KR20040092422A - 반도체 레이저장치 - Google Patents

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KR20040092422A
KR20040092422A KR1020040026685A KR20040026685A KR20040092422A KR 20040092422 A KR20040092422 A KR 20040092422A KR 1020040026685 A KR1020040026685 A KR 1020040026685A KR 20040026685 A KR20040026685 A KR 20040026685A KR 20040092422 A KR20040092422 A KR 20040092422A
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쿠니츠구야스히로
마쓰오카히로마스
나카가와야스유키
니시구치하루미
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미쓰비시덴키 가부시키가이샤
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Abstract

반도체 레이저장치는, 레이저칩의 광출사면의 적어도 한쪽에, 반사율이 40% 이상의 유전체 다층막이 형성되고, 유전체 다층막은, 산화탄탈(Ta2O5)로 이루어지는 유전체막과, 산화알루미늄(Al2O3), 산화실리콘(SiO2) 등의 유전체 산화물로 이루어지는 다른 유전체막을 포함한다. 산화탄탈은, 광흡수계수가 실리콘(Si)막보다 작고, 발광에 따른 열적 안정성이 산화티타늄(TiO2)막보다 우수하기 때문에, COD 열화를 대폭 개선할 수 있다.

Description

반도체 레이저장치{SEMICONDUCTOR LASER DEVICE}
본 발명은, 유전체 다층막이 형성된 반도체 레이저장치에 관한 것이다.
반도체 레이저는, 일반적으로, 웨이퍼(wafer) 벽개에 의해 공진기 단면을 형성하고, 이 공진기 단면에 유전체막이 형성되어 있다. 이 단면에 형성되는 이 유전체의 종류, 막두께, 층수를 임의로 선택함으로써 원하는 반사율로 제어할 수 있다.
이러한 반사막은, 반사율을 임의로 제어가능한 특성뿐만 아니라, 순간 광학손상(Catastrophic Optical Damage:이하 COD라 약칭함)에 의한 열화가 생기기 어려운 특성이 요망된다. COD 열화란, 레이저광이 레이저소자 단면의 막에 흡수됨으로써 막이 발열하고, 온도상승하는 결과, 막의 융해가 발생하여 단면 파괴에 이르는 것이다.
예를 들면, 반사율 40% 이상의 반사막을 얻는 경우, 일반적으로, 저굴절률막과 고굴절률막 재료를 교대로 적층한 유전체 다층막이 사용되고 있다. 관련되는 선행기술로서, 하기의 것을 들 수 있다.
[특허문헌 1]
일본특허공개평 10-247756호 공보
[특허문헌 2]
일본특허공개 2001-267677호 공보
[특허문헌 3]
일본특허공개 2002-305348호 공보
예를 들면 일본특허공개 2001-267677호 공보는, 반도체 레이저의 후단면에 형성되는 고반사막으로서, Al2O3막과 산소함유 Si막으로 이루어지는 5층의 다층반사막을 채용하고 있고, Si막의 막형성 프로세스(process) 중에 산소를 도입함으로써, Si의 소쇠계수를 하강시켜, COD 열화를 방지하고 있다. 그러나, 레이저의 발진파장의 단파장화 및 고출력화에 따라, Si막은 광흡수계수를 가지게 되어, 일정한 한도를 초과하면 COD 열화가 발생한다.
또한, 일본특허공개평 10-247756호 공보는, 반도체 레이저의 광출사 단면에 형성되는 반사막으로서, 산화티타늄(TiO2)과 산화실리콘(SiO2)의 다층막을 채용하여, COD 레벨을 개선하고 있다. 그러나, 산화티타늄은 발광에 따른 열적 안정성이 낮기 때문에, 경시변화가 일어나기 쉬워지고, 막두께나 굴절률의 변동에 의해 반사율 변화가 생겨, 최종적으로는 COD 열화가 발생하는 것이 우려된다.
또한, 일본특허공개 2002-305348호 공보는, 발진파장 400nm의 반도체 레이저의 공진기 단면에 형성되는 반사막으로서, 산화니오브(Nb2O3)와 산화실리콘(SiO2)의 다층막을 채용하고 있다.
