KR0131920B1 - 원형 그레이팅 표면 방출형 레이저 다이오드 어레이 - Google Patents

원형 그레이팅 표면 방출형 레이저 다이오드 어레이

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KR0131920B1 KR1019970024456A KR19970024456A KR0131920B1 KR 0131920 B1 KR0131920 B1 KR 0131920B1 KR 1019970024456 A KR1019970024456 A KR 1019970024456A KR 19970024456 A KR19970024456 A KR 19970024456A KR 0131920 B1 KR0131920 B1 KR 0131920B1
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Abstract

본 발명은 반도체 표면의 원형 그레이팅을 이용한 표면 방출형 레이저 다이오드와 그 어레이에 관한 것이다. 본 발명의 일실시예에 따라 레이저 다이오드의 광 공진기(혹은 광 공동)는 반도체 표면의 원형 그레이팅에 의해 제공되어 반도체 표면으로 방출된다. 또한 레이저 다이오드에 전류를 인가하는 접속층은 하나 이상의 전극으로 구성되어 레이저의 방출 방향을 변조할 수 있다.
상기 원형 그레이팅은 또한 통상의 수직 광 공진기를 이용한 표면 방출형 레이저 다이오드에 적용할 수 있으며 상기 원형 그레이팅의 형상을 등거리 동심원형, 비등거리 동심원형 또는 비등거리 비동심 원형으로 구현할 경우 상기 하나 이상의 전극으로 구성된 접속층의 사용과 함께 레이저 빔의 초점거리, 방향 등을 변조할 수 있으며 본 발명에 따른 원형 그레이팅 표면 방출형 레이저 다이오드를 채용하여 고출력 레이저 다이오드 어레이가 제공된다.

Description

원형 그레이팅 표면 방출형 레이저 다이오드 어레이
본 발명은 반도체 레이저에 관한 것으로, 특히 원형 그레이팅(circle grating)에 의한 표면 방출형 레이저 다이오드 어레이 (Surface Emitting Laser Diode Array; SELD Array)에 관한 것이다.
반도체 레이저는 그 반도체 레이저를 구성하는 장치(예로, 다이오드)에 전류를 공급함으로써 얻어지며 따라서 공급 전류의 변조에 의해 손쉽게 레이저가 변조된다. 또한 이러한 반도체 레이저는 매우 짧은 광자 수명(photon lifetimes)을 가지기 때문에 매우 높은 주파수의 변조가 가능하다. 반도체 레이저는 또한 장치 그 차체의 매우 작은 크기로 인하여 높은 밀도의 집적화가 가능하며 통상적인 반도체 전자 소자(예로 고주파, 고전력 전자 소자)를 구성하는 반도체 물질과 동일 혹은 유사한 반도체 물질로 구성되기 때문에 그들 통상의 반도체 전자 소자와 함께 집적될 수 있다.
이러한 특성으로 인하여 반도체 레이저는 광 섬유 통신, 광 메모리, 광 통신등의 레이저 원으로 주목받고 있다.
이러한 반도체 레이저는 레이저가 방출되는 방향에 따라 종단 방출형 레이저 다이오드(Edge Emitting Laser Diode: EELD)및 표면 방출형 레이저 다이오드(SELD)로 구별된다.
이들중 종단 방출형 레이저 다이오드에서는 반도체 표면에 평행하게 형성된 활성층을 따라 반도체 표면에 수직인 서로 평행한 양단면에 형성된 거울면들 사이의 광 공동(cavity)내에서 레이저가 발생되어 상기 양단면중 한쪽으로 반도체 표면에 평행하게 레이저가 방출된다.
이러한 구조로 인하여 종단 방출형 레이저 다이오드는 활성층에 수직한 방향으로 약 30도, 평행한 방향으로는 몇도의 발산 각(divergence angle)을 갖는 레이저를 방출한다. 이렇게 타원형으로 심하게 퍼지는 레이저를 광섬유 등에 사용하기 위해서는 왜형(anamorphic) 프리즘 등의 광학 장치를 사용하여 집광해야되기 때문에 장치가 커지게 되며 효율성 등의 문제를 야기한다.
또한 레이저가 종단에서 방출되는 특성으로 인하여 이러한 종단 방출형 레이저를 사용하여 2차원 어레이를 형성하는 데에는 문제점이 있다.
표면 방출형 레이저 다이오드에서는 레이저가 활성층에 수직한 방향으로 방출된다.
이러한 표면 방출형 레이저를 구현하는 통상적인 방법으로는 종단 방출형 레이저에서와 같이 레이저를 발생시켜 거울 혹은 반사체 등을 이용하여 레이저를 90도 굴절시켜 활성층과 수직인 방향으로 레이저를 방출시키는 방법과, 분산 궤환(Distributed Feedback; DFB) 혹은 분산 브래그 반사체(Distributed Bragg Reflector; DBR) 등을 이용하는 방법이 있다. 이중 DFB 혹은 DBR 를 이용한 소위 수직 광 공진기를 이용한 표면 방출형 레이저 다이오드(Vertical Cavity Surface Emitting Laser Diode; VCSELD)는 레이저 공동이 반도체 표면에 수직하게 형성되어 있으며 레이저 공동을 규정하는 거울 혹은 반사면은 표면에 평행하게 형성된다.
이러한 수직 광 공진기를 이용한 표면 방출형 레이저 다이오드의 장점은 공동의 길이가 짧기 때문에 단일 종모드(single longitudinal mode)의 레이저를 얻을 수 있으며, 또한 레이저 공동이 표면에 수직이기 때문에 장치의 크기가 원하는 레이저 광의 단면적보다 그다지 크지 않게 되어 일반적인 전자 소자와 같은 작은 크기를 갖는다.
