KR100195113B1 - 표면광 레이저 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

표면광 레이저 및 그 제조방법이 개시되어 있다.

이 개시된 표면광 레이저는 기판과; 기판 상에 반도체물질층과, 산화물질층이 교번 적층되어 형성되며 그 상부에 콘택면과 적층면을 가지는 절연층과, 적층면 상에 두 반도체물질층이 적층 형성된 전도층을 구비하는 제1반사기층과; 콘택면 상에 형성된 제1전극층과; 전도층 상에 형성된 활성층과; 제1반도체물질로 된 제1물질층과, 제1물질층의 중앙 일부 상에 적층되는 제2반도체물질과 제1물질층 상의 제2반도체물질 주변에 형성된 산화물질을 갖는 제2물질층을 구비하며, 제1물질층과 제2물질층이 교번으로 적층 형성된 제2반사기층과; 제2반사기층에 위치되고, 산화물질 상부에는 윈도우가 형성된 제2전극층;을 포함하여 된 것을 특징으로 한다. 또한, 그 제조방법은, 기판을 준비하고, 준비된 기판상에 제1반사기층을 형성하는 단계와; 제1반사기층의 상면을 식각하여 콘택면을 형성하는 단계와; 제1반사기층의 식각되지 않은 일 반도체물질층을 산화시켜 산화층을 형성하는 단계와; 콘택면 상에 제1전극층을 증착 형성하는 단계와; 제1반사기층 상에 활성층을 형성하는 단계와; 활성층 상에 제2반사기층을 형성하는 단계와; 제2반사기층의 일 반도체물질층의 일부분을 영역을 산화시켜 산화층을 형성하는 단계와; 제2반사기층 상에 윈도우를 갖는 제2전극층을 증착 형성하는 단계;를 포함하여 된 것을 특징으로 한다.

Description

표면광 레이저 및 그 제조방법

본 발명은 표면광 레이저(VCSEL:vertical cavity surface emitting laser) 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 상세하게는 전류주입이 용이하고, 단파장 광을 출사할 수 있도록 그 구조가 개선된 표면광 레이저 및 그 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 표면광 레이저는 모서리 발광레이저와는 달리 반도체 물질층의 적층방향으로 원형에 가까운 가우시안빔을 출사하므로, 출사광의 형상 보정을 위한 광학계가 불필요하다. 그리고, 그 크기를 작게 할 수 있으므로, 하나의 반도체 웨이퍼 상에 복수개의 표면광 레이저가 집적 가능하다. 따라서 이차원 배열이 용이하다. 이러한 잇점으로 인해, VCSEL은 전자계산기, 음향 영상기기, 레이저 프린터, 레이저 스캐너, 의료장비 및 통신분야등 광응용 분야에서 널리 응용될 수 있다.

도 1은 종래 표면광 레이저를 도시한 것이다. 도시된 바와 같이, 표면광 레이저는 기판(12)과, 이 기판(12) 위에 순차로 형성된 제1반사기층(13), 활성층(14), 제2반사기층(16) 및 상부전극층(17) 그리고, 상기 기판(12)의 하부면에 부착된 하부전극층(11)으로 이루어져 있다.

상기 기판(12)은 n형 불순물을 함유하는 반도체물질 예를 들면, n형으로 도핑된등으로 되어 있다. 상기 제1반사기층(13)은 상기 기판(12) 상에 형성되어 있으며, 상기 기판(12)과 같은 형의 불순물 예를 들면, 조성이 다른 n형가 교대로 20 내지 30층 적층되어 이루어진다. 이 제1반사기층(13)은 전체적으로 대략이상의 높은 반사율을 가지며, 상기 활성층(14)에서 레이징 된 광중 일부 광을 투과시킨다. 상기 제2반사기층(16)은 상기 제1반사기층(13)과 반대형의 불순물을 함유하는 같은 종류의 불순물 반도체 물질로 되어 있다. 즉, 활성층(14) 상에 조성이 다른 p형가 교대로 적층되어 이루어진다. 이 제2반사기층(16)은 상기 활성층(14)에서 레이징 된 광이 출사될 수 있도록 상기 제1반사기층(13) 보다는 반사율이 낮은 대략의 반사율을 가진다. 또한, 상기 제1반사기층(13) 및 제2반사기층(16)은 각각 외부전원과 접속된 상기 하부전극층(11)과 상부전극층(17)을 통해 인가되는 전압에 의하여 상기 활성층(14) 쪽으로 전자와 정공의 흐름을 유도한다. 상기 활성층(14)은 전자와 정공의 재결합으로 인한 에너지 천이에 의하여 광을 발생시킨다.

