KR20110106879A - 복수의 ｍｑｗ 영역을 포함하는 ｍｑｗ 레이저 구조 - Google Patents

복수의 ｍｑｗ 영역을 포함하는 ｍｑｗ 레이저 구조 Download PDF

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Abstract

액티브 및/또는 패시브 MQW 영역을 포함하는 다중-양자 우물 레이저 구조가 제공된다. 각각의 MQW 영역은 다수의 양자 우물 및 개재 장벽층을 포함한다. 인접한 MQW 영역은 개재 장벽층보다 두꺼운 스페이서층에 의해 분리된다. 양자 우물의 밴드갭은 개재 장벽층 및 스페이서층의 밴드갭보다 낮다. 액티브 영역은 액티브 및 패시브 MQW를 포함하고, 전기-펌프식 광자 유도 방출을 위해 구성되거나 또는 광학-펌프식 광자 유도 방출을 위해 구성된 액티브 MQW 영역을 포함한다.

Description

복수의 ＭＱＷ 영역을 포함하는 ＭＱＷ 레이저 구조{MQW LASER STRUCTURE COMPRISING PLURAL MQW REGIONS}
본 출원은 참조에 의해 여기에 반영되는 2008년 12월 16일 출원된 미국특허출원 제12/336,050호에 대한 우선권의 이점을 청구한다.
본 발명은 반도체 레이저에 관한 것으로, 특히 레이저 구조의 향상된 광 집중(optical confinement)에 관한 것이다.
본 발명자들은 반도체 레이저의 도파관으로 전파되는 광의 집중을 향상시키기 위해, 레이저 기판에 대한 구속 모드 아웃-커플링(confined mode out-coupling)을 감소시키거나 없애야 한다는 것을 인식하였다. 또한, 레이저의 액티브(active) 영역 주변의 광 필드 프로파일은 광 전파 모드와 이득 영역간 충분한 오버랩(overlap)을 보장하기 위해 그리고 액티브 영역 근처의 금속 접촉에 의한 광 모드 투과로 인한 광 손실을 방지하기 위해 좁아져야 한다. 이러한 도전은 특히 그와 같은 레이저가 종종 광 누설의 경향이 있기 때문에 약 450nm와 약 600nm 사이의 파장에서 동작하는 반도체 레이저에 있어 시급하다.
본 발명은 상기한 점을 감안하여 발명된 것으로, 복수의 MQW 영역을 포함하는 MQW 레이저 구조를 제공하는 것을 목적으로 한다.
반도체 레이저는 예컨대 도파관의 굴절률보다 낮은 굴절률을 갖는 2개의 클래딩층(cladding layer) 사이에 샌드위치된 보다 높은 굴절률을 갖는 도파관층을 포함하는 광 헤테로구조를 포함한다. 클래딩층은 광 모드 폭을 좁게하기 위해 제공되며, 이 클래딩층 굴절률이 도파관 유효 굴절률보다 낮기 때문에 그 모드는 클래딩층에서 잠재적으로 감소한다. 도파관의 유효 굴절률(neff)과 클래딩층의 굴절률간 차가 클수록 클래딩에서의 모드 투과가 적고 모드가 더 좁아진다. 따라서, 좁은 모드는 도파관의 굴절률을 증가시키거나 클래딩의 굴절률을 감소시킴으로써 달성될 수 있다.
만약 도파관의 유효 굴절률(neff)이 기판의 굴절률보다 낮으면, 기판 내 하부 클래딩을 통한 광의 터널링(tunneling)이 있을 수 있다. 이러한 가능성을 감소시키기 위해, neff와 클래딩층 굴절률간 차를 가능한 한 크게 해야 한다. 이상적으로는 클래딩층을 가능한 한 두껍게 해야 하며 그리고 neff를 기판 굴절률에 가깝게 하거나 그 이상으로 해야 한다. 불행하게, III족 질화물 반도체 레이저와 관련하여, 헤테로구조에서의 격자-부정합 유도 스트레인(strain) 및 InGaN의 열적 불안정성은 그 레이저에 있어서 상당한 디자인 제약을 이끈다. 예컨대, 그러한 구조에서 AlGaN 인장 스트레인이 크랙킹(cracking)의 문제를 야기하기 때문에 클래딩층 굴절률을 감소시키기 위해 충분히 두꺼우면서 Al 함유량이 충분히 높은 AlGaN 클래딩층을 성장시키려는 도전이 이루어지고 있다. 또한, 높은 압축 스트레인, 열등한 열적 안정성, 및 재료 도핑의 어려움과 같은 요인들 때문에 충분한 함유량을 갖는 InGaN 헤테로구조를 성장시키기도 어렵다.
또한, 발명자들은 광 집중 물리적 현상에 따른 클래딩층 굴절률의 감소가 도파관 유효 굴절률(neff)의 감소를 이끌기 때문에 클래딩층 굴절률의 감소가 레이저 기판의 굴절률에 비해 높은 도파관 유효 굴절률(neff)을 산출하지 못한다는 것을 인식하였다.
본 발명 개시의 목적에 따르면, 예컨대 450nm 이상의 레이징(lasing) 파장에서 동작하는 반도체 레이저의 도파관 영역의 유효 굴절률(neff)은 그 레이저 구조에 다수의 MQW 영역을 도입함으로써 레이저 구조의 광 집중을 강화시키기 위해 증가될 수 있다. 이러한 강화된 광 집중은 레이저 기판에 모드 누설을 감소시켜 레이저 구조의 액티브 영역 근처의 금속 접촉에 의한 광 모드 투과로 인한 광 손실 방지를 돕는다. 예컨대, 접촉 금속이 레이저 구조의 상부 클래딩층의 상단에 퇴적되는 곳에서, 심지어 상부 클래딩층에 걸친 그러한 금속층 내로의 약간의 모드 테일(tail) 투과는 그 금속에서의 흡수가 극히 높기 때문에 상당한 광 손실의 원인이 될 수 있다. 상술한 도파관 영역의 유효 굴절률(neff)의 증가는 이러한 모드 테일 투과를 감소시킬 수 있다.
