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KR101028262B1 - 반도체 레이저 다이오드 및 그 제조방법 - Google Patents

반도체 레이저 다이오드 및 그 제조방법 Download PDF

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KR101028262B1
KR101028262B1 KR1020030065147A KR20030065147A KR101028262B1 KR 101028262 B1 KR101028262 B1 KR 101028262B1 KR 1020030065147 A KR1020030065147 A KR 1020030065147A KR 20030065147 A KR20030065147 A KR 20030065147A KR 101028262 B1 KR101028262 B1 KR 101028262B1
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Abstract

본 발명은 발광 레이저 다이오드의 릿지(ridge) 부분 중 거울면에 인접한 가장자리의 릿지 면적을 확장시킴으로써, 광 출력 밀도에 따른 COD(Catastrophic Optical Damage) 준위를 높여 신뢰성을 향상시킨 반도체 레이저 다이오드 및 그 제조방법을 개시한다. 개시된 본 발명은 반도체 기판 상에 N 형 크래드층을 성장하는 단계; 상기 N 형 크래드층 상에 광을 발생시키는 활성층을 형성하는 단계; 상기 활성층 상에 P 형 제 1 크래드층과 제 2 크래드층을 연속하여 형성하는 단계; 상기 제 2 크래드 층 상의 거울면 양측 가장자리의 폭이 크고 중심부의 폭이 얇은 마스크 패턴을 한 다음, 식각하여 양측 가장자리의 폭이 넓은 릿지를 형성하는 단계; 상기 릿지가 형성된 반도체 기판 상에 전류 차단층을 형성하는 단계; 및 상기 전류 차단층이 형성된 반도체 기판의 상부와 하부에 각각 P 전극과 N전극을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
레이저, 다이오드, 릿지, 고출력

