KR100358111B1 - 두꺼운 내부공진접촉층과 이온주입 전류구경을 갖는장파장 표면방출레이저 및 그것의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 통신용 다채널 광원으로서 성능을 갖춘 장파장 대역의 표면방출형 레이저 및 그것의 제조방법에 관한 것으로 보다 상세하게는 활성층 상에 두꺼운 내부공진접촉층을 가지는 메사구조 및 이온주입층을 형성하므로써 효과적인 전류주입 및 열분산을 달성할 수 있는 두꺼운 내부공진접촉층을 갖는 장파장 표면방출 레이저 및 그것의 제조방법에 관한 것이다. 상기 메사 구조 및 상기 이온주입층에 의하여 전류가 상기 내부공진접촉층 상의 전극으로부터 상기 내부공진접촉층을 통과하여 상기 메사 구조의 하부에 있는 활성층으로 도달하는 전류유도구경이 형성된다. 이와 함께, 상기 활성층에서 발행한 열은 상기 전류유도구경에 의하여 흐르는 전류와 반대방향으로 상기 내부공진접촉층을 통과하여 그것 상에 형성된 전극을 통하여 배출된다.

Description

두꺼운 내부공진접촉층과 이온주입 전류구경을 갖는 장파장 표면방출레이저 및 그것의 제조방법{Ion Implanted Long Wavelength Vertical Cavity Surface Emitting Lasers With A Thick Intracavity Contact Layer And Its Fabrication Method}

본 발명은 통신용 다채널 광원으로서 성능을 갖춘 장파장 대역의 표면방출형 레이저 및 그것의 제조방법에 관한 것으로 보다 상세하게는 활성층 상에 두꺼운 내부공진접촉층을 가지는 메사구조 및 이온주입층을 형성하므로써 효과적인 전류주입 및 열분산을 달성할 수 있는 두꺼운 내부공진접촉층을 갖는 장파장 표면방출 레이저 및 그것의 제조방법에 관한 것이다.

대부분의 반도체 레이저가 요구하는 특성인 상온연속발진과 빠른 작동속도를 만족하기 위해서는 문턱전류와 직렬저항이 낮아야 하며 열분산이 효과적으로 이루어져야 한다. 이를 위해 다양한 전류주입 구조와 열방출 구조가 연구되어왔다. 장거리 광통신분야에서 효과적인 다채널 장파장 광원으로 주목 받고 있는 1.55-m 대역 표면방출레이저 (Vertical Cavity Surface Emitting Laser; VCSEL) 소자의 경우에도 다음과 같은 몇가지 구조가 연구되어 왔는데 나름대로 장단점을 가지고 있다.

도 1은 종래의 기둥형 표면방출레이저(VCSEL)를 나타낸 것이다. 이것은 도1에서 보는 바와 같이, 하부 브래그(DBR) 거울, 활성층, 상부 DBR 거울로 이루어진 구조를 성장한 후 비등방성 메사식각법으로 상부 DBR 거울과 활성층까지 식각하여 기둥모양으로 형성한 구조이다. 이러한 구조의 장점은 공정이 간단하고 전류확산이 없다는 것이다. 반면에, 단점은 열이 많이 발생하고 다중횡모드로 발진한다는 점이 있다. 열 방출을 위해서는 열전도도가 큰 반도체나 유전체로 기둥을 덮는 기술이 시도되고 있지만 상부 거울층이 열전도도가 낮은 InAlGaAs 계열일 경우 그 효과가 그리 크지 않다.

도 2는 이온주입형 VCSEL을 나타낸 것이다. 도 2에서 보는 바와 같이, 모든 구조를 성장한 후 고에너지 양성자를 주입하여 활성층에 걸쳐 이온주입층을 형성하면 주입된 영역의 결정만 파괴되어 주입되지 않은 영역으로만 전류가 흐르게 된다. 이러한 방법의 단점은 장파장 VCSEL의 경우 상부 DBR 거울의 두께가 매우 두꺼우므로 상당히 큰 에너지의 양성자를 주입해야 하는데 이 경우 적당한 마스크 물질을 구하기 힘들다는 것과 양성자 폭격에 의해 정의되는 유도구경의 경계가 날카롭지 못하여 작은 크기의 소자를 제작할 수 없다는 것이다. 또한 상부 거울층의 물질이 열전도도가 낮은 InAlGaAs 계열일 경우 열 방출이 용이하지 않아서 역시 상온연속발진이 힘들게 된다.

