KR100408531B1 - GaN계 레이저 다이오드 - Google Patents

Abstract

본 발명은 광기록장치의 광원으로서 적합하도록 발진 파장영역이 넓은 스펙트럼을 갖는 GaN계 레이저 다이오드에 관한 것으로서, 기판 상부에 순차적으로 제1클래드층, 제1광도파층, 활성층, 제2광도파층, 제2클래드층이 순차적으로 적층된 구조를 갖는 GaN계 레이저 다이오드에 있어서, 제2광도파층 상면 중앙에 소정 높이로 리지가 형성되며, 리지의 양측면에서 리지의 높이로 전류제한층이 개재되고, 활성층의 저면 또는 상면에 광을 흡수하는 흡수층이 개재되어 전류제한층에 의해 단일 횡모드 특성을 얻을 수 있고, 흡수층에 의해 레이저 발진이 반복되는 자기 공진에 의해 파장이 짧은 광빔의 넓은 파장영역에서 적정레벨이상의 광도분포가 형성되어, 광기록장치의 광원으로서 적합한 발산광을 제공한다.

Description

GaN계 레이저 다이오드{Laser diode}

본 발명은 GaN계 레이저 다이오드에 관한 것으로, 보다 상세하게는 광기록장치의 광원으로서 적합하도록 발진 파장영역이 넓은 스펙트럼을 갖는 GaN계 레이저 다이오드에 관한 것이다.

최근, 광디스크의 고밀도화 추구에 따라 레이저 다이오드의 단파장화와 고출력화에 대한 관심이 높아지고 있다. 이러한 요구에 부응하여 ZnSe계 화합물을 이용한 청록색 레이저 다이오드의 개발이 활발이 진행되고 있으나, 고유적인 결정결함등으로 인해 그 수명에 한계가 있다.

그러나, GaN을 중심으로하여 InN, AlN 등을 포함하는 3원 또는 4원 혼정계를 사용하여 제작되는 GaN계 레이저 다이오드는 넓은 밴드갭에너지에 의해 자외선영역에서 녹색영역으로 이어지는 단파장의 발진파장을 제공하고, 현재까지 개발된 반도체 레이저다이오드중에서 가장 짧은 파장을 갖기 때문에 고밀도의 광기록장치의 광원에 적합하고, 결정구조상 벽개면이 없어 미러층을 식각기법으로 해야하지만, 화합물 결정성장 기술의 비약적인 발전에 힘입어 ZnSe계 화합물을 이용한 청록색 레이저 다이오드를 능가하는 소재로 주목받고 있다.

일반적인 반도체 레이저 다이오드가 빛을 발진시키는 원리는, 레이저 다이오드에 순방향으로 바이어스를 걸면, n-영역의 전자와 p-영역의 정공(hole)이 각각 상대 영역으로 이동하여 p-n접합 부근 즉, 활성층에서 재결합하면서 밴드갭에너지에 해당하는 광을 방출하게 된다. 이 때 주입되는 전자와 정공이 일정한 레벨이상이 되면 유도방출이 일어나 광이 증폭된다. 이와 같이 유도방출이 일어나기 위해 주입되는 최소한의 전류를 문턱전류라 하고, 레이저 다이오드의 특성을 결정짓는 중요한 피라미터가 된다. 낮은 문턱전류에서 횡모드의 특성이 우수한 광을 얻기 위해 종래에는 활성층의 양측에, 그 활성층과 다른 종류의 결정체를 접합시키고 전류의 흐름을 공간적으로 제한시킨 이중헤테로접합의 스트라입(stripe)형 레이저 다이오드가 사용되었다.

도 1은 종래의 이중헤테로접합의 스트라입형 레이저 다이오드의 수직단면도이다.