또다른 수직 광 공진기를 이용한 표면 방출형 레이저 다이오드의 장점은 레이저 공동의 단면이 레이저 방출 방향에 대하여 대칭이며 단면의 크기가 활성층의 두께보다 휠씬 크기 때문에 작은 분산각을 갖는 원형의 출력 레이저 빔을 얻을 수 있어 추가적인 광학 장치의 사용없이 사용할 수 있다는 데 있다.
이러한 특징들로 인하여 표면 방출형 레이저 특히 수직 광 공진기를 이용한 표면 방출형 레이저 다이오드는 광 신호처리(optical signal procescing), 광 접속(optical interconnection), 광 계산(optical computing) 등에 필수적인 고밀도의 2차원 레이저 어레이를 구현할 수 있다.
표면 방출형 레이저 다이오드를 구현하는 새로운 구조로 소위 등거리 동심원 그레이팅 표면 방출형 레이저 다이오드가 있다(C. Wu, M. Svilans, et al., Room Temperatare operation of Electrically Pumped Surface-Emitting Circular Grating DBR Laser, Electronics Letters, Vol. 28. No. 11, P. 1037, 1992; T. Erdogan, O. King, et al., Spatial Modes of a Concentric-circle-grating Surface-emitting, AlGaAs/GaAs Quantum Well Semiconductor Laser, Appl. Phys. Lett. 60 (15), p. 1773, 1992).
이 새로운 형태의 표면 방출형 레이저에서는 공진기가 광공동 양단부의 거울이나 반사면에 의해 규정되는 것이 아니라 활성층 상부의 반도체 표면에 형성된 동심원 그레이팅에 의하여 형성된다. 그레이팅의 주기 및 깊이는 마이크론미터 이하이며(예로, 주기 0.25 ㎛, 깊이 0.35 ㎛) 그레이팅 전체의 지름은 수백 ㎛(예로 280 ㎛)정도이다.
등거리 동심원 그레이팅 표면방출형 레이저 다이오드(Concentric-Circle-Grating Surface Emitting Laser Diode; CCGSELD)에서는 종래의 종단 방출형 레이저 다이오드 혹은 수직 광 공진기를 이용한 표면 방출형 레이저 다이오드의 1차원 광 공진기 혹은 광 공동과는 달리 광 공진기가 2 차원적이다. 광은 그레이팅의 중심에서 원주쪽으로 방사형으로 진행하여 표면의 그레이팅에 의해 다시 그레이팅의 원주쪽에서 중심으로 방사형으로 진행하며 이러한 반복 작용에 의해 레이저가 증폭된다. 이렇게 형성된 레이저는 반도체 표면의 그레이팅에 의해 반도체 표면에 수직방향으로 집속되어 0.5 정도 이하의 발산각을 갖는 원형의 빔으로 방출된다.
이러한 수직 광 공진기를 이용한 표면 방출형 레이저 다이오드(VCSELD) 및 2 차원 광 공진기를 이용한 동심원 등거리 그레이팅 표면 방출형 레이저 다이오드(CCGSELD)의 특징 및 장점에도 불구하고 이들 표면 방출형 레이저 다이오드(SELD)는 종단 방출형 레이저 다이오드(EELD)에 비교하여 효율이 떨어지기 때문에 고출력 레이저의 응용분야에서는 종단 방출형 레이저 다이오드가 일반적으로 사용되고 있다.
본 발명은 이러한 점에 의거하여 안출한 것으로서, 본 발명의 목적은 레이저의 출력을 향상시킨 원형 그레이팅에 의한 표면 방출형 레이저 다이오드 어레이를 제공하는데 있다.
본 발명은 동일한 반도체 기판위에 적어도 두 개 이상의 2차원 광 공진기를 이용한 원형 그레이팅 표면 방출형 레이저 다이오드가 형성되며, 원형 그레이팅 표면 방출형 레이저 다이오드는, 반도체 기판 위에 성장된 제 1 그레이딩층과; 외부에서 주입된 정공 및 전자가 결합하여 레이저를 발생하는 제 1 그레이딩 상부에 위치하는 활성층과; 활성층 상부에 위치하는 제 2 그레이딩층과; 제 2 그레이팅층 상부에 위치하는 제 1 전도형의 반도체층과; 반도체 상부 표면에 위치하여 반도체 상부 표면의 하부에 2 차원 광공진기를 규정하고 2 차원 광 공진기에서 발생한 레이저를 반도체 상부 표면으로 방사하는 원형 그레이팅층과; 하나 이상의 전극으로 구성되며 하나 이상의 전극 각각에 독립적으로 전류를 인가하기 위한 제 1 전도형의 반도체층 상부에 위치하는 제 1 접속층을 포함하며; 제 1 및 제 2 그레이딩층은 그 밴드갭 에너지가 상기 활성층 쪽으로 갈수록 작아지도록 조성이 변하는 반도체 물질로 구성되며 활성층은 제 1 및 제 2 그레이딩층보다 밴드갭 에너지가 크지 않은 반도체 물질로 구성된다.
