KR100413785B1 - Vertical cavity surface emitting laser diode and fabricating method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 수직공진 면발광 레이저 다이오드(vertical cavity surface emitting laser diode; VCSEL) 및 그 제조방법에 관한 것으로, 특히 GaN계 Ⅲ-Ⅴ족 혼정계를 사용하는 수직공진 면발광 레이저 다이오드 및 그 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a vertical cavity surface emitting laser diode (VCSEL) and a method of manufacturing the same, and more particularly, to a vertical cavity surface emitting laser diode using a GaN group III-V hybrid crystal system and a method of manufacturing the same. It is about.
모서리 발광 레이저 다이오드가 소자의 적층면과 평행 방향의 공진 구조를 가지면서, 적층면과 평행한 방향으로 레이저 빔을 발진시키는데 반하여, 수직공진 면발광 레이저 다이오드는 소자의 적층면에 수직인 공진 구조를 가지면서 소자의 적층면의 수직 방향으로 레이저 빔을 발진한다. 이러한 수직공진 면발광 레이저 다이오드(VCSEL)는 모서리 발광 레이저 다이오드(edge emitting laser diode)에 비해 구동 전류가 낮고, 발진 빔의 발산(beam divergence)이 작아서 광통신이나 광정보기록, 그리고 홀로그래픽 메모리 (holographic memory) 등에 널리 이용된다. 또한, 수직공진 면발광 레이저 다이오드(VCSEL)는 종모드 간격(longitudinal mode spacing)이 넓어 단일 종모드(single longitudinal mode) 특성을 나타내며, 발진개시 전류가 낮고, 출사빔이 대칭성을 갖고 있어 결합효율(coupling efficiency)이 좋다는 등의 장점으로 인하여 점차 그 응용범위가 확대되고 있다.While the edge-emitting laser diode has a resonant structure parallel to the stacking surface of the device, the laser beam oscillates in a direction parallel to the stacking surface, while the vertical resonant surface-emitting laser diode has a resonant structure perpendicular to the stacking surface of the device. While oscillating the laser beam in the vertical direction of the stacked surface of the device. The vertical resonance surface emitting laser diode (VCSEL) has a lower driving current and a smaller beam divergence than an edge emitting laser diode, so that optical communication, optical information recording, and holographic memory (holographic memory) memory). In addition, the vertical resonance surface emitting laser diode (VCSEL) exhibits a single longitudinal mode characteristic due to wide longitudinal mode spacing, low oscillation start current, and symmetry of the exit beam, resulting in coupling efficiency ( Due to the advantages of good coupling efficiency, the application range is gradually expanded.
도 1은 종래의 수직공진 면발광 레이저 다이오드의 수직 단면이다.1 is a vertical cross section of a conventional vertical resonance surface emitting laser diode.
도시된 종래의 수직 공진기 면발광 레이저 다이오드는 활성층(4) 상하에 상부 미러층(5)과 하부 미러층(3)이 형성되어 있고, 활성층(4) 내로의 캐리어 주입이 제1금속층(1)과 제2금속층(7)으로부터 상부미러층(5) 및 하부 미러층(3)을 거치도록 구조되어 있다. 그리고 활성층(4) 내로의 전류주입을 일정영역으로 제한하기 위해 상기 상부미러층(5)의 양측에서 소정 깊이로 하부 미러층(3)의 일부에 이르기까지 H+를 선택적으로 주입(implantation)시켜, 주입된 영역에 의해 캐리어통로가 중앙부분으로 제한되도록 하는 H+주입영역(8)이 마련된다. 도 1에서 참조부호 2는 기판이며, 6은 오믹버퍼층을 나타낸다.In the conventional vertical resonator surface emitting laser diode shown in the drawing, an upper mirror layer 5 and a
이와 같은 적층구조를 H+주입 평탄화구조라고 부르는데, 이 평탄화 구조는 캐리어 주입이 상부와 하부미러층(5)(3)을 통과하여야 하기 때문에 상부 및 하부 미러층(5)(3)은 공진기로서의 미러역활외에 캐리어의 도통경로도 제공해야한다. 따라서, 상부 및 하부 미러층(5)(3)은 활성층(4)에서 발생된 광의 공진에 최대의 효율을 발휘할 수 있는 미러역활을 하도록 적절한 조성물로 조성되는 것이 바람직하지만, 고 반사율을 얻기 위해 반복 적층되는 두 물질의 굴절률 차이를 크게 가져갈수록 전기적 저항이 증대되어 캐리어 주입을 방해하기 때문에 캐리어 주입을 위한 저항특성을 함께 고려하여 조성물질을 선택해야만 하는 제약이 따른다. 그결과, 상부 및 하부 미러층(5)(3)의 조성이 원할한 캐리어 주입과 공진효율 향상과의 상충되는 문제 때문에 고반율에 해당하는 조성비에서는 저항증가에 따른 열적문제를 피할 수 없게 되고, 이러한 열적문제가 안정적인 발진을 방해한다. 반대로 캐리어주입이 원할해 지는 조성비에서는 광출력효율이 저감되는 문제점을 안고 있다.This stacking structure is called an H + injection planarization structure, and the planarization structure requires the upper and
본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하고, 고밀도 광기록/재생장치의 광원으로 사용할 수 있도록 GaN계 혼정 화합물을 이용하여 단파장 특성이 우수하고 제작이 용이하며, 열적특성이 우수한 수직공진 면발광 레이저 다이오드 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention improves the above problems and uses a GaN-based mixed crystal compound to provide a light source of a high-density optical recording / reproducing apparatus. And its manufacturing method.
