KR102231085B1 - 수직 공진 표면 발광 레이저 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 적어도 기판(104), 전기 접점들(116), 제1 미러 영역(106), 제2 미러 영역(112) 및 상기 미러 영역들 사이의 활성 영역(108)을 포함하는 수직 공진 표면 발광 레이저(VCSEL)로서, 상기 미러 영역들(106, 112)은 복수의 레이어들로 형성된 분산 브래그 반사기를 포함하고; 레이저 발광이 활성 영역에서 적어도 하나의 갈륨 아스나이드 안티모나이드 나노 구조물로부터 이루어지고; 상기 각 나노 구조물은 비소 원자보다 더 많은 안티몬 원자를 수용한다.

Description

수직 공진 표면 발광 레이저
수직 공진 표면 발광 레이저(vertical-cavity surface-emitting laser, VCSEL 또는 빅셀)로 알려진 장치의 디자인이 이전부터 알려져 있다. 빅셀은 일반적으로 기판, 제1 미러 영역, 제2 미러 영역 및 미러 영역들 사이의 활성 영역을 포함하는 고체 상태 반도체 장치이다. 각 미러 영역은 적절한 소재로 된 복수의 얇은 레이어로 형성된 분산 브래그 반사기(distributed Bragg reflector, DBR)를 일반적으로 포함한다.
빅셀은 종래의 단면 발광 레이저들에 비해 높은 주파수 동작(스위칭 속도), 단순하고 컴팩트한 장치 패키징, 극단적으로 낮은 문턱값, 낮은 전력 소모, 원형 빔 프로파일 및 낮은 빔 확산도와 같은 장점을 제공한다.
빅셀의 특성은 전기 통신 분야의 사용에서 그들이 유리하도록 만든다. 산업적인 목표는 냉각의 필요가 없고 (광학 파이버가 낮은 감쇄를 가지는) 1260nm에서 1675nm까지 범위의 파장에서 발광하는 밝고 효율적인 빅셀을 만드는 것이다. 이것은 종래 선호되던 갈륨 아스나이드(gallium arsenide) 기반의 소재 체계를 이용해서는 쉽게 얻어지지 않는다.
1260nm에서 1675nm 사이에서 작동하는 몇몇 빅셀들이 보고되어 있다. 이들은 고도로 정제된 소재를 포함하는 양자 우물 빅셀(quantum well VCSEL)들이다. 그 예에는 갈륨 아스나이드를 구비한 인듐 갈륨 아스나이드(indium gallium arsenide); 또는 갈륨 인듐 나이트라이드 아스나이드(gallium indium nitride arsenide); 또는 갈륨 아스나이드를 구비한 갈륨 인듐 나이트라이드 아스나이드 안티모나이드(gallium indium arsenide antimonide); 또는 인듐 포스파이드를 구비한 인듐 알루미늄 갈륨 아스나이드 포스파이드(indium aluminiumgallium arsenide phosphide)가 포함된다. 그러나 이런 장치들은 폭넓은 산업 분야로의 적용을 방해하는 단점을 갖고 있다.
인듐 포스파이드 디자인의 단점에는 높은 열전도율과 반사율을 제공할 수 있는 적절한 DBR 소재의 부족이 포함된다. 따라서 인듐 포스파이드 장치들은 온도 변화에 극히 민감하며, 측면 모드 구속(lateral mode confinement)이 어렵다.
갈륨 아스나이드에 기반한 장치들은 다른 단점을 가진다. 이런 장치들은 갈륨 아스나이드를 가진 알루미늄 갈륨 아스나이드를 포함하는, 격자 정합(lattice matching)되고, 높은 반사율, 높은 열전도율의 DBR이라는 장점을 가질 수 있다. 그러나 갈륨 아스나이드에 기반한 장치에서 긴 파장(1미크론보다 긴)의 발광을 얻는 것은 어렵다. 압박된 양자 우물 레이어(strained quantum well layer)들 또는 묽은 나이트라이드(dilute nitride)들의 조합을 통해 이를 시도하는 것이 알려져 있다(예컨대 US5805624A); 그러나 이런 기법들은 소재의 질을 저하시키며 장치의 성능에 부정적인 영향을 준다.
