JP2005333129A

JP2005333129A - 半導体レーザーダイオード

Info

Publication number: JP2005333129A
Application number: JP2005137574A
Authority: JP
Inventors: Soo-Haeng Cho; 秀行趙
Original assignee: Samsung Electro Mechanics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electro Mechanics Co Ltd
Priority date: 2004-05-20
Filing date: 2005-05-10
Publication date: 2005-12-02
Also published as: KR20050110902A; US7263114B2; US20050259707A1; CN1700542A; CN100463314C

Abstract

【課題】半導体レーザーダイオードを提供する。
【解決手段】活性層１３０と、活性層１３０の上部に形成される上部クラッド層１２１と、活性層１３０の下部に形成される第１下部クラッド層１１１ａと、第１下部クラッド層１１１ａの下部に形成される第２下部クラッド層１１１ｂと、第２下部クラッド層１１１ｂの下部に形成される基板１１０と、を備え、第１下部クラッド層１１１ａの屈折率は上部クラッド層１２１の屈折率と同じであり、第２下部クラッド層１１１ｂの屈折率より小さいことを特徴とする半導体レーザーダイオードである。
【選択図】図３

Description

本発明は、半導体レーザーダイオードに関し、詳細には、非対称的な屈折率を有するクラッド層を備えた改善された構造の半導体レーザーダイオードに関する。

一般的に、半導体レーザーダイオードは、比較的小型であり、かつレーザー発振のための閾値電流（ｔｈｒｅｓｈｏｌｄｃｕｒｒｅｎｔ）が一般のレーザー装置に比べて小さいという点などの特徴のために、通信分野や光ディスクが使われるプレーヤーにおける高速データ伝送や高速データ記録及び読み取りのための素子として広く使われている。

図１Ａには、従来の半導体レーザーダイオードの断面が図示されており、図１Ｂには、図１Ａに示された半導体レーザーダイオードの屈折率プロファイル（ｒｅｆｒａｃｔｉｖｅｉｎｄｅｘｐｒｏｆｉｌｅ）及び光フィールド分布（ｏｐｔｉｃａｌｆｉｅｌｄｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ）が図示されている。

図１Ａ及び図１Ｂを参照すれば、従来の半導体レーザーダイオードは、基板１０上にｎ−クラッド層１１、ｎ−導波層１２、活性層３０、ｐ−導波層２２及びｐ−クラッド層２１が順次に積層される構造を有する。そして、前記ｐ−クラッド層２１には、リッジの形成のためのエッチング阻止層２３が介在される。前記ｐ−クラッド層２１の上面及び基板１０の底面には、各々ｐ−電極層４０及びｎ−電極層５０が形成される。

ここで、活性層３０の上下に各々形成されるｐ−クラッド層２１及びｎ−クラッド層１１は、活性層３０の屈折率ｎ_{ａｃｔｉｖｅ}より低い屈折率ｎ_{ｕｐｐｅｒ}、ｎ_{ｌｏｗｅｒ}を有し、ここにおいて、ｐ−クラッド層２１の屈折率ｎ_{ｕｐｐｅｒ}とｎ−クラッド層１１の屈折率ｎ_{ｌｏｗｅｒ}は同一である。

しかし、一般的な光貯蔵装置では、効率的なカップリングのために半導体レーザーダイオードが約１９°以下の小さな垂直ビーム発散角（ｖｅｒｔｉｃａｌｂｅａｍｄｉｖｅｒｇｅｎｃｅａｎｇｌｅ）を有するように要求されるが、前記のような構造の半導体レーザーダイオードでは、高出力を得るために薄い導波層が形成されれば、小さな垂直ビーム発散角を得られないという問題点がある。

このような問題点を解決するために、非対称的な屈折率を有するクラッド層を備えた半導体レーザーダイオードの屈折率プロファイルが図２Ａに示されている。図２Ａを参照すれば、活性層の両側にｐ−クラッド層及びｎ−クラッド層が各々形成され、この時、ｎ−クラッド層はｐ−クラッド層より高い屈折率を有するように形成される。したがって、前記ｐ−クラッド層及びｎ−クラッド層は、活性層を中心に互いに非対称的な屈折率を有する。

