KR100230444B1 - 반도체 레이저장치 및 이의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 고출력에서의 작동이 가능한 고출력 반도체 레이저 장치의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명에 의하면, n형의 (혹은 p형) 반도체기판과, 상기 반도체기판 상에 형성된 n형의(혹은 p형) 제1클래드층, 상기 제1클래드층에 순차적으로 적층되며, 상기 제1클래드층의 중앙부분에 위치한 p형의(혹은 n형) 활성층 및 p형의(혹은 n형) 제2클래드층, 상기 활성층 및 제2클래드층의 전표면을 덮으면서 상기 제1클래드층 상에 형성된 전류저지층을 구비하여 구성된 것을 특징으로 하는 반도체 레이저장치가 제공된다.
따라서 반도체 레이저 장치에 있어서 전류저지층의 형성시 경면을 동시에 결정성장시키므로 공정을 줄일 수 있는 잇점이 있으며, 전기적, 광학적 특성이 좋은 Ⅱ-Ⅵ족 화합물 반도체를 전류저지층과 함께 레이저경면에 사용함으로써 광흡수를 방지하여 반도체 레이저의 신뢰성을 향상시키며 고출력 작동을 실현할 수 있다.
Description
제1도는 반도체 레이저 단면에서의 열방산 과정을 도식화하여 나타낸 도면.
제2도는 종래의 반도체 레이저 장치를 도시한 단면도.
제3(a)도 내지 제3(c)도는 본 발명에 의한 반도체 레이저 장치의 제조방법을 도시한 공정순서도.
제4도는 본 발명에 의한 반도체 레이저 장치와 종래의 반도체 레이저 장치의 최고 출력을 비교하여 나타낸 그래프.
본 발명은 반도체 레이저 장치 및 그 제조방법에 관한 것으로, 특히 고출력에서의 작동이 가능한 고출력 반도체 레이저 장치 및 그 제조방법에 관한 것이다.
반도체 레이저를 고출력에서 작동시키는데 가장 큰 문제점은 작동중에 발생하는 레이저 내부에서의 열이다. 특히 레이저 단면에서의 갑작스런 열방산과정(Thermal runaway process)은 고출력작동을 제한하는 가장 큰 요인이 된다. 제1도에 레이저 단면에서의 열방산과정을 도시하였는 바, 이 도면에서 보이듯이 레이저 단면에서의 열방산은 단면에서의 비발광성 표면재결합과 온도에 따른 광흡수율 증가에 기인한다.
Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체 소자에서의 표면 재결합은 주로 As2O3환경하에서의 GaAs의 높은 반응열에 기인하여 일어난다.
제2도에 도시한 종래의 경면투명형 반도체 레이저 구조에서는 단면에서의 광흡수를 방지하기 위해 유기금속기상성장법(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)을 이용하여 n-GaAs(1) 1차 결정성장한 후, 중앙부분을 제외한 측면부분에서는 활성층까지 식각한 다음 n-GaAs 전류저지층(2) 결정을 성장시키고 그 위에 차례로 P-Al0·5Ga0·5As 클래드층(3), Al0·1Ga0·9As 활성층(4), n-Al0·3Ga0·7As가이드층(5), n-Al0·5As 클래드층(6), n-Al0·2Ga0·8As 결정(7), P-Al0·5Ga0·5As 결정(8) 및 P-GaAs 도전층(9)을 형성하였다.
그러나 상기와 같은 방법은 반도체 레이저의 C.O.D(Catastrophic Optical Degradation)의 주원인인 격리비소 원자(segregated arsenic atom)의 생성을 막을 수 없을 뿐만 아니라 효율적인 광흡수의 억제에도 많은 제한을 받는다. 또한 식각에 의한 단면구성이라는 공정상의 문제점도 내포하고 있다.
