KR100427583B1 - 장파장 수직 공진 표면광 레이저의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 장파장 통신용 광원으로 주목 받고 있는 수직 공진 표면광 레이저의 제조 방법에 관한 것으로, 실리콘(Si) 이온과 같이 무거운 이온을 주입하여 표면 가까이에 저항이 큰 층을 형성함으로써 양성자 주입과는 달리 최소 전류 주입 직경이 아주 작게 형성되도록 하며, 실리콘(Si) 이온 주입 후 결정을 재성장시켜 전류가 에피면에 평행하게 잘 흐르도록 함으로써 전극으로부터 실리콘(Si) 이온에 의해 형성된 전류 주입구까지의 저항이 크게 감소되도록 한다. 따라서 전류 주입 직경을 효과적으로 감소시킬 뿐만 아니라 소자의 저항을 크게 줄일 수 있어 열 발생을 감소시키고, 또한 재성장 시 InP를 사용함으로써 열 발산을 더욱 향상시켜 소자의 전반적인 성능 향상을 이룬다.

Description

장파장 수직 공진 표면광 레이저의 제조 방법 {Method for fabricating long wavelength vertical-cavity surface emitting lasers}

본 발명은 장파장 통신용 광원으로 주목 받고 있는 수직 공진 표면광 레이저에 관한 것으로, 특히, 실리콘(Si) 이온과 같은 무거운 이온의 주입과 결정 재성장을 통해 전류 주입 직경을 아주 작게 만들고 저항을 감소시킬 수 있도록 한 장파장 수직 공진 표면광 레이저의 제조 방법에 관한 것이다.

InAlGaAs/InAlAs/InGaAs 계열로 InP 기판 상에 성장된 수직 공진 표면광 레이저는 기하학적인 구조의 특성상 엣지 에미팅(Edge Emitting) 레이저에 비해 대량 생산에 더 적합하여 생산 단가가 저렴하기 때문에 근거리 광 통신망에서 중요한 소자로 떠오르고 있다. 특히, 파장이 1.3 내지 1.55㎛인 수직 표면광 레이저는 그 통신 거리가 850nm 레이저의 수백 미터에 비해 수 킬로 미터로 확장 가능하므로 차세대 광 통신망의 장파장 통신용 광원으로 주목 받고 있다.

장파장 수직 공진 표면광 레이저의 물질 중의 하나로 InGaInAs/InAlAs를 InP기판 상에 성장시킨 구조가 시도되었으며, 최근 연속 상온 발진 보고가 잇따르고 있다 [J. Boucart et. al, "Metamorphic DBR and Tunnel-Junction Injection: A CW RT Monolithic Long-Wavelength VCSEL", IEEE Joutnal of Selected Topics in Quantum Electronics", Vol. 5, No. 3. p520-529 (1999)].

수직 공진 표면광 레이저의 제작에 있어서 중요한 구조의 하나인 전류 감금 구조는 전하 운반자를 일정 면적의 능동 매질에 공급함으로써 레이저 이득 면적을 조절하고, 그 면적에서 레이저 발진이 일어나도록 하는 역할을 한다. 기존의 수직 표면광 레이저들은 이를 위하여 식각 기둥(etched pillar), 이온 주입(ion implantation), 산화막(oxidation), 공기 틈(air gap) 기법 등을 이용하고 있으나, 이들 대부분 AlGaAs 물질에 기반을 두는 방법으로 그대로 InAlGaAs/InAlAs 장파장표면광 레이저에 적용하기에는 어려움이 있다.

레이저 기둥은 건식 이온 에칭으로 손쉽게 제작할 수 있기 때문에 현재 장파장 수직 공진 표면광 레이저 제작에 이용되고 있는 방식이다 [J. K. Kim, E. Hall, O. Sjolund, G. Almuneau and L. A. Coldren, "Room-temperature, electrically-pumped multiple-active-region VCSELs with high differential efficeiency at 1.55㎛", Vo.35, No.13, p1084-1085 (1999)]. 그러나 기둥의 직경이 감소함에 따라 임계 전류는 감소하지만 저항이 직경의 제곱에 비례해 증가하므로 전반적인 소자의 특성을 악화시킨다. 또한 능동 매질을 통과하여 에칭하기 때문에 표면에서 운반자 결합(surface recombination)을 가져와 전류 손실과 함께 레이저 효율을 감소시킨다.

