KR100550924B1 - 다파장 레이저 다이오드 - Google Patents

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KR100550924B1
KR100550924B1 KR1020040073341A KR20040073341A KR100550924B1 KR 100550924 B1 KR100550924 B1 KR 100550924B1 KR 1020040073341 A KR1020040073341 A KR 1020040073341A KR 20040073341 A KR20040073341 A KR 20040073341A KR 100550924 B1 KR100550924 B1 KR 100550924B1
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metal layer
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장태성
최희석
조상덕
전동민
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삼성전기주식회사
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Abstract

본 발명은 다파장 레이저 다이오드에 관한 것이다. 상기 다파장 레이저 다이오드는 반도체 기판과 이 반도체 기판 위에 순차적으로 형성된 하부 클래드층, 활성층 및 리지를 갖는 상부 클래드층으로 이루어진 발진 구조; 미리 정해진 파장 이상의 높은 고영역에서 높은 반사율을 보이는 금속으로 이루어져, 상기 리지의 일단 쪽의 상기 발진 구조의 제1 측면 상에 형성된 제1 금속층; 및 상기 미리 정해진 파장보다 낮은 저파장 영역에서 높은 반사율을 보이는 금속으로 이루어져, 상기 제1 금속층 상에 형성된 제2 금속층을 포함한다. 상기 다파장 레이저 다이오드는 반사막 구조를 개선함으로써 가시 광선 전체 영역에서 높은 반사율을 낼 수 있다.
다파장, 레이저 다이오드, 금속, 반사, 절연

Description

다파장 레이저 다이오드{MULTIWAVELENGTH LASER DIODE}
도 1은 통상의 레이저 다이오드의 사시도이다.
도 2는 도 1의 II-II 선을 따라 절단한 단면도이다.
도 3은 도 1의 III-III 선을 따라 절단한 단면도이다.
도 4와 5는 종래기술의 유전체 반사막의 파장별 반사율을 보여주는 그래프이다.
도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 다파장 레이저 다이오드의 단면도이다.
도 7은 여러 금속막의 파장별 반사율을 보여주는 그래프이다.
도 8은 본 발명의 제1 실시예에 따른 Au-Al막의 파장별 반사율을 보여주는 그래프이다.
도 9는 도 6의 다파장 레이저 다이오드의 변형례의 단면도이다.
도 10은 본 발명의 제2 실시예에 따른 다파장 레이저 다이오드의 단면도이다.
도 11은 본 발명의 제2 실시예에 따른 Au-Ag-Al막의 파장별 반사율을 보여주는 그래프이다.
도 12는 본 발명의 제3 실시예에 따른 다파장 레이저 다이오드의 단면도이 다.
도 13은 도 12의 다파장 레이저 다이오드의 변형례의 단면도이다.
도 14는 본 발명의 제4 실시예에 따른 다파장 레이저 다이오드의 단면도이다.
도 15는 도 14의 변형례의 단면도이다.
본 발명은 다파장 레이저 다이오드에 관한 것이다. 더 구체적으로 본 발명은 가시 광선 전체 영역에서 높은 반사율을 내도록 반사막 구조를 개선한 다파장 레이저 다이오드에 관한 것이다.
레이저 다이오드는 전류를 인가하여 광을 얻는 소자로서, 다양한 저장장치의 광 픽업(pickup) 장치로 사용되고 있다.
이러한 레이저 다이오드는 고출력 레이저를 얻기 위해서는 레이저 발진층의 일단에 고반사율을 갖는 거울면 또는 반사면이 요구된다. 이러한 반사면을 얻기 위해서는 고반사율을 지닌 박막을 코팅하는 것이 필요하다. 또한, 이러한 고반사율 박막을 얻기 위해 많은 연구가 진행되어 왔다.
도 1은 통상의 레이저 다이오드의 사시도이고, 도 2는 도 1의 II-II 선을 따 라 절단한 단면도이며, 도 3은 도 1의 III-III 선을 따라 절단한 단면도이다.
도 1 내지 3을 참조하면, 레이저 다이오드(10)는 빛을 발생하는 발진 구조(12), 이 발진 구조(12)의 상하에 부착된 p형 및 n형 금속층(26, 28), 발진 구조(12)의 일단에 부착된 고반사율 반사막(30) 및 이 고반사율 반사막(30) 반대편에 부착된 무반사막(40)을 포함한다.
한편, 발진 구조(12)는 반도체 기판(14) 위에 형성된 하부 클래드층(16), 활성층(18), 상부 클래드층(20) 및 상부 캡층(24)을 포함한다. 상기 상부 클래드층(20)은 상부 중앙에 리지(20a)가 형성되어 있고 이 리지(22a)의 양쪽에는 전류 차단층(22)이 형성되어 있다.
