KR820002374B1 - 반도체 레이저소자 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

반도체 레이저소자

제1도, 제4도, 제5도, 제6도는 어느 것이나 본 발명의 주입형 반도체 레이저소자의 구성을 나타낸 사시도.

제2도는 본 발명의 주입형 반도체 레이저소자의 전류대 레이저광의 출력 관계를 나타낸 도면.

제3도는 본 발명의 주입형 반도체 레이저소자의 제조장치의 설명을 하기 위한 단면도.

제7도, 제8도는 본 발명의 분포귀환형 반도체 레이저소자의 단면도 및 측면도이다.

본 발명은 주입형 반도체 레이저소자, 더욱 상세하게 말하자면 회모드(橫 mode)의 안정화에 유효한 구조를 가진 주입형 반도체 레이저소자에 관한 것이다.

주입형 반도체 레이저소자의 실은(室溫) 부근에 있어서의 직류발진동작은 GaAs-AlxGa₁-xAs의 더블헤테로 구조에 의해 성공했다.

그리하여 최근에 광섬유의개량이 진전되어 파장 1∼1.3㎛ 부근에 광전송 손실이 매우 적은 광섬유가 개발되었다. 따라서 이 파장영역의 반도체 레이저는 광통신용의 광원으로서 필요성이 높다.

지금까지 주입형 반도체 레이저 소자의 횡모드 안정화에 관하여 각종의 제안이 있었다. 그 하나의 예로서 예컨대 Applied Physics Letters, vol. 30, No 12P 648∼651)(1977)에 아이끼(相木) 등이 발표한 바와같은 구조의 것이 있다. 이것은 소위 활성영역을 가진 제1반도체층의 양측에 이보다 금지대 폭이 큰 제2, 제3반도체층을 배치한 더블 헤테로 구조를 취한 방도체 레이저 소자로서 이 제2반도체층의 두께에 단차(段差)를 설치하고 최소한 제2반도체층이 두꺼운 엷은 영역의 외측으로 레이저광에 대하여 복소(複素) 굴절율을 변화시킨 제4도의 재료영역을 설치한 것이다.

레이저의 도파광(導波光)이 제4도의 재료영역으로 배어 나오는 효과를 이용하여 횡모드의 안정화를 도모하려고 하는 것이다. 이 방법은 확실히 GaAs-AlxGa₁-xAs의 더블 헤테로 구조의 주입형 반도체 레이저서자에 대하여 유용한다.

그러나 반도체 레이저의 발진파장은 활성층에 있어서의 금지대폭 에너지에 의존하기 때문에 GaAs-AlxGa₁-xAs계의 반도체 레이저에서는 그 재료가 가진 금지대폭 에너지의 범위에서 발진파장은 원리적으로 0.9∼1.7㎛는 실현하기 곤란하다.

한편, 장파장의 발진파장 반도체 레이저로서는 예컨대 Applied physics Letters vol. 30 P649∼65/(1977)에서 설명된 것으로 InP-GaInAsP 반도체 레이저는 GaINAsP를 활성층으로 하여 상술한 GaAlAs계에서는 실현하기 어려운 발진파장을 실현할 수 있기 때문에 APL Vol. 30의 레이저에 있어서의 횡모드 안정화는 레이저광의 흡수량의 차에 의하여 도파 효과를 가진다.

따라서 레이저광이 기판에 베어나오느냐 베어나오지 않느냐의 차를 이용하고 있다. 이 경우 기판은 레이저광을 흡수하는 재료일 것을 요한다.

GaAs-GaAlAs계에서는 GaAs가 기판이 되는 것이므로 GaAlAs로부터의 레이저광을 기판이 흡수한다. GaAs는 GaAlAs보다 금지대폭이 작다. 그러나 InP-Gax In₁-xAsyP₁-y계에서는 기판이 InP, 활성층은 Ga-xln₁-xAsyP₁-y인 한편 GaxIn₁-xAsyP₁-y에 대해 InP가 금지대폭이 크므로 GaxIn₁-xAsyP₁-y 활성층으로부터의 레이저광을 흡수하지 않는다.

