KR101466703B1 - 광대역 파장조절 표면방출 레이저 - Google Patents

Abstract

표면방출 레이저는 단/중거리 통신용 광원으로 활용되고 있으며, 광연결, 광센서, 광통신 등에 활용이 빠르게 증가되고 있다. 특히, 최근에 와서는 대용량 데이터 처리 및 전송을 위하여 CWDM, DWDM 등 여러 파장의 광원을 사용한 광연결 및 광통신의 필요성이 증가하고 있다. 그 외에도 파장 조절의 특성을 사용하여 파장 특성의 소자의 특성 분석, 표면의 결함등을 검출하기 위한 3차원 스캔 등에 사용이 확대되고 있는데, 이와같은 응용을 위하여서는 100 nm 등의 넓은 광대역의 파장 조절과 중간에 불연속 파장이 없는 계속적인 파장 조절이 필요하다. 본 발명에서는 넓은 스톱 밴드를 갖는 유전체 거울층을 상부와 하부 거울층에 형성하고 상부 거울층과 활성층 사이에 형성된 에어갭을 이용하여 공진거리 조절을 통한 광대역의 발진 파장을 조절하는 것을 특성으로 갖는 모든 파장 영역에서 광대역 파장 조절 표면방출 레이저 광대역의 연속 조절이 가능한 파장 조절 표면방출 레이저를 제공한다.

Description

광대역 파장조절 표면방출 레이저 {Wideband tunable vertical-cavity surface-emitting laser}

본 발명은 광대역 파장조절 표면방출 레이저에 관한 것으로, 상세히는 넓은 파장 영역의 발진 파장 조절이 가능하도록 기판을 일부 제거하고 넓은 파장에 반사율을 갖도록 유전체 거울층과 금속 거울층을 함께 하부 거울층으로 구성하고, 전압에 의한 상부 거울층과 활성층 사이의 공진 거리를 조절하여 발진 파장을 조절할 수 있도록 한 광대역 파장조절 표면방출 레이저 소자에 관한 것이다.

표면방출 레이저는 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), 이차원 어레이(two-dimensional array) 특성 등으로 인하여 차세대 광통신 및 신호 처리용 광원으로 빠르게 자리 잡을 것으로 예상된다.

최근에 와서는 대용량 데이터 처리 및 전송을 위하여 CWDM(Coarse Wavelength Division Multiplex), DWDM(Dense Wavelength Division Multiplex) 등 여러 파장의 광원을 사용한 광연결 및 광통신의 필요성이 증가하고 있다. 하나의 파장을 이용한 광원을 사용하는 경우 용량을 늘리기 위하여서는 광연결 및 광통신 광원의 변조 속도를 높이는 방법을 사용하여야 하나, 이 경우 속도를 향상시키는데 한계가 있고 속도 증가에 따른 연결 및 전송 거리가 줄어드는 단점이 있다.

따라서 여러 파장의 광연결 및 광통신을 사용하는 경우 각 파장의 전송 속도와 채널의 증가를 통한 용량 증가가 가능하여 장거리에 대용량 신호의 전송 및 처리가 가능하게 된다. 그러나 여러 파장을 이용한 광연결 및 광통신을 위해서는 각각의 파장 특성을 갖는 개별 광원을 제작하여 적용하여야 하므로 각각의 파장을 갖는 광원 제작의 어려움과 가격 상승 및 교체 등의 어려움이 있다.

또한, 전체적 네트워크의 구성에 있어서도 파장이 고정되므로 유연성 있는 네트워크가 형성되지 않는 단점이 있다.

이와 같은 단점을 보완하기 위해서는 하나의 광원으로 파장 조절이 가능하게 하여 다양한 파장의 특성을 갖는 광원이 필요하다.

그 외에도 파장 조절의 특성을 사용하여 파장 특성의 소자의 특성 분석, 표면의 결함 등을 검출하기 위한 3차원 스캔 등에 사용이 확대되고 있는데, 이와 같은 응용을 위하여서는 100nm 등의 넓은 광대역의 파장 조절과 중간에 불연속 파장이 없는 계속적인 파장 조절이 필요하다.

이와 같은 특성은 기존의 측면방출 레이저(edge-emitting laser)의 전류에 따른 조절에서는 얻기 어려운 특성으로 본 발명에서는 광대역의 연속 조절이 가능한 파장 조절 표면방출 레이저의 제공하고자 한다.

