KR102374051B1 - 레이저 소자 - Google Patents

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Abstract

실시예는 기판; 상기 기판 상에 배치되는 하부 반사층; 상기 하부 반사층 상에 배치되는 레이저 캐비티; 상기 레이저 캐비티 상에 배치되고, 복수 개의 관통홀을 포함하는 산화층; 및 상기 산화층 상에 배치되는 상부 반사층을 포함하고, 상기 복수 개의 관통홀은 외주면에서 중심을 향해 연장되는 복수 개의 오목부를 포함하는 레이저 소자를 개시한다.

Description

레이저 소자{LASER DEVICE}
실시 예는 수직 공동 표면 방출 레이저 소자에 관한 것이다.
수직 공동 표면 방출 레이저(Vertical Cavity Surface Emitting Laser; VCSEL)는 좁은 스펙트럼의 단일 종모드(single longitudinal mode) 발진이 가능하고, 빔의 방사각이 작아 결합 효율(coupling efficiency)이 높다.
최근 이러한 수직 공동 표면 방출 레이저(VCSEL)를 2차원적 어레이 형태로 패턴화하여 광원 매트릭스를 제조하는 기술에 대한 연구가 활발하다. 이런 2차원적 어레이 형태로 패턴화된 광원 매트릭스를 물체에 조사하고, 반사되는 광의 패턴을 분석하면 물체의 3차원 이미지를 구성할 수 있다.
수직 공동 표면 방출 레이저(VCSEL)는 어레이를 구성하고 있는 각 에미터의 산화물 개구부를 통해 광이 출력될 수 있다. 산화물 개구부의 크기가 어느 정도 큰 경우(크기가 지름 5um이상), 레이저의 광출력을 높이기 위하여 구동 전류를 증가하면 각 에미터의 산화물 개구부에 형성되는 모드 수는 증가하여 모드가 불안정하게 된다.
많은 모드 수(멀티 모드) 문제는 칩 구동 시, 시간 별로 각 모드가 서로 경쟁하여 존재하게 되고 이에 따라 스펙트럼이 불안정하게 된다. 이런 스펙트럼 불안정성은 렌즈 혹은 광섬유 등의 외부 부품과의 커플링하는 부분에 어려움을 야기하여, 커플링 광학 설계를 매우 복잡하게 할 수 있다. 이를 보완하기 위하여 산화물 개구부의 크기를 줄여 싱글 모드 광을 출력하게 할 수 있으나 산화물 개구부의 크기를 줄이면 광 출력이 약해지는 문제가 있다. 이에 따라 고효율 고출력 VCSEL 어레이를 구현하기 위해서는 각 에미터의 산화물 개구부의 크기가 어느 정도 큰 것이 필요하며, 이런 경우에도 모드 수를 제어할 필요가 있다.
실시 예는 산화물 개구부에서 출사되는 광의 모드의 수를 제어할 수 있는 레이저 소자를 개시한다.
또한, 광 출력을 개선할 수 있는 레이저 소자를 개시한다.
또한, 광의 방사각을 감소시킬 수 있다.
또한, 구동 전류의 변화시에도 모드의 위치 및 개수를 제어할 수 있는 레이저 소자를 개시한다.
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 실시예에 따른 레이저 소자는, 기판; 상기 기판 상에 배치되는 하부 반사층; 상기 하부 반사층 상에 배치되는 레이저 캐비티; 상기 레이저 캐비티 상에 배치되고, 복수 개의 관통홀을 포함하는 산화층; 및 상기 산화층 상에 배치되는 상부 반사층을 포함하고, 상기 복수 개의 관통홀은 외주면에서 중심을 향해 형성되는 복수 개의 오목부를 포함한다.
실시 예에 따르면, 산화물 개구부에서 출사되는 광의 모드의 수를 제어할 수 있다.
또한, 광 출력을 개선하고 광의 방사각을 감소시킬 수 있다.
