KR20070080695A - Semiconductor laser device and method for manufacturing the same having structure of non-absorbing mirror - Google Patents
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Abstract
Description
도 1 내지 도 4는 본 발명에 따른 비흡수 미러 구조를 가지는 반도체 레이저 소자 제조 과정을 개략적으로 보여준다. 1 to 4 schematically show a process of manufacturing a semiconductor laser device having a non-absorbing mirror structure according to the present invention.
도 5 및 도 6은 본 발명의 실시예들에 따른 반도체 레이저 소자를 개략적으로 보여준다.5 and 6 schematically show a semiconductor laser device according to embodiments of the present invention.
도 7 및 도 8은 도 5 및 도 6의 본 발명에 따른 반도체 레이저소자를 제조하는데 적용될 수 있는 시드 패턴의 실시예들을 보여준다.7 and 8 illustrate embodiments of a seed pattern that may be applied to fabricate a semiconductor laser device according to the present invention of FIGS. 5 and 6.
도 9는 윈도우 영역과 캐버티 영역의 경계영역에 형성되는 슬로프를 확대하여 보여준다.9 is an enlarged view of a slope formed at a boundary area between a window area and a cavity area.
도 10은 레이저빔이 비흡수 미러(NAM) 구조가 형성된 윈도우 영역을 거치면서 윈도우 영역의 P2 쪽으로 나오면서 양자 우물(QW: quantum well)이 위치하는 캐버티 영역의 P1 쪽에 걸치는 광강도(intensity) 비율 즉, 광강도 애스펙트 비율(intensity aspect ratio)과 슬로프의 틸트 각도(tilt angle)(단위:degree) 사이의 관계를 보여준다.Figure 10 is a laser beam is non-absorbing mirror (NAM) structure that goes through the defined window area naohmyeonseo P toward two of the window region a quantum well (QW: quantum well) light intensity (intensity spanning the side P 1 of the cavity area in which the position ) Ratio, that is, the relationship between the intensity aspect ratio and the tilt angle (degree) of the slope.
도 11은 본 발명에 따른 비흡수 미러(NAM) 구조를 갖는 반도체 레이저 소자의 적층 구조의 일 실시예를 보여준다. FIG. 11 shows an embodiment of a stacked structure of a semiconductor laser device having a non-absorbing mirror (NAM) structure according to the present invention.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>
10...기판 20...시드 패턴10
30...베이스층 40...반도체층30
50,310...콘택트층 100,200,300...반도체 레이저 소자50,310 ... Contact layer 100,200,300 ... Semiconductor laser device
305...활성층305 ... active layer
본 발명은 비흡수 미러(NAM:Non-Absorbing Mirror) 구조를 가지는 반도체 레이저 소자 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 비흡수 미러 구조 형성을 위한 별도의 식각 패턴 형성 및 재성장 공정 과정이 불필요한 반도체 레이저 소자 및 그 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a semiconductor laser device having a non-absorbing mirror (NAM) structure and a method of manufacturing the same. More specifically, a separate etching pattern and a regrowth process for forming the non-absorbing mirror structure are unnecessary. A semiconductor laser device and a method of manufacturing the same.
질화물계 반도체 레이저 소자 예컨대, GaN 반도체 레이저 소자는 현재의 DVD의 뒤를 이을 고밀도 광 정보 저장매체 예컨대, BD(Blu-ray Disc) 및 HD DVD(High Definition Digital Versatile Disc)를 기록 및/또는 재생하기 위한 광학 시스템의 광원으로 주목 받고 있을 뿐만 아니라 레이저 디스플레이 분야에서도 청색과 녹색의 새로운 반도체 레이저 광원으로 관심이 집중되어지고 있다. A nitride semiconductor laser device, such as a GaN semiconductor laser device, is used for recording and / or playing back a high density optical information storage medium such as a BD (Blu-ray Disc) and an HD DVD (High Definition Digital Versatile Disc) following a current DVD. Not only is it attracting attention as a light source for optical systems, it is also attracting attention as a new semiconductor laser light source of blue and green in the field of laser display.
이러한 광학 시스템의 광원으로 사용하기 위해서는, 반도체 레이저 소자(LD) 는 고온 고출력 조건에서 긴 수명을 가져야 하며, 이를 위해서는 치명적인 광학적 손상(Catastrophic Optical Damage: 이하, COD)가 발생하는 광출력 임계값을 높이는 것이 필요하다.In order to be used as a light source of such an optical system, the semiconductor laser device (LD) has a long life under high temperature and high power conditions, which increases the optical power threshold value at which catastrophic optical damage (COD) occurs. It is necessary.
