KR100691623B1 - Semiconductor laser diode and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
낮은 내부 손실을 갖는 반도체 레이저 다이오드 및 그 제조 방법을 제공한다. 본 발명에 따른 반도체 레이저 다이오드는, 기판 상에 형성된 제1 클래드층과; 상기 제1 클래드층 상에 형성된 하부 광가이드층과; 상기 하부 광가이드층 상에 형성된 활성층과; 상기 활성층 상에 형성된 상부 광가이드층과; 상기 상부 광가이드층 상에 형성된 제2 클래드층을 포함한다. 상기 제1 클래드층은, 상기 기판 상에 형성된 n형 도핑층과; 상기 n형 도핑층 상에 형성되고 상기 하부 광가이드층에 인접하는 제1 언도핑층을 포함한다. 또한 상기 제2 클래드층은, 상기 상부 광가이드층에 인접하여 상기 상부 광가이드층 상에 형성된 제2 언도핑층과; 상기 제2 언도핑층 상에 형성된 p형 도핑층을 포함한다.A semiconductor laser diode having a low internal loss and a method of manufacturing the same are provided. A semiconductor laser diode according to the present invention includes a first cladding layer formed on a substrate; A lower light guide layer formed on the first cladding layer; An active layer formed on the lower light guide layer; An upper light guide layer formed on the active layer; It includes a second clad layer formed on the upper light guide layer. The first clad layer includes an n-type doped layer formed on the substrate; And a first undoped layer formed on the n-type doped layer and adjacent to the lower light guide layer. The second cladding layer may further include: a second undoped layer formed on the upper light guide layer adjacent to the upper light guide layer; And a p-type doped layer formed on the second undoped layer.
Description
도 1은 종래의 일 예에 따른 반도체 레이저 다이오드의 에너지 밴드 구조를 개략적으로 나타내는 도면이다.1 is a view schematically showing an energy band structure of a semiconductor laser diode according to a conventional example.
도 2는 종래의 다른 예에 따른 반도체 레이저 다이오드의 에너지 밴드 구조를 개략적으로 나타내는 도면이다.2 is a view schematically showing an energy band structure of a semiconductor laser diode according to another conventional example.
도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 반도체 레이저 다이오드의 개략적인 측단면도이다.3 is a schematic side cross-sectional view of a semiconductor laser diode according to an embodiment of the present invention.
도 4는 도 3의 반도체 레이저 다이오드의 에너지 밴드 구조를 개략적으로 나타내는 도면이다.4 is a diagram schematically illustrating an energy band structure of the semiconductor laser diode of FIG. 3.
도 5는 본 발명의 실시예와 비교예에 따른 반도체 레이저 다이오드의 입력 전류 대(vs) 광출력을 나타내는 그래프이다. FIG. 5 is a graph showing input current vs. light output of semiconductor laser diodes according to an embodiment of the present invention and a comparative example. FIG.
도 6 내지 도 8은 본 발명의 일 실시형태에 따른 반도체 레이저 다이오드의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.6 to 8 are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a semiconductor laser diode according to an embodiment of the present invention.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>
101: 기판 102a: n형 도핑층101:
102b: 제1 언도핑층 102: 제1 클래드층102b: first undoped layer 102: first cladding layer
103a: 하부 광가이드층 103b: 상부 광가이드층103a: lower
104: 활성층 105: 제2 클래드층104: active layer 105: second clad layer
105a: p형 도핑층 105b: 제2 언도핑층 105a: p-type doped
106: 콘택층106: contact layer
본 발명은 반도체 레이저 다이오드에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 낮은 내부 손실을 갖는 고출력 반도체 레이저 다이오드 및 그 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a semiconductor laser diode, and more particularly, to a high power semiconductor laser diode having a low internal loss and a method of manufacturing the same.
현재 반도체 레이저 다이오드는 CD-ROMs, DVD, HD-DVD, 블루레이(Blue-Ray) 등 광디스크가 사용되는 플레이어에서 데이타의 기록이나 판독 등을 위한 광소자 및 광통신용 소자로 널리 사용되고 있다. 또한 최근에는 레이저를 이용한 디스플레이 장치에까지 그 응용 범위를 넓히고 있다.Currently, semiconductor laser diodes are widely used as optical devices and optical communication devices for recording or reading data in CD-ROMs, DVDs, HD-DVDs, and Blu-Ray players. In recent years, the application range has been extended to display devices using lasers.
