KR100874896B1 - 좁은　광퍼짐을　갖는　반도체 레이저 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 좁은　광퍼짐을　갖는　반도체 레이저가 개시된다. 본 발명의 실시예에 따른 반도체 레이저는, 기판, 기판 상에 형성된 하부 덮개층, 하부 덮개층 상에 형성된 하부 양자우물 활성층, 하부 양자우물 활성층 상에 형성된 중심 도파로층, 중심 도파로층 상에 형성된 상부 양자우물 활성층 및 상부 양자우물 활성층 상에 형성된 상부 덮개층을 포함한다. 이와 같이, 중심 도파로의　상부 및 하부에 양자우물　활성층을　배치하여　반도체 레이저내　광모드 폭을 넓히면서 상대적으로　높은　광구속 계수를　얻을 수 있고, 낮은　문턱전류를　가질 수 있다. 따라서,　반도체 레이저의　출력광폭을　줄이고,　반도체 레이저와　광섬유간의　광결합 효율을　증가시킬 수 있으며, 현미경　또는　마이크로　렌즈 없이 바이오　생체를　광여기시킬 수 있다.
반도체　레이저,　다이오드,　패키징,　출력광폭,　양자우물

Description

좁은　광퍼짐을　갖는　반도체 레이저{SEMICONDUCTOR LASER DIODE HAVING NARROW BEAM SPREADING}
도 1은　종래　SPIN(spread　index)　방법을 따르는 반도체 레이저의　구조를　보이는 개략도.
도 2는　종래의　약화된 광도파로(Diluted　waveguide)　방법을　따르는 반도체 레이저의 구조를 보이는 개략도.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 반도체 레이저의 구조를 보이는 개략도.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 반도체 레이저의 양자우물 활성층과 중심 도파로층의 에너지 밴드갭 및 굴절율을 보이는 그래프.
도 5는 본　발명의　다른 실시예에 따른 반도체 레이저의 구조를 보이는 단면도.
도 6은 도 5에 보인 반도체 레이저의 GaAs　도파로층　두께에　따른　반도체 레이저 내의　광모드폭과　광구속 계수와의　관계를　보이는 그래프.
도 7은 도 5에 보인 반도체 레이저 내의　시뮬레이션으로 얻어진 광모드의　분포　및　굴절율을　보이는 그래프.
도 8은 도 5에 보인 반도체 레이저의 시뮬레이션으로 얻어진 AlxGa1 - xAs　덮개 층　조성(x)에 따른 출력광의 변화를 보이는 그래프.
도 9a 내지 도 9c는 본 발명의 다른 실시예에 따른 반도체 레이저의 구성을 보이는 개략도.
<도면의　주요　부분에　대한　부호의　설명>
30: 기판 31a, 31b: 덮개층(cladding layer)
32a, 32b: 양자우물 활성층 33: 중심 도파로층
본 발명은 반도체 광소자 분야에 관한 것으로, 특히 좁은　광퍼짐을　갖는　반도체 레이저에 관한 것이다.
종래 반도체 레이저의 출력광은 매우　비대칭적이고　상당히　넓은　각도로　퍼진다. 이에 따라, 반도체 레이저와 단일 모드 광섬유의 모드가 일치하지 않아 단일　모드　광섬유와　반도체 레이저 사이에는　수dB 정도의　광결합 손실이　존재한다.　
광섬유와　반도체 레이저간의　광결합 효율을　높이기 위해　마이크로　렌즈를　사용하거나, 광섬유의　끝을　렌즈 모양으로　가공하는　방법　등이　개발되었다. 반도체 레이저에서 출력되는 광의 확산이 커서,　렌즈의　수차 또는　상전면(phase　front)이　왜곡되는　단점이 있다. 이와 같은 종래 광결합 효율 향상 방법은　결국　광결합 손실을　줄일 수는 있으나, 고가의 정밀한　광정렬 장치가　필요하며　상대적으로　긴　광정렬　시간을　소비한다.　이러한 문제를 해결하기 위해, 반도체레이저　출력광의　퍼짐　 정도를　줄이고,　대칭적인 출력광을 얻기 위한 연구가 진행되고 있다.
