KR20060038057A

KR20060038057A - 반도체 레이저 소자 및 그 제조 방법

Info

Publication number: KR20060038057A
Application number: KR1020040087198A
Authority: KR
Inventors: 문기원; 박종익; 김유승; 오혜란
Original assignee: 삼성전기주식회사
Priority date: 2004-10-29
Filing date: 2004-10-29
Publication date: 2006-05-03
Also published as: US20060093003A1; JP2006128617A; CN1767283A

Abstract

출력 증가로 인한 FFH의 변화를 억제할 수 있는 고출력 반도체 레이저 소자 및 그 제조 방법을 개시한다. 본 발명에 따른 반도체 레이저 소자는, 기판 상에 형성된 제1 도전형 클래드층과; 상기 제1 도전형 클래드층 상에 형성된 활성층과; 상기 활성층 상에 형성되며, 상부 영역이 리지 구조로 이루어진 제2 도전형 클래드층을 포함하고, 상기 제2 도전형 클래드층에는 상기 제2 도전형 클래드층의 굴절율보다 높은 굴절율을 갖는 고굴절율층이 상기 리지 구조 내에 적어도 하나 삽입되어 있다.

반도체 레이저 소자, 수평 방사각

Description

반도체 레이저 소자 및 그 제조 방법{SEMICONDUCTOR LASER DEVICE AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}

도 1은 종래의 반도체 레이저 소자의 단면도이다.

도 2는 종래의 반도체 레이저 소자의 출력 증가로 인한 FFH의 증가분을 나타내는 그래프이다.

도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 반도체 레이저 소자의 단면도이다.

도 4 내지 도 9는 본 발명의 일 실시형태에 따른 반도체 레이저 소자의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도들 및 평면도들이다.

도 10은 종래의 반도체 레이저 소자의 두께 방향에 따른 굴절율 분포와 광강도 분포를 나타내는 그래프이다.

도 11은 본 발명의 일 실시형태에 따른 반도체 레이저 소자의 두께 방향에 따른 굴절율 분포와 광강도 분포를 나타내는 그래프이다.

도 12는 본 발명의 일 실시형태에 따른 반도체 레이저 소자의 출력 증가로 인한 FFH의 증가분을 나타내는 그래프이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

101: 기판 102: n형 클래드층

103: 활성층 104: p형 하부 클래드층

105: 식각 정지층 106: p형 상부 클래드층

107: p형 캡층 108: p형 콘택층

109: 마스크막 패턴 110: 고굴절율층

본 발명은 반도체 레이저 소자에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 출력 증가에 따른 수평 방사각(far-field horizontal: FFH)의 변화를 줄일 수 있는 고출력 반도체 레이저 소자 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

최근에 CD-RW 와 DVD-RW의 보급과 더불어 그 광원으로 사용되는 고출력 반도체 레이저 소자에 대한 수요가 증가하고 있다. 일반적으로, 반도체 레이저 소자는 전류 주입을 위한 p형 클래드층 및 n형 클래드층과, 클래드층들 사이에서 실질적인 광자의 유도 방출이 일어나는 활성층을 구비한다. 이러한 반도체 레이저 소자는 상부 클래드층(예컨대, p형 클래드층)을 리지 구조로 형성시킴으로써 향상된 전류 주입 효율을 얻을 수 있다.

그런데, DVD-라이터(DVD-Writer) 등에 사용되는 고출력 반도체 레이저 소자의 경우에, 출력이 증가함에 따라 수평 방사각(Far-Field horizontal; FFH)이 변화하는 현상이 발생한다. 따라서, 반도체 레이저 소자를 DVD-RW용 광픽업 장치에 실제로 장착하여 사용할 경우, 고출력에 따른 FFH의 변화로 인해 기록(writing) 특성 이 불안정해지는 문제점이 발생하게 된다.

도 1은 종래의 고출력 반도체 레이저 소자의 단면도이다. 도 1을 참조하면, 반도체 레이저 소자는, GaAs 기판(11) 상에 n형 AlGaInP 클래드층(12), 언도프된(undoped) 또는 도핑된(doping) 활성층(13), p형 하부 AlGaInP 클래드층(14), 식각 정지층(etching stop layer; 15), p형 상부 AlGaInP 클래드층(16), p형 GaInP 캡층(17) 및 p형 GaAs 콘택층(18)이 순차적으로 적층된 구조를 가진다. 활성층(13)은 하나 이상의 양자우물층(quantum well layer)과 가이드층(guiding layer)로 구성되며, 식각 정지층(15)은 단일 조성의 박막이거나 또는 여러개의 층을 가진 다층 구조일 수 있다.

