JP2007158353A - 埋め込み型リッジ導波路レーザダイオード - Google Patents

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Abstract

【課題】埋め込み型リッジ導波路レーザダイオードを提供すること。
【解決手段】クラッド層上の一部に同じ幅に垂直に延びている、選択的エッチング層と第1導電型の第1化合物層で構成されたリッジ領域を備え、リッジ領域の外側のクラッド層上にリッジ領域の深さと同じ厚さを有し、第1導電型と逆の第2導電型の第2化合物層を備えるp−n−p電流遮断層を備え、電流遮断層は、第2化合物層上に拡張された第1化合物層を備える埋め込み型リッジ導波路レーザダイオードである。
【選択図】図2

Description

本発明は、レーザダイオードに関し、より詳細には、電流遮断層を備える埋め込み型リッジ導波路レーザダイオードに関する。
一般的に、レーザダイオードでの光導波路構造は、横方向への導波ビームの形成原理によって、利得導波路型と屈折率導波路型とに大別される。屈折率導波路型は、素子の構造によって、強い屈折率導波路型と弱い屈折率導波路型とに区分される。強い屈折率導波路型は、光利得を生成させる活性層を横方向に制限された幅だけ製作して、特定の活性層で光利得と光導波とが発生するように形成された構造であり、埋め込みヘテロ構造などが代表的である。弱い屈折率導波路型は、活性層は横方向に同一に形成されており、活性層上または下に屈折率を変化させる別途の構造体を有する。弱い屈折率導波路型は、前記構造体により間接的にビームを導波させ、リッジ型やリブ型などがある。
リッジ型の弱い屈折率導波路型は、一回の成長及びエッチング工程で素子を具現できる。これにより、前記導波路型は、製造工程が容易であり、素子特性が均一であり、かつ信頼性が優れているという長所がある。また、前記導波路型は、低い静電容量を有するので、高速動作が可能な素子である。
しかし、弱い屈折率導波路型は、強い屈折率導波路型に比べて横方向への搬送波の広がりまたは拡散により、発振開始電流が大きく、導波路の幅が広くて横方向の単一モードを容易に具現し難いという短所がある。前記横方向の単一モード特性を得るためには、リッジ幅を可能な限り狭く製作せねばならない。しかし、フォトエッチング工程により窓露出後に電極を蒸着し難いため、3μm以下のRWG−LD(RidgeWeakly index Guiding−Laser Diode)を製作し難い。また、リッジ領域が形成されれば、リッジ領域とリッジ領域の外部の周辺領域との間に段差が発生する。前記段差を克服するために、周辺領域をポリイミド物質で埋め込むか、または金属メッキなどで金属層を厚く形成せねばならない。前記横方向の単一モード特性が得られるリッジの最大幅は、活性層の厚さを減少させれば多少広げることができるが、最大約5μmが限界と知られている。リッジの幅が前記限界以上であれば、横方向の多重モードが発生し、結局、電流−光出力上のキンク特性により素子の活用が困難である。
一方、前述した弱い屈折率導波路型構造、すなわちリッジ型レーザダイオードの問題点を補完するために、非特許文献1に記載された新たな形態の構造が提案された。また、前記非特許文献1には、新たな形態による最適の設計結果が報告された。図1は、前記非特許文献1に開示されたリッジ型レーザダイオードの構造を示す断面図である。
図1に示したように、前記レーザダイオードは、屈折率が相対的に高いインジウム燐(InP、屈折率=3.17)で周辺領域を埋め込み、リッジ領域内にさらに成長されたインジウムガリウム砒素燐(InGaAsP)24の厚さによって横方向の屈折率が調節される構造になっている。参考までに、従来のリッジ型レーザダイオードでは、周辺領域は、屈折率の低い空気(屈折率=1)またはポリイミド(屈折率=1.8)物質で埋め込む。前記周辺領域は、n−型電流遮断層22が配置されており、リッジ領域にのみ電流が注入される。前記構造は、横方向に活性層が制限的でなく、活性層上に形成されたInGaAsPの形態によってビームが導波されるので、弱い屈折率導波路構造である。また、電流遮断層によりリッジ領域が埋め込まれているので、埋め込み型リッジ導波路レーザダイオードという。
