KR101137558B1 - 반도체 레이저 소자 - Google Patents

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KR101137558B1
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Abstract

본 발명은 반도체 레이저 소자에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 반도체 레이저 소자는 기판상에 상호 대향되게 형성된 제1 및 제2물질층; 제1 및 제2물질층의 사이에 개재되며, 광이 생성되는 활성층; 및 제1 및 제2물질층 중 선택된 어느 하나의 물질층에 활성층에 대해 수직한 방향으로 돌출되게 형성되며, 광 출사면(LS)이 형성된 일단의 폭(W1)이 광 출사방향(ED)의 타단의 폭(W2)보다 크게 형성된 리지;를 포함하여, 구동전압을 낮출 수 있고, 이에 의해 반도체 레이저 소자의 수명 및 신뢰성이 향상된다.
리지, 콘택층, 전극, 접촉면적, 구동전압, 수명, 신뢰성

Description

반도체 레이저 소자{SEMICONDUCTOR LASER DEVICE}
도 1은 종래의 반도체 레이저 소자의 리지(Ridge)가 형성된 클래드층(Clad layer)을 개략적으로 도시한 평면도,
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 반도체 레이저 소자를 개략적으로 나타낸 사시도,
도 3은 도 2의 단면도,
도 4는 도 2에 도시된 제2클래드층 및 제2콘택층(Contact layer)을 개략적으로 도시한 사시도,
도 5는 도 4의 평면도,
도 6는 본 발명의 제2실시예에 따른 제2클래드층을 개략적으로 도시한 평면도,
도 7은 본 발명의 제3실시예에 따른 제2클래드층을 개략적으로 도시한 평면도,
도 8은 본 발명의 제4실시예에 따른 제2클래드층을 개략적으로 도시한 평면도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
100; 기판 120; 제1물질층
122; 버퍼층 124; 제1콘택층
126; 제1클래드층 128; 제1도파층
140; 제2물질층 142; 전자차단층
144; 제2도파층 146; 제2클래드층
147, 247, 347, 447; 리지 148; 제2콘택층
160; 활성층 170, 180; 제1 및 제2전극
D1, D2; 제1 및 제2영역 SD; 경사영역
본 발명은 반도체 레이저 소자에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 리지의 구조가 개선된 반도체 레이저 소자에 관한 것이다.
반도체 레이저 소자는 광의 주파수 폭이 좁고 지향성이 첨예하기 때문에 광통신, 다중통신, 우주통신과 같은 곳에서 실용화되어 가고 있으며, 더불어 고속 레이저 프린팅이나 컴팩트 디스크 플레이어(CDP, Compact Disc Player) 또는 다기능 디스크 플레이어(DVDP, Digital versatile Disk Player)와 같은 광 기록/재생장치의 광원으로 이용되고 있다.
최근에는 수십 GB 이상의 저장 용량을 가지는 HD-DVD(High Density DVD)나 BD(Blu-ray Disc)와 같은 고밀도 광저장매체가 실용화되고 있으며, 이에 대응하여 상기 고밀도의 광저장매체에 정보를 기록하거나 기록된 정보를 재생하기 위한 픽업 용 광원으로서, 410nm 파장대의 광을 출사하는 고출력 반도체 레이저 소자가 개발되고 있다.
도 1은 고출력 반도체 레이저 소자의 리지가 형성된 클래드층을 개략적으로 나타낸 평면도로서, 이를 참조하면, 클래드층(47)에는 리지 도파로 구조를 형성하기 위한 리지(47)가 활성층(미 도시)으로부터 수직된 방향으로 돌출되게 형성된다.
상기 리지(47)는 단일 모드의 특성과, 낮은 문턱전류(Ith) 및 높은 킹크 레벨(Kink Level)을 유지하기 위해 2㎛ 미만의 미세한 폭(W)을 가지는 띠 형상으로 제작된다.