본 발명 개시의 일실시예에 따르면, 레이저 기판, 반도체 액티브 영역, 도파관 영역, 및 클래딩 영역을 포함하는 다중-양자 우물(MQW) 레이저 다이오드가 제공된다. 상기 액티브 영역은 적어도 하나의 액티브 MQW 영역 및 적어도 하나의 패시브(passive) MQW 영역을 포함한다. 패시브 MQW 영역은 상기 액티브 MQW 영역의 레이징 광자 에너지로 광학적으로 투과한다. 각각의 MQW 영역은 다수의 양자 우물 및 장벽층 두께(a)의 개재 장벽층을 포함한다. 인접한 MQW 영역은 스페이서 두께(b)의 스페이서층에 의해 분리된다. 상기 스페이서 두께(b)는 장벽층 두께(a)보다 크다. 양자 우물의 밴드갭은 개재 장벽층 및 스페이서층의 밴드갭보다 낮다. 각각의 액티브 영역, 도파관 영역, 및 클래딩 영역은 상기 도파관 영역이 액티브 영역으로부터 광자의 유도 방출을 유도하고, 상기 클래딩 영역이 도파관 영역에서의 방출된 광자의 전파를 촉진하도록 레이저 기판 상에 다층식 다이오드로서 형성된다.
본 발명 개시의 다른 실시예에 따르면, 액티브 영역이 광학-펌프식 광자 유도 방출을 위해 구성된 하나 또는 그 이상의 액티브 MQW 영역을 포함하는 다중-양자 우물 레이저 구조가 제공된다. 각각의 MQW 영역은 밴드갭-감소 III족 질화물 성분을 포함하는 다수의 양자 우물, 및 장벽층 두께(a)의 개재(intervening) 질화물 장벽층을 포함한다. 인접한 MQW 영역은 스페이서 두께(b)의 질화물 스페이서층에 의해 분리된다. 스페이서 두께(b)는 장벽층 두께(a)보다 크다. 양자 우물의 밴드갭은 개재 질화물 장벽층 및 질화물 스페이서층의 밴드갭보다 낮다. 각각의 액티브 영역, 도파관 영역, 및 클래딩 영역은 상기 도파관 영역이 액티브 영역으로부터 광자의 유도 방출을 유도하고, 상기 클래딩 영역이 도파관 영역에서의 방출된 광자의 전파를 촉진하도록 레이저 기판 상에 다층식 구조를 형성한다.
본 발명 개시의 또 다른 실시예에 따르면, 스페이서 두께(b)는 장벽층 두께(a)보다 크고, 약 10nm와 약 150nm 사이이다. 장벽층 두께(a)는 약 2nm와 약 30nm 사이이다.
본 발명에 따르면, 복수의 MQW 영역을 포함하는 MQW 레이저 구조를 제공할 수 있다.
본 발명 개시의 특정 실시예들의 이하의 상세한 설명은 이하의 도면들을 참조함으로써 좀더 잘 이해될 수 있으며, 동일한 구성에는 동일한 참조부호를 붙인다.
도 1은 본 발명 개시의 일실시예에 따른 전기적 펌핑에 적합한 다중-양자 우물 레이저 구조를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명 개시의 다른 실시예에 따른 광학적 펌핑에 적합한 다중-양자 우물 레이저 구조를 나타낸 도면이다.
도 1에 도시된 다중-양자 우물(MQW; multi-quantum well) 레이저 구조(100)는 반도체 액티브 영역(10), 이 액티브 영역(10)의 대향측에 배치된 한쌍의 도파관층(20)으로 이루어진 도파관 영역, 및 이 도파관 영역의 대향측에 배치된 한쌍의 클래딩층(30)으로 이루어진 클래딩 영역을 포함한다. 각각의 액티브 영역, 도파관 영역, 및 클래딩 영역은 상기 도파관 영역의 도파관층(20)이 액티브 영역(10)으로부터 광자의 유도 방출을 유도하고, 상기 클래딩 영역의 클래딩층(30)이 도파관 영역에서의 방출된 광자의 전파를 촉진하도록 레이저 기판(35) 상에 다층식 구조로서 형성된다.
액티브 영역(10)은 적어도 하나가 광자 유도 방출을 위해 구성된 다수의 MQW 영역(40, 50, 60)을 포함한다. 상기 MQW 영역(40, 50, 60)은 레이징 파장에서 가능한 한 높은 굴절률을 제공함으로써 광 손실을 야기하지 않고 광 집중을 향상시킨다. 결과적으로, 상술한 바와 같이, 도파관의 유효 굴절률(neff)이 증가되어 레이저 구조에서의 광 집중이 향상된다. 통상 MQW 영역(40, 50, 60)에 의해 제공된 굴절률은 그 MQW 영역(40, 50, 60)에 사용된 반도체 재료의 밴드갭의 감소에 의해 초선형적으로(superlinearly) 증가한다. 따라서, 본 발명 실시에 있어서, 비교적 낮은 밴드갭을 갖는 재료가 광 집중을 향상시키기 위해 MQW 영역(40, 50, 60)을 구성하는데 사용된다.