또한, 구동 전류의 변화시에도 모드의 위치 및 개수를 제어할 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 1는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 수직 공동 표면 방출 레이저의 평면도이고,
도 2은 도 1의 일부 확대도이고,
도 3은 도 1의 F-F 방향 단면도이고,
도 4은 도 1의 G-G 방향 단면도이고,
도 5는 도 1의 H-H 방향 단면도이고,
도 6은 도 1의 I-I 방향 단면도이고,
도 7a는 관통홀의 직경이 큰 경우 출사되는 레이저 광이 멀티 모드를 갖는 것을 보여주는 평면도이고,
도 7b는 관통홀의 직경이 큰 경우 출사되는 레이저 광이 멀티 모드를 갖는 것을 보여주는 측면도이고,
도 8은 실시예에 따른 관통홀을 보여주는 평면도이고,
도 9a는 종래 관통홀에서 출사되는 레이저 광의 시뮬레이션 결과이고,
도 9b는 실시예에 따른 관통홀에서 출사되는 레이저 광의 시뮬레이션 결과이고,
도 10a 내지 도 10e는 관통홀의 다양한 변형예이고,
도 11a 내지 도 11f는 직경이 작은 복수 개의 관통홀이 배치된 상태를 보여주는 도면이고,
도 12a 내지 도 12e는 본 발명의 일 실시 예에 따른 수직 공동 표면 방출 레이저의 제조 방법을 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 1는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 수직 공동 표면 방출 레이저의 평면도이고, 도 2은 도 1의 일부 확대도이다.
도 1 및 도 2을 참조하면, 실시 예에 따른 레이저 소자는 매트릭스 형태로 배열된 복수 개의 관통홀(54)이 배치되고, 복수 개의 제1홀(P2)이 관통홀(54)을 둘러싸도록 배치될 수 있다. 관통홀(54)은 산화층이 제거된 에미터로 기능할 수 있으며, 레이저 광이 출사되는 투광 영역을 형성할 수 있다. 후술하는 바와 같이 복수 개의 제1홀(P2)은 산화층(51)을 노출시켜 산화 공정이 가능하게 하는 역할을 수행한다.
관통홀(54)의 직경은 제1홀(P2)의 직경보다 클 수 있다. 예시적으로 어레이 칩의 크기가 750um x 780um의 경우, 관통홀(54)의 직경은 3um 내지 100um일 수 있고, 제1홀(P2)의 직경은 2um 내지 5um일 수 있다. 관통홀(54)의 개수는 200개 내지 400개이고, 제1홀(P2)의 개수는 50개 내지 300개 일 수 있으나 한정되는 것은 아니다.
제1홀(P2)의 면적은 관통홀(54)의 면적의 0.1% 내지 50%일 수 있다. 면적이 0.1%보다 작아지는 경우 제1홀(P2)의 면적이 너무 작아져 산화층(51)의 산화 공정이 길어지는 문제가 있으며, 면적이 50%보다 커지는 경우 관통홀(54)이 작아져 광 출력이 저하될 수 있다.
그러나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니고 제1홀(P2)의 직경이 관통홀(54)보다 클 수도 있다. 또한, 제1홀(P2)의 형상은 원형상 이외에도 다양한 형상을 가질 수도 있다.
실시예에 따른 레이저 소자는 에미터인 관통홀이 매트릭스 형태로 복수 개 배치된 것으로 설명하였으나 반드시 이에 한정하는 것은 아니고 관통홀이 1개일 수도 있고, 복수 개일 수도 있다. 이 경우 제1홀은 관통홀의 측면을 노출시킬 수 있도록 적절히 변형될 수 있다. 예시적으로 관통홀이 1개인 경우 제1홀은 생략되고 레이저 소자의 외측면을 노출시켜 산화층을 산화시킬 수 있다.
도 3은 도 1의 F-F 방향 단면도이고, 도 4은 도 1의 G-G 방향 단면도이고, 도 5는 도 1의 H-H 방향 단면도이고, 도 6은 도 1의 I-I 방향 단면도이다.
기판(10)은 반절연성 또는 전도성 기판(10)일 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 AlGaAs 혹은 AlGaAsP 일 수 있으나 제1 하부 반사층(21)의 알루미늄 조성이 더 높을 수 있다.
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, AlaAsP, 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 800nm의 파장대 또는 900nm 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 관통홀(54)이 배치될 수 있다. 관통홀(54)의 형상은 원형, 타원형 및 다각형을 가질 수 있다. 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 관통홀(54)로 주입될 수 있으므로 레이저광을 소자의 중앙으로 집중시킬 수 있다. 즉, 관통홀(54)은 전류와 광을 통과시킬 수 있다. 따라서, 관통홀(54)은 투광 영역의 기능을 수행할 수 있다.
실시예는 관통홀(54)이 형성된 산화층(51)이 모두 산화되면 더 이상 산화될 영역이 존재하지 않게 된다. 관통홀(54)의 내부에 배치된 상부 반사층(40)은 상대적으로 알루미늄 조성이 낮아 산소에 노출되어도 잘 산화되지 않기 때문이다. 즉, 관통홀(54)의 내부에 배치된 상부 반사층(40)이 산화를 자동으로 종료시키는 산화 반응의 스토퍼 역할을 수행할 수 있다.
