KR100484490B1

KR100484490B1 - 장파장 수직 공진 표면방출 레이저 및 그 제작방법

Info

Publication number: KR100484490B1
Application number: KR10-2002-0069588A
Authority: KR
Inventors: 주영구; 신재헌; 한원석; 송현우; 김종희; 한일영
Original assignee: 한국전자통신연구원
Priority date: 2002-11-11
Filing date: 2002-11-11
Publication date: 2005-04-20
Also published as: KR20040041732A

Abstract

본 발명은 1.3 ~ 1.55 ㎛ 대역의 장파장 수직 공진 표면방출 레이저 및 그 제작방법에 관한 것이다. 종래 수직 공진 표면방출 레이저의 전류 감금 구조를 형성하기 위해 취해진 여러 방법은 장파장 수직 공진 표면방출 레이저 제작방법으로 적용하기에는 문제가 있다. 본 발명에서는 전류 감금 구조와 그 형성방법을 개선하여 장파장 수직 공진 표면방출 레이저 및 그 제작방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. 이 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에서는 가벼운 이온의 저에너지 주입과 터널 접합층의 복합적 사용을 통한 새로운 전류 감금 구조를 제시한다. 저에너지 이온주입은 표면 가까이에 저항이 큰 층을 형성할 수 있어서, 기존의 고에너지 이온주입과 달리 최소 전류 주입 직경을 아주 작게 만들 수 있고 소자의 저항을 크게 줄일 수 있어 열 발생을 감소시킨다. 터널 접합층의 사용으로, 전하 운반자에 의한 광손실 저항을 줄여주므로 효과적으로 소자의 전기적 특성을 향상시킨다.

Description

장파장 수직 공진 표면방출 레이저 및 그 제작방법{Long-wavelength vertical cavity surface emitting laser and fabricating method the same}

본 발명은 1.3 ~ 1.55 ㎛ 대역의 장파장 수직 공진 표면방출 레이저(Vertical Cavity Surface Emitting Laser : 이하, "VCSEL") 및 그 제작방법에 관한 것으로서, 특히 전류 감금 구조(current confinement structure)가 개선된 VCSEL 및 그 제작방법에 관한 것이다.

VCSEL은 기하학적인 구조의 특성상 에지 방출(edge emitting) 레이저에 비해 대량 생산에 더 적합하여 생산 단가가 저렴하기 때문에 근거리 광 통신망에서 중요한 소자로 대두되고 있다. 특히, 850 ㎚ 레이저의 통신 거리가 수백 m인 것과 비교하여 장파장 VCSEL은 그 통신 거리가 수 km까지 확장 가능하므로 근/중거리 차세대 광 통신망에 널리 사용될 수 있을 것으로 기대된다.

장파장 VCSEL 물질계 중의 하나로 InGaAs/InAlAs를 InP 기판에 성장한 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 Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, Vol. 5, No. 3, p520-529 (1999)). VCSEL에서 중요한 구조의 하나인 전류 감금 구조는 전하 운반자를 일정 면적의 레이저 활성층에 공급함으로써 레이저 이득 면적을 조절하고 그 면적에서 레이저 발진을 일으키는 역할을 하고 있다. 기존의 VCSEL 제작방법에서는 전류 감금 구조를 형성하기 위하여 식각 기둥(etched pillar), 양성자 이온주입, 산화법(oxidation), 공기 틈(air gap) 기법 등을 이용하고 있으나, 이들 대부분 AlGaAs 물질에 기반을 둔 방법이기 때문에 InAlGaAs/InAlAs/InGaAs 시스템과 같은 장파장 VCSEL의 전류 감금 구조 형성에 그대로 적용하기에는 어려움이 있다.

