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KR100329310B1 - 반도체 레이저 - Google Patents

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KR100329310B1
KR100329310B1 KR1019980706939A KR19980706939A KR100329310B1 KR 100329310 B1 KR100329310 B1 KR 100329310B1 KR 1019980706939 A KR1019980706939 A KR 1019980706939A KR 19980706939 A KR19980706939 A KR 19980706939A KR 100329310 B1 KR100329310 B1 KR 100329310B1
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히데토 아다치
이사오 기도구치
야스히토 구마부치
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마쯔시다덴기산교 가부시키가이샤
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Abstract

반도체 레이저가, 활성층과 포화 가능 흡수층을 적어도 구비하고, 상기 포화 가능 흡수층에서의 압축 변형량은 상기 활성층에서의 압축 변형의 값보다도, 약 0.3% 혹은 그 이상 커지도록 설정되어 있다. 혹은, 반도체 레이저가, 활성층과 포화 가능 흡수층과 상기 포화 가능 흡수층의 근방에 배치된 광가이드층을 적어도 구비하며, 상기 포화 가능 흡수층에서의 압축 변형량은 상기 활성층에서의 압축 변형의 값보다도, 약 0.3% 혹은 그 이상 크다.

Description

반도체 레이저
최근, 광통신, 레이저 프린터, 광디스크 등의 분야에서 반도체 레이저의 수요가 높아지고, GaAs계 및 InP계를 중심으로 하여, 활발하게 연구 개발이 진행되어지고 있다. 이 중, 광 정보 처리 분야에서는 특히, 파장이 약 780nm의 AlGaAs계 반도체 레이저 광에 의한 정보의 기록·재생을 하는 방식이 실용화되어, 콤팩트 디스크 등에 널리 보급되기에 이르렀다. 그러나, 최근에 와서, 이들의 광디스크 장치에 대하여, 더 한층 기억 용량의 증가가 요청되어지고 있고, 그에 따라, 단파장 레이저의 실현으로의 요망이 강하게 요구되고 있다.
이 점에 관련하여, AlGaInP계 반도체 레이저는 약 630nm 내지 약 690nm의 적색 영역에서의 발진이 가능하고, 현시점에서 실용 레벨에 있는 반도체 레이저 중에서, 가장 단파장의 광이 얻어진다. 따라서, AlGaInP계 반도체 레이저는 종래의 AlGaAs계 반도체 레이저를 대신하는 차세대의 대용량 광정보 기록용 광원으로서, 유망하다.
그런데, 반도체 레이저를 광원으로 하는 광디스크의 재생시에는 디스크 면(面)으로부터의 반사광의 귀환이나 온도의 변화에 의해, 강도(强度) 잡음이 발생한다. 이러한 강도 잡음은 신호의 판독 에러를 유발한다. 따라서, 광디스크의 광원용으로서는 강도 잡음이 적은 반도체 레이저가 불가결하게 된다.
종래, 재생전용 광디스크를 위한 광원으로서 사용되는 저출력의 AlGaAs계 반도체 레이저로서는, 잡음을 저감하기 위해서, 리지 스트라이프의 양측에 의도적으로 포화 가능 흡수체가 형성되도록 한 구조를 채용함으로써, 저(低)잡음화가 도모되어지고 있다. 이러한 구성으로 하면, 세로(縱) 모드의 멀티화가 달성된다. 반도체 레이저가 단일 세로 모드로 발진하고 있을 때에, 광의 귀환이나 온도 변화 등에 의한 외란이 들어가면, 이득 피크의 미소한 변화에 의해서, 근접하는 세로 모드가 발진을 개시한다. 이렇게 하여 발진을 개시한 모드는 원래의 발진 모드와의 사이에서 경합을 일으키고, 이것이 잡음의 원인이 된다. 이것에 대하여, 상기와 같은 수법에 의해 세로 모드를 멀티화하면, 각 모드의 강도 변화가 평균화됨과 동시에 외란에 의한 강도 변화가 생기지 않게 되기 때문에, 안정된 저잡음 특성을 얻는 것이 가능하게 된다.
또한, 다른 방법으로서, 더욱 안정한 자려 발진 특성을 얻고자 하는 시도가, 일본 특개소(特開昭)63-202083호 공보에 개시되어 있다. 구체적으로는, 출력광을 흡수할 수 있는 층을 설치함으로써, 자려 발진형 반도체 레이저를 실현하고 있다.
또한, 일본 특개평6-260716호 공보에서는, 활성층의 밴드 갭과 흡수층의 밴드 갭을 거의 같게 함으로써, 반도체 레이저의 동작 특성을 개선하였다고 하는 보고가 되어 있다. 상기 공보에서는 특히, 왜양자 웰(Well) 활성층의 에너지 갭과왜양자 웰 포화 가능 흡수층의 밴드 갭이, 서로 거의 같게 설정되어 있는 구성이 개시되어 있고, 이러한 구성에 의해서 양호한 자려 발진 특성을 얻으려고 한다.
또한, 일본 특개평 6-260716호 공보와 같은 구성이, 일본 특개평7-22695호 공보에도 기재되어 있다.
본 발명은 광디스크 시스템에 포함되는 광 픽업의 광원 등에 이용되는 저잡음 자려 발진형 반도체 레이저에 관한 것이다.