또한, P형 상부 AlGaInP 클래드층(16)은, 전류 주입 효율을 향상시키도록 리지(ridge) 구조로 되어 있으며, 그 주위에는 전류의 분산을 차단하기 위한 전류 차단층(current blocking layer; 21)이 형성되어 있다. 상기 p형 상부 AlGaInP 클래드층(16), p형 GaInP 캡층(17) 및 p형 GaAs 콘택층(18)은 돌출된 모양의 리지부(ridge part)를 이룬다. 상기 p형 GaAs 콘택층(18) 상면과 기판(11) 배면에는 전류 주입을 위한 전극 구조(미도시)가 형성되어 있다.

이와 같은 구조를 갖는 종래의 반도체 레이저 소자의 경우, 출력이 증가함에 따라 리지부 아래의 활성층(13) 영역(도 1에서 점선으로 표시된 A 영역)에서 전류밀도와 온도가 주변 영역에 비해 높아지게 된다. 이에 따라 굴절율이 A 영역에서만 국부적으로 높아져, FFH, 즉 수평 방사각이 증가하게 된다. 이와 같이 출력 증가에 따라 FFH가 변화하게 되면, 실제 DVD-RW용 광픽업 시스템 등에 반도체 레이저를 장착하여 사용할 때 기록 특성이 불안정하게 되는 문제점을 발생시킨다.

일반적으로, 리지부 바닥의 폭, 활성 영역의 구조 등에 의해 FFH의 조절이 가능한데, FFH를 크게 설계할수록, 출력 증가에 따른 FFH의 변화량이 감소하게 된다.

도 2는 종래의 반도체 레이저 소자의 출력 증가로 인한 FFH의 변화량을 나타내는 그래프이다. 도 2의 그래프는 전술한 종래 반도체 레이저 소자를 이용하여 테스트한 결과로서, 고출력 동작에서 리지부 아래의 활성층 영역(A 영역)내에 있는 양자우물층의 굴절율이 2% 증가한다고 가정하여, 저출력 동작시의 FFH와 고출력 동작시의 FFH의 차이를 FFH 설계값에 따라 플로팅하여 얻은 것이다. 도 2에 도시된 바와 같이, FFH가 크게 되도록 설계하면, 출력 증가(또는, A 영역의 활성층 내의 양자우물층의 굴절율 증가)로 인한 FFH의 증가분을 감소시킬 수 있다.

그러나, 반도체 레이저 소자의 사용 환경에 따라, FFH 설계값을 크게하는 데에는 제한이 있다. 또한, 출력 증가로 인한 FFH의 증가분은 도 2의 선상을 따라 이동하면서 감소될 수 있을 뿐이므로, 리지부 바닥의 폭 또는 활성 영역의 구조의 변경에 의해서는, 동일한 FFH에 대해 출력 증가로 인한 FFH의 증가분을 감소시키기가 어렵다.

결국, 종래의 반도체 레이저 소자로는, 출력 증가로 인한 FFH의 변화를 근본 적으로 개선하는 것은 어렵게 된다. 따라서, 반도체 레이저 소자를 DVD-RW용 광픽업 장치에 실제로 장착하여 사용할 경우, 고출력에 따른 FFH 변화로 인해 기록 특성이 불안정해지게 된다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 그 목적은 고출력 반도체 레이저 소자에 있어서, 출력에 따른 FFH의 변화를 억제할 수 있는 반도체 레이저 소자를 제공하는 데에 있다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 고출력 반도체 레이저 소자에 있어서, 출력에 따른 FFH의 변화를 억제할 수 있는 반도체 레이저 소자의 제조 방법을 제공하는 데에 있다.

상술한 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 반도체 레이저 소자는, 기판 상에 형성된 제1 도전형 클래드층과; 상기 제1 도전형 클래드층 상에 형성된 활성층과; 상기 활성층 상에 형성되며, 상부 영역이 리지 구조로 이루어진 제2 도전형 클래드층을 포함하고, 상기 제2 도전형 클래드층에는 상기 제2 도전형 클래드층의 굴절율보다 높은 굴절율을 가진 고굴절율층이 상기 리지 구조 내에 적어도 하나 삽입되어 있다.

