KR100593931B1

KR100593931B1 - 반도체 레이저 소자 및 그 제조 방법

Info

Publication number: KR100593931B1
Application number: KR1020050013986A
Authority: KR
Inventors: 신영철
Original assignee: 삼성전기주식회사
Priority date: 2005-02-21
Filing date: 2005-02-21
Publication date: 2006-06-30
Anticipated expiration: 2025-02-21
Also published as: US7339966B2; US20060187990A1

Abstract

소자의 재현성과 전기적 특성이 개선된 반도체 레이저 소자와 그 제조 방법을 제공한다. 본 발명에 따른 반도체 레이저 소자는, 활성층 상에 형성된 제1 p형 AlGaInP계 클래드층과, 상기 제1 p형 AlGaInP계 클래드층 상에 형성되어 리지 구조를 갖는 제2 p형 AlGaInP계 클래드층을 포함한다. 상기 제1 p형 AlGaInP계 클래드층은, 상기 활성층으로의 아연 확산이 억제되는 도핑 농도로 아연에 의해 도핑되어 있고, 상기 제2 p형 AlGaInP계 클래드층은 상기 제1 p형 AlGaInP계 클래드층의 도핑 농도보다 높은 도핑 농도로 마그네슘에 의해 도핑되어 있다.

반도체 레이저 소자, 도펀트, 확산

Description

반도체 레이저 소자 및 그 제조 방법{SEMICONDUCTOR LASER DEVICE AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}

도 1은 종래의 반도체 레이저 소자의 단면도이다.

도 2는 AlGaInP 물질 내에 Zn 도핑시 Zn의 몰 비율에 따른 홀 농도를 나타내는 그래프이다.

도 3은 AlGaInP 물질 내에 Mg 도핑시 Mg의 몰 비율에 따른 홀 농도를 나타내는 그래프이다.

도 4는 AlGaInP계 반도체 레이저 소자의 깊이에 따른 Zn의 설계 농도와, Zn의 실제 도핑 농도를 나타내는 그래프이다.

도 5는 AlGaInP계 반도체 레이저 소자의 깊이에 따른 Mg의 설계 농도와, Mg의 실제 도핑 농도를 나타내는 그래프이다.

도 6은 본 발명의 일 실시형태에 따른 반도체 레이저 소자의 단면도이다.

도 7은 본 발명의 일 실시형태에 따른 반도체 레이저 소자의 깊이에 따른 광강도 분포와 굴절율 분포를 나타내는 그래프이다.

도 8 내지 도 11은 본 발명의 일 실시형태에 따른 반도체 레이저 소자의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

101: 기판 103: n형 AlGaInP계 클래드층

105: 활성층 107: 제1 p형 AlGaInP계 클래드층

108: 식각 정지층 110: 제2 p형 AlGaInP계 클래드층

112: p형 콘택층 114: 전류 차단층

본 발명은 반도체 레이저 소자 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 보다 개선된 전기적 특성과 광효율을 구현할 수 있는 고출력의 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체 레이저 소자 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

최근 반도체 레이저 소자가 광센서, 광통신, 광픽업, 디스플레이 등 수많은 분야에서 사용되고 있고, 다양한 응용 분야에서 고출력의 레이저 소자를 필요로 하고 있다. 특히 AlGaAs계 또는 AlGaInP계 화합물 반도체 레이저 소자가 CD 또는 DVD 시스템의 광원으로 이용되고 있으며, 405nm 파장의 청자색 반도체 레이저 소자를 광원으로 이용하는 차세대 광저장 시스템이 개발되어 양산되고 있다.

일반적으로, 반도체 레이저 소자는 전류 주입을 위한 상부 클래드층 및 하부 클래드층과, 이 클래드층들 사이에서 실질적인 광자의 유도 방출이 일어나는 활성 층을 구비한다. 이러한 반도체 레이저 소자는 상부 클래드층(예컨대, p형 클래드층)을 리지(ridge) 구조로 형성함으로써 상기 리지를 통해서만 전류가 주입되도록 하여 향상된 전류 주입 효율을 얻을 수 있다. 국제특허공개공보 제 2000/04615 호에는 리지 구조를 구비한 Ⅲ족-질화물계 반도체 레이저 소자의 구조 및 그 제조 방법이 개시되어 있다.

