KR20060095270A - 고출력 단일모드 반도체 레이저소자 및 그 제조방법 - Google Patents

고출력 단일모드 반도체 레이저소자 및 그 제조방법 Download PDF

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KR20060095270A
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Abstract

본 발명은 고출력 단일모드 반도체 레이저 소자에 관한 것으로서, 반도체 기판과, 상기 반도체 기판 상에 형성된 제1 도전형 클래드층과, 상기 제1 도전형 클래드층 상에 형성된 활성층과, 상기 활성층 상에 형성되며, 상부를 향해 돌출된 리지부를 갖는 제2 도전형 클래드층을 포함하며, 상기 리지부 양측에 위치한 상기 제2 도전형 클래드층 상면 영역에 고차모드 발진이 억제되도록 광을 산란시키는 요철부가 형성된 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 소자를 제공한다.
반도체 레이저(semiconductor laser), 단일모드(single mode), 요철(concavo-concave)

Description

고출력 단일모드 반도체 레이저소자 및 그 제조방법{HIGH POWER SINGLE MODE SEMICONDUCTOR LASER DEVICE AND METHOD OF PRODUCING THE SAME}
도 1a는 종래의 반도체 레이저 소자를 나타내는 개략사시도이다.
도 1b는 도1a에 채용된 리지부의 요철패턴에 의해 발생되는 광분산효과를 설명하기 위한 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일실시형태에 따른 반도체 레이저 소자를 나타내는 개략사시도이다.
도 3a는 본 발명의 다른 실시형태에 따른 반도체 레이저 소자를 나타내는 개략사시도이다.
도 3b는 도 3a의 반도체 레이저 소자의 폭방향에 따른 기본모드와 고차모드분포를 나타내는 그래프이다.
도 4a 및 도 4b는 각각 본 발명에서 채용가능한 다양한 요철패턴을 갖는 반도체 레이저 소자를 나타내는 개략사시도이다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명에 따른 AlGaInP계 반도체 레이저 소자의 고차모드발진의 억제효과를 설명하기 위한 그래프이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호설명>
20,30,40,50: 반도체 레이저 소자 21,31,41,51: 반도체 기판
22,32,42,52: 제1 도전형 클래드층 24,34,44,54: 활성층
25,35,45,55: 제2 도전형 클래드층 27,37,47,57: 제2 도전형 캡층
R; 리지부 P: 요철패턴
본 발명은 반도체 레이저 소자에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 고출력에서도 안정적인 단일모드특성을 갖는 반도체 레이저 소자에 관한 것이다.
반도체 레이저 소자는 좁은 주파수 폭(단파장특성)과, 높은 지향성을 갖는 광을 발진할 수 있으며, 고출력이 보장되므로, CD나 DVD 등의 광디스크시스템의 광픽업장치를 위한 광원으로뿐만 아니라, 광통신, 다중통신, 우주통신 등의 다양한 분야에 광범위하게 적용되고 있다.
일반적으로, 반도체 레이저 소자는 전류주입효율과 광학적 특성을 향상시키기 위해 선택적 매립형 리지(Selectively Buried Ridge: SBR)구조를 갖는 반도체 리지형 웨이브가이드 레이저(이하, "리지형 반도체 레이저"라 함)로 제조된다. 리지형 반도체 레이저는 수평방향의 유효귤절율의 차이가 크지 않으므로, 고출력에서 고차원모드가 쉽게 발생하는 문제가 있다.
또한, 단일모드를 구현하기 위해서, 반도체 레이저의 리지 폭은 작게 형성하는 것이 요구된다. 특히 가시광영역 또는 자외선영역과 같은 단파장 광을 단일모드로 구현하는 경우에, 1∼3㎛ 수준으로 작게 형성한다. 하지만, 이러한 좁은 폭의 리지로 인해 소자의 저항이나 동작전압이 높아지므로, 소자의 신뢰성에 악영향을 줄 뿐만 아니라, 열특성으로 인해 고차모드가 쉽게 발생하는 문제가 있다.
이러한 고출력시에 발생하는 고차모드를 억제하는 방안으로서, 고차모드가 존재하는, 리지의 양측부영역에 광흡수를 위한 산화막, 반도체층 및 금속층을 추가로 형성하는 기술이 있으며, 다른 방안으로는 도 1a에 도시된 바와 같이 산란에 의한 광손실이 유발되도록 리지의 양 측면에 요철 또는 물결패턴을 형성하는 기술이 있다.
