KR102056896B1 - 수직 공동 표면 방출 레이저 - Google Patents

수직 공동 표면 방출 레이저 Download PDF

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Abstract

실시 예는 기판; 상기 기판 상에 배치되는 하부 반사층; 상기 하부 반사층 상에 배치되는 레이저 캐비티; 상기 레이저 캐비티 상에 배치되고, 중앙에 배치된 제1홀을 포함하는 산화층; 상기 산화층 위에 배치되는 캡핑층; 상기 캡핑층 및 제1홀 상에 배치되는 상부 반사층; 및 상기 상부 반사층 상에 배치되는 제1전극을 포함하고, 상기 캡핑층은 상기 산화층보다 알루미늄 조성이 작고, 상기 캡핑층은 상기 제1홀의 내측벽으로 연장된 연장부를 포함하는 수직 공동 표면 방출 레이저를 개시한다.

Description

수직 공동 표면 방출 레이저{Vertical Cavity Surface Emitting Lasers}
실시 예는 수직 공동 표면 방출 레이저에 관한 것이다.
상업적으로 현재 사용되는 수직 공동 표면 발광 레이저(VCSEL)의 현저한 진보는 산화물 개구부(oxide aperture)의 도입에 의해 이루어 왔다.
산화물 개구부(oxide aperture)는 AlGaAs 층이 고온의 N2 및 H2O 혼합가스 분위기에 노출되면서 H2O 분자가 AlGaAs층 내부에서 확산 과정을 거치면서 AlGaAs 물질과의 화학 반응의 결과로 AlGaAs 물질이 AlOx:As 형태로 변형되는 산화 공정에 의해 형성될 수 있다.
이런 화학적 산화 공정은 AlGaAs층의 Al 함량, 수증기 함량, 반응 챔버의 온도 등의 처리 조건에 크게 의존하기 때문에 산화물 개구부(oxide aperture)의 횡 방향의 형상 및 크기를 정밀하게 제어가 어려운 문제가 있다. 따라서, 동일 웨이퍼 상에서 산화물 개구부(oxide aperture)를 균일하게 형성하기 어려운 문제가 있다.
현재는 고가의 상업적 제조 공정 장치를 이용하여 산화물 개구부(oxide aperture)의 형성을 정밀하게 제어하고 있지만 아직 근본적인 문제해결이 되지 못하고 생산 단가만 높이고 있는 실정이다. 또한, 이런 정밀한 장치를 이용하여도 오차가 1㎛ 이상 발생하는 문제가 있다. [M. Grabherr, D. Wiedenmann, R. Jaeger, and R. King, “Fabrication and performance of tunable single-mode VCSELs emitting in the 750 to 1000 nm range,” Proc. SPIE 5737, 120-128 (2005) 참조]. 일반적인 VCSEL소자의 산화물 개구부 지름이 3~10㎛정도 이므로 1㎛의 공정 오차는 소자의 수율을 크게 악화시킬 수 있다.
또한, 정밀 제어를 위해 산화 공정을 1장씩 진행할 수 밖에 없어 작업 효율이 극히 낮아지는 문제가 있다.
실시 예는 산화물 개구부(oxide aperture)의 직경이 균일한 수직 공동 표면 방출 레이저를 제공한다.
실시 예는 산화물 개구부(oxide aperture)의 형성을 자동적으로 종료함으로써 산화물 개구부를 쉽고 정확하게 제어할 수 있는 수직 공동 표면 방출 레이저 제조 방법을 제공한다.
실시 예에서 해결하고자 하는 과제는 이에 한정되는 것은 아니며, 아래에서 설명하는 과제의 해결수단이나 실시 형태로부터 파악될 수 있는 목적이나 효과도 포함된다고 할 것이다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 수직 공동 표면 방출 레이저는, 기판; 상기 기판 상에 배치되는 하부 반사층; 상기 하부 반사층 상에 배치되는 레이저 캐비티; 상기 레이저 캐비티 상에 배치되고, 중앙에 배치된 제1홀을 포함하는 산화층; 상기 산화층 및 제1홀 상에 배치되는 상부 반사층; 및 상기 상부 반사층 상에 배치되는 제1전극을 포함하고, 상기 상부 반사층은 상기 산화층 및 제1홀 상에 가장 가까이 배치되는 베이스층을 포함하고, 상기 베이스층은 상기 제1홀 상에 배치된 영역의 두께가 상기 산화층 상에 배치된 영역의 두께보다 두껍다.
실시 예에 따르면, 산화물 개구부를 형성하는 산화 공정이 자동적으로 종료되므로 습식 산화(wet oxidation) 공정의 불안정성을 개선할 수 있다.
또한, 저가의 습식 산화(wet oxidation) 공정 장치를 사용하여도 산화물 개구부(oxide aperture)의 크기 조절이 쉽다. 또한, 수십 장의 웨이퍼를 한 공정에서 동시에 진행할 수 있다.
따라서, 수직 공동 표면 방출 레이저의 제조 공정이 간편해지고 공정 생산성이 크게 개선될 수 있다. 또한 산화물 개구부(oxide aperture)의 크기 조절 수율이 크게 향상될 수 있다.
