KR960003869B1 - 레이져 다이오드 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

레이져다이오드

제 1 도는 종래 2중 헤테로 구조의 레이져 다이오드의 개략적 사시도,

제 2 도는 제 1 도에 도시된 종래 레이져 다이오드에 밀러가 코팅된 상태를 나타내 보이는 측면도,

제 3 도는 제 1 도와 제 2 도에 도시된 종래 레이져 다이오드의 경면에서의 열방산 과정을 보여주는 블럭도,

제 4 도는 본 발명에 따른 레이져 다이오드의 개략적 사시도,

제 5 도는 본 발명에 따른 레이져 다이오드의 측면도,

제 6 도는 본 발명에 따른 레이져 다이오드의 밀러의 두께-반사률 특성 선도.

본 발명은 레이져 다이오드에 관한 것으로서, 특히 고출력의 레이져 다이오드에 관한 것이다.

일반적으로 레이져 다이오드는, 반도체 물질로 구성된 얇은 박막, 소위 활성층에 전류를 주입하여 인위적으로 전자-정공 결합을 유도함으로써 빛을 발진하는 반도체 다이오드로서, 이로부터 발진하는 빛의 특성은 반도체 물질과 그 구조에 의해서 결정된다. 이러한 레이져 다이오드의 반도체 물질에서의 에너지 준위는 기체, 고체 레이져 물질의 그것에 비해 명확히 분리되어 있지 않아 발진하는 스펙트럼은 상대적으로 넓게 분포된다. 따라서 반도체 레이져는 기체 및 고체 레이져에 비해 단색성이 뒤떨어진다. 그러나 광통신에 이용되는 레이져는 파장의 정보를 고속으로 전송하기 위해 파형분리에 의한 손실을 방지하기 때문에 필연적으로 단일 주파수 반도체 레이져가 사용되어야 하는데, 반도체 레이져는 위에 언급한 바와 같이 고체 레이져나 기체방전 레이져에 비해 단색성이 매우 뒤떨어진다. 이러함에도 불구하고, 단일 모드 반도체 레이져는 그 응용면에서 매우 중요한 위치를 점하고 있다. 특히 광통신 분야에서 다량의 정보를 고속으로 원거리까지 전송하기 위해 신호손실을 극소화시켜야 할뿐 아니라 정보간의 신호 간섭을 극소화하는 가장 손쉬운 방법으로서 단일 모드 반도체 레이져가 이용된다.

이러한 반도체 레이져에 대한 연구는 대략 두 개의 구분된 목표, 즉 레이져 강도의 강화 및 단색성의 개선에 치중되고 있다해도 과언이 아니다. 반도체 레이져를 만드는 방법은 매우 다양한 형태로 다수 제안되어 있다. 대표적으로, 익스터널 캐비티(external cavity)를 이용하는 방법이 있는데, 이는 제조상의 어려움이 있을 뿐 아니라 신호와 노이즈 비율이 너무 크게 될 수 있어서 많은 제약을 받고 있다. 한편, DFB(Distributed Feedback) 레이져가 또한 많이 사용되는데, 이것은 엑스레이(X-Ray)를 이용하여 활성층 및 에 회절 격자, 즉 그레이팅(grating)을 만들어 파형을 선택하는 것이다. 그러나 이것은 고도의 제조기술을 요하고 있고, 특히 수율이 대단히 낮다.

제 1 도는 이중(2重) 헤테로 구조의 종래 GaAs-AlGaAs 레이져 다이오드의 구조를 입체적으로 보인다.

이 반도체 레이져 다이오드는 그 전면에 전극(9)이 마련된 n형의 GaAs의 기판(10)의 상부에 n형 Gal-xAlxAs의 크래드층(11)이 마련되고, 이의 위에 GaAs 활성층(12), P형 AlxGal-xAs 크래드층(13)이 마련되고 이 위에 캡핑레이어(14)와 전극(16)이 마련된다. 이때에 상기 캡핑레이어(14)와 전극(16)의 사이에는 전극(16)과 캡핑레이어(14)와의 접촉면을 스트라이프형으로 제한하고 그 나머지 부분은 전자들을 고립시키는 절연층(15)이 양측에 마련된다. 이러한 구조에 더하여 제 2 도에 도시된 바와 같이 레이져가 출사되는 방향의 양측 경면(Facet)에는 밀러가 각각 마련되는데, 출사측의 후방에는 HR 밀러(High Reflective Mirror)와 전방측에 AR 밀러(Anti-Reflective mirror)가 마련된다. HR 밀러는 통상 SiO₂(21)와 Si(22)가 교번적층되고, AR 밀러는 단일의 SiO₂(21)로 이루어져 있다.

이러한 레이져 다이오드는 고출력으로 동작될 때에, 그 내부로부터 다량의 열이 발생되는 심각한 문제가 있다. 이러한 열발생의 문제는 레이져 방출면, 즉 경면(Facet)에 표면상태(Surface State)가 증가하기 때문에 발광에 기여하지 않은 중간 에너지 준위의 전자와 정공간의 재결합에 기인한다.

