KR100288612B1

KR100288612B1 - 광양자테 레이저 다이오우드와 그 어레이 및 제조방법

Info

Publication number: KR100288612B1
Application number: KR1019990001367A
Authority: KR
Inventors: 권오대; 안정착; 곽규섭
Original assignee: 정명식; 학교법인 포항공과대학교
Priority date: 1998-01-19
Filing date: 1999-01-19
Publication date: 2001-04-16
Also published as: KR19990067963A

Abstract

본 발명은 광양자테 레이저 다이오우드(photonic quantum ring: PQR)에 관한 것으로, 수평면으로 뻗은 다수 층이 수직 방향을 따라 교대로 적층되어, n 형 다중층 분산형 브랙 반사기(distributed Bragg reflector: DBR)와 p 형 다중층 DBR 사이에 끼워진 활성 영역의 테두리를 따라 수직축 방향에 대한 경사각의 함수로 표현되는 일정한 범위의 다양한 파장의 빛이 발진되며, 상기 발진된 빛이 투과되도록 피복층이 상기 활성층을 둘러싸고, 상기 활성 영역에서 3차원 발진된 빛이 보여지고 감지될 수 있도록 스트립형(striped) 또는 분리형 상부 전극을 상부 다중충 DBR의 상단부에 침착함으로써, 수 μA의 문턱전류로 동작하고, 스펙트럼의 파장 피크가 온도에 대해 T^1/2의존성을 가지며, 문턱전류가 직경의 제곱에 비례하는 광양자테 레이저 다이오우드의 특성을 이용한 대용량의 고집적 반도체 레이저 다이오우드를 제작할 수 있다.

Description

광양자테 레이저 다이오우드와 그 어레이 및 제조방법{PHOTONIC QUANTUM RING LASER DIODE, AN ARRAY THEREOF AND A METHOD FOR MAKING THEREOF}

본 발명은 반도체 레이저에 관한 것으로서, 수 μA의 문턱전류로 동작하는 삼차원 위스퍼링 갤러리(whispering gallery : WG) 광양자테(photonic quantum ring: PQR) 레이저 다이오우드와 그 어레이 및 광양자테 레이저 다이오우드 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 표면 방출형 레이저는 수직 공동 표면 방출형 레이저(vertical cavity surface emiting laser: VCSEL)와 동심원 원형격자 표면방출형 레이저(concentric circular grating surface emiting laser: CCGSEL)가 있는 데, 수직 공동 표면 방출형 레이저는 예를 들어 n형 GaAs인 반도체 기판과 그 위에 적층된 수직 공동 표면 방출형 다이오우드를 포함한다. 수직 표면 방출형 레이저 다이오우드는 수평방향으로 연장된 다수개의 수평층들이 수직축 방향으로 적층되어 형성되는 데, 다수개의 수평층은 n형 다중층 분산형 브랙 반사기층(n type multi-layer distributed Bragg reflector mirror stack)과 p형 다중층 분산형 브랙 반사기층사이에 끼워진 활성 공동 영역을 포함한다.

활성 공동 영역은 수평 방향으로 연장된 양자 우물(quantum well)을 따라 쌍극자(dipole)를 형성하는 다수개의 정공-전자쌍을 포함한다. 정공과 전자는 자발적 방출 과정을 통해 결합되어 광자를 방출한다. 이러한 전자는 모든 방향으로 방출된다. 광자는 분산형 브랙 반사기층사이에서 여러 차례 반사를 반복하여 여기되고 증폭된 축 방출을 유도하게 되고, 이에따라 여기되고 증폭된 축 레이징 모드, 즉 VCSEL 모드가 생성된다.

이러한 수직 공동 표면 방출형 레이저는 누설되는 열로 인해 소자간 거리가 적어도 200μm 이상이어야 하는 데, 그렇지 않은 경우 예를 들어 소자의 직경이 10μm이고, 소자간 거리가 직경의 3배인 30μm이며, 집적도가 11 x 11인 경우 누설되는 열로 인해 소자의 온도는 50℃를 넘게된다. 또한 3 x 3 어레이인 경우에도 소자간 거리가 50μm보다 작으면 심각한 온도 상승이 야기된다. 이러한 심각한 열 문제로 인하여 수직 공동 표면 방출형 레이저의 집적도는 8 x 8 수준에 머물러 있다.(참조, M, Osinski, and W. Nakwaski, IEEE J. Select. Topics Quantum Electron., 1, 681, 1995)

결론적으로, VCSEL의 결점은 레이징 문턱에 도달하기 위해 비교적 많은 양의 전류를 주입해야 하는 것이다. 많은 양의 전류에 의한 VCSEL의 높은 평균 열 밀도는 고밀도 어레이, 광 상호 통신 및 신호 처리와 같은 응용을 제한한다. 또한 VCSEL 모드에서 파장 λ_VCSEL이 온도에 따라 선형적으로 증가하므로 VCSEL의 활성 공동 영역의 온도가 무시할 수 있는 정도의 폭을 갖고 유지되도록 해야 한다.

