KR101005812B1 - 수직공진 표면발광레이저 - Google Patents

Abstract

수직공진 표면발광레이저에 관하여 개시한다. 본 발명의 장치는, 기판의 결정방향으로 배열되도록, 브래그 반사층들, 클래드층들, 활성층, 전류 주입구층 및 오믹금속층들을 포함하여 이루어진 발광부와, 발광부의 측면에 빛이 방출되는 않는 벽들을 형성함으로써, 벽들에 의해 발광부에서 방출된 빛의 편광 특성에 영향을 주는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의하면, 발광부와 벽을 기판의 결정방향에 맞는 위치로 배열함으로 기존의 편광된 소자를 얻는 방법보다 간단하게 편광된 레이저 특성을 얻을 수 있다.

수직공진 표면발광레이저, 발광부, 벽, 편광 제어, 메사, 결정방향

Description

수직공진 표면발광레이저{Vertical-cavity surface-emitting laser}

도 1a 내지 도 1d는 종래 수직공진 표면발광레이저의 제조 방법을 설명하기 위한 개략도들;

도 2a 및 도 2b는 본 발명의 실시예에 따른 편광 제어용 수직공진 표면발광레이저를 설명하기 위한 개략도들;

도 3a 내지 도 3d는 도 2a 및 도 2b에 따른 편광된 수직공진 표면발광레이저의 제조방법을 설명하기 위한 개략도들; 및

도 4a 및 도 4b는 본 발명에 따른 편광된 수직공진 표면발광레이저의 다른 실시예를 설명하기 위한 개략도들이다.

본 발명은 수직공진 표면발광레이저(Vertical-cavity surface-emitting laser, VCSEL)에 관한 것으로, 특히 편광 특성을 갖는 수직공진 표면발광레이저에 관한 것이다.

수직공진 표면발광레이저(VCSEL)는 기존의 측면 발광 레이저보다 많은 장점을 갖는 소자이다. 특히 낮은 문턱전류, 높은 광 효율, 좁은 빔 발산각 그리고 높은 모듈레이션 성능으로 광 커뮤니케이션 및 광 인터 커넥션의 다양한 분야에 사용된다. 최근에는 홈 네트워크, 스케너, 광 마우스, 자동차용 오디오 등의 실생활에도 많은 적용이 이루어지고 있다.

도 1a 내지 도 1d는 종래 수직공진 표면발광레이저의 제조 방법을 설명하기 위한 개략도들이다.

먼저 도 1a를 참조하면, n형의 GaAs 화합물 반도체 기판(11)에 에피택셜 층을 성장하게 되는데 성장전 기판과 성장되는 층의 사이에 스트레스를 발생시키지 않도록 완충층(12)을 먼저 형성한다. 완충층 위에 고 반사율을 갖는 n형 브래그 반사층(13), n형의 클래드층(14), 레이저의 빛이 발생되는 활성층(15), p형 클래드층(16), 활성층에 전류 및 발생된 빛의 가이드 역할을 하는 전류 주입구층(17), n형 브래그 반사층보다 약간 낮은 반사율을 갖는 p형 브래그 반사층(18) 및 p형 브래그 반사층이 공기중에서 산화되는 것을 방지하기 위한 p형 브래그 반사 보호층(19)을 순차적으로 형성한다. 이와 같은 각각의 층은 에피택셜 성장 기술로 형성한다.

다음에 도 1b를 참조하면, p형 브래그 반사 보호층(19)에 전류가 흐르지 않는 SiOx나 SiNx 계열의 물질을 증착하여 절연층(20)을 형성한다. 그리고 n형 브래그 반사층(13) 까지 메사 식각하고, 전류 주입구층(17)의 측면부를 산화시켜 전류 주입구(A)를 형성한다.

이어서 도 1c를 참조하면, 산화공정으로 메사 에칭된 부분의 미세한 전류손실을 막고 향후 금속연결 패드의 형성이 잘 이루어지도록 전류가 통하지 않는 절연체(21)를 이용하여 평탄화 공정을 한다.

