KR940010164B1 - 발광장치 및 그 제조방법 - Google Patents

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야마무라 가쯔미
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Abstract

내용 없음.

Description

[발명의 명칭]
발광장치 및 그 제조방법
[도면의 간단한 설명]
제 1 도는 본 발명의 발광 장치의 1실시예를 도시하는 사시구조도.
제 2 도는 본 발명의 발광 장치의 1실시예를 도시하는 제 1 도의 A-A'에 있어서 반도체 레이저부의 단면 구조도.
제 3 도는 본 발명의 발광 장치의 1실시예를 도시하는 제 1 도의 B-B'에 있어서 제 2 차 고조파 발생 광도 파로부의 단면 구조도.
제 4 도는 본 발명의 발광 장치의 다른 1실시예를 도시하는 사시구조도.
제 5 도는 본 발명의 발광 장치 1실시예를 도시하는 제 4 도의 A-A'에 있어서의 반도체 레이저부의 단면 구조도.
제 6 도는 본 발명의 발광 장치의 1실시예를 도시하는 제 4 도의 B-B'에 있어서 제 2 차 고조파 발생 광도 파로부의 단면 구조도.
제 7 도는 본 발명의 발광 장치의 다른 1실시예를 도시하는 제 2 차 고조파 발생 광도파로부의 단면구조도.
제 8 도 (a) 내지 (g)는 본 발명의 발광 장치의 1실시예를 도시하는 제조공정도.
제 9 도는 본 발명의 광 메모리 장치의 1실시예를 도시하는 개략구성도.
제 10 도는 종래 기술에 있어서 청색 발광 장치의 개략구조도.
제 11 도는 종래 기술에 있어서 다른 청색 발광 장치의 개략구조도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
101, 201, 301, 401, 501, 601, 801 : n형 Gaas 단결정기판
102, 402 : 반도체 레이저부
103, 403 : 제 2 차 고조파 발생 광도파로부
104 : 유전체 다층막 105 : 유전체막
202, 602, 802 : n형 GaAs 버퍼층
203, 603, 803 : n형 A1xGa1-xAs 클래드층 204, 604, 804 : GaAs 활성층
205, 605, 805 : p형 AlxGa1-xAs 클래드층
206, 502, 807 : ZnSxSe1-x매입층
207, 606, 806 : p형 GaAs 콘택트층 208 : p형 오믹 전극
209 : n형 오믹 전극
302, 304, 608, 610 : ZnSxSe1-x클래드
3, 609 :ZnSe 비선형 광도파로층
305 : ZnSxSe1-x층 701, 703 :Zns 클래드층
702 : 다층 초격자 비선형 광도파로층 901 : 청색 발광 장치
902 : 콜리미터 렌즈 903 : 회석 격자
904 : 하프 프리즘 905 : 집광 렌즈
906 : 광 메모리 디스크 1001, 1101 : 반도체 레이저
1002, 1102 : SHG 장치 1003 : 집광 렌즈
[발명의 상세한 설명]
[기술분야]
본 발명은 집적화되고 있는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저광의 제 2 차 고조파를 발생(Second Harmonic Generation, 이하, SHG라 약한다)시키는 발광 장치의 구조 및 제조방법과 그 응용 장치에 관한 것이다.
[배경기술]
종래의 반도체 레이저 광의 SHG를 발생시키는 발광 장치는 특개소 51-142284에 보인 것과 같은 것이었다. 제 10 도에 도시하듯이 AlGaAs계의 반도체 레이저(1001)와 LiNbO3등의 박막 광도파로형의 SHG장치(1002)를, 하이브리드에 집적하는 것이었다. 반도체 레이저에서 나온 파장 870nm의 레이저 광은 LiNbO3박막 광도파로형의 SHG장치에 입사되며, LiNbO3박막의 비선형 효과에 의해서 1/2의 파장의 435nm로 변환되어서 출사광(1003)으로서 방사된다.
종래의 발광 장치는 또한, 특개소 60-112023에 보인 것과 같은 것이었다. 제 11 도에 도시하듯이 AlGaAs계의 반도체 레이저(1101)과 LiNbO3등의 박막 광도파로형의 SHG 장치(1102)을 하이브리드에 집적하고, 반도체 레이저의 출사광을 효율있게 박막 광도파로에 도입하기 위해서 (1103)의 집광 렌즈를 사이에 설치한 것이다. 입사 스포트가 바로 박막 광도파로에 맞으면 도파로중의 광 밀도를 높일 수 있고 1/2파장으로의 교환 효율을 높일 수 있다.
그러나, 전술한 종래 기술은 다음과 같은 과제를 가지고 있었다. 즉, 제 10 도에 있어서 레이저 발진하는 활성층과 박막 광도파로의 높이를 맞추기가 매우 곤란했었다. 또한, 환경 온도등의 변화에 대해서 위치의 변동이 일어나기 쉬우며 조금이라도 스치면 박막 광도파로중에 광이 도입되지 않는다는 문제점을 가지고 있었다. 제 11 도에 있어서 집광 렌즈에 의해서 박막 광도파로중에 광 밀도를 높일 수 있으나 이 경우에도 1㎛ 정도 두께의 광도파로에 초점을 맞춰야 한다. 따라서 위치 맞춤이 매우 어렵고, 더 나아가서는 환경 온도등에 의해서 용이하게 위치 이탈을 일으키기 쉽다는 문제점을 가지고 있었다.
