KR101108914B1 - 표면방출 레이저 소자 및 이의 제조 방법 - Google Patents

표면방출 레이저 소자 및 이의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

표면방출 레이저는 단거리용 광배선 및 광통신용 광원으로 사용되고 있는데, 통신용 광원으로 저 소모전력 대용량 단/중거리에 응용을 위하여서는 고효율 고속변조 표면방출 레이저의 필요성이 증가하고 있다. 본 발명은 고효율 고속변조 표면방출 레이저에 관한 것으로, 선택적 식각 및 식각된 영역의 절연 유전체층 삽입을 통한 전류 손실 최소화, 그리고 고속변조를 위한 낮은 임피던스를 위한 저 커패시터의 전극 구조를 특징으로 갖는 고효율 고속변조 표면방출 레이저의 소자 및 이의 제조 방법이 개시된다.
반도체 레이저(semiconductor laser), 표면방출 레이저(vertical-cavity surface-emitting laser, VCSEL), 고속변조(high speed modulation), 저 커패시턴스(low capacitance)

Description

표면방출 레이저 소자 및 이의 제조 방법 {vertical-cavity surface-emitting laser and fabricating method the same}
본 발명은 표면방출 레이저 소자에 관한 것으로서, 특히 선택적 식각 및 식각된 영역의 절연 유전체층 삽입을 통한 전류 손실 최소화, 그리고 고속변조를 위한 낮은 임피던스를 위한 저 커패시터(capacitor)의 전극 구조를 특징으로 갖는 표면방출 레이저 소자 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
표면방출 레이저 소자는 단/중거리 통신용 광원으로 활용되고 있으며, 광연결, 광센서, 광통신 등에 활용이 빠르게 증가하고 있다. 특히, 표면방출 레이저가 갖는 높은 광섬유 커플링 효율(fiber-coupling efficiency), 웨이퍼 단위의 제작 공정에 의한 낮은 단가, 낮은 실장 비용, 저전력의 광원 효율(low electrical power consumption), 2차원 어레이(two-dimensional array) 특성 등으로 인하여 차세대 광통신 및 신호 처리용 광원으로 빠르게 자리 잡을 것으로 예측된다. 최근에 와서는 전송 용량의 증가에 따라서 10Gbps 이상의 고속변조 광원에 대한 수요가 빠르게 증가하고 있다. 그에 따라서 전송 거리의 특성 및 전광 변환 효율 등을 높여 중거리 및 장거리용 송신소자로 응용을 하기 위하여서는 표면방출 레이저의 자체 손실이 적은 고효율의 표면방출 레이저 특성을 바탕으로 한 고속변조 표면방출 레이저 소자 구조의 개발이 필요하다. 표면방출 레이저의 고속변조 특성을 얻기 위해서는 원하는 영역 이외에 전류의 흐름에 따른 전류 손실과 표면방출 레이저의 내부에서 운반자 흡수(free carrier absorption) 등의 광 손실을 최소화한 고효율 특성과 함께 전류 주입을 위한 전극과 전극패드간의 커패시터에 의한 고속 변조시 손실을 줄일 수 있는 저 임피던스(low impedance)특성이 필요하다. 따라서 소자의 고효율 구조와 더불어 소자의 커패시턴스(capacitance)를 줄이기 위하여 전극 간의 구조 및 제작 방법이 필요하다.
종래의 표면방출 레이저 구조 및 제작 방법으로는 활성층 바로 위의 알루미늄갈륨비소(AlGaAs) 층의 일부를 습식 식각으로 산화하여 산화되지 않은 영역만으로 전류가 흐르도록 하는 산화막 형성(oxide-confined) 방법과 양성자(proton) 등의 이온을 일정한 영역에 주입하여 절연층 역할을 하도록 하여 전류가 원하는 영역으로 흐르도록 하는 이온주입(ion-implanted) 방법, 그리고 일부 영역을 식각하여 전류의 흐름을 조절하는 공기층(air-gap) 방법, 재성장을 통하여 전류 흐름을 조절하는 재성장 방법 등이 있다.
산화막 형성 방법은 전류의 흐름을 효과적으로 조절할 수 있는 장점을 갖고 있으나, 갈륨비소(GaAs) 기판의 알루미늄갈륨비소 물질을 사용하는 경우에만 효과적인 적용이 가능하여 다양한 파장 대역에 적용이 어려운 단점이 있다.
