KR101121114B1 - 면 발광형 반도체 레이저, 면 발광형 반도체 레이저의 제조방법, 모듈, 광원 장치, 정보 처리 장치, 광 송신 장치,광 공간 전송 장치 및 광 공간 전송 시스템 - Google Patents

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후지제롯쿠스 가부시끼가이샤
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Abstract

본 발명은 모드 제어를 효과적으로 행할 수 있는 VCSEL을 제공하는 것을 과제로 한다.
VCSEL(100)은 p형의 GaAs 기판(102)과, GaAs 기판(102) 상에 형성된 p형의 하부 DBR(106)과, 하부 DBR(106) 상에 형성되고, 광을 발생하는 활성층(112)과, 활성층(112) 상에 형성되고, 발진 파장의 광을 선택적으로 흡수 또는 반사하며, 레이저광의 모드를 제어하는 광 모드 제어층(120)과, 광 모드 제어층(120) 상에 형성된 상부 DBR(124)을 갖는다.
VCSEL, DBR, 활성층, 광 모드 제어층

Description

면 발광형 반도체 레이저, 면 발광형 반도체 레이저의 제조 방법, 모듈, 광원 장치, 정보 처리 장치, 광 송신 장치, 광 공간 전송 장치 및 광 공간 전송 시스템{SURFACE EMITTING SEMICONDUCTOR LASER, METHOD FOR FABRICATING SURFACE EMITTING SEMICONDUCTOR LASER, MODULE, LIGHT SOURCE APPARATUS, DATA PROCESSING APPARATUS, LIGHT SENDING APPARATUS, OPTICAL SPATIAL TRANSMISSION APPARATUS, AND OPTICAL SPATIAL TRANSMISSION SYSTEM}
본 발명은 면 발광형 반도체 레이저, 면 발광형 반도체 레이저의 제조 방법, 모듈, 광원 장치, 정보 처리 장치, 광 송신 장치, 광 공간 전송 장치 및 광 공간 전송 시스템에 관한 것이다.
광 통신이나 광 기록 등의 기술 분야에서, 면 발광형 반도체 레이저(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser diode: 이하 VCSEL이라고 함)로의 관심이 높아지고 있다. VCSEL은 임계값 전류가 낮고 소비전력이 작은, 원형의 광 스폿(spot)을 용이하게 얻을 수 있는, 웨이퍼 상태에서의 평가나 광원의 2차원 어레이화가 가능하다는, 단면(端面) 발광형 반도체 레이저에는 없는 우수한 특장(特長)점을 갖는다. 이들 특장점을 살려, 통신 분야에서의 광원으로서의 수요가 특히 기 대되고 있다.
VCSEL을 광 통신의 광원 등에 사용할 경우, 레이저광의 모드 선택이 요구된다. 예를 들어, VCSEL을 광 파이버에 결합하고, 장거리 통신을 행할 경우에는, 싱글 모드가 요망된다. 싱글 모드를 얻기 위해서는, 통상, VCSEL의 전류 협착층의 애퍼처(aperture) 직경을, 3 내지 4미크론 정도로 가공할 필요가 있다.
선택 산화형의 VCSEL에서는, 전류 협착층에 AlAs 또는 Al 조성이 높은 AlGaAs를 사용하고, 이 일부를 산화하여 전류 협착층에 애퍼처를 형성하고 있다. Al의 산화 반응에 의해 애퍼처를 형성하기 때문에, 그 직경을 정확하게 제어하기 어렵고, 특히 싱글 모드를 얻기 위한 작은 애퍼처 직경의 재현성이 어렵고, 결과적으로 VCSEL의 제조 수율이 저하되게 된다.
예를 들어, 특허문헌 1은 n형 GaAs 기판, n형 반도체 다층막 반사경, 제 1 스페이서층, 활성층, 제 2 스페이서층, 전류 협착층, p형 GaAs 전류 도입층, 재성장(再成長) 계면, p형 제 3 스페이서층, 다층막 반사경 등에 의해 면 발광 레이저를 구성하고, AlInP, AlGaInP, 또는 AlAs 등의 밴드갭(bandgap)이 2eV 이상인 와이드 갭 반도체를 전류 협착층에 사용하고, 포토리소그래피 공정과 재성장 공정에 의해 애퍼처층을 형성함으로써, VCSEL의 제조 수율을 개선하고 있다.
특허문헌 2는 목적으로 하는 발진 모드 이외의 발진 모드를 억제하는 경계 영역과, 그 경계 영역에 의해 분할되고, 목적으로 하는 발진 모드에 대응한 발광 스폿을 얻기 위해 복수의 분할 영역을 발광면의 표면에 형성하여, 횡(橫)모드의 안정화를 도모하는 면 발광형 반도체 레이저를 개시하고 있다.
또한, VCSEL을 도광로(導光路)나 기록 매체의 판독 기입용의 광원으로 사용할 경우, 레이저광의 편향 방향을 제어할 필요가 있다. 특허문헌 3은 레이저의 편파 방향을, 금속/유전체 회절(回折) 격자형 편광자와 반도체 다층막 반사경으로 이루어지는 복합 반사경의 복굴절(複屈折)과 위상차를 이용하여 제어하는 면 발광 레이저의 편파 제어법을 개시하고 있다.
[특허문헌 1] 일본국 공개특허 평11-204875호
[특허문헌 2] 일본국 공개특허2002-359432호
[특허문헌 3] 일본국 공개특허 평8-56049호
본 발명은 종래의 발광면의 표면 가공에 의한 모드 제어에 비해 효과적으로 모드 제어를 행할 수 있는 면 발광형 반도체 레이저 및 이것을 사용한 모듈, 광원 장치, 정보 처리 장치, 광 송신 장치, 광 공간 전송 장치 및 광 공간 전송 시스템, 및 면 발광형 반도체 레이저의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본원의 제 1 발명에 따른 면 발광형 반도체 레이저는, 기판과, 기판 상(上)에 형성된 하부 반사경과, 하부 반사경 상에 형성되고, 광을 발생하는 활성층과, 활성층 상에 형성되고, 하부 반사경과의 사이에서 공진기를 형성하는 상부 반사경과, 하부 반사경과 상부 반사경 사이에 형성되고, 또한 활성층에서 발생된 광을 선택적으로 흡수 또는 반사하는 개구부가 형성되며, 레이저광의 모드를 광학적으로 제어하는 광 모드 제어층과, 하부 반사경과 상부 반사경 사이에 형성되어, 구동 시에 흘려지는 전류를 협착하는 전류 협착층을 갖는다.
