KR100503939B1 - 반도체 레이저 - Google Patents

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KR100503939B1 KR10-2002-0077832A KR20020077832A KR100503939B1 KR 100503939 B1 KR100503939 B1 KR 100503939B1 KR 20020077832 A KR20020077832 A KR 20020077832A KR 100503939 B1 KR100503939 B1 KR 100503939B1
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Abstract

다중양자우물 구조의 활성층에, 변조 도우프를 행한 반도체 레이저에 있어서, 발광효율 및 변조대역을 충분히 향상시키는 것을 과제로 한다. p-클래드층과 n-클래드층 사이에 활성층이 설치되고, 활성층이, 장벽층 및 웰층을 복수개 갖는 다중양자우물을 갖고, 또한，적어도 1개의 장벽층에 p형 변조 도우프가 시행된 반도체 레이저를 제공한다. 보다 구체적으로는, p-클래드층에 가까운 위치의 장벽층의 p형 변조 도우프량이, n-클래드층에 가까운 위치의 장벽층의 p형 변조 도우프량보다도 적은 반도체 레이저를 제공한다. 이에 따라, 비발광 재결합을 억제하면서, 미분이득과 고속응답성을 향상시킬 수 있다. 이와 동시에, p-클래드층으로부터 먼 측의 웰층에서는, 정공의 밀도가 높아지기 때문에, 캐리어의 불균일성도 개선할 수 있다.

Description

반도체 레이저{SEMICONDUCTOR LASER}
본 발명은, 광통신용 장치의 광원으로서 이용할 수 있는 반도체 레이저에 관한 것이다. 보다 구체적으로는, 발광효율 및 변조대역의 향상에 알맞은 반도체 레이저의 구조에 관한 것이다.
최근의 정보화기술의 진보에 따라, 보다 많은 정보를 보다 빨라, 또한 멀리 전송하는 요구가 높아지고 있다. 이 요구에 따르기 위해서, 광파이버를 사용한 광통신 기술의 개발이 진행되어, 많이 사용되는 상태에 이르고 있다. 예를 들면, 통신장치의 키 디바이스인, 광원으로서의 반도체 레이저에는, 발광효율이나, 고속응답성(변조대역)을 향상시키는 기술이 많이 이용되고 있다. 보다 구체적으로는, 다중양자우물 구조나, 변조 도우프 구조를 채용한 활성층을 갖는 반도체 레이저이다. 이와 같은 기술에 의해, 짧은 시간 간격으로 가능한 한 많은 정보를 전달할 수 있다.
도 4는 반도체 레이저의 활성층에 있어서의 다중양자우물 구조의 에너지 개념도이다. 도시된 구조의 레이저가 발광하는 원리를 설명하면, 가전자대측(21)에서는, p-클래드층측(2)으로부터, 광집중층(3)을 통해, 각각의 가전자대 웰층(32)으로 정공(22)이 주입된다. 전도대측(26)에서는, n-클래드층측(6)으로부터, 전자(27)가 전도대 웰층으로 주입된다. 그리고, 정공(22)과 전자(27)가 결합하는 것에 의해, 빛(28)이 생긴다.
도면의 레이저는, 복수의 양자우물수로 이루어진 다중양자우물 활성층(4)을 갖는다. 이 구조에 따르면, 정공(22) 및 전자(27)의 상태밀도가 커지게 되어, 광학이득이 증가하기 때문에, 발광효율이 향상한다. 또한, 동시에 미분이득도 증가하기 때문에, 레이저의 변조대역을 나타낸 완화 진동주파수도 향상된다.
발광효율 및 변조대역의 향상의 다른 수단으로서, 활성층의 다중양자우물의 장벽층(24)에만, p형 또는 n형 도우프를 시행한 변조 도우프로 불리는 기술이 제안되어 있다. 이 기술에 관해서는, JAPANESE JOURNAL OF APPLIED PHYSICS VOL. 29, (1990) 81에 자세히 소개되어 있다. 이 문헌에 따르면, 다중양자우물 구조의 장벽층(24)에 p형 도우프를 시행한 경우에는, 억셉터 준위로부터 공급된 다수의 정공(22)에 의해, 이득 스펙트럼이 협폭화된다. 따라서, 미분이득이 커져, 변조대역이 개선된다. 한편, n형 도우프를 시행한 경우에는, 광흡수가 억제되기 때문에, 임계값 전류가 저감되어, 발광효율이 개선된다.
