KR101368300B1 - 테이퍼형 레이저 다이오드 소자 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고품위 광출력 빔 특성을 갖도록 설계된 고출력 레이저 다이오드 소자에 관한 관한 것이다. 본 발명에 따른, 테이퍼형 레이저 다이오드 소자는, 반도체 기판 상에 순차 적층한 N형 클래드층, 제1코어층 활성층, 제2코어층 및 P형 클래드층을 포함하며, 상기 P형 클래드층 위에 일정 두께로 상기 P형 클래드층과 같은 재질로 형성된 테이퍼형 광 도파로층을 포함하되, 상기 테이퍼형 광 도파로층에서 길이 방향으로 일정 간격으로 측정한 굴절율이 선형적 변화가 이루어지도록, 상기 테이퍼형 광 도파로층은 기하학적으로 비직선적으로 폭이 증가되는 모양으로 형성된다.

Description

테이퍼형 레이저 다이오드 소자{Taper-type Laser Diode Device}

본 발명은 레이저 다이오드 소자에 관한 것으로서, 특히, 고품위 광출력 빔 특성을 갖도록 설계된 고출력 레이저 다이오드 소자에 관한 것이다.

일반적으로 레이저 다이오드로서 단일 모드를 형성하는 광도파로를 가지는 릿지(ridge) 형 혹은 Burried Hetero-Structure 소자와 다중 모드를 가지는 대면적 레이저 다이오드가 널리 사용되고 있다. 그리고 고출력 반도체 레이저를 제작하기 위해서는 통상적으로 도 1a와 같은 대면적 레이저 다이오드 형태로 제작되어 광출력은 높은 반면 다중 모드의 빔프로파일을 가진다. 이러한 다중모드의 레이저 다이오드 광출력은 사용목적에 맞게 출력 빔을 광학계를 사용하여 시준, 폴딩, 포커싱 등 수정하여 사용된다.

이러한 다중 모드를 가지는 고출력 대면적 레이저 다이오드의 단점을 극복하기 위해서 도 1b와 같은 테이퍼형 레이저 다이오드가 제안되었다. 테이퍼형 레이저 다이오드는 단일모드를 가지는 광도파로와 여기에서 생성된 단일모드 빔의 출력을 극대화 하기위한 테이퍼형 이득영역이 집적화되어 있는 반도체 레이저 다이오드이다. 따라서 최종 단일 모드와 비슷한 광출력 빔프로파일을 얻을 수 있어 고품위 고출력 레이저 다이오드를 제작하기 위해서 많이 적용하는 구조이다. 그러나 실제로 테이퍼형 레이저 다이오드는 전류와 그에 의한 전하분포와 이득에 따라서 변하는 굴절율의 비선형적 변화에 의해서 출력빔의 비선형성은 여전히 존재한다. 이러한 테이퍼형 레이저 다이오드는 통상적으로 1W 이상의 고출력 레이저 다이오드 제작에 적용된다. 수백 mW에서 1W 광출력을 얻는 고출력 레이저 다이오드는 대면적 레이저 다이오드를 사용하거나 혹은 도 1b와 같은 Index Guided 테이퍼형 레이저 다이오드를 적용하기도 한다.

특히, 도 1b와 같은 Index Guided 테이퍼형 레이저 다이오드는 1W 이상의 고출력 레이저 광원을 얻기 위한 Gain Guided 테이퍼형 레이저 다이오드 보다 이득영역의 방사각을 1° 이하로 좁게 설계를 하여 테이퍼형 레이저 다이오드가 가지는 고출력의 이점과 Index Guided 레이저 다이오드가 가지는 광분포의 광도파로 내 안정성의 장점을 살리는 설계이다.

