KR100324147B1 - 반도체레이저 및 그의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 높은 광출력을 낼 수 있는 반도체 레이저는 광출사단면에 코팅막이 코팅되어 있다. 상기 코팅막의 굴절율 n1은 반도체 도파로의 굴절율 neff보다 크다. 굴절율 n1과 굴절율 neff는 다음의 관계식 n1 2> neff를 충족한다.

Description

반도체레이저 및 그의 제조방법{SEMICONDUCTOR DEVICE LASER AND METHOD OF MANUFACTURING SAME}
본 발명은 광디스크 드라이브나 광통신장치에 사용되는 고출력의 반도체레이저 및 그의 제조방법에 관한 것이다.
반도체레이저의 광출력이 일정 레벨에 도달하였을 때, 광출사단면에서는 단면파괴(COD; Catastrophic Optical Damage)가 일어난다. 그 결과, 반도체레이저의 광출력은 일정값(COD 광출력)이하로 제한된다. 반도체 내부의 광밀도가 반도체의 고유값(COD 광밀도)에 도달하면 COD가 발생한다.
반도체레이저의 COD 광출력을 향상시키는 한가지 방법은 유전체 등의 막으로 광출사단면을 코팅하는 것이다. 광출사단면을 코팅하여 광출사단면의 반사율을 낮추면, 반도체 도파로(waveguide) 내부의 광밀도가 저하되어 COD 광출력이 향상된다. Hakki와 Nash가 Journal of applied physics, Vol. 45, No. 9, 3907∼3912 페이지, 1974년에 보고한 바와 같이, 광출사단면 반사율 R1과 COD 광출력은 다음의 수학식 1의 관계를 갖는다:
(상기 문헌중의 식(4)), 여기서,
Pcoated : 광출사단면이 반사율 R1으로 코팅된 레이저의 COD 광출력;
Puncoated: 광출사단면이 코팅되지 않은 레이저의 COD 광출력;
R1: 광출사단면 반사율;
neff: 반도체 도파로의 유효굴절율이다.
Hakki와 Nash의 보고 이후 지금까지, 수학식 1의 관계식은 고출력 반도체레이저를 설계하는데 사용되어 오고 있다. 수학식 1의 좌변,은 COD 지표로 지칭된다.
Hakki와 Nash의 관계식인 수학식 1 에 따르면, COD 지표를 증가시키는 유일한 방법은 반사율을 낮추는 것이다. 반사율이 무한소인 극한에서, COD 지표는 최대치 neff로 수렴한다. 그러므로, COD 지표를 neff이상으로 증대시키는 것은 불가능하다. 그러나, 반사율 R1이 낮추어지면, 발진문턱값 캐리어밀도가 증가하여, 반도체레이저의 발진특성이 열화된다. 예를 들면, 발진문턱값 전류의 증대나 온도특성의 열화 등이 일어난다.
한편, 일본 특개평 8-307004호 공보에는, 반도체레이저의 코팅막의 굴절율과 반도체 내부의 광밀도의 관계를 개시하고 있다. 상기 공개공보의 도 6에는, 코팅막의 굴절율이 일정값보다 큰 경우에, 반사율이 증가하고 반도체 내부의 광밀도가 저하하는 것이 도시되어 있다. 코팅막의 막두께 (d1 A), 코팅막의 굴절율(n1 A) 및 레이저빔 파장 (λ)은 다음의 관계식,을 만족한다.
예를 들어, 굴절율이 1.3 이면 반사율은 0.10 이고, 반도체 내부의 광밀도(|EA|2)는 0.6 이다. 한편, 굴절율이 2.5 인 경우, 반사율은 0.10 이지만,반도체내부의 광밀도(|EA|2)가 0.2 로 보다 작다. 따라서, 상기 공보에 개시된 결과는 분명히 Hakki와 Nash 의 결과와 분명히 다르다.
상기 공개공보에는 2 이상의 유전체막으로 구성된 코팅막의 작용과 실시예에 대해 기재되어 있으며, 상기 공개공보에 따르면, 단면막이 단일 유전체막으로 이루어지는 Fabry-Perot형의 LD에서는, 일반적으로 LD의 설계의 관점에서 요구되는 LD 출사단면의 반사율을 얻기 위한 조건 및 COD를 회피하기 위해 요구되는 반도체재료와 단면막 사이의 계면에서의 광전강도(photoelectric intensity)를 최소로 하는 조건을 동시에 만족시킬 수 없다는 문제가 있다. 그러나, 실시예의 2 개의 유전체막으로 구성된 코팅막에 의한 광전강도의 최소치가 단일 유전체막에 의한 광전강도의 최소치보다 작은가 여부는 상기 공개공보에 명확하게 기재되어 있지 않다.
일본 특개평8-307004호 공보에는, 단일막으로 이루어지는 코팅막이 Hakki와 Nash의 관계식을 상회하는 COD 지표를 나타낼 수 있다는 것을 제안하고 있다. 그러나, 코팅막두께와 굴절율 사이의 최적조건은 명확하게 밝혀져 있지 않고, 또한, Hakki와 Nash에 의한 보고와의 비교도 기재되어 있지 않다.
