KR20050049372A - 반도체 레이저 - Google Patents

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로무 가부시키가이샤
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Abstract

반도체 기판(1) 상에 n 형 글래드층(2), 활성층(3) 및 p 형 글래드층(4), (6)을 포함하는 발광층 형성부(8)가 적층되며, 발광층 형성부 상에, 반도체 기판과 격자 정수 및 열팽창 계수가 거의 같은 재료로 된 컨택트층(9)이 적층되어 있다. 이 컨택트층의 두께를 d1, 발광층 형성부의 두께를 d2 로 할 때, 1.5 ≤(d1/d2) ≤2.8이 되도록, 발광층 형성부 및 컨택트층이 형성되어 있다. 그 결과, 고출력용으로, 발광층 형성부의 두께가 4 ㎛ 이상으로 두꺼운 반도체 레이저라도, COD 레벨을 높게 하고, 수명을 길게 할 수 있는 반도체 레이저를 얻을 수 있다.

Description

반도체 레이저 {Semiconductor laser}
본 발명은 CD, DVD(디지털 다용도 디스크:Digital Versatile Disk), DVD-ROM, 데이터기록이 가능한 CD-R/RW 등의 픽업용 광원으로 사용하는데 적합한 반도체 레이저에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 고출력용이라도 COD 레벨이 높고 수명을 길게 할 수 있는 반도체 레이저에 관한 것이다.
예를들면 780 ㎚ 파장의 적외용 고출력 반도체 레이저는, 도 6에 도시된 바와 같은 구조로 형성되어 있다. 즉, 예를 들면 n 형 GaAs 로부터 이루어지는 반도체 기판(21) 상에, 예를 들면 n 형 AlGaAs 계 화합물 반도체로부터 이루어지는 하부 글래드층(22), 논도프 또는 n 형 혹은 p 형의 AlGaAs 계 화합물 반도체로부터 이루어지는 활성층(23), p 형 AlGaAs 계 화합물 반도체로부터 이루어지는 상부 제 1 글래드층(24)이 순차적으로 적층되며, 다시 그 위에, 예를 들면 p 형의 InGaP 로부터 이루어지는 에칭 스톱층(25), p 형 AlGaAs 계 화합물 반도체로부터 이루어지는 상부 제 2 글래드층(26) 및 GaAs 로부터 이루어지는 캡층(27)이 적층되고, 웨트(wet) 에칭에 의해 에칭되어서 리지부(28)가 형성되고 있다.
다음에, 리지부(28)의 양측에 선택 성장에 의해, 예를 들면 n 형 AlGaAs 계 화합물 반도체로부터 이루어지는 전류 블록층(29)이 형성되고, 하부 글래드층(22)으로부터 캡층(27)까지의 각층 및 전류 블록층(29)에 의해 발광층 형성부(31)가 구성되어 있다. 그 위에, 예를 들면 p 형 GaAs 로부터 이루어지는 컨택트층(30)이 설치되며, 그 상면에 p 측 전극(32)이, 기판 표면에 n 측 전극(33)이 각각 설치됨으로써 형성되어 있다.
이러한 구조에서, 통상적으로 반도체 기판(21)의 두께는 50 ㎛ 정도, 컨택트층(30)의 두께는 1 ∼ 3 ㎛ 정도로 형성된다. 이러한 반도체 레이저는, 통상 상면전극인 p 측 전극(32)을 서브 마운트 등에 접착하는 페이스다운(졍션(junction)다운) 구조로 마운트하며, 발광층 형성부(31)에서 발생되는 열량이 쉽게 방산되도록 하기 위해, 컨택트층(30)의 두께는, 상술한 바와 같이 1 ∼ 3 ㎛ 정도로 그다지 두껍지 않게 형성된다. 또한, 60 mW 이상의 고출력으로 하려면, 니어 필드 패턴을 크게 할 필요가 있기 때문에, 발광층 형성부(31)에 형성되는 빔 스폿(spot) P 를 크게 하기 위해, 주로 하부 및 상부 글래드층(22, 24, 26)과 활성층(23)으로부터 이루어지는 발광층 형성부(31)의 두께를 4 ∼ 6 ㎛ 정도로 해야 한다.
한편, 예를 들면 특개 2003-86886호공보에 개시되어 있듯이, 활성층으로부터 반도체 기판 이면까지의 거리와, 활성층으로부터 컨택트층 상면까지의 두께를 거의 같게 하고, 예를 들면 컨택트층을 50 ㎛ 정도에서 60㎛ 이하가 되도록 하여, 광학식 픽업에 사용했을 때에, 복귀광에 의한 반사량을 줄여 복귀광이 재차 광디스크에 도달하여 수광 소자에 검출되는 것에 의한 판독 신호의 S/N의 악화를 방지하는 것이 개시되고 있다.
그러나, 상술한 바와 같이, 발광층 형성부를 두껍게 한 고출력용의 반도체 레이저는, COD(파국적 광학 손상)레벨이 낮고, 장시간의 동작(고온 에이징 시험)에 의해 파괴에 이르는 것이 많아, 수명이 짧아져 신뢰성이 낮다고 하는 문제가 있다.
