JP7411974B2 - 面発光レーザ素子及びこれを含む発光装置 - Google Patents

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Description

実施例は、半導体素子に関するものであり、より詳しくは面発光レーザ素子、面発光レーザパッケージ及びこれを含む発光装置に関するものである。
GaN、AlGaN等の化合物を含む半導体素子は、広くて調整が容易なバンドギャップエネルギーを有する等多様な長所を有することから、発光素子、受光素子及び各種ダイオード等に多様に用いられている。
特に、半導体のIII-V族またはII-VI族化合物半導体物質を利用した発光ダイオード(Light Emitting Diode)やレーザダイオード(Laser Diode)のような発光素子は、薄膜成長技術及び素子材料の開発によって、赤色、緑色、青色及び紫外線等多様な色を具現することができ、蛍光物質を利用したり色を組み合せることで、効率の良い白色光線も具現が可能であり、蛍光灯、白熱灯等既存の光源に比べて、低消費電力、半永久的な寿命、速い応答速度、安全性、環境親和性の長所を有する。さらに、光検出器や太陽電池のような受光素子も、半導体のIII-V族またはII-VI族化合物半導体物質を利用して製作する場合、素子材料の開発によって多様な波長領域の光を吸収して光電流を生成することで、ガンマ線からラジオ波長領域まで多様な波長領域の光を利用することができる。また、速い応答速度、安全性、環境親和性及び素子材料の容易な調節といった長所を有するので、電力制御または超高周波回路や通信用モジュールにも容易に利用することができる。
従って、光通信手段の送信モジュール、LCD(Liquid Crystal Display)表示装置のバックライトを構成する冷陰極管(CCFL：Cold Cathode Fluorescence Lamp)を代替できる発光ダイオードバックライト、蛍光灯や白熱電球を代替できる白色発光ダイオード照明装置、自動車ヘッドライト及び信号灯及びガスや火災を感知するセンサ等にまで応用が広がっている。
また、高周波応用回路やその他電力制御装置、通信用モジュールにまで応用を拡大することができる。
例えば、従来の半導体光源素子の技術のうち、垂直共振型面発光レーザ(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser：VCSEL)があるが、これは光通信、光並列処理、光結合等に用いられている。
一方、このような通信用モジュールで用いられるレーザダイオードの場合、低電流で作動するように設計されている。
ところで、このようなVCSELをLDAF(Laser Diode Autofocus)、構造光センサ等に適用すると、数KWの高電流で作動することになるので、光度出力が減少し、閾値電流が増加する等の問題点が発生する。
即ち、従来VCSEL(Vertical Cavity Surface Emitting Laser)のエピ(Epi)構造は、既存のデータ(Data)光通信用中心構造では応答速度が重要であったが、センサ用高電圧パッケージ(High Power PKG)の開発時には、光出力と電圧効率が重要特性であるが、既存のVCSEL構造では光出力と電圧効率を同時に向上させることに限界がある。
例えば、VCSEL構造のためには、多数の反射層、例えばDBR(distributed Bragg reflector)が必要であるが、このようなDBRで直列抵抗(series resistance)が発生する。
従来技術では、このようなDBRで抵抗発生を防止するために、ドーピング濃度を増加させて抵抗を低くし、電圧効率を向上させようとする試みがあるが、ドーピング濃度の増加時ドーパントによって内部光吸収が発生し、光出力が低下する技術的矛盾が発生している。
また、従来技術で、反射層であるDBRは、AlxGaAs系の物質をAlの組成を異なるようにして交互に配置して反射率を増大させる。ところで、このような隣接したDBR層の間の界面(interface)でエネルギーバンドの曲がり(Energy Band Bending)によって電場(Electric Field)が発生しており、このような電場は、キャリア障壁(Carrier Barrier)となって光出力が低下する問題が発生している。
また、VCSELの高電圧パッケージ(High Power PKG)の開発時には光出力と電圧効率が重要特性であるが、光出力と電圧効率を同時に向上させることに限界がある。
例えば、従来技術のVCSEL構造は、発光層と所定の共振器(cavity)領域を有するが、このような領域は内部抵抗が高いので、駆動電圧が上昇して電圧効率が低下する技術的問題点がある。
また、従来技術で、光出力を向上させるためには、発光層周辺で光集中(optical confinement)が必要であるが、従来技術ではこれに対する適切な解決策がない実情である。
実施例の技術的課題の１つは、電圧効率を向上させながら光出力も向上させることができる、面発光レーザ素子及びこれを含む発光装置を提供することにある。
また、実施例の技術的課題の１つは、反射層における電場発生によるキャリア障壁の影響を最小化して、光出力を向上させることができる、面発光レーザ素子及びこれを含む発光装置を提供することにある。
また、実施例の技術的課題の１つは、電圧効率を向上させて光出力を向上させることができる、面発光レーザ素子及びこれを含む発光装置を提供することにある。
また、実施例の技術的課題の１つは、発光層周辺で光集中(optical confinement)効率の向上によって光出力を向上させることができる、面発光レーザ素子及びこれを含む発光装置を提供することにある。
実施例に係る面発光レーザ素子は、第１反射層２２０及び第２反射層２５０と、前記第１反射層２２０と第２反射層２５０との間に配置される活性領域２３０と、を含み、前記第１反射層２２０は、第１グループ第１反射層２２１及び第２グループ第１反射層２２２を含み、前記第２反射層２５０は、第１グループ第２反射層２５１及び第２グループ第２反射層２５２を含むことができる。
前記第１グループ第２反射層は、第１アルミニウム濃度を有する第１‐１層と、前記第１アルミニウム濃度より高い第２アルミニウム濃度を有し、前記第１‐１層の上に配置される第１‐２層と、前記第２アルミニウム濃度から前記第１アルミニウム濃度に減少する第４アルミニウム濃度を有し、前記第１‐２層の上に配置される第１‐４層とを含むことができる。
前記第２反射層は、第２導電型ドーパントを含むことができる。
前記第１‐２層は、前記第１‐１層と前記第１‐４層との間に配置される。
前記第１‐４層の前記第２導電型ドーパントのドーピングレベルは、前記第１‐１層と前記第１‐２層の前記第２導電型ドーパントのドーピングレベルより高いドーピングレベルを有することができる。
前記第２導電型ドーパントは、カーボン(C)を含むことができる。
前記第１‐１層は、前記第１‐２層より前記活性領域に隣接するように配置される。
前記第２反射層は、前記第１グループ第２反射層より前記活性領域に隣接するように配置された前記第３グループ第２反射層をさらに含むことができる。
前記第３グループ第２反射層の第２導電型ドーパントの平均濃度は、前記第１グループ第２反射層の第２導電型ドーパントの平均濃度より低い平均濃度を有することができる。
前記第１グループ第２反射層２５１は、第１アルミニウム濃度を有する第２‐１反射層２５１ｐと、前記第１アルミニウム濃度より高い第２アルミニウム濃度を有し、前記第２‐１反射層２５１ｐの一側に配置される第２‐２反射層２５１ｑと、前記第１アルミニウム濃度から前記第２アルミニウム濃度に変化する第３アルミニウム濃度を有し、前記第２‐１反射層２５１ｐと前記第２‐２反射層２５１ｑとの間に配置される第２‐３反射層２５１ｒと、を含むことができる。
前記第２‐３反射層２５１ｒの第２導電型ドーパントの濃度は、前記第２‐１反射層２５１ｐまたは前記第２‐２反射層２５１ｑの第２導電型ドーパントの濃度より高い濃度を有することができる。
また、前記第１グループ第２反射層２５１は、第１屈折率を有する第２‐１反射層２５１ｐと、前記第１屈折率より低い第２屈折率を有し、前記第２‐１反射層２５１ｐの一側に配置される第２‐２反射層２５１ｑと、前記第１屈折率と前記第２屈折率の間の第３屈折率を有し、前記第２‐１反射層２５１ｐと第２‐２反射層２５１ｑとの間に配置される第２‐３反射層２５１ｒと、を含むことができる。
前記第２‐３反射層２５１ｒの第２導電型ドーパントの濃度は、前記第２‐１反射層２５１ｐまたは前記第２‐２反射層２５１ｑの第２導電型ドーパントの濃度より高い濃度を有することができる。
実施例に係る面発光レーザ素子は、第１反射層２２０及び第２反射層２５０と、前記第１反射層２２０と第２反射層２５０との間に配置される活性領域２３０と、を含み、前記第１反射層２２０は、第１アルミニウム濃度を有する第１‐１層２２０ａと、前記第１アルミニウム濃度より高い第２アルミニウム濃度を有し、前記第１‐１層２２０ａの一側に配置される第１‐２層２２０ｂと、前記第１アルミニウム濃度から前記第２アルミニウム濃度に変化する第３アルミニウム濃度を有し、前記第１‐１層２２０ａと前記第１‐２層２２０ｂとの間に配置される第１‐３層２２０ｃを含むことができる。
前記第１反射層２２０は、第１導電型ドーパントを含み、前記第１‐３層２２０ｃの第１導電型ドーパントの濃度は、前記第１‐１層２２０ａ及び第１‐２層２２０ｂの第１導電型ドーパントの濃度より低い濃度を有することができる。
また、実施例に係る面発光レーザ素子は、第１反射層２２０及び第２反射層２５０と、前記第１反射層２２０と第２反射層２５０との間に配置される活性領域２３０と、を含み、前記第１反射層２２０は、第１屈折率を有する第１‐１層２２０ａと、前記第１屈折率より低い第２屈折率を有し、前記第１‐１層２２０ａの一側に配置される第１‐２層２２０ｂと、前記第１屈折率と前記第２屈折率の間の第３屈折率を有し、前記第１‐１層２２０ａと第１‐２層２２０ｂとの間に配置される第１‐３層２２０ｃを含むことができる。
前記第１反射層２２０は、第１導電型ドーパントを含み、前記第１‐３層２２０ｃの第１導電型ドーパントの濃度は、前記第１‐１層２２０ａ及び第１‐２層２２０ｂの第１導電型ドーパントの濃度より低い濃度を有することができる。
実施例によれば、電圧効率を向上させながら光出力も向上させることができる、面発光レーザ素子及びこれを含む発光装置を提供できる技術的効果がある。
また、実施例は、反射層における電場発生によるキャリア障壁の影響を最小化して、光出力を向上させることができる、面発光レーザ素子及びこれを含む発光装置を提供できる技術的効果がある。
実施例に係る面発光レーザ素子は、第１導電型ドーパントを含む第１反射層２２０と、第２導電型ドーパントを含む第２反射層２５０と、前記第１反射層２２０と第２反射層２５０との間に配置される活性領域２３０と、を含むことができる。
前記活性領域２３０は、前記第１反射層２２０の上に配置される第１キャビティ２３１と、量子井戸２３２ａと量子障壁２３２ｂを含み、前記第１キャビティ２３１の上に配置される活性層２３２を含み、前記第１キャビティ２３１は、前記第１反射層２２０と隣接し、第１導電型第１ドーピング層２６１を含むことができる。
前記第１導電型第１ドーピング層２６１の厚さは、前記第１キャビティ２３１の厚さの７０％以下の厚さを有することができる。
実施例に係る面発光レーザパッケージは、前記面発光レーザ素子を含むことができる。
実施例によれば、電圧効率を向上させて光出力を向上させることができる技術的効果がある、面発光レーザ素子及びこれを含む発光装置を提供することができる。
また、実施例によれば、発光層周辺で光集中(optical confinement)効率の向上によって光出力を向上させることができる技術的効果がある、面発光レーザ素子及びこれを含む発光装置を提供することができる。
実施例に係る面発光レーザ素子の断面図。 実施例に係る面発光レーザ素子の拡大断面図。 実施例に係る面発光レーザ素子における屈折率と光エネルギーの第１分布データ。 実施例に係る面発光レーザ素子の第１反射層における屈折率と光エネルギーの第１データ。 実施例に係る面発光レーザ素子におけるAlの濃度、ドーパント(Si、C)のドーピング濃度データ。 実施例に係る面発光レーザ素子における屈折率の第２分布データ。 実施例に係る面発光レーザ素子の第１反射層における屈折率に対する第２データ。 実施例に係る面発光レーザ素子の第２反射層における屈折率に対するデータ。 実施例に係る面発光レーザ素子における第２反射層２５０へのSecondary-ion mass spectrometry(SIMS)データ。 図４ｆのＰ２領域の拡大図。 実施例に係る面発光レーザ素子の製造工程断面図。 実施例に係る面発光レーザ素子の製造工程断面図。 実施例に係る面発光レーザ素子の製造工程断面図。 実施例に係る面発光レーザ素子の製造工程断面図。 第２実施例に係る面発光レーザ素子の製造工程断面図。 第２実施例に係る面発光レーザ素子の製造工程断面図。 第２実施例に係る面発光レーザ素子の製造工程断面図。 第２実施例に係る面発光レーザ素子の製造工程断面図。 第２実施例に係る面発光レーザ素子の製造工程断面図。 第２実施例に係る面発光レーザ素子の製造工程断面図。 第３実施例に係る半導体素子におけるエネルギーバンドダイヤグラムの例示図。 第４実施例に係る半導体素子におけるエネルギーバンドダイヤグラムの例示図。 実施例に係る半導体素子のキャビティ領域におけるドーピング濃度データ。 実施例に係る半導体素子のキャビティ領域におけるドーピング濃度データ。 第５実施例に係る半導体素子におけるエネルギーバンドダイヤグラムの例示図。 実施例に係る面発光レーザパッケージを含む移動端末機の斜視図。
実施例の説明において、各層(膜)、領域、パターンまたは構造物が基板、各層(膜)、領域、パッドまたはパターンの「上」または「下」に形成されると記載される場合、「上」と「下」は「直接」または「他の層を介して」形成されるものも含む。また、各層の上または下に対する基準は、図面を基準に説明する。
図面における各層の厚さや大きさは、説明の便宜及び明確性を図り誇張、省略されたり、概略的に図示されることがある。また、各構成要素の大きさは、実際の大きさを全面的に反映するものではない。
実施例において、半導体素子は、発光素子、受光素子等の各種電子素子を含むことができ、発光素子と受光素子は、いずれも第１導電型半導体層と活性層及び第２導電型半導体層を含むことができる。実施例において、半導体素子はレーザダイオードからなることができる。例えば、実施例において、半導体素子は、垂直共振型面発光レーザ(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser：VCSEL)からなることができるが、これに限定されるものではない。
