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KR101221067B1 - 리지 도파형 반도체 레이저 다이오드 - Google Patents

리지 도파형 반도체 레이저 다이오드 Download PDF

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KR101221067B1
KR101221067B1 KR1020060012602A KR20060012602A KR101221067B1 KR 101221067 B1 KR101221067 B1 KR 101221067B1 KR 1020060012602 A KR1020060012602 A KR 1020060012602A KR 20060012602 A KR20060012602 A KR 20060012602A KR 101221067 B1 KR101221067 B1 KR 101221067B1
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성연준
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백호선
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Abstract

전류의 주입구조가 개선된 리지 도파형 반도체 레이저 다이오드가 개시되어 있다.
이 개시된 리지 도파형 반도체 레이저 다이오드는 기판 위에 순차적으로 형성된 하부 멀티 반도체층, 활성층, 리지부를 구비한 상부 멀티 반도체층 및 상부 전극을 포함하는 것으로서, 상부 전극은 리지부의 적어도 일 측면부를 포함하는 영역을 덮는다.
이러한 구조에 의하면, 리지부의 측면을 통하여 전류가 주입되므로 주입저항이 낮아 동작 전압 및 동작전력에 유리하며, 리지부의 양 측면부에 금속이 접하므로 열방출에 유리하게 된다.

Description

리지 도파형 반도체 레이저 다이오드{Laser diode having ridge portion}
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 리지 도파형 반도체 레이저 다이오드의 단면도를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 2는 도 1의 리지 도파형 반도체 레이저 다이오드의 전류 주입구조를 나타낸 것이다.
도 3은 비교예에 따라 제작된 리지 도파형 반도체 레이저 다이오드의 개략적인 단면도이다.
도 4는 비교예 및 실시예의 동작전압에 대한 동작전류를 나타낸 그래프이다.
도 5a 및 도 5b 각각은 비교예 및 실시예의 온도분포를 나타낸다.
<도면 중 주요부분에 대한 부호의 설명>
100...기판 110...하부 멀티 반도체층
150...활성층 160...상부 멀티 반도체층
170...상부 도파층 171...전자차단층
175...전류확산층 180...상부 클래드층
190...상부 콘택트층 200...상부 전극
205...절연층 210...하부 전극
본 발명은 리지 도파형 반도체 레이저 다이오드에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 리지부의 측면부으로 전류가 주입되는 구조를 가진 리지 도파형 반도체 레이저 다이오드에 관한 것이다.
반도체 레이저 다이오드는 광통신 등과 같은 통신 분야나 컴팩트 디스크 플레이어(CDP)나 디지털 다기능 디스크 플레이어(DVDP) 등과 같은 장치에서 데이터의 전송이나 데이터의 기록 및 판독을 위한 수단으로 널리 사용되고 있다.
반도체 레이저 다이오드가 사용되는 산업분야가 증가하면서 작은 임계 전류값을 가지며, 다중 횡모드 발진이 억제되는 리지부를 구비한 반도체 레이저 다이오드가 개발되어 왔다. 이 리지부는 p형 클래드층 및 p형 콘택트층이 상부쪽으로 돌출되어 형성되며, 리지부의 상부를 통해 수직으로 전류(정공)가 주입된다. 그러나, 리지부의 상부쪽에서 전류(정공)가 주입되는 방식은, 상기 전류(정공)가 p형 클래드층 및 p형 도파층과 같은 p형 반도체층을 통과할 때에 마그네슘(Mg)과 같은 불순물이 도핑된 영역의 높은 저항으로 동작 전력이 상승하거나 열이 발생하는 등의 문제점이 있다.
따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 감안하여 안출된 것으로서, 전류를 주입하는 구조를 개선한 리지 도파형 반도체 레이저 다이오드 및 그 제조 방법을 제공함을 목적으로 한다.
