KR100195767B1 - 표면 방출 레이저 - Google Patents

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KR100195767B1 KR1019910005414A KR910005414A KR100195767B1 KR 100195767 B1 KR100195767 B1 KR 100195767B1 KR 1019910005414 A KR1019910005414 A KR 1019910005414A KR 910005414 A KR910005414 A KR 910005414A KR 100195767 B1 KR100195767 B1 KR 100195767B1
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Abstract

상부 표면 방사의 수직 공동, 표면 방사 레이저는 개구로 된 상부 표면 전극을 통한 방사에 의존한다. 도입된 바와 같은 레이저 주변에 따른 바이어싱 전류는 레이징 임계치에 효과적으로 도달하도록 하기 위해 활성 이득 영역내에서 합류하게 되는 경로를 따라간다. 이 경로는 활성 영역에서 레이저를 에워싸는 저항이 증가된 매립 영역의 결과이다. 매립 영역은 적당한 저항 그래디언트를 발생하도록 선택된 이온 에너지 크기 및 스펙트럼을 가진 이온 주입에 의해 유도되는 손상에 의해 발생된다. 집적 레이저와 이산 레이저 모두 고려되었다.

Description

표면 방출 레이저
제1도는 기판과 본 발명에 의해 예기된 기판을 설명하는 적층 구조를 묘사하는 개략적인 정면도.
제2도는 완성되었을시의 제1도의 구조의 동작 장치를 묘사한 개략적인 정면도.
제3도는 제2도의 장치에 사용된 바와 같은 전형적인 구멍난 전극의 평면도.
제4도는 출력 전력과 펌프 전류의 좌표상에, 본 발명의 레이저의 전형적인 레이징(lasing)임계 및 레이징 특성의 도시도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10 : 기판 13 : 활성 영역
14 : 활성 이득 영역 15 : 스페이서 영역
17 : 장벽층
본 발명은 최상 에미팅하는 전기적으로 펌프되며, 수직공동을 가진 표면 방출 레이저에 관한 것이다. 이러한 레이저는 예를들어, 레이저 어레이 또는 광전자 회로에서와 같이 집적 회로에서 분리될 수 있거나 또는 집적 회로에 포함될 수도 있다.
수직 공동을 가진 표면 에미팅 레이저 구조(SEL)가 값싸고 신뢰가능한 레이저 구조에 대한 인식된 필요성에 유망한 해결책으로서 제시된다. 매우 작은 활성 이득 영역 볼륨을 가진 상기 레이저 구조의 2차원적 특성이 열손실의 문제점을 해소하는 낮은 레이징 임계 전류로 변화된다. 상기 SEL이 분리 장치로서 매우 흥미있더라도, 상기 SEL이 모든 광학 및 광-전자 양자를 집적화에 의하여 중요한 잠재적 타결책으로서 고려된다. 예기된 사용에는 광 스위칭/컴퓨팅, 광 상호연결, 고/저 전력 레이저원, 영상처리, 신경 회로망등이 포함된다.
기록된 구조는 하나이상의 양자 웰(well) 또는 대안으로 격벽 물질의 형태로 갈륨 아세나이드 또는 인듐 갈륨의 활성영역을 갖는다. 유효한 장치는, 양자 웰 또는 격벽에 관계없이, 다른 곳에서 불활성(비-이득) 충전물 물질에 대하여 정상파의 피크 강도치에 상응하는 위치에 활성 이득 물질이 배치되었다.
상기 활성 영역의 치수가 레이징 방향으로 감소될시에(최하위 레이징 임계치를 생성하기 위해), 대응하게 감소된 과-통과 이득을 수용하기 위해서는, 증가된 공동 반사율이 필요로 된다. 각 공동 단부에 대해 필요한 반사치가 일반적으로는 98±%이며, 저 이득 구조에 대해서는 99.4 내지 99.9% 범위에 있을 수도 있는데, 후자의 값이 최종의 단일 양자웰 구조에 상응한다. 이러한 반사치는 일반적으로 원형의 분류 브래그(Bragg) 반사기(DBR)라 때때로 언급되는 분류 유전체 미러에 의해 좌우된다. 이러한 미러는 방출 파장에 대해 투명하고 상기 방출 파장에 대해 상이한 반사율을 가진 쌍으로된 물질층을 각각 포함하는 단계로 이루어진다.
유전체 미러의 기준은 널리 공지되었다. 예를들어, 1964년 뉴욕의 Pergammon 출판사에 의해 출판된 M.Born 및 E.Wolf에 의한 광학 원리 제51페이지와 1975년 11월에 J.P.Van der Ziel 및 M.Ilegems에 의한 응용 광학 제11호 14권을 참조하자.
대부분의 기술된 구조가 불활성 기판상에 에피택설 성장에 의해 구성된다. 특성 장치가 분자 빔 에피택시(MBE)에 의해 실리콘 도핑된 n+도전형 갈륨 아세나이드 상에 성장된다. 예를들어, 갈륨 아세나이드 및 알루미늄 갈륨 아세나이드의 상기 방식의 n-도핑 교층에서 초기에 성장한 물질이 하부 유전체 미러를 형성한다. 그 다음에, 활성 이득 물질을 에워싸는 스페이서(또는 장벽) 영역을 구성하는 활성 이득이 형성된다. 재차 상이한 반사율의 물질이나 P-도핑된 교층이 최상부 미러가 광학적 견지에서 상기 기판을 완성한다. 설계 세부가 문헌에 충분히 공개되었다. 1987년 발행된 K.Iga씨등에 의한 전자 공학 저술 제23호 134 내지 136 페이지; 1989년에 발행된 A.Ibaraki 씨등에 의한 응용 자연과학(일본 잡지) 제28호 L667 내지 L668페이지를 참조하자. 단일의 양자 웰 구조는 1989년에 발행된 Y.H.Lee씨등에 의한 전자 공학 저술 제25호 1377 내지 1378페이지에 기술되었다.
