KR100576299B1 - 반도체 레이저 및 광통신용 소자 - Google Patents

반도체 레이저 및 광통신용 소자 Download PDF

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Abstract

출사각도가 어긋나는 일 없이 빛을 출사할 수 있는 창문 구조를 갖는 반도체 레이저를 제공한다. 활성층에서 발생된 빛이, 창문부를 거쳐 출사되는 반도체 레이저에 있어서, 기판 상에 형성된 창문부는, 제 1 캐리어 농도로 형성된 제 1 반도체층과, 제 1 반도체층 상에, 활성층의 연장면을 포함하도록 형성되고, 또한, 제 1 캐리어 농도보다 낮은 제 2 캐리어 농도로 형성된 제 2 반도체층을 갖고 있다. 창문부에 다시, 제 2 반도체층의 위쪽에, 제 3 캐리어 농도로 형성된 제 3 반도체층이 설치된다. 제 3 반도체층에 의해, 창문부의 빛의 굴절률의 분포는, 활성층의 연장면을 중심으로 하여 적층방향으로 대칭이다. 이에 따라, 발생된 빛은 균등하게 전파되기 때문에, 상하방향(적층 방향)으로 어긋나는 일 없이 빛을 출사시킬 수 있다.
반도체 레이저, 광통신, 출사각도, 창문 구조, 굴절률 분포

Description

반도체 레이저 및 광통신용 소자{SEMICONDUCTOR LASER AND ELEMENT FOR OPTICAL COMMUNICATION}
도 1a는, 실시예 1에 따른 반도체 레이저의 단면도이고, 도 1b는 도 1a의 A-A'에 있어서의 반도체 레이저의 단면도이다.
도 2는 반도체 레이저에서 발생한 빛의 전파의 형태를 BPM에 의해 계산한 결과를 도시한 도면이다.
도 3a는, 실시예 2에 따른 반도체 레이저의 단면도이고, 도 1b는 도 1a의 A-A'에 있어서의 반도체 레이저의 단면도이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
1: p형 InP 기판 2: InGaAsP 활성층
3: n형 InP 클래드층 4: n형 InP 전류블록층
5: p형 InP 전류블록층 6: n형 InP 굴절률 조정층
7, 8: 전극 9: 빛의 출사방향
본 발명은, 반도체 레이저 및 반도체 레이저와 다른 광소자를 집적화한 광소자에 관한 것이다.
반도체 레이저의 출사 단부면은, 면발광 레이저 등의 특수한 레이저를 제외하고, 통상 벽개(cleavage)에 의해 형성된다. 벽개 후에는, 반도체 레이저의 용도에 따라서, 출사 단부면에 고반사 코팅, 저반사 코팅, 무반사 코팅 등의 코팅이 실시된다.
반도체 레이저에는, 레이저가 출사되는 단부면에 있어서의 반사광이 반도체 레이저의 활성층으로 되돌아가면 문제가 생기는 경우가 존재한다. 예를 들면, 광통신에 사용되는 분포귀환형 레이저(Distribution Feedback Laser Diode: DFB-LD) 중에서도 λ/4 시프트 DFB-LD로 불리는 레이저이다. 이러한 레이저에서는, 그것의 단면에 무반사 코팅이 행해진다. 이 무반사 코팅이란, 이상적으로는 반사율이 0인 코팅막을 시행한 코팅을 말한다. 반사율은 0인 것이 바람직하지만, 코팅막의 제작 정밀도의 변동 등이 원인이 되어, 완전히 0으로 하는 것은 불가능하다. 따라서, 무반사 코팅을 행한 경우라도, 레이저의 출사 단부면에서는 실제로는 반사가 생기고 있다.
무반사 단부면이 필요하게 되는 레이저에서는, 소위 창문 구조가 채용되는 일이 많다(창문 구조의 원리에 관해서는 비특허문헌 1 참조). 창문 구조에 의해, 단부면으로부터의 반사 귀환광이 반도체 레이저의 활성층으로 되돌아가지 않도록 할 수 있기 때문이다.