도 1은 종래의 수직공진 면발광 레이저 다이오드의 수직 단면도이고,1 is a vertical cross-sectional view of a conventional vertical resonance surface emitting laser diode,
도 2는 본 발명에 따른 수직공진 면발광 레이저 다이오드의 수직 단면도이다.2 is a vertical cross-sectional view of a vertical resonance surface emitting laser diode according to the present invention.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>
1, 19: 제1금속층 2, 11: 기판1, 19:
3, 13: 하부 미러층 4, 15: 활성층3, 13: lower mirror layer 4, 15: active layer
5, 18: 상부 미러층 6: 오믹 버퍼층5, 18: upper mirror layer 6: ohmic buffer layer
7, 20: 제2금속층 8: H+주입영역7, 20: second metal layer 8: H + injection region
12: 버퍼층 13a: AlN층12:
13b, 18b: GaN층 14: 제1콘택트층13b, 18b: GaN layer 14: first contact layer
16: 전류제한층 16a: 전류통과영역16: Current
16b: 전류차단영역 17: 제2콘택트층16b: current blocking region 17: second contact layer
18a: AlN산화층18a: AlN oxide layer
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 수직공진 면발광 레이저 다이오드는, 기판과 상기 기판 상에 다수 적층에 의해 형성된 하부미러층과 상기 하부 미러층 상에 형성된 제1 콘택트층과 상기 제1 콘택트층의 중앙부분상에 소정 폭으로 형성된 활성층과 상기 제1 콘택트층의 주변부분상에 형성된 제1 금속층과 상기 활성층 상에 형성되는 것으로서 그 중앙부분에 전류통과영역이 마련되고, 그 양측에 전류차단영역이 마련된 전류제한층과 상기 전류제한층 상에 형성되는 제2 콘택트층과 상기 제2 콘택트층의 중앙부분에 소정폭으로 다중적층에 의해 형성된 상부미러층과 상기 제2콘택트층의 주변부분상에 형성된 제2 금속층을 포함하는 것을 그 특징으로 한다.In order to achieve the above object, a vertical resonance surface emitting laser diode according to the present invention includes a substrate and a lower mirror layer formed by a plurality of stacked on the substrate, and a first contact layer formed on the lower mirror layer and the first contact. An active layer formed on the central portion of the layer and a first metal layer formed on the peripheral portion of the first contact layer and the active layer formed on the active portion, and a current passing region is provided at the central portion thereof, and current blocking is provided at both sides thereof. On the current limiting layer provided with an area, the second contact layer formed on the current limiting layer, and the upper mirror layer formed by multiple laminations having a predetermined width in a central portion of the second contact layer, and on the peripheral portion of the second contact layer. It characterized in that it comprises a second metal layer formed in the.
여기서, 바람직하게는 상기 상부미러층은 AlN을 산화한 AlN산화층과 GaN층이 교번으로 다수 반복적층되어 있고, 상기 하부미러층은 AlN층과 GaN층이 교번으로 다수 반복적층되어 있고, 상기 활성층은 InGaN 으로 조성되어 있고, 상기 제1 및 제2 콘택트층은 GaN으로 조성되어 있고, 상기 전류제한층은 전류통과영역이 AlGaN으로 조성되어 있고, 상기 전류차단영역은 AlGaN을 산화시켜 형성되어 있다.Here, preferably, the upper mirror layer is a plurality of alternating layers of AlN oxide and GaN layer oxidized AlN alternately, the lower mirror layer is a plurality of alternating layers of AlN and GaN layers alternately, the active layer is InGaN, the first and second contact layers are formed of GaN, the current limiting layer is formed of AlGaN, and the current blocking region is formed by oxidizing AlGaN.
