KR20030072994A - 광손실 및 열 특성을 개선시킨 반도체 레이저 다이오드 - Google Patents

광손실 및 열 특성을 개선시킨 반도체 레이저 다이오드 Download PDF

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Abstract

본 발명은 광손실 및 열 특성을 개선시킨 반도체 레이저 다이오드에 관한 것으로, 레이저광을 방출하는 활성층을 포함하고, 그 활성층을 중심으로 일측에 n 웨이브 가이드층과 n-클래드층이 순차적으로 배열되어 있고, 타측에 p-웨이브 가이드층과 p-클래드층이 순차적으로 배열되어 있는 반도체 레이저 다이오드에 있어서, 상기 p-웨이브 가이드층과 p-클래드층의 조성 또는 상기 n-웨이브 가이드층과 n-클래드층의 조성 및 두께를 다르게 구성함으로써, 효과적으로 열 방출을 도모하고, 광 손실을 줄일 수 있어, 고출력 반도체 레이저 다이오드의 안정적인 동작 수행 및 수명을 향상시키는 효과가 발생한다.

Description

광손실 및 열 특성을 개선시킨 반도체 레이저 다이오드{Semiconductor laser diode for reducing optical loss and for improving thermal characteristics}
본 발명은 광손실 및 열 특성을 개선시킨 반도체 레이저 다이오드에 관한 것으로, 보다 상세하게는 활성층을 기준으로 조성과 두께가 다른 비대칭 웨이브 가이드(Wave guide) 및 클래드 구조를 이용하여, 광 손실을 줄이고 열 특성을 향상시킨 반도체 레이저 다이오드에 관한 것이다.
일반적으로 고출력 에지 방출(Edge-emitting) 반도체 레이저 다이오드는 고체상태(Solid-state) 레이저 펌핑용, 자유공간(Free-space) 광통신, 의료용 및 디스플레이용 등 다양한 분야에서 사용되고 있다.
기존의 고출력 반도체 레이저는 고출력을 얻기 위해서 리지(Ridge) 폭을 증가시켜, 광 이득을 얻는 면적을 증가시키는 방법을 사용하였다.
실제, 사용되는 고출력 반도체 레이저를 살펴보면, 리지폭이 10㎛ ~ 150㎛의 범위의 것들이다. 이렇게 면적이 넓어지면, 비 발광결합에 의해 발생하는 열을 효과적으로 방출하기가 어려워져 특성 저하가 예상된다.
또한, 많은 분야에서 더 높은 출력을 요구하므로 반도체 레이저에서 발생하는 열에 의한 문제의 해결은 필수적이라 하겠다.
반도체 레이저에서 열을 외부로 방출하는 방법은 반도체 레이저 칩을 히트싱크(Heat sink)에 접착시키고, 히트싱크로 열이 방출되도록 하는 방법이다.
그러나, 반도체 레이저에서 발생하는 열이 증가하면 할수록 더욱 사이즈가 크고 복잡한 히트싱크가 필요하게 되어, 실제 사용하기가 매우 불편하게 된다.
이러한 문제를 해결하기 위해서는 근본적으로 동일 출력에 대하여, 열이 적게 나고, 또한 열을 잘 방출할 수 있는 구조를 가져야 한다.
도 1은 일반적인 반도체 레이저 다이오드의 단면도로써, GaAs와 같은 화합물 반도체의 n-버퍼층(10)의 상부에 n-클래드층(11), n-웨이브 가이드층(12), 활성층(13), p-웨이브 가이드층(14), p-클래드층(15), p-버퍼층(16)이 적층되어 있고; 그 p-버퍼층(16)의 상부 중앙에 전류유입 통로인 리지구조(18)와 그 리지구조(18)의 측면에 전류방지층(17)이 적층되어 있고; 상기 리지구조(18)와 전류방지층(17)의 상부에 p-메탈층(19)과 상기 n-버퍼층(10)의 하부에 n-메탈층(20)이 증착되어 있다.
이러한 화합물 반도체 레이저 다이오드는 p-메탈층(19)으로부터 전류가 유입되어 활성층(13)은 레이저광을 방출하고, 레이저광은 화합물 반도체 레이저 다이오드의 측면으로 방출되는 에지 에미팅(Edge emitting) 구조이다.
도 2는 종래의 방법으로 제조된 반도체 레이저 다이오드의 에너지 밴드 개념도로써, 도 1과 같은 반도체 레이저 다이오드는 p-웨이브 가이드층과 n-웨이브 가이드층 또는 p-클래드(Clad)층과 n-클래드층의 에너지 밴드는 활성층에 해당하는 양자우물(Quantum Well)을 사이에 두고, 대칭적인 구조로 이루어져 있다.
여기서, p-웨이브 가이드층의 두께(twg1)와 n-웨이브 가이드층의 두께(twg2)는 동일하며, p-클래드(Clad)층의 두께(tp-clad)와 n-클래드층의 두께(tn-clad)도 동일하다.
상기 활성층에 해당하는 양자우물은 전하(전자 또는 정공)를 가두어서 광이득을 얻을 수 있게하고, 웨이브가이드층과 클래드층은 빛을 모아 활성층의 광가둠계수를 크게하는 역할을 수행한다.
