KR100363165B1 - 마이크로 렌즈 일체형 표면광 레이저 및 그 제조방법 - Google Patents

마이크로 렌즈 일체형 표면광 레이저 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

마이크로 렌즈 일체형 표면광 레이저가 개시되어 있다. 이 개시된 마이크로 렌즈 일체형 표면광 레이저는, 기판과, 이 기판 상에 순차로 적층 형성된 하부반사기층, 활성층 및 상부반사기층과, 상부반사기층 상에 레이저광을 투과시키는 물질로 적층되고 레이저광이 출사되는 윈도우 영역에 확산제어식각에 의해 형성된 마이크로 렌즈 곡면을 구비하는 렌즈층과, 렌즈층 상의 윈도우 영역을 제외한 적어도 일부 영역에 형성된 상부전극과, 기판 하면에 형성된 하부전극;을 포함하여, 윈도우 영역을 통하여 레이저광을 집속시켜 출사시키도록 된 구성을 가진다.
이러한 마이크로 렌즈 일체형 표면광 레이저는 채용하면 종래에서와 같은 표면광 레이저에서 출사된 레이저광과 집속렌즈 사이의 광축 정렬 과정을 생략시킬 수 있으므로, 광축 정렬 구조가 간단하다.

Description

마이크로 렌즈 일체형 표면광 레이저 및 그 제조방법{Vertical cavity surface emitting laser having micro-lens and method for manufacturing thereof}
본 발명은 표면광 레이저 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 레이저광이 출사되는 쪽에 마이크로 렌즈가 일체로 형성되어 레이저광을 집속시켜 출사시키도록 된 마이크로 렌즈 일체형 표면광 레이저 및 그 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 표면광 레이저는 반도체 물질층의 적층 방향으로 광을 출사하기 때문에, 다른 광학소자와의 결합이 용이하고 설치가 쉬울 뿐만 아니라, 이차원 배열을 갖도록 제조가 가능하여, 광통신 및 광신호를 이용한 인터페이스 기술등의 광전송 시스템이나 기록/재생용 광헤드 에서 광원으로 널리 응용될 수 있다.
도 1을 참조하면, 종래의 표면광 레이저는 기판(10)과, 상기 기판(10) 상에 순차로 적층 형성된 하부반사기층(11), 활성층(12), 고저항부(13) 및 상부반사기층(14)과, 상기 상부반사기층(14)상의 광이 출사되는 윈도우(18)를 제외한 영역에 형성된 상부전극(16)과, 상기 기판(10)의 하면에 형성된 하부전극(17)으로 이루어져 있다.
상기 하부반사기층(11) 및 상부반사기층(14)은 굴절율이 서로 다른 화합물 반도체를 교대로 적층하여 형성된 브래그반사기(DBR:Distributed Bragg Reflector)로, 서로 다른 형으로 도핑되어 있다. 즉, 상기 기판(10)은 n형으로 도핑되어 있으며, 상기 하부반사기층(11)은 상기 기판(10)과 같은 형인 n형, 상기 상부반사기층(14)은 p형으로 도핑되어 있다.
상기 고저항부(13)는 상,하부전극(16)(17)을 통해 인가된 전류가 상기 활성층(12)의 중앙부쪽으로 흐르도록 전류의 흐름을 가이드한다.
상기 활성층(12)은 상기 상,하부전극(16)(17)에서 인가된 전류에 의해 상기 상,하부반사기층(14)(11)에서 공급된 정공과 전자의 결합에 의해 광이 발생되는 영역이다.
상기 활성층(12)에서 발생된 광은 상기 상,하부반사기층(14)(11)에서 반복적으로 반사되면서 그 공진 조건에 맞는 파장의 광만이 살아남고, 이 살아남은 광은 상기 윈도우(21)를 통해 출사된다.
상기와 같은 종래의 표면광 레이저에서 상기 윈도우(18)를 통해 출사되는 레이저광은 윈도우(18)의 작은 크기로 인하여 소정의 방사각을 가진다.
따라서, 상기와 같은 표면광 레이저를 예를 들어, 광케이블을 채용한 광전송 시스템의 광원으로 사용할 때, 표면광 레이저에서 출력된 광을 광케이블로 효율적으로 광커플링시키기 위해, 표면광 레이저와 광케이블의 입력단 사이에 표면광 레이저에서 출력되는 발산광을 집속광으로 바꾸어주는 집속렌즈를 필수적으로 구비해야 한다.
또 다른 예로서, 상기와 같은 종래의 표면광 레이저는 광디스크와 같은 기록매체의 정보를 비접촉식으로 기록재생하는 광기록재생장치용 광헤드의 광원으로 채용할 수도 있는데, 이 경우에도 표면광 레이저에서 출사된 발산광을 집속시키기 위한 집속렌즈의 채용이 필수적이다.
즉, 상기와 같은 종래의 표면광 레이저는 윈도우를 통하여 발산광을 출력시키기 때문에, 광학 시스템을 구성하기 위해서는 표면광 레이저와 다른 광학소자와의 광커플링 효율을 높이도록 별도의 집속렌즈를 필수적으로 채용해야 한다.