레이저 기둥은 건식 이온 식각으로 손쉽게 제작할 수 있어서 현재 장파장 VCSEL 제작에 이용되고 있다(J. K. Kim, E. Hall, O. Sjolund, G. Almuneau and L. A. Coldren, Room-temperature, electrically-pumped multiple-active-region VCSELs with high differential efficiency at 1.55 ㎛, Vol. 35, No. 13, p-1084-1085 (1999)). 그러나 기둥의 직경이 감소함에 따라 저항이 직경의 제곱에 비례해 증가하므로 전반적인 소자 특성이 악화된다. 또한 레이저 활성층을 통과하여 식각하기 때문에 그 표면에서 운반자 결합(surface recombination)을 가져와 전류 손실이 발생되고 레이저 효율도 감소된다.

양성자 이온주입 방법에서는 레이저 활성층 위에 전류 제한층을 형성한 다음 상부 브래그 반사경까지 형성하고 나서, 상부 브래그 반사경(distributed Bragg reflector)을 통과하는 이온주입으로 전류 제한층 부위에 전기 절연층을 형성한다. 이온 산란 반경은 상부 브래그 반사경의 두께와 이온주입 마스크 두께에 비례해 늘어나는 특성을 가지고 있는데, 장파장 VCSEL 경우에 InAlAs/InAlGaAs 브래그 반사경의 두께가 6 ∼ 7 ㎛에 이를 정도로 두껍기 때문에 고에너지 이온주입을 써야 하고 이온 산란 반경이 매우 커진다. 산란된 이온들은 저항으로 작용하거나 불안정한 전류 주입 특성을 일으키기 때문에 전류 주입 직경의 크기를 제한한다. 따라서, 장파장 VCSEL에 양성자 이온주입으로 만들 수 있는 최소 전류 주입 직경에 한계가 있게 된다. InAlAs/InAlGaAs 브래그 반사경을 쓰는 장파장 VCSEL 경우에 이온주입으로 가능한 최소 전류 주입 직경은 15 ㎛에 이를 것으로 판단된다.

산화법에 의하면 아주 효율적인 전류 감금 구조를 형성할 수 있으나 장파장에서는 AlAs를 사용할 수 없으므로 실현하기 어렵고, InAlAs를 사용한다 하더라도 AlAs에 비해 그 산화 속도가 매우 느리고 불균일하기 때문에 한계를 가지고 있다. 그리고 공기 틈 기법은 AlAs/GaAs 사이의 화학적 식각 선택비를 이용하는 것으로서, 레이저 활성층 바로 위에 AlAs를 위치시키고 HCl 용액을 사용하여 작은 직경을 제외하고는 전부 제거하는 방법이다. 이 방법 또한 산화법과 견줄만한 특성을 보이지만 InP 기판에서는 AlAs가 성장되지 않으므로 역시 장파장 VCSEL 제작방법으로는 사용할 수 없다.

따라서 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 장파장 VCSEL에서 전류 감금 구조를 개선하여 소자 특성이 향상된 장파장 VCSEL을 제공하는 것이다.

본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 전류 감금 구조 형성방법을 개선하여 장파장 VCSEL을 제작하는 방법을 제공하는 것이다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 VCSEL은 장벽층, p형과 n형 물질이 적층되어 있는 터널 접합층(tunneling junction layer), 열 퍼뜨림층(heat spreading layer), 및 상기 터널 접합층에 전류 절연을 위하여 저에너지 이온주입법(low energy ion implantation)으로 형성한 전기 절연층으로 구성된 전류 감금 구조(current confinement structure)를 레이저 활성층 위에 구비한 것이며, 상기 전류 감금 구조의 상부에 상부 브래그 반사경(distributed Bragg reflector)을, 상기 레이저 활성층의 하부에 하부 브래그 반사경을 구비한 것이다.

이러한 구조는 n-InP와 같은 반도체 기판 위에 성장된다. 그리고, 상기 열 퍼뜨림층과 상부 브래그 반사경 사이에는 전극이 개재되며 상기 상부 브래그 반사경은 상기 전극의 일부를 노출시키는 폭으로 형성된다. 상부 브래그 반사경의 측면과 상면을 둘러싸며 상기 전극 위로 형성된 금속 반사경을 더 포함할 수 있다.