그러므로, 본 발명은 극소전류로 동작하는 삼차원 위스퍼링 갤러리 광양자테 레이저 다이오우드 및 그 제조방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

본 발명의 다른 목적은 삼차원 위스퍼링 갤러리 광양자테 레이저 다이오우드 의 어레이를 제공하는 것이다.

본 발명에 따르면, 측면으로 뻗은 다수 층이 수직 방향을 따라 적층되는 광양자테(photonic quantum ring : PQR) 레이저 다이오우드는, n 형 다중층 분산형 브랙 반사기(distributed Bragg reflector: DBR)와 p 형 다중층 DBR 사이에 끼워진 활성층으로서, 상기 활성층의 테두리를 따라 한 파장을 갖는 빛이 수직축 방향에 대하여 일정한 경사각으로 발진되는 활성층과; 상기 발진된 빛이 투과되도록 상기 활성층을 들러싼 피복층을 포함하는 것을 특징으로 한다.

도 1A 및 도 1B는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 제작된 삼차원 위스퍼링 갤러리 광양자테(3D whispering Gallery photonic quantum ring : 3D WG PQR) 레이저 다이오우드의 단면도 및 부분 상세도,

도 2는 등평면 환형 레일리(in-plane annular Rayleigh) 구속 조건에 따라, n형 DBR과 p형 DBR에 의해 형성된 유효 토로이드형 공동의 개략도,

도 3A 내지 도 3C는 직경이 48μm이고 4개의 분리형 전극을 갖는 3D WG PQR 레이저 다이오우드의 전류변화에 따른 근접장(near field) 영상,

도 4A 내지 도 4C는 직경이 15μm이고 1개의 스트립(strip)형 전극을 갖는 3D WG PQR 레이저 다이오우드의 전류변화에 따른 근접장 영상,

도 5는 PQR 모드에서 스펙트럼 피크의 온도 의존성을 도시한 그래프,

도 6은 PQR 모드에서 문턱전류의 레이저 다이오우드 크기 의존성을 도시한 그래프,

도 7은 집적도가 N × M 인 광양자테 레이저 다이오우드 어레이의 구성을 예시하는 도면.

＜도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10 : n전극

12 : GaAs 기판

14 : GaAs 버퍼(buffer)층

16: 하부 반사층(n-type distributed Bragg reflector : n-DBR)

17 : 하부 AlGaAs 스페이스층

18 : 활성층

19 : 상부 AlGaAs 스페이스층

20 : 상부 반사층(p-DBR)

22 : p+ GaAs 캡(cap)층

24 : 폴리이미드

26 : p 전극

30 : 토로이드 공진기

40 : 광파이버(optical fiber)

이하, 본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 다음과 같이 상세히 설명될 것이다.

도 1A 및 도 1B을 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 원통형의 수직공동 표면방사형 레이저(vertical-cavity surface-emitting laser : VCSEL)의 구조를 이용한 삼차원 위스퍼링 갤러리 광양자테 (3D whispering Gallery photonic quantum laser : 3D WG PQR) 레이저의 단면도 및 부분 상세도가 도시된다. 도 1A 및 도 1B에는 1개의 3D WG PQR 레이저만을 도시하지만, 다수 개의 3D WG PQR 레이저를 하나의 기판 위에 어레이 형상으로 집적할 수도 있다.

3D WG PQR 레이저는 n-분산형 브랙 반사판(n-type distributed Bragg reflector: n-DBR)(16)과 p-분산형 브랙 반사판(p-DBR)(20) 사이에 다수 개의 양자 우물, 예를 들어 4개의 양자 우물(quantum well)을 갖는 활성영역(active region)(18)을 기판(12)위에 에피 성장(epitaxial growth) 시키는 단계와, 건식 에칭법(dry etching)에 의한 원형메사를 생성하는 단계와, 폴리이미드(polyimide) 평탄화를 사용하여 원형메사를 둘러싸는 단계와, 원형 메사 상단에 스트립형(striped) 또는 다중분리형(multi-segmented)의 p 전극(26)을 침착하고, 기판(12) 하단에 하나의 n 전극(10)을 침착하는 단계를 거쳐 형성된다.

