KR100731241B1

KR100731241B1 - 반도체 레이저 디바이스 및 반도체 레이저의 제조 방법

Info

Publication number: KR100731241B1
Application number: KR1020000052977A
Authority: KR
Inventors: 네모또가즈히꼬
Original assignee: 소니 가부시끼 가이샤
Priority date: 1999-09-08
Filing date: 2000-09-07
Publication date: 2007-06-22
Also published as: CN1181601C; US6680958B1; US20040097000A1; EP1083641A1; KR20010030301A; US6787381B2; JP2001077457A; CN1287397A

Abstract

복수의 액티브층의 단부에서 반사율의 요동이 거의 없는 유전체 막으로 형성된 서로 다른 발진 파장을 갖는 복수의 레이저 광을 출사할 수 있는 반도체 레이저와 그 생성 방법이 개시되며, 상기 반도체 레이저는, 기판 위에 서로 다른 조성을 갖는 복수의 액티브층을 가지며 서로 다른 발진 파장의 복수의 레이저 광을 평행하게 출사하고, 여기서, 발진 파장들의 산술 평균인 선정된 파장의 광에 대한 반사율에 의해 선정된 두께를 갖는 전면 유전체막이 레이저 출사 측의 단부에 형성되고, 반면에, 전면 유전체막과 비교해서 큰 반사율을 가지며 선정된 파장을 갖는 광에 대해 반사율이 극대값이 되는 반사율에 의해 선정된 두께를 갖는 후면 유전체막이 후 측의 단부에 형성되며, 이 제조 방법이 개시된다.

반도체 레이저, 레이저 다이오드, 유전체층, 반사율, 액티브층, 클래딩층

Description

반도체 레이저 디바이스 및 반도체 레이저의 제조 방법{SEMICONDUCTOR LASER DEVICE AND METHOD OF PRODUCING SEMICONDUCTOR LASER}

도 1a 및 1b는 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 레이저의 단면도 및 상부도.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 레이저의 전단(front end)에 형성된 유전체막의 두께와 반사율 간의 관계를 나타낸 도면.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 레이저의 후단(rear end)에 형성된 유전체막의 두께와 반사율 간의 관계를 나타낸 도면.

도 4a 내지 4f는 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 레이저를 제조하는 단계를 나타낸 도면.

도 5a 및 5b는 종래의 단면 방사형(end emission type) 반도체 레이저의 사시도 및 상부도.

도 6은 도 5의 반도체 레이저의 전단에 형성된 유전체막의 두께와 반사율 간의 관계를 나타낸 도면.

도 7은 도 5의 반도체 레이저의 후단에 형성된 유전체막의 두께와 반사율 간의 관계를 나타낸 도면.

도 8은 다중 파장 모놀리틱형 반도체 레이저 내의 유전체막의 두께 변화에 따른 반사율의 주기적 요동(fluctuation)을 나타낸 도면.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

2a, 2b: 버퍼층

3a, 3b: n-클래딩층

4a, 4b: 액티브층

5a, 5b: p-클래딩층

6a, 6b: 캡층

7a, 7b: 고저항층

8a, 8b: p형 전극

9: n형 전극

10: 유전체막

11a: 제1 유전체층

11b: 제2 유전체층

본 발명은, 동일한 반도체 기판 위에 서로 다른 발진 파장의 복수의 레이저 다이오드가 형성된 반도체 레이저와 그 제조 방법에 관한 것으로, 특히, 각 레이저 다이오드의 단부에 레이저 출력을 제어하기 위한 반사막이 형성된 반도체 레이저와 그 제조 방법에 관한 것이다.

광을 조사하여 정보를 기록 및/또는 재생하기 위한 광 디스크형 매체(이하로 광 디스크라 함)로서, 예를 들어, 콤팩트 디스크(CD), 미니 디스크(MD), DVD(Digital Versatile Disc) 등에는, 광 디스크의 종류에 따라 서로 다른 파장의 광들이 조사된다. 예를 들어, CD로부터 데이터를 재생하기 위해 780 nm 대역 파장의 광이 사용되는 반면, DVD로부터 데이터를 재생하기 위해 650 nm 대역 파장의 광이 사용된다.

서로 다른 종류의 광 디스크를 처리할 수 있는 광 기록 및/또는 재생 장치는, 서로 다른 발진 파장을 갖는 복수의 광원을 필요로 한다. 광 기록 및/또는 재생 장치는 일반적으로 광원으로서 레이저 다이오드를 사용하지만 복수의 레이저 다이오드의 형성시에는 이 장치를 컴팩트하게 하기가 어려워지고 제조 공정도 복잡해 진다.

이러한 단점을 극복하기 위해, 단일 기판 위에 서로 다른 발진 파장을 갖는 복수의 레이저 다이오드로 형성된 다중 파장 모놀리식 레이저 다이오드(multiple wavelength monolithic laser diode)가 개발되고 있다.

일반적으로, 반도체 레이저는, 액티브층에 평행하게 레이저 광을 출사하는 단면 방사형(end emission type)과 표면 방사형(surface radiating type or surface emission type)으로 대략 분류된다.

표면 방사형 레이저는 단일 모드 발진이 가능하고, 장거리 전송, 고속 전송 광 섬유 통신 등에 사용될 수 있어서, 표면 방사형 다중 파장 레이저가 평행 광 통신에 대한 광원으로서 주목을 끌고 있다.

