KR20040093012A - 다파장 반도체 레이저 및 그 제조 방법 - Google Patents

다파장 반도체 레이저 및 그 제조 방법 Download PDF

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Abstract

다파장 반도체 레이저가 개시된다. 본 발명의 다파장 반도체 레이저는 분리 영역을 개재하여 공통 기판 상에 설치된 제1 단부면 발광형 공진기 구조와 제2 단부면 발광형 공진기 구조를 갖는다. 제1 단부면 발광형 공진기 구조는 650nm의 발진 파장을 가진다. 제2 단부면 발광형 공진기 구조는 780nm의 발진 파장을 가진다. 막 두께 60nm의 제1 Al2O3막, 막 두께 55nm의 TiO2막, 및 막 두께 140nm의 제2 Al2O3막으로 이루어진 3층 유전체막이며, TiO2막의 굴절율은 제1 Al2O3막의 굴절율과 제2 Al2O3막의 굴절율보다 작은 저 반사막을 포함한다.

Description

다파장 반도체 레이저 및 그 제조 방법{MULTIPLE WAVELENGTH SEMICONDUCTOR LASER AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}
본 명세서는 2003년 4월 24일 일본특허청에 출원된, 일본 우선권 문서 JP 2003-119631에 기초하며, 그 전체 내용을 참조로 본 명세서에 포함한다.
본 발명은, 서로 다른 파장을 갖는 복수의 단부면 발광형 반도체 레이저 소자(edge emitting type semiconductor laser device)를 모노리식으로 구비하는 다파장 반도체 레이저 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 단부면 발광형 반도체 레이저 소자의 서로 다른 파장에 대하여 원하는 반사율을 갖는 공통의 저 반사막을 갖는 다파장 반도체 레이저 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
단부면 발광형 반도체 레이저 소자에서는, 주입 전류를 증대하여 광 출력을 증가시키는 경우, 광 출력이 특정 수준을 초과하는 시점에, 광 출력이 급격히 감소하는 현상이 발생한다. 이러한 현상은, 반도체 레이저 소자의 발광 단부면(light emitting edge)에 발생하는 광학 손상(COD: Catastrophic 0ptical Damage)에 의한 것으로, 이하와 같은 메카니즘으로 COD가 발생하는 것이라고 전해지고 있다.
즉, 전류를 주입하면, 반도체 레이저 소자의 발광 단부면에는 고밀도의 표면 준위를 통해 비-재결합 전류(non-recombination current)가 흐른다. 따라서, 발광 단부면 근방에서의 캐리어 밀도는 레이저 내부의 캐리어 밀도보다 낮게 되어, 그 결과, 광의 흡수가 발생한다. 이러한 광 흡수에 의해서 열이 발생하여, 발광 단부면 부근의 온도가 상승하기 때문에, 발광 단부면 부근에서의 밴드갭 에너지가 감소하여, 한층 광의 흡수가 증대한다. 이러한 플러스 귀환 루프에 의해서, 발광 단부면의 온도가 극단적으로 상승하여, 결국은 발광 단부면이 융해하게 된다. 결과적으로, 레이저 발진이 정지한다. 또한, 광 흡수는, 발광 단부면의 산화 및 공격자점(vacancy) 등의 점 결함들의 발생에 의해서 증가한다고 알려져 있다.
따라서, 종래에는, COD의 발생을 방지하기 위해서, 발광 단부면에 저 반사막을 피복하여, 될 수 있는 한 외부로 레이저 광이 출사될 수 있도록 하였다.
그런데, 광 기록 매체의 규격 및 종류가 다양화됨에 따라, 서로 다른 파장 대역, 예를 들면 650nm 및 780nm를 갖는 2종류의 광 기록 매체들로/로부터 데이터를 기록 및 재생하는 기록 및 재생 장치가 개발되었다.
이러한 기록 및 재생 장치에서는, 650nm대의 반도체 레이저 소자 및 780nm대의 반도체 레이저 소자를 모노리식으로 탑재한 2파장 반도체 레이저가 하나의 칩 상에 설치되어 있다.
COD가 발생하는 것을 방지하기 위해, 2파장 반도체 레이저의 개별적인 반도체 레이저 소자들의 발광 단부면들 상에 서로 다른 종류의 저 반사막을 설치하면, 저 반사막의 성막 프로세스가 복잡하게 된다. 한편, 하나의 공통의 저 반사막을 설치하면, 저 반사막은, 650nm대의 광 및 780nm대의 광 모두에 대하여 충분히 낮은 반사율을 가져야 한다.
따라서, 하나의 파장에 대한 기술을 2파장 반도체 레이저의 저 반사막에 적용하여도 650nm대의 광 및 780nm대의 광 모두에 대하여 효과적인 저 반사막을 실현하는 것은 어렵다.
이러한 문제점을 해결하기 위해, 관련 참고 문헌, 예를 들면 일본특허공개 번호 2001-230495는, 하나의 기판 위에, 서로 다른 발진 파장을 갖는 복수의 레이저 공진기를 배치하여 이루어지는 반도체 레이저 소자들의 발광 단부면들에 대략 동일한 막 두께로 동종의 1층 반사막들을 형성하는 것을 개시하고 있다.