본 발명의 다양하면서도 유익한 장점과 효과는 상술한 내용에 한정되지 않으며, 본 발명의 구체적인 실시형태를 설명하는 과정에서 보다 쉽게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 레이저 소자의 개념도이고,
도 2는 도 1의 일부 확대도이고,
도 3은 종래 반도체 소자에서 산화물 개구부를 형성하는 방법을 보여주는 도면이고,
도 4는 제1홀 상에서 성장되는 에피가 제1홀을 채우는 과정을 보여 주는 예이고,
도 5는 제1홀 상에서 성장하는 에피 성장 속도를 보여주는 그래프이고,
도 6은 도 2의 제1변형예이고,
도 7은 도 2의 제2변형예이고,
도 8은 도 2의 제3변형예이고,
도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 레이저 소자의 반사율 그래프이고,
도 10은 본 발명의 일 실시 예에 따른 레이저 소자의 반사 굴절률 및 전기장 강도를 나타낸 그래프이고,
도 11a 내지 도 11k는 본 발명의 일 실시 예에 따른 레이저 소자의 제조 방법을 보여주는 도면이고,
도 12a 내지 도 12c는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 레이저 소자의 제조방법을 보여주는 도면이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제2, 제1 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제2 구성요소는 제1 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제1 구성요소도 제2 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 레이저 소자의 개념도이고, 도 2는 도 1의 일부 확대도이고, 도 3은 종래 반도체 소자에서 산화물 개구부를 형성하는 방법을 보여주는 도면이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 실시 예에 따른 레이저 소자는, 기판(10), 기판(10) 상에 배치되는 하부 반사층(20), 하부 반사층(20) 상에 배치되는 레이저 캐비티(30), 중앙에 배치된 제1홀(h1)을 포함하는 산화층(51), 산화층(51) 및 제1홀(h1) 상에 배치되는 상부 반사층(40), 상부 반사층(40) 상에 배치되는 제1전극(71), 및 기판(10)의 하부에 배치되는 제2전극(11)을 포함할 수 있다.
레이저 소자의 반도체 구조물은 유기 금속 화학적 기상 증착법(Metal-Organic Chemical Vapor Deposition: MOCVD), 액상 에피택시법(Liquid Phase Epitaxy: LPE), 분자빔 에피택시법(Molecular Beam Epitaxy: MBE) 등을 이용하여 제조할 수 있으나 반드시 이에 한정하지는 않는다.
기판(10)은 반절연성 또는 전도성 기판일 수 있다. 예시적으로 기판(10)은 도핑 농도가 높은 GaAs 기판으로서, 도핑 농도는 1×1017cm-3 내지 1×1019cm-3 정도일 수 있다. 필요에 따라 기판(10) 상에 AlGaAs 또는 GaAs 박막과 같은 버퍼층이 더 배치될 수 있으나 반드시 이에 한정하지 않는다.
하부 반사층(20)은 n형의 초격자(superlattice) 구조의 분산형 브래그 반사기(Distributed Bragg Reflector: DBR)를 포함할 수 있다. 하부 반사층(20)은 전술한 MOCVD, MBE 등의 기법에 의해 기판(10) 상에 에피택셜 증착될 수 있다.
하부 반사층(20)은 VCSEL 구조에서 내부 반사 기능을 수행할 수 있다. 하부 반사층(20)은 복수 개의 제1 하부 반사층(21)과 복수 개의 제2 하부 반사층(22)이 교대로 적층될 수 있다. 제1 하부 반사층(21)과 제2 하부 반사층(22)은 모두 AlGaAs일 수 있으나 제1 하부 반사층(21)의 알루미늄 조성이 더 높을 수 있다.
제1 하부 반사층(21)과 제2 하부 반사층(22)은 VCSEL에 의해 발생되는 광 파장의 약 1/4 정도인 유효 광학 두께(유효 광학 두께 = 목표 광파장 / (4 x 물질의 굴절율))를 가질 수 있다. 또한 VCSEL의 높은 내부 반사를 위해 약 100%의 반사율을 갖는 것이 바람직하다.
하부 반사층(20)의 반사율은 제1 하부 반사층(21)과 제2 하부 반사층(22) 사이의 굴절율 차와, 제1 하부 반사층(21)과 제2 하부 반사층(22)의 적층수에 의존할 수 있다. 그러므로, 높은 반사율을 얻기 위해서는 굴절률의 차가 크고 적층수가 적을수록 좋을 수 있다.
레이저 캐비티(30)는 하나 이상의 우물층과 장벽층을 포함할 수 있다. 우물층은 GaAs, AlGaAs, AlGaAsSb, InAlGaAs, AlInGaP, GaAsP 또는 InGaAsP 중 어느 하나가 선택될 수 있고, 장벽층은 AlGaAs, InAlGaAs, InAlGaAsP, AlGaAsSb, GaAsP, GaInP, AlInGaP, 또는 InGaAsP 중 어느 하나가 선택될 수 있다.
레이저 캐비티(30)는 충분한 광학적 이득을 제공하도록 설계될 수 있다. 예시적으로 실시 예에 따른 레이저 캐비티(30)는 약 850nm의 파장대 또는 980nm 파장대의 광을 방출하기 위해 적정한 두께 및 조성비를 가지는 우물층을 중심에 가질 수 있다. 그러나, 우물층이 출력하는 레이저의 파장대는 특별히 한정하지 않는다.
레이저 캐비티(30)는 활성층의 하부에 배치되는 제1반도체층(미도시) 및 활성층의 상부에 배치되는 제2반도체층(미도시)을 포함할 수 있다. 제1반도체층은 n형 반도체층이고 제2반도체층은 p형 반도체층일 수 있으나 반드시 이에 한정하지 않는다. 제1반도체층과 제2반도체층은 도펀트가 도핑되지 않을 수도 있다. 예시적으로 제1반도체층과 제2반도체층은 AlGaAs일 수 있으나 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
산화층(51)은 레이저 캐비티(30) 상에 배치될 수 있다. 산화층(51)은 상부 반사층(40)과 동일한 종류의 도펀트로 도핑될 수 있다. 예시적으로 산화층(51)은 약 1018cm-3 농도로서 p형 도펀트가 도핑될 수 있으나 반드시 이에 한정하지 않는다.
