KR0178490B1 - 표면 발광 레이저 - Google Patents

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Abstract

갈륨비소(GaAs) 기판위에 알루미늄 비소(AlAs)와 갈륨비소(GaAs) 초격자거울(distributed Brag reflector)을 하단부에 성장시키고 그 위에 조성 그레이딩방법으로 인디움갈륨비소(InGaAs) 버퍼층을 성장시킨 후, 격자 부정합이 크나 전위없는 인디움 인(InP)층과 활성층인 인디움갈륨비소(InGaAs) 양자우물구조(quantum well)를 성장시키고 그 위에 인디움알루미늄비소(InAlAs)와 인디움갈륨비소(InGaAs) 초격자거울을 생성하는 방법이다.
하단부 거울은 굴절율 차이가 크며 열전도율이 매우 좋아 구조상 이상적이며 활성층과 상단부거울은 광자와 전자의 구속력이 좋고 굴절율 차이도 비교적 좋아 상단부로 레이징하기에 적합하며 상온 연속발진이 가능하다.

Description

표면발광 레이저
제1도는 본 발명에 따라 갈륨비소(GaAs) 기판위에 1.5 마이크론 광파장 대역의 인듐갈륨비소(InGaAs) 활성층을 성장시킨 표면 사진.
제2도는 본 발명의 일실시예에 의한 그레이딩 우물구조를 가진 표면 방출형 레이저의 단면도.
제3도는 본 발명의 다른 실시예에 의한 양자우물구조를 가진 활성층을 이용하여 제작된 표면방출형 레이저의 단면도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10,20 : GaAs 기판 12,22 : 하단 거울(DBR)
14,24 : 그레이딩 활성층 15 : InGaAs 박막층
16,26 : InP 버퍼층 18,28 : 상단 거울(DBR)
27 : 양자우물층
본 발명은 표면발광 레이저에 관한 것으로 특히, 반사율이 높은 AlAs/GaAs 하단부 거울과 격자부정합이 큰 InAlAs/InGaAs 상단부 거울을 접합 성장하여 상온 연속 발진이 가능한 표면발광 레이저에 관한 것이다.
1.5 마이크론 레이저의 박막재료는 InP 기판을 쓰고 그위에 InP 계열의 InGaAs/InGaAsP 다층박막을 성장하는 것이 가장 보편적이다.
그외에 InGaAs/InAlGaAs 박막성장을 최근에 약간 시도하여 왔다.
표면방출 레이저의 기본구성은 크게 기판위에 하단거울, 활성층, 그리고 상단거울이다.
한개의 반사거울은 이상적으로 1.5 마이크론에서 1인 반사율이 필요하며 다른 한개는 반사율이 0.95 이상인 거울이 필요하다.
반사거울은 초격자박막구조의 굴절률 차이를 이용한 반도체거울(DBR, distributed Bragg reflector)이 가장 우수하다.
그러나, InP 계열의 반도체 거울 특성은 1.5 마이크론 대역에서 굴절률차이가 매우 작고 광파장이 커서 반사율이 1인 거울의 박막두께는 매우 크다.
두꺼운 거울을 가진 표면방출 레이저는 저항특성이 높고 열발생률이 커져 양자효율을 크게 저하시킨다.
대신에 GaAs 계열의 AlAs/GaAs 박막거울은 반사율이 높고 두께가 낮아 1.5 마이크론에 적합하나 InP 계열의 활성층을 그 위에 성장하면 격자부정합이 4.2%로 매우 크기 때문에 활성층은 전위생성으로 광 특성이 저하된다.
또다른 접합방법은 GaAs 계열의 하단거울을 InP 계열의 활성층과 고온 접착시키는 방법이 있으나 고온공정으로 인한 특성저하를 관찰하였다.
유전체인 Si/SiO2나 안티모니 계열의 AlGaSb/AlSb 초격자거울은 굴절율 차이가 큰 박막재료로 얇은 박막층에서 높은 반사율을 얻는다.
하지만 유전체 박막은 열전도율이 낮아 실용화에 문제가 되며 안티모니 계열은 새로운 재료이기 때문에 많은 물성연구가 이루어져야 한다.
1.5 마이크론 광대역의 표면방출 레이저는 광특성이 광섬유통신에 이상적인 광소자이며 생산가격이 매우 저렴하다.
또한 이차원적인 어레이를 이용한 병렬형 광통신의 길을 열어 대용량 정보처리를 할 수 있으며 광논리소자의 핵심구조가 되어 광디지탈 컴퓨터로 응용할 수 있다.
