KR100335733B1 - 반도체 레이저 장치 - Google Patents

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Abstract

(Al, Ga, In)P계에서 제작된 SCH 레이저 장치는 광 유도 영역내에 배치된 활성 영역을 갖는다. 광 유도 영역은 n-도핑된 클래딩 영역과 p-도핑된 클래딩 영역 사이에 배치된다. 레이저 장치는 광 유도 영역과 클래딩 영역들 사이의 경계에 배치된 광제한층을 구비한다. 광제한층은 광 필드를 제한시켜 클래딩 영역내로의 광 필드의 통과를 감소시킨다. 레이저 장치의 p측의 광제한층은 또한 p-도핑된 클래딩 영역내로의 전자 이동에 대한 전위 장벽으로서 작용한다. 클래딩 영역은 낮은 몰 분율을 갖고 있으므로 직접 밴드갭을 갖는다. 이것은 클래딩 영역의 DX 레벨에서의 트래핑에 의한 캐리어 손실을 방지한다. 대안적인 실시예에서, 클래딩 영역은 그레이드 성분을 가지며, 광제한층과의 경계에서의 이 성분은 클래딩 영역의 DX 레벨이 광제한층의 X 전도대로 축퇴되게 하는 성분이다.

Description

반도체 레이저 장치{SEMICONDUCTOR LASER DEVICE}
본 발명은 반도체 레이저 장치에 관한 것으로, 특히 파장 범위 630㎚ 내지 680㎚에서 가시 방사를 방출하는 반도체 레이저 장치에 관한 것이다. 레이저 장치는 에지-방출 또는 표면-방출형으로 이루어질 수 있다.
파장 범위 630㎚ 내지 680㎚에서 가시광을 방출하는 (Al, Ga, In) P 재료 시스템에서 제조된 레이저 장치 또는 레이저 다이오드(LD)는 전문 및 소비자 제품의 중요한 부품이 되고 있다. 예를 들면, 디지털 비디오 디스크(DVD) 시스템은 60℃ 온도, 30㎽ 출력 전력까지 전달할 수 있는 635㎚ 내지 650㎚ 파장 LD를 이용한다는 것을 고려한다. 차세대 반도체 레이저는 보다 높은(예를 들면 70℃) 동작 온도에서 훨씬 큰 최대 전력 출력을 필요로 할 것이다.
(Al, Ga, In) P 시스템에 의해 일반식 (AlyGa1-y)1-xInxP를 갖는 화합물군이 이루어지며, 여기서 x 및 y 모두는 0과 1 사이이다. 본 반도체 시스템의 하나의 장점은 인듐 몰 분율 x가 0.48일 때 GaAs 기판에 격자-매칭된다는 것이다.
편의상, x, y=0 및 x, y=1을 갖는 화합물 (AlyGa1-y)1-xInxP은 일반적으로 본 명세서 및 특허청구의 범위에서 AlGaInP라고 할 것이다. 유사하게, y=1을 갖는 화합물은 일반적으로 AlInP라고 하며, y=0을 갖는 화합물은 일반적으로 GaInP라 할 것이다.
(Al, Ga, In) P 레이저 다이오드의 주요 한계는, 가장 높은 특정 동작 온도에서 장기간(또는 충분히 낮은 임계 전류로) 동작할 수 없다는 것이다. 일반적으로, 이는 장치의 활성 영역으로부터 주변 광 유도 영역 및 다음에 p형 클래딩 영역으로의 전자 누설에 의해 유발된다는 것을 알 것이다.
지금부터, 630-680㎚에서 발광하도록 한 분리 제한 레이저 구조의 일반적인 구조가 도 1 및 도 2를 참조하여 기술될 것이다.
도 1의 곡선 (a)는, 4기 합금에서의 알루미늄 몰 분율의 함수로서 (AlyGa1-y)0.52In0.48P 및 Ga0.52In0.48P의 Γ-도전 대역 에너지 간의 차이를 나타낸다. 도 1의 곡선 (a) 및 (b)는 X-도전 대역 에너지 및 Γ-원자가 전자 대역 에너지 간의 차이를 각각 도시한다. 도 1은, AlGaInP 및 GaInP 간의 밴드갭 차가 도전 대역 오프셋과 원자가 전자 오프셋 간의 70:30비로 분리되어 있으며, 1995년, S.P. Najda 등에 의해 'Journal of Applied Physics', Vol 77, No.7, 페이지 3412를 참조한다.
(Al, Ga, In) P의 도전 대역에서의 최소 에너지는 알루미늄 함유량의 함수라는 것을 알 것이다. 약 0.55의 알루미늄 농도에서 Γ-대역 최소에서 X-대역 최소로의 교차점이 있다.
본 명세서에 사용되는 용어 Γ-대역 및 X-대역은 브릴루인 영역에서의 대칭점이라 하고, solid state physics에서는 표준 용어이며, 예를 들면 R.A.Smith에 의한 'Semiconductor', (Cambridge University Press, 1978)을 참조한다. 용어 Γ-최소 및 X-최소는 각각 Γ-대역 및 X-대역의 최소 에너지 레벨이라 한다.
도 2는 (Al, Ga, In) P 시스템에서 제조된 분리 제한 레이저 구조의 개략적인 대역 구조이다. 이는 n-도프된 (Al0.7Ga0.3)0.52In0.48P 클래딩 영역(1), (Al0.5Ga0.3)0.52In0.48P 광도판 영역(2, 4), (Al0.5Ga0.3)0.52In0.48P내에 배치된 GaInP 양자 웰 활성 영역(3), 및 p도프된 (Al0.7Ga0.3)0.52In0.48P 클래딩 영역으로 구성된다. 레이저 다이오드의 양자 웰 활성 영역(3)에서의 레이저 동작을 유발하는 광 변환은 GaInP 양자 웰 활성 영역에서 Γ-전자로부터 발원한다.
전자 누설 전류는 도 2의 우측상의 전위 장벽을 넘어서 p도프된 클래딩 영역(5)으로 통과하기 위해 충분한 열 에너지를 갖는 전자의 분율로 구성된다. Γ-전자가 p-도프된 클래딩 영역과의 계면에서 단지 약 9meV의 전위 장벽에 의해 광 유도 영역(도파관 영역)에서 제한된다는 것을 알 수 있다. 이러한 비교적 작은 장벽 높이에 의해 중요한 부분의 전자가 이탈하게 된다. 게다가, 원자가 전자 대역의 정공은 약 50meV의 전위 장벽에 의해서만 제한되고, 이러한 낮은 장벽 높이도 역시 캐리어 이탈을 허용한다. 게다가, p클래딩 영역(5)에서의 X-도전 대역은 도파관 영역(2, 4)에서의 Γ-도전 대역의 약 50meV 미만이고, 이로 인해 p도프된 클래딩 영역에서의 X상태를 통해 전자가 광도파관 영역(2, 4)으로부터 이탈하게 된다. 따라서, 도 2에 도시된 레이저는 높은 누설 전류를 가지므로, 고온에서 성능이 불량하다.