따라서, 상기 표면광 레이저에서 출사된 레이저광의 중심축과 상기 집속렌즈를 광축 정렬시켜야 하므로, 광축 정렬 구조가 복잡한 단점이 있다.
본 발명은 상기한 바와 같은 점을 감안하여 안출된 것으로, 레이저광이 출력되는 쪽에 마이크로 렌즈가 일체로 형성되어 출사된 레이저광과 집속렌즈와의 광축 정렬 과정을 생략시킬 수 있도록 된 마이크로 렌즈 일체형 표면광 레이저 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
도 1은 종래의 표면광 레이저의 일예를 개략적으로 보인 도면,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 렌즈 일체형 표면광 레이저를 개략적으로 보인 도면,
도 3은 도 2의 렌즈층상에 식각마스크가 형성된 상태를 보인 사시도,
도 4는 도 3의 식각마스크에 형성된 개구에 노출된 렌즈층 부분이 식각제에 의해 마이크로 렌즈 곡면으로 식각되는 상태를 보인 단면도,
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 마이크로 렌즈 일체형 표면광 레이저를 개략적으로 보인 도면.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
100,200...기판 110,210...하부반사기층
120...활성층 140,240...상부반사기층
150...렌즈층 155,205...마이크로 렌즈
160,260...상부전극 170,270...하부전극
180,280...윈도우 190...식각마스크
191...개구 195...브롬
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 마이크로 렌즈 일체형 표면광 레이저는, 기판과; 상기 기판 상에 고 반사율을 갖도록 적층 형성된 하부반사기층과; 상기 하부반사기층 상에 형성되어 전자와 정공의 재결합으로 광을 생성하는 활성층과; 상기 활성층 상에 상기 하부반사기층보다 낮은 반사율을 갖도록 적층 형성된 상부반사기층과; 상기 상부반사기층 상에 레이저광을 투과시키는 물질로 적층되고, 레이저광이 출사되는 윈도우 영역에 확산제어식각에 의해 형성된 마이크로 렌즈 곡면을 구비하는 렌즈층과; 상기 렌즈층 상의 윈도우 영역을 제외한 적어도 일부 영역에 형성된 상부전극과; 상기 기판 하면에 형성된 하부전극;을 포함하여, 상기 윈도우 영역을 통하여 레이저광을 집속시켜 출사시키도록 된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 마이크로 렌즈 일체형 표면광 레이저는, 레이저광을 투과시키는 물질로 이루어지고, 레이저광이 출사되는 윈도우 영역에 확산제어식각에 의해 형성된 마이크로 렌즈 곡면을 구비하는 기판과; 낮은 반사율을 갖도록 형성된 하부반사기층과; 상기 하부반사기층 상에 형성되어 전자와 정공의 재결합으로 광을 생성하는 활성층과; 상기 활성층 상에 상기 하부반사기층보다 높은 반사율을 갖도록 형성된 상부반사기층과; 상기 상부반사기층 상에 형성된 상부전극과; 상기 기판 하면의 레이저광이 출사되는 윈도우 영역을 제외한 적어도 일부 영역에 형성된 하부전극;을 포함하여, 상기 윈도우 영역을 통하여 레이저광을 집속시켜 출사시키도록 된 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 렌즈층 또는 기판은 상기 레이저광 파장보다 밴드갭이 커서 그 레이저광을 흡수하지 않도록, 인듐 포스파이드, 갈륨 아세나이드, 인듐 아세나이드, 갈륨 포스파이드, 인듐 갈륨 포스파이드, 인듐 갈륨 아세나이드, 알루미늄 갈륨 아세나이드를 포함하는 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체나 실리콘으로 이루어진 반도체 군으로부터 선택된 어느 하나 이상의 물질로 이루어진다.
또한, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 마이크로 렌즈 일체형 표면광 레이저 제조방법은, 기판을 준비하는 단계와; 상기 기판상에 고 반사율을 갖도록 하부반사기층을 적층 형성하는 단계와; 상기 하부반사기층 상에 전자와 정공의 재결합으로 광을 생성하는 활성층을 적층하는 단계와; 상기 활성층 상에 상기 하부반사기층보다 낮은 반사율을 갖도록 상부반사기층을 적층 형성하는 단계와; 상기 상부반사기층 상에 레이저광을 투과시키는 물질로 렌즈층을 적층하는 단계와; 상기 렌즈층 상에 마이크로 렌즈가 제조될 윈도우 영역이 개구된 식각마스크를 형성하는 단계와; 상기 렌즈층 물질에 대해 확산제어식각을 일으키는 화학식각액을 준비하는 단계와; 상기 화학식각액에 담가 상기 개구에 노출된 렌즈층 부분을 식각제의 확산에 의해 볼록한 형상으로 식각하여 마이크로 렌즈 곡면을 형성시키는 단계와; 상기 식각 마스크를 제거시키는 단계와; 식각 마스크가 제거된 상기 렌즈층상의 윈도우 영역을 제외한 적어도 일부 영역 및 상기 기판 하면에 각각 상부전극 및 하부전극을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 마이크로 렌즈 일체형 표면광 레이저 제조방법은, 레이저광을 투과시키는 물질로 이루어진 기판을 준비하는 단계와; 상기 기판 상에 낮은 반사율을 갖는 하부반사기층을 적층 형성하는 단계와; 상기 하부반사기층 상에 전자와 정공의 재결합으로 광을 생성하는 활성층을 적층하는 단계와; 상기 활성층 상에 상기 하부반사기층보다 고 반사율을 갖는 상부반사기층을 형성하는 단계와; 상기 기판 하면에 레이저광이 출사되는 윈도우 영역이 개구된 식각마스크를 형성하는 단계와; 상기 기판 물질에 대해 확산제어식각을 일으키는 화학식각액을 준비하는 단계와; 상기 화학식각액에 담가 상기 개구에 노출된 기판 부분을 식각제의 확산에 의해 볼록한 형상으로 식각하여 마이크로 렌즈 곡면을 형성시키는 단계와; 상기 식각마스크를 제거시키는 단계와; 상기 상부반사기층 상면 및 식각 마스크가 제거된 상기 기판 하면의 윈도우 영역을 제외한 적어도 일부 영역에 각각 상부전극 및 하부전극을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 화학식각액은, 브롬을 용매에 희석한 용액, 브롬화수소용액과 용매와 과산화수소수의 혼합용액, 브롬화수소용액과 용매와 산의 혼합 용액으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나인 것이 바람직하다.