본원의 제 2 발명에 있어서, 활성층에서 발생된 광의 일부는 개구부를 통과하고, 그 외의 광은 광 모드 제어층에 의해 흡수 또는 반사된다.
본원의 제 3 발명에 있어서, 광 모드 제어층은 활성층과 격자 정수가 정합(整合)하는 반도체층으로 구성된다.
본원의 제 4 발명에 있어서, 광 모드 제어층은 금속층을 포함한다.
본원의 제 5 발명에 있어서, 전류 협착층은 고(高)저항부와 고저항부에 의해 둘러싸인 도전부를 갖고, 광 모드 제어층의 개구부의 중심은 도전부의 중심에 일치한다.
본원의 제 6 발명에 있어서, 광 모드 제어층의 개구부의 직경은 전류 협착층의 도전부의 직경보다도 작다.
본원의 제 7 발명에 있어서, 전류 협착층의 고저항부는 선택적으로 산화된 영역이다.
본원의 제 8 발명에 있어서, 하부 반사경은 제 1 도전형을 갖고, 광 모드 제어층은 제 2 도전형을 갖고, 광 모드 제어층과 상부 반사경 사이에 전극이 형성되며, 당해(當該) 전극이 광 모드 제어층에 전기적으로 접속된다.
본원의 제 9 발명에 있어서, 광 모드 제어층의 개구부는 원형 형상으로 가공된다.
본원의 제 10 발명에 있어서, 광 모드 제어층의 개구부는 슬릿 형상으로 가공된다.
본원의 제 11 발명에 있어서, 광 모드 제어층의 개구부는 개구부의 중심에 대하여 비대칭으로 되는 복수의 개구부로 가공된다.
본원의 제 12 발명에 있어서, 광 모드 제어층의 개구부는 개구부의 중심에 대하여 점대칭으로 되는 복수의 개구부로 가공된다.
본원의 제 13 발명에 있어서, 광 모드 제어층의 개구부의 직경은 출사되는 레이저광의 파장에 따라 선택된다.
본원의 제 14 발명에 따른 면 발광형 반도체 레이저의 제조 방법은, 기판 상에, 적어도 하부 반사경, 전류 협착층 및 활성층을 구성하는 반도체 각 층을 적층하는 공정과, 적층된 반도체층의 최상층에 포토리소그래피 공정에 의해 개구부를 형성하고, 레이저광의 모드를 광학적으로 제어하기 위한 광 모드 제어층을 형성하는 공정과, 광 모드 제어층 상에, 하부 반사경과의 사이에서 공진기를 구성하는 상부 반사경을 형성하는 공정을 갖는다.
본원의 제 15 발명에 있어서, 적어도 광 모드 제어층으로부터 전류 협착층에 이르는 포스트 구조를 기판 상에 형성하는 공정과, 포스트 구조의 측면으로부터 전류 협착층의 일부를 산화하고, 산화 영역에 의해 둘러싸인 도전부를 형성하는 공정을 더 포함한다.
본원의 제 16 발명에 있어서, 하부 반사경, 활성층, 전류 협착층 및 광 모드 제어층은 에피택셜 성장에 의해 형성된다.
본원의 제 17 발명에 따른 모듈은, 본원의 제 1 발명 내지 본원의 제 13 발명 중 어느 한 발명의 면 발광형 반도체 레이저와, 면 발광형 반도체 레이저에 전기적으로 접속된 전기 접속 단자와, 면 발광형 반도체 레이저로부터 출사된 광을 입사하는 광학 부품을 구비한다.
본원의 제 18 발명에 따른 광원 장치는, 본원의 제 1 발명 내지 본원의 제 13 발명 중 어느 한 발명의 면 발광형 반도체 레이저와, 면 발광형 반도체 레이저로부터 발생된 광을 렌즈 및 미러 중 적어도 1개를 포함하는 광학 부품을 통하여 조사하는 조사 수단을 구비한다.
본원의 제 19 발명에 따른 정보 처리 장치는, 본원의 제 17 발명에 기재된 모듈과, 면 발광형 반도체 레이저로부터 발생된 광을 송신하는 송신 수단을 구비한다.
본원의 제 20 발명에 따른 광 송신 장치는, 본원의 제 17 발명에 기재된 모듈과, 면 발광형 반도체 레이저로부터 발생된 광을 송신하는 송신 수단을 구비한다.
본원의 제 21 발명에 따른 광 공간 전송 장치는, 본원의 제 17 발명에 기재된 모듈과, 면 발광형 반도체 레이저로부터 발생된 광을 공간 전송하는 전송 수단을 구비한다.
본원의 제 22 발명에 따른 광 공간 전송 시스템은, 본원의 제 17 발명에 기재된 모듈과, 면 발광형 반도체 레이저로부터 발생된 광을 공간 전송하는 전송 수단을 구비한다.
본원의 제 1 발명에 의하면, 활성층에서 발생된 광이 공진기 내의 광 모드 제어층에 의해 광학적으로 제어되고, 발광면에서 모드 제어하는 종래와 비교하여, 더 효과적인 모드 제어를 실현할 수 있다.
본원의 제 2 발명에 의하면, 활성층에서 발생된 광의 일부를 반사 또는 흡수함으로써 게인(gain)을 저하시키고, 레이저 광의 모드 제어를 행할 수 있다.
본원의 제 3 발명에 의하면, 하부 반사경, 활성층 및 전류 협착층과 연속하는 일련의 공정에 의해 광 모드 제어층을 형성할 수 있다.
본원의 제 4 발명에 의하면, 광을 반사하는 금속층에 의해 모드 제어를 행할 수 있다.
