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KR100278546B1 - 반도체 레이저 장치 - Google Patents

반도체 레이저 장치 Download PDF

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KR100278546B1
KR100278546B1 KR1019980041206A KR19980041206A KR100278546B1 KR 100278546 B1 KR100278546 B1 KR 100278546B1 KR 1019980041206 A KR1019980041206 A KR 1019980041206A KR 19980041206 A KR19980041206 A KR 19980041206A KR 100278546 B1 KR100278546 B1 KR 100278546B1
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KR1019980041206A
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유미 나이또
사또루 오까다
쓰요시 후지모또
Original Assignee
나까니시 히로유끼
미쓰이 가가쿠 가부시키가이샤
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Publication date
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Abstract

본 발명은 n-GaAs 기판(1) 상에, n-GaAs 버퍼층(2), n-AlGaAs 클래드층(3), 비도핑 InGaAs 활성층(4), p-AlxGa1-xAs 클래드층(6), p-GaAs 콘택층(7)을 차례로 형성한 다음, 상기 클래드층(6) 내에 띠형 창을 갖는 n-AlGaAs 전류 블록층(5)을 매설하여 구성된 자기 정합형 반도체 레이저 장치이다. 전류 블록층(5)의 활성층측 계면에는 주기적인 요철 형상의 회절 격자(10)가 형성되지만, 전류 블록층(5)이 없는 띠형 창(11)의 영역, 즉 전류 주입 영역내에는 회절 격자를 형성하지 않는다. 그 결과, 발진 임계치가 낮고, 발진 효율이 높고, 신뢰성이 높고, 수명이 길고 또한 발진 파장이 안정된 반도체 레이저 장치가 실현될 수 있다.

Description

반도체 레이저 장치
본 발명은 분포 귀환형 반도체 레이저 장치(distributed feedback semiconductor laser device)에 관한 것이다.
종래부터 광기록장치용, 광통신용 및 고체 레이저 펌핑용 광원으로서 반도체 레이저가 널리 사용되고 있다. 그중에서도 분포 귀환형(distributed feedback : DFB) 반도체 레이저에서는 반도체 레이저내의 광도파로(optical guide) 내에 주기적인 요철(凹凸)을 설치하여 회절 격자를 형성하고, 그 회절 격자에 의한 광귀환 효과를 이용하여 파장의 안정화를 도모하고 있다. 그러한 DFB 레이저는 안정한 단일 모드(mode)로 발진하므로 온도 변화에 수반하여 생기는 종모드 호핑 현상(longitudinal mode hopping phenominon)이 생기지 않으므로 통상의 파브리 페롯(Fabry-Perot) 반도체 레이저내에서 관측된 모드 호핑 잡음이 발생하지 않는다. 그러므로, DFB 레이저는 낮은 고주파수 잡음 레벨이 요구되는 광원으로서 특히 우수하다. 또한 DFB 레이저는 온도 변화에 따른 발진 파장의 변화가 작고 또한 회절 격자의 주기를 변화시킴으로써 발진 파장을 선택할 수 있는 등의 우수한 특성을 갖고 있으므로 광통신용 또는 고체 레이저 펌핑용 광원으로 적합하다.
도 6은 종래의 DFB 레이저 형 반도체 레이저 장치의 일례를 나타내는 도면이다. 도 6a는 전체사시도이고, 도 6b는 회절 격자의 형상을 나타내는 부분 사시도이다. DFB 레이저 형 반도체 레이저 장치는 일특개소60-66484호 공보에 개시되어 있으며, 이는 n형(이후, 'n-'으로 나타냄) GaAs 기판(102) 상에 n-Al0.40Ga0.60As 클래드층(cladding layer)(103), 비도핑(non-doped) Al0.10Ga0.90As 활성층(104), p형(이후, 'p-'로 나타냄) Al0.25Ga0.75As 광도파층(105), 띠형 창(stripe-like window)을 갖는 n-GaAs 전류 블록층(current blocking layer)(106), p-Al0.40Ga0.60As 클래드층(107) 및 p-GaAs 콘택층(108)이 순차로 형성되어 있고, 기판(102)의 바닥면과 콘택층(108)의 상면 상에는 전극(101,109)이 각각 형성되어 있다.
도 6b에 나타낸 바와 같이, 광도파층(105)의 상면내의 띠형 창의 바닥인 영역(111) 내와 전류 블록층(106)의 상면 상에는 각각 주기적인 요철로 구성되는 회절 격자(112,113)가 형성되어 있다. 회절 격자(112,113) 상에는 클래드층(107)이 띠형 창 내에 매설되도록 형성된다.
도 6a 및 6b에 나타낸 바와 같은 종래의 DFB 레이저 형 반도체 레이저 장치에서는 전류가 전류 블록층(106)의 띠형 창을 통하여 활성층(104)으로 주입된다. 이를 위해 바닥 영역 즉, 광도파층(105)의 띠형 창의 전류 주입 영역내에도 회절 격자가 형성된다.