따라서, 정밀하게 산화 정도를 제어하지 않아도 관통홀(54)의 크기 및 형태에 대응하는 산화물 개구부를 가질 수 있는 장점이 있다. 따라서, 후술하는 바와 같이 관통홀의 형상을 다양하게 제작하여 레이저 모드 수를 조정할 수 있다. 또한, 균일한 산화물 어퍼쳐를 동시에 형성할 수 있다.
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 반사층(40)의 성장이 어려워질 수 있다. 따라서, 캡핑층(52)은 산화층(51)이 산화 공정 전에 미리 산화되는 것을 방지할 수 있다.
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 상부 반사층(40)이 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 중간층(43)을 포함할 수 있다. 중간층(43)은 제1중간층 및 제2중간층을 포함할 수 있다. 중간층의 구성은 전술한 바와 동일할 수 있다.
상부 반사층(40)은 관통홀(54)의 내부와 산화층(51)의 상부에 배치될 수 있다. 상부 반사층(40)은 캡핑층(52)의 상부 및/또는 관통홀(54)의 내부에 배치되는 복수 개의 제1 상부 반사층(41)과 제2 상부 반사층(42)을 포함할 수 있다.
제1 상부 반사층(41)은 AlGaAs의 조성을 가질 수 있고, 제2 상부 반사층(42)은 GaAs 조성을 가질 수 있다. 따라서, 제1 상부 반사층(41)의 알루미늄 조성은 제2 상부 반사층(42)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 전극(60)은 상부 반사층(40) 상에 배치되고 패드 전극(101)과 연결될 수 있다. 하부 전극(11)은 기판(10)의 하부에 전체적으로 배치될 수 있다. 그러나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니고 하부 전극(11)은 기판(10)의 상부를 노출시킨 후, 노출된 영역에 배치될 수도 있다.
상부 전극(60)과 하부 전극(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, 상부 전극(60)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.
하부 전극(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.
상부 전극(60)과 상부 반사층(40) 사이에는 오믹층이 더 배치될 수 있다. 오믹층은 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 오믹 전극은 AlInGaAs, InGaAs, GaAs, AlInGaAsSb, AlInGaAsPSb, InGaAsP, InGaAsPSb, GaAsSb, InGaAsSb, InAsSb, AlGaAsSb, AlGaAsP, AlGaInAsP 중 어느 하나가 선택될 수 있다.
절연층(80)은 제1홀(P2)의 내부에 배치되어 상부 전극(60)이 레이저 캐비티와 직접 접촉하는 것을 방지할 수 있다. 따라서, 전류는 단위 투광영역에서의 반도체와 상부전극(60)의 접촉 영역(61)로부터 관통홀(54)을 통해 통전되면서 레이저 캐비티(30)에 주입되어 관통홀(54)에 광이 집중될 수 있다. 또한, 절연층(80)은 관통홀(54)과 제2홀(64) 사이에 배치되어 관통홀(54)이 외부에 노출되는 것을 방지할 수 있다.
제1홀(P2)은 상부 반사층(40) 및 산화층(51)을 관통하여 형성될 수 있다. 즉, 상부 반사층(40)에는 제1홀(P2)만 형성되나 산화층(51)에는 제1홀(P2)과 관통홀(54)이 함께 형성될 수 있다. 따라서, 제1홀(P2)을 통해 산화층(51)이 외부로 노출되어 산화될 수 있다. 제1홀(P2)의 주변에서부터 산화가 시작되어도 산화의 종료는 관통홀(54)에서 종료되므로 어퍼쳐 영역의 형상은 관통홀(54)의 형상에 의해 결정될 수 있다.
도 6을 참조하면, 상부 전극(60)층은 제1홀(P2)이 형성되지 않은 영역이 전기적으로 연결되어 하나의 층을 형성할 수 있다. 또한, 절연층(80)은 제1홀(P2)이 형성되지 않은 영역에서 제거되어 상부 전극(60)과 상부 반사층(40)이 전기적으로 연결되는 면적을 넓힐 수 있다. 따라서, 접촉 저항이 낮아져 동작 전압이 낮아질 수 있다. 이 결과 VCSEL의 내부 온도의 상승을 낮출 수 있게 되어 광전변환 효율이 높고, 고출력 광의 방사가 가능해질 수 있다. 또한, VCSEL 혹은 VCSEL 어레이의 수명이 개선될 수 있다.