이 소자의 상용화는 고가의 단면 방출 레이저를 대치시키고 저렴한 가격으로 가정간의 광통신을 가능하게 할 것이다.
격자정합된 구조로 제작된 레이저는 반사율 특성이 나빠 새로운 박막소재를 개발하거나 격자성수가 크게 다른 이종구조를 접합하는 기술이 필요하다.
그러나, 현재까지 상온에서 연속 발진하는 경제성 있는 표면방출 레이저는 제작이 못되고 있다.
따라서, 본 발명은 격자부정합 박막구조를 이용하여 광특성을 크게 개선시키고 상온 발진하는 실용적 표면방출 레이저를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 갈륨비소 기판; 상기 기판 위에 성장되며, 반사율이 1인 AlAs/GaAs 계열의 하단 거울; 상기 하단 거울 위에 격자부정합으로 인한 전위밀도를 줄이기 위해 조성 그레이딩 방법으로 성장된 우물구조의 InxGa1-xAs(x=0∼0.53) 층: 상기 InxGa1-xAs 층 위에 인디움조성을 약간 줄여 균일하게 성장된 InGaAs 박막층: 및 상기 InGaAs 박막층 위에 성장되며, 격자 정합된 InP 버퍼층으로 구성된 활성층; 및 상기 활성층 위에 반사율이 1 보다는 약간 작으며 표면으로부터 레이저 빔이 발광하는 InGaAs/InAlGaAs 계열의 상단 반도체 거울로 구성된 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 갈륨비소 기판; 상기 기판 위에 성장되며, 반사율이 1인 AlAs/GaAs 계열의 하단 거울; 상기 하단 거울 위에 격자부정합으로 인한 전위밀도를 줄이기 위해 조성 그레이딩 방법으로 성장된 우물구조의 InxGa1-xAs(x=0∼0.53) 층: 상기 InxGa1-xAs 층 위에 성장되며, 격자 정합된 InP 버퍼층; 및 상기 InP 버퍼층 위에 성장된 다층 양자우물구조의 InGaAs/InAlGaAs 층으로 구성된 활성층; 및 상기 활성층 위에 성장되고 반사율이 1 보다는 약간 작으며 표면으로부터 레이저 빔이 발광하는 InAlAs/InAlGaAs 계열의 상단 반도체 거울로 구성된 것을 특징으로 한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 의하면, 격자부정합이 큰 박막재료를 이용하여 성장된 전위가 극히 적은 양질의 활성층을 사용하므로써 발광파장의 변환이 용이하며, 반사율이 높은 거울을 사용하므로써 광특성을 증가시키고 상온 연속 발진을 가능하게 한다.
제1도는 갈륨비소(GaAs) 기판위에 1.5 마이크론 광파장 대역의 인디움갈륨비소(InGaAs) 활성층을 성장시킨 후 관측한 사진으로서, 구체적인 구성은 후술되는 제2도 및 제3도에서 설명되므로 참조부호는 생략된다.
제1도에서, 도시되지 않은 산과 골의 형태는 일직선으로 나열되어 있고 산능선에 저장된 박막구조는 고르고 결함없는 우수한 광적 특성을 갖음을 알 수 있다.
성장방법은 금속유기물 화학증착법(MOCVD : metal-organic chemical vapor deposition)을 이용하였고 성장조건을 조절하여 산의 모양, 산사이 간격과 높이를 변화시킬 수 있다.
줄무늬는 격자부정합 박막표면에서 나타나는 빗살무늬(cross hatch pattern)의 일종이다.
주기적인 줄무늬를 가진 박막구조는 격자부정합으로 인한 잔여응력을 홈으로 쉽게 제거할 수 있어 구조적 물성특성이 우수하다.
그림에서 보여주는 박막구조는 기판위에 조성그레이딩(compositional grading)방법으로 인디움 조성이 0에서 0.53으로 끝나는 인디움갈륨비소 그레이딩층(InGaAs graded layer)을 성장하고 그위에 인디움조성이 일정한 인디움갈륨비소 캡층(InGaAs cap layer)을 성장한 것이다.
그레이딩층과 캡층사이의 계면에는 그레이딩에 의한 전자우물구조가 존재한다.
이 그레이딩 우물구조는 전자구속력이 커서 광소자의 1.5 마이크론 광대역의 활성층으로 적합하다.
본 발명은 이 활성층을 1.5 마이크론 표면방출형 레이저구조에 활용한 것이다.