본 발명은 또한, 동일한 반도체 기판위에 적어도 두 개 이상의 2차원 광 공진기를 이용한 원형 그레이팅 표면 방출형 레이저 다이오드가 형성되며, 상기 원형 그레이팅 표면 방출형 레이저 다이오드는, 반도체 기판위에 성장된 서로 다른 굴절율을 가진 두개의 서로 다른 반도체 물질로 구성된 두개의 층으로 이루어진 다수의 쌍을 포함하여 레이저를 반사시키는 제 1 반사층과; 서로 다른 굴절율을 가진 두개의 서로 다른 반도체 물질로 구성된 두개의 층으로 이루어진 다수의 쌍을 포함하여 레이저를 반사시켜 제 1 반사층과 함께 그 사이에서 반도체 표면에 수직 방향으로 레이저를 발생하는 수직 광 공진기를 구성하는 제 1 전도형의 제 2 반사층과; 상하의 인접한 반도체층보다 작은 밴드갭 에너지를 가진 반도체 물질로 이루어지며 외부에서 주입된 전자와 정공이 결합하여 레이저를 발생하는 광 공진기 내부에 위치하는 활성층과; 반도체 상부 표면에 위치하여 수직 광 공진기에서 발생한 레이저를 반도체 상부 표면으로 방사하는 원형 그레이팅층과; 하나 이상의 전극으로 이루어져 하나 이상의 전극 각각에 독립적으로 전류를 인가하기 위한 제 1 접속층을 포함한다.
제1도는 본 발명을 행하기 위한 2차원 광 공진기를 이용한 원형 그레이팅 표면 방출형 레이저 다이오드의 단면도.
제2도는 등거리 동심원형 그레이팅 및 다수의 전극을 도시하는 제1도에 도시된 레이저 다이오드의 평면도.
제3도는 본 발명에 따른 비등거리 동심원형 그레이팅 및 다수의 접속층을 도시하는 원형 그레이팅 표면 방출형 레이저 다이오드의 평면도.
제4도는 본 발명에 따른 비등거리 비동심원형 그레이팅 및 다수의 접촉층을 도시하는 원형 그레이팅 표면 방출형 레이저 다이오드의 평면도.
제5도는 본 발명에 따른 등거리 동심원형 그레이팅 표면 방출형 레이저 다이오드의 2 차원 어레이를 도시하는 평면도.
제6도는 본 발명에 따른 비등거리 동심원형 및 비등거리 비동심 원형 그레이팅 표면 방출형 레이저 다이오드에 의한 레이저 다이오드 어레이의 개략적인 사시도.
제7도는 본 발명의 일실시예에 따른 비등거리 동심원형 및 비등거리 비동심 원형 그레이팅 표면 방출형 레이저 다이오드에 의한 레이저 다이오드 어레이의 상세한 평면도.
＊ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10 : n + 기판 12 : n +버퍼층
14 : n 반사층 16 : n 크레딩층
18 : 하부 그레이딩층 20 : 활성층
22 : 상부 그레이딩층 24 : p 크레딩층
26 : p +층 28 : 원형 그레이팅층
30,32 : 접속층
이하, 본 발명의 일실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
제1도는 본 발명을 행하기 위한 2 차원 광 공진기를 이용한 원형 그레이팅에 의한 표면 방출형 레이저 다이오드의 단면도이다.
다이오드 구조는 MOCVD(Metal Orgamic Chemical Vapor Deposition) 또는 MBE(Molecular Beam Epitaxy)에 의해 우선 n +버퍼층(12)의 n +기판(10)에 성장된다. 성장층에 GaAs-AlGaAs 계가 이용될 경우 GaAs 기판이 사용되며 InGaAsP 계가 사용될 경우 InP 기판이 사용된다. 본 명세서에서는 GaAs-AlGaAs 를 이용한 레이저 다이오드의 예가 기술된다.
n +버퍼층(12)은 GaAs 층으로써 당 분야에 주지되어 있는 바와 같이 기판을 MOCVD 또는 MBE 등의 증착 장치에 투입한 후 성장시킬 활성층 등 후속층의 결함을 최소화시켜 고품위의 소자를 얻기 위해 증착된다. 다음 단계에서 n +버퍼층(12)위에 다수의 AlAs-AlGaAs 쌍으로 이루어진 n 반사층(14)이 증착된다. n 반사층(14)은 굴절율의 주기적인 변화로 인해 90% 이상의 반사율로 빛을 반사시키며 레이저가 n +기판(10)쪽으로 분산되지 않고 상부 반도체 표면쪽으로 방사되게 한다.
반사층(14) 상부의 n 크레딩층(cladding layer)(16)-하부 그레이딩층(grading layer)(18)-활성층(20) 상부 n 그레이딩층(22)-p 크레딩층(24)은 당분야에 잘 알려져 있는 소위 GRINSCH(GRaded-INdex Sepate-Confinemet Heterostrature) 구조로써 활성층(20)의 밴드 갭 에너지(band gap energy)가 상하부 그레이딩층(22, 18)보다 작아 접속층(30, 32)로 부터 주입된 전하가 효율적으로 활성층(20)에 구속되도록 한다. 상하부 그레이딩층(22, 18) 및 활성층은 도핑(doping)되지 않는다. n 크레딩층(16) 및 p 크레딩층(24)은 Al x Ga 1-x As 로 형성되며 x 는 0 과 1 사이의 값으로 예로 0.4 이하의 값을 갖는다.
활성층(20)은 GaAs 층으로 예로 약 100Å 의 두께를 가지며 단일 양자 우물 구조(single guantum well structure)로 이루어질 수 있으며 또한 다중 양자우물 구조를 가질 수도 있다. 활성층(20)과 n 및 p 크레딩층(16, 24) 사이의 상하부 그레이딩층(22, 18)은 Al y Ga 1-y As 로 형성되며 n 및 p 크레딩층(16, 24)에서 활성층(20)으로 감에 따라 감소한다. 바람직하게는 포물선형으로 x 에서(예로 0.4) 0 으로 변하는 값을 가지며 밴드 갭 에너지가 활성층(20)으로 감에 따라 감소한다.
p 크레딩층(24) 상부의 p +층(26)은 p 접속층(30)과 p크레딩층(24)를 연결하는 층으로 p 접속층(30)으로부터의 정공(hole)이 활성층(20)으로 원활히 주입되게 한다. p +층(26) 또한 접속저항을 작게 하기 위하여 p접속층(30)에 접하는 면은 GaAs 로 구성되며 p 크레딩층(24)으로 감에 따라 Al 의 농도가 점차로 증가하는 AlGaAs 로 이루어질 수도 있다. 또한 p +도핑대신 하나이상의 p ++ 델타 도핑(δ-doping)을 형성할 수도 있다.
p +층(26) 형성후 통상의 전자빔(electron beam) 리소그라피(lithography)에 의하여 원형 그레이팅층(28)이 p +층(26)에 형성된다. 마지막으로 p 접속층(30)이 원형 그레이팅층(28)의 바깥쪽 p +층(26)의 상부에, n 접속층(32)이 n +기판(10)에 형성된다. p 및 n접속층(30, 32) 또한 통상의 금속 증착 및 포토리소그라피(photolithography)법에 의해 형성된다.