그래서, 본 발명의 목적으로 하는 바는 반도체 레이저와 SHG 소자를 모노리딕 (monolithic)에 집적하고 레이저 광과 SHG 소자의 결합 효율이 높고 또한 박막 광도파로중의 광전력 밀도가 높다. 따라서, 제 2고조파의 변환 효율이 높은 발광 장치이며, 또한 환경의 변화에 대해서도 결합효율의 변동이 없는 발광 장치와 그 제조 방법을 제공하는데 있다.
[발명의 개시]
본 발명의 발광 장치는 동일 반도체 기판상에 적어도 층상의 레이저 광 발생부와 박막 층상의 제 2 차 고조파 발생 광도파로를 가지며, 상기 레이저 발생부와 상기 광도파로가 실질적으로 동일 평면상에 배치되고 있음을 특징으로 하고 있다.
또한, 동일 반도체 기판상에 적어도 층상의 레이저 발생부와 박막 충상의 제 2 차 고조파 발생 광도파로를 가지며, 상기 레이저 발생부와 상기 광도파로가 실질적으로 동일 평면상에 배치되며 또한 각각의 일단면이 서로 접하고 있는 것을 특징으로 하고 있다.
또한, 동일 반도체 기판상에 적어도 층상의 레이저 발진부와 박막 층상의 제 2 차 고조파 발생 광도파로를 가지며 상기 레이저 발생부와 상기 광도파로가 실질적으로 동일 평면상에 배치되며 또한, 각각의 마주 바라보는 단면중 적어도 한쪽의 단면을 레이저부의 발진 파장의 1/2의 광로장(optical length)이 되는 두께의 유전체 막으로 코팅한 것을 특징으로 하고 있다.
또한, 동일 반도체 기판상에 적어도 층상의 레이저 발진부와 박막 층상의 제 2 차 고조파 발생 광도파로를 가지며, 상기 레이저 발생부와 상기 광도파로가 실질적으로 동일 평면상에 배치되며 또한 각각의 서로 마주 바라보는 단면이 레이저부의 발진 파장의 1/2의 거리만큼 떨어져 형성된 것을 특징으로 하고 있다.
또한, 상기 레이저 광 발생부가 III-V족 화합물 반도체 결정체 박막으로 구성되며 상기 제 2 차 고조파 발생 박막 광도파로가 II-VI족 화합물 반도체 결정체 박막으로 구성되고 있음을 특징으로 하고 있다.
또한, 상기 제 2 차 고조파 발생 광도파로가 상기 반도체 기판상에 릿지 형상의 스트라이프를 형성해서 이루어진 것으로 특징으로 하고 있다.
또한, 상기 제 2 차 고조파 발생 광도파로가 II-VI족 화합물 반도체로 이루는 클래드층과 그 클래드층을 구성하는 반도체보다 작은 밴드갭을 갖는 II-VI족 화합물 반도체로 이루는 비선형 광학 매체의 광도파로로 구성되는 것을 특징으로 하고 있다.
또한, 상기 제 2 차 고조파 발생 광도파로가 상기 릿지 형상의 스트라이프를 가지며, 또한 상기 클래드층과 상기 비선형 광도파로로 되며 상기 릿지 형상의 스트라이프가 상기 비선형 광도파로를 형성하는 반도체 보다 작은 굴절율을 갖는 II-VI족 화합물 반도체로 에워싸이고 있음을 특징으로 하고 있다.
또한, 상기 비선형 광도파로의 막두께가 기본파와 제 2 차 고조파의 위상 정합 조건을 만족하는 두께임을 특징으로 하고 있다.
또한, 상기 제 2 차 고조파 발생 광도파로가 상기 반도체 기판에 형성된 스트라이프상의 홈내에 배치되며 또한, 상기 기판 표면과 거의 동일한 높이로 형성되고 있음을 특징으로 하고 있다.
또한, 레이저 발진용 광공진기가 레이저 발생부 및 제 2 차 고조파 발생 광도파로를 내부에 포함하는 맞대어져 있는 2단면의 반사경으로 구성되는 것을 특징으로 하고 있다.
또한, 상기 제 2 차 고조파 발생 광도파로가 II-VI족 화합물 반도체로 되는 다층 초격자 구조임을 특징으로 하고 있다.
또한, 상기 반도체 레어저가 III-V족 화합물 반도체로 되는 활성층, 클래드층 및 클래드층의 중간의 깊이까지 에칭 제거된 스트라이프형상의 리브를 가지며, 그 리브의 II-VI족 화합물 반도체 층에 매입되어 있음을 특징으로 하고 있다.
또한, 상기 III-V족 화합물 반도체 층이 AlGaAs 혼정으로 이루는 것을 특징으로 하고 있다.
또한, 상기 III-V족 화합물 반도체 층이 InGaAsP 혼정으로 이루는 것을 특징으로 하고 있다.
또한, 본 발명의 발광 장치의 제조 방법은 상기 제 2 차 고조파 발생 도파로가 II-VI족 화합물 반도체의 선택적 에픽텍셜 성장법으로 제조되는 것을 특징으로 하고 있다.
또한, 상기 선택적 에픽텍셜 성장법이 II족 및 VI족 원소의 유기 화합물을 원료로서 사용한 유기 금속기상 성장법임을 특징으로 하고 있다.
