KR20000056313A - 반도체 레이저 다이오드 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 반도체 레이저 다이오드는 기판 위에 제1 크래드층, 제1 광도파층, 활성층, 제2 광도파층, 제2 크래드층, 캡층이 구비된 반도체 레이저 다이오드에 있어서, 제2 광도파층이 소정의 두께 이하이고, 제2 크래드층의 중간에 소정 두께를 갖는 제3 광도파층이 삽입되어 있는 점에 그 특징이 있다. 이에 따르면, 홀 버닝의 발생을 억제할 수 있으므로, 고출력에서도 싱글 모드를 유지할 수 있는 장점이 있다.

Description

반도체 레이저 다이오드{Semiconductor laser diode}
본 발명은 반도체 레이저 다이오드에 관한 것으로서, 상세하게는 고출력에서도 싱글 모드를 유지하는 반도체 레이저 다이오드에 관한 것이다.
일반적으로, 반도체 레이저 다이오드는 비교적 소형이면서 가격이 저렴하고, 특히 전류 조절을 통해 방출되는 레이저 빔의 세기 조절이 가능한 점등의 특징을 가지고 있기 때문에 컴팩트 디스크 플레이어(CDP)나 광학 메모리, 레이저 프린트 등의 정보 처리 기기나 광섬유 증폭기와 같은 광통신 기기의 광원으로서 그 응용 범위가 넓어져 가고 있는 추세이다.
이러한 반도체 레이저 다이오드는 출력 특성 중 광학적 특성(optical power)이 높고, 광효율이 좋은, 특히 기록 효율이 좋은 레이저 빔(laser beam)을 얻기 위해서 싱글 모드를 유지하고 있는 것이 바람직하다.
도 1에는 종래의 반도체 레이저 다이오드의 수직 단면 구조가 도시되어 있다. 도시된 바와 같이, 종래의 반도체 레이저 다이오드는 n-GaAs 기판(101)이 마련되어 있고, 그 n-GaAs 기판(101) 위에는 n-GaAs 버퍼(buffer)층(102), n-AlGaAs 클래드(clad)층(103), 레이저 빔의 발진을 안내하는 n-AlGaAs 광도파(waveguide)층(104), 레이저 빔을 발진시키는 InGaAs 활성층(105), p-AlGaAs 광도파층(106), p-AlGaAs 크래드층(107), 금속증착을 원활하게 하기 위한 p-GaAs 캡(cap)층(108)이 순차적으로 적층 형성되어 있다.
이와 같은 종래의 반도체 레이저 다이오드의 주요 층의 물질, 조성, 두께 및 도핑 밀도가 아래의 표1에 나타나 있다.
그런데, 이상과 같은 구조의 종래의 반도체 레이저 다이오드에서 홀 버닝(hole burning)이 발생하는 경우, 부분적 굴절률의 증가로 인하여 싱글 모드를 유지하기가 어렵다. 즉, 홀 버닝이 발생하면, 그 주변의 캐리어들이 부족하게 되고, 이 캐리어 부족으로 인하여 굴절률이 증가하게 된다. 빛은 굴절률이 높은 곳으로 집중되므로, 빛이 광축에서 이탈되면서 싱글 모드가 파괴되는 현상이 발생된다. 이와 같은 싱글 모드 파괴 현상을 방지하기 위하여, 종래에는 리지형의 반도체 레이저 다이오드의 경우, 리지 스트라이프의 폭이 2㎛ 이하로 감소된 반도체 레이저 다이오드 및 광도파층(106)의 두께가 줄어든 반도체 레이저 다이오드가 제안된 바 있다. 그런데, 리지 스트라이프의 폭이 감소된 구조의 반도체 레이저 다이오드는, 소자에 전류를 공급하기 위한 전극층(미도시)의 면적 및 캐리어가 이동하는 통로의 폭이 작아짐에 따라, 저항이 높아지고 온도 상승으로 인한 굴절률의 변화가 발생되는 문제점이 있다.
