KR100447745B1 - 단일모드 수직공진 표면발광 레이저 다이오드 및 그제조방법 - Google Patents

단일모드 수직공진 표면발광 레이저 다이오드 및 그제조방법 Download PDF

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Abstract

종래의 수직공진 표면발광 레이저 다이오드는 전류 주입구(B)의 직경이 수 ㎛로 작지 않는 한 다중 모드 일 수 밖에 없다. 다중 모드는 모드간의 간섭현상을 빚어내는데, 이러한 현상은 빛의 소멸과 분산을 초래할 수 밖에 없다. 이는 데이터 전송손실율(Bit Error Rate, BER)을 높게 하여 중장거리 통신용 능동소자로 부적합하게 만드는 근본적인 요인이다. 그러나, 본 발명의 실시예 1에서와 같이 상쇄간섭층(9)을 λ/4n의 홀수배 두께로 형성하고 빛이 출력될 부분에만 홀(C)을 형성하여 광학적인 두께 및 폭을 조절함으로써 발광되는 출사광의 단일모드를 구현하면, 전류 가이드층(7)의 측면 산화를 통하여 전류 주입구(B)의 직경을 수 ㎛ 로 작게 조절하는 접근 방식에 의해 야기되는 역동전압의 증가, 전류 가이드층(7)의 측면산화 영역(A)의 가중으로 인한 신뢰성 저하, 작은 전류 주입구(B) 형성의 재현성 문제를 해결할 수 있게 된다.

Description

단일모드 수직공진 표면발광 레이저 다이오드 및 그 제조방법{Single mode vertical-cavity surface-emitting laser diode and fabrication method thereof}
본 발명은 단일모드 수직공진 표면발광 레이저 다이오드 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 특히 다중모드의 출사광에서 발생되는 모드간의 간섭으로 인한 빛의 소멸과 분산이 최소화되어 장거리 통신에 적합한 단일모드 수직공진 표면발광 레이저 다이오드 및 그 제조방법에 관한 것이다.
수직공진 표면발광 레이저 다이오드는 광통신에 사용되는 능동소자의 대표적인 것으로서, 출사광의 모드 특성은 상부 미러와 하부 미러간의 수직공진 되면서 발생되는 단일 모드를 갖는다. 횡(transverse) 모드는 소자의 크기 즉, 전류 주입구(current aperture)의 크기로 결정되는데, 전류 주입구를 통해 주입되는 전류의 세기에 따라 고차 모드들이 증가되는 것이 일반적이다. 종래에는 측면산화를 통하여 전류 주입구의 직경을 수 ㎛로 작게 만들어 횡방향으로의 다중 모드를 단일 모드화 하였다. 그러나, 이러한 방법은 측면 산화영역의 가중으로 인한 신뢰성 저하 및 작은 전류 주입구 형성의 재현성 저하 문제로 많은 어려움을 안고 있다.
도 1a 내지 도 1c는 종래의 수직공진 표면발광 레이저 다이오드 및 그 제조방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
먼저, n형 GaAs 기판(1) 상에 완충층(2), n형 하부 브래그 반사경층(3), 하부 클래드층(4), 활성층(5), 상부 클래드층(6), 전류 가이드층(7), 및 p형 상부 브래그 반사경층(8)을 순차적으로 형성한다.
이어서, p형 상부 브래그 반사경층(8) 상에 동그란 모양의 감광막 패턴(11)을 형성한 다음에 이를 식각마스크로 하여 상부 클래드층(6)이 노출될 때까지 p형 상부 브래그 반사경층(8), 및 전류 가이드층(7)을 메사(mesa) 식각한다. 그리고, 전류 가이드층(7)의 측면부를 산화시킨다. 전류 가이드층(7)은 AlGaAs로 이루어질 수 있는데 이를 400℃ 이상의 습식산화 분위기에 노출시키면 Al 성분이 측면쪽에서부터 산화되어 측면부(A)는 산화되고, 중앙부(B)는 산화되지 않고 동그란 모양으로 존재하게 된다. 중앙부(B)가 전류 주입구(current aperture) 역할을 하게 된다.
계속해서, 메사식각되어 제거된 부분과 남은 부분과의 단차극복 및 타부분과의 고립(isolation)을 위해서 식각된 부분에 폴리이미드(polyimide)를 채워 넣고 350℃에서 60분 동안 구워 경화시킴으로서 p형 상부 브래그 반사경층(8) 만을 노출시키는 폴리이미드 재질의 평탄화층(12)을 형성한다. 그리고, 전류 가이드층(7)의 중앙부(B) 상부를 동그란 모양으로 노출시키는 p형 오믹금속층(14)을 p형 상부 브래그 반사경층(8) 상에 형성한다. p형 상부 브래그 반사경층(8)은 p형 오믹금속층(14)과의 오믹접촉을 위해 그 표면을 도펀트(dopant)가 고농도로 도핑된 GaAs로 만든다. 이어서, 기판(1)의 뒷면에 n형 오믹금속층(16)을 형성한다.
상술한 종래의 수직공진 표면발광 레이저 다이오드의 출사광의 모드 특성은 전류 주입구(B)의 직경이 수 ㎛로 작지 않는 한 다중 모드 일 수 밖에 없다. 다중 모드는 모드간의 간섭현상을 빚어내는데, 이러한 현상은 빛의 소멸과 분산을 초래할 수 밖에 없다. 이는 데이터 전송손실율(Bit Error Rate, BER)을 높게 하여 중장거리 통신용 능동소자로 부적합하게 만드는 근본적인 요인이다.