일반적으로 COD 레벨(level)을 높이기 위해서 광가둠 요소(Optical Confinement factor)를 줄여주는 반도체 레이저 소자 구조를 설계하여 광모드의 크기를 증가시켜 단위 단위면적당 광자밀도(photon density)를 줄이는 방법이 제안되고 있으나, 와트(Watt)급의 고출력에서 근본적인 COD 해결에는 한계가 있다. 따라서, 반도체 레이저 소자의 윈도우(window) 영역에 비흡수 미러(Non-Absorbing Mirror:NAM) 구조를 도입을 통해 COD 레벨을 높이는 기술이 필요하다.In general, a method of reducing the photon density per unit area by increasing the size of the optical mode by designing a semiconductor laser device structure that reduces the optical confinement factor to increase the COD level is proposed. However, there is a limit to the fundamental COD solution at high wattage. Accordingly, there is a need for a technique of increasing a COD level by introducing a non-absorbing mirror (NAM) structure in a window region of a semiconductor laser device.
미국특허 5,280,535에는 NAM 구조가 적용된 반도체 레이저 소자가 개시되어 있다. 미국특허 5,280,535에 개시된 반도체 레이저 소자는 GaAs (또는 InP) 기판 위에 선택적으로 윈도우(window)와 리지(ridge) 영역을 패턴 에칭(pattern etching)한 후, 상기 기판 위에 반도체 레이저 소자 구조를 성장하여, 밴드 갭(band gap)이 상대적으로 큰 클래드(clad) 영역이 반도체 레이저 소자 패싯(facet)으로 설정되는 1차원 구조를 가진다. 이와 같은 구조는 와트(Watt)급 고출력 반도체 레이저 소자의 경우에서 COD를 해결하기 위해 일반적으로 사용되는 구조이다. US Patent 5,280, 535 discloses a semiconductor laser device to which the NAM structure is applied. The semiconductor laser device disclosed in U.S. Patent No. 5,280,535 has a pattern etching of window and ridge regions selectively on a GaAs (or InP) substrate, and then grows a semiconductor laser device structure on the substrate, thereby forming a band. A clad region having a relatively large gap has a one-dimensional structure in which a clad region is set as a semiconductor laser device facet. Such a structure is a structure generally used to solve COD in the case of a watt-class high power semiconductor laser device.
상기 미국특허 5,280,535에서처럼 종래에는 NAM 구조가 적용된 반도체 레이저 소자를 제조하기 위해, 선택적인 기판 에칭 및 그 위에 반도체 레이저 소자 구조를 재성장(regrowth)하는 등의 공정을 추가적으로 필요로 한다.Conventionally, as in US Pat. No. 5,280,535, in order to manufacture a semiconductor laser device to which a NAM structure is applied, a process of selectively etching a substrate and regrowing the semiconductor laser device structure thereon is additionally required.
그런데, GaN 기판의 경우에는, GaN이 고온 성장됨에 기인하여 선택적 기판 식각이 어려우며, 재성장은 여러 가지 결정결함을 유발 수 있다. 또한 재성장 자체에도 식각 면 방향 및 모양에 따라 성장이 불안정하게 이루어지기 쉽다. 특히, 클래드층으로 사용되는 AlGaN 층 위에서 식각 후 재성장으로 인한 스트레인(strain) 과 균열(crack), 누설(leakage) 유발 가능성이 현저히 높으므로 반도체 레이저 소자의 성능 및 대량 생산 측면에서 여러 문제점을 가지게 된다.However, in the case of a GaN substrate, selective substrate etching is difficult due to the high temperature growth of GaN, and regrowth may cause various crystal defects. In addition, regrowth itself tends to be unstable depending on the etch plane direction and shape. In particular, the strain, crack, and leakage caused by regrowth after etching on the AlGaN layer used as the clad layer have a high possibility of causing problems in terms of performance and mass production of semiconductor laser devices. .
