KR910004168B1 - 반도체 레이저소자 및 그 제조방법 - Google Patents

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샤아프 가부시기가이샤
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Abstract

내용 없음.

Description

반도체 레이저소자 및 그 제조방법
제 1 도는 본 발명의 반도체 레이저 소자를 나타내는 정단면도.
제 2 도는 제 1 도에 보인 반도체 레이저 소자의 활성영역에서 AlxGa1-xAs 혼성결정내의 AlAs몰 분율(즉 x)을 나타내는 그래프.
제 3 도는 본 발명의 또다른 반도체 레이저 소자의 활성영역에서 AlxGa1-xAs 혼성결정내의 AlAs몰 분율(즉 x)을 나타내는 그래프.
제 4 도는 본 발명의 또다른 반도체 레이저 소자의 활성영역에서 AlxGa1-xAs 혼성결정내의 AlAs몰 분율(x)을 나타내는 그래프.
제 5 도는 적외선 영역내의 진동파장을 갖는 종래의 GRIN-SCH 반도체 레이저 소자의 AlxGa1-xAs 혼성결정내의 AlAs몰 분율(x)을 나타내는 그래프.
제 6 도는 가시영역내의 진동파장을 갖는 통상의 GRIN-SCH 반도체 레이저 소자의 AlxGa1-xAs 혼성결정내의 AlAs몰 분율(x)을 나타내는 그래프.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : n-GaAs 기판 2 : 버퍼층
3 : n-피복층 4,6 : GRIN층
7 : p-피복층 8 : p-GaAs 캡층
9' : 전류차단층 15,25,35 : 초격자 양자 우물층
34,36 : 광 가이드층
본 발명은 가시영역의 진동파장을 갖는 레이저광을 발진시키는 반도체 레이저소자에 관한 것이며, 특히 분자선 적층성장법에 의해 쉽게 제조할 수 있는 고품질의 반도체 레이저에 관한 것이다.
최근 분자선 적층성장(MBE) 및 금속 유기화학적 증착법(MO-CVD)과 같은 단일결정 박막성장 기술이 급속히 발전하고 있다. 이와같은 성장기술에 의해 10Å의 초박형 에피텍셜 성장층을 얻을 수 있게 되었다. 이러한 결정성장 기술의 발달에 따라 매우 얇은 층을 가진 소자구조에 의하여 레이저 소자를 만드는 것이 가능하나, 이러한 레이저 소자는 종래의 액상 적층성장방법으로는 쉽게 제조할 수 없다. 상기 레이저 소자의 전형적인 예는 양자 우물(quantum well ; QW)레이저이며, 그 활성층은 양자 레벨의 형태에 따라 100Å 또는 그 이하의 두께를 가진다. 그런데 종래의 이중 이형구조(DH)레이저의 활성층은 수백 옹스트롬의 두께를 가지고 있다. 따라서, QW레이저는 드레시홀드 레벨이 저감되고, 온도 특성이 우수하며, 과도응답 특성이 양호하므로 종래의 DH레이저보다 더 이점이 많다. 이러한 내용은 상(Tsang)이 기고한 "응용물리 레터" 39권 10호, 페이지 786(1981년도)과, 두타(Dutta)가 기고한 "응용물리학 저널" 제53권, 11호, 페이지 7211(1982년도)와, 이와무라, 사쿠, 이시바시, 오쓰카, 호리코시가 기고한 "일렉트로닉스 레터" 제 19 권, 5호, 페이지 180(1983년도)에서 발표된 바 있다.
상술한 바와같이, MBE 및 MO-CVD와 같은 단일결정 박막기술을 사용함에 따라 새로운 다층구조를 가진 고품질의 반도체 레이저가 실용화되는 것이 가능하게 되었다.