前記構造は、InGaAsPの厚さによって横方向の屈折率を調節できるので、相対的に広いリッジ幅、例えば6ないし9μmに対しても横方向の単一モード特性が得られる。また、周辺領域は、電流遮断層で埋め込むので、従来のポリイミド工程または金属メッキなどが不要である。前記非特許文献1で提案された構造及び設計方法に立脚して製作された結果を参照すれば、リッジ領域の幅が約7μmでも横方向の単一モード動作が可能であるということが示された。
埋め込み型リッジ導波路レーザダイオードは、横方向モード特性において、従来のリッジ型レーザダイオードより単一モードを形成させるために、リッジ幅が相対的に広い幅でも動作可能である。また、リッジ領域を製作するとき、従来のポリイミド工程及び金属メッキが必要でなくて素子を容易に製作できる。
韓国光学会誌(vol.12,no.4,pp.312−319,2001)
前述した埋め込み型リッジ導波路レーザダイオードでは、周辺領域のn−p InP層(n−p電流遮断層)によりリッジ領域に限定して電流が流れる。しかし、限定された領域への電流が注入されてリッジ領域の電流密度は増加する。増加した電流密度は、リッジ領域の熱抵抗及び直列抵抗を増加させて素子の発振特性、特に温度特性を低下させる。また、n−InP層とp−InP層との接合部に電流が漏れて光損失が増加するという問題がある。
本発明は上記問題点に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、温度特性を向上させ、漏れ電流による光損失を減らす埋め込み型リッジ導波路レーザダイオードを提供することにある。
前記課題を解決するための本発明による埋め込み型リッジ導波路レーザダイオードは、活性層上に配置されたクラッド層と、前記クラッド層上の一部に同じ幅に垂直に延びている、選択的エッチング層と第1導電型の第1化合物層で構成されたリッジ領域と、を備える。前記リッジ領域の外側の前記クラッド層上に前記リッジ領域の深さと同じ厚さを有し、前記第1導電型と逆の第2導電型の第2化合物層を備えるp−n−p電流遮断層を備える。このとき、前記電流遮断層は、前記第2化合物層上に拡張された前記第1化合物層を備える。
前記選択的エッチング層は、前記リッジ領域の前記クラッド層上に所定の厚さに形成され、前記選択的エッチング層は、p−InGaAs、p−InGaP及びp−GaAsのうち選択された少なくとも一つの層でありうる。また、前記選択的エッチング層の幅は、6ないし9μmでありうる。
前記第1化合物層の前面にオーミック接触層をさらに備えうる。
前記電流遮断層は、前記クラッド層、第2化合物層及び第1化合物層が順次に積層されて形成され、前記電流遮断層は、それぞれp−InP、n−InP及びp−InPで構成されている。
前記電流遮断層は、前記第2化合物層、第1化合物層及びオーミック接触層が順次に積層されて形成され、前記電流遮断層は、p−GaAs、n−GaAs及びp−GaAs、p−AlGaAs、n−AlGaAs及びp−AlGaAs、またはp−InGaP、n−InGaP及びp−InGaPで構成しうる。
本発明による埋め込み型リッジ導波路レーザダイオードによれば、リッジ領域の外部にp−n−p電流遮断層を配置することによって、レーザダイオードの温度特性を向上させ、漏れ電流による光損失を減らすことができる。
以下、添付された図面を参照しつつ本発明の望ましい実施形態を詳細に説明する。後述する実施形態は、色々な他の形態に変形され、本発明の範囲が後述する実施形態に限定されるものではない。本発明の実施形態は、当業者に本発明をさらに完全に説明するために提供されるものである。実施形態の全体にわたって、同じ参照符号は同じ構成要素を表す。
図2は、本発明の実施形態による埋め込み型リッジ導波路レーザダイオード(Buried Ridge type Waveguide Laser Diode:B−RWG LD)を示す断面図である。本発明の実施形態によるB−RWG LDは、従来の構造と異なり、周辺領域にp−n−p電流遮断層が形成されたものである。便宜上、本発明の実施形態で提示する構造をB−RWG LD IIという。
図2に示すように、B−RWG LD IIには、InP基板またはGaAs基板のような基板100上に導波路層102が配置され、活性層104,106上にクラッド層108が配置されている。クラッド層108上の一部に同じ幅に垂直に延びている、選択的エッチング層110と第1導電型の第1化合物層114で構成されたリッジ領域を備える。周辺領域のクラッド層108上にリッジ領域の深さと同じ厚さを有し、第1導電型と逆の第2導電型の第2化合物層112が配置されている。第2化合物層112上には、リッジ領域の第1化合物層114が拡張されて覆われている。第1化合物層114の前面にオーミック接触層116が配置される。
