KR100265800B1 - 반도체 레이저 소자 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 반도체 레이저소자에 관한 것으로서 특히 다중양자장벽(multi-quantum barrier)을 이용하여 열저항의 감소와 전기적특성을 향상시킨 반도체 레이저소자에 관한 것이다.
본 발명의 반도체 레이저 소자는 n+GaAs기판과 상기 기판상에 형성된 하부버퍼층; 상기 하부버퍼층 상에 형성된 하부제1클래드층; 상기 하부클래드층 상에 형성된 n-GAlInP 하부 제2클래드층; 상기 제2하부클래드층 상에 형성된 단일양자우물을 갖는 GaInP 확성층; 상기 활성층상에 형성된 p-GaAlInP상부 제1클래드층; 상기 상부제1클래드층에 형성된 AlAs/GaAs다중양자장벽층; 상기 다중 양자장벽층 상에 형성된 상부제2클래드층; 상부 제2클래드층상에 형성된 상부버퍼층을 구비한 것을 특징으로 한다.
본 발명은 다중야자장벽층을 다중양자장벽은 AlAs를 사용하고, 다중양자웰은 GaAs를 사용하여 유효포텐셜장벽 높이(effective potential barrier)를 향상시켜 반도체 레이저소자의 전기적, 광적특성을 향상시킬 수 있다.

Description

반도체 레이저소자
제 1 도는 종래기술의 반도체 레이저소자의 개략적 단면도.
제 2 도는 제 1 도의 반도체 레이저소자의 각계층별 에너지준위 선도.
제 3 도는 본 발명에 따른 반도체 레이저 소자의 개략적 단면도.
제 4 도는 제 3 도의 각계층별 에너지준위 선도.
본 발명은 반도체 레이저소자에 관한 것으로서 특히 다중양자장벽(multi-quantum barrier)을 이용하여 열저항의 감소와 전기적특성을 향상시킨 반도체 레이저소자에 관한 것이다.
일반적으로 유도방출에 의한 빛의 증폭을 이용한 레이저는 단광성(單光性), 지향성 및 고강도를 특징으로 하며, 헬륨-네온(He-Ne) 레이저나, 아르곤(Ar) 레이저와 같은 기체 레이저와 YAG레이저나 루비레이저와 같은 고체 레이저로부터, 소형이며 고주파에서 바이어스 전류를 변조함으로써 변조가 용이한 반도체 레이저에 이르는 다양한 종류가 있다. 그 중에서도 특히 반도체 레이저는 상기와 같은 특성 때문에 컴팩트 디스크 플레이어(CDP)나 광학 메모리, 고속 레이저 프린터등의 정보처리기기 및 광 통신용기기로서, 기존의 헬륨-네온등의 기체 레이저등을 대체하여 그 응용범위를 넓혀가고 있다.
또 반도체 레이저 소자는 P-N접합을 기본으로 하여 양자 전자(Quantum Electron)의 개념을 포함하는 반도체 소자로서, 반도체 물질로 구성된 박막, 즉 활성층에 전류를 주입하여 인위적으로 전자-정공 재결합을 유도함으로써 재결합에 따르는 감소 에너지에 해당하는 빛을 발진하는 반도체 레이저 다이오드이다.
최근 반도체 레이저의 성능은, 파장을 결정하는 재료의 개발과, 임계전류, 광출력, 발진효율, 단일파장, 스펙트럼선폭 따위의 특성과 신뢰성을 결정하는 소자구조를 실현하기 위한 에피택셜(Epitaxial) 성장기술 및 미세가공 기술의 진보에 의하여 현저한 발전을 거듭하고 있다.
특히 에피택셜 성장기술에서는 종래의 액상성장법(Liquid Phase Epitaxy;LPE법)을 대신하여 유기금속 기상성장법(Metal Organic Chemical Vapor Deposition;MOCVD) 및 MBE(Molecular Beam Epitaxy)법등에 의하여 원자층 수준의 제어가 가능하게 되었다.
한편 이러한 반도체 레이저 소자는 출력 특성의 광출력(Optical Power)를 높이고, 효율을 증대시키며, 원하는 형태의 비임을 얻기 위하여 여러가지 형태의 소자 구조를 갖고 있다.
