KR100363234B1 - 선택매립 리지구조의 반도체 레이저 다이오드 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 적색 반도체 레이저 다이오드에 관한 것으로, 상세하게는 630nm～700nm 가시광 대의 InGaP/InGaAlP 계의 적색 반도체 레이저 다이오드 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
즉, 본 발명에 따른 SBR 구조의 반도체 레이저 다이오드는 통전 채널을 형성하는 리지 구조의 폭을 3μm이하로 좁히고, 전류 차단층을 활성층에 비해 에너지 밴드 갭이 큰 물질로 구성함으써, 전류 제한층의 에너지 밴드 갭이 활성층의 에너지 밴드 갭 보다 크므로 기본 횡모드의 분포가 리지를 포함한 전류 제한층 가지 넓게 퍼지므로, 이득과 횡모드 분포가 겹치지 않는 리지 밖에서는 활성층의 포화 흡수에 의해 기본 횡모드가 흡수되어 광 필드의 분포가 바뀌게 되고, 그 결과 리지 내의 이득 분포가 다시 바뀌는 spatial hole burning이 일어난다. 이러한 스페이셜 홀 버닝 현상의 지속적 반복으로 레이징이 시간에 따라 온/오프 반복되는 셀프 펄세이션으로 단일 모드 레이저 다이오드에 비해 높은 S/N 비를 얻을 수 있는 장점이 있다.

Description

선택 매립 리지 구조의 반도체 레이저 다이오드
본 발명은 적색 반도체 레이저 다이오드에 관한 것으로, 상세하게는 63Onm～700nm 가시광 대의 InGaP/InGaAlP 계의 적색 반도체 레이저 다이오드 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로 600nm 밴드 대의 적색 반도체 레이저 다이오드는 고밀도 광 기록 장치의 광원, 레이저 빔 프린터, 레이저 포인터(laser pointer), POS(point of sales) 시스템 및 의료기기 그리고 최근에 개발된 플라스틱 광섬유용 통신용 레이저 다이오드 등의 응용 가능성으로 주목 받고 있는 반도체 레이저 다이오드이다.
제1도는 종래의 SBR(Selectively Buried Ridge) 구조의 반도체 레이저 다이오드의 수직 단면도이다. 여기서 그 구조를 살펴보면 다음과 같다.
n-GaAs 기판(1) 상면에 n-GaAs 버퍼층(2), n-In0.5(Ga1-xAlx)0.5P 하부 크래드층(3), u-In0.5Ga0.5P 활성층(4) 및 중앙부에 정상면이 평탄한 스트라이프 상의 리지 구조를 갖는 p-In0.5(Ga1-xAlx)0.5P 상부 크래드층(5)이 순차로 적층되어 있다.그리고 이 상부 크래드층(5)의 리지 정상면에는 p-In0.5Ga0.5P 통전 용이층(6)이 적층되어 있고, 이 리지 구조의 양측면으로는 n-GaAs 전류 차단층(7)이 적층되어 있다. 그리고 상기 통전 용이층(6) 및 전류 차단층(7)의 상면에 p+-GaAs 갭층(8)이 적층되어 있다.
이와 같은 SBR 구조의 적색 레이저 다이오드의 제조 방법은 다음과 같다.
n-GaAs 기판(1) 상면에 n-GaAs 버퍼층(2), n-In0.5(Ga1-xAlx)0.5P 하부 크래드층(3), u-In0.5Ga0.5P 활성층(4), p-In0.5(Ga1-xAlx)0.5P 상부 크래드층(5) 및 P-In0.5Ga0.5P 통전 용이층(6)이 1차로 순차 성장되어 적층된다.
다음에 순차 적층된 p-In0.5(Ga1-xAlx)0.5P 상부 크래드층(5) 및 p-InO.5Ga0.5P 통전 용이층(6)의 양측이 포토리소그래피법으로 식각되어 중앙부에 메사형의 리지 구조가 형성된다.
다음에 상기 리지 구조의 양측면으로는 n-GaAs 전류 차단층(7)이 2차 성장된다. 다음에 상기 통전 용이층(6) 및 전류 차단층(7)의 상면에 p+-GaAs 갭층(8)이 3차 성장되어 적층된다. 그리고 p-전극 및 n-전극이 각각 증착되어 소자가 완성된다.