마지막으로 도 1d를 참조하면, p형 상부의 절연층(20)을 일부를 제거하고 p형 오믹 금속층(22)을 형성시킨다. 이때, 상술한 첫 단계에서 p형 오믹 금속층의 형성 까지가 실질적인 수직공진 표면발광레이저의 광 특성 및 전기적 특성을 결정지을 정도로 중요하다. n형 오믹 금속층(23)을 형성하기 전에 GaAs 기판(11)을 얇게 갈아내는 래핑 및 폴리싱 공정을 진행한다. 이렇게 얇게 갈아낸 GaAs 기판(11)에 n형 오믹 금속층(23)을 형성한다.

일반적으로 측면발광 레이저와 가장 큰 차이를 보이는 부분이 바로 편광이다. 수직공진 표면발광레이저(VCSEL)는 공진단면이 원형의 출력 레이저 빛을 얻기 위해 대칭적으로 제작되어 레이저 출력 빛의 편광 방향이 임의로 나타나고, 빛의 출력 도중에 우세한 편광 모드가 바뀌는 등 불안정한 편광 특성을 보인다. 이러한 불안정한 편광 특성은 각각의 편광을 고려하면 큰 레이저 빛 출력의 변화를 주게 된다. 이와 같은 변화는 편광에 의존하는 광자기 디스크나 편광 의존도를 갖는 시스템 등의 응용에 잡음으로 작용하여 시스템의 오작동을 유발하게 되어 큰 문제를 일으키게 된다. 이러한 이유로 편광을 제어하거나 일정한 방향의 편광이 유지되는 수직공진 표면발광레이저의 기술이 매우 필요하다.

따라서 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 안정된 편광특성을 얻을 수 있는 수직공진 표면발광레이저를 제공하는데 있다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 수직공진 표면발광레이저는:

기판의 결정방향으로 배열되도록,

상기 기판 상에 순차적으로 형성된 브래그 반사층들, 클래드층들, 활성층, 전류 주입구층 및 오믹금속층들을 포함하여 이루어진 발광부와, 상기 발광부의 측면에 빛이 방출되는 않는 벽들을 형성함으로써, 상기 벽들에 의해 상기 발광부에서 방출된 빛에 편광 특성을 주는 것을 특징으로 한다.

일예로서, 본 발명은: 상기 발광부는 중심 메사 패턴으로 이루어지고, 상기 벽들은 상기 중심 메사 패턴의 양쪽에 각각 배열되는 측면 메사 패턴으로 이루어지고, 중심 메사 패턴과 상기 중심 메사 패턴의 양쪽에 측면 메사 패턴들이 각각 기판의 결정방향으로 배열되되, 상기 중심 메사 패턴에서는 빛이 방출되는 영역이 개구되어 있어 상기 빛이 방출되고, 상기 측면 메사 패턴은 빛이 방출되지 않도록 빛이 방출되는 영역이 금속층 또는 절연성 물질로 덮여있어, 상기 측면 메사 패턴들에 의해 상기 중심 메사 패턴에서 방출된 빛에 편광 특성을 주는 것을 특징으로 한다.

이 때, 상기 중심 메사 패턴과 상기 측면 메사 패턴들 사이의 이격거리는 0.1㎛ ~ 100㎛인 것을 특징으로 한다.

나아가, 상기 중심 메사 패턴은 반도체 기판 상에 순차적으로 형성된 브래그 반사층들, 클래드층들, 활성층, 전류 주입구층 및 상기 빛이 방출되도록 소정영역이 개구된 상부 오믹금속층과, 상기 기판 하부에 형성된 하부 오믹금속층을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다. 그리고 상기 측면 메사 패턴은 반도체 기판 상에 순차적으로 형성된 브래그 반사층들, 클래드층들, 활성층, 전류 주입구층 및 상기 빛이 방출되지 않도록 상기 전류 주입구층을 완전히 덮는 상부 오믹금속층과, 상기 기판 하부에 형성된 하부 오믹금속층을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하다. 또는 상기 측면 메사 패턴은 반도체 기판 상에 순차적으로 형성된 하부클래드층, 활성층, 상부클래드층, 전류 주입구층 및 상기 빛이 방출되지 않도록 상기 전류 주입구층을 완전히 덮는 금속체나 절연층을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

더 나아가, 상기 활성층은 양자우물 이득 피크 파장 (Quantum well gain peak wavelength)과 페브리-페롯 딥 파장 (F-P dip wavelength)의 차이인 게인 옵셋 (Gain-offset)은 15 ~ 30nm 인 것을 특징으로 한다.

