KR20060043109A - 반도체 레이저 - Google Patents

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KR20060043109A
KR20060043109A KR1020050014824A KR20050014824A KR20060043109A KR 20060043109 A KR20060043109 A KR 20060043109A KR 1020050014824 A KR1020050014824 A KR 1020050014824A KR 20050014824 A KR20050014824 A KR 20050014824A KR 20060043109 A KR20060043109 A KR 20060043109A
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semiconductor laser
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토모이치로 토야마
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로무 가부시키가이샤
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Abstract

반도체 기판(1) 위에 적층되고 스트라이프형 발광 영역을 형성하며 레이저 발진하도록 반도체층이 적층되어 반도체 적층부(9)가 형성되고, 그 일단부에, 반사율을 내려 소정 반사율로 되도록 제 1 유전체막(17)이 형성되고, 타단부에 제 2 유전체막(18)이 형성되어 있다. 제 1 유전체막이, 레이저 발진의 발진 파장 λ 를 일정하게 하여 산화 알루미늄막의 두께에 대한 반사율 변화의 커브에서 원하는 반사율로 되며, 또한, 그 반사율 변화의 커브의 기울기가 정으로 되거나 파장에 대한 반사율 변화의 커브의 기울기가 부로 되는 두께이면서, 광학 거리가 0.6λ 이상인 두께로 설정되어 있다. 그 결과, 반도체 레이저의 동작에 의해 온도 상승하여 발진 파장이 변화하여도, 출력을 안정화하면서 고출력용으로도 그 COD 레벨을 향상시킬 수 있는 구조의 반도체 레이저를 얻을 수 있다.

Description

반도체 레이저 {SEMICONDUCT0R LASER}
도 1a 및 도 1b 는 본 발명의 반도체 레이저의 일 실시형태를 나타내는 사시 및 단면의 설명도.
도 2 는 파장을 일정하게 한 경우의 유전체막의 두께에 대한 단면 반사율의 변화를 나타내는 도면.
도 3 은 유전체막의 두께를 일정하게 한 경우의 파장에 대한 단면 반사율의 변화를 나타내는 도면.
도 4 는 유전체막의 두께에 대한 COD 특성의 변화를 나타내는 도면.
도 5 는 종래의 반도체 레이저를 서브 마운트에 탑재한 도면.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
1 : 반도체 기판 9 : 반도체 적층부
17 : 제 1 유전체막 18 : 제 2 유전체막
본 발명은, CD, DVD(디지털 다용도 디스크:Digital Versatile Disk), DVD-ROM, 데이터 쓰기가 가능한 CD-R/RW 등의 픽업용 광원에 이용하는데 특히 적합한 반도체 레이저에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 고출력용에서도 COD 레벨이 높고, 장기 수명화가 가능한 반도체 레이저에 관한 것이다.
반도체 레이저는, 예를 들어 도 5 에 나타낸 바와 같이, 반도체 기판(21)에 스트라이프형 발광 영역이 형성되도록 반도체층이 적층되어 반도체 적층부(22)가 형성되고, 웨이퍼로부터 바 모양으로 벽개(劈開)되어 공진기 단면이 형성되고 그 양단면에 제 1 및 제 2 유전체막(23, 24)이 형성되어 양단면의 반사율이 조정되며, 바 모양으로부터 다이싱 등에 의해 칩화되어 있다. 이 구조에서, 스트라이프형 발광 영역의 한쪽 단면(전단면)으로부터 주로 빛을 출사하고, 다른쪽 단면(후단면)으로부터는 발진 출력의 모니터용으로 사용하는 근소한 출력을 내도록 양단면의 반사율이 조정되어 있다. 그리고, 도 5 에 나타낸 바와 같이, Si 기판 또는 AlN 등으로 이루어진 서브 마운트(25) 상에 탑재되어, 광픽업 등에 만들어져 설치된다.
단면에 설치된 제 1 및 제 2 유전체막(23, 24)은 상술한 바와 같이 발진하는 출력을 주로 전단면으로부터 출사하여 사용하기 때문에 전단면의 반사율을 작게 하고 후단면의 반사율을 크게 하도록 형성되지만, 그 반사율을 어느 정도로 할지, 또 유전체막을 1층으로 형성할지 다층으로 형성할지는 그 목적으로 하는 반도체 레이저에 의해 설정되어 여러 가지 구성으로 형성되어 있다. 예를 들어, 전단면에 광학 거리로 0.15 파장의 막두께의 Al2O3막과 광학 거리로 0.04 파장의 막두께의 Si막을 각각 1층 마련함으로써 2% 이하 정도의 작은 반사율로 하여, 고출력을 얻기 쉽도록 하면서 단면에서의 열에 의한 파괴(COD)의 방지를 도모하고, 후단면에는, 예를 들 어 광학 거리로 0.25 파장의 막두께의 Al2O3 와 SiO2 를 교대로 4층 마련함으로써 92% 의 고반사율로 형성하는 구성 등이 제안되고 있다(예를 들어, 특개소 62-230076 호 공보 참조).
