KR940005762B1

KR940005762B1 - 반도체레이저장치

Info

Publication number: KR940005762B1
Application number: KR1019910010150A
Authority: KR
Inventors: 하지메 스하라
Original assignee: 가부시키가이샤 도시바; 아오이 죠이치
Priority date: 1990-06-19
Filing date: 1991-06-19
Publication date: 1994-06-23
Also published as: KR920001787A; US5144635A; JP2941364B2; JPH0451581A

Abstract

내용 없음.

Description

반도체레이저장치

제1도는 본 발명의 1실시예에 따른 반도체레이저장치의 개략적인 단면도.

제2도는 종래의 반도체레이저장치의 개략적인 단면도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

24 : 공진기 24A, 24B : 공진기의 단면

30 : 반사율제어용 막 32 : 제1박막

34 : 제2박막

[산업상의 이용분야]

본 발명은 반도체레이저장치에 관한 것으로, 특히 공진기(共振器)의 단면에 반사율제어용 막을 갖추어 공진되는 레이저광의 고출력화를 도모할 수 있는 반도체레이저장치에 관한 것이다.

[종래의 기술 및 그 문제점]

제2도는 종래의 반도체레이저장치의 개략적인 단면도이다.

동도면에 나타낸 바와 같이, n^-형 기판(10)상에는 n^-형 클래드층(clad 層 ; 12)과 활성층(14), P^-형 클래드층(16), 캡층(cap 層 ; 18) 및 P^-형 저항전극(20)이 순차로 형성되어 있고, 또 n^-형 기판(10)의 이면에는 n^-형 저항전극(22)이 형성되어 있으며, 또한 2개의 단면(24A, 24B)에 의해 공진기(24)가 구성되어 있다. 상기 단면(24A, 24B)중 한쪽, 도면에서는 단면(24B)측에 반사율제어용 막(25)이 설치되어 발진되는 레이저광의 출력을 높이게 된다. 반사율제어용 막(25)은 굴절율이 다른 2종류의 박막(26, 28)을 번갈아 2층이상으로 적층시킴으로써 고반사막화(高反射膜化)함에 의해 더욱 더 레이저광의 출력을 높히게 된다.

반사율제어용 막(25)을 구성하는 박막중 단면(24B)에 접하는 박막(26)은 굴절율(n)이 적은 박막재료로 구성되는데, 예컨대 SiO₂(n1.5와 Al₂O₃(n1.7) 및 Si₃N₄(n1.8)가 흔히 사용되고 있다. 또, 박막(28)은 굴절율이 큰 박막재료로 구성되는데, 예컨대 비결정(amorphous) Si(n≥3.2)를 사용하는 것이 일반적이다. 또 SiO₂를 박막(26)에 사용한 경우에는, 박막(28)에 Al₂O₃나 Si₃N₄를 사용한 예컨대 4층이상의 다층인 반사율제어용 막을 구성하여 고반사막화한 예도 있다.

상술한 박막재료의 공진기의 단면(24B)상에서 형성방법으로는, 진공증착법(SiO₃)과, 스퍼터법(Al₂O₃, Si₃N₄, 비결정 Si)이 이용될 수 있다.

그런데 반도체레이저장치를 사용한 일반적인 시스템에서는, 일정한 광출력을 얻기 위해 광취출면(光取出面)과 반대측에 모니터용 수광소자를 설치하고, 이 수광소자에 의해 APC(Auto Power Control) 구동을 행하게 된다. 예컨대, 제2도에 나타낸 반도체장치라면 광취출면은 단면(24A)측이고, 또 한쪽의 단면(24B)측에 모니터용 수광소자가 설치되게 된다. 즉, 반사율제어용 막측에 모니터용 수광소자가 설치되게 된다.

그러나, 반사율제어용 막의 반사율이 높아짐에 따라 모니터용 수광소자에 의해 방사되는 광출력은 감소하게 된다. 이 때문에, 모니터용 수광소자를 반사율제어용 막에 보다 근접시키지 않으면 않되게 된다. 예컨대, 반사율이 80%정도를 유지하는 반도체레이저장치에 모니터용 수광소자로서 통상의 InGaAs계 PIN 포토다이오드를 설치한 경우, 0.05[mA]이상의 모니터전류를 얻기 위해서는 반도체레이저장치의 단면(28)과 도시되지 않은 모니터용 수광소자의 수광면의 거리가 1[mm]미만이 되도록 설계하지 않으면 않되게 된다. 이것은 광학설계상 큰 제약이 된다.

예컨대, 제2도에 나타낸 반도체레이저장치에서 반사율제어용 막을 구성하는 박막중 한개에 비결정 Si를 사용한 경우, 2층구조막이었다고 하더라도 반사율은 80%를 넘게 되므로 광학설계상 상기와 같은 제약을 받게 된다.