도 1 및 2에 도시된 상기 영역들을 포함하는 전기-펌프식 및 광학-펌프식 레이저 구조(100)에 있어서, 액티브 영역(10)은 다수의 비교적 얇은 양자 우물(70)을 이용하여 구성된다. 비록 요구되지 않았을 지라도, 그러한 양자 우물(70)은 상술한 밴드갭 감소를 위해 선택된 III족 질화물을 이용하여 제조될 수 있다. 본 발명 정의 및 설명의 목적을 위해, 광 집중이 증가되었을 때 밴드갭을 감소시키는 성분을 양자 우물의 "밴드갭-감소" 성분이라 한다. 밴드갭 감소 III족 질화물 성분은 양자 우물(70)의 밴드갭-감소 III족 질화물 성분의 농도가 증가됨에 따라 유도 방출 파장에서 양자 우물(70)의 굴절률이 초선형적으로 증가될 수 있도록 선택된다. 예컨대, 일실시예에 따르면, 양자 우물(70)은 GaN 기판 또는 버퍼층 상에 압축 스트레인 하에 통상 성장되는 InGaN 양자 우물을 포함하며, InGaN의 InN 성분의 농도는 굴절률의 초선형 증가를 야기하도록 증가된다. 반대로, InGaN의 GaN 성분의 농도가 증가되면, 양자 우물의 밴드갭을 감소시키지 못하며, 이러한 성분은 보통 양자 우물의 밴드갭-감소 성분으로 고려되지 않는다. 다른 실시예에 있어서, 양자 우물(70)은 AlGaN 또는 AlN 기판 상에 압축 스트레인 하에 성장된 AlGaN 양자 우물을 포함한다. InGaN 양자 우물(70)의 경우, 밴드갭-감소 III족 질화물 성분은 상술한 감소된 밴드갭을 갖는 InN이 될 것이다. AlGaN 양자 우물(70)의 경우, 밴드갭-감소 III족 질화물 성분은 상술한 감소된 밴드갭을 갖는 GaN이 될 것이다. 또한, AlGaAs 양자 우물, AlGaAsP 양자 우물, GaAs 양자 우물, InGaAs 양자 우물 및 그들의 조합이 고려된다.
상술한 바와 같이, MQW 영역(40, 50, 60)의 굴절률은 양자 우물의 밴드갭-감소 성분의 농도의 증가에 따라 초선형적으로 증가한다. 그러나, 밴드갭-감소 성분을 이용하는 반도체 레이저에서의 압축 스트레인은 그러한 성분의 농도 및 그러한 성분을 이용하는 층들의 두께가 증가함에 따라 단지 상대적 선형 방식으로 누적된다. 결과적으로, 총 스트레인을 증가시키지 않고, 보다 높은 굴절률, 및 그에 따라 제공된 우수한 광 집중에 의한 이점을 얻기 위해, 비교적 낮은 밴드갭-감소 성분 농도를 갖는 단일의 비교적 두꺼운 층과 반대로 보다 높은 밴드갭-성분 농도를 갖는 보다 얇은 층을 사용하는 것이 바람직하다. 비록 도파관 영역(10)에서의 압축 스트레인이 통상 밴드갭-감소 성분의 함유량이 증가함에 따라 거의 선형적으로 누적될 지라도, 양자 우물(70)에서의 밴드갭-감소 성분의 함유량을 증가시키면서 비교적 얇은 양자 우물(70)의 두께를 감소시킴으로써 구조적인 보전을 희생하지 않고 광 집중이 향상될 수 있다. 결과적으로, 또한 개재 장벽층(80)을 포함하는 MQW 영역(40, 50, 60)은 비교적 좁은 영역에 전파 광 모드를 집중시키는 비교적 콤팩트한 도파관 영역(10)을 나타낸다.
여기에 개시된 여러 실시예들을 실시함에 있어, 보다 낮은 밴드갭을 갖는 양자 우물(70)이 그러한 양자 우물(70)에서의 광 집중을 증가시킬 지라도, 예컨대 종종 구조에 v-피트(pit)의 형상을 형성하는 열등한 성장 형태 또는 초과의 압축 스트레인 누적을 야기하지 못하도록 MQW 영역(40, 50, 60)의 구성이 유지될 것이다. MQW 영역(40, 50, 60)에서의 낮은 밴드갭을 허용하면서 이러한 문제들을 처리하기 위해, 인접한 MQW 영역(40, 50, 60)이 보다 큰 밴드갭 재료에 의해 제조된 스페이서층(90)에 의해 분리된다. 양자 우물(70)의 밴드갭은 개재 질화물 장벽층(80) 및 스페이서층(90)의 각각의 밴드갭보다 낮다. 비록 본 발명 개시 범위 내의 레이저 구조가 상술한 특성을 가져오는 다양한 종래의 그리고 개발되고 있는 질화물 또는 다른 재료들을 채용하는 것이 고려될 지라도, 일실시예에서, MQW 영역(40, 50, 60)은 InGaN을 포함하고, 스페이서층(90)은 GaN 또는 InGaN을 포함한다.
