KR101706301B1 - 저손실 고속변조 표면방출 레이저 소자 - Google Patents

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Abstract

하부 거울층의 손실을 최소화하고 실장이 용이한 저손실 고속변조 표면방출 레이저 소자를 제공한다. 하부 거울층을 도핑되지 않은 DBR로 구성하여 도핑에 의한 손실이 없고, 이득층에 전류 주입을 위한 전극을 하부 거울층의 상부의 전극 접촉층과 반 전도성 기판에 같이 구성하여 기판을 통하여 전류가 주입되도록 하여 하부 거울층으로 구성하여 자유전자(free carrier) 및 결함(defect)에 의한 손실을 최소화하여 낮은 문턱 이득(threshold gain)과 높은 미분 이득(differential gain)의 특성을 갖고, 전극 접촉층과 기판에 연결 전극을 구성하여 기판을 통하여 전류 주입이 된다.

Description

저손실 고속변조 표면방출 레이저 소자{Low-loss high-bandwidth vertical cavity surface emitting laser}
본 발명은 저손실 고속변조 표면방출 레이저 소자에 관한 것으로, 상부 거울층과 하부 거울층 그리고 이득을 위한 이득층으로 구성된 표면방출 레이저에서 하부 거울층을 도핑되지 않은 DBR(distributed Bragg reflector)로 구성하여 도핑에 의한 손실이 없고, 이득층에 전류 주입을 위한 전극을 하부 거울층에 상부의 전극 접촉층과 반 전도성 기판에 같이 구성하여 기판을 통하여 전류가 주입되도록 하는 것을 특징으로 한다. 특히 도핑되지 않은 하부 거울층으로 구성하여 자유전자(free carrier) 및 결함(defect)에 의한 손실을 최소화하여 낮은 문턱 이득(threshold gain)과 높은 미분 이득(differential gain)의 특성이 있고, 전극 접촉층과 기판에 하부 연결 전극을 구성하여 기판을 통하여 전류 주입이 되는 것을 특징으로 하는 저손실 고속변조 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 자리를 잡을 것으로 예측된다. 특히, 최근에 와서는 스마트폰 등을 이용한 스마트 네트워크의 수요가 증가하고 있어 데이터 센터를 중심으로 한 대용량 네트워크의 필요성이 빠르게 요구되고 있다. 따라서 10 Gbps 이상의 대용량 고속변조 특성을 갖는 광원이 요구되고 있으며, 더 나아가 25G, 40G 등의 초고속 광원의 수요가 증가되고 있다. 이에 따라서 10G 이상의 고속 변조 특성을 제공할 수 있고 저전력의 특성을 제공할 수 있는 저손실 고속변조 표면방출 레이저 소자 구조의 개발이 필요하다.
현재 사용되고 있는 고속변조 표면방출 레이저는 n형의 반전도성 기판 위에 n형 도핑된 하부 거울층과 이득을 위한 이득층 그리고 p형 도핑된 상부 거울층으로 구성되어 있다. 그리고 p형의 상부 거울층과 n형의 반전도성 기판에 전극을 형성하고 이득층에 전류를 인가하여 이득층에 생성된 빛이 상부 및 하부 거울층의 반사를 통하여 증폭하여 빛이 방출 되는 특성을 가지고 있다. 상부와 하부 거울층은 각각 p형 및 n형으로 도핑된 DBR로 구성되어 전류 인가가 용이하도록 구성되어 있다. 그러나 도핑된 DBR 거울층은 자유전자 및 결함을 높은 농도로 갖고 있어 자유전자 및 결함에 의한 레이저 빔의 흡수 손실이 발생되고, 흡수에 의한 열발생으로 레이저 특성이 변화하는 신뢰성 특성이 저하되는 특성을 보이고 있다.
이와 같은 특성은 고속변조 표면방출 레이저의 소모 전력 및 변조 특성 그리고 안정성에 저하를 가져다주고 있다.
도 1은 종래의 표면방출 레이저 소자 구조를 나타낸다.
종래의 표면방출 레이저 소자는 n형의 반전도성 기판(11) 위에 n형의 DBR로 구성된 하부 거울층(12), 이득층(13), p형의 DBR로 구성돤 상부 거울층(14)과 전류 주입을 위한 상부 거울층(14) 위에 형성된 상부 전극(16)과 n형의 반전도성 기판(11) 하부에 형성된 하부 전극(17) 그리고 전류 제한을 위한 전류 제한층(15)으로 구성되어 있다. 상부 전극(16)과 하부 전극(17)으로 인가된 전류는 전류 제한층(15)이 없는 영역을 통하여 상부 거울층(13)을 통한 전류 흐름(18)과 하부 거울층(12)을 통한 전류 흐름(19)을 통하여 이득층에 인가되어 레이저 빔(20)이 방출되는 것으로 이루어져 있다.
