KR20090065830A - 고출력 반도체 레이저 다이오드 - Google Patents

고출력 반도체 레이저 다이오드 Download PDF

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Abstract

본 발명은 고출력 반도체 레이저 다이오드에 관한 것으로, N-클래드층, N-웨이브 가이드층, 활성층, P-클래드층과 P-웨이브 가이드층을 포함하는 반도체 레이저 다이오드 구조물이 형성되어 있고; 상기 반도체 레이저 다이오드 구조물 상부에 상호 분리된 복수의 리지(Ridge)들이 형성되어 있고; 상기 반도체 레이저 다이오드 구조물에서 레이저광이 출사되는 벽개면에 AR(Anti-Reflection)막이 형성되어 있고; 상기 반도체 레이저 다이오드 구조물에서 레이저광이 출사되는 벽개면의 반대쪽에 있는 벽개면에 HR(High-Reflection)막이 형성되어 있으며, 상기 AR막 및 HR막은 열 팽창 계수가 0.1 ~ 12㎛/m℃인 것을 특징으로 한다.
따라서, 본 발명은 레이저 다이오드의 벽개면에 형성되는 AR막과 HR막을 레이저 다이오드를 구성하는 물질과 열팽창 계수의 차이가 없는 유전체막을 사용함으로써, 공진기 단면을 보호하는 코팅막의 열화를 억제할 수 있는 장점이 있다.
고출력, 반도체, 레이저, 다이오드