도 1은 종래의 리지형 AlGaInP계 반도체 레이저 소자를 나타내는 단면도이다. 도 1을 참조하면, 종래의 리지형 AlGaInP계 반도체 레이저 소자(10)는, GaAs 등으로 이루어진 기판(11) 상에 순차 적층된 AlGaInP계 물질의 n형 클래드층(13), 활성층(15), p형 클래드층(17), p형 콘택층(22)을 포함한다. p형 클래드층(17)의 상부는 리지(ridge) 구조로 되어 있으며 p형 클래드층(17)의 양 측면 상에는 전류 차단층(24)이 형성되어 있고, p형 콘택층(22) 상에는 p측 전극(26)이 형성되어 있다. 활성층(15)은 다중 양자 우물 구조를 구비할 수 있으며, 예를 들어, 2개의 광가이드층과 그 사이에 개재된 다중 양자 우물층으로 구성될 수 있다.

특히 고출력 반도체 레이저 소자에서는, n형 클래드층(13)으로부터 활성층(15)으로 주입되는 전자가 p형 클래드층(17)으로 유출되는 것을 방지하기 위해(열특성의 저하를 방지하기 위해), p형 클래드층(17)에 p형 불순물을 고농도로 도핑하고 있다. p형 클래드층(17)에 도핑되는 p형 불순물로는, 아연(Zn) 또는 마그네슘(Mg)이 주로 사용된다.

아연은 AlGaInP계 반도체 내에 쉽게 도핑되고 전기적 특성이 우수한다. 그러 나, 아연은 높은 도핑 농도에서는 확산이 잘 일어난다. 따라서, p형 클래드층(17)에 10¹⁸ cm^-3 이상의 고농도로 도핑된 아연은, 활성층(15)으로 용이하게 확산되어 레이저 소자의 광학적 특성과 신뢰성을 저하시키는 문제를 야기한다. 일본특허공개공보 제2000-286507호는, 활성층과 p형 클래드층 사이에 언도프 스페이서층을 설치하여 활성층으로의 아연 확산을 억제하는 방법을 개시하고 있다. 그러나, 별도의 스페이서층을 형성하면, 공정이 복잡해지고 공정 비용이 증가하게 된다.

이에 반하여, 마그네슘은 아연에 비하여 확산 없는 고농도를 얻을 수 있다. 따라서, p형 클래드층(17)에 도핑되는 도펀트로 마그네슘을 사용하면, 열특성이 우수한 소자를 얻을 수 있다. 그러나, 마그네슘 도핑시 시간적인 지연이 발생하기 때문에, p형 클래드층(17) 형성시 마그네슘 도펀트를 공급한다 하더라도, 즉시 마그네슘이 도핑되지 않고 일정 시간 경과후 도핑된다. 따라서, 활성층(15)에 인접한 p형 클래드층(17)의 일부 영역에서 마그네슘이 도핑되지 않게 되어 전기적 특성이 열화된다. 또한, 마그네슘이 도핑되지 않는 영역의 길이가 일정하지 않으므로, 소자 특성의 재현성이 저하된다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 그 목적은 활성층으로의 p형 도펀트의 확산이 억제되고 우수한 전기적 특성을 나타내며 향상된 광효율을 갖는 반도체 레이저 소자를 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 다른 목적은, p형 도펀트가 활성층으로 확산되는 것을 방지하고 전기적 특성과 광효율을 개선시킬 수 있는 반도체 레이저 소자의 제조 방법을 제공하는 것이다.

상술한 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 반도체 레이저 소자는, 기판 상에 순차적으로 형성된 n형 AlGaInP계 클래드층 및 활성층과; 상기 활성층 상에 형성된 제1 p형 AlGaInP계 클래드층과; 상기 제1 p형 AlGaInP계 클래드층 상에 형성되어 리지 구조를 갖는 제2 p형 AlGaInP계 클래드층을 포함하고, 상기 제1 p형 AlGaInP계 클래드층은, 상기 활성층으로의 아연 확산이 억제되는 도핑 농도로 아연에 의해 도핑되어 있고, 상기 제2 p형 AlGaInP계 클래드층은 상기 제1 p형 AlGaInP계 클래드층의 도핑 농도보다 높은 도핑 농도로 마그네슘에 의해 도핑되어 있다.

