KR100892010B1 - Nitrides semiconductor laser diode - Google Patents
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Abstract
본 발명은 질화물 반도체 레이저 다이오드에 관한 것으로, n-질화물 반도체 기판의 상부에 형성되고, 상부의 일부가 제거되어 리지(Ridge) 영역을 갖는 n-질화물 반도체층과; 상기 n-질화물 반도체층의 리지 영역 상부에 형성된 n-클래드층과; 상기 n-클래드층의 단면적보다 작은 리지 형상으로 n-웨이브 가이드층, 활성층, 에칭방지층과 p-웨이브 가이드층이 순차적으로 적층되어 형성된 적층 에피층과; 상기 적층 에피층의 측면과 상기 n-클래드층의 상면 및 측면을 감싸며 상기 n-질화물 반도체층의 상부에 형성된 유전막과; 상기 적층 에피층의 p-웨이브 가이드층 상면을 감싸며 상기 유전막 상부의 일부분까지 형성된 p-클래드층과; 상기 p-클래드층을 감싸며 상기 유전막 상부에 형성된 p-캡층과; 상기 p-캡층을 감싸며 상기 나머지 유전막 상부에 형성된 p-메탈층과; 상기 n-질화물 반도체 기판의 하부에 형성된 n-메탈층으로 구성된다.The present invention relates to a nitride semiconductor laser diode, comprising: an n-nitride semiconductor layer formed on an n-nitride semiconductor substrate, the portion of which is removed to have a ridge region; An n-clad layer formed on the ridge region of the n-nitride semiconductor layer; A laminated epi layer formed by sequentially stacking an n-wave guide layer, an active layer, an anti-etching layer, and a p-wave guide layer in a ridge shape smaller than the cross-sectional area of the n-clad layer; A dielectric layer formed on the n-nitride semiconductor layer and surrounding the side surface of the stacked epitaxial layer and the top and side surfaces of the n-clad layer; A p-clad layer covering an upper surface of the p-wave guide layer of the laminated epitaxial layer and formed to a part of the upper portion of the dielectric layer; A p-cap layer surrounding the p-clad layer and formed on the dielectric layer; A p-metal layer surrounding the p-cap layer and formed on the remaining dielectric layer; It consists of an n-metal layer formed under the n-nitride semiconductor substrate.
따라서, 본 발명은 건식식각할 깊이가 종래의 반도체 레이저 다이오드 보다 얕아서 활성층에 인가하는 물리적 및 화학적인 손상을 줄여 줄 수 있어 소자의 광학적 특성을 향상시키고, 소자의 I-V 특성이 향상되는 효과가 발생한다. Therefore, the present invention can reduce the physical and chemical damage applied to the active layer because the dry etching depth is shallower than that of the conventional semiconductor laser diode, thereby improving the optical characteristics of the device and the IV characteristic of the device is improved. .
질화물반도체, 유전막, 식각Nitride semiconductor, dielectric film, etching
Description
도 1은 일반적인 질화물 반도체 레이저 다이오드의 단면도이다.1 is a cross-sectional view of a typical nitride semiconductor laser diode.
도 2는 도 1의 소자보다 개선된 질화물 반도체 레이저 다이오드의 단면도이다.2 is a cross-sectional view of a nitride semiconductor laser diode improved over the device of FIG. 1.