이온 주입 방법은 이온 주입시 발생하는 결함에 의하여 저항의 증가 등의 특성을 지니고 있으며, 정확한 전류 구경(aperture) 크기의 조절이 어려운 단점이 있다.
공기층 방법은 식각이 용이한 여러 물질에 적용이 가능하여 다양한 파장 대역의 표면방출 레이저 구조로 사용될 수 있으나, 전압 증가에 따른 공기층을 통한 누설 전류 발생 등의 단점이 있다.
재성장 방법은 효과적인 전류 흐름 조절이 가능하나 제작 공정이 복잡하고, 웨이퍼 성장을 2번 이상 수행하여야 하는 단점을 지니고 있다.
본 발명은 상기한 문제점을 해소하기 위하여 안출된 것으로, 공기층 구조를 형성 후 공기층 영역을 절연체로 채워 넣어 안정된 특성의 전류 손실을 최소화하고, 전류 손실을 줄이기 위한 절연유전체층 삽입한 고효율 구조와 전극 간의 커패시턴스를 줄이기 위해 전극 간에 저 커패시터 특징의 유전체층을 갖는 고효율 고속변조 표면방출 레이저 소자 및 이의 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명은 또, 다양한 파장의 표면방출 레이저에 적용이 가능하며, 선택적 식각에 의한 전류 제한 조절 영역의 조절이 용이하고, 식각층을 통한 누설 전류 발생을 억제하기 위한 절연유전체층의 삽입 제작이 용이한 고효율 구조로 전극 간의 저 커패시터층에 의한 저 임피던스 구조로 고속변조의 특성을 갖는 표면방출 레이저 소자 및 이의 제조 방법을 제공하는 데 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 표면방출 레이저 소자는, 반도체 기판상에 차례로 적층된 도핑되지 않은 반도체 거울층(DBR-distributed Bragg reflector)으로 구성된 하부거울층 및 전자형 도핑된(n형) 반도체로 구성된 하부접촉층; 상기 하부접촉층 상에 양자우물층으로 형성된 활성층; 상기 활성층 상에 반도체로 구성된 식각보호층; 상기 식각보호층 상에 반도체로 구성되어 선택적 식각을 위한 식각층; 상기 식각층 상에 도핑된 반도체로 구성된 상부접촉층; 이 상부접촉층 상에 차례로 적층된 도핑되지 않은 반도체나 유전체 거울층(DBR)으로 구성된 상부거울층으로 이루어진다.
본 발명에서는 상부거울층과 상부접촉층의 일부 영역을 식각한 후 상부접촉층과 식각보호층 사이의 식각층 만을 선택적으로 식각하여 일부를 제거한 후 그 사이를 절연유전체층으로 채워넣어 절연을 안정적으로 유지하고 효과적인 전류 흐름을 갖도록 하며, 상부거울층의 일부를 제거하고 상부접촉층 상에 상부 전극을 연결하고, 상부거울층, 상부접촉층, 식각층, 활성층, 절연유전체층을 일부 제거하고 하부접촉층에 하부전극을 연결하여 전류가 주입되도록 한다. 그리고 전극 간의 저 캐퍼시턴스를 위하여 상부거울층, 상부접촉층, 식각층, 식각 보호층, 활성층, 하부접촉층을 식각하고 하부거울층을 일부 식각한 후 식각된 부분을 저 커패시턴스 유전체로 채운 후 상부전극과 연결하여 상부전극패드를 형성하여 전극 간의 저 임피던스의 구조를 갖는다. 따라서 저 임피던스의 고효율 고속변조 표면방출 레이저의 발진 특성이 있다.
본 발명의 고효율 고속변조 표면방출 레이저 소자는 선택적 식각 및 식각된 영역의 절연층 삽입을 통한 전류 손실 최소화, 그리고 전극 간 낮은 커패시터 특성을 갖는 것을 특성으로 갖는 표면방출 레이저 소자는 모든 파장 영역에서 높은 효율과 고속 변조의 표면방출 레이저 소자 제작 방법으로 활용될 수 있다.
이하, 본 발명을 한정하지 않는 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1a는 본 발명의 일 실시 예에 따른 고효율 고속변조 표면방출 레이저 소자 구조를 도시한 단면도이다.