따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 상술한 종래의 문제를 해결하면서 단일모드의 광출력을 얻을 수 있는 단일모드 수직공진 표면발광 레이저 다이오드를 제공하는 데 있다.
또한, 본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 상기 기술적 과제를 달성하는 데 적합한 단일모드 수직공진 표면발광 레이저 다이오드 제조방법을 제공하는 데 있다.
도 1a 내지 도 1c는 종래의 수직공진 표면발광 레이저 다이오드 및 제조방법을 설명하기 위한 단면도들;
도 2a 내지 도 2g는 본 발명의 제1 실시예에 따른 수직공진 표면발광 레이저 다이오드 및 그 제조방법을 설명하기 위한 도면들;
도 3a 내지 도 3g는 본 발명의 제2 실시예에 따른 수직공진 표면발광 레이저 다이오드 및 그 제조방법을 설명하기 위한 도면들;
도 4a 내지 도 4g는 본 발명의 제3 실시예에 따른 수직공진 표면발광 레이저 다이오드 및 그 제조방법을 설명하기 위한 도면들이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 예에 따른 단일모드 수직공진 표면발광 레이저 다이오드는; 화합물반도체 기판 상에 형성된 하부 브래그 반사경층; 상기 하부 브래그 반사경층 상에 형성된 활성층; 상기 활성층 상에 형성되며 중앙부분이 전류 및 광의 통로가 되도록 측면부가 산화된 전류 가이드층; 상기 전류 가이드층 상에 형성된 상부 브래그 반사경층; 상기 상부 브래그 반사경 상에 λ/4n의 홀수배 두께로 형성되며, 중앙부에는 상기 전류 가이드층의 산화되지 않은 중앙부분보다 작은 직경을 가지는 홀이 형성되어 있는 상쇄간섭층, 여기서, λ는 출사 레이저광의 파장이고, n은 상기 상쇄간섭층의 절대굴절율 임; 및 상기 전류가이드층 중앙부 상부에 위치하는 상기 상쇄간섭층을 노출시키도록 상기 상쇄간섭층 상에 형성되는 오믹금속층; 을 구비하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 상부 브래그 반사경층은 상기 상쇄간섭층의 홀에 의해 노출되는 것이 바람직하지만, 홀 밑부분에 상기 상쇄간섭층이 잔류하여 노출되지 못해도 괜찮다. 다만, 상기 상쇄간섭층의 잔류에 의해 노출되지 못하는 후자의 경우에는 상기 전류 가이드층의 중앙부를 통해서 출사되는 광의 효율이 떨어지지 않도록 가능하면 상기 상쇄간섭층의 잔류두께가 400Å 이하로 얇아야 좋다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 다른 예에 따른 단일모드 수직공진 표면발광 레이저 다이오드는; 화합물반도체 기판 상에 형성된 하부 브래그 반사경층; 상기 하부 브래그 반사경층 상에 형성된 활성층; 상기 활성층 상에 형성되며 중앙부분이 전류 및 광의 통로가 되도록 측면부가 산화된 전류 가이드층; 상기 전류 가이드층 상에 형성된 상부 브래그 반사경층; 상기 상부 브래그 반사경층 중앙부분 상에 λ/4n의 홀수배 두께로 형성되며, 중앙부에는 상기 전류 가이드층의 산화되지 않은 중앙부분보다 작은 직경을 가지는 홀이 형성되어 있는 다중유전체층, 여기서, λ는 출사 레이저광의 파장이고, n은 상기 다중유전체층을 이루는 각 층에 대응하는 절대굴절율 임; 및 상기 다중유전체층이 형성되지 않은 상기 상부 브래그 반사경층 가장자리 부분에 접촉되도록 형성되는 오믹금속층; 을 구비하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 다중 유전체층은 SixNy층 및 SixOy층이 교번하여 적층되어 이루어지는 것일 수 있다.
그리고, 상기 상부 브래그 반사경층은 상기 다중유전체층의 홀에 의해 노출되는 것이 바람직하지만, 홀 밑부분에 상기 다중유전체층이 잔류하여 노출되지 못해도 괜찮다. 다만, 상기 다중유전체층의 잔류에 의해 노출되지 못하는 후자의 경우에는 상기 전류가이드층의 중앙부를 통해서 출사되는 광의 효율이 떨어지지 않도록 가능하면 상기 다중유전체층의 잔류두께가 400Å 이하로 얇아야 좋다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 예에 따른 단일모드 수직공진 표면발광 레이저 다이오드는; 화합물반도체 기판 상에 형성된 하부 브래그 반사경층; 상기 하부 브래그 반사경층 상에 형성된 활성층; 상기 활성층 상에 형성되며 중앙부분이 전류 및 광의 통로가 되도록 측면부가 산화된 전류 가이드층; 상기 전류 가이드층 상에 형성된 상부 브래그 반사경층; 상기 상부 브래그 반사경층 상에 형성되는 상쇄간섭층; 자신과 상기 상쇄간섭층을 포함한 층의 두께가 λ/4n의 홀수배가 되도록 상기 상쇄간섭층과 상기 p형 상부 브래그 반사경층 사이에 개재되며 상기 상쇄간섭층과는 다른 에너지 밴드 갭을 가지는 흡수층, 여기서, λ는 출사 레이저광의 파장이고, n은 상기 상쇄간섭층과 흡수층의 절대굴절율 임; 상기 상쇄간섭층과 흡수층을 관통하며 상기 전류 가이드층의 중앙부분 상부에 위치하되, 상기 전류 가이드층의 산화되지 않은 중앙부분보다 작은 직경을 가지는 홀(C); 및 상기 상쇄간섭층과 접촉되도록 상기 홀 주위에 형성되는 오믹금속층; 을 구비하는 것을 특징으로 한다.
