KR100499128B1 - 전류제한층이 형성된 반도체 레이저 다이오드 및 그제조방법 - Google Patents

전류제한층이 형성된 반도체 레이저 다이오드 및 그제조방법 Download PDF

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Abstract

전류제한층을 가지는 반도체 레이저 다이오드 및 그 제조방법이 개시된다. 개시된 반도체 레이저 다이오드는, 기판과, 기판의 상면에 적층되는 제1물질층과, 상기 공진층의 상면에 적층되며, 리지부가 돌출되고 상기 공진층에 주입되는 전류를 제한하도록 상기 리지부가 시작되는 주변부 및 리지부 밑면 내부로 소정 깊이로 이온이 주입된 것으로, 상기 리지부의 폭보다 좁은 개구를 지닌 전류제한층을 포함하는 제2물질층;을 구비한다. 개시된 반도체 레이저 다이오드 제조방법은, 기판의 상면에 제1물질층, 공진층 및 제2물질층을 차례로 적층한 다음, 제2물질층을 식각하여 리지부가 돌출되도록 형성하는 제1단계 및, 공진층에 주입되는 전류를 제한하도록 제2물질층의 리지부가 시작되는 주변부로 주변부의 표면에 대해 이온빔을 소정 각도로 경사 주입하여 리지부가 시작되는 주변부 및 리지부의 밑면 내부에 소정 깊이로 전류제한층을 형성하는 제2단계를 포함한다. 리지부의 폭을 그대로 유지하여 광 프로파일의 손실은 제거하면서 활성층에 주입되는 전류 프로파일의 폭을 감소시킬 수 있어 낮은 발진임계전류값을 가지는 향상된 성능의 반도체 레이저 다이오드를 구현할 수 있다.

Description

전류제한층이 형성된 반도체 레이저 다이오드 및 그 제조방법{Semiconductor laser diode with current restricting layer and Fabricating method thereof}
본 발명은 반도체 레이저 다이오드 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 자세하게는 리지 웨이브 가이드를 구비하는 반도체 레이저 다이오드 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
반도체 레이저 다이오드의 레이저광은 주파수폭이 좁고 지향성이 첨예하기 때문에 광통신, 다중통신, 우주통신과 같은 곳에서 현재 실용화되어 가고 있다. 반도체 레이저는 광통신 등과 같은 통신 분야나 컴팩 디스크 플레이어(CDP; Compact Disk Player)나 디지털 다기능 디스크 플레이어(DVDP; Digital Versatile Disk Player) 등과 같은 장치에서 데이터의 전송이나 데이터의 기록 및 판독을 위한 수단으로써 널리 사용되고 있다.
이와 같이 반도체 레이저 다이오드가 널리 사용되는 이유는 한정된 공간내에서 레이저광의 발진 특성을 유지할 수 있고 소형화가 가능하며 무엇보다도 레이저 발진을 위한 임계 전류값이 작다는데 있다. 반도체 레이저를 사용할 수 있는 산업 분야가 증가되면서 보다 작은 임계 전류값을 가지는 반도체 레이저 다이오드에 대한 요구가 증가하고 있는데 즉, 저전류 발진이 가능하고 장시간 수명 동작 시험을 통과하는 우수한 특성을 가지는 반도체 레이저 다이오드에 대한 필요성이 증가하고 있다.
도 1은 종래 기술에 의한 반도체 레이저 다이오드로서, 레이저 발진을 위한 임계 전류 값을 감소시키도록 리지 웨이브 가이드(ridge wave guide) 구조를 가지는 반도체 레이저 다이오드를 보인다.
도 1을 참조하면, 사파이어 기판(10) 상에 제1 및 제2영역(R1, R2)으로 구분되는 n-GaN층(12)이 적층되어 있다. 제1영역(R1) 상에는 n-Gan층(12)의 상면에 n-AlGaN/GaN층(24), n-GaN 도파층(26), 활성층(28, InGaN층), p-GaN 도파층(30), p-AlGaN/GaN층(32)이 순차적으로 적층되어 있다. 여기서, n- 및 p-AlGaN/GaN층(24, 32)의 굴절률은 n- 및 p-GaN도파층(26, 30)보다 작고 n- 및 p-GaN도파층(26, 30)의 굴절률은 활성층(28)의 굴절률보다 작다. p-AlGaN/GaN층(32)은 상부 가운데 부분이 돌출된 리지 웨이브 가이드 구조를 가진다. 상기 돌출된 부분의 측면은 주변 부분에 대해 수직하고, 상면은 상기 측면에 수직하고 평면이다.
