KR20120075468A - 에지 방출 반도체 레이저 - Google Patents

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KR20120075468A
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알바로 고메즈-이글리시아스
구엔터 지로엔닌거
크리스티안 라우어
하랄드 코에니그
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오스람 옵토 세미컨덕터스 게엠베하
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Abstract

활성 복사 생성 영역(1) 및 종합적 도파로(8)를 포함한 에지 방출 반도체 레이저가 공개되며, 상기 종합 도파로는 활성 영역(1)에서 생성된 복사를 상기 반도체 레이저의 내부에서 유도하기에 적합하다. 종합적 도파로(8)는 n형 도핑된 제1층(4) 및 상기 n형 도핑된 제1층(4)과 활성 영역(1)의 사이에 배치된 n형 도핑된 제2층(5)을 포함하고, 이 때 n형 도핑된 제2층(5)의 굴절률(n2)은 n형 도핑된 제1층(4)의 굴절률(n1)보다 수치(dn)만큼 더 크다.

Description

에지 방출 반도체 레이저{EDGE-EMITTING SEMICONDUCTOR LASER}
본 출원은 에지 방출 반도체 레이저에 관한 것이다.
일반적으로, 에지 방출 반도체 레이저는 반도체 레이저의 활성 영역에서 생성된 복사를 상기 반도체 레이저 내부에서 유도하기 위한 도파로를 포함한다.
종래의 도파로는 일반적으로 p형 도핑된 반도체 층들을 포함하고, 반도체 층들은 낮은 정공 이동도에 의해 소자의 높은 직렬 저항을 초래할 수 있다. 이러한 소자의 직렬 저항을 줄이기 위해, 예를 들면, 도파로의 p형 도핑된 영역의 p형 도핑을 낮추는 시도가 있어왔다. 그러나, 이 경우, 도파로의 손실이 증가할 위험이 있고, 이는 레이저의 임계 전류 상승에서 나타날 수 있다.
본 발명의 과제는 개선된 도파로를 포함한 에지 방출 반도체 레이저를 제공하는 것으로, 상기 도파로는 반도체 레이저의 낮은 직렬 저항을 가능하게 하고, 고 전류에서 매우 높은 효율을 구현할 수 있다.
상기 과제는 특허청구범위 제1항의 특징들을 포함한 에지 방출 반도체 레이저에 의하여 해결된다.
유리한 실시예 및 발전예는 종속항에 제공된다.
에지 방출 반도체 레이저는 특히:
- 활성 복사 생성 영역, 및
- 활성 영역에서 생성된 복사를 반도체 레이저 내부에서 유도하기에 적합한 종합 도파로를 포함하고, 이 때
- 종합 도파로는 n형 도핑된 제1층 및 n형 도핑된 제2층을 포함하고, 이 때 n형 도핑된 제2층은 상기 n형 도핑된 제1층과 활성 영역 사이에 배치되고, 그리고
- n형 도핑된 제2층의 굴절률(n2)은 n형 도핑된 제1층의 굴절률(n1)보다 수치(dn)만큼 더 크다.
속박 인자(confinement factor)(CF)로서, 이하에서는 반도체 레이저의 각각의 레이저 모드와 상기 반도체 레이저의 복사 생성 활성 영역과의 중첩을 가리킨다. 또한, 제1차수의(first order) 레이저 모드는 "기본 레이저 모드(fundamental laser mode)"라는 개념으로 명명한다.
종합 도파로는, 기본 레이저 모드의 속박 인자를 더 높은 차수의 레이저 모드의 속박 인자에 비해 증가시키는 역할이다. 종합 도파로는 본원에서 1차(primary) 도파로 및 더 높은 차수의 적어도 하나의 부가적 도파로, 일반적으로 2차 도파로를 포함한다.
1차 도파로는 기본 모드를 유도한다. 이 때 "유도"라는 개념은, 모드의 총 세기의 적어도 50%는 각각의 도파로 내에 집중된다는 것을 의미한다.
바람직하게는, 1차 도파로는 활성 영역 및 n형 도핑된 제2층을 포함한다. 1차 도파로는 소위 서브 우물(sub well)을 더 포함할 수 있다. 서브 우물은 예를 들면 미도핑된 영역으로 형성되고, 상기 영역에 활성 영역이 매립된다. 미도핑된 영역은 일반적으로, 종합적 도파로의 층들보다 더 큰 굴절률을 가진다.
2차 도파로는 1차 도파로를 포함하고, n형 도핑된 제2층에 인접하여 n형 도핑된 제1층을 포함하며, 이 때 n형 도핑된 제2층의 굴절률(n2)은 n형 도핑된 제1층의 굴절률(n1)보다 수치(dn)만큼 더 크다. 2차 도파로는, 더 높은 차수의 도파로가 제공되지 않은 경우, 적어도 제2차수의 모드를 더 높은 차수를 가진 모든 모드들로 유도하기에 적합하다.
더 높은 차수를 가진 모드의 유도를 위해 더 높은 도파로들도 고려할 수 있다. 각각의 도파로를 형성하는, 각각의 층들의 물질 조성 및 두께는, 기본 모드의 유효 굴절률이, 상기 기본 모드가 1차 도파로 내에서 유도되나, 2차 도파로 내에서는 유도되지 않으며, - 만일의 경우 - 더 높은 도파로들에서 유도되도록 충분히 크게 선택되어야 한다.
이 부분에서, 종합적 도파로가 앞에 상술한 층들 외에 부가적 층들을 포함할 수 있음을 밝혀둔다. 이러한 부가적 층들은 1차 도파로의 일부, 2차 도파로의 일부 또는 더 높은 차수를 가진 도파로의 일부일 수 있다.
본 발명의 목적은, 다양한 레이저 모드들을 서로 다르게 유도하는 1차 및 더 높은 도파로들을 도입하여 상기 다양한 모드들의 속박 인자에 유리한 영향을 미치는 것이다. 특히, 기본 레이저 모드의 속박 인자를 더 높은 차수의 레이저 모드의 속박 인자에 비해 증가시키는 것이 필요하다.