도시된 바와 같이, 종래의 이중헤테로접합의 스트라입형 레이저 다이오드에서는, 기판(1)위에 제1클래드층(2)이 성장되어 형성되며, 그 위에 레이저 광파를 가이드 해주는 제1광도파층(3), 레이저가 발진되는 활성층(4), 제1광도파층(3)과 함께 활성층(4)을 둘러싸며 레이저 광파를 가이드 해주는 제2광도파층(5), 제1클래드층(2)과 함께 활성층(4)내의 캐리어 밀도를 높여주는 제2클래드층(6) 순차적으로 적층되고, 전류의 흐름을 공간적으로 제한시키는 전류제한층(7)이 제2클래드층(6)의 양측면에 마련되며, 제2클래드층(6)과 전류제한층(7)의 상면에서 콘택트층(8)과 전극으로 이용되는 제2금속층(10)이 마련되고, 기판(1)의 저면에도 전극으로 이용되는 제1금속층(10)이 형성된다.

여기서 상기 활성층(4)은 그 상하에 위치된 제1클래드층(2) 및 제2클래드층(6)에 비해 밴드갭 에너지가 작고 굴절률이 높다.

이와 같은 구조의 종래 레이저 다이오드는 광기록장치의 광원으로 이용되기에 적합한 단일 횡모드의 발진빔을 제공하지만, 종모드의 스펙트럼을 보면 도 2에 도시된 바와 같이, 광도레벨에서 볼 때 지배적인 광도를 갖는 파장대역 좌, 우로 다수의 고차모드가 존재한다. 이러한 스펙트럼 구조를 갖는 레이저다이오드가 광기록장치의 광원으로 사용될 때, 출사된 광이 광진행 경로상에 마련된 광학요소에 의해 일부 되반사되어 입사되는 광에 의한 노이즈에 대단히 민감하여 발진파장이 요동하여 이후 출사되는 광의 중심파장이 크게 변하게 됨으로써, 광기록에 장애가 발생된다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 노이즈광에도 안정적인 발진을 하고, 단일 횡모드 발진빔을 출사하여 광기록장치의 광원으로서 적합한 발진파장 스펙트럼 구조를 갖는 GaN계 레이저 다이오드를 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1은 종래의 이중헤테로접합의 스트라입형 레이저 다이오드의 수직단면도이고,

도 2는 도 1의 레이저 다이오드로부터 출사되는 빔의 스펙트럼에 대한 광도분포를 도시한 것이고

도 3은 본 발명에 의한 GaN계 레이저 다이오드의 수직 단면도이고,

도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 GaN계 레이저 다이오드의 수직 단면도이고,

도 5는 도 3 내지 도 4의 레이저 다이오드로부터 출사되는 빔의 스펙트럼에 대한 광도분포를 도시한 것이다.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >

1, 11: 기판 2, 13: 제1클래드층

3, 14: 제1광도파층 4, 15: 활성층

5, 16: 제2광도파층 6, 18: 제2클래드층

7, 17: 전류제한층 8: 콘택트층

9, 19: 제2금속층 10, 20: 제2금속층

21: 흡수층

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 GaN계 레이저 다이오드는 기판 상부에 순차적으로 제1클래드층, 제1광도파층, 활성층, 제2광도파층, 제2클래드층이 순차적으로 적층된 구조를 갖는 GaN계 레이저 다이오드에 있어서, 상기 제2광도파층 상면 중앙에 리지가 형성되고, 상기 제2광도파층 양측에서 상기 리지의 높이로 전류제한층이 개재되고, 상기 전류제한층은 AlyGa1-yN층으로 조성된 것을 그 특징으로 한다.

또한, 상기 활성층의 상면과 상기 제2광도파층 저면 사이, 또는 상기 활성층의 저면과 상기 제1광도파층 상면 사이에 발진되는 빔의 일부를 흡수하여 발진을 반복시켜 자기 공진을 유도하는 흡수층(21)이 더 개재되고, 상기 흡수층은 InzGa1-zN층으로 조성되는 것이 바람직하다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 GaN계 레이저 다이오드를 보다 상세히 설명한다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 GaN계 레이저 다이오드의 수직 단면도이다.