또한, 상기 유기 금속 기상 성장법이 II-VI족 화합물 반도체 박막의 에픽텍셜 성장시의 기판 온도는 300℃ 이상 700℃ 이하이며, 반응 가스 압력은 300Torr 이하임, II족 원료에 대한 VI족 원료의 공급 몰비가 6 이하인 것을 특징으로 하고 있다.
또한, 반도체 기판사에 상기 더블헤테로 구조를 결정 성장하는 공정과, 그 더블헤테로 구조의 일부를 기판 표면에 따라서 수직으로 상기 활성층을 포함해서 에칭 제거하는 공정과, 그 에칭 제거한 기판 표면상에 유전체막을 형상하는 공정과, 레이저 발진의 공진 방향을 따라서 상기 유전체 막을 스트라이프형상으로 에칭 제거하는 공정과, 상기 유기 금속 기상 성장법으로 선택적으로 상기 스트라이프부분에만 II-VI족 화합물 반도체를 결정 성장시키는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하고 있다.
또한, 본 발명의 광 메모리 장치는 동일 반도체 기판상에 적어도 층상의 III-V족 화합물 반도체로 되는 레이저 광 발생부와, 박막 층상의 II-VI족 화합물 반도체로 되는 제 2 차 고조파 발생 광도파로를 가지며, 상기 레이저 발생부와 상기 광도파로가 실질적으로 동일 평면상에 배치된 발광 장치를 광원으로 쓴 것을 특징으로 하고 있다.
[발명을 실시하기 위한 양호한 형태]
제 1 도는 본 발명의 1실시예를 도시하는 구조사시도이다. n형 GaAs기판(101)상에 AlxGa1-xAs로 이루어진 더플헤테로 접합의 반도체 레이저(102)와, ZnSxSe1-x로 이루어진 릿지형 광도파로(103)가 모노리식에 집적되어 있다. (102)와 (103)은 단면에 있어서 서로 접하고 있다. 반도체 레이저 후면에는 레이저 발진 파장에 대해서 고반사율로 되는 유전체 다층막(104)이 형성되며, 릿지형 광도파로 측단면에는λ/2의 파장에 대해서 투과되는 유전체막(105)이 형성되어 있다. 레이저 발진의 공진기는 이것들의 유전체막 반사 미러간에서 형성되며, (103)의 도파로중의 광에너지가 커지는 밀도 분포로 된다.
반도체 레이저부의 A-A'에 있어서의 단면 구조도를 우선 제 2 도의 반도체 레이저부의 구조에 대해서 설명한다. (201)은 n형 GaAs 단결정기판상에, (202)의 n형 GaAs 버퍼층, (203)의 n형 AlxGa1-xAs(x=0.35) 클래드층, (204)의 GaAs 활성층, (205)의 역 메사 형상 리브형으로 형성된 p형 AlxGa1-xAs(x=0.35) 클래드층 및 (207)의 p형 GaAs 콘택트층으로 되며 상기 리브의 양단은 (206)의 ZnSxSe1-x(x=0.06)의 II-VI족 화합물 반도체 3원 혼정으로 매입된 구조이다.
콘택트층 상면의 ZnSxSe1-x는 에칭 공정으로 제거되며, (208)의 p형 오믹 전극이 형성되어 있다. (209)의 n형 오믹 전극이 형성되며, (208)과 (209)의 전극간에 순방향 전류를 흘리므로서, (204)의 활성층에 전하 주입이 일어나며, 캐리어 재결합시, 발생하는 발광이 공진기 단면간에서 증폭되어서 레이저 광이 발진한다. (206)의 ZnSxSe1-x층은 10mΩ.cm 이상의 비저항을 가지고 있으며 주입 전류는 리브의 장소 이외를 흐르는 것이 거의 없다. 따라서, 레이저 발진은 리브 직하의 활성층에서만 일어나며, 발진 역치 전류(이하 이것을 Ith라 부른다)는 감소된다. 다시, ZnSxSe1-x(x=0.06)의 굴절율은 2.53이며 GaAs의 굴절율 3.4에 비해서 저굴절율이다. 따라서, 본 발명의 제 2 도의 반도체 레이저부의 구성에 있어서 발진 영역부와 (206)의 매입 ZnSxSe1-x(x=0.06)층이 있는 영역에서 유효 굴절율 단차가 발생하며 레이저 광은 유효하게 발진 영역내에 닫혀진다. 이것에 의해서도 Ith는 감소되며, 또한 미분자량 효율의 향상이 가능하다. 이것들의 효과로 구동 전류의 값을 작게할 수 있으며 반도체 레이저부의 고출력 발진이 가능해지며, 제 2 차 고조파의 출력을 높게 취할 수 있다.
또한, ZnSxSe1-x는 격자 정수가 AlxGa1-xAs와 완전히 일치되며 계면에 있어서 격자 부정합에 의한 전이(轉移)등이 발생하지 않으며 매우 고품질의 결정체가 얻어졌다. 이것으로 주입 캐리어 및 도파광의 손실은 없어지며, 반도체 레이저부의 고출력 발진에 효과가 있었다. 이상 설명한 것같은 많은 이점으로 반도체 레이저부는 Ith가 15~20mA 로 낮고, 870nm의 파장의 발진 출력은 100mW 를 넘는 고출력 발진이 가능했다.
