KR101753583B1 - 질화물계 레이저 다이오드의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 반도체 소자의 제조방법에 관한 것으로 특히, 질화물계 레이저 다이오드의 제조방법에 관한 것이다. 이러한 본 발명은 비극성 기판의 제1면 상에 질화물계 반도체 구조를 형성하는 단계; 상기 반도체 구조 상의 개별 소자를 정의하는 위치에 트렌치를 형성하는 단계; 상기 반도체 구조 상에 리지 구조를 형성하는 단계; 상기 리지 구조 상에 제1전극을 형성하는 단계; 상기 기판의 제2면 상에 제2전극을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

질화물계 레이저 다이오드의 제조방법{Method for manufacturing semiconductor device}

본 발명은 반도체 소자의 제조방법에 관한 것으로 특히, 질화물계 레이저 다이오드의 제조방법에 관한 것이다.

블루 레이(Blu-ray; BD)와 같은 차세대 광기록 및 재생 장치가 보급되기 시작하면서 BD의 핵심 부품인 405nm 파장을 갖는 질화물 반도체 레이저 다이오드 (LD)에 대한 수요가 증대하고 있다.

또한 이와 같은 광기록의 응용 이외에도 폴리머(polymer) 경화와 같은 특수 목적으로 고출력 405nm 파장의 레이저 다이오드가 이용될 수 있고, 레이저 디스플레이(laser display) 목적으로 440 내지 450nm 파장 및 500 내지 540nm 파장의 레이저 다이오드가 이용될 수 있으며, 살균 및 바이오 목적으로 380nm 파장 이하의 레이저 다이오드 등의 다양한 파장 대역의 질화물 반도체 레이저 다이오드가 요구되고 있다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 비극성 기판 상에 형성되는 질화물계 레이저 다이오드의 제조방법을 제공하는 데 있다.

또한, 이러한 비극성 기판 상에 형성되는 반도체 구조에서 발생할 수 있는 크랙이 전파되는 현상을 차단할 수 있는 질화물계 레이저 다이오드의 제조방법을 제공하고자 한다.

상기 기술적 과제를 이루기 위하여, 비극성 기판의 제1면 상에 질화물계 반도체 구조를 형성하는 단계; 상기 반도체 구조 상의 개별 소자를 정의하는 위치에 트렌치를 형성하는 단계; 상기 반도체 구조 상에 리지 구조를 형성하는 단계; 상기 리지 구조 상에 제1전극을 형성하는 단계; 상기 기판의 제2면 상에 제2전극을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 다음과 같은 효과가 있는 것이다.

먼저, 비극성 m-면 상에 제작되는 광전소자에서 a-축 방향으로 생성된 크랙의 전파를 방지할 수 있고, 벽개면 형성시 리지 방향으로 전파되는 균열 및 결함을 방지할 수 있다.

또한, 누설 전류 제거하여 소자특성 저하 억제할 수 있으며, 누설 전류 및 단락 현상을 제거함으로써 수율을 향상시킬 수 있고, 소자의 신뢰성을 크게 향상시킬 수 있다.

도 1은 레이저 다이오드 구조의 일례를 나타내는 단면도이다.
도 2는 레이저 다이오드 구조의 일례를 나타내는 평면도이다.
도 3은 질화물 반도체의 격자상수 및 에너지 밴드를 나타내는 그래프이다.
도 4 내지 도 6은 m-면 기판 상에서 제작된 질화물 반도체의 크랙을 나타내는 도이다.
도 7은 레이저 다이오드 구조의 다른 예를 나타내는 단면도이다.
도 8은 레이저 다이오드 구조의 다른 예를 나타내는 평면도이다.
도 9는 트렌치에 의하여 크랙이 차단되는 것을 나타내는 도이다.

이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 의한 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명이 여러 가지 수정 및 변형을 허용하면서도, 그 특정 실시예들이 도면들로 예시되어 나타내어지며, 이하에서 상세히 설명될 것이다. 그러나 본 발명을 개시된 특별한 형태로 한정하려는 의도는 아니며, 오히려 본 발명은 청구항들에 의해 정의된 본 발명의 사상과 합치되는 모든 수정, 균등 및 대용을 포함한다.