기판(12)은 갈륨 아세나이드(GaAs), 인듐 포스파이드(InP) 등과 같은 물질로 이루어지는 데, 대개 n+ 도핑되어 다중층이 용이하게 기판 위에 에피성장되도록 한다.

일반적으로 분자선 에피 성장(molecular beam epitaxy: MBE), 유기 금속 화학 증기 침착(metal orgnanic chemical vapor deposition: MOCVD) 등과 같은 에피 침착법을 사용하여 다중층이 형성된다. 이러한 방법을 사용하여 알루미늄 아세나이드, 갈륨 아세나이드, 알루미늄 갈륨 아세나이드 등과 같은 물질층이 에피 적층된다. 에피 침착은 다수 개의 층을 생성하는 데 폭넓게 사용되는 방법이다.

n+ GaAs 기판(12)위에 0.3μm 두께의 n+ GaAs 버퍼(buffer)층(14)이 침착되고, 두 개의 다른 굴절률을 갖는 다수 개의 층을 교대로 적층하여 n 형 DBR(16)이 형성된다. 다시 말해서, 41겹의 Al_XGa_1-XAs로 된 저층(16-L)과 40겹의 Al_yGa_1-yAs로 된 고층(16-H)이 도1B에 도시된 바와 같이 교대로 침착되어 n형 DBR(16)이 되는 데, x 및 y는 0보다 크거나 같고 1보다 작거나 같은 실수로서 각각 0.9 및 0.3가 적당하다. Al_xGa_1-xAs이 다소 낮은 굴절률을 갖고, Al_yGa_1-yAs가 다소 높은 굴절률을 가지므로, 낮은 굴절률을 갖는 저층(16-L)이 활성 영역(18)에 근접하게되는 것이 바람직하다. n 형 DBR(16)의 각 층은 λ_n/4의 두께를 갖는 데, λ_n= λ/n 는 VCSEL 모드로 방사된 레이저광의 각 층내에서의 파장으로서, λ은 레이저광의 자유공간내 파장이고, n 는 각 층의 구성물질인 Al_xGa_1-xAs 와 Al_yGa_1-y각각의 굴절률이다.

n형 DBR층(16) 위에는 활성 영역(18)이 하부 및 상부 AlGaAs 스페이스층(17)(19) 사이에 끼워져 형성되는 데, 하부 및 상부 AlGaAs 스페이스층(17)(19)은 각각 850Å의 두께를 갖는다. 활성 영역(18)은, 도 1B에 도시된 바와 같이, 상대적으로 낮은 밴드갭(bandgap) 에너지를 갖는 Al_zGa_1-zAs 층(18-L)과 상대적으로 높은 밴드갭에너지를 갖는 Al_xGa_1-xAs 층(18-H)이 교대로 4겹으로 적층되는 구조로서, 활성 영역(18)내에 낮은 에너지 대역인 Al_zGa_1-zAs 층(18-L)으로된 4 개의 양자우물이 형성되는 데, z과 x는 각각 0.11과 0.3이다. Al_zGa_1-zAs 층(18-L)과 Al_xGa_1-xAs 층(18-H)은 각각 80Å이 바람직하다. 두 개의 AlGaAs 스페이스층(17)(19)과 활성 영역(18)의 전체 두께는 VCSEL모드 레이저 광의 한 파장λ에 해당되는 값으로, 두 개의 AlGaAs 스페이스층(17)(19)과 활성 영역(18) 각각의 두께는 각각의 굴절률을 고려하여 결정되어야 한다. 상부 AlGaAs 스페이스층(19) 위에는 두 개의 다른 굴절률을 갖는 물질이 한층 한층씩 교대로 여러 겹으로 쌓여져 실질적으로 높은 굴절률을 갖는 p형 DBR(20)이 형성된다. 다시 말해서, 30겹의 Al_xGa_1-xAs 로 구성된 저층(20-L)과 30겹의 Al_yGa_1-yAs 으로 된 고층(20-H)이 도 1B에 도시된 바와 같이 교대로 침착되어 p형 DBR(20)이 되는 데, x 및 y는 각각 0.9 및 0.3이 적당하다. p형 DBR(20)의 각 층은 λ_n/4의 두께를 갖는 것이 바람직하다. p형 DBR(20) 상단에는 p+ GaAs 캡(cap)층(22)이 침착된다.