도 7a는 관통홀의 직경이 큰 경우 출사되는 레이저 광이 멀티 모드를 갖는 것을 보여주는 평면도이고, 도 7a는 관통홀의 직경이 큰 경우 출사되는 레이저 광이 멀티 모드를 갖는 것을 보여주는 측면도이고, 도 8은 실시예에 따른 관통홀을 보여주는 평면도이다.
도 7a 및 도 7b를 참조하면, 관통홀(54)의 직경이 큰 경우 출사되는 광은 복수 개의 멀티 모드(LM)를 갖게 된다. 멀티 모드는 공간 횡모드(transverse mode)가 고차 모드(higher mode)인 것으로 정의할 수 있다. 즉, 관통홀(54)에서 출사되는 광은 하나의 피크만을 갖는 것이 아니라 복수 개의 피크를 갖는 광을 출사할 수 있다. 모드(LM)의 위치 및 개수는 전류 레벨에 따라 변화할 수 있다. 전류 레벨이 높아질수록 모드의 개수는 많아질 수 있다. 또한, 관통홀(54)의 에지 부분(SC1)에서 굴절률 차이에 의해 광이 스캐터링되므로 광 출력이 낮아지는 문제가 있다.
그러나, 도 8과 같이 관통홀(54)의 중앙으로 연장되는 복수 개의 오목부(54a)가 형성된 경우, 오목부(54a)와 관통홀(54) 사이의 굴절률 차이에 의해 레이저 광 모드(LM)는 오목부(54a) 사이에 고정되므로 모드(LM)의 위치 및 개수가 고정될 수 있다. 오목부(54a)의 개수를 제어함에 따라 모드(LM)의 개수가 줄어들게 되므로 방사각은 줄어들고 모드 안정성은 향상될 수 있다. 즉, 관통홀(54)의 직경이 큰 경우에도 출사되는 레이저 광 모드는 저차 모드를 가질 수 있다.
또한, 산화층(51)과의 접촉 부분이 최소화되므로 광 스캐터링이 최소화될 수 있다. 따라서, 광 출력이 개선될 수 있다.
이때, 관통홀(54)의 최대 직경(S2)과 서로 마주보는 오목부(54a) 사이의 이격 거리(S1)의 비는 1.01:1 내지 100:1일 수 있다. 더 바람직하게는 1.1:1 내지 6:1일 수 있다. 관통홀(54)의 최대 직경(S2)은 6㎛ 내지 100㎛이고, 서로 마주보는 오목부(54a) 사이의 이격 거리(S1)는 1㎛ 내지 99㎛일 수 있다.
도 9a는 종래 관통홀에서 출사되는 레이저 광의 시뮬레이션 결과이고, 도 9b는 실시예에 따른 관통홀에서 출사되는 레이저 광의 시뮬레이션 결과이다.
도 9a를 참조하면 도 7a와 같이 직경이 큰 관통홀을 갖는 구조에서는 VCSEL 레이저 소자를 구동할 때, 관통홀 내부에서 모드가 원의 둘레를 따라 원의 내부에서 골고루 분포하는 것을 확인할 수 있다. 따라서 광 출력을 높이기 위해 전류 레벨을 증가시키면 모드 수가 증가하는 문제가 있다.
이에 반해, 도 9b와 같이 관통홀에 오목부(branch)가 형성된 경우 VCSEL 레이저 소자를 구동할 때, 4개 오목부가 있는 영역에서는 모드가 존재하지 않고 4개의 오목부 사이에만 모드가 존재하는 것을 확인할 수 있다. 따라서 산화물 어퍼쳐가 종래와 동일 크기의 직경을 가지면서도 모드 수를 줄일 수 있는 장점이 있다.
오목부(54a)의 개수 및 형상은 다양하게 변형될 수 있다. 예시적으로 인가되는 전류 레벨, 해당 전류 레벨에서 모드의 수, 원하는 모드의 수를 종합적으로 고려하여 오목부의 개수 및 형상을 변형될 수 있다. 도 10a 내지 도 10e와 같이 오목부(54a)는 곡률(R1, R2)을 가질 수도 있고, 광 모드(LM)의 개수를 제어하기 위해 개수도 조정될 수 있다.
도 11a 내지 도 11f는 직경이 작은 복수 개의 관통홀이 배치된 상태를 보여주는 도면이다.