상기 제1 p형 AlGaInP계 클래드층에서의 상기 아연의 도핑 농도는 8×10¹⁷ cm^-3 이하인 것이 바람직하다. 더 바람직하게는, 상기 아연의 도핑 농도는 1×10¹⁷ 내지 8×10¹⁷ cm^-3 이고, 더욱 더 바람직하게는, 5×10¹⁷ 내지 8×10¹⁷ cm^-3 이다. 또한, 상기 제2 p형 AlGaInP계 클래드층에서의 상기 마그네슘의 도핑 농도는 1×10¹⁸ cm^-3이상인 것이 바람직하다. 더 바람직하게는, 상기 마그네슘의 도핑 농도는 1×10¹⁸ 내지 5×10¹⁸ cm^-3 이고, 더욱 더 바람직하게는, 3×10¹⁸ 내지 5×10¹⁸ cm^-3 이다.

본 발명의 일 실시형태에 따르면, 상기 제1 p형 AlGaInP계 클래드층과 상기 제2 p형 AlGaInP계 클래드층 사이에 식각 정지층이 더 제공될 수 있다. 상기 식각 정지층은 리지 구조를 위한 식각시 식각 종료 지점을 한정하는 역할을 한다.

본 발명의 다른 목적으로 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 반도체 레이저 소자의 제조 방법은, 기판 상에 n형 AlGaInP계 클래드층 및 활성층을 순차적으로 형성하는 단계와; 상기 활성층 상에, 상기 활성층으로의 확산이 억제되는 도핑 농도로 아연이 도핑된 제1 p형 AlGaInP계 클래드층을 형성하는 단계와; 상기 제1 p형 AlGaInP계 클래드층 상에, 상기 제1 p형 AlGaInP계 클래드층의 도핑 농도보다 높은 도핑 농도로 마그네슘이 도핑된 제2 p형 AlGaInP계 클래드층을 형성하는 단계를 포함한다.

바람직하게는, 상기 제1 p형 AlGaInP계 클래드층은 8×10¹⁷ cm^-3 이하의 아연 도핑 농도를 갖도록 형성된다. 더 바람직하게는, 상기 제1 p형 AlGaInP계 클래드층은 1×10¹⁷ 내지 8×10¹⁷ cm^-3의 아연 도핑 농도를 갖도록 형성되고, 더욱 더 바람직 하게는, 5×10¹⁷ 내지 8×10¹⁷ cm^-3의 아연 도핑 농도를 갖도록 형성된다. 또한, 바람직하게는, 상기 제2 p형 AlGaInP계 클래드층은 1×10¹⁸ cm^-3이상의 마그네슘 도핑 농도를 갖도록 형성된다. 더 바람직하게는, 상기 제2 p형 AlGaInP계 클래드층은 1×10¹⁸ 내지 5×10¹⁸ cm^-3의 마그네슘 도핑 농도를 갖도록 형성되고, 더욱 더 바람직하게는, 3×10¹⁸ 내지 5×10¹⁸ cm^-3의 마그네슘 도핑 농도를 갖도록 형성된다.

본 발명의 일 실시형태에 따르면, 상기 반도체 레이저 소자의 제조 방법은, 상기 제1 p형 AlGaInP계 클래드층을 형성하는 단계와 상기 제2 p형 AlGaInP계 클래드층을 형성하는 단계 사이에, 식각 정지층을 형성하는 단계를 더 포함한다. 또한, 상기 제2 p형 AlGaInP계 클래드층을 선택적으로 식각하여 상기 제2 p형 AlGaInP계 클래드층에 리지 구조를 형성하는 단계가 더 제공된다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다. 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시형태로 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시형태는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면 상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다.

본 발명은, 제1 p형 AlGaInP계 클래드층과 제2 p형 AlGaInP계 클래드층의 도핑 물질과 도핑 농도를 제어함으로써, 활성층으로의 도펀트 확산을 방지하고 전기적 특성과 광효율을 향상시킬 수 있는 방안으로 제공한다. 이러한 목적을 달성하기 위해, 본 발명자는 AlGaInP계 반도체 레이저 소자의 도펀트로 사용되는 아연(Zn)과 마그네슘(Mg)의 도핑 특성을 실험적으로 분석하였다. 이러한 분석 결과는 도 2 내지 도 5의 그래프에 도시되어 있다.

