KR100458251B1 - Compound semiconductor laser diode - Google Patents
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Abstract
본 발명은 화합물 반도체 레이저 다이오드에 관한 것으로, n-화합물 반도체 기판의 상부에 형성된 n-화합물 반도체층과; n-화합물 반도체층이 상부에 형성된 n-화합물 반도체 기판과; 상기 n-화합물 반도체층의 상부에 리지(Ridge) 형태로 n-클래드층, n-웨이브 가이드층, 활성층, 에칭방지층과 p-웨이브 가이드층이 순차적으로 적층되어 형성된 제 1 적층 에피층과; 상기 제 1 적층 에피층보다 단면적이 작은 리지 형태로 상기 p-웨이브 가이드층 상부에 p-클래드층과 p-캡층이 순차적으로 적층되어 형성된 제 2 적층 에피층과; 상기 제 1과 2 적층 에피층의 측면을 감싸며, n-화합물 반도체 기판의 상부에 형성된 유전막과; 상기 p-캡층과 유전막의 상부에 형성된 p-금속층과; 상기 n-화합물 반도체 기판의 하부에 형성된 n-금속층이 형성되도록 구성한다.The present invention relates to a compound semiconductor laser diode, comprising: an n-compound semiconductor layer formed on an n-compound semiconductor substrate; an n-compound semiconductor substrate having an n-compound semiconductor layer formed thereon; A first laminated epitaxial layer formed by sequentially stacking an n-clad layer, an n-wave guide layer, an active layer, an anti-etching layer, and a p-wave guide layer in a ridge form on the n-compound semiconductor layer; A second laminated epitaxial layer formed by sequentially laminating a p-clad layer and a p-cap layer on the p-wave guide layer in a ridge shape having a smaller cross-sectional area than the first laminated epitaxial layer; A dielectric film surrounding a side surface of the first and second stacked epitaxial layers and formed on an n-compound semiconductor substrate; A p-metal layer formed on the p-cap layer and the dielectric film; The n-metal layer formed under the n-compound semiconductor substrate is formed.
따라서, 본 발명은 인가전류의 구속력을 향상시켜, 임계전류(Threshold Current, Ith)를 낮출 수 있고, 수평/수직 방사각 비율을 개선할 수 있고, L-I(Light-Current)곡선에서 킨크(Kink)의 발생을 줄일 수 있으며, 열문제를 방지하고 소자의 특성을 향상시킬 수 있는 효과가 발생한다.Accordingly, the present invention can improve the constraint force of the applied current, lower the threshold current (I th ), improve the horizontal / vertical radial angle ratio, and Kink in the LI-Light-Current curve. ), It is possible to reduce the occurrence of heat, and to prevent thermal problems and improve the characteristics of the device.
Description
본 발명은 화합물 반도체 레이저 다이오드에 관한 것으로, 보다 상세하게는 리지 형태의 제 1 적층 에피층과 그 제 1 적층 에피층 상부에 스탭(Step)이 형성된제 2 적층 에피층을 구현함으로써, 인가전류의 구속력을 향상시켜 임계전류(Threshold Current, Ith)를 낮출 수 있고, 수평/수직 방사각 비율을 개선할 수 있고, L-I(Light-Current)곡선에서 킨크(Kink)의 발생을 줄일 수 있으며, 열문제를 방지하고 소자의 특성을 향상시킬 수 있는 화합물 반도체 레이저 다이오드에 관한 것이다.The present invention relates to a compound semiconductor laser diode, and more particularly, by implementing a first laminated epitaxial layer having a ridge shape and a second laminated epitaxial layer having a step formed on the first laminated epitaxial layer. to improve the binding and to reduce the occurrence of the critical current (threshold current, I th) a can be lowered, it is possible to improve the horizontal / vertical coverage angle ratio, LI (Light-current) kinkeu (Kink) in the curve, the heat The present invention relates to a compound semiconductor laser diode capable of preventing problems and improving device characteristics.
일반적으로 질화물(Nitrides) 화합물 반도체 레이저 다이오드는 대용량정보저장 장치와 칼라 프린터(Color Printer)에 적용하기 위하여 개발되어 양산되고 있다.In general, Nitrides compound semiconductor laser diodes have been developed and mass-produced for application to large-capacity data storage devices and color printers.