다음에 제 3 도로 제 2 차 고조파 발생 광도파로부의 단면 구조를 설명한다. (301)의 n형 GaAs기판상에 (302)의 ZnSxSe1-x(x=0.5~1.0) 클래드층과 (303)의 ZnSe 비선형 광도파로층과 (304)의 ZnSxSe1-x(x=0.5~1.0) 클래드층으로 이루는 릿지형 광도파로가 형성되며, 다시 전체를 ZnSxSe1-x(x=0.1)이 덮힌 구조로 되어 있다. (304)의 광도파로층은 그 위치가 제 2 도(205)의 GaAs 활성층과 거의 일치, 또는 일치하고 있다. 따라서, 레이저 광은 거의 손실없이 (304)의 제 2 차 고조파 발생 광도파로층에 입사된다. 입사광이 릿지 스트라이프중을 전반(傳搬)하는 시간에 ZnSe 매질과 비선형인 상호 작용을 일으키며 파장이 1/2인 제 2 차 고조파가 발생한다. 본 실시예에 있어선 입사광의 파장이 870nm이므로 435nm의 파장의 청색 코히런트 광이 얻어졌다. 변화효율은 5%~7%이며, 반도체 레이저로 100mW 발진시킬 경우 5~7mW의 청색광이 얻어졌다. 광의 비선형 상호 작용을 충분히 얻는데엔 광도파로중에서 충분히 큰 에너지 밀도를 갖는 것이 필요하다. 본 실시예의 경우, 박막 광도파로일 것과, 동시에 릿지형 스트라이프이기 위해서 기판 평면방향으로도 광이 가둬지며 큰 광 에너지 밀도를 얻을 수 있었다.
또한, ZnSe, ZnSxSe1-x층은 단결정 박막이므로 청색 광의 출사단면 및 도파로중에서의 광손실은 적다. 이것에 의해서도 변환 효율을 향상시킬 수 있었다.
또한, 반도체 레이저부와 광도파로부를 떼서 형성하고, 서로 대향하는 단면에Al2O3막을 코팅한다. Al2O3막의 두께가 반도체 레이저의 발진 파장 870nm를 Al2O3의 굴절율 1.76으로 제거한 값의 1/2의 494이면, 이면에 의한 반사 손실이 없어지며, 결합 효율이 더욱 높아진다. 마찬가지의 효과는 반도체 레이저부와 공도파로부를 발진 파장의 1/2의 거리만큼 떼어도 얻을 수 있다.
또, 광의 비선형 상호 작용을 충분히 얻기 위해서 상기의 광에너지 고밀도화 외에 매질중에서 기본 광과 제 2 차 광의 위상 속도가 동등해야 되며(이후 이것을 위상 정합이라 부른다).
이것은 비선형 광도파로층의 막두께에 의해서 위상 정합 조건을 채우는 것이 가능하다. 본 실시예의 경우, 클래드층의 ZnS의 굴절율은 파장 870nm에서 2.32, 비선형 매질의 AnSe의 굴절율은 파장 870nm에서 2.53이며, 10% 가까운 굴절율의 단차가 있으므로 ZnSe층의 막두께를 800Å으로 설정하면 기본광의 TE0모드와 2 차과의TE1모드의 위상 조건을 채울 수 있다.
또한, 릿지 스트라이프는 (305)의 ZnSxSe1-x(x=0.1)로 덮히고 있다. 이것으로 기판 평면 방향으로 굴절율 단차가 0.01로 되며 청색 방사광은 단일 스포트로 방사된다.
다음에 제 4 도로 본 발명의 제 2의 실시예에 대해서 설명한다. (401)의 n형 GaAs기판상에, AlxGa1-xAs로 되는 더블헤테로 접합의 반도체 레이저부(402)와 ZnSxSe1-x로 되는 매입형 광도파로부(403)가 모노리식에 집적되어 있다. 반도체 레이저부의 A-A'에 있어서의 단면 구조도를 제 5 도에 광도파로부의 B-B'에 있어서의 단면 구조도를 제 6 도에 도시한다. 반도체 레이저부의 단면 구조는 상기 실시예의 제 2 도와 동일 구조이다. 제 6 도의 광도파로부의 단면 구조에서 (601)의 n형 GaAs기판상에 (602)의 n형 GaAs 버퍼층, (603)의 n형 AlxGa1-xAs(x=0.35) 클래드층, (604)의 GaAs 활성층, (605)이 p형 AlxGa1-xAs(x=0.35)클래드층, (606)의 p형 GaAs 콘택트층으로 이루는 더블헤테로 접합을 차례로 적층하고, 스트라이프상으로 (607)과 같은 홈이 형성되어 있다. 그후, (608)의 ZnSxSe1-x(x=0.35)의 클래드층(609)의 ZnSe 비선형 광도파로층, (610)의 ZnSxSe1-x(x=0.35) 클래드층으로 이루는 박막 광도파로층이 형성되어 있다. (609)의 ZnSe 비선형 광도파로층은 (604)의 GaAs 활성층과 같은 높이 이므로, (402)의 반도체 레이저부에서의 발진광은 거의 손실없이 광도파로층에 도입된다. 본 실시예의 경우도 상기 실시예와 마찬가지로 광도파로 중에서 충분히 큰 광 에너지 밀도를 얻을 수 있다.