選択的エッチング層110は、リッジ領域のクラッド層108上に所定の厚さに形成されうる。選択的エッチング層110は、p−InGaAs、p−InGaP及びp−GaAsのうち選択された少なくとも一つの層でありうる。また、選択的エッチング層110の幅は、6ないし9μmでありうる。
電流遮断層は、同じ物質で構成されており、InP、GaAs、AlGaAsまたはInGaPのうち選択されたいずれか一つでありうる。一方、本発明の実施形態は、二つの形態の電流遮断層を例示的に提示する。
電流遮断層の一つの形態は、クラッド層108、第2化合物層112及び第1化合物層114が順次に積層されて形成される。このとき、電流遮断層は、それぞれp−InP、n−InP及びp−InPで構成されたp−n−p電流遮断層でありうる。
電流遮断層の他の形態は、第2化合物層112、第1化合物層114及びオーミック接触層116が順次に積層されて形成される。このとき、前記電流遮断層は、p−GaAs、n−GaAs及びp−GaAs、p−AlGaAs、n−AlGaAs及びp−AlGaAs、またはp−InGaP、n−InGaP及びp−InGaPで構成されたp−n−p電流遮断層でありうる。
本発明によるB−RWG LD IIは、相対的に広い第1化合物層114、例えばp−InP層により従来の場合に比べて電流密度が減少する。電流密度が減少すれば、温度特性が向上する。また、本発明のp−n−p遮断層は、従来のn−p遮断層に比べて電流遮断効果が優れているので、漏れ電流による光損失を減らす。
次いで、本発明のB−RWG LD IIの製造方法を説明する。B−RWG LDIIを製作するために、MQW(Multi Quantum Well)エピタキシー層を、例えばMOCVD方式で成長させる。B−RWG LD Iのエピタキシー層の構造は、必要な場合、前述した非特許文献1に掲載された最適化された設計の結果を採用した。
図3は、前記最適化された設計結果を示すグラフである。図3に示すように、クラッド層108、例えばp−InP層を0.15μmとする場合、横方向の単一モードの動作のために有効屈折率差を0.01以上に維持するためには、選択的エッチング層110、例えばInGaAsP層が900Å以上でなければならない。したがって、選択的エッチング層110は、約1000Åほど成長させた。前記設計結果を参照して、成長されたエピタキシー層の厚さ、屈折率及び構成成分を下記の表に示した。
Figure 2007158353
このとき、活性層は、格子整合された、例えばInGaAsPのウェル層114と、例えばInGaAsP(λ=1.25μm)層の障壁層116とをそれぞれ60Å、100Åに5対を成長させた。そして、クラッド層108、例えばp−InP層を1.5μmとし、オーミック接触層116、例えばp−InGaAs層を0.2μmとした。クラッド層108、選択的エッチング層110及び第1化合物層114のドーピング濃度は、それぞれ7×1017/cmとし、オーミック接触層116のドーピング濃度は、5×1018/cmとした。導波路層102及び活性層104,106はドーピングしなかった。
次いで、エピタキシー層が成長された基板100上に、通常的なフォトエッチング工程を通じて5μmまたは7μmの幅のストライプ状のSiNxマスク(図示せず)を形成する。次いで、p−InGaAsP層は、HSO:H:HOが3:1:1の溶液に30秒間エッチングし、p−InP層は、HCl:HPOが1:4の溶液に3分間エッチングした。そして、1.25μmのInGaAsP層は、HSO:H:HOが3:1:1の溶液に30秒間エッチングした。前記エッチングは、選択的エッチング層110まで進み、クラッド層108はエッチングしなかった。これにより、前記クラッド層108上にリッジ領域が形成される。
次いで、リッジ領域が形成されたクラッド層108上の周辺領域にMOCVDで2次再成長して第2化合物層112、例えばn−InP層を形成する。次いで、SiNxマスク(図示せず)及びオーミック接触層116であるp−InGaAs層を除去し、MOCVDで3次再成長してp−InP層114及びオーミック接触層116であるp−InGaAs層を形成する。
