KR100446608B1 - 단일횡모드단파장면발광반도체레이저장치및제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 질화갈륨 (GaN)계 면발광 반도체 레이저 장치에 관한 것으로, 특히 소자의 상부 분산 브래그 반사층(DBR : Distributed Bragg Reflector)(22)을 돔 혹은 렌즈(lens)모양으로 형성하여 빛의 편광 특성과 단일 횡 모우드(Single Transverse Mode) 발진을 가능하게 해주는 장치로서 모서리 발광 (Edge Emitting)소자가 적층면과 평행하게 빔을 발진시키는데 반해 상기 면발광 레이저 반도체는 적층면과 수직인 방향으로 빔(beam)을 발진시킬 수 있다.

종래의 면발광 다이오드는 특정 방향으로 편광(polarization)이 고정되지 않았으나, 본 발명은 소자의 상부 DBR을 렌즈(lens) 모양으로 형성하여 상기 단점을 극복하였다.

또한 본 발명은 상기와 같은 단일 횡 모드 단파장 면발광 반도체 레이저 장치의 제조 방법을 제공한다.

본 발명의 제조 방법은 볼록렌즈형의 PR 패턴(Photo Resist Pattern)을 형성하는 단계와, 상기 패턴에 열을 가하는 단계 및 소자를 건식식각법으로 처리하는 단계를 포함한다.

Description

단일 횡 모드 단파장 면발광 반도체 레이저 장치 및 제조 방법

일반적인 GaN계 면발광 반도체 레이저 소자는 활성층 상, 하부에 고반사율의상부 분산 브래그 반사기(Distributed Bragg Reflector:DBR)(2)와 하부 DBR(3)을 구비하여 결정성장면에 수직한 빛을 내는 장치로서, 이의 구조를 나타내면 도 1 및 도 2와 같다.

도 1은 통상 가장 널리 쓰이는 이득도파형 소자의 구조이다.

상기 구조는 기판(1)상에 활성층(5)이 형성되며, 상기 활성층(5) 상하로 상부 DBR(2),하부 DBR(3)이 적층되어 있다.

그리고 상기 구조는 전류주입(Current Injection))을 일정 영역으로 제한하기 위해 이온 주입 (Ion Implantation)법에 의해 상부DBR (2)과 하부 DBR(3)의 일정 영역에 전류 차단용 고저항 영역(4)이 형성된 구조로서, 광도파 효과가 그다지 크지 못하며, 고차수의 모우드가 쉽게 발생하는 문제점이 있었다.

도 2는 상부 DBR(2)이나 하부 DBR(3)중 어느 하나의 일부분을 선택적으로 산화시켜 이의 굴절률을 이용하는 굴절률 도파 (index guide) 구조로, 도 1보다는 개량된 구조이다.

그러나 상기 구조 역시, 소자의 활성 영역을 작게(일반적으로 5㎛ 이하) 유지해 주어야 하고, 빔 방사각이 크기 때문에 소자가 고출력 동작을 할 경우 단일 횡모드(Single Transverse Mode)를 유지하기 어려워지는 문제점을 갖고 있었다.

그 이유는 레이저 동작조건중 하나인 반사율이 기본 모우드(Basic Mode)와 고차수 모우드(High Order Mode)에서 동일한 값으로 적용되므로 발생된 빛이 고차수 모우드방향으로 나가게 되는 경우, 상기 기본 모우드와 고차수 모우드가 발진 조건을 만족하므로, 고출력 동작을 위해 많은 전류를 주입하면 활성 영역의 면적이증가하고, 따라서 고차수 모우드의 빛이 생겨나기 때문이다.

또한 상기 도 1과 도 2에 예시한 구조의 면발광 다이오드들은 모서리 발광 (Edge Emitting)소자와는 달리 점대칭형의 광도파 구조이기 때문에 특정한 방향으로 편광(polarization)이 고정되지 않는 문제점도 있었다.

따라서 본 발명은 상기 서술한 종래기술의 단점을 극복하기 위해 소자의 상부 DBR을 렌즈(lens) 모양으로 형성함으로써, 근본적으로 고차수 모드 발진을 억제하여 단일 모우드 발진을 가능하게 하고, 또한 렌즈 모양에 방향성을 부여하여 소자의 편광 특성을 원하는 방향으로 고정시킬 수 있는 단일 횡 모드 단파장 면발광 반도체 레이저 장치와 제조 방법을 제공하는 데 목적이 있다.