이와 같은 발진 구조(12)를 갖는 레이저 다이오드(10)의 p형 및 n형 금속층(26, 28)에 순방향의 전압을 인가하면, 수직의 경로를 따라 활성층(18) 안으로 전자와 정공이 주입되어 이들 전자와 정공의 결합에 의해 활성층(18)의 에너지 밴드 갭에 상당하는 광자 즉 레이저빔이 방출된다.
한편, 반사막(30)은 리지(22a)의 일단 쪽의 발진 구조(12)의 한 측면에 형성되고 무반사막(40)은 그 반대편에 형성되어, 이들 사이에 마련되는 공동 공진기(cavity resonator)에 의해 레이저 발진이 일어난다.
이때, 상기 반사막(30)은 유전체로 구성되며, Al2O3막과 Si3N4막을 7쌍 이상 증착함으로써 반사율을 높이게 된다.
하지만, 이와 같은 다층 유전체로 이루어진 반사막(30)을 형성하는 작업은 장시간이 소요될 뿐만 아니라 신뢰성이 좋지 못하다. 아울러, 이와 같은 다층 유전체막은 단일 파장에 대해서는 우수한 반사율을 얻을 수 있지만 여러 파장 영역에 대해 동일한 반사율을 내지 못하는 치명적인 단점이 있다.
즉 각각의 유전체층의 두께는 반사하고자 하는 파장의 λ/(4n)으로 정해지며, 여기서 λ는 활성층(18)과 상부 및 하부 클래드층(16, 20)으로 된 발진층에서 방출되는 레이저빔의 파장이고, n은 해당 유전체의 굴절률이다.
이와 같이 형성된 유전체층의 파장별 반사율의 예가 도 4와 5에 도시되어 있다. 도 4는 해당 레이저빔의 파장이 715nm일 때의 유전체층의 파장별 반사율을 나타내고, 도 5는 해당 레이저빔의 파장이 780nm일 때의 유전체층의 파장별 반사율을 타나낸다.
도 4의 그래프는 715nm에서 대략 92%의 최고 반사율을 갖는다. 하지만, 650nm 이하의 파장에서는 반사율이 현저히 저하되는 것을 알 수 있다. 또한, 도 5의 그래프는 750nm에서 대략 92%의 최고 반사율을 갖는다. 하지만, 이 경우에도 역시 700nm 이항의 파장에서는 반사율이 현저히 떨어지는 것을 알 수 있다.
따라서, 이와 같은 유전체에 기반한 반사막은 특정한 파장 영역에서만 높은 반사율을 유지할 수 있을 뿐이며, 넓은 파장 영역에서 높은 반사율을 유지할 수 없다는 것을 알 수 있다.
따라서 본 발명은 전술한 종래 기술의 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 금속 반사층을 형성함으로써 작업을 단순화하고 생산성을 높일 수 있는 다파장 레이저 다이오드를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 금속 반사층을 형성함으로써 다파장 영역에서 균일하면서도 높은 반사율을 갖는 다파장 레이저 다이오드를 제공하는 것이다.
전술한 본 발명의 목적을 달성하기 위해 본 발명은 반도체 기판과 상기 반도체 기판 위에 순차적으로 형성된 하부 클래드층, 활성층 및 리지를 갖는 상부 클래드층으로 이루어진 발진 구조; 미리 정해진 파장 이상의 높은 고영역에서 높은 반사율을 보이는 금속으로 이루어져, 상기 리지의 일단 쪽의 상기 발진 구조의 제1 측면 상에 형성된 제1 금속층; 및 상기 미리 정해진 파장보다 낮은 저파장 영역에서 높은 반사율을 보이는 금속으로 이루어져, 상기 제1 금속층 상에 형성된 제2 금속층을 포함하는 다파장 레이저 다이오드를 제공하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다파장 레이저 다이오드는 상기 제1 금속층과 상기 발진 구조 제1 측면 사이에 개재된 유전체층을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 제1 금속층은 Ag, Au, Cu, Pd 및 Pt을 포함하는 그룹 중에서 선택된 적어도 하나로 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 제2 금속층은 Al으로 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다파장 레이저 다이오드는 상기 제1 및 제2 금속층 사이에 개재된 고반사율 중간 금속층을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 중간 금속층은 스퍼터링 또는 전자빔 공법에 의해 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 제1 금속층은 Au 또는 Cu로 구성되고, 상기 중간 금속층은 Ag로 구성되며, 상기 제2 금속층은 Al으로 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 고굴절률층과 저굴절률층으로 이루어져, 상기 제2 금속층 상에 형성된 적어도 한 쌍의 유전체층을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 제1 및 제2 금속층은 각기 스퍼터링 또는 전자빔 공법에 의해 형성되는 것을 특징으로 한다.