그러나 상기 리지(47)의 폭(W)이 좁아지므로 인해 콘택층과 전극과의 접촉면적이 감소하게 되어 반도체 레이저 소자의 구동 전압이 상승하게 된다. 구동 전압이 상승하면, 반도체 레이저 소자의 온도가 상승하여 수명이 낮아질 뿐만 아니라 신뢰성이 저하된다.
본 발명은 상술한 바와 같은 점을 감안하여 안출된 것으로서, 단일 모드 특성과 낮은 문턱전류 및 높은 킹크 레벨을 유지하면서도 구동 전압을 낮출 수 있는 반도체 레이저 소자를 제공하는데 목적이 있다.
상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 반도체 레이저 소자는, 기판상에 상호 대향되게 형성된 제1 및 제2물질층; 상기 제1 및 제2물질층의 사이에 개재되며, 광이 생성되는 활성층; 및 상기 제1 및 제2물질층 중 선택된 어느 하나의 물질층에 상기 활성층에 대해 수직한 방향으로 돌출되게 형성되며, 광 출사면(LS)이 형성된 일단의 폭(W1)이 광 출사방향의 타단의 폭(W2)보다 크게 형성된 리지;를 포함한다.
본 발명의 제1실시예에 의하면, 상기 제1물질층은, 상기 기판 상에 순차적으로 적층된 버퍼층과, 제1콘택층과, 제1클래드층과, 제1도파층을 포함하고, 상기 제2물질층은, 상기 활성층 상에 순차적으로 적층된 전자차단층과, 제2도파층과, 제2클래드층을 포함하며, 상기 리지는 상기 제2클래층에 형성된다. 상기 제1콘택층에는 제1전극이 형성되고, 상기 리지 상에는 제2전극이 형성되며, 상기 리지의 일면과 상기 제2전극 사이에는 상기 리지의 평면 형상과 동일한 평면 형상을 가지는 제2콘택층이 형성된다.
상기 리지의 일단의 폭(W1)은 2㎛미만인 것이 바람직하며, 상기 리지부의 타단의 폭(W2)은, 상기 리지의 일단의 폭(W1)보다 크고 10㎛보다 작은 것이 바람직하다. 상기 리지는, 상기 리지의 일단과 타단을 연결하기 위한 경사영역(SD)을 포함하며, 상기 경사영역(SD)의 광 출사방향으로의 길이는 100㎛이상인 것이 바람직하다.
본 발명의 제2실시예에 의하면, 리지는, 상기 리지의 일단의 폭(W1)과 동일한 폭을 가지는 제1영역(D1); 및 상기 제1영역(D1)과 상기 리지의 타단을 연결하기 위한 경사영역(SD);을 포함한다.
본 발명의 제3실시예에 의하면, 리지는, 상기 리지의 일단의 폭(W1)과 동일 한 폭을 가지는 제1영역(D1); 상기 리지의 타단의 폭(W2)과 동일한 폭을 가지는 제2영역(D2); 및 상기 제1영역(D1)과 상기 제2영역(D2)를 연결하기 위한 경사영역(SD);을 포함한다.
본 발명의 제4실시예에 의하면, 리지는, 상기 리지의 타단의 폭(W2)과 동일한 폭을 가지는 제2영역(D2); 및 상기 리지의 일단과 상기 제2영역(D1)을 연결하기 위한 경사영역(SD);을 포함한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 반도체 레이저 소자에 대하여 상세히 설명한다.
도 2 내지 도 5를 참조하면, 본 발명의 제1실시예에 반도체 레이저 소자는, 기판(100) 상에 형성된 제1 및 제2물질층(120)(140)과, 활성층(160)과, 제1 및 제2전극(170)(180)을 포함한다.
기판(100)은 사파이어 기판으로 이루어진다. 그러나, 상기 기판(100)은 GaN 또는 SiC 등의 Ⅲ-Ⅳ족 화합물 반도체 층 기판일 수도 있다.
제1물질층(120)은 상기 기판(100) 상에 순차적으로 적층된 버퍼층(122)과, 제1콘택층(124)과, 제1클래드층(126) 및 제1도파층(128)을 포함한다.
