KR20050082251A - 반도체 레이저 디바이스 - Google Patents

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하경호
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이성남
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Abstract

기판과, 활성층과, 활성층과 기판 사이에 위치된 제1클래드층과, 활성층 상에 위치된 제2클래드층과, 제2클래드층 상에 이 제2클래드층보다 굴절율이 작은 금속 물질로 형성된 금속 도파층을 포함하는 제1전극층을 포함하며, 제1전극층이 도파 효과를 나타내도록 형성된 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 디바이스가 개시되어 있다.
개시된 반도체 레이저 디바이스는, 전극층이 도파로 효과를 나타내도록 구성되므로, 광 가둠 계수를 증가시킬 수 있다. 이에 의해, 클래드층의 두께를 종래에 비해 줄이면서도 광 가둠 계수를 증가시킬 수 있다. 이러한 광 가둠 계수 증가로부터 발진 전류 및 동작 전류 감소와 이로 인한 수명 증가를 얻을 수 있고, 최대 출력 역시 증가하게 된다.

Description

반도체 레이저 디바이스{Semiconductor laser device}
본 발명은 반도체 레이저 디바이스 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 광 가둠 계수(Optical Confinement Factor:OCF)를 증가시킬 수 있도록 된 반도체 레이저 디바이스 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
GaN를 이용한 반도체 레이저 디바이스는, 현재의 DVD의 뒤를 이을 고밀도 광 정보 저장매체 예컨대, BD(Blu-ray Disc) 및 AOD(Advanced Optical Disc)를 기록 및/또는 재생하기 위한 광학 시스템의 광원으로 주목받고 있다.
이러한 광학 시스템의 광원으로 사용하기 위해서는, 반도체 레이저 디바이스는 고온 고출력 조건에서 긴 수명을 가져야 하며, 이를 위해서는 반도체 레이저 디바이스의 동작 전류 및 전압이 낮아야 한다. 그리고, 반도체 레이저 디바이스의 동작 전류 및 전압을 낮추기 위해서는, 주입 전하에 대하여 더 많은 광 이득(optical gain)을 얻을 수 있어야 하며, 이를 위해서는 반도체 레이저 디바이스의 활성층에 광학적 필드가 많이 분포되어야 한다. 일반적으로 레이저는 발진에 필요한 이득을 외부에서 주입되는 전류에 의해 얻게 되며, 이때 발진되는 모드와 이득 영역과의 오버랩(overlap)이 클수록 적은 전류 주입을 요구하기 때문이다.
반도체 레이저의 동작 원리에 따라서 전자와 정공의 결합으로 발광이 이루어지고, 이렇게 발생된 광자는 레이저 공진기의 양쪽 거울 면을 통해 피드백되어 발진으로 연결되므로, 활성층 영역으로의 전기적 및 광학적 가둠이 동시에 이루어져야 한다.
광학적 가둠 즉, OCF를 높이게 되면, 같은 주입 전류에 대하여 광모드가 얻어지는 이득이 높아져 반도체 레이저의 발진 임계 전류가 낮아지게 된다. 또한, 낮아진 임계 전류는 동작 전류의 저하로 연결되어 반도체 레이저의 수명 연장에 기여하게 된다.
OCF는 굴절율 분포 및 크기 차이로 유도되는데, 이는 재료의 조성 및 두께와 관련이 있다.
종래에는, 활성층과 클래드층의 굴절율 차이가 크도록 클래드층의 두께를 늘이거나 클래드층의 Al 조성을 높여 OCF를 증가시키는 방법이 제안된 바 있다.
클래드층에 낮은 굴절율을 도입하기 위하여 사용되는 AlGaN 계열에서의 Al 조성 증가 방법은 에피(Epi) 성장 중 크랙(crack)을 유발하거나, 일정 두께 이상으로 클래드층을 증가시킬 수 없도록 제한하게 된다. 그리고, 낮은 Al 조성에서 클래드층의 두께를 증가시키는 방법은 소자의 수직 저항을 급격히 증가시켜 구동 전압 즉, 동작 전류의 상승을 유발시키며, 높은 성장온도로 인하여 성장 중 활성층의 열화를 가져오게 된다.
