KR102502918B1 - 표면발광레이저 소자 - Google Patents

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Abstract

표면발광레이저 소자는 기판 상에 배치되는 제1 반사층과, 제1 반사층 상에 배치되는 활성층과, 활성층 상에 배치되며 개구부(Aperture) 및 절연영역을 포함하는 산화층과, 산화층 상에 배치되고 전류확산층을 포함하는 제2 반사층을 포함한다.
전류확산층의 도핑 농도는 5E17/cm3 이하일 수 있다.

Description

표면발광레이저 소자{A VERTICAL-CAVITY SURFACE-EMITTING LASER DEVICE}
실시예는 표면발광레이저 소자에 관한 것이다.
GaAs, AlGaAs 등의 화합물을 포함하는 반도체 소자는 넓고 조정이 용이한 밴드 갭 에너지를 이용하여 다양한 파장대역의 광을 방출할 수 있어, 발광 소자, 수광 소자 및 각종 다이오드 등으로 다양하게 사용될 수 있다.
특히, 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 광선의 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 소자는 3-5족 또는 2-6족 화합물 반도체 물질을 이용하여 제작하는 경우 소자 재료의 개발로 다양한 파장대역의 빛을 흡수하여 광 전류를 생성함으로써 감마선부터 라디오 파장대역에 이르는 다양한 파장대역의 빛을 수광할 수 있다. 또한 반도체 소자는 빠른 응답속도, 안전성, 환경 친화성 및 소자 재료의 용이한 조절의 장점을 가져 전력 제어 또는 초고주파 회로나 통신용 모듈에도 용이하게 채택될 수 있다.
따라서, 반도체 소자는 광 통신 시스템의 송수신 모듈, 액정표시장치LCD(Liquid Crystal Display)의 백라이트를 구성하는 냉음극관(CCFL: Cold Cathode Fluorescence Lamp)을 대체하는 발광 유닛, 형광등이나 백열 전구를 대체할 수 있는 백색 발광 다이오드와 같은 조명 장치, 자동차의 헤드 라이트, 신호등 또는 Gas나 화재를 감지하는 센서 등에까지 응용이 확대되고 있다.
또한, 반도체 소자는 고주파 응용 회로나 기타 전력 제어 장치, 통신용 모듈에까지 응용이 확대될 수 있다. 예를 들어, 반도체 소자로서 표면발광 레이저(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser: VCSEL) 소자가 있다. 표면발광레이저 소자는 광 통신, 광병렬 처리, 광연결 등에 사용되고 있다. 한편, 이러한 통신용 모듈에서 사용되는 레이저 다이오드의 경우, 저전류에서 작동하기 용이하도록 설계되어 있다.
한편 기존의 데이터(Data) 광통신용 구조에서는 응답속도가 중요하였으나, 최근 표면발광레이저 소자가 센서용 고전압 패키지(High Power PKG)에 적용되면서 광출력과 전압 효율이 중요한 특성이 된다.
표면발광레이저 소자는 3D 센싱 카메라에 채택된다. 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 바탕으로 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 된다.
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 설치되고, 후면에는 ToF 방식으로 설치될 수 있다.
종래의 표면발광레이저 소자는 다음가 같은 문제가 있다.
첫번째로, VCSEL 구조에서는 많은 수의 반사층, 예를 들어 DBR(distributed Bragg reflector)을 통해 반사율을 증대시킨다. 예를 들어, DBR은 AlxGaAs 계열의 물질을 Al의 농도를 달리하여 교대로 배치하게 하여 반사율을 증대시킨다. 그런데, 이러한 DBR에서 직렬 저항(series resistance)이 발생하는 문제를 해결하기 위해, DBR의 도핑농도를 증가시켜서 저항을 낮추어 전압효율을 향상시키려는 시도가 있다. 그러나 도핑농도의 증가 시 도펀트에 의해 내부 광흡수가 발생되어 광출력 저하되는 기술적 모순상황이 발생하고 있다.
또한, DBR은 AlxGaAs 계열의 물질을 Al의 농도를 달리하여 교대로 배치함에 따라 DBR 내의 인접하는 층 사이의 계면(interface)에서 발생되는 에너지 밴드 벤딩(Energy Band Bending)에 의해 전기장(Electric Field)이 발생되고 있고, 이러한 전기장은 캐리어 장벽(Carrier Barrier)으로 작용하여 광출력이 저하되는 문제가 발생되고 있다.
두번째로, VCSEL 소자가 채택된 고출력 패키지(high power package)의 개발 시에는 광 출력과 전압 효율이 중요한 특성인데, 광 출력과 전압효율을 동시에 향상시키는데 한계가 있다. 예를 들어, VCSEL 소자는 활성층과 캐비티(cavity)를 포함하는 활성 영역을 구비하는데, 이러한 활성 영역은 내부 저항이 높아 구동전압이 상승하여 전압효율이 저하되는 기술적 문제점이 있다.
세번째로, 종래기술에서 광출력을 향상시키기 위해서는 활성층 주변에서 광집중(optical confinement)이 필요한데, 종래기술에서는 이에 대한 적절한 해결책이 없는 실정이다.
네번째로, 표면발광레이저 소자에 전류가 인가되는 경우, 전류가 애퍼처 에지(aperture edge)를 따라 밀집되는 전류밀집(current crowding) 현상이 발생된다. 이러한 전류밀집 현상에 의해 레이저 출사영역인 애퍼처의 막질이 손상될 수 있다. 또한, 전류밀집 현상에 의해 애퍼처의 온도가 상승되어 애퍼처를 지나가는 빔의 발산각(divergence angle of beams)이 증가되는 광학적 문제가 발생되고 있다. 전류밀집 현상에 의해 애퍼처를 지나가는 빔의 발산각에 영향을 주는 효과를 열적 렌즈(thermal lens) 효과라 한다.
실시예는 전술한 문제 및 다른 문제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
실시예의 다른 목적은 표면발광레이저 소자를 제공한다.
실시예의 또 다른 목적은 새로운 구조를 갖는 표면발광레이저 소자를 제공한다.
실시예의 또 다른 목적은 광출력을 향상시킬 수 있는 표면발광레이저 소자를 제공한다.
실시예의 또 다른 목적은 광집중 효율을 향상시킬 수 있는 표면발광레이저 소자를 제공한다.
실시예의 또 다른 목적은 전류밀집을 완화하여 빔의 발산각의 변동을 방지할 수 있는 표면발광레이저 소자를 제공한다.
또는 다른 목적을 달성하기 위해 실시예의 일 측면에 따르면, 표면발광레이저 소자는, 기판; 상기 기판상에 배치되는 제1 반사층; 상기 제1 반사층 상에 배치되는 활성층; 상기 활성층 상에 배치되며 개구부(Aperture) 및 절연영역을 포함하는 산화층; 및 상기 산화층 상에 배치되고 전류확산층을 포함하는 제2 반사층;을 포함한다. 상기 전류확산층의 도핑 농도는 5E17/cm3 이하일 수 있다.
실시예의 다른 측면에 따르면, 표면발광레이저 소자는, 기판; 상기 기판상에 배치되는 제1 반사층; 상기 제1 반사층 상에 배치되는 활성층; 상기 활성층 상에 배치되며 개구부(Aperture) 및 절연영역을 포함하는 산화층; 및 상기 산화층 상에 배치되고 전류확산층을 포함하는 제2 반사층;을 포함한다. 상기 전류확산층은 상기 제2 반사층과 상기 제1 반사층 사이로 배치되고, 수직으로 흐르는 전류를 횡 방향으로 확산시킬 수 있다.
실시예의 다른 측면에 따르면, 발광장치는 상기 표면발광레이저 소자를 포함한다.
실시예에 따른 표면발광레이저 소자의 효과에 대해 설명하면 다음과 같다.
실시예들 중 적어도 하나에 의하면, 발광층 상의 제2 반사층의 제1 그룹 제2 반사층에 상대적으로 낮은 에너지 밴드 갭을 갖고, 또한 낮은 도핑 농도를 갖는 제2 도전형 도펀트를 포함하거나 제1 도전형 도펀트를 포함하거나 제2 도전형 도펀트가 포함되지 않는 층이 포함됨으로써, 해당 층에서 저항이 증가되어 제2 반사층의 홀이 해당 층의 면 방향으로 확산될 수 있다. 이에 따라, 제2 반사층에서의 전류가 애퍼처 에지를 따라 밀집되는 전류밀집 현상이 완화되거나 제거되므로, 발광층의 빔의 발산각이 변동되지 않아 제품에 대한 신뢰성과 품질이 향상될 수 있다.
실시예들 중 적어도 하나에 의하면, 제2 반사층에 상대적으로 낮은 에너지 밴드 갭을 갖고, 또한 낮은 도핑 농도를 갖는 제2 도전형 도펀트를 포함하거나 제1 도전형 도펀트를 포함하거나 제2 도전형 도펀트가 포함되지 않는 층이 제1 그룹 제2 반사층뿐만 아니라 제2 그룹 제2 반사층에 포함됨으로써, 제1 그룹 제2 반사층의 해당 층과 제2 그룹 제2 반사층의 해당 층 각각에서 저항이 증가되어 제2 반사층의 홀이 제1 그룹 제2 반사층의 해당 층과 제2 그룹 제2 반사층의 해당 층 각각의 면 방향으로 확산될 수 있다. 이에 따라, 제2 반사층에서의 전류가 애퍼처 에지를 따라 밀집되는 전류밀집 현상이 보다 확실히 완화되거나 제거되므로, 발광층의 빔의 발산각이 변동되지 않아 제품에 대한 신뢰성과 품질이 향상될 수 있다.
실시예들 중 적어도 하나에 의하면, 발광층 상의 제2 반사층의 인접한 제2-1 반사층과 제2-2 반사층 사이에 중간 영역의 알루미늄 농도, 즉 제3 및 제4 알루미늄 농도를 갖는 제2-3 반사층 또는 제2-4 반사층이 구비됨으로써, 제2 반사층의 각 층 사이의 계면에서 에너지 밴드 벤딩에 의한 전기장 발생이 최소화되어 캐리어 장벽이 낮아져 광출력이 향상될 수 있다.
실시예의 적용 가능성의 추가적인 범위는 이하의 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다. 그러나 실시예의 사상 및 범위 내에서 다양한 변경 및 수정은 당업자에게 명확하게 이해될 수 있으므로, 상세한 설명 및 바람직한 실시예와 같은 특정 실시예는 단지 예시로 주어진 것으로 이해되어야 한다.
도 1는 실시예에 따른 표면발광레이저 소자의 평면도이다.
도 2는 도 1에 도시된 실시예에 따른 표면발광레이저 소자의 제1 영역(C1) 확대도이다.
도 3a는 도 2에 도시된 실시예에 따른 표면발광레이저 소자의 A1-A2 선을 따른 제1 단면도이다.
도 3b는 도 2에 도시된 실시예에 따른 표면발광레이저 소자의 A3-A4 선을 따른 제2 단면도이다.
도 4는 도 3a에 도시된 실시예에 따른 표면발광레이저 소자의 제1 부분(B1) 단면도이다.
도 5는 제2 실시예에 따른 표면발광레이저 소자에서 굴절률과 광에너지의 제1 분포 데이터이다.
도 6는 제2 실시예에 따른 표면발광레이저 소자에서 굴절률의 제2 분포 데이터이다.
도 7a는 제2 실시예에 따른 표면발광레이저 소자의 제1 반사층에서의 굴절률에 대한 데이터이다.
도 7b는 제2 실시예에 따른 표면발광레이저 소자의 제2 반사층에서의 굴절률에 대한 데이터이다.
도 8은 제3 실시예에 따른 표면발광레이저 소자의 제2 반사층에서의 Al 농도 분포에 대한 데이터이다.