이 외에도 측면산화나 측면식각을 통해 전류유도구경을 형성하는 방법이 있으나 공정 및 재현성에 있어서 문제가 많다. 측면산화의 경우 대부분 단파장 AlGaAs 계열 소자에서 연구되어왔고 장파장인 InAlGaAs 계열에서는 매우 느린 산화속도가 걸림돌이 되고 있다. 측면 식각의 경우엔 습식 식각의 재현성에 있어서 문제가 있고 소자의 기계적 안정성 또한 문제가 있다.

본 발명의 목적은 두꺼운 내부공진접촉층에 의하여 열 발생을 최소화하고 열 분산을 최대화하는 전류주입 구조를 실현할 수 있는 두꺼운 내부공진접촉층을 갖는 장파장 표면방출레이저 및 그것의 제조방법을 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 목적은 이온주입에 의하여 형성된 전류유도구경에 의하여 전류제한을 실현하는 두꺼운 내부공진접촉층을 갖는 장파장 표면방출레이저 및 그것의 제조방법을 제공하는 것이다.

본 발명에 의하여 1.55-㎛ 대역 표면방출형 레이저 소자의 효과적인 전류주입 및 열 분산이 가능해진다.

도 1은 종래의 기둥형 표면방출레이저(VCSEL)를 나타낸 것이다.

도 2는 종래의 이온주입형 VCSEL을 나타낸 것이다.

도 3은 본 발명에서 제안하는 두꺼운 내부공진접촉층과 이온주입 전류구경을 갖는 장파장 VCSEL의 구조를 나타낸 것이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

1 : 금속층(전극)

2(9) :p-도핑된(도핑되지 않은) 상부거울층

3 : 활성층(클래딩/다중양자우물/클래딩)

4 : 전류흐름의 경로

5 : n-도핑된 하부거울층

6 : n-도핑된 InP 기판

7 : 방출되는 레이저빔

8 : 이온주입층

10 : 적절한 두께를 갖는 p-도핑된 내부공진접촉층

11 : 방출되는 열의 흐름

본 발명의 두꺼운 내부공진접촉층을 갖는 장파장 표면방출레이저는 반도체 기판, 상기 반도체 기판 표면의 전체 상에 성장시킨 첫 번째 브래그(DBR) 거울층, 상기 첫 번째 브래그 거울층의 전체 상에 성장시킨 활성층, 상기 활성층의 전체 상에 성장시킨 두꺼운 내부공진접촉층, 상기 내부공진접촉층의 일부 상에 메사구조로 형성된 무도핑의 두 번째 브래그 거울층, 및 상기 내부공진접촉층 및 상기 두 번째 브래그 거울층 상에 형성된 전극을 포함한다. 여기에서, 상기 내부공진접촉층은 열전도도가 상기 두 번째 브래그 거울보다 최소한 5배 이상 크고, 두께가 최소한 활성층 두께의 0.7배 이상이어야 한다.

또한, 본 발명의 표면방출 레이저는 상기 메사 구조를 마스크로 사용하여 이온주입함으로써 상기 메사 구조의 아래부분은 보호되고 그것의 바깥 부분들의 아래에 있는 상기 활성층과 상기 첫 번째 거울층의 경계면을 포함하여 형성된 이온주입층을 더 포함한다. 그리하여, 상기 메사 구조 및 상기 이온주입층에 의하여 전류가 상기 내부공진접촉층 상의 전극으로부터 상기 내부공진접촉층을 통과하여 상기 메사 구조의 하부에 있는 활성층으로 도달하는 전류유도구경이 형성된다. 이와 함께, 상기 활성층에서 발행한 열은 상기 전류유도구경에 의하여 흐르는 전류와 반대방향으로 상기 내부공진접촉층을 통과하여 그것 상에 형성된 전극을 통하여 배출된다. 열방출을 효율적으로 하기 위하여 공기중에 드러난 전극의 두께는 5000Å 이상인 것이 바람직하다.