산화층(51)은 알루미늄을 함유하는 반도체 화합물, 예를 들면, AlAs, AlGaAs, InAlGaAs 등을 포함할 수 있다. 실시 예에 따른 산화층(51)은 중앙에 제1홀(h1)이 배치될 수 있다. 즉, 산화층(51)은 중앙에 홀이 형성된 도넛 형상을 가질 수 있다. 산화층(51)은 저항이 상대적으로 높은 반면 굴절율은 상대적으로 낮을 수 있다. 따라서, 전류는 제1홀(h1)로 주입될 수 있으므로 레이저광을 소자의 중앙으로 모을 수 있다. 즉, 제1홀(h1)은 전류와 광을 통과시킬 수 있다.
도 3을 참조하면, 레이저 구조는 산화층(51)의 측벽을 노출시켜 산화시킬 수 있다. 산화는 측벽에서 점차 중심으로 진행할 수 있다. 산화된 외측 부분(1a)은 저항이 증가하게 되며, 산화되지 않은 중앙 부분(1b)은 전류나 광을 통과시키는 산화물 개구부(oxide aperture)로 기능할 수 있다.
그러나, 산화층(51)의 산화 정도는 산화층(51)이 함유하고 있는 반도체 화합물의 조성, 화합물의 배향, 층의 두께 및 산화 공정 등 다양한 조건에 의해 크게 영향을 받을 수 있다. 즉, 산화물 개구부(oxide aperture)을 정밀하게 제어하는 것이 매우 어렵다.
다시 도 1 및 도 2를 참조하면, 실시 예는 산화 조건이 변경되어도 제1홀(h1)이 형성된 산화층(51)이 모두 산화되면 더 이상 산화될 영역이 존재하지 않게 된다. 제1홀(h1)의 내부에 배치된 상부 반사층(40)은 산소에 노출되어도 잘 산화되지 않기 때문이다. 즉, 제1홀(h1)의 내부에 배치된 상부 반사층(40)이 산화를 자동으로 종료시키는 산화 반응의 스토퍼 역할을 수행할 수 있다.
따라서, 정밀하게 산화 정도를 제어하지 않아도 제1홀(h1)의 직경에 대응하는 산화물 개구부를 가질 수 있는 장점이 있다. 따라서, 제조 공정이 단순해지고 수율이 개선될 수 있다. 또한, 수십 장의 웨이퍼를 한번의 산화 공정으로 산화시켜도 균일한 산화물 개구부를 제조할 수 있어 생산 속도가 빨라질 수 있다.
따라서, 실시 예에 따른 산화층(51)은 산화 반응이 잘 일어나도록 조건을 변경할 수 있다. 예시적으로 산화층(51)은 두께가 커질수록, 알루미늄 조성이 높아질수록, 도핑 농도가 높아질수록 산화 반응이 잘 일어날 수 있다.
산화층(51)의 두께는 50Å 내지 5000Å일 수 있다. 산화층(51)의 두께가 50Å보다 작은 경우에는 산화율이 매우 낮아 공정시간이 너무 길어지는 문제가 있으며, 두께가 5000Å보다 큰 경우에는 산화 후 두께 수축(shrink)에 의해 산화물 개구부 끝단에서 크랙이 발생하는 문제가 있다.
산화층(51)의 도핑 농도는 1×1015cm-3 내지 1×1020cm-3일 수 있다. 산화층(51)의 도핑농도가 1×1015cm-3보다 작은 경우에는 산화 속도 낮아져 공정이 길어지는 문제가 있으며, 도핑농도가 1×1020cm-3보다 큰 경우에는 내부 결함이 커져 전기적 및/또는 광학적으로 손실이 증가할 위험이 높다.
산화층(51)의 알루미늄 조성은 80% 내지 100%일 수 있다. 산화층(51)의 알루미늄 조성이 80%이하인 경우에는 산화 속도가 느려져 공정이 길어지는 문제가 있다.
산화층(51) 상에는 캡핑층(52)이 배치될 수 있다. 캡핑층(52)은 공정 중 또는 공정 후 산화층(51)이 외부 환경에 노출되는 것을 방지할 수 있다. 전술한 바와 같이 산화층(51)은 쉽게 산화될 수 있도록 알루미늄의 조성이 높고 도핑 농도가 높게 설계될 수 있다. 따라서, 캡핑층(52)이 없는 경우 산화층(51)은 산화 공정을 진행하기 전에 이미 산화될 수도 있다. 이미 산화된 산화층(51) 상에는 반도체층의 성장이 어려우므로 상부 반사층의 성장이 어려워질 수 있다. 따라서, 캡핑층(52)은 산화층(51)이 산화 공정 전에 미리 산화되는 것을 방지할 수 있다.
그 위에 상부 반사층(40)의 재성장되는 실시 예에 따른 산화층(51)은 알루미늄을 함유하는 반도체 화합물, 예를 들면, AlAs, AlGaAs, InAlGaAs 등을 포함할 수 있다. 즉, 실시 예에 따른 산화층(51)은 그 위에 반도체층이 성장될 수 있도록 비소(As)를 포함할 수 있다.