이와 같은 SBR 구조의 적색 레이저 다이오드는 전류 차단층으로 성장된 n-GaAs(7) 층이 광학적으로는 p-In0.5(Ga1-xAlx)0.5P 상부 크래드층(5)에 비해 에너지 밴드 갭이 작아 리지 내부나 리지 근방에서 생성된 횡 모드(transverse mode)에 대해 복소 굴절율을 가지게 되어, 그 유효 굴절율을 리지 밖과 리지 내부로 나누어 계산하면 리지 밖이 리지 내부에 비해 유효 굴절율 차이가 약 10-2정도로 작게되어 양의 굴절율 분포를 갖게됨을 알게된다.
그리고 이 SBR 구조의 레이저 다이오드의 경우 기본 횡 모드의 크기는 약 5μm 정도가 되며, 통상의 SBR 구조의 레이저 다이오드의 리지 스트라이프의 폭 5μm 와 비교될 때 기본 횡 모드는 전부 리지 내부에 제한되나, 기본 횡 모드 보다 고차 모드는 n-GaAs 전류 차단층(7)의 굴절율의 복소항에 의해 흡수되어 활성화되지 못하게 되고, 이 때문에 레이저 다이오드는 기본 횡모드로 안정하게 동작하게 된다.
그러나 이러한 기본 횡 모드형 레이저 다이오드를 광기록 장치에 장착 했을 경우, 약 2%의 광 피드백이 있을 경우 신호대 잡음비(S/N비)가 약 60 dB로 낮게된다. 대부분의 광 기록 장치에서는 되도록이면 높은 S/N 비를 요구하게 되는데 S/N 비 60dB는 고밀도 광 기록 장치에 적용하기에는 조금 낮은 값이다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하고자 창안된 것으로, 신호대 잡음비가 높은 SBR 구조의 반도체 레이저 다이오드 및 그 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 SBR 구조의 반도체 레이저 다이오드는,
n-GaAs 기판;
n-GaAs 기판 상면에 형성된 n-In0.5(Ga1-xAlx)0.5P 하부 크래드층;
상기 하부 크래드층 상면에 형성된 undoped-In0.5Ga0.5P 활성층;
상기 활성층 상면에 그 중앙부가 스트라이프 상의 리지 구조를 갖도록 형성된 p-In0.5(Ga1-xAlx)0.5P 상부 크래드층;
상기 상부 크래드층의 리지 구조 양극에 형성된 n-In0.5Al0.5P 전류 차단층;
상기 리지 구조 상면에 형성된 통전 용이층;
상기 전류 차단층 및 상기 통전 용이층 상면에 형성된 p+-GaAs 갭층;을
구비하여 된 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 전류 차단층은 undoped-ZnSe 혹은 n-ZnSe로 이루어질 수 있으며,
상기 전류 차단층은 상기 활성층 보다 에너지 밴드 갭이 크고, 상기 상부 크래드층 보다 에너지 밴드 갭이 큰 물질을 이용한 것이 바람직하며,
상기 리지의 최소폭이 적어도 3 μm 이하로 형성된 것이 바람직하다.
또한 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 또 다른 SBR 구조의 반도체 레이저 다이오드는,
n-GaAs 기판;
n-GaAs 기판 상면에 형성된 n-In0.5(Ga1-xAlx)0.5P 하부 크래드층;
상기 하부 크래드층 상면에 형성된 undoped-In0.5Ga0.5P 활성층;
상기 활성층 상면에 그 중앙부가 스트라이프 상의 리지 구조를 갖도록 형성된 p-In0.5(Ga1-xAlx)0.5P 상부 크래드층;
상기 리지 구조 상면에 형성된 통전 용이층;
상기 통전 용이층 상면에 형성된 p+-GaAs 갭층;
상기 상부 크래드층의 리지 구조, 상기 통전 용이층 및 상기 갭층 양측에 형성된 n-In0.5Al0.5P 전류 차단층;을
구비하여 된 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 전류 차단층은 undoped-ZnSe 혹은 n-ZnSe로 이루어질 수 있으며,
상기 전류 차단층은 상기 활성층 보다 에너지 밴드 갭이 크고, 상기 상부 크래드층 보다 에너지 밴드 갭이 큰 물질을 이용한 것이 바람직하며,
상기 리지의 최소폭이 적어도 3 μm 이하로 형성된 것이 바람직하다.
이하 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 SBR 구조의 반도체 레이저 다이오드 및 그 제조 방법에 대해 설명한다.
