KR102447104B1 - 표면발광 레이저소자 및 이를 포함하는 발광장치 - Google Patents

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    • F21Y2115/30—Semiconductor lasers

Abstract

실시예는 표면발광 레이저소자 및 이를 포함하는 발광장치에 관한 것이다.
실시예에 따른 표면발광 레이저소자는, 제1 반사층과, 상기 제1 반사층 상에 배치되는 활성영역과, 상기 활성영역 상에 배치되는 애퍼처 영역 및 상기 애퍼처 영역 상에 배치되는 제2 반사층을 포함할 수 있다.
상기 제2 반사층은, Alx1Ga(1-x1)As(단, 0<X1<0.2)를 포함하는 제1 AlGaAs계열층과, 상기 제1 AlGaAs계열층 상에 배치되며, Alx2Ga(1-x2)As(단, 0.8<X2<1.0)를 포함하는 제2 AlGaAs계열층 및 상기 제1 AlGaAs계열층과 상기 제2 AlGaAs계열층 사이에 배치되는 AlGaAs계열 전이영역을 포함할 수 있다.
상기 AlGaAs계열 전이영역은, Alx3Ga(1-x3)As(단, 0<X3<0.2)를 포함하는 제3 AlGaAs계열층 및 Alx4Ga(1-x4)As(단, 0.8<X4<1.0)를 포함하는 제4 AlGaAs계열층을 포함할 수 있다.
상기 제3 AlGaAs계열층 및 상기 제4 AlGaAs계열층은 교대로 복수의 층들이 배치될 수 있다. 상기 복수의 제3 AlGaAs계열층은 상기 제1 AlGaAs계열층에서 상기 제2 AlGaAs계열층 방향으로 두께가 얇아질 수 있다. 상기 복수의 제4 AlGaAs계열층은 상기 제2 AlGaAs계열층에서 상기 제1 AlGaAs계열층 방향으로 두께가 얇아질 수 있다.

Description

표면발광 레이저소자 및 이를 포함하는 발광장치{A SURFACE-EMITTING LASER DEVICE AND LIGHT EMITTING DEVICE INCLUDING THE SAME}
실시예는 반도체 소자에 관한 것으로, 보다 상세하게는 표면발광 레이저소자 및 이를 포함하는 발광장치에 관한 것이다.
GaN, AlGaN 등의 화합물을 포함하는 반도체 소자는 넓고 조정이 용이한 밴드 갭 에너지를 가지는 등의 많은 장점을 가져서 발광 소자, 수광 소자 및 각종 다이오드 등으로 다양하게 사용될 수 있다.
특히, 반도체의 3-5족 또는 2-6족 화합물 반도체 물질을 이용한 발광 다이오드(Light Emitting Diode)나 레이저 다이오드(Laser Diode)와 같은 발광소자는 박막 성장 기술 및 소자 재료의 개발로 적색, 녹색, 청색 및 자외선 등 다양한 색을 구현할 수 있으며, 형광 물질을 이용하거나 색을 조합함으로써 효율이 좋은 백색 광선도 구현이 가능하며, 형광등, 백열등 등 기존의 광원에 비해 저 소비전력, 반영구적인 수명, 빠른 응답속도, 안전성, 환경 친화성의 장점을 가진다.
뿐만 아니라, 광검출기나 태양 전지와 같은 수광 소자도 반도체의 3-5족 또는 2-6족 화합물 반도체 물질을 이용하여 제작하는 경우 소자 재료의 개발로 다양한 파장 영역의 빛을 흡수하여 광 전류를 생성함으로써 감마선부터 라디오 파장 영역까지 다양한 파장 영역의 빛을 이용할 수 있다. 또한 빠른 응답속도, 안전성, 환경 친화성 및 소자 재료의 용이한 조절의 장점을 가져 전력 제어 또는 초고주파 회로나 통신용 모듈에도 용이하게 이용할 수 있다.
따라서, 광 통신 수단의 송신 모듈, LCD(Liquid Crystal Display) 표시 장치의 백라이트를 구성하는 냉음극관(CCFL: Cold Cathode Fluorescence Lam)을 대체하는 발광 다이오드 백라이트, 형광등이나 백열 전구를 대체할 수 있는 백색 발광 다이오드 조명 장치, 자동차 헤드 라이트 및 신호등 및 Gas나 화재를 감지하는 센서 등에까지 응용이 확대되고 있다.
또한, 고주파 응용 회로나 기타 전력 제어 장치, 통신용 모듈에까지 응용이 확대될 수 있다. 예를 들어, 종래 반도체 광원소자 기술 중에, 수직공진형 표면발광 레이저(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser: VCSEL)가 있는데, 이는 광 통신, 광병렬 처리, 광연결 등에 사용되고 있다. 한편, 이러한 통신용 모듈에서 사용되는 레이저 다이오드의 경우, 저 전류에서 작동하기 하도록 설계되어 있다.
한편 기존의 데이터(Data) 광통신용 구조에서는 응답속도가 중요하였으나, 최근 센서용 고전압 패키지(High Power PKG)에 적용되면서 광출력과 전압 효율이 중요한 특성이 된다.
예를 들어, 3D 센싱 카메라는 객체의 심도 정보(Depth Information)를 포착할 수 있는 카메라로서, 최근 증강현실과 맞물려 각광을 받고 있다. 한편, 카메라 모듈의 심도 센싱을 위해서는 별도 센서를 탑재하며, 구조광(Structured Light: SL) 방식과 ToF(Time of Flight) 방식 등 두 가지로 구분된다.
구조광(SL) 방식은 특정 패턴의 레이저를 피사체에 방사한 후 피사체 표면의 모양에 따라 패턴이 변형된 정도를 분석해 심도를 계산한 후 이미지센서가 찍은 사진과 합성해 3D 촬영 결과를 얻게 된다.
이에 비해 ToF 방식는 레이저가 피사체에 반사되어 돌아오는 시간을 측정해 심도를 계산한 후, 이미지센서가 찍은 사진과 합성해 3D 촬영 결과를 얻게 되는 방식이다.
이에 따라 SL 방식은 레이저가 매우 정확하게 위치해야 하는 반면에, ToF 기술은 향상된 이미지센서에 의존한다는 점에서 대량 생산에 유리한 장점이 있으며, 하나의 휴대폰에 어느 하나의 방식 또는 두 가지 방식 모두를 채용할 수도 있다.
예를 들어, 휴대폰의 전면에 트루뎁스(True Depth)라는 3D 카메라를 SL 방식으로 구현할 수 있고, 후면에는 ToF 방식으로 적용할 수도 있다.
한편, VCSEL을 구조광(Structured Light) 센서, ToF(Time of Flight) 센서, 또는 LDAF(Laser Diode Autofocus) 등에 적용하게 되면 고 전류에서 작동하게 되므로 광도출력이 감소하거나 문턱 전류가 증가하는 등의 문제점이 발생한다.
이에 따라 VCSEL에서는 LED와 다르게 전류밀도(Current Density)가 매우 높아 고 신뢰성 관점의 오믹설계가 필요한 실정이다. 예를 들어, LED에서는 전류밀도가 약 7~50 A/cm2 수준이나 VCSEL에서는 전류밀도가 약 7000 A/cm2 수준에 이른다.
이에 따라 종래기술의 VCSEL에서 저전류에서 고전류로 인가됨에 따라 애퍼처 에지(aperture edge)에서의 캐리어 밀도가 급격히 증가하는 전류밀집(current crowding)이 발생하고, 이러한 애퍼처 에지에서의 전류밀집에 의해 전류주입 효율이 저하되는 문제가 있다.
특히, 종래기술에서 반사층인 DBR은 AlGaAs 계열의 물질을 Al의 조성을 달리하여 교대로 배치하게 하여 반사율을 증대시킨다. 그런데, 이러한 인접한 DBR층 사이 계면(interface)에서 에너지 밴드 벤딩(Energy Band Bending)에 의해 전기장(Electric Field)이 발생되고 있고, 이러한 전기장은 캐리어 장벽(Carrier Barrier)이 되어 광출력이 저하되는 문제가 발생되고 있다.
한편, 비공개 내부기술에 의하면 DBR층 사이 계면에서의 전기저항을 낮추기 위한 시도가 있으나, 이러한 시도는 DBR층에서의 열저항 증대로 인해 광 효율을 저하시키는 문제를 유발하게 되어 기술적 모순상황이 발생되고 있다.
또한 종래기술에서는 이러한 DBR에서 저항발생을 방지하기 위해 도핑농도를 증가시켜서 저항을 낮추어 전압효율을 향상시키려는 시도가 있으나, 도핑농도의 증가 시 도펀트에 의해 내부 광흡수가 발생되어 광출력 저하되는 기술적 모순상황이 발생하고 있다.
실시예는 전기적 특성을 향상시킬 수 있는 표면발광 레이저소자 및 이를 포함하는 발광장치를 제공하고자 한다.
또한 실시예는 전기적 특성을 향상시키면서도 열저항이 발생되지 않음으로써 광 효율도 함께 향상될 수 있는 표면발광 레이저소자 및 이를 포함하는 발광장치를 제공하고자 한다.
또한 실시예는 전압효율을 향상시키면서도 광출력도 향상시킬 수 있는 표면발광 레이저소자 및 이를 포함하는 발광장치를 제공하고자 한다.
실시예에 따른 표면발광 레이저소자는, 제1 반사층(220)과, 상기 제1 반사층(220) 상에 배치되는 활성영역(230)과, 상기 활성영역(230) 상에 배치되는 애퍼처 영역(240) 및 상기 애퍼처 영역(240) 상에 배치되는 제2 반사층(250)을 포함할 수 있다.
상기 제2 반사층(250)은, Alx1Ga(1-x1)As(단, 0<X1<0.2)를 포함하는 제1 AlGaAs계열층(251a)과, 상기 제1 AlGaAs계열층(251a) 상에 배치되며, Alx2Ga(1-x2)As(단, 0.8<X2<1.0)를 포함하는 제2 AlGaAs계열층(251b) 및 상기 제1 AlGaAs계열층(251a)과 상기 제2 AlGaAs계열층(251b) 사이에 배치되는 AlGaAs계열 전이영역(251t)을 포함할 수 있다.
상기 AlGaAs계열 전이영역(251t)은, Alx3Ga(1-x3)As(단, 0<X3<0.2)를 포함하는 제3 AlGaAs계열층(251c) 및 Alx4Ga(1-x4)As(단, 0.8<X4<1.0)를 포함하는 제4 AlGaAs계열층(251d)을 포함할 수 있다.
상기 제3 AlGaAs계열층(251c) 및 상기 제4 AlGaAs계열층(251d)들은 교대로 복수의 층들이 배치될 수 있다.
상기 복수의 제3 AlGaAs계열층(251c)은 상기 제1 AlGaAs계열층(251a)에서 상기 제2 AlGaAs계열층(251b) 방향으로 두께가 얇아질 수 있다.
상기 복수의 제4 AlGaAs계열층(251d)은 상기 제2 AlGaAs계열층(251b)에서 상기 제1 AlGaAs계열층(251a) 방향으로 두께가 얇아질 수 있다.
또한 상기 제3 AlGaAs계열층(251c)의 Al의 농도(X3)는 상기 제1 AlGaAs계열층(251a)의 Al의 농도(X1)는 보다는 높을 수 있다.
또한 상기 제3 AlGaAs계열층(251c)의 Al의 농도(X3)는 상기 제1 AlGaAs계열층(251a)의 Al의 농도(X1)와 같거나 높을 수 있다.
또한, 상기 제1 AlGaAs계열층(251a)의 Al의 농도(X1) 및 상기 제3 AlGaAs계열층(251c)의 Al의 농도(X3)는 8% 내지 20%일 수 있다.
상기 제4 AlGaAs계열층(251d)의 Al의 농도(X4)는 상기 제2 AlGaAs계열층(251b)의 Al의 농도(X2)는 보다는 낮을 수 있다.
또한 상기 제4 AlGaAs계열층(251d)의 Al의 농도(X4)는 상기 제2 AlGaAs계열층(251b)의 Al의 농도(X3)와 같거나 낮을 수 있다.
또한, 상기 제4 AlGaAs계열층(251d)의 Al의 농도(X4) 및 상기 제2 AlGaAs계열층(251b)의 Al의 농도(X2)는 80% 내지 92%일 수 있다.
상기 제3 AlGaAs계열층(251c)의 Al의 농도(X3)는 12% 내지 20% 이하일 수 있다.
상기 제4 AlGaAs계열층(251d)의 Al의 농도(X4)는 80% 내지 88% 이하일 수 있다.
상기 AlGaAs계열 전이영역(251t)의 두께는 상기 제1 AlGaAs계열층(251a)과 상기 제2 AlGaAs계열층(251b)의 각각의 두께보다는 얇을 수 있다.
상기 복수의 제3 AlGaAs계열층(251c)의 두께는 상기 제1 AlGaAs계열층(251a)에서 상기 제2 AlGaAs계열층(251b) 방향으로 점차 얇아질 수 있다.
상기 복수의 제4 AlGaAs계열층(251d)의 두께는 상기 제2 AlGaAs계열층(251b)에서 상기 제1 AlGaAs계열층(251a) 방향으로 점차 얇아질 수 있다.
또한 실시예에 따른 표면발광 레이저 소자는 제1 반사층(220)과, 상기 제1 반사층(220) 상에 배치되는 활성영역(230)과, 상기 활성영역(230) 상에 배치되는 애퍼처 영역(240) 및 상기 애퍼처 영역(240) 상에 배치되는 제2 반사층(250)을 포함할 수 있다.
상기 제2 반사층(250)은, Alx1Ga(1-x1)As(단, 0<X1<0.2)를 포함하는 제1 AlGaAs계열층(251a)과, 상기 제1 AlGaAs계열층(251a) 상에 배치되며, Alx2Ga(1-x2)As(단, 0.8<X2<1.0)를 포함하는 제2 AlGaAs계열층(251b) 및 상기 제1 AlGaAs계열층(251a)과 상기 제2 AlGaAs계열층(251b) 사이에 배치되는 AlGaAs계열 전이영역(251t)을 포함할 수 있다.