본 발명을 위한 레이저 다이오드의 구조에서는 활성층(20)내의 원형 모드 레이저가 원형 그레이팅층(28)과 강하게 결합되어 원형 그레이팅층(28)을 통해 레이저가 원활히 방사될 수 있도록 상부 그레이딩층(22) 및 p 크레딩층(24)의 두께를 얇게 한다.
제1도는 본 발명을 행하기 위한 일실시예를 기술한 것으로 본 발명을 국한하기 위한 것이 아니다. 일예로 n 반사층(14)은 AlAs-AlGaAs 쌍으로 이루어진 것으로 공지된 바와 같이 AlAs 의 n 형 도핑의 어려움 때문에 n 반사층(14)의 저항이 커져서 n 접속층(32)이 n 반사층(14)의 하부에 있을 경우 다이오드 전체의 저항이 커질 수도 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해서 n +층(도시않됨)을 n 반사층(14)와 n 크레딩층(16) 사이에 증착하여 그 상부층을 n 크레딩층(16)까지 메사 에칭(mesa etching)하여 제거한 후 삽입된 n +층(도시않됨)위에 n 접속층(도시않됨)을 형성할 수도 있다. 이러한 구조를 가질 경우 접속층(32)은 필요없게 되며 따라서 n +기판(10), n +버퍼층(12) 및 n 반사층(14)의 도핑형이 반드시 n +혹은 n 일 필요가 없게 된다.
또한 원하는 레이저의 파장이 약 1.3㎛ 인 경우 GaAs/AlGaAs 구조 대신에, 상술한 바와 같이, InGaAsP 계 반도체가 제1도와 유사한 구조로 InP 기판위에 사용된다.
또한 상기 활성층(20)이 반드시 GaAs 의 하나이상의 양자우물에 의한 구조일 필요는 없으며 전하를 효과적으로 활성층에 모이게 할 수 있는 구조이면 된다. 예로 GaAS 대신에 상하부 그레이딩층(22, 18)보다 Al 의 농도가 작은 AlGaAs 일 수도 있다. 또한 n 및 p 의 도핑형이 제1도와 반대가 되게 구조를 형성할 수도 있으며 이 경우 n +기판 대신에 p +기판에 사용될 수도 있다.
제2도는 제1도에 도시된 레이저 다이오드의 평면도로서 본 발명의 일실시예에 따른 제1도의 원형 그레이팅(28) 및 p 접속층 (30)을 도시한다. p 접속층(30)은 본 발명에 따라 N 개의 하나 이상의 전극으로 구성된다. 제2도는 N=4 인 경우를 도시한다. 제2도에는 원형 그레이팅(28)의 일부만이 개략적으로 도시되어 있다.
원형 그레이팅(28)은, 예로, 약 0.2∼0.3 ㎛ 정도의 깊이와 주기를 가지며 지름(D)은 원하는 레이저의 단면적(spot sige)에 따라 다르나 예로 200 ㎛ 의 크기를 가지므로 원형 그레이팅(28)을 구성하는 링(ring)(혹은 원)의 수는 수백개에 달할 수 있다.
또한 본 명세서에서 원형은 원형(circle) 및 타원형(oval or elliptic)을 포괄하는 개념으로 원형 그레이팅(28)은 원형 혹은 타원형의 형태를 가질 수 있다. 제2도에 등거리 동심원 형태의 원형 그레이팅의 예를 도시한다.
N 개의 전극으로 형성된 접속층(30)과 제1도의 n + 기판(10)하부의 접속층(32)으로 부터 주입된 전하(정공 및 전자)는 본 발명에 따른 GRINSCH 구조에 의해 pn 접합부(junction)사이의 결핍층에 위치하는 제1도의 활성층(20)에 집중되어 효율적으로 광자를 생성한다.
자발 방출(spontaneous emission)에 의해 생성된 광자는 원형 그레이팅(28)에 의해 활성층(20)내에서 원형 그레이팅의 중심부에서 원주쪽으로 방사형으로 진행한 후 다시 원주쪽으로부터 중심부로 방사형으로 반사되어 2차원 광 공진기(optical resonator) 혹은 광 공동을 이룬다. 이러한 반복 작용에 의해 활성층(20)에 집중된 전하(정공과 전자)의 결합은 유도 방출(stimulated emission)의 형태로 이루어져 광이득(optical gain)에 의해 레이저가 생성된다. 이렇게 생성된 레이저는 제1도의 n 반사층(14)에 의해 n +기판(10)쪽으로 누설되지 않고 원형 그레이팅(28)에 의해 표면으로 방출되어 표면 방출형 레이저 다이오드(SELD)가 제공된다. 원형 그레이팅(28)을 통하여 방출되는 레이저는 원형 그레이팅(28)을 구성하는 수백개에 달하는 링에 의한 상호 간섭으로 발산각이 매우 작은(예로 0.5도) 원형 레이저 빔을 형성한다.
