KR100896370B1 - Nitrides semiconductor laser diode - Google Patents

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Abstract

본 발명은 질화물 반도체 레이저 다이오드에 관한 것으로, 리지의 측면에 각기 다른 굴절률을 갖고, λ/4ni(λ : 방출되는 광의 파장, ni : 유전막 각각의 굴절률)의 두께를 갖는 둘 이상의 유전막들을 적층시켜, 미러(Mirror)의 역할을 수행하는 HR 코팅(High-Reflection mirror facet coating)막으로 형성함으로써, 광의 측면구속(Lateral Confinement)을 향상시키고, 이와 동시에 광 이득(Optical Gain)을 향상시키게 되는 효과가 발생된다.The present invention relates to a nitride semiconductor laser diode, comprising: stacking two or more dielectric films having different refractive indices on the side of a ridge and having a thickness of λ / 4n i (λ: wavelength of emitted light, n i : refractive index of each dielectric film) By forming a high-reflection mirror facet coating film that acts as a mirror, thereby improving the latent confinement of the light and at the same time improving the optical gain. Is generated.

더불어, 본 발명의 질화물 반도체 레이저 다이오드는 광의 측면구속의 향상으로 방사각의 비 특성도 향상시키게 되고, 광 이득이 향상되어 낮은 문턱전압과 높은 외부양자효율을 얻을 수 있는 효과도 발생한다.In addition, the nitride semiconductor laser diode of the present invention also improves the specific characteristics of the radiation angle by improving the side confinement of the light, and the optical gain is improved, resulting in a low threshold voltage and a high external quantum efficiency.

질화물, 반도체, 레이저, 다이오드, 유전막, 미러, HR, 방사각 Nitride, Semiconductor, Laser, Diode, Dielectric, Mirror, HR, Radial Angle

Description

질화물 반도체 레이저 다이오드{ Nitrides semiconductor laser diode }Nitrides semiconductor laser diode

도 1은 일반적인 질화물 반도체 레이저 다이오드의 단면도이다.1 is a cross-sectional view of a typical nitride semiconductor laser diode.

도 2는 본 발명에 따른 질화물 반도체 레이저 다이오드의 단면도이다. 2 is a cross-sectional view of a nitride semiconductor laser diode according to the present invention.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>

10 : n 질화물 반도체 기판 11 : n 클래드층10: n nitride semiconductor substrate 11: n clad layer

12 : n 웨이브 가이드층 13 : 활성층12 n wave guide layer 13 active layer

14 : 전자방지층 15 : p 웨이브 가이드층14: electron blocking layer 15: p wave guide layer

16 : p 클래드층 17 : p 캡층16: p clad layer 17: p cap layer

18 : 유전막 19 : 투명전극18 dielectric film 19 transparent electrode

20 : p 전극 21 : n 전극20: p electrode 21: n electrode

본 발명은 질화물 반도체 레이저 다이오드에 관한 것으로, 보다 상세하게는 리지의 측면에 각기 다른 굴절률을 갖고, 미러(Mirror) 기능을 수행하는 둘 이상의 유전막들을 적층시켜, 광의 측면구속(Lateral Confinement)을 향상시키고 광 이득(Optical Gain)을 향상시켜, 더불어 방사각의 비 특성을 향상시키고 낮은 문턱 전압과 높은 외부양자효율을 얻을 수 있는 질화물 반도체 레이저 다이오드에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a nitride semiconductor laser diode, and more particularly, to stack two or more dielectric films having different refractive indices on the side of a ridge and performing a mirror function to improve side confinement of light. The present invention relates to a nitride semiconductor laser diode capable of improving optical gain, improving specific ratio of radiation angle, and obtaining low threshold voltage and high external quantum efficiency.

최근, Ⅲ-Ⅴ족 질화물 반도체 물질을 이용한 발광 다이오드와 레이저 다이오드 제조 기술의 발전으로, 자외선, 청색, 녹색 등의 발광 소자 및 청자색 레이저 다이오드가 개발되어 상용화되고 있다.Recently, with the development of light emitting diodes and laser diode manufacturing techniques using III-V nitride semiconductor materials, light emitting devices such as ultraviolet light, blue, green, and blue violet laser diodes have been developed and commercialized.