이때, 상기 용매는 증류수 또는 그 화학식각액에 포함된 식각제의 확산을 보다 지연시키도록 물보다 점도가 높은 글리세린과 같은 용액이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하면서 본 발명에 따른 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 렌즈 일체형 표면광 레이저를 개략적으로 보인 도면이다.
도면을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 렌즈 일체형 표면광 레이저는, 기판(100)과, 기판(100) 하면에 형성된 하부전극(170)과, 기판(100) 상에 순차로 적층 형성된 하부반사기층(110), 활성층(120) 및 상부반사기층(140)과, 상부반사기층(140) 상에 형성된 렌즈층(150)과, 렌즈층(150)상의 레이저광이 출사되는 윈도우(180)를 제외한 영역에 형성된 상부전극(160)을 포함하여 구성된다.
상기 기판(100)은 예컨대, n형으로 도핑된 GaAs, AlGaAs, InAs, InP, GaP, InGaP, InGaAs 또는 GaP 등의 반도체 물질로 되어 있다.
상기 하부반사기층(110)과 상부반사기층(140)은 예를 들어, 굴절율이 서로 다른 반도체 화합물을 교대로 적층하여 형성되며, 서로 다른 형의 불순물로 도핑되어 있다. 이때, 도 2에 도시된 바와 같이 발생된 레이저광이 대부분상부반사기층(140)을 통하여 출사되는 구조의 경우, 상부반사기층(140)은 상대적으로 낮은 반사율을 갖고, 하부반사기층(110)은 상부반사기층(140)보다 고 반사율을 갖도록 형성된다. 이러한 반사율은 반도체 화합물의 적층수에 따라 달라지므로, 상기 상부반사기층(140)이 하부반사기층(110)보다 작은 적층수를 갖도록 형성하면 상부반사기층(140)의 반사율을 하부반사기층(110)보다 작게 할 수 있다. 여기서, 상기 기판(100)이 n형인 경우, 하부반사기층(110)은 상기 기판(100)과 같은 형인 n형, 상부반사기층(140)은 p형 불순물로 각각 도핑된다.
상기 상부반사기층(140)과 하부반사기층(110)은 상,하부전극(160)(170)을 통해 인가된 전류에 의하여 전자와 정공의 흐름을 유도하며, 활성층(120)에서 발생된 광을 반사시켜 그 공진조건에 맞는 광만이 상기 상부반사기층(140)을 통하여 출사되도록 한다.
상기 활성층(120)은 상기 상,하부반사기층(140)(110)에서 제공된 정공과 전자의 재결합으로 인한 에너지 천이에 의하여 광을 생성하는 영역으로 단일 또는 다중 양자-우물 구조, 초격자(super lattice) 구조 등을 가진다. 여기서, 상기 활성층(120)은 표면광 레이저의 출사 파장에 따라 예컨대, GaAs, AlGaAs, InGaAs, InGaP 및/또는 AlGaAsP 등으로 이루어진다.
상기 활성층(120)과 상부반사기층(140) 사이에는 상기 상부전극(160)을 통해 인가된 전류 흐름을 가이드하여 그 전류가 활성층(120)의 중앙부로 흐르도록 안내하는 고저항부(130)가 더 형성된 것이 바람직하다. 도 2는 상기 고저항부(130)가 양성자와 같은 이온을 주입하여 형성된 예를 도시한 것이다. 이 고저항부(130)는예비산화층(미도시)을 적층하고, 이 예비산화층을 산화분위기에 노출시켜 그 외측부로부터 산화된 산화 절연막 즉, 고저항영역을 형성하는 선택적 산화법에 의해 형성할 수도 있다.
상기 렌즈층(150)은 상부반사기층(140) 상에 소정 두께 예컨대, 수 μm 두께로 적층하여 형성된다. 이 렌즈층(150)은 상부반사기층(140)을 이루는 물질과 격자 정합(lattice matching)되는 동시에, 그 상부반사기층(140)을 투과하여 출사되는 레이저광을 흡수하지 않고 투과시키도록 표면광 레이저에서 발진된 파장보다 상대적으로 밴드갭이 큰 물질로 이루어진 것이 바람직하다.