또한 제2도의 경우에서와 같이 하나 이상의 전극으로 분리된 접촉층(30)을 사용하는 경우 종래의 단일 전극을 채용할 경우와는 달리 방사되는 레이저의 방향을 변조하거나 레이저 특성을 조절하는 것도 가능하다.
상술하면, 하나 이상의 전극에 서로 다른 값의 전류를 인가하는 경우 각 전극의 하부층에는 서로 다른 전하 밀도가 유도되어 이것은 다시 상이한 굴절계수를 갖는 결과가 된다.
이를 통해 간섭 무늬를 변조하여 방사되는 레이저 빔 방향의 변조를 도모한다. 이와 같은 방법으로 공간형 광 스위치(spatial optical switch)제작과 레이저의 고출력화가 가능하다. 또한 전극 하부층에 있을 수도 있는 반도체층의 불균일성으로 인한 레이저의 코히런스(coherence) 등의 열화를 보완할 수도 있다.
제2도 또한 본 발명을 제2도에 도시된 구조에 한정하기 위한 것이 아니다. 예로, 제1도에 기술된 바와 같이 n +층(도시 않음)이 n 반사층(14)과 n 크래딩층(16) 사이에 삽입되어 n 접속층(도시 않됨)이 기판 위에 형성되는 경우, 제2도에 설명된 바와 같이 하나이상의 전극으로 된 접속층(30)을 형성하는 대신 상기 n 접속층이 하나이상으로 분리되어 각각 별도로 제어될 수 있는 전극 구성을 갖게 하거나 상기 접속층(30) 및 상기 n 접속층 각각을 하나 이상의 분리제어 가능한 전극 구성을 갖도록 하여 제2도에 설명된 기능을 갖게 할 수도 있다.
제3도는 본 발명의 또다른 실시예에 따른 비등거리 동심원(Fresnel Zone Plate; FZP)형 그레이팅(40) 및 하나 이상의 전극으로 형성된 p 접촉층(50)의 개략도이다.
FZP 는 주지되어 있는 바와 같이 FZP 를 구성하는 각각의 원이 동일한 중심을 가지며 각각의 원간의 거리는 일정하지 않으며 각각의 원간의 거리를 조절하여 FZP 에 수직하며 동심원의 중심을 지나는 축상에서 초점거리를 조정하는 것이 가능하다. 따라서 제3도의 비등거리 동심원형 그레이팅(40)에 의해 표면 방출형 레이저 다이오드의 방사된 레이저를 원하는 초점거리에 집속시킬 수 있다. 하나 이상의 p 접속층(50)의 역할은 제2도에서와 유사하다.
제4도는 본 발명의 또다른 실시예에 따른 비등거리 비동심원(Eccentric Zone Plate; EZP)형 그레이팅(60) 및 하나 이상의 전극으로 구성된 p 접속층(70)의 개략도이다.
EZP 는 EZP 를 구성하는 각각의 원이 서로 다른 중심점을 가지며, 각각의 원간의 거리가 일정하지 않으며 각각의 원의 중심점의 위치와 원간의 거리를 조절하여 임의의 방향과 거리에 레이저 빔이 집속되게 할 수 있다. 따라서 제4도의 비등거리 비동원형 그래이팅(60) 및 p 접속층(70)의 하나 이상의 전극 각각에 인가되는 전류의 값을 조절하여 표면 방출형 레이저 다이오드의 방사된 레이저를 원하는 초점에 집속시킬 수 있다.
제3도 및 제4도에 도시된 p 접속층(50, 70)은 각각 4개의 전극으로 구성되어 있으나 이것은 하나의 실시예로써 4가 아닌 다른 숫자의 전극들로 구성될 수도 있으며 제2도에서 설명된 바와 같이 제1도 에서 n + 층 (도시 않됨)이 n 반사층(14)과 n 크래딩층(16) 사이에 개재되어 n 접속층(도시않됨)이 기판위에 형성되는 경우, p 접속층(50, 70)대신에 상기 n 접속층을 하나 이상의 각각 제어 가능한 전극으로 구성하거나 p 접속층(50, 70) 및 상기 n 접속층을 모두 하나 이상의 전극으로 구성할 수도 있다.
