KR100829874B1 - 반도체 레이저 소자 및 그 제작 방법 - Google Patents

반도체 레이저 소자 및 그 제작 방법 Download PDF

Info

Publication number
KR100829874B1
KR100829874B1 KR1020010054763A KR20010054763A KR100829874B1 KR 100829874 B1 KR100829874 B1 KR 100829874B1 KR 1020010054763 A KR1020010054763 A KR 1020010054763A KR 20010054763 A KR20010054763 A KR 20010054763A KR 100829874 B1 KR100829874 B1 KR 100829874B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
layer
semiconductor laser
laser device
cladding
cladding layer
Prior art date
Application number
KR1020010054763A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20020021600A (ko
Inventor
이와모토고지
나가사키히로키
Original Assignee
소니 가부시끼 가이샤
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 소니 가부시끼 가이샤 filed Critical 소니 가부시끼 가이샤
Publication of KR20020021600A publication Critical patent/KR20020021600A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR100829874B1 publication Critical patent/KR100829874B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/30—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/20—Structure or shape of the semiconductor body to guide the optical wave ; Confining structures perpendicular to the optical axis, e.g. index or gain guiding, stripe geometry, broad area lasers, gain tailoring, transverse or lateral reflectors, special cladding structures, MQW barrier reflection layers
    • H01S5/22—Structure or shape of the semiconductor body to guide the optical wave ; Confining structures perpendicular to the optical axis, e.g. index or gain guiding, stripe geometry, broad area lasers, gain tailoring, transverse or lateral reflectors, special cladding structures, MQW barrier reflection layers having a ridge or stripe structure
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S2301/00—Functional characteristics
    • H01S2301/17—Semiconductor lasers comprising special layers
    • H01S2301/176—Specific passivation layers on surfaces other than the emission facet
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S2304/00—Special growth methods for semiconductor lasers
    • H01S2304/04—MOCVD or MOVPE
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/02—Structural details or components not essential to laser action
    • H01S5/028—Coatings ; Treatment of the laser facets, e.g. etching, passivation layers or reflecting layers
    • H01S5/0282—Passivation layers or treatments

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Geometry (AREA)
  • Semiconductor Lasers (AREA)

Abstract

동작 수명이 길고, 신뢰성이 높은 에어 리지형(air ridge type)형 반도체 레이저 소자를 제공하는 것에 있다. 본 반도체 레이저 소자는 AlGaInP계의 에어 리지형 반도체 레이저 소자로서, n-GaAs 기판 상에 차례로 에피택시얼 성장시킨 n-Al0.7GaInP 제1 클래드층, AlGaAs 활성층, p-Al0.7GaInP 제2 클래드층, 및 p-GaAs 콘택트(캡)층의 적층 구조를 구비한다. 콘택트층과 제2 클래드층의 상부는 에칭 가공되어, 스트라이프형 리지부로서 형성되고, 제2 클래드층이 콘택트층과 함께 스트라이프형 리지부를 형성하는 제2 클래드층의 상부층과, 상부층의 아래에 위치하고, 상부층의 양 하단으로부터 바깥 쪽으로 연장되는 두께가 0.3㎛인 하부층으로 구성된다. 스트라이프형 리지부의 상면을 제외한 제2 클래드층의 하부층 상면 및 스트라이프형 리지부의 측면에는 에피택시얼 성장시킨 n-GaAs로 이루어지는 막 두께 0.15㎛인 보호층이 형성되어 있다.
반도체 레이저 소자, 에피택시얼 성장, 리지부, 에칭 가공, 보호층.

