KR100381984B1 - 수직공동표면방출레이저(VCSEL)및수직공동표면방출레이저들(VCSELs)용패턴화된미러들의제조방법 - Google Patents

수직공동표면방출레이저(VCSEL)및수직공동표면방출레이저들(VCSELs)용패턴화된미러들의제조방법 Download PDF

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Abstract

VCSELs의 제조 방법은, 제 1 전도성 타입의 제 1 미러 스택을 에피텍셜법으로 성장하는 단계와, 제 1 미러 스택상에 활성 영역을 에피텍셜법으로 성장하는 단계와, 활성 영역상에 제 2 전도성 타입의 제 2 미러 스택의 제 1 부분을 에피텍셜법으로 성장하는 단계를 포함하고 있다. 다음에, 제 2 미러 스택의 제 1 부분 상에 유전층이 형성되고, 패턴화되어 동작 영역을 규정하고, 제 1 부분 상에 제 2 미러 스택의 나머지 부분이 에피텍셜법으로 성장되어, 완성된 제 2 미러 스택을 형성한다. 제 2 미러 스택중 유전층 위에 놓인 부분들은 조성상 다결정이고 제 2 미러 스택의 나머지 부분을 동작 영역으로 실질적으로 한정한다. 다음에, 다결정 층들은 제거되어 전기적 접촉들이 형성될 수 있다.

Description

수직 공동 표면 방출 레이저(VCSEL) 및 수직 공동 표면 방출 레이저들(VCSELs)용 패턴화된 미러들의 제조 방법
발명의 분야
본 발명은 패턴화된 미러(patterned-mirror) 수직 공동 표면 방출 레이저들(vertical cavity surface emitting lasers: VCSELs)에 관한 것으로, 특히, 복잡한 에칭이 필요 없는 패턴화된 미러 VCSELs의 개선된 제조 방법에 관한 것이다.
발명의 배경
일반적으로, 패턴화된 미러 또는 리지-가이드(ridge-guide) VCSELs을 제조할 경우, 기판의 표면상에 제 1 미러 스택이, 그 다음에 활성 영역이, 이어서 제 2 미러 스택이 에피텍셜법으로 증착된다. 제 2, 또는, 상부 미러 스택은, 레이징(lasing)이 발생되는 도파관(waveguide)을 본질적으로 규정하는 메사(리지)를 형성하기 위해 에칭된다. 이 제조 방법에 있어서, 주된 문제점은 제 2 미러 스택을 에칭하는 것이 매우 어렵고도 중요한 단계라는 점이다. 부주의하게 활성 영역으로 에칭되어 소자의 신뢰성을 저하시키지 않도록 많은 주의가 요구된다. 많은 제조과정들에 있어서, 이 에칭 단계는 타이밍 및 에칭 레이트의 주의깊은 제어에 의해서만 제어된다. 또한, 이 과정에서는 패턴화된 미러의 높이 및 웨이퍼 상에서의 균일성(일반적으로, 단일 웨이퍼 상에 수천 개의 VCSELs이 형성된다)의 제어에 어려움이 있다.
1994년 3월 8일자로 공개된 명칭이 "Top Emitting VCSEL with Etch Stop Layer"인 미국 특허 제 5,293,392 호에서는 에칭 정지층(etch stop layer)이 제 2, 또는, 상부 미러 스택에서 성장되고, 원하는 레벨에서 에칭을 자동적으로 정지시키기 위해 사용된다. 에칭 정치법은 패턴화된 미러의 높이를 규정하도록 MOVPE 성장에서 달성된 우수한 제어를 이용하지만, 유사하지 않은 재료층(에칭 정지층)의 성장은 상당히 복잡할 수도 있는 제조 과정을 필요로 한다.
따라서, 상술한 문제점들을 해결하는 제조 방법을 제공하는 것이 바람직하다.
본 발명의 목적은 패턴화된 미러 VCSELs의 새롭고도 개선된 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 복잡한 에칭 단계들이 필요없는, 패턴화된 미러 VCSELs의 새롭고도 개선된 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 선택적 성장 기술들을 이용하는, 패턴화된 미러 VCSELs의 새롭고도 개선된 제조 방법을 제공하는 것이다.
