KR100475848B1 - A Vertical Cavity Surface Emitting Lasers - Google Patents
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Abstract
본 발명은 전류제한영역을 형성하기 위한 산화가능층의 알루미늄 조성을 정밀하면서도 용이하게 조절하고, 산화속도에 영향을 미치는 산화층의 두께를 보다 정밀하고 재현성 있게 형성할 수 있는 수직공진형 표면 발광레이저에 관한 것이다. The present invention relates to a vertical resonance surface emitting laser which can precisely and easily adjust the aluminum composition of the oxidizable layer for forming the current limiting region, and can form the thickness of the oxidizing layer which affects the oxidation rate more accurately and reproducibly. will be.
본 발명에 따른 수직 공진형 표면 발광레이저는 반도체 기판상에 형성되고 제1도전형 불순물이 도핑되며 고굴절률과 저굴절률을 갖는 두 반도체 물질층이 교번되게 적층되어 형성된 제1반사기층과, 상기 제1반사기층상에 형성되며 광을 생성하는 활성층과, 상기 활성층상에 제1산화가능층과 제2산화가능층을 교번되게 적층한 후, 제1개구부가 형성되도록 상기 제1 및 제2산화가능층의 소정영역을 산화하여 형성된 제1전류절연영역과, 상기 제2산화가능층상에 제2도전형 불순물이 도핑되며 고굴절률과 저굴절률을 갖는 두 반도체 물질층을 교번되게 적층하여 형성된 제2반사기층과, 상기 제1개구부와 대응되는 위치를 제외한 상기 제2반사기층의 소정영역에 형성된 제2전류절연영역과, 상기 반도체 기판의 하부면에 형성된 하부전극과, 상기 제2반사기층상의 소정영역에 형성된 상부전극을 포함하여 구성된다.The vertical resonant surface emitting laser according to the present invention comprises a first reflector layer formed on a semiconductor substrate, doped with a first conductive impurity, and formed by alternately stacking two semiconductor material layers having a high refractive index and a low refractive index; An active layer formed on the first reflector layer and generating light, and alternately stacking the first oxidizable layer and the second oxidizable layer on the active layer, and then forming the first openings so as to form a first opening; A second current reflector layer formed by alternately stacking a first current insulating region formed by oxidizing a predetermined region of the semiconductor layer and two semiconductor material layers doped with a second conductive impurity on the second oxidizable layer and having a high refractive index and a low refractive index And a second current insulating region formed in a predetermined region of the second reflector layer except for a position corresponding to the first opening, a lower electrode formed on a lower surface of the semiconductor substrate, and the second reflector layer. It consists of an upper electrode formed in a predetermined area.
Description
본 발명은 수직공진형 표면발광레이저에 관한 것으로 특히, 전류절연영역을 AlAs와 AlxGa(1-x)As층을 다수 번 교번적층한 후 소정영역을 산화하여 형성함으로써 산화가능층의 알루미늄의 조성을 정밀하고 재현성있게 조절하고, 알루미늄의 조성 및 산화층 두께의 균일도를 개선시키기 위한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a vertical resonance surface light emitting laser, and in particular, a current insulating region is formed by alternately stacking AlAs and Al x Ga (1-x) As layers several times and then oxidizing a predetermined region to form an aluminum oxide layer. To control the composition precisely and reproducibly, and to improve the composition of aluminum and the uniformity of the oxide layer thickness.
수직공진표면 발광레이저(Vertical Cavity Surface Emitting Lasers : VCSEL)는 발광 특성이 우수하며 2D 어레이가 가능하고 소자를 작은 크기로 만들 수 있다는 장점이 있어 광통신용 인터커넥터, 광섬유를 이용한 통신용 소자, 레이저 프린터, 스캐너등 다양한 분야에 응용이 가능하여 현재 널리 쓰리고 있다. 그러나 이러한 응용을 위해서는 안정된 수직 공진형 표면 발광레이저의 모드 특성과 고출력이 요구된다. Vertical Cavity Surface Emitting Lasers (VCSELs) have the advantage of excellent light emission characteristics, 2D array, and small size of devices, so that optical communication interconnector, communication device using optical fiber, laser printer, It is widely used because it can be applied to various fields such as scanners. However, the mode characteristics and high power of the stable vertical resonance surface emitting laser are required for this application.
도 1은 종래의 수직 공진형 표면 발광레이저의 수직 단면도이다.1 is a vertical cross-sectional view of a conventional vertical resonant surface emitting laser.