구체적으로는, 650nm 및 780nm의 파장 대역들을 갖는 2파장 반도체 레이저에서는, 650nm 레이저의 출력을 보다 높일 수 있는 반사막으로서 굴절율이 대략 1.66이고 막 두께가 약 470nm인 알루미늄막을 설치하고, 또한 780nm 파장 대역 레이저의 출력을 보다 높일 수 있는 반사막으로서 굴절율이 대략 1.66이고 막 두께가 약 390nm인 알루미늄막을 각각 설치한다. 즉, 관련 참고 문헌은, 공진기들의 단부면들 상에 한 종류의 재료로 이루어진 막들을 형성함으로써 서로 다른 발진 파장들에대한 단부면에서의 반사율들을 제어하는 것을 제안해왔다.
[특허 문헌 1]
일본 특허출원 공개 번호 2001-230495(도 1 참조)
그러나, 전술한 관련 참고 문헌에 따르면, 각 파장에 대한 저 반사막들의 반사율들은 동일한 유전체 재료의 막 두께를 약간 바꿈으로써 제어된다. 따라서, 막 두께를 소정의 범위로 설정하면, 각 파장에 대한 반사율들이 일의적으로 정의된다. 따라서, 각각의 파장에 대한 반사율들을 독립적으로 제어하는 것은 어렵다.
2파장 반도체 레이저의 저 반사막의 막 두께를 150nm로 설정한 경우, 한쪽의 파장에 대한 반사율은 약 10%가 되지만, 다른 쪽의 파장에 대한 반사율은 약 25%가 된다. 따라서, 각각의 파장대에 대해 저 반사율들을 필요로 하는 경우, 반사막들의 막 두께들을 동일하게 하려고 하면, 서로 다른 파장대에 대한 반사율들의 조합이 좁은 범위로 한정된다. 따라서, 소정의 레이저 특성을 갖는 다파장 반도체 레이저를 실현하는 것이 어렵다.
전술한 내용을 고려하면, 개별적인 반도체 레이저 소자들의 발진 파장들에 대해 소정의 반사율들을 갖는 공통의 저 반사막을 발광 단부면들 상에 배치하는 다파장 반도체 레이저를 제공하는 것이 바람직하다.
도 1은 제1 실시예에 따른 다파장 반도체 레이저의 발광 단부면과 후단면에 배치된 저 반사막과 고 반사막의 구조를 나타내는 단면도.
도 2는 제1 실시예에 따른 제2 A12O3막의 막 두께와 650nm의 파장 및 780nm에 대한 3층 유전체막의 반사율 사이의 관계를 나타내는 그래프.
도 3은 제2 실시예에 따른 다파장 반도체 레이저의 발광 단부면 및 후단면에 배치된 저 반사막 및 고 반사막의 구조를 나타내는 단면도.
도 4는 제2 실시예에 따라 제2 A12O3막의 막 두께와 650nm의 파장 및 780nm의 파장 에 대한 3층 유전체막의 반사율 사이의 관계를 나타내는 그래프.
도 5a 및 도 5b는 제1 실시예에 따른 다파장 반도체 레이저를 두 제조 단계에서 보여주는 단면도.
도 6은 본 발명의 제3 실시예에 따른 방법으로 저 반사막의 구성을 설정하는 단계들을 도시하는 흐름도.
도 7은 도 2에 도시된 그래프에서 반사율이 15% 이하가 되는 제2 A12O3막의 막 두께의 범위를 나타내는 그래프.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10: 다파장 반도체 레이저
12: 제1 공진기 구조
14: 제2 공진기 구조
16: 제1 A12O3막
18: TiO2막
20: 제2 A12O3막
22: 저 반사막
28: 고 반사막
<발명의 요약>
따라서, 본 발명의 제1 측면은, 서로 다른 파장을 갖는 복수의 단부면 발광형 반도체 레이저 소자를 모노리식으로 구비한 다파장 반도체 레이저이다. 상기 레이저는 외측으로 순차 성막된, 제1 유전체막, 제2 유전체막, 및 제3 유전체막으로 구성된 3층 유전체막인 공통의 저 반사 다층막을 포함하고, 상기 공통의 저 반사막은 복수의 단부면 발광형 반도체 레이저 소자들의 발광 단부면들 상에 동일한 막 두께로 형성된다. 상기 레이저에서, 제2 유전체막의 굴절율이 제1 유전체막의 굴절율 및 제3 유전체막의 굴절율보다 크다.
본 발명에 따르면, 제1 유전체막, 제2 유전체막, 및 제3 유전체막으로 구성된 3층 유전체막인 공통의 저 반사 다층막을 동일한 두께로 각 반도체 레이저 소자의 발광 단부면들 상에 설치하고 있기 때문에, 저 반사막의 성막 프로세스가 용이하게 실행될 수 있다.
각 유전체막의 조성 및 막 두께를 적절하게 설정하는 것에 의해, 각 반도체 레이저 소자의 발진 파장에 대하여 원하는 반사율을 갖는 공통의 저 반사 다층막을 설계하는 것이 용이하다. 예를 들면, 본 발명에 따르면, 제1 내지 제3 유전체막들의 막종(조성) 및 막 두께를 적절하게 설정하는 것에 의해, 각 발진 파장에 대한 발광 단부면의 반사율을 15% 이하로 할 수 있다.
각 반도체 레이저 소자의 발진 파장들에 대한 반사율들이 동일할 필요는 없다. 대신, 서로 다른 반사율이 각 반도체 레이저 소자들의 발진 파장들에 대해 설정될 수 있다. 예를 들면, 하나의 반도체 레이저 소자에 대해 5%의 반사율을 설정하는 반면, 다른 반도체 레이저 소자에 대해서는 10%의 반사율을 설정할 수 있다.