도 2에 도시된 레이저 구조에서, n도프된 클래딩 영역(1)의 자유 캐리어 밀도는 포화하는 경향이 있다. 이러한 자유 캐리어의 포화는 n도프된 클래딩 영역(1)에서의 DX레벨의 자유 에너지 레벨에서 고정된 페르미 에너지에 의해 발생한다. 도 2에 도시된 바와 같이, DX 레벨은 n도프된 클래딩 영역(1)에서의 X대역 도전 최소보다 낮다(약 100meV 만큼). AlGaAs에서의 DX레벨로 고정한 페르미에 의한 캐리어 농도의 포화는 1995년 A.Y.Du등에 의한 'Applied Physics Letters', Vol 66, No 11, 페이지 1391-1393에 기록되어 있다. (Al,Ga,In)P 재료 시스템에서의 캐리어 농도의 포화는 1997년 S.P.Najda등에 의한 'Journal of Applied Physics', Vol 82, No 9, 페이지 4408에 기록되어 있다.
자유 캐리어 농도의 포화는 DX 레벨로 트랩하는 캐리어에 의해 레이저 장치의 활성 영역으로 주입될 수 있는 전자의 개수를 한정한다. 이는 전하 불균형을 초래하여 레이저 장치의 효율성을 감소시킬 수 있다. 게다가, n도프된 클래딩 영역(1)에서의 자유 캐리어 농도의 포화는, 레이저 장치의 전기 비저항이 임의의 레벨 아래로 감소될 수 없다는 것을 의미한다.
이러한 캐리어 농도의 포화는 도 8에 도시되어 있으며, (상기) S.P.Najda등로부터 습득할 수 있다. 이 도면은 실리콘 셀의 온도의 함수로서 (Al0.7Ga0.3)0.52In0.48P에서의 실리콘 불순물 농도에 대한 실험 데이터를 도시한다. 이도면은 (자유 캐리어 농도의 측정치인) 홀 캐리어 농도 및 (고정 불순물 농도의 측정치인) CV 데이터 모두를 도시한다. 자유 캐리어 농도(즉 홀 캐리어 농도)가 n=4.8 X 1017㎝-3의 농도로 포화한다. 이 포화는 DX 레벨에서 페르미 레벨의 고정에 의한 것이다.
도 2의 레이저 구조에서의 광 유도 영역(2, 4) 및 p도프된 클래딩 영역(5) 간의 전위 장벽은 약 50meV이다. 이 전위차가 작기 때문에, 광 유도 영역에서 p도프된 클래딩 영역으로의 캐리어의 거대한 누설이 있다. 따라서, 광 유도 영역(2, 4) 및 p도프된 클래딩 영역(5) 간의 전위 장벽을 증가시키는 것을 바람직하다.
도 3은 광 유도 영역(2, 4) 및 p도프된 클래딩 영역(5) 간의 전위 장벽이 증가될 수 있는 한가지 방법을 도시한다. 도 3의 레이저 구조에서, n-도프된 클래딩 영역(1) 및 p도프된 클래딩 영역(5)은 도 2에 도시된 레이저 구조의 클래딩 영역(1, 5)보다 큰 알루미늄 조성비를 갖는다. 도 3에서의 클래딩 영역(1, 5)은 Al0.52In0.48P로 형성된다. 광 유도 영역(2, 4)으로부터의 Γ-전자의 이동에 대해 현재 약 250meV의 전위 장벽이 있다는 것을 알 것이다.
도 3에서의 Al0.52In0.48P 클래딩 영역의 사용은, 자유 캐리어 농도가 (Al0.7Ga0.3)0.52In0.48P에서의 포화값보다 낮은 값에서 포화할 것으로 기대된다. 따라서, 도 3의 레이저 장치에서의 클래딩 영역(1, 5)은 매우 높은 비저항을 갖고, 장치가 사용중일 때 클래딩 영역에서의 내열에 의해 상당한 양의 열이 발생될 것이다.
도 2 및 도 3의 레이저 장치가 사용중일 때, 전자는 n도프된 클래딩 영역(1)에서 광 유도 영역(2, 4)으로 주입된다. 발생할 효율적인 레이저를 위해, 전자는 양자 웰 활성 영역(3)에 진입하고 열평형을 도달할 수 있어야 한다. 그러나, 광 유도 영역(2, 4)으로의 전자 주입과 관련된 전자 분포는 비-열 분포를 갖고, 이는 비선형 광 게인과 핫 캐리어 효과를 초래한다. 1996년, P.Bhattacharya등에 의해 저널 'IEEE Journal of Quantum Electronics', Vol 32, No. 9, 페이지 1620-1628에는, 광 유도 영역으로의 캐리어 주입과 관련된 문제들이 광 유도 영역에서 얇은 전위 장벽을 제공함으로써 극복될 수 있음이 제안되어 있다. 광 유도 영역으로 주입되는 전자는 전위 장벽을 통해 터널링함으로써 활성 영역에 도달하고, 이는 전자를 '냉각(cool)'시킨다.
(상기) Bhattacharya등에 의한 제안의 한가지 단점은, 얇은 전위 장벽이, 예를 들면 AlInP와 같은 높은 알루미늄 함유량을 갖는 재료로 형성되어야 한다는 것이다. 높은 알루미늄 함유량을 갖는 재료로 형성된 전위 장벽은 X전자에 대한 전도 대역에서 양자 웰을 생성할 것이다. 전자가 전위 장벽을 통해 터널링할 수 있더라도, X전자는 전위 장벽에 형성된 양자 웰에 트랩되어, 활성 영역에서 레이저를 발하는데 유용하지 않을 것이다. 상기 제안의 다른 단점은, 높은 알루미늄 함유량을 갖는 층이 활성 영역의 일 측상에 배치되며 광 필드의 높은 게인 일부에 있는 장치를 초래한다. 전위 장벽의 굴절률은 그 알루미늄 함유량의 큰 차이로 인하여 광 유도 영역의 굴절률과 큰 차이가 있을 것이다. 따라서, 이러한 장치로부터의 원거리 필드(far-field) 이미지가 도 2에 도시된 일반적인 레이저 구조보다 훨씬비대칭일 것이다.
종래의 에지-방출 레이저가 갖는 다른 문제점은, 크게 비대칭인 원거리 필드 패턴을 갖는다는 것이다. 에지-방출 레이저의 다수의 응용에 있어서, 원거리 필드 이미지는 거의 원형인 것이 바람직하다. 예를 들면, 에지-방출 레이저가 CD 플레이어에 사용되거나, 또는 에지-방출 레이저로부터의 출력이 광 섬유로 결합될 때, 거의 원형인 원거리 필드 프로파일이 요구된다. 이들 응용에 있어서 타원형 원거리 필드 프로파일을 갖는 종래의 레이저를 사용하기 위해서는, 보정 광학을 제공할 필요가 있다. 전형적으로, 레이저에 의해 방출되는 비대칭 빔은 조준된 다음, 원형 원거리 필드 빔 프로파일을 얻기 위해 한쌍의 왜상 프리즘을 통과한다. 이러한 보정 광학을 사용함에 따라 물리적 크기, 시스템의 복잡성 및 제조 비용이 증가된다.
에지-방출 레이저에 의해 방출되는 빔의 종횡비를 개선하려는 여러 가지 노력에 기울여 왔다. 1996년, S-T Yen등에 의해 저널 'IEEE Journal of Quantum Electronics' Vol. 32, No. 9, 페이지 1588-1595 및 1996년, G.Lin등에 의해 저널 'IEEE Photonics Technology Letters' Vol 8, No. 12, 페이지 1588-1590에서는 13。의 수직 원거리 필드 8。의 수평 원거리 필드를 가져 거의 1.6:1의 종횡비를 제공하는 InGaAs-AlGaAs 레이저를 기록하고 있다(보다 전형적인 종래 레이저의 종횡비는 거의 3:1임).