Description

반도체 레이저 소자 및 그 제작 방법 {SEMICONDUCTOR LASER DEVICE AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME}
도 1은 실시예의 에어 리지형(air ridge type) 반도체 레이저 소자의 구성을 나타내는 단면도이다.
도 2 (A)~(C)는 각각 실시예의 방법에 따라 반도체 레이저 소자를 형성했을 때의 공정마다의 단면도이다.
도 3은 비교예 반도체 레이저 소자의 구성을 나타내는 단면도이다.
도 4는 시험예 1의 결과를 나타내는 그래프이며, 비교예 반도체 레이저 소자의 동작 개시 후의 경과 시간과 경과 시간에 대응한 열화율(劣化率)과의 관계를 나타내고 있다.
도 5는 시험예 2의 결과를 나타내는 그래프이며, 실시예의 시료 반도체 레이저 소자의 동작 개시 후의 경과 시간과 경과 시간에 대응한 열화율과의 관계를 나타내고 있다.
도 6은 종래의 에어 리지형 반도체 레이저 소자의 구성을 나타내는 단면도이다.
본 발명은 에어 리지형(air ridge type) 반도체 레이저 소자 및 그 제작 방법에 관한 것이며, 더욱 상세하게는, 동작 수명이 길고, 주입 전류-광 출력 특성이 양호한 에어 리지형 반도체 레이저 소자 및 그 제작 방법에 관한 것이다.
반도체 레이저 소자의 도파로(導波路) 구조에는 여러가지의 구조가 있지만 손쉽게 제작할 수 있는 도파로 구조로서 매입(埋入) 도파로형과 대비되는 에어 리지 도파로형 반도체 레이저 소자가 주목되고 있다. 에어 리지 도파로형 반도체 레이저 소자(이하, 간단히 "에어 리지형 반도체 레이저 소자"라고 함)는 상(上)클래드층의 상부를 에칭하여 스트라이프형 리지로 가공하고, 리지의 양 하단으로부터 바깥 쪽으로 연장되도록 잔류시킨 상클래드층의 하부의 두께에 의해, 원하는 래터럴(lateral) 방향(가로 방향)의 굴절률차를 형성하고, 래터럴 방향에도 광 가둠 구조를 구비한 도파로를 실현하고 있다. 에어 리지형 반도체 레이저 소자는 광 도파로의 형성이 용이하고, 실(實)굴절률 도파이기 때문에 내부 로스(loss)가 작고, 저(低)동작 전류라고 하는 이점을 가진다.
여기에서, 도 6을 참조하여 AlGaInP계의 에어 리지형 반도체 레이저 소자를 예로 하여, 종래의 에어 리지형 반도체 레이저 소자의 구성을 설명한다. 도 6은 종래의 에어 리지형 반도체 레이저 소자의 구성을 나타내는 단면도이다. 종래의 에어 리지형 반도체 레이저 소자(50)는 도 6에 나타낸 것과 같이, n-GaAs 기판(52)과, n-GaAs 기판(52) 상에 차례로 에피택시얼 성장시킨 n-AlGaInP 제1 클래드층(하(下)클래드층)(54), GaInP 활성층(56), p-AlGaInP 제2 클래드층(상(上)클래드층)(58), p-GaInP 중간층(59), 및 p-GaAs 콘택트(캡)층(60)의 적층 구조를 구비하고 있다.
적층 구조 중, 콘택트층(60), p-GaInP 중간층(59), 및 제2 클래드층(58)의 상부는 에칭 가공되어, 스트라이프형 리지부(62)로서 형성되어 있다.
즉, 제2 클래드층(58)이 콘택트층(60)과 함께 스트라이프형 리지부(62)를 형성하는 상부층(58a)과, 상부층(58a)의 아래에 위치하고, 상부층(58a)의 양 하단으로부터 바깥 쪽으로 연장되는 두께가 얇은 하부층(58b)으로 구성되어 있다. 전류 주입 영역이 되는 리지부(62)의 상면을 제외하고, 하부층(58b)의 상면 및 리지부(62)의 측면에는, 유전체막, 예를 들면, SiO2막이 보호층(64)으로서 형성되어 있다. 또, 보호층(64) 상 및 보호층(64)으로부터 노출된 콘택트층(60) 상에 p측 전극(66)이 형성되고, GaAs 기판(52)의 이면(도면의 바닥면)에는 n측 전극(68)이 형성되어 있다.
그러나, 종래의 에어 리지형 반도체 레이저 소자에는 소정의 동작 특성으로 동작할 수 있는 기간이 짧은, 즉 소자 수명이 짧다고 하는 치명적인 문제가 있었다. 예를 들면, 일정한 광 출력을 필요로 할 때, 동작 기간이 길어지는 데 따라, 동작 전류가 상승한다고 하는 문제, 바꿔 말하면, 동작 전류가 일정하면, 동작 기간이 길어지는 데 따라, 광 출력이 저하된다고 하는 문제가 있었다. 이 문제는, 특히 AlGaAs계나 AlGaInP계의 재료를 사용한 에어 리지형 반도체 레이저 소자에서 현저했다.
