KR100794673B1 - 수직 공진 표면 발광 레이저 다이오드의 ｄｂｒ 구조물 및그 제조방법과 수직 공진 표면 발광 레이저 다이오드 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 수직 공진 표면 발광 레이저(VCSEL) 다이오드의 DBR 구조물 및 그 제조방법과 수직 공진 표면 발광 레이저(VCSEL) 다이오드에 관한 것으로, 본 수직 공진 표면 발광 레이저(VCSEL) 다이오드의 DBR 구조물은, InP 기판과, 상기 InP기판 상에 적층되며, InAlGaAs층 및 상기 InAlGaAs층보다 낮은 굴절률을 갖는 InAlAs층으로 이루어진 복수의 InAlGaAs/InAlAs DBR층과, 상기 복수의 InAlGaAs/InAlAs DBR층 사이에 주기적으로 형성된 상기 InAlGaAs층 및 InP층으로 이루어진 InAlGaAs/InP DBR층을 포함한다. 이에 따라, DBR 구조물의 표면 상태를 개선하여 결함이 없는 양질의 박막을 유지하고, 반사율을 향상시킬 수 있다. 또한, 표면 상태가 개선된 양질의 DBR 구조물을 사용하여 DBR의 반사율을 향상시킴으로써, 수직 공진 표면 발광 레이저 다이오드 자체의 특성을 향상시킬 수 있다.
분산 브래그 반사경(DBR: distributed Bragg reflector), 장파장 수직 공진 표면 발광 레이저(VCSEL) 다이오드

Description

수직 공진 표면 발광 레이저 다이오드의 ＤＢＲ 구조물 및 그 제조방법과 수직 공진 표면 발광 레이저 다이오드{A Distributed Bragg Reflector(DBR) In Vertical Cavity Surface Emitting Laser(VCSEL) Diode And A Manufacturing Method Thereof And A VCSEL Diode}
도 1은 InAlGaAs/InAlAs DBR 구조물을 포함하는 수직 공진 표면 발광 레이저 다이오드의 에피 구조 단면도이다.
도 2는 도 1의 수직 공진 표면 발광 레이저 다이오드에 쓰인 DBR 구조물의 표면 AFM(Atomic Force Microscopy) 이미지이다.
도 3은 본 발명에 따른 수직 공진 표면 발광 레이저 다이오드 에피구조의 단면도이다.
도 4는 본 발명에 따른 DBR 구조물을 갖는 수직 공진 표면 발광 레이저 다이오드의 제조 공정을 나타내는 제조 블록도이다.
도 5는 도 3의 상부 DBR 구조물의 에피구조 확대 단면도이다.
도 6은 본 발명에 따라 제조된 DBR구조물의 표면 AFM 이미지이다.
*도면의 주요 부분에 대한 도면 부호 *
300: 수직 공진 표면 발광 레이저 다이오드
310: InP 기판 320: 하부 DBR 구조물
321, 341: InAlGaAs층 322,342: InAlAs층
330: 캐비티 331: InP층
332: 활성층 333: 양자우물층
334: 장벽층 340: 상부 DBR 구조물
343: InP층
본 발명은 수직 공진 표면 발광 레이저 다이오드(VCSEL; vertical cavity surface emitting laser diode)의 분산 브래그 반사기(DBR; distributed Bragg reflector) 구조물 및 그 제조방법과 수직 공진 표면 발광 레이저 다이오드에 관한 것으로, 보다 구체적으로, 장파장용 수직 공진 표면 발광 레이저 다이오드를 제작함에 있어서 InP층을 포함하는 DBR 구조물을 형성함으로써, 소자의 표면을 개선하고 DBR 구조물의 반사특성을 개선할 수 있는 VCSEL 다이오드의 DBR 구조물 및 그 제조 방법과 VCSEL 다이오드에 관한 것이다.
일반적으로, 반도체 레이저 다이오드는 모서리 발광 레이저 다이오드(edge emitting laser diode)와 수직 공진 표면 발광 레이저 다이오드를 포함한다. 모서리 발광 레이저 다이오드는 소자의 적층면과 평행 방향의 공진 구조를 가지면서 적층면과 평행한 방향으로 레이저 빔을 발진시키는 형태이고, 수직 공진 표면 발광 레이저 다이오드는 소자의 적층면에 수직인 공진 구조를 가지면서 소자 적층면의 수직방향으로 레이저 빔을 발진시키는 형태이다.