이와 같은 p-AlGaN/GaN층(32)의 상기 돌출된 리지 웨이브 가이드 구조는 주입되는 전류를 제한하여 활성층(28)에서의 레이저 발진을 위한 공진 영역을 제한하는 역할을 한다. p-AlGaN/GaN층(32)의 상기 돌출된 리지 웨이브 가이드의 상면에 p-GaN층(34)이 구비되어 있다. p-AlGaN/GaN층(32)의 전면은 보호막(36)으로 덮여 있다. p-GaN층(34)은 전류 통로가 되는 가운데 부분을 제외한 양측 일부 영역이 보호막(36)과 접촉되어 있다. 보호막(36) 상에 p-GaN층(34)의 전면과 접촉되는 p형 전극(38)이 구비되어 있다. n-GaN층(12)의 제2 영역(R2)은 제1 영역(R1)보다 낮은 영역으로써, n형 전극(37)이 형성되어 있다.
종래 기술에 의한 반도체 레이저는 리지 구조를 구비하여 주입되는 전류가 감소하여 공진 폭이 제한되므로, 기존의 리지 구조에 비해 레이저 발진을 위한 임계 전류값이 작아지는 이점이 있다.
하지만, 도 2에 도시된 바와 같이 리지 형성을 위한 식각을 얕게 하여 리지의 높이가 낮은 경우, 광 프로파일이 리지 코너에 거의 걸리지 않아 광손실이 적은 장점을 가지는 반면, p-AlGaN/GaN층(32)과 p-GaN층(34)의 저항이 매우 커지고 p-GaN층(34)을 통해 주입되는 전류가 활성층(28)에 도달되기 전에 리지 폭 이상으로 퍼져서 공진 영역(A1)의 폭이 넓어지고 그에 따라 임계 전류값이 증가될 수 있다.
반면, 도 3에 도시된 바와 같이, 리지 형성을 위한 식각을 깊게 하여 리지의 높이가 높고 리지 둘레의 클래드층의 두께가 얇은 경우, 전류 발산을 방지하여 발진 임계전류가 낮아지나, 활성층의 광 프로파일이 리지의 옆면에 걸려서 광손실이 발생될 수 있다.
따라서, 본 발명이 이루고자하는 기술적 과제는 상술한 종래 기술의 문제점을 개선하기 위한 것으로서, 활성층에 주입되는 전류 프로파일의 폭을 줄이고 동시에 공진시에 광 프로파일이 리지의 코너에 걸리지 않도록 하는 리지 웨이브 가이드 구조를 가지는 반도체 레이저 다이오드를 제공하는 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명은, 기판;과 기판의 상면에 적층되는 제1물질층;과 상기 제1물질층의 상면에 적층되고 레이저광이 발진하는 공진층;과 상기 공진층의 상면에 적층되며, 상기 공진층의 상면에 적층되며, 리지부가 돌출되고 상기 공진층에 주입되는 전류를 제한하도록 상기 리지부가 시작되는 주변부 및 리지부 밑면 내부로 소정 깊이로 이온이 주입된 것으로, 상기 리지부의 폭보다 좁은 개구를 지닌 전류제한층을 포함하는 제2물질층;을 구비하는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 다이오드를 제공한다.
상기 제1물질층은,
상기 기판 상에 적층되는 제1화합물 반도체층; 및
상기 제1화합물 반도체층 상에 적층되는 제1클래드층;을 포함한다.
여기서, 상기 제1화합물 반도체층은 nGaN계열의 Ⅲ-Ⅴ족 질화물 반도체층인 것이 바람직하며, 상기 제1클래드층은 n-AlGaN/GaN 층인 것이 바람직하다.
상기 공진층은,
상기 제1클래드층 상에 적층되고 상기 제1클래드층보다 굴절률이 큰 제1도파로층;과 상기 제1도파로층의 상면에 적층되고 레이저광이 생성되는 활성층; 및 상기 활성층 상에 적층되는 제2도파로층;을 포함한다.
상기 제1 및 제2도파로층은 상기 활성층보다 굴절률이 작은 것이 바람직하고, 특히 GaN 계열의 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체층인 것이 바람직하다.
상기 활성층은 InxAlyGa1-x-yN(0≤x ≤1, 0 ≤y ≤1 그리고 x+y ≤1)인 GaN계열의 III-V족 질화물 화합물 반도체층일 수 있다.
상기 제2물질층은,
상기 제2도파로층 상에 적층되며 상기 제2도파로층보다 굴절률이 작고 상기 리지부가 시작되는 제2클래드층; 및 상기 리지부의 상면에 형성되는 제2화합물 반도체층;을 포함한다.
상기 제2클래드층은 p-AlGaN/GaN층인 것이 바람직하며, 제2화합물 반도체층은 pGaN계열의 Ⅲ-Ⅴ족 질화물 반도체층인 것이 바람직하다.
상기 제1화합물 반도체층은 상면에 n형 전극을 더 구비한다.
상기 기판은 사파이어 기판인 것이 바람직하다.
상기 제2클래드층과 제2화합물 반도체층의 표면에 보호층을 더 포함하는 것이 바람직하다.