창문 구조를 채용하는 것에 의해, 반사귀환광이 활성층으로 되돌아가지 않도록 할 수 있는 이유는 이하와 같다. 즉, 창문 구조 부분에는 도파로 구조가 존재하지 않기 때문에, 활성층으로부터 창문부에 입사한 빛은 서서히 넓어지면서 전파한다. 그 결과, 레이저의 단부면에서는 빛의 강도분포가 넓어진 상태가 된다. 단부면에 도달한 빛의 일부는, 무반사 코팅을 시행한 경우에도 약간 반사하지만, 빛의 강도분포가 넓어져 있기 때문에, 반사광의 상당한 부분은 활성층으로 되돌아가는 일은 없다. 따라서, 창문 구조를 설치하는 것에 의해 실효적으로 반사율을 저하시킬 수 있다.
이외에도, 창문 구조는, 분포귀환형 레이저와 같이 단부면 반사율을 실효적으로 하강시키기 때문에, 변조기와 레이저를 집적화한 소자에 있어서도 사용된다. 창문 구조는 다시 고출력 레이저에 있어서도 사용된다. 고출력 레이저에서는, 단부면에서의 광밀도가 높은 경우에는 부분적으로 온도상승이 생기기 쉬워, 단부면 부분이 열에 의해 손상을 일으켜 레이저의 열화를 초래하는 경우가 있다. 그 열화를 회피하기 위해서, 빛을 서서히 넓혀 단부면에서의 광밀도를 하강시키는 창문 구조가 효과적이 된다.
[비특허문헌 1]
IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol.QE-20, No.3, pp.236-245(1984)
종래의 창문 구조에서는, 반사 귀환광이나 광밀도를 하강시키는 한편, 출사광의 출사각도가 상하방향(출사방향에 수직한 방향)으로 어긋나기 쉽다는 문제가 있었다. 그 이유는 이하와 같다.
반도체 레이저는, 활성층을 중심으로 하여, 적층방향에 관해 본질적으로 비대칭인 구조로 되기 쉽다. 왜냐하면, 반도체 레이저는 다이오드로서, p형 반도체와 n형 반도체로 구성되어 있기 때문이다. 통상은, 활성층의 하측이 p형이면 상측은 n형이고, 하측이 n형이면 상측은 p형이다. 더구나, 폭 1∼2㎛의 활성층에 전류를 집중시키기 위한 전류 압착 구조가, 활성층의 한쪽의 측에 설치되는 경우도 있어, 비대칭의 한가지 원인이 된다.
그런데, InP계나 GaAs계의 재료를 사용한 반도체 레이저에서도 마찬가지로, 도전형 뿐만 아니라 캐리어 농도 분포도 상하 비대칭으로 되기 쉽다. 소자의 제작을 행할 때, p형의 캐리어 농도를 높이는 것이 어렵기 때문이다. 캐리어 농도의 고저가 생기면, 플라즈마 효과라고 불리는 현상에 의해, 재료의 굴절률은 변화한다. 그 결과, 소자 내의 빛의 굴절률도 상하로 비대칭성이 된다. 창문부에서도 예외가 아니며, 활성층의 연장면을 중심으로 하여, 적층방향의 굴절률은 상하에서 비대칭이다.
캐리어 농도분포에 기인하는 재료의 굴절률이 비대칭인 반도체 레이저에서는, 빛의 출사각도가, 상하방향(적층 방향)으로 어긋나는 현상이 발견된다. 빛은 굴절률이 낮은 부분을 피해 전파하기 때문이다.