전술한 본 발명의 목적을 달성하기 위해 본 발명은 반도체 기판과 상기 반도체 기판 위에 순차적으로 형성된 하부 클래드층, 활성층 및 리지를 갖는 상부 클래드층으로 이루어진 발진 구조; 및 상기 리지의 일단 쪽의 상기 발진 구조의 제1 측면 상에 형성되고, 높은 반사율을 갖는 적어도 두 가지 금속이 혼합되어 이루어져, 미리 정해진 파장 이상의 고파장 영역에서 높은 반사율을 보이는 제1 금속이 부(富)한 고파장 반사영역 및 상기 미리 정해진 파장 보다 낮은 저파장 영역에서 높은 반사율을 보이는 제2 금속이 부한 저파장 반사영역을 갖는 고반사율 금속층을 포함하는 다파장 레이저 다이오드를 제공하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 제1 금속은 Ag, Au, Cu, Pd 및 Pt을 포함하는 그룹 중에서 선택되는 적어도 하나이고, 상기 제2 금속은 Al인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다파장 레이저 다이오드는 상기 고반사율 금속층과 상기 발진 구 조 제1 측면 사이에 개재된 유전체층을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다파장 레이저 다이오드는 고굴절률층과 저굴절률층으로 이루어져, 상기 고반사율 금속층 상에 형성된 적어도 한 쌍의 유전체층을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 고반사율 금속층은 상기 제1 및 제2 금속의 동시 스퍼터링 또는 동시 전자빔 공법에 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 전술한 본 발명의 목적을 달성하기 위해 본 발명은 반도체 기판과 상기 반도체 기판 위에 순차적으로 형성된 하부 클래드층, 활성층 및 리지를 갖는 상부 클래드층으로 된 발진 구조; 상기 리지의 일단 쪽의 상기 발진 구조의 제1 측면 상에 형성되고, 높은 반사율을 갖는 적어도 2 개의 금속이 혼합되어 이루어져, 미리 정해진 제1 파장 이상의 고파장 영역에서 높은 반사율을 보이는 제1 금속이 부(富)한 고파장 반사영역 및 상기 제1 파장과 이보다 낮은 미리 정해진 제2 파장 사이의 중간 파장 영역에서 높은 반사율을 보이는 제2 금속이 부한 중간 파장 반사영역을 갖는 제1 금속층; 및
상기 제2 파장보다 낮은 저파장 영역에서 높은 반사율을 보이는 금속으로 이루어져 상기 제1 금속층 상에 형성된 제2 금속층을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 제1 금속은 Au, Cu, Pd 및 Pt를 포함하는 그룹에서 선택되는 적어도 하나의 금속이고, 상기 제2 금속은 Ag이며, 상기 제2 금속층은 Al 으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다파장 레이저 다이오드는 상기 제1 금속층과 상기 발진 구조 제1 측면 사이에 개재된 유전체층을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다파장 레이저 다이오드는 고굴절률층과 저굴절률층으로 이루어져, 상기 제2 금속층 상에 형성된 적어도 한 쌍의 유전체층을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 제1 금속층은 상기 제1 및 제2 금속의 동시 스퍼터링 또는 동시 전자빔 공법에 형성되며, 상기 제2 금속층은 스퍼터링 또는 전자빔 공법에 의해 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 전술한 복수의 다파장 레이저 다이오드는 상기 발진 구조 제1 측면에 대향된 상기 발진 구조의 제2 측면 상에 형성된 무반사막을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조하여 보다 상세히 설명한다.
도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 다파장 레이저 다이오드의 단면도로, 편의상 전체 레이저 다이오드 중에서 도 3의 A에 해당하는 부분만을 도시하였다. 도 6을 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 다파장 레이저 다이오드(100)는 반 도체 기판(104) 상에 순차적으로 형성된 n형 또는 하부 클래드층(106), 활성층(108), 리지(도 2의 20a 참조)를 갖는 p형 또는 상부 클래드층(110), (도시 생략한) 리지의 양쪽에 형성된 전류 차단층(도 2의 22 참조) 및 캡층(114)을 포함하는 발진 구조(102)를 구비한다.
상기 발진 구조(102)의 상하에는 p형 및 n형 금속층(116, 118)이 각기 형성되어 있으며, (도시 생략한) 리지의 길이 방향 일단 쪽의 발진 구조(102)의 한 측면에는 반사막(120)이 형성되고 상기 반사막(120)의 반대편에는 무반사막(도시 생략)이 형성된다.
상기 반사막(120)은 유전체막(122), 제1 금속층(124) 및 제2 금속층(126)으로 이루어진다. 유전체막(122)은 Al2O3, Si3N4 및 SiO2 와 같은 유전체를 박막 형태로 증착하여 형성되며, p형 또는 n형 금속층(116, 118)과 반사 금속층(124, 126) 사이의 전기적 절연을 위해 형성된다. 물론, 작업 공정을 적절히 변경하여 p형 또는 n형 금속층(116, 118)과 반사 금속층(124, 126) 사이의 전기 절연을 확보할 수 있다면 유전체막(122)을 생략할 수 있다.