최근에 이 질화물 화합물 반도체 레이저 다이오드를 이용한 여러 가지 새로운 응용들이 시도되고 있다.Recently, several new applications using this nitride compound semiconductor laser diode have been attempted.
이런 질화물 화합물 반도체 레이저 다이오드를 대용량정보저장 장치와 칼라 프린터 등에 응용을 하기 위해서 소자는 낮은 문턱 전류(Threshold Current, Ith)와 높은 외부양자효율(External Quantum Efficiency, ηex)이 요구되어진다.In order to apply such a nitride compound semiconductor laser diode to a large-capacity data storage device and a color printer, the device requires a low threshold current (I th ) and a high external quantum efficiency (η ex ).
또한 원접장 패턴(Far Field Patterns, FFP)에서 수평/수직 방사각의 비율(Aspect Ratio)이 '1'에서 벗어남에 따른 광 헤드(Optical Head)광학계(광학 시스템)에서 광출력의 손실(Loss)과 광학계(Optical Systems)를 거쳐 출력되는 레이저 빔의 수평/수직 출력분포도 차이는 질화물 반도체 레이저 다이오드에서 개선이 요구되어지는 중요한 부분이다.In addition, the loss of light output in the optical head optical system (optical system) as the ratio of horizontal / vertical radiation angles in Far Field Patterns (FFP) is deviated from '1'. The difference in the horizontal and vertical power distribution of the laser beam output through the optical system and optical systems is an important part that needs improvement in the nitride semiconductor laser diode.
현재, 모든 질화물 화합물 반도체 레이저 다이오드는 리지 타입(Ridge Type)구조이고 소자의 패시베이션(Passivation)과 트랜스버스 모드(Transverse Mode)제어용으로 도 1과 같이 리지(Ridge)옆에 유전체층을 쌓고 있다.At present, all nitride compound semiconductor laser diodes have a ridge type structure and a dielectric layer is stacked next to a ridge as shown in FIG. 1 for passivation and transverse mode control of the device.
도 1은 일반적인 화합물 반도체 레이저 다이오드의 단면도로써, n-화합물 반도체 기판(10)의 상부에, n-클래드층(11), n-웨이브 가이드층(12), 활성층(13), 에칭방지층(14), p-웨이브 가이드층(15)과 p-클래드층(16)이 순차적으로 적층되어 있다.FIG. 1 is a cross-sectional view of a general compound semiconductor laser diode, and includes an n-clad layer 11, an n-wave guide layer 12, an active layer 13, and an anti-etching layer 14 on an n-compound semiconductor substrate 10. ), the p-wave guide layer 15 and the p-clad layer 16 are sequentially stacked.
상기 p-클래드층(16)은 중앙에 돌출된 리지(Ridge)가 형성되어 있고, 이 리지의 상부에는 p-캡층(18)이 형성되어 있으며, 상기 p-클래드층(16)의 리지와 상기 p-캡층(18)의 측면에는 산화막(17)이 형성되어 있다.The p-clad layer 16 has a ridge protruding from the center thereof, and a p-cap layer 18 is formed on the ridge. The ridge and the ridge of the p-clad layer 16 are formed. An oxide film 17 is formed on the side of the p-cap layer 18.
그리고, 상기 p-캡층(18)과 상기 산화막(17)의 상부에는 p-금속층(20)이 형성된다.In addition, a p-metal layer 20 is formed on the p-cap layer 18 and the oxide layer 17.
또한, 상기 n-화합물 반도체 기판(10)의 하부에는 n-금속층(21)이 형성된다.In addition, an n-metal layer 21 is formed under the n-compound semiconductor substrate 10.