도시된 바와같이, 종래의 수직 공진형 표면발광레이저는 반도체 기판(10)상에 제1반사기층(12), 활성층(14), 제2반사기층(18)이 형성되어 있고, 활성층(14) 내로의 캐리어 주입이 상부 전극(22)과 하부전극(24)으로부터 제1반사기층(12) 및 제2반사기층(18)을 통과하도록 형성된다. 그리고 활성층 내로의 전류주입을 일정영역으로 제한하기 위해 제2반사기층(18)의 양층의 소정깊이에 전류절연영역(42)이 형성된다.As shown, the conventional vertical resonant surface emitting laser has a first reflector layer 12, an active layer 14, a second reflector layer 18 formed on a semiconductor substrate 10, and an active layer 14 Carrier injection into the substrate is formed to pass through the first reflector layer 12 and the second reflector layer 18 from the upper electrode 22 and the lower electrode 24. In order to limit the current injection into the active layer to a certain region, a current insulating region 42 is formed at a predetermined depth of both layers of the second reflector layer 18.
여기에 사용된 반도체 기판(10)으로는 GaAs, GaP, InP, InGaAs, 사파이어, GaN 등이 사용된다. 앞서 기술된 반도체 기판(10)의 재료와 동일한 재료로 반도체 기판(10)상에 버퍼층(도시되지 않음)이 형성될 수 있다.As the semiconductor substrate 10 used here, GaAs, GaP, InP, InGaAs, sapphire, GaN, or the like is used. A buffer layer (not shown) may be formed on the semiconductor substrate 10 using the same material as that of the semiconductor substrate 10 described above.
제1 및 제2 반사기층들(12, 18)은 AlxGa(1-x)As로 형성되는데 여기에 n형 또는 p형 도펀트를 도핑하여 형성한다. n형 도펀트로는 실리콘(Si)을 사용하고, p형 도펀트로 탄소(C), 아연(Zn)등을 사용한다.The first and second reflector layers 12 and 18 are formed of Al x Ga (1-x) As, which is formed by doping n-type or p-type dopants. Silicon (Si) is used as the n-type dopant, and carbon (C), zinc (Zn) and the like are used as the p-type dopant.
그리고 각각의 반사기층들(12, 18)은 굴절률이 높은 층과 굴절률이 낮은 층을 교대로 다수번 반복 적층된 구조로 굴절률이 낮은 층(12a, 18a)과 굴절률이 높은 층(12b, 18b)을 하나의 주기라고 하였을 때 이런 주기가 20내지 40번 정도 적층되어 형성된다. Each of the reflector layers 12 and 18 has a structure in which a layer having a high refractive index and a layer having a low refractive index is alternately stacked several times, and thus, the layers having low refractive indexes 12a and 18a and the layers having high refractive indexes 12b and 18b are alternately stacked. When one cycle is called, these cycles are formed by stacking 20 to 40 times.
이러한 제1 및 제2반사기층들(12, 18)을 구성하는 각층의 굴절률 차이는 알루미늄의 조성을 달리하여 얻어질 수 있다.The difference in refractive index of each layer constituting the first and second reflector layers 12 and 18 may be obtained by varying the composition of aluminum.
또한, 각각의 굴절률이 낮은 층(12a, 18a)과 굴절률이 높은 층(12b, 18b) 사이에는 각각 조성이 연속적으로 변화되도록 형성된 그래딩(grading)층(도시되지 않음)을 넣어 굴절률이 높은층과 낮은층의 계면에서의 스트레스를 감소시키며 밴드갭 에너지의 변화를 완만하게 하여 반사기층(12, 18)내에서의 직렬저항을 줄이는 역할을 하도록 한다. In addition, a layer having a high refractive index is inserted between each of the layers 12a and 18a having a low refractive index and the layers 12b and 18b having a high refractive index, respectively. It reduces the stress at the interface between the and the lower layer and moderates the change in the band gap energy, thereby reducing the series resistance in the reflector layers 12 and 18.
이러한 구조를 갖는 제1반사기층(12)은 굴절률이 낮은 층(12a ), 굴절률이 높은 층(18a ), 그래딩층(도시되지 않음)을 포함한 광학적 두께가 수직공진형 표면 발광레이저가 동작하도록 설계된 파장(λ)의 1/4이 되도록 형성된다. 또한 제2반사기층(18)도 동일한 광학적 두께를 가지도록 형성된다. The first reflector layer 12 having such a structure is designed to operate an optically resonant surface emitting laser having an optical thickness including a low refractive index layer 12a, a high refractive index layer 18a, and a grading layer (not shown). It is formed so that it becomes 1/4 of the wavelength (lambda). The second reflector layer 18 is also formed to have the same optical thickness.
활성층은 전자와 정공이 결합(pn접합)하여 빛이 발생하는 부분으로 n형 클래드층(14a)과 양자우물층(14b), p형 클래드층(14c)이 기본구조로 각각의 층사이에는 장벽층(도시되지 않음)이 형성될 수도 있고, 각각의 층은 단일층이 아닌 복수층으로 구성될 수 있다. The active layer is the portion where electrons and holes combine (pn junction) to generate light. An n-type cladding layer 14a, a quantum well layer 14b, and a p-type cladding layer 14c have a basic structure and a barrier between each layer. Layers (not shown) may be formed, and each layer may consist of multiple layers rather than a single layer.