층, 영역 또는 기판과 같은 요소가 다른 구성요소 "상(on)"에 존재하는 것으로 언급될 때, 이것은 직접적으로 다른 요소 상에 존재하거나 또는 그 사이에 중간 요소가 존재할 수도 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.

비록 제1, 제2 등의 용어가 여러 가지 요소들, 성분들, 영역들, 층들 및/또는 지역들을 설명하기 위해 사용될 수 있지만, 이러한 요소들, 성분들, 영역들, 층들 및/또는 지역들은 이러한 용어에 의해 한정되어서는 안 된다는 것을 이해할 것이다.

도 1 및 도 2를 참고하여 질화물계 레이저 다이오드의 제조 단계를 설명하면 다음과 같다.

먼저, 도전성 기판(10)의 상면 상에 질화물계 반도체 구조(20)를 형성한다. 도전성 기판(10)은 GaN 기판을 이용할 수 있다.

질화물 반도체 구조(20)의 일례는 기판(10) 상에 n-형 전극층(21), n-형 clad층(22), n-형 가이드층(23)이 차례로 위치하고, 또한 이 n-형 가이드층(23) 상에 활성층(24), p-형 가이드층(26), p-형 clad층(27)이 차례로 위치한다.

이때, 활성층(24)과 p-형 가이드층(26) 사이에는 p-형 전류장벽층(25)이 더 위치할 수 있고, p-형 clad층(27) 상에는 p-형 전극층(41)이 더 위치할 수 있다.

이후, p-형 clad층(27)과 p-형 전극층(41)을 식각과 같은 방법을 이용하여 도 1과 같은 리지 구조(ridge; A)를 형성한다. 그리고 이러한 리지 구조(A)의 측면과 p-형 clad층(27)을 덮으며 리지 구조(A)의 상면을 개구하는 유전층(30)을 형성한다.

그리고, 리지 구조(A)의 상부와 유전층(30) 상에 p-형 전극층(41)과 접촉하는 p-형 전극(42)을 형성하여 상부 전극 구조(40)를 형성하고, 기판(10)의 하면에는 n-형 전극(50)을 형성하면 도 1과 같은 구조가 이루어진다.

질화물 반도체 구조(20)가 형성되는 기판(10)은 비극성을 갖는 a-면 또는 m-면 GaN 기판을 이용할 수 있다. 이와 같이 극성의 c-면 GaN 기판 대신에 비극성 기판을 이용하면 이러한 비극성 면을 갖는 질화물 반도체 구조(20)가 형성될 수 있다.

이러한 비극성 면에서는 박막성장 방향으로 분극 장(polarization field)의 발생을 억제하여 에너지 밴드(energy band)의 변형이 일어나지 않아 발광 파장의 변형(blue shift)을 억제할 수 있고, 양자구속 스타크 효과(quantum confined stark effect; QCSE)가 부재하여 광효율을 극대화시킬 수 있다.

상술한 질화물 반도체 구조의 물질 구성의 예를 설명하면, 경우에 따라 조성이 다르고 때로는 물질 구성도 다를 수 있지만, 주로 n-형 및 p-형 전극층(21, 41)은 GaN, n-형 및 p-형 clad층(22, 27)은 AlGaN, n-형 및 p-형 가이드층(23, 26)은 GaN 또는 InGaN, 그리고 활성층(24)은 InGaN으로 구성된다.

이러한 질화물 반도체 구조는 리지 구조(A) 좌우에 형성되는 활성층(24)과 굴절률 차이를 갖는 유전층(30)에 의해 광 특성이 결정되는 인덱스 가이드(index guide) 방식에 의해서 동작한다.