도 2는, AlGaInP 물질 내에 Zn 도핑시 Zn의 몰 비율에 따른 홀 농도를 나타내는 그래프이다. 도 2를 참조하면, 가로축은 3족 원소인 Al, Ga, In의 총 몰수에 대한 Zn 도펀트의 몰수 비를 나타내며 이 몰수비는 Zn 도핑 농도에 비례한다. 세로축은 홀(hole) 농도를 나타낸다. 따라서, 도 2에 도시된 곡선은 Zn 도핑 농도에 따른 홀 농도의 변화를 플롯한 것이다.

도 2에 도시된 바와 같이, AlGaInP 물질 내에 Zn 도핑 농도가 커짐에 따라 선형으로 홀 농도가 증가하다가 특정 지점(A)에서는 선형성(linearity)이 변하여 완만한 곡선을 나타낸다. 이와 같이 선형성이 변하는 지점(A)이 발생하는 것은, A 지점에서 Zn을 더 도핑시키더라도 그에 따른 홀 농도의 증가를 초래하지 못하여 도핑 효율이 낮아진다는 것을 의미한다. 이는, A 지점을 넘어 더 도핑된 Zn 원자들은 3족 원자의 격자점에 배치되지 못하고 격자간 사이트(interstitial site)에 배치되기 때문이다. 이와 같이 격자간 사이트에 배치된 Zn 원자들은 홀을 생성시키지 못 하며 높은 확산 속도를 갖게 된다. 따라서, A 지점을 넘어 고농도로 도핑된 Zn 원자들은 인접 영역으로 쉽게 확산된다.

반면에, AlGaInP 물질에 Zn을 A 지점 이하로 도핑시킬 경우에는, Zn 원자들이 3족 원자의 격자점에 배치되어 보다 낮은 확산 속도를 갖게 된다. 따라서, A 지점 이하로 도핑된 Zn 원자들은 인접 영역으로 쉽게 확산되지 않는다. 분석 결과, 상기 A 지점의 Zn 도핑 농도는 약 8×10¹⁷ cm^-3인 것으로 나타난다.

이러한 현상은 도 4의 도핑 프로파일을 통해 명확히 알 수 있다. 도 4에는, AlGaInP계 반도체 레이저 소자의 깊이에 따른 Zn의 설계 농도 프로파일과, 이에 대한 실제 Zn 도핑 농도 프로파일이 도시되어 있다. 도 4에 도시된 Zn 도핑 농도 프로파일은 SIMS(Secondary Ion Mass Spectroscopy; 2차 이온 질량 분석법)에 의해 측정한 결과이다. 도 4에 도시된 바와 같이, p형 클래드층에서의 Zn 설계 농도를 1×10¹⁸ cm^-3 이상으로 설계하였을 경우(도 4의 a 곡선)에는, 실제 Zn의 도핑 프로파일(도 4의 a' 곡선)에 따르면, 활성층으로 Zn이 많이 확산되어 활성층에서의 Zn 도핑농도는 1×10¹⁸ cm^-3 이상의 값을 가지게 된다. 이와 같이 활성층에 Zn이 다량으로 확산되면, 활성층 내에 재결합 준위로 작용하는 결함이 형성되어 소자 특성을 열화시키게 된다.

이에 반하여, p형 클래드층에서의 Zn 설계 농도를 8×10¹⁷ cm^-3 이하로 설계 하였을 경우(도 4의 b 곡선)에는, 실제 Zn의 도핑 프로파일(도 4의 b' 곡선)에 따르면, 활성층으로의 Zn 확산이 억제되어 활성층은 10¹⁶ cm^-3 이하의 매우 낮은 Zn 농도를 갖게 된다. 따라서, p형 클래드층의 아연 도핑 농도가 활성층 근방에서 8×10¹⁷ cm^-3 이하이면, 활성층으로의 Zn 확산이 억제된다.

도 3은, AlGaInP 물질 내에 Mg 도핑시 Mg의 몰 비율에 따른 홀 농도를 나타내는 그래프이다. 도 3를 참조하면, 가로축은 3족 원소인 Al, Ga, In의 총 몰수에 대한 Mg 도펀트의 몰수 비를 나타내며 이 몰수비는 Mg 도핑 농도에 비례한다. 세로축은 홀(hole) 농도를 나타낸다. 따라서, 도 3에 도시된 곡선은 Mg 도핑 농도에 따른 홀 농도의 변화를 플롯한 것이다.