前記のような構造の半導体レーザーダイオードは、近距離フィールドを分散させることによって、垂直ビーム発散角を減少させうるという長所がある。しかし、近距離フィールドの非対称が激しくなって、図２Ｂに示されたように、出力パワーによってレーザービームの偏向が発生する問題があり、屈折率と反比例するポテンシャル障壁エネルギーがｎ−クラッド層で減少することによって、さらに多くのキャリア流出が発生する可能性が高まる。

本発明は前記問題点を解決するために案出されたものであって、非対称的な屈折率を有するクラッド層を備える、改善された構造の半導体レーザーダイオードを提供することを目的とする。

前記目的を達成するために、本発明に係る半導体レーザーダイオードは、活性層と、前記活性層の上部に形成される上部クラッド層と、前記活性層の下部に形成される第１下部クラッド層と、前記第１下部クラッド層の下部に形成される第２下部クラッド層と、前記第２下部クラッド層の下部に形成される基板と、を備え、前記第１下部クラッド層の屈折率は、前記上部クラッド層の屈折率と同じであり、前記第２下部クラッド層の屈折率より小さいことを特徴とする。

ここで、前記上部クラッド層内には、エッチング阻止層が形成されうる。

前記上部クラッド層の上面及び前記基板の下面には、各々第１電極層及び第２電極層が備えられる。

前記活性層は、多重量子ウェル構造または単一量子ウェル構造を有することができる。

前記活性層は、ＧａＩｎＰ系列の化合物半導体よりなりうる。

前記上部クラッド層は、ｐ−ＡｌＧａＩｎＰ系列の化合物半導体よりなり、前記第１下部クラッド層及び第２下部クラッド層は、ｎ−ＡｌＧａＩｎＰ系列の化合物半導体よりなりうる。

前記活性層と上部クラッド層との間、及び前記活性層と第１下部クラッド層との間には、各々上部導波層及び下部導波層がさらに形成されることが望ましい。ここで、前記上部導波層及び下部導波層は、各々ｐ−ＡｌＧａＩｎＰ及びｎ−ＡｌＧａＩｎＰ系列の化合物半導体よりなりうる。

本発明による半導体レーザーダイオードによれば、次のような効果がある。

第１に、上部クラッド層及び下部クラッド層が活性層を中心に非対称の屈折率を有することによって、近距離フィールドの分散による垂直ビーム発散角の減少効果が得られる。

第２に、２個の下部クラッド層のうち、活性層に近く位置する下部クラッド層が上部クラッド層と同じ屈折率を有することによって、光閉じ込め係数の減少を相対的に減らせるため、結果として、閾値電流を減少させうる。

第３に、下部クラッド層のポテンシャル障壁エネルギーが減少せず、キャリアの閉じ込めがさらに効果的になされる。

以下、添付された図面を参照して本発明による望ましい実施形態を詳細に説明する。

なお、本発明に係る半導体レーザーダイオードは、以下の実施形態に示される積層構造に限定されるものではなく、ＩＩＩ−Ｖ族の異なる化合物半導体物質も含む多様な他実施形態が可能であることは言うまでもない。

図３は、本発明の実施形態に係る半導体レーザーダイオードの断面を示すものであって、図４は図３に示された半導体レーザーダイオードの屈折率プロファイル及び光フィールド分布を示すものである。

図３及び図４を参照すれば、本発明の実施形態に係る半導体レーザーダイオードは、ＧａＡｓよりなる基板１１０と、その基板１１０上に順次に積層された下部クラッド層１１１と、活性層１３０と、上部クラッド層１２１と、を備える。ここで、前記下部クラッド層１１１は、第１及び第２下部クラッド層１１１ａ、１１１ｂで構成される。一方、活性層１３０と第１下部クラッド層１１１ａとの間、及び活性層１３０と上部クラッド層１２１との間には、各々下部導波層１１２及び上部導波層１２２が形成されうる。そして、前記上部クラッド層１２１の上面及び基板１１０の下面には、各々第１電極層１４０及び第２電極層１５０が形成される。

