KR100493638B1 - 질화물 반도체 레이저 다이오드 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 질화물 반도체 레이저 다이오드에 관한 것으로, 리지(Ridge)의 측면에 각기 다른 굴절률을 갖는 둘 이상의 유전막들을 적층시켜, 적층 유전막의 유효 굴절률을 제어함으로써, 킹크(Kink)의 발생을 제거하고 반사각의 비를 만족시킬 수 있는 효과가 발생한다.

Description

질화물 반도체 레이저 다이오드{Nitrides semiconductor laser diode}
본 발명은 질화물 반도체 레이저 다이오드에 관한 것으로, 보다 상세하게는 리지의 측면에 각기 다른 굴절률을 갖는 둘 이상의 유전막들을 적층시켜, 적층 유전막의 유효 굴절률을 제어함으로써, 킹크(Kink)의 발생을 제거하고 반사각의 비를 만족시킬 수 있는 질화물 반도체 레이저 다이오드에 관한 것이다.
최근, Ⅲ-Ⅴ족 질화물 반도체 물질을 이용한 발광 다이오드와 레이저 다이오드 제조 기술의 발전으로, 자외선, 청색, 녹색 등의 발광 소자 및 청자색 레이저 다이오드가 개발되어 상용화되고 있다.
특히, 질화물 반도체 레이저 다이오드는 대용량 정보저장 장치와 칼라 프린터의 요구에 의해 개발되어 시판되고 있으며, 이러한 대용량 정보저장 장치와 칼라 프린터에 응용하기 위한 질화물 반도체 레이저 다이오드는 낮은 문턱 전류(Threshold Current, Ith)와 높은 외부양자효율(External Quantum Efficiency, )과 더불어, 긴 수명(Long lifetime)이 요구된다.
이와 더불어, 광학 헤드(Optical Head)등의 광학계에서 광 출력의 손실을 방지하기 위하여 파 필드 패턴(FFP; Far-Field Pattern)의 에피택셜 층(Epitaxial Layers)과 광 출력의 수직방향과 수평방향의 비율인 방사각의 비(Aspect Ratio)를 1에 가깝게 하여야 한다.
그러므로, 리지(Ridge)의 폭 및 다중 양자우물(MQW, Multi Quantum Well)에서 식각된 면까지의 거리인 잔존 두께(RT, Residual Thickness)를 줄여주면, 문턱전류, 외부양자효율과 방사각의 비를 개선시킬 수 있지만, 킹크(Kink)가 발생되고, 특히, 고출력 반도체 레이저 다이오드 구조에서는 킹크가 더 심각하게 발생된다.
따라서, 현재 리지의 폭(W)은 W ≤2㎛로 설계하고, 잔존 두께(RT)는 RT ≒ 1000Å로 설계하여 리지를 형성하고 있다.
도 1은 일반적인 질화물 반도체 레이저 다이오드의 단면도로써, n 질화물 반도체 기판(10)의 상부에 n 클래드층(11), n 웨이브 가이드층(12), 활성층(13), 전자방지층(EBL, Electron Blocking Layer)(14)과 p 웨이브 가이드층(15)이 순차적으로 형성되어 있다.
그리고, 상기 p 웨이브 가이드층(15)의 상부에 리지(Ridge)구조가 형성되고, 리지 구조는 상기 p 웨이브 가이드층(15)의 상부에 식각되어 형성된 p 클래드층(16)과 그 p 클래드층(16) 상부에 형성된 p 캡층(17)으로 이루어져 있다.
상기 식각되어 노출된 p 클래드층(16)의 상부(즉, 리지 구조의 양측)에는 유전막(18)이 형성되어 있고, 상기 p 캡층(17)의 상부에는 투명전극(19)이 형성되어 있다.
더불어, 상기 투명전극(19)을 감싸고 상기 유전막(18)의 상부에는 p 전극(20)이 형성되고, 상기 n 질화물 반도체 기판(10)의 하부에는 n 전극(21)이 형성되어 있다.
이렇게 구성된 질화물 반도체 레이저 다이오드에서는 n 전극과 p 전극 사이에 전압이 인가되면, 활성층에서 광을 발생되고, 활성층에서 발생된 광은 반도체 레이저 다이오드의 측면으로 통하여 외부로 방출된다.