전술한 기술에서는, 발광효율 및 변조대역의 향상을 충분히 꾀할 수 없는 경우가 있다.
즉, 양자우물수를 증가하는 경우는, 그 수가 지나치게 많으면, p-클래드층(2)측으로부터 정공(22)이 가전자대 웰층(23)에 주입될 때에, p-클래드층(2)으로부터 먼 쪽(즉, 광집중층(5)측)의 가전자대 웰층(23)까지 도달하지 않는 경우가 있다. 정공(22)은 유효질량이 크기 때문이다. 이래서는, 각 가전자대 웰층(23)에 있어서 정공밀도에 불균일이 생겨, 양자우물의 다중효과가 손상된다.
또한, 활성층의 다중양자우물의 장벽층(24)에만 변조 도우프를 시행하여 반도체 레이저를 제작하더라도, 현실적으로는, 제작시의 에피택셜 성장 등에 있어서의 열이력에 의해, 장벽층(24)에만 도핑되는 p형 또는 n형 불순물이, 웰층에까지 확산하여 버린다. 이래서는, 발광부인 웰층의 결정을 악화시켜, 비발광 재결합 비율이 증가하기 때문에, 개선효과가 억제되어 버린다. 이 문제는, 첨가하는 불순물 농도가 높을수록, 또한, Zn 등의 확산도가 높은 것일수록 현저하다.
본 발명의 목적은, 다중양자우물 구조의 활성층에, 변조 도우프를 행한 반도체 레이저에 있어서, 발광효율 및 변조대역을 충분히 향상시키는 것이다.
본 발명의 반도체 레이저는, p-클래드층과 n-클래드층 사이에 활성층이 설치되고, 이 활성층이, 장벽층 및 웰층을 복수개 갖는 다중양자우물을 갖고, 적어도 1개의 장벽층에 p형 변조 도우프가 시행되고 있다. 보다 구체적으로는, 상기 p-클래드층에 가까운 위치의 상기 장벽층의 p형 변조 도우프량이, 상기 n-클래드층에 가까운 위치의 상기 장벽층의 p형 변조 도우프량보다도 적다. 이에 따라, 상기 목적을 달성할 수 있다.
상기 p형 변조 도우프량은, 상기 p-클래드층으로부터의 거리에 따라서 결정되어도 된다.
상기 p형 변조 도우프량은, 상기 p-클래드층에 가까운 위치의 장벽층만큼 서서히 적게 되어도 된다.
상기 p형 변조 도우프는, 소정의 위치의 장벽층보다도 상기 n-클래드층에 가까운 위치의 1 이상의 장벽층에서는 제 1 도우프량으로 시행되고, 상기 소정의 위치의 장벽층보다도 상기 p-클래드층에 가까운 위치의 1 이상의 장벽층에서는 제 1 도우프량보다도 적은 제 2 도우프량으로 시행되고 있어도 된다.
[실시예]
이하, 첨부의 도면을 참조하여, 본 발명의 실시예를 설명한다. 도면에서는, 동일한 기능을 갖는 구성요소에는, 동일한 참조부호를 붙이고 있다.
(실시예 1)
도 1은, 반도체 레이저의 층 구조의 단면도이다. 이러한 반도체 레이저는, 에피택셜 성장법에 의해 각 층을 적층시켜 형성할 수 있다. 에피택셜 성장법으로서, 예를 들면, 성장시키고 싶은 유기금속을 포함한 기체를 기판을 향해 흘려, 기판 표면 상의 화학반응에 의해 성장시키는 유기금속기상성장법(MOCVD)이나, 유기금속을 고진공중에서 기판을 향해 증발시키고, 기판에 부착시켜 성장시키는 유기금속분자선성장법(MOMBE)을 이용할 수 있다. 구체적으로는, InP 기판(1) 상에, p-InP 클래드층(2), InGaAsP 광집중층(3), InGaAsP 다중양자우물 활성층(4), InGaAsP 광집중층(5), n-InP 클래드층(6) 및 콘택층(7)을 에피택셜성장법에 의해 적층시킨다. 그후, 금속전극 8 및 9를 형성하고, 원하는 공진기 길이가 되도록, 벽개(cleavage)를 행하고, 공진기 내부에서 빛을 공진시켜, 증폭시키기 위해, 공진기 단면, 즉 각 층의 단면에 수직한 광반사막(도시하지 않음)을 코팅한다. 공진기 단면이란, 적어도 다중양자우물 활성층(4)이 대향하는 단면을 포함한다. 이때, 이하의 설명에서는, 각 층의 재료의 표기는 생략하고 기재한다. 예를 들면, p-InP 클래드층(2)은, 「p-클래드층(2)」으로, InGaAsP 광집중층(3)은, 「광집중층(3)」으로 표기한다.