그러나 이러한 Index Guided 테이퍼형 레이저 다이오드 구조는 도 1b와 같이 단일모드를 형성하기 위한 릿지 영역과 광이득을 얻기 위한 테이퍼드 영역으로 나누어진다. 그런데 테이퍼드 영역의 광도파로 폭은 단일모드를 얻기 위한 릿지 영역 보다 광도파로의 폭이 크기 때문에 다중 모드가 발생할 수 있다. 따라서 단일모드 영역에서 생성된 단일모드 빔이 광이득을 얻기 위한 테이퍼드 영역으로 진행함에 따라 진행 빔의 광 분포의 불안정성을 발생시킨다. 이로 인해 종래의 Index Guided 테이퍼형 레이저 다이오드는 광도파로의 폭이 넓어질수록 광도파로의 단일모드를 위한 고유값이 급격한 변화를 겪게 되는데 이는 빔이 단일모드 광도파로에서 테이퍼드 광도파로로 진행할 때, 급격한 굴절율(refractive index) 변화를 겪게 되어 빔의 질을 저하시킨다.

도 2와 같이 위치에 따라 광도파의 폭이 증가하는 Index Guided 테이퍼형 구조의 경우, 테이퍼드 영역에서의 광도파로 폭에 따른 유효 굴절율의 변화를 살펴보면, 광도파로의 폭(예, 두께는 0.8~1.2μm)이 위치에 따라 점진적으로 넓어지고 있지만 실제로 그에 따른 유효 굴절율은 비선형성을 나타낸다. 이와 같이 테이퍼드 영역의 위치에 따라 폭이 넓어지는 초기 위치에서 급격한 유효 굴절율의 변화를 보이는 광도파로 구조는 테이퍼드 형 레이저 다이오드가 가지는 고품위 빔 프로파일의 광출력을 얻기 위한 바람직한 레이저 다이오드 설계일 수 없다.

따라서, 본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은, 기하학적으로 점진적인 테이퍼드 형태가 아니라 굴절율이 점진적으로 변하는 광도파로를 갖도록하여 공간적으로 안정된 광 분포를 얻을 수 있는 레이저 다이오드 소자를 제공하는 데 있다.

먼저, 본 발명의 특징을 요약하면, 본 발명의 일면에 따른, 테이퍼형 레이저 다이오드 소자는, 반도체 기판 상에 순차 적층한 N형 클래드층, 제1 코어층, 활성층, 제2코어층 및 P형 클래드층을 포함하며, 상기 P형 클래드층 위에 일정 두께로 상기 P형 클래드층과 같은 재질로 형성된 테이퍼형 광 도파로층을 포함하되, 상기 테이퍼형 광 도파로층은 기하학적으로 비직선적으로 폭이 증가되는 모양으로 형성된 것을 특징으로 한다. 상기 테이퍼형 광 도파로층에서 길이 방향으로 일정 간격으로 측정한 굴절율이 선형적 변화가 이루어지도록 형성한다.

상기 테이퍼형 광 도파로층의 폭이 길이 방향을 따라 연속적인 곡선 형태로 증가하되, 그 길이의 5~10% 영역에서 그 폭의 80~90%가 증가하는 모양일 수 있다.

상기 N형 클래드층, 상기 제1코어층, 상기 활성층, 상기 제2코어층, 상기 P형 클래드층, 및 상기 테이퍼형 광 도파로층은 3-5족 화합물 반도체 재질을 포함하는 재질로 이루어질 수 있다.

상기 테이퍼형 광 도파로층의 폭이 좁은 쪽 끝에 폭이 일정한 릿지형 도파로층을 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 레이저 다이오드 소자에 따르면, 기하학적으로 점진적인 테이퍼드 형태가 아니라 굴절율이 점진적으로 변하는 광도파로를 가지므로 다중 모드에 의한 품질 저하 없이 공간적으로 안정된 고품위 레이저 광을 출력할 수 있다.

도 1a는 종래의 대면적 레이저 다이오드, 도 1b는 종래의 Index Guided 테이퍼형 레이저 다이오드를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 종래의 레이저 다이오드의 도파로에서의 굴절율 변화를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 테이퍼형 레이저 다이오드를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 테이퍼형 레이저 다이오드의 도파로에서의 점진적인 굴절율 변화를 설명하기 위한 도면이다.