상기 AlGaAs계열 전이영역(251t)은, Alx3Ga(1-x3)As(단, 0<X3<0.2)를 포함하는 제3 AlGaAs계열층(251c) 및 Alx4Ga(1-x4)As(단, 0.8<X4<1.0)를 포함하는 제4 AlGaAs계열층(251d)을 포함할 수 있다.
상기 제3 AlGaAs계열층(251c) 및 상기 제4 AlGaAs계열층(251d)은 교대로 복수의 층들이 배치될 수 있다.
상기 제3 AlGaAs계열층(251c)의 Al의 농도(X3)는 상기 제1 AlGaAs계열층(251a)의 Al의 농도(X1)는 보다는 높을 수 있다.
상기 제4 AlGaAs계열층(251d)의 Al의 농도(X4)는 상기 제2 AlGaAs계열층(251b)의 Al의 농도(X2)는 보다는 낮을 수 있다.
상기 제3 AlGaAs계열층(251c)의 Al의 농도(X3)는 12% 내지 20% 이하일 수 있다.
상기 제4 AlGaAs계열층(251d)의 Al의 농도(X4)는 80% 내지 88% 이하일 수 있다.
상기 AlGaAs계열 전이영역(251t)의 두께는 상기 제1 AlGaAs계열층(251a)과 상기 제2 AlGaAs계열층(251b)의 각각의 두께보다는 얇을 수 있다.
상기 복수의 제3 AlGaAs계열층(251c)은 상기 제1 AlGaAs계열층(251a)에서 상기 제2 AlGaAs계열층(251b) 방향으로 두께가 얇아질 수 있다.
상기 복수의 제3 AlGaAs계열층(251c)의 두께는 상기 제1 AlGaAs계열층(251a)에서 상기 제2 AlGaAs계열층(251b) 방향으로 점차 얇아질 수 있다.
상기 복수의 제4 AlGaAs계열층(251d)은 상기 제2 AlGaAs계열층(251b)에서 상기 제1 AlGaAs계열층(251a) 방향으로 두께가 얇아질 수 있다.
상기 복수의 제4 AlGaAs계열층(251d)의 두께는 상기 제2 AlGaAs계열층(251b)에서 상기 제1 AlGaAs계열층(251a) 방향으로 점차 얇아질 수 있다.
실시예의 발광장치는 상기 표면발광 레이저소자를 포함할 수 있다.
실시예는 전기적 특성을 향상시킬 수 있는 표면발광 레이저소자 및 이를 포함하는 발광장치를 제공할 수 있다.
또한 실시예는 전기적 특성을 향상시키면서도 열저항이 발생되지 않음으로써 광 효율도 함께 향상될 수 있는 표면발광 레이저소자 및 이를 포함하는 발광장치를 제공할 수 있다.
예를 들어, 실시예에 의하면 상기 제3 AlGaAs계열층(251c)의 Al의 농도(X3)는 상기 제1 AlGaAs계열층(251a)의 Al의 농도(X1)는 보다는 높되 20%보다는 낮게 제어되어 열저항이 유발되는 것이 방지될 수 있으며, 상기 제4 AlGaAs계열층(251d)의 Al의 농도(X4)는 상기 제2 AlGaAs계열층(251b)의 Al의 농도(X2)는 보다는 낮되 80% 이상으로 제어되어 열저항이 발생되는 것을 방지할 수 있다.
예를 들어, 실시예에서 AlGaAs계열 전이영역(251t)은 열저항이 낮은 Alx3Ga(1-x3)As(단, X1<X3<0.2)의 제3 AlGaAs계열층(251c) 및 열저항이 낮은 Alx4Ga(1-x4)As(단, 0.8<X4<X2)의 제4 AlGaAs계열층(251d)을 포함하며, 상기 AlGaAs계열 전이영역(251t)이 상기 제1 AlGaAs계열층(251a)과 상기 제2 AlGaAs계열층(251b) 사이에 배치됨으로써 열저항이 발생되지 않음으로써 광 효율이 향상되고 전기적 특성도 향상시킬 수 있는 복합적 기술적 효과가 있다.
또한 실시예에 의하면, 상기 복수의 제3 AlGaAs계열층(251c)의 제1 두께(T1)는 상기 제1 AlGaAs계열층(251a)에서 상기 제2 AlGaAs계열층(251b) 방향으로 점차 얇아질 수 있고, 또한 상기 복수의 제4 AlGaAs계열층(251d)은 상기 제2 AlGaAs계열층(251b)에서 상기 제1 AlGaAs계열층(251a) 방향으로 두께가 얇아질 수 있다. 이를 통해 실시예에 의하면 터널링 효과를 극대화하여 전기적 저항의 감소의 효과 및 열저항 저하의 효과의 복합적 기술적 효과를 얻을 수 있다.
또한 실시예는 전압효율을 향상시키면서도 광출력도 향상시킬 수 있는 표면발광 레이저소자 및 이를 포함하는 발광장치를 제공할 수 있다.
도 1은 실시예에 따른 표면발광 레이저소자의 평면도.
도 2는 도 1에 도시된 실시예에 따른 표면발광 레이저소자의 부분(C1) 확대도.
도 3은 도 2에 도시된 실시예에 따른 표면발광 레이저소자의 A1-A2 선을 따른 제1 단면도.
도 4는 도 3에 도시된 실시예에 따른 표면발광 레이저소자의 에피영역의 부분(B1) 단면도.
도 5a는 도 4에 도시된 실시예에 따른 표면발광 레이저소자의 제2 반사층의 제1 영역(250S)에 대한 제1 에너지 밴드다이어그램.
도 5b는 표면발광 레이저소자의 제2 반사층에서 Al 조성에 따른 열저항의 데이터.
도 6a는 실시예에 따른 표면발광 레이저소자의 제2 반사층의 부분 확대도.
도 6b는 실시예에 따른 표면발광 레이저소자와 비교예의 인가전류에 따른 광파워 데이터.
도 7은 실시예에 따른 표면발광 레이저소자에서 굴절률과 광에너지의 분포 데이터.
도 8은 실시예에 따른 표면발광 레이저소자의 제2 반사층의 제2 부분 확대도.
도 9 내지 도 16b는 실시예에 따른 표면발광 레이저소자의 제조공정도.
도 17은 실시예에 따른 표면발광 레이저소자의 다른 단면도.
도 18은 실시예에 따른 표면발광 레이저소자가 적용된 이동 단말기의 사시도.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 다만, 본 발명의 기술 사상은 설명되는 일부 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있고, 본 발명의 기술 사상 범위 내에서라면, 실시예들간 그 구성 요소들 중 하나 이상을 선택적으로 결합, 치환하여 사용할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서 사용되는 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는, 명백하게 특별히 정의되어 기술되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 일반적으로 이해될 수 있는 의미로 해석될 수 있으며, 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥상의 의미를 고려하여 그 의미를 해석할 수 을 것이다.
또한, 본 발명의 실시예에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다.
본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함할 수 있고, “및(와) B, C중 적어도 하나(또는 한 개 이상)”로 기재되는 경우 A,B,C로 조합?? 수 있는 모든 조합 중 하나이상을 포함 할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제1, 제2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등으로 한정되지 않는다.
그리고, 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 '연결', '결합' 또는 '접속'된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결, 결합 또는 접속되는 경우뿐만 아니라, 그 구성 요소와 그 다른 구성요소 사이에 있는 또 다른 구성 요소로 인해 '연결', '결합' 또는 '접속＇되는 경우도 포함할 수 있다.
또한, 각 구성 요소의 " 상(위) 또는 하(아래)"에 형성 또는 배치되는 것으로 기재되는 경우, 상(위) 또는 하(아래)는 두개의 구성 요소들이 서로 직접 접촉되는 경우뿐만 아니라 하나 이상의 또 다른 구성 요소가 두 개의 구성 요소들 사이에 형성 또는 배치되는 경우도 포함한다.
또한 “상(위) 또는 하(아래)”으로 표현되는 경우 하나의 구성 요소를 기준으로 위쪽 방향뿐만 아니라 아래쪽 방향의 의미도 포함할 수 있다.
(실시예)
도 1은 실시예에 따른 표면발광 레이저소자(201)의 평면도이며, 도 2는 도 1에 도시된 실시예에 따른 표면발광 레이저소자의 부분(C1) 확대도이다.
도 1을 참조하면, 실시예에 따른 표면발광 레이저소자(201)는 발광부(E)와 패드부(P)를 포함할 수 있으며, 상기 발광부(E)는 도 2와 같이 복수의 발광 에미터(E1, E2, E3)를 포함할 수 있으며, 수십에서 수백개의 발광 에미터를 포함할 수도 있다.
도 2를 참조하면, 실시예에서 표면발광 레이저소자(201)는 개구부인 애퍼처(241) 외의 영역에 제2 전극(280)이 배치되며, 상기 애퍼처(241)에 대응되는 표면에는 패시베이션층(270)이 배치될 수 있다.
다음으로, 도 3은 도 2에 도시된 실시예에 따른 표면발광 레이저소자의 A1-A2 선을 따른 단면도이며, 도 4는 도 3에 도시된 실시예에 따른 표면발광 레이저소자의 에피영역의 부분(B1)의 확대 단면도이다.
도 3을 참조하면, 실시예에서 표면발광 레이저소자(201)는 제1 전극(215), 기판(210), 제1 반사층(220), 활성영역(230), 애퍼처 영역(240), 제2 반사층(250), 제2 전극(280), 패시베이션층(270) 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
상기 애퍼처 영역(240)은 개구부인 애퍼처(241)(aperture) 및 절연영역(242)을 포함할 수 있다. 상기 절영영역(242)은 전류차단 기능으로 하며 산화층으로 칭해질 수 있으며, 상기 애퍼처 영역(240)은 산화영역으로 칭해질 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 제2 전극(280)은 컨택 전극(282)과 패드 전극(284)을 포함할 수 있다.
이하 도 3과 도 4를 중심으로 실시예에 따른 표면발광 레이저소자(201)의 기술적 특징을 설명하기로 하며, 이후 도면들을 함께 참조하여 기술적 효과도 설명하기로 한다. 실시예의 도면에서 x축의 방향은 기판(210)의 길이방향에 평행한 방향일 수 있으며, y축은 x축에 수직한 방향일 수 있다.
<기판, 제1 전극>
우선, 도 3을 참조하면, 실시예에서 기판(210)은 전도성 기판 또는 비전도성 기판일 수 있다. 전도성 기판을 사용할 경우 전기 전도도가 우수한 금속을 사용할 수 있고, 표면발광 레이저소자(201) 작동 시 발생하는 열을 충분히 발산시킬 수 있어야 하므로 열전도도가 높은 GaAs 기판, 또는 금속기판을 사용하거나 실리콘(Si) 기판 등을 사용할 수 있다. 비전도성 기판을 사용할 경우, AlN 기판이나 사파이어(Al2O3) 기판 또는 세라믹 계열의 기판을 사용할 수 있다.
도 3에 도시된 기판(210)은 n형 도전형으로 도핑된 기판일 수 있으나 실시예가 이에 한정되는 것은 아니다.
실시예에서 기판(210)의 하부에 제1 전극(215)이 배치될 수 있으며, 상기 제1 전극(215)은 도전성 재료로 단층 또는 다층으로 배치될 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 전극(215)은 금속일 수 있고, 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 크롬(Cr), 니켈(Ni), 구리(Cu), 금(Au) 중 적어도 하나를 포함하여 단층 또는 다층 구조로 형성되어 전기적 특성을 향상시켜 광출력을 높일 수 있다. 상기 제1 전극(215)은 n형 반사층의 기능을 하는 제1 반사층(220)에 대한 전극 기능을 할 수 있으므로 n형 전극으로 칭해질 수 있으나, 제1 전극(215) 자체에 도전형 원소가 도핑된 것은 아니다.
<제1 반사층, 제2 반사층>
다음으로 도 4를 참조하면, 상기 제1 반사층(220)은 제1 도전형으로 도핑될 수 있다. 상기 제1 도전형 도펀트는 Si, Ge, Sn, Se, Te 등과 같은 n형 도펀트를 포함할 수 있다.
또한 상기 제1 반사층(220)은 갈륨계 화합물, 예를 들면 AlGaAs를 포함할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 제1 반사층(220)은 분산 브래그 반사기(DBR: Distributed Bragg Reflector)일 수 있다. 예를 들어, 제1 반사층(220)은 서로 다른 굴절 률을 가지는 물질로 이루어진 제1 층 및 제2 층이 교대로 적어도 1회 이상 적층된 구조일 수 있다.
예를 들어, 도 4와 같이, 상기 제1 반사층(220)은 기판(210) 상에 배치된 제1 그룹 제1 반사층(221) 및 상기 제1 그룹 제1 반사층(221) 상에 배치된 제2 그룹 제1 반사층(222)을 포함할 수 있다.
제1 그룹 제1 반사층(221)과 제2 그룹 제1 반사층(222)은 AlxGa(1-x)As(0<x<1)의 조성식을 갖는 반도체 물질로 이루어진 복수의 층을 구비할 수 있으며, 각 층 내의 Al이 증가하면 각 층의 굴절률은 감소하고, Ga가 증가하면 각 층의 굴절률은 증가할 수 있다.
그리고, 각각의 층의 두께는 λ/4n일 수 있고, λ는 활성층(232)에서 발생하는 광의 파장일 수 있고, n은 상술한 파장의 광에 대한 각 층의 굴절률일 수 있다. 여기서, λ는 650 내지 980나노미터(nm)일 수 있고, n은 각층의 굴절률일 수 있다. 이러한 구조의 제1 반사층(220)은 약 940 나노미터의 파장 영역의 광에 대하여 99.999%의 반사율을 가질 수 있다.
