KR0147857B1

KR0147857B1 - 전자 비임 증발 다층 거울을 구비한 광장치

Info

Publication number: KR0147857B1
Application number: KR1019920025378A
Authority: KR
Inventors: 글렌 뎁페 데니스; 쿠마 듀타 닐로이; 프레데릭 슈베르트 에르드만; 웨이 투 리; 죤 지드직 죠지
Original assignee: 죠 제이 키세인; 에이 티 앤드 티 코포레이션
Priority date: 1991-12-27
Filing date: 1992-12-24
Publication date: 1998-11-02
Also published as: EP0549167A2; EP0549167A3; DE69209630D1; CA2083122A1; TW263626B; US5206871A; KR930015234A; CA2083122C; JPH05251819A; EP0549167B1; HK146096A; DE69209630T2

Abstract

본 발명은 적어도 한쌍의 사분의 일 파장 층을 포함하는 상단 거울을 구비하는 VCSEL을 구현하는 것으로, 각 쌍은 저굴절율 층 및 고굴절율 층으로 이루어지고, 상기 고굴절율 층은 GaP 및 ZnS로 부터 선택된 반도체이고 상기 저굴절율을 층은 봉규산 유리(BSG), CaF2, MgF2 및 NaF로부터 선택된다. 다수의 GaP/BSG 또는 ZnS/CdF₂쌍의 적층에 의해 형성된 거울은 수직 공동 표면 발광 레이저에서 특히 유용하다. 이러한 거울은 레이저의 효율적인 동작을 위해 요구되어지는 고반사 특성을 갖는다. GaP/BSG 또는 ZnS/CaF2 거울 구조는 최종적인 반사율, 저손실, 성장 공정 후 양립성(post growth processig compatiblity)의 관점에서 종래 기술의 VCSEL에 대한 설계보다 상당히 진보를 나타낸다.

Description

전자 비임 증발 다층 거울을 구비한 광학 장치

제1도는 VCSE 레이저 구성의 횡단면도.

제2도는 6쌍의 ZnS/CaF2를 갖는 거울에 대해 측정한 반사율 대 파장 곡선을 나타낸 그래프.

제3도는 3쌍의 GaP/붕규산 유리를 갖는 거울에 대해 측정한 반사율 대 파장곡선을 나타낸 그래프.

제4도는 전송 및 반사에 관해서 붕규산 유리상의 40nm두께의 GaP막에 대해 측정한 광 데이터를 나타낸 그래프.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10 : VCSEL 11 : 기판

12 : 하단 거울 13 : 제1의 제한층

14 : 활성층 15 : 제2의 제한층

16 : 강하게 도핑된 접촉층 17 : 상단 전극

18 : 상단 거울 18 : 하단 전극

[발명의 목적]

[발명이 속하는 기술분야 및 그 분야의 종래기술]

[발명의분야]

본 발명은 수직 공동 표면 발광 레이저(Vertal Cacity Surface Emitting Lasers)에 관한 것이다.

[발명의 배경]

높은 굴절율의 층과 낮은 굴절율의 층을 교대로 적층(stacks)한 것은 수직 공동 표면 발광 레이저(이하, VCSEL이라 칭함)에서 거울로 작용한다. 저굴절율에 대한 고굴절율의 비를 최대화하고, 반도체 장치 제조와 양립하는 방식으로 침착될 수 있는 고굴절율 층 및 저굴절율 층에 사용하기 적합한 재료를 발견하는 것이 과제이다.

VCSEL은 레이저광 발생 공동(Lasing Cavity)이 레이저 칩의 상단면에 수직인데, 상기 레이저 칩은 작고 플레너 기술(planar technology)에 의해 생성될 수도 있다. 이것에 의해, 미래에는 고밀도 레이저 어레이, 광통신 시스템에 있어서의 높은 데이터 전송, 광통신 시스템에 있어서의 초고병렬 처리뿐만 아니라 전자 칩간의 데이터 전송용 루트의 공급 등이 약속된다. 더욱이, 이들 비임의 원형성질(circular-like nature)로 인해 레이저광을 원형 광 섬유내에서 효율적으로 결합할 수 있다.