상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 리지 도파형 반도체 레이저 다이오드는 기판 위에 순차적으로 형성된 하부 멀티 반도체층, 활성층, 리지부를 구비한 상부 멀티 반도체층 및 상부 전극을 포함하는 리지 도파형 반도체 레이저 다이오드로서, 상기 상부 전극은 상기 리지부의 적어도 일 측면부를 포함하는 영역을 덮는 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 리지 도파형 반도체 레이저 다이오드를 상세히 설명하기로 한다. 이 과정에서 도면에 도시된 층이나 영역들의 두께는 명세서의 명확성을 위해 과장되게 도시된 것이다.
먼저, 본 발명의 실시예에 의한 리지 도파형 반도체 레이저 다이오드에 대해 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 리지 도파형 반도체 레이저 다이오드의 구조를 나타낸 단면도이다.
도면을 참조하면, 기판(100) 상에 하부 멀티 반도체층(110)이 형성되어 있다. 상기 하부 멀티 반도체층(110)은 하부 콘택트층(120), 하부 클래드층(130), 및 하부 도파층(140)을 포함한다. 상기 하부 콘택트층(120)의 일 영역에는 하부 클래드층(130), 하부 도파층(140), 활성층(150), 상부 멀티 반도체층(160), 상부 콘택트층(190), 및 상부 전극(200)이 순차적으로 형성되어 있고, 다른 영역에는 하부 전극(210)이 형성되어 있다.
상기 상부 멀티 반도체층(160)은 제1 내지 제3 영역(R1,R2,R3)으로 구분될 수 있다.
상기 제1 영역은 상부 멀티 반도체층(160)의 스트라이프 형상의 중앙 영역으로, 돌출되어 리지부(ridge portion, 165)를 이룬다. 상기 리지부(165)는 수직하게 돌출되어 형성될 수 있으며, 경사지어 그 단면이 사다리꼴이 되도록 형성될 수도 있다.
상기 상부 멀티 반도체층(160)은 상부 도파층(170), 및 상부 클래드층(180)을 포함한다. 상기 상부 도파층(170)의 일부와 상부 클래드층(180)은 상기 리지부(165)에 형성된다.
상기 상부 도파층(170)에는 전자차단층(electron blocking layer, 171)이 개재되어 있는 것이 바람직하다. 상기 전자차단층(171)은, 그 에너지 준위가 상기 상부 도파층(170)의 에너지 준위보다 상당히 높아, 전자들이 오버플로우(overflow)되는 것을 방지한다.
상기 상부 도파층(170)에는 전류확산층(175)이 개재되어 있는 것이 바람직하다. 상기 전류확산층(175)은 상부 도파층(170)의 리지부(165) 쪽에 마련된다. 상기 전류확산층(175)은 주입된 전류가 전류확산층(175)의 전면에 확산되어, 활성층(150)에 균일한 주입될 수 있도록 한다.
상기 상부 콘택트층(190)과 상부 전극(200)은 리지부(165)의 적어도 일 측면부(165b)를 포함하는 영역을 덮는 형태로 형성되어, 전류가 상기 측면부(165b)를 통해서 주입될 수 있도록 한다. 전류가 상기 상면부(165a)를 통해서도 주입될 수 있도록, 상기 상부 콘택트층(190)과 상부 전극(200)은 상기 리지부(165)의 상면부 (165a)도 함께 덮는 형태로 형성되는 것이 바람직하다.
상기 제2 및 제3영역(R2,R3)은 상기 리지부(165)의 외곽쪽 상부 도파층(170)의 상면부로, 그 위에 절연층(205)이 형성된다. 상기 절연층(205)은 상기 전류확산측(175)의 측단부까지 덮도록 형성된다. 상기 절연층(205)은 상부 콘택트층(190)이 상부 도파층(170) 및 전류확산층(175)과 절연되도록 한다.
본 실시예에 따른 리지 도파형 반도체 레이저 다이오드는 GaN계 반도체 레이저 다이오드일 수 있다. 보다 구체적으로 예를 들면 다음과 같이 형성될 수 있다.