반도체 레이저의 매우 바람직한 실시예에 따르면, 종합 도파로는 p형 도핑된 층을 포함하지 않는다.
본원에서 n형 도핑된 층 또는 p형 도핑된 층이라고 하면, 이러한 층들이 그에 상응하는 부가적 도펀트(n- 또는 p-도펀트)를 포함한다는 것을 의미한다. 미도핑된 층이란, 본원에서, 부가적 도펀트가 목적에 따라 함유되지 않은 층을 의미한다. 그러나, 이러한 미도핑 층들은 진성 도핑을 매우 잘 포함할 수 있는데, 진성 도핑은 예를 들면 반응기 내에서 에피택시얼 성장에 의해 층들이 증착될 때 불가피하게 발생한다.
이러한 의미에서, 종합 도파로가 "p형 도핑된 층을 포함하지 않는다"는 것은, 종합 도파로는 부가적으로 목적에 맞게 p형 도펀트로 도핑된 층을 포함하지 않는다는 것을 의미한다.
다른 실시예에 따르면, 반도체 레이저의 종합 도파로는 단일의 매우 얇은 p형 도핑된 층만을 포함한다. 더욱 바람직하게는, 이러한 매우 얇은 p형 도핑된 층의 두께는 종합 도파로의 두께의 10%이하이며, 예를 들면 200 nm이하이다. 이 부분에서, p형 도핑된 층은 물질과 관련하여 반드시 균일하게 형성될 필요가 없다는 점을 밝혀둔다. 오히려, 물질 조성은 p형 도핑된 층 내에서 달라질 수 있다.
종합 도파로가 p형 도핑된 층을 포함하지 않거나 매우 얇은 p형 도핑된 층만을 포함하면, 이는, 종합 도파로의 총 두께가 동일할 때 반도체 레이저의 직렬 저항이 더 두꺼운 p형 도핑 도파로층들을 포함한 종래의 반도체 레이저에 비해 낮아진다는 이점이 있다.
더욱 바람직하게는, 레이저빔의 기본 모드는 실질적으로 n형 도핑된 제2층에 한정된다. 본원에서 이러한 점은, 절반을 초과하는 세기가 n형 도핑된 제2층내에 뿐만 아니라 활성 영역 내에도 집중된다는 것을 의미한다.
반도체 레이저의 다른 바람직한 실시예에 따르면, 종합 도파로는 미도핑된 제1층을 더 포함하고, 제1층은 활성 영역과 n형 도핑된 제2층 사이에 배치되어 있으며, 이 때 미도핑된 제1층의 굴절률(n3)은 n형 도핑된 제2층의 굴절률(n2)보다 더 크다.
상기 실시예에서, 또한 바람직하게는 종합 도파로의 내부에 미도핑된 제2층이 배치되어 있고, 제2층은 미도핑된 제1층에 대향된 활성 영역의 측에 배치되어 있다. 이 경우, 활성 영역은 미도핑된 두 층들의 내부에 매립되어 있다. 미도핑된 두 층들은 미도핑 영역을 형성하고, 미도핑 영역은 서브 우물을 형성할 수 있다.
또한, 종합 도파로가 n형 도핑된 제1층 및 n형 도핑된 제2층 외에 2개의 미도핑된 층들을 포함하고, 상기 미도핑층들에 활성 영역이 매립된 실시예에서, 미도핑된 제1층 및 미도핑된 제2층은 서로 다른 두께를 가질 수 있다. 이 경우, 활성 영역은 미도핑된 영역 내부에 비대칭으로 배치되어 있으며, 상기 미도핑된 영역은 미도핑된 제1 및 제2층으로 형성된다. 이 때, 더욱 바람직하게는, 활성 영역과 n형 도핑된 제2층 사이에 배치된 미도핑 제1층은 미도핑된 제2층보다 더 얇게 형성되고, 상기 제2층은 상기 미도핑 제1층과 다른 방향을 향해 있는 활성 영역의 측에 배치된다. 이로써, 기본 모드의 속박 인자는 유리하게도 더욱 증가할 수 있다.
반도체 레이저의 다른 실시예에 따르면, 종합 도파로는 n형 도핑된 클래딩층(cladding layer) 및 p형 도핑된 클래딩층을 포함한다. 본원에서, "클래딩층"이란, 상기 바로 고찰한 모드의 유효 굴절률보다 더 작은 굴절률을 가진 층을 가리킨다.
일반적으로, 활성 영역, 미도핑된 제1층, 미도핑된 제2층, n형 도핑된 제1층, n형 도핑된 제2층과 같은, 반도체 레이저의 반도체층들 및 한편 클래딩층들도 성장 기판상에 에피택시얼 성장된다. 성장 기판은 갈륨비화물, 인듐인화물, 인듐비화물, 인듐안티몬화물, 갈륨안티몬화물, 갈륨질화물 중 하나의 물질을 포함하거나, 이 중 하나의 물질로 구성될 수 있다. 성장 기판이 상기 성장 기판에 가장 근접한 종합 도파로의 층에 비해 더 큰 굴절률을 가진 경우, 종합 도파로와 성장 기판 사이에 바람직하게는 n형 도핑된 클래딩층 또는 p형 도핑된 클래딩층이 배치되어 있다. 클래딩층의 도핑은, 일반적으로, 종합 도파로의 인접한 층들의 도핑을 따르며, 즉 성장 기판에 인접하여 배치된 종합 도파로의 층이 n형 도핑된 경우, 성장 기판과 종합 도파로의 사이에 바람직하게는 n형 도핑된 클래딩층이 배치된다. 그러나, 성장 기판에 인접하여 배치된 종합 도파로의 층이 p형 도핑되면, 일반적으로 p형 도핑된 클래딩층은 성장 기판과 종합 도파로의 사이에 위치한다.
