KR101701711B1 - 활성 캐리어 구속을 갖는 수직 공동 표면 방출 레이저 - Google Patents

활성 캐리어 구속을 갖는 수직 공동 표면 방출 레이저 Download PDF

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Abstract

본 발명의 목적은 VCSEL 내부의 캐리어의 구속을 개선하는 것이다. 본 발명의 포괄적인 개념으로서, 광 트랜지스터 층 구조를 VCSEL의 층 스택에 일체화하는 것이 제안된다.

Description

활성 캐리어 구속을 갖는 수직 공동 표면 방출 레이저{VERTICAL CAVITY SURFACE EMITTING LASER WITH ACTIVE CARRIER CONFINEMENT}
본 발명은 일반적으로는 수직 공동 표면 방출 레이저(VCSEL)에 관한 것이다. 더 구체적으로, 본 발명은 전류 구속 수단을 갖는 VCSEL에 관한 것이다.
모든 반도체 레이저에 대해, 캐리어 주입을 레이저 방출에 기여하는 활성 영역에 가능한 많이 구속하는 것이 매우 유리하다. 모드 프로파일과 중첩되지 않고 공간적 위치에 주입되는 캐리어들은 소실된다. 따라서, 캐리어의 구속이 향상될수록 전체 효율은 높아진다.
VCSEL의 중심 가까이에 전류를 구속하기 위한 공지된 측정으로는 공동의 중심에서는 높은 전도성을 갖고 가장 자리에서는 낮은 전도성을 갖는 개구 층(aperture layer)이 있다. 개구 층은 알루미늄 함량이 높은 층의 측면 산화나 국부적 양성자 주입에 의해 실현될 수 있다. 그러나, 양 접근법(산화 및 주입)을 위한 캐리어 주입은 광학 모드의 측면 세기 프로파일에 반드시 적응되는 것은 아니다.
<발명의 요약>
따라서, 본 발명의 목적은 캐리어의 구속을 개선하는 것이다. 이 목적은 청구항 1의 청구물에 의해 해결된다. 본 발명의 유리한 개선 내용은 종속 청구항들에서 정의된다.
본 발명의 일반적인 개념으로서, 광 트랜지스터 층 구조를 VCSEL의 층 스택으로 통합하도록 제안된다. 레이저가 광을 방출하는 경우, 광 트랜지스터는, 레이저 광이 광 트랜지스터의 감광층을 통과하는 영역에 캐리어 주입이 측방으로 제한되도록 국부적으로 전도성을 갖게 된다. 따라서, 광 트랜지스터는 분산된 활성 전류 구속을 제공한다.
더 구체적으로, 본 발명에 따른 수직 공동 표면 방출 레이저 다이오드(VCSEL)는,
기판,
기판 상의 반도체 층들의 제1 층 스택 - 상기 제1 층 스택은 제1 분산 브래그 반사기를 형성함 - ,
제1 층 스택 상에 배치된 하나 이상의 양자 우물층을 포함하는 활성 영역,
제2 분산 브래그 반사기를 형성하는, 활성 영역 상에 배치된 반도체 층들의 제2 층 스택, 및
활성 영역에 전류를 주입하기 위한 제1 및 제2 단자 컨택을 포함한다.
수직 공동 표면 방출 레이저 다이오드는 수직 공동 표면 방출 레이저 다이오드에 의해 생성된 레이저 광에 감응하는 분산 광 트랜지스터를 형성하는 층들을 더 포함한다. 이들 층들은 적어도 하나의 베이스 층, 적어도 하나의 에미터 층, 및 적어도 하나의 컬렉터 층을 포함한다. 적어도 하나의 베이스 층은 기판에 수직 방향으로 흐르는 전류가 에미터 층, 컬렉터 층 및 베이스 층을 통해 흐르도록 적어도 하나의 에미터 층과 적어도 하나의 컬렉터 층 사이에 배치되며, 베이스 층은 제1 층 스택 중 기판에 가장 인접한 하부층과 제2 층 스택의 최상층 사이에 배치된다.
에미터 층과 컬렉터 층은 바람직하게는 VCSEL의 층 스택에 적어도 부분적으로 통합될 수 있다. 따라서, 본 발명의 개선 내용에 따르면, 제1 분산 브래그 반사기를 형성하는 제1 층 스택 또는 제2 분산 브래그 반사기를 형성하는 제2 층 스택의 층들 중 적어도 하나는 분산 광 트랜지스터의 에미터 또는 컬렉터 층을 형성한다.
분산 광 트랜지스터를 형성하는 층들, 특히, 베이스 층이 광 트랜지스터의 포화 상태인 층들에 대해 수직인 방향의 전도성보다 낮은 횡방향 전도성을 갖는 경우, 보다 바람직하다. 이것은 광 트랜지스터 내에 생성된 광전류의 큰 측면 확산을 방지한다. 전류가 측면 방향으로 확산되는 경우, 베이스 층에 대해 시간이 엄수된 조사(punctual illumination)는, 전류 구속이 약화되도록 접합의 보다 큰 영역이 전도성을 갖게 된다.
이상적으로, 캐리어는 일단 소자가 이미 레이저 방출하고 있을 때만 활성 영역에 주입될 것이다. 캐리어의 초기 주입을 촉진하기 위해서는 제1 및 제2 단자 컨택 이외에 추가의 컨택을 제공하는 것이 유리하다. 이 컨택은 이하 "스타터 전극" 또는 "스타터 단자 컨택(starter terminal contact)"이라 부른다. 스타터 단자 컨택은 스타터 단자 컨택을 캐리어를 활성 영역에 주입하기 위한 전원에 연결하는 것에 의해 광 트랜지스터의 하나의 접합이 적어도 부분적으로 연결(bridge)되도록 활성 영역과 적어도 하나의 베이스 층 사이의 층과 접촉한다. 접합이 연결되는 경우, 캐리어는 전류가 광자의 부재에 기인해 광 트랜지스터에 의해 차단되더라도 스타터 단자 컨택을 통해 활성 영역으로 주입될 수 있다.