파장조절 표면방출 레이저는 주로 얇은 상부 거울층과 상부 전류주입층 사이를 부분적으로 식각하여 얇은 공기층을 형성하고, 그 사이에 전압을 인가하여 거울층과 활성층의 공간을 조절하여 공진기 거리를 조절하여 파장을 조절한다. 이와 같이 파장을 조절하는 경우 대역을 결정하는 것은 상부와 하부의 거울층이 갖는 반사율대역(stop band)의 폭과 활성층의 이득의 폭 그리고 공진거리의 조절 폭 등에 의하여 결정된다. 특히, 상부와 하부 거울층의 stop band의 폭이 구성 물질에 따라서 한계를 가지므로 대역폭을 결정하는 주요 특성이다.

종래의 파장조절 표면방출 레이저 방법으로는 GaAs(갈륨비소) 기판의 850nm 대역의 경우 상부 거울은 유전체 거울층 등을 이용하고 하부 거울층은 반도체 DBR(distribution Bragg reflector)를 구성하는 Al_xGa_{1 - x}As/Al_yGa_{1 - y}As (0 < x, y < 1)의 조성인 x와 y의 차이를 최대로 하는 방법이 있다.

그러나 이와 같은 조성의 차이를 이용하여 최대로 하는 경우 도달할 수 있는 stop band의 대역폭이 최대 80 nm 정도로 실제로 사용할 수 있는 파장 조절 폭은 약 60nm 정도에 머무는 특성이 있다. 그리고 하부 거울층의 stop band를 넓히기 위하여 하부 거울층의 반도체 DBR를 Al_xGa_{1 - x}As/ Al_yGa_{1 - y}As (0 < x, y < 1)로 구성하고 y의 조성은 1에 가깝게 한 후, Al_yGa_{1 - y}As를 산화막으로 형성하여 Al_xGa_{1 - x}As/ Al_yGa_{1 -y}O_x (0 < x, y < 1)의 거울층을 사용하는 방법이 있다. 이와 같은 경우의 stop band는 200nm 이상을 얻을 수 있는 장점이 있으나 하부 거울층의 산화막 형성을 위한 공정이 복잡하고, 산화막에 의한 스트레스가 기판 등에 가중되는 단점이 있다.

그 외에도 850nm 대역보다 장파장인 1310nm 이상의 대역인 InP(인듐인) 기판의 경우 기판을 제거하고 웨이퍼 본딩 등에 의하여 하부 거울층에 Al_xGa_{1 - x}As/ Al_yGa_1-yAs (0 < x, y < 1)로 구성하고, y의 조성은 1에 가깝게 한 후, Al_yGa_{1 - y}As를 산화막으로 형성하여 Al_xGa_{1 - x}As/ Al_yGa_{1 - y}O_x (0 < x, y < 1)의 거울층을 사용하는 방법이 있다. 이것은 산화막 형성과 더불어서 웨이퍼 본딩 등의 공정이 추가되어 더욱 제작 공정이 복잡한 단점을 보이고 있다.

본 발명에서는 기판을 일부 제거하고 넓은 파장에 반사율을 갖도록 유전체 거울층과 금속 거울층을 함께 하부거울층으로 구성하여 850 ~ 1550 nm의 파장 대역에 적용 가능한 광대역 파장 조절 표면 방출 레이저를 제공하고자 한다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 기판을 일부 제거하고 넓은 파장에 반사율을 갖도록 유전체 거울층과 금속 거울층을 함께 하부 거울층으로 구성하고, 전압에 의한 상부 거울층과 활성층 사이의 공진 거리를 조절하여 발진 파장을 조절할 수 있도록 하여 다양한 파장 영역에서의 광대역 파장조절 표면방출 레이저를 제공하는 데 있다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 상부의 거울층과 활성층 사이에 에어갭을 형성하여 상부 거울층과 활성층 사이에 전압으로 조절하여 상부 거울층과 활성층 사이의 거리가 조절되어 공진 거리를 조절할 수 있도록 하고, 기판의 일부를 제거하여 유전체 거울층과 금속 거울로 구성된 하부 거울층을 형성하여 광대역 영역에서 반사율의 스톱 밴드를 형성하여 넓은 파장 대역의 파장 조절이 가능한 광대역 파장조절 표면방출 레이저를 제공한다.