성장 기판과 종합 도파로의 사이에 위치한 p형 도핑된 클래딩층 또는 n형 도핑된 층을 이용하여, 레이저빔의 모드는 유리하게는 성장 기판으로부터 효과적으로 분리된다. 이를 통해, 반도체 레이저의 효율이 증가하는데, 그렇지 않은 경우 레이저빔의 모드는 높은 광학적 흡수 손실을 경험할 수 있거나/경험할 수 있고 반도체 레이저의 수직 원거리장이 방해받을 수 있기 때문이다.
이 때, 일반적으로, n형 도핑된 클래딩층이 종합 도파로의 n형 도핑된 제1층에 인접하여 배치되는 반면, p형 도핑된 클래딩층은 n형 도핑된 층들에 대향된 활성 영역의 측에 배치된다.
다른 바람직한 실시예에 따르면, 반도체 레이저의 기본 모드의 속박 인자는 양자우물 당 1%이상과 0.4% 이하, 더욱 바람직하게는 0.6%이상과 0.4%이하이다.
다른 실시예에 따르면, n형 도핑된 제1층과 n형 도핑된 제2층 사이의 굴절률차(dn)는 0.03이상과 0.1이하이다. 굴절률차(dn)가 상대적으로 낮으면, 기본 모드는 n형 도핑된 제1층 내에서도 확대됨으로써, 반도체 레이저의 원거리장의 폭은 유리하게도 현저히 감소한다.
또한 바람직하게는, n형 도핑된 제2층의 두께는 200 nm이상과 800 nm이하이다.
더욱 바람직하게는, n형 도핑된 제2층의 두께는 종합 도파로의 두께와 관련하여 8%와 20% 사이이다.
다른 실시예에 따르면, n형 도펀트의 농도는 n형 도핑된 제1층의 내부에서, 종합 도파로의 외측을 향하여 단계적으로 또는 연속적으로 증가하는 흐름을 보여준다. 이러한 방식으로, 반도체 레이저의 내부에서 기본 레이저 모드 외에 더 높은 차수의 모드들의 형성을 막기 위해, 더 높은 차수를 가진 레이저 모드를 위한 자유 전하 캐리어의 흡수로 인하여 광학적 손실은 증가할 수 있는 것이 일반적이다.
다른 실시예에 따르면, 에지 방출 반도체 레이저는 비화물 화합물 반도체 물질계이다.
이러한 맥락에서 "비화물 화합물 반도체 물질계"란, 특히 에지 방출 반도체 레이저의 복사 생성 활성 영역이 바람직하게는 AlnGamIn1 -n- mAs를 포함하고, 이 때 0≤n≤1, 0≤m≤1, n+m≤1임을 의미한다. 이 때, 상기 물질은 반드시 상기 수식에 따라 수학적으로 정확한 조성을 가질 필요는 없다. 오히려, 하나 이상의 도펀트 및 특히 물질의 굴절률을 실질적으로 변경하지 않는 부가 성분을 포함할 수 있다. 그러나, 상기 수식은 결정 격자의 실질적 성분들(Al, Ga, In, As)만은, 비록 이들이 부분적으로 미량의 다른 성분으로 대체될 수 있다고 하더라도, 포함하는 것이 간단하다.
비화물 화합물 반도체 물질계인 반도체 레이저는 특히, 적외 스펙트럼 영역의 레이저빔을 방출하기에 적합하다.
이하, 본 발명은 도면과 관련하여 실시예들에 의거하여 더 상세히 설명된다.
도 1은 제1실시예에 따른 에지 방출 반도체 레이저의 개략적 단면도이다.
도 2는 간격(b)에 의존하는 방향(R)을 따라 도 1의 실시예에 따른 에지 방출 반도체 레이저의 굴절률(n)에 대한 개략도이다.
도 3은 종합 도파로 내부에서 제4차수까지의 광학 모드들의 세기 프로파일들(I)을 포함하는, 도 1의 실시예에 따른 반도체 레이저의 굴절률 흐름의 개략도이다.
도 4는 n형 도핑된 제2층의 두께(d)의 함수로서 도 1의 실시예에 따른 반도체 레이저의 다양한 모드들에 대한 속박 인자(CF)의 개략도이다.
도 5는 3개의 다양한 실시예에 따라, 방향(R)을 따른 n형 도펀트 농도(Cn)의 3개의 다양한 프로파일 및 도 1의 실시예에 따른 반도체 레이저의 굴절률 흐름을 나타낸 개략도이다.
도 6은 종합 도파로의 내부에서 제4차수까지의 광학 모드들의 세기 프로파일과 함께 제2실시예에 따른 에지 방출 반도체 레이저의 굴절률 흐름(n)을 나타낸 개략도이다.
도 7은 n형 도핑된 제2층의 두께(d)의 함수로서 제2실시예에 따른 반도체 레이저의 다양한 모드들에 대한 속박 인자(CF)의 개략도이다.
도 8은 종합 도파로의 내부에서 제4차수까지의 광학적 모드들의 세기 프로파일들과 함께 제3실시예에 따른 에지 방출 반도체 레이저의 굴절률 흐름(n)을 나타낸 개략도이다.
도 9는 n형 도핑된 제2층의 두께(d)의 함수로서 제3실시예에 따른 반도체 레이저의 다양한 모드들에 대한 속박 인자(CF)의 개략도이다.
동일하거나 동일한 효과를 가진 요소는 도면에서 동일한 참조번호를 가진다. 도면은 척도에 맞는 것으로 볼 수 없고, 오히려 예를 들면 층 두께와 같은 개별 요소는 명확한 도면을 위해 과장되어 크게 도시되어 있을 수 있다.
도 1의 실시예에 따른 에지 방출 반도체 레이저는 활성 영역(1)을 포함하고, 활성 영역은 전자기 복사를 생성하기에 적합하다.