스타터 단자 컨택은 일단 VCSEL이 레이저 방출하고 있다면 전원에서 연결해제될 수 있다. 대안으로, 스타터 단자 컨택은 제1 및 제2 단자 컨택 중 하나에 전기적으로 연결될 수 있다. 단자 컨택이 레이저 다이오드의 중심 광축에 측면 방향으로 오프셋되고 수평 전도도가 수직 방향 전도도에 비해 더 낮다면, 주 전류는 베이스-컬렉터 접합을 레이저 광으로 조명할 때 수직 방향으로 흐른다.
다른 추가적인 또는 대안적인 가능성은 베이스 층을 스타터 단자 컨택에 의해 직접 접촉시키는 것이다. 이 경우, 광 트랜지스터는 적절한 전류를 베이스 층에 인가함으로써 스위칭될 수 있다.
분산 광 트랜지스터의 층들은 바람직하게는 분산 브래그 반사기 중 하나의 층들일 수 있다. 따라서 본 발명의 바람직한 개선 내용에 따르면, 제1 및 제2 층 스택의 적어도 하나의 층은 분산 광 트랜지스터를 형성하는 층들의 에미터 또는 컬렉터 층을 형성한다.
PNP 또는 NPN 타입의 광 트랜지스터 모두가 이용될 수 있다. PNP 트랜지스터의 경우, 분산 브래그 반사기를 형성하는 제1 및 제2 층 스택 중 하나는 p-도핑된 층들을 포함하며, 분산 광 트랜지스터를 형성하는 층들은 p-도핑된 층들을 포함하는 층 스택에 인베딩되거나 또는 그에 인접해 있다. 마찬가지로, 광 트랜지스터가 NPN 타입이라면, 분산 브래그 반사기를 형성하는 상기 제1 및 제2 층 스택 중 하나는 n-도핑된 층들을 포함하고, 분산 광 트랜지스터를 형성하는 층들은 n-도핑된 층들을 포함하는 층 스택에 인베딩되거나 또는 그에 인접해 있다.
일반적으로, 정상파 패턴이 높은 세기를 갖는, VCSEL의 광축을 따른 위치에 광 트랜지스터의 광 활성 접합을 위치시키는 것이 유리하다. 이와 관련하여, 베이스 층을 VCSEL 내의 레이저 광의 정상파 패턴이 그 최대값의 적어도 2/3를 갖는 위치에 배치하는 것이 바람직하다. 베이스 층이 인베딩된 각각의 분산 브래그 반사기의 층 쌍들에 관하여, 베이스 층을 활성 영역에서 떨어진 위치에 배치시키는 것이 유리하며, 이 거리는 브래그 반사기의 수 개의 거울 쌍이다. 따라서 브래그 반사기의 거울 쌍은 상이한 굴절률을 갖는 2개의 층으로 구성된다. 바람직하게는, 거리는 2 내지 15 층 쌍 내에 있다.
마찬가지로, 베이스 층은 VCSEL에 의해 방출된 레이저 광의 1/4 파장의 광학적 두께를 바람직하게 가질 수 있고, 분산 브래그 반사기를 형성하는 제1 및 제2 층 스택에 임베딩될 수 있다. 이 방식으로, 베이스 층은 각각의 분산 브래그 반사기의 반사층으로서 유효하게 된다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 베이스 층은 1/4 파장의 광학적 두께보다 작다. 바람직하게는, 이 실시예에서, 베이스 층은 레이저 파장의 1/8보다 작은 광학적 두께를 갖는다. 이 실시예에서 베이스 층이 분산 브래그 반사기를 형성하는 층 스택 중 하나의 내부에 위치한다면, 인접한 층들 중 하나의 두께는 각각의 층 스택의 계면에서 반사되는 부분적인 파의 위상 관계가 레이저 모드의 반사를 위해 정확하게 유지되도록 바람직하게는 베이스 층 두께에 적응될 수 있다. 물론, 이것은 베이스 층의 두께와 분산 브래그 반사기를 형성하는 층 스택의 인접 층들 중 하나의 두께의 합이 대략 1/4 파장의 광학적 두께가 된다면 쉽게 달성된다. 더 얇은 베이스 층이 분산 광 트랜지스터의 흡착을 감소시키는데 유리할 수 있다.
광 트랜지스터의 이득이 매우 높다면, 트랜지스터는 광도가 낮은 영역에서도 국부적으로 포화될 수 있다. 따라서, 적절한 이득을 위해 낮은 것을 선택하거나 또는 매우 높은 이득을 피하는 것이 유리하다. 바람직하게는, 광 트랜지스터는 500 미만의 이득을 갖도록 설계된다.
한편, 광 트랜지스터가 베이스 층을 따른 최대 광 세기 부근의 영역 내에서 국부적으로 포화되도록 광 트랜지스터를 설계하고 그 위치를 구성하는 것이 유리하다. 적절하게는, 이 영역은 공동의 전체 측면 방향 치수를 따라 확산되지 않아야 한다. 예컨대, 광 트랜지스터는 측면 방향의 광 세기 분포의 FWHM에 의해 정의되는 최대 크기의 영역 내에서 포화되도록 설계될 수 있다.
