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KR0185498B1 - 고출력 양자세선 어레이 레이저 다이오드 구조 제작방법 - Google Patents

고출력 양자세선 어레이 레이저 다이오드 구조 제작방법 Download PDF

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KR0185498B1
KR0185498B1 KR1019960017439A KR19960017439A KR0185498B1 KR 0185498 B1 KR0185498 B1 KR 0185498B1 KR 1019960017439 A KR1019960017439 A KR 1019960017439A KR 19960017439 A KR19960017439 A KR 19960017439A KR 0185498 B1 KR0185498 B1 KR 0185498B1
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Abstract

본 발명은 고출력 양자세선 어레이 레이저 다이오드 구조 제작방법에 관한 것으로, 레이저 홀로그래피법과 습식식각에 의해 단주기 V홈 어레이가 형성된 갈륨비소 기판위에 유기금속화학증착법으로 AlGaAs/GaAs의 양자세선 어레이 구조를 형성하고 불필요한 양자우물층을 제거하며 레이저 발진시 전류를 양자세선으로만 흐르게 하기 위한 전류방지층을 미세패턴된 구조위에 감광막을 이용한 리소그래피 기술을 이용하여 형성함으로써, 낮은 문턱전류와 고출력을 갖는 고출력 양자세선 어레이 레이저 다이오드를 구현할 수 있다.