그리고, 상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 수직공진 면발광 레이저 다이오드의 제조방법은, 기판 상에 AlN층과 GaN층을 교번으로 다수 반복적층하여 하부 미러층을 형성하는 단계; 상기 하부미러층 상에 제1콘택트층, 활성층, 전류제한층, 제2콘택트층을 순차적으로 형성시키는 단계; 상기 제2콘택트층 위에 AlN층과 GaN층을 교전으로 다수 반복적층하여 상부미러층을 형성하는 단계; 상기 상부 미러층으로부터 상기 제2콘택트층의 일부 까지 식각하여 상기 제2콘택트층 상면의 일부를 노출시키고, 상기 제2콘택트층으로부터 상기 제1콘택트층의 상면까지 식각하여 상기 제1콘택트층 상면의 일부를 노출시키는 식각 단계; 상기 전류제한층의 소정폭의 중앙부분만 전류통과 영역으로 제한되도록 상기 전류통과 영역을 제외한 양측영역을 산화시켜 전류차단영역을 형성하고, 상기 상부 미러층을 구성하는 AlN층을 산화시켜 AlN산화층을 형성하는 산화단계; 상기 제1콘택트층 상면의 노출된 부분과 상기 제2콘택트층 상면의 노출된 부분의 소정 영역에 각각 전극으로 사용되는 제1금속층 및 제2금속층을 형성하는 전극형성 단계;를 포함한다. 여기서, 식각단계 이후의 상기 산화단계와 전극 형성단계는 그 순서가 서로 바뀌어도 된다.In order to achieve the above object, a method of manufacturing a vertical resonance surface emitting laser diode according to the present invention includes: repeatedly forming a plurality of AlN layers and GaN layers alternately on a substrate to form a lower mirror layer; Sequentially forming a first contact layer, an active layer, a current limiting layer, and a second contact layer on the lower mirror layer; Forming an upper mirror layer by repeatedly stacking an AlN layer and a GaN layer on the second contact layer in alternating manner; A portion of the upper surface of the second contact layer is exposed by etching from the upper mirror layer to a portion of the second contact layer, and a portion of the upper surface of the first contact layer is etched from the second contact layer to the upper surface of the first contact layer. Etching to expose a portion; The current blocking region is formed by oxidizing both regions except for the current passing region so that only the central portion of the current limiting layer is limited to the current passing region, and oxidizes the AlN layer constituting the upper mirror layer to form an AlN oxide layer. Forming an oxidation step; An electrode forming step of forming a first metal layer and a second metal layer used as electrodes in predetermined regions of the exposed portion of the upper surface of the first contact layer and the exposed portion of the upper surface of the second contact layer, respectively. Here, the order of the oxidation step and the electrode forming step after the etching step may be reversed.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 수직 공진기 면발광 레이저 다이오드 및 그 제조 방법에 대한 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.Hereinafter, exemplary embodiments of a vertical resonator surface emitting laser diode and a method of manufacturing the same according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 2는 본 발명에 따른 수직 공진기 면발광 레이저 다이오드의 수직 단면도이다.2 is a vertical cross-sectional view of a vertical resonator surface emitting laser diode according to the present invention.