기판 평면 방향으로는 광도파로의 구부림에 의한 굴절율 단차가 생기며 이 방향으로도 광이 닫힌다. 본 실시예의 경우, 입사광의 파장이 870nm이므로 435nm의 파장의 청색 코히렌트광이 얻어지며, 그 변환 효율은 6%~8%였다. 따라서, 반도체 레이저로 100mW 발진시켰을 경우, 6~8mW의 청색광으로 얻어졌다.
다음으로, 제 7 도에 비선형 광도파로의 다른 실시예에 있어서의 단면 구조도를 도시한다. 반도체 레이저부의 구조는 제 2 도와 완전히 동일하다. 제 3 도의 구성과 마찬가지로 Zns 클래드층(701)과 (703)에 끼어져서 비선형 고아도파로층(702)이 있는데, 이 (702)층이 본 실시예에선 Znse와 ZnsxSe1-x(x=0.5)로 이루는 다층 격자 구조에 의해서 구성되어 있다. 즉, 100Å의 막두께인 ZnSe과 100Å의 막두께인 ZnsxSe1-x층이 교대로 4층씩 적층된 구조이다. 이 격자 구조는 2 차의 비선형 광학 정수는 향상되며 제 2 차 고조파 발생의 효율은 더욱 높아진다. 본 실시예서 475nm으로 청색 코히렌트 광이 변환 효율 9~10%로 얻어졌다. 다층격자의 모든 막두께는 800Å 이며, 상기 실시예와 마찬가지로 위상 정합의 조건을 채운 비선형 상호 작용이 가능하다.
상기 실시예에서 발진 파장 870nm의 AlGaAs계를 반도체 레이저부에 사용하고 있었는데 이것에 GanInAsP/InP의 더블헤테로 접합을 쓰면 발진 파장은 1~1.5㎛로 되며, 상기 실시예와 마찬가지의 구성에 있어서 파장 500~750nm의 녹색에서 적색의 코히렌트광이 얻어진다.
다음에 제 8 도를 써서 상기 청색 발광 장치의 제조방법에 대해서 설명한다. n형 GaAs단결정 기판(801)상에 (802)의 n형 GaAs버퍼층, (803)의 n형 AlxGa1-xAs(x=0.35)클래드층, (804)의 GaAs활성층, (805)의 p형 ZnsxSe1-x(x=0.5)클래드층, (806)의 p형 GaAs콘택트 층을 연속적으로 결정 성장한다(제 8a 도). 결정 성장법은 액상 성장법, 유기 금속 기상 성장법(이하, 이것을 MOCVD법으로 기술한다). 분자선 에피텍시법(이하, 이것을 MBE법으로 기술한다) 어느것이어도된다. 본 실시예에 있어선 막두께의 균일성, 초박막이 성장가능 및 양산성이 풍부한 MOCVD법에 의해서 결정 성장을 행했다. III족 원료로서 트리메틸갈룸(이하 TMGa라고 기술한다). 트리메칠아미늄(이하 TMAl 로 기술한다)를 쓰며, V족 원료로선 AsH3가스를 쓴다. 이것들의 원료는 파라듐막을 통한 고순도 수소를 캐리어 가스로서 반응관에 도입한다. GaAs기판은 그라파이트제 리셉터상에 놓이며, 고주파 유도 가열 방식으로 가열된다. 성장중의 기판 온도는 700~800℃이며, 반응관둥의 압력은 70~200Torr이다. n형 도펀트는 Se, p형 도펀트는 Zn이다.
다음으로 반도체 레이저부를 스트라이프상의 리브를 남기고 그 리브의 양측단을 p형 클래드층(805)의 중간의 깊이까지 에칭 제거한다(제 8b 도). 다음으로, 상기 리브의 양측단을 (807)의 ZnsxSe1-x에 의해서 매입을 행한다(제 8c 도).