또한, 제2 유전체막의 굴절율이 제1 유전체막의 굴절율 및 제3 유전체막의굴절율보다 크기 때문에, 제1 유전체막과 제2 유전체막 사이의 계면의 반사율 및 제2 유전체막과 제3 유전체막 사이의 계면의 반사율을 낮게 하여, 3층 유전체막의 실효 반사율을 감소시킬 수 있다.
본 발명에 따른 다파장 반도체 레이저에서는, 제1 유전체막 및 제2 유전체막의 막 두께가 선택된다. 그 후, 제3 유전체막의 막 두께의 파라미터를 사용하여, 반도체 레이저 소자 각각의 발진 파장들에 대한 3층 유전체막의 반사율을 계산한다. 결과적으로, 제3 유전체막의 막 두께와 3층 유전체막의 반사율과의 관계를 구한다.
계속해서, 제3 유전체막의 막 두께와 3층 유전체막의 반사율과의 관계에 기초하여, 복수의 반도체 레이저 소자의 발진 파장들에 대한 3층 유전체막의 반사율이 소정값이 되도록 제3 유전체막의 막 두께를 선택한다.
유전체막들의 조성에는 제약이 없다. 또한, 제1 내지 제3 유전체막들의 조성들이 서로 다를 필요는 없다. 제1 유전체막과 제3 유전체막이 동일한 조성의 유전체막일 수 있다. 제1 유전체막 내지 제3 유전체막 각각으로서, Al2O3막, SiNX막, SiO2막, SiC막, AlN막, 및 GaN 막 중 어느 하나를 선택할 수 있다.
복수의 단부면 발광형 반도체 레이저 소자의 구성 및 발진 파장들에는 제약이 없다. 예를 들면, 복수의 단부면 발광형 반도체 레이저 소자의 발진 파장들은, 650nm대, 780nm대, 및 850nm대 중 어느 하나로 할 수 있다. 본 예에서는, 650nm대는 645nm의 파장부터 665nm의 파장까지의 범위이고; 780nm대는 770nm의 파장부터790nm의 파장까지의 범위이고; 및 850nm대는 830nm의 파장부터 860nm의 파장까지의 범위이다.
본 발명은, 기판, 및 기판 위에 형성된 공진기 구조를 구성하는 화합물 반도체층들의 조성들에 관계없이 적용할 수 있다. 예를 들면, 본 발명은, GaAs계, AlGaAs계, 또는 AlGaInP계의 복수의 반도체 레이저 소자를 탑재한 다파장 반도체 레이저에 적절히 적용할 수 있다.
또한, 본 발명은, 예를 들어 매립형, 또는 에어 릿지형(air ridge type)의 레이저 스트라이프의 구성에 상관없이 적용할 수 있다.
본 발명의 제2 측면은, 서로 다른 파장을 갖는 복수의 단부면 발광형 반도체 레이저 소자를 모노리식으로 구비하는 다파장 반도체 레이저의 제조 방법이고, 공진기 구조가 웨이퍼 상에 형성되고, 그 웨이퍼는 절단되어(cleaved), 레이저 바가 형성되고, 공통의 저 반사막이 상기 레이저 바의 한쪽 절단면 상에 노출된 복수의 단부면 발광형 반도체 레이저 소자의 발광 단부면들 상에 배치된다. 상기 방법은, (1) 제1 유전체막 및 제3 유전체막을 선택하고, 그 후 제2 유전체막으로서 제1 유전체막의 굴절율 및 제3 유전체막의 굴절율보다 큰 굴절율을 갖는 유전체막을 선택하여 제1 유전체막, 제2 유전체막, 및 제3 유전체막으로 구성된 3층 유전체막을 공통의 저 반사막으로 배치하는 단계; (2) 제1 유전체막의 막 두께 및 제2 유전체막의 막 두께를 결정하는 단계; (3) 제3 유전체막의 막 두께의 파라미터를 사용하여 복수의 단부면 발광형 반도체 레이저 소자의 발진 파장들에 대한 3층 유전체막의 반사율을 계산하여, 제3 유전체막의 막 두께와 3층 유전체막의 반사율 사이의 관계를 구하는 단계; 및 (4) 제3 유전체막의 막 두께와 3층 유전체막의 반사율 사이의 관계에 따라, 복수의 단부면 발광형 반도체 레이저 소자의 발진 파장들에 대한 3층 유전체막의 반사율이 소정의 값 이하가 되도록 제3 유전체막의 막 두께를 선택하는 단계를 포함한다.
본 발명에 따른 방법에서, 유전체막들의 유형, 및 막 두께들은, 종래의 경험 및 실험들로부터 얻어진 데이터에 따라 선택되고 설정된다. 일반적으로, 양호한 유전체막들을 얻기 위해서는, 제1 및 제2 유전체막들의 막 두께들을 20nm 이상 100nm 이하로 설정한다.
