KR100363249B1

KR100363249B1 - 수직 공진기 면발광 레이저 다이오드

Info

Publication number: KR100363249B1
Application number: KR1019950042611A
Authority: KR
Inventors: 김택
Original assignee: 삼성전자 주식회사
Priority date: 1995-11-21
Filing date: 1995-11-21
Publication date: 2003-02-11
Also published as: KR970031124A

Abstract

본 발명은 수직 공진기 면발광 레이저 다이오드(vertical cavity surface emitting laser diode; VCSEL)에 관하여 개시한 것으로서, 본 발명에 따른 수직 공진기 면발광 레이저 다이오드는 광 발진을 위한 레이저 발진층의 상, 하부에 미러층(BBR층)을 형성하고, 상부 미러층의 양측 가장자리에 각각 H⁺를 선택적으로 주입하여 전류통로를 형성한 구조에 있어서, 상부 미러층의 빛이 방출되는 윈도우를 포함하여 상면 전체에 걸쳐 투명 전도성 상부 전극을 증착하고, 상부 전극의 상면에 통전을 용이하게 하기 위한 투명 전도성 산화막을 형성하며, 상부 미러층과 상부 전극 사이에는 전류차단을 위한 자연산화막을 형성하여 된 구조를 이루도록 함으로써 광출력 손실을 감소시켜 모우드 특성 향상의 효과를 얻을 수 있도록 한 것이다.

Description

수직 공진기 면발광 레이저 다이오드

본 발명은 수직 공진기 면발광 레이저 다이오드(vertical cavity surface emitting laser diode: VCSEL)에 관한 것으로, 특히 기판보다 밴드갭 에너지가 큰 물질을 레이저 발진층으로 형성하여 에피택시 방향으로 빛이 방사되도록 함으로써 모드 특성을 향상시킨 수직 공진기면발광 레이저 다이오드 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

종래의 모서리 발광 레이저 다이오드는 소자의 적충면과 평행방향의 공진 구조를 가지고 적층면과 평행한 방향으로 레이저 빔을 발진시키는데, 이와는 달리 수직 공진기형 면발광 레이저 다이오드는 소자의 적층면에 수직인 공진 구조를 가지고 소자의 적층면의 수직방향으로 레이저 빔을 발진한다. 또한, 면발광 레이저 다이오드(VCSEL)는 모서리 발광 레이저 다이오드(edge emitting laser diode)에 비해 구동 전류값이 낮고, 안정된 기본 횡모드 동작을 하며, 발진 빔의 발산(beam divergence)이 작아서 광통신이나 광정보기록, 그리고 홀로그래픽 메모리(holographic memory) 등에 널리 이용된다.

현재 연구되고 있는 수직공진 방식의 면발광 레이저는 그 종류가 다수 있으나, 제작 방식에 따라 순수 MBE형 면발광 레이저 다이오드와 복합형 면발광 레이저 다이오드로 분류된다.

순수 MBE형 면발광 레이저 다이오드는 레이저 다이오드의 전체구조(상,하의 레이저 반사경과 레이저 활성영역)가 MBE(또는 MOCVD)에 의해서 완성되는 것으로서, MBE 결정성장 후의 공정은 부식 또는 양성자 주입, 그리고 전극 부착 등이 매우 간단하게 이루어진다는 장점이 있다. 그리고, 제작된 MBE형 면발광 레이저 다이오드는 물리적으로 상당히 견고하다는 장점을 가진다.

복합형의 면발광 레이저 다이오드는 레이저 반사경이 결정성장 완료 후 별도로 진공증착에 의해서 GaAs/AlGaAs가 아닌 물질 SiO₂/TiO₂, Au, Ag 등에 의해서 이루어지는 경우이다. 이와 같은 경우에 결정성장 후의 공정이 비교적 복잡하고, 견고성 등에 있어서 문제가 있으나, 레이저 다이오드 자체에서의 전기 저항값을 줄일 수 있다는 장점이 있다.

제1도는 종래의 수직 공진기 면발광 레이저 다이오드의 수직 단면도로서, 보편적으로 이용되는 플래너(planar)구조를 예시한 것이다.