상기 다른 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 예에 따른 단일모드 수직공진 표면발광 레이저 다이오드 제조방법은; 화합물 반도체 기판 상에 완충층, 하부 브래그 반사경층, 하부클래드층, 활성층, 상부클래드층, 전류 가이드층, 및 상부 브래그 반사경층을 순차적으로 적층하는 단계; 상기 상부 브래그 반사경 상에 λ/4n의 홀수배 두께로 상쇄간섭층을 형성하는 단계, 여기서, λ는 출사 레이저광의 파장이고, n은 상기 상쇄간섭층의 절대굴절율 임; 상기 상쇄간섭층 상에 유전체 보호막을 형성하는 단계; 상기 상부 클래드층이 노출되도록 상기 유전체 보호막, 상쇄간섭층, 상부 브래그 반사경층, 및 전류 가이드층을 메사식각하는 단계; 상기 전류 가이드층의 가장자리를 산화시키는 단계; 상기 메사식각되어 패인 부분에 평탄화층을 형성하는 단계; 상기 유전체 보호막을 제거하는 단계; 상기 전류 가이드층의 중앙부 상부에 위치하는 상기 상쇄간섭층을 노출시키는 오믹금속층을 상기 상쇄간섭층 상에 형성하는 단계; 상기 전류 가이드 층의 중앙부 상부에 위치하는 상기 상쇄간섭층에 상기 전류 가이드층의 산화되지 않은 중앙부분보다 작은 직경을 가지는 홀을 형성하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 다른 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 다른 예에 따른 단일모드 수직공진 표면발광 레이저 다이오드 제조방법은; 화합물 반도체 기판 상에 완충층, 하부 브래그 반사경층, 하부클래드층, 활성층, 상부클래드층, 전류 가이드층, 및 상부 브래그 반사경층을 순차적으로 적층하는 단계; 상기 상부 브래그 반사경층 상에 각 층의 두께가 λ/4n의 홀수배인 다중 유전체층을 형성하는 단계, 여기서, λ는 출사 레이저광의 파장이고, n은 상기 다중 유전체층을 이루는 각 층에 대응하는 절대굴절율 임; 상기 상부 클래드층이 노출되도록 상기 다중 유전체층, 상부 브래그 반사경층, 및 전류 가이드층을 메사식각하는 단계; 상기 전류 가이드층의 가장자리를 산화시키는 단계; 상기 메사식각되어 패인 부분에 평탄화층을 형성하는 단계; 상기 상부 브래그 반사경층 가장자리 부분의 상기 다중유전체층을 제거하여 상기 상부 브래그 반사경층 중앙부분에만 상기 다중 유전체층을 잔류시키는 단계; 상기 다중유전체층이 제거된 상기 상부 브래그 반사경층 가장자리 부분에 접촉되는 오믹금속층을 형성하는 단계; 상기 다중 유전체층의 중앙부에 상기 전류 가이드층의 산화되지 않은 중앙부분보다 작은 직경을 가지는 홀을 형성하는 단계; 를 구비하는 것을 특징으로 한다.
상기 다른 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 예에 따른 단일모드 수직공진 표면발광 레이저 다이오드 제조방법은; 화합물 반도체 기판 상에 완충층, 하부 브래그 반사경층, 하부클래드층, 활성층, 상부클래드층, 전류 가이드층, 및 상부 브래그 반사경층, 흡수층을 순차적으로 적층하는 단계; 자신과 상기 흡수층을 포함한 층의 두께가 λ/4n의 홀수배가 되도록 상기 흡수층 상에 상기 흡수층과는 다른 에너지 밴드 갭을 가지는 상쇄간섭층을 형성하는 단계, 여기서, λ는 출사 레이저광의 파장이고, n은 상기 상쇄간섭층과 흡수층의 절대굴절율 임; 상기 상부 클래드층이 노출되도록 상기 상쇄간섭층, 흡수층, 상부 브래그 반사경층, 및 전류 가이드층을 메사식각하는 단계; 상기 전류 가이드층의 가장자리를 산화시키는 단계; 상기 메사식각되어 패인 부분에 평탄화층을 형성하는 단계; 상기 전류 가이드층의 중앙부 상부에 위치하는 상기 상쇄간섭층을 노출시키는 오믹금속층을 상기 상쇄간섭층 상에 형성하는 단계; 상기 상쇄간섭층과 흡수층을 관통하며 상기 전류가이드층의 산화되지 않은 중앙부분보다 작은 직경을 가지는 홀을 형성하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이하에서, 본 발명의 바람직한 실시예들을 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명한다.
[실시예 1]
본 발명의 제1 실시예에 따른 단일모드 수직공진 표면발광 레이저 다이오드는, 도 2g에 예로써 도시된 바와 같이, n형 GaAs 기판(1) 상에 형성된 n형 하부 브래그 반사경층(3); n형 하부 브래그 반사경층(3) 상에 형성된 활성층(5); 활성층(5) 상에 형성되며 중앙부분(B)이 전류 및 광의 통로가 되도록 측면부(A)가 산화된 전류 가이드층(7); 전류 가이드층(7) 상에 형성된 p형 상부 브래그 반사경층(8); p형 상부 브래그 반사경(8) 상에 λ/4n (여기서, λ는 출사 레이저광의 파장이고, n은 상쇄간섭층(9)의 절대굴절율)의 홀수배 두께로 형성되며, 중앙부에는 전류 가이드층(7)의 산화되지 않은 중앙부분(B)보다 작은 직경을 가지는 홀(C)이 형성되어 있는 상쇄간섭층(Out of Phase, 9); 및 전류가이드층 중앙부(B) 상부에 위치하는 상쇄간섭층(9)을 노출시키도록 상쇄간섭층(9) 상에 형성되는 p형 오믹금속층(14); 을 구비하는 것을 특징으로 한다. 여기서, p형 상부 브래그 반사경층(8)은 홀(C)에 의해 노출되는 것이 바람직하지만, 홀(C) 밑부분에 상쇄간섭층(9)이 잔류하여 노출되지 못해도 괜찮다. 다만, 상쇄간섭층(9)의 잔류에 의해 노출되지 못하는 후자의 경우에는 상쇄간섭층(9)의 잔류두께가 400Å 이하로 얇아야 좋다.