前記第２下部クラッド層１１１ｂは、前記第１下部クラッド層１１１ａの屈折率ｎ_{ｌｏｗｅｒ１}より高い屈折率ｎ_{ｌｏｗｅｒ２}を有する化合物半導体層で形成される。このために、第１下部クラッド層１１１ａ及び第２下部クラッド層１１１ｂは、例えばｐ−ＡｌＧａＩｎＰ系列の化合物半導体で形成されることができ、基板１１０上に形成される第２下部クラッド層１１１ｂは、ｎ−（Ａｌ_０．６８Ｇａ_０．３２）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐ化合物半導体よりなりえ、前記第２下部クラッド層１１１ｂの上面に形成される第１下部クラッド層１１１ａは、ｎ−（Ａｌ_０．７Ｇａ_０．３）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐ化合物半導体よりなりうる。前記のような第２及び第１下部クラッド層１１１ｂ、１１１ａは、基板１１０上にＡｌＧａＩｎＰ系列の化合物半導体をエピタキシャル成長させつつ、Ａｌの組成を変化させることによって形成しうる。また、前記第１及び第２下部クラッド層１１１ａ、１１１ｂは、ＩＩＩ−Ｖ族の異なる化合物半導体よりなっても良い。

前記第１下部クラッド層１１１ａの上面には、下部導波層１１２、活性層１３０、上部導波層１２２の順にそれぞれが形成される。ここで、レーザー発振を案内する下部導波層１１２及び上部導波層１２２は、下部及び上部クラッド層１１１、１２１の屈折率より高い屈折率を有する化合物半導体層で形成される。このために、前記下部導波層１１２及び上部導波層１２２は、例えばｎ−ＡｌＧａＩｎＰ系列の化合物半導体及びｐ−ＡｌＧａＩｎＰ系列の化合物半導体で形成されることができ、各々ｎ−（Ａｌ_０．５Ｇａ_０．５）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐ化合物半導体及びｐ−（Ａｌ_０．５Ｇａ_０．５）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐ化合物半導体よりなりうる。

そして、レーザー発振を起こす活性層１３０は、前記下部及び上部導波層１１２、１２２の屈折率より高い屈折率ｎ_{ａｃｔｉｖｅ}を有する化合物半導体層で形成され、例えばＧａＩｎＰ系列の化合物半導体で形成されることができ、このために前記活性層１３０は、Ｇａ_０．５Ｉｎ_０．５Ｐ化合物半導体よりなりうる。ここで、前記活性層１３０は、多重量子ウェルまたは単一量子ウェルのうち何れか１つの構造を有しうる。

前記上部導波層１２２の上面に形成される上部クラッド層１２１は、第１下部クラッド層１１１ａの屈折率ｎ_{ｌｏｗｅｒ１}と同じ屈折率ｎ_{ｕｐｐｅｒ}を有する化合物半導体層で形成される。この目的のために、前記上部クラッド層１２１は、例えばｐ−ＡｌＧａＩｎＰ系列の化合物半導体で形成されることができ、ｐ−（Ａｌ_０．７Ｇａ_０．３）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐ化合物半導体よりなりうる。一方、前記上部クラッド層１２１の内部には、エッチング阻止層１２３が形成されるが、このようなエッチング阻止層１２３は、上部クラッド層１２１の上部をエッチングしてリッジを形成する際に、所望の高さのリッジを正確に形成するために備えられる層である。

前記上部クラッド層１２１の上面には、ｐ−電極層の第１電極層１４０が形成され、前記基板１１０の下面には、ｎ−電極層の第２電極層１５０が形成される。

前述したように、本発明の実施形態に係る半導体レーザーダイオードでは、下部クラッド層１１１を第１及び第２下部クラッド層１１１ａ、１１１ｂに分けて、第２下部クラッド層１１１ｂの屈折率ｎ_{ｌｏｗｅｒ２}を第１下部クラッド層１１１ａの屈折率ｎ_{ｌｏｗｅｒ１}より高め、第１下部クラッド層１１１ａの屈折率ｎｌｏｗｅｒ１を上部クラッド層１２１の屈折率ｎ_{ｕｐｐｅｒ}と同一にした。このように、上部及び下部クラッド層１２１、１１１が活性層１３０を中心に相互非対称の屈折率を有するならば、近距離フィールドを分散させることによって、垂直ビーム発散角を減少させる効果が得られる。また、上部クラッド層１２１と同じ屈折率を有する第１下部クラッド層１１１ａによって、光閉じ込め係数（ｏｐｔｉｃａｌｃｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔｆａｃｔｏｒ）の減少レベルを相対的に減らせるためので、結局ビーム発散角が大きくなることによる不回避な閾値電流の増加レベルを相対的に低減させうる。また、図２Ａに示されている従来の屈折率非対称の構造とは異なり、本発明では第１下部クラッド層１１１ａの屈折率が上部クラッド層１２１の屈折率と同じであるために、レーザービームの偏向を防止でき、第１下部クラッド層１１１ａのポテンシャル障壁エネルギーが減少されず、キャリアの閉じ込めがさらに効果的になされる。