상기 종래 구조의 면발광 레이저 다이오드는 n-GaAs기판(11) 위에 형성된 레이저 발진층(13: AlGaAs 또는 InGaP)의 상, 하부에 수직 공진기가 되는 미러(mirror)면을 만들어 주기 위해 MOCVD 또는 MBE 등의 에피택시 기술을 이용하여 GaAs(또는 AlGaAs)층과 AlGaAs(또는 AlAs)층을 λ/4 두께로 각각 적층한 상부 및 하부 DBR(distributed Bragg reflector)층(12)(14)을 성장시키고, 상부 DBR층(14)에 H⁺를 선택적으로 주입(implantation)시켜 전류통로를 형성하여 제작된다. 제1도에서 참조부호 15는 H⁺주입(implantation) 영역을 나타낸 것이고, 10과 20은 금속전극을 나타낸 것이다.

이러한 구조의 종래 면발광 레이저 다이오드는 빔의 방사방향이 윗쪽이므로빛이 통과하기 위해 전류 통로 위의 윈도우 부분에는 전극이 올라가지 못하므로 전류는 제1도에 예시된 바와 같이 전류 통로 주변에 형성된 p-금속층(20)으로부터 주입된 전류가 p-DBR층(14)의 상부에서 레이저 발진층(13)으로 유입되게 된다.

제2도 및 제3도는 제1도에 도시된 종래 수직 공진기 면발광 레이저 다이오드의 레이저 발진층(13)으로 주입된 전류의 공간적 분포를 나타내 보인 그래프로서,

제2도는 캐리어 주입농도가 낮은 경우의 정상적인 분포 상태를, 제3도는 캐리어 주입농도가 높은 경우의 왜곡된 분포 상태를 나타내 보인 것이다.

상기 종래의 구조에 있어서 통상 p-DBR층(14)은 저항이 높아 열을 발생하게 된다. 이로 인하여 열적 렌즈(thermal lens) 효과에 의해 출력이 낮은 초기에는 제2도에 예시된 바와 같이 전류가 정상적으로 분포하게 된다. 그러나, 출력이 높아지면 제3도에 예시된 바와 같이 중심부의 전류 농도가 고갈되는 스페셜 호울 버닝(spatial hole burning) 현상이 일어나게 된다. 따라서, 이와 같은 현상으로 인하여 발진 모우드는 고차 모우드가 되어 소자의 응용에 문제점으로 작용하게 된다.

따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 감안하여 이를 개선하고자 창안된 것으로서,

본 발명의 목적은 기판보다 밴드갭 에너지가 큰 물질을 레이저 발진층으로 형성하여 에피택시 방향으로 빛이 방사되도록 구조 개선함으로써 광출력 손실을 감소시켜 모우드 특성을 향상시킨 수직 공진기 면발광 레이저 다이오드 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 수직 공진기 면발광 레이저 다이오드는,

기판 상부에 레이저 발진을 위한 레이저 발진층이 형성되고, 상기 레이저 발진층에서 발진된 광을 공진시키기 위한 수직 공진기로서의 상,하부 미러충이 상기 레이저 발진층을 형성하는 레이저 발진층의 상부 및 하부에 각각 형성되며, 상기 상부 미러층의 양측 가장자리에 각각 H⁺를 선택적으로 주입하여 전류통로가 형성된 수직 공진기 면발광 레이저 다이오드에 있어서,

상기 상부 미러층의 빛이 방출되는 윈도우를 포함하여 상면 전체에 걸쳐서 증착된 투명 전도성 상부 전극과,

상기 기판의 저면에 형성된 하부 전극을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

상기 본 발명에 따른 수직 공진기 면발광 레이저 다이오드에 있어서, 특히 상기 상부 전극의 상면에 통전을 용이하게 하기 위해 증착한 투과성 전도 산화막을 구비하여 된 것이 바람직하며, 상기 상부 미러층과 상기 상부 전극 사이에는 전류차단을 위해 형성한 자연산화막을 구비하여 된 것이 바람직하다. 그리고, 상기 자연산화막은 상기 상부 미러층의 양측 가장자리에 각각 선택적으로 주입된 H⁺영역의 상부를 식각하고, 식각된 부위의 상면에 각각 형성된 것이 바람직하며, 상기 자연산화막은 소정 기울기를 갖도록 성장하여 형성된 것이 바람직하고, 상기 자연산화막은 Al₂O₃를 성장하여 형성된 것이 바람직하다.