종래의 QW레이저의 전형적인 구조는 그레이디드-인덱스(graded index) 분리 제한 이형구조(GRIN-SCH)를 가진 AlGaAs 레이저를 들수 있다. 이와같은 반도체레이저의 활성영역내의 AlAs몰 분율이 제 5 도에 도시되었다. 양자 우물층으로서의 GaAs를 포함하는 GaAs-GaAlAs 레이저는 MBE 기술로써 다음과 같이 제조된다. GRIN영역(42)이 피복층(41)의 외부표면으로부터 알루미늄 셀의 온도를 감소시킴으로써 성장되고, 피복층 사이에 활성층을 삽입시킴에 의해 이중-이형구조를 형성시킨다. 그다음, 알루미늄 셀 셔터(Cell Shutter)를 폐쇄시킴에 의해 GaAs 양자 우물층(43)이 성장된다. 그후 알루미늄 셀 셔터가 다시 개방되고 나서 피복층(45)을 GRIN영역(44)위에 성장시킨 다음 GRIN영역(44)을 GaAs 양자우물층(43)위에 성장시킬 수 있도록 Al셀의 온도를 상승시킨다.
따라서, 알루미늄 셀의 온도와 셔터의 개방 및 폐쇄를 조절함에 의해 결정성장은 단지 하나의 알루미늄 셀을 사용함으로써 수행될 수 있고, 이것은 소요되는 MBE 장치가 복잡하지 않음을 의미한다. 그러나 이러한 구조가 AlGaAs 양자우물층을 가진 가시광 레이저 소자에 적용될 때 활성영역내 몰 분율은 제 6 도에 도시한 바와같고, 2개의 Al셀을 사용하여야만 한다. 그리고, Al셀중의 어느하나는 AlAs몰 분율이 0.3이 되도록 개방되고, 그 나머지 하나의 알루미늄 셀은 피복층(3) 및 (7)과 GRIN영역(4) 및 (6)을 조절한다. 이것이 왜 2개의 Al셀이 필요한가의 이유이다. 더욱이 벌크(bulk) AlGaAs가 양자 우물층으로서 사용되어 높은 레벨로 방사효율을 유지시키는데 어려움을 야기시키고 있다.
본 발명의 반도체 레이저 소자는 상술한 그리고 그외의 무수한 종래의 결점을 극복하기 위해 GaAs층과 얇은 AlxGa1-xAs(0
Figure kpo00001
x
Figure kpo00002
1) 층으로 구성된 교대층으로 이루어진 초격자의 양자 우물영역을 가지고, 상기 수개 또는 그 이하의 분자층 두께를 가지며, 광가이드(optical guiding layers)이 상기 초격자 양자우물 영역 사이에 삽입되고, 상기 각 광 가이드 층의 AlAs몰 분율(즉, x)은 연속적으로 변화되며 피복층들이 상기 광 가이드층위에 각각 중첩되어진다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 상기 각각의 광 가이드층의 전체면적은 GRIN영역으로써 구성되고, 그 AlAs몰 분율은 포물선형 분포에 따라 변화한다. 양자 택일로, 광 가이드층과 피복층 사이의 경계 부근에 위치한 상기 각 광 가이드층 지역은 GRIN영역으로써 이루어지고, 그 AlAs몰 분율은 크게 상이하며, 또 상기 양자 우물영역 부근에 위치한 상기 각 광가이드층 영역의 AlAs몰 분율은 상기 양자 우물 영역내의 몰분율과 동일하다.