Description

고출력 반도체 레이저 다이오드 { High output semiconductor laser diode }
본 발명은 벽개면의 열화를 줄일 수 있는 고출력 반도체 레이저 다이오드에 관한 것이다.
최근, 집적도가 높은 저장장치의 개발에 대한 요구가 급격하게 증대함에 따라, 반도체 레이저 다이오들 광원으로 하는 광 저장 장치의 연구 개발이 널리 진행되고 있다.
특히, 최근에 수십 기가 바이트 이상의 저장 용량을 가지는 고밀도 DVD(High density DVD 또는 Blu-ray disc) 기술이 상용화됨에 따라, AlGaInN계 재료를 이용한 410㎚ 파장대의 고출력 반도체 레이저 다이오드에 대한 연구 개발이 증대되고 있다.
하지만, 고출력 레이저 다이오드의 경우 미러 벽개면에서 열화(Degradation)가 쉽게 발생하며, 이는 벽개면에 표면 결함이 있거나 원치않는 막 생성등에 기인 하며, 이중 COD(Catastrophic optical damage)는 소자의 수명에 직접적인 영향을 미친다.
이 COD는 미러 벽개면의 열화로 생성된 표면 결함들이 발진하는 레이저의 광을 흡수하고, 이로 인해 표면에서의 에너지 갭을 줄어들게 하고, 이는 다시 광흡수를 촉진하게 되는 이런 과정을 되풀이함으로써, 표면이 영구적으로 녹아버리는 파괴를 말한다.
도 1은 종래 기술에 따른 반도체 레이저 다이오드의 개략적인 단면도로서, 기판(20) 상부에 버퍼층(21), N-반도체층(22), N-클래드층(23), N-웨이브 가이드층(24), 활성층(25), P-전자 차단층(26), P-웨이브 가이드층(27), P-클래드층(28), P-컨택층(29)이 순차적으로 적층되어 있고; 중앙 영역을 제외하고, 상기 P-컨택층(29)에서 상기 P-클래드층(28)의 일부까지 식각되어 리지 구조(30)가 형성되어 있고; 상기 P-클래드층(28)에서 상기 N-반도체층(22)의 일부까지 메사(Mesa) 식각되어 있고; 상기 리지 구조(30)의 상부를 제외하고, 상기 리지 구조(30)의 측벽 및 상기 P-클래드층(28) 상부에 보호막(35)이 형성되어 있고; 상기 리지 구조(30) 상부에 접촉되는 P-전극(36)이 형성되어 있고, 상기 메사 식각된 N-반도체층(22) 상부에 N-전극(37)이 형성되어 있다.
여기서, 상기 N-반도체층(22)과 P-캡층(29)에서 주입되는 전자와 정공은 상기 활성층(25)에 재결합되어 레이저광이 생성되고, 이 레이저광은 소자 외부로 방출된다.
이러한, 종래 기술의 반도체 레이저 다이오드는 리지(Ridge) 형상을 구비하 고, 리지 좌우에 형성되는 활성층과 굴절률 차이를 갖는 유전 박막에 의해 광 특성이 결정되는 인덱스 가이드 방식에 의해서 동작되며, 특히, AlGaInN계 레이저 다이오드에서는 단일 모드 및 고출력 동작을 한다.
도 2는 종래 기술에 따른 반도체 레이저 다이오드의 개략적인 상면도로서, 통상, 반도체 레이저 다이오드는 레이저가 공진하는 공진기 단면인 벽개면을 보호하고, 레이저의 발진 특성을 개선하기 위하여 벽개면에 AR 코팅(Anti-Reflection coating), HR 코팅(High-Reflection coating)을 하며, 코팅막의 재질과 반사율은 레이저 다이오드의 특성과 수명에 큰 영향을 미친다.
즉, 도 2에 도시된 바와 같이, 반도체 레이저 다이오드의 구조물(50) 탑 뷰유(Top view)에는 P전극(51)과 N전극(52)이 보이고, 도 2 및 도 3을 참조하여, 광이 출력되는 벽개면(61)에는 AR 코팅막(71)이 형성되어 있고, 광이 출력되는 반대의 벽개면(62)에는 HR 코팅막(72)이 형성되어 있다.
또한, 코팅막으로 사용되는 유전체막의 경우 증착 장비 또는 방법에 따라 막 조성이 결함을 가지고 있어, 소자가 고온에서 장시간 구동될 경우 온도와 레이저 광으로 인한 질화물 반도체와 코팅막의 열팽창 계수 차이, 좋지 않은 열전도도 때문에 벽개면에 열화가 생길 우려가 있다.
본 발명은 벽개면에 형성되는 AR막과 HR막을 레이저 다이오드를 구성하는 물질과 열팽창 계수의 차이가 없는 유전체막을 사용함으로써, 벽개면의 열화 문제를 해결하는 것이다.
본 발명의 바람직한 양태(樣態)는,
N-클래드층, N-웨이브 가이드층, 활성층, P-클래드층과 P-웨이브 가이드층을 포함하는 반도체 레이저 다이오드 구조물이 형성되어 있고;
상기 반도체 레이저 다이오드 구조물 상부에 상호 분리된 복수의 리지(Ridge)들이 형성되어 있고;
상기 반도체 레이저 다이오드 구조물에서 레이저광이 출사되는 벽개면에 AR(Anti-Reflection)막이 형성되어 있고;
상기 반도체 레이저 다이오드 구조물에서 레이저광이 출사되는 벽개면의 반대쪽에 있는 벽개면에 HR(High-Reflection)막이 형성되어 있으며,
상기 AR막 및 HR막은 열 팽창 계수가 0.1 ~ 12㎛/m℃인 것을 특징으로 하는 고출력 반도체 레이저 다이오드가 제공된다.
본 발명은 레이저 다이오드의 벽개면에 형성되는 AR막과 HR막을 레이저 다이오드를 구성하는 물질과 열팽창 계수의 차이가 없는 유전체막을 사용함으로써, 벽 개면의 열화를 줄일 수 있는 효과가 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하면 다음과 같다.
도 4는 본 발명에 따른 고출력 반도체 레이저 다이오드의 개략적인 사시도로서, N-클래드층, N-웨이브 가이드층, 활성층, P-클래드층과 P-웨이브 가이드층을 포함하는 반도체 레이저 다이오드 구조물(100)이 형성되어 있고; 상기 반도체 레이저 다이오드 구조물(100) 상부에 상호 분리된 복수의 리지(Ridge)들(121,122,123,124)이 형성되어 있고; 상기 반도체 레이저 다이오드 구조물(100)에서 레이저광이 출사되는 벽개면에 AR(Anti-Reflection)막이 형성되어 있고; 상기 반도체 레이저 다이오드 구조물에서 레이저광이 출사되는 벽개면의 반대쪽에 있는 벽개면에 HR(High-Reflection)막이 형성되어 있다.