본 발명은 상기한 바와 같은 점을 감안하여 안출된 것으로, 기판의 식각 및 그 식각된 기판 상에 재성장 없이 비 반사 미러(Non-Absorbing Mirror:NAM) 구조를 형성할 수 있는 반도체 레이저 소자 및 그 제조 방법을 제공하는데 목적이 있다.The present invention has been made in view of the above, and a semiconductor laser device capable of forming a non-absorbing mirror (NAM) structure without etching the substrate and regrowth on the etched substrate and its manufacture The purpose is to provide a method.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 반도체 레이저 소자를 제조하는 방법에 있어서, 기판을 준비하는 단계와; 상기 기판 상에 반도체 레이저 소자의 캐버티에 수직한 방향으로의 윙 또는 시드의 폭이 영역에 따라 다른 시드 패턴을 형성하는 단계와; 상기 시드 패턴이 형성된 기판 상에, 상기 시드 패턴의 영역별 윙 또는 시드의 폭 차이에 기인한 성장 속도 차이에 의해 반도체 레이저 소자의 캐버티 영역과 윈도우 영역이 단차지는 베이스 층을 형성하는 단계와; 상기 단차를 가지는 베이스 층상에 상기 반도체 레이저 소자를 구성하는 반도체층의 적층 구조를 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, the present invention provides a method for manufacturing a semiconductor laser device, comprising the steps of: preparing a substrate; Forming a seed pattern on the substrate, the seed pattern having a width of a wing or seed in a direction perpendicular to a cavity of a semiconductor laser device according to a region; Forming a base layer on the substrate on which the seed pattern is formed, wherein the cavity region and the window region of the semiconductor laser device are stepped by a growth rate difference due to a difference in wings or widths of seeds in each region of the seed pattern; And forming a stacked structure of a semiconductor layer constituting the semiconductor laser device on the base layer having the step difference.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 반도체 레이저 소자는, 기판과, 반도체 레이저 소자의 캐버티에 수직한 방향으로의 시드 패턴의 영역별 윙 또는 시 드의 폭 차이에 기인한 성장 속도 차이에 의해 반도체 레이저 소자의 캐버티 영역과 윈도우 영역이 단차지도록 형성된 베이스 층과; 상기 단차를 가지는 베이스 층상에 형성된 반도체 레이저 소자를 구성하는 반도체층의 적층 구조;를 포함하는 것을 특징으로 한다.The semiconductor laser device according to the present invention for achieving the above object is, by the growth rate difference due to the difference in the width of the wing or seed for each region of the seed pattern in the direction perpendicular to the substrate and the cavity of the semiconductor laser device A base layer formed to step between the cavity region and the window region of the semiconductor laser device; And a laminated structure of a semiconductor layer constituting a semiconductor laser device formed on the base layer having the step difference.
상기 시드 패턴은 변형된 펜데오(PENDEO) 또는 이엘오(ELO) 시드 패턴일 수 있다.The seed pattern may be a modified PENDEO or ELO seed pattern.
상기 시드 패턴은 GaN, AlxGa1-xN (0<x≤1) 및 InyAlxGa1-y-xN(0<x≤1, 0<y≤1) 물질 중 어느 하나로 이루어질 수 있다.The seed pattern may be made of any one of GaN, Al x Ga 1-x N (0 <x≤1), and In y Al x Ga 1-yx N (0 <x≤1, 0 <y≤1). .
상기 윈도우 영역과 캐버티 영역의 경계에 해당하는 영역은 0.1-30μm의 길이를 가질 수 있다.An area corresponding to the boundary between the window area and the cavity area may have a length of 0.1-30 μm.
상기 반도체층의 적층 방향으로 10Å - 5μm의 성장 단차가 형성될 수 있다.A growth step of about 10 μm to about 5 μm may be formed in the stacking direction of the semiconductor layer.
상기 윈도우 영역과 상기 캐버티 영역의 경계에 해당하는 영역은 성장 단차에 의해 10° 이상의 기울기로 형성될 수 있다.An area corresponding to a boundary between the window area and the cavity area may be formed to have an inclination of 10 ° or more due to a growth step.
상기 시드 패턴은 상기 윈도우 영역에 해당하는 영역의 윙 폭이 상기 캐버티 영역에 해당하는 영역의 윙폭보다 0.1 - 5μm 좁거나 넓게 형성될 수 있다.The seed pattern may have a wing width of 0.1-5 μm narrower or wider than a wing width of a region corresponding to the window region.
상기 반도체층은 활성층을 포함하며, 레이저빔의 최대 출력 중심이 적어도 상기 활성층에 이웃한 층 영역으로 벗어나서 상기 윈도우 영역을 거쳐 발진하도록 형성될 수 있다.The semiconductor layer includes an active layer, and the maximum output center of the laser beam may be formed to oscillate through the window region at least out of the layer region adjacent to the active layer.
상기 기판은 질화물계 기판 및 사파이어 기판 중 어느 하나이고, 상기 베이 스 층은 질화물계 반도체 물질로 이루어질 수 있다.The substrate may be any one of a nitride based substrate and a sapphire substrate, and the base layer may be formed of a nitride based semiconductor material.
상기 반도체층은 질화물계 반도체층을 포함할 수 있다.The semiconductor layer may include a nitride-based semiconductor layer.
이하, 첨부된 도면들을 참조하면서 본 발명에 따른 비반사 미러(NAM) 구조를 갖는 반도체 레이저 소자 및 그 제조방법의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.Hereinafter, a semiconductor laser device having a non-reflective mirror (NAM) structure and a method of manufacturing the same according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1 내지 도 4는 본 발명에 따른 비흡수 미러 구조를 가지는 반도체 레이저 소자 제조 과정을 개략적으로 보여준다. 1 to 4 schematically show a process of manufacturing a semiconductor laser device having a non-absorbing mirror structure according to the present invention.
