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KR20050110902A - 반도체 레이저 다이오드 - Google Patents

반도체 레이저 다이오드 Download PDF

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KR20050110902A
KR20050110902A KR1020040035864A KR20040035864A KR20050110902A KR 20050110902 A KR20050110902 A KR 20050110902A KR 1020040035864 A KR1020040035864 A KR 1020040035864A KR 20040035864 A KR20040035864 A KR 20040035864A KR 20050110902 A KR20050110902 A KR 20050110902A
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KR
South Korea
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layer
semiconductor laser
laser diode
refractive index
clad layer
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KR1020040035864A
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Inventor
조수행
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삼성전기주식회사
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Publication date
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Priority to JP2005137574A priority patent/JP2005333129A/ja
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Abstract

반도체 레이저 다이오드가 개시된다. 개시된 반도체 레이저 다이오드는, 활성층과; 활성층의 상부에 형성되는 상부클래드층과; 활성층의 하부에 형성되는 제1 하부클래드층과; 제1 하부클래드층의 하부에 형성되는 제2 하부클래드층과; 제2 하부클래드층의 하부에 형성되는 기판을; 구비하며, 제1 하부클래드층의 굴절률은 상부클래드층의 굴절률과 같고, 제2 하부클래드층의 굴절률 보다 작은 것을 특징으로 한다.