도면 중 부호 21은 반도체기판, 22는 도핑되지 않은 반도체 거울층(DBR)으로 구성된 하부거울층, 23은 n 형 반도체로 구성된 하부접촉층, 24는 이득을 주기 위한 다층 양자 우물로 이루어진 활성층, 25는 반도체로 구성된 식각보호층, 26은 반도체로 구성된 선택적 식각을 위한 식각층, 27은 반도체로 구성된 상부접촉층, 28은 도핑되지 않은 반도체나 유전체 거울층(DBR)으로 구성된 상부거울층, 29는 식각층의 일부 영역을 식각하고 채워진 절연유전체층, 30은 상부접촉층 상에 전류 주입을 위해 형성된 상부전극, 31은 하부 접촉층 상에 전류 주입을 위해 형성된 하부전극, 32는 전극 간의 임피던스를 낮게 하기 위하여 형성된 저 커패시턴스의 유전체층이고, 부호 33 및 34는 각각 상부전극과 하부전극에 연결되어 있는 상부전극패드와 하부전극패드이다.
도 1b는 도 1a중 하부거울층(22), 하부접촉층(23), 활성층(24), 식각보호층(25),식각층(26), 상부접촉층(27), 상부거울층(28), 절연유전체층(29), 상부전극(30), 하부전극(31), 유전체층(32), 상부전극패드(33), 하부전극패드(34)를 도시화하여 표시한 고효율 고속변조 표면방출 레이저의 임피던스 특성을 나타낸 단면도 이다.
본 발명은 상부전극패드(33)와 하부전극패드(34) 사이에 전류를 인가하여 고효율 고속변조 표면방출 레이저 소자가 구동하게 되는데, 여기서 소자의 임피던스는 다음과 같이 구성된다. 상부접촉층(27)에서 활성층(24)으로 전류 인가를 위한 직렬저항(Rt), 하부전극(31)에서 하부접촉층(23)을 거처 활성층(24)으로 전류 인가를 위한 직렬저항(Rb1), 하부 접촉층(23)에서 활성층(24)으로 전류 인가를 위한 직렬저항(Rb2), 활성층(24) 내의 직렬 저항(Rj)과 전극 사이의 커패시턴스로 활성층(24) 내의 커패시턴스(Cj)와 절연유전층(29)에서의 커패시턴스(Ci) 그리고 전극패드(33, 34) 사이에 의한 커패시턴스(Cp)로 구성된다. 변조 속도를 결정하는 주요한 fact는 전극 간의 임피던스로 인가한 고속 변조 시그널에 의한 반응 속도를 결정한다. 즉 임피던스에 의한 손실 및 반사파를 줄이기 위하여서는 직렬 저항(Rj, Rt, Rb1, Rb2)을 적게 하고 특히 커패시턴스(Cj, Ci, Cp)를 줄이는 것이 필요하다.
커패시터 중 가장 크게 기여하는 것은 상,하부 전극패드(33, 34)사이의 커패시턴스(Cp)로 본 발명의 고효율 고속변조 표면방출 레이저는 이 커패시턴스(Cp)를 최소화할 수 있는 구조로 저 커패시터 유전체층(32)을 구성하는 것을 특징으로 한다.
도 1a 및 도 1b를 참조하면 전자형 도핑된(n형) 또는 반절연(semi-insulating) 형의 인듐인(InP) 반도체 기판(21) 위에 하부거울층(22)으로서 도핑되지 않은 반도체 거울층(DBR)이 인듐알루미늄갈륨비소/인듐알루미늄갈륨비 소(Iny(AlxGa1-x)1-yAs/ Inz(AlwGa1-w)1-zAs (0 < x, y, z, w < 1)) 또는 인듐인/인듐알루미늄갈륨비소(InP/ Iny(AlxGa1-x)1-yAs (0 < x, y < 1)) 등으로 형성되어 있고, 그 위에 하부 전극 접촉을 위한 하부접촉층(23)을 전자형 도핑된(n형)의 인듐인으로 구성하며, 그 위에 레이저 이득을 위한 인듐인에 거의 격자 정합된 구조로 인듐알루미늄갈륨비소(Iny(AlxGa1-x)1-yAs/ Inz(AlwGa1-w)1-zAs (0 < x, y, z, w < 1)) 양자우물층으로 구성된 활성층(24)이 형성되어 있다.