(상기) P.Bhattacharya등 및 (상기) S-T Yen등에 따르면, 수직 원거리 필드 패턴을 15。 이하로 감소시키려는 수많은 노력에 의해 원거리 필드 패턴이 측면 돌출(lobe)되거나 또는 레이저의 임계 전류가 증가될 것이다.
본 발명의 제1 특징은, n도프된 클래딩 영역 및 p도프된 클래딩 영역, 상기 n도프된 클래딩 영역 및 상기 p도프된 클래딩 영역 사이에 배치되는 광 유도 영역, 및 상기 광 유도 영역내에 배치되는 활성 영역을 포함하는 레이저 장치를 제공한다.
상기 레이저 장치는 상기 활성 영역 및 상기 클래딩 영역중 하나의 영역 사이에 배치된 광 제한층을 더 포함하며, 상기 광 제한 영역은 상기 클래딩 영역보다 더 낮은 굴절률을 갖는다.
상기 클래딩 영역보다 더 낮은 굴절률을 갖는 상기 광 제한층의 준비는 개선된 광 제한을 제공하여 상기 광 제한 영역을 넘어 상기 클래딩 영역으로의 광 필드의 침투를 감소시키고, 상기 활성 영역에 광 필드를 집중시킨다. 광 필드가 상기 클래딩 영역을 침투함을 감소시키는 것은 상기 클래딩 영역에서 발생하는 흡수를 감소시키며 활성 영역에서의 광 필드를 증가시킬 것이다. 이들 두가지 효과의 조합은 레이저 장치의 임계 전류를 감소시킬 것이다. 게다가, 상기 클래딩 영역으로의 광 필드의 침투를 감소시키는 것은 원거리 필드 이미지의 원형을 개선할 것이다.
다른 장점은 상기 광 제한층이 상기 n도프된 클래딩 영역과 상기 p도프된 클래딩 영역 사이에 제공될 때 발생한다. 이 경우에, 전자가 상기 n도프된 클래딩 영역에서 상기 활성 영역으로 주입될 때 상기 광 제한 영역을 통과할 것이다. 이렇게 함으로써, 전자는 '냉각'될 것이고, 이는 캐리어 가열 효과를 감소시킬 것이다.
상기 광 제한층은 상기 광 유도 영역과 상기 클래딩 영역중 하나의 영역 사이의 계면에 배치될 수 있다.
상기 광 제한층에 바로 이웃한 상기 하나의 클래딩 영역의 일부의 Γ-도전 대역은 상기 광 제한층의 X도전 대역으로 실질적으로 퇴보할 수 있다.
상기 하나의 클래딩 영역은 경사진 밴드갭을 가질 수 있다.
상기 하나의 클래딩 영역의 구성은, 상기 하나의 클래딩 영역에서의 DX 레벨의 에너지가 상기 하나의 클래딩 영역에서의 페르미 레벨의 에너지보다 크도록 선택될 수 있다. 이는 상기 클래딩 영역을 형성하기 위해 직접 밴드갭 재료를 사용함으로써 실현될 수 있다. 상기 DX 레벨은 이 경우에 크게 상주될 수 없으므로, 상기 DX 레벨에서의 캐리어 트래핑은 실질적으로 감소될 것이다.
대안적으로, 상기 광 제한층에 이웃한 상기 하나의 클래딩 영역의 일부에서의 DX 레벨은 실질적으로 상기 광 제한층에서의 X 도전 대역으로 퇴보할 수 있다. 이는 DX 레벨에 트랩된 캐리어가 DX 레벨에서 광 제한층의 X 도전 대역으로 터널할 가능성을 증가시켜, DX 레벨에서의 캐리어의 트랩을 감소시킨다.
상기 하나의 클래딩 영역에서의 DX 레벨의 에너지는 상기 광 제한층으로부터 점점 증가할 수 있다. 이와 같이 DX 레벨의 에너지의 기울기는 또한 DX레벨에 트랩된 캐리어가 DX레벨에서 상기 광 제한층의 X 도전 대역으로 터널할 가능성이 있으므로, DX 레벨에서의 캐리어의 트랩을 감소시킨다.
상기 광 제한층은 레이저 장치의 p측상에 배치되고 p도프될 수 있다. 대역 굽힘은, 상기 광 제한층이 고농도로 p도프되면 발생할 것이고, 이러한 대역 굽힘은 활성 영역에서 p도프된 클래딩 영역으로의 Γ-전자 이동으로 전위 장벽을 증가시킬 것이다. 상기 장치의 p측상의 광 제한층을 도핑하는 것은 또한 상기 p도프된 클래딩 영역에서 상기 광 제한 영역으로 및 활성 영역으로의 정공 이동을 용이하게 할 것이다.
레이저 장치는 상기 활성 영역과 상기 다른 클래딩 영역 사이에 배치되는 제2 광 제한층을 포함할 수 있다. 상기 제2 광 제한층은 상기 광 유도 영역과 상기 다른 클래딩 영역 사이의 계면에 배치될 수 있다.
상기 레이저 장치는 (Al, Ga, In)P 시스템에 제조될 수 있으며, 상기 하나의 클래딩 영역은 알루미늄 몰 분율 y를 갖는 AlGaInP로 형성된다. (만약 GaAs 기판에 일치한 격자가 요구되었다면, 상기 클래딩층은 바람직하게 (AlyGa1-y)0.52In0.45P임).
y값은 상기 광 제한층으로부터 점점 감소할 수 있다.
상기 또는 각 광 제한층은 상기 하나의 클래딩층보다 높은 알루미늄 몰 분율을 갖는 AlGaInP층일 수 있다. 대안적으로, 상기 또는 각 광 제한층은 AlInP층일 수 있다. AlInP는 3.253의 낮은 굴절률을 가지므로(1994년, M.Moser등에 의해 저널 'Applied Physics Letters' Vol 64, No.2, 페이지 235), 광 필드의 우수한 제한을 제공한다.
상기 또는 각 광 제한층은 산화된 AlInP로 구성될 수 있다. 산화된 AlInP는 굴절률을 감소시키므로, 산화된 AlInP의 광 제한층을 사용하여 광 제한의 다른 개선사항을 제공할 것이다.
y값은 상기 하나의 클래딩 영역 및 상기 광 제한층 사이의 계면에서 약 0.4일 수 있다. AlInP 광 제한층과의 계면에서의 상기 클래딩층의 Γ-대역은 실질적으로 상기 광 제한층의 X-대역으로 퇴보한다.
대안적으로, y는 상기 하나의 클래딩 영역과 상기 광 제한층 사이의 계면에서 약 0.9일 수 있다. AlInP 광 제한층과의 계면에서 상기 클래딩층의 DX 레벨은 실질적으로 상기 광 제한층의 X-대역으로 퇴보한다.
상기 광 유도 영역과, 상기 또는 각 광 제한층의 두께는, 레이저 장치가 사용중에 거의 원형인 원거리 필드-프로파일을 갖는 광을 방출한다. 레이저 장치와 같은 광 방출 형태는 광 섬유로 직접 결합되거나 CD 플레이어에 사용될 수 있고, 보정 광학을 사용할 필요성이 없어진다.