그 결과, 에어 리지형 반도체 레이저 소자는 광 디스크의 기록 재생 장치로 사용되는 광 픽업용 광원 등의 고신뢰성이 요구되는 애플리케이션(application) 분야에서 사용하기는 곤란해, 레이저 포인트(laser pointer) 등의 비교적 신뢰성이 요구되지 않는 분야에서만 사용되고 있는 것이 현상이다.
그래서, 본 발명의 목적은 동작 수명이 길고 신뢰성이 높은 에어 리지형 반도체 레이저 소자를 제공하는 것이다.
본 발명자는 종래의 에어 리지형 반도체 레이저 소자의 문제를 연구하는 과정에서, 동작 수명이 짧은 원인의 하나는 리지 형성 시 에칭에 의해 노출된 클래드층과 유전체막, 또는 오믹 메탈(ohmic metal)(오믹 전극용 금속)과의 계면이 화학적으로 불안정하기 때문에, 레이저 동작 시에 동작 전류 주입에 의해 클래드층의 결정 열화(結晶劣化)가 촉진되기 때문이라고 생각했다. 그리고, 보호층으로서 제2 클래드층 상에 제2 클래드층과 격자 정수(定數)가 가까운 에피택시얼 성장층을 성장시켜, 제2 클래드층을 화학적으로 안정시키는 것을 착상하고, 여러가지 실험 결과, 본 발명을 발명하기에 이르렀다.
상기 목적을 달성하기 위해, 전술한 식견에 따라 본 발명에 관한 반도체 레이저 소자는 도전형(導電型)이 서로 상이한 제1 클래드층(하클래드층)과 제2 클래드층(상클래드층)에서 활성층을 사이에 둔 구조를 구비하고, 제2 클래드층이 스트라이프형 리지부(ridge stripe)를 형성하는 상부층과, 상부층의 아래에 위치하고, 상부층의 양 하단으로부터 바깥 쪽으로 연장되는 하부층으로 구성되고, 스트라이프 형 리지부의 상면을 제외하고 제2 클래드층의 하부층 상면 및 스트라이프형 리지부의 측면에 보호층이 형성되어 있는 에어 리지형(air ridge type) 반도체 레이저 소자에 있어서, 보호층이 제2 클래드층의 하부층 상면 및 스트라이프형 리지부의 측면 상에 에피택시얼 성장시킨 화합물 반도체층이다.
본 발명에서는, 보호층으로서 에피택시얼 성장층을 형성하고, 제2 클래드층의 결정 열화를 억제함으로써, 일정한 광 출력을 필요로 할 때, 동작 기간이 길어지는 데 따라 동작 전류가 상승한다고 하는 문제, 바꿔 말하면, 동작 전류가 일정하면, 동작 기간이 길어지는 데 따라 광 출력이 저하된다고 하는 문제가 발생하지 않는다.
본 발명은 서로 상이한 도전형의 클래드층에서 활성층을 사이에 둔 구조를 형성하는 화합물 반도체 적층 구조의 재료에 제약없이 적용할 수 있고, 제2 클래드층의 조성에도 제약이 없다.
바람직하게는, 보호층을 구성하는 화합물 반도체층이 제2 클래드층과 도전형이 상이한 화합물 반도체층이다. 이에 따라, 보호층이 pn 접합 분리에 의한 전류 협착(狹窄) 영역으로 되어, 주입 전류-광 출력 특성이 향상된다.
또, 제2 클래드층의 하부층 및 리지부의 측면 상에 보호층을 에피택시얼 성장시키는 것이 필요하기 때문에, 보호층과 제2 클래드층이 격자 정합(lattice-match)하기 위해 서로의 격자 정수가 가까운 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는, 보호층의 격자 정수와 제2 클래드층의 격자 정수의 차가 제2 클래드층의 6% 이하이다. 예를 들면, 서로 상이한 도전형의 클래드층에서 활성층을 사이에 둔 구조가 AlGaInP계 화합물 반도체로 형성되어 있을 때, 즉, 제2 클래드층이 AlGaInP층일 때 보호층은 GaAs 또는 GaInP이다.
보호층을 구성하는 에피택시얼 화합물 반도체층의 막 두께는 0.15㎛ 이상 0.3㎛ 이하이다.
본 발명자는 보호층의 막 두께가 0.15㎛이면, 본 발명의 효과를 충분히 달성할 수 있다는 것을 실험에 의해 확인하고 있다. 보호층의 기능은 화학적으로 불안정한 에칭면을 표면에 가지는 제2 클래드층의 표면 상태를 안정시키는 것이기 때문에, 에칭면을 안정시키는 데 충분한 막 두께이면, 그 목적은 충분히 달성한다고 생각된다.
따라서, 하한의 막 두께는 MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)법 등을 사용하여 균일하게 에피택시얼 성장시킬 수 있는 막 두께이며, 즉 보호층의 막 두께는 0.15㎛ 이상의 두께이면 된다.
