KR100950263B1 - 마이크로렌즈를 포함한 단일모드 수직 공진식표면발광레이저 및 그 제조방법 - Google Patents

마이크로렌즈를 포함한 단일모드 수직 공진식표면발광레이저 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

반도체 기판과, 상기 반도체 기판 상에 형성되며, 산화율이 서로 다른 적어도 두개의 반도체 물질층이 교번되게 적층되어 형성된 하부반사기층과, 상기 하부반사기층의 상부에 형성되는 공진기층과, 상기 공진기층 상에 형성되며, 중앙부에 전류주입구가 형성된 산화가능층과, 상기 산화가능층의 상면에 형성된 오믹접촉층과, 상기 오믹접촉층 상에 형성되며, 산화율이 서로 다른 적어도 2개의 반도체 물질층이 교번되게 적층되어 중앙부에 고차 횡모드의 억제를 위한 모드선택개구가 형성된 상부반사기층과, 상기 상부반사기층 상에 형성되며, 산화율을 점진적으로 증가시킨 반도체 물질층이 적층되어 중앙부에 곡률반경을 갖는 마이크로렌즈가 형성된 마이크로렌즈 형성층을 포함함으로써, 한번의 산화 공정으로 전류주입구와 모드선택개구부는 물론 마이크로렌즈를 형성하여 부가적인 공정과정 없이 안정적인 단일모드로 동작할 수 있는 효과가 있다.
수직 공진식 표면발광레이저, 전류주입구, 모드선택개구, 마이크로렌즈, 습식 산화

Description

마이크로렌즈를 포함한 단일모드 수직 공진식 표면발광레이저 및 그 제조방법{MICRO-LENS INTEGRATED SINGLE-MODE VERTICAL CAVITY SURFACE EMITTING LASER AND METHOD FOR MANUFACTURING THEREOF}
본 발명은 마이크로렌즈를 포함한 단일모드 수직 공진식 표면발광레이저 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 한번의 산화공정으로 전류주입구와 모드선택개구는 물론 마이크로렌즈를 형성하여 안정된 단일모드로 동작할 수 있으며, 마이크로렌즈를 광전소자와 자기정렬 구조로 집적할 수 있어 저가의 마이크로렌즈가 집적된 광전소자의 제작이 가능한 마이크로렌즈를 포함한 단일모드 수직 공진식 표면발광레이저 및 그 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로, 수직 공진식 표면발광레이저(Vertical Cavity Surface Emitting Laser, VCSEL)는 낮은 문턱전류, 높은 전광 변환 효율, 고속 동작, 원형의 출력 빔, 2차원 어레이 형성의 용이성, 웨이퍼 상태에서 특성 측정 가능성 등 많은 장점들로 인해 다중모드 광섬유를 전달 매질로 하는 근거리 광섬유 통신에서 표준 광원 으로 인정받고 있다.
최근에는 다중 모드간 간섭에 의한 잡음이 전송속도를 제한하는 요인이 되는 10Gbps 이상의 고속 데이터 전송이나 광 크로스토크(Crosstalk) 감소와 광 효율의 증가를 위해 작은 광 퍼짐(Beam Divergence)을 필요로 하는 자유공간 광 연결 응용에서 단일모드 수직 공진식 표면발광레이저(VCSEL)의 필요성이 증가하고 있다.
AlGaAs의 선택적 산화에 의해 형성되는 수직 공진식 표면발광레이저(VCSEL) 내부의 전류주입구는 문턱전류를 낮추고 전광변환 효율을 증가시키는 등 전반적으로 수직 공진식 표면발광레이저(VCSEL)의 특성을 향상시키는데 주요한 역할을 했다.
그러나, Al-산화막의 낮은 굴절율로 인해 수직 공진식 표면발광레이저(VCSEL)의 단일 횡모드 동작을 위해서는 통상 3㎛ 이하의 전류주입 구경을 필요로 한다. 이처럼 작은 전류주입구는 단일모드 동작을 가능하게 하나 소자의 직렬저항을 증가시켜 동작속도를 감소시키고 출력 빔의 퍼짐을 증가시키고 광 출력을 감소시켜 전반적인 광 효율을 감소시키는 요인이 된다.
또한, 정확한 산화 깊이의 조절이 어려우므로 작은 전류주입구를 갖는 단일모드 수직 공진식 표면발광레이저(VCSEL) 어레이의 제작 시 균일도와 재현성이 감소하는 단점이 있다.