도 2는, 반도체 레이저(도 1)의 다중양자우물 활성층(4)의 주변(20)에 있어서의 에너지 개념도이다. 도 2의 좌측에서 순서대로, p-클래드층(2), 광집중층(3), 다중양자우물 활성층(4), 광집중층(5), n-클래드층(6)이 적층되어 있다. 이것은, 도 1의 반도체 레이저의 층 구조에 대응한다. 레이저가 발광하는 원리는 종래와 동일하다. 즉, 가전자대측(21)에 있어서, p-클래드층측(2)으로부터, 광집중층(3)을 통해, 각각의 가전자대 웰층(23)에 정공(22)이 주입된다. 전도대측(26)에서는, n-클래드층측(6)으로부터, 전자(27)가 전도대 웰층으로 주입된다. 그리고, 정공(22)과 전자(27)가 결합하는 것에 의해, 빛(28)이 생긴다. 이때, 빛은 전방향으로 발생하지만, 광집중층 3 및 5에 의해, 각 층에 평행한 방향의 빛만이 추출된다.
본 발명에서는, 정공(22)이 주입되는 다중양자우물 활성층(4)에 있어서, p-클래드층(2)에 가까운 측의 장벽층(24)에의 p형 도우프량을, p-클래드층(2)에서 먼 측(즉, n-클래드층(6)에 가까운 측)의 장벽층(24)에의 p형 도우프량보다 낮게 하고 있다. 도면에서는, 장벽층(24)에 p형 도펀트(25)가 도시되어 있다. 구체적으로는, p형 도펀트(25)에는 Zn을 사용한다. 그리고, 그것의 농도를, p-클래드층(2)에 가까운 측의 장벽층(24)에서 1×1018 cm3로 하였다. 한편, p-클래드층(2)으로부터 먼 측의 장벽층(24)에서는, 2×1018 cm3이다. 도면에 있어서, p형 도펀트(25)의 밀도를 나타낸 흑점의 수가, p-클래드층(2)에 가까운 측의 장벽층(24)에서 적고, 먼 측의 장벽층(24)에서는 많아지고 있는 것이 모식적으로 도시되어 있다. 밀도의 변화는, p-클래드층(2)에 가까운 측의 장벽층(24)으로부터 순서대로, p-클래드층(2)으로부터의 거리에 따라서, 장벽층(24)마다 서서히(예를 들면, 계단 형태로) 크게 하면 된다. 또는, 소정의 위치(예를 들면 중앙)의 장벽층(24)으로부터 p-클래드층(2)에 가까운 측의 장벽층(24)에 대해서는 1×1018 cm3로 하고, 먼 측의 장벽층(24)에 대해서는 2×1018 cm3로 하여도 된다.
종래는, 모든 장벽층(24)에 대하여, 예를 들면 2×1018 cm3 정도의 농도로 도핑하고 있었기 때문에, 도펀트가 웰층(23)으로 확산하여 갔다. 그러나, 본래, p-클래드층(2)에 가까운 측은, 웰층(23)에 주입되는 정공(22)의 밀도가 높고, 역으로, p-클래드층(2)으로부터 멀어짐에 따라(즉, n-클래드층(6)에 가까워짐에 따라), 웰층(23)에 주입되는 정공(22)의 밀도가 낮아지고 있다. 따라서, p-클래드층(2)에 가까운 위치의 장벽층(24)의 p형 도우프량을, p-클래드층(2)으로부터 먼 위치, 바꾸어 말하면, n-클래드층(6)에 가까운 위치의 장벽층(24)의 p형 도우프량보다도 적게 하는 것에 의해, 비발광 재결합을 억제하면서, 미분이득과 고속응답성을 향상시킬 수 있다. 동시에, p-클래드층(2)으로부터 먼 측의 웰층(23)에서는, 정공(22)의 밀도가 높아지기 때문에, 캐리어의 불균일성도 개선된다.