전술된 리지의 측면에 형성된 유전막은 (Al)GaN과 굴절률의 차이가 많이 나는 SiO2(NEC Corporation와 Nichia Chemical Corporation에서 적용)(n=1.45-1.46), 굴절률의 차이가 많이 나지 않는 ZrO2(Nichia Chemical Corporation에서 적용)(n=1.97)와 SiON(n=1.7)(Xerox Palo Alto Research Center에서 적용)을 사용하고 있다.The dielectric film formed on the side of the above-mentioned ridge is composed of SiO 2 (applied by NEC Corporation and Nichia Chemical Corporation) having a large difference in refractive index from (Al) GaN (n = 1.45-1.46), and ZrO 2 having a small difference in refractive index ( Nichia Chemical Corporation) (n = 1.97) and SiON (n = 1.7) (applied by Xerox Palo Alto Research Center) are used.
이런 리지 웨이브 가이드 레이저 다이오드는 시뮬레이션(Simulation) 결과, L-I (광파워-전류)특성에서 킨크(Kink)발생과 수평/수직 방사각 비율(AspectRatio)은 리지(Ridge)의 폭(Width), 잔존 두께(Residual Thickness)(활성층과 리지 형성을 위해 에칭 한 면과의 거리) 및 유전체의 굴절률과 직접적인 연관을 갖고 있는 것으로 밝혀졌다.Simulation results show that the ridge waveguide laser diode has a kink in the LI (light power-current) characteristic and the horizontal / vertical radial angle ratio is the width of the ridge and the remaining thickness. It has been found to be directly related to the (Residual Thickness) (distance between the active layer and the side etched to form the ridge) and the refractive index of the dielectric.
그러므로, 현재 사용하고 있는 리지 웨이브가이드 레이저 다이오드는 접합면(Junction Plane)에서 수평 인덱스 스텝(Index step)이 작고, 전류 확산이 크므로, 수평/수직 방사각 비율(Aspect Ratio)을 최적화시키기 어려우며, 전류 구속(Current Confinement)력이 저하되고, 광전류 특성(Light-Current Characteristics)에서 킨크가 발생하는 문제점이 있었다.Therefore, the ridge waveguide laser diode currently in use has a small horizontal index step at the junction plane and a large current spread, so it is difficult to optimize the horizontal / vertical aspect ratio. Current confinement power is lowered, and there is a problem that kink occurs in light-current characteristics.
이러한 문제점을 해결하기 위해, 본 발명의 발명자는 도 2와 같은 화합물 반도체 레이저 다이오드 구조를 착안하여 본 발명과 동일자로 특허를 출원한 바 있다.In order to solve this problem, the inventor of the present invention has applied for the same patent as the present invention with the focus on the compound semiconductor laser diode structure as shown in FIG.
도 2에 도시된 화합물 반도체 레이저 다이오드는 n-화합물 반도체 기판(110)의 상부에, 상부면이 제거되어 형성된 리지(Ridge)(111a)를 갖는 n-화합물 반도체층(111)이 형성되어 있다.In the compound semiconductor laser diode illustrated in FIG. 2, an n-compound semiconductor layer 111 having a ridge 111a formed by removing an upper surface thereof is formed on the n-compound semiconductor substrate 110.
그리고, 상기 리지(111a)의 상부에는 n-클래드층(112), n-웨이브 가이드층(113), 활성층(114), 에칭방지층(115), p-웨이브 가이드층(116), p-클래드층(117)과 p-캡층(118)이 순차적으로 적층되어 있다.In addition, an n-clad layer 112, an n-wave guide layer 113, an active layer 114, an anti-etching layer 115, a p-wave guide layer 116, and a p-clad on the ridge 111a. Layer 117 and p-cap layer 118 are stacked sequentially.
상기 리지(111a) 측면의 n-화합물 반도체층(111) 상부에는 유전막(150)이 형성되어 구성된다.A dielectric film 150 is formed on the n-compound semiconductor layer 111 on the side of the ridge 111a.
이렇게 구성된 도 2의 화합물 반도체 레이저 다이오드는 도 1의 화합물 반도체 레이저 다이오드보다는 후술되는 장점이 있다.The compound semiconductor laser diode of FIG. 2 configured as described above has an advantage described later than the compound semiconductor laser diode of FIG. 1.