전류절연영역은 제1반사기층의 상부까지 형성된 트렌치를 산화하여 제2반사기층 내에 전류절연영역을 형성하거나, 산화가능층(15)을 형성한 후 산화하여 전류절연영역(16, 20)을 형성하여 전류를 구속할 수 있다.The current insulation region is formed by oxidizing the trench formed up to the upper portion of the first reflector layer to form a current insulation region in the second reflector layer, or by forming an oxidizable layer 15 and then oxidizing to form the current insulation regions 16 and 20. To confine the current.
제2반사기층상에 Au, Zn, Cr등을 증착하여 상부 전극(22)이 형성되고, 반도체 기판(10)의 하부면에 Ni, AuGe, Au등의 금속을 증착하여 하부 전극(24)이 형성된다. The upper electrode 22 is formed by depositing Au, Zn, Cr, etc. on the second reflector layer, and the lower electrode 24 is formed by depositing metal such as Ni, AuGe, Au, etc. on the lower surface of the semiconductor substrate 10. do.
이러한 P-I-N(P-Insulation-N) 구조의 수직공진형 표면발광레이저는 효과적으로 전자들을 광자로 변환시키기 위해 광학적 구속과 캐리어들을 구속하기 위해 개발된 것으로, 여기서 캐리어의 구속은 활성층과 전극사이에 선택적 에칭 또는 선택적 산화를 통하여 비저항이 큰 물질로 절연영역을 형성하여 얻어진다. 그리고 광학적 구속은 물질의 굴절률을 변화시키거나 또는 캐리어의 구속을 위한 절연영역에 의해 동시에 얻어진다.This P-Insulation-N (P-Inverted) surface-emitting laser has been developed to constrain the optical confinement and carriers to effectively convert electrons to photons, where the confinement of the carrier is a selective etch between the active layer and the electrode. Or by forming an insulating region with a material having a high specific resistance through selective oxidation. And optical restraint is simultaneously obtained by changing the refractive index of the material or by an insulating region for the restraint of the carrier.
일반적으로 수직공진형 표면발광레이저에서 제1 및 제2반사기층의 반사도는 99%이상으로 매우 높아 축방향 모드의 세기가 매우 강하며, 제1 및 제2반사기층 사이의 광학적 두께가 일반 레이저에 비해 상대적으로 짧아 파장 분리가 매우 크기 때문에 오직 단일 모드로 발진하게 된다. In general, in the vertical resonance surface emitting laser, the reflectivity of the first and second reflector layers is more than 99%, so the intensity of the axial mode is very strong, and the optical thickness between the first and second reflector layers is It is relatively short in comparison with very large wavelength separation, so it only oscillates in a single mode.
그리고 수직모드(Transverse mode)의 세기는 활성층의 방사방향으로의 굴절류 차이에 의해 결정된다. 절연층을 도입하여 캐리어를 구속하는 경우 방사방향으로의 굴절률 차이가 비교적 커서 활성층 내에서 다중의 수직 모드가 발생하는데 기여하며, 캐리어 구속은 수직모드의 지름보다 크거나 같게 형성된다. And the intensity of the transverse mode is determined by the difference in the refractive flow in the radial direction of the active layer. When the carrier is constrained by introducing an insulating layer, the difference in refractive index in the radial direction is relatively large, contributing to the generation of multiple vertical modes in the active layer, and the carrier confinement is formed equal to or larger than the diameter of the vertical mode.
이러한 캐리어 구속을 위한 개구(aperture)의 크기는 문턱전류, 양자효율 등 소자의 전기적, 광학적 특성에 영향을 미치므로 개구의 크기를 정확히 조절하는 것이 중요시된다.Since the size of the aperture for the carrier restraint affects the electrical and optical characteristics of the device such as the threshold current and the quantum efficiency, it is important to accurately control the size of the aperture.
전류절연영역은 산화속도가 빠른 AlAs, AlGaAs, AlInAsP등의 물질층을 형성한 후 습식산화하여 형성하게 되는데, 산화시 산화되는 온도에 따라 산화속도는 아르헤니우스(Arrhenius)형태를 따르게 된다. 즉 산화를 위한 활성화 에너지는 알루미늄의 조성에 매우 민감하여 AlxGa(1-x)As의 x를 0.84∼1에서 변화시켰을 때 산화속도는 2차원(order)이상 증가함을 보여준다. 따라서 작은 알루미늄 조성변화를 통해서도 매우 높은 산화 선택성을 얻을 수 있다.The current insulation region is formed by wet oxidation after forming a material layer such as AlAs, AlGaAs, AlInAsP, etc., which has a high oxidation rate. The oxidation rate follows an Arhenhenius type depending on the oxidation temperature during oxidation. That is, the activation energy for oxidation is very sensitive to the composition of aluminum, and the oxidation rate increases by more than two orders when x of Al x Ga (1-x) As is changed from 0.84 to 1. Therefore, very high oxidation selectivity can be obtained even through a small change in aluminum composition.