실시 예에 따르면, 관통홀(54)에 복수 개의 오목부(54a)를 형성하는 대신에 관통홀(54)의 크기를 작게 조절하여 싱글 모드(LM)인 광만이 출사하도록 형성할 수도 있다. 기존의 관통홀이 1개 배치될 수 있는 영역(C1)에 복수 개의 관통홀(54)을 형성함으로써 모드 수가 적은 레이저 광을 출력할 수 있다. 이때, 관통홀(54)의 직경(D1)은 1㎛ 내지 100㎛일 수 있고, 관통홀(54)들 사이의 이격 거리(S1)는 0.5㎛ 내지 10㎛일 수 있다.
관통홀(54)의 형상 및 개수는 특별히 한정하지 않는다. 예시적으로 도 11a 내지 도 11f를 참조하면, 관통홀(54)은 원, 삼각, 사각, 다각 형상을 가질 수 있으며 개수는 특별히 제한되지 않는다.
도 12a 내지 도 12e는 본 발명의 일 실시 예에 따른 수직 공동 표면 방출 레이저의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 12a를 참조하면, 기판(10) 상에 하부 반사층(20), 레이저 캐비티(30), 산화층(51), 캡핑층(52), 및 상부 반사층(40)을 순서대로 성장시킬 수 있다. 각 층의 구성은 전술한 특징이 모두 포함될 수 있다.
구체적으로 산화층(51)과 캡핑층(52)에 복수 개의 관통홀(54)을 형성한 후, 그 위에 상부 반사층(40)을 성장시킬 수 있다. 따라서, 상부 반사층(40)의 일부는 관통홀(54) 내부에 배치될 수 있다. 이때, 복수 개의 관통홀(54)을 형성하는 방법은 특별히 한정하지 않는다. 예시적으로 마스크를 이용하여 관통홀을 형성할 수 있다. 따라서, 관통홀을 전술한 바와 같이 오목부를 갖는 다양한 형상으로 제작할 수 있다.
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.
도 12b를 참조하면, 상부 반사층(40)과 캡핑층(52), 및 산화층(51)을 관통하는 복수 개의 제1홀(P2)을 형성할 수 있다. 제1홀(P2)의 개수는 특별히 한정하지 않는다. 복수 개의 홀의 형상은 특별히 제한되지 않는다. 제1홀(P2)은 원 형상, 십자 형상, 다각 형상, 방사 형상 등 다양한 형상이 선택적으로 적용될 수 있다.
복수 개의 제1홀(P2)에 의해 산화층(51)의 측면이 노출될 수 있다. 따라서, 산화층(51)이 N2 및 H2O 혼합가스에 노출되면 측면에서부터 산화가 진행될 수 있다. 도 12c와 같이 관통홀(54)을 제외한 산화층(51)이 전부 산화될 때까지 산화 공정을 진행할 수 있다.
전술한 바와 같이 실시예에 따르면 오목부(54a)를 갖는 관통홀(54)을 형성하므로 산화 공정시 관통홀(54)이 형성된 부분은 산화가 진행되지 않을 수 있다. 따라서, 전류 및 광이 통과하는 어퍼쳐 영역은 오목부가 형성된 관통홀(54)의 형상과 대응되는 형상을 가질 수 있다. 그러나 종래와 같이 산화 시간을 조정하여 산화물 어퍼쳐를 형성하는 방법은 산화물 어퍼쳐를 원 형상으로 제작할 수 있을 뿐이고 오목부를 형성할 수 없다. 산화 시간을 조정하여도 산화물 어펴처의 직경만을 조정할 수 있기 때문이다.
도 12d를 참조하면, 산화 공정이 완료되면 제1홀(P2)의 내부 및 상부 반사층(40)의 상부에 절연층(80)을 형성할 수 있다. 절연층(80)은 SiO2, Si3N4, SiON, Ta2O5, HfO2, BCB(benzocyclobutene), 폴리이미드(polyimide) 중 적어도 하나일 수 있으나 반드시 이에 한정하지 않는다.
도 11d를 참조하면, 절연층(80)의 상부에 상부 전극(60)을 형성할 수 있다. 이때, 상부 전극(60)은 절연층(80)이 미리 형성한 비아홀에 의해 상부 반사층(40)과 전기적으로 연결될 수 있다. 상부 전극(60)은 복수의 금속층(예: Ti/Pt/Au)을 가질 수 있다. 이때, Ti의 두께는 약 100Å 내지 2000Å일 수 있고 Au의 두께는 3000Å 내지 40000Å일 수 있으나 반드시 이에 한정하지 않는다.