제1 금속층(124)은 (예컨대 400nm 이상의) 높은 파장 영역에서 높은 반사율 바람직하게는 95% 이상의 반사율을 내기 위한 것으로, Ag, Au, Cu, Pd 및 Pt을 포함하는 그룹 중에서 선택된 적어도 하나의 금속으로 이루어진다. 제2 금속층(126)은 (예컨대 400nm 아래의) 낮은 파장 영역에서 높은 반사율을 내기 위한 것으로, 바람직하게는 Al으로 이루어진다.
이하 도 7과 8을 도 6과 함께 참조하여 본 발명에 대해 더 설명한다. 이들 도면에서, 도 7은 여러 금속막의 파장별 반사율을 보여주는 그래프이며, 도 8은 본 발명의 제1 실시예에 따른 Au-Al막의 파장별 반사율을 보여주는 그래프이다.
먼저, 도 7을 참조하면, Ag, Au 및 Cu는 고파장 영역에서 Al보다 높은 반사율을 보이지만 낮은 파장 영역에서는 Al이 이들보다 높은 반사율을 보인다. 또한, 일정 수치 이하의 파장에서 Ag, Au 및 Cu는 그 반사율이 급격히 떨어지는 반면 Al은 낮은 파장 영역에서 대체로 90% 이상의 높은 반사율을 유지하고 있다.
따라서, 도 6에서와 같이, 발진 구조(102)의 측면에 유전체막(122)을 선택적으로 코팅하고 그 위에 Ag, Au 또는 Cu로 이루어진 제1 금속층(124)과 Al로 이루어진 제2 금속층(126)을 차례로 코팅한 반사막(120)을 형성하면, 이 반사막은 도 8에서와 같이 전체 파장 영역에서 90% 이상의 높은 반사율을 보이게 된다. 도 8은 제1 금속층(124)으로 접합성이 우수한 Au를 코팅한 것을 예를 든 것이며, Au 대신, Ag, Cu, Pd 및 Pt도 가능할 것이다. 도 8에 도시한 바와 같이, 높은 파장 영역의 빛은 주로 Au에 의해 반사되고 낮은 파장 영역의 빛은 Al에 의해 반사됨으로써, 전체적으로 높은 반사율을 보이게 된다.
이와 같은 제1 및 제2 금속층(124, 126)은 스퍼터링(sputtering) 또는 전자빔 공법에 의해 증착된다.
이들 중에서, 스퍼터링 공법은 스퍼터링 가스를 진공분위기로 이루어진 챔버 안으로 주입하여 성막하고자 하는 타겟 물질과 충돌시켜 플라즈마를 생성시킨 후 이를 기판에 코팅시키는 방법이다. 일반적으로 스퍼터링 가스로는 Ar을 비롯한 불 활성 가스를 사용한다.
그 과정을 간단히 설명하면, 타겟 쪽을 음극으로 하고 기판 쪽을 양극으로 하여 전원을 인가하면, 주입된 스퍼터링 가스는 음극 쪽에서 방출된 전자와 충돌하여 여기되어 Ar+가 되어 음극인 타겟 쪽으로 끌려서 타겟과 충돌한다. 여기된 각각의 Ar+는 hυ만큼의 에너지를 갖고 있으므로, 충돌시 에너지는 타겟으로 전이되어 타겟을 이루고 있는 원소의 결합력과 전자의 일함수(work function)를 극복할 수 있을 때 타겟에서 플라즈마가 방출된다. 발생한 플라즈마는 전자의 자유행정거리만큼 부상하고 타겟과 기판과의 거리가 자유행정거리 이하일 때 플라즈마는 기판에 성막된다.
이때, 인가된 전원이 직류일 경우를 직류 스퍼터링이라 하며 일반적으로 전도체의 스퍼터링에 사용된다. 절연체와 같은 부도체는 교류 전원을 사용하여 박막을 제조하며, 통상 13.56㎒의 주파수를 갖는 교류전원을 사용하므로, RF(Radio Frequency) 스퍼터링이라 한다.
전자빔 공법은 고진공(5x10-5 내지 1x10-7torr)에서 전자빔을 이용해 홀더를 가열하여 홀더 위의 금속을 녹여 증류시켜 이 금속 증기가 비교적 저온의 웨이퍼 표면에 응축되도록 하는 것이다. 전자빔 공법은 특히 반도체 웨이퍼의 박막 제조에 주로 사용된다.
도 9는 도 6의 다파장 레이저 다이오드의 변형례의 단면도이다. 도 9에 도 시한 본 발명의 다파장 레이저 다이오드(200)는 제2 금속층(226) 위에 Al2O3층과 Si3N4층을 한 쌍 이상 증착해 형성한 유전체 반사막(228)을 더 포함하는 것을 제외하고는 도 6의 다파장 레이저 다이오드(100)와 실질적으로 동일한 구조를 갖는다.
