KR900000075B1 - 반도체레이저 다이오드 - Google Patents

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게니치 히타코시
나오히로 시마다
모토유키 야마모토
마사키 오카지마
요시오 이즈카
하츠미 가와타
히데아키 기노시라
노브유키 마츠우라
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가부시끼가이샤 도오시바
와타리 스기이찌로
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내용 없음.

Description

반도체레이저 다이오드
제1도는 본 발명의 일실시예에 따라 슬랩결합도파층이 구비된 안정한 가로모우드 GaAlAs 레이저다이오드의 사시도.
제2a 내지 c도는 다층 레이저다이오드구조의 단면도를 나타내는 것으로, 제1도에 도시된 반도체레이저다이오드를 형성시키는 순차적인 주요공정을 나타낸다.
제3도는 제1도에 도시된 반도체레이저다이오드에서의 광출력제한계수 대 도파층의 두께(t), 도파층활성층간의 거리(h), 유효굴절률차(Δneff)의 계산곡선을 나타낸다.
제4도는 레이저광선의 하프 피크 세기에서의 총 광선폭 대 반도체레이저다이오드로부터의 전달거리를 나타낸다.
제5도는 굴절률차와 챈널도랑의 폭에 대한 함수로서, 30mW까지 제1도에 도시된 레이저다이오드의 가로모우드상태를 나타낸다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10 : 레이저다이오드 12 : 반도체기판
14 : 제1클래딩층 16 : 활성층
18 : 제2클래딩층 20 : 전류블로킹층
22 : 챈널도랑 24 : 도파층
26 : 피막층 28 : 접촉층
30, 32 : 전극층 40 : 포토레지스트막
42 : 개구부
본 발명은 반도체레이저장치에 관한 것으로, 특히 슬랩결합도파층구조를 갖는 반도체레이저다이오드에 관한 것이다.
근래에 들어 디지탈오디오디스크나 고밀도 광학디스크기억장치와 같이 광학디스크에 디지탈데이터를 기록하거나 광학디스크로부터 디지탈데이터를 독출해내기 위한 광학검출수단의 수요가 급증하고 있기 때문에 이에 대처하기 위해 반도체레이저다이오드의 개발에 많은 노력이 기울여지고 있는바, 여기서는 특히 기본 가로 모우드발진을 하는 GaAs 시스템레이저다이오드가 발진출력이 크고 임계치가 낮다는 이유 때문에 가장 널리 사용되어오고 있다.
이러한 반도체레이저다이오드 가운데 하나가 'Extended Abstract of the 16th Conference on Solid state Device and Materials", Dobe(1984), PP.153~156에 발표되어져 있는데, 이와 같은 레이저다이오드는 슬랩결합도파층이 구비된 가로방향모우드가 안정한 반도체레이저로서 알려져 있는바, 즉 이는 제1n-GaAlAs클래딩층과 비도우핑 GaAlAs 활성층, 제2n-GaAlAs클래딩층 및 n-GaAs 전류블로킹층이 n-GaAs 기판의 일측에 차례로 적층된 구조를 갖고 있는 것이다. 여기서 도랑과 같은 스트라이프챈널은 전류블로킹층과 그 하측에 형성되어 있는 클래딩층속에 형성되는데, 상기 도랑은 전류블로킹층을 침투하여 그 저부가 하부의 활성층에 접근할만큼 깊에 형성된다. 또 굴절률이 클래딩층의 굴절률보다 큰 도파층인 얇은 P-GaAlAs층은 상기 도랑과 전류블로킹층이 피복되도록 형성시켜주므로서 상기 도파층이 도랑의 내측에 있는 활성층의 상부표면 근처까지 충분하게 삽입 될 수가 있게한다. 또한 상기 P-GaAlAs 층위에는 P-GaAlAs 피복층과 P-GaAlAs 접촉층 및 금속전극층이 적층된다. 이와 같이 다층구조를 갖도록 하므로써 소위 말하는 슬랩결합도파층구조가 형성된다.
이러한 슬랩결합도파층구조로 이루어진 GaAlAs 층에 있어, 가로모우드발진은 발진되는 레이저광선이 굴절률가이드에 의해 도랑속에서 차폐된 상태로 수행되는데, 이는 도랑에서 측정되는 굴절률과 다층구조의 다른 영역에서 측정되는 굴절률에 차이가 있기 때문이다. 그리고 상기와 같은 도파층구조는 커다란 광학캐비티구조와 같이 광학필드가 클래딩층속에서 충분히 넓게 펼쳐져 있기 때문에 고압레이저발진에 적절한 것이다.
