KR100482914B1 - 공기층 구경을 갖는 수직공진 표면방출레이저 구조 및 그제조방법 - Google Patents

공기층 구경을 갖는 수직공진 표면방출레이저 구조 및 그제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 공기층 구경을 갖는 수직공진 표면방출레이저 구조 및 그 제조방법에 관한 것으로, 기판 상부에 굴절율이 다른 두 박막이 교대로 성장된 하부거울층, 하부거울층 상부에 위치하여 전류 및 열방출의 경로가 되는 열방출층, 열방출층 상부에 위치하여 공진하는 레이저빔이 광이득을 얻는 활성층, 활성층 상부에 위치하며 양 측면에 공기층 구경을 갖는 구경형성층, 구경형성층 상부에 굴절율이 다른 두 박막이 교대로 성장된 상부거울층, 상부거울층, 구경형성층 및 활성층의 측면과 상기 열방출층의 상부에 위치하는 절연층 및 상부거울층의 상부에 위치하는 전극을 포함한다. 따라서 기계적으로 안정적이고 효과적인 전류유도를 할 수 있으며, 단일 횡모드 발진이 가능하고 구동전력이 적고 동작속도가 빠른 통신용 장파장 광원의 공급이 가능해지는 효과가 있다.

Description

공기층 구경을 갖는 수직공진 표면방출레이저 구조 및 그 제조방법{Structure and fabrication method of airgap-aperture vertical-cavity surface-emitting lasers}
본 발명은 근중거리 광통신용 광원으로 사용되는 1.3㎛ 및 1.55㎛ 파장 대역의 수직공진 표면방출형 레이저(VCSEL)에 관한 것으로서, 특히 선택적 습식식각에 의하여 형성된 공기층 구경을 갖는 수직공진 표면방출레이저 구조 및 그 제조방법에 관한 것이다.
대부분의 반도체레이저가 요구하는 특성인 상온연속발진과 빠른 작동속도, 그리고 단일모드 발진을 만족하기 위해서는 낮은 문턱전류와 직렬저항, 효과적인 열방출, 그리고 적절한 광유도가 필수적이다. 이를 위해 다양한 전류주입 구조와 열방출 구조가 연구되어왔다. 중장거리 광통신 분야에서 효과적인 다채널 장파장 광원으로 주목 받고 있는 1.55㎛ 대역의 수직공진 표면방출 레이저(vertical-cavity surface-emitting lasers:VCSEL)의 경우에는 기둥형, 이온주입형 및 이종물질 DBR(distributed Bragg reflector) 형 등의 몇가지 구조가 연구되어 왔다. 수직공진 표면방출 레이저(vertical-cavity surface-emitting lasers:VCSEL)란 반도체 레이저의 일종으로 공진기가 기판과 수직으로 되어 있어서 광이 기판의 수직 양방향으로 방출되는 반도체 레이저 이다.
먼저 기둥형은 하부DBR거울, 활성층, 상부DBR거울로 이루어진 구조를 성장한 후 비등방성 메사식각법으로 상부DBR거울과 활성층까지 깍아서 기둥모양으로 형성한 구조이다. 이러한 기둥형 구조의 장점은 공정이 간단하고 전류확산이 없는 반면, 열이 많이 발생하고 문턱전류가 크며 다중횡모드로 발진한다는 단점이 있다. 기둥형 구조의 경우에는 열방출과 모드특성을 향상시키기 위해 열전도도가 큰 반도체나 유전체로 기둥을 덮는 부가적인 기술들이 시도되고 있다. 이온주입형은 모든 구조를 성장한 후 고에너지 양성자를 주입하면 주입된 영역의 결정만 파괴되어 주입되지 않은 영역으로만 전류가 흐르게 된다. 이러한 이온주입형 구조를 제조하는 방법은 장파장 VCSEL의 경우 상부DBR거울의 두께가 매우 두꺼우므로 상당히 큰 에너지의 양성자를 주입해야 하는데 이 경우 적당한 마스크 물질을 구하기 힘들고, 양성자 폭격에 의해 정의되는 유도구경의 경계가 날카롭지 못하여 작은 크기의 소자를 제작할 수 없으며, 문턱전류가 높다는 단점이 있다. 또한 상부 거울층의 물질이 열전도도가 낮은 InAlGaAs 계열일 경우 열방출이 용이하지 않아서 상온연속발진이 힘들게 된다. 이종물질 DBR 형은 윗거울을 AlGaAs 계열로 하여 850nm 대역의 VCSEL 처럼 이미 확립되어 있는 이온주입이나 산화막 공정을 그대로 사용함으로써 고효율의 장파장 VCSEL을 제작하는 것이다. 그러나 이종물질 DBR 형을 제조하기 위해서는 기판접합 기술 또는 메타모픽(metamorphic) 성장 기술을 사용해야 하는데, 아직 이 기술들은 보편적이지 않고 수율이 낮으며 신뢰성이 없다. 특히 metamorphic 성장기술은 양산이 힘든 분자선 에피택시(molecular beam epitaxy:MBE) 로만 길러지므로 산업체로의 기술이전이 힘들다는 단점이 있다.