상기와 같은 구조의 에피를 성장시킨 다음에, 활성 영역(18)과 두 개의 스페이서층(17)(19)의 측면부가 화학적 이온빔 에칭(chemically assisted ion beam etching : CAIBE)과 같은 건식 에칭법에 의해 에칭되어 매끈매끈한 원형 메사가 형성된다. 화학적 이온빔 에칭(CAIBE)에 의해 에칭된 표면은 리액티브 이온 에칭(reactive ion etching: RIE)과 같은 에칭법에 의해 에칭된 표면보다 균일하다. 원형메사의 직경은 서브 μm 내지 수십 μm의 범위내에서 변화될 수 있다.

그런 다음, 에칭된 원형메사는 폴리이미드 평탄화(polyimide planarization) 기법에 의해 피복 영역(24)으로 둘러싸여진다. 피복 영역(24)은 아래에 상술한 바와 같이 스트립형(striped) 또는 다중분리형(multi-segmented) p 전극을 지지하고, 토로이드형 공동에서 생성된 PQR 모드의 빛을 전송하기 위한 통로를 제공한다.

AuGe/Ni/Au으로 된 n전극(10)이 n+ 기판(12) 아래면에 침착되고, 스트립형 또는 분리형 p전극(26)은 상기 p+ GaAs 캡층(22) 위에 침착되는 데, 스트립형 또는 다중분리형 p전극은 200Å 두께의 Cr 금속막 및 2000Å 두께의 Au 금속막으로 이루어진다. 금속인 n형 전극(10) 또는 p형 전극(26)은 425℃에서 30초간 급열처리(rapid thermal anealing) 공정을 수행함으로써 각각 GaAs 기판(12)과 p+ GaAs 캡층(22)에 옴접촉(ohmic contact)된다.

도 2를 참조하면, 3D WG PQR 레이저 다이오우드의 활성 영역의 둘레를 따라 형성된 유효 토로이드 공동(30)의 개략적인 블록 다이어그램이 도시된다. 바깥쪽 경계면에서 활성 영역(18)과 피복 영역(24) 간의 큰 굴절률 차이와 안쪽 경계면에서의 간반사 포텐셜(inter-reflection potential)에 의한 등평면 환형 레일리 구속(in-plane annular Rayleigh confinement)과 함께, n형 DBR(16) 및 p형 DBR(20)이 활성 영역(18)에서 생성된 광자를 수직방향으로 구속한다. 그러므로, PQR 모드에서 한 파장 두께인 토로이드 형태의 3차원 공동(30)이 자연적으로 형성되어, 나선형 내공동 모드 WG 전송(helical intra-cavity mode WG propagation)이 이루어진다. 토로이드 공동(30) 내에서 나선형으로 전송되는 3차원 WG 모드에 의해 시계방향 혹은 반시계방향으로의 전송파가 생성되고, 이러한 파들이 벡터합되어 원주방향의 발진을 형성하는 데, 이는 일반적인 2D WG 모드의 접선 p 전이(tangential p propagation)와 다른 것이다(참조: S. L. McCall et al. '위스퍼링 갤러리 모드 마이크로디스크 레이저', Appl. Phys. Lett., 60(3), pp. 289-291, 1992; Thshihiko BaBa et al. 'Lasing Characteristics of GaInAsP-InP Strained Quantum-Well Microdisk Injection Lasers with Diameter of 2-10μm' IEEE Photon. Tech. Lett., 9(7), pp. 878-880, 1997). 토로이드형 공동(30)에서 생성된 방사상 발진은 에버네슨트(evanescent)파가 되고, 원형 PQR 영역 상부에 위치한 스트립형 또는 다중분리형 p전극 갭개구(gap opening)을 통하여 보여지게 된다. 3차원 PQR 모드의 에버네슨트 발진은 팁의 외경이 대략 5μm인 테이퍼형태의 단일 모드 파이버팁(fiber tip)(40)을 사용하여 감지된다. 그 세기는 도 2에 점선으로 도시되는 데, 토로이드 공동의 에지에서 일정 길이 t 만큼 떨어진 위치에서 최대값을 갖는다. 예를 들어 직경(φ)이 48μm 인 경우에 t는 5μm이고, 직경(φ)이 15μm인 경우에 t는 1μ이다.