각 제1 반사층(220)에서의 층의 두께는 각각의 굴절률과 활성층(232)에서 방출되는 광의 파장 λ에 따라 결정될 수 있다.
또한 도 4와 같이, 제1 그룹 제1 반사층(221)과 제2 그룹 제1 반사층(222)도 각각 단일 또는 복수의 층으로 형성될 수 있다.
예를 들어, 제1 그룹 제1 반사층(221)은 제1 그룹 제1-1 층(221a)과 제1 그룹 제1-2 층(221b)의 약 30~40 페어(pair)를 포함할 수 있다. 상기 제1 그룹 제1-1 층(221a)은 상기 제1 그룹 제1-2 층(221b)보다 두껍게 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 그룹 제1-1 층(221a)은 약 40~60nm로 형성될 수 있고, 상기 제1 그룹 제1-2 층(221b)은 약 20~30nm로 형성될 수 있다.
또한, 제2 그룹 제1 반사층(222)도 제2 그룹 제1-1 층(222a)과 제2 그룹 제1-2 층(222b)의 약 5~15 페어(pair)를 포함할 수 있다. 상기 제2 그룹 제1-1 층(222a)은 상기 제2 그룹 제1-2 층(222b)보다 두껍게 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 그룹 제1-1 층(222a)은 약 40~60nm로 형성될 수 있고, 상기 제2 그룹 제1-2 층(222b)은 약 20~30nm로 형성될 수 있다.
또한 도 4와 같이, 상기 제2 반사층(250)은 갈륨계 화합물 예를 들면 AlGaAs를 포함할 수 있으며, 제2 반사층(250)은 제2 도전형 도펀트가 도핑될 수 있다.
예를 들어, 상기 제2 도전형 도펀트는 Mg, Zn, Ca, Sr, Ba 등과 같은 p형 도펀트일 수 있다.
상기 제2 반사층(250)도 분산 브래그 반사기(DBR: Distributed Bragg Reflector)일 수 있다. 예를 들어, 제2 반사층(250)은 서로 다른 굴절률을 가지는 물질로 이루어진 복수의 층이 교대로 적어도 1회 이상 적층된 구조일 수 있다.
제2 반사층(250)의 각 층은 AlGaAs를 포함할 수 있고, 상세하게는 AlxGa(1-x)As(0<x<1)의 조성식을 갖는 반도체 물질로 이루어질 수 있다. 여기서, Al이 증가하면 각 층의 굴절률은 감소하고, Ga가 증가하면 각 층의 굴절률은 증가할 수 있다. 그리고, 제2 반사층(250)의 각 층의 두께는 λ/4n이고, λ는 활성층에서 방출되는 광의 파장일 수 있고, n은 상술한 파장의 광에 대한 각 층의 굴절률일 수 있다.
이러한 구조의 제2 반사층(250)은 약 940 나노미터의 파장 영역의 광에 대하여 99.9%의 반사율을 가질 수 있다.
상기 제2 반사층(250)은 층들이 교대로 적층되어 이루어질 수 있으며, 제1 반사층(220) 내에서 층들의 페어(pair) 수는 제2 반사층(250) 내에서 층들의 페어 수보다 더 많을 수 있으며, 이때 상술한 바와 같이 제1 반사층(220)의 반사율은 99.999% 정도로서 제2 반사층(250)의 반사율인 99.9%보다 클 수 있다.
실시예에서 제2 반사층(250)은 상기 활성영역(230)에 인접하게 배치된 제1 그룹 제2 반사층(251) 및 상기 제1 그룹 제2 반사층(251)보다 상기 활성영역(230)에서 이격배치 된 제2 그룹 제2 반사층(252)을 포함할 수 있다.
도 4와 같이, 제1 그룹 제2 반사층(251)과 제2 그룹 제2 반사층(252)도 각각 단일 또는 복수의 층으로 형성될 수 있다.
예를 들어, 제1 그룹 제2 반사층(251)은 제1 그룹 제2-1 층(251a)과 제1 그룹 제2-2 층(251b)의 약 1~5 페어(pair)를 포함할 수 있다. 상기 제1 그룹 제2-1 층(251a)은 상기 제1 그룹 제2-2 층(251b)보다 두껍게 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 그룹 제2-1 층(251a)은 약 40~60nm로 형성될 수 있고, 상기 제1 그룹 제2-2 층(251b)은 약 20~30nm로 형성될 수 있다.
또한, 제2 그룹 제2 반사층(252)도 제2 그룹 제2-1 층(252a)과 제2 그룹 제2-2 층(252b)의 약 5~15 페어(pair)를 포함할 수 있다. 상기 제2 그룹 제2-1 층(252a)은 상기 제2 그룹 제2-2 층(252b)보다 두껍게 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 그룹 제2-1 층(252a)은 약 40~60nm로 형성될 수 있고, 상기 제2 그룹 제2-2 층(252b)은 약 20~30nm로 형성될 수 있다.
우선 실시예의 기술적 과제 중의 하나는, 전기적 특성을 향상시킬 수 있는 표면발광 레이저소자 및 이를 포함하는 발광장치를 제공하고자 함이다.
도 5a는 도 4에 도시된 실시예에 따른 표면발광 레이저소자의 제2 반사층의 제1 영역(250S)에 대한 제1 에너지 밴드다이어그램이며, Al 조성을 기준으로 도시된 것이다.
이하의 설명은 제2 반사층(250)을 중심으로 설명되나 실시예의 기술적 특징은 제1 반사층(220)에도 적용이 가능하다.
우선 도 5a를 참조하면, 실시예의 제1 그룹의 제2 반사층(251)은 복수의 층을 포함할 수 있다. 예를 들어, 실시예의 제1 그룹의 제2 반사층(251)은 제1 AlGaAs계열층(251a)과 제2 AlGaAs계열층(251b) 및 이들 사이에 그레이딩 AlGaAs계열층(251m)을 포함할 수 있다.
실시예에 의하면 인접한 제1 AlGaAs계열층(251a)과 제2 AlGaAs계열층(251b) 사이에 중간 영역의 알루미늄 농도를 구비한 그레이딩 AlGaAs계열층(251m)을 구비함으로써 인접한 반사층 사이 계면(interface)에서 에너지 밴드 벤딩(Energy Band Bending)에 의한 전기장(Electric Field) 발생을 최소화하여 캐리어 장벽(barrier)을 낮춤으로써 광출력을 향상시킬 수 있는 기술적 효과가 있다.
예를 들어, 제1 그룹 제2 반사층(251)이 AlxGa(1-x)As(0<x<1)를 포함하는 경우, 제1 그룹 제2 반사층(251)은 Alx1Ga(1-x1)As(단, 0<X1<0.2)를 포함하는 제1 AlGaAs계열층(251a)과, 상기 제1 AlGaAs계열층(251a) 상에 배치되며, Alx2Ga(1-x2)As(단, 0.8<X2<1.0)를 포함하는 제2 AlGaAs계열층(251b) 및 상기 제1 AlGaAs계열층(251a)과 상기 제2 AlGaAs계열층(251b) 사이에 배치되는 Aly1Ga(1-y1)As(단, X1<y1<X2)를 포함하는 그레이딩 AlGaAs계열층(251m)을 포함할 수 있다.
이를 통해, 실시예에 의하면 인접한 제1 AlGaAs계열층(251a)과 제2 AlGaAs계열층(251b) 사이에 중간 영역의 알루미늄 농도를 구비한 그레이딩 AlGaAs계열층(251m)을 구비함으로써 인접한 반사층 사이 계면(interface)에서 에너지 밴드 벤딩(Energy Band Bending)에 의한 전기장(Electric Field) 발생을 최소화하여 캐리어 장벽(barrier)을 낮춤으로써 광출력을 향상시킬 수 있는 기술적 효과가 있다.
이에 따라 실시예에 의하면, 반사층에서의 전기장 발생에 따른 캐리어 배리어 영향을 최소화하여 광출력을 향상시킬 수 있는 표면발광 레이저소자 및 이를 포함하는 발광장치를 제공할 수 있다.
한편, 실시예의 기술적 과제 중의 하나는 실시예는 전기적 특성을 향상시키면서도 열저항이 발생되지 않음으로써 광 효율도 함께 향상될 수 있는 표면발광 레이저소자 및 이를 포함하는 발광장치를 제공하고자 함이다.
이하 이러한 기술적 모순을 해결할 수 있는 실시예의 기술적 특징을 설명하기로 한다.
우선 도 5b는 표면발광 레이저소자의 제2 반사층에서 Al 조성에 따른 열저항의 데이터이다.
앞서 기술한 바와 같이, 비공개 내부기술에 의하면 DBR층 사이 계면에서의 전기저항을 낮추기 위한 시도가 있으나, 이러한 시도는 DBR층에서의 열저항 증대로 인해 광 효율을 저하시키는 문제를 유발하게 되어 기술적 모순상황이 발생되고 있다.
구체적으로 실시예에 의하면, 제1 AlGaAs계열층(251a)과 제2 AlGaAs계열층(251b) 사이에 중간 영역의 알루미늄 농도를 구비하며 Al 조성이 그레이딩(grading)되는 그레이딩 AlGaAs계열층(251m)을 구비할 수 있다. 이를 통해 인접한 반사층 사이 계면(interface)에서 에너지 밴드 벤딩에 의한 전기장 발생을 최소화하여 캐리어 장벽을 낮춤으로써 광출력을 향상시킬 수 있고, DBR 계면에서 밴드 오프셋(band offset) 연속으로 인한 고저항 특성이 완화될 수 있는 기술적 효과가 있다.
그런데, 도 5b와 같이 반사층의 AlGaAs는 Al 조성(X)이 20% 내지 80% 사이(Xt 영역)에서 합금 산란 (alloy scattering)으로 인해 열저항이 높아지며, 특히 Al 조성이 50%에 다가갈 수록 열저항이 급격히 증가하는 특성을 보인다.
즉, 비공개 내부기술에 의하면 DBR층에서 전기적 저항 감소를 위해 고/저굴절율 계면에 그레이딩(grading) AlGaAs계열층(251m)을 삽입 시 Al조성이 약 20~80% 범위(Xt)에서 합금 산란(alloy scattering)으로 인한 열저항이 상승한다. 이에 따라 전기저항 저감을 위해 삽입된 그레이딩 AlGaAs계열층(251m) 적용에 따라 열저항 발생으로 광 효율이 저하되는 기술적 모순이 발생하고 있다.
도 6a는 실시예에 따른 표면발광 레이저소자의 제2 반사층의 부분 확대도로서, 두께에 따른 Al 조성 데이터이고, 도 6b는 실시예에 따른 표면발광 레이저소자와 비교예의 인가전류에 따른 광파워 데이터이다.
앞서 기술한 기술적 모순을 해결하기 위해 도 6a와 같이, 실시예의 제2 반사층(250)은, 제1 AlGaAs계열층(251a)과 제2 AlGaAs계열층(251b) 사이에 배치되는 AlGaAs계열 전이영역(251t)을 포함할 수 있다.
실시예에 의하면 열저항이 발생되지 낮거나 발생되지 않는 AlGaAs계열 전이영역(251t)을 구비함으로써 전기적 특성을 향상시키면서도 열저항이 발생되지 않음으로써 광 효율도 함께 향상될 수 있는 복합적 기술적 효과가 있는 표면발광 레이저소자 및 이를 포함하는 발광장치를 제공할 수 있다.
구체적으로, 실시예의 제2 반사층(250)은, Alx1Ga(1-x1)As(단, 0<X1<0.2)를 포함하는 제1 AlGaAs계열층(251a)과, 상기 제1 AlGaAs계열층(251a) 상에 배치되며, Alx2Ga(1-x2)As(단, 0.8<X2<1.0)를 포함하는 제2 AlGaAs계열층(251b) 및 상기 제1 AlGaAs계열층(251a)과 상기 제2 AlGaAs계열층(251b) 사이에 배치되는 AlGaAs계열 전이영역(251t)을 포함할 수 있다.
이때 실시예에서 상기 AlGaAs계열 전이영역(251t)은, Alx3Ga(1-x3)As(단,0<X3<0.2)를 포함하는 제3 AlGaAs계열층(251c) 및 Alx4Ga(1-x4)As(단,0.8<X4<1.0)를 포함하는 제4 AlGaAs계열층(251d)을 포함하고, 상기 제3 AlGaAs계열층(251c) 및 상기 제4 AlGaAs계열층(251d)은 교대로 복수의 층들이 배치될 수 있다.
실시예에서 상기 제3 AlGaAs계열층(251c)의 Al의 농도(X3)는 상기 제1 AlGaAs계열층(251a)의 Al의 농도(X1)와 같거나 높을 수 있다.
또한, 상기 제1 AlGaAs계열층(251a)의 Al의 농도(X1) 및 상기 제3 AlGaAs계열층(251c)의 Al의 농도(X3)는 8% 내지 20%일 수 있다.
또한 상기 제4 AlGaAs계열층(251d)의 Al의 농도(X4)는 상기 제2 AlGaAs계열층(251b)의 Al의 농도(X3)와 같거나 낮을 수 있다.
또한, 상기 제4 AlGaAs계열층(251d)의 Al의 농도(X4) 및 상기 제2 AlGaAs계열층(251b)의 Al의 농도(X2)는 80% 내지 92%일 수 있다.
실시예에 의하면 상기 제3 AlGaAs계열층(251c)의 Al의 농도(X3)는 상기 제1 AlGaAs계열층(251a)의 Al의 농도(X1)는 보다는 높되 20%이하로 제어되어 열저항이 유발되는 것이 방지될 수 있으며, 상기 제4 AlGaAs계열층(251d)의 Al의 농도(X4)는 상기 제2 AlGaAs계열층(251b)의 Al의 농도(X2)는 보다는 낮되 80% 이상으로 제어되어 열저항이 발생되는 것을 방지할 수 있다.
