)결정면을 갖는 n형 기판을 사용함으로써 습식식각방법에 의해 55o의 측면 기울기를 갖는 메사패턴(2)을 얻을 수 있다.In addition, by using the n-type substrate having the (100) crystal surface as the substrate surface, the mesa pattern 2 having the lateral inclination of 55 ° can be obtained by the wet etching method.

이러한 N형 반도체 기판(10) 위에 형성된 메사패턴의 높이는 제작되는 레이저 다이오드의 두께를 고려하여, 레이저 다이오드의 활성층의 높이가 메사패턴의 측면의 중심부근에 있어야 하므로, 약 2∼5㎛정도로 형성한다. 또한 메사간의 간격은 측면방출 레이저의 오목한 부분(cavity)의 크기를 고려하여 수십에서 수백 ㎛정도가 되게 제작한다.The height of the mesa pattern formed on the N-type semiconductor substrate 10 is about 2 to 5㎛ because the height of the active layer of the laser diode should be near the center of the side of the mesa pattern in consideration of the thickness of the laser diode to be manufactured. . In addition, the spacing between mesas is made to be about tens to hundreds of micrometers in consideration of the size of the cavity of the side emission laser.

제2b도는 식각 중지층과 레이저 다이오드의 활성층을 성장시키는 공정을 보여주고 있다.FIG. 2b shows a process of growing an etch stop layer and an active layer of a laser diode.

제2b도에서, 상기 기판(1)상에 식각 중지층(3)을 형성하되, 상기 식각 중지층(3)은 건식 식각시 레이저를 구성하는 물질에 비하여 식각율이 적은 물질로 성장된다. 또한 상기 식각 중지층(3)상에 p/i/n구조의 반도체 레이저 다이오드를 형성하기 위해 n형 클래드층(clad layer : 4), 레이저 다이오드의 활성층(5), P형 클래드층(6) 및 P형 콘택트층(7)을 순차 형성한다.In FIG. 2B, an etch stop layer 3 is formed on the substrate 1, and the etch stop layer 3 is grown with a material having a lower etch rate than that of the laser constituent during dry etching. In addition, an n-type clad layer (4), an active layer (5) of the laser diode, and a P-type cladding layer (6) to form a semiconductor laser diode of the p / i / n structure on the etch stop layer (3) And the P-type contact layer 7 are sequentially formed.

제2c도는 건식식각용 마스크 및 절연용 박막을 제작하는 공정을 도시하고 있다.2C illustrates a process of manufacturing a mask for dry etching and a thin film for insulation.

제2c도에서, 포토레지스트의 광 묘화기술(photolithograpy)을 이용하여, 소정 패턴의 포토레지스트를 형성한 다음 CVD(Chemical Vapor Deposition)장치를 이용하여 건식식각용 마스크로 사용되는 소정 패턴의 절연막(8)을 상기 P형 콘택트층(7)상에 선택적으로 증착하고, 이어 남아있는 포토레지스트를 제거한다.In FIG. 2C, a predetermined pattern of photoresist is formed using a photolithograpy of photoresist, and then an insulating film of a predetermined pattern used as a mask for dry etching using a chemical vapor deposition (CVD) apparatus. ) Is selectively deposited on the P-type contact layer 7, and then the remaining photoresist is removed.

여기서 절연막(8)의 재료로는 절연물질로 일반적으로 사용되는 SiO2또는 Si3N4박막을 사용할 수 있다. 또한, 제2d도에 도시된 바와 같이, 상기 절연막(8)을 마스크로 사용하여 건식식각 방법으로 기판(1)위의 식각 중지층(3)의 상면까지 식각을 하여 레이저 발진부분(9)을 형성한다.In this case, the material of the insulating film 8 may be a SiO 2 or Si 3 N 4 thin film generally used as an insulating material. In addition, as shown in FIG. 2D, the laser oscillation portion 9 is etched by using the insulating film 8 as a mask to the top surface of the etch stop layer 3 on the substrate 1 by dry etching. Form.

다음은 제2e도에서 도시된 바와 같이 P형 전극과 n형 전극을 형성하는 공정을 수행한다.Next, as shown in FIG. 2E, a process of forming a P-type electrode and an n-type electrode is performed.