도 9a 및 도 9b는 종래와 제3 실시예에 따른 전류밀집 정도를 보여준다.
도 10은 제4 실시예에 따른 표면발광레이저 소자의 제2 반사층에서의 Al 농도 분포에 대한 데이터이다.
도 11은 제4 실시예에 따른 전류밀집 정도를 보여준다.
도 12 내지 도 16b는 실시예에 따른 표면발광레이저 소자의 제조공정도이다.
도 17은 실시예에 따른 표면발광레이저 소자가 적용된 이동 단말기의 사시도이다.
이하 상기의 과제를 해결하기 위한 구체적으로 실현할 수 있는 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다.
실시예의 설명에 있어서, 각 element의 " 상(위) 또는 하(아래)(on or under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, 상(위) 또는 하(아래)(on or under)는 두 개의 element가 서로 직접(directly)접촉되거나 하나 이상의 다른 element가 두 element사이에 배치되어(indirectly) 형성되는 것을 모두 포함한다. 또한 "상(위) 또는 하(아래)(on or under)"으로 표현되는 경우 하나의 element를 기준으로 위쪽 방향뿐만 아니라 아래쪽 방향의 의미도 포함할 수 있다.
(제1 실시예)
도 1는 실시예에 따른 표면발광레이저 소자(201)의 평면도이며, 도 2는 도 1에 도시된 실시예에 따른 표면발광레이저 소자의 제1 영역(C1) 확대도이다.
도 1를 참조하면, 실시예에 따른 표면발광레이저 소자(201)는 발광층(E)와 패드부(P)를 포함할 수 있다. 발광층(E)는 도 2와 같이 복수의 발광 에미터(E1, E2, E3)를 포함할 수 있다. 예컨대, 발광층(E)는 수십에서 수백개의 발광 에미터를 포함할 수 있다.
도 2를 참조하면, 실시예에서 표면발광레이저 소자(201)는 개구부를 정의하는 제2 전극(280)을 포함할 수 있다. 즉, 제2 전극(280)은 애퍼처영역(241)에 대응되는 영역을 제외한 나머지 영역에 배치될 수 있다. 예컨대, 제2 전극(280)은 제2 반사층(250)의 제2 영역에 배치될 수 있다. 제2 반사층(250)의 제1 영역은 제2 영역에 의해 둘러싸이고, 애퍼처영역(241)의 사이즈와 동일하거나 이보다 클 수 있다. 따라서, 발광층(도 3a의 230)에서 생성된 빔이 애퍼처영역(241)을 통과하여 제2 전극부(280)에 의해 정의된 개구부를 통해 외부로 방출될 수 있다. 여기서, 애퍼처영역(241)은 개구부로 지칭될 수 있다.
도 3a는 도 2에 도시된 실시예에 따른 표면발광레이저 소자의 A1-A2 선을 따른 제1 단면도이며, 도 3b는 도 2에 도시된 실시예에 따른 표면발광레이저 소자의 A3-A4 선을 따른 제2 단면도이다.
도 3a와 도 3b를 참조하면, 실시예에서 표면발광레이저 소자(201)는 제1 전극(215), 기판(210), 제1 반사층(220), 발광층(230), 산화층(240), 제2 반사층(250), 패시베이션층(270), 제2 전극(280) 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
산화층(240)은 애퍼처영역(241) 및 절연영역(242)을 포함할 수 있다. 애퍼처영역(241)은 전류가 흐르는 통로영역일 수 있다. 절연영역(242)은 전류의 흐름을 차단하는 차단영역일 수 있다. 절연영역(242)는 옥사이드층(oxide layer) 또는 산화층으로 지칭될 수 있다. 산화층(240)이 산화층으로 지칭될 수도 있다.
제2 전극(280)은 컨택전극(282)과 패드전극(284)을 포함할 수 있다.
도 4는 도 3a에 도시된 실시예에 따른 표면발광레이저 소자의 제1 부분(B1)의 확대 단면도이다.
이하 도 1 내지 도 4를 참조하여 실시예에 따른 표면발광레이저 소자(201)의 기술적 특징을 설명하기로 한다. 실시예의 도면에서 x축의 방향은 기판(210)의 길이방향에 평행한 방향일 수 있으며, y축은 x축에 수직한 방향일 수 있다.
<기판, 제1 전극>
실시예에 따른 표면발광레이저 소자(201)는 기판(210)을 제공한다. 기판(210)은 전도성 기판 또는 비전도성 기판일 수 있다. 전도성 기판으로는 전기 전도도가 우수한 금속이 사용될 수 있다. 표면발광레이저 소자(201)의 동작시 발생되는 열이 충분히 발산시킬 수 있어야 하므로, 전도성 기판으로는 열전도도가 높은 GaAs 기판 또는 금속기판을 사용하거나 실리콘(Si) 기판 등이 사용될 수 있다. 비전도성 기판으로는 AlN 기판이나 사파이어(Al2O3) 기판 또는 세라믹 계열의 기판 등이 사용될 수 있다.
실시예에 따른 표면발광레이저 소자(201)는 제1 전극(215)을 제공한다. 제1 전극(215)은 기판(210)의 하부에 배치될 수 있다. 제1 전극(215)은 도전성 재료로 단층 또는 다층으로 배치될 수 있다. 예를 들어, 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.
<제1 반사층>
실시예에 따른 표면발광레이저 소자(201)는 제1 반사층(220)를 제공한다. 제1 반사층(220)는 기판(210) 상에 배치될 수 있다. 두께를 줄이기 위해 기판(210)이 생략되는 경우, 제1 반사층(220)의 하면은 제1 전극(215)의 상면과 접촉될 수 있다.
제1 반사층(220)는 제1 도전형 도펀트로 도핑될 수 있다. 예를 들어, 제1 도전형 도펀트는 Si, Ge, Sn, Se, Te 등과 같은 n형 도펀트를 포함할 수 있다.
제1 반사층(220)는 갈륨계 화합물, 예를 들면 AlGaAs를 포함할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 제1 반사층(220)는 분산 브래그 반사기(DBR: Distributed Bragg Reflector)일 수 있다. 예를 들어, 제1 반사층(220)는 서로 다른 굴절률을 가지는 물질로 이루어진 제1 층 및 제2 층이 교대로 적어도 1회 이상 적층된 구조일 수 있다.
예를 들어, 도 4와 같이, 제1 반사층(220)는 기판(210) 상에 배치된 제1 그룹 제1 반사층(221) 및 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. 각각의 층의 두께는 λ/4n일 수 있고, λ는 발광층(230)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)는 약 940 나노미터의 파장의 광에 대하여 99.999%의 반사율을 가질 수 있다.
각 제1 반사층(220)에서의 층의 두께는 각각의 굴절률과 발광층(230)에서 방출되는 광의 파장 λ에 따라 결정될 수 있다.
도 4와 같이, 제1 그룹 제1 반사층(221)은 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. 제1 그룹 제1-1 층(221a)은 제1 그룹 제1-2 층(221b)보다 두껍게 형성될 수 있다. 예를 들어, 제1 그룹 제1-1 층(221a)은 약 40~60nm로 형성될 수 있고, 제1 그룹 제1-2 층(221b)은 약 20~30nm로 형성될 수 있다.
또한, 제2 그룹 제1 반사층(222)도 각각 단일 또는 복수의 층으로 형성될 수 있다. 제2 그룹 제1 반사층(222)은 제2 그룹 제1-1 층(222a)과 제2 그룹 제1-2 층(222b)의 약 5~15 페어(pair)를 포함할 수 있다. 제2 그룹 제1-1 층(222a)은 제2 그룹 제1-2 층(222b)보다 두껍게 형성될 수 있다. 예를 들어, 제2 그룹 제1-1 층(222a)은 약 40~60nm로 형성될 수 있고, 제2 그룹 제1-2 층(222b)은 약 20~30nm로 형성될 수 있다.
<활성층>
실시예에 따른 표면발광레이저 소자(201)는 발광층(230)를 포함할 수 있다. 발광층(230)는 제1 반사층(220) 상에 배치될 수 있다. 구체적으로, 발광층(230)는 제2 그룹 제1 반사층(222) 상에 배치될 수 있다. 발광층(230)는 제1 반사층(220)과 제2 반사층(250) 사이에 배치될 수 있다.
발광층(230)는 활성층(232)과 적어도 하나 이상의 캐비티(231, 233)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 발광층(230)는 활성층(232), 활성층(232)의 하측에 배치되는 제1 캐비티(231) 및 활성층(232)의 상측에 배치되는 제2 캐비티(233)를 포함할 수 있다. 실시예의 발광층(230)는 제1 캐비티(231)와 제2 캐비티(233)를 모두 포함하거나, 둘 중의 하나만 포함할 수도 있다.
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.
활성층(232)은 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체 재료를 이용하여 양자우물층(232a)과 양자벽층(232b)을 포함할 수 있다. 양자우물층(232a)은 양자벽층(232b)의 에너지 밴드 갭보다 작은 에너지 밴드 갭을 갖는 물질로 형성될 수 있다. 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. 활성층(232)에는 도펀트가 도핑되지 않을 수 있다.
제1 캐비티(231)와 제2 캐비티(233)는 AlyGa(1-y)As(0<y<1) 물질로 형성될 수 있으나 이에 한정되지 않는다. 예를 들어, 제1 캐비티(231)와 제2 캐비티(233)는 각각 AlyGa(1-y)As로된 복수의 층을 포함할 수 있다.
예를 들어, 제1 캐비티(231)는 제1-1 캐비티층(231a)과 제1-1 캐비티층(231a) 상에 배치된 제1-2 캐비티층(231b)을 포함할 수 있다. 제1-1 캐비티층(231a)은 제1-2 캐비티층(231b)에 비해 활성층(232)에서 더 이격될 수 있다. 제1-1 캐비티층(231a)은 제1-2 캐비티층(231b)에 비해 더 두껍게 형성될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 제1-1 캐비티층(231a)이 약 60nm~70nm로 형성되고, 제1-2 캐비티층(231b)은 약 40nm~55nm로 형성될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
또한 제2 캐비티(233)는 제2-1 캐비티층(233a)과 제2-1 캐비티층(233a) 상에 배치된 제2-2 캐비티층(233b)을 포함할 수 있다. 제2-2 캐비티층(233b)은 제2-1 캐비티층(233a)에 비해 활성층(232)에서 더 이격될 수 있다. 제2-2 캐비티층(233b)은 제2-1 캐비티층(233a)에 비해 더 두껍게 형성될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 제2-2 캐비티층(233b)이 약 60nm~70nm로 형성되고, 제2-1 캐비티층(233a)은 약 40nm~55nm로 형성될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
<산화층>
실싱에 따른 표면발광레이저 소자는 산화층(240)을 제공할 수 있다. 산화층(240)은 절연영역(242)과 애퍼처영역(241)를 포함할 수 있다. 절연영역(242)는 애퍼처영역(241)을 둘러쌀 수 있다. 예컨대, 애퍼처영역(241)은 발광층(230)의 제1 영역(중심영역) 상에 배치되고, 절연영역(242)는 발광층(230)의 제2 영역(가장자리영역) 상에 배치될 수 있다. 제2 영역은 제1 영역을 둘러쌀 수 있다.
애퍼처영역(241)은 전류가 흐르는 통로영역일 수 있다. 절연영역(242)은 전류의 흐름을 차단하는 차단영역일 수 있다. 절연영역(242)는 옥사이드층(oxide layer) 또는 산화층으로 지칭될 수 있다.