이하에서, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다.

본 발명은 기판의 결정방향으로 빛이 방출되는 발광부와 빛이 방출되지 않는 벽들을 형성함으로써 벽들에 의해 발광부에서 방출된 빛에 편광 특성을 주는 것을 특징으로 한다. 이 때, 발광부는 기판에 기본적으로 브래그 반사층들, 클래드층들, 활성층, 전류 주입구층, 상부 및 하부 오믹금속층을 형성함으로써 이루어진다.

본 발명의 실시예에서는 발광부를 메사 식각으로 형성하고 있으므로 공정의 용이성을 위하여 벽들 역시 메사 패턴으로 형성한 것으로 설명되지만, 본 발명의 권리범위가 반드시 이에 국한되는 것은 아니다.

[실시예 1]

도 2a 및 도 2b는 본 발명의 실시예에 따른 편광 제어용 수직공진 표면발광레이저를 설명하기 위한 개략도들이다.

도 2a를 참조하면, 하나의 기판 상에 중심 메사 패턴(110)과 중심 메사 패턴의 양쪽에 측면 메사 패턴(120)들이 각각 형성된다. 이 때, 중심 메사 패턴(110)에서는 빛이 방출되는 영역(111)이 개구되어 있어 빛이 방출되고, 측면 메사(120)는 빛이 방출되지 않도록 빛이 방출되는 영역이 금속층 또는 절연성 물질(112)으로 덮여있다. 이와 같이 측면 메사 패턴은 실질적으로 구동이 되지 않고 중심 메사 패턴에서 방출된 빛의 편광특성에 영향을 주게 된다. 따라서 기존의 수직공진 표면발광레이저의 제조공정과 동일하게 진행하여 메사 식각한다.

이때 도 2b를 참조하면, 편광의 특성을 얻기 위해서는 메사 패턴들이 기판으로 사용되는 GaAs(11)의 <011>결정방향으로 배열되도록 한다. 수직공진 표면발광레이저의 전체 크기 안에 메사의 배열이 이루어지며, 중심 메사 패턴(110) 위의 p형 오믹 금속의 안쪽(111)으로 편광된 레이저 빛이 나온다. 중심 메사 패턴과 측면 메사 패턴들 사이의 이격거리는 0.1㎛ ~ 100㎛이다. 한편, 메사 패턴들이 배열되는 결정방향이 반드시 <011> 방향으로 한정되는 것은 아니다.

이하에서, 본 발명이 적용되는 형태의 수직공진 표면발광레이저의 제조방법에 대하여 설명한다.

[실시예 2]

도 3a 내지 도 3d는 도 2a 및 도 2b에 따른 편광된 수직공진 표면발광레이저의 제조방법을 설명하기 위한 개략도들이다.

먼저 도 3a를 참조하면 상술한 도 1a에 대해서 설명한 바와 같이, n형의 GaAs 화합물 반도체 기판(11) 상에 완충층(12), n형 브래그 반사층(13), n형의 클래드층(14), 활성층(15), p형 클래드층(16), 전류 주입구층(17), p형 브래그 반사층(18) 및 p형 브래그 반사 보호층(19)을 순차적으로 형성한다. 각각의 층은 에피택셜 성장 기술로 형성하였으며, 발광되는 레이저의 파장이 850nm가 되도록 하였다.

다음에 도 3b를 참조하면 상술한 도 1b에 대해서 설명한 바와 같이, p형 브래그 반사 보호층(19) 상에 SiOx나 SiNx 계열의 절연층(20)을 형성하고, 절연층(20)으로 부터 n형 브래그 반사층(13)까지 메사 식각한다. 이때, 메사는 어레이 형태로 레이저 빛이 발생되는 중심 메사를 기준으로 하여 양쪽으로 측면 메사를 같이 형성한다. 이 때, 각 배열된 메사들의 이격거리는 25㎛로 제작하였으며, 편광의 특성을 얻기 위해서는 메사들의 배열은 기판으로 사용되는 GaAs(11)의 결정방향과 도 2b와 같은 방향으로 이루어지게 진행한다. 이와 같은 배열로 이루어진 메사들이 제작되면 중심 메사에 전류 주입구층(17)의 측면부를 산화시켜 전류 주입구(A)를 형성한다.