한편, 보호층의 상한인 0.3㎛는 다음의 사고(思考)에 기초하고 있다. 즉, 반도체 레이저 소자의 제작 프로세스를 고려하면, 보호층은 선택 성장법에 의해 제2 클래드층 상에 에피택시얼 성장시킬 수 있는 조성인 것이 바람직하다. 예를 들면, 제2 클래드층이 AlGaInP이면, 보호층은 GaAs 또는 GaInP로 이루어지는 것이 바람직하다. 이들 재료를 AlGaInP계 레이저 적층 구조를 채용한 경우, 제2 클래드층의 격자 정수와 보호층의 격차 정수의 차는 양호한 에피택시얼 성장을 행하기 위해 필요한 조건인 제2 클래드층의 격자 정수의 0.6% 이하로 할 수 있다.
이들 화합물 반도체층의 밴드 갭은 반도체 레이저 소자의 레이저 발진 파장, 예를 들면, AlGaInP계에서는 650nm보다 작기 때문에, 화합물 반도체 보호층의 광 흡수에 의한 광 로스가 에어 리지 도파로 구조의 메리트인 내부 로스의 저감을 제거하게 된다. 이 관점에서, 보호층의 적절한 두께는 0.3㎛ 이하로 된다. 거꾸로 말하면, 보호층의 두께를 0.3㎛ 이상으로 함으로써, 본 발명의 효과를 더욱 높이는 것은 어렵기 때문이다.
바람직하게는, 제2 클래드층의 막 두께가 0.6㎛ 이하이다. 저굴절률 영역을 형성하는 제2 클래드층의 하부층 두께는 다음의 사고에 따라 결정된다. 즉, 반도체 레이저 소자의 동작 특성의 열화 메커니즘은 전술한 것과 같이, 엄밀하게는 해명할 수 없지만, 동작 특성의 하나의 열화 원인으로서 생각되는 것은 활성층으로부터의 자연 방출광이 계면 에너지 레벨에서 재결합되어, 결함의 증식을 어시스트한다고 하는 모델이다. 그렇다고 하면, 제2 클래드층의 하부층은 통상의 반도체 레이저 소자의 클래드층 정도의 두께가 있으면, 본 발명의 효과가 인정되기 마련이다.
따라서, 반도체 레이저 소자의 클래드층의 두께는 일반적으로 1㎛에서 2㎛ 정도이기 때문에, 화합물 반도체 보호층은 제2 클래드층의 하부층 두께가 2㎛ 이하의 반도체 레이저에서 유효하다고 할 수 있다. 특히, 제2 클래드층의 하부층 두께가 0.6㎛ 이하인 경우에는, 굴절률 도파로를 형성하는 효과가 높고, 에어 리지 구조 특유의 저전류 동작이 가능하게 되기 때문에 본 발명의 유효성이 높아진다.
이하에 실시예를 들고, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시 형태를 구체적 또한 상세히 설명한다.
<에어 리지형 반도체 레이저 소자의 실시예>
본 실시예는 본 발명에 관한 에어 리지형 반도체 레이저 소자의 실시 형태의 일례이며, 도 1은 본 실시예의 에어 리지형 반도체 레이저 소자의 구성을 나타내는 단면도이다. 본 실시 형태의 반도체 레이저 소자(10)는 AlGaInP계의 에어 리지형 반도체 레이저 소자이며, 도 1에 나타낸 것과 같이, n-GaAs 기판(12) 상에 차례로 에피택시얼 성장시킨 막 두께 1.5㎛, 캐리어 농도 5 ×1017cm-3의 n-Al0.7GaInP 제1 클래드층(하클래드층)(14), GaInP 활성층(16), 막 두께 1.5㎛, 캐리어 농도 5 ×1017cm-3의 p-Al0.7GaInP 제2 클래드층(상클래드층)(18), p-GaInP 중간층(19), 및 막 두께 0.3㎛, 캐리어 농도 1 ×1019cm-3의 p-GaAs 콘택트(캡)층(20)의 적층 구조를 구비하고 있다.
적층 구조 중, 콘택트층(20)과 제2 클래드층(18)의 상부는 에칭 가공되어, 스트라이프형 리지부(22)로서 형성되어 있다. 즉, 제2 클래드층(18)이 콘택트(캡)층(20)과 함께 스트라이프형 리지부(22)를 형성하는 상부층(18a)과, 상부층(18a)의 아래에 위치하고, 제2 클래드층(18)의 상부층(18a) 양 하단 에지로부터 양측 바깥 쪽으로 연장되는, 두께가 얇은 상클래드 하부층(18b)으로 구성되어 있다. 본 실시 형태에서, 제2 클래드층(18)의 하부층(18b) 두께 "t"(도 1 참조)는 0.3㎛이다.
전류 주입 영역으로 되는 리지부(18a)의 상면을 제외하고, 상클래드 하부층(18b)의 상면 및 리지부(22)의 측면에는 에피택시얼 성장시킨, 캐리어 농도가 5 ×1017cm-3의 n-GaAs로 이루어지는 막 두께 0.15㎛인 보호층(24)이 형성되어 있 다.
또, 보호층(24) 상 및 보호층(24)으로부터 노출된 콘택트층(20) 상에 p측 전극(26)으로서 콘택트층(20)과 오믹 접속하는 금속막, 예를 들면 Ti/Pt/Au의 적층 금속막이 형성되고, 또 GaAs 기판(12)의 이면(도면의 바닥면)에는 n측 전극(28)으로서 오믹 접속 금속막, 예를 들면, AuGe/Ni/Au의 적층 금속막이 형성되어 있다.