도 1a를 참조하면, 반도체 기판(11) 상에 제1 도전형 클래드층(12), 활성층(14) 및 제2 도전형 클래드층(15)이 순차적으로 형성된 반도체 레이저 소자(10)가 도시되어 있다. 상기 제2 도전형 클래드층(15)은 상부에 양 측면에 물결패턴(P)이 형성된 리지부(R)를 가지며, 리지부 상단에는 제2 도전형 캡층(17)이 추가될 수 있다.
리지부(R)의 양 측면에 형성된 물결패턴은, 도 1b와 같이 웨이브가이딩 분산(waveguiding scattering)에 의해 광손실을 유발시킴으로써 고차모드를 억제할 수 있다. 더욱 상세하게, 공진방향으로 표시된 기본모드영역의 양측에 형성된 물결무늬의 요철(P)로 인하여 웨이브가이드가 균일하지 않은 계면을 가지게 되는 것과 동 일한 효과를 얻게 되므로, 광손실을 발생시켜 고차모드를 억제할 수 있다.
하지만, 균일하지 않은 리지 측면을 형성하는 경우에, 원하는 리지구조를 정밀하게 형성하는 것이 어려워질 수 있다. 특히, 단파장계열의 단일모드를 구현하기 위해 리지 폭을 좁게 형성할 필요가 있는 경우에, 리지 측면의 요철에 의해 그 폭의 정확한 설계 및 형성이 곤란해진다.
또한, 실제 양산에서 상부전극을 형성할 때에, 전극형성을 위한 오픈영역이 리지 측면의 요철에 의해 불규칙적일 뿐만 아니라, 그로 인해 형성된 전극이 접속불량을 야기할 수 있으므로, 전기적 특성이 저하될 수 있다. 한편, 상부전극과 접촉된 리지 콘택트영역에서 상대적으로 많은 열이 발생할 수 있으므로, 원하지 않는 열적 효과로 인해 요철로부터 얻어지는 광분산효과가 불안정해지는 문제가 있다.
본 발명은 상술된 종래 기술의 문제를 해결하기 위한 것으로서, 그 목적은 리지의 양측에 위치한 상부 클래드층의 상면 영역에 광산란을 위한 요철부를 형성하여 고차모드의 광이 발생하는 억제할 수 있는 반도체 레이저 소자를 제공하는데 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적인 상기한 반도체 레이저 소자의 제조방법을 제공하는데 있다.
상기한 기술적 과제를 해결하기 위해서, 본 발명은,
반도체 기판과, 상기 반도체 기판 상에 형성된 제1 도전형 클래드층과, 상기 제1 도전형 클래드층 상에 형성된 활성층과, 상기 활성층 상에 형성되며, 상부를 향해 돌출된 리지부를 갖는 제2 도전형 클래드층을 포함하며, 상기 리지부 양측에 위치한 상기 제2 도전형 클래드층 상면 영역에 고차모드의 발진이 억제되도록 광을 산란시키는 요철부가 형성된 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 소자를 제공한다.
상기 요철부는 상기 리지부의 하단부에서부터 형성될 수 있으나, 고차모드의 발진영역에 따라, 상기 리지부의 하단부로부터 소정의 간격이 이격되어 형성될 수도 있다.
상기 요철부는 다양한 패턴으로 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 리지부의 방향과 수직을 이루는 물결패턴으로 형성되거나, 상기 리지부의 방향과 평행한 물결패턴으로 형성될 수 있다. 또한, 상기 요철부는 주기적인 간격과 동일한 깊이로 형성될 수 있으나, 이와 달리 비주기적인 간격과 균일하지 않은 깊이로 형성될 수 있다.
바람직하게, 상기 요철부의 주기는 상기 레이저의 광을 보다 효과적으로 산란시킬 수 있도록, 그 파장보다는 짧고 그 1/2보다는 긴 간격을 갖도록 형성된다.
또한, 본 발명은 상기한 반도체 레이저 소자의 제조방법을 제공한다. 반도체 기판 상에 제1 도전형 클래드층, 활성층 및 제2 도전형 클래드층을 순차적으로 형성하는 단계와, 상기 제2 도전형 클래드층의 상부영역을 선택적으로 에칭하여 상부 를 향해 돌출된 리지부를 형성하는 단계와, 상기 리지부 양측에 위치한 제2 도전형 클래드층 상면 영역에 고차원모드의 발진이 억제되도록 광을 산란시키는 요철부를 형성하는 단계를 포함한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.