다른 한편으로, 광 디스크에 대한 기록 및 재생에 사용되는 레이저는, 복수의 종 모드(longitudinal mode)가 있더라도 공간 간섭이 특별히 악화되지는 않기 때문에, 그리고 레이저 광이 디스크로부터 반사되어 레이저로 돌아갈 때 발생하는 잡음 때문에, 바람직하게는 게인 스펙트럼 내에 복수의 종 모드를 갖는다. 단면 방사형 레이저는, 결정 내의 파장보다 훨씬 긴 공진기를 가지며, 이 공진기 내에 다수의 공진 모드를 갖는다. 따라서, 단면 방사형 레이저는 CD, MD, DVD 및 다른 광 디스크를 위한 광 픽업 기구로서 적당하다.

단면 방사형 반도체 레이저의 구성이 도 5를 참조하여 설명될 것이다.

도 5a 사시도에 도시된 바와 같이, 예를 들어, n-GaAs로 이루어진 기판(101) 위에, 예를 들어, n-AlGaAs로 이루어진 n-클래딩층, 예를 들어, GaAs로 이루어진 pn 접합(액티브층; 103), 및 예를 들어, p-AlGaAs로 이루어진 p-클래딩층이 연속적으로 스택된다. 중앙의 스트라이프형(striped) 영역을 제외한 p-클래딩층(104)의 표면에 고저항층(105)이 형성된다. p-클래딩층(104) 또는 고저항층(105)의 상부층에 p형 전극(106)이 형성된다.

p-클래딩층(104)의 표면에 n형 불순물을 이온 주입함으로써 고저항층(105)이 형성된다. 고저항층(105)의 부분들 사이에 개재된 스트라이프형 영역은 저저항층으로 남는다. 고저항층(105)을 선택적으로 형성함으로써, 도 5b 상면도에 도시된 바와 같은 게인 도파관 구조(gain waveguide structure; 전류 제한 구조)가 된다. 전류가 흐르는 영역, 즉, 광 게인이 발생되는 영역을 제어하는 것이 가능하게 된다.

상기 구조의 레이저에 따르면, 액티브층(103)에 공진기가 형성된다. 도 5b에 도시된 바와 같이, 레이저 광이 전단(F; front end)에서 출사되지만, 이는 후단(R; rear end)에서 부분적으로 소실된다. 발광 영역의 두 단부(광 도파관 경로; 107), 즉 전단(F)과 후단(R)은 미러 표면이다.

단부를 미러 표면으로 하기 위해, 반도체 웨이퍼는 보통 클리빙(cleaving)된다. 그 대안으로, 미러 표면은 종종 클리빙 대신 에칭에 의해 형성된다. 또한, 단부들의 반사율을 제어하고 클리빙 면(cleaved facet)의 열화를 방지하기 위해 클리빙 면 위에 종종 유전체막이 형성된다.

단부들에 형성되는 유전체막으로서, 예를 들어, Al₃O₃, 비정질 실리콘, SiO₂, 또는 Si₃N₄의 단층막 또는 이들 막의 스택으로 이루어진 다층막이 사용될 수 있다. 유전체막들의 두께들을 변화시킴에 의해, 단부들의 반사율이 조절될 수 있다. 전단(F)을 예를 들어, 30% 이하의 저 반사율로 하고 후단(R)을 예를 들어, 50% 이상의 고 반사율로 함으로써, 바람직하게는 70% 이상의 고출력 레이저 광을 얻을 수 있다. 에너지 전환 효율(energy conversion efficiency), 전단/후단 출력 비율(front/rear output ratio) 등은 반사율에 따라 달라진다. 따라서, 단부의 반사율을 제어하는 유전체막은 반도체 레이저의 중요한 설계 파라미터가 된다.

단부에 형성된 유전체막의 두께는, 발진 파장이 λ일 때, λ/ 2 또는 그 홀수배, 또는 λ/ 4 또는 그 홀수배에 기초하여 보통 설계된다. 예를 들어, 도 5b에서, 발진 파장이 785 nm이고 반사율 n₁이 1.62인 Al₂O₃를 사용하여 전단(F)에 유전체 막(108)을 형성할 때, 유전체막(108)의 두께(d₁₀₈)은 다음과 같이 결정된다:

d₁₀₈=(λ/ 2)/ n₁≒242.3 (nm) ...(1)

또한, 후단(R)은 고 반사율을 가져야 하지만, 상기한 Al₂O₃ 등을 단일층으로 사용할 때, 어느 경우에도 반사율이 50% 이하가 되기 때문에, 복수의 유전체막이 형성된다. 도 5b에 도시된 바와 같이, 발진 파장 λ가 785 nm인 경우에, 예를 들어, 제1 유전체막으로서 Al₂O₃ 막과 제2 유전체막으로서 비정질 실리콘막을 형성할 때, 층들의 두께는 예를 들어, 다음과 같이 결정된다. 반사율 n₁이 1.62인 Al₂O₃ 막의 두께 d_109a는

d_109a=(λ/ 4)/ n₁≒121.1 (nm) ...(2)

이 되고, 비정질 실리콘막의 두께 d_109b는

d_109b=(λ/ 4)/ n₂≒60.4 (nm) ...(3)

이 된다.