활성층(24) 상에는 선택적 식각에서 보호와 전류인가를 위한 정공형 도핑된(p형) 인듐인으로 구성된 식각보호층(25), 전류 제한 및 전류 인가와 선택적 식각을 위한 정공형 도핑된(p형) 인듐알루미늄갈륨비소(Iny(AlxGa1-x)1-yAs(0 < x, y < 1))로 구성된 식각층(26), 상부 전극 접촉을 위한 상부 접촉층(27)이 도핑된 인듐인 등으로 구성되어 있다.
그리고 그 위에 상부거울층(28)으로 도핑되지 않은 반도체나 유전체 거울층(DBR)이 인듐알루미늄갈륨비소/인듐알루미늄갈륨비소 (Iny(AlxGa1-x)1-yAs/ Inz(AlwGa1-w)1-zAs (0 < x, y, z, w < 1)) 또는 인듐인/인듐알루미늄갈륨비소 (InP/ Iny(AlxGa1-x)1-yAs (0 < x, y < 1)) 나 타이타늄산화물/규소산화물(TiOx/SiOx) 또는 규소/규소산화물(Si/SiOx), 규소/타이타늄산화물(Si/TiOx) 등으로 형성되어 있다.
식각층(26)은 전류 제한을 위하여 일부가 식각되고 식각된 부분은 알루미늄 산화물(AlOx) 또는 알루미늄질화물(AlNx) 등의 절연유전체층(29)으로 채워져 있다.
상부전극(30)은 상부거울층(28)을 일부 식각 또는 제거한 후 상부접촉층(27) 상에 금속 전극을 증착하여 형성되어 있으며, 하부전극은(31) 상부거울층(28), 상부접촉층(27), 절연유전체층(29), 식각보호층(25), 활성층(24)의 일부를 제거한 후 하부접촉층(23) 상에 금속 전극을 증착하여 형성 된다.
그리고 전극간의 저 커패시턴스를 위하여 상부거울층(28), 상부접촉층(27), 식각층(26), 식각보호층(25), 활성층(24), 하부접촉층(23)을 식각하고 하부거울층(22)를 일부 식각한 후, 식각된 부분을 저 커패시턴스(낮은 유전 상수를 갖는) 유전체(32)로 채운 후 상부 전극(30)과 연결하여 상부 전극 패드(33)을 형성하여 전극간의 저 임피던스의 구조를 갖는다.
따라서 전류 흐름은 상부전극패드(33)-상부전극(30)-상부접촉층(27)-식각층(26)-식각보호층(25)-활성층(24)-하부접촉층(23)-하부전극(31)-하부전극패드(34)로 유도되어 효과적 전류 제한이 이루어지며, 커패시터 특성은 상부전극패드(33)-저 커패시터 유전체층(32)-하부접촉층(23)-하부전극(31)-하부전극패드(34)에 의한 낮은 Cp 특성을 갖게 된다.
여기서 표면방출 레이저의 하부거울층(22)을 구성하는 반도체 거울층(DBR)은 인듐인에 격자 정합된 구조로 인듐알루미늄갈륨비소/인듐알루미늄갈륨비소(Iny(AlxGa1-x)1-yAs/Inz(AlwGa1-w)1-zAs (0 < x, y, z, w < 1)) 또는 인듐인/인듐알루미늄갈륨비소(InP/ Iny(AlxGa1-x)1-yAs (0 < x, y < 1)) 등과 같이 굴절률이 다른 반 도체 박막층을 교대로 성장하여 제작하는데, 한 주기의 두께가 광학길이 (물질의 두께x발진파장에서의 굴절률)로 레이저 발진 파장의 반이 되도록 구성한다.
