KR102171732B1 - 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 배치되는 중간층; 상기 중간층 상에 배치되고 관통홀이 형성된 절연층; 및 상기 중간층에서 상기 관통홀의 상부로 연장된 상부 반사층을 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. 따라서, 수율이 나빠지고 제조 공정이 길어지는 문제가 있다.
실시 예는 산화 공정이 생략된 수직 공동 표면 방출 레이저를 제공할 수 있다.
또한, 상부 전극의 면적이 증가하여 접촉 저항이 개선된 수직 공동 표면 방출 레이저를 제공할 수 있다.
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 특징에 따른 수직 공동 표면 방출 레이저는, 기판; 상기 기판 상에 배치되는 하부 반사층; 상기 하부 반사층 상에 배치되는 레이저 캐비티; 상기 레이저 캐비티 상에 배치되는 중간층; 상기 중간층 상에 배치되고 관통홀이 형성된 절연층; 및 상기 중간층에서 상기 관통홀의 상부로 연장된 상부 반사층을 포함한다.
상기 상부 반사층은 상기 중간층에서 멀어질수록 단면적이 작아질 수 있다.
상기 상부 반사층의 상면은 가장자리에 배치되는 볼록부와 중앙에 배치되는 평탄부를 포함할 수 있다.
상기 평탄부에 배치되는 반사 방지층을 포함할 수 있다.
상기 관통홀의 면적과 상기 평탄부의 면적의 비는 1:0.15 내지 1:0.30일 수 있다.
상기 관통홀은 평면상에서 사각 형상을 가질 수 있다.
상기 상부 반사층은 평면상에서 사각 형상을 가질 수 있다.
상기 절연층의 상면, 상기 상부 반사층의 측면, 및 상기 상부 반사층의 볼록부 상에 배치되는 상부 전극을 포함할 수 있다.
상기 상부 반사층과 상기 중간층은 복수 개의 제1 서브 반사층 및 제2 서브 반사층을 포함할 수 있다.
상기 상부 반사층 중에서 최하부에 배치되는 반사층은 상기 관통홀로 노출된 중간층과 접촉하고, 상기 최하부에 배치되는 반사층은 상기 관통홀의 내측벽 및 상기 절연층의 상면으로 연장될 수 있다.
실시 예는 산화물 개구부를 형성하는 산화 공정이 생략되므로 수율이 증가하고, 제조 시간이 단축되어 생산성이 향상될 수 있다.
또한, 오믹 전극의 면적이 증가하여 접촉 저항이 개선되므로, 동작 전압이 낮아질 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 수직 공동 표면 방출 레이저의 개념도이고,
도 2는 상부 반사층의 구성을 설명하기 위한 도면이고,
도 3은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 수직 공동 표면 방출 레이저의 평면도이고,
도 4는 도 3의 A-A 방향 단면도이고,
도 5는 마스크들의 폭(Wm) 및 관통홀의 폭(Wo) 제어에 따른 성장률 증대 비율(growth rate enhancement ratio)을 보여주는 그래프이고,
도 6a 내지 도 6g는 본 발명의 일 실시 예에 따른 수직 공동 표면 방출 레이저 제조방법을 설명하기 위한 도면이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 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.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
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 수직 공동 표면 방출 레이저의 개념도이고, 도 2는 상부 반사층의 구성을 설명하기 위한 도면이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 실시 예에 따른 레이저 소자는 기판(10); 상기 기판(10) 상에 배치되는 하부 반사층(20); 상기 하부 반사층(20) 상에 배치되는 레이저 캐비티(30); 상기 레이저 캐비티(30) 상에 배치되는 중간층(41); 상기 중간층(41) 상에 배치되고 관통홀(H1)이 형성된 절연층(50); 및 상기 중간층(41)에서 상기 관통홀(H1)의 상부로 연장된 상부 반사층(42)을 포함한다.