예를 들어, 표면광 레이저가 대략 500 nm 내지 900nm 사이에 있는 파장대역의 레이저광을 출사하도록 된 경우, 상기 렌즈층(150)은 인듐 갈륨 포스파이드(InGaP)로 형성된다. 물론, 출사 레이저광 파장 예컨대, 850nm, 780nm, 660nm에 따라, 인듐과 갈륨의 조성비는 바뀐다.
다른 예로서, 표면광 레이저가 대략 980 nm 파장대역의 레이저광을 출사하도록 된 경우, 상기 렌즈층(150)은 갈륨 아세나이드(GaAs)로 형성된다.
이외에도, 표면광 레이저의 출사 레이저광 파장에 따라, 상기 렌즈층(150)은 인듐 포스파이드(InP), 갈륨 아세나이드(GaAs), 인듐 아세나이드(InAs), 갈륨 포스파이드(GaP), 인듐 갈륨 포스파이드(InGaP), 인듐 갈륨 아세나이드(InGaAs)를 포함하는 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체나 실리콘 중에서 선택된 적어도 하나 이상의 물질로 형성될 수 있다.
상기와 같은 렌즈층(150)의 레이저광이 출사되는 윈도우(180) 영역 쪽에는마이크로 렌즈(155) 곡면이 형성되어 있다. 그러므로, 출사되는 레이저광은 상기 렌즈층(150)을 경유하면서 그 마이크로 렌즈(155)에 의해 집속된 다음 윈도우(180)를 통해 출사된다.
이때, 상기 마이크로 렌즈(155)의 곡률 및/또는 렌즈층(150)의 두께에 따라 본 발명에 따른 표면광 레이저에서는 요구되는 초점거리를 갖는 집속광이 출사된다.
상기 상부전극(160)은 상기 렌즈층(150) 상의 레이저빔이 출사되는 윈도우(180)를 제외한 영역에 형성된다. 그리고, 상기 하부전극(170)은 상기 기판(100)의 하면에 형성된다.
상기와 같은 본 발명의 일 실시예에 따른 표면광 레이저에서는, 상,하부전극(160)(170)을 통해 순방향 바이어스가 인가되면, 전류가 상기 고저항부(130)에 의해 가이드되어 활성층(120)의 중앙부를 통하여 흐르고, 상,하부반사기층(140)(110)에서 발생된 전자와 정공이 활성층(120)에서 재결합하여 광이 발생된다. 이 발생된 광 중 상,하부반사기층(140)(110) 사이를 오가면서 그 공진조건에 맞는 특정 파장의 광(결과적으로 출사되는 레이저광)만이 살아남아 증폭되고, 상부반사기층(140)을 투과한다. 이 투과광은 렌즈층(150)을 투과하면서 마이크로 렌즈(155)에 의해 집속되어 집속광으로 바뀌어 출사된다.
따라서, 본 발명에 따른 표면광 레이저를 채용하면, 종래와는 달리 표면광 레이저에서 출사된 레이저광과 집속렌즈를 광축 정렬시키는 과정을 생략시킬 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 표면광 레이저를 광전송 시스템이나 기록재생장치용 광헤드 등과 같은 광학 시스템에 채용하는 경우, 그 표면광 레이저로부터 출사된 광은 다른 광학소자와 효율적으로 광커플링된다. 여기서, 상기 광전송 시스템은 광케이블을 채용한 광통신 및 광신호를 이용한 인터페이스 기술 등이 될 수 있다.
더욱이, 본 발명에 따른 표면광 레이저를 자유공간을 통해 광신호를 송수신하도록 된 광신호를 이용한 인터페이스에 채용하는 경우, 별도의 집속렌즈 없이도, 광송수신부사이의 거리 배치의 자유도가 증가되며, 보다 작은 수광면적을 갖는 광검출소자를 사용할 수 있어서, 고속의 광신호 송수신이 가능할 뿐만 아니라 표면광 레이저 및/또는 광검출소자를 보다 컴팩트하게 어레이로 배치할 수 있는 이점이 있다.
이하, 도 2 내지 도 4를 참조하면서, 본 발명의 일 실시예에 따른 표면광 레이저의 제조방법을 설명한다.
먼저, 기판(100)을 준비하고, 이 기판(100) 상에 순차로 상대적으로 큰 반사율을 갖도록 된 하부반사기층(110), 전자와 정공의 결합으로 광이 생성되는 활성층(120), 상기 하부반사기층(110)보다 상대적으로 작은 반사율을 갖도록 된 상부반사기층(140) 및 레이저광을 흡수하지 않는 물질이 예컨대, 수 μm 두께로 적층된 렌즈층(150)을 적층 형성하여 본 발명의 일 실시예에 따른 표면광 레이저의 기본 구조를 제조한다.
그런 다음, 도 3에 도시된 바와 같이 상기 렌즈층(150) 상면에 마이크로 렌즈(155)를 형성할 부분에 개구(191)가 형성된 식각마스크(190)를 형성한다. 여기서, 도 3 및 도 4는 렌즈층(150) 이하의 도시를 생략하였다.
