KR960003870B1 - 레이저 다이오드 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

레이저 다이오드

제 1 도는 버리드 헤테로 구조를 갖는 종래 레이저 다이오드의 개략적 사시도,

제 2 도는 TAPS(TAPERED STRIPE)를 구조 갖는 종래 레이저 다이오드의 개략적 사시도,

제 3 도는 본 발명에 따른 레이저 다이오드의 개략적 사시도,

제 4 도는 본 발명에 따른 레이저 다이오드의 정면도, 그리고

제 5 도는 본 발명에 따른 레이저 다이오드의 평면도이다.

본 발명은 레이저 다이오드에 관한 것으로서, 특히 낮은 임계전류 밀도하에서도 높은 출력을 얻을 수 있는 단일 모드 레이저 다이오드에 관한 것이다.

일반적으로 레이저 다이오드는 P-N 접합을 기본으로 하여 양자 전자(Quantum electron) 개념을 포함하는 반도체 소자로서, 반도체 물질로 구성된 얇은 박막, 소위 활성층에 전류를 주입하여 인위적으로 전자-정공 재결합을 유도함으로써 재결합에 기인한 감소 에너지에 해당하는 빛을 발진하는 반도체 다이오드이다.

이 레이저 다이오드는 He-Ne 또는 Nd : YAG 레이저와 같은 고체 레이저에 비해서 크기가 작고, 가격 또한 저렴하고, 특히 전류 조절을 통해 강도 조절이 가능하다는 특징을 가진다.

이러한 레이저 다이오드는 구조상 단일모드를 얻기 어려우며, 이러한 특성은 고밀도 광기록에 방해되는 요인으로 작용한다. 즉, 기록밀도를 높이기 위하여 단일모드가 필수적이다.

이러한 단일모드를 가지는 레이저 다이오드를 제조하기 위하여는 1차 박막성장, 식각, 2차 박막성장, 금속증착 및 거울면 코팅등의 공정을 수행하여야 한다. 이러한 복잡한 공정을 거친 레이저 다이오드도 저반사(ANTI-REFLECTING)면으로의 고밀도의 광세기(LIGHT INTENSITY)로 인해 COD(CATAS TROPHIC OPTICAL DEGRADATION) 수준이 낮아지게 되어서 그 출력을 높이는데에 한계가 있다.

현재까지 단일모드의 레이저 다이오드를 제조하기 위해서는 대체로 2가지의 방법이 사용되고 있다. 그 하나는 제 1 도에 도시된 바와 같은 형태의 BH(BURRIED HETERO) 구조로 되어 있어서, 활성층의 일부분이 남도록 양쪽의 옆부분을 식각한 후 2차로 성장하여서 굴절률 차이(INDEX GUIDING)를 이용하여 평행한 방향으로 광모드(OPTICAL MODE)를 속박시켜서 여기 모드를 제거하는 성질을 이용하는 것이다. 그러나 이 구조는 활성층의 양쪽 부분을 제거하기 위하여 식각 공정과 굴절률이 차이가 나는 물질을 성장하기 위한 2차 성장 공정을 수행해야 하는 복잡한 공정을 거쳐야 하는 단점과 저반사면의 폭이 좁기 때문에 광밀도가 높아지게 되어서 전술한 바와 같이 출력을 높일 수 없는 문제점을 가진다.

그리고, 다른 하나는, 상기의 문제점을 개선하기 위한 것으로서, 제 2 도에 도시된 바와 같이 오믹(OHMIC)금속을 사다리꼴 모양으로 만들어서 전류가 주입되는 영역을 작게 하여 광출력면을 좁게 한 소위 TAPS(TAPERED STRIPE)를 구조를 가진다. 이 레이저 다이오드는 간단한 방법으로 단일모드의 광을 얻을 수 있으나, 광 경로를 완전하게 제어하지 못하기 때문에 넓은 영역으로의 레이징(LASING)이 잔류하고, 고출력시에 여기 모드를 완전히 제거할 수 없기 때문에 단일모드를 얻기 어려운 단점이 있다.

본 발명은 보다 고출력화가 가능하고 단일파형(far field pattern)을 가지는 레이저 다이오드를 제공함에 그 목적이 있다.

