KR100224878B1 - 표면광 레이저 - Google Patents

Abstract

광출력 특성을 개선한 표면광 레이저가 개시되어 있다.

이 개시된 표면광 레이저는 하부전극층과; 하부전극층 상에 위치된 기판과; 기판 상에 형성되며 일 반도체형으로 서로 다른 반사율을 갖는 두 반도체물질층이 교번 적층되어 형성된 제1반사기층과; 이 제1반사기층 상에 형성되고 레이저 광을 생성하는 활성층과; 활성층 상에 형성되고 제1반사기층과 다른 반도체형의 서로 다른 반사율을 갖는 두 반도체물질층이 교번되게 적층되어 형성된 제2반사기층과; 제2반사기층 상에 형성되고 제2반사기층을 통과한 광이 출사될 수 있는 윈도우를 가지는 상부전극층;을 포함하며,

제2반사기층은 활성층과 마주하는 쪽의 적층부분인 하부영역과, 이 하부영역 상에 위치되며 그 상부에 상부전극층이 형성되는 적층부분인 상부영역으로 구분되고, 상부영역에서의 전기저항이 하부영역에서의 전기저항보다 낮도록, 하부영역은 정상 도핑레벨로 도핑되고 상부영역은 하부영역에 비하여 상대적으로 높은 도핑레벨로 도핑된 것을 특징으로 한다.

Description

표면광 레이저{Vertical cavity surface emitting laser}

본 발명은 표면광 레이저(VCSEL:vertical cavity surface emitting laser)에 관한 것으로, 상세하게는 출사광의 광 특성을 향상할 수 있도록 그 구조를 개선한 표면광 레이저에 관한 것이다.

일반적으로 표면광 레이저는 모서리 발광레이저와는 달리 적층된 반도체 물질층에 대하여 수직한 방향으로 원형에 가까운 가우시안빔을 출사하므로, 출사광의 형상 보정을 위한 광학계가 불필요하다. 그리고, 그 크기를 작게 할 수 있으므로, 일 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. 이 표면광 레이저는 기판(12)과, 이 기판(12) 위에 순차로 형성된 제1반사기층(13), 활성층(14), 제2반사기층(16) 및 상부전극층(17) 그리고, 상기 기판의 하부면에 부착된 하부전극층(11)으로 이루어져 있다.

상기 기판(12)은 n형 불순물을 함유하는 반도체물질층 예를 들면, n형으로 도핑된 Ga`As~층등이 교번 되어 있다. 상기 제1반사기층(13)은 상기 기판(12) 상에 형성되어 있으며, 상기 기판(12)과 같은 형의 불순물 반도체물질층 예를 들면, n형 Al_x `Ga_1-x `As~와 Al`As~가 교대로 20 내지 30층 적층되어 이루어진다. 이 제1반사기층(13)은 전체적으로 대략 99.9% 이상의 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 물질층으로 되어 있다. 즉, 활성층(14) 상에 p형 Al_x `Ga_1-x `As~와 Al`As~가 교대로 적층되어 이루어진다. 이 제2반사기층(16)은 상기 활성층(14)에서 레이징 된 광이 출사될 수 있도록 상기 제1반사기층(13) 보다는 반사율이 낮은 대략 99.6%의 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 제2반사기층(16)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.

이와 같이, 구비된 통상의 표면광 레이저는 상기 제2반사기층의 도핑레벨이 대략 ∼10^18/㎤정도를 유지하므로 상기 제2반사기층의 전기저항이 크다. 따라서, 상기 활성층에 주입되는 전류 분포의 불균일을 초래하여 레이징 되는 광의 단일 모드 유지 및 균일 출사광량 유지에 영향을 미치게 된다.

본 발명은 상술한 바와 같은 점을 개선하기 위하여 안출된 것으로써, 상기 반사기층의 저항을 낮추어 전류주입 분포를 균일하게 하고자 하는데 그 목적이 있다.

도 1은 종래의 표면광 레이저의 개략적인 구성을 보인 단면도.

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

도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

11,21...하부전극층 12,22...기판

13,23...제1반사기층 14,24...활성층

15,25...전류제한층 16,26...제2반사기층

17,27...상부전극층 18,28...윈도우

26a...상부영역 26b...하부영역

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 하부전극층과; 상기 하부전극층 상에 위치된 기판과; 상기 기판 상에 형성되며 일 반도체형으로 서로 다른 반사율을 갖는 두 반도체물질층이 교번 적층되어 형성된 제1반사기층과; 이 제1반사기층 상에 형성되고 레이저 광을 생성하는 활성층과; 상기 활성층 상에 형성되고 상기 제1반사기층과 다른 반도체형의 서로 다른 반사율을 갖는 두 반도체물질층이 교번되게 적층되어 형성된 제2반사기층과; 상기 제2반사기층 상에 형성되고 상기 제2반사기층을 통과한 광이 출사될 수 있는 윈도우를 가지는 상부전극층;을 포함하는 표면광 레이저에 있어서, 상기 제2반사기층은,

상기 활성층과 마주하는 쪽의 적층부분인 하부영역과, 이 하부영역 상에 위치되며 그 상부에 상기 상부전극층이 형성되는 적층부분인 상부 영역로 구분되고, 상기 상부영역에서의 전기저항이 상기 하부영역에서의 전기저항보다 낮도록, 상기 하부영역은 정상 도핑레벨로 도핑되고 상기 상부영역는 상기 하부영역에 비하여 상대적으로 높은 도핑레벨로 도핑된 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세히 설명한다.