또한 제2, 3, 4도의 그래이팅(28,40, 60) 및 하나이상의 전극으로 구성된 p 접속층(30, 50, 70)의 구조는 상술한 바와 같이 제1도의 원형 그래이팅에 의한 표면 방출형 레이저 다이오드에 국한하여 사용될 수 있는 것은 아니다. 일예로 제2, 3, 4도의 구조는 제1도에 도시된 바와 같은, 혹은 그와 유사한 구조를 가진, 원형 그레이팅에 의해 2 차원 광 공진기 혹은 광 공동을 형성하여 표면 방출형 레이저 다이오드를 구현하는 2 차원 광 공진기를 이용한 원형 그레이팅 표면 방출형 레이저 다이오드 구조 이외에 다른 형태의 표면 방출형 레이저 다이오드, 예로 수직 광 공진기를 이용한 표면 방출형 레이저 다이오드(CVCSELD)와 함께 사용되어, 예로, 수직 광 공진기를 이용한 원형 그레이팅 표면 방출형 레이저 다이오드를 구현할 수 있다. 수직 광 공진기를 이용한 표면 방출형 레이저 다이오드는 공지되어 있는 바와 같이 다양한 구조를 가질 수 있으나 (Ghulam Hasnain, et al., Performance of Gain-Guided Surface Emitting Lasers with Semicondutor Distributed Bragg Reflectors, IEEE J. of Quantum Electronics, Vol. 27, No. 6, P. 1377, 1991; Jack L. Jewell, et al., Vertical-Cavity Surface Emitting Lasers: Design, Growth, Fabrication, Characterization, IEEE J. of Quantum Electronics, Vol. 27, No. 6, p 1332, 1991), 기본적으로는, 예로, 제1도의 구조에서 p +층(26)과, p 크래딩층(24) 사이에 n 반사층(14)와 유사한 구조를 갖는 p 반사층을 추가한 것과 유사한, 활성층 양쪽에 두개의 반사층을 형성하여 그 사이에서 광 공진기 혹은 광 공동을 반도체 표면에 수직되게 구현하는 구조를 가진다. 이러한 수직 광 공진기를 이용한 표면 방출형 레이저 다이오드가 도 2,3,4 의 원형(혹은 타원형) 그레이팅 및 하나이상의 전극으로 구성된 접속층과 사용될 경우 광 공진기는 원형 그레이팅에 의해 형성되지 않고 두개의 반사층 사이에서 형성되므로 원형 그래이팅이 두개의 반사층에 의한 광 공진기에 영향을 주지 않도록(혹은 작은 영향을 주도록) 원형 그레이팅을 광 공진기로 부터 이격시키거나(예를 들어 제1도의 p + 층(26)의 두께를 크게 함으로써) 원형 그레이팅의 깊이를 얕게 한다. 이렇게 구성된 수직 광 공진기를 이용한 표면 방출형 레이저 다이오드에 의해 표면으로 방출되는 레이저는 제2, 3, 4도 구조의 원형 그래이팅에 의해 간섭, 회절되어 제2, 3, 4도에서 설명한 바와 같이 레이저 빔의 방향 및 초점이 변조될 수 있다. 이 경우에도 제2, 3, 4도의 하나이상의 전극은 상기 도면들에 설명된 바와 같은 기능을 한다.
제5도 및 제6도는 제2도의 등거리 동심원 그래이팅 및 제3, 4도의 비등거리 동심원형 및 비등거리 비동심원형 그래이팅 표면 방출형 레이저 다이오드의 2차원 어레이를 도시한다.
제5도는 기판(80)상에 형성된 등거리 동심원 그래이팅 표면 방출형 레이저 다이오드(90)의 2차원 어레이의 일예로 각 레이저 다이오드의 하나이상의 전극은 도면을 간단히 하기 위해 생략되었다. 제5도의 레이저 다이오드 어레이는 수평 및 수직 방향으로 대칭적으로 배열되었으나 물론 다른 형태의, 예로 1차원 혹은 원형등의, 어레이일 수도 있다.
제6도은 본 발명의 일실시예에 따라 고출력 레이저를 얻기 위해 제3도의 비등거리 동심원형 및 제4도의 비등거리 비동심원형 그래이팅 표면 방출형 레이저 다이오드로 구성된 2차원 레이저 다이오드 어레이의 개략적인 사시도이다.
도시된 바와 같이 반도체 웨이퍼(100)상의 다수의 동심원상에 다수의 수직 광 공진기 혹은 2차원 광 공진기를 이용한 원형 그레이팅 표면 방출형 레이저 다이오드(110, 120)가 동일한 초점(F)을 갖도록 배치된다. 본 실시예에서 레이저 다이오드(110, 120)는 각각 제3도의 비등거리 동심원형 및 제4도의 비등거리 비동심원형 그레이팅 표면 방출형 레이저 다이오드이며 비등거리 동심원형 그레이팅 레이저 다이오드(110)는 FZP 형 그레이팅의 동심원 중심을 지니며 웨이퍼(100) 표면에 수직인 축상에 초점(F)을 갖고 다수의 비등거리 비동심원형 그레이팅 레이저 다이오드(120) 각각은 레이저 다이오드(110)에 의해 결정된 초점(F)에 일치하는 초점을 가져 각각의 비등거리 비동심원형 그레이팅 레이저 다이오드(120)로부터의 레이저는 웨이퍼(100)의 표면에 수직이 아닌 방향으로 방출된다. 제6도 또한 본 발명의 일실시예에 따른 하나의 예로써, 레이저 어레이는 제6도와 다른 구성, 예로, 각각 동일한 초점을 갖는 하나의 비등거리 동심원형 그레이팅 표면 방출형 레이저 다이오드와 하나 이상의 비등거리 비동심원형 표면 방출형 레이저 다이오드를 포함하는 하나이상의 어레이로 구성된 어레이 군의 각각의 어레이가 서로 다른 초점을 갖도록 웨이퍼 혹은 웨이퍼 칩상에 구성 혹은 1차원 어레이 구성을, 가질 수도 있다.
제7도는 본 발명에 따른 고출력 레이저 다이오드 어레이를 도시하는 상세한 평면도이다. 본 실시예에 따라 레이저 다이오드 어레이는 기판(150)위에 형성된 어레이의 중심에 위치한 하나의 비등거리 동심원형 그레이팅 표면 방출형 레이저 다이오드(130)와 그 주위에 대칭되게 배열된 하나이상의, 예로 6 개의, 비등거리 비동심원형 그레이팅 표면 방출형 레이저 다이오드(140)로 구성된다. 각 레이저 다이오드(130, 140)는 각각 하나 이상의 전극(134, 144), 예로 4개의 전극으로 구성된 접속층을 포함하며 각 레이저 다이오드의 각각의 전극은 독립적으로 제어될 수 있다.