예를 들어, 실시예에서 AlGaAs계열 전이영역(251t)은 열저항이 낮은 Alx3Ga(1-x3)As(단, X1<X3<0.2)의 제3 AlGaAs계열층(251c) 및 열저항이 낮은 Alx4Ga(1-x4)As(단, 0.8<X4<X2)의 제4 AlGaAs계열층(251d)을 포함하며, 상기 AlGaAs계열 전이영역(251t)이 상기 제1 AlGaAs계열층(251a)과 상기 제2 AlGaAs계열층(251b) 사이에 배치됨으로써 열저항이 발생되지 않음으로써 광 효율이 향상되고 전기적 특성도 향상시킬 수 있는 복합적 기술적 효과가 있다.
예를 들어, 도 6b와 같이 2,000mA 내지 2,500mA 이상의 고전류 영역에서는 비교예(R)와 같이 열저항 발생으로 인해 광 파워가 현저히 낮아지게 되는데, 실시예(E)에 의하면 AlGaAs계열 전이영역(251t)이 제1 AlGaAs계열층(251a)과 제2 AlGaAs계열층(251b) 사이에 배치됨으로써 열저항이 발생되지 않음으로써 광 효율이 향상되고 전기적 특성도 향상시킬 수 있는 복합적 기술적 효과가 있다.
다시 도 6a를 참조하면, 실시예에 의하면 상기 제3 AlGaAs계열층(251c)의 Al의 농도(X3)는 8% 내지 20% 이하, 바람직하게는12% 내지 20% 이하로 제어될 수 있다. 이를 통해 상기 제3 AlGaAs계열층(251c)의 Al의 농도(X3)가 20%이하로 제어되어 열저항이 유발되는 것이 방지될 수 있으며, 상기 제3 AlGaAs계열층(251c)의 Al의 농도(X3)가 8% 이상, 바람직하게는 12% 이상으로 제어되어 제1 AlGaAs계열층(251a)의 Al의 농도(X1)와 같거나 높게 제어되어 이후 형성되는 제4 AlGaAs계열층(251d)의 Al 농도(X4)와의 차이를 최소화하여 열저항을 낮추면서도 결정 품질이나 전기적 저항 특성을 유지 내지 향상시킬 수 있는 기술적 효과가 있다.
또한 상기 제4 AlGaAs계열층(251d)의 Al의 농도(X4)는 80% 내지 92%이하, 바람직하게는80% 내지 88% 이하로 제어될 수 있다. 이를 통해 상기 제4 AlGaAs계열층(251d)의 Al의 농도(X4)가 80%이상으로 제어되어 열저항이 유발되는 것이 방지될 수 있으며, 상기 제4 AlGaAs계열층(251d)의 Al의 농도(X4)가 92% 이하, 바람직하게는 88% 이하로 제어되어 제4 AlGaAs계열층(251d)의 Al의 농도(X4)와 같거나 낮게 제어되어 이후 형성되는 제3 AlGaAs계열층(251c)의 Al 농도(X3)와의 차이를 최소화하여 열저항을 낮추면서도 결정 품질이나 전기적 저항 특성을 유지 내지 향상시킬 수 있는 기술적 효과가 있다.
계속하여 도 6a를 참조하면, 제2 반사층(250)에서 AlGaAs계열 전이영역(251t)의 두께는 상기 제1 AlGaAs계열층(251a)과 상기 제2 AlGaAs계열층(251b)의 각각의 두께보다는 얇을 수 있다. 즉, 상기 제1 AlGaAs계열층(251a)과 상기 제2 AlGaAs계열층(251b)의 각각의 두께는 상기 AlGaAs계열 전이영역(251t)의 두께보다 두꺼울 수 있다.
예를 들어, 상기 제1 AlGaAs계열층(251a)과 상기 제2 AlGaAs계열층(251b)의 각각의 두께는 상기 AlGaAs계열 전이영역(251t)의 두께보다 2배~3배 범위로 두꺼울 수 있다.
예를 들어, 상기 AlGaAs계열 전이영역(251t)의 두께는 약 15nm~28nm일 수 있고, 상기 제1 AlGaAs계열층(251a)과 상기 제2 AlGaAs계열층(251b)의 각각의 두께는 약 30nm 내지 84nm일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
실시예에 의하면 AlGaAs계열 전이영역(251t)의 두께를 상기 제1 AlGaAs계열층(251a)과 상기 제2 AlGaAs계열층(251b)의 각각의 두께보다 ?緞? 형성함으로써 제2 반사층(250)에서의 열저항의 발생을 최소화하여 광 효율이 향상되고 전기적 특성도 향상시킬 수 있는 기술적 효과가 있다.
또한 실시예에서 상기 복수의 제3 AlGaAs계열층(251c)은 상기 제1 AlGaAs계열층(251a)에서 상기 제2 AlGaAs계열층(251b) 방향으로 두께가 얇아질 수 있다.
또한 상기 복수의 제3 AlGaAs계열층(251c)의 제1 두께(T1)는 상기 제1 AlGaAs계열층(251a)에서 상기 제2 AlGaAs계열층(251b) 방향으로 점차 얇아질 수 있다.
예를 들어, 상기 복수의 제3 AlGaAs계열층(251c)은 제3-1 AlGaAs계열층(251c1), 제3-2 AlGaAs계열층(251c2), 제3-3 AlGaAs계열층(251c3) 및 제3-4 AlGaAs계열층(251c4)을 포함할 수 있으며, 4nm 이하, 예를 들어 각각 4nm, 3nm, 2nm 및 1nm로 형성됨으로써 터널링 효과를 극대화하여 전기적 저항의 감소의 효과 및 열저항 저하의 효과의 복합적 기술적 효과를 얻을 수 있다.
또한 상기 복수의 제4 AlGaAs계열층(251d)은 상기 제2 AlGaAs계열층(251b)에서 상기 제1 AlGaAs계열층(251a) 방향으로 두께가 얇아질 수 있다.
또한 상기 복수의 제4 AlGaAs계열층(251d)의 제2 두께(T2)는 상기 제2 AlGaAs계열층(251b)에서 상기 제1 AlGaAs계열층(251a) 방향으로 점차 얇아질 수 있다.
예를 들어, 상기 복수의 제4 AlGaAs계열층(251d)은 제4-1 AlGaAs계열층(251d1), 제4-2 AlGaAs계열층(251d2), 제4-3 AlGaAs계열층(251d3) 및 제4-4 AlGaAs계열층(251d4)을 포함할 수 있으며, 4nm 이하, 예를 들어 각각 1nm, 2nm, 3nm 및 4nm로 형성됨으로써 터널링 효과를 극대화하여 전기적 저항의 감소의 효과 및 열저항 저하의 효과의 복합적 기술적 효과를 얻을 수 있다.
실시예에서 상기 각각의 제3 AlGaAs계열층(251c)과 제4 AlGaAs계열층(251d)은 하나의 페어(pair)를 이룰 수 있으며 3 내지 4 페어를 이룰 수 있고, 하나의 페어의 두께는 약 3nm 내지 4nm의 보어 반지름(Bohr radius) 이하로 제어되어 터널링 효과를 극대화할 수 있다.
이를 통해, 실시예에 의하면 터널링 효과를 극대화하여 전기적 저항의 감소의 효과 및 열저항 저하의 효과의 복합적 기술적 효과를 얻을 수 있다.
다음으로, 도 7은 실시예에 따른 표면발광 레이저소자에서 굴절률과 광에너지의 분포 데이터이다.
한편, 도 5a 및 도 6a에서는 Al 조성을 기준으로 도시되었으나, 도 7은 굴절률(n)을 기준으로 도시된 상태이다.
한편, 실시예의 기술적 과제 중의 하나는 전압효율을 향상시키면서도 광출력도 향상시킬 수 있는 표면발광 레이저소자 및 이를 포함하는 발광장치를 제공하고자 함이다.
한편, 잠시 도 4를 참조하면, 실시예의 제2 반사층(250)은, 상기 활성영역(230)과 인접하게 배치되는 제1 군의 제2 반사층(251)과, 상기 제1 군의 제2 반사층(251)보다 활성영역(230)에서 이격되어 배치되는 제2 군의 제2 반사층(252)을 포함할 수 있다.
다시 도 7을 참조하면, 실시예에 따른 표면발광 레이저소자에서 위치에 따른 광 에너지(E) 분포를 알 수 있는데, 활성영역(230)에서 상대적으로 이격될수록 광 에너지 분포가 낮아지며, 이에 실시예는 광 에너지(E) 분포를 고려하여, 상기 제1 그룹 제2 반사층(251)에서의 제2 도전형 도펀트의 농도가 상기 제2 그룹 제2 반사층(252)에서의 도펀트 농도보다 낮게 제어할 수 있다.
예를 들어, 실시예는 상기 제1 그룹 제2 반사층(251)에서의 도펀트의 농도는 약 6.00E17 내지 5.0E17 일 수 있으며, 상기 제2 그룹 제2 반사층(252)에서는 약 5.0E17 내지 1.0E18으로 제어할 수 있다. 실시예에서 농도단위 1.00E18는 1.00X1018(atoms/cm3)를 의미할 수 있다.
이를 통해 실시예는 상기 제2 그룹 제2 반사층(252)에서의 p형 도펀트의 농도가 상기 제1 그룹 제2 반사층(251)에서의 도펀트 농도보다 높게 제어하고, 광 에너지가 상대적으로 높은 제1 그룹 제2 반사층(251) 영역에 p형 도펀트를 상대적으로 낮게 도핑 함으로써, 제1 그룹 제2 반사층(251)에서는 도펀트에 의한 광 흡수를 최소하여 광 출력을 향상시킴과 아울러 제2 그룹 제2 반사층(252)에서는 상대적으로 높은 도펀트에 의한 저항 개선으로 전압효율을 향상시켜, 광출력과 전압효율을 동시에 향상시킬 수 있는 표면발광 레이저소자 및 이를 포함하는 발광장치를 제공할 수 있는 특유의 기술적 효과가 있다.
다음으로 도 8는 도 4에 도시된 실시예에 따른 표면발광 레이저소자의 제2 반사층의 부분(250M) 확대도이며, 굴절률(n)을 기준으로 한 데이터이다.
도 8을 참조하면, 실시예에서 제2 반사층(250)은 제1 그룹 제2 반사층(251) 및 제2 그룹 제2 반사층(252)을 포함할 수 있다.
이때 상기 제1 그룹 제2 반사층(251)은 복수의 층을 포함할 수 있으며, 예를 들어 제2-1 반사층(251p), 제2-2 반사층(251q), 제2-3 반사층(251r) 및 제2-4 반사층(251s)을 포함할 수 있다.
실시예에서 제1 그룹 제2 반사층(251)은 제2-1 반사층(251p) 내지 제2-4 반사층(251s)을 하나의 페어(pair)로 하는 경우 복수의 페어를 포함할 수 있다. 예를 들어, 실시예에서 제1 그룹 제2 반사층(251)은 제2-1 반사층(251p) 내지 제2-4 반사층(251s)의 약 2~5 페어(pair)를 포함할 수 있다.
또한 상기 제2 그룹 제2 반사층(252)은 복수의 층을 포함할 수 있으며, 예를 들어 제2-5 반사층(252p), 제2-6 반사층(252q), 제2-7 반사층(252r) 및 제2-8 반사층(252s)을 포함할 수 있다.
상기 제2 그룹 제2 반사층(252)도 제2-5 반사층(252p) 내지 제2-8 반사층(252s)을 하나의 페어(pair)로 하는 경우 복수의 페어를 포함할 수 있다. 예를 들어, 실시예에서 제2 그룹 제2 반사층(252)은 제2-5 반사층(252p) 내지 제2-8 반사층(252s)을 하나의 하나의 페어(pair)로 하는 경우 약 10~20 페어(pair)를 포함할 수 있다.
실시예의 기술적 과제 중의 하나는, 반사층에서의 전기장 발생에 따른 캐리어 배리어 영향을 최소화하여 광출력을 향상시킬 수 있는 표면발광 레이저소자 및 이를 포함하는 발광장치를 제공하고자 함이다.
또한 실시예의 기술적 과제 중의 하나는 전압효율을 향상시키면서도 광출력도 향상시킬 수 있는 표면발광 레이저소자 및 이를 포함하는 발광장치를 제공하고자 함이다.
도 8을 참조하면, 실시예에서 상기 제1 그룹 제2 반사층(251)은 제2-1 반사층(251p), 제2-2 반사층(251q), 제2-3 반사층(251r) 및 제2-4 반사층(251s)을 포함할 수 있으며, 각 층은 굴절률이 서로 다를 수 있다.
예를 들어, 상기 제1 그룹 제2 반사층(251)은, 제1 굴절률을 가지는 제2-1 반사층(251p)과, 상기 제1 굴절률보다 낮은 제2 굴절률을 가지며 상기 제2-1 반사층(251p)의 일측에 배치되는 제2-2 반사층(251q) 및 상기 제1 굴절률과 상기 제2 굴절률 사이의 제3 굴절률을 가지며 상기 제2-1 반사층(251p)과 제2-2 반사층(251q)의 사이에 배치되는 제2-3 반사층(251r)을 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 제1 그룹 제2 반사층(251)은, 제1 알루미늄 농도를 가지는 제2-1 반사층(251p)과, 상기 제1 알루미늄 농도보다 높은 제2 알루미늄 농도를 가지며 상기 제2-1 반사층(251p)의 일측에 배치되는 제2-2 반사층(251q) 및 상기 제1 알루미늄 농도에서 상기 제2 알루미늄 농도로 변화하는 제3 알루미늄 농도를 가지며 상기 제2-1 반사층(251p)과 상기 제2-2 반사층(251q) 사이에 배치되는 제2-3 반사층(251r)을 포함할 수 있다.
