KR100397371B1 - 산화막 전류 구경을 갖는 장파장용 수직 공진 표면 방출레이저 및 그 제조 방법 - Google Patents

산화막 전류 구경을 갖는 장파장용 수직 공진 표면 방출레이저 및 그 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 장파장용 수직 공진 표면 방출 레이저는, 제1 도전형의 반도체 기판과, 반도체 기판 위에 형성되어 브래그 반사 조건을 충족시키는 하부 거울층과, 하부 거울층 위에 형성된 활성층과, 활성층 위에 형성되어 활성층으로의 전류 이동 경로를 제공하는 전류 통로층과, 활성층 위에서 전류 통로층을 감싸면서 활성층으로의 전류 이동 경로를 제한하는 전류 제한층과, 전류 통로층 및 전류 제한층 위에 형성된 내부 공진 접촉층과, 내부 공진 접촉층의 일부 표면 위에 형성되어 브래그 반사 조건을 충족시키는 상부 거울층과, 내부 공진 접촉층의 노출 표면 및 상부 거울층의 표면 위에 형성된 제1 전극, 및 반도체 기판의 일정 표면 위에 형성된 제2 전극을 구비한다.

Description

산화막 전류 구경을 갖는 장파장용 수직 공진 표면 방출 레이저 및 그 제조 방법{Long wavelength vertical-cavity surface emitting laser having oxide-aperture and method for fabricating the same}
본 발명은 수직 공진 표면 방출 레이저(VCSEL ; Vertical-Cavity Surface Emitting Laser) 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 특히 산화막 전류 구경을 갖는 장파장용 수직 공진 표면 방출 레이저 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로 수직 공진 표면 방출 레이저는, 원형의 레이저 빔이 기판 표면에 수직으로 방출되는 방식을 이용한 레이저로서, 소자나 광섬유 등과의 커플링(coupling)이 쉽고 웨이퍼 상태로의 테스트가 가능해 대량 생산시 비용 절감 효과가 큰 것으로 알려져 있다.
최근에는 1.55㎛ 파장 대역의 중장거리 통신용 광원으로서의 수직 공진 표면 방출 레이저에 대한 연구가 활발히 진행되고 있으며, 그 결과로서 기둥형 수직 공진 표면 방출 레이저, 이온 주입형 수직 공진 표면 방출 레이저, 측면 식각형 수직 공진 표면 방출 레이저 및 이종 물질 DBR(Distributed Bragg Reflector)형 수직 공진 표면 방출 레이저 등이 제안된 바 있다.
상기 기둥형 수직 공진 표면 방출 레이저는, 하부 DBR 거울층, 활성층 및 상부 DBR 거울층이 순차적으로 적층된 구조를 성장시킨 후, 비등방성 메사(mesa) 식각법을 사용하여 상부 DBR 거울층과 활성층까지 기둥 모양으로 식각하여 형성한다. 이와 같은 기둥형 수직 공진 표면 방출 레이저는 공정이 간단하고 전류 확산이 없다는 장점을 갖는 반면에, 많은 열이 발생하고 문턱 전류가 크며 다중 횡 모드로 발진한다는 단점을 갖는다.
상기 이온 주입형 수직 공진 표면 방출 레이저는, 고 에너지 양성자를 주입하는 공정을 추가하여 양성자가 주입된 영역의 결정만 파괴시킴으로써, 양성자가주입되지 않은 영역으로만 전류가 흐르도록 하는 방법을 사용한다. 이와 같은 이온 주입형 수직 공진 표면 방출 레이저는, 특히 상부 DBR 거울층의 두께를 매우 두껍게 하여 장파장용으로 사용하고자 하는 경우, 두꺼운 상부 DBR 거울층의 두께로 인하여 상당히 큰 에너지의 양성자를 주입하여야 하는데 이에 사용되는 마스크막 물질을 구하기 힘들다는 단점이 있고, 양성자 폭격(bombardment)에 의해 정의되는 유도 구경의 경계가 날카롭지 못하여 작은 크기의 소자를 제작할 수 없고 문턱 전류가 높다는 단점도 있다. 또한 상부 거울층의 물질이 열전도도가 낮은 InAlGaAs 계열인 경우 열 방출이 용이하지 않아 상온에서의 연속 발진이 힘들다는 문제가 있다.