레이저 다이오드(130)의 비등거리 동심원형 그레이팅(132)은 그 중심에 그레이팅(132)를 구성하는 다수의 원의 중심이 위치하며 중심에서 멀어질수록 각 원간의 간격이 증가한다. 레이저 다이오드(130)의 하나 이상의 전극(134)은 그레이팅(132)의 중심에 대하여 대칭으로 위치한다. 하나 이상의 비등거리 비동심원 표면 방출형 레이저 다이오드(140)는, 일예로, 어레이의 중심에 위치한 비등거리 동심원형 그레이팅 표면 방출형 레이저 다이오드(130)의 그레이팅(132)의 중심으로부터 등거리상에 대칭으로 위치하며, 비등거리 비동심원형 그레이팅(142)을 구성하는 다수의 원은 각각 비등거리 동심원형 그레이팅(132)의 중심을 지나는 축에 대하여 대칭이며 다수의 전극(144) 또한 그 축에 대하여 대칭으로 배열되어 이들 다수의 전극(144)을 이용하여 주입된 전하 분포가 레이저 다이오드(130)의 그레이팅(132)의 중심에서 가장 멀리 떨어진 위치에서 최소가 되게 하고 가장 가까운 위치에서 최대가 되게 하여 각각의 레이저 다이오드(140)에서 나오는 레이저 빔의 방향이 전체 어레이 중심축 상의 레이저 다이오드(130)의 초점에 일치되도록 한다. 이와 같이 하면 레이저 다이오드(130, 140)의 그레이팅(132, 142)의 구조 및 전극(134, 144)에 인가된 전하에 의하여 전체 어레이의 초점을 모을 수 있고 그 초점거리도 조절할 수 있다.
이와 같이 본 발명은 원형 그레이팅 표면 방출형 레이저 다이오드를 채용하여 고출력 레이저 다이오드 어레이를 이용하여 고출력의 레이저를 얻을 수 있는 효과가 있다.

Claims (20)

  1. 동일한 반도체 기판위에 적어도 두 개 이상의 2차원 광 공진기를 이용한 원형 그레이팅 표면 방출형 레이저 다이오드가 형성되며, 상기 원형 그레이팅 표면 방출형 레이저 다이오드는, 반도체 기판 위에 성장된 제 1 그레이딩층과; 외부에서 주입된 정공 및 전자가 결합하여 레이저를 발생하는 상기 제 1 그레이딩 상부에 위치하는 활성층과; 상기 활성층 상부에 위치하는 제 2 그레이딩층과; 상기 제 2 그레이팅층 상부에 위치하는 제 1 전도형의 반도체층과; 반도체 상부 표면에 위치하여 상기 반도체 상부 표면의 하부에 2 차원 광공진기를 규정하고 상기 2 차원 광 공진기에서 발생한 레이저를 상기 반도체 상부 표면으로 방사하는 원형 그레이팅층과; 하나이상의 전극으로 구성되며 상기 하나이상의 전극 각각에 독립적으로 전류를 인가하기 위한 상기 제 1 전도형의 반도체층 상부에 위치하는 제 1 접속층을 포함하며; 상기 제 1 및 상기 제 2 그레이딩층은 그 밴드갭 에너지가 상기 활성층 쪽으로 갈수록 작아지도록 조성이 변하는 반도체 물질로 구성되며 상기 활성층은 상기 제 1 및 상기 제 2 그레이딩층보다 밴드갭 에너지가 크지 않은 반도체 물질로 구성된 원형 그레이팅 표면 방출형 레이저 다이오드 어레이.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 전도형의 반도체층이 균일하게 도핑된 원형 그레이팅 표면 방출형 레이저 다이오드 어레이.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 전도형의 반도체층이 하나이상의 델타 도핑된 제 1 전도형의 층을 포함하는 원형 그레이팅 표면 방출형 레이저 다이오드 어레이.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 반도체 기판 및 상기 제 1 그레이딩층 사이에 위치하며 서로 다른 굴절율을 가진 두개의 서로 다른 반도체 물질로 구성된 두개의 층으로 이루어진 다수의 쌍을 포함하여 레이저를 반사시키는 반사층을 더 포함하는 원형 그레이팅 표면 방출형 레이저 다이오드 어레이.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 반도체 기판의 하부에 위치하여 전류를 인가하기 위한 제 2 접속층을 더 포함하며, 상기 반사층과 상기 반도체 기판이 제 2 전도형인 원형 그레이팅 표면 방출형 레이저 다이오드 어레이.
  6. 제 4 항에 있어서, 상기 반사층 상부에 제 2 전도형의 반도체층을 더 포함하며, 상기 제 2 전도형의 반도체층 상부의 반도체층들을 메사에칭하여 상기 제 2 전도형 반도체층 상부에 제 2 접속층이 위치하는 원형 그레이팅 표면 방출형 레이저 다이오드 어레이.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 제 2 접속층이 하나 이상의 전극으로 이루어져 상기 제 2 접속층의 하나 이상의 전극 각각에 독립적으로 전류를 인가할 수 있는 원형 그레이팅 표면 방출형 레이저 다이오드 어레이.
  8. 제 1 항 내지 제 6 항중 어느 한 항에 있어서, 상기 2차원 광 공진기를 이용한 원형 그레이팅 표면 방출형 레이저 다이오드의 상기 원형 그레이팅층이 등거리 동심원형인 원형 그레이팅 표면 방출형 레이저 다이오드 어레이.
  9. 제 1 항 내지 제 6 항중 어느 한 항에 있어서, 상기 원형 그레이팅층이 비등거리 동심원형으로 상기 원형 그레이팅층을 통해 방출된 레이저 빔의 초점거리가 상기 원형 그레이팅층의 중심을 관통하며 반도체 표면에 수직인 축상에서 변조할 수 있는 원형 그레이팅 표면 방출형 레이저 다이오드 어레이.
  10. 제 1 항 내지 제 6 항중 어느 한 항에 있어서, 상기 원형 그레이팅층이 비등거리 비등심원형으로 상기 원형 그레이팅을 통해 방출된 레이저 빔의 초점거리와 방향을 변조할 수 있는 원형 그레이팅 표면 방출형 레이저 다이오드 어레이.