또한, 상부거울층(28)은 반도체 거울층(DBR)으로 구성되는 경우 인듐인에 격자 정합된 구조로 인듐알루미늄갈륨비소/인듐알루미늄갈륨비소(Iny(AlxGa1-x)1-yAs/Inz(AlwGa1-w)1-zAs (0 < x, y, z, w < 1)) 또는 인듐인/인듐알루미늄갈륨비소(InP/ Iny(AlxGa1-x)1-yAs (0 < x, y < 1)) 등과 같이 굴절률이 다른 반도체 박막층을 교대로 성장하여 제작하고, 유전체 거울층(DBR)으로 구성되는 경우 타이타늄산화물/규소산화물(TiOx/SiOx) 또는 규소/규소산화물(Si/SiOx), 규소/타이타늄산화물(Si/TiOx)등과 같이 굴절률이 다른 유전체 박막층을 교대로 증착하여 제작하는데, 한 주기의 두께가 광학길이 (물질의 두께x발진파장에서의 굴절률)로 레이저 발진 파장의 반이 되도록 구성한다. 그리고 활성층(24)은 전체 두께가 광학길이로 발진 파장 반의 정수배가 되도록 구성한다.
도 2a 내지 도 2h는 도 1a에 도시된 고효율 고속변조 표면방출 레이저의 제조 과정을 순차적으로 보여주는 단면도이다.
먼저, 도 2a를 참조하면 전자형 도핑된(n형) 또는 반절연형의 인듐인 반도체기판(21), 도핑되지 않은 반도체 거울층(DBR)으로 구성된 하부거울층(22), 하부 전극 접촉을 위한 하부접촉층(23), 양자우물로 구성된 활성층(24), 식각 보호층(25), 선택적 식각을 위한 식각층(26), 상부 전극 접촉을 위한 상부 접촉층(27) 등을 순 차적으로 성장한다.
그 후, 도 2b에서 나타난 것과 같이 표면방출 레이저 소자간의 분리를 위하여 건식식각 방법으로 레이저 포스트를 형성한다. 즉, 규소질화물(SiNx)와 같은 유전체(61)를 증착한 후 포토레지스터를 이용하여 패턴을 형성한 후 포토레지스터를 마스크로 하여 유전체(61)을 식각하여 마스크용 패턴을 형성하고 염소가스:아르곤 혼합물(Cl2:Ar mixture) 또는 메탄가스:수소 혼합물(CH4: H2 mixture) 등을 이용한 건식식각 방법으로 원하는 영역의 상부접촉층(27)을 일부 식각하여 레이저 포스트를 제작한다.
그리고 계속하여 도 2c에 도시된 바와 같이 원하는 영역의 선택적 식각을 위하여 포토레지스터 또는 유전체를 이용하여 식각용 마스크를 형성하고, 포스트 주위의 상부접촉층(27), 식각보호층(25)의 식각은 없이 식각층(26)을 식각하는 선택적 식각 방법으로 식각층(26)의 일부를 제거 한다. 이때, 레이저 포스트에 남은 식각층(26)의 직경이 일차로 형성된 레이저 포스트의 직경에 비하여 작도록 하여 원하는 영역에만 제한적으로 전류가 흐르도록 한다.
선택적 식각 방법으로는 습식 식각 방법으로 선택적 조절이 가능하도록 한다. 인듐인을 상부 접촉층(27)와 식각보호층(25)으로 한 경우 인산(H3PO4) 계열의 혼합물을 사용하여 접촉층(27) 및 식각보호층(25)의 식각 없이 식각층(26)을 식각하여 공기층을 형성하며, 그 외에 구성 물질에 따라 염산(HCl), 황산(H3SO4) 등의 혼합물을 사용할 수 있다. 그리고 제작된 공기층 구조에 유전체 물질을 채워 넣는 공정으로 소자에 손실이 발생되지 않는 150 ~ 400℃의 온도 범위에서 원자층 증착 방법으로 알루미늄산화물(AlOx) 또는 알루미늄질화물(AlNx) 등과 같은 절연 유전체(29)를 증착하여 채워 넣는다.
그 다음으로 도 2d에 도시된 바와 같이 포토레지스터 또는 유전체 등을 패턴으로 형성하여 레이저 포스트 주위를 제외한 식각보호층(25)과 상부 접촉층(27) 상에 증착된 절연 유전체층(29)를 습식 식각 방법으로 제거 한 후 건식 식각 등의 방법으로 식각보호층(25), 활성층(24)을 제거한다.
도 2e에 도시된 바와 같이 유전체(61)를 제거한 후 상부접촉층(27)과 하부접촉증(23) 상에 전극용 금속을 증착하여 상부 전극(30)과 하부전극(31)을 각각 제작한다.