기판(10)은 반절연성 또는 전도성 기판일 수 있다. 예시적으로 기판(10)은 도핑 농도가 높은 GaAs 기판(10)으로서, 도핑 농도는 1×1017cm-3 내지 1×1019cm-3 정도일 수 있다. 필요에 따라 기판(10) 상에 AlGaAs 또는 GaAs 박막과 같은 반도체 버퍼층을 더 배치할 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 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 적층되어 이루어질 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.
하부 반사층(20)을 이루고 있는 제1 하부 반사층(21)과 제2 하부 반사층(22)들은 VCSEL에 의해 발생되는 광 파장의 약 1/4 정도인 유효 광학 두께를 갖는 것이 바람직하며, 또 VCSEL의 높은 내부 반사를 위해 가능하다면 전체적으로 약 100%의 반사율을 갖는 것이 바람직하다.
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 그 내부를 구성하는 제1 하부 반사층(21)과 제2 하부 반사층(22) 사이의 굴절율의 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.
또한 전기적인 저항을 줄이기 위하여 제1 하부 반사층(21)과 제2 하부 반사층(22) 사이에 제1 하부 반사층(21) 및 제2 하부 반사층(22)의 Al 조성비를 1차원적 혹은 2차원적으로 연속 변화시킨 Al 그레이딩(grading)된 AlGaAs 층을 위치 시킬 수도 있다.
레이저 캐비티(30)는 하나 이상의 양자 우물층(quantum well layer)과 배리어층 (barrier layer)으로 구성된 활성층을 포함할 수 있다. 양자 우물층은 GaAs, AlGaAs, AlGaAsSb, InAlGaAs, AlInGaP, GaAsP 또는 InGaAsP 중 어느 하나가 선택될 수 있고, 배리어층은 AlGaAs, InAlGaAs, InAlGaAsP, AlGaAsSb, GaAsP, GaInP, AlInGaP, 또는 InGaAsP 중 어느 하나가 선택될 수 있다.
레이저 캐비티(30)는 레이저 소자의 충분한 광학적 이득을 제공하도록 설계될 수 있다. 예시적으로 실시 예에 따른 레이저 캐비티(30)는 약 850nm의 파장대 또는 980nm의 광을 방출하기 위해 적정한 두께 및 조성비를 가지는 양자우물층을 중심에 가질 수 있다. 그러나, 양자우물층이 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.
중간층(41)은 레이저 캐비티(30) 상에 배치될 수 있다. 중간층(41)은 복수 개의 제1 서브 반사층(41a)과 복수 개의 제2 서브 반사층(41b)을 포함할 수 있다. 제1 서브 반사층(41a)과 제2 서브 반사층(41b)은 후술하는 상부 반사층(42)의 구성과 동일할 수 있다.
제1 서브 반사층(41a)과 제2 서브 반사층(41b)은 모두 AlGaAs일 수 있고, 제1 서브 반사층(41a)의 알루미늄 조성이 더 높을 수 있다. 제1 서브 반사층(41a)과 제2 서브 반사층(41b)들은 VCSEL에 의해 발생되는 광 파장의 약 1/4 정도인 유효 광학 두께를 가질 수 있다.
절연층(50)은 중간층(41) 상에 배치될 수 있다. 절연층(50)은 SiO2, SixOy, Si3N4, SixNy, SiOxNy, Al2O3, TiO2, AlN 중 어느 하나일 수 있으나 반드시 이에 한정하지 않는다. 절연층(50)은 적어도 하나의 관통홀(H1)을 포함할 수 있다. 관통홀(H1)은 기존의 산화물 개구부(oxide aperture)의 역할을 수행할 수 있다. 즉, 관통홀(H1)을 통해 광이 출사되고 전류가 주입될 수 있다.
종래에는 산화층을 레이저 캐비티(30) 상에 배치하고, 외측에서 점차 산화시켜 산화물 개구부(oxide aperture)를 형성하였다. 그러나, 이러한 구성은 각각의 단일 웨이퍼에 대해 산화공정을 진행하는 과정(산화공정 시간 약 30~60분)이 필수적이여서 생산성이 매우 낮은 문제가 있다. 또한, 미세한 제어가 필요하므로 수율이 상대적으로 낮은 문제가 있다.
