KR20070033872A - 다파장 반도체 레이저 장치 - Google Patents

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KR20070033872A
KR20070033872A KR1020060057685A KR20060057685A KR20070033872A KR 20070033872 A KR20070033872 A KR 20070033872A KR 1020060057685 A KR1020060057685 A KR 1020060057685A KR 20060057685 A KR20060057685 A KR 20060057685A KR 20070033872 A KR20070033872 A KR 20070033872A
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semiconductor laser
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window
layer
length
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KR1020060057685A
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토루 타카야마
이사오 키도구치
타카유키 카시마
Original Assignee
마츠시타 덴끼 산교 가부시키가이샤
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Abstract

각 파장의 반도체 레이저 마다 각 파장의 출사광(出射光)에 대해서 최적인 FFP가 얻어지는 상이한 길이의 창 영역을 갖게 함으로써, 각 파장에 같은 정도의 광출력 의존성을 갖게 할 수 있기 때문에 광학계의 설계를 용이하게 할 수 있다.
다파장 반도체 레이저 장치

Description

다파장 반도체 레이저 장치{MULTI-WAVELENGTH SEMICONDUCTOR LASER DIODES}
도 1은 본 발명의 다파장 반도체 레이저 장치의 단면 구조 모식도이다.
도 2는 본 발명의 다파장 반도체 레이저 장치의 창 구조를 도시하는 평면도이다.
도 3은 본 발명의 다파장 반도체 레이저 장치에 있어서의 창부를 도파(導波)하는 레이저 광의 광분포 강도 분포의 창 길이에 대한 의존성의 계산 결과를 도시하는 도면이다.
도 4A는 본 발명의 적색 레이저의 확장각의 창 길이 의존성을 도시하는 도면이다.
도 4B는 본 발명의 적색 레이저의 확장각의 창 길이 의존성을 도시하는 도면이다.
도 5A는 본 발명의 적외 레이저의 확장각의 창 길이 의존성을 도시하는 도면이다.
도 5B은 본 발명의 적외 레이저의 확장각의 창 길이 의존성을 도시하는 도면이다.
도 6A는 적외 레이저의 창 길이를 15㎛, 적색 레이저의 창 길이를 20㎛로 한 2파장 반도체 레이저 장치의 확장각의 광출력 의존성을 도시하는 도면이다.
도 6B는 적외 레이저의 창 길이를 15㎛, 적색 레이저의 창 길이를 20㎛로 한 2파장 반도체 레이저 장치의 확장각의 광출력 의존성을 도시하는 도면이다.
도 7A는 적외 레이저의 창 길이를 25㎛, 적색 레이저의 창 길이를 30㎛로 한 2파장 반도체 레이저 장치의 확장각의 광출력 의존성을 도시하는 도면이다.
도 7B는 적외 레이저의 창 길이를 25㎛, 적색 레이저의 창 길이를 30㎛로 한 2파장 반도체 레이저 장치의 확장각의 광출력 의존성을 도시하는 도면이다.
도 8은 본 실시형태의 2파장 반도체 레이저 장치에 있어서의 실온 CW에서의 전류-광출력 의존성을 도시하는 도면이다.
도 9A는 본 발명의 2파장 반도체 레이저 장치의 반도체층 형성 공정을 도시하는 공정 단면도이다.
도 9B은 본 발명의 2파장 반도체 레이저 장치의 반도체층 형성 공정을 도시하는 공정 단면도이다.
도 9C는 본 발명의 2파장 반도체 레이저 장치의 반도체층 형성 공정을 도시하는 공정 단면도이다.
도 9D는 본 발명의 2파장 반도체 레이저 장치의 반도체층 형성 공정을 도시하는 공정 단면도이다.
도 10A는 본 발명의 2파장 반도체 레이저 장치의 릿지(ridge)부 형성 공정을 도시하는 공정 단면도이다.
도 10B는 본 발명의 2파장 반도체 레이저 장치의 릿지부 형성 공정을 도시하는 공정 단면도이다.
도 10C는 본 발명의 2파장 반도체 레이저 장치의 릿지부 형성 공정을 도시하는 공정 단면도이다.
도 10D는 본 발명의 2파장 반도체 레이저 장치의 릿지부 형성 공정을 도시하는 공정 단면도이다.
도 11A는 적색 반도체 레이저에 있어서의 출력 파장 분포도이다.
도 11B는 적색 반도체 레이저에 있어서의 출력 파장 분포도이다.
도 12A는 적외 반도체 레이저에 있어서의 출력 파장 분포도이다.
도 12B는 적외 반도체 레이저에 있어서의 출력 파장 분포도이다.
도 13은 종래의 다파장 반도체 레이저 장치의 구조를 도시하는 사시도이다.
본 발명은 광디스크 장치의 픽업용 광원이나, 전자 장치, 정보 처리 장치 등에 필요한 광원으로서 사용되는 적색 파장이나 적외 영역 파장 등의 반도체 레이저를 모놀리식(monolithic)으로 형성하는 다파장 반도체 레이저 장치에 관한 것이다.
현재, 고밀도 기록이 가능하고 대용량의 디지털 비디오 디스크(DVD) 및 그 생성용의 DVD장치가 시판되고 있고, 금후 수요가 점점 증가하는 상품으로서 주목받고 있다. 이 DVD는 고밀도 기록이기 때문에 그 기록 재생용의 레이저 광원으로서는 발광 파장 650nm의 AlGaInP계 반도체 레이저가 사용되고 있다. 이것 때문에, 종래의 DVD장치의 광학 픽업에서는 발광 파장이 780nm의 AlGaAs계 반도체 레이저를 사 용하여 재생을 행하는 컴팩트 디스크(CD)나 미니 디스크(MD)를 재생할 수 없었다.
따라서, 이 문제를 해결하기 위해, 개별 패키지에 레이저 칩을 조립한 발광 파장이 650nm대의 AlGaInP계 반도체 레이저와 발광 파장이 780nm대의 AlGaAs계 반도체 레이저를 탑재한 광학 픽업이 채용되고 있다. 그러나, 상기한 바와 같은 광학 픽업은 AlGaInP계 반도체 레이저와 AlGaAs계 반도체 레이저의 두 개의 패키지가 탑재되어 있음으로써 사이즈가 크고, 따라서 DVD장치의 사이즈도 커져버린다는 문제가 생긴다. 따라서, 이 문제를 해결하기 위해 동일 기판 상에 성장된 반도체층에 의해 발광 소자 구조가 형성된 서로 발광 파장이 상이한 복수 종류의 반도체 레이저를 가지는 집적형 반도체 레이저 장치가 있다.
이러한 종래의 다파장 반도체 레이저 장치에 대해서 도 13을 이용해서 설명한다.
도 13은 종래의 다파장 반도체 레이저 장치의 구조를 도시하는 사시도이다.
도 13에 도시한 바와 같이, 이 종래의 다파장 반도체 레이저 장치에 있어서는 동일한 n형 GaAs기판(201)상에 발광 파장이 700nm대(예를 들면, 780nm)의 AlGaAs계 반도체 레이저(LD1)와, 발광 파장이 600nm대(예를 들면, 650nm)의 AlGaInP계 반도체 레이저(LD2)가 서로 분리된 상태로 집적화되어 있다. n형 GaAs기판(201)으로서는 예를 들면, (100)면 방위를 가지는 것이나 (100)면으로부터 예를 들면 5 ∼ 15°오프(off)된 면을 주면(主面)으로 하는 기판이 사용된다.
AlGaAs계 반도체 레이저(LD1)에 있어서는, n형 GaAs기판(201)상에 n형 GaAs 버퍼층(211), n형 AlGaAs 클래드층(212), 단일 양자 우물(SQW) 구조 또는 다중 양 자 우물(MQW)구조의 활성층(213), p형 AlGaAs 클래드층(214) 및 p형 GaAs 캡층(215)이 순차적으로 적층되어 있다. p형 AlGaAs 클래드층(214)의 상부 및 p형 GaAs 캡층(215)은 한 방향으로 연장되는 스트라이프(stripe) 형상을 갖는다. 이 스트라이프부의 양측 부분에는 n형 GaAs 전류 협착층(216)이 형성되어 있어, 이것에 의해 전류 협착 구조가 형성되어 있다. 스트라이프 형상의 p형 GaAs 캡층(215) 및 n형 GaAs 전류 협착층(216) 상에는 p측 전극(217)이 p형 GaAs 캡층(215)과 저항 접촉해서 설치되어 있다. p측 전극(217)으로서는 예를 들면, Ti/Pt/Au전극이 사용된다.