그러나, 에칭(etching) 등의 회절 격자를 형성하는 공정에서 결정 표면이 대기중에 노출되므로, 그 결과 기판 표면이 산화되어 수 많은 결정 결함이 생긴다. 그러므로 도 6a, 도 6b에 나타낸 바와 같은 구조에서는 활성층(104) 바로 위 부근에 결정 결함이 집중하게 되어 불량한 결정 특성 부분을 형성한다.
그러한 반도체 레이저에서는, 존재하는 결정 결함이 동작중 결정 결함의 증가를 촉진하는 경향이 있어 반도체 레이저의 수명을 크게 단축한다. 또한 레이저 발진기내의 내부 손실을 증가시켜 발진 임계 전류를 증가시키거나 또는 효율을 감소시키는 문제가 야기된다.
본 발명의 목적은 발진 임계전류가 낮고, 발진 효율이 높고, 신뢰성이 높고, 수명이 길고 또한 발진 파장이 안정된 반도체 레이저 장치를 제공하는 데 있다.
도 1a 및 도 1b는 본 발명의 제1 실시예를 나타내는 도면으로서, 각각 전체 사시도와 회절 격자의 형상을 나타내는 부분 사시도.
도 2는 본 발명의 제2 실시예의 사시도.
도 3은 본 발명의 제3 실시예의 사시도.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 제4 실시예를 나타내는 도면으로서, 각각 전체 사시도와 회절 격자의 형상을 나타내는 부분 사시도.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 제5 실시예를 나타내는 도면으로서, 각각 전체 사시도와 회절 격자의 형상을 나타내는 부분 사시도.
도 6a 및 도 6b는 종래의 DFB 레이저 형 반도체 레이저 장치의 일례를 나타내는 도면으로서, 전체 사시도와 회절 격자의 형상을 나타내는 부분 사시도.
본 발명은
활성층;
상기 활성층의 양면 상에 각각 형성되며, 상기 활성층의 밴드갭 보다 넓은 밴드갭(band gap)을 갖는 한쌍의 클래드층; 및
상기 한쌍의 클래드층 중 하나 내에 매설되는 띠형 창을 갖는 전류 블록층을 구비하며,
상기 전류 블록층의 계면상에 또는 상기 계면과 띠형 창을 제외한 활성층 간에 발진 파장을 제어하는 회절 격자가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 자기 정합형 반도체 레이저 장치를 제공한다.
본 발명에 의하면, 반도체 레이저에 전압을 인가하면 캐리어(carrier)가 주입되고, 클래드층들을 통과하는 캐리어가 전류 블록층에 의해 차단된다. 결과적으로, 캐리어는 전류 블록층이 형성되지 않은 영역들을 통해 즉, 띠형 홈을 통해서만 통과한다. 활성층에 주입된 캐리어는 재결합하여 광을 방출하고, 주입 전류 레벨이 증가함으로써, 유도 방출이 개시되어, 결국 레이저 발진이 유발된다. 레이저 광의 일부는 전류 블록층의 바닥까지 분포된후, 도파된다.
전류 블록층의 바닥에는 발진 파장의 안정을 위한 회절 격자가 형성되어 있다. 그러한 형의 회절 격자는 a) 전류 블록층의 상부 및 하부 계면의 어느 하나 또는 양측에 주기적인 요철이 형성된 것, 또는 b) 전류 블록층의 활성층측 계면과 활성층 간에 격자층이 형성된 것을 사용할 수 있다.
전류 블록층의 하부 영역내에 형성된 주기적인 요철의 주기Λ 또는 격자층 폭의 변화 주기Λ는 하기 식(1)을 만족하도록 설정한다.
Λ = m·λ0/ (2·nr) ---- (1)
상기 식에서, m은 1 이상(1,2,3,---)의 정수이고, nr은 광도파로의 굴절률이고, λ0는 발진 파장이다. 이 격자 조건이 만족되면 파장 λ0을 갖는 광이 선택되므로 단일 모드 발진이 실현될 수 있다.
또한 본 발명에서는 회절 격자가 띠형 창을 제외한 영역위에 형성되며 또한 전류가 통과하는 전류 주입 영역에는 회절 격자가 형성되지 않기 때문에, 이 전류 주입 영역내에 결정 결함이 발생하지 않는다. 그러므로 발진 임계전류가 증가하고 또한 발진 효율이 감소하는 문제를 일으킬 가능성이 거의 없다. 또한 결정 결함의 증식으로 인한 신뢰성의 감소를 억제하는 것이 가능하다.
본 발명은
활성층;
상기 활성층의 일면 상에만 형성되거나 또는 양면 상에 각각 형성되며, 상기 활성층의 밴드갭 보다 넓은 밴드갭을 갖는 광도파층; 및
상기 활성층과 상기 광도파층을 개재시켜 끼우도록 형성되며, 상기 광도파층보다 넓은 밴드갭을 갖는 한쌍의 클래드층; 및
상기 한쌍의 클래드층들 중 적어도 하나 내에 매설되는 띠형 창을 갖는 전류 블록층을 구비하며,
상기 전류 블록층의 계면상에 또는 상기 계면과 띠형 창을 제외한 활성층 간에 발진 파장을 제어하는 회절 격자가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 자기 정합형 반도체 레이저 장치를 제공한다.