상술한 바와 같이, 반도체레이저의 COD 광출력에 대한 유전체막의 코팅조건에 대한 최적조건은 아직 명확하지 않고, 이에 따라, 설계되는 반도체레이저를 최적화하는 것이 곤란하다는 문제점이 있다.
본 발명의 목적은 반도체레이저의 COD 광출력에 관한 유전체막의 코팅조건및 그와 같은 유전체막이 반도체 내부의 광밀도에 주는 작용을 명확히 함으로써 출력특성이 개선된 반도체레이저를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 그러한 반도체레이저를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.
도1은 본 발명에 따른 반도체레이저의 동작을 나타내는 개략도;
도2a는 본 발명에 따른 광출사단면 코팅의 효과를 나타내는 도면;
도2b는 비교예로서의 종래의 광출사단면 코팅의 효과를 나타내는 도면;
도3a는 본 발명에 따른 반도체레이저의 광강도분포를 나타내는 도면;
도3b는 비교예로서의 종래의 반도체레이저의 광강도분포를 나타내는 도면;
도4a는 본 발명의 일실시예에 따른 AlGaInP 다중 양자 우물 레이저의 단면도;
도4b는 도4a의 IV(B)-IV(B) 라인을 따라 절취한 단면도;
도4c는 도4b와 유사한 도면으로, 본 발명의 다른 실시예에 따른 AlGaInP 다중 양자 우물 레이저의 단면도;
도5는 본 발명의 또다른 실시예에 따른 AlGaInP 벌크활성층레이저를 나타낸 단면도;
도6a는 본 발명의 또다른 실시예에 따른 InGaAs/AlGaAs 반도체레이저를 나타내는 단면도;
도6b는 도6a의 VI(B)-VI(B) 라인을 따라 절취한 단면도;
도7은 본 발명의 또다른 실시예에 따른 AlGaAs 반도체레이저를 나타낸 단면도;
도8은 본 발명의 또다른 실시예에 따른 InGaAsP/InGaAlAs 반도체레이저를 나타낸 단면도.
*도면의 주요부분에 대한 설명
1 : 전방단면 코팅막 2 : 고반사율 코팅막
3 : GaAs 4 : AlGaInP 클래드층
5 : AlGaInP 다중 양자 우물 활성층 6 : AlGaInP 클래드층
7 : GaAs 기판 8 : 전극
9 : 전극 10 : GaAs 블록층
11 : AlGaInP 블록층 12 : AlGaInP 벌크활성층
13 : AlGaAs 클래드층 15 : AlGaAs 클래드층
14 : InGaAs/AlGaAs 다중 양자 우물 활성층
16 : AlGaAs 블록층 17 : AlGaAs 다중 양자 우물 활성층
18 : InP 층 19 : InGaAsP 클래드층
20 : InGaAsP/InGaA lAs 다중 양자 우물 활성층
21 : InGaAsP 클래드층 22 : InP 기판
본 발명의 일양태에 따르면, 반도체레이저 도파로의 광출사단면상에, 단일층 또는 복수의 층으로 이루어지는 코팅막을 구비하는 반도체레이저의 제조방법이 제공되며, 상기 제조방법은,
상기 코팅막을 이루는 하나 이상의 층의 굴절율 n1을, 상기 반도체레이저 도파로의 유효굴절율 neff와 상기 광출사단면의 반사율 R1에 대해,
의 ±20 %의 범위로 선택하는 단계를 구비한다.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 반도체레이저 도파로의 광출사단면상에, 단일층 또는 복수의 층으로 이루어지는 코팅막을 구비하는 반도체레이저의 제조방법이 제공되며, 상기 제조방법은,
상기 코팅막을 이루는 하나 이상의 층의 굴절율 n1을, 상기 반도체레이저 도파로의 유효굴절율 neff와 상기 광출사단면의 반사율 R1에 대해,
의 ±10 %의 범위로 선택하는 단계를 구비한다.
본 발명의 또다른 양태에 따르면, 반도체레이저 도파로의 광출사단면상에, 단일층 또는 복수의 층으로 이루어지는 코팅막을 구비하는 반도체레이저의 제조방법이 제공되며, 상기 제조방법은,
상기 코팅막을 이루는 하나 이상의 층의 굴절율 n1을, 상기 반도체레이저 도파로의 유효굴절율 neff와 상기 광출사단면의 반사율 R1에 대해,
의 ±20 %의 범위로 선택하는 단계; 및
상기 굴절율 n1을 갖는 상기 층 이외의 다른 층의 두께를에 따라 선택하는 단계를 구비하며,
여기서, nj는 상기 다른 층의 굴절율이고, λ는 상기 반도체레이저의 발진파장이다.