바람직하게는, 상기 고굴절율층의 굴절율은 3.30 내지 3.62 이다. 더 바람직하게는, 상기 고굴절율층의 굴절율은 3.40 내지 3.62 이다. 상기 고굴절율층의 굴절율은 상기 고굴절율층 내에 함유된 Al의 조성비에 의해 조절될 수 있다.

상기 반도체 레이저 소자는 상기 리지 구조의 하부에 식각 정지층을 더 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 제2 도전형 클래드층은, 상기 활성층 상에 형성된 제2 도전형 하부 클래드층과, 상기 식각 정지층 상에 형성된 리지 구조의 제2 도전형 상부 클래드층을 포함한다. 또한, 상기 반도체 레이저 소자는 상기 제2 도전형 클래드층 상에 형성된 제 2 도전형 캡층과, 상기 제2 도전형 캡층 상에 형성된 제2 도전형 콘택층을 더 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에서 상기 반도체 레이저 소자는 AlGaInP계 반도체로 이루어질 수 있다. 또한, 다른 실시형태로서 상기 반도체 레이저 소자는 AlGaAs계 반도체로 이루어질 수도 있다. 이 경우, 상기 고굴절율층은 상기 제2 도전형 클래드층의 Al 조성비보다 낮은 Al 조성비로 형성됨으로써, 상기 제2 도전형 클래드층보다 높은 굴절율을 가질 수 있다.

본 발명의 다른 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 반도체 레이저 소자의 제조 방법은, 기판 상에 제1 도전형 클래드층, 활성층, 제2 도전형 하부 클래드층, 식각 정지층, 상기 제2 도전형 하부 클래드층의 굴절율보다 큰 굴절율을 갖는 고굴절율층 및 상기 고굴절율층의 굴절율보다 작은 굴절율을 갖는 제2 도전형 상부 클래드층을 순차적으로 형성하는 단계와; 상기 제2 도전형 상부 클래드층 및 상기 고굴절율층을 선택적으로 식각하여 상기 제2 도전형 상부 클래드층 및 고굴절율층을 포함하는 리지 구조를 형성하는 단계와; 상기 리지 구조 측부 상에 전류 차단층을 형성하는 단계를 포함한다.

상기 제조 방법은, 상기 제2 도전형 상부 클래드층 상에 제2 도전형 캡층을 형성하는 단계와, 상기 제2 도전형 캡층 상에 제2 도전형 콘택층을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다. 또한, 상기 리지 구조를 형성하는 단계에서, 상기 리지 구조 양측의 상기 식각 정지층 부분은 상기 선택적 식각에 의해 제거될 수도 있다.

본 발명은, 반도체 레이저의 출력 증가로 인한 FFH값의 변화를 억제하여, 반도체 레이저를 사용한 DVD-RW 등의 기록 특성을 안정화시키는 방안을 제공한다. 이를 위해, 본 발명에 따른 반도체 레이저 소자는 제2 도전형 클래드층의 리지 구조 내에 제2 도전형 클래드층의 굴절율보다 더 큰 굴절율을 가진 고굴절율층을 포함한다. 이러한 고굴절율층을 구비함으로써, 본 발명에 따른 반도체 레이저 소자는 출력 증가로 인한 FFH 값의 변화를 근본적으로 개선하게 된다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태를 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시형태는 여러가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시형태로 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시형태는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면 상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다.

도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 반도체 레이저 소자의 단면도를 나타낸다. 도 3에 도시된 반도체 레이저 소자(100)는 650 nm 발진파장용의 AlGaInP계 반도체 레이저의 단면 구조를 개략적으로 도시한 것이다. 그러나, 본 발명은 예를 들어, 780 nm 파장의 레이저를 발진하도록 구성되는 AlGaAs계 반도체 레이저에도 적용될 수 있다.