캡핑층(52)은 GaAs, AlGaAs, InAlGaAs, AlGaAsSb, AlGaAsP, GaInP, InGaAsP, AlInGaP 중 적어도 어느 하나가 선택될 수 있으나 반드시 이에 한정하지 않는다.
또한 캡핑층(52)은 GaAs, AlGaAs, InAlGaAs, AlGaAsSb, AlGaAsP, GaInP, InGaAsP, AlInGaP 중 1개 이상의 물질을 선택하여 1개 이상의 층으로 구성될 수 있다.
캡핑층(52)이 알루미늄을 포함하는 경우, 캡핑층(52)의 알루미늄 조성은 산화층(51)의 알루미늄 조성보다 작을 수 있다. 예시적으로 캡핑층(52)의 알루미늄 조성은 0% 내지 60%일 수 있다. 캡핑층(52)의 알루미늄 조성이 60%보다 큰 경우에는, 공정 중 캡핑층(52)의 표면이 공기 중에 노출되어 산화되는 문제가 발생될 수 있으며, 상부 반사층(40)을 형성한 이후에도 산화층(51)의 산화시 캡핑층(52)이 같이 산화되는 문제가 있을 수 있다.
캡핑층(52)의 두께는 2.5Å 내지 5000Å일 수 있다. 캡핑층(52)의 두께가 2.5Å이하인 경우에는 캡핑층(52)이 너무 얇아 산소의 침투를 효과적으로 차단하지 못하는 문제가 있으며, 두께가 5000Å이상인 경우에는 상부 반사층(40)의 재성장시 단차가 너무 커져 균일한 계면을 형성하기 어려운 문제가 있다.
레이저 캐비티(30)와 산화층(51) 사이에는 제1중간층(81) 및 제2중간층(82)이 배치될 수 있다. 제1중간층(81)은 베이스층(41) 또는 제1 상부 반사층(42a)과 동일한 조성을 가질 수 있다. 또한, 제2중간층(82)은 제2 상부 반사층(42b)과 동일한 조성을 가질 수 있다. 예시적으로 베이스 층(41)은 GaAs 또는 AlGaAs 일 수 있고, 제1중간층(81)은 GaAs일 수 있고, 제2중간층(82)는 AlGaAs일 수 있다.
제1중간층(81)은 산화층(51)의 산화 공정시 레이저 캐비티(30)를 보호할 수 있다. 따라서, 제1중간층(81)의 알루미늄 조성은 제2중간층(82)보다 작을 수 있다. 예시적으로 제1중간층(81)의 두께는 1nm 내지 30nm일 수 있으나 반드시 이에 한정하지 않는다.
일반적으로 산화층(51)이 산화되면 물질이 아모퍼스(Amorphous)화 되어 막질이 다소 떨어질 수 있다. 이에 따라 막질이 다소 떨어지는 아모퍼스화 된 층이 광이 발생되는 레이저 캐비티와 바로 접합하면 소자 신뢰성이 저하될 수 있다. 따라서 제 2 중간층(82)은 산화층 보다 먼저 형성하여 아모퍼스화된 층이 레이저 캐비티와 직접 접하게 하는 것을 방지할 수 있다.
상부 반사층(40)은 산화층(51)과 제1홀(h1)의 상부에 배치될 수 있다. 상부 반사층(40)은 산화층(51)과 제1홀(h1) 상에 배치되는 베이스층(41), 베이스층(41) 상에 배치되는 복수 개의 제1 상부 반사층(42a)과 제2 상부 반사층(42b)을 포함할 수 있다.
제1 상부 반사층(42a)은 AlGaAs의 조성을 가질 수 있고, 제2 상부 반사층(42b)은 GaAs 조성을 가질 수 있다. 따라서, 제1 상부 반사층(42a)의 알루미늄 조성은 제2 상부 반사층(42b)보다 더 높을 수 있다.
상부 반사층(40)은 하부 반사층(20)과 다른 극성을 갖도록 도핑될 수 있다. 예시적으로 하부 반사층(20)과 기판(10)이 n형 도펀트로 도핑되었다면, 상부 반사층(40)은 p형 도펀트로 도핑될 수 있다.
레이저 광의 방사 방향이 기판(10)의 반대 방향으로 되게 하기 위하여, 상부 반사층(40)은 VCSEL로부터 반사율을 줄이기 위해 하부 반사층(20)보다 층수가 적을 수 있다. 즉, 상부 반사층(40)의 반사율은 하부 반사층(20)보다 작을 수 있다.
상부 반사층(40)의 반사율은 제2중간층(82)에서부터 상부 반사층(40)의 최상면까지의 두께를 기준으로 설계될 수 있다. 이때, 제1영역(S1)은 광이 분포 및 증배(propagation and amplification)되는 개구 영역(In-Phase 영역)이며, 제1영역(S1)의 외측 영역(S2)은 광이 분포하지 않는 영역(anti-phase 영역)으로 정의할 수 있다. 제1영역(S1)의 직경은 오믹층(61)의 제2홀(h2)을 통해 상부 반사층(40)이 노출된 영역의 직경일 수 있다.
실시 예에 따르면 제1홀(h1)의 직경은 제1영역(S1)의 직경보다 클 수 있다. 대부분의 레이저광은 제1영역(S1)에 분포하므로 제1홀(h1)의 끝단은 광 분포 및 광 증배 영역에 영향을 주지 않는다. 따라서, 제1홀(h1)의 끝단에서 광 산란(optical scattering) 및 광 흡수를 최소화할 수 있다. 따라서, 광 효율을 높이고, 소자의 수명 또한 기존의 구조보다 향상될 수 있다.