여러가지 사용목적에 가장 중요한 구조인 전기적으로 펌프되는 구조가 전형적인 p-i-n 형태를 초래하기 위해, 앞서 나타낸 바와 같이 도핑되는 미러를 통해 상기 활성 영역을 바이어스 한다. 대부분의 장치가 레이징 방향으로 인라인의 최상부 전극에 의해 좌우된다. 상기가 편리한 장치임에도 불구하고, 이러한 최상부 전극이 일반적으로 금속이고 최상부 방출을 방지하기에 충분한 두께이며, 따라서 상기 장치는 일반적으로 기판을 통한 방출에 좌우된다. (통상의) GaAs 기판의 경우에, 이득 영역에 인듐 포함을 초래하는 증가된 방출 파장(InGaAs 활성 이득 물질의 사용)은 상기 기판의 변경없이도 전도를 허용한다. GaAs 활성 이득 물질(상기 기판이 병합되는)의 사용이 인-라인 기판의 에칭-제거에 의해 조절되어 왔다.
구조적 변화는 보다 적은 수의 유전체 쌍을 포함하는 유전체 미러에 의해 부가된 종래의 금속 반사층을 포함하는 공동을 가진 미러의 p-형측상의 하이브리드 미러에 의해 좌우된다. 상기 방식으로, 상기 p-도핑된 유전체 미러층의 저홀 이동도 때문에, 증가된 저항의 기여는, 분할된 유전체 구조에 의해 제공된 고 저항을 실현할 때까지, 감소된다.
최상부 금속 층이 단순한 전극의 기능으로 작용하든지 또는 상기 층이 미러의 일부로서 작용하든지에 관계없이, 상기 효과는 동일하다. 즉, 상기층이 레이저 방출에 대해 불투명해서 최상부 표면 방출을 저지한다.
최상부 표면 방출의 바람직함이 예를들어, 합당하게 제조된 디스플레이에 사용하는 것이라고 인식되어 왔을지라도, 구조적 접근은 비경제적이어 왔다. 활성 영역으로 바이어싱 전류의 측면 유입에 의지하는 일반적인 접근이 에칭, 재성장 및, 확산을 사용하는 것이다. 1987년에 발행된 M.Ogura씨등에 의한 응용 자연과학 잡지 제51호 1655페이지를 참조하라.
본 발명은 수직 공동을 가진 표면 방출 레이저의 최상부표면 방출에 관한 것이다. 본 발명의 구조는 상부 그대로 공동 단부상에(비-하이브리드) 분할된 유전체 미러의 사용에 좌우된다. 인-라인 전극은 장애가 없는 상기 최상부 미러의 관련 부분을 분리하는 주변 전류 주입에 의해 회피된다. 활성 이득 영역내로 유효 전류 유입은 결정체 손상(본원에서는 이온 주입이라 명명됨)이 포함된 이온 충격에 의해 발생된 저항률 프로파일에 의해 보장된다. 상기 활성영역 주변 또는 약간 위쪽에 웨이스트(waist)를 가진 이상적인 웨이스트형 프로파일은 이러한 깊이-본원에서는 매립된 손상층이라 명명됨-로 최고 저항을 초래하도록 이온 매스 및 에너지를 선택하는 결과이다. 실시예가 일반적으로 양호한 H+(프로톤)에 의해 좌우되더라도, 최소한의 에너지를 필요로 하고 거의 해가 없는 장치 결과를 갖기 때문에, 다른 이온이 작용할 수도 있다. 양호한 실시예가 강하게 도핑된 표면에서 충돌 손상을 감소하기 위해 열 어니얼링에 의지하며, 상부 미러의 최상부 근처에서의 전도성을 개선시킨다.
양호한 구조는 본 발명에 따라, 유전체 미러 부재 또는 쌍간 공지된 초격자 또는 스텝층의 사용에 의해 적어도 상부 미러내에서 저항을 최소화 한다. 1990년 발행된 J.L.Jewell씨등에 의한 광학 엔지니어링 제290호 210페이지를 참조하라.
종래 기술의 구조에서와 같이, 상기 상부 미러를 p-도핑하는 것이 여전히 손쉬울 것이다. 그러나, 본 발명 접근은 최상부 미러가 n-도핑되는 역 기판에 적절히 인가되는 것이다.
[제1도]
제1도는 설계, 물질등에 관한 일반적인 심의 뿐만 아니라 실험적으로 입증된 작업예에 관한 특수한 심의에 대한 원리로서 작용한다.
상기 도면이 일반적으로 고찰된 최상부 표면 방출 SEL을 묘사한다. 물질의 선택이 궁극적으로 예를들어, 방출 파장과 같은 희망 레이저 특성에 좌우된다. 통상의 경우에서, 기판 구성을 레이저 방출 파장에 대한 고려와는 무관하다.
그러나, 상기 공동의 기판측으로의 방출이 예를들어, 최상부표면 방출을 모니터하기 위해서 바람직할 수도 있는 특정 환경하에서도 적당히 투명한 기판을 선택하는 것이 여전히 바람직할 수도 있다. 에피택셜적으로의 성장에 의해 좌우되는 통상의 제도에서, 기판의 선택은 격자 파라미터등을 필요로 할것이다.