도 2a 내지 도 2g는 본 발명의 제1 실시예에 따른 단일모드 수직공진 표면발광 레이저 다이오드 제조방법을 설명하기 위한 도면들이다.
도 2a 내지 도 2c는 평탄화층(12)을 형성하기 까지의 단계를 설명하기 위한 단면도들이다. 먼저, n형 GaAs 기판(1) 상에 완충층(2)을 5000Å 만큼 성장시키고, 그 위에 Al(16%)Ga(84%)As와 Al(92%)Ga(84%)As 층을 순서대로 교번하여 40.5쌍(pairs)적층해서 n형 하부 브래그 반사경층(Distributed Bragg Reflection layer; DBR layer, 3)을 형성시킨다. n형 하부 브래그 반사경층(3)을 이루는 각 층의 두께는 발진 파장의 효율에 영향이 없도록 λ/4n 이 되도록 하는 것이 좋다. 여기서, λ는 출사광의 파장이고, n은 하부 브래그 반사경층(3)을 이루는 각 층에 대한 절대굴절율이다. 다음에, n형 하부 브래그 반사경층(3) 상에 하부 클래드층(cladding layer, 4)을 형성하고, 활성층(active layer, 5), 및 상부 클래드층(6)을 순차적으로 적층한다. 활성층(5)은 다중양자우물 구조를 갖는다.
이어서, 상부 클래드층(6) 상에 Al(98%)Ga(2%)As로 이루어지는 전류 가이드층(7)을 300Å 두께로 형성한다. 그리고, 전류 가이드층(7) 상에 Al(92%)Ga(8%)As와 Al(16%)Ga(84%)As 층을 순서대로 교번하여 24쌍(pairs) 적층하되, 맨 위 표면은 GaAs층을 적층하여 p형 상부 브래그 반사경층(8)을 형성한다. 다음에, GaAs로 이루어진 상쇄간섭층(9)을 형성하는데, 그 두께가 λ/4n의 홀수배가 되도록 하여 출사광이 전부 흡수되도록 한다. 여기서, λ는 출사광의 파장이고, n은 상쇄간섭층(9)의 절대굴절율이다. p형 오믹금속층(14)과의 오믹접촉 저항을 낮추기 위해 p형 상부 브래그 반사경층(8)의 맨위 표면 GaAs층에는 p형 도펀트, 예컨대 카본(carbon)이 3 x 1019/cm3이상으로 고농도 도핑되는 것이 좋다. 또한, 상쇄간섭층(9)도 p형 도펀트와의 충돌로 인한 출사광의 소멸(Free Carrier Loss)을 위해서 고농도로 도핑되는 것이 좋다. 상부 브래그 반사경층(8)은 광이 표면쪽으로 출사되도록 하부 브래그 반사경층(3)보다 층수를 작게 하는 것이 좋다.
다음에, 상쇄간섭층(9) 상에 SixOy 또는 SixNy로 이루어지는 유전체 보호막(10)을 CVD, 스퍼터링, 또는 E-빔 증착법 등으로 형성한다. 유전체보호막(10)은 공정 진행 과정에서 발생하는 표면 산화로부터 그 하부막을 보호하기 위한 것이다. 이어서, 유전체 보호막(10) 상에 동그란 모양의 감광막 패턴(11)을 형성하고, 이를 식각마스크로 하여 유전체 보호막(10)을 RIE(Reactive Ion Etching)를 이용한 건식식각방법으로 우선 제거하고, 그 다음에 상부 클래드층(6)이 노출될 때까지 상쇄간섭층(9), 상부 브래그 반사경층(8), 전류 가이드층(7)을 메사(mesa) 식각한다. 이렇게 형성된 메사 패턴에 의해 칩의 실제적인 면적이 결정된다.
다음에, 유기 용매를 이용하여 감광막 패턴(11)을 제거하고, 400℃ 이상의 습식산화 분위기에서 전류 가이드층(7)의 측면부를 산화시킨다. 전류 가이드층(7)의 구성성분 중 Al이 산화됨으로써 이러한 산화가 이루어진다. 따라서, 측면부(A)는 산화되고, 중앙부(B)는 산화되지 않고 동그란 모양으로 존재하게 된다. 중앙부(B)는 전류 주입구의 역할을 하게 된다.
다음에, 메사식각되어 제거된 부분과 남은 부분과의 단차극복 및 타부분과의 고립(isolation)을 위해서 식각된 부분에 폴리이미드(polyimide)를 채워 넣고 350℃에서 60분 동안 구워 경화시킴으로서 유전체 보호막(10)만을 노출시키는 폴리이미드 재질의 평탄화층(12)을 형성한다.