(実施例)
図１は、実施例に係る面発光レーザ素子２００の断面図である。
実施例に係る面発光レーザ素子２００は、第１電極２１５、第１基板２１０、第１反射層２２０、活性領域２３０、アパチャー領域２４０、第２反射層２５０、第２接触電極２５５、第２電極２８０、パッシベーション層２７０のいずれか１つ以上を含むことができる。前記アパチャー領域２４０は、絶縁領域２４２とアパチャー２４１を含むことができ、中間層と称することもできる。前記第１反射層２２０、前記活性領域２３０、前記絶縁領域２４２及び第２反射層２５０を発光構造物と称することができる。図２のように、前記活性領域２３０は、活性層２３２とキャビティ２３１、２３３を含むことができ、キャビティ領域と称することもできる。
以下、図１を中心に実施例に係る面発光レーザ素子２００の技術的特徴を説明し、図２～図４ｅを参照して主な技術的効果も一緒に説明することにする。
<第１基板、第１電極>
実施例において、第１基板２１０は、導電性基板または非導電性基板からなることができる。導電性基板を用いる場合、電気伝導率が優れる金属を用いることができ、面発光レーザ素子２００の作動時に発生する熱を充分発散させなければならないので、熱伝導率が高いGaAs基板または金属基板やシリコン(Si)基板等を用いることができる。
非導電性基板を用いる場合、AlN基板やサファイア(Al２O３)基板またはセラミック系の基板を用いることができる。
実施例において、第１基板２１０の下部に第１電極２１５が配置され、前記第１電極２１５は、導電性材料にて単層または多層に配置される。例えば、前記第１電極２１５は金属からなることができ、アルミニウム(Al)、チタン(Ti)、クロム(Cr)、ニッケル(Ni)、銅(Cu)、金(Au)の少なくとも１つを含み、単層または多層構造に形成されて電気的特性を向上させ、光出力を高めることができる。
<第１反射層>
図２は、図１に示された実施例に係る面発光レーザ素子のA領域の拡大断面図である。
以下、図２を参照して実施例の面発光レーザ素子を説明することにする。
実施例において、第１基板２１０の上には、第１反射層２２０が配置される。
前記第１反射層２２０は、第１導電型にドーピングすることができる。例えば、前記第１導電型ドーパントは、Si、Ge、Sn、Se、Te等のようなn型ドーパントを含むことができる。
また、前記第１反射層２２０は、ガリウム系化合物、例えばAlGaAsを含むことができるが、これに限定されるものではない。前記第１反射層２２０は、DBR(Distributed Bragg Reflector)からなることができる。例えば、第１反射層２２０は、相互異なる屈折率を有する物質からなった第１層及び第２層が交互に少なくとも１回以上積層された構造を有することができる。
まず、前記第１反射層２２０は、前記活性領域２３０一側に配置された第１グループ第１反射層２２１と、前記第１グループ第１反射層２２１より前記活性領域２３０に隣接して配置された第２グループ第１反射層２２２を含むことができる。
第１グループ第１反射層２２１と第２グループ第１反射層２２２は、AlxGa(1-x)As(0<x<1)の組成式を有する半導体物質からなった複数の層を有することができ、各層内のAlが増加すると各層の屈折率は減少し、Gaが増加すると各層の屈折率は増加する。
そして、各層の厚さはλ/４nであり、λは活性領域２３０から発生する光の波長であり、nは上述した波長の光に対する各層の屈折率である。ここで、λは６５０～９８０nmであり、nは各層の屈折率である。このような構造の第１反射層２２０は、約９４０nmの波長領域の光に対して９９.９９９％の反射率を有することができる。
各第１反射層２２０における層の厚さは、それぞれの屈折率と活性領域２３０から放出される光の波長λによって決定される。
例えば、第１グループ第１反射層２２１は、第１グループ第１‐１層２２１ａと第１グループ第１‐２層２２１ｂの約３０～４０ペア(pair)を含むことができる。前記第１グループ第１‐１層２２１ａは、前記第１グループ第１‐２層２２１ｂより厚く形成されてもよい。例えば、前記第１グループ第１‐１層２２１ａは、約４０～６０nmに形成され、前記第１グループ第１‐２層２２１ｂは、約２０～３０nmに形成される。
また、第２グループ第１反射層２２２も第２グループ第１‐１層２２２ａと第２グループ第１‐２層２２２ｂの約５～１５ペア(pair)を含むことができる。前記第２グループ第１‐１層２２２ａは、前記第２グループ第１‐２層２２２ｂより厚く形成されてもよい。例えば、前記第２グループ第１‐１層２２２ａは、約４０～６０nmに形成され、前記第２グループ第１‐２層２２２ｂは、約２０～３０nmに形成される。
以下、図３～図４ｄを参照して、実施例に係る面発光レーザ素子の技術的効果を詳しく説明することにする。
まず、実施例の技術的課題の１つは、反射層における電場発生によるキャリア障壁の影響を最小化して、光出力を向上させることができる、面発光レーザ素子及びこれを含む発光装置を提供することにある。
即ち、上述したように、従来のVCSEL構造では、隣接するDBR層の間の界面(interface)でエネルギーバンドの曲がり(Energy Band Bending)によって電場(Electric Field)の発生によってキャリア障壁(barrier)が発生して、光出力が低下する問題がある。
図３は、実施例に係る面発光レーザ素子における屈折率と光エネルギーの第１分布データであり、図４ａは、図３に示された実施例に係る面発光レーザ素子のB領域の第１反射層における屈折率(n)と光エネルギー(E)の第１データである。実施例によれば、面発光レーザ素子から発光された光エネルギーの分布は、図３に示されたように、活性領域２３０を中心に最大値を有し、活性領域２３０から離れるほど所定の周期で減少する。一方、実施例で、光エネルギー分布(E)は、図３に示された分布データに限定されるものではなく、各層における光エネルギー分布は、各層の組成、厚さ等によって、図３に示されたものと異なってくる。
図３を参照すると、実施例に係る面発光レーザ素子２００は、第１反射層２２０、第２反射層２５０及び前記第１反射層２２０と第２反射層２５０との間に配置される活性領域２３０を含むことができる。このとき、実施例に係る面発光レーザ素子２００は、第１反射層２２０、第２反射層２５０及び活性領域２３０の物質によって、屈折率(n)が図３に示されたものと同一であってもよい。
次に、図４ａを参照すると、実施例において、第１反射層２２０は、第１屈折率を有する第１‐１層２２０ａと、前記第１屈折率より低い第２屈折率を有し、前記第１‐１層２２０ａの一側に配置される第１‐２層２２０ｂと、前記第１屈折率と前記第２屈折率の間の第３屈折率を有し、前記第１‐１層２２０ａと第１‐２層２２０ｂとの間に配置される第１‐３層２２０ｃを含むことができる。
例えば、前記第１反射層２２０は、第１アルミニウム濃度を有する第１‐１層２２０ａと、前記第１アルミニウム濃度より高い第２アルミニウム濃度を有し、前記第１‐１層２２０ａの一側に配置される第１‐２層２２０ｂと、前記第１アルミニウム濃度から前記第２アルミニウム濃度に変化する第３アルミニウム濃度を有し、前記第１‐１層２２０ａと前記第１‐２層２２０ｂとの間に配置される第１‐３層２２０ｃを含むことができる。
例えば、第１反射層２２０がAlxGa(1-x)As(0<x<1)を含む場合、第１‐１層２２０ａがAl0.12Ga0.88Asであり、第１‐２層２２０ｂがAl0.88Ga0.12Asである場合、第１‐３層２２０ｃはAlx3Ga(1-x3)As(0.12≦X3≦0.88)である。
これによって、実施例によれば、第１反射層２２０から隣接した第１‐１層２２０ａと第１‐２層２２０ｂとの間に、両者の中間領域のアルミニウム濃度を有する第１‐３層２２０ｃを備えることで、隣接した反射層の間の界面(interface)でエネルギーバンドの曲がり(Energy Band Bending)による電場(Electric Field)の発生を最小化してキャリア障壁(barrier)を低くすることで、光出力を向上させることができる技術的効果がある。
これによって、実施例によれば、反射層における電場発生によるキャリア障壁の影響を最小化して、光出力を向上させることができる、面発光レーザ素子及びこれを含む発光装置を提供することができる。
次に、実施例の他の技術的課題の１つは、電圧効率を向上させながら光出力も向上させることができる、面発光レーザ素子及びこれを含む発光装置を提供することにある。
即ち、従来技術では、反射層であるDBRで抵抗発生を防止するために、ドーピング濃度を増加させて抵抗を低くし、電圧効率を向上させようとする試みがあるが、ドーピング濃度の増加時ドーパントによって内部光吸収が発生し、光出力が低下する技術的矛盾が発生している。
実施例は、このような技術的課題を解決するために、反射層における第１導電型ドーパントの濃度を光エネルギーの分布モードを考慮して制御することで、電圧効率を向上させながら光出力も向上させることができる技術的効果がある。
具体的に、図４ａを参照すると、前記第１‐３層２２０ｃにおける光エネルギー(E)は、前記第１‐１層２２０ａにおける光エネルギーと前記第１‐２層２２０ｂにおける光エネルギーより高い光エネルギーを有することができる。前記第１‐１層２２０ａは、前記第１‐２層２２０ｂより前記活性領域２３０に隣接するように配置される。
以下の表１は、実施例における第１反射層のAl濃度、屈折率による光エネルギー分布と、各層におけるn型ドーパントのドーピング濃度データである。
Figure 0007411974000001
このとき、前記第１反射層２２０が第１導電型ドーパントを含む場合、前記第１‐３層２２０ｃの第１導電型ドーパントの濃度は、前記第１‐１層２２０ａ及び第１‐２層２２０ｂの第１導電型ドーパントの濃度より低い濃度を有することができる。
実施例によれば、光エネルギーが相対的に高い第１‐３層２２０ｃ領域に第１導電型ドーパントを相対的に低くドーピングすることで、ドーパントによる光吸収を最小化して光出力も向上させることができるので、光出力と電圧効率を同時に向上させることができる、面発光レーザ素子及びこれを含む発光装置を提供できる特有の技術的効果がある。
また、実施例の第１反射層２２０は、前記第１‐２層２２０ｂの一側に配置され、第４濃度のアルミニウム濃度を有する第１‐４層２２０ｄをさらに含むことができる。前記第１‐４層２２０ｄは、前記第１‐２層２２０ｂよりも活性領域２３０から離隔して配置される。
このとき、前記第１‐４層２２０ｄにおける光エネルギーは、前記第１‐１層２２０ａにおける光エネルギーと前記第１‐２層２２０ｂにおける光エネルギーより低い。これによって、第１‐４層２２０ｄにおける光エネルギーは、第１‐１層２２０ａにおける光エネルギー、第１‐２層２２０ｂにおける光エネルギー及び第１‐３層２２０ｃにおける光エネルギーより低い。
実施例において、前記第１‐４層２２０ｄの第１導電型ドーパントの濃度は、前記第１‐１層２２０ａ及び第１‐２層２２０ｂの第１導電型ドーパントの濃度より高く制御することができる。
例えば、第１反射層２２０がAlxGa(1-x)As(0<x<1)を含む場合、第１‐１層２２０ａがAl0.12Ga0.88Asであり、第１‐２層２２０ｂがAl0.88Ga0.12Asである場合、第１‐４層２２０ｄはAlx4Ga(1-x4)As(0.12≦X4≦0.88、X4は0.12から0.88に増加)である。
このとき、前記第１‐４反射層２２０ｄにおける光エネルギーは、前記第１‐１層２２０ａにおける光エネルギーと前記第１‐２層２２０ｂにおけるそれぞれの光エネルギーより低い。
実施例は、前記第１‐４層２２０ｄの第１導電型ドーパントの濃度を前記第１‐１層２２０ａ及び第１‐３層２２０ｃの第１導電型ドーパントの濃度より高く制御することで、低い光エネルギー領域である第１‐４層２２０ｄにおけるドーパントの濃度を最大に制御することで、抵抗改善により電圧効率を向上させると共に、ドーパントによる光吸収を最小化して光出力を向上させることができる特有の技術的効果がある。
図４ｂは、実施例に係る面発光レーザ素子におけるAlの濃度、ドーパント(Si、C)のドーピング濃度データである。
図４ｂにおいて、横軸は第２反射層から第１反射層方向への距離であり、縦軸は各Alの濃度、ドーパント(Si、C)のドーピング濃度データである。
実施例によれば、第１ドーパントであるSiがドーピングされる第１反射層２２０は、第１アルミニウム濃度を有する第１‐１層２２０ａと、前記第１アルミニウム濃度より高い第２アルミニウム濃度を有し、前記第１‐１層２２０ａの一側に配置される第１‐２層２２０ｂと、前記第１アルミニウム濃度から前記第２アルミニウム濃度に変化する第３アルミニウム濃度を有し、前記第１‐１層２２０ａと前記第１‐２層２２０ｂとの間に配置される第１‐３層２２０ｃを含むことができる。
このとき、前記第１‐１層２２０ａや前記第１‐２層２２０ｂのAlの濃度は、固定値を有するのではなく、所定のレンジ範囲のAlの濃度値を有することができる。
また、第１導電型ドーパントであるSiのドーパントの濃度や第２導電型ドーパントであるCのドーパントの濃度も、その上限値や下限値も特定固定値を有するのではなく、その上限または下限は特定範囲のレンジ値を有することができる。
次に、図４ｃは、実施例に係る面発光レーザ素子における屈折率(n)の第２分布データである。
図４ｄは、図４ｃに示された実施例に係る面発光レーザ素子の第１反射層２２０の第２領域Ｂ２に対する屈折率(n)の第２データであり、図４ｅは、第２反射層２５０の第３領域Ｐに対する屈折率(n)の第３データである。
まず、図４ｄを参照すると、実施例において、第１反射層２２０は、第１グループ第１反射層２２１及び第２グループ第１反射層２２２を含むことができる。
このとき、前記第１グループ第１反射層２２１は複数の層を含むことができ、例えば第１‐１反射層２２１ｐ、第１‐２反射層２２１ｑ、第１‐３反射層２２１ｒ及び第１‐４反射層２２１ｓを含むことができる。
実施例において、第１グループ第１反射層２２１は、第１‐１反射層２２１ｐ～第１‐４反射層２２１ｓを１つのペア(pair)とする場合、複数のペアを含むことができる。例えば、実施例において、第１グループ第１反射層２２１は、第１‐１反射層２２１ｐ～第１‐４反射層２２１ｓの約３０～４０ペア(pair)を含むことができる。
