KR20030038125A

KR20030038125A - 반도체레이저 다이오드

Info

Publication number: KR20030038125A
Application number: KR1020010069546A
Authority: KR
Inventors: 김성원; 김철회
Original assignee: 엘지전자 주식회사
Priority date: 2001-11-08
Filing date: 2001-11-08
Publication date: 2003-05-16

Abstract

본 발명은 반도체레이저 다이오드를 제공하기 위한 것으로서, 활성층과, 상기 활성층 하측에 제1 질화물반도체층과, 상기 활성층 상측에 리지형태의 돌출부를 갖는 제2 질화물반도체층을 구비한 반도체레이저 다이오드에 있어서, 상기 리지를 둘러싸고 1.46 ~ 1.97의 굴절율을 갖는 보호막을 구비하여, 반도체레이저 다이오드의 리지 주위에 증착되는 보호막의 굴절율을 최적으로 선정하여 수명모드의 안정화를 유지하면서 방사각 특성의 저하를 줄인다.

Description

반도체레이저 다이오드{Semiconductor Laser Diode}

본 발명은 질화물 반도체레이저 다이오드에 관한 것이다.

질화물반도체 레이저 다이오드는 대용량정보저장 장치와 컬러 프린터의 요구에 의하여 개발, 시판되고 있다. 대용량 정보저장장치와 컬러 프린터에 응용을 하기 위해서 질화물 반도체레이저 다이오드는 모드의 수평모드의 안정성과 수평 대 수직 방사각의 비가 되도록 1에 가까운 값을 갖도록 해야한다.

도1은 리지 구조를 갖는 반도체레이저 다이오드의 활성층(1)을 중심으로 상부층의 단면도를 도시한 것이다.

활성층(1), p형 웨이브가이드층(2), 리지타입 p형 클래딩층(4), p형 캡층(4), 상기 리지타입 p형 클래딩층(3) 양측에 형성된 보호막과(5), 상기 p형 캡층(4) 상부의 T/P(Transparent Probe)(6), 최상부에 형성된 p전극(7)으로 구성되며, 질화물 반도체레이저 다이오드 소자제작을 할 때 상기 보호막(5)은 리지 구조 옆에 SiO₂등으로 패시베이션을 위해 형성된다.

현재 대부분의 반도체레이저 다이오드 구조에서는 (Al)GaN 등으로 이루어지는 리지(ridge)부분과 굴절률의 차이가 많이 나는 SiO₂(굴절율 n=1.45~1.46)를 사용하고 있고 ZrO₂(n=1.97), SiON(n= ~1.7)을 사용하고 있다.

리지과 산화막의 굴절률의 차이가 많이 나면 전류를 증가함에 따라 퍼스트 모드가 발생하여 수명모드가 불안정해지고, 산화막의 굴절률의 차이가 적게나면 방사각 특성이 나빠진다.

그래서 수명모드가 안정하면서 방사각 특성을 향상시키는 최적의 굴절율을 가지는 산화막이 필요하다.

산화막을 증착시키는 동안 리지 위에 T/P(transparent metal)의 플라즈마 손상을 줄이기 위하여 PECVD, 스퍼터 대신 E-빔 증착기(evaproator)를 사용할 경우 SiON같은 3원소 물질(ternary) 보다는 2원소 물질이 바람직하다.

따라서 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 리지 주위에 증착되는 보호막의 굴절율을 최적으로 선정하여 수명모드의 안정화를 유지하면서 방사각 특성의 저하가 적은 반도체레이저 다이오드를 제공하는데 그 목적이 있다.

도1은 리지 구조를 갖는 반도체레이저 다이오드의 활성층 중심으로 상부층의 단면도이다.

도2는 상기 파라미터로 제조공정을 거친 반도체레이저 다이오드의 보호막의 특성에 따른 L_total(전체 모드의 출력)-I 커브특성을 도시한 그래프이다.

도3은 파라미터로 공정을 거친 반도체레이저 다이오드의 보호막에 따른 모드별 L_mode-I 커브특성을 도시한 그래프이다.