그러나, 실시 예에 따르면, 산화 공정이 필요 없이 관통홀(H1)이 형성된 절연층(50)을 사용하므로 수율이 개선되고 생산성이 개선되는 효과가 있다.
도 2를 참조하면, 상부 반사층(42)은 중간층(41)에서 관통홀(H1)의 상부로 연장될 수 있다. 따라서, 상부 반사층(42)은 관통홀(H1)에 대응되는 위치에 배치될 수 있다. 즉, 실시 예에 따른 상부 반사층(42)은 관통홀(H1)에 대응되는 위치에 배치될 수 있다. 따라서, 산화층 상에 전체적으로 형성되는 종래 상부 반사층(42)과 차이가 있다.
관통홀(H1)이 형성된 절연층(50) 상에서 상부 반사층(42)을 성장시키는 경우, 절연층(50)의 상면(P1)에는 GaAs와 같은 반도체층이 없으므로 에피 성장이 일어나지 않는다. 그러나, 관통홀(H1)에 의해 중간층(41)이 노출된 영역에서는 반도체층이 성장하게 된다. 즉, 중간층(41)은 반도체층이 성장할 수 있는 시드층의 역할을 수행할 수 있다.
이때, 상부 반사층(42) 중에서 최하부에 배치된 반사층은 중간층(41) 상에서 성장하게 되고, 끝단은 관통홀(H1)의 내측벽과 절연층(50)의 상면으로 연장될 수 있다. 이후, 성장하는 반사층들 역시 동일한 형상으로 형성될 수 있다. 따라서, 상부 반사층(42)의 상면(S1)의 가장자리에는 볼록부(S12)가 형성되고, 상면(S1)의 중앙에는 평탄부(S11)가 형성될 수 있다.
이때, 상부 반사층(42)의 상면(S1)은 관통홀(H1)과 수직 방향으로 중첩되는 영역으로 정의할 수 있다. 따라서, 관통홀(H1)과 수직방향으로 중첩되지 않는 영역은 측면(S2)으로 정의할 수 있다. 상부 반사층(42)의 측면(S2)은 상부로 갈수록 단면적이 작아지도록 경사질 수 있다.
상부 반사층(42)은 제1 서브 반사층(42a)과 제2 서브 반사층(42b)을 포함할 수 있다. 제1 서브 반사층(42a)과 제2 서브 반사층(42b)은 모두 AlGaAs의 조성을 가질 수 있으나, 제1 서브 반사층(42a)의 알루미늄 조성이 더 높을 수 있다.
상부 반사층(42)의 제1 서브 반사층(42a)의 개수는 중간층(41)의 제1 서브 반사층(41a)의 개수보다 많을 수 있다. 또한, 상부 반사층(42)의 제2 서브 반사층(42b)의 개수는 중간층(41)의 제2 서브 반사층(41b)의 개수보다 많을 수 있다. 따라서, 상부 반사층(42)은 중간층(41)보다 두꺼울 수 있다.
상부 반사층(42)은 하부 반사층(20)과 다른 극성을 갖도록 도핑될 수 있다. 예시적으로 하부 반사층(20)과 기판(10)이 n형 도펀트로 도핑되었다면, 상부 반사층(42)은 p형 도펀트로 도핑될 수 있다.
상부 반사층(42)은 VCSEL로부터 반사율을 줄이기 위해 하부 반사층(20)보다 층수가 적을 수 있다. 즉, 상부 반사층(42)의 반사율은 하부 반사층(20)보다 작을 수 있다. 이때, 상부 반사층(42)의 층수는 중간층(41)까지 합한 개수일 수 있다.