도 3에 도시된 바와 같이, Mg 도핑시에도 AlGaInP 물질 내에 Mg 도핑 농도가 커짐에 따라 선형으로 홀 농도가 증가하다가 특정 지점(B)에서 선형성(linearity)이 변하여 완만한 곡선을 나타낸다. 그러나, Zn 도핑의 경우와 비교할 때, B 지점에서의 Mg 도핑 농도는 A 지점(도 2 참조)에서의 Zn 농도에 보다 더 크다. B 지점에서의 Mg 도핑 농도는 10¹⁸ cm^-3을 넘는다. 따라서, Mg 도펀트를 사용하여 AlGaInP계 물질을 도핑할 경우에는, 확산이 잘 일어나지 않으면서도 높은 도핑 농도를 유지할 수 있다. 실제로 p형 클래드층에서의 Mg 도핑 농도가 1×10¹⁸ cm^-3 이상인 경우에도, 인접한 활성 영역으로의 Mg 확산은 거의 발생하지 않는다.

도 5는, AlGaInP계 반도체 레이저 소자의 깊이에 따른 Mg의 설계 농도 프로파일과, 이에 대한 실제 Mg 도핑 농도 프로파일을 나타낸다. 도 5의 Mg 도핑 프로파일은 SIMS에 의해 측정한 결과이다. 도 5를 참조하면, p형 클래드층에서의 Mg 설계 농도를 1×10¹⁸ cm^-3의 고농도로 설계하더라도, 실제 Mg 도핑 농도 프로파일에 따르면, 활성층으로의 Mg 확산이 발생하지 않는다. 그러나, 마그네슘 도핑시 시간 지연이 발생하여, 활성층 근방의 p형 클래드층 영역에서는 Mg가 거의 도핑되지 않은 상태로 남게된다. 이와 같이, 활성층 근방 영역에서 Mg가 거의 도핑되지 않으면, 이 영역은 저항으로 작용하여 동작 전압과 소비 전력을 높이는 원인으로 작용하며, 소자의 재현성이 떨어지게 된다.

도 6은 본 발명의 일 실시형태에 따른 반도체 레이저 소자의 단면도이다. 도 6을 참조하면, 반도체 레이저 소자(100)는 n형 GaAs 기판(101) 상에 순차 형성된 n형 AlGaInP계 클래드층(103), 활성층(105), 제1 p형 AlGaInP계 클래드층(107) 및 식각 정지층(108)을 포함한다. 식각 정지층(108) 상에는 리지 구조를 갖는 제2 p형 AlGaInP계 클래드층(110)과 p형 콘택층(112)이 형성되어 있고, 제2 p형 AlGaInP계 클래드층(110)의 양 측부에는 전류 차단층(114)이 형성되어 있다. 상기 식각 정지층(108)은 아연 도핑된 AlGaInP계 물질로 형성될 수 있으며, 제1 및 제2 AlGaInP계 클래드층(107, 110)의 Al 조성보다 더 낮은 Al 조성을 갖는다.

상기 제1 p형 AlGaInP계 클래드층(107)은, Zn 도펀트로 도핑된 p형 반도체이다. 특히, 제1 p형 AlGaInP계 클래드층(107)은, 인접한 활성층(105) 영역으로의 Zn 확산이 억제될 수 있는 농도(약 8×10¹⁷ cm^-3 이하의 농도)로 도핑되어 있다. 도 2 및 도 4를 참조하여 상술한 바와 같이, 제1 p형 AlGaInP계 클래드층(107)에서의 Zn 도핑 농도가 8×10¹⁷ cm^-3 이하이면, 활성층(105) 영역으로의 Zn 확산이 억제될 수 있다. 그러나, 제1 p형 AlGaInP계 클래드층(107)의 Zn 농도가 너무 낮으면, Zn 확산은 억제되지만 레이저 소자의 열특성이 저하될 수 있다. 따라서, 제1 AlGaInP계 클래드층(107)에서의 Zn 도핑 농도는 1×10¹⁷ 내지 8×10¹⁷ cm^-3 인 것이 바람직하며, 더 바람직하게는 Zn 도핑 농도는 5×10¹⁷ 내지 8×10¹⁷ cm^-3 이다. Zn 도핑 농도를 상기 농도 범위 내로 조절함으로써, 활성층(105)으로의 Zn 확산을 억제할 수 있을 뿐만 아니라, 레이저 소자의 열특성의 저하를 방지할 수 있게 된다. 또한, 후술하는 바와 같이, Zn 도핑 농도가 8×10¹⁷ cm^-3 이하이기 때문에, 높은 광강도 분포를 갖는 제1 p형 AlGaInP계 클래드층(107)에서 홀 캐리어에 의한 광흡수를 저감시킬 수 있게 된다.