이와 같이, 클래드층의 높은 Al 조성과 큰 두께는 크랙(crack)과 구동 전압 상승을 유발시키는 문제점이 있다. 더구나, 클래드층의 Al 조성을 늘이거나 두께를 늘이는 방법은 광 모드의 비대칭성을 증가시켜, 원거리장 패턴(far field pattern)의 비대칭성이 증가되고, 이에 의해 SNR(신호대 잡음비)을 감소시키게 된다.
본 발명은 상기한 바와 같은 점을 감안하여 안출된 것으로, 클래드층의 Al 조성을 늘이거나 두께를 늘이지 않고도 충분한 광 가둠 효과를 얻을 수 있도록 개선된 반도체 레이저 디바이스를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 반도체 레이저 디바이스는, 기판과; 활성층과; 상기 활성층과 기판 사이에 위치된 제1클래드층과; 상기 활성층 상에 위치된 제2클래드층과; 상기 제2클래드층 상에 이 제2클래드층보다 굴절율이 작은 금속 물질로 형성된 금속 도파층을 포함하는 제1전극층;을 포함하며, 상기 제1전극층이 도파 효과를 나타내도록 형성된 것을 특징으로 한다.
상기 제1전극층은, 상기 금속 도파층과; 상기 제2클래드층과 상기 금속 도파층 사이에 위치된 금속 컨택층;을 포함할 수 있다.
이때, 상기 금속 도파층은, Li, Na, K, Cr, Co, Pd, Cu, Au, Ir, Ni, Pt, Rh, Ag 중에서 선택된 적어도 어느 한 금속 물질을 사용하여 형성될 수 있다.
대안으로, 상기 제1전극층은, 상기 금속 도파층으로만 이루어져, 이 금속 도파층이 컨택층과 도파로 역할을 하도록 될 수도 있다.
이때, 상기 금속 도파층은, Pd, Ag, Rh, Cu, Ni 중에서 선택된 적어도 어느 한 금속 물질을 사용하여 형성될 수 있다.
상기 제1클래드층과 활성층 사이, 상기 활성층과 제2클래드층 사이에 각각 반도체 물질로 된 제1 및 제2도파층;을 더 포함할 수 있다.
상기 제2클래드층과 제1전극층 사이에 오믹 접촉층을 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 반도체 레이저 디바이스는, 리지를 가지며, 상기 리지는 그 리지에 해당하는 부분을 제외하고, 나머지 부분에서 제2클래드층의 일부 또는 제2도파층의 일부까지 식각하여 형성될 수 있다.
이때, 오믹 접촉층은 상기 제2클래드층의 상기 리지에 해당하는 부분과 제1전극층 사이에 형성될 수 있다.
상기 리지 형성시 식각에 의해 노출된 상기 제2클래드층의 표면과 리지 측면을 덮는 보호층;을 더 구비할 수 있다.
상기 기판과 제1클래드층 사이에 버퍼층;을 더 포함할 수 있다.
상기 버퍼층에 단차 구조가 형성되고, 상기 버퍼층 상에 제2전극층;을 더 구비할 수 있다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하면서 본 발명에 따른 반도체 레이저 디바이스 및 그 제조 방법의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 반도체 레이저 디바이스는 클래드층보다 작은 굴절율을 가지는 금속을 사용하여 형성된 금속 도파층(metal wave-guide layer)을 포함하는 전극층이 도파로 효과를 나타내도록 구성되어, 전극층이 금속 컨택층과 도파로의 역할을 동시에 수행할 수 있도록 되어 있다. 이때, 전극층은 클래드보다 작은 굴절율을 갖는 금속 도파층으로만 이루어지거나, 금속 컨택층과 금속 도파층을 포함하는 2층 이상으로 형성될 수 있다.
도 1 및 도 2를 참조로 이하에서 설명하는 실시예들은 본 발명에 따른 반도체 레이저 디바이스의 예시일 뿐으로, 본 발명에 따른 반도체 레이저 디바이스가 이하의 실시예들에 보여진 적층 구조에 한정되는 것은 아니며, 다양한 타 실시예가 가능함은 물론이다.
도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 반도체 레이저 디바이스의 적층 구조를 개략적으로 보인 도면이고, 도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 반도체 레이저 디바이스의 적층 구조를 개략적으로 보인 도면이다.
