KR100584542B1

KR100584542B1 - 표면광 레이저

Info

Publication number: KR100584542B1
Application number: KR1020000009072A
Authority: KR
Inventors: 이은경
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2000-02-24
Filing date: 2000-02-24
Publication date: 2006-05-30
Also published as: KR20010084208A

Abstract

개시된 표면광 레이저는, 활성층과 상부반사기층 사이 또는 상부반사기층의 활성층에 상대적으로 가까운 쪽에 큰 전류 통과 영역을 한정하도록 형성되어 전류 흐름을 가이드하는 제1가이드부와, 상부반사기층의 윈도우에 상대적으로 가까운 쪽에 제1가이드부보다 상대적으로 작은 전류 통과 영역을 한정하도록 형성되어 전류 흐름을 가이드하는 제2가이드부를 구비하여, 상부 및/또는 하부전극을 통해 인가된 전류가 제2가이드부 및 제1가이드부에 의해 활성층의 중앙부쪽으로 가이드되도록 되어 있다.

이와 같은 전류 가이드 구조를 가지면, 윈도우 중앙부에서의 전류 밀도가 그 외곽부에서 보다 크게 되어, 주로 윈도우 중심에서 레이저 발진이 일어나게 된다.

Description

표면광 레이저{Vertical cavity surface emitting laser}

도 1은 종래의 표면광 레이저를 개략적으로 보인 단면도,

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 표면광 레이저를 개략적으로 보인 단면도,

도 3은 틸트 이온 주입법을 사용하여 이온을 주입할 때 사용되는 마스크 및 이온 주입 경로를 개략적으로 보인 도면,

도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 표면광 레이저를 개략적으로 보인 단면도.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

100...기판 110...하부반사기층

120...활성층 130,150...제1 및 제2가이드부

130a,150a...전류 통과 영역 130b,150b...고저항 영역

140..상부반사기층 160,170...상,하부전극

210...윈도우

본 발명은 표면광 레이저(Vertical Cavity Surface Emitting Laser)에 관한 것으로, 상세하게는 강도(Intensity) 분포 특성이 양호한 레이저빔을 출사할 수 있도록 전류 가이드 구조를 개선한 표면광 레이저에 관한 것이다.

일반적으로, 표면광 레이저는 반도체 물질층의 적층 방향으로 광을 출사하기 때문에, 다른 광학소자와의 결합이 용이하고 설치가 쉬울 뿐만 아니라, 이차원 배열을 갖도록 제조가 가능하여, 광픽업, 단파장 광통신, 옵티페이스(optiface:광신호를 이용한 인터페이스 기술)등에서 광원으로 널리 응용될 수 있다.

도 1을 참조하면, 종래의 표면광 레이저는 기판(10)과, 상기 기판(10) 상에 순차로 적층형성된 하부반사기층(11), 활성층(12), 고저항부(13) 및 상부반사기층(14)과, 상기 상부반사기층(14)상의 광이 출사되는 윈도우(21)를 제외한 영역에 형성된 상부전극(16)과, 상기 기판(10)의 하면에 형성된 하부전극(17)으로 이루어져 있다.

상기 하부반사기층(11) 및 상부반사기층(14)은 굴절율이 서로 다른 화합물 반도체를 교대로 적층하여 형성된 브래그반사기(DBR:Distributed Bragg Reflector)로, 서로 다른 형으로 도핑되어 있다. 즉, 상기 기판(10)은 n형 도핑되어 있으며, 상기 하부반사기층(11)은 상기 기판(10)과 같은 형인 n형, 상기 상부반사기층(14)은 p형으로 도핑되어 있다.

상기 고저항부(13)는 상,하부전극(16)(17)을 통해 인가된 전류가 상기 활성층(12)의 중앙부(12a)쪽으로 흐르도록 전류의 흐름을 가이드한다.

따라서, 윈도우(21) 주위에 형성된 상부전극(16)을 통해 인가된 전류 즉, 캐 리어는 상기 고저항부(13)에 의해 가이드되어 모아지면서 활성층(12)쪽으로 주입된다. 그리고, 상기 활성층(12)에서는 전자와 정공의 결합에 의해 광이 발생되며, 상기 상,하부반사기층(14)(11)에 의해 공진된 레이저빔이 상기 윈도우(21)를 통해 출사된다.

출사되는 빔의 강도 분포는 상부전극(16)을 통해 주입된 전류 밀도 분포에 영향을 받는데, 상기와 같은 종래의 표면광 레이저는, 윈도우(21)의 외곽부를 통해 주입된 전류가 활성층(12)에 근접한 고저항부(13)에 의해 가이드되는 구조이므로, 윈도우(21) 외곽부에서의 전류 밀도가 그 윈도우(21)의 중앙부에서의 전류 밀도보다 높다.