Description

반도체 레이저 다이오드{Semiconductor laser diode}
본 발명은 반도체 레이저 다이오드에 관한 것으로, 상세하게는 비대칭적인 굴절률을 가진 클래드층을 구비한 개선된 구조의 반도체 레이저 다이오드에 관한 것이다.
일반적으로, 반도체 레이저 다이오드는 비교적 소형이면서 레이저 발진을 위한 임계 전류(threshold current)가 일반 레이저 장치에 비해 작다는 점 등의 특징 때문에 통신 분야나 광 디스크가 사용되는 플레이어에서 고속 데이터 전송이나 고속 데이터 기록 및 판독을 위한 소자로 널리 사용되고 있다.
도 1a에는 종래 반도체 레이저 다이오드의 단면이 도시되어 있으며, 도 1b에는 도 1a에 도시된 반도체 레이저 다이오드의 굴절률 프로파일(refractive index profile) 및 필드 분포(field distribution)가 도시되어 있다.
도 1a 및 도 1b를 참조하면, 종래 반도체 레이저 다이오드는 기판(10) 상에 n-클래드층(11), n-도파층(12), 활성층(30), p-도파층(22) 및 p-클래드층(21)이 순차적으로 적층되는 구조를 가진다. 그리고, 상기 p-클래드층(21)에는 리지(ridge) 형성을 위한 식각저지층( Etch Stop layer,23)이 개재된다. 상기 p-클래드층(21)의 상면 및 기판(10)의 저면에는 각각 p-전극층(40) 및 n-전극층(50)이 형성된다.
여기서, 활성층(30)의 상하에 각각 형성되는 p-클래드층(21) 및 n-클래드층(11)은 활성층(30)의 굴절률(nactive)보다 낮은 굴절률(nupper,nlower )을 가지며, 이때 p-클래드층(21)의 굴절률(nupper)과 n-클래드층(11)의 굴절률(nlower)은 동일하다.
그러나, 일반적인 광 저장(optical storage)장치에서는 효율적인 커플링(coupling)을 위해서 반도체 레이저 다이오드가 대략 19도 이하의 작은 수직 빔 발산각(far field vertical beam divergence angle)을 가지도록 요구되는데, 상기와 같은 구조의 반도체 레이저 다이오드에서는 고출력을 얻기 위해 얇은 도파층이 형성되면 작은 수직 빔 발산각을 얻을 수 없다는 문제점이 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여 비대칭적인 굴절률을 가지는 클래드층을 구비한 반도체 레이저 다이오드의 굴절률 프로파일이 도 2a에 도시되어 있다. 도 2a를 참조하면, 활성층의 상하에 p-클래드층 및 n-클래드층이 각각 형성되며, 이때, n-클래드층은 p-클래드층 보다 높은 굴절률을 가지도록 형성된다. 따라서, 상기 p-클래드층 및 n-클래드층은 활성층을 중심으로 서로 비대칭적인 굴절률을 가진다.
상기와 같은 구조의 반도체 레이저 다이오드는 근거리 필드(near field)를 분산시킴으로써 수직 빔 발산각을 감소시킬 수 있다는 장점은 있다, 그러나, 근거리 필드의 비대칭이 심해져 도 2b에 도시된 바와 같이 출력 파워에 따라 레이저 빔의 편향(deflection)이 발생되는 문제가 있고, 굴절률과 반비례하는 포텐셜 장벽에너지(potential barrier energy)가 하부클래드층인 n-클래드층에서 감소됨으로 인하여 캐리어 유출(carrier overflow)이 발생될 가능성이 높아진다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 비대칭적인 굴절률을 가지는 클래드층을 구비한 개선된 구조의 반도체 레이저 다이오드를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여,
본 발명에 따른 반도체 레이저 다이오드는,
활성층과;
상기 활성층의 상부에 형성되는 상부클래드층과;
상기 활성층의 하부에 형성되는 제1 하부클래드층과;
상기 제1 하부클래드층의 하부에 형성되는 제2 하부클래드층과;
상기 제2 하부클래드층의 하부에 형성되는 기판을; 구비하며,
상기 제1 하부클래드층의 굴절률은 상기 상부클래드층의 굴절률과 같고, 상기 제2 하부클래드층의 굴절률 보다 작은 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 상부클래드층 내에는 식각저지층(etch stop layer)이 형성될 수 있다.
상기 상부클래드층의 상면 및 상기 기판의 하면에는 각각 제1 및 제2 전극층이 마련된다.
상기 활성층은 다중 양자우물구조 또는 단일 양자우물구조를 가질 수 있다.
상기 활성층은 GaInP 계열의 화합물 반도체로 이루어질 수 있다.
상기 상부클래드층은 p-AlGaInP 계열의 화합물 반도체로 이루어질 수 있으며, 상기 제1 및 제2 하부클래드층은 n-AlGaInP 계열의 화합물 반도체로 이루어질 수 있다.
상기 활성층과 상부클래드층 사이 및 상기 활성층과 제1 하부클래드층 사이에는 각각 상부도파층 및 하부도파층이 더 형성되는 것이 바람직하다. 여기서, 상기 상부도파층 및 하부도파층은 각각 p-AlGaInP 및 n-AlGaInP 계열의 화합물 반도체로 이루어질 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 반도체 레이저 다이오드는 이하의 실시예에 보여진 적층 구조에 한정되는 것은 아니며, Ⅲ-Ⅴ족의 다른 화합물 반도체 물질도 포함하는 다양한 타 실시예가 가능함은 물론이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 반도체 레이저 다이오드의 단면을 도시한 것이고, 도 4는 도 3에 도시된 반도체 레이저 다이오드의 굴절률 프로파일(refractive index profile) 및 필드 분포(field distribution)를 도시한 것이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 반도체 레이저 다이오드는 GaAs로 이루어진 기판(110)과 이 기판(110) 상에 순차적으로 적층된 하부클래드층(111), 활성층(112), 상부클래드층(121)을 구비한다. 여기서, 상기 하부클래드층(111)은 제1 및 제2 하부클래드층(111a,111b)으로 구성된다. 한편, 활성층(130)과 제1 하부클래드층(111a) 사이 및 활성층(130)과 상부클래드층(121) 사이에는 각각 하부도파층(112) 및 상부도파층(122)이 형성될 수 있다. 그리고, 상기 상부클래드층(121)의 상면 및 기판(110)의 하면에는 각각 제1 전극층(140) 및 제2 전극층(150)이 형성된다.
상기 제2 하부클래드층(111b)은 상기 제1 하부클래드층(111a)의 굴절률(nlower1)보다 높은 굴절률(nlower2)을 가지는 화합물 반도체층으로 형성된다. 이를 위하여, 기판(110) 상에 형성되는 제2 하부클래드층(111b)은 n-(Al0.68Ga0.32)0.5In0.5P 화합물 반도체로 이루어질 수 있으며, 상기 제2 하부클래드층(111b)의 상면에 형성되는 제1 하부클래드층(111a)은 n-(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5P 화합물 반도체로 이루어질 수 있다. 상기와 같은 제2 및 제1 하부클래드층(111b,111a)은 기판(110) 상에 AlGaInP 계열의 화합물 반도체를 에피택셜(epitaxial) 성장시키면서 Al의 조성을 변화시킴으로써 형성될 수 있다. 한편, 상기 제1 및 제2 하부클래드층(111a,111b)은 Ⅲ-Ⅴ족의 다른 화합물 반도체로 이루어질 수도 있다.