이중 레이저 디스플레이 장치 등에 사용되는 고출력 반도체 레이저 소자를 제작하기 위해서는, 공진기 길이 또는 릿지 폭을 크게 하여야 한다. 그런데 공진기 길이를 길게 하게 되면, 거울 손실(레이저 다이오드의 외부로 나오는 출력)이 작게 되어, 슬로프 효율(slope efficiency; 입력 전류 대(VS) 광출력 그래프의 기울기)가 감소하게 되는 문제점이 있다. 다음의 수식은 내부 손실과 슬로프 효율의 관계 를 나타낸다.In order to fabricate a high power semiconductor laser element used for a dual laser display device or the like, the resonator length or the ridge width must be increased. However, when the resonator length is increased, the mirror loss (output coming out of the laser diode) becomes small, thereby reducing slope efficiency (slope efficiency (inclination of the input current vs. light output graph)). The following equation shows the relationship between internal losses and slope efficiency.
상기 수학식 1에서 'L'은 공진기 길이, 'R'은 반도체 레이저 다이오드 단면의 반사율, 'αi'는 내부 손실을 나타낸다. 고출력을 위해 공진기 길이를 길게 한 경우에는, 상기 수학식1 에서 보는 바와 같이 전체적으로 슬로프 효율이 감소하게 된다. 따라서 공진기 길이를 길게 하면서 슬로프 효율을 유지하기 위해서는 내부 손실을 줄이는 구조가 요구된다. In Equation 1, 'L' represents the resonator length, 'R' represents reflectance of the semiconductor laser diode cross section, and 'α i ' represents internal loss. When the resonator length is increased for high power, the slope efficiency as a whole decreases as shown in Equation 1 above. Therefore, in order to maintain the slope efficiency while increasing the resonator length, a structure for reducing internal losses is required.
반도체 레이저 다이오드의 내부 손실 중 대부분은 도핑이 된 영역과 광모드간의 중첩된 부분이 차지하는 비율에 비례한다. n형 도핑 영역과 p형 도핑 영역 중에서 특히, p형 도핑 영역과 중첩되는 비율이 내부 손실에 더 큰 영향을 주게 된다. 이러한 특성을 이용하여, 내부 손실을 줄이기 위해 비대칭적인 도파로 구조를 사용하거나 일반적으로 언도핑된 광가이드층의 전체 두께가 500nm이상이 되도록 광가이드층을 두껍게 형성하는 방안이 제시되었다.Most of the internal losses of the semiconductor laser diode are proportional to the proportion of the overlapped portion between the doped region and the optical mode. Among the n-type and p-type doped regions, in particular, the ratio of overlapping with the p-type doped region has a greater influence on the internal loss. Using this property, a method of using an asymmetric waveguide structure to reduce internal loss or forming a thick optical guide layer such that the total thickness of the undoped optical guide layer is generally 500 nm or more has been proposed.
도 1은 종래의 일 예에 따른 반도체 레이저 다이오드의 에너지 밴드 구조를 개략적으로 나타내는 도면이다. 도 1에서 'Ec'는 전도대(conduction band)의 엣지를 나타낸다. 도 1을 참조하면, 반도체 레이저 다이오드(10)는 n형 클래드층 및 p형 클래드층과 그 사이에 개재된 2개의 광가이드층 및 활성층을 포함한다. 도 1에서 빗금친 부분은 도핑된 영역을 나타내고 빗금이 없는 부분은 인위적인 도핑이 없는(언도핑된) 영역을 나타낸다. n형 및 p형 클래드층 사이에서 활성층을 샌드위칭하는 광가이드층들을 개재함으로써, 반도체 레이저 다이오드(10)는 SCH(Separate Confinement Heterostructure) 구조를 갖게 된다. 1 is a view schematically showing an energy band structure of a semiconductor laser diode according to a conventional example. In FIG. 1, 'Ec' represents the edge of the conduction band. Referring to FIG. 1, the
도 1에 도시된 바와 같이 n측의 클래드층 및 광가이드층(n형 클래드층과 이에 인접한 광가이드층)의 굴절율은 p측의 클래드층 및 광가이드층(p형 클래드층 및 이에 인접한 광가이드층)의 굴절율보다 크게 되어 있다. 이는 n측의 클래드층 및 광가이드층의 에너지 밴드갭이 각각 p측의 클래드층 및 광가이드층의 에너지 밴드갭보다 작다는 사실로부터 알 수 있다(조성이 변하는 동일 물질 시스템에서는 굴절율이 크면 에너지 밴드갭은 작게 됨). n측 영역의 굴절율을 크게하는 방법으로서, n측 영역에 굴절율이 큰 층을 주기적으로 삽입할 수도 있다.As shown in FIG. 1, the refractive indices of the cladding layer and the light guide layer (n-type cladding layer and the light guide layer adjacent thereto) of the n-side are represented by Layer) is larger than the refractive index. This can be seen from the fact that the energy bandgap of the cladding layer and the light guide layer on the n side is smaller than the energy bandgap of the cladding layer and the light guide layer on the p side, respectively. Gap becomes smaller). As a method of increasing the refractive index of the n-side region, a layer having a large refractive index may be periodically inserted into the n-side region.