도 1은 InGaP 층으로의 압축 변형의 도입의 유무가 반도체 레이저의 이득 특성에 주는 영향을 설명하는 도면.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에서의 반도체 레이저의 구조를 도시한 단면도.
도 3은 본 발명의 제1 실시예의 반도체 레이저에서의 활성층 및 그 근방에서의 Al 조성의 변화를 도시한 도면.
도 4는 본 발명의 제1 실시예의 반도체 레이저에서의 전류-광출력 특성도.
도 5는 본 발명의 제1 실시예의 반도체 레이저에서의 광출력의 시간 변화를 도시한 도면.
도 6a 및 도 6b는 포화 가능 흡수층으로의 압축 변형의 도입의 유무가 반도체 레이저의 상대 강도 잡음 특성에 주는 영향을 설명하는 도면.
도 7은 본 발명의 제1 실시예의 반도체 레이저에서의 포화 가능 흡수층으로의 인가 변형량의 최적 범위를 설명하는 도면.
도 8은 본 발명의 제2 실시예에서의 반도체 레이저의 구조를 도시한 단면도.
도 9는 본 발명의 제2 실시예의 반도체 레이저의 활성층 및 그 근방에서의 Al 조성의 변화를 도시한 도면.
도 10은 활성층과 광폐쇄층과의 사이의 거리와, 활성층 및 포화 가능 흡수층에서의 광폐쇄 계수간의 관계를 도시한 도면.
도 11a, 도 11b, 및 도 11c는 포화 가능 흡수층으로의 압축 변형의 도입의 유무 및 광가이드층의 배치의 최적화가, 반도체 레이저의 상대 강도 잡음 특성에 주는 영향을 설명하는 도면.
도 12는 본 발명의 제2 실시예의 반도체 레이저에서의 수명시간과 동작전류와의 상관을 도시한 도면.
도 13은 GaAs 및 InGaP 에서의 이득 특성을 도시한 도면.
본 발명의 반도체 레이저는 활성층과 포화 가능 흡수층을 적어도 구비하며, 상기 포화 가능 흡수층에서의 압축 변형량은 상기 활성층에서의 압축 변형의 값보다도, 약 0.3% 혹은 그 이상 크다.
상기 포화 가능 흡수층은 p형의 도전형을 가질 수 있다.
어떤 실시예에서는, 상기 활성층과 상기 포화 가능 흡수층과의 사이에 설치된 클래드층을 더 구비하고 있고, 상기 클래드층의 밴드 갭은 상기 활성층 및 상기 포화 가능 흡수층의 각각의 밴드 갭보다도 크다. 상기 클래드층의 두께는 예를 들면 약 900 옹스트롬 이상이다.
상기 포화 가능 흡수층의 불순물 농도는 적어도 약 1×1018cm-3일 수 있다.
본 발명의 다른 국면에 의하면, 반도체 레이저가, 활성층과 포화 가능 흡수층과 상기 포화 가능 흡수층의 근방에 배치된 광가이드층을 적어도 구비하며, 상기 포화 가능 흡수층에서의 압축 변형량은 상기 활성층에서의 압축 변형의 값보다도, 약 0.3% 혹은 그 이상 크다.
어떤 실시예에서는, 상기 활성층과 상기 포화 가능 흡수층과 상기 광가이드층이 상기의 순서로 배치되어 있다.
혹은, 상기 활성층과 상기 광가이드층과 상기 포화 가능 흡수층이 이 순서로 배치되어 있다. 또, 이 경우에는, 상술의「클래드층의 두께가 약 900 옹스트롬 이상」이라고 하는 값에는 활성층과 과포화 흡수층과의 사이에 배치된 광가이드층의 두께도 포함되는 것으로 한다. 따라서, 엄밀하게는 「클래드층의 두께와 광가이드층의 두께와의 합계치가 약 900 옹스트롬 이상」이라고 하게 된다.
상기 활성층은 왜양자 웰 구조를 가질 수 있고, 상기 포화 가능 흡수층은 상기 활성층에서의 압축 변형의 값보다도 약 0.3% 혹은 그 이상 큰 압축 변형량을 갖는 왜양자 웰층일 수 있다.
상기 포화 가능 흡수층은 p형의 도전형을 갖고 p형 클래드층 중에 배치될 수 있다.
어떤 실시예에서는 상기 활성층과 상기 포화 가능 흡수층과의 사이에 설치된 클래드층을 더 구비하고 있고, 상기 클래드층의 밴드 갭은 상기 활성층 및 상기 포화 가능 흡수층의 각각의 밴드 갭보다도 크다.
상기 클래드층의 두께는 약 900 옹스트롬 이상일 수 있다.
상기 포화 가능 흡수층의 불순물 농도는 적어도 약 1×1018cm-3일 수 있다.
이것에서, 본 발명은 반도체 레이저에 포함되는 포화 가능 흡수층의 변형량의 적절한 설정이나 광폐쇄율을 결정하는 광가이드층의 적절한 설치에 의해, 특히 고온 동작시에 안정한 자려 발진 특성을 갖는 반도체 레이저를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 구체적인 실시예의 설명에 앞서서, 이하에서는 우선, 본 발명에 이르는 과정에서 본원 발명자 등에 의해서 행하여진 검토 결과에 관해서 설명한다.