특히 양자우물(Quantum Well)을 활성층(active layer)으로 하는 '양자우물 레이저 구조'가 실현되어 임계전류의 저감, 효율의 향상, 고출력화, 고속동작, 스펙트럼선폭의 협소화등 대폭적인 성능의 향상이 이루어 졌다.
제 1 도는 종래기술의 양자우물을 사용한 GRINSCH(graded index seperrated confinement heterostructure)구조의 반도체 소자의 개략적 단면도이다.
도면을 참조하면 n+-GaAs 기판(1) 상부에 n-GaInP 버퍼층(2)과 n-GaAlInP 하부클래드층(3)이 순차적으로 형성된다. 상기 하부클래드층상에 InGaP 활성층(4), p-GaAlInP 상부제1클래드층(5), GaAlInP/GaInP 다중양자장벽층(6), p-GaAlInp 상부제2클래드층(7) 및 p-GaInP 버퍼층(8)이 순차적으로 마련되어 있다. 또 상기 p-GaInP 버퍼층(8)상에 p-GaInp 버퍼층과 p+-GaAs 콘택층(9)이 형성되어 있다.
상기 종래의 기술은 GaInP 활성층을 SQW(single quantum well)로 사용하고 있으며 다중양자장벽층은 GaInP/GaAlInP층을 다중양자 장벽층으로 사용하고 있다.
제2도는 제1도의 반도체 레이저소자의 각계층별 에너지준위 선도이다.
제2도에서는 상기 제1도의 표시부호에 대응되게 도시되어 있다.
도면을 참조하면 n+-GaAs 기판(1), n-GaInp 버퍼층(2)의 에너지준위가 도시되어 있으며 n-GaAlInP 하부클래드층(3)과 p-GaAlInP 상부제1클래드층(5)사이에 단일 양자우물을 갖는 InGaP 활성층(4)의 에너지준위가 도시되어 있다. 또 상기 상부제1클래드층에 접하여 GaInP/GaAlInP의 다중양자장벽층(6)이 있으며 상기 다중양자장벽층에 인접하여 p-GaAlInP 상부제2클래드층(7), p-GaInP 버퍼층(8), p+-GaAs 콘택층(9)의 에너지준위가 도시되어 있다.
특히 상기 AlAs/GaAs 다중양자장벽층(6)의 에너지준위는 InGaP웰(a)과 GaAlInP장벽(b)의 형태로 되어 있으며 상기 다중양자장벽층의 에너지 준위 높이가 상기 GaAlInP 클래드층과 동일하게 되어 있다.
이상의 종래 기술은 InGaAlP 클래드층 사이에 GRINSCH SQW구조를 적용하고 상부제1클래드층과 상부제2클래드층 사이의 특정위치에 GaInP/InGaAlP 다중 양자장벽층을 적용한 반도체 레이저 소자이다.
이상의 GaAlInP구조의 종래의 기술은 InGaAlP 클래드층을 사용하고 있는 데 상기 InGaAlP클래드층은 4원계 화합물반도체이기 때문에 결정성장시에 조성, 두께, 불순물도핑등을 정확히 제어하기 어려운 단점이 있고 또 열전도도가 높아서 반도체 레이저소자의 신뢰성에 악영향을 미친다.
또한, 다중양자장벽층으로 사용하는 GaInP/InGaAlP의 조성이나 두께를 변화시켜서 유효포텐셜장벽높이(effective potential barrier height)를 높이는데 한계가 있다.
상기 유효포턴셜장벽 높이가 낮으면 이로 인한 누설전류(Leakage Current)에 의해 문턱전류(Threshold Current)가 커지며, 특히 고온에서의 연속발진이 불가능해 지는등 소자의 온도특성이 저하되는 문제점이 있다.
따라서, 본발명은 상기 문제점이 개선된 반도체 레이저 소자를 제공함에 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 반도체 레이저 소자는 기판상에 형성된 하부버퍼층:상기 하부버퍼층 상에 형성된 하부제1클래드층; 상기 하부클래드층 상에 형성된 하부제2클래드층; 상기 제2하부클래드층상에 형성된 단일양자우물을 갖는 GaInP활성층; 상기 활성층 상에 형성된 상부제1클래드층; 상기 상부제1클래드층에 상에 AlAs/GaAs로 형성된 다중양자장벽층; 상기 다중양자장벽층 상에 형성된 상부제2클래드층; 상기 상부제2클래드층상에 형성된 상부버퍼층;을 구비한 것을 특징으로 한다.