예를 들어, 제1 그룹 제2 반사층(251)이 AlxGa(1-x)As(0<x<1)를 포함하는 경우, 제2-1 반사층(251p)이 Al0.12Ga0.88As일 수 있으며, 제2-2 반사층(251q)은 Al0.88Ga0.12As일 수 있고, 제2-3 반사층(251r)은 Alx3Ga(1-x3)As(0.12≤X3≤0.88)일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
또한 상기 제1 그룹 제2 반사층(251)은, 상기 제2-2 반사층(251q)의 외측에 배치되며 제1 알루미늄 농도에서 상기 제2 알루미늄 농도로 변화하는 제4 알루미늄 농도를 가지는 제2-4 반사층(251s)을 더 포함할 수 있다.
예를 들어, 제1 그룹 제2 반사층(251)이 AlxGa(1-x)As(0<x<1)를 포함하는 경우, 제2-4 반사층(251s)은 Alx4Ga(1-x4)As(0.12≤X4≤0.88)일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
이를 통해, 실시예에 의하면 인접한 제2-1 반사층(251p)과 제2-2 반사층(251q) 사이에 중간 영역의 알루미늄 농도를 구비한 제2-3 반사층(251r) 또는 제2-4 반사층(251s)을 구비함으로써 인접한 반사층 사이 계면(interface)에서 에너지 밴드 벤딩(Energy Band Bending)에 의한 전기장(Electric Field) 발생을 최소화하여 캐리어 장벽(barrier)을 낮춤으로써 광출력을 향상시킬 수 있는 기술적 효과가 있다.
이에 따라 실시예에 의하면, 반사층에서의 전기장 발생에 따른 캐리어 배리어 영향을 최소화하여 광출력을 향상시킬 수 있는 표면발광 레이저소자 및 이를 포함하는 발광장치를 제공할 수 있다.
또한 실시예에서 상기 제2-2 반사층(251q)의 두께는 상기 제2-1 반사층(251p)의 두께보다 두꺼울 수 있다. 또한 상기 제2-1 반사층(251p) 또는 상기 제2-2 반사층(251q)의 두께는 상기 제2-3 반사층(251r) 또는 상기 제2-4 반사층(251s)의 두께보다는 두꺼울 수 있다.
이때 제2-2 반사층(251q)의 제2 알루미늄 농도는 제2-1 반사층(251p)의 제1 알루미늄 농도가 높을 수 있다. 또한 제2-1 반사층(251p)의 제1 알루미늄 농도는 제2-3 반사층(251r)의 제3 알루미늄 농도 또는 제2-4 반사층(251s)의 제4 알루미늄 농도보다 높을 수 있다.
이에 따라 알루미늄 농도가 상대적으로 높은 제2-2 반사층(251q)의 두께가 상기 제2-1 반사층(251p)의 두께보다 두꺼우므로 격자 품질을 향상시켜 광출력에 기여할 수 있다.
또한 알루미늄 농도가 상대적으로 높은 제2-1 반사층(251p)의 두께가 상기 제2-3 반사층(251r) 또는 제2-4 반사층(251s)의 두께보다 두꺼우므로 격자 품질을 향상시켜 광출력에 기여할 수 있다.
예를 들어, 상기 제2-2 반사층(251q)의 두께는 약 50~55nm일 수 있으며, 상기 제2-1 반사층(251p)의 두께는 약 26~32nm일 수 있고, 알루미늄 농도가 상대적으로 높은 제2-2 반사층(251q)의 두께가 상기 제2-1 반사층(251p)의 두께보다 두꺼우므로 격자 품질을 향상시켜 광출력에 기여할 수 있다.
또한 상기 제2-3 반사층(251r)의 두께는 약 22~27 nm일 수 있으며, 상기 제2-4 반사층(251s)의 두께는 약 22~27 nm일 수 있으며, 알루미늄 농도가 상대적으로 높은 제2-2 반사층(251q), 제2-1 반사층(251p)의 두께가 제2-3 반사층(251r), 제2-4 반사층(251s)보다 두꺼우므로 격자 품질을 향상시켜 광출력에 기여할 수 있다.
계속하여 도 8을 참조하면, 실시예에서 상기 제2 그룹 제2 반사층(252)은 제2-5 반사층(252p), 제2-6 반사층(252q), 제2-7 반사층(252r) 및 제2-8 반사층(252s)을 포함할 수 있으며, 각 층은 굴절률이 서로 다를 수 있다.
예를 들어, 상기 제2 그룹 제2 반사층(252)은, 제5 굴절률을 가지는 제2-5 반사층(252p)과, 상기 제5 굴절률보다 낮은 제6 굴절률을 가지며 상기 제2-5 반사층(252p)의 일측에 배치되는 제2-6 반사층(252q) 및 상기 제5 굴절률과 상기 제6 굴절률 사이의 제7 굴절률을 가지며 상기 제2-5 반사층(252p)과 제2-6 반사층(252q)의 사이에 배치되는 제2-7 반사층(252r)을 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 제2 그룹 제2 반사층(252)은, 제5 알루미늄 농도를 가지는 제2-5 반사층(252p)과, 상기 제5 알루미늄 농도보다 높은 제6 알루미늄 농도를 가지며 상기 제2-5 반사층(252p)의 일측에 배치되는 제2-6 반사층(252q) 및 상기 제5 알루미늄 농도에서 상기 제6 알루미늄 농도로 변화하는 제7 알루미늄 농도를 가지며 상기 제2-5 반사층(252p)과 상기 제2-6 반사층(252q) 사이에 배치되는 제2-7 반사층(252r)을 포함할 수 있다.
예를 들어, 제2 그룹 제2 반사층(252)이 AlxGa(1-x)As(0<x<1)를 포함하는 경우, 제2-5 반사층(252p)이 Al0.12Ga0.88As일 수 있으며, 제2-6 반사층(252q)은 Al0.88Ga0.12As일 수 있고, 제2-7 반사층(252r)은 Alx3Ga(1-x3)As(0.12≤X3≤0.88)일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
또한 상기 제2 그룹 제2 반사층(252)은, 상기 제2-6 반사층(252q)의 외측에 배치되며 제5 알루미늄 농도에서 상기 제6 알루미늄 농도로 변화하는 제8 알루미늄 농도를 가지는 제2-8 반사층(252s)을 더 포함할 수 있다.
예를 들어, 제2 그룹 제2 반사층(252)이 AlxGa(1-x)As(0<x<1)를 포함하는 경우, 제2-8 반사층(252s)은 Alx4Ga(1-x4)As(0.12≤X4≤0.88)일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
이를 통해, 실시예에 의하면 인접한 제2-5 반사층(252p)과 제2-6 반사층(252q) 사이에 중간 영역의 알루미늄 농도를 구비한 제2-7 반사층(252r) 또는 제2-8 반사층(252s)을 구비함으로써 인접한 반사층 사이 계면(interface)에서 에너지 밴드 벤딩(Energy Band Bending)에 의한 전기장(Electric Field) 발생을 최소화하여 캐리어 장벽(barrier)을 낮춤으로써 광출력을 향상시킬 수 있는 기술적 효과가 있다.
이에 따라 실시예에 의하면, 반사층에서의 전기장 발생에 따른 캐리어 배리어 영향을 최소화하여 광출력을 향상시킬 수 있는 표면발광 레이저소자 및 이를 포함하는 발광장치를 제공할 수 있다.
또한 실시예에서 상기 제2-6 반사층(252q)의 두께는 상기 제2-5 반사층(252p)의 두께보다 두꺼울 수 있다. 또한 상기 제2-5 반사층(252p) 또는 상기 제2-6 반사층(252q)의 두께는 상기 제2-7 반사층(252r) 또는 상기 제2-8 반사층(252s)의 두께보다는 두꺼울 수 있다.
이때 제2-6 반사층(252q)의 제6 알루미늄 농도는 제2-5 반사층(252p)의 제5 알루미늄 농도보가 높을 수 있다. 또한 제2-5 반사층(252p)의 제5 알루미늄 농도는 제2-7 반사층(252r)의 제7 알루미늄 농도 또는 제2-8 반사층(252s)의 제8 알루미늄 농도보다 높을 수 있다.
이에 따라 알루미늄 농도가 상대적으로 높은 제2-6 반사층(252q)의 두께가 상기 제2-5 반사층(252p)의 두께보다 두꺼우므로 격자 품질을 향상시켜 광출력에 기여할 수 있다.
또한 알루미늄 농도가 상대적으로 높은 제2-5 반사층(252p)의 두께가 상기 제2-7 반사층(252r) 또는 제2-8 반사층(252s)의 두께보다 두꺼우므로 격자 품질을 향상시켜 광출력에 기여할 수 있다.
예를 들어, 상기 제2-6 반사층(252q)의 두께는 약 50~55nm일 수 있으며, 상기 제2-5 반사층(252p)의 두께는 약 40~45nm일 수 있고, 알루미늄 농도가 상대적으로 높은 제2-6 반사층(252q)의 두께가 상기 제2-5 반사층(252p)의 두께보다 두꺼우므로 격자 품질을 향상시켜 광출력에 기여할 수 있다.
또한 상기 제2-7 반사층(252r)의 두께는 약 22~27 nm일 수 있으며, 상기 제2-8 반사층(252s)의 두께는 약 22~27 nm일 수 있으며, 알루미늄 농도가 상대적으로 높은 제2-6 반사층(252q), 제2-5 반사층(252p)의 두께가 제2-7 반사층(252r), 제2-8 반사층(252s)보다 두꺼우므로 격자 품질을 향상시켜 광출력에 기여할 수 있다.
종래기술에 의하면 정상파(Standing wave)가 DBR과 계면(interference)에서 진행될 이러한 도펀트에 의하여 흡수가 일어날 가능성이 있다. 이에 따라 실시예는 정상파의 광학적 반사도(optical power reflectance)가 가장 작은 노드 포지션(node position)에서는 많은 도핑을 진행하여 저항을 최소화하고, 안티노드 포지션(antinode position)에서는 되도록이면 낮은 도핑을 진행함으로써 광흡수를 최소화할 수 있는 기술적 효과가 있다. 상기 노드 포지션은 각 층의 굴절률이 상승 또는 하강하여 변화하는 지점을 의미할 수 있다.
계속하여 도 8을 참조하면, 상기 제1 그룹 제2 반사층(251)에서 제2-1 반사층(251p)과 제2-2 반사층(251q)의 굴절률은 상점 또는 하점으로 변화하지 않는 안티노드 포지션일 수 있다. 또한 상기 제1 그룹 제2 반사층(251)에서 제2-3 반사층(251r)과 제2-4 반사층(251s)의 굴절률은 상승 또는 또는 하강하여 변화하는 노드 포지션일 수 있다.
이에 따라 실시예에서 제2-3 반사층(251r) 또는 제2-4 반사층(251s)의 제2 도전형 도핑농도는 제2-1 반사층(251p) 또는 제2-2 반사층(251q)의 제2 도전형 도핑농도 보다 높게 제어할 수 있다.
예를 들어, 제2-3 반사층(251r) 또는 제2-4 반사층(251s)의 제2 도전형 도핑농도는 약 1.00E18 내지 1.50E18일 수 있으며, 제2-1 반사층(251p) 또는 제2-2 반사층(251q)의 제2 도전형 도핑농도는 약 6.00E17 내지 8.00E17일 수 있다.
이에 따라 정상파의 광학적 반사도(optical power reflectance)가 낮은 노드 포지션(node positio)인 제2-3 반사층(251r) 또는 제2-4 반사층(251s)에서는 많은 도핑을 진행하여 저항을 최소화하고, 안티노드 포지션(antinode position)인 제2-1 반사층(251p) 또는 제2-2 반사층(251q)에서는 낮은 도핑을 진행함으로써 광흡수를 최소화할 수 있는 복합적인 기술적 효과가 있다.
또한 실시예에서 노드 포지션인 제2-3 반사층(251r) 또는 제2-4 반사층(251s) 중에 활성영역(230)에서 멀어지는 방향으로 굴절률이 증가하는 노드 포지션인 제2-4 반사층(251s)의 제2 도전형 도펀트의 농도가 굴절률이 감소하는 노드 포지션인 제2-3 반사층(251r)의 제2 도전형 도펀트의 농도보다 높게 제어할 수 있다.
이를 통해 광학적 반사도가 상대적으로 더 낮은 굴절률이 증가하는 노드 포지션인 제2-4 반사층(251s)의 제2 도전형 도펀트의 농도를 높게 제어하여 전기적 특성을 개선할 수 있다.
계속하여 도 8을 참조하면, 상기 제2 그룹 제2 반사층(252)에서 제2-5 반사층(252p)과 제2-6 반사층(252q)의 굴절률은 상점 또는 하점으로 변화하지 않는 안티노드 포지션일 수 있다. 또한 상기 제2 그룹 제2 반사층(252)에서 제2-7 반사층(252r)과 제2-8 반사층(252s)의 굴절률은 상승 또는 또는 하강하여 변화하는 노드 포지션일 수 있다.
실시예는 제2-7 반사층(252r) 또는 제2-8 반사층(252s)의 제2 도전형 도핑농도는 제2-5 반사층(252p) 또는 제2-6 반사층(252q)의 제2 도전형 도핑농도 보다 높게 제어할 수 있다.
이에 따라 정상파의 광학적 반사도(optical power reflectance)가 낮은 노드 포지션(node position)인 제2-7 반사층(252r) 또는 제2-8 반사층(252s)에서는 많은 도핑을 진행하여 저항을 최소화하고, 안티노드 포지션(antinode position)인 제2-5 반사층(252p) 또는 제2-6 반사층(252q)에서는 낮은 도핑을 진행함으로써 광흡수를 최소화할 수 있는 복합적인 기술적 효과가 있다.
또한 실시예에서 노드 포지션인 제2-7 반사층(252r) 또는 제2-8 반사층(252s) 중에 활성영역(230)에서 멀어지는 방향으로 굴절률이 증가하는 노드 포지션인 제2-8 반사층(252s)의 제2 도전형 도펀트의 농도가 굴절률이 감소하는 노드 포지션인 제2-7 반사층(252r)의 제2 도전형 도펀트의 농도보다 높게 제어할 수 있다.
이를 통해 광학적 반사도가 상대적으로 더 낮은 굴절률이 증가하는 노드 포지션인 제2-8 반사층(252s)의 제2 도전형 도펀트의 농도를 높게 제어하여 전기적 특성을 개선할 수 있다.