따라서, 대구경 전류주입구를 갖고 단일모드로 동작하는 수직 공진식 표면발광레이저(VCSEL)를 얻기 위해 표면 제거 에칭(Suface Relief Etching), 확장 모놀리식 광 공진기(Extended Monolithic Optical Cavity), 이온주입과 산화막 구경의 혼용, ARROW(Antiresonant Reflecting Optical Waveguide) 구조 등 다양한 방법들이 제기되었다.
그러나, 전술한 종래의 방법들은 여러 단계의 복잡한 제작 공정을 필요로 하여 제작 단가가 높고 수율이 떨어지는 문제점이 있다.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 한번의 습식 산화공정으로 산화막 전류주입구와 고차 횡모드의 억제를 위한 모드선택개구는 물론 마이크로렌즈를 형성하여 부가적인 공정과정 없이 안정적인 단일모드로 동작하는 마이크로렌즈를 포함한 수직 공진식 표면발광레이저 및 그 제공방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 제조 단가를 낮추고 수율을 향상시킬 수 있도록 한 단일모드 마이크로렌즈를 포함한 수직 공진식 표면발광레이저 및 그 제조방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 알루미늄을 포함한 반도체 물질층의 선택적 산화를 이용한 마이크로렌즈를 형성하고, 상기 마이크로렌즈를 광전소자 상에 집적할 수 있도록 하는 마이크로렌즈를 포함한 수직 공진식 표면발광레이저 및 그 제조방법을 제공하는데 있다.
전술한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 제1 측면은, 반도체 기판; 상기 반도체 기판 상에 형성되며, 산화율이 서로 다른 적어도 두개의 반도체 물질층이 교번되게 적층되어 형성된 하부반사기층; 상기 하부반사기층의 상부에 형성되는 공진기층; 상기 공진기층 상에 형성되며, 중앙부에 전류주입구가 형성된 산화가능층; 상기 산화가능층의 상면에 형성된 오믹접촉층; 상기 오믹접촉층 상에 형성되며, 산화율이 서로 다른 적어도 2개의 반도체 물질층이 교번되게 적층되어 중앙부에 고차 횡모드의 억제를 위한 모드선택개구가 형성된 상부반사기층; 및 상기 상부반사기층 상에 형성되며, 산화율을 점진적으로 증가시킨 반도체 물질층이 적층되어 중앙부에 곡률반경을 갖는 마이크로렌즈가 형성된 마이크로렌즈 형성층을 포함하는 마이크로렌즈를 포함한 단일모드 수직 공진식 표면발광레이저를 제공하는 것이다.
여기서, 상기 마이크로렌즈 형성층은 산화율이 서로 다른 적어도 두개의 반도체 물질층이 교번되게 적층되어, 상기 산화율이 서로 다른 적어도 두개의 반도체 물질층 중 산화율이 최대인 층에 대한 두께를 조절함으로써 산화율이 점진적으로 증가되도록 하는 것이 바람직하다.
바람직하게는, 상기 마이크로렌즈 형성층에 포함된 반도체 물질층은 알루미늄을 포함한 3원소 또는 4원소화합물의 조합에 의해 형성되며, 알루미늄과 조합된 2원소 또는 3원소 화합물의 두께로써 산화율이 조절되는 디지털 합금으로 형성될 수 있다.
바람직하게는, 상기 마이크로렌즈의 중심부에서의 높이는 1㎛ 내지 2㎛일 수 있다.
바람직하게는, 상기 전류주입구의 직경은 5㎛ 내지 10㎛이며, 상기 모드선택개구의 직경은 8㎛ 내지 13㎛일 수 있다.
본 발명의 제2 측면은, (a) 반도체 기판 상에 하부반사기층; 공진기층; 산화가능층; 오믹접촉층; 산화율이 서로 다른 적어도 두개의 반도체 물질층이 교번되게 적층된 상부반사기층; 및 상기 상부반사기층 상에 형성되며, 산화율을 점진적으로 증가하도록 하여 적층한 반도체 물질층으로 형성되는 마이크로렌즈 형성층을 순차적으로 적층하는 단계; (b) 적층된 상기 상부반사기층 및 마이크로렌즈 형성층의 측면이 노출되도록 식각하여 제1 메사(mesa) 구조를 형성하며, 상기 산화가능층의 측면이 노출되도록 식각하여 상기 제1 메사 구조와 중심부가 정렬되는 제2 메사 구조를 형성하는 단계; 및 (C) 노출된 상기 산화가능층의 측면과 상기 상부반사기층의 측면 및 상기 마이크로렌즈 형성층의 측면을 동시에 산화하여 상기 산화가능층의 중앙부에 전류주입구를 형성하고, 상기 상부반사기층의 중앙부에 고차 횡모드의 억제를 위한 모드선택개구를 형성함과 동시에 상기 마이크로렌즈 형성층의 중앙부에 곡률 반경을 갖는 마이크로렌즈를 형성하는 단계를 포함하는 단일모드 수직 공진식 표면발광레이저의 제조방법을 제공하는 것이다.