전술한 바와 같이 반도체 레이저는, 그 발진 파장에 대해서 전단면 및 후단면이 각각 원하는 반사율로 되도록, 스트라이프형 발광 영역의 벽개면에 유전체막이 설치되어 그 반사율이 조정되어 있다. 그러나, 반도체 레이저는 동작을 시작하면 발광 영역에 전류가 집중되어 발광함으로써 발광 영역의 온도가 상승하고, 그 온도 상승에 의해 발진 파장이 길어진다. 그 때문에, 발광 영역의 온도가 상승하는 것에 의해 문턱값 전류가 상승하여 발광 효율이 저하됨과 동시에 발진 파장의 시프트에 의한 반사율이 변화하여 출력이 변동한다는 문제가 있다.
또한, 고출력의 반도체 레이저에서는, 출사 단면측의 반사율을 작게 하고, 그 전단면으로부터 출력을 취출(取出)하기 쉽게 하도록 제 1 유전체막이 형성되어 있다. 한편, 전단면의 반사율은, 반사광에 의한 노이즈의 영향 등에 의해, 작으면 작을수록 좋은 것은 아니며, 전술한 바와 같이, 원하는 반사율로 조정하고 싶은 경우가 있다. 이 유전체막은 스퍼터링 등에 의해 형성되기 때문에, 원하는 반사율로 되면, 가능한 한 얇은 쪽이 제조 비용적으로 바람직하고 일반적으로는 원하는 반사율로 된 얇은 막으로 형성된다.
그런데, CD-R/RW용 반도체 레이저와 같은 고출력용의 경우에는 반도체 레이저칩의 벽개면과 제 1 유전체막과의 계면이 전계 분포의 가운데 부분으로 되고, 특 히 80mW 이상의 고출력 반도체 레이저에서는 비록 제 1 유전체막이 8.5% 정도의 저반사율로 되도록 형성되어도 제 1 유전체막의 온도가 상승해서 COD(파국적 광학 손상) 레벨이 저하되어 파괴되기 쉬우며, 고온(예를 들어, 75℃)에서 고출력(예를 들어, 200mW)의 가속 수명 시험을 하면, 100 내지 250 시간이라고 하는 짧은 시간에 파괴되는 반도체 레이저가 발생한다는 문제가 있다.
본 발명은, 이러한 상황을 감안하여 이루어진 것으로, 반도체 레이저가 동작을 시작해서 온도가 상승하여 발진 파장이 변화하여도 출력을 안정화시킬 수 있고, 또 고출력용에서 출사측 단면(전단면)의 COD 레벨이 저하되기 쉬운 반도체 레이저에서도 그 COD 레벨을 향상시킬 수 있는 구조의 반도체 레이저를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명자는, 반도체 레이저의 동작에 의한 온도 상승에 따라 발진 출력을 정확하게 제어할 수 없다는 문제 및 고출력용 반도체 레이저 등으로 고온(예를 들어, 75℃)에서 고출력(예를 들어, 200mW)의 가속 수명 시험을 하면 100 내지 250시간이라고 하는 짧은 시간에 파괴되는 반도체 레이저가 발생한다는 문제에 대해서, 열심히 검토를 거듭하여 조사했다. 그 결과, 원하는 반사율을 얻을 수 있는 통상의 유전체막의 두께는 그 두께를 일정하게 하여 빛의 파장을 변화시켰을 때의 반사율의 변화가 파장이 커짐에 따라 반사율도 크게 되는 두께로 설정되어 있기 때문에 발진 파장이 길어지면 외부 양자 효율이 저하되어, 보다 1층 출력이 저하한다는 점 및 레이저칩의 벽개단면에서 발생하는 열의 방산이 충분하지 않아 그 열에 의해 벽개면에서의 반도체 결정이 용융하여 그 단면이 파괴된다는 점을 찾아내었다.
그리고, 원하는 파장 근방에 있어서의 파장 변화에 대한 반사율 변화가 부(-)로 되는 유전체막의 두께를 채용함으로써, 발진 파장이 길어지는 방향으로 변화하면 반사율이 내려가고 외부 양자 효율이 향상되어 출력도 커져서 그 영향을 억제할 수 있다는 점 및 전단면에 형성하는 유전체막을 열전도율이 큰 산화 알루미늄을 이용하면서 가능한 한 두껍게 함으로써 충분히 열방산을 할 수 있어 250mW 이상의 고출력용 반도체 레이저에서도 COD 레벨을 높게 유지할 수 있다는 점을 찾아내었다.
