KR101020147B1 - 모놀리식형 반도체 레이저 - Google Patents

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Abstract

반도체 기판(1)상에, n형 클래드층(2a), 활성층(3a), 릿지부가 형성되는 p형 클래드층(4a)을 갖는 적외선 발광층 형성부(9a), 릿지부 측부에 마련되는 전류 협착층(5a)으로 이루어진 AlGaAs계 반도체 레이저 소자(10a)와, n형 클래드층(2b), 활성층(3b), 릿지부가 형성되는 p형 클래드층(4b)을 갖는 적색 발광층 형성부(9b), 그 릿지부 측부에 마련되는 전류 협착층(5a)으로 이루어진 InGaAlP계 반도체 레이저 소자(10b)가 마련되고, 양 소자의 전류 협착층이 동일 재료로, 또 적색 발광층 형성부의 활성층(3b)의 밴드갭보다도 큰 밴드갭 재료에 의해 형성되어 있다. 그 결과, 결정 성장의 회수를 증가하는 일 없이, 고온 고출력 동작 가능한 모놀리식형 반도체 레이저가 얻어진다.

Description

모놀리식형 반도체 레이저{MONOLITHIC SEMICONDUCTOR LASER}
본 발명은 DVD(디지털 다용도 디스크 ; digital versatile disk), DVD-R0M, 데이터 기록 가능한 DVD-R 등의 DVD 장치와, CD, CD-R0M, 데이터 기록 가능한 CD-R 등의 CD 장치와의 일체형 광 디스크 장치의 픽업 광원에 이용하는데 적합한 모놀리식(monolithic)형 반도체 레이저에 관한 것이다. 보다 상세하게, 제조 공정수를 경감하면서, 고온 고출력 동작 가능한 구조의 모놀리식형 반도체 레이저에 관한 것이다.
최근, DVD와 CD의 사이에 호환성이 있는 광 디스크 장치의 보급에 수반하여, 예를 들어 InGaAlP계의 적색 반도체 레이저 소자 및 AlGaAs계의 적외선 반도체 레이저 소자를 동일 반도체 기판상에 형성하고, 2 파장의 레이저광을 일정 간격으로 출사(出射)하는 모놀리식형 반도체 레이저가 광원으로서 이용되고 있다(특허 문헌 1 참조).
도 3에 나타내는 바와 같이, AlGaAs계의 반도체 레이저 소자(50a)는 예를 들어 n형 GaAs로 이루어진 반도체 기판(51)상에, 예를 들어 n형 AlGaAs계 화합물 반도체로 이루어진 n형 클래드층(52a), AlGaAs계 화합물 반도체로 이루어진 활성층(53a), p형 AlGaAs계 화합물 반도체로 이루어진 릿지(ridge) 형상의 p형 클래드 층(54a)으로 이루어진 적외 발광층 형성부(59a), 릿지 형상의 측면부에 n형 GaAs로 이루어진 적외 소자용의 전류 협착층(55a)이 형성되어 있고, 그 상부에 예를 들어 p형 GaAs로 이루어진 컨택트층(56a)이 마련되어 있다. 다른 한편, InGaAlP계 반도체 레이저 소자(50b)는 AlGaAs계 반도체 레이저 소자(50a)와 동일한 반도체 기판(51)상에, 예를 들어 n형 InGaAlP계 화합물 반도체로 이루어진 n형 클래드층(52b), InGaAlP계 화합물 반도체로 이루어진 활성층(53b), p형 InGaAlP계 화합물 반도체로 이루어진 p형 클래드층(54b)으로 이루어진 적색 발광층 형성부(59b), 릿지 형상의 측면부에는 적외 소자용의 전류 협착층(55a)과 동일한 재료인 n형 GaAs로 이루어진 적색 소자용의 전류 협착층(55b)이 형성되어 있고, 그 상부에, 예를 들어 p형 GaAs로 이루어진 컨택트층(56b)이 마련되어 있다. 또한, 컨택트층(56a, 56b)의 상부에 각각 p측 전극(57a, 57b)이 형성되고, 반도체 기판(51)의 이면측에 n측 공통전극(58)이 형성되고, 양 소자는 전기적으로 분리된 모놀리식형 반도체 레이저로 된다.
특허 문헌 1 : 일본 특개 2000-11417호 공보(도 9)
종래의 구조에서는 적외 소자용 및 적색 소자용의 전류 협착층으로서 GaAs가 이용되고 있고, 각각 전류 협착층의 밴드갭 에너지는 활성층의 밴드갭 에너지보다도 작다. 따라서, 활성층에 있어서 발생한 광을 흡수하는 복소(複素) 굴절률 도파(導波) 구조로 되고, 도파로 손실 및 문턱값 전류가 크고, 그 결과 고출력 동작이 불가능하고 판독용의 광원으로서 이용할 수 있는 것에 불과하여, 기입용의 광원으로서 이용할 수 없다고 하는 문제가 있다.
그래서, 종래부터 기입용 광원으로서 개발되어 있는 전류 협착층에 밴드갭 에너지의 커다란 재료를 이용한 실 굴절률 구조를 채용한 반도체 레이저가 알려져 있고, 그들의 반도체 레이저 소자를 단순히 조합한 모놀리식형 반도체 레이저로 하는 것이 고려된다. 구체적으로, AlGaAs계 반도체 레이저 소자측의 적외 소자용의 전류 협착층에는 AlGaAs계 재료를, InGaAlP계 반도체 레이저 소자측의 적색 소자용의 전류 협착층에는 InGaAlP계 재료를 이용하는 것이 고려된다.