도 2는 본 발명의 일실시형태에 따른 반도체 레이저 소자(20)를 나타내는 개략사시도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 실시형태에 따른 반도체 레이저 소자(20)는, 반도체 기판(21)과 그 상면에 순차적으로 형성된 제1 도전형 클래드층(22), 활성층(24) 및 제2 도전형 클래드층(25)을 포함한다.
상기 제2 도전형 클래드층(25)의 상부 영역은 선택적 에칭공정으로 형성된 리지부(R)를 갖는다, 상기 리지부(R) 상단에는 제2 도전형 캡층(27)을 추가로 형성될 수 있다.
상기 리지부(R)의 양측에 위치한 제2 도전형 클래층(25)의 상면 영역은 특정영역의 광을 산란시키기 위한 요철패턴(P)이 형성된다. 본 실시형태와 같이, 상기 요철패턴(P)은 리지부 배열방향(또는 기본모드의 공진방향)과 수직으로 배열된 물결무늬를 가질 수 있다.
본 실시형태에서, 상기 리지부(R)의 하단에서부터 시작되는 것으로 도시되어 있으나, 레이저설계에 따라 다른 적절한 고차모드의 주발진영역에 형성될 수 있다. 본 명세서에서 사용되는 "고차모드의 주발진영역"은 반도체 레이저의 폭방향에 따 라 기본모드분포와 겹쳐지는 부분이 최소화되면서 고차모드분포와 겹쳐지는 부분이 최대화되는 제2 도전형 클래드층(25)의 상면 영역을 말한다. 이에 대해서는 도3b에서 상세히 설명한다.
상기 리지부(R)의 양측에 위치한 제2 도전형 클래드층(25) 상면영역에 형성된 물결무늬의 요철패턴(P)은, 특정영역에서의 웨이브가이딩 분산(waveguiding scattering)을 통해, 즉 고차모드의 주발진영역에서 광을 산란시켜 광손실을 유발시킴으로써 고차모드를 억제할 수 있다. 본 발명에서 채용된 요철패턴(P)은 리지부(R)의 양측면에 직접 형성되지 않으므로, 원하는 리지구조를 설계/형성하는데 용이할 뿐만 아니라, 상부전극과의 접속불량으로 인한 전기적 특성의 저하를 방지할 수 있다. 또한, 열이 집중적으로 발생되는 전극형성부위와 이격된 부분에 위치하므로, 열로 인한 광분산효과의 불안정성을 완화시킬 수 있다.
본 발명에서 채용된 요철패턴(P)의 간격(g)과 깊이(d)는 파장에 따라 적절히 선택하여 사용할 수 있으며, 그 간격(g)을 주기적으로 형성하거나 그 깊이(d)를 균일하게 형성할 수 있으나, 비주기적인 간격과 불균일한 깊이로 불규칙한 패턴으로 형성할 수도 있다. 바람직하게, 상기 요철패턴(P)의 간격(g)은 레이저광의 파장보다 작고, 그 파장의 1/2보다 큰 길이를 갖는다.
도 3a는 본 발명의 다른 실시형태에 따른 반도체 레이저 소자를 나타내는 개략사시도이다.
도 3a에 도시된 반도체 레이저 소자(30)는, 도2와 유사하게 반도체 기판(31)과 그 상면에 순차적으로 형성된 제1 도전형 클래드층(32), 활성층(24) 및 제2 도전형 클래드층(35)을 포함하며, 상기 제2 도전형 클래드층(35)의 상부 영역은 리지부(R)를 갖는다, 상기 리지부(R) 상단에는 제2 도전형 캡층(37)을 추가로 형성될 수 있다.
상기 제2 도전형 클래층(35)의 상면 영역에 형성된 요철패턴(P)은 도 2와 유사한 물결무늬를 갖지만, 상기 리지부(R)와 소정의 간격(a)으로 이격된 고차모드의 주발진영역에 형성된다.