구체적으로 본 발명은 광대역 파장조절 표면방출 레이저 소자에 있어서, 반도체 기판 위에 차례로 적층된 식각저항층과 하부클래드층, 상기 하부클래드층 상에 이득을 위한 이득층, 상기 이득층 상에 도핑된 반도체로 구성된 상부클래드층, 상기 상부클래드층 상에 식각층, 상기 식각층 상에 도핑된 반도체로 구성된 지지층을 순차적으로 형성하고, 상기 지지층의 일부에 상부 유전체 거울층을 형성하고, 상기 지지층의 다른 상부에 전압인가를 위한 전극을 형성하고, 상기 식각층의 일부를 선택적으로 제거하여 하부클래드층, 이득층, 상부클래드층으로 이루어진 활성층과 지지층 사이에 에어갭을 형성하고, 상기 상부클래드층의 상부에 활성층에 전압 인가를 위한 전극을 형성하고, 기판의 하부의 일부를 제거하고, 식각저항층을 연속적으로 제거한 후 하부 유전체 거울층를 형성하고, 상기 하부 유전체 거울층의 하부에 금속 거울층을 형성한다. 상부 유전체 거울층과 지지층으로 구성된 상부 거울층과 활성층 그리고 하부 유전체 거울층과 금속 거울층으로 구성된 거울층으로 구성된 하부 거울층이 공진기를 형성하여 레이저 빛이 나오게 되는데, 상부거울층과 활성층 사이에 전압을 인가하여 에어갭의 거리가 조절되고, 상부 거울층과 활성층, 그리고 하부 거울층 사이에 공진 거리가 변하게 되어 발진 파장의 조절이 가능하도록 한다. 광대역 파장 조절을 위하여 상부 유전체 거울층과 지지층으로 이루어진 상부 거울층과 하부 유전체 거울층과 금속 거울층으로 이루어진 하부 거울층은 스톱 밴드가 100nm 이상이 되도록 구성되어 진다.

바람직한 실시 예에서 상부와 하부의 유전체 거울층은 SiOx/SiNx, SiOx/TiOx, CaF2/a-Si, CaF2/ZnS 등과 같이 유전율의 차이가 큰 물질로 각각의 두께가 0.25x광학길이(중심파장을 굴절률로 나눈 길이)로 되도록 하고 구성되는 두 층이 한 주기로 하여 2~7주기 정도가 이루어지도록 구성한다. 그리고 금속 거울층은 Au, Al, Ag 등과 같은 금속을 증착하여 형성한다.

본 발명의 광대역 파장조절 표면방출 레이저는 넓은 스톱 밴드를 갖는 유전체 거울층을 상부와 하부 거울층에 형성하고 상부 거울층과 활성층 사이에 형성된 에어갭을 이용하여 공진거리 조절을 통한 광대역의 발진 파장을 조절하는 것을 특징으로 하는 표면방출 레이저에 관한 것으로, 모든 파장 영역에서 광대역 파장 조절 표면방출 레이저 소자 제작 방법으로 활용될 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 의한 광대역 파장조절 표면방출 레이저의 단면구조,
도 2 및 도 3은 각각 본 발명의 다른 실시 예에 의한 광대역 파장조절 표면방출 레이저의 단면구조와 상부 구조를 보인 것이고,
도 4는 본 발명의 광대역 파장조절 표면방출 레이저의 하부 거울층의 스톱 밴드(stop band) 특성을 보인 그래프이다.

이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 광대역 파장조절 표면방출 레이저 구조의 단면도를 나타낸다. 도면에서 부호 21은 반도체기판, 22는 반도체로 구성된 식각저항층, 23은 반도체로 구성된 하부클래드층, 24는 이득을 주기 위한 다층 양자 우물로 이루어진 이득층, 25는 도핑된 반도체로 구성된 상부클래드층, 26은 반도체로 구성된 식각층, 27은 반도체로 구성된 지지층, 28은 전압 구동을 위한 상부전극, 29는 전압구동을 위한 상부거울전극, 30은 상부 거울층을 구성하기 위한 상부 유전체 거울층, 31은 하부 거울층을 구성하기 위한 하부 유전체 거울층, 32는 하부 거울층을 구성하기 위한 하부 금속 거울층, 33은 공진 거리 조절을 위한 에어갭을 나타낸다.

본 실시 예에서는 상부거울전극(29)과 상부전극(28) 사이에 전압을 인가하여 에어갭(33)의 거리를 조절하고, 이득층(24)에서 생성된 빛이 상부 유전체 거울층(30), 지지층(27), 에어갭(33), 상부클래드층(25), 이득층(24), 하부클래드층(23), 하부 유전체 거울층(31), 금속 거울층(32)을 통하여 공진하여 레이저 빛을 방출하게 된다.