복사 생성을 위해 활성 영역(1)은 바람직하게는 pn접합, 이중이종구조, 단일양자우물 또는 다중양자우물구조(MQW)를 포함한다. 더욱 바람직하게는, 활성 영역(1)은 복사 생성을 위해 단일양자우물을 포함한다. 양자우물구조란 명칭은 양자화의 차원성에 대한 정보를 포함하지 않는다. 상기 명칭은 특히 양자상자, 양자선, 양자점 및 이러한 구조들의 각 조합을 포함한다.
도 1의 실시예에 따른 반도체 레이저에서, 활성 영역(1)은 미도핑된 제1층(2)과 미도핑된 제2층(3) 사이에 배치되어 있다. 미도핑된 제1층(2) 및 미도핑된 제2층(3)은 활성 영역(1)에 직접 접하여 배치되며, 즉 미도핑된 제1층(2) 및 미도핑된 제2층(3)은 각각, 활성 영역(1)과의 공통 경계면을 형성한다. 활성 영역(1)은 미도핑 영역 내에 매립되며, 상기 미도핑 영역은 미도핑된 제1층(2) 및 미도핑된 제2층(3)으로 형성된다. 미도핑된 제1층(2) 및 미도핑된 제2층(3)은 서브 우물로서 역할하는 미도핑 영역을 형성한다.
또한, 도 1에 따른 반도체 레이저는 n형 도핑된 제1층(4) 및 n형 도핑된 제2층(5)을 포함하고, 이 때 n형 도핑된 제2층(5)은 활성 영역(1)과 n형 도핑된 제1층(4) 사이에 배치된다. 본원에서, n혈 도핑된 제2층(5)은 미도핑된 제1층(2)과 직접 접하여 배치되고, n형 도핑된 제1층(4)은 n형 도핑된 제2층(5)과 직접 접하여 배치되는데, 즉 n형 도핑된 제2층(5)은 미도핑된 제1층(2)과 공통의 경계면을 형성하고, n형 도핑된 제1층(4)은 n형 도핑된 제2층(5)과 공통의 경계면을 형성한다.
본원에서, 활성 영역(1), 미도핑된 두 층들(2, 3) 및 n형 도핑된 두 층들(4, 5)은 반도체 레이저의 종합 도파로(8)를 형성하고, 종합 도파로는 활성 영역(1)내에 생성된 복사를 반도체 레이저의 내부에서 유도하기에 적합하다. 본원에서, 활성 영역(1)은 종합 도파로(8)의 내부에 배치되며, 미도핑된 두 층들(2, 3) 사이에 대칭으로 배치되며, 상기 두 미도핑층은 종합 도파로(8)의 미도핑 영역을 형성한다. 바꾸어 말하면, 미도핑된 두 층들(2, 3)은 동일한 두께를 가진다.
n형 도핑된 제1층(4)에 인접하여, n형 도핑된 클래딩층(6)이 배치된 반면, n형 도핑된 클래딩층(6)에 대향된 활성 영역(1)의 측에는 미도핑된 제2층(3)에 인접하여 p형 도핑된 클래딩층(7)이 위치한다. 본원에서, p형 도핑된 클래딩층(7)은 미도핑된 제2층(3)과 직접 접하여 배치되고, 즉 p형 도핑된 클래딩층(7)은 미도핑된 제2층(3)과 공통의 경계면을 형성한다.
종합 도파로(8)의 층들, 즉 본원에서 활성 영역(1), 미도핑된 제1층(2), 미도핑된 제2층(3), n형 도핑된 제1층(4), n형 도핑된 제2층(5)은 성장 기판(13)상에 에피택시얼 성장된다. 종합 도파로(8)의 층들은 n형 도핑된 클래딩층(6)에 의해 성장 기판(13)으로부터 분리된다.
도 1에 따른 반도체 레이저의 종합 도파로(8)는 p형 도핑된 층을 포함하지 않는다. 따라서, 반도체 레이저의 직렬 저항은 유리하게도 p형 도핑된 층들을 포함한 소자에 비해 종합 도파로(8) 내에서 감소한다. 면적과 관련한 반도체 레이저의 직렬 저항은 2*10-4 Ω㎠이하, 더욱 바람직하게는 10-5 Ω㎠이하이다.
반도체 레이저는 활성 영역(1)의 주 연장 평면에 대해 수직인 두 개의 측면들(9, 10)에서 간면들(facets)을 포함하고, 상기 간면들은 활성 영역(1) 내에서 생성된 복사를 반사하기에 적합하다. 따라서, 반도체 레이저의 구동 시 활성 영역(1)의 주 연장 평면을 따라 전자기 복사로부터의 정재파는 반도체 레이저의 내부에 형성되며, 상기 정재파는 레이저빔을 나타낸다. 일반적으로, 레이저빔은 간면들 중 하나를 통해 아웃커플링된다.
도 2에는 반도체 레이저의 층들의 두께(b)에 의존하여 도 1의 방향(R)을 따른 반도체 레이저 내부에서의 굴절률(n)의 흐름이 도시되어 있다. 이 때, 굴절률 프로파일은 성장 기판(13)의 굴절률에서부터 시작하며, 이는 약 3.6이다. 성장 기판(13)에 인접하여, n형 도핑된 클래딩층(6)이 배치되고, 상기 층의 두께는 약 0.7과 약 1 ㎛사이이며, 굴절률은 약 3.2이다. 본원에서, n형 도핑된 클래딩층(6)은 레이저빔의 모드를 성장 기판(13)으로부터 분리하는 역할이다.
n형 도핑된 클래딩층(6)과 직접 접하여 위치한 n형 도핑된 제1층(4)은 약 1.8 ㎛의 두께를 가지고, 굴절률(n1)은 약 3.37이다. n형 도핑된 제1층(4)에 직접 접하여, n형 도핑된 제2층(5)이 더 배치되고, 상기 제2층의 두께는 약 0.35 ㎛이고, 굴절률(n2)은 약 3.41이다.
n형 도핑된 제2층(5)의 굴절률(n2)은 n형 도핑된 제1층(4)의 굴절률(n1)보다 약 0.04라는 수치(dn)만큼 더 크다.