또, 비결정 Si는 진공증착법에 의해서도 형성될 수 있는데, 스퍼터법보다 쓰루풋(throughput)이 좋은 진공증착법으로 비결정 Si를 형성하게 되면 증착속도나 굴절율의 제어가 곤란하게 되고, 화학적으로나 물리적으로도 불안정한 막으로 된다. 이때문에, 신뢰성면에서 떨어지는 반도체레이저장치가 제조되게 된다.

따라서, 비결정 Si를 진공증착법으로 형성하는 것은 실용적이지 못하다.

또, Al₂O₃나 Si₃N₄도 마찬가지로 진공증착법으로의 형성이 곤란하게 되고, 또 굴절율도 1.7~1.8로 작기 때문에 4층정도이상으로 적층시키지 않으면 반사율향상의 효과가 적어지게 된다. 형성되는 박막의 총수는 막의 균일성과 막간응력(膜間應力), 원료대 제품비 및 공정시간 등을 고려하면 극히 적은 것이 바람직하다(참고문헌 ; 특개소 64-33987, 특개평 1-184893).

이상 설명한 바와 같이 종래의 반사율제어용 막을 공진기의 단면에 갖추고 있는 반도체레이저장치에서는, 반사율제어용 막을 구성하는 박막에 굴절율이 큰 비결정 Si가 사용되고 있기 때문에 반사율이 지나치게 높아지게 되어 광학설계상의 제약을 제기하게 된다. 또, Al₂O₃나 Si₃N₄를 사용하게 되면 이들 재료의 굴절율이 작기 때문에 반사율이 지나치게 낮아지게 되어 소망하는 반사율로 하는데는 다층으로 적층시킬 필요가 있게 된다. 더구나, 이들 비결정 Si와 Al₂O₃및 Si₃N₄는 쓰루풋이 양호한 진공증착법에 의한 형성이 곤란하여 이들의 형성에서 진공증착법을 선택하기 어렵다고 하는 문제점이 있었다.

[발명의 목적]

본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 이루어진 것으로, 반사율제어용 막을 공진기의 단면에 갖추고 있는 반도체레이저장치에 있어서 반사율제어용 막을 구성하는 박막으로서 그 굴절율이 적당함과 더불어 스퍼터법 및 진공증착법에 의한 형성이 쌍방으로도 용이하면서 화학적으로나 물리적으로도 안정된 박막을 사용하여 고출력의 레이저광을 발진시킬 수 있고, 더욱이 고신뢰성이면서 광학설계상의 제약도 적은 반도체레이저장치를 제공하고자 함에 그 목적이 있다.

[발명의 구성]

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 반도체레이저장치는, 반사율제어용 막을 공진기의 단면에 갖추고 있는 반도체레이저장치에 있어서, 상기 반사율제어용 막이 적어도 제1박막과 제2박막의 적층구조로 이루어지고, 상기 제1박막의 막두께는 상기 반도체레이저장치의 발진파장을 λ라고 하고 상기 제1박막의 굴절율을 n₁이라고 할 때에(λ/4n₁)로 설정되고, 또 n₁≤1.8이며, 상기 제2박막의 막두께는 상기 반도체레이저장치의 발진파장을 λ라고 하고 상기 제2박막의 굴절율을 n₂라고 할때에(λ/4n₂)로 설정되고, 또 1.9≤n₂≤2.6인 것을 특징으로 한다.

또, 상기 제2박막은 산화지르코늄과 산화세슘 및 황화아연중 어떤 한개인 것을 특징으로 한다.

[작용]

상기와 같은 반도체레이저장치에 의하면, 특히 제2박막의 굴절율 n₂이(1.9≤n₂≤2.6)의 범위에 있고, 이와 같은 굴절율을 갖는 제2박막과, 굴절율 n₁이(1.8≥n₁)의 범위에 있는 제1박막을 적층시켜 반사율제어용 막을 얻게 된다. 그에 따라, 반사율제어용 막의 반사율이 광학설계상의 제약을 받지 않는 적당한 것으로 되게 된다.

상기 굴절율의 범위를 실현할 수 있는 박막으로는

산화지르코늄 : 굴절율 약 2.0

산화세슘 : 굴절율 약 2.2~2.5

황화아연 : 굴절율 약 2.2~2.3

이 있다.

이들 박막은 어떤 것이나 진공증착법에 의해 형성되어도 증착속도나 굴절율의 제어성이 좋고, 더욱이 화학적으로나 물리적으로 안정된 막이다.

[실시예]

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 1실시예를 상세히 설명한다.