그리고, 상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 수직 공진기 면발광 레이저 다이오드의 제조방법은,

기판 상면에 하부 미러층, 레이저 발진층 및 상부 미러층을 순차적으로 성장시켜 적층하는 성장 단계;

상기 상부 미러층의 양측 가장자리에 각각 H⁺를 선택적으로 주입하여 전류통로를 형성하는 H⁺주입 단계;

상기 상부 미러층의 양측 가장자리에 각각 선택적으로 주입된 H⁺영역의 상부를 식각하는 식각 단계;

상기 식각 부위의 상면에 전류차단을 위해 자연산화막을 형성하는 제1산화막 형성 단계;

상기 상부 미러층과 상기 자연산화막의 상면 전체에 걸쳐서 투명 전도성 상부 전극을 증착하는 전극 증착 단계;

상기 상부 전극의 상면에 통전을 용이하게 하기 위해 투과성 전도 산화막을 증착하는 제2산화막 형성 단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

상기 본 발명에 따른 수직 공진기 면발광 레이저 다이오드의 제조방법에 있어서, 특히 상기 식각 단계에서 석각부위가 소정의 기울기를 갖도록 식각하는 것이 바람직하며, 상기 제1산화막 형성 단계에서 상기 자연산화막은 소정 기울기를 갖도록 성장하여 형성하는 것이 바람직하고, 상기 제1산화막 형성 단계에서 상기 자연산화막은 Al₂O₃를 성장하여 형성하는 것이 바람직하다.

이하 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 수직 공진기 면발광 레이저 다이오드 및 그 제조 방법을 설명한다.

제4도는 본 발명에 따른 수직공진기 면발광 레이저 다이오드의 수직 단면도로서, 이를 참조하여 그 구조 및 제작 공정을 살펴보면 다음과 같다.

n-GaAs 기판(11) 상면에 하부 미러층(12: n-GaAs 또는 n-AlGaAs DBR층), 레이저 발진층(13), 상부 미러층(14: p-AlGaAs 또는 p-AlAs DBR층)을 순차적으로 성장시켜 적층하고, 상부 미러층(14)의 양측 가장자리(15)에 각각 H⁺를 선택적으로 주입하여 전류통로를 형성한다. 상기 레이저 발진층(13)은 AlGaAs 또는 InGaP 등 GaAs 기판보다 밴드갭 에너지가 큰 물질로 하부 크래드층, 활성층, 상부 크래드층을 순차로 적층한 통상적인 구조를 이룬다. 그리고, 상기 상, 하부 미러층(12)(14)은 MOCVD 또는 MBE 등의 에피택시 기술을 이용하여 GaAs(또는 AlGaAs)층과 AlGaAs(또는 AlAs)층을 λ/4 두께로 각각 적층한 것으로서, 여기까지의 구조는 기존의 수직 공진기 면발광 레이저 다이오드와 동일한 구조를 이루는 것이다.

상기와 같은 구조에서 본 발명에 따른 수직 공진기 면발광 레이저 다이오드의 구조적 특징에 의하면, 상기 상부 미러층(14)의 양측 가장자리에 각각 선택적으로 주입된 H⁺주입영역(15)의 상부를 소정 기울기를 갖도록 식각하여 식각된 부위의 상면에 전류차단을 위해 Al₂O₃를 성장시킨 자연산화막(31)을 형성한다. 그리고, 상기 상부 미러층(14)과 상기 Al₂O₃자연산화막(31)의 상면 전체에 걸쳐서 투명 전도성 상부 전극(32)을 증착한다. 다음에 상기 상부 전극(32)의 상면에 전류 확산을 용이하게 하기 위한 투명 전도성 산화막(33)을 증착하고, 상기 기판의 저면에 하부 전극을 증착하여 형성한 구조로 소자의 제작을 완료하게 된다.

상기와 같이 완성된 본 발명에 따른 수직공진기 면발광 레이저 다이오드는 상부 전극(32; p-ohmic metal)을 빛이 방출되는 윈도우에 직접 형성하여 전류가 수직으로 주입되게 함으로써 광출력 손실을 줄일 수 있는 효과를 가진다. 또한, 상부 미러층(14: p-DBR층)의 일부 즉, 윈도우 이외의 부분을 식각해 내어 반사율을 낮추고, 식각부위에 자연산화막을 형성하여 수직 전류 주입 효과를 높임으로써 고차수 모우드가 발생하여도 이를 억제하는 스펙트럼 필터의 역할을 할 수 있도록 하여 모우드 특성을 향상시킬 수 있도록 한 것이다.

이상에서 설명한 바와 같은 본 발명에 따른 수직 공진기 면발광 레이저 다이오드 소자는 600nm 또는 780nm대의 근적외광 또는 적색광을 발진하므로 광정보 시스템의 응용에 따른 모우드 특성 향상의 기대 효과를 얻을 수 있다.