본원의 제 5 발명에 의하면, 도전부와 개구부의 중심이 일치함으로써 모드 제어를 정확하게 행할 수 있다.
본원의 제 6 발명에 의하면, 종래와 비교하여, 전류 협착층의 도전부의 직경이 커도, 싱글 모드의 레이저광을 얻는 것이 가능해진다.
본원의 제 7 발명에 의하면, 선택 산화에 의한 재현성을 개선하고, 결과적으로 면 발광형 반도체 레이저의 제조 수율이 개선된다.
본원의 제 8 발명에 의하면, 광 모드 제어층을 이용하여 전류의 주입을 행할 수 있다.
본원의 제 9 발명에 의하면, 싱글 모드의 레이저광을 얻을 수 있다.
본원의 제 10 발명에 의하면, 슬릿의 방향에 일치한 레이저광의 패턴을 얻음으로써 레이저광의 편향 제어를 행할 수 있다.
본원의 제 11 발명에 의하면, 레이저광의 편향 제어를 행할 수 있다.
본원의 제 12 발명에 의하면, 점대칭의 광 강도 패턴을 갖는 레이저광을 얻을 수 있다.
본원의 제 13 발명에 의하면, 레이저광의 파장의 선택을 할 수 있다.
본원의 제 14 발명에 의하면, 공진기 내에 정밀도가 높은 개구부를 갖는 광 모드 제어층이 형성되고, 광 모드의 제어를 효과적으로 행할 수 있다.
본원의 제 15 발명에 의하면, 종래와 비교하여 전류 협착층의 도전부의 직경의 재현성을 개선하고, 면 발광형 반도체 레이저의 제조 수율을 개선할 수 있다.
본원의 제 16 발명에 의하면, 일련의 제조 공정에 의해 하부 반사경, 활성층, 전류 협착층 및 광 모드 제어층을 형성할 수 있고, 제조 공정의 복잡화를 회피하며, 제조 비용의 저감을 도모할 수 있다.
본원의 제 17 발명 내지 본원의 제 22 발명에 의하면, 목적에 따라 제어된 모드를 갖는 레이저광을 광 통신이나 정보 기록의 광원에 이용할 수 있다.
이하, 본 발명을 실시하기 위한 바람직한 실시예에 대해서 도면을 참조하여 설명한다.
[실시예]
도 1의 (a) 및 도 1의 (b)는 본 발명의 실시예에 따른 VCSEL의 구성을 나타내는 개략 단면도이다. 본 실시예에 따른 VCSEL(100)은 p형의 GaAs 기판(102)의 이면(裏面)에 p측 전극(104)을 포함하고, 또한 기판(102) 상에, 2종류의 x값이 상이한 p형의 AlxGa1 - xAs를 서로 적층하여 다층막에 의한 반사경을 구성하는 하부 DBR(Distributed Bragg Reflector: 분포 브래그형 반사경)(106), p형의 Al0.98Ga0.02As로 이루어지는 전류 협착층(108), p형 하부 스페이서층(110), 양자 우물(quantum well) 구조를 갖는 활성층(112), n형 상부 스페이서층(114), 2종류의 x값이 상이한 n형의 AlxGa1 - xAs를 수(數) 주기 적층하여 다층막에 의한 부분적인 반사경을 구성하는 중간 DBR(116), n형의 GaAs로 이루어지고, 중앙에 개구부(118)가 형성된 광 모드 제어층(120), 광 모드 제어층(120)에 오믹(ohmic) 접속되는 n측 전극(122), SiO2와 TiO2를 번갈아 적층한 유전체 다층막에 의한 반사경을 구성하는 상부 DBR(124), 기판(102) 상에 형성된 포스트 구조(P)의 저부(底部), 측면 및 정부(頂部)의 일부를 덮는 SiN 등의 절연막(126)을 구비하고 있다.
기판 상의 하부 DBR(106)로부터 광 모드 제어층(120)까지의 반도체층은 일련의 에피택셜 성장에 의해 형성된다. 그리고, 광 모드 제어층(120)으로부터 하부 DBR(106)에 이르기까지 반도체층을 에칭함으로써 원통 형상의 포스트 구조(P)가 형성된다. 포스트 구조(P)의 최상층인 광 모드 제어층(120)은 GaAs층이고, Al을 노출시키지 않음으로써 표면의 산화를 방지하고 있다.
전류 협착층(108)은 포스트 구조(P)를 형성한 후에, 포스트 구조(P)의 측면으로부터 산화된다. 전류 협착층(108)은 다른 반도체층과 비교하여 Al 조성이 높기 때문에 다른 반도체층보다도 산화 속도가 빠르다. 이 산화에 의해, 전류 협착층(108)의 가장자리에는 고저항부가 형성되고, 고저항부에 의해 둘러싸인 도전부(128)가 형성된다. 도전부(128)는 동작 시에 전류의 협착을 행하고, 그 직경은 대략 8～6미크론이다. 또한, 전류 협착층은 AlAs로 구성하도록 할 수도 있다.
광 모드 제어층(120)은 하부 DBR(106)과 상부 DBR(124)에 삽입된 활성층(112)의 근방에서, 발진 파장의 광의 흡수 또는 광의 반사를 행하는 층이다. 또는, 하부 DBR(106)과 상부 DBR(124)에 삽입된 활성층(112)의 근방에서 굴절률을 변화시키는 층이다. 광 모드 제어층(120)은 광학적으로 광의 흡수 또는 반사를 행함으로써, 발진 모드의 제어, 특히 횡(橫)모드를 제어한다.
본 실시예의 VCSEL에서는, 850㎚ 부근에서의 발진을 상정(想定)하고, 광 모드 제어층(120)의 막 두께를 약 200㎚로 하고 있다. 광 모드 제어층(120)의 중앙에 형성된 개구부(118)는 GaAs층을 에칭하여 형성된다. 개구부(118)에서는, 850㎚의 광흡수는 일어나지 않지만, GaAs가 남은 부분에서는, 광흡수가 일어나기 때문에, 레이저 발진 시에 게인(gain)이 작아진다.