상기 식각마스크(190)는 상기 렌즈층(150) 상면에 식각마스크층을 형성하고, 상기 렌즈층(150)의 윈도우(180) 영역이 개구되도록 상기 식각마스크층의 일부분을 식각하여 형성된다.
예를 들면, 렌즈층(150) 상에 플라즈마 향상 화학기상증착법(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)에 의해 실리콘 질화막(Si3N4)이나 실리콘 산화막(SiO2)과 같은 절연막을 소정 두께 예컨대, 100 nm 두께로 증착하여 식각마스크층을 형성한다. 그런 다음, 상기 절연막 위에 포토 레지스트막을 도포하고 포토 리소그래피 공정을 이용하여 마이크로 렌즈(155)가 형성될 부분만을 개구시킨다. 이후, 반응성 이온식각(Reactive Ion Etching;RIE)공정을 이용하여 노출된 절연막을 식각하고, 포토 레지스트막을 제거하면 상기 절연막이 식각된 영역에 개구(191)가 형성된 식각마스크(190)가 얻어진다.
여기서, 상기 식각마스크(190) 물질로 포토 레지스트를 직접 사용할 수도 있으나, 후속되는 습식 식각 공정에서 식각조의 오염을 방지하기 위해 상기와 같이 절연막을 이용하여 식각마스크(190)를 형성하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 식각마스크(190)는 금속 물질로 형성될 수도 있다.
한편, 상기 개구(191)의 직경은 형성하고자 하는 마이크로 렌즈(155)의 크기에 맞게 대략 수에서 수백 μm 정도가 된다. 도 4에서는 원형의 마이크로 렌즈(155)를 제작하도록 개구(191)의 형상을 원형으로 형성한 예를 도시하였으며, 개구(191)의 형상은 형성하고자하는 마이크로 렌즈(155)의 형상, 더 나아가윈도우(180)의 형상에 맞게 달라진다. 여기서, 본 발명의 마이크로 렌즈 일체형 표면광 레이저를 어레이로 제작하는 경우에는, 상기 개구(191)의 개수를 표면광 레이저 어레이 배치에 맞게 다수개 형성하면 된다.
다음으로, 상기 렌즈층(150) 물질에 대해 확산제어식각을 일으키는 식각제가 적절한 농도로 포함된 화학식각액을 준비한다. 여기서, 상기 식각제로는 브롬(Br2)을 사용할 수 있으며, 이 경우 확산제어식각은 브롬(Br2)의 확산에 의해 행해진다.
상기 화학식각액을 희석하기 위한 용매로 증류수(Deionized Water)를 사용하는 경우, 사용 가능한 화학식각액으로는 브롬(Br2)을 증류수에 희석한 용액, 브롬화수소용액과 증류수와 과산화수소수(H2O2)의 혼합 용액, 브롬화수소용액과 증류수와 산(acid) 예컨대, 질산(HNO3)의 혼합 용액 등이 있다. 상기 브롬화수소용액은 브롬화수소 수용액(HBr·H2O)을 나타낸다. 여기서, 상기 브롬화수소용액은 브롬화수소를 또 다른 용매에 녹인 용액일 수도 있다.
이때, 브롬화수소용액과 과산화수소수나 산(acid) 등의 반응 용액을 반응시켜 브롬(Br2)이 포함된 화학식각액을 만드는 경우, 브롬화수소용액과 반응 용액 사이의 반응이 적정 속도로 일어날 수 있도록, 브롬화수소용액을 먼저 증류수 등의 용매로 희석한 다음 상기 반응 용액과 섞는 것이 바람직하다.
예를 들어, 화학식각액은 용매인 증류수 200ml에 20ml의 브롬화수소용액(HBr·H2O:농도가 대략 48% ~ 50%임)을 희석시킨후, 10ml의 과산화수소수(농도가 대략34.02%이상임)를 섞어 10분간 반응시킨 다음, 다시 400ml의 증류수를 섞어서 만들수도 있다.
한편, 본 발명의 기본적 원리는 식각제의 확산에 기초한 것이기 때문에 화학식각액 내에 포함된 식각제의 확산을 보다 지연시켜 공정을 보다 용이하게 제어할 수 있도록, 용매로서 상기한 증류수 대신에 물보다 점도가 높은 용매 예컨대, 글리세린등을 혼합하는 것도 가능하다.
이 경우, 사용 가능한 화학식각액은, 브롬과 글리세린의 혼합용액, 브롬화수소용액과 글리세린과 과산화수소수의 혼합용액, 브롬화수소용액과 글리세린과 산(acid)의 혼합용액 등이다.
상기와 같이 화학식각액이 준비되면, 준비된 화학식각액에 식각마스크(190)가 형성된 렌즈층(150)을 소정 시간 예컨대, 수분 내지 수십분동안 담그면, 화학식각액에 포함된 식각제 예컨대, 브롬의 확산에 따른 공간적 식각속도의 차이에 의해 도 4에 도시된 바와 같이, 렌즈층(150)의 개구(171)에 노출된 부분이 식각되어 볼록한 형상의 마이크로 렌즈(155)가 형성된다.