제1도는 종래의 수직 공진기 면발광 레이저 다이오드의 플래너(planar)구조를 예시한 수직 단면도,

제2도 및 제3도는 제1도에 도시된 종래 수직 공진기 면발광 레이저 다이오드의 레이저 발진층으로 주입된 전류의 공간적 분포를 나타내 보인 그래프로서,

제2도는 캐리어 주입농도가 낮은 경우의 정상적인 분포 상태를, 제3도는 캐리어 주입농도가 높아 왜곡된 분포 상태를 나타내 보인 것이며, 그리고

제4도는 본 발명에 의한 수직 공진기 면발광 레이저 다이오드의 수직 단면도이다.

* 도면 주요부분에 대한 부호의 설명

10. 금속 전극(n) 11. n-GaAs 기판

12. n-AlAs/AlGaAs DBR 층 13. 레이저 발진층

14. p-AlAs/AlGaAs DBR 층 15. H⁺주입영역

20. 금속 전극(p) 31. 자연산화막(Al₂O₃)

32. 투명 전도성 금속 전극(n) 33. 투명 전도성 산화막

Claims

기판 상부에 레이저 발진을 위한 레이저 발진층이 형성되고, 상기 레이저 발진층에서 발진된 광을 공진시키기 위한 수직 공진기로서의 상, 하부 미러층이 상기 레이저 발진층을 형성하는 레이저 발진층의 상부 및 하부에 각각 형성되며, 상기 상부 미러층의 양측 가장자리에 각각 H⁺를 선택적으로 주입하여 전류통로가 형성된 수직 공진기 면발광 레이저 다이오드에 있어서,

상기 상부 미러층의 빛이 방출되는 윈도우를 포함하여 상면 전체에 걸쳐서 종착된 투명 전도성 상부 전극과,

상기 기판의 저면에 형성된 하부 전극을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 수직 공진기 면발광 레이저 다이오드.
제1항에 있어서,

상기 상부 전극의 상면에 통전을 용이하게 하기 위해 증착한 투과성 전도 산화막을 구비하여 된 것을 특징으로 하는 수직 공진기 면발광 레이저 다이오드.
제1항에 있어서,

상기 상부 미러층과 상기 상부 전극 사이에는 전류차단을 위해 형성한 자연산화막을 구비하여 된 것을 특징으로 하는 수직 공진기 면발광 레이저 다이오드.
제3항에 있어서,

상기 자연산화막은 상기 상부 미러층의 양측 가장자리에 각각 선택적으로 주입된 H⁺영역의 상부를 식각하고, 식각된 부위의 상면에 각각 형성된 것을 특징으로 하는 수직 공진기 면발광 레이저 다이오드.
제3항에 있어서,

상기 자연산화막은 소정 기울기를 갖도록 성장하여 형성된 것을 특징으로 하는 수직 공진기 면발광 레이저 다이오드.
제3항에 있어서,

상기 자연산화막은 Al₂O₃를 성장하여 형성된 것을 특징으로 하는 수직 공진기 면발광 레이저 다이오드.
기판 상면에 하부 미러층, 레이저 발진충 및 상부 미러층을 순차적으로 성장시켜 적층하는 성장 단계:

상기 상부 미러층의 양측 가장자리에 각각 H⁺를 선택적으로 주입하여 전류통로를 형성하는 H⁺주입 단계;

상기 상부 미러층의 양측 가장자리에 각각 선택적으로 주입된 H⁺영역의 상부를 식각하는 식각 단계;

상기 식각 부위의 상면에 전류차단을 위해 자연산화막을 형성하는 제1산화막 형성 단계;

상기 상부 미러층과 상기 자연산화막의 상면 전체에 걸쳐서 투명 전도성 상부 전극을 증착하는 전극 증착 단계;

상기 상부 전극의 상면에 통전을 용이하게 하기 위해 투과성 전도 산화막을 증착하는 제2산화막 형성 단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 수직 공진기 면발광 레이저 다이오드의 제조방법.
제7항에 있어서,

상기 식각 단계에서 식각부위가 소정의 기울기를 갖도록 식각하는 것을 특징으로 하는 수직 공진기 면발광 레이저 다이오드의 제조방법.
제7항에 있어서,

상기 제1산화막 형성 단계에서 상기 자연산화막은 소정 기울기를 갖도록 성장하여 형성된 것을 특징으로 하는 수직 공진기 면발광 레이저 다이오드의 제조방법.
제7항에 있어서,

상기 제1산화막 형성 단계에서 상기 자연산화막은 Al₂O₃를 성장하여 형성하는 것을 특징으로 하는 수직 공진기 면발광 레이저 다이오드의 제조방법.