이어서 도 3c를 참조하면 상술한 도 1c에 대해서 설명한 바와 같이, 산화공정으로 메사 에칭된 부분의 미세한 전류손실을 막고 향후 금속연결 패드의 형성이 잘 이루어지도록 전류가 통하지 않는 절연성 물질(21)을 이용하여 평탄화 공정을 한다. 절연성 물질(21)은 폴리이미드, SiOx 또는 SiNx로 이루어질 수 있다. 이때, 측면 메사(120)의 경우는 실제로 구동하지 않고, 이미 절연층(112)이 형성되어 있으므로 금속층이나 절연성 물질(21)으로 덮어 버리거나 덮지 않아도 큰 상관이 없다.

계속해서 도 3d를 참조하면 상술한 도 1d에 대해서 설명한 바와 같이, p형 브래그 반사 보호층(19) 상부의 SiOx나 SiNx등의 절연층(20) 일부를 제거하고 중심 메사 패턴(110)에만 p형 오믹 금속층(22)을 형성한다. 이 때, p형 오믹 금속층(22)은 빛이 방출되도록 소정영역(111)이 개구되도록 형성한다. 그리고 GaAs 기판(11)을 얇게 갈아내는 래핑 및 폴리싱 공정을 진행한 후에 n형 오믹 금속층(23)을 형성한다.

[실시예 3]

도 4a 및 도 4b는 본 발명에 따른 편광된 수직공진 표면발광레이저의 다른 실시예를 설명하기 위한 개략도들이다.

본 실시예는 중심메사 측면의 벽에 전류를 주입할 수 있는 파장 가변형 수직 공진 표면발광레이저의 기존 형태에 [실시예 2]를 적용하여 편광된 파장 가변형 수직공진 표면발광레이저에 관한 것이다. 따라서 측면 메사 패턴에 전류를 주입하면 활성층에서 레이저 빛이 발생하게 되지만, 레이저 빛이 방출되는 부분이 n형 오믹 금속층과 p형 오믹 금속층에 의해 막혀있으면 실질적으로 생성된 레이저 빛은 외부로 방출되지 못하고 열로 바뀌어 열원으로 작용하게 된다. 이렇게 발생된 열이 중심 메사에 전도되면 일정한 전류로 구동되는 중심 메사의 파장을 변화시키게 됨으로써 파장이 가변되게 된다. 이러한 파장 가변형 수직공진 표면발광레이저에 본 발명을 적용하게 되면 파장을 가변시키면서 동시에 편광된 레이저 빛을 얻을 수 있다.

이때에는, 기판(11)에 에피텍셜 성장시 활성층의 양자우물 이득 피크 파장(Quantum well gain peak wavelength)과 페브리-페롯 딥 파장(F-P dip wavelength)의 차이인 게인 옵셋 (Gain-offset)을 크게 해야 되며, 레이저의 빛이 방출되는 부분과 전류 주입구(A)의 적절한 조합이 필요하다. 이 때, 게인 옵셋 (Gain-offset)은 15 ~ 30nm인 것이 바람직하다. 이에 따라, 파장 가변전류의 인가에 편광된 빛과 동시에 안정된 편광특성의 효과까지 함께 얻을 수 있다. 이처럼 기존 구조에 본 발명을 접목시키고, 게인 옵셋을 이용하면 편광된 빛을 얻으면서 고온에서 발생되는 편광의 변화까지 조절 및 편광이 변하는 구동전류영역의 조절이 가능하다.

본 실시예에 따른 제조방법은 실시예 2에 따른 제조방법과 동일하다.

다만, 에피텍셜 성장시 활성층의 양자우물 이득 폭 (Quantum well peak)과 페브리-페롯 딥 (F-P dip)의 차이인 게인 옵셋 (Gain-offset)이 15 ~ 30nm가 되도록 한다. 그리고 도 4b에 도시된 바와 같이, 측면 메사 패턴(120)의 경우에는 빛이 방출되지 않도록 p형 오믹 금속층(22)으로 절연층(20)을 완전히 덮어준다.