도 3은 도 1의 일반적인 반도체 레이저 다이오드가 히트싱크에 조립되어 있는 단면도로써, 반도체 레이저 다이오드에서 발생하는 열을 용이하게 방출하기 위해서, BeO 기판(25)을 열 방출이 우수한 구리(Copper)로 형성된 히트싱크(26)의 상부에 접착시키고, 도 1의 반도체 레이저 다이오드(24)의 p-메탈층(19)이 BeO 기판(25)의 상부와 접촉되도록 접착시켜 활성층(13)에서 발생되는 열을 방출하였다.
이러한 종래의 반도체 레이저 다이오드는 도 2에 도시된 바와 같이, 활성층을 중심으로 p-웨이브 가이드층과 p-클래드층이 n-웨이브 가이드층과 n-클래드층과 에너지 밴드와 두께가 대칭적으로 형성되어 있기 때문에, p-웨이브 가이드층과 p-클래드층 부근에 열이 다량으로 발생하였고, 도 3에 도시된 바와 같이, 히트싱크를통하여 외부로 방출시겼다.
그러나, 고출력 레이저광을 방출하는 반도체 레이저 다이오드의 경우에, 활성층에서는 고출력 레이저광의 방출로 인하여 많은 열이 방출되었고, 이 열은 소자에 악영향을 미쳐, 광 손실이 증가되고, 소자의 수명이 짧아지는 결과를 초래하게 된다.
이에 본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 활성층을 기준으로 조성과 두께가 다른 비대칭 웨이브 가이드(Wave guide) 및 클래드 구조를 이용하여, 효과적으로 열 방출을 도모하고, 광 손실을 줄일 수 있는 반도체 레이저 다이오드를 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 바람직한 양태(樣態)는, 레이저광을 방출하는 활성층을 포함하고, 그 활성층을 중심으로 일측에 n 웨이브 가이드층과 n-클래드층이 순차적으로 배열되어 있고, 타측에 p-웨이브 가이드층과 p-클래드층이 순차적으로 배열되어 있는 반도체 레이저 다이오드에 있어서,
상기 p-웨이브 가이드층과 p-클래드층의 조성 또는 상기 n-웨이브 가이드층과 n-클래드층의 조성이 다르게 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 광 손실을 줄이고 열 특성을 향상시킨 반도체 레이저 다이오드가 제공된다.
상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 바람직한 다른 양태(樣態)는, 레이저광을 방출하는 활성층을 포함하고, 그 활성층을 중심으로 일측에 n-웨이브 가이드층과 n-클래드층이 순차적으로 배열되어 있고, 타측에 p-웨이브 가이드층과 p-클래드층이 순차적으로 배열되어 있는 반도체 레이저 다이오드에 있어서,
상기 p-웨이브 가이드층과 상기 n-웨이브 가이드층의 두께 또는 n-클래드층과 p-클래드층의 두께를 다르게 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 광 손실을 줄이고 열 특성을 향상시킨 반도체 레이저 다이오드가 제공된다.
도 1은 일반적인 반도체 레이저 다이오드의 단면도이다.
도 2는 종래의 방법으로 제조된 반도체 레이저 다이오드의 에너지 밴드 개념도이다.
도 3은 도 1의 일반적인 반도체 레이저 다이오드가 히트싱크에 조립되어 있는 단면도이다.
도 4는 본 발명에 따른 반도체 레이저 다이오드의 에너지 밴드 개념도이다.
도 5는 종래의 반도체 레이저 다이오드의 횡(Transverse)방향으로 근접장(Near field)에서 광 분포를 측정한 도면이다.
도 6은 본 발명의 반도체 레이저 다이오드의 횡(Transverse)방향으로 근접장(Near field)에서 광 분포를 측정한 도면이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10 : n-버퍼층 11 : n-클래드층
12 : n-웨이브 가이드층 13 : 활성층
14 : p-웨이브 가이드층 15 : p-클래드층
16 : p-버퍼층 17 : 전류방지층
18 : 리지구조 19 : p-메탈층
20 : n-메탈층 24 : 반도체 레이저 다이오드
25 : BeO 기판 26 : 히트싱크
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하면 다음과 같다.
도 4는 본 발명에 따른 반도체 레이저 다이오드의 에너지 밴드 개념도로써, p-웨이브 가이드층과 n-웨이브 가이드층의 조성을 달리하여, 활성층을 사이에 두고, p-웨이브 가이드층과 n-웨이브 가이드층의 에너지 밴드를 비대칭적으로 하는 것을 특징으로 한다.
더불어서, 본 발명에서는 p-웨이브 가이드층의 두께(twg1)와 n-웨이브 가이드층의 두께(twg2) 또는 p-클래드(Clad)층의 두께(tp-clad)와 n-클래드층의 두께(tn-clad)를 달리하는 비대칭 구조를 적용함으로써, 반도체 레이저 다이오드의 열 방출을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
이러한 반도체 레이저 다이오드의 비대칭 두께와 관련하여 열 방출 향상에 대하여, 살펴보기로 하겠다.
표 1은 여러 가지 물질의 열 전도율을 비교한 표이다.