도 3A 내지 도 3C는 4개의 다중분리형 상부 전극을 갖고 직경이 48μm인 3D WG PQR 레이저 다이오우드의 3개의 인가전류에 대한 근접장영상(near-field image)을 도시한 것이다. 도3A는 16μA의 전류를 인가하는 경우에 캐리어 크라우딩(carrier crowding) 효과에 의해 주입된 전자와 정공이 원형 메사의 테두리 영역으로 분포하면서 이득환(gain ring) 영역이 관측되는 것을 나타내는 데, 이러한 경우 이득이 0인 투명 (transparency) 조건을 약간 넘어서는 미미한 자발적 발진에 해당한다. 도 3B는 48μA의 전류를 인가하는 경우에 원형 메사 테두리의 발광이 갑자기 세어지면서 전극들의 경계를 넘어가는 형태로 레이저 발진이 시작되는 것을 나타낸 것으로, 이 때 레이징 문턱 전류 I_th= 48μA가 결정된다. 한편, 도 3C는 1mA의 전류를 인가하는 경우 필터에 의해 감쇄된 영상을 나타낸 것으로 원형 WG PQR 모드의 레이저가 방출되는 원형 메사의 테두리 부근의 빛이 VCSEL 모드의 자연 방출이 관측되는 원형 메사의 중앙 영역을 압도하고 있음을 나타낸다.

도 4A 내지 도 4C는 1개의 스트립형 상부 전극을 갖고 직경이 15μm인 3D WG PQR 레이저 다이오우드의 3개의 인가전류에 대한 근접장 영상(near-field image)을 도시한 것이다. 도4A는 PQR모드의 레이징 문턱전류 I_th= 12μA를 인가하는 경우에 원통형 메사의 테두리를 따라 희미한 환형 PQR 레이저가 발진됨을 나타낸다. 이러한 PQR모드는 원통형 메사의 바깥쪽에서 생기는 에버네슨트파이다. 도 4B는 VCSEL모드의 문턱전류보다 조금 작은 11.5mA의 전류를 인가하는 경우를 도시한 것으로, 고리 형태의 발진 형태와 인덱스 우세형 스펙트럼 특성은 거의 변화된 것이 없다. 한편, VCSEL모드의 문턱 전류 I_th, VCSEL = 12mA보다 큰 전류를 인가하는 경우에, 도 4C에 도시된 바와 같이, 이미 존재하는 PQR 모드와 함께 메사의 가운데 영역에서 내공동(intra-cavity) VCSEL 모드가 10개의 회전 대칭성을 갖는 고차원 횡모드로 발진되기 시작한다. VCSEL 문턱전류보다 큰 전류를 인가하는 경우, 토로이드 공동의 모드 에너지는 내공동 VCSEL 모드와 외공동(extra-cavity) PQR 모드로 나뉘어지고, 내공동 VCSEL 모드의 세기는 계속 증가하지만 외공동 PQR 모드는 포화되는 현상을 보인다.

도 5는 PQR모드에서 스펙트럼 피크 파장의 온도 의존성을 VCSEL모드에서 스펙트럼 피크 파장의 온도 의존성과 비교하여 설명하기 위한 그래프가 도시된다. PQR모드에서 파장 λ_PQR은 T^1/2의존성을 보이는 반면, VCSEL 모드에서 파장 λ_VCSEL은 예측되는 바와 같이 0.07nm/℃의 온도계수를 갖고 선형적으로 증가한다. 이와 같이 각각의 모드가 서로 다른 온도 의존성을 갖는 것은 VCSEL 모드의 경우 양자우물의 특성상 투명 조건에 도달하기 위한 캐리어 밀도가 활성 영역의 온도에 정비례하는 반면, PQR 모드는 양자선(quantum wire)의 특성상 캐리어 밀도가 온도에 대해 T^1/2특성을 갖기 때문이다. 도 5에 도시된 두 개의 곡선에 대한 관계는 하기 수학식 1과 같이 정의된다.

VCSEL과 같은 단공명공동(short resonant cavity)에 대한 인덱스 우세형(index-dominated) 스펙트럼 변화와 에지 발진 다이오우드와 같은 장공동(long cavity)에 대한 이득 우세형(gain-dominated) 스펙트럼 변화인 경우에는 온도의 선형 의존성이 나타난다(참조, G. W. Taylor et al., 'Temperature dependent operation of the vertical cavity surface emitting laser', IEEE J. Quantum Electron. QE-30, pp. 2262-2271, 1994). 내공동 VCSEL 모드에 대하여 상기와 같이 측정된 온도 계수 0.07nm/℃는 인덱스 우세형 스펙트럼 변화와 일치한다. 반면, PQR 발진에 대한 3차원 레일리 토로이드는 활성 원반의 테두리를 따라 나선형 파 전달을 구속하는 장공동으로 분류되므로 PQR 발진은 이득 우세형이다. 비록 활성 영역이 양자우물 구조로 이루어졌음에도 블구하고, 실제로 관측된 스펙트럼의 T^1/2의존성은 이득 유도형(gain-induced) 레이징을 의미하고, 양자선 가정, 즉 T^1/2의존 투명 조건에 의해 잘 설명된다(참조, A. Yariv, 'Scaling laws and minimum threshold currents for quantum-confined semiconductor laser', Appl. Phys. Lett., Vol. 53, pp. 1033-1035, 1988).