また、前記第２グループ第１反射層２２２は複数の層を含むことができ、例えば第１‐５反射層２２２ｐ、第１‐６反射層２２２ｑ、第１‐７反射層２２２ｒ及び第１‐８反射層２２２ｓを含むことができる。
また、第２グループ第１反射層２２２も、第１‐５反射層２２２ｐ～第１‐８反射層２２２ｓを１つのペア(pair)とする場合、複数のペアを含むことができる。例えば、実施例において、第２グループ第１反射層２２２は、第１‐５反射層２２２ｐ～第１‐８反射層２２２ｓを１つのペア(pair)とする場合、約５～１５ペア(pair)を含むことができる。
従来のVCSEL構造では、隣接するDBR層の間の界面(interface)でエネルギーバンドの曲がり(Energy Band Bending)によって電場(Electric Field)の発生によってキャリア障壁(barrier)が発生し、光出力が低下する問題がある。
ここで、実施例の技術的課題の１つは、反射層における電場発生によるキャリア障壁の影響を最小化して、光出力を向上させることができる、面発光レーザ素子及びこれを含む発光装置を提供することにある。
図４ｄを参照すると、実施例において、前記第１グループ第１反射層２２１は、第１‐１反射層２２１ｐ、第１‐２反射層２２１ｑ、第１‐３反射層２２１ｒ及び第１‐４反射層２２１ｓを含むことができ、各層は相互異なる屈折率を有することができる。
例えば、前記第１グループ第１反射層２２１は、第１屈折率を有する第１‐１反射層２２１ｐと、前記第１屈折率より低い第２屈折率を有し、前記第１‐１反射層２２１ｐの一側に配置される第１‐２反射層２２１ｑと、前記第１屈折率と前記第２屈折率の間の第３屈折率を有し、前記第１‐１反射層２２１ｐと第１‐２反射層２２１ｑとの間に配置される第１‐３反射層２２１ｒを含むことができる。
例えば、前記第１グループ第１反射層２２１は、第１アルミニウム濃度を有する第１‐１反射層２２１ｐと、前記第１アルミニウム濃度より高い第２アルミニウム濃度を有し、前記第１‐１反射層２２１ｐの一側に配置される第１‐２反射層２２１ｑと、前記第１アルミニウム濃度から前記第２アルミニウム濃度に変化する第３アルミニウム濃度を有し、前記第１‐１反射層２２１ｐと前記第１‐２反射層２２１ｑとの間に配置される第１‐３反射層２２１ｒを含むことができる。
例えば、第１グループ第１反射層２２１がAlxGa(1-x)As(0<x<1)を含む場合、第１‐１反射層２２１ｐがAl0.12Ga0.88Asからなることができ、第１‐２反射層２２１ｑはAl0.88Ga0.12Asからなることができ、第１‐３反射層２２１ｒはAlx3Ga(1-x3)As(0.12≦X3≦0.88)からなることができるが、これに限定されるものではない。
また、前記第１グループ第１反射層２２１は、前記第１‐２反射層２２１ｑの外側に配置され、第１アルミニウム濃度から前記第２アルミニウム濃度に変化する第４アルミニウム濃度を有する第１‐４反射層２２１ｓをさらに含むことができる。
例えば、第１グループ第１反射層２２１がAlxGa(1-x)As(0<x<1)を含む場合、第１‐４反射層２２１ｓはAlx4Ga(1-x4)As(0.12≦X4≦0.88)からなることができるが、これに限定されるものではない。
これによって、実施例によれば、隣接した第１‐１反射層２２１ｐと第１‐２反射層２２１ｑとの間に中間領域のアルミニウム濃度を有する第１‐３反射層２２１ｒまたは第１‐４反射層２２１ｓを備えることで、隣接した反射層の間の界面(interface)でエネルギーバンドの曲がり(Energy Band Bending)による電場(Electric Field)の発生を最小化してキャリア障壁(barrier)を低くすることで、光出力を向上させることができる技術的効果がある。
これによって、実施例によれば、反射層における電場発生によるキャリア障壁の影響を最小化して、光出力を向上させることができる、面発光レーザ素子及びこれを含む発光装置を提供することができる。
また、実施例において、前記第１‐２反射層２２１ｑの厚さは、前記第１‐１反射層２２１ｐの厚さより厚い厚さを有することができる。また、前記第１‐１反射層２２１ｐまたは前記第１‐２反射層２２１ｑの厚さは、前記第１‐３反射層２２１ｒまたは前記第１‐４反射層２２１ｓの厚さより厚い厚さを有することができる。
このとき、第１‐２反射層２２１ｑの第２アルミニウム濃度は、第１‐１反射層２２１ｐの第１アルミニウム濃度より高い濃度を有することができる。また、第１‐１反射層２２１ｐの第１アルミニウム濃度は、第１‐３反射層２２１ｒの第３アルミニウム濃度または第１‐４反射層２２１ｓの第４アルミニウム濃度より高い濃度を有することができる。
これによって、アルミニウム濃度が相対的に高い第１‐２反射層２２１ｑの厚さが前記第１‐１反射層２２１ｐの厚さより厚いので、格子品質を向上させて光出力に寄与することができる。
また、アルミニウム濃度が相対的に高い第１‐１反射層２２１ｐの厚さが前記第１‐３反射層２２１ｒまたは第１‐４反射層２２１ｓの厚さより厚いので、格子品質を向上させて光出力に寄与することができる。
例えば、前記第１‐２反射層２２１ｑの厚さは、約５０～５５nmの厚さを有することができ、前記第１‐１反射層２２１ｐの厚さは、約４０～４５nmの厚さを有することができ、アルミニウム濃度が相対的に高い第１‐２反射層２２１ｑの厚さが前記第１‐１反射層２２１ｐの厚さより厚いので、格子品質を向上させて光出力に寄与することができる。
また、前記第１‐３反射層２２１ｒの厚さは、約２２～２７nmの厚さを有することができ、前記第１‐４反射層２２１ｓの厚さは、約２２～２７nmの厚さを有することができ、アルミニウム濃度が相対的に高い第１‐２反射層２２１ｑ、第１‐１反射層２２１ｐの厚さが第１‐３反射層２２１ｒ、第１‐４反射層２２１ｓより厚いので、格子品質を向上させて光出力に寄与することができる。
続いて、図４ｄを参照すると、実施例において、前記第２グループ第１反射層２２２は、第１‐５反射層２２２ｐ、第１‐６反射層２２２ｑ、第１‐７反射層２２２ｒ及び第１‐８反射層２２２ｓを含むことができ、各層は相互異なる屈折率を有することができる。
例えば、前記第２グループ第１反射層２２２は、第５屈折率を有する第１‐５反射層２２２ｐと、前記第５屈折率より低い第６屈折率を有し、前記第１‐５反射層２２２ｐの一側に配置される第１‐６反射層２２２ｑと、前記第５屈折率と前記第６屈折率の間の第７屈折率を有し、前記第１‐５反射層２２２ｐと第１‐６反射層２２２ｑとの間に配置される第１‐７反射層２２２ｒを含むことができる。
例えば、前記第２グループ第１反射層２２２は、第５アルミニウム濃度を有する第１‐５反射層２２２ｐと、前記第５アルミニウム濃度より高い第６アルミニウム濃度を有し、前記第１‐５反射層２２２ｐの一側に配置される第１‐６反射層２２２ｑと、前記第５アルミニウム濃度から前記第６アルミニウム濃度に変化する第７アルミニウム濃度を有し、前記第１‐５反射層２２２ｐと前記第１‐６反射層２２２ｑとの間に配置される第１‐７反射層２２２ｒを含むことができる。
例えば、第２グループ第１反射層２２２がAlxGa(1-x)As(0<x<1)を含む場合、第１‐５反射層２２２ｐがAl0.12Ga0.88Asからなることができ、第１‐６反射層２２２ｑはAl0.88Ga0.12Asからなることができ、第１‐７反射層２２２ｒはAlx3Ga(1-x3)As(0.12≦X3≦0.88)からなることができるが、これに限定されるものではない。
また、前記第２グループ第１反射層２２２は、前記第１‐６反射層２２２ｑの外側に配置され、第５アルミニウム濃度から前記第６アルミニウム濃度に変化する第８アルミニウム濃度を有する第１‐８反射層２２２ｓをさらに含むことができる。
例えば、第２グループ第１反射層２２２がAlxGa(1-x)As(0<x<1)を含む場合、第１‐８反射層２２２ｓはAlx4Ga(1-x4)As(0.12≦X4≦0.88)からなることができるが、これに限定されるものではない。
これによって、実施例によれば、隣接した第１‐５反射層２２２ｐと第１‐６反射層２２２ｑとの間に中間領域のアルミニウム濃度を有する第１‐７反射層２２２ｒまたは第１‐８反射層２２２ｓを備えることで、隣接した反射層の間の界面(interface)でエネルギーバンドの曲がり(Energy Band Bending)による電場(Electric Field)の発生を最小化してキャリア障壁(barrier)を低くすることで、光出力を向上させることができる技術的効果がある。
これによって、実施例によれば、反射層における電場発生によるキャリア障壁の影響を最小化して、光出力を向上させることができる、面発光レーザ素子及びこれを含む発光装置を提供することができる。
また、実施例において、前記第１‐６反射層２２２ｑの厚さは、前記第１‐５反射層２２２ｐの厚さより厚い厚さを有することができる。また、前記第１‐５反射層２２２ｐまたは前記第１‐６反射層２２２ｑの厚さは、前記第１‐７反射層２２２ｒまたは前記第１‐８反射層２２２ｓの厚さより厚い厚さを有することができる。
このとき、第１‐６反射層２２２ｑの第６アルミニウム濃度は、第１‐５反射層２２２ｐの第５アルミニウム濃度より高い濃度を有することができる。また、第１‐５反射層２２２ｐの第５アルミニウム濃度は、第１‐７反射層２２２ｒの第７アルミニウム濃度または第１‐８反射層２２２ｓの第８アルミニウム濃度より高い濃度を有することができる。
これによって、アルミニウム濃度が相対的に高い第１‐６反射層２２２ｑの厚さが前記第１‐５反射層２２２ｐの厚さより厚いので、格子品質を向上させて光出力に寄与することができる。
また、アルミニウム濃度が相対的に高い第１‐５反射層２２２ｐの厚さが前記第１‐７反射層２２２ｒまたは第１‐８反射層２２２ｓの厚さより厚いので、格子品質を向上させて光出力に寄与することができる。
例えば、前記第１‐６反射層２２２ｑの厚さは、約５０～５５nmの厚さを有することができ、前記第１‐５反射層２２２ｐの厚さは、約４０～４５nmの厚さを有することができ、アルミニウム濃度が相対的に高い第１‐６反射層２２２ｑの厚さが前記第１‐５反射層２２２ｐの厚さより厚いので、格子品質を向上させて光出力に寄与することができる。
また、前記第１‐７反射層２２２ｒの厚さは、約２２～２７nmの厚さを有することができ、前記第１‐８反射層２２２ｓの厚さは、約２２～２７nmの厚さを有することができ、アルミニウム濃度が相対的に高い第１‐６反射層２２２ｑ、第１‐５反射層２２２ｐの厚さが第１‐７反射層２２２ｒ、第１‐８反射層２２２ｓより厚いので、格子品質を向上させて光出力に寄与することができる。
次の実施例の技術的課題の１つは、反射層における電場発生によるキャリア障壁の影響を最小化して、光出力を向上させることができる、面発光レーザ素子及びこれを含む発光装置を提供することにある。
図３を再参照すると、実施例に係る面発光レーザ素子において位置による光エネルギー(E)分布を知ることができるが、活性領域２３０から相対的に離隔するほど光エネルギー分布が低くなり、実施例は光エネルギー分布を考慮して、前記第１グループ第１反射層２２１における第１導電型ドーパントの濃度を前記第２グループ第１反射層２２２におけるドーパントの濃度より高く制御することができる。
例えば、実施例は、前記第１グループ第１反射層２２１におけるドーパントの濃度は、約２.００Ｅ１８を有することができ、前記第２グループ第１反射層２２２では、約１.００Ｅ１８に制御することができる。実施例において、濃度単位Ｅ１８は１０１８(atoms/cm3)を意味することができる。例えば、濃度１.００Ｅ１８は１.００X１０１８(atoms/cm3)を意味することができ、濃度１.００Ｅ１７は１.００X１０１７(atoms/cm3)を意味することができる。
実施例でn型ドーパントは、Si(Silicone)からなることができるが、これに限定されるものではない。
これによって、実施例は、光エネルギー分布が相対的に高い前記第２グループ第１反射層２２２における第１導電型ドーパントの濃度を前記第１グループ第１反射層２２１におけるドーパントの濃度より低く制御して、光エネルギーが相対的に低い第１グループ第１反射層２２１領域に、第１導電型ドーパントを相対的に高くドーピングすることで、第２グループ第１反射層２２２ではドーパントによる光吸収を最小化して光出力を向上させると共に、第１グループ第１反射層２２１では相対的に高いドーパントによる抵抗改善により電圧効率を向上させて、光出力と電圧効率を同時に向上させることができる、面発光レーザ素子及びこれを含む発光装置を提供できる特有の技術的効果がある。
次に、図４ｅは、図４ｃに示された実施例に係る面発光レーザ素子の第２反射層２５０の第３領域Ｐに対する屈折率(n)の第３データである。
図４ｅを参照すると、実施例において、第２反射層２５０は、第１グループ第２反射層２５１及び第２グループ第２反射層２５２を含むことができる。
このとき、前記第１グループ第２反射層２５１は複数の層を含むことができ、例えば第２‐１反射層２５１ｐ、第２‐２反射層２５１ｑ、第２‐３反射層２５１ｒ及び第２‐４反射層２５１ｓを含むことができる。
実施例において、第１グループ第２反射層２５１は、第２‐１反射層２５１ｐ～第２‐４反射層２５１ｓを１つのペア(pair)とする場合、複数のペアを含むことができる。例えば、実施例において、第１グループ第２反射層２５１は、第２‐１反射層２５１ｐ～第２‐４反射層２５１ｓの約２～５ペア(pair)を含むことができる。
また、前記第２グループ第２反射層２５２は複数の層を含むことができ、例えば第２‐５反射層２５２ｐ、第２‐６反射層２５２ｑ、第２‐７反射層２５２ｒ及び第２‐８反射層２５２ｓを含むことができる。
前記第２グループ第２反射層２５２も、第２‐５反射層２５２ｐ～第２‐８反射層２５２ｓを１つのペア(pair)とする場合、複数のペアを含むことができる。例えば、実施例において、第２グループ第２反射層２５２は、第２‐５反射層２５２ｐ～第２‐８反射層２５２ｓを１つの１つのペア(pair)とする場合、約１０～２０ペア(pair)を含むことができる。
実施例の技術的課題の１つは、反射層における電場発生によるキャリア障壁の影響を最小化して、光出力を向上させることができる、面発光レーザ素子及びこれを含む発光装置を提供することにある。
図４ｅを参照すると、実施例において、前記第１グループ第２反射層２５１は、第２‐１反射層２５１ｐ、第２‐２反射層２５１ｑ、第２‐３反射層２５１ｒ及び第２‐４反射層２５１ｓを含むことができ、各層は相互異なる屈折率を有することができる。