이하, 빛의 출사각도가 어긋나는 구체적인 예를 구체적으로 설명한다. 종래의 레이저에서는, 창문부의 광축(활성층의 연장면) 바로 아래에 고 캐리어 농도의 n형 InP층이 존재한다. n형 InP층은 전류블록층으로서 작용하고 있어, 캐리어 농도가 낮은 경우에는 고온·고출력 특성이 열화한다고 하는 이유 때문에, 캐리어 농도를 높게 하고 있다. 이 결과, 고 캐리어 농도의 n형 InP 층의 굴절률은, 전술한 플라즈마 효과에 따른 굴절률 변화에 의해, 그것의 위쪽에 있는 p형 InP 층 또는 n형 InP 층의 굴절률보다도 0.6% 만큼 낮아진다. 이 때문에 출사광은, 창문부를 전파함 에 따라서 위쪽으로 구부러져, 약 5∼10°의 각도로 단부면에서 위쪽으로 출사된다.
출사광의 출사각도가 어긋나 버리면, 예를 들어, 레이저의 출사광을 광파이버에 결합할 때에, 결합효율이 저하하는 등의 문제점이 생겨 버린다.
본 발명의 목적은, 출사각도가 어긋나는 일 없이 빛을 출사할 수 있는 창문 구조를 갖는 반도체 광소자를 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 반도체 레이저는, 활성층에서 발생한 빛을, 기판 상에 형성된 창문부를 거쳐 출사한다. 창문부는, 제 1 캐리어 농도로 형성된 제 1 반도체층과, 상기 제 1 반도체층 상에, 상기 활성층의 연장면을 포함하도록 형성되고, 또한, 상기 제 1 캐리어 농도보다 낮은 제 2 캐리어 농도로 형성된 제 2 반도체층을 갖는다. 창문부에는 다시, 상기 제 2 반도체층의 위쪽에, 제 3 캐리어 농도로 형성 된 제 3 반도체층이 설치되고 있고, 이 창문부의 빛의 굴절률의 분포를, 상기 활성층의 연장면을 중심으로 하여 적층방향으로 대칭으로 하고 있다. 이에 따라 상기 목적이 달성된다.
상기 제 3 캐리어 농도는, 상기 제 1 캐리어 농도와 거의 같아도 된다.
상기 제 3의 반도체층은, 상기 제 2 반도체층 상에 적층되어 있어도 된다.
상기 제 3 반도체층은, 상기 제 2 반도체층 상에 적층된 제 4 반도체층 상에 적층되어 있어도 된다.
상기 제 3 반도체층은, 다시 상기 활성층의 위쪽에 걸쳐 설치되어도 된다.
상기 기판은, p형 InP 기판이며, 상기 제 1 반도체층, 및, 상기 제 3 반도체층은, n형 InP 층이어도 된다.
상기 제 2 반도체층은, InGaAsP에 의해 형성되어 있어도 된다.
본 발명에 따른 전술한 반도체 레이저와, 광변조기를 집적화하여 광통신용 소자를 얻는 것도 가능하다.
[실시예]
이하, 첨부도면을 참조하여, 본 발명의 실시예를 설명한다.
(실시예 1)
도 1a는, 실시예 1에 따른 반도체 레이저(10)의 단면도이고, 도 1b는, 도 1a의 A-A'에 있어서의 반도체 레이저(10)의 단면도이다. 본 실시예에 따른 반도체 레 이저(10)는, 빛을 출사하는 단부면에 창문부를 갖는다. 여기서 「창문부」란, InGaAsP 활성층(2)의 단부면으로부터 반도체 레이저(10)의 출사 단부면까지의 폭을 갖고, 전극 7 및 전극 8 사이에 끼워져 있는 영역을 말한다. 창문부를 설치하는 것에 의해, InGaAsP 활성층(2)에서 발생한 빛은, 그 층(2)으로부터 나간 후, 창문부를 통과하여 반도체 레이저(10) 외부에 출사되게 된다.
반도체 레이저(10)는, p형 InP 기판(1)과, InGaAsP 활성층(2)과, n형 InP 클래드층(3)과, n형 InP 전류블록층(4)과, p형 InP 전류블록층(5)과, n형 InP 굴절률 조정층(6)과, 전극 7 및 8을 갖는다. 반도체 레이저(10)에서는, 전극 7 및 8로부터 주입된 정공 및 전자가, InGaAsP 활성층(2)에서 결합하여, 빛을 발한다. 빛은 모든 방향으로 발생하지만, InGaAsP 활성층(2)에 평행한 방향의 빛만이 추출된다. 그리고 빛은, 창문부를 거쳐 외부로 출사된다.