이때, 에어갭(33)의 거리에 따라서 공진거리가 변하게 되어 발진 파장이 조절되게 된다. 파장의 조절 대역은 상부 유전체 거울층(30)과 하부 유전체 거울층(31) 및 금속 거울층(32)의 스톱 밴드(stop band)에 의하여 결정되는데, 상부 유전체 거울층(30)과 하부 유전체 거울층(31)은 SiOx/SiNx, SiOx/TiOx, CaF2/a-Si, CaF2/ZnS 등과 같이 유전율의 차이가 큰 물질로 각각의 두께가 0.25x광학길이(중심파장을 굴절률로 나눈 길이)로 되도록 하고, 구성되는 두 층이 한 주기로 하여 2~7주기 정도가 이루어지도록 구성한다. 그리고 금속 거울층(32)은 Au, Al, Ag 등과 같은 금속을 증착하여 형성한다. 이에 따라서 100nm 이상의 광대역으로 발진 파장을 조절할 수 있게 된다.

도 2는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 광대역 파장조절 표면방출 레이저 구조의 단면도를 나타낸다. 도 3은 도 2에 도시된 광대역 파장조절 표면방출 레이저 구조의 상부 구조를 나타낸다.

본 실시 예에서는 반도체 기판(41) 위에 차례로 적층된 식각저항층(42)과 도핑된 반도체로 구성된 하부클래드층(43), 상기 하부클래드층(43) 상에 이득을 위한 이득층(44), 상기 이득층(44) 상에 도핑된 반도체로 구성된 상부클래드층(45), 상기 상부클래드층(45) 상에 전류제한층(46), 상기 전류제한층(46) 상에 도핑된 반도체로 구성된 상부식각저항층(47), 상기 상부식각저항층(47) 상에 식각층(48), 상기 식각층(48) 상에 도핑된 반도체로 구성된 지지층(49)을 순차적으로 형성하고, 상기 지지층(49) 상의 일부에 상부 유전체 거울층(51)을 형성하고, 상기 지지층(49)의 다른 상부에 전압인가를 위한 상부거울전극(52)을 형성하고, 상기 지지층(49), 식각층(48), 상부식각저항층(47), 전류 제한층(46), 상부클래드층(45), 이득층(44)의 일부를 식각한 후 전류 제한을 위한 전류 제한층(46)의 일부를 선택적 식각으로 식각한 후 절연물질을 채워넣은 절연층(50)을 형성하고, 상기 식각층(48)의 일부를 선택적으로 제거하여 상부식각저항층(47)과 지지층(49) 사이에 에어갭(55)을 형성하고, 반도체 기판(41)의 하부의 일부를 제거하고, 상기 식각저항층(42)을 연속적으로 제거한 후 하부 유전체 거울층(53)을 형성하고, 상기 하부 유전체 거울층(53)의 하부에 금속 거울층(54)을 형성한다. 그리고 상기 하부 클래드층(43) 위의 일부에 절연을 위한 하부전극절연층(61)을 형성하고 상기의 하부클래드층(43) 위의 일부와 상기 하부전극절연층(61) 위의 일부에 하부전극(62)을 형성한다. 그리고 상기의 하부 클래드층(43) 위의 일부에 절연을 위한 상부전극절연층(63)을 형성하고, 상기 상부식각저항층(47) 위의 일부와 상기 상부전극절연층(63) 위의 일부에 상부전극(64)을 형성한다.

상기 절연층(50)은 선택적 식각 후 ALD(atomic layer deposition)의 방법으로 AlOx나 AlNx를 증착하여 형성하고, 상부 유전체 거울층(51)과 하부 유전체 거울층(53)은 SiOx/SiNx, SiOx/TiOx, CaF2/a-Si, CaF2/ZnS 등과 같이 유전율의 차이가 큰 물질로 각각의 두께가 0.25x광학길이(중심파장을 굴절률로 나눈 길이)로 되도록 하고 구성되는 두 층이 한 주기로 하여 2~7주기 정도가 이루어지도록 구성하고, 금속 거울층(54)은 Au, Al, Ag 등과 같은 금속을 증착하여 형성하여 100nm 이상의 ㅅ스톱 밴드를 갖도록 구성한다.