AlGaInP계 반도체 레이저(LD2)에 있어서는 n형 GaAs 기판(201)상에 n형 GaAs 버퍼층(221), n형 AlGaInP 클래드층(222), SQW구조 또는 MQW구조의 활성층(223), p형 AlGaInP 클래드층(224), p형 GaInP 중간층(225) 및 p형 GaAs 캡층(226)이 순차적으로 적층되어 있다. p형 AlGaInP 클래드층(224)의 상부, p형 GaInP 중간층(225) 및 p형 GaAs 캡층(226)은 한 방향으로 연장되는 스트라이프 형상을 갖는다. 이 스트라이프부의 양측 부분에는 n형 GaAs 전류 협착층(227)이 형성되어 있어, 이것에 의해 전류 협착 구조가 형성되어 있다. 스트라이프 형상의 p형 GaAs 캡층(226) 및 n형 GaAs 전류 협착층(227) 상에는 p측 전극(228)이 p형 GaAs 캡층(226)과 저항 접촉해서 설치되어 있다. p측 전극(228)으로서는 예를 들면, Ti/Pt/Au전극이 사용된다.
n형 GaAs 기판(201)의 이면에는 n측 전극(229)이 상기 n형 GaAs 기판(201)과 저항 접촉해서 설치되어 있다. 상기 n측 전극(229)으로서는 예를 들면, AuGe/Ni전 극이나 In전극이 사용된다.
이 경우, AlGaAs계 반도체 레이저(LD1)의 p측 전극(217) 및 AlGaInP계 반도체 레이저(LD2)의 p측 전극(228)은 패키지 베이스(300)상에 서로 전기적으로 분리된 상태로 설치된 히트 싱크(H1, H2) 상에 각각 납땜되어 있다.
상기와 같이 구성된 이 종래의 다파장 반도체 레이저 장치에 있어서는 p측 전극(217)과 n측 전극(229) 간에 전류를 흘려보냄으로써 AlGaAs계 반도체 레이저(LD1)를 구동할 수 있고, p측 전극(228)과 n측 전극(229) 간에 전류를 흘려보냄으로써 AlGaInP계 반도체 레이저(LD2)를 구동할 수 있도록 되어 있다. 그리고, AlGaAs계 반도체 레이저(LD1)를 구동함으로써 파장 700nm대(예를 들면, 780nm)의 레이저 광을 인출할 수 있고, AlGaInP계 반도체 레이저(LD2)를 구동함으로써 파장 600nm대(예를 들면, 650nm)의 레이저 광을 인출할 수 있도록 되어 있다. AlGaAs계 반도체 레이저(LD1)를 구동할 것인지, AlGaInP계 반도체 레이저(LD2)를 구동할 것인지의 선택은 외부 스위치의 스위칭 등에 의해 행할 수 있도록 되어 있다.
이상과 같이, 이 종래의 다파장 반도체 레이저 장치에 의하면, 발광 파장이 700nm대의 AlGaAs계 반도체 레이저(LD1)와 발광 파장이 600nm대의 AlGaInP계 반도체 레이저(LD2)를 가짐으로써 DVD용의 레이저 광과 CD 및 MD용의 레이저 광을 서로 독립적으로 인출할 수 있다. 이 때문에, 이 다파장 반도체 레이저 장치를 DVD장치의 광학 픽업에 레이저 광원으로서 탑재함으로써 DVD, CD 및 MD의 어떤 재생 또는 기록도 가능해진다. 이들 AlGaAs계 반도체 레이저(LD1) 및 AlGaInP계 반도체 레이저(LD2)는 동일한 n형 GaAs 기판(1)상에 성장된 반도체층에 의해 레이저 구조가 형 성되어 있음으로써 이 집적형 반도체 레이저 장치의 패키지는 하나로 된다. 이 때문에, 광학 픽업의 소형화를 도모할 수 있고, 따라서 DVD장치의 소형화를 도모할 수 있다.
금후, 재생 뿐만아니라 기록 기능을 가지는 기록 16배속 대응 DVD나 기록 48배속 대응의 CD-R이라는 고속 기록 가능한 광디스크 시스템용 광원의 수요가 점점 높아져 간다. 이 경우, 광원으로서 사용되는 레이저에는 적어도 200mW이상의 고출력 동작이 요구된다.
일반적으로, 반도체 레이저를 고출력 동작시킬 경우, 레이저 광을 인출하는 측의 공진기 단면(端面)(전단면)과 그 반대측의 공진기 단면(후단면)에는 각각 반사율 10%이하의 저 반사율, 및 반사율 85%이상의 고 반사율을 갖는 유전체 막의 코팅을 행한다. 이러한 저 반사율(AR; Anti Reflection)/고 반사율(HR; High Reflection) 코팅을 행함으로써 전류-광출력 특성에 있어서의 외부 미분 양자 효율[슬로프(slope) 효율]의 향상을 도모하고, 적은 주입 전류량으로 높은 광출력을 실현함과 아울러, 동작시에 있어서의 전단면의 레이저 광의 파워 밀도의 저감을 행하고, 레이저 광 자신의 광출력에 의해 레이저 단면이 용융 파괴되는 COD(Catastrophic Optical Damage)가 발생하는 것을 방지하고 있다.
이것에 대해, 상기한 바와 같이 기록 16배속 대응 DVD나 기록 48배속 대응의 CD-R이라는 고속 기록 가능한 광디스크 시스템용 광원에는 적어도 200mW이상의 고출력 동작이 요구된다. 이러한 200mW이상의 고출력 동작을 실현하기 위해 레이저의 공진기 단면에 AR/HR 코팅을 실시하고, 레이저 광을 인출하는 전단면측의 도파로 (導波路) 중의 광 파워 밀도를 낮추었다고 해도 동작시의 소비 전력 증대, 도파로 중의 광의 흡수 손실 증대에 따른 발열에 의해 레이저 단면부 부근의 활성층의 밴드갭이 축소되고, 레이저 광이 레이저 단면에서 흡수되어버리는 결과, COD가 발생되어버린다. 그 결과, AR/HR 코팅를 실시하는 것만으로는 수 천 시간 이상의 장기 신뢰성을 보증할 수 없다.
따라서, 레이저 단면부의 활성층에 불순물을 확산하고, 양자 우물 활성층을 무질서화한 창 영역으로 함으로써 레이저 단면부 부근에 있어서의 활성층의 밴드갭의 증대를 도모하여 COD의 발생을 방지하는 것이 유효하게 고려된다. 이것은 창 영역의 밴드갭이 활성층의 밴드갭 보다도 크기 때문에 동작시의 레이저 자신의 발열이나 레이저 단면에서의 오제(auger) 재결합이나, 밴드 내 광 흡수 손실에 의한 발열에 의해 단면부 부근의 창 영역에 있어서의 활성층의 밴드갭이 작아지더라도 레이저 광에 대해서 투명한 상태 즉, 창 영역의 밴드갭에 상당하는 파장 보다도 레이저 발진 광의 파장 쪽이 길기 때문에 창 영역에서 레이저 광이 흡수되는 것을 막을 수 있기 때문이다.
DVD, CD-R용 다파장 반도체 레이저 장치(이하, 2파장 반도체 레이저 장치)에 상기 창 구조를 형성하면, 고속 기록 가능한 광디스크 시스템용의 2파장 광원을 실현할 수 있다.
창 영역에서는 활성층이 불순물 확산에 의해 무질서화되기 때문에 도파로의 실효 굴절율이 창 영역과, 활성층이 무질서화되어 있지 않은 이득 영역에서 상이하게 된다. 이 때문에, 창 영역-이득 영역 경계에서 광의 결합 손실이 생기고, 광분 포가 산란되는 결과, 창부에서의 광분포는 공진기 방향에 대해서 변동된다. 이 광분포의 변동에 의해 창부 단면으로부터 출사(出射)된 레이저 광의 원거리 방사 패턴(이하, FFP라 함)은 창 영역의 길이에 의해 변동되어버린다.