또한 본 발명은 제조 가공이 용이한 레이저 다이오드를 제공함에 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명 레이저 다이오드는, 대향된 양전극과 양전극사이에 위치되는 활성층과 양전극의 사이에 마련되는 클래딩층과, 상기 층들에 의해 직각방향의 레이저 출사 전후방의 각 경면에 마련되는 저반사막과, 고반사막을 구비한 레이저 다이오드에 있어서, 상기 고반사막에 인접된 상기 클래딩층의 양모서리부위가 소정간격의 사각영역으로 구획되어 비유효 클래딩층이 마련되고, 상기 클래딩층의 유효면이 철형(凸形)의 형상을 가지는 점에 그 특징이 있다.

또한 다른 유형에 있어서의 본 발명 레이저 다이오드는, 대향된 양전극과 양전극사이에 위치되는 활성층과 양전극의 사이에 마련되는 클래딩층과, 상기 클래딩층과 상기 활성층의 사이에 위치되는 도파층과, 상기 층들에 의해 직각방향의 레이저 출사 전후방의 각 경면에 마련되는 저반사막과, 고반사막을 구비한 레이저 다이오드에 있어서, 상기 고반사막에 인접된 상기 클래딩층의 양모서리 부위가 소정간격의 사각영역으로 구획되어 전기적으로 격리된 비유효 클래딩층이 마련되고, 상기 클래딩층의 유효면이 철형(凸形)의 형상을 가지는 점에 그 특징이 있다.

이상과 같은 본 발명에 있어서, 상기 유효면에 구획된 양 비유효 클래딩의 상면에 접지금속층이 마련됨이 바람직하다. 그리고, 상기 전극의 하부에 오믹금속층이 마련되고, 이 오믹금속층은 상기 상부 전극에 비해 좁은 폭의 장폭부를 가지는 철형(凸形)의 형상을 가지게 함이 더욱 바람직하다. 그리고, 또한 상기 비유효 클래딩층은 소정폭과 높이를 가지는 절연벽체에 의해 구획되는 것이 바람직하며, 이때에 절연벽체의 폭은 3 내지 8마이크로미터의 범위내로 결정함이 바람직하다.

이하 첨부된 도면을 참조하면서, 본 발명의 일실시예를 상세히 설명한다.

제 3 도는 본 발명에 따른 레이저 다이오드의 개략적 사시도이며, 제 4 도는 그 정면도, 그리고 제 5 도는 평면도이다.

상기 제 3 내지 제 5 도를 참조하면 본 발명의 레이저 다이오드에는, 소정 준위의 활성층(3)을 중심으로 하여 그 상하에 활성층(3) 보다 높은 준위의 도파층(3')(3'), 그리고 최고준위의 클래딩층(2), (4)이 대칭적으로 마련된다. 이러한 적층구조는 통상의 것과 마찬가지로 그 저면에 전극(9)이 피착된 기판(1)의 상부에 형성되고, 이에 더하여 상기 상부 클래딩층(4)의 상면에는 전극(7)이 형성된다. 이때에 상기 클래딩층(2)(4)은 본 발명의 특징적 형태를 가지게 되는데, 레이저 출사 반대면, 즉, HR(High Reflecting) 코팅이 형성되는 후측경면(FACET)을 향하는 측의 양측 모서리부분이 격리벽체(5)에 의해 소정 면적의 정사각형으로 구획되어 격리된다. 격리벽체(5)에 의해 격리된 클래딩층(4)의 상면에는 접지영역 금속층(8)이 형성된다. 상기 격리벽체(5)는 절연산화막으로서 클래딩층(4)의 일부를 산화 처리하거나 에칭처리후 에칭부위를 충진하여 얻을 수 있다. 이로써 상기 클래딩층(4)의 유효면은 전방은 좁고 후방은 넓은 "철"형("凸"形)의 평면 구조를 가지고, 역시 이의 상면에 형성되는 전극(통상 본딩 금속층이라 칭함)도 같은 형상을 가지고, 이의 하부와 클래딩층의 사이에는 후측의 광폭부가 상기 전극(7)의 광폭부 보다 좁은 폭의 오믹금속층(6)이 기재된다.