동작 장치는 상기 작업예에서 Si-도핑된 n+GaAs(약 3×1018cm-3으로 균일하게 도핑된 통상 200 내지 500㎛ 두께)인 기판(10)상에 에피택셜적으로 성장해왔다. 초기에 n-형 미러층인 에피택셜 성장이 금속-유기 화학 증기 침착(MOCVD, 1978년 발행된 R.D.Dupuis씨등에 의한 응용 자연과학 잡지 제31호 201페이지 참조), MBE(1971년에 발생된 A.Y.Cho에 의한 진공 기술 잡지 제8호 531페이지 참조)등에 의해 행해질 수도 있다. 상기 작업을 위해서, 예를들어, MBE가 850nm방출 파장에 상응하는 반사율 피크를 가진 26.5쌍 4분파 다수 미러를 성장시키는데 사용된다. n-형 미러의 하부가 AlAs/Al.15Ga.85As(각기 710.8Å 및 604.8Å두께의 층(11,12))으로 구성된다. 양층(11 및 12)이 3×1018cm-3으로 Si 도핑되었다.
제1도는 2개의 스페이서층(15)간에 끼워진 활성 이득 영역(14)으로 구성된 활성영역(13)을 묘사한다. 영역(13)의 전체 두께는 활성 이득 물질의 대역 구조에 의해 허용될시에 레이저 방출의 1/2 파장의 정수를 유지할 정도이다. 활성 영역(13)의 중심에서 상기 활성 이득 영역(14)의 배치는 상기 작업에 대한 최대 강도의 위치(한 파장의 정상파에 대해 제공된)에 배치된다. 엄밀한 치수는 실현된 레이저 방출 파장을 결정하는 허용된 제한내에 있다. 특수한 작업예에 대하여, 상기 활성 이득 영역(14)은 Al0.3Ga0.7As(x=0.3인 AlXGa1-XAs)의 70Å 두께의 장벽층(17)에 의해 분리된 대략 100Å두께의 4개의 GaAs층(16)으로 구성된다. 거의 963Å두께인 샌드위칭 스페이서 층(15)은 역시 활성 이득 영역(14)과 인접한 x=0.3에 대하여 AlxGa1-XAs로 이루어졌고 최심부 미러층(11 및 18)과 인접한 0.5의 값으로 등급화되어 있다. 스페이서 영역(15)내에 등급화된 합성물은 활성 이득 영역(14)내에 캐리어를 제한하도록 역할한다.
간결하게 하기 위하여, 활성영역(13)은 하나 또는 몇개의 양자 웰에 의하여 대부분 검토되어 있다. 발명의 교시는 활성 이득 영역 이외에, 다수의 양자 웰을 포함하는 활성 영역을 크게하도록 골고루 적용할 수 있다.
구체적인 예로, 상부 미러 반사율은 Al.15Ga.85As층(19)에 대하여 쌍으로된 AlAs(18)의 Be 도프된 미러층의 19주기로 이루어졌다. 베릴륨으로부터된 본예의 유효한 전도 특성은 그다음 14주기동안 5×1018을 통하여 활성영역과 인접한 제1두주기동안 3×1018도핑하고 상부층에 대하여 2×1019의 최소레벨로 증가한다. 주기(20)의 상세도로 도시된 바와 같이, 상부 미러내의 전도율은 각각의(18,19) 유전체 쌍내에 중간 에너지 밴드갭의 쌍으로된 층(21 및 22)에 의해 더 증가된다. 별개의 예로, 두께 95.5Å의 층(21)(x=04) 및 두께 101Å의 층(22)(x=0.7)은 850nm 파장 방사에 대하여 1/2 주기 산출하도록 모든 합성물 AlxGa1-XAs에 대하여 두께 514.1Å의 층(18)(x=0.15)으로부터 두께 604.2Å의 층(19)(x=1)을 분리시킨다.
양쪽의 시도는 장치 동작상에 가장 작게 해로운 영향을 가지도록 하는 방법으로 전기적 전도율이 증가한다는 소망을 성취시킨다. 상부 미러내의 증가된 유의 불순물은 어떤 반사율 감소가 그곳에 보다 적은 유의이므로 합리적인 절충을 나타낸다. 유사하게, 미러층간의 중간 밴드 갭물질의 이용은 네트포지티브 효과를 갖는다. 또한 개선점은 금속 도펀트의 채택, 예컨대, 프리 표면으로부터 열적으로 확산될 수 있는 원소 아연에 의해 실현될 수 있다.
공지된 바와 같이,(21 및 22)와 같은 중간 밴드갭 물질층을 삽입하는 것은 전기적 저항을 거의 감소시키는 한편 소량만이 반사율에 영향을 미친다. 제이·엘·지웰 등이 쓴 광학 엔지니어링, 제29권, 페이지 210쪽에 보인다(1990년). 최적의 구조는 미러쌍의 양측상에 물질을 주입시키거나 또는 초격자를 제조하도록 대단히 얇은층을 사용한다. 도시된 바와 같이, 주입되는 단계는 가장 필요로 하는 p-형측 미러로 한다. 몇몇 경우에도, n-형 미러내의 저항을 감소시키고 게다가 유사한 기술로 감소시키는 것이 바람직하다고 할수 있다.
제1도는 단지 도시예이다. 지금 행해진 바와 같이 또는 장차 행해지는 바와 같이, 여러 변화는 발명의 표시에 영향을 미침이 없이 동작을 향상시킨다. 예컨대, 맹목적으로 도시되어 있지 않는 반면에, 기판(10)은 작업예에서, 결함이 없는 성장 표면을 보다 확실하게 하도록 동일 합성물의 증착물질의 얇은 층으로 코팅된다.