또한, 본 발명은 상기와 같은 표면방출레이저의 제조방법을 제공한다. 본 발명의 표면방출레이저의 제조방법은 반도체 기판 전면에 첫 번째 브래그(DBR) 거울층을 성장시키는 단계, 상기 첫 번째 거울층 전체 상에 클래딩/다중양자우물/클래딩으로 구성되는 활성층을 성장시키는 단계, 상기 활성층 전체 상에 두꺼운 내부공진접촉층을 성장시키는 단계, 상기 내부공진접촉층 전체 상에 무도핑된 두 번째 브래그 거울층을 성장시키는 단계, 상기 기판에 첫 번째 소자패턴을 형성한 후 패턴이 있는 부분만 남겨놓고 나머지 부분을 상기 내부공진접촉층의 표면까지 식각해 내어 메사 구조를 형성하는 단계, 상기 메사구조를 마스크로 사용하여 표면으로부터 강한 에너지의 이온을 주입하여 상기 활성층과 상기 내부공진접촉층의 경계면에걸쳐 이온주입층을 형성하는 단계, 열처리하여 이온주입에 의하여 파괴된 내부공진접촉층을 회복하는 단계, 및 상기 내부공진접촉층 및 상기 두 번째 거울층 상에 전극을 형성하는 단계를 포함한다.

상기 메사구조를 형성하기 위하여 식각은 활성이온식각법 또는 활성이온빔식각법을 사용하여 상기 내부공진접촉층의 표면까지 정밀하게 식각한 후 남아있는 미량의 상기 상부거울층 물질을 제거하기 위하여 상기 내부공진접촉층에 대하여 식각선택성이 있는 용액에 의하여 습식식각을 수행함으로써 달성된다.

이하에서, 본 발명을 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다.

도 3은 본 발명의 표면방출 레이저의 구조를 나타낸 것이다. 도 3에서 보는 바와 같이, 본 발명의 표면방출 레이저는 InP와 같은 n형 화합물 반도체 기판(6), n형 하부 거울층(5), 활성층(3), p형 내부공진접촉층(10) 및 무도핑 상부거울층(9)을 포함한다.

상부 및 하부 거울층은 굴절율이 다른 두 반도체 재료가 서로 교대로 성장된 구조이다. 거울층의 재료로는 굴절율차가 크고 동일한 V족 원소를 사용하여 성장상의 개스 흐름을 안정되게 조절할 수 있는 InAlGaAs와 InAlAs층을 사용할 수도 있고, 굴절률차는 적지만 열전도도가 큰 InP와 InGaAsP층을 사용할 수도 있다. 최근에는 굴절률차가 InAlGaAs/InAlAs 계열보다 2배정도 큰 GaAsSb와 AlAsSb층을 사용한 결과도 보고되고 있다. 상부 및 하부 거울층은 99.5% 이상의 고반사율을 내기 위해 발진파장의 1/4의 두께로 수십층 교대로 쌓는다.

활성층은 공진하는 레이저빔이 광이득을 얻는 층이다. 활성층(3)의 재료는 장파장(1.5~1.6 m) 영역의 파장대를 모두 포함하는 InGaAs(P) 양자우물이 일반적으로 쓰이고 있다. 즉, InGaAs/InAlGaAs 또는 InGaAs/InGaAsP 다중양자우물로 구성될 수 있다.

내부공진접촉층은 전류와 열방출의 경로로서 이용되는 층으로 열전도도가 좋고 두꺼운 p형 반도체 (예를 들어 InP)로 구성된다. 내부공진접촉층은 효과적인 열전도에 의한 열분산을 달성하기 위하여 열전도도가 상부 거울층보다 최소한 5배 이상 커야 하며, 두께가 최소한 활성층 두께의 0.7배 이상이어야 한다.