따라서 하부 거울층(12)을 통하여 전류가 주입되기 위하여 하부 거울층(12)은 n형의 도핑된 DBR로 구성되어 진다. 이와 같은 n형의 도핑에 의하여 하부 거울층(12)에 형성된 자유전자와 결함에 의하여 내부의 빛이 흡수 및 열 발생이 일어나고, 소자의 문턱 이득 증가와 변조 특성의 저하 그리고 오랜 기간 구동시 안정성이 떨어지는 단점을 갖게 된다. 따라서 저 구동 전류와 고속 변조 특성의 표면방출 레이저 소자를 구현하는데 한계를 갖게 된다.
한국등록특허 제10-1251042호(2013.03.29.등록) 단일모드 고속변조 표면방출 레이저 소자 한국등록특허 제10-1108914호(2012.01.17.등록) 표면방출 레이저 소자 및 이의 제조방법
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명에서는 도핑되지 않은 하부 거울층과 하부 거울층 상부의 전극 접촉층과 n형의 반전도 기판의 상부에 하부 연결 전극을 형성하여 기판을 통하여 전류가 인가되는 것을 특징으로 하는 저손실 고속변조 표면방출 레이저 소자를 제안한다.
즉, 본 발명은 하부 거울층의 흡수 손실을 최소화하여 저손실 및 고속 변조 특성이 있으며, 기판을 통한 전류 주입이 가능하여 소자의 실장이 기존의 표면방출 레이저와 같이 용이한 초고속 변조의 표면방출 레이저 광원을 제공하는 데 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 실시 예에 의한 저손실 고속변조 표면방출 레이저 소자는 n형의 반전도성 기판: 기판 상부에 형성된 도핑되지 않은 DBR로 구성된 하부 거울층; 하부 거울층 상부에 형성된 전극 접촉층; 전극 접촉층의 상부에 형성된 전류 분포층; 전류 분포층 상부에 형성된 이득층; 이득층 상부에 형성된 p형 도핑된 DBR로 구성된 상부 거울층; 상부 거울층 상부에 형성된 상부 전극과 전극 접촉층과 기판 상부에 형성된 하부 연결 전극과 기판 하부에 형성된 하부 전극을 포함하여 이루어지는 저손실 고속변조 표면방출 레이저 소자를 제공한다.
본 발명에 의한 저손실 고속변조 표면방출 레이저 소자는 하부 거울층에 의한 손실이 최소화되어 저손실 및 고속 변조 특성을 보이며, 하부 연결 전극을 통하여 하부 기판을 통한 전류의 주입이 가능하다.
상기 전류 분포층은 전극 접촉층을 통한 전류의 주입이 균일하게 이루어지도록 도핑을 조절한 층으로 구성된다.
상술한 본 발명의 실시 예에 의한 저손실 고속변조 표면방출 레이저 소자는 초고속 변조 특성이 있고, 흡수에 의한 안정성 저하가 없도록 하는 광원으로 데이터 통신을 위한 초고속 광원으로 활용될 수 있다.
도 1은 기존의 표면방출 레이저 소자를 나타낸 도면.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시 예에 의한 저손실 고속변조 표면방출 레이저 소자를 나타낸 도면이다.
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 2는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 저손실 고속변조 표면방출 레이저 소자의 단면도를 나타낸다. 도면에서 부호 31은 n형 도핑된 반도체기판, 32는 도핑않된 반도체 DBR로 구성된 하부 거울층, 33은 n형 도핑된 반도체로 구성된 전극 접촉층, 34는 n형 도핑된 반도체로 구성된 전류 분포층, 35는 이득을 주기 위한 다층 양자 우물로 이루어진 이득층, 36은 p형 도핑된 반도체 DBR로 구성된 상부 거울층, 37은 상부 거울층의 전류 흐름을 제한하기 위한 전류 제한층, 38은 전류 주입을 위한 상부 전극, 39는 전류 주입을 위한 하부 연결 전극, 40은 전류 주입을 위한 하부 전극, 41은 상부 거울층의 전류 흐름, 42는 하부 전극에서의 전류 흐름, 43은 방출되는 레이저 빔 출력을 나타낸다.