[제조]
본 섹션은 발명의 진보와 관련있는 별개의 제조 단계를 다룬다. 행해진 바와 같은 다른 제조단계 이외에 정확한 원시의 그 자체의 단계가 변화될 수 있는 동안, 상기에서 검토된 작업예의 구조로 사용된 진행에 의하여 제조를 검토하는 것이 편리하다.
제1도의 구조의 상부 표면은 레이저 포스트 양쪽 꼭대기를 마스킹하는 레지스트가 제공되었다. 그 목적은 이온 손상으로부터 기초적인 영역을 마스크하고 전극의 리프트-오프제한용으로 역할하는 두가지 목적이었다. 기술될 이온-손상 조건용으로, 효과적인 미스킹은 약 6㎛의 층 두께를 마스킹하는 것을 필요로 하였다. 종래의 단일층, 포토레지스트 석판술이 작업 레이저를 제공하도록 돕는 동안, 멀티레벨 레지스트 접근은 수직 레지스트 엣지를 보다 확실하게 한다. 지금 행하여진 바와 같이, 전형적인 트리레벨 레지스트 처리는 예컨대, 1㎛의 두꺼운 포토 레지스트층이 뒤따른 Cr 또는 Au의 약 500Å의 두꺼운 포토 레지스트층이 뒤따른 Cr 또는 Au의 약 500Å의 두꺼운 층이 뒤따른 5 또는 6㎛ 두께의 제1포토 레지스트 층을 수반한다. 상기 1㎛층내의 소정의 패턴을 생성하도록 노출 및 개선이 뒤따르며, 금속층은 에칭되고, 마스크로서 상부 레지스트 패턴을 사용한다. 두꺼운 기초적인 포토레지스트의 드라이 에칭(예컨대, 재활성 산소이온에칭)은 마스크로서 역할하는 나머지 금속으로 소정의 수직 엣지를 얻도록 하는 조건하에 실행한다.
포토 레지스트 한정 다음에, 1000Å의 두꺼운 전극 물질(p-형측에 대하여 Au/Zn)은 서마 증발에 의해 합금 소오스로부터 침착된다. 상기에서 검토된 개발 작업예로서, 전극층은 이온 주입 동안 연속층으로서 유지된다.
이온 주입은 활성 영역의 깊이에서 피크손상(피트저항)과 표면에서의 가장 작은 손상(가장 작은 저항)이 되도록 채택된다. 다양한 이온 공간에 대한 적당한 촉진 에너지는 즉시 계산된다. 예컨대, 아카데믹 프레스(1984). 제이.에프.지에글러에 의해 편집된 이온 주입 사이언스 테크놀로지 페이지 51 내지 108에 보인다(ISBN # 0-12-780620-2). 활성 이득 영역이 상부 표면으로부터 약 2.5㎛의 깊이로 있는 예로서, 5×1014cm-2의 주입에 대한 300KeVH≠이온은 약 2.3㎛의 깊이로 피킹하는 면적당 1066hms보다 큰 시트저항으로 충분히 되도록 손상을 도입하는 것이 효과적이었다. 30초동안 450℃로 열 단련은 보고된 결과에 대해 충분한 넓이를 최상부 1.5㎛ 표면 영역내로 보다적은 손상 유도 저항이 감소된다. 주입/단련 조건은 최소상승 임계에 의해 가장 적합하게 되지 않는다.
주입 손상의 네이처 및 크기 둘다를 고려하는 것이 유용하다. 두가지 고려점은 본 발명 교시의 제1결과이며, 즉, 1) 거의 손상되지 않은 레이저 필라내에 물질을 보내는 사이에 활성 이득 물질을 정확히 바이어스하도록 퍼널과 같은 전류 패드에 필수의 변화율로 둘다 되어야만 하는 매복 피크 손상 레벨로 내부 손상 변화율과, 2) 소정의 상승 임계에 대해 충분한 전도율로 유지하며, 상기 이온이 차례로 먼저 일어나는 매복 피크로부터 표면으로 하는 수직 손상 변화율이다. H및 He에 대하여, 확장된 최소량의 스펙트럴에너지라 가정하면, GaAs(예기된 반도체 물질의 도리에 맞는 표현)내의 완전한 손상폭은 0.5㎛이다. 상기 목적을 위하여, 손상폭은 손상이 최대의 0.5인 손상된 영역을 에워쌈으로서 한정된다(이들 목적을 위하여, 손상 영역은 중심에서 일어나는 피크 손상을 지닌 원형이 고려됨). 0의 것과 같은 큰 이온에 대하여, 손상폭은 다소 크다.
실제적인 동작 조건하에, 투사 표면에서 제 1㎛ 깊이 층내의 것보다 큰 크기의 손서인 약 2.3㎛으로 피크 매복손상을 얻도록 하는 것이 가능해진다. 투사된 바와 같이, 단련을 수반할 수 있는 양호한 순서는 상기 변화율을 다소 증가시킨다. 예기된 적량(dosage)만큼 도입된 바와 같이 손상의 실제 크기를 어림 잡도록 한 것인 어떤 값으로 한다. 약 1×104cm-2으로 하기 위하여, 손상은 약 1019cm-3의 레벨에서 피크하는 것을 어림잡게 된다. 이들 현상으로 잘 알려진 것들로 잘 공지된 바와 같이, 그와 같은 참조부호는 단지 접근하고, 어떤 넓이로, 변위의 정도에 따라 더욱 순간적일 수 있으며, 도입된 손상의 어느정도의 부분은 동작 온도에서 자체의 단련으로 한다.