그러나, 종래의 실 굴절률 구조를 채용한 반도체 레이저 소자에 의해 단순히 조합하여 모놀리식화를 도모하려고 하면, AlGaAs계의 반도체 레이저 소자와 InGaAlP계의 반도체 레이저 소자의 전류 협착층이 각각 다른 재료를 이용하여 형성되게 되기 때문에, 각각의 전류 협착층을 개별로 결정 성장하는 것이 필요하게 된다. 또한, 그에 따라 에칭 등의 프로세스 공정수가 증가하여, 수율이 극단적으로 저하되고 만다고 하는 문제가 있다.
또, 무리하게 전류 협착층을 공통화하려고 하면, 발광 파장이 짧은 쪽의 발광 소자의 광이 전류 협착층에서 흡수되어 고출력화를 달성할 수 없게 되거나, 릿지부의 제2 도전형 반도체층과 전류 협착층의 굴절률차가 너무 커져서 킨크(kink)가 발생하기 쉽다고 하는 문제가 있다.
본 발명은 이와 같은 상황을 감안하여 이루어진 것으로, 결정 성장의 회수를 증가하는 일 없이, 고온 고출력 동작 가능한 모놀리식형 반도체 레이저를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적은 결정 성장 회수를 증가하는 일 없이, 고온 고출력 동작을 가능하게 하면서, 킨크의 발생을 억제할 수 있는 구조의 반도체 레이저를 제공하는 것이다.
본 발명의 모놀리식형 반도체 레이저는, 동일 반도체 기판상에 제1 파장용 반도체 레이저 소자와, 제2 파장용 반도체 레이저 소자를 구비하는 모놀리식형 반도체 레이저로서, 상기 제1 파장용 반도체 레이저 소자는 상기 반도체 기판상에 적층되는 제1 도전형 반도체층, 활성층, 릿지부가 형성되는 제2 도전형 반도체층으로 이루어진 제1 파장용 발광층 형성부와, 상기 제2 도전형 반도체층의 릿지부의 측부에 마련된 제1 파장용의 제1 도전형 전류 협착층을 갖고; 상기 제2 파장용 반도체 레이저 소자는 상기 반도체 기판상의 상기 제1 파장용 반도체 레이저 소자가 형성되어 있지 않은 영역에 적층되는 제1 도전형 반도체층, 활성층, 릿지부가 형성되는 제2 도전형 반도체층으로 이루어진 제2 파장용 발광층 형성부와, 상기 제2 도전형 반도체층의 릿지부의 측부에 마련되는 제2 파장용의 제1 도전형 전류 협착층을 갖고; 상기 제1 파장용의 전류 협착층과 상기 제2 파장용의 전류 협착층을 형성하는 재료가 동일하고, 발광 파장이 짧은 상기 제2 파장용의 반도체 레이저 소자의 활성층보다도 큰 밴드갭 에너지를 갖는 재료로 이루어진 것을 특징으로 한다.
구체적으로, 상기 제1 파장용의 전류 협착층 및 제2 파장용의 전류 협착층이 AlzGa1 - zAs(0.5
Figure 112008013327457-pct00001
z
Figure 112008013327457-pct00002
0.8)로 표시되는 재료로 이루어진 것을 특징으로 한다. 또, 상기 제1 파장용의 전류 협착층 및 제2 파장용의 전류 협착층이 In0 .5(Ga1 -xAlx)0.5P(0.6
Figure 112008013327457-pct00003
x
Figure 112008013327457-pct00004
1)로 표시되는 재료로 이루어져 있다.
여기에 In와(Ga1 -xAlx)의 혼정(混晶) 비율인 0.5는 GaAs와 격자 정합(格子 整合)을 하는 비율임을 의미한다.
또한, 발명자는 예의 검토한 끝에, 상술한 구성에 더하여 각 제2 도전형 반도체층의 릿지부를 형성하는 재료로서, 상기 전류 협착층의 굴절률과의 차가 0.1 이하로 되는 재료를 이용하는 것에 의해, 동일 재료의 전류 협착층을 이용해도 안정된 고출력 특성을 유지할 수 있다는 것을 발견하였다.
즉, 제1 파장용으로서의 적외 소자용 및 제2 파장용으로서의 적색 소자용의 전류 협착층에 동일한 재료를 이용한 실 굴절률 구조의 모놀리식형 반도체 레이저를 제작하려고 하면, 전류 협착층의 재료 선택 여하에 의해 고온 특성이나 고출력 특성에 영향을 미치는 경우가 있다. 예를 들어, 한 쪽의 반도체 레이저 소자에 바람직한 재료를 다른 쪽의 반도체 레이저 소자의 전류 협착층으로서 이용하면, 한 쪽의 반도체 레이저 소자에서는 고출력 특성을 유지할 수 있으나, 다른 쪽의 반도체 레이저 소자에 있어서는 바람직한 재료라고 할 수 없는 경우가 있고, 고출력 특성, 즉 단일 모드 발진이 곤란하게 되고 다(多) 모드 발진이 발생하고, 또 고온 동작특성이 악화되고 마는 경우가 있다.
그래서 본 발명자는 제1 파장 소자용 및 제2 파장 소자용의 전류 협착층을 공통의 재료를 이용한 다음, 보다 전류 협착층에 이용할 수 있는 재료의 폭을 넓히기 위해, 각종 검토를 행하였다. 그리고, 각각의 반도체 레이저 소자의 전류 협착층과 인접하는 릿지부의 제2 도전형 반도체층의 재료를, 각 전류 협착층의 굴절률의 차가 0.1 이하로 되는 재료를 이용하는 것에 의해 이와 같은 불합리성을 회피하고, 고온 고출력 동작할 수 있는 전류 협착층으로서 이용할 수 있는 재료 선택의 폭을 넓힐 수 있다는 것을 발견한 것이다.
그래서, 본 발명의 모놀리식형 반도체 레이저는 상기 발명에 더하여, 상기 제1 파장용 반도체 레이저 소자 및 제2 파장용 반도체 레이저 소자의 상기 릿지부를 구성하는 제2 도전형 반도체층이 각각 제1 파장용 및 제2 파장용의 전류 협착층과의 굴절률의 차가 0.1 이하로 되는 재료로 이루어져 있다.