본 발명의 제2 특징은, n도프된 클래딩 영역 및 p도프된 클래딩 영역, 상기 n도프된 클래딩 영역과 상기 p도프된 클래딩 영역 사이에 배치된 광 유도 영역, 및 상기 광 유도 영역내에 배치된 활성 영역을 포함하며, 상기 클래딩 영역중 하나의 영역의 구성은, 상기 하나의 클래딩 영역에서의 DX 레벨의 에너지는 상기 하나의 클래딩 영역에서의 페르미 레벨보다 크도록 선택된다. 상기 DX 레벨은 이 경우에 크게 상주되지 않으므로, 상기 DX 레벨에서의 캐리어 트래핑은 크게 감소될 것이다. 상기 하나의 클래딩 영역은 직접 밴드갭을 가질 수 있다. 상기 레이저 장치는 (Al, Ga, In)P 합금 시스템에서 제조될 수 있고 상기 하나의 클래딩 영역은 알루미늄 몰 분율 y를 갖는 AlGaInP로 형성될 수 있으며, 여기서 y<0.55이다.
본 발명의 제3 특징은, n도프된 클래딩 영역과 p도프된 클래딩 영역, 상기 n도프된 클래딩 영역과 상기 p도프된 클래딩 영역 사이에 배치되는 광 유도 영역, 및 상기 광 유도 영역내에 배치되는 활성 영역을 포함하며, 상기 클래딩 영역중 하나의 영역에서의 DX 레벨의 에너지는 상기 광 유도 영역으로부터 점점 증가한다. 이와 같이 DX 레벨의 에너지 기울기는, DX 레벨에 트랩된 캐리어가 상기 DX 레벨에서 상기 광 유도 영역으로 터널할 가능성을 증가시켜 상기 DX 레벨에서의 캐리어 트래핑을 감소시킨다.
상기 레이저 장치는 (Al, Ga, In)P 합금 시스템에서 제조될 수 있으며, 상기 하나의 클래딩 영역은 알루미늄 몰 분율 y를 갖는 AlGaInP로 형성되고, y는 상기 광 유도 영역으로부터 점점 감소한다.
상기 레이저 장치는 가시 범위에서 광을 방출할 수 있다. 상기 레이저 장치는, 일 실시예에서 약 630㎚ 내지 약 680㎚ 범위에서 광을 방출한다. 상기 레이저 장치는 일 실시예에서 약 635㎚ 내지 약 650㎚ 범위에서 광을 방출한다.
상기 레이저 장치는 대칭 구조를 가질 수 있다. 상기 레이저 장치는 일 실시예에서 원형 또는 타원형 원거리 필드 프로파일을 갖는다.
상기 레어저 장치는 일 실시예에서 동일한 두께를 갖는 두 개의 광 유도 영역을 포함한다. 상기 레이저 장치는 일 실시예에서 동일한 구성을 갖는 두 개의 광 유도 영역을 포함한다.
지금부터 본 발명의 바람직한 실시예가 첨부한 도면을 참조하여 예로서 기술될 것이다.
도 1은 4기 합금의 알루미늄 몰 분율의 함수로서 (Ga,In)P/(Al,Ga,In)P 헤테로장벽 높이의 변경을 도시한 도면.
도 2는 (Al,Ga,In)P 시스템에서 제조된 종래의 분리 종속 헤테로구조 반도체 레이저의 개략적인 대역 구조를 도시한 도면.
도 3은 도 2에 도시된 것과 유사한 SCH 레이저의 개략적인 대 구조(band structure)도로서, 여기서는 클래딩 층들이 (Al, In)P로 형성되어 있다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 SCH 레이저의 개략적인 대 구조도.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 SCH 레이저의 개략적인 대 구조도.
도 6은 본 발명의 제3 실시예에 따른 SCH 레이저의 개략적인 대 구조도.
도 7은 GaInP에서의 실리콘 불순물 농도를 실리콘 셀의 온도의 함수로서 도시하는 도면.
도 8은 (Al0.7Ga0.3)0.52In0.48P에서의 실리콘 불순물 농도를 실리콘 셀의 온도의 함수로서 도시하는 도면.
도 9는 실리콘이 도핑된 (AlyGa1-y)0.52In0.48P의 고유저항을 알루미늄 몰 분율 y의 함수로서 도시하는 도면.
도 11은 베릴륨이 도핑된 (AlyGa1-y)0.52In0.48P의 고유저항을 알루미늄 몰 분율 y의 함수로서 도시하는 도면.
도 11a는 (Al, Ga, In)P 시스템으로 제조된 다른 종래의 SCH 레이저 장치의 전도대 구조를 개략적으로 도시하는 도면.
도 11b는 도 11a의 레이저 장치의 굴절률 프로파일 및 근거리계 프로파일을 도시하는 도면.
도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 SCH 레이저 장치의 개략적인 대 구조도.
도 13a는 도 12의 레이저 장치의 원거리 필드 방사의 수직 및 평행 성분을 도시하는 도면.
도 13b는 도 12의 구조의 광 제한을 도파관의 두께의 함수로서 도시하는 도면.
도 14a는 본 발명의 다른 실시예에 따른 레이저의 원거리 방사의 수직 및 수평 성분을 도시하는 도면.
도 14b는 도 14a에 그 원거리 필드 방사가 도시되어 있는 레이저 장치의 광 제한을 도시하는 도면.
〈도면의 주요 부분에 대한 설명〉
11: n-도핑된 클래딩 영역
12: 유도 영역
13: 활성 영역
14: 유도 영역
15: p-도핑된 클래딩 영역
16, 17: 광 제한 영역
본 발명의 제1 실시예에 따른 SCH 레이저 장치의 대 구조가 도 4에 개략적으로 도시되어 있다. 이 레이저 장치는 광 유도 영역(12, 14) 내에 배치된 Ga0.52In0.48P 활성 영역(13)으로 이루어져 있다. 광 유도 영역(12, 14)은 (Al0.4Ga0.6)0.52In0.48P로 형성된다. 광 유도 영역(12, 14)은 n-도핑된 클래딩 영역(11) 및 p-도핑된 클래딩 영역(15) 사이에 배치된다.
이 실시예의 레이저 장치에는 2개의 광 제한층(16, 17)이 구비된다. 이 실시예에서 이들은 Al0.52In0.48P로 형성되는데, 그중 하나의 광 제한층은 n-도핑된 클래딩 영역과 광 유도 영역 사이의 계면에 배치되고, 다른 광 제한층은 p-도핑된 클래딩 영역(15)과 광 유도 영역 사이의 계면에 배치된다.
이 실시예에서, 클래딩 영역들(11, 15)은 각각 그레이드된 구조를 갖는다. n-도핑된 클래딩 영역(11)은 광 제한층(16)과의 계면에서 (Al0.4Ga0.6)0.52In0.48P로 이루어진다. n-도핑된 클래딩 영역의 알루미늄 함유량은 광 제한층(16)과의 계면에서 멀어지면서 감소하고, 결과적으로 0이 되어 Ga0.52In0.48P의 클래딩 영역에 대한 조성이 주어진다. p-도핑된 클래딩 영역(15)의 조성은 유사하게 변화하여, 광 제한층(17)과의 계면에서 알루미늄 몰 분율이 y=0.4이고 광 제한층(17)에서 멀어지면서 0으로 감소한다.
광 제한층들(16, 17)을 제공하는 것은 여러 가지 이점이 있다. 첫째로, AlInP의 굴절률은 대략 5.7%로서 (Al0.4Ga0.6)0.52In0.48P 광 유도층(12, 14)의 굴절률보다 작다. 이에 반하여, 도 2에 도시된 종래의 레이저에서는, (Al0.7Ga0.3)0.52In0.48P 클래딩 영역(1, 5)의 굴절률이 겨우 2% 정도로서 (Al0.5Ga0.5)0.52In0.48P 광 유도 영역(2, 4)의 굴절률보다 작다. 도 4의 레이저에서 굴절률 차이가 훨씬 더 크다는 것은 광 필드의 제한이 현저히 향상되어, 클래딩 영역(11, 15)으로의 광 필드의 침투가 현저히 감소될 것임을 의미한다. 그에 따라, 클래딩 영역에서 발생하는 흡수가 감소할 것이고, 또한 활성 영역에서의 광 필드가 증가할 것이다. 그에 따라, 레이저 장치의 임계 전류가 감소한다.