광 트랜지스터가 국부적으로 포화된다면, 레이저 다이오드를 통한 전류는 광 세기에 정확히 비례하지 않는다. 따라서, 구동 전류는 레이저 출력을 모니터하기 위한 신뢰성 있는 파라미터가 아닐 수 있다. 그러나, 베이스 층에 단자 컨택이 제공된다면, 베이스-컬렉터 접합에서 생성된 광전류는 베이스 층과 적어도 하나의 컬렉터 층에 연결된 모니터 회로에 의해 측정될 수 있다. 회로를 컬렉터 층에 연결하기 위해, 전류를 주입하기 위한 제1 또는 제2 단자 컨택이 이들 컨택 중 어느 것이 베이스 층에 대해 컬렉터 층의 동일한 측에 있는가에 따라 사용될 수 있다. 이 구성은 작은 전류가 광 트랜지스터를 스위칭하도록 이러한 컨택들을 통해 주입되고, 그에 따라 레이저 방출을 개시하도록 제1 및 제2 단자 컨택을 통해 캐리어의 주입을 가능하게 하는 장점도 갖는다.
개선된 효율의 효과 이외에, 본 발명은 분산 광 트랜지스터가 일발적으로 빔 품질도 개선하는 추가의 이점을 갖는다. 이것은 더 높은 세기를 갖는 모드가 더욱 강화되도록 광 트랜지스터가 수평 세기 분포에 포지티브 피드백을 제공한다는 사실에 기인한다. 게다가, 일반적으로 캐리어 구속을 위해 자주 사용되는 전류 개구는 광학 모드의 측면 방향의 가이던스에 이르게 하는 측면 방향의 굴절률 편차를 갖는다. 이것은 다중 모드 레이저 방출을 위한 경향을 증가시킨다. 본 발명에 따른 산화물 개구가 생략됨에 따라, 기존 VCSEL의 단점이 회피된다. 따라서 본 발명에 따른 레이저 소자는 더 높은 단일 모드 출력과 더 작은 원시야 각(far-field angle)과 같은 개선된 단일 모드 특징을 갖는 것으로 예상된다. 보다 작은 원시야 각은, 산화물 개구에 의해 유도되는 측면 방향 굴절률 편차의 결여로 인해 특히 초래된다.
이러한 장점들은 본 발명에 따른 다중 모드로 레이저 방출되는 소자에 마찬가지로 적용된다. 다중 모드 레이저 방출을 위해, 개선된 M2 인자가 예상된다.
본 발명은 고출력 상부 또는 하부 방출형 VCSEL을 이해 바람직하게 적용될 수 있다. 적응성 전류 구속이 개선된 모드 선택성을 제공함에 따라, 본 발명은 단일 모드 VCSEL을 구현하기에 특히 적합하다. 또한 독창적인 VCSEL 소자를 갖는 단순화된 자체 혼합 간섭 센서를 제공할 수 있다. 모니터 광 다이오드를 채용하는 공지된 간섭 센서 소자와는 대조적으로, 자체 혼합 신호를 레이저 전압으로부터 쉽게 추출할 수 있다. 따라서 본 소자의 VCSEL은 동작과 측정을 위한 단지 2개의 단자 컨택, 즉, 캐리어 주입을 위한 제1 및 제2 단자 컨택을 필요로 한다. 제1 및 제2 단자 컨택에 걸친 전압의 교류 부분을 측정하는 회로가 제공된다. 교류 부분은 광 트랜지스터의 광 세기에 의존하는 컨덕턴스로부터 주로 기인한다. 따라서 광 트랜지스터는 레이저 공동 내의 자체 혼합 간섭에 의해 유도된 전압과 레이저 전류의 편차를 증폭하는 증폭 소자로서도 역시 기능할 수 있다. 특히, 광 트랜지스터가 불포화 기간에서 동작한다면, 레이저 전압의 광 출력에 대한 강한 의존성이 생기게 된다.
전술한 간섭 센서에 추가되거나 그 대안적인 추가의 실시예에 따르면, 분산 광 트랜지스터는 특히, VCSEL 중 하나가 고장난 경우, 전기적으로 병렬 연결된 적어도 2개의 VCSEL 사이에서 자동으로 스위칭되는 스위치로서도 역시 바람직하게 작동할 수 있다. 이것은 VCSEL 내의 광 트랜지스터의 발광 의존형 증폭이 먼저 레이저 방출을 개시하는 해당 VCSEL을 통해 고도로 강화된 전도도를 초래하게 된다는 사실에 기인한다. 다른 광 트랜지스터를 통한 전도도는 낮게 유지되기 때문에, 전류는 먼저 레이저 방출을 개시하는 해당 VCSEL을 통해 거의 배타적으로 흐르고, 다른 VCSEL의 레이저 방출은 캐리어의 결핍 때문에 금지된다. 그러나, 레이저 방출 VCSEL이 작동하지 않으면, 다음 VCSEL이 레이저 방출을 개시할 것이다. 이 자동 스위칭 거동은 VCSEL의 자체 개시 능력을 달성하도록 광 트랜지스터의 하나의 접합을 연결하는 스타터 단자 컨택을 갖는 VCSEL에 의해 가장 단순하게 달성될 수 있다.
따라서, 본 발명의 이 개선 내용에 따르면, 적어도 2개의 VCSEL을 포함하는 VCSEL 소자가 제공되며, 각각의 VCSEL은 VCSEL 다이오드에 의해 생성된 레이저 광에 감응하는 분산 광 트랜지스터를 형성하는 층들 - 상기 층들은 분산 광 트랜지스터를 형성하는 이 층들은 적어도 하나의 베이스 층, 적어도 하나의 에미터 층 및 적어도 하나의 컬렉터 층을 포함함 - , 및 각각의 광 트랜지스터의 적어도 하나의 접합을 연결시키는 스타터 단자 컨택을 포함한다. 전류를 VCSEL의 활성 영역에 주입하기 위한 제1 및 제2 단자 컨택은 예컨대 칩 상의 공유 단자 컨택에 접합 연결된다.
도 1은 분산된 NPN 광 트랜지스터를 갖는 수직 공동 표면 방출 레이저 다이오드의 제1 실시예를 보여준다.
도 2는 얇은 베이스 층을 갖는 분산 광 트랜지스터의 실시예를 보여준다.
도 3은 분산 광 트랜지스터의 모드 프로파일과 국부적 전도성의 다이어그램을 보여준다.