실시예 1의 특징은, 캐리어 농도를 조정한 n형 InP 굴절률 조정층(6)을 설치하여, 창문부에서의 광축의 상하의 굴절률 분포가 동일하게 되도록 한 것에 있다. 활성층(2)의 연장면을 중심으로 하여, 적층방향의 굴절률 분포가 상하대칭이 되기 때문에, 발생한 빛은 균등하게 전파하여, 상하방향(적층방향)으로 어긋나지 않고 출사된다.
이하, 반도체 레이저(10)의 형성공정을 설명한다. 도 1a 및 도 1b에 나타낸 구조의 반도체 레이저(10)는, 에피택셜성장법에 의해 각 층을 적층하고, 에칭에 의해 소정의 개소를 제거하여 형성할 수 있다. 에피택셜성장법으로서, 예를 들면, 성장시킬 유기금속을 포함한 기체를 기판을 향해 흘려, 기판 표면 상의 화학반응에 의해 성장시키는 유기금속기상성장법(MOVPE)이나, 유기금속을 고진공 중에서 기판을 향해 증발시켜, 기판에 부착시켜 성장시키는 유기금속분자선성장법(MOMBE)을 이용할 수 있다.
MOVPE를 이용한 구체적인 적층순서를 설명한다. 우선, p형 InP 기판(1) 상에, InGaAsP 활성층(2)이 적층된다. 그후, 에칭을 행하여 InGaAsP 활성층(2)의 일부를 제거한다. 에칭은, 참조부호 4로 표시된 층의 하부까지 행해진다. 그후, n형 InP 전류블록층(4), p형 InP 전류블록층(5), n형 InP 굴절률 조정층(6), 및 n형 InP 클래드층(3)이 순차로 적층된다. 그리고 최후에 전극 7 및 8을 형성한다.
본 실시예에서는, p형 InP 기판(1)의 캐리어 농도는, 예를 들면 5×1018개/cm3이다. 이하, 「개/cm3」를 편의상 cm-3」으로 표현하면, 다른 층의 캐리어 농도는, n형 InP 클래드층(3)이 1×1018cm-3, n형 InP 전류블록층(4)이 8×1018 cm-3, p형 InP 전류블록층(5)이 1×1018cm-3, n형 InP 굴절률 조정층(6)이 8×10 18cm-3이다. n형 InP 전류블록층(4)은, InGaAsP 활성층(2)에 전류를 집중시키기 위해 설치된다. n형 InP 전류블록층(4)의 캐리어 농도가 높은 이유는, 양호한 고온·고출력 특성을 얻기 위해서이다.
반도체 레이저(10)에서는, 창문부의 광축 바로 아래에, 고 캐리어 농도의 n형 InP 전류블록층(4)이 존재하는 한편, 광축의 바로 위에, 동일한 캐리어 농도의 n형 InP 굴절률 조정층(6)이 설치되어 있다. 따라서, 창문부에서의 굴절률 분포는, 활성층(2)의 연장면을 중심으로 하여, 적층방향(상하)으로 거의 대칭이 된다. 그 결과, 발생한 빛은 균등하게 전파하여, 상하방향(적층방향)으로 어긋나는 일 없이 출사된다고 생각된다. 도 2는, 반도체 레이저(10)에서 발생한 빛의 전파의 형태를 BPM에 의해 계산한 결과를 도시한 도면이다. 도면으로부터 알 수 있는 것과 같이, 빛의 출사방향은 실제로 수평으로, 빛의 출사의 각도 어긋남은 존재하지 않고 있다.
(실시예 2)
실시예 2에서는, 공진기 전체에 걸쳐 n형 InP 굴절률 조정층(6)이 적층된 반도체 레이저를 설명한다.