더욱 바람직하게는, n형 도핑된 제1층(4)과 n형 도핑된 제2층(5) 사이의 굴절률차(dn)는 0.04 이상과 0.05이하이다.
미도핑된 제1층(2) 및 미도핑된 제2층(3)은 둘 다 두께가 10 nm과 100 nm사이이고, 굴절률은 약 3.45이다. 미도핑된 제1층(2)의 굴절률(n3)은 n형 도핑된 제2층(5)의 굴절률(n2)보다 더 크다. 미도핑된 두 층들(2, 3)안에 매립된 활성 영역(1)은 굴절률이 약 3.5이다. 일반적으로, 활성 영역(1)의 두께는 3 nm과 12 nm사이이고, 예를 들면 약 7 nm이다.
미도핑된 제2층(3)에 직접 접하여 배치된 p형 도핑된 클래딩층(7)은 본원에서 두께가 약 0.7 ㎛이고, 굴절률은 약 3.2이다.
본원에서, 반도체 레이저는 비화물 화합물 반도체 물질계이고, 약 965 nm의 파장을 가진 적외 스펙트럼 영역으로부터의 레이저빔을 방출하기에 적합하다.
그러나, 에지 방출 반도체 레이저의 종합 도파로에 대한 상기 컨셉은 상기 물질 그룹 또는 방출 파장에 한정되지 않는다. 오히려, 상기 컨셉은 다른 물질 및 방출 파장, 예를 들면 808 nm에도 적용될 수 있다.
n형 도핑된 클래딩층(6), p형 도핑된 클래딩층(7), n형 도핑된 제1층(4) 및 n형 도핑된 제2층(5) 및 미도핑된 제1층(2), 미도핑된 제2층(3)은 알루미늄 함량이 서로 다른 AlGaAs를 포함한다. 층들의 서로 다른 알루미늄 함량은 앞서 설명한 층들의 굴절률 차를 야기한다.
p형 도핑된 클래딩층(7) 및 n형 도핑된 클래딩층(6)은 약 50%의 알루미늄 함량을 포함한 반면, 미도핑된 두 층들(2, 3)의 알루미늄 함량은 약 11%이다. n형 도핑된 제1층(4)은 약 25%의 알루미늄 함량을 포함하는 반면, n형 도핑된 제2층(5)의 알루미늄 함량은 약 19%이다.
본원에서, 활성 영역(1)은 복사 생성을 위해 InGaAs 양자구조를 포함한다. 활성 영역(1)은 나머지 층들과 달리 본원에서 알루미늄을 포함하지 않는다. 그러나, 활성 영역(1)은 특히 850 nm 미만의 방출 파장을 위해 일반적으로 알루미늄을 포함한다는 점을 밝혀둔다.
도 3은 도 2에 의거하여 이미 설명된 바와 같은, 도 1의 반도체 레이저의 굴절률 흐름을 도시한다. 또한, 도 3에는 제4차수까지의 레이저빔의 모드들의 세기(I1, I2, I3, I4) 및 유효 굴절률(neff1, neff2, neff3 , neff4)이 도시되어 있다. 상기 모드들은 종합 도파로의 내부에 형성된다.
레이저빔의 기본 모드, 즉 제1차수의 모드는 n형 도핑된 제2층(5)의 내부에서 국부화되어 있으며, 즉 적어도 기본 모드의 세기의 절반은 n형 도핑된 제2층(5)의 내부에 국부화된다. 기본 모드의 세기 흐름(I1)은 약 1.6의 정규값을 가진 단일 최대값을 가지며, 상기 최대값은 n형 도핑된 제2층(5)의 내부에 있다. 세기(I1)는 세기의 최대값으로부터 미도핑 층들(2, 3) 및 활성 영역(1)으로 가면서 급격하게 감소하며, p형 도핑된 클래딩층(7) 안으로는 감소형의 짧은 말단 흐름(tail)을 보여준다. 활성 영역(1)과 다른 방향을 향해 있는 최대값의 측에서, 기본 모드(I1)의 세기는 평평하게 감소한다. 상기 세기는 n형 도핑된 제1층(4)을 통해 연장된다. n형 도핑된 클래딩층(6)의 내부에서 기본 모드의 세기는 무시해도 좋을 만큼 낮다.
활성 영역(1), 미도핑된 제1층(2), 미도핑된 제2층(3), n형 도핑된 제2층(5)은 본원에서 1차 도파로(81)를 형성하고, 1차 도파로는 기본 레이저 모드를 유도하기에 적합하다.
제2, 제3 및 제4차수의 세기(I2, I3, I4)는 마찬가지로 n형 도핑된 제2층(5)의 내부에서 미도핑된 층들(2, 3)에 근접하여 국부적 최대값을 가지고, 상기 최대값은 기본 모드의 최대값에 비해 현저히 더 작다. 제2차수의 모드는 최대값이 약 0.2인 반면, 제3차수의 모드의 최대값은 약 0.4이고 제4차수의 모드의 최대값은 약 0.5이다.
활성 영역(1), 미도핑된 제1층(2), 미도핑된 제2층(3), n형 도핑된 제1층(4) 및 n형 도핑된 제2층(5)은 본원에서 2차 도파로(82)를 형성하고, 상기 2차 도파로는 더 높은 차수의 레이저 모드를 유도하기에 적합하다.
종합 도파로(8)는 1차 도파로(81)의 층들 및 2차 도파로(82)의 층들을 포함한다. 본원에서, 종합 도파로(8)는 활성 영역(1), 미도핑된 제1층(2), 미도핑된 제2층(3), n형 도핑된 제1층(4) 및 n형 도핑된 제2층(5)으로 형성된다.