상술한 바와 같이 본 발명에 의하면, 기존 수직공진 표면발광레이저의 제작과 동일한 방법으로 진행하면서 메사의 배열을 기판의 결정방향에 맞는 위치로 배열함으로 기존의 편광된 소자를 얻는 방법보다 간단하게 편광된 레이저 특성을 얻을 수 있다.

또한, 에피택셜 성장시 편광을 위한 특별한 층 삽입 및 특별한 공정의 단계를 거치지 않아 기존 수직공진 표면발광레이저의 광, 전기적 특성 및 신뢰성까지 확보할 수 있다.

나아가, 기존 파장 가변형 수직공진 표면발광레이저에 본 발명을 접목시키면 파장의 가변에 편광까지 한꺼번에 조절이 가능하다는 또 하나의 큰 장점을 지니게 된다.

따라서 기존 편광된 수직공진 표면발광레이저에 배해 생산단가도 저렴하며 높은 생산성을 가질 수 있는 장점이 있다.

본 발명은 상기 실시예들에만 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 많은 변형이 가능함은 명백하다.

Claims (9)

1. 기판의 결정방향으로 배열되도록,

   상기 기판 상에 순차적으로 형성된 브래그 반사층들, 클래드층들, 활성층, 전류 주입구층 및 오믹금속층들을 포함하여 이루어진 발광부와, 상기 발광부의 측면에 빛이 방출되는 않는 벽들을 형성함으로써,

   상기 벽들에 의해 상기 발광부에서 방출된 빛에 편광 특성을 주는 것을 특징으로 하는 수직공진 표면발광레이저.
2. 제1항에 있어서,

   상기 발광부는 중심 메사 패턴으로 이루어지고,

   상기 벽들은 상기 중심 메사 패턴의 양쪽에 각각 배열되는 측면 메사 패턴으로 이루어지고,

   상기 중심 메사 패턴에서는 빛이 방출되는 영역이 개구되어 있어 상기 빛이 방출되고, 상기 측면 메사 패턴은 빛이 방출되지 않도록 빛이 방출되는 영역이 금속층 또는 절연성 물질로 덮여있어, 상기 측면 메사 패턴들에 의해 상기 중심 메사 패턴에서 방출된 빛에 편광 특성을 주는 것을 특징으로 하는 수직공진 표면발광레이저.
3. 제 2항에 있어서, 상기 중심 메사 패턴과 상기 측면 메사 패턴들 사이의 이격거리는 0.1㎛ ~ 100㎛인 것을 수직공진 표면발광레이저.
4. 제 2항에 있어서, 상기 중심 메사 패턴은 반도체 기판 상에 순차적으로 형성 된 브래그 반사층들, 클래드층들, 활성층, 전류 주입구층 및 상기 빛이 방출되도록 소정영역이 개구된 상부 오믹금속층과, 상기 기판 하부에 형성된 하부 오믹금속층을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 수직공진 표면발광레이저.
5. 제 2항에 있어서, 상기 측면 메사 패턴은 반도체 기판 상에 순차적으로 형성된 브래그 반사층들, 클래드층들, 활성층, 전류 주입구층 및 상기 빛이 방출되지 않도록 상기 전류 주입구층을 완전히 덮는 상부 오믹금속층과, 상기 기판 하부에 형성된 하부 오믹금속층을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 수직공진 표면발광레이저.
6. 제 2항에 있어서, 상기 측면 메사 패턴은 반도체 기판 상에 순차적으로 형성된 브래그 반사층들, 클래드층들, 활성층, 전류 주입구층 및 상기 빛이 방출되지 않도록 상기 전류 주입구층을 완전히 덮는 절연층을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 수직공진 표면발광레이저.
7. 제 5항 또는 제 6항에 있어서, 상기 전류 주입구층은 산화 또는 이온 주입 방법으로 형성되는 것을 특징으로 하는 수직공진 표면발광레이저.
8. 제 2항에 있어서, 상기 절연성 물질은 폴리이미드, SiOx, SiNx 등으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 수직공진 표면발광레이저.
9. 제 2항에 있어서, 상기 기판의 결정 방향은 <011> 방향인 것을 특징으로 하는 수직공진 표면 발광 레이저

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