제2e도에서 먼저 포토레지스트와 광 묘화기술을 이용하여 소정 패턴의 포토레지스트를 형성한 다음 레이저 발진부분(9)의 상부에 금속박막 형성방법을 이용하여 P형 전극(10)을 형성한다. 또한, 기판(1)의 하부에는 n형 전극(11)을 금속중착 방법으로 증착시킨다.In FIG. 2E, first, a photoresist having a predetermined pattern is formed by using a photoresist and a light drawing technique, and then a P-type electrode 10 is formed on the laser oscillation portion 9 by using a metal thin film forming method. In addition, the n-type electrode 11 is deposited on the lower portion of the substrate 1 by a metal deposition method.

제2f도는 표면방출을 위한 반사경을 형성시키는 공정을 보여주고 있다.Figure 2f shows a process for forming a reflector for surface emission.

제2f도에서, 포토레지스트와 광 묘화기술을 이용하여 메사패턴의 경사진부분에 있는 포토레지스트를 선택적으로 제거한 후, 레이저 파장 영역에서 반사율이 높은 금속을 얇게 증착하여 리프트 오프(lift-off)방법으로 메사패턴의 측면에 반사경(12)을 형성시킨다. 여기서 방출되는 레이저 파장에 따라서는 반사율을 높이기 위하여 반사경(12)을 금속박막 대신 유전체(dielectric)박막을 사용할 수 있다.In FIG. 2f, the photoresist is selectively removed from the inclined portion of the mesa pattern by using a photoresist and a light writing technique, and then a thin film of high reflectance is deposited in the laser wavelength region to lift-off the lift-off method. Thus, the reflector 12 is formed on the side of the mesa pattern. The reflector 12 may use a dielectric thin film instead of the metal thin film to increase the reflectance depending on the laser wavelength emitted.

이상의 공정에 의해 제조된 레이저 다이오드 소자의 모양과 빔의 방출방향은 제2f도에 점선으로 나타나 있다.The shape of the laser diode element manufactured by the above process and the emission direction of the beam are shown by dotted lines in FIG. 2f.

본 발명에 의한 제조방법에 의하면, 측면방출 반도체 레이저 다이오드 구조를 에피택시 성장방법으로 성장시킨 후, 메사사이의 평탄한 부분만을 이용하여 일반적으로 사용할 수 있는 레이저 다이오드 공정을 수행하고, 그 이외의 부분 즉 메사의 위쪽면과 측면의 에피택시 성장된 레이저구조는 식각하여 제거한다. 이때의 식각방법은 식각후 식각측면이 기판면에 대하여 수직하게 성장되어야 하므로 식각면의 비등방성이 큰 건식 식각방법을 사용한다.According to the manufacturing method according to the present invention, after the side-emitting semiconductor laser diode structure is grown by the epitaxy growth method, a laser diode process which can be generally used is performed using only the flat portions between mesas, Epitaxially grown laser structures on the top and side of the mesa are etched away. In this case, since the etching side must be grown perpendicularly to the substrate surface after etching, a dry etching method having a large anisotropy of the etching surface is used.

그리고 메사패턴된 기판의 모양이 식각후 그대로 유지되기 위하여 식각율이 레이저 다이오드 구성물질에 비하여 매우 작은 층을 성장하여 식각 중지층으로 사용할 수 있다.In order to maintain the shape of the mesa patterned substrate after etching, a very small layer of an etch rate can be used as an etch stop layer compared to a laser diode component.

이와 같은 구조에서 메사 사이의 평탄한 부분의 레이저 다이오드를 발진시키면 레이저 측면에서 레이징된 빛이 나와 메사의 측면에 반사되어 표면방향으로 빛이 방출되게 된다. 따라서, 본 발명에 의해 완성된 소자는 55o의 측면 기울기를 갖는 메사를 사용한 경우 방출되는 빛의 방향은 기판의 수직한 방향에서 약 20o의 기울기를 갖고, 표면방출 되게 된다.In such a structure, when the laser diode of the flat portion between the mesas is oscillated, laser light is emitted from the side of the laser and reflected on the side of the mesa to emit light toward the surface. Therefore, when the device completed by the present invention uses a mesa having a side slope of 55 o has a slope of about 20 o in the vertical direction of the substrate, the surface is emitted.