모든 층은 InP 기판에 격자정합이 이루어지는 조성을 선택한다.

성장이 완료된 구조에 메사 패턴을 형성하기 위하여 건식식각법의 일종인 활성이온식각법(RIE) 또는 활성이온빔식각법(RIBE)을 사용하여 메사구조로 식각한다.

메사구조로 식각하기 위하여, 우선 표면에 원하는 형상의 마스크를 코팅한다. 마스크 재료로는 보통 SiN, 포토레지스트(Photoresist), Ti 등이 사용되며, 이들 재료는 식각 이온에 내성이 있으므로 아래층들을 보호해 준다.

식각 이온은 통상적으로 쓰이는 CH₄나 Cl₂계열의 이온을 사용할 수 있다. 식각은 두께 감시법을 사용해서 내부공진접촉층의 표면까지 정밀하게 진행된다.

건식 식각이 완료된 후 조금이라도 남아있는 상부거울층 물질들을 완벽히 제거하기 위해 내부공진접촉층과 식각선택성이 있는 용액에 의하여 습식식각을 수행한다. 상부거울층이 InAlGaAs 계열이고 내부공진접촉층이 InP 라면 인산(H₃PO₄) 계열이 식각용액으로 사용될 수 있다.

다음 단계로 적당한 에너지와 밀도를 갖는 양성자를 시료 표면의 수직방향으로부터 주입하면 도 3과 같이 활성층과 하부거울 경계면에 이온주입층(8)이 형성 된다. 이때 사용되는 이온은 일반적으로 양성자가 많이 쓰이지만 좀 더 원자량이 큰 이온(예: F, O)들도 사용할 수 있다. 이온주입시 상부거울 메사가 자동적으로 마스크 역할을 하게 되므로 또 한번의 리소그라피를 할 필요가 없다.

이온주입을 한 후 적절한 열처리를 가하면 p형 내부공진접촉층의 파괴된 정도가 많이 회복되어 전류가 흐를 수 있게 되고, 흐르는 전류는 이온주입에서 보호가 된 가운데 부분으로만 흐르기 때문에 원하는 전류주입이 실현되게 된다. 일반적으로 열처리는 약 400℃ 근처에서 30초 정도 질소분위기에서 한다.

열처리후 전극(1)을 코팅하면 모든 공정이 완료되고 소자가 완성이 된다. 전극은 상부거울층의 반사율을 높이는 데도 사용되므로 일반적으로 금(Au)이 사용된다. 도 3에서 보는 바와 같이, 메사 전체를 금속으로 완전히 덮으면 금속의 열전도도가 매우 크므로 활성층에서 발생되는 열을 좀 더 빨리 방출시키는 냉각핀 역할을 할 수 있게 될 것이다. 이 때 열 방출을 더 효율적으로 하기 위해 상기 전극은 5000Å 이상 되는 두꺼운 금속을 코팅함으로써 형성될 수 있다.

종래기술로서 언급한 구조들은 모두 상부 DBR 거울이 p형 반도체이다. 이러한 상황에서는 어떤 구조이든지 상부 거울층에서의 자유정공에 의한 광흡수와 직렬저항에 의한 열발생, 그리고 용이하지 못한 열방출 등에 의한 단점들을 다 가지고 있다.