종래의 반도체 레이저에서는, 실리콘(Si)막, 산화티타늄(TiO2)막 등의 고굴절률막을 사용한 다층반사막이 검토되고 있다. 그러나, 상기한 막구성에서는, 금후 오히려 레이저의 고출력화에 의해, 발광에 따른 레이저 단면의 온도상승에 의해, COD 열화 및 막두께나 굴절률의 변동에 따른 반사율 변화 등의 경시열화가 우려된다.
도 1a는 본 발명의 실시예 1을 나타내는 구조도이고, 도 1b는 고반사막(10)의 구성을 나타내는 확대도이며, 도 1c는 고반사막(10)의 반사율에 대하여 파장의존성을 나타내는 그래프이다.
도 2는, 산화탄탈(Ta2O5)막과 산화티타늄(TiO2)막의 굴절률 및 막두께에 대하여 온도의존성을 나타내는 그래프이다.
도 3a는 본 발명의 실시예 2를 나타내는 구조도이고, 도 3b는 고반사막(20)의 구성을 나타내는 확대도이며, 도 3c는 고반사막(20)의 반사율에 대하여 파장의존성을 나타내는 그래프이다.
도 4는, 반도체 레이저의 구동전류에 대한 광출력특성의 일례를 나타내는 그래프이다.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*
1 : 기판 2 : 활성층
3 : 클래드층 4 : 전극
9 : 저반사막 10 : 고반사막
11~19 : 유전체막 20 : 고반사막
21~28 : 유전체막
본 발명의 목적은, 상기 문제를 해결하기 위해, 유전체 다층막이 형성된 반도체 레이저에서, 광흡수계수가 실리콘(Si)막보다 작고, 발광에 따른 열적 안정성이 산화티타늄(TiO2)막보다 뛰어난 재료를 사용하여 유전체 다층막을 구성함으로써 COD 열화를 대폭 개선하는 것이다.
본 발명에 관한 반도체 레이저장치는, 레이저칩의 광출사면의 적어도 한쪽에, 반사율이 40% 이상의 유전체 다층막이 형성된 반도체 레이저장치에서, 유전체 다층막은, 산화탄탈로 이루어지는 유전체막을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서, 유전체 다층막은, 산화알루미늄으로 이루어지는 유전체막과, 산화탄탈로 이루어지는 유전체막을 포함하는 것이 바람직하다.
더욱이, 유전체 다층막은, 레이저칩에 접하는 막으로서 산화알루미늄으로 이루어지는 유전체막을 포함하고, 또한 산화실리콘으로 이루어지는 유전체막과, 산화탄탈로 이루어지는 유전체막을 포함하는 것이 바람직하다.
이러한 구성에 의해, 산화탄탈(Ta2O5)막을 사용하여 유전체 다층막을 구성한 경우, 유전체 다층막에서의 광흡수에 의해 온도상승이 생겼다고 해도, 굴절률 변화 및 막두께 변화가 작기 때문에, 유전체 다층막의 경시열화 및 COD 열화를 대폭 개선할 수 있다.
[발명의 실시예]
본 출원은, 2003년 4월 23일에 일본에서 출원된 일본특원 2003-118151호를 우선권의 기초로 하는 것으로, 이 개시내용은 해당 참조에 의해 본원에 삽입된다.
이하, 도면을 참조하면서 바람직한 실시예를 설명한다.
(실시예 1)
도 1a는, 본 발명의 실시예 1을 나타내는 구조도이고, 광축에 따른 수직단면을 나타내고 있다. 레이저칩(chip)은, GaAs 등의 반도체기판(1)과, 활성층(2)과, 활성층(2)의 위쪽 및 아래쪽에 형성된 클래드(cladding)층(3)과, 클래드층(3)의 위쪽 및 아래쪽에 형성된 전극(4) 등으로 구성된다.
반도체 레이저장치는, 전술한 레이저칩과, 레이저 전단면에 형성된 저반사막(9)과, 레이저 후단면에 형성된 고반사막(10) 등으로 구성된다. 일반적으로 저반사막(9)은 15% 이하의 반사율이 되도록 설정되고, 고반사막(10)은 40% 이상의 반사율이 되도록 설정된다.
