KR100241326B1 - 고출력 반도체 레이저에서의 활성층 구조 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 고출력 반도체 레이저에서의 활성층 구조에 관한 것으로서, 종래 기술의 InGaAs 다중 양자우물 구조에서는 광출력 특성이 좋지 않았던 문제점을 해결하기 위해 (InAs)m(GaAs)m단주기 초격자 박막구조를 활성층의 양자우물로 사용한 활성층을 제공함으로써 내부 스트레인이 종래의 방법에 비해 수 %로 매우 크며 초격자 박막의 구조적 특성으로부터 소자의 광학적 특성, 특히 고출력 특성이 향상될 수가 있는 것이다.

Description

고출력 반도체 레이저에서의 활성층 구조
제1도는 종래기술에서의 InGaAs층을 활성층의 양자우물로 사용한 반도체 레이저 구조로서,
제1(a)도는 InP계 평면 매립형 이종구조 반도체 레이저 구조도.
제1(b)도는 제1(a)도에서의 활성층에 대한 상세 단면 구조도.
제1(c)도는 활성층의 에너지 밴드 구조도.
제2도는 본 발명에서의 InAs/GaAs 단주기 초격자 박막구조를 활성층으로 사용한 고출력 반도체 레이저 구조로서,
제2(a)도는 InP계 평면 매립형 이종구조 반도체 레이저 구조도.
제2(b)도는 제2(a)도에서의 활성층에 대한 상세 단면 구조도.
제2(c)도는 활성층의 에너지 밴드 구조도.
제3도는 InAs/GaAs 단주기 초격자 박막 활성층 구조와 InGaAs 3원계 단일 양자 우물구조의 광루미네슨스 강도 특성도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 활성층 2 : p-InP 클래드층
3 : n-InP 전류차단층 4 : p-InP 전류차단층
5 : n+-InP 기판 6 : p-InGaAsP 광도파층
7 : n-InGaAsP 광도파층 8 : InGaAs 다중양자장벽층
9 : InGaAs 다중양자우물충
10 : (InAs)m(GaAs)m단주기 초격자박막 우물층
본 발명은 고출력 반도체 레이저에 관한 것으로, 특히 InP계 매립형 반도체 레이저에서 활성층의 구조를 개선하여 고출력, 고신뢰성 반도체 레이저를 제작하기 위한 고출력 반도체 레이저에서의 활성층 구조에 관한 것이다. 일반적으로, 고속변조가 가능하여 광통신용의 광원으로서 널리 이용되고 있는 반도체 레이저는 매립형 이종접합 구조를 갖는다.
상기 매립형 이종접합 구조의 반도체 레이저는 클래드층들 사이에 형성된 활성층의 측면에 전류차단층이 형성되어 동작시 전류의 퍼짐을 방지하므로 낮은 발진 개시전류, 높은 양자 효율 및 높은 온도 특성 값을 갖는 등의 장점을 갖고 있다. 이러한 종래의 매립형 고출력 반도체 레이저는 제1도에 도시된 바와 같다.
먼저, 그 구조는 제1(a)도에 도시된 바와 같이, n+-InP 기판(5) 위에 p-InP 전류차단층(4), n-InP 전류차단층(3), p-InP 클래드층(2)이 형성되고, 전류의 퍼짐을 방지하기 위해 매립되는 활성층(1)으로 구성된 것이다. 상기에서 활성층(1)의 상세 단면 구조는 제1(b)도에 도시된 바와 같이, p-InGaAsP 광도파층(6)과 n-InGaAsP 광도파층(7)간에 InGaAs 다중 양자 우물층(9)과 InGaAsP 다중 양자 장벽층(8)이 하나의 쌍(Pair)을 이루는 다수개의 쌍으로 이루어지는 구조로 되어 있다. 이러한 구조를 갖는 활성층의 에너지 밴드갭의 구조는 제1(c)도에 도시된 바와 같다.
이는 전형적인 다중 양자 우물구조 레이저 다이오드의 활성층 에너지 밴드 다이아그램으로서, 우물층으로 InxGa(1-x)As를 사용하게 되어 장벽층으로 InxGa(1-x)AsyP(1-y)를 사용하고 양쪽 p형 및 n형 Inp 클래드층으로 구성되어 있다. 이 경우 격자 정합되는 조성을 사용하거나 격자 부정합 시스템일지라도 스트레인에 의한 결정 결함 때문에 1%이하의 스트레인을 인가하도록 제한된 조성을 사용하게 된다.