여기에서 명확히 언급되지 않았더라도 현존하는 빅셀 장치들의 단점을 완화 및/또는 극복하는 것이 본 발명의 목적이다. 광섬유 네트워크 및 다른 적용예에서의 산업적인 이용에 적합한 빅셀을 제공하는 것이 다른 목적이다.
본 발명은 적어도 기판, 전기 접점, 제1 미러 영역, 제2 미러 영역 및 미러 영역들 사이의 활성 영역을 포함하는 수직 공진 표면 발광 레이저(VCSEL, 빅셀)인데, 여기서 미러 영역들은 복수의 레이어들로 형성된 분산 브래그 반사기를 포함한다; 레이저 발광은 활성 영역에서 적어도 하나의 갈륨 아스나이드 안티모나이드의 나노 구조물(nanostructure)로부터 나오고, 각각의 상기 나노 구조물은 안티몬 원자들을 비소 원자보다 많이 수용한다.
각각의 나노 구조물은 양자 링(quantum ring)을 포함할 수 있다. 각 양자 링은 양자 우물 내에 배치될 수 있다. 각 양자 우물은 활성 영역과 제1 미러 영역 사이의 제1 추가 레이어와, 활성 영역과 제2 미러 영역 사이의 제2 추가 레이어에 의해 제공될 수 있다.
상기 추가 레이어들은 알루미늄 갈륨 아스나이드를 포함할 수 있으며, 갈륨과 알루미늄의 조성 구배(composition gradient)를 더 포함할 수 있다. 이 조성 구배는 실질적으로 선형일 수 있다. 상기 추가 레이어들 내에서 알루미늄의 3족 원자 분율이 활성 영역에 더 가까운 측에서의 낮은 값으로부터 활성 영역으로부터 더 먼 측에서의 높은 값으로 증가할 수 있다. 낮은 값은 0.25와 0.35 사이일 수 있으며 상기 높은 값은 0.55와 0.65 사이일 수 있다. 낮은 값은 0.3일 수 있으며 높은 값은 0.6일 수 있다.
빅셀은 1260nm에서 1675nm의 범위 내의 파장을 가진 레이저 발광을 생성할 수 있다. 그것은 적극적인 냉각의 필요 없이 이것을 행할 수 있다.
옥스포드 영어 사전(Oxford English Dictionary, OED)은 나노 구조물을 "수 나노미터의 크기를 가지는 구조물, 특히 반도체 장치"(2012년 등재)라고 정의하고 있다. 본 발명의 분야에서 일하는 숙련된 사람들은 이차원 또는 그 이상 차원의 크기가 100 나노미터보다 작은 구조물들만을 나노 구조물로 고려한다.
양자 우물은 일차원으로는 나노 스케일로 얇지만, 2개의 평면내 크기는 장치의 횡방향 사이즈에 의해 결정된다. 알려져 있는 빅셀 장치들은 100 나노미터를 초과하며 전형적으로 수 미크론의 크기를 가진다. 예를 들어, 그 활성 영역이 적어도 하나의 양자 우물을 가지는 US2003/0231680의 빅셀은 (상기 정의에 따를 때) 나노 구조물을 포함하지 않는다.
숙련된 사람들에게 활성 영역에서의 사용을 위해 갈륨 안티모나이드를 선택하는 것은 직관적이지 않으며 성공하지 못할 것이다. 갈륨 안티모나이드와 갈륨 아스나이드는 타입II 밴드 배열을 가지는데, 이는 양전하를 갈륨 안티모나이드 내에 구속하며 음전하를 배척한다. 이것은 전하 운반체 재결합을 감소시키고 따라서 낮은 발광 강도를 보일 것으로 예상된다.
그러나 본 발명자들은 직관에 반대되게(counter-intuitively) (그리고 상승된 온도에서조차) 양전하가 갈륨 안티모나이드에 의해 제공되는 ~600meV 깊이의 구속 포텐셜(confining potential)에 축적될 수 있도록 빅셀이 만들어질 수 있다는 것을 인지하였다. 이것은 음전하를 유인할 수 있으며 상승된 수준의 전하 운반체 재결합을 가능하게 할 수 있다.