본 발명에 의하면, 활성층의 한면 또는 양면 상에 광도파층이 배치되어 있기 때문에 활성층에서 발생하는 광이 광도파층에 의해 도파된다. 그 결과, 활성층 내의 광집중을 피할 수 있어 출력이 높고 수명이 긴 레이저를 실현할 수 있다.
또한 본 발명에서는 회절 격자가 띠형 창을 제외한 영역위에 형성되는 한편 전류 주입 영역내에는 회절 격자가 형성되지 않으므로 전류 주입 영역내에 결정 결함이 생기지 않는다. 그러므로 발진 임계전류가 증가하고 또한 발진 효율이 감소하는 문제의 가능성이 거의 없다. 또한 결정 결함의 성장으로 인한 신뢰성의 감소를 억제하는 것이 가능하다.
본 발명은
활성층;
상기 활성층의 양면 상에 각각 형성되며, 상기 활성층의 밴드갭 보다 넓은 밴드갭을 갖는 한쌍의 광도파층;
상기 활성층과 상기 광도파층을 개재시켜 끼우도록 형성되며, 상기 광도파층의 밴드갭 보다 넓은 밴드갭을 갖는 한쌍의 클래드층;
상기 활성층과 광도파층간에 각각 형성되며, 상기 활성층과 상기 광도파층의 밴드갭 보다 넓은 밴드갭을 갖는 캐리어 블록층;
상기 광도파층들 중 적어도 하나 내에 매설되는 띠형 창을 갖는 전류 블록층을 구비하며,
상기 전류 블록층의 계면상에 또는 상기 계면과 띠형 창을 제외한 활성층 간에 발진 파장을 제어하는 회절 격자가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 자기 정합형 반도체 레이저 장치를 제공한다.
본 발명에 의하면, 반도체 레이저에 전압을 인가하면 캐리어(전자 또는 정공)가 주입되고, 또한 상기 광도파층을 통과하는 캐리어는 전류 블록층에 의해 차단된다. 결과적으로, 캐리어는 전류 블록층이 형성되지 않은 영역들을 통해 즉, 띠형 홈을 통해서만 통과한다. 활성층에 주입된 캐리어는 재결합하여 광을 방출하고, 주입 전류 레벨이 증가함으로써, 유도 방출이 개시되어, 결국 레이저 발진이 유발된다. 레이저 광의 일부는 전류 블록층의 바닥까지 분포된후, 도파된다. 한편 활성층 내의 캐리어는 캐리어 블록층 때문에 활성층 내에 구속되므로 캐리어의 재결합 효율을 개선한다.
전류 블록층의 바닥에는 발진 파장의 안정을 위한 회절 격자가 형성된다. 회절 격자는 a) 전류 블록층의 상부 및 하부 계면의 어느 하나 또는 양측에 주기적인 요철이 형성된 것, 또는 b) 전류 블록층의 활성층측 계면과 활성층 간에 격자층이 형성된 것을 사용할 수 있다. 주기적인 요철의 주기Λ 또는 격자층의 폭의 변화 주기Λ가 상기 식(1)을 만족하도록 설정되면 단일 모드 발진이 실현될 수 있다.
또한 본 발명에 의하면, 회절 격자가 띠형 창을 제외한 영역위에만 형성되며 또한 전류가 통과하는 전류 주입 영역에는 회절 격자가 형성되지 않기 때문에, 이 전류 주입 영역내에 결정 결함이 발생하지 않는다. 그러므로 발진 임계전류가 증가하고 또한 발진 효율이 감소하는 등의 문제를 일으킬 가능성이 최소화 된다. 또한 결정 결함의 증식으로 인한 신뢰성의 감소를 억제하는 것이 가능하다.
상술한 바와 같이, 활성층과 광도파층 간에 캐리어 블록층을 제공함으로써 활성층 내로의 캐리어의 구속과 무관하게 장치내의 광도파 시스템의 설계를 자유롭게 할 수 있으므로 넓은 광도파층을 채용함으로써 도파 모드를 이상적인 가우스 형상(gaussian shape)에 가깝게 하는 것이 가능하다. 그에 의해 회절 격자의 굴절률과 두께의 넓은 선택이 허용되므로 설계의 자유도가 증가하고, 제조 마진(margin)이 넓어지고 또한 반도체 레이저의 제조 수율이 향상된다. 그와 반대로 캐리어 블록층이 활성층과 광도파층 간에 형성되지 않으면 도파 모드가 급준(急峻)하는 피크(peak)를 갖는 후지산형 모드(Fuji Mt. type mode)가 된다. 그러나 캐리어 블록층이 활성층과 광도파층 간에 설비되는 경우에는 도파 모드가 후지산형 모드에 비해 견부(肩部)가 약간 돌출한 가우스형 모드가 되며, 이 모드에서는 전계 강도의 변화가 더 높은 전계 강도를 갖는 영역에서 더 완만하게 된다. 그러므로 가우스형 모드를 갖는 반도체 레이저에서는 파장을 제어하기 위한 회절 격자가 설사 활성층에서 먼 위치에 형성되더라도, 회절 격자가 충분한 효력을 발휘한다. 또한 활성층과 회절 격자 간의 거리 또는 굴절률 분포가 제조 공정중 어느 정도 변화하더라도, 변화에 의한 영향이 전계 강도의 완만한 변화 때문에 억제되므로 제조 수율이 향상된다.
