KR100989789B1 - 반도체 레이저 소자 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 반도체 기판상에서 활성층을 갖는 공진기 구조를 구비한 단면 발광형의 650㎚ 밴드 적색 반도체 레이저 소자에 관한 것이다. 저반사 3층막은 공진기 구조의 출사 단면에 제공되고, 고반사 다층막은 공진기 구조의 후단면에 제공된다. 저반사 3층막은 10㎚의 두께를 갖는 제 1 Al2O3막과, 190㎚의 두께를 갖는 Si3N4막, 및 10㎚의 두께를 갖는 제 2 Al2O3막을 출사 단면상에 스퍼터링법에 의해 차례로 적층시키므로써 형성된다. 출산 단면에서의 단면 반사율이 10%로 설정된다. 고반사 다층막은 후단면상에 Al2O3막과 a-Si막을 교대로 적층시키므로써 형성된다. 양호한 화학적 및 열적 안정성과 약품에 대한 양호한 내성을 갖는 저반사막을 출사 단면상에서 구비한 반도체 레이저 소자는 출사 단면에서 광학 손상의 발생을 억제하여 장기간에 걸쳐서 안정한 작동을 실현할 수 있다.
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반도체 레이저 소자, 공진기 구조, 출사 단면, 다층막 구조, 반사율

Description

반도체 레이저 소자{Semiconductor laser device}
도 1a는 반도체 레이저 소자의 출사 단면상에 형성된 저반사 3층막과 반도체 레이저 소자의 후단면상에 형성된 고반사 다층막의 구성을 도시한 본 발명에 따른 반도체 레이저 소자의 대표적인 평면도.
도 1b는 도 1a의 선 Ⅰ-Ⅰ을 따라 취한 단면도.
도 2a는 종래 기술에 따른 Al2O3/Si3N4막(Si3N4 층: 최외측 표면)에 설치된 LD 단면을 도시한 도면.
도 2b는 본 발명에 따른 Al2O3/Si3N4/Al2O3 막(Al2O3 층 : 최외측 표면)에 설치된 LD 단면을 도시한 도면.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
10 : 반도체 레이저 소자 12 : 반도체 기판
14 : 활성층 16 : 공진기 구조
18 : 저반사 3층막 20 : 고반사 다층막
본 발명은 단면 발광형 반도체 레이저 소자에 관한 것으로, 특히 극단적인 광학 손상으로 인한 출사 단면의 열화를 억제하여 장기간에 걸쳐서 고출력으로 안정한 작동을 실현할 수 있는 반도체 레이저 소자에 관한 것이다.
GaAs계 단면 발광형 반도체 레이저 소자에서, 광학 출력을 증대하기 위하여 증가된 주입 전류에 따라 광학 출력이 급격히 감소하는 현상이 발생한다. 이것은 반도체 레이저 소자의 출사 단면에서 광학 손상(COD : Catastrophic Optical Damage)에 의한 것이다. 상기 COD는 하기 기구에 의거하여 발생할 수 있다.
고밀도 표면 레벨은 반도체 레이저 소자의 출사 단면상에 존재하고, 따라서 전류가 반도체 레이저 소자에 주입되면, 비발광 재결합 전류는 이 표면 레벨을 거쳐서 흐른다. 그 결과, 출사 단면 부근에서 캐리어 밀도는 레이저 내부에서 보다 낮고, 광의 흡수를 양산한다. 광 흡수에 의해 발열이 생기고 출사 단면 부근의 온도가 상승하므로, 출사 단면 부근에서의 밴드 갭 에너지는 감소되고, 광 흡수를 더 증가시킨다. 광 흡수와 발열에 관련된 정 피드백 루프(positive feedback loop)는 출사 단면의 온도를 충분히 상승시키고 최종적으로 출사 단면을 융해시켜서 레이저 발진을 정지시킨다. 또한, 광 흡수는 출사 단면의 산화 및 출사 단면에서 공격자(vacancy)와 같은 점결점(point-defect)의 발생에 의해 증가하는 것이 공지되어 있다.
반도체 레이저 소자의 출사 단면에서 상기 COD의 발생을 방지하기 위하여, 출사 단면상에 저반사막을 형성함으로써 출사 단면으로부터 가능한 많은 레이저 광을 외부로 취출하기 위한 대책이 실시되고 있다.