FFP 패턴은 광디스크 시스템의 광학계에 의해, 렌즈의 광 이용 효율에 대단히 크게 영향을 주기 때문에 그 반값 전체 폭이 가장 광 이용 효율이 높은 FFP가 되도록 제작할 필요가 있다. 창 영역의 길이가 적절하지 않으면 이득부에서의 광분포를 아무리 정밀하게 설정해도 그 크기가 크게 변화되어, 소망의 반값 폭이 얻어지지 않는 결과, 렌즈에서의 광 이용 효율이 크게 저하되게 된다. 그 결과, 광 픽업 광학계에 있어서 고속 기록에 요구되는 광 강도를 얻을 수 없고, 실용상 중대한 지장을 초래하게 된다.
따라서, 창 영역 길이는 창부로부터 출사된 레이저 광에 대해서 소망의 FFP가 얻어지도록 적절하게 설정될 필요가 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 동일 기판 상에 형성된 다파장 반도체 레이저 장치에 대해서 각 파장의 레이저 광에 있어서의 FFP의 크기가 안정되어 소망의 FFP 패턴이 되는 창 구조를 가짐으로써, 광학계의 설계를 용이하게 할 수 있는 다파장 반도체 레이저 장치를 제공하는 것에 있다.
상기의 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 다파장 반도체 레이저 장치는 출력 파장이 상이한 복수의 반도체 레이저를 동일 기판에 모놀리식으로 형성해서 이루어 지는 다파장 반도체 레이저 장치로서, 상기 반도체 레이저의 활성층이 양자 우물 구조이고, 상기 활성층 상에 메사(mesa) 상의 릿지를 구비하며, 상기 활성층의 단면부에 불순물을 확산해서 형성된 창 영역의 길이가 상기 복수의 반도체 레이저 마다 상이한 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 반도체 레이저로서 적외 반도체 레이저와 적색 반도체 레이저를 모놀리식으로 형성하고, 2파장 반도체 레이저 장치로 되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 창 영역의 길이가 출력 파장이 짧은 반도체 레이저 정도로 긴 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 창 영역의 길이의 차이가 5㎛ ∼ 15㎛인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 적색 반도체 레이저에 있어서의 창 영역의 길이가 10㎛ 내지 30㎛, 상기 적외 반도체 레이저의 창 영역의 길이가 10㎛ 내지 25㎛이고, 또한 상기 적색 반도체 레이저의 창 영역의 길이가 상기 적외 반도체 레이저의 창 영역의 길이보다도 긴 것을 특징으로 한다.
또한, 이득부의 활성층에 있어서의 출력 파장과 상기 창 영역의 활성층에 있어서의 출력 파장의 차이가 적외 반도체 레이저 보다 적색 반도체 레이저 쪽이 큰 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 이득부의 활성층에 있어서의 출력 파장과 상기 창 영역의 활성층에 있어서의 출력 파장의 차이가 20nm이상인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 창 영역은 상기 적색 반도체 레이저, 상기 적외 반도체 레이저 모두 동일한 불순물 확산에 의해 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 불순물의 확산은 상기 창 영역과 상기 창 영역으로부터 공진기 방향으로 4O㎛이내의 영역에 확산된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 불순물은 Zn 또는 Si로 이루어진 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 메사 상의 릿지 측벽에는 각 반도체 레이저 모두 동일한 반도체층이 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 반도체층은 AlInP 전류 블록층인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 메사 상의 릿지 측벽에는 각 반도체 레이저 모두 동일한 유전체층이 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 유전체층은 SiN, SiO2, TiO2, Al2O3, 수소화 아모퍼스 Si 또는 그것들의 다층 구조로 이루어지는 재료인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 창 영역의 길이 보다 상기 활성층에 전류를 주입하기 위한 접촉층 단면으로부터 가장 가까운 공진기 단면까지의 거리 쪽이 긴 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 활성층에 전류를 주입하기 위한 접촉층 단면으로부터 가장 가까운 공진기 단면까지의 거리와 상기 창 영역의 길이의 차이에 관해서 상기 적색 반도체 레이저 쪽이 상기 적외 반도체 레이저 보다도 긴 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명의 실시형태에 대해서 도면을 참조하면서 설명을 행한다.
도 1은 본 발명의 다파장 반도체 레이저 장치의 단면 구조 모식도이다.
이 구조에 있어서, (100)면으로부터 [011]방향으로 10°경사진 면을 주면으 로 하는 n형 GaAs 기판(10)상에 적색 레이저와 적외 레이저가 모놀리식으로 집적화되어 있다. 우선, 적색 레이저의 구조부터 설명을 행한다.
적색 레이저는 n형 GaAs 버퍼층(11)(0.5㎛), n형(Al0 .7Ga0 .3)0.51In0 .49P 클래드층(12)(2.0㎛), 왜곡 양자 우물 활성층(13)으로서 (Al0 .5Ga0 .5)0.51In0 .49P(500Å) 제 1 가이드층(13g1)+(Ga0 .48In0 .52P(50Å×3)웰층(13w1∼w3)+(Al0 .5Ga0 .5)0.51In0 .49P(50Å×2)배리어(barrier)층(13b1, 13b2)]+(Al0 .5Ga0 .5)0.51In0 .49P(500Å) 제 2 가이드층(13g2), p형(Al0 .7Ga0 .3)0.51In0 .49P클래드층(14), p형Ga0 .51In0 .49P보호층(16)(500Å), p형GaAs 접촉층(0.4㎛)(17)이 형성되어 있다.
이 때, p형 (Al0 .7Ga0 .3)0.51In0 .49P클래드층(14)은 릿지 상부와 활성층(13)까지의 거리가 1.4㎛, 릿지 하단부와 활성층의 거리(dp)가 0.2㎛가 되도록 형성되어 있다.
또한, 상기 릿지 측면상에 n형 AlInP 전류 블록층(0.7㎛)(15)이 형성되어 있다. 이 구조에 있어서, p형 GaAs 접촉층(17)으로부터 주입된 전류는 전류 블록층(15)에 의해 릿지부에만 협착되고, 릿지 저부 하방에 위치하는 활성층(13)에 집중되어 전류 주입되며, 레이저 발진에 필요한 캐리어의 반전 분포 상태가 수 십 mA의 적은 주입 전류에 의해 실현된다. 이 때 생성된 활성층으로 주입된 캐리어의 재결합에 의해 발광한 빛은 활성층과 수직의 방향으로는 클래드층(12), 클래드층(14)에 의해 수직 방향의 빛 가두기가 행해지고, 활성층과 평행한 방향에 대해서는 AlInP 전류 블록층(15)은 클래드층 보다도 굴절율이 낮기 때문에 수평 방향의 빛 가두기가 생긴다. 또한, 전류 블록층(15)은 레이저 발진광에 대해서 투명하기 때문에 빛 흡수가 없어 저 손실의 도파로를 실현할 수 있다. 또한, 도파로를 전파하는 광분포는 전류 블록층(15)으로 크게 스며나올 수 있기 때문에 고출력 동작에 적합한 1O- 3오더(order)의 Δn을 용이하게 얻을 수 있고, 또한 그 크기를 dp의 크기로, 동일하게 1O- 3오더로 정밀하게 제어할 수 있다. 여기에서, Δn은 전류 주입 스트라이프 내와 스트라이프 외의 실효 굴절율 차이를 나타내고 있다. 이것 때문에, 광분포를 정밀하게 제어하면서, 저 동작 전류의 고출력 반도체 레이저를 얻을 수 있다.
이 때, 릿지 저부의 폭은 고차 횡 모드 발진을 억제하기 때문에 3.0㎛이하로 할 필요가 있다. 릿지 저부의 폭을 좁게 하면 릿지 상면의 폭도 릿지의 메사 상에 따라 좁아진다. 릿지 상면의 폭이 너무 좁아지면, 전류-전압 특성에 있어서의 시작 전압 후의 미분 저항(Rs)이 커지고, 고주파 전류의 중첩성, 및 광출력의 고속 변조 특성을 손상시킴과 아울러 동작 전압이 높아져 발열의 원인이 된다. 일반적으로, 8배속 이상의 고배속 DVD 시스템의 광원에 요망되는 Rs의 값은 5Ω이하의 값이 요구되고 있다.