Description

반도체 레이저 다이오드 및 그 제조방법{SEMICONDUCTOR LASER DIODE AND METHOD FOR MANUFACTURING USING THE SAME}
도 1a 내지 도 1e는 종래 기술에 따른 반도체 레이저 다이오드 제조방법을 도시한 단면도.
도 2a 내지 도 2e는 본 발명에 따른 반도체 레이저 다이오드 제조방법을 도시한 단면도.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
200: 반도체 기판 203: N형 크래드층
205: 활성층 206: 에치 스탑층
207: 제 1 크래드 층 209: 제 2 크래드층
210: 헤테로 버퍼층 211: P 캡층
212: 전류 차단층 240: 릿지(ridge)
220: P 전극 230: N 전극
본 발명은 반도체 레이저 다이오드 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 구 체적으로는 레이저 다이오드의 릿지(ridge)의 가장자리 면적을 확대시킴으로써, 레이저 다이오드의 제품 신뢰성을 향상시킨 반도체 레이저 다이오드 및 그 제조방법에 관한 것이다.
최근 정보 처리용 시스템, 광통신용 단파장 레이저 다이오드 등과 레이저 프린터, 바코드 판독기 등의 레이저 다이오드 응용제품이 상용화됨에 따라 레이저 다이오드의 구조와 제조방법도 많은 발전을 하게 되었다.
특히 상부에 사각형의 돌출부를 가진 릿지형(ridge)레이저 다이오드는 낮은 문턱 전류(Threshold current)로 구동시킬 수 있는 이점 때문에 많은 연구가 진행 중에 있다.
도 1a 내지 도 1d는 종래 기술에 따른 반도체 레이저 다이오드 제조 공정을 도시한 도면이다.
도 1a에 도시된 바와 같이, GaAs, InP로 구성된 반도체 기판(100) 상에 유기 금속 화학 증착법(Metal Organic Chemical Vapor Deposition: MOCVD)을 이용하여 N 형 크래드층(103)을 성장한다.
여기서 MOCVD 증착은 화학 반응을 이용하여 기판(100) 상에 에피텍시얼층을 형성하는 박막 형성 방법으로서, 진공 상태에서 가열된 기판(100) 상에 높은 압력으로 금속의 유기 화합물 증기로 내보내어 금속 박막을 성장시키는 방식이다.
상기 N 형 크래드층(103)이 성장되면, 계속해서 P 전극으로부터 홀과 N 전극으로부터 전자를 주입 받아, 상기 홀과 전자의 결합으로 광을 발생시키는 활성층(105)을 성장시킨다.
이와 같이 상기 활성 층(105)이 형성되면 도 1b에 도시된 바와 같이, 상기 활성층(105) 상에 P 형의 제 1 크래드층(107), 에치 스탑층(108)과 제 2 크래드층(109), 헤테로 버퍼층(Hetero Buffer layer: 110)을 계속해서 성장시키고, 마지막으로 P형 캡층(111)을 성장시킨다.
도 1b에 도시된 바와 같이 상기 P 캡층(111) 상에 식각을 위한 마스크로 사용될 SiNx를 증착한 후(150), 포토레지스트를 도포하고 노광 및 현상을 하여 반도체 레이저 다이오드의 릿지(ridge) 영역에 마스크 패턴(150)을 형성한다.
그런 다음 도 1c에 도시된 바와 같이, 상기 마스크 패턴(150)을 따라 상기 P 캡층(111), 헤테로 버퍼층(110), 제 2 크래드층(109)을 연속으로 식각하여 릿지(140)를 형성한다.
상기 도 1c와 같이 릿지가 형성되면, 상기 릿지(ridge: 140)를 제외한 식각된 부분은 전류 차단층(CBL: Current Blocking Layer: 112)을 형성한다.(도 1d)
상기 전류 차단 층(112)은 상기 릿지(140) 상부에 SiNx 마스크 상부에는 성장되지 않고, 식각된 부분만 선택 성장되어 상기 릿지(140)영역 주위로 전류가 흐르지 않도록 하는 역할을 한다.
그리고 도 1e에 도시된 바와 같이, 상기 릿지(140) 상부의 마스크를 제거한 후 상기와 같이 전류 차단층(112)이 형성된 반도체 기판(100)의 상부에 P 전극(120)을 형성하고, 상기 반도체 기판(100) 하부에 N 전극(130)을 형성한다.
상기와 같이 제조된 반도체 레이저 다이오드는 다음과 같이 동작한다.
먼저 상기 P 전극(120)을 통하여 전압이 인가되어 전류가 이동하게 되면, 저항성 캡층을 통하여 상기 릿지(109a) 상부를 통하여 전류가 주입된다.
상기 제 1 크래드층(107)을 통해서는 정공이, N 형 크래드층(103)을 통하여서는 전자가 각각 상기 활성층(105) 영역으로 들어간다. 이 전자는 상기 활성층(105)에서 정공과 결합하여 광을 생성하며, 생성된 광은 또 다른 전자-정공 결합을 유도하여 동일 파장의 광이 계속 생성되게 된다.
이와 같이, 생성된 광들은 레이저 다이오드 앞, 뒤면에 마련되는 미러 사이에서 공진(resonance)하며 보강 간섭현상을 일으킴으로써 레이저로 발진하게 된다.
그러나, 상기와 같은 반도체 레이저 다이오드의 출력 크기는 릿지가 차지하는 면적에 따라 달라지는데, 릿지의 면적을 크게 형성할 경우 출력 세기는 높아지고 COD(Catastrophic Damage)의 수준도 높아지지만, 발진개시 전류 및 동작전류가 상승하는 문제가 있다.
따라서, 릿지의 면적은 상기와 같은 장점과 단점이 함께 존재하여 적절한 면적을 유지하는데, 이것은 레이저 반도체의 광 출력을 높이는데 한계로 나타난다.
본 발명은, 반도체 레이저 다이오드에서 크래드층을 식각하여 릿지를 형성할 때, 거울면(mirror effect) 근처의 가장자리 영역의 면적을 확대시킴으로써 고출력을 내면서, COD에 대한 신뢰성을 높일 수 있는 반도체 레이저 다이오드 및 그 제조방법을 제공함에 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한, 본 발명에 따른 반도체 레이저 다이오드 제조방법은,
반도체 기판 상에 N 형 크래드층을 성장하는 단계;
상기 N 형 크래드층 상에 광을 발생시키는 활성층을 형성하는 단계;
상기 활성층 상에 P 형 제 1 크래드층과 제 2 크래드층을 연속하여 형성하는 단계;
상기 제 2 크래드층 상의 거울면 양측 가장자리의 폭이 크고 중심부의 폭이 얇은 마스크 패턴을 한 다음, 식각하여 양측 가장자리의 폭이 넓은 릿지를 형성하는 단계;