본 발명은 이러한 상황을 감안하여 이루어진 것으로, 고출력용으로 발광층 형성부의 두께가 4 ㎛ 이상으로 두꺼운 반도체 레이저에서도, COD 레벨을 높게 하고, 수명을 길게 할 수 있는 반도체 레이저를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명자는, 고출력용 반도체 레이저를 고온(예를 들면 75℃)에서 고출력(예를 들면 20OmW)의 가속 수명 시험을 하면, 100 ∼ 250 시간이라고 하는 짧은 시간에 파괴되는 반도체 레이저가 발생되는 원인에 대해, 예의 검토를 거듭해 조사한 결과, 반도체 기판(21)으로서 일반적으로 사용되는 GaAs와 발광층 형성부의 AlGaAs 계 화합물 반도체에 있어서, 격자 정수가 약간 다르고, 재료의 열팽창 계수도 다를 뿐만 아니라, 발광층 형성부가 두껍기 때문에 발광층 형성부의 반도체층에 일그러짐이 발생하며, 그 일그러짐 때문에 벽개(劈開)시에, 예를 들면 도 5a에 도시된 바와 같이, 반도체층(하부 글래드층(22))에 벽개단차 F 가 형성되고, 그것에 의해 초기상태의 COD 레벨이 저하되며, 수명 시험에 의해 한층 더 COD 레벨이 저하되기 때문에, 단시간에 파괴에 이르게 된다는 것을 발견하였다.
그리고, 컨택트층에 반도체 기판과 격자 정수 및 열팽창 계수가 거의 같은 반도체 재료를 사용하며, 어느 정도 두껍게 형성하여 발광층 형성부의 반도체층에 걸리는 응력이, 반도체 기판과 컨택트층의 양측으로부터 걸리도록 함으로써, 한방향으로만 잡아당겨지는 일 없이 벽개시에 벽개단차가 발생되는 일도 없으며, COD 레벨의 저하를 방지할 수 있다는 것을 발견하였다. 또한, 발광층 형성부의 두께가 얇으면 응력은 축적되지 않고, 그 영향은 거의 없으나, 발광 출력을 크게하기 위해 발광층 형성부의 두께가 두꺼워지면, 응력이 축적되어 그 영향이 커지기 때문에 발광층 형성부의 응력을 효과적으로 완화하기 위해서는, 발광층 형성부의 두께에 따라 컨택트층의 두께를 두껍게 할 필요가 있다는 것도 발견하였다.
한편, 컨택트층을 너무 두껍게 하면, 졍션다운으로 마운트한 발광층 형성부에서 발열된 열을 충분히 방산할 수가 없고, 반도체 레이저의 수명을 짧게 하게 되며, 결국 컨택트층의 두께를 d1, 발광층 형성부의 두께를 d2라 할 때, 1.5 ≤(d1 /d2) ≤2.8 의 관계가 되도록 컨택트층을 형성함으로써, 발광층 형성부가 4 ㎛ 이상으로 두꺼워도, 하부 글래드층 등에 벽개단차 등이 형성되는 일 없이, COD 레벨을 높게 유지할 수 있고, 가속 수명 시험을 500 시간 이상의 장시간 진행해도 파손되지 않는다는 것을 발견하였다.
본 발명에 의한 반도체 레이저는, 반도체 기판과, 해당 반도체 기판상에 적층되는 제 1 도전형 글래드층, 활성층 및 제 2 도전형 글래드층을 포함하는 발광층 형성부와, 이 발광층 형성부 상에 적층되어, 상기 반도체 기판과 격자 정수 및 열팽창 계수가 거의 같은 재료로부터 이루어지는 컨택트층을 구비하며, 이 컨택트층의 두께를 d1, 상기 발광층 형성부의 두께를 d2 라 할 때, 1.5 ≤(d1/d 2) ≤2.8 이 되도록, 상기 발광층 형성부 및 컨택트층이 형성되어 있다.
상기 반도체 기판의 두께를 d3 라 할 때, 0.2d3 ≤d1 ≤17 ㎛ 가 되도록, 상기 컨택트층의 두께가 설정되는 것이 바람직하다.
상기 발광층 형성부가 AlGaAs 계 화합물 반도체를 주체로 한 반도체로부터 이루어짐과 동시에, 이 발광층 형성부의 두께는 4 ∼ 6 ㎛ 이고, 상기 반도체 기판 및 상기 컨택트층은 GaAs 로부터 이루어지는 것이 고출력용의 반도체 레이저에 특히 적합하다. 또한, AlGaAs 계 화합물 반도체란, Al 과 Ga 와의 혼정 비율이 여러 가지 다를 수 있다는 것을 의미하며, 「주체로 했다」는, 적어도 글래드층, 활성층이 AlGaAs 계 화합물 반도체로부터 되며, 그 이외의 반도체층이 포함되어 있어도 무방하다는 취지이다.