그러므로 레이저의 양쪽 측면에서 나온 빔이 각각 반대방향으로 수직한 방향에 20°의 기울기를 갖으므로 두 방향으로 방출이 가능하다.Therefore, the beams from both sides of the laser have a 20 ° inclination in the direction perpendicular to the opposite direction, so that emission in two directions is possible.

그리고 메사 측면에서 빔의 반사율을 높이기 위하여 얇은 금속이나, 유전체(dielectric)물질을 증착하여 레이저의 방출 효율을 높일 수 있다.In order to increase the reflectance of the beam from the mesa side, a thin metal or a dielectric material may be deposited to increase the emission efficiency of the laser.

Claims (4)

반도체 기판(1)상에서 메사패턴(2)을 형성하는 공정과, 상기 메사패턴(2)이 형성된 반도체 기판(1)상에 식각 중지층(3), n형 클래드층(4), 활성층(5), P형 클래드층(6) 및 P형 콘택트층(7)을 차례로 형성하는 공정과, 상기 P형 콘택트층(7)상에 소정 패턴의 포토레지스트를 형성한 다음 건식식각 마스크용 절연막(8)을 형성하여 레이저 발진부분(9)을 정의하는 공정과, 상기 절연막(8)을 마스크로 사용하여 식각 중지층(3)의 상면까지 식각하여 상기 레이저 발진부분(9)을 형성하는 공정과, 상기 레이저 발진부분(9)의 P형 콘택트층(7)의 상부에 P형 전극(10)을 형성하고 아울러 이 레이저 발진부분(9)과 대응하는 상기 기판(1)의 하부에 N형 전극(11)을 형성하는 공정과, 상기 메사패턴(2)의 경사진 부분과 상하부의 일부분상에 반사경(12)을 형성하는 공정을 포함하는 메사패턴이 있는 기판을 이용한 표면방출 반도체 레이저 다이오드 소자의 제조방법.Forming a mesa pattern 2 on the semiconductor substrate 1, an etch stop layer 3, an n-type clad layer 4, and an active layer 5 on the semiconductor substrate 1 on which the mesa pattern 2 is formed. ), The P-type cladding layer 6 and the P-type contact layer 7 are sequentially formed, and a photoresist having a predetermined pattern is formed on the P-type contact layer 7 and then the insulating film for dry etching mask 8 Forming a laser oscillation portion 9 by forming a laser oscillation portion 9, forming a laser oscillation portion 9 by etching the upper surface of the etch stop layer 3 by using the insulating film 8 as a mask; The P-type electrode 10 is formed on the P-type contact layer 7 of the laser oscillation portion 9 and the N-type electrode (below) of the substrate 1 corresponding to the laser oscillation portion 9. 11) forming a mesa pad including the step of forming the reflector 12 on the inclined portion and the upper and lower portions of the mesa pattern (2) Method for manufacturing a surface-emitting semiconductor laser diode device using the substrate, to which the. 제1항에 있어서, 상기 메사패턴(2)의 경사진부분이 하부와 약 55o의 기울기를 갖도록 경사지게 하는 메사패턴이 있는 기판을 이용한 표면방출 반도체 레이저 다이오드 소자의 제조방법.The method of manufacturing a surface-emitting semiconductor laser diode device according to claim 1, wherein the substrate with the mesa pattern is inclined such that the inclined portion of the mesa pattern (2) has an inclination of about 55 ° with the lower portion. 제1항에 있어서, 상기 절연막(8)은 SiO2막 또는 Si3N4막으로 되어 있는 메사패턴이 있는 기판을 이용한 표면방출 반도체 레이저 다이오드 소자의 제조방법.The method of manufacturing a surface-emitting semiconductor laser diode device according to claim 1, wherein said insulating film (8) is made of a SiO 2 film or a Si 3 N 4 film. 제1항에 있어서, 상기 반사경(12)은 금속막 또는 유전체막인 메사패턴이 있는 기판을 이용한 표면방출 반도체 레이저 다이오드 소자의 제조방법.The method of manufacturing a surface-emitting semiconductor laser diode device according to claim 1, wherein said reflector (12) is a metal film or a dielectric film.
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