제2도는 본 발명에 따른 SBR 구조의 반도체 레이저 다이오드의 수직 단면도이다. 여기서 그 구조를 살펴보면 다음과 같다.
n-GaAs 기판(11) 상면에 n-GaAs 버퍼층(12), n-In0.5(Ga1-xAlx)0.5P 하부 크래드층(13), u-In0.5Ga0.5P 활성층(14) 및 중앙부에 정상면이 평탄한 스트라이프 상의 리지 구조를 갖는 p-In0.5(Ga1-xAlx)0.5P 상부 크래드층(15)이 순차로 적층된다. 그리고 이 상부 크래드층(15)의 리지 구조의 양측면으로는 n-In0.5Al0.5P 또는 u-ZnSe 혹은 n-ZnSe의 전류 차단층(17)이 적층되고, 이 리지 정상면에는 P-In0.5Ga0.5P 통전 용이층(16)이 적층된다. 그리고 상기 통전 용이층(16) 및 전류 차단층(17)의 상면에 p+-GaAs 갭층(18)이 적층된다.
이와 같은 SBR 구조의 적색 레이저 다이오드의 제조 방법은 다음과 같다.
n-GaAs 기판(11) 상면에 n-GaAs 버퍼층(12), n-In0.5(Ga1-xAlx)0.5P 하부 크래드층(13), u-In0.5Ga0.5P 활성층(14), p-In0.5(Ga1-xAlx)0.5P 상부 크래드층(15) 및 p-In0.5Ga0.5P 통전 용이층(16)을 1차로 순차 성장시켜 적층시킨다.
다음에 순차 적층된 p-In0.5(Ga1-xAlx)0.5P 상부 크래드층(15) 및 p-In0.5Ga0.5P 통전 용이층(16)의 양측을 포토리소그래피법으로 식각하여 중앙부에 메사형, 역메사형 또는 수직형의 리지 구조를 형성한다. 이 때 습식 식각 또는 건식 식각법을 사용하며, 리지 폭은 3μm 이하가 되도록 한다.
다음에 상기 리지 구조의 양측면으로는 상기 활성층(14) 보다 에너지 밴드 갭이 큰 n-In0.5Al0.5P 또는 u-ZnSe 혹은 n-ZnSe의 전류 차단층(17)을 2차로 성장시킨다. 다음에 상기 통전 용이층(16) 및 전류 차단층(17)의 상면에 p+-GaAs 갭층(18)을3차로 성장시킨다. 그리고 p-전극 및 n-전극을 각각 증착시켜 소자를 완성한다.
이상과 같이 제작된 SBR 구조의 반도체 레이저 다이오드는 스트라이프 상의 리지 폭을 3μm 이하로 하여 통상의 5μm 보다 훨씬 좁게 형성한다. 또한 리지 측면의 전류 차단층(17)으로 n-GaAs(7) 대신에 활성층 보다 에너지 밴드 갭이 큰 n-InAlP 나 u-ZnSe 혹은 n-ZnSe(17)를 사용한다. 이와 같이 할 경우, 제3도 내지 제5도에 도시된 바와 같이, 이득은 3μm 이하의 좁은 리지 내에서만 생기게 되며, 리지 밖에서는 활성층(14)에 의한 포화 흡수(saturable absorption) 만이 생기게 된다.
또한 기본 횡 모드는 그 크기가 약 5μm 정도가 되며, 그 결과 기본 횡 모드의 필드 분포는 제5도에 도시된 바와 같이 된다. 즉, 전류 제한층의 밴드 갭이 활성층의 밴드 갭 보다 크므로 기본 횡모드의 필드 분포는 리지를 포함하여 전류 제한층 가지 넓게 퍼지게 되며, 이 경우 이득과 횡 모드 분포가 겹치지 않는 리지 밖에는 활성층의 높은 포화 흡수에 의해 기본 횡 모드가 흡수되어 광 필드 분포가 바뀌게 된다. 그 결과 스트라이프 내의 이득 분포가 다시 바뀌게 되는 현상이 일어난다(spatial hole burning). 그 결과 시간에 따라 레이징 현상이 온/오프 되는데, 이러한 현상은 지속적으로 일어나 일종의 펄스 발진과 같은 현상이 일어난다. 이러한 현상을 셀프 펄세이션(self pulsation)이라고 하며, 셀프 펄세이션 레이저 다이오드를 광학 디스크 장치의 광학계에 장착 했을 경우 싱글 모드 레이저 다이오드에 비해 높은 S/N 비를 얻을 수 있다.