이를 참조하면, 기판(11) 위에 순차적으로 제1클래드층(13), 제1광도파층(14), 활성층(15), 흡수층(21), 제2광도파층(16), 제2클래드층(18), 제2금속층(20)이 적층되고, 제2광도파층(16)의 양측에는 전류제한층(17)인 AlyGa1-yN층 및 제1클래드층(13)의 노출된 부분에는 제1금속층(19)이 각각 형성된다.

GaN계를 적용하기 위해서 결정성장에 적합한 기판으로서, 부도체인 사파이어 단결정을 사용하기 때문에, 그 저면에 금속층을 형성할 수 없으므로, 제1클래드층(13)의 일측이 노출되도록 식각하여 그 식각된 면에 제1금속층(13)을 형성한다.

자외선 영역에서 녹색영역에 걸친 단파장을 제공하는 GaN계에 있어서, 본 발명에 의한 각 층별 조성물은 제1 및 제2 클래드층(13)(18)은 GaN층으로 형성되고, 활성층(15)은 GaN층 또는, InxGa1-xN층으로 형성되고, 제1 및 제2광도파층(14)(16)은 AlGaN층으로 형성되며, 전류제한층(17)은 AlyGa1-yN층으로 형성되고, 흡수층(21)은 InzGa1-zN층으로 형성된다. 여기서, 활성층(15)이 InxGa1-xN층으로적용될 경우에는 x가 y 및 z보다 작은 수치를 갖도록 조성해야 한다.

전류제한층(17)은 제2광도파층(16)의 양측을 소정깊이 식각하여 형성된 리지(16b)의 양측면과 식각된 어깨부(16a)에 걸쳐서 AlyGa1-yN층(17)을 적층하여 형성한다. 여기서, AlyGa1-yN층(17)의 y값이 0.25를 초과할 경우는 부도체가 되기 때문에 별도의 도핑이 필요 없다. 이 전류제한층(17)에 의해 제2금속층(20)으로부터 제2광도파층(16) 사이로 형성된 통전채널을 따라 전류가 한정됨으로써, 활성층(15)에 유입되는 전류의 흐름이 공간적으로 제한된다. 따라서 활성층(15)내에 주입되는 캐리어의 밀도가 커지고, 문턱치 전류는 작게된다.

또한, 전류제한층(17)은 활성층(15) 부근의 유효굴절률(effective refractive index)에 영향을 주어 활성층(15) 내에서 상기 통전채널의 폭에 해당하는 유효폭의 경계면에서 굴절률이 급격히 변화되어 단일 횡모드 발진을 제공하게 된다.

광을 흡수할 수 있는 물질로 조성되는 흡수층(21)은 제2광도파층(16)이 n형일경우에는 n형으로 도핑되고, p형일 경우에는 p형으로 도핑된다.

상기와 같은 구조에 있어서, 제1금속층(19)과 제2금속층(20)에 순방향 바이어스를 인가하면, 전자와 정공에 의한 캐리어들이 전류제한층(17)에 의해 중앙으로 형성되는 통전경로를 따라 활성층(15)으로 주입된다. 이 때 활성층(15)은 밴드갭이 작기 때문에 양쪽의 제1 및 제2클래드층(13)(18)이 에너지 장벽을 형성하게 되어 주입된 캐리어들은 활성층(15)내에 갇히는 효과가 있게 된다. 따라서 폭이 얇은 활성층(15)내의 캐리어의 밀도는 대단히 커지게 되고, 대부분의 발광 재결합이 활성층(15)내에서 이루어지고, 활성층(15)에서 생성된 광이 제1 및 제2클래드층(13)(18)과의 경계면에서 전반사 되도록 활성층(15)의 굴절율을 제1 및 제2클래드층(13)(18)의 굴절률보다 높도록 조성된다.