바람직한 실시예에서, 상기 브래그 반사경은 n-InAlGaAs/InAlAs이고, 상기 레이저 활성층은 i-InGaAs/InAlGaAs이며, 상기 장벽층은 p-InAlAs이고, 상기 터널 접합층은 p-InAlGaAs/n-InAlGaAs이고, 상기 열 퍼뜨림층은 n-InP인 경우에 가장 양호한 결과를 가져온다.

상기 다른 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 VCSEL 제작방법에서는, 반도체 기판 상에 하부 브래그 반사경과 레이저 활성층을 순차 적층한 다음, 상기 레이저 활성층 상에 장벽층, p형과 n형 물질이 적층되어 있는 터널 접합층, 및 열 퍼뜨림층을 순차 형성한다. 상기 터널 접합층에 전류 절연을 위하여 저에너지 이온주입법으로 전기 절연층을 형성한 다음, 상기 열 퍼뜨림층 상에 전극을 형성하고 나서, 그 위로 상부 브래그 반사경을 형성한다. 상기 상부 브래그 반사경은 상기 전극 일부를 노출시키는 폭으로 형성한다.

여기서, 상기 브래그 반사경은 굴절률이 다른 반도체층을 교대로 여러 주기 성장하되 한 주기의 두께가 광학길이로 레이저 발진 파장의 반이 되도록 조절하며, 상기 열 퍼뜨림층은 그 두께가 광학길이로 레이저 발진 파장의 두 배 이상이 되도록 형성하는 것이 바람직하다. 상기 저에너지 이온주입법에 사용되는 이온은 양성자 또는 중양자(deutron)와 같이 가벼운 이온이며, 사용되는 에너지는 120 KeV 내지 220 KeV의 범위를 가질 수 있다. 상기 전기 절연층을 형성하는 단계 이후 290 내지 350℃의 온도에서 어닐링하는 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예로 인해 한정되어지는 것으로 해석되어져서는 안된다. 본 발명의 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되어지는 것이다. 동일한 부호는 시종 동일한 요소를 의미한다. 나아가, 도면에서의 다양한 요소와 영역은 개략적으로 그려진 것이다. 따라서, 본 발명은 첨부한 도면에 그려진 상대적인 크기나 간격에 의해 제한되어지지 않는다.

도 1 내지 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 장파장 VCSEL 제작방법을 순차적으로 나타내 보인 단면도들이다.

먼저 도 4를 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 장파장 VCSEL 구조에 대하여 설명한다. 도 4에 도시된 바와 같이, 반도체 기판(10) 위에 하부 브래그 반사경(20), 레이저 활성층(30), 전류 감금 구조(C) 및 상부 브래그 반사경(90)이 수직적으로 순차 형성되어 있다. 여기서, 전류 감금 구조(C)는 레이저 활성층(30) 상에 순차적으로 형성된 장벽층(40), p형과 n형 물질이 적층되어 있는 터널 접합층(50) 및 열 퍼뜨림층(60)과, 터널 접합층(50)에 전류 절연을 위하여 저에너지 이온주입법으로 형성한 전기 절연층(70)으로 구성된다. 열 퍼뜨림층(60)과 상부 브래그 반사경(90) 사이에는 전극(80)이 개재되며 상부 브래그 반사경(90)은 전극(80)의 일부를 노출시키는 폭으로 형성되어 있다. 전극(80) 위로 상부 브래그 반사경(90)의 측면과 상면을 둘러싸는 금속 반사경(100)도 구비된다.

전기 절연층(70)은 저에너지 이온주입법으로 형성되는 것이기에 표면 가까이에 저항이 큰 층으로 형성되고 전류 주입 직경을 매우 작게 만들 수 있다. 예를 들어, 전기 절연층(70) 사이의 거리, 즉 전류 주입 직경이 10 ㎛ 이내로 작아질 수 있다.