VCSEL에서 광출력은 박막 성장 방향인데, 이 방향은 보통 주입전류 방향과 평행하다. 이러한 특징으로 인해, 거울(이들을 통해 방사가 일어난다)과 전기 접촉부는 물리적으로 레이저 구조의 동일면, 즉 장치의 상단 또는 하단 각각을 점유하고 있다. 거울은 대략 표면의 중심에 위치해 있고 전극은 상기 거울의 주변에 위치해 있다. 1미크론의 수십 분의 1의 두께를 갖는 금박이 거울(상기 거울을 통해 레이저 방사가 일어난다)로서 작용하는 동일면 거울/전극 구조를 갖는 표면 발광 레이저(surface emitting laser)의 예는 H.Soda 등에 의한 『Japanese Journal of Applied Physics, Vol.18, No. 12, 1979, pp. 2329-2230』에 발표된 명칭이 “GaInAsP/InP Surface Emitting Injection Lasers”인 논문과 H.Soda 등에 의한 『IEEE Journal of Quantum Electronice, Vol. QE-19, No. 6, June 1983, pp. 1035-1041』에 발표된 명칭이 “GaInAsP/InP Surface Emitting Injection Lasers with Short Cavity Length”인 논문에 나타나있다. 그러나, S.Kinoshita는 주로 금거울(gold mirror)에 의한 레이저 방사의 흡수로 인하여 이러한 거울이 낮은 양자 효율성을 나타낸다고 지적하면서 상단 거울로서 유전체 층(dielectric layers)의 쌍의 적층을 사용할 것을 제안하였는데, 여기서 각 쌍의 한 층의 그 쌍의 나머지 층보다 굴절율을 갖는다. 이 제안에 대한 참조 논문으로는 『Japsnese Journal of Applied Physics, Vol.26, No. 3, March 1987, pp.410-415에 수록된 Susumu Kinoshita 등의 “GaAlAs/GaAs Surface Emitting Laser with High Reflective TiO2/SiO2 Multilayer Bragg Reflector”』 과 『Appl. Phus. Letters, Vol.54, No.20, 15 May 1989, pp.1959-1961에 수록된 “L. M. Zinkiewicz등의 “High Power Vertical-Cavity Surface-Emitting AlGaAs/GaAs Diode Lasers”』와 『Optoelectronics-Devices and Technologies, Vol. 3, No. 2, December 1988, pp.131-142 에 수록된 Kinichi Iga의 “Recent Advances of Surface Emitting Semiconductor Lasers”』가 있다.

TiO2 및 ZrO2 사분의 일 파장( quarter-wave)유전체 층의 통상적으로 SiO₂사분의 일 파장 층과 한 쌍으로 된다. 상기 쌍의 수는 최대 동작 반사율(maximum performance reflectivity)을 얻을 수 있도록 선택된다. 그러나 TiO2(또는 ZrO2) 및 SiO₂사분의 일 파장 층이 교대하는 구조로 된 거울 반사율에 있어서 기대되는 동작 특성을 나타내지 못한다. 이론적으로, 적층된 거울 구조의 광학 특성은 100퍼센트에 도달해야 한다. 그러나 현재로서 얻을 수 있는 성능은 90 내지 99퍼센트의 정도의 넓은 범위 내에 있다. 문제는 주로 고굴절율 층 재료에 있다. 이러한 결점은 재현성이 양호한 충분히 높은 순도의 TiO2(또는 ZrO2)층을 얻기가 어려운데 그 원인이 있는 가능성이 매우 크다. TiO2(또는 Zro2)와 같은 코팅의 전자 비임 증착(electron beam deposition)은 원하는 굴절율에 대한 적절한 화학량론적 조성을 얻기 위해 증착 과정에 산소의 첨가를 필요로 한다. 산소 첨가는 Ti, TiO, Ti₂O₃, Ti₃O₅와 같은 원하지 않는 산소 결핍상(oxygen-deficient phases)의 형성을 피하기 위해 요구되어 지는데, 상기 산소 결핍상은 산소의 부족에 기인한다. 이러한 요구조건은 재현성이 양호한 TiO₂층을 형성하는 것을 어렵게 한다.