도 6은 전단(F)에 형성된 Al₂O₃의 두께와 전단(F)의 반사율 간의 관계를 나타낸 그래프이다. 도 7은 후단(R)에 형성된 Al₂O₃막 및 비정질 실리콘막의 두께와 후단(R)의 반사율 간의 관계를 나타낸 그래프이다. 발진 파장(λ)은 도 6 및 7 에서 모두 785 nm로 가정된다.

도 6에 도시된 바와 같이, 전단(F)의 유전체막 두께를 상기한 d₁₀₈로 하고, 후단(R)의 두께를 상기한 d_109a와 d_109b의 조합으로 함으로써, 반사율은 극대값이 된다. 따라서, 막 형성에서의 변동에 따른 반사율의 요동을 줄이는 것이 가능하다.

단부들에 형성된 유전체막들의 두께를 λ/2 또는 이의 홀수배, 또는 λ/4 또는 이의 홀수배, 또는 이들의 조합으로 함으로써, 유전체막들의 형성시 변동으로 인한 두께 혹은 굴절 지수의 변동이 있는 경우라도 안정한 반사율을 얻는 것이 용이하게 된다.

다중 파장 단일 결정 반도체 레이저의 경우에, 상기 종래의 설계에 의해 서로 다른 발진 파장의 레이저 다이오드 위에 이상적으로 유전체막이 형성된다.

이 경우에, 제조 공정이 복잡하고 제조 단계의 수가 증가하는 것이 문제가 된다. 예를 들어,, CD 플레이백 레이저 다이오드 및 DVD 플레이백 레이저 다이오드를 동일한 기판에 형성할 때, 한쪽 단부, 예를 들어, DVD 레이저 다이오드(650 nm 대역의 파장)가 마스크되고, 이 상태에서, CD 레이저 다이오드(780 nm 대역의 파장)의 한 단부에 유전체막이 형성된다.

상기한 경우에서 제조 단계의 증가를 피하기 위해, 단부 피복의 최적 파장과 레이저 다이오드들 중 하나를 매칭하고, 동시에 동일 기판 상의 복수의 다이오드에 단부 피복을 형성하는 방법이 있다. 이 경우에, 설계 파장의 레이저 다이오드에 대해 막 형성시의 변동에 대한 안정한 반사율을 얻을 수 있는 반면, 다른 레이저 다이오드에 있어서 반사율의 막 형성시의 변동에 대한 안정성은 희생된다.

이 방법은, 각 레이저 다이오드에 대한 최적 두께를 계산하고 적어도 이들 값의 정수배인 두께를 갖는 유전체막을 공통으로 형성함에 의해, 단일 결정으로 형성된 복수의 레이저 다이오드의 단부들의 유전체막들의 반사율의 요동을 감소시키기 위한 것으로 간주되었다.

도 8은 유전체막의 두께를 변화시킬 때 반사율의 주기적 요동의 일례를 나타내는 그래프이다. 도 8은 785 nm 또는 660 nm 파장의 레이저 광에 대해 Al₂O₃로 이루어진 유전체막의 반사율을 나타낸다.

785 nm 파장의 레이저 광에 대한 유전체막의 최적 두께는 식 (1)에서와 같이 242.3 nm로 정의된다. 동일한 계산으로부터, 440 nm 파장의 레이저 광에 대한 유전체막의 최적 두께는 203.7 nm 이다. 785 nm 및 660 nm 파장의 광에 대한 반사율은 두 두께의 적어도 공배수, 즉, 1218 nm에서 극대가 된다.

이 경우에, 유전체막은 매우 두껍게 되고 형성시간이 길어지기 때문에, 제조 효율은 낮다. 또한, 큰 두께로 인해, 막 형성의 변동이 현저한 경우에 반사율 요동은 크게 된다.

본 발명의 일 목적은, 공통 기판 위에 서로 다른 재료와 성분을 가진 복수의 액티브층과 함께 형성되고 서로 다른 파장을 갖는 복수의 레이저 광을 출사할 수 있는 반도체 레이저를 제공하는 것이며, 이 레이저에서 복수의 액티브층의 단부에서 반사율 요동이 거의 없는 유전체막들이 형성된다.

본 발명의 다른 목적은, 상기 레이저를 제조하는 방법에 관한 것이다.

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 반도체 레이저는, 기판 위에 서로 다른 조성을 갖는 복수의 액티브층을 포함하며 서로 다른 발진 파장을 갖는 복수의 레이저를 평행하게 출사하고, 레이저 출사 측인 전단에 형성된 전면 피복막과, 상기 전단의 후측인 후단에 형성되고 상기 전면 피복막 보다 높은 반사율을 갖는 후면 피복막을 포함하고, 상기 전면 피복막과 상기 후면 피복막의 두께들은, 상기 발진 파장의 최소값과 최대값 사이의 선정된 파장의 광에 대한 극대값의 반사율을 부여하는 선정된 두께들로 정의되는 반도체 레이저이다.

바람직하게는, 상기 선정된 파장은 상기 복수의 레이저 빔의 발진 파장들의 산술 평균이다.

바람직하게는, 전면 피복막은 복수의 층들로 이루어진다. 바람직하게는, 후면 피복막은 복수의 층으로 이루어진다.

바람직하게는, λ가 선정된 파장이고 n_F가 전면 피복막의 반사율일 때, 전면 피복막의 선정된 두께는, (λ/ 2)/ n_F로 표현되는 값이다.