상기 제1 하부클래드층(111a)의 상면에는 하부도파층(112), 활성층(130), 상부도파층(122)의 차례로 형성된다. 여기서, 레이저 발진을 안내하는 하부도파층(112) 및 상부도파층(122)은 하부 및 상부클래드층(111,121)의 굴절률 보다 높은 굴절률을 가지는 화합물 반도체층으로 형성된다. 이를 위하여, 상기 하부도파층(112) 및 상부도파층(122)은 각각 n-(Al0.5Ga0.5)0.5In 0.5P 화합물 반도체 및 p-(Al0.5Ga0.5)0.5In0.5P 화합물 반도체로 이루어질 수 있다.
그리고, 레이저 발진을 일으키는 활성층(130)은 상기 하부 및 상부도파층(112,122)의 굴절률보다 높은 굴절률(nactive)을 가지는 화합물 반도체층으로 형성되며, 이를 위하여 상기 활성층(130)은 Ga0.5In0.5P 화합물 반도체로 이루어질 수 있다. 여기서, 상기 활성층(130)은 다중 양자우물 또는 단일 양자우물 중 어느 하나의 구조를 가질 수 있다.
상기 상부도파층(122)의 상면에 형성되는 상부클래드층(121)은 제1 하부클래드층(111a)의 굴절률(nlower1)과 동일한 굴절률(nupper)을 가지는 화합물 반도체층으로 형성된다. 이를 위하여, 상기 상부클래드층(121)은 p-(Al0.7Ga0.3)0.5In 0.5P 화합물 반도체로 이루어질 수 있다. 한편, 상기 상부클래드층(121)의 내부에는 식각저지층(etch stop layer,123)가 형성되는데, 이러한 식각저지층(123)은 상부클래드층(121)의 상부를 식각하여 리지(ridge)를 형성할 때, 원하는 높이의 리지를 정확하게 형성하기 위하여 마련되는 층이다.
상기 상부클래드층(121)의 상면에는 p-전극층인 제1 전극층(140)이 형성되고, 상기 기판(110)의 하면에는 n-전극층인 제2 전극층(150)이 형성된다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 반도체 레이저 다이오드에서는, 하부클래드층(111)을 제1 및 제2 하부클래드층(111a,111b)으로 나누어 제2 하부클래드층(111b)의 굴절률(nlower2)을 제1 하부클래드층(111a)의 굴절률(nlower1) 보다 높게 하고, 제1 하부클래드층(111a)의 굴절률(nlower1)을 상부클래드층(121)의 굴절률(nupper)과 같게 하였다. 이와 같이, 상부 및 하부클래드층(121,111)이 활성층(130)을 중심으로 서로 비대칭인 굴절률을 가지게 되면, 근거리 필드(near field)을 분산시킴으로써 수직 빔 발산각을 감소시키는 효과를 얻을 수 있게 된다. 또한, 상부클래드층(121)과 같은 굴절률을 가지는 제1 하부클래드층(111a)으로 인하여 광구속계수(optical confinement factor)의 감소 수준을 상대적으로 줄일 수 있으므로 결국 빔 발산각 증가에 따른 불가피한 임계 전류(threshold current)의 증가 수준을 상대적으로 저감시킬 수 있다. 또한, 도 2a에서 보여지는 종래 굴절률 비대칭 구조와는 달리 본 발명에서는 제1 하부클래드층(111a)의 굴절률이 상부클래드층(121)의 굴절률과 같으므로, 레이저 빔의 편향(deflection)을 막을 수 있고 제1 하부클래드층(111a)의 포텐셜 장벽에너지(potential barrier energy)의 감소가 없어서 캐리어의 구속이 더 효과적으로 이루어진다.
표 1 및 도 5는 종래 대칭인 굴절률(symmetric refractive index)을 가지는 상하부클래드층을 구비한 반도체 레이저 다이오드와 본 발명에 따른 비대칭인 굴절률(asymmetric refractive index)을 가지는 상하부클래드층을 구비한 반도체 레이저 다이오드에서 수직 빔 발산각의 실험값을 비교하여 보여주는 도표(table) 및 박스플로트(boxplot)이다.
수직 빔 발산각의 평균값(degree) 표준편차
종래 반도체 레이저 다이오드 21.80 1.19
본 발명에 따른 반도체 레이저 다이오드 17.48 0.66
표 1 및 도 5를 참조하면, 종래 반도체 레이저 다이오드에서 수직 빔 발산각의 평균값은 21.80도이고, 본 발명에 따른 반도체 레이저 다이오드에서 수직 빔 발산각은 17.48도이다. 이에 따라, 본 발명에 다른 반도체 레이저 다이오드는 종래 반도체 레이저 다이오드보다 수직 빔 발산각이 대략 20% 감소된 것을 알 수 있다.
이상에서 본 발명에 따른 바람직한 실시예가 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 의해서 정해져야 할 것이다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따른 반도체 레이저 다이오드에 의하면 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 상부 및 하부클래드층이 활성층을 중심으로 비대칭인 굴절률을 가짐으로써 근거리 필드의 분산에 의한 수직 빔 발산각의 감소 효과를 얻을 수 있다.
둘째, 2개의 하부클래드층 중 활성층에 가까이 위치한 하부클래드층이 상부클래드층과 같은 굴절률을 가짐으로써 광구속계수의 감소를 상대적으로 줄일 수 있으므로 결국 임계 전류를 감소시킬 수 있게 된다.
셋째, 하부클래드층의 포텐셜 장벽 에너지의 감소가 없어서 캐리어의 구속이 더욱 효과적으로 이루어진다.
도 1a는 종래 반도체 레이저 다이오드의 단면을 도시한 도면이다.
도 1b는 도 1a에 도시된 반도체 레이저 다이오드의 굴절률 프로파일 및 필드 분포를 도시한 도면이다.
도 2a는 종래 다른 반도체 레이저 다이오드의 굴절률 프로파일을 도시한 도면이다.
도 2b는 도 2a 에 도시된 반도체 레이저 다이오드의 레이저 빔의 편향을 보여주는 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 반도체 레이저 다이오드의 단면을 도시한 도면이다.
도 4는 도 3에 도시된 반도체 레이저 다이오드의 굴절률 프로파일 및 필드 분포를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 반도체 레이저 다이오드와 종래 반도체 레이저 다이오드의 수직 빔 발산각을 비교하여 도시한 박스플로트(boxplot)이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
110... 기판 111... 하부클래드층
111a... 제1 하부클래드층 111b... 제2 하부클래드층
112... 하부도파층 121... 상부클래드층
122... 상부도파층 123... 식각저지층
130... 활성층 140... 제1 전극층
150... 제2 전극층
nactive... 활성층의 굴절률
nupper... 상부클래드층의 굴절률
nlower1... 제1 하부클래드층의 굴절률
nlower2... 제2 하부클래드층의 굴절률