<반도체 레이저 소자 제작 방법의 실시예>
본 실시예는 본 발명에 관한 반도체 레이저 소자의 제작 방법을 전술한 반도체 레이저 소자(10)의 제작에 적용한 실시 형태의 일례이며, 도 2 (A)~(C)는 각각 본 실시예의 방법에 따라 반도체 레이저 소자를 형성했을 때의 공정마다의 단면도이다. 먼저, 도 2 (A)에 나타낸 것과 같이, n-GaAs 기판(12) 상에 MOCVD법 등에 의해 차례로 막 두께 1.5㎛, 캐리어 농도 5 ×1017cm-3의 n-Al0.7GaInP 제1 클래드층(14), GaInP 활성층(16), 막 두께 1.5㎛, 캐리어 농도 5 ×1017cm-3의 p-Al0.7GaInP 제2 클래드층(18), p-GaInP 중간층(19), 및 막 두께 0.3㎛, 캐리어 농도 1 ×1019cm-3의 p-GaAs 콘택트층(20)을 에피택시얼 성장시켜 적층 구조를 형성한다.
이어서, 도 2 (B)에 나타낸 것과 같이, SiN막을 콘택트층(20) 상에 성막하고, 패터닝하여 에칭 마스크(30)를 형성한다. 계속해서, 콘택트층(20), 중간층(19) 및 제2 클래드층(18)의 상부를 에칭하여 스트라이프형 리지부(22)를 형성한다. 이 때, 하부층(18b)이 되는 제2 클래드층(18)의 하부는 에칭하지 않는다. 이에 따라, 제2 클래드층(18)은 스트라이프형 리지부(22)로서 형성되어 있는 상부층(18a)과, 스트라이프형 리지부(22)의 아래에 위치하고, 스트라이프 리지부(22)의 양 하단으로부터 양측 바깥 쪽으로 연장되는 두께가 0.3㎛인 하부층(18b)으로 가공된다.
계속해서, 도 2 (C)에 나타낸 것과 같이, 에칭 마스크(30)를 선택 성장용 마스크로서 사용하고, 보호층(24)으로서 막 두께 0.15㎛, 캐리어 농도 5 ×1017cm-3의 n-GaAs층을 스트라이프 리지부(22)의 측면 및 제2 클래드층(18)의 하부층(18b) 상면에 MOCVD법에 의해 에피택시얼 성장시킨다.
이어서, 에칭 마스크(30)를 제거하고, 보호층(24) 상 및 보호층(24)으로부터 노출된 콘택트층(20) 상에 오믹 접속 금속막, 예를 들면, Ti/Pt/Au의 적층 금속막으로 이루어지는 p측 전극(26)을 형성하고, n-GaAs 기판(12)의 뒷쪽(이면)에 오믹 접속 금속막, 예를 들면, AuGe/Ni/Au의 적층 금속막으로 이루어지는 n측 전극(28)을 형성한다. 이에 따라, 도 1에 나타내는 반도체 레이저 소자(10)를 형성할 수 있다.
본 실시 형태의 반도체 레이저 소자(10)의 성능을 평가하기 위해, 이하에 설명하는 동작 시험을 행하였다.
<시험예 1>
먼저, 비교예로서, 도 3에 나타낸 것과 같이, 반도체 레이저 소자(10)와 동일 공진기 구성을 구비하지만, 반도체 레이저 소자(10)의 보호층(24)을 구비하지 않은, 즉, p측 전극이 직접 제2 클래드층의 하부층 상 및 리지 상에 형성되어 있는 반도체 레이저 소자(이후, "비교예 반도체 레이저 소자"라고 함)의 동작 시험을 행하였다.
비교예 반도체 레이저 소자(40)는 도 3에 나타낸 것과 같이, 반도체 레이저 소자(10)와 마찬가지로, n-GaAs 기판(12) 상에 차례로 에피택시얼 성장시킨 n-Al0.7GaInP 제1 클래드층(14), GaInP 활성층(16), p-Al0.7GaInP 제2 클래드층(18), p-GaInP 중간층(19), 및 p-GaAs 콘택트(캡)층(20)의 적층 구조를 구비하고 있다. 적층 구조 중, 콘택트층(20)과 제2 클래드층(18)의 상부는 반도체 레이저 소자(10)와 동일하게 에칭 가공되어 스트라이프형 리지(22)로서 형성되어 있다. 비교예 반도체 레이저 소자(40)에서는 제2 클래드층의 하부층(18b) 상면 및 리지부(18a)의 전면(全面)에 p측 전극(26)으로서 Ti/Pt/Au의 적층 금속막이 형성되고, 또 GaAs 기판(12)의 이면에는 n측 전극(28)으로서 AuGe/Ni/Au의 적층 금속막이 형성되어 있다.
일정한 광 출력으로 비교예 반도체 레이저 소자(40)를 연속적으로 동작시키고, 동작 개시 후의 경과 시간에 따라 그 때의 동작 전류를 측정하여 동작 전류 상승률을 산출했다. 그 결과는 도 4에 나타낸 것과 같다. 도 4는 가로축에 동작 개시 후의 경과 시간을, 세로축에 경과 시간마다의 열화율을 취하고 있다. 여기에서, "열화율"이란 동작 전류 상승률과 동일하며, 열화율 10%란 광 출력을 일정하게 하여 동작시켰을 때 측정 시점에서의 동작 전류가 동작 개시 시점의 동작 전류의 1.1배인 것을 말한다. 부호 16, 17, 18, 19 및 20은 시험 시료로서 사용한 비교예 반도 체 레이저 소자의 시료 번호이다.