이와같은 종래 기술에서의 활성층(1)은 InGaAs(P)/InGaAsP 다중 양자 우물구조를 채택하고 있다. 이러한 장파장대의 InP계 레이저는 주로 통신용 광원으로 이용되면서 장시간에 걸친 외부온도에 대한 파장 안정성 및 신뢰성등이 요구된다. 특히, 장기간에 걸친 안정된 광출력을 위해서는 고출력 특성이 무엇보다 요구되며, 이는 활성층의 구조등에 의해 영향을 받게 되는 문제점이 있었다. 그러나 종래 InGaAs(P)/InGaAsP 다중 양자 우물구조를 활성층으로 채택하는 InP계 반도체 레이저는 발진 스펙트럼의 반치폭을 좁게 함으로써 처핑(선폭; Chirping)을 줄이고, 기생 정전용량을 줄여 고속 변조를 지향할 수 있는 장점이 있으나, 광출력의 마진(margine)이 그다지 크지 않아 안정된 광출력이 무엇보다 중요하게 될 다중 광분배 시스템의 광원으로서는 성능의 개선이 요구된다. 또한 종래의 활성층 구조에서는 관련된 여러 단계의 공정변수 등에 의해 재현성 있는 결과를 얻기가 매우 어려운 문제점이 있었다.
따라서, 본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위해 InGaAs 3원계의 양자 우물층 대신에 (InAs)m(GaAs)m단주기 초격자 박막을 성장하여 광출력 특성이 개선된 고출력 반도체 레이저에서의 활성층 구조를 제공하는데 그 목적이 있다. 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 기술적인 특징은, n+-InP 기판 위에 p-InP 전류차단층, n-InP 전류차단층, p-InP 클래드층이 형성되고, InGaAs 광도파층으로 둘러쌓이고 전류의 퍼짐을 방지하기 위해 매립되는 활성층으로 구성된 고출력 반도체 레이저에 있어서, 상기 활성층은 양자우물로 (InAs)m(GaAs)m단주기 초격자 박막이 형성되는 장파장대(λ〉1㎛)의 고출력 반도체 레이저이다. 또한, 상기 활성층은 (InAs)m(GaAs)n(m,n〈6) 단주기 초격자 박막으로 형성되고, 수 %이상의 격자부정합도를 가지는 이종접합구조가 스트레인 보상에 의해 형성되는 것이다. 그리고 상기 단주기 초격자 박막은 고출력 반도체 레이저 제작 공정중 저압 MOCVD법에 의해 스트레인이 보상된 것이다.
이하, 첨부된 도면에 의거하여 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다. 제2도는 본 발명에 따른 고출력 반도체 레이저를 나타낸 것이다. 그 구조는 제2(a)도에 도시된 바와 같이, n+-InP 기판(5) 위에 p-InP 전류차단층(4), n-InP 전류차단층(3), p-InP 클래드층(2)을 형성하고, 상기 층들(4,3,2)의 양측 사이에 형성되어 전류의 퍼짐을 방지하기 위해 매립되는 활성층(1)으로 구성된 것이다. 상기한 구성에서 활성층(1)의 상세 단면 구조는 제2(b)도에 도시된 바와 같이, p-InGaAsP 광도파층(6)과 n-InGaAsP 광도파층(7) 간에 (InAs)m(GaAs)m단주기 초격자 박막 우물층(10)과 InGaAs 다중 양자 우물층(9)이 교대로 형성되는 구조이다. 상기 단주기 초격자박막 우물층(10)은 GaAs(10a) 및 InAs(10b)로 이루어진 것이다.
상기 구조의 밴드갭 에너지(eV)는 제2(c)도에 도시된 바와 같다. 이는 새로 제안된 다중 양자우물 구조 레이저 다이오드의 활성층 에너지 밴드 다이아그램으로서, 우물층으로 제1도의 InGaAs 대신 (InAs)m(GaAs)n(m,n〈6) 단주기 초격자 박막층을 사용한 것이다. InAs와 GaAs 사이의 커다란 내부 격자 부정합도를 스트레인 보상법에 의해 결정 결함없이 성장시킴으로써 월등한 고출력 광특성을 얻을 수 있다. 이와 같은 단주기 초격자 박막구조에서 InAs와 GaAs의 격자부정합에 의한 스트레인은 6.9%로서 이종 접합시 2원자층 이상의 두께를 성장시키게 되면 결정 결함이 발생하게 되지만, InP 및 이에 격자 정합되는 결정층이 아래쪽에 충분히 두껍게 위치하고 있어 결과적으로는 전체 스트레인이 InP의 격자 상수를 중심으로 각각 +3.235와 -3.67%를 보인다.
이에 따라 어느 정도 얇은 두께로 번갈아 성장하게 되면 스트레인 보상에 의해 결정 결함없이 충분히 두껍게 성장을 할 수 있게 된다. 이러한 구조에서 InAs와 GaAs 각 층의 결정 결함이 발생하기 시작하는 임계두께는 5원자층으로 결정할 수가 있다. 따라서 5원자층 이하의 (InAs)m(GaAs)m(m〈6) 구조를 원하는 두께가 되도록 반복 성장하므로써 양자효과를 고려한 발진 파장을 얻을 수 있게 된다. 이러한 구조는 첫째 우물층내에 엄청난 내부 스트레인을 포함하므로써 부밴드 스플릿의 크기, 반송자의 유효질량 변동등에 의한 밴드구조의 큰 변화가 예상되며, 초격자 박막구조로 인한 광학적 특성의 개선등이 있을 수가 있다.