또한, 상기 제1 파장용 및 제2 파장용의 전류 협착층이 전기적으로 분단되어 있고, 또한 이 전류 협착층에 Si가 첨가된 n형 반도체층으로 이루어져 있다.
본 발명에 의하면, 제1 파장 소자용 및 그것보다 발광 파장이 짧은 제2 파장 소자용의 전류 협착층에 제2 파장용 반도체 적층부의 활성층의 밴드갭 에너지보다도 큰 밴드갭 에너지를 갖는 재료를 이용하고 있기 때문에, 활성층에서 발생한 광이 각각의 전류 협착층에서 흡수되는 일이 없고, 고출력 동작을 실현할 수 있고, 또한 전류 협착층은 동일 재료가 이용되고 있기 때문에, 결정 성장 회수를 증가하는 일 없이, 수율의 저하를 억제한 고온 고출력 가능한 모놀리식형 반도체 레이저를 제작할 수 있다.
또, 각각의 제2 도전형 반도체층이 제1 파장 소자용 및 제2 파장 소자용의 전류 협착층의 굴절률의 차가 0.1 이하로 되는 재료를 이용하는 것에 의해, 전류 협착층의 재료의 변경에 따라 생길 수 있는 한 쪽의 반도체 레이저 소자의 다 모드화에 의한 고출력 동작 불능으로 되는 것을 방지하고, 전류 협착층의 재료 선택의 폭을 넓힐 수 있고, 고온 고출력까지 단일 모드 발진할 수 있는 모놀리식형 반도체 레이저가 얻어진다.
도 1은 본 발명의 모놀리식형 반도체 레이저의 일 실시 형태를 나타내는 단면 설명도이다.
도 2는 본 발명의 모놀리식형 반도체 레이저를 상세하게 나타내는 단면 설명도이다.
도 3은 종래의 모놀리식형 반도체 레이저의 단면 설명도이다.
<부호의 설명>
1 반도체 기판
5a 적외선용의 전류 협착층
5b 적색용의 전류 협착층
9a 적외선용 발광층 형성부
9b 적색용 발광층 형성부
다음에, 도면을 참조하면서 본 발명의 모놀리식형 반도체 레이저에 대해 설명을 한다. 본 발명에 의한 모놀리식형 반도체 레이저는, 도 1에 그 일 실시 형태의 단면 설명도가 나타나 있는 바와 같이, 반도체 기판(1)상에 제1 도전형 반도체층(예를 들어 n형 클래드층(2a)), 활성층(3a), 릿지부가 형성되는 제2 도전형 반도 체층(예를 들어 p형 클래드층(4a))을 갖는 제1 파장용(이하, 적외선용 또는 AlGaAs계라 함) 발광층 형성부(9a), 릿지측부에 적외선용의 전류 협착층(5a)이 적어도 형성된 AlGaAs계 반도체 레이저 소자(10a)와, 반도체 기판(1)상의 AlGaAs계 반도체 레이저 소자(10a)가 형성되어 있지 않은 영역에, 제1 도전형 반도체층(예를 들어 n형 클래드층(2b)), 활성층(3b), 릿지부가 형성되는 제2 도전형 반도체층(예를 들어 p형 클래드층(4b))을 갖는 제2 파장용(이하, 적색용 또는 InGaAlP계라 함) 발광층 형성부(9b), 적외선용의 전류 협착층(5a)과 동일 재료로 이루어지고, 활성층(3b)의 밴드갭 에너지보다 큰 밴드갭 에너지를 갖는 적색용의 전류 협착층(5b)이 릿지측부에 적어도 형성된 InGaAlP계 반도체 레이저 소자(10b)가, 동일한 반도체 기판면(1)상에 형성되어 있다.
이들의 반도체 재료를 적층하기 위한 반도체 기판(1)으로서는 격자 정합을 취할 수 있는 GaAs 기판이 일반적으로 이용되지만, 다른 화합물 반도체이어도 상관없다. 또, 반도체 기판(1)의 도전형은 반도체 레이저를 편입하는 세트와의 관계에서, 기판측에 원하는 도전형의 n형 또는 p형 중 어느 하나가 이용되고, 이 기판(1)의 도전형에 따라 적층되는 반도체층의 도전형도 정해진다. 이하의 구체적인 예에서는 반도체 기판(1)이 n형인 예로 설명한다.
도 1에 나타내는 예에서는 각각 제2 도전형 반도체층(4a, 4b)의 릿지부의 양측에, 동일한 재료로, 또한 적색용 발광층 형성부(9b)의 활성층(3b)의 밴드갭 에너지보다도 큰 밴드갭 에너지를 갖는 재료에 의해 적외용 및 적색용의 전류 협착층(5a, 5b)이 릿지부의 측부를 메우도록 형성되어 있다.
이와 같이 각각의 전류 협착층의 재료를 동일하게 하는 것에 의해, 후술하는 바와 같이 전류 협착층을 동시에 결정 성장할 수 있는 동시에, 릿지 형성 프로세스의 공통화, 박리 프로세스의 공통화 등이 가능하게 되고, 수율 저하를 억제할 수 있다. 또, 적색 발광층 형성부의 활성층의 밴드갭 에너지보다 큰 밴드갭 에너지를 갖는 재료를 이용하면, 당연히 적외용 발광층 형성부의 활성층의 밴드갭 에너지보다 큰 밴드갭 에너지를 갖게 되기 때문에, 적외, 적색의 광 어느 것도 흡수하는 일이 없게 된다. 따라서, 적외광, 적색광에 대해, 어느 것도 실 굴절율 구조를 실현할 수 있고, 고온 고출력 특성이 뛰어난 모놀리식형 반도체 레이저가 얻어진다.