일본 특허 제2870486호(이하, "제 1 종래 기술"이라 함)에는 Al2O3막과 Si 3N4막을 갖는 저반사 2층막이 출사 단면상에 설치된 반도체 레이저 소자에 대해 개시하고 있다. 상기 공보에는 Al2O3막에서 생기는 변형으로 인한 응력 방향이 Si3 N4막에서 생기는 변형으로 인한 응력 방향과 반대로 되기 때문에, Al2O3막에서 생기는 변형으로 인한 응력이 Si3N4막에서 생기는 변형으로 인한 응력에 의해 중화되며, 이에 의해 Al2O3막과 Si3N4막을 갖는 적층 막에서의 변형으로 인한 응력을 제거하는 것을 개시하고 있다.
상기 공보에는 반도체 레이저 소자의 출사 단면에서 발생하는 변형으로 인한 응력이 출사 단면상에 Al2O3막과 Si3N4막을 갖는 2층막을 적층함으로써 감소되기 때문에, 출사 단면에서 응력에 의해 발생된 변형으로 인해 공격자와 같은 점결점의 발생을 억제하여 안정한 유전체-화합물 반도체 계면을 형성함으로써 COD로 인한 출사 단면의 열화를 억제하는 것이 개시되어 있다.
일본 공개 특허 공보 평6-224514호 공보(이하, "제 2 종래 기술"이라 함)에는 비교적 높은 열전도율을 갖는 Si막과 비교적 낮은 열전도율을 갖는 Al2O3막을 구비하는 2층막이 반도체 레이저 소자의 후단면상에 고반사 코팅막으로 설치되고, 전체적으로 고반사 코팅막의 열전도율이 λ/n1(λ: 파장, n1 : Al2O3막의 굴절율) 보다 얇은 Al2O3막의 두께로 하고, λ/n2(λ: 파장, n1 : Si의 굴절율) 보다 두꺼운 Si막의 두께로 함으로써 상승되어 반도체 레이저 소자의 방열 성능을 개량하도록 형성된 반도체 레이저 소자에 대해 개시되어 있다.
그러나, 상술한 제 1 종래 기술에는 하기와 같은 문제점이 있다.
제 1 종래 기술에 따른 반도체 레이저 소자는 Al2O3막과 Si3N4막을 갖는 적층 막을 제공하여 출사 단면에서 발생한 변형으로 인한 응력을 중화시키므로써 COD에 의한 출사 단면의 열화를 억제하고 있다.
따라서, Al2O3막과 Si3N4막의 두께와 그 막 형성 조건은 소정 발광 파장에 대한 단면 반사율이 Al2O3의 굴절율(n=1.6)과 Si3N4의 굴절율(n=2.1)에 의거하여 소정값으로 되고, 또한 출사 단면에서 발생한 변형으로 인한 응력이 중화되도록 설정할 필요가 있다.
그러나, 단면 반사율과 변형으로 인한 응력의 중화 양자를 만족시키도록 Al2O3층과 Si3N4층의 두께와 그 막 형성 조건을 선택하는 것은 사실 매우 어렵다. 다른 문제점은 Al2O3층과 Si3N4층의 막 형성 조건의 자유도가 작기 때문에 막 형성이 매우 어렵다는 것이다.
그 결과, 특정 용도의 관점으로부터, 발광 파장, 단면 반사율, 및 용도가 다른 반도체 레이저 소자 전반에 제 1 종래 기술을 적용하는 것을 곤란하다.
제 1 종래 기술은 화학적 및 열적으로 불안정한 Si3N4이 노출되기 때문에, 연 속하는 처리 공정, 예를 들면 세정 공정에서 약품 내성이 낮게되어 제조 생산량을 저하시키며, 또한 광학적 특성이 반도체 레이저 소자의 구동에 의해 대기에 의한 산화 진행에 따라 변화한다는 다른 문제점이 있다.
제 1 종래 기술에 따른 저반사 다층막을 구비한 반도체 레이저 소자의 다른 중요한 문제점은 레이저 특징이 열화되기 쉽고 장기간에 걸쳐서 안정한 작동을 실현하는 것이 어렵다는 점이다.
반도체 레이저 소자의 후단면상에 고반사막을 설치하는 제 2 종래 기술은 반도체 레이저 소자의 출사 단면에 적용하는 것이 기술적으로 어렵다는 것이다.
