KR100278626B1 - 반도체 레이저 다이오드 - Google Patents
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Abstract
본 발명에 따른 레이저 다이오드는 InGaAlP / InGaP 계의 레이저 다이오드에 있어서, 미러면에 인접되는 비흡수 영역에 대응되는 부분을 제외한 나머지 부분이 돌출된 메사 구조를 갖는 기판: 및 상기 기판상에 상기 메사구조를 추종하며 순차적으로 적층된 다층구조로 이루어지고, 활성층 및 클래드층을 그 안에 포함하며, 레이저 빔을 발생하는 레이저 발진층을 구비하는 것으로, 상기 활성층에서 발생된 레이저 빔이 비흡수 영역을 통과할 때, 활성층보다 밴드 갭 에너지가 큰 클래드층을 통과하게 되어 비흡수 영역에서 레이저 빔의 흡수가 저감되도록 하였다. 또한 상기와 같은 메사구조대신에 그루브구조를 가지도록 한 경우에는 활성층에서 발생된 레이저 빔이 그 하부에 위치하는 클래드층을 통과하게 되어 동일한 효과를 얻게 된다.
Description
제1도는 종래의 아연 확산층을 갖는 반도체 레이저 다이오드를 나타낸다.
제2도는 본 발명에 따른 반도체 레이저 다이오드를 나타낸다.
제3도는 제2도에서 절선 A-A′에서의 단면 구조를 나타낸다.
제4도는 본 발명의 다른 실시예에 따른 반도체 레이저 다이오드의 단면 구조를 나타낸다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
101 : n형 GaAs 기판 102 : n형 GaAs 버퍼층
103 : n형 InGaAlP 클래드층 104 : InGaP 활성층
105 : p형 InGaAlP 클래드층 106 : p형 InGaP 통전용이층
107 : p형 GaAs 캡층 108 : n형 GaAs 전류차단층
109 : p형 금속 110 : n형 금속
111a 및 111b : 아연 확산층 112a 및 112b : 무질서 영역
113 : 초격자 영역 114a 및 114b : 비흡수 영역
115 : 전류 주입 영역
본 발명은 반도체 레이저 다이오드에 관한 것으로서, 특히 정보처리기기등에 널리 이용되는 InGaP/InGaAlP계의 고출력 단파장 레이저 다이오드에 관한 것이다.
일반적으로 반도체 레이저의 고출력화는 미러(mirror)면에서의 광흡수에 기인하여 발생되는 COD(catastrophic optical damage)와 관련된다. COD를 좀 더 설명하면, 활성층에서 발생된 레이저빔이 미러면에서 충분히 반사되지 않고 흡수되어 열로 전환되며, 이 열은 다시 레이저 빔의 출력을 높이게 되고 그에 따라 더 많은 레이저 빔이 흡수되어 열로 전환되게 된다. 이러한 사이클은 매우 짧은 시간에 반복적으로 순환되어 결국 레이저 다이오드가 손상되게 된다.
여기서 COD레벨은 이상에서 설명한 현상이 일어나게 되는 레벨을 나타내는 것으로서, COD 레벨이 높을수록, 보다 고출력으로 레이저 다이오드를 동작시킬 수 있게 된다. 즉 반도체 레이저 다이오드의 고출력화는 광출력면(facet) 부근의 인접한 활성층에서 광의 흡수로 인한 국부적 온도 상승으로 발생되는 COD에 의하여 제한을 받는다.
특히, InGaP / InGaAlP계의 레이저 다이오드의 COD레벨은 GaAs / AlGaAs계의 레이저 다이오드의 COD레벨의 약 3분의 1 정도에 불과한 것으로서, 다른 종류에 반도체 레이저 다이오드에 비하여 소자의 고출력화가 어려운 점이 있다.
따라서, COD레벨을 고려하면서, 레이저 다이오드의 고출력화를 이룩하기 위해서는 미러면에서의 광출력 밀도(optical power density)를 낮추어야 하며, 이의 실현을 위해서는 LOC(large optical cavity) 구조나 TAL(thin active layer) 구조를 이용하게 된다. 그러나 미러면에서의 국부적 가열은, 상술한 바와 같이, 표면 비발광성 재결합(surface non-radiative recombination)에 의해 가속화되므로 미러면에 발진파장보다 에너지 밴드갭이 큰 물질로 형성된 비흡수 발광면(non-absorbing mirror:NAM)을 성장시키는 것이 가장 바람직한 구조로 알려져 있다.