적외용의 전류 협착층(5a), 적색용의 전류 협착층(5b)를 형성하기 위해서는 일반적으로 AlGaAs계 재료나 InGaAlP계 재료가 주로 이용된다. 여기서, AlGaAs계 재료란 AlzGa1 - zAs(0
Figure 112008013327457-pct00005
z
Figure 112008013327457-pct00006
1)로 나타내는 재료를, InGaAlP계 재료란 In0 .5(Ga1 -zAlx)0.5P(0
Figure 112008013327457-pct00007
x
Figure 112008013327457-pct00008
1)로 표시되는 재료를 각각 의미하고 있다.
이러한 재료는 격자정수가 기판과 근사하는 재료이고, 결정 성장이 비교적 용이하며 반도체층의 품질을 향상시킬 수 있다. 또, 특히 InGaAlP계 재료를 이용하는 것은 전류 협착 효과를 유지하는 것이 용이하므로 바람직하다. 즉, 전류 협착층안의 Al의 비율이 높아짐에 따라, 전류 협착층안에 재료로 되는 유기금속에 함유되는 탄소가 혼입하는 비율이 증가하여 p형화한다. 그리고 n형의 전류 협착층을 형성하는 경우, 가능한 Al의 비율을 떨어뜨리지 않으면 p형화에 의해 전류 협착 효과가 저하하여 누설 전류 등이 발생하게 된다. 그래서, 전류 협착 효과를 유지하기 쉽다 고 하는 점으로부터 Al의 비율이 적은 InGaAlP계 재료를 이용하는 것이 보다 바람직하다. 또한, 보다 확실한 전류 협착 효과를 유지하기 위해, n형의 전류 협착층을 이용하는 경우에는 Si를 도핑하는 것이 Al의 비율이 커진 경우에도 충분한 전류 협착 효과를 유지할 수 있는 점에서 보다 바람직하다. 또한, p형의 경우에는 Zn, Mg, Be 등을 도핑하는 것에 의해 얻어진다.
또, 적외용 및 적색용의 전류 협착층(5a, 5b)상에 전류 협착 효과나 광 폐쇄 효과를 조정하는 작용이나 보호층으로서의 작용을 갖는 n형 GaAs 등으로 이루어진 층이 추가로 적층되어도 된다.
또, InGaAIP계 재료나 AlGaAs계 재료를 이용하는 설명을 하고 있으나, 이들 이외의 재료를 이용한 경우에도, 상술한 조건을 만족하는 것이면 상관없다.
적외용 발광층 형성부(9a), 적색용 발광층 형성부(9b)는 도 1에 나타내는 바와 같이, 적어도 제1 도전형 반도체층(n형 클래드층(2a, 2b)), 활성층(3a, 3b), 릿지부가 형성되는 제2 도전형 반도체층(p형 클래드층(4a, 4b))을 갖고 있다.
적외용 발광층 형성부(9a)를 형성하기 위해서는 AlGaAs계 재료가, 적색용 발광층 형성부(9b)를 형성하기 위해서는 일반적으로 InGaAlP계 재료가 주로 이용된다. 적외용 및 적색용의 발광층 형성부의 일부에 다른 계의 재료를 이용하여 형성해도 된다. 또, 제1 도전형 반도체층(2a, 2b)으로서 n형 클래드층 이외에, 버퍼층 등을 마련해도 된다. 제2 도전형 반도체층(4a, 4b)으로서 p형 클래드층을 2분하고, 그 사이에 에칭 스톱층 등을 마련해도 되고, p형 클래드층상에 캡층 등을 마련해도 된다. 또, 활성층(3a, 3b)은 Zn 확산 등에 의해 공진기 단면을 무질서화하는 것과 같은 구조인 경우(창(窓) 구조를 갖는 경우)에는 양자 우물 구조가 아니면 무질서화하지 않기 때문에 양자 우물 구조인 것이 바람직하지만, 벌크 구조이어도 무방하다. 또, 양자 우물 구조는 단일 양자 우물 구조이거나 다중 양자 우물 구조이어도 무방하다.
또, 컨택트층(6a, 6b)은 발광층 형성부(9a, 9b) 및 전류 협착층(5a, 5b)상에, 예를 들어 p형 GaAs층 등에 의해 형성된다. p측 전극(7a, 7b)은 컨택트층(6a, 6b)의 표면에 스퍼터(sputter)나 증착에 의해 Ti/Au 등이 형성된다. 또, n측 전극(8)은 반도체 기판(1)의 이면에, 연마 등에 의해 얇게 된 후, Au-Ge/Ni 등이 형성된다. 막 두께나 재료는 적절히 선택할 수 있는 점은 종전과 동일하다.
상기 구성의 상세한 것에 대해서는 도 2를 이용하여 다시 설명한다. 도 2에 나타내는 바와 같이, n형 GaAs 기판(1)상에 1 ~ 10㎛ 정도의 n형 Alz2Ga1 -z2As(0.4
Figure 112008013327457-pct00009
z2
Figure 112008013327457-pct00010
0.7, 예를 들어 z2=0.5)로 이루어진 n형 클래드층(2a)이 마련되고, 그 위에는 도시하지 않은 Alz3Ga1 - z3As(0.04
Figure 112008013327457-pct00011
z3
Figure 112008013327457-pct00012
0.2, 예를 들어 z3=0.1)로 이루어진 우물층과 Alz4Ga1 -z4As(0.1
Figure 112008013327457-pct00013
z4
Figure 112008013327457-pct00014
0.5, z3<z4, 예를 들어 z4=0.3)으로 이루어진 장벽층(障壁層)과의 싱글 또는 다중 양자 우물 구조에 의해 형성되고, 전체적으로 0.04 ~ 0.2㎛ 정도의 활성층(3a)이 마련되어 있다. 그리고, 활성층상에 0.05 ~ 0.5㎛ 정도의 Alz5Ga1 - z5As(0.4
Figure 112008013327457-pct00015
z5
Figure 112008013327457-pct00016
0.7, 예를 들어 z5=0.5)로 이루어진 p형 제1 클래드층(41a), 0.005 ~ 0.05㎛ 정도의 Alz6Ga1 -z6As(0
Figure 112008013327457-pct00017
z6
Figure 112008013327457-pct00018
0.4, 예를 들어 z6=0.2)로 이루어진 p형 에칭 스톱층(42a), 0.5 ~ 3㎛ 정도의 Alz7Ga1 -z7As(0.4
Figure 112008013327457-pct00019
z7
Figure 112008013327457-pct00020
0.7, 예를 들어 z7=0.5)로 이루어진 p형 제2 클래드층(43a), 0.01 ~ 0.3㎛ 정도의 p형 GaAs로 이루어진 캡층(44a)에 의해, 릿지 형상의 p형 반도체층(4a)으로 이루어진 적외 발광층 형성부(9a)가 형성되어 있다.
