KR101022297B1 - 반도체 레이저 - Google Patents

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타케히로 니시다
유지 오쿠라
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미쓰비시덴키 가부시키가이샤
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Abstract

릿지의 폭이 출사 단부면을 향해 넓어지는 플레어 릿지형 더블 채널 구조의 반도체 레이저에서는, 수평방향의 원시야 상의 강도 중심 및 형상이 광 출력의 변화에 따라 변동하는 것이 방지되어, 안정된 수율이 얻어지지 안는다. 릿지의 폭이 가장 좁은 개소의 양측의 채널부의 폭을 광출사 단부면에 있어서 채널 폭보다 넓게 함으로써, 광출력 변화에 따른 수평방향의 원시야 상의 강도중심의 변동이 억제되어, 원시야 상의 형상이 안정된 레이저빛을 출사하는 반도체 레이저를 제공할 수 있다.
반도체 레이저, 플레어 릿지, 원시야 상, 강도 중심

Description

반도체 레이저{SEMICONDUCTOR LASER}
본 발명은, 반도체 레이저에 관한 것으로, 특히 도파로 릿지(ridge)를 구비한 반도체 레이저에 관한 것이다.
본 발명은, 광디스크 시스템 또는 광통신 등에 사용되는 반도체 레이저에 관한 것으로서, 특히, 더블채널형 릿지 구조형의 디스크리트 및 모노리식 반도체 레이저에 관한 것이다. 더블채널형 릿지 구조란, 릿지를 등가 굴절률이 작은 채널(홈)부에서 끼우고, 다시 채널부를 등가 굴절률이 큰 층으로 사이에 끼운 구성이다(예를 들면 특허문헌 1, 도13 참조).
또한, 레이저빛의 고출력화에 따라, 릿지 폭을 레이저 공진기 내에서 변화시켜, 광 출사 단면을 향해 릿지 폭이 넓어지는 플레어형의 릿지 구조 레이저가 채용되고 있다. 이 구조의 이점은, 고출력화를 실현하는 동시에 디바이스 저항, 동작 전압, 동작 전류를 저감할 수 있다고 하는 이점이 있다. 종래의 플레어 릿지형 더블 채널 구조 레이저의 채널 폭은, 릿지 폭의 변화와 무관하게 일정한 값으로 설계 되어 있었다(예를 들면 특허문헌 2∼4).
[특허문헌 1] 일본국 특허 3857294
[특허문헌 2] 일본국 특개 2006-303267
[특허문헌 3] 일본국 특허 2695440
[특허문헌 4] 특표 2005-524234
종래의 플레어 릿지형 더블 채널 구조의 반도체 레이저에서는, 수평방향의 원시야 상의 강도 중심 및 형상이 광출력의 변화에 따라 변동하는 일것이 발생하여, 안정된 수율이 얻어지지 않는다고 하는 문제가 있었다.
본 발명은, 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은, 광출력 변화에 따른 수평방향의 원시야 상의 강도 중심의 변동이 억제되고, 또한, 원시야 상의 형상이 안정된 레이저빛을 출사하는 반도체 레이저를 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 반도체 레이저는, 릿지와, 상기 릿지의 양측에 위치하고, 상기 릿지를 사이에 끼우고, 상기 릿지보다 등가굴절률이 작은 채널부와, 상기 채널부의 외측에 상기 채널부의 등가굴절률보다 큰 등가굴절률을 갖는 층을 갖는 더블 채널형 릿지 구조의 반도체 레이저로서, 상기 릿지가, 광 출사 단부면을 향해서 폭 이 넓어지는 플레어 릿지 구조를 갖고, 상기 릿지의 폭이 가장 좁은 개소의 양측의 위치의 채널부의 폭이, 상기 광 출사 단부면부에 있어서의 채널 폭보다 넓어져 있는 것을 특징으로 하는 것이다.
본 발명에 따른 반도체 레이저에 있어서는, 플레어 릿지 구조를 갖는 더블 채널형 릿지 구조로서, 릿지이 폭이 가장 좁은 개소의 양측의 채널부의 폭을 광 출사 단부면부에 있어서의 채널 폭보다 넓게 함으로써, 수평방향의 원시야 상의 형상이 개선되고, 또한, 원시야 상 의 중심을 안정시킬 수 있다.
실시예 1.