상부 전극(60)은 절연층(50)의 상면, 상부 반사층(42)의 측면(S2), 및 상부 반사층(42)의 상면(S1)의 일부 영역까지 배치될 수 있다. 구체적으로 상부 전극(60)은 상부 반사층(42)의 볼록부(S12)까지 연장될 수 있다. 따라서, 상부 전극(60)의 면적이 넓어져 접촉 저항이 낮아질 수 있다. 상부 전극(60)은 AuZn, Ti, Pt, Au 중 적어도 하나를 포함할 수 있으나 반드시 이에 한정하지 않는다.
상부 반사층(42)의 평탄부(S11)에는 반사 방지층(80)이 배치될 수 있다. 반사 방지층(80)은 레이저 캐비티(30)에서 출사된 레이저 광이 전반사되는 것을 방지할 수 있다. 반사 방지층(80)은 SixNy 혹은 SixOy 로 표현되는 재질을 포함할 수 있으나 반드시 이에 한정하지 않는다.
이때, 관통홀(H1)의 면적과 평탄부(S11)의 면적의 비는 1:0.15 내지 1:0.30일 수 있다. 면적의 비가 1:0.15보다 작은 경우에는 광이 출사되는 면적이 작아져 광 출력이 저하될 수 있다. 또한, 면적의 비가 1:0.30보다 큰 경우에는 상대적으로 볼록부(S12)의 면적이 작아지므로 볼록부(S12) 상에 배치되는 상부 전극(60)의 면적이 작질 수 있다. 따라서, 접촉 저항이 증가할 수 있다.
도 3은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 수직 공동 표면 방출 레이저의 평면도이고, 도 4는 도 3의 A-A 방향 단면도이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 실시 예에 따른 레이저 소자는 기판(10); 상기 기판(10) 상에 배치되는 하부 반사층(20); 상기 하부 반사층(20) 상에 배치되는 레이저 캐비티(30); 상기 레이저 캐비티(30) 상에 배치되는 중간층(41); 상기 중간층(41) 상에 배치되고 복수 개의 관통홀(H1)이 형성된 절연층(50); 및 상기 중간층(41)에서 상기 복수 개의 관통홀(H1)의 상부로 각각 연장된 복수 개의 상부 반사층(42)을 포함한다.
실시 예에 따른 레이저 소자는 절연층(50)에 복수 개의 관통홀(H1)이 형성되고, 복수 개의 상부 반사층(42)이 관통홀(H1) 상에 각각 형성될 수 있다. 복수 개의 상부 반사층(42)은 서로 이격 배치될 수 있다. 이러한 구성에 의하면, 하나의 레이저 소자에서 복수 개의 광 출사 영역을 확보할 수 있어 광 출력이 개선될 수 있다.
관통홀(H1)은 다각 형상을 가질 수 있다. 예시적으로 관통홀(H1)은 마름모 형상 또는 사각 형상을 가질 수 있다. 이 경우 서로 수직한
Figure 112018106111182-pat00001
방향과 (011) 방향으로 반도체 성장 속도가 동일해져 균일한 성장이 가능해질 수 있다.
또한, 상부 전극(60)은 관통홀(H1)과 대응되는 형상의 제2홀을 가질 수 있다. 상부 전극(60)의 제2홀은 레진층의 관통홀(H1)보다 작을 수 있다. 따라서, 상부 전극(60)의 면적이 증가하므로 접촉 저항이 낮아지고 동작 전압이 낮아질 수 있다.
선택적 성장의 예로 도 5를 참조하면, 마스크 open window(Wo)가 20um일 때 마스크 패턴의 폭(Wm)과 성장률 증대 비율(growth rate enhancement ratio)이 비례함을 알 수 있다. 따라서, 실시 예에서는 마스크 역할을 하는 절연층(50) 사이의 폭(Wm)을 10um 내지 30um으로 형성하고, 관통홀(H1)의 폭(Wo)을 5um 내지 50um로 형성함으로써, 성장률 증대 비율(R)을 1.1 내지 1.8로 제어할 수 있다. 이 경우 절연층(50) 상에 재성장하는 상부 반사층(42)의 성장률을 향상시킬 수 있다. 만약 성장률 증대 비율이 1.1보다 작은 경우 관통홀(H1)의 측면(edge)에서 수평 방향(lateral) 성장이 충분하지 않아 상부 반사층(42)의 최대 영역(A1)과 관통홀(H1) 사이의 간격이 좁아져 전극의 접촉면적 증가에 의한 접촉저항 개선 효과가 충분하지 못할 수 있다. 또한, 절연층(50)의 폭이 10um 밖에 되지 못하여 후속 공정에서 절연층을 1회 더 형성해야 하므로 생산성 문제가 발생할 수 있다.