이와 같은 현상은 반도체 레이저 다이오드의 p쪽 중에서 InGaAs 활성층(105)과 인접한 p-AlGaAs 광도파층(106)에서 발생할 확률이 높은데, 그 이유로는 캐리어 중에서도 홀의 이동도가 전자보다 더 작기 때문이다. 이 p-AlGaAs 광도파층(106)의 두께가 두꺼우면 이곳의 굴절율 변화가 전체 유효 굴절율 변화에 미치는 영향이 커지므로 이 광도파층의 두께를 줄여햐 한다. 그러나 광도파층(106)의 두께가 줄어든 구조의 반도체 레이저 다이오드는 광도파층(106)의 두께 감소로 인한 유폐율(confinement factor)이 매우 작아진다. 이와 같이 광도파층(106)의 두께 감소에 따른 유폐율의 변화가 아래 표2에 나타나 있다.
표 2에 나타난 바와 같이, 광도파층(106)의 두께가 감소함에 따라 유폐율이 작아지면, 문턱 전류(threshold current)가 증가하게 되는 문제점이 발생한다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하기 위하여 창출된 것으로서, 고출력에서도 싱글 모드를 유지할 수 있는 반도체 레이저 다이오드를 제공하는데 그 목적이 있다.
도 1은 종래의 반도체 레이저 다이오드의 수직 단면도,
도 2는 본 발명에 따른 반도체 레이저 다이오드의 수직 단면도,
도 3은 본 발명에 따른 또 다른 반도체 레이저 다이오드의 수직 단면도,
도 4는 도 3의 각 층의 조성을 나타내 보인 도면,
그리고, 도 5는 도 2 및 도 3에 도시된 반도체 레이저 다이오드가 조합된 반도체 레이저 다이오드의 수직 단면도이다.
〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉
201, 301, 501...n-기판 202, 302, 502...n-버퍼층
203, 303, 503...n-크래드층 204, 304, 504...n-광도파층
205, 305, 505...활성층 206, 306, 506...p-광도파층
207, 507...제1 p-크래드층 208, 508...추가 p-광도파층
209, 509...제2 p-크래드층 210, 308, 510...p-캡층
307...p-크래드층
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 반도체 레이저 다이오드는, 기판 위에 제1 크래드층, 제1 광도파층, 활성층, 제2 광도파층, 제2 크래드층, 캡층이 구비된 반도체 레이저 다이오드에 있어서, 상기 제2 광도파층이 소정의 두께 이하이고, 상기 제2 크래드층의 중간에 소정 두께를 갖는 제3 광도파층이 삽입된 점에 특징이 있다.
여기서, 바람직하게는 상기 제2 광도파층의 두께는 200Å 내지 750Å이며, 상기 제3 광도파층의 두께는 1000Å 이하이다.
그리고, 상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 반도체 레이저 다이오드는, GaAs 기판 위에 n-AlGaAs 크래드층, n-AlGaAs 광도파층, InGaAs 활성층, p-AlGaAs 광도파층 및 p-AlGaAs 크래드층이 순차로 구비된 반도체 레이저 다이오드에 있어서, 상기 p-AlGaAs 광도파층이 소정의 두께 이하이고, 상기 p-AlGaAs 크래드층의 알루미늄 함량이 상기 n-AlGaAs 크래드층의 알루미늄 함량 보다 높도록 알루미늄 조성비가 비대칭으로 이루어진 점에 그 특징이 있다.
여기서, 바람직하게는 상기 p-AlGaAs 광도파층의 두께는 500Å 이하이며, 상기 p-AlGaAs 크래드층의 알루미늄 조성비와 상기 n-AlGaAs 크래드층의 알루미늄 조성비의 차는 0.03 내지 0.5이다.
이와 같은 본 발명에 의하면, 스페이셜 홀 버닝(spatial hole burning)의 발생이 억제되어 고출력에서도 싱글 모드를 유지할 수 있다.