버퍼층(122)은 상기 기판(100) 상에 형성되며, 도핑이 안된 GaN층으로 이루어진다. 그러나 상기 버퍼층(122)은 N계열의 Ⅲ-Ⅴ족 질화물 화합물 반도체로 이루어진 n형 물질층일 수도 있다.
제1콘택층(124)은 상기 버퍼층(122) 상에 형성되며, n-GaN층으로 이루어진다. 상기 제1콘택층(124)의 일부 식각된 부분에는 상기 제1콘택층(124)으로 전류를 공급하기 위한 제1전극(170)이 형성된다.
제1클래드층(126)은 상기 제1콘택층(124) 상에 형성되며, n-AlGaN층으로 이루어지나, n-GaN층일 수도 있다.
제1도파층(128)은 상기 제1클래드층(126) 상에 형성되며, GaN계열의 Ⅲ-Ⅴ족 질화물 화합물 반도체층으로서 n-GaN층인 것이 바람직하다. 제1도파층(128)은 활성층(160)에 비해 굴절률이 낮고, 제1클래드층(126)보다 굴절률이 높다.
제2물질층(140)은 상기 활성층(160) 상에 순차적으로 적층된 전자차단층(EBL, Electron Blocking Layer, 142)과, 제2도파층(144)과, 제2클래드층(146) 및 제2콘택층(148)을 포함한다.
전자차단층(142)은 다른 층에 비해 에너지 갭을 가장 크게 하여 전자가 제2도파층(144) 및 제2클래드층(146)으로 이동되는 것을 방지하기 위한 것으로서, 활성층(160)과 제2도파층(144)의 사이에 개재된다. 이러한 전자차단층(142)은 p-AlGaN층으로 이루어질 수 있다.
제2도파층(144)은 상기 전자차단층(142) 상에 형성되며, GaN계열의 Ⅲ-Ⅴ족 질화물 화합물 반도체층으로서 p-GaN층인 것이 바람직하다. 제2도파층(144)은 활성층(160)에 비해 굴절률이 낮고, 제2클래드층(146)보다 굴절률이 높다.
제2클래드층(146)은 제1클래드층(126)에 대응되는 층으로서, 상기 제2도파층(144) 상에 형성된다. 이 제2클래드층(146)은 p-AlGaN층으로 이루어진다. 그러나 상기 제2클래드층(146)은 p-GaN층일 수도 있다. 상기 제2클래드층(146)에는 리지 도파로 구조를 형성하기 위한 리지(147)가 활성층(160)으로부터 수직되는 방향으로 돌출되게 형성된다.
이러한 리지(147)는 광 출사면(LS)이 형성된 일단의 폭(W1)이 광 출사방향(ED) 타단의 폭(W2)보다 작게 형성된다. 즉, 리지(147)의 평면 형상이 사다리꼴을 가지게 된다. 단일 모드의 특성과 낮은 문턱전류 및 높은 킹크 레벨은 리지(147)의 광 출사면(LS)이 형성된 상기 리지(147)의 일단의 폭(W1)에만 의존하게 된다. 따라서, 상기 리지(147) 일단의 폭(W1)을 종래의 크기, 즉 2㎛ 미만의 크기를 그대로 유지함으로써, 단일 모드의 특성과 낮은 문턱 전류 및 높은 킹크 레벨을 유지할 수 있으며, 리지(147)의 타단의 폭(W2)을 증가시킴으로써 제2콘택층(148)과 제2전극(180)의 접촉면적을 증가시켜 구동 전압을 낮출 수 있게 된다. 구동전압이 낮아지면, 반도체 레이저 소자로부터 발생되는 열을 낮출 수 있고 이에 의해 반도체 레이저 소자의 수명을 연장시켜 결국, 반도체 레이저 소자의 신뢰성을 향상시킬 수 있게 된다.
한편, 상기 리지(147) 타단의 폭(W2)은 리지(147) 일단의 폭(W1) 보다는 크나 10㎛를 초과하지 않는 것이 바람직하다.
제2콘택층(148)은, 상기 리지(147)의 일면에 리지(147)와 동일한 평면 형상을 가지도록 형성되며, p-GaN층으로 이루어지는 것이 바람직하다.
