KR100789111B1 - Semiconductor laser diode with improved thermal characteristics and method for manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
본 발명은 열 특성이 우수한 반도체 레이저 다이오드 및 그의 제조방법에 관한 것으로, n-GaAs 기판의 상부에 n-클래드층, 활성층과 제 1 클래드층이 순차적으로 적층되어 있고; 상기 제 1 p-클래드층의 상부에 마름모형태를 갖는 리지(Ridge) 구조의 제 2 p-클래드층과, 그 제 2 p-클래드층의 양측면을 감싸며 n-전류방지층이 형성되어 있고; 상기 제 2 클래드층의 상부면과, 상기 n-전류방지층의 일부 상부면에 마름모형태를 갖는 리지 구조의 제 3 p-클래드층이 형성되어 있고; 상기 제 3 p-클래드층의 상부에 p-GaAs 캡층이 형성되어 있고; 상기 n-전류방지층의 상부면, 상기 제 3 p-클래드층의 양측면과, 상기 p-GaAs 캡층의 양측면 및 상부면에 p-GaAs층이 형성되어 있고; 상기 p-GaAs층의 상부에 상기 p-GaAs층의 표면형상과 동일한 형상을 갖는 p-메탈층이 형성되어 있고, 상기 n-GaAs 기판의 하부에 n-메탈층이 형성되어 있도록 구성함으로써, 반도체 레이저 다이오드의 리지 근방에서 방출되는 열 패스를 짧게 하여 효과적으로 열을 방출시켜 소자의 특성을 향상시킬 수 있는 효과가 발생한다. The present invention relates to a semiconductor laser diode having excellent thermal characteristics and a method of manufacturing the same, wherein an n-clad layer, an active layer and a first clad layer are sequentially stacked on an n-GaAs substrate; A second p-clad layer having a ridge shape having a rhombus shape on top of the first p-clad layer, and an n-current blocking layer surrounding both sides of the second p-clad layer; A third p-clad layer having a ridge structure having a rhombus shape is formed on an upper surface of the second clad layer and a portion of the n-current blocking layer; A p-GaAs cap layer is formed on the third p-clad layer; P-GaAs layers are formed on upper surfaces of the n-current blocking layer, both sides of the third p-clad layer, and both sides and upper surfaces of the p-GaAs cap layer; The semiconductor is formed so that a p-metal layer having the same shape as the surface shape of the p-GaAs layer is formed on the p-GaAs layer, and an n-metal layer is formed below the n-GaAs substrate. The heat path emitted near the ridge of the laser diode is shortened to effectively release heat, thereby improving the characteristics of the device.
반도체, 레이저, 열, 패스, 리지, 방출Semiconductor, laser, heat, pass, ridge, emission
Description
도 1은 기존의 리지 웨이브가이드(Ridge waveguide) 구조를 갖는 반도체 레이저 다이오드의 단면도이다. 1 is a cross-sectional view of a semiconductor laser diode having a conventional ridge waveguide structure.
도 2a 내지 도 2e는 본 발명에 따른 열 특성이 우수한 반도체 레이저 다이오드의 제조 공정도이다.2A to 2E are manufacturing process diagrams of a semiconductor laser diode having excellent thermal characteristics according to the present invention.
도 3a와 3b는 종래와 본 발명의 반도체 레이저 다이오드에서 방출되는 열의 경로를 도시한 도면이다.
3A and 3B are diagrams showing paths of heat emitted from the semiconductor laser diode of the prior art and the present invention.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>
10, 20 : n-GaAs 기판 11, 21 : n-클래드층10, 20: n-
12, 22 : 활성층 13, 23 : 제 1 p-클래드층12, 22:
14, 24 : 제 2 p-클래드층 15, 25 : n-전류방지층14, 24: second p-
16, 26 : 제 3 p-클래드층 17, 27 : p-GaAs 캡층16, 26: third p-
18, 29 : p-메탈층 19, 30 : n-메탈층
18, 29: p-
28 : p-GaAs층
28: p-GaAs layer
본 발명은 열 특성이 우수한 반도체 레이저 다이오드 및 그의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 리지(Ridge) 근방에서 방출되는 열 패스를 짧게하여 열 특성을 우수하게 할 수 있는 반도체 레이저 다이오드 및 그의 제조방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor laser diode having excellent thermal characteristics and a method for manufacturing the same. More particularly, the present invention relates to a semiconductor laser diode capable of shortening a heat path emitted near a ridge and to excellent thermal characteristics. It is about.