상기 측면 식각형 수직 공진 표면 방출 레이저는, 기둥형 수직 공진 표면 방출 레이저의 구조에서 활성층을 옆으로부터 일정한 깊이만큼 식각하여 형성된 구조로서, 식각되지 않은 중심부로만 전류가 흐르게 되므로 문턱 전류가 낮아지고, 모드 특성이 양호해진다는 장점을 제공한다. 그러나 옆으로 파여진 부분이 존재함으로 인하여 기계적 안정성면과 열 방출면에서 문제점을 발생시킨다.
그리고 상기 이종 물질 DBR형 수직 공진 표면 방출 레이저는, 상부 거울층을 AlGaAs 계열로 형성하게 되면, 850㎚ 대역의 수직 공진 표면 방출 레이저와 같이, 이미 확립되어 있는 이온 주입이나 산화막 형성 공정을 그대로 사용하여 고효율의 장파장용 수직 공진 표면 방출 레이저는 제작할 수 있지만, 이 경우 기판 접합 기술 또는 메타모픽(metamorphic) 성장 기술을 사용하여야 한다는 제한이 있다. 일반적으로 이 기술들은 보편적이지 않고 수율이 낮으며 신뢰성이 떨어지는 것으로알려져 있으며, 특히 메타모픽 성장 기술은 양산이 어려운 MBE(Molecular Beam Epitaxy) 방식으로만 성장되므로 대량 생산이 어렵다는 문제가 있다.
따라서 기존의 구조 및 제조 방법에서 파생되는 문제점들을 해결할 수 있는, 즉 신뢰성 및 생산성 향상을 위하여 한번의 에피택시 성장 기술에 의해 공정을 진행시킬 수 있고, 열 방출의 용이함을 위하여 두꺼운 내부 공진 접촉층을 가지며, 그리고 기계적 안정성 및 효율적인 전류 주입 구조를 갖는 장파장용 수직 공진 표면 방출 레이저 및 그 제조 방법을 개발할 필요성이 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 기존의 수직 공진 표면 방출 레이저의 문제점들을 해결하기 위하여 산화막 전류 구경을 갖는 장파장용 수직 공진 표면 방출 레이저를 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 상기 장파장용 수직 공진 표면 방출 레이저를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 산화막 전류 구경을 갖는 장파장용 수직 공진 표면 방출 레이저를 나타내 보인 단면도이다.
도 2 내지 도 5는 본 발명에 따른 장파장용 수직 공진 표면 방출 레이저의 제조 방법을 설명하기 위하여 나타내 보인 단면도들이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
110...n형 InP 기판 120...하부 거울층
130...활성층 142...전류 통로층
144...전류 제한층 150...내부 공진 접촉층
160...상부 거울층 170...p형 전극
180...n형 전극 182...전류 흐름의 경로
184...방출되는 열 흐름의 경로 186...레이저 빔
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 장파장용 수직 공진 표면 방출 레이저는, 제1 도전형의 반도체 기판; 상기 반도체 기판 위에 형성되어 브래그 반사 조건을 충족시키는 하부 거울층; 상기 하부 거울층 위에 형성된 활성층; 상기 활성층 위에 형성되어 상기 활성층으로의 전류 이동 경로를 제공하는 전류 통로층; 상기 활성층 위에서 상기 전류 통로층을 감싸면서 상기 활성층으로의 전류 이동 경로를 제한하는 전류 제한층; 상기 전류 통로층 및 전류 제한층 위에형성된 내부 공진 접촉층; 상기 내부 공진 접촉층의 일부 표면 위에 형성되어 브래그 반사 조건을 충족시키는 상부 거울층; 상기 내부 공진 접촉층의 노출 표면 및 상기 상부 거울층의 표면 위에 형성된 제1 전극; 및 상기 반도체 기판의 일정 표면 위에 형성된 제2 전극을 구비하는 것을 특징으로 한다.