例えば、前記第１グループ第２反射層２５１は、第１屈折率を有する第２‐１反射層２５１ｐと、前記第１屈折率より低い第２屈折率を有し、前記第２‐１反射層２５１ｐの一側に配置される第２‐２反射層２５１ｑと、前記第１屈折率と前記第２屈折率の間の第３屈折率を有し、前記第２‐１反射層２５１ｐと第２‐２反射層２５１ｑとの間に配置される第２‐３反射層２５１ｒを含むことができる。
例えば、前記第１グループ第２反射層２５１は、第１アルミニウム濃度を有する第２‐１反射層２５１ｐと、前記第１アルミニウム濃度より高い第２アルミニウム濃度を有し、前記第２‐１反射層２５１ｐの一側に配置される第２‐２反射層２５１ｑと、前記第１アルミニウム濃度から前記第２アルミニウム濃度に変化する第３アルミニウム濃度を有し、前記第２‐１反射層２５１ｐと前記第２‐２反射層２５１ｑとの間に配置される第２‐３反射層２５１ｒを含むことができる。
例えば、第１グループ第２反射層２５１がAlxGa(1-x)As(0<x<1)を含む場合、第２‐１反射層２５１ｐがAl0.12Ga0.88Asからなることができ、第２‐２反射層２５１ｑはAl0.88Ga0.12Asからなることができ、第２‐３反射層２５１ｒはAlx3Ga(1-x3)As(0.12≦X3≦0.88)からなることができるが、これに限定されるものではない。
また、前記第１グループ第２反射層２５１は、前記第２‐２反射層２５１ｑの外側に配置され、第１アルミニウム濃度から前記第２アルミニウム濃度に変化する第４アルミニウム濃度を有する第２‐４反射層２５１ｓをさらに含むことができる。
例えば、第１グループ第２反射層２５１がAlxGa(1-x)As(0<x<1)を含む場合、第２‐４反射層２５１ｓはAlx4Ga(1-x4)As(0.12≦X4≦0.88)からなることができるが、これに限定されるものではない。
これによって、実施例によれば、隣接した第２‐１反射層２５１ｐと第２‐２反射層２５１ｑとの間に中間領域のアルミニウム濃度を有する第２‐３反射層２５１ｒまたは第２‐４反射層２５１ｓを備えることで、隣接した反射層の間の界面(interface)でエネルギーバンドの曲がり(Energy Band Bending)による電場(Electric Field)の発生を最小化してキャリア障壁(barrier)を低くすることで、光出力を向上させることができる技術的効果がある。
これによって、実施例によれば、反射層における電場発生によるキャリア障壁の影響を最小化して、光出力を向上させることができる、面発光レーザ素子及びこれを含む発光装置を提供することができる。
また、実施例において、前記第２‐２反射層２５１ｑの厚さは、前記第２‐１反射層２５１ｐの厚さより厚い厚さを有することができる。また、前記第２‐１反射層２５１ｐまたは前記第２‐２反射層２５１ｑの厚さは、前記第２‐３反射層２５１ｒまたは前記第２‐４反射層２５１ｓの厚さより厚い厚さを有することができる。
このとき、第２‐２反射層２５１ｑの第２アルミニウム濃度は、第２‐１反射層２５１ｐの第１アルミニウム濃度より高い濃度を有することができる。また、第２‐１反射層２５１ｐの第１アルミニウム濃度は、第２‐３反射層２５１ｒの第３アルミニウム濃度または第２‐４反射層２５１ｓの第４アルミニウム濃度より高い濃度を有することができる。
これによって、アルミニウム濃度が相対的に高い第２‐２反射層２５１ｑの厚さが前記第２‐１反射層２５１ｐの厚さより厚いので、格子品質を向上させて光出力に寄与することができる。
また、アルミニウム濃度が相対的に高い第２‐１反射層２５１ｐの厚さが前記第２‐３反射層２５１ｒまたは第２‐４反射層２５１ｓの厚さより厚いので、格子品質を向上させて光出力に寄与することができる。
例えば、前記第２‐２反射層２５１ｑの厚さは、約５０～５５nmの厚さを有することができ、前記第２‐１反射層２５１ｐの厚さは、約２６～３２nmの厚さを有することができ、アルミニウム濃度が相対的に高い第２‐２反射層２５１ｑの厚さが前記第２‐１反射層２５１ｐの厚さより厚いので、格子品質を向上させて光出力に寄与することができる。
また、前記第２‐３反射層２５１ｒの厚さは、約２２～２７nmの厚さを有することができ、前記第２‐４反射層２５１ｓの厚さは、約２２～２７nmの厚さを有することができ、アルミニウム濃度が相対的に高い第２‐２反射層２５１ｑ、第２‐１反射層２５１ｐの厚さが第２‐３反射層２５１ｒ、第２‐４反射層２５１ｓより厚いので、格子品質を向上させて光出力に寄与することができる。
続いて、図４ｅを参照すると、実施例において、前記第２グループ第２反射層２５２は、第２‐５反射層２５２ｐ、第２‐６反射層２５２ｑ、第２‐７反射層２５２ｒ及び第２‐８反射層２５２ｓを含むことができ、各層は相互異なる屈折率を有することができる。
例えば、前記第２グループ第２反射層２５２は、第５屈折率を有する第２‐５反射層２５２ｐと、前記第５屈折率より低い第６屈折率を有し、前記第２‐５反射層２５２ｐの一側に配置される第２‐６反射層２５２ｑと、前記第５屈折率と前記第６屈折率の間の第７屈折率を有し、前記第２‐５反射層２５２ｐと第２‐６反射層２５２ｑとの間に配置される第２‐７反射層２５２ｒを含むことができる。
例えば、前記第２グループ第２反射層２５２は、第５アルミニウム濃度を有する第２‐５反射層２５２ｐと、前記第５アルミニウム濃度より高い第６アルミニウム濃度を有し、前記第２‐５反射層２５２ｐの一側に配置される第２‐６反射層２５２ｑと、前記第５アルミニウム濃度から前記第６アルミニウム濃度に変化する第７アルミニウム濃度を有し、前記第２‐５反射層２５２ｐと前記第２‐６反射層２５２ｑとの間に配置される第２‐７反射層２５２ｒを含むことができる。
例えば、第２グループ第２反射層２５２がAlxGa(1-x)As(0<x<1)を含む場合、第２‐５反射層２５２ｐがAl0.12Ga0.88Asからなることができ、第２‐６反射層２５２ｑはAl0.88Ga0.12Asからなることができ、第２‐７反射層２５２ｒはAlx3Ga(1-x3)As(0.12≦X3≦0.88)からなることができるが、これに限定されるものではない。
また、前記第２グループ第２反射層２５２は、前記第２‐６反射層２５２ｑの外側に配置され、第５アルミニウム濃度から前記第６アルミニウム濃度に変化する第８アルミニウム濃度を有する第２‐８反射層２５２ｓをさらに含むことができる。
例えば、第２グループ第２反射層２５２がAlxGa(1-x)As(0<x<1)を含む場合、第２‐８反射層２５２ｓはAlx4Ga(1-x4)As(0.12≦X4≦0.88)からなることができるが、これに限定されるものではない。
これによって、実施例によれば、隣接した第２‐５反射層２５２ｐと第２‐６反射層２５２ｑとの間に中間領域のアルミニウム濃度を有する第２‐７反射層２５２ｒまたは第２‐８反射層２５２ｓを備えることで、隣接した反射層の間の界面(interface)でエネルギーバンドの曲がり(Energy Band Bending)による電場(Electric Field)の発生を最小化してキャリア障壁(barrier)を低くすることで、光出力を向上させることができる技術的効果がある。
これによって、実施例によれば、反射層における電場発生によるキャリア障壁の影響を最小化して、光出力を向上させることができる、面発光レーザ素子及びこれを含む発光装置を提供することができる。
また、実施例において、前記第２‐６反射層２５２ｑの厚さは、前記第２‐５反射層２５２ｐの厚さより厚い厚さを有することができる。また、前記第２‐５反射層２５２ｐまたは前記第２‐６反射層２５２ｑの厚さは、前記第２‐７反射層２５２ｒまたは前記第２‐８反射層２５２ｓの厚さより厚い厚さを有することができる。
このとき、第２‐６反射層２５２ｑの第６アルミニウム濃度は、第２‐５反射層２５２ｐの第５アルミニウム濃度より高い濃度を有することができる。また、第２‐５反射層２５２ｐの第５アルミニウム濃度は、第２‐７反射層２５２ｒの第７アルミニウム濃度または第２‐８反射層２５２ｓの第８アルミニウム濃度より高い濃度を有することができる。
これによって、アルミニウム濃度が相対的に高い第２‐６反射層２５２ｑの厚さが前記第２‐５反射層２５２ｐの厚さより厚いので、格子品質を向上させて光出力に寄与することができる。
また、アルミニウム濃度が相対的に高い第２‐５反射層２５２ｐの厚さが前記第２‐７反射層２５２ｒまたは第２‐８反射層２５２ｓの厚さより厚いので、格子品質を向上させて光出力に寄与することができる。
例えば、前記第２‐６反射層２５２ｑの厚さは、約５０～５５nmの厚さを有することができ、前記第２‐５反射層２５２ｐの厚さは、約４０～４５nmの厚さを有することができ、アルミニウム濃度が相対的に高い第２‐６反射層２５２ｑの厚さが前記第２‐５反射層２５２ｐの厚さより厚いので、格子品質を向上させて光出力に寄与することができる。
また、前記第２‐７反射層２５２ｒの厚さは、約２２～２７nmの厚さを有することができ、前記第２‐８反射層２５２ｓの厚さは、約２２～２７nmの厚さを有することができ、アルミニウム濃度が相対的に高い第２‐６反射層２５２ｑ、第２‐５反射層２５２ｐの厚さが第２‐７反射層２５２ｒ、第２‐８反射層２５２ｓより厚いので、格子品質を向上させて光出力に寄与することができる。
次の実施例の技術的課題の１つは、反射層における電場発生によるキャリア障壁の影響を最小化して、光出力を向上させることができる、面発光レーザ素子及びこれを含む発光装置を提供することにある。
図３を再参照すると、実施例に係る面発光レーザ素子において位置による光エネルギー(E)分布を知ることができるが、活性領域２３０から相対的に離隔するほど光エネルギー分布が低くなり、実施例は光エネルギー分布を考慮して、前記第１グループ第２反射層２５１における第１導電型ドーパントの濃度を前記第２グループ第２反射層２５２におけるドーパントの濃度より低く制御することができる。
例えば、実施例は、前記第１グループ第２反射層２５１におけるドーパントの濃度は、約７.００Ｅ１７～１.５０Ｅ１８を有することができ、前記第２グループ第２反射層２５２では、約１.００Ｅ１８～３.００Ｅ１８に制御することができる。実施例において、濃度単位１.００Ｅ１８は１.００X１０１８(atoms/cm3)を意味することができる。実施例でp型ドーパントはC(Carbon)からなることができるが、これに限定されるものではない。
これによって、実施例は、前記第２グループ第２反射層２５２における第２導電型ドーパントの濃度を前記第１グループ第２反射層２５１におけるドーパントの濃度より高く制御して、光エネルギーが相対的に高い第１グループ第２反射層２５１領域に、第２導電型ドーパントを相対的に低くドーピングすることで、第１グループ第２反射層２５１ではドーパントによる光吸収を最小化して光出力を向上させると共に、第２グループ第２反射層２５２では相対的に高いドーパントによる抵抗改善により電圧効率を向上させて、光出力と電圧効率を同時に向上させることができる、面発光レーザ素子及びこれを含む発光装置を提供できる特有の技術的効果がある。
また、従来技術によれば、定常波(Standing wave)がDBRと界面(interference)で、このようなドーパントによって吸収される可能性がある。これによって、実施例は、定常波の光学的反射度(optical power reflectance)が一番小さい節の位置(node position)では多くのドーピングを行って抵抗を最小化し、腹の位置(antinode position)ではできるだけ低いドーピングを行うことで、光吸収を最小化できる技術的効果がある。前記節の位置は、各層の屈折率が上昇または下降して変化する地点を意味することができる。
続いて、図４ｅを参照すると、前記第１グループ第２反射層２５１において、第２‐１反射層２５１ｐと第２‐２反射層２５１ｑの屈折率は、上点または下点に変化しない腹の位置であってもよい。また、前記第１グループ第２反射層２５１において、第２‐３反射層２５１ｒと第２‐４反射層２５１ｓの屈折率は、上昇または下降して変化する節の位置であってもよい。
これによって、実施例において、第２‐３反射層２５１ｒまたは第２‐４反射層２５１ｓの第２導電型ドーパントの濃度は、第２‐１反射層２５１ｐまたは第２‐２反射層２５１ｑの第２導電型ドーパントの濃度より高く制御することができる。
例えば、第２‐３反射層２５１ｒまたは第２‐４反射層２５１ｓの第２導電型ドーパントの濃度は、約１.００Ｅ１８～１.５０Ｅ１８を有することができ、第２‐１反射層２５１ｐまたは第２‐２反射層２５１ｑの第２導電型ドーパントの濃度は、約６.００Ｅ１７～８.００Ｅ１７を有することができる。
これによって、定常波の光学的反射度(optical power reflectance)が低い節の位置(node position)の第２‐３反射層２５１ｒまたは第２‐４反射層２５１ｓでは多くのドーピングを行って抵抗を最小化し、腹の位置(antinode position)の第２‐１反射層２５１ｐまたは第２‐２反射層２５１ｑでは低いドーピングを行うことで、光吸収を最小化できる複合的な技術的効果がある。
また、実施例において、節の位置である第２‐３反射層２５１ｒまたは第２‐４反射層２５１ｓのうち活性領域２３０から離れる方向に屈折率が増加する節の位置である第２‐４反射層２５１ｓの第２導電型ドーパントの濃度を屈折率が減少する節の位置である第２‐３反射層２５１ｒの第２導電型ドーパントの濃度より高く制御することができる。
これによって、光学的反射度が相対的に低い屈折率が増加する節の位置である第２‐４反射層２５１ｓの第２導電型ドーパントの濃度を高く制御して、電気的特性を改善することができる。
例えば、第２‐４反射層２５１ｓの第２導電型ドーパントの濃度は、約１.５０Ｅ１８を有することができ、第２‐３反射層２５１ｒの第２導電型ドーパントの濃度は、約１.００Ｅ１８を有することができ、光学的反射度が相対的に低い第２‐４反射層２５１ｓの第２導電型ドーパントの濃度を高く制御して、電気的特性を改善することができる。
続いて、図４ｅを参照すると、前記第２グループ第２反射層２５２において、第２‐５反射層２５２ｐと第２‐６反射層２５２ｑの屈折率は、上点または下点に変化しない腹の位置であってもよい。また、前記第２グループ第２反射層２５２において、第２‐７反射層２５２ｒと第２‐８反射層２５２ｓの屈折率は、上昇または下降して変化する節の位置であってもよい。
実施例は第２‐７反射層２５２ｒまたは第２‐８反射層２５２ｓの第２導電型ドーパントの濃度は、第２‐５反射層２５２ｐまたは第２‐６反射層２５２ｑの第２導電型ドーパントの濃度より高く制御することができる。