도 3은 본 발명에 따른 질화물 반도체 레이저 다이오드의 단면도이다.3 is a cross-sectional view of a nitride semiconductor laser diode according to the present invention.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>
10,210,310 : n-화합물 반도체 기판 11,212,312 : n-클래드층10,210,310: n-compound semiconductor substrate 11,212,312: n-clad layer
12,213,313 : n-웨이브 가이드층 13,214,314 : 활성층 12,213,313: n-wave guide layer 13,214,314: active layer
14,215,315 : 에칭방지층 15,216,316 : p-웨이브 가이드층 14,215,315: etching prevention layer 15,216,316: p-wave guide layer
16,217,317 : p-클래드층 17,270,370 : 유전막 16,217,317: p-clad layer 17,270,370: dielectric film
18,218,318 : p-캡층 20,220,320 : p-메탈층 18,218,318 p-cap layer 20,220,320 p-metal layer
21,221,321 : n-메탈층 211,311 : n-질화물 반도체층 21,221,321 n-metal layer 211,311 n-nitride semiconductor layer
본 발명은 질화물 반도체 레이저 다이오드에 관한 것으로, 보다 상세하게는 1차 리지의 상부에 상기 1차 리지보다 작은 단면적의 2차 리지를 형성하고, 2차 리 지에는 활성층을 포함하는 웨이브 가이드층을 배치함으로써, 건식식각할 깊이가 종래의 반도체 레이저 다이오드 보다 얕아서 활성층에 인가하는 물리적 및 화학적인 손상을 줄여 줄 수 있어 소자의 광학적 특성을 향상시키고, I-V 특성을 향상시킬 수 있는 질화물 반도체 레이저 다이오드에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a nitride semiconductor laser diode, and more particularly, to form a secondary ridge having a cross-sectional area smaller than the primary ridge on the primary ridge, and to arrange a wave guide layer including an active layer in the secondary ridge. As a result, the dry etching depth is shallower than that of a conventional semiconductor laser diode, thereby reducing physical and chemical damage applied to the active layer, thereby improving the optical characteristics of the device and improving the IV characteristics. .
일반적으로 질화물(Nitrides) 화합물 반도체 레이저 다이오드는 대용량정보저장 장치와 칼라 프린터(Color Printer)에 적용하기 위하여 개발되어 양산되고 있다.In general, Nitrides compound semiconductor laser diodes have been developed and mass-produced for application to large-capacity data storage devices and color printers.
최근에 질화물 화합물 반도체 레이저 다이오드를 이용한 여러 가지 새로운 응용들이 시도되고 있다. Recently, several new applications using nitride compound semiconductor laser diodes have been attempted.
이런 질화물 반도체 레이저 다이오드를 대용량정보저장 장치와 칼라 프린터 등에 응용을 하기 위해서 소자는 낮은 문턱 전류(Threshold Current, Ith)와 높은 외부양자효율(External Quantum Efficiency, ηex)이 요구된다. In order to apply such a nitride semiconductor laser diode to a large capacity data storage device and a color printer, the device requires a low threshold current (I th ) and a high external quantum efficiency (η ex ).
또한, 원접장 패턴(Far Field Patterns, FFP)에서 수평/수직 방사각의 비율(Aspect Ratio)이 '1'이 되는 것이 최적의 상태이지만, 대부분의 질화물 반도체 레이저 다이오드는 이 조건을 벗어나게 된다.In addition, although it is optimal that the horizontal / vertical aspect ratio becomes '1' in far field patterns (FFP), most nitride semiconductor laser diodes deviate from this condition.
그러므로, 질화물 반도체 레이저 다이오드를 고용한 광 헤드(Optical Head)광학계(광학 시스템)에서는 광출력의 손실(Loss)이 발생되어 이런 문제점을 해결하는 새로운 질화물 반도체 레이저 다이오드의 개발이 요구된다.Therefore, in the optical head optical system (optical system) employing a nitride semiconductor laser diode, a loss of light output occurs, requiring the development of a new nitride semiconductor laser diode that solves this problem.
현재, 모든 질화물 화합물 반도체 레이저 다이오드는 리지 타입(Ridge Type) 구조이고, 소자의 패시베이션(Passivation)과 트랜스버스 모드(Transverse Mode)제어용으로 도 1과 같이 리지(Ridge)옆에 유전막을 쌓고 있다. Currently, all nitride compound semiconductor laser diodes have a ridge type structure, and a dielectric film is stacked next to the ridge as shown in FIG. 1 for passivation and transverse mode control of the device.