상기 상부 거울층은 제1 폭의 제1 메사 구조를 갖고, 상기 전류 제한층, 전류 통로층 및 내부 공진 접촉층은 상기 제1 폭보다 큰 제2 폭을 갖는 제2 메사 구조를 갖는 것이 바람직하다.
상기 하부 거울층 및 제2 전극은 상기 반도체 기판과 동일한 제1 도전형으로 도핑되고, 상기 내부 공진 접촉층 및 제1 전극은 상기 반도체 기판과 반대인 제2 도전형으로 도핑된 것이 바람직하다.
상기 상부 거울층은 도핑되지 않은 것이 바람직하다.
상기 전류 통로층은 InAlAs 벌크층이고 상기 전류 제한층은 InAlAs 산화막인 것이 바람직하다.
상기 제1 전극은 5000Å 이상의 두께를 갖는 금 전극인 것이 바람직하다.
상기 다른 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 장파장용 수직 공진 표면 방출 레이저의 제조 방법은, 제1 도전형의 반도체 기판 위에 하부 거울층, 활성층, 제1 반도체층, 내부 공진 접촉층 및 상부 거울층을 순차적으로 성장시키는 단계; 제1 마스크막 패턴을 식각 마스크로 하여 상기 상부 거울층을 제1 폭의 제1 메사 구조를 갖도록 제1 식각 공정을 수행하는 단계; 상기 제1 식각 공정에 의해 노출된 상기 내부 공진 접촉층 및 상부 거울층 위에 제2 마스크막 패턴을형성하는 단계: 상기 제2 마스크막 패턴을 식각 마스크로 하여 상기 제1 반도체층 및 내부 공진 접촉층을 상기 제1 폭보다 큰 제2 폭의 제2 메사 구조를 갖도록 제2 식각 공정을 수행하는 단계; 상기 제2 반도체층의 측면을 산화시키는 산화 공정을 수행하여 상기 활성층 내부 공진 접촉층 사이의 전류 통로층 및 상기 전류 통로층을 둘러싸는 전류 제한층을 형성하는 단계: 상기 제2 마스크막 패턴을 제거하는 단계; 상기 내부 공진 접촉층 및 상부 거울층 표면 위에 제1 전극을 형성하는 단계: 및 상기 반도체 기판의 일정 표면 위에 제2 전극을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 반도체 기판은 InP 기판을, 상기 하부 거울층 및 상부 거울층은 InAlGaAs/InAlAs, InAlGaAs/InP 또는 GaAsSb/AlAsSb의 다층 박막을, 상기 활성층은 InGaAs 또는 InGaAsP의 양자 우물을, 그리고 상기 제1 반도체층은 InAlAs 벌크층을 사용하여 형성하는 것이 바람직하다.
상기 제2 마스크막 패턴은 실리콘 질화막을 사용하여 형성하는 것이 바람직하다.
상기 제2 메사 구조의 제2 폭은 상기 제1 메사 구조의 제1 폭보다 2-3.5배가 되도록 하는 것이 바람직하다.
상기 제1 및 제2 식각 공정은 건식 식각 공정을 사용하여 수행하는 것이 바람직하다.
상기 산화 공정은 수증기 분위기 및 450-550℃의 온도에서 수행하는 것이 바람직하다.
상기 제1 식각 공정이 종료된 후 상기 내부 공진 접촉층 표면 위에 잔재하는 상부 거울층 제거를 위한 습식 식각 공정을 수행하는 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다.
이하 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명의 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예들로 인해 한정되어지는 것으로 해석되어져서는 안된다.