더욱이, 광 제한의 향상에 따라 도 2의 종래의 레이저 장치의 원거리 필드 패턴과 비교하여 수직 원거리 필드 패턴이 훨씬 좁아지게 된다. 그에 따라 원거리 필드 빔 프로파일이 더욱 원형으로 될 수 있다. 도 4에 도시된 레이저 장치에서는, n-도핑된 클래딩 영역(11)으로부터 전자들이 AlInP 광 제한층(16) 내의 X-전도대를 경유하여 광 유도 영역으로 주입된다. 광 제한층(16) 내의 X-대는 광 유도 영역(12, 14)의 Γ-대와 함께 사실상 퇴화할 것이다. 더욱이, n-도핑된 클래딩 영역(11)과 광 제한층(16) 사이의 계면에서 n-클래딩 영역(11)의 Γ-대 역시 광 제한층(16)의 X-대와 함께 퇴화한다. n-도핑된 클래딩 영역(11)으로부터 광 유도 영역으로 주입된 전자들은 광 제한층(16)의 X-대를 통과한 결과 '냉각'될 것이며, 그에따라 도 2 및 3에 도시된 종래의 구조와 비교하여 열전자 효과가 감소할 것이다.
도 4에 도시된 레이저 장치에서, 클래딩 영역들은 직접 밴드갭을 갖는 재료로 형성된다. 도 4의 실시예에서, (Al, Ga, In)P 클래딩 영역들에서의 최대 알루미늄 몰 분율은 y=0.4임에 반하여, 직접 밴드갭 재료로부터 간접 밴드갭 재료로의 천이는 y=0.55에서 일어난다. 클래딩 영역들은 직접 밴드갭을 갖기 때문에, DX 레벨은 항상 페르미 레벨보다 높다. 그러므로 도 2의 종래의 레이저를 참조하여 앞에서 논의한 캐리어 포화 효과는 발생하지 않고, 따라서 도 4의 레이저 장치의 n-도핑된 클래딩 영역(11)에서의 자유 캐리어 농도는 도 2에서의 n-도핑된 클래딩 영역(1)의 자유 캐리어 농도보다 클 것이다.
도 4의 장치에서의 클래딩 영역의 알루미늄 몰 분율을 0.55 아래로 감소시켜서 클래딩 영역들이 직접 밴드갭을 갖도록 하는 것이 가능한데, 이는 광 제한층(16, 17)이 제공되기 때문이다. 도 4에서 분명히 알 수 있듯이, 광 제한층은 또한 광 유도 영역(12, 14) 내에 Γ-전자들을 제한하기 위한 전위 장벽을 제공하므로, 클래딩 영역들은 광 유도 영역에 Γ-전자들을 제한할 수 있어야할 필요가 없다. 결과적으로, 본 발명의 레이저에서의 광 유도 영역과 클래딩 영역간의 전도대 불연속성은 도 2 및 3에 도시된 타입의 종래의 레이저에서보다 낮아질 수 있으며, 이는 클래딩 영역의 알루미늄 몰 분율이 본 발명에서는 더 낮아질 수 있음을 의미한다.
도 4의 광 유도 영역은 0.4의 알루미늄 몰 분율을 갖지만, 본 발명은 이 값에 한정되지 않는다. 예를 들면, 광 유도 영역의 알루미늄 몰 분율은 광 유도 영역 내에 Γ-전자들을 제한하기 위하여 보다 큰 전위 장벽을 제공하도록 (도 12에서와 같이) 0.4에서 0.3으로 감소될 수 있다.
광 제한 영역들은 높은 알루미늄 몰 분율 때문에, 높은 고유 저항을 가질 것이다. 그러나, 광 제한 영역들은 100㎚ 정도의 두께를 가짐에 반하여, 클래딩 영역들은 1㎛ 정도의 두께를 가질 것이다. 따라서, 도 4에 도시된 장치의 전체 저항은 도 2 및 3에 도시된 종래의 장치의 전체 저항보다 현저히 낮을 것이다.
광 제한 영역들(16, 17)은 도핑되지 않는 것이 바람직한데, 왜냐하면 그렇게 했을 때 광 제한 영역들에서 DX 트래핑이 발생하는 것이 방지되기 때문이다. 그러나, 광 제한 영역들(16, 17)이 도핑되는 것이 가능하다. 만일 광 제한 영역들이 두께가 얇고 고농도로 도핑된다면 도핑되지 않은 광 제한층들과 비교하여 장치의 전송 특성에 큰 변화가 없을 것이다.
도 4의 실시예에, 광 제한층들(16, 17)은 비도핑된다. 그러나, 레이저의 p-측의 광 제한층(17)을 그 층이 고농도로 p-도핑되도록 도핑하는 것이 가능하다. 그렇게 하면 밴드 휨이 발생할 것이고, 따라서 광 유도 영역(12, 14)으로부터 p-도핑된 클래딩 영역(15)으로의 전자 전송을 저지하는 전위 장벽이 증가할 것이며, 이는 또한 p-도핑된 클래딩 영역(15)으로부터 광 유도 영역(12, 14)으로의 홀들의 전송을 용이하게 할 것이다.
도 7은 Si가 도핑된 GaInP의 불순물 농도를 실리콘 셀 온도의 함수로서 도시하고 있다. 도 7은 홀 효과 측정에 의해 결정된 자유 캐리어 밀도와, CV 측정에의해 결정된 고정 불순물 캐리어 밀도를 모두 보여준다. 대략 n=5×1018㎝-3까지의 값을 갖는 높은 자유 전자 농도가 GaInP에서 얻어진다. GaInP에서 자유 캐리어 농도의 포화가 관찰되지 않는다. 이는 앞에서 논의한 도 8에 도시된 (Al0.7Ga0.3)0.52In0.48P에 대한 데이터와 대조를 이루며, 도 8의 홀 효과 데이터에서는 포화가 발생하며, 최대 자유 캐리어 농도가 대략 4.8×1017㎝-3정도이다.
실리콘 도핑된 재료에 대한 도 9 및 베릴륨 도핑된 재료에 대한 도 10에 (AlyGa-y)0.52In0.48P의 고유 저항이 도시되어 있다. 양 도면은 그 고유 저항을 알루미늄 몰 분율의 함수로서 보여준다. 실리콘 도핑된 GaInP의 고유 저항은 대략 0.002 Ω/㎝이다. 알루미늄 몰 분율이 증가함에 따라 고유 저항이 증가하고, y=0.7의 알루미늄 몰 분율에서 대략 0.2Ω/㎝까지 대략 두 자릿수만큼 증가한다. y=0.4의 알루미늄 몰 분율에서의 고유 저항은 0.068Ω/㎝로 측정되었는데, 이 값은 y=0.7의 알루미늄 몰 분율에서의 고유 저항보다 3으로 나눈 만큼 낮은 값이다.