상기 요철패턴이 형성되는 고차모드의 주발진영역은 원하는 기본모드의 손실을 최소화하는 범위에서 고차모드분포와 겹쳐지는 부분이 최대화가 되도록 정해진다. 도3b에 도시된 바와 같이, 기본모드분포는 리지중심에 피크가 위치하도록 대칭적으로 형성되는 반면에, 고차모드(2차모드)분포는 기본모드분포와 일부가 겹쳐지면서 그 분포의 양측부에 발생된다. 따라서, 고차모드를 억제하기 위한 요철패턴(P)는 고차모드발진을 억제하기 위해서, 고차모드분포가 급격히 증가되는 지점에 형성하는 것이 바람직하지만, 보다 바람직하게는 기본모드에서의 손실이 최소화되도록 리지부(R)로부터 소정의 간격(a)을 이격되도록 형성한다.
보다 구체적으로, 상기 요철패턴(P)이 형성되는 시작위치는 고차모드분포가 약 80%이상이 되는 지점이 바람직하며, 고차모드분포가 약 80%이상이 되면서 기본모드분포는 20%미만이 되는 지점이 보다 바람직하다. 다만, 이러한 기본모드 및 고차모드분포에 따른 요철패턴(P)의 형성위치는 리지폭 등과 관련된 레이저의 공진설 계에 따라 다소 달리 적용될 수 있다.
도 4a 및 도 4b는 각각 본 발명에서 채용가능한 다양한 요철패턴을 갖는 반도체 레이저 소자를 나타내는 개략사시도이다. 본 발명에서 사용되는 요철패턴(P)은 고차모드의 주발진영역에서 광산란을 유도하여 고의적인 광손실이 발생시키는 구조이므로, 다양한 형태로 채용될 수 있다.
우선, 도 4a에 도시된 반도체 레이저 소자(40)는, 반도체 기판(41)과 그 상면에 순차적으로 형성된 제1 도전형 클래드층(42), 활성층(44) 및 제2 도전형 클래드층(45)을 포함한다. 상기 제2 도전형 클래드층(45)의 상부 영역은 리지부(R)를 갖는다, 상기 리지부(R) 상단에는 제2 도전형 캡층(47)을 추가로 형성될 수 있다.
상기 제2 도전형 클래층(45)의 상면 영역에 형성된 요철패턴(P)은 상기 리지부(R)와 소정의 간격(a)으로 이격된 고차모드의 주발진영역에 위치하며, 불규칙한 다수의 요철로 형성된다.
도4b에 도시된 다른 형태에 따른 반도체 레이저 소자(50)는 도4a와 유사하게 반도체 기판(51)과 그 상면에 순차적으로 형성된 제1 도전형 클래드층(52), 활성층(54), 제2 도전형 클래드층(55) 및 제2 도전형 캡층(57)을 포함하지만, 상기 제2 도전형 클래층(55)의 상면 영역에 형성된 요철패턴(P)은 상기 리지부(R)와 소정의 간격(a)으로 이격된 고차모드의 주발진영역에 위치하며, 리지부(R)배열방향과 평행한 물결무늬를 갖도록 형성된다.
본 발명에서 채용된 요철패턴(P)은 리지부(R)를 형성하는 선택적 에칭공정 후에, 적절한 패턴의 마스크를 이용하여 추가적인 습식에칭공정을 통해 용이하게 형성할 수 있다. 또한, 도 1a에 도시된 종래의 형태와 비교하여, 리지구조의 설계 및 공정에 있어서 보다 큰 마진이 허용되며, 보다 큰 폭의 리지를 형성할 수 있다.
도 5a는 AlGaAs기판 상에 AlGaInP계 반도체층으로 형성된 반도체 레이저 소자에서 각 모드의 광과 전류의 관계를 측정한 그래프이다. 여기서, 점선은 기본모드광-전류의 관계로서, 발진문턱전류가 약 60㎃정도를 나타낸다. 본 발명의 요철패턴이 적용되지 않은 반도체 레이저(AlGaInP계 물질의 흡수계수, 약 5㎝-1임)에서 고차모드광의 발진문턱전류는 A로 표시된 바와 같이, 약 110㎃로 나타나는데 반해, 리지부 양측에 위치한 제2 도전형 클래드층의 상면영역에 요철패턴이 적용되어 흡수계수가 각각 15㎝-1 , 25㎝-1에 해당하는 경우(각각 B,C로 표시됨)에, 고차모드발진 문턱전류가 123㎃, 135㎃로 증가하였다.
보다 구체적으로, 도 5b에 도시된 바와 같이, 본 발명의 요철패턴에 의해 흡수계수가 25㎝-1에 해당하는 경우(C)에 종래의 AlGaInP 반도체 레이저(흡수계수 5㎝-1인 "A")에 비해 25㎃의 문턱전류가 증가한 것으로 나타났으며, 이는 실제 반도체 레이저 동작에서 70㎽정도의 킹크레벨이 증가하는 것을 의미한다.