도면들을 참조하면, 본 발명에 따른 반도체 레이저 디바이스는, 기판(10)과, 이 기판(10)의 상면에 버퍼층(20), 제1클래드층(30), 제2도파층(47), 활성층(45), 제2도파층(47), 제2클래드층(50)의 순서로 적층될 수 있다. 또한, 제2클래드층(50) 상에 오믹 접촉층(60)이 더 적층될 수 있다. 또한, 이 위에 제1전극층(70 또는 170)(예컨대, p형 전극층)이 적층된다. 상기 제1전극층(70 또는 170)은 상기 활성층(45) 및 제2클래드층(50)과 나란히 위치된다.
상기 기판(10)으로는 사파이어 기판, SiC 또는 GaN 기판이 주로 이용된다.
상기 버퍼층(20)은 GaN 계열의 Ⅲ-Ⅴ족 질화물 화합물 반도체층으로 형성될 수 있으며, 후술하는 바와 같이, 제2전극층(77) 예컨대, n-전극층과 컨택되는 컨택층으로 사용될 수 있다. 예를 들어, 상기 버퍼층(20)은 n-GaN층으로 형성될 수 있다. 상기 버퍼층(20)은 GaN 계열로 한정되는 것은 아니며, 레이저 발진(레이징)이 가능한 Ⅲ-Ⅴ족의 다른 화합물 반도체층으로 형성될 수도 있다.
상기 제1 및 제2클래드층(30)(50)은 소정의 굴절율을 가지는 GaN/AlGaN 초격자 구조층인 것이 바람직하나, 레이징이 가능한 다른 화합물 반도체층일 수도 있다. 예를 들어, 상기 제1클래드층(30)은 n-AlGaN/n-GaN, n-AlGaN/GaN 또는 AlGaN/n-GaN 반도체층일 수 있으며, 상기 제2클래드층(50)은, p-AlGaN/p-GaN, p-AlGaN/GaN, AlGaN/p-GaN 반도체층일 수 있다. 또한, 상기 제1 및 제2클래드층(30)(50)은 n-AlGaN 및 p-AlGaN 반도체층일 수도 있다.
상기 제2클래드층(50)은 1μm 이하의 두께로 형성되는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 반도체 레이저 디바이스에 있어서, 상기 제2클래드층(50)은 광 가둠 계수를 증가시키기 위해 두께를 증가시키거나 Al 조성을 높이도록 된 종래의 반도체 레이저 디바이스에서의 클래드층에 비해 얇게 형성될 수 있다. 이는 제1전극층(70 또는 170)이 도파로 효과를 나타내도록 본 발명에 따른 반도체 레이저 디바이스를 형성함에 의해, 충분한 광 가둠 계수를 얻을 수 있기 때문이다.
상기 제1 및 제2도파층(41)(47)은, 상기 제1 및 제2클래드층(30)(50)보다 굴절율이 높은 물질로 형성된다. 상기 제1 및 제2도파층(41)(47)은 GaN 계열의 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체층으로 형성되는 것이 바람직하다. 예를 들어, 제1도파층(41)은 n-AlGaN층으로, 제2도파층(47)은 p-AlGaN층으로 형성될 수 있다.
상기 활성층(45)은, 레이징이 일어날 수 있는 물질층이면 어떤한 물질층이라도 사용할 수 있다. 바람직하게는 상기 활성층(45)은, 임계 전류 및 동작 전류값이 작은 물질층을 사용한다. 상기 활성층(45)은 다중양자우물 또는 단일 양자우물 중 어느 하나의 구조를 가질 수 있다.
예를 들어, 상기 활성층(45)은, GaN, AlGaN, InGaN 및 AlInGaN 중 어느 하나의 물질로 형성될 수 있다. 상기 활성층(45)과 제2도파층(47) 사이에는 예컨대, p-AlGaN으로 된 EBL(electron blocking layer:미도시)이 더 구비될 수 있다. 이 EBL은 그 에너지 갭이 다른 결정층에 비해 가장 크며, 이에 의해 전자가 p형 반도체 층으로 이동되는 것을 방지하도록 한다.
상기 활성층(45)의 상부에는 제2도파층(47), 제2클래드층(50) 및 오믹 접촉층(60)이 적층되며, 이러한 반도체층에 리지 도파로 구조를 형성하기 위해 리지(ridge:90)가 형성될 수 있다. 본 발명에 따른 반도체 레이저 디바이스가 리디 도파로 구조를 가지는 경우에는 리지(90)는 다음 과정을 통해 형성된다.