도 1을 참조하면, 먼저, 본 발명에 따른 반도체 레이저 소자를 제조하기 위해 기판(10)을 준비하고, 이 기판(10) 상에 반도체 레이저 소자의 캐버티(cavity) 방향에 수직한 방향으로의 윙(wing) 또는 시드(seed)의 폭이 영역에 따라 다른 시드 패턴(seed pattern:20)을 형성한다. Referring to FIG. 1, first, a
본 발명에 따른 반도체 레이저 소자를 질화물계 반도체 레이저 소자를 형성하고자 하는 경우, 상기 기판(10)으로는 사파이어 기판 또는 GaN 등의 질화물계 기판을 구비할 수 있다.When the semiconductor laser device according to the present invention is to form a nitride semiconductor laser device, the
상기 시드 패턴(20)은 GaN, AlxGa1-xN (0<x≤1) 및 InyAlxGa1-y-xN(0<x≤1, 0<y≤1) 물질 중 어느 하나로 이루어질 수 있다. 상기 시드 패턴(20)은 변형된 펜데오(PENDEO) 또는 이엘오(ELO) 시드 패턴으로서 형성될 수 있다. 여기서, 변형된 펜데오 또는 이엘오 시드 패턴에서 "변형된"이란 표현을 사용한 이유는 통상의 펜데오 또는 이엘오 시드 패턴이 시드 또는 윙 폭이 일정한데 반하여, 시드 또는 윙 폭이 영역에 따라 다르게 형성되기 때문이다.The
기판(10) 상에 시드 패턴(20)을 형성한 다음, 도 2에서와 같이 시드 패턴(20)이 형성된 기판(10) 상에 베이스 층(30)을 형성한다. 이때, 상기 베이스 층(30)에는 측면(lateral) 성장시, 상기 시드 패턴(20)의 영역별 윙 폭(wing width)또는 시드 폭(seed width) 차이에 기인한 성장 속도 차이에 의해, 수직(vertical) 방향으로의 성장 단차가 발생한다.After forming the
도 1 및 도 2에서 알 수 있는 바와 같이, 시드의 폭이 큰 영역(윙 폭이 작은 영역)(20a)이, 시드의 폭이 작은 영역(20b)에 비해 수직 방향으로의 성장 속도가 보다 빨라, 베이스 층(30)이 시드 폭이 작은 영역(20b)에서보다 시드 폭이 큰 영역(20a)에서 더 두껍게 성장되는 성장 단차가 발생할 수 있다.As can be seen from Figs. 1 and 2, the larger the seed width area (the smaller wing width area) 20a is faster in the vertical direction than the smaller the
상기 기판(10)이 GaN 등의 질화물계 기판 및 사파이어 기판 중 어느 하나인 경우, 상기 베이스층(30)은 질화물계 반도체 물질로 이루어질 수 있다.When the
단차진 베이스 층(30)을 형성한 다음, 이 베이스 층(30) 상에 도 3에서와 같이 반도체 레이저 소자를 구성하는 반도체층(40)의 적층 구조를 형성한다. 상기 반도체 레이저 소자를 구성하는 반도체층(40)은, 후술하는 실시예에서와 같이 활성층을 포함한다. 예를 들어, 상기 반도체층(40)은 후술하는 실시예에서와 같이 n형 클래드층, n형 광도파층, 활성층, p형 광도파층 및 p형 클래드층을 포함할 수 있다.After the
본 발명에 따른 반도체 레이저 소자에 있어서, 수직 방향으로의 성장 단차는, 캐버티 영역에서 발생된 레이저빔의 최대 출력 중심이 윈도우 영역에서는 적어도 활성층에 이웃한 층 영역 예컨대, n형 클래드층으로 벗어나서 상기 윈도우 영역을 거쳐 발진하도록 형성된 것이 바람직하다. In the semiconductor laser device according to the present invention, the growth step in the vertical direction is such that the maximum output center of the laser beam generated in the cavity region is at least adjacent to the active layer in the window region, for example, the n-type cladding layer. It is preferably formed to oscillate through the window area.