도 3을 참조하면, 예를 들어 GaAs 기판(101) 상에 AlGaInP로 된 n형 클래드층(102), 활성층(103), AlGaInP로 된 p형의 하부 클래드층(104) 및 식각 정지층(105)이 순차 적층되어 있다. 상기 식각 정지층(105) 상에는 고굴절율층(110), p형의 상부 클래드층(106), p형 캡층(107) 및 p형 콘택층(108)이 순차 적층되어 위로 돌출된 리지(ridge)부를 이룬다. 또한, 상기 p형의 상부 클래드층(106)을 포함한 리지부 주위에는 전류 차단층(121)이 형성되어 있다. 상기 p형 콘택층(108)의 상면 및 상기 기판(101)의 하면에는 전류 주입을 위한 전극 구조(미도시)가 형성된다. 기판 상에 형성된 클래드층들(102, 104, 106), 식각 정지층(105) 및 p형 캡층(107) 들은 단일층으로 형성될 수도 있지만, 서로 다른 조성비를 갖는 다층 구조로 형성될 수 있다. 또한, 도 3에서는 리지부의 양측에 식각 정지층(105)이 남아 있지만, 실시형태에 따라서는 리지부 아래에만 식각 정지층(105)을 남겨놓고 리지부 양측에는 식각 정지층(105)이 제거되어 있을 수도 있다.

상기 반도체 레이저 소자(100) 내의 활성층(103)은 하나 이상의 양자 우물층과 가이드층으로 구성되는 다중 양자 우물 구조로 형성되는 것이 바람직하다. 예를 들어, 활성층(103)은 AlGaInP층과 GaInP층이 교대로 적층된 다층 구조로 형성될 수 있다.

상기 p형 캡층(107)은 에너지 밴드의 불연속을 완화하기 위한 것으로서, 예 를 들어, Al을 포함하지 않은 p형 GaInP층으로 형성될 수 있다. p형 캡층(107)의 두께는 0.5 ㎛이하가 되도록 하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 p형 콘택층(108)은 상부에 형성되는 전극과의 오믹 콘택을 용이하게 이루도록 하기 위한 것으로서 예를 들어, p형의 GaAs층으로 형성될 수 있다. 상기 전류 차단층(121)은 전류의 분산을 차단하기 위한 것으로서, 절연성의 유전체 물질이나 n형의 GaAs층으로 형성될 수 있다.

고굴절율층(110)은 AlGaIn층으로 형성될 수 있으며, 식각 정지층(105)과 p형의 상부 클래드층(106) 사이에 삽입되어 리지부의 굴절율을 전반적으로 높게 해준다. 즉, 고굴절율층(110)의 Al 조성비를 p형 클래드층(104, 106)의 Al 조성비보다 작게 함으로써, 고굴절율층(110)의 굴절율을 p형 클래드층(104, 106)의 굴절율보다 크게 한다. 본 실시예에서는 하나의 고유전율층(110)이 리지부 내에 삽입되어 있으나, 실시형태에 따라서는 복수 개의 고유전율층이 리지부 내에 포함될 수도 있다.

본 발명자는 상술한 바와 같이 리지 구조 내에 고굴절율층(110)을 부가시켜 줌으로써 출력 증가로 인한 FFH의 변화량을 전반적으로 감소시킬 수 있다는 사실을 반복된 실험 결과를 통해 확인하였다. 이러한 결과는, 상기 고굴절율층(110)이 p형 클래드층들(104, 106) 사이에 삽입되어 리지부 내에 포함되어 있을 경우, 상기 고굴절율층(110)은 출력 증가로 인한 FFH 변화를 억제할 정도로 리지부의 굴절율을 증가시켜 리지부의 중심 방향으로 레이저 광을 집중시키는 역할을 하기 때문인 것으로 파악된다. 고굴절율층(110)의 삽입으로 인한 FFH 변화량의 개선 효과는 예를 들어, 도 12의 그래프를 통해 쉽게 알 수 있다.

도 12는 본 발명의 일 실시형태에 따른 반도체 레이저의 출력 증가로 인한 FFH의 증가분 변화를 예시해주는 그래프이다. 도 12를 참조하면, 본 실시형태의 경우에도 종래와 마찬가지로 FFH가 커질수록 출력 증가(굴절율 2% 증가에 해당하는 출력 증가)로 인한 FFH의 증가분이 감소된다. 그러나, 본 발명의 경우(실선)에는, 고굴절율층이 없는 종래의 경우(점선)에 비하여, 출력 증가로 인한 FFH 증가분은 전반적으로 낮다. 즉, 동일한 FFH 설정값에 대해서 굴절율 2% 증가로 인한 FFH 증가분은 종래에 비하여 현저하게 낮아지게 된 것이다. 따라서, FFH 설정값을 크게 증가시킬 필요도 없이 고출력에 따른 FFH의 변화량을 억제할 수 있으므로, DVD-WR 등의 기록 특성을 크게 안정화시킬 수 있게 된다.