따라서 본 발명은 반도체 레이저의 경면에서의 광의 흡수를 극소화하고 비발광성 표면 재결합에 의한 열방산을 억제함으로써 고출력에서 작동이 가능한 반도체 레이저 장치 및 그 제조방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은 n형의(혹은 p형) 반도체기판과, 상기 반도체기판상에 형성된 n형의(혹은 p형) 제1클래드층, 상기 제1클래드층에 순차적으로 적층되며, 상기 제1클래드층의 중앙부분에 위치한 p형의(혹은 n형) 활성층 및 p형의(혹은 n형) 제2클래드층, 상기 활성층 및 제2클래드층의 전 표면을 덮으면서 상기 제1 클래드층 상에 형성된 전류저지층을 구비하여 구성된 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 장치를 제공한다.
또한, 상기 반도체 레이저 장치의 제조를 위해 본 발명은 n형의(혹은 p형) 반도체 기판상에 n형의(혹은 p형) 제1클래드층, p형의(혹은 n형) 활성층, p형의(혹은 n형) 제2클래드층을 순차적층하는 공정, 상기 순차적층된 제2클래드층 및 활성층의 중앙부분을 제외한 나머지 부분을 활성층의 깊이보다 깊게 식각하는 공정, 전기저항이 크고 활성층으로 사용된 물질보다 굴절률이 작고 접착력이 양호한 물질로 상기 식각된 제2 클래드층 및 활성영역의 전 표면을 코팅(coating)함과 동시에 상기 제1클래드층 상에 전류저지층을 형성하는 공정을 구비하여 된 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 장치를 제공한다.
상기 전류저지층을 형성하기 위한 물질로는 에너지 밴드차가 크고 전기비저항이 큰 Ⅱ-Ⅵ족 화합물 반도체인 ZnSe를 사용한다.
본 발명에서는 전류저지층을 형성할 때 단면을 에너지밴드차가 큰 ZnSe로 처리함으로써 광흡수의 증가를 방지할 뿐만 아니라, 레이저의 단면을 공기중에 노출시키지 않음으로써 격리 비소원자(segregated arsenic atom)의 형성을 원천적으로 봉쇄, 비발광성 표면재결합을 낮은 수준으로 유지할 수 있게 된다. 부수적으로 비저항이 매우 큰 ZnSe를 전류저지층으로 사용함으로써 레이저 내부에서의 비효율적인 열발생을 억제할 수 있다. 이때 2차 결정성장은 동시에 수행되므로 부가적인 공정이 요구되지 않는 잇점이 있다.
종래에는 전류저지층을 형성하기 위해 p-n-p-n형의 2중구조를 채택하거나 식각하여 전기저항이 큰 물질로 대체하였으나(GaAs 혹은 AlGaAs) 이 경우 굴절률이 활성층과 큰 차이가 없어 광도파로의 형성이 원활치 않고, GaAs와의 lattice mismatch의 문제를 고려할 때 사용할 수 있는 물질의 선택에 상당한 제약을 받는다. 따라서 본 발명의 ZnSe를 사용하면 활성층과의 커다란 굴절률 차이와 GaAs와의 거의 유사한 격자상수로 우수한 특성의 전류지지층 형성이 가능하다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세히 설명한다. 제3(a)도 내지 제3(c)도에 본 발명에 의한 반도체 레이저 장치의 제조방법을 도시하였다.
먼저 제3(a)도에 도시한 바와 같이 n-GaAs 기판(11) 상에 n-GaAs버퍼층(12), n-AlGaAs 제1클래드층(13), P-GaAs활성층(14), P-AlGaAs 제2클래드층(15) 및 P-GaAs결정(16)을 MOCVD에 의해 결정성장시킨다. 이는 전형적인 GRIN-SCH 반도체 레이저 구조를 나타내는 것이다.
다음에 제3(b)도에 도시한 바와 같이 상기 구조의 중앙부분(발광부분)을 제외한 영역을 상기 P-GaAs활성층(14) 아래까지 활성층 깊이보다 깊게 식각한다.