제1도는 본 발명의 1실시예에 따른 반도체레이저장치의 개략적인 단면도이다.

동도면에 나타낸 바와 같이, n^-형 기판(10)상에는 n^-형 클래드층(12)이 형성되어 있고, 이 n^-형 클래드층(12)상에는 활성층(14)이 형성되어 있다. 활성층(14)상에는 P^-형 클래드층(16)이 형성되어 있고, 이 P^-형 클래드층(16)상에는 캡층(18)이 형성되어 있다. 이 캡층(18)상에는 P^-형 저항전극(20)이 형성되어 있고, 또 n^-형 기판(10)의 이면에는 n^-형 저항전극(22)이 형성되어 있다.

상기와 같은 구조를 갖추어 레이저를 발광시키는 공진기(24)가 구성되게 된다. 공진기의 단면(24A, 24B)의 한쪽, 즉 도면에서는 단면(24B)측에 반사율제어용 막(30)이 설치되어 발진되는 레이저광의 출력을 높이게 된다. 반사율제어용 막(30)은 굴절율이 다른 2종류의 제1박막(32) 및 제2박막(34)에 의해 구성되는데, 공진기의 단면(24B)에 접하는 제1박막(32)에는 굴절율(n)이 작은 박막을 사용하고, 제2박막(34)에는 굴절율(n)이 큰 박막을 사용하게 된다.

그런데, 반사율제어용 막(30)자체의 반사율(R)은 일반적으로 다음과 같은 식에 의해 표현되게 된다.

R = | (n₀n₂ ²-n₁ ²)/(n₀n₂ ²+n₁ ²) |²……………………………………………(1)

상기 식(1)은 대기중에서 적용된다. 식(1)에서 n₀는 활성층(14)의 굴절율을 나타내고, n₁은 제1박막(32)의 굴절율을 나타내며, n₂는 제2박막(34)의 굴절을 나타낸다.

예컨대, 제1박막(32)을 SiO₂로 구성한 경우에는 n₁이 약 1.5이고, 활성층(14)을 InP계나 GaAs계로 구성한 경우에는 n₀이 약 3.2정도이다. 이 점을 고려하여 반사율(R)로서 최적인 40%~70%를 실현하기 위해서는, 식(1)에 의해 제2박막(34)의 굴절율(n₂)이 1.9≤n₂≤2.6의 범위에 있는 것이 바람직하다.

본 실시예에서는 제1박막(32)에 SiO₂(굴절율 n1.5)를 사용하고, 또 제2박막(34)에는 산화지르코늄(이하, ZrO₂라고 칭함 ; 굴절율 n2.0)을 사용한다.

또, 이들 박막은 반도체레이저장치의 발진파장을 λ라고 할때에 각각 λ/4n가 되도록 설정된다. 예컨대, 반도체레이저장치의 발진파장(λ)을 1.3[μm]이라고 가정하면 제1박막(32 ; SiO₂)의 막두께는 2170[Å]으로 설정되게 되고, 제2박막(34 ; ZrO₂)의 막두께는 1630[Å]으로 설정되게 된다.

본 실시예에서는 제1박막(32)에 SiO₂를 사용하고, 제2박막(34)에 ZrO₂를 사용함으로써 반사율제어용막(30) 자체의 반사율에 약 55%가 얻어지게 된다. 그리고, 반도체레이저장치의 단면(28)과 도시되지 않은 모니터용 수광소자의 수광면의 거리가 1.5[mm]정도이어도 0.1[mA]이상의 모니터전류가 확보되게 된다.

또, 본 제조방법으로서는 반도체기판상에 레이저를 발진시킬수 있도록 각종의 반도체층, 예커대 상기 클래드층과 활성층 및 캡층 등을 순차로 적층형성한 후에 기판의 표면위쪽 및 이면에 전극을 형성하게 된다. 전극형성후, 레이저바(laser bar) 또는 칩형상으로 쪼갬으로써 공진기를 얻게 된다. 계속해서, 공진기의 한쪽의 단면에 공기증착법, 예컨대 전자빔진공증착법법을 이용하여 SiO₂로 이루어진 제1박막(32)을 형성하고나서, 제1박막(32)상에 예컨대 전자빔진공증착법을 이용하여 ZrO₂로 이루어진 제2박막(34)을 형성함으로써, 본 실시예에 따른 반도체레이저장치가 제조되게 된다.

또한 ZrO₂는 진공증착법, 예컨대 전자빔진공증착법이나 스퍼터법중 어떤 것으로도 형성될 수 있는데, 어떤 방법으로도 증착속도와 굴절율의 제어성이 양호하게 된다.

