KR100545113B1 - 가시파장의수직공동표면방출레이저 - Google Patents

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Abstract

가시 파장광을 방출하는 수직 공동 표면 방출 레이저 VCSEL(10)는 GalnP 기판 소자(12)와, GalnP 활성 영역(20)에 대해 격자 정합된 GalnP/AlInP 재료계의 미러쌍들(15, 16)을 가진 제 1 미러 스택(14)을 포함한다. 상기 활성 영역(20)은 양자 우물층(23)과, 제 1 배리어층(24)과, 제 2 배리어층(25)을 포함한다. 상기 활성 영역(20)은 상기 제 1 미러 스택(14)에 인접한 제 1 클래딩 영역(18)과 제 2 미러 스택(30)에 인접한 제 2 클래딩 영역(26) 사이에 개재된다. 제 2 미러 스택(30)은 상기 활성 영역(20)에 대해 격자 정합되고 GalnP/AlInP 재료계의 미러쌍들(31, 32)을 가진다. VCSEL(10) 장치는 635 내지 650nm 범위의 파장광을 방출할 수 있다.

Description

가시 파장의 수직 공동 표면 방출 레이저
본 발명은 수직 공동 표면 방출 레이저들에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 가시 파장광을 방출하는 수직 공동 표면 방출 레이저들에 관한 것이다.
수직 공동 표면 방출 레이저들(VCSEL들)은 통상적으로, 반도체 제조 기술들로 기판의 상부에 형성되는, 제 1 분산 브래그 반사부(DBR)(미러 스택(stack)이라고도 칭함)와, 제 1 미러 스택의 상부에 형성된 활성 영역과, 상기 활성 영역의 상부에 형성된 제 2 미러 스택을 포함하고 있다. VCSEL은 상기 활성 영역을 통해 가해진 전류에 의해 구동되며, 통상적으로 기판의 배면측에 제 1 접촉, 및 제 2 미러 스택의 상부에 제 2 접촉을 설치함으로써 달성된다.
VCSEL들에 미러 스택들을 이용하는 것은 기술적으로 널리 확립되어 있다. 통상반적으로, 미러 스택들은 종종 미러쌍들로서 언급되기도 하는 다수 쌍들의 층들로 형성된다. 상기 쌍들의 층들은, 굴절률들이 서로 다르고 VCSEL의 다른 부분들에 대해 격자 정합이 용이한 일반적으로 두 가지의 재료들로 구성된 재료계로 형성된다. 예를 들면, GaAs 기반의 VCSEL은 통상적으로 GaInP/AlInP, 또는 AlAs/GaAs, 또는 AlGaAs/AlAs의 재료계를 이용하며, 한 쌍의 각 층의 서로 다른 굴절률은 층들의 알루미늄 재료 함유량을 변경함으로써 달성된다. 한 예로서, GaAs 기판 및 GaInP/AlInP 재료계를 이용하는 VCSEL에 있어서, 방출 파장은 670nm 또는 그 이상으로 제한된다. 활성 영역에 이용된 AlInP 클래딩층들 및 GaInP 다중 양자우물들(MQW들) 사이의 양호하지 못한 전기 광학적 제한으로 인해 최상의 결과는 675 내지 690nm 범위에서 달성된다. 이런 유형의 종래 장치들에서는, 층들 사이의 굴절률들의 차이에 따라서, 스택당 미러쌍들의 수가 30 내지 55 범위이므로, 고반사도의 비율이 달성된다. 극히 다수의 쌍들은 반사광의 비율을 증가시킨다.
종래의 VCSEL들에서, 종래의 재료계들은 적당하게 기능한다. 그러나, 방출광이 가시 파장들을 갖는 VCSEL들을 필요로 하는 신제품들에 대한 개발이 계속되고 있다. 가시 파장의 광을 방출하는 VCSEL들은 디지털 비디오 디스크(DVD) 산업계에서 매우 관심이 높으며, 보다 구체적으로는 오디오 및 CD-ROM 응용 분야들에 사용될 수 있다. 따라서, 전술한 문제점들 및 종래 기술의 또다른 결함들을 개선한다면, 매우 유익해질 것이다.