어떻게 손상이 이온 주입에 의해 도입되는가의 메카니즘은 예컨대, 상기에서 인용한 이온 주입-사이언스 및 테크놀로지로부터 공지되어 있다. 통계적으로, 수소원자는 5가 금속 도펀트 원자, 예컨대 Be가 전도성으로 거의 공헌하지 않도록 5가 도펀트 캐리어로 대신한다. 통계학상 관찰은 도펀트 세기에 따라 제1접근으로 할 수 있으며, 투사표현으로부터 피크 깊이를 걸쳐 관련된 영역에 대하여 도입된 손상을 충돌 프로필과 선형적으로 관련된 바와 같이 고려될 수 있다. 그러므로, 주입 방향으로 관찰된 크기 1㎛ 내지 2.3㎛손상 프로필의 순서는 크기 충돌 프로필의 순서로 나타낼 수 있다.
동작상의 스탠드 포인트로부터, 도입된 바이어싱 전류의 최소 50%의 활성 이득 영역을 통한 패시지는 일반적으로 예기된 손상 프로필로 얻어질 수 있다. 최대의 목적을 이루기 위하여, 특히 집적의 고정도에 대하여, 상기는 바람직한 최소이다. 어떤 조건하에서, 활성 이득 영역을 관통하는 바이어싱 전류는 상부 전극을 통하여 도입된 총 바이어싱 전류에 의해 나타낸 바와 같이, 90% 또는 보다 좋은 레벨로 되어진다.
레이저 필라의 중심으로 얻게될 미러 전도성 주입은 옆방향으로 하는 손상 변화율이 수직 방향의 것과 같은 순서로 하는 것을 암시한다. 약 5㎛의 개구에 대하여, 상기는 다시 스캐터링하기 때문에 굴절 각도가 주입-도입된 손상으로 크기가 감소하는 순서로 된다. 상기는 어림잡으며, 초기 실험적 결과에만 기초되므로, 접근하는 것만이 고려되어야 한다.
마찬가지로, 최적 조건은 필라의 중심에서 거의 주입되지 않은 전도율을 유지하도록 스티퍼 측면 변화율로 되는 것이다. 예와 같이, 신중히 제어된 트리레벨 레지스트 순서의 이용은 차례로, 보다 가깝게 수직 레지스트 엣지로 되며, 보다 거의 균일한 직경 전극 개구를 생성한다.
유사한 주입 손상 프로필은 He 및 O와 같은 다른 이온으로 얻어질 수 있다. Hedp 대하여 , 요구된 주입 에너지와 선량은 제각기 800KeV 및 약 1×1014cm-2이다. 0에 대하여, 요구된 주입 에너지와 선량은 제각기 3MeV와 약 1×1013cm-2이다.
터미놀로지 이온 주입은 상기 과정을 설명하도록 종래적으로 사용된다. 최대량의 경우에도, 손상 중심은 주입된 물질, 상기 실시예에서 수소를 실제로 포함한다. 행해진 바와 같이, 열적 단련은 주입 물질의 부수적인 전개로 귀착하도록 기대되지 않는다. 또한, 일반적으로, 수소를 유리시키도록 충분히 높아진 온도에서 단련하며, 손상을 경화시킨다. 본 발명의 교시는 임의 그와 같이 가정된 상태에 국한되지 않으며, 저항 증가가 이온 충격으로 실현되는 것에만 필요로 하고, 양호한 실례에 있어서, 저항 증가가 단련함으로써 상부 유전체 미러에 대하여 영역내에서 주로 감소된다는 것에만 요구된다.
작업예에 리프트오프는 20분 동안 75℃의 온도로 아세톤 또는 포토레지스트 스트리퍼(예컨대 베이커 PRS2000)속에 푹 담그며, 제2도에 묘사된 바와 같은 구조로 완료된다. 기판 전극 접촉을 제공하기 위한 특별한 조건은 본 발명의 교시에 비평하지 않는다.
본 발명의 레이저가 집적 회로, 예를들어 레이저 배열의 부분인데서, 각 레이저를 격리시키는 것이 필요로 된다. 물리적인 격리는 화학적인 에칭의 일반적인 형태이다. 전극이 리프트 오프에 의해 분리되는 데서, 각 레이저의 전기적인 격리가 습식의 화학적인 에칭으로 완성될 수 있고, H3PO4: H2O2H2O를 기초로한 에칭을 사용해서 2.5㎛의 깊이로 아마도 완성될 수 있다. 표면으로부터 활동적인 영역의 깊이까지를 알맞게 일정한 손상을 이루기 위해 넓은 이온 에너지 스펙트럼을 사용하는 이온 주입은 평면성을 유지하는 동안에 상기 동등한 전기적인 격리를 수행할 수 있다. (그것은 에너지 스펙트럼이 완만하게 좁은 전도성 프로필을 만드는 역할을 하고, 상기 제1㎛ 표면 영역에 극히 작은 영향을 미치는 동안 바람직한 매립층으로 생산하기 위해 값에서 피크를 이루는 이온 주입 손상과 대조적이다.) 상기 레이저의 상부를 둘러싼 물질의 얕은 에칭이 과정을 촉진시키는 조건하에서 존재한다. 아마도 1000Å 유니트 가량의 깊이의 에칭은 레이저 위치를 촉진시킬 수 있고 표시에 도움을 준다.