이하 첨부 도면들 및 첨부 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 테이퍼형 레이저 다이오드를 설명하기 위한 도면이다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 테이퍼형 레이저 다이오드는, GaN, GaAs, InP 등 3-5족 화합물 반도체 등으로 이루어진 기판 상에 순차 적층한 N형 클래드층, 제1코어층, 활성층, 제2코어층 및 P형 클래드층을 포함하며, 상기 P형 클래드층 위에 일정 두께로 상기 P형 클래드층과 같은 재질로 형성된 테이퍼형 광 도파로층을 포함한다. 상기 테이퍼형 광 도파로층의 폭이 좁은 쪽 끝에는 폭이 일정한 릿지형(ridge) 도파로층이 포함될 수 있으며, 상기 테이퍼형 광 도파로층과 상기 릿지형(ridge) 도파로층은 같은 마스크를 이용해 한번의 공정으로 동시에 형성될 수 있다.

본 발명에서 상기 테이퍼형 광 도파로층은 기하학적으로 비직선적으로(예, 곡선) 폭이 증가되는 모양을 가진다. 예를 들어, 상기 테이퍼형 광 도파로층의 폭이 길이 방향을 따라 연속적인 곡선 형태로 증가하는 모양을 가지며, 그 길이 방향의 끝에 다다르는 부분에서 그 폭이 급격히 증가하는 모양일 수 있다. 예를 들어, 상기 테이퍼형 광 도파로층은 그 폭이 넓어지는 끝부분, 즉, 전체 길이의 5~10% 영역에서 그 폭의 80~90%가 증가하는 모양일 수 있다.

도 3에서, 상기 테이퍼형 광 도파로층 좌우의 P형 클래드층 상부에는 누설전류억제를 위한 반도체층이 형성될 수 있으나 여기서는 자세한 설명을 생략하며, 또한, 상기 N형 클래드층과 상기 테이퍼형 광 도파로층의 적절한 위치에는 전원 인가를 위한 금속 콘택층이 형성될 수 있다.

도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 테이퍼형 레이저 다이오드의 도파로에서의 점진적인 굴절율 변화를 설명하기 위한 도면이다.

도 4에 도시한 바와 같이, 위와 같은 본 발명의 일실시예에 따른 테이퍼형 레이저 다이오드의 도파로 형태에 따라, 테이퍼드 영역에서의 광도파로 폭의 위치에 따른 유효 굴절율의 변화를 살펴보면, 폭(예, 두께는 0.8~1.2μm)이 상기 테이퍼형 광 도파로층과 같이 비직선적으로 증가할 때 길이 방향으로 일정 간격으로 그 위치에 따라 측정한 유효 굴절율이 선형적으로 나타남을 확인하였다.

이와 같이 기하학적으로 점진적인 테이퍼드 형태가 아니라 굴절율이 점진적으로 변하는 광도파로를 가지도록 한 본 발명의 레이저 다이오드는 다중 모드에 의한 품질 저하 없이 공간적으로 안정된 고품위 레이저 광을 출력할 수 있게 된다.

도 3에서, 상기 N형 클래드층과 상기 테이퍼형 광 도파로층(같은 재질의 P형 클래드층 포함)에 적절히 전원을 인가하면, 릿지형(ridge) 도파로층 영역에서 단일모드 레이저 빔이 발생하여, 상기 테이퍼형 광 도파로층으로 진행함에 따라 광이득을 얻게되며, 특히, 본 발명에서는 상기 테이퍼형 광 도파로층의 길이 방향으로 굴절율이 급격한 변화없이 선형적으로 변하도록하므로 다중 모드에 의한 불안정성을 줄이고 빔의 질을 향상시켜 고출력의 레이저빔을 발생시킬 수 있다.

한편, 위와 같은 상기 N형 클래드층, 상기 제1코어층, 상기 활성층, 상기 제2코어층, 상기 P형 클래드층, 및 상기 테이퍼형 광 도파로층은 GaN, GaAs, InP 등 3-5족 화합물 반도체 재질(예, Al_xIn_yGa_1-x-yN (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1))을 포함하는 재질로 형성될 수 있다. 이와 같은 각 층의 형성은 PECVD(plasma enhanced chemical vapor deposition), MOCVD(metalorganic chemical vapor deposition), MBE(Molecular Beam Epitaxy), CBE(chemical beam epitaxy), 또는 ICP(inductively coupled plasma)등의 반도체 장비를 이용할 수 있다.