본 발명에 의한 반도체 레이저는, 반도체 기판과 그 반도체 기판 상에 적층되고 스트라이프형 발광 영역을 형성하며 발진 파장 λ 의 레이저 발진을 하도록 반도체층이 적층된 반도체 적층부, 그 반도체 적층부의 상기 스트라이프형 발광 영역의 일단부에 소정 반사율이 되도록 형성된 제 1 유전체막 및 상기 스트라이프형 발광 영역의 타단부에 상기 제 1 유전체막보다 반사율이 큰 고반사율로 되도록 형성된 제 2 유전체막을 구비하고, 상기 제 1 유전체막이 산화 알루미늄막에 의해 형성되며, 그 산화 알루미늄막의 두께가, 상기 발진 파장 λ 로 산화 알루미늄막 두께에 대한 반사율 변화의 커브에서 원하는 반사율로 되고 그 반사율 변화의 커브의 기울기가 정(+)으로 되는 두께이면서, 광학 거리로 0.6λ 이상으로 되는 두께로 설정되어 있다.
여기서 광학 거리란 광로 길이(Optical Path Length)를 말하는 것으로, 굴절률이 n 인 매질 속을 거리 L 만큼 빛이 통과할 때의 nL 을 의미한다.
또, 본 발명에 의한 반도체 레이저는, 반도체 기판, 그 반도체 기판 상에 적층되고 스트라이프형 발광 영역을 형성하며 발진 파장 λ 의 레이저 발진을 하도록 반도체층이 적층된 반도체 적층부, 그 반도체 적층부의 상기 스트라이프형 발광 영역의 일단부에 소정 반사율로 되도록 형성된 제 1 유전체막 및 상기 스트라이프형 발광 영역의 타단부에 상기 제 1 유전체막보다 반사율이 큰 고반사율로 되도록 형성된 제 2 유전체막을 구비하고, 상기 제 1 유전체막이 산화 알루미늄막에 의해 형성되며, 그 산화 알루미늄막의 두께가, 원하는 반사율로 되는 두께이면서 빛의 파장에 대한 상기 반사율 변화의 커브에서 발진 파장이 상기 λ인 경우 기울기가 부로 되는 두께임과 동시에 광학 거리로 0.6λ 이상으로 되는 두께로 설정되어 있다.
상기 반사율의 커브에서 반사율 Rf 의 빛의 파장 λ 에 대한 변화율 dRf/dλ 가 -1≤(dRf/dλ)<0 으로 되는 두께로 상기 제 1 유전체막이 형성되어 있는 것이 반도체 레이저의 동작에 의한 발진 파장의 변화에 대해서 출력의 안정화를 도모하는데 바람직하다.
상기 제 1 유전체막의 두께는, 광학 거리로 0.6λ 이상에서 1.5λ 이하로 되는 두께로 설정되어 있는 것이, 스트라이프형 발광 영역 단부의 방열을 양호하게 하고 제조 시 막두께의 편차에 대해서도 반사율의 변화를 억제할 수 있기 때문에 바람직하다.
본 발명에 의하면, 출사 단면측의 유전체막이 원하는 반사율로 되는 두께로 형성되면서 광학 거리로 0.6λ 이상의 두께로 형성되어 있기 때문에, 스트라이프형 발광 영역 단면에서 발생하는 열을 유전체막을 통해 유효하게 방열할 수 있어서 단 면이 너무 가열되어 파손되는 문제를 해소할 수 있다. 즉, 종래의 반도체 레이저의 경우, 스트라이프형 발광 영역의 출사측 단면은 원하는 출력이 출사되도록 원하는 반사율로 하기 위해 단층 또는 복층의 유전체막이 설치되어 있을 뿐이었지만, 본 발명에 의하면, 반사율을 조정하는 것 뿐만 아니라 단면에서의 열방산을 잘 하기 위해 반도체층보다 열전도율이 좋은 산화 알루미늄만의 1층으로 형성하고, 게다가 그 두께를 광학 거리로 0.6λ 이상으로 두껍게 함으로써 넓은 면적으로부터 열방산을 할 수 있다. 그 결과, 스트라이프형 발광 영역 단면의 온도 상승을 억제할 수 있고, COD 레벨을 향상시킬 수 있으며, 고온(75℃) 및 고출력(200mW)의 에칭을 실시해도 500시간 이상의 장시간 동안 파손되지 않고 계속 동작할 수 있어 매우 긴 수명의 반도체 레이저가 된다.
또한, 본 발명에서는, 제 1 유전체막의 두께를 두껍게 하면서 원하는 반사율로 되도록 두께를 설정하는 것 뿐만 아니라, 파장을 일정하게 한 경우의 유전체막의 두께에 대한 반사율의 변화가 정으로 되는 두께로 설정하거나 유전체막의 두께를 일정하게 한 경우의 파장에 대한 반사율의 변화율이 부로 되는 두께로 설정하기 때문에, 반도체 레이저가 동작하기 시작하면 그 발진 파장이 길어지는 특성을 가지고 있지만, 근소하게 길어지는 파장에 대해 같은 두께의 유전체막에서는 반사율이 저하하게 된다. 그 결과, 외부로 출사되는 레이저광의 출력은 증대하는 방향으로 되고, 온도가 상승하면 문턱값 전류가 증대하여 출력이 저하되는 것을 상쇄할 수 있으며, 외부 양자 효율을 향상시킬 수 있기 때문에, 레이저칩의 동작에 의해 온도가 상승해도 외부에 출사하는 출력이 거의 저하되지 않게 동작한다.