다음에 제3(c)도에 도시한 바와 같이 에너지 밴드차가 크고 전기 비저항이 큰 Ⅲ-Ⅵ족 화합물 반도체인 ZnSe(17)를 전류저지층 및 경면재료로서 결정성장시켜 반도체 레이저 다이오드를 완성한다. 이때 경면 부분에서의 ZnSe/GaAs 접촉면의 상태밀도는 종래의 AlGaAs/GaAs 접촉면 상태 밀도 [ (App1. Phys. Lett. 54, 14, pp 1359-1361, 1989)참조]의 8/13에 불과하다. 경면에서의 열발생원이 되는 표면재결합속도는 접촉면 상태밀도에 비례하는데 상기한 바와 같이 ZnSe를 사용할 경우 ZnSe / GaAs 접촉면의 상태밀도가 종래의 AlGaAs / GaAs접촉면의 상태밀도보다 작으므로 결과적으로 ZnSe를 경면부분에 재결정시키게 되면 비발광성 정공.전자 결합을 그만큼 감소시키게 되어 반도체 레이저의 고출력 작동에 유리하게 된다.
제4도는 Pulsed-Power 반도체 레이저의 경우에 경면부분을 ZnSe로 재결정하여 얻어진 최고출력과 종래의 경면투명형 반도체 레이저의 최고출력을 비교하여 나타낸 그래프이다. 그래프에서 알 수 있듯이 본 발명에 따른 경면구조의 경우, 최고출력은 종래의 레이저에 비해 2배이상 증가하며 이와 같은 효과는 CW(Continuous Wave) 반도체 레이저의 경우 경면부분에서의 열발생억제로 더욱 현저하다.
이상 상술한 바와 같이 본 발명에 의하면, 반도체 레이저 장치에 있어서 전류저지층의 형성시 경면을 동시에 결정성장시키므로 공정을 줄일 수 있는 잇점이 있으며, 전기적, 광학적 특성이 좋은 Ⅱ-Ⅵ족 화합물 반도체를 전류저지층과 함께 레이저경면에 사용함으로써 광흡수를 방지하여 반도체 레이저의 신뢰성을 향상시키며 고출력 작동을 실현할 수 있다.
Claims (4)
- n형의(혹은 p형) 반도체기판과, 상기 반도체기판 상에 형성된 n형(혹은 p형) 제1클래드층, 상기 제1클래드층에 순차적으로 적층되며, 상기 제1클래드층의 중앙부분에 위치한 p형의(혹은 n형) 활성층 및 p형의(혹은 n형) 제2클래드층, 상기 활성층 및 제2클래드층의 전표면을 덮으면서 상기 제1클래드층상에 형성된 전류저지층을 구비하여 구성된 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 전류저지층을 형성하는 물질은 전기저항이 크고 활성층으로 사용된 물질보다 굴절률이 작고 접착력이 양호한 물질임을 특징으로 하는 반도체 레이저 장치.
- 제2항에 있어서, 상기 전기저항이 크고 활성층으로 사용된 물질보다 굴절률이 작고 접착력이 양호한 물질은 ZnSe임을 특징으로 하는 반도체 레이저 장치.
- n형의(혹은 p형) 반도체 기판상에 n형(혹은 p형) 제1클래드층, p형의(혹은 n형) 확성층, p형의(혹은 n형) 제2클래드층을 순차적층하는 공정, 상기 순차적층된 제2클래드층 및 활성층의 중앙부분을 제외한 나머지 부분을 활성층의 깊이보다 깊게 식각하는 공정, 전기저항이 크고 활성층으로 사용된 물질보다 굴절률이 작고 접착력이 양호한 물질로 상기 식각된 제2클래드층 및 활성영역의 전표면을 코팅(coating)함과 동시에 상기 제1클래드층 상에 전류저지층을 형성하는 공정을 구비하여 된 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 장치의 제조방법.
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