본 발명의 또다른 양태에 따르면, 반도체레이저 도파로의 광출사단면상에, 단일층 또는 복수의 층으로 이루어지는 코팅막을 구비하는 반도체레이저의 제조방법이 제공되며, 상기 제조방법은,
상기 코팅막을 이루는 하나 이상의 층의 굴절율 n1을, 상기 반도체레이저 도파로의 유효굴절율 neff와 상기 광출사단면의 반사율 R1에 대해,
의 ±10 %의 범위로 선택하는 단계; 및
상기 굴절율 n1을 갖는 상기 층 이외의 다른 층의 두께를에 따라 선택하는 단계를 구비하며,
여기서, nj는 상기 다른 층의 굴절율이고, λ는 상기 반도체레이저의 발진파장이다.
본 발명의 또다른 양태에 따르면, 반도체레이저 도파로의 광출사단면상에, 단일층 또는 복수의 층으로 이루어지는 코팅막을 구비하는 반도체레이저가 제공되며,
상기 코팅막은, 상기 반도체레이저 도파로의 유효굴절율 neff와 상기 광출사단면의 반사율 R1에 대해,
의 ±20 %의 범위에 속하는 굴절율 n1을 갖는 하나 이상의 층을 구비한다.
본 발명의 또다른 양태에 따르면, 반도체레이저 도파로의 광출사단면상에, 단일층 또는 복수의 층으로 이루어지는 코팅막을 구비하는 반도체레이저가 제공되며,
상기 코팅막은, 상기 반도체레이저 도파로의 유효굴절율 neff와 상기 광출사단면의 반사율 R1에 대해,
의 ±10 %의 범위에 속하는 굴절율 n1을 갖는 하나 이상의 층을 구비한다.
본 발명의 또다른 양태에 따르면, 반도체레이저 도파로의 광출사단면상에, 단일층 또는 복수의 층으로 이루어지는 코팅막을 구비하는 반도체레이저가 제공되며,
상기 코팅막은, 상기 반도체레이저 도파로의 유효굴절율 neff와 상기 광출사단면의 반사율 R1에 대해,
의 ±20 %의 범위에 속하는 굴절율 n1을 갖는 하나 이상의 층 및에 따른 두께를 갖는, 상기 굴절율 n1을 갖는 상기 층 이외의 다른 층을 구비하며,
여기서, nj는 상기 다른 층의 굴절율이고, λ는 상기 반도체레이저의 발진파장이다.
본 발명의 또다른 양태에 따르면, 반도체레이저 도파로의 광출사단면상에, 단일층 또는 복수의 층으로 이루어지는 코팅막을 구비하는 반도체레이저가 제공되며,
상기 코팅막은, 상기 반도체레이저 도파로의 유효굴절율 neff와 상기 광출사단면의 반사율 R1에 대해,
의 ±10 %의 범위에 속하는 굴절율 n1을 갖는 하나 이상의 층 및에 따른 두께를 갖는, 상기 굴절율 n1을 갖는 상기 층 이외의 다른 층을 구비하며,
여기서, nj는 상기 다른 층의 굴절율이고, λ는 상기 반도체레이저의 발진파장이다.
이하, 고반사율 코팅막을 반도체레이저에 코팅함으로써, 수학식 1로 표현된 레벨 이상으로 COD 광출력이 증대하는 이유에 대해 설명한다. 본 발명에 의한 코팅막에서, 수학식 1은 성립하지 않는다.
우선, 도 1을 참조하여 일반적인 반도체레이저의 광출사단면상의 코팅막에서 입사광전계(applied photoelectric field)와 반사광전계의 관계식을 유도하는 과정에 대해 설명한다.
도 1에서, 코팅막은 유전체복합막으로, 굴절율이 n1,두께 dx1인 유전체층(1)과 굴절율이 n2, 두께 dx2인 유전체(2)로 이루어지는 2층 코팅막이다. 상기 유전체 복합막은 대안으로 다층으로 이루어져도 좋다.
Journal of laser research, Vol. 18, No. 3, 38∼46 페이지, 1990년에 보고되어 있는 바와 같이 광의 위상을 고려하면, 레이저 내부로부터 다층 코팅막에 입사되는 광전계(E1 R), 코팅막 계면에서 반사되는 광전계(E1 L) 및 코팅막 외부로 투과되는 광전계, 예를 들어 출력광전계(E3 R) 사이는 관계는 다음과 같이 표현된다.
여기서, m은 코팅막의 층수를 나타낸다. dxl, nl(l = 1, 2,…, m)은 각각 반도체와 코팅막 사이의 계면으로부터 세어 l번째의 코팅막의 두께와 굴절율이다. 반도체 도파로의 유효굴절율은 n0로 표현되고, 반도체레이저 둘레의 기체(공기 또는 봉입가스)의 굴절율은 nm+1로 표현된다. λ는 레이저 발진광의 파장이다. 한편, 반도체 도파로와 코팅막 사이의 계면의 내측의 광강도(Pt0)와 코팅막을 투과하는 출력빔의 광강도(Pt1)는 각각 다음과 같이 표현된다.
유효굴절율 n0는 반도체레이저 내부의 유효굴절율 neff로 치환되고, 외부기체의 굴절율 nm+1은 1로 설정되어 있다. 수학식 2를 이용하여, 수학식 11과 12의 비는 다음과 같이 표현된다.