상부 전극(60)을 형성하기 전에 오믹층을 형성할 수 있다. 오믹층은 AlInGaAs, InGaAs, GaAs, AlInGaAsSb, AlInGaAsPSb, InGaAsP, InGaAsPSb, GaAsSb, InGaAsSb, InAsSb, AlGaAsSb, AlGaAsP, AlGaInAsP 중 어느 하나가 선택될 수 있다.
상기의 실시예에서 서술된 모든 내용은 일반적인 레이저 소자의 칩제작을 기준으로 설명한 것이고 Flip-chip 레이저 소자의 경우 순서가 재구성되어 제작될 수 있다.
본 실시 예에 따른 레이저 소자는 2차원적 어레이 형태로 패턴화된 광원 매트릭스를 물체에 조사하고 반사되는 광의 패턴을 분석하는 3D 얼굴인식 및 3D 이미징 기술 및 자율 차량용 라이다와 같은 분야의 광원으로 사용될 수 있다.
산화물 개구부의 크기가 어느 정도 큰 경우(크기가 지름 5um이상), 표면 방출 레이저의 광출력을 높이기 위하여 구동 전류를 증가하면 각 에미터의 산화물 개구부에 형성되는 모드 수는 증가하여 모드가 불안정하게 된다.
많은 모드 수(멀티 모드) 문제는 칩 구동 시, 시간 별로 각 모드가 서로 경쟁하여 존재하게 되고 이에 따라 스펙트럼이 불안정하게 된다. 이런 스펙트럼 불안정성은 렌즈 혹은 광섬유 등의 외부 부품과의 커플링하는 부분에 어려움을 야기하여, 커플링 광학 설계를 매우 복잡하게 할 수 있다.
이를 보완하기 위하여 싱글 모드 광을 출력하기 위해 산화물 개구부의 크기를 줄이면 광 출력이 약해지는 문제가 있다.
실시예에 따르면 어퍼쳐의 크기가 어느 정도 큰 경우(크기가 지름 5um이상)에도 구동 전류의 증가에 대하여 모드 수를 제어할 수 있다. 따라서, 안정된 스펙트럼을 확보할 수 있어, 3D 얼굴인식 및 3D 이미징용 VCSEL 광원을 제공하기에 가장 적합한 솔루션을 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 레이저 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 배치되고, 복수 개의 제1 관통홀을 포함하는 산화층;
    상기 산화층 상에 배치되는 캡핑층; 및
    상기 캡핑층 상에 배치되는 상부 반사층을 포함하고,
    상기 복수 개의 제1 관통홀은 외주면에서 중심을 향하는 제1 방향으로 연장되는 복수 개의 오목부를 포함하고,
    상기 복수 개의 오목부는 상기 제1 방향과 수직한 제2 방향의 폭을 갖고,
    상기 복수 개의 오목부는 상기 제1 방향으로 상기 폭이 일정하고,
    상기 복수 개의 오목부가 형성된 영역을 제외한 제1 관통홀의 나머지 영역의 외주면은 동일한 곡률을 갖고,
    상기 캡핑층의 알루미늄 조성은 상기 산화층의 알루미늄 조성보다 낮고,
    상기 캡핑층은 상기 오목부를 갖는 제1 관통홀과 대응되는 형상의 제2 관통홀을 갖는 레이저 소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수 개의 오목부는 상기 제1 방향으로 서로 마주보게 배치되는 레이저 소자.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 관통홀의 최대 직경과 서로 마주보는 오목부 사이의 이격 거리의 비는 6:99 내지 100:1인 레이저 소자.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 관통홀의 최대 직경은 6㎛ 내지 100㎛이고,
    상기 서로 마주보는 오목부 사이의 이격 거리는 1㎛ 내지 99㎛인 레이저 소자.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 상부 반사층 및 상기 산화층은 평면상에서 상기 복수 개의 제1 관통홀 사이에 배치되는 복수 개의 제1 홀을 포함하는 레이저 소자.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 복수 개의 제1 홀의 각각의 면적은 상기 제1 관통홀의 면적보다 작은 레이저 소자.
  8. 삭제
  9. 제1항에 있어서,
    상기 상부 반사층 상에 배치되는 절연층; 및
    상기 절연층을 관통하여 상기 상부 반사층과 전기적으로 연결되는 상부 전극을 포함하는 레이저 소자.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 하부 반사층과 전기적으로 연결되는 하부 전극을 포함하는 레이저 소자.
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