이에 반하여 전술한 반도체레이저의 단점으로서는 레이저발진출력이 크게 증가하게 될때 기본가로모우드가 안정치 못하다는데 있다. 즉 본 출원의 발명자의 실험에 의하면 레이저출력이 30[mW]이상으로 설정될때 레이저발진은 더이상 안정상태가 유지되어지지 못하게 된다는 것을 알수 있었는데, 이는 도랑의 가장자리영역에서 클래딩층의 주변영역쪽으로 흐르는 누설전류가 증가되어 레이저다이오드의 내부양자효율을 감소시키기 때문이다. 또한 고출력에서 레이저발진의 안정도 감소는 레이저다이오드의 신뢰성을 저하시키게 된다. 이렇게 레이저다이오드가 광학디스크에다 디지탈데이터를 광학적으로 기록하는데 이용될 때 레이저광선을 통상 고출력으로 방사할 것이 요구된다. 따라서 상기한 문제점이 기록/독출레이저디스크기억장치의 광학검출장치에 위와 같은 레이저다이오드를 계속 사용하는데 커다란 장애가 되고 있다. 더구나, 다층구조의 레이저다이오드에 상기한 챈널도랑을 일정하게 제조한다는 것은 심부에칭공정을 이용하여 두꺼운(도랑을 제외한 평면층영역에서의 활성층과 도파층간에 커다란 거리를 유지할 만큼 충분히 두꺼운)클래딩층에 챈널도랑을 형성시켜야 하기 때문에 그 도랑의 저부가 하부의 활성층 가까이에 위치하게 된다. 그런데 실제의 제조공정에 있어 제조하고자하는 수많은 레이저다이오드들 가운데 클래딩층을 균일하게 부분적으로 제거하도록 심부에칭상태를 유지한다는 것이 매우 어렵다.
본 발명은 상기한 제반 문제점들을 개선하기 위하여 발명된 것으로, 고출력에서도 레이저발진의 안정도가 높은 슬랩 결합도파층이 구비된 반도체레이저다이오드를 제공함에 그 목적이 있고, 또 고출력에서 레이저발진의 안정도가 높을 뿐만 아니라 통상의 에칭공정을 사용하여 균일하게 제조될 수 있는 슬랩결합도파층이 구비된 반도체레이저다이오드를 제공함에 그 목적이 있다.
상기한 목적을 실현시키기 위한 본 발명의 반도체레이저다이오드에서는 제1전도형의 반도체기판이 구비되고, 그 기판위에는 2개의 반도체클래딩층이 비도우핑 반도체박막으로 된 활성층을 사이에 두고 샌드위치형태로 적층되는데, 상부 반도체클래딩층과 하부 반도체클래딩층은 각각 제1전도형과 제2전도형으로 형성된 것이다.
제1도전형으로 된 반도체 전류블로킹층은 상부 클래딩층위에 형성되는 것으로 그 저부표면은 하부의 활성층 가까이에 배치된다.
제2전도형으로 된 반도체 도파층은 상기 챈널도랑과 전류블로킹층이 피복되도록 형성된다. 상기 반도체 도파층의 굴절률은 상부 클래딩층의 굴절률보다 크고, 그 반도체 도파층은 가로모우드발진을 위한 슬랩결합도파관 구조를 이루기 위해 챈널도랑구조를 따라 오목하게 파여진 챈널층을 구비하고 있다. 제2도전형으로 된 반도체피복층은 상기 도파층위에 형성되는데, 이는 도파층보다 굴절률이 작은 것을 사용한 것이다.
위와 같은 다층구조에 있어, 상부 클래딩층과 도파층뿐만 아니라 상기 2개층 사이에 형성되어 있는 전류블로킹층은 알루미늄을 포함하는 복합반도체로 구성된다. 따라서 상부 클래딩층과 전류블로킹층사이에 제1인터페이스와 전류블로킹층과 도파층사이의 제2인터페이스의 격자정합특성은 상기 전류블로킹층의 광흡수계수가 감소될 수 있도록 개선시킬 수 있다. 그 결과, 필요한 상부클래딩층의 두께를 감소시킬 수 있고, 또 반도체 레이저다이오드의 챈널도랑외측으로 흐르는 전류손실을 제거시킬 수가 있도록 챈널도랑의 총깊이도 감소시킬 수 있다.
이하 예시도면에 의거 본 발명에 대해 상세히 설명하면 다음과 같다.
