KR100243655B1 - 3차원 공진기를 갖는 표면방출 레이저 및 그 제조방법 - Google Patents

3차원 공진기를 갖는 표면방출 레이저 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 문턱전류(threshold current)를 낮추려는 목적으로 표면방출 레이저(surface-emitting laser)의 공진기 측면에 금속막을 증착시킴으로써, 빛을 3차원 공간(three diemnsional cavity) 안에 속박시켜 광 이득을 높여주고, 또한 이 금속막에 전기장을 가하여 공진기 내로 전류주입을 조절함으로써 측면 누설전류를 줄여 결과적으로 문턱전류가 매우 낮은 특성을 얻을 수 있는 표면방출 레이저의와 그 제조방법에 관한 것이다.

Description

3차원 공진기를 갖는 표면방출 레이저 및 그 제조방법{A surface-emitting laser with 3-dimensional cavity and a method of fabricating the same}
본 발명은 3차원 공진기를 갖는 표면방출 레이저에 관한 것으로, 특히, 공진기 측면의 금속거울층을 전류주입 전극과 전기적으로 분리시킴으로써 전류주입의 경로를 조절하며 전류주입의 효율을 높이고 또한 횡모드까지 조절할 수 있는 3차원 공진기를 갖는 표면방출 레이저 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
종래기술에 따른 표면방출레이저는 레이저빔의 발진 방향에 따라 상부방출형과 하부방출형으로 구분되며 상부방출형은 도1a에 도시된 바와 같이 발진빔이 기판의 상부로 출력될 수 있도록 레이저 기둥 상부의 일부에만 금속전극이 형성되며, 하부방출형 레이저는 도1b에 도시된 바와 같이 레이저 기둥의 하부전면에 금속전극이 형성되어 기판의 하부로 레이저빔이 방출된다.
레이저 기둥의 측면은 노출되거나 절연막으로 덮여지는데, 활성영역의 측면이 반사막의 역할을 할 수 없고 전류가 레이저 기둥의 상부와 기판의 하부를 통과하여 인가되므로 레이저 기둥의 상하로의 공진에 의존하여 발진하게 된다.
본 발명의 목적은 빛의 공진이 가장 활발한 활성 영역 주위의 측면에 반사막을 만들어 줌으로써, 빛의 손실을 크게 줄여 광 이득을 높이고, 또한 활성영역 측면에 독립적인 전기장을 가하여 활성영역 내로 주입되는 전류의 경로를 조절함으로써 횡모드의 특성을 제어할 수 있는 3차원 공진기를 갖는 표면방출 레이저 및 그 제조방법을 제공하는데 있다.
도 1a 및 도 1b는 종래기술에 따른 표면방출레이저 구조를 나타내는 단면도.
도 2a는 본 발명의 표면방출 레이저 구조 단면도,
도 2b는 도 1a의 작동 원리를 나타내는 개념도,
도 3a 내지 도 3j는 본 발명의 일실시예에 따른 표면방출 레이저의 제조 공정 단면도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호 설명
1: 반도체 기판 2: 하부거울층
3: 활성층 4: 상부거울층
5: n형 전극 6: p형 전극
7: 전기적 고립을 위한 절연막 8: 측면 금속층
9: p형 전극 개방을 위한 포토레지스트막 또는 폴리이미드막
10: 평탄화를 위한 폴리이미드막 11: 측면거울층 금속 패드
12: p형 전극 패드
13: 측면의 전기장에 의해 캐리어가 고갈된 영역
본 발명의 표면방출 레이저는 기판상에 형성된 하부거울층의 돌출부와 상기 돌출부상에 연장된 활성층과 상부거울층으로 이루어지는 레이저 기둥의 측벽에 절연막을 개재하여 형성되며, 구비된 n형 및 p형 전극과 전기적으로 분리되어 독립적인 전기장을 가할 수 있는 측면금속거울층을 구비한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예를 상세히 설명한다.
도 2a는 본 발명의 표면방출 레이저 구조 단면도로서, 기판(1)상에 돌출부를 갖는 하부거울층(2)이 형성되고, 상기 하부거울층(2)의 돌출부 상에 활성층(3)과 상부거울층(4)이 돌출부와 연장되어 형성되어, 레이저 기둥을 이룬다. 그리고, 상기 상부거울층(4)의 상부 표면만이 노출되도록 레이저기둥 측벽 및 하부거울층(2) 상에는 절연막(7)이 형성되어 있고, 이 절연막을 사이에 두고 레이저 기둥의 측벽에는 금속거울층(8)이 형성되어 있다. 그리고, 금속거울층(8)으로의 독립적인 전기장 인가를 위한 패드(11)를 제외한 전체구조 상부에 폴리이미드층(10)이 덮혀있고, 상기 폴리이미층을 뚫고 상기 상부거울층에 p형 전극(6) 및 p형 전극 패드(12)가 전기적으로 접촉된다. 또한, 기판(1) 뒷면에 n형 전극(5)이 형성된다.