광 모드 제어층(120)의 개구부(118)는 포토리소그래피 공정에 의해 형성된다. 이에 따라, 개구부(118)는 포토리소그래피 정밀도에 의해 결정되는 정확한 패턴으로 될 수 있다. 개구부(118)와 도전부(128)의 중심은 각각 광축에 일치하고, 바람직하게는, 개구부(118)의 직경은 4～3미크론이고, 도전부(128)의 직경보다도 작다. 개구부(118)의 직경을 정밀하게 형성함으로써, 발진 모드의 제어를 더 정확하게 행하는 것이 가능해진다.
또한, 광 모드 제어층(120)은 중간 DBR(116)을 통하여 활성층(112)에 근접하여 배치되어 있다. 중간 DBR(116)은 광 모드 제어층(120)에 오믹 접속된 n측 전극(122)으로부터 확산된 금 등을 게터링(gettering)하기 위해 개재(介在)시키고 있지만, 활성층(112) 또는 상부 스페이서층(114) 상에 광 모드 제어층(120)을 형성할 수도 있다. 광 모드 제어층(120)을, 레이저광의 발광면인 최표면에 형성하지 않고, 게인 매질(媒質) 중에 형성하고 있기 때문에, 발진 모드를 매우 효과적으로 제어할 수 있다. 즉, 개구부(118)의 작은 형상의 변화일지라도, 발진 모드에 큰 영향을 줄 수 있다.
도 2는 광 모드 제어층의 프로파일 예를 나타내는 평면도이다. 도 2의 (a) 내지 도 2의 (c)에 나타낸 광 모드 제어층은 주로 횡모드를 제어하고, 도 2의 (d)에 나타낸 광 모드 제어층은 주로 편광 제어를 행한다.
도 2의 (a)에 있어서, 광 모드 제어층(120)은 포스트 구조(P)의 형성 시에 원형 형상으로 가공되고, 이 외형과 거의 동심원 형상으로 원형의 개구부(118)가 형성되어 있다. 개구부(118)의 중심은, 상기한 바와 같이, 전류 협착층(108)의 도전부(128)의 중심에 일치하고, 또한 광축에 일치한다. 개구부(118)의 직경을 도전부(128)의 직경과 거의 동일하거나 그것보다도 작게 함으로써, 횡모드가 제어되고, 싱글 모드의 레이저광을 얻을 수 있다. 도 2의 (a)에 의한 횡모드 제어를 행한 때의 광 강도 분포를 도 3의 (a)에 나타낸다. 도 3의 (a)에 나타낸 바와 같이, 레이 저광의 광 강도 분포는 단봉성(單峰性)의 싱글 모드로 된다.
도 2의 (b)에 나타낸 광 모드 제어층(120)은 원형 형상의 개구부를 중심을 따라 분할한 선대칭의 2개의 반원 형상의 개구부(140)를 갖고 있다. 이에 따라, GaAs층이 남아있는 부분에서의 게인이 작아지고, 레이저광의 광 강도 분포는, 도 3의 (b)에 나타낸 바와 같이, 2개의 반원 형상의 개구부(14O)에 대응한 피크를 갖는 쌍봉성의 싱글 모드로 된다.
도 2의 (c)에 나타낸 광 모드 제어층(120)은 원형 형상의 개구부를 4개로 분할한 점대칭으로 되는 부채꼴 형상의 개구부(142)를 갖고 있다. 이에 따라, 레이저광의 광 강도 분포는 개구부(142)에 대응하여 4개의 피크를 갖는 싱글 모드로 된다.
도 2의 (d)에 나타낸 광 모드 제어층(120)은 원형 형상의 개구부를 직선 방향으로 분할하고, 3개의 슬릿(144)이 형성되도록 가공되어 있다. 이에 따라, 레이저광의 광 강도 분포는 3개의 슬릿에 따른 3개의 피크를 갖는 패턴으로 되고, 또한 출사되는 레이저광은 슬릿(144)의 방향으로 정렬되기 때문에, 편광의 제어에 효과적이다.
또한, 광 모드 제어층(120)은, 상기한 바와 같이, 레이저광의 횡모드나 편광 제어 외에, 레이저광의 종모드를 제어하는 것도 가능하다. 즉, 광 모드 제어층(120)의 개구부(118)의 직경을 변화시킴으로써 발진 파장을 선택할 수 있다.
도 4는 전류 협착층(108)의 도전부(128)의 직경을 일정하게 한 때의 광 모드 제어층(120)의 개구부(118)의 직경과 발진 파장의 관계를 나타내고 있다. 이 도면 으로부터 명확하게 나타난 바와 같이, 개구부의 직경(118)(횡축에 나타낸 GaAs 애퍼처 직경)을 6미크론으로부터 10미크론으로 증가시키면, 그 증가에 거의 비례하도록, 발진 파장이 약 827㎚로부터 839㎚로 증가한다. 따라서, 개구부(118)의 직경을 선택함으로써, 원하는 발진 파장의 레이저광을 얻을 수 있다.
다음으로, 본 발명의 제 2 실시예에 대해서 설명한다. 제 1 실시예에서는,광 모드 제어층인 GaAs층을 에칭하여 개구부(118)를 형성했지만, GaAs층과 그 하지(下地)의 AlGaAs층의 에칭의 선택비가 작기 때문에, 하지의 AlGaAs층이 오버 에칭되고, 중간 DBR(116)의 막 두께가 변동되어 바람직하지 못하다. 그래서, 제 2 실시예는 이러한 에칭에 의한 막 두께의 손상을 회피한 구성을 채용한다.