도4는 상기 파라미터로 공정을 거친 반도체레이저 다이오드의 각 보호막에 따른 Far Field Pattern(FFP)을 보여주는 그래프이다.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 활성층

2 : p형 웨이브가이드층

3 : 리지 구조 p형 클래딩층

4 : p형 캡층

5 : 보호막

6 : T/P(Transparent Probe)

7 : p전극

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 반도체레이저 다이오드의 특징은 활성층과, 상기 활성층 하측에 제1 질화물반도체층과, 상기 활성층 상측에 리지형태의 돌출부를 갖는 제2 질화물반도체층을 구비한 반도체레이저 다이오드에 있어서, 상기 리지를 둘러싸고 1.46 ~ 1.97의 굴절율을 갖는 보호막을 구비하는데 있다.

바람직하게 본 발명에 따른 반도체레이저 다이오드는 기판상에 차례로 형성된 n형 클래딩층, n형 웨이브가이드층, 활성층, p형 웨이브가이드층, 리지형태의 돌출부를 갖는 p형 클래딩층; 상기 리지를 둘러싸고 1.46 ~ 1.97의 굴절율을 갖는 보호막; 상기 n형 클래딩층과 전기적으로 콘택되어 형성된 제1 전극; 상기 p형 클래딩층과 전기적으로 콘택되어 형성된 제2 전극을 포함하여 구성되는데 있다.

본 발명의 특징에 따른 작용은 반도체레이저 다이오드의 방사각 특성을 크게 저하시키지 않는 범위의 굴절율을 가진 물질로 보호막을 리지 주위에 형성하여 방사각 특성이 우수하면 수명모드 또한 안정화된 반도체레이저 다이오드를 얻을 수 있다.

본 발명의 다른 목적, 특성 및 잇점들은 첨부한 도면을 참조한 실시예들의 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.

본 발명에 따른 반도체레이저 다이오드의 바람직한 실시예에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 리지 구조를 가지는 모든 질화물 레이저 다이오드(InGaN, GaN, AlGaN 계)에 적용되어지며, 질화물레이저 다이오드의 방사각 특성을 향상시키기 위해서 리지구조를 이루는 성장된 박막의 굴절률과 차이가 많이 나는 보호막을 이용한다.

도1에 도시한 바와 같은 리지 구조를 갖는 반도체레이저 다이오드에서, 상기 리지타입 p형 클래딩층(3) 둘레의 페시베이션(passivation)을 위하여 형성되는 보호막(5)은 수명모드와 방사각 특성에 영향을 준다.

본 발명의 일실시예에 따른 반도체레이저 다이오드는 차례로 적층되어 형성된 n형 GaN(미도시), n형 InGaN(미도시), n형 클래딩층(미도시), n형 웨이브가이드층(미도시), 활성층(1), p형 웨이브가이드층(2), 리지를 갖는 p형 클래딩층(3), p형 캡층(4)과, 상기 p형 캡층(4) 상부의 T/P(Transparent Probe)(6)와, 상기 p형 클래딩층(4) 양측에 형성된 보호막(5)과, 최상부에 형성되고 상기 p형 클래딩층(4)과 전기적으로 콘택된 p전극(7)과, 상기 n형 클래딩층과 전기적으로 콘택되어 형성된 n전극(미도시)으로 구성된다.

상기 보호막(5)은 패시베이션(passivation)을 위한 산화막을 이용하거나, 패시베이션과 별도로 산화막이나, 또는 다른 물질을 증착할 수 있고, 본 실시예에서는 상기 보호막(5)으로 산화막 TiO₂를 이용하여 SiO₂와의 시뮬레이션치를 비교하였다.

굴절율이 다른 TiO₂와 SiO₂를 이용하여 리지 구조 주위에 형성된 보호막(5)의 굴절률이 소자특성에 미치는 영향을 보여 주기 위해 시뮬레이션을 이용하여 두 산화막에 따른 소자 특성을 알아보았다.