앞서 기술된 바와 같이, 종래 기술에 있어서는 반도체 레이저에서의 자려 발진 현상의 이용에 관한 여러 가지의 보고가 이루어져 있다. 그러나, 본원 발명자에 의한 검토에 의하면, AlGaInP계 반도체 레이저에서는, AlGaAs계에 비교하여 재료의 이득 특성 곡선이 크게 다르기 때문에, 자려 발진 특성을 얻는 것이 곤란한 것임이 분명하게 되었다. 이 점을, 도 13을 참조하여 설명한다.
도 13은 GaAs 및 InGaP의 이득 특성을 도시한 도면이다. 이들의 재료(GaAs 및 InGaP)는 각각 AlGaAs계 반도체 레이저 및 AlGaInP계 반도체 레이저의 활성층의 구성 재료로서 주로 이용된다.
본원 발명자 등에 의한 검토에 의하면, 캐리어 밀도에 대한 이득 특성 곡선의 경사가 클수록, 자려 발진 특성이 용이하게 얻어지는 것이 분명하게 되었다. 그 이유는 자려 발진 특성을 얻기 위해서는 포화 가능 흡수층의 내부에서 캐리어가 강한 진동이 요구되는 것에 관련되어 있고, 캐리어 밀도에 대한 이득 특성 곡선의 경사가 큰 만큼, 적은 광의 흡수로 캐리어 밀도를 변화시키는 것이 가능하게 되며, 결과적으로 캐리어의 진동이 쉽게 생기기 때문이다.
그렇지만, InGaP의 경우는 GaAs에 비교하여 경사가 작기 때문에, 상대적으로 에 자려 발진 특성을 얻는 것이 곤란한 것임이 판명되었다. 이것은 InGaP의 높은 미분 이득이 캐리어가 강한 진동을 야기하는 것에 근거하고 있다. 이것에 대하여, 예를 들면, AlGaAs계의 레이저 다이오드(LD)에서는 안정한 자려 발진 특성을 용이하게 얻는 것이 가능하다.
본원 발명자 등의 실험 결과에 의하면, 적색 반도체 레이저의 경우, 종래 기술로 행해지고 있는 바와 같이 단지 포화 가능 흡수층을 부가한 것만으로는 안정한 자려 발진 특성을 얻는 것이 곤란한 것임이 분명하게 되었다. 구체적으로는, 상술된 바와 같이, AlGaInP계 반도체 레이저에 있어서는 포화 가능 흡수층의 이득 특성의 제어가 중요하게 된다.
그래서, 본원 발명자 등은 특히 포화 가능 흡수층의 변형량을 검토함으로써, 고온 동작시의 자려 발진 특성의 향상을 실현하였다. 또한, 이러한 양호한 이득 특성을 실현한 레이저에 있어서, 더욱 특성의 향상을 실현하기 위해서는 포화 가능 흡수층으로의 광의 폐쇄 계수를 증가시키는 것이 큰 영향을 주는 것을 새롭게 발견하였다.
구체적으로는, 본원 발명자 등에 의한 검토에 의하면, 포화 가능 흡수층의 이득 특성을 최적인 것으로 하기 위해서는, 포화 가능 흡수층에, 활성층에 인가되어 있는 압축 변형량보다도 약 0.3% 혹은 그 이상으로 큰 압축 변형량을 인가하면 된다. 이와 같은 설정에 의해서, 고온 동작시에도, 자려 발진을 충분히 유지할 수 있음이 분명하게 되었다. 이것은 적절한 크기의 압축 변형량의 도입에 의해서, 포화 가능 흡수층의 내부에 있어서, 캐리어 밀도의 변화에 대한 이득의 변화가 급격하게 되고, 포화 가능 흡수층에서의 캐리어의 증감의 진동 성분이 강하게 되어, 결과로서 활성층과 포화 가능 흡수층과의 사이에서의 광자와 캐리어와의 상호 작용이 강화되기 때문이다.
도입되는 압축 변형량이 상기의 설정보다도 작은 경우, AlGaInP계 재료와 같이 본질적으로 이득 특성이 낮은 재료계에서는 충분한 자려 발진 특성을 얻는 것이 곤란하게 된다. 한편, 도입되는 압축 변형량이 지나치게 크면, 결정의 품질이 열화하여 신뢰성에 악영향을 준다. 압축 변형량의 상한치는 활성층으로의 변형량의 인가의 유무에 관계없이, 약 2.0% 이다. 이것보다 큰 압축 변형이 인가되면, 포화 가능 흡수층 중에서의 전위의 발생 등의 문제가 현저해진다.
여기서, 본 발명에 따라서 포화 가능 흡수층에 인가되는 변형량을 더 설명한다.
본 발명에 의하면, 포화 가능 흡수층의 변형은 활성층에 대하여 포화 가능 흡수층이 압축되도록 인가된다. 예를 들면, 활성층에 이미 압축 변형량이 인가되어 있는 경우는, 포화 가능 흡수층에는 활성층에 인가되어 있는 압축 변형량보다도 약 0.3% 혹은 그것 이상으로 큰 압축 변형량을 인가한다.