도 5는 제 2 실시예의 VCSEL의 개략 단면을 나타내는 도면이고, 제 1 실시예와 동일한 구성에 대해서는 동일한 참조 번호를 부여하고 있다. 제 2 실시예의 VCSEL(100A)에서는, 포스트 구조(P)의 캡층(cap layer), 즉 에피택셜 성장에 의한 최종층으로서 20㎚의 막 두께의 n형의 GaAs층(160)을 형성한다. GaAs층(160)의 가장자리부에는, n측 전극(122)이 오믹 접속되고, n측 전극(122)으로부터 이간하여, 링 형상의 광 모드 제어층(162)이 형성된다. 광 모드 제어층(162)의 중앙에는, 원형 형상의 개구부(164)가 형성되고, 개구부(164)의 중심은 광축에 일치하며, 또한 개구부(164)의 직경은 도전부(128)의 직경과 동일하거나 그것보다도 약간 작다. 광 모드 제어층(164)은 예를 들어, 금, 티탄 또는 텅스텐 등의 금속으로 이루어지고, 리프트 오프(lift-off)에 의해 정밀하게 형성된다. 리프트 오프 공정에서는, 레지스트 패턴을 형성할 때에 레지스트를 에칭하지만, 레지스트와 GaAs층(160)의 선택비는 충분하여, 중간 DBR(116)의 AlGaAs층의 막 두께의 손상을 방지할 수 있다.
캡층인 GaAs층(160)은 막 두께가 매우 얇기 때문에, 활성층(112)에서 발생된 광을 투과한다. GaAs층(160)을 투과한 광은 그 계면에서 광 모드 제어층(162)의 금속이 존재하는 부분에서는 반사되고, 금속이 없는 개구부(164)만을 투과한다. 이에 따라, 제 1 실시예의 경우와 마찬가지로, 발진되는 레이저광의 횡모드 제어, 편광 제어 및 종모드 제어를 행하는 것이 가능해진다.
도 5에 나타낸 예에서는, 광 모드 제어층(162)을 n측 전극(122)으로부터 이간하여 별개로 형성하는 예를 나타냈지만, 예를 들어 GaAs층(160)과 오믹 접촉 가능한 금(Au)을 n측 전극(122)에 사용한 경우에는, 도 6에 나타낸 바와 같이, n측 전극(122)과 광 모드 제어층(162)이 모두 접속되도록 동시에 리프트 오프에 의해 형성하는 것도 가능하다.
또한, 제 2 실시예에서는, 발진 파장의 광을 반사하는 광 모드 제어층을 나타냈지만, 발진 파장의 광을 흡수하는 광 모드 제어층을 형성하도록 할 수도 있다. 예를 들어, 발진 파장이 1미크론 부근이면, 도 5에 나타낸 광 모드 제어층을 어모퍼스 실리콘으로 형성하도록 할 수도 있다. 어모퍼스 실리콘은 1미크론의 파장을 흡수하기 때문에, 광을 반사할 때와 마찬가지로, 발진 파장의 횡모드 제어, 편광 제어 및 종모드 제어를 행할 수 있다.
다음으로, 본 발명의 제 3 실시예에 대해서 설명한다. 제 1 실시예에서는, n측 전극(122)을 광 모드 제어층(120)과 상부 DBR 사이에 형성했지만, 제 3 실시예 에 따른 VCSEL(100B)은, 도 7에 나타낸 바와 같이, 광 모드 제어층(120)을 형성한 후, 그 위에 n형의 상부 DBR(170)을 형성하고, 그 위에 n측 전극(172)을 형성한다. 상부 DBR(170)은 예를 들어, ITO와 같은 반도체 다층막으로 형성되고, n측 전극(172)은 상부 DBR(170)을 통하여 광 모드 제어층(120)에 전기적으로 접속된다. 그 외의 구성은 제 1 실시예와 동일하다.
다음으로, 제 1 실시예에 따른 VCSEL의 제조 방법에 대해서 도 8 및 도 9를 참조하여 설명한다. 우선, 도 8의 (a)에 나타낸 바와 같이, 유기 금속 기상 성장(MOCVD)법에 의해, p형 GaAs기판(102) 상에, 예를 들어 Al0 .9Ga0 .1As와 Al0 .12Ga0 .88As를 각각의 막 두께가 매질 내 파장의 1/4로 되도록 번갈아 40.5주기 적층한, 캐리어 농도 1×1018㎝-3의 p형의 하부 DBR(106), p형의 Al0 .98Ga0 .02As로 이루어지는 전류 협착층(108), p형의 Al0 .6Ga0 .4As로 이루어지는 하부 스페이서층(110), 언도핑 양자 우물 활성층(막 두께 70㎚의 GaAs 양자 우물층 3층과 막 두께 50㎚의 Al0 .3Ga0 .7As 장벽층 4층으로 구성되어 있음)(112), n형의 Al0 .6Ga0 .4As로 이루어지는 상부 스페이서층(114), Al0 .9Ga0 .1As와 Al0 .15Ga0 .85As를 각각의 막 두께가 매질 내 파장의 1/4로 되도록 번갈아 복수 주기 적층한 n형의 중간 DBR(116), 캐리어 농도가 1×1019㎝-3으로 되는 막 두께 200㎚의 n형의 GaAs층(광 모드 제어층)(120)을 순차 적층한다.
에피택셜 성장을 정지하여 챔버로부터 기판을 취출(取出)하고, 다음으로, 도 8의 (b)에 나타낸 바와 같이, 광 모드 제어층(120) 상에 원형 형상의 포토레지스트 패턴(M)을 형성한다. 다음으로, 도 8의 (c)에 나타낸 바와 같이, 포토레지스트 패턴(M)을 사용하여 반도체층을 건식 에칭하고, 기판(102) 상에 원통 형상의 포스트 구조(P)를 형성한다. 포스트 구조(P)는 적어도 전류 협착층(108)을 노출한다.
다음으로, 도 9의 (a)에 나타낸 바와 같이, 기판을 산화로에 넣어, 일정 시간의 산화를 행한다. 이에 따라, 포스트 구조(P)의 측면으로부터 일정 거리만큼 산화되어 전류 협착층(108)에 산화 영역(108a)이 형성된다. 산화 영역(108a)에 의해 둘러싸인 영역은 동작 시에 전류 협착을 행하는 도전부(128)로 된다.
다음으로, 포토레지스트 패턴(M)을 제거하고, 기판의 전체 면에 SiN 등의 절연막(126)을 형성하고, 다음으로, 도 9의 (b)에 나타낸 바와 같이, 절연막(126)을 포토리소그래피 공정에 의해 에칭하고, 포스트 구조(P)의 정부(頂部)에 원형 형상의 개구(126a)를 형성하여, GaAs층(120)을 노출시킨다.