에피택셜하게 침작될하는 성질들을 갖게되는 AlxGa1-XAs 또는 GaInP와 같은 고굴절율을 갖는 몇몇 단결정 반도체 TiO₂또는 ZrO₂대신 사용될 수도 있다. 그러나 이들 재료의 에피택셜 성장(epitaxial growth)에는 복잡하고 고가의 성장 장치를 사용하여야 하며 600∼800℃의 온도가 필요하다. 이들 재료는 300∼350℃이상의 온도는 피해져야만 하는 장치 후 공정(device post -processing)에서 침착하기에는 적절치 못하다. 그러므로 장치 공정과 양립할 수 있는 조건에서 쉽게 재생될 수 있으며 또한 플레너(planar) 기술을 이용하는 단순화된 방식에서 제조될 수 있는 고순도의 고팅을 갖는 VCSEL_S에서 이용하기 위한 고안전성 및 고동작 특성 거울에 대한 필요성이 여전히 존재한다.

[발명이 이루고자 하는 기술적 과제]

본 발명은 적어도 한 쌍의 사분의 일 파장 층을 포함하는 상단 거울(top mirror)을 갖는 VCSEL을 구현하는 것으로, 각 쌍의 저굴절율 층과 고굴절율 층으로 구성되며, 상기 고굴절율 층은 GaP 및 ZnS로부터 선택된 반도체이고 상기 저굴절율 층은 붕규산 유리(borosilicate glass; BSG), CaF₂, MgF₂, 및 NaF에서 선택된다. GaP/BSG 또는 ZnS/CdF₂로 이루어진 복수의 쌍의 적층에 의해 형성된 거울이 수직 공동 표면 발광 레이저에서 특히 유용하다. 이러한 거울은 산소가 없는 상태에서 전자 비임 침착에 의해 제조되며 레이저의 효율적인 동작에 요구되어지는 고반사 특성을 갖고 있다. GaP/BsG 또는 ZnS/CaF2 거울 구조는 최종적인 반사율, 저손실, 및 성장 공정 후 양립성(post growth processing compatibility)의 관점에서 종래의 VCSEL_S에 대한 디자인보다 상당히 진보된 것이다.

[발명의 구성 및 작용]

본 출원인은 GaP 및 ZnS와 같은 반도체 재료들이 특히 CaF₂, MgF₂Naf 및 봉규산 유리(BSG)와 같은 저굴절율 유전체 층과 결합할 경우에 VCSEL_S에서 이용하기 위한 거울의 고굴절율 층에 대한 우수한 선택임을 발견하였다. GaP의 굴절율은 3.45이고, ZnS의 굴절율은 2.35, BSG의 굴절율은 1.46, CaF₂의 굴절율은 1.42, MgF2의 굴절율은 1.389, 그리고 NaF의 굴절율을 1.317 이다. GaP 및 ZnS는 비교적 낮은 기판온도에서 그리고 침착 중에 산소를 공급할 필요 없이 전자 비임 증착에 의해 비정질(amorphous) 층의 형태로 침착될 수 있는 화합물 반도체이다. 비교적 저가의 기술인 전자 비임 증발은 반도체 표면에 별로 손상을 끼치지 않으면서 원위치에서(in situ) 층의 두께를 모니터할 수 있게 한다. 전자 비임 증착은 기술적인 분야에서 널리 공지된 기술이므로 이에 대한 설명은 생략한다. 전자 비임 기술에 의해 2개의 층을 침착시키기 위한 적절한 장치의 실시예에 대해서는, 상기 언급한 Susumu Kinoshita등의 논문 또는 Herman R. Dobler 등이 1976년 10월 5일에 특허 받은 미국 특허 제3,984,581호를 참조하라.

산소가 없는 상태에서 GaP 및 ZnS의 전자 빔 침착은 기판 온도가 침착 중에 실내온도 내지 250℃ 범위내의 온도를 유지할 경우 결정상태가 아닌 비정질 상태의 침착물이 된다. 이 온도는 산화 침착(oxide deposition) 또는 금속화(metallizations)와 같은 현재 통상적으로 사용되는 장치 고정과 양립한다. 침착된 충들이 비록 단결정이 아니더라도, 흡수 손실은 0.5 내지 1.6㎛, 바람직하게는 0.5 내지 1.1㎛, 가장 바람직하게는 0.85 내지 0.88㎛(벌크(bulk) GaAs의 방사파장) 범위 이내의 파장에 대해서 낮다. 양질의 GaP 및 ZnS 층은 GaP/BSG 또는 Zns/CaF₂와 같은 거울 구조를 쉽게 재생시킬 수 있는 기판 재료와 독립적으로 얻어 질 수 있다. TiO₂또는 변경되지 않는 ZrO₂의 이용과 대조적으로 SiO₂층과의 결합에서는, 고굴절율 코팅으로서 GaP 또는 ZnS를 사용하는 막 화학량론적 조성의 제어는 문제가 되지 않으며, 우수한 재생성을 갖게된다.