이 매입 성장은 MOCVD법에 의한 선택적 에티텍셜법을 써서 행했다. 상기 스트라이프상 리브의 상면에는 SiO 박막이 남겨져 있으며, 이 상태에서 디메칠징크(dimeth- ylzinc)(이하 DMZn이라 기술한다). 디메틸셀런(dimethylselenium) (이하 DMSe라 기술한다). 디메틸셀퍼(dimethylsulfur) (이하 DMS라 기술한다)를 원료로 하는 MOCVD 성장을 행한다. 기판 온도 600℃, 반응가스 압력 70Torr, DMZn에 대한 (DMSe+DMS)의 공급 몰비가 2의 조건에서 결정 성장을 행하면 SiO2막상에는 아무것도 퇴적하는 것이 없고, 리브측단에만 결정 성장이 일어난다. 따라서, 리브는 평탄하게 매입되며, SiO2를 에칭 제거하면 콘택트를 취하는 것이 가능하다. 다음으로 상기 반도체 레이저부를 남기고, 이번엔 활성층(804)에 이르는 이상으로 에칭을 행한다(제 8d 도). 활성층의 에칭면은 광의 손실을 저감하기 위해서 수직 단면이며 또한 평활일 필요가 있다. 그 때문에 반응성 이온 빔 에칭법(이하 이것을 RIBE법이라고 기술한다)에 의해서 에칭을 행했다. 이온빔으로서 염소 이온을 쓰며, 이방성 에칭으로 단면 형성을 행한다. 이온빔의 방향을 따라서 에칭이 진행되므로 수직 단면이 생기고 평활한 표면이 얻어진다. 다음으로,SiO2, Si3N4등의 유전체에 의해서 모든면에 박막 형성을 형성하고, 상기 반도체 레이저의 스트라이프의 방향을 따라서, 거의 동일한 폭의 스트라이프의 형상으로 유전체막을 에칭 제거한다.(제 8e 도)
다음으로, 이 상태에서 전술과 마찬가지의 MOCVS법을 쓴 선택적 에피텍시법으로 상기 스트라이프 부분에만 Ⅱ-Ⅳ족 화합물 반도체를 결정 성장시킨다.( 제 8f 도). 유전체막상에는 아무것도 퇴적하지 않으므로 DMZn와 DMZe를 원료로 하고, 기판 온도 300 ~ 700℃, 반응 가스 압력 300Torr, (DMSe+DMS)/DMZn의 공급 몰비를 6 이하의 조건이면, 전수의 선택적 에피텍시가 가능하다. ZnSXSe1-X(x=0.5~1.0)클래드층, ZnSe 비선형 광도파로층, ZnSXSe1-X(x=0.5~1.0)클래드층의 3층을 연속적으로 에피텍셜 성장한다. ZnSXSe1-X조성은 원료의 공급 몰비를 조정함으로서 임의로 설정할 수 있다. 성장한 후의 릿지스트라이프의 측면은{111} 결정면이 형성되며, 평활한 측벽이 만들어진다.
이것으로 측면에 있어서 도파광의 산란이 감소되어서 SHG의 효율이 올라간다, 다음으로 광도파로부분에 ZnSXSe1-X(x=0.1), 전술과 마찬가지로 MOCVD법으로 형성하고 가로 방향의 굴절율차를 낸다(제 8g 도). 그후 p전극과 n전극을 형성해서 청색 발광 소자로 된다.
비선형 광도파로층을 초격자 구조로 하는 경우엔 100Å의 ZnSe층과 100Å의 ZnSxSe1-x층을 교대로 결정 성장하면 된다. MOCVD법은 급준한 계면을 형성할 수 있으므로 비선형 광학정수의 비선형 광학정수의 큰 비선형 광도파로가 실현 가능했다.
매입형의 비선형 광도파로의 실시예의 경우는 레이저부를 형성한 다음, 스트라이프상의 홈을 만들고, 선 레이저부를 형성한 다음, 스트라이프상의 흠을 만들고, 선택적 에피텍셜 성장으로 클래드층, 비선형 광도파로층을 매입하여 성장하면 된다.
제 9 도에 본 발명의 청색 발광 장치를 쓴 콤팩트 디스크의 광 픽업 장치의 실시예에 있어서의 개략 구성도를 도시한다. 청색 발광 장치(901)로부터 방출하는 출력 5mW, 파장 435nm의 빛은 콜리미터렌즈(902)에 입사되며, (903)의 희석 격자에서 3빔으로 변환된다. 하프프리즘(904)을 투과해서, 디스크면상(906)에 (905)집광 렌즈를 통해서 접속된다. 디스크 면상에서 각각의 스포트는 약 0.5㎛의 크기이다. 주 빔은 디스크 면상에 새겨져 있는 피트(pit)로 희석되며, 반사광의 변화로서 정보를 판독한다. 2개의 부 빔은 트래킹 제어 신호로서 쓰인다. 스포트 지름이 종래의 780nm의 파장의 반도체 레이저를 사용한 경우보다 절반이 되므로 디스크이 메모리 용량은 4배로 증가하는 것이 가능하게 되었다.
[발명의 효과]
이상, 말한바와 같이 본 발명에 의하면 다음 같은 효과를 가진다.
(1) 동일의 결정 구조를 가지는 화합물 반도체로 반도체 레이저와 SHG소자를 형성하기 때문에 반도체 레이저와 SHG소자를 모노리식 집적 할 수 있다. 따라서 1nm 각 정도의 매우 소형의 청색 발광 소자를 실현할 수 있다.
(2) 반도체 레이저의 활성층과 비선형 광도파로가 거의 동일한 높이로 평행으로 구성하고 있으므로 레이저 광은 거의 비셩형 광도파로층에 도입된다. 따라서 광의 손실이 적으며 강한 청색광을 얻을 수 있다.
(3) 반도체 레이저와 SHG가 모노리식에 집적되어 있으므로 레이저 광을 비선형 광도파로에 이끌기 위한 매우 어려운 광축 맞춤의 공정이 불용으로 된다. 따라서, 제조공정이 용이해지며 저 원가로 재현성이 있는 청색 발광 소자를 제공할 수 있다.
(4) 반도체 레이저와 SHG가 모노리식에 집적되고 있으므로 환경 온도의 변화나 기계식 진등에 의해서 광축이 이탈한 다른 일은 없다. 따라서 매우 신뢰성이 높은 청색 발광 소자가 얻어진다.
(5) 비선형 광도파로 중에서도파광은 막두게 방향으로도 기판면 방향으로도 가둬져 있으므로 광파워 밀도가 높고 광의 비선형 상호 작용을 충분히 얻을 수 있다. 따라서, 제 2 차 고조파 발생의 변환 효율이 향상되며 출력이 높은 청색광을 얻을 수 있다.