도 4와 도 5는 도 1의 실시예의 변형을 보여준다.
도 6은 도 5에 따른 소자의 전압과 세기 특성의 그래프를 보여준다.
도 7은 공유된 기판상의 3개의 VCSEL을 갖는 실시예를 보여준다.
도 8은 도 7의 실시예의 등가 회로도를 보여준다.
도 1은 활성 캐리어 구속을 위한 통합된 NPN 광 트랜지스터를 갖는 VCSEL 소자(1)의 개략도를 보여준다. VCSEL 소자(1)는 기판(3)을 포함하며, 그 위에 제1 분산 브래그 반사기(5)를 형성하는 반도체층들의 제1 층 스택, 하나 이상의 양자 우물층을 갖는 활성 영역(7), 및 제2 분산 브래그 반사기(9)를 형성하는 반도체층들의 제2 층 스택을 포함한다.
기판에 빈번하게 사용되는 적절한 재료는 갈륨비소(GaAs)이다. 그러나, 인듐인화물(InP) 또는 GaInAsN과 같은 다른 재료도 역시 사용될 수 있다.
GaAs가 기판 재료로서 사용된다면, 분산 브래그 반사기(5, 9)는 GaAs 층과 AlGaAs 층을 번갈아 에피택시 성장시켜 제작할 수 있다. 기판이 n-도핑된다면, 하부 또는 제1 분산 브래그 반사기(5)도 역시 n-도핑되며, 이에 비해 상부 또는 제2 분산 브래그 반사기는 p-도핑된다. 제2 분산 브래그 반사기(9)는 미리 정해진 양의 레이저 광이 이 반사기에서 취출되도록 반투명한 거울로서 설계된다. 이 목적으로, 제2 분산 브래그 반사기(9)는 제1 분산 브래그 반사기(5)에 비해 더 적은 수의 교대하는 층 쌍을 갖는다. 예컨대 제1 및 제2 브래그 반사기(5, 9)는 각각 35개와 28개의 GaAs/AlGaAs 층 쌍으로 구성될 수 있다. 광이 상부 브래그 반사기를 통해 취출되므로, 도 1의 예는 상부 방출형 VCSEL이다. 물론 취출된 레이저 광이 기판(3)을 투과하도록 제1 분산 브래그 반사기를 커플링 소자로서 설계할 수도 있다.
캐리어를 분산 브래그 반사기(5, 9)에 의해 형성된 공동 안에 주입하기 위해, 제1 단자 컨택(11)과 제2 단자 컨택(13)이 제공된다. 제1 단자 컨택(11)은 기판(3)의 배면에 배치된 금속층이다. 제2 단자 컨택(13)은 취출된 레이저 광이 링의 중심을 투과할 수 있도록 링 전극으로서 형성된다.
도 1의 예에서, 제1 분산 브래그 반사기(5)를 형성하는 층 스택은 분산 광 트랜지스터(60)의 베이스를 형성하는 베이스 층(6)에 의해 인터럽트된다. 따라서 베이스 층(7)은 브래그 반사기(5)의 층 스택을 층 스택(51, 53)으로 서브분할한다.
그러나, 베이스 층 자체는 VCSEL 소자(1)에 의해 방출되는 레이저 광의 1/4 파장의 광학적 두께를 바람직하게 가질 수 있다. 이 방식으로, 베이스 층은 분산 브래그 반사기에 의해 형성된 거울의 일부로서 광학적으로 기능할 수 있다. 대안으로, 1/4 파장보다 작은 광학적 두께를 갖는 베이스 층이 채용될 수 있다. 예컨대 두께는 5 내지 25 나노미터 사이일 수 있다. 도 2는 이 방식으로 층 스택(5)에 임베딩된 분산 광 트랜지스터(60)의 예를 보여준다. 층 스택(5)은 제1 타입 층(451, 453, 455)과 제2 타입 층(452, 454, 456)을 포함한다. 제1 타입 및 제2 타입 층은 굴절률이 다르다. 그러나, 각각의 층은 브래그 반사기를 형성하도록 1/4 파장의 광학적 두께를 갖는다. 베이스 층(6)의 두께는 예컨대 파장의 1/8 미만으로 상당히 더 작다. 계면에서 반사되는 부분적인 파들 사이의 위상 관계를 유지하기 위해, 베이스 층(6)에 인접한 층 스택 중 하나의 층(453)은 베이스 층(6)과 이에 인접한 층(453)의 광학적 두께의 합이 다시 1/4 파장의 두께가 되도록 베이스 층(6)의 두께만큼 감소된 두께를 가질 수 있다.
베이스 층(6)에 인접한 스택(51, 53)의 층들은 광 트랜지스터의 에미터와 컬렉터 층들을 형성한다. 층 스택(51, 53)이 n-도핑되므로, 분산 광 트랜지스터는 NPN 트랜지스터로서 설계된다. 따라서 스택(53)의 층들은 컬렉터를 형성하고, 스택(51)의 층들은 에미터를 형성하며, 베이스 층(6)은 p-도핑된다.
VCSEL이 레이저 방출하고 있다면, 광의 세기는 레이저 빔의 모드 프로파일에 따른 베이스 층(6)을 따라 달라진다. 광축에서 최대 세기를 갖는 바람직한 모드 프로파일(17)이 도 1에 개략적으로 도시된다. 광은 베이스-컬렉터 접합 내에 광전류를 인가할 것이며, 베이스-컬렉터 접합은 구동 전류가 도시되지 않은 광 트랜지스터의 영역을 따라 낮은 값이나 0이 되도록 광 트랜지스터를 통해 국부적인 전류를 제어한다. 따라서 VCSEL의 공동에 임베딩된 분산 광 트랜지스터는 간단하고 효과적인 적응성 광 구속을 제공한다.
