KR100282372B1 - 레이저 구조 - Google Patents

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Abstract

청-녹색 Ⅱ/Ⅵ 반도체 주입 레이저(semiconductor injection laser)는 GaAs 기판상의 Zn1-xMgxSySe1-y클래딩층(cladding layer) 및 ZnSzSe1-z가이드층(guiding layer)을 갖는 Zn1-uCduSe 활성층(양자 웰(quantum well)을 사용한다. 이들 장치는 상온에서 펄스 모드(pulse mode)로 동작한다.

Description

레이저 구조
제1a도는 본 발명에 따른 Ⅱ/Ⅵ 레이저 구성의 층 구조의 단면도.
제1b도는 장치의 근거리 필드 광선 출력을 도시한 도면.
제2도는 p형 기판을 사용하는 장치의 제2실시예를 도시한 도면.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10 : 기판 12, 20 : 클래딩층
14 : 광 가이드층 16 : 양자 웰층
18 : 가이드층
본 발명은 반도체 레이저(semiconductor laser)에 관한 것으로서, 보다 구체적으로 Ⅱ/Ⅵ 재료로 제조되어 청-녹색 영역(blue-green region)에서 동작하는 반도체 주입 레이저(semiconductor injection laser)에 관한 것이다.
적색 및 적외선 영역에서 동작하는 Ⅲ/Ⅳ 재료로 구성된 반도체 레이저는 광학 데이터 저장 응용(optical data storage application)에서 일반적으로 볼 수 있다. 녹색, 청/녹색 및 청색 등의 단파장에서 동작하는 레이저 장치를 이용하면, 광학 데이터 저장 장치의 데이터 저장 밀도를 증가시킬 수 있다. 그러나, 단파장에서 동작하는 실제 반도체 레이저 다이오드는 제조되지 않고 있다. 종래에는, 단파장 반도체 레이저를 제공하기 위해 Ⅱ/Ⅵ 재료를 사용하는 여러 가지 방법에 초점을 맞추어 왔다.
청-녹색 Ⅱ/Ⅵ 반도체 주입 레이저는 SHC(separate-confinement heterostructure) 구성을 사용하여 하세(Haase) 등에 의해 제조되었다("Blue-Green Laser Diodes", Appl, Phys, Lett, 59(11), 9 September 1991 참조). 이들 레이저는 ZnS0.06Sc0.94클래딩층(cladding layer), ZnSe 도파관 영역(waveguiding region) 및 Cd0.2Zn0.8Se 양자 웰 활성 영역(quantum-well active region)을 갖는다. 이 구조는 상은 펄스 및 저온 연속 동작을 제공하지만, GaAs 기판에 부정규형(pseudomorphic)의 모든 층과 함께 성장시킬 수 없다는 단점이 있다. 부정규형 레이저는 ZnSe 가이드 영역을 생략하는 것에 의해 별도의 제한없이 제조될 수 있지만, 광학적 제한 저감을 보상하기 위해 부가적인 양자 웰이 필요하다. 따라서, 임계 전류 밀도가 증가한다. 또한, Cd0.2Zn0.8Se와 ZnS0.06Sc0.94사이의 큰 격자 부정합(lattice mismatch)(약1.5%)이 Cd0.2Zn0.8Se의 전체 두께를 제한하므로, 부가적인 양자 웰에 의해 얻어진 광학적 제한의 개선도 제한된다.
MBE에 의한 Zn1-xMgxSySe1-y재료의 성장은 오꾸야마(Okuyama) 등에 의해 입증되었다(Jap. J. App. Phys. 30, L1620(1991)). 이들은 500K까지의 온도로 동작하는 광 펌프 레이저(optically pumped laser) 및 별도의 제한없이 77K 다중 양자 웰(multi-quantum-well) p-n 주입 레이저에서 Zn1-xMgxSySe1-y클래딩층을 구현하였다. Ⅱ/Ⅵ 레이저 Zn1-xMgxSySe1-y를 사용하는 것은, 1991년 12월 31일에 출원된 미국 특허 출원 제815,686호에 또한 개시되어 있다.
본 발명은 Zn1-xMgxSySe1-y클래딩층, ZnSzSe1-z가이드층 및 GaAs 기판을 갖는 Zn1-uCduSe 활성층(양자 웰)을 사용하는 청-녹색 Ⅱ/Ⅵ 분리 제한 반도체 주입 레이저에 관한 것이다. 이 장치는 상온에서 펄스 모드로 동작가능하다. 4 원소(quaternary)로 되는 Zn1-xMgxSySe1-y클래딩층을 사용함으로써, 모든 층의 격자 정합이 가능하고, 클래딩 및 가이드층 밴드 갭(band-gap)을 증가시키는 것이 가능하다. 따라서, 전기적 및 광학적 제한이 개선된 레이저를 제조할 수 있다. 이와 달리, 활성 영역의 밴드 갭을 증가시켜, 보다 짧은 파장(u=0)에서의 레이징(lasing)을 제공할 수 있다.