종래의 양자 점(quantum dot)보다 양자 링(quantum ring, QR)의 사용이 소재 내의 결함(전위)의 수를 감소시키면서 갈륨 아스나이드로 갈륨 안티모나이드가 혼입되는 것의 압박을 완화할 수 있다.
본 발명의 실시예들이 첨부된 도면들을 참조로 단지 예시적으로 설명될 것이다.
도 1은 일반적인 빅셀(종래 기술)의 일례의 축적에 맞지는 않은 개략 단면도이다.
도 2는 갈륨 안티모나이드 QR로부터의 광루미네선스(photoluminescence)를 나타내고 있다.
도 3a 및 도 3b는 갈륨 안티모나이드 QR의 밴드 구조와; 20nm의 알루미늄 갈륨 아스나이드 양자 우물 내에서의 그것을 개략적으로 나타내고 있다.
도 4는 본 발명의 일실시예에서 활성 영역의 밴드 갭 구조를 개략적으로 나타내고 있다.
도 5는 본 발명의 일실시예의 활성 영역의 축적에 맞지는 않은 개략 단면도이다.
도 1은 일반적인 빅셀(종래 기술)의 일실시예의 축적에 맞지는 않은 개략 단면도이다. 이 장치는 하측의 전기 접점(들)(102)을 가진 기판(104)을 포함한다. 기판(104)의 다른 편(상측)에는 옵션인 버퍼 레이어(105)와 제1 미러 영역(106)이 있는데, 제1 미러 영역은 복수의 레이어들로 형성된 DBR을 포함한다. 이어서 활성 레이저 구조물(110)들이 그 안에 형성된 활성 영역(108)이 뒤따른다. 다음으로 복수의 레이어들을 포함하는 DBR인 제2 미러 영역(112)이 있고, 다른 옵션인 버퍼 레이어(114)와 상측 전기 접점(들)(116)이 있다. 사용시에, 레이저광은 장치의 정상 표면으로부터 발광된다. 상측 접점(들)(116)은 원형의 빔 방출이 가능하도록 바람직하게는 링의 형태일 수 있지만, 다른 적절한 형태를 가질 수도 있다.
전압이 정상 접점(들)(116)과 바닥 접점(들)(102) 사이에 인가되어 장치에 전력을 공급하고 발광을 유발하는 전류를 제공한다.
도 2는 갈륨 안티모나이드 QR의 총체로부터의 포토루미네선스 스펙트럼을 나타내고 있다. x축은 발광된 파장을 나노미터로 나타내고 있다. y축은 강도를 임의의 단위로 대표하고 있다. (왼편의) 보다 짧은 파장 피크를 가진 그래프는 400K에서 측정되었고, (오른 편의) 다른 그래프는 300K에서 측정되었다. 이것은 본 발명에 따른 QR 빅셀들이 냉각의 필요성이 감소되거나 냉각할 필요 없이 높은 온도에서 동작할 수 있다는 것을 의미한다.
도 3a 및 도 3b는 밴드 갭 다이어그램들이다. 각각의 경우에, y축은 에너지를 일렉트론 볼트로 나타내고 있고 x축은 변위를 나노미터로 나타내고 있다. 그라운드 상태의 재결합 에너지들이 수직 화살표로 나타내어져 있고 각각의 에너지 및 파장들이 주어져 있다.
도 3a는 갈륨 안티모나이드 갈륨 아스나이드의 밴드 갭 다이어 그램을 양자 우물 없이 나타내고 있다. 도 3b는 20 나노미터 폭의 알루미늄 갈륨 아스나이드 양자 우물과 함께 동등한 밴드 갭 다이어그램을 나타내고 있다.
양자 링들은 갈륨 아스나이드의 표면에 갈륨 안티모나이드를 디포지션(deposition)하는 것에 의해 형성될 수 있다. 격자 부정합 때문에, 스탠스키 크래스타노브 성장 모드(Stanski-Krastanov growth mode)에 의해 고도로 압박된 양자 점들이 먼저 자기 조립(self-assemble)된다. 정확한 크기는 성장 조건에 따라 달라질 수 있지만, 이런 양자 점들은 전형적으로 30nm의 반경과 약 4nm의 높이를 가진다. 양자 점들이 갈륨 아스나이드의 디포지션에 의해 덮일 ("캐핑될(capped)") 때, 양자 점들은 양자 링들로 전환된다. 양자 링들은 양자 점들의 중심에 있는 안티몬 원자들이 비소 원자들로 대체될 때 전체 구조적인 응력을 감소시키면서 형성된다. 양자 링들은 전형적으로 15nm 수준의 내부 반경을 가진다.