본 발명에 따른 반도체 레이저 소자를 제조하기 위한 방법은, (1) 분자선 적층성장에 의해 AlAs몰 분율이 연속으로 변화하여 광가이드층을 성장시키는 단계와, (2) 수개 이하의 분자층 두께를 갖는 다수의 GaAs층과 수개 이하의 분자층 두께를 갖는 다수의 AlxGa1-xAs(0
Figure kpo00003
x
Figure kpo00004
1) 층으로 구성된 교대층을 분자선 적층성장에 의해 알루미늄 셀의 셔터를 반복적으로 개방 및 폐쇄하여 성장시켜서 상기 광가이드 층 사이에 삽입되는 형상으로 초격자 양자 우물 영역을 이루는 단계와, (3) 분자선 적층 성장에 의한 상기 광 가이드층의 외부와, 상기 광가이드층과, 상기 양자 우물영역과 상기 반도체 레이저 소자의 레이저 발진 동작 영역을 구성하는 상기 피복층위에 각각 피복층을 성장시키는 단계들로써 이루어진다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 각 광가이드층의 전체지역은 GRIN영역으로써 구성되고, 그 AlAs몰 분율은 포물선형 분포에 따라 변화한다. 양자택일로 광가이드층과 피복층 사이의 경계부근에 위치한 상기 각 광가이드층 영역은 GRIN영역으로서 이루어지고 그 AlAs몰 분율은 크게 상이하며, 또 상기 양자 우물영역부근에 위치한 각 광가이드 영역의 AlAs몰 분율은 상기 양자 우물영역내의 물 분율과 동일하다.
따라서, 여기에 기재된 본 발명은 다음과 같은 목적달성을 가능케한다.
(1) 낮은 드레시홀드 전류 레벨에서 가시광을 발진시키는 고품질의 반도체 레이저 소자를 제공한다.
(2) 분자선 적층 성장방법에 의해 층두께를 조절함에 따라 단일 알루미늄 셀로 제조될 수 있는 반도체 레이저 소자를 제공한다.
(3) 상기와 같은 레이저 소자의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 양자우물 반도체 레이저 소자는 가시광을 발생시키며, 이것은 GRIN영역을 가진 광가이드층과 광가이드층 사이에 삽입된 양자우물층을 포함한다. 양자 우물층은 다수의 GaAs층과 다수의 AlGaAs층 또는 다수의 GaAs층과 다수의 AlAs층으로 이루어진 교대층으로 구성되는 초격자 반도체층으로 구성되며, 각층이 극히 얇은(예를들면 수 옹스트롬) 초격자 반도체층을 구성하여서, 본 발명의 반도체 레이저 소자는 분자선 적층 성장방법으로 단일 알루미늄 셀을 사용하여 제조할 수 있다.
상기와 같은 본 발명의 반도체 레이저 소자의 구조는 단지 AlGaAs로써 구성된 양자 우물층을 가진 종래의 반도체 레이저 소자와는 크게 상이하다. 더욱이, 캐리어가 이론적으로 초격자내의 3차원 조건하에서 존재한다 할지라도, 양자 우물구조가 벌크 결정과 다른 에너지 밴드구조를 가진 반도체 층으로 형성되기 때문에 그 캐리어는 초격자내의 2차원 조건하에서 존재하는 경향이 있으며, 이것은 단파장 지역에서 드레시홀드 전류레벨을 저감시킬 수 있게 만든다.
[실시예 1]
제 1 도는 다음과 같이 제조되는 본 발명에 의한 반도체 레이저 소자를 나타낸다 ; 캐리어 농도 Si=1018㎝-3인 n-GaAs 기판(1)위에 n-GaAs버퍼층(2) (Si=1018㎝-3, 두께 0.5μm)과, n-Al0.7Ga0.3As피복층(3) (Si=1018cm-3, 두께 1.5μm)과, 도우프되지 않은 AlxGa1-xAs GRIN층(4)(두께 0.2μm)과 26개 분자층의 두께 또는 73.58Å(각각 5개분자층 두께를 가진 4개의 GaAs층과 각각 2개 분자층 두께를 가진 3개의 Al0.28Ga0.72As층으로 구성된 교대층으로 이루어짐)의 두께를 가지고 도우프되지 않은 GaAs층(151) 및 Al0.28Ga0.72층(152)인 초격자 양자우물층(15)과, 도우프되지 않은 AlxGa1-xAs GRIN층(6)(두께 0.2μm)과, p-Al0.7Ga0.3As피복층(7) (Be=1018cm-3, 두께 0.5μm)과, p-GaAs 캡층(8) (Be=1018cm-3, 두께 0.5μm)과, 그리고 n-AlGa0.5As 전류 차단층(9) (Si=1018cm-3, 두께 0.3μm)은 연속적으로 분자선 적층 성장법에 의해 성장된다.