후속하는 층 내부의 베이스 층(6)의 위치는 원하는 레이저 방출 모드의 정상파 패턴이 베이스 층에서 높은 세기를 갖도록 바람직하게 선택된다. 바람직하게는 베이스 층(6)은 VCSEL의 공동 내부의 레이저 광의 정상파 패턴이 최대값의 적어도 2/3가 되는 위치에 배치된다.
도 1과 달리, 컬렉터 층을 활성 영역에 인접하여 배치하는 것도 가능하다. 이 경우, 높은 광도가 확보된다. 또한 광 트랜지스터와 활성 영역(7) 사이에서 전류의 측면 확산이 최소화되므로 적응성 구속은 활성 영역에 인접해서 효과가 가장 크다.
한편, 컬렉터 기반의 접합은 광 다이오드로서 작용하고 그 결과 빛을 흡수한다. 따라서, 도 1에 도시한 바와 같이, 베이스 층을 위해 좋은 위치는 높은 전체 성능을 달성하도록 활성 영역(7)으로부터 떨어진 수 개의 거울 쌍들이다. 일반적으로, 도 1에 도시된 특정한 실시예에 한정되지 않고, 베이스 층을 층 스택이 베이스 층(6)에 의해 2개의 서브-스택으로 분할되도록 각각 제1 및 제2 분산 브래그 반사기를 형성하는 층 스택(5, 9) 중 하나에 임베딩하는 것이 바람직하며, 활성 영역에 인접한 서브-스택은 활성 영역 말단의 서브-스택보다 더 얇다. 바람직하게는, 활성 영역에 인접한 서브-스택의 두께는 활성 영역 말단의 서브-스택의 두께의 2/5 내지 1/8의 범위이다. 예컨대 층 스택(53)은 2 내지 15 층 쌍의 두께를 가질 수 있고, 층 스택(51)은 20 내지 30개 이상 더 많은 층으로 구성될 수 있다.
VCSEL은 제1 및 제2 단자 컨택(11, 13)에 추가하여 스타터 단자 컨택(15)을 포함한다. 스타터 단자 컨택(15)은 활성 영역(7)과 베이스 층(6) 사이의 층 스택(53)의 층과 접촉하며, VCSEL의 중심 광축과 측면 방향으로 오프셋되어 배치된다. 따라서 캐리어를 공동으로 주입하기 위한 전원이 스타터 단자 컨택(15) 및 제2 단자 컨택(13)으로 연결된다면, 베이스 및 베이스-에미터 접합은 연결된다. 이 방식으로, 주입된 전류는 층 스택(53)을 통해 측면 방향으로 흘러 활성 영역에 진입할 수 있다. 이렇게 해서, 비록 광 트랜지스터가 닫히더라도 레이저 동작이 개시될 수 있다.
또한 분산 광 트랜지스터를 형성하는 층들이 광 트랜지스터의 포화 상태인 층에 대한 수직 방향의 전도성보다 낮은 수평 전도도를 갖는다면, 레이저 동작이 개시된 후에 스타터 단자 컨택(15)과 제1 단자 컨택(11)이 연결 상태를 유지하더라도, 주 전류는 단자 컨택(11, 13) 사이로 흐를 것이다. 따라서 본 발명의 간단한 실시예에 따라 스타터 단자 접점과 제1 단자 접점은 영구적으로 단락될 수 있다.
도 3은 광 트랜지스터 전체의 광도 및 전류 밀도의 다이어그램을 보여준다. 가로 좌표의 원점은 VCSEL의 광축으로 주어진다. 광 세기는 도 1에 이미 도시된 모드 프로파일로 표현된다. 모드 프로파일(17)의 세기는 광축(반경(R)=0)에서 최대이고 공동의 가장자리로 갈수록 감소한다. 마찬가지로, 광 트랜지스터에 의해 전도되는 국부적인 전류 밀도(18)는 공동의 가장자리로부터 광축 쪽으로 증가한다.
광축에 인접한 전류 밀도의 평탄역에서 알 수 있는 바와 같이, 광 트랜지스터는 일정한 광 세기에서 포화된다. 이것은 VCSEL의 중심에서 캐리어가 거의 방해받지 않고 투과될 수 있어서 유리하다. 따라서 광 트랜지스터는 적어도 원하는 레이저 방출 모드의 최대 세기에서 포화될만큼 충분히 큰 이득 인자를 갖도록 바람직하게 설계된다. 그러나, 매우 높은 이득이 선택된다면, 전류 밀도의 경로는 정사각형 형태에 가까워지고 낮은 광도를 갖는 영역에서도 최대 전류 밀도가 활성 영역으로 주입될 것이다. 따라서 이득 인자는 최대 500이 되도록 바람직하게 선택된다. 원하는 모드 프로파일에 따라, 적절한 이득 인자는 5 내지 500의 범위일 수 있다.
한편, 광 트랜지스터가 포화되는지의 여부는 광흡수도에 의존한다. 단지 작은 흡수를 갖는 베이스 층이 선택된다면, 이득은 500보다 크게 선택될 수 있다. 이러한 관계에서, 광 트랜지스터의 광 활성 영역의 낮은 흡수는 레이저 광의 투과 당 5% 미만의 흡수인 것으로 고려된다. 레이저 광선의 투과 당 5% 미만의 흡수라는 후자의 특징은 일반적으로 유리하며, 더 적은 이득을 갖는 광 트랜지스터에도 적용될 수 있다. 분산 광 트랜지스터의 광 활성 영역의 낮은 흡수는 높은 품질의 레이저 공동 또는 개별적인 브래그 반사기를 유지하는데 유리함이 일반적이다.