기판(10) 상에 예를 들어, 버퍼층(20), 제1클래드층(30), 제1도파층(41), 활성층(45), 제2도파층(47), 제2클래드층(50), 오믹 접촉층(60)까지 적층한 다음, 소정 부분에서 버퍼층(20)의 일부까지 식각하여, 단차 구조를 만든다. 이 단차 구조는, 버퍼층(20) 상에 제2전극층(77) 예컨대, n형 전극층을 형성하기 위해 만드는 것으로, 제2전극층(77)은 노출된 버퍼층(20) 상에 형성된다.
그런 다음, 리지(90)에 해당하는 부분을 제외하고, 나머지 부분에서 제2클래드층(50) 일부 또는 제2도파층(47) 일부까지 식각하여, 제2클래드층(50)의 일부분이 노출되도록 하면, 리지(90)가 얻어진다. 이와 같이, 리지 도파로 구조를 형성하는 기술 및 리지 구조에 대해서는 본 기술분야에서 잘 알려져 있으므로, 여기서는 그 자세한 설명을 생략한다.
제1도파층(41) 및 제1클래드층(30)과 상기 제2도파층(47)과 제2클래드층(50)은 서로 반대 도전형의 화합물 반도체층으로 형성된다. 즉, 제1도파층(41) 및 제1클래드층(30)이 n형 화합물 반도체층이면, 상기 제2도파층(47)과 제2클래드층(50)은 p형 화합물 반도체층으로 형성된다. 이때, 상기 오믹 접촉층(60)은 예컨대, p-GaN층으로 이루어질 수 있다. 대안으로, 제1도파층(41) 및 제1클래드층(30)이 p형 화합물 반도체층이면, 상기 제2도파층(47)과 제2클래드층(50)은 n형 화합물 반도체층으로 형성된다. 이 경우, 상기 오믹 접촉층(60)은 n-GaN층으로 이루어질 수 있다. 이하에서는 제1도파층(41) 및 제1클래드층(30)이 n형 화합물 반도체층이고, 이에 대응되게 나머지 반도체층이 형성된 경우를 예로서 설명한다.
상기 리지(90)를 중심으로, 좌우 제2클래드층(50) 또는 제2도파층(47)의 표면과 돌출된 리지(90)의 측면에는 보호층이 덮힌다. 상기 보호층은 Si, Al, Zr, Ta 등에서 선택된 적어도 1종의 원소를 포함하는 산화물로 이루어질 수 있다.
상기와 같이 리지(90)를 중심으로 보호층이 형성된 리지 도파로 구조 위에 제1전극층(70 또는 170)이 형성된다.
도 1 및 도 2에서는 본 발명에 따른 반도체 레이저 디바이스가 리지 구조로 된 경우를 보여주는데, 이는 예시일 뿐으로, 본 발명에 따른 반도체 레이저 디바이스는 리지 구조를 가지지 않을 수도 있다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1전극층(70)은, 오믹 컨택을 위한 금속 컨택층(71)과 그 위에 위치되어 도파로로서 역할을 하는 금속 도파층(75)을 포함하는 두 층 이상의 구조를 가진다. 상기 금속 컨택층(71)의 중간 부분은 리지(90) 상단의 오믹 접촉층(60)에 접촉되어 있다.
상기 금속 도파층(75)은, 발광 파장에 대해 클래드층 특히, 제2클래드층(50)보다 작은 굴절율을 가지는 금속으로 이루어진다. 예를 들어, 상기 금속 도파층(75)은, Li, Na, K, Cr, Co, Pd, Cu, Au, Ir, Ni, Pt, Rh, Ag 등 중에서 선택된 적어도 어느 한 금속 물질을 사용하여 형성될 수 있다.
상기한 금속들은 청색 파장 대역 즉, 400nm 파장대역에서 제2클래드층(50)보다 작은 굴절율을 가진다.
여기서, 상기 금속 컨택층(71)은 제2클래드층(50)보다 작은 굴절율을 가지며, 금속 도파층(75)은 금속 컨택층(71)보다 작은 굴절율을 가진다.