도 10에 도시된 바와 같이, 베릴륨 도핑된 (AlyGa1-y)0.52In0.48P의 저항성에 대한 결과는 알루미늄 몰 분율(mole fraction)이 증가함에 따라 저항성이 명확히 증가한다는 것을 도시하고 있다. (Al, Ga, In)P 시스템으로 된 종래의 레이저 장치의 클래딩 영역에서 사용될 때와 같이 y= 0.7인 알루미늄 몰 분율에서, 저항성은 대략 0.22Ω/㎝이며, y = 0.4의 알루미늄 몰 분율에 대해서는 0.15Ω/㎝부근 ―약 32% 감소―까지 감소한다.
도 9 및 10의 결과는, 본 응용의 도 4에 도시된 레이저 장치의 클래딩 영역이 도 2 및 3에 도시된 종래의 레이저 장치의 클래딩 영역보다 상당히 저항성이 낮아짐을 보여주고 있다. 이것은 레이저 장치의 동작중에 클래딩 영역에서 발생하는 저항성 발열을 감소시켜 준다. (비록 도 9 및 10은 실리콘 또는 베릴륨 도핑된 재료에만 관련되어 있지만, AlGaInP의 저항성은 다른 도펀트가 사용되더라도 알루미늄 몰 분율의 증가와 더불어 일반적으로 증가한다)
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 레이저 장치를 도시한다. 이것은 대체적으로 도 4의 레이저 장치와 유사하지만, 도 4의 레이저의 그레이딩된 밴드갭 도전층이 광제한층(16, 17)에 인접하게 배치된 (Al0.4Ga0.6)0.52In0.48P의 층(18, 19)과 GaInP(20, 21)로 이루어진 클래딩 영역으로 대체된다는 점이 다르다.
도 5의 레이저 장치에서, 광유도 영역(12, 14)의 알루미늄 몰 분율은 캐리어 제한 전위 장벽을 증가시키도록 y=0.4에서 y=0.3으로 감소된다. Γ-전자는 광제한층(16, 17)에 의해 한정된다.
도 5의 레이저 장치에 도시된 클래딩층들의 사용은 도 4에 도시된 레이저 장치의 이점을 유지하면서 레이저 장치의 성장 처리를 단순화시킨다.
도 6은 본 발명의 제3 실시예에 따른 SCH 레이저 장치의 개략적 대역 구조도이다. 도 4 및 5에 도시된 장치와 더불어, 도 6의 레이저 장치는 (Al0.4Ga0.6)0.52In0.48P 광유도 영역(12, 14) 내에 배치된 GaInP 활성 영역(13)을 가진다. AlInP 광제한층(16, 17)은 광유도 영역(12, 14)의 각 단에 제공된다. 마지막으로, 장치에는 n-도핑 클래딩 영역(11) 및 p-도핑 클래딩 영역(15)가 제공된다.
도 6의 레이저 장치의 클래딩 영역(11, 15)는 그레이딩된 조성물을 가진다. 클래딩 영역(11, 15)와 광제한층(16, 17)간의 계면에서, 클래딩 영역은 (AlyGa1-y)0.52In0.48,P,y=약 0.9를 가진다. 알루미늄 몰 분율 y는 클래딩 영역과 광제한층(16, 17)로부터 멀어질수록 감소되면서 결국 0이 되어, 광제한층과의 계면으로부터 충분히 떨어진 클래딩 영역은 GaInP로 구성된다.
광제한층과의 계면에서의 클래딩 영역의 알루미늄 몰 분율 y는, X-대역 아래의 대략 100 meV에 해당하는 클래딩 영역에서의 DX 레벨이 AlInP 광제한층(16, 17)에서 X-대역과 더불어 퇴화(degenerate)하도록 선택된다. 이것은, DX 레벨에서 포획된 전자가 DX 레벨로부터 AlInP 광제한층(16, 17)의 X-도전 대역으로 터널링할 수 있는 확률을 증가시킨다. 또한, 클래딩 영역의 조성물의 그레이딩은, 레이저 장치의 동작중에 전계가 인가될 때 발생하는 DX 레벨에서 포획된 캐리어들의 이온화를 증가시킨다.
도 11(a)는 또 다른 종래의 SCH 레이저 구조의 Γ-도전 대역의 개략도(명료하게 하기 위해, X-대역은 생략되었음)이며, 도 11(b)는 도 11(a)에 도시된 레이저의 굴절률 프로파일(a)와 1로 정규화된 광 필드(b)를 도시한다. 도 11(a)의 레이저는 1.7㎛ 두께의 (Al0.4Ga0.6)0.52In0.48P 클래딩 영역(1, 5)와, (Al0.4Ga0.6)0.52In0.48P 및 3x10㎚ GaInP 알루미늄 양자 우물 활성 영역(3)으로 이루어진 65㎚ 두께의 유도 영역(2, 4)로 구성된다.
도 11(b)의 x-축은 기판으로부터의 ㎛단위의 거리를 나타낸다. n-형 클래딩영역(1)은 x=0.2217에서 시작하고(즉, 기판으로부터 0.2217㎛에서 시작), n-도핑 클래딩 영역과 유도 영역(2)간의 계면은 x=1.9217에 있다. 활성 영역은 x=1.9867에서 x=2.0267까지 이른다. 유도 영역(4)와 p-형 유도 영역간의 계면은 x=2.0917에 있다. 도 11(b)에서 p-형 클래딩 영역은 그 전체 모습이 도시되어 있지는 않다.
도 11에 도시된 근거리계 빔 프로파일(near-field beam profile)은 레이저 장치의 클래딩 영역내로 상당히 연장된다는 것에 주목해야 한다. 광 필드의 대략 60%가 유도 영역 및 활성 영역 내에 제한되어, 광 필드의 대략 40%가 클래딩 영역으로 침투한다. 광 필드의 약 16.7%는 활성 영역 자체에 제한된다. 이 레이저 장치는 28°의 원거리 필드 수직 성분(far-field perpendicular component)과 약 8°의 원거리 필드 수평 성분(far-field parallel component)을 가진다.
도핑된 클래딩 영역 내로의 광 필드의 대규모 침투는, 클래딩 영역에서 흡수가 발생한다는 것을 의미한다. 이것은 레이저 장치의 임계 전류를 증가시킨다.
도 12는 본 발명의 제4 실시예에 따른 SCH 레이저 장치의 개략적 대역 구조이다. 이것은 n-도핑된 (Al0.4Ga0.6)0.52In0.48P 클래딩 영역(1), AlInP 광제한 영역(16), (Al0.3Ga0.7)0.52In0.48P 유도 영역(12), GaInP 활성 영역(13), 제2 (Al0.3Ga0.7)0.52In0.48P 유도 영역(14), 제2 AlInP 광제한 영역(17), 및 p-도핑된 (Al0.4Ga0.6)0.52In0.48P 클래딩 영역(15)로 구성된다.
도 13(a)는 도 12의 레이저 장치에 의해 방출된 원거리 필드 광 빔의 수직 및 수평 성분을 도시한다. 결과는, AlInP 광제한층(16, 17)이 200㎚의 두께를 가지며, 활성 영역(13)은 3x10㎚ GaInP 양자 우물을 포함하는 레이저 장치에 대한 것이다. 원거리 필드 광 빔의 수직 및 수평 성분은 유도 영역의 두께(t)에 의존하며, 각 유도 영역이 대략 118㎚의 두께를 가질 때 수직 및 수평 성분은 동일하다는 것을 알 수 있을 것이다. 이 두께에 대해, 수직 성분과 수평 성분은 각각 약 8°의 폭을 가져, 실질적으로 원형의 원거리 필드 빔이 얻어진다.