제 2 종래 기술이 출사 단면에 적용된다면, Si막이 0.8㎛ 밴드 이하의 파장을 갖는 광을 위한 광학적 흡수가 생기기 때문에, 제 2 종래 기술이 적용되는 반도체 레이저 소자의 발광 파장 범위는 제한된다.
본 발명의 목적은 양호한 화학적 및 열적 안정성을 갖고, 넓은 적용 파장 범위를 갖는 저반사막을 제공함으로써, 출사 단면의 광학적 손상의 발생을 억제하여, 장기간에 걸쳐서 안정한 동작을 실현할 수 있는 반도체 레이저 소자를 제공하는 것이다.
본 발명자는 제 1 종래 기술에 따라 반도체 레이저 소자에서 생기는 동작 불안정성을 조사하여, 다음과 같은 사실을 알았다.
Al2O3/Si3N4의 2층 구조에서, 미립자(particle)가 부착하기 용이한 Si3N4층이 노출되고, 그 결과, 2층 구조를 형성하는 공정에 연속하는 처리 공정, 예를 들면 상기 소자를 세정하는 공정 또는 분할(cleavage)에 의해 얻어지는 레이저 바(bar)를 히트 싱크(heat sink)에 융착하고 다이싱하여 칩화하는 공정에서 다수의 미립자가 Si3N4층상에 부착된다.
Si3N4층에 부착된 미립자는 출사 단면으로부터 출사되는 레이저광에 간섭하거나, 경우에 따라선 상기 미립자가 레이저광을 흡수해서 발열하여, 레이저 특성의 열화를 야기시키므로써, 반도체 레이저 소자가 안정하게 동작하지 않는 것을 알았다.
상술한 바와 같이, COD에 의한 출사 단면의 열화는 출사 단면에서 캐리어 밀도의 감소와 그에 따라 발생하는 광의 흡수에 기인하여 출사 단면의 온도가 상승하는 것에 의해 일어난다.
따라서, COD에 의한 출사 단면의 열화를 억제하기 위하여, 국부적인 온도 상승을 억제함으로써 방열성을 향상시키기 위해 유전체막으로 형성된 저반사막의 열전도율을 향상시키는 방법은 출사 단면에서 변형으로 인한 응력을 중화시키므로써 COD에 의한 출사 단면의 열화를 억제하는 제 1 종래 기술보다 더 효과적으로 고려된다.
반도체 레이저 소자의 출사 단면에 제공되는 신규한 저반사막을 개량하기 위하여 본 발명자에 의해 시험된 결과, 저반사막의 열전도율은 단일 Al2O3막이 일반적으로 35% 이하의 반사율을 갖는 저반사 코팅막으로 사용되는 사실에 의거하여, 저반사 코팅막으로서 Al2O3막을 형성하고, 또한 Al2O3막의 열전도율을 향상시키기 위하여, Al2O3막상에 Al2O3막보다 더 높은 열전도율을 갖는 유전체막, 예를 들면 Si3N4막을 적층함으로써 향상되는 것을 알았다. 또한, 출사 단면상에서 제 1 막으로서 Al2O3막의 사용은 Al2O3막이 공진기 단면과의 밀착성이 높고, 넓은 파장범위에서 투명성을 가지며, 열적 및 화학적 안정성을 갖고, 화합물 반도체 결정과 용이하게 화합하지 않기 때문에 효과적이다.
또한, 본 발명자들은 Si3N4막이 노출되면, 미립자 부착성이 강하고, 약품내성, 화학적 및 열적 안정성이 부족하기 때문에 상술한 단점을 해소하기 위하여 다른 시험을 행하여, Si3N4막상에 Al2O3막을 보호막으로서 적층하는 장점을 발견했다.
상술한 저반사막의 효과는 저반사막의 특징을 더 개선함으로써 본 발명자들에 의해 실험적으로 확인되었고, 상기 장점에 의거하여 본 발명이 달성되었다.
상기 목적을 달성하기 위해서, 본 발명에 따르면 한 쌍의 단면을 갖고 상기 단면중 하나의 출사 단면상에 저반사 다층막이 설치된 공진기를 포함하는 단면 발광형 반도체 레이저 소자를 제공하며, 상기 저반사 다층막은 제 1 유전체막과, 상기 제 1 유전체막의 열전도율 보다 높은 열전도율을 갖는 제 2 유전체막, 및 상기 제 2 유전체막의 열전도율 보다 낮은 열전도율을 갖는 제 3 유전체막을 포함한다.