한편, 활성층에 인장(引張) 변형량이 인가되어 있는 경우에는, 포화 가능 흡수층에 압축 변형을 인가하여 상기의 조건을 만족할 수 있을 뿐만 아니라, 인장 변형을 인가하더라도, 상기의 조건을 만족하는 것이 가능하다. 즉, 인장 변형이 인가되어 있는 활성층에 대하여, 포화 가능 흡수층에, 활성층에 대한 인장 변형보다도 작은 인장 변형을 인가하면, 포화 가능 흡수층에는 결과적으로 압축 변형이 인가되어지게 된다. 그래서, 양자에 인가되는 변형량의 차가 적절한 크기가 되도록 설정하면, 인장 변형의 인가에 의해서도 상기의 조건이 만족된다.
활성층이 왜양자 웰 구조를 갖는 경우에는 왜양자 웰 구조의 변형량에 대하여 약 0.3% 혹은 그 이상 큰 변형량을 포화 가능 흡수층에 인가할 필요가 있다. 이것은 포화 가능 흡수층에서의 광흡수 효과를 충분히 발휘시키기 위해서이다.
이와 같이, 포화 가능 흡수층에 인가되어야 할 압축 변형량은 활성층의 압축 변형량이 0%이면, 적어도 약 0.3%가 된다. 혹은 활성층의 압축 변형량이 약 0.5%이면, 포화 가능 흡수층에 인가되야 되는 압축 변형량은 적어도 약 0.8%가 된다.
또한, 본 발명에서는 광폐쇄층을 설치함으로써, 광폐쇄율(광폐쇄 계수)을 규정한다.
자려 발진 특성은 활성층 및 포화 가능 흡수층에서의 광의 폐쇄 상태에 크게 영향을 준다. 특히, 포화 가능 흡수층에서의 광폐쇄가 충분히 크지 않으면, 안정된 자려 발진 특성을 얻을 할 수 없다. 그러나, 그 한쪽에서, 포화 가능 흡수층에서의 광폐쇄를 지나치게 증가시키면 활성층에서의 광폐쇄가 지나치게 감소하여, 구동 전류가 상승하여 신뢰성에 악영향을 미치게 한다.
본 발명의 반도체 레이저에서는, 고온 동작시의 자려 발진 특성을 보다 향상하기 위해서 광가이드층을 도입하여, 포화 가능 흡수층에서의 광폐쇄를 증가시키고 있다. 본원 발명자 등에 의한 이번의 검토에 의하면, 광가이드층을, 활성층과 변형을 갖는 포화 가능 흡수층과의 사이에 설치함으로써, 자려 발진 특성이 향상되는 것임이 분명하게 되었다. 구체적으로는, 활성층, 포화 가능 흡수층 및 광가이드층을 이 순서로 배치함으로써, 활성층에서의 광의 폐쇄를 저감하지 않고, 포화 가능 흡수층에서의 광의 폐쇄가 더욱 증가될 수 있다는 것이 분명하게 되었다.
광가이드층을 활성층과 포화 가능 흡수층과의 사이에 설치하면, 광가이드층의 Al 조성이 낮게 밴드 갭이 작기 때문에, 활성층으로부터 광가이드층으로의 캐리어의 오버플로가 생길 우려가 있다. 그러나, 상기한 바와 같이 본 발명에서는 광가이드층을 활성층에서 보아서 포화 가능 흡수층보다도 멀리 배치함으로써, 이러한 캐리어의 오버플로나 그에 따르는 악영향을 저감할 수 있다. 그 결과, 약 60℃ 혹은 그 이상의 높은 온도에서도, 안정한 자려 발진 특성을 실현할 수 있다.
도 1은 변형량을 갖지 않은 InGaP 층 및 변형을 갖는 InGaP 층의 각각에서의 이득 특성(즉, 캐리어 밀도에 대한 이득 계수의 변화)을 나타낸다. 이것에 의해, 변형의 인가에 따라, 이득 특성 곡선의 경사(즉, 미분 이득)가 증가하고 있는 것이 확인된다. 이 미분 이득의 증가는 캐리어 밀도의 변화에 대하여 강한 진동을 유발하고, 결과로서 자려 발진 현상을 강화한다.
종래 기술의 자려 발진형 반도체 레이저로서는 포화 가능 흡수층으로의 이러한 변형량의 도입은 전혀 고려되어 있지 않다. 예를 들면, 본원 명세서에 있어서, 종래 기술의 자려 발진형 반도체 레이저의 구성예를 개시하고 있는 것으로서 몇 개의 문헌을 들고 있지만, 그들의 문헌에는 상기와 같은 변형량의 도입에 관해서는 기술되어 있지 않다.
또한, 종래 기술에 있어서는 반도체 레이저의 활성층의 양측에 설치된 클래드 층 속에 활성층과 동등의 밴드 갭을 갖는 포화 가능 흡수층을 도입하는 것만으로, 자려 발진이 생기게 되어 있다. 그러나, 본원 발명자 등에 의한 검토에 의하면, 실제로는 그와 같은 포화 가능 흡수층의 설치만으로는 자려 발진형 레이저의 실현이 곤란한 것임이 분명하게 되었다. 즉, 앞에서 기술된 바와 같이, 본원 발명 자 등에 의한 실험에서는 포화 가능 흡수층의 밴드 갭이 활성층의 밴드 갭과 동등 레벨 정도에서는 자려 발진 현상이 대단히 생기기 어려운 것이 분명하다.