제1도는 본 발명에 따른 VCSEL(10으로 표현됨)을 개략적으로 표현한 것이다. 명확성을 위해서 VCSEL의 구성요소는 실제의 비율과는 상이하게 표현되었다. VCSEL(10)은 기판(11)과, 하단 거울(bottom morror; 12)을 형성하는 복수 쌍의 반도체 층(각 쌍의 한층은 상기 쌍의 다른 층의 굴절율과 상이한 굴절율을 갖는다)의 사분의 일 파장 적층과, 제1의 제한층(confining layer)(13), 활성층(14) 제2의 제한층(15), 강하게 도핑된 접촉층(13), 장치의 비합금 음성 상단 적극(non-alloyed ohmic top electrode; 17)으로서 작용하는 금속 링, 상단 거울(18)을 형성하는 복수 쌍의 층(각 쌍의 한층은 상기 쌍의 다른 층의 굴절율과 상이한 굴절율을 갖고 있음)의 제2의 사분의 일 파장 적층, 및 기판(11)의 하단 표면과 접촉하는 하단 전극(19)을 포함한다. 도시되지는 않지만, 부가적인 제한층 및 버퍼층이 레이저 구조에 포함될 수도 있다. 층의 쌍(pairs of layers)의 수는 3개인 것으로 임의로 도시되어 있지만, 2 내지 20개의 범위 내에서 임의의 수가 될 수 있다.

본 발명에 따른 VCSEL(10)의 구성은 이하와 같이 일반적으로 기술될 수 있다.

기판(11)은 GaAs, GalnAs, InP, GaInP, GaInPAs, AlAs, AlGaAs, AlGaInAs, AlInP, AlInPAs, AlGaInPAs, 기타 관련 그룹 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체와 같은, n+ 형의 Ⅲ-Ⅴ족 또는 Ⅱ-Ⅵ족 반도체이다. 통상적으로, 기판의 두께는 100내지 500㎛이며 기판의 도핑농도는 1×10¹⁷내지 1×10¹⁹㎝^-3이다. 광전자 집적회로와 같은 일부 응용분야에서, 기판(11)은 최초 실리콘의 마스터 기판 상에 성장되는데, 이 기판은 상기 마스터 기판 상에서 성장되는 많은 장치에 공통적이다.

사분의 일 파장 적층(12)은 GaAs, GaInAs, InP, GaInP, GaInAsP, AlAs, AlGaAs, AlInP, AlGaInP, AlGaInAsP와 같은 n+ 형 반도체 층의 복수의 쌍으로 구성되는데, 상기 반도체 층의 통상 10 내지 40 사이의 다수의 쌍을 갖는 하단 다층(bottom multilayer)분배 브래그 반사기(distributed Bragg reflector: DBR) 거울을 형성한다. 각 쌍의 하나의 반도체 층은 상기 쌍의 나머지 하나의 반도체 층보다 높은 굴절율을 갖는다. 한 쌍 내의 각 반도체 층의 두께는 λ/4n인데, 여기서 λ는 레이저 장치의 광파장이고 n은 상기 층의 굴절율이다. 예를들면, GaAs를 기초로 하는 레이저와 같이, λ=0.87㎛에서 레이저 광선을 발하는 활성영역을 갖는 장치에 있어서, 굴절율이 각각 3.64 및 2.97 인 GaAs 및 AlAs와 같은 반도체 쌍의 사분의 일 파장 적층은 60nm 두께의 GaAs 층 및 73nm 두께의 AlAs 층으로 이루어지는 반면 Al0.05Ga0.95As 및 AlAs의 적층은 각각 62nm 및 73nm 두께를 갖는 층의 쌍으로 이루어질 것이다.

활성영역(14)을 제한하고 관공동(optical cavity)의 길이(L)(즉, 활성영역의 두께)를 조정하기 위해서 제1의 제한층(13) 및 제2의 제한층(15)이 제공된다. 상기 광공동 길이는 2L=N·λ 이어야하는데, 여기서 N은 정수이고, λ는 레이저의 동작 광파장(operating optical wavelength)이다. 통상적으로, 상기 제한층 각각의 두께는 0내지 3㎛이다. 구조적인 간섭(constructive interference)을 얻기 위해, 상기 제한층의 두께는 λ/4n의 정수배이어야 한다. 양호한 실시예에서, 상기 제한 영역은 AlxGa1-xAs로 이루어지는데, 여기서 x의 범위는 0.1 내지 0.4이다.