또한 산화속도는 60nm 미만의 두께에서는 두께증가에 따라 급격하게 증가하게 되므로 산화층의 개구를 원하는 크기로 재현성 있게 얻기 위해서는 알루미늄의 조성을 0.1%이하로 정확하게 조절해야 하며, 알루미늄의 조성 균일성도 ±0.3%수준으로 유지하는 것이 요구된다. 또한 층의 두께를 정확하게 조절하기 위해서는 ±0.2% 수준으로 유지하여야 하며, 항상 동일한 산화온도와 반응기 분위기를 유지하는 것이 필요하다.In addition, the oxidation rate increases rapidly as the thickness increases at a thickness of less than 60 nm. Therefore, in order to obtain reproducible openings of the oxide layer in a desired size, the composition of aluminum must be precisely controlled to 0.1% or less, and the composition uniformity of aluminum is ± 0.3%. To be required. In addition, it is necessary to maintain the level of ± 0.2% to precisely control the thickness of the layer, and to maintain the same oxidation temperature and the reactor atmosphere at all times.
그러나 알루미늄의 차이에 의해 산화속도가 급격하게 변화하며, 알루미늄을 포함하는 층의 산화속도는 임계두께 이하에서는 두께에도 민감하게 반응하므로 층의 조성과 두께를 정확히 조절해야 하고 특히 대량 생산을 위해서는 재현성이 절실히 요구된다. 하지만 MBE 나 MOCVD와 같은 일반적인 결정성장 장치를 통해 에피층의 두께를 비교적 재현성 있게 조절하기가 용이하나 알루미늄의 조성을 정확하게 조절하기가 쉽지 않다. However, the oxidation rate changes rapidly due to the difference of aluminum, and the oxidation rate of the aluminum-containing layer is sensitive to the thickness below the critical thickness. Therefore, the composition and thickness of the layer must be precisely adjusted, especially for mass production. It is desperately required. However, it is easy to control the thickness of the epi layer relatively reproducibly through general crystal growth apparatuses such as MBE and MOCVD, but it is not easy to precisely control the composition of aluminum.
반면, 산화되는 속도는 두께보다는 알루미늄조성에 대해 훨씬 민감하여 정확한 알루미늄 조성을 조절하여 정확한 산화속도를 얻기 위해서는 조성의 오차를 ±0.1%수준으로 재현성있게 조절할 수 있어야 한다. 그러나 상용화된 MOCVD 장비에서 ±0.1%오차 범위에서 알루미늄을 재현성 있게 조절하기는 매우 어려운 문제점이 있었다. On the other hand, the rate of oxidation is much more sensitive to the composition of aluminum than the thickness, so in order to control the exact aluminum composition to obtain the correct oxidation rate, the error of the composition must be reproducibly controlled to a level of ± 0.1%. However, it was very difficult to control aluminum reproducibly in the ± 0.1% error range in commercial MOCVD equipment.
따라서, 본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로 전류절연영역을 다층으로 형성하여 산화가능층의 알루미늄 조성을 정밀하면서도 용이하게 조절하고, 산화속도에 영향을 미치는 산화층의 두께를 보다 정밀하고 재현성 있게 형성할 수 있는 수직공진형 표면 발광레이저를 제공하는 것을 목적으로 한다. Accordingly, the present invention is to solve the above problems by forming a current insulating region in a multi-layer to precisely and easily control the aluminum composition of the oxidizable layer, and to form a more precise and reproducible thickness of the oxide layer affecting the oxidation rate. An object of the present invention is to provide a vertical resonance surface emitting laser.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 수직공진형 표면 발광레이저는 반도체 기판상에 형성되고 제1도전형 불순물이 도핑되며 고굴절률과 저굴절률을 갖는 두 반도체 물질층이 교번되게 적층되어 형성된 제1반사기층과, 상기 제1반사기층상에 형성되며 광을 생성하는 활성층과, 상기 활성층상에 제1산화가능층과 제2산화가능층을 교번되게 적층한 후, 제1개구부가 형성되도록 상기 제1 및 제2산화가능층의 소정영역을 산화하여 형성된 제1전류절연영역과, 상기 제2산화가능층상에 제2도전형 불순물이 도핑되며 고굴절률과 저굴절률을 갖는 두 반도체 물질층을 교번되게 적층하여 형성된 제2반사기층과, 상기 제1개구부와 대응되는 위치를 제외한 상기 제2반사기층의 소정영역에 형성된 제2전류절연영역과, 상기 반도체 기판의 하부면에 형성된 하부전극과, 상기 제2반사기층상에 형성된 상부전극을 포함하여 구성된다.The vertical resonance surface emitting laser according to the present invention for achieving the above object is formed on a semiconductor substrate, doped with a first conductive type impurity, and formed by alternately stacking two semiconductor material layers having a high refractive index and a low refractive index. A first reflector layer, an active layer formed on the first reflector layer and generating light, and a first oxide layer and a second oxidizable layer are alternately stacked on the active layer, and then the first opening is formed. A first current insulating region formed by oxidizing predetermined regions of the first and second oxidizable layers, and a second conductive material layer doped with a second conductive impurity on the second oxidizable layer and having a high refractive index and a low refractive index A second reflector layer formed by stacking, a second current insulating region formed in a predetermined region of the second reflector layer except for a position corresponding to the first opening, and a lower surface formed on the lower surface of the semiconductor substrate. And a sub electrode and an upper electrode formed on the second reflector layer.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예를 상세히 설명한다. 그리고 동일한 기능을 하는 구성요소에 대해서는 다른 도면에 표시되더라도 같은 참조부호를 사용한다. Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described an embodiment of the present invention; The same reference numerals are used for components having the same function, even if shown in different drawings.