본 발명에서는 이러한 모든 단점들을 제거하기 위한 구조로서 도 3에서 보는 바와 같이, 두꺼운 내부공진접촉층에 의해 열발생을 최소화하고 열분산을 최대화하는 전류주입 구조를 실현하고 이온주입에 의해 형성된 유도구경으로 전류제한을 실현하는 구조를 제안한다. 좀 더 자세히 설명하면 도 3에서처럼 상부 거울층을 도핑없는(undoped) 반도체로 형성해서 자유정공에 의한 광흡수 문제를 제거하고 전류를 상부거울층을 거치지 않고 직접 내부공진접촉층을 통해 주입함으로 기존의 DBR 직렬저항에 의해 발생하는 열을 근원적으로 제거한다. 또한 내부공진접촉층을 InP와 같이 열전도도가 큰 물질로 구성하고 두께를 두껍게 한다면 활성층에서 발생되는 열을 도 3의 (11)과 같이 InP층을 통해 주변으로 좀 더 효율적으로 방출시킬 수 있을 것이다. 내부공진접촉층을 통한 전류주입과 함께 전류유도구경으로서 이온주입방식을 같이 제안하는 이유는 이온주입방식이 측면산화와 측면식각과는 달리 리소그라픽이 가능하므로 재현성과 균일성이 뛰어나고 기계적으로 튼튼하기 때문이다. 또한 본 구조에서는 얕은 이온주입이 가능하기 때문에 직경이 작은 소자도 충분히 제작할 수 있으며, 특별히 마스크 물질을 필요치 않으므로 한번의 리소그라피 공정으로 소자 제작을 완료할 수 있다는 장점이 있다.

본 발명은 기존의 확립된 간단한 공정으로 재현성있고 기계적으로 안정하며 좀 더 효율적인 공진구조와 전류경로를 갖는 장파장 VCSEL의 구조와 제작에 관한 것이다. 본 발명이 실현된다면 상온에서 연속적으로 동작되며 구동전력이 적고 동작속도가 빠른 통신용 장파장 VCSEL 광원의 개발과 공급이 가능해진다. 현재 1.55 m 대역의 WDM 광원소자는 공정이 까다롭고 가격이 비싼 DFB 측면발광 LD가 사용되고 있는데 만약 본 발명이 구체화된다면 통신용 광원소자 시장에서 많은 부분을 대체하게 되리라 기대된다.

Claims (14)

1. 반도체 기판;

   상기 반도체 기판 표면의 전체 상에 성장시킨 첫 번째 브래그(DBR) 거울층;

   상기 첫 번째 브래그 거울층의 전체 상에 성장시킨 활성층;

   상기 활성층의 전체 상에 성장시킨 두꺼운 내부공진접촉층;

   상기 내부공진접촉층의 일부 상에 메사구조로 형성된 무도핑의 두 번째 브래그 거울층; 및

   상기 내부공진접촉층 및 상기 두 번째 브래그 거울층 상에 형성된 전극을 포함하고,

   상기 내부공진접촉층은 열전도도가 상기 두 번째 브래그 거울보다 최소한 5배 이상 크고, 두께가 최소한 활성층 두께의 0.7배 이상인

   두꺼운 내부공진접촉층을 갖는 장파장 표면방출레이저.
2. 제1항에 있어서,

   상기 메사 구조를 마스크로 사용하여 이온주입함으로써 상기 메사 구조의 아래부분은 보호되고 그것의 바깥 부분들의 아래에 있는 상기 활성층과 상기 첫 번째 거울층의 경계면을 포함하여 형성된 이온주입층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 두꺼운 내부공진접촉층을 갖는 장파장 표면방출레이저.
3. 제2항에 있어서,

   상기 메사 구조 및 상기 이온주입층에 의하여 전류가 상기 내부공진접촉층 상의 전극으로부터 상기 내부공진접촉층을 통과하여 상기 메사 구조의 하부에 있는 활성층으로 도달하는 전류유도구경을 형성하는 것을 특징으로 하는 두꺼운 내부공진접촉층을 갖는 장파장 표면방출레이저.
4. 제3항에 있어서,

   상기 활성층에서 발행한 열은 상기 전류유도구경에 의하여 흐르는 전류와 반대방향으로 상기 내부공진접촉층을 통과하여 그것 상에 형성된 전극을 통하여 배출되는 것을 특징으로 하는 두꺼운 내부공진접촉층을 갖는 장파장 표면방출레이저.
5. 제4항에 있어서,