수직 공진 표면 발광 레이저 다이오드(VCSEL)는 모서리 발광 레이저 다이오드에 비해 구동전류가 낮고, 발진 빔의 발산 정도가 작아서 광통신이나 광 정보 기록 및 홀로그래피 메모리 등에 널리 이용된다. 수직 공진 표면 발광 레이저 다이오드는 단일 종 모드(single longitudinal mode)를 발진시킬 수 있으며, 제작이 용이하고 웨이퍼 상에서의 테스트가 가능하여 모서리 발광 레이저 다이오드에 비해 우수한 특성을 갖는다. 게다가, VCSEL은 고속 변조가 가능하고 원형의 빔을 발진시킬 수 있기 때문에 광섬유와의 커플링(coupling)이 용이하고 2차원적인 면 어레이(array)가 가능하다.
한편, 반도체 레이저 다이오드가 유도 발광(stimulated emission)을 통한 레이저를 발진시키기 위해서는 (ⅰ)광활성층, (ⅱ)캐비티(cavity) 영역, (ⅲ)거울(mirror) 등과 같은 세 가지 조건이 필요하다. 특히, 수직 공진 표면 발광 레이저 다이오드의 경우에는, 광활성층을 갖는 캐비티 영역의 양쪽에 거울의 역할을 수행하는 반사율이 높은 DBR 구조물이 형성된다.
일반적으로, 수직 공진 표면 발광 레이저 다이오드에 사용가능한 DBR 구조물은, 서로 굴절률이 다른 두 물질을 발진파장의 1/4 두께로 교대로 적층하여 제작하 는데, 이 경우 고 반사율을 얻기 위해서는 두 물질 간의 굴절률 차이가 커야 한다. DBR 구조물에 사용되는 대표적인 재료는 GaAs/AlAs이며, 이는 GaAs와 AlAs가 굴절률 차이가 클 뿐 아니라 격자 정합이 가능하기 때문이다. 이처럼, GaAs를 기반으로 제작된 수직 공진 표면 발광 레이저 다이오드는 1㎛ 이하의 단파장 레이저 다이오드에 사용하기에 적합하다.
따라서, 광섬유에서 손실이 가장 적은 장파장 빔(예를 들면, 1.3㎛, 1.55㎛)을 사용하는 중장거리 광통신용 레이저 다이오드의 경우에는, 주로 InP를 기반으로 제작한다. InP를 기반으로 레이저 다이오드를 제작하는 경우, 레이저 다이오드의 DBR 구조물로 사용되는 일반적인 재료는 InP/InGaAsP이다. 그런데, InP와 InGaAsP 간의 굴절률 차이가 전술한 단파장 레이저 다이오드의 DBR 구조물에 사용되는 물질들보다 상대적으로 작아서 높은 반사율을 얻는 것이 용이하지 않다. 이에, InP와 InGaAsP 물질을 이용하여, 높은 반사율을 얻기 위해서는 이들을 여러 번 반복 적층해야 하기 때문에, 공정이 번거롭다. 이러한, 공정상의 번거로움을 감수하고 상기 두 물질을 이용하여 DBR 구조물을 제작하는 경우, 다른 레이저 다이오드에 주로 사용되는 물질(예를 들면, GaAs/AlAs)의 반사율 한계보다 작기 때문에, 이 두 물질을 이용한 장파장 수직 공진 표면 발광 레이저 다이오드 제작은 용이하지 않다.
최근에는 이러한 문제점들을 보완하기 위해, InAlGaAs/InAlAs DBR층을 포함하는 장파장 수직 공진 표면 발광 레이저 다이오드가 연구되고 있다. 도 1은 InAlGaAs/InAlAs DBR층을 포함하는 수직 공진 표면 발광 레이저 다이오드의 에피 구조 단면도이고, 도 2는 도 1의 수직 공진 표면 발광 레이저 다이오드의 표면 AFM(Atomic Force Microscopy) 이미지이다.
도 1을 참조하면, 종래 수직 공진 표면 발광 레이저 다이오드(100)는 InP 기판(110)과, InP기판(110) 상에 형성된 하부 DBR 구조물(120)과, 하부 DBR 구조물(120) 상에 형성된 캐비티(cavity)(130)와, 캐비티(130) 상에 형성된 상부 DBR 구조물(140)을 포함한다.
캐비티(130)는, 광학적 필드의 가이드 층 및 클래드 층으로 사용되는 한 쌍의 InP층(131)과, InP층(131) 사이에 형성되는 활성층(132)을 포함한다. 활성층(132)은 InP층(131)과 접하는 한 쌍의 양자우물층(134)과 양자우물층(134) 사이에 형성되는 장벽층(133)을 포함한다. 캐비티(130)의 두께(d)는, 통상적으로 발진파장을 λ라 하였을 때, d = (k + 1/2) ×λ(k = 정수)이다. 전술과 같이 형성하면, 캐비티(130)의 양자우물층(134)에서 전기장(electric field) 세기가 최대가 될 수 있다. 도 1에서의 캐비티(130)는 일 실시 예로, 최근에는 터널 접합(tunnel junction)과 같은 다양한 캐비티 구조가 연구 중이다.