본 발명에 따른 장치들의 발광 강도는 각 갈륨 안티모나이드 양자 링을 활성 영역(108)에서 양자 우물 내에 배치함으로써 향상될 수 있다. 양자 우물은 전자들이 양자 링들에 더 가까워지도록 강제하면서 전자 구속을 증가시킨다. 도 4는 본 장치의 활성 영역에서 밴드 갭의 개략적인 다이어그램을 나타내고 있다. y축은 에너지를 나타내며 x축은 장치를 지나는 수직 방향을 나타낸다.
도 4는 전자들이 갈륨 아스나이드의 양자 우물 안에 구속된 영역들(501)과 홀(hole)들이 갈륨 안티모나이드의 양자 링에 구속된 영역(503)을 나타내고 있다. 경사진 밴드 에지들(505)은 알루미늄 갈륨 아스나이드 레이어들(107, 111)에 조성 구배를 제공함으로써 조절된다. 이 구조물의 이런 측면은 전하 운반체들을 활성 영역으로 나르기 위해 존재한다. 조성 구배는 예컨대 US7065124와 같은 기술로부터 알려져 있다.
계산에 따르면, 20nm 폭의 양자 우물은 레이저 발광 강도를 약 10 나노미터의 발광 파장 변이만으로 천 배까지 증대시킬 수 있다. 다른 폭의 양자 우물들이 다른 실시예들에 적용될 수 있다.
도 5는 본 발명의 일실시예의 활성 영역의 축적에 맞지는 않은 개략적인 단면도를 나타내고 있다. 활성 영역(108)은 4개의 계층들(202, 204, 206, 208)을 포함하며 제1 스페이서 레이어(107)가 그에 앞서고 제2 스페이서 레이어(11)가 뒤따른다.
이 실시예에서, 제1 스페이서 레이어(107) 및 제2 스페이서 레이어(111)는 알루미늄(x) 갈륨(1-x) 아스나이드를 포함하는데, 여기서 갈륨에 대한 알루미늄의 비율이 조성 구배를 형성하며, 그렇게 양자 우물을 형성한다. 활성 영역(108)의 3개의 계층들(202, 206, 208)은, 활성 레이저 장치들(110)을 형성하기 위해 갈륨 안티모나이드를 포함하는 다른 계층(204)을 허용하는 적절한 특성을 가진 갈륨 아스나이드를 포함한다.
본 발명의 예시적인 일실시예의 구성이 상세히 설명될 것이다. 이 실시예는 1300나노미터의 출력 파장을 가지도록 조절되고 구성된다. 해당 기술분야의 숙력된 사람들에게 이 파장을 변경하기 위해 어떻게 파라미터를 변화시킬 지가 명확할 것이다.
본 장치의 구성은 상업적으로 널리 활용될 수 있는 결정질 고체상 갈륨 아스나이드 기판(104)으로부터 시작된다.
기판(104) 상에 먼저 놓이는 것은 1미크론 정도의 두께(결정적이지는 않음)를 가진 갈륨 아스나이드의 버퍼 레이어(105)이다. 이것은 입방 센티미터당 2 x 1018 도펀트 원자의 수준으로 (예컨대 텔루륨 또는 실리콘으로) n타입 도핑된다.
다음으로 알루미늄(0.9) 갈륨(0.1) 아스나이드를 포함하는 제1 DBR 미러 영역(106)의 제1 레이어(레이어 "A", 도 1의 검은 선)가 놓인다. 이것은 입방 센티미터당 2 x 1018 도펀트 원자의 수준으로 (예컨대 텔루륨 또는 실리콘으로) n 타입 도핑되며 112.2 나노미터의 두께를 가진다.