활성영역(14)은 전자(-) 및 정공(holes, +)이 재결합하는 영역으로, 적당한 자극에 의해 레이저를 방출한다. 양호한 실시예에서, 상기 활성영역은 약하게 도핑된(1×10¹⁶∼5×10¹⁷㎝^-3)GaAs층으로서 두께는 0.1 내지 1㎛이다. 상기 단일층은 균질의 반도체(homogeneous semiconductor)또는 단일 또는 복수의 양자 우물(quantum well; QW)구조가 될 수 있는데, 넓은 갭(wider gap) 반도체에 의해 한정된 좁은 갭(narrower gap) 반도체로 구성된다. 대안으로서, 상기 활성영역을 형성하는 상기 단일층은 매우 얇은 장벽을 갖는 다양자(multiquantum) 우물 구조인 초격자(superlattice)구조에 의해 대체될 수도 있다.

제한층(15)과 링 전극(17)간의 비합금 옴성 접촉을 용이하게 형성하기 위해서, 강하게 도핑된 접촉층(16)이 0.01 내지 0.1㎛ 두께로 제공된다. 통상적으로, 상기 접촉층에서의 도핑농도는 1×10¹⁹내지 1×10²⁰㎝^-3이다.

전극(17)은 비합금 옴성 접촉부이다. 전극(17)은 5 내지 400nm 두께로 침작된 AuBe 및 AuZn과 같은 금속 복합물로부터 선택된 금속으로서, 그 형태의 외경이 1.0 내지 50㎛, 내경이 0.5 내지 25㎛ 인 환형(annulus)이다. 이러한 접촉부는 20℃ 내지 500℃, 바람직하게는 20℃ 내지 250℃범위의 온도에서 증착에 의해 침착된다. 온도를 더 높이면 금속이 반도체내에 합금되는 바람직스럽지 못한 결과가 나타날 수 있다 게다가 Pt와 같은 금속의 얇은 층이 접촉층(16)과 금속 복합물 사이에 위치될 수도 있다.

상단 거울(18)은 고굴절율 및 저굴절율의 2 내지 20개의 쌍을, 원주 형태로 상호 적층시킨 것을 포함하는 다층 브래그 반사기이다. 양호한 일 실시예에 있어서, 상기 고굴절을 층은 GaP이고, 저굴절율 층은 등록상표 Vycor와 같은 붕규산유리(BSG)이다. 다른 양호한 실시예에 있어서, 고굴절율 층은 ZnS 층이고, 저굴절율 층은 CaF₂층이다.

1 내지 10㎛ 두께의 금속 전극(19)은 상기 활성 영역을 수직으로 관통해서 흐르는 전류를 제공하여 레이저 방사를 유발하도록 하기 위해서 기판(11)의 하단 표면상에 형성된다. 레이저는, 예를들면, 레이저의 재료를 오염시키지 않는 구리 또는 다른 열전도성 재료로 이루어진 탈열기 플레이트(heat-sink plate)와 접촉하도록, 적극(19)과 함께 설치될 수도 있다.

반도체층(12∼16)은 금속 유기 기상 에피택시(metal organic vapor phase epitaxy; MOVPE), 또는 금속 유기 화학 증착(metal organic chemical vapor deposition; MOCVD), 또는 분자 비임 에피택시(Molecular Beam Epitaxy; MBE) 또는 수소화물 기상 에피택시(hydride vapor phase epitaxy; VPE)와 같은 공지된 방법에 의해서 기판(11)상에 성장될 수 있다. 양호한 실시예에 있어서, VCSEL 구조는 강하게 도핑된 GaAs 기판(11) 상에서 Varian Gen Ⅱ MBE 시스템에서 MBE 기술에 의해 성장된다. 층(12∼16)이 성장된 후에, 부분적으로 형성된 구조는 별개의 고진공실(high vacuum chamber)로 옮겨지고, 이곳에서 희망하는 전기 전도성을 제공하기에 충분한 두께의 비합금 옴성 접촉으로서 접촉층(16)의 노출된 부분 상에 전자 빔 증착에 의해 금속층이 침착된다. 전극(17)은 사진평판술로 형성된 마스크 또는 접촉층의 중심에 위치된 영역과 같이 금속 전극의 침착을 배제해야 할 섀도우 마스크 방지 영역을 통해 침착될 것이다. 상단 전극 침착 단계 후에, 상기 상단 거울 적층은 동일한 또는 다른 챔버 내에서 전자 비임 증착에 의해 섀도우 마스크를 통해 산소가 없는 상태에서 침착된다. 그 다음, 예를들면 In으로 된 하단 전극층(19)이 기판(11)의 하단 표면 상에서 형성될 것이다. 마지막으로레이저의 하단축이 In 전극을 통해 또는 에폭시와 같은 전도성 접착제에 의해서 다른 장치에 대해 공통적인 탈열기(heat sink) 역할을 하는 동판(copper slab)상에 설치될 것이다.

