JP3762765B2

JP3762765B2 - 垂直空洞表面放射レーザ及びその製造方法

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Publication number: JP3762765B2
Application number: JP2003308707A
Authority: JP
Inventors: 圭燮郭
Original assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Priority date: 2002-12-18
Filing date: 2003-09-01
Publication date: 2006-04-05
Anticipated expiration: 2023-09-01
Also published as: JP2004200649A; KR100487224B1; US6917640B2; US20040120376A1; KR20040054217A

Description

本発明は垂直空洞表面放射レーザに関するもので、特にレーザの電流流れをガイドし、酸化物により決定される口径の形態をほぼ円形に形成するための垂直空洞表面放射レーザ及びその製造方法に関する。

一般に、垂直空洞表面放射レーザ（Vertical Cavity Surface Emitting Laser:ＶＣＳＥＬ）はエッジ放射レーザとは異なって、半導体物質層の積層方向に円形に近いガウスビームを放射するので、光の放射形状を補正するための光学系を必要としない。また、そのサイズを小さくすることができるので、一つの半導体基板上に複数のＶＣＳＥＬが集積可能であり、２次元配列が容易にできる。この利点により、ＶＣＳＥＬは光通信分野、電子計算機、Ａ／Ｖ機器、レーザプリンタ、レーザスキャナ、及び医療器具などの光分野で広く応用されている。

このようなＶＣＳＥＬは、電極を通じて電流の流れをガイドし光出力特性を向上させるために、上部反射層に形成される１つ以上の絶縁領域を含んでいる。このような絶縁領域の形成方法は、上部反射層を形成した後に陽子(protons)、イオンおよびその他同種のものを注入するイオン注入(ionimplantation)プロセスと、時間を調節して電流のガイド領域を除いた周り部分を酸化させる選択的酸化(oxidation)プロセスの２つの異なるプロセスに大別される。イオン注入プロセスは制作上の容易性と歩留まりの側面で有利である。しかし、漏れ電流の調節が容易でないので高速動作に問題があり、また注入された陽子分布が一定していないので、量産の際、再現性が劣るという欠点がある。

一方、選択的酸化プロセスでは、上部反射層の下部層の一部、すなわち絶縁領域を形成しようとする部分をＡｌＧａＡｓ層で積層した状態で、単一基板上に成長させた複数の表面放射レーザ周囲をエッチングした後、酸化雰囲気で時間を調節すれば、ＡｌＧａＡｓ層が外側から内側に拡散酸化されてＡｌ_２Ｏ_ｘ酸化絶縁膜、すなわち電流を制限する絶縁領域を形成する。

図１は、従来の選択的酸化プロセスによって形成されたＶＣＳＥＬの構造を示す一側断面図である。図２Ａ〜図２Ｄは従来のＶＣＳＥＬ製造過程を示す各工程の一側断面図であり、図３は図２Ｃに示したＶＣＳＥＬを平面から赤外線カメラで撮影した写真である。これらの図面を参照して、従来の選択的酸化プロセスによるＶＣＳＥＬの構造及び制作ステップを以下に説明する。

図１に示すように、ＶＣＳＥＬ構造は半導体基板１０、下部反射層(Distributed Bragg Reflctor：n-DBR)１１、活性層１２、上部反射層(p-DBR)１４、少なくとも１つの絶縁領域１５、絶縁膜１６、上部電極１７、及び下部電極１８とから構成される。

制作工程では、図２Ａに示すように半導体基板１０上に下部反射層１１、活性層１２、上部反射層１４を積層形成する。このとき、活性層１２と上部反射層１４との間には以後の酸化工程を通じて絶縁領域１５を形成するための酸化可能層(AlAs)１３を形成する。

次に、図２Ｂで酸化可能層１３の周りが酸化雰囲気に露出するように上部反射層１４上にマスクパターンを形成した後、ドライエッチングプロセスを用いるメサ（mesa）Ａエッチングを通じてトレンチ（trench）Ｂを形成する。

このトレンチＢが形成された後、所定時間で酸化雰囲気を組成すれば、図２Cに示したように酸化可能層１３は外側から内側に酸化されてＡｌ_２Ｏ_３からなる絶縁領域１５（Ｃ）が形成される。このとき、酸化可能層１３のうち中央一部は酸化しないように選択酸化プロセスが行われる。このように、酸化可能層１３のうち酸化されて絶縁領域１５（Ｃ）が形成された領域間の酸化されない領域を酸化口径(oxidation aperture)Ｄとし、これによりＶＣＳＥＬ出力光の放射パターンが決定される。