제1도는 슬랩결합도파층이 구비된 가로모우드 GaAlAs 레이저다이오드의 사시도를 나타낸 것으로, 이는 참조부호 10으로 도시되어 있다. 레이저다이오드(10)는 고불순물농도를 갖는 n형 GaAs로 된 반도체기판(12)의 일측에 n형 GaAlAs클래딩층(제1클래딩층 : 14)과 비도우핑 GaAlAs 활성층(16), P형 GaAlAs 클래딩층(제2클래딩층 : 18) 및 n형 GaAlAs 전류블로킹층(20)이 차례로 적층되어 있다. 챈널도랑(22)과 같은 챈널스트라이프는 전류블로킹(20)과 클래딩층(18)속에 한정되고, 챈널도랑(22)은 전류블로킹층(20)을 관통하여 제2클래딩층(18)까지 확장되어 그 저면이 하부의 활성층(16)에 인접되어 있다. 상기 챈널도랑(22)의 저면과 하부의 활성층(16)간의 거리는 전류블로킹층(20)과 활성층(16)간의 거리보다 짧다.
굴절률이 제2클래딩층(18)의 굴절률보다 큰 얇은 P형 GaAlAs 층(24)은 도파층으로서 챈널도랑(22)과 전류블로킹층(20)을 피복시키도록 형성되므로, 이러한 도파층(24)은 챈널도랑(22)의 내측으로 활성층(16)의 상부표면근처까지 충분히 안쪽에 형성될 수가 있고, 또한 상기 도파층(24)의 상측에는 P형 GaAlAs 피막층(26)과 P형 GaAlAs 접측층(28)이 적층된다. 그리고 제1도에 도시된 바와 같이 금속층(30) (32)이 상기한 레이저다이오드(10)를 샌드위치형태로 양쪽에 설치되어 전극으로서의 작용을 한다. 이와 같은 다층구조를 갖도록 형성시켜주므로써 소위 말하는 슬랩결합도파구조가 형성된다.
상기한 레이저다이오드(10)는 다음과 같은 제조공정으로 제조된다. 즉, 제2도(a)에 도시된 바와 같이, 먼저 그 표면이 결정면 방위(100)을 갖는 n형 GaAs 반도체기판(12)위에 제1클래딩층(14)과 활성층(16), 제2클래딩층(18) 및 전류블로킹으로서의 기능을 갖도록 된 n형 GaAlAs 층(20)을 유기금속기상성장법(MO CVD METHOD)을 이용하여 차례로 적층시켜주게 되는데, 여기서 상기 다층레이저다이오드에 있어서는 제2클래딩층(18)과 도파층(24)뿐만 아니라 이들 사이에 샌드위치된 전류블로킹층(20)도 알루미늄을 포함하는 갈륨-비소 반도체에 의해 구성되어 있다는 점에 주의할 필요가 있다.
그 일례로서는 제1클래딩층(14)은 n형 Ga0.6Al0.4As층으로, 활성층(16)은 Ga0.94Al0.06As층으로, 제2클래딩층(18)은 P형 Ga0.6Al0.4As 층으로 각각 구성되었고, 전류블로킹층(20)은 n형 Ga0.65Al0.35As층으로 구성되었다. 제1클래딩층(14)의 두께는 0.7[㎛] 활성층(16)의 두께는 0.06[㎛], 제2클래딩층(18)의 두께는 0.7[㎛] 그리고 전류블로킹층(20)의 두께는 0.7[㎛]이다. 이러한 적층의 형성은 액상에픽탤셜성장법(LPE method)을 사용하여 실현시킬 수도 있지만, 균일성이 좋은 큰 면적의 층을 형성시키기 위해서는 MOCVD법을 사용하는 것이 레이저다이오드의 양산성을 고려해 볼 때 더욱 바람직하다.
이어, 상기 다층구조의 상부층인 전류블로킹층(20)위에 포토레지스트막(40)이 적층되는데, 상기 포토레지스트막(40)속에다 광노출기술의 에칭공정을 이용하여 1.5[㎛]의 폭을 갖는 스트라이프 챈널형상의 개구부(42 : 윈도우라 불리어짐)를 형성시킨다. 상기 개구부(42)를 갖는 포토 레지스트막(40)을 마스크로하여 하측의 전류블로킹층(20)과 제2클래딩층(18)을 통상의 선택적 에칭공정을 이용하여 부분적으로 에칭시키고, 그안에다 챈널도랑(22)통상 해당 기술분야에서는 stripe 이라 칭함)을 형성시킨다. 상기 챈널도랑(22)은 전류블로킹층(20)을 관통하여 그 하측에 형성되어 있는 제2클래딩층(18)을 얕게 침식하고 있다. 제2도(b)에서 챈널도랑(22)은 그 단면이 경사측면영역과 저면영역을 갖는 받침대모양의 일예를 든 것이다.