만약, 제1홀(h1)의 직경이 제1영역(S1)의 내측에 배치되거나 직경이 동일한 경우 제1홀(h1)의 끝단에서 광이 산란되거나 흡수되는 문제가 발생할 수 있다.
제1홀(h1)의 직경 100%를 기준으로 제1영역(S1)의 직경은 제1홀(h1) 직경의 6% 내지 98%일 수 있다. 일반적인 산화물 개구부의 직경은 3~15㎛ 정도이다. 이때 직경이 6%보다 작은 경우에는 제1영역(S1)의 직경이 1㎛ 이하가 되어 광출력이 급격히 떨어지는 문제가 발생할 수 있으며, 직경이 98%보다 큰 경우에는 제1홀(h1)의 끝단에서 광이 산란되거나 흡수되는 문제가 발생할 수 있다.
상부 반사층(40)의 베이스층(41)은 상면(41a)이 평탄면을 가질 수 있다. 즉, 베이스층(41)은 제1홀(h1)을 덮음으로써 상면이 평탄할 수 있다. 이러한 구성에 의하면 평평한 베이스층(41) 상에 복수 개의 제1 상부 반사층(42a)과 제2 상부 반사층(42b)이 배치되므로 신뢰성이 향상될 수 있다.
베이스층(41)은 산화층(51) 상에 배치되는 영역 및 제1홀(h1)에 배치되는 영역을 포함하고, 제1홀(h1)에 배치되는 영역의 두께(d2)가 산화층(51) 상에 배치되는 영역의 두께(d3)보다 두꺼울 수 있다.
베이스층(41)의 최대 두께(d3)와 제1홀(h1)의 최대 직경의 비(d3/h1)는 0.001 내지 0.3일 수 있다. 이 범위를 벗어나는 경우 베이스층(41)의 두께가 적정 범위를 벗어나 디바이스의 성능이 저하될 수 있다.
제1홀 내에 배치되는 베이스층(41)의 두께와 제1중간층(81)의 두께의 합은 1, 3, 5, 7, 9, 11 QWOT(Quarter-Wave Optical Thickness)를 만족할 수 있다. 예시적으로 타겟 파장이 980nm인 경우 1 QWOT의 두께는 약 69.47nm일 수 있다. 그러나 반드시 이에 한정하는 것은 아니고 광 파장의 1/4 3/4, 5/4, 7/4, 9/4, 11/4 중 적어도 하나인 유효 광학 두께를 가질 수 있다. 즉, 베이스층(41)과 제1중간층(81)은 하나의 제2 상부 반사층(42b)의 역할을 수행할 수 있다. 따라서, 베이스층(41)과 제1중간층(81)은 동일한 조성을 가질 수 있다. 예시적으로 베이스층(41)과 제1중간층(81)은 GaAs일 수 있다. 그 결과, 베이스층(41)은 산화층(51)이 산화되어도 산화되지 않을 수 있다.
제1전극(71)은 상부 반사층(40) 상에 배치될 수 있고, 제2전극(11)은 기판(10)의 하부에 배치될 수 있다. 그러나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니고 제2전극(11)의 기판(10)의 상부를 노출시킨 후, 노출된 영역에 배치될 수도 있다.
제1전극(71)과 제2전극(11)은 ITO(indium tin oxide), IZO(indium zinc oxide), IZTO(indium zinc tin oxide), IAZO(indium aluminum zinc oxide), IGZO(indium gallium zinc oxide), IGTO(indium gallium tin oxide), AZO(aluminum zinc oxide), ATO(antimony tin oxide), GZO(gallium zinc oxide), IZON(IZO Nitride), AGZO(Al-Ga ZnO), IGZO(In-Ga ZnO), ZnO, IrOx, RuOx, NiO, RuOx/ITO, Ni/IrOx/Au, 또는 Ni/IrOx/Au/ITO, Ag, Ni, Cr, Ti, Al, Rh, Pd, Ir, Sn, In, Ru, Mg, Zn, Pt, Au, Hf 중 적어도 하나를 포함하여 형성될 수 있으나, 이러한 재료에 한정되는 않는다.
예시적으로, 제1전극(71)은 복수의 금속층(예: Ti/Pt/Au)을 가질 수 있다. 이때, Ti의 두께는 약 100 내지 400옴스트롱일 수 있고 Au의 두께는 3000 내지 20000옴스트롱일 수 있으나 반드시 이에 한정하지 않는다.
제2전극(11)은 복수의 금속층(예: AuGe/Ni/Au)을 가질 수 있다. 이때, AuGe의 두께는 1000옴스트롱일 수 있고, Ni의 두께는 100옴스트롱일 수 있고, Au의 두께는 2000옴스트롱일 수 있으나 반드시 이에 한정하지 않는다.
제1전극(71)과 상부 반사층(40) 사이에는 오믹층(61)이 더 배치될 수 있다. 오믹층(61)은 낮은 오믹 저항을 위한, GaAs 기판(10)보다 밴드갭이 같거나 낮으면서 방출 레이저 광의 에너지 보다 같거나 낮은 밴드갭을 갖는 물질을 포함할 수 있다. 예시적으로 오믹층(61)은 AlInGaAs, InGaAs, GaAs, AlInGaAsSb, AlInGaAsPSb, InGaAsP, InGaAsPSb, GaAsSb, InGaAsSb, InAsSb, AlGaAsSb, AlGaAsP, AlGaInAsP 중 어느 하나가 선택될 수 있다. 오믹층(61)의 제2홀(h2)의 직경은 제1홀(h1)의 직경보다 작을 수 있다. 즉, 오믹층(61)은 광이 분포하지 않는 영역에 배치되므로 광 출력에 영향을 미치지 않을 수 있다.