저반사막(9) 및 고반사막(10)은, 증착, 스패터(spatter), CVD(화학적 기상성장) 등의 막형성 프로세스를 사용하여 형성된다. 레이저 전단면과 레이저 후단면과의 사이에서 광공진기가 구성되고, 활성층(2)에서 발진한 레이저광의 대부분은 저반사막(9)으로부터 출력광 Lo로서 출사되고, 고반사막(10)으로부터도 레이저광의 일부가 출사된다.
도 1b는, 고반사막(10)의 구성을 나타내는 확대도이다. 고반사막(10)은, 레이저칩에 측으로부터 순서대로, 굴절률 n11 및 막두께 d11의 유전체막 11, 굴절률 n12 및 막두께 d12의 유전체막 12, 굴절률 n13 및 막두께 d13의 유전체막 13, 굴절률 n14 및 막두께 d14의 유전체막 14, 굴절률 n15및 막두께 d15의 유전체막 15, 굴절률 n16 및 막두께 d16의 유전체막 16, 굴절률 n17 및 막두께 d17의 유전체막 17, 굴절률 n18 및 막두께 d18의 유전체막 18, 굴절률 n19 및 막두께 d19의 유전체막 19로 형성되어 있다.
유전체 다층막은, 일반적으로, 고굴절률의 유전체막과 저굴절률의 유전체막이 교대로 반복하도록 적층된다. 각 유전체막의 막두께는, 일반적으로, 광학길이(optical length)로 환산하여 발진파장 λ의 4분의 1, 즉 λ/4의 정수배가 되도록 설정되고, 유전체막의 굴절률의 크기에 따라 적절한 막두께로 조정된다.
본 실시예에서, 고반사막(10)은, 산화탄탈(Ta2O5)로 이루어지는 유전체막과, 산화알루미늄(Al2O3)으로 이루어지는 유전체막을 포함한다. 산화탄탈은, 후술하는 바와 같이, 가열에 의한 온도상승에 대하여 굴절률 변화량 및 막두께 변화량이 작은 특성을 가지기 때문에, 유전체 다층막으로서 바람직하다.
다음에, 고반사막(10)의 구체적인 구성예에 대하여 설명한다. 여기서는, 발진파장 λ=660nm의 적색 반도체 레이저에 고반사막(10)을 형성한 예를 나타낸다. 레이저칩의 등가굴절률은, 3.817이다.
도 1b에 나타내는 바와 같이, 레이저칩에 접하는 쪽으로부터 순서대로 제1 층인 유전체막 11은, 굴절률 n11=1.641의 산화알루미늄(Al2O3)으로 형성하고, 막두께 d11은 광학길이 환산으로 λ/4 상당의 100.5nm로 설정하고 있다.
제2 층인 유전체막 12는, 굴절률 n12=2.031의 산화탄탈(Ta2O5)로 형성하고, 막두께 d12는 광학길이 환산으로 λ/4 상당의 81.2nm로 설정하고 있다.
제3 층인 유전체막 13은, 굴절률 n13=1.641의 산화알루미늄(Al2O3)으로 형성하고, 막두께 d13은 광학길이 환산으로 λ/4 상당의 100.5nm로 설정하고 있다.
제4 층인 유전체막 14는, 굴절률 n14=2.031의 산화탄탈(Ta2O5)로 형성하고, 막두께 d14는 광학길이 환산으로 λ/4 상당의 81.2nm로 설정하고 있다.
제5 층인 유전체막 15는, 굴절률 n15=1.641의 산화알루미늄(Al2O3)으로 형성하고, 막두께 d15는 광학길이 환산으로 λ/4 상당의 100.5nm로 설정하고 있다.
제6 층인 유전체막 16은, 굴절률 n16=2.031의 산화탄탈(Ta2O5)로 형성하고, 막두께 d16은 광학길이 환산으로 λ/4 상당의 81.2nm로 설정하고 있다.
제7 층인 유전체막 17은, 굴절률 n17=1.641의 산화알루미늄(Al2O3)으로 형성하고, 막두께 d17은 광학길이 환산으로 λ/4 상당의 100.5nm로 설정하고 있다.
제8층인 유전체막 18은, 굴절률 n18=2.031의 산화탄탈(Ta2O5)로 형성하고,막두께 d18은 광학길이 환산으로 λ/4 상당의 81.2nm로 설정하고 있다.