도 1은 일반적인 질화물 반도체 레이저 다이오드의 단면도로써, n-질화물 반도체 기판(10)의 상부에, n-클래드층(11), n-웨이브 가이드층(12), 활성층(13), 에칭방지층(14), p-웨이브 가이드층(15)과 p-클래드층(16)이 순차적으로 적층되어 있다.1 is a cross-sectional view of a general nitride semiconductor laser diode, wherein an n-
상기 p-클래드층(16)은 중앙에 돌출된 리지(Ridge)가 형성되어 있고, 이 리지의 상부에는 p-캡층(18)이 형성되어 있으며, 상기 p-클래드층(16)의 리지와 상기 p-캡층(18)의 측면에는 유전막(17)이 형성되어 있다.The p-
그리고, 상기 p-캡층(18)과 상기 유전막(17)의 상부에는 p-메탈층(20)이 형성된다.In addition, a p-
또한, 상기 n-질화물 반도체 기판(10)의 하부에는 n-메탈층(21)이 형성된다.In addition, an n-
전술된 리지의 측면에 형성된 유전막은 AlGaN 및 GaN으로 형성되는 적층 에피층과 굴절률 차이가 많이 나는 SiO2 (NEC Corporation와 Nichia Chemical Corporation에서 적용)(굴절률(n)=1.45-1.46), 굴절률의 차이가 많이 나지 않는 ZrO2(Nichia Chemical Corporation에서 적용)(n=1.97)와 SiON(n=1.7)(Xerox Palo Alto Research Center에서 적용)을 사용하고 있다. The dielectric film formed on the side of the above-mentioned ridge is SiO 2 (applied by NEC Corporation and Nichia Chemical Corporation) having a large difference in refractive index from a laminated epi layer formed of AlGaN and GaN (refractive index (n) = 1.45-1.46), and a difference in refractive index ZrO 2 (applied by Nichia Chemical Corporation) (n = 1.97) and SiON (n = 1.7) (applied by Xerox Palo Alto Research Center) are used.
이런 리지 웨이브 가이드 레이저 다이오드는 시뮬레이션(Simulation) 결과, L-I (광파워-전류)특성에서 킨크(Kink) 발생과 수평/수직 방사각 비율(Aspect Ratio)은 리지(Ridge)의 폭(Width), 잔존 두께(Residual Thickness)(활성층과 리지 형성을 위해 에칭 한 면과의 거리) 및 유전체의 굴절률과 직접적인 연관을 갖고 있는 것으로 밝혀졌다. As a result of simulation, such ridge wave guide laser diode has kink generation and horizontal / vertical aspect ratio in LI (light power-current) characteristics. It has been found to be directly related to the thickness (distance between the active layer and the side etched to form the ridge) and the refractive index of the dielectric.
그러므로, 현재 사용하고 있는 리지 웨이브가이드 레이저 다이오드는 접합면(Junction Plane)에서 수평 인덱스 스텝(Index step)이 작고, 전류 확산이 크므로, 수평/수직 방사각 비율(Aspect Ratio)을 최적화시키기 어려우며, 전류 구속(Current Confinement)력이 저하되고, 광-전류 특성(Light-Current Characteristics)에서 킨크가 발생하는 문제점이 있었다.Therefore, the ridge waveguide laser diode currently in use has a small horizontal index step at the junction plane and a large current spread, so it is difficult to optimize the horizontal / vertical aspect ratio. Current confinement force is lowered, and there is a problem that kink occurs in light-current characteristics.
도 2는 도 1의 소자보다 개선된 질화물 반도체 레이저 다이오드의 단면도로써, n-질화물 반도체 기판(210)의 상부에 형성되고, 상부의 일부가 제거되어 리지(Ridge) 영역을 갖는 n-질화물 반도체층(211)과; 상기 n-질화물 반도체층(211)의 리지(Ridge) 영역의 상부에 n-클래드층(212), n-웨이브 가이드층(213), 활성층(214), 에칭방지층(215)과 p-웨이브 가이드층(216)이 순차적으로 적층되어 형성된 적층 에피층과; 상기 적층 에피층의 측면을 감싸고, 상기 n-질화물 반도체층(211)의 상부에 형성된 유전막(270)과; 상기 적층 에피층의 p-웨이브 가이드층(216) 상면을 감싸며 상기 유전막(270)의 일부분까지 형성된 p-클래드층(217)과; 상기 p-클래드층(217)을 감싸며 상기 유전막(270) 상부 일부에 형성된 p-캡층(218)과; 상기 p-캡층(218)을 감싸며 상기 나머지 유전막(270) 상부에 형성된 p-메탈층(220)과; 상기 n-질화물 반도체 기판(210)의 하부에 형성된 n-메탈층(210)으로 구성된다. FIG. 2 is a cross-sectional view of a nitride semiconductor laser diode improved over the device of FIG. 1, and is formed on top of the n-nitride semiconductor substrate 210 and has a portion of the n-nitride semiconductor layer having a ridge region. 211; The n-clad layer 212, the n-wave guide layer 213, the active layer 214, the anti-etching layer 215, and the p-wave guide on the ridge region of the n-nitride semiconductor layer 211. A laminated epi layer formed by sequentially laminating layers 216; A dielectric film 270 surrounding a side surface of the stacked epitaxial layer and formed on the n-nitride semiconductor layer 211; A p-clad layer 217 formed on a portion of the dielectric film 270 surrounding the top surface of the p-wave guide layer 216 of the laminated epitaxial layer; A p-cap layer 218 surrounding the p-clad layer 217 and formed on an upper portion of the dielectric layer 270; A p-metal layer 220 surrounding the p-cap layer 218 and formed on the remaining dielectric layer 270; It is composed of an n-metal layer 210 formed under the n-nitride semiconductor substrate 210.