실시예 1은, 더블 채널형 릿지 구조를 갖고, 릿지 형상은 릿지 폭이 일정하게 변화되지 않는 영역 1과 광 출사 단부면을 향해서 릿지 폭이 넓어지는 플레어 형상의 영역 2로 이루어지고 있는 반도체 레이저이다. 발진 파장은 660nm 부근이다. 도1은 본 실시예1의 레이저의 구조를 나타낸 사시도이다. 도2은, 도1의 A-A선 단면도이다. 본 실시예 1의 반도체 레이저는, 릿지(121)을 2개의 홈부(채널)(125)로 끼워서 형성하는 더블 채널형 릿지 구조의 반도체 레이저이다. 릿지 폭과 채널 폭은 도2 중에서 각각 T, Wc로 표시되어 있다.
본 실시예 1의 채널을 포함하는 릿지 근방의 패턴을 위에서 본 외관을 도3에 나타낸다. 도면 중에서 상기 영역 1의 길이를 Ll, 영역 2의 길이를 L2로 하고, 각각 대응하는 릿지 폭을 T1, T2, 채널 폭을 Wc1, Wc2로 기재하고 있다.
이 더블 채널형 플레어 릿지 구조의 반도체 레이저는, 광 출사 단부면부의 채널 폭이 릿지 폭이 가장 좁은 개소의 채널부로부터 좁아지고 있다. 이러한 구조 로 함으로써, 광출력 변화에 따른 수평방향의 원시야 상의 강도중심의 변동이 억제된다.
또한, 릿지 폭이 가장 좁은 개소에 있어서, 레이저의 릿지 중심의 전계강도와 채널의 외측의 끝에서의 전계강도가 이하의 조건을 충족시키도록 채널부의 폭이 최적화되어 있다.
E = Acos(ux) (x≤T/2) …(1)
E = Acos(uT/2) exp(-w(｜x｜-T/2) (x≥T/2) …(2)
u2+w2 = (n1 2-n2 2) (2π/λ)2T2 …(3)
w = u·tan(u) …(4)
단, E는 전계,
A는 소정의 계수,
x는 상기 릿지의 중심으로부터의 거리,
T는 상기 릿지의 폭,
n1은 상기 릿지의 등가굴절률,
n2은 상기 채널부의 등가굴절률,
λ는 상기 반도체 레이저의 발진 파장,
Wc는 상기 채널부의 폭
으로 한 경우에,
식(1) 내지 (4)에 의해 산출되는 x=0에 있어서의 전계 E1과,
x=T/2+Wc에 있어서의 전계 E2의 비인 E2/E1이,
0.0001 ≤ E2/E1 ≤ 0.01 …(5)
을 만족시키도록 설정되어 있다.
상기 파라미터와 릿지 근방의 굴절률 분포와 전계분포를 도4에 나타낸다. 이렇게, 릿지 폭이 가장 좁은 개소에 있어서의 채널부의 폭을 설정함으로써, 평방향의 원시야 상의 형상이 한층 더 개선되고, 또한, 원시야 상의 중심을 안정시킬 수 있다.
또한, 본 실시예 1에서는, 릿지의 중심으로부터 채널의 외측의 끝까지의 거리를 일정하게 하고 있다. 이러한 구조로 함으로써, 제조시의 가공을 쉽게 하여, 양산성을 상승시킬 수 있다.
실시예 1의 더블 채널형 플레어 릿지 반도체 레이저의 구조와 제작 방법을 간단하게 서술한다.
도 1에 있어서, n형(n-) GaAs 기판(101)의 윗쪽에, n-AIGaInP 하부 클래드(103)이 형성되어 있다. n- AIGaInP 하부 클래드층(103) 위에는, GaInP을 우물층, AIGaInP을 배리어층으로 하는 다중 양자우물 구조의 활성층(105)(이하, MQW 활성층으로 칭한다)이 형성되어 있다.
활성층(105) 위에는, p형(p-) AIGaInP 제1상부 클래드층(107), 에칭스토퍼층(109)이 순차적으로 형성되어 있다. 에칭스토퍼층(109) 위에는, 직선 형태로 릿지(121)가 형성되어 있다. 그리고, 릿지(121)의 양 어깨에 형성된 2개의 홈부(125)에서 떨어져, p-AIGaInP 제2 상부클래드층(111)이 릿지(121)를 따라 직선 형태로 형성되어 있다.