상기 제1화합물 반도체층과 상기 보호층의 표면에 전극을 더 포함한다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명은 또한, 기판의 상면에 제1물질층, 공진층 및 제2물질층을 차례로 적층한 다음, 상기 제2물질층을 식각하여 리지부가 돌출되도록 형성하는 제1단계; 상기 공진층에 주입되는 전류를 제한하도록 상기 제2물질층의 상기 리지부가 시작되는 주변부로 이온을 주입하여 상기 리지부의 폭보다 좁은 폭의 개구를 지닌 전류제한층을 형성하는 제2단계;를 포함한다.
상기 제1단계에서,
상기 제2물질층의 상부에 마스크를 위치시킨 다음, 레이저광의 손실이 크지 않은 깊이까지 이온빔으로 식각하여 리지부를 형성하는 것이 바람직하다.
상기 제2단계에서,
상기 리지부의 상면에 마스크를 위치시키고 상기 제2물질층의 리지부의 주변부의 표면에 대해 이온빔을 소정 각도로 경사 주입시켜 상기 리지부가 시작되는 주변부 및 리지부의 밑면 내부의 소정 깊이로 전류제한층을 형성한다.
이 때, 상기 이온빔을 5도 내지 60도의 경사각으로 주입하고, 바람직하게는, 상기 이온빔을 15도 정도의 경사각으로 주입한다.
상기 제1물질층은,
상기 기판 상에 순서대로 제1화합물 반도체층 및, 제1클래드층을 적층하여 형성하는 것이 바람직하다.
상기 제1화합물 반도체층은 nGaN계열의 Ⅲ-Ⅴ족 질화물 반도체층으로 형성하는 것이 바람직하다. 상기 제1클래드층은 n-AlGaN/GaN 층으로 형성하는 것이 바람직하다.
상기 공진층은,
상기 제1클래드층의 상면에 순서대로 상기 제1클래드층보다 굴절률이 큰 제1도파로층, 레이저광을 생성하는 활성층 및, 제2도파로층을 적층하여 형성한다.
상기 제1 및 제2도파로층은 상기 활성층보다 굴절률이 작은 물질로 형성하는 것이 바람직하다.
상기 제1 및 제2도파로층은 GaN 계열의 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체층으로 형성하는 것이 바람직하며, 상기 활성층은 InxAlyGa1-x-yN(0≤x ≤1, 0 ≤y ≤1 그리고 x+y ≤1)인 GaN계열의 III-V족 질화물 화합물 반도체층으로 형성하는 것이 바람직하다.
상기 제2물질층은,
상기 제2도파로층 상에 상기 제2도파로층보다 굴절률이 작고 상기 리지부가 시작되는 제2클래드층을 적층한 다음, 상기 리지부의 상면에 제2화합물 반도체층을 적층하여 형성한다.
상기 제1단계에서,
상기 제2클래드층의 상부에 마스크를 위치시킨 다음, 레이저광의 손실이 크지 않은 깊이까지 이온빔으로 식각하여 리지부를 형성하는 것이 바람직하다.
상기 제2단계에서,
상기 리지부의 상면에 마스크를 위치시키고 상기 제2클래드층의 표면에 대해 이온빔을 소정 각도로 경사 주입시켜 상기 리지부가 시작되는 주변부 및 리지부의 밑면 내부의 소정 깊이로 전류제한층을 형성한다.
이 때, 상기 이온빔을 5도 내지 60도의 경사각으로 주입하고, 바람직하게는, 상기 이온빔을 15도 정도의 경사각으로 주입한다.
상기 제2클래드층은 p-AlGaN/GaN층으로 형성하고, 상기 제2화합물 반도체층은 pGaN계열의 Ⅲ-Ⅴ족 질화물 반도체층으로 형성하는 것이 바람직하다.
상기 제1화합물 반도체층은 상면에 n형 전극을 더 형성하는 것이 바람직하다.
상기 기판은 사파이어로 형성하는 것이 바람직하다.
상기 제2화합물층과 상기 제2클래드층의 표면에 보호층을 더 형성하는 것이 바람직하다.
상기 제1화합물층과 상기 보호층의 표면에 p형 전극을 더 형성하는 것이 바람직하다.
본 발명은 리지 웨이브 가이드 구조를 통해 주입되는 전류를 제한하기 위해 리지부의 주변으로 이온을 주입하여 전류제한층을 형성함으로써 광 프로파일을 그대로 유지하여 광손실을 적게 하고 동시에 전류 프로파일의 폭을 감소시켜 발전 임계전류를 낮추어 근접장 패턴 사이즈를 감소시킨 성능이 향상된 반도체 레이저 다이오드를 제공할 수 있다.
이하 본 발명의 실시예에 따른 전류제한층을 가지는 반도체 레이저 다이오드 및 그 제조방법을 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 도면에서 반도체 레이저 다이오드를 구성하는 각 층의 폭과 높이는 설명을 위해 과장되게 도시되었음에 유의해야 한다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 반도체 레이저 다이오드를 나타낸 도면이다. 도 4를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 반도체 레이저 다이오드는, 기판(50)과, 기판의 상면에 순서대로 적층되는 제1물질층(61), 활성층(56) 및 제2물질층(63)을 구비한다.