제9층인 유전체막 19는, 굴절률 n19=1.641의 산화알루미늄(Al2O3)으로 형성하고, 막두께 d19는 광학길이 환산으로 λ/2 상당의 201.0nm로 설정하고 있다.
도 1c는, 상기 구성을 갖는 고반사막(10)의 반사율에 대하여 파장의존성을 나타내는 그래프(graph)이다. 이 그래프로부터, 중심파장 λ=660nm에서 약 83%의 반사율을 나타내고 있고, 발진파장의 변화에 대한 반사율 변화는 작다. 따라서, 상기 구성의 고반사막(10)은, 레이저 발진파장이 변동해도 안정한 반사율을 나타내는 것을 알 수 있다.
도 2a 및 도 2b는, 산화탄탈(Ta2O5)막과 산화티타늄(TiO2)막의 굴절률 및 막두께에 대하여 온도의존성을 나타내는 그래프이다. 여기서는, 약 110℃의 가열온도에서의 굴절률 및 막두께를 기준값 100%로서, 약 400℃의 가열온도에서의 굴절률 및 막두께의 변화율을 퍼센트(percent) 표시로 나타내고 있다.
이들 그래프로부터, 산화티타늄막의 굴절률은, 약 400℃에서 +2.18% 증가하고 있는데 비해, 산화탄탈막의 굴절률은 100.94%의 증가로 억제되어 있다. 또한, 산화티타늄막의 막두께는, 약 400℃에서 -1.95% 감소하고 있는데 비해, 산화탄탈막의 막두께는 10.26%의 감소로 억제되어 있다. 이와 같이 산화탄탈막은, 산화티타늄막과 비해 열적 안정성에 뛰어난 것을 알 수 있다.
따라서, 레이저칩이 고출력 레이저광을 발생하여, 고반사막(10)에서의 광흡수에 의해 온도상승이 생긴 경우, 산화티타늄(TiO2)막이 존재하면, 굴절률 변화 및막두께 변화가 커진다. 그 때문에, 레이저광의 온오프(on off)를 반복할때마다, 고반사막(10)의 경시열화가 생기기 쉬워져, 나아가서는 COD 열화를 일으키는 요인이 된다.
이것에 대하여 산화탄탈(Ta2O5)막을 사용하여 고반사막(10)을 구성한 경우, 고반사막(10)에서의 광흡수에 의해 온도상승이 생겼다고 해도, 굴절률 변화 및 막두께 변화가 작기 때문에, 고반사막(10)의 경시열화 및 COD 열화를 방지할 수 있다.
이때, 상기한 고반사막(10)에서는, 고굴절률막인 산화탄탈막 및 저굴절률막인 산화알루미늄막을 반복하여 단위로 한 4주기분의 다층막에 대하여, 대기에 접하는 저굴절률막으로서 산화알루미늄막을 추가한 예를 나타냈지만, 원하는 반사율로 제어하기 위해, 산화탄탈막 및 산화알루미늄막의 반복단위를 1∼3주기 혹은 5주기 이상으로 구성하는 것도 가능하다. 또한, 반사율특성의 중심파장을 660nm에서 변경하는 경우, 각 유전체막의 막두께를 광학길이로 환산한 막두께로 변경함으로써 대처할 수 있다.
(실시예 2)
도 3a는, 본 발명의 실시예 2를 나타내는 구조도이고, 광축에 따른 수직단면을 나타내고 있다. 레이저칩은, GaAs 등의 반도체기판(1)과, 활성층(2)과, 활성층(2)의 위쪽 및 아래쪽에 형성된 클래드층(3)과, 클래드층(3)의 위쪽 및 아래쪽에 형성된 전극(4) 등으로 구성된다.
반도체 레이저장치는, 전술한 레이저칩과, 레이저 전단면에 형성된저반사막(9)과, 레이저 후단면에 형성된 고반사막(20) 등으로 구성된다. 일반적으로, 저반사막(9)은 15% 이하의 반사율이 되도록 설정되고, 고반사막(20)은 40% 이상의 반사율이 되도록 설정된다.