여기서, 반도체 기판(10), 브래그 반사경(20, 90), 레이저 활성층(30) 및 전류 감금 구조(C)를 구성하는 층들은 1.3 ∼ 1.55 ㎛ 장파장 VCSEL을 구성할 수 있도록 InAlGaAs, InGaAs, InAlAs, InP 등의 물질 조합을 적절히 선택하여 구성한다. 본 발명이 다음의 예에 한정되는 것은 물론 아니지만 예컨대, 반도체 기판(10)은 n-InP 기판으로 하고, 브래그 반사경(20, 90)은 n-InAlGaAs/InAlAs, 레이저 활성층(30)은 i-InGaAs/InAlGaAs, 장벽층(40)은 p-InAlAs로 구성한다. 터널 접합층(50)은 p-InAlGaAs와 n-InAlGaAs의 접합으로 이루어지게 하며, 열 퍼뜨림층(60)은 n-InP로 구성한다.

p-n 접합을 이용하는 터널 접합층(50)이 도입됨으로써 열 퍼뜨림층(60)으로서 n-InP와 같이 n형 물질을 사용할 수 있게 된다. n형 물질로 구성할 수 있기 때문에 기존의 구조에서 사용되는 p형 물질에 비하여 전하 운반자에 의한 광손실이 훨씬 작다. 특히 장파장에서는 이 광손실이 상대적으로 커지기 때문에 레이저 동작에 있어 본 발명의 구조가 주는 장점이 크다.

그리고 열 퍼뜨림층(60)은 n형이기 때문에 전류를 전극(80)으로부터 전류 주입구(전기 절연층(70)으로 한정되는 전류 통과 부분)까지 전달하는 역할을 함과 동시에, InP의 높은 열 전도율을 이용해서 소자 중심에서 발생하는 열을 전극(80)으로 발산시킬 수 있다. 전극(80)은 금속으로 되어 있어서 열 전도도가 매우 크기 때문에 측면으로 열을 넓게 퍼지게 하고, 결국은 공기에 의해서 냉각되거나 열전냉각기(thermoelectric cooler)로 열을 빠지게 하는 역할을 한다. 열 방출 효율은 열이 통과하는 면적이 클수록 좋아지는데, 여기에 사용된 열 퍼뜨림층(60)은 두껍고 넓기 때문에 열이 잘 분산, 방출된다. 장파장 VCSEL은 물질 고유의 작은 밴드 갭(band gap) 때문에 온도 증가와 함께 소자 성능이 급격히 악화되는 특성을 가지고 있다. 본 발명의 구조는 효율적인 열 방출 기능을 담당할 수 있으므로 이러한 문제를 해결할 수 있다.

뿐만 아니라, 열 퍼뜨림층(60)은 열을 퍼뜨려 분산시키는 이외에 전류 퍼짐층으로도 작용하여, 전류가 표면에 평행하게 흐를 때 저항이 작게 되어 있다. 이러한 전기적 특성 향상은 소자의 열 발생 자체를 억제함으로써 장파장 VCSEL 동작에 크게 기여하고 고속 변조 특성 또한 향상시킨다.

이와 같이 본 발명에 사용된 전류 감금 구조(C)의 장점은 장파장 VCSEL 개발에 있어 가장 중요한 전류 감금 방법 및 열 방출에 관련된 문제를 동시에 해결한 것이다.

이제 도 1 내지 도 4를 참조하면서 본 발명의 실시예에 따른 VCSEL 제작방법에 대하여 상세히 살펴본다. 본 발명의 제작방법은 제작 공정이 간단하고 안정적이어서 실제 소자의 대량 생산시 사용될 수 있다.

먼저 도 1을 참조하면, 결정 성장 장치를 이용해 반도체 기판(10) 상에 하부 브래그 반사경(20), 레이저 활성층(30)과 장벽층(40)을 공진기 두께에 맞춰 성장한다. 그 위에 터널 접합층(50)과 열 퍼뜨림층(60)을 순차 적층하여 에피 성장(epitaxial growth)을 완료한다.