(6) 비선형 광도파로가 Ⅲ-Ⅳ족 화합물 반도체 단결정 기판에 결정 성장 가능한 Ⅱ-Ⅲ족 화합물 반도체의 단결정 박막으로 이루므로, 모노리식 집적이 가능하며 또한 도파광의 흠수나 신산란이 적다. 이것에 대해서도 제 2 차 고조파 발생의 변환 효율이 향상되며 출력이 높은 청색광을 얻을 수 있다.
(7) 비선형 광도파로가 박막의 막두께 제어성이 양호한 MOCVD법에 의한 결정 성장이므로 위상 정합 조건을 채우는 막두께를 정확하게 제어한다. 따라서, 비선형 광 신호 작용이 효율있게 일어나며, 제 2 차 고조파 발생의 변환 효율이 높은 청색 발광 소자를 재현성 있게 제조하는 것이 가능하다.
(8)반도체 레이저부는 고출력 발진 가능하며, 또한 양자 효율이 높은 구조이다. 따라서 출력이 높은 청색색광을 얻는 것이 가능하다.
(9) 비선형 광도파로가 초격자 구조인 경우, 비선형 광학 정수가 커지며 제 2 차 고조파 발생의 변환 효율을 더욱 향상시킬 수 있다.
(10) 광도파로의 형성이 선택적 에피텍셜 성장법이므로 도로파의 측벽은 단결정으로 되며 평활하게 된다. 또한, 도파로 형성 때문에 Ⅱ-Ⅵ족 화합물 반도체 에칭을 행할 필요가 없다. 이것들을 위해서 광의 산란이 측벽에서 일어나기 어려운 저손실 광도파로를 간단히 제조 공정으로 제조하는 것이 가능하다.
(11) 파장이 짧은 코히렌트 광원을 쓰고 있으므로 광메모리의 용량을 종래의 4배 정도로 높일 수 있고 대용량 메모리가 실현된다.

Claims (26)

  1. 동일 반도체 기판(101)상에 적어도, 층상의 레이저 발생부(102)와 박막층상의 제 2 차 고조파 발생 광도파로(103)를 가지는 발광 장치에 있어서, 상기 레이저 발생부와 상기 광도파로가 실질적으로 동일평면상에 배치되며, 또한 상기 광도파로가 릿지형(제 3 도) 또는 매입형(제 6 도) 광도파로로 이루어지는 것을 특징으로 하는 발광 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 레이저 발생부가 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체층으로 구성되며, 상기 릿지형 또는 매입형 광도파로로 이루어진 제 2 차 고조파 발생 박막 광도파로가 Ⅱ-Ⅵ족 화합물 반도체층으로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 발광 장치.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체이 AlGaAs 혼정 또는 INGaAs 혼정으로 이루는 것을 특징으로 하는 발광 장치.
  4. 제 2 항에 있어서, 상기 릿지형 또는 매입형 광도파롤 이루어진 상기 제 2 차 고조파 발생 광도파로가 Ⅱ-Ⅵ족 화합물 반도체 박막으로 이루어진 클래드층(302, 304, 608, 610)과, 상기 클래드층을 구성하는 상기 반도체 박막보다 작은 밴드갭을 갖는 Ⅱ-Ⅵ족 화합물 반도체 박막으로 이루어진 비선형 광학 매체의 광고파로(303, 609)로 구성되는 것을 특징으로 하는 발광 장치.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 릿지형 광도파로로 이루어진 제 2 차 고조파 발생 광도파로가 상기 비선형 광학 매체의 광도파로(303)를 구성하고 있는 Ⅱ-Ⅵ족 화합물 반도체보다 작은 굴절율을 갖는 Ⅱ-Ⅵ족 화합물 반도체(305)로 에워싸여 있는 것을 특징으로 하는 발광 장치.
  6. 제 4 항에 있어서, 상기 비선형 광도파로의 막두께(303, 306)가 기본파와 제 2 고조파의 위상정합조건을 충족하는 두께인 것을 특징으로 하는 발광 장치.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 릿지형 광도파로로 이루어진 제 2 차 고조파 발생 광도파로가 상기 비선형 광학 매체의 광도파로(303)를 구성하고 있는 II-VI족 화합물 반도체보다 작은 굴절율을 갖는 II-VI족 화합물 반도체(305)로 에워싸여 있는 것을 특징으로 하는 발광 장치.
  8. 제 4 항에 있어서, 상기 비선형 광학 매체의 광도파로(303,609)가 II-VI족 화합물 반도체로 이루어진 다층 격자 구조(702)인 것을 특징으로 하는 발광 장치.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 릿지형 광도파로로 이루어진 제 2 차 고조파 발생 광도파로가 상기 비선형 광학 매체의 공도파로(702)를 구성하고 있는 II-VI족 화학물 반도체보다 작은 굴절율을 갖는 II-VI족 화합물 반도체로 에워싸여 있는 것을 특징으로 하는 발광 장치.