최근, CD-RW 혹은 DVD(Digital Versatile Disk)-RAM(Random Access Memory)등의 대용량 고속 저장장치의 픽업(Pick up)용으로 사용되는 레이저 다이오드의 경우에, 데이터 저장 속도의 고배속화에 따른 레이저 다이오드가 고출력화가 진행 중에 있다.Recently, in the case of laser diodes used for pick-up of high-capacity high-speed storage devices such as CD-RW or DVD (Digital Versatile Disk) -Random Access Memory (RAM), Diodes are getting higher power.
이러한 레이저 다이오드의 고출력화에 따른 소자내에 발생하는 열을 외부로 효과적으로 방출시켜야만 신뢰성을 확보할 수 있다.Reliability can be secured only by effectively dissipating heat generated in the device due to the high output of the laser diode to the outside.
특히, 상기 CD-RW와 DVD-RAM 시스템에서는 레이저의 고출력화와 더불어 낮은 수직 방사각과 높은 수평 방사각이 요구된다. 이는 광학계를 사용하는 시스템에서, 광학계로부터 광 손실을 줄일 수 있게 되므로, 시스템의 배속을 올리는 효과를 가져온다.In particular, the CD-RW and DVD-RAM systems require high vertical radiation angles and high horizontal radiation angles as well as high laser power. This makes it possible to reduce the light loss from the optical system in the system using the optical system, thereby bringing up the system's double speed.
따라서, 고배속용 시스템의 경우, 동일한 출력이라 할지라도 방사각의 개선 만으로도 시스템의 배속을 올릴 수 있다. Therefore, in the case of a high speed system, even if the same power output can be increased by the improvement of the radiation angle only.
그러나, 이러한 수직 방사각을 줄이기 위한 웨이브 가이드구조에서는 광의 근접장(Near field)이 활성층으로부터 멀리 퍼져 나오게 된다.However, in the wave guide structure to reduce the vertical radiation angle, the near field of light is spread far from the active layer.
도 1은 기존의 리지 웨이브가이드(Ridge waveguide) 구조의 레이저 다이오드의 단면도로써, n-GaAs 기판(10)의 상부에, n-클래드층(11)과 활성층(12)이 적층되어 있고, 상기 활성층(12)의 상부에 제 1 p-클래드층(13), 리지(Ridge) 구조의 제 2 p-클래드층(14)과 제 3 p-클래드층(16)이 순차적으로 적층되어 있고, 상기 리지구조의 제 2 p-클래드층(14)의 양측면에는 n-전류방지층(15)이 형성되어 있고, 상기 제 3 p-클래드층(16)의 상부에는 p-GaAs 캡층(17)과 p-메탈층(18)이 형성되어 있다. 그리고, 상기 n-GaAs 기판(10)의 하부에는 n-메탈층(19)이 형성되어 있다.1 is a cross-sectional view of a laser diode of a conventional ridge waveguide structure, in which an n-
이와 같은, 도 1의 레이저 다이오드는 활성층(12)에서 방출되는 광의 수직 방사각을 줄이기 위하여 리지(Ridge)형의 웨이브 가이드구조를 채용한 것이며, 퍼져 나온 광의 흡수가 잘 일어나지 않도록 하기 위해서, 제 3 클래드층(16)을 P-GaAs 캡층(17)과 리지 구조의 제 2 클래드층(14) 사이에 삽입시켜 구성하게 되었다.As described above, the laser diode of FIG. 1 adopts a ridge type wave guide structure to reduce the vertical emission angle of light emitted from the
그러나, 이러한 리지형의 웨이브 가이드 구조를 채용한 레이저 다이오드는 방출되는 광과 전기적 캐리어가 리지 근처에서 활동되도록 설계되어 있어, 리지 근방에서는 많은 열이 발생하는 문제점을 야기시키게 된다.However, laser diodes employing such a ridge waveguide structure are designed to emit light and electrical carriers near the ridge, causing a lot of heat generation in the vicinity of the ridge.