이러한 실시예에서, 저면의 폭 W는 1[㎛], 도랑저면과 활성층(16)사이의 수직거리 h는 0.4[㎛]로 설정되었고, 제2클래딩층(18)의 두께는 0.7[㎛]이기 때문에 제2클래딩층(18)의 내부까지 침식한 챈널도랑(22)의 깊이는 약 42[%]정도로 작지않다. 또 챈널도랑(22)의 전류블로킹층(20)의 상측 표면으로부터 그 저면까지의 전체 깊이는 약 1[㎛]로 되어 있다. 이와 같은 챈널도랑의 외형적특징은 상기한 전류블로킹층(20)의 화학적 성분비에 기인하는 것으로 그에 대한 중요성은 후술될 것이다.
상기한 채널도랑(22)을 형성시킨 다음 포토 레지스트막(40)을 제거해주므로써 다층구조의 노출된 상부표면이 깨끗해지게 되는바, 여기서 두번째의 결정성장공정으로 옮겨진다. 이 공정에서는 제2도(c)에 도시된 바와 같이 도파층(24)과 피막층(26) 및 접촉층(28)을 상기 챈널도랑(22)이 형성된 다층구조위에 MOCVD법을 이용하여 추가로 적층시킨다. 이러한 실시예에 의하면 도파층(24)의 두께가 0.2[㎛]인 P형 Ga0.73Al0.27As층으로 구성되었고, 피막층(26)은 1.25[㎛] 두께의 P형 Ga0.6Al0.4As층으로 구성되었으며, 접촉층(28)은 5[㎛] 두께의 P형 GaAlAs으로 구성되었다. 이어, 그 구조위에다 상기 전극층(30) (32)으로서 크롬-금(Cr-Au)의 합금층과 금-게르마늄(Au-Ge)의 합금층을 각각 형성시키므로써, 그 결과 제1도에 도시된 레이저다이오드(10)가 완성된다.
이와 같이해서 제조된 시료를 벽개에 의해 공진기의 길이가 250[㎛]인 패브리-페로형 레이저로 절단한 소자의 특성은 임계전류가 35[mA]로 낮고, 미분양자효율도 50%로 양호했다. 또 50[mW]이상까지의 출력에서도 킹크가 없이 선형성이 양호한 전류-광출력특성이 얻어졌다. 그리고 레이저단면에서 방사된 레이저광선의 접합면에 대해 수평방향, 수직방향의 빔웨이스트는 단면에 일치하고 있고, 양호한 굴절률가이드로 되어있다는 것을 확인할 수가 있었다.
본 발명에 따라 슬랩결합 도파층구조가 구비된 레이저다이오드에 의하면, 전술한 바와 같이 제2클래딩층(18)과 도파층(24)뿐만 아니라 이들 사이에 샌드위치형태로 끼워진 전류블로킹층(20)도 알루미늄을 함유하는 갈륨-비소반도체(GaAlAs)로 구성된다. 따라서 고출력에서 레이저가 발진할때 그 동작의 안정성이 향상됨과 더불어 레이저다이오드를 양산하는 공정에서 챈널도랑의 형상을 양호하게 제어할 수가 있는데 그 이유는 다음과 같다.
첫째, 제2클래딩층(18)과 도파층(24)사이에 형성되어 있는 전류블로킹층(20)이 상기 제2클래딩층(18)과 도파층(24)의 화학적 혼합비율과 같이 알루미늄을 함유하는 갈륨-비소반도체(GaAlAs)로 구성되면 전류블로킹층(20)은 제2클래딩층(18)과 도파층(24)에 대한 결정접합성(격자정합성)이 향상된다. 따라서 전류블로킹층(20)은 제2클래딩층(18)과 도파층(24)과의 양쪽 경계면영역에서의 고유응력왜율을 완화시킬 수가 있다. 그 결과 종래 이런 종류의 응력왜율에 의해 발생되고 있던 레이저발진의 열화를 열화율이란 점에서 1단계 수준이상으로 개선시킬 수가 있으므로 이러한 종류의 레이저다이오드에 대한 동작에 신뢰성을 크게 향상시킬 수가 있다.