다른 한편, n형 GaAs 기판(1)상의 적외 발광층 형성부(9a)가 형성되어 있지 않은 영역에, 1 ~ 10㎛ 정도의 n형 In0.5(Gal-x2Alx2)0.5P(0.3
Figure 112010064462108-pct00021
x2
Figure 112010064462108-pct00022
0.9, 예를 들어 x2=0.7)로 이루어진 n형 클래드층(2b)이 마련되고, 그 위에 도시하지 않은 Iny3(Ga1-x3Alx3)1-y3P(0
Figure 112010064462108-pct00023
x3
Figure 112010064462108-pct00024
0.1,0
Figure 112010064462108-pct00025
y3
Figure 112010064462108-pct00026
0.55, 예를 들어 x3=0, y3=0.53)으로 이루어진 압축 왜곡 우물층과 In0.5(Ga1-x4Alx4)0.5P(0.1
Figure 112010064462108-pct00027
x4
Figure 112010064462108-pct00028
0.5, 예를 들어 x4=0.5)로 이루어진 장벽층과의 싱글 또는 다중 양자 우물 구조에 의해 형성되고, 전체적으로 0.04 ~ 0.2㎛ 정도의 활성층(3b)이 마련되어 있다. 그리고, 활성층상에 0.05 ~ 0.5㎛ 정도의 In0.5(Ga1-x5Alx5)0.5P(0.3
Figure 112010064462108-pct00029
x5
Figure 112010064462108-pct00030
0.9, 예를 들어 x5=0.7)로 이루어진 p형 제1 클래드층(41b), 0.005 ~ 0.05㎛ 정도의 Iny6(Ga1-x6Alx6)1-y6P(0
Figure 112010064462108-pct00031
x6
Figure 112010064462108-pct00032
0.5, 0
Figure 112010064462108-pct00033
y6
Figure 112010064462108-pct00034
0.5, 예를 들어 x6=0, y6=0.35)로 이루어진 p형 에칭 스톱층(42a), 0.5 ~ 3㎛ 정도의 In0.5(Ga1-x7Alx7)0.5P(0.3
Figure 112010064462108-pct00035
x7
Figure 112010064462108-pct00036
0.9, 예를 들어 x7=0.7)로 이루어지며 릿지 형상으로 형성되는 p형 제2 클래드층(43b), 그 위에 0.01 ~ 0.3㎛ 정도의 p형 In0.5(Ga1-x8Alx8)0.5P(0
Figure 112010064462108-pct00037
x8
Figure 112010064462108-pct00038
0.5, 예를 들어 x8=0)로 이루어진 캡층(44b)에 의해, 릿지 형상의 p형 반도체층(4b)으로 이루어진 적색용 발광층 형성부(9b)가 형성되어 있다.
그리고, p형 제2 클래드층(43a, 43b), 캡층(44a, 44b)의 양측에, 예를 들어 0.1 ~ 3㎛ 정도, 예를 들어 0.4㎛ 정도의 Si가 첨가된 n형의 Alz1Ga1 -z1As(0.5
Figure 112008013327457-pct00039
z1
Figure 112008013327457-pct00040
0.8, 예를 들어 z1=0.6)이나, Iny1(Ga1 -x1A1x1)1- y1P로 표시되는 재료(0.6
Figure 112008013327457-pct00041
x1
Figure 112008013327457-pct00042
1,0
Figure 112008013327457-pct00043
y1
Figure 112008013327457-pct00044
1, 예를 들어 x1=0.75, y1=0.5)로 이루어진 적외 소자용의 전류 협착층(5a), 적색 소자용의 전류 협착층(5b)이 형성된다. 또, 각각의 전류 협착층상에 0.01 ~ 3㎛ 정도, 예를 들어 0.5㎛ 정도의 n형 GaAs로 이루어진 보호층(11a, 11b)이 마련된다.
또한, 캡층 및 보호층상에, 예를 들어 0.1 ~ 10㎛ 정도의 p형의 GaAs로 이루어진 컨택트층(6a, 6b), 컨택트층상에는 Ti/Au 등으로 이루어진 p측 전극(7a, 7b)이, GaAs 기판(1)의 이면에 Au-Ge/Ni 등으로 이루어진 n측 전극(8)이 마련되어 있다.