그러므로, 본 발명의 목적은 새로이 개선된 가시 파장 VCSEL 및 그 제조 방법을 제공하는데 있다. 통상적으로, DVD 표준은 635 내지 650nm 범위의 방출, 판독 전용 동작 모드를 위한 3 내지 5mW의 전력, 기록 전용 동작 모드를 위한 30mW의 전력, 및 60℃ 까지의 동작 온도를 필요로 한다. 활성 영역을 구성하는 변형된 GAInP 양자 우물층과 AlGaInP 배리어층, AlInP 클래딩층, 및 GaInP 기판 소자를 가진 GaInP/AlInP 분산 브래그 반사부를 구비하는 VCSEL을 이용하여 상기 가시 파장을 얻을 수 있다. 이런 유형의 장치에서는, 총 밴드-갭 불연속성이 대략 400meV이고, 이는 우수한 전기적 제한성을 얻는데 충분한 크기이며, 따라서 양호한 신뢰성을 가지고 고온하에서 동작이 가능하다. 또한, 분산 브래그 반사부는 GaInP 기판에 격자 정합된 AlInP층 및 GAInp층을 번갈아 가며 용이하게 형성될 수 있다. 두 층간의 굴절률 차는 650nm에서 대략 0.5이며, 40쌍의 DBR 구조는 약 99.99%의 전력반사가 가능해진다.
본 발명의 또다른 목적은 신뢰성 있는 가시 파장 VCSEL을 제공하는데 있다.
또다른 본 발명의 목적은 가시 파장 VCSEL에 이용하기 위하여 새로이 개선된 활성 영역을 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 가시 파장 VCSEL에 이용하기 위하여 새로이 개선된 기판 소자를 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 가시 파장 VCSEL에 이용하기 위하여 효과적인 활성 영역 및 미러 스택을 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 가시 파장 VCSEL을 제조하는 단계의 복잡성을 줄이는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 가시 파장광을 방출하는 활성 영역 및 격자 정합이 가능한 미러 스택과 기판을 제공하는데 있다.
간단히 설명해서, 본 발명의 양호한 실시예에 따라서 본 발명의 소정의 목적을 달성하기 위해서는 가시 파장광을 방출하는 VCSEL을 제공한다. VCSEL은, GaInP 기판 소자와, 상기 GaInP 기판 소자 상에 배치된 제 1 미러 스택과, 상기 미러 스택 상에 배치된 AlInP 클래딩층과, 양자 우물층을 갖고 제 1 클래딩 영역 상에 배치된 GaInP 활성 영역과, 상기 활성 영역 상에 배치된 제 2 클래딩 영역과, 상기 제 2 클래딩 영역 상에 배치된 제 2 미러 스택을 포함하고 있다.
양호한 실시예에서, 활성 영역 및 제 1 및 제 2 미러 스택은 약 635 내지650 범위 내의 파장을 갖는 광을 방출하도록 구성된다. 양자 우물은 약 1.9eV의 직류 밴드-갭 에너지로 구성되며, GaInP를 포함한다.
또한, 가시 파장광을 방출하는 VCSEL을 제조하는 방법이 제공된다. 이 방법은, 표면을 가진 GaInP 기판을 제공하는 단계와, 상기 기판 상에 제 1 미러 스택을 에피택셜법으로 성장시키는 단계와, 상기 제 1 미러 스택 상에서 GaInP를 포함하는 양자 우물을 갖는 활성 영역 및 클래딩층을 에피택셜법으로 성장시키는 단계와, 상기 활성 영역 상에 제 2 클래딩층 및 제 2 미러 스택을 에피택셜법으로 성장시키는 단계를 포함한다.
본 발명의 상기 및 그 이외의 목적 및 이점은 도면을 참조하여 기술한 양호한 실시예의 하기의 상세한 설명으로부터 당업자에게 명백해질 것이다.
이제 도면에 대해 설명하면, 동일한 도면 부호는 모든 도면에 걸쳐 대응하는 소자를 나타내며, 먼저 도 1에 주목하면 일반적으로 나타내어진 가시 파장 수직 공동 표면 방출 레이저(VCSEL)를 도시하고 있다. VCSEL(10)은 본 특정 실시예에서 GaInP가 되는 기판(12) 상에 형성된다. GaInP는 가급적 에피택셜법으로 성장시켜 제조하는데 이용되며, 약 635 내지 650nm 범위의 가시 파장으로 발광시키는 VCSEL(10)의 구성 요소들의 격자 정합을 달성한다. GaInP는 단지 예로서 이용되는 것으로 다른 반도체 재료들이 기판(12)으로 사용될 수도 있음을 이해해야 한다. 기판(12)은 표준 GaP 기판에 인듐(In)을 첨가시켜 제조한다. 보다 구체적으로, 기판(12)은 GAP 기판의 총 몰분율의 약 25% 레벨로 In을 첨가시켜 제조된다.