전류 및 전하 손실을 최소화하면서 적절한 광의 유도가 가능한 전류주입 구조를 갖기 위해 공기층 전류구경 구조의 장파장 VCSEL이 개발되었는데, 이러한 구조는 전류 및 전하 손실이 거의 없어 매우 효율적이다. 그러나, 이러한 구조는 깊숙한 측면 식각이 필요한 내부공진접촉식이어서 기계적 안정성이 의심되고, 공기층의 두께가 두꺼우므로 기본 횡모드 뿐만 아니라 여러 개의 고차 횡모드 들도 같이 발진하는 문제가 있었다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 전극을 상부거울층 위에 위치시키고 공기층 구경의 식각 깊이를 얕게 함으로써 기계적으로 안정적이고 효과적인 전류유도를 할 수 있으며 적절한 광유도가 가능하여 단일 횡모드 발진이 가능한 공기층 구경을 갖는 수직공진 표면방출레이저 구조를 제공하는데 있다.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는, 공기층 구경을 갖는 수직공진 표면방출레이저의 제조방법을 제공하는 데 있다.
상기 과제를 이루기 위해, 본 발명에 의한 공기층 구경을 갖는 수직공진 표면방출레이저 구조는, 기판 상부에 굴절율이 다른 두 박막이 교대로 성장된 하부거울층, 하부거울층 상부에 위치하여 전류 및 열방출의 경로가 되는 열방출층, 열방출층 상부에 위치하여 공진하는 레이저빔이 광이득을 얻는 활성층, 활성층 상부에 위치하며 양 측면에 공기층 구경을 갖는 구경형성층, 구경형성층 상부에 굴절율이 다른 두 박막이 교대로 성장된 상부거울층, 상부거울층, 구경형성층 및 활성층의 측면과 상기 열방출층의 상부에 위치하는 절연층 및 상부거울층의 상부에 위치하는 전극을 포함하는 것이 바람직하다.
상기 다른 과제를 이루기 위해, 본 발명에 의한 수직공진 표면방출레이저의 제조방법은, 반도체 기판 위에 하부거울층, 열방출층, 활성층, 구경형성층 및 상부거울층을 순차적으로 증착하는 단계, 소자가 형성되는 영역을 정의하는 마스크 층을 형성하는 단계, 마스크층 이외의 영역을 활성층 중간 깊이까지 식각하여 제거함으로써 메사 구조를 형성하는 단계, 구경형성층을 양측면에서부터 중앙으로 선택적 습식식각에 의해 소정 깊이로 제거하여 공기층 구경을 형성하는 단계, 마스크층을 이용하여 활성층을 식각함으로써 열방출층을 표면에 노출시키는 단계, 마스크층을 제거한 후, 메사 구조 측면에 절연층을 증착하는 단계 및 상부거울층 상부에 전극을 형성하는 단계를 포함하는 것이 바람직하다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 이하의 실시예는 이 기술 분야에서 통상적인 지식을 가진 자에게 본 발명이 충분히 이해되도록 제공되는 것으로서 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 기술되는 실시예에 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 공기층 구경을 갖는 수직공진 표면방출레이저 구조를 설명하기 위한 단면도이다.