둘째, 전류블로킹층(20)이 제2클래딩층(18)과 도파층(24)처럼 알루미늄을 함유하는 갈륨-비소반도체(GaAlAs)에 의해 구성되면 전류블로킹층(20)의 굴절률이 작아짐과 더불어 광흡수계수가 작아지게 됨에 따라 하측의 제2클래딩층(18)자체의 층두께를 종래의 구조에 비해 얇게 형성시키도록 허용된다. 이와 더불어 상기 제2클래딩층(18)속에 형성되는 챈널도랑(22)의 깊이도 종래에 비해 얇게 형성시킬 수 있는 것이 허용되므로 상기 챈널도랑(22)의 저면과 활성층(16)사이의 수직거리 h는 비교적 크게 설정될 수도 있다. 이와 같은 사실은 챈널도랑(22)의 가장자리를 활성층(16)에서 실질적으로 멀리 물리치는 것을 의미하므로, 상기 챈널도랑(22)속에 가두어진 레이저광선의 전류가 도랑외측(즉 제2클래딩층(18)쪽)으로 손실되는 것을 제거할 수 있다. 그 결과, 레이저다이오드(10)의 임계치를 낮출수가 있으므로 가로모우드발진의 기본특성(고출력화, 임계치의 저하)을 개선시킬 수 있다. 또 전류블로킹층(20)속에서의 알루미늄함유율(조성비)이 약간 높게 설정되면, 그에 따라 제2클래딩층(18)을 약간 얇게 형성시킬 수 있으므로 레이저다이오드(10)의 가로모우드발진의 기본특성이 조금 개선될 수 있다. 본 발명자의 실험에 의하면 예컨대 전류블로킹층(20)속에서의 알루미늄조성비를 0.4로 설정하면 전류블로킹층(20)의 굴절률이 제2클래딩층(18)의 굴절률과 거의 같아지는 것이 확인되었다.
셋째(이는 상기한 두번째 특징과 관련됨), 제2클래딩층(18)을 얇게 형성시킴과 더불어 챈널도랑(22)을 얕게 형성시킨 결과 상기 챈널도랑(22)을 형성시키기 위한 제2클래딩층(18)속에서의 필요한 선택에칭량을 감소시킬수 있음에 따라 심부에칭을 특별히 사용하지 않아도 형상이 양호하게 제어된 챈널도랑(22)을 용이하게 형성시킬 수 있다. 그 결과 레이저다이오드(10)의 제조공정에 있어, 챈널도랑(22)의 재현성을 최대로 향상시킬 수 있고, 제조된 레이저다이오드의 원료에 대한 제품의 비율을 개선시킬 수 있다. 이와는 달리, 이에 언급된 바와 같이 알루미늄이 함유되지 않은 GaAs반도체층을 전류블로킹층으로 사용한 종래 반도체 레이저다이오드의 양산성은 좋지 않고, 가로모우드발진의 안정성도 좋지 않다.
제3도는 종래 구조의 레이저다이오드에 있어서, 스트라이프형상의 챈널도랑에 대한 활성층과 도파층간의 거리 h[㎛], 도파층의 두께 t[㎛]에 대해 실효굴절률차 Δneff(r/레이저다이오드의 챈널도랑에서의 굴절률과 챈널도랑 이외의 평탄부에서의 차로 정의됨)와 활성층에서의 광차폐 계수 γ의 값을 도시한 것이다. 이러한 예에서는 클래딩층, 활성층, 클래딩층, 도파층, 피복층에 관한 알루미늄의 함유율을 각각 0.4, 0.06, 0.4, 0.27, 0.4로하고, 활성층의 두께는 0.06[㎛]로 하여 계산했다. 레이저다이오드에 있어서 안정한 가로모우드를 얻게에는 플라즈마효과등에 의한 굴절률의 감소를 보상한 만큼의 Δneff가 필요한데 실험에서도 Δneff가 10-2전후일때 안정한 기본가로 모우드가 얻어지는 것이 확인되고 있다. 광차폐계수 γ도 주의깊게 선택할 필요가 있는데, 이는 광차폐계수 γ가 너무 작은 것을 선택하면 임계치가 커져버리고, 거꾸로 광차폐계수 γ가 너무 큰 것을 선택하면 이는 고출력동작에 대한 열화에 영향을 끼치기 때문이다. 예컨데, Δneff의 적정범위를 0.8~1.6×10-2, γ의 적정범위를 0.06~0.12로 설정하면 t와 h의 허용범위는 제3도에서 빗금으로 표시한 영역이 된다. 따라서, t의 값은 물론이거니와 h의 값도 정밀한 값으로 설정하여야 된다. 그리고 전술한 종래의 구조에서는 h에 대하여 스트라이프형상의 챈널도랑을 형성시키기 위한 에칭량이 약 1단계 높기때문에 h의 값이 평균치에 미치지 못할 뿐만 아니라 양산하는 경우 원료에 대한 제품의 비율이 저하된다.