[제2도 내지 제3도]
제2도는 개구(24)를 가지며 구비된 바와 같은 최상부 전극(23)을 갖는 제1도의 구조를 개략적으로 표현하는 정면도이다. 상기 도면이 작업예를 표현하는 범위에서, 그것은 예를들어 단순화한 논문의 흥미에서 미러층의 수를 감소시킴으로써 단순화시킨다. 상기 구조는 레이저 컬럼내의 상대적으로 손상안된 활성 영역에 둘러싸인 층(15,18 및 19)의 부분에 묘사된 손상을 갖으면서 발명의 지시에 따라 주입-손상된다. 손상 정도는 층(14)내에서 가장 강렬해진 쉐이딩(shading)과 층(15, 18 및 19)을 통해 양방향에서 감소하는 쉐이딩의 견지에서 묘사된다. 도면에 도시되지 않았지만, 층(11 및 12)에 인접한 활성적인 영역(13)에서 주입 손상은 인접측(18 및 19)의 그것과 같이 동일한 대략적인 크기이다.
파단선(26)은 레이저가 발생하는 모든 구조의 원주형 부분(상기 기둥)을 한정한다. 상기 레이저 자체의 부분은 구조를 통해 일반적으로 계속되고 일반적으로 연장하는 층으로 되어 더큰 층으로된 구조의 부분이고 중단없이 원주형 부분을 둘러싼다.(컬럼 외부에 설명된 층 영역이 선택적으로 이온 주입 손상되지만) 역시 설명된 바와 같이, 상기 레이저를 둘러싼 영역에서 얕은 에칭은 ∼10 표면층과 동수가 상기 의미에서 불연속일 수 있는 그런 범위에 유용한 조건이 존재한다.
도시된 개수(24)에 대한 원주형 부분은 횡단면에서 일반적으로 원형이고, 손상의 견지에서 주로 물리적으로 한정되고, 교대로, 리프트 오프에 대해 사용된 레지스트 영역에 의한 원주형 부분을 외부 영역에 제한된다. 현학적인 목적인 동안에, 날카롭게 현저하지 않은 쉐이딩의 견지에서 손상을 도시하는 것이 유용하며, 실제적인 손상이 원주형 표면(26)에서 특히 어느정도 등급되어 진다. 그것은 상기 층에 관해서는 사실이고, 그결과 손상 크기는 심하게 변화하지 않으며, 그러나, 오히려, 예를들어 층(14 및 15)간에 점차적으로 변화한다.
제3도는 개구(24)를 포함하는 전극(23)의 평면도이다. 특수한 작업예에서, 기본적인 금인 전극은 40 내지 60이다. 오프세트 개구(24)뿐만 아니라, 상기 직선적인 구성은 특별한 결과가 아니다. 다양한 디자인/동작 고려사항은 다른 구성을 명령할 수 있다. 일반적으로, 허락된 가장 큰 영역(각 격리된 장치의 상부 표면으로 대응하는)을 갖는 대칭적인 전극 구조는 양호하게 된다. 증가된 영역은 감소된 전류 밀도를 결과로 하고, 상기 상부 표면이 p도핑된 미러의 그것인 구조내에서 특히 필요로 하는 열 분산을 줄일 수 있다.
설계되었던 상기 작업예 및 다른 장치는 상기 손상을 유도하는 레지스턴스 프로필에 따른 최고 전류 밀도의 견지에서 오직 이득으로 가이드된다. 상기 구조는 선택적으로 비가이드된다. 상기 고려점은 레이저 컬럼에 대한 양호를 결과로 하고, 그럼으로써 광 에지 분산 손실(레이저 임계 값을 증가시키는)을 최소화 하기 위해 개구 직경을 충분히 크게 하는 결과를 나타낸다. 실험적으로, 이제껏,
Figure kpo00002
5㎛의 기둥 직경은 허용가능한 최소치로 고려된다. 다른데서 논의된 바와 같이, 그러나, 결국 낙관적인 제조 절차를 더 적은 직경을 허용할 수 있다. 관계된 고려점은 에칭에 관계한다. 즉 효과적으로 마스크 이온 주입에 사용된 상대적으로 두꺼운 (
Figure kpo00003
6㎛)레지스트의 에칭은 단순한 습식 에칭으로 행해진다. 결과적인 경상 에지는 리프트오프로 발생된 전국 개구에서 대응하는 변화를 결과로 할것 같다. 예를들어 트리(tri)레벨을 사용한 다른 에치 기술의 대용은 계획적인 직경에 더 가까운 기둥 직경을 이루기 위해 더욱 거의 수직적인 에지를 결과로 한다.(예를들어, 경사가 계획적인 5㎛크기에 대해
Figure kpo00004
2 또는 3㎛의 최소 직경 개구를 결과로 한다면, 그것은 개구 사이즈가 지지하는 부가적인 에지 손실없이 일정한
Figure kpo00005
2 또는 3㎛로 될 수 있는 것을 따른다.) 실험적으로, 5,10,15,20 및 30㎛의 개구가 기능을 한다. 상대적으로 더 큰 전극이 때때로 요구될지라도, 더 적은 개구는 일반적으로 특히 집적 회로에서, 더큰 패킹 밀도에 대해 요구된다.
제2도는 이온 주입 손상에서 결과로 되는 도전성 프로필을 따라서, 레이저 컬럼내의 활성적인 이득 영역내에 집중하는 전류 경로(25)를 결과로 하며 전극(23)을 통해 도시안된 소스로부터 유도된 전류를 갖는 그 동작 상태에 있는 레이저를 묘사한다.