발명의 개요
기판 상의 제 1 전도성 타입의 제 1 미러 스택과, 제 1 미러 스택상의 활성 영역 및, 활성 영역 상의 제 2 전도성 타입의 제 2 미러 스택의 제 1 부분을 형성하는 단계를 포함하는 VCSELs 제조 방법을 통해, 상기 및 다른 문제점들이 적어도 부분적으로 해결되고, 상기 및 다른 목적들이 실현된다. 다른 단계에서는, 제 2 미러 스택의 제 1 부분의 표면이 노출되는, 동작 영역을 규정하도록 제 2 미러 스택의 제 1 부분 상에 유전층을 패턴화하는 단계 및, 동작 영역에서 제 2 미러 스택의 제 1 부분의 노출된 영역 상에 제 2 전도성 타입의 제 2 미러 스택의 나머지 부분을 형성하는 단계를 포함한다. 이어서, 제 2 미러 스택의 상기 나머지 부분 및 기판 상에 전기적 접촉들이 형성된다.
제 1 미러 스택의 형성전에, 제 2 전도성 타입의 반도체층이 기판상에 형성될 수 있고, 동작 영역에서 기판의 표면을 노출시키기 위해 패턴화될 수 있다. 이 반도체층과 제 1 미러 스택 사이에서 생성된 p-n 접합은 동작 전류를 동작 영역에만 한정한다.
바람직한 실시예의 설명
제 1 도 내지 3 도를 참조하면, 본 발명에 따른 제조 방법의 다양한 단계들에서 실현된 여러 구조들의 단순화된 단면도가 도시되어 있다. 특히, 제 1 도는 활성 영역(12)이 위에 형성된 제 1 미러 스택(10)을 도시한다. 일반적으로, 미러 스택(10)은, 예컨대, 교호 굴절률들(alternating ndexes of refraction)을 가진 다수의 반도체 재료층들을 에피텍셜법으로 성장함으로써 형성된다. 이 목적을 위해, Al.15Ga.85As와 Al.80Ga.20As의 교호층들, GaAs 와 Al.80Ga.20As의 교호층들 등과 같은 몇몇 재료들의 예들이 이용될 수 있다. 각 쌍의 교호층들은 그 층들에서 전파되는 방사 파장의 1/4 두께로 성장되고, 쌍의 수는 스택을 실수로 제한하는 동안 가능한한 많은 광 반사성을 제공하도록 선택된다.
일반적으로, 활성 영역(12)은 그 한쪽 측면에 스페이서 또는 클래딩층을 가진 채 배리어층들에 의해 분리되는 하나 또는 그 이상의 양자웰들(quantum wells)을 포함한다. 양자웰들 및 스페이서층들은 또한 에피텍셜법으로 저장된다.
예컨대, 미러 스택(10)과 함께 설명된 것처럼, 반도체층들의 쌍을 에피텍셜법으로 성장함으로써, 활성 영역(12)의 상부 표면상에 제 2 미러 스택(15)의 부분(14)이 형성된다. 일반적으로, 층들의 쌍은 미러 스택(10)의 재료와 유사한 재료들로 이루어질 것이고 마찬가지로 그 두께들은 선택된 파장의 적절한 반사성 또는 적절한 파장들의 스펙트럼을 제공할 것이다. 또한, 제 1 및 제 2 미러 스택들은반대 전도성 타입들로 도핑되어 전기 전류의 흐름에 대해 2 단자(다이오드) 구조를 형성한다. 이 특정 실시예에서는, 예컨대 미러 스택(10)이 n 형 전도성으로 도핑되고, 미러 스택(15)이 p 형 전도성으로 도핑된다. 미러 스택(15)의 부분(14)의 두께는 성장된 층들의 쌍의 수에 의해 결정되며, 곧 이해되겠지만 GaAs 또는 Al 함유량이 낮은 층 상에 부분(14)으로 마감하여 양질의 제 2 성장을 달성하는 것이 바람직하다.
활성 영역(12)의 양자웰들은 인가된 전기 전류에 의해 적절히 전원이 공급될 때 널리 공지된 현상에 따라 광자들(광)을 생성한다. 일반적으로, 활성 영역(12)에 인가되는 전류가 클수록 발생되는 광자들의 수가 크다. 이 광자들은 미러 스택들(10 및 15)에 의해 반사되고, 널리 공지된 레이징 효과가 야기되어, 결과적으로 방사광을 생성한다. 이 광의 파장은 활성 영역(12)에서 양자웰 또는 웰들에 이용된 재료들에 의해 결정된다.
