KR20040036383A - 화합물 반도체 레이저 다이오드 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 화합물 반도체 레이저 다이오드에 관한 것으로, n-화합물 반도체 기판의 상부에 리지(Ridg)를 갖는 n-화합물 반도체층이 형성되어 있고; 상기 리지의 상부에 n-클래드층, n-웨이브 가이드층, 활성층, 에칭방지층, p-웨이브 가이드층, p-클래드층과 p-캡층이 순차적으로 적층되어 있고; 상기 리지 측면의 n-화합물 반도체층 상부에 p-금속 화합물 반도체층과 n-금속 화합물 반도체층이 순차적으로 적층되거나 또는 유전막이 형성되도록 구성함으로써,
본 발명은 인가전류의 구속력을 향상시켜, 임계전류(Threshold Current, Ith)를 낮출 수 있고, 수평/수직 방사각 비율을 개선할 수 있으며, L-I(Light-Current)곡선에서 킨크(Kink)의 발생을 줄일 수 있는 효과가 발생한다.

Description

화합물 반도체 레이저 다이오드{Compound semiconductor laser diode}
본 발명은 화합물 반도체 레이저 다이오드에 관한 것으로, 보다 상세하게는 인가전류의 구속력을 향상시켜, 임계전류(Threshold Current, Ith)를 낮출 수 있고, 수평/수직 방사각 비율을 개선할 수 있으며, L-I(Light-Current)곡선에서 킨크(Kink)의 발생을 줄일 수 있는 화합물 반도체 레이저 다이오드에 관한 것이다.
일반적으로 질화물(Nitrides) 화합물 반도체 레이저 다이오드는 대용량정보저장 장치와 칼라 프린터(Color Printer)에 적용하기 위하여 개발되어 양산되고 있다.
최근에 이 질화물 화합물 반도체 레이저 다이오드를 이용한 여러 가지 새로운 응용들이 시도되고 있다.
이런 질화물 화합물 반도체 레이저 다이오드를 대용량정보저장 장치와 칼라 프린터 등에 응용을 하기 위해서 소자는 낮은 문턱 전류(Threshold Current, Ith)와 높은 외부양자효율(External Quantum Efficiency, ηex)이 요구되어진다.
또한 원접장 패턴(Far Field Patterns, FFP)에서 수평/수직 방사각의 비율(Aspect Ratio)이 '1'에서 벗어남에 따른 광 헤드(Optical Head)광학계(광학 시스템)에서 광출력의 손실(Loss)과 광학계(Optical Systems)를 거쳐 출력되는 레이저 빔의 수평/수직 출력분포도 차이는 질화물 반도체 레이저 다이오드에서 개선이 요구되어지는 중요한 부분이다.
현재 모든 질화물 화합물 반도체 레이저 다이오드는 리지 타입(Ridge Type)구조이고 소자의 패시베이션(Passivation)과 트랜스버스 모드(Transverse Mode)제어용으로 도 1과 같이 리지(Ridge)옆에 유전체층을 쌓고 있다.
도 1은 일반적인 화합물 반도체 레이저 다이오드의 단면도로써, n-화합물 반도체 기판(10)의 상부에, n-클래드층(11), n-웨이브 가이드층(12), 활성층(13), 에칭방지층(14), p-웨이브 가이드층(15)과 p-클래드층(16)이 순차적으로 적층되어 있다.
상기 p-클래드층(16)은 중앙에 돌출된 리지(Ridge)가 형성되어 있고, 이 리지의 상부에는 p-캡층(18)이 형성되어 있으며, 상기 p-클래드층(16)의 리지와 상기 p-캡층(18)의 측면에는 산화막(17)이 형성되어 있다.
그리고, 상기 p-캡층(18)과 상기 산화막(17)의 상부에는 p-금속층(20)이 형성된다.
또한, 상기 n-화합물 반도체 기판(10)의 하부에는 n-금속층(21)이 형성된다.