본 발명에 의한 반도체 레이저의 다른 형태는, 반도체 기판과 해당 반도체 기판상에 적층되는 제 l 도전형 글래드층, 활성층 및 제 2 도전형 글래드층을 포함하는 발광층 형성부와, 이 발광층 형성부 상에 적층되는 컨택트층을 구비하며, 상기 반도체 기판 및 컨택트층은 GaAs 로부터 이루어지고, 상기 발광층 형성부가 AlGaAs 계 화합물 반도체를 주체로 하는 반도체로부터 이루어져, 상기 반도체 기판의 두께 d3 는 40 ∼ 60 ㎛, 상기 발광층 형성부의 두께 d2 는 4 ∼ 6 ㎛, 상기 컨택트층의 두께 d1 는 7 ∼ 17 ㎛ 로 형성되어 있다.
다음에, 도면을 참조하면서 본 발명의 반도체 레이저에 대하여 설명한다. 본 발명에 의한 반도체 레이저는, 도 1에 그 일실시 형태의 단면설명도가 도시된 바와 같이, 반도체 기판(1) 상에 제 1 도전형(이하, n 형이라 한다) 글래드층(2), 활성층(3) 및 제 2 도전형(이하, p 형이라 한다) 글래드층(4, 6)을 포함하는 발광층 형성부(8)가 적층되며, 발광층 형성부(8) 상에, 반도체 기판(1)과 격자 정수 및 열팽창 계수가 거의 같은 재료로부터 이루어지는 컨택트층(9)이 적층되어 있다. 이 컨택트층(9)의 두께를 d1, 발광층 형성부(8)의 두께를 d2 라 할 때, 1.5 ≤(d1 /d2) ≤2.8 이 되도록, 발광층 형성부(8) 및 컨택트층(9)이 형성되어 있는 것에 특징이 있다.
이런 종류의 반도체 레이저로서는, 발광층 형성부(8)로서 적외광인 780 nm 파장용의 AlGaAs 계 화합물 반도체나, 적색광인 650 nm 파장 발광용의 InGaAlP 계 화합물 반도체가 사용되며, 이들의 반도체 재료를 적층하기 위한 반도체 기판(1)으로서는 GaAs 기판이 일반적으로 사용되지만, 다른 화합물 반도체라도 무방하다. 또한, 반도체 기판(1)의 도전형은, 반도체 레이저를 조립하는 세트와의 관계로, 기판측에 원하는 도전형의 n 형 또는 p 형의 어느 한쪽이 사용되며, 이 기판(1)의 도전형에 따라 적층되는 반도체층의 도전형도 정해진다. 이하의 구체적인 예에서는 반도체 기판(1)이 n 형인 예로 설명한다. 이 반도체 기판(1)은, 웨이퍼 처리시에는, 200 ∼ 400 ㎛ 정도의 두께가 있으나, 후술하는 전극을 형성하기 전에 이면이 연마되어서, 두께 d3 는 40 ∼ 60 ㎛ 정도로 된다. 기판의 두께는, 벽개전의 두께로, 이 연마 후의 두께를 의미한다.
발광층 형성부(8)로서는, 도 1에 나타내는 예에서는, n 형 글래드층(2), 비도프 또는 n 형 혹은 p 형의 활성층(3) 및 p 형의 제 1 글래드층(4), p 형 에칭 스톱층(5), p 형의 제 2 글래드층(6), 캡층(7), 및 리지 형상으로 에칭된 p 형의 제 2 글래드층(6)의 양측에 매립된 n 형의 전류 블록층(13)으로부터 이루어져있다.
구체적으로는, n 형 GaAs 기판(1)을 예를 들면 MOCVD(유기 금속 화학 기상 성장) 장치내에 넣고, 반응 가스의 트리에틸갈륨(TEG) 또는 트리메틸갈륨(TMG), 트리메틸알루미늄(TMA), 트리메틸인듐(TMln), 포스핀(PH3), 아르신(AsH3) 및 반도체층의 도전형에 대응하여 n 형 도팬트 가스로서의 SiH4 또는 p 형 도팬트 디메틸아연(DMZn) 혹은 시클로펜타디에닐베릴륨(Be(MeCp)2)의 필요한 재료를 캐리어 가스의 수소(H2)와 함께 도입하고, 500 ∼ 700℃ 정도로 각 반도체층을 에피택셜 성장함으로써 상술한 각 반도체층의 적층 구조를 얻을 수 있다.
n 형 글래드층(2)은, 예를 들면 Alx1Ga1-x1As (0.4 ≤x 1 ≤0.7, 예를 들면 x1 = 0.5)로부터 이루어지며, 1 ∼ 4 ㎛ 정도로 형성되고, 활성층(3)은, Aly1Ga1-y1As (0.05 ≤y1 ≤0.2, 예를 들면 y1 = 0.15)의 벌크 구조 또는 Aly2Ga1-y2As (0.04 ≤y2 ≤0.2, 예를 들면 y2 = 0.1)로부터 이루어지는 웰층과 Aly3Ga1-y3As (0.1 ≤y3 ≤0.5, y2 < y3, 예를 들면 y3 = 0.3)로부터 이루어지는 배리어층과의 싱글 혹은 멀티의 양자우물(SQW 또는 MQW)구조에 의해, 전체적으로 0.04 ∼ 0.2 ㎛ 정도로 형성되며, p 형 제 1 글래드층(4)은, Alx2Ga1-x2As (0.4 ≤x2 ≤0.7, 예를 들면 x2 = 0.5)를 0.1 ∼ 0.5 ㎛ 정도로 형성되고 있다. 또한, 활성층(3)과 글래드층(2, 4)의 사이에 광 가이드층을 설치하는 구조 등, 다른 반도체층이 어느 한층 사이에 개재되어도 무방하다.