도2는 본 발명의 일 실시예에 따른 수직 공진형 표면 발광레이저의 수직 단면도이다. 2 is a vertical cross-sectional view of a vertical resonance surface light emitting laser according to an embodiment of the present invention.
도시된 바와같이, 반도체 기판(100)상에 형성되고 제1도전형 불순물이 도핑되며 알루미늄 조성비에 따라 고굴절률과 저굴절률을 갖는 두 반도체 물질층이 교번되게 적층되어 형성된 제1반사기층(102)과, 제1반사기층(102)상에 형성되며 광을 생성하는 활성층(104)과, 활성층(104)상에 제1산화가능층(106)과 제2산화가능층(108)을 교번되게 적층한 후, 제1개구부(Ⅰ)가 형성되도록 제1 및 제2산화가능층(106, 108)의 소정영역을 산화하여 형성된 제1전류절연영역(112)과, 제1개구부(Ⅰ)와 제1전류절연영역(112)상에 제2도전형 불순물이 도핑되며 알루미늄 조성비에 따라 고굴절률과 저굴절률을 갖는 두 반도체 물질층을 교번되게 적층하여 형성된 제2반사기층(110)과, 제1개구부(Ⅰ)와 대응되는 위치를 제외한 제2반사기층(110)의 소정영역에 형성된 제2전류절연영역(114)과, 반도체 기판(100)의 하부면에 형성된 하부전극(116)과, 제2반사기층(110)상의 소정영역에 형성된 상부전극(118)을 포함하여 구성된다. As illustrated, the first reflector layer 102 formed by alternately stacking two semiconductor material layers formed on the semiconductor substrate 100 and doped with a first conductivity type impurity and having a high refractive index and a low refractive index according to an aluminum composition ratio. And an active layer 104 formed on the first reflector layer 102 and generating light, and alternately stacking the first oxidizable layer 106 and the second oxidizable layer 108 on the active layer 104. Thereafter, the first current insulating region 112 formed by oxidizing predetermined regions of the first and second oxidizable layers 106 and 108 so that the first opening I is formed, the first opening I and the first opening The second reflector layer 110 formed by alternately stacking two semiconductor material layers having a high refractive index and a low refractive index in accordance with the aluminum composition ratio and doped with a second conductive impurity on the first current insulating region 112 and the first opening. A second current insulating region 114 formed in a predetermined region of the second reflector layer 110 except for a position corresponding to (I), and a half And a lower electrode 116 formed on the lower surface of the conductor substrate 100 and an upper electrode 118 formed on a predetermined region on the second reflector layer 110.
좀더 구체적으로 설명하면, 반도체 기판(100)은 GaAs, GaP, InP, InGaAs, Sapphire, GaN의 반도체 기판을 사용한다. In more detail, the semiconductor substrate 100 uses a semiconductor substrate of GaAs, GaP, InP, InGaAs, Sapphire, or GaN.
그리고 제1반사기층(102) 및 제2반사기층은 고굴절률과 저굴절률의 두 반도체 물질을 교대로 20∼40회 교번 적층하여 형성하며, 고 굴절률층(102a)과 저 굴절률층(102b)의 굴절률은 반도체 물질내에 포함된 알루미늄의 조성비로 조절한다. The first reflector layer 102 and the second reflector layer are formed by alternately stacking two semiconductor materials having a high refractive index and a low refractive index alternately 20 to 40 times, and are formed of the high refractive index layer 102a and the low refractive index layer 102b. The refractive index is controlled by the composition ratio of aluminum contained in the semiconductor material.