도 4은 제 1 홀 상에서 성장되는 에피가 제 1 홀을 채우는 과정을 보여 주기 위한 도면이고, 도 5는 도 4의 시간에 부합(t4 전후의 시간)하여 제 1 홀 상에서 성장되는 에피의 성장 시간에 따른 성장율을 보여주는 도면이고, 도 7은 도 2의 제2변형예이고, 도 8은 도 2의 제3변형예이다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 실시 예에 따른 베이스층(41)은 제1홀(h1) 상에서 성장되는 과정 중, 제 1 홀 상에 배치되는 단차부(SL1)를 포함할 수 있다. 이때, 베이스층(41)은 제1홀(h1) 상에 배치된 영역(T1)의 두께가 산화층(51)의 상부에 배치된 영역(T2)의 두께보다 두꺼울 수 있다. 이러한 두께 차이는 도 5에 나타낸 바와 같이 제 1 홀 내부 영역의 에피 성장속도가 제 1 홀 외부 영역의 에피의 성장 속도 차이에 기인할 수 있다. 즉, t1 내지 t4 시간 동안은 제1홀(h1) 내에서의 에피 성장 속도다 더 높은 반면, 제 1 홀의 평탄화가 완료된 이후에는 제1홀(h1)과 산화층(51)의 상부 영역에서의 에피 성장 속도가 동일해지는 것을 알 수 있다.
따라서, 베이스층(41) 상에 배치되는 제1 상부 반사층(42a)과 제2 상부 반사층(42b)의 일부도 단차부(SL2, SL3)를 가질 수 있다. 그러나, 단차부는 층이 적층될수록 점차 작아져 어느 시점 이후에는 평탄면을 가지는 평탄화가 완료될 수 있다.
도 6에 나타낸 바와 같이 캡핑층(52)의 내벽은 산화층(51)보다 측면의 중심 방향으로 길이가 좀 더 긴 돌출부(52a)를 가질 수 있다. 돌출부(52a)는 산화층의 내벽의 노출 면적을 줄일 수 있다. 돌출부(52a)의 길이는 0보다 크고 최대 3um일 수 있으나 반드시 이에 한정하지는 않는다. 이러한 돌출부(52a)는 에피층의 식각률 차이에 의해 형성될 수 있다. 산화층(51)의 내벽은 식각 과정에서 비의도적(특히 용액을 사용한 wet chemical 에칭 방면에 의하여)으로 경사질 수 있다.
도 7을 참조하면, 캡핑층(52)은 산화층(51)의 제1홀(h1)의 내벽으로 연장된 연장부(52b)를 포함할 수 있다. 이 경우 연장부가 제1홀(h1)의 내부에 배치된 상부 반사층(40)과 산화층(51) 사이의 계면 결함 생성을 억제할 수 있다.
연장부(52b)의 최소 두께는 2.5Å 내지 2000Å일 수 있다. 연장부(52b)의 두께가 2.5Å 이하인 경우에는 상부 반사층(40)과 산화층(51) 사이의 계면 결함이 발생하는 것을 억제하지 못하는 문제가 있으며, 두께가 2000Å이상인 경우에는 상부 반사층(40) 성장시 산화층(51) 측면 부근에서 성장되는 반사막들의 균일성에 문제가 발생될 수 있다.
연장부(52b)는 산화층(51)의 상부에 캡핑층(52)을 형성한 후, PH3 분위기(InGaP 또는 InGaAsP계열 물질) 또는 AsH3 분위기(GaAs계 물질)에서 고온 열처리하면 에지에 있던 물질이 상대적으로 낮은 제1홀(h1)의 내부로 이동하여 형성될 수 있다.
도 8을 참조하면, 산화층(51)의 제1홀(h1)에 투광층(54)이 더 배치될 수 있다. 투광층(54)은 전류 주입이 원활하도록 전도성을 갖고, 활성층을 중심에 위치시킨 레이저 캐비티(30)에서 출사되는 광이 잘 출사될 수 있도록 투과율이 높은 재질이 선택될 수 있다. 예시적으로 투광층(54)은 InAlGaAs, InAlGaP, InGaAsP 및 ZnSeS와 같은 반도체 화합물이 선택될 수 있으나 반드시 이에 한정하지 않는다.
도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 레이저 소자의 반사율을 측정한 그래프이고, 도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 레이저 소자의 반사 굴절률 및 전기장 강도를 측정한 그래프이다.
도 9는 제1영역에서 상부 반사층(40)은 940nm 내지 1040nm 파장대에서 반사율이 약 99.5%인 반면, 980nm에서 상대적으로 반사율이 낮음을 확인할 수 있다. 따라서, 본 레이저 소자는 약 980nm의 레이저 광을 출력할 수 있음을 알 수 있다.
도 11a 내지 도 11k는 본 발명의 일 실시 예에 따른 레이저 소자의 제조 방법을 보여주는 도면이다.
도 11a를 참조하면, 기판(10), 하부 반사층(20), 레이저 캐비티(30), 제2중간층(82), 제1중간층(81), 상부 반사층(40), 산화층(51), 및 캡핑층(52)을 차례로 형성할 수 있다. 각 층의 특징은 전술한 구성이 그대로 적용될 수 있다.