例えば、第２‐７反射層２５２ｒまたは第２‐８反射層２５２ｓの第２導電型ドーパントの濃度は、約２.００Ｅ１８～３.００Ｅ１８を有することができ、第２‐５反射層２５２ｐまたは第２‐６反射層２５２ｑの第２導電型ドーパントの濃度は、約１.００Ｅ１８～１.５０Ｅ１８を有することができる。
これによって、定常波の光学的反射度(optical power reflectance)が低い節の位置(node position)の第２‐７反射層２５２ｒまたは第２‐８反射層２５２ｓでは多くのドーピングを行って抵抗を最小化し、腹の位置(antinode position)の第２‐５反射層２５２ｐまたは第２‐６反射層２５２ｑでは低いドーピングを行うことで、光吸収を最小化できる複合的な技術的効果がある。
また、実施例において、節の位置である第２‐７反射層２５２ｒまたは第２‐８反射層２５２ｓのうち活性領域２３０から離れる方向に屈折率が増加する節の位置である第２‐８反射層２５２ｓの第２導電型ドーパントの濃度を屈折率が減少する節の位置である第２‐７反射層２５２ｒの第２導電型ドーパントの濃度より高く制御することができる。
これによって、光学的反射度が相対的に低い屈折率が増加する節の位置である第２‐８反射層２５２ｓの第２導電型ドーパントの濃度を高く制御して、電気的特性を改善することができる。
例えば、第２‐８反射層２５２ｓの第２導電型ドーパントの濃度は、約３.００Ｅ１８を有することができ、第２‐７反射層２５２ｒの第２導電型ドーパントの濃度は、約２.００Ｅ１８を有することができ、光学的反射度が相対的に低い第２‐８反射層２５２ｓの第２導電型ドーパントの濃度を高く制御して、電気的特性を改善することができる。
次に、図４ｆは、実施例に係る面発光レーザ素子における第２反射層２５０へのSecondary-ion mass spectrometry(SIMS)データであり、図４ｇは、図４ｆのＰ２領域の拡大図である。
図４ｇを参照すると、実施例の第２反射層２５０は、第１グループの第２反射層２５１と第２グループの反射層２５２を含むことができる。
前記第１グループの第２反射層２５１は、第２グループの反射層２５２より前記活性領域２４０に隣接するように配置される。
実施例において、前記第１グループの第２反射層２５１は、第１アルミニウム濃度を有する第１‐１層２５１ａと、前記第１アルミニウム濃度より高い第２アルミニウム濃度を有し、前記第１‐１層２５１ａの上に配置される第１‐２層２５１ｂと、前記第２アルミニウム濃度から前記第１アルミニウム濃度に減少する第４アルミニウム濃度を有し、前記第１‐２層２５１ｂの上に配置される第１‐４層２５１ｄとを含むことができる。
前記第１‐２層２５１ｂは、前記第１‐１層２５１ａと前記第１‐４層２５１ｄとの間に配置される。このとき、前記第１‐１層２５１ａが前記第１‐２層２５１ｂより前記活性領域２４０に隣接するように配置される。
また、前記第１グループの第２反射層２５１は、前記第１‐２層２５１ｂと前記第１‐４層２５１ｄとの間に配置される第１‐３層２５１ｃを含むことができる。
このとき、前記第２反射層２５０は、第２導電型ドーパント、例えばカーボン(C)を含むことができるが、これに限定されるものではない。
前記第１‐４層２５１ｄの前記第２導電型ドーパントのドーピングレベルは、前記第１‐１層２５１ａと前記第１‐２層２５１ｂの前記第２導電型ドーパントのドーピングレベルより高いドーピングレベルを有することができる。
これによって、定常波の光学的反射度(optical power reflectance)が低い節の位置(node position)である第１‐４層２５１ｄでは多くのドーピングを行って抵抗を最小化して電気的特性を改善することができ、腹の位置(antinode position)である第１‐１層２５１ａ等で低いドーピングを行うことで、光吸収を最小化できる複合的な技術的効果がある。
また、図４ｇを参照すると、実施例において、前記第２グループの第２反射層２５２は、第１アルミニウム濃度を有する第２‐１層２５２ａと、前記第１アルミニウム濃度より高い第２アルミニウム濃度を有し、前記第２‐１層２５２ａの上に配置される第２‐２層２５２ｂと、前記第２アルミニウム濃度から前記第１アルミニウム濃度に減少する第４アルミニウム濃度を有し、前記第２‐２層２５２ｂの上に配置される第２‐４層２５２ｄを含むことができる。
前記第２‐２層２５２ｂは、前記第２‐１層２５２ａと前記第２‐４層２５２ｄの間に配置される。このとき、前記第２‐１層２５２ａが前記第２‐２層２５２ｂより前記活性領域２４０に隣接するように配置される。
また、前記第２グループの第２反射層２５２は、前記第２‐２層２５２ｂと前記第２‐４層２５２ｄとの間に配置される第２‐３層２５２ｃを含むことができる。
前記第２‐４層２５２ｄの前記第２導電型ドーパントのドーピングレベルは、前記第２‐１層２５２ａと前記第２‐２層２５２ｂの前記第２導電型ドーパントのドーピングレベルより高いドーピングレベルを有することができる。
これによって、定常波の光学的反射度(optical power reflectance)が低い節の位置(node position)である第２‐４層２５２ｄでは多くのドーピングを行って抵抗を最小化して電気的特性を改善することができ、腹の位置(antinode position)である第２‐１層２５２ａ等で低いドーピングを行うことで、光吸収を最小化できる複合的な技術的効果がある。
図４ｇを再参照すると、前記第２反射層２５０は、前記第１グループ第２反射層２５１より前記活性領域２４０に隣接するように第３領域Ｐ３に配置された前記第３グループ第２反射層２５３をさらに含むことができる。前記第３領域Ｐ３には、第３グループ第２反射層２５３が２個～３個配置される。
実施例において、前記第３グループ第２反射層２５３の第２導電型ドーパントの平均濃度は、第２領域Ｐ２に配置された前記第１グループ第２反射層２５１の第２導電型ドーパントの平均濃度より低い平均濃度を有することができる。
実施例によれば、活性領域２４０と隣接した第３領域Ｐ３の第３グループ第２反射層２５３には低いドーピングを行うことで、光吸収を最小化すると共に、第３領域Ｐ３より活性領域２４０から遠く離隔した第２領域Ｐ２の第１グループ第２反射層２５１または第２グループ第２反射層２５２には相対的に多くのドーピングを行って抵抗を最小化して電気的特性を改善できる複合的な技術的効果がある。
次に、以下の表２は、従来技術(比較例)と実施例におけるチップ特性のデータである。
実施例によれば、表２のように光出力、電圧特性等が著しく向上することがわかる。
Figure 0007411974000002
次に、図３を参照すると、実施例に係る面発光レーザ素子において位置による光エネルギー分布を知ることができるが、上述したように、活性領域２３０から相対的に離隔するほど光エネルギー分布が低くなり、実施例は光エネルギー分布を考慮して、前記第１グループ第１反射層２２１における第１導電型ドーパントの濃度を前記第２グループ第１反射層２２２におけるドーパントの濃度より高く制御することができる。
例えば、図２を参照すると、実施例において、前記第１反射層２２０は、前記活性領域２３０一側に配置された第１グループ第１反射層２２１及び前記第１グループ第１反射層２２１よりも前記活性領域２３０に近接して配置された第２グループ第１反射層２２２を含むことができる。
このとき、前記活性領域２３０に隣接するように配置された第２グループ第１反射層２２２における光エネルギーが第１グループ第１反射層２２１における光エネルギーより高くなる。
実施例は光エネルギー分布を考慮して、前記第２グループ第１反射層２２２における第１導電型ドーパントの濃度を前記第１グループ第１反射層２２１におけるドーパントの濃度より低く制御して、光エネルギーが相対的に低い第１グループ第１反射層２２１領域に、第１導電型ドーパントを相対的に高くドーピングすることで、第２グループ第１反射層２２２ではドーパントによる光吸収を最小化して光出力を向上させると共に、第１グループ第１反射層２２１では相対的に高いドーパントによる抵抗改善により電圧効率を向上させて、光出力と電圧効率を同時に向上させることができる、面発光レーザ素子及びこれを含む発光装置を提供できる特有の技術的効果がある。
例えば、前記第１グループ第１反射層２２１におけるドーパントの濃度は、約２.００Ｅ１８を有することができ、前記第２グループ第１反射層２２２では、約１.００Ｅ１８を有することができるが、これに限定されるものではない。また、実施例において、前記第２反射層２５０は、前記活性領域２３０に隣接するように配置された第１グループ第２反射層２５１と、前記第１グループ第２反射層２５１よりも前記活性領域２３０から離隔配置された第２グループ第２反射層２５２を含むことができる。
このとき、前記活性領域２３０に隣接するように配置された第１グループ第２反射層２５１における光エネルギーが第２グループ第２反射層２５２における光エネルギーより高くなる。
これによって、実施例は光エネルギー分布を考慮して、前記第１グループ第２反射層２５１での第２導電型ドーパントの濃度が前記第２グループ第２反射層２５２におけるドーパントの濃度より低く制御して、光エネルギーが相対的に低い第２グループ第２反射層２５２領域に第２導電型ドーパントを相対的に高くドーピングすることで、第１グループ第２反射層２５１ではドーパントによる光吸収を最小化して光出力を向上させると共に、第２グループ第２反射層２５２ではドーパントによる抵抗改善により電圧効率を向上させて、光出力と電圧効率を同時に向上させることができる、面発光レーザ素子及びこれを含む発光装置を提供できる特有の技術的効果がある。
<活性領域>
図２を再参照すると、実施例は第１反射層２２０の上に活性領域２３０を含むことができる。
このとき、前記活性領域２３０は、活性層２３２及び前記活性層２３２の下側に配置される第１キャビティ２３１、上側に配置される第２キャビティ２３３を含むことができる。実施例の活性領域２３０は、第１キャビティ２３１と第２キャビティ２３３を両方とも或いはいずれか１つのみを含んでもよい。
前記活性領域２３０は、第１反射層２２０と第２反射層２５０との間に配置される。実施例の活性領域２３０は、単一井戸構造(Single Well Structure)、多重井戸構造、単一量子井戸構造、多重量子井戸(MQW：Multi Quantum Well)構造、量子ドット構造または量子線構造のいずれか１つの活性層２３２を含むことができる。
前記活性層２３２は、III-V族元素の化合物半導体材料を利用して、量子井戸２３２ａと量子障壁２３２ａ、例えば、InGaAs/AlxGaAs、AlGaInP/GaInP、AlGaAs/AlGaAs、AlGaAs/GaAs、GaAs/InGaAs等の１～３ペア構造で形成されるが、これに限定されるものではない。量子井戸２３２ａは、量子障壁２３２ａのエネルギーバンドギャップより小さいエネルギーバンドギャップを有する物質からなることができる。前記活性層２３２には、ドーパントがドーピングされなくてもよい。
前記第１キャビティ２３１と前記第２キャビティ２３３はAlyGa(1-y)As(0<y<1)物質からなることができるが、これに限定されるものではない。例えば、前記第１キャビティ２３１と前記第２キャビティ２３３は、それぞれAlyGa(1-y)Asからなった複数の層を含むことができる。
実施例において、活性領域２３０の上に絶縁領域２４２が配置され、前記絶縁領域２４２によって定義されるアパチャー２４１がある。
前記絶縁領域２４２は、絶縁層、例えばアルミニウム酸化物からなり、電流絶縁領域として作用することができ、中央領域には非絶縁層であるアパチャー２４１が配置される。前記アパチャー２４１と前記絶縁領域２４２は、アパチャー領域２４０と称することができる。
具体的に、前記アパチャー領域２４０は、AlGaAsを含むことができる。このとき、アパチャー領域２４０のAlGaAsがH2Oと反応して縁部がアルミニウム酸化物(Al２O３)に変わることで絶縁領域２４２が形成され、H2Oと反応していない中央領域はAlGaAsからなったアパチャー２４１となることができる。
前記絶縁領域２４２は複数の層を含むことができ、例えば第１絶縁層２４２ａ及び第２絶縁層２４２ｂを含むことができる。前記第１絶縁層２４２ａは、前記第２絶縁層２４２ｂと同一または異なる厚さを有することができる。
実施例によれば、アパチャー２４１を介して活性領域２３０から発光された光を上部領域に放出することができ、絶縁領域２４２に比べてアパチャー２４１の光透過率が優れる。
<第２反射層>
第２反射層２５０は、絶縁領域２４２を含むアパチャー領域２４０の上に配置される。
前記第２反射層２５０は、ガリウム系化合物、例えばAlGaAsを含むことができ、第２反射層２５０は第２導電型ドーパントがドーピングされる。例えば、第２導電型ドーパントは、Mg、Zn、Ca、Sr、Ba等のようなp型ドーパントを含むことができる。一方、第１反射層２２０がp型ドーパントでドーピングされ、第２反射層２５０がn型ドーパントでドーピングされてもよい。
前記第２反射層２５０は、DBR(Distributed Bragg Reflector)からなることができる。例えば、第２反射層２５０は、相互異なる屈折率を有する物質からなった複数の層が交互に少なくとも１回以上積層された構造を有することができる。
第２反射層２５０の各層はAlGaAsを含むことができ、詳しくはAlxGa(1-x)As(0<x<1)の組成式を有する半導体物質からなることができる。ここで、Alが増加すると各層の屈折率は減少し、Gaが増加すると各層の屈折率は増加する。そして、第２反射層２５０の各層の厚さはλ/４nであり、λは活性層から放出される光の波長であり、nは上述した波長の光に対する各層の屈折率である。
このような構造の第２反射層２５０は、９４０nmの波長領域の光に対して９９.９％の反射率を有することができる。
前記第２反射層２５０は、層が交互に積層されてなることができ、第１反射層２２０内における層のペア(pair)数は、第２反射層２５０内における層のペア数より多く、このとき、上述したように、第１反射層２２０の反射率は９９.９９９％程度であるので、第２反射層２５０の反射率である９９.９％より大きい。
実施例において、第２反射層２５０は、前記活性領域２３０に隣接するように配置された第１グループ第２反射層２５１と、前記第１グループ第２反射層２５１より前記活性領域２３０から離隔配置された第２グループ第２反射層２５２を含むことができる。
上述したように、前記第１グループ第２反射層２５１における第１導電型ドーパントの濃度が、前記第２グループ第２反射層２５２におけるドーパントの濃度より低い濃度を有することができる。