본 발명의 더욱 구체적인 유형에 있어서는 n+-GaAs 기판 상에 형성된 n-AlxGa1-xAs 하부버퍼층; 상기 하부버퍼층 상에 형성된 n-Al0.75Ga0.25As 하부제1클래드층; 상기 하부클래드층 상에 형성된 n-GaAlInp 하부제2클래드층; 상기 제2하부클래드층 상에 형성된 단일양자우물을 갖는 GaInP 활성층; 상기 활성층 상에 형성된 p-GaAlInP 상부제1클래드층; 상기 상부제1클래드층에 AlAs/GaAs으로 형성된 다중양자장벽층; 상기 다중양자장벽층 상에 형성된 p-Al0.75Ga0.25As 상부제2클래드층; 상기 상부제2클래드층 상에 형성된 p-AlxGa1-xAs 상부버퍼층을 구비한 것을 특징으로 한다.
본 발명은 다중양자장벽층(AlAs/GaAs)를 사용하여 유효포텐셜장벽 높이(effective potential barrier)를 높여 반도체 레이저소자의 전기적 및 광적특성을 향상시킬수 있다.
이하 첨부된 도면을 참조하면서 본발명의 실시예를 상세히 설명한다.
제3도는 본 발명에 따른 반도체 레이저 소자의 개략적 단면도이다.
도면을 참조하면 본 발명의 반도체 레이저소자는 n+-GaAs 기판(10)상에 AlxGa1-xAs 버퍼층(Buffer Layer, 90)이 형성되고 이 위에 다중양자장벽층을 갖는 헤테로 구조를 이루는 InGaP, GaAlInP 및 AlGaAs에 의한 레잊 발진층이 마련되는 구조를 가진다. 보다 구체적으로 레이저 발진층은 n-Al0.75Ga0.25As 하부제1클래드층(100), n-GaAlInP 하부제2클래드층(3), InGaP 활성층(40), p-GaAlInP 상부제1클래드층(50), AlAs/GaAs 다중양자장벽층(110), p-Al0.75Ga0.25As 상부제2클래드층(120)을 구비한다. 그리고 상기 상부제2클래드층 상에는 AlxGa1-xAs 버퍼층(130)과 p+-GaAs 콘택층(80)이 마련된다.
상기 각층의 성장방법은 통상의 유기금속화학성장법(MOCVD)이나 개스를 원료로 하는 분자선성장법(MBE)을 사용한다.
본 발명은 Al0.75Ga0.25As 클래드층과 GaAlInP 클래드층을 사용하는 이중클래드층을 사용하고 있으며 또 InGaAlP 클래드층 상이에 GRINSCH SQW구조의 GaInP활성층을 적용하고 상부제1클래드층과 상부제2클래드층 사이에 AlAs/GaAs 다중양자장벽층을 적용하였다. 또한, AlxGa1-xAs 버퍼층을 Al 75%의 AlGaAa 클래드층과 GaAs 기판 사이에 마련되어 있다.
본 발명에 있어서 상기 다중양자장벽층은 반도체 레이저소자 중에서 전류제한 효과가 뛰어난 리지형태의 굴절율도파형구조(waveguide structure)를 제작하기 위한 식각중지층(etch stop layer)로 사용할수 있으며 상기 다중양자장벽층 이외에도 상부제1클래드층을 식각중지층으로 사용하여 리지구조의 반도체 레이저 소자를 제작할 수 있다.
제4도는 제3도의 반도체 레이저소자의 각계층별 에너지준위 선도이다.
상기 제3도에 대응하여 도면부호가 표시되어 있다.
도면을 참조하면 n+-GaAs 기판(10)과 n-Al0.75Ga0.25As 하부 제1클래드층(100)사이에 AlxGa1-xAs 하부버퍼층(90)의 에너지준위가 소정각도의 직선으로 경사지게 도시되어 있다. 상기 AlxGa1-xAs 하부버퍼층(90)은 조성(x)에 따라서 에너지갭이 변화하며 이를 조성경사구조(composition grading structure)의 에너지준위도라고 한다. 또한 상기 조성경사구조의 에너지 준위도는 p+-GaAs 콘택층(80)과 p-Al0.75Ga0.25As 상부제2클래드층(120)사이에서도 소정각도의 직선으로 경사지게 되어있다.