그러므로, 상기와 같은 종래의 표면광 레이저에서는, 단일 모드가 발진하더라도 모드가 이동되거나 윈도우(21) 외곽부로 치우쳐 발진되어 단일 모드 특성이 불안정하다.

또한, 레이저 발진이 다중 모드로 일어나는 경우에도, 주로 상기 윈도우(21)의 외곽부에서 발생된 다중 모드가 큰 강도로 발진된다.

따라서, 광섬유와 같은 광학소자와의 광커플링 효율이 낮고, 출사되는 레이저빔의 근접장 패턴(near field pattern) 및 원거리장 패턴(far field pattern) 특성도 좋지 않다.

본 발명은 상기한 바와 같은 점을 감안하여 안출된 것으로, 윈도우의 중심부에서 레이저 발진이 주로 일어날 수 있도록 전류 가이드 구조를 개선한 표면광 레 이저를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 기판과; 상기 기판 상에 일 형의 불순물을 함유하는 굴절율이 서로 다른 화합물 반도체물질을 교대로 적층하여 형성된 하부반사기층과; 상기 하부반사기층 상에 형성되어 전자와 정공의 재결합으로 광을 생성하는 활성층과; 상기 활성층 상에 상기 하부반사기층과 반대형의 불순물을 함유하는 굴절율이 서로 다른 화합물 반도체물질을 교대로 적층하여 형성된 상부반사기층과; 상기 기판의 하면에 형성된 하부전극과; 상기 상부반사기층 상의 레이저빔이 출사되는 윈도우를 제외한 영역에 형성된 상부전극;을 포함하는 표면광 레이저에 있어서, 상기 활성층과 상부반사기층 사이 또는 상기 상부반사기층의 상기 활성층에 상대적으로 가까운 쪽에 큰 전류 통과 영역을 한정하도록 형성되어 전류 흐름을 가이드하는 제1가이드부와; 상기 상부반사기층의 상기 윈도우에 상대적으로 가까운 쪽에 상기 제1가이드부보다 상대적으로 작은 전류 통과 영역을 한정하도록 형성되어 전류 흐름을 가이드하는 제2가이드부;를 구비하여, 상기 상부 및/또는 하부전극을 통해 인가된 전류가 상기 제2가이드부 및 제1가이드부에 의해 상기 활성층의 중앙부쪽으로 가이드되도록 된 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 표면광 레이저는 기판(100)과, 상기 기판(100)의 하면에 형성된 하부전극(170)과, 상기 기판(100) 상에 순차로 적층 형 성된 하부반사기층(110), 활성층(120) 및 상부반사기층(140)과, 상기 상부반사기층(140) 상의 레이저광이 출사되는 윈도우(210)를 제외한 영역에 형성된 상부전극(160)과, 상기 상부반사기층(140)의 상기 활성층(120) 및 윈도우(210)에 가까운 쪽에 각각 형성된 제1 및 제2가이드부(130)(150)를 포함하여 구성된다.

상기 기판(100)은 일형 예컨대, n형으로 도핑된

등의 반도체물질로 되어 있다.

상기 하부반사기층(110)은 상기 기판(100) 상에 굴절율이 서로 다른 두 화합물 반도체물질을 교대로 적층하여 형성된 브래그반사기(DBR)로서, 상기 기판(100)과 같은 형으로 도핑되어 있다. 이 하부반사기층(110)은 예를 들면, n형의 Al 조성이 서로 다른

와

등을

두께로 교대로 적층하여 형성된다.

상기 상부반사기층(140)은 상기 하부반사기층(110)과 마찬가지로 브래그반사기이며 하부반사기층(110)과 반대형으로 도핑되어 있다. 예를 들면, 상기 상부반사기층(140)은 상기 활성층(120) 상에 p형의

와 등을

두께로 교대로 적층하여 형성된다. 상기 상부반사기층(140)과 하부반사기층(110)은 상기 상,하부전극(160)(170)을 통해 인가된 전류에 의하여 전자와 정공의 흐름을 유도한다. 여기서,

는 본 발명에 따른 표면광 레이저에서 출사되는 레이저광의 파장을 나타낸다.

상기 활성층(120)은 상기 상,하부반사기층(140)(110)에서 제공된 정공과 전 자의 재결합으로 인한 에너지 천이에 의하여 광을 생성하는 영역으로 단일 또는 다중 양자-우물 구조, 초격자(super lattice) 구조 등을 가진다. 여기서, 상기 활성층(120)은 표면광 레이저의 출사 파장에 따라 예컨대, GaAs, AlGaAs, InGaAs, InGaP 또는 AlGaAsP 등으로 이루어진다.