더 높은 차수의 모드, 특히 제2 및 제3차수의 모드는 n형 도핑된 제2층(5)의 내부에서 국부적 최대값을 가지고, 상기 최대값은 기본 모드의 최대값보다 현저히 작으므로, 더 높은 차수의 모드, 특히 제2 또는 제3차수의 모드의 발생 확률은 유리하게도 낮다. 더 높은 차수의 모드, 일반적으로 제4차로부터의 모드는 클래딩층안으로의 말단 흐름을 보이는 경우가 자주 있다. 상기 클래딩층에서 모드는 더 강한 도핑에 의해 상당한 광학적 손실을 경험한다. 그러므로, 더 높은 차수를 가진 모드의 발생은 일반적으로 오히려 낮다.
제2차수의 모드의 세기(I2)는, 위치(b)가 약 2.75 ㎛이고 값이 약 1.0일 때 n형 도핑된 제1층(4)의 내부에서 단일의 부가적 국부적 최대값을 더 포함한다. 이러한 부가적 최대값의 폭은 약 1.6 ㎛이다.
제3차수의 모드의 세기(I3)는 각각 약 0.8이란 값일 때 2개의 부가적 국부 최대값들을 포함하고, 상기 최대값들은 마찬가지로 n형 도핑된 제1층(4)의 내부에 위치한다. 두 최대값들의 폭은 약 1 ㎛이다. 최대값들은 위치(b)가 2.9 ㎛일 때 곡선의 국부적 최소값에 대해 대칭으로 배치된다.
제4차수의 모드의 세기(I4)는 각각 약 0.7이란 값일 때 3개의 부가적 국부 최대값을 포함한다. 제4차수의 모드의 세기(I4)의 부가적 국부적 최대값들은 n형 도핑된 제1층(4)의 내부에 위치한다. 3개의 최대값들의 폭은 약 0.7 ㎛이고, 상기 최대값들은 위치(b)가 2.9 ㎛일 때 평균 최대값의 최대값에 대해 대칭으로 배치된다.
반도체 레이저의 내부에서 서로 상이한 모드들의 세기 흐름의 결과로, 유효 굴절률의 값들(neff1, neff2, neff3, neff4)은 모드 차수의 증가에 따라 감소한다. 기본 모드의 유효 굴절률(neff1)은 약 3.38이고, 제2차수의 모드의 유효 굴절률(neff2)은 약 3.36이고, 제3차수의 모드의 유효 굴절률(neff3)은 약 3.34이고, 제4차수의 모드의 유효 굴절률(neff4)을 약 3.33이다.
도 4는 기본 레이저 모드 및 제2, 제3, 제4차수의 모드의 속박 인자(CF1, CF2, CF3, CF4)를 도 1, 2, 3에 따른 실시예의 n형 도핑된 제2층의 두께(d)의 함수로서 도시한다. 이 때, 종합 도파로(8)의 총 두께는 일정하게 유지된다. 상기 두께는 대략적으로 2.3 ㎛이다. 기본 레이저 모드의 속박 인자(CF1)는 n형 도핑된 제2층(5)의 두께(d)가 약 0.3 ㎛일 때 최대값이 약 0.55%인 반면, 제2, 제3, 제4차수의 레이저 모드의 속박 인자(CF2, CF3, CF4)의 최대값들은 n형 도핑된 제2층(5)의 두께(d)의 더 높은 값으로 분명하게 이동한다. 또한, 그래프의 영점에서, 즉 종합 도파로(8)가 n형 도핑된 제2층(5)을 포함하지 않는 경우 기본 레이저 모드의 속박 인자(CF1)는 제2, 제3, 제4차수의 모드의 속박 인자의 값들에 비해 작은 값을 가진다. 이는, 단일의 n형 도핑된 층만을 포함하고 본원에 제공된 바와 같은 2개의 n형 도핑된 층들(4, 5)을 포함하지 않는 종래의 종합 도파로에 있어서, 기본 레이저 모드의 속박 인자(CF1)는 더 높은 차수의 모드의 속박 인자(CF2, CF3, CF4)보다 더 낮아서, 원하지 않는 더 높은 차수를 가진 레이저 모드가 발생할 위험이 증가한다는 것을 의미한다.
도 5는 이미 도 2에 의거하여 상세히 설명한 바와 같은 도 1의 실시예에 따른 에지 방출 반도체 레이저의 굴절률(n)의 흐름을 도시한다. 또한, 도 5에는 반도체 레이저의 내부에서 제1 n형 도핑 프로파일(Cn)이 개략적으로 도시되어 있다. 이에 대해 대안적으로, 2개의 부가적인 변형된 n형 도핑 프로파일들(Cn1, Cn2)이 개략적으로 도시되어 있으며, 상기 프로파일들에서 도핑은 활성 영역(1)과 다른 방향을 향해 있는 n형 도핑된 제1층(4)의 측으로 가면서 상승한다. 활성 영역(1)과 다른 방향을 향해 있는 n형 도핑된 제1층(4)의 측은 종합 도파로(8)의 외측을 형성한다.
이 때, n형 도펀트로서 예를 들면 텔루륨(tellurium) 또는 규소가 사용될 수 있다.
제1 n형 도핑 프로파일(Cn)은 n형 도핑된 클래딩층(6)의 내부에서 n형 도펀트의 농도가 약 1 1017 cm-3이고, n형 도핑된 제1층(4)으로 넘어가는 지점에서 약 1 1016 cm-3이란 값으로 감소한다. n형 도핑된 제1층(4) 및 n형 도핑된 제2층(5)은 1 1016 cm-3이란 동일한 n형 도펀트 함량을 가지며, 즉, 제1 n형 도핑 프로파일(Cn)은 n형 도핑된 제1층(4) 및 n형 도핑된 제2층(5)의 내부에서 약 1 1016 cm-3이란 값에서 일정하다. 미도핑된 두 층들(2, 3)로 형성된 미도핑 영역으로 넘어가는 지점에서 제1 n형 도핑 프로파일(Cn)은 뚜렷하게 0을 향해 가면서 감소한다.