이상과 같은 m-면 질화물 반도체 구조를 갖는 레이저 다이오드에서는 빛의 이득(gain)이 a-축(a-axis) 방향보다 c-축 방향이 높은 특징을 보유하고 있어 리지 구조(A)를 c-축 방향으로 정렬시키고 a-축 방향으로 벽개면을 형성시켜 빛을 c-축 방향으로 공진시켜 이득을 극대화할 수 있다.

그런데, 상기에 설명한 구조는 도 3 및 표 1에서 나타내는 바와 같이, 각 층마다 격자상수와 열팽창 계수가 달라 스트레인(strain)이 발생할 수 있으며, 이러한 스트레인은 각 층의 두께와 비례하여 증가한다.

레이저 다이오드 구조에서는 생성된 빛을 효과적으로 가두기 위해 clad층의 두께가 두껍고, 특히 n-형 clad층(22)이 가장 두껍게 제조될 수 있다. 이로 인한 스트레인에 의해 박막 성장 공정 또는 다른 제조 공정에서 크랙(crack)이 발생할 수 있으며, 크랙이 발생하는 경우의 깊이를 분석하면 n-형 clad층(22)에서 시작되는 경우가 많은 것으로 분석되었다. 도 4 및 도 5에서는 각각 단면과 표면에서 발생한 크랙을 나타내고 있다.

더불어 등방성의 특성을 보유한 c-면과는 달리 m-면은 이방성 특성을 보유하고 있어 크랙의 방향은 a-축 방향으로 생성 및 전파되는 것이 관찰되었다. 도 6은 이러한 a-축 방향으로 전파되는 크랙을 나타내고 있다.

따라서, 다음과 같은 제조방법을 이용하면 비극성 기판을 이용하는 경우에 크랙의 발생을 억제하고 레이저 다이오드의 신뢰성을 향상시킬 수 있다. 도 7 및 도 8을 참고하여 이러한 제조 방법을 설명하면 다음과 같다.

먼저, 도전성 기판(10)의 상면 상에 질화물계 반도체 구조(20)를 형성한다. 도전성 기판(10)은 비극성을 갖는 a-면 또는 m-면 GaN 기판을 이용할 수 있다.

질화물 반도체 구조(20)의 일례는 위에서 설명한 예와 동일할 수 있다. 즉, 기판(10) 상에 n-형 전극층(21), n-형 clad층(22), n-형 가이드층(23)이 차례로 위치하고, 또한 이 n-형 가이드층(23) 상에 활성층(24), p-형 가이드층(26), p-형 clad층(27)이 차례로 위치한다.

이때, 활성층(24)과 p-형 가이드층(26) 사이에는 p-형 전류장벽층(25)이 더 위치할 수 있고, p-형 clad층(27) 상에는 p-형 전극층(41)이 더 위치할 수 있다.

이후, p-형 clad층(27)과 p-형 전극층(41)은 식각과 같은 방법을 이용하여 리지 구조(도 1의 A와 동일한 부분)를 형성한다. 그리고 이러한 리지 구조의 측면과 p-형 clad층(27)을 덮으며 리지 구조의 상면을 개구하는 유전층(30)을 형성한다.

그리고, 리지 구조의 상부와 유전층(30) 상에 p-형 전극층(41)과 접촉하는 p-형 전극(42)을 형성하고, 기판(10)의 하면에는 n-형 전극(50)을 형성한다.

다음에, 개별 소자를 정의하는 위치, 즉, 소자와 소자의 사이에 트렌치(60)를 형성한다. 이러한 트렌치(60)를 형성하는 단계는 반도체 구조(20)를 형성한 직후에 수행될 수도 있다. 즉, 리지 구조를 형성하기 전 또는 그 이후에 수행될 수도 있다.

이러한 트렌치(60)는 a-축 방향으로 전파되는 크랙을 차단할 수 있다. 도 9에서는 이러한 크랙이 트렌치(60)에 의하여 차단되는 것을 도시하고 있다.