본 발명에서는 광도파층을 형성하기 위한 반도체 재료가 GaAs 또는 0.3 이하의 Al 조성을 갖는 AlGaAs, InGa 또는 InGaAsP인 것이 바람직하다.
본 발명에 의하면, 발진 파장의 안정화를 위한 회절 격자의 형성공정에서는 대기중에 노출될 광도파층이 산화에 의해 거의 열화되지 않는 재료 또는 낮은 Al 조성을 갖거나 또는 알루미늄을 함유하지 않는 재료로 형성하는 것이 좋다. 결과적으로 회절 격자가 형성될 띠형 창 또는 영역내에서 대기중에 노출될 표면의 산화가 억제된다. 그러므로, 각각의 재성장층의 결정 특성이 개선되어 신뢰성이 높은 반도체 레이저가 얻어진다. InGaP 또는 InGaAsP의 각 원소는 기판과 격자 정합할 수 있는 한 어떠한 조성비라도 가질 수 있다.
이하 본 발명의 기타 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하는 하기 설명으로부터 더 상세히 이해할 수 있다.
도면을 참조하여 본 발명의 양호한 실시예를 후술한다.
하기 실시예들에서는 회절 격자를 형성하는 층을 마스크(mask)로서 레지스트(resist)를 사용하여 에칭하는 경우에, 공지된 간섭 노광법에 의해 격자를 형성하여 회절 격자를 만든다. 좀더 구체적으로, 본 발명의 방법은 회절 격자가 형성될 층을 성장한 후, 레지스트를 도포하고, 그 레지스트를 레이저 광의 간섭 노출에 의해 격자 형상으로 노출한 다음, 레지스트를 현상하여, 현상된 레지스트를 마스크로 하여 레지스트의 하부층을 소정 깊이까지 에칭 후, 레지스트의 마스크를 제거한 다음, 상부층을 재성장하는 공정으로 된다. 상기 공정 진행 중 회절 격자를 형성하는 층이 대기중에 노출된다.
(실시예)
(실시예 1)
도 1a 및 도 1b는 본 발명의 제1 실시예를 나타내는 도면으로서, 각각 전체 사시도와 회절 격자의 형상을 나타내는 부분 사시도이다. 이 반도체 레이저 장치는 DFB 레이저형의 하나로서, n-GaAs의 기판(1)상에 MOCVD(Metal Organic Chemical Deposition : 금속 유기 화학 증착)법 등을 사용하여 n-GaAs의 버퍼층(2)(두께 t=0.5㎛), n-AlGaAs의 클래드층(3)(Al 조성비 x=0.4, t=1.5㎛), 비도핑 GaAs 우물층(t=0.008㎛)/비도핑 AlGaAs 장벽층(x=0.2, t=0.005㎛)으로 된 2중 양자 우물 활성층(4), p-AlGaAs의 클래드층(6)(x=0.4, t=1.6㎛) 및 p-GaAs의 콘택층(7)(두께 t=1.0㎛)을 차례로 형성한 다음, 상기 클래드층(6) 내에 띠형 창을 갖는 n-AlGaAs의 전류 블록층(5)(x=0.5, t=0.1㎛)을 매설하여 구성한다. 기판(1)의 바닥면과 콘택층(7)의 상면 위에는 전극(8,9)을 각각 형성한다.
AlGaAs 재료에서는, Al 조성이 높을 수록, 밴드갭이 더 넓어지는 경향이 있다. 본 실시예에서는 클래드층의 밴드갭이 활성층(4)의 밴드갭 보다 더 넓다.
도 1b에 나타낸 바와 같이, 전류 블록층(5)의 활성층측 계면에는 주기적인 요철로 구성되는 회절 격자(10)가 형성되고, 전류 블록층(5)이 존재하지 않는 띠형 창(11), 즉 전류 주입 영역에는 회절 격자가 형성되지 않는다. 회절 격자(10) 상에는 전류 블록층(5)이 형성된 다음 창(11) 내에 매설(埋設)되도록 클래드층(6)이 형성된다.