활성층(160)은 제1 및 제2물질층(140)으로부터 공급된 전자-정공 등의 캐리어 재결합에 의해 광이 생성되는 물질층으로서, 다중 양자우물(MQW, Multi Quantum Well)구조를 갖는 GaN계열의 Ⅲ-Ⅴ족 질화물 화합물 반도체층이 바람직하나, GaN계열의 Ⅲ-Ⅴ족 질화물 화합물 반도체층에 인듐(In)을 소정의 비율로 함유하는 물질 층, 예컨대 InGaN층일 수도 있다.
제1전극(170)은 상기 제1콘택층(124)에는 전류를 공급하기 위한 n-전극으로서, 제1콘택층(124)의 메사 구조로 식각된 부분에 형성된다.
제2전극(180)은, 상기 제2콘택층(148)에 전류를 공급하기 위한 p-전극으로서, 제2콘택층의 상면을 덮도록 형성된다. 따라서, 리지(147)의 평면 구조가 사다리꼴의 형상을 가지는 경우, 상기 제2콘택층(148)의 평면 형상도 사다리꼴이 된다. 따라서, 상기 제2전극(180)과 상기 제2콘택층의 접촉면적은 상기 사다리꼴 평면의 면적과 동일하게 된다.
한편, 리지(147)를 중심으로 좌우 제2클래드층(146)의 표면과 돌출된 리지(147)의 측면에는 표면 누설 전류를 방지하기 위한 유전막(190)이 형성된다. 이러한 유전막(190)은, Si, Al, zr, Ta 등에서 선택된 적어도 1종 원소를 포함하는 산화물로 이루어질 수 있다.
이하, 본 발명의 제1실시예에 따른 반도체 레이저 소자의 제조과정을 설명한다.
우선, 기판(100) 상에 버퍼층(122)과, 제1콘택층(124)과, 제1클래드층(126)과, 제1도파층(128)과, 활성층(160)과, 전자차단층(142)과, 제2도파층(144)과, 제2클래드층(146)과, 제2콘택층(148)이 순차적으로 적층된다.
다음으로, 제2콘택층(148)과 제2클래드층(146)이 식각되어 리지(147)를 형성한다. 보다 상세하게 설명하면, 상기 제2콘택층(148) 상에 포토 레지스터(Photo Resistor)를 도 5에 도시된 사다리꼴 형상으로 패터닝한 후 건식 식각 또는 습식 식각 공정을 수행하여 제2클래드층(146)으로부터 돌출된 리지(147) 및 상기 리지(147)의 상면에 제2콘택층(148)을 형성한다. 그리고 제1콘택층(124)의 일부가 노출되도록 메사 구조로 식각한다.
다음으로, 제2콘택층(148)의 상면이 노출되도록 유전막(190)을 형성한 후에 제2콘택층(148)의 상면을 감싸도록 제1전극(170)을 형성하며, 상기 제1콘택층(124)에 제2전극(180)을 형성한다.
이와 같이, 리지(147) 및 제2콘택층(148)을 사다리꼴 형상으로 제작함으로써, 제2전극(180)과 제2콘택층(148)의 접촉면적을 증가시킬 수 있고, 이에 의해 구동전압을 낮출 수 있게 된다.
도 6은 본 발명의 제2실시예에 따른 리지(247)의 평면 형상을 도시한 것으로서, 광 출사면(LS)이 형성된 일단의 폭(W1)이 유지되는 제1영역(D1)과, 상기 제1영역(D1)과 리지(247)의 타단을 연결하기 위한 경사영역(SD)으로 이루어진다. 이 때,상기 경사영역(SD)은 출사광이 간섭되는 현상을 최소화하기 위해 완만한 경사각을 가지는 것이 바람직하다. 보다 상세하게는 통상 반도체 레이저 소자의 길이를 기준으로 상기 경사영역(SD)의 광 출사방향(ED)의 길이는 100㎛ 이상인 것이 바람직하다.