여기서, 상기 단계(a)에서, 상기 마이크로렌즈 형성층은 산화율이 서로 다른 적어도 두개의 반도체 물질층을 교번되게 적층하여, 상기 산화율이 서로 다른 적어도 두 개의 반도체 물질층 중 산화율이 최대인 층에 대한 두께를 조절함으로써 산화율을 점진적으로 증가하도록 하는 것이 바람직하다.
바람직하게는, 상기 단계(a)에서, 상기 마이크로렌즈 형성층에 포함된 반도체 물질층은 알루미늄을 포함한 3원소 또는 4원소화합물의 조합에 의해 형성되며, 알루미늄과 조합된 2원소 또는 3원소 화합물의 두께로써 산화율을 조절하는 디지털 합금으로 형성할 수 있다.
바람직하게는, 상기 단계(c)에서, 상기 모드선택개구는 상기 상부반사기층 내에 형성된 산화율이 서로 다른 적어도 두개의 반도체 물질층 중 산화율이 최대인 층을 산화하여 형성할 수 있다.
바람직하게는, 상기 단계(c)에서, 상기 모드선택개구의 직경은 상기 상부반사기층 내에 형성된 산화율이 서로 다른 적어도 두개의 반도체 물질층 중 산화율이 최대인 층에 대한 산화율 조절을 통해 조절할 수 있다.
바람직하게는, 상기 단계(c)에서, 상기 마이크로렌즈는 상기 마이크로렌즈 형성층 내에 산화율을 점진적으로 증가하도록 하여 적층한 반도체 물질층의 산화율에 따라 지수적으로 산화되어 곡률 반경을 갖는 렌즈 모양을 형성할 수 있다.
바람직하게는, 상기 단계(c)에서, 상기 습식 산화공정은 300℃∼500℃의 온도범위에서 30분∼200분 동안 수행할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같은 본 발명의 마이크로렌즈를 포함한 단일모드 수직 공진식 표면발광레이저 및 그 제조방법에 따르면, 수직 공진식 표면발광레이저(VCSEL)의 상부 분산된 브래그 거울층에 모드선택개구를 형성하여 대구경의 전류주입구를 갖으면서 높은 동작 전류까지 안정된 단일모드로 동작할 수 있으며, 종래의 기술들에 비해 구조 및 제조방법이 간단하여 제조 단가를 낮추고 수율을 향상시 킬 수 있는 이점이 있다.
또한, 본 발명의 마이크로렌즈를 포함한 단일모드 수직 공진식 표면발광레이저 및 그 제조방법에 따르면, 초소형 고밀도의 마이크로렌즈 어레이의 제작이 가능하고, 마이크로렌즈가 광전소자의 자기정렬 구조로 집적될 수 있어 저가의 마이크로렌즈가 집적된 광전소자의 제작이 가능하며, 광통신, 광연결 시스템의 패키징 비용을 절감시키고 성능을 향상시킬 수 있는 이점이 있다.
또한, 본 발명의 마이크로렌즈를 포함한 단일모드 수직 공진식 표면발광레이저 및 그 제조방법에 따르면, 상부 분산된 브래그 거울층의 상부에 마이크로렌즈를 형성함으로써, 모드선택개구를 형성했을 때 발생하는 기저모드에 대한 광손실을 최소화 할 수 있는 이점이 있다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다. 그러나, 다음에 예시하는 본 발명의 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 상술하는 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예는 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되어지는 것이다.
도 1a 및 도 1b는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로렌즈를 포함한 단일모드 수직 공진식 표면발광레이저를 설명하기 위한 단면도이다.
도 1a를 참조하면, n형 반도체 기판(100) 상에 하부반사기층(200), 공진기층(300), 산화가능층(400), p형 오믹(Ohmic)접촉층(500), 상부반사기층(600), 마이크로렌즈 형성층(700)이 순차적으로 적층되어 있고, p형 오믹접촉층(500)의 상부에 상부전극 즉, p형 전극(900)이 적층되어 있으며, 반도체 기판(100)의 후면에 하부전극 즉, n형 전극(900')이 형성되어 있다.
여기서, 반도체 기판(100)은 예컨대, GaAs, GaP, InP, InGaAs, 사파이어, GaN 등이 사용될 수 있다. 이러한 반도체 기판(100)의 재료와 동일한 재료로 반도체 기판(100) 상에 버퍼층(미도시)이 형성될 수도 있다.