도 1은 종래의 이득도파형 소자의 구조도

도 2는 또 다른 종래의 이득도파형 소자의 구조도

도 3은 본 발명에 의한 면발광 반도체 레이저 장치의 제조 방법을 나타내는 도면

도 4는 본 발명에 의한 면발광 반도체 레이저 장치를 나타내는 도면

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1,21 : 기판

2,12,22 : 상부 DBR

3,23 : 하부 DBR

4 : 전류 차단용 고저항 영역

5,25 : 활성층

16 : 포토레지스트(Photo Resist)

본 발명에 의한 레이저장치는 상기 서술한 문제점을 극복하기 위해서 소자의 상부 DBR을 렌즈(lens) 모양으로 만들어 반사율이 중심에서 멀어질수록 점차 감소하는 구조를 가진다.

그리고 상기 레이저 장치는 3족-5족 화합물 반도체 또는 2족-6족 화합물 반도체로 이루어지며, 또한 질화 갈륨(GaN),질화 알루미늄(AlN),질화 인듐(InN)을 중심으로한 3원 또는 4원 혼정계 화합물 반도체에 적용될 수 있다..

상기와 같은 구조를 제조하기 위한 방법은, 통상적으로 쓰이는 포토레지스트(Photo Resist:P.R)와 GaN,AlN,InN 사이에 식각속도의 선택성이 없는 건식식각법을 사용한다.

이제 이와 같은 구조의 레이저장치를 제작하는 원리를 도 3을 통해 상세히 설명한다.

먼저 활성층의 밴드갭(Band Gap)이 상부 및 하부 DBR의 밴드갭보다 작도록 기판상에 하부 DBR과 활성층, 상부 DBR을 적층한 후, 상기 상부 DBR상에 통상의 사진 식각(Photolithography) 방법에 의해 도 3의 (가)와 같이 원형 또는 타원형의 P.R(16) 패턴을 형성한다.(S1)

상기 단계(S1) 공정 후에 약 150℃~300℃의 열을 가하여 렌즈 모양으로 용융시키면 도 3의 (나)와 같이 P.R (16)바깥 면의 표면장력에 의해서 완만한 패턴을 얻는다.(S2)

이후 상기의 건식식각방법으로 식각하여 도 3의 (다)와 같은 모양의 DBR을 얻으며, 필요에 따라서는 적절한 수준에서 식각을 끝내 도 3의 (라)와 같이 외곽의 테두리만 경사진 형태로 제작한다.(S3)

상기와 같은 단계들로 제작된 단일 횡 모드 단파장 면발광 반도체 레이저장치의 구조를 도 4에 나타내었다.

도 4에 나타낸 면발광 반도체 레이저에 대해 상세한 설명을 덧붙이면, 상부 DBR(22)에 형성된 렌즈(lens) 형 구조의 외곽은 상기 DBR(22)의 페어(pair)수가 적어 반사율이 낮아지므로, 미러(mirror)손실이 많아지게 되고 결국 발진 조건이 만족되지 않게 된다..

따라서 도 4에서 화살표로 표시한 바와 같이 고차수 모우드는 발진 조건을 만족하지 못하므로, 상기와 같은 구조를 가진 면발광 반도체 레이저는 단순히 광도파에 의존하는 형식이 아니라 근본적으로 고차수 모우드의 발진을 억제하는 방식이므로 높은 전류 주입으로 인한 고차수 모우드의 이득(gain)이 축적되더라도 발진은 불가능하게 된다.

그러므로 고출력 동작 시에도 안정적으로 단일 모우드로 발진 할 수 있다.

상기의 돔형 구조를 타원형으로 변형시키면 비대칭성 레이저 발진 조건을 만족하게 되어 상기 면발광 반도체 레이저의 편광 특성을 원하는 한 쪽 방향으로 고정시킬 수 있게 된다.

상기에 기술한 바와 같이 본 발명에 의한 단일 횡 모드 단파장 면발광 반도체 레이저장치는, 고출력 동작 시에도 안정적인 단일 모우드 발진을 할 수 있으며, 소자의 편광 특성을 원하는 한 쪽 방향으로 고정시킬 수 있다는 장점이 있다.

Claims (15)

1. 기판;

   상기 기판 위에 형성된 하부 분산 브래그 반사층;