도 1 및 2에 개략적으로 도시한 바와 같이, 스페이서층(90)은 장벽층 두께(a)보다 큰 스페이서 두께(b)를 형성한다. 스페이서층(90)은 나노미터-크기이지만 MQW 영역(40, 50, 60)에 걸쳐 스트레인 누적을 적어도 부분적으로 경감시키기에 충분한 두께가 될 수 있다. 예컨대, 몇몇 실시예에서, 스페이서 두께(b)는 장벽층 두께(a)보다 커질 수 있다. 특히, 스페이서 두께(b)는 약 20nm와 약 100nm 사이이고, 장벽층 두께(a)는 약 2nm와 약 30nm 사이이다. 다른 실시예에서, 스페이서 두께(b)는 적어도 장벽층 두께(a)의 2배정도 크다. 또 다른 실시예에서, 스페이서 두께(b)는 약 20nm보다 크고, 장벽층 두께(a)는 약 20nm보다 작다.
도 1에 도시된 전기-펌프식 MQW 레이저 구조(100)에서, 각각의 액티브 영역, 도파관 영역, 및 클래딩 영역은 다층식 레이저 다이오드로서 형성되고, 액티브 영역(10)은 한쌍의 패시브 MQW 영역 40과 60 사이에 샌드위치된 액티브 MQW 영역(50)을 포함한다. 액티브 MQW 영역(50)은 전기-펌프식 광자 유도 방출을 위해 구성된다. 패시브 MQW 영역(40, 60)의 광 천이 에너지가 레이저 구조(100)의 레이징 광자 에너지보다 높고 패시브 MQW 영역(40, 60)이 액티브 MQW 영역(50)의 레이징 광자 에너지로 광학적으로 투과하는 것을 보장하기 위해, 패시브 MQW 영역(40, 60)의 밴드갭은 가능한 한 가까워야 하나 액티브 MQW 영역(50)의 레이징 방출 광자 에너지보다는 높아야 한다. 반도체 구조로 잘 알려져 있는 바와 같이, 액티브 및 패시브 MQW 영역(40, 50, 60)의 각각의 양자 우물 광 천이 에너지들은 다양한 방식으로 맞추어질 수 있다. 예컨대, InGaN/GaN MQW 영역과 관련하여, 양자 우물 광 천이 에너지는 InGaN에서 InN 몰 분율을 조절함으로써 맞추어질 수 있다.
따라서, 이하의 표 1에 나타낸 바와 같이, 패시브 MQW 영역(40, 60)의 투명성을 보장하기 위해, MQW 영역이 InGaN을 포함하는 경우, 양자 우물 두께가 동일하면 액티브 MQW 영역(50)의 함유량이 패시브 MQW 영역(40, 60)의 함유량보다 크게 맞추어질 수 있다. 이러한 방식으로, 패시브 MQW 영역(40, 60)의 광 천이 에너지가 다중-양자 우물 레이저 구조(100)의 레이징 광자 에너지보다 커질 수 있어, 패시브 MQW 영역(40, 60)이 다중-양자 우물 레이저 구조의 레이징 광자 에너지로 투과될 것이다. 도 1의 전기-펌프식 레이저 다이오드 구조(100)의 패시브 MQW 영역(40, 60)의 재료 굴절률은 밴드갭 감소에 따라 초선형적으로 증가한다. 일반적으로, 밴드갭은 MQW 영역(40, 60)의 흡수 에지(edge)의 파장이 레이저 방출 파장에 근사한 지점보다 작아질 수 없으며, 상기 패시브 MQW 영역(40, 60)의 흡수 광자 에너지는 레이징 광자 에너지보다 높다. 몇몇 실시예에서, 예컨대 액티브 MQW 영역의 레이징 광자 에너지는 패시브 MQW 영역의 광자 에너지보다 낮은 약 50meV 내지 약 400meV가 된다. 이하의 표 1에는 전기-펌프식 레이저 구조와 관련된 본 발명의 특정 실시예를 실시하는데 적합한 몇몇 특정 디자인 파라미터를 나타낸다.
층 두께 구성 도핑 참고
접촉층(45) 100nm GaN p++ 도핑
클래드층(30) ＞500nm AlGaN 또는
AlGaN/GaN SL,
AlN 평균 몰 분율 0-20%		 p-도핑
도파관층(20) 0-150nm (In)GaN,
InN 몰 분율 0-10%		 p-도핑
패시브 MQW 영역(60) InGaN 두께 1-10nm,
GaN 두께 2-30nm		 (In)GaN/GaN,
InGaN에서의 InN 몰 분율은 5-30%		 p-타입 패시브 InGaN 천이 에너지는 레이징 광자 에너지보다 높은 50-400meV
스페이서층(90) 10-100nm (In)GaN,
InN 몰 분율 0-10%		 부분적으로 p-도핑, 또는 비도핑 AlGaN 광자 정지층 내, 위, 또는 아래
액티브 MQW 영역(50) InGaN 두께 1-10nm,
GaN 두께 2-30nm		 InGaN/GaN,
InGaN에서의 InN 몰 분율은 10-50%		 GaN 장벽은 n-도핑될 수 있음
스페이서층(90) 10-100nm (In)GaN,
InN 몰 분율 0-10%		 n-도핑
패시브 MQW 영역(40) InGaN 두께 1-10nm,
GaN 두께 2-30nm		 InGaN/GaN,
InGaN에서의 InN 몰 분율은 50-30%		 n-타입 패시브 InGaN 천이 에너지는 레이징 광자 에너지보다 높은 50-400meV
도파관층(20) 0-150nm (In)GaN,
InN 몰 분율 0-10%		 n-도핑
클래딩층(30) ＞500nm AlGaN 또는
AlGaN/GaN 초격자,
AlN 몰 분율 0-20%		 n-도핑
기판(35) 변경 GaN n-도핑
(도 1에 나타낸 바와 같이 상부에서 하부까지 리스트된 구성요소들)
도 1에 도시된 레이저 다이오드 구조는 액티브 MQW 영역(50)과 패시브 MQW 영역(60) 사이에 삽입된 전자 정지층(85)을 더 포함한다는 것을 염두해 두자. 예컨대, 전자 정지층(85)은 스페이서층(90)에 위치되는데, 도 1에 도시된 바와 같이 스페이서층(90)과 액티브 MQW 영역(50) 사이, 또는 스페이서층(90)과 패시브 MQW 영역(60) 사이에 위치된다. InGaN MQW 영역(40, 50, 60)을 채용하는 레이저 다이오드 구조의 경우, 전자 정지층(85)은 p-도핑 AlGaN으로 이루어질 수 있다. 만약 스페이서층(90)이 상기 전자 정지층(85) 상에 전체적으로 또는 부분적으로 있다면, 그 전자 정지층(85) 상에 스페이서 재료가 p-도핑될 것이다.