이와 같이 n측의 클래드층 및 광가이드층의 굴절율을 p측의 클래드층 및 광가이드층의 굴절율보다 크게 함으로써, 전체적으로 비대칭적인 도파로 구조를 얻을 수 있다. 이러한 비대칭적인 도파로 구조에 의하면 광모드가 n형 클래드층으로 치우치게 되고, 이에 따라 p형 도핑 영역(p형 클래드층)과 광모드간의 중첩되는 부분 의 비율이 감소되어 레이저 다이오드(10)의 내부 손실이 줄어들게 된다.Thus, by making the refractive index of the cladding layer and the light guide layer on the n side larger than that of the cladding layer and the light guide layer on the p side, an asymmetric waveguide structure as a whole can be obtained. According to this asymmetric waveguide structure, the optical mode is biased to the n-type cladding layer, thereby reducing the ratio of overlapping portions between the p-type doped region (p-type clad layer) and the optical mode, thereby causing internal loss of the
그러나, 도 1에 도시된 바와 같은 비대칭적 도파로 구조를 형성하기 위해서는, 서로 다른 성질 또는 조성을 갖는 화합물 반도체 물질이 더 많이 필요하게 됨으로써 제조 공정이 복잡하게 된다. 또한 빛을 내는 영역인 활성층과 광모드 간의 결합 정도(optical confinement factor; OCF)가 줄어들게 됨으로써 문턱 전류(threshold current)가 증가할 가능성이 크게된다. However, in order to form an asymmetric waveguide structure as shown in FIG. 1, more compound semiconductor materials having different properties or compositions are required, which complicates the manufacturing process. In addition, the optical confinement factor (OCF) between the active layer and the light mode, which emits light, is reduced, thereby increasing the possibility of increasing the threshold current.
도 2는 종래의 다른 예에 따른 반도체 레이저 다이오드(20)의 에너지 밴드 구조를 개략적으로 나타낸 도면이다. 도 2를 참조하면, 언도핑된 광가이드층의 총두께를 500nm 정도 혹은 그 이상으로 크게 함으로써, 높게 도핑된 양쪽 클래드층과 겹치는 광모드의 비율이 최소화되고, 이에 따라 내부 손실이 줄어들 수 있다. 그러나 본 방안에 따르면, 전체적인 빔 크기를 줄이기 어렵게 되어 원거리장(far field) 모양이 약간 커질 수 있으며, 수직방향으로 다중 광모드가 존재할 가능성이 크게 되는 문제점이 있다. 2 is a view schematically showing an energy band structure of a
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 그 목적은 내부 손실이 감소되고 문턱 전류의 증가가 억제되며 수직방향의 다중 광모드가 방지된 고품질 반도체 레이저 다이오드를 제공하는 데에 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above problems, and an object thereof is to provide a high quality semiconductor laser diode in which internal losses are reduced, threshold currents are suppressed, and multiple optical modes in the vertical direction are prevented.
또한 본 발명의 다른 목적은 내부 손실을 감소시키고 문턴 전류의 증가를 억제하며 수직방향의 다중 광모드 발생을 방지할 수 있는 반도체 레이저 다이오드 제조 방법을 제공하는 데에 있다.It is another object of the present invention to provide a method for manufacturing a semiconductor laser diode which can reduce internal losses, suppress an increase in munturn current, and prevent generation of multiple optical modes in the vertical direction.