이에 이어 갈륨 아스나이드를 포함하는 제1 DBR 미러 영역(106)의 제2 레이어(레이어 "B", 도1의 흰 선)이 뒤따른다. 이것은 입방 센티미터당 2 x 1018 도펀트 원자의 수준으로 (예컨대 텔루륨 또는 실리콘으로) n타입 도핑되며 98.5 나노미터의 두께를 가진다.
A 레이어와 B 레이어들은 총 35층의 A 레이어와 34층의 B 레이어가 될 때까지 교번하여 반복되어 제1 미러 영역을 완성한다. 명확성을 위해 도 1에서는 더 적은 수의 레이어들만이 나타내어져 있다.
도 5에 나타낸 바와 같이, 199.9 나노미터의 언도핑된(undoped) 알루미늄(x) 갈륨(1-x) 아스나이드를 포함하는 제1 스페이서 레이어(107)가 활성 영역(108)에 앞서는데, 여기서 알루미늄 분율 x는 초기값 0.6으로부터 활성 영역에 더 가까운 측에서 최종값 0.3까지 실질적으로 선형적으로 감소한다. 활성 영역(108)은 10 나노미터의 언도핑된 갈륨 아스나이드로 된 제1 계층(202)을 포함하며, 이어서 언도핑된 갈륨 안티모나이드의 공칭 2.1 아토믹 모노레이어들(약 0.6nm)을 포함하는 제2 계층(204)과, 5 나노미터의 "콜드 캐핑(cold capping)" 언도핑된 갈륨 아스나이드로 된 제3 계층(206)과, 또다른 5 나노미터의 언도핑된 갈륨 아스나이드로 된 제4 계층(208)이 뒤따른다.
활성 레이저 장치들(110)은 제2 계층(204)에 형성된다.
활성 영역(108)에 이어 199.9 나노미터의 언도핑된 알루미늄(x) 갈륨(1-x) 아스나이드를 포함하는 제2 스페이서 레이어(111)가 뒤따르는데, 여기서 알루미늄의 분율 x는 활성 영역에 더 가까운 측에서 0.3의 초기값으로부터 0.6의 최종값까지 실질적으로 선형적으로 감소한다. 다른 실시예들에서는 조성 분율에 대해 다른 값들도 사용될 수 있다
다음으로 알루미늄(0.9) 갈륨(0.1) 아스나이드를 포함하는 제2 DBR 영역(112)의 제1(낮은 굴절률) 레이어가 놓인다. 이것은 입방 센티미터당 2 x 1018 도펀트 원자의 수준으로 (예컨대 베릴륨 또는 카본으로) p타입 도핑되며 112.2 나노미터의 두께를 가진다.
이에 이어 갈륨 아스나이드를 포함하는 제2 DBR 미러 영역(112)의 제2(높은 굴절률) 레이어(레이어 "C", 도 1의 흰 선)가 뒤따른다. 이것은 입방 센티미터당 3 x 1018 도펀트 원자의 수준으로 (예컨대 베릴륨 또는 카본으로) p타입 도핑되고 98.5 나노미터의 두께를 가진다.
이어서 알루미늄(0.9) 갈륨(0.1) 아스나이드를 포함하는 제2 DBR 미러 영역(112)의 제3(낮은 굴절률) 레이어(레이어 "D", 도 1의 검은 선)가 뒤따른다. 이것은 입방 센티미터당 3 x 1018 도펀트 원자의 수준으로 (예컨대 베릴륨 또는 카본으로) p타입 도핑되고 112.2 나노미터의 두께를 가진다.
C 레이어와 D 레이어는 총 24층의 C 레이어와 24층의 D 레이어가 될 때까지 교번하여 반복된다. 이것이 제2 미러 영역(112)을 완성한다. 명확성을 위해 도 1에서는 더 적은 수의 레이어만이 나타내어져 있다.
각 DBR 미러 영역(106, 112)에서 피리어드(레이어)의 정확한 수가 결정적이지는 않다. 그러나 너무 적은 수의 레이어를 가진 구조물은 레이저가 레이저 동작 임계 조건에 도달하는 것을 방해할 수 있으며, 너무 많은 수의 레이어를 가진 구조물은 양자 흡수를 통해 레이저 성능을 저하시킬 수 있다. 바람직하게는, 잘못된 방향으로(즉, 기판(104)을 향해) 방출되는 빛을 방지하기 위해 제2 DBR 미러 영역(112)보다 제1 DBR 미러 영역(106)에 더 많은 레이어가 있다.