   열방출을 효율적으로 하기 위하여 공기중에 드러난 전극의 두께는 5000Å 이상인 것을 특징으로 하는 두꺼운 내부공진접촉층을 갖는 장파장 표면방출레이저.
6. 제5항에 있어서,

   상기 전극은 금(Au)로 형성되는 것을 특징으로 하는 두꺼운 내부공진접촉층을 갖는 장파장 표면방출레이저.
7. 제2항에 있어서,

   상기 반도체 기판은 n형 InP 반도체 기판이고, 상기 첫 번째 브래그 거울층은 n형이며, 상기 내부공진접촉층은 p형 인 것을 특징으로 하는 두꺼운 내부공진접촉층을 갖는 장파장 표면방출레이저.
8. 제7항에 있어서,

   상기 내부공진접촉층은 InP인 것을 특징으로 하는 두꺼운 내부공진접촉층을 갖는 장파장 표면방출레이저.
9. 제7항에 있어서,

   상기 모든 층들은 InP 기판에 격자정합이 이루어지는 조성으로 선택되는 것을 특징으로 하는 두꺼운 내부공진접촉층을 갖는 장파장 표면방출레이저.
10. 반도체 기판 전면에 첫 번째 브래그(DBR) 거울층을 성장시키는 단계;

    상기 첫 번째 거울층 전체 상에 클래딩/다중양자우물/클래딩으로 구성되는 활성층을 성장시키는 단계;

    상기 활성층 전체 상에 두꺼운 내부공진접촉층을 성장시키는 단계;

    상기 내부공진접촉층 전체 상에 무도핑된 두 번째 브래그 거울층을 성장시키는 단계;

    상기 기판에 첫 번째 소자패턴을 형성한 후 패턴이 있는 부분만 남겨놓고 나머지 부분을 상기 내부공진접촉층의 표면까지 식각해 내어 메사 구조를 형성하는 단계;

    상기 메사구조를 마스크로 사용하여 표면으로부터 강한 에너지의 이온을 주입하여 상기 활성층과 상기 내부공진접촉층의 경계면에 걸쳐 이온주입층을 형성하는 단계;

    열처리하여 이온주입에 의하여 파괴된 내부공진접촉층을 회복하는 단계; 및

    상기 내부공진접촉층 및 상기 두 번째 거울층 상에 전극을 형성하는 단계를 포함하며,

    상기에서, 상기 내부공진접촉층은 열전도도가 상기 두 번째 브래그 거울보다 최소한 5배 이상 크고, 두께가 최소한 활성층 두께의 0.7배 이상인

    두꺼운 내부공진접촉층을 갖는 장파장 표면방출레이저의 제조방법.
11. 제10항에 있어서,

    열방출을 효율적으로 하기 위하여 공기중에 드러난 전극의 두께는 5000Å 이상인 것을 특징으로 하는 두꺼운 내부공진접촉층을 갖는 장파장 표면방출레이저의 제조방법.
12. 제11항에 있어서,

    상기 전극은 금(Au)으로 형성되는 것을 특징으로 하는 두꺼운 내부공진접촉층을 갖는 장파장 표면방출레이저의 제조방법.
13. 제10항에 있어서,

    상기 메사구조를 형성하기 위한 식각은 활성이온식각법 또는 활성이온빔식각법을 사용하여 상기 내부공진접촉층의 표면까지 정밀하게 식각한 후 남아있는 미량의 상기 상부거울층 물질을 제거하기 위하여 상기 내부공진접촉층에 대하여 식각선택성이 있는 용액에 의하여 습식식각을 수행함으로써 달성되는 것을 특징으로 하는 두꺼운 내부공진접촉층을 갖는 장파장 표면방출레이저의 제조방법.
14. 제13항에 있어서,

    상기 두 번째 거울층(상부거울층)이 InAlGaAs 계열이고 상기 내부공진접촉층이 InP인 경우 인산 계열을 상기 습식식각을 위한 식각용액으로 사용하는 것을 특징으로 하는 두꺼운 내부공진접촉층을 갖는 장파장 표면방출레이저의 제조방법.