상기한 본 발명의 개념에 따른 반도체 레이저다이오드의 다른 제조예에 관해 설명하면 다음과 같다.
먼저, 상부표면의 결정면방위(100)을 갖는 n형 GaAs반도체기판(12)(실리콘도우핑량이 1×1018㎝-3인 것)위에다 1.5[㎛] 두께의 n형 Ga0.6Al0.4As 층으로 이루어진 제1클래딩층(14)(셀렌도우핑량이 1×1017㎝-3인 것)을 형성시킨다. 이어, 그 위에 0.08[㎛] 두께의 n형 비도우핑 Ga0.92Al0.08As 층으로 이루어진 활성층(16)과, 0.7[㎛] 두께의 P형 Ga0.6Al0.4As 층으로 이루어진 제2클래딩층(18) 및 0.7[㎛] 두께의 n형 Ga0.6Al0.4As층으로 이루어진 전류블로킹층(20)을 형성시킨다.
상기한 층 (14) (16) (20)들은 유기금속기상성장법(MOCVD method)으로 형성시킨다. 이러한 실시예에 있어서도 상기 다층레이저다이오드에서 제2클래딩층(18)과 도파층(24)뿐만 아니라 이들 사이에 샌드위치된 전류블로킹층(20)도 알루미늄을 함유하는 갈륨-비소반도체로 구성된 것이다.
상기한 제1회째의 결정성장에서는 MOCVD법을 이용하는 것으로, 성장조건은 기판온도 750[℃], V/I I I=20, 캐리어가스(H2)의 유량 10[1/min], 원료는 드리메틸칼륨(TMG; (CH3)3)Ga)과 트리메틸알루미늄(TMA; (CH3)3Al) 및 아르신(ASH3), P형 도우펀트는 디에칠아연(DEZ; (C2H5)2Zn), n형 도우펀트는 셀렌화수소(H2Se)로 하였고, 성장속도는 0.25[㎛/min]로 하였다. 또 제1회째의 결정성장에서는 반드시 MOCVD법을 이용할 필요는 없지만, 큰 면적에서 균일성이 좋게끔 결정성장이 가능한 MOCVD법을 이용하는 것이 양산화를 고려해 볼때 LPE법에 비해 유리하다.
이어, 상기한 실시예에서와 같은 포토레지스트막을 이용한 선택에칭기술을 이용하여 상기 다층구조의 최상부층속에 챈널도랑(22)을 형성시켰는데, 다만 이러한 실시예에서는 챈널도랑(22)의 저면에 대한 폭 W'를 1.5[㎛]로 설정하고, 그 챈널도랑(22)의 저면과 활성층(16)간의 수직거리 h'를 0.7[㎛]로 설정하였다.
상기한 채널도랑(22)을 형성시킨다음 포토레지스트막을 제거하여 다층구조의 노출된 상부표면을 세정한다. 여기서 도파층(24)과 피막층(26)및 접촉층(28)을 형성시키기 위해 MOCVD법을 이용한 제2회째의 결정성장공정으로 넘긴다. 이러한 실시예에서는 도파층(24)이 그 두께가 0.3[㎛]의 P형 Ga0.73Al0.27As층으로 구성되었고, 피막층(26)은 1.25㎛ 두께의 P형 Ga0.6Al0.4As층으로 구성되었으며, 접촉층(28)은 5[㎛]두께의 P형 GaAlAs(아연도우핑량은 1×108㎝-3)으로 구성되었다. 이 다음의 공정은 앞의 실시예에서와 같이 그 구조의 상하측에 전극층을 형성시키므로써 레이저다이오드를 완성시켰다.
이와 같이하여 제조된 시료를 벽개의 의해 공진기의 길이가 250[㎛]인 패브리-페로형 레이저로 절단한 소자의 특성은 임계치전류가 35[mA]로 낮고, 미분양자효율도 50[%]로 양호했으며, 출력이 50[mW]이상까지 킹크가 없이 선형성이 양호한 전류-광출력특성이 얻어졌다. 더구나 레이저단면에서 방사된 레이저광선의 접합면에 수평방향, 수직방향의 빔 웨이스트는 단면에 일치하고 있고, 양호한 굴절률가이드로 되어있는 것을 확인할 수 있었다.
