KR20060136260A - 비대칭 광도파층을 지닌 반도체 레이저 다이오드 - Google Patents

비대칭 광도파층을 지닌 반도체 레이저 다이오드 Download PDF

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본 발명은 반도체 레이저 다이오드에 관한 것이다. 기판 상에 순차적으로 형성된 n-하부 클래드층, n-광도파층, 활성층, p-광도파층 및 p-상부 클래드층;을 포함하는 반도체 레이저 다이오드에 있어서, 상기 n-광도파층의 두께는 상기 p-광도파층의 두께보다 두꺼운 비대칭 광도파층을 지닌 반도체 레이저 다이오드를 제공한다.

Description

비대칭 광도파층을 지닌 반도체 레이저 다이오드{Semiconductor laser diode with asymmetric waveguide layer}
도 1a는 미국특허 5,904,549호는 GaInNAs 레이저 다이오드에 관해 개시한다
도 1b은 종래 기술에 따른 Mg에 의한 광흡수를 줄이기 위한 반도체 레이저 다이오드의 단면도이다.
도 2a는 본 발명의 실시예에 의한 비대칭 광도파층을 지닌 반도체 레이저 다이오드의 구조를 나타낸 도면이다.
도 2b는 상기 도 2a에 나타낸 본 발명의 실시예에 의한 비대칭 광도파층을 지닌 반도체 레이저 다이오드의 각 층의 굴절률과 레이저 발진시의 광필드(optical field)를 나타낸 도면이다.
도 3은 n-광도파층의 두께에 따른 Mg 도핑층에 광필드가 존재하는 비율을 나타낸 그래프이다.
도 4a는 p-광도파층 및 n-광도파층의 두께가 약 30nm인 레이저 다이오드의 전류에 따른 출력 광의 세기를 나타낸 도면이다.
도 4b는 p-광도파층의 두께가 약 30nm이며, n-광도파층의 두께가 약 300nm인 레이저 다이오드의 전류에 따른 출력 광의 세기를 나타낸 도면이다.
도 5a는 p-광도파층의 두께를 약 30nm로 고정시킨 레이저 다이오드에서, n- 광도파층의 두께의 변화에 따른 킹크 레벨 세기를 나타낸 그래프이다.
도 5b는 p-광도파층의 두께를 약 30nm로 고정시킨 레이저 다이오드에서, n-광도파층의 두께의 변화에 따른 파필드 패턴(far field pattern)의 버티컬 앵글(vertical angle)의 크기를 나타낸 그래프이다.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >
20... 기판 21... n-클래드층
22... n-광도파층 23... 활성층
24... p-광도파층 25... 전자 블로킹층
26... p-클래드층 27... p-전극층
본 발명은 반도체 레이저 다이오드에 관한 것으로, 보다 상세하게는 n-광도파층의 두께를 p-광도파층의 두께보다 두껍게 형성시켜 p-영역의 Mg에 의한 광손실을 감소시킨 반도체 레이저 다이오드에 관한 것이다.
현재 다양한 정보 처리 기기의 광원으로 이용되는 반도체 레이저 다이오드는 정보 밀도를 높이기 위해서 인가 전력에 비해 방출 광추출 효율이 높은 것이 요구되어 진다. 따라서, 레이저 다이오드의 구조를 최적화시키기 위한 연구들이 이루어지고 있다.
그러나, 레이저 다이오드의 동작은 소자의 출력 포화(power saturation)와 COD(catastrophic optical damage)에 의하여 제한된다. 출력 포화 현상은 높은 전류 주입 밀도(current injection density)에서 이득분포의 변형에 의해 유발된다. COD는 레이저 다이오드의 발광면(facet)에서 발생하는 국부적 온도 상승에 의해 발광면이 손상되는 현상이다. 이를 극복하기 위해, 종래에는 반도체 레이저 다이오드 구조에 비흡수 반사면(non-absorbing mirror : NAM) 구조, 박막 활성층(thin active layer : TAL) 구조 또는 광 공진층(optical cavity) 등을 채용하는 등의 노력이 이루어져 왔다. 즉, 광모드를 넓혀서 발광면에서의 광 출력 밀도(optical power density)를 낮추고자 하는 것이다.
도 1은 미국특허 5,904,549호에 개시된 GaInNAs 레이저 다이오드의 구조를 나타낸 도면이다. GaInNAs 레이저 다이오드는 장파장 레이저 소자이다.
도 1을 참조하면, 종래 GaInNAs 레이저 다이오드는 GaAs 기판(6), n-AlxGa1-xAs 하부 클래드층(5), Ga1-xInxNyAs1-y 활성층(4) 및 p-AlxGa1-xAs 상부 클래드층(3)을 포함한다. 상부 클래드층(3) 상에는 콘택층(2) 및 p-전극층(1)이 형성되어 있다. 그리고 기판(6)의 하부에는 n-전극층(7)이 형성되어 있다.