도 1은 본 발명에 따른 산화막 전류 구경을 갖는 장파장용 수직 공진 표면 방출 레이저를 나타내 보인 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 장파장용 수직 공진 표면 방출 레이저(100)는, n형 InP 기판(110) 위에 형성된다. 즉 n형 InP 기판(110) 위에, 브래그(Bragg) 반사 조건을 충족하는 n형 하부 거울층(120) 및 공진하는 레이저 빔이 광 이득을 얻도록 하는 활성층(130)이 순차적으로 형성된다. 활성층(130)의 일부 표면 위에는 전류 통로층(142) 및 전류 제한층(144)이 형성된다. 전류 제한층(144)은 전류 통로층(142)을 감싸도록 형성되며, 도면에 나타나지는 않았지만, 전류 제한층(144)은 원형이나 사각 형태이거나, 또는 다른 다각형 형태로 형성될 수도 있다. 전류 통로층(142) 및 전류 제한층(144) 위에는 전류와 열 방출 경로로 이용되는 p형 내부 공진 접촉층(150)이 형성된다. p형 내부 공진 접촉층(150) 일부 표면 위에는 도핑되지 않은 상부 거울층(160)이 형성되고, p형 내부 공진 접촉층(150) 및 상부 거울층(160) 표면 위에는 p형 전극(170)이 형성된다. n형 전극(180)은 n형 InP 기판(110)의 배면 일부 표면 위에 형성된다.
상기 상부 거울층(160)은 제1 폭(W1)을 갖는 제1 메사 구조를 가지며, 상기 내부 공진 접촉층(150) 및 전류 제한층(144)은 제2 폭(W2)을 갖는 제2 메사 구조를 갖는다. 이때 상기 제2 메사 구조의 제2 폭(W2)은 제1 메사 구조의 제1 폭(W1)의 대략 2-3.5배이다.
상기 n형 하부 거울층(120) 및 상부 거울층(160)은, 브래그(Bragg) 반사 조건을 충족시키기 위하여, InAlGaAs/InAlAs의 다층 박막, InAlGaAs/InP의 다층 박막 또는 GaAsSb/AlAsSb의 다층 박막을 사용하여 형성할 수 있다. InAlGaAs/InAlAs의 다층 박막은, 굴절율차가 크고 InP 기판(110)에 정합되며, 동일한 족, 예컨대 V족 원소를 사용하여 성장상의 가스 흐름을 안정되게 조절할 수 있다는 장점을 제공한다. InAlGaAs/InP의 다층 박막은, 일정한 V족 원소를 사용하지는 않지만 굴절율차가 좀 더 크고 열전도도가 크다는 장점을 제공한다. 그리고 GaAsSb/AlAsSb의 다층 박막은 굴절율차가 상기 InAlGaAs/InAlAs의 다층 박막보다 대략 2배 정도 더 크다는 장점을 제공한다. n형 하부 거울층(120) 및 상부 거울층(160)에서의 층 수는, InAlGaAs/InAlAs의 다층 박막인 경우, 대략 42쌍이 적절하며, 이 경우 대략 99.6% 이상의 반사율을 나타낸다.
상기 활성층(130)은, 클래드(clad)층/다중 양자 우물층/클래드층의 일반적인 구조를 갖는데, 상기 다중 양자 우물층은, 장파장, 즉 대략 1.5-1.6㎛ 영역의 파장대를 모두 포함하는 InGaAs 또는 InGaAsP의 양자 우물 구조를 갖는다.
상기 전류 통로층(142)은 InAlAs층이고, 전류 제한층(144)은 InAlAs 산화층이다. 상기 전류 통로층(142)은 InP 기판(110)에 격자 정합되어 있거나, 또는 Al 함량이 많아서 InP 기판(110)에 격자 부정합될 수도 있다. 상기 전류 통로층(142)은 산화층인 전류 제한층(144)에 의해 둘러싸이는 산화막 전류 구경이다. 상기 p형 내부 공진 접촉층(142)은 p형 반도체층, 예컨대 InP층이다. 상기 p형 내부 공진 접촉층(142) 및 상기 전류 제한층(144)의 두께는 대략 5000Å 이상이다. p형 전극(170)으로는 대략 5000Å 이상의 두께를 갖는 Au 전극을 사용함으로써 상부 거울층(160)에서의 반사율을 증가시키고 또한 냉각핀 역할을 수행하도록 한다.
한편, 도면에서 얇은 선의 화살표(182)는 전류 흐름의 경로를 나타내고, 중간 두께의 선의 화살표(184)는 방출되는 열 흐름의 경로를 나타내며, 그리고 가장 두꺼운 두께의 선의 화살표(186)는 레이저 빔을 나타낸다.