제1물질층(61)은, 기판(50)의 상면에 적층되며 단차를 가지는 제1화합물 반도체층(52)과, 제1화합물 반도체층(52)의 상면에 적층되는 제1클래드층(54)을 포함한다. 제1화합물 반도체층(52)의 단차가 형성된 부분에는 n형 전극(51)이 위치한다.
기판(50)은 고저항성으로 사파이어 기판이 주로 이용되며, 제1화합물 반도체층(52)은 GaN 계열의 Ⅲ-Ⅴ족 질화물 화합물 반도체층으로 형성하되, 특히 n-GaN 층으로 형성하는 것이 바람직하다. 하지만, 이에 한정되지 않으며 레이징이 가능한 Ⅲ-Ⅴ족의 다른 화합물 반도체층일 수 있다. 제1클래드층(54)은 소정의 굴절률을 가지는 n-AlGaN/GaN층인 것이 바람직하나 레이징을 위한 다른 화합물 반도체층일 수 있다.
공진층(63)은, 제1클래드층(54)의 상면에 순서대로 제1도파로층(53), 활성층(56) 및 제2도파로층(55)이 적층되어 이루어진다. 제1 및 제2도파로층(53)(55)은 활성층(56)보다 굴절률이 작은 물질로 형성하는데, GaN 계열의 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체층으로 형성하는 것이 바람직하다. 제1도파로층(53)은 n-GaN층으로, 제2도파로층(55)은 p-GaN층으로 형성한다. 활성층(56)은 레이징이 일어날 수 있는 물질층이면 어떠한 물질층이라도 사용할 수 있으며 바람직하게는 임계전류값이 작고 횡모드 특성이 안정된 레이저광을 발진할 수 있는 물질층을 사용한다. 활성층(56)으로 Al이 소정 비율 함유된 InxAlyGa1-x-yN(0 ??x ??1, 0 ??y ??1 그리고 x+y ??1)인 GaN계열의 III-V족 질화물 화합물 반도체층을 사용하는 것이 바람직하다.
제2물질층(65)은 제2도파로층(55)의 상면에 적층되며 중앙부에 리지부(69)가 돌출되어 위치하며 제2도파로층(55)보다 굴절률이 작은 제2클래드층(58)과, 상기 리지부(69)의 상면에 적층되는 제2화합물 반도체층(64)을 포함한다. 제2클래드층(58)은 제1클래드층(54)이 n형 화합물 반도체층이면 p형 화합물 반도체층으로 형성하고, 제1클래드층(54)이 p형 화합물 반도체층이면 n형 화합물 반도체층으로 형성한다. 즉, 제1클래드층(54)이 n-AlGaN/GaN층이면 제2클래드층(58)은 p-AlGaN/GaN층으로 형성한다. 제2화합물 반도체층(64)도 유사하게 제1화합물 반도체층(52)이 n형 화합물 반도체층이면 p형 화합물 반도체층으로 형성하며, 그 역도 가능하다. 따라서, 제1화합물 반도체층(52)이 n-GaN층으로 형성되면 제2화합물 반도체층(64)은 p-GaN층으로 형성한다.
본 발명의 실시예에 따른 반도체 레이저 다이오드는, 제2클래드층(58)의 리지부(69)의 주변부로 제2클래드층(58)의 표면에 대해 이온빔을 소정 각도로 경사 주입시켜 리지부(69)가 시작되는 주변부 및 리지부(69) 밑면 내부의 소정 깊이로 형성된 전류제한층(60)을 가진다. 전류제한층(60)은 제2화합물 반도체층(64)과 동일한 굴절률을 유지하면서 저항만이 커지는 특징을 가짐으로써 광 프로파일은 고정시키면서 전류 프로파일을 독립적으로 조절할 수 있는 특성을 가진다.
종래 기술에서 상술한 바와 같이 전류 프로파일의 손실을 줄이기 위해서는 리지부(69)의 깊이가 깊어야 하고 광 프로파일의 손실을 줄이기 위해서는 리지부(69)의 깊이가 얕아야 하는 모순이 생긴다. 이를 해결하기 위해, 본 발명의 실시예에 따른 반도체 레이저 다이오드는 광 프로파일은 물질의 굴절률에 의해 영향을 받고, 전류 프로파일은 물질의 저항에 영향을 받는 점을 이용하여 리지부(69)의 물리적인 깊이는 유지하면서 전류의 프로파일에 영향을 줄 수 있도록 리지부(69)가 시작하는 제2화합물 반도체층(64)의 물성을 변화시키는 전류제한층(60)을 형성함으로써 리지부(69)와 리지부(69)의 주변부를 공간적으로 분리시킨다.