이러한 종래의 레이저 다이오드는 높은 굴절률(n1)을 가지는 액티브 레이어(4)을 중심으로 그 상하에 대칭적으로 형성된 상대적으로 낮은 굴절률(n2)을 가지는 상하 클래드층(3, 5)에 의해 대칭적 광도파 구조를 가진다. 따라서, 필드(field)는 p- 및 n-AlGaAs 상하 클래드층(3, 5)들에 대해 균등하게 분포가 되고 필드의 상당 부분이 상하부 클래드층(3, 5)으로 확장되어 있다. 이러한 대칭적 광도파 구조는 GaAs 기판을 사용하는 장파장 GaInNAs 양자 우물에 그대로 적용할 경우 p-클래드층에서 필드가 많이 분포하게 되며 따라서 소자 동작시 자유 전하 흡수(free carrier absorption)가 크게 작용한다.
이와 같은 대칭 구조의 반도체 레이저 다이오드에서는 특히, p형 불순물로 도핑하는 물질, 예를 들어 Mg가 이 상부 클래드층(3)의 격자 결함을 유발할 수 있기 때문에, 광모드가 상부 클래드층(3)쪽으로 치우쳐 광학적 열화에 약한 단점이 있다.
이러한 단점을 극복하기 위해, 도 1b와 같이 활성(active)층과 Mg 도핑층, 예를 들어 p-클래드층 사이에 비도핑층(undoped layer)을 형성시켜, 광모드와 Mg-도핑층의 오버랩(overlap)을 줄여서 소자 내부의 광손실을 방지하기 위한 노력들이 행해지고 있다.
본 발명의 목적은 상기 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, p 형 불순물에 의한 광손실을 방지할 수 있으며, 광추출 효율을 향상시킬 수 있는 고출력 반도체 레이저 다이오드를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서는
기판 상에 순차적으로 형성된 n-하부 클래드층, n-광도파층, 활성층, p-광도파층 및 p-상부 클래드층;을 포함하는 반도체 레이저 다이오드에 있어서, 상기 n-광도파층의 두께는 상기 p-광도파층의 두께보다 두꺼운 비대칭 광도파층을 지닌 반 도체 레이저 다이오드를 제공한다.
본 발명에 있어서, 상기 n-광도파층의 두께는 50nm 내지 1000nm인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 p-광도파층은 InxGa1-xN(0≤x≤0.2)을 포함하는 물질로 한층 또는 다층 구조로 형성된 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 p-상부 클래드층은 중앙부가 돌출된 메사 구조를 지니며, 상기 p-상부 클래드층 상에 형성된 p-전극을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 p-광도파층 내에 형성된 전자 블로킹층을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 활성층 다중 양자 장벽(MQW) 구조로 형성된 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 의한 반도체 레이저 다이오드에 관하여 상세히 설명하기로 한다.
도 2a는 본 발명의 실시예에 의한 비대칭 광도파층을 지닌 반도체 레이저 다이오드를 나타낸 단면도이다.
도 2a를 참조하면, 기판(20) 상에 n-하부 클래드층(21), n-광도파층(22), 활성층(23), p-광도파층(24) 및 p-상부 클래드층(26)이 순차적으로 형성되어 있다. p-상부 클래드층(26) 상에는 p-전극층(27)이 형성되어 있다. p-상부 클래드층(26) 은 메사 구조로 형성될 수 있으며, 선택적으로 p-광도파층(24) 내에는 전자차단층(25)이 더 형성될 수 있다. 또한, n-하부 클래드층(21)에 전류를 인가하는 n-전극(미도시)을 더 포함할 수 있다.
본 발명은 n-광도파층(22)을 p-광도파층(24)보다 두껍게 형성시킨 것을 특징으로 한다. 구체적으로 n-광도파층(22)의 두께는 50nm이상 1000nm 이하로 형성시킨 것이 바람직하다. 이는 레이저 발진시 광모드를 p-도핑층(p-광도파층, p-상부 클래드층)보다 n-도핑층(n-광도파층, n-상부 클래드층) 쪽으로 치우치게 하여, p-도핑층에 도펀트로 사용되는 Mg에 의한 광학적 열화 현상을 최소한으로 줄여 광추출 효율을 향상시키기 위한 것이다.