저반사 다층막에 있어서, 제 1 유전체막은 저반사막으로서 작용하고, 제 1 유전체막보다 열전도율이 높은 제 2 유전체막은 열전도성막으로서 작용하며, 이에 의해, 출사 단면에서 발생한 열은 제 1 유전체막을 거쳐서 제 2 유전체막에 전달되고, 계속해서 제 2 유전체막을 경유하여 외부로 방출된다.
제 3 유전체막은 제 2 유전체막의 보호막으로서 기능하고, 제 2 유전체막에 미립자가 부착되거나, 세정 공정과 같은 후속 처리 공정에서 제 2 유전체막이 손상되는 것을 방지하고 있다.
이러한 구성에 따라, 출사 단면의 단면 반사율은 35% 이하로, 또한 10% 이하로 감소시킬 수 있다.
제 1 유전체막은 Al2O3, ZrO2, HfO2, 및 AlN으로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 한 종류로 양호하게 구성된다.
제 2 유전체막은 Si3N4, AlN, GaN, 및 SiC로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 한 종류로 양호하게 구성된다.
제 3 유전체막은 Al2O3, ZrO2, HfO2, 및 SiO2로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 한 종류로 양호하게 구성된다.
제 3 유전체막의 재료는 제 1 유전체막의 재료와 동일하거나 또는 다를 수 있고, 제 3 유전체막의 두께도 제 1 유전체막의 두께와 동일하거나 또는 다른 수 있다.
본 발명에 따르면, 상기 제 1 종래 기술과 달리 출사 단면에서 발생한 응력을 출사 단면에 설치한 저반사 다층막을 제공함으로써 저감할 필요는 없고, 따라서, 단면 반사율이 소정 값이 되도록, 또한 출사 단면에서 발생한 변형으로 인한 응력을 중화시키도록, Al2O3막과 같은 제 1 유전체막의 두께와 Si3N4막과 같은 제 2 유전체막의 두께 및 그 막 형성 조건을 설정할 필요는 없다.
본 발명에 따르면, 유전체막의 단면 반사율이 유전체막의 막 두께 변화에 대하여 주기적으로 변화하는 것, 즉 소정의 단면 반사율을 나타내는 유전체막의 막 두께가 박막으로부터 두꺼운 막으로 단계적으로 변화하는 것을 이용하여, 저반사 3층막의 단면 반사율이 소정의 값이 되도록 Al2O3막과 같은 제 1 유전체막보다 열전도율이 높은 제 2 유전체막의 두께는 단계적으로 변화하는 복수개의 막 두께로부터 선택할 수 있다.
그 결과, 제 2 유전체막의 두께는 저반사 3층막의 소정의 단면 반사율을 유지하는 동안 열전도율을 고려하여 용이하게 선택할 수 있다. 예를 들면, 열전도율이 낮은 Al2O3막과 같은 제 1 및 제 3 유전체막의 막 두께를 10㎚로 설정하고, 열전도율이 높은 제 2 유전체막을 두꺼운 막에 설정함으로써, 소정의 단면 반사율을 갖고, 또한 전체적으로 높은 열전도율을 갖는 저반사 3층막을 얻을 수 있다.
본 발명은 기판과, 이 기판상에 형성된 공진기 구조를 구성하는 화합물 반도체층의 조성에 제약 없이 여러 반도체 레이저 소자에 적용할 수 있고, 특히 GaAs, AlGaAs, 및 AlGaInP계의 반도체 레이저 소자에 적합하게 적용할 수 있다.
또한, 본 발명은 매립형 또는 에어 리지(air ridge)형 등의 레이저 스트라이프의 구성에 제약없이 여러 반도체 레이저 소자에 적용할 수 있다.
더욱이, 본 발명은 400㎚ 밴드, 650㎚ 밴드, 780㎚ 밴드, 850㎚ 밴드, 980㎚ 밴드 등의 광범위한 발광 파장 범위에서 광의 발광을 위한 각종 단면 발광형 반도체 레이저 소자에 적용할 수 있다.
저반사 3층막 전체의 열전도율을 향상시키기 위해서, 열전도율이 낮은 제 1 및 제 3 유전체막의 막 두께는 가능한 한 얇은 쪽이 바람직하다.