상기한 바와 같은 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 레이저 디바이스에서는, 금속 컨택층(71)이 오믹 접촉층(60)과 컨택 역할을 하며, 그 위에 위치된 낮은 굴절율의 금속 도파층(75)이 도파로로서 역할을 하게 된다.
다른 실시예로서, 본 발명에 따른 반도체 레이저 디바이스는, 도 2에 도시된 바와 같이, 적어도 2층 구조의 제1전극층(70) 대신에, 제1전극층(170)이 컨택층과 도파로 역할을 동시에 수행할 수 있도록 된 금속 도파층(175)만을 구비하는 구조를 가질 수도 있다. 이때에도, 제1전극층(170) 즉, 금속 도파층(175)은 제2클래드층(50)보다 작은 굴절율을 가지는 금속으로 이루어진다. 예를 들어, 제1전극층(170)은, Pd, Ag, Rh, Cu, Ni 등 중에서 선택된 적어도 어느 한 금속 물질을 사용하여 형성될 수 있다.
상기와 같이 본 발명에 따른 반도체 레이저 디바이스는, 제1전극층(70 또는 170)에 제2클래드층(50)보다 작은 굴절율을 가지는 금속을 사용하여 도파로로서 기능을 하도록 된 금속 도파층(75 또는 175)을 구비한다.
따라서, 본 발명에 따른 반도체 레이저 디바이스는, 클래드층의 Al 조성을 높이거나 클래드층의 두께를 두껍게 하지 않고도, 충분한 광 가둠 효과를 달성할 수 있다.
다시 말하면, 본 발명에 따른 반도체 레이저 디바이스에 따르면, 제1전극층(70 또는 170)에 도파층으로서 기능을 하도록 된 금속 도파층(75 또는 175)을 구비함에 의해 광 가둠 계수를 증가시킬 수 있으며, 활성층(45)의 상부쪽에 위치된 제2클래드층(50)의 두께 감소를 유도할 수 있어, 레이저의 광효율과 전기적 특성을 개선할 수 있다.
또한, 제1전극층(70 또는 170)의 도파로 효과는 광 모드 가이드에 필요한 클래드층의 두께와 클래드층에서의 Al 조성을 현저히 낮출 수 있어, 동작 전압 감소에도 기여하게 된다.
상기와 같이 제1전극층(70 또는 170)을 도파로 효과를 가지도록 형성할 수 있는 이유는 다음과 같다.
도 3은 금(Au)의 광자 에너지에 따른 흡수 계수와 굴절율을 보여준다. 도 3에서, 광자 에너지 0.8eV는 대략 1.55μm의 파장에 해당하며, 광자 에너지 3eV는 대략 400nm의 파장에 해당한다.
도 3에서 알 수 있는 바와 같이, 일반적으로 장파장에서는 금속은 높은 흡수율을 가진다. 따라서, 장파장에 대해서는 금속층을 도파로로서 사용할 수 없다.
이러한 금속의 흡수 특성을 고려하여, 일반적으로 반도체 레이저 디바이스는, 광모드가 금속 전극층까지 미치지 않아 광모드와 금속층의 결합을 최소화하도록, 구성된다.
하지만, 도 3에 보여진 바와 같이, 400nm 대의 단파장에서는 금속(예컨대, Au)에서의 광 흡수가 매우 적다.
본 발명은 단파장대에서의 금속의 흡수율이 낮은 점을 이용한다. 도 3에 보여진 바와 같이, 400nm 파장대(광자 에너지 3 eV 대)의 짧은 파장에서는 금속에 의한 광 흡수가 매우 적으므로, 금속으로 형성된 전극층이 광 도파로 기능을 하는 것이 가능하게 된다.
이때, 전극층이 광 도파로 기능을 하려면, 그 전극층의 금속 도파층은 그 반도체 레이저 디바이스로부터 발생된 레이저광의 파장에 대해 클래드층 특히, 전극층과 활성층 사이에 위치된 클래드층보다 작은 굴절율을 가지는 금속물질로 형성되어야 한다.
많은 경우, 400nm 파장대의 짧은 파장에서 금속은 AlGaN 계열보다 낮은 굴절율을 가진다.