코팅되지 않은 레이저의 경우, 이 비는 다음과 같이 표현된다.
코팅된 레이저와 코팅되지 않은 레이저 양쪽 모두, 내부광강도(Pt0)가 일정한COD 광밀도에 도달하면 COD를 일으킨다. 따라서, COD 지표는,와의 비와 같다. 수학식 13, 14를 이용하면, 다음의 관계식이 얻어진다.
한편, 광출사단면 반사율 R1은 다음과 같이 주어진다.
이하, 본 발명의 특징과 Hakki와 Nash의 수학식 1의 특징의 차이를 설명한다. 간단 명료하게 설명하기 위해, 광출사단면상의 코팅막은 단일층으로 이루어지고, 단면 코팅막의 두께는,의 관계를 충족한다고 가정한다.
수학식 15, 16으로부터, COD 지표와 반사율은 다음과 같이 결정된다.
수학식 17, 18을 사용하면,와 단면반사율 R1사이의 관계식이 결정된다. 결정된 관계식으로부터, n1 2> neff일 때의 결과와 n1 2< neff일 때의 결과가 다른 것을 알 수 있다. n1 2< neff의 경우,다음의 관계식이 만족된다.
n1 2> neff의 경우에는, 다음의 관계식이 만족된다.
이러한 차이는, 입사광전계(E1 R)와 반사광전계(E1 L)의 위상관계에 기인한다.수학식 2를 풀면, 반사광전계(E1 L)는 입사광전계(E1 R)에 의해 다음과 같이 표현된다.
코팅막의 굴절율이 작은 (n1 2< neff)은 경우, 수학식 21의 우변의 부호는 양이다. 요컨대, 반사광의 위상이 입사광과 같다. 따라서, 입사광과 반사광이 반도체와 코팅막 사이의 계면 내부에서 간섭할 때, 입사광과 반사광은 서로 중첩한다 (보강간섭). 이 경우의 COD 지표의 수학식 19는 Hakki와 Nash의 수학식 1과 완전히 일치한다. 실제로, Hakki와 Nash가 식 1을 이용하여 고찰한 레이저의 코팅막의 재질은 SiO이고, 굴절율은 1.9 이었기 때문에(Ettenberg 등, Applied physics letters, Vol. 18, No. 12, 571∼573 페이지, 1971년), n1 2< neff의 관계가 충족되었다. Hakki와 Nash가 논문에 명시하지 않았지만, 그들은 n1 2< neff의 경우만 고찰하였다.
반대로, 코팅막의 굴절율이 큰(n1 2> neff) 경우, 수학식 21의 우변의 부호는 음이다. 요컨대, 반사광의 위상이 입사광의 위상에 반대이다. 따라서, 입사광과 반사광이 반도체와 코팅막 사이의 계면 내부에서 간섭할 때, 이들은 서로 상쇄한다(소멸간섭).
여기서 중요한 것은, 수학식 20의 우변은 수학식 19의 우변보다 항상 크다는 것이다. 이것은 반도체 내부에서 광전계가 서로 소멸간섭하여, 내부 광밀도가 내려가기 때문이다. 따라서, 조건 n1 2> neff를 충족하는 코팅막으로 코팅된 광출사단면을 갖는 반도체레이저의 COD 지표는, 광출사단면의 반사율 R1이 동일하고 광출사단면이 조건 n1 2< neff를 충족하는 코팅막으로 코팅된 종래 설계의 반도체레이저의 COD 지표보다 크다. 이상이 본 발명의 기본적인 특징이다.
본 발명의 상술된 목적과 다른 목적, 특징 및 이점은 본 발명의 실시예들을 나타내는 첨부 도면을 참조한 다음의 설명으로부터 분명해진다.
도2a는 광출사단면이 고굴절율막으로 코팅된 반도체레이저의 COD 지표 Pcoated/Puncoated와 광출사단면 반사율 R1사이의 관계를 나타내는 도면이다.
COD 지표 Pcoated/Puncoated는 상술한 수학식 15, 16을 이용하여 계산되었다. 계산은 굴절율이 2.80, 2.50, 2.25, 2.00, 1.68 및 1.46인 6 개의 상이한 코팅막에 대해 각각 수행되었고, 상기 6개의 상이한 코팅막은 단일 층이다. 막두께는, 각각,의 조건을 충족하며, 반도체 도파로의 유효굴절율(neff)은 3.30 이었다. 따라서, 굴절율 n1= 2.80, 2.50, 2.25 및 2.00 인 각각의 코팅막은 n1 2> neff를 충족한다. 코팅막의 굴절율이 2.50 인 경우를 예로 들면, 막두께가 증가함에따라 반사율이 내려가 COD지표 Pcoated/Puncoated가 상승한다.