또 상기 레이저의 실효굴절률차 Δneff는 약 1×10-2이고, 약 30[mW]이상의 출력까지 안정한 기본가로모우드발진을 나타내며, 고출력인 경우 모우드변형과 고차모우드발진이 발생되지 않는다는 것이 확인되었다.
제4도는 위와 같은 방법으로 작성된 레이저의 광축방향에 따른 광선크기의 반값전폭의 측정결과를 나타내는 것으로, 도면중 기호"0"는 1[mW], 기호''0''는 30[mW]에 대한 데이터이다. 임계치는 약 0[㎛]로서 출력에 의존하지 않는 안정한 파면이 얻어졌다. 상기한 실시예들에서 챈널도랑(22)의 내외측 실효굴절률차 Δneff는 6×10-3으로 설정되고, 또 상기 챈널도랑(22)의 저부폭 W가 2[㎛]이하로 설정되어 있다는 점도 본 발명의 중요한 특징이다. 위와 같이 수치를 한정시키는데 대한 중요성을 제5도에 의거 상세히 설명하면 다음과 같다. 제5도는 본 발명의 구조에 있어 실효굴절률 Δneff와 스트라이프형상의 챈널도랑의 폭 W에 대해 광출력 30[mW]에 이르는 가로 모우드의 상태를 도시한 것이다.
일반적으로 활성층이 평탄하게 된 레이저의 경우 모우드를 잠그기 위해 실효굴절률의 분포를 10-2정도로 충분히 크게 정하는 것은 곤란하고, 실제로 활성층을 구부리든지 도랑내에다 늘어뜨려 집어넣어 성장시키르므로써 활성층의 두께를 변화시키든지 하는 방법이 많이 이용되고 있다. 이와 같은 구조는 평탄한 활성층을 갖는 것에 비해 활성층의 품질이 저하되기 때문에 신뢰성의 저하를 유발시키기 쉽다.
한편, 본 발명에 따른 구조에서는 제1피막층의 굴절률과 막이 두께등을 조정하므로써 활성층을 평탄하게 함과 더불어 실효굴절률차를 용이하게 벽개시킬 수 있다.
제5도에 있어서, 0표는 레이저출력이 30[mW]까지 안정한 가로모우드를 나타내는것, Δ표는 출력의 증가에 따라 홀-버닝(hole-burning)현상을 유발시키는 모우드의 변형이 일어난 것, □표는 큰 임계치, 전류-광출력특성에 대한 킹크, 모우드변형이라는 이득가이드에 유사한 특성을 나타내는 것, 0표는 고차모우드로된 것을 나타내는 것이다. 또 도면중의 곡선은 실효굴절률차 Δneff에 대하여 1차모우드가 컷오프되는 레이저다이오드의 챈널도랑 폭 W를 이론적으로 계산한 것이다. 제5도로부터 명확히 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 구조에 있어서, Δneff를 6×10-3이상으로 설정하는 것과 W를 2[㎛]이하로 설정하므로써 저출력에서 30[mW]이상의 고출력동작에 까지 걸쳐서 안정한 기본가로모우드가 얻어진다.
한편 Δneff가 1×10-1이상으로 되면, 1차모우드가 컷오프되는 챈널도랑의 폭이 0.5[㎛]이하로 되어버려서 소자의 제조공정이 곤란하게 될 뿐만 아니라 모우드크기가 작아지게 된다. 그 결과, 단면파괴에 의한 열화를 발생시키는 광출력레벨이 저하되어 고출력동작이 불가능하게 된다. 또 홀-버닝현상을 유발시키는 광출력과 상기 현상이 가로모우드에 실제로 영향을 주는지의 여부는 레이저다이오드의 구조, ,이득분포, 내부손실의 크기등에 따라 여러가지로 변화된다. 따라서, 여기서 나타낸 영역은 본 발명의 구조에서 광디스크기록용 광원에 필요한 성능인 30[mW]까지 광출력이 안정한 가로모우드로 발진하는 특성을 만족시켜주기 위해 필요한 값이다.
비록 본 발명에서는 특정한 실시예에 대해서만 설명되어 있으나, 본 발명의 개념내에서 여러가지로 변형시킬 수 있음은 쉽게 알 수 있다.