또한, 나중에 상세히 설명하는 바와 같이, 상기 고굴절율층의 삽입으로 인해 활성층 내의 양자 우물층 영역에서의 광 밀도를 낮춤으로써 COD(Catastrophic Optical Damage)를 억제하는 효과도 얻을 수 있다. 도 11을 참조하면, 본 발명의 경우에는 p형 클래드층 영역(c')의 광 강도가 종래의 경우(도 10의 c 영역 참조)에 비하여 상대적으로 높게 분포하게 됨을 알 수 있다. 이에 따라, 종래의 경우에 비하여 활성층(103) 내의 양자 우물 영역에 광 강도가 덜 분포되도록 하고, 활성층에서의 과도한 광 밀도로 인한 COD 현상을 억제시켜주게 된다.

다음으로, 본 발명의 일 실시형태에 따른 반도체 레이저 소자의 제조 방법에 대해 설명한다. 본 실시형태에 따른 제조 방법에서는 종래와 달리, 식각 정지층 상에 고굴절율층을 형성하는 공정을 부가적으로 실시한 후에, 상기 고굴절율층보다 더 낮은 굴절율을 가진 p형의 상부 클래드층을 형성한다.

먼저, 도 4를 참조하면, 예를 들어 GaAs 기판(101) 상에 AlGaInP로 된 n형 클래드층(102), AlGaInP/GaInP로 된 다중 양자 우물 구조의 활성층(103), AlGaInP로 된 p형 하부 클래드층(104), 식각 정지층(105), 고굴절율층(110), AlGaInP로 된 p형 상부 클래드층(106), p형 캡층(107) 및 p형 콘택층(108)을 순차 형성한다.

다음으로, 도 5a를 참조하면, 상기 p형 콘택층(108) 상에 실리콘 산화물(SiO₂) 또는 실리콘 질화물(SiN) 등으로 된 마스크막을 형성한 후 사진 식각 공정을 통해 선택적으로 식각하여 리지부 형성을 위한 마스크막 패턴(109)을 형성한다. 도 5b는 도 5a의 마스크막 패턴(109)을 웨이퍼 상에 나타낸 평면도이다. 도 5b에 도시된 바와 같이, 마스크막 패턴(109)은 웨이퍼 상에서 복수의 스트라이프(stripes) 형태를 이룬다.

그 후, 도 6에 도시된 바와 같이, 마스크막 패턴(109)를 식각 마스크로 하여 건식 식각 및/또는 습식 식각을 실시함으로써 리지(ridge) 구조를 형성한다. 이에 따라, 고유전율층(110), p형 상부 클래드층(106), p형 캡층(107) 및 p형 콘택층(108)은 전류 주입을 향상시키기 위한 리지부(130)를 이루게 된다. 본 실시형태에서는 리지 구조 형성을 위한 식각시, 리지부의 양측의 식각 정지층(105) 부분을 남 겨두었지만, 리지 구조 형성을 위한 식각시 리지부 양측에 있는 식각 정지층(105) 부분도 함께 제거할 수 있다.

다음으로, 도 7을 참조하면, 전류 분산을 차단하기 위한 전류 차단층(121)을 리지부 주위에 형성한다. 전류 차단층(121)은 예컨대, 유기금속 CVD(Metal Organic CVD; MOCVD), 분자선 에피택시(Molecular Beam Epitaxy; MBE), 플라즈마 강화 CVD(Plasma Enhanced CVD; PECVD), 스퍼터링(sputtering) 등에 의해 형성될 수 있으며, 유전체 등의 절연성 물질 또는 리지부의 도전형과 반대인 도전형을 갖는 반도체 물질(예컨대, n형 GaAs)로 이루어질 수 있다. 그 다음에는, 마스크막 패턴(109)를 제거한 후에, p형 콘택층(108) 상면과 기판(101) 하면에 전극 구조(미도시)를 형성한다. 전극 구조는 Ti, Pt, Au, Ni 등의 금속물질 또는 p형의 도전성 반도체 물질 또는 금속과 반도체 물질의 다층구조로 형성될 수 있다.

그 후, 도 8의 평면도 상의 점선으로 표시된 바와 같이, 스크라이빙(scribing), 클리빙(cleaving) 등의 방법을 통해 웨이퍼 상에서 선을 긋고 절단하여 웨이퍼를 복수 개의 바아(bar) 형태로 나눈다. 도 8에 표시된 참조부호 "L"은 반도체 레이저 소자의 길이(또는 공진 캐비티(cavity)의 길이)을 나타낸다.