그래서, 본원 발명자 등은 상기와 같은 내용을 고려한 후에, 자려 발진형 반도체 레이저의 알맞은 구성을 실험에 기초하여 제안하고 있다.
이하에서는 상기와 같은 검토 결과에 기초하여 달성된 본 발명의 여러 가지 실시예의 몇 개를, 첨부의 도면을 참조하면서 설명한다.
(제1 실시예)
도 2는 본 발명의 제1 실시예에서의 자려 발진 특성을 갖는 반도체 레이저(10)의 구조를 도시한 단면도이다.
반도체 레이저(10)에 있어서, n형 GaAs 기판(201) 위에, n형 InGaP 버퍼층(202), n형 AlGaInP 클래드층(203), InGaP 웰층 및 AlGaInP 장벽층을 포함하는 다중 양자 웰 활성층(204), p형 AlGaInP로 이루어지는 제1 p형 클래드층(205a), p형 AlGaInP 광가이드층(207), p형 AlGaInP로 이루어지는 제2 p형 클래드층(205b),p형 InGaP 왜양자 웰 포화 가능 흡수층(206), p형 AlGaInP로 이루어지는 제3 p형 클래드 층(205c), 및 p형 InGaP 에칭 스토퍼층(200)이, 순차 형성되어 있다. p형 InGaP 에칭 스토퍼층(200)의 위에는, p형 AlGaInP로 이루어지는 제4 p형 클래드층(205d) 및 p형 InGaP 콘택트층(210)이 리지 형상으로 형성되어 있고, 리지의 양측에는 n형 GaAs 전류 블록층(211)이 형성되어 있다. 또한, p형 콘택트층(210) 및 n형 전류 블록층(211)의 위에는 p형 GaAs 캡층(212)이 형성되어 있다. 그리고, 캡층(212)의 위에는 p전극(213)이 형성되고, 한편, 기판(201)의 이면에는 n전극(214)이 형성되어 있다.
상술된 각 층의 전형적인 도핑량, 두께 및 인가되는 변형량은 각각 이하와 같다.
도 3에, 반도체 레이저(10)의 활성층(204) 및 그 근방에서의 (AlxGa1-x)0.5In0.5P의 Al 조성 x의 변화를 나타낸다. 도시되어 있는 바와 같이, 반도체 레이저(10)에서는 n형 클래드층(203) 및 제1 내지 제4 p형 클래드층(205a 내지 205d)에서의 Al 조성 x를, 0.7로 하고 있다.
또한, 앞에서 표로 나타낸 바와 같이, 반도체 레이저(10)에서는 포화 가능 흡수층(206)의 두께를 약 150Å로 설정하고 있다. 포화 가능 흡수층(206)이 두꺼우면, 그 체적이 지나치게 크게 되기 때문에, 캐리어 밀도가 상대적으로 작게 된다. 그 때문에, 캐리어 밀도의 진동의 효과가 감소하여, 자려 발진 특성을 얻기 어렵게 된다. 이 때문에, 포화 가능 흡수층(206)은 얇은 쪽이 바람직하다.
또한, 반도체 레이저(10)의 포화 가능 흡수층(206)의 불순물 농도(도핑량)는 약 2×1018cm-3에 설정하고 있다. 이것은 포화 가능 흡수층(206)의 내부에서의 캐리어의 수명을 짧게 하기 위해서이다.
구체적으로는, 포화 가능 흡수층(206)의 내부에서의 캐리어의 수명이 짧을수록, 자려 발진 현상을 발생시키기 위해 필요한 포화 가능 흡수층(206)의 캐리어 밀도의 시간 변화가 커지고, 결과적으로 자려 발진 현상이 쉽게 생기게 된다. 본원 발명자 등의 실험에 의하면, 그 수명 시간은 자려 발진 현상을 발생시키기 위해서는 포화 가능 흡수층(206)의 내부에서의 캐리어 수명은 약 6 나노(nano)초 이하인 것이 바람직하다. 일반적으로, 불순물 농도가 낮으면 캐리어의 수명이 길게 되며, 불순물 농도가 높으면 캐리어의 수명이 짧게 되지만, 포화 가능 흡수층(206)의 불순물 농도(도핑 레벨)를 약 1×1018cm-3정도로 높게 함으로써, 그 중에서의 캐리어수명을 감소시킬 수 있다.
반도체 레이저(10)에서는 제1 p형 클래드층(205a)의 두께를 약 900Å로 하고 있다. 또한, 그 밴드 갭을, 활성층(204) 및 포화 가능 흡수층(206)의 밴드 갭보다도 크게 되도록 설정하여, 활성층(204)으로부터 넘친 소수 캐리어가 포화 가능 흡수층(206)에 들어가지 않도록 하고 있다. 또한, 포화 가능 흡수층(206)의 변형량은 약 0.8%로 하고 있다.
이상과 같은 설정에 의해서, 반도체 레이저(10)에서는 포화 가능 흡수층(206)으로의 광의 폐쇄 계수가 약 3% 이상이면, 자려 발진 특성이 얻어진다.