그러나, 제 1 유전체막은 핀홀(pin hole) 등의 발생을 방지하기 위해 출사 단면을 전체적으로 커버하도록 요구되는 막 두께를 가져야만 한다. 이 경우에, 제 1 유전체막(특히, 제 1 유전체막이 Al2O3막으로 형성될 때)의 막 두께는 5㎚ 이상이 바람직하다.
또한, 제 3 유전체막의 막 두께는 표면 보호층으로서 약품 내성이 있고, 대기중에서의 산화 진행을 억제하기 위해서 요구되는 두께를 가져야만 한다. 이와 관련하여, 제 3 유전체막의 두께(특히 제 3 유전체막이 Al2O3막으로 형성된 경우)는 5㎚ 이상이 바람직하다.
제 1 및 제 3 유전체막의 종류와 두께가 결정된 후, 제 2 유전체막의 종류가 결정된 다음에, 제 2 유전체막의 두께는 열전도율을 고려하여 소정의 단면 반사율을 유지하면서 단계적으로 얇은 것에서부터 두꺼운 것으로 변화하는 다수의 막 두께로부터 선택된다. 그 결과, 소정의 단면 반사율을 갖고, 더구나 열전도성이 양호한 저반사 3층막을 얻을 수가 있다.
본 발명에 따르면, 제 1 종래 기술과 같이 출사 단면에서 발생한 변형에 의한 응력을 중화시킬 필요가 없기 때문에, 막 형성 조건은 비교적 자유롭게 설정할 수 있다.
본 발명에 따르면, 유전체막의 단면 반사율이 유전체막의 막 두께 변화에 대하여 주기적으로 변화하는 것을 이용하여, 상술한 바와 같이, 저반사 3층막을 구성하는 제 1 유전체막, 제 1 유전체막보다 열전도율이 높은 제 2 유전체막, 및 제 3 유전체막의 막 두께를 자유롭게 바꿀 수 있다.
저반사 3층막의 소정 단면 반사율이 설정된 후에, 제 1 및 제 3 유전체막의 두께가 먼저 설정되고, 그 다음에 열전도율이 높은 Si3N4막과 같은 제 2 유전체막의 막 두께는 소정의 단면 반사율을 갖고 얇은 막 두께로부터 두꺼운 막 두께로 단계적으로 변화하는 복수개의 막 두께 중에서 열전도성을 고려하여 선택한 유전체막의 막 두께로 설정한다.
본 발명에 따르면, 제 1 유전체막의 막 두께는 5㎚ 이상 100㎚ 이하의 범위에 있고, 또한 제 2 유전체막의 막 두께는 50㎚ 이상 400㎚ 이하의 범위에 있다.
예를 들면, 제 1 유전체막으로서 5㎚ 이상 100㎚ 이하의 범위의 막 두께를 갖는 Al2O3막이 사용되고, 제 2 유전체막으로서 50㎚ 이상 400㎚ 이하의 범위의 막 두께를 갖는 Si3N4막이 사용된다.
제 1 유전체막으로서 사용되는 Al2O3막의 막 두께를 100㎚ 이하로 설정한 이유는 Al2O3막의 막 두께가 100㎚ 이상으로 되면, 제 1 유전체막의 열전도성이 저하하기 때문이고, 제 2 유전체막으로서 Si3N4막의 막 두께를 400㎚ 이하로 설정한 이 유는 Si3N4막의 막 두께가 400㎚을 초과하면, 열전도성이 그에 따라 향상하는 일이 없기 때문이다.
본 발명에 따르면, 제 1 , 제 2 및 제 3 유전체막은 스퍼터링법, CVD법, 또는 EB 증착법 등의 공지된 막 형성 공정에 의해 형성될 수 있다. 그 중에서도, 스퍼터링법은 상기 공정이 막 두께의 제어성에 있어서 우수하기 때문에 바람직하다.
이하에, 본 발명의 적합한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 하기에 상세히 설명한다.
도 1a 및 도 1b에는 본 발명의 실시예는 본 발명에 따른 반도체 레이저 소자를 도시한 도면으로서, 도 1a는 반도체 레이저 소자의 출사 단면에 형성된 저반사 3층막과 반도체 레이저 소자의 후단면에 형성된 고반사 다층막의 구성을 도시하는 대표적인 평면도이고, 도 1b는 도 1a의 선 I-I에 따라 취한 단면도이다.