전술된 리지의 측면에 형성된 유전막은 (Al)GaN과 굴절률의 차이가 많이 나는 SiO2(NEC Corporation와 Nichia Chemical Corporation에서 적용)(n=1.45-1.46), 굴절률의 차이가 많이 나지 않는 ZrO2(Nichia Chemical Corporation에서 적용)(n=1.97)와 SiON(n=1.7)(Xerox Palo Alto Research Center에서 적용)을 사용하고 있다.
이런 리지 웨이브 가이드 레이저 다이오드는 시뮬레이션(Simulation) 결과, L-I (광파워-전류)특성에서 킨크(Kink)발생과 수평/수직 방사각 비율(Aspect Ratio)은 리지(Ridge)의 폭(Width), 잔존 두께(Residual Thickness)(활성층과 리지형성을 위해 에칭 한 면과의 거리) 및 유전체의 굴절률과 직접적인 연관을 갖고 있는 것으로 밝혀졌다.
그러므로, 현재 사용하고 있는 리지 웨이브가이드 레이저 다이오드는 접합면(Junction Plane)에서 수평 인덱스 스텝(Index step)이 작고, 전류 확산이 크므로, 수평/수직 방사각 비율(Aspect Ratio)을 최적화시키기 어려우며, 전류 구속(Current Confinement)력이 저하되고, 광전류 특성(Light-Current Characteristics)에서 킨크가 발생하는 문제점이 있었다.
이에 본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 인가전류의 구속력을 향상시켜, 임계전류(Threshold Current, Ith)를 낮출 수 있고, 수평/수직 방사각 비율을 개선할 수 있으며, L-I(Light-Current)곡선에서 킨크(Kink)의 발생을 줄일 수 있는 화합물 반도체 레이저 다이오드를 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 바람직한 양태(樣態)는, n-화합물 반도체 기판의 상부에 리지(Ridg)를 갖는 n-화합물 반도체층이 형성되어 있고;
상기 리지의 상부에 n-클래드층, n-웨이브 가이드층, 활성층, 에칭방지층, p-웨이브 가이드층, p-클래드층과 p-캡층이 순차적으로 적층되어 있고;
상기 리지 측면의 n-화합물 반도체층 상부에 p-금속 화합물 반도체층과 n-금속 화합물 반도체층이 순차적으로 적층되어 있고;
상기 p-캡층과 n-금속 화합물 반도체층의 상부에 p-금속층이 형성되어 있으며, 상기 n-화합물 반도체 기판의 하부에 n-금속층이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 화합물 반도체 레이저 다이오드가 제공된다.
상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 바람직한 다른 양태(樣態)는,
반도체 기판과;
기 반도체 기판의 상부에 형성되며, 리지(Ridge)를 갖는 화합물 반도체층과;
상기 리지의 상부에 형성되고, 인가된 전류에 의해 광을 방출하는 활성층을 포함하며, 상기 활성층의 상, 하부에 대칭적인 극성을 갖는 화합물 반도체층이 적층되어 있는 적층 에피층과;
상기 리지 측면의 화합물 반도체층 상부에 형성된 전류방지층과;
상기 적층 에피층과 전류방지층 상부에 형성된 p-금속층과;
상기 반도체 기판의 하부에 형성된 n-금속층으로 이루어진 것을 특징으로 하는 화합물 반도체 레이저 다이오드가 제공된다.
도 1은 일반적인 화합물 반도체 레이저 다이오드의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 화합물 반도체 레이저 다이오드의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 화합물 반도체 레이저 다이오드의 단면도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10,110 : n-화합물 반도체 기판 11,112 : n-클래드층
12,113 : n-웨이브 가이드층 13,114 : 활성층
15,116 : p-웨이브 가이드층 16,117 : p-클래드층
17 : 산화막 18,118 : p-캡층
20 : p-금속층 21 : n-금속층
111a : 리지(Ridge) 131 : p-금속 화합물 반도체층
132 : n-금속 화합물 반도체층 150,170 : 유전막
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하면 다음과 같다.
도 2는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 화합물 반도체 레이저 다이오드의 단면도로써, n-화합물 반도체 기판(110)의 상부에, 상부면이 제거되어 형성된 리지(Ridg)(111a)를 갖는 n-화합물 반도체층(111)이 형성되어 있다.