미러 스택(15)의 부분(14)의 상부 표면상에는 유전층(20)이 형성된다. 유전층(20)은 부분(14)상에서 패턴화되어 일반적으로 층(20)의 중앙부에서 동작 영역(25)을 규정하며, 미러 스택(15)의 부분(14)의 표면이 노출된다. 이 층(20)은, 포토레지스트를 인가하고, 산화물, 질화물 등을 선택적으로 성장시키거나 유전 재료의 블랭킷(blanket)층을 성장시키고, 포토레지스트나 기타 종래의 마스킹 재료를 이용하여 선택적으로 에칭함으로써 패턴화될 수 있다. 일반적으로, 웨이퍼에는 다수의 VCSELs이 형성되고, 이들 VCSELs 각각에 대한 회로 동작 영역을 형성 또는 규정하기 위해 선택적 성장 또는 에칭이 이용된다는 것이 물론 이해될 것이다. 또한,곧 이해되겠지만 전기 전류의 흐름을 실질적으로 방해하지 않을 정도로 충분히 두꺼운 층(20)의 두께는 중요치 않다.
특히 제 2 도를 참조하면, 우선 유전층(20)이 패턴화되어 정확한 직경을 가진 동작 영역(25)을 규정하고, 반도체층들의 제 2 부분(30)쌍이 형성되어 미러 스택(15)을 완성한다. 이 특정 실시예에서, 이것은 제 1 도의 구조를 에피텍셜 반응기에 뒤집어 배치하고 미러층들의 부가쌍을 성장시킴으로써 완성된다. 성장 조건들 및 재료들 시스템에 따라, 유전층(20)의 상부 표면상에 증착된 것이 없을 수도 있고, 제 2 도에 도시된 것처럼 다결정 재료(35)가 증착될 수도 있다.
또한, 층들이 아주 두껍다는 사실 때문에 유전층(20) 상에 어떤 측면(lateral) 성장이 있을 수도 있다. 이 측면 성장은 소자 설계로 쉽게 보상되며, 사실상 미러 스택(15)의 측면 크기를 동작 영역의 중앙부로 동작 전류를 한정하는 유전층(20)을 통한 개구보다 크게 마스킹하는 유리한 효과를 가지므로, 광 모드 크기(optical mode size)와 전류 분포간에 양호한 매칭(matching)을 달성한다.
유전층(20)상에 증착이 발생하지 않는, 또는 사실상 존재하지 않는 본 실시예에서, VCSEL,(또는 웨이퍼)의 처리는 단순히 p 및 n 형 금속화들 및 절연 에칭을 인가함으로써 완성될 수 있다. 다결정 재료(35)가 증착된 본 실시예에서, 다결정 재료(35)는 평면 구조를 형성하도록 남겨지거나, 제 3 도에 도시된 것처럼 미러 스택(15)의 단결정 재료를 침범하지 않는 건식 에칭 화학작용들을 이용하여 에칭 제거될 수도 있다. 또한, 소자 처리는 p 및 n 금속화들을 인가하고 웨이퍼에서 각 VCSELs을 분리시키기 위한 절연 에칭에 의해 완성된다.
특히 제 4 도를 참조하면, 기판(42)의 상부 표면상에 제 1 미러 스택(41)이 성장되고, 미러 스택(41)의 상부 표면상에 활성 영역(43)이 성장되고, 활성 영역(43)상에 제 2 미러 스택의 제 1 부분(44)이 성장된 한 VCSEL(40)이 도시되어 있다. 부분(44)의 상부 표면상에 유전층(45)이 패턴화되어, 그 중앙부에서 동작 영역을 규정하고, 제 2 미러 스택의 나머지 부분(46)은 부분(44)의 노출된 표면상에 성장된다.