즉, 식각마스크(190) 상에서 식각할 물질이 없어서 떠돌던 브롬들(195)이 확산 과정을 통해 개구(191)까지 이동하여, 노출된 렌즈층(150) 표면을 식각하게 된다. 이때, 브롬(195)이 개구(191)의 중심부에 도달하기 전에 개구(191)의 가장자리에서 먼저 렌즈층(150) 표면을 만나 식각과정을 통해 소모될 확률이 개구(191)의 중심부까지 확산되어 와서 식각에 의해 소모될 확률보다 높기 때문에, 결과적으로 개구(191)의 가장자리가 중심부보다 더 깊게 식각된다. 다시 말해, d 방향을 따라개구(191)의 가장자리에서 중심부로 갈수록 점차 식각 깊이가 줄어들게 되며 이에 따라 노출된 렌즈층(150) 표면은 마이크로 렌즈 곡면 형태로 식각되게 된다. 따라서, 상기 화학식각액의 농도와 반응시간 즉, 담근 시간을 적절히 설정하면 원하는 곡률의 마이크로 렌즈(155)를 얻을 수 있다.
여기서, 브롬에 대한 용매로 증류수 대신 물보다 점도가 큰 용매 예컨대, 글리세린 등을 사용하면, 상기한 식각과정에서 식각제인 브롬의 확산속도를 보다 용이하게 제어할 수 있다.
상기와 같은 식각 과정동안 화학식각액은 저어줄 필요가 없으며, 상기 렌즈층(150)을 담근 상태로 고정하여 반응시킨다.
상기와 같이 화학식각액을 이용하여 원하는 곡률의 마이크로 렌즈(155)를 형성한 다음, 반응성 이온 식각(Reactive Ion Etching;RIE) 공정 등을 이용하여 상기 식각마스크(190)를 제거한다.
그런 다음, 식각마스크(190)가 제거된 상기 렌즈층(150) 상의 윈도우(180) 영역 즉, 마이크로 렌즈(155) 영역을 제외한 적어도 일부 영역에 상부전극(160)을 형성하고, 상기 기판(100)의 하면에 하부전극(170)을 형성하면, 마이크로 렌즈가 일체로 된 본 발명의 일 실시예에 따른 표면광 레이저의 제조가 완료된다.
여기서, 상기 식각마스크(190)가 금속 물질로 된 경우, 이 식각마스크(190)는 제거되지 않고, 상부전극(160) 형성을 위한 기저층 또는 상부전극(160)으로 사용될 수도 있다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 마이크로 렌즈 일체형 표면광 레이저를 개략적으로 보인 도면이다. 여기서, 도 2와 동일 참조부호는 동일 또는 유사한 기능을 하는 부재를 나타낸다.
도면을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 마이크로 렌즈 일체형 표면광 레이저는, 기판(200)과, 상기 기판(200) 상에 순차로 적층 형성된 하부반사기층(210), 활성층(120) 및 상부반사기층(240)과, 상기 상부반사기층(240) 상에 형성된 상부전극(250)과, 상기 기판(200) 하면의 레이저광이 출사되는 윈도우(280) 영역을 제외한 적어도 일부 영역에 형성된 하부전극(270)을 포함하여 구성되며, 상기 기판(200)쪽으로 레이저광을 출사하도록 마련된 점에 그 특징이 있다.
즉, 상기 하부반사기층(210)은 상부반사기층(240)보다 작은 반사율을 갖도록 마련되어 있다. 예를 들어, 상기 하부반사기층(210)이 상부반사기층(240)보다 작은 적층수를 가지면, 이 하부반사기층(210)의 반사율이 상부반사기층(240)보다 상대적으로 작아진다. 따라서, 대부분의 레이저광은 하부반사기층(210)을 통하여 출사된다. 여기서, 상기 상,하부반사기층(240)(210)의 물질 및 적층 구조 등은 도 2를 참조로 설명한 본 발명의 일 실시예에서의 상,하부반사기층(140)(110)에서 설명한 바와 같으므로 그 자세한 설명은 생략한다.
상기 기판(200)은 하부반사기층(210)쪽에서 입사되는 광을 투과시키도록 본 발명의 일 실시예에서 설명된 렌즈층(도 2의 150)과 마찬가지로, 발생된 레이저광 파장보다 밴드갭이 상기 레이저광을 거의 흡수하지 않는 물질로 이루어진 것이 바람직하다. 예를 들어, 표면광 레이저가 980nm 파장대역의 레이저광을 출사시키도록된 경우, 상기 기판(200)은 GaAs로 이루어진다.
그리고, 상기 기판(200) 하면의 레이저광이 출사되는 윈도우(280) 영역에는 마이크로 렌즈(205)가 형성되어 있다. 이때, 상기 기판(200)에 확산제어식각에 의해 마이크로 렌즈(205)를 형성하는 원리는 본 발명의 일 실시예에서 설명한 바와 같다.