도 2 내지 도 5는 본 발명에 따른 장파장용 수직 공진 표면 방출 레이저의 제조 방법을 설명하기 위하여 나타내 보인 단면도들이다.
먼저 도 2를 참조하면, InP 기판(110) 위에 InAlGaAs/InAlAs의 다층 박막 구조로 이루어진 n형 하부 거울층(120), 활성층(130), InAlAs 벌크층(140), p형 내부 공진 접촉층(150) 및 도핑되지 않은 상부 거울층(160)을 순차적으로 성장시킨다. 상기 n형 하부 거울층(120) 및 상부 거울층(160)은 InAlGaAs/InP의 다층 박막 구조 또는 GaAsSb/AlAsSb의 다층 박막 구조로 형성할 수도 있다. 상기 활성층(130)은 클래드(clad)층/다중 양자 우물층/클래드층의 일반적인 구조를 갖도록 형성하며, 특히 다중 양자 우물층은, 장파장, 즉 대략 1.5-1.6㎛ 영역의 파장대를 모두 포함하는 InGaAs 또는 InGaAsP의 양자 우물 구조로 형성한다. 상기 InAlAs 벌크층(140)은 후속 산화 공정에서의 빠른 산화 속도를 위하여 초격자 또는 Al이 많이 첨가된 긴장 InAlAs 층을 사용하여 형성한다. 상기 p형 내부 공진 접촉층(150)은 p형 반도체층, 예컨대 InP 층으로 형성한다.
상기 상부 거울층(160)까지 성장시킨 후에는, 상부 거울층(160)의 최상부 표면상에 상부 거울층(160)의 일부만을 노출시키는 제1 마스크막 패턴(210)을 형성한다. 제1 마스크막 패턴(210)은 실리콘 산화막, 포토레지스트막 또는 티타늄 산화막으로 형성할 수 있다.
다음에 도 3을 참조하면, 상기 제1 마스크막 패턴(도 2의 210)을 식각 마스크로 한 제1 식각 공정을 수행하여 제1 폭(W1)을 갖는 제1 메사(mesa) 구조의 상부 거울층(160)을 형성한다. 제1 식각 공정은 건식 식각 방법, 예컨대 활성 이온 식각(RIE ; Reactive Ion Etching)법 또는 활성 이온 빔 식각(RIBE ; Reactive Ion Beam Etching)법을 사용하여 수행한다. 이 경우 식각 이온으로서 Cl2/Al 계열의 이온을 사용한다. 상기 제1 식각 공정이 진행되는 동안 두께 감시법을 사용하여 내부 공진 접촉층(150)이 완전히 노출되기 직전까지 식각이 이루어지도록 한다. 상기 제1 마스크막 패턴(210)은 원형, 사각형 또는 다른 형태의 다각형일 수 있으며, 이에 따라 메사 구조의 상부 거울층(160)도 원형, 사각형 또는 다른 형태의 다각형일 수 있다.
제1 식각 공정을 수행한 후, 제2 식각 공정을 수행하여 내부 공진접촉층(150)의 상부 표면에 남아 있는 상부 거울층(160) 물질을 완전히 제거한다. 제2 식각 공정은 습식 식각 방법을 사용하는데, 이 경우 식각 용액으로서 내부 공진 접촉층(150)과의 식각 선택비가 충분한 식각 용액을 사용한다. 예컨대 상부 거울층(160)이 InAlGaAs 계열이고 내부 공진 접촉층(150)이 InP 계열인 경우, 인산/과수(H3PO4/H2O2) 혼합 용액을 식각 용액으로 사용한다.