図３は選択酸化プロセス後（図２Ｃの段階）の平面図であって、メサＡエッチングによるトレンチＢの構造がわかり、また選択酸化プロセスによる絶縁領域Ｃと酸化口径Ｄの形が詳細にわかる。

そして、図２Ｄに示すように保護膜１６、上部電極１７を形成し、ラッピングされた基板１０の下面に下部電極１８を形成することによりＶＣＳＥＬ制作が完了する。このとき、上部電極１７には活性層１２で生成された光が放射されるように金属口径Ｅによるウィンドウが形成され、隣接したＶＣＳＥＬと独立的に駆動されるように各ＶＣＳＥＬに対して上部電極１７は独立的に形成される。

上記構造のＶＣＳＥＬはワンチップ化したアレイ構造で使用可能であり、切開して個別的に使用することができる。

しかし、選択酸化プロセスによるＶＣＳＥＬの一番大きな問題点は、遠視野像（Far Field Pattern：ＦＦＰ)制御が難しいという点である。ＦＦＰ制御は２つの方法で前もって作られるが、その一つは光放射角を制御することで、他の一つは光放射形状を制御することである。光放射角の制御は、金属口径と酸化口径のサイズを調節することにより適正値が求められる。その反面、酸化口径の形状により放射形状が決定されるので、光放射形状の制御は容易でない。半導体の格子指向性により同一条件で同一時間に酸化プロセスに進んでも酸化される速度が異なるようになる。つまり、図３に示すように、対角線方向Ｄｉが縦方向Ｖ、横方向Ｈより酸化速度が速いので、酸化口径のパターンが円形ではなく菱形に形成されるようになり、光放射形状を制御しにくいという問題点があった。

したがって、前述の問題点を解決するための本発明の目的は、半導体格子指向性による酸化速度の差を克服し、円形に近い酸化口径を有するＶＣＳＥＬ及びその製造方法を提供することにある。

したがって上記の目的を達成するために本発明の垂直空洞表面放射レーザ（ＶＣＳＥＬ）は、基板と、前記基板上に積層形成された下部反射層と、前記下部反射層上に形成され、光を生成する活性層と、前記活性層上に形成され、電流の流れをガイドする開口を有するように形成される絶縁領域と、前記絶縁領域上に積層形成される上部反射層と、その深さが前記上部反射層、活性層、及び下部反射層の少なくとも一部分まで拡張形成され、前記絶縁領域を形成するための酸化可能層の酸化速度を調節するために形成される所定個数のセグメントに分けた環状のトレンチと、前記トレンチの表面全体及び前記トレンチで囲まれた内側領域に位置する前記上部反射鏡の表面に光出力用のウィンドウを除いて形成される絶縁膜と、前記上部反射鏡の表面に形成された絶縁膜上に形成され、その端部が上部反射層と接触するように下方に屈曲する上部電極と、前記基板下部に形成される下部電極と、を含んで構成されることを特徴とする。

また、本発明のＶＣＳＥＬのセグメントに分けたトレンチは、前記絶縁領域を形成するための酸化プロセスの際に、水蒸気と接触する前記酸化可能層の酸化速度がより速い部分の面積を最小化するように前記酸化可能層の予め決められた所定位置に形成されることが好ましい。

そしてまた、本発明のセグメントのサイズ及び個数により酸化可能層の酸化速度が決定されるので良い。

またそして、本発明のセグメントに分けたトレンチは、４セグメントに分けたトレンチであることが好ましい。

また、本発明のＶＣＳＥＬは、電流の流れをガイドする開口は円形を有するように形成されるので良い。

また本発明の垂直空洞表面放射レーザの製造方法は、基板上に下部反射層、活性層、酸化可能層、上部反射層を積層形成する段階と、前記上部反射層上にセグメントに分けたトレンチのマスクパターンを形成してから、これをエッチングマスクとして用いるエッチングプロセスを進行して、その深さを下部の前記上部反射層、酸化可能層、活性層、及び前記上部反射層の少なくとも一部分まで拡張させたセグメントに分けた環状のトレンチを形成する段階と、所定時間で酸化雰囲気に露出させて前記酸化可能層を選択的に酸化させて中央一部に開口を有する絶縁領域を形成する段階と、前記トレンチの表面全体及び前記トレンチで囲まれた内部領域に位置する前記上部反射層の表面に絶縁膜を形成する際、該上部反射層の一部を露出させて光出力用のウィンドウを形成する段階と、前記上部反射鏡の表面に形成された絶縁膜上に上部電極を形成する際、その端部が前記ウィンドウ周囲の上部反射層と接するように屈曲する上部電極を形成する段階と、前記基板下部に下部電極を形成する過程と、を含むことを特徴とする。