제2도는 본 발명의 일 실시예에 의한 그레이딩 우물구조를 가진 표면방출형 레이저의 구조를 나타낸다.
제2도에서, 참조부호 10은 갈륨비소 기판을 나타낸다.
상기 GaAs 기판(10) 상에는 반사율이 1이 되도록 성장된 다층의 AlAs/GaAs 하단거울(DBR)(12), 예를 들면 약 20.5 쌍을 성장한다.
상기 AlAs/GaAs 하단거울(12)은 1.5 마이크론 광대역에서 반사율이 높고 열전도율이 매우 좋다.
그 위에 격자부정합이 큰 InxGa1-xAs 그레이딩 활성층(14)을 성장시킨 후, InP 버퍼층(16)을 성장하여 거울같은 표면을 형성한다.
이때, 상기 활성층(14) 형성을 위한 조성 그레이딩(compositioal grading) 방법으로 인디움 조성(x)을 0에서 0.53까지 점차적으로 늘린 박막을 700nm 두께로 톱니 구조로 성장한다.
또한, 상기 톱니 구조의 그레이딩 활성층(14)과 InP 버퍼층(16)과의 사이에 인디움 조성을 약간 줄여 균일한 In0.53Ga0.47As 박막층(15)을 300nm 두께로 성장시켜 그레이딩이 끝나는 부근에 그레이딩 웰을 형성한다.
이 그레이딩 웰은 전위가 전혀 없는 박막으로 광학적특성이 매우 높으며, 그레이딩 웰은 양자 선으로도 가능하여 광학적 특성이 우수하다.
상기 버퍼층(16) 상에는 다층 예를 들면, 약 20쌍의 InAlAs/InAlGaAs 상단거울(18)이 형성된다.
이때, 상기 다층의 상단 거울(18)은 반사율이 1보다는 약간 작게 성장되며, 격자 부정합으로 인한 전위밀도를 줄이기 위해 InAlAs/InAlGaAs 화합물 반도체를 사용한다.
레이저 빔은 상단의 표면으로 발광하도록 설계된다.
제3도는 본 발명의 다른 실시예에 따라 양자우물구조를 가진 활성층을 이용하여 제작된 표면방출형 레이저를 도시한 것이다.
갈륨비소 기판(20)위에 반사율이 1이 되도록 AlAs/GaAs가 적층된 다층의 하단거울(DBR)(22)을 성장하고, 그위에 격자부정합이 큰 InP 계열의 활성층(24)을 성장시킨다.
상기 AlAs/GaAs 하단거울(22)은 1.5 마이크론 광대역에서 반사율이 높고 열전도율이 매우 좋다.
상기 활성층(24)은 격자부정합으로 인한 전위밀도를 줄이기 위해 하단거울(22) 위에 조성 그레이딩(compositional grading) 방법으로 인디움 조성을 0에서 0.53까지 점차적으로 늘리면서 700nm 두께의 톱니 구조로 성장한다.
지금까지의 박막구조는 제1 실시예와 동일하다.
상기 그레이딩 활성층(24) 위에 격자정합된 InP 버퍼층(26)을 성장하여 거울같은 표면을 만든다.
이때, InP 버퍼층(26)은 결함이 없고 잔여응력이 제거된 고순도 박막이다.
본 실시예에서는 상기 그레이딩 활성층(24)과 InP 버퍼층(26) 사이의 계면에 As과 P의 이동으로 인해 그레이딩 우물이 생성되지 않는다.
InP 버퍼층(26) 위에 격자정합된 다층의 양자우물(27)을 형성한다.
본 실시예에서의 양자우물(27)은 InGaAs/InAlGaAs로 이루어진 다층 양자우물구조로 전자 구속력을 높인다.
활성 영역의 공동(cavity) 두께는 4λ(λ=1.5㎛)로 한다.
이와 같이, 다층 양자우물을 가진 소자는 광파장 에너지를 쉽게 변화시킬 수 있다.
상기 다층 양자우물(27) 상에는 다층의 InAlAs/InAlGaAs 박막이 적층된 상단 반도체 거울(DBR)(28)을 형성한다.
역시, 레이저 빔은 상단의 표면으로 발광하도록 설계된다.
이와 같이 본 발명은 GaAs 계열의 하단거울과 InP 계열의 활성층과 상단거울을 연속 성장하여 1.5㎛ 표면 발광 레이저를 구현한다.
상기한 바와 같이 구성된 본 발명은 다음의 효과를 가진다.
첫째, 반사율이 높은 거울을 사용하여 광특성을 증가시키며 상온 연속 발진이 가능하다.
둘째, 격자 부정합을 이용하여 성장한 활성층을 사용하기 때문에 발광파장을 변환하기 쉽다.
셋째, 공정과정이 단순하여 생산율이 높고 생산원가가 낮다.