이하, 도면을 참조하면서 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.
도 2에는 본 발명에 따른 반도체 레이저 다이오드의 수직 단면 구조가 도시되어 있다. 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 반도체 레이저 다이오드는, p-광도파층(206)이 소정의 두께 이하이고, p-크래드층(207)(209)의 중간에 소정 두께를 갖는 p-광도파층(208)(이하, 추가 p-광도파층이라 한다)이 삽입되어 있어서 고출력에서도 스페이셜 홀 버닝이 방지되어 싱글 모드를 유지할 수 있다는 점에 그 특징이 있다.
이를 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.
n-기판(201) 위에 n-버퍼층(202), n-크래드층(203), n-광도파층(204), 활성층(205)이 순차적으로 적층 형성되어 있으며, 이 활성층(205) 위에는 홀 버닝을 방지하기 위하여 그 두께가 감소된 p-광도파층(206)이 적층 형성되어 있다. 이때, p-광도파층(206)의 두께는 200Å 내지 750Å이다. 그리고, 이 p-광도파층(206) 위에 제1 p-크래드층(207)이 적층 형성되어 있다. 이 제1 p-크래드층(207)의 두께는 600Å 내지 1200Å이다. 한편, 도핑 영역과 활성층(205) 사이의 간격이 너무 좁은 경우에는 첨가된 불순물(dopant)에 의한 파동 함수(wave function)가 활성층(205)에 영향을 미쳐 내부 효율을 떨어뜨린다. 따라서, 제1 p-크래드층(207)에는 도핑을 하지 않는다.
이와 같이 형성된 제1 p-크래드층(207) 위에는 p-광도파층(206)의 두께 감소로 인한 유폐율 감소가 보상되도록, 추가 p-광도파층(208)이 적층 형성되어 있다. 이때, 추가 p-광도파층(208)의 두께는 1000Å 이하가 되도록 한다. 그리고, 추가 p-광도파층(208) 위에는 두께가 대략 15000Å인 제2 p-크래드층(209)이 적층 형성되어 있으며, 이 제2 p-크래드층 위에는 p-캡층(210)이 적층 형성되어 있다.
이와 같은 구조를 갖는 본 발명에 따르면, p-광도파층(206)의 두께를 200Å로 감소시킴으로써 발생되는 유폐율 감소를 보상하기 위하여 추가 p-광도파층(208)을 p-크래드층(207)(209) 사이에 형성시킴으로써, 유폐율이 표 2에 나타난 유폐율 0.45％보다 높아진 1.04％로 유지된다.
한편, 홀 버닝을 방지하기 위하여 p-광도파층(206)의 두께를 감소시킴으로써 발생되는 밀폐율의 감소가 보상되도록 하는 다른 방법으로서, p-크래드층(207)에 굴절율이 낮은 물질을 사용하는 방법이 있다. 이를 AlGaAs 반도체 레이저 다이오드를 예를 들어 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 3은 본 발명에 따른 AlGaAs 반도체 레이저 다이오드의 수직 단면도이다. 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 반도체 레이저 다이오드는, n-GaAs 기판(301) 위에 위에 n-GaAs 버퍼층(302), n-AlGaAs 크래드층(303), n-AlGaAs 광도파층(304), InGaAs 활성층(305), p-AlGaAs 광도파층(306), p-AlGaAs 크래드층(307) 및 p-GaAs 캡층(308)이 순차로 구비되어 있으며, p-AlGaAs 광도파층(306)이 소정의 두께 이하이고, p-AlGaAs 크래드층(307)의 알루미늄(Al) 함량이 n-AlGaAs 크래드층(303)의 알루미늄 함량보다 높도록 알루미늄 조성비가 비대칭으로(asymmetrically) 이루어진 점에 그 특징이 있다. 이때, p-AlGaAs 광도파층(306)의 두께는 500Å 이하이다. 그리고, p-AlGaAs 크래드층(307)의 알루미늄 조성비와 n-AlGaAs 크래드층(303)의 알루미늄 조성비의 차는 0.03 내지 0.5이다.