실시예에 의하면 광학적 반사도가 상대적으로 더 낮은 굴절률이 증가하는 노드 포지션인 제2-4 반사층의 제2 도전형 도펀트의 농도를 높게 제어하여 전기적 특성을 개선함으로써 전압효율을 향상시키면서도 광출력도 향상시킬 수 있는 표면발광 레이저소자 및 이를 포함하는 발광장치를 제공할 수 있다.
<활성영역>
다시 도 4를 참조하면, 활성영역(230)이 제1 반사층(220)과 제2 반사층(250) 사이에 배치될 수 있다.
상기 활성영역(230)은 활성층(232)과 적어도 하나 이상의 캐비티(231, 233)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 활성영역(230)은 활성층(232)과, 상기 활성층(232)의 하측에 배치되는 제1 캐비티(231), 상측에 배치되는 제2 캐비티(233)를 포함할 수 있다. 실시예의 활성영역(230)은 제1 캐비티(231)와 제2 캐비티(233)를 모두 포함하거나, 둘 중의 하나만 포함할 수도 있다.
상기 활성층(232)은 단일 우물구조, 다중 우물구조, 단일 양자우물 구조, 다중 양자우물(MQW: Multi Quantum Well) 구조, 양자점 구조 또는 양자선 구조 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 활성층(232)은 Ⅲ-Ⅴ족 원소의 화합물 반도체 재료를 이용하여 양자우물층(232a)과 양자벽층(232b)을 포함할 수 있다. 상기 양자우물층(232a)은 상기 양자벽층(232b)의 에너지 밴드 갭보다 작은 에너지 밴드 갭을 갖는 물질로 형성될 수 있다. 상기 활성층(232)은 InGaAs/AlxGaAs, AlGaInP/GaInP, AlGaAs/AlGaAs, AlGaAs/GaAs, GaAs/InGaAs 등의 1 내지 3 페어 구조로 형성될 수 있으나 이에 한정되지는 않는다. 상기 활성층(232)에는 도펀트가 도핑되지 않을 수 있다.
다음으로 상기 제1 캐비티(231)와 상기 제2 캐비티(233)는 AlyGa(1-y)As(0<y<1) 물질로 형성될 수 있으나 이에 한정되지 않는다. 예를 들어, 상기 제1 캐비티(231)와 상기 제2 캐비티(233)는 각각 AlyGa(1-y)As으로된 복수의 층을 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 제1 캐비티(231)는 제1-1 캐비티층(231a)과 제1-2 캐비티층(231b)을 포함할 수 있다. 상기 제1-1 캐비티층(231a)은 상기 제1-2 캐비티층(231b)에 비해 상기 활성층(232)에서 더 이격될 수 있다. 상기 제1-1 캐비티층(231a)은 상기 제1-2 캐비티층(231b)에 비해 더 두껍게 형성될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
예를 들어, 상기 제1-1 캐비티층(231a)이 약 60~70nm로 형성되고, 상기 제1-2 캐비티층(231b)은 약 40~55nm로 형성될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
또한 상기 제2 캐비티(233)는 제2-1 캐비티층(233a)과 제2-2 캐비티층(233b)을 포함할 수 있다. 상기 제2-2 캐비티층(233b)은 상기 제2-1 캐비티층(233a)에 비해 상기 활성층(232)에서 더 이격될 수 있다. 상기 제2-2 캐비티층(233b)은 상기 제2-1 캐비티층(233a)에 비해 더 두껍게 형성될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 제2-2 캐비티층(233b)이 약 60~70nm로 형성되고, 상기 제2-1 캐비티층(233a)은 약 40~55nm로 형성될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
<애퍼처 영역>
다시 도 3을 참조하면, 실시예에서 애퍼처 영역(240)은 절연영역(242)과 애퍼처(241)를 포함할 수 있다. 상기 애퍼처(241)는 개구로 칭해질 수 있으며, 상기 애퍼처 영역(240)은 개구 영역으로 칭해질 수도 있다.
상기 절연영역(242)은 절연층, 예를 들어 알루미늄 산화물로 이루어져서 전류 차단영역으로 작용할 수 있으며, 절연영역(242)에 의해 광 발산 영역인 애퍼처(241)가 정의될 수 있다.
예를 들어, 상기 애퍼처 영역(240)이 AlGaAs(aluminum gallium arsenide)를 포함하는 경우, 애퍼처 영역(240)의 AlGaAs가 H2O와 반응하여 가장자리가 알루미늄산화물(Al2O3)로 변함에 따라 절연영역(242)이 형성될 수 있고, H2O와 반응하지 않은 중앙영역은 AlGaAs로 이루어진 애퍼처(241)가 될 수 있다.
실시예에 의하면, 애퍼처(241)를 통해 활성영역(230)에서 발광된 광을 상부 영역으로 발산할 수 있으며, 절연영역(242)과 비교하여 애퍼처(241)의 광 투과율이 우수할 수 있다.
도 4를 참조하면 상기 절연영역(242)은 복수의 층을 포함할 수 있으며, 예를 들어, 상기 절연영역(242)은 제1 절연층(242a) 및 제2 절연층(242b)을 포함할 수 있다. 상기 제1 절연층(242a)의 두께는 상기 제2 절연층(242b)과 서로 같거나 서로 다른 두께로 형성될 수 있다.
<제2 전극, 오믹컨택층, 패시베이션층>
도 3을 참조하면, 실시예에 따른 표면방출 레이저소자(201)는 제2 반사층(250)으로부터 애퍼처 영역(240)과 활성영역(230)까지 메사 식각되어 에미터가 정의될 수 있다. 또한, 제1 반사층(220)의 일부까지도 메사 식각될 수 있다.
제2 반사층(250) 상에는 제2 전극(280) 배치될 수 있으며, 상기 제2 전극(280)은 컨택 전극(282)과 패드 전극(284)을 포함할 수 있다.
상기 컨택 전극(282)의 사이의 영역에서 제2 반사층(250)이 노출되는 영역에는 패시베이션층(270)이 배치될 수 있으며, 상술한 애퍼처(241)와 상하간에 대응될 수 있다. 상기 컨택 전극(282)은 제2 반사층(250)과 패드 전극(284) 사이의 오믹 접촉특성을 향상시킬 수 있다.
제2 전극(280)은 도전성 재료로 이루어질 수 있고, 예를 들면 금속일 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 전극(280)은 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 크롬(Cr), 니켈(Ni), 구리(Cu), 금(Au) 중 적어도 하나를 포함하여 단층 또는 다층 구조로 형성될 수 있다.
도 3에서 메사 식각된 발광 구조물의 측면과 상부면 및 제1 반사층(220)의 상부면에 패시베이션층(270)이 배치될 수 있다. 패시베이션층(270)은 소자 단위로 분리된 표면방출 레이저소자(201)의 측면에도 배치되어, 표면방출 레이저소자(201)를 보호하고 절연시킬 수 있다. 패시베이션층(270)은 절연성 물질로 이루어질 수 있고, 예를 들면 질화물 또는 산화물로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 패시베이션층(270)은 폴리이미드(Polymide), 실리카(SiO2), 또는 질화 실리콘(Si3N4) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
패시베이션층(270)은 발광 구조물의 상부면에서의 두께가 컨택 전극(282)보다 얇을 수 있으며, 이를 통해 컨택 전극(282)이 패시베이션층(270) 상부로 노출될 수 있다. 노출된 컨택 전극(282)과 전기적으로 접촉하며 패드 전극(284)이 배치될 수 있는데, 패드 전극(284)은 패시베이션층(270)의 상부로 연장되어 배치되어 외부로부터 전류를 공급받을 수 있다.
(제조방법)
이하 도 9 내지 도 16b를 참조하여 실시예에 따른 표면발광 레이저소자의 제조방법을 설명하기로 한다.
우선, 도 9와 같이, 기판(210) 상에 제1 반사층(220), 활성영역(230) 및 제2 반사층(250)을 포함하는 발광구조물을 형성시킨다.
상기 기판(210)은 반도체 물질 성장에 적합한 물질이나 캐리어 웨이퍼로 형성될 수 있으며, 열 전도성이 뛰어난 물질로 형성될 수 있고, 전도성 기판 또는 절연성 기판을 포함할 수 있다.
예를 들어, 기판(210)이 전도성 기판인 경우, 전기 전도도가 우수한 금속을 사용할 수 있고, 표면발광 레이저소자(200) 작동 시 발생하는 열을 충분히 발산시킬 수 있어야 하므로 열전도도가 높은 GaAs 기판, 또는 금속기판을 사용하거나 실리콘(Si) 기판 등을 사용할 수 있다.
또한 기판(210)이 비전도성 기판인 경우, AlN 기판이나 사파이어(Al2O3) 기판 또는 세라믹 계열의 기판을 사용할 수 있다.
또한 실시예는 기판(210)으로 제1 반사층(220)과 동종의 기판을 사용할 수 있다. 예를 들어, 기판(210)이 제1 반사층(220)과 동종인 GaAs 기판일 때 제1 반사층(210)과 격자 상수가 일치하여, 제1 반사층(220)에 격자 부정합 등의 결함이 발생하지 않을 수 있다.
다음으로, 기판(210) 상에 제1 반사층(220)이 형성될 수 있으며, 도 10은 도 9에 도시된 실시예에 따른 표면발광 레이저소자의 제2 영역(B2)의 확대 단면도이다.
이하 도 9와 도 10을 함께 참조하여 실시예의 실시예에 따른 표면발광 레이저소자를 설명하기로 한다.
상기 제1 반사층(220)은 화학증착방법(CVD) 혹은 분자선 에피택시(MBE) 혹은 스퍼터링 혹은 수산화물 증기상 에피택시(HVPE) 등의 방법을 사용하여 성장될 수 있다.
상기 제1 반사층(220)은 제1 도전형으로 도핑될 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 도전형 도펀트는 Si, Ge, Sn, Se, Te 등과 같은 n형 도펀트를 포함할 수 있다.
상기 제1 반사층(220)은 갈륨계 화합물, 예를 들면 AlGaAs를 포함할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 제1 반사층(220)은 분산 브래그 반사기(DBR: Distributed Bragg Reflector)일 수 있다. 예를 들어, 제1 반사층(220)은 서로 다른 굴절률을 가지는 물질로 이루어진 층들이 교대로 적어도 1회 이상 적층된 구조일 수 있다.
예를 들어, 도 10과 같이, 상기 제1 반사층(220)은 상기 기판(210) 상에 배치된 제1 그룹 제1 반사층(221) 및 상기 제1 그룹 제1 반사층(221) 상에 배치된 제2 그룹 제1 반사층(222)을 포함할 수 있다.
상기 제1 그룹 제1 반사층(221)과 제2 그룹 제1 반사층(222)은 AlxGa(1-x)As(0<x<1)의 조성식을 갖는 반도체 물질로 이루어진 복수의 층을 구비할 수 있으며, 각 층 내의 Al이 증가하면 각 층의 굴절률은 감소하고, Ga가 증가하면 각 층의 굴절률은 증가할 수 있다.
또한 도 10과 같이, 제1 그룹 제1 반사층(221)과 제2 그룹 제1 반사층(222)도 각각 단일 또는 복수의 층으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 제1 그룹 제1 반사층(221)은 제1 그룹 제1-1 층(221a)과 제1 그룹 제1-2 층(221b)의 약 30~40 페어(pair)를 포함할 수 있다. 또한, 제2 그룹 제1 반사층(222)도 제2 그룹 제1-1 층(222a)과 제2 그룹 제1-2 층(222b)의 약 5~15 페어(pair)를 포함할 수 있다.
다음으로, 제1 반사층(220) 상에 활성영역(230)이 형성될 수 있다.
도 10과 같이, 상기 활성영역(230)은 활성층(232) 및 상기 활성층(232)의 하측에 배치되는 제1 캐비티(231), 상측에 배치되는 제2 캐비티(233)를 포함할 수 있다. 실시예의 활성영역(230)은 제1 캐비티(231)와 제2 캐비티(233)를 모두 포함하거나, 둘 중의 하나만 포함할 수도 있다.
상기 활성층(232)은 Ⅲ-Ⅴ족 원소의 화합물 반도체 재료를 이용하여 양자우물층(232a)과 양자벽층(232b)을 포함할 수 있다. 상기 활성층(232)은 InGaAs/AlxGaAs, AlGaInP/GaInP, AlGaAs/AlGaAs, AlGaAs/GaAs, GaAs/InGaAs 등의 1 내지 3 페어 구조로 형성될 수 있으나 이에 한정되지는 않는다. 상기 활성층(232)에는 도펀트가 도핑되지 않을 수 있다.
상기 제1 캐비티(231)와 상기 제2 캐비티(233)는 AlyGa(1-y)As(0<y<1) 물질로 형성될 수 있으나 이에 한정되지 않는다. 예를 들어, 상기 제1 캐비티(231)와 상기 제2 캐비티(233)는 각각 AlyGa(1-y)As으로된 복수의 층을 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 제1 캐비티(231)는 제1-1 캐비티층(231a)과 제1-2 캐비티층(231b)을 포함할 수 있다. 또한 상기 제2 캐비티(233)는 제2-1 캐비티층(233a)과 제2-2 캐비티층(233b)을 포함할 수 있다.
다음으로, 활성영역(230) 상에 애퍼처 영역(240)을 형성하기 위한 AlGa 계열층(241a)을 형성할 수 있다. 상기 AlGa 계열층(241a)은 복수의 층을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 AlGa 계열층(241a)은 제1 AlGa 계열층(241a1)과 제2 AlGa 계열층(241a2)을 포함할 수 있다.