Claims (2)

  1. 갈륨비소 기판; 상기 기판 위에 반사율이 1인 AlAs/GaAs 이종박막이 다층으로 성장된 하단 거울; 상기 하단 거울 위에 하단 거울과 격자 부정합이 큰 우물구조의 InxGa1-xAs(x=0에서 0.53까지 점차적으로 그레이딩됨) 박막을 조성 그레이딩 방법에 의해 톱니 구조로 성장한 그레이딩층; 상기 InxGa1-xAs 그레이딩층 위에 이 그레이딩 층보다 감소된 인디움 조성으로 균일하게 성장된 톱니 구조의 InGaAs 박막층; 상기 InGaAs 박막층 위에 성장되며, 격자 정합된 InP로 이루어진 버퍼층; 및 상기 버퍼층 위에 반사율이 1 보다는 약간 작으며 표면으로부터 레이저 빔이 발광하는 InAlAs/InAlGaAs 이종박막이 다층으로 성장된 상단 반도체 거울로 구성된 것을 특징으로 하는 표면발광 레이저.
  2. 갈륨비소 기판; 상기 기판 위에 반사율이 1이며, AlAs/GaAs로 이루어진 이종박막이 다층으로 성장된 하단 거울; 상기 하단 거울 위에 하단 거울과 격자 부정합이 큰 InxGa1-xAs (x=0에서 0.53까지 점차적으로 그레이딩됨) 박막을 격자 부정합으로 인한 전위밀도를 줄이기 위하여 조성 그레이딩 방법을 사용하여 톱니 구조로 성장한 그레이딩층: 상기 InxGa1-xAs 그레이딩층 위에 성장되며, 격자 정합된 InP 버퍼층; 상기 InP 버퍼층 위에 성장되며, InGaAs/InAlGaAs 박막이 다층으로 적층된 다층 양자우물; 및 상기 다층 양자우물 위에 성장되고 반사율이 1 보다는 약간 작으며 표면으로부터 레이저 빔이 발광하는 InAlAs/InAlGaAs 계열의 상단 반도체 거울로 구성된 것을 특징으로 하는 표면발광 레이저.
KR1019950052636A 1995-12-20 1995-12-20 표면 발광 레이저 KR0178490B1 (ko)

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