例えば、第１グループ第２反射層２５１は、第１グループ第２‐１層２５１ａと第１グループ第２‐２層２５１ｂの約１～５ペア(pair)を含むことができる。前記第１グループ第２‐１層２５１ａは、前記第１グループ第２‐２層２５１ｂより厚く形成されてもよい。例えば、前記第１グループ第２‐１層２５１ａは、約４０～６０nmに形成され、前記第１グループ第２‐２層２５１ｂは、約２０～３０nmに形成される。
また、第２グループ第２反射層２５２も、第２グループ第２‐１層２５２ａと第２グループ第２‐２層２５２ｂの約５～１５ペア(pair)を含むことができる。前記第２グループ第２‐１層２５２ａは、前記第２グループ第２‐２層２５２ｂより厚く形成されてもよい。例えば、前記第２グループ第２‐１層２５２ａは、約４０～６０nmに形成され、前記第２グループ第２‐２層２５２ｂは、約２０～３０nmに形成される。
<第２接触電極、パッシベーション層、第２電極>
図１を参照すると、実施例に係る面発光レーザ素子２００は、アパチャー２４１の周りの領域において、第２反射層２５０から絶縁領域２４２と活性領域２３０までメサエッチングされる。また、第１反射層２２０の一部までメサエッチングされる。
第２反射層２５０の上には、第２接触電極２５５が配置され、第２接触電極２５５の間の領域で第２反射層２５０が露出する領域は、上述した絶縁領域２４２の中央領域のアパチャー２４１と対応する。ここで、アパチャー２４１の幅は、第２接触電極２５５の間の幅より広いまたは狭い幅を有することができる。アパチャー２４１の幅が第２接触電極２５５の間の幅より狭く形成されると、活性領域２３０から放出された光が拡散して透過することがあり、アパチャー２４１の幅が第２接触電極２５５の間の幅より広く形成されると、活性領域２３０から放出された光が収束して透過することができる。第２接触電極２５５は、第２反射層２５０と後述する第２電極２８０の接触特性を向上させることができる。
図１において、メサエッチングされた発光構造物の側面と上部面及び第１反射層２２０の上部面にパッシベーション層２７０が配置される。パッシベーション層２７０は、素子単位で分離した面発光レーザ素子２００の側面にも配置され、面発光レーザ素子２００を保護し、絶縁させることができる。パッシベーション層２７０は、絶縁性物質からなることができ、例えば窒化物または酸化物からなることができる。
パッシベーション層２７０は、発光構造物の上部面における厚さが第２接触電極２５５より薄く、これによって、第２接触電極２５５がパッシベーション層２７０の上部に露出される。露出した第２接触電極２５５と電気的に接触して第２電極２８０が配置され、第２電極２８０はパッシベーション層２７０の上部に延長配置されて、外部から電流を受電することができる。
第２電極２８０は、導電性材料からなることができ、例えば金属を含むことできる。例えば、前記第２電極２８０は、アルミニウム(Al)、チタン(Ti)、クロム(Cr)、ニッケル(Ni)、銅(Cu)、金(Au)の少なくとも１つを含み、単層または多層構造を有することができる。
<製造方法>
以下、図５～図８を参照して、実施例に係る面発光レーザ素子の製造方法を説明することにする。
まず、図５のように、第１基板２１０の上に第１反射層２２０、活性領域２３０及び第２反射層２５０を含む発光構造物を形成する。
前記第１基板２１０は、半導体物質の成長に適合した物質やキャリアウェハーからなることができ、熱伝導率が優れた物質からなることができ、導電性基板または絶縁性基板を含むことができる。
例えば、実施例では、第１基板２１０として第１反射層２２０と同種のGaAs基板を用いることができる。第１基板２１０が第１反射層２２０と同種である時、格子定数が一致するので、第１反射層２２０に格子不整合等の欠陥の発生を防ぐことができる。
前記第１反射層２２０は、相互異なる屈折率を有する物質からなった層が交互に少なくとも１回以上積層された構造を有することができる。
前記第１反射層２２０は、上述したようにDBR構造を有することができるので、AlGaAsが供給されて成長し、このとき、AlとGaの供給量を異なるようにして、上述したようにAlxGa(1-x)As(0<x<1)の組成式を有する半導体物質の第１反射層２２０を成長させることができる。
例えば、第１反射層２２０は、化学蒸着法(CVD)或いは分子線エピタキシー法(MBE)或いはスパッタリング或いはハイドライド気相成長法(HVPE)等の方法を用いて成長させることができる。
前記第１反射層２２０は、第１導電型にドーピングすることができる。例えば、前記第１導電型ドーパントは、Si、Ge、Sn、Se、Te等のようなn型ドーパントを含むことができる。
また、前記第１反射層２２０は、ガリウム系化合物、例えばAlGaAsを含むことができるが、これに限定されるものではない。前記第１反射層２２０は、DBR(Distributed Bragg Reflector)からなることができる。例えば、第１反射層２２０は、相互異なる屈折率を有する物質からなった層が交互に少なくとも１回以上積層された構造を有することができる。
次に、第１反射層２２０の上には活性領域２３０が形成される。
前記活性領域２３０は、活性層２３２及び前記活性層２３２の下側に配置される第１キャビティ２３１、上側に配置される第２キャビティ２３３を含むことができる。実施例の活性領域２３０は、第１キャビティ２３１と第２キャビティ２３３を両方とも或いはいずれか１つのみを含んでもよい。
例えば、前記活性層２３２は、単一井戸構造(Single Well Structure)、多重井戸構造、単一量子井戸構造、多重量子井戸(MQW：Multi Quantum Well)構造、量子ドット構造または量子線構造のいずれか１つを含むことができる。
次に、活性領域２３０の上に予備アパチャー領域２４５が形成される。
前記予備アパチャー領域２４５は、導電性材料からなることができ、詳しくは第１反射層２２０及び第２反射層２５０と同じ材料からなることができるが、これに限定されるものではない。
前記予備アパチャー領域２４５がAlGaAsを含む場合、前記予備アパチャー領域２４５はAlxGa(1-x)As(0<x<1)の組成式を有する半導体物質からなることができ、例えばAl0.98Ga0.02Asの組成式を有することができる。
次に、前記予備アパチャー領域２４５の上に第２反射層２５０が形成される。
前記第２反射層２５０は、第２導電型にドーピングすることができる。前記第２反射層２５０は、ガリウム系化合物、例えばAlGaAsを含むことができるが、これに限定されるものではない。
前記第２反射層２５０は、DBR(Distributed Bragg Reflector)からなることができる。例えば、第２反射層２５０は、相互異なる屈折率を有する物質からなった層が交互に少なくとも１回以上積層された構造を有することができる。例えば、第２反射層２５０はAlGaAsを含むことができ、詳しくはAlxGa(1-x)As(0<x<1)の組成式を有する半導体物質からなることができる。
そして、第２反射層２５０の各層の厚さはλ/４nであり、λは活性領域２３０から発生する光の波長であり、nは上述した波長の光に対する各層の屈折率である。ここで、λは６５０～９８０nmであり、nは各層の屈折率である。このような構造の第２反射層２５０は９４０nmの波長領域の光に対して９９.９９９％の反射率を有することができる。
前記第２反射層２５０は、ガリウム系化合物、例えばAlGaAsを含むことができ、第２反射層２５０は、第２導電型ドーパントがドーピングされる。例えば、第２導電型ドーパントは、Mg、Zn、Ca、Sr、Ba、C等のようなp型ドーパントを含むことができる。一方、第１反射層２２０がp型ドーパントでドーピングされ、第２反射層２５０がn型ドーパントでドーピングされてもよい。
このような構造の第２反射層２５０は、９４０nmの波長領域の光に対して９９.９％の反射率を有することができる。
次に、図６のように、所定のマスク３００を用いて発光構造物をメサエッチングすることができる。このとき、第２反射層２５０から予備アパチャー領域２４５と活性領域２３０までメサエッチングすることができ、第１反射層２２０の一部までメサエッチングすることができる。メサエッチングでは、ICP(inductively coupled plasma)エッチング方法で、周辺領域の第２反射層２５０から予備アパチャー領域２４５と活性領域２３０を除去することができ、メサエッチング領域は側面が傾きを有するようにエッチングされる。
次に、図７のように、予備アパチャー領域の縁部領域を絶縁領域２４２に変化させることができ、例えば湿式酸化(Wet Oxidation)に変化させることができる。
例えば、予備アパチャー領域２４５の縁部領域から酸素を供給すると、予備アパチャー領域のAlGaAsがH2Oと反応してアルミニウム酸化物(Al２O３)が形成される。このとき、反応時間等を調節して、予備アパチャー領域の中央領域は酸素と反応せず、縁部領域のみが酸素と反応してアルミニウム酸化物が形成されるようにする。また、イオン注入(Ion implantation)によって、予備アパチャー領域の縁部領域を絶縁領域２４２に変化させることもできるが、これに限定されるものではない。イオン注入時にはに３００keV以上のエネルギーでフォトン(photon)が供給される。
上述した反応工程の後、アパチャー領域２４０の中央領域は導電性のAlGaAsが配置され、縁部領域には非導電性のAl2O3が配置される。中央領域のAlGaAsは、活性領域２３０から放出される光が上部領域に進行する部分であるので、上述したようにアパチャー２４１ということができる。
次に、図８のように、第２反射層２５０の上に第２接触電極２５５が配置され、第２接触電極２５５の間の領域で第２反射層２５０が露出する領域は、上述したアパチャー領域２４０の中央領域であるアパチャー２４１と対応する。前記第２接触電極２５５は第２反射層２５０と後述する第２電極２８０の接触特性を向上させることができる。
次に、第２接触電極２５５の上に配置されるパッシベーション層２７０は、発光構造物の上部面における厚さが第２接触電極２５５より薄く、このとき、第２接触電極２５５がパッシベーション層２７０の上部に露出される。
前記パッシベーション層２７０は、ポリイミド(Polymide)、シリカ(SiO2)または窒化シリコン(Si3N4)の少なくとも１つを含むことができる。
次に、露出した第２接触電極２５５と電気的に接触する第２電極２８０が配置され、第２電極２８０はパッシベーション層２７０の上部に延長配置されて、外部から電流を受電することができる。
前記第２電極２８０は、導電性材料からなることができ、例えば金属を含むことできる。例えば、第２電極２８０は、アルミニウム(Al)、チタン(Ti)、クロム(Cr)、ニッケル(Ni)、銅(Cu)、金(Au)の少なくとも１つを含み、単層または多層構造を有することができる。
また、前記第１基板２１０の下には第１電極２１５が配置される。前記第１電極２１５の配置前に、所定のグラインディング工程等によって前記第１基板２１０の底面一部を除去して、放熱効率を向上させることができる。
前記第１電極２１５は、導電性材料からなることができ、例えば金属を含むことできる。例えば、前記第１電極２１５は、アルミニウム(Al)、チタン(Ti)、クロム(Cr)、ニッケル(Ni)、銅(Cu)、金(Au)の少なくとも１つを含み、単層または多層構造を有することができる。
上述した面発光レーザ素子はレーザダイオードからなることができ、２つの反射層内部が共振器として作用することができる。このとき、第１導電型の第１反射層２２０と第２導電型の第２反射層２５０から電子と正孔が活性層に供給され、活性領域２３０から放出された光が共振器内部で反射して増幅されて閾値電流に到達すると、上述したアパチャー２４１を介して外部に放出される。
実施例に係る面発光レーザ素子から放出された光は、単一波長及び単一位相の光りであり、第１反射層２２０、第２反射層２５０と活性領域２３０の組成等によって単一波長領域が変化する。
また、図９～図１４を参照して、第２実施例に係る面発光レーザ素子の製造方法を説明することにする。以下の説明では、放熱性能を向上させるために、所定の成長基板１９０の上に発光構造物を形成した後、前記成長基板１９０を除去する工程を説明しているが、実施例の製造方法がこれに限定されるものではない。
まず、図９のように、成長基板１９０の上に第２反射層２５０、活性領域２３０及び第１反射層２２０を含む発光構造物を形成する。
前記成長基板１９０は、半導体物質の成長に適合した物質やキャリアウェハーからなることができ、熱伝導率が優れた物質からなることができ、導電性基板または絶縁性基板を含むことができる。
例えば、実施例では、成長基板１９０として第２反射層２５０と同種のGaAs基板を用いることができる。成長基板１９０が第２反射層２５０と同種である時格子定数が一致するので、第２反射層に格子不整合等の欠陥の発生を防ぐことができる。
そして、成長基板１９０の上にはエッチング阻止層１９２が形成される。
次に、前記成長基板１９０またはエッチング阻止層１９２の上に第２反射層２５０が形成される。
前記第２反射層２５０は、相互異なる屈折率を有する物質からなった第３層(図示されない)及び第４層(図示されない)が交互に少なくとも１回以上積層された構造を有することができる。
前記第２反射層２５０は、上述したようにDBR構造を有することができるので、第３層と第４層の材料であるAlGaAsが供給されて成長し、このとき、AlとGaの供給量を異なるようにして、上述したようにAlxGa(1-x)As(0<x<1)の組成式を有する半導体物質の第２反射層２５０を成長させることができる。
例えば、第３層はAl0.88Ga0.12Asを含むことができ、第４層はAl0.16Ga0.84Asから成長でき、化学蒸着法(CVD)或いは分子線エピタキシー法(MBE)或いはスパッタリング或いはハイドライド気相成長法(HVPE)等の方法を用いて成長させることができる。
次に、第２反射層２５０の上には予備アパチャー領域２４５が形成される。前記予備アパチャー領域２４５は、導電性材料からなることができ、詳しくは第１反射層２２０及び第２反射層２５０と同じ材料からなることができるが、これに限定されるものではない。
前記予備アパチャー領域２４５がAlGaAsを含む場合、前記予備アパチャー領域２４５はAlxGa(1-x)As(0<x<1)の組成式を有する半導体物質からなることができ、例えばAl0.98Ga0.02Asの組成式を有することができる。
次に、前記予備アパチャー領域２４５の上に、活性領域２３０と第１反射層２２０が形成される。前記活性領域２３０は、活性層２３２及び前記活性層２３２の下側に配置される第１キャビティ２３１、上側に配置される第２キャビティ２３３を含むことができる。実施例の活性領域２３０は、第１キャビティ２３１と第２キャビティ２３３を両方とも或いはいずれか１つのみを含んでもよい。