하부 DBR 구조물(120)과 상부 DBR 구조물(140)은 InAlGaAs층(121, 141)과 InAlAs층(122, 142)으로 이루어진다. 이하에서는 설명의 편의상 하부 DBR 구조물(120)을 참조하여 설명한다. 하부 DBR 구조물(120)에 InAlGaAs층(121)과 InAlAs층(122)을 이용하는 이유는, GaAs와 AlAs는 거의 격자 정합되는 물질이고, In0.52Ga0.48As가 InP기판(110)과 격자 정합되기 때문에, InAlGaAs층(121)에서 In의 조성비를 InP기판(110)에 격자 정합되는 비율(52%)로 유지하면서 Ga과 Al 조성 의 합을 나머지 범위(48% 이내)에서 용도에 따라 선택적으로 바꿔주면 InP기판에 격자 정합될 수 있다. 게다가, InAlGaAs층(121)과 InAlAs층(122)을 이용하는 경우, 굴절률 차이가 InP/InGaAsP에 비해 크기 때문이다. 전술과 같이, DBR 구조물(120)을 구성하는 두 물질의 굴절률 차이가 크게 날수록 두 물질의 적층 회수를 줄여도 높은 반사율을 얻을 수 있기 때문에, 기판상에서 격자 정합(lattice match) 시에는 굴절률의 차이가 크게 나는 물질을 선택하는 것이 바람직하다.
발진파장이 λ이고, InAlGaAs층(121)의 굴절률이 m, InAlAs층(122)의 굴절률이 n이라 할 때, 하부 DBR 구조물(120)에 사용되는 InAlGaAs층(121)과 InAlAs층(122)의 두께(d)는 λ/4m와 λ/4n이다. 예를 들어, InAlAs층(122)과 InAlGaAs층(121)이 적층된 하부 DBR(120)을 사용하여 1.31㎛에서 발진하는 장파장 수직 공진 표면 발광 레이저 다이오드를 제조하는 경우, InAlAs층(굴절률 약 3.2)과 InAlGaAs층(굴절률 약 3.4)은 각각 101㎚와 95.6㎚의 두께를 가지며 약 99.5% 이상의 높은 반사율을 얻기 위해서는 이들 두 물질을 48 주기 정도 적층해야 한다.
그러나, InAlGaAs층(121)/InAlAs층(122)를 이용하여 DBR(120)을 제작하는 경우, 반도체 성장상 상기 물질들이 가진 고유한 물성으로 인해 이들 물질의 적층 두께가 일정 두께 이상 증가하면, 성장표면이 거칠어지고 마름모꼴(rhombic)의 표면결함이 발생한다. 도 2는 도 1의 수직 공진 표면 발광 레이저 다이오드의 표면 AFM(Atomic Force Microscopy) 이미지로, 마름모꼴 표면 결함이 나타나 있다.
도 2는 InAlGaAs층/InAlAs층을 48주기로 적층하여 DBR을 형성한 후, AFM(Atomic Force Microscopy)을 이용하여 20㎛ X 20㎛ 스케일로 상기 DBR의 표면 을 측정한 이미지로, 도 2에 따르면, 그 표면은 거칠기(roughness)의 정도가 매우 심하여 상이 선명하지 않으며, 크기가 상당히 큰 마름모꼴(rhombic) 결함들(defects)이 여러 개 생성되어 있다. 또한, DBR 표면의 제곱 평균 제곱근(root-mean square) 거칠기 역시 약 30㎚로 상당히 큰 값을 갖는다. 또한, 도면에는 나타나 있지 않지만, 표면에 나타나는 마름모꼴 결함은 박막의 두께가 성장되는 초기에는 그 크기가 작지만 박막의 두께가 두꺼워지면 두꺼워질수록 그 수와 크기가 증가한다. 즉, 마름모꼴의 결함은 두 물질의 증착 두께가 증가할수록 박막의 표면 쪽으로 계속하여 진행하는 것임을 확인할 수 있다.