상기 릿지가 형성된 반도체 기판 상에 전류 차단층을 형성하는 단계; 및
상기 전류 차단층이 형성된 반도체 기판의 상부와 하부에 각각 P 전극과 N전극을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서 상기 릿지의 표면적은 가장자리 양측 폭이 넓고, 중심 폭이 얇게 형성하면서 항상 동일한 표면적을 유지하도록 하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 반도체 레이저 다이오드는,
반도체 기판 상에 전자를 주입하기 위하여 배치되어 있는 N 전극과 N형 크래드층;
상기 N형 크래드층과 대응되게 정공을 주입하기 위하여 배치되어 있는 P형 크래드층;
상기 P형 크래드층과 N형 크래드층 사이에 개재된 활성층;
상기 P형 크래드층 상에 배치되고, 거울면 양측 가장자리의 폭이 넓고, 중심 폭이 좁은 구조를 갖는 릿지;
상기 릿지의 양측 가장자리 둘레에 배치되어 있는 전류 차단층; 및
상기 전류 차단층 상에 배치되어 있는 P전극;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 반도체 레이저 다이오드에서 크래드층을 식각하여 릿지를 형성할 때, 거울면(mirror effect) 근처의 가장자리 영역의 면적을 확대시킴으로써 고출력을 내면서, COD에 대한 신뢰성을 높일 수 있고, 또한 릿지의 면적을 기존과동일하게 형성함으로써 발진 개시 전류 및 동작 전류를 낮게 유지할 수 있다.
이하, 첨부한 도면에 의거하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 자세히 설명하도록 한다.
도 2a 내지 도 2e는 본 발명에 따른 반도체 레이저 다이오드 제조방법을 도시한 단면도이다.
도 2a에 도시된 바와 같이, GaAs, InP로 구성된 반도체 기판(200) 상에 N 형 크래드층(203)을 성장한다.
상기 N 형 크래드층(203)이 성장되면, 계속해서 P 전극으로부터 홀과 N 전극으로부터 전자를 주입 받아, 상기 홀과 전자의 결합으로 광을 발생시키는 활성층(205)을 성장시킨다.
이와 같이 상기 활성 층(205)이 형성되면 도 2b에 도시된 바와 같이, 상기 활성층(205) 상에 P 형의 제 1 크래드층(207), 에치 스탑층(208)과 제 2 크래드층(209), 헤테로 버퍼층(210), P 캡층(211)을 계속해서 성장시킨다.
상기 P 캡층(211) 상에 이후 P 전극(220)을 형성시켜 상기 P 캡층(211)와 오믹 콘택을 형성하게 된다.
도 2b에 도시된 바와 같이, 상기 P 캡층(211) 상에 식각시 마스크로 사용될 SiNx를 증착한 후 SiNx 마스크 상에 포토레지스트를 도포하고 노광 및 현상을 하여 반도체 레이저 다이오드의 릿지(ridge) 영역에 마스크 패턴(250)을 형성한다.
상기 마스크 패턴(250)의 구조는 반도체 레이저 다이오드 가장자리 영역의 거울면(mirror effect)에서 릿지의 면적이 종래보다 넓게 형성되고, 중심 부분의 릿지는 좁게 형성함으로써 종래와 동일한 면적의 릿지이지만, 고출력 특성이 안전할 수 있도록 하였다.
그런 다음 도 2c에 도시된 바와 같이, 상기 마스크 패턴(250)을 따라 상기 P 캡층(211), 헤테로 버퍼층(210), 제 2 크래드층(209)을 연속으로 식각하는데, 각종산(acid)을 사용하는 습식 에칭(etching)으로 P 캡층(211)에서 부터 제 2 크래드층(209)까지 식각함으로써, 가장자리 양측이 넓고 중심 폭이 좁은 릿지(ridge: 240)를 형성한다.
상기 도 2c와 같이 종래의 릿지와 동일 면적을 갖으면서 거울면 가장자리의 면적이 넓은 릿지(ridge)가 형성되면, 반도체 기판(200) 상에 형성되어 있는 릿지(240)를 제외한 식각된 부분은 전류 차단층(CBL: Current Blocking Layer: 212)을 형성한다.(도 2d)
상기 전류 차단 층(212)은 상기 릿지(240) 영역 주위로 전류가 흐르지 않도록 하는 역할을 한다.
그리고 도 2e에 도시된 바와 같이, 상기와 같이 전류 차단층(212)이 형성된 후 P 캡층 상부에 형성된 SiNx 마스크를 제거한 후, 반도체 기판(200)의 상부에 P 전극(220)을 형성하고, 상기 반도체 기판(200) 하부에 N 전극(230)을 형성한다.
상기와 같이 제조된 반도체 레이저 다이오드는 다음과 같이 동작한다.
먼저 상기 P 전극(220)을 통하여 전압이 인가되어 전류가 이동하게 되면, 저항성 캡층을 통하여 상기 릿지(240) 상부를 통하여 전류가 주입된다.
상기 제 1 크래드층(207)에서는 정공이, N 형 크래드층(203)을 통하여서는 전자가 각각 상기 활성층(205) 영역으로 들어간다. 이 전자는 상기 활성층(205)에서 정공과 결합하여 광을 생성하며, 생성된 광은 또 다른 전자-정공 결합을 유도하여 동일 파장의 광이 계속 발생한다.
상기 릿지(240) 가장자리 영역인 거울면(mirror effect)의 면적이 상당히 넓으므로, 광 출력 밀도에 따른 COD 준위를 높이고, 또한 기존과 동일한 릿지(240) 면적을 가지고 있어 발진 개시전류 및 동작전류 등의 특성들을 일정하게 유지할 수 있어, 반도체 레이저 다이오드의 소자 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
이와 같은 레이저 다이오드의 릿지 형상은 650nm DVD-RW에 사용하는 레이저 다이오드, 780nm CD-RW에 사용하는 레이저 다이오드 및 808nm High Power 레이저 다이오드 및 대부분의 고출력 레이저 다이오드에 적용하여 사용될 수 있다.
이상에서 자세히 설명된 바와 같이, 본 발명은 반도체 레이저 다이오드에서 P캡층에서부터 제 2 P형 크래드층까지 식각하여 릿지를 형성할 때, 거울면(mirror effect) 근처의 가장자리 영역의 면적을 확대시키고, 전체 릿지 면적을 기존과 동일하게 유지함으로써 높은 출력을 유지하면서, 출력 밀도에 따른 COD의 준위를 높여 레이저 다이오드의 신뢰성을 높일 수 있는 효과가 있다.
본 발명은 상기한 실시 예에 한정되지 않고, 이하 청구 범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능할 것이다.