그리고, 릿지(121) 및 p-AIGaInP 제2상부 클래드층(111)의 윗면에는 p-GaAs 콘택층(113)이 형성되고, 그 상부에는 절연막(115)이 형성되어 있다. 절연막(1]5) 위에 금속 박막과 금 도금으로이루어진 p 전극(117)이 형성되어 있다. 그리고, 릿지(121) 위의 절연막(115)은 개구되고, p 전극(117)과 p-GaAs 콘택층(113)은 전기적으로 접속되어 있다.
반도체 레이저(129)의 단부면 근방에는, 창 영역(123)이 설치되어 있다. 그리고, n-GaAs 기판(101)의 이면에는 n 전극(119)이 형성되어 있다. 또한, 127은 레이저빛을 보이고 있다.
상기한 예에 있어서, AIGaInP의 조성은, 정확하게는, (AlxGa1-x)0.5InO.5P에 의해 표시된다. 그리고, n-AIGaInP 하부 클래드층(103)의 조성비 x는 0.5∼0.7, p-AIGaInP 제1상부 클래드층(107)의 조성비x은 0.5∼0.7, p-AIGaInP 제2상부 클래드층(111)의 조성비 x는 0.5∼0.7이다.
각 층의 두께는, n-AIGaInP 하부 클래드층(103)이 1.5∼4㎛, p-AIGaInP 제1상부 클래드층(107)이 0.1∼1㎛, p-AIGaInP 제2상부 클래드층(111)이 0.5∼2㎛이 다. 그리고, 각 층의 캐리어 농도는, n-AIGaInP 하부 클래드층(103)이 0.3∼2.0×1018cm-3, p-AIGaInP 제1상부 클래드층(107)이 0.3∼2.0×1018cm-3, p-AIGaInP 제2상부 클래드층(111)이 0.3∼2.0×1018cm-3이다.
종래의 더블 채널형 릿지 구조에서는, 릿지 폭이 공진기 내에서 변화되어도 채널 폭은 공진기 내에서 변화되지 않고 일정했다.
이에 대하여, 실시예 1에서는 릿지 폭은, 가장 좁은 곳(Tl)에서는 1.5㎛이며, 가장 넓은 전방 단부면(T2)에서 3㎛이다. 채널 폭은 가장 넓은 곳(Wc1)에서 6㎛이며, 가장 좁은 곳(Wc2)에서 약 5.3㎛이다. Ll과 L2의 비교는 1:1이 되도록 설계하고 있다. .
본 실시예 1에서는 Tl=1.5㎛, T2=3.0㎛로 했지만, 동작 전압의 상승이 문제가 없는 범위에서 폭을 좁게 할 수 있고, 킹크 레벨(kink level)의 저하가 허용되는 범위에서 폭을 넓게 할 수 있다. 보통, Tl은 1.0㎛∼3.0㎛, T2은 1.5㎛∼5.O㎛의 범위에서, T1<T2의 관계를 충족시키도록 설계할 수 있다. Wc1은 식 (5)에 의해, T1으로부터 결정되는 값이며, Wc2의 값은 T2과 Wc1로부터 결정된다. 또한, Ll과 L2의 비교는 임의로 설정할 수 있다. L1/L2가 커지면 동작 전압상승하고, 작아지면 킹크 레벨이 저하함으로써, 요구 성능을 충족시키도록 L1/L2는 설정된다.
다음에, 본 실시예에 관한 반도체 레이저의 제조 방법에 관해 설명한다. 우선, MOCVD법 등의 결정성장법에 의해, n-GaAs 기판(101) 위에 n-AIGaInP하부 클래드층(103), MQW 활성층(105), p-AIGaInP 제1상부 클래드층(107), 에칭스토퍼 층(109), p-AIGaInP 제2상부 클래드층(111), p-GaAs 콘택층(113)을 순차 형성한다. 다음에, 단면 근방에 Zn 확산 등에 의해 MQW 활성층(105)을 무질서화함에 의해, 창 영역(123)을 형성한다. 계속해서, 레지스트 또는 절연막을 마스크로 하여, 드라이에칭과, 황산 또는 염산계 에칭액을 사용하여, p-AIGaInp 제2상부 클래드층(111)을 선택적으로 에칭함으로써 릿지(121)과 홈부(125)를 형성한다. 이때 황산 등의 적절한 에칭액을 사용함으로써, 에칭은 에칭스토퍼층(109)에서 자동적으로 멈춘다.