후면 피복막은 반사율 n_Ra를 갖는 제1 후면 피복막과 반사율 n_Rb를 갖는 제2 후면 피복막의 스택 막들을 포함하고; 상기 선정된 파장이 λ일 때, 상기 제1 후면 피복막의 상기 선정된 두께는 (λ/ 4)/ n_Ra로 표현되는 값이고; 상기 선정된 파장이 λ일 때, 상기 제2 후면 피복막의 상기 선정된 두께는 (λ/ 4)/ n_Rb로 표현된다.

바람직하게는, 액티브층은 제1 도전형 클래딩층과 제2 도전형 클래딩층의 층간 접합부에서 형성된다.

바람직하게는, 액티브층은 전류 제한 구조이다.

단부의 반사율은 동일 기판 위에 형성된 서로 다른 발진 파장을 갖는 복수의 레이저 다이오드 각각에 대해 안정화될 수 있다. 각 레이저 다이오드의 단부 상의 레이저 다이오드의 발진 파장에 대해 최적화된 두께의 유전체층을 형성한다면, 유전체막 두께에서의 변동이 있고 제조 단계가 복잡해지더라도 안정한 반사율을 얻을 수 있다. 본 발명의 반도체 레이저에 따르면, 복수의 레이저 다이오드 위에 동일한 두께의 유전체층이 형성된다. 유전체막의 두께를 적당하게 조절함으로써, 복수의 레이저 다이오드의 단부에서 반사율이 안정된다.

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 반도체 레이저 제조 방법은, 기판 위에 서로 다른 발진 파장을 갖는 2개의 레이저 다이오드를 포함하는 반도체 레이저를 제조하는 방법으로서, 기판 위에 제1 레이저 다이오드를 형성하기 위해 제1 클래딩층, 액티브층, 및 제2 클래딩층을 연속적으로 에피택셜 성장시켜 제1 스택을 형성하는 단계; 상기 제1 레이저 다이오드 이외의 부분에서 상기 제1 스택을 제거하는 단계; 기판 위에 제2 레이저 다이오드를 형성하기 위해 제1 클래딩층, 액티브층, 및 제2 클래딩층을 연속적으로 에피택셜 성장시켜 제2 스택을 형성하는 단계; 상기 제2 다이오드 이외의 부분에서 상기 제2 스택을 제거하고 상기 제1 스택과 상기 제2 스택을 공간적으로 분리하는 단계; 상기 레이저 다이오드 위에 전극을 형성하는 단계; 상기 레이저 다이오드의 레이저 출사 측의 단부에 상기 발진 파장들의 산술 평균인 선정된 파장으로 최적화된 선정된 두께를 갖는 전면 피복막을 형성하는 단계; 및 상기 레이저 출사 측의 후측의 단부에 상기 전면 피복막과 비교하여 큰 반사율을 갖는 선정된 파장으로 최적화된 선정된 두께를 갖는 후면 피복막을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 전면 피복막의 형성 단계 및 후면 피복막의 형성 단계는 재료로서 유전체를 사용하여 막을 형성하는 단계들이다.

본 발명의 반도체 레이저를 제조하기 위한 상기 방법에 따르면, 액티브층들을 포함하는 제1 및 제2 스택의 성분은 서로 다르게 될 수 있고, 2 파장 단일 결정 반도체 레이저가 단순한 공정으로 형성될 수 있다. 또한, 전면 유전체층 또는 후면 유전체층이 두 레이저 다이오드 상에 공통으로 형성되기 때문에, 단부들의 반사율의 요동이 방지되는 반도체 레이저가 단순 공정으로 제조될 수 있다.

이하에, 본 발명에 따른 반도체 레이저 및 그 제조 방법의 바람직한 실시예들이 도면들을 참조하여 설명될 것이다. 도 1a는 본 발명의 반도체 레이저의 단면도이고, 도 1b는 이에 대응하는 상면도이다. 도 1a는 도 1b의 X-X' 선을 따른 단면도이다.

본 발명의 반도체 레이저에서, 도 1a의 단면도에 도시된 바와 같이, n-GaAs로 이루어진 기판(1) 위에 n-GaAs 버퍼층(2a)이 형성된다. 그 위에 780 nm 대역의 파장을 갖는 발광용 레이저 다이오드 A와 650 nm 대역의 파장을 갖는 발광용 레이저 다이오드 B가 형성된다. 레이저 다이오드 A의 발광부와 레이저 다이오드 B의 발광부 사이의 간격은 200 ㎛ 이고, 많은 경우에, 예를 들어, 100 ㎛ 이하이다.

레이저 다이오드 A부에서, n-GaAs 버퍼층(2a) 위에, n-AlGaAs로 이루어진 n-클래딩층(3a), GaAs로 이루어진 액티브층(4a), p-AlGaAs로 이루어진 p-클래딩층(5a), 및 p-GaAs로 이루어진 캡층(6a)이 연속적으로 스택된다. 스트라이프 형태의 중앙부가 이루어지면서 p-클래딩층의 표면에 고저항층(7a)이 형성된다. 그 결과 게인 유도형 전류 제한 구조(gain guide type current constricting structure)가 된다. 캡층(6a)의 상부에는 Ti/Pt/Au가 스택된 막으로 이루어진 p형 전극(8a)이 형성된다. 또한, 레이저 다이오드 A부와 레이저 다이오드 B부에 공통으로, AuGe/Ni/Au가 스택된 막으로 이루어진 n형 전극이 기판(1) 아래에 형성된다.