일 때, COD 지표 Pcoated/Puncoated는 최대치에 도달한다. COD지표 Pcoated/Puncoated의 최대치는, 수학식 17로부터 n1 2= 6.2 이다. 이 때의 광출사단면 반사율 R1은, 수학식 18로부터 0.095이다. 막두께가 더욱 증가함에 따라, 광출사단면 반사율 R1과 COD지표 Pcoated/Puncoated사이의 관계는 원래의 관계곡선을 따라 되돌아가고,일 때, 광출사단면 반사율 R1= 0.3, COD 지표 Pcoated/Puncoated= 1.0 으로, 요컨대 단면코팅막을 갖지 않는 레이저의 값으로 된다.
도2a는, n1 2> neff를 충족하는 코팅막(n1= 2.80, 2.50, 2.25 및 2.00)에 대한 COD 지표가 n1 2> neff를 충족하지 않는 코팅막(n1= 1.68, 1.46)에 대한 COD 지표보다 훨씬 높다는 것을 나타낸다. 도2a에서 파선은 수학식 20 으로 표현되는 곡선으로, COD 지표에 대한 상한을 나타낸다. 비교를 위해, 도2b는 Hakki와 Nash의 수학식 1에 의해 표현되는 관계를 나타낸다. 상술한 바와 같이, Hakki와 Nash의 수학식 1은 수학식 19와 완전히 일치한다. 도2a에서, Hakki와 Nash의 수학식 1은 파선으로 나타낸 바와 같이 COD 지표에 대한 하한을 준다.
도2a로부터 알 수 있는 바와 같이, 각각의 반사율 R1에 대해 최대의 COD 지표를 주는 최적 코팅막 굴절율 n1이 존재한다. 상기 최적 코팅막 굴절율 n1은 다음과 같이 표현된다.
이것은 식 17과 20으로부터 유도하였다. 예를 들면 neff= 3.30인 경우, R1= 6% 일 때 최적 굴절율 n1은 2.33, R1= 10% 일 때 2.52, R1= 20% 일 때 2.94이다. 막두께가 주어지면, 최적 코팅막을 이용하여,에 의해, 최대 COD 지표( = n1 2)가 얻어진다.
반도체레이저의 광출력을 높이기 위해, 광출사단면 반사율을 낮추는 것이 바람직하다. 상술한 바와 같이 이상적인 코팅막 굴절율 n1은 수학식 22로 표현되지만, 도2a로부터 코팅막 굴절율이 이상적인 코팅막 굴절율 n1전후의 범위여도 충분한 COD 지표를 갖는 반도체레이저가 얻어질 수 있다는 것을 알 수 있다. 코팅막 굴절율이 이상적인 코팅막 굴절율보다 낮으면, COD지표 Pcoated/Puncoated이 내려가지만, 광출사단면 반사율이 감소되어 발진효율이 상숭된다. 코팅막 굴절율이 이상적인 코팅막 굴절율보다 높으면, 광출사단면 반사율이 상승하고, COD 지표 Pcoated/Puncoated가 상승한다.
도2a는 수학식 22로 표현되는 2.50의 이상적인 코팅막 굴절율 n1을 나타내며, R1= 10% 일 때 2.52에 가까운 것을 나타내고 있다. 2.50의 이상적인 코팅막 굴절율 n1에 대해 도2a에 나타낸 다른 굴절율을 재조사하면, 굴절율 2.50보다 20% 낮은 굴절율 2.00을 갖는 코팅막, 굴절율 2.50보다 10% 낮은 굴절율 2.25를 갖는 코팅막, 또는 굴절율 2.50보다 약 10% 높은 굴절율 2.80을 갖는 코팅막에 의해 충분한 광출사단면 반사율 및 COD 지표 Pcoated/Puncoated가 얻어질 수 있음을 알 수 있다.
그러므로, 수학식 22로 표현되는 코팅막 굴절율 n1은 이상적인 값으로 제한되지 않으며, 이상적인 값의 ±20 %, 바람직하게는 ±10 %의 범위여도 좋다.
10 %의 광출사단면 반사율이 요구되는 경우, n1= 2.50인 코팅막(예를 들면, TiON)이 최적에 가깝다. 막두께가보다 약간 작은로 표현되면, 반사율 R1= 10 %, COD 지표 = 5.6을 갖는 코팅막이 얻어진다. 도 3a는 이렇게 얻어진 코팅막 근방의 광강도분포를 나타낸다(λ= 633 nm). 반도체와 코팅막 사이의 계면의 반도체측에서 입사파와 반사파가 소멸간섭하여, 정재파의 절(node)이 발생하기 때문에, COD 가 발생하기 어렵다. 이 경우 COD 지표는 종래 Al2O3코팅을 갖는 반도체레이저(R1= 10 %, n1= 1.68, 막두께 =)의 COD 지표보다 3 배 큰 값이다.
Al2O3코팅에서는, 도3b에 도시된 바와 같이 반도체와 코팅막 사이의 계면에 정재파의 배(antinode)가 형성된다. 또한, 도3b에는, 출력광밀도가 도3a에 도시된 출력광밀도와 동일하게 되도록 묘사되어 있다.
