KR20060002824A - 반도체 레이저 장치 - Google Patents
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Abstract
기밀 봉지된 패키지(2) 내에 활성 영역이 AlGaAs계 결정, AlGaInP계 결정, AlGaN계 결정, 또는 InGaN계 결정으로 이루어지는 반도체 레이저 소자(3)를 구비하는 반도체 레이저 장치에 있어서, 패키지 내의 분위기 가스를 산소를 함유하는 기체로 한다. 반도체 레이저 소자(3)는, 레이저 출사면에 유전체 산화막을 구비한다. 분위기 가스를 산소와 질소의 혼합 가스로 하며, 산소의 비율을 20% 이상으로 한다.
Description
본 발명은 반도체 레이저 장치에 관한 것이다.
종래, 반도체 레이저 소자로서 단파장계의 반도체 레이저 소자와 장파장계의 반도체 레이저 소자가 널리 사용되고 있다. 단파장계의 반도체 레이저 소자는, 발광 영역으로 되는 활성층이 AlGaAs계(3원계) 결정 등으로 이루어진다. 장파장계의 반도체 레이저 소자는, 활성층이 InGaAsP계(4원계) 결정 등으로 이루어진다.
이들 3원계나 4원계로 이루어지는 반도체 레이저 소자는, GaAs 기판상에 성장시키는 일이 많다. 각각의 결정비를 변화시킴으로써, AlGaAs계의 것으로는 O.7 ∼ O.9 ㎛, InGaAsP계의 것으로는 1.1 ∼ 1.7 ㎛의 파장의 광을 발생시킬 수 있다.
이들 반도체 레이저 소자는, 광이 출사되는 단면에 보호막(반사막)을 부착하고, 또한 분위기 가스로 충전된 패키지 내에 배치되어 있다. 이것에 의해, 단면의 산화에 의한 열화(劣化)가 방지된다.
분위기 가스로서는, 장파장계, 단파장계의 어느 쪽의 경우도 질소 가스 등의 불활성 가스가 주로 사용되고 있다. 특공평 4 - 6114호 공보에는 분위기 가스로서 산소를 포함한 가스를 사용하는 것이 제안되고 있다. 같은 공보에 의하면, 산소를 포함한 가스를 분위기 가스로서 사용함으로써, InGaAsP계(4원계) 결정으로 이루어 지는 장파장계의 반도체 레이저 소자의 열화를 개선할 수 있는 것으로 되어 있다.
단파장계의 반도체 레이저 소자는, 분위기 가스로서 질소를 사용하여 CD, DVD 와 같은 기록 매체의 판독용의 광원으로서 5mW 정도의 저출력으로 사용되어 왔다. 도 4는 AlGaInP계로 이루어지는 단파장계의 반도체 레이저 소자의 출력에 대한 MTTF(Mean Time To Faire)의 변화를 나타내는 도면이다. 세로축은 MTTF(단위:시간)를 나타내며, 가로축은 출력(단위:mW)을 나타내고 있다. 또한, 분위기 온도는 7O℃이다.
같은 도면에 나타내는 바와 같이, 15mW 정도까지의 저출력으로는, MTTF로 표시되는 평균수명이 수천 시간이 되어, 문제없이 사용할 수 있다. 그렇지만, CD-R, DVD-R과 같은 기록용으로서 30mW 이상의 고출력으로 사용하면, 고온 동작 상태에 있어서 발광부 부근의 보호막 및 단면이 열화된다. 이것에 의해, MTTF로 표시되는 평균수명이 극단적으로 짧아진다고 하는 문제가 있었다.
본 발명은, CD-R, DVD-R 과 같은 기록용으로서 고출력으로 사용하는 반도체 레이저 소자가 고온 동작에 있어서 열화되기 어려운 구조를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 기밀 봉지된 패키지 내에 활성 영역이 AlGaAs계 결정, AlGaInP계 결정, AlGaN계 결정, 또는 InGaN계 결정으로 이루어지는 반도체 레이저 소자를 구비하는 반도체 레이저 장치에 있어서, 상기 패키지 내의 분위기 가스를 산소를 함유하는 기체로 하는 것을 특징으로 한다.