이와 같이, InP 기반의 장파장 수직 공진 표면 발광 레이저 다이오드에서, InAlGaAs층/InAlAs층을 적층한 DBR 구조물이 각광받고 있으나, 이 물질들이 가진 고유한 물성으로 인해 일정 두께 이상 적층되면 성장 표면이 거칠어지고 표면 결함(예, 마름모꼴 결함)이 발생할 수 있다. 게다가, 이러한 표면 결함은 Al의 조성이 상대적으로 낮은 InAlGaAs층에 비해 InAlAs층에서 더욱 심하게 발생할 수 있다.
따라서, 수십 주기를 적층해야 높은 반사율을 얻을 수 있는 DBR에서 적층 두께(특히, InAlAs)가 증가함에 따라 표면 결함이 발생하는 것은 장파장 수직 공진 표면 발광 레이저 다이오드의 전체에 치명적이다. 더욱이, DBR 구조물에서 발생하는 표면 결함들은 DBR 구조물 자체의 반사도를 떨어뜨리는 문제점 이외에도 캐비티 영역(예를 들면, 광자(photon)를 생성하는 활성층의 성장)과 상부 DBR 구조물의 성장에도 영향을 줄 수 있다.
본 발명은 전술한 문제점들을 해결하기 위해 고안된 발명으로, 본 발명의 목적은 InAlAs층의 적층 두께를 줄임으로써, DBR 구조물의 표면 상태를 개선하여 결함이 없는 양질의 박막을 유지하고, 이에 따라, 반사율을 향상시킬 수 있는 수직 공진 표면 발광 레이저 다이오드의 DBR 구조물 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은, 표면 상태가 개선된 양질의 DBR 구조물을 사용하여 DBR 구조물의 반사율을 향상시킴으로써, 소자 자체의 특성을 향상시킬 수 있는 수직 공진 표면 발광 레이저 다이오드를 제공하는 것이다.
전술한 목적을 달성하기 위한, 본 발명의 일 측면에 따르면, 본 수직 공진 표면 발광 레이저 다이오드의 DBR 구조물은 InP 기판과, 상기 InP기판 상에 적층되며, InAlGaAs층 및 상기 InAlGaAs층보다 낮은 굴절률을 갖는 InAlAs층으로 이루어진 복수의 InAlGaAs/InAlAs DBR층과, 상기 복수의 InAlGaAs/InAlAs DBR층 사이에 주기적으로 형성된 상기 InAlGaAs층 및 InP층으로 이루어진 InAlGaAs/InP DBR층을 포함한다.
바람직하게, 상기 InAlGaAs/InP DBR층은 3 내지 20 개의 상기 InAlGaAs/InAlAs DBR층마다 형성된다. 상기 InAlGaAs층의 굴절률은 3.3 ~ 3.5이고, 상기 InAlAs층의 굴절률은 3.2 ~ 3.24이다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 본 수직 공진 표면 발광 레이저 다이오드의 DBR 구조물 제조 방법은 (ⅰ)InP 기판을 형성하는 단계와, (ⅱ)InAlGaAs층 및 상기 InAlGaAs층보다 낮은 굴절률을 갖는 InAlAs층으로 이루어진 InAlGaAs/InAlAs DBR층을 상기 InP기판 상에 복수 개 적층하는 단계와, (ⅲ)상기 적층된 InAlGaAs/InAlAs DBR층 상에 상기 InAlGaAs층 및 InP층으로 이루어진 InAlGaAs/InP DBR층을 형성하는 단계와, (ⅳ) 상기 (ⅱ) 및 상기 (ⅲ) 단계를 2회 이상 반복하는 단계를 포함한다.
바람직하게, 상기 InAlGaAs/InP DBR층을 3 내지 20 개의 상기 InAlGaAs/InAlAs DBR층마다 형성한다. 상기 InAlGaAs층, 상기 InAlAs층 및 상기 InP층은 n-타입 도펀트 또는 p-타입 도펀트 중 하나를 이용하여 도핑한다. 내부 공진 접합(intra-cavity junction)을 이용하는 경우, 상기 InAlGaAs층, 상기 InAlAs층 및 상기 InP층은 도핑하지 않는다.
본 발명의 또 다른 실시 예에 따르면, 본 수직 공진 표면 발광 레이저 다이오드는 InP 기판상에 형성되는 하부 DBR 구조물과, 상기 하부 DBR 구조물 상에 형성되는 캐비티 영역과, 상기 캐비티 영역 상에 형성되는 상부 DBR 구조물을 포함하며, 상기 하부 DBR 구조물 및 상기 상부 DBR 구조물 중 적어도 하나는, 상기 InP기판 상에 적층되며, InAlGaAs층 및 상기 InAlGaAs층보다 낮은 굴절률을 갖는 InAlAs층으로 이루어진 복수의 InAlGaAs/InAlAs DBR층과, 상기 복수의 InAlGaAs/InAlAs DBR층 사이에 주기적으로 형성된 상기 InAlGaAs층 및 InP층으로 이루어진 InAlGaAs/InP DBR층을 포함한다.