따라서 상술한 바와 같은 횡모드 제어가 불가능해진다.

본 발명의 반도체 레이저 소자들 발진파장을 특히 장파장으로 하는데 유리하고 횡모드를 안정화하는데 유효한 것이다.

이 목적에 대한 본 발명의 요지로 하는 바는 다음과 같다.

활성영역을 가진 금지대폭이 좁은 제1도의 반도체층과 이 제1도의 반도체층을 끼워서 이 제1도의 반도체층을 비교하여 상대적으로 굴절율이 적고 금지대의 폭이 넓고, 보다 하층에 위치하는 제2반도체층 및 보다 상층에 위치하는 제3반도체층이 배치되어 더블 헤테로 구조를 형성한다.

일반적으로 제1도와 제2도의 반도체층은 반대의 도전형을 이룬다.

상기 제1반도체층의 활성영역은 상기 제2반도체층 측에 그 잔여 부분도다 두껍게 형성되어 레이저광의 진행방향과 수직방향으로 연하여 레이저광에 대한 실효 굴절율이 불연속적으로 변화하는 영역을 구성한 것을 특징으로 한다. 凹부를 가진 반도체 기판에 최소한 활성층(active layer)및 크래드층(cladding layer)이 적층되어 레이저 발진시, 레이저광은 활성층에서 발광하지만 동시에 활성층의 양측에도 레이저광은 분포한다. 따라서 활성층에 凹凸이 있으면 凹부와 凸부의 각 영역에 있어서 레이저광에 대한 실효굴절율이 달라지므로 凹부의 단차부를 경계로 하여 양 영역에서 광에 대한 광학적 특성이 달라 굴절율이 다른 양 영역을 구성하는 것과 등가의 상태가 된다. 그러므로, 본 발명의 주입형 반도체 레이저 소자에 의하면 제1반도체층의 레이저광 진행방향과 수직방향으로 연하여 레이저광에 대한 실효굴절율이 단계적으로 변화하여 이것에 의해 형성되는 광학도파로(光學導波路)에 의해 횡방향의 빛과 차단이 행해져 횡모드가 안정화 된다.

본 발명의 반도체 레이저소자를 GalnAsP-InP 더블 헤테로 구조의 레이저소자를 예로 취하여 상세하게 설명한다. 제1도에 본 발명의 대표예를 나타낸다. 제2반도체층인 n-InP 기판결정(基板結晶)에 폭 7㎛ 凹부가 형성되고 이 상부(上部)에 제1반도체층인 GaxIn₁-xAsyP₁-y층 (단)0.01≤x≤0.5, 0.01≤y＜1)이 형성된다. 이 제1반도체층의 상면(上面)은 평탄면으로 하는 것이 좋다. 반도체기판의 활성층에 凹부의 단차부를 경계로 하여 양 영역에서 광에 대한 광학적 특성이 달라 굴절율이 다른 여역을 구성하기 때문에 제1반도체층과 제2반도체층의 계면(界面)에서 레이저광에 대한 실효굴절율의 불연속적인 변화가 형성된다. 이 제1반도체층과 제2반도체층의 계면 단차구조는 다음의 조건을 만족하도록 설정하면 좋다.

단

TE 모드의 경우

TM 모드의 경우

여기서, w, d₁, d₂는 각각 제1반도체층의 두꺼운 부분의 폭, 두꺼운 부분의 두께, 엷은 부분의 두께를 나타낸다. n₁, n₂는 각각 제1반도체층 및 제2반도체층의 굴절율을 나타낸다.

일반적으로 d1은 0.2∼1㎛ 정도, 바람직하게는 0.2∼0.5㎛을 선택한다.

d₁을 너무 크게 선택하는 것은 한계전류값의 증대를 초래한다.

Δd(=d₂∼d₁)는 200Å∼0.1㎛, 바람직하게는 200Å∼0.5㎛ 정도를 선택한다.

Δd가 200Å 이하가 되면 활성층의 凹부와 凸부의 두께의 차가 작고 굴절율이 다른 양 영역에서 굴절율의 차가 작아져 모드 안정화려는 효과가 약해져 실질적으로 모드 안정화가 얻어지지 않는다. 따라서 200Å 이하는 횡모드를 안정화시키는데 요하는 굴절율차를 얻는데 불충분하다. w는 2∼20㎛ 정도를 사용하여 출력의 요구동에 따라서 설정하면 좋다.