애퍼처영역(241)의 사이즈에 의해 제2 전극(280)에서 발광층(230)로 공급되는 전류의 양, 즉 전류밀도가 결정될 수 있다. 애퍼처영역(241)의 사이즈는 절연영역(242)에 의해 결정될 수 있다. 절연영역(242)의 사이즈가 커질수록 애퍼처영역(241)의 사이즈는 작아지고, 이에 따라 발광층(230)로 공급되는 전류밀도는 증가될 수 있다. 아울러, 애퍼처영역(241)은 발광층(230)에서 생성된 빔이 상측 방향, 즉 제2 반사층(250)의 방향으로 진행되는 통로일 수 있다. 즉, 애퍼처영역(241)의 사이즈에 따라, 발광층(230)의 빔의 발산각이 달라질 수 있다.
절연영역(242)은 절연층, 예를 들어 알루미늄 산화물로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 산화층(240)이 AlGaAs(aluminum gallium arsenide)를 포함하는 경우, 산화층(240)의 AlGaAs가 H2O와 반응하여 가장자리가 알루미늄산화물(Al2O3)로 변해져 절연영역(242)으로 형성되고, H2O와 반응하지 않은 중심영역은 AlGaAs로 이루어진 애퍼처영역(241)가 될 수 있다.
실시예에 의하면, 애퍼처영역(241)을 통해 발광층(230)에서 발광된 광을 상부 영역으로 발산할 수 있으며, 절연영역(242)과 비교하여 애퍼처영역(241)의 광 투과율이 우수할 수 있다.
도 4를 참조하면 절연영역(242)은 복수의 층을 포함할 수 있으며, 예를 들어, 절연영역(242)은 제1 절연층(242a) 및 제1 절연층(242a) 상에 배치된 제2 절연층(242b)을 포함할 수 있다. 제1 절연층(242a)의 두께는 제2 절연층(242b)과 서로 같거나 서로 다른 두께로 형성될 수 있다.
<제2 반사층>
실시예에 따른 표면발광레이저 소자는 제2 반사층(250)를 포함할 수 있다. 제2 반사층(250)는 산화층(240) 상에 배치될 수 있다.
제2 반사층(250)는 갈륨계 화합물 예를 들면 AlGaAs를 포함할 수 있으며, 제2 반사층(250)는 제2 도전형 도펀트로 도핑될 수 있다. 제2 도전형 도펀트는 Mg, Zn, Ca, Sr, Ba 등과 같은 p형 도펀트일 수 있다. 한편, 제1 반사층(220)이 p형 도펀트로 도핑될 수도 있고, 제2 반사층(250)이 n형 도펀트로 도핑될 수도 있다.
제2 반사층(250)도 분산 브래그 반사기(DBR: Distributed Bragg Reflector)일 수 있다. 예를 들어, 제2 반사층(250)는 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. 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)는 약 940 나노미터의 파장의 광에 대하여 99.9%의 반사율을 가질 수 있다.
제2 반사층(250)는 층들이 교대로 적층되어 이루어질 수 있으며, 제1 반사층(220) 내에서 층들의 페어(pair) 수는 제2 반사층(250) 내에서 층들의 페어 수보다 더 많을 수 있다. 상술한 바와 같이 제1 반사층(220)의 반사율은 99.999%로서 제2 반사층(250)의 반사율인 99.9%보다 클 수 있다.
실시예에서 제2 반사층(250)는 발광층(230)에 인접하게 배치된 제1 그룹 제2 반사층(251) 및 제1 그룹 제2 반사층(251)보다 발광층(230)에서 이격배치 된 제2 그룹 제2 반사층(252)을 포함할 수 있다.
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. 제1 그룹 제2-1 층(251a)은 제1 그룹 제2-2 층(251b)보다 두껍게 형성될 수 있다. 예를 들어, 제1 그룹 제2-1 층(251a)은 약 40~60nm로 형성될 수 있고, 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. 제2 그룹 제2-1 층(252a)은 제2 그룹 제2-2 층(252b)보다 두껍게 형성될 수 있다. 예를 들어, 제2 그룹 제2-1 층(252a)은 약 40~60nm로 형성될 수 있고, 제2 그룹 제2-2 층(252b)은 약 20~30nm로 형성될 수 있다.
<패시베이션층, 제2 전극>
실시예에 따른 표면발광레이저 소자는 패시베이션층(270)을 제공할 수 있다. 패시베이션층(270)은 발광구조물의 일부 영역의 둘레를 둘러쌀 수 있다. 발광구조물의 일부 영역은 예컨대, 발광층(230), 산화층(240) 및 제2 반사층(250)를 포함할 수 있다. 패시베이션층(270)은 제1 반사층(220)의 상면 상에 배치될 수 있다. 패시베이션층(270)은 제2 반사층(250)의 에지 영역 상에 배치될 수 있다. 발광구조물이 부분적으로 메사 식각되는 경우, 제1 반사층(220)의 상면의 일부는 노출되고, 발광구조물의 일부 영역이 형성될 수 있다. 패시베이션층(270)이 발광구조물의 일부 영역의 둘레와 상기 노출된 제1 반사층(220)의 상면 상에 배치될 수 있다.
패시베이션층(270)은 외부로부터 발광구조물을 보호하고, 제1 반사층(220)와 제2 반사층(250)의 전기적인 쇼트를 차단할 수 있다. 패시베이션층(270)은 SiO2와 같은 무기 재질로 형성될 수 있지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다.
실시예에 따른 표면발광레이저 소자는 제2 전극(280)을 제공할 수 있다. 제2 전극(280)은 컨택전극(282)와 컨택전극(282)에 연결되는 패드전극(284)를 포함할 수 있다. 컨택전극(282)는 제2 반사층(250)의 상면의 일부분에 접촉될 수 있다. 컨택전극(282)는 제2 반사층(250)와의 오믹 특성을 향상시키기 위해 형성될 수 있지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다. 패드전극(284)는 컨택전극(282)와 패드부(도 1의 P)를 연결시켜 줄 수 있다.
상기 컨택전극(282)과 패드전극(284)은 도전성 재료로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 컨택전극(282)과 패드전극(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.
(제2 실시예)
도 5 내지 도 7b를 참조하여 제2 실시예에 따른 표면발광레이저 소자(202)의 기술적 효과를 상세히 설명하기로 한다. 제2 실시예는 제1 실시예의 기술적 특징을 채용할 수 있으며, 이하 제2 실시예의 주된 특징을 중심으로 설명하기로 한다.
도 5는 제2 실시예에 따른 표면발광레이저 소자(202)에서 굴절률과 광에너지의 제1 분포 데이터이다.
제2 실시예에 의하면, 표면발광레이저 소자에서 발광된 광 에너지의 분포는 도 5에 도시된 바와 같이, 발광층(230)을 중심으로 최대 값을 가지며, 발광층(230)으로부터 멀어질수록 소정의 주기로 감소할 수 있다. 한편, 실시예에서 광 에너지 분포(E)는 도 5에 도시된 분포 데이터에 한정되는 것은 아니며 각 층에서의 광 에너지 분포는 각 층의 조성, 두께 등에 의해 도 5에 도시된 것과 다를 수 있다.
도 5를 참조하면, 제2 실시예에 따른 표면발광레이저 소자(202)는 제1 반사층(220), 제2 반사층(250) 및 제1 반사층(220)과 제2 반사층(250) 사이에 배치되는 발광층(230)을 포함할 수 있다. 이때, 실시예에 따른 표면발광레이저 소자(202)는 제1 반사층(220), 발광층(230) 및 제2 반사층(250)의 물질에 따라 굴절률(n)이 도 5에 도시된 것과 같을 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
실시예의 기술적 과제 중의 하나는, 반사층에서의 전기장 발생에 따른 캐리어 배리어 영향을 최소화하여 광출력을 향상시킬 수 있는 표면발광레이저 소자를 제공하고자 함이다.
도 5를 참조하면, 제2 실시예에 따른 표면발광레이저 소자(202)에서 위치에 따른 광 에너지 분포를 알 수 있는데, 앞서 설명한 바와 같이 발광층(230)에서 상대적으로 이격될수록 광 에너지 분포가 낮아지며, 실시예는 광 에너지 분포를 고려하여, 제1 그룹 제1 반사층(221)에서의 제1 도전형 도펀트의 농도가 제2 그룹 제1 반사층(222)에서의 도펀트 농도보다 높게 제어할 수 있다.
예를 들어, 도 7a를 참조하면, 실시예에서 제1 반사층(220)는, 발광층(230) 일측에 배치된 제1 그룹 제1 반사층(221) 및 제1 그룹 제1 반사층(221)보다 발광층(230)에서 근접하여 배치 된 제2 그룹 제1 반사층(222)을 포함할 수 있다.
이때, 발광층(230)에 인접하게 배치된 제2 그룹 제1 반사층(222)에서의 광 에너지가 제1 그룹 제1 반사층(221)에서의 광 에너지보다 높게 된다.
실시예는 광 에너지 분포를 고려하여, 제2 그룹 제1 반사층(222)에서의 제1 도전형 도펀트의 농도가 제1 그룹 제1 반사층(221)에서의 도펀트 농도보다 낮게 제어하고, 광 에너지가 상대적으로 낮은 제1 그룹 제1 반사층(221) 영역에 제1 도전형 도펀트를 상대적으로 높게 도핑 함으로써, 제2 그룹 제1 반사층(222)에서는 도펀트에 의한 광 흡수를 최소하여 광 출력을 향상시킴과 아울러 제1 그룹 제1 반사층(221)에서는 상대적으로 높은 도펀트에 의한 저항 개선으로 전압효율을 향상시켜, 광출력과 전압효율을 동시에 향상시킬 수 있는 표면발광레이저 소자를 제공할 수 있는 특유의 기술적 효과가 있다.
예를 들어, 제1 그룹 제1 반사층(221)에서의 제1 도전형 도펀트의 농도는 약 2.00E18 일 수 있으며, 제2 그룹 제1 반사층(222)에서는 약 1.00E18 일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
또한 실시예에서 제2 반사층(250)는, 발광층(230)에 인접하게 배치된 제1 그룹 제2 반사층(251) 및 제1 그룹 제2 반사층(251)보다 발광층(230)에서 이격배치 된 제2 그룹 제2 반사층(252)을 포함할 수 있다.
이때 발광층(230)에 인접하게 배치된 제1 그룹 제2 반사층(251)에서의 광 에너지가 제2 그룹 제2 반사층(252)에서의 광 에너지보다 높게 된다.
이를 통해, 실시예는 광 에너지 분포를 고려하여, 제1 그룹 제2 반사층(251)에서의 제2 도전형 도펀트의 농도가 제2 그룹 제2 반사층(252)에서의 도펀트 농도보다 낮게 제어하고, 광 에너지가 상대적으로 낮은 제2 그룹 제2 반사층(252) 영역에 제2 도전형 도펀트를 상대적으로 높게 도핑 함으로써, 제1 그룹 제2 반사층(251)에서는 도펀트에 의한 광 흡수를 최소하여 광 출력을 향상시킴과 아울러 제2 그룹 제2 반사층(252)에서는 도펀트에 의한 저항 개선으로 전압효율을 향상시켜, 광출력과 전압효율을 동시에 향상시킬 수 있는 표면발광레이저 소자를 제공할 수 있는 특유의 기술적 효과가 있다.
실시예는 광 에너지 분포를 고려하여, 광 에너지가 높은 영역에서는 도핑농도를 낮게 할 수 있고, 광 에너지가 낮은 영역에서는 도핑농도를 높게 제어함으로써, 반사층에서의 전기장 발생에 따른 캐리어 배리어 영향을 최소화하여 광출력을 향상시킬 수 있는 표면발광레이저 소자를 제공할 수 있다.
다음으로 실시예의 기술적 과제 중의 하나는, 반사층에서의 전기장 발생에 따른 캐리어 배리어 영향을 최소화하여 광출력을 향상시킬 수 있는 표면발광레이저 소자를 제공하고자 함이다.
종래 VCSEL 구조에서는 인접하는 DBR층 사이 계면에서 에너지 밴드 벤딩에 의해 전기장 발생에 의해 캐리어 장벽이 발생되어 광출력이 저하되는 문제가 있다.