하부반사기층(200) 및 상부반사기층(600)은 각각 하부 분산된 브래그 거울 및 상부 분산된 브래그 거울로서, 서로 다른 산화율을 갖는 적어도 2개의 반도체 물질층 예컨대, 알루미늄 조성비에 따라 서로 다른 산화율을 갖는 두 반도체 물질층 즉, 저산화율층(210, 610)과 고산화율층(220, 620) 예컨대, GaAs-Al0.9Ga0.1As층이 약 20번 내지 40번 정도 교번되게 적층하여 형성된다.
또한, 하부반사기층(200) 및 상부반사기층(600)의 한 주기의 광학적 두께는 설계된 발진파장의 1/4이 되도록 형성됨이 바람직하다. 그리고, 상부반사기층(600) 및 마이크로렌즈 형성층(700)은 식각 공정에 의해 제1 메사(mesa)(E) 구조로 이루어진다.
공진기층(300)은 공진기의 광학적 두께가 설계된 발진파장이 되도록 하는 공간층(310)과, 공간층(310) 사이에 개재되며 주입된 전자와 정공이 결합하여 빛을 발생하는 활성층(320)으로 구성되어 있으며, 활성층(320)은 광 이득을 크게 하기 위해 다중 양자우물 구조로 이루어짐이 바람직하다.
산화가능층(400)은 예컨대, 습식 산화공정을 통해 중앙부에 소정의 직경(바람직하게는, 약 5㎛ 내지 10㎛ 정도)을 갖는 전류주입구(A)가 형성되어 있으며, 전류주입구(A)를 제외한 영역(B)은 산화가능층(400)이 산화된 후 예컨대, 알루미늄 산화막이 형성된다.
이때, 전류주입구(A)는 p형 오믹접촉층(500)으로부터 인가된 전류가 활성층(320)의 중앙부로 유도되도록 안내하는 기능을 수행한다.
한편, 산화가능층(400) 및 p형 오믹접촉층(500)은 식각 공정에 의해 제1 메사(E)와 중심부가 정렬되는 제2 메사(mesa)(F) 구조로 이루어진다.
그리고, 상부반사기층(600)내의 고산화율층(620)은 예컨대, 알루미늄 함유율이 높은 물질로 구성됨에 따라 전류주입구(A)를 형성하기 위한 산화 공정 시 일부영역(D)이 자연스럽게 산화되고 이렇게 산화된 일부영역(D)은 활성층(320)에서 발생한 빛이 공진할 때 높은 산란 손실과 거울 손실을 제공한다.
또한, 상부반사기층(600)의 중앙부 즉, 산화된 일부영역(D)을 제외한 부분에는 고차 횡모드의 억제를 위한 모드선택개구(C)가 형성되어 있다. 이때, 모드선택개구(C)의 직경은 약 8㎛ 내지 13㎛로 이루어짐이 바람직하다.
한편, 마이크로렌즈 형성층(700)은 예컨대, 습식 산화공정을 통해 중앙부에 곡률 반경을 갖는 마이크로렌즈(L)를 형성한다.
즉, 마이크로렌즈 형성층(700)의 산화율을 점진적으로 증가시키면서 반도체 물질층을 적층하고, 상기 적층된 반도체 물질층의 산화율이 증가함에 따라 산화공정 시 산화속도가 지수적으로 증가하도록 하여 곡률 반경을 갖는 렌즈 형태의 단면 구조를 갖게 하는 것이다.
이때, 마이크로렌즈 형성층(700)은 서로 다른 산화율을 갖는 적어도 2개의 반도체 물질층 예컨대, 알루미늄 조성비에 따라 서로 다른 산화율을 갖는 두 반도체 물질층 즉, 저산화율층(710)과 고산화율층(720)이 교번되게 적층되어, 그 중 산화율이 높은 고산화율층(720)에 대한 두께를 조절함으로써 산화율이 증가되도록 하는데, 이는, 알루미늄 조성비를 보다 정확하게 하고, 산화공정 시 수직 방향의 산화를 억제하기 위한 것이다.
여기서, 산화율이 상대적으로 높은 고굴절율층(720)은 알루미늄 함유율이 높은 물질로 구성되기 때문에, 전류주입구(A) 및 모드선택개구(C)를 형성하기 위한 산화공정 시 고굴절율층(720)의 두께를 점진적으로 증가시킴으로써 산화율이 점진적으로 증가하게 되어 산화되는 정도가 지수적으로 증가함으로써 자연스럽게 곡률 반경을 갖는 마이크로렌즈(L)를 형성할 수 있게 된다.