시뮬레이션은 상용화 프로그램인 LASTIP을 사용하였고, 표1 및 표2는 본 발명에 따른 반도체레이저 다이오드 제조공정시 파라미터를 일예로 나타낸 것이다.

ΔE_c:ΔE_vfor InGaN/GaN	3 : 7
ΔE_v:ΔE_cfor InGaN/GaN	7 : 3
각층의 전자이동도	200cm²/Vs
p형웨이브가이드층의 홀이동도	8cm²/Vs
p형클래드층의 홀이동도	6cm²/Vs
양자우물층의 비방사 수명	1ns
p형클래드층의 비방사 수명	0.1ns
방사계수, B	2×10^-10cm³/s
미러손실	47cm^-1

층	두께	캐리어농도	굴절률
p형캡층(GaN)	1000Å	5×10¹⁷cm^-3	2.51
p형클래딩층(Al_0.1Ga_0.9N)	4000Å	2×10¹⁷cm^-3	2.46(Al_0.07Ga_0.93N)
p형웨이브가이드층(GaN)	1000Å	1×10¹⁷cm^-3	2.51
EBL(p형Al_0.2Ga_0.8N)	300Å	5×10¹⁶cm^-3	2.37
5QWs			2.52(In_0.02Ga_0.98N)
			2.56(In_0.1Ga_0.9N)
n형웨이브가이드층(GaN)	1000Å	1×10¹⁷cm^-3	2.51
n형클래딩층(A_0.1lGa_0.9N)	6000Å	2×10¹⁷cm^-3	2.46(Al_0.07Ga_0.93N)
n형InGaN	800Å	3×10¹⁸cm^-3
n형GaN	3㎛	3×10¹⁸cm^-3	2.51

p형 클래딩층(3)의 두께는 6000Å, 식각된 리지의 깊이는 6000Å, 리지 폭은 2㎛, 내부 손실은 35cm^-1으로 하였다. 그리고 이 시뮬레이션에 사용한 오프셋의 비율은 여러 값들 실험결과와 가장 근사한 값인 InGaN/GaN 에서는 ΔE_c:ΔE_v= 3 : 7 그리고 GaN/AlGaN에서는 ΔE_c:ΔE_v= 7 : 3로 정하였다.

도2는 상기 파라미터로 제조공정을 거친 반도체레이저 다이오드의 보호막의특성에 따른 L_total(전체 모드의 출력)-I 커브특성을 도시한 그래프이다.

도2와 같이 시뮬레이션 결과를 미루어볼 때, I-V 특성곡선에서는 V_built-in(V)와, R_series(Ω) 특성이 변화가 없음을 알 수 있고, 리지 구조의 p형 클래딩층(4)과 보호막(5)의 굴절율 차이가 클때 기대할 수 있는 인덱스-가이딩의 효과로 인한 문턱치 I_th의 감소가 거의 일어나지 않음을 알 수 있다.

그리고 도3은 파라미터로 공정을 거친 반도체레이저 다이오드의 각 보호막에 따른 모드별 L_mode-I 커브특성을 도시한 그래프이다.

도3과 같이, 굴절율이 작은 SiO₂를 리지 옆에 증착시킨 경우 85~90mA 부근에서 퍼스트 모드(first mode)가 발생(rasing)하고, 반면에 굴절률이 큰 TiO₂에서는 160mA까지 펀더맨탈 모드(fundamental mode)만 발생하고, 퍼스트 모드(first mode)가 발생되지 않음을 알 수 있다.

이는 측면방향으로의 (Al, In)GaN 등의 리지와 SiO₂의 굴절율의 차이가 클수록 리지 구조에 보다 가까이 고차 모드가 존재하게 되기 때문이다.

계산상에서 고차모드의 발생은 실제 소자를 펄스트 컨디션(pulsed condition)에서 측정하더라도 모드의 불안정으로 L_mode-I곡선에 엉클림(kink)이 발생한다.

참고로 보호막으로 산화막을 이용하는 경우, 산화막을 이루는 산화물질의 종류에 따라 전자와 홀의 농도분포, 전류밀도분포 차이가 없다.