레이저 다이오드 B부에서, n-GaAs 버퍼층(2a) 위에, n-InGaP 버퍼층(2b), n-AlGaInP로 이루어진 n-클래딩층(3b), GaInP로 이루어진 액티브층(4b), p-AlGaInP로 이루어진 p-클래딩층(5b), 및 p-GaAs로 이루어진 캡층(6b)이 연속적으로 스택된다. 스트라이프 형태의 중앙부가 이루어지면서 p-클래딩층(5b)의 표면에 고저항층(7b)이 형성된다. 그 결과 게인 유도형 전류 제한 구조가 된다. 캡층(6b)의 상부에는 Ti/Pt/Au로 이루어진 p형 전극(8b)이 형성된다.

도 1b에 도시된 바와 같이, 전단(F)에 레이저 다이오드 A부와 레이저 다이오드 B부에 공통으로 1.62의 반사율 n₁을 갖고 두께 d₁₀이 222.2 nm 인 Al₂O₃로 이루어진 유전체막(10)이 형성된다. 또한, 후단(R)에 레이저 다이오드 A부와 레이저 다이오드 B부에 공통으로 두께가 d_11a 인 Al₂O₃로 이루어진 제1 유전체층(11a)이 형성된다. 또한, 제1 유전체층의 표면 위에 3.25의 반사율 n₂을 갖고 두께 d_11b이 55.4 nm 인 비정질 실리콘으로 이루어진 제2 유전체층(11b)이 형성된다.

본 발명의 반도체 레이저에 따르면, 모든 유전체막(10, 11a, 11b)의 두께는 레이저 광의 파장이 레이저 다이오드 A의 발진 파장과 레이저 다이오드 B의 공진 파장의 산술 평균인 것으로 가정하여 최적화된다. 즉, 레이저 다이오드 A로부터 출사된 레이저 광의 중심 파장이 785 nm이고 레이저 다이오드 B로부터 출사된 레이저 광의 중심 파장이 655 nm일 때, 두께는 이 두 값의 중간인 720 nm를 기준으로서 사용하여 설정된다.

또한, 두께의 증가와 함께 반사율이 주기적으로 변화하지만, 동일한 반사율을 갖는 복수의 두께 중에서 최소값이 두께로 정해진다. 결과적으로, 막 형성시간이 단축될 수 있고 제조 효율이 향상되고 두께의 증가로 인해 막 형성시의 변동이 현저해짐이 방지될 수 있다.

레이저 광의 파장이 720 nm라고 가정하면, 레이저 다이오드 A와 레이저 다이오드 B의 전단(F)에 형성된 유전체막(10) 두께의 최적값 d₁₀은 다음의 식으로 정의될 수 있다.

d₁₀=(λ/2)/n₁≒222.2 (nm) ...(4)

또한, 후면(R)에 형성된 유전체막(11a 및 11b)의 두께의 최적값 d_11a 및 d_11b은 각각 다음 식으로 정의된다.

d_11a=(λ/4)/n₁≒111.1 (nm) ...(5)

d_11b=(λ/4)/n₂≒55.4 (nm) ...(6)

도 2는 본 발명의 실시예의 반도체 레이저의 전단에 형성된 유전체막 두께와 반사율 간의 관계를 나타낸다. 도 3은 본 발명의 실시예의 반도체 레이저의 후단에 형성된 유전체막 두께와 반사율 간의 관계를 나타낸다.

도 2 및 3에서, 곡선 a는 두 레이저 다이오드의 발진 파장의 산술 평균 720 nm 의 경우에 실시된 시뮬레이션 결과를 나타내고, 곡선 b는 785 nm인 레이저 다이오드 A의 파장의 경우를, 곡선 c는 660 nm인 레이저 다이오드 B의 파장의 경우를 나타낸다. b와 c는 비교와 참조를 위해 나타내었다.

전단(F)에 형성된 유전체막(10)의 두께 설정이 도 2를 참조하여 설명될 것이다.

전술한 바와 같이, 동일한 기판 위에 레이저 다이오드 A와 B를 형성할 때, 이상적으로는, 785 nm 파장의 레이저 다이오드 A 위에 242.3 nm 두께인 Al₂O₃로 이루어진 유전체막(10)이 형성되고, 동일한 계산으로부터 660 nm 파장의 레이저 다이오드 B 위에 203.7 nm 두께인 Al₂O₃로 이루어진 유전체막(10)이 형성되는 것이 바람직하다. 이들 값은 도 2의 곡선 b와 c에서 반사율이 극대값이 될 때의 두께와 일치한다.

그런데, 레이저 다이오드 A와 B 위에 서로 다른 두께를 갖는 유전체막(10)이 형성될 때, 제조 공정이 복잡해진다. 따라서, 예를 들어, 레이저 다이오드 B의 발진 파장에 기초해서 유전체막(10) 두께를 최적화할 때, 두께는 203.7 nm가 된다. 도 2에 도시된 바와 같이, 곡선 c의 값이 두께 203.7 nm에서 극대값이 되고 203.7 nm ±5%의 범위에서 33.5%의 반사율을 얻는다. 또한, 이 값이 반사율의 극대값에 근접하기 때문에, 막 형성시의 변동으로 인한 두께 및 굴절 지수의 변동이 있는 경우에도 반사율은 거의 변화하지 않는다.