예를 들어, 상기 클래딩층, 전류블로킹층, 피막층의 알루미늄혼합비와 막의 두께등은 실효굴절률차 Δneff가 6×10-3이상으로 되는 범위라면 임의로 변경가능한데, 예컨데, 클래딩층, 전류블로킹층을 Ga0.55Al0.45As, 제1피복층을 Ga0.65Al0.35As로 하여 막의 두께를 0.4[㎛]로 하여도 좋다. 또, 챈널도랑의 폭 W에 대해서도 0.5[㎛]이상에서 2[㎛]이고, 실효굴절률차 Δneff에 대해 1모우드가 컷오프되는 폭이라면 임의로 변경가능하다. 그리고 상기 피막층은 2층으로 한정하는 것은 아니고, 활성층에 가까운 쪽층의 굴절률이 활성층에 먼 폭의 층과 클래딩층의 굴절률보다도 큰 것이라면 3층이상으로 형성시킬수도 있다. 또 구성재료는 GaAlAs로 한정되는 것은 아니고, InGaAsP, AlGaInP 또는 AlGaZnP등의 다른 화합물반도체를 사용하여도 좋다. 그리고 결정성장법으로서 MOCVD법대신 MBE법을 사용하여도 좋고, 반도체기판으로서 P형기판을 사용하여 각 층의 도전형을 역으로 할 수도 있다.

Claims (8)

  1. 제1도전형의 반도체기판(12)과, 상기 반도체기판(12)위에 차례로 설치되어 제1, 제2도전형을 각각 갖는 제1, 제2클래딩층(14)(18),상기 제1,제2클래딩층(14)(18)에 샌드위치되는 비도우핑반도체막으로 이루어지는 활성층(16), 제1도전형으로 된 전류블로킹층(20)(상기 제2클래딩층(18)과 전류블로킹층(20)에는 챈널도랑(22)이 상기 전류블로킹층(20)을 2개부분으로 분할시킨 만큼 깊이 형성됨), 제2도전형이면서 상기 챈널도랑(22)과 전류블로킹층(20)을 피복시켜서 가로모우드레이저발진용 슬랩결합도파구조를 형성시키는 반도체 도파층(24), 제2도전형으로 상기 도파층(24)위에 형성되는 피막층(26)과 접촉층(28)을 구비하면서 된 반도체레이저다이오드에 있어서, 상기 제2클래딩(18)과 상기 전류블로킹층(20) 및 상기 도파층(24)이 알루미늄을 함유하는 화합물반도체로 구성되므로써 상기 층들간의 격자정합성을 개선해주도록 된 것을 특징으로 하는 반도체 레이저다이오드.
  2. 제1항에 있어서, 상기 전류블로킹층(20)은 상기 도파층(24)보다 알루미늄의 함유량이 많도록 된 것을 특징으로 하는 반도체 레이저다이오드.
  3. 제2항에 있어서, 상기 전류블로킹층(20)은 상기 제2클래딩층(18)과 실제로 동일하게 알루미늄을 함유하도록 된 것을 특징으로 하는 반도체 레이저다이오드.
  4. 제2항에 있어서, 상기 전류블로킹층(20)과 상기 제2클래딩층(18)에는 저면의 폭이 2[㎛]이하인 챈널도랑(22)이 형성된 것을 특징으로 하는 반도체 레이저다이오드.
  5. 제2항에 있어서, 제2클래딩층(18)과 전류블로킹층(20) 및 도파층(24)은 알루미늄을 함유하는 갈륨아세나이드 반도체물질로 구성된 것을 특징으로 하는 반도체레이저다이오드.
  6. 제5항에 있어서, 상기 제2클래딩층(18)과 전류블로킹층(20) 및 도파층(24)은 챈널도랑(24)에서 측정되는 제1굴절률과 레이저다이오드의 나머지영역에서 측정되는 제2굴절률을 설정하되, 제1실효굴절률과 제2실효굴절률의 차는 6×10-3이상으로 설정된 것을 특징으로 하는 반도체레이저다이오드.
  7. 제2항에 있어서, 상기 제2클래딩층(18)은 제1굴절률을 갖는 한편, 상기 도파층(24)은 상기 제1굴절률보다 큰 제2굴절률을 갖도록 된 것을 특징으로 하는 반도체레이저다이오드.
  8. 제7항에 있어서, 상기 피막층(26)은 상기 제2굴절률보다 작은 제3굴절률을 갖도록 된 것을 특징으로 하는 반도체레이저다이오드.
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