상부 반사층(42)은 2~3um의 두께를 갖는 것이 바람직할 수 있다. 만약 성장률 증대 비율이 2.0보다 큰 경우 관통홀(H1)에서의 볼록부(S12)의 높이와 절연층(50)의 높이 차이가 3um 이상 차이가 날 수 있어 후속 공정인 포토리소그라피(photolithography) 공정을 진행하는데 있어 얼라인(align)이 힘들어질 수 있다. 또한, 포토마스크(photomask)의 손상을 야기하는 문제가 발생할 수 있다.
도 6a 내지 도 6g는 본 발명의 일 실시 예에 따른 수직 공동 표면 방출 레이저 제조방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 6a를 참조하면, 기판(10) 상에 하부 반사층(20), 레이저 캐비티(30), 중간층(41)을 순차로 형성할 수 있다.
기판(10)은 반절연성 또는 전도성 기판일 수 있다. 예시적으로 기판(10)은 도핑 농도가 높은 GaAs 기판(10)으로서, 도핑 농도는 1×1017cm-3 내지 1×1019cm-3 정도일 수 있다. 필요에 따라 기판(10) 상에 AlGaAs 또는 GaAs 박막과 같은 반도체 버퍼층을 더 배치할 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.
레이저 캐비티(30)는 하나 이상의 양자 우물(quantum well)층과 배리어(barrier)층으로 구성된 활성층을 포함할 수 있다. 양자 우물층은 GaAs, AlGaAs, AlGaAsSb, InAlGaAs, AlInGaP, GaAsP 또는 InGaAsP 중 어느 하나가 선택될 수 있고, 배리어층은 AlGaAs, InAlGaAs, InAlGaAsP, AlGaAsSb, GaAsP, GaInP, AlInGaP, 또는 InGaAsP 중 어느 하나가 선택될 수 있다.
레이저 캐비티(30)는 레이저 소자의 충분한 광학적 이득을 제공하도록 설계될 수 있다. 예시적으로 실시 예에 따른 레이저 캐비티(30)는 약 850nm의 파장대 또는 980nm의 광을 방출하기 위해 적정한 두께 및 조성비를 가지는 양자우물층을 중심에 가질 수 있다. 그러나, 양자우물층이 출력하는 레이저의 파장대는 특별히 한정하지 않는다.
중간층(41)은 레이저 캐비티(30) 상에 배치될 수 있다. 중간층(41)은 제1 서브 반사층(41a)과 제2 서브 반사층(41b)을 포함할 수 있다. 중간층(41)은 전술한 MOCVD, MBE 등의 기법에 의해 기판(10) 상에 에피택셜 증착될 수 있다.
도 6b를 참조하면, 절연층(50)은 중간층(41) 상에 형성될 수 있다. 절연층(50)은 SiO2, SixOy, Si3N4, SixNy, SiOxNy, Al2O3, TiO2, AlN 중 어느 하나일 수 있으나 반드시 이에 한정하지 않는다.
도 6c를 참조하면, 절연층(50) 상에 포토 레지스트를 선택적으로 코팅하여 포토리소그라피 공정을 이용하여 포토 레지스트가 도포되지 않은 영역을 선택적으로 식각할 수 있다. 이외에도 다양한 반도체 식각 공정이 적용될 수도 있다.