  11. 제 1 항 내지 제 6 항중 어느 한 항에 있어서, 상기 원형 그레이팅층이 비등거리 동심원형인 하나의 2 차원 광 공진기를 이용한 원형 그레이팅 표면 방출형 레이저 다이오드와 상기 원형 그레이팅층이 비등거리 비동심원형인 하나 이상의 2차원 광 공진기를 이용한 원형 그레이팅 표면 방출형 레이저 다이오드를 포함하며, 상기 하나이상의 비등거리 비동심원형인 2차원 광 공진기를 이용한 원형 그레이팅 표면 방출형 레이저 다이오드의 각각이 상기 하나의 비등거리 동심원형인 2차원 광 공진기를 이용한 원형 그레이팅 표면 방출형 레이저 다이오드와 동일한 초점을 갖는 원형 그레이팅 표면 방출형 레이저 다이오드 어레이.
  12. 동일한 반도체 기판위에 적어도 두 개 이상의 2차원 광 공진기를 이용한 원형 그레이팅 표면 방출형 레이저 다이오드가 형성되며, 상기 원형 그레이팅 표면 방출형 레이저 다이오드는, 반도체 기판위에 성장된 서로 다른 굴절율을 가진 두개의 서로 다른 반도체 물질로 구성된 두개의 층으로 이루어진 다수의 쌍을 포함하여 레이저를 반사시키는 제 1 반사층과; 서로 다른 굴절율을 가진 두개의 서로 다른 반도체 물질로 구성된 두개의 층으로 이루어진 다수의 쌍을 포함하여 레이저를 반사시켜 상기 제 1 반사층과 함께 그 사이에서 반도체 표면에 수직 방향으로 레이저를 발생하는 수직 광 공진기를 구성하는 제 1 전도형의 제 2 반사층과; 상하의 인접한 반도체층보다 작은 밴드갭 에너지를 가진 반도체 물질로 이루어지며 외부에서 주입된 전자와 정공이 결합하여 레이저를 발생하는 상기 광 공진기 내부에 위치하는 활성층과; 반도체 상부 표면에 위치하여 상기 수직 광 공진기에서 발생한 레이저를 상기 반도체 상부 표면으로 방사하는 원형 그레이팅층과; 하나 이상의 전극으로 이루어져 상기 하나 이상의 전극 각각에 독립적으로 전류를 인가하기 위한 제 1 접속층을 포함하는 원형 그레이팅 표면 방출형 레이저 다이오드 어레이.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 활성층 하부에 위치하며 밴드갭 에너지가 상기 활성층 쪽으로 감에 따라 작아지도록 조성이 변하는 반도체 물질로 이루어진 제 1 그레이딩층과; 상기 활성층 상부에 위치하여 밴드갭 에너지가 상기 활성층쪽으로 감에 따라 작아지도록 조성이 변하는 반도체 물질로 이루어진 제 2 그레이딩층을 더 포함하는 원형 그레이팅 표면 방출형 레이저 다이오드 어레이.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 제 1 접속층 하부에 위치하는 제 1 전도형의 반도체층과 상기 반도체 기판의 하부에 위치하여 전류를 인가하기 위한 제 2 접속층을 더 포함하며, 상기 제 1 반사층과 상기 반도체 기판이 제 2 전도형인 원형 그레이팅 표면 방출형 레이저 다이오드 어레이.
  15. 제 14 항에 있어서, 상기 제 1 전도형의 반도체층이 균일하게 도핑된 원형 그레이팅 표면 방출형 레이저 다이오드 어레이.
  16. 제 14 항에 있어서, 상기 제 1 전도형의 반도체층이 하나이상의 델타 도핑된 제 1 전도형의 층을 포함하는 원형 그레이팅 표면 방출형 레이저 다이오드 어레이.
  17. 제 12 항 내지 제 16 항중 어느 한 항에 있어서, 수직 광 공진기를 이용한 원형 그레이팅 표면 방출형 레이저 다이오드의 상기 원형 그레이팅층이 등거리 동심원형인 원형 그레이팅 표면 방출형 레이저 다이오드 어레이.
  18. 제 12 항 내지 제 16 항중 어느 한 항에 있어서, 상기 원형 그레이팅층이 비등거리 동심원형으로 상기 원형 그레이팅층을 통해 방출된 레이저 빔의 초점거리를 상기 원형 그레이팅층의 중심을 관통하며 반도체 표면에 수직인 축상에서 변조할 수 있는 원형 그레이팅 표면 방출형 레이저 다이오드 어레이.
  19. 제 12 항 내지 제 16 항중 어느 한 항에 있어서, 상기 원형 그레이팅층이 비등거리 비동심원형으로 상기 원형 그레이팅층을 통해 방출된 레이저 빔의 초점거리와 방향을 변조할 수 있는 원형 그레이팅 표면 방출형 레이저 다이오드 어레이.
  20. 제 12 내지 16 항중 어느 한 항에 있어서, 상기 원형 그레이팅층이 비등거리 동심원형인 하나의 수직 광 공진기를 이용한 원형 그레이팅 표면 방출형 레이저 다이오드와 상기 원형 그레이층이 비등거리 비동심원형인 하나이상의 수직 광 공진기를 이용한 원형 그레이팅 표면 방출형 레이저 다이오드를 포함하며, 상기 하나 이상의 비등거리 비등심원형인 수직 광 공진기를 이용한 원형 그레이팅 표면 방출형 레어저 다이오드의 각각이 상기 하나의 비등거리 동심원형인 원형 그레이팅 표면 방출형 레이저 다이오드와 동일한 초점을 갖는 원형 그레이팅 표면 방출형 레이저 다이오드 어레이.
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