일반적으로　반도체　레이저의　출력광은　약3:1의　　비율을　가지는　타원형이다(출력광폭:　40도　이상). 타원형의 반도체 레이저 출력광이　좁은　각도로　퍼지는　원형이 되도록 하기 위해, 반도체 레이저 내에서의　광모드를　넓게　설계하는　방법과　모드 변환부(mode　converter, taper)를　사용하는　방법이 있다.
모드 변환부를　이용하는　방법은　소자　자체의　특성을　최대로 살리면서 변환부를 이용하여 출력광의　형태를　바꾸는　것이므로,　소자의　특성은　매우　좋으나　제작상에　어려움이 많다. 반면에, 넓은　광모드　방법은　반도체 레이저 내의　광모드의　분포가　양자우물　활성층　영역과　겹치는　부분이　좁으므로　레이저의　동작　성능에　제한을　받을　수는　있으나　직관적이고　제작하기에　용이하여　종래 이용되고 있는 방법 중 가장　경제적인　광결합　방법이라　할　수　있다.
도 1을 참조하면, 넓은　광모드 방법의 하나인 SPIN　(spread　index)　방법에 따라 형성된　반도체 레이저는 제1 파장의 광을 방출하는 양자우물 활성층(quantum well active layer)(14), 양자우물 활성층을 둘러싸는 중심 도파로층(core layer)(13a, 13b), 도파로 덮개층(cladding layer)(11a, 11b, 11c, 11d), 도파로 덮개층(cladding layer)(11a, 11b, 11c, 11d) 사이에 형성되어 도파로 덮개층 보다 굴절율이 높은 전기장 강화층(12a, 12b)를 포함한다. 도 1에서 미설명 도면부호 '15'는 전기적 금속접촉층(contact metal layer)를 나타내고, '16'은 n형 불순물이 강하게 도핑된 상부 낮은 밴드갭층을 나타낸다.
이와 같이, 넓은 SPIN 방법을 따르는 반도체 레이저는 중앙에　자리잡은　높은 　굴절율의　중심 도파로층(13a, 13b) 외에　덮개층(cladding layer)　영역에　부가적으로　굴절율이 높은 전기장 강화층(12a, 12b)를 구비하여, 광모드가　넓게　퍼지도록 한다.　이　방법에 따라 제조된 반도체 레이저로부터　15.2도의　매우　양호한　출력광폭을　얻을 수 있다. 그러나, SPIN 방법에 따른 반도체 레이저 제작 방법은 제작　오차가　매우　커　대량　생산에는　부적절하다.
도 2를 참조하면, 넓은　광모드 방법의 하나인 약화된 도파로(Diluted　waveguide)　방법에 따르는 반도체 레이저는 양자우물 활성층(22), 활성층(22)을 둘러싸는 가변굴절율 덮개층(graded cladding layer)(23)을 포함한다. 도 2에서 미설명 도면부호 '15'는 n형 불순물이 강하게 도핑된 상부 낮은 밴드갭층을 나타내고, '16'은 전기적 금속접촉층을 나타낸다.
약화된 도파로 방법에 따르는 반도체 레이저는 광모드의　폭을　넓게　만들기　위하여　양자우물　활성층(22)과 주변의　덮개층(23) 사이의 굴절율 차이를　매우　낮게　제작한다. 이를 위해, 덮개층(23)의 굴절율을 선형적으로　변화시킨다.　이러한　방법을 이용함에 따라,　18도　이하의　양호한　출력광폭을 갖는 반도체 레이저를 제작할 수　있고,　제작　오차가 낮아　대량생산의　가능성이 있다. 그러나, 약화된 도파로 방법에 따라 제작된 반도체 레이저는 SPIN 방법에 따라 제작된 반도체 레이저 보다　양자효율,　문턱 전류치　등의　전기적　특성에서　열등하다.
이에 따라, 전기적　특성이 우수하고 출력광의 퍼짐이 적으며,　제작오차가 적은 구조를 갖는 반도체 레이저가 필요하다.