상기 기판(100)으로는 사파이어(Al2O3), 질화갈륨(GaN), 실리콘(Si), 질화알루미늄(AlN) 또는 탄화실리콘(SiC) 등이 사용될 수 있다.
상기 하부 콘택트층(120)으로 n-GaN으로 형성될 수 있으며, 상기 하부 클래드층(130)은 n-AlxGa1-xN(0≤x<1)으로 형성될 수 있다. 그리고, 상기 하부 도파층(140)은 n-InxGa1-xN(0≤x<1)으로 형성될 수 있다. 상기 활성층(150)은 InxGa1-xN(0<x<1)으로 형성될 수 있으며 단일 양자우물 또는 다중 양자우물 중 어느 하나의 구조를 가질 수 있다. 상기 상부 도파층(170)은 p-InxGa1-xN(0≤x<1)으로 형성될 수 있다. 상기 전자차단층(171)은 p-AlxGa1-xN(O<x<1) 화합물 반도체로 형성될 수 있다.
상기 전류확산층(175)은 그 에너지 준위가 상부 도파층(170)의 에너지 준위보다 상당히 낮도록, p-GaN층과 p-InGaN층의 이종격자구조로 형성될 수 있다.
상기 상부 클래드층(180)은 p-AlxGa1-xN(0≤x<1)의 단일층 구조이거나 알루미늄(Al)의 조성비를 달리하는 p-AlxGa1-xN(0≤x<1)층들이 서로 교번하여 반복적층되는 초격자 구조를 가질 수 있다. 가령, 상기 상부 클래드층(180)은 p-Al0.08Ga0.92N/GaN층이 반복적으로 적층된 초격자 구조로 형성될 수 있다. 이러한 초격자 구조는, 캐리어의 주입저항을 종래보다 감소시킬 수 있을뿐더러 크랙의 유발 가능성을 줄여 상부 클래드층(180)을 안정적으로 결정성장하게 할 수 있고 광구속(optical confinement)효과를 우수하게 유지시킬 수 있다.
상기 상부 콘택트층(190)은 상부 클래드층(180)과 상부 전극(200)간의 오믹접촉특성을 향상시키는 것으로, 상부 클래드층(180)의 상면부와 측면부에 p+-GaN/Pd가 순차적으로 적층되어 형성될 수 있다.
상기 상부 전극(200)은 도전성이 좋은 금속재질로, 통상적으로 사용되는 전극 물질을 사용할 수 있다. 구체적으로 예를 들면, 상기 상부 전극(200)은 Au,Ni,Ti,Al 등의 단일 물질층 또는 이들의 이중층 구조로 형성될 수 있다.
상기 절연층(205)은 SiO2등의 절연성 물질로 형성될 수 있다.
도 2를 참고하여 본 발명에 의한 리지 도파형 반도체 레이저 다이오드의 동작원리를 설명하도록 한다. 도 2는 본 발명의 전류 주입구조를 나타낸다.
도면을 참조하면, 상부 전극(200)에 전압이 인가되면, 전류 즉, 캐리어가 상부 콘택트층(190)으로 주입된다. 상술한 바와 같이, 활성층(150)의 상부에 위치하는 층들이 p형인 경우, 상기 상부 콘택트층(190)으로 주입되는 캐리어는 전공이다. 상기 상부 전극(200)과 상부 콘택트층(190)은 상부 클래드층(180)을 덮고 있으므 로, 상기 캐리어는 상부 클래드층(180)의 상면부(180a)뿐만 아니라, 측면부(180b)를 통해서도 주입된다. 도시된 바와 같이 주입되는 전류가 리지부의 측면부를 통해 주입되는 경우, 높은 저항을 갖는 p형 클래드층에서 캐리어가 통과하는 경로가 짧아져 캐리어 주입에 대한 저항이 작아지게 된다. 또한, 상면부(180a)와 양 측면부(180b)를 통해 전류가 주입되는 경우는 상면부(180a)만을 통해 전류가 주입되는 경우에 비해 전류의 통로가 넓으므로, 저항이 낮아지는 효과가 있다. 이에 따라 종래보다 낮은 동작전압하에서 동일한 파워를 낼 수 있으므로, 동작 전압 및 동작전력에 보다 유리하다. 한편, 이와 같이 측면부(180b)를 통해 주입된 전류는 전류확산층(175)을 통과하면서 확산되므로 전류가 한 쪽으로 쏠리는 현상이 억제될 수 있다.