제 2 도는 양자 우물층(15)부근에 있는 AlxGa1-xAs 혼성결정내의 AlAs몰 분율(즉, x)을 나타낸다. n-Al0.7Ga0.3As 피복층(3)을 성장시킨후, Si분자를 공급하기 위한 Si 셀의 셔터를 폐쇄하고, Al분자를 공급하는 Al 셀의 온도를 저하시킴으로써 광 가이드층으로 작용하는 영역(4)에 있어서 포물선형 분포에 따라 AlAs몰 분율(x)이 0.7에서 0.28로 변화하게 된다. 그 다음, Al셀 셔터의 폐쇄 및 개방을 반복하여 레이저 발진을 위한 초격자 양자우물 영역(15)을 성장시키며 이 영역은 다수의 GaAs층(각층의 두께는 5개 분자층의 두께와 동일)과 다수의 Al0.28Ga0.72As층(각층의 두께는 2개 분자층 두께와 동일)으로 구성된 교대층으로 이루어진다. 그다음, Al 셀의 온도를 높이면, 광가이드층으로서 작용하는 GRIN영역(6)의 AlAs몰 분율(즉, x)은 포물선형 분포에 따라 0.28에서 0.7로 변화한다. 그 다음, Be분자를 공급하기 위한 Be셀의 셔터를 개방시켜 p-Al0.7Ga0.3As 피복층을 성장시킨다. 상술한 분자선 적층 성장기술에 따르면, 가시적 레이저 광발진 동작 영역은 Al 셀을 사용하여 초격자 양자 우물영역(15)이 GRIN영역(4) 및 (6) 사이에 삽입되고 이들 영역의 외측에 피복층(3) 및 (7)이 형성되도록 함으로써 구성될 수 있다.
그다음, 5μm의 폭을 가진 줄무늬 채널을 HF 부식제를 사용하는 애칭 기술에 의해 전류차단층(9)에 형성시킴으로써 줄무늬 구조를 가지게 되고, 그 안에서 전류가 제한된다. 상술한 레이저 발진 동작영역의 위치는 상기 전류 제한용 줄무늬 구조에 해당한다. 다시, n-GaAs기판(1)의 후면과 p-GaAs캡층(8)을 포함하는 전류 차단층(9)의 상면이 각각 Au-Ge-Ni과 Au-Zn의 재료를 가지고 진공증착 처리된 다음 가열하여 Au-Ge-Ni 합금으로된 n측 전극과 Au-Zn합금으로 된 p측 전극을 형성함으로써 반도체 레이저 소자가 된다.
구동전류가 p측 전극과 n측 전극을 통해 반도체 레이저 소자에 인가될때, 785nm의 파장을 가진 가시 레이저 광은 상온에서 48mA의 드레시홀드 전류로 레이저 발진 동작영역에서 연속적으로 방출된다.
상기와 같은 동일한 방법으로 250μm의 공동길이를 갖는 반도체 레이저 소자(웨이퍼 상부표면의 전체지역은 p측 전극으로 덮여 씌여져 있다)를 얻을 수 있다. 이 반도체 레이저 소자는 극히 작은 드레시홀드 전류 레벨 368A/㎠으로 레이저 광을 발생시킨다.