도 4에서 알 수 있는 것과 같이, 비교예 반도체 레이저 소자의 열화율은 현저하게 높고, 동작 개시 후 300시간 경과한 시점의 전류 상승률은 최대가 시료 번호 20의 37.12%, 최소가 시료 번호 19의 12.08%이다.
열화율이 20%에 도달한 20% 열화 시를 사용 불능 상태로 정의했을 때, 도 4에서 비교예 반도체 레이저 소자의 예측 수명은 열화율이 가장 양호한 비교예 반도체 레이저 소자, 즉 시료 번호 19라도 약 400시간이다. 경과 시간 300시간의 시점에서, 시료 번호 20은 이미 열화율이 37%에 달하고 있으며, 시료 번호 16, 17, 18도 거의 사용 불능의 직전 상태에 있다.
<시험예 2>
이어서, 본 실시예의 반도체 레이저 소자(10)와 동일 구성의 시료 반도체 레이저 소자(이후, "시료 반도체 레이저 소자"라고 함)를 시료 번호 11, 12, 13, 14, 15로 제작하여, 일정한 광 출력으로 반도체 레이저 소자를 연속적으로 동작시키고, 동작 개시 후의 경과 시간에 따라 그 때의 동작 전류를 측정하여 동작 전류 상승률을 산출했다. 그 결과는 도 5에 나타낸 것과 같다. 부호 11, 12, 13, 14 및 15는 시료 반도체 레이저 소자의 시료 번호에 대응하고 있다.
도 5에서 알 수 있는 것과 같이, 시료 반도체 레이저 소자의 열화율은 비교예 반도체 레이저 소자와 비교하여 훨씬 낮아, 동작 개시 후 500시간 경과한 시점의 전류 상승률은 최대가 시료 번호 15의 5.62%이며, 최소는 시료 번호 14의 4.09%이다.
실시예 1에서와 같이, 열화율이 20%에 도달한 20% 열화 시를 사용 불능 상태로 정의했을 때, 도 5에서 시료 반도체 레이저 소자의 예측 수명은 열화율이 비교적 높은 시료 번호 15의 시료 반도체 레이저 소자라도 약 3,000시간이다.
<시험예 3>
또한, 비교예로서 도 6에 나타낸 것과 같이, 보호층(64)으로서 SiO2막을 가지는 종래의 반도체 레이저 소자(50)와 동일 구성의 반도체 레이저 소자(이후, "종래예 반도체 레이저 소자"라고 함)를 5개 제작하고, 시험예 1 및 2와 동일하게 하여 종래예 반도체 레이저 소자의 동작 시험을 행하였다. 그 결과, 동작 개시 후 10시간 이내에 5개 모두의 종래예 반도체 레이저 소자가 발진 불능으로 되었다.
이상의 시험예 1~3에서 반도체 에피택시얼층인 보호층(24)에서 제2 클래드층의 하부층(18b) 상면 및 리지부(22)의 측면을 보호한 반도체 레이저 소자(10)의 수명은 종래의 반도체 레이저 소자 및 비교예의 반도체 레이저 소자와 비교하여 비약적으로 개선되는 것이 실증되었다.
또, 본 실시예의 반도체 레이저 소자에서는 주입 전류-광 출력 특성이 향상되므로, 동작 전류가 동일광 출력에 대하여 종래의 에어 리지형 반도체 레이저 소자와 비교하여 3mA 감소되어 있다.
또한, 에어 리지형 구조의 특징인 낮은 내부 로스가 종래의 에어 리지형 반도체 레이저와 거의 동일값으로 유지되므로, 그 결과, GaAs 매입에 의한 일반적인 매입형 도파로와 비교하여 내부 로스는 5cm-1 정도 낮아졌다.
본 실시예에서는 AlGaInP계의 반도체 레이저 소자를 예로 하여, 본 발명을 설명했지만, 이 재료계에 한정되지 않고, 예를 들면, InP계, GaInP계, InGaAsP계 등에도 적용할 수 있다.
본 발명에 의하면, 제2 클래드층의 하부층 상 및 리지부의 측면 상에 형성하는 보호층을 에피택시얼 성장시킨 화합물 반도체층으로 함으로써, 에어 리지형 반도체 레이저 소자의 동작 수명이 종래의 에어 리지형 반도체 레이저 소자와 비교하여 비약적으로 장기화된다. 본 발명에 관한 반도체 레이저 소자에서는, 주입 전류-광 출력 특성이 향상되므로, 동작 전류가 동일광 출력에 대하여 종래의 에어 리지형 반도체 레이저 소자와 비교하여 낮다.
이상, 본 발명의 바람직한 형태에 대하여 상세히 설명하였으나, 여러가지 변경 및 변형이 가능한 것은 명백하다. 따라서, 본 발명은 본 발명의 범위 및 사상을 일탈하지 않고 상세한 설명에서 기재된 것과는 다른 방식으로 실시할 수 있다는 것을 알 수 있을 것이다.