도 1 및 표 1에 나타낸 바와 같이, 일실시예에 있어서, 도파관 영역은 액티브 영역(10)의 대향측에 배치된 p-도핑 및 n-도핑층(20)을 포함한다. 또한, 클래딩 영역은 액티브 영역(10)의 대향측에 배치된 p-도핑 및 n-도핑층(30)을 포함한다. 그와 같이, 액티브 MQW 영역(50)은 레이저 다이오드 구조(100)의 p-도핑측과 레이저 다이오드 구조(100)의 n-도핑측 사이에 배치된다. 레이저 다이오드 구조(100)의 n-도핑측 상의 스페이서층(90)은 전체적으로 또는 부분적으로 n-도핑되고, 반면 레이저 다이오드 구조(100)의 p-도핑측 상의 스페이서층(90)은 전체적으로 또는 부분적으로 p-도핑된다. 레이저 다이오드 구조(100)의 n-도핑측 상의 양자 우물(70)들 사이의 개재 장벽층(80)들은 n-도핑될 수 있고, 반면 레이저 다이오드 구조(100)의 p-도핑측 상의 양자 우물(70)들 사이의 개재 장벽층(80)들은 패시브 MQW 영역(40, 60)들을 통한 양호한 캐리어 투과를 보장하도록 p-도핑될 수 있다. 이는 또한 양자 우물(70)이 장벽층(80)과 관련하여 기술한 것과 일치하는 방식으로 n 또는 p-도핑될 수도 있다는 것을 예상하게 한다.
도 2에 도시된 광학-펌프식 MQW 레이저 구조(100)에 있어서, 액티브 영역(10)은 광학-펌프식 광자 유도 방출을 위해 구성된 하나 또는 그 이상의 액티브 MQW 영역(40, 50, 60)을 포함한다. 도 2에 도시된 레이저 구조(100)의 MQW 영역(40, 50, 60)은 거의 동일하며, 그와 같은 도 2의 레이저 구조(100)는, 하나 또는 그 이상의 MQW 영역(40, 50, 60)이 패시브로 일치될 지라도, 그 각각의 MQW 영역(40, 50, 60)이 액티브 MQW 영역으로 기능할 수 있기 때문에, 광학-펌프식 레이저 구조로 사용하는데 적합할 것이다.
도 2에 도시된 광학-펌프식 MQW 레이저 구조(100)의 각각의 MQW 영역(40, 50, 60)은 III족 질화물 반도체 재료를 이용하여 형성된 다수의 양자 우물(70) 및 장벽층 두께(a)의 개재 질화물 장벽층(80)을 포함한다. 인접한 MQW 영역은 스페이서 두께(b)의 질화물 스페이서층(90)에 의해 분리된다. 스페이서 두께(b)는 장벽층 두께(a)보다 크고, 양자 우물(70)의 밴드갭은 개재 질화물 장벽층(80) 및 질화물 스페이서층(90)의 각각의 밴드갭보다 낮다. 도 1에 도시된 전기-펌프식 레이저 다이오드 구조(100)의 경우와 같이, 도 2에 도시된 레이저 구조(100)의 각각의 액티브 영역, 도파관 영역, 및 클래딩 영역은 다층식 구조를 형성하며, 여기서 도파관 영역의 도파관층(20)은 액티브 영역(10)으로부터 광자의 유도 방출을 유도하고, 클래딩 영역의 클래딩층(30)은 도파관 영역에서의 방출된 광자의 전파를 촉진한다.
통상, 각각의 액티브 영역, 도파관 영역, 및 클래딩 영역은 레이저 구조가 전기적으로 펌프되는 것과 반대로 광학적으로 펌프되기 때문에 비도핑 반도체 재료로 형성된다. 물론, 도핑이 초과의 광 손실을 이끌지만 않는다면 반도체 재료층의 어느 정도의 도핑은 묵인될 수 있다. 각 액티브 MQW 영역의 구성은 기능적으로 등가일 수 있으며, 소정 또는 각각의 액티브 MQW 영역(40, 50, 60)은 공통 파장의 광학 펌핑 하에 레이징 가능하도록 구성될 수 있다.
이하의 표 2에 상세히 나타낸 바와 같이, 광학-펌프식 레이저 구조(100)의 몇몇 실시예의 경우, 스페이서 두께(b)는 약 20nm와 약 150nm 사이이고, 반면 장벽층 두께(a)는 약 2nm와 약 30nm 사이이다. 이러한 두께 관계를 이용하여, 현재 개시된 실시예들을 실시하는 것은 광 집중을 최적화하기 위해 낮은 양자 우물 밴드갭을 유지하는 것이 좀더 용이해지는 한편 액티브 영역(10)에서의 낮은 성장 온도 또는 초과의 압축 스트레인과 관련된 형태 열화(morphology degradation)를 피한다는 것을 알 수 있을 것이다. 추가의 두께는 상기한 범위 내외에서 고려된다.
