KR100330593B1 - 반도체레이저다이오드 - Google Patents

Abstract

본 발명은 매립-헤테로형의 굴절율-도파 구조를 가지는 고출력 단일 횡모드의 반도체 레이저 다이오드에 관한 것이다.

즉, 본 발명에 따른 반도체 레이저 다이오드는, 수평적으로 활성층의 발진면 쪽을 나팔 모양으로 상대적으로 넓게 형성한 메사 리지구조로 형성하고, 이 리지의 측면부에 두개의 p-전류 차단층 및 n-전류 차단층을 형성하여 수평 방향의 광 제한(confinement) 폭을 제어하여 줌으로써, 단일 횡모드의 단점인 저출력을 해소하고 안정된 단일 횡모드 발진의 고출력 동작을 시킬 수 있는 장점이 있다.

Description

반도체 레이저 다이오드

본 발명은 매립-헤테로형의 굴절율-도파 구조를 가지는 고출력 단일 횡모드의 반도체 레이저 다이오드에 관한 것이다.

제1도는 종래의 매립-헤테로형의 굴절을 도파 구조를 갖는 반도체 레이저 다이오드의 개략적 투시도이다. 이 도면을 참조하여 종래의 매립-헤테로형의 굴절을 도파 구조를 갖는 반도체 레이저 다이오드의 구조를 살펴보면 다음과 같다.

도전 영역은 CaAs 기판(1), n-InGaP 제1크래드층(2), InGaAsP 제1광도파층(6a), 활성층(6b), InGaAsP 제2장 도파층(6c), p-InGaP 제2크래드층(5) 및 금속 전극(8)이 순차로 적층되어 중심부가 가느다란 절구 형태를 이루고 있고, 전류 차단영역은 제1크래드층(2)의 측면 식각부 상에 p-전류 차단층(3), n-전류 차단층(4) 및 절연층(7)이 순차로 적층되어 있다. 여기서, p-전류 차단층(3) 및 n-전류 차단층(4)은 상기 도전 영역의 활성층(6)을 경계로 역방향의 p-n 접합을 이루고 있기 때문에 전류가 차단된다.

이와 같은 구조의 반도체 레이저 다이오드의 제조 방법은 다음과 같다.

기판(1) 상에 제1크래드층(2), 제1광 도파층(6a), 활성층(6b), 제2광도파층(6c), 제2크래드층(5) 및 절연 마스크층(미도시)이 순차로 적충된 다음, 이 절연 마스크층(미도시)이 스트라이프 상으로 식각되어 마스크(7)가 형성된다. 다음에 이 마스크(7)이 이용되어 제2도에 도시된 바와 같이, 상기 성장층(2,6a,6b,6c,5)들이 식각되어 통전 영역(도전영역)이 형성된다.

다음으로 제3도에 도시된 바와 같이, p-전류 차단층(3), n-전류 차단층(4)이 상기 식각된 부분에 선택적으로 적층되어 전류 차단 영역이 형성되고, 통전 영역에 있는 마스크(7)가 제거된 후 금속 전극(8) 및 전류 차단 영역 상부에 절연층(7')이 형성된다.

이와 같이 제작된 반도체 레이저 다이오드는 단일 횡모드 발진을 위한 굴절율 도파 구조를 형성하기 위해 선택적 화학 에칭법으로 메사형 리지 매립-헤테로 구조를 형성한다. 이러한 구조에 있어서, 다중 모드 발진을 억제하고 단일 횡 모드 발진을 시키기 위해서 활성층(6b)의 폭 및 메사 스프라이프의 폭을 1㎛ 정도로 전체 공진기(cavity)에 대해서 균일하게 형성된다. 이와 같은 경우에 있어서, 단일 횡모드 발진은 용이해지나 활성층(6b)의 좁은 폭 때문에 공진기의 레이저 발진면 쪽의 주입 캐리어 농도(injection carrier concentration)나 이득(gain)이 감소하여 레이저 발진 출력은 매우 작아진다는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하기 위하여 창안된 것으로, 단일 횡모드 발진을 하면서도 출력이 높고, 임계 전류 밀도 및 주입 캐리어 농도가 공진기 방향으로 일정하며, 이득이 활성층 전 영역에 걸쳐 균일하게 얻어지는 단일 횡모드의 굴절율 도파형의 반도체 레이저 다이오드를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 반도체 레이저 다이오드는,