InGaP /InGaAlP계의 단파장 레이저 다이오드에서 NAM 구조를 형성하기 위한 방법으로는, 아연(Zn)의 확산에 의한 무질서층(Disordering Layer)을 형성하는 방법과, ZnSe와 같이 밴드갭 에너지가 큰 물질을 미러면에 별도로 성장시키는 방법이 있다.
여기서, 전자와 같은 NAM 구조를 갖는 반도체 레이저 다이오드를 제1도를 참조하여 설명하기로 한다.
제1도에 있어서, n형 GaAs 기판(101)의 상부에는 n형 GaAs 버퍼층(102), n형 InGaAlP 클래드층(103), InGaP 활성층(104) 및 p형 InGaAlP층 클래드층(105)이 순차적으로 적층되어 있다. 여기서 P형 InGaAlP 클래드층(105)은 중앙에 광출력면에 수직인 방향으로 선형태(strip type)의 릿지가 형성되어 있는 메사(mesa)구조를 갖으며, n형 InGaAlP 클래드층(103)의 상부, InGaP 활성층(104) 및 p형 InGaAlP 클래드층(105)중에서 무질서 영역들(112a, 112b)에 해당되는 부위에는 아연(Zn) 확산으로 이루어진 무질서층(111a, 111b)이 형성되어 있다. 여기서 무질서 영역(112a, 112b)이 아닌 부분은 초격자영역(113)이 된다. 상기 p형 InGaAlP 클래드층(105)의 상부에는 메사의 양끝 및 양측면의 일정 영역에는 n형 GaAs 전류차단층(108)이 형성되어 있으며, 상기 전류차단층(108)영역을 제외한 p형 InGaAlP 클래드층(105) 상부에는 p형 InGaP 통전용이층(106)이 형성되어 있다. p형 InGaP 통전용이층(106) 및 n형 GaAs 전류차단층(108)의 상부에는 p형 GaAs 캡층(107)이 형성되어 있으며, p형 GaAs 캡층(107)의 상부 및 n형 GaAs 기판(101)의 하부에는 p형 금속(109) 및 n형 금속(110)이 각각 형성되어 있다. 그러나, 이러한 구조는, 670nm이상의 발진파장을 갖는 레이저 다이오드에만 적용이 가능하여 단파장 레이저 다이오드에 적용할 수 없는 단점이 있다. 또한 아연 확산에 의하여 형성되는 무질서층이 활성층에 매우 인접되어 형성되기 때문에, 아연(Zn)이 활성층으로 유입될 우려가 있다. 아연이 활성층으로 유입되면, 활성층과 클래드층 사이의 p-n 접합 특성이 파괴되며, 그로 인하여 전자와 정공의 발광성 결합이 비발광 결합으로 대치되게 된다.
한편, 밴드 갭 에너지가 매우 큰 물질을 미러면에 별도로 성장시키려고 하는 경우에는, 바-클리빙(bar cleaving)후 미러면에 결정성장을 하여야 하므로, 공정이 매우 복잡하여 신용화에 어려움이 있다.
따라서 본 발명의 목적은 상술한 문제점들을 개선할 수 있는 NAM 구조를 갖는 반도체 레이저 다이오드를 제공하는 것에 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 미러면에 인접되는 비흡수 영역에 대응되는 부분을 제외한 통전 부분이 돌출된 제 1차 메사구조를 갖는 기판; 상기 기판상에 상기 제 1차 메사구조와 대응되게 순차적으로 적층된 제 1클래드층, 활성층과 상기 활성층 상부에 상기 제 1차 메사구조와 대응되되 상기 미러면과 직교하는 양측면 각각으로부터 소정거리 내측에서 돌출되어 형성된 제 2차 메사구조를 함께 갖는 제 2클래드층으로 이루어진 레이저 빔을 발생하는 레이저 발진층; 상기 제 2클래드층 상부의 제 2차 메사구조의 돌출된 영역에 형성된 통전용이층; 상기 제 2클래드층 및 통전용이층의 상부 영역증, 상기 제 1차 메사구조 및 제 2차 메사구조에 의해 공유되는 돌출된 영역을 제외한 나머지 영역에 형성된 전류차단층; 및 상기 통전용이층 및 전류차단층 위에 형성된 캡층을 구비하는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 다이오드를 제공한다.