이때, 발생된 열은 제 1 내지 제 3 클래드층(13,14,16)과 p-메탈층(18)을 통하여 소자의 외부로 빠져나가게 된다.
At this time, the generated heat is discharged to the outside of the device through the first to
즉, 현재 사용되고 있는 구조의 레이저 다이오드는 두꺼운 클래드층을 통해서 열을 방출시키고, 리지 구조에서 열이 방출되는 패스가 리지구조의 외곽부위로 갈수록 길어져 발생된 열을 효율적으로 방출시키지 못하는 문제점을 가지고 있다.
In other words, the laser diode of the current structure has a problem of dissipating heat through the thick cladding layer, and the path from which the heat is released from the ridge structure becomes longer toward the outer portion of the ridge structure, which does not efficiently dissipate the generated heat. .
이에 본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 리지 근방에서 방출되는 열 패스를 최적화하여 효과적으로 열을 방출시켜 소자의 특성을 향상시킬 수 있는 열 특성이 우수한 반도체 레이저 다이오드 및 그의 제조방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.Accordingly, the present invention has been made to solve the problems described above, and the semiconductor laser diode having excellent thermal characteristics that can effectively release the heat by optimizing the heat path emitted near the ridge to improve the characteristics of the device and its manufacture The purpose is to provide a method.
상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 바람직한 양태(樣態)는, n-GaAs 기판의 상부에 n-클래드층, 활성층과 제 1 클래드층이 순차적으로 적층되어 있고; According to a preferred aspect of the present invention, an n-clad layer, an active layer and a first clad layer are sequentially stacked on an n-GaAs substrate;
상기 제 1 p-클래드층의 상부에 마름모형태를 갖는 리지(Ridge) 구조의 제 2 p-클래드층과, 그 제 2 p-클래드층의 양측면을 감싸며 n-전류방지층이 형성되어 있고; A second p-clad layer having a ridge shape having a rhombus shape on top of the first p-clad layer, and an n-current blocking layer surrounding both sides of the second p-clad layer;
상기 제 2 p-클래드층의 상부면과, 상기 n-전류방지층의 일부 상부면에 마름모형태를 갖는 리지 구조의 제 3 p-클래드층이 형성되어 있고;A third p-clad layer having a ridge structure having a rhombus shape is formed on an upper surface of the second p-clad layer and a portion of the n-current blocking layer;
상기 제 3 p-클래드층의 상부에 p-GaAs 캡층이 형성되어 있고;A p-GaAs cap layer is formed on the third p-clad layer;
상기 n-전류방지층의 상부면, 상기 제 3 p-클래드층의 양측면과, 상기 p-GaAs 캡층의 양측면 및 상부면에 p-GaAs층이 형성되어 있고;P-GaAs layers are formed on upper surfaces of the n-current blocking layer, both sides of the third p-clad layer, and both sides and upper surfaces of the p-GaAs cap layer;
상기 p-GaAs층의 상부에 상기 p-GaAs층의 표면형상과 동일한 형상을 갖는 p- 메탈층이 형성되어 있고, 상기 n-GaAs 기판의 하부에 n-메탈층이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 열 특성이 우수한 반도체 레이저 다이오드가 제공된다.A p-metal layer having the same shape as the surface shape of the p-GaAs layer is formed above the p-GaAs layer, and an n-metal layer is formed below the n-GaAs substrate. A semiconductor laser diode having excellent thermal characteristics is provided.