도 11b를 참조하면, 캡핑층(52) 상에 제1마스크를 배치한 후 식각하여 캡핑층(52)과 산화층(51)의 중앙에 제1홀(h1)을 형성할 수 있다. 제1마스크(81)는 SiO2, SixOy, Si3N4, SixNy, SiOxNy, Al2O3, TiO2, AlN 또는 포토 리지스트일 수 있으나 반드시 이에 한정하지 않는다.
도 11c 및 도 11d를 참조하면, 산화층(51)과 제1홀(h1) 상에 다시 상부 반사층(40)을 재성장시킬 수 있다. 따라서, 산화층(51)은 하부 반사층(20) 및 상부 반사층(40) 사이에 배치될 수 있다.
산화층(51) 상에 배치되는 상부 반사층(40)은 제1홀(h1)을 덮는 베이스층(41)을 포함할 수 있다. 베이스층(41)과 제1중간층(81)의 두께의 합은 1, 3, 5, 7, 9, 11 QWOT(Quarter-Wave Optical Thickness)를 만족할 수 있다. 복수 개의 제1 상부 반사층(42a)과 제2 상부 반사층(42b)은 베이스층(41) 상에 배치될 수 있다.
이후, 상부 반사층(40) 상에 오믹층(61)을 전체적으로 형성한 후, 제1홈(44)에 대응되는 영역을 제거하여 제2홀(h2)을 형성할 수 있다. 실시 예에 따르면, 대부분의 레이저광은 오믹층(61)에 입사되지 않고 제2홀(h2)을 통해 방출될 수 있다. 따라서, 오믹층(61)은 GaAs 기판(10)보다 밴드갭이 같거나 낮으면서 방출 레이저 광의 에너지 보다 같거나 낮은 밴드갭을 갖는 물질을 사용할 수 있다.
도 11e 내지 도 11h를 참조하면, 오믹층(61) 상에 제1전극(71)을 형성하고 그 위에 제2마스크(82)를 형성한 후, 제2마스크(82)가 제거된 테두리 영역을 식각할 수 있다.
도 11i를 참조하면, 산화층(51)의 측면을 산화시킬 수 있다. 실시 예에 따르면 제1홀(h1)에 의해 이미 전류가 주입되어 광이 출사될 수 있는 어퍼쳐가 형성되어 있으므로 산화층(51)의 산화 정도를 정확하게 조절할 필요가 없다. 즉, 산화층(51)이 모두 산화되면 산화 공정은 자동적으로 종료될 수 있다.
예시적으로 산화 공정은 300℃ ~ 450℃ 부근의 온도 범위에서, N2 및 H2O 혼합가스 분위기를 갖춘 반응관에 시료를 약 30 내지 50분간 노출하여 수행될 수 있으나 반드시 이에 한정하지 않는다. 또한, 실시 예에 따른 산화층(51)은 산화가 빠르게 진행될 수 있도록 두께, 도핑농도, 및 알루미늄 조성을 조절할 수 있다.
도 11j를 참조하면, 식각한 테두리 영역에 보호층(90)을 배치할 수 있다. 보호층(90)은 레이저 소자의 외측을 보호할 수 있는 다양한 재질이 선택될 수 있다. 예시적으로 보호층(90)은 SiO2, Si3N4, SiON, Ta2O5, HfO2, BCB(benzocyclobutene), 폴리이미드(polyimide) 중 적어도 하나일 수 있으나 반드시 이에 한정하지 않는다. 또한, 필요에 따라 보호층(90)을 경화시키는 공정을 더 진행할 수 있다.
도 11k를 참조하면, 제1전극(71)과 연결되는 패드 전극(72)을 형성할 수 있다. 또한, 기판(10)의 하부에는 제2전극(11)을 형성할 수 있다.
도 12a 내지 도 12c는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 레이저 소자의 제조방법을 보여주는 도면이다.
도 12a 및 도 12b를 참조하면, 기판(10), 하부 반사층(20), 활성층을 중심에 위치시킨 레이저 캐비티(30), 상부 반사층(40), 산화층(51), 및 캡핑층(52)을 차례로 형성하고, 캡핑층(52) 상에 제1마스크(81)를 배치한 후 식각하여 캡핑층(52)과 산화층(51)의 중앙에 제1홀(h1)을 형성할 수 있다.
이후, 산화층(51)의 상부에 캡핑층(52)을 형성하고 열처리하여 제1홀(h1)의 내벽에 캡핑층(52)의 연장부(52b)를 형성할 수 있다. 구체적으로 산화층(51)의 상부에 캡핑층(52)을 형성하고 PH3 분위기(InGaP 또는 InGaAsP계열 물질) 또는 AsH3 분위기(GaAs계 물질)에서 고온 열처리하면 에지(edge)에 있던 캡핑 물질이 상대적으로 낮은 제1홀(h1)의 내부로 이동하여 연장부(52b)가 형성될 수 있다. 이때, 열처리 온도는 500℃ 내지 900℃일 수 있다. 이러한 구성에 의하면 연장부(52b)가 산화의 진행을 방지하는 스토퍼 역할을 수행할 수 있다.
도 12c을 참조하면, 산화층(51)과 제1홀(h1) 상에 상부 반사층(40)을 형성할 수 있다. 이후 공정은 도 11e 내지 10k와 동일하게 진행할 수 있다.