본 발명의 다른 유형에 따른 반도체 레이저 다이오드는 상기 기판이 메사구조를 갖는 대신에 메사구조에 대응되는 부분에 그루브를 가지도록 한다. 이와 같이 구성하는 경우에도 활성층에서 발생된 레이저 빔이 비흡수 영역을 통과할 때 그 하부에 위치하는 클래드층을 통과하게 되므로, 레이저 빔의 흡수가 저감되게 한다.
상기 비흡수 영역은 상기 미러면으로부터 각각 5∼10μm 떨어진 부분까지이며, 메사의 높이 또는 그루브의 깊이는 0.5∼0.6μm 정도로 하는 것이 바람직스럽다.
즉, 본 발명은 미러면 즉 비흡수 영역에 대응되는 부분이 식각된 기판위에 제 1차클래드층과 활성층을 성장시켜 활성층에서 발진된 광이 비흡수 영역에서 밴드 갭 에너지가 큰 클래드층을 통과하도록 함으로써 비흡수 영역에서 광의 흡수에 의한 열화(thermal degradation)을 방지한 것이다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명에 관하여 좀 더 상세히 설명하기로 한다.
제2도는 본 발명에 따른 반도체 레이저 다이오드의 구조를 나타낸 것이다.
제2도를 참조하면, n형 GaAs 기판(101)은 비흡수영역들(114a, 114b)에 해당되는 앞쪽 및 뒷쪽 부분을 제외한 중앙부위가 돌출된 릿지가 형성된 제 1차 메사(mesa)구조를 갖는다. 여기서, 비흡수 영역들은 각각 미러면으로부터 5∼10μm 떨어진 부분들이 되며, 이 부분들을 0.5∼0.6μm 식각하여 릿지를 형성한다.
이러한 형태를 갖는 n형 GaAs 기판(101)의 윗부분에는 n형 GaAs 기판(101)의 제 1차 메사구조와 대응되게, n형 GaAs 버퍼층(102), n형 InGaAlP 제 1 클래드층(103) 및 InGaP 활성층(104)이 순차적으로 적층되어 있다. InGaP 활성층(104)의 상부에는 p형 InGaAlP 제 2 클래드층(105)이 적층되는데, p형 InGaAlP 제 2클래드층(105)은 상기 기판이 갖는 제 1차 메사구조를 따르는 동시에 양측면을 제외한 부분이 돌출된 릿지를 갖는 2중 메사 구조를 갖는다. 보다 구체적으로 설명하면, p형 InGaAlP 제 2클래드층(105)은 먼저, 기판이 갖는 메사구조에 대응하여 비흡수영역(114a, 114b)을 제외한 부위가 돌출되어 형성된 제 1차 메사구조를 가지며, 또한 상기 미러면에 직교하는 양측면 각각으로부터 소정거리 내측에서 돌출되어 형성된 선형태(stripe type)의 제 2차 메사구조를 가진다. 상기 p형 InGaAlP 제 2 클래드층(105)상부의 2차 메사구조의 돌출된 영역에는 p형 InGaP 통전용이층(106)이 적층되어 있다. 그리고 상기 InGaAlP 제 2클래드층(105) 및 p형 InGaP 통전용이층(106)의 상부 영역중, 상기 제 1차 메사구조 및 제 2차 메사구조에 의해 공유되는 돌출된 영역을 제외한 나머지 영역에는 n형 GaAs 전류차단층(108)이 적층되어 있다. 그리하여, 광도파 방향으로 볼 때, 비흡수 영역을 제외한 나머지 영역들이 전류 주입 영역(115)이 된다. 그리고, p형 InGaP 통전용이층(106) 및 n형 GaAs 전류차단층(108)로 이루어진 표면에는 p형 GaAs 캡층(107)이 적층되어 있다.
여기서, 상기 p형 InGaAlP 제 2 클래드층(105)은 밴드 갭 에너지가 큰 In0.5(Ga0.3Al0.7)0.5P로 구성하는 것이 바람직하다. 이와 같이 n형 GaAs 기판(101)상에 적층되는 각층들은 유기 금속 기상 성장법(metal organic chemical vapor deposition; MOCVD)에 의해 성장시킬 수 있다. 마지막으로, p형 GaAs 캡층(107)의 상부 및 n형 GaAs 기판(101)의 하부에는 p형 금속 및 n형 금속이 각각 형성된 도전층(103,110) 있다.