따라서, 본 발명에 따른 반도체 레이저 디바이스의 발광 파장대에서, 흡수 계수가 충분히 작고, 제2클래드층(50)보다 낮은 굴절율을 가지는 금속을 사용하여, 제1전극층(70 또는 170)을 금속 도파층(75 또는 175)을 포함하도록 형성하고, 제2클래드층(50)의 두께를 충분히 얇게 하여, 제1전극층(70 또는 170)이 도파로 효과를 가지도록 하면, 광 가둠 계수를 증가시킬 수 있다. 또한, 이러한 제1전극층(70 또는 170)의 도파로 효과는 광 모드 가이드에 필요한 클래드층의 두께와 클래드층에서의 Al 조성을 현저히 낮출 수 있어, 동작 전압 감소에도 기여하게 된다.
또한, 상기와 같이 제1전극층(70 또는 170)이 도파로 효과를 가지도록 구성하면, 광 모드의 대칭성을 크게 개선할 수 있다. 이는 도 4 및 도 5의 비교에 의해 알 수 있다.
도 4는 종래의 반도체 레이저 디바이스에서처럼 p형 클래드층이 0.5μm 두께로 AlGaN/GaN 초격자를 사용하여 형성되고, 그 위에 전극층이 Pd을 사용하여 1500Å두께로 형성될 때의, 모드 프로파일을 보여준다. 도 5는 본 발명에 따라 예컨대, p형 클래드층이 0.25μm 두께로 AlGaN/GaN 초격자를 사용하여 형성되고, 그 위의 전극층(본 발명의 일 실시예에서의 제1전극층(70))이 Pd를 사용하여 1500Å 두께로 금속 컨택층과 금속 도파층의 역할을 하도록 형성된 경우의 모드 프로파일을 보여준다.
전극층의 굴절율은 p형 클래드층 등보다 굴절율이 훨씬 작으므로, 전극층의 굴절율은 도 4 및 도 5의 표시 스케일을 벗어나 보여지지 않았다.
도 4는 광 가둠 계수를 증가시키기 위해 p형 클래드층을 두껍게 한 종래의 반도체 레이저 디바이스에서의 광 모드 프로파일에 해당한다. 반면에, 도 5는 p형 클래드층을 종래에 비해 반으로 줄이고, 전극층이 콘택층과 광도파로 효과를 나타내도록 Pd, Ag, Rh, Cu, Ni를 사용한 실시예에 따른 반도체 레이저 디바이스에서의 광 모드 프로파일에 해당한다.
도 4 및 도 5의 비교에 의해 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에서와 같이, p 클래드층의 두께를 종래에 비해 반으로 줄이고, 전극층이 도파로 효과를 나타내도록 반도체 레이저 디바이스를 구성하면, 광 가둠 계수는 종래의 2.4%에서 2.7%로 증가된다. 즉, 광 가둠 계수가 12.5%의 개선되는 효과가 있다. 여기서, 광 가둠 계수는 계산된 광 프로파일과 활성층(보다 정확히는 양자 우물)의 오버랩 계수에 해당한다.
또한, 예컨대, p 클래드층의 두께가 예컨대, 1/2 정도로 감소하므로, 에피(Epi) 성장 중 크랙(crack)을 유발하는 문제가 종래에 비해 개선될 수 있으며, p 클래드층의 두께가 종래에 비해 얇기 때문에 소자의 수직 저항이 종래에 비해 감소되고, 이에 의해, 구동 전압 즉, 동작 전류를 종래에 비해 낮출 수 있다.
또한, 도 4 및 도 5의 비교에 의해 알 수 있는 바와 같이, 광 모드 대칭성이 개선될 수 있다.
도 5에서는 하나의 전극층이 금속 컨택층과 금속 도파층의 역할을 하도록 구성된 경우의 모드 프로파일을 예로서 보여주었다. 전극층이 금속 컨택층과 금속 도파층으로 구성되어 컨택과 도파로 효과를 나타내도록 본 발명에 따른 반도체 레이저 디바이스가 구성된 경우(즉, 본 발명의 일 실시예의 경우)에도 도 5에 비견되는 광 가둠 계수 및 광 모드 대칭성 개선 효과와 예컨대, p 클래드층의 두께 감소에 따른 크랙 완화 및 저항 감소 효과가 있음은 물론이다.