이와 같이, 고차모드발진 문턱전류의 증가와 그에 따른 레이저특성의 향상 은 고차모드의 주발진영역에서 형성된 요철패턴에 의해 상기한 흡수계수에 상당하는 광손실이 발생된 것이 기초한다.
본 실시예는 AlGaInP계 반도체 레이저 소자에 한정되어 설명되어 있으나, AlGaAs 및 AlGaInP계 등의 다양한 반도체물질을 사용하는 반도체 레이저 소자에서도 리지부의 양측에 위치한 제2 도전형 클래드층 상면영역에 광산란을 위한 요철패턴을 형성함으로써 유사한 고차모드 발진억제효과를 기대할 수 있다.
상술한 실시형태 및 첨부된 도면은 바람직한 실시형태의 예시에 불과하며, 본 발명은 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 자에게는 자명할 것이다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 반도체 레이저 소자는 리지구조를 변경하지 않고, 리지의 양측에 위치한 제2 도전형 클래드층 상면영역에 광산란을 위한 요철패턴을 형성함으로써 고차원모드의 주된 발진영역에서 웨이브가이딩 분산(waveguiding scattering)에 의한 광손실을 통해 고차모드발진을 효과적으로 억제할 수 있다. 따라서, 고출력에서 단일모드를 유지하면서도 원하는 리지구조를 용이하게 설계/형성할 수 있을 뿐만 아니라, 상부전극과의 접속불량으로 인한 전기적 특성의 저하를 방지할 수 있다. 또한, 열이 집중적으로 발생되는 전극형성부위와 이격된 부분에 위치하므로, 열로 인한 광분산효과의 불안정성을 완화시킬 수 있다.

Claims (14)

  1. 반도체 기판;
    상기 반도체 기판 상에 형성된 제1 도전형 클래드층;
    상기 제1 도전형 클래드층 상에 형성된 활성층; 및
    상기 활성층 상에 형성되며, 상부를 향해 돌출된 리지부를 갖는 제2 도전형 클래드층을 포함하며,
    상기 리지부 양측에 위치한 상기 제2 도전형 클래드층 상면 영역에 고차모드 발진이 억제되도록 광을 산란시키는 요철부가 형성된 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 요철부는 상기 리지부의 하단부에서부터 형성된 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 소자.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 요철부는 상기 리지부의 하단부로부터 소정의 간격이 이격되어 형성된 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 소자.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 요철부는 상기 리지부의 방향과 수직을 이루는 물결패턴으로 형성된 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 소자.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 요철부는 상기 리지부의 방향과 평행한 물결패턴으로 형성된 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 소자.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 요철부는 비주기적인 간격과 균일하지 않은 깊이로 형성된 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 소자.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 요철부는 상기 레이저의 광파장보다는 짧고 그 광파장의 1/2보다는 긴 간격을 갖도록 형성된 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 소자.
  8. 반도체 기판 상에 제1 도전형 클래드층, 활성층 및 제2 도전형 클래드층을 순차적으로 형성하는 단계;
    상기 제2 도전형 클래드층의 상부영역을 선택적으로 에칭하여 상부를 향해 돌출된 리지부를 형성하는 단계; 및
    상기 리지부 양측에 위치한 제2 도전형 클래드층 상면 영역에 고차원모드 발 진이 억제되도록 광을 산란시키는 요철부를 형성하는 단계를 포함하는 반도체 레이저 소자 제조방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 요철부는 상기 리지부의 하단부에서부터 형성된 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 소자 제조방법.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 요철부는 상기 리지부의 하단부로부터 소정의 간격이 이격되어 형성된 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 소자 제조방법.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 요철부는 상기 리지부의 방향과 수직을 이루는 물결패턴으로 형성된 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 소자 제조방법.
  12. 제8항에 있어서,
    상기 요철부는 상기 리지부의 방향과 평행한 물결패턴으로 형성된 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 소자 제조방법.
  13. 제8항에 있어서,
    상기 요철부는 비주기적인 간격과 균일하지 않은 깊이로 형성된 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 소자 제조방법.
  14. 제8항에 있어서,
    상기 요철부는 상기 레이저의 광파장보다는 짧고 그 광파장의 1/2보다는 긴 간격을 갖도록 형성된 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 소자 제조방법.
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