도 2d 및 도 2e는 p형 오믹금속층(14)을 형성시키는 단계까지를 설명하기 위한 단면도들이다. 먼저, 유전체 보호막(10)을 제거하고, p형 오믹금속층(14)이 형성될 자리를 한정하는 감광막 패턴(13)을 형성한다. 다음에, 상쇄간섭층(9) 표면에 생길 수도 있는 표면산화막을 제거하기 위하여 표면처리를 실시 한 후에 p형 오믹금속층(14)을 예컨대 E-빔 증착법으로 상기 결과물 전면에 증착한다. 이어서, 감광막 패턴(13)을 제거하는 리프트 오프(lift-off)공정을 거치면, p형 오믹금속층(14)이 형성된다. p형 오믹금속층(14)의 오믹특성과 접착력을 향상시키기 위하여 350℃에서 30초간 급속열처리를 더 수행하면 좋다.
도 2f 및 도 2g는 상쇄간섭층(9)에 홀(C)을 형성하는 단계를 설명하기 위한 단면도들이다. 먼저, p형 오믹금속층(14)에 의해 노출되는 상쇄간섭층(9)의 가운데 부분만을 동그랗게 노출시키는 감광막 패턴(15)을 상기 결과물 전면에 형성하고, 이 감광막 패턴(15)을 식각 마스크로 하여 상쇄간섭층(9)을 식각하여 홀(C)을 형성한다. 홀(C)의 직경은 전류 가이드층(7)의 중앙부(B) 직경보다 작아야 한다. p형 상부 브래그 반사경층(8)은 홀(C)에 의해 노출되는 것이 바람직하지만, 홀(C) 밑부분에 상쇄간섭층(9)이 잔류하여 노출되지 못해도 괜찮다. 다만, 상쇄간섭층(9)의 잔류에 의해 노출되지 못하는 후자의 경우에는 전류 가이드층(7)의 중앙부(B)를 통해서 출사되는 광의 효율이 떨어지지 않도록 가능하면 상쇄간섭층(9)의 잔류두께가 400Å 이하로 얇아야 좋다.
다음에, 유기용매를 이용하여 감광막 패턴(13)을 제거하고 기판 전체가 적절한 두께, 예컨대 200㎛되도록 래핑(Lapping)과 폴리싱(polishing)하고, 기판(1) 뒷면에 n형 오믹금속층(16)을 증착한 후 오믹특성과 접착력 향상을 위해 350℃에서 30초간 다시 급속열처리한다. 그리고, 다이싱(dicing) 장비를 이용하여 각 칩들을 절단한다. 다이싱 과정에서 블레이드(blade)를 냉각하기 위해 순수가 분사된다.
상술한 바와 같이 상쇄간섭층(9)은 출사광을 흡수하도록 λ/4n의 홀수배 두께를 가지기 때문에, 전류 가이드층(7)의 중앙부(B)를 통해서 출사되는 광은 홀(C)이 형성되지 않는 부분에서는 상쇄간섭층(9)을 통과하면서 흡수되어 외부로 출력되지 않고 오로지 홀(C)을 통하는 것만 외부로 출력되게 된다. 이 때, 홀(C)의 직경이 중앙부(B)의 직경보다 작기 때문에 전류 가이드층(7)의 측면 산화가 덜 이루어져서 중앙부(B)의 직경이 다소 크더라도 단일모드의 광이 출사되게 된다.
n형 GaAs 기판(1), n형 하부 브래그 반사경층(3), 전류 가이드층(7), p형 상부 브래그 반사경층(8), 및 상쇄간섭층(9)은 상술한 바와 같이 GaAs 기반 물질로 이루어질 수 도 있지만, InP 기반 물질로 이루어져도 발명의 효과는 마찬가지로 얻을 수 있다.
[실시예 2]
본 발명의 제2 실시예에 따른 단일모드 수직공진 표면발광 레이저 다이오드는, 도 3g에 예로써 도시된 바와 같이, n형 GaAs 기판(1) 상에 형성된 n형 하부 브래그 반사경층(3); n형 하부 브래그 반사경층(3) 상에 형성된 활성층(5); 활성층(5) 상에 형성되며 중앙부분(B)이 전류 및 광의 통로가 되도록 측면부(C)가 산화된 전류 가이드층(7); 전류 가이드층(7) 상에 형성된 p형 상부 브래그 반사경층(8); p형 상부 브래그 반사경층(8) 중앙부분 상에 λ/4n(여기서, λ는 출사 레이저광의 파장이고, n은 다중유전체층(20)을 이루는 각 층에 대응하는 절대굴절율)의 홀수배 두께로 형성되며, 중앙부에는 전류 가이드층의 산화되지 않은 중앙부분(B)보다 작은 직경을 가지는 홀(C)이 형성되어 있는 다중 유전체층(20); 및 다중유전체층(20)이 형성되지 않은 p형 상부 브래그 반사경층(8) 가장자리 부분에 접촉되도록 형성되는 p형 오믹금속층(14); 을 구비하는 것을 특징으로 한다.
다중 유전체층(20)은 SixNy층 및 SixOy층이 교번하여 적층되어 이루어질 수 있는데, 각 층의 두께는 홀(C)이외의 부분을 통하여 출사되는 광이 흡수되도록 λ/4n(여기서, λ는 출사 레이저광의 파장이고, n은 다중유전체층(20)을 이루는 각 층에 대응하는 절대굴절율)의 홀수배가 되도록 해야 한다.
도 3a 내지 도 3g는 본 발명의 제2 실시예에 따른 단일모드 수직공진 표면발광 레이저 다이오드 제조방법을 설명하기 위한 도면들이다.