또한, 에칭 스톱층(5)이, p 형 제 1 글래드층(4) 상에 p 형 또는 비도프의, 예를 들면 In0.49GaO.51P 에 의해 0.01 ∼ 0.05 ㎛ 정도로 형성되며, p 형 제 2 글래드층(6)이, Alx3Ga1-x3As (0.4 ≤x3 ≤0.7, 예를 들면 x3 = 0.5)에 의해, 1 ∼ 3 ㎛ 정도 형성되고, 그 위에 p 형 GaAs로부터 이루어지는 캡층(7)이 0.05 ∼ 0.2 ㎛ 정도 설치되며, 캡층(7) 및 p 형 제 2 글래드층(6)의 양측이 에칭되서 리지부(11)가 형성되며, 그 양측에 예를 들면 AlzGa1-zAs (0.5 ≤z ≤O.8, 예를 들면 z = 0.6)로부터 이루어지는 전류 블록층(13)이 리지부(11)의 옆을 매립하도록 형성됨으로써 발광층 형성부(8)가 형성되어 있다. 상술한 바와 같이, 고출력의 반도체 레이저에서는, 글래드층의 두께를 두껍게 할 필요가 있고, 발광층 형성부(8) 전체의 두께 d2 는, 4 ∼ 6 ㎛ 로 두껍게 형성되어 있다.
또한, 에칭 스톱층(5)은, InO.49GaO.51P 로 한정되지 않고, 예를 들면 I nO.49(Ga0.8Al0.2)O.51P 등을 사용할 수도 있으며, 캡층(7)은 이후의 공정으로 컨택트층을 성장할 때에, 반도체 적층부의 표면에 산화막 등이 형성되어서, 오염되는 것을 방지는 것으로 다른 반도체층이라도 무방하며, 또한, 컨택트층 형성 전에 서멀(thermal)크리닝에 의해 제거되거나 표면의 오염조차 방지할 수 있으면 최초부터 설치하지 않아도 무방하다. 또한, 리지부(11)를 형성하기 위한 에칭은, 예를 들면 CVD 법 등에 의해 SiO2 또는 SiNx 등으로부터 이루어지는 마스크를 형성하고, 예를 들면 드라이 에칭 등에 의해 캡층(7)을 선택적으로 에칭하고, 계속하여 HCl과 같은 에칭액으로, p 형 제 2 글래드층(6)을 에칭함으로써, 도면에 도시된 바와 같이 리지부(11)가 밴드모양(지면과 수직 방향)으로 형성된다. 또한, 더욱 노출된 에칭 스톱층(5)을 제거하는 경우도 있다.
컨택트층(9)은, 발광층 형성부(8) 및 전류 블록층(13) 상에, 예를 들면 p 형 GaAs 층에 의해, 그 두께 d1 가 7 ∼ 17 ㎛ 정도로 형성되어 있다. 즉, 종래의 구조로 1 ∼ 3 ㎛ 정도로 얇게 하고, 서브 마운트 등에 탑재되었을 경우에 발광층 형성부(8)에서 발생되는 열이 방산되기 쉽게 하고 있었지만, 본 발명에서는 열방산을 어느 정도 확보하면서, 발광층 형성부(8)의 두께가 두꺼워지는 것에 기인하여 반도체기판으로부터 발광층 형성부(8)에 발생하는 반도체 기판과의 사이에 생기는 응력이 컨택트층(9)에 의해 완화되도록 컨택트층(9)이 두껍게 형성되어 있다. 그 때문에, 컨택트층(9)으로서는 반도체 기판(1)과 격자 정수가 유사하고, 또한 열팽창 계수도 유사한 재료, 구체적으로는 반도체 기판(1)과 같은 재료의 반도체가 바람직하며, 반도체 기판(1)이 GaAs 인 경우에는, 컨택트층(9)도 GaAs 에 의해 상술한 두께로 형성되어 있다.
또한, 이 컨택트층(9)의 표면에 Ti/Au 등으로부터 이루어지는 p 측 전극(15)이, 그리고, 반도체 기판(1)의 이면에는, 상술한 바와 같이, 연마에 의해 얇게 된 후에 Au/Ge/Ni 또는 Ti/Au 등으로부터 이루어지는 n 측 전극(16)이 각각 형성되어 있다. 그 전극 형성 후에 벽개 등에 의해, 웨이퍼로부터 칩화되어 있다.