도 3a는, 실시예 2에 따른 반도체 레이저(30)의 단면도이고, 도 3b는 도 3a의 A-A'에 있어서의 반도체 레이저(30)의 단면도이다. 본 실시예에 따른 반도체 레이저(30)도 마찬가지로 실시예 1과 동일하게 창문 구조를 갖는다.
반도체 레이저(30)의 층구조는, n형 InP 굴절률 조정층(6)의 위치 및 범위를 제외하고 반도체 레이저 10과 동일하다. 이하에서는 주로, n형 InP 굴절률 조정층(6)을 설명한다. 이때, 각 층의 농도는 실시예 1과 동일하다.
n형 InP 굴절률 조정층(6)은, n형 InP 클래드층(3)의 층에 삽입되도록 형성되어 있다. 즉, n형 InP 굴절률 조정층(6)은, InGaAsP 활성층(2) 및 p형 InP 전류블록층(5) 상에 적층된 n형 InP 클래드층(3) 상에 설치되어 있다. n형 InP 굴절률 조정층(6)의 상면에는, 다시 n형 InP 클래드층(3)이 적층되어 있다. 이와 같은 구조는, 실시예 1에서 설명한 p형 InP 전류블록층(5)의 적층 후에, n형 InP 클래드층(3), n형 InP 굴절률 조정층(6), 그리고 다시 n형 InP 클래드층(3)을 적층하는 것에 의해 얻을 수 있다. 이와 같이 구성하는 것에 의해서도, 활성층(2)의 연장면을 중심으로 하여, 적층방향(상하)에서 거의 대칭으로 할 수 있다. 따라서, 빛(9)의 출사 각도가 어긋나는 일은 없다.
단, 공진기 전체에 걸쳐 고 캐리어 농도층(굴절률 조정층(6))이 존재하기 때문에, 자유 캐리어 흡수에 의해 레이저의 임계값 전류가 증가하여, 효율의 저하를 일으킨다. 따라서, n형 InP 클래드층(3) 전체를 고 캐리어 농도층으로 하지 않고, n형 InP 클래드층(3)의 일부에 굴절률 조정층(6)을 삽입하도록 구성하여, 자유 캐리어 흡수의 영향을 최소한으로 억제하는 것이 필요하다.
이상에서, 실시예 1 및 2를 설명하였다. 이들 실시예에 있어서는, 예를 들어 n형 InP 블록층(4)의 캐리어 농도를 8×1018cm-3으로 하였다. 그러나, 고온 특성의 개선 등을 목적으로 하여, 예를 들면 2×1019cm-3정도까지 n형 InP 블록층(4)의 캐리어 농도를 증가하는 경우도 생각할 수 있다. 이 경우에는, 창문부의 광축 부근의 평균적인 굴절률을 증가시키는 것이 필요하게 된다. 그 이유는, n형 InP 블록층(4)의 굴절률은, 주위의 InP보다도 대략 2%나 저하하기 때문에, 실시예 1 및 실시예 2에 기재된 발명을 적용한 경우, 창문부의 광축 부근의 평균적인 굴절률은, 주위의 클래드층(3)과 비교하여 상당히 낮아져, 반도파 작용이 작용하여 광은 상하 1개로 나뉘어 전파해 버리기 때문이다. 따라서, p형 InP 블록층(5)(도 1a 및 도 1b, 도 3a 및 도 3b)을 p형 InGaAsP로 하는 것이 유효하다. 단, 양호한 고온·고출력 특성 을 얻기 위해, InGaAsP의 조성은, 가능한한, InP에 가까운 조성(예를 들면 1.24 eV 이상의 밴드갭이 얻어지는 조성)으로 하는 것이 좋다. 이에 따라, n형 InP 블록층의 캐리어 농도가 대단히 높은 경우에도, 빛의 출사각도에 어긋남이 없는 반도체 레이저를 얻을 수 있다.
지금까지의 실시예 1 및 2의 설명에서는, 각 층의 도전형태를 특정하여 설명하였다. 그러나, 이것은 예로서, 본 발명은 그것에 한정되지 않고 적용할 수 있다.