상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 바람직한 다른 양태(樣態)는, n-GaAs 기판의 상부에 n-클래드층, 활성층과 제 1 p-클래드층을 순차적으로 형성하는 제 1 단계와; Another preferred aspect for achieving the above object of the present invention is a first step of sequentially forming an n- clad layer, an active layer and a first p- clad layer on top of the n-GaAs substrate;
상기 제 1 p-클래드층의 상부의 중앙부위에 상부면이 좁고 하부면이 넓은 마름모 형태의 리지(Ridge) 구조로 제 2 p-클래드층을 형성하고, 그 제 2 p-클래드층의 양측면을 감싸며 상기 제 p-클래드층의 상부에 n-전류방지층을 형성하는 제 2 단계와; A second p-clad layer is formed at a central portion of the upper portion of the first p-clad layer in a ridge structure having a narrow top surface and a wide bottom surface, and both sides of the second p-clad layer are formed. Wrapping and forming an n-current blocking layer over the p-clad layer;
상기 제 2 p-클래드층과 n-전류방지층의 상부에 제 3 p-클래드층과 p-GaAs 캡층을 순차적으로 적층하는 제 3 단계와;A third step of sequentially stacking a third p-clad layer and a p-GaAs cap layer on the second p-clad layer and the n-current blocking layer;
상기 제 3 p-클래드층과 p-GaAs 캡층을 식각하여 마름모 형태의 리지 구조를 형성하고, 상기 n-전류방지층의 일부를 노출시키는 제 4 단계와;Etching the third p-clad layer and the p-GaAs cap layer to form a ridge structure in a rhombus shape, and exposing a portion of the n-current blocking layer;
상기 n-전류방지층의 노출면, 상기 제 3 p-클래드층의 양측면과, 상기 p-GaAs 캡층의 양측면 및 상부면에 p-GaAs층을 형성하는 제 5 단계와;Forming a p-GaAs layer on exposed surfaces of the n-current blocking layer, both sides of the third p-clad layer, and both sides and top surfaces of the p-GaAs cap layer;
상기 p-GaAs층의 상부에 상기 p-GaAs층의 표면으로부터 일정한 두께를 갖는 p-메탈층과 상기 n-GaAs 기판의 하부에 n-메탈층을 형성하는 제 6 단계로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 열 특성이 우수한 반도체 레이저 다이오드의 제조방법이 제공된다.
And a sixth step of forming a p-metal layer having a constant thickness on the top of the p-GaAs layer and an n-metal layer on the bottom of the n-GaAs substrate. Provided is a method of manufacturing a semiconductor laser diode having excellent thermal characteristics.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
도 2a 내지 도 2e는 본 발명에 따른 열특성이 우수한 반도체 레이저 다이오드의 제조 공정도로써, n-GaAs 기판(20)의 상부에, n-클래드층(21), 활성층(22)과 제 1 p-클래드층(23)을 순차적으로 형성한다.(도 2a) 2A to 2E are process charts for manufacturing a semiconductor laser diode having excellent thermal characteristics according to the present invention. The n-
상기 제 1 p-클래드층(23)의 상부의 중앙부위에 상부면이 좁고 하부면이 넓은 마름모 형태의 리지(Ridge) 구조로 제 2 p-클래드층(24)을 형성하고, 그 제 2 p-클래드층(24)의 양측면을 감싸며 상기 제 1 p-클래드층(23)의 상부에 n-전류방지층(25)을 형성한다.(도 2b) A second p-
그런 다음, 상기 제 2 p-클래드층(24)과 n-전류방지층(25)의 상부에 제 3 p-클래드층(26)과 p-GaAs 캡층(27)을 순차적으로 적층한다.(도 2c)Then, the third p-
이렇게 적층된 상기 제 3 p-클래드층(26)과 p-GaAs 캡층(27)을 식각하여 마름모 형태의 리지 구조를 형성하고, 상기 n-전류방지층(25)의 일부를 노출시킨다.(도 2d)The third p-
도 2e에서는 상기 n-전류방지층(25)의 노출면, 상기 제 3 p-클래드층의 양측면과, 상기 p-GaAs 캡층(27)의 양측면 및 상부면에 p-GaAs층(28)을 형성한다.In FIG. 2E, the p-
상기 p-GaAs층(28)은 100Å ~ 2000Å 두께로 형성하는 것이 바람직하다.The p-