단계 (3)에서 얻어진 제3 유전체막의 막 두께와 3층 유전체막의 반사율 사이의 관계가 단계 (4)에서의 발진 파장들에 대한 반사율의 소정값 이하를 만족하지 못하는 경우, 상기 방법은, (5) 단계 (2)로 되돌아가서, 제1 유전체막의 막 두께와 제2 유전체막의 막 두께 중 적어도 어느 하나를 다른 값으로 결정하는 단계; 및 (6) 제3 단계 및 제4 단계로 이행하여, 발진 파장들에 대한 반사율이 소정값 이하를 만족하도록 제3 유전체막의 막 두께를 선택할 수 있을 때까지, 단계 (2) 내지 단계 (4)의 사이클을 반복하는 단계를 더 포함한다.
제3 유전체막의 막 두께와 3층 유전체막의 반사율 사이의 관계가 단계 (6)에서의 발진 파장들에 대한 반사율의 소정값 이하를 만족하지 못하는 경우, 상기 방법은, (7) 단계 (1)로 되돌아가서, 3층 유전체막을 구성하는 제1 내지 제3 유전체막들 중 적어도 어느 하나로서 다른 유전체막을 선택하고, 단계 (2) 내지 단계 (4)의 사이클을 반복하는 단계를 더 포함한다.
제3 유전체막의 막 두께와 3층 유전체막의 반사율 사이의 관계가 단계 (7)에서의 발진 파장들에 대한 반사율의 소정값 이하를 만족하지 못하는 경우, 상기 방법은, (8) 단계 (1)로 되돌아가서, 3층 유전체막을 구성하는 제1 내지 제3 유전체막들 중 적어도 어느 하나로서 다른 유전체막을 선택하고, 단계 (2) 내지 단계 (4)의 사이클을 반복하는 단계를 더 포함한다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 방법에서는, 제1 내지 제3 유전체막들의 조성 및 막 두께들이 변수로서 사용되기 때문에, 많은 변수들이 존재한다. 따라서, 각 반도체 레이저 소자에 대해 최적의 반사율을 갖는 저 반사막을 배치할 수 있다. 즉, 전술한 사이클을 반복함으로써, 각 반도체 레이저 소자의 발진 파장에 대해 원하는 반사율을 갖는 저 반사막을 설계할 수 있다.
본 발명에 따른 방법에서는, 제1 내지 제3 유전체막들이 알려진 방법, 예를 들면, 스퍼터링, CVD(Chemical Vapor Deposition), EB(Electron Beam) 증착 등에 의해 형성될 수 있다. 특히, 스퍼터링이 바람직한데, 그 이유는 막 두께를 정확하게 제어할 수 있기 때문이다.
본 발명에 따르면, 공통의 저 반사 다층막이 각 반도체 레이저 소자의 발광 단부면들 상에 배치된다. 공통의 저 반사 다층막은 제1 유전체막, 제2 유전체막, 및 제3 유전체막으로 구성된 3층 유전체막인데, 제2 유전체막의 굴절율은 제1 유전체막 및 제3 유전체막의 굴절율들보다 크다. 각 유전체막의 조성 및 막 두께가 적절하게 설정되면, 각 반도체 레이저 소자의 발진 파장에 대해 원하는 반사율을 갖는 공통의 저 반사막이 용이하게 설계될 수 있다.
본 발명에 따르면, 다파장 반도체 레이저 내에 배치된 각 반도체 레이저 소자의 발진 파장들에 대한 반사율들이 넓은 범위 내에서 조합될 수 있기 때문에, 반사율들은 각 반도체 레이저 소자의 레이저 특성에 대응하여 제어될 수 있다.
또한, 제2 유전체막의 굴절율과 제1 및 제3 유전체막들의 굴절율들의 관계가 본 발명에 규정된 것과 같이 충족되는 한, 다양한 유형의 재료들로 이루어진 유전체막들이 사용될 수 있다. 따라서, 저 반사막이 용이하게 설계되고 제조될 수 있다.
본 발명에 따른 방법은 본 발명에 따른 다파장 반도체 레이저를 적절하게 생산하는 방법을 달성한다.
첨부된 도면, 상세한 설명 및 첨부된 청구범위를 검토하면 본 기술 분야의 통상의 지식의 가진 자에게 본 발명의 다른 주요 특징 및 이점들은 자명할 것이다.
<발명의 실시예>
본 발명은 첨부 도면과 함께 이하의 상세한 설명으로부터 보다 완전히 이해될 것이며, 도면에서 유사한 참조번호는 유사한 구성요소를 나타낸다.
이하, 첨부 도면을 참조하여, 본 발명의 실시예들을 보다 상세히 설명한다.
(제1 실시예 - 다파장 반도체 레이저)
제1 실시예는 본 발명에 따른 다파장 반도체 레이저의 일례이다. 도 1은 제1 실시예에 따른 다파장 반도체 레이저의 발광 단부면 및 후단면에 설치된 저 반사막 및 고 반사막의 구성을 나타내는 단면도이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 다파장 반도체 레이저(10)는 650nm의 발진 파장을갖는 제1 단부면 발광형 공진기 구조(제1 반도체 레이저 소자)(12)와 780nm의 발진 파장을 갖는 제2 단부면 발광형 공진기 구조(제2 반도체 레이저 소자)(14)를 갖는 다파장 반도체 레이저이다. 제1 공진기 구조(12) 및 제2 공진기 구조(14)는 분리 영역(11)을 개재하여 공통 기판(도시하지 않음) 상에 설치된다. 도 1은 재료 웨이퍼가 절단된 레이저 바로서 다파장 반도체 레이저를 도시한다. 도 1에서 좌측 단부면을 발광 단부면이라고 한다.