또한, 고산화율층(720)의 두께를 적절히 조절하면, 마이크로렌즈(L)의 모양을 구면 또는 비구면 렌즈로 형성할 수 있으며, 형성된 마이크로렌즈(L)의 중심부에서의 높이는 1㎛ 내지 2㎛로 할 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로렌즈 형성층(700)의 일 예로써, 도 1b를 참조하면, 마이크로렌즈 형성층(700)에 포함된 반도체 물질층을 예컨대, 알루미늄을 포함한 3원소(예컨대, AlGaAs) 또는 4원소(예컨대, InGaAlAs 또는 InGaAlP) 화합물의 조합으로써 형성할 수 있는데, 이러한 반도체 물질층을 알루미늄의 포함 유무에 따라, 두 개의 화합물층 즉, 알루미늄을 포함하지 않는 저산화율층(710') 및 알루미늄을 포함한 고산화율층(720')으로 이분하여 적층함으로써 마이크로렌즈 형성층(700)을 형성할 수 있다.
즉, 반도체 물질층이 3원소 반도체 물질층 예컨대, AlGaAs 반도체 물질층일 경우, 알루미늄을 포함하는 2원소 화합물층 즉, AlAs 화합물층 및 알루미늄을 포함하지 않는 2원소 화합물층 즉, GaAs 화합물층으로 이분하여 예컨대, 디지털 합금의 형태로써 두 층(즉, AlAs 화합물층 및 GaAs 화합물층)이 적층된 3원소 화합물층을 형성한 후, 이렇게 형성된 3원소 화합물층을 거듭 적층하여 마이크로렌즈 형성층(700)을 형성할 수 있다.
이때, 알루미늄이 포함된 2원소 화합물층 즉, AlAs 화합물층의 두께를 조절함으로써 알루미늄 함유율을 증가시켜 적층할 수 있으며, 그 두께는 수십Å 내지 수백Å으로 할 수 있다.
한편, 알루미늄이 포함되지 않은 2원소 화합물층 즉, GaAs 화합물층은 10Å의 두께로 할 수 있으며, 두 층 즉, AlAs 화합물층 및 GaAs 화합물층은 약 100번 정도 적층되어 마이크로렌즈 형성층(700)을 형성한다.
또한, 반도체 물질층이 4원소의 반도체 물질층일 경우에는 예컨대, InGaAlAs 화합물층의 경우, InAlAs 화합물층 및 InGaAs 화합물층으로, 또한, InGaAlP 화합물층의 경우, InAlP 화합물층 및 InGaP 화합물층으로 즉, 3원소로 조합된 화합물층으로 이분하여 디지털 합금 형태로써 4원소 화합물층을 형성하여 적층할 수 있다.
이렇게 적층된 마이크로렌즈 형성층(700)은 상대적으로 높은 산화율을 갖는 고산화율층(720')의 두께를 점진적으로 증가시킴으로써, 산화공정 시 산화되는 정도가 지수적으로 증가하도록 하여 곡률 반경을 갖는 마이크로렌즈(L, 도 1a 참조)를 형성할 수 있다.
한편, 전술한 마이크로렌즈(L)는, VCSEL의 광출력을 마이크로렌즈(L)와 공기와의 계면에서 일부 반사시켜, 반사된 광을 다시 공진기 내부로 피드백(Feedback)되도록 하는데, 이때, 마이크로렌즈(L)가 오목거울의 역할을 하게 되어 피드백되는 광이 VCSEL의 중심으로 집중된다.
여기서, VCSEL의 중심으로 피드백되는 광은 VCSEL의 중심에서 광의 세기가 최대인 기저모드와 공간적으로 가장 잘 부합하므로 기저모드의 발진이 고차 횡모드에 비해 선호된다.
따라서, 모드선택개구(C)를 형성할 경우 발생하는 광출력의 저하 즉, 고차 횡모드 및 기저모드가 공간적으로 완전히 분리되지 않고 중첩되는 부분이 있기 때문에 발생하는 기저모드에 대한 광손실을 최소화 할 수 있게 된다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 적용된 제1 및 제2 메사(E, F) 구조 및 모드선택개구(C)는 원형으로 이루어짐이 바람직하지만, 이에 국한하지 않으며, 마름모형, 사각형, 다각형 등 형태를 만들 수 있는 모든 형태로 이루어질 수도 있다.
도 2a 내지 도 2e는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로렌즈를 포함한 단일모드 수직 공진식 표면발광레이저의 제조방법을 설명하기 위한 단면도이다.
