KR100224879B1 - 표면광 레이저 - Google Patents

Abstract

단파장의 광을 출사하는 표면광 레이저가 개시되어 있다.

이 개시된 표면광 레이저는 기판과; 일 반도체형의 반도체물질층과, 산화물질층이 교번 적층된 제1절연층과, 제1절연층의 적층면 상에 두 반도체물질층이 적층 형성된 제1전도층을 구비하는 제1반사기층과; 제1전도층 상의 제1전극층과; 제1전도층 상에 형성된 활성층과; 활성층 상에 두 반도체물질층이 교번 적층되어 형성된 제2전도층과, 제2전도층의 적층면 상에 반도체물질층과 산화물질층이 적층 형성된 제2절연층을 구비한 제2반사기층과; 제2전도층 상에 형성된 제2전극층;을 포함하여 된 것을 특징으로 한다.

Description

표면광 레이저{Vertical cavity surface emitting laser}

본 발명은 표면광 레이저(VCSEL:vertical cavity surface emitting laser)에 관한 것으로서, 상세하게는 전류주입이 용이하고, 단파장 광을 출사할 수 있도록 그 구조가 개선된 표면광 레이저에 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 이점으로 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 기판(12)의 하부면에 부착된 하부전극층(11)으로 이루어져 있다.

상기 기판(12)은 n형 불순물을 함유하는 반도체물질 예를 들면, n형으로 도핑된 Ga`As~등으로 되어 있다. 상기 제1반사기층(13)은 상기 기판(12) 상에 형성되어 있으며, 상기 기판(12)과 같은 형의 불순물 예를 들면, 조성이 다른 n형 Al_x `Ga_1-x `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 물질로 되어 있다. 즉, 활성층(14) 상에 조성이 다른 p형 Al_x `Ga_1-x `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 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 에너지 밴드 갭에 의해 결정된다. 즉, 에너지 밴드 갭이 증가할수록 발진파장이 짧아진다. 기록매체의 기록밀도를 높이기 위해서는 사용광원의 단파장화가 요구되며 단파장 레이저를 상온에서 효율적으로 발진시키기 위해서는 높은 반사율과 넓은 파장대역을 지니는 반사기층을 형성하는 것이 중요하다. 여기서, 반사율과 파장대역은 반사기층을 형성하는 두 물질층의 굴절률차에 비례한다. 따라서, 단파장 예컨대 650nm 파장영역의 레이저를 생성하기 위한 조건으로 Al_x `Ga_1-x `As~와 Al`As~사이의 굴절률 차를 증가시킬 필요가 있다. 이를 위해 상기 두 물질층을 20 내지 30쌍 적층한 채로 상기 Al_x `Ga_1-x `As~의 조성비를 변경함에 의해 굴절률 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 굴절률 차를 증가시킴과 아울러 두 물질층의 적층수를 대폭 줄임에 의해 단파장 광을 생성 출사할 수 있도록 된 표면광 레이저를 제공하는데 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

20...기판 30...제1반사기층 31...제1절연층

35...제1전도층 36,66...콘택면 37,67...적층면

40...활성층 50...전류제한층 60...제2반사기층

61...제2절연층 65...제2전도층 70...제1전극층

80...제2전극층

상기 목적을 달성하기 위한, 본 발명에 따른 표면광 레이저는, 기판과; 상기 기판 상에 일 반도체형의 반도체물질층과, 산화물질층이 교번 적층되어 형성되며 그 상부에 콘택면과 적층면을 가지는 제1절연층과, 상기 제1절연층의 적층면 상에 상기 제1절연층과 같은 반도체형의 두 반도체물질층이 적층 형성된 제1전도층을 구비하는 제1반사기층과; 상기 제1절연층의 콘택면 상에 형성된 제1전극층과; 상기 제1전도층 상에 형성되고 레이저 광을 생성하는 활성층과; 상기 활성층 상에 상기 제1반사기층과 다른 반도체형의 두 반도체물질층이 교번 적층되어 형성되고 그 상부에 콘택면과 적층면을 가지는 제2전도층과, 상기 제2전도층의 적층면 상에 상기 제2전도층과 같은 반도체형의 반도체물질층과 산화물질층이 적층 형성된 제2절연층을 구비하고, 상기 제2전도층이 상기 제2절연층에 비해 높은 도핑레벨로 도핑된 제2반사기층과; 상기 제2전도층의 콘택면 상에 형성된 제2전극층;을 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, 한 쌍의 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 도핑된 Ga`As~등으로 되어 있다.