더구나, ZrO₂는 화학적으로나 물리적으로도 극히 안정된 재료인데, 이 점을 증명할 예로서는 대기중에서 430[℃], 5분간의 가열을 행해도 굴절율에는 전혀 변화가 발견되지 않는다고 하는 실험결과가 얻어져 있다. 또, 불화암모늄(NH₄F)내에서의 에칭속도에 있어서도 SiO₂나 Si₃N₄와 비교하여 약 1/3~1/5이라고 하는 실험결과도 얻어져 있다.

또한, 제1박막(32)으로서 SiO₂를 사용한 이유는, SiO₂가 진공증착법이나 스퍼터법중 어떤 방법으로도 증착속도와 굴절율의 제어성을 양호하게 하여 형성될 수 있기 때문이다. 또, 제1박막(32)에 SiO₂를 사용함으로써, 제1박막(32)과 더불어 제2박막(34)의 형성을 진공증착법으로 형성하거나 또는 스퍼터법으로 형성하거나 하는 어떤 형성방법도 선택가능하게 되어 제조상의 자유도를 높히게 된다.

상기와 같은 구성의 반도체레이저장치에 의하면, 광학설계상 및 제조상의 쌍방에 있어서 자유도가 높고, 또 반사율제어용 막은 화학적으로나 물리적으로도 극히 안정된 박막에 의해 구성되게 된다. 그에 따라, 고신뢰성이고 범용성(汎用性)이 풍부한 반도체레이저장치가 되게 된다.

또, 상기 실시예에서는 제1박막(32)으로서 SiO₂를 사용하였지만, 이것에 한정되지 않고 예컨대 Si₃N₄등과 같은 굴절율이 1.8이하인 재료이어도 좋다. 또한, 제2박막(34)도 ZrO₂에 한정되지 않고 굴절율이 1.9≤n₂≤2.6의 범위에 있고, 바람직하게는 진공증착법이나 스퍼터법중 어떤 방법으로도 증착속도와 굴절율의 제어성이 좋게 형성될 수 있으며, 더욱이 화학적으로나 물리적으로도 안정된 재료이면 좋다.

이들에 의한 굴절율 및 형성방법의 조건을 만족시키는 재료로서는, ZrO₂이외에 예컨대 산화세슘(CeO₂; 굴절율 n≤2.2~2.5)과 황화아연(ZnS ; 굴절율n≤2.2~2.3) 등을 들 수 있다. 이들 재료를 박막(34)으로서 사용하여도 반사율제어용 막(30)자체의 반사율을 40~70%정도의 적합한 범위로 설정할 수 있게 된다.

또한, ZrO₂와 CeO₂및 ZnS 등이 유지하는 굴절율의 범위가 1.9≤n₂≤2.6이면, 반사율제어용 막(30)을 제1박막(32)과 제2박막(34)의 2층구조만으로 반사율 40~70%가 실현되게 된다. 그에 따라, 형성되는 박막의 총수를 적게 할수 있고, 막의 균일성의 향상과 막간응력의 저감, 원료대 제품비의 향상 및 공정시간의 단축 등도 더불어 실현할 수 있게 된다.

[발명의 효과]

이상 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, 반사율제어용 막을 공진기의 단면에 갖추고 있는 반도체레이저장치에 있어서 반사율제어용 막을 구성하는 박막으로서 그 굴절율이 적당함과 더불어 스퍼터법이나 진공증착법에 의한 형성이 쌍방으로도 용이하면서 화학적으로나 물리적으로도 안정된 박막을 사용하여 고출력의 레이저광을 발진시킬수 있고, 더욱이 고신뢰성이면서 광학설계의 제약도 적은 반도체레이저장치를 제공할 수 있다.

Claims

반사율제어용막(30)을 공진기의 단면(24B)에 갖추고 있는 반도체레이저장치(24)에 있어서, 상기 반사율제어용 막(30)에 적어도 제1박막(32)과 제2박막(34)의 적층구조로 이루어지고, 상기 제1박막(32)의 막두께는 상기 반도체레이저장치의 발진파장을 λ라고 하고 상기 제1박막(32)의 굴절율을 n₁이라고 할 때, λ/4n₁(여기서 n₁≤1.8)로 설정되며, 상기 제2박막(34)의 막두께는 상기 반도체레이저장치의 발진파장을 λ라고 하고 상기 제2박막(34)의 굴절율을 n₂라고 할때, λ/4n₂(여기서 1.9≤n₂≤2.6)로 설정되어 있는 것을 특징으로 하는 반도체레이저장치.
제1항에 있어서, 상기 제2박막(34)은 산화지르코늄, 산화세슘 또는 황화아연중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 반도체레이저장치.