상기 기판(10)이 GaN 등의 질화물계 기판 및 사파이어 기판 중 어느 하나이고, 상기 베이스층(30)이 질화물계 반도체 물질로 이루어진 경우, 상기 반도체층(40)은 질화물계 반도체층을 포함할 수 있다. 이 경우, 본 발명에 따른 반도체 레이저 소자는 질화물계 반도체 레이저 소자가 된다.When the
다음으로, 도 4에서와 같이 반도체층의 적층 구조 상에 리지형 콘택트 층(50) 등을 형성하여 반도체 레이저 소자의 제조(fabrication)를 완료한다. 도 4에서는 콘택트 층(50)이 캐버티 영역과 윈도우 영역에 모두 형성되는 예를 보여준다. 콘택트 층(50)은 캐버티 영역에만 형성되는 것도 가능하다.Next, as illustrated in FIG. 4, a ridge
상기와 같은 제조 과정을 통해 제조되는 본 발명에 따른 반도체 레이저 소자는, 베이스 층(30) 형성시, 영역에 따른 시드 폭(또는 윙 폭)에 따른 성장 단차에 의해 캐버티 영역(cavity region)과 윈도우 영역(window region)이 단차진 비흡수 미러(NAM) 구조를 갖게 된다. 여기서, 캐버티 영역은 공진에 의해 레이징이 이루어지는 영역을 나타낸다.The semiconductor laser device according to the present invention manufactured through the above manufacturing process includes a cavity region and a cavity region due to a growth step according to a seed width (or wing width) according to a region when the
도 5 및 도 6은 본 발명의 실시예들에 따른 반도체 레이저 소자(100)(200)를 개략적으로 보여준다.5 and 6 schematically show
본 발명에 따른 반도체 레이저 소자(100)(200)는, 도 5에 보여진 바와 같이, 윈도우 영역(window region)이 캐버티 영역(cavity region)보다 위로 돌출되게 단차진 구조를 가지도록 형성되거나, 도 6에 보여진 바와 같이 캐버터 영역이 윈도우 영역보다 위로 돌출되게 단차진 구조를 가지도록 형성될 수 있다.As shown in FIG. 5, the
도 7 및 도 8은 본 발명에 따른 반도체 레이저소자(100)(200)를 제조하는데 적용될 수 있는 시드 패턴(20)의 실시예들을 보여준다. 도 7은 본 발명에 따른 반도체 레이저소자를 도 5에서와 같이 단차진 구조로 형성하고자 할 때, 반도체 레이저 소자의 캐버티 영역 및 윈도우 영역과 시드 패턴(20)의 시드 폭(윙 폭)과의 관계를 보여준다. 도 8은 본 발명에 따른 반도체 레이저소자를 도 6에서와 같이 단차진 구조로 형성하고자 할 때, 반도체 레이저 소자의 캐버티 영역 및 윈도우 영역과 시드 패턴(20)의 시드 폭(윙 폭)과의 관계를 보여준다. 도 7 및 도 8에서의 두 시드 패턴(20) 사이의 점선은, 베이스 층(30) 성장시의 합체 경계(Coalescence boundary)를 나타낸다. 도 7 및 도 8에서 알 수 있는 바와 같이, 윙 폭(wing width)은 합체 경계에서 시드 패턴(20)의 경계까지의 거리에 해당한다. 시드 폭(seed width)은 시드 패턴(20)의 양 경계까지의 거리에 해당한다.7 and 8 illustrate embodiments of the
도 5 및 도 7을 참조하면, 시드 패턴(20)의 시드 폭이 캐버티 영역에서보다 윈도우 영역에서 더 큰 경우(시드 패턴(20) 사이의 윙 폭이 캐버티 영역에서보다 윈도우 영역에서 더 작은 경우), 베이스 층(30)은 도 5에 보여진 바와 같이 윈도우 영역 부분이 캐버티 영역 부분보다 더 두껍게 성장되어 위로 돌출되게 형성될 수 있다. 이에 의해, 윈도우 영역이 캐버티 영역에 비해 돌출된 구조의 반도체 레이저 소자(100)가 얻어진다.5 and 7, when the seed width of the
또한, 도 6 및 도 8을 참조하면, 시드 패턴(20)의 시드 폭이 캐버티 영역에서보다 윈도우 영역에서 더 작은 경우(시드 패턴(20) 사이의 윙 폭이 캐버티 영역에서보다 윈도우 영역에서 더 큰 경우), 베이스 층(30)은 캐버티 영역 부분이 윈도우 영역 부분보다 더 두껍게 성장되어 위로 돌출되게 형성된다. 이에 의해, 캐버티 영역이 윈도우 영역에 비해 돌출된 구조의 반도체 레이저 소자(200)가 얻어진다.6 and 8, when the seed width of the
여기서, 본 발명에 따른 반도체 레이저소자를 제작하는데 있어서, 윈도우 영역에서의 시드 패턴(20)의 윙폭(또는 시드 폭)은 캐버티 영역에서의 시드 패턴(20)의 윙 폭(또는 시드 폭)보다 0.1 내지 5μm 좁거나 넓게 형성될 수 있다. Here, in manufacturing the semiconductor laser device according to the present invention, the wing width (or seed width) of the
상기와 같이 시드 패턴(20)을 시드 폭(또는 시드 패턴(20) 사이의 윙폭)이 윈도우 영역과 캐버티 영역에서 서로 다르도록 형성하고, 베이스 층(30)을 성장시키면, 수평 또는 수직 방향으로의 성장 속도 차이에 의해, 반도체 레이저 소자의 캐버티 영역과 윈도우 영역에서의 성장 높이가 서로 차이가 나서 단차 구조가 형성되는데, 이때, 윈도우 영역과 캐버티 영역의 경계에 해당하는 영역(41) 즉, 도 9에서의 슬로프(s)는 0.1 내지 30 μm의 길이를 가질 수 있다.As described above, when the
또한, 캐버티 영역과 윈도우 영역의 수직 방향으로의 성장 단차는 10Å 내지 5μm로 형성될 수 있다. 상기와 같이 성장 속도 차이에 의한 성장 단차에 의해, 캐버티 영역에 비해 단차진 윈도우 영역은 비흡수미러(NAM) 구조를 이룬다.In addition, the growth step in the vertical direction of the cavity region and the window region may be formed in a range of 10 μm to 5 μm. As described above, due to the growth step due to the difference in growth rate, the stepped window area has a non-absorbing mirror (NAM) structure compared to the cavity area.