상기 유전체 반사막(228)에서, 상기 Al2O3층과 Si3N4층은 전술한 바와 같이 λ/(4n)에 의해 정해지는 두께로 형성되며, 특정한 파장 λ에서 95% 이상의 높은 반사율을 얻을 수 있다. 따라서, 상기 유전체 반사막(228)은 Al으로 된 제2 금속층(226)의 반사율을 보강할 수 있다.
도 10은 본 발명의 제2 실시예에 따른 다파장 레이저 다이오드의 단면도이다.
도 10을 참조하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 다파장 레이저 다이오드(300)는 반도체 기판(304) 상에 순차적으로 형성된 n형 또는 하부 클래드층(306), 활성층(308), 리지(도 2의 20a 참조)를 갖는 p형 또는 상부 클래드층(310), 리지의 양쪽에 형성된 전류 차단층(도 2의 22 참조) 및 캡층(314)을 포함하는 발진 구조(302)를 구비한다.
상기 발진 구조(302)의 상하에는 p형 및 n형 금속층(316, 318)이 각기 형성되어 있으며, (도시 생략한) 리지의 길이 방향 일단 쪽의 발진 구조(302)의 한 측면에는 반사막(320)이 형성되고 상기 반사막(320)의 반대편에는 무반사막(도시 생략)이 형성된다.
상기 반사막(320)은 유전체막(322), 제1 금속층(324), 제2 금속층(326) 및 제3 금속층(326)으로 이루어진다. 유전체막(322)은 Al2O3, Si3N4 및 SiO2와 같은 유전체를 박막 형태로 증착하여 형성되며, p형 또는 n형 금속층(316, 118)과 반사 금속층(324, 326, 328) 사이의 전기적 절연을 위해 형성된다. 물론, 작업 공정을 적절히 변경하여 p형 또는 n형 금속층(316, 318)과 반사 금속층(324, 326, 328) 사이의 전기 절연을 확보할 수 있다면 유전체막(322)을 생략할 수 있다.
제1 금속층(324)은 예컨대 600nm 이상의 높은 파장 영역에서 높은 반사율 바람직하게는 95% 이상의 반사율을 내기 위한 것으로, Au, Cu, Pd 및 Pt을 포함하는 그룹 중에서 선택된 적어도 하나의 금속으로 이루어지며, 접합력을 고려할 때 Au가 바람직하다. 제2 금속층(326)은 400 내지 600nm의 중간 파장 영역에서도 높은 반사율을 유지하기 위한 것으로, 바람직하게는 Ag으로 이루어진다. 또한, 제3 금속층(328)은 예컨대 400nm 아래의 낮은 파장 영역에서 높은 반사율을 내기 위한 것으로, 바람직하게는 Al으로 이루어진다.
이와 같이 구성한 제2 실시예의 다파장 레이저 다이오드(300)를 도 11을 도 10과 함께 참조하여 더 설명한다.
도 11은 본 발명의 제2 실시예에 따른 Au-Ag-Al막의 파장별 반사율을 보여주는 그래프이다. 도 11에서 알 수 있는 바와 같이, 반사막(320)으로서 유전체막(322), Au의 제1 금속층(324), Ag의 제2 금속층(326) 및 Al의 제3 금속층(326)을 형성하면, 높은 파장 영역의 빛은 주로 Au에 의해 반사되고, 중간 파장의 빛은 주 로 Ag에 의해 반사되며, 낮은 파장 영역의 빛은 Al에 의해 반사됨으로써, 전체적으로 높은 반사율을 보이게 된다.
이와 같은 제1 내지 제3 금속층(224, 226, 228)은 스퍼터링 또는 전자빔 공법에 의해 증착된다.
한편, 본 발명의 제2 실시예에 따른 다파장 레이저 다이오드(300)에서, 제3 금속층(328) 위에 Al2O3층과 Si3N4층을 한 쌍 이상 증착해 유전체 반사막을 더 형성할 수 있다. 이때, 상기 Al2O3층과 Si3N4층은 전술한 바와 같이 λ/(4n)에 의해 정해지는 두께로 형성되며, 특정한 파장 λ에서 95% 이상의 높은 반사율을 얻을 수 있으므로, 상기 유전체 반사막은 Al으로 된 제3 금속층(228)의 반사율을 보강할 수 있다.
도 12는 본 발명의 제3 실시예에 따른 다파장 레이저 다이오드의 단면도이다. 도 12를 참조하면, 본 발명의 제3 실시예에 따른 다파장 레이저 다이오드(400)는 반도체 기판(404) 상에 순차적으로 형성된 n형 또는 하부 클래드층(406), 활성층(408), 리지(도 2의 20a 참조)를 갖는 p형 또는 상부 클래드층(410), 리지의 양쪽에 형성된 전류 차단층(도 2의 22 참조) 및 캡층(414)을 포함하는 발진 구조(402)를 구비한다.