층 두께 구성 그 외
클래딩층(30) ＞500nm AlGaN 또는 AlGaN/GaN 초격자,
AlN 몰 분율 0-20%
스페이서층(90) 10-150nm (In)GaN,
InN 몰 분율 0-10%
액티브 MQW 영역(40,50,60) InGaN QW 두께 1-10nm,
InGaN 장벽층 두께 2-30nm		 InGaN/GaN, 또는 InGaN QW에서의 InGaN/InGaN InN 몰 분율은 10-50%.
장벽 및 스페이서에서의 In 몰 분율은 0-10%.
 인접한 MQW는 스페이서(90)에 의해 분리
스페이서층(90) 10-150nm (In)GaN,
InN 몰 분율 0-10%
클래딩층(30) ＞500nm AlGaN 또는 AlGaN/GaN SL,
AlN 평균 몰 분율 0-20%
기판(35) 변경 GaN
(도 2에 나타낸 바와 같이 상부에서 하부까지 리스트된 구성요소들)
도 1 및 2에 도시된 실시예가 MQW 레이저 구조에 3개의 MQW 영역(40, 50, 60)의 사용을 나타냈을 지라도, 향상된 광 집중은 상기한 스페이서층(90)에 의해 분리된 2개 또는 그 이상의 MQW 영역으로 달성될 수 있다는 것을 알 수 있을 것이다. 또한, 각각의 MQW 영역이 개재 장벽층(80)에 의해 분리된 소정 수의 양자 우물(70)을 포함한다는 것을 알 수 있을 것이다. 또한, 여기에 기술되고 고려된 실시예들이 Al-프리 레이저 구조 및 AlGaN 클래딩층을 갖춘 구조 모두에 이용될 수 있다는 것을 염두해 두자.
본 발명 설명 및 정의의 목적을 위해, 여기에 리스트된 파라미터 또는 변수의 함수만을 파라미터의 "함수"가 되는 변수 또는 또 다른 변수로 여기서 고려하려는 것이 아니라는 것을 염두해 두자. 오히려, 그러한 변수가 단일의 파라미터 또는 다수의 파라미터의 함수가 되도록 여기서는 리스트된 파라미터의 "함수"인 변수를 고려한다. 또한, 여기서는 "III족" 원소로 붕소(B), 알루미늄(Al), 갈륨(Ga), 인듐(In), 탈륨(Tl), 및 우눈트륨(ununtrium; 임시 기호 Uut가 붙여지고 원소번호 113이 붙여진 주기율표 상의 합성 원소)을 고려하고 있다.
특정 특성을 구체화하기 위해 "구성"되는 본 발명 개시의 구성요소의 설명은 여기서 의도된 사용의 설명과 반대로 구조적인 설명이라는 것을 염두해 두자. 특히, 구성요소가 "구성"되는 방식에 대한 고려는 그러한 구성요소의 기존의 물리적 조건을 나타내며, 그에 따라 그 구성요소의 구조적 특성의 명확한 설명이 이루어진다.
여기에 사용되는 용어 "바람직하게", "공통적으로", 및 "통상"은 청구된 발명의 범위를 한정하거나 또는 소정 특징이 본 발명의 구조 또는 기능에 결정적인, 본질적인, 또는 심지어 중대하다는 것을 암시하는데 사용되지 않는다는 것을 염두해 두자. 오히려, 이들 용어는 단지 본 발명 개시 실시예의 특정 형태를 확인하거나 또는 본 발명 개시의 특정 실시예에 사용되거나 사용되지 않는 대안의 또는 추가의 특징들을 강조하려는 것일 뿐이다.
본 발명의 설명 및 정의의 목적을 위해, 용어 "약"은 여기서 양적인 비교, 값, 측정, 또는 다른 표시로 추정되는 고유의 불확실한 정도를 나타내기 위해 사용된다. 또한, 용어 "거의"는 여기서 이슈의 목적 대상의 기본적인 기능을 변경하지 않고 양적인 표시가 상태 기준으로 변경되는 정도를 나타내기 위해 사용된다.
구조의 p-측을 "상부" 그리고 n-측을 구조의 "하부"로 부르도록 지정했다. 이에 따라, 용어 "상부"는 구조 상부 쪽을 의미하고 "하부"는 구조 하부 쪽을 의미한다.
본 발명 개시의 목적 대상을 그 특정 실시예를 참조하여 상세히 설명했기 때문에, 부가된 청구항들에 정의된 본 발명 범위로부터 벗어나지 않고 변형 및 변경이 이루어질 수 있다는 것은 자명할 것이다. 특히, 비록 본 발명 개시의 몇몇 형태를 바람직한 또는 특정 장점으로 여기에 나타냈을 지라도, 본 발명 개시가 이들 형태로 반드시 한정되는 것은 아니라는 것을 염두해 두자. 예컨대, 비록 여기에 기술된 레이저 구조가 몇몇 경우 밴드갭-감소 III족 질화물 성분이 InN인 하나의 III족 질화물을 포함하는 것으로 나타냈을 지라도, 양자 우물의 밴드갭을 감소시킬 수 있는지의 여부에 상관없이 레이저 구조가 소정 수의 III족 성분을 포함한다는 것을 염두해 두자.