예를 들어, 일정 두께의 p형 클래드층이 AlGaN/GaN으로 형성되고, 그 위에 전극층이 Pd을 사용하여 형성된 종래의 경우와 비교할 때, p형 클래드층을 AlGaN/GaN으로 절반의 두께로 Pd를 사용하여 형성함에 의해 전극층이 광 도파로 효과를 나타내도록 본 발명에 따른 반도체 레이저 디바이스를 구성한 경우에도, 전극층을 적어도 2층 구조로 형성한 경우와 마찬가지의 우수한 특성을 얻을 수 있다. 본 발명자들이 검토한 바에 따르면, 이 경우에도, 광 가둠 계수 증가와 더불어 발진 전류가 대략 20% 정도 감소하였으며, p 클래드층의 두께를 반으로 줄임으로 인해 저항이 대략 30% 정도 감소하였다.
이상에서는 본 발명에 따른 반도체 레이저 디바이스에 대해 도 1 및 도 2에 도시된 적층 구조를 가지는 경우를 예를 들어 설명 및 도시하였는데, 본 발명에 따른 반도체 레이저 디바이스의 구조가 이에 한정되는 것은 아니다.
즉, 본 발명에 따른 반도체 레이저 디바이스는, 제1전극층(70 또는 170) 예컨대, p 전극층이 광 도파로 효과를 나타내도록 하고, 발광 파장에 대해 활성층(45)과 상기 제1전극층(70 또는 170) 사이에 위치된 제2클래드층(50) 예컨대, p 클래드층 보다 작은 굴절율을 가지는 금속을 제1전극층(70 또는 170)의 금속 도파층(75 또는 175)을 형성하는데 사용하는 점 이외의 반도체층들의 적층 구조 및 사용 물질들은 다양하게 변형될 수 있다.
상기한 바와 같은 본 발명에 따른 반도체 레이저 디바이스는, 전극층이 도파로 효과를 나타내도록 구성되므로, 광 가둠 계수를 증가시킬 수 있다.
이에 의해, 클래드층의 두께를 종래에 비해 줄이면서도 광 가둠 계수를 증가시킬 수 있다. 이러한 광 가둠 계수 증가로부터 발진 전류 및 동작 전류 감소와 이로 인한 수명 증가를 얻을 수 있고, 최대 출력 역시 증가하게 된다.
또한, 본 발명에 따른 반도체 레이저 디바이스에서는, 종래의 클래드층의 Al 조성을 늘이거나 두께를 늘이는 방법 사용시의 문제가 생기지 않는다.
즉, 클래드층의 두께 감소에 의해, 에피 성장시 클래드층 상에 가해지는 스트레인의 감소로 인해 크랙 발생이 줄어들며, 활성층 성장 후 고온에서의 노출시간이 감소하여 활성층의 열화도 막게 된다.
또한, 대부분의 반도체 레이저 디바이스는 예컨대, p 클래드층이 주된 저항원으로 작용하는데, 이 p 클래드층의 두께를 줄임으로써, 저항이 감소되고, 이에 의해 동작 전류가 감소되고, 줄(joule) 열에 의한 발열이 줄어들어 고온 고출력 동작에 유리하며, 아울러 고속 변조 특성 또한 향상될 수 있다.
또한, 클래드층의 두께를 감소시킴에 의해, 광 모드의 대칭성이 개선되어, 원거리장 패턴(far field pattern)의 대칭성이 좋아지고, 이에 의해 예컨대, 기록면에서의 스폿 형태를 대칭적으로 만들 수 있어, 본 발명에 따른 반도체 레이저 디바이스를 광원으로 사용한 시스템에서의 SNR(신호대 잡음비)을 개선할 수 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 반도체 레이저 디바이스의 적층 구조를 개략적으로 보인 도면이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 반도체 레이저 디바이스의 적층 구조를 개략적으로 보인 도면이다.
도 3은 금(Au)의 광자 에너지에 따른 흡수 계수와 굴절율을 보여준다.
도 4는 종래의 반도체 레이저 디바이스에서처럼 p형 클래드층이 0.5μm 두께로 AlGaN/GaN 초격자를 사용하여 형성되고, 그 위에 전극층이 Pd을 사용하여 1500Å두께로 형성될 때의, 모드 프로파일을 보여준다.