상술한 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 반도체 레이저 다이오드는, 기판 상에 형성된 제1 클래드층과; 상기 제1 클래드층 상에 형성된 하부 광가이드층과; 상기 하부 광가이드층 상에 형성된 활성층과; 상기 활성층 상에 형성된 상부 광가이드층과; 상기 상부 광가이드층 상에 형성된 제2 클래드층을 포함한다. 상기 제1 클래드층은, 상기 기판 상에 형성된 n형 도핑층과; 상기 n형 도핑층 상에 형성되고 상기 하부 광가이드층에 인접하는 제1 언도핑층을 포함한다. 또한 상기 제2 클래드층은, 상기 상부 광가이드층에 인접하여 상기 상부 광가이드층 상에 형성된 제2 언도핑층과; 상기 제2 언도핑층 상에 형성된 p형 도핑층을 포함한다.In order to achieve the above technical problem, a semiconductor laser diode according to the present invention, the first cladding layer formed on a substrate; A lower light guide layer formed on the first cladding layer; An active layer formed on the lower light guide layer; An upper light guide layer formed on the active layer; It includes a second clad layer formed on the upper light guide layer. The first clad layer includes an n-type doped layer formed on the substrate; And a first undoped layer formed on the n-type doped layer and adjacent to the lower light guide layer. The second cladding layer may further include: a second undoped layer formed on the upper light guide layer adjacent to the upper light guide layer; And a p-type doped layer formed on the second undoped layer.
바람직하게는, 상기 하부 광가이드층과 상기 상부 광가이드층의 총 두께는 0.05 내지 0.5 ㎛ 이고, 상기 제1 언도핑층과 상기 제2 언도핑층의 두께는 각각 0.3 ㎛ 이하이다. 또한, 바람직하게는 상기 활성층의 두께는 1 내지 15㎚이다.Preferably, the total thickness of the lower light guide layer and the upper light guide layer is 0.05 to 0.5 ㎛, the thickness of the first undoped layer and the second undoped layer are each 0.3 ㎛ or less. In addition, preferably the thickness of the active layer is 1 to 15nm.
상기 하부 광가이드층과 상기 상부 광가이드층은 AlxGa1 - xAs 조성식(여기서, 0.2≤x≤0.4임)을 갖는 물질로 이루어질 수 있으며, 상기 제1 클래드층과 상기 제2 클래드층은 AlyGa1 - yAs 조성식(여기서, 0.40≤y≤1임)을 갖는 물질로 이루어질 수 있고, 상기 활성층은 GaAs1 - zPz 조성식(여기서, 0≤z≤0.1임)을 갖는 물질로 이루어질 수 있다. 상기 상부 및 하부 광가이드층과 상기 활성층은 인위적인 도핑이 없는 언도핑층으로 이루어져 있다. 또한, 상기 상부 및 하부 광가이드층은 SCH 구조를 형성하도록 상기 제1 및 제2 클래드층보다 더 큰 굴절율(더 작은 에너지 밴드갭)을 갖는다.The lower light guide layer and the upper light guide layer may be formed of a material having an Al x Ga 1 - x As composition formula, where 0.2 ≦ x ≦ 0.4, and the first clad layer and the second clad layer may be Al y Ga 1 - y As can be made of a material having a composition formula (where 0.40≤y≤1), the active layer is a material having a GaAs 1 - z P z composition formula (here, 0≤z≤0.1) Can be done. The upper and lower light guide layers and the active layer are formed of an undoped layer without artificial doping. In addition, the upper and lower light guide layers have a larger refractive index (smaller energy band gap) than the first and second clad layers to form an SCH structure.
상기 반도체 레이저 다이오드에 따르면, 상기 제1 및 제2 클래드층과 상기 하부 및 상부 광가이드층은 상기 활성층을 중심으로 상하로 대칭적인 구조를 가질 수 있다. 또한 상기 반도체 레이저 다이오드는 상기 제2 클래드층 상에 형성된 콘택층을 더 포함할 수 있다.According to the semiconductor laser diode, the first and second clad layers and the lower and upper light guide layers may have a symmetrical structure up and down about the active layer. In addition, the semiconductor laser diode may further include a contact layer formed on the second clad layer.
