KR100224883B1 - 표면광 레이저 제조방법 - Google Patents

Abstract

단파장의 광을 출사하는 표면광 레이저 제조방법이 개시되어 있다.

이 개시된 표면광 레이저 제조방법은 기판을 준비하고, 준비된 기판 상에 제1반사기층을 형성하는 단계와; 제1반사기층 상에 활성층을 형성하는 단계와; 활성층 상에 제1반사기층과 다른 반도체형의 굴절률이 서로 다른 두 반도체물질층을 교번 적층하여 제2반사기층을 형성하는 단계와; 제2반사기층의 상면 일부를 소정 깊이로 식각하여 콘택면을 형성하는 단계와; 제2반사기층의 식각되어 일부분이 제거된 일 반도체물질층을 산화시켜 산화층을 형성하는 단계와; 기판의 하부면에 제1전극층을 형성하는 단계와; 콘택면 상에 제2전극층을 형성하는 단계;를 포함하여 된 것을 특징으로 한다.

Description

표면광 레이저 제조방법{Vertical cavity surface emitting laser and manufacturing method thereof}

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

일반적으로 표면광 레이저는 모서리 발광레이저와는 달리 반도체 물질층의 적층방향으로 원형에 가까운 가우시안 빔을 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, n형 Ga`As~등으로 도핑 되어 있다. 상기 제1반사기층(13)은 상기 기판(12) 상에 형성되어 있으며, 상기 기판(12)과 같은 형의 불순물 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 물질로 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 레이저를 발진시키기 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 레이저를 발진시켜 상기 윈도우(18)로 레이저 빔을 출사시키는 역할을 한다.

여기서, 상기한 표면광 레이저의 발진파장은 제1 및 제2반사기층(13)(16)의 발광재료에 의해 정해지는 에너지밴드 갭에 의해 결정된다. 즉, 에너지밴드 갭이 증가할수록 발진파장은 짧아진다. 또한, 에너지밴드 갭은 상기 제1 및 제2반사기층 각각에 교대로 적층된 두 물질층에 의해 결정되게 된다. 단파장 예컨대 650nm 파장영역의 레이저를 생성하기 위해 제1 및 제2반사기층을 구성할 때 기존의 굴절률이 서로 다른 두 AlGaAs 물질층을 적층하는 방식은 두 물질층 사이에 굴절률의 차이가 작아 반사기층의 적층수가 증가하게 되고 이에 따라 웨이퍼의 적층공정이 어렵게 된다. 따라서, 두 물질층 사이의 굴절률 차를 증가시켜 적층수를 적게 할 필요가 있다.

본 발명은 언급한 바와 같은, 문제점을 극복하기 위해 안출된 것으로서, 상부반사기층의 두 물질층 사이의 굴절률 차를 증가시킴으로 인하여 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 레이저 제조방법에 의해 제조된 표면광 레이저의 개략적인 구성을 보인 단면도.

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

도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

20...기판 30...제1반사기층 40...활성층

50...전류제한층 60...제2반사기층 61...절연층

65...전도층 66...콘택면 67...접촉면

70...제1전극층 80...제2전극층

상기한 목적을 달성하기 위한, 본 발명에 따른 표면광 레이저 제조방법은, 기판을 준비하고, 준비된 기판 상에 일 반도체형의 굴절률이 서로 다른 두 반도체물질층을 교번 적층하여 제1반사기층을 형성하는 단계와; 상기 제1반사기층 상에 활성층을 형성하는 단계와; 상기 활성층 상에 상기 제1반사기층과 다른 반도체형의 굴절률이 서로 다른 두 반도체물질층을 교번 적층하여 제2반사기층을 형성하는 단계와; 상기 제2반사기층의 상면 일부를 소정 깊이로 식각하여 콘택면을 형성하는 단계와; 상기 제2반사기층의 식각되어 일부분이 제거된 일 반도체물질층을 산화시켜 산화층을 형성하는 단계와; 상기 기판의 하부면에 제1전극층을 형성하는 단계와; 상기 콘택면 상에 제2전극층을 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, 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, n형 Ga`As~등으로 도핑 되어 있다. 상기 기판(20)의 저면에는 상기 제1반사기층(30)에 전류를 공급하기 위한 제1전극층(70)이 형성되어 있다. 상기 제1반사기층(30)은 상기 기판(20) 상에 순차로 적층된 동일 반도체형의 서로 굴절률이 다른 두 반도체물질층 예컨대, n형 Al_x Ga_1-x As층이 교번 적층되어 형성된다.

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, 전도층(65)과 절연층(61)을 포함한다. 이 제2반사기층(60)은 상기 제1반사기층(30)과 다른 형의 반도체물질층 예컨대, p형 Al_x Ga_1-x As층, AlAs층으로 이루어진다. 상기 전도층(65)은 상기 활성층(40) 상에 적층형성된 층으로, 그 구조에 있어서, 서로 굴절률이 다른 두 Al_x Ga_1-x As층이 복수 페어수만큼 교번 적층되어 형성되며, 후술하는 제2전극층(80)에 인가되는 전원이 상기 활성층(40)으로 통전되도록 된 층이다. 이 전도층(65)은 그 상부에 상기 제2전극층(80)이 결합되는 콘택면(66)과, 상기 절연층(61)이 적층되는 적층면(67)을 가진다. 상기 콘택면(66)에는 제2전극층(80)이 적층된다. 상기 절연층(61)은 상기 제2반사기층(60)의 페어수를 줄이기 위해 구비된 층으로 상기 전도층(65)과 같은 형의 반도체물질층과 산화물질층이 교번 적층되어 형성된다. 즉, 상기 절연층(61)은 상호 교번 적층된 반도체물질층(62)과 산화물질층(63)으로 Al_x Ga_1-x As와 Al_2 O_3를 각각 포함한다. 여기서, Al_2 O_3 산화물질층(33)은 AlAs의 산화에 의해 형성되며, 통상의 AlAs 반도체물질층을 채용한 경우에 비해 그 굴절률이 대략 절반이상으로 떨어진다. 따라서, 상기 제2반사기층(60)의 일부로 상기 Al_x Ga_1-x As와 Al_2 O_3를 교번 적층하는 경우, 그 페어수를 대폭 줄임에도 불구하고, 대략 99.9% 이상의 고반사율을 얻을 수 있다.