상단 전극(17)으로부터의 전자의 흐름은 제한층(15)에 고정된 중앙에 배치된 작은 개구부(도시되어 있지 않음)를 통해서 활성층으로 향하도록 한정되어 있다. 이 중심 영역은 환상(annular) 전극 내의 중앙 개구부와 실질적으로 대응하는 것이 바람직하다. 이것은 재료(상기 재료로 이온이 주입된다)의 전도성 타입에 영향을 미치지 않는 이온으로 제한층(15)의 주변 영역을 이온 주입하는 것에 의해 편리하게 제조될 수 있다. H⁺, O⁺또는 He⁺와 같은 양성자 이온이 통상 1×10¹⁸내지 5×10¹⁹㎤의 농도로 주입된다. 이들 이온은 접촉층(16)의 침착 전에 제한층(15)의 주변 영역에 주입되어 중앙에 제한된 활성층(14)으로의 전자의 흐름을 위한 창을 정의한다.

양호한 실시예에 있어서, 상기 VCSEL은 AlxGa1-xAs 레이저 구조인데, 여기서 x는 0내지 1.0이며, 상승하는 순서로 1 내지 2㎛ 두께의 In 전극(19)과, 약 500㎛ 두께의 (001) 방향으로 강하게 도핑된(2×10¹⁸㎝^-3)n⁺형의 GaAs 기판(11)과, 다층 분배 브래그 반사기(DBR) 거울을 형성하는 30쌍의 n+형(5×10¹⁷∼5×10¹⁸㎝^-3) 반도체 층의 사분의 일 파장 적층으로 이루어진 하단 거울(12)을 포함한다. 여기서 상기 적층의 각 쌍은 73nm 두께의 n+형 AlAs 층과 62nm 두께의 Al_0.05Ga_0.95As층으로 이루어져 있다. 이 DBR 구조의 반사율 스펙트럼을 퍼킨-엘머람브다(Perkin-Elmer Lambda) 9 UV/VIS/NIR 분광 광도계(spectrphotometer)로 측정하면 반사율 ＞ 99%인 0.87㎛에 중심을 둔 넓은 고굴절율 대역을 나타낸다. 상기 하단 거울 다음에는 약 3㎛ 두께의 n+형의 Al0.20Ga0.80As(5×10¹⁷㎝^-3)로 된 제1의 제한층(13)과, 약0.6㎛ 두께의 p-형의 GaAs로 이루어진 약하게 도핑된 (5×10¹⁶㎝^-3)활성층(14), 및 0.5㎛ 두께의 p+형의 Al_0.30Ga_0.70As(5×10¹⁶㎝^-3)로 된 제2의 제한층(15)이 형성된다. 약 0.06㎛ 두께의 p+형의 Al0.10Ga0.90As로 된 강하게 도핑된(5×10¹⁹㎝^-3) 접촉층(16)이 옴성 접촉을 위해 제한층(15) 상에 침착된다. 약 200nm 두께의 AuBe로 된 전극층(17)이 적당한 마스크를 통해 접촉층(16)의 상단에 비합금 옴성 접촉으로 형성된다. 전극층(17)은 1.0 내지 50.0㎛, 바람직하게는 5 내지 25㎛의 외경과 0.5 내지 20㎛, 바람직하게는 2 내지 20㎛의 내경을 갖는 환상(annulus) 형태로 되어 있다.