도4a는 본 발명에 따른 AlGaInP 반도체레이저의 단면도를 도시하고 있다. 상기 반도체는 p형(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5P클래드층4, AlGaInP 다중 양자 우물 활성층5 및 n형(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5P클래드층6으로 이루어진 반도체 더블-헤테로접합 구조를 갖는다. AlGaInP 다중 양자 우물 활성층5은 (Al0.05Ga0.95)0.5In0.5P양자우물(두께 10 nm)와 (AlxGa1-x)0.5In0.5P배리어층으로 이루어져 있다. Al조성(x)은 0.3 내지 0.7이다. AlGaInP 다중 양자 우물 활성층(5) 양측에는 50 내지 250 nm 범위의 두께를 갖는 얇은 광가이드층이 설치된다. 도4a에 도시된 반도체레이저의 발진파장은 640 nm 이고 반도체 도파로의 유효굴절율(neff)은 3.30이다. 반도체레이저 전방단면의 코팅막은 굴절율이 2.50인 TiON 이다. 코팅막의 두께는,
로 표현되고, 반사율 R1= 10 %, COD 지표 = 5.6 이 얻어진다. 도4a의 IV(B)-IV(B) 라인을 따라 절취된 반도체레이저의 단면이 도4b에 도시되어 있다. GaAs 블록층(10)은 기본 횡모드 발진을 안정화하는 기능을 한다. GaAs블록층(10)은 Al0.5In0.5P블록층 또는 도4c에 나타낸 (AlxGal-x)0.5In0.5P블록층(11) (0.5~~= ~~x~~<= ~~1.0) 중 어느 하나로 대체될 수도 있다.
도5에 도시한 바와 같이 AlGaInP 다중 양자 우물 활성층(5)은 AlGaInP 벌크활성층12으로 대체되어도 좋다.
도6a는 본 발명의 또다른 실시예에 따른 InGaAs/AlGaAs 반도체레이저의 단면을 나타내고 있다. 상기 InGaAs/AlGaAs 반도체레이저의 발진파장은 0.98μm이다. 상기 반도체레이저는 2.50의 굴절율을 갖는 TiON의 코팅막으로, 90 nm의 두께로 코팅된 전방 광출사단면을 가지며, 반사율 R1= 10 %, COD 지표 = 5.6를 얻는다. 도6a의 VI(B)-VI(B) 라인을 따라 절취된 반도체레이저의 단면이 도6b에 도시되어 있다.
도7은 본 발명의 또다른 실시예에 따른 AlGaAs 반도체레이저의 단면을 나타낸다. 상기 반도체레이저의 발진파장은 발진파장은 0.83μm 이다. 상기 반도체레이저는 2.50의 굴절율을 갖는 TiON의 코팅막으로, 76 nm의 두께로 코팅된 전방 광출사단면을 가지며, 반사율 R1= 10 %, COD 지표 = 5.6를 얻는다.
도8은 본 발명의 또다른 실시예에 따른 InGaAlAs 반도체레이저를 나타낸다. 상기 InGaAlAs 반도체레이저는, Anan 등에 의해 Electronics Letters, Vol. 33, No. 12, 1048-1049 페이지, 1997년에 보고된 구조를 갖는다. 상기 반도체레이저의 발진파장은 1.3μm이다. 상기 반도체레이저는 2.50의 굴절율을 갖는 TiON의 코팅막으로, 120 nm의 두께로 코팅된 전방 광출사단면을 갖는다. InGaAsP 계 재료를 이용한 종래의 1.3 내지 1.7μm 대 반도체레이저에서는 COD 가 보고되어 있지 않지만, Al을 포함하는 재료를 이용한 1.3 내지 1.7μm 대 반도체레이저에서는 COD가 발생할 가능성이 높다. InGaAs/InAlAs를 이용한 1.55μm 대 광변조기로 관측된 입력단면의 손상(Nakao 등, 58th Academic Lectures for Applied Physics Society, 1997년 10월2일, 강연예고집 No.3, p.1121, 논문번호 4p-ZB-9)는 COD에보다 유사한 현상으로, Al을 포함하는 재료를 이용한 1.3 내지 1.7μm 대 반도체레이저에서 COD가 발생할 가능성을 강하게 시사하고 있다. 본 발명에 의하면, Al을 포함하는 재료로 만들어지고, 발진파장이 1.3 내지 1.7μm 범위인 반도체레이저의 COD를 억제할 수 있다.
광출사단면 코팅막용 고굴절율 재료로서는, TiON 외에도, AlON과 같은, 다양한 재료도 가능하다. 아래의 표1은, 본 발명에서 이용할 수 있는 코팅막재료와, 그 굴절율을 열기하고 있다. CaF2, CeO2, (레이저 핸드북, 1975년 재판, p 191)등의 광학재료로서 보다 잘 알려져 있는 다른 재료도 이용가능하다.