상기 제2 p형 AlGaInP계 클래드층(110)은, Mg 도펀트로 도핑되어 있다. 제2 p형 AlGaInP계 클래드층(110)은, 식각 정지층(108) 위에 위치하기 때문에, 도 3 및 도 5에서 설명한 바와 같은 Mg 도핑의 시간 지연으로 인한 전기적 특성의 열화나 소자 재현성의 저하 문제가 발생하지 않는다. 즉, 활성층과 제2 AlGaInP계 클래드층(110) 사이에는 이미 Zn 도핑된 제1 p형 AlGaInP계 클래드층(107)이 개재되어 있기 때문에, 활성층 근방의 제1 p형 AlGaInP계 클래층(107) 영역에서 언도핑되는 문제(도 5 참조)가 발생할 여지가 없게된다.

또한, 제2 p형 AlGaInP계 클래드층(110)은, 상기 제1 p형 AlGaInP계 클래드층(107)의 도핑 농도보다 더 높은 농도로 도핑되어 있다. 특히, 제2 p형 AlGaInP계 클래드층(110)의 Mg 도핑 농도는, 1×10¹⁸ cm^-3이상인 것이 유리하다. 이와 같이, 제2 p형 AlGaInP계 클래드층(110)의 도핑 농도를 높게 함으로써, 좁은 폭의 리지 구조를 갖는 제2 p형 AlGaInP계 클래드층(110)의 저항을 감소시킬 수 있게 된다. 또한, 레이저 소자의 동작 전압과 소비 전력을 낮출 수 있게 된다. 그러나, 제2 AlGaInP계 클래드층(110)의 Mg 도핑 농도가 너무 높게 되면, 결함이 발생하여 결정 품질이 나빠질 수 있다. 따라서, 제2 AlGaInP계 클래드층(110)의 Mg 도핑 농도는 1×10¹⁸ 내지 5×10¹⁸ cm^-3인 것이 바람직하며, 더 바람직하게는, 제2 p형 AlGaInP계 클래드층의 Mg 도핑 농도는 3×10¹⁸ 내지 5×10¹⁸ cm^-3이다. Mg 도핑 농도를 상기 농도 범위 내로 조절함으로써, 레이저 소자의 전기적 특성을 향상시킬 수 있게 된다.

도 7은 도 6의 반도체 레이저 소자의 깊이에 따른 광강도 분포와 굴절율 분포를 나타내는 그래프이다. 도 7의 그래프에서 가로축은 레이저 소자의 두께 방향의 깊이를 나타낸다. 도 7을 참조하면, 활성층(105)과 식각 정지층(108)에서 돌출 된 굴절율 분포가 나타나며, 활성층(105)에 인접한 제1 p형 클래드층(107)에서 광강도가 높게 분포되어 있다. 제1 p형 클래드층(107)은 8×10¹⁷ cm^-3 이하의 도핑 농도를 갖기 때문에, 상대적으로 낮은 홀 농도를 갖고 있다. 따라서, 높은 광강도 분포를 갖는 제1 p형 AlGaInP계 클래드층(107)에서 홀 캐리어에 의한 광 흡수를 줄여줄 수 있게 된다.

이하, 도 8 내지 도 11을 참조하여 본 발명의 일 실시형태에 따른 반도체 레이저 소자의 제조 방법을 설명한다. 본 실시형태에서는, 리지 구조 형성을 위한 식각 공정시 식각 정지층을 식각 종료 지점으로 사용한다. 그러나, 다른 방안으로서 식각 정지층을 형성하지 않을 수도 있다.