이상과 같은 구조에 있어서, 상기 도파층(3')(3')은 선택적인 요소로서 보다 안정된 성능을 얻기 위하여는 사용되어야 하고, 그렇지 않을 경우 제외되어도 무방하다.

이상과 같은 구조를 가지는 본 발명 레이저 다이오드의 제법은 통상의 박막성장법을 이용하며, 상부의 클래딩층에 대한 절연벽체의 형성공정은 포토리소그래피법을 이용하여 절연벽체를 위한 채널을 형성한 후 이에 SiO₂, Al₂O₃을 채워 넣는 공정을 포함한다.

먼저, GaAs 또는 InP 기판위에 N형 또는 P형 클래딩층, 도파층, 활성층, 도파층, P형 또는 N형 클래딩층등을 연속적으로 성장시켜 형성한다. 이 이후에 상부 클래딩층의 전류 주입영역이 3 내지 8마이크로미터 정도가 되도록, 그리고 상기 절연벽체의 폭이 1 내지 3마이크로미터가 되도록 에칭처리한다. 그리고 에칭된 채널에 SiO₂, Al₂O₃를 채워 넣어 절연벽체(5)를 얻는다. 그리고 격리된 클래딩층(4)을 상면에는 접지영역금속층(8)을 증착하여 얻고, 전류 주입영역을 포함한 유효 클래딩층의 위에는 금속층을 형성한 후 이를 열처리하여 오믹금속층(6)을 얻고, 그 위에 본딩금속을 증착하여 상부전극(7)을 얻는다. 그리고, 절연벽체가 있는 경면에는 HR 코팅을 그리고 그 반대의 면에는 AR(Anti-reflective) 코팅을 형성한다.

이러한 구조를 가지는 본 발명의 레이저 다이오드에 상부 전극(7)(9)을 통하여 순방향으로 전류를 흘리면, 상부 오믹금속층(6)에 겹쳐진 전영역에서 전자와 정공의 재결합에 의해 자발방출이 시작된다. 이 때에, 임계전류 이상에서는 공진기에 의한 피이드백이 좁은 고반사(HR)면에서만 이루어지므로 저반사(AR)면으로 방출되는 빛은 도면에서 폭 "a"부분으로 제한되고, 그리고 a와 c를 연결하는 띠에서 고반사 코팅에 의한 이득의 증가로 인하여 유도방출은 이 부분에서 일어난다. 따라서 거리 a를 수 마이크로미터로 제한함으로써, 이득안내(Gain guiding)에 의한 준단일모드의 레이저를 얻을 수 있게 된다. 더욱이 증폭영역인 b 영역의 대기 전자로 인하여 a,c 영역으로부터 시작된 유도방출의 전자기파로부터 유도되어 단순히 광강도를 증폭시키는 증폭띠를 갖게 됨으로써 높은 광출력을 얻을 수 있게 된다.

이하 본원 발명의 작용효과를 요약하면,

1. 오믹금속 접촉영역에서 발생하는 자발방출이 고반사 코팅면의 자발방출이 고반사 코팅면의 좁은 때에 의해서 제한된 영역으로 제한된 특성의 빛만이 방출되므로 준단일모드를 얻을 수 있다.

2. 오믹접촉금속영역에서 전하를 공급하는 증폭기능으로 인하여 고출력을 얻을 수 있다.

3. 2차박막성장 공정이 필요없기 때문에 공정이 간단하고, 수율이 높다.

4. 광강도가 큰 저반사 면의 면적이 넓어서 COD 수준을 높힐 수 있기 때문에 레이저의 수명이 길어지고, 고출력을 얻을 수 있다.