다음으로, 상기 바아 단면에 스퍼터링 또는 플라즈마 강화 CVD 등의 방법에 의해 유전 박막을 코팅하고, 도 9의 평면도 상의 점선으로 표시된 바와 같이 바아를 식각, 클리빙 등의 방법으로 절단하여 소정의 폭(W)과 길이(L)를 가진 각각의 반도체 레이저 소자로 나눈다. 이 후, 각 반도체 소자의 상하 전극을 연결하여 전류 주입을 가능하게 한다. 이러한 제조 공정을 통해 얻어진 본 실시형태에 따른 반 도체 레이저 소자는, 전술한 바와 같이 고굴절율층(110)의 굴절율 조절에 의해 출력 증가로 인한 FFH 변화를 억제하여 가능하면 일정한 FFH 값을 유지하도록 하고, 활성층(103) 내의 양자 우물층에서의 광 밀도를 완화시켜주게 된다.

상기 본 발명의 일 실시형태에서는, 활성층으로 GaInP/AlGaInP 층 등을 사용하는 AlGaInP계 반도체 레이저 소자의 제조 방법을 설명하였으나, 본 발명은 활성층으로 GaAs/AlGaAs 층을 사용하는 AlGaAs계 반도체 레이저 소자의 제조 방법에도 적용될 수 있다. AlGaAs계 반도체 레이저 소자를 제조하는 경우에도, p형 클래드층의 Al 조성비보다 더 작은 Al 조성비를 갖는(즉, p형 클래드층의 굴절율보다 더 큰 굴절율을 갖는) 고굴절율층(110)을 리지 구조 내에 형성시킴으로써 고출력으로 인한 FFH 변화를 억제할 수 있게 된다.

또한, 상술한 제조 방법에서는 p형 캡층(107) 상에 p형 콘택층(108)을 적층한 후에 리지 구조 형성을 위한 선택적 식각 공정을 실시하였으나, 리지 구조 형성을 위한 선택적 식각 공정 후에 p형 캡층(107) 상에 p형 콘택층(108)을 적층할 수도 있다.

<실시예>

본 발명에 따른 레이저 소자의 특성 향상을 더 구체적으로 설명하기 위해, 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 레이저 소자의 FFH 변화 특성을 종래 반도체 레이저 소자의 FFH 변화 특성과 비교하는 실험을 실시하였다.

본 실험에서 사용된 상기 실시예의 반도체 레이저 소자는 AlGaInP계 반도체 레이저 소자로서, 아래의 표1에 기재된 층 두께, 굴절율 및 Al 조성비 조건을 만족하도록 제조된 것이다. 아래 표1에 기재된 바와 같이, 본 실시예에 따른 반도체 레이저 소자는 식각 정지층과 p형 상부 클래드층 사이에 고굴절율층을 포함하고 있다.

실시예	두께(㎛)	굴절율	Al 조성비(%)
p형 상부 클래드층(p-AlGaInP)	1.2	3.3454	70
고굴절율층(p-AlGaInP)	0.2	3.3617	65
식각 정지층(p-AlGaInP/GaInP)	0.003	3.6218	0
	0.004	3.3617	65
	0.003	3.6218	0
	0.004	3.3617	65
	0.003	3.6218	0
p형 하부 클래드층(p-AlGaInP)	0.1	3.3454	70
p형 하부 클래드층(p-AlGaInP)	0.15	3.3454	70
활성층(AlGaInP/GaInP)	0.04	3.4026	53
	0.0063	3.6218	0
	0.004	3.4026	53
	0.0063	3.6218	0
	0.004	3.4026	53
	0.0063	3.6218	0
	0.005	3.4026	53
n형 클래드층(n-AlGaInP)	0.5	3.3454	70
	0.08	3.4026	53
	0.3	3.3454	70
	0.08	3.4026	53
	3	3.3454	70

상기 표 1에 기재된 바와 같이, 클래드층, 식각 정지층, 활성층은 각각 다층 구조로 되어 있으며, 표 1의 밑으로부터 위로의 방향은 실제 반도체 레이저 소자의 하부층으로부터 상부층으로의 방향에 해당한다. 또한, 상기 표 1에 나타난 Al 조성 비는 백분율로 표현된 것으로 AlGaInP 내에 함유된 Al과 Ga의 전체 몰수 중에서 Al의 몰수가 차지하는 비율을 나타낸다.