상기 각 층들을 구성하는 물질을 구체적으로 예를 들어 설명하면 다음과 같다. 기판(20)은 실리콘이나 GaN 등의 반도체 물질로 형성시킬 수 있다. n-하부 클래드층(21) 및 p-상부 클래드층(26)은 AlxGa1-xN(0≤x≤0.2)으로 형성시킬 수 있으며, 특히 n-하부 클래드층은 AlxGa1-xN(0≤x≤0.2)을 포함하는 물질로 한층 또는 다층 구조로 형성시킬 수 있다. p-광도파층(22) 및 n-광도파층(24)은 InxGa1-xN(0≤x≤0.2)으로 형성시킬 수 있다. 활성층(23)은 단일 물질 또는 Ga1-xInxNyAs1-y(GaInNAs/GaAs 또는 GaInNAs/GaNAs)와 같은 MQW(multi quantum barrier) 구조로 형성시킬 수 있다. 그리고, 전자 블로킹층(25)은 AlxGa1-xN(0≤x≤0.3)으로 형성시킬 수 있다.
도 2b는 상기 도 2a에 나타낸 본 발명의 실시예에 의한 비대칭 광도파층을 지닌 반도체 레이저 다이오드의 각 층의 굴절률과 레이저 발진시의 광필드(optical field)를 나타낸 도면이다.
도 2a 및 2b를 참조하면, n-광도파층(22)과 p-광도파층(24)의 굴절률은 상하부 클래드층(26, 21)의 굴절률보다는 크고, 활성층(23)의 굴절률보다는 작다. 레이저 발진시, 활성층(23)에서 발생하는 광은 활성층(23)을 중심으로 n-광도파층(22) 및 p-광도파층(24)을 통해 전파된다. 만일 n-광도파층(22) 및 p-광도파층(24)의 두께가 동일한 경우에는 광필드가 활성층(23)을 중심으로 대칭 구조를 이루며 전파될 것이다. 그러나, 본 발명의 실시예는 n-광도파층(22)의 두께가 p-광도파층(24)의 두께보다 두꺼운 비대칭 구조를 지니고 있으므로, 도 2b와 같이 광필드가 n-광도파층(22) 쪽으로 치우친 비대칭 구조로 전파된다.
본 발명의 실시예에 의한 비대칭 광도파층을 지닌 반도체 레이저 다이오드의 특성을 살펴보기 위하여, p-광도파층(24)의 두께를 30nm로 고정하고, n-하부 클래드층(21)의 Al 성분비를 4% 및 6%로 형성시킨 레이저 다이오드에 대해 n-광도파층(22)의 두께를 변화시켜 가면서 그 광추출 특성을 실험해 보았다.
도 3은 n-광도파층의 두께에 따른 Mg 도핑층에 광필드가 존재하는 비율을 나타낸 그래프이다. 여기서, 가로축은 GaN(x=0)의 성분으로 형성시킨 n-광도파층(22)의 두께를 나타낸 것이며, 세로축은 p형 도펀트인 Mg 도핑 영역(p-광도파층 및 p-상부 클래드층)의 confinement factor, 즉, 광필드가 Mg 도핑 영역에 존재하는 비율을 나타낸 것이다.
도 3을 참조하면, n-광도파층(22)의 두께가 증가함에 따라, Γ(Mg)는 감소하는 것을 알 수 있다. 구체적으로 n-광도파층(22)의 두께가 100nm인 경우에 p-광도파층(24)의 두께와 같은 30nm인 경우에 비해 Γ(Mg)가 약 30% 정도 감소하여, 광필드의 Mg가 도핑되어 있는 영역에서의 존재하는 비율이 크게 감소한 것을 알 수 있다. 따라서, n-광도파층(22)의 두께가 두꺼워질수록 Γ(Mg)가 감소함으로써 광손실이 감소하게되는 것이다.
도 4a 및 도 4b를 참조하여, 레이저 다이오드에 인가한 전류의 크기에 따른 발진 광의 세기를 살펴보도록 한다. 도 4a는 p-광도파층 및 n-광도파층의 두께가 약 30nm인 레이저 다이오드의 전류에 따른 출력 광의 세기를 나타낸 도면이다. 도 4b는 p-광도파층의 두께가 약 30nm이며, n-광도파층의 두께가 약 300nm인 레이저 다이오드의 전류에 따른 출력 광의 세기를 나타낸 도면이다.
도 4a를 참조하면, p-광도파층 및 n-광도파층의 두께가 30nm로 동일한 크기인 경우, 즉 종래 기술에 의한 반도체 레이저 다이오드의 경우에는, 약 45mA에서 1차 모드의 광이 발진하여 다중 횡모드로 동작하는 것을 알 수 있다.
그러나, 도 4b를 참조하면, p-광도파층의 두께가 약 30nm이며, n-광도파층의 두께가 약 300nm로 본 발명의 실시예에 의한 비대칭 구조의 반도체 레이저 다이오드의 경우에는 1차 모드의 threshold가 크게 증가하여 약 250mW까지 단일 횡모드로 동작하는 것을 알 수 있다.