제3도는 제2도에서 절선 A-A′에서의 단면구조를 나타낸 것으로, 도면에 나타나 있는 메사구조는 제 1차 메사구조에 해당되며, θ는 제 1차 메사구조에서 경사각을 나타낸다. 또한, 갈매기 모양의 표시는 n형 InGaAlP 제 1클래드층(103) 및 p형 InGaAlP 제 2클래드층(105) 사이에 위치하는 InGaP 활성층(104)에서 발생된 레이저 빔이 도파되는 모양을 나타낸 것이다.
이와 같은 레이저 다이오드에서의 동작을 설명하면 다음과 같다. InGaP 활성층(104)에서 발생된 광은, InGaP 활성층(104)을 따라 진행하다가 제 1차 메사구조의 경사면 부위에서부터는 p형 InGaAlP 제 2 클래드층(105)을 통과하게 된다. 여기서 p형 InGaAlP 제 2 클래드층(105)은 InGaP 활성층(104)에 비하여 밴드 갭 에너지가 크게 되므로, 레이저 빔은 흡수되지 아니하고 외부로 방출된다. 한편, 제 1차 메사구조에서 릿지가 갖는 경사면의 각도(θ)는 가급적 직각에 가깝도록하여, InGaP 활성층(104)과 p형 InGaAlP 제 2 클래드층(105)의 경계면에서 광의 반사가 일어나지 않도록 한다. 특히, p형 InGaAlP 제 2 클래드층(105)은 상술한 바와 같이 In0.5(Ga0.3Al0.7)0.5P로 구성하는 것이 바람직한 것으로, 이는 In0.5Ga0.5P로 클래드층을 구성하는 것에 비하여 밴드 갭 에너지가 크므로 활성층에서 발생된 레이저 빔이 이 층에서 흡수되지 않고 투과하게 된다. 그리하여, 발생된 광의 흡수에 의한 미러면의 온도 상승이 억제된다.
n형 GaAs 전류차단층(108)은, 위에서 언급한 바와 같이 광도파 방향으로는 비흡수 영역에 형성되고 그의 수직인 방향으로는 상기 선형태의 메사구조를 제외한 부분에 형성되는 것으로서, 비흡수 영역에서 전류가 InGaP 활성층(104)으로 유입되지 못하도록 하여 결과적으로 비흡수 영역에서 불필요한 발광이 일어나지 않도록 하는 역할을 한다.
이와 같이, 비흡수 영역에는 발생된 광을 제한하는 광도파 구조가 형성되어 있지 않으므로 InGaP 활성층(104)에서 발생된 광이 이 영역을 지날 때에 광모드가 넓어지며, 그에 따라 미러면에서의 광출력 밀도가 낮아지게 된다. 따라서 COD 레벨이 높아지고 소자의 고출력화가 가속된다. 그러나 이러한 현상이 지나치면 광의 모드가 나빠지게 되므로 비흡수영역의 길이를 적절한 값을 선택하도록 한다.
제4도는 본 발명의 다른 실시예에 따른 반도체 레이저 다이오드의 단면구조를 나타낸 것으로서, 제3도와 비교하여 볼 때, n형 GaAs 기판(101)이 메사구조를 갖는 대신에 그루브를 갖도록 되어 있다. 여기서 그루브는 상기 비흡수영역을 제외한 부분이 식각되어 형성되는 것으로, 그루브의 경사면이 갖는 각도(θ) 역시 직각에 가깝도록 하는 것이 바람직하다.
제4도에 도시한 바와 같은 구조를 갖는 레이저 다이오드에서는, InGaP 활성층(104)에서 발생된 레이저 빔이, p형 InGaAlP 제 2클래드층(105)을 통과하도록 되어 있는 제3도에서와는 달리, n형 InGaAlP 제 1클래드층(103)을 통과하게 된다. 이와 같은 경우에는, InGaP 활성층(104) 중 레이저 빔이 발생되는 부분이, n형 GaAs 기판(101)중 그루브의 바닥면 즉 식각되어 형성된 면위에 성장되므로, 활성층의 질이 저하되어 산란 손실(scattering loss) 등이 일어날 우려가 있으나, 발생된 광이 p형 InGaAlP 제 2클래드층(105)보다 격자 결합이 적은 n형 InGaAlP 제 1클래드층(103)을 지나게 되므로 소자의 열특성이 더욱 향상되는 잇점이 있다.