다음에, 질화막 등의 절연막(115)을 전체면에 형성하고, 포토리소그래피에 의해 릿지(121)의 윗면에 개구부를 형성하고, 금속 박막과 금 도금으로 이루어진 p 전극(117)을 형성한다.
실제로 제작된 반도체 레이저의 수평 방향의 원시야 상을 도5과 도6에 비교한다. 종래 구조의 원시야 상은 도5이며, 실시예 1의 원시야 상은 도6이다. 또한, 광출력 5mW시와 120mW시에서의 수평 방향 원시야 상의 중심각의 차분의 분포를, 종래 구조와 실시예 1에서 도7, 도8에 비교한다. 종래 구조의 분포가 도7이며, 실시예 1의 분포가 도8이다. 양자를 비교함으로써 채널부(125)의 폭을 본 실시예 1에 나타낸 범위 내에서 설계함으로써 수평 방향의 원시야 상의 형상이 종래기술의 것보다 명확하게 개선되고, 또한, 원시야 상의 중심이 대단히 안정한 것을 알 수 있다.
또한, 더블 채널 구조 대신에, 더블 채널 구조와 같은 레이저빛 흡수 효과를 갖는 영역을 Zn 확산이나 양성자 주입에 의해 형성해도, 광출력 증가에 따른 수평방향의 원시야 상의 변동 억제 효과가 있다.
실시예 2.
도 9, 도 10은 본 발명의 다른 실시예의, 채널을 포함하는 릿지 근방의 패턴을 위에서 본 외관도를 나타낸다. 본 실시예에서는, 실시예 1과 마찬가지로 광 출사 단부면부의 채널 폭이 릿지 폭이 가장 좁은 개소의 채널부보다 좁아져 있다. 또한, 릿지 폭이 가장 좁은 개소에 있어서, 레이저의 릿지 중심의 전계 강도와 채널의 외측의 끝에서의 전계강도가 실시예 1의 식 (5)을 충족시키도록 채널부의 폭이 최적화되어 있다. 그러나, 공진기 내에서 릿지의 중심으로부터 채널의 외측의 끝까지의 거리가 일정하게 되지 않고 있다. 이러한 반도체 레이저라도, 실시예 1과 동일한 효과가 얻어진다.
실시예 3.
도 11은, 본 발명의 또 다른 실시예의, 채널을 포함하는 릿지 근방의 패턴을 위에서 본 외관도를 나타낸다. 이것은, 후방 단부면 방향의 릿지 폭이 최종적으로 광 출사 단부면이 가장 넓은 폭과 일치하도록, 후방 단부면 방향을 향해서 릿지 폭을 넓히고, 제조시의 웨이퍼 상에서, 릿지의 전방 단부면이 인접하는 칩의 후방 단부면과 연결되도록 설계한 것이다. 이렇게 설계함으로써 생산성을 개선할 수 있다.
실시예 4
본 발명은, AIGaInP계 반도체 레이저를 예로, 발진 파장이 660nm 부근의 반 도체 레이저에 관하여 설명했지만, 발진 파장이 601nm 이상, 700nm 이하의 범위에 있는 반도체 레이저에 대해서 동일하게 말할 수가 있다. 그 이외에도 발진 파장이 330nm 이상, 600nm 이하의 범위에 있는 반도체 레이저나, 발진 파장이 701nm 이상, 900nm 이하의 범위에 있는 반도체 레이저에도 적응할 수 있다. 또한, 상기의 다른 발진 파장을 갖는 반도체 레이저를 1개의 칩에 집적화한 것이라도 된다. 도12은, 본 발명의 또 다른 실시예의 반도체 레이저의 구조를 나타낸 일부 단면도이다. 또 도12은, 본 실시예의, 채널을 포함하는 릿지 근방의 패턴을 위에서 본 외관도를 나타낸다. 본 실시예는, 실시예 1에서 나타낸 반도체 레이저와 같은 구도로, 다른 발진 주파수를 갖는 2개의 반도체 레이저를 1개의 칩에 집적화한 것이다. 이러한 반도체 레이저에 있어서도, 각각의 발진 파장에 각 레이저에 있어서, 수평방향의 원시야 상의 형상이 개선되고, 원시야 상의 중심을 안정시킬 수 있다.