도 5a는 p-광도파층의 두께를 약 30nm로 고정시킨 레이저 다이오드에서, n-광도파층의 두께를 30nm에서 300nm로 변화시켰을 때의 킹크 레벨의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 5a를 참조하면, n-광도파층(22)의 두께가 p-광도파층(24)의 두께와 같은 30nm인 경우에는 킹크 레벨이 도 4a와 마찬가지로 약 25mW(total power와 fundamental mode가 나눠지는 부분)인 것을 알 수 있다. 그러나, n-광도파층(22)의 두께가 점점 두꺼워질수록 킹크 레벨이 증가하여 도 4b와 마찬가지로 킹크 레벨이 250mW로 크게 증가한 것을 알 수 있다. 따라서, n-광도파층(22)의 두께를 두껍게 형성시킬 수록, 레이저 다이오드의 발진시 higher-order 모드의 광의 발생을 억제시켜 단일 횡모드의 광을 발생시키는 것을 확인할 수 있다.
도 5b는 p-광도파층의 두께를 약 30nm로 고정시킨 레이저 다이오드에서, n-광도파층의 두께의 변화에 따른 파필드 패턴(far field pattern)의 버티컬 앵글(vertical angle)의 크기를 나타낸 그래프이다.
도 5b를 참조하면, n-광도파층(22)의 두께가 p-광도파층(24)의 두께와 같은 30nm인 경우에는 파필드 패턴의 버티컬 앵글이 약 30도 가까이 되었다. 그러나, n-광도파층(22)의 두께가 점점 두꺼워질수록 파필드 패턴의 버티컬 앵글이 감소하는 것을 알 수 있다.
상기한 설명에서 많은 사항이 구체적으로 기재되어 있으나, 그들은 발명의 범위를 한정하는 것이라기보다, 바람직한 실시예의 예시로서 해석되어야 한다. 따라서, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 의하여 정하여 질 것이 아니고 특허 청구범위에 기재된 기술적 사상에 의해 정하여져야 한다.
본 발명에 의하면 다음과 같은 장점이 있다.
첫째, 활성층 상하부에 형성되는 광도파층의 두께를 n-광도파층이 더 두껍게 형성시켜 상부 클래드층의 불순물에 의한 결정 결함에 의해 발생하는 광손실을 방지함으로써 문턱 전류값을 낮추고, 높은 인가 전류에 따른 광추출효율의 감소를 방지할 수 있다.
둘째, 펀더멘탈 모드와 제 1차 모드(1st order mode)의 이득(gain)의 차이를 크게하여, higher order 모드를 억제하여 레이저 다이오드 소자의 킹크 레벨을 향상시킬 수 있다.
세째, n-광도파층의 두깨를 충분히 두껍게 하면, 그 영역에 한정(confine)되는 니어필드(near field)의 크기가 커지게된다. 따라서, p-도핑 영역에서의 광의 집중도가 감소되어 COD 레벨을 향상시킬 수 있고, 파필드 버티컬 앵글을 감소시킬 수 있다.
네째, n형 클래드층을 두껍게 형성시키는 경우 크랙을 유발하여 반도체 소자의 특성에 악영향을 줄 수 있으므로, 크랙 발생의 염려가 낮은 n-광도파층의 두께를 조절함으로써 크랙의 발생을 방지할 수 있다.

Claims (6)

  1. 기판 상에 순차적으로 형성된 n-하부 클래드층, n-광도파층, 활성층, p-광도파층 및 p-상부 클래드층;을 포함하는 반도체 레이저 다이오드에 있어서, 상기 n-광도파층의 두께는 상기 p-광도파층의 두께보다 두꺼운 것을 특징으로 하는 비대칭 광도파층을 지닌 반도체 레이저 다이오드.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 n-광도파층의 두께는 50nm 내지 1000nm인 것을 특징으로 하는 비대칭 광도파층을 지닌 반도체 레이저 다이오드.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 p-광도파층은 InxGa1-xN(0≤x≤0.2)을 포함하는 물질로 한층 또는 다층 구조로 형성된 것을 특징으로 하는 비대칭 광도파층을 지닌 반도체 레이저 다이오드.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 p-상부 클래드층은 중앙부가 돌출된 메사 구조를 지니며,
    상기 p-상부 클래드층 상에 형성된 p-전극을 더 포함하는 것을 특징으로 하 는 비대칭 광도파층을 지닌 반도체 레이저 다아오드.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 p-광도파층 내에 형성된 전자 블로킹층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 비대칭 광도파층을 지닌 반도체 레이저 다이오드.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 활성층은 다중 양자 장벽(MQW) 구조로 형성된 것을 특징으로 하는 비대칭 광도파층을 지닌 반도체 레이저 다이오드.
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