도 2f에 도시된 바와 같이 포토레지스터 또는 유전체 마스크를 형성하여 건식 식각 또는 습식 식각 방법으로 원하는 영역의 하부접촉층(23)을 제거하고, 하부거울층(22)의 일부를 제거한다. 그리고 그 위에 저 커패시터의 특성을 갖는 유전체(32)를 이용하여 식각된 부분을 채워 넣는다. 저 커패시터 유전체로는 bisbenzocyclobutene(BCB) 등과 같은 낮은 유전상수 물질을 사용한다. 소자 전체를 스핀코팅(spin coating) 방법으로 증착한 후 열처리 공정을 통하여 스핀 증착 방법 등의 상온 공정에서 발생할 수 있는 저 캐패시터 유전체층과 기본의 반도체 등의 사이의 접착력이 낮은 것을 향상시키고, 저 캐패시터 유전체의 경화 또는 소자 제작 후의 고온에서의 특성 변화를 막아 안정화 한 후, 건식 식각 방법 등을 사용하여 식각되지 않은 부분 위의 유전체를 식각한다. 이때 저 커패시터의 유전체층(32)의 깊이는 3 ~ 10 ㎛로 하여 커패시터가 작게 한다.
도 2g에 도시된 바와 같이 제작된 소자의 레이저 포스트 등의 일부 부분에 상부거울층(28)을 형성한다. 이때 전극 연결을 위하여 상부전극(30)과 하부전 극(31) 등의 위에 상부거울층(28)이 형성되지 않도록 한다.
그리고 계속하여 도 2h에 도시된 바와 같이 상부 전극 패드(33), 하부 전극 패드(34)를 타이타늄/백금/금(Ti/Pt/Au)등의 금속을 증착하여 금속 패드를 형성 한다. 그리고 기판의 뒷면을 연마(polishing) 한 후 반사방지층(35)을 증착한다.
도 3은 본 발명의 고효율 고속변조 표면방출 레이저의 다른 실시 예를 도시한 단면도로서, 반도체 기판(21), 하부거울층(22), 하부접촉층(23), 선택적 식각층(26), 식각보호층(25), 활성층(24), 상부 접촉층(27), 상부거울층(28) 등으로 구성하여 선택적 식각층(26)을 식각하여 절연유전체층(29)를 채워넣고, 상부 전극(30), 하부전극(31) 그리고 저 커패시터를 위한 유전체(32)를 형성하여 상부 전극 패드(33)와 하부 전극 패드(34) 사이에 낮은 임피던스를 갖도록 형성한 구조이다. 이 구조는 식각층(26)이 활성층(24) 아래 위치하고, 그에 따라서 절연 유전체층(29)도 활성층(24) 아래에 위치하게 된다. 표면방출 레이저 발진시 활성층(24)에 발생한 열이 열전도도가 상대적으로 나쁜 절연유전체층(29)을 거치지 않고 넓은 영역의 활성층(24)-상부전극(30)-상부전극패드(33)로 효과적으로 열이 방출되는 것을 특징으로 한다. 이 구조는 고효율의 전류 제한과 고속 변조의 낮은 커패시터 구조의 고효율 고속변조 표면방출 레이저의 다른 실시 예를 나타낸다.
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 통상의 전문가라면 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 실시 예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
본 발명의 고효율 고속변조 표면방출 레이저는 선택적 식각 및 식각된 영역의 절연층 삽입을 통한 전류 손실 최소화, 그리고 전극간 낮은 커패시터 특성을 갖는 것을 특성으로 갖는 표면방출 레이저 구조 및 제조 방법에 관한 것으로, 모든 파장 영역에서 높은 효율과 고속 변조의 표면방출 레이저 소자 제작 방법으로 활용 될 수 있다.
도 1a는 본 발명의 일 실시 예에 의한 고효율 고속변조 표면방출 레이저 소자의 단면도.
도 1b는 도 1에 도시된 레이저 소자의 임피던스 특성을 나타낸 단면도.
도 2a 내지 도 2h는 도 1에 도시된 레이저 소자의 제조 공정을 도시한 단면도.