前記活性層２３２は、単一井戸構造(Single Well Structure)、多重井戸構造、単一量子井戸構造、多重量子井戸(MQW：Multi Quantum Well)構造、量子ドット構造または量子線構造のいずれか１つを含むことができる。
前記活性層２３２は、III-V族元素の化合物半導体材料を利用して井戸層と障壁層、例えば、AlGaInP/GaInP、AlGaAs/AlGaAs、AlGaAs/GaAs、GaAs/InGaAs等のペア構造で形成されるが、これに限定されるものではない。井戸層は障壁層のエネルギーバンドギャップより小さいエネルギーバンドギャップを有する物質からなることができる。
前記第１反射層２２０は、第１導電型にドーピングすることができる。前記第１反射層２２０は、ガリウム系化合物、例えばAlGaAsを含むことができるが、これに限定されるものではない。
前記第１反射層２２０は、DBR(Distributed Bragg Reflector)からなることができる。例えば、第１反射層２２０は、相互異なる屈折率を有する物質からなった第１層(図示されない)及び第２層(図示されない)が交互に少なくとも１回以上積層された構造を有することができる。
第１層と第２層はAlGaAsを含むことができ、詳しくはAlxGa(1-x)As(0<x<1)の組成式を有する半導体物質からなることができる。ここで、第１層または第２層内のAlが増加すると各層の屈折率は減少し、Gaが増加すると各層の屈折率は増加する。
そして、第１層及び第２層のそれぞれの厚さはλ/４nであり、λは活性領域２３０から発生する光の波長であり、nは上述した波長の光に対する各層の屈折率である。ここで、λは６５０～９８０nmであり、nは各層の屈折率である。このような構造の第１反射層２２０は９４０nmの波長領域の光に対して９９.９９９％の反射率を有することができる。
第１層と第２層の厚さは、それぞれの屈折率と活性領域２３０から放出される光の波長λによって決定される。
第１反射層２２０には、第１導電型ドーパントがドーピングされる。例えば、前記第１導電型ドーパントは、Si、Ge、Sn、Se、Te等のようなn型ドーパントを含むことができる。
次に、図１０のように、第２基板２１２を第１反射層２２０の上に結合させることができる。実施例は接着層２６０を介在させて第２基板２１２を第１反射層２２０の上に結合させることができる。
前記接着層２６０は単層または複数の層に形成され、第１接着層２６１と第２接着層２６２を含むことができる。例えば、第２接着層２６２は第２基板２１２の下部に配置され、第１接着層２６１は第１反射層２２０の上部に配置され、第２接着層２６２と第１接着層２６１が接着されて第２基板２１２と第１反射層２２０がボンディングされる。
前記接着層２６０はAuSn、NiSnまたはInAuの少なくとも１つを含むことができる。
前記第２基板２１２は、導電性基板または非導電性基板を用いることができる。導電性基板を用いる場合、電気伝導率が優れる金属を用いることができ、面発光レーザ素子２００の作動時に発生する熱を充分発散させなければならないので、熱伝導率が高い金属やシリコン(Si)基板を用いることができる。非導電性基板を用いる場合、アルミニウム窒化物、例えばAlN基板を用いることができる。
次に、前記第２基板２１２の上に第１電極２１５が配置される。
前記第１電極２１５は、導電性材料からなることができ、例えば金属を含むことできる。例えば、前記第１電極２１５は、アルミニウム(Al)、チタン(Ti)、クロム(Cr)、ニッケル(Ni)、銅(Cu)、金(Au)の少なくとも１つを含み、単層または多層構造を有することができる。
次に、図１１のように、成長基板１９０を分離することができる。前記成長基板１９０の除去は、サファイア基板の場合、エキシマレーザ等を利用したレーザリフトオフ法(Laser Lift Off：LLO)を用いることもでき、乾式及び湿式エッチングを用いることもできる。
レーザリフトオフ法を例にすると、成長基板１９０方向に一定領域の波長を有するエキシマレーザ光をフォーカシング(focusing)して照射すると、成長基板１９０と第２反射層２５０の境界面に熱エネルギーが集中されて境界面がガリウムと窒素分子に分離され、レーザ光が通る部分で瞬間的に成長基板１９０の分離が起きることになる。
ここで、エッチング阻止層１９２は、成長基板１９０を発光構造物から除去するとき、第２反射層２２０を保護することができる。
次に、図１２のように、所定のマスク３００を用いて発光構造物をメサエッチングすることができる。このとき、第２反射層２５０から予備アパチャー領域２４５と活性領域２３０までメサエッチングすることができ、第１反射層２２０の一部までメサエッチングすることができる。メサエッチングでは、ICP(inductively coupled plasma)エッチング方法で、周辺領域の第２反射層２５０からアパチャー領域２４０と活性領域２３０を除去することができ、メサエッチング領域は側面が傾きを有するようにエッチングされる。
次に、図１３のように、予備アパチャー領域の縁部領域を絶縁領域２４２に変化させることができ、例えば湿式酸化(Wet Oxidation)に変化させることができる。
例えば、予備アパチャー領域の縁部領域から酸素を供給すると、予備アパチャー領域のAlGaAsがH2Oと反応してアルミニウム酸化物(Al２O３)が形成される。このとき、反応時間等を調節して、予備アパチャー領域の中央領域は酸素と反応せず、縁部領域のみが酸素と反応してアルミニウム酸化物が形成されるようにする。また、イオン注入(Ion implantation)によって、予備アパチャー領域の縁部領域を絶縁領域２４２に変化させることもできるが、これに限定されるものではない。イオン注入時にはに３００keV以上のエネルギーでフォトン(photon)が供給される。
上述した反応工程の後、アパチャー領域２４０の中央領域は導電性のAlGaAsが配置され、縁部領域には非導電性のAl2O3が配置される。中央領域のAlGaAsは、活性領域２３０から放出される光が上部領域に進行する部分であるので、上述したようにアパチャー２４１ということができる。
次に、図１４のように、第２反射層２５０の上に第２接触電極２５５が配置され、第２接触電極２５５の間の領域で第２反射層２５０が露出する領域は、上述したアパチャー領域２４０の中央領域であるアパチャー２４１と対応する。前記第２接触電極２５５は、第２反射層２５０と後述する第２電極２８０の接触特性を向上させることができる。
次に、第２接触電極２５５の上に配置されるパッシベーション層２７０は、発光構造物の上部面における厚さが第２接触電極２５５より薄く、このとき、第２接触電極２５５がパッシベーション層２７０の上部に露出される。
前記パッシベーション層２７０は、ポリイミド(Polymide)、シリカ(SiO2)または窒化シリコン(Si3N4)の少なくとも１つを含むことができる。
次に、露出した第２接触電極２５５と電気的に接触する第２電極２８０が配置され、第２電極２８０はパッシベーション層２７０の上部に延長配置されて、外部から電流を受電することができる。
前記第２電極２８０は、導電性材料からなることができ、例えば金属を含むことできる。例えば、第２電極２８０は、アルミニウム(Al)、チタン(Ti)、クロム(Cr)、ニッケル(Ni)、銅(Cu)、金(Au)の少なくとも１つを含み、単層または多層構造を有することができる。
次に、第３実施例～第５実施例を説明することにする。
図１５は、第３実施例に係る面発光レーザ素子におけるエネルギーバンドダイヤグラム２０３の例示図であり、図１６は、第４実施例に係る面発光レーザ素子におけるエネルギーバンドダイヤグラム２０４の例示図であり、図１７ａと図１７ｂは、実施例に係る面発光レーザ素子の活性領域におけるドーピング濃度データである。また、図１８は、第５実施例に係る面発光レーザ素子におけるエネルギーバンドダイヤグラム２０５の例示図である。
(第３実施例)
図１５は、第３実施例に係る面発光レーザ素子におけるエネルギーバンドダイヤグラム２０３の例示図である。
第３実施例は、第１実施例、第２実施例の技術的特徴を採用することができる。
例えば、図１５を参照すると、実施例において、第１反射層２２０がAlxGa(1-x)As(0<x<1)を含む場合、Alの濃度にグレーディング(grading)を置くことで、隣接する反射層の間の電場(Electric Field)の発生を最小化することができる。
例えば、前記第１反射層２２０が第１アルミニウム濃度の第１層２２０ｐと第２アルミニウム濃度の第２層２２０ｑを含む場合、前記第１アルミニウム濃度の第１層２２０ｐと第２アルミニウム濃度の第２層２２０ｑの間に第３アルミニウム濃度の第３層２２０ｒが介在し、前記第３層２２０ｒのアルミニウム濃度は、前記第１層２２０ｐと前記第２層２２０ｑの間のアルミニウム濃度値を有することができる。
例えば、第１反射層２２０はAl0.12Ga0.88Asである第１層２２０ｐとAl0.88Ga0.12Asである第２層２２０ｑの間にAlx3Ga(1-x3)As(0.12≦X3≦0.88)の第３層２２０ｒを介在させることができる。これによって、実施例によれば、第１層２２０ｐと第２層２２０ｑの間に中間領域のアルミニウム濃度を有する第３層２２０ｒを備えることで、隣接した反射層の間の界面(interface)でエネルギーバンドの曲がり(Energy Band Bending)による電場(Electric Field)の発生を最小化してキャリア障壁(barrier)を低くすることで、光出力を向上させることができる技術的効果がある。
これによって、実施例によれば、反射層における電場発生によるキャリア障壁の影響を最小化して、光出力を向上させることができる、面発光レーザ素子及びこれを含む面発光レーザパッケージを提供することができる。
以下、第３実施例の主な技術的特徴を中心に説明することにする。
続いて、図１５を参照すると、第３実施例は、第１反射層２２０の上に活性領域２３０を含むことができる。
このとき、前記活性領域２３０は、活性層２３２及び前記活性層２３２の下側に配置される第１キャビティ２３１、上側に配置される第２キャビティ２３３を含むことができる。実施例の活性領域２３０は、第１キャビティ２３１と第２キャビティ２３３を両方とも或いはいずれか１つのみを含んでもよい。
前記第１キャビティ２３１と前記第２キャビティ２３３はAlyGa(1-y)As(0<y<1)物質からなることができるが、これに限定されるものではない。例えば、前記第１キャビティ２３１と前記第２キャビティ２３３は、それぞれAlyGa(1-y)Asからなった複数の層を含むことができる。
例えば、前記第１キャビティ２３１は、第１‐１キャビティ層２３１ａと第１‐２キャビティ層２３１ｂを含むことができる。前記第１‐１キャビティ層２３１ａは、前記第１‐２キャビティ層２３１ｂよりも前記活性層２３２から離隔している。前記第１‐１キャビティ層２３１ａは、前記第１‐２キャビティ層２３１ｂより厚く形成されるが、これに限定されるものではない。
実施例の技術的課題の１つは、電圧効率を向上させて光出力を向上させることができる、面発光レーザ素子及びこれを含む面発光レーザパッケージを提供することにある。
実施例は、このような技術的課題を解決するために、活性領域における抵抗減少により電圧効率を向上させて光出力を向上させることができる技術的効果がある、面発光レーザ素子及びこれを含む面発光レーザパッケージを提供することができる。
まず、図１５を参照すると、第３実施例において、前記活性領域２３０は、前記第１反射層２２０の上に配置される第１キャビティ２３１と、量子井戸２３２ａと量子障壁２３２ｂを含み、前記第１キャビティ２３１の上に配置される活性層２３２を含み、前記第１キャビティ２３１は、前記第１反射層２２０と隣接し、第１導電型第１ドーピング層２６１を含むことができる。
第３実施例によれば、第１キャビティ２３１の一部領域に第１導電型第１ドーピング層２６１を含むことで、既存の活性領域に比べて抵抗を減少させることによって、活性領域における抵抗減少により電圧効率を向上させて光出力を向上させることができる技術的効果がある。
例えば、第３実施例において、第１キャビティ２３１が第１‐１キャビティ層２３１ａと第１‐２キャビティ層２３１ｂを含む場合、前記活性層２３２からさらに離隔して配置された第１‐１キャビティ層２３１ａに第１導電型第１ドーピング層２６１を含むことで、従来の活性領域に比べて抵抗を減少させることによって、活性領域における抵抗減少により電圧効率を向上させて光出力を向上させることができる技術的効果がある。
以下の表３は、比較例と実施例の面発光レーザ素子の特性データである。比較例は、キャビティにドーピングが行われていない場合である。
Figure 0007411974000003
第３実施例は、キャビティにドーピングが行われることで、活性領域における抵抗減少により、比較例に比べて動作電圧(Vf)が低くなり、光効率や光出力を向上させることができる技術的効果がある。
第３実施例において、第１導電型第１ドーピング層２６１の厚さは、前記第１キャビティ２３１の厚さの１０％～７０％に制御されることで、活性領域における抵抗減少により、電圧効率を向上させて光出力を向上させることができる技術的効果がある。このとき、前記第１導電型第１ドーピング層２６１の領域が前記第１キャビティ２３１の領域の７０％を超える場合、ドーピング領域による光吸収によって光出力が低下し、その領域が１０％未満の場合、抵抗減少効果の寄与度が低くなる。また、実施例において、第１導電型第１ドーピング層２６１の領域は、前記第１キャビティ２３１の領域の２０％～５０％に制御される。
実施例において、前記「領域」は、各層が占める「幅」を基準に比較することができる。また、前記「領域」は、各層が占める「体積」であってもよい。
実施例において、第１導電型第１ドーピング層２６１で第１導電型ドーパントの濃度は１x１０１７～８x１０１７(atoms/cm3)の範囲に制御されることで、活性領域における抵抗減少により電圧効率を向上させて光出力を向上させることができる技術的効果がある。このとき、前記第１導電型第１ドーピング層２６１で第１導電型ドーパントの濃度がその上限を超える場合、ドーピング領域による光吸収によって光出力が低下し、その下限未満の場合、抵抗減少効果の寄与度が低くなる。