특히, 질화물 반도체 레이저 다이오드는 대용량 정보저장 장치와 칼라 프린터의 요구에 의해 개발되어 시판되고 있으며, 이러한 대용량 정보저장 장치와 칼라 프린터에 응용하기 위한 질화물 반도체 레이저 다이오드는 낮은 문턱 전류(Threshold Current, Ith)와 높은 외부양자효율(External Quantum Efficiency,

Figure 112002029252343-pat00001
)과 더불어, 긴 수명(Long lifetime)이 요구된다.In particular, nitride semiconductor laser diodes are developed and marketed by the demands of a large capacity data storage device and a color printer, and nitride semiconductor laser diodes for application to such a large capacity data storage device and a color printer have a low threshold current (I th). ) And high external quantum efficiency
Figure 112002029252343-pat00001
In addition, a long lifetime is required.

이와 더불어, 광학 헤드(Optical Head)등의 광학계에서 광출력의 손실을 방지하기 위하여 파 필드 패턴(FFP; Far-Field Pattern)의 에피택셜 층(Epitaxial Layers)과 광 출력의 수직방향과 수평방향의 비율인 방사각의 비(Aspect Ratio)를 1에 가깝게 하여야 한다.In addition, in order to prevent loss of light output in an optical system such as an optical head, the epitaxial layers of the far-field pattern (FFP) and the vertical and horizontal directions of the light output The ratio of the radial angle, which is the ratio, should be close to one.

도 1은 일반적인 질화물 반도체 레이저 다이오드의 단면도로써, n 질화물 반도체 기판(10)의 상부에 n 클래드층(11), n 웨이브 가이드층(12), 활성층(13), 전자방지층(EBL, Electron Blocking Layer)(14)과 p 웨이브 가이드층(15)이 순차적으로 형성되어 있다.1 is a cross-sectional view of a general nitride semiconductor laser diode, and includes an n clad layer 11, an n wave guide layer 12, an active layer 13, and an electron blocking layer (EBL) on an n nitride semiconductor substrate 10. 14 and the p wave guide layer 15 are sequentially formed.

그리고, 상기 p 웨이브 가이드층(15)의 상부에 리지(Ridge)구조가 형성되고, 리지 구조는 상기 p 웨이브 가이드층(15)의 상부에 식각되어 형성된 p 클래드층(16)과 그 p 클래드층(16) 상부에 형성된 p 캡층(17)으로 이루어져 있다.A ridge structure is formed on the p wave guide layer 15, and the ridge structure is formed by etching the p clad layer 16 and the p clad layer formed on the p wave guide layer 15. (16) It consists of the p cap layer 17 formed in the upper part.

상기 식각되어 노출된 p 클래드층(16)의 상부(즉, 리지 구조의 양측)에는 유전막(18)이 형성되어 있고, 상기 p 캡층(16)의 상부에는 투명전극(19)이 형성되어 있다.The dielectric layer 18 is formed on the etched and exposed p-clad layer 16 (ie, both sides of the ridge structure), and the transparent electrode 19 is formed on the p-cap layer 16.

더불어, 상기 투명전극(19)을 감싸고 상기 유전막(18)의 상부에는 p 전극(20)이 형성되고, 상기 n 질화물 반도체 기판(10)의 하부에는 n 전극(21)이 형성되어 있다.In addition, a p electrode 20 is formed on the transparent electrode 19, and an upper portion of the dielectric layer 18 is formed, and an n electrode 21 is formed below the n nitride semiconductor substrate 10.

이렇게 구성된 질화물 반도체 레이저 다이오드에서는 n 전극과 p 전극 사이에 전압이 인가되면, 활성층에서 광이 발생되고, 활성층에서 발생된 광은 반도체 레이저 다이오드의 측면으로 통하여 외부로 방출된다.In the nitride semiconductor laser diode configured as described above, when a voltage is applied between the n electrode and the p electrode, light is generated in the active layer, and light generated in the active layer is emitted to the outside through the side of the semiconductor laser diode.

한편, 전술된 리지(Ridge)의 폭과 다중 양자우물(MQW, Multi Quantum Well)에서 식각된 면까지의 거리인 잔존 두께(RT, Residual Thickness)를 줄여, 문턱전류, 외부양자효율과 방사각의 비를 개선시키려는 연구가 진행되었었다.On the other hand, by reducing the width of the ridge (Ridge) and the residual thickness (RT), which is the distance from the multi quantum well (MQW, Multi Quantum Well) to the etched surface, the threshold current, external quantum efficiency and radiation angle Research has been conducted to improve rain.