그 다음, 반도체 레이저 장치의 동작을 설명한다. 콘택층(7)의 전극(8)에 양의 바이어스 전압(positive bias voltage)을 걸고 또한 기판의 전극(9)에 음의 바이어스 전압(nagative bias voltage)을 걸어주면, 전류가 콘택층(7)으로부터 기판(1)으로 흘러 전류 블록층(5)이 형성되지 않은 영역만을, 즉 띠형 창(11)을 통과하므로 전류 밀도가 증가한다.
전류는 캐리어로서 활성층(4)으로 주입된 다음, 캐리어가 재결합하여 광을 방출한다. 또한 전류의 주입량이 증가하면, 유도 방출이 개시되어 종국에는 레이저 발진을 유발한다. 레이저 광의 일부는 활성층(4)의 양면 상에 배설(配設)된 클래드층(3,6)을 통해 전류 블록층(5)의 바닥으로 분포된 다음 도파된다.
상기 식(1)을 만족시키도록 회절 격자(10)의 주기Λ를 설정함으로써, 파장 λ0만이 선택적으로 발진하므로 단일 모드 발진이 달성된다. 이 장치에서는 전류 주입 영역 또는 창(11) 내의 결정 특성이 열화(劣化)되지 않으므로, 발진 임계전류가 낮고, 효율이 높고, 수명이 긴 DFB 반도체 레이저가 실현될 수 있다.
(실시예 2)
도 2는 본 발명의 제2 실시예를 나타내는 사시도이다. 이 반도체 레이저 장치는 DFB 레이저형의 하나로서, n-GaAs의 기판(21)상에 MOCVD 법 등을 사용하여 n-GaAs의 버퍼층(22)(두께 t=0.5㎛), n-AlGaAs의 클래드층(23)(Al 조성비 x=0.45, t=1.5㎛), 비도핑 AlGaAs 우물층(X=0.1, t=0.006㎛)/ AlGaAs 장벽층(x=0.3, t=0.005㎛)으로 된 2중 양자 우물 활성층(24), p-AlGaAs의 제1 클래드층(25)(x=0.3, t=0.15㎛), p-AlGaAs의 제2 클래드층(27)(x=0.55, t=0.10㎛) 및 p-GaAs의 콘택층(28)을 차례로 형성한 다음, 상기 제1 클래드층(25)과 제2 클래드층(27) 간에 띠형 창을 갖는 n-AlGaAs의 전류 블록층(26)(x=0.58, t=0.1㎛)을 매설하여 구성한다. 기판(2)의 바닥면과 콘택층(28)의 상면 위에는 전극(30,29)을 각각 형성한다.
상기 구성에서, 제1 클래드층(25)은 활성층(24) 내에서 발생하는 광을 도파하기 위한 광도파층으로서 기능한다. 또한 AlGaAs 재료의 밴드갭은 Al 조성이 높을 수록, 더 넓어지는 경향이 있다. 본 실시예에서는 제1 클래드층(25)의 밴드갭이 활성층(24)의 밴드갭 보다 더 넓고, 또한 하부 클래드층(23)과 상부 제2 클래드층(27)의 밴드갭은 제1 클래드층(25)의 밴드갭 보다 넓다.
전류 블록층(26)의 활성층측 계면에는 주기적인 요철로 구성되는 회절 격자(31)가 형성되지만, 전류 블록층(26)이 존재하지 않는 띠형 창(11), 즉 전류 주입 영역에는 회절 격자가 형성되지 않는다.
그 다음, 상기 반도체 레이저 장치의 동작을 설명한다. 콘택층(28)의 전극(29)에 양의 바이어스 전압을 걸고 또한 기판(21)의 전극(30)에 음의 바이어스 전압을 걸어주면, 전류가 콘택층(28)으로부터 기판(21)으로 흘러 전류 블록층(26)이 존재하지 않은 영역만을, 즉 띠형 창(11)만을 통과하므로 전류 밀도가 증가한다.
전류는 캐리어로서 활성층(24)으로 주입된 다음, 캐리어가 재결합하여 광을 방출한다. 또한 전류의 주입량이 증가하면, 유도 방출이 개시되어 종국에는 레이저 발진을 유발한다. 레이저 광의 일부는 활성층(24)의 양면 상에 배설된 클래드층(23)과 제1 클래드층(25)을 통해 전류 블록층(26)의 바닥으로 분포된 다음 도파된다.
상기 식(1)을 만족시키도록 회절 격자(10)의 주기Λ를 설정함으로써, 파장 λ0만이 선택적으로 발진하므로 단일 모드 발진이 달성된다. 이 장치에서는 전류 주입 영역 또는 창(11) 내의 결정 특성이 열화되지 않으므로, 발진 임계전류가 낮고, 효율이 높고, 수명이 긴 DFB 반도체 레이저가 실현될 수 있다.