このとき、実施例において、第１キャビティ２３１に位置する第１導電型第１ドーピング層２６１の第１導電型ドーパントの濃度は、第１反射層２２０の第１導電型ドーパントの濃度より低く制御されることで、ドーピング領域による光吸収を防止すると共に、活性領域における抵抗減少により電圧効率を向上させて光出力を向上させることができる。
例えば、前記第１導電型第１ドーピング層２６１の第１導電型ドーパントの濃度は１x１０１８～２x１０１８(atoms/cm3)の範囲である場合、前記第１導電型第１ドーピング層２６１で第１導電型ドーパントの濃度は１x１０１７～８x１０１７(atoms/cm3)の範囲に制御されることで、活性領域における抵抗減少により電圧効率を向上させて光出力を向上させることができる技術的効果がある。
また、実施例の技術的課題の１つは、発光層周辺で光集中(optical confinement)効率の向上によって光出力を向上させることができる、面発光レーザ素子及びこれを含む面発光レーザパッケージを提供することにある。
実施例は、このような技術的課題を解決するために、発光層周辺の活性領域２３０における光集中(optical confinement)効率の向上によって光出力を向上させることができる技術的効果がある。
具体的に、前記第１キャビティ２３１がAlxGaAs系の層(０<X<１)を含む場合に、前記第１キャビティ２３１のAlの濃度を前記活性層２３２方向に減少するように制御することで、図１５のように、第１キャビティ２３１のバンドギャップエネルギー準位が活性層２３２方向に減少するように制御することで、光集中(optical confinement)効率の向上によって光出力を向上させることができる技術的効果がある。
また、前記第２キャビティ２３３がAlxGaAs系の層(０<X<１)を含む場合に、前記第２キャビティ２３３のAlの濃度を前記活性層２３２方向に減少するように制御することで、図１５のように、第２キャビティ２３３のバンドギャップエネルギー準位が活性層２３２方向に減少するように制御することで、光集中(optical confinement)効率の向上によって光出力を向上させることができる技術的効果がある。
(第４実施例)
次に、図１６は、第４実施例に係る面発光レーザ素子におけるエネルギーバンドダイヤグラム２０４の例示図である。
第４実施例は、先述した第１実施例～第３実施例の技術的特徴を採用することができ、以下では第４実施例の主な特徴を中心に説明することにする。
第４実施例において、前記第２キャビティ２３３の第２幅Ｔ２が前記第１キャビティ２３１の第１幅Ｔ１より大きく形成される。
例えば、前記第２キャビティ２３３はAlyGa(1-y)As(0<y<1)の物質からなることができるが、これに限定されるものではなく、AlyGa(1-y)Asからなった単層または複数の層を含むことができる。
例えば、前記第２キャビティ２３３は、第２‐１キャビティ層２３３ａと第２‐２キャビティ層２３３ｂを含むことができる。前記第２‐２キャビティ層２３３ｂは、前記第２‐１キャビティ層２３３ａより前記活性層２３２から離隔される。前記第２‐２キャビティ層２３３ｂは、前記第２‐１キャビティ層２３３ａより厚く形成されるが、これに限定されるものではない。このとき、前記第２‐２キャビティ層２３３ｂが約６０～７０nmに形成され、前記第２‐１キャビティ層２３３ａは約４０～５５nmに形成されるが、これに限定されるものではない。
第４実施例によれば、前記第２キャビティ２３３の第２幅Ｔ２が前記第１キャビティ２３１の第１幅Ｔ１より大きく形成されることで、共振効率を向上させることによって光出力を向上させることができる。
次に、図１７ａと図１７ｂは、図１６に示された第４実施例に係る面発光レーザ素子の活性領域のうち第１導電型第１ドーピング層２６１におけるドーピング濃度データである。
例えば、図１７ａと図１７ｂにおいて、横軸は活性層２３２から第１反射層２２０方向(X方向)に距離が増加する時の第１導電型第１ドーピング層２６１における第１導電型ドーパントのドーピング濃度である。
実施例によれば、前記第１導電型第１ドーピング層２６１で第１導電型ドーパントの濃度は、前記活性層２３２の方向から前記第１反射層２２０の方向に増加するように制御することで、活性層２３２に隣接した領域でのドーピング濃度増加を制御して、光吸収による光度低下を防止すると共に、前記第１反射層２２０に隣接した領域でのドーピング濃度を増大させて、抵抗減少による電圧効率を向上させて光出力を向上させることができる技術的効果がある。
例えば、図１７ａを参照すると、第１導電型第１ドーピング層２６１が第１‐１ドーピング層２６１ａと第１‐２ドーピング層２６１ｂを含む場合、第１‐１ドーピング層２６１ａより活性層２３２から離隔して配置された第１‐２ドーピング層２６１ｂでのドーピング濃度がｄ１からｄ２～ｄ３に増加することで、活性層２３２に隣接した第１‐１ドーピング層２６１ａでの光吸収による光度低下を防止すると共に、前記第１反射層２２０に隣接した第１‐２ドーピング層２６１ｂ領域での抵抗減少による電圧効率を向上させて光出力を向上させることができる技術的効果がある。
また、図１７ｂを参照すると、第１導電型第１ドーピング層２６１が第１‐１ドーピング層２６１ａ、第１‐２ドーピング層２６１ｂ及び第１‐３ドーピング層２６１ｃを含む場合、第１‐１ドーピング層２６１ａより活性層２３２から離隔して配置された第１‐２ドーピング層２６１ｂと第１‐３ドーピング層２６１ｃでのドーピング濃度がそれぞれｄ１、ｄ２、ｄ３に順次増加することで、活性層２３２に隣接した領域での光吸収による光度低下を防止すると共に、前記第１反射層２２０に隣接した領域での抵抗減少による電圧効率を向上させて光出力を向上させることができる技術的効果がある。
(第５実施例)
次に、図１８は、第５実施例に係る面発光レーザ素子におけるエネルギーバンドダイヤグラム２０５の例示図である。
第５実施例によれば、前記活性領域２３０は、前記第２反射層２５０と前記活性層２３２との間に配置される第２キャビティ２３３を含み、前記第２キャビティ２３３は、前記第２反射層２５０と接し、第２導電型第２ドーピング層２６２を含むことができる。
実施例によれば、第２キャビティ２３３の一部領域に第２導電型第２ドーピング層２６２を含むことで、既存の活性領域に比べて抵抗を減少させることによって、活性領域における抵抗減少により電圧効率を向上させて光出力を向上させることができる技術的効果がある。
例えば、実施例において、第２キャビティ２３３が第２‐１キャビティ層２３３ａと第２‐２キャビティ層２３３ｂを含む場合、前記活性層２３２からさらに離隔して配置された第２‐２キャビティ層２３３ｂに第２導電型第２ドーピング層２６２を含むことで、従来技術に比べて活性領域における抵抗減少により電圧効率を向上させて光出力を向上させることができる技術的効果がある。例えば、第２キャビティ２３３にドーピングが行われた実施例の場合、活性領域で抵抗減少により、比較例に比べて動作電圧(Vf)が低くなり、光効率や光出力を向上させることができる技術的効果がある。
実施例において、第２導電型第２ドーピング層２６２の領域は、前記第２キャビティ２３３の領域の１０％～７０％に制御されることで、活性領域における抵抗減少により電圧効率を向上させて光出力を向上させることができる技術的効果がある。このとき、前記第２導電型第２ドーピング層２６２の領域が前記第２キャビティ２３３の領域の７０％を超える場合、ドーピング領域による光吸収によって光出力が低下し、その領域が１０％未満の場合、抵抗減少効果の寄与度が低くなる。
第３実施例～第５実施例を参照すると、前記第１導電型第１ドーピング層２６１と前記第２導電型第２ドーピング層２６２の合計領域は、前記活性領域２３０の全体領域の２０％～７０％に制御され、その上限を超える場合、ドーピング領域による光吸収によって光出力が低下し、下限未満の場合は抵抗減少効果の寄与度が低くなる。
実施例において、第２導電型第２ドーピング層２６２で第２導電型ドーパントの濃度は１x１０１７～８x１０１７(atoms/cm3)の範囲に制御されることで、活性領域における抵抗減少により電圧効率を向上させて光出力を向上させることができる技術的効果がある。このとき、前記第２導電型第２ドーピング層２６２で第２導電型ドーパントの濃度がその上限を超える場合、ドーピング領域による光吸収によって光出力が低下し、その下限未満の場合、抵抗減少効果の寄与度が低くなる。
また、実施例において、第２導電型第２ドーピング層２６２の第２導電型ドーパントの濃度が、第２反射層２５０の第２導電型ドーパントの濃度以下に制御されることで、ドーピング領域による光吸収を防止すると共に、活性領域における抵抗減少により電圧効率を向上させて光出力を向上させることができる。
例えば、前記第２導電型第２ドーピング層２６２の第２導電型ドーパントの濃度は７x１０１７～３x１０１８(atoms/cm3)の範囲である場合、前記第２導電型第２ドーピング層２６２で第２導電型ドーパントの濃度は１x１０１７～７x１０１７(atoms/cm3)の範囲に制御されることで、活性領域における抵抗減少により電圧効率を向上させて光出力を向上させることができる技術的効果がある。
次に、図１９は、実施例に係る面発光レーザパッケージが適用された移動端末機の斜視図である。
図１９に示されたように、実施例の移動端末機１５００は、後面に提供されたカメラモジュール１５２０、フラッシュモジュール１５３０、自動焦点装置１５１０を含むことができる。ここで、前記自動焦点装置１５１０は、発光部として先述した実施例に係る面発光レーザ素子のうちの１つを含むことができる。
前記フラッシュモジュール１５３０は、その内部に光を発光する発光素子を含むことができる。前記フラッシュモジュール１５３０は、移動端末機のカメラの作動または使用者の制御によって作動することができる。
前記カメラモジュール１５２０は、イメージ撮影機能及び自動焦点機能を含むことができる。例えば、前記カメラモジュール１５２０は、イメージを利用した自動焦点機能を含むことができる。
前記自動焦点装置１５１０は、レーザを利用した自動焦点機能を含むことができる。前記自動焦点装置１５１０は、前記カメラモジュール１５２０のイメージを利用した自動焦点機能が低下する条件、例えば１０m以下の近接または暗い環境で主に使用される。前記自動焦点装置１５１０は、面発光レーザ素子を含む発光部と、フォトダイオードのような光エネルギーを電気エネルギーに変換する受光部を含むことができる。
以上、実施形態に説明された特徴、構造、効果などは、本発明の少なくとも１つの実施形態に含まれ、必ず１つの実施形態のみに限定されるものではない。延いては、各実施形態で例示された特徴、構造、効果などは、実施形態が属する分野の通常の知識を有する者により他の実施形態に対しても組合または変形されて実施可能である。したがって、このような組合と変形に関連した内容は本発明の範囲に含まれることと解釈されるべきである。
以上、本発明を好ましい実施形態をもとに説明したが、これは単なる例示であり、本発明を限定するものでなく、本発明が属する分野の通常の知識を有する者であれば、本発明の本質的な特性を逸脱しない範囲内で、以上に例示していない多様な変形及び応用が可能であることが分かる。例えば、実施形態に具体的に表れた各構成要素は変形して実施することができる。そして、このような変形及び応用にかかわる差異点も、特許請求の範囲で規定する本発明の範囲に含まれるものと解釈されるべきである。

Claims (10)

  1. 第１反射層と第２反射層と、
    前記第１反射層と第２反射層との間に配置される活性領域と、を含み、
    前記第１反射層は、
    第１アルミニウム濃度を有する第１－１層と、
    前記第１アルミニウム濃度より高い第２アルミニウム濃度を有し、前記第１－１層の上に配置される第１－２層と、を含み、
    前記第１反射層は、第１導電型ドーパントを含み、
    前記第２反射層は、第２導電型ドーパントを含み、
    前記活性領域は、前記第１反射層に隣接した第１キャビティと、前記第２反射層に隣接した第２キャビティと、前記第１キャビティと、前記第２キャビティとの間に配置される活性層とを含み、
    前記第１キャビティは、第１導電型第１ドーピング層を含み、
    前記第１キャビティは、前記第１反射層と接した第１－１キャビティと、前記活性層と接した第１－２キャビティとを含み、
    前記第１導電型第１ドーピング層は、前記第１－１キャビティにのみ配置され、
    前記第２キャビティは、第２導電型第２ドーピング層を含み、
    前記第２キャビティは、前記活性層と接した第２－１キャビティと、前記活性層から離隔して配置された第２－２キャビティと、を含み、
    前記第２導電型第２ドーピング層が前記第２－２キャビティにのみ配置される、面発光レーザ素子。
  2. 前記第１キャビティは、ＡｌｘＧａ（１－Ｘ）Ａｓ系の層を含み、ただし、０＜Ｘ＜１であり、前記第１キャビティのＡｌの濃度が前記第１キャビティから前記活性層方向に減少するように制御される、請求項１に記載の面発光レーザ素子。
  3. 前記第１導電型第１ドーピング層の厚さは、前記第１キャビティの厚さの７０％以下であり、前記第１キャビティにおける前記第１導電型第１ドーピング層以外の層は、第１導電型ドーパントを含まない、請求項１に記載の面発光レーザ素子。
  4. 前記第２キャビティは、ＡｌｘＧａ（１－Ｘ）Ａｓ系の層を含み、ただし、０＜Ｘ＜１であり、前記第２キャビティのＡｌの濃度が前記第２キャビティから前記活性層方向に減少するように制御される、請求項１に記載の面発光レーザ素子。
  5. 前記第２導電型第２ドーピング層の厚さが前記第１キャビティの厚さの７０％以下であり、前記第２キャビティにおける前記第２導電型第２ドーピング層以外の層は、第２導電型ドーパントを含まない、請求項４に記載の面発光レーザ素子。
  6. 前記第１導電型第１ドーピング層と前記第２導電型第２ドーピング層との厚さの和は前記活性領域の全体厚さの２０％～７０％である、請求項１に記載の面発光レーザ素子。
  7. 前記第２キャビティの第２幅が前記第１キャビティの第１幅より大きく形成される、請求項１に記載の面発光レーザ素子。
  8. 前記第１導電型第１ドーピング層で第１導電型ドーパントの濃度は、前記活性層の方向から前記第１反射層の方向に増加する、請求項１に記載の面発光レーザ素子。
  9. 前記第１導電型第１ドーピング層の第１導電型ドーパントの濃度は、前記第１反射層の前記第１導電型ドーパントの濃度より低い、請求項１に記載の面発光レーザ素子。
  10. 請求項１から９のいずれか一項に記載の面発光レーザ素子を含む発光装置。
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