다음으로, 포토리소그래피 공정에 의해 포스트 구조(P)의 정부에 드러나 있는 GaAs층(120)의 중앙부를 에칭하여, 도 9의 (c)에 나타낸 바와 같이, 원형 형상의 개구부(118)를 형성하고, 광 모드 제어층(120)을 얻는다.
다음으로, 광 모드 제어층(120) 상에, 리프트 오프에 의해 n측 전극(122)을 형성한다. 전극의 재질로서는 Au나 Cu 등을 사용할 수 있다. 다음으로, 광 모드 제어층(120) 상에, 유전체인 SiO2와 TiO2를 번갈아 적층한 유전체 다층막에 의한 상부 DBR(124)을 형성한다. 유전체 다층막은 진공 증착 또는 전자빔 증착에 의해 행 하지만, 그 때, 광학적인 모니터를 사용하여 막 두께 관리를 행하여 SiO2와 TiO2를 소정의 두께가 되도록 번갈아 착막한다. 마지막으로, 기판(102)의 이면에 p측 전극(104)을 형성한다. 이와 같이 하여, 발진 파장이 약 850㎚인 레이저광을 출사하는 VCSEL이 얻어진다.
모드 제어를 행하는 층의 재료로서는, GaAs 이외에, 격자 정합되는 재료, 예를 들어 InGaAs 등을 사용할 수 있다. 또한, 제 2 실시예에 따른 VCSEL의 경우에는, 최종층인 GaAs층의 막 두께를 20㎚로 하고, 그 후, 포토리소그래피 공정에 의해 발진 파장의 광을 흡수 또는 반사하는 광 모드 제어층을 GaAs층 상에 형성한다.
상기 예에서는, 기판 상에 단일의 포스트 구조(P)를 형성하는 예를 나타냈지만, 기판 상에 복수의 포스트 구조(P)를 형성하고, 복수의 포스트 구조(P)로부터 레이저광을 출사하는 멀티빔 또는 멀티 스폿의 VCSEL일 수도 있다. 또한, 상기 실시예에서는, AlGaAs계의 VCSEL을 예시했지만, 다른 III-V족 화합물 반도체를 사용한 VCSEL에 적용하는 것도 가능하다. 또한, 포스트 구조의 형상은 원통 형상 외에, 직사각형 형상일 수도 있다.
다음으로, 본 실시예의 VCSEL을 이용한 모듈, 광 송신 장치, 공간 전송 시스템, 광 전송 장치 등에 대해서 도면을 참조하여 설명한다. 도 10의 (a)는 VCSEL을 실장한 패키지(모듈)의 구성을 나타내는 단면도이다. 패키지(300)는 VCSEL이 형성된 칩(310)을, 도전성 접착제(320)를 통하여 원반 형상의 금속 스템(stem)(330) 상에 고정한다. 도전성의 리드(340, 342)가 스템(330)에 형성된 관통 구멍(도시 생 략) 내에 삽입되고, 한쪽의 리드(340)는 VCSEL의 n측 전극에 전기적으로 접속되며, 다른쪽 리드(342)는 p측 전극에 전기적으로 접속된다.
칩(310)을 포함하는 스템(330) 상에 직사각형 형상의 중공(中空)의 캡(350)이 고정되고, 캡(350)의 중앙의 개구 내에 볼 렌즈(360)가 고정되어 있다. 볼 렌즈(360)의 광축은 칩(310)의 거의 중심과 일치하도록 위치 결정된다. 리드(340, 342) 사이에 순방향의 전압이 인가되면, 칩(310)으로부터 수직 방향으로 레이저광이 출사된다. 칩(310)과 볼 렌즈(360)의 거리는 칩(310)으로부터의 레이저광의 발산각(divergence angle)(θ) 내에 볼 렌즈(360)가 포함되도록 조정된다. 또한, 캡 내에, VCSEL의 발광 상태를 모니터하기 위한 수광 소자나 온도 센서를 포함시키도록 할 수도 있다.
도 10의 (b)는 다른 패키지의 구성을 나타내는 도면이고, 도 10의 (b)에 나타낸 패키지(302)는 볼 렌즈(360)를 사용하는 대신에, 캡(350)의 중앙의 개구 내에 평판 유리(362)를 고정하고 있다. 평판 유리(362)의 중심은 칩(310)의 거의 중심과 일치하도록 위치 결정된다. 칩(310)과 평판 유리(362)의 거리는 평판 유리(362)의 개구 직경이 칩(310)으로부터의 레이저광의 발산각(θ) 이상으로 되도록 조정된다.
도 11은 VCSEL을 광원으로서 적용한 예를 나타내는 도면이다. 광원 장치(370)는 도 10의 (a) 또는 도 10의 (b)와 같이 VCSEL을 실장한 패키지(300), 패키지(300)로부터의 멀티빔의 레이저광을 입사하는 콜리메이터 렌즈(372), 일정한 속도로 회전하고, 콜리메이터 렌즈(372)로부터의 광선속을 일정한 발산각으로 반사 하는 폴리곤 미러(374), 폴리곤 미러(374)로부터의 레이저광을 입사하여 반사 미러(378)를 조사하는 fθ 렌즈(376), 라인 형상의 반사 미러(378), 반사 미러(378)로부터의 반사광에 의거하여 잠상을 형성하는 감광체 드럼(380)을 구비하고 있다. 이와 같이, VCSEL로부터의 레이저광을 감광체 드럼 상에 집광하는 광학계와, 집광된 레이저광을 광체(光體) 드럼 상에 주사하는 기구를 구비한 복사기나 프린터 등, 광 정보 처리 장치의 광원으로서 이용할 수 있다.