적외 레이저는 n형 GaAs 버퍼층(21)(0.5㎛), n형(Al0 .7Ga0 .3)0.51In0 .49P 클래드층(22)(2.0㎛), 양자 우물 활성층(23)으로서 Al0 .5Ga0 .5As(200Å) 제 1 가이드층(23g1)+[GaAs30Å×3웰층(23w1∼w3)+Al0 .5Ga0 .5As(50Å×2) 배리어층(23b1, 23b2)]+ Al0.5Ga0.5 As(200Å) 제 2 가이드층(23g2), p형(Al0 .7Ga0 .3)0.51In0 .49P 클래드층(24), p형 Ga0 .51In0 .49P보호층(25)(500Å), p형 GaAs 접촉층(0.4㎛)(26)이 형성되어 있다.
이 때, p형 (Al0 .7Ga0 .3)0.51In0 .49P 클래드층(24)은 릿지 상부와 활성층(23)까지의 거리가 1.4㎛, 릿지 하단부와 활성층의 거리(dp)가 0.24㎛가 되도록 형성되어 있다.
또한, 상기 릿지 측면상에 n형 AlInP 전류 블록층(0.7㎛)(15)이 형성되어 있다. 이 구조에 있어서, p형 GaAs 접촉층(26)으로부터 주입된 전류는 전류 블록층(15)에 의해 릿지부에만 협착되고, 릿지 저부 하방에 위치하는 활성층(23)에 집중되어 전류 주입되며, 레이저 발진에 필요한 캐리어의 반전 분포 상태가 수 십 mA의 적은 주입 전류에 의해 실현된다. 이 때 생성된 활성층(23)으로 주입된 캐리어의 재결합에 의해 발광한 빛은 활성층(23)과 수직의 방향으로는 클래드층(22), 클래드층(24)에 의해 수직 방향의 빛 가두기가 행해지고, 활성층(23)과 평행한 방향에 대해서는 AlInP 전류 블록층(15)은 클래드층 보다도 굴절율이 낮기 때문에 수평 방향의 빛 가두기가 생긴다. 또한, 전류 블록층(15)은 레이저 발진광에 대해서 투명하기 때문에 빛 흡수가 없어 저 손실의 도파로를 실현할 수 있다. 또한, 도파로를 전파하는 광분포는 전류 블록층(15)으로 크게 스며나올 수 있기 때문에 적색 레이저부와 마찬가지로, 고출력 동작에 적합한 10- 3오더의 Δn을 용이하게 얻을 수 있고, 또한 그 크기를 dp의 크기로, 동일하게 10- 3오더로 정밀하게 제어할 수 있다. 이것 때문에, 광분포를 정밀하게 제어하면서 저 동작 전류의 고출력 반도체 레이저를 얻을 수 있다.
이 때, 릿지 저부의 폭은 고차 횡 모드 발진을 억제하기 때문에 3.2㎛이하로 할 필요가 있다. 릿지 저부의 폭을 좁게 하면, 릿지 상면의 폭도 릿지의 메사 상에 따라 좁아진다. 릿지 상면의 폭이 너무 좁아지면 Rs가 커지고, 고주파 전류의 중첩성, 및 광출력의 고속 변조 특성을 손상시킴과 아울러 동작 전압이 높아져 발열의 원인이 된다. 일반적으로, 8배속 이상의 고배속 DVD 시스템의 광원에 요망되는 Rs의 값은 5Ω이하의 값이 요구되고 있다.
또한, 70℃의 고온 동작시에 있어서, 누설 전류를 작게 하기 위해 200mW이상의 고출력 레이저에서는 공진기 길이를 1300㎛이상으로 하여 동작 전류 밀도를 저감하고 있다. 본 실시형태에서는 공진기 길이를 140O㎛로 하고 있다.
공진기 전단면, 후단면에는 반사율이 각각 적외 레이저 광, 적색 레이저 광에 대해서 모두 7%, 94%가 되도록 유전체 막의 코팅을 행하고 있다.
도 2에서 본 발명의 다파장 반도체 레이저 장치의 창 구조를 나타내는 평면도를 도시한다.
도 2에 도시한 바와 같이, 공진기 단면 부근의 양자 우물 활성층은 Zn 또는 Si를 사용한 불순물 확산에 의해 무질서화되고, 이득부의 활성층 보다도 밴드갭 에너지가 크며, 레이저 발진광에 대해서 투명한 창 영역이 형성되어 있다. 적외 레이저부의 전단면/후단면에는 전단면 창 영역(41a)(길이 25㎛), 후단면 창 영역(41b)(길이 25㎛)이 적색 레이저부의 전단면/후단면에는 전단면 창 영역(40a)(길이 30㎛), 후단면 창 영역(40b)(길이 25㎛)이 형성되어 있다.
창 영역을 공진기 단면 부근에 형성함으로써 창 영역의 밴드갭 에너지를 활성층의 밴드갭 에너지 보다도 크게 하고, 동작시의 레이저 자신의 발열이나 레이저 단면에서의 오제 재결합이나, 밴드 내 빛 흡수 손실에 의한 발열에 의해 단면부 부근의 창 영역에 있어서의 활성층의 밴드갭 에너지가 작아지더라도, 레이저 광에 대해서 투명한 상태 즉, 창 영역의 밴드갭에 상당하는 파장 보다도 레이저 발진광의 파장 쪽이 긴 상태를 유지할 수 있기 때문에 창 영역에서 레이저 광이 흡수되는 것을 막을 수 있다. 이 때문에, 창 구조를 가지는 반도체 레이저는 C0D되는 일 없이 열포화되는 광출력까지 동작시키는 것이 가능해진다.
그런데, 창 영역에서는 활성층이 불순물 확산에 의해 무질서화되기 때문에 도파로의 실효 굴절율이 창 영역과, 활성층이 무질서화되어 있지 않은 이득 영역에서 상이하게 된다. 이 때문에, 도파광이 받는 전반(傳搬) 정수가 이득부/창부에서 상이하게 되어 광의 결합 손실이 생기고, 창 영역-이득 영역 경계에서 광분포가 산란되는 결과, 창부에서의 광분포는 공진기 방향에 대해서 변동한다. 이 광분포의 변동에 의해, 창부 단면으로부터 출사된 레이저 광의 원거리 방사 패턴(FFP)은 창 영역의 길이에 의해 변동되어 버린다.
도 3은 본 발명의 다파장 반도체 레이저 장치에 있어서의 창부를 도파하는 레이저 광의 광분포 강도 분포의 창 길이에 대한 의존성의 계산 결과를 도시하는 도면이며, 본 발명의 반도체 레이저 장치에 있어서의 적색 레이저부의 구조에 대해 창부를 도파하는 레이저 광의 광분포 강도 분포(활성층에서의 성장층 두께 방향에 대한 중심 위치를 O㎛로 하여, 상하 클래드층 방향으로의 강도 분포)의 창 길이에 대한 의존성의 계산 결과를 나타내고, 거리 O㎛의 위치의 광 강도를 1로 해서 상하로 1O%씩 광 강도가 쇠퇴해가는 라인을 등고선으로 도시하고 있다.
도 3에 도시한 바와 같이, 창부에 있어서 광분포 강도의 폭은 창부/이득부 경계를 경계로 하여 창 영역에서 공진기 방향으로 진동하는 것을 알 수 있다. 이것은 창부/이득부에서 전반 정수가 상이하기 때문에 창부/이득부에서 광분포의 폭이 상이해지는 결과, 이 경계에서 산란된 도파광이 산란되지 않고 창부와 결합한 광분포와 간섭하는 결과, 광분포의 확장이 창 길이 방향에 대해서 진동한다고 생각된다. 본 실시형태의 반도체 레이저 장치에 있어서의 적색 레이저의 창부에서는 50㎛정도의 주기로 광분포의 폭이 진동한다는 것을 알 수 있다.
이것으로부터, 레이저 단면에서 출사된 FFP의 반값 전체 폭도 창 길이의 영향을 받아 진동한다는 것이 예상된다.