도 4는 본 실시예의 자려 발진형 반도체 레이저(10)에서의 전류-광출력 특성의 측정예이고, 이 경우에는 임계값 전류가 약 50mA인 것을 알 수 있다. 도 4에도 나타나 있는 바와 같이, 자려 발진형 반도체 레이저의 전류-광출력 특성이 통상의 반도체 레이저의 특성과 다른 점은 임계치 전류의 근방에서 특성 곡선의 급격한 상승이 인정되는 점이다. 이것은 자려 발진형 반도체 레이저에는 포화 가능 흡수층이 존재하기 때문에, 어느 정도의 캐리어의 주입량에 달할 때까지는 광출력이 외부로 방출되지 않게 된다. 캐리어 주입량이 어떤 값을 초과하면 레이저 발진이 생기어, 주입 전류량에 비례하여 광출력이 증가한다.
도 5는 본 실시예의 자려 발진형 반도체 레이저(10)에서의 광출력 파형의 측정예이다. 시간의 경과에 따라서 광출력이 크게 진동하고 있어, 자려 발진이 생기고 있는 것을 확인할 수 있다.
또한, 도 6a 및 도 6b에는, 포화 가능 흡수층에 변형량이 도입되어 있지 않은 경우(변형없음: 도 6a)와 도입되어 있는 경우(변형 있음: 도 6b)와의 각각에서의 상대 강도 잡음 특성(온도 변화에 대한 상대 강도 잡음 레벨의 변화)을 나타낸다. 일반적으로, 자려 발진 특성과 상대 강도 잡음 특성과는 밀접한 관계에 있고, 자려 발진이 정지하면, 상대 강도 잡음의 레벨이 상승한다. 도 6에 도시한 데이터로부터, 포화 가능 흡수층에 변형량이 도입되어 있지 않은 경우에는, 약 45℃까지의 온도 범위로 상대 강도 잡음 레벨이 안정하게 되고, 그 범위로 저잡음화가 달성되어 있다. 한편, 포화 가능 흡수층에 변형량이 도입되어 있는 경우에는, 약 55℃까지의 온도 범위로 상대 강도 잡음 레벨이 안정되어 있고, 그 범위에서 저잡음화가 달성되어 있다.
또한, 도 7은 활성층에 약 0.5%의 변형량이 도입되어 있는 경우에서의, 포화 가능 흡수층에 도입되는 변형량과 자려 발진이 생기는 최고 온도 Tmax와의 관계를 도시한 도면이다.
도 7에서, 포화 가능 흡수층에 약 0.8%에서 약 1.8%의 범위의 변형량이 도입되는 경우에, Tmax가 약 60℃ 이상으로 되어 있다. 이것에 대하여, 포화 가능 흡수층에 주어지는 변형량이 약 0.8% 이하인 경우에는 미분 이득을 충분히 확보할 수 없기 때문에 자려 발진이 불안정하게 된다. 또한, 포화 가능 흡수층에 주어지는 변형량이 약 1.8% 이상인 경우에는 변형량이 지나치게 크고 광흡수 효과가 과도하게 증대하여, 결과적으로 임계값 전류나 구동 전류가 과도하게 증가한다. 이 결과, 활성층으로의 주입 캐리어량이 많아지고, 포화 가능 흡수층에서의 캐리어의 진동의 효과가 상대적으로 작게 되기 때문에, 자려 발진이 역시 불안정하게 된다.
이와 같이, 포화 가능 흡수층에 인가되는 변형량은 자려 발진 특성에 큰 영향을 주는 파라미터이고, 안정한 자려 발진 특성을 얻기 위해서는 그 최적의 설정 범위가 존재한다.
이상의 설명에서는, 활성층으로의 인가 변형량을 약 0.5%로 하고 있기 때문에, 포화 가능 흡수층에 인가되어야 할 변형량은 적어도 그것보다 약 0.3% 큰, 약 0.8%, 혹은 그 이상으로 된다. 이것에 대하여, 활성층으로의 인가 변형량이 거의 0인 경우에는 포화 가능 흡수층에 인가되어야 할 변형량은 적어도 약 0.3%, 혹은 그 이상이라고 하게 된다.
이와 같이, 본 발명에 의하면, 포화 가능 흡수층으로의 인가 변형량과 활성층으로의 인가 변형량과의 차를, 적어도 약 0.3%, 혹은 그 이상으로 한다. 또, 포화 가능 흡수층에 인가하는 변형량의 상한(上限)은 바람직하게는 활성층의 변형량에 관계없이, 약 2.0% 이하이면 좋다. 이것은 이것보다 큰 변형량을 인가하면, 포화 가능 흡수층의 내부에서의 전위의 발생 등의 문제가 생겨, 신뢰성이 저하하는 원인이 되기 때문이다.
이상의 설명에서는, 포화 가능 흡수층을 p형 클래드층 속에 설치하고 있지만, 그대신에, n형 클래드층 속에 포화 가능 흡수층을 설치하여도 좋다. 이 경우에도, 본 실시예에서 설명된 바와 같이, 포화 가능 흡수층에 과도의 변형을 도입하면, 광흡수 효과가 지나치게 커져, 동작 특성이 열화한다. 포화 가능 흡수층을 n형 클래드층 속에 설치하는 구성에 있어서도, 포화 가능 흡수층에 도입하는 변형량을 활성층의 변형량에 대한 차로서 규정하면, 포화 가능 흡수층으로의 도입 변형량을 최적화하는 것으로, 포화 가능 흡수층이 p형 클래드층 속에 배치되어 있는 상기의 경우와 같이, 안정한 자려 발진의 실현 등의 효과를 얻을 수 있다.