양성자 이온 주입 방법에서 이온 산란 반경은 위쪽 반사경의 두께와 포토레지스트 마스크 두께에 비례해 늘어나는 특성을 가지고 있다. 산란된 이온들은 저항으로 작용하거나 불안정한 전류 주입 특성을 일으키는 주 요인으로 작용하기 때문에 이온 주입 직경의 크기는 반사경 두께에 의해 제한을 받게 된다. 장파장 표면광 레이저의 경우에 InAlAs/InAlGaAs 분산 브라그 반사경을 사용할 경우 6 내지 7㎛에 이르므로 포토레지스트 두께까지 고려할 경우 이온 주입으로 가능한 최소 직경은 15㎛에 이를 것으로 판단된다. 장파장 레이저에서는 반사경의 두께가 파장의 증가와 함께 단파장 레이저에 비해 증가하기 때문에 양성자 이온 주입 방법으로 만들 수 있는 최소 전류 주입 직경에 한계가 있다.

산화 방법은 아주 효율적인 전류 감금 구조이나, 장파장에서는 InP 기판 상에 AlAs층을 성장시킬 수 없으므로 실현이 어렵고, InAlAs를 사용한다 하더라도 AlAs에 비해 그 산화 속도가 매우 느리고 불균일한 것으로 알려져 있다.

마지막으로, 공기 틈 기법은 AlAs층과 GaAs 사이의 선택적 화학 식각 성질을 이용하는 것으로서, 능동 매질 바로 위에 AlAs층을 위치시키고 이를 HCl 용액을 사용하여 작은 직경을 제외하고 제거하는 방법이다. 이 방법 또한 산화 방법과 비견하는 특성을 보이지만 InP 기판에서는 AlAs가 성장되지 않으므로 역시 사용할 수 없다. 이와 비슷한 방법으로 InP를 에피층에 포함시킨 뒤 선택적으로 식각해 내는 방법이 있다. 그러나 일반적으로 InAlGaAs/InAlAs은 Al을 포함하고 있어 산화가 잘 되고 산에 잘 부식된다. 따라서 상대적으로 작은 두께를 가지고 수평 방향으로 긴 거리를 에칭할 수 있는 선택적 식각 용액을 찾아내기란 쉽지 않다.

따라서 본 발명은 실리콘(Si) 이온과 같은 무거운 이온의 주입과 결정 재성장을 통해 전류 주입 직경을 아주 작게 만들 수 있도록 하므로써 상기한 단점을 해소할 수 있는 장파장 수직 공진 표면광 레이저를 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 공진기의 두께를 고려하여 하부 분산 브라그 반사경, 레이저 능동 매질, 열 퍼짐층을 순차적으로 성장시키는 단계와, 열 퍼짐층 상에 포토레지스트로 마스크를 형성한 후 노출된 부분의 열 퍼짐층에 이온을 주입하여 전류 감금층을 형성하는 단계와, 포토레지스트 마스크를 제거하고 전류 감금층을 포함하는 열퍼짐층 상에 Inp층 및 전류 퍼짐층을 순차적으로재성장시키는 단계와, 전류 퍼짐층 상에 전극을 형성한 후 상부 분산 브라그 반사경을 적층시키는 단계와, 상부 분산 브라그 반사경의 표면에 Au 반사경을 형성하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

상기 이온은 실리콘(Si) 이온이며, 50 내지 500KeV의 에너지로 주입되는 것을 특징으로 한다.

도 1 내지 도 3은 본 발명의 장파장 수직 공진 표면광 레이저의 제조 방법을 설명하기 위한 소자의 단면도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10: 하부 분산 브라그 반사경 11: 레이저 능동 매질

12: 열 퍼짐층 13: 전류 감금층

14: InP층 15: 전류 퍼짐층

16: 전극 17: 상부 분산 브라그 반사경

18: Au 반사경 20: 포토레지스트 마스크

전류 감금 구조의 기술적 과제는 다음과 같이 요약될 수 있다. 가장 먼저, InAlGaAs, InAlAs, InP로 구성된 1.3 내지 1.55㎛의 장파장용 수직 공진 표면광 레이저에서 적용할 수 있어야 하고, 둘째, 전체 전극의 접촉 면적과 전류 중간 통과 면적이 전류 감금 직경보다 크게 유지됨으로써 기존의 기둥 구조(pillar 또는 air-post 구조)에서와 같이 전류 주입 직경이 감소함에 따라 저항이 급격히 증가하는 문제가 없어야 한다. 또한 10㎛ 이내의 적은 직경까지 전류 주입이 가능하여 수직 공진 표면광 레이저의 장점인 낮은 임계 전류를 실현할 수 있어야 한다. 마지막으로 제작 공정이 간단하고 안정적이어서 실제 소자의 대량 생산 시 적용될 수 있어야 한다. 본 발명은 기존의 방법들이 만족하지 못한 위의 조건들을 해결할 수 있는 장파장 수직 공진 표면광 레이저의 전류 감금 구조를 제시하고자 한다.