광유도 영역의 두께가 증가하면 수직 원거리 필드 성분은 수평 원거리 필드 성분보다 더 커진다는 사실에 주목해야 한다. 특히, 140㎚이상의 두께를 갖는 유도 영역에 대해, 원거리 필드 프로파일은, 약 40°의 수직 성분과 약 3-4°의 수평 성분을 갖는 상당한 타원형의 모양일 것이다.
도 13(a)에 도시된 바와 같이, 레이저 장치는 2개의 광유도 영역(12, 14)와, 활성 영역(13)을 포함한다. 한 실시예에서, 2개의 광유도 영역은 활성 영역(13) 주변에 대칭적으로 배치된다. 이와 같은 한 실시예에서는, 2개의 광유도 영역(12, 14)는 동일한 두께를 가진다. 또 다른 실시예에서는, 2개의 광유도 영역(12, 14)는 동일한 조성물을 가진다. 역시 또 다른 실시에에서는, 2개의 광유도 영역(12, 14)는 동일한 두께와 동일한 조성물을 가진다. 이들 실시예에서, 레이저 장치는 대칭적인 구조를 가진다. 대칭적 구조의 결과, 레이저 장치는 원형 또는 타원형 원거리 필드 프로파일과 같은 대칭적 원거리 필드 프로파일을 가진다. 프로파일이 경미한 타원형이거나 경미한 비원형인 경우, 실질적으로 원형인 것으로 간주될 것이다. 상술한 바와 같이, 적절한 선택에 의해, 고도의 타원형 프로파일이 얻어질 수도 있다. 따라서, 프로파일의 형태는 두께와 조성물의 선택에 의해 조절될 수있다.
도 13(b)는 도 12의 레이저 장치의 광제한을 유도 영역의 두께의 함수로서 도시하고 있다. 원형 프로파일을 얻도록 유도 영역의 두께가 대략 118㎚로 설정되면, 광파의 약 90%가 유도 영역 및 활성 영역 내에 제한된다. 광 필드의 5%만이 클래딩 영역 내로 침투한다. 즉, 클래딩 영역 내로의 광 필드의 침투는 종래의 SCH 레이저 장치와 비교해 볼때 약 8 단위(factor) 정도 감소된다. 도 11(a)에 도시된 종래의 레이저 장치의 경우 광 필드가 약 16.5%가 제한되는데 비해, 광 필드의 약 18%가 활성 영역 자체에 제한된다.
원형 원거리-계 프로파일을 수득하기 위해서는 200nm 두께의 AlInP 광 제한층 및 도 12의 레이저내에 118nm 두께의 도파관 영역을 이용하는 것이 필요하다. 원형 원거리 필드는 대응하는 두꺼운 도파관 영역을 갖는 얇은 AlInP 광 제한층을 이용함에 의해 또한 수득될 수 있다. 그러나, 이러한 경우 활성 영역내의 광 필드의 제한성이 감소될 수 있다.
도 14a 및 14b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 레이저 장치에 대한 각각의 수직 및 수평 원거리 필드 성분 및 광 필드의 제한을 도시한다. 이러한 레이저 장치는 각각이 그 굴절율을 약 n=1.5로 감소시키도록 산화된 100nm 두께의 AlInP 층으로 구성된 광 제한 영역만을 제외하고는 일반적으로 도 12의 레이저 장치와 유사하다.
도 14a는 이 레이저 장치의 수직 및 수평 원거리 필드 성분을 도파관 영역의 두께의 함수로서 도시한다. 도 14b는 또한 도파관 영역의 두께의 함수로서 레이저장치의 광 필드의 제한을 도시한다.
각각의 도파관 영역에 대해 약 160nm의 두께를 선택하면 수직 및 수평 원거리 필드 성분을 각각 10 내지 11°하여, 원형 원거리 필드 화상이 생성된다. 이러한 두께의 도파관 영역으로, 광 필드는 도파관 영역 및 활성 영역내에 거의 전부 제한되고, 1% 미만의 광 필드가 클레딩 영역을 침투한다. 도 11a의 종래의 레이저 장치 경우인 약 16.5%와 비교해서 약 22%의 광 필드가 활성 영역 자체내에 제한된다.
본 발명이 (Al, Ga, In)P 시스템을 참조로 설명되었지만, 본 발명은 이러한 특정 합금 시스템에만 국한되는 것은 아니다. 반도체 물리학 및 전자 재료 공학 분야의 숙련자라면 본 발명이 도 1에 도시된 것과 유사하게 그 구성 요소가 도전 대역 의존성을 가지는 헤테로구조 레이저 장치에 적용될 수 있음을 알 수 있다.
상술한 실시예에서, 광 제한층(16, 17)은 광 인도 영역(12, 14)과 클래딩 영역(11, 15) 사이의 계면에 위치한다. 그러나, 광 제한층이 광 인도 영역과 클레딩 영역 사이의 계면에 정확하게 위치될 필요는 없다. 예를 들면, 광 제한층은 원칙적으로 광 인도 영역내에 배치될 수 있다. 별도로, 광 제한층은 원칙적으로 광 인도 영역과의 계면에 인접한 클레딩 영역내에 위치할 수 있다. 그러나, 이는 광 필드의 클레딩 영역으로의 침투를 증가시키므로 바람직하지는 않다.
상술한 실시예에서, 2개의 광 제한층이 제공되는데, 하나는 장치의 p-측에 있고 하나는 장치의 n-측에 있다. 원칙적으로, 단 하나의 광 제한층을 갖는 레이저를 제공하는 것이 가능하며, 이는 종래의 레이저 장치와 비교해서 광 제한성을개선한다.
본 발명의 레이저 장치는 2개의 특징을 갖는데, 하나는 광 제한층을 제공하는 것이고 하나는 클래딩 영역을 구성하는 것이다. 이들 특징 각각은 원칙적으로 레이저 장치에 개별적으로 인가될 수 있다. 예를 들면, 본 발명의 광 제한층으로 도 2 또는 3의 종래의 레이저 장치를 제공한다면 광 필드가 클래딩 영역을 침투하는 것을 감소시킬 것이므로, 클래딩 영역내의 광 흡수를 감소하게 된다(클래딩 영역의 고저항 및 클래딩 영역의 캐리어 트래핑에 대한 문제는 서술하지 않음).
또다른 실시예로서, 클래딩층의 DX 레벨 에너지가 광유도 영역으로부터 멀어질수록 증가하는 도 4의 직접 대역갭 클래딩 영역 또는 도 6의 그레이딩된 클래딩 영역은 광제한층을 갖지 않는 레이저 장치에 응용될 수 있다. 이것은 클래딩층에서의 캐리어 포획을 감소시키며, 광학계가 클래딩층으로 침투되는 문제를 해결해주지는 못한다.
도 4, 5, 6, 및 12를 참조하여 상술한 실시예에서, AlInP는 광제한층을 위한
재료로서 사용된다. 그러나, 본 발명은 광제한층을 위해 이 특정의 재료만 사용하
는 것으로 제한하는 것은 아니다. 예를 들어, 적절한 값의 굴절률과 같은 적절한
특성을 갖는 어떠한 재료도 광제한층으로서 사용될 수 있다.
본 발명이 (Al, Ga, In)P 시스템으로 제조된 레이저 장치에 적용될 때, 예를
들어, AlGaInP로부터 광제한층(들)을 만드는 것이 가능할 것이다. 알루미늄 몰 분
율은, 광제한층의 굴절률이 클래딩층의 굴절률보다 낮도록 하기 위해 클래딩 영역
의 알루미늄 몰 분율보다 커야한다. 만일, 광제한층이 AlGaInP로 이루어진다면,
알루미늄 몰 분율은 양호하게는 높게 설정된다.