제6도는 본 발명에 따른 또 다른 SBR 구조의 반도체 레이저 다이오드의 수직단면도이다. 여기서 그 구조를 살펴보면 다음과 같다.
n-GaAs 기판(11) 상면에 n-GaAs 버퍼층(12), n-In0.5(Ga1-xAlx)0.5P 하부 크래드층(13), u-In0.5Ga0.5P 활성층(14) 및 중앙부에 정상면이 평탄한 스트라이프 상의 리지 구조를 갖는 p-In0.5(Ga1-xAlx)0.5P 상부 크래드층(15)이 순차로 적층된다. 그리고 이 리지 정상면에는 p-In0.5Ga0.5P 통전 용이층(16) 및 p+-GaAS 갭층(18)이 순차 적층되고, 상부 크래드층(15)의 리지 및 이 리지의 상층부를 형성하고 있는 통전 용이층(16) 및 갭층(18)의 양측으로 u-ZnSe 혹은 n-ZnSe전류 차단층(17)이 형성된다.
이상과 같은 SBR 구조의 반도체 레이저 다이오드의 제조 방법은, 제2도에 도시된 바와 같은 제1실시예의 레이저 다이오드의 제조 방법과 같다.
이는 메사형으로 식각하여 리지를 형성한 후, ZnSe를 전자-빔으로 증착하여 undoped-ZnSe의 높은 비저항을 이용하여 전류 차단 및 광 도파(waveguide)층을 구성한 실시예이다. 또한 n-ZnSe는 MBE법으로 2차 재성장하여 전류 차단 및 광도파층을 구성한 실시예이다.
이 실시예의 경우도 앞서의 실시예의 경우와 같은 이유로 증착된 undoped-ZnSe와 MBE법으로 성장된 n-ZnSe는 활성층(14)에 비해 에너지 밴드 갭이 커, 기본형 모드는 활성층(14)의 포화 흡수에 의해 리지 밖에서 흡수되어 셀프-펄세이션 모드로 동작하게 된다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 SBR 구조의 반도체 레이저 다이오드는 통전 채널을 형성하는 리지 구조의 폭을 3μm이하로 좁히고, 전류 차단층을 활성층에 비해 에너지 밴드 갭이 큰 물질로 구성함으써, 전류 제한층의 에너지 밴드 갭이 활성층의 에너지 밴드 갭 보다 크므로 기본 횡모드의 분포가 리지를 포함한 전류 제한층 가지 넓게 퍼지므로, 이득과 횡모드 분포가 겹치지 않는 리지 밖에서는 활성층의 포화 흡수에 의해 기본 횡모드가 흡수되어 광 필드의 분포가 바뀌게 되고, 그 결과 리지 내의 이득 분포가 다시 바뀌는 spatial hole burning이 일어난다. 이러한 스페이셜 홀 버닝 현상의 지속적 반복으로 레이징이 시간에 따라 온/오프 반복되는 셀프 펄세이션으로 단일 모드 레이저 다이오드에 비해 높은 S/N 비를 얻을 수 있는 장점이 있다.
제1도는 종래의 선택 매립 리지(SBR) 구조 반도체 레이저 다이오드의 수직 단면도이고,
제2도는 본 발명에 따른 SBR 구조의 반도체 레이저 다이오드의 수직 단면도이고,
제3도 내지 제5도는 리지 영역에 따른 이득 및 광 모드 분포 그래프이고,
제6도는 본 발명에 따른 또 다른 SBS 구조의 반도체 레이저 다이오드의 수직 단면도이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1. n-GaAs 기판 2. n-GaAs 버퍼층
3. n-In0.5(Ga1-xAlx)0.5P 하부 크래드층 4. u-In0.5Ga0.5P 활성층
5. p-In0.5(Ga1-xAlx)0.5P 상부 크래드층 6. p-In0.5Ga0.5P 통전 용이층
7. n-GaAs 전류 차단층 8. p+-GaAs 갭층
9. p-전극 10. n-전극
11. n-GaAs 기판 12. n-GaAs 버퍼층
13. n-In0.5(Ga1-xAlx)0.5P 하부 크래드층 14. u-In0.5Ga0.5P 활성층
15. p-In0.5(Ga1-xAlx)0.5P 상부 크래드층 16. p-In0.5Ga0.5P 통전 용이층
17. p-In0.5Al0.5P 또는 u-ZnSe 전류 차단층 18. p+-GaAs 갭층
19. p-전극 20. n-전극

Claims (16)

  1. n-GaAs 기판;
    n-GaAs 기판 상면에 형성된 n-In0.5(Ga1-xAlx)0.5P 하부 크래드층;
    상기 하부 크래드층 상면에 형성된 undoped-In0.5Ga0.5P 활성층;
    상기 활성층 상면에 그 중앙부가 스트라이프 상의 리지 구조를 갖도록 형성된 p-In0.5(Ga1-xAlx)0.5P 상부 크래드층;
    상기 상부 크래드층의 리지 구조 양측에 형성된 n-In0.5Al0.5P 전류 차단층;
    상기 리지 구조 상면에 형성된 통전 용이층;
    상기 전류 차단층 및 상기 통전 용이층 상면에 형성된 p+-GaAs 갭층 ;을 구비하며,