하부 브래그 반사경(20)은 반도체 기판(10)에 격자 정합된 구조로서 굴절률이 다른 반도체층(SL1, SL2)을 교대로 여러 주기 성장하되, 한 주기의 두께가 광학길이(물질의 두께 ×발진 파장에서의 굴절률)로 레이저 발진 파장의 반이 되도록 조절한다. 굴절률이 다른 반도체층(SL1, SL2) 각각의 광학길이는 서로 동일하게 하는 것이 일반적이므로, 반도체층(SL1)과 반도체층(SL2) 각각의 광학길이는 레이저 발진 파장의 1/4이 된다. 따라서, 예컨대 레이저 발진 파장이 1.5 ㎛이고 반도체층(SL1)이 굴절률 3 정도의 물질인 경우, 그 두께는 1250 Å 정도로 형성한다.

반도체 기판(10)으로 InP 기판을 이용하면서, 굴절률이 다른 반도체층(SL1, SL2)으로는 InAlGaAs/InAlAs 또는 InGaAsP/InP를 이용할 수 있다. 이 때, InP 기판은 보통 n형을 사용하므로 굴절률이 다른 반도체층(SL1, SL2)도 n-InAlGaAs/InAlAs 또는 n-InGaAsP/InP를 이용할 수 있다. n-InAlGaAs/InAlAs를 사용하여 하부 브래그 반사경(20)을 형성하는 경우에 가장 양호한 결과를 가져오지만, 이러한 물질 조합대신에 원소 구성은 동일하되 각 원소의 몰분율이 다른 InAlGaAs/InAlGaAs 또는 InGaAsP/InGaAsP를 이용하여도 된다.

레이저 활성층(30)도 반도체 기판(10)에 격자 정합된 구조로서, 보통 그 두께가 광학길이로 레이저 발진 파장의 반의 정수배가 되도록 조절된다. 반도체 기판(10)이 n-InP인 경우, 레이저 활성층(30)은 i-InGaAs/InAlGaAs로 형성하는 것이 바람직하다. 그러나 이에 한정되는 것은 아니고, 예컨대 i-InGaAsP/InP 또는 원소 구성은 동일하되 각 원소의 몰분율이 다른 i-InAlGaAs/InAlGaAs, i-InGaAsP/InGaAsP로 형성하여도 된다. 또 레이저 활성층(30)은 벌크-타입(bulk-type) 단일 물질층, 박막(thin film)층, 자기조립 양자점(self-assembled quantum dot) 구조층, 양자우물 구조, 이중장벽 양자우물이나 다중장벽 양자우물 구조를 이용하여 제작된 수직형 양자점 어레이(array) 구조, 또는 양자선(quantum wire)의 어레이 구조 등 다양한 구조 중에서 선택될 수 있다.

장벽층(40)은 레이저 활성층(30)에서의 전하 운반자 소실을 방지하기 위하여 형성하는 층으로서, p-InAlAs로 형성하는 것이 좋다. 터널 접합층(50)은 고농도 도핑된 20 nm 정도의 p-InAlGaAs와 20 nm 정도의 n-InAlGaAs를 적층하여 형성할 수 있다. 이 터널 접합층(50)은 후속적으로 전기 절연층(도 4의 70)을 형성하기 위해 실시하는 이온주입을 위한 목적으로 형성되는 것이다. 여기서의 장벽층(40)과 터널 접합층(50)은 상부 브래그 반사경(도 4의 90)의 첫 번째 층으로 보아도 된다. 열 퍼뜨림층(60)은 n-InP로 형성하는 것이 바람직하며, 그 두께는 광학길이로 레이저 발진 파장의 두 배 이상이 되도록 충분히 두껍게 형성한다. 예를 들어 레이저 발진 파장이 1.5 ㎛라면 굴절률이 3 정도의 물질인 경우 그 두께는 1 ㎛ 정도로 두껍게 형성한다.