즉, 유전막(150)의 굴절율과 상기 n-클래드층(112), n-웨이브 가이드층(113), 활성층(114), 에칭방지층(115), p-웨이브 가이드층(116), p-클래드층(117)과 p-캡층(118)으로 이루어진 에피층(Epi-layers)의 유효 굴절율(Effective Refractive Index)은 차이가 커서, 광의 수평방사각을 줄여주게 됨으로써, 수평/수직 방사각 비율(Aspect Ratio)을 개선시킬 수 있다.That is, the refractive index of the dielectric film 150 and the n-clad layer 112, the n-wave guide layer 113, the active layer 114, the anti-etching layer 115, the p-wave guide layer 116, and the p-clad The effective refractive index of the epi-layers composed of the layer 117 and the p-cap layer 118 is large so that the horizontal radiation angle of the light is reduced, thereby reducing the horizontal / vertical radial angle ratio (Aspect). Ratio can be improved.
그리고, p-캡층(118)으로 주입된 전류는 상기 유전막(150)으로는 흐르지 않아, 인가된 전류를 에피층으로만 구속시킬 수 있어, 누설전류(Leakage Current)를 줄여 임계전류(Threshold Current, Ith)를 낮출 수 있는 장점이 있다.In addition, the current injected into the p-cap layer 118 does not flow to the dielectric layer 150, so that the applied current can be confined to the epi layer only, thereby reducing the leakage current, thereby reducing the threshold current. I th ) can be lowered.
그러나, 도 2의 화합물 반도체 레이저 다이오드는 상기와 같은 장점에도 불구하고 다음과 같은 단점이 있다.However, the compound semiconductor laser diode of FIG. 2 has the following disadvantages despite the above advantages.
첫째, n-화합물 반도체층(111)의 리지 상부에 적층된 에피층을 형성하기가 도 1의 화합물 반도체 레이저 다이오드보다는 상대적으로 어렵다.First, it is relatively difficult to form the epi layer stacked on the ridge of the n-compound semiconductor layer 111 than the compound semiconductor laser diode of FIG.
둘째, 도 1의 화합물 반도체 레이저 다이오드보다는 저항이 커져 I-V 특성이 않좋으며, 전류가 전도되는 부분 주위에 열 발생의 가능성이 있다.Second, the resistance is larger than that of the compound semiconductor laser diode of FIG. 1, resulting in poor I-V characteristics, and there is a possibility of heat generation around the current conducting portion.
셋째, n-화합물 반도체층(111)의 리지 상부에 적층된 에피층을 형성하기가 위하여 수행되는 식각공정으로 활성층이 손상 가능성이 높다.Third, the etching process is performed to form the epi layer stacked on the ridge of the n-compound semiconductor layer 111 is likely to damage the active layer.
이로 인해 광소자의 발광특성을 저하된다.For this reason, the light emission characteristic of an optical element is reduced.
이에 본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 리지 형태의 제 1 적층 에피층과 그 제 1 적층 에피층 상부에 스탭(Step)이 형성된 제 2 적층 에피층을 구현함으로써, 인가전류의 구속력을 향상시켜 임계전류(Threshold Current, Ith)를 낮출 수 있고, 수평/수직 방사각 비율을 개선할 수 있고, L-I(Light-Current)곡선에서 킨크(Kink)의 발생을 줄일 수 있으며, 열문제를 방지하고 소자의 특성을 향상시킬 수 있는 화합물 반도체 레이저 다이오드를 제공하는 데 그 목적이 있다.Accordingly, the present invention has been made to solve the above problems, by applying a ridge-type first laminated epi layer and a second laminated epi layer having a step (Step) formed on top of the first laminated epi layer, Improves the binding force of the current to lower the threshold current (I th ), improve the horizontal / vertical radial angle ratio, reduce the occurrence of kink in the LI (Light-Current) curve Another object of the present invention is to provide a compound semiconductor laser diode capable of preventing thermal problems and improving device characteristics.