임의의 공지된 방법에 의해 상부 미러 스택의 표면상에 p 형 금속화(47/48)가 형성된다. VCSEL(40)은 제 2 미러 스택의 나머지 부분(46)에 의해 규정된 메사의 상부 표면을 통해 광을 방사하므로, 금속화 중 적어도 메사의 상부 표면 위에 놓인 부분(48)은 산화주석인듐(ITO)과 같은 투명한 금속이 될 수도 있다. 금속화의 부분(47)은 유전층(45) 위에 놓이고, 따라서 상부 미러 스택에 전기적으로 접촉되지 않으므로, 동작 전류는 중앙 동작 영역에 한정된다. 기판(42)의 하부 표면상에 n 형 금속화(49)가 형성되어 VCSEL(40)에 대한 또 다른 전기적 접촉을 제공한다.
다른 실시예에서는, 상부를 통한 방사(제 3 도)가 아니라, 기판을 통과하는 파장에서 레이징을 초래하도록 활성 영역(12)의 양자웰들이 형성될 수도 있다. 이것은, 예컨대 사이에 GaAs 배리어층들을 갖는 InGaAs의 양자웰과들을 형성함으로써, 완성된다.
특히, 제 5 도를 참조하면, 기판(52)의 상부 표면상에 무겁게 도핑된 층(59a)이 형성되고, 이 층(59a)상에 제 1미러 스택(51)이 성장되고, 미러 스택(51)의 상부 표면상에 활성 영역(53)이 성장되며, 활성 영역(53)상에 제 2 미리 스택의 제 1 부분(54)이 성장된 다른 실시예의 한 VCSEL(50)이 도시되어 있다. 부분(54)의 상부 표면상에 유전층(55)이 패턴화되어 그 중앙부에 동작 영역을 규정하고, 부분(54)의 노출된 표면상에 제 2 미러 스택의 나머지 부분(56)이 성장된다.
또한, 이 실시예에서는 임의의 공지된 방법에 의해 상부 미러 스택의 표면상에 p 형 금속화(57/58)가 형성된다. p 형 금속화중 적어도 메사부 상부 표면 위에 놓인 부분(58)은 ITO 와 같은 투명한 금속이 될 수도 있고, p 형 금속화의 부분(57)은 유전층(55) 위에 놓이므로 동작 전류는 중앙 동작 영역에 한정된다. 기판(52)의 상부 표면상의 층(59a)에는 n 형 금속화(52)가 형성되어 VCSEL(50)에 대해 또 다른 전기적 접촉을 제공한다. 기판(52)의 표면상에는 무겁게 도핑된 반도체 재료의 층(59a)이 제공되어, VCSEL(50)에 양호한 저저항 접촉을 제공한다. 이 실시예에서는, 미러 스택(51)이 형성되는 표면과 동일한 기판(52)의 표면상에 전기적 접촉(59)이 형성되어, VCSEL(50)의 장착이 더 편리해지고 전기적 접촉들(58 및 59)은 더 얻기 쉬워진다.
제 6 도를 참조하면, 기판(62)의 표면상에 무겁게 도핑된 층(69a)이 형성된, 또 다른 실시예의 각 VCSEL(60)이 도시되어 있다. 층(69a)의 상부 표면상에 도핑된 반도체층(70)이 패턴화되어, 층(69a)(또는 기판(62))의 표면이 노출되는 메사형 동작 영역을 형성한다. 층들(69a 및 70)이 협력하여 평면 상부 표면을 제공한다. 평면 상부 표면상에 제 1 미러 스택(61)이 성장되고, 미러 스택(61)의 상부 표면상에 활성 영역(63)이 성장되며, 활성 영역(63)상에 제 2 미러 스택의 제 1 부분(64)이 성장된다. 부분(64)의 상부 표면상에 유전층(65)이 패턴화되어, 그 중앙부에 동작영역을 규정하고, 부분(64)의 노출된 표면상에 제 2 미러 스택의 나머지 부분(66)이 성장된다.
이 특정 실시예에서, 미러 스택(61)은 n 형 펀도성으로 도핑되고 제 2 미러 스택의 부분들(64 및 66)은 p 형 전도성으로 도핑된다. 또한, 층(70)은 p 형 전도성으로 도핑되고, 미러 스택(61)과 함께 전류의 흐름을 막는 p-n 접합을 형성한다. 따라서, 제 2 미러 스택의 부분들(64 및 66)에서의 전류 흐름은 유전층(65)에 의해 동작 영역의 중앙부에만 한정되고, 미러 층(61)에서의 전류 흐름은 층(69a)에 의해 형성된 p-n 접합에 의해 동작 영역의 중앙부에만 한정된다.