이러한 본원 발명의 기술 개념은 Ⅲ-Ⅴ족의 화합물을 이용한 통상 2중 헤테로 접합구조의 레이저 다이오드, 예를 들어 Ga_xIn₁-_xA_syP_y-1레이저 다이오드, 또는 Al_xGa₁-_xA_s레이저 다이오드에 적용이 가능한데, 그 실체적인 구조는 이들 각 기본구조를 기반으로 한다. 따라서 이중(2重) 헤테로 구조의 GaAs-AlGaAs 레이저 다이오드인 경우는 n형의 GaAs의 기판에 n형 Gal-xAlxAs의 클래딩층과 GaAs 활성층, P형 AlxGal-xAs 클래딩층이 마련된다. 그리고, InGaAsP 레이저 다이오드는 InP의 기판에 n형 또는 P형 InGaAsP 활성층과 n형 InP 및 p형 InP 클래드와 함께 형성된 구조를 가진다.

또한 이러한 본 발명은 상기 실시예외에 통상 경면 결합 공동형(Cleaved-coupled cavity) 레이저 다이오드와 소위 분포 귀환형 레이저 다이오드(DBF)에의 적용도 가능하다. 따라서 본 발명은, 위에서 설명된 상기 실시예에 제한되지 않고, 본 발명의 기술사상을 포함하는 다른 요소들의 구조개선 및 수치제한등의 부가가 이루어진다 하여도 본 발명의 범주에 있음은 물론이다.

Claims (10)

1. 대향된 양전극과 양전극사이에 위치되는 활성층과 활성층과 양전극의 사이에 마련되는 클래딩층과, 상기 층들에 의해 직각방향의 레이저 출사 전후방의 각 경면에 마련되는 저반사막과, 고반사막을 구비한 레이저 다이오드에 있어서, 상기 고반사막에 인접된 상기 클래딩층의 양모서리 부위가 소정간격의 사각영역으로 구획되어 비유효 클래딩층이 마련되고, 상기 클래딩층의 유효면이 철형(凸形)의 형상을 가지는 것을 특징으로 하는 레이저 다이오드.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 유효면에 의해 구획된 양 비유효 클래딩의 상면에 접지금속층이 마련된 것을 특징으로 하는 레이저 다이오드.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 전극의 하부에 오믹금속층이 마련되고, 이 오믹금속층은 상기 상부 전극에 비해 좁은 폭의 장폭부를 가지는 철형(凸形)의 형상을 가지는 것을 특징으로 하는 레이저 다이오드.
4. 제 1 항 내지 제 3 항중의 어느 한항에 있어서, 상기 비유효 클래딩층은 소정폭과 높이를 가지는 절연벽체에 의해 구획되는 것을 특징으로 하는 레이저 다이오드.
5. 제 4 항에 있어서, 상기 절연벽체의 폭은 3 내지 8마이크로미터의 범위내에 있는 것을 특징으로 하는 레이저 다이오드.
6. 대향된 양전극과 양전극사이에 위치되는 활성층과 활성층과 양전극의 사이에 마련되는 클래딩층과, 상기 클래딩층과 상기 활성층의 사이에 위치되는 도파층과, 상기 층들에 의해 직각방향의 레이저 출사 전후방의 각 경면에 마련되는 저반사막과, 고반사막을 구비한 레이저 다이오드에 있어서, 상기 고반사막에 인접된 상기 클래딩층의 양모서리 부위가 소정간격의 사각영역으로 구획되어 전기적으로 격리된 비유효 클래딩층이 마련되고, 상기 클래딩층의 유효면이 철형(凸形)의 형상을 가지는 것을 특징으로 하는 레이저 다이오드.
7. 제 6 항에 있어서, 상기 유효면에 의해 구획된 양 비유효 클래딩의 상면에 접지금속층이 마련된 것을 특징으로 하는 레이저 다이오드.
8. 제 6 항에 있어서, 상기 전극의 하부에 오믹금속층이 마련되고, 이 오믹금속층은 상기 상부 전극에 비해 좁은 폭의 장폭부를 가지는 철형(凸形)의 형상을 가지는 것을 특징으로 하는 레이저 다이오드.
9. 제 6 항 내지 제 8 항중의 어느 한항에 있어서, 상기 비유효 클래딩층은 소정폭과 높이를 가지는 절연벽체에 의해 구획되는 것을 특징으로 하는 레이저 다이오드.
10. 제 9 항에 있어서, 상기 절연벽체의 폭은 3 내지 8마이크로미터의 범위내에 있는 것을 특징으로 하는 레이저 다이오드.