도 2a를 참조하면, 반도체 기판(100) 상에 하부반사기층(200), 공간층(310)과 활성층(320)을 포함하는 공진기층(300), 전류주입구(A, 도 2d 참조)를 형성하기 위한 산화가능층(400), p형 오믹접촉층(500), 상부반사기층(600) 및 마이크로렌즈 형성층(700)을 순차적으로 적층하여 수직 공진식 표면발광레이저(VCSEL) 에피층 구조를 형성한다.
여기서, 하부반사기층(200) 및 상부반사기층(600)은 예컨대, 알루미늄 조성비에 따라 서로 다른 산화율을 갖는 두 반도체 물질층 즉, 저산화율층(210, 610)과 고산화율층(220, 620)이 약 20번 내지 40번 정도 교번되게 적층하여 형성한다.
또한, 마이크로렌즈 형성층(700)은 예컨대, 알루미늄 조성비에 따라 서로 다른 산화율을 갖는 두 반도체 물질층 즉, 저산화율층(710)과 고산화율층(720)이 교번되게 적층되어 형성됨과 아울러 산화율이 상대적으로 높은 고산화율층(720)의 알루미늄 함유율을 점진적으로 증가시켜 형성한다.
이후, 도 2b를 참조하면, 도 2a와 같이 성장된 VCSEL 에피층 구조 위에 즉, 마이크로렌즈 형성층(700)의 상부에 리소그라피(Lithography) 공정을 통하여 예컨대, 원형의 제1 감광제(Photo Resist, PR) 패턴(750)을 형성하고, 이 제1 감광제 패턴(650)을 마스크(Mask)로 하여 p형 오믹접촉층(500)이 노출되도록 상부반사기층(600) 및 마이크로렌즈 형성층(700)을 제1 메사(mesa)(E) 구조로 식각하고, 제1 감광제 패턴(750)을 제거한다.
다음으로, 도 2c를 참조하면, 제1 메사(E) 구조와 중심부가 정렬되는 제2 메사(F) 구조를 형성하기 위해 리소그라피(Lithography) 공정을 통하여 제2 감광제 패턴(800)을 형성하고, 이 제2 감광제 패턴(800)을 마스크(Mask)로 하여 전류주입구(A, 도 3d 참조) 형성을 위한 산화가능층(400)의 측면이 노출되도록 식각하고, 제2 감광제 패턴(800)을 제거한다.
이후, 도 2d를 참조하면, 전류주입구(A, 도 2d 참조)를 형성하기 위한 산화가능층(400)을 측면으로부터 고온에서 선택적 습식 산화공정을 수행한다. 이때, 상부반사기층(600) 및 마이크로렌즈 형성층(700)의 고산화율층(620,720)도 산화율이 높으므로 동시에 산화된다.
여기서, 상부반사기층(600)은 일부영역(D)이 측면으로부터 산화되어 별도의 부가적인 공정과정 없이도 모드선택개구(C)를 형성하게 되며, 마이크로렌즈 형성층(700)또한, 측면으로부터 산화되어 별도의 부가적인 공정과정 없이 마이크로렌즈(L)를 형성하게 된다.
즉, 모드선택개구(C)를 형성하기 위한 고산화율층(620)의 산화는 상부반사기층(600)의 고산화율층(620) 예컨대, 알루미늄 함유율을 다르게 하여 일부 알루미늄 함유율이 높은 고산화율층(620)만 산화되어 모드선택개구(C)를 형성할 수 있으며, 마이크로렌즈(L)를 형성하기 위한 고산화율층(720)의 산화 또한, 마이크로렌즈 형성층(700)의 고산화율층(720) 예컨대, 알루미늄 함유율을 다르게 하여 알루미늄 함유율이 높은 고산화율층(720)을 산화시켜 마이크로렌즈(L)를 형성할 수 있다.
하지만, 마이크로렌즈 형성층(700)에 적층되는 저산화율층(710)의 두께는 매우 얇기 때문에 모드선택개구(C)를 형성하기 위한 산화공정의 경우와는 달리, 마이크로렌즈 형성층(700)의 산화공정 시에는 고산화율층(720)의 산화와 함께 저산화율 층(710)도 거의 모든 영역에서 동시에 산화가 이루어져 고산화율층(720) 및 저산화율층(710)의 층간 구분이 없이 마이크로렌즈(L)를 제외한 마이크로렌즈 형성층(700)의 거의 모든 영역이 산화된다.
이때, 마이크로렌즈 형성층(700)은 고산화율층(720)의 알루미늄의 함유율을 점진적으로 증가시킴에 따라 산화되는 정도가 지수적으로 증가되도록 하여 자연스럽게 곡률 반경을 갖는 마이크로렌즈(L)를 형성할 수 있게 된다.