각종 출사광단면 패시베이션 재료의 굴절율
재료명 굴 절 율 투과파장영역(㎛) 참고문헌
상광선 이상광선
TiO2 2.616 2.903 [1]
비정질 TiO2 2.25
TiOxN1-x 2.25-2.75
Al2O3 1.768 1.760 [1]
비정질 Al2O3 1.68
AlOxN1-x 1.68-2.25
AlN 2.25 > 0.2 ㎛ [2]
AlP 2.99 > 0.51 ㎛ [2]
AlAs 3.2 > 0.58 ㎛ [2]
SiO2 1.46
SiOxN1-x 1.46-1.96
C 2.42 > 0.23 ㎛ [2]
SiC 2.5-2.7 > 0.54 ㎛ [2]
BN 2.2 > 0.21 ㎛ [2]
BP 3.0-3.5 > 0.62 ㎛ [2]
GaN 2.0 > 0.37 ㎛ [2]
GaP 5.19 > 0.55 ㎛ [2]
GaAs 3.655 > 0.86 ㎛ [2]
ZnO 2.0 > 0.36 ㎛ [2]
ZnS 2.26 > 0.32 ㎛ [2]
ZnSe 2.6-2.7 > 0.46 ㎛ [2]
Cds 2.30 > 0.48 ㎛ [2]
각종 출사광단면 패시베이션 재료의 굴절율
재료명 굴 절 율 투과파장영역(㎛) 참고문헌
상광선 이상광선
CdSe 2.55 > 0.67 ㎛ [2]
Se 2.78 3.58 > 0.60 ㎛ [2]
TlCl 2.2-2.7 > 0.39 ㎛ [2]
TlBr 2.4-2.7 > 0.48 ㎛ [2]
브롬화요오드화탈륨 (KRS-5) 2.395 > 0.5 ㎛ [1],[2]
브롬화요오드화탈륨 (KRS-6) ~2.4 > 0.4 ㎛ [2]
AgCl 2.09 > 0.37 ㎛ [1],[2]
AgBr ~2.1 > 0.46 ㎛ [2]
TiO2 2.4-2.9 [3]
TiO2 2.5 [4],[5]
CeO2 2.30 [3]
ZrO2 2.10 [3]
Ta2O5 2.6 [4]
Ta2O5: SiO2 1.5-2.2 [6]
TiO2: SiO2 1.5-2.5
Ta2O5: Al2O3 1.6-2.6
TiO2: Al2O3 1.6-2.6
Cr2O3 2.4 [4]
Gd2O3 2.1 [4]
ZnO 2.0 [4]
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반도체레이저의 유효굴절율이 3.30, 반도체레이저의 설계 반사율이 0.10 인 경우, 수학식 22에 의해 최적 코팅막 굴절율은 2.52이다. TiOxNl-x의 산소조성이 30-50 %이면, 우수한 코팅막이 생성된다. TiOxNl-x의 성막조건을 선택함으로써 굴절율을 제어하는 것도 가능하다. 반도체레이저의 설계반사율이 0.05 인 경우, 최적 코팅막 굴절율은 2.28로 저하한다. 산소조성이 큰 TiOxN1-x와 질소조성이 큰 AlOxN1-x, SiOxNl-x, 등이 코팅막용으로 적합하다.
TiON을 포함하는 몇개의 코팅막 재료는 반응성이 높아, 공기중의 수증기와 반응하기 쉬워, 코팅막의 굴절율이나 투과율을 변동시킨다. 이러한 결점을 회피하기 위해, COD 제어용 코팅막의 외표면에 보호용 코팅막이 코팅되어 보호하는 것이 가능하다. 보호 코팅막의 두께를 충분히 크게 선택된다. 보호 코팅막의 두께는에 따라 결정되어도 좋다. 보호 코팅막에 의해, 도3a에 도시된 바와 같이 반도체와 코팅막 사이의 계면의 광강도분포는 반도체레이저의 소망의 동작동안 유지된다.
한편, 몇개의 코팅막 재료가 반도체상에 직접 코팅되면, 증착된 코팅막이 반도체에 강한 변형을 생성하여 결정결함을 발생시킨다. 이러한 결함을 제거하기위해, COD 제어용 코팅막과 반도체 사이에 반도체를 보호하는 보호 코팅막이 삽입될 수도 있다. 그러한 보호 코팅막의 두께는 충분히 크게 선택된다. 이러한 보호 코팅막의 두께는에 따라 결정되어도 좋다. 상기 보호 코팅막에 의해, 도3a에 도시된 바와 같이 반도체와 코팅막 사이의 계면에서 광강도분포는 반도체레이저의 소망의 동작동안 유지된다.
본 발명의 바람직한 실시예들이 특정하게 설명되었지만, 이러한 설명은 예시적인 목적만을 위한 것이고, 다음의 청구항의 정신이나 범위에서 벗어나지 않고 변경예나 변형예들이 만들어질 수 있다.
본 발명에 따른 반도체레이저는 종래의 한계치보다 높은 광출력을 발생시킬 수 있다. 또한, 종래의 광출사단면 반사율보다 높은 광출사 반사율을 갖는 광출사단면 코팅막으로 높은 광출력을 얻을 수 있다. 결과적으로, 본 발명은 문턱값전류나 온도특성 등의 발진특성을 양호하게 유지하면서 안정성과 신뢰성이 높은 고출력 반도체레이저를 제공한다.