본 발명은, 도 1 및 도 3a 및 도 3b에 나타낸 구조를 갖는 레이저에 대한 것이며, 어떠한 레이저에도 적용할 수 있다. 예를 들면, 회절격자를 갖는 분포귀환형 레이저(Distribution Feedback Laser (Diode): DFB 레이저)이다. 분포귀환형 레이저란, 공진기 내에 회절격자로 반사면을 구성한 레이저이다. 회절격자에 의해 단일모드 발진하는 것에 의해, 특정한 파장의 빛을 출력할 수 있다. 특정한 파장을 얻을 수 있기 때문에 초고속·장거리의 광통신에 유용하다. 또한 본 발명은, 또 다른 예로서, λ/4 시프트 DFB 레이저에도 적용할 수 있다. 이것은, 반도체 레이저의 종모드를 단일화하는 레이저의 1개로, 회절격자의 위상을 중앙으로 π만큼 어긋나게 하는 것에 의해, 브래그 조건을 만족하는 최저차의 모드만을 공진시켜 단일모드로 하는 레이저이다. 그리고 본 발명은, 고출력 레이저에도 적용할 수 있다. 창문 구조를 갖기 때문에 광밀도를 저감할 수 있는 동시에, 광축이 경사지는 일 없이 빛을 출사할 수 있다.
전술한 실시예에서는, InP 계의 재료로 이루어진 레이저에 관해 설명하였지만, GaAs계 등 다른 재료계를 사용한 레이저에 관해서도 적용할 수 있다.
본 발명에 따른 반도체 레이저는, 광통신에 있어서 유용하다. 광통신에서는, 빛에 신호를 중첩하기 위해서는 빛을 변조할 필요가 있다. 광변조에는, 반도체 레이저의 구동 파워를 변조하는 직접변조와, 반도체 레이저로부터의 빛을 광원 이외의 수단으로 변조하는 외부변조가 알려져 있다. 외부변조에서 사용되는 변조기를 일반적으로 광변조기라고 한다. 광변조기는, 변조기에 신호에 따라서 물리적 변화를 일으켜, 빛의 강도, 위상 등을 변조한다. 본 발명에 따른 반도체 레이저와, 이러한 광변조기를 모놀리식 집적화한 광통신용 소자를 구성하더라도, 본 발명의 이점은 그대로 얻을 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 반도체 레이저에 의해 광축이 어긋나지 않기 때문에, 광파이버에의 결합효율을 저하시키는 일이 없는 광통신이 가능하게 된다.
창문부에서, 캐리어 농도를 조정한 층(6)을 설치하여, 빛의 굴절률의 분포를 활성층의 연장면(광축)을 중심으로 하여 적층방향과 같아지도록 하였다. 이에 따라, 발생된 빛은 균등하게 전파되기 때문에, 상하방향(적층 방향)으로 어긋나는 일 없이 빛을 출사시킬 수 있다.

Claims (3)

  1. 기판 상에 활성층과 클래드층이 적층되고 상기 기판에 창문부가 형성되어, 상기 활성층에서 발생한 빛이 상기 창문부를 거쳐 출사되는 반도체 레이저에 있어서,
    상기 창문부는, 제1캐리어 농도로 형성된 제1반도체층과, 상기 제1반도체층 상에 상기 활성층의 연장면을 포함하도록 형성되고 상기 제1캐리어농도보다 낮은 제2캐리어 농도로 형성된 제2반도체층 및, 상기 제2반도체층 상에 제3캐리어 농도로 형성된 제3반도체층을 구비하고,
    상기 창문부의 빛의 굴절률의 분포가, 상기 활성층의 연장면을 중심으로 하여 적층방향으로 대칭되는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제 3 캐리어 농도는, 상기 제 1 캐리어 농도와 같은 것을 특징으로 하는 반도체 레이저.
  3. 청구항 1 또는 2에 기재된 반도체 레이저와, 광변조기를 모놀리식으로 집적화한 광통신용 소자.
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