다른 한편으로, 레이저 다이오드 A의 785 nm 발진 파장에서, 도 2의 곡선 b에 도시된 바와 같이 유전체막(10)의 두께가 203.7 nm ±5%일 때 반사율은 26.7%가 된다. 곡선 b의 극대값은, 242.3 nm 두께에서 31.8%이고 203.7 nm 부근의 두께에서 명백히 감소한다. 또한, 203.7 nm 두께 부근에서의 막 형성의 변동으로 인해 극대값 부근에서와 비교할 때 반사율은 종종 크게 요동한다.

두 발진 파장의 산술 평균, 즉 720 nm에 기초하여 유전체막(10) 두께를 최적화할 때, 두께 d₁₀은 222.2 nm가 된다. 785 nm 파장의 광에 대한 30.5% 반사율과 660 nm 파장의 광에 대한 31.8% 반사율이 222.2 nm ±5% 두께에서 곡선 b및 c의 값들로부터 각각 획득될 수 있다. 또한, 두께 d₁₀이 곡선 b 및 c에 대한 극대값 부근이기 때문에, 반사율의 요동은 작다.

다음에, 후단(R)에 형성된 유전체막(11a 및 11b)의 두께 설정이 도 3을 참조하여 설명될 것이다. 전술한 바와 같이, 이상적으로는, 785 nm 파장의 레이저 다이오드 A 위에 121.1 nm 두께인 Al₂O₃로 이루어진 제1 유전체막(11a) 과 60.4 nm 두께이고 비정질 실리콘으로 이루어진 제2 유전체막(11b)이 형성되고, 동일한 계산으로부터 660 nm 파장의 레이저 다이오드 B 위에 101.9 nm 두께인 Al₂O₃로 이루어진 제1 유전체막(11a)과 50.8 nm 두께인 비정질 실리콘으로 이루어진 제2 유전체막(11b)이 형성되는 것이 바람직하다. 결과적으로, 레이저 다이오드 A에 대한 곡선 b와 레이저 다이오드 B에 대한 곡선 c에 도시된 바와 같이 극대값에서 70% 이상의 반사율을 얻을 수 있다.

그런데, 후단(R)에 형성된 유전체막들이 다층이기 때문에, 레이저 다이오드들의 전단(F)에 서로 다른 두께를 갖는 유전체막(10)이 형성되는 경우보다, 전술한 바와 같이 레이저 다이오드들 위에 서로 다른 두께를 갖는 유전체층 11a 및 11b를 형성할 때 제조 단계의 수가 더 증가한다.

두 레이저 다이오드의 유전체막(11a 및 11b)의 두께를 동일하게 하고 한 레이저 다이오드에 대한 값을 최적화하여 제조 단계의 증가를 방지하면, 다음과 같은 문제가 발생한다. 예를 들어, 곡선 b가 레이저 다이오드 A의 발진 파장에 기초한 극대값이 되는 곳에서 두께가 설정되면, 곡선 b에서는 반사율이 65% 정도가 되지만, 곡선 c에서는 이 값이 극대값 부근이 아니기 때문에 반사율값이 크게 요동하게 된다. 즉, 레이저 다이오드 B에서는 충분히 크고 안정한 반사율을 얻을 수 없다.

다른 한편으로, 레이저 다이오드 B에 기초하여 곡선 c가 극대값이 되는 곳에서 두께가 설정되면, 마찬가지로 다이오드 A에서는 70% 이상의 안정한 반사율을 얻을 수 없다.

본 발명의 실시예의 반도체 레이저에 따르면, 곡선 a에 도시한 바와 같이, 유전체막(11a 및 11b)의 두께는 발진 파장이 720 nm 로 가정된 후에 최적화된다. 즉, 반사율이 극대값이 되는 곳에서 유전체막(11a 및 11b)의 두께들의 합이 167.0 nm ±5%로 설정된다. 이러한 두께 범위 내에서 반사율은 곡선 b에서 75.0%가 되고 곡선 c에서 75.5%가 되고, 곡선 b 및 곡선 c 모두에서 극대값 부근이 된다. 따라서, 레이저 다이오드 A 및 B에서 충분히 큰 반사율을 얻고, 두께 등의 변화로 인한 반사율의 요동이 감소될 수 있다.

다음에, 상기한 본 발명의 반도체 레이저의 제조 방법이 설명될 것이다.

우선, 예를 들어 도 4a에 도시된 바와 같이, 금속 유기체 기상 에피택셜 성장(Metal organic vapor phase epitaxial growth; MOVPE) 등의 에피택셜 성장에 의해 n-GaAs로 이루어진 기판(1) 위에, n-GaAs로 이루어진 버퍼층(2a), n-AlGaAs로 이루어진 n-클래딩층(3a), GaAs층을 포함하는 다중 양자화 웰 구조(multiple quantization well structure)의 액티브층(4a), p-AlGaAs로 이루어진 p-클래딩층(5a), 및 p-GaAs로 이루어진 캡층(6a)이 연속적으로 스택된다.