(Al, Ga, In)P 시스템을 참조로 하는 상술한 양호한 실시예는 0.48의 In 몰 분율을 갖는 층을 이용하여 GaAs 기판에 정합하는 격자를 제공한다. 본 발명은 In 몰 분율에 국한되지 않는다.
일 실시예의 본 발명의 레이저 장치는 가시 범위내의 광을 방출한다. 다른 실시예에서, 본 발명의 레이저 장치는 약 630nm 내지 약 680nm의 파장 범위의 광을 방출한다. 또 다른 실시예에서 본 발명의 레이저 장치는 약 635nm 내지 약 650nm 범위의 광을 방출한다.

Claims (29)

  1. n-도핑된 클래딩 영역 및 p-도핑된 클래딩 영역;
    상기 n-도핑된 클래딩 영역과 상기 p-도핑된 클래딩 영역 사이에 배치된 광 유도 영역; 및
    상기 광 유도 영역 내에 배치된 활성 영역
    을 포함하며,
    상기 활성 영역과 상기 클래딩 영역들 중 적어도 하나의 영역 사이에 배치되며, 상기 클래딩 영역들 중 상기 적어도 하나의 영역보다 굴절율이 낮은 적어도 하나의 광제한층을 더 포함하며,
    가시 영역의 광을 방출하는 것을 특징으로 하는 레이저 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 광제한층은 상기 광 유도 영역과 상기 클래딩 영역들 중 하나의 영역 사이의 경계에 배치된 것을 특징으로 하는 레이저 장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 적어도 하나의 광제한층에 바로 인접한 상기 하나의 클래딩 영역의 일부의 Γ-전도대(conduction band)는 상기 적어도 하나의 광제한층의 X-전도대로 실질적으로 축퇴하는(degenerate) 것을 특징으로 하는 레이저 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 클래딩 영역은 그레이드 밴드갭(graded bandgap)을 갖는 것을 특징으로 하는 레이저 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 하나의 클래딩 영역의 성분은 상기 하나의 클래딩 영역의 DX 레벨의 에너지가 상기 하나의 클래딩 영역의 페르미(Fermi) 레벨보다 크도록 선택되는 것을 특징으로 하는 레이저 장치.
  6. 제2항에 있어서, 상기 적어도 하나의 광제한층에 인접한 상기 적어도 하나의 클래딩 영역의 일부의 DX 레벨은 상기 광제한층의 X-전도대로 실질적으로 축퇴하는 것을 특징으로 하는 레이저 장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 하나의 클래딩 영역의 DX 레벨의 에너지는 상기 적어도 하나의 광제한층으로부터 멀어지는 쪽으로 증가하는 것을 특징으로 하는 레이저 장치.
  8. 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 광제한층은 레이저 장치의 p측에 배치되고 p-도핑된 것을 특징으로 하는 레이저 장치.
  9. 제1항에 있어서, 상기 활성 영역과 상기 클래딩 영역들 중 나머지 영역 사이에 배치된 제2 광제한층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 장치.
  10. 제9항에 있어서, 상기 제2 광제한층은 상기 광 유도 영역과 상기 나머지 클래딩 영역 사이의 경계에 배치된 것을 특징으로 하는 레이저 장치.
  11. 제1항에 있어서, (Al, Ga, In)P계에서 제작되며, 상기 하나의 클래딩 영역은 알루미늄 몰 분율 y를 갖는 AlGaInP로 형성된 것을 특징으로 하는 레이저 장치.
  12. 제11항에 있어서, y는 상기 적어도 하나의 광제한층으로부터 멀어지는 쪽으로 감소하는 것을 특징으로 하는 레이저 장치.
  13. 제11항에 있어서, 상기 적어도 하나의 광제한층은 각 클래딩 영역보다 더 큰 알루미늄 몰 분율을 갖는 AlGaInP층인 것을 특징으로 하는 레이저 장치.
  14. 제11항에 있어서, 상기 적어도 하나의 광제한층은 AlInP층인 것을 특징으로 하는 레이저 장치.
  15. 제14항에 있어서, 상기 적어도 하나의 광제한층은 산화 AlInP로 이루어진 것을 특징으로 하는 레이저 장치.
  16. 제11항에 있어서, y는 상기 하나의 클래딩 영역과 상기 적어도 광제한층 사이의 경계에서 대략 0.4인 것을 특징으로 하는 레이저 장치.
  17. 제11항에 있어서, y는 상기 하나의 클래딩 영역과 상기 광제한층 사이의 경계에서 대략 0.4인 것을 특징으로 하는 레이저 장치.
  18. 제1항에 있어서, 상기 광 유도 영역과 상기 광제한층의 두께는 레이저 장치가 사용 중에 실질적으로 원형인 원거리 필드 프로필(far-field profile)을 갖는 광을 방출하도록 선택된 것을 특징으로 하는 레이저 장치.
  19. n-도핑된 클래딩 영역 및 p-도핑된 클래딩 영역;
    상기 n-도핑된 클래딩 영역과 상기 p-도핑된 클래딩 영역 사이에 배치된 광 유도 영역; 및
    상기 광 유도 영역 내에 배치된 활성 영역
    을 포함하며,
    상기 n-타입 클래딩 영역의 성분은 상기 n-타입 클래딩 영역의 DX 레벨의 에너지가 상기 n-타입 클래딩 영역의 페르미 레벨보다 더 크게 되도록 선택되는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 장치.
  20. 제19항에 있어서, 상기 n-타입 클래딩 영역은 직접 밴드갭을 갖는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 장치.
  21. 제19항에 있어서, (Al, Ga, In)P 합금계에서 제작되며, 상기 n-타입 클래딩 영역은 알루미늄 몰 분율 y - 여기서 y < 0.55 - 를 갖는 AlGaInP로 형성된 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 장치.
  22. n-도핑된 클래딩 영역 및 p-도핑된 클래딩 영역;
    상기 n-도핑된 클래딩 영역과 상기 p-도핑된 클래딩 영역 사이에 배치된 광 유도 영역; 및
    상기 광 유도 영역 내에 배치된 활성 영역
    을 포함하며,
    상기 클래딩 영역들 중 어느 한 영역의 DX 레벨의 에너지는 상기 광 유도 영역으로부터 멀어지는 쪽으로 증가하는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 장치.
  23. 제22항에 있어서, (Al, Ga, In)P 합금계에서 제작되며, 상기 하나의 클래딩 영역은 알루미늄 몰 분율 y를 갖는 AlGaInP로 형성되고, y는 상기 광 유도 영역으로부터 멀어지는 쪽으로 감소하는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 장치.
  24. 제1항에 있어서, 상기 광은 약 630 nm 내지 약 680 nm 범위에 있는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 장치.
  25. 제1항에 있어서, 상기 광은 약 635 nm 내지 약 650 nm 범위에 있는것을 특징으로 하는 반도체 레이저 장치.
  26. 제1항에 있어서, 대칭 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 장치.
  27. 제26항에 있어서, 원형 또는 타원형 원거리 필드 프로필을 갖는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 장치.
  28. 제26항에 있어서, 동일한 두께를 갖는 두 개의 광 유도 영역을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 장치.
  29. 제26항에 있어서, 동일한 성분을 갖는 두 개의 광 유도 영역을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 장치.
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