Description

고출력 양자세선 어레이 레이저 다이오드 구조 제작방법
제1도의 (a)는 양자세선 어레이의 전자현미경 단면사진이고, (b)는 양자세선 어레이의 단면도이며,
제2도의 (a)는 양자세선 어레이의 단면도이고, (b)는 양자우물층이 제거된 후의 전자현미경 단면사진이며,
제3도는 양자우물층이 제거된 후의 광여기 발광스펙트럼의 특성도이며,
제4도는 전류차단층이 형성되고 전극금속이 증착된 본 발명 양자세선 어레이 레이저 다이오드 구조의 전자현미경 단면도이다.
본 발명은 고출력 양자세선 어레이 레이저 다이오드 구조 제작방법에 관한 것으로, 특히 레이저 홀로그래피법과 습식식각에 의해 단주기 V홈 어레이가 형성된 갈륨비소(GaAs)기판위에 AlGaAs/GaAs의 양자세선(quantum wire)어레이 구조를 형성하고 불필요한 양자우물(quantum well)층을 제거하며 레이저 발진시 전류를 양자세선으로만 흐르게 하기 위한 전류방지층을 형성함으로써, 낮은 문턱전류와 고출력을 갖는 레이저 다이오드를 제작할 수 있도록 한 고출력 양자세선 어레이 레이저 다이오드 구조 제작방법에 관한 것이다.
양자세선 또는 양자점(quantum dot)과 같은 저 차원의 반도체구조들은 향상된 양자속박효과의 도움으로 양자구조가 없는 경우나 양자우물 구조에 비하여 전기, 광학적으로 우수한 성질을 갖는다.
또한, 이러한 구조들이 레이저 다이오드에 응용될 경우, 낮은 문턱전압 전류, 높은 미분이득, 넓은 대역폭, 높은 특성온도, 높은 비선형 이득효과 등 많은 이점을 가질 것으로 기대된다.
그러나, 완전한 형태의 양자세선 또는 양자점 구조를 제작하기 위해서는 활성층내의 운반자(carrier)들이 결정면과 수직한 방향(즉, 1차원)으로 뿐만 아니라 수평한 방향(즉, 2차원 또는 3차원)으로도 구속되어야 하기 때문에 공정기술에 있어서는 현실적으로 많은 어려움이 있다.
양자세선 구조형성을 위하여 현재까지 알려진 방법은 크게 두가지로 나뉘어 질 수 있다.
첫째는, 양자우물 구조를 형성한 후에 전자선 또는 X선을 이용하여 수십 나노미터 간격으로 선을 정의하고 에칭함으로써 수평방향으로 캐리어들을 구속하는 방법이다.
그러나, 이러한 방법으로 형성된 양자세선들은 표면에 많은 결함들을 형성하여 양자효율을 크게 줄이는 단점이 있다.
둘째는, 미사면(vicinal) 기판위에 에피성장과 선택적 에피성장 및 미세패턴 된 기판위의 에피성장 등과 같이, 에피성장중에 양자세선을 형성하는 방법이다.
이러한 방법들은 전자선 리소그래피와 같은 미세패턴 기술을 요구하지 않으며 외부에 노출되는 표면을 줄임으로써 높은 양자효율을 얻을 수 있어 최근에 많은 연구가 진행되고 있다.
특히, 패턴된 기판위에 유기금속화학증착법(metalorganic chemical vapor deposition, MOCVD)으로 성장된 양자세선은 기판방향 또는 성장조건 등을 바꿈으로서 양자세선의 크기와 모양 등을 쉽게 조절할수 있으며, 온도가 증가함에 따라 이웃하는 양자우물로부터 양자세선 영역으로 운반자가 주입되는 효과를 가지기 때문에 레이저 다이오드의 상온동작에 유리하게 작용하는 등 많은 이점을 갖는 것으로 알려져 있다.
그러나, 이와같이 패턴된 기판위에 형성된 양자세선 구조는 작은 활성층으로 인해 고출력 레이저 다이오드로 응용되는 데에는 한계를 갖는다.
따라서, 고출력 양자세선 어레이 레이저 다이오드를 제작하기 위해서는 단주기 양자세선 어레이 구조를 응용하므로써 이웃하는 양자세선간의 광커플링 효과를 발생시켜 낮은 전류밀도를 갖는 고출력 레이저 다이오드를 제작할 수 있다.
그러나, 단주기 양자세선 어레이의 경우, 양자세선들이 마이크로미터(㎛)이하의 간격으로 형성되어 있기 때문에 기존의 리소그래피 기술로는 레이저 다이오드 제작시 반드시 요구되는 전류차단층을 형성하기 어려운 문제가 발생한다.
본 발명은 이와같은 문제를 해결하기 위하여 창안된 것으로, 레이저 홀로그래픽 리소그래피 기술과 유기금속화학증착법 결정성장장치를 이용하여 단주기 갈륨비소 양자세선 어레이를 제작하고, 불필요한 양자우물층을 제거하며, 미세패턴된 구조위에 감광막 마스크를 이용한 리소그래피 기술을 이용하여 레이저 다이오드 제작시 반드시 요구되는 전류차단층을 형성함으로써, 낮은 문턱전류와 고출력을 갖는 고출력 양자세선 어레이 레이저 다이오드 구조 제작방법을 제공함에 그 목적이 있다.
이와같은 목적을 달성하기 위한 본 발명 고출력 양자세선 어레이 레이저 다이오드 구조 제작방법은, 기판위에 단주기 양자세선 어레이를 형성하는 공정과, 이후 감광막 마스크를 형성하여 상기 단주기 양자세선 어레이 양쪽 윗부분의 양자우물층을 제거하는 공정과, 이후 전류차단층을 형성하는 공정으로 이루어지는 것으로, 이와같이 제작되는 본 발명에 대해 첨부도면을 참조하여 좀 더 상세히 설명하면 다음과 같다.
먼저, (100)방위의 반절연 갈륨비소(GaAs) 기판을 레이저 홀로그래픽 리소그래피와 미세에칭기술을 이용하여 약 700nm 주기와 350nm의 깊이를 갖는 단주기의 V홈을 형성한 후, 유기금속화학증착법(MOCVD)으로 AlGaAs/GaAs의 이종접합구조를 성장시킴으로써, 단주기 양자세선 어레이를 제작한다.
제1도의 (a)는 이와같이 형성된 단주기 양자세선 어레이에 대한 고선명 전자현미경(scanning electron microscope, SEM)사진을 보여주고 있으며, (b)는 단주기 양자세선 어레이의 단면을 보여준다.
이와같이 단주기 양자세선 어레이를 제작한 다음에는 감광막 마스크를 형성하는데 우선, 제1도에서 나타낸 양자세선 어레이 시료위에 감광막(AZ1505 photoresi st)을 도포하여 격자모양의 윗면을 평탄화시키고, 전면노광과 현상기술을 이용하여 감광막이 시료윗면의 골위에 남도록 조건을 잡는다.
이와같이 하여, 남은 감광막들은 정확하게 양자세선 위에 놓이게 되고 양자세선들을 보호하는 마스크의 역할을 하는데, 이렇게 형성된 마스크는 불필요한 양자우물층(QW)을 제거하는 것을 가능하게 한다.
이같은, 양자우물층(QW)의 제거는 20℃에서 16H3PO4: 9H2O2: 75H 2 O의 용액에서 행해지며, 제2도의 (a)에서 점선 윗부분을 제거함으로써 양자세선 영역을 제외한 모든 양자우물층(QW)이 제거되는데, 이처럼 양자우물층(QW)이 제거된 후의 시료단면에 대한 전자현미경 사진은 제2도의 (b)에서 보는 바와 같다.
또한, 제3도는 양자우물층(QW)을 에칭(즉, 제거)하기 전후의 시료에 대해 21K의 온도에서 측정한 광여기 발광스펙트럼의 특성을 나타낸다.
이에 도시된 바와 같이, 에칭전에 시료에서 관측된 (100)양자우물층(QW)의 신호가 에칭후에는 전혀 관측되지 않는다.
한편, 에칭후 시료에서 약 698nm부근에서 상대적으로 큰 신호가 관측되는데, 이것은 양자세선 성장중 격자패턴 위로 수직하게 형성된 양자우물층(vertical quantum well, VQW)에 의한 것이다.
그리고, 에칭전 798nm 부근에서 관측된 양자세선에 의한 신호는 에칭후에도 여전히 크게 관측되었는데, 이로부터 제작된 단주기 양자세선 어레이 구조가 고출력 레이저 다이오드 제작에 적합한 구조임을 알 수 있다.
이와같이 양자우물층(QW)을 제거한 다음에 전류차단층을 형성하기 위하여 양자세선 어레이 시료 윗면에 감광막 마스크를 형성하는데, 이 감광막 마스크는 감광막으로 평탄화된 시료의 윗면에 365nm의 파장을 갖는 수은램프를 이용하여 15초 동안 전면 노광한 후, 물과 현상액이 4:1로 혼합된 용액에서 15초 동안 현상함으로써 형성된다.
이렇게 형성된 마스크는 양자세선 활성층 윗부분의 고농도 피형(p-type) 갈륨비소 접촉층부분을 제거하기 위하여 이용된다.
그런다음, 레이저발진시 전류를 양자세선으로만 흐르게 하여 양자세선 활성층으로의 전류주입을 향상시키기 위한 전류차단층의 형성은, 플라즈마 화학증착법(plasma enhanced chemical vapor deposition, PECVD)으로 실리콘산화막(SiO2)을 증착한 후에 리프트 오프(Lift Off)공정으로 실리콘산화막(SiO2)으로 된 전류차단층을 형성한다.
마지막으로, 전자빔증착법으로 티타늄-금(Ti/Au)과 금(Au)를 증착함으로써 전극을 형성한다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 레이저 홀로그래픽 리소그래피 기술과 유기금속화학증착법 결정성장장치를 이용하여 단주기 갈륨비소 양자세선 어레이를 제작하고, 불필요한 양자우물층을 제거하며, 미세패턴된 구조위에 감광막 마스크를 이용한 리소그래피 기술을 이용하여 레이저 다이오드 제작시 반드시 요구되는 전류차단층을 형성함으로써, 낮은 문턱전류와 고출력을 갖는 고출력 양자세선 어레이 레이저 다이오드 구조를 구현할 수 있는 효과가 있다.