도 4는 도 1의 실시예의 변형을 보여준다. VCSEL 소자(1)의 이 변형에 따르면, 스타터 단자 컨택(15)은 베이스 층(6)에 피착된다. 이렇게 하면 종래의 트랜지스터와 매우 유사하게 스타터 단자 컨택(15)을 통해 베이스 층(6)에 전류를 가하여 광 트랜지스터를 제어할 수 있다. 특히, 컨택(13, 15) 사이에 전압을 인가하는 것에 의해, 광 트랜지스터는 전류가 단자 컨택(11, 13) 사이로 흐를 수 있도록 스위칭됨으로써, 레이저 동작을 개시할 수 있다. 또한 모니터 회로(20)가 개시 단자 컨택(15)을 통해 베이스 층(6)에 연결되고 단자 컨택(13)에 연결되어 광 트랜지스터의 베이스-컬렉터 접합에서 생성되는 광전류를 측정한다. 모니터된 광전류는 광 세기를 안정화하는 안정화 회로에 대한 입력으로 결국 이용될 수 있다.
전술한 바람직한 실시예와 달리, 베이스 층(6)은 상부 분산 브래그 반사기(9)를 형성하는 제2 층 스택에 임베딩될 수도 있다. 또한, 도 1과 도 3에 도시된 실시예에서, p-도핑된 기판(3) 및 유사하게 p-도핑된 제1 분산 브래그 반사기(5)가 사용될 수 있다. 제1 분산 브래그 반사기(5)에 임베딩된 베이스 층(6)은 이 경우에 n-도핑됨으로써, PNP 광 트랜지스터가 구현된다.
도 5는 VCSEL 소자(1)의 또 다른 변형을 보여준다. 구체적으로, VCSEL에 대한 단지 2개의 전기 연결부만을 갖는 자체 혼합 간섭 센서가 구현된다. 도 1의 실시예와 유사하게, 광 트랜지스터(60)의 컬렉터 기반 접합을 연결하는 스타터 전극(15)이 제공된다. 본 실시예에서, 연결은 제1 단자 컨택(11)과 스타터 전극(15)을 단락시킴으로써 달성되지 않는다. 오히려 스타터 전극(15)은 층 스택(51, 53) 양쪽의 층들과 접촉한다. 그러나, 자체 혼합 간섭 센서의 작동 원리를 위해서는 단락된 스타터 전극(15)과 제1 단자 컨택(11)을 갖는 도 1의 실시예가 우수하게 작동한다. VCSEL은 제1 및 제2 단자 컨택(11, 13)을 통해 전류 공급 장치에 접촉된다. 레이저 공동 내의 자체 혼합 간섭에 의해 초래되는 VCSEL의 세기 변동을 나타내는 신호를 얻기 위한 추가의 전기 컨택에 대한 필요는 없다. AC 전압 측정 회로(24)가 레이저 전압의 교류 부분을 예컨대 접지 전위 또는 다른 간섭 전위에 대해 도시된 바와 같이 측정한다.
VCSEL이 분산 광 트랜지스터(60)가 포화 미만에서 작동하는 전류 또는 세기에서 동작된다면, 레이저 전압에 겹쳐진 강한 교류 전압 부분이 얻어진다. 이를 도 6을 참조하여 더 상세히 설명한다. 도 6은 전압(30)의 특성과 레이저 세기(32)의 특성을 레이저 전류의 함수로서 보여준다. 비교를 위해, 통상의 VCSEL의 전압의 특성(32)이 도시된다.
특성(32)으로부터 알 수 있는 바와 같이, 전압은 분산 광 트랜지스터가 없는 통상의 VCSEL의 경우에서 레이저 전류가 증가함에 따라 지속적으로 상승한다. 레이저 방출 임계값이 일정한 전류에 도달하면, 레이저 세기 또는 전력은 각각 레이저 전류에 거의 선형으로 증가한다. 이것은 본 발명에 따른 소자에도 적용된다. 그러나, 특성(30)으로부터 알 수 있는 바와 같이, 단자 컨택(11, 13)에 가해지는 전압은 더 이상 레이저 전류에 따라 단순하게 증가하지 않는다.
더 구체적으로, 전압 특성(30) 내에서 3개의 영역을 구별할 수 있다. 레이저 방출 임계값 아래의 낮은 전류(영역 1)에서, 전압은 통상의 VCSEL보다 상당히 더 강하게 증가한다. 이것은 스위칭 오프가 되어 전류 경로를 분산 브래그 반사기(5)의 층들을 통해 수직으로 잠그는 광 트랜지스터에 기인한다. 레이저 전류는 스타터 전극을 통해 측면 방향으로만 흐를 수 있다. 이 전류 경로를 위한 전도성이 층 스택을 통해 수직으로 전도성보다 훨씬 더 낮음에 따라, 더 높은 전압 강하가 발생한다. 레이저 방출 임계값에 도달하면, 광 트랜지스터는 레이저 광에 기인해 전도성을 갖게 된다. 이것은 VCSEL의 다른 층에 걸친 전압 증가를 과잉 보상하는 광 트랜지스터에 걸친 전압 강하를 일으킨다. 따라서, 영역 2에서, 레이저 전압은 전류 증가에 따라 감소한다. 레이저 세기가 광 트랜지스터를 포화시키기에 충분해 진다면(영역 3), 특성은 통상의 VCSEL의 특성에 도달한다. 그러나, 본 발명에 따른 VCSEL의 전압은 광 트랜지스터의 접합에 걸친 전압에 의해 오프셋된다. 따라서, 영역 3에서, 통상의 VCSEL과 본 발명에 따른 VCSEL의 특성은 유사하지만 오프셋된다.
레이저 전류의 함수인 전압의 변화율이 영역 2에서 특히 강하므로, VCSEL은 레이저 전압의 강한 자체 혼합 진폭을 얻도록 이 영역에서 동작될 수 있다.
VCSEL을 회로에 연결하는데 단지 2개의 단자 컨택이 필요함에 따라, 단자 컨택 영역이 VCSEL 메사에 의해 덮인 영역에 비해 크므로 VCSEL 칩의 전체 크기는 상당히 감소될 수 있다.