表１及び図５は、従来の対称屈折率（ｓｙｍｍｅｔｒｉｃｒｅｆｒａｃｔｉｖｅｉｎｄｅｘ）を有する上下部クラッド層を備えた半導体レーザーダイオードと本発明による非対称の屈折率（ａｓｙｍｍｅｔｒｉｃｒｅｆｒａｃｔｉｖｅｉｎｄｅｘ）を有する上下部クラッド層を備えた半導体レーザーダイオードで垂直ビーム発散角の実験値を比較して示す表及びボックスプロットである。

表１及び図５を参照すれば、従来の半導体レーザーダイオードでの垂直ビーム発散角の平均値は２１．８０°であり、本発明による半導体レーザーダイオードでの垂直ビーム発散角は１７．４８°である。これにより、本発明による半導体レーザーダイオードは、従来の半導体レーザーダイオードより垂直ビーム発散角が約２０％小さくなったことが分かる。

以上、本発明に係る望ましい実施形態が説明されたが、これは例示的なもの過ぎず、当業者ならば、これより多様な変形及び均等な他の実施形態が可能であるという点を理解できるであろう。したがって、本発明の真の技術的保護範囲は特許請求の範囲によって決まらねばならない。

本発明は通信分野や光ディスクプレーヤーに用いられる半導体レーザーダイオード関連技術分野に好適に適用されうる。

従来の半導体レーザーダイオードの断面を示す図面である。図１Ａに示された半導体レーザーダイオードの屈折率プロファイル及び光フィールド分布を示す図面である。従来の他の半導体レーザーダイオードの屈折率プロファイルを示す図面である。図２Ａに示された半導体レーザーダイオードのレーザービームの偏向を示す図面である。本発明の実施形態による半導体レーザーダイオードの断面を示す図面である。図３に示された半導体レーザーダイオードの屈折率プロファイル及び光フィールド分布を示す図面である。本発明に係る半導体レーザーダイオードと従来の半導体レーザーダイオードの垂直ビーム発散角とを比較して示すボックスプロットである。

符号の説明

１１０基板、
１１１下部クラッド層、
１３０活性層、
１２１上部クラッド層、
１１１ａ第１下部クラッド層、
１１１ｂ第２下部クラッド層、
１１２下部導波層、
１２２上部導波層、
１４０第１電極層、
１５０第２電極層。

Claims

活性層と、
前記活性層の上部に形成される上部クラッド層と、
前記活性層の下部に形成される第１下部クラッド層と、
前記第１下部クラッド層の下部に形成される第２下部クラッド層と、
前記第２下部クラッド層の下部に形成される基板と、を備え、
前記第１下部クラッド層の屈折率は、前記上部クラッド層の屈折率と同じであり、前記第２下部クラッド層の屈折率より小さいことを特徴とする半導体レーザーダイオード。
前記上部クラッド層内には、エッチング阻止層が形成されることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザーダイオード。
前記上部クラッド層の上面及び前記基板の下面には、各々第１電極層及び第２電極層が備えられることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザーダイオード。
前記活性層は、多重量子ウェル構造または単一量子ウェル構造を有することを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザーダイオード。
前記活性層は、ＧａＩｎＰ系列の化合物半導体よりなることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザーダイオード。
前記上部クラッド層は、ｐ−ＡｌＧａＩｎＰ系列の化合物半導体よりなることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザーダイオード。
前記第１下部クラッド層及び第２下部クラッド層は、ｎ−ＡｌＧａＩｎＰ系列の化合物半導体よりなることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザーダイオード。
前記活性層と上部クラッド層との間、及び前記活性層と第１下部クラッド層との間には、各々上部導波層及び下部導波層がさらに形成されることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザーダイオード。
前記上部導波層及び下部導波層は、各々ｐ−ＡｌＧａＩｎＰ及びｎ−ＡｌＧａＩｎＰ系列の化合物半導体よりなることを特徴とする請求項８に記載の半導体レーザーダイオード。