다음에 도 2에 도시한 것과 같이, 열 퍼뜨림층(60) 위에 이온주입 공정을 위해 마스크(M)를 형성한다. 마스크(M)는 포토레지스트 마스크인 것이 바람직하지만, 다른 마스킹 물질도 물론 사용될 수 있다. 포토레지스트 마스크는 열 퍼뜨림층(60) 상에 포토레지스트를 도포한 후 노광 및 현상 공정으로 패터닝하여 형성한다. 마스크(M)는 전류 주입구가 정의될 부분을 덮는다. 마스크(M)와 가속기를 사용해서 양성자 또는 중양자와 같이 가벼운 이온으로 저에너지 이온주입(I)을 실시한다. 이온주입 에너지를 적절히 조절함으로써 터널 접합층(50) 부근에 최대 이온 분포를 가지도록 할 수 있다. 이온주입 에너지는 120 KeV 내지 220 KeV의 범위를 사용하도록 한다. 특히 170 KeV 정도의 에너지로 이온을 주입할 경우에 표면에서 1300 nm 깊이 근처에서 이온 분포가 최대로 되고, 이온 분포의 정상을 중심으로 터널 접합층(50)의 결정 상태가 파괴되면서, 즉 데미지(damage)에 의해 전기 절연층(70)이 형성된다. 그러나 마스크(M)로 덮인 부분은 이온에 의해 공격받지 않기 때문에 원래의 전도 상태를 유지한다. 따라서, 절연되지 않은 부분 즉 전류 주입구로만 전류가 흐르도록 할 수 있다. 이로써 전류 감금 구조(C)가 완성된다.

기존에 850 nm VCSEL 제작시 사용되던 고에너지 양성자 이온주입법은 상부 브래그 반사경까지 형성한 다음에 실시한다. 따라서, InAlGaAs 계열 장파장 VCSEL에 이 방법을 적용하면 두꺼운 상부 브래그 반사경을 통과하는 동안 이온 산란 반경이 커져서 사용될 수 없다. 그러나, 본 발명에서는 상부 브래그 반사경을 형성하기 전에 이온주입을 실시한다. 통과하는 층이 종래보다 두껍지 않기 때문에 이온 산란 반경이 증가하지 않는다. 따라서, 저에너지 이온주입을 실시할 수 있고, 이온주입할 때 이온 분포가 최대가 되는 위치가 표면에서 매우 가까이 있게 되며, 이온들이 옆으로 비껴가게 주입될 염려가 거의 없다. 그러므로 표면 가까이에 저항이 큰 층을 형성할 수 있고 전류 주입 직경을 매우 작게 만들 수 있다. 그 결과 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 없고 열 발생을 감소시킨다. 또한 10 ㎛ 이내의 적은 직경까지 전류 주입이 가능하여 VCSEL의 장점인 낮은 임계 전류를 실현할 수 있다.

그리고, 저에너지 이온주입으로 터널 접합층(50)을 파괴하는 방법으로 전기 절연층(70)을 형성하는 것이기 때문에, 장파장 물질에서도 충분히 큰 저항을 가지게 하여 전류 감금 구조(C)를 형성할 수 있게 된다.

이온주입이 끝나면 도 3에서와 같이 마스크(M)를 제거하고 290 내지 350℃의 온도에서 어닐링(H)을 실시한다. 바람직하게는 320℃ 정도에서 어닐링한다. 어닐링(H)을 하면 표면에 이온 밀도가 낮은 곳의 결정들이 회복하며 전기 전도성 또한 회복한다. 종래에는 고에너지 이온주입을 사용하기 때문에 전도성 회복을 위해서는 과도하게 결정 재성장을 하여야 했다. 그러나, 본 발명에서는 이온 주입 깊이가 작기 때문에 저에너지를 사용할 수 있는 것이며, 이에 따라 결정 재성장이 아닌 어닐링만으로도 전도성이 회복되는 장점이 있다.

다음으로는, 도 4에서와 같은 구조를 얻기 위하여 열 퍼뜨림층(60) 상에 전극(80)을 형성한다. 전극(80)은 전극용 금속을 증착한 다음, 이를 패터닝하여 형성할 수 있다. 또는 패턴 모양대로 마스크를 포토레지스트를 형성한 다음, 그 위에 금속을 증착한 후 리프트 오프하여 전극(80)만 남기는 방법에 의할 수도 있다. 잘 알려진 것과 같이 전극(80)은 가운데 부분이 뚫린 모양으로 형성된다.