리지부(69)는 활성층(56)의 평면에 대해 수직한 방향으로 돌출되어 있으며 그 주변의 제2클래드층(58)의 표면으로부터 소정 깊이로 이온이 침투하여 상기 리지부(69)가 시작되는 저면으로 활성층(56)의 평면과 평행한 방향으로 소정 폭까지 침투하여 전류제한층(60)이 형성된다. 도면에서 A로 표시된 원부분의 침투영역에 의해 리지부(69)를 통과하는 전류 프로파일의 폭이 줄어들어 임계전류를 낮출 수 있으며 광손실을 제거할 수 있다. 제2클래드층(58)에 이온을 주입하기 위해 이온 샤워법을 사용하는데 이에 대해서는 도 5a 및 도 5b를 참조한 아래의 설명에서 상술한다. 전류제한층(60)의 깊이는 제2클래드층(58)의 두께보다는 작게 형성하고 리지부(69)의 폭이 2μm 정도일 경우 원 A로 표시한 폭, 즉 좌우 침투폭이 0.5μm 정도가 되도록 형성하는 것이 바람직하다.
제2클래드층(58)과 제2화합물 반도체층(64)의 표면에는 보호층(68)이 더 형성될 수 있으며, 보호층(68)과 보호층(68)이 도포되지 않고 노출된 제2화합물 반도체층(64)의 표면에는 p형 전극(57)이 더 형성될 수 있다. 제1화합물 반도체층(52)의 단차가 형성된 부분에 마련되는 n형 전극(51)은 p형 전극(69)과 대향하도록 기판(50)의 저면에 형성될 수 있다. 이 경우 기판(50)은 실리콘 카본(SiC) 또는 갈륨 나이트라이드(GaN)으로 형성하는 것이 바람직하다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 실시예에 따른 반도체 레이저 다이오드의 제조방법을 나타낸 공정도이다.
먼저 도 5a에 도시된 바와 같이, 기판(50)의 상면에 제1화합물 반도체층(52), 제1클래드층(54), 제1도파로층(53), 활성층(56), 제2도파로층(55) 및, 제2클래드층(58)을 순서대로 증착한 다음 마스크(67a)를 상부에 위치시키고 노광 및 현상한 다음 식각하면 도 5b에 도시된 바와 같은 형태로 패터닝된다. 제2클래드층(58)의 상부에 도 5c에 도시된 바와 같이 중심부에만 마스크(67b)를 위치시킨 다음 이온 빔으로 식각하면 도 5d에 도시된 바와 같이 리지부(69)가 제2클래드층(58)의 중앙부에 활성층(56)의 평면에 대해 수직한 방향으로 돌출되어 형성된다.
도 5e를 참조하면, 리지부(69)의 상면에 마스크(67b)가 계속 위치시키고 이 상부에 이온샤워법으로 제2클래드층(58)의 표면에 대해 이온빔을 소정 각도로 경사 주입사여 리지부(69)가 시작되는 주변부 및 리지부의 밑면 내부의 소정 깊이로 이온을 주입하면 마스크(67b)에 의해 차단되는 리지부(69)를 제외한 리지부(69) 주변의 제2클래드층(58)의 표면으로 이온이 침투하여 전류제한층(60)을 형성한다. 이 때 이온빔의 경사각은 5도 내지 60도 정도이나 바람직하게는 15도 정도이다. 리지부(69)의 넓이에 따라 경사각을 조절함으로써 리지부(69)의 밑면의 내부에 형성되는 전류제한부분(A)의 넓이를 조절할 수 있다. 이와 같은 경사각의 조건은 식각장치를 제어하거나 웨이퍼 스테이지의 자세 제어등을 통해 얻을 수 있다.
전류제한층(60)은 리지부(69)가 시작되는 지점에서 소정 폭으로 활성층(56)의 평면에 대해 평행한 방향으로 리지부(69)의 바닥면쪽으로 이온이 침투하여 리지부(69)의 물리적인 폭은 그대로이지만 전류가 주입되는 통로는 실질적으로 감소시키는 효과를 달성한다.
이온샤워법은 일반적인 이온 주입법과 달리 수백 eV의 저에너지로 이온을 주입시키므로 이온이 주입되는 깊이는 얕지만 리지부(69)가 위치하고 있는 바닥면으로 폭넓게 이온이 침투할 수 있어 전류제한층(60)을 형성하기에는 더 바람직한 방법이다. 또한 이온 샤워법은 기판(50)을 소정 각도로 경사지게 하여 이온을 주입할 수 있어서 더욱 효율적으로 전류제한층(60)의 폭을 리지부(69)의 밑면의 내부로 넓힐 수 있다. 이온 주입이 효율적으로 실시되어 형성된 전류제한층(60)은 대략 리지부(69)의 저면에서 대략 폭의 절반정도만큼 이온이 침투하여 이루어진다.