이하의 하나 또는 그 이상의 청구항들에는 전환 문구로서 용어 "거기서"를 사용한다는 것을 참고하자. 본 발명 정의의 목적을 위해, 구조의 일련의 특성의 설명을 이끌기 위해 사용되는 변경할 수 있는 전환 문구로서 이러한 용어가 청구항에 채용되고 좀더 공통적으로 사용된 변경할 수 있는 상기 기술한 용어 "포함하는"과 같이 동일한 형태로 해석된다는 것을 참고하자.
10 : 액티브 영역, 20 : 도파관층,
30 : 클래딩층, 35 : 기판,
40, 50, 60 : MQW 영역, 70 : 양자 우물,
80 : 장벽층, 85 : 정지층,
90 : 스페이서층, 100 : 레이저 구조.

Claims (23)

  1. 레이저 기판, 반도체 액티브 영역, 도파관 영역, 및 클래딩 영역을 포함하는 다중-양자 우물(MQW) 레이저 다이오드에 있어서,
    상기 액티브 영역은 적어도 하나의 액티브 MQW 영역 및 적어도 하나의 패시브 MQW 영역을 포함하고,
    상기 액티브 MQW 영역은 전기-펌프식 광자 유도 방출을 위해 구성되고,
    상기 패시브 MQW 영역은 상기 액티브 MQW 영역의 레이징 광자 에너지로 광학적으로 투과하고,
    각각의 MQW 영역은 다수의 양자 우물 및 장벽층 두께(a)의 개재 장벽층을 포함하고,
    인접한 MQW 영역은 스페이서 두께(b)의 스페이서층에 의해 분리되고,
    상기 스페이서 두께(b)는 장벽층 두께(a)보다 크고,
    양자 우물의 밴드갭은 개재 장벽층 및 스페이서층의 밴드갭보다 낮으며,
    각각의 액티브 영역, 도파관 영역, 및 클래딩 영역은 상기 도파관 영역이 액티브 영역으로부터 광자의 유도 방출을 유도하고, 상기 클래딩 영역이 도파관 영역에서의 방출된 광자의 전파를 촉진하도록 레이저 기판 상에 다층식 다이오드로서 형성되는 것을 특징으로 하는 다중-양자 우물 레이저 다이오드.
  2. 청구항 1에 있어서,
    레이저 다이오드는 액티브 MQW 영역과 패시브 MQW 영역 사이에 삽입된 전자 정지층을 더 포함하고,
    상기 전자 정지층은 스페이서층과 액티브 MQW 영역 사이, 또는 스페이서층과 패시브 MQW 영역 사이에서 상기 스페이서층에 있는 것을 특징으로 하는 다중-양자 우물 레이저 다이오드.
  3. 청구항 1에 있어서,
    패시브 MQW 영역의 광 천이 에너지가 액티브 MQW 영역의 레이징 광자 에너지보다 높은 것을 특징으로 하는 다중-양자 우물 레이저 다이오드.
  4. 청구항 1에 있어서,
    액티브 MQW 영역의 레이징 광자 에너지는 패시브 MQW 영역의 광 천이 에너지보다 50meV 내지 400meV 낮은 것을 특징으로 하는 다중-양자 우물 레이저 다이오드.
  5. 청구항 1에 있어서,
    양자 우물은 InGaN 양자 우물, AlGaAs 양자 우물, AlGaAsP 양자 우물, GaAs 양자 우물, InGaAs 양자 우물 및 그 화합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 다중-양자 우물 레이저 다이오드.
  6. 청구항 1에 있어서,
    액티브 MQW 영역은 10%와 50% 사이의 In 몰 분률을 갖는 InGaN 양자 우물을 포함하고,
    패시브 MQW 영역은 50%와 30% 사이의 In 몰 분률을 갖는 InGaN 양자 우물을 포함하는 것을 특징으로 하는 다중-양자 우물 레이저 다이오드.
  7. 청구항 6에 있어서,
    개재 장벽층은 0%와 10% 사이의 In 몰 분률을 갖는 GaN 또는 InGaN 장벽층을 포함하고,
    스페이서층은 0%와 10% 사이의 In 몰 분률을 갖는 GaN 또는 InGaN 스페이서층을 포함하는 것을 특징으로 하는 다중-양자 우물 레이저 다이오드.
  8. 청구항 1에 있어서,
    도파관 영역은 액티브 영역의 대향측에 배치된 p-도핑층 및 n-도핑층을 포함하고,
    클래딩 영역은 액티브 영역의 대향측에 배치된 p-도핑층 및 n-도핑층을 포함하는 것을 특징으로 하는 다중-양자 우물 레이저 다이오드.
  9. 청구항 1에 있어서,
    액티브 MQW는 레이저 다이오드의 p-도핑측과 레이저 다이오드의 n-도핑측 사이에 배치되고,
    레이저 다이오드의 n-도핑측 상의 스페이서층은 전체적으로 또는 부분적으로 n-도핑되고,
    레이저 구조의 p-도핑측 상의 스페이서층은 전체적으로 또는 부분적으로 p-도핑되고,
    레이저 다이오드의 n-도핑측 상의 양자 우물들간 개재 장벽층은 n-도핑되며,
    레이저 다이오드의 p-도핑측 상의 양자 우물들간 개재 장벽층은 p-도핑되는 것을 특징으로 하는 다중-양자 우물 레이저 다이오드.
  10. 청구항 9에 있어서,
    레이저 다이오드는 액티브 MQW 영역과 패시브 MQW 영역 사이에 개재된 스페이서층에 전자 정지층을 더 포함하고,
    전자 정지층과 패시브 MQW 영역간 스페이서층의 일부는 전자 정지층과 액티브 MQW 영역간 스페이서층의 일부가 비도핑 동안 p-도핑되는 것을 특징으로 하는 다중-양자 우물 레이저 다이오드.