基板100のp側電極は、Ti(約300Å)/Pt(約200Å)/Au(約4000Å)を電子ビーム蒸着器で蒸着した。次いで、p側電極は、RTA(Rapid Thermal Annealing)装置で約425℃に約30秒間熱処理し、このときに使われた雰囲気ガスは、10%のH/Nであった。n側電極は、Cr(約500Å)/Au(約5000Å)を電子ビーム蒸着器を使用して蒸着し、約400℃で約30秒間熱処理した。
比較例
本発明の実施形態と比較される比較例に提示する構造をB−RWG LD Iという。B−RWG LD Iの構造は図1と同じであり、これは、前述した非特許文献1を根拠として設計したものである。また、B−RWG LD Iは、前述したB−RWG LD IIの製造方法のうち、2次再成長を完了すれば得られる。
以下、本発明の実施形態によるB−RWG LD IIと比較例によるB−RWG LD Iとの物性を比較する。
(1)共振器の長さに応じたI−L特性の比較
図4は、本発明の実施形態によるB−RWG LD IIの共振器の長さに応じた注入電流対光出力(I−L)特性を示すグラフである。このとき、B−RWG LD IIのI−L測定のための実験では、ジュール熱による光出力の低下を防止するために、パルス周期は1ms、パルス幅は10μsである1%の周期サイクルを使用して発振実験を行った。
図4に示すように、光出力が20mWに達するまで高次モード発振によるキンク現象が起きなかった。これにより、B−RWG LD IIが7μmのリッジ幅でも横方向の単一モードに動作することが分かる。また、共振器の長さが300μmである場合、発振臨界電流値が48mAであるということが分かる。しかし、比較例であるB−RWG LDIでは、前記臨界電流値がB−RWG LD IIより約3ないし5mAほど大きく現れた。
(2)リッジ幅に応じた内部量子効率と内部損失との比較
図5は、B−RWG LD IIとB−RWG LD Iとのリッジ幅に応じた内部量子効率ηと内部損失αintとを示すグラフである。このとき、横軸は共振器の長さであり、縦軸は外部微分量子効率の逆数を表している。
図5を参照すれば、まず、B−RWG LD Iでは、リッジ幅がそれぞれ5μm、7μmである場合に、内部量子効率がそれぞれ63%、71%であり、内部損失はそれぞれ23cm−1、21cm−1と現れた。これに対して、B−RWG LD IIは、リッジ幅がそれぞれ5μm、7μmである場合に、内部量子効率がそれぞれ73%、83%であり、内部損失はそれぞれ19cm−1、20cm−1と現れた。すなわち、B−RWG LD IIは、B−RWG LD Iより内部量子効率が優れている。これは、B−RWG LD IIは、漏れ電流による注入キャリアの損失だけでなく、オーミック接触層116での接触抵抗によるキャリアの損失が少なくて活性層へのキャリア注入効率が優れているためである。
(3)注入電流による光出力の比較
図6は、B−RWG LD IIとB−RWG LD Iとの注入電流による光出力を示すグラフである。このとき、LDのリッジ幅は約7μmであり、長さは約900μmであり、デューティサイクルは1%である。LDの出射面はコーティングしなかった。一方、B−RWG LD IIは、一般的な強い屈折率導波路型に比べて活性層の幅が広いため、高出力特性に有利である。また、ビームサイズが大きいため、最大光出力側面のCOD(Catastrophic Optical Damage)レベルが高い。したがって、製作されたB−RWG LDの最大光出力を測定してみたが、その結果が図6に示されている。
図6に示すように、B−RWG LD IIがB−RWG LD Iに比べて勾配効率が優れており、飽和光出力は、いずれも約80mWであった。二つのLDで飽和光出力の差がないと見なすとき、飽和出力は、クラッド層108の厚さによる光吸収の差に依存するものではなく、活性層自体の利得飽和によると見なされる。光出力の測定結果は、出射面をコーティングしていない状態でなされたものである。したがって、今後、出射面に高反射膜コーティングと無反射膜コーティングとを行えば、さらに優れた光出力特性が得られる。
(4)温度特性の比較
図7は、温度による臨界電流Ithの変化を示すグラフである。このとき、図7で、リッジ幅による温度は、T値と表した。図7で、各点は測定結果であり、実線は、Tを計算した理論値である。