상부전극(64)과 하부전극(62) 사이에 전류를 인가하여 절연층(50)이 없는 영역으로 전류가 이득층(44)으로 흘러서 빛을 형성하고, 형성된 빛은 공진기 내부에서 공진(57; 화살표로 표시함)이 일어나서 레이저의 빛(58)이 방출되게 되며, 상부거울전극(52)과 상부전극(64) 사이에 전압을 인가하여 상부 유전체 거울층(51)과 지지층(49)이 변위(56; 화살표로 표시함)하게 되어 에어갭(55) 거리가 변하여 공진거리가 조절되어 발진 파장이 변하게 되어 광대역 파장 조절 표면방출 레이저의 특성을 갖게 된다.

도 4는 도 1 및 도 2에 도시된 실시 예의 레이저 소자에서 하부 유전체 거울층(31,53)과 금속거울층(32,54)에 의한 반사율 특성을 기존 기술의 AlAs/GaAs, AlOx/GaAs DBR 거울층의 반사율과 비교한 것이다. 본 발명의 실시 예에서 하부 유전체 거울층(31,53)과 금속거울층(32,54)의 구조에서는 스톱 밴드가 230nm로 광대역의 반사 특성을 갖는 것을 나타낸다. AlAs/GaAs DBR 거울층의 경우 스톱 밴드가 80nm 정도로 광대역의 파장조절용 거울층으로 적합하지 않음을 알 수 있고, AlOx/GaAs DBR 거울층의 경우 가장 넓은 스톱 밴드 특성이 있으나 제작 공정이 복잡하고 스트레스에 의한 낮은 수율 특성이 있다.

도 2 및 도 3을 참조하여 본 발명의 상기 바람직한 실시 예를 좀 더 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