본 발명의 다른 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 반도체 레이저 다이오드의 제조 방법은, 기판상에 n형 도핑층 및 제1 언도핑층을 순차적으로 성장시킴으로써 제1 클래드층을 형성하는 단계와; 상기 제1 언도핑층 상에 상기 제1 언도핑층에 인접하는 하부 광가이드층을 형성하는 단계와; 상기 하부 광가이드층 상에 활성층을 형성하는 단계와; 상기 활성층 상에 상부 광가이드층을 형성하는 단 계와; 상기 상부 광가이드층 상에 상기 상부 광가이드층에 인접하는 제2 언도핑층 및 p형 도핑층을 순차적으로 성장시킴으로써 제2 클래드층을 형성하는 단계를 포함한다.In order to achieve the other technical problem of the present invention, the method of manufacturing a semiconductor laser diode according to the present invention comprises the steps of forming a first clad layer by sequentially growing an n-type doping layer and a first undoped layer on a substrate; ; Forming a lower light guide layer adjacent to the first undoped layer on the first undoped layer; Forming an active layer on the lower light guide layer; Forming an upper light guide layer on the active layer; Forming a second clad layer by sequentially growing a second undoped layer and a p-type doped layer adjacent to the upper light guide layer on the upper light guide layer.
바람직하게는, 상기 하부 광가이드층과 상기 상부 광가이드층은 0.05 내지 0.5㎛의 총 두께를 갖도록 형성되며, 상기 제1 언도핑층과 상기 제2 언도핑층은 각각 0.3㎛ 이하의 두께를 갖도록 형성되며, 상기 활성층은 1 내지 15㎚의 두께를 갖도록 형성된다.Preferably, the lower light guide layer and the upper light guide layer is formed to have a total thickness of 0.05 to 0.5㎛, so that the first undoped layer and the second undoped layer each have a thickness of 0.3㎛ or less It is formed, the active layer is formed to have a thickness of 1 to 15nm.
상기 하부 광가이드층과 상기 상부 광가이드층은 AlxGa1-xAs 조성식(여기서, 0.2≤x≤0.4임)을 갖도록 형성될 수 있으며, 상기 제1 클래드층과 상기 제2 클래드층은 AlyGa1-yAs 조성식(여기서, 0.40≤y≤1임)을 갖도록 형성될 수 있으며, 상기 활성층은 GaAs1-zPz 조성식(여기서, 0≤z≤0.1임)을 갖도록 형성될 수 있다. 상기 상부 및 하부 광가이드층과 상기 활성층은 인위적인 도핑이 없는 언도핑층으로서 형성될 수 있다.The lower light guide layer and the upper light guide layer may be formed to have an Al x Ga 1-x As composition formula (where 0.2 ≦ x ≦ 0.4), and the first clad layer and the second clad layer may be formed of Al. It may be formed to have a y Ga 1-y As composition formula (where 0.40 ≦ y ≦ 1 ), the active layer may be formed to have a GaAs 1-z P z composition formula (where 0 ≦ z ≦ 0.1). . The upper and lower light guide layers and the active layer may be formed as an undoped layer without artificial doping.
상기 제조 방법은, 상기 제2 클래드층 상에 콘택층을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.The manufacturing method may further include forming a contact layer on the second clad layer.
본 발명은, 반도체 레이저 다이오드의 내부 손실을 감소시켜 문턱 전류를 줄어들게 하고, 슬로프 효율을 향상시키는 방안을 제공한다. 이를 위해, 본 발명은 하부 광가이드층과 상부 광가이드층에 인접하는 클래드층 부분에 제1 및 제2 언도핑층을 배치시킨다. 이러한 언도핑층을 구비함으로써, 내부 손실이 감소될 뿐만 아니라, 다중 광모드가 존재할 가능성이 억제되고 원거리장(far field) 성능이 유지된다.The present invention provides a method of reducing the internal losses of the semiconductor laser diode to reduce the threshold current and to improve the slope efficiency. To this end, the present invention places the first and second undoped layers in the clad layer portions adjacent to the lower light guide layer and the upper light guide layer. By having such an undoped layer, not only the internal loss is reduced, but also the possibility of multiple optical modes being present is suppressed and far field performance is maintained.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태를 설명한다. 그러나 본 발명의 실시형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시형태로 한정하는 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, 도면상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. However, embodiments of the present invention may be modified in various other forms, and the scope of the present invention is not limited to the embodiments described below. Embodiments of the present invention are provided to more completely explain the present invention to those skilled in the art. Accordingly, the shape and size of elements in the drawings may be exaggerated for clarity, and the elements denoted by the same reference numerals in the drawings are the same elements.