그런데, 리지의 폭과 잔존 두께가 줄어들게 되면, 킹크(Kink)(인가되는 전류(I)의 크기에 따른 광 출력(L)을 나타내는 L-I 커브 상에서 전류의 증가함에 따라 광 출력이 직선적으로 증가하다가 어느 시점에서 감소하는 현상)가 발생되고, 특히, 고출력 반도체 레이저 다이오드 구조에서는 킹크가 더 심각하게 발생되어, 리지의 폭과 잔존 두께는 적당하게 줄여서 소자를 제조하였다.However, when the width of the ridge and the remaining thickness decrease, the light output increases linearly as the current increases on the LI curve representing the kink (light output L according to the magnitude of the applied current I). At this point, a decrease occurs), in particular, in the high power semiconductor laser diode structure, the kink is more seriously produced, and the width and the remaining thickness of the ridge are appropriately reduced to manufacture the device.

따라서, 리지를 갖는 질화물 반도체 레이저 다이오드에서는 킹크의 발생으로 문턱전류와 외부양자효율의 특성을 향상시킬 수 없는 문제점이 있었다.Therefore, in the nitride semiconductor laser diode having a ridge, there is a problem that the characteristics of the threshold current and the external quantum efficiency cannot be improved due to the generation of kink.

이에 본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 리지의 측면에 각기 다른 굴절률을 갖고, λ/4ni(λ : 방출되는 광의 파장, ni : 유전막 각각의 굴절률)의 두께를 갖는 둘 이상의 유전막들을 적층시켜, 적층 유전막의 유효 굴절률을 제어함으로써, 광의 측면구속(Lateral Confinement)을 향상시키고 광 이득(Optical Gain)을 향상시켜, 더불어 방사각의 비 특성을 향상시키고 낮은 문턱전압과 높은 외부양자효율을 얻을 수 있는 질화물 반도체 레이저 다이오드를 제공하는 데 그 목적이 있다.Accordingly, the present invention has been made to solve the problems described above, has a different refractive index on the side of the ridge, and the thickness of λ / 4n i (λ: wavelength of the emitted light, n i : refractive index of each dielectric film) By stacking two or more dielectric films, the effective refractive index of the laminated dielectric film is controlled, thereby improving the Lateral Confinement of the light and improving the Optical Gain, which also improves the ratio of radiation angle and lower threshold voltage. An object of the present invention is to provide a nitride semiconductor laser diode capable of obtaining high external quantum efficiency.

상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 바람직한 양태(樣態)는, n형 질화물 반도체 적층막과 p형 질화물 반도체 적층막 사이에 다중 양자 우물층이 형성되고, 상기 p형 질화물 반도체 적층막은 일부가 식각되어 리지 형상의 p클래드층이 형성되고, 상기 리지 형상의 p클래드층 양측에 유전막이 형성되며, 상기 n형 질화물 반도체 적층막과 p형 질화물 반도체 적층막 사이에 전류가 공급되어 상기 다중 양자 우물층에서 광이 방출되는 질화물 반도체 레이저 다이오드에 있어서,According to a preferred aspect of the present invention, a multi-quantum well layer is formed between an n-type nitride semiconductor laminate film and a p-type nitride semiconductor laminate film, and the p-type nitride semiconductor laminate film is partially formed. It is etched to form a ridge-type p clad layer, a dielectric film is formed on both sides of the ridge-type p clad layer, and a current is supplied between the n-type nitride semiconductor layer and the p-type nitride semiconductor layer to provide the multi-quantum well. In a nitride semiconductor laser diode in which light is emitted from a layer,

상기 유전막은 각기 다른 굴절률을 갖고, λ/4ni(λ : 방출되는 광의 파장, ni : 유전막 각각의 굴절률)의 두께를 갖는 적어도 둘 이상의 적층 유전막인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 레이저 다이오드가 제공된다.The dielectric film has at least two laminated dielectric films having different refractive indices and having a thickness of λ / 4n i (λ: wavelength of emitted light, n i : refractive index of each dielectric film). .