본 실시 예에 따른 레이저 소자는 3D 얼굴인식 및 3D 이미징 기술의 광원으로 사용될 수 있다. 3D 얼굴인식 및 3D 이미징 기술은 2차원적 어레이 형태로 패턴화된 광원 매트릭스가 필요하다. 이런 2차원적 어레이 형태로 패턴화된 광원 매트릭스를 물체에 조사하고 반사되는 광의 패턴을 분석할 수 있다. 이때 2차원적 어레이 형태로 패턴화된 광원 매트릭스 중에서 각 형태물체의 굴곡된 표면에서 반사된 엘리먼트광들의 변형된 상태들을 분석하면 물체의 3차원 이미지를 구성할 수 있게 된다. 이런 2차원적 어레이 형태로 패턴화된 광원(Structured light source)을 실시 예에 따른 VCSEL 어레이를 제작하면, 각 엘리먼트 광원의 특성이 균일한 2차원적 어레이 형태로 패턴화된 광원(Structured light source) 매트릭스를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 레이저 소자는 광통신 소자, CCTV, 자동차용 나이트 비전(night vision), 동작 인식, 의료/치료, IoT용 통신 소자, 열추적 카메라, 열화상 카메라, SOL (Solid state laser)의 펌핑 분야, 플라스틱 필름의 접합을 위한 가열공정 등 많은 응용 분야에서 저가의 VCSEL 광원으로 사용될 수 있다.
이상에서 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (15)

  1. 기판;
    상기 기판 상에 배치되는 하부 반사층;
    상기 하부 반사층 상에 배치되는 레이저 캐비티;
    상기 레이저 캐비티 상에 배치되고, 중앙에 배치된 제1홀을 포함하는 산화층;
    상기 산화층 위에 배치되는 캡핑층;
    상기 캡핑층 및 제1홀 상에 배치되는 상부 반사층; 및
    상기 상부 반사층 상에 배치되는 제1전극을 포함하고,
    상기 캡핑층은 상기 산화층보다 알루미늄 조성이 작고,
    상기 캡핑층은 상기 제1홀의 내측벽으로 연장된 연장부를 포함하는 수직 공동 표면 방출 레이저.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 상부 반사층은 상기 산화층 및 제1홀 상에 가장 가까이 배치되는 베이스층을 포함하고,
    상기 베이스층은 상기 제1홀 상에 배치된 영역의 두께가 상기 산화층 상에 배치된 영역의 두께보다 두껍고,
    상기 베이스층의 상면은 평탄면을 갖는 수직 공동 표면 방출 레이저.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 상부 반사층은
    상기 베이스층 상에 배치되는 복수 개의 제1 상부 반사층 및 복수 개의 제2 상부 반사층을 포함하고,
    상기 복수 개의 제1 상부 반사층과 제2 상부 반사층은 교대로 배치되고,
    상기 제1 상부 반사층은 상기 제2 상부 반사층보다 굴절률이 높은 수직 공동 표면 방출 레이저.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 베이스층은 상기 제2 상부 반사층과 동일한 조성을 갖는 수직 공동 표면 방출 레이저.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 베이스층의 최대 두께와 상기 제1홀의 최대 직경의 비는 0.001 내지 0.3인 수직 공동 표면 방출 레이저.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 베이스층은 상기 제1홀 상에 배치되는 단차부를 포함하고,
    상기 복수 개의 제1 상부 반사층과 제2 상부 반사층 중 일부는 상기 제1홀 상에 배치되는 단차부를 포함하는 수직 공동 표면 방출 레이저.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 캡핑층은 GaAs, AlGaAs, InAlGaAs, AlGaAsSb, AlGaAsP, GaInP, InGaAsP, AlInGaP 중 1개 이상의 물질을 포함하는 1개 이상의 층을 포함하는 수직 공동 표면 방출 레이저.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 연장부의 두께는 상기 캡핑층의 두께보다 얇은 수직 공동 표면 방출 레이저.
  9. 제2항에 있어서,
    상기 산화층과 상기 레이저 캐비티 사이에 배치되는 제1중간층을 포함하고,
    상기 제1중간층은 상기 베이스층과 동일한 조성을 갖는 수직 공동 표면 방출 레이저.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제1중간층은 제1홀 내에서 상기 베이스층과 접촉하는 수직 공동 표면 방출 레이저.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제1중간층과 베이스층의 두께 합은 1, 3, 5, 7, 9, 11 QWOT (Quarter-Wave Optical Thickness) 중 적어도 하나를 만족하는 수직 공동 표면 방출 레이저.
  12. 기판;
    상기 기판 상에 배치되는 하부 반사층;
    상기 하부 반사층 상에 배치되는 레이저 캐비티;
    상기 레이저 캐비티 상에 배치되고, 중앙에 배치된 제1홀을 포함하는 산화층;
    상기 산화층 위에 배치되는 캡핑층;
    상기 캡핑층 및 제1홀 상에 배치되는 상부 반사층; 및
    상기 상부 반사층 상에 배치되는 제1전극을 포함하고,
    상기 캡핑층은 상기 산화층보다 알루미늄 조성이 작고,
    상기 캡핑층은 상기 산화층보다 상기 제1홀의 중심 방향으로 돌출되는 돌출부를 포함하는 수직 공동 표면 방출 레이저.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 돌출부의 길이는 0보다 크고 3um보다 작은 수직 공동 표면 방출 레이저.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 상부 반사층은 상기 산화층 및 제1홀 상에 가장 가까이 배치되는 베이스층을 포함하고,
    상기 베이스층은 상기 제1홀 상에 배치된 영역의 두께가 상기 산화층 상에 배치된 영역의 두께보다 두껍고,
    상기 베이스층의 상면은 평탄면을 갖는 수직 공동 표면 방출 레이저.
  15. 삭제
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