다음에, 이 컨택트층(9)을 반도체 기판(1)과 격자 정수 및 열팽창 계수가 거의 같은 재료를 사용하여, 7 ∼ 17 ㎛ 정도로 형성해야 하는 이유에 대해, 이하에서 상세하게 설명한다. 상술한 바와 같이, 본 발명자는 고출력 반도체 레이저는 가속 수명 시험에 의해 단시간에 파손되기 쉽다고 하는 현상을 개선하기 위해 예의 검토를 거듭하였다. 그 결과, 발광층 형성부(8)와 반도체 기판(1) 사이의 격자 정수나 열팽창 계수의 차이에 의거하여 발광층 형성부(8)에 일그러짐이 생기고, 그 일그러짐이 원인이 되어 웨이퍼로부터 칩화될 때의 벽개에 의한 외력으로, 반도체 기판(1)에 근접한 하부 글래드층(2) 등에, 도 5a에 F 로 도시되어 있는 것과 같이 벽개단차(크랙)가 형성되고, 이 단차에 의해 COD 레벨이 낮아지는 것이 수명 시험에서 파손되는 원인임을 발견하였다.
즉, 예를 들면 780 nm 파장의 반도체 레이저에서는, 발광층 형성부(8)의 반도체 재료로서 AlGaAs 계 화합물이 사용되며, 반도체 기판(1)의 GaAs 의 격자 정수는 0.5653 nm, 선팽창 계수는 6.03 (×10-6/K)인데, 예를 들면 Al0.53Ga0.47 As의 격자 정수는 0.5657 nm, 선팽창 계수는 5.04 (×10-6/K)로, 모두 다르며, 더욱이 고출력 반도체 레이저에서는, 상술한 바와 같이 글래드층(2, 4, 6)을 두껍게 할 필요가 있고, 발광층 형성부(8)의 두께가 5 ㎛정도로 되기 때문에, 반도체 기판(1)으로부터의 응력이 크게 작용하여 벽개단차 F 가 형성되는 것이라고 생각된다.
이 반도체 기판과 발광층 형성부 사이의 일그러짐은, 발광층 형성부가 고출력용이 아닌 3 ㎛ 정도의 두께인 경우에는, 격자 정수나 열팽창 계수의 차이가 약간 있어도, 벽개단차가 형성되는 것과 같은 일그러짐의 축적으로는 되지 않기 때문에, 거의 문제시 되지 않았지만, 고출력용으로 발광층 형성부의 두께가 4 ㎛ 정도 이상으로 두꺼워지면 일그러짐이 축적되기 때문에, 종래 구조의 컨택트층이 얇은 반도체 레이저에서는, 도 5b에 응력 관계가 모식적으로 도시된 바와 같이, 반도체 기판(21)에 잡아 당겨져서 인장된 발광층 형성부(31)에 일그러짐이 축적되고, 컨택트층(30)이 얇으면 컨택트층(30)도 반도체 기판(21)의 응력에 대향할 수 없고, 발광층 형성부(31)에 일방적인 응력이 가해진 상태로 된다. 이 상태로 벽개 등의 외력이 가해지면, 도 5a에 도시된 바와 같이 발광층 형성부(31)의 반도체층에 벽개단차 F 가 형성되고 만다.
그리고, 본 발명과 같이 컨택트층(9)에 반도체 기판(1)과 격자 정수 및 열팽창 계수가 거의 같은 반도체 재료, 예를 들면 GaAs 기판의 경우, 컨택트층(9)으로서 GaAs 를 사용하여 어느 정도 두껍게 형성함으로써, 도 4에 도 5b와 같은 응력 관계의 모식도가 도시되는 바와 같이, 발광층 형성부(8)의 반도체층에 걸리는 응력이 반도체 기판(1)과 컨택트층(9)의 양측으로부터 반대 방향에 걸리고, 한방향으로만 잡아 당겨지는 일이 없으며, 벽개 시에 벽개단차가 생기는 일도 없이 COD 레벨이 저하되지 않는다는 것을 발견하였다.
상술한 도 1에 도시된 구조(발광층 형성부의 두께 d2 = 5 ㎛)에서, 컨택트층(9) 이외는 동일한 구조로, 컨택트층(9)의 두께만을 다양하게 변화시켜서, 그 때의 초기의 COD를 조사한 결과가 도 2a의 A로 도시되어있다. 또한, 각 두께에 대한 COD의 값은 각각의 두께로 샘플 30 개씩에 대한 평균치이다. 또한, 상술한 바와 같이, 발광층 형성부(8)의 두께가 얇으면, 응력에 의한 벽개단차는 거의 일어나지 않으며, 컨택트층(9)의 두께는, 발광층 형성부(8)의 두께 d2 가 두꺼워질 수록 기판과의 관계로 응력의 영향이 커지는 것을 엿 볼 수 있기 때문에, 니어 필드 패턴을 일정하게 하여 글래드층의 두께를 바꾸어 줌으로써, 발광층 형성부(8)의 두께 d2 를 4 ㎛ 와 6 ㎛ 로하여 동일하게 컨택트층의 두께를 바꾸었을 때의 COD의 변화를 조사한 결과를 도 2a에, 발광층 형성부(8)의 두께 d2 가 4 ㎛ 인 때를 B, 6 ㎛ 인 때를 C 로하여 동일하게 나타내었다.