P(Ⅴ족)을 제외한 Al, Ga 및 In은 Ⅲ족에 해당하므로 AlGaInP 1몰 내에는 P가 1몰 정도 존재한다. 또한, 일반적으로 현재 반도체 레이저에서 사용되는 AlGaInP층에서는 In이 AlGaInP 1몰 내에 0.24 내지 0.26몰 정도 존재한다. 따라서, AlGaInP 1몰 내에 존재하는 Al 몰수와 Ga 몰수의 합은 약 0.25몰 정도된다. 표1에 기재된 Al 조성비는 이 0.25몰 중에서 Al이 차지하는 몰수비를 나타내는 것으로 이해될 수 있다. 표1에 나타난 바와 같이, 본 실시예의 고굴절율층은 p형 클래드층의 Al 조성비(70%)보다 더 작은 Al 조성비(65%)로 형성됨으로써 p형 클래층의 굴절율(3.3454)보다 더 큰 굴절율(3.3617)을 갖는다.

한편, 상기 실시예와 비교되는 비교예로서 종래의 반도체 소자가 아래 표2에서와 같은 조건으로 제조되었다. 비교예의 종래 반도체 소자 내에 포함된 각 층의 상하 위치 및 Al 조성비의 의미는 표1을 참조하여 설명한 상기 실시예에서와 마찬가지이다. 다만, 비교예에서는 리지부 내에 고굴절율층이 삽입되어 있지 않고 식각 정지층 상에 직접 AlGaInP로 된 p형 상부 클래드층이 형성되어 있다. 비교예에서의 각 층의 두께는 상기 실시예와 거의 동일하며, 비교예의 p형 상부 클래드층은 상기 실시예에서의 P형 상부 클래드층의 두께와 고굴절율층의 두께의 합에 해당하는 두께로 형성하였다.

비교예	두께(㎛)	굴절율	Al 조성비(%)
p형 상부 클래드층(p-AlGaInP)	1.4	3.3454	70
식각 정지층(p-AlGaInP/GaInP)	0.003	3.6218	0
	0.004	3.3454	70
	0.003	3.6218	0
	0.004	3.3454	70
	0.003	3.6218	0
p형 하부 클래드층(p-AlGaInP)	0.2	3.3454	70
활성층(AlGaInP/GaInP)	0.05	3.4026	53
	0.0063	3.6218	0
	0.004	3.4026	53
	0.0063	3.6218	0
	0.004	3.4026	53
	0.0063	3.6218	0
	0.005	3.4026	53
n형 클래드층(n-AlGaInP)	0.6	3.3454	70
	0.08	3.34026	53
	0.2	3.3454	70
	0.08	3.4026	53
	3	3.3454	70

도 10 및 도 11은 상기 비교예 및 실시예의 반도체 레이저 소자에 대해 굴절율 분포와 광 강도 분포를 측정한 결과를 나타낸다. 도 10 및 도 11의 그래프들을 참조하면, 반도체 레이저 소자의 두께 방향을 가로축으로 하여 굴절율 및 광 강도 분포가 도시되어 있다. 상기 그래프들에 있어서 가로축의 좌측으로부터 우측으로의 방향은 반도체 레이저 소자의 하부층으로부터 상부층으로의 방향에 해당한다. 더 구체적으로 설명하면, 도 10 및 도 11의 그래프에서 광 강도가 최대 피크를 이루는 곳에 위치하는 돌출된 굴절율 분포 부분(b, b')은 활성층에 해당하며, 이를 기점으로 하여 좌측(a, a')은 n형 클래드층에 해당하고 우측(c, c')은 p형 클래드층에 해당한다.

도 11을 참조하면, 활성층에 해당하는 굴절율 분포 부분(b')으로부터 가로축의 우측 방향으로 소정 거리만큼 이격되어 고굴절율층의 돌출된 굴절율 분포가 나타난다. 이것은, 고굴절율층의 굴절율이 이에 인접한 p형 클래드층의 굴절율보다 더 높다는 것을 의미한다. 이러한 굴절율 분포를 갖는 상기 실시예의 경우에는, 도 10의 비교예에 비하여 p형 클래드층 측(c')의 광 강도가 상대적으로 높게 분포하게 된다. 따라서, 활성층에서의 광 밀도가 상대적으로 감소되어 활성층(특히, 활성층 내의 양자 우물층)에서의 과도한 광 밀도로 인한 COD 현상이 억제될 수 있다.