도 3a 내지 도 3c를 참조하면, 먼저, 도 1a의 p형 상부 브래그 반사경층(8) 상에 다중 유전체층(20)을 더 형성한다. 다중 유전체층(20)은 SixNy층 및 SixOy층이 교번하여 적층되어 이루어지는 것일 수 있다. 다중유전체층(20)을 이루는 각 층의 두께는 λ/4n의 홀수배이다. 여기서, λ는 출사 레이저광의 파장이고, n은 상기 다중 유전체층을 이루는 각 층에 대응하는 절대굴절율이다. 그리고, 상부 클래드층(6)이 노출되도록 다중 유전체층(20), 상부 브래그 반사경층(8), 및 전류 가이드층(7)을 메사식각한 후에, 전류 가이드층(7)의 가장자리를 산화시켜 전류주입부(B)를 형성한다. 다음에, 상기 메사식각되어 패인 부분에 평탄화층(12)을 형성한다.
도 3d 내지 도 3g를 참조하면, 먼저, 감광막 패턴(13)을 이용하여 상부 브래그 반사경층(8) 가장자리 부분의 다중유전체층(20)을 제거하여 상부 브래그 반사경층(8) 중앙부분에만 다중 유전체층(20)을 잔류시킨다. 그리고, 다중유전체층(20)이제거된 상부 브래그 반사경층(8) 가장자리 부분에 접촉되는 오믹금속층(14)을 형성한다. 이어서, 다중 유전체층(20)의 중앙부에 전류 가이드층(7)의 산화되지 않은 중앙부분보다 작은 직경을 가지는 홀(C)을 형성한다.
상부 브래그 반사경층(8)은 다중유전체층(20)의 홀에 의해 노출되는 것이 바람직하지만, 홀(C) 밑부분에 다중유전체층(20)이 잔류하여 노출되지 못해도 괜찮다. 다만, 다중유전체층(20)의 잔류에 의해 노출되지 못하는 후자의 경우에는 전류가이드층(7)의 중앙부를 통해서 출사되는 광의 효율이 떨어지지 않도록 가능하면 다중유전체층(20)의 잔류두께가 400Å 이하로 얇아야 좋다.
다중 유전체층(20)의 각 층의 두께가 λ/4n의 홀수배이므로, 전류 가이드층(7)의 중앙부(B)를 통해서 출사되는 광은 홀(C)이 형성되지 않는 부분에서는 다중 유전체층(20)을 통과하면서 흡수되어 외부로 출력되지 않고 오로지 홀(C)을 통하는 것만 외부로 출력되게 된다. 이 때, 홀(C)의 직경이 중앙부(B)의 직경보다 작기 때문에 전류 가이드층(7)의 측면 산화가 덜 이루어져서 중앙부(B)의 직경이 다소 크더라도 단일모드의 광이 출사되게 된다.
n형 GaAs 기판(1), n형 하부 브래그 반사경층(3), 전류 가이드층(7), p형 상부 브래그 반사경층(8), 및 다중 유전체층(20)은 상술한 바와 같이 GaAs 기반 물질로 이루어질 수 도 있지만, InP 기반 물질로 이루어져도 발명의 효과는 마찬가지로 얻을 수 있다.
[실시예 3]
본 발명의 제3 실시예에 따른 단일모드 수직공진 표면발광 레이저 다이오드는, 도 4g에 예로써 도시된 바와 같이, n형 GaAs 기판(1) 상에 형성된 n형 하부 브래그 반사경층(3); n형 하부 브래그 반사경층(3) 상에 형성된 활성층(5); 활성층(5) 상에 형성되며 중앙부분(B)이 전류 및 광의 통로가 되도록 측면부(A)가 산화된 전류 가이드층(7); 전류 가이드층(7) 상에 형성된 p형 상부 브래그 반사경층(8); 상부 브래그 반사경층(8) 상에 형성되는 상쇄간섭층(9); 자신과 상쇄간섭층(9)을 포함한 층의 두께가 λ/4n의 홀수배가 되도록 상쇄간섭층(9)과 p형 상부 브래그 반사경층(8) 사이에 개재되며 상쇄간섭층(9)과는 다른 에너지 밴드 갭을 가지는 흡수층(30), 여기서, λ는 출사 레이저광의 파장이고, n은 상쇄간섭층(9)과 흡수층(30)의 절대굴절율 임; 상쇄간섭층(9)과 흡수층(30)을 관통하며 전류 가이드층(7)의 중앙부분 상부에 위치하되, 전류 가이드층(7)의 산화되지 않은 중앙부분(B)보다 작은 직경을 가지는 홀(C); 및 상쇄간섭층(9)과 접촉되도록 홀(C) 주위에 형성되는 p형 오믹금속층(14); 을 구비하는 것을 특징으로 한다.
즉, 도 2g와의 차이점은 상쇄간섭층(9)과 p형 상부 브래그 반사경층(8) 사이에 흡수층(30)이 더 개재되며, 흡수층(30)과 상쇄간섭층(9)을 합한 전체두께가 λ/4n의 홀수배가 된다는 것이다. 흡수층(30)은 상쇄간섭층(9)과 다른 에너지 밴드 갭을 가지는 물질로 이루어져야 하는데, 그 예로서 InGaAs, AlGaAs, InP, 또는 InGaP 등을 들 수 있다.
도 4a 내지 도 4g는 본 발명의 제3 실시예에 따른 단일모드 수직공진 표면발광 레이저 다이오드 제조방법을 설명하기 위한 도면들이다.
상쇄간섭층(9)과 p형 상부 브래그 반사경층(8) 사이에 흡수층(30)이 존재하고, 홀(C) 형성시에 흡수층(30)도 식각한다는 점을 제외하고는 전체적인 제조과정이 도 2a 내지 도 2g와 대동소이하다. 홀(C)을 형성하는 단계를 구체적으로 설명하면 먼저 흡수층(30)을 에칭스톱층(etching stop layer)으로 하여 상쇄간섭층(9)을 식각하고, 그 다음에 다른 식각액을 사용하여 흡수층(30)을 제거한다. 흡수층(30)과 p형 상부 브래그 반사경층(8)의 식각 선택비가 작으면 p형 상부 브래그 반사경층(8)도 다소 식각될 수 있다는 점을 주의해야 한다.