상기 상부전극층(17)에는 상기 제2반사기층(16)을 투과하는 출사광이 통과할 수 있도록 윈도우(18)가 형성되어 있다. 이 상부전극층(17)은 외부 전원과의 전기전달이 용이하도록 높은 전기전도도를 가지는 금속으로 되어있다. 상기 상부전극층(17)과 상기 하부전극층(11) 사이에 전원이 인가되어 상기 표면광 레이저의 내부로 전류가 흐르게 된다.

상기 윈도우(18)에서 출사되는 광출력을 향상시키기 위하여 상기 윈도우(18)의 저면을 제외한 상기 제1반사기층(13)과 활성층(14) 내부에 이온주입 또는 양성자 주입에 의하여 전류제한층(15)이 형성되어 있다. 이 전류제한층(15)은 표면광 레이저 내의 전류의 흐름을 제한하여 상기 활성층(14)에서 레이징되어 상기 윈도우(18)로 출사되는 광의 출력을 향상시킨다.

여기서, 상기한 표면광 레이저의 발진파장은 상기 활성층(14)의 발광재료에 의해 정해지는 에너지밴드 갭에 의해 결정된다. 즉, 에너지밴드 갭이 증가할수록 발진파장은 짧아진다. 기록매체의 기록밀도를 높이기 위해서는 사용 광원의 단파장화가 요구되며 단파장 레이저를 상온에서 효율적으로 발진시키기 위해서는 높은 반사율과 넓은 파장대역을 지니는 반사기층을 형성하는 것이 중요하다. 여기서, 반사율과 파장대역은 반사기층을 형성하는 두 물질층의 굴절율차에 비례한다. 따라서, 단파장 예컨대 650nm 파장영역의 레이저를 생성하기 위한 조건으로와사이의 굴절율 차가 증가시킬 필요가 있다. 이를 위해 상기 두 물질층을 20 내지 30쌍 적층한 채로 상기의 조성비를 변경함에 의해 굴절율 차를 증가시키는 경우는 그 증가폭에 한계가 있을 뿐만 아니라 상기 저항의 증가에 따른 열적문제가 발생된다.

본 발명은 언급한 바와 같은, 문제점을 극복하기 위해 안출된 것으로서, 각 반사기층의 두 물질층 사이의 굴절율 차를 증가시킴과 아울러 두 물질층의 적층수를 대폭 줄임에 의해 단파장 광을 생성 출사할 수 있도록 된 표면광 레이저를 제공하는데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 반사기층 각각의 두 물질층 사이의 굴절율 차를 증가시킴과 아울러 두 물질층의 적층수를 대폭 줄일 수 있도록 된 표면광 레이저 제조방법을 제공하는데 다른 목적이 있다.

도 1은 종래의 표면광 레이저의 개략적인 구성을 보인 단면도.

도 2는 본 발명에 따른 표면광 레이저의 개략적인 구성을 보인 단면도.