제 3 도는 경면에서의 비발광성 전자 정공 표면 재결합에 의한 레이져 다이오드에서의 열방산 과정을 나타내 보인다. 이를 참조하면, 열방산은 경면에서의 비발광성 표면 재결합과 온도에 따른 광흡수율의 증가에 기인한다. 즉, Ⅲ-Ⅴ 족 화합물 반도체 다이오드에서는 경면상 전자와 정공간의 재결합이 에너지 밴드갭이 좁은 주로 As₂O₃환경하에서의 GaAs의 높은 반응열에 기인한다. 이러한 반응열에 의한 경면에서의 갑작스런 열발산 과정(Thermal runaway process)는 고출력 작동을 제한하는 가장 큰 요인이다. 이러한 문제에 의해, 밀러 계층들의 계면에 열적 스트레스가 발생됨으로써 경면에 물리적인 손상이 야기되며, 경면에서 표면상태(Surfacd State)가 발생됨으로써 비발광성 표면 재결합이 증가하게 된다. 이러한 원인에 의해 반도체 레이져의 COD(Catastrophic Optical Degradation)의 주원인인 격리비소(Segregated Arsenic)의 생성을 막을 수 없을 뿐만 아니라 광흡수의 효율적 억제가 제한된다.

본 발명은 비발광성 재결합이 효율적으로 억제되도록 구성되어 열응력에 의한 제문제가 개선된 레이져 다이오드를 제공함에 그 목적이 있다.

본 발명은 고출력의 동작하에서도 안정된 방출특성을 갖는 레이져 다이오드를 제공함에 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 반도체 레이져 다이오드는, GaAs 활성층의 양측에 n 및 p형의 크래드층이 마련되고, 레이져 출사측면 전방에 SiO₂의 AR 밀러가 마련되고, 출사측면 후방에는 SiO₂와 Si가 복수회 교번 적층된 HR 밀러가 마련된 레이져 다이오드에 있어서, 양 밀러중 최소한 어느 하나의 밀러의 최하위층과 이에 대응되는 레이져 출사측 전방 및/또는 후방의 경면의 사이에 Ⅱ-Ⅵ족의 ZnSe층이 마련되어 있는 점에 그 특징이 있다.

이러한 본 발명에 있어서, 상기 ZnSe층은 양측 경면에 마련함이 가장 바람직하다. 이러한 구조에 있어서, 상기 ZnSe의 광학적 두께는 λ0/(4×n_znse)이며, Si는 λ0/(4×n_s1). 그리고 SiO₂는 λ0/(4×n_slo2) 또는 λ0/2×N_slo2이며, 단, HR 밀러의 최외표면의 SiO₂는 Si의 산화에 의한 방사율 변화를 방지하기 위한 것으로 그 두께는 λ0/(2×N_slo2)이다. 상기 ZnSe는 GaAa계 물질과 유사한 격자상수를 가지고 있고, 그 에너지 밴드 갭에 있어서는 GaAa계 반도체 물질보다 매우 크다. 따라서, 이는 밀러의 일요소로서 뿐 아니라, 표면상태 밀도(Surface State Density)의 감소를 통해 경면에서의 비발광성 재결합에 의한 광흡수를 최대한 억제하고, 발광산화과정(Excitation-enhanced Oxidation)의 억제를 통해 열방산에 의해 계층의 물리적 파괴를 방지하는 버퍼 레이어로서의 역할을 가진다.

이하 첨부된 도면을 참조하면서, 본 발명의 일실시예를 상세히 설명한다.

제 4 도는 본 발명에 따른 레이져 다이오드의 개략적 사시도이다.

제 5 도는 상기 레이져 다이오드의 레이져 출사 전후면에 형성되는 AR 층과 HR 층을 보여주는 레이져 다이오드의 측면도이다. 그리고

제 6 도는 본 발명 레이져 다이오드의 특성을 보여주는 밀러 코팅 두께-반사률 특성선도이다.