기판(12)은 n형 미러 스택(14)이 배치된 상부면(13)을 갖는다. 미러 스택(14)은 AlInP/GaInP 재료계의 복수의 미러쌍들을 포함한다. 보다 구체적으로, AlInP 재료의 복수의 층들(15) 및 GaInP 재료의 복수의 층들(16)을 포함하는 교호층들로 구성된 복수의 미러쌍들이 도시되어 있다. 도 1 및 도 2에 도시되어 있는 바와 같이, 제 1 클래딩 영역(18)은 제 1 미러 스택(14)에 인접하게 배치되고, InAlP 재료, 즉 In.25Al.75P를 포함한다. 활성 영역(20)은 제 1 클래딩 영역(18) 상에 배치된다. 활성 영역(20)은 제 1 배리어층(24) 및 제 2 배리어층(25) 사이에 개재된 적어도 하나의 양자 우물층(23)을 포함하고 있다. 제 2 클래딩 영역(26)은 제 2 배리어층(25) 상에 배치되고 InAlP 재료를 포함한다. 제 2 미러 스택(30)은 제 2 클래딩 영역(26) 상에 배치되며, AlInP/GaInP 재료계의 미러쌍들을 포함하거나, 또한 제 2 미러 스택(30)은 유전체 미러 스택으로 구성되며 SiO2 재료 및 ZnO 재료로 된 교호층들 등의 산화물 기반의 재료계의 교호층들의 쌍들을 포함한다.
미러 스택(14)은 기판(12) 상에 층들의 쌍들을을 에피택셜법으로 침착함으로서 성장된다. 기판(12)에 대해 미러 스택(14)을 결정 격자 정합을 위해 적당한 반도체 재료계가 침착되어야 한다. 본 특정 예에서, 기판(12)은 GaInP로 구성되므로, 미러 스택(14)은 GaInP/AlInP 재료계를 채용한다. 이러한 재료계의 대략 20 내지 50 미러쌍들은 층들의 굴절률들 사이의 차에 따라서 기판(12) 상에 침착되며, 상기 굴절률은 본 특정 예에서는 650nm에서 약 0.5이다. 많은 수의 쌍들이 반사광의 비율을 증가시키며, 40쌍들의 교호층들이 있는 본 특정 실시예에서 대략 99.99%의 전력 반사가 달성된다.
클래딩 영역들(18, 26) 사이에 개재된 활성 영역(20)이 도 2에 보다 상세히 도시되어 있다. 도시되어 있는 바와 같이, 클래딩 영역(18)은 약 2.3eV의 직류 에너지 밴드갭으로 구성되며, 경우에 따라서 활성 영역(20)에 대해 미러 스택(14)을 격자 정합되도록 경사질 수도 있는 하나 또는 그 이상의 층들을 포함하고 있다. 본 특정 실시예에서, 클래딩 영역(18)은 AlInP 재료계로 형성된다. 예를 들면, 클래딩 영역(18)은 미러 스택(14)을 격자 정합하도록 n형 Al.75In.25P로 형성된 제 1 층(17), 및 활성 영역(20)에서 보다 양호한 캐리어 제한을 위한 에너지 그래디언트를 가진 재료로 형성된 제 2 층(19)을 포함한다.
본 실시예에서, 활성 영역(20)은 배리어층들(24, 25)에 의해 분리된 하나의 양자 우물층(23)을 포함한다. 예를 들면, 양자 우물층(23) 및 배리어층들(24, 25)은 각각 두께가 약 100Å이고 활성 영역(20) 및 클래딩 영역들(18, 26)의 총 두께는 방출된 광의 한 파장 또는 그 배수가 된다. 양자 우물층(23)은 변형된 GaInP로 형성되며, 약 1%의 압축 변형성을 지니며, 따라서 높은 이득과 낮은 임계 전류를 얻을 수 있게 된다. 당업자는 응용 분야에 따라 보다 많은 수의 양자 우물층 및 배리어층이 이용될 수 있음을 이해할 것이다. 배리어층들(24, 25)은 AlGaInP 재료계로 형성되며, 구체적으로는 약 2.leV의 직류 에너지 밴드-갭으로 구성된 (AlxGal-x).75In.25P로 형성된다. 활성 영역(20) 및 제 1 및 제 2 미러 스택들(14, 30)은 약 635 내지 650nm 범위의 파장을 갖는 광을 방출하도록 각각 구성된다. 이 범위를 달성하고자, 양자 우물층(23)이 약 1.9eV의 직류 에너지 밴드-갭으로 구성된다. VCSEL(10)의 활성 영역(20)에서 재료 대 직류 에너지 밴드-갭을 그래프로 나타내면 도 3과 같이 된다. 본 특정 실시예에서, 총 밴드-갭 불연속성은 약 400meV이며, 이는 양호한 전기적 제한을 고려하기에 충분하며, 따라서 고온에서 양호한 신뢰성을 가지고 동작한다.