바람직하게, 상기 InAlGaAs/InP DBR층은 3 내지 20 개의 상기 InAlGaAs/InAlAs DBR층마다 형성된다. 상기 InAlGaAs층의 굴절률은 3.3 ~ 3.5이고, 상기 InAlAs층의 굴절률은 3.2 ~ 3.24이다. 상기 상부 DBR 구조물 및 하부 DBR 구조물은 n-타입 도펀트 또는 p-타입 도펀트를 이용하여 도핑한다. 내부 공진 접합(intra-cavity junction)을 이용하는 경우, 상기 상부 DBR 구조물 및 하부 DBR 구조물은 도핑하지 않는다. 발진 파장이 1㎛ ~ 1.6㎛인 레이저를 사용한다.
이하에서는 도면을 참조하여, 본 발명의 실시 예를 보다 구체적으로 설명한다.
도 3은 본 발명에 따른 수직 공진 표면 발광 레이저 다이오드 에피구조의 단면도이고, 도 4는 본 발명에 따른 DBR 구조물을 갖는 수직 공진 표면 발광 레이저 다이오드의 제조 공정을 나타내는 제조 블록도이고, 도 5는 도 3의 상부 DBR 구조물(340)의 에피구조 확대 단면도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 수직 공진 표면 발광 레이저 다이오드(300)는 InP 기판(310), 하부 DBR 구조물(320), 캐비티(330), 및 상부 DBR 구조물(340)을 포함한다. 이러한 구조의 수직 공진 표면 발광 레이저 다이오드(300)를 제작하기 위해서는, 우선, InP 기판(300)을 준비한다(S410). InP기판(310)을 준비한 다음(S410), InP기판(310) 상에 하부 DBR 구조물(320)을 형성한다(S420).
하부 DBR 구조물(320)을 형성하는 공정(S420)은, 단계(S421, S422, S423)를 포함한다. 하부 DBR 구조물(320)을 형성하기 위해서는, 우선, InP 기판(310) 상에 소정의 굴절률을 가지는 InAlGaAs층(321)을 형성한다(S421). InAlGaAs층(321)의 굴절률의 범위는 3.3 ~3.5 이다. 이후, InAlGaAs층(321) 상에 InAlAs층(322)을 형성한다(S422). 상기 InAlAs층(322)의 굴절률은 InAlGaAs층(321) 굴절률보다 작은 3.2 ~ 3.24 범위이다.
그 다음, InAlGaAs층(321)과 InAlAs층(322)을 소정 주기 반복 형성되었는지를 확인한다(S423). 본 실시 예에서는 InAlGaAs층(321)과 InAlAs층(322)의 적층 주기가 생략되어 있지만, 48주기 정도 적층한다. 단계 (S423)에서, InAlGaAs층(321)과 InAlAs층(322)이 소정 주기 반복 형성되지 않았다면, (S421)로 돌아가서 하부 DBR 구조물(320)을 형성하는 단계들을 반복 수행하고, 원하는 적층 주기만큼 적층되었다면, 캐비티(330)를 형성하는 공정(S430)으로 넘어간다.
캐비티(330)를 형성하는 공정(S430)은 단계(S431 ~ S435)를 포함한다. 캐비티(330)를 형성하기 위해서는, 하부 DBR 구조물(320) 상에 광학적 필드의 가이드 층 및 클래드 층으로 사용되는 InP층(331)을 형성하고(S431), InP층(331)상에는 장벽층(334)을 형성하고(S432), 상기 장벽층(334) 상에는 양자 우물층(333)을 형성한다(S433). 다음, 양자 우물층(333) 상에는 장벽층(334)을 더 형성하며, 장벽층(334) 상에는 InP층(331)을 더 형성한다(S435). 상기 양자 우물층(333)과 장벽층(334)은 활성층(332)을 이룬다. 여기서, 캐비티(330)의 두께(d)는, 통상적으로 발진 파장을 λ라 하였을 때, d = (k + 1/2) ×λ(k = 정수)를 이용한다.