상기 AlGa 계열층(241a)은 AlzGa(1-z)As(0<z<1) 등의 물질을 포함할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 AlGa 계열층(241a)은 도전성 재료를 포함할 수 있으며, 제1 반사층(220) 및 제2 반사층(250)과 동종의 재료를 포함할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
예를 들어, 상기 AlGa 계열층(241a)이 AlGaAs 계열물질을 포함하는 경우, 상기 AlGa 계열층(241a)은 AlxGa(1-x)As(0<x<1)의 조성식을 갖는 반도체 물질로 이루어질 수 있으며, 예를 들면 Al0.98Ga0.02As의 조성식을 가질 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
다음으로, 상기 AlGa 계열층(241a)상에 제2 반사층(250)이 형성될 수 있다.
상기 제2 반사층(250)은 갈륨계 화합물 예를 들면 AlGaAs를 포함할 수 있다. 예를 들어, 제2 반사층(250)의 각 층은 AlGaAs를 포함할 수 있고, 상세하게는 AlxGa(1-x)As(0<x<1)의 조성식을 갖는 반도체 물질로 이루어질 수 있다.
상기 제2 반사층(250)은 제2 도전형 도펀트가 도핑될 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 도전형 도펀트는 Mg, Zn, Ca, Sr, Ba 등과 같은 p형 도펀트일 수 있다.
상기 제2 반사층(250)도 분산 브래그 반사기(DBR: Distributed Bragg Reflector)일 수 있다. 예를 들어, 제2 반사층(250)은 서로 다른 굴절률을 가지는 물질로 이루어진 복수의 층이 교대로 적어도 1회 이상 적층된 구조일 수 있다.
예를 들어, 상기 제2 반사층(250)은 상기 활성영역(230)에 인접하게 배치된 제1 그룹 제2 반사층(251) 및 상기 제1 그룹 제2 반사층(251)보다 상기 활성영역(230)에서 이격배치 된 제2 그룹 제2 반사층(252)을 포함할 수 있다.
또한 상기 제1 그룹 제2 반사층(251)과 제2 그룹 제2 반사층(252)도 각각 단일 또는 복수의 층으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 제1 그룹 제2 반사층(251)은 제1 그룹 제2-1 층(251a)과 제1 그룹 제2-2 층(251b)의 약 1~5 페어(pair)를 포함할 수 있다 또한, 제2 그룹 제2 반사층(252)도 제2 그룹 제2-1 층(252a)과 제2 그룹 제2-2 층(252b)의 약 5~15 페어(pair)를 포함할 수 있다.
다음으로 도 11은 도 10에 도시된 실시예에 따른 표면발광 레이저소자의 제2 반사층의 제1 영역(250S)에 대한 제1 에너지 밴드다이어그램이다.
이하의 설명은 제2 반사층(250)을 중심으로 설명되나 실시예의 기술적 특징은 제1 반사층(220)에도 적용이 가능하다.
도 11을 참조하면, 실시예의 제1 그룹의 제2 반사층(251)은 복수의 층을 포함할 수 있다. 예를 들어, 실시예의 제1 그룹의 제2 반사층(251)은 제1 AlGaAs계열층(251a)과 제2 AlGaAs계열층(251b) 및 이들 사이에 그레이딩 AlGaAs계열층(251m)을 포함할 수 있다.
예를 들어, 제1 그룹 제2 반사층(251)이 AlxGa(1-x)As(0<x<1)를 포함하는 경우, 제1 그룹 제2 반사층(251)은 Alx1Ga(1-x1)As(단, 0<X1<0.2)를 포함하는 제1 AlGaAs계열층(251a)과, 상기 제1 AlGaAs계열층(251a) 상에 배치되며, Alx2Ga(1-x2)As(단, 0.8<X2<1.0)를 포함하는 제2 AlGaAs계열층(251b) 및 상기 제1 AlGaAs계열층(251a)과 상기 제2 AlGaAs계열층(251b) 사이에 배치되는 Aly1Ga(1-y1)As(단, X1<y1<X2)를 포함하는 그레이딩 AlGaAs계열층(251m)을 포함할 수 있다.
이를 통해, 실시예에 의하면 인접한 제1 AlGaAs계열층(251a)과 제2 AlGaAs계열층(251b) 사이에 중간 영역의 알루미늄 농도를 구비한 그레이딩 AlGaAs계열층(251m)을 구비함으로써 인접한 반사층 사이 계면(interface)에서 에너지 밴드 벤딩(Energy Band Bending)에 의한 전기장(Electric Field) 발생을 최소화하여 캐리어 장벽(barrier)을 낮춤으로써 광출력을 향상시킬 수 있는 기술적 효과가 있다.
다음으로 실시예의 기술적 과제 중의 하나는 실시예는 전기적 특성을 향상시키면서도 열저항이 발생되지 않음으로써 광 효율도 함께 향상될 수 있는 표면발광 레이저소자 및 이를 포함하는 발광장치를 제공하고자 함이다.
앞서 기술한 바와 같이, 비공개 내부기술에 의하면 DBR층 사이 계면에서의 전기저항을 낮추기 위한 시도가 있으나, 이러한 시도는 DBR층에서의 열저항 증대로 인해 광 효율을 저하시키는 문제를 유발하게 되어 기술적 모순상황이 발생되고 있다.
예를 들어 도 5b와 같이, 비공개 내부기술에 의하면 DBR층에서 전기적 저항 감소를 위해 고/저굴절율 계면에 그레이딩 AlGaAs계열층(251m)을 삽입 시 Al조성이 약 20~80% 범위(Xt)에서 합금 산란(alloy scattering)으로 인한 열저항이 상승한다. 이에 따라 전기저항 저감을 위해 삽입된 그레이딩 AlGaAs계열층(251m) 적용에 따라 열저항 발생으로 광 효율이 저하되는 기술적 모순이 발생하고 있다.
도 12는 실시예에 따른 표면발광 레이저소자의 제2 반사층의 부분 확대도이다.
도 12를 참조하면, 실시예의 제2 반사층(250)은, 제1 AlGaAs계열층(251a)과 제2 AlGaAs계열층(251b) 사이에 배치되는 AlGaAs계열 전이영역(251t)을 포함할 수 있다.
실시예의 제2 반사층(250)은, Alx1Ga(1-x1)As(단, 0<X1<0.2)를 포함하는 제1 AlGaAs계열층(251a)과, 상기 제1 AlGaAs계열층(251a) 상에 배치되며, Alx2Ga(1-x2)As(단, 0.8<X2<1.0)를 포함하는 제2 AlGaAs계열층(251b) 및 상기 제1 AlGaAs계열층(251a)과 상기 제2 AlGaAs계열층(251b) 사이에 배치되는 AlGaAs계열 전이영역(251t)을 포함할 수 있다.
이때 실시예에서 상기 AlGaAs계열 전이영역(251t)은, Alx3Ga(1-x3)As(단,0<X3<0.2)를 포함하는 제3 AlGaAs계열층(251c) 및 Alx4Ga(1-x4)As(단,0.8<X4<1.0)를 포함하는 제4 AlGaAs계열층(251d)을 포함하고, 상기 제3 AlGaAs계열층(251c) 및 상기 제4 AlGaAs계열층(251d)은 교대로 복수의 층들이 배치될 수 있다.
실시예에 의하면 상기 제3 AlGaAs계열층(251c)의 Al의 농도(X3)는 상기 제1 AlGaAs계열층(251a)의 Al의 농도(X1)는 보다는 높되 20%이하로 제어되어 열저항이 유발되는 것이 방지될 수 있으며, 상기 제4 AlGaAs계열층(251d)의 Al의 농도(X4)는 상기 제2 AlGaAs계열층(251b)의 Al의 농도(X2)는 보다는 낮되 80% 이상으로 제어되어 열저항이 발생되는 것을 방지할 수 있다.
예를 들어, 실시예에서 AlGaAs계열 전이영역(251t)은 열저항이 낮은 Alx3Ga(1-x3)As(단, X1<X3<0.2)의 제3 AlGaAs계열층(251c) 및 열저항이 낮은 Alx4Ga(1-x4)As(단, 0.8<X4<X2)의 제4 AlGaAs계열층(251d)을 포함하며, 상기 AlGaAs계열 전이영역(251t)이 상기 제1 AlGaAs계열층(251a)과 상기 제2 AlGaAs계열층(251b) 사이에 배치됨으로써 열저항이 발생되지 않음으로써 광 효율이 향상되고 전기적 특성도 향상시킬 수 있는 복합적 기술적 효과가 있다.
예를 들어, 도 6b와 같이 2,000mA 내지 2,500mA 이상의 고전류 영역에서는 비교예(R)와 같이 열저항 발생으로 인해 광 파워가 현저히 낮아지게 되는데, 실시예(E)에 의하면 AlGaAs계열 전이영역(251t)이 제1 AlGaAs계열층(251a)과 제2 AlGaAs계열층(251b) 사이에 배치됨으로써 열저항이 발생되지 않음으로써 광 효율이 향상되고 전기적 특성도 향상시킬 수 있는 복합적 기술적 효과가 있다.
다시 도 12를 참조하면, 실시예에 의하면 상기 제3 AlGaAs계열층(251c)의 Al의 농도(X3)는 8% 내지 20% 이하, 바람직하게는12% 내지 20% 이하로 제어될 수 있다. 이를 통해 상기 제3 AlGaAs계열층(251c)의 Al의 농도(X3)가 20%이하로 제어되어 열저항이 유발되는 것이 방지될 수 있으며, 상기 제3 AlGaAs계열층(251c)의 Al의 농도(X3)가 8% 이상으로 제어되어 제1 AlGaAs계열층(251a)의 Al의 농도(X1)보다는 높게 제어되어 이후 형성되는 제4 AlGaAs계열층(251d)의 Al 농도(X4)와의 차이를 최소화하여 열저항을 낮추면서도 결정 품질이나 전기적 저항 특성을 유지 내지 향상시킬 수 있는 기술적 효과가 있다.
또한 상기 제4 AlGaAs계열층(251d)의 Al의 농도(X4)는 80% 내지 92%이하, 바람직하게는80% 내지 88% 이하로 제어될 수 있다. 이를 통해 상기 제4 AlGaAs계열층(251d)의 Al의 농도(X4)가 80%이상으로 제어되어 열저항이 유발되는 것이 방지될 수 있으며, 상기 제4 AlGaAs계열층(251d)의 Al의 농도(X4)가 92% 이하로 제어되어 제4 AlGaAs계열층(251d)의 Al의 농도(X4)보다는 낮게 제어되어 이후 형성되는 제3 AlGaAs계열층(251c)의 Al 농도(X3)와의 차이를 최소화하여 열저항을 낮추면서도 결정 품질이나 전기적 저항 특성을 유지 내지 향상시킬 수 있는 기술적 효과가 있다.
계속하여 도 12를 참조하면, 제2 반사층(250)에서 AlGaAs계열 전이영역(251t)의 두께는 상기 제1 AlGaAs계열층(251a)과 상기 제2 AlGaAs계열층(251b)의 각각의 두께보다는 얇을 수 있다. 즉, 상기 제1 AlGaAs계열층(251a)과 상기 제2 AlGaAs계열층(251b)의 각각의 두께는 상기 AlGaAs계열 전이영역(251t)의 두께보다 두꺼울 수 있다.
예를 들어, 상기 제1 AlGaAs계열층(251a)과 상기 제2 AlGaAs계열층(251b)의 각각의 두께는 상기 AlGaAs계열 전이영역(251t)의 두께보다 2배~3배 범위로 두꺼울 수 있다.
예를 들어, 상기 AlGaAs계열 전이영역(251t)의 두께는 약 15nm~28nm일 수 있고, 상기 제1 AlGaAs계열층(251a)과 상기 제2 AlGaAs계열층(251b)의 각각의 두께는 약 30nm 내지 84nm일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
실시예에 의하면 AlGaAs계열 전이영역(251t)의 두께를 상기 제1 AlGaAs계열층(251a)과 상기 제2 AlGaAs계열층(251b)의 각각의 두께보다 ?緞? 형성함으로써 제2 반사층(250)에서의 열저항의 발생을 최소화하여 광 효율이 향상되고 전기적 특성도 향상시킬 수 있는 기술적 효과가 있다.
또한 실시예에서 상기 복수의 제3 AlGaAs계열층(251c)은 상기 제1 AlGaAs계열층(251a)에서 상기 제2 AlGaAs계열층(251b) 방향으로 제1 두께(T1)가 얇아질 수 있다.
또한 상기 복수의 제3 AlGaAs계열층(251c)의 제1 두께(T1)는 상기 제1 AlGaAs계열층(251a)에서 상기 제2 AlGaAs계열층(251b) 방향으로 점차 얇아질 수 있다.
예를 들어, 상기 복수의 제3 AlGaAs계열층(251c)은 제3-1 AlGaAs계열층(251c1), 제3-2 AlGaAs계열층(251c2), 제3-3 AlGaAs계열층(251c3) 및 제3-4 AlGaAs계열층(251c4)을 포함할 수 있으며, 4nm이하, 예를 들어 각각 4nm, 3nm, 2nm 및 1nm로 형성됨으로써 터널링 효과를 극대화하여 전기적 저항의 감소의 효과 및 열저항 저하의 효과의 복합적 기술적 효과를 얻을 수 있다.
또한 상기 복수의 제4 AlGaAs계열층(251d)은 상기 제2 AlGaAs계열층(251b)에서 상기 제1 AlGaAs계열층(251a) 방향으로 두께가 얇아질 수 있다.
또한 상기 복수의 제4 AlGaAs계열층(251d)의 두께는 상기 제2 AlGaAs계열층(251b)에서 상기 제1 AlGaAs계열층(251a) 방향으로 점차 얇아질 수 있다.
예를 들어, 상기 복수의 제4 AlGaAs계열층(251d)은 제4-1 AlGaAs계열층(251d1), 제4-2 AlGaAs계열층(251d2), 제4-3 AlGaAs계열층(251d3) 및 제4-4 AlGaAs계열층(251d4)을 포함할 수 있으며, 4nm 이하, 예를 들어 각각 1nm, 2nm, 3nm 및 4nm로 형성됨으로써 터널링 효과를 극대화하여 전기적 저항의 감소의 효과 및 열저항 저하의 효과의 복합적 기술적 효과를 얻을 수 있다.