물질 GaAs BeO Cu Au SiC
열전도율(W/mK) 46.2 277.2 394.8 298.2 273
GaAs의 경우를 보면, BeO 또는 히트싱크의 재질인 카파(Copper, Cu)에 비해 열전도율이 매우 작음을 알 수 있다. 그러므로, p-메탈층이 히트싱크에 접합된 경우, GaAs가 주성분인 p-클래드층의 두께를 줄이는 것이 활성층에서 발생하는 열을 효율적으로 방출시키게 된다.
도 5는 종래의 반도체 레이저 다이오드의 횡(transverse)방향으로 근접장(Near field)에서 광 분포를 측정한 도면으로써, 후술되는 표 2에서와 같이, p-클래드층과 n-클래드층이 In0.5(Ga0.3Al0.7)0.5P으로 조성이 동일하고, p-웨이브 가이드층과 n-웨이브 가이드층의 두께가 250㎚로 동일한 두께로 설정하면, 광 분포는 활성층 영역(c)을 중심으로 대칭적으로 나타난다.
도 6은 본 발명의 반도체 레이저 다이오드의 횡(Transverse)방향으로 근접장(Near field)에서 광분포를 측정한 도면으로써, 반도체 레이저 다이오드의 전류 유입되는 방향으로의 광분포도로서, p-클래드층과 n-클래드층의 조성을 다르게 하여, p-클래드층의 에너지 간격을 n-클래드층보다 크게 하였고, p-웨이브 가이드층의 두께를 활성층인 양자우물을 기준으로 n-클래드층보다 두껍게 하였다.
이를 후술되는 표 2를 통하여, 살펴보자.
표 2는 도 5와 6에 예시된 반도체 레이저 다이오드의 각 층 조성 및 두께를나타낸 것으로써, 도 6에서는 p-클래드층은 In0.5(Ga0.2Al0.8)0.5P으로 Ga이 0.2이고, Al이 0.8이며, n-클래드층인 In0.5(Ga0.3Al0.7)P는 Ga이 0.3이고, Al이 0.7로써, p,n 클래드층의 조성을 다르게 하여, 도 6에 도시된 바와 같이, 에너지 밴드가 p-클래드 영역(a)이 n-클래드 영역(e)보다 더 낮아져 굴절률이 높아져서 비대칭 구조를 이루고 있다.
그리고, p-웨이브 가이드층의 두께는 300㎚이지만, n-웨이브 가이드층의 두께는 200㎚로 도 6에 도시된 바와 같이, p-웨이브 가이드층의 영역(b)이 활성층의 영역(c)을 기준으로 n-웨이브 가이드층의 영역(d)보다 거리가 길어져서 비대칭구조를 이루고 있다.
이렇게 형성된 본 발명의 반도체 레이저 다이오드는 광분포가 n-클래드 영역(e)으로 치우치는 비대칭적인 분포를 갖게되고, 레이저광이 p-클래드 영역(b)을 통하여 방출되는 양을 줄일 수 있게 된다.
층 도 5 도 6
p-클래드층 In0.5(Ga0.3Al0.7)0.5P In0.5(Ga0.2Al0.8)0.5P
p-웨이브 가이드층 In0.5(Ga0.5Al0.5)0.5P(250㎚) In0.5(Ga0.5Al0.5)0.5P(300㎚)
활성층 InGaP(7㎚) InGaP(7㎚)
n-웨이브 가이드층 In0.5(Ga0.5Al0.5)0.5P(250㎚) In0.5(Ga0.5Al0.5)0.5P(200㎚)
n-클래드층 In0.5(Ga0.3Al0.7)0.5P In0.5(Ga0.3Al0.7)0.5P
따라서, 레이저광이 p-클래드 영역(b)을 통하여 방출되는 양을 줄일 수 있는 장점을 두 가지로 요약할 수 있다.
첫째, p-클래드층에 포함된 레이저광을 줄여서, p-클래드층에서의 내부적인 손실(Internal loss)을 줄일 수 있게 된다는 것이다.
이것은 p-클래드층이 InGaAIP을 사용하는 경우, Zn을 넣어서, p형을 만들어 주는데, Zn로 인한 비정상적인 에너지 밴드가 형성되어, p-클래드층에 광 흡수되는 결함(Defect)으로 작용하는 경우가 많다. 또한, p-클래드층의 Al 조성이 증가할수록 이런 현상이 강화되므로, p-클래드층에서 광 손실이 많이 발생한다.
따라서, p-클래드층의 조성과 n-클래드층 또는 상기 n-웨이브 가이드층과 n-클래드층의 조성을 달리하여, 굴절률을 작게 함으로서, p-클래드층에 레이저광이 방출되는 양을 줄이게되어 상대적으로 광 손실을 줄일 수 있게 된다.
둘째, 열 문제로 인한 반도체 레이저 다이오드의 특성 저하를 감소시킬 수 있다.
이는 p-웨이브 가이드층의 두께를 줄임으로써, 히트싱크에 조립할 경우, 활성층이 히트싱크와 거리가 가까워져 상대적으로 열 방출을 향상시키게 된다.
이상에서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명은 활성층을 기준으로 조성과 두께가 다른 비대칭 웨이브 가이드(Wave guide) 및 클래드 구조를 이용하여, 효과적으로 열 방출을 도모하고, 광 손실을 줄일 수 있어, 고출력 반도체 레이저 다이오드의 안정적인 동작 수행 및 수명을 향상시키는 효과가 있다.
본 발명은 구체적인 예에 대해서만 상세히 설명되었지만 본 발명의 기술사상범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.