먼저, 도 8을 참조하면, n형 GaAs 기판(101) 상에, MOCVD(유기금속 기상증착)법을 사용하여 n형 AlGaInP계 클래드층(103), 활성층(105), 제1 p형 AlGaInP계 클래드층(107), 식각 정지층(108), 제2 p형 AlGaInP계 클래드층(110) 및 p형 콘택층(112)을 형성한다. 상기 p형 콘택층(120) 상에는 마스크 패턴 형성용 SiO₂층(120)을 형성한다. 상기 제1 p형 AlGaInP계 클래드층(107) 형성시, 예를 들어 디에틸아연(diethylzinc; DEZn)을 소스로 사용하여 아연 도핑된 에피택셜층을 형성한다. 이 때, 활성층(105)으로의 아연 확산을 억제하도록, 제1 p형 AlGaInP계 클래드층(107)의 도핑 농도를 8×10¹⁷ cm^-3 이하로 조절한다. 바람직하게는, 아연 확산 방지와 열 특성 개선을 위해 제1 p형 AlGaInP계 클래드층의 도핑 농도를 1×10¹⁷ 내지 8×10¹⁷ cm^-3의 범위로 조절하며, 더 바람직하게는, 5×10¹⁷ 내지 8×10¹⁷ cm^-3의 범위로 조절한다.

또한, 상기 제2 p형 AlGaInP계 클래드층(110) 형성시, 예를 들어 비스시클로펜타디에닐마그네슘(bis(cyclopentadienyl)magnesium; (C₅H₅)₂Mg)을 소스로 사용하여 마그네슘 도핑된 에피택셜층을 형성한다. 이 때, 제2 p형 AlGaInP계 클래드층(110)의 저항을 저감시키도록, 제2 p형 AlGaInP계 클래드층(110)의 도핑 농도를 1×10¹⁸ cm^-3이상으로 조절한다. 바람직하게는, 저항 감소와 결함 방지를 위해 제2 p형 AlGaInP계 클래드층(110)의 도핑 농도를 1×10¹⁸ 내지 5×10¹⁸ cm^-3의 범위로 조절하고, 더 바람직하게는, 3×10¹⁸ 내지 5×10¹⁸ cm^-3의 범위로 조절한다.

다음으로, 도 9에 도시된 바와 같이, SiO₂층(120)을 선택적 식각에 의해 패터닝하여 스트라이프 형상의 마스크 패턴(120a)을 형성한다. 그 후, 도 10에 도시된 바와 같이, 상기 마스크 패턴(120a)을 식각 마스크로 사용하여 p형 콘택층(112) 및 제2 p형 AlGaInP계 클래드층(110)을 선택적으로 식각함으로써, 리지 구조를 형성한다. 이 때, 식각 정지층(108)에 대한 제2 p형 AlGaInP계 클래드층(110)의 식각 선택비(etching selectivity)가 큰 식각액을 사용함으로써, 식각 정지층(108)은 거의 식각되지 않게 된다. 따라서, 식각 정지층(108)은 리지 구조 형성을 위한 식각의 종료 지점이 된다.

다음으로, 도 11에 도시된 바와 같이, 마스크 패턴(120a)을 제거하고, 리지 구조의 제2 p형 AlGaInP계 클래드층(110) 양 측면과 식각 정지층(108) 상에 SiO₂ 등의 절연체 또는 n형 GaAs로 된 전류 제한층(114)을 형성한다. 그 후에는, 기판(101) 하측 및 p형 콘택층(112) 상측에 각각 n측 및 p측 전극(미도시)을 형성한다. 이에 따라, 본 실시형태에 따른 반도체 레이저 소자가 제조된다.

본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 한다. 또한, 본 발명은 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.

본 발명에 따르면, 전술한 바와 같이 제1 p형 AlGaInP계 클래드층와 제2 p형 AlGaInP계 클래드층의 도펀트 원소와 도핑 농도를 제어함으로써, 활성층으로의 아연 확산을 억제하고, 마그네슘 도핑의 시간적인 지연으로 인한 소자 재현성의 저하 를 방지할 수 있게 된다. 이에 따라, 소자의 전기적 특성을 개선할 수 있으며, 동작 전압 및 소비 전력을 낮출 수 있게 된다. 또한, 높은 광분포를 갖는 제1 p형 AlGaInP계 클래드층의 도핑 농도를 상대적으로 낮게 함으로써, 홀 캐리어에 의한 광흡수를 줄여줄 수 있다. 이에 따라, 반도체 레이저 소자의 내부 광자 효율이 개선되고 높은 광효율을 얻게된다.