다음에 도 4를 참조하면, 상부 거울층(160)과 내부 공진 접촉층(150)의 일부 표면을 덮는 보호막(220)을 형성한다. 상기 보호막(220)은 실리콘 질화(SiNx)막으로 형성할 수 있다. 이어서 보호막(220)을 식각 마스크로 한 제3 식각 공정을 수행하여 제2 폭(W2)을 갖는 제2 메사 구조의 내부 공진 접촉층(150) 및 InAlAs 벌크층(140)을 형성한다. 제3 식각 공정은 건식 식각 공정, 예컨대 활성 이온 식각법을 사용하여 수행한다. 이 경우에도 식각 이온으로서 Cl2/Al 계열의 이온을 사용하여 활성층(130)이 노출될 때까지 식각을 진행한다. 상기 보호막(220)은 원형, 사각형 또는 다른 형태의 다각형일 수 있으며, 이에 따라 메사 구조의 내부 공진 접촉층(150) 및 InAlAs 벌크층(140)도 원형, 사각형 또는 다른 형태의 다각형일 수 있다.
상기 상부 거울층(160)의 제1 폭(W1)과, 내부 공진 접촉층(150) 및 InAlAs 벌크층(140)의 제2 폭(W2)은, 후속 공정에서의 산화막 구경, 즉 전류 제한층에 의해 한정되는 전류 통로층의 크기와 밀접한 관계가 있는데, 이에 대한 상세한 설명은후술하기로 한다.
다음에 도 5를 참조하면, 산화 공정을 수행하여 InAlAs 벌크층(140)의 측면 일부를 산화시킨다. 산화 공정은 수증기 분위기에서 대략 450-550℃의 온도에서 수행된다. 이 경우 수증기 유입은, 예컨대 질소 가스를 캐리어 가스로 이용하여 이 질소 가스를 대략 60-95℃의 온도를 갖는 물이 저장되어 있는 용기를 통과시킴으로써 수행된다. 즉 상기 용기를 통과하는 질소 가스는 수증기와 함께 샘플이 들어있는 열로(furnace)로 유입된다. 캐리어 가스인 질소 가스의 유입량은 대략 0.1-10 liter/분 정도가 적절하지만, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 산화 공정이 종료되면, 활성층(130)의 중심 부분 위에는 InAlAs 벌크층으로 이루어진 전류 통로층(142)이 형성되고, 활성층(130)의 가장 자리 위에는 전류 통로층(142)을 둘러싸는 InAlAs 산화막의 전류 제한층(144)이 형성된다.
전류 통로층(142) 및 전류 제한층(144)을 형성한 후에는, 상기 보호막(220)을 제거한다. 그리고, 도 1에 나타낸 바와 같이, 내부 공진 접촉층(150) 및 상부 거울층(160) 표면에 p형 전극, 예컨대 금(Au) 전극을 형성하고, InP 기판(110)의 배면 일부 표면상에 n형 전극(180)을 형성한다.
한편 도 3의 제1 메사 구조를 갖는 상부 거울층(160)의 제1 폭(W1)은, 열의 효율적 방출을 위하여, 전류 통로층(도 5의 142)에 비해 너무 크면 안된다. 예컨대 전류 통로층(142)의 폭이 10㎛인 경우, 상부 거울층(160)의 제1 폭(W1)은 대략 12㎛이 적절하다. 이 경우 좌우폭의 여유분인 2㎛는 포토 공정에서의 오차를 감안한 것이므로 정밀한 포토 공정일 경우 더 적은 여유분을 갖도록 하여도 무방하다.
도 4의 제2 메사 구조를 갖는 내부 공진 접촉층(150) 및 InAlAs 벌크층(140)의 제2 폭(W2)은 내부 공진 접촉층(150) 위에 형성될 p형 전극(도 1의 170)의 폭에 의해 결정된다. p형 전극(170)의 폭이 제1 매사 구조를 갖는 상부 거울층(160)의 제1 폭(W1)보다 작은 경우에는 균일한 전류 주입이 이루어지지 않을 뿐 아니라 열 방출이 용이하지 않게 된다. 따라서 p형 전극(170)의 폭은 제1 메사 구조를 갖는 상부 거울층(160)의 제1 폭(W1)의 대략 0.5배이거나 그 이상이 되도록 형성하는 것이 적절하다. 그러나 p형 전극(170)의 폭을 너무 크게 형성하고자 하는 경우, 산화 공정에서 소요되는 시간이 증가한다. 예컨대 대략 500℃의 고온에서 산화 공정을 진행하더라도 산화되는 양은 대략 1-2㎛/시간의 상대적으로 매우 늦은 산화 속도를 나타내는 것으로 알려져 있다. 따라서 p형 전극(170)의 폭은, 제1 메사 구조를 갖는 상부 거울층(160)의 제1 폭(W1)이 대략 12㎛인 경우, 대략 0.5-0.7배인 대략 6-8㎛가 되도록 한다.