[실시예 2]
제 3 도는 본 발명의 또다른 반도체 레이저 소자의 활성영역에서의 AlAs몰 분율을 나타낸다. 여기서 초격자 양자 우물영역(25)은 각각 6Å두께를 가진 8개의 GaAs층과 4Å의 두께를 가진 7개의 AlAs층으로 구성되는 교대층으로 이루어진 약 76Å두께의 GaAs/AlAs 초격자 층으로 구성된다. 실시예 1에서와 동일한 방법으로, GRIN영역(4)이 성장되고난 후 Al셀셔터가 폐쇄되면, 6Å두께의 GaAs층이 형성된다. Al셀의 셔터가 개방되고 동시에 Ga셀의 셔터가 폐쇄되어 4Å두께의 AlAs층이 형성된다. 이와 같은 Al셀과 Ga셀의 셔터를 반복적으로 개방 및 폐쇄시킴으로써 GaAs/AlAs초격자층이 형성된다. 레이저 발진 동작영역은 초격자 양자 우물영역(25)을 GRIN영역(4) 및 (6)사이에 삽입하고, 이 영역(4) 및 (6)의 외측면에 각각 피복층(3) 및 (7)에 배치되게 한 구조를 가지게 함으로써 얻어질 수 있다. 본 실시예에서 반도체 레이저 소자의 다른 소자 부분의 구조는 실시예 1의 레이저 소자의 것과 동일하다.
상술한 바와같이, 초격자 구조를 이루는 층(각층은 수개의 분자에 해당하는 두께를 가짐)들은 AlGaAs결정 또는 AlAs결정으로부터 선택되어지고 이들은 양자택일로 그 두께가 상이하며, 이것이 초격자층에 생성될 에너지 밴드구조를 조정할 수 있게 되어서, 초격자 양자 우물층내의 캐리어 주입효율이 저하되는 것을 방지할 수 있게 된다. 반면에, 각각 수십 옹스트롬의 두께를 갖는 각층들로 구성된 종래의 다층 양자 우물 구조에서는 위와 같은 캐리어 주입 효율의 저하를 방지할 수 없다. 더욱이, 본 발명에 의하면, 양자 우물층의 전체 두께를 변경시킴으로써 초격자층내에서 형성되는 양자화 레벨을 조절할 수 있게 되고, 이로써 발진파장의 최적치 및/또는 드레시홀드 전류를 광범위하게 조절할 수 있게 된다. 또한 단일의 Al셀을 사용한 분자선 적층성장법에 의해 반도체 레이저 소자가 제조되므로 이것은 분자선 적층성장 장치를 간단하게 만들 수 있다.
[실시예 3]
실시예 1 및 2에서 광 가이드층의 전체 면적이 GRIN층으로써 구성된 것이지만, 본 실시예의 반도체 레이저 소자는 단지 광가이드층의 일부만이 GRIN층으로 구성된 구조로 설계된다. 제 4 도는 본 발명의 또다른 반도체 레이저 소자를 나타낸 것이고, 여기서 각 광가이드층(34) 및 (36)의 일부분은 GRIN층으로 구성되고, 초격자 양자 우물영역(35)과 접촉되는 각 광가이드층(34) 및 (36)영역의 AlAs몰 분율은 초격자 양자 우물영역(35)에서의 몰 분율만큼 저감되고 이는 역시 단일 Al셀에 의한 결정성장을 가능케 한다. 제 4 도에 보인 양자우물영역(35)은 다수의 GaAs층(각층은 5개 분자층의 두께를 가짐)과 다수의 Al0.28Ga0.72As층(각층은 2개 분자층의 두께)으로 구성된 교대층으로 이루어진 초격자 구조로써 형성된다. 이 양자 우물영역(35)위에 광가이드층(34) 및 (36)이 중첩된다. 각 광가이드층(34) 및 (36)의 AlAs몰 분율은 0.7에서 0.28로 변화한다. 광가이드층(34)과 피복층(3) 사이의 경계 부근에 위치한 광가이드층(34)영역이 GRIN층으로 구성됨으로써 그 AlAs몰 분율이 크게 변화한다. 또한 광가이드층(36)과 피복층(7)사이의 경계부근에 위치한 광가이드층(36)영역이 GRIN층으로 구성됨으로써 그 몰 분율이 크게 변화한다. 반면에, 양자우물영역(35)의 부근에 위치한 각 광가이드층(34),(36)영역의 AlAs몰 분율은 양자 우물 영역(35)의 AlAs몰 분율과 거의 동일하게 된다.