상쇄간섭층(9)과 흡수층(30)의 선택적 식각을 위해서 그리고, 출력광의 흡수를 위해서 흡수층(30)을 p형 오믹접촉층(9)과는 다른 에너지 밴드 갭을 갖는 InGaAs, AlGaAs, InP, 또는 InGaP 등으로 만드는 것이 좋다. 홀(C)이 형성되지 않은 부분을 통해서는 광이 흡수되도록 상쇄간섭층(9)과 흡수층(30)을 합한 전체 두께는 λ/4n(여기서, λ는 출사 레이저광의 파장이고, n은 흡수층(30)과 상쇄간섭층(9)의 의 절대굴절율)의 홀수배가 되도록 한다.
상술한 바와 같이 빛이 출력될 부분에만 홀(C)을 형성하여 광학적인 두께 및 폭을 조절하고, 홀(C)이 형성되지 않는 부분에서는 빛이 흡수되어 외부로 출력되지 못하도록 함으로써 출사광의 단일모드를 구현하면, 전류 가이드층(7)의 측면 산화를 통하여 전류 주입구(B)의 직경을 수 ㎛ 로 작게 조절하는 접근 방식에 의해 야기되는 역동전압의 증가, 전류 가이드층(7)의 측면산화 영역(A)의 가중으로 인한신뢰성 저하, 작은 전류 주입구(B) 형성의 재현성 문제를 해결할 수 있게 된다.
본 발명은 상기 실시 예들에만 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 많은 변형이 가능함은 명백하다.

Claims (12)

  1. 화합물반도체 기판 상에 형성된 하부 브래그 반사경층;
    상기 하부 브래그 반사경층 상에 형성된 활성층;
    상기 활성층 상에 형성되며 중앙부분이 전류 및 광의 통로가 되도록 측면부가 산화된 전류 가이드층;
    상기 전류 가이드층 상에 형성된 상부 브래그 반사경층;
    상기 상부 브래그 반사경 상에 λ/4n의 홀수배 두께로 형성되며, 중앙부에는 상기 전류 가이드층의 산화되지 않은 중앙부분보다 작은 직경을 가지는 홀이 형성되어 있는 상쇄간섭층, 여기서, λ는 출사 레이저광의 파장이고, n은 상기 상쇄간섭층의 절대굴절율 임; 및
    상기 전류가이드층 중앙부 상부에 위치하는 상기 상쇄간섭층을 노출시키도록 상기 상쇄간섭층 상에 형성되는 오믹금속층; 을 구비하는 것을 특징으로 하는 단일모드 수직공진 표면발광 레이저 다이오드.
  2. 제1항에 있어서, 상기 상부 브래그 반사경층은 상기 상쇄간섭층의 홀에 의해 노출되는 것을 특징으로 하는 단일모드 수직공진 표면발광 레이저 다이오드.
  3. 제1항에 있어서, 상기 홀 밑부분에 상기 상쇄간섭층이 잔류하고 그 잔류 두께가 400Å 이하인 것을 특징으로 하는 단일모드 수직공진 표면발광 레이저 다이오드.
  4. 화합물반도체 기판 상에 형성된 하부 브래그 반사경층;
    상기 하부 브래그 반사경층 상에 형성된 활성층;
    상기 활성층 상에 형성되며 중앙부분이 전류 및 광의 통로가 되도록 측면부가 산화된 전류 가이드층;
    상기 전류 가이드층 상에 형성된 상부 브래그 반사경층;
    상기 상부 브래그 반사경층 중앙부분 상에 λ/4n의 홀수배 두께로 형성되며, 중앙부에는 상기 전류 가이드층의 산화되지 않은 중앙부분보다 작은 직경을 가지는 홀이 형성되어 있는 다중유전체층, 여기서, λ는 출사 레이저광의 파장이고, n은 상기 다중유전체층을 이루는 각 층에 대응하는 절대굴절율 임; 및
    상기 다중유전체층이 형성되지 않은 상기 상부 브래그 반사경층 가장자리 부분에 접촉되도록 형서되는 오믹금속층; 을 구비하는 것을 특징으로 하는 단일모드 수직공진 표면발광 레이저 다이오드.
  5. 제4항에 있어서, 상기 상부 브래그 반사경층은 상기 다중유전체층의 홀에 의해 노출되는 것을 특징으로 하는 단일모드 수직공진 표면발광 레이저 다이오드.
  6. 제4항에 있어서, 상기 홀 밑부분에 상기 다중유전체층이 잔류하고 그 잔류 두께가 400Å 이하인 것을 특징으로 하는 단일모드 수직공진 표면발광 레이저 다이오드.