도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 반도체 레이저 다이오드의 단면도를 나타낸다. 도 3을 참조하면, 반도체 레이저 다이오드(100)는, GaAs 기판(101)상에 순차적으로 적층된 제1 클래드층(102), 하부 광가이드층(103a), 활성층(104), 상부 광가이드층(103b), 제2 클래드층(105) 및 콘택층(106)을 포함하여 전체적으로 SCH 구조를 이룬다. 제1 클래드층(102)은 n형 도핑층(102a)과 제1 언도핑층(102b)을 포함한다. 또한 제2 클래드층(105)은 p형 도핑층(105a)과 제2 언도핑층(105b)을 포함 한다. 상부 및 하부 광가이드층(103a, 103b)과 활성층(104)은 인위적인 도핑이 없는 언도핑된 영역에 포함된다.3 is a sectional view of a semiconductor laser diode according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 3, the
도 3에 도시된 바와 같이, 제1 언도핑층(102b)과 제2 언도핑층(105b)은 클래드층(102, 105)에 속하여 있으면서 하부 광가이드층(103a) 및 상부 광가이드층(103b)에 각각 인접해 있다. 즉, 양쪽의 클래드층(102, 105)에 있어서 광가이드층(103a, 103b)에 인접한 클래드층 일부 영역은 도핑이 제거되어 있는 언도핑층으로 되어 있다. 이와 같이 광가이드층에 인접한 클래드층 부분에 제1 및 제2 언도핑층(102b, 105b)을 배치시킴으로써, 도핑된 영역과 광모드사이의 겹치는 부분의 비율은 감소된다. 이에 따라 반도체 레이저 다이오드(100)의 내부 손실이 감소된다. As shown in FIG. 3, the first
종래의 반도체 레이저 다이오드 구조(도 1 및 2 참조)에서는, 광가이드층은 언도핑되어 있으나 클래드층 전체가 도핑되어 있다. 또한 반도체 레이저 다이오드의 광모드는 광가이드층 및 양쪽 클래드층의 일부에 걸쳐 존재한다. 그런데, 본 발명에서는 광가이드층에 인접한 클래드층 일부에 도핑을 제거함으로써 광모드와 도핑된 영역이 겹치는 비율을 감소시킨다. 이러한 겹치는 비율의 감소는 내부 손실의 감소를 가져온다. In the conventional semiconductor laser diode structure (see FIGS. 1 and 2), the light guide layer is undoped but the entire clad layer is doped. In addition, the optical mode of the semiconductor laser diode is present over the light guide layer and part of both clad layers. However, in the present invention, the doping is removed from a part of the clad layer adjacent to the light guide layer, thereby reducing the overlapping ratio between the light mode and the doped region. This reduction in overlap rate results in a reduction in internal losses.
상기 반도체 레이저 다이오드(100)에 따르면, 도 2에 도시된 바와 같은 500nm이상의 두꺼운 광가이드층의 사용 없이도 내부 손실을 줄일 수 있게 된다. 따 라서, 전체적인 빔의 크기를 줄일 수 있고 다중 광모드가 존재할 가능성이 억제되며 원거리장 모양에서도 성능 저하가 방지된다. 이에 더하여, 도 1에 도시된 바와 같은 비대칭적 구조를 사용할 필요가 없기 때문에 반도체 레이저 다이오드(100) 구성에 필요한 화합물 반도체 물질 종류의 갯수도 증가하지 않으며 문턴전압의 증가도 억제된다.According to the
바람직하게는, 하부 광가이드층(103a)과 상부 광가이드층(103b)의 총 두께는 0.05 내지 0.5㎛이다. 광가이드층의 총 두께가 너무 크면, 수직방향의 다중 광모드가 발생할 수 있다. 또한, 제1 언도핑층(102b)과 제2 언도핑층(105b)의 두께는 각각 0.3㎛ 이하인 것이 바람직한다. 활성층(104)의 두께는 1 내지 15㎚인 것이 바람직하다. 바람직하게는, 제1 및 제2 클래드층(102, 105)과 하부 및 상부 광가이드층(103a, 103b)은 활성층(104)을 중심으로 상하로 대칭적인 구조를 갖는다.Preferably, the total thickness of the lower
하부 광가이드층(103a)과 상부 광가이드층(103b)은 AlxGa1-xAs 조성식(여기서, 0.2≤x≤0.4임)을 갖는 물질로 이루어질 수 있으며, 제1 클래드층(102)과 제2 클래드층(105)은 AlyGa1-yAs 조성식(여기서, 0.40≤y≤1임)을 갖는 물질로 이루어질 수 있다. 활성층(104)은 GaAs1-zPz 조성식(여기서, 0≤z≤0.1임)을 갖는 물질로 이루어질 수 있다. 콘택층(106)은 p형 도펀트로 도핑된 GaAs(P+-GaAs)로 이루어질 수 있다.The lower