기판:

상기 기판 상에 그 상부의 메사형 리지가 수평 방향으로 나팔관 모양의 스트라이프 상으로 형성된 제1크래드층:

상기 제1크래드층의 상기 리지 정상면 상에 수평 방향으로 상기 나팔관 모양의 스트라이프 상으로 형성된 제1광 도파층:

상기 제1광 도파층 상에 수평 방향으로 상기 나팔관 모양의 스트라이프 상으로 형성된 활성층:

상기 활성층 상에 수평 방향으로 상기 나팔관 모양의 스트라이프 상으로 형성된 제2광 도파층:

상기 제2광 도파층 상에 그 역메사형의 리지 구조의 하단부가 수평방향으로 상기 나팔관 모양의 스트라이프 상으로 형성된 제2크래드층;

상기 역메사형의 리지 구조의 제2크래드층 상부에 수평 방향으로 테이퍼 형의 스트라이프 상으로 증착된 금속층;

상기 제1크래드층 상에서 활성층의 측면 까지 선택적으로 적층되고, 상기 제1크래드층에 도핑된 불순물과 반대 형의 불순물로 도핑된 제1전류 차단층;

상기 제1전류 차단층 상에 상기 제2크래드층 정상면 까지 선택적으로 적층되고, 상기 제1전류 차단층에 도핑된 불순물 및 상기 제2크래드층에 도핑된 불순물과반대 형의 불순물로 토핑된 제2전류 차단층;

그리고 상기 제2전류 차단층 상에 상기 금속층과 나란하도록 적층된 절연층:을

구비하여 된 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어서, 상기 제1, 제2광 도파층 및 활성층의 나팔관 쪽의 공진기 정면의 반사율 보다 그 반대쪽 경면의 반사율이 소정의 크기만큼 더 큰 것이 바람직하며,

상기 제1, 제2광 도파층 및 활성층의 나팔관 쪽 가장자리의 폭이 10~20㎛ 이고 그 반대쪽 가장자리의 폭은 1㎛ 인 것이 바람직하며,

상기 활성층에 의해 형성된 상기 공진기에서 발진되는 광의 세기는 상기 나팔관 쪽의 경면에서 가장 세고, 상기 공진기에서 주입 캐리어의 농도가 균일한 분포를 보이도록 형성되며, 상기 공진기에서 이득이 균일한 분포를 보이도록 형성되며, 상기 공진기에서 전류 밀도가 균일한 분포를 보이도록 형성된 것이 바람직하다.

이하 제4도 내지 제17도를 참조하면서 본 발명에 따른 반도체 레이저 다이오드를 설명한다.

제4도는 본 발명에 따른 반도체 레이저 다이오드의 개략적 투시도이고, 제9도는 제4도의 구조에서 금속 전극 및 절연층이 형성되어 완성된 발명의 반도체 레이저 다이오드 사시도이다. 이 도면을 참조하여 본 발명에 따른 매립-헤테로형의 굴절율 도파 구조를 갖는 반도체 레이저 다이오드의 구조를 살펴보면 다음과 같다.

도전 영역은 GaAs 기판(1), n-InGaP 제1크래드층(2), InGaAsP 제1광도파층(6a), 활성층(6b), InGaAsP 제2광 도파층(6c), p-InGaP 제2크래드충(5) 및 금속 전극(8)이 순차로 적층되어 수직적으로는 메사형 리지와 역메사형의 리지가 결합된 중심부가 가느다란 절구 형태를 이루고, 수평적으로는 상기 메사형 리지 및 역메사형 리지의 한 쪽 가장자리 부분이 나팔관 모양으로 폭이 다소 넓게 형성된다. 전류 차단영역은 제1크래드층(2)의 측면 식각부 상에 p-전류 차단층(3), n-전류 차단층(4)및 절연층(7)이 순차로 적층되어 있다. 여기서, p-전류 차단층(3) 및 n-전류 차단층(4)은 상기 도전 영역의 활성층(6)을 경계로 상기 도전 영역의 p-n 다이오드 구조와 반대 방향의 p-n 접합을 이루고 있기 때문에 전류가 차단된다.