図7を参照すれば、B−RWG LD Iで、リッジ幅が5μm、7μmである場合、Tがそれぞれ32K、37Kと現れた。これに対して、B−RWG LD IIの場合、Tがそれぞれ47K、50Kと現れた。これにより、B−RWG LD IIの温度特性がB−RWG LD Iより12ないし13K優れて現れた。
以上、本発明は、望ましい実施形態を挙げて詳細に説明したが、本発明は、前記実施形態に限定されず、本発明の技術的思想の範囲内で当業者により色々な変形が可能である。
本発明は、レーザダイオード関連の技術分野に適用可能である。
韓国光学会誌(vol.12,no.4,pp.312−319,2001)に開示されたリッジ型レーザダイオードの構造を示す断面図である。 本発明によるB−RWG LDを示す断面図である。 前記韓国光学会誌に開示されたリッジ型レーザダイオードの構造の最適化された設計結果を示すグラフである。 本発明のB−RWG LD IIの共振器の長さに応じた注入電流対光出力特性を示すグラフである。 本発明のB−RWG LD IIと従来のB−RWG LD Iとのリッジ幅に応じた内部量子効率及び内部損失を示すグラフである。 B−RWG LD IIとB−RWG LD Iとの注入電流による光出力を示すグラフである。 B−RWG LD IIの温度による注入電流に対する光出力特性を示すグラフである。
符号の説明
100 基板
102 導波路層
104 ウェル層
106 障壁層
108 クラッド層
110 選択的エッチング層
112 第2化合物層
114 第1化合物層
116 オーミック接触層

Claims (13)

  1. 活性層上に配置されたクラッド層と、
    前記クラッド層上の一部に同じ幅に垂直に延びている、選択的エッチング層と第1導電型の第1化合物層で構成されたリッジ領域と、
    前記リッジ領域の外側の前記クラッド層上に前記リッジ領域の深さと同じ厚さを有し、前記第1導電型と逆の第2導電型の第2化合物層を備えるp−n−p電流遮断層と
    を備え、
    前記電流遮断層は、前記第2化合物層上に前記リッジ領域の前記第1化合物層が拡張された第1化合物層を備えることを特徴とする埋め込み型リッジ導波路レーザダイオード。
  2. 前記選択的エッチング層は、前記リッジ領域の前記クラッド層上に所定の厚さに形成されることを特徴とする請求項1に記載の埋め込み型リッジ導波路レーザダイオード。
  3. 前記選択的エッチング層は、p−InGaAs、p−InGaP及びp−GaAsのうち選択された少なくとも一つの層であることを特徴とする請求項1に記載の埋め込み型リッジ導波路レーザダイオード。
  4. 前記選択的エッチング層の幅は、6ないし9μmであることを特徴とする請求項1に記載の埋め込み型リッジ導波路レーザダイオード。
  5. 前記第1化合物層の前面にオーミック接触層をさらに備えることを特徴とする請求項1に記載の埋め込み型リッジ導波路レーザダイオード。
  6. 前記電流遮断層は、同じ物質で構成されたことを特徴とする請求項1に記載の埋め込み型リッジ導波路レーザダイオード。
  7. 前記電流遮断層は、InP、GaAs、AlGaAsまたはInGaPのうち選択されたいずれか一つであることを特徴とする請求項6に記載の埋め込み型リッジ導波路レーザダイオード。
  8. 前記電流遮断層は、前記クラッド層、第2化合物層及び第1化合物層が順次に積層されて形成されたことを特徴とする請求項4に記載の埋め込み型リッジ導波路レーザダイオード。
  9. 前記電流遮断層は、それぞれp−InP、n−InP及びp−InPで構成されたことを特徴とする請求項8に記載の埋め込み型リッジ導波路レーザダイオード。
  10. 前記電流遮断層は、前記第2化合物層、第1化合物層及びオーミック接触層が順次に積層されて形成されたことを特徴とする請求項5に記載の埋め込み型リッジ導波路レーザダイオード。
  11. 前記電流遮断層は、p−GaAs、n−GaAs及びp−GaAsで構成されたことを特徴とする請求項10に記載の埋め込み型リッジ導波路レーザダイオード。
  12. 前記電流遮断層は、p−AlGaAs、n−AlGaAs及びp−AlGaAsで構成されたことを特徴とする請求項10に記載の埋め込み型リッジ導波路レーザダイオード。
  13. 前記電流遮断層は、p−InGaP、n−InGaP及びp−InGaPで構成されたことを特徴とする請求項10に記載の埋め込み型リッジ導波路レーザダイオード。
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