또한, 모드선택개구(C)의 직경은 전술한 상부반사기층(600)의 고산화율층(620)의 산화 속도를 고려하여 제1 메사(e)의 직경을 조절하거나 상부반사기층(600)내의 고산화율층(620)의 알루미늄 함유율을 조절함으로써 쉽게 조절할 수 있다.
한편, 상기 습식 산화공정은 약 300℃∼500℃의 온도범위에서 약 30분∼200분 동안 수행함이 바람직하다.
마지막으로, 도 2e를 참조하면, p형 오믹접촉층(500) 상에 상부전극 즉, p형 전극(Ti/Pt/Au)(900)을 형성하고, 반도체 기판(100)의 후면에 하부전극 즉, n형 전극(Ni/Au/Ge/Ni/Au)(900')을 형성한다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로렌즈를 포함한 단일 모드 수직 공진식 표면발광레이저(VCSEL)의 주사선전자현미경(SEM) 사진을 나타낸 도면이다.
도 3a를 참조하면, 산화가능층(400)과 상부반사기층(600) 및 마이크로렌즈 형성층(700)의 측면을 한번의 산화 공정으로 선택적 산화함으로써 형성된 마이크로렌즈와 모드선택개구 및 전류주입구가 형성된 VCSEL의 단면에 대한 주사선전자현미경(SEM) 사진을 나타낸 것으로써, 검게 보이는 부분은 AlGaAs가 산화되어 형성된 Al-oxide이다.
도 3b를 참조하면, 도 3a에 형성된 VCSEL을 다시 1:5 KOH:H2O 용액을 이용하여 마이크로렌즈의 상부에 형성된 Al-oxide를 선택적으로 식각함으로써 형성된 다른 형태의 VCSEL의 단면에 대한 주사선전자현미경(SEM) 사진을 나타낸다.
전술한 본 발명에 따른 마이크로렌즈를 포함한 단일모드 수직 공진식 표면발광레이저 및 그 제조방법에 대한 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명에 속한다.
도 1a 및 도 1b는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로렌즈를 포함한 단일모드 수직 공진식 표면발광레이저를 설명하기 위한 단면도이다.
도 2a 내지 도 2e는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로렌즈를 포함한 단일모드 수직 공진식 표면발광레이저의 제조방법을 설명하기 위한 단면도이다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로렌즈를 포함한 단일 모드 수직 공진식 표면발광레이저의 주사선전자현미경 사진을 나타낸 도면이다.

Claims (12)

  1. 반도체 기판;
    상기 반도체 기판 상에 형성되며, 산화율이 서로 다른 적어도 두개의 반도체 물질층이 교번되게 적층되어 형성된 하부반사기층;
    상기 하부반사기층의 상부에 형성되는 공진기층;
    상기 공진기층 상에 형성되며, 중앙부에 전류주입구가 형성된 산화가능층;
    상기 산화가능층의 상면에 형성된 오믹접촉층;
    상기 오믹접촉층 상에 형성되며, 산화율이 서로 다른 적어도 2개의 반도체 물질층이 교번되게 적층되어 중앙부에 고차 횡모드의 억제를 위한 모드선택개구가 형성된 상부반사기층; 및
    상기 상부반사기층 상에 형성되며, 산화율을 점진적으로 증가시킨 반도체 물질층이 적층되어 중앙부에 곡률반경을 갖는 마이크로렌즈가 형성된 마이크로렌즈 형성층을 포함하는 마이크로렌즈를 포함한 단일모드 수직 공진식 표면발광레이저.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 마이크로렌즈 형성층은 산화율이 서로 다른 적어도 두개의 반도체 물질층이 교번되게 적층되어, 상기 산화율이 서로 다른 적어도 두 개의 반도체 물질층 중 산화율이 최대인 층에 대한 두께를 조절함으로써 산화율이 점진적으로 증가되도 록 하는 것을 특징으로 하는 마이크로렌즈를 포함한 단일 모드 수직 공진식 표면발광레이저.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 마이크로렌즈 형성층에 포함된 반도체 물질층은 알루미늄을 포함한 3원소 또는 4원소화합물의 조합에 의해 형성되며, 알루미늄과 조합된 2원소 또는 3원소 화합물의 두께로써 산화율이 조절되는 디지털 합금으로 형성되는 것을 특징으로 하는 마이크로렌즈를 포함한 단일모드 수직 공진식 표면발광레이저.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 마이크로렌즈의 중심부에서의 높이는 1㎛ 내지 2㎛인 것을 특징으로 하는 마이크로렌즈를 포함한 단일모드 수직 공진식 표면발광레이저.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 전류주입구의 직경은 5㎛ 내지 10㎛이며, 상기 모드선택개구의 직경은 8㎛ 내지 13㎛인 것을 특징으로 하는 마이크로렌즈를 포함한 단일모드 수직 공진식 표면발광레이저.