(실시예 3)
도 3은 본 발명의 제3 실시예를 나타내는 사시도이다. 이 반도체 레이저 장치는 DFB 레이저형의 하나로서, n-GaAs의 기판(41)상에 MOCVD 법 등을 사용하여 n-GaAs의 버퍼층(42)(두께 t=0.5㎛), n-AlGaAs의 클래드층(43)(Al 조성비 x=0.24, t=1.1㎛), n-AlGaAs의 광도파층(44)(x=0.2, T=0.88㎛), n-AlGaAs의 캐리어 블록층(45)(x=0.5, t=0.02㎛), 비도핑 InGaAs 우물층(In 조성비 y=0.2, t=0.008㎛)/ 비도핑 AlGaAs 장벽층(Al 조성비 x=0.2, t=0.006㎛)으로 된 2중 양자 우물 활성층(46), p-AlGaAs의 캐리어 블록층(47)(x=0.5, t=0.02㎛), p-AlGaAs의 광도파층(48)(x=0.2, t=0.88㎛), p-AlGaAs의 클래드층(50)(x=0.24, t=1.1㎛) 및 p-GaAs의 콘택층(51)을 차례로 형성한 다음, 상기 광도파층(48) 내에 띠형 창을 갖는 n-AlGaAs의 전류 블록층(49)(x=0.33, t=0.1㎛)을 매설하여 구성한다. 기판(41)의 바닥면과 콘택층(51)의 상면 위에는 전극(53,52)을 각각 형성한다.
AlGaAs 재료의 밴드갭은 InGaAs 재료의 밴드갭 보다 넓고, Al 조성이 높을 수록, 더 넓어지는 경향이 있다. 본 실시예에서는 광도파층(44,48)의 밴드갭이 활성층(46)의 밴드갭 보다 더 넓고, 클래드층(43,50)의 밴드갭이 광도파층(44,48)의 밴드갭 보다 더 넓고, 또한 캐리어 블록층(45,47)의 밴드갭이 광도파층(44,48)의 밴드갭 보다 넓다.
전류 블록층(49)의 활성층측 계면에는 주기적인 요철로 구성되는 회절 격자(31)가 형성되지만, 전류 블록층(49)이 존재하지 않는 띠형 창(11), 즉 전류 주입 영역에는 회절 격자가 형성되지 않는다.
그 다음, 상기 반도체 레이저 장치의 동작을 설명한다. 콘택층(51)의 전극(52)에 양의 바이어스 전압을 걸고 또한 기판(41)의 전극(53)에 음의 바이어스 전압을 걸어주면, 전류가 콘택층(51)으로부터 기판(41)으로 흘러 전류 블록층(49)이 존재하지 않은 영역만을, 즉 띠형 창(11)만을 통과하므로 전류 밀도가 증가한다.
전류는 캐리어로서 활성층(46)으로 주입된 다음, 캐리어가 재결합하여 광을 방출한다. 또한 전류의 주입량이 증가하면, 유도 방출이 개시되어 종국에는 레이저 발진을 유발한다. 레이저 광의 일부는 활성층(46)의 양면 상에 배설된 광도파층(44,48)을 통해 전류 블록층(49)의 바닥으로 분포된 다음 도파된다. 활성층(46) 내의 캐리어는 캐리어 블록층(45,47) 때문에 활성층 내에 구속되기 때문에 캐리어의 재결합 효율이 개선된다.
상기 식(1)을 만족시키도록 회절 격자(10)의 주기Λ를 설정함으로써, 파장 λ0만이 선택적으로 발진하므로 단일 모드 발진이 달성된다. 이 장치에서는 전류 주입 영역 또는 창(11) 내의 결정 특성이 열화되지 않으므로, 발진 임계전류가 낮고, 효율이 높고, 수명이 긴 DFB 반도체 레이저가 실현될 수 있다.
본 실시예에서는 전류 블록층(49)의 활성층측 계면에 회절 격자(61)가 형성된 경우를 설명하였지만, 동일한 방식으로 전류 블록층(49)의 콘택층측 계면에 회절 격자를 형성할 수도 있다.
(실시예 4)
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 제4 실시예를 나타내는 도면으로서, 각각 전체 사시도와 회절 격자의 형상을 나타내는 부분 사시도이다. 이 반도체 레이저 장치는 DFB 레이저형의 하나로서, n-GaAs의 기판(71)상에 MOCVD 법 등을 사용하여 n-GaAs의 버퍼층(72)(두께 t=0.5㎛), n-AlGaAs의 클래드층(73)(Al 조성비 x=0.24, t=1.1㎛), n-AlGaAs의 광도파층(74)(x=0.2, t=0.83㎛), n-AlGaAs의 캐리어 블록층(75)(x=0.5, t=0.02㎛), 비도핑 InGaAs 우물층(In 조성비 y=0.2, t=0.008㎛)/비도핑 AlGaAs 장벽층(Al 조성비 x=0.2, t=0.006㎛)으로 된 2중 양자 우물 활성층(76), p-AlGaAs의 캐리어 블록층(77)(x=0.5, t=0.02㎛), p-AlGaAs의 광도파층(78)(x=0.2, t=0.83㎛), p-AlGaAs의 클래드층(80)(x=0.24, t=1.1㎛) 및 p-GaAs의 콘택층(81)을 차례로 형성한 다음, 상기 광도파층(78) 내에 띠형 창을 갖는 n-AlGaAs의 전류 블록층(79)(x=0.24, t=0.1㎛)을 매설하여 형성한다. 기판(71)의 바닥면과 콘택층(81)의 상면 위에는 전극(83,82)을 각각 형성한다.