또한, 특히 고출력의 반도체 레이저에서는 전술한 제 1 유전체막측(전단면)의 반사율이 수 % 정도로 낮은 반사율로 설정되기 때문에, 원하는 반사율로 설정할 뿐만 아니라 유전체막의 두께에 대한 반사율의 변화가 정으로 되는 두께로 설정함으로써, 발진 파장이 장파장측으로 처진 경우에, 후술하는 바와 같이, 유전체막의 막두께에 대한 반사율은 극소측으로 처지게 되어 반사율 변화를 작게 억제할 수 있다. 즉, 반사율이 작아서 반사율 커브의 극소에 가까운 곳에 있는 원하는 반사율로, 극소측과 반대측에서는 반사율의 변화가 크지만 극소측에서는 반사율의 변화가 작기 때문에, 장파장측으로 시프트하여도 반사율의 처짐을 작게 억제할 수 있다.
다음으로, 도면을 참조하면서 본 발명의 반도체 레이저에 대해 설명한다. 본 발명에 의한 반도체 레이저에서는, 도 1a 에 그 일 실시형태의 단면 설명도가 나타난 바와 같이, 반도체 기판(1) 상에 적층되고 스트라이프형 발광 영역을 형성하며 발진 파장 λ 의 레이저 발진을 하도록 반도체층이 적층되어, 반도체 적층부(9)가 형성되어 있다. 그리고, 그 반도체 적층부(9)의 스트라이프형 발광 영역(도 1b 의 빔 지점 P 참조)의 일단부에 반사율을 내려 소정 반사율로 되도록 제 1 유전체막(17)이 형성되고, 스트라이프형 발광 영역의 타단부에 반사율을 올려 고반사율로 되도록 제 2 유전체막(18)이 형성되어 있다. 본 발명에서는, 제 1 유전체막(17)이 산화 알루미늄막으로 형성되며, 그 산화 알루미늄막의 두께가, 발진 파장 λ 가 일정한 경우의 산화 알루미늄막 두께에 대한 반사율 변화의 커브에서 원하는 반사율로 되고, 또한, 그 반사율 변화의 커브의 기울기가 정으로 되는 두께이면서, 광학 거리로 0.6λ 이상, 바람직하게는 0.7λ 이상, 더욱 바람직하게는 0.8λ 이상의 두 께로 설정되어 있는 것에 특징이 있다.
전술한 바와 같이, 본 발명자는, 반도체 레이저가 동작을 시작하면 발진 파장이 길어져 발진 파장의 시프트에 의한 반사율의 변화에 의해 출력이 저하된다는 문제 및 고출력용 반도체 레이저에서는 특히 가속 수명 시험을 하면 짧은 시간에 반도체 레이저가 파괴되기 쉽다는 문제를 해결하기 위해, 열심히 검토를 거듭했다. 그 결과, 단면에 설치되는 유전체막이 종래의 두께인 경우에는 발진 파장이 길어지면 반사율이 더 커지고, 그 변화율이 커짐으로 인해 보다 1층 출력이 저하되는 것에 반해, 원하는 파장 근방에 있어서의 파장 변화에 대한 반사율 변화가 부로 되는 유전체막의 두께를 채용하면, 발진 파장이 길어지는 방향으로 변화하면 반사율의 변화가 작아지면서 반사율 자신도 작아지는 방향으로 변화하기 때문에, 외부 양자 효율을 향상시켜 발진 파장의 변화에 의한 출력의 저하를 억제할 수 있다는 점 및 레이저칩의 벽개단면에서 발생하는 열의 방산이 충분하지 않아 그 열에 의해 벽개면에서의 반도체 결정이 용융하여 그 단면이 파괴하지만, 제 1 유전체막(17)으로 열전도율이 좋은 산화 알루미늄을 이용하면서 두껍게 하면 열방산을 충분히 할 수 있어 COD 에 의한 파괴를 억제할 수 있다는 점을 찾아내었다.
즉, 제 1 유전체막(17)으로 산화 알루미늄(Al2O3)의 1층 구조를 이용하고 스트라이프형 발광 영역의 벽개면에 마련하는 두께를 다양하게 변화시킨 경우에, 빛의 파장이 780nm 인 경우(A) 및 790nm 인 경우(B)에 있어서의 반사율 Rf 의 변화를 보면, 도 2 에 나타난 바와 같이 제 1 유전체막(17)의 두께 t 를 변화시킴에 따라 그 반사율이 주기적으로 변화한다. 종래에는, 이 제 1 유전체막(17)을 스퍼터링 등으로 마련하여 10nm 부착하는데 3 분 정도의 시간이 걸리기 때문에, 원하는 반사율(예를 들어, 780nm 에서 8.5%)로 되는 최초의 두께인 90 nm 정도의 두께가 채용되고 있었다.