본 발명은 좁은　광퍼짐을　갖는　반도체 레이저를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 실시예에 따른 반도체 레이저는, 기판; 상기 기판 상에 형성된 하부 덮개층; 상기 하부 덮개층 상에 형성된 하부 양자우물 활성층; 상기 하부 양자우물 활성층 상에 형성된 중심 도파로층; 상기 중심 도파로층 상에 형성된 상부 양자우물 활성층; 및 상기 상부 양자우물 활성층 상에 형성된 상부 덮개층을 포함한다.
이하,　첨부된　도면을　참조하여　본　발명의　바람직한　실시예에　대하여　상세하게　설명한다.
도 3에 보인 바와 같이 본　발명의 실시예에 따른 반도체 레이저는, 기판(30), 기판 상에 형성된 하부 덮개층(31a), 하부 덮개층(31a) 상에 형성된 하부 양자우물 활성층(32a), 하부 양자우물 활성층(32a) 상에 형성된 중심 도파로층(33), 중심 도파로층(33) 상에 형성된 상부 양자우물 활성층(32b), 상부 양자우물 활성층(32b) 상에 형성된 상부 덮개층(31b)을 포함한다. 또한, 본　발명의 실시예에 따른 반도체 레이저는 상부 덮개층(31b) 상에 형성된 n형 불순물이 강하게 도핑된 상부 낮은 밴드갭층(34)과 전기적 금속접촉층(35)을 더 포함한다. 중심 도파로층(33)의　굴절율은　하부　및　상부　덮개층(31a, 31b)의　굴절율보다　높고,　하부 및 상부 양자우물　활성층(32a, 32b)의　굴절율　보다　낮다.　중심 도파로층(33)의　두께는 50 nm 내지 100 nm이다. 이와 같이, 양자우물 활성층(32a, 32b)이　중심 도파로층(33)을 둘러싸도록 형성하여 반도체 레이저의　광학적　특성과　전기적　특성을　분리 시킨다.
도 4를 참조하면,　중심 도파로층(33)은　덮개층(31a, 31b) 보다　높은　굴절율(낮은　밴드갭)을　가지며,　양자우물　활성층(32a, 32b)은 중심 도파로층(33) 보다　높은　굴절율(낮은　밴드갭)을　가진다.
중심 도파로층(33) 상, 하부의 양자우물 활성층(32a, 32b) 간의　거리,　즉　중심 도파로층(33)의　두께는　반도체 레이저를　제작하기 위해　사용된　물질의　굴절율에　따라　결정된다.　
도 5를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따라　980 nm　중심파장의 광을 출력하는　InGaAs/GaAs　/AlGaAs　반도체　레이저를 제작하기 위해, 기판(30)으로서 n형 GaAs 기판을 이용하고, 하부 및 상부 덮개층(31a, 31b)을 1 ㎛ 두께의 n형 AlxGa1-xAs로 구현하고, 하부 및 상부 양자우물 활성층(32a)을 8 nm 두께의 비도핑 In0.2Ga0.8As로 형성하고, 중심 도파로층(33)을 50 nm 두께의 비도핑 GaAs로 형성한다. 한편, 본 발명의 다른 실시예에 따라, 반도체 레이저는 하부 덮개층(31a)과 하부 양자우물 활성층(32a) 사이 및 상부 양자우물 활성층(32b)과 하부 덮개층(31b) 사이에 각각 25 nm 두께의 비도핑 AlxGa1 - xAs층(36a, 36b)를 더 포함할 수 있다. 비도핑 AlxGa1 - xAs층(36a, 36b)은 양자 우물층(32a, 32b) 보다 밴드갭이 크고 덮개층(31a, 31b) 보다 밴드갭이 작은 선형 또는 계단형의 중간 밴드갭층으로 역할한다. 또는, 비도핑 AlxGa1-xAs층(36a, 36b)은 덮개층(31a, 31b) 보다 밴드갭이 큰 누 설방지층으로서 역할한다. 본 발명의 실시예에서, Al의 조성을 나타내는 x는 0.1이다.