본 발명에 대한 여러 가지 다양한 변경은 본 발명의 범위와 정신을 벗어나지 않고 이 분야의 숙련된 사람에게 명백히 쉽게 실시될 수 있는 것이다. 따라서, 여기에 첨부된 청구범위는 본 발명의 범위를 제한하고자 한 것은 아니고, 본 발명의 기술분야에서 숙련된 사람에 의해 실시될 수 있는 동등한 변경을 포함하는 본 발명에서 존재하는 모든 신규한 특징을 포함하는 것으로 이해하여야 한다.

Claims (6)

  1. 레이저 발진동작 영역을 포함하는 반도체 레이저 소자에 있어서, GaAs층과 얇은 AlxGa1-xAs(0〈x
    Figure kpo00005
    1)층으로 구성되고, 상기 층 각각은 수개 또는 그 이하의 분자층두께를 가진 교대층으로 이루어진 초격자 양자 우물 영역과, AlyGa1-yAs(x
    Figure kpo00006
    y
    Figure kpo00007
    1)으로 되어 있고, 상기 초격자 양자 우물 영역사이에 삽입되며, 그 AlAs몰 분율(즉, x)이 연속적으로 변화하는 각 광가이드층들과, 상기 광가이드층들 위에 각각 중첩되는 피복층을 구비한 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 소자.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 광가이드층들의 전체면적이 GRIN영역인 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 소자.
  3. 제 1 항에 있어서, 광가이드층과 피복층 사이의 경계부근에 위치한 상기 각 광가이드층들의 영역이 GRIN영역이고, 상기 양자 우물영역 부근에 위치한 상기 각 광가이드층 영역의 AlAs몰 분율이 상기 양자우물영역의 AlAs몰 분율과 동일한 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 소자.
  4. 반도체 레이저 소자를 제조하는 방법에 있어서, (1) AlyGa1-yAs(x
    Figure kpo00008
    y
    Figure kpo00009
    1)으로 되어 있고, 분자선 적층성장법에 의해 그 AlAs몰 분율이 연속적으로 변화하는 광 가이드를 성장시키는 단계와, (2) 분자선 적층법에 의해 각각 수개 또는 그 이하의 분자층 두께를 가진 다수의 GaAs층과 각각 수개 또는 그 이하의 분자층 두께를 가진 다수의 AlxGa1-xAs(0〈x
    Figure kpo00010
    1)층으로 구성된 교대층을 성장시키기 위해 Al셀의 셔터를 반복적으로 개방 및 폐쇄시켜서, 상기 광가이드층 사이에 삽입된 형상으로 초격자 양자 우물층을 이루는 단계와, (3) 분자선 적층 성장법에 의해 상기 각 광가이드층의 외측면 위에 각각 피복층을 설장시키고, 상기 광가이드층, 상기 양자 우물영역 및 상기 피복층이 상기 반도체 레이저 소자의 레이저 발진 동작영역을 구성하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 소자 제조방법.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 광가이드층의 전체면적이 GRIN영역으로 구성되는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 소자 제조방법.
  6. 제 4 항에 있어서, 광가이드층과 피복층 사이의 경계부근에 위치한 상기 각 광가이드층 영역이 GRIN영역으로 구성되고, 상기 양자 우물영역 부근에 위치한 상기 각 광가이드층 지역의 AlAs몰 분율이 상기 양자 우물 영역의 AlAs몰 분율과 동일하게 한것을 특징으로 하는 반도체 레이저 소자 제조방법.
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