다음에, 도 4b에 도시된 바와 같이, 다이오드 A부는 레지스트(도시 생략)에 의해 보호되고, 황산계 용액을 사용하는 비선택 에칭과 불산계 용액을 사용하는 AlGaAs 상의 선택 에칭과 같은 습식 에칭이 수행된다. 레이저 다이오드 B부 위에 형성된 n-클래딩층으로부터 상부의 스택은 에칭에 의해 제거된다.

다음에, 도 4c에 도시된 바와 같이, 금속 유기체 기상 에피택셜 성장과 같은 에피택셜 성장에 의해, 버퍼층(2a) 위의 캡층(6a)과 레이저 다이오드 B부의 다른 영역 위에, 예를 들어, n-AlGaP로 이루어진 버퍼층(2b)이 형성된다. 그 후에, 예를 들어, n-AlGaInP로 이루어진 n-클래딩층(3b), 예를 들어, GaInP 층을 포함하는 다중 양자화 웰 구조인 액티브층(4b), 예를 들어, p-AlGaInP로 이루어진 p-클래딩층(5b), 및 p-GaAs로 이루어진 캡층(6b)이 연속적으로 스택된다.

다음에, 도 4d에 도시된 바와 같이, 레이저 다이오드 B부를 레지스트(도시 생략)로 보호한 후에, 레이저 다이오드 B부 이외의 부분 위의 캡층(6b)은 예를 들어, 황산계 용액을 사용하는 습식 에칭에 의해 제거된다. 또한, 예를 들어, 인산/염산계 용액을 사용하는 습식 에칭을 수행함으로써, 레이저 다이오드 B부를 제외한 영역에서 p-클래딩층(5b), 액티브층(4b), n-클래딩층(3b), 및 버퍼층(2b)이 제거된다. 다음에, 염산계 용액을 사용하여 습식 에칭이 실시되어 버퍼층(2a)에 도달하는 트렌치가 형성된다. 그 결과, 레이저 다이오드들이 분리된다.

다음에, 도 4e에 도시된 바와 같이, 레이저 다이오드들의 전류 유도 영역이 될 부분들이 레지스트(도시 생략)에 의해 보호되고, p-클래딩층(5a 및 5b)의 표면 위에 n형 불순물의 이온 주입이 수행된다. 그 결과, 이온 주입된 영역에 고저항층(7a 및 7b)이 형성되어 게인 유도형 전류 제한 구조가 된다.

다음에, 도 4f에 도시된 바와 같이, 캡층(6a 및 6b) 위에 스퍼터링에 의해 예를 들어, Tu/Pt/Au의 스택막들이 형성되어, 레어저 다이오드 A 및 B 상에 p형 전극(8a 및 8b)이 형성된다. 또한, 기판(1)의 레이저 다이오드 A 및 B가 형성된 측의 반대측에, 예를 들어, AuGe/Ni/Au의 다층막이 스퍼터링에 의해 형성되어 n형 전극(9)이 된다.

다음에, 펠러타이징 공정(pelletizing process)을 통해, 동일한 기판(1) 위에 서로 다른 파장의 레이저 다이오드를 갖는 도 1a에 도시된 단면 구조를 얻는다.

다음에, 상면도 도 1b에 도시된 바와 같이, 레이저 다이오드 A와 레이저 다이오드 B의 발진 파장의 산술 평균에 기초하여 설정된 선정된 두께의 유전체막(10)이 전단(F)에 형성된다. 동일한 방식으로, 두 레이저 다이오드의 발진 파장의 산술 평균에 기초하여 설정된 선정된 두께의 유전체막(11a 및 11b)이 후단(R)에 형성된다. 이 유전체막들은 예를 들어, 스퍼터링에 의해 형성된다.

상기한 공정으로부터, 본 발명의 실시예의 반도체 레이저가 형성된다.

예시를 위해 선택된 특정 실시예를 참조하여 본 발명이 설명되었지만, 본 발명의 기본 개념과 정신을 벗어나지 않고서 다양한 변형이 가능함은 당업자라면 이해할 수 있을 것이다.

본 발명의 실시예의 제조 방법에 따르면, 단순한 절차로, 서로 다른 발진 파장을 갖는 복수의 레이저 다이오드를 모놀리식으로 형성하는 것이 가능하고, 각 레이저 다이오드의 전단과 후단에 반사율의 요동이 적은 유전체막들을 형성하는 것이 가능하다. 레이저 다이오드들의 단부 상에 선정된 두께의 유전체막들을 형성함으로써, 레이저 다이오드들의 에너지 전환 효율(energy conversion efficiency) 및 전/후방 출력 비율은 단부를 보호하는 동안 제어될 수 있다.

또한, 본 발명의 레이저 다이오드의 제조 방법에 따르면, 동일한 반사율을 부여하는 복수의 두께값 중에서 최소값이 설정된다. 따라서, 막 형성시간이 단축될 수 있고, 제조 효율이 향상될 수 있으며, 막 두께가 증가함에 따른 막 형성의 변동이 방지될 수 있다.

반도체 레이저의 실시예들 및 본 발명의 제조 방법은 상기한 설명에 제한되지 않는다. 예를 들어, 상기한 실시예에서 780 nm 대역의 파장과 650 nm 대역의 파장을 조합하는 경우가 설명되었지만 다른 파장들의 조합도 가능하다.