また、本発明のＶＣＳＥＬの製造方法は、セグメントに分けたトレンチ形成以前に上部反射層上に酸化防止保護膜を形成する段階をさらに含むことが好ましい。

また、ＶＣＳＥＬの製造方法の保護膜はＳｉＯ_２膜であるのが良い。

上述したように本発明のＶＣＳＥＬは、ＶＣＳＥＬのメサトレンチが所定個数のセグメントに分けたトレンチを有することにより、ＶＣＳＥＬの電流流れをガイドする開口を形成するための酸化可能層の酸化速度を調節することができる。これにより、開口をほぼ円形に形成することが可能なので、ＶＣＳＥＬの光放射角及び光放射形状の制御が容易であるという効果がある。

また、酸化可能層の酸化速度を調節するために形成されるセグメントに分けたトレンチのメサトレンチがストレスの脆弱性を補完する構造物役割を同時に遂行して従来のドーナツ形トレンチ構造に比べて素子の信頼性を高めることができる。

以下、本発明の好適な一実施例を添付の図面を参照して詳細に説明する。下記の説明において、同一の構成要素に対してはできるだけ同一の参照番号及び参照符号を使用する。また、本発明の説明では関連した公知機能または構成に対する具体的な説明が本発明の要旨を不明にする可能性のある場合、その詳細な説明は省略する。

図４は、本発明の一実施例によるＶＣＳＥＬの構造を示す一側断面図である。

同図を参照すれば、本発明の一実施例によるＶＣＳＥＬは半導体基板１００と、この半導体基板１００上に積層される下部反射層１１０、活性層１２０、部分酸化により形成される絶縁領域１５０、上部反射層１４０、絶縁膜１６０、複数の上部電極１７０、及び半導体基板１００の下面に形成される下部電極１８０を含んで構成される。

半導体基板１００は、例えばｎ型不純物を含有するＧａ、Ａｓなどの半導体物質となっており、同一のプロセスにより複数のＶＣＳＥＬを同時に形成することができる。

下部反射層１１０は半導体基板１００上に形成され、この半導体基板１００と同一型の不純物、例えば組成が異なるｎ型Ａｌ_ｘＧａ_１-ｘＡｓが２０層以上積層されて形成される。上部反射層１４０は、下部反射層１１０に含まれる不純物とは反対の伝導型の不純物を含有し、その下部反射層１１０と同一種類の半導体物質からなる。上部反射層１４０と下部反射層１１０は、上部電極１７０および下部電極１８０を通じて印加された電流により電子と正孔の流れを誘導する。

活性層１２０は、電子と正孔の再結合によるエネルギー遷移により光を生成する領域で、単一または多重量子井戸(multiple quantum-well)構造、超格子(superlattice)構造などを有する。

絶縁領域１５０は活性層１２０と上部反射層１４０との間に形成され、選択酸化プロセスにより酸化された半導体層である。このとき、この絶縁領域１５０(Ｃ)が形成された領域間の酸化されない領域を酸化口径Ｄとする。このような酸化口径Ｄは可能な限り円形でなければならないし、これによりＶＣＳＥＬから出力される光の放射形状が決定される。しかし、上述したように半導体層の格子構造上、同一条件で同一時間酸化プロセスが進んでも酸化速度が異なるようになる。従って、本発明の一実施形態では、トレンチを形成（メサエッチング）する場合、絶縁領域を形成するための半導体層のうち酸化速度がより速い部分における水蒸気との接触面積を縮小するように、その部分をエッチングせずに残すようにする。すなわち、所定個数のセグメントに分けたトレンチを形成する。

図５は、本発明の一実施例による１セグメントに分けたトレンチを有するＶＣＳＥＬを平面から赤外線カメラで撮影した写真である。本平面図はトレンチ構造を説明するためのもので、従来の構造を示した図３に比べると、１セグメントに分けたトレンチ１を形成することによりメサ周りにエッチングされず残る部分が形成される。参考に、図３で、メサトレンチはメサ周りをすべてエッチングしたドーナツ形態を有する。図５で、参照符号Ｃは酸化された部分で、Ｆは上部反射層のうちＡｌ含量が相対的に多い層が一部酸化された部分である。