도 3a 내지 도 3h는 본 발명에 따른 표면광 레이저의 제조방법을 설명하기 위해 나타낸 공정도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

20...기판 30...제1반사기층

31...절연층 35...전도층

36...콘택면 37,67...적층면

40...활성층 50...전류제한층

60...제2반사기층 61...제1물질층

62,63...제2물질층 70...제1전극층

80...제2전극층 81...윈도우

상기 일 목적을 달성하기 위한, 본 발명에 따른 표면광 레이저는, 기판과; 상기 기판 상에 일 반도체형의 반도체물질층과, 산화물질층이 교번 적층되어 형성되며 그 상부에 콘택면과 적층면을 가지는 절연층과, 상기 절연층의 적층면 상에 상기 절연층과 같은 반도체형의 두 반도체물질층이 적층 형성된 전도층을 구비하는 제1반사기층과; 상기 절연층의 콘택면 상에 형성된 제1전극층과; 상기 전도층 상에 형성되고 레이저 광을 생성하는 활성층과; 상기 제1반사기층과 다른 반도체형의 제1반도체물질로 된 제1물질층과, 상기 제1물질층의 중앙 일부 상에 적층되는 제2반도체물질과 상기 제1물질층 상의 상기 제2반도체물질 주변에 형성된 산화물질을 갖는 제2물질층을 구비하며, 상기 제1물질층과 상기 제2물질층이 교번으로 복수층 적층 형성된 제2반사기층과; 상기 제2반사기층에 위치되고, 상기 산화물질 상부에는 상기 활성층에서 생성된 레이저 광이 출사되는 윈도우가 형성된 제2전극층;을 포함하여 된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 다른 목적을 달성하기 위한, 본 발명에 따른 표면광 레이저 제조방법은, 기판을 준비하고, 준비된 기판상에 같은 반도체형의 굴절율이 서로 다른 두 반도체물질층을 교번 적층하여 제1반사기층을 형성하는 단계와; 상기 제1반사기층의 상면 일부를 소정 깊이로 식각하여 콘택면을 형성하는 단계와; 상기 제1반사기층의 식각되지 않은 반도체물질층 중 일 반도체물질층을 산화시켜 산화층을 형성하는 단계와; 상기 콘택면 상에 제1전극층을 증착 형성하는 단계와; 상기 제1반사기층 상에 활성층을 형성하는 단계와; 상기 활성층 상에 상기 제1반사기층과 다른 반도체형의 굴절율이 서로 다른 두 반도체물질층을 교번 적층하여 제2반사기층을 형성하는 단계와; 상기 제2반사기층의 일 반도체물질층의 전류통과 영역을 제외한 전 영역을 산화시켜 산화층을 형성하는 단계와; 상기 제2반사기층 상에 상기 활성층에서 출사된 레이저 광이 통과되는 윈도우를 갖는 제2전극층을 증착 형성하는 단계;를 포함하여 된 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 실시예들을 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명에 따른 표면광 레이저의 단면도이다. 도시된 바와 같이, 기판(20)과, 한쌍의 제1 및 제2반사기층(30)(60)과, 상기 제1 및 제2반사기층(30)(60) 사이에 위치되며 레이저 광을 생성하는 활성층(40)과, 상기 제1 및 제2반사기층(30)(60)에 전류를 각각 공급하는 제1 및 제2전극층(70)(80)을 포함한다.

상기 기판(20)은 불순물을 함유하는 반도체물질 예를 들면, n형으로 도핑된등으로 되어 있다.

상기 제1반사기층(30)은 상기 기판(20) 상에 순차로 적층된 절연층(31)과, 전도층(35)을 포함한다. 상기 절연층(31)은 상기 기판(20)과 같은 형의 반도체물질층(32)과 산화물질(33)이 교번 적층되어 형성된다. 즉, 상기 절연층(31)은 상호 교번 적층된 반도체물질층(32)과 산화물질층(33)으로와를 각각 포함한다. 여기서,산화물질층(33)은의 산화에 의해 형성되며, 통상의반도체물질을 채용한 경우에 비해 그 굴절율이 대략 절반이상으로 떨어진다. 따라서, 상기 제1반사기층(30)의 일부로 상기한와를 교번 적층하는 경우, 그 페어수를 대폭 줄임에도 불구하고, 대략 99.9% 이상의 고반사율을 얻을 수 있다. 상기 절연층(31)은 그 상부면에 있어서, 상기 활성층(40)과 제2반사기층(60)이 적층되는 적층면(37)과, 그 적층면(37)에 주변에 위치되고 제1전극층(70)이 형성되는 콘택면(36)을 가진다. 상기 전도층(35)은 상기 절연층(31) 적층면(37) 상에 굴절율이 서로 다른 두 반도체 물질 예컨대,와를 교번 적층함에 의해 형성된다. 상기 전도층(35)은 상기 절연층(31)이 큰 굴절율 차이를 야기하여 높은 반사율을 유지하는 반면, 전기적으로 절연되어 전극층의 통전되지 않는 점을 보완하기 위해 구비된 층이다. 이 전도층(35)에 전류를 공급하기 위해 상기 절연층(31) 상의 콘택면(36)에는 제1전극층(70)이 형성된다. 상기 제1전극층(70)에 인가된 전압에 의해 전류가 상기 전도층(35)를 경유하여, 활성층(40)로 향하도록 상기 제1전극층(70)이 형성되는 상기 절연층(31)은 전기가 흐르는층으로 되어 있는 것이 바람직하다.