광 트랜지스터는 또한 다른 VCSEL이 작동하지 않는다면 동작을 계속하도록 하나의 VCSEL을 선택할 자동 스위칭 수단을 제공하도록 바람직하게 사용될 수 있다. 도 7은 본 실시예의 일례를 보여주고, 도 8은 그 등가 회로도를 보여준다. 본 실시예에 따른 VCSEL 소자(1)는 기판(3) 상의 메사(43, 44, 45)로부터 형성된 3개의 VCSEL(40, 41, 42)을 포함한다. 2개의 단자 컨택 패드(50, 51)가 기판(3)에 피착된다. 스타터 전극(151, 152, 153)은 제1 단자 컨택 패드(50)에 접합 연결된다. 본 단자 컨택 패드(50)는 도 1, 도 4 및 도 5의 실시예와 유사하여서 모든 VCSEL(40, 41, 42)에 의해 공유된 제1 전극(11)이 배치된 기판(3)의 이면에 더 연결된다. 제2 단자 컨택(131, 132, 133)은 제2 단자 컨택 패드(51)에 접합 연결된다. 동작을 위해, 공급 전류는 단자 컨택 패드(50, 51)에 인가된다.
등가 회로도에서, 저항기(64, 65, 66)는 스타터 전극(151, 152, 153)으로부터의 전류 경로 내의 더 높은 저항을 표현한다. 이들 저항기는 단자 컨택(50)과, 각각의 VCSEL(40, 41, 42)의 광 트랜지스터(60, 61, 62)와 활성 형역(70, 71, 72) 사이에 공통으로 연결된다. 전압이 단자 컨택 패드(50, 51)에 가해지면, 전류는 각각 저항기(64, 65, 66) 또는 전극(150, 151, 152)을 경유해 활성 영역을 통해 초기에 흐른다. 일반적으로, VCSEL의 레이저 임계값은 약간 상이할 것이다. 따라서, VCSEL(40, 41, 42) 중 하나는 다른 VCSEL에 선행하여 레이저 방출을 개시할 것이다. 그 다음 레이저 방출 VCSEL의 각각의 광 트랜지스터는 전류가 주로 광 트랜지스터를 통해 흘러 레이저 방출 VCSEL을 통한 전류 경로의 전체 저항을 감소시키도록 스위칭한다. 그 결과, 레이저 전류는 레이저 방출을 이미 개시한 VCSEL을 통해 주로 흐르고, 다른 VCSEL 중 하나의 레이저 방출 임계값에 도달하는 것이 회피된다. 그러나, 레이저 방출 VCSEL이 작동하지 않는다면, 각각의 광 트랜지스터(60, 61, 62)는 그 레이저 방출 임계값에 도달함으로써 다음 VCSEL이 자동으로 스위칭 온이 되도록 전류를 차단한다. 따라서 일체형 광 트랜지스터는 매우 간단한 중복 레이저 소자를 가능케 한다. 예컨대 도 7에 따른 VCSEL 소자는 도 5의 실시예와 유사한 자체 혼합 센서로서 사용된다면 매우 신뢰성 있는 움직임 센서로서 사용될 수 있다.
비록 본 발명의 바람직한 실시예가 첨부 도면에 도시되고 앞의 설명 부분에 기재되었지만, 본 발명은 개시된 실시예로 한정되지 않으며 후속하는 특허청구범위에 제시된 본 발명의 범위로부터 벗어나지 않는 다수의 수정이 가능하다는 것을 이해할 것이다.

Claims (15)

  1. 수직 공동 표면 방출 레이저 다이오드 소자(1)로서,
    기판(3);
    상기 기판 상의 반도체 층들의 제1 층 스택 - 상기 제1 층 스택은 제1 분산 브래그 반사기(5)를 형성함 - ;
    상기 제1 층 스택 상의 하나 이상의 양자 우물층을 포함하는 활성 영역(7);
    상기 활성 영역 상의 반도체 층들의 제2 층 스택 - 상기 제2 층 스택은 제2 분산 브래그 반사기(9)를 형성함 - ; 및
    상기 활성 영역(7)으로 전류를 주입하기 위한 제1 및 제2 단자 컨택(11, 13)
    을 포함하며,
    상기 수직 공동 표면 방출 레이저 다이오드 소자(1)는,
    상기 수직 공동 표면 방출 레이저 다이오드(1)에 의해 생성된 레이저 광에 감응하는 분산 광 트랜지스터를 형성하는 층들 - 상기 층들은 분산된 활성 전류 구속을 제공하도록 구성되는 분산 광 트랜지스터를 형성하며, 상기 광 트랜지스터는 적어도 하나의 베이스 층(6), 적어도 하나의 에미터 층 및 적어도 하나의 컬렉터 층을 포함하며, 상기 적어도 하나의 베이스 층(6)은 상기 기판에 수직 방향으로 흐르는 전류가 상기 에미터 층, 상기 컬렉터 층 및 상기 베이스 층(6)을 통해 흐르도록 상기 적어도 하나의 에미터 층과 상기 적어도 하나의 컬렉터 층 사이에 배치되며, 상기 베이스 층(6)은 상기 제1 층 스택 중 상기 기판(3)에 가장 인접한 최하층과 상기 제2 층 스택의 최상층 사이에 배치됨 -
    을 더 포함하는 수직 공동 표면 방출 레이저 다이오드 소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 분산 브래그 반사기(5)를 형성하는 상기 제1 층 스택 또는 상기 제2 분산 브래그 반사기(9)를 형성하는 상기 제2 층 스택의 층들 중 적어도 하나는 상기 광 트랜지스터의 에미터 또는 컬렉터 층을 형성하는 수직 공동 표면 방출 레이저 다이오드 소자.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 분산 광 트랜지스터를 형성하는 상기 층들은 상기 광 트랜지스터의 포화 상태에서 상기 층들에 대해 수직인 방향의 전도도보다 측면 방향(lateral)의 전도도가 더 낮은 수직 공동 표면 방출 레이저 다이오드 소자.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 단자 컨택(11, 13) 외에 스타터 단자 컨택(15)을 포함하며, 상기 스타터 단자 컨택(15)은, 상기 활성 영역(7)에 캐리어를 주입하기 위해 상기 광 트랜지스터의 하나의 접합이 연결(bridge)될 수 있도록 상기 베이스 층(6) 또는 상기 활성 영역(7)과 상기 적어도 하나의 베이스 층(6) 사이의 층을 전원에 접촉시키는 수직 공동 표면 방출 레이저 다이오드 소자.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 스타터 단자 컨택(15)은 상기 수직 공동 표면 방출 레이저 다이오드 소자(1)의 중심 광축에 측면 방향으로 오프셋된, 상기 활성 영역(7)과 상기 적어도 하나의 베이스 층(6) 사이의 층과 접촉하는 수직 공동 표면 방출 레이저 다이오드 소자.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 스타터 단자 컨택(15)은 상기 전류를 상기 수직 공동 표면 방출 레이저 다이오드 소자(1)의 상기 공동에 주입하기 위해 상기 제1 및 제2 단자 컨택(11, 13) 중 하나에 전기적으로 연결되어 있는 수직 공동 표면 방출 레이저 다이오드 소자.