상기 발진 구조(402)의 상하에는 p형 및 n형 금속층(416, 418)이 각기 형성되어 있으며, 리지(도시 생략)의 길이 방향 일단 쪽의 발진 구조(402)의 한 측면에는 반사막(420)이 형성되고 상기 반사막(420)의 반대편에는 무반사막(도시 생략)이 형성된다.
상기 반사막(420)은 유전체막(422)과 고반사율 금속층(424)으로 이루어진다. 유전체막(422)은 Al2O3, Si3N4 및 SiO2와 같은 유전체를 박막 형태로 증착하여 형성되며, p형 또는 n형 금속층(416, 418)과 고반사율 금속층(424) 사이의 전기적 절연을 위해 형성된다. 물론, 작업 공정을 적절히 변경하여 p형 또는 n형 금속층(416, 418)과 고반사율 금속층(424) 사이의 전기 절연을 확보할 수 있다면 유전체막(422)을 생략할 수 있다.
상기 고반사율 금속층(424)은 다파장 레이저 다이오드(400)의 전체 파장 영역에서 높은 반사율을 얻기 위한 것으로, 예컨대 400nm 이상의 높은 파장 영역에서 높은 반사율을 내는 Ag, Au, Cu, Pd 및 Pt을 포함하는 제1 금속 그룹 중의 적어도 하나와 400nm 아래의 낮은 파장에서 높은 반사율을 내는 Al이 혼합된 층이다.
이 금속층(424)은 제1 금속 그룹 중의 하나와 Al을 유전체층(422) 위에 동시 스퍼터링(co-sputtering) 또는 동시 전자빔 증착하여 형성한다. 예컨대 Au와 Al을 동시 스퍼터링하면, 초기에는 흡착 능력이 보다 우수한 Au가 유전체층(422) 위에 우세하게 증착되어 Au가 부(富)한 영역을 형성한 다음 Al이 Au가 부한 영역 위에 증착되어 Al이 부한 영역을 형성하게 된다. 여기서 “부한 영역”이란 용어는 금속층(424) 내에서 해당 금속이 상대적으로 다량 분포한다는 것이지 반드시 해당 금속이 다른 금속에 비해 다량 분포하는 것은 아니다.
이와 같이 형성된 Au가 부한 영역은 상대적으로 높은 파장 영역에서 높은 반 사율을 보이고 Al이 부한 영역은 상대적으로 낮은 파장 영역에서 높은 반사율을 보임으로써, 전체 파장 영역에서 높은 반사율을 보이게 되고, 이를 그래프로 표현하면 전술한 도 8과 실질적으로 동일한 반사율 곡선을 얻을 수 있다.
도 13은 도 12의 다파장 레이저 다이오드의 변형례의 단면도이다. 도 13에 도시한 본 발명의 다파장 레이저 다이오드(500)는 금속층(524) 위에 Al2O3층과 Si3 N4층을 한 쌍 이상 증착해 형성한 유전체 반사막(526)을 더 포함하는 것을 제외하고는 도 12의 다파장 레이저 다이오드(400)와 실질적으로 동일한 구조를 갖는다.
상기 유전체 반사막(626)에서, 상기 Al2O3층과 Si3N4층은 전술한 바와 같이 λ/(4n)에 의해 정해지는 두께로 형성되며, 특정한 파장 λ에서 95% 이상의 높은 반사율을 얻을 수 있다. 따라서, 상기 유전체 반사막(526)은 Al에 의해 정해지는 낮은 파장 영역의 반사율을 보강할 수 있다.
도 14는 본 발명의 제4 실시예에 따른 다파장 레이저 다이오드의 단면도이다. 도 14를 참조하면, 본 발명의 제4 실시예에 따른 다파장 레이저 다이오드(600)는 반도체 기판(604) 상에 순차적으로 형성된 n형 또는 하부 클래드층(606), 활성층(608), 리지(도 2의 20a 참조)를 갖는 p형 또는 상부 클래드층(610), 리지의 양쪽에 형성된 전류 차단층(도 2의 22 참조) 및 캡층(614)을 포함하는 발진 구조(602)를 구비한다.
상기 발진 구조(602)의 상하에는 p형 및 n형 금속층(616, 618)이 각기 형성 되어 있으며, 리지(도시 생략)의 길이 방향 일단 쪽의 발진 구조(602)의 한 측면에는 반사막(620)이 형성되고 상기 반사막(620)의 반대편에는 무반사막(도시 생략)이 형성된다.
상기 반사막(620)은 유전체막(622)과 고반사율을 갖는 제1 금속층(624) 및 제2 금속층(626)으로 이루어진다. 유전체막(622)은 Al2O3, Si3N4 및 SiO2와 같은 유전체를 박막 형태로 증착하여 형성되며, p형 또는 n형 금속층(616, 618)과 고반사율 제1 및 제2 금속층(624, 626) 사이의 전기적 절연을 위해 형성된다. 물론, 작업 공정을 적절히 변경하여 p형 또는 n형 금속층(616, 618)과 고반사율 제1 및 제2 금속층(624, 626) 사이의 전기 절연을 확보할 수 있다면 유전체막(622)을 생략할 수 있다.