상기 활성층(40)은 상기 제1반사기층(30)의 전도층(35) 상에 적층된다. 이 활성층(40)은 전자와 정공의 재결합에 의한 에너지 천이에 의하여 광을 발생시키는 영역으로 단일 또는 다중 양자-우물 구조 또는 초격자(superlattice) 구조를 가진다.

상기 제2반사기층(60)은 상기 활성층(40) 상에 적층 형성되며, 상호 교대로 배치된 제1물질층(61)과 제2물질층(62)(63)을 구비한다. 이 제1물질층(61)과 제2물질층(62)(63)은 상기 제1반사기층(30)과 다른 형의 반도체물질층으로 이루어진다. 예컨대, 상기 제1물질층(61)은 p형층으로 이루어지고, 상기 제2물질층(62)(63)은층과층으로 이루어진다. 상기 제1물질층(61)은 p형의 제1반도체물질 예컨대로 이루어진 층이다. 상기 제2물질층(62)(63)은 상기 제1물질층(61) 상에 위치되는 층으로 제2반도체물질(63)과, 산화물질(62)을 포함한다. 상기 제2반도체물질(63)은 상기 제1물질층(61)의 중앙 일부 상에 위치되며 후술하는 제2전극층(80)에 의한 전류가 상기 활성층(40)으로 주입되도록 된 통전영역이다. 상기 제2반도체물질(63)은 상기 제1반도체물질(61)과 굴절율이 다른 반도체물질 예컨대,로 이루어진 층이다. 상기 산화물질(62)은 제2반사기층(60)의 저항을 낮추기 위해 구비된 물질로 바람직하게는 상기의 산화에 의해 형성된로 이루어진 층이다. 여기서, 상기 제2반사기층(60)의 상기 제2전극층(80)과 마주하는 부분에는 상기 제2전극층(80)을 통해 주입된 전류가 빠르게 확산되도록 상기 제1물질층(61)이 형성된 것이 바람직하다.

상기 제2전극층(80)은 상기 제2반사기층(60)의 상부면에 증착 형성되어 상기 제2반사기층(60) 내부로 전류를 주입한다. 상기 제2전극층(80)은 그 중앙부에 윈도우(81)를 형성한다. 상기 윈도우(81)는 상기 제2반도체물질(63)의 상부에 위치되며, 이 윈도우(81)를 통해 상기 활성층(40)에서 생성된 레이저 광이 출사된다.

여기서, 상기 제1반사기층(30)은 n형 반도체물질로 그리고, 상기 제2반사기층(60)은 p형 반도체물질을 예로 들어 설명하였지만, 서로 반대형의 반도체물질로 바뀌어도 무방하다.

도 3a 내지 도 3h는 본 발명에 따른 표면광 레이저의 제조방법을 설명하기 위한 도면이다.