먼저, 제 4, 5 도를 참조하면 본 발명의 레이져 다이오드는 종래 반도체 다이오드의 기본 구성, 즉, 이중(2重) 헤테로구조의 GaAs-AlGaAs 레이져 다이오드의 구조를 가진다. 이 레이져 다이오드는 그 전면에 전극(90)이 마련된 n형의 GaAs의 기판(100)의 상부에 n형 Gal-xAlxAs의 크래드층(110)이 마련되고, 이의 위에 GaAs 활성층(120), P형 AlxGal-xAs 크래드층(130)이 마련되고 이 위에 캡핑레이어(140)와 전극(160)이 마련된다. 이때에 상기 캡핑레이어(140)와 전극(160)의 사이에는 전극과 캡핑레이어와의 접촉면을 스트라이프형으로 제한하고 그 나머지 부분은 전자들을 고립시키는 절연층(150)이 양측에 마련된다. 이러한 구조에 더하여 본 발명의 특징적 요소인 AR 및 HR 층이 다이오드 전후에 마련된다. 즉, 레이져가 출사되는 방향의 전방의 경면과 후방의 경면에는 밀러가 마련되는데, 후방 경면에는 HR 밀러가 그리고 전방 경면에는 AR 밀러가 마련된다. HR 밀러는 ZnSe(200)층을 기반으로 그 위에 SiO2(210)와 Si(220)가 교번적층되고, AR 밀러는 ZnSe(200)과 SiO2(210)으로 이루어져 있다. 여기에서 AR의 경우는 ZnSe가 λ₀/(2×n_ZnSe)와, SiO₂가 λ₀/〔(3~4)×n_ZnSe〕의 두께로 이루어지며, HR의 경우는 ZnSe가 λ₀/(4×n_ZnSe)이고 Si :〔 λ₀/(4×n_S1)〕/SiO₂: λ₀/(4×n_slo2)〕/Si : 〔λ₀/(4×n_s1)〕/SiO₂: λ₀/(2×n_slo2)의 적층두께로 이루어진다.

상기 ZnSe는 GaAs에 비해 매우 높은 에너지 밴드를 가지는 것으로서 경면의 표면상태 밀도를 감소시켜 경면과 밀러사이의 열응력을 완화하고, GaAs와 유사한 격자상수를 가짐으로써, 계면 격자간 결합구조가 매우 안정되어 계면에서의 응력을 최소화한다. 더욱이 이 ZnSe(굴절률=2.0)는 굴절률이 3.7인 GaAs과 큰 굴절률차를 보임으로써 양호한 광반사효과를 수반한다. 이러한 본 발명 레이져 다이오드에 있어서, 상기 밀러의 반사률은 제 6 도에 도시된 바와 같이 양호한 반사률을 나타낸다. 이에서 알 수 있듯이 HR은 대략 250nm의 두께에서 반사률이 급상승하여 최고 90% 정도의 반사률이 나타나며, AR은 100 내지 140nm정도의 범위에서 최고 56%의 반사률을 보인다.

이러한 구조의 본 발명은 소위 NAM(Non-Absorb Mirror)을 채택할 수 있으며, 상기 ZnSe층이 일종의 버퍼 레이어의 역할은 물론 고굴절 물질로서 밀러의 한 요소가 되도록 된 점에 그 특징이 있고, 특히 경면에 에너지 밴드차가 큰 Ⅱ-Ⅵ족의 화합물인 ZnSe 반도체를 도입하여 광의 흡수를 극소화하며, 경면에서의 발광산화 과정에 기인한 비발광표면 재결합을 억제하는 것에 그 주된 효과가 있다.

이러한 본 발명은 경면에 ZnSe층을 마련하는 점에 그 특징이 있는 것으로서, 상기 실시예외에 통상 경면 결합 공동형(Cleaved-coupled cavity) 레이져 다이오드와 소위 분포 귀환형 레이져 다이오드(DFB)에의 적용도 가능하다. 따라서 본 발명은, 위에서 설명된 상기 실시예에 제한되지 않고, 예를 들어 ZnSe층을 제외한 다른 요소들의 구조개선 및 수치 제한등의 부가가 이루어진다 하여도 본 발명의 범주에 있음은 물론이다.

Claims (4)

1. GaAs 활성층의 양측에 n 및 p형의 크래드층이 마련되고, 레이져 출사측면 전방에 SiO₂의 AR 밀러가 마련되고, 출사측면 후방에는 SiO₂와 Si가 복수회 교번 적층된 HR 밀러가 마련된 레이져 다이오드에 있어서, 양 밀러중 최소한 어느 하나의 밀러의 최하위층과 이에 대응되는 레이져 출사측 전방 및/또는 후방의 경면의 사이에 Ⅱ-Ⅵ족의 ZnSe층이 마련된 것을 특징으로 하는 레이져 다이오드.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 ZnSe층은 양 경면에 마련되는 것을 특징으로 하는 레이져 다이오드.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 AR는 ZnSe가 λ₀/(2×n_ZnSe), SiO₂가 λ₀/(3~4×n_sio2)의 두께를 이루어지며, 상기 HR는 ZnSe가 λ₀/(4×n_ZnSe), Si :〔 λ₀/(4×n_S1)〕/SiO₂: λ₀/(4×n_slo2)〕/Si : 〔λ₀/(4×n_s1)〕/SiO₂: 〔 λ₀/(2×n_slo2)〕의 적층두께로 이루어진 것을 특징으로 하는 레이져 다이오드.
4. 전후 경면을 갖는 GaAs 활성층과, n 및 p형의 크래드층을 갖는 레이져 다이오드에 있어서, 상기 전후 경면 중 적어도 어느 일측 경면에 ZnSe층이 마련된 것을 특징으로 하는 레이져 다이오드.