도 6a의 (a)는 종래의 반도체 레이저 다이오드의 구조를 간략히 나타낸 단면도, 도6a의 (b)는 동일물에 주입되는 전류의 근접장 패턴의 모드를 보인 사진, 도 6a의 (c)는 동일물에 주입되는 전류의 근접장 패턴의 강도 프로파일을 나타낸 그래프이다. 여기서, 도 6a의 (a)의 참조부호는 도 2 및 도 3에 도시된 종래의 반도체 레이저 다이오드의 구성요소를 나타내는 참조부호와 동일한 구성요소를 나타낸다.
도 6b의 (a)는 본 발명의 실시예에 따른 반도체 레이저 다이오드의 구조, 도 6b의 (b)는 상기 동일물에 주입되는 전류의 근접장 패턴의 모드를 보인 사진, (c)는 동일물에 주입되는 전류의 근접장 패턴의 횡단면 강도프로파일을 나타낸 그래프이다. 여기서, 도 6b의 (b)의 참조부호는 도 4에 도시된 본 발명의 실시예에 딸느 반도체 레이저 다이오드의 구성요소를 나타내는 참조부호와 동일한 구성요소를 나타낸다.
도 6b의 (b)의 대상이 되는 본 발명의 실시예에 따른 반도체 레이저 다이오드의 전류제한층을 형성하기 위해 이온샤워법의 실시조건은 이온빔 전압을 700V 정도, 이온빔 전류를 400mA 정도, 기판 경사 각도를 15도 정도, 이온 샤워 시간을 60초정도로 하고 이온형성시 가스는 산소를 사용하였다.
도 6a의 (a)와 도 6b의 (a)에 도시된 두 구조를 비교해 보면, 본 발명의 실시예에 따른 반도체 레이저 다이오드는 종래의 구조에 비해 리지부(69)가 시작되는 주변부의 제2화합물 반도체층(58)의 표면에 전류제한층(60)이 형성되어 있는 점이 상이하다. 종래의 반도체 레이저 다이오드 구조에서는 도 6a의 (a)에 도시된 바와 같이 리지부를 통해 주입되는 전류가 폭이 감소되지 않고 그대로 활성층(28)에 도달하지만, 본 발명의 실시예에 따른 반도체 레이저 다이오드의 구조에서는 전류제한층(60)에 의해 리지부(69)를 통과하는 전류의 폭이 좁아져서 도 6b의 (a)에 도시된 바와 같이 활성층(54)에 도달한다.
도 6a의 (b) 및 도 6b의 (b)를 참조하면, 종래의 반도체 레이저 다이오드의 근접장 패턴의 모드, 즉 전류 프로파일이 1.70μm의 폭을 가지는 것에 비해, 본 발명의 실시예에 따른 반도체 레이저 다이오드의 근접장 패턴의 모드, 즉 전류강도 프로파일은 1.17μm의 폭을 가지므로 전류 프로파일의 폭이 종래의 구조에 비해 획기적으로 감소된 것을 알 수 있다.
이는 도 6a의 (c) 및 도 6b의 (c)에 도시된 그래프의 강도 프로파일에서도 동일하게 확인할 수 있다. 종래의 전류 강도 프로파일의 폭에 비해 본 발명의 실시예에 따른 반도체 레이저 다이오드에 주입되는 전류의 강도 프로파일의 폭이 훨씬 좁은 것을 볼 수 있어 실제로 반도체 레이저 다이오드에 주입되는 전류가 감소되어 임계전류값이 감소하게 된다. 이경우에 리지부(69)의 폭은 종래의 반도체 레이저 다이오드와 변함이 없으므로 광손실은 발생하지 않는다.
본 발명의 실시예에 따른 반도체 레이저 다이오드 및 그 제조방법은 리지 웨이브 가이드의 깊이를 얕게 하여 광손실을 줄이면서 동시에 리지 웨이브 가이드가 시작되는 주변부에 이온을 주입하여 형성하는 전류제한층을 마련하여 리지 웨이브 가이드를 통해 주입되는 전류의 프로파일의 폭을 감소시켜 활성층에서 발진하는 레이저광의 폭을 줄일 수 있다. 레이저광의 폭이 감소됨에 따라 근접장 패턴의 모드의 크기가 줄어들고 발진 임계전류가 낮아져 종래의 반도체 레이저 다이오드에 비해 성능이 향상된 반도체 레이저 다이오드를 제공할 수 있다.
상기한 설명에서 많은 사항이 구체적으로 기재되어 있으나, 그들은 발명의 범위를 한정하는 것이라기보다, 바람직한 실시예의 예시로서 해석되어야 한다. 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 의하여 정하여 질 것이 아니고 특허 청구범위에 기재된 기술적 사상에 의해 정하여져야 한다.
상술한 바와 같이 본 발명의 반도체 레이저 다이오드 및 그 제조방법의 장점은, 리지부의 주변부로 이온을 주입한 전류제한층을 형성하여 리지부의 깊이는 얕게 하면서 활성층에 주입되는 전류의 프로파일의 폭을 감소시킬 수 있어 저 발진임계전류를 가지는 성능이 향상된 반도체 레이저 다이오드를 구현할 수 있다는 것이다.