도 7은 본 발명의 제3실시예에 따른 리지(347)의 평면 형상을 도시한 것으로서, 광 출사면(LS)이 형성된 일단의 폭(W1)이 유지되는 제1영역(D1)과, 타단의 폭(W2)이 유지되는 제2영역(D2) 및 상기 제1영역(D1)과 제2영역(D2)을 연결하는 경사영역(SD)으로 형성된다. 상기 경사영역(SD)의 길이는 100㎛ 이상인 것이 바람직하 다.
도 8은 본 발명의 제4실시예에 따른 리지(447)의 평면 형상을 도시한 것으로서, 리지(447)의 타단의 폭(W2)이 소정 길이 유지되는 제2영역(D2)과 광 출사면(LS)이 형성된 일단을 연결시키기 위한 경사영역(SD)을 포함한다. 상기 경사영역(SD)의 길이도 100㎛ 이상인 것이 바람직하다.
이상에서 설명한 바와 같은 본 발명에 의하면, 광 출사면(LS)이 형성된 리지의 일단의 폭을 종전과 동일하게 유지하면서 리지의 타단의 폭을 증가시킴으로써, 제2전극과 제2콘택층의 접촉면적을 증가시킬 수 있게 되어, 단일 모드의 특성과 낮은 문턱 전류(Ith) 및 높은 킹크 레벨(Kink Level)을 유지하면서도 구동전압을 낮출 수 있다.
구동전압이 낮아짐으로써, 온도에 민감한 반도체 레이저 소자의 열의 발생을 감소시킬 수 있고, 이에 의해 반도체 레이저 소자의 수명을 연장시킬 수 있을 뿐만 아니라 신뢰성을 향상시킬 수 있다.

Claims (10)

  1. 기판상에 순차적으로 적층된 버퍼층과, 제1콘택층과, 제1 클래드층 및 제1 도파층을 포함하는 제1 물질층과;
    상기 제1 물질층 상에 형성되고, 광이 생성되는 활성층과;
    상기 활성층 상에 순차적으로 적층된 전자차단층과, 제2도파층 및 제2 클래드층을 포함하는 제2 물질층과;
    상기 활성층에 대해 수직한 방향으로 돌출되게 상기 제2 클래드층에 형성되며, 광 출사면이 형성된 일단의 폭(W1)이 광 출사방향의 타단의 폭(W2)보다 작게 형성된 리지와;
    상기 제1콘택층에 형성된 제1전극과;
    상기 리지 상에 형성된 제2전극과;
    상기 리지의 일면과 상기 제2전극 사이에 형성되고, 상기 리지의 평면 형상과 동일한 평면 형상을 가지는 제2콘택층을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 소자.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 리지의 일단의 폭(W1)은 2㎛인 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 소자.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 리지의 타단의 폭(W2)은 상기 리지의 일단의 폭(W1)보다 크고 10㎛보다 작은 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 소자.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 리지는 상기 리지의 일단과 타단을 연결하기 위한 경사영역을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 소자.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 경사영역의 광 출사방향으로의 길이는 100㎛인 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 소자.
  8. 제1항 또는 제5항에 있어서, 상기 리지는,
    상기 리지의 일단의 폭(W1)과 동일한 폭을 가지는 제1영역; 및
    상기 제1영역과 상기 리지의 타단을 연결하기 위한 경사영역;을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 소자.
  9. 제1항 또는 제5항에 있어서, 상기 리지는,
    상기 리지의 일단의 폭(W1)과 동일한 폭을 가지는 제1영역;
    상기 리지의 타단의 폭(W2)과 동일한 폭을 가지는 제2영역; 및
    상기 제1영역과 상기 제2영역을 연결하기 위한 경사영역;을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 소자.
  10. 제1항 또는 제5항에 있어서, 상기 리지는,
    상기 리지의 타단의 폭(W2)과 동일한 폭을 가지는 제2영역; 및
    상기 리지의 일단과 상기 제2영역을 연결하기 위한 경사영역;을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 소자.
KR1020060018954A 2006-02-27 2006-02-27 반도체 레이저 소자 KR101137558B1 (ko)

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