  10. 제 8 항에 있어서, 사아기 비선형 광도파로로 막두께(702)가 기본파와 제 2 고조파 위상정합조건을 충족하는 두께인 것을 특징으로 하는 발광 장치.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 릿지형 광도파로로 이루어진 제 2 차 고조파 발생 광도파로가 상기 비선형 광학 매체의 광도파로(702)를 구성하고 있는 II-VI족 화합물 반도체보다 작은 굴절율을 갖는 II-VI족 화합물 반도체로 에워싸여 있는 것을 특징으로 하는 발광 장치.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 레이저 발생부 III-V족 화합물 반도체로 이루어진 활성층 (204), 클래드층(203,205) 및 콘택트층(207)으로 구성되는 더블헤테로 구조를 가지며, 상기 활성층 바로위의 클래드층(205)의 중간 깊이까지 에칭 제거된 스트라이프형상의 리브를 가지며, 상기 리브의 양단은 II-VI족 화합물 반도체층(206)으로 매입되고 있는 것을 특징으로 하는 발광 장치.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 III-V족 화합물 반도체층이 AlGaAs 혼정 또는 InGaAsP 혼정으로 이루는 것을 특징으로 하는 발광 장치.
  14. 제 1 내지 13 항중 어느 한 항에 있어서, 상기 레이저 발생부의 일단면과 상기 광도파로의 일단면이 서로 접하고 있는 것을 특징으로 하는 발광 장치.
  15. 제 1 내지 13 항중 어느 한 항에 있어서, 상기 레이저 발생부와 상기 광도파로의 서로 맞대어져 있는 단면이 레이저부의 발진 파장의 절반의 광로장(optical length)이 되는 거리만큼 이격되어 있는 것을 특징으로 하는 발광 장치.
  16. 릿지형 또는 매입형 광도파로로 이루어진 상기 제 2 차 고조파 발생 광도파로가 II-VI족 화합물 반도체의 선택적 에피텍셜 성장법으로써 제조되는 것을 특징으로 하는 발광 장치의 제조 방법.
  17. 제 16 항에 있어서, 상기 선택적 에피텍셜 성장은 II족 VI족의 유기 금속 화합물을 원료로써 사용한 유기 금속 기상 성장법인 것을 특징으로 하는 발광 장치의 제조 방법.
  18. 제 16 또는 17 항에 있어서, 반도체 기판상에 상기 더블헤테로 구조를 결정(結晶) 성장하는 공정과, 상기 더블헤테로 구조의 일부를 기판 도면에 대해서 수직으로 상기 활성층을 포함해서 에칭 제거하는 공정과 상기 에칭 제거한 기판 표면상에 유전체막을 형성하는 공정과, 상기 에칭 제거한 기판 표면상에 유전체막을 형성하는 공정과, 레이저 발진의 공진 방향을 따라서 상기 유전체막을 스트라이프형상으로 에칭 제거하는 공정과, 상기 유기 금속 기상 성장법에 의해 선택적으로 상기 스트라이프 부분에만 II-VI족 화합물 반도체를 결정 성장시키는 공정으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 발광 장치의 제조 방법.
  19. 제 17 항에 있어서, 상기 유기 금속 기상 성장법이 상기 II-VI족 화합물 반도체 박막의 에피텍셜 성장시의 기판 온도는 300℃ 이상 700℃ 이하이며 반응 가스 압력은 300Torr 이하이며, II족 원료에 대한 VI족 원료의 공급 몰비가 6 이하인 것을 특징으로 하는 발광 장치의 제조 방법.
  20. 동일 반도체 기판상에 적어도 층상의 III-V족 화합물 반도체로 이루어진 레이저 발생부와, 박막층상의 II-VI족 화합물 반도체로 이루어진 제 2 고조파 발생 광도파로를 가지며, 상기 레이저 광발생부와 상기 광도파로가 실질적으로 동일 평면상에 배치된 발광 장치를 광원으로 이용한 것을 특징으로 하는 광 메모리 장치.
  21. 제 18 항에 있어서, 상기 유기 금속 기상 성장법이 상기 II-VI족 화합물 반도체 박막의 에피텍셜 성장시의 기판 온도는 300℃ 이상 700℃ 이하이며 반응 가스 압력은 300Torr 이하이며, II족 원료에 대한 VI족 원료의 공급 몰비가 6 이하인 것을 특징으로 하는 발광 장치의 제조 방법.
  22. 제 1 내지 13 항중 어느 한 항에 있어서, 상기 레이저 발생부와 상기 광도파로의 서로 맞대어져 있는 단면이 레이저부의 발진 파장의 절반의 광로장의 두께의 유전체막으로 코팅되어 있는 것을 특징으로 하는 발광 장치.
  23. 제 1 내지 13 항중 어느 한 항에 있어서, 사아기 레이저 발생부 및 상기 제 2 차 고조파 발생 광도파로를 내부에 포함하며, 대향 2단면의 반사경을 갖는 것을 특징으로 하는 발광 장치.
  24. 제 14 항에 있어서, 상기 레이저 발생부 및 상기 제 2 차 고조파 발생 광도파로를 내부에 포함하며, 대향 2단면의 반사경(104,105)을 갖는 것을 특징으로 하는 발광 장치.
  25. 제 15 항에 있어서, 상기 레이저 발생부 및 상기 제 2 차 고조파 발생 광도파로를 내부에 포함하며, 대향 2단면의 반사경을 갖는 것을 특징으로 하는 발광 장치.
  26. 제 22 항에 있어서, 상기 레이저 발생부 및 상기 제 2 차 고조파 발생 광도파로를 내부에 포함하며, 대향 2 단면의 반사경을 갖는 것을 특징으로 하는 발광 장치.
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