그러나, 파장이 긴 790nm 에서는, B 로 나타낸 바와 같이, 거의 오른쪽으로 평행 이동한 상태의 커브로 되는 것으로부터 알 수 있는 바와 같이, 같은 반사율을 얻기 위해서는 유전체막의 두께를 두껍게 할 필요가 있다. 한편, 전술한 780nm 에서 원하는 반사율로 맞추어진 막두께의 제 1 유전체막(17)이 설치된 상태에서 발진 파장이 변화하여 길어지면, 유전체막의 두께가 변하지 않기 때문에, 반사율은 최초로 설정한 반사율보다 높아진다(도 2 의 b1 위치가 된다). 그 때문에, 외부 양자 효율이 저하되어 출사되는 출력은 저하된다.
거기서, 본 발명자는, 유전체막의 두께를 소정 반사율로 되도록 설정할 뿐만 아니라 발진 파장이 길게 변화하는 경우에 반사율의 변화가 작아지는 관계에 있는 유전체막의 두께를 채용함으로써 이 문제를 해결하였다. 즉, 전술한 도 2 에 나타낸 바와 같이, 전단면의 반사율은, 특히 고출력 반도체 레이저에서는 전단면의 반사율을 작게 하여 가능한 한 전단면으로부터 출사시키도록 낮은 반사율로 설정되어 있기 때문에, 유전체막의 두께에 대한 반사율의 변화의 커브에서 반사율이 극소점의 근방에 설정되는 경우가 많고, 유전체막 두께의 변화에 대하여 극소점측에서는 반사율의 변화가 작지만 극소점과 반사측에서는 유전체막 두께의 변화에 대한 반사율의 변화가 커진다.
한편, 파장이 긴 경우 마찬가지의 막두께에 대한 반사율의 커브는, 도 2 의 B 로 나타낸 바와 같이, 막두께가 두껍게 되는 방향으로 약간 처진다. 그리고, 예를 들어 파장이 780nm 인 경우에 같은 반사율(도 2 의 a1, a2, a3, a4)에서도 반사율 커브의 기울기가 정(dRf/dt>0)인 곳(도 2 의 a2, a4)이면, 그 두께에 있어서의 파장이 긴 빛에 대해서는 반사율이 극소 방향으로 접근하여(도 2 의 b2, b4), 반사율의 변화가 작아진다. 그 때문에, 동작 온도보다 발진 파장이 길어지면, 그 파장에서는 반사율 Rf 자체가 작아지고, 외부 양자 효율이 상승하며, 온도 상승에 의해 문턱값 전류가 커져서 저하되는 발진 출력을 보완하는 방향으로 된다.
상술한 검토는, 유전체막의 두께 t 에 대한 반사율 Rf 의 변화에 의해, 반사율이 변화해 오는 방향에 설정함으로써, 반도체 레이저의 발진 파장의 변화에 대응하는 방법을 검토하였지만, 상술한 바와 같이, 반도체 레이저가 동작하여 온도가 상승하면, 문턱값 전류는 증가하고 출력은 저하된다. 그 때문에, 온도 상승으로 발진 파장이 길어지는 때에 유전체막에 의한 반사율 Rf 가 저하되는 두께로 설정함으로써, 온도 상승에 의한 출력의 변화를 보정하는 것이 가능하다. 즉, 예를 들어 소정 반사율 Rf 로 된 경우의 막두께를 일정하게 하여 빛의 파장을 변화시키면, 도 3 에 나타낸 바와 같이 파장 λ 의 변화에 의해 주기적으로 반사율 Rf 가 변화한다. 따라서, 예를 들어 원하는 반사율이 얻어지는 두께 중, 원하는 파장, 예를 들어 780nm 근방에서 파장에 대한 반사율 Rf 의 변화율(dRf/dλ)이 부로 되는 두께 t 를 채용함으로써, 온도 상승에 의한 출력 변화를 상쇄할 수 있다.
또한, 반사율 Rf 의 파장 λ 에 대한 변화율(dRf/dλ)의 절대치가 너무 커지 면, 가량 기울기가 부이어도 반사율의 변화가 너무 커지기 때문에, -1≤(dRf/dλ)<0 인 것이 바람직하다. 이러한 조건을 만족하면서 도 2 로부터 원하는 반사율로 되도록 유전체막의 막두께를 선정함으로써, 반도체 레이저의 동작으로 인한 온도 상승에 수반한 발진 효율의 저하에도 불구하고 그 출력 변화를 억제하는 것이 가능하다.