여기서, 상기 제1반사기층(30)은 n형 반도체물질층으로 그리고, 상기 제2반사기층(60)은 p형 반도체물질층을 예로 들어 설명하였지만, 서로 반대형의 반도체물질층으로 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 제2반사기층(30)(60)의 상기 활성층(40)과 마주하는 일부 영역에 이온주입 또는 양성자 주입에 의해 형성된다.

도 3a 내지 도 3f는 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 굴절률이 다른 두 반도체물질층 예컨대, Al_x Ga_1-x As층을 교번 적층하여 제1반사기층(30)을 형성한다. 이때, 상기 기판(20)은 반도체물질층으로 이루어진 것이 바람직하며, 상기 기판(20)과, 제1반사기층(30)은 같은 형의 불순물 반도체물질층이다. 이후, 도 3b에 도시된 바와 같이, 상기 제1반사기층(30) 상에 활성층(40)을 형성한다. 이 활성층(40)은 도 2를 참조하여 설명한 바와 같으므로 그 자세한 설명은 생략한다.

그리고, 도 3c에 도시된 바와 같이, 상기 활성층(40) 상에 굴절률이 서로 다른 두 반도체물질층 예컨대, Al_x Ga_1-x As층, AlAs층을 적층하여 제2반사기층(60)을 형성한다. 이 제2반사기층(60)은 상기 제1반사기층(30)과 다른 형의 불순물 반도체물질층으로 이루어진다. 이후, 도 3d에 도시된 바와 같이, 상기 제2반사기층(60)의 상면 일부를 소정 깊이로 드라이 에칭법 등을 통해 식각하여 콘택면(66)을 형성한다.

그리고, 도 3e에 도시된 바와 같이, 제2반사기층(60)의 상부 반도체물질의 2 내지 3층 즉, 식각된 부분의 AlAs층을 산화공정을 통해 산화시켜 Al_2 O_3산화층을 형성한다. 산화공정은 산화시키고자하는 층을 산소분위기에 노출시킴에 의해 진행된다. 이 산화공정은 널리 알려져 있으므로 그 자세한 설명은 생략한다. 상기 산화층이 형성된 제1반사기층(30)의 영역은 산화 전에 비하여 굴절률이 대략 절반이하로 낮아진다. 따라서, 산화물질층과 산화되지 않은 반도체물질층 사이의 굴절률 차이가 커짐으로 제1반사기층(30)의 페어수를 대폭 줄일 수 있다. 반면, 산화된 부분은 절연층(31)이 된다. 여기서, 도 3d에 도시된 공정과, 도 3e에 도시된 공정은 서로 바뀌어도 무방하다.

이후, 도 3f에 도시된 바와 같이, 상기 활성층(40)의 일부와, 상기 제1 및 제2반사기층(30)(60)의 상기 활성층(40)과 접촉하는 부분에 양성자 또는 전자를 주입하여 전류제한층(50)을 형성한다. 이 전류제한층(50)은 도 2에 도시된 상기 제1전극층(70)과 제2전극층(80)에 인가되는 전류의 흐름을 가이드하고, 상기 활성층(40)에서 생성된 레이저광의 모드특성을 개선하기 위해 구비된다.

마지막으로, 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 기판(20)의 하부면에 제1전극층(10)을 형성하고, 상기 제2반사기층(60)의 콘택면 상에 제2전극층(80)을 형성한다.

이와 같이 구비된 표면광 레이저는 제2반사기층(60) 각각에 굴절률 차이가 큰 두 물질층이 교번 적층되므로, 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 생성됨으로 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 (5)

1. 기판을 준비하고, 준비된 기판 상에 일 반도체형의 굴절률이 서로 다른 두 반도체물질층을 교번 적층하여 제1반사기층을 형성하는 단계와;

   상기 제1반사기층 상에 활성층을 형성하는 단계와;

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

   상기 제2반사기층의 상면 일부를 소정 깊이로 식각하여 콘택면을 형성하는 단계와;

   상기 제2반사기층의 식각되지 않은 부분의 일 반도체물질층을 산화시켜 산화층을 형성하는 단계와;

   상기 기판의 하부면에 제1전극층을 형성하는 단계와;

   상기 콘택면 상에 제2전극층을 형성하는 단계;를 포함하여 된 것을 특징으로 하는 표면광 레이저 제조방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 활성층의 중앙부를 제외한 일부 영역과, 상기 제1 및 제2반사기층의 상기 활성층 주변 영역에 이온 또는 양성자 주입에 의해 전류제한층을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 표면광 레이저 제조방법.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제1반사기층은 교번 적층된 두 반도체물질층 각각으로 서로 굴절률이 다른 Al_x Ga_1-x As이 구비된 것을 특징으로 하는 표면광 레이저 제조방법.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제2반사기층은 교번 적층된 두 반도체물질층으로 Al_x Ga_1-x As와 AlAs가 각각 구비된 것을 특징으로 하는 표면광 레이저 제조방법.
5. 제4항에 있어서, 상기 제2반사기층의 산화층은 상기 AlAs의 산화에 의해 형성된 Al_2 O_3로 이루어진 것을 특징으로 하는 표면광 레이저 제조방법.