상기 반도체 레이저 소자는, 레이저 출사면에 유전체 산화막을 구비할 수 있다. 또, 상기 분위기 가스를 산소와 질소의 혼합 가스로 하고, 산소의 비율을 20% 이상으로 하는 것이 바람직하다. 또, 반도체 레이저 소자는 O.9 ㎛ 이하의 파장의 광을 출사한다.
또 본 발명은, 기밀 봉지된 패키지 내에 정격 출력이 3O mW 이상의 반도체 레이저 소자를 구비하는 반도체 레이저 장치에 있어서, 상기 패키지 내의 분위기 가스를 산소를 함유하는 기체로 하는 것을 특징으로 한다.
또 본 발명은, 기밀 봉지된 패키지 내에 활성 영역이 AlGaAs계 결정, AlGaInP계 결정, AlGaN계 결정, 또는 InGaN계 결정의 어느 하나로부터 이루어지는 정격 출력이 30 mW 이상의 반도체 레이저 소자를 구비한 반도체 레이저 장치에 있어서, 상기 패키지 내의 분위기 가스를 산소를 함유하는 기체로 하는 것을 특징으로 한다.
도 1 본 발명의 실시형태의 반도체 레이저 장치를 나타내는 단면도.
도 2a, 도 2b는 본 발명의 실시형태의 반도체 레이저 장치의 동작 전류가 시간에 의해서 변화하는 모습을 나타내는 특성도.
도 3은 본 발명의 실시형태의 반도체 레이저 장치의 MTTF가 산소 농도에 의해 변화하는 모습을 나타내는 특성도.
도 4는 종래의 4원계의 반도체 레이저 장치의 MTTF가 정격 출력에 의해서 변화하는 모습을 나타내는 특성도.
이하 본 발명의 실시 형태에 대해 설명한다. 도 1은 일실시 형태의 반도체 레이저 장치를 나타내는 단면도이다. 반도체 레이저 장치(1)는, 기밀 봉지된 패키지(2) 내에 반도체 레이저 소자(3)를 구비하여 구성된다.
패키지(2)는, 스템(stem)(4)에 캡(5)을 고정하여 내부공간이 기밀(氣密)된 기밀 구조를 하고 있다. 스템(4)은 금속제로, 전원용의 1 쌍의 리드핀(6, 7)과 신호 출력용 리드핀(8)을 구비하고 있다. 스템(4)의 상부면에는, 금속제의 방열 블록(9)이 고정된다. 방열 블록(9)의 측면에는 서브 마운트(1O)를 통하여 반도체 레이저 소자(3)가 설치된다. 반도체 레이저 소자(3)를 방열 블록(9)에 직접 설치해도 된다.
또, 스템(4)의 상부면에는, 반도체 레이저 소자(3)의 신호를 모니터하기 위한 수광 소자(11)가 배치된다. 반도체 장치(1)가 CD-R, DVD-R 과 같은 기록용에만 사용되는 경우는, 수광 소자(11)를 생략 할 수도 있다.
반도체 레이저 소자(3)의 일방의 전극은, 전원용의 일방의 리드핀(6)에 전기적으로 접속된다. 반도체 레이저 소자(3)의 타방의 전극은 전원용의 타방의 리드핀(7)에 전기적으로 접속된다. 수광 소자(11)의 일방의 전극은, 신호 인출용의 리드핀(8)에 전기적으로 접속된다. 수광 소자(11)의 타방의 전극은 스템(4)에 전기적으로 접속되고 있다. 전원용의 일방의 리드핀(6) 및 신호 인출용의 리드핀(8)은, 스템(4)과 전기적으로 절연되고 있다. 타방의 리드핀(7)은, 스템(4)과 전기적으로 접속되고 있다.
캡(5)의 상부면에는 반도체 레이저 소자(3)의 광출력을 인출하는 창(12)이 설치된다. 창(12)은 유리판(13)에 의해서 덮혀있다.