이 활성영역을 가진 제1반도체층상에, GasIn₁-sAstP₁-t(단, 0.01≤s≤0.5, 0.01≤t＜1)층을 형성하여 더블 헤테로 구조를 형성한다.

그리고 제1반도체층으로서 GaxIn₁-xAsyP₁-y(단, 0.01≤x≤0.5, 0.01≤y＜1), 제2도 및 제3도의 반도체층으로서 GasIn₁-sAstP₁-t(단, 0.01≤x≤0.5, 0.01≤y＜1, y＞t)를 사용하는 것에 의해 더블 헤테로 구조도 당연하게 실현할 수 있다. 예를들면 제2반도체로서 Ga 0.04 In 0.96 As 0.1 P 0.9 제1반도체로서 Ga 0.3 In 0.7As 0.7 Po. 9 제3반도체로서 Ga 0.04 In 0.96 As 0.1 Po.9와 같은 구성이다. 이때 제2, 제3반도체의 금지대폭은 금지대폭은 1.25ev, 제1반도체의 금지대폭은 0.91ev이다.

상술한 재료구성으로 발진파장 1.6㎛∼0.7㎛의 범위에서 걸쳐서 안정하게 발진시킬 수 있는 반도체 레이저가 실현될 수 있다.

[실시예 1]

제1도에 나타낸 주입형 반도체 레이저장치를 구체예로서서 설명한다.

두께 400㎛의 n-InP 기판결정(캐리어 농도 n=2×10¹⁸㎝^-3)(2)상에 두께 0.3㎛의 SiO₂막을 CVD법(Chemical Vapor Deposistion)에 의해 피착시킨다.

통상의 포토레지스트를 사용한 포토링 그래프 기술에 의해 폭 7㎛의 스트라이프상(狀)에 SiO₂막을 제거한다. 다음에 이 SiO₂막을 마스크로서 H₂SO₄계 에칭액(H₂SO₄: H₂O₂: H₂O(비 5 : 1)의 혼액)으로 스트라이프 부분의 InP 기판 결정을 0.08㎛에칭한다. 그후 SiO₂막을 불산에 의해 제거하고 n-InP기판결정(2)의 표면에 스트라이프상의 凹부를 형성했다.

다음으로 주지의 연속액상 성장법에 의해 n-InP 기판결정(2)상에 GaxIn₁-xAsyP₁-y층(1) 및 P-InP(캐리어 농도 P=1X10¹⁸㎝^-3)(3)을 성장시켰다. GaxIn₁-xAsyP₁-y층(1)의 상면은 실질적으로 평탄면으로 되도록 층을 성장시켰다.

그리고 n-InP 기판 결정상에 반도체층을 액상 성장할 때 n-InP 기판을 보하기 위하여 다음과 같은 방법을 채용하는 것이 좋다. InP 기판결정상에 InP나 GaInAsP 등을 연속액상 성장시키는 경우가 열분해하기 쉬우므로 InP 기판결정 표면보다 P가 선택적으로 증발한다. 이 때문에 InP 기판결정표면은 평탄성이 손상되기 쉽다. 이 때문에 연속액상 성장 개시전에 InP 기판결정상에 InP 결정등의 P가 가열에 의해 방출할 수 있는 재로에 의한 덮개를 설치하고 InP 기판결정의 표면상태에 변화를 초래하지 않고 액상성장을 행하는 것이다.

제3도에 이 방법의 기본 원리를 나타낸다.

35는 그래파이트(graphite)제 용액받이, 36은 그래파이트제 슬라이드판이다. 31은 n-InP 기판결정, 32는 n-InP 기판결정 상부에 설치한 P를 방출하는 덮개로서의 InP 결정이다. 이 덮개를 설치한 점 이외에는 주지의 연속액상 성장법과 마찬가지이다. 33은 예컨대 제1용액으로 In5g, GaAs 25㎎, InAs260㎎, InP51㎎을 700℃로 가열하여 모든 용질을 용해한 후 냉각하여 준비한 것이다. 34의 제2용액은 In 5g상에 Zn 0.3㎎, InP55㎎를 접촉시켜서 준비한 것이다.