도 3은 본 발명의 다른 실시 예를 도시한 레이저 소자의 단면도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
21 : 반도체 기판 (n-type substrate)
22 : 도핑되지 않은 반도체 거울층(DBR)으로 구성된 하부거울층 (bottom mirror)
23 : 전자형 도핑된(n형) 반도체로 구성된 하부접촉층 (bottom contact layer)
24 : 활성층 (active region)
25 : 반도체로 구성돤 식각보호층 (etch protection layer)
26 : 반도체로 구성된 선택식각을 위한 식각층 (etching layer)
27 : 반도체로 구성된 상부접촉층 (top contact layer)
28 : 도핑되지 않은 반도체나 유전체 거울층(DBR)으로 구성된 상부거울층 (top mirror)
29 : 식각층의 일부 영역에 채워진 절연유전체층
30 : 상부전극
31 : 하부전극
32 : 저 캐퍼시터(capacitor)를 위한 유전체층
33 : 상부전극패드
34 : 하부전극패드
35 : 기판 뒷면의 반사를 막기 위한 반사방지층(anti reflection layer)
36 : 빛의 방출 방향을 나타내는 표시
Rt : 상부접촉층에서 활성층 전류 주입을 위한 직렬 저항
Rj : 활성층에서의 전류 주입을 위한 직렬 저항
Rb1: 하부접촉층에서 활성층 전류 주입을 위한 직렬 저항
Rb2: 하부전극에서 하부접촉층 및 활성층 전류 주입을 위한 직렬 저항
Cj : 활성층에서의 커패시턴스
Ci : 절연유전체에 의한 커패시턴스
Cp : 전극패드에 의한 전극간의 커패시턴스
61 : 식각 마스크용 유전체

Claims (10)

  1. 표면방출 레이저 소자에 있어서,
    반도체 기판 상에 차례로 적층된 도핑되지 않은 반도체 거울층(DBR-distributed Bragg reflector)으로 구성된 하부 거울층 및 전자형 도핑된(n 형) 반도체로 구성된 하부 접촉층;
    상기 하부 접촉층 상에 양자우물층으로 형성된 활성층;
    상기 활성층 상에 반도체로 구성된 식각보호층 :
    상기 식각보호층 상에 반도체로 구성된 선택적 식각을 위한 식각층 :
    상기 식각층 상에 반도체로 구성된 상부접촉층;
    상기 상부접촉층 상에 차례로 적층된 도핑되지 않은 반도체나 유전체 거울층(DBR)으로 구성된 상부거울층으로 이루어지고;
    상기 상부거울층과 상부접촉층의 일부 영역이 식각된 후 상기 식각층이 선택적으로 식각되어 일부가 제거된 후 그 사이에 절연유전체가 채워지며;
    상기 상부거울층의 일부가 제거되고 상부 접촉층 상에 상부전극이 연결되며;
    상기 상부거울층, 상부접촉층, 식각층, 식각보호층, 활성층, 절연유전체층이 일부 제거되어 하부접촉층 상에 하부전극이 연결되고;
    상기 상부거울층, 상부접촉층, 식각층, 식각보호층, 활성층, 절연유전체층, 하부접촉층과 일부의 하부거울층이 제거되고 일반적인 반도체가 갖는 유전율보다 작은 유전율을 갖는 저 커패시터 유전체층이 채워지며;
    상기 상부전극과 하부전극을 각각 연결하는 상부전극패드와 하부전극패드가 형성된 것을 특징으로 하는 표면방출 레이저 소자.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 하부거울층은 전자형 도핑된(n형) 또는 반절연(semi-insulating)형의 인듐인 반도체 기판 상에 인듐알루미늄갈륨비소/인듐알루미늄갈륨비소(Iny(AlxGa1-x)1-yAs/ Inz(AlwGa1-w)1-zAs (0 < x, y, z, w < 1)) 또는 인듐인/인듐알루미늄갈륨비소(InP/ Iny(AlxGa1-x)1-yAs (0 < x, y < 1))의 도핑되지 않은 반도체 거울층(DBR)으로 구성되며,
    상기 하부 접촉층은 전자형 도핑된(n형)의 인듐인으로 구성되고,
    상기 활성층은 인듐인에 격자 정합된 구조의 양자우물층으로 구성되며,
    상기 상부 거울층은 인듐알루미늄갈륨비소/인듐알루미늄갈륨비소 (Iny(AlxGa1-x)1-yAs/ Inz(AlwGa1-w)1-zAs (0 < x, y, z, w < 1)) 또는 인듐인/인듐알루미늄갈륨비소 (InP/ Iny(AlxGa1-x)1-yAs (0 < x, y < 1))의 도핑되지 않은 반도체 거울층(DBR)이나 타이타늄산화물/규소산화물(TiOx/SiOx) 또는 규소/규소산화물(Si/SiOx), 규소/타이타늄산화물(Si/TiOx)의 유전체 거울층(DBR)으로 이루어지고,
    상기 절연유전체층은 알루미늄산화물(AlOx)또는 알루미늄질화물(AlNx)인 것을 특징으로 하는 표면방출 레이저 소자.