도 5는 본 발명에 따라 p형 클래드층이 0.25μm 두께로 AlGaN/GaN 초격자를 사용하여 형성되고, 그 위의 전극층(본 발명의 일 실시예에서의 제1전극층)이 Pd를 사용하여 1500Å 두께로 형성되어 금속 컨택층과 금속 도파층 역할을 하도록 된 경우의 모드 프로파일을 보여준다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10...기판 20...버퍼층
30,50...제1 및 제2클래드층 41,47...제1 및 제2도파층
45...활성층 60...오믹 접촉층
70,170...제1전극층 71...금속 컨택층
75,175...금속 도파층 77...제1전극층
80...보호층 90...리지

Claims (20)

  1. 기판과;
    활성층과;
    상기 활성층과 기판 사이에 위치된 제1클래드층과;
    상기 활성층 상에 위치된 제2클래드층과;
    상기 제2클래드층 상에 이 제2클래드층보다 굴절율이 작은 금속 물질로 형성된 금속 도파층을 포함하는 제1전극층;을 포함하며,
    상기 제1전극층이 도파 효과를 나타내도록 형성된 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 디바이스.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1전극층은,
    상기 금속 도파층과;
    상기 제2클래드층과 상기 금속 도파층 사이에 위치된 금속 컨택층;을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 디바이스.
  3. 제2항에 있어서, 상기 금속 도파층은, Li, Na, K, Cr, Co, Pd, Cu, Au, Ir, Ni, Pt, Rh, Ag 중에서 선택된 적어도 어느 한 금속 물질을 사용하여 형성된 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 디바이스.
  4. 제1항에 있어서, 상기 제1전극층은, 상기 금속 도파층으로만 이루어져, 이 금속 도파층이 컨택층과 도파로 역할을 하도록 된 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 디바이스.
  5. 제4항에 있어서, 상기 금속 도파층은, Pd, Ag, Rh, Cu, Ni 중에서 선택된 적어도 어느 한 금속 물질을 사용하여 형성된 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 디바이스.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 활성층은, GaN, AlGaN, InGaN 및 AlInGaN 중 어느 하나의 물질로 형성되고, 다중 양자 우물 및 단일 양자 우물 중 어느 하나의 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 디바이스.
  7. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 및 제2클래드층은, GaN/AlGaN 초격자 구조 및 AlGaN 중 어느 하나로 된 서로 반대 도전형의 화합물 반도체 층인 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 디바이스.
  8. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1클래드층과 활성층 사이, 상기 활성층과 제2클래드층 사이에 각각 제1 및 제2도파층;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 디바이스.
  9. 제8항에 있어서, 상기 제1 및 제2도파층은 서로 반대 도전형의 GaN 계열의 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체층인 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 디바이스.
  10. 제9항에 있어서, 리지를 가지며,
    상기 리지는 그 리지에 해당하는 부분을 제외하고, 나머지 부분에서 제2클래드층의 일부 또는 제2도파층의 일부까지 식각하여 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 디바이스.
  11. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제2클래드층과 제1전극층 사이에 오믹 접촉층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 디바이스.
  12. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 리지를 가지며,
    상기 리지는 그 리지에 해당하는 부분을 제외하고, 나머지 부분에서 제2클래드층의 일부까지 식각하여 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 디바이스.
  13. 제12항에 있어서, 상기 제2클래드층의 상기 리지에 해당하는 부분과 제1전극층 사이에 오믹 접촉층;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 디바이스.
  14. 제13항에 있어서, 상기 오믹 접촉층은 n-GaN층 및 p-GaN 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 디바이스.
  15. 제12항에 있어서, 상기 리지 형성시 식각에 의해 노출된 상기 제2클래드층의 표면과 리지 측면을 덮는 보호층;을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 디바이스.
  16. 제15항에 있어서, 상기 보호층은 Si, Al, Zr, Ta 등에서 선택된 적어도 1종의 원소를 포함하는 산화물로 이루어진 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 디바이스.
  17. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 기판은 사파이어, SiC 및 GaN 중 어느 한 기판인 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 디바이스.
  18. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 기판과 제1클래드층 사이에 버퍼층;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 디바이스.
  19. 제18항에 있어서, 상기 버퍼층은 GaN 계열의 Ⅲ-Ⅴ족 질화물 화합물 반도체층으로 형성된 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 디바이스.
  20. 제18항에 있어서, 상기 버퍼층에 단차 구조가 형성되고,
    상기 버퍼층 상에 제2전극층;을 더 구비하는 것을 특징으로 반도체 레이저 디바이스.
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