전술된 유전막은 리지의 에피택셜 층과 굴절률의 차이가 많이 나는 실리콘 산화막(n(굴절률)=1.45 ~ 1.46)이나, 굴절률의 차이가 많이 나지 않는 ZrO2(n(굴절률)=1.97)와 SiON 등으로 형성된다.
그러나, 리지의 에피택셜 층과 유전막 사이의 굴절률 차이는 킹크 발생(인가되는 전류(I)의 크기에 따른 광 출력(L)을 나타내는 L-I 커브 상에서 전류의 증가함에 따라 광 출력이 직선적으로 증가하다가 어느 시점에서 감소하는 현상)과 방사각의 비에 민감한 영향을 준다.
보고서에 의한 시뮬레이션 결과는 유전막의 굴절률이 유전막과 리지의 에피택셜 층 사이에 굴절률의 차이가 많이 날수록 킹크의 발생이 쉬워지고, 유전막의 굴절률이 유전막과 리지의 에피택셜 층 사이에 굴절률의 차이가 많이 나지 않는 경우 방사각의 비에 악영향을 주게된다.
그런데, 종래의 유전막은 실리콘 산화막, ZrO2(n=1.97)와 SiON 들 중 선택된 어느 하나로만 형성시켰기 때문에, 유전막과 리지의 엑피택셜 층 사이에 굴절률 차이를 자유롭게 제어할 수가 없었다.
따라서, 원하는 영역의 광 출력에서 킹크 발생을 억제하고 방사각의 비를 개선하기 위한 산화막과 리지의 엑피택셜 층의 굴절률 차이를 자유롭게 제어하는 것이 질화물 반도체 레이저 다이오드의 특성을 우수히 할 수 있는 것이다.
그러므로, 이러한 구조의 개발이 요구되고 있다.
이에 본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 리지의 측면에 각기 다른 굴절률을 갖는 둘 이상의 유전막들을 적층시켜, 적층 유전막의 유효 굴절률(Effective Refractive Index)을 제어함으로써, 킨크의 발생을 제거하고 반사각의 비를 만족시킬 수 있는 질화물 반도체 레이저 다이오드를 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 바람직한 양태(樣態)는, n형 질화물 반도체 적층막과 p형 질화물 반도체 적층막 사이에 다중 양자 우물층이 형성되고, 상기 p형 질화물 반도체 적층막은 일부가 식각되어 리지 형상의 p클래드층이 형성되고, 상기 리지 형상의 p클래드층 양측에 유전막이 형성되며, 상기 n형 질화물 반도체 적층막과 p형 질화물 반도체 적층막 사이에 전류가 공급되어 상기 다중 양자 우물층에서 광이 방출되는 질화물 반도체 레이저 다이오드에 있어서,
상기 유전막은 각기 다른 굴절률을 갖는 적어도 둘 이상의 유전막이 적층된 적층 유전막인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 레이저 다이오드가 제공된다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하면 다음과 같다.
도 2는 본 발명에 따른 질화물 반도체 레이저 다이오드의 단면도로써, n 질화물 반도체 기판(10)의 상부에 n 클래드층(11), n 웨이브 가이드층(12), 활성층(13), 전자 방지층(EBL, Electron Blocking Layer)(14)과 p 웨이브 가이드층(15)이 순차적으로 형성되어 있다.
그리고, 상기 p 웨이브 가이드층(15)의 상부에 리지(Ridge)구조가 형성되고, 리지 구조는 상기 p 웨이브 가이드층(15)의 상부에 식각되어 형성된 p 클래드층(16)과 그 p 클래드층(16) 상부에 형성된 p 캡층(17)으로 이루어져 있다.
상기 식각되어 노출된 p 클래드층(16)의 상부(즉, 리지 구조 양측)에는 제 1 유전막(18a)과 제 2 유전막(18b)을 적층시킨 적층 유전막(18)이 형성되어 있고, 상기 p 캡층(16)의 상부에는 투명전극(19)이 형성되어 있다.
더불어, 상기 투명전극(19)을 감싸고 상기 적층 유전막(18)의 상부에는 p 전극(20)이 형성되고, 상기 n 질화물 반도체 기판(10)의 하부에는 n 전극(21)이 형성되어 있다.
여기서, 상기 n 질화물 반도체 기판(10), n 클래드층(11)과 n 웨이브 가이드층(12)인 n형 질화물 반도체 적층막과; 상기 p 웨이브 가이드층(15), p 클래드층(16)과 캡층(17)인 p형 질화물 반도체 적층막은 InGaN, GaN과 AlGaN 중 선택된 어느 하나를 적용하여 형성해도 무방하다.