상기 실시예와 비교예의 반도체 레이저 소자의 출력 증가로 인한 FFH 증가분을 측정하여, 도 12의 그래프에 나타내었다. 도 12의 그래프 상에 점선 부분은 비교예의 FFH 변화 특성을 나타내고, 실선 부분은 상기 실시예의 FFH 변화 특성을 나타낸다. 도 12에 도시된 바와 같이, 상기 실시예의 경우에는, 굴절율 2% 증가에 해당하는 출력 증가로 인한 FFH 증가분이 비교예에 비하여 전반적으로 낮다. 이는 상기 실시예의 고굴절율층에 의해 고출력 동작에서의 FFH 변화 특성이 개선된다는 것을 의미한다.

본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 한다. 또한, 본 발명은 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명에 따르면, p형 클래드층의 굴절율보다 더 큰 굴절율을 갖는 고굴절율층을 리지부에 삽입함으로써, 반도체 레이저 소자의 출력 증가로 인한 FFH 변화를 억제할 수 있게 된다. 이에 따라, 반도체 레이저 소자를 DVD-RW용 광픽업 장치에 실제로 장착하여 사용할 경우, 고출력 동작시 기록 특성을 안정화시킬 수 있게 된다. 또한, 고굴절율층을 리지부에 삽입함으로써 활성층의 양자 우물 영역에서의 광밀도를 저감시켜 주어 COD 현상의 발생을 억제할 수 있게 된다.

Claims

기판 상에 형성된 제1 도전형 클래드층;

상기 제1 도전형 클래드층 상에 형성된 활성층;

상기 활성층 상에 형성되며, 상부 영역이 리지 구조로 이루어진 제2 도전형 클래드층을 포함하고,

상기 제2 도전형 클래드층에는 상기 제2 도전형 클래드층의 굴절율보다 높은 굴절율을 가진 고굴절율층이 상기 리지 구조 내에 적어도 하나 삽입되어 있는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 소자.
제1항에 있어서,

상기 고굴절율층의 굴절율은 3.30 내지 3.62 인 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 소자.
제1항에 있어서,

상기 고굴절율층의 굴절율은 3.40 내지 3.62 인 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 소자.
제1항에 있어서,

상기 리지 구조의 하부에 식각 정지층을 더 포함하고,

상기 제2 도전형 클래드층은, 상기 활성층 상에 형성된 제2 도전형 하부 클래드층과, 상기 식각 정지층 상에 형성된 리지 구조의 제2 도전형 상부 클래드층을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 소자.
제1항에 있어서,

상기 제2 도전형 클래드층 상에 형성된 제 2 도전형 캡층과, 상기 제2 도전형 캡층 상에 형성된 제2 도전형 콘택층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 소자.
제1항에 있어서,

상기 반도체 레이저는 AlGaInP계 또는 AlGaAs계 반도체로 이루어지며,

상기 고굴절율층의 Al 조성비는 상기 제2 도전형 클래드층의 Al 조성비보다 낮은 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 소자.
기판 상에 제1 도전형 클래드층, 활성층, 제2 도전형의 하부 클래드층, 식각 정지층, 상기 제2 도전형 하부 클래드층의 굴절율보다 큰 굴절율을 갖는 고굴절율층 및 상기 고굴절율층의 굴절율보다 작은 굴절율을 갖는 제2 도전형 상부 클래드층을 순차적으로 형성하는 단계;

상기 제2 도전형 상부 클래드층 및 상기 고굴절율층을 선택적으로 식각하여, 상기 제2 도전형 상부 클래드층 및 고굴절율층을 포함하는 리지 구조를 형성하는 단계; 및

상기 리지 구조 측부 상에 전류 차단층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 소자의 제조 방법.
제7항에 있어서,

상기 제2 도전형 상부 클래드층 상에 제 2 도전형 캡층을 형성하는 단계와, 상기 제2 도전형 캡층 상에 제2 도전형 콘택층을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 소자의 제조 방법.
제7항에 있어서,

상기 리지 구조를 형성하는 단계에서, 상기 리지 구조 양측의 상기 식각 정지층 부분을 상기 선택적 식각에 의해 제거하는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 소자의 제조 방법.