이러한 크랙은 기판(10) 상에 형성된 반도체 구조(20)에서 생성되기 때문에 트렌치(60)의 깊이를 전체 반도체 구조(20) 두께 이상의 깊이로 형성하면 크랙의 전파를 더욱 효과적으로 막을 수 있다. 즉, 트렌치(60)는 반도체 구조(20)의 상면으로부터 기판(10)에 이르도록 형성될 수 있으며, 기판(10)의 내측까지 형성될 수도 있다.

이와 비슷한 원리로 추후 미러면 제작시 벽개면에 형성될 수 있는 균열 및 결함의 전파를 방지할 수도 있다.

이러한 트렌치(60)의 형성은 식각에 의하여 형성될 수 있으며, 습식 식각 또는 건식 식각이 이용될 수 있다.

이때, 트렌치(60)를 형성하는 단계는, 리지 구조를 형성하는 단계 이전에 수행될 수 있으며, 경우에 따라서는 리지 구조를 형성하고 p-형 전극(42)을 형성한 이후에 형성될 수도 있다.

이러한 트렌치(60)는, 반도체 구조(20)의 성장 방향, 즉 질화물계 반도체의 c-축 방향으로 형성될 수 있고, 트렌치(60)의 깊이는 반도체 구조(20)의 두께를 고려할 때, 0.1 내지 100 ㎛인 것이 유리하다.

또한 트렌치(60)는 리지 구조로부터 100 ㎛ 이내의 위치에 형성되는 것이 유리하다.

이후에는 이 트렌치(60)에 의하여 정의된 개별 소자 구역에 따라 소자가 분리되고, 벽개의 과정을 거쳐 반사면을 형성하는 단계가 수행될 수 있다.

이상과 같은 과정에 의하여 레이저 다이오드와 같은 광전소자를 제작하게 되면, 비극성 m-면 상에 제작되는 광전소자에서 a-축 방향으로 생성된 크랙의 전파를 방지할 수 있고, 추후 벽개면 형성시 리지 방향으로 전파되는 균열 및 결함을 방지할 수 있다.

또한, 누설 전류 제거하여 소자특성 저하 억제할 수 있으며, 이를 위하여 트렌치(60)에 패시베이션층(미도시)을 형성할 수도 있다.

이와 같이, 누설 전류 및 단락 현상을 제거함으로써 수율을 향상시킬 수 있고, 소자의 신뢰성을 크게 향상시킬 수 있다.

상기 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 구체적으로 설명하기 위한 일례로서, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않으며, 다양한 형태의 변형이 가능하고, 이러한 기술적 사상의 여러 실시 형태는 모두 본 발명의 보호범위에 속함은 당연하다.

10: 기판
20: 반도체 구조
30: 유전층
40: 상부 전극 구조
50: n-형 전극
60: 트렌치

Claims (10)

1. m-면 GaN 기판인 비극성 기판의 제1면 상에 질화물계 반도체 구조를 형성하는 단계;
   상기 반도체 구조 상의 개별 소자를 정의하는 위치에 상기 질화물계 반도체의 c-축 방향으로 상기 반도체 구조의 상면으로부터 상기 기판의 내측까지 형성되는 트렌치를 형성하는 단계;
   상기 반도체 구조 상에 상기 질화물계 반도체의 c-축 방향으로 리지 구조를 형성하는 단계;
   상기 리지 구조 상에 제1전극을 형성하는 단계;
   상기 기판의 제2면 상에 제2전극을 형성하는 단계를 포함하고,
   상기 트렌치를 형성하는 단계는, 상기 리지 구조를 형성하는 단계 이전에 수행되는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 제조방법.
2. 삭제
3. 삭제
4. 제 1항에 있어서, 상기 트렌치는 식각에 의하여 형성하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 제조방법.
5. 삭제
6. 삭제
7. 삭제
8. 제 1항에 있어서, 상기 트렌치의 깊이는 0.1 내지 100 ㎛인 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 제조방법.
9. 제 1항에 있어서, 상기 트렌치는 상기 리지 구조로부터 100 ㎛ 이내의 위치에 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 제조방법.
10. 제 1항에 있어서, 상기 반도체 구조를 개별 소자로 분리하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 제조방법.

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