또, 전술한 바와 같이, 유전체막의 두께를 일정 이상으로 함으로써 열방산을 향상시킬 수 있고, 고출력의 반도체 레이저에서도 COD 레벨을 매우 높게 유지할 수 있으며, 고온(75℃) 및 고출력(200mW)의 에칭을 500시간 이상 실시해도 파손되는 일은 없었다. 즉, 제 1 유전체막으로서 열전도율이 높은 산화 알루미늄을 이용하고 그 두께를 다양하게 변화시켜 COD 특성의 변화하는 형태를 조사한 결과, 도 4 에 나타난 바와 같이, 광학 거리로 0.6λ 이상의 두께(780nm 의 파장에 대해서, 산화 알루미늄의 굴절률 n 을 1.62 로 하면, 물리적인 유전체막의 두께는 240nm 이상의 두께), 바람직하게는 광학 거리로 0.7λ 이상, 더욱 바람직하게는 0.8λ 이상으로 함으로써 충분히 열방산을 할 수 있으며, 0.6λ 의 두께로, 250mW 이상의 고출력용 반도체 레이저에서 전술한 가속 에칭을 실시하여도, 500시간에서 파손된 것은 30개 중 1개도 생기지 않았다.
이 방열이라고 하는 관점에서는 유전체막의 두께가 두꺼울수록 바람직하지만, 너무 두껍게 하면 성막 시간이 걸려 비용이 상승되며 두꺼운 유전체막으로 반사율을 정확하게 제어하는 것은 곤란하게 되기 때문에, 광학거리로 1.5λ 이하인 것이 바람직하다. 구체적으로는, 반사율을 8.5% 로 하는데 광학 거리로 0.83λ(산 화 알루미늄막의 물리적 두께가 0.83λ/n = 400nm)로 함으로써, 온도 상승에 의한 출력 변화에의 영향을 줄이고, 수명도 매우 고수명으로 할 수 있었다.
후단면에 설치되는 제 2 유전체막(18)은, 대부분을 반사시켜 공진기 내에서 발진시키고 전단면측으로부터 큰 출력을 취출할 수 있도록 하기 위해, 반사율 Rr 이 예를 들어 80 내지 95% 정도로 되도록α-Si(아몰퍼스 실리콘)막과 Al2O3막을 각각 λ/(4n) 씩의 두께(λ 는 발진 파장, n 은 유전체막의 굴절률)로 2조 정도 형성한다. 그러나, 이 후단면은, 원하는 반사율 Rr 을 얻을 수 있으면 되고, 유전체막의 재료나 조합 등에는 제한되지 않는다.
반도체 기판(1), 반도체 적층부(9) 및 전극(15, 16)의 부분은 종래의 일반적인 반도체 레이저의 구조와 같고, 반도체 적층부(9)로는, 예를 들어, 적외광인 780nm 파장용의 AlGaAs계 화합물 반도체나 적색광인 650nm 파장 발광용의 InGaAlP계 화합물 반도체가 이용되며, 이러한 반도체 재료를 적층하기 위한 반도체 기판(1)으로는 GaAs 기판이 일반적으로 이용되지만, 다른 화합물 반도체에서도 상관없다. 또, 반도체 기판(1)의 도전형은, 반도체 레이저를 편입하는 세트와의 관계에서, 기판측에 요망되는 도전형의 n형 또는 p형 중 한쪽이 이용되고, 이 기판(1)의 도전형에 따라서, 적층되는 반도체층의 도전형도 정해진다. 이하의 구체적인 예에서는, 반도체 기판(1)이 n형인 예로 설명한다.
반도체 적층부(9)는, 도 1a 및 도 1b 에 나타난 예에서는, n형 클래드층(2), 비도핑 또는 n형 혹은 p형의 활성층(3), p형 제 1 클래드층(4), p형 식각정지층 (5), p형 제 2 클래드층(6), 캡층(7), 릿지(Ridge) 모양으로 에칭된 p형 제 2 클래드층(6)의 양측에 매립된 n형 전류 블록층(13) 및 캡층(7)과 전류 블록층(13)의 표면에 설치되는 p형 컨택트층(8)으로 이루어져 있다.
구체적으로는, n형 GaAs 기판(1)을, 예를 들어 MOCVD(유기 금속 화학 기상 성장) 장치 내에 넣고, 반응 가스의 트리에틸갈륨(TEG), 트리메틸알루미늄(TMA), 트리메틸인듐(TMIn), 포스핀(PH3), 알루신(AsH3) 및 반도체층의 도전형에 따라서, n형 불순물 가스로서의 H2Se 또는 p형 불순물로서 디메틸아연(DMZn)의 필요한 재료를 캐리어 가스의 수소(H2)와 함께 도입하고, 500 내지 700℃ 정도로 각 반도체층을 에피택셜 성장시킴으로써 전술한 각 반도체층의 적층 구조가 얻어진다.