제1 및 제2반사기층(102, 110)의 두께는 그래드층(도시되지 않음)이 형성된 경우 그래드층을 포함하여 수직공진형 표면 발광레이저가 동작하도록 설계된 파장(λ)의 1/4의 광학적 두께가 되도록 형성된다.The thicknesses of the first and second reflector layers 102 and 110 are optically equal to 1/4 of the wavelength λ, which is designed to operate a vertical resonance surface emitting laser including a grad layer when a grad layer (not shown) is formed. It is formed to be thick.
그리고 제1 및 제2반사기층은 P형 또는 N형 불순물이 도핑되는데 제1도전형 불순물이 N형일 경우 제2도전형 불순물은 P형으로 도핑되고, 제1도전형 불순물이 P형일 경우 제2도전형 불순물은 N형 불순물이 도핑된다. P형 불순물은 C, Zn을 사용하고 N형 불순물은 Si가 사용된다. The first and second reflector layers are doped with P-type or N-type impurities. If the first conductivity type impurities are N-type, the second conductivity type impurities are doped with P-type and the second conductivity type impurities are P-type. Conductive impurities are doped with N-type impurities. P-type impurities are C and Zn, and N-type impurities are Si.
또한, 반도체 기판(100)과 제1반사기층(102) 사이의 스트레스를 감소시키기 위해 반도체 기판(100)과 제1반사기층(102) 사이에 버퍼층(도시되지 않음)을 부가 형성할 수 있다. In addition, a buffer layer (not shown) may be additionally formed between the semiconductor substrate 100 and the first reflector layer 102 to reduce stress between the semiconductor substrate 100 and the first reflector layer 102.
활성층(104)은 전자와 정공이 결합하여 실질적으로 빛이 발생하는 층으로 제1도전형 불순물이 도핑된 클래드층(104a), 다양자 우물층(104b), 제2도전형 불순물이 도핑된 클래드층(104c)으로 구성된다. The active layer 104 is a layer in which electrons and holes are combined to substantially generate light. A clad layer 104a doped with a first conductive impurity, a multi-well well layer 104b, and a clad doped with a second conductive impurity Layer 104c.
제1 및 제2산화가능층은 AlAs 또는 AlxGa(1-x)As(x<1)으로 형성되는데, 제1산화가능층이 AlAs로 형성될 경우 제2산화가능층은 AlxGa(1-x)As(x<1)으로 형성되고, 제1산화가능층이 AlxGa(1-x)As(x<1)로 형성될 경우 제2산화가능층은 AlAs로 형성된다.The first and second oxidizable layers are formed of AlAs or Al x Ga (1-x) As (x <1). When the first oxidizable layer is formed of AlAs, the second oxidizable layer is formed of Al x Ga ( 1-x) As (x <1), and when the first oxidizable layer is formed of Al x Ga (1-x) As (x <1), the second oxidizable layer is formed of AlAs.
여기서 제2산화가능층의 알루미늄 조성비는 제1 및 제2반사기층(102, 110)을 구성하는 저굴절률층(102b)(AlxGa(1-x)As (0.7≤×<1))에 포함된 알루미늄의 조성비보다 높은 조성비를 가지도록 한다.Herein, the aluminum composition ratio of the second oxidizable layer is set to the low refractive index layer 102b (Al x Ga (1-x) As (0.7≤ × <1)) constituting the first and second reflector layers 102 and 110. The composition ratio is higher than the composition ratio of aluminum included.
이러한 조성비는 제2산화가능층(108)이 산화공정시 완충층(buffer layer)의 역할을 함으로 제1산화가능층(106)의 수축에 의한 칩의 불량을 방지할 수 있다. Such a composition ratio may prevent chip defects due to shrinkage of the first oxidizable layer 106 by acting as a buffer layer during the oxidation process of the second oxidizable layer 108.
즉, 본 발명에 의한 제1산화가능층(106)과 제2산화가능층(108)의 두께와 조성은 식1을 만족한다.That is, the thickness and composition of the first and second oxide layers 106 and 108 according to the present invention satisfy Equation 1.
식1)Equation 1
C = C =
( C : 산화막의 평균조성 , C1 : AlAs로 형성된 산화가능층의 Al조성(x=1), C2 : AlxGa(1-x)As(x<1)으로 형성된 산화가능층의 Al조성, TAlAs : AlAs로 형성된 산화가능층의 총 두께, Ttotal : 산화막의 총 두께)(C: average composition of oxide film, C 1 : Al composition of oxidizable layer formed of AlAs (x = 1), C 2 : Al of oxidizable layer formed of Al x Ga (1-x) As (x <1) Composition, T AlAs : total thickness of oxidizable layer formed of AlAs, T total : total thickness of oxide film)
제1산화가능층(106)과 제2산화가능층(108)은 1∼10회 교번 적층하며, 각 층의 두께는 10∼100Å를 가지도록 형성하는 것이 바람직하다. The first oxide layer 106 and the second oxide layer 108 are alternately stacked one to ten times, and the thickness of each layer is preferably formed to have a thickness of 10 to 100 GPa.