Claims (7)

  1. 도전형(導電型)이 서로 상이한 제1 클래드층과 제2 클래드층에서 활성층을 사이에 둔 구조를 구비하고, 상기 제2 클래드층이 스트라이프형 리지부(ridge stripe)를 형성하는 상부층과, 상기 상부층의 아래에 위치하고, 상기 상부층의 양 하단으로부터 바깥 쪽으로 연장되는 하부층으로 구성되고, 상기 스트라이프형 리지부의 상면을 제외하고 상기 제2 클래드층의 상기 하부층 상면 및 상기 스트라이프형 리지부의 측면에 보호층이 형성되어 있는 에어 리지형(air ridge type) 반도체 레이저 소자에 있어서,
    상기 보호층은 상기 제2 클래드층의 하부층 상면 및 상기 스트라이프형 리지부의 측면 상에 에피택시얼 성장시킨 화합물 반도체층이고,
    상기 보호층의 격자 정수(格子定數)와 상기 제2 클래드층의 격자 정수 간의 차가 상기 제2 클래드층의 격자 정수의 6% 이하인, 반도체 레이저 소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 보호층을 구성하는 상기 화합물 반도체층이 상기 제2 클래드층과 도전형이 상이한 화합물 반도체층인, 반도체 레이저 소자.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 보호층의 막 두께가 0.15㎛ 이상 0.3㎛ 이하인, 반도체 레이저 소자.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제2 클래드층의 하부층 막 두께가 0.6㎛ 이하인, 반도체 레이저 소자.
  6. 제1항에 있어서,
    도전형이 서로 상이한 상기 제1 클래드층과 상기 제2 클래드층에서 활성층을 사이에 둔 상기 구조가 AlGaInP계 화합물 반도체로 형성되고, 상기 보호층이 GaAs 및 GaInP 중 어느 하나인, 반도체 레이저 소자.
  7. 에어 리지형 반도체 레이저 소자의 제작 방법으로서,
    화합물 반도체 기판 상에 각각 화합물 반도체층으로 이루어지는 제1 클래드층, 활성층, 제2 클래드층 및 콘택트층을 에피택시얼 성장법에 의해 성막하여 적층 구조를 형성하는 공정;
    상기 적층 구조 중의 상기 콘택트층 및 상기 제2 클래드층을 에칭하여, 상기 콘택트층으로 이루어지는 스트라이프형 리지부와 상기 제2 클래드층의 상부층, 및 상기 제2 클래드층의 상부층 양 하단으로부터 바깥 쪽으로 연장되는 상기 제2 클래드층의 하부층을 형성하는 공정;
    선택 성장법에 의해, 상기 콘택트층의 상면을 제외한 상기 제2 클래드층의 상면 및 상기 스트라이프형 리지부의 측면에 상기 제2 클래드층과는 도전형이 상이한 화합물 반도체층으로 이루어지는 보호층을 에피택시얼 성장시키는 공정; 및
    상기 콘택트층의 상면에 금속막을 성막하여, 상기 콘택트층과 오믹 접속(ohmic contact)하는 전극을 형성하는 공정
    을 구비하고 있는, 반도체 레이저 소자의 제작 방법.
KR1020010054763A 2000-09-14 2001-09-06 반도체 레이저 소자 및 그 제작 방법 KR100829874B1 (ko)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JPJP-P-2000-00279552 2000-09-14
JP2000279552A JP2002094181A (ja) 2000-09-14 2000-09-14 半導体レーザ素子及びその作製方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20020021600A KR20020021600A (ko) 2002-03-21
KR100829874B1 true KR100829874B1 (ko) 2008-05-16