그러므로, 본 발명은 상기 p-클래드층(217)의 단면적이 상기 p-웨이브 가이드층(216)의 단면적보다 커짐으로, I-V 특성을 향상시킬 수 있으나, n-질화물 반도체층(211)의 리지 상부에 적층된 에피층을 형성하기 위하여 수행되는 식각공정으로 활성층이 손상되고, 이로 인해 광소자의 발광특성이 저하될 가능성이 있다.Therefore, the present invention can improve IV characteristics because the cross-sectional area of the p-clad layer 217 is larger than that of the p-wave guide layer 216, but the upper portion of the ridge of the n-nitride semiconductor layer 211 is improved. There is a possibility that the active layer is damaged by an etching process performed to form an epitaxial layer laminated on the film, thereby degrading the luminescence properties of the optical device.
이에 본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 1차 리지의 상부에 상기 1차 리지보다 작은 단면적의 2차 리지를 형성하고, 2차 리지에는 활성층을 포함하는 웨이브 가이드층을 배치함으로써, 건식식각할 깊이가 종래의 반도체 레이저 다이오드 보다 얕아서 활성층에 인가하는 물리적 및 화학적인 손상을 줄여 줄 수 있어 소자의 광학적 특성을 향상시키고, I-V 특성을 향상시킬 수 있는 질화물 반도체 레이저 다이오드를 제공하는 데 그 목적이 있다.Accordingly, the present invention has been made in order to solve the above problems, a secondary ridge having a cross-sectional area smaller than the primary ridge formed on the primary ridge, the wave guide layer comprising an active layer on the secondary ridge By the arrangement, the depth of dry etching is shallower than that of a conventional semiconductor laser diode, so that physical and chemical damage applied to the active layer can be reduced, thereby improving the optical characteristics of the device and providing the nitride semiconductor laser diode which can improve the IV characteristics. Its purpose is to.
상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 바람직한 양태(樣態)는, n-질화물 반도체 기판의 상부에 형성되고, 상부의 일부가 제거되어 리지(Ridge) 영역을 갖는 n-질화물 반도체층과; A preferred aspect for achieving the above object of the present invention comprises: an n-nitride semiconductor layer formed on top of an n-nitride semiconductor substrate, the portion of which is removed to have a ridge region;
상기 n-질화물 반도체층의 리지 영역 상부에 n-클래드층, n-웨이브 가이드층, 활성층, 에칭방지층과 p-웨이브 가이드층이 순차적으로 적층되어 형성된 적층 에피층과; A laminated epitaxial layer formed by sequentially laminating an n-clad layer, an n-wave guide layer, an active layer, an anti-etching layer and a p-wave guide layer on the ridge region of the n-nitride semiconductor layer;
상기 적층 에피층의 측면을 감싸고, 상기 n-질화물 반도체층의 상부에 형성된 유전막과; A dielectric film surrounding a side surface of the laminated epitaxial layer and formed on the n-nitride semiconductor layer;
상기 적층 에피층의 p-웨이브 가이드층 상면을 감싸며 상기 유전막 상부의 일부분까지 형성된 p-클래드층과; A p-clad layer covering an upper surface of the p-wave guide layer of the laminated epitaxial layer and formed to a part of the upper portion of the dielectric layer;
상기 p-클래드층을 감싸며 상기 유전막 상부에 형성된 p-캡층과; A p-cap layer surrounding the p-clad layer and formed on the dielectric layer;
상기 p-캡층을 감싸며 상기 나머지 유전막 상부에 형성된 p-메탈층과; A p-metal layer surrounding the p-cap layer and formed on the remaining dielectric layer;