고출력 반도체 레이저 다이오드는 상기 리지들(121,122,123,124)로 유입되는 전류에 의해서 상기 활성층(110)은 레이저광을 방출한다.
그러므로, 복수개의 리지들(121,122,123,124)이 구비된 반도체 레이저 다이오드는 고출력의 레이저광을 방출하고, 본 발명에서는 반도체 레이저 다이오드 어레이 칩바(Chip bar)라고 정의한다.
상기 고출력 반도체 레이저 다이오드는 20 ~ 30개 정도의 리지가 형성되어 있다.
그리고, 상기 AR막 및 HR막은 열 팽창 계수가 0.1 ~ 12㎛/m℃인 것이 바람직하다.
여기서, 상기 AR막 및 HR막을 유전체막으로 형성하는 것이 바람직한데, 상기 AR막 및 HR막의 열 팽창 계수가 0.1㎛/m℃ 이하인 경우에는, 유전체막으로 상기 AR막 및 HR막을 형성하기 어렵다.
즉, 열 팽창 계수가 0.1㎛/m℃ 이하인 유전체막은 거의 없고, 설사 존재하더라도 반도체 레이저 다이오드의 벽개면에 형성하기에는 기술적인 문제, 신뢰성 문제, 제조 경비 증가 문제 등으로 열 팽창 계수가 0.1㎛/m℃ 이하를 갖는 상기 AR막 및 HR막을 형성하기는 어려운 것이다.
그리고, 열 팽창 계수가 12㎛/m℃ 이상을 갖는 상기 AR막 및 HR막은 고출력 반도체 레이저 다이오드에 악영향을 인가하게 된다.
또한, 상기 AR막 및 HR막은 열전도도가 우수한 물질로 형성하는 것이 바람직하다.
도 5a와 5b는 본 발명에 따른 고출력 반도체 레이저 다이오드의 개략적인 단면도로서, 반도체 레이저 다이오드 구조물(100)은 복수개의 공진기들(151,152,153,154,155,156,157)이 구비되고, 이 복수개의 공진기들(151,152,153,154,155,156,157)에서 레이저가 공진되어 벽개면에서 레이저광이 출사된다.
그러므로, 본 발명에 따른 고출력 반도체 레이저 다이오드는 레이저광이 출 사되는 벽개면에 형성된 AR(Anti-Reflection)막이 형성되어 있고; 상기 반도체 레이저 다이오드 구조물에서 레이저광이 출사되는 벽개면의 반대쪽에 있는 벽개면에 HR(High-Reflection)막이 형성되어 있다.
상기 AR막 및 HR막은 상온에서 400℃에서 증착할 수 있는 유전체막으로 형성하는 것이 바람직하다.
이때, 본 발명에 따른 고출력 반도체 레이저 다이오드는 질화물계 반도체로 형성된 구조물인 것이 바람직하다.
그러므로, 질화물계 반도체로 형성된 고출력 반도체 레이저 다이오드의 벽개면에 AR막과 HR막이 형성됨으로, 질화물계 반도체와 열적으로 안정되고, 열팽창 계수의 차이가 없는 유전체막으로 AR막과 HR막을 형성하는 것이다.
여기서, 상온 이하의 온도에서 유전체막은 반도체 레이저 다이오드의 벽개면에 증착되지 않는다.
그리고 400℃ 이상의 온도에서 유전체막을 반도체 레이저 다이오드의 벽개면에 증착시키면, 증착되는 400℃ 이상의 온도로 인하여 반도체 레이저 다이오드를 형성하는 막들에 악영향을 주게된다.
또한, 상기 AR막 및 HR막은 도 5a에 도시된 바와 같이, 단일층의 유전체막(161,162)으로 형성하거나, 또는 도 5b와 같이, 다층의 유전체막(180,190)으로 형성할 수 있다.
여기서, 상기 AR막은 Al2O3, SiO2, TiO2, ZrO, SiN 중 하나로 단일층의 유전체막을 형성하는 것이 바람직하다.
그리고, 상기 HR막은 다층의 유전체막으로 형성되며, 다층의 유전체막 각각의 층은 Al2O3, SiO2, TiO2, ZrO, SiN 중 하나로 이루어진 것이 바람직하다.
이때, 상기 AR막 및 HR막은
Figure 112007091055124-PAT00001
두께로 단일층으로 증착하여 형성하거나, 각 층이
Figure 112007091055124-PAT00002
두께를 각각 갖는 다층의 유전체막으로 형성한다.
여기서, λ는 반도체 레이저 다이오드 어레이 칩바에서 출력되는 광이고, n은 막의 굴절률이다.
도 6은 본 발명에 따른 고출력 반도체 레이저 다이오드에 형성된 AR막 및 HR막의 두께를 설명하기 위한 개략적인 단면도로서, 반도체 레이저 다이오드의 벽개면에 형성된 AR막(160) 및 HR막(170)의 두께는 0.01㎛ ~ 1㎛인 것이 바람직하다.
따라서, 본 발명은 레이저 다이오드의 벽개면에 형성되는 AR막과 HR막을 레이저 다이오드를 구성하는 물질과 열팽창 계수의 차이가 없는 유전체막을 사용함으로써, 벽개면의 열화를 줄일 수 있게 된다.
특히, AlGaInN계 고출력 반도체 레이저 다이오드 소자의 제조에 있어서, 미러 벽개면의 열화를 최소화하기 위하여 질화물계 반도체와 열전도도가 우수하고, 열팽창 계수 차이가 크지 않은 유전체막을 미러 코팅막으로 형성하여, 소자의 신뢰성을 향상시킬 수 있는 것이다.
본 발명은 구체적인 예에 대해서만 상세히 설명되었지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.
도 1은 종래 기술에 따른 반도체 레이저 다이오드의 개략적인 단면도
도 2는 종래 기술에 따른 반도체 레이저 다이오드의 개략적인 상면도
도 3은 본 발명에 따라 반도체 레이저 다이오드의 개략적인 사시도
도 4는 본 발명에 따른 고출력 반도체 레이저 다이오드의 개략적인 사시도
도 5a와 5b는 본 발명에 따른 고출력 반도체 레이저 다이오드의 개략적인 단 면도
도 6은 본 발명에 따른 고출력 반도체 레이저 다이오드에 형성된 AR막 및 HR막의 두께를 설명하기 위한 개략적인 단면도