그리고, 상기 적층 유전막(18)은 각각 굴절률(n)이 다른 SiO2(n=1.45~1.46), MgO(n=1.7), TiO2(n=1.9)와 ZrO2(n=1.97)들을 적어도 둘 이상 선택하여 적층시킨 막이다.
본 발명은 종래 기술과 상이한 점은 유전막을 각기 다른 굴절률을 갖는 적어도 둘 이상의 적층 유전막(18)으로 형성하여, 굴절률을 자유롭게 제어하는 데 있다.
그리고, 상기 유전막들은 적어도 둘 이상의 서로 다른 두께를 가지는 유전막들로 형성할 수도 있다.
즉, 도 2에 도시된 바와 같이, 적층 유전막(18)은 제 1 유전막(18a)과 제 2 유전막(18b)으로 형성되고, 상기 제 1과 2 유전막(18a,18b)이 동일한 두께로 형성되었다면, 제 1과 2 유전막(18a,18b)의 굴절률을 합하여 나눈 값으로 대략적인 적층 유전막(18)의 유효 굴절률(Effective Refractive Index)을 규정할 수 있어, 상기 적층 유전막(18)의 유효 굴절률은 용이하게 제어할 수 있다.
더불어, 상기 적층 유전막(18)의 유효 굴절률은 각각의 유전막 두께에 의해서도 유효 굴절률이 변화되므로, 적층된 유전막의 두께를 변화시켜 유효 굴절률을 제어할 수도 있다.
종래의 기술에서는 하나의 유전막을 리지의 측면에 증착시켜, 질화물 반도체 레이저 다이오드를 제조하였는 바, 유전막의 굴절률을 제어하는 데는 한계가 있어, 리지의 에피택셜 층과 굴절률 차이를 제어하기는 더욱 어려웠기 때문에, 킨크 발생과 방사각의 비를 모두 만족하는 소자를 제조하지 못하였으나, 본 발명에서는 적층 유전막을 사용하여 유효 굴절률을 자유롭게 제어함으로써, 킨크의 발생을 제거하고, 반사각의 비를 만족시킬 수 있는 것이다.
이상에서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명은 리지의 측면에 각기 다른 굴절률을 갖는 둘 이상의 유전막들을 적층시켜, 적층 유전막의 유효 굴절률을 제어함으로써, 킨크의 발생을 제거하고 반사각의 비를 만족시킬 수 있는 효과가 있다.
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.
도 1은 일반적인 질화물 반도체 레이저 다이오드의 단면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 질화물 반도체 레이저 다이오드의 단면도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10 : n 질화물 반도체 기판 11 : n 클래드층
12 : n 웨이브 가이드층 13 : 활성층
14 : 전자방지층 15 : p 웨이브 가이드층
16 : p 클래드층 17 : p 캡층
18 : 유전막 19 : 투명전극
20 : p 전극 21 : n 전극

Claims (4)

  1. n형 질화물 반도체 적층막과 p형 질화물 반도체 적층막 사이에 다중 양자 우물층이 형성되고, 상기 p형 질화물 반도체 적층막은 일부가 식각되어 리지형상의 p클래드층이 형성되고, 상기 리지형상의 p클래드층 양측에 유전막이 형성되며, 상기 n형 질화물 반도체 적층막과 p형 질화물 반도체 적층막 사이에 전류가 공급되어 상기 다중 양자 우물층에서 광이 방출되는 질화물 반도체 레이저 다이오드에 있어서,
    상기 유전막은,
    각기 다른 굴절률을 갖는 적어도 둘 이상의 산화막이 적층된 적층 산화막인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 레이저 다이오드.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 적층 산화막의 각기 다른 굴절률을 갖는 산화막들은 적어도 둘 이상의 서로 다른 두께를 가지는 산화막들인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 레이저 다이오드.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 n형 질화물 반도체 적층막과 p형 질화물 반도체 적층막은 InGaN, GaN과 AlGaN 중 선택된 어느 하나로 형성된 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 레이저 다이오드.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 적층 산화막은 SiO2, MgO, TiO2와 ZrO2들을 적어도 둘 이상 선택하여 적층시킨 막인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 레이저 다이오드.
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