   상기 하부 분산 브래그 반사층 위에 위치한 활성층; 및

   상기 활성층 위에 형성된 상부 분산 브래그 반사층을 포함하며,

   상기 상부 브래그 반사층의 상면 중앙부분이 렌즈형으로 돌출됨으로써 고차수 모드 발진을 억제하여 단일 모드 발진을 가능하게 하는 것을 특징으로 하는 단일 횡 보드 단파장 면발광 반도체 레이저 장치.
2. 청구항 1에 있어서, 상기 상부 브래그 반사층의 상면 중앙부분에 렌즈형으로 돌출된 돌출부는 좌우 대칭인 것을 특징으로 하는 단일 횡 모드 단파장 면발광 반도체 레이저 장치.
3. 청구항 1에 있어서, 상기 레이저 장치가 3족-5족 화합물 또는 2족-6족 화합물로 이루어진 것을 특징으로 하는, 단일 횡 모드 단파장 면발광 반도체 레이저 장치
4. 청구항 3에 있어서, 상기 화합물은 GaN,AlN,InN을 중심으로한 3원 또는 4원 혼정계인 것을 특징으로 하는, 단일 횡 모드 단파장 면발광 반도체 레이저 장치.
5. 청구항 1 내지 청구항 4의 어느 한 항에 있어서, 상기 상부 분산 브래그 반사층의 돌출부가 원형인 것을 특징으로 하는, 단일 횡 모드 단파장 면발광 반도체 레이저 장치.
6. 청구항 1 내지 청구항 4의 어느 한 항에 있어서, 상기 상부 분산 브래그 반사기의 돌출부가 타원형인 것을 특징으로 하는, 단일 횡 모드 단파장 면발광 반도체 레이저 장치.
7. 청구항 1내지 청구항 4의 어느 한 항에 있어서, 상기 상부 분산 브래그 반사층의 돌출부가 외곽 테두리만 경사지고 나머지 부분은 평탄한 것을 특징으로 하는, 단일 횡 모드 단파장 면발광 반도체 레이저 장치.
8. 기판 상에 하부 분산 브래그 반사층, 활성층, 및 상부 분산 브래그 반사층을 연속하여 형성하는 제1단계;

   상기 상부 분산 브래그 반사층의 상면 중앙부분에 사진식각방법을 통해 소정 형태의 포토레지스트 패턴을 형성하는 제2단계;

   상기 포토레지스트 패턴에 소정의 열을 가하여 상기 포토레지스트 패턴의 표면경사가 완만해지도록 하는 제3단계; 및

   건식식각법을 통해 상기 포토레지스트 패턴과 상부 분산 브래그 반사층을 소정의 깊이까지 수직으로 식각하는 제4단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 단일 횡 모드 단파장 면발광 반도체 레이저 장치의 제조 방법.
9. 청구항 8에 있어서, 상기 건식식각법은 상기 포토레지스트 패턴과 상기 상부 분산 브래그 반사층이 동일 식각속도로 식각되는 것을 특징으로 하는, 단일 횡 모드 단파장 면발광 반도체 레이저 장치의 제조 방법.
10. 청구항 8에 있어서, 상기 제3단계에 요구되는 온도의 범위가 150 ~ 300℃ 사이로 설정된 것을 특징으로 하는, 단일 횡 모드 단파장 면발광 반도체 레이저 장치의 제조 방법.
11. 청구항 9에 있어서, 상기 제3단계에 요구되는 온도의 범위가 150 ~ 300℃ 사이로 설정된 것을 특징으로 하는, 단일 횡 모드 단파장 면발광 반도체 레이저 장치의 제조 방법.
12. 청구항 8 내지 청구항 11의 어느 한 항에 있어서, 상기 건식식각은 상기 상부 분산 브래그 반사층의 돌출부중 외곽 테두리만 경사지고, 나머지 부분은 평탄하도록 식각하는 것을 특징으로 하는, 단일 횡 모드 단파장 면발광 반도체 레이저 장치의 제조 방법.
13. 청구항 8에 있어서, 상기 돌출된 포토레지스트 패턴은 원형 혹은 타원형으로 형성하는 것을 특징으로 하는, 단일 횡 모드 단파장 면발광 반도체 레이저 장치의 제조 방법.
14. 청구항 8 내지 청구항 9의 어느 한 항에 있어서, 상기 상부 및 하부 분산 브래그 반사층은 3족-5족 화합물 반도체 혹은 2족-6족 화합물 반도체로 이루어지면서 활성층의 밴드갭이 상기 상하부 분산 브래그 반사층의 밴드갭보다 작도록 형성하며, 상기 건식식각법은 RIE, ECR RIE, ICP RIE, RIBE, CAIBE등으로부터 선택되어지는 것을 특징으로 하는, 단일 횡 모드 단파장 면발광 반도체 레이저 장치의 제조 방법.
15. 청구항 8 내지 청구항 9의 어느 한 항에 있어서, 상기 상부 및 하부 분산 브래그 반사층과 활성층은 GaN 혹은 AlN 혹은 InN을 중심으로한 3원 또는 4원 혼정계 화합물 반도체로 이루어지면서 활성층의 밴드갭이 상기 상하부 분산 브래그 반사층의 밴드갭보다 작도록 형성하며, 상기 건식식각법은 RIE, ECR RIE, ICP RIE, RIBE, CAIBE 등으로부터 선택되어지는 것을 특징으로 하는, 단일 횡 모드 단파장 면발광 반도체 레이저 장치의 제조 방법.

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