한편, 상기 시드 패턴(20)의 윈도우 영역과 캐버티 영역의 경계에서 형성되는 수직 방향으로의 성장 단차로 인해, 윈도우 영역과 캐버티 영역의 경계 영역(41)에는 예컨대, 도 5 및 도 6에서와 같이, 슬로프가 형성되는데, 이 슬로프의 기울기는 대략 10 도 이상이 될 수 있다. 도 9는 윈도우 영역과 캐버티 영역의 경계영역(41)에 형성되는 슬로프(s)를 확대하여 보여준다. 도 9는 윈도우 영역이 캐버티 영역보다 돌출되도록 성장 단차가 형성된 경우에 대해 예를 들어 나타낸다. 도 9에서 P1은 캐버티 영역에서의 예컨대, 양자 우물(QW:quantum well)을 가지는 활성층 존재 위치를 나타내며, P2는 윈도우 영역에서의 활성층의 존재 위치를 나타낸다.Meanwhile, due to the growth step in the vertical direction formed at the boundary between the window region and the cavity region of the
도 10은 레이저빔이 비흡수 미러(NAM) 구조가 형성된 윈도우 영역을 거치면서 윈도우 영역의 P2 쪽으로 나오면서 양자 우물(QW: quantum well)이 위치하는 캐버티 영역의 P1 쪽에 걸치는 광강도(intensity) 비율 즉, 광강도 애스펙트 비율(intensity aspect ratio)과 슬로프의 틸트 각도(tilt angle)(단위:degree) 사이의 관계를 보여준다. 도 10은 도 9에서의 슬로프(s)를 수평면에 사영시킨 길이가 1μm일 때의 슬로프(s)의 틸트 각도와 광강도 애스펙트 비율의 관계를 보인 것이다.Figure 10 is a laser beam is non-absorbing mirror (NAM) structure that goes through the defined window area naohmyeonseo P toward two of the window region a quantum well (QW: quantum well) light intensity (intensity spanning the side P 1 of the cavity area in which the position ) Ratio, that is, the relationship between the intensity aspect ratio and the tilt angle (degree) of the slope. FIG. 10 shows the relationship between the tilt angle and the light intensity aspect ratio of the slope s when the length s of the slope s shown in FIG. 9 is 1 μm.
도 10을 살펴보면, 틸트 각도가 증가할수록 애스펙트 비율이 커져, 틸트 각도가 10도 일 때, 애스펙트 비율은 대략 1.6 정도가 되며, 틸트 각도가 그 이상으로 커지면 애스펙스 비율을 보다 커지게 된다. 이는 틸트 각도가 10도 이상일 때, 빔 강도가 P1쪽에 비해 P2쪽에서 1.6배 이상 분산되게 되어, COD 레벨 상승 효과가 충분하게 됨을 의미한다. 특히, 틸트 각도가 15도 이상 일 때, 빔 강도는 P1쪽에 비해 P2쪽에서 2.5배 이상으로 분산되어 COD 레벨이 급격히 증가하는 효과를 나타낸다.Referring to FIG. 10, as the tilt angle increases, the aspect ratio increases, and when the tilt angle is 10 degrees, the aspect ratio becomes about 1.6, and when the tilt angle becomes larger than that, the aspect ratio becomes larger. This means that when the tilt angle is 10 degrees or more, the beam intensity is distributed 1.6 times or more on the P2 side compared to the P1 side, and the effect of increasing the COD level is sufficient. In particular, when the tilt angle is 15 degrees or more, the beam intensity is more than 2.5 times more distributed on the P2 side than on the P1 side, thereby exhibiting an effect of rapidly increasing the COD level.