도시된 바와 같이, 면발광 레이저 다이오드는 기판(11) 위에 순차적으로 버퍼층(12), 하부 미러층(13), 제1콘택트층(14), 활성층(15), 전류제한층(16), 제2콘택트층(17), 상부 미러층(18)이 순차적으로 적층되어 있고, 제1콘택트층(14) 상면의 노출된 부분에 형성된 제1금속층(19), 제2콘택트층(17) 상면의 노출된 부분에 형성된 제2금속층(20)이 구비된다.As shown, the surface-emitting laser diode is sequentially disposed on the
목적하는 청 녹색 파장을 구현하기 위한 각 층별 조성물에 있어서, 먼저, 기판 위의 버퍼층(12)은 GaN 또는 AlN으로 조성되고, 제1 및 제2 콘택트층(14)(17)은 금속과의 오믹특성이 우수한 GaN으로 조성되고, 활성층(15)은 InGaN으로 조성되고, 상부 미러층(18)은 AlN산화층(18a)과 GaN층(18b)을 교번으로 반복형성하여 DBR(distributed Bragg reflector)이 되도록 형성되고, 하부 미러층(13)은 AlN층(13a)과 GaN층(13b)을 교번으로 반복형성하여 DBR(distributed Bragg reflector)이 되도록 형성되고, 전류제한층(16)은 통전경로가 되는 중앙부분인 전류통과영역(16a)이 AlGaN으로 조성되고, 전류통과영역(16a) 양측의 전류차단영역(16b)은 산화된 AlGaN으로 형성되는 게 바람직하다. 여기서 상부 미러층(18)이 AlN을 산화시켜 형성된 AlN산화층(18a)과 GaN층(18b)으로 교번적층되어 형성되어 있어, 목적하는 반사율을 얻기 위해 반복적층되는 적층수가 AlN층과 GaN층을 교번으로 할 때보다 줄어들어 제작이 용이해지고, 결함발생율이 상대적으로 줄어드는 효과가 있다. 이와 같이 조성된 면발광 레이저 다이오드는 실질적으로 계단식 단층을 갖는 원기둥 형상으로 제작될 때, 광효율과 관련하여 상부 미러층(18)의 외경(b)이 전류제한층(16)의 전류통과영역(16a)의 외경(a)보다 크게 되도록 결정된다. 그리고, 단일 횡모드 발진을 위해서는 상호 동일한 반경으로 나란하게 적층된 활성층(15), 전류제한층(16), 제2콘택트층(17)의 외경(c)이 5μm정도를 유지하는 것이 바람직하다. 또한 상부미러층(18)의 외경(b)과 전류제한층(16)의 외경(c) 및 전류제한층(16)의 전류통과영역(16a)의 외경(a) 각각의 수치 결정에서 먼저, 선택된 광출력특성과 관련하여 전류제한층(16)의 전류통과영역 외경(a)이 결정되고, 다음은 산화율과 관련하여 산화에 의해 상기 전류차단영역까지 침투해 들어가는 깊이가 상부미러층(18)의 AlN층을 완전히 산화시키도록 상부미러층(18)의 외경(b)이 결정된다. 이와 같이 각 층의 외경이 산화공정과 관련지어 결정되면 제작시 한 번의 산화작업에 의해 소자의 제작이 용이하게 이루어진다.In each layer composition for realizing the desired blue-green wavelength, first, the
상기와 같은 구조를 갖는 본 발명의 수직공진 면발광 레이저 다이오드의 특징에 의하면 활성층(15) 내부로 캐리어가 주입되는 통로는 제1콘택트층(14) 상면의 노출된 부분에 마련된 제1금속층(19)으로부터 제1콘택트층(14), 활성층(15), 전류제한층(16)의 전류통과영역(16a), 제2콘택트층(17) 및 제2콘택트층(17) 상면에 마련된 제2금속층(20)으로 이어진다. 따라서, 낮은 저항특성을 갖는 GaN로 조성된 제1콘택트층(14)과 제2콘택트층(17)에 의해 캐리어 주입이 원할해짐으로써 문턱전류가 낮아지고, 하부 미러층(13)과 상부 미러층(18)은 캐리어 주입경로와 분리되어 순수 미러역활에만 기여하도록 조성됨으로써 90%이상의 고반사율을 갖는 미러가 형성된다. 그 결과 원하는 파장대역 즉, 자외선영역으로부터 청록색 영역에 걸쳐서 이용하고자 하는 파장대역에 해당하는 광을 출사하기에 적합하도록 각 층을 조성할 수 있고, 이와 관련하여 상부와 하부 미러층(18)(13)이 90% 이상의 고반사율을 제공함으로써 광출력효율이 향상된다.According to the feature of the vertical resonance surface emitting laser diode of the present invention having the structure as described above, the passage through which the carrier is injected into the
이와 같은 특성을 갖는 수직공진 면발광 레이저 다이오드의 제작공정을 살펴보면, 먼저, 결정성장에의해 기판(11) 위에 버퍼층(12), 하부 미러층(13), 제1콘택트층(14), 활성층(15), 전류차단층(16), 제2콘택트층(17) 및 상부 미러층(18)을 순차적으로 나란하게 성장시킨다. 여기서 전류차단층과 상부 미러층은 산화공정 이전의 조성물로만 적층되어 진다.Looking at the manufacturing process of the vertical resonance surface emitting laser diode having such characteristics, first, the
결정성장단계에서 각 층별 조성물을 살펴보면 버퍼층(12)은 GaN 또는 AlN으로 조성되고, 하부미러층(13)은 GaN층(13b)과 AlN층(13a)을 발진파장(λ)의 λ/4의 광학적 두께로 교대로 적층한다. 또한 활성층(15)은 AlGaN으로 발진파장(λ)의 정수배에 해당하는 두께로 적층하고, 제1 및 제2콘택트층(14)(17)은 GaN으로 조성한다. 그리고, 상부 미러층(18)은 AlN층(18a)과 GaN층(18b)을 교대로 반복적층하되 GaN층(18b)은 굴절률값으로부터 발진파장(λ)의 λ/4의 광학적 두께로 적층되되, AlN층(18a)은 후공정인 산화단계를 거쳐 산화된후 갖는 굴절률값에 대응하여 λ/4의 광학적 두께로 적층하여야한다.Looking at the composition of each layer in the crystal growth step, the