FFP 패턴은 광디스크 시스템의 광학계에 의해, 렌즈의 광 이용 효율에 대단히 크게 영향을 주기 때문에 그 반값 전체 폭이 가장 광 이용 효율이 높은 FFP가 되도록 제작할 필요가 있다. 창 영역의 길이가 적절하지 않으면, 이득부에서의 광분포를 아무리 정밀하게 설정해도 그 크기가 크게 변화되어 소망의 반값 폭이 얻어지지 않는 결과, 렌즈에서의 빛의 이용 효율이 크게 저하되게 된다. 그 결과, 광 픽업 광학계에 있어서 고속 기록에 요구되는 광 강도를 얻을 수 없어 실용상 중대한 지장을 초래하게 된다.
따라서, 창 영역 길이는 창부로부터 출사된 레이저 광에 대해서 소망의 FFP 가 얻어지도록 적절하게 설정할 필요가 있다.
상이한 활성층 재료로 이루어지는 다파장 레이저에서는 활성층의 굴절율이 서로 상이하기 때문에 창 길이는 상이한 값으로 설정할 필요가 있다. 동일 기판상에 다파장 레이저를 집적화할 경우는 동일한 불순물 확산 프로세스에 의해 창부를 형성하는 것이 소자 제작상 공정수가 감소되기 때문에 유리하다. 따라서, 불순물의 확산 상태를 개별적으로 설정하는 것은 불가능하여, 창부의 불순물 확산에 의한 굴절율 분포 변화를 개별적으로 최적화한 프로세스 조건의 설정이 곤란해진다. 이것으로부터도, 동일 기판상에 다파장 레이저를 집적화할 경우 소망의 FFP을 얻기 위해서는 창부의 길이를 복수의 반도체 레이저 마다 다르게 할 필요가 있다.
그 때문에, 도 2에 도시한 바와 같이 반도체 레이저 마다 상이한 길이의 창 영역 길이를 사용하고 있다. 도 2의 예에서는 적색 레이저의 창 영역 길이 보다 적외 레이저의 창 영역 길이를 짧게 하고 있다.
도 4는 본 발명의 적색 레이저의 확장각의 창 길이 의존성을 도시하는 도면이며, 도 4(a)는 수직 확장각의 창 길이 의존성, 도 4(b)는 수평 확장각의 창 길이 의존성을 도시한다.
5mW의 저 출력에 있어서는, 수직 확장각은 창 길이를 길게 함에 따라 작아지고, 창 길이 25㎛에 있어서 16°의 극소값을 취하여 그 후, 창 길이의 증대와 함께 수직 확장각이 커져 가는 것을 알 수 있다. 이것은 창부에서의 수직 방향의 광분포의 폭이 창 길이 25㎛ 부근에서 최대가 되기 때문이다고 생각된다.
수평 확장각은 창 길이 25㎛ 정도까지는 약간 좁아지는 경향이 있지만, 8.5 ° 정도에서 거의 일정한데, 그 후는 창 길이의 증대에 따른 수평 확장각의 크기가 증대되는 것을 알 수 있다. 이것은 창부가 25㎛이상으로 증대되면, 이득부 창부 경계에서 산란된 도파광의 영향으로 수평 방향의 광분포의 폭이 커지게 되어 수평 확장각이 커져 가기 때문이다.
광출력 80mW시의 적색부의 수직 및 수평 확장각의 창 길이 의존성도 함께 도 4에 도시하고 있다. 광출력을 증대하면 창 길이에 대한 수직 확장각의 변화율은 작아져서 창 길이 30㎛부근에서 극소값이 되는 것을 알 수 있다. 수평 확장 각도 창 길이 30㎛부근까지는 약간 좁아지는 경향이 있지만, 그 후는 창 길이의 증대에 따른 수평 확장각의 크기가 증대되는 것을 알 수 있었다. 이것은, 광출력의 증대에 의해 활성층에서의 동작 캐리어 밀도가 증대하는 결과, 플라즈마 효과에 의해 활성층의 굴절율이 저하되어 이득부의 전반 정수의 실부(實部)가 이득부에 대해 상대적으로 전반 정수의 실부의 작은 창부에 근접하기 때문에 간섭의 영향을 받는 거리가 길어진다고 추정된다. 창부의 전반 정수의 실부가 이득부의 실부에 대해서 작아지는 것은 창부의 활성층의 밴드갭 에너지가 이득부에 대해서 크고, 실제의 굴절율이 작아지기 때문이다.
이들 결과로부터, FFP를 광출력에 대해서 거의 일정하게 하기 위해서는 적색 레이저에서는 창 길이를 30㎛정도로 설정하면 좋다는 것을 알 수 있다.
도 5는 본 발명의 적외 레이저의 확장각의 창 길이 의존성을 도시하는 도면이며, 도 5(a)는 수직 확장각의 창 길이 의존성, 도 5(b)는 수평 확장각의 창 길이 의존성을 도시한다.
5mW의 저 출력에 있어서는, 수직 확장각은 창 길이를 길게 함에 따라 작아지고, 창 길이 20㎛에 있어서 17°의 극소값을 취하여 그 후, 창 길이의 증대와 함께 수직 확장각이 커져 가는 것을 알 수 있다. 이것은 창부에서의 수직 방향의 광분포의 폭이 창 길이 20㎛부근에서 최대가 되기 때문이라고 생각된다.
수평 확장각은 창 길이 20㎛정도까지는 약간 좁아지는 경향이 있고, 8° 정도에서 극소값을 취하며, 그 후는 창 길이의 증대에 따른 수평 확장각의 크기가 증대되는 것을 알 수 있다. 이것은 창부의 길이를 20㎛이상으로 증대하면, 이득부 창부 경계에서 산란된 도파광의 영향으로 수평 방향의 광분포의 폭이 커지게 되어 수평 확장각이 커져 가기 때문이다.
광출력 80mW시의 적색부의 수직 및 수평 확장각의 창 길이 의존성도 함께 도 5에 도시하고 있다. 광출력을 증대하면 창 길이에 대한 수직 확장각의 변화율은 작아지고, 창 길이 25㎛ 부근에서 극소값이 되는 것을 알 수 있다. 수평 확장각도 창 길이 25㎛부근까지는 약간 좁아지는 경향이 있지만, 그 후는 창 길이의 증대에 따른 수평 확장각의 크기가 증대되는 것을 알 수 있었다. 이것은 광출력의 증대에 의해 활성층에서의 동작 캐리어 밀도가 증대하는 결과, 플라즈마 효과에 의해 활성층의 굴절율이 저하되어 이득부의 전반 정수의 실부가 이득부에 대해 상대적으로 전반 정수의 실부가 작은 창부로 근접하기 때문에 간섭의 영향을 받는 거리가 길어진다고 추정된다.
이들 결과로부터, FFP를 광출력에 대해서 거의 일정하게 하기 위해서는 적외 레이저에서는 창 길이를 25㎛정도로 설정하면 좋다는 것을 알 수 있다.
또한, FFP가 광출력에 대해서 거의 일정하게 되는 거리도, 수직 확장각이 극소값을 취하는 거리도 적외 레이저는 적색 레이저에 비해 5㎛정도 작은 값이 된다는 것을 알 수 있었다. 이것은 후술하는 바와 같이, 적외부의 활성층의 이득부와 창부의 PL파장의 차이가 적색부의 활성층의 이득부와 창부의 PL파장의 차이 보다도 크지기 때문에 적외 레이저부에 있어서의 이득부/창부의 실효 굴절율 변화 쪽이 적색 레이저부에 있어서의 이득부/창부의 실효 굴절율 변화 보다도 작아지는 결과, 광분포는 이득부/창부 경계에서 받는 산란이 적외 레이저부 쪽이 적색 레이저부 보다도 작아지기 때문에 짧은 창 길이에서 광축 방향의 광 강도 분포의 변화가 극치를 취하기 때문이다.
이것으로부터, 예를 들면 적색 레이저부의 창 길이를 20㎛, 적외 레이저의 창 길이를 15㎛로 하면, 적색, 적외 모두 수평 및 수직 확장각의 광출력이 거의 선형성적으로 변화되는 2파장 레이저를 얻을 수 있다.