제2도에 도시안된 것은 실리콘 기판(10)의 하면상에 플레이트된 금 전극이다. 작업예에서 마무리 장치는 동 플레이트상에 설치된다.
제2도는 본 발명의 모든 장치에 공통적인 구조 및 동작 모드를 명백히 묘사한다. 어떤 조건하에서, 그것은 예를들어, 감시 목적으로 바람직하고, 그것은 또한 상기 기판상에 레이저 발산을 구비하는 것이 유용할 수 있다. 그것은 잘 알려진 수단, 즉 원주형 레이저에 위치상 부분적으로 대응하는 기판의 제거에 의해 또는 조건이 허용하는(활성적인 이득 물질이 GaAs 기판의 흡수 영역보다 파장에서 더 길게 발산하는 InGaAs로 구성되는 데서)전송에 의해 수행될 수 있다.
[제4도]
상기 도면에 도시된 파워-전류 특성은 본 발명의 SELs에서 보여지는 일반적인 형태이다. 상기 특정치는 10㎛ 직경의 레이저 컬럼(10㎛ 직경의 전극 개구)을 갖는 CW 레이저에 대응한다. 상기 특정 장치는 공간 온도에서 2.2mA의 레이저를 발하는 임계값을 가진다. 3.6mA에 도달해서, 상기 레이저 광은 기본적인 가우시안(Gaussian)횡축 모드 프로필과 더불어 대개 수평적으로 편광된다. 3.6mA이상일 때, 수직으로 편광된 광은 특성 TEM이 모드 형태로 나타나기 시작한다. 제2도에서 3.6mA일때 킨크(kink)는 수직 편광과 더불어 새로운 횡축 모드의 착수를 도시한다. 5mA이상일 때, 원형이고 도넛 형태의 모드가 보여진다. 845nm(레이저를 발하는 임계 값에서)에서 847nm(6mA)까지의 파장이 전류와 더불어 붉게 이동하면서 레이저를 발한다. 0.6mW의 계속적인 출력 파워는 공간 온도에서 열하강 없이, 5.5mA로 측정된다. 더높은 전류에서, 상기 출력 파워는 제2도에 도시된 바와 같은 열효과 때문에 감소한다. 차동적인 정량 효율은 3.6mA보다 적은 전류에 대해 약 20%이고 더 높은 전류에 대해 감소한다.
1% 두티 사이클에서 150ns 펄스를 사용해서, 통상적인 레이저를 발하는 임계값은 각 10,15,20, 및 30㎛ 직경에 대해 2.2, 3.5, 5.6, 및 10.2mA이다. 정량당 대응하는 레이저를 발하는 임계값 전류 밀도는 각 700, 500, 450 및 360A/㎡이다. 더큰 직경 레이저는 더적은 회절 및 확산 손실을 경험하고, 그것은 더낮게 레이저를 발하는 임계값 전류 밀도를 결과로 한다. 정량 당 상기 임계값 전류 밀도는 최저로 레이저를 발하는 임계값 전류의 단일 정량 예지-발산하는 레이저의 그것보다 조금더 높다. 차동적인 정량 효율은 모든 사이즈에 대해 약 20%이다. 분리된 장치에 의해서 대개 본 발명의 레이저를 토의하는 것이 편리하다. 이미 언급했듯이, 발명적인 진보에 대한 중요한 약속은 집적의 여러 형성에 있다. 상기 가장 단순한 집적 회로는 필요한 바이어싱 회로를 구비한 단일 SEL로 구성된다. 더욱 복잡한 회로는 모든 광 예를들어 레이저 배열, 또는 대안적으로, 광 전자의 집적 회로(OEICs)의 형성을 이루게 된다.
상기 발명적인 가르침은 언급된 주입 손상-유도된 프로필과 관계한다. 편법에 대해, 가르침은 GaAs를 기초로 하는 활성적인 이득 물질을 일반적으로 사용하는 상대적으로 단순한 장치에 의해서이다. 상기 가르침은 잘 공지되고, 이미 나타난 많은 변화에 적용 가능하다. 레이저 발산 파장에서 유동성은 다른 물질 사용으로 제공된다. 예를들어, G.P.Agrawl 및 N.K.Dutta, Van Nostrand, Reinhold, N.Y.(1986년), ISBN # 0-442-2-0995-9에 의한 긴 파장 반도체 레이저 및 D.K.Ferry, H.W. Sams, Inc., Indianapolis, Indiana,(1985년) ISBN # 0-672-22375-9에 의한 GaAs 테크놀리지를 참조하라. 상기 참고 문헌은 3성분 및 더높은 차수의 복합체 뿐만 아니라, 다수의 복합 반도체, Ⅲ-Ⅴ 및 Ⅱ-Ⅵ를 설명한다. 부가적인 유동성은 예를들어 주파수를 증가 또는 감소시키기 위해 비선형 소자의 사용에 의해 발생된다.