그러면 입방 센티미터당 1 x 1019 도펀트 원자 수준으로 (예컨대 베릴륨 또는 카본으로) p타입 도핑되고 98.5 나노미터의 두께인 갈륨 아스나이드를 포함하는 접점 레이어(116)의 추가로써 본 구조물이 완성된다.
이상에서 상세히 설명된 수직 구조물에 더하여, 빅셀은 효율적으로 동작하기 위해 횡방향 전류 구속 및 횡방향 광학 구속을 필요로 한다. 이런 필요성은 해당 분야의 숙련된 사람들에게 잘 알려져 있으며 적절한 기법을 선택함으로써 성취될 수 있다.
이런 구속 기법 중 하나는 이온 충격(ion bombardment)인데, 이로써 고에너지 이온들로 본 장치에 충격을 가함으로써 절연 레이어들이 장치의 활성 영역(108, 111) 위의 부분(111, 112, 114)의 에지들에 생성된다.
이런 구속 기법의 다른 하나는 대략 98%의 알루미늄 조성을 가진 갈륨 알루미늄 아스나이드의 산화이다. 이 기법에서, 추가적인 갈륨 아스나이드 레이어가 활성 영역(108)의 바로 다음(위)에서 본 장치의 구조물에 포함된다. 이 레이어의 에지 영역들은 성장 후에 산화되어 있을 수 있다. 그 결과로서의 횡방향 옥사이드 레이어가 절연을 형성하며 알루미늄 아스나이드와는 매우 다른 굴절율을 가진다. 이 레이어는 전기적, 광학적 구속을 모두 제공한다.
본 발명에 따른 장치들은 몇몇 기법들에 의해 성장될 수 있다. 본 발명에 따른 장치들은 분자선 에피택시(molecular beam epitaxy, MBE)에 의해 성장될 수 있다. 예시적인 MBE 성장 조건들이 온도 및 성장율 상세와 함께 아래에 주어져 있다. 이들은 해당 분야의 숙련된 사람들에게 잘 알려져 있는 바와 같이 기기에 따라 세부적으로 달라진다는 점에 주목하여야 한다.
- 갈륨 아스나이드(105, 106-B, 112-C, 114, 202, 208): 580°C, 1 모노레이어/초 (갈륨에 대한 아스닉 비율 1.7)
- "콜드 캐핑" 갈륨 아스나이드(206): 430°C, 1모노레이어/초 (갈륨에 대한 아스닉 비율 5)
- 알루미늄 갈륨 아스나이드(106-A, 107, 111, 112-D): 600°C, 1모노레이어/초 (3족에 대한 5족의 비율 2)
- 갈륨 안티모나이드(204): 490°C, 0.3 모노폴리머/초 (갈륨에 대한 안티몬 원소 비율 10)
본 발명에 따른 장치들은 또한 유기 금속 기상 에피택시(metal-organic vapour phase epitaxy)라고도 알려져 있는 유기 금속 화학적 기상 증착(metal-organic vapour deposition, MOCVD)과 같은 화학적 기상 증착(chemical vapour deposition, CVD)에 의해 성장될 수도 있다. MOCVD에 의한 성장은 특정한 조건들(MBE에 대한 것과는 다른)을 필요로 하는데, 이들은 해당 분야의 숙련된 사람들에게 잘 알려져 있다.
본 발명이 일반적인 용어들로 설명되었으나 해당 분야의 숙련된 사람들은 본 발명이 설명된 경우들로만 한정되지 않으며 첨부된 청구항의 범위 내라면 변경 및 대체가 가해질 수 있다는 것을 인지하고 있을 것이다. 따라서 발명의 설명 및 도면들은 한정하려는 것이 아니라 설명하기 위한 것으로 간주되어야 한다.