또한, 본 발명자는 상기 전류 협착층을 갖는 구성의 각종 모놀리식형 반도체 레이저를 실제로 시작(試作)해 보았다. 그리고, 그 시작 과정에서 전류 협착층의 재료 선택 여하에 따라 고출력 특성에 영향을 미치는 경우가 있다는 것이 판명되었다. 예를 들어, AlGaAs계 고출력 반도체 레이저 소자 단체(單體)로서 이전부터 적외용의 전류 협착층(5a)으로서 이용되어 온 재료(예를 들어, AlGaAs계 재료)를 그대로 적외용의 전류 협착층에도 이용한 경우, AlGaAs계 반도체 레이저 소자(10a)의 특성은 당연히 유지되는 것으로 된다. 그러나, 적색용의 전류 협착층(5b)에도 동일 한 재료를 이용하면, InGaAlP계 반도체 레이저 소자(10b)의 특성은 종전의 전류 협착층과 재료(예를 들어, InGaAlP계 재료)가 다르기 때문에, 종전의 고출력 특성을 유지할 수 없는 경우도 생길 수 있었다. 다른 한편, 예를 들어, InGaAlP계 고출력 반도체 레이저 단체로서 이전부터 이용되어 온 재료(예를 들어 InGaAlP계 재료)를 그대로 이용한 경우, InGaAlP계 반도체 레이저 소자(10b)의 특성은 유지되지만, AlGaAs계의 반도체 레이저 소자(10a)는 릿지부와 전류 협착층과의 굴절률차가 커져, 킨크의 발생 등 고출력 특성이 악화되는 경우도 있다.
이와 같이, 전류 협착층을 공통의 재료를 이용하는 것에 의해 고출력 반도체 레이저 소자의 모놀리식화를 실현할 수 있으나, 재료 선택의 방법에 따라서는 한 쪽의 반도체 레이저 소자의 특성을 유지할 수 없는 경우가 있고, 양 반도체 레이저 소자의 특성을 유지하기 위해서는 각각의 전류 협착층에 이용되는 재료는 필연적으로 한정되는 것으로 된다.
그래서 본 발명자는 적외용 및 적색용의 전류 협착층에 공통의 재료를 이용한 다음, 보다 전류 협착층에 이용할 수 있는 재료의 폭을 넓히기 위해, 여러 가지의 검토를 행하였다. 그리고 전류 협착층의 재료 선택에 의한 특성의 악화를 방지하기 위해, 전류 협착층의 조성이나 막 두께의 최적화를 도모하여 특성을 유지한다고 하는 종래의 발상으로 변경하여 전류 협착층의 조성이나 막 두께를 고정하고, 전류 협착층과 인접하는 제2 도전형 반도체층(릿지부를 구성하는 클래드층)의 재료를 전류 협착층의 굴절률에 따라, 조성을 변경하는 것에 의해 재료 선택의 폭을 넓히는 것이 가능하게 된다는 것을 발견하였다. 구체적으로, 여러 가지의 실험 결과, 제2 도전형 반도체층의 재료로서 제2 도전형 반도체층의 굴절률과 상기 전류 협착층의 굴절률의 차가 0.1 이하, 보다 바람직하게는 0.05로 되는 재료를 이용하는 것에 의해, 전류 협착층의 재료 변경이 이루어졌다고 해도, 충분히 특성을 유지할 수 있다는 것을 발견하였다.
보다 구체적으로, 예를 들어 종전의 InGaAlP계 재료를 적외용, 적색용의 전류 협착층(5a, 5b)에 이용한 경우, 굴절률은 3.24 ~ 3.30 정도이기 때문에, 그 경우에 고출력 특성을 유지하기 위해 전류 협착층에 인접하는 제2 도전형 반도체층(4a, 4b)의 굴절률을 3.29 ~ 3.39 정도로 하는 것이 바람직하다. 또, AlGaAs계 재료를 적외용, 적색용의 전류 협착층(5a, 5b)에 이용하는 경우, 굴절률은 3.34 ~ 3.39 정도이기 때문에, 제2 도전형 반도체층의 굴절률은 3.39 ~ 3.44 정도로 하는 것이 바람직하다. 이것에 의해 종전의 각 반도체 레이저 소자의 특성을 손상시키는 일 없이 양 반도체 레이저 소자의 고출력 특성을 유지할 수 있다.
또한, AlGaAs계 반도체 레이저 소자(10a)와 InGaAlP계 반도체 레이저 소자(10b)의 고온 고출력 특성을 비교하면, 일반적으로 InGaAlP계 반도체 레이저 소자 쪽이 곤란하기 때문에, 가능한 InGaAlP계 반도체 레이저 소자는 종래의 단체로서의 구조를 유지하는 것이 바람직하다. 즉 InGaAlP계 재료를 이용하여 적외용의 전류 협착층 및 적색용의 전류 협착층을 형성하고, AlGaAs계 반도체 레이저 소자의 제2 도전형 반도체층(4a)의 재료를 변경하고, 굴절률차를 유지하도록 설계하는 것이 보다 바람직하다.
상술한 도 1 및 도 2의 구조의 반도체 레이저를 제조하는데는 먼저 기판(1) 상에 AlGaAs계 반도체 레이저 소자(10a)를 제작하기 위해, 활성층(3a)을 포함하는 발광층 형성부(9a)를 우선 형성한다. 예를 들어, n형 GaAs 기판(1)을, 예를 들어 M0CVD(유기 금속 화학 기상 성장) 장치내에 넣고, 반응 가스인 트리에틸 갈륨(TEG), 트리메틸 알루미늄(TMA), 트리메틸 인듐(TMIn), 포스핀(PH3), 알신(AsH3) 및 반도체층의 도전형에 따라, n형 도펀트(dopant) 가스로서의 SiH4, p형 도펀트로서 디메틸 아연(DMZn), 비스메틸 시클로 팬타지에니벨리륨(MeCp)2 Be, 시클로 팬타지에닐 마그네슘(Cp2Mg) 등의 필요한 재료를 캐리어 가스인 수소(H2)와 함께 도입하고, 500 ~ 700℃ 정도로 각 반도체층을 에피택셜 성장하는 것에 의해, n형 클래드층(2a), 다중 양자 우물 구조로 이루어진 활성층(3a), p형 제1 클래드층(41a), 에칭 스톱층(42a), p형 제2 클래드층(43a) 및 캡층(44a)을 순차적으로 성장하여 적외용 발광층 형성부(9a)를 형성한다.