제1 공진기 구조(12) 및 제2 공진기 구조(14)의 발광 단부면 상에는 저 반사막(22)이 설치되어 있다. 저 반사막(22)은 60nm의 제1 A12O3막(16), 55nm의 TiO2막(18), 및 140nm의 제2 A12O3막(20)이 외측으로 순차 구성된 3층 유전체막이다.
제2 유전체막으로서 TiO2막(18)이 형성된다. TiO2막(18)의 굴절율은 2.00이다. 본 발명에 특정되어 있는 바와 같이, TiO2막(18)의 굴절율은 제1 유전체막으로서 설치된 제1 A12O3막(16)의 굴절율 및 제3 유전체막으로서 설치된 제2 A12O3막(20)의 굴절율 보다 크다. 제2 A12O3막(20)의 굴절율은 1.65이다.
발광 단부면의 반대측의 면에는 고 반사막(28)이 설치되어 있다. 고 반사막(28)은 두개의 A12O3막(24) 및 두개의 a-Si막(26)이 교대로 형성된 4층막으로 구성된다. A12O3막(24) 및 a-Si막(26)은 650nm과 780nm의 중간값인 약 720nm의 파장에 대하여, 각각 λ/4n1(λ는 720nm, n1은 A12O3막의 굴절율)의 막 두께 및 λ/4 n2(λ는 720nm, n2는 a-Si막의 굴절율)의 막 두께를 갖는다. 이 고 반사막(28)의 반사율은 95%이다.
제2 A12O3막(20)의 막 두께와 3층 유전체막의 반사율 사이의 관계를 나타내는 도 2로부터 명백한 바와 같이, 제1 실시예에 따르면, 저 반사막(22)을 상술한 방식으로 구성하기 때문에, 저 반사막(22)은 650nm 및 780nm의 발진 파장 모두에 대하여 9%라는 저 반사율을 갖는다.
도 2는 제1 A12O3막(16)의 막 두께와 TiO2막(18)의 막 두께를 각각 60nm와 55nm로 설정한 경우에, 제2 A12O3막(20)의 막 두께를 파라미터로서 이용하여 650nm 및 780nm의 파장들에 대한 3층 유전체막의 반사율을 보여주는 그래프이다.
제1 A12O3막(16) 및 TiO2막(18)의 막 두께를 상술한 저 반사막(22)과 같이, 각각 60nm 및 55nm로 설정하고, 제2 A12O3막(20)의 막 두께를 저 반사막(22)과 다르게 100nm로 설정한다고 가정하면, 도 2의 그래프로부터, 저 반사막으로서, 650nm의 파장에 대하여 19%의 반사율을, 또는 780nm의 파장에 대하여 25%의 반사율을 갖는 3층 유전체막을 얻을 수 있다.
또한, 제1 A12O3막(16) 및 TiO2막(18)의 막 두께를 상술한 저 반사막(22)과 같이 각각 60nm 및 55nm로 설정하고, 제2 A12O3막(20)의 막 두께를 저 반사막(22)과다르게 175nm로 설정하면, 도 2의 그래프로부터, 저 반사막으로서, 650nm의 파장에 대하여 25%의 반사율을, 또는 780nm의 파장에 대하여 2%의 반사율을 갖는 3층 유전체막을 얻을 수 있다.
(제2 실시예 - 다파장 반도체 레이저)
본 발명의 제2 실시예는 본 발명에 따른 다파장 반도체 레이저의 다른 예이다. 도 3은 제2 실시예에 따른 다파장 반도체 레이저의 발광 단부면 및 후단면에 형성된 저 반사막 및 고 반사막의 구성을 나타내는 단면도이다.
제1 실시예와 같이, 제2 실시예에 따른 다파장 반도체 레이저(38)는 650nm의 발진 파장을 갖는 제1 단부면 발광형 공진기 구조(제1 반도체 레이저 소자)(12)와 780nm의 발진 파장을 갖는 제2 단부면 발광형 공진기 구조(제2 반도체 레이저 소자)(14)를 갖는 다파장 반도체 레이저이다. 제1 공진기 구조(12)와 제2 공진기 구조(14)는 분리 영역(11)을 개재하여 공통 기판(도시하지 않음) 상에 설치된다. 다파장 반도체 레이저(38)의 구조는 발광 단부면에 설치된 저 반사막의 구조를 제외하고는 제1 실시예에 따른 단파장 반도체 레이저와 동일한 구조를 갖는다.
제1 공진기 구조(12) 및 제2 공진기 구조(14)의 발광 단부면에는 저 반사막(36)이 설치되어 있다. 저 반사막(36)은 30nm의 제1 A12O3막(16), 55nm의 TiO2막(32), 및 100nm의 제2 A12O3막(34)이 바깥쪽으로 순차 형성되어 구성된 3층 유전체막이다.
발광 단부면의 반대측 면에는 고 반사막(28)이 설치되어 있다. 고반사막(28)은 두개의 A12O3막(24)과 두개의 a-Si막(26)으로 구성된 4층막이 교대로 형성되어 있는 막이다. A12O3막(24) 및 a-Si 막(26)은 650nm와 780nm의 중간값인 약 720nm의 파장에 대하여, 막 두께가 각각, λ/4n1(λ는 720nm, n1은 A12O3막의 굴절율) 및 λ/4n2(λ는 720nm, n2은 a-Si막의 굴절율)이다. 이 고 반사막(28)의 반사율은 93%이다.