InP 반도체 기판(41) 위에 식각저항층(42)으로서 In_y(Al_xGa_{1 -x})_{1- y}As (0 < x, y < 1) 또는 In_xGa_{1 - x}As_yP_{1 -y} (0 < x, y < 1) 등으로 형성되어 있고, 그 위에 하부 클래드층(43)으로 도핑된 InP 또는 InP에 거의 격자 정합된 구조로 도핑된 In_xGa_{1 - x}As_yP_{1 -y} (0 < x, y < 1) 등으로 형성되어 있고, 하부클래드층(43) 상에는 In_y(Al_xGa_{1 -x}) _1-yAs/ In_z(Al_wGa_{1 -w})_{1- z}As (0 < x, y, z, w < 1) 양자우물층으로 구성된 이득층(44)이 형성되어 있다. 이득층(44) 상에는 전류 확산 및 선택적 식각에서 보호를 위한 도핑된 InP 또는 In_xGa_{1 - x}As_yP_{1 -y} (0 < x, y < 1) 등으로 구성된 상부클래드층(45), 상부클래드층(45) 상에는 전류 제한 및 전류 인가와 선택적 식각을 위한 도핑된 In_y(Al_xGa_{1 -x})_1-yAs(0 < x, y < 1) 또는 In_xGa_{1 - x}As_yP_{1 -y} (0 < x, y < 1)로 구성된 전류제한층(46), 전류제한층(46) 상에는 상부 전극 접촉 및 선택적 식각시 보호를 위해 도핑된 InP 또는 In_xGa_{1 - x}As_yP_{1 -y} (0 < x, y < 1) 등으로 구성된 상부식각저항층(47), 상기 상부식각저항층(47) 상에 In_y(Al_xGa_{1 -x})_{1- y}As (0 < x, y < 1) 또는 In_xGa_1-xAs_yP_1-y (0 < x, y < 1) 등으로 형성된 식각층(48), 상기 식각층(48) 상에 도핑된 InP 또는 In_xGa_{1 -x}As_yP_1-y (0 < x, y < 1) 등으로 구성된 지지층(49)을 순차적으로 형성하고, 상기 지지층(49) 상의 일부에 SiOx/SiNx, SiOx/TiOx, CaF2/a-Si, CaF2/ZnS 등과 같이 유전율의 차이가 큰 물질로 각각의 두께가 0.25x광학길이(중심파장을 굴절률로 나눈 길이)로 되도록 하고 구성되는 두 층이 한 주기로 하여 2~7주기 정도가 이루어지도록 구성된 상부 유전체 거울층(51)을 형성하고, 지지층(49)의 다른 상부에 전압인가를 위한 Ti/PT/Au, AuGe/Ni/Au, Ti/Au, Cr/Au 등으로 구성된 상부거울전극(52)을 형성하고, 상기의 지지층(49), 식각층(48), 상부식각저항층(47), 전류 제한층(46), 상부클래드층(45), 이득층(44)의 일부를 식각한 후 전류 제한을 위한 전류 제한층(46)의 일부를 선택적 식각으로 식각한 후 식각된 부분은 AlO_x 또는 AlN_x 등의 절연층(50)으로 채워져 있거나 산화방법으로 형성된 AlO_x 등의 산화막으로 절연물질을 채워넣은 절연층(50)을 형성하고, 식각층(48)의 일부를 인산이나 황산 또는 이들의 혼합물을 이용하여 선택적으로 제거하여 상부 식각저항층(47)과 지지층(49)의 사이에 에어갭(55)을 형성하고, 기판(41)의 하부의 일부를 제거하고, 식각저항층(42)을 연속적으로 제거한 후 SiOx/SiNx, SiOx/TiOx, CaF2/a-Si, CaF2/ZnS 등과 같이 유전율의 차이가 큰 물질로 각각의 두께가 0.25x광학길이(중심파장을 굴절률로 나눈 길이)로 되도록 하고 구성되는 두 층이 한 주기로 하여 2~7주기 정도가 이루어지도록 구성된 하부 유전체 거울층(53)을 형성하고, 상기 하부 유전체 거울층(53)의 하부에 Au, Al, Ag 등과 같은 금속을 증착하여 금속 거울층(54)을 형성한다. 그리고 상기 하부 클래드층(43)의 상의 일부에 절연을 위한 SiNx나 SiOx와 같은 하부전극절연층(61)을 형성하고 상기의 하부틀래드층(43)의 상의 일부와 상기 하부전극절연층(61) 상의 일부에 Ti/PT/Au, AuGe/Ni/Au, Ti/Au, Cr/Au 등으로 구성된 하부전극(62)을 형성한다. 그리고 상기의 하부 클래드층(43) 위의 일부에 절연을 위한 SiNx나 SiOx와 같은 상부전극절연층(63)을 형성하고, 상기의 상부식각저항층(47) 위의 일부와 상기 상부전극절연층(63) 위의 일부에 Ti/PT/Au, AuGe/Ni/Au, Ti/Au, Cr/Au 등으로 구성된 상부전극(64)을 형성한다. 상부전극(64)과 하부전극(62) 사이에 전류를 인가하여 절연층(50)이 없는 영역으로 전류가 이득층(44)으로 흘러서 빛을 생성하고, 생성된 빛은 공진기 내부에서 공진(57)이 일어나서 레이저의 빛(58)이 방출되게 되며, 상부거울전극(52)과 상부전극(64) 사이에 전압을 인가하여 상부 유전체 거울층(51)과 지지층(49)이 변위(56)하게 되어 에어갭(55) 거리가 변하여 공진 거리가 조절되어 발진 파장이 변하게 되어 광대역 파장 조절 표면방출 레이저의 특성을 갖게 된다.

본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시 예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시 예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술 분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 실시 예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.

21 : 반도체 기판 22 : 식각저항층
23 : 하부클래드층 24 : 이득층
25 : 상부클래드층 26 : 식각층
27 : 지지층 28 : 상부전극
29 : 상부거울전극 30 : 상부 유전체 거울층
31 : 하부 유전체 거울층 32 : 금속 거울층
33 : 에어갭 41 : 반도체 기판
42 : 식각저항층 43 : 하부클래드층
44 : 이득층 45 : 상부클래드층
46 : 전류제한층 47 : 상부식각저항층
48 : 식각층 49 : 지지층
50 : 절연층 51 : 상부 유전체 거울층
52 : 상부거울전극 53 : 하부 유전체 거울층
54 : 금속거울층 55 : 에어갭
56 : 지지층과 상부 유전체 거울층의 변위
57 : 빛의 공진 58 : 빛의 방출

Claims (11)