저반사막(9) 및 고반사막(20)은, 증착, 스패터, CVD(화학적 기상성장) 등의 막형성 프로세스를 사용하여 형성된다. 레이저 전단면과 레이저 후단면과의 사이에서 광공진기가 구성되고, 활성층(2)에서 발진한 레이저광의 대부분은 저반사막(9)으로부터 출력광 Lo로서 출사되며, 고반사막(20)으로부터도 레이저광의 일부가 출사된다.
도 3b는, 고반사막(20)의 구성을 나타내는 확대도이다. 고반사막(20)은, 레이저칩에 접하는 측으로부터 순서대로, 굴절률 n21 및 막두께 d21의 유전체막 21, 굴절률 n22 및 막두께 d22의 유전체막 22, 굴절률 n23 및 막두께 d23의 유전체막 23, 굴절률 n24 및 막두께 d24의 유전체막 24, 굴절률 n25 및 막두께 d25의 유전체막 25, 굴절률 n26 및 막두께 d26의 유전체막 26, 굴절률 n27 및 막두께 d27의 유전체막 27, 굴절률 n28 및 막두께 d28의 유전체막 28로 형성되어 있다.
유전체 다층막은, 일반적으로, 고굴절률의 유전체막과 저굴절률의 유전체막이 교대로 반복하도록 적층된다. 각 유전체막의 막두께는, 일반적으로, 광학길이로 환산하여 발진파장 λ의 4분의 1, 즉 λ/4의 정수배가 되도록 설정되고, 유전체막의 굴절률의 크기에 따라 적절한 막두께로 조정된다.
본 실시예에서, 고반사막(20)은, 산화알루미늄(Al2O3)으로 이루어지는 유전체막과, 산화실리콘(SiO2)으로 이루어지는 유전체막과, 산화탄탈(Ta2O5)로 이루어지는 유전체막을 포함한다. 산화탄탈은, 도 2에 나타낸 바와 같이, 가열에 의한 온도상승에 대하여 굴절률 변화량 및 막두께 변화량이 작은 특성을 가지기 때문에, 유전체 다층막으로서 바람직하다.
다음에, 고반사막(20)의 구체적인 구성예에 대하여 설명한다. 여기서는, 발진파장 λ=660nm의 적색반도체 레이저에 고반사막(20)을 형성한 예를 나타낸다. 레이저칩의 등가굴절률은, 3.817이다.
도 3b에 나타내는 바와 같이, 레이저칩에 접하는 측으로부터 순서대로 제1 층인 유전체막 21은, 굴절률 n21=1.641의 산화알루미늄(Al2O3)으로 형성하고, 막두께 d21은 광학길이 환산으로 λ/2 상당의 201.0nm로 설정하고 있다.
제2 층인 유전체막 22는, 굴절률 n22=1.461의 산화실리콘(SiO2)으로 형성하고, 막두께 d22는 광학길이 환산으로 λ/4 상당의 112.9nm로 설정하고 있다.
제3 층인 유전체막 23은, 굴절률 n23=2.031의 산화탄탈(Ta2O5)로 형성하고, 막두께 d23은 광학길이 환산으로 λ/4 상당의 81.2nm로 설정하고 있다.
제4 층인 유전체막 24는, 굴절률 n24=1.461의 산화실리콘(SiO2)으로 형성하고, 막두께 d24는 광학길이 환산으로 λ/4 상당의 112.9nm로 설정하고 있다.
제5 층인 유전체막 25는, 굴절률 n25=2.031의 산화탄탈(Ta2O5)로 형성하고, 막두께 d25는 광학길이 환산으로 λ/4 상당의 81.2nm로 설정하고 있다.
제6 층인 유전체막 26은, 굴절률 n26=1.461의 산화실리콘(SiO2)으로 형성하고, 막두께 d26은 광학길이 환산으로 λ/4 상당의 112.9nm로 설정하고 있다.
제7 층인 유전체막 27은, 굴절률 n27=2.031의 산화탄탈(Ta2O5)로 형성하고, 막두께 d27은 광학길이 환산으로 λ/4 상당의 81.2nm로 설정하고 있다.