캐비티(330)가 형성된 다음에는, 상부 DBR 구조물(340)을 형성하는 공정(S440)으로 넘어간다. 도 5를 참조하면, 상부 DBR 구조물(340)을 형성하기 위해서는, 캐비티(330) 상에 InAlGaAs층(341)을 형성한다(S441). InAlGaAs층(341) 상에는 InAlAs층(342)을 형성하여(S442), InAlGaAs/InAlAs DBR층(A)을 구성한다. 그 다음, InAlGaAs층(341)과 InAlAs층(342)으로 이루어진 InAlGaAs/InAlAs DBR층(A)이 소정 개수 적층되었는지를 확인한다(S443). (S443) 단계에서, InAlGaAs/InAlAs DBR층(A)이 소정 개수 적층되지 않았다면, (S441)로 돌아가서 단계 (S441)과 단계 (S442)를 반복 수행한다.
한편, InAlGaAs/InAlAs DBR층(A)이 원하는 개수 만큼 적층되었다면, InAlGaAs층(341)을 적층한 다음, InAlGaAs층(341) 상에 InP층(343)을 적층하여(S444,445), InAlGaAs/InP DBR층(B)을 구성한다. InP층(343)의 굴절률은 상기 InAlAs층(342)과 거의 유사한 굴절률을 갖는다. 이때, InAlGaAs/InAlAs DBR층(A)의 적층 개수는 3 ~ 20개에서 선택하여 적층할 수 있지만, DBR 구조물의 성장을 복잡하게 하지 않으면서, 본 발명의 효과를 제공하기 위해서는 InAlGaAs/InP DBR층(B)을 최소의 개수로 적층하는 것이 바람직하다. 본 실시 예에서는 전체 적층 개수를 48개로 하고 InAlGaAs/InAlAs DBR층(A)을 10번 적층할 때마다 InAlGaAs/InP DBR층(B)을 한번 적층하는 것을 개시하고 있다.
다음, InAlGaAs/InAlAs DBR층(A)과 InAlGaAs/InP DBR층(B)이 원하는 개수만큼 적층되었는지를 판단한다(S446). InAlGaAs/InAlAs DBR층(A)과 InAlGaAs/InP DBR층(B)이 원하는 개수만큼 적층되지 않았다면, (S441)로 돌아가고, 원하는 개수만큼 적층되었다면, 수직 공진 표면 발광 레이저 다이오드의 제작 공정을 끝낸다.
전술한 실시 예에서는 상부 DBR 구조물(340)을 InAlGaAs/InAlAs DBR층(A)과 InAlGaAs/InP DBR층(B)으로 적층하는 것이 개시되어 있으나, 하부 DBR 구조물(320)을 InAlGaAs/InAlAs DBR층(A)과 InAlGaAs/InP DBR층(B)으로 형성할 수 있음은 물론이고, 상부 및 하부 DBR 구조물 모두를 전술한 구조로 형성할 수 있다.
상부 DBR 구조물(340)을 확대 개시한 도 5를 다시 한번 참조하면, 상부 DBR 구조물(340)은 InAlGaAs/InAlAs DBR층(A)을 9회 반복 적층한 다음(예, 9번), 10 번째에서 InAlGaAs/InP DBR층(B)을 적층한 구조이다. 이때, InAlAs층(342) 대신 에피 성장되는 InP층(343)의 두께는, 발진파장이 λ이고 InP층(343)의 굴절률이 q일 때 λ/4q로써 제조할 수 있다. 예를 들어, 발진파장이 1.31㎛고, InP층(343)의 굴절률이 3.2이라면, InAlAs층(342) 대신 성장하는 InP층(343)의 두께는 102.3㎚이다.
또한, InAlAs층(342) 대신 InP층(343)이 삽입되는 회수는 성장 방법(즉, 성장 메커니즘이 화학적인 방법인 금속 유기물 화학 기상 증착법(MOCVD)인지 또는 성장률이 MOCVD보다 낮으며 성장 메커니즘이 물리적인 방법인 분자선 증착 방법(MBE)인지)에 따라 달라질 수 있다. 또한, InAlAs층(342) 대신 InP층(343)이 삽입되는 개수는 성장 조건(예를 들면, 온도 조건), 그리고, InAlGaAs층(341)의 조성비에 따라 달라질 수 있다. InAlGaAs층(341)의 조성비는 약 1.3㎛ 레이저 다이오드를 제작하느냐, 약 1.5㎛ 레이저 다이오드를 제작하느냐에 따라 다르게 하는 것이 바람 직하다. 다만, 상기 DBR은 InP기판(310)에 성장되는 것이므로 In의 조성은 약 0.52를 유지하고, [Al + Ga]의 조성을 약 0.48 이내에서 조절해야 한다.