도 2a로부터 명백히 알 수 있듯이, 컨택트층(9)의 두께를 두껍게 할 수록 COD 레벨이 높아지는 것을 알 수 있다. 또한, 일반적으로 에이징을 하면, 도 2b에 나타나듯이, COD 레벨이 내려가는 것이 알려져 있고, 예를 들면 도 2b에 도시된 예에서는, 75℃, 20O mW 출력으로 에이징을 실시하고 있기 때문에, COD 레벨이 200 mW 까지 저하되면 곧바로 파괴되어 버린다. 그 때문에, 초기의 COD 레벨을 높게 해 두는 것이 필요하며, 도 2a에 도시된 바와 같이 COD 레벨을 400 mW 이상으로 형성해 둠으로써, 500 시간 이상의 가속 에이징을 실시하여도 파손되는 일은 없다. 도 2a의 A, B, C 보다, (컨택트층의 두께 d1)/(발광층 형성부의 두께 d2) 가 거의 1.5 이상이 되면, 초기의 COD 는 400 mW 이상의 레벨로 된다.
한편, 컨택트층을 너무 두껍게 하면, 페이스다운으로 마운트하더라도 발광층 형성부에서 발열된 열을 충분히 방산할 수 없어, 반도체 레이저의 수명이 짧아지게 된다. 즉, 컨택트층의 두께 d1 와 방열의 불량도에 의해 반도체 레이저의 고온 특성(동작전류 Iop)에의 영향을 조사한 결과가 도 3에 도시된 바와 같이, d1 을 18 ㎛ 이상으로 두껍게 하면 반도체 레이저의 특성이 열화된다. 그 때문에, 격자 정수나 열팽창 계수의 차이에 의거하는 응력의 영향을 제거하기 위해서는, 컨택트층(9)이 두꺼울 수록 바람직하지만, 방열 특성의 영향도 고려하게 되면 컨택트층(9)의 두께는 17 ㎛ 이하로 할 필요가 있다.
이상의 검토 결과를 종합하면, 결국 컨택트층의 두께를 d1, 발광층 형성부의 두께를 d2 라 할 때, 1.5 ≤(d1/d2) ≤2.8 의 관계가 되도록 컨택트층을 형성함으로써, 발광층 형성부가 4 ㎛ 이상으로 두꺼워도 하부 글래드층 등에 벽개단차 등이 형성되지 않으면서, COD 레벨을 높게 유지할 수 있어 가속 수명 시험을 500 시간 이상으로 장시간 행해도 파손되지 않았다.
상술한 바와 같이, 발광층 형성부에 벽개단차가 생성되는 것은 발광층 형성부의 두께에 의존하고 있지만, 이것은, 반도체 기판의 두께에도 의존하는 것으로 예상되며, 본 발명자가 더욱 검토를 거듭한 결과, 반도체 기판(1)의 두께 d3 는, 웨이퍼 공정에서의 핸들링시에 있어서의 파손 방지의 관점으로부터, 적어도 40 ㎛ 이상은 필요하며, 발광층 형성부(8)의 두께 d2 가 4 ∼ 6 ㎛ 정도이고, 반도체 기판(1)의 두께 d3 의 0.2 배 이상이면, 상술한 COD 레벨을 400 mW 이상으로 할 수 있다는 것을 발견하였다. 즉, 상술한 방열 특성을 고려하면 0.2d3 ≤d1 ≤17 ㎛를 만족하도록 전술한 컨택트층이나 반도체 기판의 두께가 설정되는 것이 바람직하다.
상술한 검토 결과보다 바람직한 반도체 레이저로서는, 반도체 기판(1) 및 컨택트층(9)은 GaAs 로부터 이루어지며, 발광층 형성부(8)는 AlGaAs 계 화합물 반도체(배리어층 등 어느 한층은 Al의 혼정 비율이 O 인 층도 포함된다)를 주체로 하는(InGaP 등의 층이 포함되어도 무방하다는 취지)반도체로부터 이루어지며, 반도체 기판(1)의 두께 d3 는 40 ∼ 60 ㎛, 발광층 형성부(8)의 두께 d2 는 4 ∼ 6 ㎛, 컨택트층(9)의 두께 d1 는 7 ∼ 17 ㎛ 로 형성되도록 하는 것이, 780 nm 근방의 적외 영역에서 80 mW 이상, 보다 바람직하지는 100 mW 이상의 고출력의 반도체 레이저를 제조하는데 바람직하다. 더욱이, 이 출력은, 펄스 발진의 경우에는, 그 피크 출력을 의미한다.