표면광 레이저 제조방법은, 우선, 도 3a에 도시된 바와 같이, 기판(20)을 준비하고, 준비된 기판(20)상에 서로 굴절율이 다른 두 반도체물질 예컨대,층,층을 교번 적층하여 제1반사기층(30)을 형성한다. 이때, 상기 기판(20)은 반도체물질로 이루어진 것이 바람직하며, 상기 기판(20)과, 제1반사기층(30)은 같은 형의 불순물 반도체물질이다. 이후, 도 3b에 도시된 바와 같이, 상기 제1반사기층(30)의 상면 일부를 소정 깊이로 드라이 에칭법 등을 통해 식각하여 콘택면(36)을 형성한다. 그리고, 도 3c에 도시된 바와 같이, 제1반사기층(30)의 상기 기판(20)과 인접한 반도체물질의 2 내지 3층 즉, 식각되지 않는층을 산화공정을 통해 산화시켜산화층을 형성한다. 산화공정은 산화시키고자하는 층을 산소분위기에 노출시킴에 의해 진행된다. 이 산화공정은 널리 알려져 있으므로 그 자세한 설명은 생략한다. 상기 산화층이 형성된 제1반사기층(30)의 영역은 산화전에 비하여 굴절율이 대략 절반이하로 낮아진다. 따라서, 산화물질과 산화되지 않은 반도체물질 사이의 굴절율 차이가 커짐으로 제1반사기층(30)의 페어수를 대폭 줄일 수 있다. 반면, 산화된 부분은 절연층(31)이 된다. 여기서, 도 3b에 도시된 단계와, 도 3c에 도시된 단계는 서로 순서가 바뀌어 진행되어도 무방하다.

다음은 도 3d에 도시된 바와 같이, 상기 제1반사기층(30)의 콘택면(36)에 제1전극층(70)을 형성한다. 따라서, 상기 제1반사기층(30)에 절연층(31) 형성에 의해 야기된 전극배치의 문제점을 해소할 수 있다.

이후, 도 3e에 도시된 바와같이, 상기 제1반사기층(30)의 산화되지 않는 전도층 상에 활성층(40)을 형성한다. 이 활성층(40)은 도 2를 참조하여 설명한 바와 같으므로 그 자세한 설명은 생략한다.

그리고, 도 3f에 도시된 바와 같이, 상기 활성층(40) 상에 굴절율이 서로 다른 두 반도체물질층(61)(62) 예컨대,층,층을 교번 적층하여 제2반사기층(60)을 형성한다. 이 제2반사기층(60)은 상기 제1반사기층(30)과 다른 형의 불순물 반도체물질로 이루어진다. 이후, 도 3g에 도시된 바와 같이, 제2반사기층(60)의 일 반도체물질층들(62)(63) 예컨대,층을 산화공정을 통해 산화시켜산화층(62)을 형성한다. 이 산화공정은 도 3c에 도시된 공정과 실질적으로 동일하다. 다만, 상기층들을 부분적으로 산화시켜 산화층(62)을 형성하고, 나머지 부분은 전류가 통과되는 영역(63)을 형성하는데 있어서 구별된다. 여기서, 전류 통과영역(63)은 제2전극층(80)의 윈도우(81)가 형성된 저면부에 위치된다. 즉, 상기 활성층(40)의 중앙부에 위치된다.

이후, 도 3h에 도시된 바와 같이, 상기 제2반사기층(60) 상에 상기 활성층(40)에서 출사된 레이저 광이 통과되는 윈도우(81)를 갖는 제2전극층(80)을 증착 형성한다.

이와 같이 구비된 표면광 레이저는 제1반사기층(30) 및 제2반사기층(60) 각각에 굴절율 차이가 큰 두 물질층이 교번 적층됨으로 고반사율을 얻기 위한 페어수를 대폭 줄일 수 있어서, 적층 페어수에 의해 발생되던 저항 증가 및 열적문제를 해소할 수 있다. 또한, 상기 제2반사기층(60) 내부에 부분적으로 산화층(63)을 형성함에 의해 전류 통과영역을 설정할 수 있어서, 전류제한층 등의 형성 없이도 상기 제1 및 제2전극층(70)(80) 각각을 통해 인가된 전류의 흐름을 가이드 할 수 있어서, 활성층(40)의 중앙부에서 레이저 광이 생성됨으로 모드특성이 개선된 레이저광을 얻을 수 있다.