제1도는 본 발명의 구조를 도시하고 있다. 이 구조는 실리콘 도핑(doping)에 의해 n형으로 된 GaAs:SI 기판(10)을 포함한다. 기판(10)상에는 Cl도핑에 의해 n형으로 된 Zn1-xMgxSySe1-y:Cl의 클래딩층(12)을 성장시킨다. 클래딩층(12)상에는 n형인 ZnSzSe1-z:Cl의 광 가이드층(optical guiding layer)(14)을 성장시킨다. 도파관층(waveguide layer)(14)상에는 Zn1-uCduSe의 활성 양자 웰층(16)을 성장시킨다. 활성층(16)상에는 ZnSzSe1-z:N을 포함하는 p형 가이드층(18)을 성장시킨다. 가이드층(18)상에는 Zn1-xMgxSySe1-y:N의 p형 클래딩층(20)을 성장시킨다. 층(20)상에는 ZnSe:N의 p형 콘택트층(contact layer)(22)침착시킨다. 이렇게하여 이득-가이드 레이저(gain-guided laser)가 제조된다. 50㎛ 폭의 스트라이프 개구(stripe opening)(25)를 갖는 폴리이미드 절연체층(polyimide insulator layer)(24)을 에피택셜층(epitaxial layer)(22)의 상부에 도포한다. Au층(26) 및 In층(28)을 사용하여 p-ZnSe 및 n-GaAs에 대한 콘택트를 각각 형성한다. 이 장치를 약 1㎜의 길이로 절단한다. 통상적으로, 이 장치는 10-50㎱의 펄스 길이 및 1㎑의 반복을(repetiotion rate)(듀티 사이클(duty cycle) = 1-5×10-5)에서 동작한다.
제1a도에 도시된 레이저 구조는 분자 빔 에피택시(molecular beam epitaxy; MBE)에 의해 (100) GaAs:Si 기판상에 성장된다. Zn, Se, Cd, Mg 및 ZnS를 원료로 사용한다. p형 및 n형 도펀트(dopant)로서는 플라즈마 소스(plasma source)에 의해 여기되는 N과, (ZnCl2로부터의) Cl을 사용한다. p-ZnSe, p-ZnSzSe1-z및 p-Zn1-xMgxSySe1-y영역의 도핑 레벨(Na- Nd)은 각각 약 1×1018㎝-3, 3×1017㎝-3, 2×1017㎝-3이다. n-ZnSzSe1-z및 n-Zn1-xMgxSySe1-y의 도핑 레벨은 2×1018㎝-3로 도핑된 Zn1-xMgxSySe1-y층의 최초 1000Å을 제외하고는, 2×1017㎝-3이다. 예시적인 실시예에서, Zn1-uCduSe층은 0.2의 u값을 갖고, ZnSzSe1-Z층에서 z의 값은 0.06이다. Zn1-xMgxSySe1-y층의 경우, x 및 y는 각각 약 0.1이다. 본 실시예에서, 포토루미네슨스(photoluminescence)에 의해 결정된 Zn1-xMgxSySe1-y의 밴드 갭은 (4K에서) 약 2.95eV이고, 프리즘 접속 방법(prism-couling method)에 의해 결정된(상온에서의)굴절율은 515㎚에서 2.625이다.
각 층의 두께는, 흡수층에서 광선의 손실이 최소로 되고, 활성 영역에서 광선의 양이 최대가 되도록 성장된다. 예를 들면, 유용한 장치는 2 마이크론(micron)의 n형 클래딩층(12), 0.25 마이크론의 n형 가이드층(14), 65 옹스트롬의 양자 웰층(16), 0.25 마이크론의 p형 제한층(18), 1 마이크론의 p형 클래딩층(20) 및 0.1 마이크론의 p형 콘택트층(22)으로 형성된다. u(카드뮴(Cadmium))는 0에서 0.4, z는 0에서 0.1, y는 0.06에서 1, x는 0에서 1의 범위를 갖는 것이 적절하다. 그러나, x 및 y는 GaAs에 격자 정합을 제공하도록 선택되어야 한다. 장치의 광학출력을 향상시키기 위해, 장치에 패싯 코팅(facet coation)(30, 32)을 도포할 수 있다. 장치를 유용한 길이로 절단하여, 레이저 시뮬레이션을 제공하는데 필수적인 "미러(mirror)" 작용을 제공한다. 활성층(16)의 두께를 감소시키거나, 이 층의 카드뮴 함량(u는 0에 근접함)을 감소시킴으로써, 장치의 광성 출력을 청색 영역으로 시프트시킬 수 있다.
제1b도는 제1a도의 구조에 의해 발생된 광선의 근거리 필드(near field) 강도(임의의 단위)를 도시하고 있다. 마그네슘이 없는(x = 0) 유사 구조의 근시 야상(near field pattern)을 점선으로 도시한다. 이 구조가 양자 웰 및 제한층내의 제한된 대부분의 광선에 의한 광학적 제한을 향상시키는 것을 알 수 있다. 따라서, ZnzS1-zSe 위에 Zn1-xMgxSySe1-y를 포함하는 레이저에 대한 광학적 제한에 분명한 향상이 있음을 알 수 있다. 본 발명에 따라 구성된 장치는 종래 장치에 비해 전기적 제한의 향상 및 결함의 저감을 또한 보여준다.
활성층의 한 쪽 또는 양 쪽 위의 ZnSe의 박층(약 15Å)의 성장에 의해 활성층(16)의 성장을 촉진시킬 수 있다. 이 ZnSe층 또는 층들을 사용함으로써, 활성층의 정확한 성장을 단수화시킬 수 있다. 응용에 따라, 하나 이상의 활성층을 갖는 유사 구조를 또한 성장시킬 수 있다. 또한, 전술한 구조를 인덱스 가이드 레이저(index guided laser)에도 적용할 수 있다.
제1a도의 전술한 실시예에서, 기판 및 하부층은 n형이고, 상부층은 p형이다. 그러나, 하부층이 p헝이고, 상부층이 n형인 유사한 구조를 성장시킬 수도 있다. 제2도의 실시예에서, 기판(40)은 GaAs:Zn과 같은 p형이고, 그 위에는 차례로 Zn1-xMgxSySe1-y:N의 p형의 하부 클래딩층(42) 및 p형 ZnSzSe1-z:N 가이드층(44)이 침착된다. Zn1-uCduSe 활성층(46)은 제1도와 마찬가지로 유지되고, 그 위에는 차례로 ZnSzSe1-z:Cl n형 상부 가이드층(48), n형 Zn1-xMgxSySe1-y:Cl 상부 클래딩층(50) 및 n형 ZnSe:Cl 콘택트층(52)이 제공된다. 일반적으로, 제2도 구조의 층의 도핑 레벨은 제1a도의 층의 레벨과 유사하다.
비록, 본 발명은 바람직한 실시예와 함께 기술되었지만, 당업자라면 본 발명의 정신 및 영역을 벗어나지 않고서도 수정 및 변경이 가능함을 쉽게 알 수 있다. 이러한 수정 및 변경은 본 발명 및 첨부된 특허 청구 범위의 영역에 속하는 것으로 고려된다.