그러나, 본 발명은 발광층 형성부가 AlGaAs 계 화합물로부터 이루어지는 경우에 제한되지 않으며, 적색계의 InGaAlP 계 화합물 반도체(In0.49(Ga1-wAlw )0.51P 의 구성으로, Al 와 Ga 의 혼정 비율이 다양하게 변화될 수 있는 것)로부터 이루어지는 경우라도, 똑같이 본 발명을 적용할 수 있다. 즉, InGaAlP 계 화합물 반도체는, 격자 정수는 비교적 GaAs 의 격자 정수에 접근시키기 쉽지만, 그래도 완전하게는 일치시킬 수 없으며, 또한, 선팽창 계수는 In0.49(Ga0.3A10.7)0.51 P 의 경우에, 5.1(×10-6/K)이며, 상술한 GlaAs 의 선팽창 계수 6.03(×10-6/K)와 달라져 있고 동일한 문제가 생긴다. 그러나, 본 발명의 컨택트층을 일정한 두께로 두껍게 형성함으로써, 이러한 문제를 해소할 수 있다.
InGaAlP 계 화합물로 구성되는 경우에는, 상술한 n 형 및 p 형 글래드층으로서 In0.49(Ga1-uAlu)0.51P (0.45 ≤u ≤0.8, 예를 들면 u = 0.7)를, 활성층으로서 In0.49(Ga1-v1Alv1)O.51P (0 ≤v1 ≤O.25, 예를 들면 v1 = 0) / In0.49(Ga1-v2Alv2)O.51P (0.3 ≤v2 ≤0.7, 예를 들면 v2 = 0.4)에 의한 다중 양자우물(MQW) 구조 등으로, 또한, 전류 블록층으로서, InAlP 또는 GaAs 를 사용함으로써 형성되는 것 이외는, 상술한 예와 같게 구성될 수 있다.
본발명에 의하면, 상술한 바와 같이 고출력용으로 발광층 형성부가 두꺼워져도, 컨택트층이 1.5 ≤(d1/d2) ≤2.8 의 관계를 만족하도록 두껍게 형성되고 있기 때문에, 반도체 기판만의 한쪽으로부터의 응력이 아니라, 양측으로부터 응력이 작용하여 일방적인 일그러짐이 생기지 않는다. 그 때문에, 벽개를 하는 경우라도, 그 외력에 의해 발광층 형성부에 벽개단차가 생성되지 않으며, COD를 저하시키지도 않게된다. 한편, 컨택트층의 두께는 그 상한도 정해져 있고, 동작시에 발광층 형성부에서 발생하는 열은 페이스다운으로 서브 마운트 등에 마운트됨으로써, 충분히 열방산을 할 수 있어, 열에 의한 발광층 형성부의 열화가 없으며 반도체 레이저의 고특성을 유지함과 동시에, 장기 수명화를 달성할 수 있다.
상술한 각 예에서는, 리지 구조의 반도체 레이저에 대한 것이였지만, 전류 블록층을 글래드층의 사이에 적층하여 전류 주입 영역으로 하는 스트라이프홈을 에칭에 의해 제거하는 SAS 구조 등, 다른 구조의 반도체 레이저에서도 동일함은 말할 것도 없다.
본 발명은, CD, DVD, DVD-ROM, 데이터 기록이 가능한 CD-R/RW 등의 픽업용 광원에 사용할 수 있고, 퍼스널 컴퓨터 등의 전기 기기에 사용할 수 있다.
본 발명의 구조에 의하면, 컨택트층의 두께는 종래의 1 ∼ 3 ㎛ 정도로부터 7 ∼ 17 ㎛ 정도로 두꺼워져 있기 때문에, 반도체 기판과 발광층 형성부와의 격자 정수나 열팽창 계수의 차이에 의거하는 응력이 발광층 형성부에 인가되어도, 발광층 형성부의 반도체 기판과 반대측에는 반도체 기판과 격자 정수나 열팽창 계수가 거의 같은 재료로부터 이루어지는 컨택트층이 두껍게 형성되어 있음으로써, 발광층 형성부에는, 기판과 반대측으로부터도 같은 응력이 작용하게 된다. 그 때문에, 발광층 형성부는 어느 한쪽 만으로부터만 응력을 받는 것이 아니라, 양측으로부터 같은 응력을 받게 되어, 밸런스를 유지할 수 있다.
그 결과, 벽개를 행하는 것과 같은 외력이 가해지는 경우에 있어서도, 응력에 의거하여 발광층 형성부에 벽개단차가 형성되지 않고, COD 레벨이 저하되지 않는다. 초기의 COD 레벨이 높게 유지됨으로써, 가속 에이징을 실시해 COD 레벨이 서서히 내려가더라도, 파괴 레벨까지는 충분한 여유가 있기 때문에, 매우 장시간 에이징 시험을 실시해도 파손되지 않는 신뢰성 높은 반도체 레이저를 얻을 수 있다.