상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 바람직한 양태(樣態)는, n-화합물 반도체 기판의 상부에 형성된 n-화합물 반도체층과;A preferred aspect for achieving the above object of the present invention is an n-compound semiconductor layer formed on the n-compound semiconductor substrate;
상기 n-화합물 반도체층의 상부에 리지(Ridge) 형태로 n-클래드층, n-웨이브 가이드층, 활성층, 에칭방지층과 p-웨이브 가이드층이 순차적으로 적층되어 형성된 제 1 적층 에피층과;A first laminated epitaxial layer formed by sequentially stacking an n-clad layer, an n-wave guide layer, an active layer, an anti-etching layer, and a p-wave guide layer in a ridge form on the n-compound semiconductor layer;
상기 제 1 적층 에피층보다 단면적이 작은 리지 형태로 상기 p-웨이브 가이드층 상부에 p-클래드층과 p-캡층이 순차적으로 적층되어 형성된 제 2 적층 에피층과;A second laminated epitaxial layer formed by sequentially laminating a p-clad layer and a p-cap layer on the p-wave guide layer in a ridge shape having a smaller cross-sectional area than the first laminated epitaxial layer;
상기 제 1과 2 적층 에피층의 측면을 감싸며, n-화합물 반도체 기판의 상부에 형성된 유전막과;A dielectric film surrounding a side surface of the first and second stacked epitaxial layers and formed on an n-compound semiconductor substrate;
상기 p-캡층과 유전막의 상부에 형성된 p-금속층과;A p-metal layer formed on the p-cap layer and the dielectric film;
상기 n-화합물 반도체 기판의 하부에 형성된 n-금속층으로 이루어진 것을 특징으로 하는 화합물 반도체 레이저 다이오드가 제공된다.There is provided a compound semiconductor laser diode comprising an n-metal layer formed under the n-compound semiconductor substrate.
도 1은 일반적인 화합물 반도체 레이저 다이오드의 단면도이다.1 is a cross-sectional view of a typical compound semiconductor laser diode.
도 2는 도 1보다 특성이 개선된 화합물 반도체 레이저 다이오드의 단면도이다.FIG. 2 is a cross-sectional view of a compound semiconductor laser diode having improved characteristics than FIG. 1.
도 3은 본 발명에 따른 화합물 반도체 레이저 다이오드의 단면도이다.3 is a cross-sectional view of the compound semiconductor laser diode according to the present invention.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>
10,110 : n-화합물 반도체 기판 11,112 : n-클래드층10,110: n-compound semiconductor substrate 11,112: n-clad layer
12,113 : n-웨이브 가이드층 13,114 : 활성층12,113: n-wave guide layer 13,114: active layer
15,116 : p-웨이브 가이드층 16,117 : p-클래드층15,116: p-wave guide layer 16,117: p-clad layer
17 : 산화막 18,118 : p-캡층17: oxide film 18,118: p-cap layer
20 : p-금속층 21 : n-금속층20: p-metal layer 21: n-metal layer
111a : 리지(Ridge) 150,170 : 유전막111a: Ridge 150, 170: dielectric film
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
도 3은 본 발명에 따른 화합물 반도체 레이저 다이오드의 단면도로써, n-화합물 반도체 기판(110)의 상부에 형성된 n-화합물 반도체층(111)과; 상기 n-화합물 반도체층(111)의 상부에 리지(Ridge) 형태로 n-클래드층(112), n-웨이브 가이드층(113), 활성층(114), 에칭방지층(115)과 p-웨이브 가이드층(116)이 순차적으로 적층되어 형성된 제 1 적층 에피층과; 상기 제 1 에피층보다 단면적이 작은 리지 형태로 상기 p-웨이브 가이드층(116) 상부에 p-클래드층(117)과 p-캡층(118)이 순차적으로 적층되어 형성된 제 2 적층 에피층과; 상기 제 1과 2 적층 에피층의 측면을 감싸며, n-화합물 반도체 기판(110)의 상부에 형성된 유전막(170)과; 상기 p-캡층(118)과 유전막(170)의 상부에 형성된 p-금속층(120)과; 상기 n-화합물 반도체 기판(110)의 하부에 형성된 n-금속층(121)으로 구성된다.3 is a cross-sectional view of a compound semiconductor laser diode according to the present invention, including an n-compound semiconductor layer 111 formed on an n-compound semiconductor substrate 110; The n-clad layer 112, the n-wave guide layer 113, the active layer 114, the anti-etching layer 115 and the p-wave guide in the form of a ridge on the n-compound semiconductor layer 111. A first laminated epi layer formed by sequentially laminating layers 116; A second laminated epitaxial layer formed by sequentially stacking a p-clad layer 117 and a p-cap layer 118 on the p-wave guide layer 116 in a ridge shape having a smaller cross-sectional area than the first epitaxial layer; A dielectric film 170 covering side surfaces of the first and second stacked epitaxial layers and formed on the n-compound semiconductor substrate 110; A p-metal layer 120 formed on the p-cap layer 118 and the dielectric layer 170; The n-metal semiconductor layer 121 is formed below the n-compound semiconductor substrate 110.