도 1은 종래의 반도체 레이저 다이오드의 구조를 나타낸 단면도,
도 2는 종래의 반도체 레이저 다이오드에서 리지부의 깊이가 얕은 경우 전류의 공진폭이 넓어지는 것을 나타내는 도면,
도 3은 종래의 반도체 레이저 다이오드에서 리지부의 깊이가 깊은 경우 광손실이 발생하는 것을 나타낸 도면,
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 반도체 레이저 다이오드를 나타낸 단면도,
도 5a 내지 도 5c는 본 발명의 실시예에 따른 반도체 레이저 다이오드의 제조방법을 나타낸 공정도,
도 6a의 (a)는 종래의 반도체 레이저 다이오드의 구조, (b)는 동일물에 주입되는 전류의 근접장 패턴의 모드를 보인 사진, (c)는 동일물의 전류 프로파일을 나타낸 그래프,
도 6b의 (a)는 본 발명의 실시예에 따른 반도체 레이저 다이오드의 구조, (b)는 동일물에 주입되는 전류의 근접장 패턴의 모드를 보인 사진, (c)는 동일물의 전류 프로파일을 나타낸 그래프.
<도면의 주요부분에 대한 부호설명>
50 ; 기판 51 ; n형 전극
52 ; 제1화합물 반도체층 53 ; 제1도파로층
54 ; 제1클래드층 55 ; 제2도파로층
56 ; 활성층 57 ; p형 전극
58 ; 제2화합물 반도체층 61 ; 제1물질층
63 ; 공진층 65 ; 제2물질층
69 ; 리지부

Claims (38)

  1. 기판;
    기판의 상면에 적층되는 제1물질층;
    상기 제1물질층의 상면에 적층되고 레이저광이 발진하는 공진층;
    상기 공진층의 상면에 적층되며, 리지부가 돌출되고 상기 공진층에 주입되는 전류를 제한하도록 상기 리지부가 시작되는 주변부 및 리지부 밑면 내부로 소정 깊이로 이온이 주입된 것으로, 상기 리지부의 폭보다 좁은 개구를 지닌 전류제한층을 포함하는 제2물질층;을 구비하는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 다이오드.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 제1물질층은,
    상기 기판 상에 적층되는 제1화합물 반도체층; 및
    상기 제1화합물 반도체층 상에 적층되는 제1클래드층;을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 다이오드.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제1화합물 반도체층은 nGaN계열의 Ⅲ-Ⅴ족 질화물 반도체층인 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 다이오드.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 제1클래드층은 n-AlGaN/GaN 층인 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 다이오드.
  5. 제 2 항에 있어서, 상기 공진층은,
    상기 제1클래드층 상에 적층되고 상기 제1클래드층보다 굴절률이 큰 제1도파로층;
    상기 제1도파로층의 상면에 적층되고 레이저광이 생성되는 활성층; 및
    상기 활성층 상에 적층되는 제2도파로층;을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 다이오드.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2도파로층은 상기 활성층보다 굴절률이 작은 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 다이오드.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2도파로층은 GaN 계열의 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체층인 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 다이오드.
  8. 제 5 항에 있어서,
    상기 활성층은 InxAlyGa1-x-yN(0≤x ≤1, 0 ≤y ≤1 그리고 x+y ≤1)인 GaN계열의 III-V족 질화물 화합물 반도체층인 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 다이오드.
  9. 제 5 항에 있어서, 상기 제2물질층은,
    상기 제2도파로층 상에 적층되며 상기 제2도파로층보다 굴절률이 작고 상기 리지부가 시작되는 제2클래드층; 및
    상기 리지부의 상면에 형성되는 제2화합물 반도체층;을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 다이오드.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 제2클래드층은 p-AlGaN/GaN층인 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 다이오드.
  11. 제 9 항에 있어서,
    제2화합물 반도체층은 pGaN계열의 Ⅲ-Ⅴ족 질화물 반도체층인 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 다이오드.
  12. 제 2 항에 있어서,
    상기 제1화합물 반도체층은 상면에 n형 전극을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 다이오드.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판은 사파이어 기판인 것을 특징으로 반도체 레이저 다이오드.
  14. 제 9 항에 있어서,
    상기 제2클래드층과 제2화합물 반도체층의 표면에 보호층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 다이오드.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 제1화합물 반도체층과 상기 보호층의 표면에 전극을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 다이오드.
  16. 기판의 상면에 제1물질층, 공진층 및 제2물질층을 차례로 적층한 다음, 상기 제2물질층을 식각하여 리지부가 돌출되도록 형성하는 제1단계; 및
    상기 공진층에 주입되는 전류를 제한하도록 상기 제2물질층의 상기 리지부가 시작되는 주변부로 이온을 주입하여 상기 리지부의 폭보다 좁은 폭의 개구를 지닌 전류제한층을 형성하는 제2단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 다이오드 제조방법.