또한, 본 발명은 2 또는 3개의 레이저 다이오드를 갖는 모놀리식 반도체 레이저에 적용될 수 있다. 예를 들어, 3개의 발진 파장의 산술 평균을 설정하는 것과 유전체막의 반사율에 기초하여 유전체막들의 두께를 설정하는 것이 가능하다.

이외에도, 본 발명의 범위 내에서 다양한 변형이 이루어질 수 있다.

본 발명의 반도체 레이저에 따르면, 액티브층 단부 반사율의 요동을 억제하고 서로 다른 파장을 갖는 복수의 레이저 광을 출사할 수 있는 반도체 레이저를 제공하는 것이 가능하고, 서로 다른 발진 파장에서 레이저 광의 출력을 안정시키는 것이 가능하다.

본 발명의 반도체 레이저 제조 방법에 따르면, 다중 파장 단일 결정 반도체 레이저의 단부 상에 단순 공정으로 서로 다른 발진 파장을 갖는 복수의 레이저 광에 대해 안정한 반사율을 갖는 유전체막들을 형성하는 것이 가능하다.

Claims

반도체 레이저 디바이스에 있어서,

기판;

상기 기판 위에 전달되는 복수의 레이저;

상기 복수의 레이저에 대응하여 상기 기판 위에 서로 다른 조성으로 이루어지고, 서로 다른 발진 파장의 복수의 레이저 광을 평행하게 출사하는 복수의 액티브층을 포함하고,

상기 레이저 각각은 그 레이저 광에 대응하여 상기 레이저의 전단 레이저 출사측에 전면 피복막이 형성되고,

상기 레이저 각각은 그 레이저 광에 대응하여 상기 레이저의 후면에 후면 피복막이 형성되고, 상기 후면 피복막은 상기 전면 피복막보다 반사율이 높으며,

상기 전면 피복막과 상기 후면 피복막의 두께는 상기 발진 파장의 최소값과 최대값 사이의 선정된 파장의 광에 대하여 극대값의 반사율을 제공하도록 선정되는 반도체 레이저 디바이스.
제1항에 있어서, 상기 선정된 파장은, 상기 복수의 레이저 광의 상기 발진 파장들의 산술 평균으로 정의되는 반도체 레이저 디바이스.
제1항에 있어서, 상기 전면 피복막은 유전체를 포함하는 반도체 레이저 디바이스.
제1항에 있어서, 상기 후면 피복막은 유전체를 포함하는 반도체 레이저 디바이스.
제1항에 있어서, 상기 전면 피복막은 복수의 층을 포함하는 반도체 레이저 디바이스.
제1항에 있어서, 상기 후면 피복막은 복수의 층을 포함하는 반도체 레이저 디바이스.
제2항에 있어서, 상기 전면 피복막의 상기 선정된 두께는, (λ/ 2)/ n_F로 표현되는 값 - 여기서 λ는 선정된 파장이고 n_F는 상기 전면 피복막의 반사율임 -으로 정의되는 반도체 레이저 디바이스.
제2항에 있어서,

상기 후면 피복막은 반사율 n_Ra를 갖는 제1 후면 피복막과 반사율 n_Rb를 갖는 제2 후면 피복막의 스택 막들을 포함하고;

상기 제1 후면 피복막의 상기 선정된 두께는 (λ/ 4)/ n_Ra로 표현되는 값 - 여기서 λ는 선정된 파장임 -으로 표현되고;

상기 제2 후면 피복막의 상기 선정된 두께는 (λ/ 4)/ n_Rb로 표현되는 반도체 레이저 디바이스.
제1항에 있어서, 상기 액티브층은 제1 도전형 클래딩층과 제2 도전형 클래딩층의 층간 접합부에 형성되는 반도체 레이저 디바이스.
삭제
기판 위에 서로 다른 발진 파장을 갖는 적어도 2개의 레이저 다이오드를 포함하는 반도체 레이저를 제조하는 방법으로서,

기판 위에 제1 레이저 다이오드를 형성하기 위해 제1 클래딩층, 액티브층, 및 제2 클래딩층을 연속적으로 에피택셜 성장시켜 제1 스택을 형성하는 단계;

상기 제1 레이저 다이오드 이외의 부분에서 상기 제1 스택을 제거하는 단계;

기판 위에 제2 레이저 다이오드를 형성하기 위해 제1 클래딩층, 액티브층, 및 제2 클래딩층을 연속적으로 에피택셜 성장시켜 제2 스택을 형성하는 단계;

상기 제2 다이오드 이외의 부분에서 상기 제2 스택을 제거하고 상기 제1 스택과 상기 제2 스택을 공간적으로 분리하는 단계;

상기 레이저 다이오드 위에 전극을 형성하는 단계;

상기 레이저 다이오드의 레이저 출사 측의 단부에 상기 발진 파장들의 산술 평균인 선정된 파장으로 최적화된 선정된 두께를 갖는 전면 피복막을 형성하는 단계; 및

상기 레이저 출사 측의 이면측의 단부에 상기 전면 피복막에 비해 높은 반사율을 가지며 선정된 파장에 대해 최적화된 선정된 두께를 갖는 후면 피복막을 형성하는 단계

를 포함하는 방법.
제11항에 있어서, 상기 전면 피복막 형성 단계와 상기 후면 피복막 형성 단계는 유전체를 재료로서 사용하여 막들을 형성하는 단계를 포함하는 방법.