이와 같은 특징을 갖는 본 발명에 따른 반도체 레이저 다이오드의 구성 물질에 대한 조성비를 나타낸 그래프가 도 4에 나타나 있다. 도 4에서 세로축은 알루미늄(Al) 및 인듐(In)의 조성비가 나타내며, 가로축은 레이저 다이오드의 각 층을 나타낸다. 즉, 가장 왼쪽에는 p-GaAs 캡층(308)을 나타내며 오른쪽으로 갈수록 p-AlGaAs 크래드층(307), p-AlGaAs 광도파층(306), InGaAs 활성층(305), n-AlGaAs 광도파층(304), n-AlGaAs 크래드층(303) 및 n-GaAs 버퍼층(302)을 나타낸다.
도 4를 참조하면, 갈륨(Ga)에 대한 알루미늄(Al)의 상대 조성비는, n-AlGaAs 크래드층(303)에서는 0.4이고, n-AlGaAs 광도파층(304)에서는 0.4에서 0.2로 점점 감소하고, p-AlGaAs 광도파층(303)에서는 0.2에서 0.44로 점점 증가되며, 그리고 p-AlGaAs 크래드층(307)에서는 0.44이다. 이와 같은 조성비를 갖는 반도체 레이저 다이오드에 따르면, p-AlGaAs 크래드층(307)의 알루미늄 조성비가 높아짐으로 인하여 p-InGaAs 활성층(305)과 p-AlGaAs 크래드층(307)의 굴절률 차가 커지므로, 캐리어가 p-GaAs 캡층(308)으로 누설되는 현상이 방지된다. 한편, 이에 따른 유폐율의 변화가 아래 표3에 나타나 있다.
위 표3에 나타난 바와 같이, p-AlGaAs 광도파층(306)의 두께가 500Å으로 감소하더라도, p-AlGaAs 크래드층(307)의 알루미늄 조성을 0.44로 높이면 밀폐율을 1.17 ％로 유지할 수 있다.
한편, 홀 버닝을 방지하기 위하여 p-AlGaAs 광도파층(206)의 두께를 감소시킴으로써 발생되는 밀폐율의 감소를 보상하기 위하여, 전기한 바와 같은 두 가지 구조를 조합할 수 있다. 이와 같은 구조를 갖는 반도체 레이저 다이오드의 수직 단면 구조가 도 5에 도시되어 있다. 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 반도체 레이저 다이오드는, n-기판(501) 위에 n-버퍼층(502), n-AlGaAs 크래드층(503), n-광도파층(504), 활성층(505)이 순차적으로 적층 형성되어 있으며, 이 활성층(505) 위에는 홀 버닝을 방지하기 위하여 그 두께가 200Å 내지 750Å으로 감소된 추가 p-광도파층(506)이 적층 형성되어 있다. 그리고, 이 p-광도파층(506) 위에는 두께가 600Å 내지 1200Å인 제1 p-AlGaAs 크래드층(507)이 적층 형성되어 있다. 이때, 제1 p-AlGaAs 크래드층(507)에는 도핑을 하지 않는다.
그리고, n-AlGaAs 크래드층(503)에서의 알루미늄 조성비는 0.4이고, 추가 p-광도파층(508) 위에 있는 p-AlGaAs 크래드층(509)에서의 알루미늄 조성비는 0.44이다. 즉, p-AlGaAs 크래드층(507)(508) 사이에 두께가 1000Å 이하인 추가 p-광도파층(508)을 삽입되며, 이 추가 p-광도파층(508) 위에 있는 p-AlGaAs 크래드층(509)의 알루미늄 함량이 n-AlGaAs 크래드층(503)의 알루미늄 함량보다 높도록 알루미늄 조성비가 비대칭으로 형성된다. 이때, p-AlGaAs 크래드층(509)의 알루미늄 조성비와 n-AlGaAs 크래드층(503)의 알루미늄 조성비의 차는 0.03 내지 0.05이다.