이와 같은 구조의 반도체 레이저 다이오드의 제조 방법은 다음과 같다.

기판(1) 상에 제1크래드층(2), 제1광 도파층(6a), 활성층(6b), 제2광도파층(6c), 제2크래드층(5) 및 절연 마스크층(미도시)을 순차로 적층한 다음, 이 절연 마스크층(미도시)을 스트라이프 상으로 식각하여 마스크(7)을 형성한다. 다음에 제5도 및 제6도에 도시된 바와 같이, 상기 마스크(7)를 이용하여 선택적 화학 에칭법으로 식각하여 굴절율 도파형의 매립-헤테로 구조를 형성한다. 이 때 메사형 리지 및 역메사형의 모양을 공진기 방향(수평적)으로 나팔 형태의 둥근 모양으로 형성하되 공진기의 발진면(anti-reflective surface) 쪽을 나팔 모양으로 넓게 형성한다.

여기서 제5도는 나팔 모양으로 넓어진 레이저 발진면 쪽의 저 반사율의 경면을 나타내고, 제6도는 고 반사율의 폭이 좁은 경면을 나타낸다.

다음으로 제7도 및 제8도에 도시된 바와 같이, 제1크래드층(2)의 식각면 상에 p-전류 차단층(3)을 활성층(6b)의 측면 까지 성장시킨 다음, 그 상부에 n-전류 차단층(4)을 제2크래드층(5)와 같은 높이로 성장시킨다. 그리고 제2크래드층(5)의 상부에는 수평적으로 테이퍼(taper) 모양의 금속 전극(8)을 증착하고, n-전류 차단층(4)의 상부에는 절연층(7)을 선택적으로 성장시켜 전류 차단 영역을 완성한다.

여기서 제7도는 나팔 모양으로 넓어진 레이저 발진면 쪽의 저 반사율의 경면을 나타내고, 제8도는 고 반사율의 폭이 좁은 경면을 나타낸다.

즉, 제10도에 도시된 바와 같이, 수평적으로 나팔관 모양의 스트라이프 상의 역메사 구조의 제2크래드층(5)의 상부에는, 제11도에 도시된 바와 같이, 금속 전극(8)이, 수평적으로 테이퍼(taper) 모양으로 형성된다. 여기서 나팔 모양의 레이저 발진면 쪽의 활성층 폭은 10~2O㎛으로 하며, 나머지 활성층(6b)의 폭은 1㎛ 정도로 한다.

이상과 같은 구조로 레이저 다이오드를 제작함으로써, 레이저 다이오드는 전체적으로는 단일 횡모드로 발진하지만 나팔쪽의 발진면 쪽에서는 활성층의 폭이 넓기 때문에 다중 모드로 발진한다. 따라서 레이저 다이오드의 발진 출력은 매우 증가하게 되며, 또한 다중 모드 발진광은 발진(oscillation)하는 동안 흡수 또는 제거되어 단일 횡모드의 발진광 만 출력되게 된다.

이상과 같이 발진면 쪽이 나팔 모양으로 형성된 레이저 다이오드의 공진기가 제12도에 도시되어 있는데, 이 공진 구간에서의 각종 특성이 제13도 내지 제16도에 잘 나타나 있다.

즉, 레이저 발진 특성은, 제13도에 도시된 바와 같이, 공진 구간에서 폭이 넓은 발진면 쪽이 발진광의 세기에 있어서 가장 강하며, 전류 밀도는 제14도에 도시된 바와 같이 공진 구간 전체에서 일정하며, 주입 캐리어의 농도는 제15도에 도시된 바와 같이 공진 구간 전체에서 일정하며, 이득 또한 제16도에 도시된 바와 같이 전체 공진 구간에서 일정하다.

그리고 발진되는 레이저 광의 세기는 제17도에 도시된 바와 같이 본 발명의 반도체 레이저 다이오드가 종래의 레이저 다이오드에 비해 같은 전류 밀도에서 우수하게 나타난다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 반도체 레이저 다이오드는, 수평적으로 활성층의 발진면 쪽을 나팔 모양으로 상대적으로 넓게 형성한 메사 리지 구조로 형성하고, 이 리지의 측면부에 두개의 p-전류 차단층 및 n-전류 차단층을 형성하여 수평 방향의 광 제한(confinement) 폭을 제어하여 줌으로써, 단일 횡모드의 단점인 저출력을 해소하고 안정된 단일 횡모드 발진의 고출력 동작을 시킬 수 있는 장점이 있다.