또한 실시예의 기술적 과제 중의 하나는, 전압효율을 향상시키면서도 광출력도 향상시킬 수 있는 표면발광레이저 소자를 제공하고자 함이다.
즉, 종래기술에서는 반사층인 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 이러한 기술적 과제를 해결하기 위해, 반사층에서의 제1 도전형 도펀트의 농도를 광 에너지 분포 모드를 고려하여 제어함으로써 전압효율을 향상시키면서도 광출력도 향상시킬 수 있는 기술적 효과가 있다.
도 6는 제2 실시예에 따른 표면발광레이저 소자(202)에서 굴절률(n)의 제2 분포 데이터이다.
도 7a는 도 6에 도시된 제2 실시예에 따른 표면발광레이저 소자의 제1 반사층(220)에 대한 굴절률(N1)의 데이터이고, 도 7b는 제2 반사층(250)에 대한 굴절률(N2)의 데이터이다.
우선 도 7a 및 도 7b를 참조하면, 실시예에서 제1 반사층(220)는 제1 그룹 제1 반사층(221) 및 제1 그룹 제1 반사층(221) 상에 배치된 제2 그룹 제1 반사층(222)을 포함할 수 있다.
제1 그룹 제1 반사층(221)은 복수의 층을 포함할 수 있으며, 예를 들어 제1-1 반사층(221p), 제1-2 반사층(221q), 제1-3 반사층(221r) 및 제1-4 반사층(221s)을 포함할 수 있다.
실시예에서 제1 그룹 제1 반사층(221)은 제1-1 반사층(221p) 내지 제1-4 반사층(221s)을 하나의 페어(pair)로 하는 경우 복수의 페어를 포함할 수 있다. 예를 들어, 실시예에서 제1 그룹 제1 반사층(221)은 제1-1 반사층(221p) 내지 제1-4 반사층(221s)의 약 30~40 페어(pair)를 포함할 수 있다.
또한 제2 그룹 제1 반사층(222)은 복수의 층을 포함할 수 있으며, 예를 들어 제1-5 반사층(222p), 제1-6 반사층(222q), 제1-7 반사층(222r) 및 제1-8 반사층(222s)을 포함할 수 있다.
또한, 제2 그룹 제1 반사층(222)도 제1-5 반사층(222p) 내지 제1-8 반사층(222s)을 하나의 페어(pair)로 하는 경우 복수의 페어를 포함할 수 있다. 예를 들어, 실시예에서 제2 그룹 제1 반사층(222)은 제1-5 반사층(222p) 내지 제1-8 반사층(222s)을 하나의 페어(pair)로 하는 경우 약 5~15 페어(pair)를 포함할 수 있다.
종래 VCSEL 구조에서는 인접하는 DBR층 사이 계면에서 에너지 밴드 벤딩에 의해 전기장 발생에 의해 캐리어 장벽이 발생되어 광출력이 저하되는 문제가 있다.
이에 실시예의 기술적 과제 중의 하나는, 반사층에서의 전기장 발생에 따른 캐리어 배리어 영향을 최소화하여 광출력을 향상시킬 수 있는 표면발광레이저 소자를 제공하고자 함이다.
도 7a를 참조하면, 실시예에서 제1 그룹 제1 반사층(221)은 제1-1 반사층(221p), 제1-2 반사층(221q), 제1-3 반사층(221r) 및 제1-4 반사층(221s)을 포함할 수 있으며, 각 층(221p, 221q, 221r, 221s)은 굴절률이 서로 다를 수 있다.
예를 들어, 제1 그룹 제1 반사층(221)은, 제1 굴절률을 가지는 제1-1 반사층(221p)과, 제1 굴절률보다 낮은 제2 굴절률을 가지며 제1-1 반사층(221p)의 일측에 배치되는 제1-2 반사층(221q) 및 제1 굴절률과 제2 굴절률 사이의 제3 굴절률을 가지며 제1-1 반사층(221p)과 제1-2 반사층(221q)의 사이에 배치되는 제1-3 반사층(221r)을 포함할 수 있다.
예를 들어, 제1 그룹 제1 반사층(221)은, 제1 알루미늄 농도를 가지는 제1-1 반사층(221p)과, 제1 알루미늄 농도보다 높은 제2 알루미늄 농도를 가지며 제1-1 반사층(221p)의 일측에 배치되는 제1-2 반사층(221q) 및 제1 알루미늄 농도에서 제2 알루미늄 농도로 변화하는 제3 알루미늄 농도를 가지며 제1-1 반사층(221p)과 제1-2 반사층(221q) 사이에 배치되는 제1-3 반사층(221r)을 포함할 수 있다.
예를 들어, 제1 그룹 제1 반사층(221)이 AlxGa(1-x)As(0<x<1)를 포함하는 경우, 제1-1 반사층(221p)이 Al0.12Ga0.88As일 수 있으며, 제1-2 반사층(221q)은 Al0.88Ga0.12As일 수 있고, 제1-3 반사층(221r)은 Alx3Ga(1-x3)As(0.12≤X3≤0.88)일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
또한 제1 그룹 제1 반사층(221)은, 제1-2 반사층(221q)의 외측에 배치되며 제1 알루미늄 농도에서 제2 알루미늄 농도로 변화하는 제4 알루미늄 농도를 가지는 제1-4 반사층(221s)을 더 포함할 수 있다.
예를 들어, 제1 그룹 제1 반사층(221)이 AlxGa(1-x)As(0<x<1)를 포함하는 경우, 제1-4 반사층(221s)은 Alx4Ga(1-x4)As(0.12≤X4≤0.88)일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
이를 통해, 실시예에 의하면 인접한 제1-1 반사층(221p)과 제1-2 반사층(221q) 사이에 중간 영역의 알루미늄 농도를 구비한 제1-3 반사층(221r) 또는 제1-4 반사층(221s)을 구비함으로써, 인접한 반사층 사이 계면에서 에너지 밴드 벤딩에 의한 전기장 발생을 최소화하여 캐리어 장벽을 낮춤으로써 광출력을 향상시킬 수 있는 기술적 효과가 있다. 중간 영역의 알루미늄 농도는 제1-1 반사층(221p)과 제1-2 반사층(221q) 사이에서 그레이딩(grading) 가변될 수 있다. 중간 영역의 알루미늄 농도는 선형적 또는 비선형적으로 가별될 수 있다. 중간 영역의 알루미늄 농도는 계단식으로 증가 또는 감소될 수 있다.
이에 따라 실시예에 의하면, 제1 반사층(220)에서의 전기장 발생에 따른 캐리어 배리어 영향을 최소화하여 광출력을 향상시킬 수 있는 표면발광레이저 소자를 제공할 수 있다.
또한 실시예에서 제1-2 반사층(221q)의 두께는 제1-1 반사층(221p)의 두께보다 두꺼울 수 있다. 또한 제1-1 반사층(221p) 또는 제1-2 반사층(221q)의 두께는 제1-3 반사층(221r) 또는 제1-4 반사층(221s)의 두께보다는 두꺼울 수 있다.
이때 제1-2 반사층(221q)의 제2 알루미늄 농도는 제1-1 반사층(221p)의 제1 알루미늄 농도가 높을 수 있다. 또한 제1-1 반사층(221p)의 제1 알루미늄 농도는 제1-3 반사층(221r)의 제3 알루미늄 농도 또는 제1-4 반사층(221s)의 제4 알루미늄 농도보다 높을 수 있다.
이에 따라 알루미늄 농도가 상대적으로 높은 제1-2 반사층(221q)의 두께가 제1-1 반사층(221p)의 두께보다 두꺼우므로 격자 품질을 향상시켜 광출력에 기여할 수 있다.
또한 알루미늄 농도가 상대적으로 높은 제1-1 반사층(221p)의 두께가 제1-3 반사층(221r) 또는 제1-4 반사층(221s)의 두께보다 두꺼우므로 격자 품질을 향상시켜 광출력에 기여할 수 있다.
예를 들어, 제1-2 반사층(221q)의 두께는 약 50~55nm일 수 있으며, 제1-1 반사층(221p)의 두께는 약 40~45nm일 수 있고, 알루미늄 농도가 상대적으로 높은 제1-2 반사층(221q)의 두께가 제1-1 반사층(221p)의 두께보다 두꺼우므로 격자 품질을 향상시켜 광출력에 기여할 수 있다.
또한 제1-3 반사층(221r)의 두께는 약 22~27 nm일 수 있으며, 제1-4 반사층(221s)의 두께는 약 22~27 nm일 수 있으며, 알루미늄 농도가 상대적으로 높은 제1-2 반사층(221q), 제1-1 반사층(221p)의 두께가 제1-3 반사층(221r), 제1-4 반사층(221s)보다 두꺼우므로 격자 품질을 향상시켜 광출력에 기여할 수 있다.
계속하여 도 7a를 참조하면, 실시예에서 제2 그룹 제1 반사층(222)은 제1-5 반사층(222p), 제1-6 반사층(222q), 제1-7 반사층(222r) 및 제1-8 반사층(222s)을 포함할 수 있으며, 각 층은 굴절률이 서로 다를 수 있다.
예를 들어, 제2 그룹 제1 반사층(222)은, 제5 굴절률을 가지는 제1-5 반사층(222p)과, 제5 굴절률보다 낮은 제6 굴절률을 가지며 제1-5 반사층(222p)의 일측에 배치되는 제1-6 반사층(222q) 및 제5 굴절률과 제6 굴절률 사이의 제7 굴절률을 가지며 제1-5 반사층(222p)과 제1-6 반사층(222q)의 사이에 배치되는 제1-7 반사층(222r)을 포함할 수 있다.
예를 들어, 제2 그룹 제1 반사층(222)은, 제5 알루미늄 농도를 가지는 제1-5 반사층(222p)과, 제5 알루미늄 농도보다 높은 제6 알루미늄 농도를 가지며 제1-5 반사층(222p)의 일측에 배치되는 제1-6 반사층(222q) 및 제5 알루미늄 농도에서 제6 알루미늄 농도로 변화하는 제1 알루미늄 농도를 가지며 제1-5 반사층(222p)과 제1-6 반사층(222q) 사이에 배치되는 제1-7 반사층(222r)을 포함할 수 있다.
예를 들어, 제2 그룹 제1 반사층(222)이 AlxGa(1-x)As(0<x<1)를 포함하는 경우, 제1-5 반사층(222p)이 Al0.12Ga0.88As일 수 있으며, 제1-6 반사층(222q)은 Al0.88Ga0.12As일 수 있고, 제1-7 반사층(222r)은 Alx3Ga(1-x3)As(0.12≤X3≤0.88)일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
또한 제2 그룹 제1 반사층(222)은, 제1-6 반사층(222q)의 외측에 배치되며 제5 알루미늄 농도에서 제6 알루미늄 농도로 변화하는 제2 알루미늄 농도를 가지는 제1-8 반사층(222s)을 더 포함할 수 있다.
예를 들어, 제2 그룹 제1 반사층(222)이 AlxGa(1-x)As(0<x<1)를 포함하는 경우, 제1-8 반사층(222s)은 Alx4Ga(1-x4)As(0.12≤X4≤0.88)일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
이를 통해, 실시예에 의하면 인접한 제1-5 반사층(222p)과 제1-6 반사층(222q) 사이에 중간 영역의 알루미늄 농도를 구비한 제1-7 반사층(222r) 또는 제1-8 반사층(222s)을 구비함으로써 인접한 반사층 사이 계면에서 에너지 밴드 벤딩에 의한 전기장 발생을 최소화하여 캐리어 장벽을 낮춤으로써 광출력을 향상시킬 수 있는 기술적 효과가 있다.
이에 따라 실시예에 의하면, 반사층에서의 전기장 발생에 따른 캐리어 배리어 영향을 최소화하여 광출력을 향상시킬 수 있는 표면발광레이저 소자를 제공할 수 있다.