더 고려해야 할 사항은 InAlGaAs층(341)을 성장 한 후, InAlAs층(342)을 대신하여 InP층(343)을 삽입 성장시킬 경우, 비소(As)의 캐리 오버(carry-over) 효과로 인해 계면에 원하지 않는 InAsP와 같은 전이층(transitional-layer)이 생성될 수 있으므로, InAlGaAs층(341)을 성장한 후 InP층(343)을 성장하기 전에, 적절한 성장 인터럽션(interruption)을 주어 가스의 스위칭(switching)을 조절해 주어야 한다.
본 실시 예에서는 다음과 같은 순서의 성장 인터럽션을 이용하였다. 우선, InAlGaAs층(341)을 TMIn, TMAl, TMGa의 Ⅲ족 MO 소스와 함께 AsH3 gas를 흘려보내면서 성장시키고, 그 다음, 소정 시간 동안(예, 6초) Ⅲ족 MO 소스를 모두 끊고 오직 AsH3 가스만 흐르게 한다. 그 다음, 소정 시간(약 3초) 동안 Ⅲ족 MO 소스와 함께 AsH3 가스도 끊어 오직 수소(H2) 가스만이 챔버 안에 있게 한 후, 소정 시간(약 6초) 동안 다음 에피층인 InP층(343)에 V족 가스인 PH3 가스를 Ⅲ족 MO 소스 없이 흘려준다. 그리고, TMIn 소스를 흘려 InP층(343)을 성장시킨다. 한편, InP층(343)이 성장된 다음, InAlGaAs층(341)을 성장할 때에는 별다른 성장 인터럽션을 주지 않아도 계면에 영향을 주지 않는다.
도 6은 본 발명에 따라 제조된 DBR 구조의 표면 AFM 이미지이다. 도 6은 전술한 제작 방법을 이용하여 48 주기의 InAlGaAs/InAlAs DBR층을 적층하면서 10 주기마다 InAlGaAs/InP DBR층을 대체시킨 DBR 구조물의 표면을 AFM(Atomic Force Microscopy)을 이용하여 20㎛ X 20㎛ 크기로 측정한 이미지이다. 도 6에 도시된 바에 따르면, 본 발명에 따라 제작된 InAlGaAs/InAlAs DBR층과 InAlGaAs/InP DBR층으로 이루어진 DBR 구조물의 표면에서는 마름모꼴의 결함을 찾아 볼 수 없으며, 게다가, 표면 상태가 거의 고른 계단 형태를 유지하고 있다. 이 경우 표면 거칠기가 0.2㎚ 정도로, 기존 기술에 의해 형성된 InAlGaAs/InAlAs DBR 구조물의 표면 거칠기(30㎚)에 비해 현저하게 낮아졌음을 확인할 수 있다.
결과적으로, 표면 거칠기가 향상되는 이유는, InAlGaAs층(341)에 비해 Al의 조성이 높은 InAlAs층(342)의 두께가 두꺼워지면서, 상 전이, 스트레인, In과 Al 분자의 이동길이(migration length), Al에 따른 결함 등에 의해 발생하는 결함(마름모꼴 형태)이 발생하기 전에 InAlAs층(342) 대신 InP층(343)을 대체함으로써, DBR구조가 InP상에서 새로 성장하는 것처럼, 즉, 적층된 InAlAs층(342) 두께가 리셋(reset) 되는 효과를 제공하기 때문이다. 한편, InAlGaAs층에서도 InAlAs층과 마찬가지로 일정 두께 이상으로 성장하면 표면에 결함이 발견될 수 있으나, InAlAsGa층(341)은 InAlAs층(342)에 비해 상대적으로 Al조성비가 작아, InAlAs층의 두께에 비해 현저히 두꺼워졌을 때 결함이 발생하므로 InAlGaAs층에 대해서는 특별히 고려하지 않는다.
본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시 예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시 예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의 하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술 분야의 통상적인 전문가라면 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 실시 예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
이상, 전술에 따르면, 본 발명은 장파장용 수직 공진 표면 발광 레이저 다이오드에 사용되는 InAlGaAs/InAlAs DBR층이 일정 회수 적층될 때마다 InAlGaAs/InP DBR층을 에피 성장시킴으로써, InAlGaAs/InAlAs만으로 제작된 DBR구조물에 비해 우수한 표면 특성을 가지므로 반사율을 향상시킬 수 있다.
또한, DBR 구조물의 반사율이 향상되므로, 소자 자체의 특성이 향상된 장파장용 수직 공진 표면 발광 레이저 다이오드를 제공할 수 있다.