  17. 제 16 항에 있어서, 상기 제1단계에서,
    상기 제2물질층의 상부에 마스크를 위치시킨 다음, 레이저광의 손실이 크지 않은 깊이까지 이온빔으로 식각하여 리지부를 형성하는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 다이오드 제조방법.
  18. 제 16 항에 있어서, 상기 제2단계에서,
    상기 리지부의 상면에 마스크를 위치시키고 상기 제2물질층의 리지부의 주변부의 표면에 대해 이온빔을 소정 각도로 경사 주입시켜 상기 리지부가 시작되는 주변부 및 리지부의 밑면 내부의 소정 깊이로 전류제한층을 형성하는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 다이오드 제조방법.
  19. 제 18 항에 있어서, 상기 제2단계에서,
    상기 이온빔을 5도 내지 60도의 경사각으로 주입하는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 다이오드 제조방법.
  20. 제 18 항에 있어서, 상기 제2단계에서,
    상기 이온빔을 15도 정도의 경사각으로 주입하는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 다이오드 제조방법.
  21. 제 16 항에 있어서, 상기 제1물질층은,
    상기 기판 상에 순서대로 제1화합물 반도체층 및, 제1클래드층을 적층하여 형성하는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 다이오드 제조방법.
  22. 제 21 항에 있어서,
    상기 제1화합물 반도체층은 nGaN계열의 Ⅲ-Ⅴ족 질화물 반도체층으로 형성하는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 다이오드 제조방법.
  23. 제 21 항에 있어서,
    상기 제1클래드층은 n-AlGaN/GaN 층으로 형성하는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 다이오드 제조방법.
  24. 제 21 항에 있어서, 상기 공진층은,
    상기 제1클래드층의 상면에 순서대로 상기 제1클래드층보다 굴절률이 큰 제1도파로층, 레이저광을 생성하는 활성층 및, 제2도파로층을 적층하여 형성하는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 다이오드 제조방법.
  25. 제 24 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2도파로층은 상기 활성층보다 굴절률이 작은 물질로 형성하는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 다이오드 제조방법.
  26. 제 25 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2도파로층은 GaN 계열의 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체층으로 형성하는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 다이오드 제조방법.
  27. 제 24 항에 있어서,
    상기 활성층은 InxAlyGa1-x-yN(0≤x ≤1, 0 ≤y ≤1 그리고 x+y ≤1)인 GaN계열의 III-V족 질화물 화합물 반도체층으로 형성하는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 다이오드 제조방법.
  28. 제 24 항에 있어서, 상기 제2물질층은,
    상기 제2도파로층 상에 상기 제2도파로층보다 굴절률이 작고 상기 리지부가 시작되는 제2클래드층을 적층한 다음, 상기 리지부의 상면에 제2화합물 반도체층을 적층하여 형성하는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 다이오드 제조방법.
  29. 제 28 항에 있어서, 상기 제1단계에서,
    상기 제2클래드층의 상부에 마스크를 위치시킨 다음, 레이저광의 손실이 크지 않은 깊이까지 이온빔으로 식각하여 리지부를 형성하는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 다이오드 제조방법.
  30. 제 28 항에 있어서, 상기 제2단계에서,
    상기 리지부의 상면에 마스크를 위치시키고 상기 제2클래드층의 표면에 대해 이온빔을 소정 각도로 경사 주입시켜 상기 리지부가 시작되는 주변부 및 리지부의 밑면 내부의 소정 깊이로 전류제한층을 형성하는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 다이오드 제조방법.
  31. 제 30 항에 있어서, 상기 제2단계에서,
    상기 이온빔을 5도 내지 60도의 경사각으로 주입하는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 다이오드 제조방법.
  32. 제 30 항에 있어서, 상기 제2단계에서,
    상기 이온빔을 15도 정도의 경사각으로 주입하는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 다이오드 제조방법.
  33. 제 28 항에 있어서,
    상기 제2클래드층은 p-AlGaN/GaN층인 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 다이오드 제조방법.
  34. 제 28 항에 있어서,
    상기 제2화합물 반도체층은 pGaN계열의 Ⅲ-Ⅴ족 질화물 반도체층인 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 다이오드 제조방법.
  35. 제 21 항에 있어서,
    상기 제1화합물 반도체층은 상면에 n형 전극을 더 형성하는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 다이오드 제조방법.
  36. 제 16 항에 있어서,
    상기 기판은 사파이어로 형성하는 것을 특징으로 반도체 레이저 다이오드 제조방법.
  37. 제 28 항에 있어서,
    상기 제2화합물층과 상기 제2클래드층의 표면에 보호층을 더 형성하는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 다이오드 제조방법.
  38. 제 37 항에 있어서,
    상기 제1화합물층과 상기 보호층의 표면에 p형 전극을 더 형성하는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 다이오드 제조방법.
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