이와같이 설치한 포토를 650℃에서 30분간 가열하여 다음에 매분 0.3℃의 속도를 냉각하였다. 냉각중에 슬라이드판(36)을 이동하여 n-InP 결정기판(31)을 제1용액과 제2용액을 순차 접촉시켜 GaInAsP층(1) 및 P-InP층(3)을 성장시켰다. 이 P를 방출하는 덮개를 사용하는 방법은 매우 간편한 수단이지만 본 발명의 반도체 레이저소자 실현에 대단히 유용하다. 또 P방출하는 덮개 대신 P의 증기를 보내는 방법도 고려할 수 있지만 실용적이지 못하다.

한편 凹를 가진 n-InP 기판상에 상면이 평탄한 성장층(1)을 얻는 것은 액상성장법에 의한 연속액상 성장으로 용이하게 실현할 수 있다. 일반적으로 액상성장법에서는 기판의 凹凸을 메꿔서 평탄하게 성장하는 경향을 볼 수 있다. 따라서 상면의 평탄한 성장층을 얻는 것은 용이하게 실현할 수 있다. 그리고 제작한 반도체 레이저소자에 관하여 GaInAsP층의 구체적인 조성은 제1표로서 다른 설계사항과 병합하여 다음에 나타낸다.

그후 다시 SiO₂막(4)을 CVD법에 의해 두께 3000Å으로 형성한다. 통상의 프로레지스트,를 사용한 포토링 그래프 기술에 의해 SnO2막의 상기 n-InP 기판의 凹부에 대응하는 영역을 폭 10㎛의 스트라이프상에 선택적으로 제거한다.

그후 P측 전극(5)으로서 AuZn, n측 전극(6)으로서 AuSn을 증착으로 형성한다. 제1표에 제작한 반도체 레이저소자의 예를 나타낸다.

[제1표]

그리고 제1도의 주입반도체 레이저 소지의 상대하는 단면(7), (8)은 벽개(壁開)에 의해 상호 평행한 공진반사 면을 제작한다.

이 소자를 실온에서 연속동작시킨 때의 주입전류(mA) 대 레이저출력(mw)의 특성도의 예를 나타내면 제2도와 같다. 곡선 A는 제1표에 나타낸 예 2의 소자의 특성이다. 곡선 B는 제1도는 구조의 주입형반도체레이저 소자에 있어서 제1반도체층의 레이저광에 대한 실효 굴절율의 불연속적 변화를 주지 않고 단지 더블 헤테로 구조로한 예의 출력 특성이다. 곡선 B에서 보여지는 특성은 단지 더블 헤테로 구조로 한 때의 모드의 불안정화와 고차모드의 발생에 의해 발생하는 것이다.

또 다음과 같은 구조의 반도체 레이저소자도 제조하였다. n-InP 기판결정(캐리어 농도 n=2×10¹⁸㎝^-3)(2)상에 전술한 바와 마찬가지로의 방법으로 폭 8㎛의 스트라이프상의 凹부를 형성한다. 다음으로 제4도에 나타낸 바와 같이 순차 Ga 0.21 In 0.79 As 0.48 P 0.82층(1)을 0.3㎛(d₁=0.3㎛, Δd=0.1㎛), P-InP층(3)을 2㎛, n-Ga 0.21 In 0.79 As 0.48 P 0.52층(7)을 1㎛의 두께에 연속 액상법으로 성장시킨다. 다음으로 n-Ga 0.21 In 0.79 As 0.48 P 0.52층(7) 상면에서 Zn을 P-InP층(3)까지 확산시켜 확산영역(8)을 형성한다. 이 상부에 AuZn으로된 P측 오믹 전극(5)을 설치한다. 또 n-InP 기판결정(2)의 하면에 n측 전극(6)으로서 AuSn층을 증착법에 의해 설치한다. 단면(7), (8)은 벽개에 의해 상호 평행한 공진반사면을 제작한다. 이 예도 실시예(1)와 마찬가지로 발진파장 1.2㎛으로 안정하게 발진했다.