또한, 활성층으로의 광의 폐쇄 기능에 관련하여, 포화 가능 흡수층은 바람직하게는 활성층, 포화 가능 흡수층, 및 광가이드층의 순으로 배치되는 것이 좋다. 이러한 배치로 함으로써, 활성층의 광폐쇄 기능을 저감하지 않고, 포화 가능 흡수층의 광폐쇄 기능을 더욱 증가시킬 수 있다. 이것에 의해서, 캐리어의 오버플로의 영향도 저감되어, 약 60℃ 혹은 그 이상의 높은 온도로 있더라도, 안정한 자려 발진 특성을 실현할 수 있다.
본 실시예에서는, 포화 가능 흡수층에 변형량을 도입함으로써 최고 자려 발진 온도가 약 10℃ 정도 증가할 수 있었다. 동시에 고출력화가 가능해졌다. 이상 설명된 바와 같이, 본 실시예의 반도체 레이저의 특성은 변형량을 갖는 양자 웰 포화 가능 흡수층 및 광가이드층이라는 구조를 채용하는 것으로 실현될 수 있는 것이다.
(제2 실시예)
도 8은 본 발명의 제2 실시예에서의 자려 발진 특성을 갖는 반도체 레이저(20)의 구조를 도시한 단면도이다. 본 실시예에서는 광가이드층의 배치를 고려함으로써, 동작 특성을 더욱 향상시킬 수 있다.
반도체 레이저(20)에 있어서, n형 GaAs 기판(801) 위에, n형 InGaP 버퍼층(802), n형 AlGaInP 클래드층(803), InGaP 웰층 및 AlGaInP 장벽층을 포함하는 다중 양자 웰 활성층(804), p형 AlGaInP로 이루어지는 제1 p형 클래드층(805a),p형 InGaP 왜양자 웰 포화 가능 흡수층(806), p형 AlGaInP로 이루어지는 제2 p형 클래드층(805b), 및 p형 InGaP 에칭 스토퍼층(800)이, 순차 형성되어 있다. p형 에칭 스토퍼층(800)의 위에는 p형 AlGaInP 광가이드층(815), p형 AlGaInP로 이루어지는 제3 p형 클래드층(805c), 및 p형 InGaP 콘택트층(810)이, 리지 형상을 이루도록 더 순차 형성되어 있다. 리지의 양측에는 n형 GaAs 전류 블록층(811)이 형성되어 있다. 또한, p형 콘택트층(810)및 n형 전류 블록층(811)의 위에는 p형 GaAs 캡층(812)이 형성되어 있다. 그리고, 캡층(812)의 위에는 p전극(813)이 형성되고, 한편, 기판(801)의 이면에는 n전극(814)이 형성되어 있다.
도 9에, 반도체 레이저(20)의 활성층(804) 및 그 근방에서의(AlxGa1-x)0.5In0.5P의 Al 조성 x의 변화를 나타낸다. 도시되어 있는 바와 같이, 반도체 레이저(20)에서는 n형 클래드층(803) 및 제1, 제2 및 제3의 p형 클래드층(805a, 805b 및 805c)에서의 Al 조성 x를, 0.7로 하고 있다. 또한, 도면에서 알 수 있는 바와 같이, 광가이드층(815)은 활성층(804)에서 보아서 포화 가능 흡수층(806)보다도 멀리에 설치되어 있다.
도 10에는 활성층과 약 1000 옹스트롬의 두께를 갖는 광가이드층과의 사이의 거리(d)(도 9참조)에 대한, 활성층 및 포화 가능 흡수층의 각각에서의 광폐쇄 계수의 의존성을 나타낸다.
자려 발진 특성은 활성층 및 포화 가능 흡수층의 광폐쇄 계수의 균형에 의해, 크게 영향받게 된다. 단순히 자려 발진 특성을 강화하기 위해서는, 포화 가능흡수층의 광폐쇄 계수를 증가시키면 되지만, 포화 가능 흡수층에서의 광폐쇄 계수의 증가에 따라, 활성층의 광폐쇄 계수는 반대로 저하하고, 그것에 의해 반도체 레이저 그 자체의 동작 특성의 열화나 구동 전류의 증가 등의 악영향이 초래된다.
이 점에 관련하여, 제1 실시예에서는, 광가이드층을 활성층과 포화 가능 흡수층과의 사이에 설치함으로써, 특히 포화 가능 흡수층의 광폐쇄 계수를 증가시키고 있다. 이것에 대하여, 본원 발명자 등에 의한 추가적인 검토에 의하면, 포화 가능 흡수층의 외측(즉, 활성층과는 반대의 측)에 광가이드층을 설치함으로써, 활성층에서의 광폐쇄 기능을 저하시키지 않고, 포화 가능 흡수층에서의 광폐쇄 기능을 더욱 증가되는 것이 분명하게 되었다.