도 12는 도 10의 (a)에 나타낸 모듈을 광 송신 장치에 적용한 경우의 구성을 나타내는 단면도이다. 광 송신 장치(400)는 스템(330)에 고정된 원통 형상의 하우징(410), 하우징(410)의 단면에 일체로 형성된 슬리브(420), 슬리브(420)의 개구(422) 내에 유지되는 페룰(ferrule)(430), 및 페룰(430)에 의해 유지되는 광 파이버(440)를 포함하여 구성된다. 스템(330)의 원주 방향으로 형성된 플랜지(332)에는, 하우징(410)의 단부(端部)가 고정된다. 페룰(430)은 슬리브(420)의 개구(422)에 정확하게 위치 결정되고, 광 파이버(440)의 광축이 볼 렌즈(360)의 광축에 정합된다. 페룰(430)의 관통 구멍(432) 내에 광 파이버(440)의 코어(core)가 유지되어 있다.
칩(310)의 표면으로부터 출사된 레이저광은 볼 렌즈(360)에 의해 집광되고, 집광된 광은 광 파이버(440)의 코어에 입사되어, 송신된다. 상기 예에서는, 볼 렌즈(360)를 사용하고 있지만, 이외에도 양(兩)볼록 렌즈나 평(平)볼록 렌즈 등의 다른 렌즈를 사용할 수 있다. 또한, 광 송신 장치(400)는 리드(340, 342)에 전기 신호를 인가하기 위한 구동 회로를 포함하는 것일 수도 있다. 또한, 광 송신 장 치(400)는 광 파이버(440)를 통하여 광 신호를 수신하기 위한 수신 기능을 포함하는 것일 수도 있다.
도 13은 도 12에 나타낸 모듈을 공간 전송 시스템에 사용한 경우의 구성을 나타내는 도면이다. 공간 전송 시스템(500)은 패키지(300)와, 집광 렌즈(510)와, 확산판(520)과, 반사 미러(530)를 포함하고 있다. 집광 렌즈(510)에 의해 집광된 광은 반사 미러(530)의 개구(532)를 통하여 확산판(520)에서 반사되고, 그 반사광이 반사 미러(530)를 향하여 반사된다. 반사 미러(530)는 그 반사광을 소정의 방향을 향하여 반사시키고, 광 전송을 행한다.
도 14의 (a)는 VCSEL을 광원으로 이용한 광 전송 시스템의 일 구성예를 나타내는 도면이다. 광 전송 시스템(600)은 VCSEL이 형성된 칩(310)을 포함하는 광원(610)과, 광원(610)으로부터 방출된 레이저광의 집광 등을 행하는 광학계(620)와, 광학계(620)로부터 출력된 레이저광을 수광하는 수광부(630)와, 광원(610)의 구동을 제어하는 제어부(640)를 갖는다. 제어부(640)는 VCSEL을 구동하기 위한 구동 펄스 신호를 광원(610)에 공급한다. 광원(610)으로부터 방출된 광은 광학계(620)를 통하고, 광 파이버나 공간 전송용의 반사 미러 등에 의해 수광부(630)로 전송된다. 수광부(630)는 수광된 광을 포토디텍터 등에 의해 검출한다. 수광부(630)는 제어 신호(650)에 의해 제어부(640)의 동작(예를 들어, 광 전송의 개시 타이밍)을 제어할 수 있다.
도 14의 (b)는 광 전송 시스템에 이용되는 광 전송 장치의 개관 구성을 나타내는 도면이다. 광 전송 장치(700)는 케이스(710), 광 신호 송신/수신 커넥터 접 합부(720), 발광/수광 소자(730), 전기 신호 케이블 접합부(740), 전원 입력부(750), 동작 중을 나타내는 LED(760), 이상 발생을 나타내는 LED(770), DVI 커넥터(780)를 포함하고, 내부에 송신 회로 기판/수신 회로 기판을 갖고 있다.
광 전송 장치(700)를 사용한 영상 전송 시스템을 도 15에 나타낸다. 영상 전송 시스템(800)은 영상 신호 발생 장치(810)에서 발생된 영상 신호를, 액정 디스플레이 등의 화상 표시 장치(820)에 전송하기 위해, 도 14의 (b)에 나타낸 광 전송 장치를 이용하고 있다. 즉, 영상 전송 시스템(800)은 영상 신호 발생 장치(810), 화상 표시 장치(820), DVI용 전기 케이블(830), 송신 모듈(840), 수신 모듈(850), 영상 신호 전송 광 신호용 커넥터(860), 광 파이버(870), 제어 신호용 전기 케이블 커넥터(880), 전원 어댑터(890), DVI용 전기 케이블(900)을 포함하고 있다.
본 발명에 따른 면 발광형 반도체 레이저는 광 정보 처리나 광 고속 데이터통신의 분야에서 이용할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 VCSEL의 구성을 나타내는 개략 단면도이고, 도 1의 (a)는 상부 DBR을 형성하기 이전의 상태를 나타내고, 도 1의 (b)는 상부 DBR을 형성한 이후의 상태를 나타낸다.
도 2는 광 모드 제어층의 프로파일을 나타내는 평면도.
도 3은 광 모드 제어층에 의한 횡모드 제어된 광 강도 분포를 나타내는 도면.
도 4는 광 모드 제어층의 개구부의 직경과 발진 파장의 관계를 나타내는 그래프.
도 5는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 VCSEL의 구성을 나타내는 개략 단면도.
도 6은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 VCSEL의 변형예를 나타내는 개략 단면도.
도 7은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 VCSEL의 구성을 나타내는 개략 단면도.
도 8은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 VCSEL의 제조 방법을 설명하는 공정 단면도.
도 9는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 VCSEL의 제조 방법을 설명하는 공정 단면도.
도 10은 본 실시예에 따른 VCSEL에 광학 부품을 실장한 모듈의 구성을 나타 내는 개략 단면도.
도 11은 VCSEL을 사용한 광원 장치의 구성예를 나타내는 도면.
도 12는 도 10에 나타낸 모듈을 사용한 광 송신 장치의 구성을 나타내는 개략 단면도.
도 13은 도 10에 나타낸 모듈을 공간 전송 시스템에 사용한 경우의 구성을 나타내는 도면.
도 14의 (a)는 광 전송 시스템의 구성을 나타내는 블록도, 도 14의 (b)는 광 전송 장치의 외관 구성을 나타내는 도면.
도 15는 도 14의 (b)의 광 전송 장치를 이용한 영상 전송 시스템을 나타내는 도면.