그리고, 상기 리지(111a)의 상부에는 n-클래드층(112), n-웨이브가이드층(113), 활성층(114), 에칭방지층(115), p-웨이브 가이드층(116), p-클래드층(117)과 p-캡층(118)이 순차적으로 적층되어 있다.
상기 리지(111a) 측면의 n-화합물 반도체층(111) 상부에는 p-금속 화합물 반도체층(131)과 n-금속 화합물 반도체층(132)이 순차적으로 적층되어 있다.
이 때, 상기 p-금속 화합물 반도체층(131)과 n-금속 화합물 반도체층(132)은 상기 n-클래드층(112), n-웨이브 가이드층(113), 활성층(114), 에칭방지층(115), p-웨이브 가이드층(116), p-클래드층(117)과 p-캡층(118)의 측면에 형성되어 있다.
전술된 p-금속 화합물 반도체층(131)은 상기 p-클래드층(117)과 동일한 물질이고, 상기 n-금속 화합물 반도체층(132)은 상기 n-클래드층(117)과 동일한 물질인 것이 바람직하다.
더불어, 상기 n-화합물 반도체 기판(110), n-화합물 반도체층(111), n-웨이브 가이드층(113), p-웨이브 가이드층(116)과 p-캡층(118)은 GaN으로 형성하는 것이 바람직하고, p와 n-금속 화합물 반도체층(131,132), p와 n-클래드층(117,112)은 AlGaN으로 형성하는 것이 바람직하다.
그리고, 상기 p-캡층(118)과 n-금속 화합물 반도체층(132)의 상부에는 p-금속층(120)이 형성되어 있고, 상기 n-화합물 반도체 기판(110)의 하부에는 n-금속층(121)이 형성되어 있다.
이렇게 구성된 본 발명의 화합물 반도체 레이저 다이오드는 전류가 주입되는 p-캡층(118)의 면적과 동일한 면적으로 활성층(114)이 형성되어 있기 때문에, 전류가 주입되는 면적과 동일하게 활성층(114)이 동작되어, 종래의 리지형 반도체 레이저 다이오드에서 활성 영역이 증가되어 발생되는 단점을 해결할 수 있게 된다.
보다 상세히 설명하면, 도 1과 같은 종래의 반도체 레이저 다이오드는 p-캡층(18)의 단면적보다 활성층(13)의 단면적이 커서, 주입되는 전류에 대하여 넓은 활성 영역을 가지므로, 인가전류를 증가시킴에 따라 원하는 측면모드(Lateral mode)에서 다른 측면모드로 바뀌거나, 기본적인 모드(Fundamental mode)이외에 최고차 측면 모드(Higher-order Lateral Modes)가 나타난다.
이러한 모드의 천이는 L-I(Light-Current)곡선에 킨크(Kink)가 발생되는 문제점이 있었다.
그런데, 본 발명은 활성영역이 증가될 수 있는 여지가 없기 때문에, 인가전류를 증가시켜도 기본적인 모드만 존재하기 때문에, 킨크의 발생을 감소시킬 수 있다.
도 3은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 화합물 반도체 레이저 다이오드의 단면도로써, 본 발명의 제 2 실시예는 제 1 실시예와 동일하게 n-화합물 반도체 기판(110)의 상부에, 상부면이 제거되어 형성된 리지(Ridge)(111a)를 갖는 n-화합물 반도체층(111)이 형성되어 있고, 상기 리지(111a)의 상부에는 n-클래드층(112), n-웨이브 가이드층(113), 활성층(114), 에칭방지층(115), p-웨이브 가이드층(116), p-클래드층(117)과 p-캡층(118)이 순차적으로 적층되어 있다.
그런데, 본 발명의 제 1 실시예에서는 상기 리지(111a) 측면의 n-화합물 반도체층(111) 상부에 p-금속 화합물 반도체층(131)과 n-금속 화합물 반도체층(132)이 순차적으로 적층되어 있지만, 본 발명의 제 2 실시예에서는 유전막(150)이 형성되어 있다.