n형 클래드층(2)은, 예를 들어 Alx1Ga1-x1As(0.3≤x1≤0.7, 예를 들어, x1 = 0.5)로 이루어지고 2 내지 4㎛ 정도로 형성되며, 활성층(3)은 Aly1Ga1-y1As(0.05≤y1≤0.2, 예를 들어 y1 = 0.15)의 벌크 구조 또는 Aly2Ga1-y2As(0.01≤y2≤0.1, 예를 들어, y2 = 0.05)로 이루어진 웰층과 Aly3Ga1-y3As(0.2≤y3≤0.5, y2<y3, 예를 들어, y3 = 0.3)로 이루어진 배리어층과의 싱글 혹은 멀티의 양자 우물(SQW 또는 MQW) 구조로 전부 0.01 내지 0.2㎛ 정도로 형성되며, p형 제 1 클래드층(4)은 Alx2Ga1-x2As(0.3≤x2≤0.7, 예를 들어, x2 = 0.5)에 의해 0.1 내지 0.5㎛ 정도로 형성되어 있다. 또한, 활성층(3)과 클래드층(2, 4)과의 사이에 광가이드층을 마련하는 구조 등 다른 반도체층이 어느 층 사이에 개재되어도 된다.
또한, 식각정지층(5)이 p형 제 1 클래드층(4) 위에 p형 또는 언도프(Undoped)인, 예를 들어 In0.49Ga0.51P 에 의해 0.01 내지 0.05㎛ 정도로 형성되고, p형 제 2 클래드층(6)이 Alx3GA1-x3AS(0.3≤x3≤0.7, 예를 들어, x3 = 0.5)에 의해 0.5 내지 3㎛ 정도 형성되고, 그 위에 p형 In0.49Ga0.51P 로 이루어진 캡층(7)이 0.01 내지 0.05㎛ 정도 설치되고, 캡층(7) 및 p형 제 2 클래드층(6)의 양측이 에칭되어 릿지부(11)가 형성되며, 그 양측에, 예를 들어 AlzGa1-zAs(0.5≤z≤0.8, 예를 들어, z = 0.6)로 이루어진 전류 블록층(13)이 릿지부(11)의 옆을 메우도록 형성되어 있다.
또한, 식각정지층(5)은 In0.49Ga0.51P 로 한정되지 않으며, 예를 들어 In0.49(Ga0.8Al0.2)0.51P 등을 사용할 수도 있고, 캡층(7)은 후속 공정에서 컨택트층을 성장시킬 때 반도체 적층부(9)의 표면에 산화막 등이 형성되어 오염되는 것을 방지하는 것으로, GaAs 등의 다른 반도체층에서도 좋고, 또, 표면의 오염을 방지할 수 없어도 된다. 또, 릿지부(11)를 형성하기 위한 에칭은, 예를 들어 CVD법 등에 의해 Si02 또는 SiNx 등으로 이루어진 마스크를 형성하고, 예를 들어 드라이에칭 등에 의해 캡층(7)을 선택적으로 에칭하고 계속 HCl 과 같은 에칭액에 의해 p형 제 2 클래드층(6)을 에칭함으로써, 도면에 나타낸 바와 같이 릿지부(11)가 스트라이프형(지면과 수직 방향)으로 형성된다. 또한, 노출된 식각정지층(5)을 더욱 제거하는 경우도 있다.
컨택트층(8)은, 캡층(7)및 전류 블록층(13) 위에, 예를 들어 p형 GaAs층에 의해 그 두께가 0.05 내지 10㎛ 정도로 형성되어 있다. 또한, 이 컨택트층(8)의 표면에는, Ti/Au 등으로 이루어진 p측 전극(15)이, 또 반도체 기판(1)의 이면에는 연마에 의해 얇게 된 후 Au/Ge/Ni 또는 Ti/Au 등으로 형성되는 n측 전극(16)이 각각 설치되어 있다. 이 전극 형성 후에 벽개 등에 의해, 웨이퍼로부터 칩화되어 있다.
전술한 예는 AlGaAs계 화합물 반도체의 예이지만, InGaAlP계 화합물로 구성하는 경우에는, 전술한 n형 및 p형 클래드층으로는 In0.49(Ga1-uAlu)0.51P(0.45≤u≤0.8, 예를 들어 u = 0.7)를, 활성층으로는 In0.49(Ga1-v1Alv1)0.51P(0≤v1≤0.25, 예를 들어, v1 = 0)/In0.49(Ga1-v2Alv2)0.51P(0.3≤v2≤0.7, 예를 들어, v2 = 0.4)에 의한 다중 양자 우물(MQW) 구조 등으로, 또 전류 블록층으로는 GaAs 나 InAlP 를 이용함으로써 형성하는 것 외에는, 전술한 예와 마찬가지로 구성할 수 있다.
또, 전술한 예는 릿지 구조의 반도체 레이저이지만, 전류 블록층을 클래드층 사이에 적층하여 전류 주입 영역으로 하는 스트라이프 홈을 에칭에 의해 제거하는 SAS 구조 등 다른 구조의 반도체 레이저에서도 마찬가지인 것은 말할 필요도 없다.