Claims (12)

  1. 적어도 기판, 전기 접점, 제1 미러 영역, 제2 미러 영역 및 상기 미러 영역들 사이의 활성 영역을 포함하는 수직 공진 표면 발광 레이저(VCSEL)로서;
    상기 미러 영역들은 복수의 레이어들로 형성된 분산 브래그 반사기를 포함하고;
    레이저 발광은 활성 영역에서 적어도 하나의 갈륨 아스나이드 안티모나이드 나노 구조물로부터 이루어지며; 그리고
    상기 각 나노 구조물은 비소 원자보다 더 많은 안티몬 원자를 수용하되,
    각 나노 구조물은 양자 링을 포함하고,
    각 양자 링은 양자 우물 내에 위치된 수직 공진 표면 발광 레이저.
  2. 제1항에 있어서, 각 양자 우물은 활성 영역과 제1 미러 영역 사이의 제1 추가 레이어와, 활성 영역과 제2 미러 영역 사이의 제2 추가 레이어에 의해 제공되는 수직 공진 표면 발광 레이저.
  3. 제2항에 있어서, 상기 추가 레이어들은 알루미늄 갈륨 아스나이드를 포함하는 수직 공진 표면 발광 레이저.
  4. 제3항에 있어서, 상기 추가 레이어들은 갈륨과 알루미늄의 조성 구배를 포함하는 수직 공진 표면 발광 레이저.
  5. 제4항에 있어서, 상기 조성 구배는 실질적으로 선형인 수직 공진 표면 발광 레이저.
  6. 제4항에 있어서, 상기 추가 레이어들 내에 알루미늄의 3족 원자 분율은 활성 영역에 더 가까운 측에서 상대적으로 낮은 값으로부터, 활성 영역으로부터 더 먼 측에서 상대적으로 높은 값으로 증가하는 수직 공진 표면 발광 레이저.
  7. 제6항에 있어서, 상기 낮은 값은 0.25와 0.35 사이이고, 상기 높은 값은 0.55와 0.65 사이인 수직 공진 표면 발광 레이저.
  8. 제7항에 있어서, 상기 낮은 값은 0.3이고 상기 높은 값은 0.6인 수직 공진 표면 발광 레이저.
  9. 제1항 내지 제8항 중 한 항에 있어서, 1260nm에서 1675nm 범위 내의 파장을 가진 레이저 발광을 생성하는 수직 공진 표면 발광 레이저.
  10. 제9항에 있어서, 적극적인 냉각의 필요 없이 동작하는 수직 공진 표면 발광 레이저.
  11. 삭제
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Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB201703594D0 (en) * 2017-03-07 2017-04-19 Univ Of Lancaster Single photon source
US10777970B2 (en) * 2018-09-04 2020-09-15 Samsung Electronics Co., Ltd. Metamaterial-based reflector, optical cavity structure including the same and vertical cavity surface emitting laser

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20020176474A1 (en) * 2001-03-02 2002-11-28 Xiaodong Huang Quantum dot vertical cavity surface emitting laser
US20050031011A1 (en) * 2000-11-28 2005-02-10 Biard James R. Electron affinity engineered VCSELs

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2558768B2 (ja) * 1987-12-29 1996-11-27 シャープ株式会社 半導体レーザ装置
JP3219823B2 (ja) * 1991-02-04 2001-10-15 株式会社東芝 半導体発光素子
JP2783947B2 (ja) * 1992-08-25 1998-08-06 沖電気工業株式会社 半導体レーザ
JP3672678B2 (ja) * 1996-04-05 2005-07-20 富士通株式会社 量子半導体装置およびその製造方法
US5805624A (en) 1996-07-30 1998-09-08 Hewlett-Packard Company Long-wavelength infra-red vertical cavity surface-emitting laser on a gallium arsenide substrate
US6600169B2 (en) * 2000-09-22 2003-07-29 Andreas Stintz Quantum dash device
US6801558B2 (en) 2002-06-14 2004-10-05 Agilent Technologies, Inc. Material systems for long wavelength lasers grown on InP substrates
US20060013276A1 (en) * 2004-07-15 2006-01-19 Mchugo Scott A VCSEL having an air gap and protective coating

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20050031011A1 (en) * 2000-11-28 2005-02-10 Biard James R. Electron affinity engineered VCSELs
US20020176474A1 (en) * 2001-03-02 2002-11-28 Xiaodong Huang Quantum dot vertical cavity surface emitting laser

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