또한, 알루미늄(Al)의 조성비를 달리하는 p-AlxGa1-xN(0≤x<1)층들이 교대로 적층한 초격자 구조로 상부 클래드층(180)을 형성한 경우, 캐리어는 터널링(tunneling)이나 캐리어 넘침(carrier overflow) 등의 방법으로 상부 클래드층(180)을 통과하므로 주입저항을 더욱 감소시킬 수 있다.
나아가, 열전도성이 우수한 금속재질로 형성된 상부 전극(200)이 상기 상부 클래드층(180)의 상면부(180a)뿐만 아니라 양 측면부(180b) 쪽에도 형성되어 있으므로, 본 실시예의 본 발명에 의한 리지 도파형 반도체 레이저 다이오드는 열방출에도 우수한 특성을 가질 수 있다.
한편, 본 발명의 리지 도파형 반도체 레이저 다이오드는 장파장대의 반도체 레이저 다이오드의 전기적 특성을 향상시킬 수 있다. 일반적으로 청색이나 녹색의 장파장대의 레이저광을 방출하는 반도체 레이저 다이오드는 저온 p형 반도체층을 사용한다. 이러한 저온 p형 반도체층은 고온 p형 반도체층에 비해 홀 농도가 감소되거나, 저항이 높은 등 전기적 특성이 나쁘다는 문제점이 있는데, 본 발명은 전류 주입구조를 개선하여 저온 p형 반도체층을 이용하는 장파장대의 반도체 레이저 다이오드의 전기적 특성을 향상시킬 수 있다.
이하, 비교예와 대비하여 본 발명에 따른 실시예의 효과를 설명하기로 한다.
<비교예>
도 3에 도시된 바와 같은 수직 전류주입구조를 갖는 종래의 리지 도파형 반도체 레이저 다이오드를 제작하였다. 본 비교예는 Ⅲ족 질화물계 반도체 레이저 다이오드로서, 활성층(250) 위에 상부 도파층(270)이 형성되며, 상기 상부 도파층(270)의 상부 가운데 부분에 상부 클래드층(280)이 돌출되어 형성된다. 상기 상부 클래드층(280)은 리지부를 이룬다. 상기 상부 클래드층(280)의 상면부에 상부 콘택트층(290) 및 상부 전극(300)이 순차적으로 적층되어 형성되었다. 상부 클래드층의 측면부와 상부 도파층(270)의 리지부 외곽쪽 상면부에는 절연층(305)이 형성되었다. 상기 상부 도파층(270)의 리지부 외곽쪽 두께(D1)은 대략 500 Å이며, 상기 절연층(205)의 두께(D2)는 대략 1500Å 내지 그 이하로 형성되었다.
<실시예>
도 2에 도시된 바와 같은 수직주입 및 측면주입이 모두 가능한 본 발명의 리지 도파형 반도체 레이저 다이오드를 제작하였다. 본 실시예는 상부 클래드(380)의 상면부뿐만 아니라 측면부까지 상부 콘택트층(390)과 상부 전극(400)이 형성되었다는 점에서 비교예와 차이가 있으며, 그 외는 비교예와 실질적으로 동일하다.
상기 비교예 및 실시예에서 각각 제작된 레이저 다이오드의 소자특성은 도 4와 도 5a 및 도 5b에 나타내었다.