상기와 같이, 윈도우 영역과 캐버티 영역의 성장 단차에 의해 윈도우 영역과 캐버티 영역의 경계에는 슬로프(s)가 형성되는데, 이 슬로프(s)의 틸트 각도에 따라 애스펙트 비율이 달라질 수 있으며, 도 10에 보여진 틸트 각도 범위(5°∼15°범위)에서는 이 틸트 각도가 클수록 애스펙트 비율이 커짐을 알 수 있다. 이 애스 펙트 비율이 클수록 COD 레벨이 상승하는 효과를 나타낸다.As described above, a slope s is formed at the boundary between the window region and the cavity region due to the growth step of the window region and the cavity region, and the aspect ratio may vary according to the tilt angle of the slope s. In the tilt angle range (5 ° to 15 ° range) shown in Fig. 10, the larger the tilt angle, the larger the aspect ratio. The larger the aspect ratio, the higher the COD level.
상기한 바와 같은 본 발명에 따르면, 성장 단차에 의해 캐버티 영역(cavity region)과 윈도우 영역(window region)이 단차진 비흡수 미러(NAM) 구조를 갖는 반도체 레이저 소자 예컨대, 질화물계 반도체 레이저 소자를 실현할 수 있다.According to the present invention as described above, a semiconductor laser device, for example, a nitride-based semiconductor laser device having a cavity region and a window region having a stepped non-absorptive mirror (NAM) structure due to a growth step. It can be realized.
도 11은 본 발명에 따른 비흡수 미러(NAM) 구조를 갖는 반도체 레이저 소자의 적층 구조의 일 실시예를 보여준다. FIG. 11 shows an embodiment of a stacked structure of a semiconductor laser device having a non-absorbing mirror (NAM) structure according to the present invention.
도 11을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 비흡수 미러(NAM) 구조를 갖는 반도체 레이저 소자(300)는 기판(10)과, 그 기판 상에 형성된 단차 구조를 가지는 베이스층(30)과, 상기 베이스층(30) 상에 상기 반도체 레이저 소자(300)를 구성하는 반도체층(40)의 적층 구조를 포함한다. 상기 반도체층(40)은 도 11에 도시된 바와 같이, 순차적으로 적층된 n형 클래드층(301), n-광도파층(303), 활성층(305), p-광도파층(307) 및 p형 클래드층(309)을 포함할 수 있다. 또한, 상기 p형 클래드층(309) 위에 리지형 콘택트층(310)이 마련될 수 있다.Referring to FIG. 11, a
상기 반도체층(40)의 적층 구조 또한, 베이스층(30)의 단차 구조에 따라 윈도우 영역과 캐버티 영역이 서로 단차진 구조를 가진다. 도 11에서는, 윈도우 영역의 캐버티 영역보다 돌출된 구조의 실시예를 보여준다. The stacked structure of the
본 발명에 따른 반도체 레이저 소자(300)는 캐버티 영역에서 발생된 레이저빔의 최대 출력 중심이 윈도우 영역에서는 적어도 상기 활성층(305)에 이웃한 층 영역 예컨대, n형 클래드층(301)으로 벗어나서 상기 윈도우 영역을 거쳐 발진하도록 된 수직 방향으로의 성장 단차를 가지는 것이 바람직하다. In the
상기 n형 클래드층(301)과 p형 클래드층(309)은 상기 활성층(305) 보다 작은 굴절율을 가지며, 특히 상기 n형 클래드층(301)은 상기 활성층(305) 보다 에너지 밴드갭폭이 더 큰 물질로 형성되는 것이 바람직하다.The n-
본 발명의 일 실시예에 따른 비흡수 미러(NAM) 구조를 갖는 반도체 레이저 소자(300)에 따르면, 캐버티 영역보다 돌출되게 단차진 윈도우 영역에서 예를 들어, n형 클래드층(301) 보다 굴절률이 상대적으로 높은 활성층(305)이 레이저광이 통과하는 n형 클래드층(301) 주변에 존재함으로써 광모드를 종횡으로 확대하는 효과를 주게 되어, 빔퀄러티(beam quality)가 개선되고 패싯(facet)에서 광자밀도(photon density)를 낮아져 COD 레벨(level)이 높아질 수 있다.According to the
보다 구체적으로, 상기 활성층(305)으로부터 발생되는 레이저광이 통과하는 윈도우 영역이 캐버티 영역보다 위로 돌출되어 있으므로, 윈도우 영역에 순차적으로 적층된 n형 클래드층(301)과 활성층(305) 및 p형 클래드층(309)은 캐버티 영역에 순차적으로 적층된 n형 클래드층(301)과 활성층(305) 및 p형 클래드층(309) 보다 상대적으로 높은 위치에 배치되기 때문에, 캐버티 영역의 활성층(305)으로부터 발생되는 레이저광은 윈도우 영역의 예컨대, n형 클래드층(301)을 통과하여 출사될 수 있다. 이와 같은 구조에서, 상기 활성층(305) 보다 밴드갭(band gap)이 상대적으로 더 높은 n형 클래드층(301) 영역을 통해 레이저광이 출사되기 때문에, 패싯(facet)에서의 COD(catastrophic optical damage) 발생이 감소될 수 있다.More specifically, since the window region through which the laser light generated from the
한편, 이상에서는 도 11을 참조로 윈도우 영역이 캐버티 영역보다 돌출된 구조의 실시예를 설명하였는데, 캐버티 영역이 윈도우 영역보다 돌출된 구조도 가능 함은 물론이다. 도 11의 적층 구조는 캐버티 영역이 윈도우 영역보다 돌출된 구조에 대해서도 적용될 수 있으며, 이 캐버티 영역이 윈도우 영역보다 돌출된 구조의 실시예에 대해서는, 도 11 및 이를 참조로 한 이상의 설명으로부터 충분히 유추할 수 있으므로, 그 도시 및 설명을 생략한다.Meanwhile, the embodiment of the structure in which the window area protrudes from the cavity area has been described with reference to FIG. 11, but the structure in which the cavity area protrudes from the window area is also possible. The laminated structure of FIG. 11 may also be applied to a structure in which the cavity area protrudes above the window area. For an embodiment of the structure in which the cavity area protrudes above the window area, it is sufficiently described from FIG. 11 and the above description. Since it can be inferred, the illustration and description are abbreviate | omitted.