이상과 같이, 본 발명의 표면방출 레이저는 레이저 기둥에서 활성층(3)을 포함한 상부 및 하부 거울층(2,4) 측면의 일부에, p형 전극(6)과 n 전극(5)과는 전기적으로 분리된(separated) 측면 금속거울층(8)을 포함하고 있어, 패드(11)를 통해 금속거울층(8)에 독립적인 전기장을 인가할 수 있는 구조이다.
도 2b는 도 2a의 작동 원리를 나타내는 개념도로서, 측면 금속거울(8)은 활성층(3)의 측면으로 나오는 빛을 반사시켜 활성층(3) 내에서 광 이득(optical gain)을 높이는 작용을 하고, 패드(11)를 통해 금속거울층(8)에 독립적인 전기장을 인가하면 이 측면 근처에 캐리어가 고갈되는 영역(13)이 형성되어 전류는 레이저 기둥 안쪽으로만 흘러가게 만들어 준다. 이와 같이 전류주입의 경로를 조절함으로써 안정한 횡모드를 얻을 수 있는 작용을 한다.
도 3a 내지 도 3j는 본 발명의 일실시예에 따른 표면방출 레이저의 제조 공정 단면도로서, 이를 통해 상기와 같은 구조를 갖는 본 발명의 표면 방출 레이저의 세부 제조 공정을 살펴본다.
먼저, 도 3a와 같이, 반도체 기판(1) 위에 하부거울층(2), 활성층(3), 상부거울층(4)을 차례로 형성하고, 기판의 뒷면에 n형 전극(5)를 형성한다. 그리고 상부거울층(4) 위에 p형 전극을 겸하며, 식각용 마스크(etching mask) 역할을 할 수 있는 금속막(6) 패턴을 형성한다.
이어서, 도 3b와 같이, 금속막(6)을 마스크로 사용하여 건식식각으로 레이저 기둥(laser post)을 형성하는데, 식각 깊이는 상부 거울층(4), 활성층(3) 전부를 식각하고 하부거울층(2)의 일부가 식각되도록 한다.
이어서, 도 3c와 같이, 표면 전체에 절연막(7)을 1000Å 내지 5000Å 두께로 증착한다.
계속해서, 도 3d와 같이 절연막(7) 상에 측면 거울용 금속막(8)을 증착하는데, 이 단계에서는 증착 빔의 방향에 대해 기판 표면을 기울여 줌으로써 레이저 기둥의 측면(sidewall)에 금속막이 증착되도록 한다. 기울여 주는 각도를 변화시켜 기둥 측면 전체에 금속막이 증착되도록 한다.
이어서, 도 3e와 같이 p형 전극(6)을 개방하기 위해 포토레지스트 또는 폴리이미드(9)를 도포하는데, 이 단계에서 레이저 기둥 윗부분에는 돌출부의 효과에 의해 포토레지스트막 또는 폴리이미드막이 주위 보다 얇게 입혀진다.
이어서, 도 3f와 같이 포토레지스트막 또는 폴리이미드막(9)의 상단부분을 산소 플라즈마로 태워(ashing) p형 전극(6) 위의 금속막(8)을 노출시키는데, 이 단계에서는 레이저 기둥(laser post) 상단부분의 폴리이미드막이 주위보다 얇은 현상을 이용하여, 포토레지스트막 또는 폴리이미드막을 위에서부터 태워 내려오면 기둥 상단부분만 드러나고 주위는 포토레지스트막 또는 폴리이미드막이 남는 상태가 되는데 이때 태우는 것을 중단한다.
이어서, 도 3g와 같이, 레이저 기둥의 상단부분에 노출된 측벽거울층용 금속막(8)을 이온 밀링 또는 습식 식각 방법으로 제거하고, 다음 그 아래에 있는 절연막(7)을 건식 식각 방법으로 제거하여 p형 전극(6)이 완전히 드러나게 한다.
이어서, 도 3h와 같이 평탄화(planarization)를 위하여 폴리이미드막(10)을 도포하고 측면거울용 금속막의 패드(11)을 개방한다.
끝으로, 도 3i와 같이 산소 플라즈마로 폴리이미드막(10)의 표면 부분을 태워 p형 전극(6)이 드러나게 만들고, 도 2j와 같이 p형 전극(6) 위에 금속 패드(12)를 리프트-오프(lift-off) 방법으로 형성하여 소자 제작을 끝낸다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
본 발명은 다음과 같은 효과를 갖는다.
첫째, 수직 공진형 레이저에서 빛을 측면 방향으로도 가두어(confine), 광 이득을 높임으로써 문턱전류(threshold current)을 크게 낮출 수 있다.
둘째, 레이저 공진기 측면(sidewall)에 전기장을 가함으로써 전류주입 경로를 공진기 내부로 좁힐 수 있으며, 그 결과로 횡 모드 특성을 안정화 시킬 수 있다.
셋째, 레이저 공진기 측면에 전기장을 가함으로써 레이저 기둥의 측면으로 흐르는 전류의 줄일 수 있으며, 그 결과로 측면 누설전류를 줄여 문턱전류를 낮출 수 있다.