상기 제1반사기층(30)은 상기 기판(20) 상에 순차로 적층된 제1절연층(31)과, 제1전도층(35)을 포함한다. 상기 제1절연층(31)은 상기 기판(20)과 같은 형의 반도체물질과 산화물질이 교번 적층되어 형성된다. 즉, 상기 제1절연층(31)은 상호 교번 적층된 반도체물질층(32)과 산화물질층(33)으로 Al_x `Ga_1-x `As~와 Al_2 O_3를 각각 포함한다. 여기서, Al_2 O_3 산화물질층(33)은 AlAs의 산화에 의해 형성되며, 통상의 AlAs 반도체물질을 채용한 경우에 비해 그 굴절률이 대략 절반이상으로 떨어진다. 따라서, 상기 제1반사기층(30)의 일부로 상기한 Al_x `Ga_1-x `As~와 Al_2 O_3를 교번 적층하는 경우, 그 페어수를 대폭 줄임에도 불구하고, 대략 99.9% 이상의 고반사율을 얻을 수 있다. 상기 제1절연층(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 제1전도층(35)은 상기 제1절연층(31) 적층면(37) 상에 굴절률이 서로 다른 두 반도체 물질 예컨대, Al_x Ga_1-x As와 AlAs를 교번 적층함에 의해 형성된다. 상기 제1전도층(35)은 상기 제1절연층(31)이 큰 굴절률 차이를 야기하여 높은 반사율을 유지하는 반면, 전기적으로 절연되어 전극층의 통전되지 않는 점을 보완하기 위해 구비된 층이다. 이 제1전도층(35)에 전류를 공급하기 위해 상기 제1절연층(31) 상의 콘택면(36)에는 제1전극층(70)이 형성된다. 상기 제1전극층(70)에 인가된 전압에 의해 전류가 상기 제1전도층(35)을 경유하여, 활성층(40)으로 향하도록 상기 제1전극층(70)이 형성되는 상기 제1절연층(31)은 전기가 흐르는 Al_x Ga_1-x As층으로 되어 있거나, AlAs층으로 된 것이 바람직하다.

상기 활성층(40)은 상기 제1반사기층(30)의 제1전도층(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, 제2전도층(65)과 제2절연층(61)을 포함한다. 이 제2반사기층(60)은 상기 제1반사기층(30)과 다른 형의 반도체물질층 예컨대, p형 Al_x Ga_1-x As층, AlAs층 그리고, Al_2 O_3층으로 이루어진다. 상기 제2전도층(65)은 상기 활성층(40) 상에 적층형성된 층으로, 그 구조에 있어서, 제1전도층(35)과 동일하다. 즉, Al_x Ga_1-x As층, AlAs층이 복수 페어수 만큼 교번 적층되어 형성되며, 후술하는 제2전극층(80)에 인가되는 전원이 상기 활성층(40)으로 통전되도록 된 층이다. 이 제2전도층(65)은 그 상부에 상기 제2전극층(80)이 결합되는 콘택면(66)과, 상기 제2절연층(61)이 적층되는 적층면(67)을 가진다. 상기 콘택면(66)에는 제2전극층(80)이 적층된다. 이때, 상기 제2전극층(80)으로 부터의 전류가 상기 제2전도층(65)에서 빠른 속도로 확산되도록 저항을 낮추기 위하여 상기 제2전도층(65)의 상기 제2전극층(80)과 마주하는 층을 중심으로 2 내지 3페어수 만큼의 층들에는 ∼10^19/cm³정도의 높은 도핑레벨로 도핑되어 있다. 여기서, 도핑에 사용되는 도펀트로서 탄소(C), 규소(Si)등이 이용된다. 따라서, 상기 제2전극층(80)에 의해 인가된 전류가 상기 제2전도층(65)에서 균일하게 확산된 상태로 상기 활성층(40)으로 주입되므로 상기 활성층(40)에서 생성된 레이저 광의 모드 특성이 대폭 개선된다. 상기 제2절연층(61)은 상기 제2반사기층(60)의 페어수를 줄이기 위해 구비된 층이다. 이 제2절연층(61)은 정상도핑레벨 예컨대, ∼10^18/cm³로 도핑된다. 이 제2절연층(61)은 실질적으로 상기 제1절연층(31)과 같은 반도체물질로 이루어지므로, 그 자세한 설명은 생략한다.