반도체 레이저 소자(3)는, 소자 활성 영역이 4원계의 AlGaInP계 결정으로 이루어지는 반도체소자로 구성되어 있다. 반도체 레이저 소자(3)는, 여러 가지의 구조를 채용할 수 있으며, 싱글 헤테로 구조, 또는 더블 헤테로 구조를 채용할 수 있다. 반도체 레이저 소자(3)의 광이 출사되는 단면에는, 단면 열화를 방지하기 위한 반사막을 겸하는 보호막을 부착하고 있다. 보호막은, 알루미나(A12O3) 등의 산화물 유전체나 그 외의 피막을 사용할 수 있다.
패키지(2) 내에는, 산소를 함유하는 기체가 분위기 가스로서 충전되고 있다. 도 2a, 도 2b는, 반도체 레이저 소자(3)의 발진 시간에 대한 동작전류(Iop)의 변화의 특성을 나타내고 있다. 세로축은 동작전류(단위:mA )이며, 가로축은 시간(단위:시간)이다.
도 2a는 분위기 가스로서 질소 10O%의 경우를 나타내고 있으며, 도 2b는 분위기 가스로서 질소 8O%, 산소 2O%의 경우를 나타내고 있다. 또한, 도 2a, 도 2b는 주위 온도는 7O℃로, 출력이 5OmW의 연속 발진의 동일 조건의 특성이다.
도 2a에 나타내는 질소 100%의 경우는, 실험한 몇 개의 샘플들 모두가 150 시간 이내에 동작 불능(MTTF:10O 시간 이하)으로 되었다. 이것에 대해, 도 2b에 나타내는 분위기 가스로서 질소 80%, 산소 2O%의 경우는, 실험한 몇 개의 샘플 모두가, 1OO0 시간 이상 정상적으로 동작하였다.
도 3은, 패키지(2) 내의 분위기 가스로서 산소와 질소의 혼합 가스를 사용하고, 그 혼합 비율을 변화시켜서 반도체 레이저 소자(3)의 특성 변화를, MTTF의 시간으로 나타낸 것이다. 세로축은 MTTF(단위:시간)를 나타내며, 가로축은 산소의 혼합비(단위:%)를 나타내고 있다.
같은 도면으로부터 명백한 바와 같이, 산소를 함유하는 경우가, 함유하지 않는 경우보다도 훨씬 향상되어 있음을 알 수 있다. 여기서, 반도체 레이저 소자(3)는, 도 2에 나타내는 조건과 같은 조건인 주위 온도가 7O℃로, 출력이 50mW의 연속 발진 상태로 유지되고 있다.
MTTF는, 산소 농도가 2O%로 될 때까지 증가하며,20% 이상에서는 거의 30O0 시간으로 변화가 없어졌다. 따라서, 고온, 고출력으로 사용하는 반도체 레이저 소자(3)의 분위기 가스는, 1OOO 시간 이상의 MTTF를 얻을 수 있는 5% 이상의 산소를 함유하는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 200O 시간 이상의 MTTF를 얻을 수 있는 10% 이상이 바람직하다. 더욱 바람직하게는 3OO0 시간 이상의 MTTF를 얻을 수 있는 20% 이상의 산소를 함유하는 것이 바람직하다.
상기의 실시형태는, 반도체 레이저 소자(3)로서 소자 활성 영역이 AlGaInP계 결정으로 이루어지는 반도체소자를 사용한 경우를 예시하였다. 이에 더하여, 소자 활성 영역이 AlGaAs계 결정, AlGaN계 결정, 또는 InGaN계 결정(질화갈륨계 결정)으로 이루어지는 단파장(O.9 ㎛ 이하의 파장)의 광을 출사하는 반도체 발광소자를 사용하는 경우도 상기의 도 2b, 도 3에 나타내는 특성과 같은 특성을 얻을 수 있음을 확인하였다.