또한, 이 실시예에서는, 임의의 공지된 방법에 의해 상부 미러 스택의 표면상에 p 형 금속화(67/68)가 형성된다. p 형 금속화중 적어도 메사의 상부 표면 위에 놓인 부분(68)은 ITO 와 같은 투명한 금속이 될 수도 있고, p 형 금속화의 부분(67)은 유전층(65) 위에 놓이므로, 동작 전류는 중앙 동작 영역에 한정된다. 층(69a)의 상부 표면상에 n 형 금속화(69)가 형성되어, VCSEL(60)에 대해 또 다른 전기적 접촉을 제공한다. 이 실시예에서는, 미러 스택(61)이 형성되는 표면과 동일한 층(69a)의 표면상에 전기적 접촉(69)이 형성되어 VCSEL(60)의 장착이 더 편리해지고 전기적 접촉들(68 및 69)은 더 얻기 쉬워진다.
이로써, 복잡한 에칭 단계들이 필요 없는, 패턴화된 미러 VCSELs의 새롭고도 개선된 제조 방법들이 개시되었다. 새로운 선택 성장 기술들을 사용함으로써, 메사들, 또는 리지들의 에칭시에 나타나는 문제점들이 제거됨과 동시에 패턴화된 미러 VCSEL의 장점은 유지된다. 또한, 선택 성장에 이용된 유전층은 전류 흐름을 동작영역, 즉, 그 중앙부에 한정하는 전류 배리어를 형성한다. 상부 미러 스택에서 메사, 또는 리지의 높이는 성장된 제 1 부분의 크기(층들의 쌍의 수)에 의해 결정되므로, 제 2 미러 스택의 제 1 부분은 0 쌍에서 제 2 미러 스택의 쌍의 총수에 이르는 임의의 것이 될 수 있다. 또한, 특정 실시예에서는, 하부 미러 스택에 p-n 접합이 형성되어 전류를 동작 영역, 또는 그 중앙부에만 한정한다.
제 1 도 내지 제 3 도는 본 발명에 따른 제조 방법의 다양한 단계들에서 실현된 여러 구조들의 단순화된 단면도.
제 4 도 내지 제 6 도는 본 발명에 따라 제조된 VCSELs의 서로 다른 3 가지 실시예들을 도시하는 도면.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
10, 15, 41, 51, 61 : 미러 스택 12, 43, 53, 63 : 활성 영역
20, 45, 55, 65 : 유전층 25 : 동작 영역
40, 50, 60 : VCSEL

Claims (4)

  1. 수직 공동 표면 방출 레이저들(VCSELs)용 패턴화된 미러들의 제조 방법에 있어서,
    표면을 가진 기판을 제공하는 단계,
    상기 기판이 표면 상에 제 1 전도성 타입의 제 1 미러 스택을 형성하는 단계,
    상기 제 1 미러 스택 상에 활성 영역을 형성하는 단계,
    상기 활성 영역 상에 제 2 전도성 타입의 제 2 미러 스택의 제 1 부분을 형성하는 단계,
    동작 영역을 규정하도록 상기 제 2 미러 스택의 제 1 부분 상에 유전층을 패턴화하는 단계로서, 상기 제 2 미러 스택의 제 1 부분의 표면이 노출되는, 상기 유전층을 패턴화하는 단계, 및
    상기 동작 영역에서 크기 제 2 미러 스택의 제 1 부분의 상기 노출된 표면상에 상기 제 2 전도성 타입의 제 2 미러 스택의 나머지 부분을 형성하는 단계를 포함하는, 수직 공동 표면 방출 레이저들(VCSELs)용 패턴화된 미러들의 제조 방법.