한편, 컨택트층이 너무 두꺼워지면, 상면측을 서브마운트 등에 본딩 하는 페이스다운(졍션다운) 구조로 실장하더라도, 발광층 형성부에서 발생되는 열의 방산이 나빠지고 발광 특성이 저하되지만, 본 발명에서는 발광층 형성부의 두께의 2.8 배 이하로 억제하고 있기 때문에, 예를 들면 발광층 형성부의 두께가 5 ㎛ 라도, 컨택트층의 두께는 14 ㎛가 되고, 14 ㎛ 정도이면 충분히 열전도에 의해 발광층 형성부에서 발생되는 열을 방열할 수 있다. 그 결과, 열팽창 계수나 격자 정수의 차이에 의거하는 응력이나 발광에 수반하는 열의 발생에 의한 발광층 형성부의 열화를 초래하지 않고, 높은 COD 레벨을 유지하여 신뢰성이 높은 반도체 레이저를 얻을 수 있다.
또한, 반도체 기판의 두께를 d3 라 할 때, O.2d3 ≤d1 ≤17 ㎛ 가 되도록 컨택트층의 두께가 설정됨으로써, 더욱 신뢰성을 향상시킬 수 있다. 즉, 반도체 기판의 두께가 두꺼울 수록 발광층 형성부에 부여하는 응력의 관계가 크고, 반도체 기판의 두께가 얇을 수록 그 영향은 작다. 그 때문에, 반도체 기판의 두께에 의해서도 컨택트층의 두께가 제한됨으로써, 반도체 기판에 의한 응력의 영향을 완화할 수 있고, 보다 한층 COD 레벨의 저하를 방지하여 신뢰성을 향상시킬 수 있다. 이 경우, 반도체 기판의 두께가 두꺼워도 컨택트층의 상한을 17 ㎛ 로 함으로써, 발광층 형성부에서 발생하는 열을 효율적으로 방산시킬 수 있고, 발광층 형성부의 열화를 억제할 수 있다.
도 1은 본 발명의 반도체 레이저의 일실시 형태를 나타내는 단면설명도.
도 2a 및 2b는 컨택트층의 두께에 대한 COD의 변화 및 에이징에 의한 COD의 변화를 나타내는 도면.
도 3은 컨택트층의 두께에 대한 고온 특성의 변화를 나타내는 도면.
도 4는 도 1에 도시된 구조에 의한 발광층 형성부와 반도체 기판 및 컨택트층의 응력의 관계를 모식적으로 나타내는 도면.
도 5a 및 5b는 종래 구조의 반도체 레이저로 벽개단차(劈開段差)가 형성되는 모습 및 그 때의 각층에 있어서의 응력의 관계를 모식적으로 나타내는 도면.
도 6은 종래의 리지 구조의 반도체 레이저를 나타내는 단면설명도.

Claims (9)

  1. 반도체 기판과,
    해당 반도체 기판 상에 적층되는 제 l 도전형 글래드층, 활성층 및 제 2 도전형 글래드층을 포함하는 발광층 형성부와,
    해당 발광층 형성부 상에 적층되고, 상기 반도체 기판과 격자 정수 및 열팽창 계수가 거의 같은 재료로부터 이루어지는 컨택트층을 구비하며,
    해당 컨택트층의 두께를 d1, 상기 발광층 형성부의 두께를 d2 로 할 때, 1.5 ≤(d1/d2) ≤2.8 이 되도록, 상기 발광층 형성부 및 상기 컨택트층이 형성되어 이루어지는 반도체 레이저.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 반도체 기판의 두께를 d3 로 할 때, 0.2d3 ≤d1 ≤17 ㎛ 로 되도록, 상기 컨택트층의 두께가 설정되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 발광층 형성부의 두께 d2 는 4 ∼ 6 ㎛ 인 것을 특징으로 하는 반도체 레이저.
  4. 제 2항에 있어서,
    상기 반도체 기판의 두께 d3 는 40 ∼ 60 ㎛ 인 것을 특징으로 하는 반도체 레이저.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 발광층 형성부는 AlGaAs 계 화합물 반도체를 주체로 하는 반도체로부터 이루어지며, 상기 반도체 기판 및 상기 컨택트층은 GaAs 로부터 이루어지는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 발광층 형성부는 InGaAlP 계 화합물 반도체를 주체로 하는 반도체로부터 이루어지며, 상기 반도체 기판 및 상기 컨택트층은 GaAs 로부터 이루어지는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 발광층 형성부는 리지 구조인 것을 특징으로 하는 반도체 레이저.
  8. 제 1항에 있어서,
    발광 출력은 80 mW 이상의 고출력인 것을 특징으로 하는 반도체 레이저.
  9. 반도체 기판과,
    해당 반도체 기판 상에 적층되는 제 l 도전형 글래드층, 활성층 및 제 2 도전형 글래드층을 포함하는 발광층 형성부와,
    해당 발광층 형성부 상에 적층되는 컨택트층을 구비하며,
    상기 반도체 기판 및 상기 컨택트층은 GaAs 로부터 이루어지며, 상기 발광층 형성부는 AlGaAs 계 화합물 반도체를 주체로 하는 반도체로부터 이루어지며, 상기 반도체 기판의 두께 d3 는 40 ∼ 60 ㎛, 상기 발광층 형성부의 두께 d2 는 4 ∼ 6 ㎛, 상기 컨택트층의 두께 d1 는 7 ∼ 17 ㎛ 로 형성되어서 이루어지는 반도체 레이저.
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