이와 같이, 적색 반도체 레이저부의 창 길이를 적외 반도체 레이저의 창 길이에 비해 5㎛정도 길게 설정하면 적외 반도체 레이저, 적색 반도체 레이저를 동일한 광학계로 설계할 경우 2파장 광학계에 대한 광의 이용 효율이 2개의 파장에서 거의 같은 광출력 의존성을 갖게 할 수 있기 때문에 렌즈를 포함하는 광학계의 설계를 용이하게 할 수 있다.
창 길이는 제작 프로세스 상의 마진(margin)이나 공진기를 형성할 때의 벽개(cleavage) 오차를 고려하면 그 길이는 적어도 1O㎛이상인 것이 바람직하다. 창 길이 10㎛이상의 범위에서 상기한 FFP를 광출력에 대해 거의 같은 의존성을 갖게 하기 위해 도 4, 도 5에 도시한 결과로부터 적외 레이저는 창 길이 10㎛ 내지 25㎛, 적색 레이저는 창 길이 10㎛ 내지 30㎛의 범위로 하면 좋다는 것을 알 수 있다. 특히, 적색 레이저의 창 길이를 적외 레이저의 창 길이에 대해 5㎛ 길게 설정하면, FFP의 광출력에 대한 변화율을 적외, 적색 레이저에서 거의 동일하게 할 수 있다.
창 길이는 전류 주입되지 않고, 이득을 가지지 않기 때문에 도파로에서의 손실부가 된다. 그 때문에 창 길이는 가능한 한 짧은 쪽이 좋고, 도 5에 도시한 바와 같이 적외 레이저부는 창 길이 1O㎛정도에서 수평, 수직 확장각의 창 길이에 대한 변동이 작아지기 시작하므로, 창 길이를 15㎛로 설정했을 경우 적색 레이저의 창부는 적외부의 창 길이와 비교해서 5㎛ ∼ 15㎛정도 길게 즉, 20㎛ ∼ 30㎛로 설정하면 적외, 적색의 2파장 레이저에 있어서 수평, 수직 확장각의 변동량이 작아지는 안정한 영역에 설정하는 것이 가능해진다.
도 6은 적외 반도체 레이저의 창 길이를 15㎛, 적색 반도체 레이저의 창 길이를 20㎛로 한 2파장 반도체 레이저 장치의 확장각의 광출력 의존성을 도시하는 도면이며, 도 6(a)은 수직 확장각의 광출력 의존성, 도 6(b)는 수평 확장각의 광출력 의존성을 도시한다.
도 6에서, 적외 반도체 레이저, 적색 반도체 레이저 모두 FFP의 크기의 광출력 의존성이 거의 같은 변화율로 되어 있는 것을 알 수 있다. 이러한 FFP의 크기의 광출력 의존성이 거의 같은 변화율이 되도록 각 파장의 반도체 레이저 마다 창 영역 길이를 설정함으로써 다파장 광학계의 설계를 용이하게 할 수 있다.
또한, 도 7은 적외 레이저의 창 길이를 25㎛, 적색 레이저의 창 길이를 30㎛로 한 2파장 반도체 레이저 장치의 확장각의 광출력 의존성을 도시하는 도면이며, 도 7(a)는 수직 확장각의 광출력 의존성, 도 7(b)는 수평 확장각의 광출력 의존성을 도시한다.
도 7로부터 알 수 있는 바와 같이, 적외 반도체 레이저, 적색 반도체 레이저 모두 FFP의 크기는 광출력 의존성이 대단히 작아 거의 같은 값으로 되어 있다. 이러한 경우, 2파장 광학계의 설계를 대단히 용이하게 하는 것이 가능해진다.
도 8은 본 실시형태의 2파장 반도체 레이저 장치에 있어서의 실온 CW에서의 전류-광출력 의존성을 도시하는 도면이다. 적외 반도체 레이저, 적색 반도체 레이저 모두 창 영역 때문에 200mW이상의 고출력 동작시에 있어서도 COD를 생성하고 있지 않다는 것을 알 수 있다.
이어서, 본 발명의 반도체 레이저의 제조 방법에 대해서 도 9, 도 10을 이용해서 설명을 행한다.
도 9는 본 발명의 2파장 반도체 레이저 장치의 반도체층 형성 공정을 도시하는 공정 단면도, 도 10은 본 발명의 2파장 반도체 레이저 장치의 릿지부 형성 공정을 도시하는 공정 단면도이다.
우선, n형 GaAs 기판(10) 상에 MOCVD법 또는 MBE법을 사용한 제 1 결정 성장 공정에 있어서 (100)면으로부터 [011]방향으로 10°경사진 면을 주면으로 하는 n형 GaAs 기판(10)상에 n형 GaAs 버퍼층(11)(0.5㎛), n형(Al0 .7Ga0 .3)0.51In0 .49P 클래드 층(12)(2.0㎛), 왜곡 양자 우물 활성층(13)으로서 (Al0 .5Ga0 .5)0.51In0 .49P(500Å) 제 1 가이드층(13g1)+[Ga0 .48In0 .52P(50Å×3)웰층(13w1∼w3)+(Al0 .5Ga0 .5)0.51In0 .49P(50Å×2)배리어층(13b1, 13b2)]+(Al0 .5Ga0 .5)0.51In0 .49P(500Å) 제 2 가이드층(13g2), p형 (Al0.7Ga0.3)0.51In0.49P 클래드층(14), p형 Ga0 .51In0 .49P 보호층(16)(500Å), p형 GaAs 접촉층(0.4㎛)(17), p형 Ga0 .51In0 .49P 경계층(18)(0.5Å)을 형성한다[도 9(a)].
본 실시형태에서는, 활성층(13)은 왜곡 양자 우물을 이용하고 있지만, 무왜곡 양자 우물 또는 벌크(bulk)를 이용해도 좋다. 또한, 활성층(13)의 도전형(導電型)은 특별히 기재되어 있지 않지만, p형이여도, n형이여도, 물론 언도프(undope)이여도 상관없다.
이어서, GaAs 기판(10)을 MOCVD 또는 MBE 반응 화로로부터 꺼낸 후, 포토리소그래피(photolithography)에 의해 적색 레이저 형성 영역 상에 레지스트 패턴(19)을 형성하고, 이 레지스트 패턴(19)을 마스크로 해서 황산계나 염산계의 에칭 액을 사용해서 마스크가 형성되어 있지 않은 적외 레이저 형성 영역 부분을 제거한다[도 9(b)].
레지스트를 제거한 후, 이어서 MOCVD법 또는 MBE법을 이용하여 n형 GaAs 버퍼층(21)(0.5㎛), n형 (Al0 .7Ga0 .3)0.51In0 .49P 클래드층(22)(2.O㎛), 양자 우물 활성층(23)으로서 Al0 .5Ga0 .5As(200Å) 제 1 가이드층(23g1)+[GaAs30Å×3웰층(23w1∼w3)+Al0.5Ga0.5As(50Å×2)배리어층(23b1, 23b2)]+Al0 .5Ga0 .5As(200Å) 제 2 가이드 층(23g2), p형(Al0 .7Ga0 .3)0.51In0 .49P 클래드층(24), p형Ga0 .51In0 .49P 보호층(25)(500Å), p형 GaAs 접촉층(0.4㎛)(26)을 형성한다[도 9(c)].
이어서, 포토리소그래피에 의해 적외 레이저 형성 영역 상에 레지스트 패턴(27)을 형성하고, 이 레지스트 패턴(27)을 마스크로 해서 황산계나 염산계의 에칭 액을 사용하여 마스크가 형성되어 있지 않은 부분의 에칭 제거를 행하고, 적색 레이저부만을 남긴다[도 9(d)].
이어서, 레지스트 패턴(27)을 제거한 후, 대기압열 CVD법(370℃)을 이용해서 p형 GaAs 접촉층(0.4㎛)(17), p형 GaAs 접촉층(26)상에 Zn확산원(30)과 캡 막을 퇴적시키고, 포토리소그래피와 드라이 에칭 기술에 의해 설정한 창 길이가 되도록 패터닝을 행하고, 그 후 어닐링을 행해서 Zn을 활성층으로 확산시켜 무질서화시키는 것으로 창 영역을 형성한다[도 10(a)]. 불순물로서는 Si를 사용해도 양자 우물 활성층을 무질서화하는 것이 가능해서, 창 영역을 형성할 수 있다. 이 때의 정량적인 성질도 Zn을 확산했을 경우와 마찬가지이다.