도 1을 참조하면, 공기층 구경을 갖는 수직공진 표면방출레이저 구조는 반도체 기판(100) 위에 하부거울층(102), 열방출층(104), 활성층(106), 구경형성층(108), 상부거울층(110), 절연층(112) 및 전극(114)으로 이루어진다. 반도체 기판(100)은 InP와 같은 화합물 반도체를 사용하는 것이 바람직하다. 기판 위의 하부거울층(102)은 굴절율이 다른 두 반도체 재료가 서로 교대로 성장된 구조이다. 하부거울층(102)의 재료로는 굴절율 차가 크고 반도체 기판(100)인 InP 기판에 정합되며 동일한 V족 원소를 사용하여 성장상의 가스 흐름을 안정되게 조절할 수 있는 InAlGaAs/InAlAs 다층박막을 사용할 수 있다. 또한, 동일한 V족 원소를 이외에 굴절률차가 조금 더 크고 열전도도가 큰 InAlGaAs/InP 다층박막을 사용할 수도 있다. InAlGaAs/InAlAs 계열보다 굴절율 차가 2배정도 큰 GaAsSb/AlAsSb 다층박막도 사용할 수 있지만 이는 양산성에 있어서 MBE(Molecular beam epitaxy) 장비를 이용하므로 제한적이다.
하부거울층(102) 위의 열방출층(104)은 전류와 열방출의 경로로서 이용되는 층으로 열전도도가 좋은 InP 등으로 구성될 수 있다. 열방출층(104)은 열방출의 효율을 높이기 위하여 두께가 5000Å 이상인 것이 바람직하다. 활성층(106)은 공진하는 레이저빔이 광이득을 얻는 층으로 일반적으로 In(Al)GaAs 또는 InGaAs(P) 다중양자우물로 구성된다. 활성층(106)의 재료는 1.3~1.6㎛인 장파장 영역의 파장대를 모두 포함하는 InAlGaAs 또는 InGaAsP 양자우물을 사용할 수 있다. 모든 층은 반도체 기판(100)인 InP 기판에 격자정합이 이루어지는 조성으로 선택되는 것이 바람직하다.
구경형성층(108)은 활성층(106) 상부에 적절한 전류 및 광의 유도를 위하여 필요한 층으로 선택적 식각이 가능하도록 상부거울층(110) 및 활성층(106)의 재료와 다른 재료로 구성되어야 한다. 구경형성층(108)은 본 발명의 특징으로서, 공기층 구경(air-gap aperture)의 식각 깊이를 얕게 함으로써 기계적으로 안정적이고 전류유도가 효과적이게 된다. 본 발명에서 구경형성층(108)은 절연층(112)과의 사이에 음각으로 움푹 들어가 있으며, 구경형성층과 절연층 사이는 에어 갭(air-gap)이 형성된다. 공기층 구경(air-gap aperture)이 형성되어도 기계적으로 안정적이 되기 위해서는 공기층의 깊이가 측면에서부터 5 ㎛ 이내 인 것이 바람직하다. 이때 구경형성층(108)은 단일모드 발진을 위하여 두께는 200~800Å 인 것이 바람직하고, 내부 광필드 세기의 노드(세기가 "0"이 되는 지점)에 위치시키는 것이 바람직하다.
구경형성층(108) 상부의 상부거울층(110)은 하부거울층(102)과 유사한 구조로서, 상술한 하부거울층과 유사한 재료를 사용하여 형성할 수 있다. 즉, 하부거울층(102)이 n 형 InAlGaAs/InAlAs 다층박막을 사용하여 형성한다면, 상부거울층(110)은 p 형 InAlGaAs/InAlAs 다층박막을 사용할 수 있다. 다만 터널 졍션 사용시에는 n 형일 수 있다. 그리고 전체 두께를 줄이고 반사율을 높이기 위하여 유전체 박막 또는 Au를 얹어서 사용할 수 있다. Au를 얹는 경우 Au는 전극의 역할, 상부거울층의 반사율을 높이는 역할, 냉각핀으로서의 역할 등 3가지 역할을 동시에 하게 된다.
상부거울층(110)의 측면과 열방출층(104)의 상부에는 절연층(112)이 형성되는데, 열방출 효율을 높이기 위하여 절연층(112)은 두께가 1000~4000Å 인 것이 바람직하다. 상부거울층(110) 상부와 절연층(112)의 측면에는 전극(114)이 형성되어 있다. 따라서 전류는 전극(114)으로부터 상부거울층(110)을 통과해서 공기층구경으로 유도되어 활성층(106)까지 도달하게 된다. 이때 전극(114)은 두께가 5000Å 이상인 것이 바람직하다.
이러한 공기층 구경을 갖는 수직공진 표면방출레이저는 도 1에 도시한 바와 같이 전류의 흐름(120), 열의 방출(122), 레이저 빔의 방출(124)이 이루어지게 된다.
이하, 공기층 구경을 갖는 수직공진 표면방출레이저의 제조방법에 대하여 설명한다.