이들 도면에는, 단면 발광형 650㎚ 밴드 적색 반도체 레이저 소자로서 형성된 반도체 레이저 소자(10)가 도시되어 있다. 반도체 레이저 소자(10)는 GaAs로 구성된 화합물 반도체 기판(12)상에 활성층(14)을 갖는 공진기 구조(16)를 포함한다. 저반사 3층막(18)은 공진기 구조의 출사 단면상에 형성되고, 고반사 다층막(20)은 공진기 구조의 후단면상에 형성된다.
고반사 다층막(20)은 공진기의 후단면상에 Al2O3막(20a)과 a-Si(비정질 실리콘)막(20b)을 교대로 적층함으로써 형성된다.
저반사 3층막(18)은 공진기 구조의 출사 단면상에 스퍼터링법에 의해서 제 1 Al2O3막(18a), Si3N4막(18b), 및 제 2 Al2O3막(18c)을 차례로 적층함으로써 형성된다. 저반사 3층막(18)의 단면 반사율은 10%로 설정된다. 여기서, 제 1 Al2O3막(18a), Si3N4막(18b), 및 제 2 Al2O3막(18c)은 각각 본 발명의 제 1 유전체막, 제 2 유전체막, 및 제 3 유전체막으로서 기능한다.
저반사 3층막(18) 전체의 열전도율을 향상시키기 위해서, 열전도율이 낮은 제 1 Al2O3막(18a) 및 제 2 Al2O3막(18b)의 막 두께는 가능한 한 얇은 쪽이 바람직하다.
그러나, 제 1 Al2O3막(18a)의 막 두께는 어떤 핀홀의 발생을 방지하도록 출사 단면을 완전히 커버하기 위해 요구되는 두께를 가져야만 한다. 이러한 관점으로부터, 제 1 Al2O3막(18a)의 막 두께는 5㎚ 이상의 범위로 설정하는 것이 바람직하고, 본 실시예에서는 10㎚로 설정되어 있다.
또한, 제 2 Al2O3막(18c)의 막 두께는 저반사 3층막(18)의 표면 보호층으로서 약품 내성이 있고, 대기에 의한 산화 진행을 억제하기 위해 요구되는 두께를 가져야만 한다. 이러한 관점으로부터, 제 2 Al2O3막(18c)의 막 두께는 10㎚ 이상의 범위로 설정하는 것이 바람직하고, 본 실시예에서는 10㎚로 설정되어 있다.
유전체막의 단면 반사율은 유전체막의 막 두께의 변화에 따라 주기적으로 변화한다. 따라서, 단면 반사율을 10%로 설정하더라도, 저반사 3층막(18)을 구성하 는 제 1 Al2O3막(18a), Si3N4막(18b), 및 제 2 Al2O 3막(18c)의 막 두께는 자유롭게 바꿀 수 있다.
일 예로서, 저반사 3층막(18)의 단면 반사율을 10%로 설정한 경우에, 제 1 및 제 2 Al2O3막(18a, 18b)의 두께가 10㎚로 설정된다면, 저반사 3층막(18)의 단면 반사율을 10%로 유지하는 Si3N4막(18b)의 막 두께는 유전체막의 두께 변화에 따라 단면 반사율의 주기적인 변화와 관련된 관계에 기초하여 36㎚, 85㎚, 190㎚, 240㎚ 중 어느 하나로 되고, 따라서 Si3N4막(18b)의 막 두께는 상기 선택된 두께를 갖는 Si3N4막(18b)이 가장 바람직한 열전도성을 나타내도록 36㎚, 85㎚, 190㎚, 240㎚ 중 어느 하나로 선택할 수 있다. 다른 예로서, 단면 반사율을 10%로 설정하는 경우에, 제 1 및 제 2 Al2O3막(18a, 18c)의 막 두께가 50㎚로 설정된다면, 저반사 3층막(18)의 단면 반사율을 10%로 유지하는 Si3N4막(18b)의 막 두께는 상기 관계에 따라 27㎚, 137㎚, 182㎚, 292㎚ 중 어느 하나로 되고, 따라서, Si3N4막(18b)의 막 두께는 상기 선택된 두께를 갖는 Si3N4막(18b)이 가장 양호한 열전도성을 나타내도록 27㎚, 137㎚, 182㎚, 292㎚ 중 어느 하나로 선택할 수 있다.