AlGaAs 재료의 밴드갭은 InGaAs 재료의 밴드갭 보다 넓고, Al 조성이 높을 때, 밴드갭이 더 넓어지는 경향이 있다. 본 실시예에서는 광도파층(74,78)의 밴드갭이 활성층(76)보다 넓고, 클래드층(73,80)의 밴드갭이 광도파층(74,78)의 밴드갭 보다 넓고, 캐리어 블록층(75,77)의 밴드갭이 광도파층(74,78)의 밴드갭 보다 넓다.
또한 본 실시예에서는 도 3에 나타낸 파장을 제어하기 위한 회절 격자(61) 대신에 동일한 기능을 갖는 회절 격자(91)가 설비된다.
격자층(91)은 광도파층(78) 내에 p-GaAs(두께 t=0.05㎛)을 주기적 패턴화(patterning)에 의해 형성한다. 전류 블록층(79)의 활성층측 계면과 활성층(76) 간에 격자층(91)이 배설되고, 또한 창(11)의 영역내에 균일한 두께를 갖고 또한 창(11)의 양측의 영역내에 주기적인 요철을 갖도록 형성되며, 그에 의해 주기Λ의 회절 격자로서 작용한다. 상기 식(1)을 만족시키도록 회절 격자(10)의 주기Λ를 설정함으로써, 파장 λ0만이 선택적으로 발진하므로 단일 모드 발진이 달성된다. 이 장치에서는 전류 주입 영역 또는 창(11) 내의 결정 특성이 열화되지 않으므로, 발진 임계전류가 낮고, 효율이 높고, 수명이 긴 DFB 반도체 레이저가 실현될 수 있다.
(실시예 5)
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 제5 실시예를 나타내는 도면으로서, 각각 전체 사시도와 회절 격자의 형상을 나타내는 부분 사시도이다. 이 반도체 레이저 장치는 DFB 레이저형의 하나로서, n-GaAs의 기판(71)상에 MOCVD 법 등을 사용하여 n-GaAs의 버퍼층(72)(두께 t=0.5㎛), n-AlGaAs의 클래드층(73)(Al 조성비 x=0.24, t=1.1㎛), n-AlGaAs의 광도파층(74)(x=0.2, t=0.83㎛), n-AlGaAs의 캐리어 블록층(75)(x=0.5, t=0.02㎛), 비도핑 InGaAs 우물층(In 조성비 y=0.2, t=0.008㎛)/비도핑 AlGaAs 장벽층(Al 조성비 x=0.2, t=0.006㎛)으로 된 2중 양자 우물 활성층(76), p-AlGaAs의 캐리어 블록층(77)(x=0.5, t=0.02㎛), p-AlGaAs의 광도파층(78)(x=0.2, t=0.83㎛), p-AlGaAs의 클래드층(80)(x=0.24, t=1.1㎛) 및 p-GaAs의 콘택층(81)을 차례로 형성한 다음, 상기 광도파층(78) 내에 띠형 창을 갖는 n-AlGaAs의 전류 블록층(79)(x=0.24, t=0.1㎛)을 매설하여 형성한다. 기판(71)의 바닥면과 콘택층(81)의 상면 위에는 전극(83,82)을 각각 형성한다.
AlGaAs 재료의 밴드갭은 InGaAs 재료의 밴드갭 보다 넓고, Al 조성이 높을 때, 더 넓어지는 경향이 있다. 본 실시예에서는 광도파층(74,78)의 밴드갭이 활성층(76)의 밴드갭 보다 넓고, 클래드층(73,80)의 밴드갭이 광도파층(74,78)보다 넓고, 캐리어 블록층(75,77)의 밴드갭이 광도파층(74,78)의 밴드갭 보다 넓다.
또한 본 실시예에서는 도 3에 나타낸 파장을 제어하기 위한 회절 격자(61) 대신에 동일한 기능을 갖는 회절 격자(91)가 설비된다.
격자층(91)은 광도파층(78) 내에 p-GaAs(두께 t=0.05㎛)을 주기적 패턴화에 의해 형성한다. 전류 블록층(79)의 활성층측 계면과 활성층(76) 간에 격자층(91)이 배설되고, 또한 창(11)의 양측의 영역내에 주기적인 요철을 갖도록 형성되며, 그에 의해 주기Λ의 회절 격자로서 작용한다. 창(11)의 영역내에는 격자층(91)이 형성되지 않는다. 창(11)의 양측 영역내에 격자층을 형성하는 방법으로서, 격자층의 선택 선장을 사용하는 방법 또는 창을 포함하는 전체 영역내에 격자층을 성장시키는 공정과 에칭에 의해 격자층의 창 부분을 제거하는 공정을 포함하는 방법을 예시할 수 있다.