종래　반도체 레이저　구조에서는　양자우물　활성층이　중심　도파로층의 중앙에　위치하므로,　반도체 레이저 내의　광모드　폭과　광구속 계수가　한쪽이　최대일　때　한쪽이　최소가　되는　상호　상반되는　관계(trade-off)가　있다. 그러나, 본 발명의 실시예에 따른 반도체 레이저의　구조는　양자우물 활성층이 중심 도파로층을 둘러싸기 때문에 도 6에 보인 바와 같이 반도체 레이저 내의　광모드 폭과　광구속 계수가　상호　상반되는　관계(trade-off)를 갖지 않는다.　양자우물　활성층이　중심　도파로층의 중앙에 위치하는 종래 반도체 레이저가 최소의　출력광폭을　갖도록 즉, 반도체 레이저 내에서 최대의　　광모드폭을 갖도록 제작될 경우, 최소의 광구속 계수의　값이　얻어지므로,　문턱전류값등　반도체레이저의　전기적　특성이　열등하다.　
도 5에 보인 반도체 레이저를 제조한 경우의 시뮬레이션 결과를 보이는 도 6을 참조하면, 반도체 레이저의　중심 도파로층(33)은 광구속 계수가　증가함에　따라　광모드의　폭이　감소하는　영역(A)(150 nm 이하 두께), 광구속 계수가　최대　값이　되나　광모드의　폭은　계속　감소하는　영역(B)(150nm 내지 300 nm 두께), 광구속 계수가　감소하며　광모드는　일정한　값을　보이는　영역(C)(300 nm 이상 두께)을 갖는다. 따라서,　광구속 계수는 증가하면서 광모드 폭은 감소하도록 도파로층(33)을 150 nm 이하의 두께로 형성함으로써, 전기적 특성의 향상과 광폭　감소의 두 가지　서로　상반되는　특성을　동시에　갖는　이상적인　반도체 레이저를 제작할 수 있다. 다시 말하면, 광구속 계수를 감소시키지 않으면서 즉, 전기적　특성이 저하되지 않으면서도　 넓은　광모드폭(좁은　출력광폭)를 얻을 수 있다.
도 7은 도 5에 보인 반도체 레이저 내의　시뮬레이션으로 얻어진 광모드의　분포　및　굴절율을　보이는 그래프이다. 도 8은 도 5에 보인 반도체 레이저의 시뮬레이션으로 얻어진 AlxGa1-xAs　덮개층　조성(x)에 따른 출력광의 변화를 보이는 그래프로서, Al의 조성 x가 0.9, 1.0, 1.1일 때 출력광폭이 각각 11.1도, 11.5, 16.7이 됨을 보인다. 도 8의 결과로써,　정상 제작시 약 11도의　매우　우수한　출력광폭을　기대할 수　있으며, ±10%의　극단적인　제작오차의　경우에도 출력광폭이　약16도　이하에 불과함을 알 수 있다. 이러한 결과는,종래　SPIN 및 약화된 광도파로　방법으로는　얻어질 수 없는　출력광폭이며,　제작공정이　복잡한　모드변환방법을 이용할 경우 가능한　값이다.
이하, 도 9a 내지 도 9c를 참조하여 본 발명의 다른 실시예를 설명한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 반도체 레이저는, 전자 또는 정공의 흐름을 돕기 위해 상부　양자우물 활성층의 상부 및 하부 양자우물 활성층의 하부 중 적어도 하나에　상부 및 하부 양자우물 활성층 보다 밴드갭이 크고 덮개층 보다 밴드갭이 작은 중간 밴드갭층을 더 포함한다. 중간 밴드갭층은 계단형 또는 선형이다. 예컨대, 도 9a에 보인 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 반도체 레이저는 상부　양자우물 활성층(32b)의 상부에 형성된 계단형 또는 선형 중간 밴드갭층(37a)과 하부 양자우물 활성층(32a)의 하부에 계단형 또는 선형 중간 밴드갭층(37a)을 더 포함한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 반도체 레이저는, 중심 도파로층 내에 중심 도파로층 보다 밴드갭이 큰 부가층을 더 포함한다. 예컨대, 도 9b에 보인 바와 같이,　중심　도파로층(33) 내에　중심 도파로층(33) 보다　높은　밴드갭을 갖는 부가층(33A)을 형성하여　양자우물 활성층(32a, 32b) 내　전자 또는　정공의　수명(lifetime)을　증가시켜　반도체 레이저의　전기적 특성을　향상시킨다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 반도체 레이저는, 양자우물 활성층의 상부 및 하부 양자우물 활성층의 하부 중 적어도 하나에　누설방지층을 더 포함한다. 예컨대, 도 9c에 보인 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 반도체 레이저는 상부　양자우물 활성층(32b)의 상부 또는 하부 양자우물 활성층(32a)의 하부에 덮개층(31a, 31b) 보다 밴드갭이 큰 즉, 굴절율이 작은 누설방지층(38a, 38b)을 더 포함하여 전자 또는 정공의 누설을 방지한다.