전극(80) 일부를 노출시킬 수 있도록 열 퍼뜨림층(60) 상에 상부 브래그 반사경(90)을 형성한다. 상부 브래그 반사경(90)도 굴절률이 다른 반도체층을 교대로 여러 주기 성장하되, 한 주기의 두께가 광학길이로 레이저 발진 파장의 반이 되도록 조절한다. 상부 브래그 반사경(90)은 p-형 도핑하거나 도핑하지 않은 InAlGaAs/InAlAs 또는 InGaAsP/InP를 이용할 수 있다. 이러한 물질 조합대신에 원소 구성은 동일하되 각 원소의 몰분율이 다른 InAlGaAs/InAlGaAs 또는 InGaAsP/InGaAsP를 이용하여도 된다. 상부 브래그 반사경(90) 형성방법도 패터닝 혹은 리프트 오프 방법에 의할 수 있다. 전극(80) 일부를 노출시킬 수 있는 폭으로 열 퍼뜨림층(60) 위에 형성하도록 한다.

계속하여 상부 브래그 반사경(90)의 측면과 상면을 둘러싸며 전극(80) 위로 금속 반사경(100)을 더 형성한다. 금속 반사경(100)으로는 예컨대 Au 반사경을 형성할 수 있다. 금속 반사경(100)은 상부 브래그 반사경(90)의 반사율을 높여 주기 위한 것이다. 반도체 기판(10)의 뒷면을 연마한 다음, 전극(미도시)을 더 형성한다.

본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 본 발명을 설명하기 위한 것이지 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 많은 변형이 가능함은 명백하다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명이 개시하는 장파장 VCSEL에서는 터널 접합층과 저에너지 이온주입, 열 퍼뜨림층의 도입으로 전류 감금 구조가 개선되며 간단하고 효율적인 방법으로 우수한 성능의 VCSEL을 제작할 수 있게 된다.

저에너지 이온주입은 표면 가까이에 저항이 큰 층을 형성할 수 있어서, 기존의 고에너지 양성자 주입과 달리 최소 전류 주입 직경을 아주 작게 만들 수 있고 소자의 저항을 크게 줄일 수 있어 열 발생을 감소시킨다. 무거운 이온주입 방법에 비해 표면 저항이 적어서 결정 재성장과 같은 방법을 이용하지 않고도 효과적으로 소자의 전기적 특성을 향상시킨다.

터널 접합층의 사용으로, 전하 운반자에 의한 광손실 저항을 줄여주므로 효과적으로 소자의 전기적 특성을 향상시킨다.

또한 열 퍼뜨림층으로서 n-InP와 같은 물질을 사용할 수 있게 됨으로써 열 발산을 더욱 향상시켜 소자 전반적인 성능 향상을 가져온다. 열 퍼뜨림층은 열을 퍼뜨려 분산시키는 이외에 전류 퍼짐층으로도 작용하여, 전류가 표면에 평행하게 흐를 때 저항이 작게 되어 있다. 이러한 전기적 특성 향상은 소자의 열 발생 자체를 억제함으로써 장파장 VCSEL 동작에 크게 기여하고 고속 변조 특성 또한 향상시킨다.

도 1 내지 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 장파장 수직 공진 표면방출 레이저 제작방법을 순차적으로 나타내 보인 단면도들이다.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

10...반도체 기판 20...하부 브래그 반사경 30...레이저 활성층

40...장벽층 50...터널 접합층 60...열 퍼뜨림층

70...전기 절연층 80...전극 90...상부 브래그 반사경

100...금속 반사경 C...전류 감금 구조 I...저에너지 이온주입

H...어닐링 M...마스크

Claims

반도체 기판 상에 수직으로 적층된 하부 브래그 반사경과 상부 브래그 반사경 사이에 레이저 활성층과 전류 감금 구조(current confinement structure)를 가지는 수직 공진 표면방출 레이저에 있어서, 상기 전류 감금 구조는