본 발명은 도면에 도시된 실시예들을 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술이 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.

따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 특허 청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

Claims (9)

1. 기판과;

   상기 기판 상에 일 반도체형의 반도체물질층과, 산화물질층이 교번 적층되어 형성되며 그 상부에 콘택면과 적층면을 가지는 절연층과, 상기 절연층의 적층면 상에 상기 절연층과 같은 반도체형의 두 반도체물질층이 적층 형성된 전도층을 구비하는 제1반사기층과;

   상기 절연층의 콘택면 상에 형성된 제1전극층과;

   상기 전도층 상에 형성되고 레이저 광을 생성하는 활성층과;

   상기 제1반사기층과 다른 반도체형의 제1반도체물질로 된 제1물질층과, 상기 제1물질층의 중앙 일부 상에 적층되는 제2반도체물질과 상기 제1물질층 상의 상기 제2반도체물질 주변에 형성된 산화물질을 갖는 제2물질층을 구비하며, 상기 제1물질층과 상기 제2물질층이 교번으로 복수층 적층 형성된 제2반사기층과;

   상기 제2반사기층에 위치되고, 상기 산화물질 상부에는 상기 활성층에서 생성된 레이저 광이 출사되는 윈도우가 형성된 제2전극층;을 포함하여 된 것을 특징으로 하는 표면광 레이저.
2. 제1항에 있어서, 상기 절연층은 상호 교번 적층된 반도체물질층과 산화물질층으로와를 각각 포함하고,

   상기 전도층은 상호 교번 적층된 두 반도체물질층으로와를 각각 포함하는 것을 특징으로 하는 표면광 레이저.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제1반도체물질과, 상기 제2반도체물질은과,를 각각 포함하는 것을 특징으로 하는 표면광 레이저.
4. 제3항에 있어서, 상기 산화물질은를 포함하는 것을 특징으로 하는 표면광 레이저.
5. 기판을 준비하고, 준비된 기판상에 같은 반도체형의 굴절율이 서로 다른 두 반도체물질층을 교번 적층하여 제1반사기층을 형성하는 단계와;

   상기 제1반사기층의 상면 일부를 소정 깊이로 식각하여 콘택면을 형성하는 단계와;

   상기 제1반사기층의 식각되지 않은 반도체물질층 중 일 반도체물질층을 산화시켜 산화층을 형성하는 단계와;

   상기 콘택면 상에 제1전극층을 증착 형성하는 단계와;

   상기 제1반사기층 상에 활성층을 형성하는 단계와;

   상기 활성층 상에 상기 제1반사기층과 다른 반도체형의 굴절율이 서로 다른 두 반도체물질층을 교번 적층하여 제2반사기층을 형성하는 단계와;

   상기 제2반사기층의 일 반도체물질층의 전류통과 영역을 제외한 전 영역을 산화시켜 산화층을 형성하는 단계와;

   상기 제2반사기층 상에 상기 활성층에서 출사된 레이저 광이 통과되는 윈도우를 갖는 제2전극층을 증착 형성하는 단계;를 포함하여 된 것을 특징으로 하는 표면광 레이저 제조방법.
6. 제5항에 있어서, 상기 제1반사기층은 교번 적층된 두 반도체물질층으로와가 각각 구비된 것을 특징으로 하는 표면광 레이저 제조방법.
7. 제6항에 있어서, 상기 제1반사기층의 산화층은 상기의 산화에 의해 형성된로 이루어진 것을 특징으로 하는 표면광 레이저 제조방법.
8. 제5항에 있어서, 상기 제2반사기층은 교번 적층된 두 반도체물질층으로와가 각각 구비된 것을 특징으로 하는 표면광 레이저 제조방법.
9. 제8항에 있어서, 상기 제2반사기층의 산화층은 상기의 부분적 산화에 의해 형성된로 이루어진 것을 특징으로 하는 표면광 레이저 제조방법.