제8층인 유전체막 28은, 굴절률 n28=1.461의 산화실리콘(SiO2)으로 형성하고, 막두께 d28은 광학길이 환산으로 λ/2 상당의 225.8nm로 설정하고 있다.
도 3c는, 상기 구성을 갖는 고반사막(20)의 반사율에 대하여 파장의존성을 나타내는 그래프이다. 이 그래프로부터, 중심파장 λ=660nm에서 약 86%의 반사율을 나타내고 있고, 발진파장의 변화에 대한 반사율 변화는 작다. 따라서, 상기 구성의 고반사막(20)은, 레이저 발진파장이 변동해도 안정한 반사율을 나타내는 것을 알 수 있다.
이때, 상기한 고반사막(20)에서는, 고굴절률막인 산화탄탈막 및 저굴절률막인 산화실리콘막을 반복하여 단위로 한 3주기분의 다층막에 대하여, 칩에 접하는 저굴절률막으로서 산화알루미늄막 및 대기에 접하는 저굴절률막으로서 산화실리콘막을 추가한 예를 나타냈지만, 원하는 반사율로 제어하기 위해, 산화탄탈막 및 산화실리콘막의 반복단위를 1∼2주기 혹은 4주기 이상으로 구성하는 것도 가능하다. 또한, 반사율특성의 중심파장을 660nm에서 변경하는 경우, 각 유전체막의 막두께를 광학길이로 환산한 막두께로 변경함으로써 대처할 수 있다.
도 4는, 반도체 레이저의 구동전류에 대한 광출력특성의 일례를 나타내는 그래프이다. 종래의 고반사막으로서, 레이저칩에 접하는 측으로부터 순서대로, 산화알루미늄(Al2O3)막, 실리콘(Si)막, 산화알루미늄(Al2O3)막, 실리콘(Si)막, 산화알루미늄(Al2O3)막으로 이루어지는 계5층의 유전체 다층막을 형성한 것이다.
그래프를 보면, 어느 것이나 구동전류가 발진임계치전류 50mA 부근을 초과하면 광출력이 증가한다. 종래의 것은, 구동전류가 240mA 부근에서 광출력이 격감하여, COD 열화가 생기고 있다.
이것에 대하여 실시예 1 및 실시예 2에서 설명한 고반사막(10, 20), 구동전류 500mA에 도달할 때까지 COD 열화는 발생하고 있지 않고, 종래의 고반사막과 비교하여 약 1.7배의 광출력에도 견디고 있는 것을 알 수 있다.
이상의 설명에서, 본 발명에 관한 유전체 다층막을 레이저 후단면에 형성하는 예를 나타냈지만, 본 발명에 관한 유전체 다층막을 레이저 전단면에 형성하는 것도 가능하다.
본 발명은, 바람직한 실시예 및 첨부도면과 관련하여 설명하였지만, 여러가지의 변화나 변경은 당업자에서 자명하다. 이러한 변화나 변경은, 첨부한 클레임에 의해 정의되어, 일탈하지 않으면 본 발명의 범위 내에 있으면 이해해야 될 것이다.
이상 상세히 설명한 바와 같이, 산화탄탈(Ta2O5)막을 사용하여 유전체 다층막을 구성한 경우, 유전체 다층막에서의 광흡수에 의해 온도상승이 생겼다고 해도,굴절률 변화 및 막두께 변화가 작기 때문에, 유전체 다층막의 경시열화 및 COD 열화를 대폭 개선할 수 있다.

Claims (3)

  1. 레이저칩의 광출사면의 적어도 한쪽에, 반사율이 40% 이상의 유전체 다층막이 형성된 반도체 레이저장치에 있어서,
    유전체 다층막은, 산화탄탈로 이루어지는 유전체막을 포함한 것을 특징으로 하는 반도체 레이저장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    유전체 다층막은, 산화알루미늄으로 이루어지는 유전체막과, 산화탄탈로 이루어지는 유전체막을 포함한 것을 특징으로 하는 반도체 레이저장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    유전체 다층막은, 레이저칩에 접하는 막으로서 산화알루미늄으로 이루어지는 유전체막을 포함하고, 산화실리콘으로 이루어지는 유전체막과, 산화탄탈로 이루어지는 유전체막을 더 포함한 것을 특징으로 하는 반도체 레이저장치.
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