본 실시예에서는 활성층(1)은 InP 결정으로 끼워져 있지만 활성층에 인접하는 반도체는 동일해야할 필요는 없다. 실시예(3)는 활성층에 인접하는 반도체가 동일하지 않는 예를 나타내고 있다.

[실시예 2]

이제까지의 예는 n-InP 기판결정을 제2반도체층으로 한 예이다. 본 예는 다층구조의 반도체층을 레이저소자 구성을 하기 위한 기판에 사용하나 예이다. 제5도에 이 예를 나타낸다. GaAs 결정기판(10)상에 글레이딩층으로서 GaAs₁-yPy(0≤y≤0.3을 사용한다)층(11) 및 이 상부에 GaAn 0.7 P 0.3층(12)을 약 50㎛의 두께로 기상성장법으로 형성한다. 이것을 다시 n-Ca 0.66 In 0.34 As 0.01 P 0.99(Se 도프)층(9)을 2㎛ 두께로 연속 액상법으로 성장한다.

실시예 1에 기술한 방법과 마찬가지의 방법으로 폭 2㎛ 깊이 0.2㎛의 스트리이프상의 凹부를 형성한다. 다음으로 순차 Ga 0.77 In 0.23 As 0.21 P 0.79층(1)을 1㎛(단, d₁=1㎛, Δd=0.2㎛), P-Ga 0.66 In 0.34 As 0.01 P 0.99(Zn 도프)층(3)을 2㎛의 두께로 연속 액상법으로 성장한다. 다시 SiO₂막(4)을 CVD법으로 두께 3000Å으로 형성한다. 이 SiO₂막을 통상의 포토 레지스터를 사용한 포토링그래프 기술에 의해 상기 n-Ca 0.56 In 0.34 As 0.01 P 0.99층(9)의 凹부에 대응하는 영역을 폭 4㎛의 스트라이프상에 선택적으로 제거한다. 그후 P측 전극(5)으로서 AuZn층을 설치한다. 결정단면은 벽개의 의해 상호 평행한 반사면을 제작한다. 본 예도 안정한 발진을 얻을 수가 있었다.

[실시예 3]

제6도에 예시하는 예를 설명한다. n-InP 기판결정(2)상에 Ga 0.98 As 0.05 P 0.94층(13)을 두께 0.1㎛에 연속 액상 성장한다.

다음으로 실시예(1)와 같은 방법으로 SiO2막에 의한 마스크를 형성한다.

전술한 H₂SO₄계 에칭액으로서 층(13)을 폭 5㎛의 스트라이프상에 선택적으로 제거한다.

선택에칭용 마스크를 제거하고 다음으로 순차 Ga 0.17 In 0.33 As 0.4 P 0.6층(1)을 0.3㎛, P-InP층(3)을 2㎛, n-Ga 0.17 In 0.83 As 0.4 P 0.6층(7)을 1㎛ 두께에 주지의 연속액상성장법에 의해 성장 시킨다. 층(7) 상면에 Zn을 확산시킨 영역(8)을 설치하고 이 상부에 AuZn으로 된 P측 전극(5)을 설치한다. 또 n-InP 기판결정(2)의 하면에 n측 전극(6)으로서 AuSn층을 증착법에 따라 설치한다. 결정 단면은 벽개면에서 상호 평행한 반사면으로 했다. 이 예는 제1반도체층의 하층에 층(13), 층(2)이 존재하지만 이 구성에 의해서도 본 발명의 목적은 충분히 달성된다.

본 실시예에서는 층(13)은 스트라이프 부분에서는 완전히 제거되었지만 층(13)의 두께가 두꺼운 경우는 기판(2)까지 완전하게 제거할 필요는 없다는 것은 말할 필요조차 없다.

[실시예 4]

이제까지의 예는 결정단면의 벽개면을 이용하여 공진 반사면을 제작하고 있었다. 그러나 본 발명은 소위 분포귀환형의 반도체 레이저에 적용하여도 좋은 것은 물론이다. 이 예를 이하에서 설명한다. 이 예에 한정을 하지 않고 분포귀환형의 반도체 레이저의 각종 변화에도 본 발명은 적용할 수 있다.