그리고 n-GaAlInP하부제2클래드층(30)과 p-GaAlInP상부제2클래드층(50)사이에 단일양자우물을 갖는 InGaP 활성층(40)의 에너지준위가 도시되어 있다. 또 p-GaAlInP 상부제1클래드층과 p-Al0.75Ga0.25As 상부제2클래드층(120) 사이에 AlAs/GaAs 다중양자장벽층(110)의 에너지준위가 도시되어 있다.
특히 상기 AlAs/GaAs 다중양자장벽층(110)의 에너지준위는 GaAs웰(a)과 AlAs장벽(b)의 형태로 되어 있으며 상기 다중양자장벽층의 높이가 GaAlInP클래드층보다 높게 되어 있다.
이상과 같은 본발명 반도체 레이저 소자는 InGaAlP와 Al0.75Ga0.25As의 2중클래드층을 사용하고 있으며 또 AlxGa1-xAs 버퍼층을 Al0.75Ga0.25As 클래드층과 GaAs기판 사이에 형성시켜 상기 클래드층과 기판사이의 미세한 격자 부정합을 막아서 스트레스를 완화해준다. 또한, InGaAlP 클래드층과 Al0.75Ga0.25As 클래드층은 격자정합(lattice match)이 되기 때문에 본 발명의 반도체 레이저소자의 열전도특성을 향상시킨다.
또한, 상기 제2의 Al0.75Ga0.25As 클래드층의 사용은 InGaAlP층만을 사용한 종래기술에 비해 고밀도 도핑이 용이하여 전기 전도도를 향상시키며, 이온화되지 않은 도펀트에 의해 열화가 일어나게 되는 단점도 해결할 수 있다.
본 발명에 있어서 상부제1클래드층과 상부제2클래드층 계면에 종래기술의 InGaAlP/InGaP의 다중양자장벽 대신에 AlAs/GaAs의 다중양자장벽을 사용한다. 상기한 AlAs/GaAs 다중양자장벽은 종래기술의 GaInP/GaAlInP 다중양자장벽층에 비해 열전도도 특성이 우수하기 때문에 활성층에서 발생된 열을 신속히 방출하여 고온, 고출력 동작을 가능케 되고 COD(Catastrophic Optical Damage) 수준을 증가시켜 신뢰성을 향상시킨다.
또한 다중양자장벽층을 구성하는 다중양자장벽은 종래기술의 InGaAlP대신에 에너지밴드캡이 더 큰 AlAs를 사용하고 있으며 다중양자웰도 종래기술의 InGaP대신에 에너지밴드캡이 더 작은 GaAs를 사용하여 유효포텐셜장벽 높이(effective potential barrier)를 높이고 제한(confinement)효과를 향상시켜 전기적, 광적특성을 향상시킬수 있다.
본 발명이 상기 실시예에서 한정되지 않으며 많은 변형이 본 발명의 기술적 사상내에서 당분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 가능함은 명백하다.

Claims (5)

  1. 기판 상에 형성된 하부버퍼층;
    상기 하부버퍼층 상에 형성된 하부제1클래드층;
    상기 하부클래드층 상에 형성된 하부제2클래드층;
    상기 제2하부클래드층 상에 형성된 단일양자우물을 갖는 GaInP 활성층;
    상기 활성층 상에 형성된 상부제1클래드층;
    상기 상부제1클래드층에 상에 AlAs/GaAs로 형성된 다중양자장벽층;
    상기 다중양자장벽층 상에 형성된 상부제2클래드층;
    상기 상부제2클래드층상에 형성된 상부버퍼층:을 구비한 것을 특징으로 하는 반도체 레이저소자.
  2. 제1항에 있어서, 상기 하부제2클래드층과 상부제1클래드층은 GaAlInP인 것을 특징으로 하는 반도체 레이저소자.
  3. 제2항에 있어서, 상기 다중양자장벽층의 장벽은 AlAs이며 웰은 GaAs인 것을 특징으로 하는 반도체 레이저소자.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 하부제1클래드층은 Al0.75Ga0.25As이며 상기 상부제2클래드층은 Al0.75Ga0.25As인 것을 특징으로 하는 반도체 레이저소자.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 상부버퍼층과 하부버퍼층은 AlxGa1-xAs(x=0.0-0.75)로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저소자.
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