본 발명에 의하면, 전술한 바와 같이, 스트라이프형 발광 영역의 전단부(출사측) 단면에 설치된 유전체막이 소정 반사율로 하는 것만의 목적으로 설치되는 것이 아니라, 열방산을 충분히 실시하여 COD 레벨을 높게 할 수 있도록, 일정한 두께 이상으로 형성되며, 나아가 동작에 의해 변화하는 발진 파장의 차이에 대해서도 그 출력 변화가 억제되도록 출사 단면측의 유전체막이 설치되어 있다. 그 결과, 매우 수명이 길고 출력 특성이 안정된 반도체 레이저를 얻을 수 있다.
본 발명은, CD, DVD, DVD-ROM, 데이터 쓰기가 가능한 CD-R/RW 등의 픽업용 광원에 이용할 수 있고, 퍼스널 컴퓨터 등의 전기 기기에 이용할 수 있다.

Claims (15)

  1. 반도체 기판과,
    상기 반도체 기판 상에 적층되고, 스트라이프형 발광 영역을 형성하며, 발진 파장 λ 의 레이저 발진을 하도록 반도체층이 적층된 반도체 적층부와,
    상기 반도체 적층부의 상기 스트라이프형 발광 영역의 일단부에, 소정 반사율이 되도록 형성되는 제 1 유전체막과,
    상기 스트라이프형 발광 영역의 타단부에 상기 제 1 유전체막보다 반사율이 큰 고반사율이 되도록 형성되는 제 2 유전체막을 가지며,
    상기 제 1 유전체막은 산화 알루미늄막에 의해 형성되며, 상기 산화 알루미늄막의 두께는, 상기 발진 파장 λ 에서 산화 알루미늄막의 두께에 대한 반사율 변화의 커브에서 원하는 반사율로 되고, 또한, 상기 반사율 변화의 커브의 기울기가 정으로 되는 두께임과 동시에, 광학 거리로 0.6λ 이상이 되는 두께로 설정되어 이루어진 반도체 레이저.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 유전체막의 두께가, 광학 거리로 0.6λ 이상에서 1.5λ 이하인 반도체 레이저.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 유전체막의 두께가, 광학 거리로 0.7λ 이상인 반도체 레이저.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 유전체막의 두께가, 광학 거리로 0.8λ 이상인 반도체 레이저.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 유전체막이, 아몰퍼스 실리콘막과 산화 알루미늄막을 각각 광학 거리로 λ/4 씩의 두께로 교대로 형성된 반도체 레이저.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 반도체 적층부가, AlGaAs계 화합물 반도체 또는 InGaAlP계 화합물 반도체에 의해 형성된 반도체 레이저.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 반도체 적층부의 스트라이프형 발광 영역이, 릿지 구조로 형성된 반도체 레이저.
  8. 반도체 기판과,
    상기 반도체 기판 상에 적층되고, 스트라이프형 발광 영역을 형성하며, 발진 파장 λ 의 레이저 발진을 하도록 반도체층이 적층된 반도체 적층부와,
    상기 반도체 적층부의 상기 스트라이프형 발광 영역의 일단부에, 소정 반사율이 되도록 형성되는 제 1 유전체막과,
    상기 스트라이프형 발광 영역의 타단부에 상기 제 1 유전체막보다 반사율이 큰 고반사율로 되도록 형성되는 제 2 유전체막을 가지며,
    상기 제 1 유전체막은 산화 알루미늄막에 의해 형성되며, 상기 산화 알루미늄막의 두께는, 원하는 반사율이 되는 두께이고, 또한, 빛의 파장에 대한 상기 반사율 변화의 커브에서 발진 파장이 상기 λ 인 경우 기울기가 부로 되는 두께임과 동시에, 광학 거리로 0.6λ 이상으로 되는 두께로 설정되어 이루어진 반도체 레이저.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 반사율 커브에서 반사율 Rf 의 빛의 파장 λ 에 대한 변화율 dRf/dλ 가 -1≤(dRf/dλ)<0 으로 되는 두께로 상기 제 1 유전체막이 형성되어 이루어진 반도체 레이저.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 제 1 유전체막의 두께가, 광학 거리로 0.6λ 이상에서 1.5λ 이하인 반도체 레이저.
  11. 제 8 항에 있어서,
    상기 제 1 유전체막의 두께가, 광학 거리로 0.7λ 이상인 반도체 레이저.
  12. 제 8 항에 있어서,
    상기 제 1 유전체막의 두께가, 광학 거리로 0.8λ 이상인 반도체 레이저.
  13. 제 8 항에 있어서,
    상기 제 2 유전체막이, 아몰퍼스 실리콘막과 산화 알루미늄막을 각각 광학 거리로 λ/4 씩의 두께로 교대로 형성된 반도체 레이저.
  14. 제 8 항에 있어서,
    상기 반도체 적층부가, AlGaAs계 화합물 반도체 또는 InGaAlP계 화합물 반도체에 의해 형성된 반도체 레이저.
  15. 제 8 항에 있어서,
    상기 반도체 적층부의 스트라이프형 발광 영역이, 릿지 구조로 형성된 반도체 레이저.
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