도 4는 도 3의 반도체 레이저 다이오드(100)의 에너지 밴드 구조를 개략적으로 나타낸 도면이다. 도 4에서 빗금친 부분은 도핑된 영역에 해당하고, 빗금이 없는 부분은 언도핑된 영역에 해당한다. 도 4를 참조하면, 2개의 클래드층(102, 105) 사이에는, 활성층을 샌드위칭하는 광가이드층(103a, 103b)이 개재되어 있다. 이 광가이드층(103a, 103b)은 주입된 캐리어를 활성층(104)에 제한하는 역할을 한다. 또한, 광가이드층(103a, 103b)은 클래드층(102, 105)보다 작은 에너지 밴드갭(따라서, 보다 큰 굴절율)을 가짐으로써, 활성층에서 발생된 빛을 도파로 영역에 모아둔다. 4 is a diagram schematically illustrating an energy band structure of the
하부 광가이드층(103a)과 상부 광가이드층(103b)의 에너지 밴드는 활성층(104)을 중심으로 서로 대칭적인 구조를 이룬다. 또한 제1 클래드층(102)과 제2 클래드층(105)의 에너지 밴드도 활성층(104)을 중심으로 서로 대칭적인 구조를 이룬다. 이러한 대칭 구조로 인하여 빛을 내는 영역인 활성층(104)과 광 모드 사이의 결합정도(OCF)가 증가하고 문턱 전류가 감소하게 된다. The energy bands of the lower
또한 제1 클래드층(102)중 하부 광가이드층(103a)에 인접한 일부 영역이 도핑되지 않은 제1 언도핑층(102b)으로 이루어져 있고, 제2 클래드층(105)중 상부 광가이드층(103b)에 인접한 일부 영역이 도핑되지 않은 제2 언도핑층(105b)으로 이루어져 있다. 따라서, 반도체 레이저 다이오드의 내부 손실을 줄이기 위해 광가이드층의 두께를 두껍게 할 필요(도 2 참조)가 없게 된다. 이에 따라 전체적인 빔 크기 를 줄일 수 있고 원거리장 모양이 커지는 것을 방지할 수 있으며, 다중 광 모드의 가능성이 줄어들게 된다.In addition, a portion of the
도 5는 반도체 레이저 다이오드의 광출력에 대한 시뮬레이션(모의 실험) 결과를 나타내는 그래프이다. 특히, 도 5는 실시예와 비교예에 따른 레이저 다이오드의 입력 전류 대(vs) 광출력을 나타낸다. 실시예에서는, 도 3 및 4에 도시된 바와 같이 광가이드층에 인접한 클래드층 일부가 도핑되지 않았다. 비교예에서는 클래드층 전체가 고르게 도핑되어 있었으며, 이 점을 제외하고는 비교예의 레이저 다이오드는 실시예의 레이저 다이오드와 동일하다. 5 is a graph showing simulation (simulation) results of the light output of the semiconductor laser diode. In particular, FIG. 5 shows the input current vs. light output of the laser diodes according to the Examples and Comparative Examples. In the embodiment, a portion of the clad layer adjacent to the light guide layer is not doped as shown in FIGS. In the comparative example, the entire cladding layer was evenly doped, except that the laser diode of the comparative example was the same as the laser diode of the example.
도 5를 참조하면, 비교예에 비하여 실시예에서 문턴전류는 감소하고 슬로프 효율은 증가함을 확인할 수 있다. 즉, 본 발명과 같이 클래드층에서 광가이드층에 인접한 영역에 언도핑층을 배치시킴으로써, 실질적인 광출력을 발생시키기 위한 최소 전류(문턱 전류)가 감소되고, 입력전류 대 광출력 곡선의 기울기(슬로프 효율)가 증가된다. Referring to FIG. 5, it can be seen that the Moonturn current decreases and the slope efficiency increases in the embodiment compared to the comparative example. That is, by placing the undoped layer in the region adjacent to the light guide layer in the cladding layer as in the present invention, the minimum current (threshold current) for generating substantial light output is reduced, and the slope of the input current vs. light output curve (slope) Efficiency) is increased.
다음으로, 도 6 내지 도 8을 참조하여 본 발명의 일 실시형태에 따른 반도체 레이저 다이오드의 제조 방법에 대해 설명한다. Next, with reference to FIGS. 6-8, the manufacturing method of the semiconductor laser diode which concerns on one Embodiment of this invention is demonstrated.