상기 고반사율 금속층(624)은 다파장 레이저 다이오드(600)의 일정 파장 영역 구체적으로는 400nm 이상의 파장 영역에서 높은 반사율을 얻기 위한 것으로, Ag, Au, Cu, Pd 및 Pt 중에서 적어도 두 가지 금속이 혼합되어 이루어진다. 바람직하게는 Ag과 Au이 혼합되어 이루어지므로 400nm 이상의 파장 영역에서 높은 반사율을 낼 수 있다.
이 금속층(624)은 Ag과 Au을 유전체층(622) 위에 동시 스퍼터링 또는 동시 전자빔 증착하여 형성한다. Au와 Ag을 동시 스퍼터링하면, 초기에는 흡착 능력이 보다 우수한 Au가 유전체층(622) 위에 우세하게 증착되어 Au가 부(富)한 영역을 형성한 다음 Ag이 Au가 부한 영역 위에 증착되어 Ag이 부한 영역을 형성하게 된다. 여기서 “부한 영역”이란 용어는 금속층(624) 내에서 해당 금속이 상대적으로 다량 분포한다는 것이지 반드시 해당 금속이 다른 금속에 비해 다량 분포하는 것은 아니다.
이와 같이 형성된 Au가 부한 영역은 상대적으로 높은 파장 영역에서 높은 반사율을 보이고 Ag이 부한 영역은 상대적으로 중간 파장 영역에서 높은 반사율을 보임으로써, 중간 파장에서 높은 파장까지의 영역에서 높은 반사율을 보이게 된다.
한편, 제1 금속층(624) 위에 형성된 제2 금속층(626)은 예컨대 400nm 아래의 낮은 파장 영역에서 높은 반사율을 보이는 Al로 구성된다. 따라서 제2 금속층(626)은 제1 금속층(624)을 통과한 낮은 파장 영역의 빛을 우수하게 반사함으로써, 본 발명의 반사막(620)은 전체 파장 영역에서 높은 반사율을 갖게 된다.
이와 같은 반사막(620)에서의 반사율을 그래프로 표현하면 전술한 도 11과 실질적으로 동일한 반사율 곡선을 얻을 수 있다.
도 15는 도 14의 변형례의 단면도이다. 도 15에 도시한 본 발명의 다파장 레이저 다이오드(700)는 금속층(724) 위에 Al2O3층과 Si3N4층을 한 쌍 이상 증착해 형성한 유전체 반사막(726)을 더 포함하는 것을 제외하고는 도 14의 다파장 레이저 다이오드(600)와 실질적으로 동일한 구조를 갖는다.
상기 유전체 반사막(726)에서, 상기 Al2O3층과 Si3N4층은 전술한 바와 같이 λ/(4n)에 의해 정해지는 두께로 형성되며, 특정한 파장 λ에서 95% 이상의 높은 반사율을 얻을 수 있다. 따라서, 상기 유전체 반사막(726)은 Al에 의해 정해지는 낮은 파장 영역의 반사율을 보강할 수 있다.
전술한 바와 같은 본 발명의 다파장 레이저 다이오드에 따르면, 금속 반사층은 다파장 영역에서 균일하면서도 높은 반사율을 구현함으로써 레이저 다이오드의 문턱 전압을 나추고 고출력을 확보할 수 있다.
또한, 본 발명의 금속 반사막은 종래기술의 유전체 반사막에 비해 제조 공정이 단순하므로 다파장 레이저 다이오드의 생산성을 높일 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경할 수 있음을 이해할 것이다.

Claims (20)

  1. 반도체 기판과 상기 반도체 기판 위에 순차적으로 형성된 하부 클래드층, 활성층 및 리지를 갖는 상부 클래드층으로 이루어진 발진 구조;
    미리 정해진 파장 이상의 높은 고영역에서 높은 반사율을 보이는 금속으로 이루어져, 상기 리지의 일단 쪽의 상기 발진 구조의 제1 측면 상에 형성된 제1 금속층; 및
    상기 미리 정해진 파장보다 낮은 저파장 영역에서 높은 반사율을 보이는 금속으로 이루어져, 상기 제1 금속층 상에 형성된 제2 금속층을 포함하는 것을 특징으로 하는 다파장 레이저 다이오드.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 금속층과 상기 발진 구조 제1 측면 사이에 개재된 유전체층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다파장 레이저 다이오드.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제1 금속층은 Ag, Au, Cu, Pd 및 Pt을 포함하는 그룹 중에서 선택된 적어도 하나로 구성되는 것을 특징으로 하는 다파장 레이저 다이오드.