상기 레이저 활성층 상에 형성된 장벽층;

상기 장벽층 상에 형성되며 p형과 n형 물질이 적층되어 있는 터널 접합층;

상기 터널 접합층 상에 형성된 열 퍼뜨림층(heat spreading layer); 및

상기 터널 접합층에 전류 절연을 위하여 저에너지 이온주입법으로 형성된 전기 절연층을 포함하는 것을 특징으로 하는 수직 공진 표면방출 레이저.
제 1 항에 있어서, 상기 반도체 기판은 n-InP 기판이고, 상기 브래그 반사경은 n-InAlGaAs/InAlAs이고, 상기 레이저 활성층은 i-InGaAs/InAlGaAs이며, 상기 장벽층은 p-InAlAs이고, 상기 터널 접합층은 p-InAlGaAs/n-InAlGaAs이고, 상기 열 퍼뜨림층은 n-InP인 것을 특징으로 하는 수직 공진 표면방출 레이저.
제 1 항에 있어서, 상기 열 퍼뜨림층과 상부 브래그 반사경 사이에 전극이 개재되어 있으며 상기 상부 브래그 반사경은 상기 전극의 일부를 노출시키는 폭으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 수직 공진 표면방출 레이저.
제 3 항에 있어서, 상부 브래그 반사경의 측면과 상면을 둘러싸며 상기 전극 위로 형성된 금속 반사경을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수직 공진 표면방출 레이저.
반도체 기판 상에 하부 브래그 반사경과 레이저 활성층을 순차 적층하는 단계;

상기 레이저 활성층 상에 장벽층, p형과 n형 물질이 적층되어 있는 터널 접합층, 및 열 퍼뜨림층을 순차 적층하는 단계;

상기 터널 접합층 일부에 전류 절연을 위하여 저에너지 이온주입법으로 전기 절연층을 형성하는 단계;

상기 열 퍼뜨림층 상에 전극을 형성하는 단계; 및

상기 전극 일부를 노출시키면서 상기 열 퍼뜨림층 상에 상부 브래그 반사경을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 수직 공진 표면방출 레이저 제작방법.
제 5 항에 있어서, 상기 반도체 기판은 n-InP 기판이고, 상기 브래그 반사경은 n-InAlGaAs/InAlAs이고, 상기 레이저 활성층은 i-InGaAs/InAlGaAs이며, 상기 장벽층은 p-InAlAs이고, 상기 터널 접합층은 p-InAlGaAs/n-InAlGaAs이고, 상기 열 퍼뜨림층은 n-InP으로 형성하는 것을 특징으로 하는 수직 공진 표면방출 레이저 제작방법.
제 5 항에 있어서, 상기 상부 브래그 반사경의 측면과 상면을 둘러싸며 상기 전극 위로 금속 반사경을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수직 공진 표면방출 레이저 제작방법.
제 5 항에 있어서, 상기 브래그 반사경은 굴절률이 다른 반도체층을 교대로 여러 주기 성장하되 한 주기의 두께가 광학길이로 레이저 발진 파장의 반이 되도록 조절하며, 상기 열 퍼뜨림층은 그 두께가 광학길이로 레이저 발진 파장의 두 배 이상 되도록 형성하는 것을 특징으로 하는 수직 공진 표면방출 레이저 제작방법.
제 5 항에 있어서, 상기 저에너지 이온주입법은 양성자 또는 중양자(deutron)를 사용하는 것을 특징으로 하는 수직 공진 표면방출 레이저 제작방법.
제 5 항에 있어서, 상기 저에너지 이온주입법은 120 KeV 내지 220 KeV의 에너지를 사용하는 것을 특징으로 하는 수직 공진 표면방출 레이저 제작방법.
제 5 항에 있어서, 상기 전기 절연층을 형성하는 단계 이후 290 내지 350℃의 온도에서 어닐링하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수직 공진 표면방출 레이저 제작방법.