제1 변형된 n형 도핑 프로파일(Cn1)은 제1 n형 도핑 프로파일(Cn)과 달리 제1 n형 도핑층(4)의 약 0.5 ㎛의 두께 내에서 연속적으로, 활성 영역(1)과 다른 방향을 향해 있는 상기 제1 n형 도핑층(4)의 측으로 가면서 증가한다. 이 때, 제1 변형된 n형 도핑 프로파일은 반전 포물선의 흐름을 가진다.
제2 변형된 n형 도핑 프로파일(Cn2)은 제1 변형된 n형 도핑 프로파일과 마찬가지로 n형 도핑된 제1층(4)의 약 0.5 ㎛ 두께 내에서, 활성 영역(1)과 다른 방향을 향해 있는 제1 n형 도핑층(4)의 측으로 가면서 상승한다. 그러나, 제1 변형된 n형 도핑 프로파일(Cn1)과 달리, 제2 n형 도핑 프로파일(cn2)은 약 2 1016 cm-3이란 값에서 직사각형 함수에 따라 진행한다.
기본 레이저 모드가 대부분 제2 n형 도핑층(5) 및 제1 미도핑층(2)에 한정되므로, 도 5에 의거하여 예시적으로 설명된 바와 같은 변형된 n형 도핑 프로파일을 이용하여, 더 높은 차수를 가진 모드의 손실은 자유 전하 캐리어의 흡수에 의해 유리하게도 증가할 수 있다.
도 6, 7의 제2실시예에 따른 반도체 레이저는 도 1 내지 3의 제1실시예에 따른 반도체 레이저와 달리, n형 도핑된 제3층(11)을 포함하고, 상기 제3층은 n형 도핑된 제1층(4)에 인접하여 배치된다. 반복을 피하기 위해, 이하에서는 특히 제1실시예에 따른 반도체 레이저에 비해 제2실시예에 따른 반도체 레이저의 상이점을 설명한다.
제2실시예에 따른 종합 도파로(8)의 두께는 제1실시예에 비해 일정하게 유지된다. n형 도핑된 제3층(11)의 두께는 약 0.5 ㎛인 반면, n형 도핑된 제1층(4)의 두께는 1.5 ㎛이다.
n형 도핑된 제3층(11)은 n형 도핑된 제1층(4)에 직접 접하여 배치된다. n형 도핑된 제3층(11)의 굴절률(n3)은 n형 도핑된 제1층(4)의 굴절률(n1)에 비해 제2굴절률차(dn2)만큼 더 낮다.
더욱 바람직하게는, n형 도핑된 제1층(4)과 n형 도핑된 제3층(5) 사이의 제2굴절률차(dn2)는 마찬가지로 0.04이상 0.05이하이다.
n형 도핑된 제3층(11), 그리고 n형 도핑된 제1층(4)과 n형 도핑된 제3층(11) 사이의 굴절률차(dn2)를 이용하여, 본원에서는 더 높은 차수의 부가적 도파로(83), 즉 제3차수의 도파로가 제공된다. 제3차수의 도파로(83)는 더 높은 차수의 모드를 유도하는데 기여한다.
제3차수의 도파로(83)는 본원에서 활성 영역(1), 제1미도핑층(2), 제2미도핑층(3), n형 도핑된 제1층(4), n형 도핑된 제2층(5), n형 도핑된 제3층(11)을 포함한다.
n형 도핑된 제1층(4)과 n형 도핑된 제3층(11) 사이의 제2굴절률차(dn2)는 기본 모드의 세기 프로파일(I1)을 실질적으로 변경시키지 않는 반면, 더 높은 차수의 모드의 세기 프로파일(I2, I3, I4)은 근소한 변화를 경험한다. 따라서 예를 들면 제2차수의 모드의 세기 프로파일(I2)은 제1실시예(도 3 참조)에 비해 근소하게 더 큰 최대값을 가진다.
도 7은 도 4와 마찬가지로 기본 레이저 모드, 제2, 제3, 제4차수의 모드의 속박 인자(CF1, CF2, CF3, CF4)를 도 6의 실시예를 위한 n형 도핑된 제2층(5)의 두께(d)의 함수로서 도시한다. 이 때, n형 도핑된 제3층(11)의 두께는, 종합 도파로(8)의 총 두께가 일정하게 유지되도록 변형된다.
도 7이 도시하는 바와 같이, 도 1, 2, 3에 따른 반도체 레이저 구조에는, 반도체 레이저의 성능을 실질적으로 변경시키지 않고, 부가적 굴절률차(dn2)를 가진 n형 도핑된 제3층(11)이 투입될 수 있다.
또한 도 7은, n형 도핑된 제2층(5)의 두께가 약 300 nm일 때 더 높은 모드의 속박 인자(CF2, CF3, CF4)는 항상 기본 모드의 속박 인자(CF1)에 비해 억제된다는 것을 도시한다.
도 8, 9의 제3실시예에 따른 반도체 레이저는 도 1 내지 3의 제1실시예에 따른 반도체 레이저와 달리, 종합 도파로(8)의 내부에서 매우 얇은 p형 도핑층(12)을 포함한다.
반복을 피하기 위해, 이하에서는 특히 제1실시예에 따른 반도체 레이저에 비해 제3실시예에 따른 반도체 레이저의 상이점을 설명한다.
p형 도핑된 층(12)은 p형 도핑된 클래딩층(7)과 미도핑된 제2층(3)의 사이에 배치되어 있다. p형 도핑된 층은 n형 도핑된 제2층(5)과 대략적으로 동일한 굴절률을 가진다. p형 도핑된 층(12)은 더욱 바람직하게는 종합 도파로(8)의 두께의 10%보다 더 두껍지 않다. 본원에서, p형 도핑된 층(12)의 두께는 약 50 nm이다.