p-AlGaAs 광도파로의 두께가 0.2㎛이고 크래딩층의 조성비가 대칭인 반도체 레이저 다이오드의 유폐율이 1.53%이다. 이와 비교하여 본 발명의 반도체 레이저 다이오드에서 p-AlGaAs 광도파층(508)의 두께를 500Å으로 75％ 줄였지만, 유폐율은 1.25%로 0.28％만이 감소한다.
이상의 설명에서와 같이, 본 발명에 따른 반도체 레이저 다이오드 및 그 제조 방법에 의하면, 홀 버닝의 발생을 억제할 수 있으므로, 고출력에서도 싱글 모드를 유지할 수 있는 장점이 있다. 특히, 980nm의 펌핑용 레이저 다이오드의 경우에서처럼 레이저의 출력을 싱글 모드 파이버(fiber)에 접속시키는 경우, 더 많은 출력을 파이버에 접속시킬 수 있다.

Claims (11)

  1. 기판 위에 제1 크래드층, 제1 광도파층, 활성층, 제2 광도파층, 제2 크래드층, 캡층이 구비된 반도체 레이저 다이오드에 있어서,
    상기 제2 광도파층이 소정의 두께 이하이고, 상기 제2 크래드층의 중간에 소정 두께를 갖는 제3 광도파층이 삽입된 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 다이오드.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 광도파층이 소정의 두께 이하이고, 상기 제1 크래드층의 중간에 소정 두께를 갖는 제3 광도파층이 추가로 삽입된 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 다이오드.
  3. 제1항 또는 제2항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2 광도파층의 두께는 200Å 내지 750Å인 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 다이오드.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제2 광도파층과 상기 제3 광도파층 사이의 상기 제2 크래드층의 두께는 600Å 내지 1200Å 인 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 다이오드.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제2 광도파층과 상기 제3 광도파층 사이의 상기 제2 크래드층은 도핑 되지 않은 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 다이오드.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제3 광도파층의 두께는 1000Å 이하인 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 다이오드.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1 크래드층은 n-AlGaAs로 형성되고 상기 제2 크래드층은 p-AlGaAs로 형성되되, 상기 제3 광도파층과 상기 캡층 사이에 있는 상기 제2 크래드층의 알루미늄 함량이 상기 제1 크래드층의 알루미늄 함량 보다 높도록 알루미늄 조성비가 비대칭으로 형성된 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 다이오드.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제3 광도파층과 상기 캡층 사이에 있는 상기 제2 크래드층의 알루미늄 조성비와 상기 제1 크래드층의 알루미늄 조성비의 차가 0.03 내지 0.5인 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 다이오드.
  9. GaAs 기판 위에 n-AlGaAs 크래드층, n-AlGaAs 광도파층, InGaAs 활성층, p-AlGaAs 광도파층 및 p-AlGaAs 크래드층이 순차로 구비된 반도체 레이저 다이오드에 있어서,
    상기 p-AlGaAs 광도파층이 소정의 두께 이하이고, 상기 p-AlGaAs 크래드층의 알루미늄 함량이 상기 n-AlGaAs 크래드층의 알루미늄 함량 보다 높도록 알루미늄 조성비가 비대칭으로 이루어진 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 다이오드.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 p-AlGaAs 크래드층의 알루미늄 조성비와 상기 n-AlGaAs 크래드층의 알루미늄 조성비의 차가 0.03 내지 0.5인 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 다이오드.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 p-AlGaAs 광도파층의 두께는 500Å 이하인 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 다이오드.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100865740B1 (ko) * 2007-05-28 2008-10-29 우리엘에스티 주식회사 발광소자와 그의 제조방법

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