1. 반도체 기판 위에 차례로 적층된 식각저항층과 하부클래드층, 상기 하부클래드층 위에 이득을 위한 이득층, 상기 이득층 위에 도핑된 반도체로 구성된 상부클래드층, 상기 상부클래드층 위에 전류제한층, 상기 전류 제한층 위에 도핑된 반도체로 구성된 상부식각저항층, 상기 상부식각저항층 위에 식각층, 상기 식각층 위에 도핑된 반도체로 구성된 지지층을 순차적으로 형성하고, 상기 지지층 위의 일부에 상부 유전체 거울층을 형성하고, 지지층의 다른 상부에 전압인가를 위한 상부거울전극을 형성하고, 상기의 지지층, 식각층, 상부식각저항층, 전류 제한층, 상부클래드층, 이득층의 일부를 식각한 후 전류 제한을 위한 전류 제한층의 일부를 선택적 식각으로 식각한 후 절연물질을 채워넣은 절연층을 형성하고, 식각층의 일부를 선택적으로 제거하여 상부식각저항층과 지지층의 사이에 에어갭을 형성하고, 상기 반도체 기판의 하부의 일부를 제거하고, 식각저항층을 연속적으로 제거한 후 하부 유전체 거울층을 형성하고, 상기 하부 유전체 거울층의 하부에 금속 거울층을 형성하고, 상기 하부 클래드층의 일부에 절연을 위한 하부전극절연층을 형성하고 상기의 하부클래드층의 일부와 상기 하부전극절연층의 일부에 하부전극을 형성하고, 상기의 하부 클래드층의 일부에 절연을 위한 상부전극절연층을 형성하고, 상기의 상부식각저항층의 일부와 상기 상부전극절연층의 일부에 상부전극을 형성하여 이루어지며. 상기 상부전극과 하부전극 사이에 전류를 인가하여 절연층이 없는 영역으로 전류가 이득층으로 흘러서 빛을 형성하고, 형성된 빛은 공진기 내부에서 공진이 일어나서 레이저의 빛이 방출되게 되며, 상기 상부거울전극과 상부전극 사이에 전압을 인가하여 상부 유전체 거울층과 지지층이 변위하게 되어 에어갭 거리가 변하여 공진거리가 조절되어 발진 파장이 변하게 되는 것을 특징으로 하는 광대역 파장 조절 표면방출 레이저.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 절연층은 전류제한층을 선택적 식각 후 ALD(atomic layer deposition)의 방법으로 AlOx나 AlNx를 증착하여 형성하는 것을 특징으로 하는 광대역 파장조절 표면방출 레이저.
   
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 상부 유전체 거울층은 SiOx/SiNx, SiOx/TiOx, CaF2/a-Si, CaF2/ZnS를 포함하는 유전율의 차이가 큰 물질로 각각의 두께가 0.25x광학길이(중심파장을 굴절률로 나눈 길이)로 되도록 하고, 구성되는 두 층이 한 주기로 하여 2~7주기가 이루어지도록 구성되는 것을 특징으로 하는 광대역 파장조절 표면방출 레이저.
   
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 하부 유전체 거울층은 SiOx/SiNx, SiOx/TiOx, CaF2/a-Si, CaF2/ZnS를 포함하는 유전율의 차이가 큰 물질로 각각의 두께가 0.25x광학길이(중심파장을 굴절률로 나눈 길이)로 되도록 하고 구성되는 두 층이 한 주기로 하여 2~7 주기가 이루어지도록 구성되는 것을 특징으로 하는 광대역 파장조절 표면방출 레이저.
   
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 금속 거울층은 Au, Al, Ag 중의 어느 하나를 증착하여 형성하여 구성하는 것을 특징으로 하는 광대역 파장조절 표면방출 레이저.
   