클래딩 영역(26)은 활성 영역(20)에서 보다 양호한 캐리어 제한을 위해 필요한 경우 경사를 가질 수도 있는 하나 또는 그 이상의 층을 포함한다. 본 특정 실시예에서, 클래딩 영역(26)은 AlInP 재료계로 형성된다. 예를 들면, 클래딩 영역(26)은 미러 스택(30)을 격자 정합하도록 AlInP로 형성된 제 1 층(28), 및 활성 영역(20)에서 보다 양호한 캐리어 제한을 위한 에너지 그래디언트를 가진 재료로 형성된 제 2 층(27)을 포함한다.
미러 스택(30)은 클래딩 영역(26)상에 층들의 쌍들을 에피택셜법으로 성장시킴으로써 성장된다. 활성 영역(20)에 대해 미러 스택(30)을 결정 격자 정합시키도록 적합한 반도체 재료계가 침착되어야 한다. 본 특정 예에서, 클래딩 영역(26)은 AlInP로 되고, 따라서 미러 스택(30)은 GaInP/AlInP 재료계, 보다 구체적으로는 GaInP 재료(31) 및 AlInP 재료(32)의 복수의 교호층들을 사용한다. 이런 재료계의 약 20 내지 40 개의 미러쌍들이 층들의 굴절률들 사이의 차에 따라서 클래딩 영역(26) 상에 침착된다. 각각의 쌍의 층들의 굴절률 차는 알루미늄 대 갈륨 비를 바꿈으로써 달성된다. 많은 다수의 쌍들은 반사광의 비율을 증가시킨다.
일반적으로, 분산 브래그 반사부의 스택들(14, 30)의 도핑 단계는 하나의 스택은 N형으로, 다른 하나는 P형으로 분리된다. 실리콘, 세리늄 등의 모든 적합한 N형 도펀트, 및 탄소, 아연, 마그네슘 등의 P형 도펀트가 VCSEL(10)의 일부를 도핑하는데 이용될 수 있다. 도핑 레벨은 기술적으로 공지되어 있으므로, 본 명세서에서는 기술하지 않으며, 그 이외에는 비도핑, 또는 P형 도핑, 또는 N형 도핑중 어느 하나로서 재료를 구분한다. 간단히 설명해서, 분산 브래그 반사부의 스택(14), 클래딩 영역(18)의 층(17)은 N형 도핑되며, 분산 브래그 반사부의 스택(30), 및 클래딩 영역(26)의 층(28)은 P형 도핑된다. 클래딩 영역들(18, 26)의 각각의 층들(19, 27), 및 활성 영역(20)은 비도핑된다.
본 발명에 있어서, 교호층들(15, 16) 및 교호층들(31, 32)은 교호층들(15, 16)의 굴절률이 다르고 또한 교호층들(31, 32)의 굴절률 역시 다르게 되도록 형성된다는 것을 이해해야 한다. 그러나, 일반적으로, 분산 브래그 반사부의 스택들(14, 30)은 동일 재료로 된다. 또한, 특정 소자의 비 구성이 주어지는 본 상세한 설명에 포함된 예에서는 단지 에로서만 간주되어야 함을 이해해야 한다. 또한, 본 예에서 다양하게 변형이 가능하며 그 변형예도 본 발명의 일부임을 이해해야 한다.
VCSEL(10)을 완성하기 위해, 배후면을 예로 들면, 접촉층(비도시함)은 미러 스택(30) 상에 위치하고, 접촉층(비도시함)은 기판(12) 상에 배치된다. 당업자에게는 이해되는 것으로서, 미러 스택(30) 상에 배치된 접촉층은 VCSEL(10)로부터 광을 방출할 수 있도록 구성된다.
개시한 방법의 다양한 단계는 설명을 위해 특정 순서로 실행하였지만, 개시된 방법의 다양한 단계는 특정 응용에 있어서는 다른 단계와 교체 및/또는 조합될수 있음을 이해해야 하며, 개시된 방법의 모든 변형예는 특허청구의 범위 내에 있다.
본 발명의 특정 실시예를 기술하였지만, 또다른 수정 및 개선이 당업자에게 있을 수 있다. 예를 들면, 전기적으로 역으로 바꾼 구조 설계는 물론 p 및 n 도펀트에 대해 VCSEL 대칭 구조가 있다는 것을 이해하여야 한다. 그러므로, 본 발명은 도시된 특정 형태에 국한되지 않고 첨부한 특허청구의 범위에서 본 발명의 의도 및 범위로부터 일탈되지 않는 모든 수정예를 커버하고자 한다는 것을 이해하여야 한다.