그 다음, 전자 비임 증착에 의해서 상단 거울(18)을 형성하는 GaP 및 BSG또는 ZnS 및 CaF₂가 교호하는 다수의 층이 침착된다. 이들 층은 마스크를 통해 침착되어 교호하는 층의 원주를 형성한다. BSG(또는 CaF₂₎층이 침착되고 이어서 GaP(또는 ZnS)층이 침착되며, 원하는 수, 예컨대 20쌍의 BSG-GaP(또는 CaF₂-ZnS)가 침착될 때까지 침착 과정이 반복된다. 그 다음 상기 적층에 다른 BSG(또는 CaF₂)층으로 덮여지는 것이 바람직하다.

CaP층의 침착을 위한 원재료(source material)는 다결정 GaP 이었고, BSG 층의 침착을 위한 원재료는 용융된 BSG(fused BSG)이었다. 유사하게, ZnS 층의 침착을 위한 원재료는 결정 ZnS이었고 CaF₂층의 침착을 위한 원재료는 결정 CaF2이었다. 원재료들의 조사(照射)(bombardment)가 시작된 후에, 약 150nm 두께의 BSG(약 153nm 두께의 CaF₂₎층은 접촉층(16)의 인접한 중앙영역 상에 그리고 부분적으로 중첩된 관계에서 접촉부(17)의 노출된 부분 상에 침착될 수 있었던 반면에 GaP의 침착은 셔터(shutter)에 의해 방지되었다. 그런 후에 약 64nm 두께의 GaP(약 93nm 두께의 ZnS)층이 침착되었지만 BSG층의 침착은 중단되었다. 이 과정은 원하는 수의 BSG 및 GaP(또는 CaF₂및 ZnS 쌍)층의 쌍(주기)이 침착될 때까지 반복되었다. 침착중에, 1×10^-4내지 1×10^-7토르(Torr)의 진공이 유지되었다. 적층의 외경은 0.2 내지 5㎛ 정도 전극과 중첩하도록 하기 위해서 전극(17)의 내경보다 더 컸었다. 침착 중에 기판은 125℃ 내지 250℃의 온도로 유지되었다. 이들 온도는 반도체 성장 공정 후(post semiconductor growth processing)에 통상 사용되는 산화물 침착 또는 금속화와 같은 장치 프로세서와 양립할 수 있다. 이들 온도는 또한 산소가 없는 상태에서 GaP 및 ZnS의 비정질막의 형성에도 도움이 된다. 본 발명에 따른 교호하는 GaP 및 BSG층 또는 ZnS 및 CaF₂층의 전자 비임 증착은 층착 챔버(evaporation chamer) 내로 산소를 주입하지 않으면서도 원하는 굴절율을 생성한다. 따라서, 증착 챔버 내로 산소를 주입할 필요가 없었고, 아무 것도 주입되지 않았다.

제2도는 Si상의 6쌍의 ZnS/CaF₂사분의 일 파장 거울에 대해서 측정된 반사율 대 파장곡선을 도시한다. 0.80 내지 0.90㎛ 범위의 파장에서 97% 이상의 반사율이 얻어진다.

제3도는 Si 상의 3쌍의 GaP/BSG 사분의 일 파장 거울에 대해서 측정된 반사율 대 파장곡선을 도시한다. 약 0.87㎛의 파장에서 97%이상의 반사율이 얻어진다. 또한, 제4도에서는 250℃의 기판온도에서 침착된 400Å의 GaP막에 대한 전송 및 반사의 관점에서 측정된 광데이타가 도시되어 있다. 0.7 내지 1.1㎛ 범위 이상의 파장에서는 측정가능한 흡수가 GaP막에서 일어나지 않는다.