도 3에 비해 도 8의 제2, 제3, 제4차수의 모드의 세기 프로파일(I2, I3, I4)을 고려할 때, p형 도핑된 층(12)의 도입에 의해 이들이 실질적으로 변경되지 않는다는 것을 확인할 수 있다. 그러나, 활성 영역(1)은 p형 도핑된 층(12)에 의해 기본 모드의 최대값의 방향으로 이동하여, 기본 모드의 속박 인자(CF1)는 현저히 증가한다.
도 9에는 제3실시예의 기본 레이저 모드의 속박 인자 및 제2, 제3, 제4차수의 레이저 모드의 속박 인자가 n형 도핑된 제2층(5)의 두께(d)에 의존하여 도시되어 있다. 이 때, p형 도핑된 층(12)의 두께는 일정하게 유지되고, n형 도핑된 제1층(4)의 두께는 변경되어, 종합 도파로(8)의 두께는 일정하다.
도 9는, 더 높은 차수의 모드의 속박 인자(CF2, CF3, CF4)의 흐름이 변경없이 유지되는 반면, 기본 레이저 모드의 속박 인자(CF1)의 최대값은 제1실시예에 비해 약 0.85%로 증가한다는 것을 도시한다.
본 특허 출원은 독일 특허 출원 DE 10 2009 041 934.9의 우선권을 청구하고, 그 공개 내용은 참조로 포함된다.
본 발명은 실시예에 의거한 설명에 의하여 한정되지 않는다. 오히려 본 발명은 각각의 새로운 특징 및 특징들의 각 조합을 포함하고, 특히 상기 특징 또는 상기 조합이 그 자체로 명백하게 특허청구범위 또는 실시예에 제공되지 않더라도, 특허청구범위에서의 특징들의 각 조합을 포괄한다.

Claims (15)

  1. 에지 방출 반도체 레이저에 있어서,
    활성 복사 생성 영역(1); 및
    활성 영역(1)에서 생성된 복사를 반도체 레이저의 내부에서 유도하도록 구성된 종합 도파로(8)를 포함하고,
    종합 도파로(8)는 n형 도핑된 제1층(4) 및 n형 도핑된 제2층(5)을 포함하고,
    n형 도핑된 제2층(5)은 n형 도핑된 제1층(4)과 활성 영역(1) 사이에 배치되고, 그리고
    n형 도핑된 제2층(5)의 굴절률(n2)은 n형 도핑된 제1층(4)의 굴절률(n1)보다 수치(dn)만큼 큰 것을 특징으로 하는 에지 방출 반도체 레이저.
  2. 청구항 1에 있어서,
    종합 도파로(8)는 1차 도파로(81) 및 2차 도파로(82)를 포함하고,
    n형 도핑된 제1층(4)은 2차 도파로(82)의 일부인 것을 특징으로 하는 반도체 레이저.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    종합 도파로(8)는 p형 도핑된 층(12)을 포함하지 않는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저.
  4. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    종합 도파로(8)는 단일의 p형 도핑된 층(12)을 포함하고,
    p형 도핑된 층의 두께는 종합 도파로(8)의 두께의 10% 이하인 것을 특징으로 하는 반도체 레이저.
  5. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
    종합 도파로(8)는 미도핑된 제1층(2)을 더 포함하고,
    미도핑된 제1층은 활성 영역(1)과 n형 도핑된 제2층(5)의 사이에 배치되고,
    미도핑된 제1층(2)의 굴절률(n3)은 n형 도핑된 제2층(5)의 굴절률(n2)보다 큰 것을 특징으로 하는 반도체 레이저.
  6. 청구항 5에 있어서,
    종합 도파로(8)는 미도핑된 제2층(3)을 포함하고,
    미도핑된 제2층은 미도핑된 제1층(2)에 대향된 활성 영역(1)의 측에 배치되는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저.
  7. 청구항 1 내지 청구항 6 중 어느 한 항에 있어서,
    미도핑된 제1층(2) 및 미도핑된 제2층(3)은 서로 다른 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저.
  8. 청구항 1 내지 청구항 7 중 어느 한 항에 있어서,
    반도체 레이저는 n형 도핑된 클래딩층(6) 및 p형 도핑된 클래딩층(7)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저.
  9. 청구항 1 내지 청구항 8 중 어느 한 항에 있어서,
    레이저빔의 기본 모드는 실질적으로 n형 도핑된 제2층(5)에 한정되는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저.
  10. 청구항 1 내지 청구항 9 중 어느 한 항에 있어서,
    n형 도핑된 제1층(4)과 n형 도핑된 제2층(5) 사이의 굴절률차(dn)는 0.03 내지 0.1인 것을 특징으로 하는 반도체 레이저.
  11. 청구항 1 내지 청구항 10 중 어느 한 항에 있어서,
    n형 도핑된 제2층(5)의 두께는 종합 도파로(8)의 두께와 관련하여 8% 내지 20%의 값을 가지는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저.
  12. 청구항 11에 있어서,
    n형 도핑된 제2층(5)의 두께는 200 nm 내지 800 nm인 것을 특징으로 하는 반도체 레이저.
  13. 청구항 1 내지 청구항 12 중 어느 한 항에 있어서,
    n형 도핑된 제1층(4) 내에서 n형 도펀트는 종합 도파로(8)의 외측으로 가면서 단계적으로 또는 연속적으로 증가하는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저.
  14. 청구항 1 내지 청구항 13 중 어느 한 항에 있어서,
    반도체 레이저는 비화물 화합물 반도체 물질계인 것을 특징으로 하는 반도체 레이저.
  15. 청구항 1 내지 청구항 14 중 어느 한 항에 있어서,
    반도체 레이저는 적외 스펙트럼 영역의 레이저빔을 방출하는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저.
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