  2. 수직 공동 표면 방출 레이저들(VCSELs)의 제조 방법에 있어서,
    표면을 가진 기판을 제공하는 단계,
    상기 기판의 표면상에 제 1 전도성 타입의 제 1 미러 스택을 형성하는 단계,
    상기 제 1 미러 스택상에 활성 영역을 형성하는 단계,
    상기 활성 영역상에 제 2 전도성 타입의 제 2 미러 스택의 제 1 부분을 형성하는 단계,
    동작 영역을 규정하도록 상기 제 2 미러 스택의 제 1 부분상에 유전층을 패턴화하는 단계로서, 상기 제 2 미러 스택의 제 1 부분의 표면이 노출되는, 상기 유전층을 패턴화하는 단계,
    상기 동작 영역에서 상기 제 2 미러 스택의 제 1 부분의 상기 노출된 표면상에 상기 제 2 전도성 타입의 제 2 미러 스택의 나머지 부분을 형성하는 단계,
    상기 기판상에 제 1 전기적 접촉을 제공하는 단계, 및
    상기 제 2 미러 스택의 나머지 부분 상에 제 2 전기적 접촉을 제공하는 단계를 포함하는, 수직 공동 표면 방출 레이저들(VCSELs)의 제조 방법.
  3. 수직 공동 표면 방출 레이저들(VCSELs)용 패턴화된 미러들의 제조 방법에 있어서,
    제 1 전도성 타입의 제 1 미러 스택을 에피텍셜법으로 성장하는 단계,
    상기 제 1 미러 스택 상에 활성 영역을 에피텍셜법으로 성장하는 단계,
    상기 활성 영역 상에 제 2 전도성 타입의 제 2 미러 스택의 제 1 부분을 에피텍셜법으로 성장하는 단계,
    동작 영역을 규정하도록 패턴화된 상기 제 2 미러 스택의 제 1 부분상에 로서, 상기 제 2 미러 스택의 제 1 부분의 표면이 노출되는, 상기 -R-전층을 형성하는 단계, 및
    완전한 제 2 미러 스택을 형성하도록 상기 동작 영역에서 상기 제 2 미러 스택의 제 1 부분의 상기 노출된 표면상에 상기 제 2 전도성 타입의 제 2 미러 스택의 나머지 부분을 에피텍설법으로 성장하는 단계로서, 상기 유전층 위에 놓인 상기 제 2 미러 스택의 부분들은 조성상 다결정이고 상기 제 2 미러 스택의 나머지 부분을 상기 동작 영역에 실질적으로 한정하는, 상기 제 2 전도성 타입의 제 2 미리 스택의 나머지 부분을 에피텍셜법으로 성장하는 단계를 포함하는, 수직 공동 표면 방출 레이지들(VCSELs)용 패턴화된 미러들의 제조 방법.
  4. 수직 공동 표면 반출 레이저들(VCSELs)의 제조 방법에 있어서,
    표면을 가진 기판을 제공하는 단계,
    상기 기판의 표면상에 제 1 전도성 타입의 제 1 미러 스택을 에피텍셜법으로 성장하는 단계,
    상기 제 1 미러 스택상에 활성 영역을 에피텍셜법으로 성장하는 단계,
    상기 활성 영역상에 제 2 전도성 타입의 제 2 미러 스택의 제 1 부분을 에피텍셜법으로 성장하는 단계,
    동작 영역을 규정하도록 패턴화된 상기 제 2 미러 스택의 제 1 부분상에 유전층을 형성하는 단계로서, 상기 제 2 미러 스택의 제 1 부분의 표면이 노출되는, 상기 유전층을 형성하는 단계,
    완전한 제 2 미러 스택을 형성하도록 상기 제 1 부분의 상기 노출된 표면상에 상기 제 2 미러 스택의 나머지 부분을 에피텍셜법으로 성장하는 단계로서, 상기 유전층 위에 놓인 상기 제 2 미러 스택의 부분들은 조성상 다결정이고 상기 제 2 미러 스택의 나머지 부분을 상기 동작 영역에 실질적으로 한정하는, 상기 제 2 미러 스택의 나머지 부분을 에피텍셜법으로 성장하는 단계,
    상기 기판상에 제 1 전기적 접촉을 제공하는 단계, 및
    상기 제 2 미러 스택의 나머지 부분 상에 제 2 전기적 접촉을 제공하는 단계를 포함하는, 수직 공동 표면 방출 레이저들(VCSELs)의 제조 방법.
KR1019950015824A 1994-06-15 1995-06-15 수직공동표면방출레이저(VCSEL)및수직공동표면방출레이저들(VCSELs)용패턴화된미러들의제조방법 KR100381984B1 (ko)

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