이어서, 대기압열 CVD법(370℃)을 이용해서 p형 Ga0 .51In0 .49P보호층(16)상에 0.3μm의 두께가 되도록 퇴적시킨 산화 실리콘 막(31)을 더욱 포토리소그래피와 드라이 에칭 기술에 의해 패터닝하여 스트라이프 마스크를 형성한다. 이 스트라이프 형상의 산화 실리콘 막(31)을 마스크로 해서, p형 GaAs 접촉층(17), p형 GaAs 접촉층(26), p형 GaInP 보호층(16), p형 GaInP 보호층(25), p형 AlGaInP 클래드층(14), p형 AlGaInP 클래드층(24)을 순차 선택적으로 에칭하여 헤테로 구조 기판에 메사 상의 릿지를 형성한다[도 10(b)].
에칭 후, GaAs 기판(10)을 다시 MOCVD 또는 MBE반응 화로에 설치하여, 산화 실리콘 마스크를 이용하여 n형 AlInP 전류 블록층(15)(0.7㎛)을 선택 성장시킨다 [도10(c)].
또한, GaAs 기판(10)을 MOCVD 또는 MBE반응 화로로부터 꺼내어 불산계 에칭 액을 사용하여 산화 실리콘 마스크를 제거한다[도 1O(d)]. 또한, n형의 전류 블록층을 유전체 막으로 이루어지도록 설정할 경우는 메사 상의 릿지를 형성하여, 마스크로서 사용한 실리콘 산화막을 불산계의 액체에 의해 제거한 후 전체면에 유전체 막을 형성하고, 포토리소그래피에 의해 릿지 상부의 p형 GaAs 접촉층(17), p형GaAs 접촉층(26)만 개구하도록 패터닝을 행한다. 이어서, 불산계의 약액에 의해 에칭을 행함으로써 형성한다. 한편, 유전체 막은 클래드층과의 굴절율 차이를 두기 위해 SiN, SiO2, TiO2, Al2O3, 수소화 아모퍼스 Si 또는 그것들의 다층 구조로 이루어지는 재료인 것이 바람직하다.
또한, 창 구조를 형성함에 있거나 적색 반도체 레이저, 적외 반도체 레이저 모두 동일한 열이력에 의해 형성시키고 있다. 그 때문에, 창 영역에서의 클래드층 중의 Zn확산량을 적색 반도체 레이저, 적외 반도체 레이저 모두 동일하게 할 수 있음으로써 이득부와의 굴절율 차이를 재현성 좋게 형성할 수 있다. 이것에 의해, 설정한 창 영역의 길이에 대해서 FFP파형이 산란되지 않도록 각각 최적의 값을 설계하는 것이 가능하다.
또한, 동시에 창 영역을 형성함에 있거나 As계 활성층으로 이루어지는 적외 레이저는 적색 레이저 보다 Zn의 확산 계수가 한 자리 정도 낮은 것에 의해 이득부와 창부의 파장 차이: Δλ는 적외Δλ < 적색 Δλ의 관계가 된다. Δλ가 크면 창부 활성층이 흡수 작용을 가지는 최대 파장이 레이저 발진광의 파장에 근접하기 때문에 창부에서의 도파로 손실이 커진다. 따라서, 창부에서의 도파로 손실을 작게 하기 위해서는 적외측의 창부의 길이를 적색측의 창부의 길이에 비해 짧게 할 필요가 있다.
이어서, 적색 레이저, 적외 레이저의 대표적인 창 영역에 있어서의 출력 파장 분포를 도시한다.
도 11은 적색 반도체 레이저에 있어서의 출력 파장 분포도이며, 도 11(a)는 이득부에 있어서의 출력 파장 분포도, 도 11(b)는 창부에 있어서의 출력 파장 분포도이다. 도 12는 적외 반도체 레이저에 있어서의 출력 파장 분포도이며, 도 12(a)는 이득부에 있어서의 출력 파장 분포도, 도 12(b)는 창부에 있어서의 출력 파장 분포도이다.
이 예에서는, 적외 반도체 레이저의 Δλ는 35nm, 적색 반도체 레이저의 Δλ는 50nm이다. 적외부의 COD 레벨을 확보하기 위해서는 Δλ가 2Onm이상은 필요하다. 본 실시형태에서는 적외 반도체 레이저의 창 길이를 15㎛, 적색 반도체 레이저의 창 길이를 20㎛로 하고 있다.
또한, 불순물원으로서 Zn을 사용하여 창 영역을 형성할 때, 열이력에 의한 공진기 방향으로의 확산도 FFP 산란의 억제에는 중요하다.
창 영역으로서, Zn 고상원(固相源)을 형성한 영역에 대해서 적색 반도체 레이저, 적외 반도체 레이저 모두 공진기 방향으로 40㎛이내의 확산이 되도록 제어하는 것이 설정된 창 길이에 대해서 안정된 확장각, FFP형상을 확보하기 위해서는 중요하다.
또한, 창부에 전류가 주입되면 창부 활성층에 캐리어가 주입되어 굴절율이 변동되기 때문에 FFP패턴의 변형을 초래함과 아울러, 창부의 발열에 의해 창부 활성층의 밴드갭이 축소되어 COD 레벨의 저하를 초래한다. 이것을 막기 위해서는 창부에 전류가 주입되지 않도록 창부(40a, 40b, 41a, 41b) 상의 p-GaAs 접촉층(17), p-GaAs 접촉층(26)을 제거하는 것이 효과적이다. 이 p-GaAs 접촉층을 제거한, 공진기 단면으로부터의 길이를 Lc, 창부의 길이를 Lw로 했을 경우, Lc-Lw(ΔL로 함)은 0이상으로 할 필요가 있다. 프로세스의 마스크 맞춤 정밀도를 고려하면 ΔL을 크게 하는 편이 확실하게 창부으로의 전류 주입을 막는 것이 가능해진다. 그러나, ΔL이 지나치게 커지면, 창부 경계 부근의 이득부 활성층으로의 전류 주입량이 작아지기 때문에 이 부분의 활성층이 손실되어 발진 역치의 증대나 전류-광출력 특성에서의 비선형성, 슬로프 효율의 저하를 초래한다.
따라서, ΔL은 0이상, 50㎛이하로 제작할 필요가 있다. 또한, 적외 발광 재료인 AlGaAs계의 재료는 적색 영역의 발광 재료인 InGaP계 재료 보다도 흡수 계수가 크므로, ΔL을 크게 했을 경우 창부 경계 부근의 활성층의 손실이 커져버린다. 이것을 막기 위해서는 적외의 ΔL은 적색의 ΔL에 비해 짧게 설정할 필요가 있다. ΔL이 50μm이하인 경우, 적외의 ΔL은 적색의 ΔL에 비해 5㎛이상 짧게 하면 적외 반도체 레이저, 적색 반도체 레이저 모두 발진 역치의 증대나 전류-광출력 특성에서의 비선형성, 슬로프 효율의 저하를 막는 것이 가능하다.
이상과 같이, 출력 파장이 상이한 복수의 반도체 레이저를 모놀리식으로 형성하는 다파장 반도체 레이저 장치에 있어서, 각 반도체 레이저의 창 영역의 길이를 출력 파장이 짧은 반도체 레이저 정도 길게 함으로써 각 파장에 동일한 정도의 광출력 의존성을 갖게 할 수 있기 때문에 광학계의 설계를 용이하게 할 수 있다.
특히, 적색 반도체 레이저 및 적외 반도체 레이저를 모놀리식으로 형성한 2파장 반도체 레이저 장치에 있어서는, 적색 반도체 레이저 보다 적외 반도체 레이저의 창 영역의 길이를 짧게 함으로써 각 파장에 동일한 정도의 광출력 의존성을 갖게 할 수 있기 때문에 광학계의 설계를 용이하게 할 수 있음과 아울러, 창 영역의 길이를 가능한 한 짧게 할 수 있고, 이득 영역의 길이를 길게 하는 것이 가능해지는 결과, 온도 특성을 양호하게 하면서 적색 반도체 레이저, 적외 반도체 레이저의 FFP의 반값 전체 폭이 각각 광출력에 대해서도 거의 동일한 비율로 변화되는 다파장 반도체 레이저 장치를 얻을 수 있다. 또한, 적색 반도체 레이저의 창 길이를 약 30㎛, 적외 반도체 레이저의 창 길이를 약 25㎛로 하면 광출력에 따르지 않고 안정되어 거의 소망의 값으로 되는 2파장 반도체 레이저 장치를 얻을 수 있다.