図６は、本発明の他実施例による４セグメントに分けたトレンチを有するＶＣＳＥＬを平面から赤外線カメラで撮影した写真である。４セグメントに分けたトレンチ１’、２、３、４は酸化速度がより速い２つの対角線方向を除いた縦方向、横方向のメサ周りに形成される。このように、酸化速度が速い部分のメサ周りはエッチングせず残して酸化工程の際に水蒸気と接触する面積を縮小することにより、ほぼ円形に近い酸化口径Ｄを形成することがわかる。このとき、セグメントに分けたトレンチのサイズ及び個数と酸化可能な半導体層の厚さに応じて酸化速度が異なるようになるので、これらを適切に調節して酸化口径Ｄのサイズ及びパターンを調節できる。図６で、参照符号Ｃは酸化された部分で、Ｆは上部反射層のうちＡｌ含量が相対的に多い層が一部酸化された部分である。

再度、図４を参照すれば、絶縁膜１６０は上部反射層１４０の光が放射されるウィンドウとその周りを除いた全域にかけて形成される。なお、絶縁膜１６０はＳｉＯ_２などから形成することもできる。

上部電極１７０は絶縁膜１６０上に形成され、光が放射されるウィンドウ周りで上部反射層１４０と接触させられる。このとき、上部電極間の間隔である金属口径Ｅによるウィンドウのサイズは約１４μm以内に形成する。

本発明では具体的な一実施例として単一のＶＣＳＥＬを例としてその構造を説明したが、単一基板上に複数のＶＣＳＥＬを一体に形成したアレイ構造も可能である。この場合、トレンチ以外に各ＶＣＳＥＬを区分するように隣接したＶＣＳＥＬ間に空間部が形成されて各ＶＣＳＥＬを独立的に駆動することができる。

以下、図７Ａ〜図７Ｄを参照して本発明の一実施形態によるＶＣＳＥＬの好ましい一実施例の製造プロセスを詳細に説明する。

まず、図７Ａに示すように、半導体基板１００上に下部反射層１１０、活性層１２０、酸化可能層１３０、上部反射層１４０を積層形成する。このとき、酸化可能層１３０は以後の酸化プロセスを通じて絶縁領域１５０が形成される層で、ＡｌＡｓなどの半導体層で形成する。このとき、上部反射層１４０上には後述する酸化プロセス時、上部反射層１４０の酸化を防止するための保護膜１９０を形成する段階をさらに含むことができる。保護膜１９０はＳｉＯ_２などの絶縁膜で形成し、酸化工程後乾式あるいは湿式エッチング工程を通じて容易に除去されるようにする。

次に、上部反射層１４０または保護膜１９０上にマスクパターンを形成してから、乾式エッチング工程に進んで、図７Ｂに示すように上部反射層１４０、酸化可能層１３０、活性層１２０、及び積層形成される下部反射層１１０の少なくとも一部分にかけて引き込まれたトレンチＢを形成する。この場合、酸化可能層１３０の各方向での酸化速度が均等でない場合（例えば、格子方向性により）、酸化速度がより速い部分の周りがエッチングされずに残るようにするため、図６に示したセグメントに分けたトレンチのマスクパターンが形成されて、酸化がより速く進行する部分が酸化雰囲気に少しだけ露出されるようになる。

このセグメントに分けたトレンチを形成した後、図７Ｃに示すように酸化雰囲気に一定時間露出させると、酸化可能層１３０は外側から内側に酸化され、絶縁領域１５０が形成される。絶縁領域１５０を形成してから保護膜１９０が形成された場合はこれを除去し、次の工程を進行する。

図７Ｄに示すように、トレンチＢ及び上部反射層１４０の縁に絶縁膜１６０を形成し、上部電極１７０及び下部電極１８０を形成してＶＣＳＥＬを製造する。

以上、本発明を具体的な実施形態に基づいて説明したが、本発明の範囲を外れない限り多様な変形が可能であることはもちろんである。したがって、本発明の範囲は説明した一実施形態に局限して定められてはいけないし、特許請求の範囲だけでなく、この特許請求の範囲と均等なものにより定めなければならない。