제2 A12O3막(34)의 막 두께와 3층 유전체막의 반사율 사이의 관계를 나타내는 도 4로부터 명백한 바와 같이, 650nm 및 780nm의 발진 파장들 모두에 대하여, 저 반사막(36)은 반사율 10%라는 저 반사율을 나타낸다.
도 4는 제1 A12O3막(16)의 막 두께와 TiO2막(18)의 막 두께를 각각 30nm 및 50nm로 설정한 경우, 제2 A12O3막(34)의 막 두께를 파라미터로서 이용하여 650nm 및 780nm의 파장들에 대한 3층 유전체막의 반사율을 나타내는 그래프이다.
상기 저 반사막(36)과 같이, 제1 A12O3막(30) 및 TiO2막(32)의 막 두께들을 각각 30nm 및 50nm로 설정하고, 제2 A12O3막(34)의 막 두께를 저 반사막(36)과 다르게 150nm로 설정하면, 도 4의 그래프로부터, 저 반사막으로서, 650nm의 파장에 대해서는 1% 이하의 반사율을, 또는 780nm의 파장에 대해서는 약 8%의 반사율을 갖는 3층 유전체막을 얻을 수 있다.
또한, 저 반사막(36)과 같이 제1 A12O3막(30) 및 TiO2막(32)의 막 두께들을각각 30nm 및 50nm로 설정하고, 제2 A12O3막(34)의 막 두께를, 저 반사막(36)과는 다르게, 200nm로 설정하면, 도 4의 그래프로부터, 저 반사막으로서, 650nm의 파장에 대해서는 약 8%의 반사율을, 또는 780nm의 파장에 대해서는 약 3%의 반사율을 갖는 3층 유전체막을 얻을 수 있다.
(제3 실시예 - 다파장 반도체 레이저의 제조 방법)
본 발명의 제3 실시예는 제1 실시예에 따른 다파장 반도체 레이저의 제조 방법이다. 도 5a 및 도 5b는 제1 실시예에 따른 다파장 반도체 레이저의 두 공정 단계에서 보여주는 단면도이다. 도 6은 저 반사막의 구조가 제3 실시예에 따라 설정된 단계들을 도시하는 흐름도이다.
종래에 알려진 다파장 반도체 레이저의 제조 방법, 예를 들면 일본 특허 출원 공개 공보 제2001-244572호에 개시된 제조 방법에서는, 650nm의 발진 파장을 갖는 제1 단부면 발광형 공진기 구조(12) 및 780nm의 발진 파장을 갖는 제2 단부면 발광형 공진기 구조(14)가 웨이퍼 상에 형성된다.
그 후에, 제1 단부면 발광형 공진기 구조(12) 및 제2 단부면 발광형 공진기 구조(14)가 형성된 웨이퍼가 절단된다. 도 5a에 도시된 바와 같이, 레이저 바(40)가 형성된다.
제3 실시예에 따르면, 공통의 저 반사막이 제1 단부면 발광형 공진기 구조(12) 및 제2 단부면 발광형 공진기 구조(14)의 발광 단부면에 설치된다. 저 반사막은 650nm 및 780nm의 파장들에 대하여 15% 이하의 반사율을 갖는다. 이 저반사막은 제1 유전체막, 제2 유전체막, 및 제3 유전체막으로 구성된 3층막이다.
제1 유전체막, 제2 유전체막, 및 제3 유전체막으로 구성된 3층 유전체막인 공통의 저 반사막을 설치하기 위해서, 도 6에 도시한 바와 같이, 단계 S1에서, 제1 및 제3 유전체막이 선택된다. 그 다음에, 제1 유전체막의 굴절율 및 제3 유전체막의 굴절율보다 큰 굴절율을 갖는 유전체막이 제2 유전체막으로서 선택된다. 예를 들면, 유전체막으로서 A12O3막, SiNx막, TiO2막, SiO2막, SiC막, 및 GaN 막 중 어느 하나가 선택된다. 제2 유전체막을 선택할 때, 제1 유전체막의 굴절율과 제3 유전체막의 굴절율보다 큰 굴절율을 갖는 유전체막이 선택된다. 유전체 막의 형태 및 막 두께는 경험, 실험 등을 통해 얻어진 데이터에 기초하여 선택되고 설정된다.
제3 실시예에 따르면, 제1 유전체막으로서 A12O3막을 선택하여 제1 A12O3막(16)으로 하고, 제2 유전체막으로서 TiO2막을 선택하여 TiO2막(18)으로 하고, 제3 유전체막으로서 다른 A12O3막을 선택하여 제2 A12O3막(20)으로 한다.
계속해서, 단계 S2에서, 제1 A12O3막(16) 및 TiO2막(18)의 막 두께들을 결정한다. 제1 및 제2 유전체막의 막 두께는 20nm 이상 및 100nm 이하로 설정하는 것이 바람직하다. 제3 실시예에 따라, 제1 A12O3막(16) 및 TiO2막(18)의 막 두께들은 각각 60nm 및 55nm로 설정된다.
그 다음에, 단계 S3에서, 제2 A12O3막(20)의 막 두께를 파라미터로 이용하여, 650nm 및 780nm의 파장들에 대한 3층 유전체막의 반사율을 계산한다. 이렇게 계산된 결과로, 제2 A12O3막(20)의 막 두께와 3층 유전체막의 반사율 사이의 관계를 나타내는 그래프가 도 7(도 2와 동일한 그래프)에 도시한 바와 같이 생성된다.