    상기 전류 차단층은 상기 활성층 보다 에너지 밴드 캡이 크고, 상기 상부 크래드층 보다 에너지 밴드 캡이 큰 물질을 이용한 것을 특징으로 하는 선택 매립 리지 구조의 반도체 레이저 다이오드.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전류 차단층은 undoped-ZnSe 혹은 n-ZnSe로 이루어진 것을 특징으로 하는 선택 매립 리지 구조의 반도체 레이저 다이오드.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 undoped-ZnSe 는 열 증착법 혹은 전자빔 법으로 증착한 것을 특징으로 하는 선택 매립 리지 구조의 반도체 레이저 다이오드.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 n-ZnSe 는 MBE, GS-MBE, ALE, MOCVD, LPE법 중의 어느 한 방법으로 성장시킨 것을 특징으로 하는 선택 매립 리지 구조의 반도체 레이저 다이오드.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 리지 구조는 역메사형으로 이루어진 것을 특징으로 하는 선택 매립 리지 구조의 반도체 레이저 다이오드.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 리지 구조는 수직형으로 이루어진 것을 특징으로 하는 선택 매립 리지 구조의 반도체 레이저 다이오드.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 리지 구조는 메사형으로 이루어진 것을 특징으로 하는 선택 매립 리지 구조의 반도체 레이저 다이오드.
  8. 제1항, 제5항, 제6항, 제7항 중 어느한 항에 있어서,
    상기 리지의 최소폭이 적어도 3 μm 이하로 형성된 것을 특징으로 하는 선택 매립 리지 구조의 반도체 레이저 다이오드.
  9. n-GaAs 기판;
    n-GaAs 기판 상면에 형성된 n-In0.5(Ga1-xAlx)0.5P 하부 크래드층;
    상기 하부 크래드층 상면에 형성된 undoped-In0.5Ga0.5P 활성층;
    상기 활성층 상면에 그 중앙부가 스트라이프 상의 리지 구조를 갖도록 형성된 p-In0.5(Ga1-xAlx)0.5P 상부 크래드층;
    상기 리지 구조 상면에 형성된 통전 용이층;
    상기 통전 용이층 상면에 형성된 p+-GaAs 갭층;
    상기 상부 크래드층의 리지 구조, 상기 통전 용이층 및 상기 갭층 양측에 형성된 n-In0.5Al0.5P 전류 차단층;을 구비하며,
    상기 전류 차단층은 상기 활성층 보다 에너지 밴드 캡이 크고, 상기 상부 크래드층 보다 에너지 밴드 캡이 큰 물질을 이용한 것을 특징으로 하는 선택 매립 리지 구조의 반도체 레이저 다이오드.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 전류 차단층은 undoped-ZnSe 흑은 n-ZnSe로 이루어진 것을 특징으로 하는 선택 매립 리지 구조의 반도체 레이저 다이오드.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 undoped-ZnSe 는 열 증착법 혹은 전자빔 법으로 증착한 것을 특징으로 하는 선택 매립 리지 구조의 반도체 레이저 다이오드.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 n-ZnSe 는 MBE, GS-MBE, ALE, MOCVD, LPE법 중의 어느 한 방법으로 성장시킨 것을 특징으로 하는 선택 매립 리지 구조의 반도체 레이저 다이오드.
  13. 제9항에 있어서,
    상기 리지 구조는 역메사형으로 이루어진 것을 특징으로 하는 선택 매립 리지 구조의 반도체 래이저 다이오드.
  14. 제9항에 있어서,
    상기 리지 구조는 수직형으로 이루어진 것을 특징으로 하는 선택 매립 리지 구조의 반도체 레이저 다이오드.
  15. 제9항에 있어서,
    상기 리지 구조는 메사형으로 이루어진 것을 특징으로 하는 선택 매립 리지 구조의 반도체 래이저 다이오드.
  16. 제9항, 제13항, 제14항, 제15항 중 어느한 항에 있어서,
    상기 리지의 최소폭이 적어도 3 μm 이하로 형성된 것을 특징으로 하는 선택 매립 리지 구조의 반도체 레이저 다이오드.
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