본 발명은 하부 전극(40)과 상부 전극(38) 사이에 전류를 주입하면, 하부 연결 전극(39)과 전극 접촉층(33), 전류 분포층(34)을 통하여 전자가 이득층(35)에 주입되고, 상부 전극(38)과 상부 거울층(36)의 전류 제한층(37)을 제외한 영역을 통하여 이득층(35)에 양공이 주입되어 이득층(35)에 이득 및 빛이 생기게 된다. 그리고 생성된 빛은 하부 거울층(32)과 상부 거울층(36)에서 반사를 통하여 증폭하게 되어 레이저 빔 출력(43)이 방출되게 된다. 따라서 하부 거울층(32)은 도핑되지 않은 반도체 DBR로 구성되어 있으므로 자유 전자 및 결함에 의한 손실이 최소화되어 하부 거울층(32)에서의 흡수 손실 및 열의 발생이 억제되어 저손실 특성의 고속변조 표면방출 레이저 특성으로 동작하게 된다. 그리고 하부 기판을 통한 전류 주입이 가능하여 표면방출 레이저의 실장이 용이한 특성이 있다. 그리고 전류 분포층(34)은 전류의 균일한 주입을 위하여 전극 접촉층(33)에 비하여 낮은 전기 전도도를 갖도록 구성하고, 하부 연결 전극(39)은 기판(31)에서 전류 주입이 용이하도록 금속으로 구성하여 저항이 최소화되도록 한다.
도 2를 참조하여 본 발명의 상기 바람직한 실시 예를 좀 더 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
저손실 고속변조 표면방출 레이저 소자는 n형의 GaAs 반도체 기판(31) 위에 하부 거울층(32)으로서 도핑되지 않은 반도체 DBR층이 AlxGa1 - xAs/ AlyGa1 - yAs (0 < x, y < 1) 등으로 형성되어 있고, 그 위에 전극 접촉을 위한 전극 접촉층(33)은 GaAs에 격자 정합된 구조로 n형 도핑된 AlxGa1 - xAs (0 < x < 1) 등으로 형성되어 있고, 그 위에 전류의 균일한 분포를 위한 전류 분포층(34)은 GaAs에 격자 정합된 구조로 n형 도핑된 AlxGa1 - xAs (0 < x < 1) 등으로 형성되어 있고, 그 위에 레이저 이득을 위한 GaAs에 거의 격자 정합된 구조로 AlxGa1 -xAs/ Iny(AlzGa1-z)1 - yAs (0 < x, y, z < 1) 양자우물층으로 구성된 이득층(35)이 형성되어 있고, 그 위에 상부 거울층(36)으로 p형의 도핑된 반도체 DBR층이 AlxGa1 - xAs/ AlyGa1 - yAs (0 < x, y < 1) 등으로 형성되어 있다.
또, 상기 상부 거울층(36)의 일부를 산화하여 부분적인 전기적 절연을 위한 전류 제한층(37)을 형성하고, 상부 거울층(36)의 상부의 상부전극(38)은 금속 전극을 증착하여 형성되어 있으며, 전극 접촉증(33)의 상부와 기판(31)의 상부에 전류 주입 및 연결을 위한 금속 전극을 증착하여 하부 연결 전극(39)을 형성하고, 기판의 하부에 금속 전극을 형성하여 하부 전극(40)을 형성한다.
하부 전극(40)을 통하여 이득층(35)에 전류 주입을 위하여 하부 연결 전극(39)은 저항이 낮은 AuGe/Ni/Au, Cr/Au 또는 Ti/Pt/Au 금속으로 연결하여 형성한다. 그리고 하부 연결 전극(39) 및 전극 접촉층(33)을 통한 전류가 이득층에 균일하게 주입하기 위하여 전류 분포층(34)은 전극 접촉층(33)에 비하여 낮은 전기 전도도를 갖도록 도핑을 조절하여 형성한다. 하부 전극(40)과 상부 전극(38)을 통하여 이득층(35)에 전류가 주입되면 이득과 빛을 발생시키고 하부 거울층(32)과 상부 거울층(36)에서 반사를 통하여 증폭되어 빛을 방출하게 된다. 이때 하부 거울층(32)은 도핑되지 않은 반도체 DBR층 인 AlxGa1 - xAs/ AlyGa1 - yAs (0 < x, y < 1) 등으로 형성되어 흡수 손실을 최소화하여 열 발생 및 흡수 손실을 억제하여 저손실의 고속변조 표면방출 레이저의 특성을 제공한다.