Claims (6)

  1. N-클래드층, N-웨이브 가이드층, 활성층, P-클래드층과 P-웨이브 가이드층을 포함하는 반도체 레이저 다이오드 구조물이 형성되어 있고;
    상기 반도체 레이저 다이오드 구조물 상부에 상호 분리된 복수의 리지(Ridge)들이 형성되어 있고;
    상기 반도체 레이저 다이오드 구조물에서 레이저광이 출사되는 벽개면에 AR(Anti-Reflection)막이 형성되어 있고;
    상기 반도체 레이저 다이오드 구조물에서 레이저광이 출사되는 벽개면의 반대쪽에 있는 벽개면에 HR(High-Reflection)막이 형성되어 있으며,
    상기 AR막 및 HR막은 열 팽창 계수가 0.1 ~ 12㎛/m℃인 것을 특징으로 하는 고출력 반도체 레이저 다이오드.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 AR막 및 HR막은,
    상온에서 400℃에서 증착할 수 있는 유전체막으로 형성하는 것을 특징으로 하는 고출력 반도체 레이저 다이오드.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 단일층의 유전체막으로 형성하거나, 또는 다층의 유전체막으로 형성하는 것을 특징으로 하는 고출력 반도체 레이저 다이오드.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 AR막은,
    Al2O3, SiO2, TiO2, ZrO, SiN 중 하나로 단일층의 유전체막을 형성하는 것을 특징으로 하는 고출력 반도체 레이저 다이오드.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 HR막은,
    다층의 유전체막으로 형성되며, 다층의 유전체막 각각의 층은 Al2O3, SiO2, TiO2, ZrO, SiN 중 하나로 이루어진 것을 특징으로 하는 고출력 반도체 레이저 다이오드.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 반도체 레이저 다이오드 구조물은,
    질화물계 반도체로 형성된 구조물인 것을 특징으로 하는 고출력 반도체 레이저 다이오드.
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