6. InP 반도체 기판 위에 식각저항층으로서 In_y(Al_xGa_{1 -x})_{1- y}As (0 < x, y < 1) 또는 In_xGa_{1 - x}As_yP_{1 -y} (0 < x, y < 1) 등으로 형성되어 있고, 그 위에 하부 클래드층으로 도핑된 InP 또는 InP에 격자 정합된 구조로 도핑된 In_xGa_{1 - x}As_yP_{1 -y} (0 < x, y < 1)로 형성되어 있고, 상기의 하부클래드층 상에는 In_y(Al_xGa_{1 -x}) _{1- y}As/ In_z(Al_wGa_{1 -w})_1-zAs s (0 < x, y, z, w < 1) 양자우물층으로 구성된 이득층이 형성되어 있고, 상기의 이득층 상에 도핑된 InP 또는 In_xGa_{1 - x}As_yP_{1 -y} (0 < x, y < 1)로 구성된 상부클래드층, 상기 상부클래드층 상에 도핑된 In_y(Al_xGa_{1 -x})_1-yAs(0 < x, y < 1) 또는 In_xGa_{1 - x}As_yP_{1 -y} (0 < x, y < 1)로 구성된 전류제한층, 상기의 전류제한층 상에는 도핑된 InP 또는 In_xGa_{1 - x}As_yP_{1 -y} (0 < x, y < 1)로 구성된 상부식각저항층, 상기의 상부식각저항층(47) 상에 In_y(Al_xGa_{1 -x})_{1- y}As (0 < x, y < 1) 또는 In_xGa_{1 - x}As_yP_{1 -y} (0 < x, y < 1)로 형성된 식각층, 상기 식각층의 상에 도핑된 InP 또는 In_xGa_{1 - x}As_yP_{1 -y} (0 < x, y < 1)로 구성된 지지층을 순차적으로 형성하고, 상기 지지층 위의 일부에 구성된 상부 유전체 거울층을 형성하고, 상기 지지층의 다른 상부에 전압인가를 위한 상부거울전극을 형성하고, 상기의 지지층, 식각층, 상부식각저항층, 전류 제한층, 상부클래드층, 이득층의 일부를 식각한 후 전류 제한층의 일부를 선택적 식각으로 식각한 후 식각된 부분은 절연층으로 채워져 있거나 산화방법으로 형성된 산화막으로 절연층을 형성하고, 식각층의 일부를 선택적으로 제거하여 상부식각저항층과 지지층의 사이에 에어갭을 형성하고, 기판의 하부의 일부를 제거하고, 식각저항층을 연속적으로 제거한 후 하부 유전체 거울층을 형성하고, 상기 하부 유전체 거울층의 하부에 금속 거울층을 형성하고, 상기 하부 클래드층의 상의 일부에 절연을 위한 SiNx나 SiOx로 하부전극절연층을 형성하고 상기 하부 클래드층의 상의 일부와 상기 하부전극절연층 상의 일부에 하부전극을 형성하고, 상기의 하부 클래드층의 상의 일부에 절연을 위한 SiNx나 SiOx로 상부전극절연층을 형성하고, 상기 상부식각저항층의 일부와 상기 상부전극절연층의 일부에 상부전극을 형성하여 이루어지며. 상기 상부전극과 하부전극 사이에 전류를 인가하여 절연층이 없는 영역으로 전류가 이득층으로 흘러서 빛을 형성하고, 형성된 빛은 공진기 내부에서 공진이 일어나서 레이저의 빛이 방출되게 되며, 상기 상부거울전극과 상부전극 사이에 전압을 인가하여 상부 유전체 거울층과 지지층이 변위하게 되어 에어갭 거리가 변하여 공진거리가 조절되어 발진 파장이 변하게 되는 것을 특징으로 하는 광대역 파장 조절 표면방출 레이저.
   
7. 청구항 6에 있어서,
   상기 절연층은 전류제한층을 선택적 식각 후 ALD(atomic layer deposition)의 방법으로 AlOx나 AlNx를 증착하여 형성하는 것을 특징으로 하는 광대역 파장조절 표면방출 레이저.
   
8. 청구항 6에 있어서,
   상기 절연층은 전류제한층을 선택적 산화하는 방법으로 AlOx를 형성하는 것을 특징으로 하는 광대역 파장조절 표면방출 레이저.
   
9. 청구항 6에 있어서,
   상기 상부 유전체 거울층은 SiOx/SiNx, SiOx/TiOx, CaF2/a-Si, CaF2/ZnS를 포함하는 유전율의 차이가 큰 물질로 각각의 두께가 0.25x광학길이(중심파장을 굴절률로 나눈 길이)로 되도록 하고 구성되는 두 층이 한 주기로 하여 2~7주기가 이루어지도록 구성하는 것을 특징으로 하는 광대역 파장조절 표면방출 레이저.
   
10. 청구항 6에 있어서,
    상기 하부 유전체 거울층은 SiOx/SiNx, SiOx/TiOx, CaF2/a-Si, CaF2/ZnS를 포함하는 유전율의 차이가 큰 물질로 각각의 두께가 0.25x광학길이(중심파장을 굴절률로 나눈 길이)로 되도록 하고 구성되는 두 층이 한 주기로 하여 2~7주기가 이루어지도록 구성하는 것을 특징으로 하는 광대역 파장조절 표면방출 레이저.
    
11. 청구항 6에 있어서,
    상기 금속 거울층은 Au, Al, Ag 중의 어느 하나를 증착하여서 된 것을 특징으로 하는 광대역 파장조절 표면방출 레이저.

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