저반사 3층막(18) 전체의 열전도율을 향상시키기 위해서, Si3N4막(18b)의 막 두께는 50㎚ 이상이 바람직하고, 따라서, 제 1 및 제 2 Al2O3막(18a, 18c) 각각의 두께를 10㎚로 설정한 본 실시예에 따르면, Si3N4막(18b)의 막 두께는 36㎚, 85㎚, 190㎚, 240㎚중 어느 하나로 선택되며, 본 실시예에선 190㎚로 설정하고 있다.
본 실시예에 따른 반도체 레이저 소자(10)는 에피택시 공정, 에칭법, 및 전극 형성 공정과 같은 공지된 공정으로 공진기 구조를 기판상에 형성하는 공정과, 레이저 바아를 형성하기 위해 분할에 의해 소정 길이로 상기 공진기 구조를 절단하는 공정과, 스퍼터링법, CVD법, EB 증착법 등에 의해 각 레이저 바아의 출사 단면과 후단면상에 저반사 3층막(18)과 고반사 다층막(20)을 형성하는 공정, 및 레이저 바아를 다이싱하여 칩화하는 공정에 의해 제작한다.
본 실시예에 따른 반도체 레이저 소자(10)에서 제 1 유전체막으로서 제 1 Al2O3막(18a)과, 제 2 유전체막으로서 Al2O3막보다 열전도율이 높은 Si3N4막(18b), 및 제 3 유전체막으로서 제 2 Al2O3막(18c)을 갖는 저반사 3층막(18)은 공진기 단면의 한쪽 출사 단면상에 설치된다. 그 결과, 반도체 레이저 소자(10)는 고출력 동작시에 생기는 광학 손상(COD)에 의한 출사 단면의 열화를 억제하여, 장기간에 걸쳐서 안정된 동작을 실현할 수 있다.
본 실시예에 따른 반도체 레이저 소자(10)는 출사 단면이 양호한 화학적 및 열적 안정성을 갖는 제 2 Al2O3막(18c)으로 피복되기 때문에, 저반사 3층막의 형성후의 약품 세정 공정, 열 프로세스 등으로, 출사 단면이 손상하는 것을 방지하는 다른 장점을 갖는다.
도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같이, 반도체 레이저 소자(10)는 조립 단계에 서 출사 단면상에 미립자가 부착하는 것을 방지하는 장점을 또한 갖고, 이에 의해 반도체 레이저 소자(10)의 제품 가공이 향상된다.
도 2a 및 도 2b는 조립 공정후의 LD 단면을 각각 도시한 마이크로그래프로서, 도 2a는 종래 기술에 따른 Al2O3/Si3N4막(Si3N 4 층: 최외측 표면)에 설치된 LD 단면을 도시하고, 도 2b는 본 발명에 따른 Al2O3/Si3N4/Al2 O3막(Al2O3 층 : 최외측 표면)에 설치된 LD 단면을 도시하고 있다.
이들 마이크로그래프로부터 명백한 바와 같이, 히트 싱크를 다이싱하는 단계에서 발생한 다수의 절단 미립자는 종래 기술에 따라 Al2O3/Si3N4 구조의 막에 설치된 LD 단면에 부착되는 반면에, 동일한 단계에서 발생한 어떤 미립자도 본 발명에 따른 Al2O3/Si3N4/Al2O3 구조의 막에 설치된 LD 단면에 부착하지 않는다. 따라서, Al2O3/Si3N4/Al2O3 구조의 막에 설치된 LD 단면을 구비하는 반도체 레이저 소자는 그 생산율이 향상되고, 미립자 부착으로 인한 특성의 열화를 억제하는 장점을 갖는다.
본 실시예에서는 Si3N4막은 제 1 및 제 3 유전체막 각각으로서 Al2O3막보다 높은 열전도율을 갖는 제 2 유전체막으로 사용하고 있지만, 본 발명에 따르면, Si3N4막은, AlN막, GaN막, 및 SiC 막중 어느 하나로 대체할 수도 있다. Si3N4 이외의 재료를 사용함으로써 제 2 유전체막을 형성하는 경우에도, 제 1 및 제 3 유전체막으로서 Al2O3막 각각의 두께와 Si3N4막 이외의 재료로 이루어진 제 2 유전체막의 두께는 상술한 바와 동일한 방법으로 소정 단면 반사율 및 열전도성을 얻기 위한 방법으로 설정된다. 또한, 제 1 및 제 2 Al2O3막 각각은 ZrO2막, HfO2막, 및 AlN 막중 어느 하나로 대체할 수도 있다.