이와 같이 p형 전극(170)의 폭이 결정되면, 제2 메사 구조를 갖는 내부 공진 접촉층(150) 및 InAlAs 벌크층(140)의 제2 폭(W2)은 아래의 수학식 1에 의해 결정할 수 있다.
여기서, W2는 제2 메사 구조의 폭을 나타내고, W1은 제1 메사 구조의 폭을 나타내고, Wprocess는 공정 오차를 나타내며, 그리고 Welectrode는 p형 전극(도 1의 170) 폭(도 1 참조)을 나타낸다. 예를 들면, 제1 메사 구조의 폭(W1)이 12㎛이고, 공정 오차(Wprocess)가 2㎛이며, 그리고 p형 전극폭(Welectrode)이 7㎛인 경우, 제2 메사 구조의 폭(W2)은 30㎛이 된다.
한편 제2 메사 구조의 폭(W2)이 결정되면, 산화 공정에 의해 형성되는 전류 제한층(144)의 폭(도 5의 W3)도 아래의 수학식 2에 의해 결정된다.
여기서 W3은 전류 제한층(144)의 폭을 나타내며, W2는 제2 메사 구조의 폭을 나타내며, 그리고 W4는 산화막 전류 구경인 전류 통로층(142)의 폭을 나타낸다. 예를 들면, 제2 메사 구조의 폭(W2)이 30㎛이고, 산화막 전류 구경인 전류 통로층(142)의 폭(W4)을 10㎛로 하고자 하는 경우, 상기 산화 공정에 의해 산화되는 깊이인 전류 제한층(144)의 폭(W3)은 10㎛이 된다.
이상 본 발명을 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능함은 당연하다.
이상의 설명에서와 같이, 본 발명에 따른 장파장용 수직 공진 표면 방출 레이저 및 그 제조 방법에 의하면, 전류 제한층인 InAlAs 산화막에 의해 산화막 구경인 InAlAs 전류 통로층이 한정되도록 함으로써 전류 및 전하 손실을 최소화시키면서, 동시에 제1 메사 폭 및 제2 메사 폭의 적절한 설계에 의해 열방출이 효율적으로 이루어지도록 할 수 있으며, 또한 통상의 방법을 사용하여 장파장용 수직 공진 표면 방출 레이저를 제조할 수 있다는 이점들을 제공한다.

Claims (14)

  1. 제1 도전형의 반도체 기판;
    상기 반도체 기판 위에 형성되어 브래그 반사 조건을 충족시키는 하부 거울층;
    상기 하부 거울층 위에 형성된 활성층;
    상기 활성층 위에 형성되어 상기 활성층으로의 전류 이동 경로를 제공하는 전류 통로층;
    상기 활성층 위에서 상기 전류 통로층을 감싸면서 상기 활성층으로의 전류 이동 경로를 제한하는 전류 제한층;
    상기 전류 통로층 및 전류 제한층 위에 형성된 내부 공진 접촉층;
    상기 내부 공진 접촉층의 일부 표면 위에 형성되어 브래그 반사 조건을 충족시키는 상부 거울층;
    상기 내부 공진 접촉층의 노출 표면 및 상기 상부 거울층의 표면 위에 형성된 제1 전극; 및
    상기 반도체 기판의 일정 표면 위에 형성된 제2 전극을 구비하는 것을 특징으로 하는 장파장용 수직 공진 표면 방출 레이저.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 상부 거울층은 제1 폭의 제1 메사 구조를 갖고, 상기 전류 제한층, 전류 통로층 및 내부 공진 접촉층은 상기 제1 폭보다 큰 제2 폭을 갖는 제2 메사 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 장파장용 수직 공진 표면 방출 레이저.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 하부 거울층 및 제2 전극은 상기 반도체 기판과 동일한 제1 도전형으로 도핑되고, 상기 내부 공진 접촉층 및 제1 전극은 상기 반도체 기판과 반대인 제2 도전형으로 도핑된 것을 특징으로 하는 장파장용 수직 공진 표면 방출 레이저.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 상부 거울층은 도핑되지 않은 것을 특징으로 하는 장파장용 수직 공진 표면 방출 레이저.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 전류 통로층은 InAlAs 벌크층이고 상기 전류 제한층은 InAlAs 산화막인 것을 특징으로 하는 장파장용 수직 공진 표면 방출 레이저.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전극은 5000Å 이상의 두께를 갖는 금 전극인 것을 특징으로 하는 장파장용 수직 공진 표면 방출 레이저.