그러므로, 본 발명의 제 2 실시예는 유전막(150)의 굴절율과 상기 n-클래드층(112), n-웨이브 가이드층(113), 활성층(114), 에칭방지층(115), p-웨이브 가이드층(116), p-클래드층(117)과 p-캡층(118)으로 이루어진 에피층(Epi-layers)의 유효 굴절율(Effective Refractive Index)은 차이가 커서, 광의 수평방사각을 줄여주게 됨으로써, 수평/수직 방사각 비율(Aspect Ratio)을 개선시킬 수 있다.
그리고, p-캡층(118)으로 주입된 전류는 상기 유전막(150)으로는 흐르지 않아, 인가된 전류를 에피층으로만 구속시킬 수 있어, 누설전류(Leakage Current)를 줄여 임계전류(Threshold Current, Ith)를 낮출 수 있는 장점이 있다.
전술된 본 발명의 제 2 실시예에 적용된 유전막(150)은 인가된 전류의 흐름을 방지함으로, 전류방지층의 역할을 수행할 수 있다.
이상에서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명은 인가전류의 구속력을 향상시켜, 임계전류(Threshold Current, Ith)를 낮출 수 있고, 수평/수직 방사각 비율을 개선할 수 있으며, L-I(Light-Current)곡선에서 킨크(Kink)의 발생을 줄일 수 있는 효과가 발생한다.
본 발명은 구체적인 예에 대해서만 상세히 설명되었지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.

Claims (5)

  1. n-화합물 반도체 기판의 상부에 리지(Ridg)를 갖는 n-화합물 반도체층이 형성되어 있고;
    상기 리지의 상부에 n-클래드층, n-웨이브 가이드층, 활성층, 에칭방지층, p-웨이브 가이드층, p-클래드층과 p-캡층이 순차적으로 적층되어 있고;
    상기 리지 측면의 n-화합물 반도체층 상부에 p-금속 화합물 반도체층과 n-금속 화합물 반도체층이 순차적으로 적층되어 있고;
    상기 p-캡층과 n-금속 화합물 반도체층의 상부에 p-금속층이 형성되어 있으며, 상기 n-화합물 반도체 기판의 하부에 n-금속층이 형성되어 있는 화합물 반도체 레이저 다이오드.
  2. 제 1 항에 있어서,
    기 p-금속 화합물 반도체층은 상기 p-클래드층과 동일한 물질이고, 상기 n-금속 화합물 반도체층은 상기 n-클래드층과 동일한 물질인 것을 특징으로 하는 화합물 반도체 레이저 다이오드.
  3. n-화합물 반도체 기판의 상부에 리지(Ridg)를 갖는 n-화합물 반도체층이 형성되어 있고;
    상기 리지의 상부에 n-클래드층, n-웨이브 가이드층, 활성층, 에칭방지층,p-웨이브 가이드층, p-클래드층과 p-캡층이 순차적으로 적층되어 있고;
    상기 리지 측면의 n-화합물 반도체층 상부에 유전막이 형성되어 있고;
    상기 p-캡층과 유전막의 상부에 p-금속층이 형성되어 있으며, 상기 n-화합물 반도체 기판의 하부에 n-금속층이 형성되어 있는 화합물 반도체 레이저 다이오드.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 n-화합물 반도체 기판, n-화합물 반도체층, n-웨이브 가이드층, p-웨이브 가이드층과 p-캡층은 GaN으로 형성되어 있고,
    상기 p와 n-금속 화합물 반도체층 및 p와 n-클래드층은 AlGaN으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 화합물 반도체 레이저 다이오드.
  5. 반도체 기판과;
    상기 반도체 기판의 상부에 형성되며, 리지(Ridge)를 갖는 화합물 반도체층과;
    상기 리지의 상부에 형성되고, 인가된 전류에 의해 광을 방출하는 활성층을 포함하며, 상기 활성층의 상, 하부에 대칭적인 극성을 갖는 화합물 반도체층이 적층되어 있는 적층 에피층과;
    상기 리지 측면의 화합물 반도체층 상부에 형성된 전류방지층과;
    상기 적층 에피층과 전류방지층 상부에 형성된 p-금속층과;
    상기 반도체 기판의 하부에 형성된 n-금속층으로 이루어진 화합물 반도체 레이저 다이오드.
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