즉, 산소를 함유하지 않는 분위기 가스보다도, 산소를 함유하는 분위기 가스 안에 반도체 레이저 소자(3)를 배치한 쪽이, 소자 열화가 억제되며 소자가 장시간 안정적으로 동작하는 것을 확인하였다.
산소를 함유하는 분위기 가스 안에 배치되는 반도체 레이저 소자(3)는, 그 정격 출력이 낮은 저출력 타입의 경우보다도 정격 출력이 높은 고출력 타입쪽이, 열화 억제 효과가 크다는 것을 알았다. 예를 들면, 정격 출력이 15mW 이하의 저출력 타입의 경우는, 산소 농도를 높게 해도 효과가 적었으나, 정격 출력이 3OmW 이상의 고출력 타입의 경우는, 분위기 가스 안에 산소를 혼합함으로써, MTTF를 1O0 시간 정도로부터 1OO0 시간 이상으로 개선할 수 있고, 효과가 지극히 높았다.
따라서, 산소를 함유하는 분위기 가스 안에 배치되는 반도체 레이저 소자(3)는, 판독용의 저출력 타입의 것 보다는도, 기록용으로도 사용할 수 있는 정격 출력이 30mW 이상(펄스 발진 출력으로는 50mW 이상)의 고출력 타입으로 함으로써, 반도체 레이저 소자의 열화를 효과적으로 억제할 수 있다.
패키지(2) 내에 봉입하는 분위기 가스는, 질소와 산소의 혼합 가스 이외의 것을 사용할 수 있다. 예를 들면, 불활성 가스에 산소를 혼합한 것이나, 그 외의 가스에 산소를 혼합한 것을 사용할 수도 있다. 또, 패키지(2) 내에 봉입하는 분위기 가스로서 건조공기를 사용할 수도 있다.
[산업상사용가능성]
이상과 같이, 반도체 레이저 장치, 특히 단파장계의 고출력 타입의 반도체 레이저 장치에 있어서, 패키지 내의 분위기 가스를 산소를 함유하는 기체로 함으로 써, 반도체 레이저 소자의 열화가 억제되며 반도체 레이저 소자를 안정되게 장시간 동작시킬 수 있다.
Claims (8)
- 기밀 봉지된 패키지 내에 활성 영역이 AlGaAs계 결정, AlGaInP계 결정, AlGaN계 결정, 또는 InGaN계 결정의 어느 하나로부터 이루어지는 반도체 레이저 소자를 구비하는 반도체 레이저 장치에 있어서,상기 패키지 내의 분위기 가스를 산소를 함유하는 기체로 하는 반도체 레이저 장치.
- 제 1항에 있어서, 상기 반도체 레이저 소자는레이저 출사면에 유전체 산화막을 구비하는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 장치.
- 제 1항에 있어서,상기 분위기 가스를 산소와 질소의 혼합 가스로 하며, 산소의 비율을 20% 이상으로 하는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 장치.
- 제 1항에 있어서,상기 반도체 레이저 소자는 O.9 ㎛ 이하의 파장의 광을 출사하는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 장치.
- 기밀 봉지된 패키지 내에 정격 출력이 30mW 이상의 반도체 레이저 소자를 구비하는 반도체 레이저 장치에 있어서,상기 패키지 내의 분위기 가스를 산소를 함유하는 기체로 하는 반도체 레이저 장치.
- 제 5항에 있어서,상기 분위기 가스를 산소와 질소의 혼합 가스로 하며, 산소의 비율을 20% 이상으로 하는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 장치.
- 기밀 봉지된 패키지 내에 활성 영역이 AlGaAs계 결정, AlGaInP계 결정, AlGaN계 결정, 또는 InGaN계 결정의 어느 하나로 이루어지며, 정격 출력이 3OmW 이상 반도체 레이저 소자를 구비한 반도체 레이저 장치에 있어서,상기 패키지 내의 분위기 가스를 산소를 함유하는 기체로 하는 반도체 레이저 장치.
- 제 7항에 있어서,상기 분위기 가스를 산소와 질소의 혼합 가스로 하며, 산소의 비율을 20% 이상으로 하는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 장치.
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