다음으로 식각단계에서는 제1금속층(19)인 n형 오믹메탈(ohmic metal)과 제2전극층(20)인 p형 오믹메탈(ohmic metal)을 형성하기 위한 공간을 확보하기 위하여, 두 번의 식각과정을 거치는데 먼저, 상부 미러층(18)의 외경(b)의 폭으로 수직하게 제2콘택트층(16)의 상면까지 식각하고, 다음으로 제2콘택트층(17)의 외경(c)의 폭으로 수직하게 제1콘택트층(14)의 일부깊이까지 식각한다. 여기서 상부 미러층(18)으로부터 제1콘택트층(14)까지 활성층의 외경(c)에 해당하는 폭으로 수직하게 먼저 식각해내고, 다시 상부 미러층(18)의 외경(b)에 해당하는 폭으로 상부미러층에서부터 수직하게 제2콘택트층(16)까지 식각해내는 순서로 진행되어도 된다.Next, in the etching step, two etching processes are performed to secure a space for forming an n-type ohmic metal, which is the
식각단계를 거치고 나면, 상부 미러층(18)의 AlN층(18a)과 AlGaN으로 조성된 전류제한층(16)을 산화시키는 공정을 수행하게 되는데, 이때 AlN층(18a)은 전영역에 걸쳐 골고루 산화 될 수 있도록 하는데 반하여 전류제한층(16)은 선택된 전류통과영역(16a)이 산화되지 않게 하고, 나머지 부분인 전류차단영역(16b)만 산화되도록 하는 선택적 산화공정을 진행시킨다.After the etching step, the AlN layer 18a of the
이후 식각단계를 거쳐 형성된 제1콘택트층(14) 상면의 노출된 부분과 제2콘택트층(17) 상면의 노출된 부분에 전극으로 사용되는 제1금속층(n형 오믹메탈)(19)과 제2금속층(p형 오믹메탈)(20)을 형성하는 금속층 형성단계를 거치게 된다.Thereafter, the first metal layer (n-type ohmic metal) 19 and the first metal layer, which are used as electrodes, are exposed to the exposed portion of the upper surface of the
이와 같이 제작된 소자의 측면 광도파(lateral wave guide)는 광출사면의 외경에 의해 발진되는 모드수가 결정되게 된다.The lateral wave guide of the device manufactured as described above determines the number of modes oscillated by the outer diameter of the light exit surface.
종래에는 캐리어 주입특성을 향상시키기 위하여 저항을 낮출 목적으로 상부 및 하부 미러층(18)(13)에 p형과 n형 도펀트를 각각 주입하였으나, 본 발명에 의한 수직공진 면발광 레이저 다이오드에서는 제1 및 제2콘택트층(14)(17)이 캐리어 주입통로를 제공하기 때문에 상, 하부 미러층(18)(13)에 별도의 도핑을 하지 않아도 되고, 전류제한층(16)의 비산화영역인 전류통과영역(16a)의 폭으로 전류제한이 적절히 이루어져 동작전류가 낮아지고, 동시에 광가이드역활에 의한 단일 횡모드 특성이 향상된다. 또한 청녹색 발진파장을 제공함으로써, 고밀도 광기록장치 예컨대 DVD(digitl video disk)시스템의 광원으로서 알맞는 기능을 할 수 있다.Conventionally, p-type and n-type dopants are injected into the upper and lower mirror layers 18 and 13 for the purpose of lowering the resistance in order to improve carrier injection characteristics. And the second contact layers 14 and 17 provide a carrier injection path, so that the upper and lower mirror layers 18 and 13 do not need to be separately doped, which is a non-oxidation region of the current limiting
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 수직 공진기 면발광 레이저 다이오드는 케리어 주입통로가 상부 및 하부 미러층과 분리됨으로써, 원할한 캐리어 주입과 고반사율의 미러면 형성을 동시에 이룰수 있어 문턱전류가 낮고, 열적특성이 안정되면 광출력효율이 증대된다.As described above, in the vertical resonator surface emitting laser diode according to the present invention, the carrier injection path is separated from the upper and lower mirror layers, thereby achieving a smooth carrier injection and a high reflectivity mirror surface at the same time. When the characteristic is stable, the light output efficiency is increased.
Claims (7)
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