Claims (4)

  1. 반도체 기판 상에 N 형 크래드층을 성장하는 제1 단계;
    상기 N 형 크래드층 상에 광을 발생시키는 활성층을 형성하는 제2 단계;
    상기 활성층 상에 P 형 제 1 크래드층과 제 2 크래드층, P 캡층을 연속하여 형성하는 제3 단계;
    상기 P 캡층 상에 양측 가장자리의 폭이 크고 중심부의 폭이 얇은 마스크 패턴을 한 다음, 상기 제 2 크래드층까지 식각하여 양측 가장자리의 폭이 넓은 릿지를 형성하는 제4 단계;
    상기 식각된 부분에 전류 차단층을 형성하는 제5 단계;
    상기 릿지 상부에 형성된 상기 마스크 패턴을 제거하는 제6 단계; 및
    상기 전류 차단층 및 상기 릿지 상부와 상기 반도체 기판 하부에 각각 P 전극과 N전극을 형성하는 제7 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 다이오드 제조방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제3 단계에 있어서, 상기 P형 제 1 크래드층과 제 2 크래드층 사이에 에치스탑층을 형성하는 단계 및 상기 P형 제 2 크래드층과 상기 P 캡층 사이에 헤테로버퍼층을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 다이오드 제조방법.
  3. 삭제
  4. 삭제
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