도 6d를 참조하면, 절연층(50) 상에 상부 반사층(42)을 형성할 수 있다. 관통홀(H1)이 형성된 절연층(50) 상에 상부 반사층(42)을 형성하는 경우 절연층(50)의 상면에는 GaAs와 같은 반도체층이 없으므로 에피 성장이 일어나지 않는다. 그러나, 관통홀(H1)에 의해 중간층(41)이 노출된 영역에서는 반도체층이 성장하게 된다.
이때, 성장한 상부 반사층(42)은 관통홀(H1)의 내부에서 절연층(50)의 상면으로 연장되면서 성장할 수 있다. 따라서, 상부 반사층(42)은 중앙 영역은 상대적으로 평탄하고 가장자리 영역은 상대적으로 볼록하게 형성될 수 있다.
도 6e를 참조하면, 상부 전극(60)은 절연층(50)의 상면(P1), 상부 반사층(42)의 측면, 및 상부 반사층(42)의 볼록부(S12) 상에 형성될 수 있다. 상부 전극(60)이 상부 반사층(42)의 볼록부(S12)까지 형성되므로 면적이 증가하여 접촉 저항이 낮아질 수 있다.
상부 전극(60)은 Ti/Pt/Au로 순차 적층할 수 있다. 상부 전극(60)을 형성하는 방법은 특별히 한정하지 않는다. 상부 전극(60)은 다양한 전극 형성 방법이 모두 적용될 수 있다.
도 6g를 참조하면, 기판(10)의 하부에 하부 전극(11)을 형성할 수 있다. 하부 전극(11)은 AuGe/Ni/Au 또는 Ni/AuGe/Ni/Au로 형성할 수 있으나 반드시 이에 한정하지 않는다. 하부 전극(11)은 다양한 전극 형성 방법이 모두 적용될 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 (10)

  1. 기판;
    상기 기판 상에 배치되는 하부 반사층;
    상기 하부 반사층 상에 배치되는 레이저 캐비티;
    상기 레이저 캐비티 상에 배치되는 중간층;
    상기 중간층 상에 배치되고 복수 개의 관통홀이 형성된 절연층; 및
    상기 중간층에서 상기 복수 개의 관통홀의 상부로 연장된 복수 개의 상부 반사층을 포함하고,
    상기 복수 개의 상부 반사층은 서로 이격 배치되고,
    상기 절연층은 SiO2, SixOy, Si3N4, SixNy, SiOxNy, Al2O3, TiO2, AlN 중 적어도 하나를 포함하고,
    상기 복수 개의 상부 반사층의 반사도는 상기 하부 반사층의 반사도보다 낮고,
    상기 복수 개의 상부 반사층의 상면은 가장자리에 배치되는 볼록부와 중앙에 배치되는 평탄부를 포함하고,
    상기 평탄부에는 반사 방지층이 배치되고,
    각각의 상부 반사층 중에서 최하부에 배치되는 반사층은 상기 관통홀로 노출된 중간층 상에 배치되고 상기 절연층의 상면으로 연장되는 수직 공동 표면 방출 레이저.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수 개의 상부 반사층은 상기 중간층에서 멀어질수록 단면적이 작아지는 수직 공동 표면 방출 레이저.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 평탄부에 배치되는 반사 방지층을 포함하는 수직 공동 표면 방출 레이저.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 관통홀의 면적과 상기 평탄부의 면적의 비는 1:0.15 내지 1:0.30인 수직 공동 표면 방출 레이저.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 관통홀은 평면상에서 사각 형상을 갖는 수직 공동 표면 방출 레이저.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 복수 개의 상부 반사층은 평면상에서 사각 형상을 갖는 수직 공동 표면 방출 레이저.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 절연층의 상면, 상기 복수 개의 상부 반사층의 측면, 및 상기 복수 개의 상부 반사층의 볼록부 상에 배치되는 상부 전극을 포함하는 수직 공동 표면 방출 레이저.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 복수 개의 상부 반사층과 상기 중간층은 복수 개의 제1 서브 반사층 및 제2 서브 반사층을 포함하는 수직 공동 표면 방출 레이저.
  10. 삭제
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