  3. 청구항 1 또는 2에 있어서,
    상기 식각보호층은 정공형 도핑된(p형) 인듐인(InP)으로 구성된 것을 특징으로 하는 표면방출 레이저 소자.
  4. 청구항 1 또는 2에 있어서,
    상기 식각층은 공형 도핑된(p형) 인듐알루미늄갈륨비소(Iny(AlxGa1-x)1-yAs(0 < x, y < 1))으로 구성된 것을 특징으로 하는 표면방출 레이저 소자.
  5. 청구항 1 또는 2에 있어서,
    상기 저 커패시터 유전체층은 bisbenzocyclobutene(BCB)으로 구성된 것을 특징으로 하는 표면방출 레이저 소자.
  6. 청구항 1 또는 2에 있어서,
    상기 저 커패시터 유전체층은 그 깊이가 3 ~ 10 ㎛ 로 이루어진 것을 특징으로 하는 표면방출 레이저 소자.
  7. 전자형 도핑된(n형) 또는 반절연형의 인듐인 반도체기판, 도핑되지 않은 반도체 거울층(DBR)으로 구성된 하부거울층, 하부 전극 접촉을 위한 하부접촉층, 양자우물로 구성된 활성층, 식각 보호를 위한 식각보호층, 선택적 식각을 위한 식각층, 상부 전극 접촉을 위한 상부접촉층을 순차적으로 형성하는 단계;
    규소질화물(SiNx)등의 포함하는 유전체를 마스크로 하여 건식식각 방법으로 원하는 영역의 상부접촉층을 식각하여 레이저 포스트를 제작하는 단계;
    선택적 식각 방법으로 식각층 만의 일부를 제거 하여 공기층(air-gap)을 형성하는 단계;
    상기의 공기층 구조에 절연유전체를 증착하여 채워 넣는 단계;
    상기 상부접촉층 상에 전극용 메탈을 증착하여 상부 전극을 제작하는 단계;
    상기 식각보호층과 활성층을 제거한 후 하부 접촉층 상에 전극용 메탈을 증착하는 단계 ;
    상기 하부접촉층을 제거하고, 하부거울층의 일부를 제거하며, 그 위에 일반적인 반도체가 갖는 유전율보다 작은 유전율을 갖는 저 커패시터의 특성을 갖는 유전체를 식각된 부분을 채워 넣는 단계;
    상기 상부접촉층의 일부 부분에 상부거울층을 형성하는 단계;
    상기 상부전극과 하부전극을 각각 연결하는 상부전극패드와 하부전극패드를 형성하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 표면방출 레이저 소자의 제조 방법.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 식각층을 선택적 식각방법으로 제거하여 공기층을 형성하는 방법으로 인산(H3PO4) 계열의 혼합물 또는 염산(HCl)의 혼합물을 사용하여 선택적으로 식각하는 것을 특징으로 하는 표면방출 레이저 소자의 제조 방법.
  9. 청구항 7에 있어서,
    상기 활성층의 공기층 형성에 있어 형성된 식각층의 직경이 일차로 형성된 레이저 포스트의 직경에 비하여 작도록 한 것을 특징으로 하는 표면방출 레이저 소자의 제조 방법.
  10. 삭제
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Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20010062760A (ko) * 1999-12-28 2001-07-07 구사마 사부로 면 발광형 반도체 레이저 및 면 발광형 반도체 레이저어레이
KR20050001858A (ko) * 2003-06-26 2005-01-07 주식회사 레이칸 저손실 표면방출 레이저 소자 및 제조 방법

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20010062760A (ko) * 1999-12-28 2001-07-07 구사마 사부로 면 발광형 반도체 레이저 및 면 발광형 반도체 레이저어레이
KR20050001858A (ko) * 2003-06-26 2005-01-07 주식회사 레이칸 저손실 표면방출 레이저 소자 및 제조 방법

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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