또한, 온도 T가 40℃ 이상인 영역에서 PQR 모드의 파장이 안정되게 되어, 고밀도 레이저 어레이와 관련된 국부적인 소자 가열에 의한 스펙트럼의 불안정성과 같은 성가신 문제를 해결하였다.

도 6을 참조하면, PQR 모드에서 문턱전류의 소자 크기 의존성을 설명하기 위한 그래프가 도시되는 데, 문턱전류 I_th는 PQR 레이저 다이오우드의 직경의 제곱에 비례한다(I_th∝ Φ²).

PQR 발진의 문턱전류를 계산하기 위해, 토로이드 공동 광양자테(photonic quantum ring : PQR)들의 동심(同心) 어레이이고, 광양자테의 고유 단위 길이가 반파장(λ_PQR/2)에 해당한다고 볼 수 있다.

유사양자선(quasi-auantum wire) 구조에서 투명 캐리어 밀도(transparency Carrier density) N_tr은 하기 수학식 2와 같다.

상기 수학식 2에서, m_c는 수송자인 전자의 유효 질량(effective mass)이고, 　(=1.054 × 10^-34Js)는 플랑크 상수이며, k_B(=1.38054 × 10^-23J/K)는 볼츠만 상수이고, T는 활성 영역의 온도(℃)이다.

따라서, 한 개의 유사양자선에 대한 투명전류(transparency current) ()은 하기 수학식 3과 같이 정의된다.

상기 수학식 3에서, φ는 원형인 유사양자선의 직경이고, e(=1.6 x 10^-19C)는 전자의 전하량이며, τ(=3 ns)는 캐리어의 평균수명(lifetime)이다. 직경(φ)이 48μm인 경우에 투명전류 ()는 대략 1.2μA이다.

한편, 레일리 WG 밴드폭(W_Rayleigh)(참조, M. K. Chin et al., 'Estimation of the spontaneous emission factor for microdisk lasers via approximation of whispering gallery modes', J. Appl. Phys., Vol. 75, pp. 3302-3307, 1994)는 하기 수학식 4와 같이 정의된다.

상기 수학식 4에서, n_eff(=3.28)은 유효 굴절률이고, n(=3.5)는 활성 영역의 굴절률이다. 직경(φ)이 48μm인 경우에 레일리 WG 밴드폭(W_Rayleigh)은 대략 1.5μm이다.

토로이드 공동(cavity)은 토로이드 폭 W_Rayleigh을 유사양자선의 동심 집합체로 볼 수 있으므로, 각각의 양자선을 광양자테(photonic quantum ring : PQR)라고 정의할 수 있다. 하나의 PQR의 폭을 활성 영역 안에서 PQR 모드 파장(λ_PQR)의 절반으로 가정하면, PQR의 개수 χ는 하기 수학식 5와 같다.

다시 말해서, 직경이 48μm인 토로이드 공동은 13개 PQR들의 집합체로 이루어진다. 3D WG PQR 레이저 다이오우드의 투명전류는 하기 수학식 6과 같다.

또한, 3D PQR 레이저의 문턱 전류 I_th는 하기 수학식 7로 주어진다.

또한, 산란(scattering) 손실 상수 α_scatt에 의한 산란전류 I_scatt는 하기 수학식 8 과 같다.

상기 수학식 8에서, 토로이드 공동의 부피 V_toroid는 W_toroid× πφ × d 이고, d (=λ₀/n)는 활성 영역의 두께이며, λ₀(=0.795μm)는 VCSEL 모드의 파장이고, g'1D (=8 x 10-16 cm2)는 미분 이득 계수(differential gain coefficient)이고, α_scatt(=5cm^-1)는 산란 손실 상수이다. 직경이 48μm인 경우에 산란전류 I_scatt는 17μA이다.

한편, 하부 및 상부 DBR의 반사에 의한 반사전류 I_mirror는 하기 수학식 9와 같다.