  11. 청구항 1에 있어서,
    질화물 스페이서층은 MQW 영역에 걸친 스트레인 누적을 적어도 부분적으로 경감시키거나 또는 표면 형태를 부분적으로 회복하기에 충분히 두꺼운 것을 특징으로 하는 다중-양자 우물 레이저 다이오드.
  12. 레이저 기판, 반도체 액티브 영역, 도파관 영역, 및 클래딩 영역을 포함하는 다중-양자 우물 레이저 구조에 있어서,
    상기 액티브 영역은 광학-펌프식 광자 유도 방출을 위해 구성된 하나 또는 그 이상의 액티브 MQW 영역을 포함하고,
    각각의 MQW 영역은 밴드갭-감소 III족 질화물 성분을 포함하는 다수의 양자 우물, 및 장벽층 두께(a)의 개재 질화물 장벽층을 포함하고,
    인접한 MQW 영역은 스페이서 두께(b)의 질화물 스페이서층에 의해 분리되고,
    스페이서 두께(b)는 장벽층 두께(a)보다 크고,
    양자 우물의 밴드갭은 개재 질화물 장벽층 및 질화물 스페이서층의 밴드갭보다 낮으며,
    각각의 액티브 영역, 도파관 영역, 및 클래딩 영역은 상기 도파관 영역이 액티브 영역으로부터 광자의 유도 방출을 유도하고, 상기 클래딩 영역이 도파관 영역에서의 방출된 광자의 전파를 촉진하도록 레이저 기판 상에 다층식 구조를 형성하는 것을 특징으로 하는 다중-양자 우물 레이저 구조.
  13. 청구항 12에 있어서,
    액티브 영역은 광학-펌프식 광자 유도 방출을 위해 구성된 다수의 액티브 MQW 영역을 포함하는 것을 특징으로 하는 다중-양자 우물 레이저 구조.
  14. 청구항 12에 있어서,
    각각의 액티브 영역, 도파관 영역, 및 클래딩 영역이 비도핑 반도체 재료층으로부터 형성되는 것을 특징으로 하는 다중-양자 우물 레이저 구조.
  15. 청구항 12에 있어서,
    각 액티브 MQW 영역의 구성은 기능적으로 등가인 것을 특징으로 하는 다중-양자 우물 레이저 구조.
  16. 청구항 12에 있어서,
    각 액티브 MQW 영역은 공통 파장의 광학 펌핑 하에 레이징 가능한 것을 특징으로 하는 다중-양자 우물 레이저 구조.
  17. 청구항 12에 있어서,
    MQW 영역에 포함된 밴드갭-감소 III족 질화물 성분은 InN을 포함하고, 질화물 스페이서층은 GaN 또는 InGaN을 포함하는 것을 특징으로 하는 다중-양자 우물 레이저 구조.
  18. 청구항 12에 있어서,
    양자 우물은 10%와 50% 사이의 In 몰 분률을 갖는 InGaN 양자 우물을 포함하고,
    개재 장벽층은 0~10%의 In 몰 분률을 갖는 GaN 또는 InGaN 장벽층을 포함하며,
    스페이서층은 0~10%의 In 몰 분률을 갖는 GaN 또는 InGaN 스페이서층을 포함하는 것을 특징으로 하는 다중-양자 우물 레이저 구조.
  19. 청구항 12에 있어서,
    스페이서 두께(b)는 장벽층 두께(a)보다 크고 10nm와 150nm 사이이며,
    장벽층 두께(a)는 2nm와 30nm 사이인 것을 특징으로 하는 다중-양자 우물 레이저 구조.
  20. 청구항 12에 있어서,
    액티브 영역은 450nm 이상의 파장을 레이징하도록 구성된 것을 특징으로 하는 다중-양자 우물 레이저 구조.
  21. 청구항 1에 있어서,
    액티브 영역은 450nm 이상의 파장을 레이징하도록 구성된 것을 특징으로 하는 다중-양자 우물 레이저 구조.
  22. 레이저 기판, 반도체 액티브 영역, 도파관 영역, 및 클래딩 영역을 포함하는 다중-양자 우물 레이저 구조에 있어서,
    상기 액티브 영역은 광학-펌프식 광자 유도 방출을 위해 구성된 다수의 액티브 MQW 영역을 포함하고,
    각각의 MQW 영역은 다수의 양자 우물 및 장벽층 두께(a)의 개재 장벽층을 포함하고,
    인접한 MQW 영역은 스페이서 두께(b)의 질화물 스페이서층에 의해 분리되고,
    스페이서 두께(b)는 장벽층 두께(a)보다 크고,
    장벽층 두께(a)는 2nm와 30nm 사이이고,
    양자 우물의 밴드갭은 개재 장벽층 및 질화물 스페이서층의 밴드갭보다 낮으며,
    각각의 액티브 영역, 도파관 영역, 및 클래딩 영역은 상기 도파관 영역이 액티브 영역으로부터 광자의 유도 방출을 유도하고, 상기 클래딩 영역이 도파관 영역에서의 방출된 광자의 전파를 촉진하도록 레이저 기판 상에 다층식 구조를 형성하는 것을 특징으로 하는 다중-양자 우물 레이저 구조.
  23. 청구항 12에 있어서,
    양자 우물은 InGaN 양자 우물, AiGaN 양자 우물, AlGaAs 양자 우물, AlGaAsP 양자 우물, GaAs 양자 우물, InGaAs 양자 우물, 및 그 화합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 다중-양자 우물 레이저 구조.
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