이와 같이, 보호막(5)과 리지의 굴절율이 적은 TiO₂의 경우에는 고차모드가 발생하지 않아 레이저가 안정된 빔을 발산한다.

그리고 도4는 상기 파라미터로 공정을 거친 반도체레이저 다이오드의 각 보호막에 따른 FFP(Far Field Pattern)을 보여주는 그래프이다.

도4와 같이, 측면방향으로의 (Al, In)GaN등의 리지와 보호막(5)의 굴절률 차가 클수록 표3과 같이 ~10% 정도의 방사각 특성이 개선된다.

이것은 (Al, In)GaN과 보호막의 굴절률의 차이가 클수록 인덱스 가이딩(Index guiding) 효과가 발생하여 측면방향으로의 방사각, 즉 수평 방사각을 크게 해주기 때문이며, 따라서 TiO₂보다 SiO₂의 방사각 특성이 우수하다.

last quantum barrier	수평방사각	수직방사각	방사각비
SiO₂	22	7.76	2.93
TiO₂	22.8	7.00	3.26

위의 시뮬레이션 결과에 의하면 고차 모드의 발생과 방사각 특성방향이 보호막의 굴절률에 따라 서로 다른 경향성을 보여준다.

즉, 리지의 굴절률이 크면 방사각 특성이 저하되나 수명모드가 향상되고, 리지의 굴절률이 작으면 방사각 특성이 우수하나 수명모드가 저하된다.

그러므로 원하는 전류영역에서 고차모드가 존재하지 않으면서 측면방향으로의 방사각을 크게 해주기 위해서는 보호막의 굴절율 범위의 선택이 중요하다.

고차모드의 발생과 방사각 특성을 제어하는 것과 관련하여 리지 옆에 증착하는 보호막(5)의 굴절율이 SiO₂(n=1.45~1.46), ZrO₂(n=1.97) 사이의 굴절율을 가지는 산화물질(SiON 제외) 및 다른 종류의 물질을 포함한다.

상기 보호막의 종류에는 ThF₄(n=1.5), LaF₃(n=1.55), CeF₃(n=1.63)과, 특히 산화물질인 Al₂O₃(n=1.54), MgO(n=1.7), TiO₂(n=1.9)가 포함된다.

이상에서 설명한 바와 같은 본 발명에 따른 반도체레이저 다이오드는 리지 타입 반도체레이저 다이오드에서, 리지 주위에 산화막인 SiO₂의 굴절율을 보다 큰 물질을 사용하여 안정된 모드를 얻어 발진 모드의 안정화 효과를 얻는다.

이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술 사상을 이탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다.

따라서, 본 발명의 기술적 범위는 실시예에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의하여 정해져야 한다.

Claims

활성층과, 상기 활성층 하측에 제1 질화물반도체층과, 상기 활성층 상측에 리지형태의 돌출부를 갖는 제2 질화물반도체층을 구비한 반도체레이저 다이오드에 있어서,

상기 리지를 둘러싸고 1.46 ~ 1.97의 굴절율을 갖는 보호막을 형성한 것을 특징으로 하는 반도체레이저 다이오드.
제1항에 있어서, 상기 보호막은 산화막을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체레이저 다이오드.
제1항에 있어서, 상기 산화막은 Al₂O₃(n=1.54), MgO(n=1.7), TiO₂(n=1.9) 중 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체레이저 다이오드.
제1항에 있어서, 상기 보호막은 ThF₄(n=1.5), LaF₃(n=1.55), CeF₃(n=1.63) 중 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체레이저 다이오드.
기판상에 차례로 형성된 n형 클래딩층, n형 웨이브가이드층, 활성층, p형 웨이브가이드층, 리지형태의 돌출부를 갖는 p형 클래딩층;

상기 리지를 둘러싸고 1.46 ~ 1.97의 굴절율을 갖는 보호막;

상기 n형 클래딩층과 연결되어 형성된 제1 전극;

상기 p형 클래딩층과 연결되어 형성된 제2 전극을 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 반도체레이저 다이오드.