상기와 같은 본 발명의 다른 실시예에 따른 마이크로 렌즈 일체형 표면광 레이저에서는, 상,하부전극(260)(270)을 통해 순방향 바이어스가 인가되면, 전류는 고저항부(130)에 의해 가이드되어 활성층(120)의 중앙부를 통하여 흐르고, 상,하부반사기층(240)(210)에서 발생된 전자와 정공이 이 활성층(120)에서 재결합하여 광이 발생된다. 이 광 중 상,하부반사기층(240)(210) 사이를 오가면서 그 공진조건에 맞는 특정 파장의 레이저광만이 살아남아 증폭되고, 하부반사기층(210)을 투과한다. 이 투과광은 기판(200)을 투과하고 그 마이크로 렌즈(205) 곡면에서 집속광으로 바뀌어 출사된다.
상기와 같은 본 발명의 다른 실시예에 따른 표면광 레이저를 제조하기 위해서는, 먼저, 원하는 파장대역의 레이저광을 흡수하지 않는 물질로 된 기판(200)을 준비하고, 이 기판(200) 상에 순차로 상대적으로 작은 반사율을 갖도록 된 하부반사기층(210), 활성층(120), 상기 하부반사기층(210)보다 상대적으로 큰 반사율을 갖도록 된 상부반사기층(240)을 적층 형성하여, 원하는 파장대역의 레이저광을 발생시키는 본 발명의 다른 실시예에 따른 표면광 레이저의 기본 구조를 제조한다.
그런 다음, 본 발명의 일 실시예에서 설명한 마이크로 렌즈 제조 공정을 적용하여 기판(200) 하면의 윈도우(280) 영역에 해당하는 기판(200) 부분을 식각제의 확산에 의해 볼록한 형상으로 식각하여 기판(200)에 마이크로 렌즈(205)를 제조한다.
이후, 상기 상부반사기층(240) 상면에 상부전극(260)을 형성하고, 상기 기판(200) 하면의 윈도우(280) 영역 즉, 마이크로 렌즈(205) 영역을 제외한 적어도 일부 영역에 하부전극(270)을 형성하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 표면광 레이저의 제조가 완료된다.
상기한 바와 같은 본 발명에 따른 표면광 레이저는, 레이저광이 출력되는 쪽에 일체로 마이크로 렌즈가 형성되어 있으므로, 종래에서와는 달리 표면광 레이저에서 출사된 레이저광과 집속렌즈 사이의 광축 정렬 과정을 생략시킬 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 표면광 레이저를 채용한 광전송 시스템, 기록재생장치용 광헤드 등의 광학 시스템에 채용시 광축 정렬 구조가 간단하여, 광학 시스템 구축 비용을 절감할 수 있다.

Claims (14)

  1. 기판과;
    상기 기판 상에 고 반사율을 갖도록 적층 형성된 하부반사기층과;
    상기 하부반사기층 상에 형성되어 전자와 정공의 재결합으로 광을 생성하는 활성층과;
    상기 활성층 상에 상기 하부반사기층보다 낮은 반사율을 갖도록 적층 형성된 상부반사기층과;
    상기 상부반사기층 상에 레이저광을 투과시키는 물질로 적층되고, 레이저광이 출사되는 윈도우 영역에 확산제어식각에 의해 형성된 마이크로 렌즈 곡면을 구비하는 렌즈층과;
    상기 렌즈층 상의 윈도우 영역을 제외한 적어도 일부 영역에 형성된 상부전극과;
    상기 기판 하면에 형성된 하부전극;을 포함하여, 상기 윈도우 영역을 통하여 레이저광을 집속시켜 출사시키도록 된 것을 특징으로 하는 마이크로 렌즈 일체형 표면광 레이저.
  2. 제1항에 있어서, 상기 렌즈층은, 상기 레이저광파장보다 밴드갭이 커서 그 레이저광을 흡수하지 않도록, 인듐 포스파이드, 갈륨 아세나이드, 인듐 아세나이드, 갈륨 포스파이드, 인듐 갈륨 포스파이드, 인듐 갈륨 아세나이드, 알루미늄 갈륨 아세나이드를 포함하는 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체나 실리콘으로 이루어진 반도체 군으로부터 선택된 어느 하나 이상의 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 마이크로 렌즈 일체형 표면광 레이저.
  3. 레이저광을 투과시키는 물질로 이루어지고, 레이저광이 출사되는 윈도우 영역에 확산제어식각에 의해 형성된 마이크로 렌즈 곡면을 구비하는 기판과;
    낮은 반사율을 갖도록 형성된 하부반사기층과;
    상기 하부반사기층 상에 형성되어 전자와 정공의 재결합으로 광을 생성하는 활성층과;
    상기 활성층 상에 상기 하부반사기층보다 높은 반사율을 갖도록 형성된 상부반사기층과;
    상기 상부반사기층 상에 형성된 상부전극과;
    상기 기판 하면의 레이저광이 출사되는 윈도우 영역을 제외한 적어도 일부 영역에 형성된 하부전극;을 포함하여, 상기 윈도우 영역을 통하여 레이저광을 집속시켜 출사시키도록 된 것을 특징으로 마이크로 렌즈 일체형 표면광 레이저.