Claims (3)

  1. 레이저광을 방출하는 활성층을 포함하고, 그 활성층을 중심으로 일측에 n 웨이브 가이드층과 n-클래드층이 순차적으로 배열되어 있고, 타측에 p-웨이브 가이드층과 p-클래드층이 순차적으로 배열되어 있는 반도체 레이저 다이오드에 있어서,
    상기 p-웨이브 가이드층과 p-클래드층의 조성 또는 상기 n-웨이브 가이드층과 n-클래드층의 조성이 다른 것을 특징으로 하는 광손실 및 열 특성을 개선시킨 반도체 레이저 다이오드.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 p-클래드층은 상기 n-클래드층과 동일 분자의 화합물 반도체로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 광손실 및 열 특성을 개선시킨 반도체 레이저 다이오드.
  3. 레이저광을 방출하는 활성층을 포함하고, 그 활성층을 중심으로 일측에 n-웨이브 가이드층과 n-클래드층이 순차적으로 배열되어 있고, 타측에 p-웨이브 가이드층과 p-클래드층이 순차적으로 배열되어 있는 반도체 레이저 다이오드에 있어서,
    상기 p-웨이브 가이드층과 상기 n-웨이브 가이드층의 두께 또는 n-클래드층과 p-클래드층의 두께가 다른 것을 특징으로 하는 광손실 및 열 특성을 개선시킨 반도체 레이저 다이오드.
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