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

이 표면광 레이저는 기판(22)과, 이 기판(22) 위에 순차로 형성된 제1반사기층(23), 활성층(24), 제2반사기층(26) 및 상부전극층(27) 그리고, 상기 기판(22)의 하부면에 부착된 하부전극층(21)을 포함한다. 상기 제1반사기층(23)과 제2반사기층(26)은 상기 활성층(34)에서 출사되는 광의 대부분을 반사시키고 일부를 투과시키도록 되어 있다. 특히, 제2반사기층(26)에서의 반사율이 상기 제1반사기층(23)의 반사율 보다 낮아 상기 활성층(24)에서 생성 투과되는 광의 대부분이 제2반사기층(26) 쪽을 투과한다.

여기서, 상기 기판(22)과, 제1반사기층(23) 그리고 활성층(24)은 제1도를 참조하여 앞서 설명된 바와 같은 반도체 물질층들로 이루어져 있으므로 그 자세한 설명은 생략한다.

상기 제2반사기층(26)은 서로 굴절율이 다른 두 반도체물질층 예컨대, Al_x Ga_1-x As층과, GaAs층이 대략 20 내지 30쌍 정도 교대로 적층됨에 의해 형성된다. 상기 제2반사기층(26)은 상기 상부전극층(27)을 통해 제공된 전류 주입이 용이하도록 그 일부는 높은 도핑레벨로 도핑된다. 즉, 상기 제2반사기층(26)은 상기 활성층과 마주하는 쪽의 적층부분인 하부영역(26b)과, 이 하부영역(26b) 상에 위치되며 그 상부에 상기 상부전극층(27)이 형성되는 적층부분인 상부영역(26a)으로 구분되고, 상부영역(26a)이 상기 하부영역(26b)에 비하여 상대적으로 높은 도핑레벨로 도핑된다. 상기 상부영역(26a)은 상기 제2반사기층(26)을 이루는 두 반도체물질층들의 대략 2 내지 3쌍 정도의 두께로 형성되며, ∼10^19/㎤ 정도로 도핑된다. 여기서, 도펀트로서 탄소(C), 규소(Si)등이 이용된다. 반면, 상기 하부영역(26b)은 상기한 바와 동일한 도펀트로 ∼10^18/㎤의 정상 도핑레벨로 도핑된다.

또한, 본 발명은 윈도우(28)에서 출사되는 광출력을 향상시키기 위하여 상기 윈도우(28)의 저면을 제외한 상기 제2반사기층(26)과 활성층(24) 내부 및 상기 활성층(24)과 마주하는 제1반사기층(23) 일부에 이온주입 또는 양성자 주입에 의하여 전류제한층(25)이 형성되어 있다. 이 전류제한층(25)은 표면광 레이저 내의 전류의 흐름을 제한하여 상기 활성층(24)에서 레이징되어 상기 윈도우(28)로 출사되는 광의 출력을 향상시킨다.

상기한 바와 같이 구비된 본 발명에 따른 표면광 레이저는 상기 상부전극층(27)을 통해 주입된 전류가 상대적으로 저항이 낮은 제2반사기층(26)의 상부반도체물질층(26a)에서 균일하게 분포된 후 상기 활성층(24)으로 향하므로, 전자와 정공의 재결합에 의해 상기 활성층(24)에서 생성 출사된 광은 TEM_0`_0의 단일모드를 유지한다. 따라서, 상기 윈도우(28)를 통해 출사되는 출사광의 특성을 대폭 개선할 수 있다.

Claims (4)

1. 하부전극층과; 상기 하부전극층 상에 위치된 기판과; 상기 기판 상에 형성되며 일 반도체형으로 서로 다른 반사율을 갖는 두 반도체물질층이 교번되게 적층되어 형성된 제1반사기층과; 이 제1반사기층 상에 형성되고 레이저 광을 생성하는 활성층과; 상기 활성층 상에 형성되고 상기 제1반사기층과 다른 반도체형의 서로 다른 반사율을 갖는 두 반도체물질층이 교번되게 적층되어 형성된 제2반사기층과; 상기 제2반사기층 상에 형성되고 상기 제2반사기층을 통과한 광이 출사될 수 있는 윈도우를 가지는 상부전극층;을 포함하는 표면광 레이저에 있어서,

   상기 제2반사기층은,

   상기 활성층과 마주하는 쪽의 적층부분인 하부영역과, 이 하부영역 상에 위치되며 그 상부에 상기 상부전극층이 형성되는 적층부분인 상부영역으로 구분되고,

   상기 상부영역에서의 전기저항이 상기 하부영역에서의 전기저항보다 낮도록, 상기 하부영역은 정상 도핑레벨로 도핑되고 상기 상부영역은 상기 하부영역에 비하여 상대적으로 높은 도핑레벨로 도핑된 것을 특징으로 하는 표면광 레이저.
2. 제1항에 있어서, 상기 활성층의 중앙부를 제외한 일부영역과, 상기 제1 및 제2반사기층의 상기 활성층과 마주하는 일부 영역에 양성자주입 또는 이온주입에 의해 형성된 전류제한층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 표면광 레이저.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 상부영역의 도핑레벨은 ∼10^19/㎤이고, 상기 하부영역의 도핑레벨은 ∼10^18/㎤ 인 것을 특징으로 하는 표면광 레이저.
4. 제3항에 있어서, 상기 상부영역과 상기 하부영역 각각은 탄소(C) 또는 규소(Si)로 이루어진 도펀트로 도핑된 것을 특징으로 하는 표면광 레이저.