또한 실시예에서 제1-6 반사층(222q)의 두께는 제1-5 반사층(222p)의 두께보다 두꺼울 수 있다. 또한 제1-5 반사층(222p) 또는 제1-6 반사층(222q)의 두께는 제1-7 반사층(222r) 또는 제1-8 반사층(222s)의 두께보다는 두꺼울 수 있다.
이때 제1-6 반사층(222q)의 제6 알루미늄 농도는 제1-5 반사층(222p)의 제5 알루미늄 농도보가 높을 수 있다. 또한 제1-5 반사층(222p)의 제5 알루미늄 농도는 제1-7 반사층(222r)의 제1 알루미늄 농도 또는 제1-8 반사층(222s)의 제2 알루미늄 농도보다 높을 수 있다.
이에 따라 알루미늄 농도가 상대적으로 높은 제1-6 반사층(222q)의 두께가 제1-5 반사층(222p)의 두께보다 두꺼우므로 격자 품질을 향상시켜 광출력에 기여할 수 있다.
또한 알루미늄 농도가 상대적으로 높은 제1-5 반사층(222p)의 두께가 제1-7 반사층(222r) 또는 제1-8 반사층(222s)의 두께보다 두꺼우므로 격자 품질을 향상시켜 광출력에 기여할 수 있다.
예를 들어, 제1-6 반사층(222q)의 두께는 약 50nm~55nm일 수 있으며, 제1-5 반사층(222p)의 두께는 약 40nm~45nm일 수 있고, 알루미늄 농도가 상대적으로 높은 제1-6 반사층(222q)의 두께가 제1-5 반사층(222p)의 두께보다 두꺼우므로 격자 품질을 향상시켜 광출력에 기여할 수 있다.
또한 제1-7 반사층(222r)의 두께는 약 22nm~27 nm일 수 있으며, 제1-8 반사층(222s)의 두께는 약 22nm~27 nm일 수 있으며, 알루미늄 농도가 상대적으로 높은 제1-6 반사층(222q), 제1-5 반사층(222p)의 두께가 제1-7 반사층(222r), 제1-8 반사층(222s)보다 두꺼우므로 격자 품질을 향상시켜 광출력에 기여할 수 있다.
도 7b는 도 6에 도시된 제2 실시예에 따른 표면발광레이저 소자(202)의 제2 반사층(250)의 굴절률(N2)의 데이터이다.
도 7b를 참조하면, 실시예에서 제2 반사층(250)는 제1 그룹 제2 반사층(251) 및 제2 그룹 제2 반사층(252)을 포함할 수 있다.
이때 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 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.
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, 제2 반사층(250)에서의 전기장 발생에 따른 캐리어 배리어 영향을 최소화하여 광출력을 향상시킬 수 있는 표면발광레이저 소자를 제공하고자 함이다.
도 7b를 참조하면, 실시예에서 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, 제1 그룹 제2 반사층(251)은, 제1 굴절률을 가지는 제2-1 반사층(251p)과, 제1 굴절률보다 낮은 제2 굴절률을 가지며 제2-1 반사층(251p)의 일측에 배치되는 제2-2 반사층(251q) 및 제1 굴절률과 제2 굴절률 사이의 제3 굴절률을 가지며 제2-1 반사층(251p)과 제2-2 반사층(251q)의 사이에 배치되는 제2-3 반사층(251r)을 포함할 수 있다.
예를 들어, 제1 그룹 제2 반사층(251)은, 제1 알루미늄 농도를 가지는 제2-1 반사층(251p)과, 제1 알루미늄 농도보다 높은 제2 알루미늄 농도를 가지며 제2-1 반사층(251p)의 일측에 배치되는 제2-2 반사층(251q) 및 제1 알루미늄 농도에서 제2 알루미늄 농도로 변화하는 제3 알루미늄 농도를 가지며 제2-1 반사층(251p)과 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 제1 그룹 제2 반사층(251)은, 제2-2 반사층(251q)의 외측에 배치되며 제1 알루미늄 농도에서 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 계면에서 에너지 밴드 벤딩에 의한 전기장 발생을 최소화하여 캐리어 장벽을 낮춤으로써 광출력을 향상시킬 수 있는 기술적 효과가 있다.
이에 따라 실시예에 의하면, 반사층에서의 전기장 발생에 따른 캐리어 배리어 영향을 최소화하여 광출력을 향상시킬 수 있는 표면발광레이저 소자를 제공할 수 있다.
또한 실시예에서 제2-2 반사층(251q)의 두께는 제2-1 반사층(251p)의 두께보다 두꺼울 수 있다. 또한 제2-1 반사층(251p) 또는 제2-2 반사층(251q)의 두께는 제2-3 반사층(251r) 또는 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 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 제2-3 반사층(251r) 또는 제2-4 반사층(251s)의 두께보다 두꺼우므로 격자 품질을 향상시켜 광출력에 기여할 수 있다.
예를 들어, 제2-2 반사층(251q)의 두께는 약 50nm~55nm일 수 있으며, 제2-1 반사층(251p)의 두께는 약 26nm~32nm일 수 있고, 알루미늄 농도가 상대적으로 높은 제2-2 반사층(251q)의 두께가 제2-1 반사층(251p)의 두께보다 두꺼우므로 격자 품질을 향상시켜 광출력에 기여할 수 있다.
또한 제2-3 반사층(251r)의 두께는 약 22nm~27 nm일 수 있으며, 제2-4 반사층(251s)의 두께는 약 22nm~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 7b를 참조하면, 실시예에서 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, 제2 그룹 제2 반사층(252)은, 제5 굴절률을 가지는 제2-5 반사층(252p)과, 제5 굴절률보다 낮은 제6 굴절률을 가지며 제2-5 반사층(252p)의 일측에 배치되는 제2-6 반사층(252q) 및 제5 굴절률과 제6 굴절률 사이의 제7 굴절률을 가지며 제2-5 반사층(252p)과 제2-6 반사층(252q)의 사이에 배치되는 제2-7 반사층(252r)을 포함할 수 있다.
예를 들어, 제2 그룹 제2 반사층(252)은, 제5 알루미늄 농도를 가지는 제2-5 반사층(252p)과, 제5 알루미늄 농도보다 높은 제6 알루미늄 농도를 가지며 제2-5 반사층(252p)의 일측에 배치되는 제2-6 반사층(252q) 및 제5 알루미늄 농도에서 제6 알루미늄 농도로 변화하는 제1 알루미늄 농도를 가지며 제2-5 반사층(252p)과 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 제2 그룹 제2 반사층(252)은, 제2-6 반사층(252q)의 외측에 배치되며 제5 알루미늄 농도에서 제6 알루미늄 농도로 변화하는 제2 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 계면에서 에너지 밴드 벤딩에 의한 전기장 발생을 최소화하여 캐리어 장벽을 낮춤으로써 광출력을 향상시킬 수 있는 기술적 효과가 있다.
이에 따라 실시예에 의하면, 반사층에서의 전기장 발생에 따른 캐리어 배리어 영향을 최소화하여 광출력을 향상시킬 수 있는 표면발광레이저 소자를 제공할 수 있다.
또한 실시예에서 제2-6 반사층(252q)의 두께는 제2-5 반사층(252p)의 두께보다 두꺼울 수 있다. 또한 제2-5 반사층(252p) 또는 제2-6 반사층(252q)의 두께는 제2-7 반사층(252r) 또는 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 제1 알루미늄 농도 또는 제2-8 반사층(252s)의 제2 알루미늄 농도보다 높을 수 있다.
이에 따라 알루미늄 농도가 상대적으로 높은 제2-6 반사층(252q)의 두께가 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 제2-7 반사층(252r) 또는 제2-8 반사층(252s)의 두께보다 두꺼우므로 격자 품질을 향상시켜 광출력에 기여할 수 있다.
예를 들어, 제2-6 반사층(252q)의 두께는 약 50nm~55nm일 수 있으며, 제2-5 반사층(252p)의 두께는 약 40nm~45nm일 수 있고, 알루미늄 농도가 상대적으로 높은 제2-6 반사층(252q)의 두께가 제2-5 반사층(252p)의 두께보다 두꺼우므로 격자 품질을 향상시켜 광출력에 기여할 수 있다.
또한 제2-7 반사층(252r)의 두께는 약 22nm~27 nm일 수 있으며, 제2-8 반사층(252s)의 두께는 약 22nm~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.
다음으로 실시예의 기술적 과제 중의 하나는, 반사층에서의 전기장 발생에 따른 캐리어 배리어 영향을 최소화하여 광출력을 향상시킬 수 있는 표면발광레이저 소자를 제공하고자 함이다.
다시 도 5를 참조하면, 실시예에 따른 표면발광레이저 소자에서 위치에 따른 광 에너지(E) 분포를 알 수 있는데, 발광층(230)에서 상대적으로 이격될수록 광 에너지 분포가 낮아지며, 실시예는 광 에너지 분포를 고려하여, 도 7b를 참조하면, 제1 그룹 제2 반사층(251)에서의 제1 도전형 도펀트의 농도가 제2 그룹 제2 반사층(252)에서의 도펀트 농도보다 낮게 제어할 수 있다.
예를 들어, 실시예는 제1 그룹 제2 반사층(251)에서의 제1 도전형 도펀트의 농도는 약 7.00E17 내지 1.50E18 일 수 있으며, 제2 그룹 제2 반사층(252)에서는 약 1.00E18 내지 3.00E18으로 제어할 수 있다. 실시예에서 농도단위 1.00E18는 1.00X1018(atoms/cm3)를 의미할 수 있다. 실시예에서 p형 도펀트는 C(Carbon)일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
이를 통해 실시예는 제2 그룹 제2 반사층(252)에서의 제2 도전형 도펀트의 농도가 제1 그룹 제2 반사층(251)에서의 도펀트 농도보다 높게 제어하고, 광 에너지가 상대적으로 높은 제1 그룹 제2 반사층(251) 영역에 제2 도전형 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 표면발광레이저 소자를 제공할 수 있는 특유의 기술적 효과가 있다.
또한 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. 노드 포지션은 각 층의 굴절률이 상승 또는 하강하여 변화하는 지점을 의미할 수 있다.
계속하여 도 7b를 참조하면, 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 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 도펀트의 농도는 제2-1 반사층(251p) 또는 제2-2 반사층(251q)의 제2 도전형 도펀트의 농도 보다 높게 제어할 수 있다.
이에 따라 정상파의 광학적 반사도(optical power reflectance)가 낮은 노드 포지션(node position)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 발광층(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.
예를 들어, 제2-4 반사층(251s)의 제2 도전형 도펀트의 농도는 약 1.50E18일 수 있으며, 제2-3 반사층(251r)의 제2 도전형 도펀트의 농도는 약 1.00E18일 수 있으며, 광학적 반사도가 상대적으로 더 낮은 제2-4 반사층(251s)의 제2 도전형 도펀트의 농도를 높게 제어하여 전기적 특성을 개선할 수 있다.
계속하여 도 7b를 참조하면, 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 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 도펀트의 농도는 제2-5 반사층(252p) 또는 제2-6 반사층(252q)의 제2 도전형 도펀트의 농도 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 발광층(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.
예를 들어, 제2-8 반사층(252s)의 제2 도전형 도펀트의 농도는 약 3.00E18일 수 있으며, 제2-7 반사층(252r)의 제2 도전형 도펀트의 농도는 약 2.00E18일 수 있으며, 광학적 반사도가 상대적으로 더 낮은 제2-8 반사층(252s)의 제2 도전형 도펀트의 농도를 높게 제어하여 전기적 특성을 개선할 수 있다.
다음으로 아래 표 1은 종래기술(비교예)와 실시예에서의 칩 특성 데이터이다.