  4. 제3항에 있어서, 상기 기판은, 상기 레이저광파장보다 밴드갭이 커서 그 레이저광을 흡수하지 않도록, 인듐 포스파이드, 갈륨 아세나이드, 인듐 아세나이드, 갈륨 포스파이드, 인듐 갈륨 포스파이드, 인듐 갈륨 아세나이드, 알루미늄 갈륨 아세나이드를 포함하는 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체나 실리콘으로 이루어진 반도체 군으로부터 선택된 어느 하나 이상의 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 마이크로 렌즈 일체형 표면광 레이저.
  5. 기판을 준비하는 단계와;
    상기 기판상에 고 반사율을 갖도록 하부반사기층을 적층 형성하는 단계와;
    상기 하부반사기층 상에 전자와 정공의 재결합으로 광을 생성하는 활성층을 적층하는 단계와;
    상기 활성층 상에 상기 하부반사기층보다 낮은 반사율을 갖도록 상부반사기층을 적층 형성하는 단계와;
    상기 상부반사기층 상에 레이저광을 투과시키는 물질로 렌즈층을 적층하는 단계와;
    상기 렌즈층 상에 마이크로 렌즈가 제조될 윈도우 영역이 개구된 식각마스크를 형성하는 단계와;
    상기 렌즈층을 이루는 물질에 대해 확산제어식각을 일으키는 화학식각액을 준비하는 단계와;
    화학식각액에 담가 상기 개구에 노출된 렌즈층 부분을 식각제의 확산에 의해 볼록한 형상으로 식각하여 마이크로 렌즈 곡면을 형성시키는 단계와;
    상기 식각 마스크를 제거시키는 단계와;
    식각 마스크가 제거된 상기 렌즈층상의 윈도우 영역을 제외한 적어도 일부 영역 및 상기 기판 하면에 각각 상부전극 및 하부전극을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 렌즈 일체형 표면광 레이저 제조방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 확산제어식각은 브롬의 확산에 의해 행해지는 것을 특징으로 하는 마이크로 렌즈 일체형 표면광 레이저 제조방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 화학식각액은,
    브롬을 증류수에 희석한 용액, 브롬화수소용액과 증류수와 과산화수소수의 혼합 용액, 브롬화수소용액과 증류수와 산(acid)의 혼합 용액으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 마이크로 렌즈 일체형 표면광 레이저 제조방법.
  8. 제5항에 있어서, 상기 화학식각액은,
    그 화학식각액 내에 포함된 식각제의 확산을 지연시키도록 물보다 점도가 높은 용매를 혼합하여 된 것을 특징으로 하는 마이크로 렌즈 일체형 표면광 레이저 제조방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 화학식각액은,
    브롬과 글리세린의 혼합용액, 브롬화수소용액과 글리세린과 과산화수소수의 혼합용액, 브롬화수소용액과 글리세린과 산(acid)의 혼합용액으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 마이크로 렌즈 일체형 표면광 레이저 제조방법.
  10. 레이저광을 투과시키는 물질로 이루어진 기판을 준비하는 단계와;
    상기 기판 상에 낮은 반사율을 갖는 하부반사기층을 적층 형성하는 단계와;
    상기 하부반사기층 상에 전자와 정공의 재결합으로 광을 생성하는 활성층을 적층하는 단계와;
    상기 활성층 상에 상기 하부반사기층보다 고 반사율을 갖는 상부반사기층을 형성하는 단계와;
    상기 기판 하면에 레이저광이 출사되는 윈도우 영역이 개구된 식각마스크를 형성하는 단계와;
    상기 기판 물질에 대해 확산제어식각을 일으키는 화학식각액을 준비하는 단계와;
    상기 화학식각액에 담가 상기 개구에 노출된 기판 부분을 식각제의 확산에 의해 볼록한 형상으로 식각하여 마이크로 렌즈 곡면을 형성시키는 단계와;
    상기 식각마스크를 제거시키는 단계와;
    상기 상부반사기층 상면 및 식각 마스크가 제거된 상기 기판 하면의 윈도우 영역을 제외한 적어도 일부 영역에 각각 상부전극 및 하부전극을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 렌즈 일체형 표면광 레이저 제조방법.
  11. 제10항에 있어서, 상기 확산제어식각은 브롬의 확산에 의해 행해지는 것을 특징으로 하는 마이크로 렌즈 일체형 표면광 레이저 제조방법.
  12. 제11항에 있어서, 상기 화학식각액은,
    브롬을 증류수에 희석한 용액, 브롬화수소용액과 증류수와 과산화수소수의혼합 용액, 브롬화수소용액과 증류수와 산(acid)의 혼합 용액으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 마이크로 렌즈 일체형 표면광 레이저 제조방법.
  13. 제10항에 있어서, 상기 화학식각액은,
    그 화학식각액 내에 포함된 식각제의 확산을 지연시키도록 물보다 점도가 높은 용매를 혼합하여 된 것을 특징으로 하는 마이크로 렌즈 일체형 표면광 레이저 제조방법.
  14. 제13항에 있어서, 상기 화학식각액은,
    브롬과 글리세린의 혼합용액, 브롬화수소용액과 글리세린과 과산화수소수의 혼합용액, 브롬화수소용액과 글리세린과 산(acid)의 혼합용액으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 마이크로 렌즈 일체형 표면광 레이저 제조방법.
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