그 다음에, 단계 S4에서, 도 7에 도시된 그래프에 따라, 650nm 및 780nm의 파장들 모두에 대하여 반사율이 15% 이하가 되는 제2 A12O3막(20)의 막 두께를 구한다. 도 7로부터 알 수 있는 바와 같이, 두 파장 모두에 대해 반사율이 15% 이하가 되는 제2 A12O3막(20)의 막 두께는, 도 7에 "A"라고 표시된 것처럼 125nm에서 155nm의 범위 내이다. 제3 실시예에 따르면, 제2 A12O3막(20)의 막 두께를 140nm로 설정하면, 650nm 및 780nm의 파장들 모두에 대한 반사율이 약 10%인 저 반사막(22)을 설계할 수 있다.
제2 A12O3막(20)의 막 두께와 3층 유전체막의 반사율 사이의 관계가 단계 S4에서 각 발진 파장에 대한 반사율의 소정값을 만족하지 못하는 경우, 흐름은 단계 S2로 되돌아간다. 단계 S2에서, 제1 A12O3막(16) 및 TiO2막(18)의 막 두께들 중 적어도 하나의 막 두께가 새롭게 설정된다. 단계 S3에서, 3층 유전체막의 반사율이 계산된다. 단계 S4에서, 650nm 및 780nm의 파장들에 대하여 반사율이 15% 이하가 되는 제2 A12O3막(20)의 막 두께가 설정된다.
제2 A12O3막(20)의 막 두께와 3층 유전체막의 반사율 사이의 관계가 각 발진파장에 대한 반사율의 소정값을 만족하지 않는 경우, 흐름은 단계 S1으로 되돌아간다. 단계 S1에서, 제1 유전체막 내지 제3 유전체막이 다시 선택된다. 소정의 반사율이 얻어질 때까지, 단계 S1에서 단계 S4까지의 사이클이 반복된다.
그 다음에, 도 5b에 도시한 바와 같이, 단부면 발광형 공진기 구조(12) 및 단부면 발광형 공진기 구조(14)의 발광 단부면들을 노출시켜 얻어진 레이저 바(40)의 절단 단면상에, 60nm의 제1 A12O3막(16), 55nm의 TiO2막(18), 및 140nm의 제2 A12O3막(20)을 CVD법에 의해 순차적으로 성막한다. 그 결과, 저 반사막(22)이 형성된다.
발광 단부면과는 반대측인 후단면측의 절단 단면상에 두개의 A12O3막(24)과 두개의 a-Si막(26)이 교대로 적층되어 구성된 4층막이 CVD법에 의해 형성된다. 각각의 A12O3막(24)은 막 두께가 λ/4n1(λ은 720nm, n1은 A12O3막의 굴절율)이다. 각각의 a-Si 막(26)은 막 두께가 λ/4n2(λ은 720nm, n2은 a-Si막의 굴절율)이다. 그 결과, 고 반사막(28)이 형성된다.
결과적으로, 원하는 저 반사율을 갖는 저 반사막이 발광 단부면에 설치된 다파장 반도체 레이저를 제조할 수 있다.
제3 실시예에 따르면, 저 반사막으로서 3층 유전체막을 이용하는 것에 의해, 저 반사막을 설계하는데 사용될 수 있는 변수들의 수가 증가한다. 따라서, 변수들을 적절하게 설정함으로써, 저 반사막의 반사율의 절대값과 위상을 넓은 범위 내에서 용이하게 설계할 수 있다.
이상의 실시예들에 따르면, 유전체막 재료의 조합으로서, A12O3/TiO2/A12O3구조가 예시되었다. 그러나, 제1 유전체막 및 제3 유전체막의 굴절율보다도 높은 굴절율을 갖는 유전체막 재료를 제2 유전체막으로서 선택하는 한, 제1 내지 제3 유전체막 재료는 자유롭게 선택될 수 있다.
또한, 이상의 실시예들에 따르면, 반도체 레이저 소자의 발진 파장으로서 650nm 및 78Onm가 예시되었다. 그러나, 본 발명에 있어서 발진 파장에 제한은 없다. 다파장 반도체 레이저에 설치된 각 반도체 레이저 소자의 특성에 따라, 원하는 반사율을 만족하는 저 반사막의 구성이 선택될 수 있다.
이상 본 발명의 원리들을 기술하였다. 따라서, 본 명세서에 명백하게 기술되거나 도시되지 않았을지라도, 본 기술분야의 숙련자라면 본 발명의 이러한 원리들을 구현하고 이하의 청구범위의 사상과 범위 내에 속하는 다양한 변경예들을 고안할 수 있을 것임을 유의해야 할 것이다.