제1 및 제2전류절연영역(112)은 제2반사기층(110)상의 소정영역이 노출되도록 포토리소그래피를 진행한 후, 제1반사기층(102)의 상층 일부까지 식각하여 트렌치(T)를 형성한 후 트렌치(T) 내부를 산화하여 제1 및 제2전류절연영역(112, 114)을 형성한다. The first and second current insulation regions 112 are subjected to photolithography so that predetermined regions on the second reflector layer 110 are exposed, and then, the trench T is etched to a part of the upper layer of the first reflector layer 102. After the formation, the inside of the trench T is oxidized to form first and second current insulating regions 112 and 114.
이때 트렌치 산화공정시 반응기 내부의 온도는 350∼500℃로 유지하며, 질량조절기를 통해 정량적으로 조절된 질소, 산소, 수소, 아르곤등의 가스가 물이 담긴 거품기(bubbler)를 통해 반응기내로 유입되도록 한다. 거품기의 온도는 90℃로 유지한다. 이때 산화조건의 온도와 흘려주는 가스의 유량등을 변화시켜 산화속도를 증감시킬 수 있으며, 산화시간을 변화시켜 수평적으로 산화되는 길이를 조절함으로써 형성되는 제1개구부(Ⅰ)의 크기를 조절한다. 산화시 산화되는 부분이 제1 및 제2전류절연영역(112, 114)이 되며 산화되지 않은 부분이 제1개구부(Ⅰ)가 된다. At this time, during the trench oxidation process, the temperature inside the reactor is maintained at 350 to 500 ° C., and quantitatively controlled gases such as nitrogen, oxygen, hydrogen, and argon are introduced into the reactor through a bubbler containing water. Be sure to The temperature of the whisk is maintained at 90 ° C. At this time, the oxidation rate can be increased or decreased by changing the temperature of the oxidation condition and the flow rate of the flowing gas, and the size of the first opening I formed by adjusting the length of the horizontal oxidation by changing the oxidation time is controlled. . The portion oxidized during oxidation becomes the first and second current insulating regions 112 and 114 and the portion not oxidized becomes the first opening I.
그리고 제1전류절연영역(112)과 제2전류절연영역(114)의 산화되는 수평적 길이는 제1전류절연영역(112)과 제2전류절연영역(114)을 산화시키기 전의 구성물질 및 두께 차에 의한 것으로 제1전류절연영역(112)이 제2전류절연영역(114)보다 수평적 길이 방향으로 더 길게 산화된다. In addition, the horizontal length of the first current insulating region 112 and the second current insulating region 114 is oxidized to the constituent material and thickness before the first current insulating region 112 and the second current insulating region 114 are oxidized. Due to the difference, the first current insulating region 112 is oxidized longer in the horizontal length direction than the second current insulating region 114.
하부 전극은 반도체 기판(100)의 하부면에 Ni, AuGe, Au등의 금속을 증착하여 형성되고, 상부전극은 제2반사기층(110)상에 Au, Zn, Cr등을 증착하여 형성된다. The lower electrode is formed by depositing a metal such as Ni, AuGe, Au, etc. on the lower surface of the semiconductor substrate 100, and the upper electrode is formed by depositing Au, Zn, Cr, etc. on the second reflector layer 110.
그리고 도3 및 도4는 본 발명에 따른 수직공진형 표면발광레이저의 다른 실시예들로 도3에 도시된 바와같이, 제1전류절연영역(112) 및 제1개구부(Ⅰ)는 제1반사기층(102)상에 형성되거나, 도4에 도시된 바와같이, 제1전류절연영역(112) 및 제1개구부(Ⅰ)는 제1반사기층(102) 및 활성층(104)상에 형성된다. 3 and 4 show other embodiments of the vertical resonant surface light emitting laser according to the present invention. As shown in FIG. 3, the first current insulating region 112 and the first opening I are first reflected. 4, the first current insulating region 112 and the first opening I are formed on the first reflector layer 102 and the active layer 104. As shown in FIG.
상기에 기술된 바와같이, 제1 전류절연영역을 형성할 경우 예를 들면, 제1전류절연영역의 두께(Total)를 300Å로 형성하고 알루미늄의 평균조성(C)을 0.98로 형성하고자 할 경우, AlAs를 증착하여 형성한 제1산화가능층의 두께(TAlAs)를 75Å로 하고, AlxGa(1-x)As(x=0.92)을 증착하여 형성한 제2산화가능층의 두께를 25Å으로 형성한 후, 3회 반복 적층하여 형성할 수 있다.As described above, in the case of forming the first current insulating region, for example, when the total thickness of the first current insulating region is to be 300 Å and the average composition C of aluminum is 0.98, The thickness (T AlAs ) of the first oxidizable layer formed by depositing AlAs was set to 75 GPa, and the thickness of the second oxidizable layer formed by depositing Al x Ga (1-x) As (x = 0.92) was 25 Å. After forming, it can be formed by repeating three times.