Claims (9)

  1. 레이저 구조(laser structure)에 있어서, (a) 제1도전형(conductivity type)의 기판과, (b) 상기 기판상에 배치되는, 상기 제1도전형의 Zn1-xMgxSySe1-y의 클래딩층(cladding layer)과, (c) 상기 제1도전형의 클래딩층상에 배치되는, 상기 제1도전형의 ZnSzSe1-z의 가이드층(guiding layer)과, (d) 상기 제1도전형의 가이드층상엥 배치된 Zn1-uCduSe의 활성층(active layer)과, (e) 상기 활성층상에 배치되는, 상기 제1도전형과 상반된 제2도전형의 ZnSzSe1-z의 가이드층과, (f) 상기 제2도전형의 Zn1-xMgxSySe1-y의 클래딩층을 포함하며, (g) 0≤u≤0.4, 0≤z≤0.1, 0≤x≤1 및 0.06≤y≤1 이고, x 및 y는 상기 클래딩층이 상기 기판과 격자 정합(lattice matching)되도록 선택되는 레이저 구조.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1도전형은 n이고, 상기 제2도전형은 p인 레이저 구조.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제2도전형의 클래딩층상에 배치된 제2도전형의 콘택트층(contact layer)을 더 포함하는 레이저 구조.
  4. 제1항에 있어서, 상기 기판은 GaAs를 포함하는 레이저 구조.
  5. 제4항에 있어서, 상기 GaAs는 실리콘으로 도핑(doping)되는 레이저 구조.
  6. 제1항에 있어서, 상기 클래딩층과 상기 가이드층 중 적어도 하나는 Cl 도핑에 의해 n형으로 되는 레이저 구조.
  7. 제1항에 있어서, 상기 가이드층과 상기 클래딩층 중 적어도 하나는 질소(nitrogen)로 도핑되는 레이저 구조.
  8. 제1항에 있어서, 상기 u는 0.2이고, 상기 z는 0.06이고, 상기 x는 0.1이며, 상기 y는 0.1인 레이저 구조.
  9. 제1항에 있어서, 상기 제1도전형은 p이고, 상기 제2도전형은 n인 레이저 구조.
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