상기 n-질화물 반도체 기판의 하부에 형성된 n-메탈층으로 이루어진 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 레이저 다이오드가 제공된다.There is provided a nitride semiconductor laser diode comprising an n-metal layer formed under the n-nitride semiconductor substrate.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
도 3은 본 발명에 따른 화합물 반도체 레이저 다이오드의 단면도로써, n-질화물 반도체 기판(310)의 상부에 형성되고, 상부의 일부가 제거되어 리지(Ridge) 영역을 갖는 n-질화물 반도체층(311)과; 상기 n-질화물 반도체층(311)의 리지 영역 상부에 형성된 n-클래드층(312)과; 상기 n-클래드층(312)의 단면적보다 작은 리지 형상으로 n-웨이브 가이드층(313), 활성층(314), 에칭방지층(315)과 p-웨이브 가이드층(316)이 순차적으로 적층되어 형성된 적층 에피층과; 상기 적층 에피층의 측면과 상기 n-클래드층(312)의 상면 및 측면을 감싸며 상기 n-질화물 반도체층(311)의 상부에 형성된 유전막(370)과; 상기 적층 에피층의 p-웨이브 가이드층(316) 상면을 감싸며 상기 유전막(370) 상부의 일부분까지 형성된 p-클래드층(317)과; 상기 p-클래드층(317)을 감싸며 상기 유전막(370) 상부에 형성된 p-캡층(318)과; 상기 p-캡층(318)을 감싸며 상기 유전막(370) 상부에 형성된 p-메탈층(320)과; 상기 n-질화물 반도체 기판(310)의 하부에 형성된 n-메탈층(310)으로 구성된다.3 is a cross-sectional view of a compound semiconductor laser diode according to the present invention, which is formed on the n-
그러므로, 본 발명에서는 상기 적층에피층의 단면적이 상기 n-클래드층 또는 p-클래드층의 단면적보다 작은 것을 특징으로 한다.Therefore, in the present invention, the cross-sectional area of the laminated epitaxial layer is smaller than that of the n-clad layer or the p-clad layer.
전술한 바와 같이, 본 발명은 1차 리지의 상부에 상기 1차 리지보다 작은 단면적의 2차 리지를 형성하고, 2차 리지에는 활성층을 포함하는 웨이브 가이드층을 배치함으로써, 건식식각할 깊이가 종래의 반도체 레이저 다이오드 보다 얕아서 활성층에 인가하는 물리적 및 화학적인 손상을 줄여 줄 수 있어 소자의 광학적 특성을 향상시키고, 더불어, p-클래드층, p-캡층과 p-메탈층의 접촉면이 넓어지고, n-클래드층, n-질화물 반도체층과 n-메탈층의 접촉면이 넓어져서 소자의 I-V 특성이 개선된다.As described above, the present invention forms a secondary ridge having a cross-sectional area smaller than the primary ridge on the primary ridge, and by placing a wave guide layer including an active layer on the secondary ridge, the depth of dry etching is conventional. It is shallower than the semiconductor laser diode, which can reduce the physical and chemical damage to the active layer, thereby improving the optical properties of the device, and widening the contact surface between the p-clad layer, the p-cap layer, and the p-metal layer. The contact surface between the cladding layer, the n-nitride semiconductor layer and the n-metal layer is widened to improve the IV characteristics of the device.
이상에서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명은 건식식각할 깊이가 종래의 반도체 레이저 다이오드 보다 얕아서 활성층에 인가하는 물리적 및 화학적인 손상을 줄여 줄 수 있어 소자의 광학적 특성을 향상시키고, I-V 특성을 향상시킬 수 있는 효과가 발생한다.As described in detail above, the present invention can reduce the physical and chemical damage applied to the active layer because the dry etching depth is shallower than that of the conventional semiconductor laser diode, thereby improving the optical characteristics of the device and improving the IV characteristics. Effect occurs.
본 발명은 구체적인 예에 대해서만 상세히 설명되었지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.Although the invention has been described in detail only with respect to specific examples, it will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations are possible within the spirit of the invention, and such modifications and variations belong to the appended claims.
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