  6. (a) 반도체 기판 상에 하부반사기층; 공진기층; 산화가능층; 오믹접촉층; 산화율이 서로 다른 적어도 두개의 반도체 물질층이 교번되게 적층된 상부반사기층; 및 상기 상부반사기층 상에 형성되며, 산화율을 점진적으로 증가하도록 하여 적층한 반도체 물질층으로 형성되는 마이크로렌즈 형성층을 순차적으로 적층하는 단계;
    (b) 적층된 상기 상부반사기층 및 마이크로렌즈 형성층의 측면이 노출되도록 식각하여 제1 메사(mesa) 구조를 형성하며, 상기 산화가능층의 측면이 노출되도록 식각하여 상기 제1 메사 구조와 중심부가 정렬되는 제2 메사 구조를 형성하는 단계; 및
    (c) 노출된 상기 산화가능층의 측면과 상기 상부반사기층의 측면 및 상기 마이크로렌즈 형성층의 측면을 동시에 산화하여 상기 산화가능층의 중앙부에 전류주입구를 형성하고, 상기 상부반사기층의 중앙부에 고차 횡모드의 억제를 위한 모드선택개구를 형성함과 동시에 상기 마이크로렌즈 형성층의 중앙부에 곡률 반경을 갖는 마이크로렌즈를 형성하는 단계를 포함하는 단일모드 수직 공진식 표면발광레이저의 제조방법.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 마이크로렌즈 형성층의 형성단계에서, 상기 마이크로렌즈 형성층은 산화율이 서로 다른 적어도 두개의 반도체 물질층을 교번되게 적층하여 상기 산화율이 서로 다른 적어도 두 개의 반도체 물질층 중 산화율이 최대인 층에 대한 두께를 조절함으로써 산화율을 점진적으로 증가하도록 하는 것을 특징으로 하는 마이크로렌즈를 포함한 단일 모드 수직 공진식 표면발광레이저의 제조방법.
  8. 제6 항에 있어서,
    상기 마이크로렌즈 형성층의 형성단계에서, 마이크로렌즈 형성층을 형성하는 반도체 물질층은 알루미늄을 포함한 3원소 또는 4원소화합물의 조합에 의해 형성되며, 알루미늄과 조합된 2원소 또는 3원소 화합물의 두께로써 산화율을 조절하는 디지털 합금으로 형성하는 것을 특징으로 하는 마이크로렌즈를 포함한 단일모드 수직 공진식 표면발광레이저의 제조방법.
  9. 제6 항에 있어서,
    상기 모드선택개구의 형성단계에서, 상기 모드선택개구는 상기 상부반사기층 내에 형성된 산화율이 서로 다른 적어도 두개의 반도체 물질층 중 산화율이 최대인 층을 산화하여 형성하는 것을 특징으로 하는 단일모드 수직 공진식 표면발광레이저의 제조방법.
  10. 제6 항에 있어서,
    상기 모드선택개구의 형성단계에서, 상기 모드선택개구의 직경은 상기 상부반사기층 내에 형성된 산화율이 서로 다른 적어도 두개의 반도체 물질층 중 산화율이 최대인 층에 대한 산화율 조절을 통해 조절하는 것을 특징으로 하는 단일모드 수직 공진식 표면발광레이저의 제조방법.
  11. 제6 항에 있어서,
    상기 마이크로렌즈의 형성단계에서, 상기 마이크로렌즈는 상기 마이크로렌즈 형성층 내에 산화율을 점진적으로 증가하도록 하여 적층한 반도체 물질층이 산화율에 따라 지수적으로 산화되어 곡률 반경을 갖는 렌즈 모양이 형성되도록 하여 형성하는 것을 특징으로 하는 단일모드 수직 공진식 표면발광레이저의 제조방법.
  12. 제6 항에 있어서,
    상기 노출된 산화가능층의 측면과 상기 상부반사기층의 측면 및 상기 마이크로렌즈 형성층의 측면을 동시에 산화하는 단계에서, 상기 산화하는 공정은 300℃∼500℃의 온도범위에서 30분∼200분 동안 수행하는 것을 특징으로 하는 단일모드 수직 공진식 표면발광레이저의 제조방법.
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