Claims (17)

  1. InP 기판과,
    상기 InP기판 상에 적층되며, InAlGaAs층 및 상기 InAlGaAs층보다 낮은 굴절률을 갖는 InAlAs층으로 이루어진 복수의 InAlGaAs/InAlAs DBR층과,
    상기 복수의 InAlGaAs/InAlAs DBR층 사이에 주기적으로 형성된 상기 InAlGaAs층 및 InP층으로 이루어진 InAlGaAs/InP DBR층
    을 포함하는 수직 공진 표면 발광 레이저 다이오드의 DBR 구조물.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 InAlGaAs/InP DBR층은 3 내지 20 개의 상기 InAlGaAs/InAlAs DBR층마다 형성된 수직 공간 표면 발광 레이저 다이오드의 DBR 구조물.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 InAlGaAs층의 굴절률은 3.3 ~ 3.5인 수직 공진 표면 발광 레이저 다이오드의 DBR 구조물.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 InAlAs층의 굴절률은 3.2 ~ 3.24인 수직 공진 표면 발광 레이저 다이오드의 DBR 구조물.
  5. 삭제
  6. (ⅰ)InP 기판을 형성하는 단계와,
    (ⅱ)InAlGaAs층 및 상기 InAlGaAs층보다 낮은 굴절률을 갖는 InAlAs층으로 이루어진 InAlGaAs/InAlAs DBR층을 상기 InP기판 상에 복수 개 적층하는 단계와,
    (ⅲ)상기 적층된 InAlGaAs/InAlAs DBR층 상에 상기 InAlGaAs층 및 InP층으로 이루어진 InAlGaAs/InP DBR층을 형성하는 단계와,
    (ⅳ) 상기 (ⅱ) 및 상기 (ⅲ) 단계를 2회 이상 반복하는 단계
    를 포함하는 수직 공진 표면 발광 레이저 다이오드의 DBR 제조 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 InAlGaAs/InP DBR층을 3 내지 20 개의 상기 InAlGaAs/InAlAs DBR층마다 형성하는 수직 공진 표면 발광 레이저 다이오드의 DBR 제조 방법.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 InAlGaAs층, 상기 InAlAs층 및 상기 InP층은 n-타입 도펀트 또는 p-타입 도펀트 중 하나를 이용하여 도핑되는 수직 공진 표면 발광 레이저 다이오드의 DBR 제조 방법.
  9. 제6항에 있어서,
    내부 공진 접합(intra-cavity junction)을 이용하는 경우, 상기 InAlGaAs층, 상기 InAlAs층 및 상기 InP층은 도핑되지 않는 수직 공진 표면 발광 레이저 다이오드의 DBR 제조 방법.
  10. InP 기판상에 형성되는 하부 DBR 구조물과, 상기 하부 DBR 구조물 상에 형성되는 캐비티 영역과, 상기 캐비티 영역 상에 형성되는 상부 DBR 구조물을 포함하며,
    상기 하부 DBR 구조물 및 상기 상부 DBR 구조물 중 적어도 하나는,
    상기 InP기판 상에 적층되며, InAlGaAs층 및 상기 InAlGaAs층보다 낮은 굴절률을 갖는 InAlAs층으로 이루어진 복수의 InAlGaAs/InAlAs DBR층과,
    상기 복수의 InAlGaAs/InAlAs DBR층 사이에 주기적으로 형성된 상기 InAlGaAs층 및 InP층으로 이루어진 InAlGaAs/InP DBR층
    을 포함하는 수직 공진 표면 발광 레이저 다이오드.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 InAlGaAs/InP DBR층은 3 내지 20 개의 상기 InAlGaAs/InAlAs DBR층마다 형성된 수직 공진 표면 발광 레이저 다이오드.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 InAlGaAs층의 굴절률은 3.3 ~ 3.5인 수직 공진 표면 발광 레이저 다이오드.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 InAlAs층의 굴절률은 3.2 ~3.24 인 수직 공진 표면 발광 레이저 다이오드.
  14. 삭제
  15. 제10항에 있어서,
    상기 상부 DBR 구조물 및 하부 DBR 구조물은 n-타입 도펀트 또는 p-타입 도펀트를 이용하여 도핑되는 수직 공진 표면 발광 레이저 다이오드.
  16. 제10항에 있어서,
    내부 공진 접합(intra-cavity junction)을 이용하는 경우, 상기 상부 DBR 구조물 및 하부 DBR 구조물은 도핑되지 않는 수직 공진 표면 발광 레이저 다이오드.
  17. 제10항에 있어서,
    발진 파장이 1㎛ ~ 1.6㎛인 레이저를 사용하는 수직 공진 표면 발광 레이저 다이오드.
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