Claims (7)

  1. 기판위에 단주기 양자세선 어레이를 형성하는 공정과, 이후 감광막 마스크를 형성하여 상기 단주기 양자세선 어레이 양쪽 윗부분의 양자우물층을 제거하는 공정과, 이후 전류차단층을 형성하는 공정으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 고출력 양자세선 어레이 레이저 다이오드 구조제작 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 기판은 레이저 홀로그래픽 리소그래픽에 의한 마이크로미터 이하의 주기를 갖는 단주기 V홈 어레이 기판을 사용하는 것을 특징으로 하는 고출력 양자세선 어레이 레이저 다이오드 구조 제작 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 양자세선 어레이는 유기금속화학증착법에 의해 성장시키는 것을 특징으로 하는 고출력 양자세선 어레이 레이저 다이오드 구조 제작 방법.
  4. 제1항에 있어서, 양자우물층의 제거는 감광막을 식각 마스크로 한 습식식각으로써 수행됨을 특징으로 하는 고출력 양자세선 어레이 레이저 다이오드 구조 제작방법.
  5. 제4항에 있어서, 양자우물층의 제거를 위한 습식식각은 H3PO4와, H2O2및 H2O의 비율을 16:9:75로 하는 것을 특징으로 하는 고출력 양자세선 어레이 레이저 다이오드 구조 제작방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 전류차단층은 플라즈마화학증착법에 의한 실리콘산화막(SiO2)을 사용하여 형성되는 것을 특징으로 하는 고출력 양자세선 어레이 레이저 다이오드 구조 제작방법.
  7. 제6항에 있어서, 양자세선 영역의 실리콘산화막(SiO2)의 제거는 리프트 오프 공정으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 고출력 양자세선 어레이 레이저 다이오드 구조 제작방법.
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