상기 상부전극(160)은 상기 상부반사기층(140) 상에 레이저빔이 출사되는 윈도우(210)를 제외한 영역에 형성된다. 상기 하부전극(170)은 상기 기판(100)의 하면에 형성된다.

상기 제1 및 제2가이드부(130)(150)는, 상기 상,하부전극(160)(170)을 통해 인가된 전류가 상기 활성층(120)의 중앙부로 안내될 수 있도록 전류의 흐름을 가이드한다.

상기 제1가이드부(130)는, 종래의 표면광 레이저에서의 고저항부(도 1의 13)에 해당하는 것으로, 상기 상부반사기층(140)내의 상기 활성층(120)에 가까운 쪽에 형성되며, 상대적으로 큰 크기의 전류 통과 영역(130a)과, 이 전류 통과 영역(130a)을 한정하도록 양성자 등과 같은 이온을 주입하여 형성된 고저항 영역(130b)으로 이루어진다. 여기서, 상기 제1가이드부(130)는, 상기 활성층(120)과 상부반사기층(140) 사이 또는 상기 상부반사기층(140) 내의 활성층(120)에 가까운 쪽에 선택적 산화법에 의해 형성할 수도 있다.

상기 제2가이드부(150)는 상기 상부반사기층(140)내의 상기 윈도우(210)에 가까운 쪽에 형성되며, 상기 제1가이드부(130)의 경우보다 상대적으로 작은 크기의 전류 통과 영역(150a)과, 이 전류 통과 영역을 한정하는 고저항 영역(150b)으로 이 루어진다.

이때, 상기 제2가이드부(150)는 상기 상부 전극(160)을 통해 인가된 전류가 윈도우(210) 중앙부로 모아져 활성층(120)쪽으로 주입되도록, 상기 상부반사기층(140) 상면 즉, 윈도우(210)에 근접 형성된 것이 바람직하다. 즉, 상기 제2가이드부(150)는 상기 상부반사기층(140) 상면으로부터 이 상부반사기층(140)을 이루는 화합물 반도체층의 몇몇층 예컨대, 1~ 2층 정도 아래에 형성된 것이 바람직하다.

본 실시예에 있어서, 상기 제2가이드부(150)의 고저항 영역(150b)은 양성자와 같은 이온을 주입시키는 이온 주입법에 형성된다. 보다 바람직하게는, 상기 고저항 영역(150b)은 도 3에 보여진 바와 같은 틸트 이온 주입법(tilted ion implantation)을 이용하여 형성된다.

상기 틸트 이온 주입법을 이용하여 제2가이드부(150)의 고저항 영역(150b)을 형성하는 경우에는, 그 고저항면이 전류 통과 영역(150a)과의 경계부분에서 약각 돌출되게 형성되므로, 제2가이드부(150)의 고저항 영역(150b)를 수직 이온 주입법이나 후술하는 선택적 산화법에 의해 형성하는 경우보다 약간 더 아래쪽에 형성하는 것이 바람직하다.

도 3을 참조하여, 보다 상세히 설명하면, 틸트 이온 주입법은 반도체물질층 즉, 상부반사기층(140) 상면에 형성하고자 하는 전류 통과 영역(150a)보다 큰 마스크(200)를 배치하고, 이온을 경사진 방향으로 주입시키는 방법이다. 이와 같이 틸트 이온 주입법을 이용하면 마스크(200)의 패턴 크기보다 작은 크기의 전류 통과 영역(150a)을 한정하는 고저항 영역(150b)이 형성되므로, 이온을 수직으로 주입시키는 통상의 이온 주입법을 사용하는 경우보다 큰 패턴을 갖는 마스크를 채용할 수 있어서, 마스크의 제조가 쉽고 정렬이 용이한 이점이 있다.

이때, 전류 통과 영역(150a)과 고저항 영역(150b)의 경계에서는 경사지게 이온을 주입함으로 인해, 도시된 바와 같이 고저항 영역(150b)이 약간 돌출되게 형성되지만, 이러한 돌출 부분이 상기 상부반사기층(140) 상면과 연결되지 않을 정도의 깊이에 고저항 영역(150b)을 형성하면, 전류 흐름에는 거의 영향을 미치지 않는다.