여기서, 상기 n-화합물 반도체 기판(110), n-화합물 반도체층(111), n-웨이브 가이드층(113), p-웨이브 가이드층(116)과 p-캡층(118)은 GaN으로 형성하는 것이 바람직하고, 상기 p와 n-클래드층(117,112)은 AlGaN으로 형성하는 것이 바람직하다.The n-compound semiconductor substrate 110, the n-compound semiconductor layer 111, the n-wave guide layer 113, the p-wave guide layer 116 and the p-cap layer 118 are formed of GaN. Preferably, the p and n-clad layers 117 and 112 are formed of AlGaN.
따라서, 본 발명은 하기의 장점이 있다.Therefore, the present invention has the following advantages.
첫째, 전류가 전도되는 제 2 에피층 하부에 충분한 폭의 스탭을 갖는 제 1에피층이 형성되어 있어, 도 2의 화합물 반도체 레이저 다이오드보다 I-V 특성에 큰 변화를 주지 않을 수 있고 그에 수반한 열 문제를 방지 할 수 있다.First, a first epitaxial layer having a sufficient width step is formed under the second epitaxial layer where current is conducted, so that the IV characteristic may not be significantly changed than the compound semiconductor laser diode of FIG. 2 and the accompanying heat problem Can be prevented.
둘째, 전류가 주입되는 단면적보다 활성층의 단면적이 커서, 식각시에 손상된 활성층은 사용되지 않고, 손상되지 않은 활성층만 실제적으로 사용함으로써, 도 2의 화합물 반도체 레이저 다이오드에서의 문제점을 해결할 수 있다.Second, the cross-sectional area of the active layer is larger than the cross-sectional area into which current is injected, so that the damaged active layer is not used during etching, and only the undamaged active layer is actually used, thereby solving the problem in the compound semiconductor laser diode of FIG. 2.
즉, 양호한 활성층만 사용됨으로, 소자특성을 향상시킬 수 있게 되는 것이다.That is, since only a good active layer is used, the device characteristics can be improved.
따라서, 본 발명은 도 1의 화합물 반도체 레이저 다이오드의 문제점을 해결함과 동시에, 도 2의 화합물 반도체 레이저 다이오드의 장점을 구현할 수 있게 된다.Accordingly, the present invention solves the problems of the compound semiconductor laser diode of FIG. 1 and at the same time realizes the advantages of the compound semiconductor laser diode of FIG. 2.
이상에서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명은 인가전류의 구속력을 향상시켜, 임계전류(Threshold Current, Ith)를 낮출 수 있고, 수평/수직 방사각 비율을 개선할 수 있으며, L-I(Light-Current)곡선에서 킨크(Kink)의 발생을 줄일 수 있는 효과가 발생한다.As described in detail above, the present invention can improve the constraint force of the applied current, can lower the threshold current (I th ), can improve the horizontal / vertical radial angle ratio, and the LI (Light-Current) curve The effect is to reduce the occurrence of kink.
더불어, 열문제를 방지하고 소자의 특성을 향상시킬 수 있는 효과가 발생한다.In addition, there is an effect that can prevent thermal problems and improve the characteristics of the device.
본 발명은 구체적인 예에 대해서만 상세히 설명되었지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며,이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.Although the present invention has been described in detail only with respect to specific examples, it will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations are possible within the spirit of the present invention, and such modifications and modifications belong to the appended claims.
Claims (2)
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Applications Claiming Priority (1)
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2002
- 2002-10-25 KR KR10-2002-0065390A patent/KR100458251B1/en not_active IP Right Cessation
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Also Published As
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