실시예에 의하면, 표 1에서와 같이 광출력, 전압특성 등이 현저히 향상됨을 알 수 있다.
비교예 실시예 비고
Emitter 수(ea) 202 202
칩 특성(@2.5A) Wp nm 937.5 939
Pop mW 1516 1858 22.6% 증가
Vf V 2.19 1.96 0.23V 감소
PCE % 27.8 38.0 36.7% 증가
(제3 실시예)
도 8은 제3 실시예에 따른 표면발광레이저 소자의 제2 반사층에서의 Al 농도 분포에 대한 데이터이다.
제3 실시예에 따른 표면발광레이저 소자(201)에서 제2 반사층(250)의 제1 그룹 제2 반사층(251)을 제외한 나머지 구성요소는 제1 및 제2 실시예에 따른 표면발광레이저 소자와 동일하다. 이러한 나머지 구성요소는 제1 및 제2 실시예로부터 용이하게 이해될 수 있다. 이하에서는 제2 반사층(250)를 중심으로 설명하기로 한다.
실시예에서 제2 반사층(250)는 제1 그룹 제2 반사층(251) 및 제2 그룹 제2 반사층(252)을 포함할 수 있다. 제1 그룹 제2 반사층(251) 및 제2 그룹 제2 반사층(252)은 제2 도전형 도펀트, 예컨대 p형 도펀트를 포함할 수 있다. P형 도펀트로는 Mg, Zn, Ca, Sr, Ba 등이 있다.
예를 들어, 제1 그룹 제2 반사층(251) 및 제2 그룹 제2 반사층(252)은 AlxGa(1-x)As(0<x<1)를 포함할 수 있다.
도 1 내지 도 3b 및 도 8에 도시한 바와 같이, 제1 그룹 제2 반사층(251)은 복수의 반사층(255_1 내지 255_5)을 포함할 수 있다.
제3 실시예에 따르면, 복수의 반사층(255_1 내지 255_5) 중 하나의 반사층(255_2)은 제2 캐리어, 예컨대 홀(hole)이 해당 반사층(255_2)의 면 방향, 즉 횡 방향(in plane direction)으로 확산되도록 가이드하는 전류확산층일 수 있다. 반사층(255_2)에 의해 홀의 이동 방향이 전류의 흐름을 의미하므로, 제2 반사층(250)에서 발광층(230)으로 흐르는 전류가 애퍼처영역(241)의 에지를 따라 밀집되는 전류밀집 현상이 완화되거나 제거되므로, 발광층(230)의 빔의 발산각이 변동되지 않아 제품에 대한 신뢰성과 품질이 향상될 수 있다.
제3 실시예에 따르면, 제1 그룹 제2 반사층(251)은 복수의 제1-1 반사층(255_1)을 포함할 수 있다. 제1-1 반사층(255_1)은 갈륨계 화합물, 예를 들면 AlGaAs를 포함할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
제1-1 반사층(255_1)은 제1 알루미늄 농도를 가질 수 있다. 제1-1 반사층(255_1)은 Al0.88Ga0.12As을 포함할 수 있다. 즉, 제1 알루미늄 농도는 0.88일 수 있다.
제3 실시예에 따르면, 제1 그룹 제2 반사층(251)은 적어도 하나 이상의 제1-2 반사층(255_2)을 포함할 수 있다. 적어도 하나 이상의 제1-2 반사층(255_2)는 인접하는 제1-1 반사층(255_1) 사이에 배치될 수 있다. 제1-2 반사층(255_2)은 갈륨계 화합물, 예를 들면 AlGaAs를 포함할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
제1-2 반사층(255_2)은 제2 알루미늄 농도를 가질 수 있다. 제2 알루미늄 농도는 제1 알루미늄 농도보다 낮을 수 있다.
제1-2 반사층(255_2)은 나중에 보다 상세히 설명하기로 한다.
제3 실시예에 따르면, 제1 그룹 제2 반사층(251)은 복수의 제1-3 반사층(255_3)을 포함할 수 있다. 제1-3 반사층(255_3)은 인접하는 제1-1 반사층(255_1) 사이에 배치될 수 있다. 제3 반사층(255_2)은 갈륨계 화합물, 예를 들면 AlGaAs를 포함할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
제1-3 반사층(255_3)은 제3 알루미늄 농도를 가질 수 있다. 제3 알루미늄 농도는 제1 알루미늄 농도보다 낮을 수 있다. 제3 알루미늄 농도는 제2 알루미늄 농도와 동일하거나 이보다 높을 수 있다. 제1-3 반사층(255_3)은 Al0.12Ga0.88As을 포함할 수 있다. 이러한 경우, 제2 알루미늄 농도는 0.12이거나 이보다 낮을 수 있다.
제3 실시예에 따르면, 제1 그룹 제2 반사층(251)은 제1-4 반사층(255_4)을 포함할 수 있다. 제1-4 반사층(255_4)은 제1-1 반사층(255_1)과 제1-3 반사층(255_3) 사이에 배치될 수 있다.
제1-4 반사층(255_4)은 제4 알루미늄 농도를 가질 수 있다. 제4 알루미늄 농도는 그레이딩(grading) 또는 가변될 수 있다. 예컨대, 제4 알루미늄 농도는 제1-1 반사층(255_1)에서 제1-3 반사층(255_3)의 방향으로 갈수록 제1 알루미늄 농도에서 제3 알루미늄 농도로 감소되도록 그레이될 수 있다. 즉, 제1-1 반사층(255_1)에 접하는 제1-4 반사층(255_4)의 일단에서의 제4 알루미늄 농도는 제1-1 반사층(255_1)의 제1 알루미늄 농도와 동일할 수 있다. 제1-3 반사층(255_3)에 접하는 제1-4 반사층(255_4)의 타단에서의 제4 알루미늄 농도는 제1-3 반사층(255_3)의 제3 알루미늄 농도와 동일할 수 있다.
제1-4 반사층(255_4)은 Alx3Ga(1-x3)As(0.12≤X3≤0.88)을 포함할 수 있다.
제3 실시예에 따르면, 제1 그룹 제2 반사층(251)은 제1-5 반사층(255_5)을 포함할 수 있다. 제1-5 반사층(255_5)은 제1-1 반사층(255_1)과 제1-3 반사층(255_3) 사이에 배치될 수 있다.
제1-5 반사층(255_5)은 제5 알루미늄 농도를 가질 수 있다. 제5 알루미늄 농도는 그레이딩 또는 가변될 수 있다. 예컨대, 제5 알루미늄 농도는 제1-3 반사층(255_3)에서 제1-1 반사층(255_1)의 방향으로 갈수록 제3 알루미늄 농도에서 제1 알루미늄 농도로 감소되도록 그레이될 수 있다. 즉, 제1-3 반사층(255_3)에 접하는 제1-5 반사층(255_5)의 일단에서의 제5 알루미늄 농도는 제1-3 반사층(255_3)의 제3 알루미늄 농도와 동일할 수 있다. 제1-1 반사층(255_1)에 접하는 제1-5 반사층(255_5)의 타단에서의 제5 알루미늄 농도는 제1-1 반사층(255_1)의 제1 알루미늄 농도와 동일할 수 있다.
제1-5 반사층(255_5)은 Alx4Ga(1-x4)As(0.12≤X4≤0.88)을 포함할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
이하에서 제1-2 반사층(255_2)를 보다 상세히 설명하기로 한다.
제1-1 반사층(255_1), 제1-3 반사층(255_3), 제1-4 반사층(255_4) 및 제1-5 반사층(255_5) 각각은 제2 도전형 도펀트, 예컨대 p형 도펀트를 포함할 수 있다. P형 도펀트로는 Mg, Zn, Ca, Sr, Ba 등이 있다. 제1-1 반사층(255_1), 제1-3 반사층(255_3), 제1-4 반사층(255_4) 및 제1-5 반사층(255_5) 각각에 포함된 제2 도전형 도펀트의 농도는 상이할 수 있다.
한편, 제1-2 반사층(255_2)은 제2 도전형 도펀트를 포함하지 않을 수 있다. 즉, 제1-2 반사층(255_2)의 도핑농드는 제로(0)일 수 있다. 제1-2 반사층(255_2)에 제2 도전형 도펀트가 포함되지 않아 제1-2 반사층(255_2)의 저항이 증가되므로, 제2 반사층(250)에서 생성된 홀이 제1-2 반사층(255_2)에서 횡 방향으로 확산될 수 있다. 이에 따라, 제2 반사층(250)에서 발광층(240)으로 흐르는 전류 세기 또는 전류량이 경감되어 제2 반사층(250)에서의 전류가 애퍼처영역(241)의 에지를 따라 밀집되는 전류밀집 현상이 완화되거나 제거되므로, 발광층(230)의 빔의 발산각이 변동되지 않아 제품에 대한 신뢰성과 품질이 향상될 수 있다.
다른 예로서, 제1-2 반사층(255_2)은 제2 도전형 도펀트를 포함하지만, 제1-3 반사층(255_3)의 제2 도전형 도펀트의 농도보다 낮을 수 있다. 예컨대, 제1-2 반사층(255_2)의 제2 도전형 도펀트의 농도는 1E17/cm3 내지 1E19/cm3일 수 있다. 예컨대, 제1-2 반사층(255_2)의 제2 도전형 도펀트의 농도는 5E17/cm3이하일 수 있다. 예컨대, 제1-2 반사층(255_2)의 제2 도전형 도펀트의 농도는 1E15/cm3 내지 1E17/cm3일 수 있다. 이때, 제2 도전형 도펀트는 제1-2 반사층(255_2)의 전체 두께의 95%까지 도핑이 가능하며, 제1-2 반사층(255_2) 내에서 그 도핑 레벨이 가변될 수도 있다.
또 다른 예로서, 제1-2 반사층(255_2)은 제1 도전형 도펀트를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 도전형 도펀트는 Si, Ge, Sn, Se, Te 등과 같은 n형 도펀트를 포함할 수 있다. 제1-2 반사층(255_2)에 제2 도전형 도펀트에 반대 극성을 갖는 제1 도전형 도펀트가 도핑되어 제1-2 반사층(255_2)의 저항이 더욱 더 증가되므로, 제2-2 반사층(255_2)에서 전류가 수직 방향보다는 횡 방향으로 흐르게 되어 애퍼처영역(241)의 에지를 따라 밀집되는 전류밀집 현상이 완화되거나 제거되므로, 발광층(230)의 빔의 발산각이 변동되지 않아 제품에 대한 신뢰성과 품질이 향상될 수 있다.
제1-3 반사층(255_3)의 양측에는 제1-4 반사층(255_4)와 제1-5 반사층(255_5)가 배치될 수 있다. 예컨대, 제1-3 반사층(255_3)의 일측에는 제1-4 반사층(255_4)가 접촉되고, 제1-3 반사층(255_3)의 타측에는 제1-5 반사층(255_5)가 배치될 수 있다.
제1-2 반사층(255_2)의 양측에는 제1-4 반사층(255_4)와 제1-5 반사층(255_5)가 배치되지 않을 수 있다. 즉, 제1-2 반사층(255_2)의 양측에는 직접 제1-1 반사층(255_1)이 배치될 수 있다. 예컨대, 인접하는 제1-1 반사층(255_1) 중 하나의 제1-1 반사층(255_1)은 제1-2 반사층(255_2)의 일측에 접촉되고, 인접하는 제1-1 반사층(255_1) 중 다른 하나의 제1-1 반사층(255_1)은 제1-2 반사층(255_2)의 타측에 접촉될 수 있다.
제1-2 반사층(255_2)의 양측에 인접하는 제1-1 반사층(255-1)이 접촉되므로, 인접하는 제1-1 반사층(255_1) 중 하나의 제1-1 반사층(255_1)과 제1-2 반사층(255_2)의 일측이 접촉하는 제1 계면과 인접하는 제1-1 반사층(255_1) 중 다른 하나의 제1-1 반사층(255_1)과 제1-2 반사층(255_2)의 타측이 접촉하는 제2 계면에서 알루미늄 농도가 급격히 변동될 수 있다.