Claims

기판 상에 순차적으로 형성된 n형 AlGaInP계 클래드층 및 활성층;

상기 활성층 상에 형성된 제1 p형 AlGaInP계 클래드층; 및

상기 제1 p형 AlGaInP계 클래드층 상에 형성되어 리지 구조를 갖는 제2 p형 AlGaInP계 클래드층을 포함하고,

상기 제1 p형 AlGaInP계 클래드층은, 상기 활성층으로의 아연 확산이 억제되는 도핑 농도로 아연에 의해 도핑되어 있고, 상기 제2 p형 AlGaInP계 클래드층은 상기 제1 p형 AlGaInP계 클래드층의 도핑 농도보다 높은 도핑 농도로 마그네슘에 의해 도핑되어 있는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 소자.
제1항에 있어서,

상기 제1 p형 AlGaInP계 클래드층에서의 상기 아연의 도핑 농도는 8×10¹⁷ cm^-3 이하인 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 소자.
제1항에 있어서,

상기 제1 p형 AlGaInP계 클래드층에서의 상기 아연의 도핑 농도는 1×10¹⁷ 내지 8×10¹⁷ cm^-3 인 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 소자.
제1항에 있어서,

상기 제1 p형 AlGaInP계 클래드층에서의 상기 아연의 도핑 농도는 5×10¹⁷ 내지 8×10¹⁷ cm^-3 인 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 소자.
제1항에 있어서,

상기 제2 p형 AlGaInP계 클래드층에서의 상기 마그네슘의 도핑 농도는 1×10¹⁸ cm^-3이상인 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 소자.
제1항에 있어서,

상기 제2 p형 AlGaInP계 클래드층에서의 상기 마그네슘의 도핑 농도는 1×10¹⁸ 내지 5×10¹⁸ cm^-3 인 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 소자.
제1항에 있어서,

상기 제2 p형 AlGaInP계 클래드층에서의 상기 마그네슘의 도핑 농도는 3×10¹⁸ 내지 5×10¹⁸ cm^-3 인 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 소자.
제1항에 있어서,

상기 제1 AlGaInP계 p형 클래드층과 상기 제2 AlGaInP계 클래드층 사이에 식각 정지층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 소자.
기판 상에 n형 AlGaInP계 클래드층 및 활성층을 순차 형성하는 단계;

상기 활성층 상에, 상기 활성층으로의 아연 확산이 억제되는 도핑 농도로 아연이 도핑된 제1 p형 AlGaInP계 클래드층을 형성하는 단계; 및

상기 제1 p형 AlGaInP계 클래드층 상에, 상기 제1 p형 AlGaInP계 클래드층의 도핑 농도보다 높은 도핑 농도로 마그네슘이 도핑된 제2 p형 AlGaInP계 클래드층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 소자의 제조 방법.
제9항에 있어서,

상기 제1 p형 AlGaInP계 클래드층은 8×10¹⁷ cm^-3 이하의 아연 도핑 농도를 갖도록 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 소자의 제조 방법.
제9항에 있어서,

상기 제1 p형 AlGaInP계 클래드층은 1×10¹⁷ 내지 8×10¹⁷ cm^-3의 아연 도핑 농도를 갖도록 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 소자의 제조 방법.
제9항에 있어서,

상기 제1 p형 AlGaInP계 클래드층은 5×10¹⁷ 내지 8×10¹⁷ cm^-3의 아연 도핑 농도를 갖도록 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 소자의 제조 방법.
제9항에 있어서,

상기 제2 p형 AlGaInP계 클래드층은 1×10¹⁸ cm^-3이상의 마그네슘 도핑 농도를 갖도록 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 소자의 제조 방법.
제9항에 있어서,

상기 제2 p형 AlGaInP계 클래드층은 1×10¹⁸ 내지 5×10¹⁸ cm^-3의 마그네슘 도핑 농도를 갖도록 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 소자의 제조 방법.
제9항에 있어서,

상기 제2 p형 AlGaInP계 클래드층은 3×10¹⁸ 내지 5×10¹⁸ cm^-3의 마그네슘 도핑 농도를 갖도록 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 소자의 제조 방법.
제9항에 있어서,

상기 제1 p형 AlGaInP계 클래드층을 형성하는 단계와 상기 제2 p형 AlGaInP계 클래드층을 형성하는 단계 사이에, 식각 정지층을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 소자의 제조 방법.
제9항에 있어서,

상기 제2 p형 AlGaInP계 클래드층을 선택적으로 식각하여 상기 제2 p형 AlGaInP계 클래드층에 리지 구조를 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 소자의 제조 방법.