Claims (4)

  1. 기판상에 형성된 하부거울층의 돌출부와 상기 돌출부상에 연장된 활성층과 상부거울층으로 이루어지는 레이저 기둥의 측벽에 절연막을 개재하여 형성되며, 구비된 n형 및 p형 전극과 전기적으로 분리되어 독립적인 전기장을 가할 수 있는 측면금속거울층을 구비하는 3차원 공진기를 갖는 표면방출 레이저.
  2. 반도체 기판상에 하부거울층, 활성층, 상부거울층을 차례로 형성하는 단계;
    상기 상부거울층 상에 p형 전극 및 식각마스크를 겸하는 제1금속막 패턴을 형성하고 이를 식각마스크로하여 상기 상부거울층, 활성층과 하부거울층의 일부두께를 식각하여 레이저 기둥을 형성하는 단계;
    표면 전체에 절연막을 형성하는 단계;
    상기 레이저 기둥 측면의 상기 절연막 상에 측면거울용 제2 금속막 패턴을 형성하는 단계;
    상기 p형 전극의 표면을 개방하는 단계;
    전체구조 상부에 평탄화용 폴리이미드막을 도포하고 상기 측면거울용 제2 금속막의 패드를 형성하는 단계;
    상기 p형 전극에 금속 패드를 형성하는 단계를 포함하여 이루어진 3차원 공진기를 갖는 표면방출 레이저 제조 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 절연막은 1000Å 내지 5000Å 두께로 형성하는 것을 특징으로 하는 3차원 공진기를 갖는 표면방출 레이저 제조 방법.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 p형 전극의 표면을 개방하는 단계는,
    포토레지스트 또는 폴리이미드를 도포하는 단계;
    상기 포토레지스트막 또는 폴리이미드막의 윗부분을 태워(ashing) p형 전극 위의 제2 금속막 패턴을 노출 시키는 단계;
    상기 제2 금속막 패턴을 제거하고 그로인해 노출되는 상기 절연막을 식각하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 3차원 공진기를 갖는 표면방출 레이저 제조 방법.
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