  7. 제4항에 있어서,
    적어도 2개의 수직 공동 표면 방출 레이저 다이오드를 포함하며, 각각의 수직 공동 표면 방출 레이저 다이오드는 상기 수직 공동 표면 방출 레이저 다이오드에 의해 생성된 레이저 광에 감응하는 분산 광 트랜지스터를 형성하는 층들을 포함하고, 상기 분산 광 트랜지스터를 형성하는 층들은 적어도 하나의 베이스 층, 적어도 하나의 에미터 층 및 적어도 하나의 컬렉터 층을 포함하고, 상기 수직 공동 표면 방출 레이저 다이오드들 각각은 각자의 광 트랜지스터의 적어도 하나의 접합을 연결시키는 스타터 단자 컨택을 포함하며, 상기 수직 공동 표면 방출 레이저 다이오드들의 활성 영역으로 전류를 주입하기 위한 제1 단자 컨택들은 접합 연결(jointly connected)되어 있고, 상기 수직 공동 표면 방출 레이저 다이오드들의 활성 영역으로 전류를 주입하기 위한 제2 단자 컨택들은 접합 연결되어 있는 수직 공동 표면 방출 레이저 다이오드 소자.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 분산 브래그 반사기(5, 9)를 형성하는 상기 제1 및 제2 층 스택 중 하나는 p-도핑된 층들을 포함하며, 상기 분산 광 트랜지스터를 형성하는 층들은 p-도핑된 층들을 포함하는 상기 층 스택에 임베딩되거나 또는 인접하며, 상기 분산 광 트랜지스터를 형성하는 층들은 PNP 트랜지스터를 형성하는 수직 공동 표면 방출 레이저 다이오드 소자.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 분산 브래그 반사기(5, 9)를 형성하는 상기 제1 및 제2 층 스택 중 하나는 n-도핑된 층들을 포함하고, 상기 분산 광 트랜지스터를 형성하는 층들은 n-도핑된 층들을 포함하는 상기 층 스택에 임베딩되거나 또는 인접하며, 상기 분산 광 트랜지스터를 형성하는 층들은 NPN 트랜지스터를 형성하는 수직 공동 표면 방출 레이저 다이오드 소자.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 베이스 층(6)은 상기 수직 공동 표면 방출 레이저 다이오드 소자 내부의 레이저 광의 정상파 패턴(standing wave pattern)이 그 최대값의 적어도 2/3를 갖는 위치에 배치되어 있는 수직 공동 표면 방출 레이저 다이오드 소자.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 베이스 층(6)은 상기 활성 영역(7)에 떨어져 위치하며, 상기 떨어진 거리는 상기 제1 및 제2 분산 브래그 반사기(11, 13)의 2 내지 15개의 층 쌍들 사이인 수직 공동 표면 방출 레이저 다이오드 소자.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 베이스 층(6)은 각각 상기 제1 및 제2 분산 브래그 반사기(5, 9)를 형성하는 상기 제1 및 제2 층 스택 중 하나의 층 스택의 내부에 임베딩되어, 상기 층 스택은 상기 베이스 층(6)에 의해 2개의 서브-스택(51, 53)으로 분할되고, 상기 활성 영역(7)에 인접한 서브-스택(53)은 상기 활성 영역(7) 말단의 서브-스택(51)보다 얇은 수직 공동 표면 방출 레이저 다이오드 소자.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 베이스 층은, 상기 제1 및 제2 분산 브래그 반사기를 형성하고 1/4 파장 미만의 광학적 두께를 갖는 상기 제1 및 제2 층 스택 중 하나의 층 스택에 임베딩되며, 상기 베이스 층의 두께와 상기 베이스 층이 임베딩된 분산 브래그 반사기를 형성하는 상기 층 스택의 인접한 층들 중 하나의 층의 두께의 합이 상기 레이저 광의 1/4 파장의 광학적 두께인 수직 공동 표면 방출 레이저 다이오드 소자.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 광 트랜지스터는 상기 베이스 층(6)을 따라 최대의 광 세기 근방의 영역 내에 국부적으로 포화되도록 설계되어 있는 수직 공동 표면 방출 레이저 다이오드 소자.
  15. 제1항에 따른 수직 공동 표면 방출 레이저 다이오드 소자를 포함하는 자체 혼합 간섭 센서 장치로서, 상기 자체 혼합 간섭 센서 장치는 상기 제1 및 제2 단자 컨택 양단의 전압의 교류 부분(alternating portion)을 측정하기 위한 회로를 포함하는 자체 혼합 간섭 센서 장치.
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