Claims (15)

  1. 레이저가 반도체 물질의 초기에 구성된 넓은 층으로된 구조의 원주형 부분으로 되어 있고, 이 구조의 거의 모든 층이 상기 원주형 부분 전반에 걸쳐 연속적으로 되어 있으며, 상기 구조가 차례로, 기판, 제1다층 유전체 미러, 적어도 하나의 활성 이득 물질층을 포함하는 영역 및, 제2다층 유전체 미러를 포함하고 있으며, 상기 두 유전체 미러는 반사율이 레이저 방사선의 파장에 대한 굴절율을 달리하는 다수의 미러층 쌍의 함유물에 의존하며, 상기 미러는 주요 불순물로 도핑되어 있고 관 미러 영역은 p형으로 도핑되고 다른 영역은 n형으로 도핑되어 있으며, 상기 레이저는 레이징을 실현하기 위해 활성이득 물질을 전기적으로 펌프하기 위한 펌핑 수단을 갖추고 있고, 상기 펌핑 수단은 상기 제2다층 유전체 미러와 전기적으로 접촉하는 전극을 포함하는 상기 전극은 레이저 방사를 허용하는 개구를 갖추고 있는 그런 적어도 하나의 전기적으로 펌프된 수직 공동, 표면 방사 레이저를 포함하고 있는 장치에 있어서, 상기 넓은 층으로된 구조는 레이징을 실현하기 위해 전류의 주요부분이 상기 원주형 부분의 상기 활성 이득 영역을 통해 통과하도록 처음에는 상기 원주형 부분을 둘러싸고 침식하지 않고 후에 상기 원주형 부분을 침식하게 되는 경로를 따라 가도록 전류가 상기 전극으로 도입되도록 하는 전기적 전도성 프로필을 갖고 있으며, 그래서 레이저 방사선이 상기 개구를 통해 통과하도록 되어 있으며, 상기 경로는 실질적으로 전기적 저항이 증가된 매립 영역의 결과로 형성되며, 상기 영역은 상기 원주형 부분을 둘러싸고 있으며, 증가된 전기적 저항은 이온 주입 손상의 결과로 이루어지는 것을 특징으로 하는 표면 방사 레이저 포함 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 활성 이득 물질이 근본적으로 화합물 반도체로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 표면 방사 레이저 포함 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 활성 이득 물질층이 양자 웰로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 표면 방사 레이저 포함 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 활성 이득 물질층이 스페이서 물질층 사이에 삽입되어 있고, 상기 스페이서 물질은 레이징에 관해 비-이득 물질로 되어 있는 것을 특징으로 하는 표면 방사 레이저 포함 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 저항이 상기 전극 근처의 제2층으로된 유전체 미러의 영역내에서 상기 매립 영역의 피크 저항에서의 최대값으로부터 보다 작은 값으로 적어도 하나의 진폭의 순서로 점차 변화하도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 방사 레이저 포함 장치.
  6. 제5항에 있어서, 이온 주입 손상이 거의 주입 손상의 정도에 비례하는 농도로 수소의 함유물로 표시된바와 같이 근본적으로 수소 이온 주입 손상으로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 표면 방사레이저 포함 장치.
  7. 제1항에 있어서, 전도성 도핑이 상기 넓은 층으로된 구조의 층내에서 거의 균일하게 되어 있는 것을 특징으로 하는 표면 방사 레이저 포함 장치.
  8. 제7항에 있어서, 도핑이 상기 활성 영역을 둘러싸는 미러층보다 고농도로 도핑된 상기 전극에 가장 근접한 적어도 하나의 미러층을 가진 상기 넓은 층으로된 구조의 층에서 직교하는 방향으로 점차 변화되도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 표면 방사 레이저 포함 장치.
  9. 제8항에 있어서, 상기 전극에 가장 근접한 미러층이 주요장치 결과 손상을 초래하는 거의 최대로 허용되는 짧은 길이로 되어 있는 것을 특징으로 하는 표면 방사 레이저 포함 장치.
  10. 제1항에 있어서, 상기 활성 이득 물질이 근본적으로 GaAs로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 표면 방사 레이저 포함 장치.
  11. 제1항에 있어서, 상기 활성 이득 물질이 근본적으로 InXGa1-XAs로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 표면 방사 레이저 포함 장치.
  12. 제1항에 있어서, 상기 활성 이득 물질이 근본적으로 AlXGa1-XAs로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 표면 방사 레이저 포함 장치.
  13. 근본적으로 반도체 물질로 이루어진 다수의 층을 포함하는 구조를 기판위에 에피택셜 성장시키는 단계를 포함하며, 상기 층은 성장 순서로, 제1다층 유전체 미러와, 적어도 하나의 활성 성장 물질층을 포함하는 활성 영역과, 제2다층 유전체 미러를 형성하며, 상기 미러는 주요 전도성 불순물로 반대로 도핑되어 있고, 상기 구조는 거의 모든 성장층내에서 측정하여 레이저보다 넓게 되어 있는 그런 적어도 하나의 전기적으로 펌프된 수직 공동, 표면 방사 레이저를 포함하는 장치를 제조하는 방법에 있어서, 상기 구조는 상기 레이저를 둘러싸는 매립된 이온 주입 손상 영역을 발생하도록 하는 에너지 크기 및 분포의 가속된 이온에 의해 충격을 받으며, 그래서 발생된 손상 프로필은 최종 성장층에서 레이저 주변의 전류의 도입이 레이징을 야기하기 위해 활성 영역을 통하는 1차 전류 경로를 초래하도록 저항력 프로필을 한정하고 있는 표면 방사 레이저 포함 장치 제조 방법.
  14. 제13항에 있어서, 상기 레이저의 상부층이 상기 레이저내의 이온 주입 손상을 적게하기 위해 패턴화된 레지스트를 포함하는 물질로 마스크되도록 되어 있는 표면 방사 레이저 포함 장치 제조 방법.
  15. 제14항에 있어서, 상기 패턴화된 레지스트가 충격중에 연속한 전극 물질층으로 덮혀있고, 패턴화된 레지스트위의 전극 물질은 리프트 오프에 의해 충격후에 제거되도록 되어 있는 표면 방사 레이저 포함 장치 제조 방법.
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