Claims

Ⅲ-Ⅴ 족 및 Ⅱ-Ⅵ 족 반도체로 이루어진 그룹으로부터 선택된 반도체 재료를 포함하고, 레이저 발광 공동과 상기 레이저광 발광 공동에 전계를 인가하기 위한 상단 및 하단 금속전극을 포함하는 광학 장치로서, 상기 레이저 발광 공동은 하단 거울, 하단 제한 영역, 활성 영역, 상단 제한 영역, 및 상단 거울을 포함하고, 상기 상단 거울은 사분의 일 파장 층의 복수의 상을 포함하고, 층의 각 쌍은 저굴절율 층부터 시작해서 교대로 배치된 저굴절율 층과 고굴절율 층으로 이루어진 광학 장치에 있어서, 상기 고굴절율 층은 GaP 및 ZnS으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 반도체이고, 상기 저굴절율 층은 봉규산 유리(BSG), CaF₂, MgF₂및 NaF로부터 선택된 재료의 그룹으로부터 선택된 재료인 것을 특징으로 하는 광학 장치.
제1항에 있어서, 상기 사분의 일 파장 층의 쌍은 본질적으로 산소가 없는 진공 상태에서 전자 비임 증착에 의해 생성된 층인 것을 특징으로 하는 광학 장치.
제1항에 있어서, 상기 고굴절율 층은 GaP를 포함하고, 상기 저굴절율 층은 BSG를 포함하는 것을 특징으로하는 광학 장치.
제1항에 있어서, 상기 상단 거울은 3쌍의 GaP 및 BSG층을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 장치.
제1항에 있어서, 상기 고굴절율 층은 ZnS를 포함하고, 상기 저굴절율 층은 CaF₂를 포함하는 것을 특징으로 광학 장치.
제1항에 있어서, 상기 상단 거울은 6쌍의 ZnS 및 CaF₂을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 장치.
제1항에 있어서, 상기 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체는 GaAs, GaInAs, InP, GaInP, GainPAs, AlAs, AlGaAs, AlGaInAs, AlInP, AlInPAs 및 AlGaInPAs로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 광학 장치.
제1항에 있어서, 상기 상단 거울은 중앙 개구부를 갖는 상단 금속 전극과 부분적으로 중첩하는 관계에 있으며, 상기 상단 거울은 상기 중앙 개구부에 중심을 둔 사분의 일 파장 층의 상기 쌍의 적층인 것을 특징으로 하는 광학 장치.
제1항에 있어서, 상기 교대 순서는 저굴절율 층에서 시작하고, 상기 장치의 고굴절율 층의 최상단에 저굴절율 층이 부가적으로 덮여지는 것을 특징으로 하는 광학 장치.
Ⅲ-Ⅴ 족 및 Ⅱ-Ⅵ 족 반도체로 이루어진 그룹으로부터 선택된 반도체 재료를 포함하는 레이저 장치의 제조 방법으로서, 상기 장치는 레이저 공동 및 그것에 전계를 인가하기 위한 상단 및 하단 금속 전극을 포함하며, 상기 레이저 공동은 하단 거울과, 하단 제한 영역과, 활성 영역과, 상단 제한 영역, 및 상단 거울을 포함하며, 상기 상단 거울은 사분의 일 파장 층의 복수의 쌍을 포함하고, 층의 각 쌍은 저굴절율 층과 고굴절율 층으로 이루어진, 레이저 장치 제조 방법에 있어서, 실질적으로 산소가 없는 상태의 진공 대기에서 대응하는 원재료(source materials)로부터 전자 빔 침착에 의해 상단 거울의 상기 사분의 일 파장 층을 침착하는 단계를 포함하고, 상기 고굴절율 층은 GaP 및 ZnS로 이루어진 그룹으로부터 선택되며 상기 저굴절율 층은 봉규산 유리(BSG), CaF₂, MgF₂및 NaF로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 레이저 장치 제조 방법.
제10항에 있어서, 고굴절율 층용의 상기 원재료는 각각 결정 GaP 및 ZnS을 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 장치 제조 방법.
제10항에 있어서, 상기 고굴절율 재료는 GaP이고, 상기 저굴절율 재료는 BSG이며, 상기 BSG는 BSG에 대한 원재료로서 용융된 BSG를 사용하여 전자비임 증착되는 것을 특징으로 하는 레이저 장치 제조 방법.
제11항에 있어서, 상기 고굴절율 재료는 ZnS이고, 상기 저굴절율 재료는 CaF₂이며, 상기 CaF₂는 원재료로서 결정 CaF₂를 이용하여 전자 비임 증착되는 것을 특징으로 하는 레이저 장치 제조 방법.
제10항에 있어서, 상기 Ⅲ-Ⅴ 족 화합물 반도체는 GaAs, GaInAs, InP, GaInP, GaInPAs, AlAs, AlGaAs, AlGaInAs, AlInP, AlInPAs 및 AlGaInPAs로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 레이저 장치 제조 방법.
제10항에 있어서, 상기 교대 순서는 저굴절율 층에서 시작하고 상기 장치의 고굴절율 층의 최상단에 저굴절율 층이 부가적으로 덮여지는 것을 특징으로 하는 레이저 장치 제조 방법.