본 실시예에서, 본 발명은 단면 발광형의 650㎚ 밴드 적색 반도체 레이저 소자에 적용되고 있지만, 본 발명은 650㎚ 밴드와 다른 파장 밴드에서 파장 길이의 발광을 위해 다른 단면 발광형 반도체 레이저 소자에도 본 발명을 적용할 수 있다.
본 발명에 따르면, 제 1 유전체막, 제 1 유전체막보다 열전도율이 높은 제 2 유전체막, 및 제 2 유전체막보다 열전도율이 낮은 제 3 유전체막의 3층막으로 이루어지는 저반사 다층막을 공진기 단면의 한쪽의 출사 단면 상에 설치하는 것에 의해, 고출력 동작시켰을 때에 생기는 광학 손상(COD)에 의한 출사 단면의 열화를 억제하여, 장기간에 걸쳐 안정된 동작을 할 수 있는 반도체 레이저 소자를 실현하고 있다.
본 발명의 적합한 실시예가 특정 용어를 사용하여 설명되었지만, 상기 설명은 도시의 목적을 위한 설명이고, 각종 변경과 개량은 첨부된 청구범위의 정신과 범주로부터 이탈함 없이 가능하다는 것을 이해해야 한다.

Claims (6)

  1. 단면 발광형 반도체 레이저 소자에 있어서:
    한 쌍의 단면을 갖고 상기 단면중 하나의 출사 단면상에 저반사 다층막이 설치된 공진기를 포함하고,
    상기 저반사 다층막은 5 내지 100㎚ 사이의 두께는 갖는 제 1 유전체막과, 상기 제 1 유전체막의 열전도율 보다 높은 열전도율을 갖는 제 2 유전체막, 및 상기 제 2 유전체막의 열전도율 보다 낮은 열전도율을 갖는 제 3 유전체막을 포함하며, 상기 제 1 유전체막은 Al2O3, ZrO2, HfO2, 및 AlN으로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 한 종류로 이루어지고, 상기 제 2 유전체막은 Si3N4, AlN, GaN, 및 SiC로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 한 종류로 이루어지고, 상기 제 3 유전체막은 Al2O3, ZrO2, HfO2, 및 SiO2로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 한 종류로 이루어지는, 단면 발광형 반도체 레이저 소자.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 유전체막은 상기 공진기의 상기 출사 단면상에 형성되고, 상기 제 2 유전체막은 상기 제 1 유전체막 상에 형성되고, 상기 제 3 유전체막은 상기 제 2 유전체막 상에 형성되는, 단면 발광형 반도체 레이저 소자.
  3. 단면 발광형 반도체 레이저 소자에 있어서:
    한 쌍의 단면을 갖고 상기 단면중 하나의 출사 단면상에 저반사 다층막이 설치된 공진기를 포함하고,
    상기 저반사 다층막은 5 내지 100㎚ 사이의 두께는 갖는 제 1 유전체막과, 상기 제 1 유전체막의 열전도율 보다 높은 열전도율을 갖는 제 2 유전체막, 및 상기 제 2 유전체막의 열전도율 보다 낮은 열전도율을 갖는 제 3 유전체막 보호층을 포함하며, 상기 제 1 유전체막은 Al2O3ZrO2, HfO2, 및 AlN으로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 한 종류로 이루어지고, 상기 제 2 유전체막은 Si3N4, AlN, GaN, 및 SiC로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 한 종류로 이루어지고, 상기 제 3 유전체막 보호층은 Al2O3, ZrO2, HfO2, 및 SiO2로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 한 종류로 이루어지는, 단면 발광형 반도체 레이저 소자.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 제 1 유전체막은 상기 공진기의 상기 출사 단면상에 형성되고, 상기 제 2 유전체막은 상기 제 1 유전체막 상에 형성되고, 상기 제 3 유전체막 보호층은 상기 제 2 유전체막 상에 형성되는, 단면 발광형 반도체 레이저 소자.
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