상기 수학식 9에서, R은 상부 및 하부 DBR의 반사율이다.

따라서, PQR레이저의 이론적인 문턱전류 I_th는 하기 수학식 10과 같이 주어진다.

상기 수학식 10에서, 변수 A 및 B는 다음과 같다.

PQR 개념에 의해 계산된 이론적인 문턱전류 I_th는 하부 및 상부 DBR의 거울 손실에 의한 비교적 작은 오차를 제외하는 경우 PQR 레이저의 직경의 제곱에 비례한다(I_th∝φ²).

도 6은 문턱전류의 실험 결과와 이론치에 대한 비교를 나타내는 데, 테두리 부분의 미세하게 거친 구조와 관련된 산란 손실에 의한 몇몇 구조적인 오차를 제외하고 실험과 이론치가 잘 맞는 것을 보여준다. PQR 레이저 다이오우드의 직경이 감소함에 따라 레일리 WG 밴드폭 W_Rayleigh이 감소하게되고, 이에 따라 테두리 표면 거칠기에 의한 산란 손실이 보다 중요하게 되어 결정적인 손실 요인이 된다. 따라서, 매끈한 표면을 갖도록 제작하는 서브 μA의 문턱전류를 갖는 PQR 레이저도 제작할 수 있다.

도 7은 상술한 결과에 따라서 N × M 대용량, 고집적 PQR 레이저 다이오우드 어레이의 구성 예를 도시한 것으로, 본 발명의 PQR 레이저 다이오우드 어레이를 구성하는 각각의 PQR 레이저 다이오우드는 소자의 동작온도(T)에 대하여 T^1/2의존성과, 상온 이상의 온도에서 매우 안정한 온도 특성을 가지며, 그 동작전류가 PQR 레이저의 직경(φ)에 대하여 φ²의존성을 가짐으로써 μA 급의 저전류로 동작가능하다.

결론적으로 본 발명에 따라 제작된 레이저의 출력 파장이 온도에 대하여 비교적 안정된 T^1/2특성을 갖고, 그 문턱 전류가 소자의 직경(φ)에 대하여 φ²의 관계를 가져서 서브 μA 내지 수 μA의 극소 전류만으로 동작할 수 있으므로, 대용량 고집적의 반도체 레이저 다이오우드 어레이의 제작이 가능하다.

Claims

수평면을 따라 형성된 다수 개의 층이 수직으로 적층되는 광양자테(photonic quantum ring : PQR) 레이저 다이오우드에 있어서,

n 형 다중층 분산형 브랙 반사기(distributed Bragg reflector: DBR)와 p 형 다중층 DBR 사이에 끼워져서, 수직축 방향에 대한 경사각의 함수로 표현되는 일정한 범위 내의 다수 개의 파장을 갖는 빛을 그 테두리를 따라 발진시키는 활성 영역;

보다 큰 굴절률을 갖고 상기 활성 영역을 둘러싸면서 발진된 빛을 투과시키되, 상기 빛은 등평면 환형 레일리 구속 조건(in-plane annular Rayleigh confinement)에 의해 구속되는 피복층;

수직 공동 표면 방출형 레이저(vertical cavity surface emiting laser: VCSEL)의 서로 연결된 고리형 상부 전극과는 달리, 상기 활성 영역에서 3차원 발진이 보여지고 감지될 수 있도록 형성된 스트립형(striped) 또는 분리형 상부 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 광양자테 레이저 다이오우드.
제 1 항에 있어서, 상기 활성 영역은 1개 이상의 양자우물(quantum well)을 갖고, 상기 활성 영역의 각 양자우물은 작은 밴드갭(bandgap) 에너지를 갖는 Al_zGa_1-zAs와 큰 밴드갭 에너지를 갖는 Al_xGa_1-xAs를 포함하고, z 과 x 는 각각 0보다 크거나 같고 1보다 작거나 같은 것을 특징으로 하는 광양자테 레이저 다이오우드.
제 2 항에 있어서, 상기 활성 영역은 수직축 방향으로 수직 공동 표면 방출형 레이저(vertical cavity surface emiting laser: VCSEL)를 추가로 발진하는 것을 특징으로 하는 광양자테 레이저 다이오우드.
제 3 항에 있어서, 상기 다중층 p형 DBR과 상기 다중층 n형 DBR의 임의의 두 층은 비교적 낮은 굴절률을 갖는 층과 비교적 높은 굴절률을 갖는 층으로 구성되고, 비교적 낮은 굴절률을 갖는 층이 상기 활성 영역에 인접하는 것을 특징으로 하는 광양자테 레이저 다이오우드.
제 1 항에 있어서, 상기 발진파장의 문턱전류가 직경의 제곱에 비례하고, 그 크기가 μA 범위내에 속한 것을 특징으로 하는 광양자테 레이저 다이오우드.
제 1 항에 있어서, 상기 활성 영역에서 발진되는 파장이 온도에 대해 T^1/2의존성을 갖는 것을 특징으로 하는 광양자테 레이저 다이오우드.
수직축 방향에 대한 경사각의 함수로 표현되는 일정한 범위 내의 다수 개 파장의 빛을 그 테두리를 따라 발진시키는 활성 영역을 n 형 다중층 분산형 브랙 반사기(distributed Bragg reflector: DBR)와 p 형 다중층 DBR 사이에 끼워진 구조로 기판위에 에피 침착시키는 제 1 과정;