전술한 설명에 근거하면, p-클래드층(2)에 가까운 측의 장벽층(24)에서는, p형 도우프량을 0으로 하고(즉, p형 도우프를 하지 않는다), p-클래드층(2)으로부터 먼 측의 장벽층(24)에서는, 2×1018 cm3로 하여도 된다. 밀도의 변화위치는, 예를 들면, 전술한 것과 같이, 소정의 위치(예를 들면 중앙)의 장벽층(24)으로 하면 된다.
p형 도펀트에는, Zn을 사용한다고 하였지만, 이것에 한정되지 않는다. 예를 들면, 그 외에 Be, Cd, C 등, 다른 p형 도펀트를 사용할 수 있다.
(실시예 2)
실시예 2에서는, 실시예 1의 반도체 레이저를 응용한 예를 설명한다. 도 1에 나타낸 반도체 레이저에서는, 빛을 공진시켜, 증폭시키기 때문에, 각 층의 단면에는, 도시되지 않은 광반사막이 설치된다고 설명하였다. 이러한 구조는, 일반적으로, 페브리-페로 구조로 불리고 있다.
본 실시예에서는, 실시예 1의 반도체 레이저를, 다른 구조의 레이저에 적용한 경우의 예를 설명한다. 구체적으로는, 분포귀환형(DFB: distribution feedback) 레이저, 및, 브래그 반사형 레이저를 설명한다.
도 3a는 분포귀환형 레이저(30-1)의 구성을 나타낸 단면도이다. 분포귀환형 레이저(30-1)는, 특정한 파장의 레이저 광선만을 출력할 수 있는 레이저이다. 분포귀환형 레이저(30-1)는, 다중양자우물 활성층(4)을 포함하는 실시예 1의 반도체 레이저에, 특정한 파장의 레이저 광선만을 추출하는 회절격자(33)를 설치하여 구성되어 있다. 회절격자(33)는, 다중양자우물 활성층(4)의 층 면에 겹쳐 설치되고, 적층의 단계에서 형성할 수 있다. 이때, 이 도면에서는, 광반사막 31 및 32도 나타내고 있다. 도면의 우측방향으로 레이저 광선이 출력된다고 하면, 광반사막(31)의 반사율은 높고, 광반사막(32)의 반사율은 낮다.
도 3b는, 브래그 반사형 레이저(3O-2)의 구성을 나타낸 단면도이다. 브래그 반사형 레이저(3O-2)는, 분포귀환형 레이저(3O-1)를 응용한, 파장선택 가능한 레이저이다. 브래그 반사형 레이저(3O-2)는, 크고, 다중양자우물 활성층(34)을 구비한 광원부(36)와, 회절격자(35)를 갖는 파장선택부(37)로 나눌 수 있다. 광원부(36)의 구조는, 실시예 1에 의한 반도체 레이저의 다중양자우물 활성층(4)과 실질적으로 동일하다. 단, 다중양자우물 활성층(34)은, 광원부(36)에만 존재하고, 파장선택부(37)에는 설치되지 않는다. 즉, 다중양자우물 활성층(34)과 회절격자(35)는 겹치지 않고, 회절격자(35)는, 다중양자우물 활성층(34)의 층 면으로부터, 층 면의 넓이 방향으로 떨어진 위치에 설치된다. 이러한 구조의 다중양자우물 활성층(34)은, 실시예 1에 있어서, 다중양자우물 활성층(4)을 적층한 후에, 파장선택부(37) 부분의 다중양자우물 활성층(4)을 에칭 등으로 하여, 제거하여 얻을 수 있다. 다중양자우물 활성층(34)에 전극 38-1 및 38-2에 전압을 인가하여 전계를 인가하는 것에 의해, 광원부(36)가 발광한다. 그리고, 파장선택부(37)에 있어서, 원하는 파장을 선택한다. 이때, 광반사막 31 및 32에 관해서는, 도 3a와 동일하기 때문에, 그것의 설명은 생략한다.