도 2 내지 도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 공기층 구경을 갖는 수직공진 표면방출레이저의 제조방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 공기층 구경을 갖는 수직공진 표면방출레이저를 제조하기 위해 첫번째 건식 식각 후 메사 구조가 형성되고 구경형성층(108)이 메사의 측면에 드러난 상태를 나타내는 단면도이다. 우선 반도체 기판(100) 위에 하부거울층(102), 열방출층(104), 활성층(106), 구경형성층(108), 상부거울층(110) 및 마스크층(116)을 순차적으로 증착한 후, 소자 패턴을 형성하고, 소자 패턴 이외의 부분을 활성층(106) 중간까지 식각한다. 이러한 메사 패턴을 형성하기 위하여 건식식각법의 일종인 활성이온식각법(RIE) 또는 활성이온빔식각법(RIBE)을 사용하여 메사 구조로 식각해낸다. 이때 마스크층(116)은 상부거울층(110) 위에 원하는 형상으로 코팅되는데 보통 SiO2, PR, TiO2 등이 사용되며 이들 재료는 식각이온에 내성이 있으므로 마스크층(116) 아래의 층들을 보호해 준다. 식각이온은 통상적으로 Cl2/Ar계열의 이온을 사용하지만 InGaAsP/InP 거울인 경우에는 CH4/H2 계열을 사용하기도 한다. 식각은 정밀두께 감시법(예: 레이저 간섭법)을 사용해서 도 2에 도시한 바와 같이 구경형성층(108)까지 식각한 뒤 활성층(106) 중간에서 중단된다. 식각 후에는 구경형성층(108)이 메사의 측면에 드러나게 된다.
도 3은 구경형성층을 선택적 습식 식각에 의해 메사의 측면에서부터 중앙으로 식각하여 공기층 구경(air-gap aperture)이 메사의 안쪽에 형성된 후의 상태를 나타내는 단면도이다. 즉, 도 2에서 설명한 바와 같이 측면에 드러난 구경형성층(108)을 습식식각에 의해 측면에서부터 중앙으로 선택적 식각을 수행한다. 구경형성층(108)이 InP 이고 상부거울층 및 활성층의 재료가 InAlGaAs 계열이라면 염산/물(HCl/H2O) 혼합용액을 이용하면 InP 만 선택적으로 식각할 수 있다. 구경형성층(108)의 선택적 식각이 끝나면 도 3에서처럼 적절한 크기의 공기층 구경이 메사 안쪽에 생기게 된다. 이러한 공기층 구경은 전류 및 광을 유도하는 역할을 하게 된다. 공기층 구경(air-gap aperture)이 형성되어도 기계적으로 안정적이 되기 위해서는 공기층의 깊이가 측면에서부터 5 ㎛ 이내 인 것이 바람직하다. 이때 구경형성층(108)은 단일모드 발진을 위하여 두께는 200~800Å 인 것이 바람직하고, 내부 광필드 세기의 노드(세기가 "0"이 되는 지점)에 위치시키는 것이 바람직하다.
이어서, 도 4를 참조하면 두번째 건식 식각을 수행하여 열방출층(104)을 표면에 노출시킨다. 이러한 두번째 식각 단계에서도 첫번째 식각과 마찬가지로 정밀두께 감시법에 의해 수행되며 정확히 열방출층(104)을 표면에 드러낸 후 식각이 중단되어야 한다. 도 4는 두번째 건식 식각을 수행하여 열방출층(104)이 표면에 드러난 상태를 설명하기 위한 단면도이다.
이어서, 메사 위의 마스크층(116)을 제거한 후 측면에 절연층(112)을 얇게 증착한다. 그리고 전체 상부에 전극층(114)을 두껍게 증착하여 전극을 형성한다. 절연층(112)으로는 일반적으로 반도체 접촉성이 좋은 SiNx를 사용할 수 있으며, 절연층의 두께는 너무 얇으면 구경형성층 주변에서 절연이 이루어지지 않고, 또한 너무 두꺼우면 열방출이 효과적으로 이루어지지 못하므로 적당한 두께가 필요한데, 통상 1000~4000Å 의 두께로 형성하는 것이 바람직하다. 전극층(114)의 증착은 Au를 사용하며 두께는 두꺼울수록 열방출 효과가 좋으므로 최소한 5000Å 이상인 것이 바람직하다. 전극 증착시 반도체와의 접촉성을 위하여 Ti를 먼저 얇게 증착해주고 Au를 증착할 수 있다. Ti의 두께는 통상 10 ~ 20Å 이 적당하다. 도 5는 이렇게 절연층 및 전극이 형성된 후의 소자의 단면도이다.