Claims (8)

  1. 반도체레이저 도파로의 광출사단면상에, 단일층 또는 복수의 층으로 이루어지는 코팅막을 구비하는 반도체레이저의 제조방법에 있어서,
    상기 코팅막을 이루는 하나 이상의 층의 굴절율 n1을,
    의 ±20 %의 범위로 선택하는 단계를 포함하며,
    상기 neff는 반도체레이저 도파로의 유효굴절율이고, 상기 R1는 광출사단면의 반사율인 것을 특징으로 하는 반도체레이저의 제조방법.
  2. 반도체레이저 도파로의 광출사단면상에, 단일층 또는 복수의 층으로 이루어지는 코팅막을 구비하는 반도체레이저의 제조방법에 있어서,
    상기 코팅막을 이루는 하나 이상의 층의 굴절율 n1을,
    의 ±10 %의 범위로 선택하는 단계를 포함하며,
    상기 neff는 반도체레이저 도파로의 유효굴절율이고, 상기 R1는 광출사단면의 반사율인 것을 특징으로 하는 반도체레이저의 제조방법.
  3. 반도체레이저 도파로의 광출사단면상에, 단일층 또는 복수의 층으로 이루어지는 코팅막을 구비하는 반도체레이저의 제조방법에 있어서,
    상기 코팅막을 이루는 하나 이상의 층의 굴절율 n1을,
    의 ±20 %의 범위로 선택하는 단계; 및
    상기 굴절율 n1을 갖는 상기 층 이외의 다른 층의 두께를에 따라 선택하는 단계를 포함하며,
    여기서, 상기 neff는 반도체레이저 도파로의 유효굴절율이고, 상기 R1는 광출사단면의 반사율이며, 상기 nj는 상기 다른 층의 굴절율이고, 상기 λ는 상기 반도체레이저의 발진파장인 것을 특징으로 하는 반도체레이저의 제조방법.
  4. 반도체레이저 도파로의 광출사단면상에, 단일층 또는 복수의 층으로 이루어지는 코팅막을 구비하는 반도체레이저의 제조방법에 있어서,
    상기 코팅막을 이루는 하나 이상의 층의 굴절율 n1을,
    의 ±10 %의 범위로 선택하는 단계; 및
    상기 굴절율 n1을 갖는 상기 층 이외의 다른 층의 두께를에 따라 선택하는 단계를 포함하며,
    여기서, 상기 neff는 반도체레이저 도파로의 유효굴절율이고, 상기 R1는 광출사단면의 반사율이며, 상기 nj는 상기 다른 층의 굴절율이고, 상기 λ는 상기 반도체레이저의 발진파장인 것을 특징으로 하는 반도체레이저의 제조방법.
  5. 반도체레이저 도파로의 광출사단면상에, 단일층 또는 복수의 층으로 이루어지는 코팅막을 구비하는 반도체레이저에 있어서,
    상기 코팅막은,
    의 ±20 %의 범위에 속하는 굴절율 n1을 갖는 하나 이상의 층을 포함하며,
    상기 neff는 반도체레이저 도파로의 유효굴절율이고, 상기 R1는 광출사단면의 반사율인 것을 특징으로 하는 반도체레이저.
  6. 반도체레이저 도파로의 광출사단면상에, 단일층 또는 복수의 층으로 이루어지는 코팅막을 구비하는 반도체레이저에 있어서,
    상기 코팅막은,
    의 ±10 %의 범위에 속하는 굴절율 n1을 갖는 하나 이상의 층을 포함하며,
    상기 neff는 반도체레이저 도파로의 유효굴절율이고, 상기 R1는 광출사단면의 반사율인 것을 특징으로 하는 반도체레이저.
  7. 반도체레이저 도파로의 광출사단면상에, 단일층 또는 복수의 층으로 이루어지는 코팅막을 구비하는 반도체레이저에 있어서,
    상기 코팅막은,
    의 ±20 %의 범위에 속하는 굴절율 n1을 갖는 하나 이상의 층 및에 따른 두께를 갖는, 상기 굴절율 n1을 갖는 상기 층 이외의 다른 층을 구비하며,
    여기서, 상기 neff는 반도체레이저 도파로의 유효굴절율이고, 상기 R1는 광출사단면의 반사율이며, 상기 nj는 상기 다른 층의 굴절율이고, 상기 λ는 상기 반도체레이저의 발진파장인 것을 특징으로 하는 반도체레이저.
  8. 반도체레이저 도파로의 광출사단면상에, 단일층 또는 복수의 층으로 이루어지는 코팅막을 구비하는 반도체레이저에 있어서,
    상기 코팅막은,
    의 ±10 %의 범위에 속하는 굴절율 n1을 갖는 하나 이상의 층 및에 따른 두께를 갖는, 상기 굴절율 n1을 갖는 상기 층 이외의 다른 층을 구비하며,
    여기서, 상기 neff는 반도체레이저 도파로의 유효굴절율이고, 상기 R1는 광출사단면의 반사율이며, 상기 nj는 상기 다른 층의 굴절율이고, 상기 λ는 상기 반도체레이저의 발진파장인 것을 특징으로 하는 반도체레이저.
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