본 발명에 의하면, 동일 기판 상에 형성된 다파장 반도체 레이저 장치에 대해서 각 파장의 레이저 광에 있어서의 FFP의 크기가 안정되어 소망의 FFP 패턴이 되는 창 구조를 가짐으로써, 광학계의 설계를 용이하게 할 수 있는 다파장 반도체 레이저 장치를 제공할 수 있다.

Claims (19)

  1. 출력 파장이 상이한 복수의 반도체 레이저를 동일 기판에 모놀리식으로 형성해서 이루어지는 다파장 반도체 레이저 장치로서:
    상기 반도체 레이저의 활성층은 양자 우물 구조이고;
    상기 활성층 상에 메사 상의 릿지를 구비하며;
    상기 활성층의 단면부에 불순물을 확산해서 형성된 창 영역의 길이가 상기 복수의 반도체 레이저 마다 상이한 것을 특징으로 하는 다파장 반도체 레이저 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 반도체 레이저로서 적외 반도체 레이저와 적색 반도체 레이저를 모놀리식으로 형성하고, 2파장 반도체 레이저 장치로 이루어지는 것을 특징으로 하는 다파장 반도체 레이저 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 창 영역의 길이는 출력 파장이 짧은 반도체 레이저 정도로 긴 것을 특징으로 하는 다파장 반도체 레이저 장치.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 창 영역의 길이는 출력 파장이 짧은 반도체 레이저 정도로 긴 것을 특징으로 하는 다파장 반도체 레이저 장치.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 창 영역의 길이의 차이는 5㎛ ∼ 15㎛인 것을 특징으로 하는 다파장 반도체 레이저 장치.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 창 영역의 길이의 차이는 5㎛ ∼ 15㎛인 것을 특징으로 하는 다파장 반도체 레이저 장치.
  7. 제 2 항에 있어서,
    상기 적색 반도체 레이저에 있어서의 창 영역의 길이는 10㎛ 내지 30㎛, 상기 적외 반도체 레이저의 창 영역의 길이는 10㎛ 내지 25㎛이며, 또한 상기 적색 반도체 레이저의 창 영역의 길이는 상기 적외 반도체 레이저의 창 영역의 길이 보다도 긴 것을 특징으로 하는 다파장 반도체 레이저 장치.
  8. 제 2 항에 있어서,
    이득부의 활성층에 있어서의 출력 파장과 상기 창 영역의 활성층에 있어서의 출력 파장의 차이는 적외 반도체 레이저 보다 적색 반도체 레이저 쪽이 큰 것을 특 징으로 하는 다파장 반도체 레이저 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 이득부의 활성층에 있어서의 출력 파장과 상기 창 영역의 활성층에 있어서의 출력 파장의 차이는 20nm이상인 것을 특징으로 하는 다파장 반도체 레이저 장치.
  10. 제 2 항에 있어서,
    상기 창 영역은 상기 적색 반도체 레이저, 상기 적외 반도체 레이저 모두 동일한 불순물 확산에 의해 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 다파장 반도체 레이저 장치.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 불순물의 확산은 상기 창 영역과 상기 창 영역으로부터 공진기 방향으로 40㎛이내의 영역으로 확산되는 것을 특징으로 하는 다파장 반도체 레이저 장치.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 불순물은 Zn 또는 Si로 이루어지는 것을 특징으로 하는 다파장 반도체 레이저 장치.
  13. 제 2 항에 있어서,
    상기 불순물은 Zn 또는 Si로 이루어지는 것을 특징으로 하는 다파장 반도체 레이저 장치.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 메사 상의 릿지 측벽에는 각 반도체 레이저 모두 동일한 반도체층이 형성되는 것을 특징으로 하는 다파장 반도체 레이저 장치.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 반도체층은 AlInP 전류 블록층인 것을 특징으로 하는 다파장 반도체 레이저 장치.
  16. 제 1 항에 있어서,
    상기 메사 상의 릿지 측벽에는 각 반도체 레이저 모두 동일한 유전체층이 형성되는 것을 특징으로 하는 다파장 반도체 레이저 장치.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 유전체층은 SiN, SiO2, TiO2, Al2O3, 수소화 아모퍼스 Si 또는 그것들의 다층 구조로 이루어지는 재료인 것을 특징으로 하는 다파장 반도체 레이저 장치.
  18. 제 1 항에 있어서,
    상기 창 영역의 길이 보다 상기 활성층에 전류를 주입하기 위한 접촉층 단면으로부터 가장 가까운 공진기 단면까지의 거리 쪽이 긴 것을 특징으로 하는 다파장 반도체 레이저 장치.
  19. 제 2 항에 있어서,
    상기 활성층에 전류를 주입하기 위한 접촉층 단면으로부터 가장 가까운 공진기 단면까지의 거리와 상기 창 영역의 길이의 차이에 관해서 상기 적색 반도체 레이저 쪽이 상기 적외 반도체 레이저 보다도 긴 것을 특징으로 하는 다파장 반도체 레이저 장치.
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Families Citing this family (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007194390A (ja) * 2006-01-19 2007-08-02 Eudyna Devices Inc 半導体発光装置の製造方法
JP2009054636A (ja) * 2007-08-23 2009-03-12 Panasonic Corp 半導体レーザ装置の製造方法および半導体レーザバーの検査方法
JP2009088207A (ja) * 2007-09-28 2009-04-23 Panasonic Corp 半導体レーザ装置およびその製造方法
JP2009164389A (ja) * 2008-01-08 2009-07-23 Sony Corp 半導体レーザ及びこれを用いた記録再生用ピックアップ装置、並びに、半導体レーザの製造方法
JP4930925B2 (ja) * 2008-01-11 2012-05-16 パナソニック株式会社 二波長半導体レーザ装置
US20100020837A1 (en) * 2008-07-22 2010-01-28 Avago Technologies Fiber Ip (Singapore) Pte. Ltd. Semiconductor light emission device having an improved current confinement structure, and method for confining current in a semiconductor light emission device
JP2010123674A (ja) * 2008-11-18 2010-06-03 Panasonic Corp 半導体レーザ装置
JP2010219436A (ja) * 2009-03-18 2010-09-30 Sony Corp 多波長半導体レーザおよび光学記録再生装置
JP7458134B2 (ja) * 2019-04-02 2024-03-29 ヌヴォトンテクノロジージャパン株式会社 半導体レーザ素子

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CA2091302A1 (en) * 1992-03-11 1993-09-12 Ichiro Yoshida Semiconductor laser and process for fabricating the same
JPH11186651A (ja) 1997-12-19 1999-07-09 Sony Corp 集積型半導体発光装置
JP2001345514A (ja) * 2000-06-01 2001-12-14 Toshiba Corp 半導体レーザ装置及びその製造方法
JP3832200B2 (ja) * 2000-07-05 2006-10-11 松下電器産業株式会社 半導体レーザ装置
JP2002076512A (ja) * 2000-09-05 2002-03-15 Hitachi Ltd 半導体レーザ装置及び光システム装置
JP3775724B2 (ja) * 2000-09-13 2006-05-17 シャープ株式会社 半導体レーザ素子及びその製造方法
JP2004119620A (ja) * 2002-09-25 2004-04-15 Matsushita Electric Ind Co Ltd 半導体装置及びその製造方法
JP2005033077A (ja) * 2003-07-09 2005-02-03 Matsushita Electric Ind Co Ltd 半導体レーザ装置
JP3926313B2 (ja) * 2003-09-26 2007-06-06 シャープ株式会社 半導体レーザおよびその製造方法
JP4138731B2 (ja) * 2003-11-13 2008-08-27 松下電器産業株式会社 半導体レーザ装置及びその製造方法

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