従来の選択的酸化プロセスによって形成されたＶＣＳＥＬの構造を示す一側断面図。従来のＶＣＳＥＬ製造過程を示す各工程の一側断面図。図２Ｃに示したＶＣＳＥＬを平面から赤外線カメラで撮影した写真。本発明の一実施例によるＶＣＳＥＬの構造を示す一側断面図。本発明の一実施例による１セグメントに分けたトレンチのトレンチを有するＶＣＳＥＬを平面から赤外線カメラで撮影した写真。本発明の他実施例による４セグメントに分けたトレンチのトレンチを有するＶＣＳＥＬを平面から赤外線カメラで撮影した写真。本発明の一実施例によるＳＣＳＥＬの製造過程を示す各工程の一側断面図。

符号の説明

１００半導体基板
１１０下部反射層
１２０活性層
１３０酸化可能層
１４０上部反射層
１５０絶縁領域
１６０絶縁膜
１７０上部電極
１８０下部電極
１９０保護膜
Ｂトレンチ
Ｃ酸化された部分
Ｄ酸化口径

Claims

基板と、
前記基板上に積層形成された下部反射層と、
前記下部反射層上に形成され、光を生成する活性層と、
前記活性層上に形成され、電流の流れをガイドする開口を有するように形成される絶縁領域と、
前記絶縁領域上に積層形成される上部反射層と、
その深さが前記上部反射層、活性層、及び下部反射層の少なくとも一部分まで拡張形成され、前記絶縁領域を形成するための酸化可能層の酸化速度を調節するために形成される所定個数のセグメントに分けた環状のトレンチと、
前記トレンチの表面全体及び前記トレンチで囲まれた内側領域に位置する前記上部反射鏡の表面に光出力用のウィンドウを除いて形成される絶縁膜と、
前記上部反射鏡の表面に形成された絶縁膜上に形成され、その端部が上部反射層と接触するように下方に屈曲する上部電極と、
前記基板下部に形成される下部電極と、を含んで構成されることを特徴とする垂直空洞表面放射レーザ。
前記セグメントに分けたトレンチは、前記絶縁領域を形成するための酸化プロセスの際に、水蒸気と接触する前記酸化可能層の酸化速度がより速い部分の面積を最小化するように前記酸化可能層の予め決められた所定位置に形成される請求項１記載の垂直空洞表面放射レーザ
前記セグメントに分けたトレンチのサイズ及び個数により前記酸化可能層の酸化速度が決定される請求項１記載の垂直空洞表面放射レーザ。
前記セグメントに分けたトレンチは４セグメントに分けたトレンチからなる請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の垂直空洞表面放射レーザ。
前記電流流れをガイドする開口は円形を有するように形成される請求項１記載の垂直空洞表面放射レーザ。
基板上に下部反射層、活性層、酸化可能層、上部反射層を積層形成する段階と、
前記上部反射層上にセグメントに分けたトレンチのマスクパターンを形成してから、これをエッチングマスクとして用いるエッチングプロセスを進行して、その深さを下部の前記上部反射層、酸化可能層、活性層、及び前記上部反射層の少なくとも一部分まで拡張させたセグメントに分けた環状のトレンチを形成する段階と、
所定時間で酸化雰囲気に露出させて前記酸化可能層を選択的に酸化させて中央一部に開口を有する絶縁領域を形成する段階と、
前記トレンチの表面全体及び前記トレンチで囲まれた内部領域に位置する前記上部反射層の表面に絶縁膜を形成する際、該上部反射層の一部を露出させて光出力用のウィンドウを形成する段階と、
前記上部反射鏡の表面に形成された絶縁膜上に上部電極を形成する際、その端部が前記ウィンドウ周囲の上部反射層と接するように屈曲する上部電極を形成する段階と、
前記基板下部に下部電極を形成する過程と、を含むことを特徴とする垂直空洞表面放射レーザの製造方法。
前記セグメントに分けたトレンチを形成する前に前記上部反射層上に酸化防止保護膜を形成する段階をさらに含む請求項６記載の垂直空洞表面放射レーザの製造方法。
前記保護膜はＳｉＯ_２膜である請求項７記載の垂直空洞表面放射レーザの製造方法。
前記トレンチのサイズ及び個数により酸化可能層の酸化速度が決定される請求項６記載の垂直空洞表面放射レーザの製造方法。
前記セグメントに分けたトレンチは４セグメントに分けたトレンチからなる請求項６または請求項７記載の垂直空洞表面放射レーザの製造方法。
前記電流流れをガイドする開口は円形を有する請求項６記載の垂直空洞表面放射レーザの製造方法。