  7. 제1 도전형의 반도체 기판 위에 하부 거울층, 활성층, 제1 반도체층, 내부 공진 접촉층 및 상부 거울층을 순차적으로 성장시키는 단계;
    제1 마스크막 패턴을 식각 마스크로 하여 상기 상부 거울층이 제1 폭의 제1 메사 구조를 갖도록 제1 식각 공정을 수행하는 단계;
    상기 제1 식각 공정에 의해 노출된 상기 내부 공진 접촉층 및 상부 거울층 위에 제2 마스크막 패턴을 형성하는 단계:
    상기 제2 마스크막 패턴을 식각 마스크로 하여 상기 제1 반도체층 및 내부 공진 접촉층이 상기 제1 폭보다 큰 제2 폭의 제2 메사 구조를 갖도록 제2 식각 공정을 수행하는 단계;
    상기 제2 반도체층의 측면을 산화시키는 산화 공정을 수행하여 상기 활성층 및 내부 공진 접촉층 사이의 전류 통로층 및 상기 전류 통로층을 둘러싸는 전류 제한층을 형성하는 단계:
    상기 제2 마스크막 패턴을 제거하는 단계;
    상기 내부 공진 접촉층 및 상부 거울층 표면 위에 제1 전극을 형성하는 단계: 및
    상기 반도체 기판의 일정 표면 위에 제2 전극을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 장파장용 수직 공진 표면 방출 레이저의 제조 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 반도체 기판은 InP 기판을, 상기 하부 거울층 및 상부 거울층은 InAlGaAs/InAlAs, InAlGaAs/InP 또는 GaAsSb/AlAsSb의 다층 박막을, 상기 활성층은 InGaAs 또는 InGaAsP의 양자 우물을, 그리고 상기 제1 반도체층은 InAlAs 벌크층을 사용하여 형성하는 것을 특징으로 하는 장파장용 수직 공진 표면 방출 레이저의 제조 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제1 반도체층은 Al이 In보다 더 많이 첨가되어 InP에 대해 격자 부정합되는 InAlAs 긴장 벌크층을 사용하여 형성하는 것을 특징으로 하는 장파장용 수직 공진 표면 방출 레이저의 제조 방법.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 제2 마스크막 패턴은 실리콘 질화막을 사용하여 형성하는 것을 특징으로 하는 장파장용 수직 공진 표면 방출 레이저의 제조 방법.
  11. 제7항에 있어서,
    상기 제2 메사 구조의 제2 폭은 상기 제1 메사 구조의 제1 폭보다 2-3.5배가 되도록 하는 것을 특징으로 하는 장파장용 수직 공진 표면 방출 레이저의 제조 방법.
  12. 제7항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 식각 공정은 건식 식각 공정을 사용하여 수행하는 것을 특징으로 하는 장파장용 수직 공진 표면 방출 레이저의 제조 방법.
  13. 제7항에 있어서,
    상기 산화 공정은 수증기 분위기 및 450-550℃의 온도에서 수행하는 것을 특징으로 하는 장파장용 수직 공진 표면 방출 레이저의 제조 방법.
  14. 제7항에 있어서,
    상기 제1 식각 공정인 종료된 후 상기 내부 공진 접촉층 표면 위에 잔재하는 상부 거울층 제거를 위한 습식 식각 공정을 수행하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장파장용 수직 공진 표면 방출 레이저의 제조 방법.
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