이때, 도면 및 명세서에서는 본 발명의 전형적인 바람직한 실시예를 개시하고 있고, 특정한 용어를 사용하고 있지만, 그것들은 일반적 또한 기술적인 의미로만 사용하고 있고, 본 명세서에 기재된 특허청구범위를 한정하는 것을 목적으로 하는 것이 아닌 것은 말할 필요도 없다.
[산업상 이용 가능성]
이상과 같이, 본 발명에 따른 반도체 레이저는, 도파로 릿지를 구비한 반도체 레이저에 적합하다.
도1은 본 발명의 일 실시예에 관한 반도체 레이저의 구조를 나타낸 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 관한 반도체 레이저의 구조를 나타낸 일부 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 관한 반도체 레이저의 구조를 나타낸 상면 외관도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 관한 반도체 레이저의 단면에 있어서의 전계분포를 도시한 도면이다.
도 5는 종래기술의 반도체 레이저의 수평방향의 원시야 상의 실측값을 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 관한 반도체 레이저의 수평방향의 원시야 상의 실측값을 도시한 도면이다.
도 7은 종래기술의 반도체 레이저의 수평방향 원시야 상의 중심각의 차분 분포를 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 관한 반도체 레이저의 수평방향 원시야 상의 중심각의 차분 분포를 나타낸 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 관한 반도체 레이저의 구조를 나타낸 상면 외관도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 관한 반도체 레이저의 구조를 나타낸 상면 외관도이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 관한 반도체 레이저의 구조를 나타낸 상면 외관도이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 관한 반도체 레이저의 구조를 나타낸 일부 단면도이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 관한 반도체 레이저의 구조를 나타낸 상면 외관도이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
121: 릿지 125: 홈부

Claims (7)

  1. 릿지와,
    상기 릿지의 양측에 위치하고, 상기 릿지를 사이에 끼우고, 상기 릿지보다 등가굴절률이 작은 채널부와,
    상기 채널부의 외측에 상기 채널부의 등가굴절률보다 큰 등가굴절률을 갖는 다층을 갖는 더블 채널형 릿지 구조의 반도체 레이저로서,
    상기 릿지가, 광 출사 단부면을 향해서 폭이 넓어지는 플레어 릿지 구조를 갖고, 상기 릿지의 폭이 가장 좁은 개소의 양측의 위치의 채널부의 폭이, 상기 광 출사 단부면부에 있어서의 채널부의 폭보다 넓어져 있는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 릿지의 폭이 T, 등가굴절률이 n1,
    상기 채널부의 등가굴절률이 n2이고,
    발진 파장이 λ이고, 기본 모드에서 발진하는 더블 채널형 릿지 구조의 반도체 레이저이고,
    상기 릿지의 중심으로부터의 거리 x에 있어서의 전계 E를
    E = Acos(ux) (x≤T/2) …(1)
    E = Acos(uT/2) exp(-w(｜x｜-T/2) (x≥T/2) …(2)
    u2+w2 = (n1 2-n2 2) (2π/λ)2T2 …(3)
    w = u·tan(u) …(4)
    단, A는 소정의 계수
    로 표시한 경우에,
    상기 릿지의 폭이 가장 좁은 개소의 채널부의 폭 Wc가,
    x=0에 있어서의 전계 E1과, x=T/2+Wc에 있어서의 전계 E2의 비인 E2/E1가,
    0.0001 ≤ E2/E1 ≤ 0.01 …(5)
    를 만족시키도록 설정되어 있는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 릿지의 중심으로부터 상기 채널부의 외측의 끝까지의 거리가 일정한 것을 특징으로 하는 반도체 레이저.
  4. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
    발진 파장이 601nm 이상, 700nm 이하의 범위에 있는 것을 특징으로 하는 반도체 레 이저.
  5. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
    발진 파장이 701nm 이상, 900nm 이하의 범위에 있는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저.
  6. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
    발진 파장이 330nm 이상, 600nm 이하의 범위에 있는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저.
  7. 서로 다른 발진 파장을 갖는 청구항 1에 기재된 반도체 레이저를 복수개 갖고, 상기 복수의 반도체 레이저를 1칩에 집적화한 것을 특징으로 하는 반도체 레이저.
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