예컨대, 제1 계면에서 알루미늄 농도가 인접하는 제1-1 반사층(255_1) 중 하나의 제1-1 반사층(255_1)의 제1 알루미늄 농도에서 제1-2 반사층(255_2)의 제2 알루미늄 농도로 급격히(abruptly) 낮아지거나 감소될 수 있다.
예컨대, 제2 계면에서 알루미늄 농도가 제1-2 반사층(255_2)의 제2 알루미늄 농도에서 인접하는 제1-1 반사층(255_1) 중 하나의 제1-1 반사층(255_1)의 제1 알루미늄 농도로 급격히 높아지거나 증가될 수 있다.
다시 말해, 제1 계면 및/또는 제2 계면에서 알루미늄 농도는 그레이딩되지 않고 제2 알루미늄 농도에서 제1 알루미늄 농도로 또는 제1 알루미늄 농도에서 제2 알루미늄 농도로 점핑(jumping) 또는 천이될 수 있다.
알루미늄 농도는 에너지 밴드 갭과 비례 관계에 있다. 따라서, 알루미늄 농도가 증가되는 경우 에너지 밴드 갭은 커지게 되고, 알루미늄 농도가 감소되는 경우 에너지 밴드 갭은 작아질 수 있다. 제1 계면에서 에너지 밴드 갭이 급격히 작아지게 되고, 제2 계면에서 에너지 밴드 갭이 급격히 증가됨으로써, 제2 반사층(250)의 홀이 제1-2 반사층(255_2)에 가능한 많이 트랩(trap)될 수 있어 제2 반사층(250)에서의 전류가 애퍼처 에지를 따라 밀집되는 전류밀집 현상이 완화되거나 제거될 수 있다.
제1-2 반사층(255_2)와 인접하는 제1-1 반사층(255_1)의 사이 영역에서 알루미늄 농도가 급격하게 변동되므로, 제1-2 반사층(255_2)이 abrupt type 구조를 가질 수 있다.
예컨데 알루미늄 농도 변화에 있어서, 제1-1 반사층(255_1)의 제1 알루미늄 농도가 제1-2 반사층(255_2)의 제2 알루미늄 농도로 변하는 영역의 두께가 5nm 이하일 수 있다. 상기 제1-1 반사층(255_1)의 제1 알루미늄 농도가 상기 제1-2 반사층(255_2)의 제2 알루미늄 농도로 상기 5nm 이하의 영역에서 급격하게 변화될 수 있다. 바람직하게는 제1-1 반사층(255_1)의 제1 알루미늄 농도가 제1-2 반사층(255_2)의 제2 알루미늄 농도로 변하는 영역의 두께가 3nm 이하일 수 있다.
예컨대, 알루미늄 농도에 있어서, 제1-2 반사층(255_2)의 제1 레벨이 인접하는 제1-1 반사층(255-1)의 제2 레벨로 변동될 수 있다. 제1-2 반사층(255_2)에서는 제1 레벨의 알루미늄 농도로 유지되고, 제1-1 반사층(255-1)에서는 제1 레벨보다 높은 제2 레벨로 유지될 수 있다. 따라서, 제1-2 반사층(255_2)와 인접하는 제1-1 반사층(255_1)과의 경계면에서 제1 레벨의 알루미늄 농도에서 제2 레벨의 알루미늄 농도로 변동되거나 제2 레벨의 알루미늄 농도에서 제1 레벨의 알루미늄 농도로 변동될 수 있다.
이와 같이, 제1-2 반사층(255_2)의 제2 도전형 도펀트의 농도가 낮아짐으로써, 제1-2 반사층(255_2)의 저항이 증가되어 제2 반사층(250)의 홀이 제1-2 반사층(255_2)에서 횡 방향으로 확산되어, 제2 반사층(250)에서의 전류가 애퍼처 에지를 따라 밀집되는 전류밀집 현상이 완화되거나 제거되므로, 발광층(230)의 빔의 발산각이 변동되지 않아 제품에 대한 신뢰성과 품질이 향상될 수 있다. 또한, 상술한 일예에서 제1-2 반사층(255_2)에 도펀트가 포함되지 않는 것이 비해, 제1-2 반사층(255_2)에 도펀트가 포함되어 저항이 상대적으로 감소되므로, 상술한 일예에 비해 동작 전압이 낮아질 수 있다.
제1-2 반사층(255_2)은 산화층(240)으로부터 10nm 내지 100nm 이격되어 배치될 수 있다. 제1-2 반사층(255_2)가 10nm 미만 이격되어 배치되는 경우, 산화층(240)의 애퍼처영역(241)에 너무 근접하게 되어제1-2 반사층(255_2)으로 인한 전류밀집 현상의 완화가 어려울 수 있다. 제1-2 반사층(255_2)가 100nm 초과하여 배치되는 경우, 제1-2 반사층(255_2)가 산화층(240)의 애퍼처영역(241)으로부터 멀리 이격되어 제1-2 반사층(255_2)을 통과하여 산화층(240)의 애퍼처영역(241)으로 진행되는 전류에 의해 여전히 전류밀집 현상이 발생될 수 있다.
예컨대, 제1-2 반사층(255_2)은 산화층(240)으로부터 15nm 이상 이격될 수 있다. 예컨대, 제1-2 반사층(255_2)은 산화층(240)으로부터 15nm 내지 50nm 이격될 수 있다. 예컨대, 제1-2 반사층(255_2)은 산화층(240)으로부터 15nm 내지 30nm 이격될 수 있다.
도 9a는 종래의 표면발광레이저 소자에서의 전류밀집 현상을 보여주고, 도 9b는 제3 실시예에 따른 표면발광레이저 소자(201)에서의 전류밀집이 완화되는 모습을 보여준다.
도 9a에 도시한 바와 같이, 종래의 표면발광레이저 소자에서는 발광층의 사이즈에 비해 작은 애퍼처영역(241)으로 전류가 흐르므로, 절연영역의 내측을 중심으로 전류가 집중되는 전류밀집 현상이 발생되었다.
도 9b에 도시한 바와 같이, 제3 실시예에 따라 제2 반사층(250)에 알루미늄 농도가 그레이딩되는 제1-4 반사층(255_4) 및 제1-5 반사층(255_5)이 생략되어 인접하는 제1-1 반사층(255_1)에 접하며, 비교적 낮은 도핑 농도나 도펀트가 포함되지 않는 제1-2 반사층(255_2)가 구비됨으로써, 제2 반사층(250)에서 발광층(230)로 흐르는 전류 중 일부가 횡 방향으로 확산되어 절연영역(242)의 내측애서 발생되는 전류밀집이 완화되거나 해소될 수 있다. 이와 같이 전류밀집이 완화되거나 해소되어, 발광층(230)의 빔의 발산각이 변동되지 않아 제품에 대한 신뢰성과 품질이 향상될 수 있다.
제3 실시예에 따르면, 제2 반사층(250)의 제1 그룹 제2 반사층(251) 에 상대적으로 낮은 에너지 밴드 갭을 갖고, 또한 낮은 도핑 농도를 갖는 제2 도전형 도펀트를 포함하거나 제1 도전형 도펀트를 포함하거나 제2 도전형 도펀트가 포함되지 않는 적어도 하나 이상의 제2 반사층(255_2)이 포함됨으로써, 해당 제2 반사층(255_2)의 저항이 증가되어 제2 반사층(250)의 홀이 해당 제2 반사층(255_2)의 면 방향으로 확산될 수 있다. 이에 따라, 제2 반사층(250)에서의 전류가 애퍼처 에지를 따라 밀집되는 전류밀집 현상이 완화되거나 제거되므로, 발광층(230)의 빔의 발산각이 변동되지 않아 제품에 대한 신뢰성과 품질이 향상될 수 있다.
제3 실시예에 따르면, 발광층(230) 상의 제2 반사층(250)의 인접한 제1-3 반사층(255_3)과 제1-1 반사층(255_1) 사이에 중간 영역의 알루미늄 농도, 즉 제4 및 제5 알루미늄 농도를 갖는 제1-4 반사층(255_4) 또는 제1-5 반사층(255_5)이 구비됨으로써, 제2 반사층(250)의 각 층(255p, 255q, 255r, 255s) 사이의 계면에서 에너지 밴드 벤딩(band bending)에 의한 전기장 발생이 최소화되어 캐리어 장벽이 낮아져 광출력이 향상될 수 있다.
한편, 실시예에서 제1-1 반사층(255_1)의 두께는 제1-3 반사층(255_3)의 두께보다 두꺼울 수 있다. 또한 제1-3 반사층(255_3) 또는 제1-1 반사층(255_1)의 두께는 제1-4 반사층(255_4) 또는 제1-5 반사층(255_5)의 두께보다는 두꺼울 수 있다.
이때 제1-1 반사층(255_1)의 제1 알루미늄 농도는 제1-3 반사층(255_3)의 제3 알루미늄 농도가 높을 수 있다. 또한 제1-3 반사층(255_3)의 제3 알루미늄 농도는 제1-4 반사층(255_4)의 제4 알루미늄 농도 또는 제1-5 반사층(255_5)의 제5 알루미늄 농도보다 높을 수 있다.
이에 따라 알루미늄 농도가 상대적으로 높은 제1-1 반사층(255_1)의 두께가 제1-3 반사층(255_3)의 두께보다 두꺼우므로 격자 품질을 향상시켜 광출력에 기여할 수 있다.
또한 알루미늄 농도가 상대적으로 높은 제1-3 반사층(255_3)의 두께가 제1-4 반사층(255_4) 또는 제1-5 반사층(255_5)의 두께보다 두꺼우므로 격자 품질을 향상시켜 광출력에 기여할 수 있다.
예를 들어, 제1-1 반사층(255_1)의 두께는 약 50~55nm일 수 있으며, 제1-3 반사층(255_3)의 두께는 약 26~32nm일 수 있고, 알루미늄 농도가 상대적으로 높은 제1-1 반사층(255_1)의 두께가 제1-3 반사층(255_3)의 두께보다 두꺼우므로 격자 품질을 향상시켜 광출력에 기여할 수 있다.
또한 제1-4 반사층(255_4)의 두께는 약 22~27 nm일 수 있으며, 제1-5 반사층(255_5)의 두께는 약 22~27 nm일 수 있으며, 알루미늄 농도가 상대적으로 높은 제1-1 반사층(255_1), 제1-3 반사층(255_3)의 두께가 제1-4 반사층(255_4), 제1-5 반사층(255_5)보다 두꺼우므로 격자 품질을 향상시켜 광출력에 기여할 수 있다.
(제4 실시예)
도 10은 제4 실시예에 따른 표면발광레이저 소자의 제2 반사층(250)에서의 Al 농도 분포에 대한 데이터이다.
제4 실시예는 상대적으로 낮은 에너지 밴드 갭을 갖고, 또한 낮은 도핑 농도를 갖는 제2 도전형 도펀트를 포함하거나 제1 도전형 도펀트를 포함하거나 제2 도전형 도펀트가 포함되지 않는 층이 제2 그룹 제2 반사층(252)에 더 포함되는 것을 제외하고 제3 실시예와 동일하다. 제4 실시예에 따른 표면발광레이저 소자(201)에서 제2 반사층(250)를 제외한 나머지 구성요소는 제1 내지 제3 실시예에 따른 표면발광레이저 소자와 동일하다. 이러한 나머지 구성요소는 제1 내지 제3 실시예로부터 용이하게 이해될 수 있다. 이하에서는 제2 반사층(250)를 중심으로 설명하기로 한다.