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 기술사상의 범위 내에서 다양한 실시 예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
11 : n형의 반도체 레이저 기판
12 : n형의 반도체 DBR 하부 거울층
13 : 반도체 이득층
14 : p형의 반도체 DBR 상부 거울층
15 : 절연을 위한 전류 제한층
16 : 상부 전극
17 : 하부 전극
18 : 상부 거울층의 전류 흐름
19 : 하부 거울층의 전류 흐름
20 : 레이저 빔 출력
31 : n형의 반도체 기판
32 : 도핑 않된 반도체 DBR로 구성된 하부 거울층
33 : n형의 도핑된 반도체 전극 접촉층
34 : n형의 도핑된 반도체 전류 분포층
35 : 반도체 이득층
36 : p형의 반도체 DBR 상부 거울층
37 : 절연을 위한 전류 제한층
38 : 상부 전극
39 : 하부 연결 전극
40 : 하부 전극
41 : 상부 거울층의 전류 흐름
42 : 하부 거울층의 전류 흐름
43 : 레이저 빔 출력

Claims (6)

  1. 표면방출 레이저 소자에 있어서,
    n형의 반도체 기판상에 차례로 적층된 도핑되지 않은 반도체 DBR로 구성된 하부 거울층; 상기 하부 거울층 상에 전극 형성을 위한 n형 도핑된 반도체로 구성된 전극 접촉층; 상기 전극 접촉층 상에 전류의 균일한 주입을 위한 n형 도핑된 반도체로 구성된 전류 분포층; 상기 전류 분포층 상에 이득을 주기 위한 반도체 이득층; 상기 이득층의 위에 p형 도핑된 반도체 DBR로 구성된 상부 거울층; 상기 상부 거울층의 일부에 전류 흐름을 막기 위한 전류 제한층을 구성하며; 상기 거울층의 상부에 전류 주입을 위한 상부 전극; 상기 전극 접촉층과 상기 기판의 상부에 연결을 위해 형성된 하부 연결 전극; 상기 기판의 하부에 전류 주입을 위한 하부 전극으로 이루어진 것을 특징으로 하는 저손실 고속변조 표면방출 레이저 소자.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 전류 분포층은 균일한 전류 주입을 위하여 상기의 전극 접촉층에 비하여 낮은 전기 전도도를 갖는 n형의 반도체로 구성된 것을 특징으로 하는 저손실 고속변조 표면방출 레이저 소자.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 하부 연결 전극은 전류 주입을 위하여 저항이 낮은 AuGe/Ni/Au, Cr/Au 또는 Ti/Pt/Au 금속으로 형성하는 것을 특징으로 하는 저손실 고속변조 표면방출 레이저 소자.
  4. 표면방출 레이저 소자에 있어서,
    n형의 GaAs 반도체 기판상에 차례로 적층된 AlxGa1 - xAs/AlyGa1 - yAs (0 < x, y < 1)의 도핑되지 않은 반도체 DBR로 구성된 하부 거울층;
    상기 하부 거울층 상에 전극 형성을 위한 n형 도핑된 AlxGa1 - xAs (0 < x < 1) 반도체로 구성된 전극 접촉층;
    상기 전극 접촉층 상에 전류의 균일한 주입을 위한 n형 도핑된 AlxGa1 - xAs (0 < x < 1) 반도체로 구성된 전류 분포층;
    상기 전류 분포층 상에 이득을 주기 위해 GaAs에 거의 격자 정합된 구조의 양자우물층으로 구성된 반도체 이득층;
    상기 이득층의 위에 AlxGa1 - xAs/AlyGa1 - yAs (0 < x, y < 1)의 p형 도핑된 반도체 DBR로 구성된 상부 거울층;
    상기 상부 거울층의 일부에 상부 거울층의 일부를 산화하여 부분적인 전기적 절연을 위한 전류 제한층을 구성하며;
    상기 거울층의 상부에 전류 주입을 위한 상부 전극;
    상기 전극 접촉층과 상기 기판의 상부에 연결을 위해 형성된 하부 연결 전극;
    상기 기판의 하부에 전류 주입을 위한 하부 전극으로 이루어진 것을 특징으로 하는 저손실 고속변조 표면방출 레이저 소자.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 전류 분포층은 균일한 전류 주입을 위하여 상기의 전극 접촉층에 비하여 낮은 전기 전도도를 갖는 n형 도핑된 AlxGa1 - xAs (0 < x < 1) 반도체로 구성된 것을 특징으로 하는 저손실 고속변조 표면방출 레이저 소자.
  6. 청구항 4에 있어서,
    상기 하부 연결 전극은 전류 주입을 위하여 저항이 낮은 AuGe/Ni/Au, Cr/Au 또는 Ti/Pt/Au 금속으로 형성하는 것을 특징으로 하는 저손실 고속변조 표면방출 레이저 소자.
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