다음에, InGaAlP계 반도체 레이저 소자(10b)의 형성을 예정하는 개소(箇所)에 이미 적층된 AlGaAs계 반도체 레이저의 적외용 발광층 형성부(9a)를 황산과 과산화 수소수의 혼합액 등의 에칭액을 이용하여 웨트 에칭 등에 의해 제거하여 반도체 기판(1)을 노출시킨다. 그 다음에, M0CVD 장치내에 다시 GaAs 기판을 넣고, InGaAlP계 반도체 레이저 소자의 발광층 형성부(9b)를 제작하기 위해 n형 클래드층(2b), 다중 양자 우물 구조로 이루어진 활성층(3b), p형 제1 클래드층 (41b), 에칭 스톱층(42b), p형 제2 클래드층(43b) 및 캡층(44b)을 순차적으로 성장하고, 적색용 발광층 형성부(9b)를 형성한다.
이어서, 적외용 발광층 형성부(9a)상에 적층된 적색용 발광층 형성부(9b)를 염산 등의 에칭액을 이용하여 웨트 에칭 등에 의해 제거한다.
다음에, 적색용 발광층 형성부(9b)의 단면에 창 구조를 형성한다. 즉, 적색용 고출력 반도체 레이저에서는 특히 단면에서의 파괴(COD)가 생기기 쉽기 때문에, 파괴되기 쉬운 반도체 레이저 칩 단면에 Zn 확산 영역을 형성하고, 단면에서의 발진을 하지 않도록 하는 구조가 일반적으로 채용되어 있다. 그 때문에, 반도체 웨이퍼 상태로, 칩에 벽개(劈開)하는 영역에 미리 Zn을 확산하여 무질서화한다. 구체적으로, 적색용 발광층 형성부(9b)상의 벽개하는 영역에 Zn0층 등의 Zn 확산원을 50nm 정도 스퍼터법에 의해 형성하고, 400 ~ 700℃에서 10 ~ 240분 정도 어닐하는 것등에 의해, Zn 확산원 중의 Zn을 활성층에까지 도달시킨다. 그 후, Zn0 등을 플루오르산 등으로 제거한다. 그 결과, Zn 확산 영역에서는 활성층의 양자 우물 구조가 Zn에 의해 무질서화되고, 밴드갭 에너지가 커져 있고, 벽개 후에 공진기 단면에 Zn 확산 영역이 형성되고, 공진기 단면에서는 내부로부터의 광을 흡수하는 일이 없어져 온도 상승은 극히 억제되고, COD 파괴를 방지할 수 있다.
다음에, 적외용 발광층 형성부(9a), 적색용 발광층 형성부(9b), 각각의 릿지부를 형성하기 위해, 예를 들어 CVD법 등에 의해 Si02 또는 SiNx 등으로 이루어진 마스크를 형성하고, 예를 들어 드라이 에칭 등에 의해 캡층(44a, 44b)을 선택적으로 에칭하고, 계속하여 주석산과 과산화 수소수의 혼합액과 같은 에칭액에 의해, 적외용 발광층 형성부의 p형 제2 클래드층(43a)을, 염산 등과 같은 에칭액에 의해 적색용 발광층 형성부의 p형 제2 클래드층(43b)을 순차적으로 에칭하는 것에 의해, 볼록(凸) 형상의 릿지부가 형성된다. 또한, 볼록 형상의 형성은 에칭 스톱층이나 활성층에 도달할 때까지 제거하여 형성해도 된다. 또한 제거하는 방법은 웨트 에칭 이외에 드라이 에칭이어도 된다.
후술하는 바와 같이 적외용, 적색용의 전류 협착층(5a, 5b)은 동시에 매립하여 형성되게 되기 때문에, 본 발명의 모놀리식형 반도체 레이저에서는 릿지부의 형성도 일련의 프로세스로 행할수 있게 된다. 즉, 각각의 전류 협착층을 다른 재료를 이용하여 형성하는 경우에는 동시에 전류 협착층을 매립할 수 없기 때문에, 매립 성장 이전 단계로서, 각각 별개의 기회에 릿지부를 형성할 필요가 있다. 따라서, 릿지 형성 프로세스가 별개로 2회 필요하게 되지만, 본 발명의 모놀리식형 반도체 레이저에서는 1회의 연속된 프로세스로 제작할 수 있고, 또 릿지 형성 프로세스에 수반하는 불필요한 부분 제거 등의 박리 프로세스도 1회로 끝낼 수 있다.
다음에, 양 볼록 형상의 폭협부(幅狹部)의 적어도 측부에 적외용 및 적색용의 전류 협착층(5a, 5b)을 동시에 매립한다. 전류 협착층의 매립은 예를 들어, 절연막으로 이루어진 마스크를 이용한 선택 성장 등에 의해 행한다. 이 전류 협착층은 n형으로 하기 위해 Si를 도핑하고, 또, 가능한 Al의 비율을 저하하기 위해 InGaAlP계 재료를 이용하여 형성한다. 또한, 선택 성장이란 마스크상에 적외용, 및 적색용의 전류 협착층을 형성시키는 일 없이, 볼록 형상의 릿지부의 측부에만 선택적으로 전류 협착층을 매립하는 수법이고, 성장 조건, 예를 들어 성장 온도, 압력 등을 통상의 성장 조건과 변경하는 것에 의해 달성된다.
이와 같이 본 발명의 모놀리식형 반도체 레이저에서는 종래의 실굴절률형의 고출력 레이저 소자를 단순히 조합하는 것은 아니고, 고출력 특성을 유지하면서 적외용 및 적색용의 전류 협착층을 동일 재료, 또 활성층에서 발생한 광을 흡수하지 않는 재료를 동시에 매립하고 있기 때문에, 동시에 선택 성장이 가능하게 하여 프로세스 공정수가 증가하는 일 없이, 고출력 동작 가능한 모놀리식형 반도체 레이저가 얻어진다.