이상에서 설명한 고출력 레이저 다이오드가 갖는 잇점을 정리하면 다음과 같다.
1) 식각된 기판을 이용함으로써 추가의 공정없이 미러면에 비흡수 영역을 형성할 수 있다.
2) 발생된 광이 비흡수 영역을 통과하므로 광흡수에 의한 열화현상이 억제된다.
3) 광의 모드가 비흡수 영역에서 넓어지므로 소자의 고출력화가 가능하게 된다.
4) 미러면에서의 발광이 억제되어 표면 비발광성 재결합에 의한 소자의 열화가 억제된다.
Claims (7)
- 미러면에 인접되는 비흡수 영역에 대응되는 부분을 제외한 통전 부분이 돌출된 제 1차 메사구로를 갖는 기판; 상기 기판상에 상기 제 1차 메사구조와 대응되게 순차적으로 적층된 제 1클래드층, 활성층과 상기 활성층 상부에 상기 제 1차 메사구조와 대응되되 상기 미러면과 직교하는 양측면 각각으로부터 소정거리 내측에서 돌출되어 형성된 제 2차 메사구조를 함께 갖는 제 2클래드층으로 이루어진 레이저 빔을 발생하는 레이저 발진층; 상기 제 2클래드층 상부의 제 2차 메사구조의 돌출된 영역에 형성된 통전용이층; 상기 제 2클래드층 및 통전용이층의 상부 영역중, 상기 제 1차 메사구조 및 제 2차 메사구조에 의해 공유되는 돌출된 영역을 제외한 나머지 영역에 형성된 전류차단층; 및 상기 통전용이층 및 전류차단층 위에 형성된 캡층을 구비하는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 다이오드.
- 제1항에 있어서, 상기 비흡수 영역은 상기 미러면으로부터 각각 5∼10μm 떨어진 부분까지이고, 상기 제 1차 메사구조의 높이는 0.5∼0.6μm 인 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 다이오드.
- 제1항에 있어서, 상기 기판 및 상기 제 1클래드층 사이에 GaAs 버퍼층이 더 구비되고, 상기 레이저 발진층은 InGaAlP로 이루어진 제 1클래드층, InGaP로 이루어진 활성층 및 InGaAlP로 이루어진 제 2클래드층으로 이루어지고, 상기 통전용이층은 InGaP로 형성되어 있고 상기 전류차단층 및 상기 캡층은 GaAs로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 다이오드.
- 제1항에 있어서, 상기 기판의 하부 및 상기 캡층의 상부에 각각 형성되는 도전층들을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 다이오드.
- 미러면에 인접되는 비흡수 영역에 대응되는 부분이 돌출된 제 1차 그루브 구조를 갖는 기판; 상기 기판상에 상기 그루브 구조와 대응되게 순차적으로 적층된 제 1클래드층, 활성층과 상기 활성층 상부에 상기 제 1차 그루브 구조와 대응되되 상기 미러면과 직교하는 양측면 각각으로부터 소정거리 내측에서 형성된 제 2차 그루브 구조도 함께 갖는 제 2클래드층으로 이루어진 레이저 빔을 발생하는 레이저 발진층; 상기 제 2클래드층 상부의 제 2차 그루브의 바닥 영역에 형성된 통전용이층; 상기 제 2클래드층 및 통전용이층의 상부 영역중, 상기 제 1차 그루브 구조 및 제 2차 그루브 구조에 의해 공유되는 바닥영역을 제외한 나머지 영역에 형성된 전류차단층; 및 상기 통전용이층 및 전류차단층 위에 형성된 캡층을 구비하는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 다이오드.
- 제5항에 있어서, 상기 기판과 상기 제 1 클래드층 사이에 GaAs버퍼층이 더 구비되고, 상기 레이저 발진층은 InGaAlP로 이루어진 제 1클래드층, InGaP로 이루어진 활성층 및 InGaAlP로 이루어진 제 2클래드층으로 이루어지고, 상기 통전용이층은 InGaP으로 형성되며 상기 전류차단층 및 상기 캡층은 GaAs로 형성된 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 다이오드.
- 제5항에 있어서, 상기 기판의 하부 및 상기 캡층의 상부에 각각 형성되는 도전층들을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 다이오드.
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