제1도는 종래의 반도체 레이저 다이오드의 개략적 투시도,

제2도 및 제3도는 종래 반도체 레이저 다이오드의 제조 공정 단계별 수직 단면도

제4도는 본 발명에 따른 반도체 레이저 다이오드의 개략적 투시도,

제5도 내지 제8도는 본 발명에 따른 반도체 레이저 다이오드의 제조공정 단계별 수직 단면도,

제9도는 본 발명에 따른 반도체 레이저 다이오드 사시도,

제10도는 본 발명에 따른 반도체 레이저 다이오드의 메사 구조의 평면도,

제11도는 본 발명에 따른 반도체 레이저 다이오드의 스트라이프 구조의 평면도,

제12도 내지 제16도는 본 발명에 따른 반도체 레이저 다이오드의 공진 구간에서의 각종 특성 곡선,

그리고 제17도는 본 발명에 따른 반도체 레이저 다이오드의 전류 밀도 대 광의 세기 그래프를 나타낸다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1. n-기판 2. n-크래드층

3. p-전류 차단층 4. n-전류 차단층

5. p-크래드층 6a. 제1광 도파층

6b. 활성층 6c. 제2광 도파층

7. 절연층 8. 금속 전극

Claims (7)

1. 기판;

   상기 기판 상에 그 상부의 메사형 리지가 수평 방향으로 나팔관 모양의 스트라이프 상으로 형성된 제1크래드층;

   상기 제1크래드층의 상기 리지 정상면 상에 수평 방향으로 상기 나팔관 모양의 스트라이프 상으로 형성된 제1광 도파층:

   상기 제1광 도파층 상에 수평 방향으로 상기 나팔관 모양의 스트라이프 상으로 형성된 활성층;

   상기 활성층 상에 수평 방향으로 상기 나팔관 모양의 스트라이프 상으로 형성된 제2광 도파층;

   상기 제2광 도파층 상에 그 역메사형의 리지 구조의 하단부가 수평 방향으로 상기 나팔관 모양의 스트라이프 상으로 형성된 제2크래드층;

   상기 역메사형의 리지 구조의 제2크래드층 상부에 수평 방향으로 테이퍼 형의 스트라이프 상으로 증착된 금속층;

   상기 제1크래드층 상에서 활성층의 측면 까지 선택적으로 적층되고, 상기 제1크래드층에 도핑된 불순물과 반대 형의 불순물로 도핑된 제1전류차단층;

   상기 제1전류 차단층 상에 상기 제2크래드층 정상면 까지 선택적으로 적층되고, 상기 제1전류 차단층에 도핑된 불순물 및 상기 제2크래드층에 도핑된 불순물과 반대 형의 불순물로 도핑된 제2전류차단층;

   그리고 상기 제2전류 차단층 상에 상기 금속층과 나란하도록 적층된 절연층;을

   구비하여 된 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 다이오드.
2. 제1항에 있어서,

   상기 제1, 제2광 도파층 및 활성층의 나팔관 쪽의 공진기 경면의 반사율 보다 그 반대쪽 경면의 반사율이 소정의 크기 만큼 더 큰 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 다이오드.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 제1, 제2광 도파층 및 활성충의 나팔관 쪽 가장자리의 폭이 10~20㎛ 이고 그 반대쪽 가장자리의 폭은 1㎛ 인 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 다이오드.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 활성층에 의해 형성된 상기 공진기에서 발진되는 광의 세기는 상기 나팔관 쪽의 경면에서 가장 센 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 다이오드.
5. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 활성층에 의해 형성된 공진기에서 주입 캐리어의 농도가 균일한 분포를보이도록 형성된 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 다이오드.
6. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 활성층에 의해 형성된 공진기에서 이득이 균일한 분포를 보이도록 형성된 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 다이오드.
7. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 활성층에 의해 형성된 공진기에서 전류 밀도가 균일한 분포를 보이도록 형성된 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 다이오드.