다른 실시예로, 상기 제2가이드부(150)는 도 4에 도시된 바와 같이, 선택적 산화법을 이용하여 형성될 수도 있다. 즉, 상부반사기층(140)을 적층하는 도중에 적층 예정인 상부반사기층(140)의 최상층보다 몇몇층 아래 위치에 예컨대, Al 농도가 높은 예비 산화층(150a,150b)을 적층한 다음 그 위에 나머지 상부반사기층(140)을 적층한다. 이후에, 증기 상태의

에 의해 소정 시간동안 산화분위기를 형성하면, 상기 예비 산화층이 산화분위기와 접촉되는 외측부에서 소정 깊이만큼 산화된다. 이때, 산화된 절연 산화막(150b)은 고저항 영역을 이루며, 이 고저항 영역에 둘러싸여 산화되지 않은 예비 산화층 영역(150a)은 전류 통과 영역이 된다.

이상에서와 같은 본 발명에 따른 표면광 레이저는, 윈도우(210)에 가까운 상부반사기층(140)에 형성된 제2가이드부(150)를 구비하여, 상대적으로 작은 전류 통로를 통해 전류가 흐르도록 되어 있으므로, 상부전극(160)을 통해 인가된 전류는 상기 윈도우(210)의 중앙부 하방으로 모아지면서 활성층(120)의 중앙부쪽으로 주입된다.

따라서, 윈도우(210) 중앙부에서의 전류밀도가 상기 윈도우(210)의 외곽부에서의 전류밀도보다 높게 되어, 레이저 발진이 윈도우(210) 중앙부에서 주로 일어난다.

그러므로, 단일 모드 발진시에는 안정된 단일 모드 레이저 발진을 얻을 수 있으며, 다중 모드 발진시에는 윈도우(210)의 중앙부에서 발진되는 모드의 레이저광 강도가 그 윈도우(210)의 외곽부에서 발진되는 모드의 레이저광 강도보다 훨씬 세다.

상기한 바와 같은 본 발명에 따른 표면광 레이저는 윈도우의 중앙부에서의 전류 밀도가 그 외곽부에서 보다 크게 되어, 주로 윈도우 중심에서 레이저 발진이 일어나므로, 단일 모드 발진시, 모드가 이동하거나 레이저광이 윈도우의 외곽부에 치우쳐 발생하는 등의 불안정함이 발생하지 않는다. 또한, 다중 모드 발진시에도, 윈도우의 중심부에서 발생하는 모드의 레이저빔 강도가 그 외곽부에서 발생하는 모드의 레이저빔 강도보다 훨씬 크다.

따라서, 본 발명에 따른 표면광 레이저에서 출사된 광을 광섬유와 같은 광학소자로 광커플링시킬 때, 광커플링 효율이 매우 좋으며, 상기 출사된 광의 근접장 및 원거리장 패턴 특성이 매우 우수하다.

Claims

기판과; 상기 기판 상에 일 형의 불순물을 함유하는 굴절율이 서로 다른 화 합물 반도체물질을 교대로 적층하여 형성된 하부반사기층과; 상기 하부반사기층 상에 형성되어 전자와 정공의 재결합으로 광을 생성하는 활성층과; 상기 활성층 상에 상기 하부반사기층과 반대형의 불순물을 함유하는 굴절율이 서로 다른 화합물 반도체물질을 교대로 적층하여 형성된 상부반사기층과; 상기 기판의 하면에 형성된 하부전극과; 상기 상부반사기층 상의 레이저빔이 출사되는 윈도우를 제외한 영역에 형성된 상부전극;을 포함하는 표면광 레이저에 있어서,

상기 활성층과 상부반사기층 사이 또는 상기 상부반사기층의 상기 활성층에 상대적으로 가까운 쪽에 큰 전류 통과 영역을 한정하도록 형성되어 전류 흐름을 가이드하는 제1가이드부와;

상기 상부반사기층의 상기 윈도우에 상대적으로 가까운 쪽에 상기 제1가이드부보다 상대적으로 작은 전류 통과 영역을 한정하도록 형성되어 전류 흐름을 가이드하는 제2가이드부;를 구비하여,

상기 상부 및/또는 하부전극을 통해 인가된 전류가 상기 제2가이드부 및 제1가이드부에 의해 상기 활성층의 중앙부쪽으로 가이드되도록 된 것을 특징으로 하는 표면광 레이저.
제1항에 있어서, 상기 제2가이드부는,

상기 윈도우에 상대적으로 가까운 상기 상부반사기층의 일부층에 이온을 주입시켜 형성되는 것을 특징으로 하는 표면광 레이저.
제2항에 있어서, 상기 제2가이드부는,

틸트 이온 주입법에 의해 이온을 주입시켜 형성되는 것을 특징으로 하는 표면광 레이저.
제1항에 있어서, 상기 제2가이드부는,

상기 상부반사기층내의 상기 윈도우에 상대적으로 가까운 쪽에 예비 산화층을 형성하고, 이 예비 산화층을 그 외측으로부터 산화시키는 선택적 산화법에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 표면광 레이저.