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하면 다음 과 같다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.

도 2는 본 발명에 따른 질화물 반도체 레이저 다이오드의 단면도로써, n 질화물 반도체 기판(10)의 상부에 n 클래드층(11), n 웨이브 가이드층(12), 활성층(13), 전자 방지층(EBL, Electron Blocking Layer)(14)과 p 웨이브 가이드층(15)이 순차적으로 형성되어 있다.2 is a cross-sectional view of a nitride semiconductor laser diode according to the present invention, in which an n cladding layer 11, an n wave guide layer 12, an active layer 13, an electron blocking layer (EBL) are formed on an n nitride semiconductor substrate 10. Electron Blocking Layer 14 and the p wave guide layer 15 are sequentially formed.

그리고, 상기 p 웨이브 가이드층(15)의 상부에 리지(Ridge)구조가 형성되고, 리지 구조는 상기 p 웨이브 가이드층(15)의 상부에 식각되어 형성된 p 클래드층(16)과 그 p 클래드층(16) 상부에 형성된 p 캡층(17)으로 이루어져 있다.A ridge structure is formed on the p wave guide layer 15, and the ridge structure is formed by etching the p clad layer 16 and the p clad layer formed on the p wave guide layer 15. (16) It consists of the p cap layer 17 formed in the upper part.

상기 식각되어 노출된 p 클래드층(16)의 상부(즉, 리지 구조의 양측)에는 제 1 유전막(18a)과 제 2 유전막(18b)을 적층시킨 적층 유전막(18)이 형성되어 있고, 상기 p 캡층(16)의 상부에는 투명전극(19)이 형성되어 있다.A stacked dielectric layer 18 having a first dielectric layer 18a and a second dielectric layer 18b laminated thereon is formed on the etched and exposed p-clad layer 16 (ie, both sides of the ridge structure). The transparent electrode 19 is formed on the cap layer 16.

더불어, 상기 투명전극(19)을 감싸고 상기 적층 유전막(18)의 상부에는 p 전극(20)이 형성되고, 상기 n 질화물 반도체 기판(10)의 하부에는 n 전극(21)이 형성되어 있다.In addition, the p electrode 20 is formed on the transparent electrode 19 and the upper portion of the multilayer dielectric film 18, and the n electrode 21 is formed below the n nitride semiconductor substrate 10.

여기서, 상기 n 질화물 반도체 기판(10), n 클래드층(11)과 n 웨이브 가이드층(12)인 n형 질화물 반도체 적층막과; 상기 p 웨이브 가이드층(15), p 클래드층(16)과 캡층(17)인 p형 질화물 반도체 적층막은 InGaN, GaN과 AlGaN 중 선택된 어느 하나를 적용하여 형성해도 무방하다.An n-type nitride semiconductor laminate film which is the n-nitride semiconductor substrate 10, the n-clad layer 11, and the n-wave guide layer 12; The p-type nitride semiconductor laminate film, which is the p-wave guide layer 15, the p-clad layer 16 and the cap layer 17, may be formed by applying any one selected from InGaN, GaN and AlGaN.

그리고, 상기 적층 유전막(18)은 각각 굴절률(ni)이 다른 SiO2(n1=1.45~1.46), MgO(n2=1.7), TiO2(n3=1.9)와 ZrO2(n4=1.97)들을 적어도 둘 이상 선택하여 적층시킨 유전막은 λ/4ni(λ : 방출되는 광의 파장, ni : 유전막 각각의 굴절률)의 두께를 갖도록 하여 적층시켜, 고반사 거울면 코팅(High-Reflection mirror facet coating)막(이하 'HR 코팅막'이라 칭함.)을 형성한다.In addition, each of the multilayer dielectric films 18 has SiO 2 (n 1 = 1.45 to 1.46), MgO (n 2 = 1.7), TiO 2 (n 3 = 1.9), and ZrO 2 (n 4 ) having different refractive indices (n i ). = 1.97) at least two or more dielectric layers are laminated to have a thickness of λ / 4n i (λ: wavelength of emitted light, n i : refractive index of each dielectric film), and the high reflection mirror surface coating (High-Reflection) mirror facet coating) film (hereinafter referred to as HR coating film).