상기와 같은 구조를 실현하기 위한 구체적인 방법으로서, 일반적으로는 성장속도가 매우 작은 MBE법을 생각할 수 있으나, 전반적인 에피층 소재가 InP 관련된 P 포함 화합물이므로 전체 레이저 구조 성장에는 부적절한 측면이 있다. 이에 따라 본 발명에서는 저압유기금속 기상 결정성장법(LP-MOCVD)을 이용하여 성장속도를 최소화하여 초당 0.5 옹스트롬의 결정 성장을 가능케 하였다.
예를 들면, 4원자층의 성장을 위해서는 24초의 성장 시간이 요구되며, 이러한 시간에서는 개스 밸브 스위칭에 의한 계면에서의 상호 섞임 효과가 충분히 무시되어질 수 있다. 따라서, 본 구조의 구현을 위해 별도의 성장멈춤 과정을 거치지 않고도 단원자층 정도의 급격한 계면을 얻을 수 있으나, 성장멈춤과정을 계면에서 수행하므로써 좀더 급격한 계면을 얻을 수 있다.
이와 같은 활성층을 이용한 고출력 반도체 레이저의 제조방법은 다음과 같다. 먼저 n+-InP 기판(5) 위에 InGaAsP 광도파층(6,7)으로 둘러쌓인 활성층(SPS 구조)을 초당 수 옹스트롬의 속도로 성장시킨다. 그리고 마스크로서 SiNx 박막을 증착시킨 후 반응성 이온 에칭(RIE)을 이용하여 선택적 건식식각을 한다. 이 경우 반응성 이온 에칭에 의한 계면의 결정손상을 회복시키기 위해 후처리로서 H2SO4계 습식식각을 약간 수행한다. 비평면 수직 메사 구조위에 저압 유기금속 화학증착을 이용해 성장속도를 초당 수 나노미터로 증가시킨 후 전류 차단층(P/n 구조 혹은 SI/n 반절연 구조)을 성장한다. 상기 SiNx 마스크를 BOE 용액으로 식각해내고 다시 p-InP 클래드층과 p+-INGaAs 저항성 접촉층을 3차로 재성장한다. 마지막으로 p형 금속전극을 SiNx 절연막 사이의 열려진 저항성 접촉층에 E-빔으로 증착시키고 웨이퍼 뒷면을 램핑하여 100㎛ 정도로 얇게 한 후, n형 금속전극을 증착시킨다.
제3도는 본 발명에 따른 활성층을 종래의 InGaAs 3원계층과 비교하여 광루미네슨스 강도 특성을 보여주고 있다. 에피 샘플 구조는 단순한 단일 양자우물 구조로서, 우물층의 두께를 36nm로 같이 하고, 우물층의 구조를 (InAs)4(GaAs)4단주기 초격자박막(SPS)으로 했을 때와 일반적인 InP와 격자정합되는 InGaAs로 성장했을 때를 비교하고 있다. 중간의 광강도 스펙트럼은 (InAs)1(GaAs)1SPS를 120nm 성장한 구조로 InGaAs 3원계보다 반치폭은 작으나 광강도는 다소 약한데, 이는 계면의 급준도가 크게는 2원자층 정도되므로 초격자 구조에 의한 광특성 효과가 감소된 것으로 해석된다.
이에 도시된 바와 같이, SPS (m=4) 구조의 경우 같은 측정 조건에서 종래의 InGaAs 우물층보다 100배가 넘는 광강도를 보임으로서 본 발명의 활성층 구조는 고출력 특성을 얻을 수가 있다.
이상과 같은 본 발명의 (InAs)(GaAs) 초격자 박막구조를 활성층에 이용한 방법은 종래의 InGaAs 다중 양자우물 구조에 비하여 내부 스트레인이 수 %로 매우 크며, 초격자 박막의 구조적 특성으로부터 소자의 광학적 특성, 특히 고출력 특성이 향상될 수 있다. 따라서 안정된 동작환경에서 신뢰도 등을 개선시킬 수가 있는 것이다.

Claims (3)

  1. n+-InP 기판 위에 p-InP 전류차단층, n-InP 전류차단층, p-InP 클래드층이 형성되고, InGaAsP 광도파층으로 둘러쌓이고 전류의 퍼짐을 방지하기 위해 매립되는 활성층으로 구성된 고출력 반도체 레이저에 있어서, 상기 활성층은 양자 우물층인 (InAs)m(GaAs)m단주기 초격자 박막으로 형성된 것을 특징으로 하는 고출력 반도체 레이저에서의 활성층 구조.
  2. 제1항에 있어서, 상기 활성층은 (InAs)m(GaAs)n(m,n〈6) 단주기 초격자 박막으로 형성된 것을 특징으로 하는 고출력 반도체 레이저에서의 활성층 구조.
  3. 제1항에 있어서, 상기 활성층은 수 %이상의 격자부정합도를 가지는 이종접합구조가 스트레인 보상에 의해 형성된 것을 특징으로 하는 고출력 반도체 레이저에서의 활성층 구조.
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