도 1은 본 발명에 따른 VCSEL을 도시한 단면도.
도 2는 본 발명에 따른 VCSEL의 활성 영역을 도시한 단면도.
도 3은 본 발명에 따라서 도 1에 도시한 VCSEL의 활성 영역에서의 재료에 대한 직류 에너지 밴드-갭을 그래프적으로 도시한 도면.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10 : VCSEL 12 : 기판 소자
14, 30 : 미러 스택 15, 16 : 미러쌍
18, 26 : 클래딩 영역 20 : 활성 영역
23 : 양자 우물층 24, 25 : 배리어층

Claims (4)

  1. 가시 파장광을 방출하는 수직 공동 표면 방출 레이저에 있어서:
    인듐 농도가 총 몰분율의 적어도 25%인 GaInP 기판 소자;
    상기 GaInP 기판 소자 상에 배치된 제 1 미러 스택;
    상기 제 1 미러 스택 상에 배치된 제 1 클래딩 영역;
    적어도 하나의 양자 우물(quantum well)을 갖고, 상기 제 1 클래딩 영역 상에 배치된 GaInP 활성 영역;
    상기 활성 영역 상에 배치된 제 2 클래딩 영역; 및
    상기 제 2 클래딩 영역 상에 배치된 제 2 미러 스택을 포함하는, 수직 공동 표면 방출 레이저.
  2. 가시 파장광을 방출하는 수직 공동 표면 방출 레이저에 있어서:
    인듐 농도가 총 몰분율의 적어도 25%인 GaInP 기판 소자;
    GaInP/AlInP 재료계의 미러쌍들을 포함하고, 상기 GaInP 기판 소자 상에 배치된 제 1 미러 스택;
    상기 제 1 미러 스택 상에 배치된 제 1 클래딩 영역;
    상기 제 1 클래딩 영역에 인접한 제 1 배리어층 및 양자 우물층에 인접한 제 2 배리어층 사이에 개재된 상기 양자 우물층을 포함하는 GaInP 활성 영역;
    상기 제 2 배리어층 상에 배치된 제 2 클래딩 영역; 및
    상기 제 2 클래딩 영역 상에 배치되고, GaInP/AlInP 재료계의 미러쌍들을 포함하는 제 2 미러 스택을 포함하는, 수직 공동 표면 방출 레이저.
  3. 가시 파장광을 방출하는 수직 공동 표면 방출 레이저 제조 방법에 있어서:
    표면을 가진 GaInP 기판을 제공하는 단계;
    제 1 미러 스택을 상기 기판 상에 에피택셜법으로 성장시키는 단계;
    제 1 클래딩 영역을 상기 제 1 미러 스택 상에 에피택셜법으로 성장시키는 단계;
    양자 우물을 가진 GaInP 활성 영역을 상기 제 1 클래딩 영역 상에 에피택셜법으로 성장시키는 단계;
    제 2 클래딩 영역을 상기 GaInP 활성 영역 상에 에피택셜법으로 성장시키는 단계; 및
    제 2 미러 스택을 상기 제 2 클래딩 영역 상에 에피택셜법으로 성장시키는 단계를 포함하는, 수직 공동 표면 방출 레이저 제조 방법.
  4. 가시 파장광을 방출하는 수직 공동 표면 방출 레이저 제조 방법에 있어서:
    표면을 가진 GaInP 기판을 제공하는 단계;
    상기 기판에 대해 격자 정합된, 제 1 미러 스택을 형성하는 GaInP/AlInP 재료계의 제 1 복수의 미러쌍들을 상기 표면 상에 에피택셜법으로 성장시키는 단계;
    AlInP 재료계를 포함하는 제 1 클래딩 영역을 상기 제 1 미러 스택 상에 에피택셜법으로 성장시키는 단계;
    상기 제 1 미러 스택에 대해 격자 정합된 제 1 배리어층 및 제 2 배리어층 사이에 개재된 양자 우물층을 포함하는 GaInP 활성 영역을 에피택셜법으로 성장시키는 단계 ;
    AlInP 재료계를 포함하는 제 2 클래딩 영역을 상기 활성 영역 상에 에피택셜법으로 성장시키는 단계; 및
    상기 활성 영역에 대해 격자 정합된 제 2 미러 스택을 형성하는 GaInP/AlInP 재료계의 제 2 복수의 미러쌍들을 에피택셜법으로 성장시키는 단계를 포함하는, 수직 공동 표면 방출 레이저 제조 방법.
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