그 후, 절연막으로 이루어진 마스크를 플루오르산 등으로 제거한다. 계속하여, 예를 들어 GaAs 컨택트층(6a, 6b)을 성장하는 것에 의해, AlGaAs계 반도체 레이저 소자(10a), InGaAlP계 반도체 레이저 소자(10b)가 형성된다. 또한 AlGaAs계 반도체 레이저 소자(10a)와 InGaAlP계 반도체 레이저 소자(10b)를 전기적으로 분리하기 위해, 분리 영역 이외를 레지스트 등에 의해 마스크하고, 분리 영역을 염산 또는 황산과 과산화 수소수의 혼합액 등과 같은 에칭액을 이용하여, 반도체 기판에 도달할 때까지 에칭한다.
마지막으로, 예를 들어 컨택트층(6a, 6b)의 표면에 각각 Au-Ge/Ni 등으로 이루어진 p측 전극(7a, 7b)을, 또 반도체 기판(1)의 이면에 Ti/Au 등으로 이루어진 n측 전극(8)을, 각각 진공 증착 등에 의해 형성한다. 이 전극 형성후에 벽개 등에 의해, 웨이퍼로부터 칩화하는 것에 의해, 레이저 칩이 형성되어 있다.
본 발명은 DVD, DVD-R0M, 데이터 기록 가능한 DVD-R 등의 DVD 장치와 CD, CD-R0M, 데이터 기록 가능한 CD-R 등의 CD 장치와의 일체형 광 디스크 장치의 픽업 광원에 이용할 수 있다.

Claims (6)

  1. 동일 반도체 기판상에 제1 파장용 반도체 레이저 소자와, 제2 파장용 반도체 레이저 소자를 구비하는 모놀리식(monolithic)형 반도체 레이저로서,
    상기 제1 파장용 반도체 레이저 소자는 상기 반도체 기판상에 적층되는 제1 도전형 반도체층, 활성층, 릿지(ridge)부가 형성되는 제2 도전형 반도체층으로 이루어진 제1 파장용 발광층 형성부와, 상기 제2 도전형 반도체층의 릿지부의 측부에 마련된 제1 파장용의 제1 도전형 전류 협착층을 갖고,
    상기 제2 파장용 반도체 레이저 소자는 상기 반도체 기판상의 상기 제1 파장용 반도체 레이저 소자가 형성되어 있지 않은 영역에 적층되는 제1 도전형 반도체층, 활성층, 릿지부가 형성되는 제2 도전형 반도체층으로 이루어진 제2 파장용 발광층 형성부와, 상기 제2 도전형 반도체층의 릿지부의 측부에 마련되는 제2 파장용의 제1 도전형 전류 협착층을 갖고,
    상기 제1 파장용의 전류 협착층과 상기 제2 파장용의 전류 협착층을 형성하는 재료가 동일하고, 또 발광 파장이 짧은 상기 제2 파장용의 반도체 레이저 소자의 활성층보다도 큰 밴드갭 에너지를 갖는 AlzGa1-zAs(0.5
    Figure 112010064462108-pct00052
    z
    Figure 112010064462108-pct00053
    0.8) 재료로 이루어지고,
    상기 제1 파장용 반도체 레이저 소자 및 제2 파장용 반도체 레이저 소자의 상기 릿지부를 형성하는 제2 도전형 반도체층은 굴절율이 3.39 ~ 3.44인 재료로 이루어고, 또 상기 전류 협착층의 굴절률과의 차가 O.1 이하로 되는 재료로 이루어지는 것을 특징으로 하는 모놀리식형 반도체 레이저.
  2. 동일 반도체 기판상에 제1 파장용 반도체 레이저 소자와, 제2 파장용 반도체 레이저 소자를 구비하는 모놀리식형 반도체 레이저로서,
    상기 제1 파장용 반도체 레이저 소자는 상기 반도체 기판상에 적층되는 제1 도전형 반도체층, 활성층, 릿지부가 형성되는 제2 도전형 반도체층으로 이루어진 제1 파장용 발광층 형성부와, 상기 제2 도전형 반도체층의 릿지부의 측부에 마련된 제1 파장용의 제1 도전형 전류 협착층을 갖고,
    상기 제2 파장용 반도체 레이저 소자는 상기 반도체 기판상의 상기 제1 파장용 반도체 레이저 소자가 형성되어 있지 않은 영역에 적층되는 제1 도전형 반도체층, 활성층, 릿지부가 형성되는 제2 도전형 반도체층으로 이루어진 제2 파장용 발광층 형성부와, 상기 제2 도전형 반도체층의 릿지부의 측부에 마련되는 제2 파장용의 제1 도전형 전류 협착층을 갖고,
    상기 제1 파장용의 전류 협착층과 상기 제2 파장용의 전류 협착층을 형성하는 재료가 동일하고, 또 발광 파장이 짧은 상기 제2 파장용의 반도체 레이저 소자의 활성층보다도 큰 밴드갭 에너지를 갖는 In0.5(Ga1-xAlx)0.5P(0.6
    Figure 112010064462108-pct00054
    x
    Figure 112010064462108-pct00055
    1) 재료로 이루어지고,
    상기 제1 파장용 반도체 레이저 소자 및 제2 파장용 반도체 레이저 소자의 상기 릿지부를 형성하는 제2 도전형 반도체층은 굴절율이 3.29 ~ 3.39인 재료로 이루어지고, 또 상기 전류 협착층의 굴절률과의 차가 O.1 이하로 되는 재료로 이루어지는 것을 특징으로 하는 모놀리식형 반도체 레이저.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 전류 협착층상에 GaAs로 이루어진 보호층이 마련되어서 이루어진 모놀리식형 반도체 레이저.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 제1 파장용 및 제2 파장용의 전류 협착층이 전기적으로 분단되어 있고, 또 이 전류 협착층에 Si가 첨가된 n형 반도체층으로 이루어진 모놀리식형 반도체 레이저.
  5. 삭제
  6. 삭제
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