  4. 제1항에 있어서, 상기 제2 금속층은 Al으로 구성되는 것을 특징으로 하는 다파장 레이저 다이오드.
  5. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 금속층 사이에 개재된 고반사율 중간 금속층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다파장 레이저 다이오드.
  6. 제5항에 있어서, 상기 중간 금속층은 스퍼터링 또는 전자빔 공법에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 다파장 레이저 다이오드.
  7. 제5항에 있어서, 상기 제1 금속층은 Au 또는 Cu로 구성되고, 상기 중간 금속층은 Ag로 구성되며, 상기 제2 금속층은 Al으로 구성되는 것을 특징으로 하는 다파장 레이저 다이오드.
  8. 제1항에 있어서, 고굴절률층과 저굴절률층으로 이루어져, 상기 제2 금속층 상에 형성된 적어도 한 쌍의 유전체층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다파장 레이저 다이오드.
  9. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 금속층은 각기 스퍼터링 또는 전자빔 공법에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 다파장 레이저 다이오드.
  10. 반도체 기판과 상기 반도체 기판 위에 순차적으로 형성된 하부 클래드층, 활성층 및 리지를 갖는 상부 클래드층으로 이루어진 발진 구조; 및
    상기 리지의 일단 쪽의 상기 발진 구조의 제1 측면 상에 형성되고, 높은 반사율을 갖는 적어도 두 가지 금속이 혼합되어 이루어져, 미리 정해진 파장 이상의 고파장 영역에서 높은 반사율을 보이는 제1 금속이 부(富)한 고파장 반사영역 및 상기 미리 정해진 파장 보다 낮은 저파장 영역에서 높은 반사율을 보이는 제2 금속이 부한 저파장 반사영역을 갖는 고반사율 금속층을 포함하는 것을 특징으로 하는 다파장 레이저 다이오드.
  11. 제10항에 있어서, 상기 제1 금속은 Ag, Au, Cu, Pd 및 Pt을 포함하는 그룹 중에서 선택되는 적어도 하나이고, 상기 제2 금속은 Al인 것을 특징으로 하는 다파장 레이저 다이오드.
  12. 제10항에 있어서, 상기 고반사율 금속층과 상기 발진 구조 제1 측면 사이에 개재된 유전체층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다파장 레이저 다이오드.
  13. 제10항에 있어서, 고굴절률층과 저굴절률층으로 이루어져, 상기 고반사율 금속층 상에 형성된 적어도 한 쌍의 유전체층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다파장 레이저 다이오드.
  14. 제10항에 있어서, 상기 고반사율 금속층은 상기 제1 및 제2 금속의 동시 스퍼터링 또는 동시 전자빔 공법에 형성되는 것을 특징으로 하는 다파장 레이저 다이오드.
  15. 반도체 기판과 상기 반도체 기판 위에 순차적으로 형성된 하부 클래드층, 활성층 및 리지를 갖는 상부 클래드층으로 된 발진 구조;
    상기 리지의 일단 쪽의 상기 발진 구조의 제1 측면 상에 형성되고, 높은 반사율을 갖는 적어도 2 개의 금속이 혼합되어 이루어져, 미리 정해진 제1 파장 이상 의 고파장 영역에서 높은 반사율을 보이는 제1 금속이 부(富)한 고파장 반사영역 및 상기 제1 파장과 이보다 낮은 미리 정해진 제2 파장 사이의 중간 파장 영역에서 높은 반사율을 보이는 제2 금속이 부한 중간 파장 반사영역을 갖는 제1 금속층; 및
    상기 제2 파장보다 낮은 저파장 영역에서 높은 반사율을 보이는 금속으로 이루어져 상기 제1 금속층 상에 형성된 제2 금속층을 포함하는 것을 특징으로 하는 다파장 레이저 다이오드.
  16. 제15항에 있어서, 상기 제1 금속은 Au, Cu, Pd 및 Pt를 포함하는 그룹에서 선택되는 적어도 하나의 금속이고, 상기 제2 금속은 Ag이며, 상기 제2 금속층은 Al으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 다파장 레이저 다이오드.
  17. 제15항에 있어서, 상기 제1 금속층과 상기 발진 구조 제1 측면 사이에 개재된 유전체층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다파장 레이저 다이오드.
  18. 제15항에 있어서, 고굴절률층과 저굴절률층으로 이루어져, 상기 제2 금속층 상에 형성된 적어도 한 쌍의 유전체층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다파장 레이저 다이오드.
  19. 제15항에 있어서, 상기 제1 금속층은 상기 제1 및 제2 금속의 동시 스퍼터링 또는 동시 전자빔 공법에 형성되며, 상기 제2 금속층은 스퍼터링 또는 전자빔 공법에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 다파장 레이저 다이오드.
  20. 제1항, 제10항 및 제15항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 발진 구조 제1 측면에 대향된 상기 발진 구조의 제2 측면 상에 형성된 무반사막을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다파장 레이저 다이오드.
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