상술한 실시예들은 본 발명의 원리를 응용한 다양한 실시예의 일부를 나타낸 것에 지나지 않음을 이해해야 한다. 본 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 본질로부터 벗어남이 없이 여러 가지 변형이 가능함을 명백히 알 수 있을 것이다.
전술한 바와 같이 이루어지는 본 발명은, 중심 도파로의　상부 및 하부에 양자우물　활성층을　배치하여　반도체 레이저내　광모드 폭을 넓히면서 상대적으로　높은　광구속 계수를　얻을 수 있다. 이에 따라, 낮은　문턱전류를　가질 수 있다. 따라서,　반도체 레이저의　출력광폭을　줄이고,　반도체 레이저와　광섬유간의　광결합 효율 을　증가시킬 수 있으며, 현미경　또는　마이크로　렌즈 없이 바이오　생체를　광여기시킬 수 있다.
또한, 종래의 약화된 광도파로 방법에　비하여,　높은　밴드갭 차의　덮개층을　사용함으로서　주입된　전하가　활성층　내에서　쉽게　빠져나가지　못하게　만들어　누설전류에　의한　소자　가열현상을　방지할 수 있다.
또한, 　반도체 레이저 내　광모드가　넓게　퍼지면서　광구속계수가　높으므로,　고출력 동작시　급속광학파괴(catastrophic　optical　damage)에　강하며　양자효율이　높은　이상적인　고출력 레이저를 설계할 수 있다.

Claims (6)

  1. 기판;
    상기 기판 상에 형성된 하부 덮개층;
    상기 하부 덮개층 상에 형성된 하부 양자우물 활성층;
    상기 하부 양자우물 활성층 상에 형성된 중심 도파로층;
    상기 중심 도파로층 상에 형성된 상부 양자우물 활성층; 및
    상기 상부 양자우물 활성층 상에 형성된 상부 덮개층을 포함하되,
    상기 중심 도파로층의　굴절율은　상기 하부　및　상부　덮개층의　굴절율보다　높고,　상기 하부 및 상부 양자우물　활성층의　굴절율　보다　낮고,
    상기 중심 도파로층 내에 상기 중심 도파로층 보다 밴드갭이 큰 부가층을 더 포함하는, 반도체 레이저.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 중심 도파로층의　두께는 50 nm 내지 100 nm인, 반도체 레이저.
  4. 삭제
  5. 제1항 또는 제3항에 있어서,
    상기 상부　양자우물 활성층의 상부 및 상기 하부 양자우물 활성층의 하부 중 적어도 하나에　상기 상부 및 하부 양자우물 활성층 보다 밴드갭이 크고 상기 상부 및 하부 덮개층 보다 밴드갭이 작은 중간 밴드갭층을 더 포함하는, 반도체 레이저.
  6. 제1항 또는 제3항에 있어서,
    상기 상부 양자우물 활성층의 상부 및 하부 양자우물 활성층의 하부 중 적어도 하나에　상기 상부 및 하부 덮개층 보다 밴드갭이 큰 누설방지층을 더 포함하는, 반도체 레이저.
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JPS59181587A (ja) 1983-03-31 1984-10-16 Fujitsu Ltd 半導体レーザ素子の製造方法

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