p-클래드층에 가까운 위치의 장벽층의 p형 도우프량을, n-클래드층에 가까운 위치의 장벽층의 p형 도우프량보다도 적게 하였다. 예를 들면, p형 변조 도우프량은, p-클래드층으로부터의 거리에 따라 결정하여도 되고, p-클래그층에 가까운 위치의 장벽층만큼 저어도 된다. 더구나, p형 변조 도우프는, 소정의 위치의 장벽층보다도, 상기 n-클래드층에 가까운 위치의 1 이상의 장벽층에서는, 제 1 도우프량으로 시행하고, 상기 소정의 위치의 장벽층보다도 상기 p-클래드층에 가까운 위치의 1 이상의 장벽층에서는, 제 1 도우프량보다도 적은 제 2 도우프량으로 시행하여도 된다. 이에 따라, 비발광 재결합을 억제하면서, 미분이득과 고속응답성을 향상할 수 있다. 동시에, p-클래드층으로부터 먼 측의 웰층에서는, 정공의 밀도가 높아지기 때문에, 캐리어의 불균일성도 개선할 수 있다. 이때, p형 변조 도우프의 p형 도펀트는, Zn, Be, Cd, C 중 어느 하나를 사용하면 된다.
전술한 반도체 레이저는, 활성층이 대향하는 단면에 수직하게, 반사율이 다른 2개의 광반사막을 구비하고 있다. 이에 따라, 빛을 공진시켜 증폭할 수 있다. 특히, 회절격자를 더 구비하는 것에 의해, 소정의 파장의 레이저 광선을 추출할 수 있는 페브리-페로형 레이저를 얻을 수 있다. 또한, 회절격자를 활성층의 층 면에 겹쳐 설치하면, 분포귀환형 레이저를 얻을 수 있고, 회절격자를, 활성층의 층 면에서 층 면의 넓이 방향으로 떨어진 위치에 설치하면, 브래그 반사기형 레이저를 얻을 수 있다.
도 1은 반도체 레이저의 층구조의 단면도이다.
도 2는 반도체 레이저(도 1)의 다중양자우물 활성층의 주변에서의 에너지 개념도이다.
도 3a는, 분포귀환형 레이저의 구성을 나타낸 단면도이고, 도 3b는, 브래그 반사형 레이저의 구성을 나타낸 단면도이다.
도 4는 반도체 레이저의 활성층에 있어서의 다중양자우물 구조의 에너지 개념도이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
2: p-InP 클래드층 3: InGaAsP 광집중층
4: 다중양자우물 활성층 5: InGaAsP 광집중층
6: n-InP 클래드층 7: 콘택층
8, 9: 금속전극 21: 가전자대측
22: 정공 23: 웰층
24: 장벽층 25: p형 도펀트
26: 전도대측 27: 전자
28: 빛

Claims (3)

  1. p-클래드층과 n-클래드층 사이에 활성층이 설치되고, 이 활성층이, 장벽층 및 웰층을 복수개 갖는 다중양자우물을 갖고, 적어도 1개의 장벽층에 p형 변조 도우프가 시행된 반도체 레이저에 있어서,
    상기 p-클래드층에 가까운 위치의 상기 장벽층의 p형 변조 도우프량이, 상기 n-클래드층에 가까운 위치의 상기 장벽층의 p형 변조 도우프량보다도 적은 것을 특징으로 하는 반도체 레이저.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 p형 변조 도우프량은, 상기 p-클래드층으로부터의 거리에 따라 결정되는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 p형 변조 도우프는, 소정의 위치의 장벽층보다도 상기 n-클래드층에 가까운 위치의 1 이상의 장벽층에서는 제 1 도우프량으로 시행되고, 상기 소정의 위치의 장벽층보다도 상기 p-클래드층에 가까운 위치의 1 이상의 장벽층에서는 제 1 도우프량보다도 적은 제 2 도우프량으로 시행되는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저.
KR10-2002-0077832A 2002-05-17 2002-12-09 반도체 레이저 KR100503939B1 (ko)

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