여기서, 캐버티 영역이 윈도우 영역보다 돌출된 구조의 경우에는, 유추할 수 있는 바와 같이, 활성층(305)이 레이저광이 통과하는 p형 클래드층(301) 주변에 존재하게 되므로, 이 경우 또한 광모드를 종횡으로 확대하는 효과를 주게 된다.Here, in the case of the structure where the cavity region protrudes more than the window region, as can be inferred, the
이 경우에는, 윈도우 영역에 순차적으로 적층된 n형 클래드층(301)과 활성층(305) 및 p형 클래드층(309)은 캐버티 영역에 순차적으로 적층된 n형 클래드층(301)과 활성층(305) 및 p형 클래드층(309) 보다 상대적으로 낮은 위치에 배치되기 때문에, 캐버티 영역의 활성층(305)으로부터 발생되는 레이저광은 윈도우 영역의 예컨대, p형 클래드층(309)을 통과하여 출사될 수 있다. 따라서, 이 경우에는, n형 클래드층(301)과 p형 클래드층(309)은 활성층(305) 보다 작은 굴절율을 가지며, 특히 p형 클래드층(309)이 활성층(305) 보다 에너지 밴드갭폭이 더 큰 물질로 형성되는 것이 바람직하다.In this case, the n-
이상에서는 도 11을 참조로, 본 발명에 따른 비흡수 미러(NAM) 구조를 갖는 반도체 레이저 소자의 실시예를 설명하였는데, 본 발명이 이 실시예에 한정되는 것은 아니며, 청구범위에 기재된 기술적 사상의 범위내에서 다양한 변형 및 균등한 타실시예가 가능하다.In the above, an embodiment of a semiconductor laser device having a non-absorptive mirror (NAM) structure according to the present invention has been described with reference to FIG. 11, but the present invention is not limited to this embodiment, and the technical spirit of the claims is defined. Various modifications and equivalent other embodiments are possible within the scope.
상기한 바와 같은 본 발명에 따르면, 영역에 따라 시드 폭(또는 윙폭)이 다른 시드 패턴 구조를 도입함으로써, 비흡수 미러(NAM) 구조 형성을 위한 별도의 식각 패턴 형성 및 재성장의 공정 과정이 불필요하므로 공정비용을 절감할 수 있다.According to the present invention as described above, by introducing a seed pattern structure having a different seed width (or wing width) depending on the region, a separate etching pattern for forming a non-absorbing mirror (NAM) structure and the process of regrowth is unnecessary Process costs can be reduced.
또한, 선택적인 기판 에칭 및 그 위에 반도체 레이저 소자 재성장 등의 추가적인 공정을 필요로하는 기존의 비흡수 미러(NAM) 구조 제작 방식에 비해 식각 및 재성장으로 인한 결정 성장 상의 결함발생 및 불균일성 문제를 해결할 수 있다.In addition, defects and nonuniformities in crystal growth due to etching and regrowth can be solved compared to the conventional non-absorbing mirror (NAM) structure fabrication method, which requires an additional process such as selective substrate etching and regrowth of semiconductor laser devices. have.
또한, 시드 패턴의 조절을 통해 원거리장 패턴 모양(Far Field Pattern Shape)의 임의 조절이 가능하다.In addition, it is possible to arbitrarily adjust the far field pattern shape by adjusting the seed pattern.
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KR1020060012055A KR20070080695A (en) | 2006-02-08 | 2006-02-08 | Semiconductor laser device and method for manufacturing the same having structure of non-absorbing mirror |
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CN117008087A (en) * | 2022-04-29 | 2023-11-07 | 深圳市速腾聚创科技有限公司 | Optical transceiver based on planar waveguide chip and laser radar |
-
2006
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