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

상기 제1전극층(70)과 제2전극층(80) 각각에 인가되는 전류가 최단경로로 통전됨에 의해 상기 제2반사기층(60)을 투과하여 출사되는 레이저광의 모드특성 열화를 방지하기 위한 수단으로 전류제한층(50)을 더 포함하는 것이 바람직하다.

상기 전류제한층(50)은 상기 활성층(40)의 중앙부를 제외한 일부 영역과, 상기 제1 및 제2전도층(65)의 상기 활성층(40)과 마주하는 일부 영역에 이온주입 또는 양성자 주입에 의해 형성된다.

이와 같이 구비된 표면광 레이저는 제1반사기층(30) 및 제2반사기층(60) 각각에 굴절률 차이가 큰 두 물질층이 교번 적층되어 이루어진 제1 및 제2절연층(31)(61)을 포함하므로, 고반사율을 얻기 위한 페어수를 대폭 줄일 수 있어서, 적층 페어수에 의해 발생되던 저항 증가 및 열적문제를 해소할 수 있다. 또한, 전류제한층(50)의 형성에 의해 활성층(40)의 중앙부에서 레이저 광이 생성되고, 높은 도핑레벨로 도핑된 제2전도층(65)에 의해 전류의 확산이 용이함으로써, 모드 특성이 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 (7)

1. 기판과;

   상기 기판 상에 일 반도체형의 반도체물질층과 산화물질층이 교번 적층되어 형성되며 제1적층면과 이 제1적층면 주변에 위치된 제1콘택면을 가지는 제1절연층과, 상기 제1적층면 상에 상기 제1절연층과 같은 반도체형의 서로 다른 두 반도체물질층이 적층 형성된 제1전도층을 구비하는 제1반사기층과;

   상기 제1콘택면 상에 형성된 제1전극층과;

   상기 제1전도층 상에 적층 형성되고 레이저 광을 생성하는 활성층과;

   상기 활성층 상에 상기 제1반사기층과 다른 반도체형의 두 반도체물질층이 교번 적층되어 형성되며 제2적층면과 이 제2적층면 주변에 위치된 제2콘택면을 가지는 제2전도층과, 상기 제2적층면 상에 상기 제2전도층과 같은 반도체형의 반도체물질층과 산화물질층이 적층 형성된 제2절연층을 구비한 제2반사기층과;

   상기 제2콘택면 상에 형성된 제2전극층;을 포함하여 된 것을 특징으로 하는 표면광 레이저.
2. 제1항에 있어서, 상기 활성층의 중앙부를 제외한 일부 영역과, 상기 제1 및 제2전도층의 상기 활성층과 마주하는 일부 영역에 이온주입 또는 양성자 주입에 의해 형성된 전류제한층이 더 포함된 것을 특징으로 하는 표면광 레이저.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제1절연층은 상호 교번 적층된 반도체물질층과 산화물질층으로 Al_x Ga_1-x As와 Al_2 O_3를 각각 포함하고,

   상기 제1전도층은 상호 교번 적층된 두 반도체물질층으로 Al_x Ga_1-x As와 Al As를 각각 포함하는 것을 특징으로 하는 표면광 레이저.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제2전도층은 상호 교번 적층된 두 반도체물질층으로 Al_x Ga_1-x As와 Al As를 각각 포함하고,

   상기 제2절연층은 상호 교번 적층된 반도체물질층과 산화물질층으로 Al_x Ga_1-x As와 Al_2 O_3를 각각 포함하는 것을 특징으로 하는 표면광 레이저.
5. 제7항에 있어서, 상기 제2전도층은 ∼10^19/cm³정도의 높은 도핑레벨로 도핑되고, 상기 제2절연층은 ∼10^18/cm³정도의 정상 도핑레벨로 도핑된 것을 특징으로 하는 표면광 레이저.
6. 제5항 또는 제7항에 있어서, 상기 제2전도층과 상기 제2절연층 각각은 도펀트 탄소(C) 또는 규소(Si)로 도핑된 것을 특징으로 하는 표면광 레이저.
7. 제1항에 있어서, 상기 제2전도층은 상기 제2절연층에 비해 상대적으로 높은 도핑레벨로 도핑된 것을 특징으로 하는 표면광 레이저.