이어서, 후면을 거울면처럼 연마(polishing)한 후, 한쪽 모서리에 n형 전극(통상 AuGe/Ni/Au)을 형성하면 공기층 구경을 갖는 수직공진 표면방출레이저가 완성된다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의한 공기층 구경을 갖는 수직공진 표면방출레이저 구조 및 그 제조방법은, 전극을 상부거울층 위에 위치시키고 공기층 구경의 식각 깊이를 얕게 하므로, 기계적으로 안정적이고 효과적인 전류유도를 할 수 있다. 또한 공기층의 두께를 얇게 하고 내부 광 필드 세기의 노드(세기가 0이 되는 지점)에 위치시킴으로써 적절한 광유도가 가능하여 단일 횡모드 발진이 가능하고 구동전력이 적고 동작속도가 빠른 통신용 장파장 광원의 공급이 가능해지는 효과가 있다.
이상, 본 발명의 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상의 범위내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 공기층 구경을 갖는 수직공진 표면방출레이저 구조를 설명하기 위한 단면도이다.
도 2 내지 도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 공기층 구경을 갖는 수직공진 표면방출레이저의 제조방법을 설명하기 위한 단면도들이다.

Claims (7)

  1. 기판 상부에 굴절율이 다른 두 박막이 교대로 성장된 하부거울층;
    상기 하부거울층 상부에 위치하여 전류 및 열방출의 경로가 되는 열방출층;
    상기 열방출층 상부에 위치하여 공진하는 레이저빔이 광이득을 얻는 활성층;
    상기 활성층 상부에 위치하며 양 측면에 공기층 구경을 갖는 구경형성층;
    상기 구경형성층 상부에 굴절율이 다른 두 박막이 교대로 성장된 상부거울층;
    상기 상부거울층, 구경형성층 및 활성층의 측면과 상기 열방출층의 상부에 위치하는 절연층; 및
    상기 상부거울층의 상부에 위치하는 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 공기층 구경을 갖는 수직공진 표면방출레이저 구조.
  2. 제1 항에 있어서, 상기 구경형성층의 공기층 구경은
    양측면으로부터 5㎛ 이내의 깊이인 것을 특징으로 하는 공기층 구경을 갖는 수직공진 표면방출레이저 구조.
  3. 제1 항에 있어서, 상기 구경형성층의 두께는
    200~800Å 인 것을 특징으로 하는 공기층 구경을 갖는 수직공진 표면방출레이저 구조.
  4. 제1 항에 있어서, 상기 전극의 두께는
    5000Å 이상인 것을 특징으로 하는 공기층 구경을 갖는 수직공진 표면방출레이저 구조.
  5. 제1 항에 있어서, 상기 절연층의 두께는
    1000~4000Å 인 것을 특징으로 하는 공기층 구경을 갖는 수직공진 표면방출레이저 구조.
  6. (a) 반도체 기판 위에 하부거울층, 열방출층, 활성층, 구경형성층 및 상부거울층을 순차적으로 증착하는 단계;
    (b) 소자가 형성되는 영역을 정의하는 마스크 층을 형성하는 단계;
    (c) 상기 마스크층 이외의 영역을 상기 활성층 중간 깊이까지 식각하여 제거함으로써 메사 구조를 형성하는 단계;
    (d) 상기 구경형성층을 양측면에서부터 중앙으로 선택적 습식식각에 의해 소정 깊이로 제거하여 공기층 구경을 형성하는 단계;
    (e) 상기 마스크층을 이용하여 상기 활성층을 식각함으로써 상기 열방출층을 표면에 노출시키는 단계;
    (f) 상기 마스크층을 제거한 후, 상기 메사 구조 측면에 절연층을 증착하는 단계; 및
    (g) 상기 상부거울층 상부에 전극을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 공기층 구경을 갖는 수직공진 표면방출레이저의 제조방법.
  7. 제6 항에 있어서, 상기 (d) 단계는,
    상기 구경형성층의 재료가 InP 이고, 상기 상부거울층 및 활성층의 재료가 InAlGaAs 계열인 경우, 염산/물(HCl/H2O)의 혼합용액을 이용하여 선택적 습식식각을 수행하는 것을 특징으로 하는 공기층 구경을 갖는 수직공진 표면방출레이저의 제조방법.
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