또한, 상기 제1코어층과 상기 제2코어층은 상기 N형 클래드층이나 상기 P형 클래드층과 같이 N형 도펀트나 P형 도펀트로 도핑되지 않은 인트린직(intrinsic)으로 형성되며, 상기 활성층은 MQW층(Multi-Quantum Well, 다중 양자 우물층)일 수 있으며, 예를 들어, 양자 우물층(GaAsP, InGaAsP, InGaN층 등)과 배리어층(InGaAlP층, InGaAsP층, AlGaAs, GaN 층 등)을 복수회 반복하여 형성한 양자 우물층들을 포함할 수 있다. 예를 들어,

GaN 기판 상에서는 InGaN 양자 우물층과 GaN 배리어층으로 형성될 수 있으며, GaAs 기판 상에서는 양자 우물층/배리어층이, GaAsP/InGaAlP 또는 InGaAs/AlGaAs와 같이 형성될 수 있고, 또한, InP 기판 상에서는 양자 우물층/배리어층이, InGaAsP/InGaAsP, 또는 InGaAs/InGaAsP와 같은 층으로 수회 반복형성될 수 있다. 이에 따라 N형 클래드층으로부터 코어층을 통과해 활성층으로 터널링하여 들어오는 전자를 우물층에 구속시켜 전자와 홀의 재결합율을 높힘으로써 광추출 효율을 증가시킬 수 있게 된다.

이와 같은 본 발명의 일실시예에 따른 테이퍼형 레이저 다이오드의 상기 테이퍼형 광 도파로층의 형성을 제외하면 일반적인 레이저 다이오드의 제조 공정과 유사하므로 자세한 설명은 생략하기로 한다.

이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

테이퍼형 레이저 다이오드 소자(Tapered Laser Diode Device)
릿지(ridge)

Claims (5)

1. 반도체 기판 상에 3-5족 화합물 반도체를 이용해 순차 적층한 N형 클래드층, 제1코어층, 활성층, 제2코어층 및 P형 클래드층을 포함하고, 상기 P형 클래드층 위에 일정 두께로 상기 P형 클래드층과 같은 재질에 의해 기하학적으로 비직선적으로 폭이 증가되는 모양으로 형성된 테이퍼형 광 도파로층을 포함하되,
   상기 N형 클래드층은 N형 도펀트가 도핑된 층이고, 상기 P형 클래드층은 P형 도펀트가 도핑된 층이며, 상기 제1코어층과 상기 제2코어층은 N형 도펀트나 P형 도펀트로 도핑되지 않은 인트린직(intrinsic)으로 형성되며, 상기 활성층은 양자 우물층과 배리어층을 복수회 반복하여 형성한 층이고,
   상기 테이퍼형 광 도파로층의 폭이 길이 방향을 따라 연속적인 곡선 형태로 증가하되, 상기 테이퍼형 광 도파로층에서 길이 방향으로 일정 간격으로 측정한 유효 굴절율이 선형적 변화가 이루어지도록 형성한 것을 특징으로 하는 테이퍼형 레이저 다이오드 소자.
2. 제1항에 있어서,
   상기 3-5족 화합물 반도체는 GaN, GaAs, 또는 InP을 포함하는 것을 특징으로 하는 테이퍼형 레이저 다이오드 소자.
3. 제1항에 있어서,
   상기 양자 우물층은 GaAsP, InGaAsP, 또는 InGaN층으로 이루어지며, 상기 배리어층은 InGaAlP층, InGaAsP층, AlGaAs, 또는 GaN 층으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 테이퍼형 레이저 다이오드 소자.
4. 제1항에 있어서,
   상기 테이퍼형 광 도파로층의 폭이 좁은 쪽 끝에 폭이 일정한 릿지형 도파로층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 테이퍼형 레이저 다이오드 소자.
5. 제1항에 있어서,
   상기 테이퍼형 광 도파로층의 해당 길이의 5~10% 영역에서 그 폭의 80~90%가 증가하는 모양인 것을 특징으로 하는 테이퍼형 레이저 다이오드 소자.
   
   

Images