  7. 화합물반도체 기판 상에 형성된 하부 브래그 반사경층;
    상기 하부 브래그 반사경층 상에 형성된 활성층;
    상기 활성층 상에 형성되며 중앙부분이 전류 및 광의 통로가 되도록 측면부가 산화된 전류 가이드층;
    상기 전류 가이드층 상에 형성된 상부 브래그 반사경층;
    상기 상부 브래그 반사경층 상에 형성되는 상쇄간섭층;
    자신과 상기 상쇄간섭층을 포함한 층의 두께가 λ/4n의 홀수배가 되도록 상기 상쇄간섭층과 상기 p형 상부 브래그 반사경층 사이에 개재되며 상기 상쇄간섭층과는 다른 에너지 밴드 갭을 가지는 흡수층, 여기서, λ는 출사 레이저광의 파장이고, n은 상기 상쇄간섭층과 흡수층의 절대굴절율 임;
    상기 상쇄간섭층과 흡수층을 관통하며 상기 전류 가이드층의 중앙부분 상부에 위치하되, 상기 전류 가이드층의 산화되지 않은 중앙부분보다 작은 직경을 가지는 홀(C); 및
    상기 상쇄간섭층과 접촉되도록 상기 홀 주위에 형성되는 오믹금속층; 을 구비하는 것을 특징으로 하는 단일모드 수직공진 표면발광 레이저 다이오드.
  8. 제4항에 있어서, 상기 다중 유전체층이 SixNy층 및 SixOy층이 교번하여 적층되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 단일모드 수직공진 표면발광 레이저 다이오드.
  9. 제7항에 있어서, 상기 상쇄간섭층은 GaAs로 이루어지고, 상기 흡수층은 InGaAs, AlGaAs, InP, 또는 InGaP로 이루어지는 것을 특징으로 하는 단일모드 수직공진 표면발광 레이저 다이오드.
  10. 화합물 반도체 기판 상에 완충층, 하부 브래그 반사경층, 하부클래드층, 활성층, 상부클래드층, 전류 가이드층, 및 상부 브래그 반사경층을 순차적으로 적층하는 단계;
    상기 상부 브래그 반사경 상에 λ/4n의 홀수배 두께로 상쇄간섭층을 형성하는 단계, 여기서, λ는 출사 레이저광의 파장이고, n은 상기 상쇄간섭층의 절대굴절율 임;
    상기 상쇄간섭층 상에 유전체 보호막을 형성하는 단계;
    상기 상부 클래드층이 노출되도록 상기 유전체 보호막, 상쇄간섭층, 상부 브래그 반사경층, 및 전류 가이드층을 메사식각하는 단계;
    상기 전류 가이드층의 가장자리를 산화시키는 단계;
    상기 메사식각되어 패인 부분에 평탄화층을 형성하는 단계;
    상기 유전체 보호막을 제거하는 단계;
    상기 전류 가이드층의 중앙부 상부에 위치하는 상기 상쇄간섭층을 노출시키는 오믹금속층을 상기 상쇄간섭층 상에 형성하는 단계; 및
    상기 전류 가이드 층의 중앙부 상부에 위치하는 상기 상쇄간섭층에 상기 전류 가이드층의 산화되지 않은 중앙부분보다 작은 직경을 가지는 홀을 형성하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 단일모드 수직공진 표면발광 레이저 다이오드 제조방법.
  11. 화합물 반도체 기판 상에 완충층, 하부 브래그 반사경층, 하부클래드층, 활성층, 상부클래드층, 전류 가이드층, 및 상부 브래그 반사경층을 순차적으로 적층하는 단계;
    상기 상부 브래그 반사경층 상에 각 층의 두께가 λ/4n의 홀수배인 다중 유전체층을 형성하는 단계, 여기서, λ는 출사 레이저광의 파장이고, n은 상기 다중 유전체층을 이루는 각 층에 대응하는 절대굴절율 임;
    상기 상부 클래드층이 노출되도록 상기 다중 유전체층, 상부 브래그 반사경층, 및 전류 가이드층을 메사식각하는 단계;
    상기 전류 가이드층의 가장자리를 산화시키는 단계;
    상기 메사식각되어 패인 부분에 평탄화층을 형성하는 단계;
    상기 상부 브래그 반사경층 가장자리 부분의 상기 다중유전체층을 제거하여 상기 상부 브래그 반사경층 중앙부분에만 상기 다중 유전체층을 잔류시키는 단계;
    상기 다중유전체층이 제거된 상기 상부 브래그 반사경층 가장자리 부분에 접촉되는 오믹금속층을 형성하는 단계; 및
    상기 다중 유전체층의 중앙부에 상기 전류 가이드층의 산화되지 않은 중앙부분보다 작은 직경을 가지는 홀을 형성하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 단일모드 수직공진 표면발광 레이저 다이오드 제조방법.
  12. 화합물 반도체 기판 상에 완충층, 하부 브래그 반사경층, 하부클래드층, 활성층, 상부클래드층, 전류 가이드층, 및 상부 브래그 반사경층, 흡수층을 순차적으로 적층하는 단계;
    자신과 상기 흡수층을 포함한 층의 두께가 λ/4n의 홀수배가 되도록 상기 흡수층 상에 상기 흡수층과는 다른 에너지 밴드 갭을 가지는 상쇄간섭층을 형성하는 단계, 여기서, λ는 출사 레이저광의 파장이고, n은 상기 상쇄간섭층과 흡수층의 절대굴절율 임;
    상기 상부 클래드층이 노출되도록 상기 상쇄간섭층, 흡수층, 상부 브래그 반사경층, 및 전류 가이드층을 메사식각하는 단계;
    상기 전류 가이드층의 가장자리를 산화시키는 단계;
    상기 메사식각되어 패인 부분에 평탄화층을 형성하는 단계;
    상기 전류 가이드층의 중앙부 상부에 위치하는 상기 상쇄간섭층을 노출시키는 오믹금속층을 상기 상쇄간섭층 상에 형성하는 단계; 및
    상기 상쇄간섭층과 흡수층을 관통하며 상기 전류가이드층의 산화되지 않은 중앙부분보다 작은 직경을 가지는 홀을 형성하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 단일모드 수직공진 표면발광 레이저 다이오드 제조방법.
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