도 4은 전류주입구조의 변화에 따른 동작전압과 동작전류의 관계를 나타내는 그래프이다. 도면을 참조하면, 비교예의 경우 50mA의 전류가 흐르기 위한 동작전압이 4.36V이지만, 실시예의 경우 50mA의 전류가 흐르기 위한 동작전압은 4.03V로, 동일한 전류 50mA에 대하여 동작전압이 0.3V 낮아짐을 볼 수 있다. 즉, 비교예의 경우 주입저항이 17.0Ω임에 반하여, 실시예의 경우 주입저항이 15.5Ω으로 낮아졌음을 볼 수 있다.
도 5a와 도 5b는 본 발명의 리지 도파형 반도체 레이저 다이오드가 동작할 때 온도분포를 보여준다. 도면을 참조하면, 동일한 출력을 갖는 비교예와 비교하여 실시예의 온도는 비교예의 온도에 비하여 전체적으로 낮음을 볼 수 있다. 리지 도파형 반도체 레이저 다이오드의 표면에서의 온도가 비교예의 경우 130.47℃, 실시예의 경우 117.93℃가 측정되어 열 특성면에서 약 10% 정도 향상되었다. 이는 비교예에 비하여 실시예의 경우, 상부 클래드층에서의 낮은 주입저항으로 상부 클래드층에서의 열발생이 줄어들었을 뿐만 아니라, 상부 클래드층의 측면부 쪽에 형성된 금속층인 상부 전극을 통해서 열방출이 이루어졌기 때문이다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 리지 도파형 반도체 레이저 다 이오드에 의하면 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 리지부의 양 측면부를 통하여 전류가 주입되므로 주입저항이 낮아 동작 전압 및 동작전력에 유리하다.
둘째, 리지부의 양 측면부에 금속재질의 상부 전극이 형성되므로 열방출에 유리하게 된다.
이러한 본원 발명인 리지 도파형 반도체 레이저 다이오드는 이해를 돕기 위하여 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.

Claims (10)

  1. 기판 위에 순차적으로 형성된 하부 멀티 반도체층, 활성층, 리지부를 구비한 상부 멀티 반도체층 및 상부 전극을 포함하는 리지 도파형 반도체 레이저 다이오드에 있어서,
    상기 상부 멀티 반도체층은 상부 도파층과 상부 클래드층을 포함하고,
    상기 상부 도파층의 일부와 상기 상부 클래드층은 상기 리지부에 형성되며,
    상기 상부 전극은 상기 리지부의 상면부 및 측면부를 포함하는 영역을 덮도록 형성되어, 상기 측면부를 통해 전류가 주입되는 것을 특징으로 하는 리지 도파형 반도체 레이저 다이오드.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 상부 전극과 상기 상부 클래드층 사이에 상부 콘택트층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 리지 도파형 반도체 레이저 다이오드.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 상부 도파층 내에 개재되며, 상기 리지부에 형성된 전류확산층을 더 포함된 것을 특징으로 하는 리지 도파형 반도체 레이저 다이오드.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 전류확산층은 p형 GaN/InGaN의 이종격자 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 리지 도파형 반도체 레이저 다이오드.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 상부 콘택트층과 상기 상부 도파층이 절연되도록 하고, 동시에 상기 상부 콘택트층과 상기 전류확산층이 서로 절연되도록 하는 절연층;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 리지 도파형 반도체 레이저 다이오드.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 상부 클래드층은 알루미늄(Al)의 조성비가 서로 다른 AlxGa1-xN(0≤x<1)층들이 서로 교번하여 반복적층되는 초격자 구조인 것을 특징으로 하는 리지 도파형 반도체 레이저 다이오드.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 하부 멀티 반도체층은 n형 반도체로 형성되며, 상기 상부 멀티 반도체층은 p형 반도체로 형성되는 리지 도파형 반도체 레이저 다이오드.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 하부 멀티 반도체층, 상기 활성층 및 상기 상부 멀티 반도체층은 GaN계 물질로 형성된 것을 특징으로 하는 리지 도파형 반도체 레이저 다이오드.
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