상기 식(1)을 만족시키도록 주기Λ를 설정함으로써, 파장 λ0만이 선택적으로 발진하므로 단일 모드 발진이 달성된다. 이 장치에서는 전류 주입 영역인 창(11)의 영역내에 격자층(91)이 없고, 띠형 창(11)에 굴절률이 다른 층이 존재하지 않기 때문에 발진하는 레이저 광의 광 모드가 방해되지 않는 장점을 준다.
상술한 실시예에서는 도파층을 AlGaAs로 형성하였지만, 이 도파층을 InGaAs, InGaAsP 또는 AlGaAs(Al 조성 x : 0≤x≤0.3)과 같이 알루미늄을 거의 함유하지 않거나 또는 함유하지 않은 재료로 형성하는 것이 바람직하다. 그러한 조성을 갖는 도파층은 회절 격자의 형성중 산화로 인한 손상을 억제하는 효과가 향상하므로 더 높은 신뢰성을 얻을 수 있다.
본 발명은 본 발명의 정신과 요지로부터 벗어나지 않는 범위내에서 다른 특정한 형으로 실시할 수도 있다. 그러므로 본 실시예는 단지 설명을 위한 것으로, 한정하기 위한 것이 아니며 본 발명의 청구범위내에서 여러 가지 수정, 변경 실시가 가능하다.
본 발명에 의하면, 전류 블록층의 계면상에 또는 상기 계면과 띠형 창을 제외한 활성층간에 발진 파장을 제어하는 회절 격자를 형성함으로써, 주기적 구조에 의하여 파장 선택성이 주어져 회절 조건을 만족하는 파장만이 선택적으로 발진하게 되어, 안정한 단일 모드 발진을 얻을 수 있다.
또한 이러한 회절 격자를 전류 주입 영역에는 형성하지 않기 때문에 이 영역에서의 결정 결함이 현저히 줄어들어, 그 결과, 발진 임계전류가 낮고, 발진 효율이 높고, 신뢰성이 높고, 수명이 길고 또한 발진 파장이 안정된 반도체 레이저 장치가 실현될 수 있다.

Claims (5)

  1. 활성층;
    상기 활성층의 양면 상에 각각 형성되며, 상기 활성층의 밴드갭 보다 넓은 밴드갭을 갖는 한쌍의 클래드층; 및
    상기 한쌍의 클래드층 중 하나 내에 매설되는 띠형 창을 갖는 전류 블록층을 구비하며,
    상기 전류 블록층의 계면상에 또는 상기 계면과 띠형 창을 제외한 활성층 간에 발진 파장을 제어하는 회절 격자가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 자기 정합형 반도체 레이저 장치.
  2. 활성층;
    상기 활성층의 일면 상에만 형성되거나 또는 양면 상에 각각 형성되며, 상기 활성층의 밴드갭 보다 넓은 밴드갭을 갖는 광도파층;
    상기 활성층과 상기 광도파층을 개재시켜 끼우도록 형성되며, 상기 광도파층의 밴드갭 보다 넓은 밴드갭을 갖는 한쌍의 클래드층; 및
    상기 한쌍의 클래드층들 중 적어도 하나 내에 매설되는 띠형 창을 갖는 전류 블록층을 구비하며,
    상기 전류 블록층의 계면상에 또는 상기 계면과 띠형 창을 제외한 활성층 간에 발진 파장을 제어하는 회절 격자가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 자기 정합형 반도체 레이저 장치.
  3. 활성층;
    상기 활성층의 양면 상에 각각 형성되며, 상기 활성층의 밴드갭 보다 넓은 밴드갭을 갖는 한쌍의 광도파층;
    상기 활성층과 상기 광도파층을 개재시켜 끼우도록 형성되며, 상기 광도파층의 밴드갭 보다 넓은 밴드갭을 갖는 한쌍의 클래드층;
    상기 활성층과 상기 광도파층간에 각각 형성되며, 상기 활성층 및 상기 광도파층의 밴드갭 보다 넓은 밴드갭을 갖는 캐리어 블록층; 및
    상기 한쌍의 광도파층들 중 적어도 하나 내에 매설되는 띠형 창을 갖는 전류 블록층을 구비하며,
    상기 전류 블록층의 계면상에 또는 상기 계면과 띠형 창을 제외한 활성층 간에 발진 파장을 제어하는 회절 격자가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 자기 정합형 반도체 레이저 장치.
  4. 제2항에 있어서, 상기 광도파층을 형성하기 위한 반도체 재료는 GaAs , 0.3이하의 Al 조성을 갖는 AlGaAs, InGaP 또는 InGaAsP인 것을 특징으로 하는 자기 정합형 반도체 레이저 장치.
  5. 제3항에 있어서, 상기 광도파층을 형성하기 위한 반도체 재료는 GaAs , 0.3이하의 Al 조성을 갖는 AlGaAs, InGaP 또는 InGaAsP인 것을 특징으로 하는 자기 정합형 반도체 레이저 장치.
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