도 10으로부터, 활성층과 광가이드층과의 사이의 거리(d)가 약 1300 옹스트롬 이상이고 또 약 2000 옹스트롬 이하이면, 포화 가능 흡수층에서의 광폐쇄 계수는 약 2.0% 가까이 되어, 포화 가능 흡수층에서의 광폐쇄 기능이 커지는 것을 알 수 있다. 이러한 거리(d)의 설정은 상술과 같이 광가이드층을 포화 가능 흡수층의 외측에 설치된 경우에 상당하는 것으로써, 먼저 참조한 도 8의 구조에 상당하는 것이다. 또, 이와 같이 광가이드층이 활성층으로부터 떨어져 위치하고 있는 경우라도, 활성층에서의 광폐쇄 기능은 그 만큼 저하하지 않고 있다.
도 11a, 도 11b 및 도 11c는 포화 가능 흡수층으로의 변형량의 도입의 유무 및 광가이드층의 배치의 최적화에 의한, 상대 강도 잡음 특성으로의 영향을 비교하기 위한 도면이다. 여기서, 도 11a 및 도 11b는 먼저 도 6a 및 도 6b로서 도시된 도면과 같고, 포화 가능 흡수층으로의 변형량의 도입의 유무가 상대 강도 잡음 특성에 주는 영향을 나타내고 있다. 한편, 도 11c는 포화 가능 흡수층에 변형을 도입한 상태에서, 다시 광가이드층의 배치를 본 실시예에서 먼저 설명된 바와 같이 최적화한 경우에서의, 상대 강도 잡음 특성을 나타낸다. 광가이드층의 최적 배치를 하고 있지 않은 상태에 상당하는 도 11b의 특성에 비교하여, 광가이드층의 최적 배치를 하고 있는 상태에 상당하는 도 11c의 특성은 향상되어 있고, 약 60℃까지의 온도 범위에 걸쳐서, 상대 강도 잡음 특성의 열화는 확인되지 않는다.
또, 활성층과 광가이드층과의 사이의 거리를 약 2000 옹스트롬 이상으로 하면, 활성층에서의 광폐쇄가 저하하여 동작 전류가 증가하고, 반도체 레이저의 신뢰성에 악영향이 미치게 된다.
도 12는 반도체 레이저(20)에서의, 레이저 소자의 수명 시간과 동작 전류와의 관계를 도시한다. 이것에서, 반도체 레이저의 수명으로서 약 5000시간 이상을 확보하기 위해서는 동작 온도 약 60℃ 및 광출력 약 5mW라는 동작 조건에서, 동작 전류가 약 130mA 이하가 아니면 안 된다. 한편, 본원 발명자 등에 의한 검토에서는, 반도체 레이저(20)의 구성에서는 활성층과 광가이드층과의 사이의 거리가 약 2000 옹스트롬 이상으로 되면, 동작 전류가 약 130mA를 넘는다. 이 점을 고려 하면, 광가이드층은 활성층으로부터 약 1300 옹스트롬 내지 약 2000 옹스트롬만큼 떨어진 장소에 위치시키는 것이 적합하다.
또한 이 경우에는 Al 조성이 낮은 광가이드층을, 활성층과 포화 가능 흡수층과의 사이에서가 아니라, 과포화 흡수층보다도 외측에 배치함으로써, 캐리어의 오버플로의 영향도 저감된다. 즉, 광가이드층을 포화 가능 흡수층의 외측에 배치하면, 활성층과 포화 가능 흡수층과의 사이는 높은 Al 조성을 갖는 재료로 차지하게 된다. 이것에 의해, 캐리어, 특히 전자의 오버플로가 저감된다. 전자의 오버플로가 증가하면, 포화 가능 흡수층에 의한 광흡수 효과가 감소하여 안정된 자려 발진을 유지할 수 없게 되지만, 상기와 같이 광가이드층의 위치를 최적화하는 본 실시예의 배치(구성)에서는 그와 같은 문제점을 극복하는 것을 할 수 있어, 고온 동작시에도 안정한 자려 발진 특성을 실현할 수 있다.
이상과 같이, 본 발명에 의하면, 포화 가능 흡수층으로 적절한 크기의 압축변형을 도입함으로써, 미분 이득을 증가시켜, 안정한 자려 발진 특성을 갖는 반도체 레이저를 실현할 수가 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 반도체 레이저에서는 광가이드층을 채용하고, 특히 활성층, 포화 가능 흡수층, 및 광가이드층의 순으로 배치함으로써, 보다 고온 동작시에 있어서도, 자려 발진 특성을 실현하는 반도체 레이저를 얻을 수 있다.

Claims (4)

  1. 활성층과, 불순물 농도가 적어도 약 1× 1018cm-3인 포화 가능 흡수층을 적어도 구비하며,
    상기 포화 가능 흡수층에서의 압축 변형량은 상기 활성층에서의 압축 변형의 값보다도, 약 0.3% 혹은 그 이상 크고,
    또한, 상기 포화 가능 흡수층으로의 광폐쇄 계수가 약 3%이상이 되도록, 상기 압축 변형이 설정되어 있는, 반도체 레이저.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 활성층과 상기 포화 가능 흡수층과의 사이에, 클래드층으로 상하가 끼워진 광가이드층이 설치되어 있는 반도체 레이저.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 클래드층은 p형의 도전형을 가지며, 그 두께가 약 900 옹스트롬 이상인 반도체 레이저.
  4. 제 1 항에 있어서,
    전류 블록층과, 상기 전류 블록층에 끼워진 영역에 설치된 광가이드층을 갖는 반도체 레이저.
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