Family

ID=18764542

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020010054763A KR100829874B1 (ko) 2000-09-14 2001-09-06 반도체 레이저 소자 및 그 제작 방법

Country Status (4)

Country Link
US (1) US6647045B2 (ko)
JP (1) JP2002094181A (ko)
KR (1) KR100829874B1 (ko)
TW (1) TW504880B (ko)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101060132B1 (ko) * 2009-04-28 2011-08-29 (주)큐에스아이 레이저 다이오드의 구조

Families Citing this family (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TWI303909B (en) * 2002-11-25 2008-12-01 Nichia Corp Ridge waveguide semiconductor laser diode
WO2004059809A2 (en) * 2002-12-20 2004-07-15 Cree, Inc. Methods of forming semiconductor devices having self aligned semiconductor mesas and contact layers and related devices
JP3913194B2 (ja) * 2003-05-30 2007-05-09 シャープ株式会社 窒化物半導体発光素子
JP4326297B2 (ja) 2003-09-30 2009-09-02 シャープ株式会社 モノリシック多波長レーザ素子およびその製造方法
JP2006012899A (ja) * 2004-06-22 2006-01-12 Sharp Corp 半導体レーザ素子および半導体レーザ素子の製造方法
US7345309B2 (en) * 2004-08-31 2008-03-18 Lockheed Martin Corporation SiC metal semiconductor field-effect transistor
KR100710048B1 (ko) * 2004-12-14 2007-04-23 한국전자통신연구원 반도체 레이저 다이오드 및 그 제조방법
US7508857B2 (en) * 2004-12-14 2009-03-24 Electronics And Telecommunications Research Institute Semiconductor laser diode and method of manufacturing the same
JP5116960B2 (ja) * 2005-09-27 2013-01-09 古河電気工業株式会社 面発光レーザ素子およびレーザアレイ
US8995483B2 (en) * 2011-12-16 2015-03-31 Eos Photonics, Inc. Methods and apparatus for temperature tuning of semiconductor lasers
WO2014018776A1 (en) * 2012-07-26 2014-01-30 Massachusetts Institute Of Technology Photonic integrated circuits based on quantum cascade structures
JP7387604B2 (ja) * 2018-07-20 2023-11-28 ソニーセミコンダクタソリューションズ株式会社 半導体発光素子および半導体発光素子の製造方法

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5953357A (en) * 1996-08-30 1999-09-14 Sony Corporation Semiconductor laser
US6330263B1 (en) * 1998-05-06 2001-12-11 Sarnoff Corporation Laser diode having separated, highly-strained quantum wells
US6456640B1 (en) * 1998-01-26 2002-09-24 Sharp Kabushiki Kaisha Gallium nitride type semiconductor laser device

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH01187891A (ja) * 1988-01-22 1989-07-27 Canon Inc 半導体レーザおよびその製造方法
JP2706316B2 (ja) * 1989-05-19 1998-01-28 松下電器産業株式会社 半導体レーザ装置の製造方法
JP2863648B2 (ja) * 1991-04-16 1999-03-03 三菱電機株式会社 可視光半導体レーザ
JP3133579B2 (ja) * 1992-10-21 2001-02-13 三洋電機株式会社 半導体レーザ素子
JPH06268334A (ja) * 1993-03-16 1994-09-22 Mitsubishi Kasei Corp レーザーダイオード及びその製造方法
US5600667A (en) * 1993-04-05 1997-02-04 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Semiconductor laser device
JPH10233556A (ja) * 1997-02-20 1998-09-02 Mitsubishi Electric Corp リッジ型半導体レーザダイオードとその製造方法

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5953357A (en) * 1996-08-30 1999-09-14 Sony Corporation Semiconductor laser
US6456640B1 (en) * 1998-01-26 2002-09-24 Sharp Kabushiki Kaisha Gallium nitride type semiconductor laser device
US6330263B1 (en) * 1998-05-06 2001-12-11 Sarnoff Corporation Laser diode having separated, highly-strained quantum wells

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101060132B1 (ko) * 2009-04-28 2011-08-29 (주)큐에스아이 레이저 다이오드의 구조

Also Published As

Publication number Publication date
KR20020021600A (ko) 2002-03-21
US20020034204A1 (en) 2002-03-21
JP2002094181A (ja) 2002-03-29
US6647045B2 (en) 2003-11-11
TW504880B (en) 2002-10-01

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR100829874B1 (ko) 반도체 레이저 소자 및 그 제작 방법
US5656539A (en) Method of fabricating a semiconductor laser
JPH05243669A (ja) 半導体レーザ素子
US5065402A (en) Transverse-mode stabilized laser diode
US5394421A (en) Semiconductor laser device including a step electrode in a form of eaves
US20030026307A1 (en) Semiconductor laser and method for manufacturing the same
US5953358A (en) Semiconductor laser device
JPH11506273A (ja) 最高３０％のアルミニウムを含む半導体材料又はアルミニウムを含まない半導体材料から成る個別の閉じ込め層を有する放射放出半導体ダイオード
JPH11186665A (ja) 半導体発光素子
US6778573B2 (en) Fundamental-transverse-mode index-guided semiconductor laser device having upper optical waveguide layer thinner than lower optical waveguide layer
JPH0416032B2 (ko)
KR20010085668A (ko) 반도체 발광 장치의 제조 방법 및 반도체 발광 장치
JPH10335742A (ja) 半導体レーザ装置
JP2879875B2 (ja) 半導体レーザ素子およびその製造方法
JP2003060319A (ja) 窒化物系半導体レーザ素子
JP2009076602A (ja) 二波長半導体レーザ装置及びその製造方法
JP3387976B2 (ja) 半導体レーザ
JPH07106703A (ja) 半導体レーザおよびその製造方法
JPH10209553A (ja) 半導体レーザ素子
JP2004087564A (ja) 半導体レーザ素子及びその製造方法
JP2000286504A (ja) 窒化物半導体レーザ素子
KR100363240B1 (ko) 반도체 레이저 다이오드 및 그 제조방법
JP2833962B2 (ja) 半導体レーザおよびその製法
JP2938198B2 (ja) 半導体レーザ装置及びその製造方法
JP3795931B2 (ja) 半導体発光素子

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20110502

Year of fee payment: 4

LAPS Lapse due to unpaid annual fee