제7도, 제8도는 반도체 레이저소자의 레이저광의 진행방향으로 수직한 단면도 및 측면도이다. 우선 n-InP 기판(41)에 SiO₂막을 CVD법으로 피착시켜 이위에 포토레지스트막을 형성한다. 이 포트레지스트막상에 레이저를 이용하여 레이저광의 간섭줄 무늬를 형성한다. 주기는 3500Å로 했다.

다음에 이 포토레지스트에 의한 회절격자를 마스크로서 화학에칭에 의해 기판결정에 주기적 凹凸(42)를 형성했다. 에칭액은 인산, 과산화수소수, 에틸렌글리콜의 1 : 1 : 8의 혼합액을 사용했다.

또 여기서 사용할 주기적 凹凸의 형성방법은 특원소 50-35579호에 게시되는 것이다. 다시 이 위에 SiO₂막을 형성하고 통상의 포토레지스트 기술로 주기적 凹凸과 직교하는 방향으로 폭 7㎛, 깊이 0.05㎛띠모양으로 홈(溝)(43)을 형성했다. 그후 SiO2를 제거하고 띠모양의 홈과 이것과 직교하는 주기적 凹凸을 가진 InP 기판상에 연속액상성장법으로 Ga 0.17 In 0.83 As 0.4 P 0.6(44)(평균 두께 0.3㎛) 및 P-InP(45)(두께 2㎛) 및 n-InP(두께 1㎛)(46)을 성장했다.

그후 SiO₂막을 피착하여 결정일부를 선택에칭에 의해 기판에 별도 설치한 凹凸을 표면으로 내어서 포토레이저 공정의 병합 마아크로 이용하고, 띠모양 홈의 상부에 폭 10㎛의 띠모양으로 SiO2를 에칭했다. 그후 SiO₂를 마스크로서 Zn을 650℃로 확산했다.

47은 확산영역, P측 전극은 AuZn(48), n측 전극은 AuSn(49)를 합금하여 형성했다. 다시 각각 칩(chip)으로 분할하여 반도체 레이저 다이오드를 시험으로 제작했다. GaInAsP층은 기판에 설치한 凹凸을 메워서 평탄하게 되어 성장하지만 이 凹凸 때문에 장소마다 두께가 다르며 이 때문에 횡방향으로 리브웨이브 가이드, 이것과 직교방향으로 회절격자가 형성되어 횡, 종 모드와 더블어 안정하나 레이저 발진이 얻어졌다.

그리고 제7도, 제8도에 있어서 층(41)과 층(44)의 계면부근의 2개의 점선은 이들의 층 계면에 형성되는 주기적 凹凸의 상, 하한을 나타낸 선이다.

Claims (1)

1. 활성영역을 가진 제1반도체층(1)과 비교하여 상대적으로 굴절율이 적고 금지대폭이 넓은 제2반도체 재료영역을 그 표면에 가진 결정성장용 기체(基體)(2)와 이 결정성장용 기체(2) 상부에 형성된 활성영역을 가진 제1반도체층(1) 및 이 제1반도체층(1)과 비교하여 상대적으로 굴절율이 적고 또한 금지대폭이 넓은 제3반도체층(3)과 반도체 레이저장치를 구성하는 반도체 재료로 조립되는 상기 제3반도체층(3)측의 1표면에 설치되니 제1전극(5)과 상기 반도체 제료로 조립된 상기 결정성장용 기체(2)측의 1표면에 설치된 제2전극(6)과 광방사선을 발생시키기 위한 광귀환을 행하는 수단을 가지는 반도체 레이저장치에 있어서, 상기 제1반도체층(1)의 상기 결정성자용 기체(2)와의 접촉면은 활성영역이 그 잔여 부분보다 두꺼운 층으로 되게 구성하고 레이저광의 진행방향과 수직방향에 따라 레이저광에 대한 실효굴절율이 단계적 변화를 갖는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저장치.

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