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
100: VCSEL 102: 기판
104: p측 전극 106: 하부 DBR
108: 전류 협착층 110: 하부 스페이서층
112: 활성층 114: 상부 스페이서층
116: 중간 DBR 118: 개구부
120: 광 모드 제어층 122: n측 전극
124: 상부 DBR 126: 절연막
128: 도전부 130: p측 상부 전극
14O: 반원 형상 개구 142: 부채꼴 형상 개구
144: 슬릿 160: GaAs층
162: 광 모드 제어층 164: 개구부
170: 상부 DBR 172: n측 전극
P: 포스트 구조

Claims (23)

  1. 기판과,
    기판 상(上)에 형성된 하부 반사경과,
    하부 반사경 상에 형성되고, 광을 발생하는 활성층과,
    활성층 상에 형성되고, 하부 반사경과의 사이에서 공진기를 형성하는 상부 반사경과,
    하부 반사경과 상부 반사경 사이에 형성되고, 또한 활성층에서 발생된 광을 선택적으로 흡수 또는 반사하는 개구부가 형성되며, 레이저광의 모드를 광학적으로 제어하는 광 모드 제어층과,
    하부 반사경과 상부 반사경 사이에 형성되고, 구동 시에 흘려지는 전류를 협착하는 전류 협착층을 갖고,
    광 모드 제어층은, 활성층과 격자 정수가 정합(整合)하는 반도체층으로 구성되고,
    활성층에서 발생된 광의 일부는 개구부를 통과하고, 그 외의 광은 광 모드 제어층에 의해 흡수 또는 반사되는 면 발광형 반도체 레이저.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서,
    전류 협착층은 도전부와 상기 도전부보다 고(高)저항인 고저항부를 갖고, 상기 도전부는 상기 고저항부에 의해 둘러싸이고, 광 모드 제어층의 개구부의 중심은 도전부의 중심에 일치하는 면 발광형 반도체 레이저.
  6. 제 5 항에 있어서,
    광 모드 제어층의 개구부의 직경은 전류 협착층의 도전부의 직경보다도 작은 면 발광형 반도체 레이저.
  7. 제 5 항에 있어서,
    전류 협착층의 고저항부는 선택적으로 산화된 영역인 면 발광형 반도체 레이저.
  8. 제 1 항에 있어서,
    하부 반사경은 제 1 도전형을 갖고, 광 모드 제어층은 제 2 도전형을 갖고, 광 모드 제어층과 상부 반사경 사이에 전극이 형성되며, 당해(當該) 전극이 광 모 드 제어층에 전기적으로 접속되는 면 발광형 반도체 레이저.
  9. 제 1 항에 있어서,
    광 모드 제어층의 개구부는 원형 형상으로 가공되는 면 발광형 반도체 레이저.
  10. 제 1 항에 있어서,
    광 모드 제어층의 개구부는 슬릿 형상으로 가공되는 면 발광형 반도체 레이저.
  11. 제 1 항에 있어서,
    광 모드 제어층의 개구부는 개구부의 중심에 대하여 비대칭으로 되는 복수의 개구부로 가공되는 면 발광형 반도체 레이저.
  12. 제 1 항에 있어서,
    광 모드 제어층의 개구부는 개구부의 중심에 대하여 점대칭으로 되는 복수의 개구부로 가공되는 면 발광형 반도체 레이저.
  13. 제 1 항에 있어서,
    광 모드 제어층의 개구부의 직경은 출사되는 레이저광의 파장에 따라 선택되는 면 발광형 반도체 레이저.
  14. 기판 상에, 적어도 하부 반사경, 전류 협착층 및 활성층을 구성하는 반도체 각 층을 적층하는 공정과,
    적층된 반도체층의 최상층에 포토리소그래피 공정에 의해 개구부를 형성하고, 레이저광의 모드를 광학적으로 제어하기 위한 광 모드 제어층을 형성하는 공정과,
    광 모드 제어층 상에, 하부 반사경과의 사이에서 공진기를 구성하는 상부 반사경을 형성하는 공정을 갖고,
    적어도 광 모드 제어층으로부터 전류 협착층에 이르는 포스트 구조를 기판 상에 형성하는 공정과,
    포스트 구조의 측면으로부터 전류 협착층의 일부를 산화하고, 산화 영역에 의해 둘러싸인 도전부를 형성하는 공정을 더 포함하는 면 발광형 반도체 레이저의 제조 방법.
  15. 삭제
  16. 제 14 항에 있어서,
    하부 반사경, 활성층, 전류 협착층 및 광 모드 제어층은 에피택셜 성장에 의해 형성되는 면 발광형 반도체 레이저의 제조 방법.
  17. 제 1 항에 기재된 면 발광형 반도체 레이저와, 면 발광형 반도체 레이저에 전기적으로 접속된 전기 접속 단자와, 면 발광형 반도체 레이저로부터 출사된 광을 입사하는 광학 부품을 구비한 모듈.
  18. 제 1 항에 기재된 면 발광형 반도체 레이저와, 면 발광형 반도체 레이저로부터 발생된 광을 렌즈 및 미러 중 적어도 1개를 포함하는 광학 부품을 통하여 조사하는 조사 수단을 구비한 광원 장치.
  19. 제 17 항에 기재된 모듈과, 면 발광형 반도체 레이저로부터 발생된 광을 송신하는 송신 수단을 구비한 정보 처리 장치.
  20. 제 17 항에 기재된 모듈과, 면 발광형 반도체 레이저로부터 발생된 광을 송신하는 송신 수단을 구비한 광 송신 장치.
  21. 제 17 항에 기재된 모듈과, 면 발광형 반도체 레이저로부터 발생된 광을 공간 전송하는 전송 수단을 구비한 광 공간 전송 장치.
  22. 제 17 항에 기재된 모듈과, 면 발광형 반도체 레이저로부터 발생된 광을 공간 전송하는 전송 수단을 구비한 광 공간 전송 시스템.
  23. 제 1 항에 있어서, 상기 광 모드 제어층은, 단일의 층으로 이루어진 면 발광형 반도체 레이저.
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