건식 에칭법을 사용하여 원통형 메사를 형성하는 제 2 과정;

등평면 환형 레일리 구속 조건(in-plane annular Rayleigh confinement)에 의해 구속되면서 발진된 빛이 투과되도록 폴리이미드 평탄화 과정을 사용하여 보다 큰 굴절률을 갖는 물질로 상기 원통형 메사를 둘러싸는 제 3 과정;

스트립형(striped) 또는 다중분리형 p 전극을 상기 원통형 메사의 상부에 침착하고, 기판 아래에 n 전극을 침착함으로써, 상기 p 전극의 갭(gap) 개구(opening)를 통하여 상기 활성 영역에서 발진된 에버네슨트(evanescent) 필드를 볼 수 있도록 하는 제 4 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 광양자테 레이저 다이오우드 제조 방법.
제 7 항에 있어서, 상기 활성 영역은 1개 이상의 양자우물(quantum well)을 갖고, 상기 활성 영역의 각 양자우물은 작은 밴드갭(bandgap) 에너지를 갖는 Al_zGa_1-zAs와 큰 밴드갭 에너지를 갖는 Al_xGa_1-xAs를 포함하고, z 과 x 는 각각 0보다 크거나 같고 1보다 작거나 같은 것을 특징으로 하는 광양자테 레이저 다이오우드 제조 방법.
제 8 항에 있어서, 상기 다중층 p형 DBR과 상기 다중층 n형 DBR의 임의의 두 층은 비교적 낮은 굴절률을 갖는 층과 비교적 높은 굴절률을 갖는 층으로 구성되고, 비교적 낮은 굴절률을 갖는 층이 상기 활성 영역에 인접하는 것을 특징으로 하는 광양자테 레이저 다이오우드 제조 방법.
제 7 항에 있어서, 상기 활성 영역에서 발진되는 파장이 온도에 대해 T^1/2의존성을 갖는 것을 특징으로 하는 광양자테 레이저 다이오우드 제조 방법.
제 7 항에 있어서, 상기 발진파장의 문턱전류가 직경의 제곱에 비례하고, 그 크기가 μA 범위내에 속한 것을 특징으로 하는 광양자테 레이저 다이오우드 제조 방법.
N × M 광양자테(photonic quantum ring : PQR) 레이저 다이오우드 어레이에 있어서,

상기 N × M 어레이의 각각의 광양자테 레이저 다이오우드는:

n 형 다중층 분산형 브랙 반사기(distributed Bragg reflector: DBR)와 p 형 다중층 DBR 사이에 끼워져서, 수직축 방향에 대한 경사각의 함수로 표현되는 일정한 범위 내의 다수 개의 파장을 갖는 빛을 그 테두리를 따라 발진시키는 활성 영역;

보다 큰 굴절률을 갖고 상기 활성 영역을 둘러싸면서 발진된 빛을 투과시키되, 상기 빛은 등평면 환형 레일리 구속 조건(in-plane annular Rayleigh confinement)에 의해 구속되는 피복층;

수직 공동 표면 방출형 레이저(vertical cavity surface emiting laser: VCSEL)의 서로 연결된 고리형 상부 전극과는 달리, 상기 활성 영역에서 3차원 발진이 보여지고 감지될 수 있도록 형성된 스트립형(striped) 또는 분리형 상부 전극을 포함하며;

상기 활성 영역에서 발진되는 파장이 온도에 대해 T^1/2의존성을 가지며, 상기 발진파장의 문턱전류가 직경의 제곱에 비례하고, 그 크기가 μA 범위내에 속한 것을 특징으로 하는 광양자테 레이저 다이오우드 어레이.