이렇게 적층 유전막(18)을 HR 코팅막으로 형성하면, 적층 유전막(18)이 미러(Mirror)의 역할을 수행하여 광의 측면구속(Lateral Confinement)을 향상시키고, 이와 동시에 광 이득(Optical Gain)을 향상시키게 된다.When the laminated dielectric film 18 is formed as an HR coating film, the laminated dielectric film 18 serves as a mirror to improve the side confinement of the light and at the same time improve the optical gain. do.

따라서, 본 발명의 질화물 반도체 레이저 다이오드는 광의 측면구속의 향상으로 방사각의 비 특성도 향상시키게 되고, 광 이득이 향상되어 낮은 문턱전압과 높은 외부양자효율을 얻게된다.Therefore, the nitride semiconductor laser diode of the present invention improves the specific characteristic of the radiation angle by improving the side confinement of the light, and the optical gain is improved to obtain low threshold voltage and high external quantum efficiency.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명은 리지의 측면에 각기 다른 굴절률을 갖고, λ/4ni(λ : 방출되는 광의 파장, ni : 유전막 각각의 굴절률)의 두께를 갖는 둘 이상의 유전막들을 적층시켜, 적층 유전막의 유효 굴절률을 제어함으로써, 광의 측면구속(Lateral Confinement)을 향상시키고 광 이득(Optical Gain)을 향상시켜, 더불어 방사각의 비 특성을 향상시키고 낮은 문턱전압과 높은 외부양자효율을 얻을 수 있는 효과가 있다.As described in detail above, the present invention stacks two or more dielectric films having different refractive indices on the side of the ridge and having a thickness of λ / 4n i (λ: wavelength of emitted light, n i : refractive index of each dielectric film), By controlling the effective refractive index of the multilayer dielectric film, it is possible to improve the Lateral Confinement of the light and the optical gain, and to improve the specific characteristics of the radiation angle, and to obtain a low threshold voltage and high external quantum efficiency. It works.

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.

Claims (3)

n형 질화물 반도체 적층막과 p형 질화물 반도체 적층막 사이에 다중 양자 우물층이 형성되고, 상기 p형 질화물 반도체 적층막은 일부가 식각되어 리지 형상의 p클래드층이 형성되고, 상기 리지 형상의 p클래드층 양측에 유전막이 형성되며, 상기 n형 질화물 반도체 적층막과 p형 질화물 반도체 적층막 사이에 전류가 공급되어 상기 다중 양자 우물층에서 광이 방출되는 질화물 반도체 레이저 다이오드에 있어서,A multi-quantum well layer is formed between the n-type nitride semiconductor laminate film and the p-type nitride semiconductor laminate film, and a portion of the p-type nitride semiconductor laminate film is etched to form a ridge-type p clad layer, and the ridge-type p clad In a nitride semiconductor laser diode in which a dielectric film is formed on both sides of the layer, and a current is supplied between the n-type nitride semiconductor laminate film and the p-type nitride semiconductor laminate film to emit light from the multi-quantum well layer. 상기 유전막은 각기 다른 굴절률을 갖고, λ/4ni(λ : 방출되는 광의 파장, ni : 유전막 각각의 굴절률)의 두께를 갖는 둘 이상의 유전막들이 적층된 적층 유전막인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 레이저 다이오드.The dielectric film is a nitride semiconductor laser diode having a different refractive index and a laminated dielectric film laminated with two or more dielectric films having a thickness of λ / 4n i (λ: wavelength of emitted light, n i : refractive index of each dielectric film). . 제 1 항에 있어서, The method of claim 1, 상기 n형 질화물 반도체 적층막과 p형 질화물 반도체 적층막은 InGaN, GaN과 AlGaN 중 선택된 어느 하나로 형성된 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 레이저 다이오드.The n-type nitride semiconductor laminate film and the p-type nitride semiconductor laminate film is a nitride semiconductor laser diode, characterized in that formed of any one selected from InGaN, GaN and AlGaN. 제 1 항에 있어서, The method of claim 1, 상기 적층 유전막은 SiO2, MgO, TiO2와 ZrO2들을 적어도 둘 이상 선택하여 적 층시킨 막인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 레이저 다이오드.The multilayer dielectric film is a nitride semiconductor laser diode, characterized in that the laminated film by selecting at least two or more SiO 2 , MgO, TiO 2 and ZrO 2 .
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