Claims (9)

  1. 활성층과;
    상기 활성층의 상부에 형성되는 상부클래드층과;
    상기 활성층의 하부에 형성되는 제1 하부클래드층과;
    상기 제1 하부클래드층의 하부에 형성되는 제2 하부클래드층과;
    상기 제2 하부클래드층의 하부에 형성되는 기판을; 구비하며,
    상기 제1 하부클래드층의 굴절률은 상기 상부클래드층의 굴절률과 같고, 상기 제2 하부클래드층의 굴절률 보다 낮은 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 다이오드.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 상부클래드층 내에는 식각저지층(etch stop layer)이 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 다이오드 .
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 상부클래드층의 상면 및 상기 기판의 하면에는 각각 제1 및 제2 전극층이 마련되는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 다이오드.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 활성층은 다중 양자우물구조 또는 단일 양자우물구조를 가지는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 다이오드.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 활성층은 GaInP 계열의 화합물 반도체로 이루어지는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 다이오드.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 상부클래드층은 p-AlGaInP 계열의 화합물 반도체로 이루어지는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 다이오드.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 하부클래드층은 n-AlGaInP 계열의 화합물 반도체로 이루어지는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 다이오드.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 활성층과 상부클래드층 사이 및 상기 활성층과 제1 하부클래드층 사이에는 각각 상부도파층 및 하부도파층이 더 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 다이오드.
  9. 상기 상부도파층 및 하부도파층은 각각 p-AlGaInP 및 n-AlGaInP 계열의 화합물 반도체로 이루어지는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 다이오드.
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