Claims (10)

  1. 서로 다른 파장들을 갖는 복수의 단부면 발광형 반도체 레이저 소자(edge emitting type semiconductor laser device)를 모노리식으로(monolithically) 포함하는 다파장 반도체 레이저로서,
    외측으로 순차 성막된 제1 유전체막, 제2 유전체막, 및 제3 유전체막으로 구성된 3층 유전체막인 공통의 저 반사 다층막 - 상기 공통의 저 반사 다층막은 동일한 막 두께를 갖도록 형성됨 - 이 상기 복수의 단부면 발광형 반도체 레이저 소자의 발광 면들(facets) 상에 설치되고,
    상기 제2 유전체막의 굴절율은 상기 제1 유전체막의 굴절율 및 상기 제3 유전체막의 굴절율보다 큰 다파장 반도체 레이저.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 유전체막 내지 상기 제3 유전체막의 각각은, Al2O3막, SiNx막, SiO2막, SiC막, AlN막, 및 GaN막 중 하나인 다파장 반도체 레이저.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 단부면 발광형 반도체 레이저 소자의 발진 파장은 650nm대, 780nm대, 및 850nm대 중 어느 하나인 다파장 반도체 레이저.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 복수의 단부면 발광형 반도체 레이저 소자의 발진 파장은 650nm대, 780nm대, 및 850nm대 중 어느 하나인 다파장 반도체 레이저.
  5. 서로 다른 파장들을 갖는 복수의 단부면 발광형 반도체 레이저 소자를 모노리식으로 포함하는 다파장 반도체 레이저의 제조 방법으로서,
    공진기 구조가 형성된 웨이퍼를 절단하여(cleaving) 레이저 바를 형성하고, 상기 레이저 바의 한쪽의 절단면에 노출된 상기 복수의 단부면 발광형 반도체 레이저 소자의 발광 면상에 공통의 저 반사막을 설치할 때,
    (1) 제1 유전체막, 제2 유전체막, 및 제3 유전체막으로 구성된 3층 유전체막을 상기 공통의 저 반사막으로서 설치하기 위해서, 제1 유전체막 및 제3 유전체막을 선택하고, 그 후 상기 제1 유전체막의 굴절율 및 상기 제3 유전체막의 굴절율보다 큰 굴절율을 갖는 유전체막을 제2 유전체막으로서 선택하는 단계;
    (2) 상기 제1 유전체막 및 상기 제2 유전체막의 막 두께들을 결정하는 단계;
    (3) 상기 제3 유전체막의 막 두께를 파라미터로 사용하여 상기 복수의 단부면 발광형 반도체 레이저 소자의 발진 파장들에 대한 상기 3층 유전체막의 반사율을 계산하여, 상기 제3 유전체막의 막 두께와 상기 3층 유전체막의 반사율 사이의 관계를 구하는 단계; 및
    (4) 상기 제3 유전체막의 막 두께와 상기 3층 유전체막의 반사율 사이의 상기 관계에 따라, 상기 복수의 단부면 발광형 반도체 레이저 소자의 상기 발진 파장들에 대한 상기 3층 유전체막의 반사율이 소정값 이하가 되도록 상기 제3 유전체막의 막 두께를 선택하는 단계
    를 포함하는 다파장 반도체 레이저의 제조 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 단계 (1)은 상기 제1 유전체막 내지 상기 제3 유전체막의 각각으로서, Al2O3막, SiNx막, SiO2막, SiC막, AlN막, 및 GaN 막 중 하나를 선택하는 단계를 포함하는 다파장 반도체 레이저의 제조 방법.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 복수의 단부면 발광형 반도체 레이저 소자의 상기 발진 파장들은 650nm대, 780nm대, 및 850nm대 중 어느 하나인 다파장 반도체 레이저의 제조 방법.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 단계 (3)에서 얻어진 상기 제3 유전체막의 막 두께와 상기 3층 유전체막의 반사율 사이의 상기 관계가, 단계 (4)에서의 상기 발진 파장들에 대한 상기 반사율의 상기 소정값 이하를 만족하지 못하는 경우에는,
    (5) 상기 단계 (2)로 되돌아가서, 상기 제1 유전체막의 막 두께와 상기 제2유전체막의 막 두께 중 적어도 어느 하나를 다른 값으로 결정하는 단계; 및
    (6) 상기 단계 (3) 및 상기 단계 (4)로 이행하여, 상기 발진 파장들에 대한 상기 반사율이 상기 소정값 이하를 만족하도록 상기 제3 유전체막의 막 두께를 선택할 수 있을 때까지, 상기 단계 (2)부터 상기 단계 (4) 까지의 사이클을 반복하는 단계
    를 더 포함하는 다파장 반도체 레이저의 제조 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제3 유전체막의 막 두께와 상기 3층 유전체막의 반사율 사이의 상기 관계가, 상기 단계 (6)에서의 상기 발진 파장들에 대한 상기 반사율의 상기 소정값 이하를 만족하지 못하는 경우에는,
    (7) 상기 단계 (1)로 되돌아가서, 상기 3층 유전체막을 구성하는 상기 제1 유전체막 내지 상기 제3 유전체막 중 적어도 어느 하나로서 다른 유전체막을 선택하고, 상기 단계 (2) 내지 상기 단계 (4)의 사이클을 반복하는 단계
    를 더 포함하는 다파장 반도체 레이저의 제조 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제3 유전체막의 막 두께와 상기 3층 유전체막의 반사율 사이의 상기 관계가, 단계 (7)에서의 상기 발진 파장들에 대한 상기 반사율의 상기 소정값 이하를 만족하지 못하는 경우에는,
    (8) 상기 단계 (1)로 되돌아가서, 상기 3층 유전체막을 구성하는 상기 제1 유전체막 내지 상기 제3 유전체막 중 적어도 하나로서 다른 유전체막을 선택하고, 상기 단계 (2) 내지 상기 단계 (4)의 사이클을 반복하는 단계
    를 더 포함하는 다파장 반도체 레이저의 제조 방법.
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