다음으로, 장파장 수직 공진 표면광 레이저는 물질 고유의 작은 밴드 갭(band gap) 때문에 온도 증가와 함께 소자의 성능이 급격히 악화되는 특성을 가지고 있다. 이 문제를 해결하기 위해서는 효율적인 열 방출 구조가 필요하며, 본발명에서는 전류 감금 구조와 병행할 수 있는 열 방출 구조를 제시하고자 한다.

그러면 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.

본 발명의 전류 감금 구조는 도 1에 도시된 바와 같이, 크게 p형의 불순물이 도핑된 InP층(12)과, InP층(12)에 형성되며 실리콘(Si) 이온이 주입된 전류 감금층(13)과, 전류 감금층(13)을 포함하는 InP층(12) 상에 재성장된 InP층(14)으로 이루어진다.

먼저, 결정 성장 장치를 이용하여 하부 분산 브라그 반사경(10), 레이저 능동 매질(11), 열 퍼짐층(Heat Spreading Layer)(12)을 공진기 두께에 맞춰 성장시킨다. 도 2에 도시된 바와 같이 열 퍼짐층(12) 상에 포토레지스트로 마스크(20)를 만든 다음 실리콘(Si) 이온과 같은 무거운 이온을 가속기를 통해 주입하여 전류 감금층(13)을 형성한다. 상기 실리콘(Si) 이온을 50 내지 500KeV의 에너지, 바람직하게는 120KeV 정도의 에너지로 주입할 경우 1300Å의 깊이 근처에서 이온의 분포가 최대가 되고, 표면에서 3000Å의 깊이까지 결정 상태가 파괴되면서 절연막(13)이 형성된다. 그러나 포토레지스트 마스크(20)가 덮였던 부분은 이온에 의해 공격받지 않기 때문에 원래의 전도상태를 유지한다.

이온 주입이 끝나면 포토레지스트 마스크(20)를 제거하고 도 3과 같이 450 내지 600℃의 온도에서 전류 감금층(13)을 포함하는 InP 열 퍼짐층(12) 상에 Inp층(14) 및 InAlGaAs 전류 퍼짐층(Current Spreading Layer)(15)을 순차적으로 재성장시킨다.

이후 상기 InAlGaAs 전류 퍼짐층(15) 상에 도전층을 형성한 후 패터닝하여 전극(16)을 형성하고 유전체 박막 또는 유전체 박막과 금속으로 도 1과 같이 상부 분산 브라그 반사경(17)을 적층시키고, 상부 분산 브라그 반사경(17)의 표면에 Au 반사경(18)을 형성한다. 상기 상부 분산 브라그 반사경(17)을 둘러싸는 최상부층에 있는 Au 반사경(18)은 유전체 반사경의 반사율을 높여 주는 역할을 한다.

여기서, 재성장된 InP층(14)은 p형의 불순물로 도핑되어 있어서 전류를 전극으로부터 전류 주입구까지 전달하는 역할을 함과 동시에 하부의 InP층(12)과 마찬가지로 InP의 높은 열 전도율을 이용해서 소자 중심에서 발생하는 열을 전극으로 발산시킨다. 전극은 금속으로 형성되어 열 전도도가 매우 크기 때문에 측면으로 열을 넓게 퍼지게 하고, 결국은 공기에 의해서 냉각되거나 열전기 냉각기(Thermoelectric cooler)로 열을 빠지게 하는 역할을 한다. 열 방출 효율은 열이 통과하는 면적이 클수록 좋아지는데, 여기에 사용된 InP층을 열 퍼짐층(12)이라 한 이유도 여기에 있다. 전류 퍼짐층(15)은 p형의 불순물이 도핑되어 있어서 전류를 잘 통하게 하는 층으로서, 전극(16)에서 주입된 전류를 레이저 출력경 중심부로 저항의 큰 증가 없이 전달하는 역할을 한다. 이 전류 퍼짐층(15)은 공진기 제작시 광 모드의 광 세기가 최소값이 되는 노드에 위치함으로써 공진기의 흡수 손실을 거의 증가시키지 않는다.