다른 예로는 AlAs로 형성한 제1산화가능층의 두께(TAlAs)를 80Å으로, AlxGa(1-x)As(x=0.9)으로 형성한 제2산화가능층의 두께를 20Å으로 하여 3번 반복 적층하여 형성할 수 있다. 이때 제2산화가능층의 x가 0.89∼0.91사이에서 변화하더라도 식1에 의해 계산하면, 산화영역의 Al조성은 0.978∼0.982사이에서 변화하게 된다.As another example, the thickness (T AlAs ) of the first oxidizable layer formed of AlAs is 80 μs, and the thickness of the second oxidizable layer formed of Al x Ga (1-x) As (x = 0.9) is 20 μs. It can be formed by repeating three times. At this time, even if x of the second oxidizable layer varies between 0.89 and 0.91, the Al composition of the oxidized region is changed between 0.978 and 0.982 when calculated by Equation 1.
따라서 AlxGa(1-x)As(x=0.9)으로 형성한 제2산화가능층의 조성을 2%정도 조절한다 해도 산화영역의 평균조성을 0.4%범위에서 조절할 수 있어 보다 정밀한 Al 조성 조절을 구현할 수 있게된다.Therefore, even if the composition of the second oxidizable layer formed of Al x Ga (1-x) As (x = 0.9) is adjusted by about 2%, the average composition of the oxidized region can be adjusted in the range of 0.4% to realize more precise Al composition control. Will be.
이처럼 전류제한영역을 만들기 위한 산화층을 제1산화가능층과 제2산화가능층을 교대로 다수 번 적층한 구조로 형성함으로써 Al 평균조성을 정밀하면서 용이하게 조절할 수 있다.As described above, by forming an oxide layer for forming a current limiting region in a structure in which a plurality of first and second oxidizable layers are alternately stacked, an Al average composition can be precisely and easily controlled.
또한 6층 이상으로 산화영역을 구성할 경우 종래에 비해 두께 조절이 더욱 용이하며 대면적의 웨이퍼상에서 0.2%내의 두께 균일도를 얻을 수 있으며, 종래보다 산화속도에 영향을 주는 산화영역의 두께를 보다 정밀하고 재현성 있게 형성할 수 있게 된다. In addition, when the oxidation zone is composed of 6 or more layers, thickness control is easier than in the prior art, and thickness uniformity within 0.2% can be obtained on a large-area wafer. And reproducible formation.
그리고 AlxGa(1-x)As(x<1)으로 형성된 산화가능층은 완충층의 역할을 함으로써 산화시 AlAs로 형성된 산화가능층의 수축으로 인한 칩의 특성이 악화되는 것을 막을 수 있다.The oxidizable layer formed of Al x Ga (1-x) As (x <1) may act as a buffer layer to prevent deterioration of chip characteristics due to shrinkage of the oxidizable layer formed of AlAs during oxidation.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따라 수직공진형 표면 발광레이저를 형성하면 전류제한영역을 형성하기 위한 산화층의 알루미늄 조성을 정밀하면서도 용이하게 조절할 수 있으며, 산화층의 두께 조절도 용이하게 할 수 있다. As described above, when the vertical resonance type surface emitting laser is formed according to the present invention, the aluminum composition of the oxide layer for forming the current limiting region can be precisely and easily adjusted, and the thickness of the oxide layer can be easily adjusted.
따라서 종래보다 산화속도에 영향을 미치는 산화층의 두께를 보다 정밀하고 재현성 있게 형성할 수 있으며, AlxGa(1-x)As(x<1)으로 형성된 산화가능층의 완충작용으로 인해 소자의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.Therefore, the thickness of the oxide layer affecting the oxidation rate can be formed more precisely and reproducibly than in the prior art, and the reliability of the device is due to the buffering action of the oxidizable layer formed of Al x Ga (1-x) As (x <1). Can improve.
도1은 종래기술에 따른 수직공진형 표면 발광레이저의 수직단면도.1 is a vertical cross-sectional view of a vertical resonance surface light emitting laser according to the prior art.
도2내지 도4는 본 발명에 따른 수직 공진형 표면 발광레이저의 수직단면도.2 to 4 is a vertical cross-sectional view of a vertical resonance surface light emitting laser according to the present invention.
*도면의 주요부호에 대한 설명** Description of the major symbols in the drawings *
100 : 반도체기판 102 : 제1반사기층100: semiconductor substrate 102: first reflector layer
104 : 활성층 106 : 제1산화가능층104: active layer 106: first oxidizable layer
108 : 제2산화가능층 110 : 제2반사기층108: second oxide layer 110: second reflector layer
112 : 제1전류절연영역 114 : 제2전류절연영역112: first current insulation region 114: second current insulation region
116 : 하부전극 118 : 상부전극116: lower electrode 118: upper electrode
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