그 후에, 상기 p-GaAs층(28)에 상기 p-GaAs층(29)의 표면으로부터 일정한 두께를 갖는 p-메탈층(29)을 형성하고, n-GaAs 기판(20)의 하부에 n-메탈층(30)을 형 성함으로써(도 2f) 본 발명의 열 특성이 우수한 반도체 레이저 다이오드는 제조가 완성이 된다.Thereafter, a p-
여기서, 상기 p-메탈층(29)의 두께는 0.5 ~ 2 ㎛ 범위에서 형성하는 것이 바람직하다.Here, the thickness of the p-
이렇게 완성된 본 발명의 반도체 레이저 다이오드는 n-GaAs 기판(20)의 상부에, n-클래드층(21), 활성층(22)과 제 1 p-클래드층(23)이 순차적으로 적층되어 있고; 상기 제 1 p-클래드층(23)의 상부에 리지(Ridge) 구조의 제 2 p-클래드층(24)과, 그 제 2 p-클래드층(24)의 양측면을 감싸며 n-전류방지층(25)이 형성되어 있고; 상기 제 2 p-클래드층(24)의 상부면과, 상기 n-전류방지층(25)의 일부 상부면에 마름모 형태를 갖는 리지구조의 제 3 p-클래드층(26)이 형성되어 있고; 상기 제 3 p-클래드층(26)의 상부에 p-GaAs 캡층(27)이 형성되어 있고; 상기 n-전류방지층(25)의 상부면, 상기 제 3 p-클래드층(26)의 양측면과, 상기 p-GaAs 캡층(27)의 양측면 및 상부면에 p-GaAs층(28)이 형성되어 있고; 상기 p-GaAs층(28)의 상부에 상기 p-GaAs층(28)의 표면형상과 동일한 형상을 갖는 p-메탈층(29)과 상기 n-GaAs 기판(20)의 하부에 n-메탈층(30)이 형성되어 있는 구성으로 되어 있다.In the semiconductor laser diode of the present invention thus completed, the n-clad
이와 같이, 제조된 본 발명의 반도체 레이저 다이오드는 p-메탈층(28)의 표면이 리지 구조의 상기 제 3 p-클래드층(26)과 p-GaAs 캡층(27)의 표면과 거리가 기존의 구조보다 가까워져 활성층에서 방출되는 레이저광으로 인하여 발생된 열을 보다 효과적으로 방출시킬 수 있는 장점이 있다.As described above, in the semiconductor laser diode of the present invention, the surface of the p-
전술된 열 방출 측면에 대하여, 도 3a와 3b를 통하여, 보다 상세히 설명하기 로 하겠다.The heat dissipation side described above will be described in more detail with reference to FIGS. 3A and 3B.
도 3a와 3b는 종래와 본 발명의 반도체 레이저 다이오드에서 방출되는 열의 경로를 도시한 도면으로써, 우선, 도 3a에서 종래의 반도체 레이저 다이오드는 리지(Ridge) 구조의 제 2 p-클래드층(14)에서 발생되는 열은 p-메탈층(18)까지의 열이 방출되는 패스(pass)가 리지 구조의 수직면(a)에서 최외곽면(f,g)로 갈수록 점점 길어져 효과적으로 방출되지 못한다.3A and 3B illustrate a path of heat emitted from a semiconductor laser diode according to the related art and the present invention. First, in FIG. 3A, a conventional p-clad
그런 반면에, 도 3b에 도시된 바와 같이, 본 발명의 반도체 레이저 다이오드는 리지(Ridge) 구조의 제 2 p-클래드층(24)에서 p-메탈층(28)까지의 열이 방출되는 패스가 리지 구조의 수직면(a)에서 최외곽면(f,g)까지 거의 동일하여, 효과적으로 열을 방출할 수 있게 되는 것이다.
On the other hand, as shown in FIG. 3B, the semiconductor laser diode of the present invention has a path through which heat is discharged from the second p-clad
이상에서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명은 반도체 레이저 다이오드의 리지 근방에서 방출되는 열 패스를 짧게 하여 효과적으로 열을 방출시켜 소자의 특성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.As described in detail above, the present invention has the effect of shortening the heat path emitted near the ridge of the semiconductor laser diode to effectively release heat, thereby improving the characteristics of the device.
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.Although the invention has been described in detail only with respect to specific examples, it will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations are possible within the spirit of the invention, and such modifications and variations belong to the appended claims.
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