본 발명은 장파장 수직 공진 표면광 레이저 개발에 있어 가장 중요한 전류감금 방법 및 열 방출에 관련된 문제를 해결한다.

먼저, 기존에 850nm 수직 공진 표면광 레이저 제작 시 사용되던 고 에너지 양성자 이온 주입법이 InAlGaAs 계열 장파장 레이저에는 적용될 수 없었으나, 본 발명은 실리콘(Si) 이온과 같은 무거운 이온을 주입하여 장파장 물질에서도 충분히 큰 저항을 가지는 절연막을 형성할 수 있도록 한다. 이 방법은 이온 주입의 깊이가 얇아서 훨씬 더 작은 전류 주입 직경을 만들 수 있도록 한다. 기존의 두꺼운 상부 분산 브라그 반사경은 양성자 이온 깊이를 증가시키고, 따라서 이온이 옆으로 비껴가는 효과를 가져오기 때문에 전류 주입 직경을 줄이는 데 한계가 있었지만, 본 발명의 구조는 실리콘(Si) 이온을 주입할 때 전류 주입구가 표면에서 매우 가까이 있기 때문에 옆으로 비껴가는 효과가 거의 없다. 따라서 전류 주입 직경을 매우 작게 만들 수 있다.

둘째로, 본 발명의 구조에서 재성장된 부분은 전류 퍼짐층을 사용하여 전류가 표면에 평행하게 흐를 때 저항이 작아지도록 하므로써 전극에서 이온 주입에 의해 형성된 전류 주입구까지의 저항을 크게 감소시킨다. 이러한 전기적 특성 향상은 소자의 열 발생 자체를 억제함으로써 장파장 레이저 동작에 크게 기여하고 고속 변조 특성 또한 향상시킨다.

세째로, 본 발명의 구조는 레이저 능동 매질 바로 상부에 있는 InP층과 재 성장된 InP층의 열 전도도가 크기 때문에 소자 중심부에서 발생하는 열을 전극까지 잘 전달함에 따라 냉각 효과가 증대된다.

Claims (7)

1. 공진기의 두께를 고려하여 하부 분산 브라그 반사경, 레이저 능동 매질, 열 퍼짐층을 순차적으로 성장시키는 단계와,

   상기 열 퍼짐층 상에 포토레지스트로 마스크를 형성한 후 노출된 부분의 상기 열 퍼짐층에 이온을 주입하여 전류 감금층을 형성하는 단계와,

   상기 포토레지스트 마스크를 제거하고 상기 전류 감금층을 포함하는 상기 열퍼짐층 상에 Inp층 및 전류 퍼짐층을 순차적으로 재성장시키는 단계와,

   상기 전류 퍼짐층 상에 전극을 형성한 후 상부 분산 브라그 반사경을 적층시키는 단계와,

   상기 상부 분산 브라그 반사경의 표면에 Au 반사경을 형성하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 장파장 수직 공진 표면광 레이저의 제조 방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 열 퍼짐층은 InP로 이루어진 것을 특징으로 하는 장파장 수직 공진 표면광 레이저의 제조 방법.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 이온은 실리콘(Si)인 것을 특징으로 하는 장파장 수직 공진 표면광 레이저의 제조 방법.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 이온은 50 내지 500KeV의 에너지로 주입되는 것을 특징으로 하는 장파장 수직 공진 표면광 레이저의 제조 방법.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 전류 퍼짐층은 InAlGaAs로 이루어진 것을 특징으로 하는 장파장 수직 공진 표면광 레이저의 제조 방법.
6. 제 1 항에 있어서,

   상기 상부 분산 브라그 반사경은 유전체 박막으로 이루어지거나 유전체 박막과 금속으로 이루어진 것을 특징으로 하는 장파장 수직 공진 표면광 레이저의 제조 방법.
7. 제 1 항에 있어서,

   상기 Inp층 및 전류 퍼짐층은 450 내지 600℃의 온도에서 재성장되는 것을 특징으로 하는 장파장 수직 공진 표면광 레이저의 제조 방법.