실시예에서 상기 각각의 제3 AlGaAs계열층(251c)과 제4 AlGaAs계열층(251d)은 하나의 페어(pair)를 이룰 수 있으며 3 내지 4 페어를 이룰 수 있고, 하나의 페어의 두께는 약 3nm 내지 4nm의 보어 반지름(Bohr radius) 이하로 제어되어 터널링 효과를 극대화할 수 있다.
이를 통해, 실시예에 의하면 터널링 효과를 극대화하여 전기적 저항의 감소의 효과 및 열저항 저하의 효과의 복합적 기술적 효과를 얻을 수 있다.
다음으로 도 13a는 실시예에 따른 표면발광 레이저소자의 제1 영역(C1) 확대도이고, 도 13b는 도 13a에 도시된 실시예에 따른 표면발광 레이저소자의 A1-A2선을 따른 단면도이다.
실시예는 도 13b와 같이, 소정의 마스크(300)를 사용하여 발광 구조물을 식각하여 메사영역(M)을 형성할 수 있다. 이때, 제2 반사층(250)으로부터 AlGa 계열층(241a)과 활성영역(230)까지 메사 식각될 수 있고, 제1 반사층(220)의 일부까지 메사 식각될 수도 있다. 메사 식각에서는 ICP(inductively coupled plasma) 에칭 방법으로, 주변 영역의 제2 반사층(250)으로부터 AlGa 계열층(241a)과 활성영역(230)을 제거할 수 있으며, 메사 식각 영역은 측면이 기울기를 가지고 식각될 수 있다.
다음으로 도 14a는 실시예에 따른 표면발광 레이저소자의 제1 영역(C1) 확대도이고, 도 14b는 도 14a에 도시된 실시예에 따른 표면발광 레이저소자의 A1-A2선을 따른 단면도이다.
실시예는 도 14b와 같이, AlGa 계열층(241a)의 가장 자리 영역을 절연영역(242)으로 변화시킬 수 있으며, 예를 들면 습식 산화(Wet Oxidation)으로 변화시킬 수 있다. 이를 통해 절연영역(242)과 비 산화영역인 애퍼처(241)를 포함하는 애퍼처 영역(240)을 형성할 수 있다.
예를 들어, AlGa 계열층(241a)의 가장 자리 영역으로부터 산소를 공급하면, AlGa 계열층의 AlGaAs가 H2O와 반응하여 알루미늄 산화물(Al2O3)가 형성될 수 있다. 이때, 반응 시간 등을 조절하여, AlGa 계열층의 중앙 영역은 산소와 반응하지 않고 가장 자리영역만 산소와 반응하여 알루미늄 산화물의 절연영역(242)이 형성될 수 있도록 한다.
또한 실시예는 이온 주입(Ion implantatio)을 통해 AlGa 계열층의 가장 자리 영역을 절연영역(242)으로 변화시킬 수도 있으며 이에 한정하지 않는다. 이온 주입 시에는 300keV 이상의 에너지로 포톤(photo)이 공급될 수 있다.
상술한 반응 공정 후에, 애퍼처 영역(240)의 중앙 영역은 도전성의 AlGaAs가 배치되고 가장 자리 영역에는 비도전성의 Al2O3가 배치될 수 있다. 중앙 영역의 AlGaAs는 활성영역(230)에서 방출되는 광이 상부 영역으로 진행되는 부분으로 애퍼처(241)로 정의될 수 있다.
다음으로 도 15a는 실시예에 따른 표면발광 레이저소자의 제1 영역(C1) 확대도이고, 도 15b는 도 15a에 도시된 실시예에 따른 표면발광 레이저소자의 A1-A2선을 따른 단면도이다.
도 15b와 같이, 발광 구조물의 상부면에 패시베이션층(270)이 형성될 수 있다. 상기 패시베이션층(270)은 폴리마이드(Polymide), 실리카(SiO2), 또는 질화 실리콘(Si3N4) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 패시베이션층(270)은 이후 형성되는 제2 전극(280)과 전기적으로 연결되도록 제2 반사층(250)의 일부를 노출시킬 수 있다.
다음으로 도 16a는 실시예에 따른 표면발광 레이저소자의 제1 영역부분(C1) 확대도이고, 도 16b는 도 16a에 도시된 실시예에 따른 표면발광 레이저소자의 A1-A2선을 따른 단면도이다.
실시예에 의하면 도 16b와 제2 반사층(250) 상에 컨택 전극(282)이 형성될 수 있으며, 컨택 전극(282)의 사이의 중앙영역은 애퍼처(241)와 대응될 수 있다. 상기 컨택 전극(282)은 제2 반사층(250)과의 오믹 접촉 특성을 향상시킬 수 있다. 상기 컨택 전극(282)과 상기 제2 반사층(250) 사이의 오믹접촉 특성을 향상시키기 위해 RTP(rapid thermal annealing)이 진행될 수 있다.
다음으로, 컨택 전극(282)과 전기적으로 접촉되는 패드 전극(284)이 형성될 수 있으며, 패드 전극(284)은 패시베이션층(270)의 상부로 연장되어 배치되어 외부로부터 전류를 공급받을 수 있다.
상기 컨택 전극(282)과 패드 전극(284)은 도전성 재료로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 컨택 전극(282)과 패드 전극(284)은 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 크롬(Cr), 니켈(Ni), 구리(Cu), 금(Au) 중 적어도 하나를 포함하여 단층 또는 다층 구조로 형성될 수 있다.
다음으로, 상기 기판(210)의 아래에는 제1 전극(215)이 배치될 수 있다. 상기 제1 전극(215)의 배치 전에 소정의 그라인딩 공정 등을 통해 상기 기판(210)의 저면 일부를 제거하여 방열 효율을 향상시킬 수 있다. 상기 제1 전극(215)은 도전성 재료로 이루어질 수 있고, 예를 들면 금속일 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 전극(215)은 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 크롬(Cr), 니켈(Ni), 구리(Cu), 금(Au) 중 적어도 하나를 포함하여 단층 또는 다층 구조로 형성될 수 있다.
도 17은 실시예에 따른 표면발광 레이저소자의 다른 단면도이다.
실시예에 따른 표면발광 레이저소자는 수직형 외에 도 17과 같이 제1 전극(215)과 제2 전극(280)의 방향이 동일한 플립 칩 형태일 수 있다.
예를 들어, 도 17과 같이 다른 실시예에 따른 표면발광 레이저소자는 제1 전극(215), 기판(210), 제1 반사층(220), 활성영역(230), 애퍼처 영역(240), 제2 반사층(250), 제2 전극(280), 제1 패시베이션층(271), 제2 패시베이션층(272), 비반사층(290) 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다. 이때 제2 반사층(250)의 반사율이 제1 반사층(220)의 반사율 보다 높게 설계될 수 있다.
이때 제1 전극(215)은 제1 컨택 전극(216)과 제1 패드 전극(217)을 포함할 수 있으며, 소정의 메사 공정을 통해 노출된 제1 반사층(220) 상에 제1 컨택 전극(216)이 전기적으로 연결되며, 제1 컨택 전극(216)에 제1 패드 전극(217)이 전기적으로 연결될 수 있다.
상기 제1 전극(215)은 도전성 재료로 이루어질 수 있고, 예를 들면 금속일 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 전극(215)은 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 크롬(Cr), 니켈(Ni), 구리(Cu), 금(Au) 중 적어도 하나를 포함하여 단층 또는 다층 구조로 형성될 수 있다.
상기 제1 반사층(220)이 n형 반사층인 경우, 상기 제1 전극(215)은 n형 반사층에 대한 전극일 수 있다.
다음으로, 제2 전극(280)은 제2 컨택 전극(282)과 제2 패드 전극(284)을 포함할 수 있으며, 제2 반사층(250) 상에 제2 컨택 전극(282)이 전기적으로 연결되며, 제2 컨택 전극(282)에 제2 패드 전극(284)이 전기적으로 연결될 수 있다.
상기 제2 반사층(250)이 p형 반사층인 경우, 상기 제2 전극(280)은 p형 반사층에 대한 전극일 수 있다.
상기 제1 절연층(271)과 제2 절연층(272)은 절연성 물질로 이루어질 수 있고, 예를 들면 질화물 또는 산화물로 이루어질 수 있으며, 예를 들어, 폴리이미드(Polymide), 실리카(SiO2), 또는 질화 실리콘(Si3N4) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
실시예는 전기적 특성을 향상시킬 수 있는 표면발광 레이저소자 및 이를 포함하는 발광장치를 제공할 수 있다.
또한 실시예는 전압효율을 향상시키면서도 광출력도 향상시킬 수 있는 표면발광 레이저소자 및 이를 포함하는 발광장치를 제공할 수 있다.
(이동 단말기)
다음으로 도 18은 실시예에 따른 표면발광 레이저소자가 적용된 이동 단말기의 사시도이다.
도 18에 도시된 바와 같이, 실시예의 이동 단말기(1500)는 후면에 제공된 카메라 모듈(1520), 플래쉬 모듈(1530), 자동 초점 장치(1510)를 포함할 수 있다. 여기서, 상기 자동 초점 장치(1510)는 발광부로서 앞서 설명된 실시예에 따른 표면발광 레이저소자의 패키지 중의 하나를 포함할 수 있다.
상기 플래쉬 모듈(1530)은 그 내부에 광을 발광하는 발광소자를 포함할 수 있다. 상기 플래쉬 모듈(1530)은 이동 단말기의 카메라 작동 또는 사용자의 제어에 의해 작동될 수 있다.
상기 카메라 모듈(1520)은 이미지 촬영 기능 및 자동 초점 기능을 포함할 수 있다. 예컨대 상기 카메라 모듈(1520)은 이미지를 이용한 자동 초점 기능을 포함할 수 있다.
상기 자동 초점 장치(1510)는 레이저를 이용한 자동 초점 기능을 포함할 수 있다. 상기 자동 초점 장치(1510)는 상기 카메라 모듈(1520)의 이미지를 이용한 자동 초점 기능이 저하되는 조건, 예컨대 10m 이하의 근접 또는 어두운 환경에서 주로 사용될 수 있다. 상기 자동 초점 장치(1510)는 앞서 기술된 실시예의 표면발광 레이저소자를 포함하는 발광부와, 포토 다이오드와 같은 빛 에너지를 전기 에너지로 변환하는 수광부를 포함할 수 있다.
이상에서 실시예들에 설명된 특징, 구조, 효과 등은 적어도 하나의 실시예에 포함되며, 반드시 하나의 실시예에만 한정되는 것은 아니다. 나아가, 각 실시예에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시예들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의해 다른 실시예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 실시예의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
이상에서 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 실시예를 한정하는 것이 아니며, 실시예가 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 설정하는 실시예의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (8)

  1. 제1 반사층;
    상기 제1 반사층 상에 배치되는 활성영역;
    상기 활성영역 상에 배치되는 애퍼처 영역; 및
    상기 애퍼처 영역 상에 배치되는 제2 반사층;을 포함하고,
    상기 제2 반사층은,
    Alx1Ga(1-x1)As(단, 0<X1<0.2)를 포함하는 제1 AlGaAs계열층;
    상기 제1 AlGaAs계열층 상에 배치되며, Alx2Ga(1-x2)As(단, 0.8<X2<1.0)를 포함하는 제2 AlGaAs계열층; 및
    상기 제1 AlGaAs계열층과 상기 제2 AlGaAs계열층 사이에 배치되는 AlGaAs계열 전이영역;을 포함하며,
    상기 AlGaAs계열 전이영역은,
    Alx3Ga(1-x3)As(단, 0<X3<0.2)를 포함하는 제3 AlGaAs계열층; 및 Alx4Ga(1-x4)As(단, 0.8<X4<1.0)를 포함하는 제4 AlGaAs계열층;을 포함하고,
    상기 제3 AlGaAs계열층 및 상기 제4 AlGaAs계열층은 교대로 복수의 층들이 배치되며,
    상기 복수의 제3 AlGaAs계열층은 상기 제1 AlGaAs계열층에서 상기 제2 AlGaAs계열층 방향으로 두께가 얇아지며,
    상기 복수의 제4 AlGaAs계열층은 상기 제2 AlGaAs계열층에서 상기 제1 AlGaAs계열층 방향으로 두께가 얇아지는 표면발광 레이저소자.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 AlGaAs계열층의 Al의 농도(X1) 및 상기 제3 AlGaAs계열층의 Al의 농도(X3)는 8% 내지 20%이며, ,
    상기 제2 AlGaAs계열층의 Al의 농도(X2) 및 상기 제4 AlGaAs계열층의 Al의 농도(X4)는 80% 내지 92%인 표면발광 레이저소자.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 제3 AlGaAs계열층의 Al의 농도(X3)는 12% 내지 20% 이하인 표면발광 레이저소자.
  4. 제2 항에 있어서,
    상기 제4 AlGaAs계열층의 Al의 농도(X4)는 80% 내지 88% 이하인 표면발광 레이저소자.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 AlGaAs계열 전이영역의 두께는 상기 제1 AlGaAs계열층과 상기 제2 AlGaAs계열층의 각각의 두께보다는 얇은 표면발광 레이저소자.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 복수의 제3 AlGaAs계열층의 두께는,
    상기 제1 AlGaAs계열층에서 상기 제2 AlGaAs계열층 방향으로 점차 얇아지며,
    상기 복수의 제3 AlGaAs계열층중 하나 층의 최대 두께는 4nm보다 작은 표면발광 레이저소자.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 복수의 제4 AlGaAs계열층의 두께는,
    상기 제2 AlGaAs계열층에서 상기 제1 AlGaAs계열층 방향으로 점차 얇아지며,
    상기 복수의 제4 AlGaAs계열층중 하나 층의 최대 두께는 4nm 보다 작은 표면발광 레이저소자.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 하나의 표면발광 레이저소자를 포함하는 발광장치.
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