먼저, 도 6를 참조하면, GaAs 기판(101) 상에 n형 도핑층(102a)과 제1 언도 핑층(102b)을 순차적으로 성장시킨다. 이에 따라 기판(101) 상에는 전자 주입을 위한 제1 클래드층(102)이 형성된다. 제1 클래드층(102)는 AlyGa1-yAs 조성식(여기서, 0.40≤y≤1임)을 갖는 물질로 형성될 수 있다. 제1 언도핑층(102b)의 두께는 0.3㎛ 이하인 것이 바람직하다.First, referring to FIG. 6, the n-type doped
다음으로, 도 7에 도시된 바와 같이, 상기 제1 언도핑층(102b)상에 하부 광가이드층(103a), 활성층(104) 및 상부 광가이드층(103b)을 순차적으로 형성한다. 하부 광가이드층(103a)은 제1 언도핑층(102b)에 인접하도록 형성된다. 하부 광가이드층(103a)과 상부 광가이드층(103b) 각각은 AlxGa1-xAs 조성식(여기서, 0.2≤x≤0.4임)을 갖는 물질로 형성될 수 있다. 광가이드층(103a, 103b)은 0.05 내지 0.5 ㎛의 총 두께를 갖도록 형성되는 것이 바람직하다. 활성층(104)은 GaAs1-zPz 조성식(여기서, 0≤z≤0.1임)을 갖는 물질로 형성될 수 있다. 활성층(104)은 1 내지 15㎚의 두께를 갖도록 형성되는 것이 바람직하다.Next, as shown in FIG. 7, the lower
다음으로, 도 8에 도시된 바와 같이, 상부 광가이드층(103b) 상에 제2 언도핑층(105b)과 p형 도핑층(105a)를 순차적으로 성장시킨다. 이에 따라, 상부 광가이드층(103b) 상에는 정공 주입을 위한 제2 클래드층(105)이 형성된다. 제2 언도핑층(105b)은 상부 광가이드층(103b)에 인접하도록 형성된다. 제2 클래드층(105)은 제1 클래드층(102)과 마찬가지로 AlyGa1-yAs 조성식(여기서, 0.40≤y≤1임)을 갖는 물질 로 형성될 수 있다. 제2 언도핑층(105b)의 두께는, 제1 언도핑층(102b)과 마찬가지로, 0.3㎛ 이하인 것이 바람직하다. 그 후, 제2 클래드층(105) 상에는 p측 전극(도시 안함)과의 콘택을 위한 콘택층(106)을 형성한다. 이 콘택층(106)은 예를 들어 p형 도핑된 GaAs 반도체로 형성될 수 있다.Next, as shown in FIG. 8, the second
이상 설명한 반도체 레이저 다이오드 제조 방법에 의하여, 양쪽 클래드층(102, 105)은 광가이드층(103a, 103b)에 인접한 부분에 언도핑층(102b, 105b)을 갖게 된다. 이에 따라, 반도체 레이저 다이오드의 내부 손실과 문턴 전류를 감소시키고 다중 광모드 발생을 억제할 수 있음은 전술한 바에 비추어 명백하다. According to the semiconductor laser diode manufacturing method described above, both cladding
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 당해 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.It is intended that the invention not be limited by the foregoing embodiments and the accompanying drawings, but rather by the claims appended hereto. In addition, it will be apparent to those skilled in the art that the present invention may be substituted, modified, and changed in various forms without departing from the technical spirit of the present invention described in the claims.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따르면, 광가이드층에 인접한 양쪽 클래드층 일부에 제1 언도핑층과 제2 언도핑층을 배치함으로써 내부 손실이 감소된다. 또한, 비대칭적 구조나 두꺼운 광가이드층을 사용할 필요가 없기 때문에, 문턱 전류의 증가가 억제되고 다중 광모드 발생이 방지될 수 있다. 이에 더하여 기존의 물질 성장 조건에서 단순히 도핑만 조절하여 제조하므로 제조 공정이 용이하며, 광도파로 측면에서의 설계가 훨씬 자유롭게 된다.As described above, according to the present invention, the internal loss is reduced by disposing the first undoped layer and the second undoped layer on a part of both clad layers adjacent to the light guide layer. In addition, since there is no need to use an asymmetrical structure or a thick light guide layer, an increase in the threshold current can be suppressed and generation of multiple optical modes can be prevented. In addition, in the existing material growth conditions, the doping process is manufactured by simply adjusting the doping process, and the design of the optical waveguide is much freer.
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