이때, 활성층(15)의 저면에 마련된 흡수층(21)에 의해 발진되는 빔의 일부를 흡수하기 때문에 이득(gain)이 소모되어 발진이 중단되고, 다시 발진을 재개하는 반복 발진을 하게 된다. 이와 같이 발진이 반복되는 것을 자기 발진(self-pulsation)이라 하고, 이러한 자기 발진에 의해 출사되는 광빔의 스펙트럼은 특정한 한 파장에 이득이 집중되지 않고, 적정레벨이상의 광도분포가 넓은 파장대역에 걸쳐 형성된다(도 5 참조). 이때, 흡수층(21)에 의해 흡수되는 발진빔의 양은 흡수층(21)의 두께(h1)와 활성층(15)의 두께(h2)에 의해 좌우되고, 원하는 특성에 적합한 두께를 선택하면 된다.

도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 GaN계 레이저 다이오드의 수직 단면도이다.

도시된 바와 같이, 기판(11) 위에 순차적으로 버퍼층(12), 제1클래드층(13), 제1광도파층(14), 흡수층(21), 활성층(15), 제2광도파층(16), 제2클래드층(18), 제2금속층(20)이 적층되고, 제2광도파층(16)의 양측에는 전류제한층(17)인 AlyGa1-yN층 및 제1클래드층(13)의 노출된 부분 위에 제1금속층(19)이 각각 형성된다.

도 3과 비교하면, 흡수층(21)이 활성층(15)의 저면에 형성된 점에 특징이 있고, 도3을 해 설명된 동일한 효과를 얻는다.

지금까지 설명된 바와 같이, 본 발명에 따른 GaN계 레이저 다이오드가 제공됨으로써, 전류제한층에 의해 단일 횡모드 특성을 얻을 수 있고, 흡수층에 의해 레이저 발진이 반복되는 자기 공진에 의해 파장이 짧은 광빔의 스펙트럼이 적정레벨이상의 광도분포로서 넓게 형성되어, 광기록장치의 광원으로서 적합한 발산광을 제공한다.

Claims (8)

1. 기판 상부에 순차적으로 제1클래드층, 제1광도파층,활성층, 제2광도파층, 제2클래드층이순차적으로 적층된 구조를 갖는 GaN계 레이저 다이오드에 있어서,

   상기 제2광도파층 상면 중앙에 리지가 형성되고, 상기 제2광도파층 양측에서 상기 리지의 높이로 전류제한층이 개재되고, 상기 전류제한층은 AlyGa1-yN층으로 조성된 것을 특징으로 하는 GaN계 레이저 다이오드.
2. 제1항에 있어서, 상기 전류제한층인 AlyGa1-yN층의 y는 0.25보다 큰 것을 특징으로 하는 GaN계 레이저 다이오드.
3. 제2항에 있어서, 상기 제1클래드층 및 제2클래드층은 GaN층이고, 상기 제1광도파층 및 제2광도파층은 AlGaN층이고, 상기 활성층은 GaN층인 것을 특징으로 하는 GaN계 레이저 다이오드.
4. 제2항에 있어서, 상기 제1클래드층 및 제2클래드층은 GaN층이고, 상기 제1광도파층 및 제2광도파층은 AlGaN층이고, 상기 활성층은 InxGa1-xN층인 것을 특징으로 하는 GaN계 레이저 다이오드.
5. 제1항에 있어서, 상기 활성층의 상면과 상기 제2광도파층 저면 사이에는 발진되는 빔의 일부를 흡수하여 발진을 반복시켜 자기 공진을 유도하는 흡수층이 더 개재된 것을 특징으로 하는 GaN계 레이저 다이오드.
6. 제1항에 있어서, 상기 활성층의 저면과 상기 제1광도파층 상면 사이에는 발진되는 빔의 일부를 흡수하여 발진을 반복시켜 자기 공진을 유도하는 흡수층이 더 개재된 것을 특징으로 하는 GaN계 레이저 다이오드.
7. 제5항 또는 제6항에 있어서,

   상기 흡수층은 InzGa1-zN층으로 조성된 것을 특징으로 하는 GaN계 레이저 다이오드.
8. 제1항에 있어서, 상기 제2클래드층의 상면 일측에는 노출된 영역이형성되고, 상기 노출된 영역에 제1금속층이 형성되고, 상기 제2클래드층 상면에 제2금속층이 형성된 것을 특징으로 하는 GaN계 레이저 다이오드.