제4 실시예에 따르면, 상기 제2 반사층(250)은 복수의 전류확산층을 포함하고, 인접하는 전류확산층 사이의 간격은 50nm 이상일 수 있다. 예컨대, 전류확산층은 도 10에 도시된 제1-2 반사층(255_2, 257_2)일 수 있다.
실시예에서 제2 반사층(250)는 제1 그룹 제2 반사층(251) 및 제2 그룹 제2 반사층(252)을 포함할 수 있다. 제1 그룹 제2 반사층(251) 및 제2 그룹 제2 반사층(252)은 제2 도전형 도펀트, 예컨대 p형 도펀트를 포함할 수 있다. P형 도펀트로는 Mg, Zn, Ca, Sr, Ba 등이 있다.
예를 들어, 제1 그룹 제2 반사층(251) 및 제2 그룹 제2 반사층(252)은 AlxGa(1-x)As(0<x<1)를 포함할 수 있다.
도 1 내지 도 3b 및 도 10에 도시한 바와 같이, 제1 그룹 제2 반사층(251)은 복수의 반사층(257_1 내지 257_5)을 포함할 수 있다.
제4 실시예에 따르면, 복수의 반사층(257_1 내지 257_5) 중 하나의 반사층(257_2)은 제2 캐리어, 예컨대 홀(hole)이 해당 반사층(257_2)의 면 방향, 즉 횡 방향으로 확산되도록 가이드할 수 있다. 반사층(257_2)에 의해 홀의 이동 방향이 전류의 흐름을 의미하므로, 제2 반사층(250)에서 발광층(230)으로 흐르는 전류가 애퍼처영역(241)의 에지를 따라 밀집되는 전류밀집 현상이 완화되거나 제거되므로, 발광층(230)의 빔의 발산각이 변동되지 않아 제품에 대한 신뢰성과 품질이 향상될 수 있다.
제4 실시예에 따르면, 제2 그룹 제2 반사층(252)은 복수의 제1-1 반사층(257_1)을 포함할 수 있다. 제1-1 반사층(257_1)은 갈륨계 화합물, 예를 들면 AlGaAs를 포함할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
제1-1 반사층(257_1)은 제1 알루미늄 농도를 가질 수 있다. 제1-1 반사층(257_1)은 Al0.88Ga0.12As을 포함할 수 있다. 즉, 제1 알루미늄 농도는 0.88일 수 있다.
제4 실시예에 따르면, 제2 그룹 제2 반사층(252)은 적어도 하나 이상의 제1-2 반사층(257_2)을 포함할 수 있다. 적어도 하나 이상의 제1-2 반사층(257_2)는 인접하는 제1-1 반사층(257_1) 사이에 배치될 수 있다. 제1-2 반사층(257_2)은 갈륨계 화합물, 예를 들면 AlGaAs를 포함할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
제1-2 반사층(257_2)은 제2 알루미늄 농도를 가질 수 있다. 제2 알루미늄 농도는 제1 알루미늄 농도보다 낮을 수 있다.
제1-2 반사층(257_2)은 나중에 보다 상세히 설명하기로 한다.
제4 실시예에 따르면, 제2 그룹 제2 반사층(252)은 복수의 제1-3 반사층(257_3)을 포함할 수 있다. 제1-3 반사층(257_3)은 인접하는 제1-1 반사층(257_1) 사이에 배치될 수 있다. 제3 반사층(257_2)은 갈륨계 화합물, 예를 들면 AlGaAs를 포함할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
제1-3 반사층(257_3)은 제3 알루미늄 농도를 가질 수 있다. 제3 알루미늄 농도는 제1 알루미늄 농도보다 낮을 수 있다. 제3 알루미늄 농도는 제2 알루미늄 농도와 동일하거나 이보다 높을 수 있다. 제1-3 반사층(257_3)은 Al0.12Ga0.88As을 포함할 수 있다. 이러한 경우, 제2 알루미늄 농도는 0.12이거나 이보다 낮을 수 있다.
제4 실시예에 따르면, 제2 그룹 제2 반사층(252)은 제1-4 반사층(257_4)을 포함할 수 있다. 제1-4 반사층(257_4)은 제1-1 반사층(257_1)과 제1-3 반사층(257_3) 사이에 배치될 수 있다.
제1-4 반사층(257_4)은 제4 알루미늄 농도를 가질 수 있다. 제4 알루미늄 농도는 그레이딩 또는 가변될 수 있다. 예컨대, 제4 알루미늄 농도는 제1-1 반사층(257_1)에서 제1-3 반사층(257_3)의 방향으로 갈수록 제1 알루미늄 농도에서 제3 알루미늄 농도로 감소되도록 그레이될 수 있다. 즉, 제1-1 반사층(257_1)에 접하는 제1-4 반사층(257_4)의 일단에서의 제4 알루미늄 농도는 제1-1 반사층(257_1)의 제1 알루미늄 농도와 동일할 수 있다. 제1-3 반사층(257_3)에 접하는 제1-4 반사층(257_4)의 타단에서의 제4 알루미늄 농도는 제1-3 반사층(257_3)의 제3 알루미늄 농도와 동일할 수 있다.
제1-4 반사층(257_4)은 Alx3Ga(1-x3)As(0.12≤X3≤0.88)을 포함할 수 있다.
제4 실시예에 따르면, 제2 그룹 제2 반사층(252)은 제1-5 반사층(257_5)을 포함할 수 있다. 제1-5 반사층(257_5)은 제1-1 반사층(257_1)과 제1-3 반사층(257_3) 사이에 배치될 수 있다.
제1-5 반사층(257_5)은 제5 알루미늄 농도를 가질 수 있다. 제5 알루미늄 농도는 그레이딩 또는 가변될 수 있다. 예컨대, 제5 알루미늄 농도는 제1-3 반사층(257_3)에서 제1-1 반사층(257_1)의 방향으로 갈수록 제3 알루미늄 농도에서 제1 알루미늄 농도로 감소되도록 그레이될 수 있다. 즉, 제1-3 반사층(257_3)에 접하는 제1-5 반사층(257_5)의 일단에서의 제5 알루미늄 농도는 제1-3 반사층(257_3)의 제3 알루미늄 농도와 동일할 수 있다. 제1-1 반사층(257_1)에 접하는 제1-5 반사층(257_5)의 타단에서의 제5 알루미늄 농도는 제1-1 반사층(257_1)의 제1 알루미늄 농도와 동일할 수 있다.
제1-5 반사층(257_5)은 Alx4Ga(1-x4)As(0.12≤X4≤0.88)을 포함할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
이하에서 제1-2 반사층(257_2)를 보다 상세히 설명하기로 한다.
제1-1 반사층(257_1), 제1-3 반사층(257_3), 제1-4 반사층(257_4) 및 제1-5 반사층(257_5) 각각은 제2 도전형 도펀트, 예컨대 p형 도펀트를 포함할 수 있다. P형 도펀트로는 Mg, Zn, Ca, Sr, Ba 등이 있다. 제1-1 반사층(257_1), 제1-3 반사층(257_3), 제1-4 반사층(257_4) 및 제1-5 반사층(257_5) 각각에 포함된 제2 도전형 도펀트의 농도는 상이할 수 있다.
한편, 제1-2 반사층(257_2)은 제2 도전형 도펀트를 포함하지 않을 수 있다. 제1-2 반사층(257_2)에 제2 도전형 도펀트가 포함되지 않아 제1-2 반사층(257_2)의 저항이 증가되므로, 제2 반사층(250)에서 생성된 홀이 제1-2 반사층(257_2)에서 횡 방향으로 확산될 수 있다. 이에 따라, 제2 반사층(250)에서 발광층(240)으로 흐르는 전류 세기 또는 전류량이 경감되어 제2 반사층(250)에서의 전류가 애퍼처영역(241)의 에지를 따라 밀집되는 전류밀집 현상이 완화되거나 제거되므로, 발광층(230)의 빔의 발산각이 변동되지 않아 제품에 대한 신뢰성과 품질이 향상될 수 있다.
다른 예로서, 제1-2 반사층(257_2)은 제2 도전형 도펀트를 포함하지만, 제1-3 반사층(257_3)의 제2 도전형 도펀트의 농도보다 낮을 수 있다. 예컨대, 제1-2 반사층(257_2)의 제2 도전형 도펀트의 농도는 1E17/cm3 내지 1E19/cm3일 수 있다. 이때, 제2 도전형 도펀트는 제1-2 반사층(257_2)의 전체 두께의 95%까지 도핑이 가능하며, 제1-2 반사층(257_2) 내에서 그 도핑 레벨이 가변될 수도 있다.
또 다른 예로서, 제1-2 반사층(257_2)은 제1 도전형 도펀트를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 도전형 도펀트는 Si, Ge, Sn, Se, Te 등과 같은 n형 도펀트를 포함할 수 있다. 제1-2 반사층(257_2)에 제2 도전형 도펀트에 반대 극성을 갖는 제1 도전형 도펀트가 도핑되어 제1-2 반사층(257_2)의 저항이 더욱 더 증가되므로, 제2-2 반사층(257_2)에서 전류가 수직 방향보다는 횡 방향으로 흐르게 되어 애퍼처영역(241)의 에지를 따라 밀집되는 전류밀집 현상이 완화되거나 제거되므로, 발광층(230)의 빔의 발산각이 변동되지 않아 제품에 대한 신뢰성과 품질이 향상될 수 있다.
제1-3 반사층(257_3)의 양측에는 제1-4 반사층(257_4)와 제1-5 반사층(257_5)가 배치될 수 있다. 예컨대, 제1-3 반사층(257_3)의 일측에는 제1-4 반사층(257_4)가 접촉되고, 제1-3 반사층(257_3)의 타측에는 제1-5 반사층(257_5)가 배치될 수 있다.
제1-2 반사층(257_2)의 양측에는 제1-4 반사층(257_4)와 제1-5 반사층(257_5)가 배치되지 않을 수 있다. 즉, 제1-2 반사층(257_2)의 양측에는 직접 제1-1 반사층(257_1)이 배치될 수 있다. 예컨대, 인접하는 제1-1 반사층(257_1) 중 하나의 제1-1 반사층(257_1)은 제1-2 반사층(257_2)의 일측에 접촉되고, 인접하는 제1-1 반사층(257_1) 중 다른 하나의 제1-1 반사층(257_1)은 제1-2 반사층(257_2)의 타측에 접촉될 수 있다.
제1-2 반사층(257_2)의 양측에 인접하는 제1-1 반사층(257-1)이 접촉되므로, 인접하는 제1-1 반사층(257_1) 중 하나의 제1-1 반사층(257_1)과 제1-2 반사층(257_2)의 일측이 접촉하는 제1 계면과 인접하는 제1-1 반사층(257_1) 중 다른 하나의 제1-1 반사층(257_1)과 제1-2 반사층(257_2)의 타측이 접촉하는 제2 계면에서 알루미늄 농도가 급격히 변동될 수 있다.
예컨대, 제1 계면에서 알루미늄 농도가 인접하는 제1-1 반사층(257_1) 중 하나의 제1-1 반사층(257_1)의 제1 알루미늄 농도에서 제1-2 반사층(257_2)의 제2 알루미늄 농도로 급격히 낮아지거나 감소될 수 있다.
예컨대, 제2 계면에서 알루미늄 농도가 제1-2 반사층(257_2)의 제2 알루미늄 농도에서 인접하는 제1-1 반사층(257_1) 중 하나의 제1-1 반사층(257_1)의 제1 알루미늄 농도로 급격히 높아지거나 증가될 수 있다.
다시 말해, 제1 계면 및/또는 제2 계면에서 알루미늄 농도는 그레이딩되지 않고 제2 알루미늄 농도에서 제1 알루미늄 농도로 또는 제1 알루미늄 농도에서 제2 알루미늄 농도로 점핑 또는 천이될 수 있다.
알루미늄 농도는 에너지 밴드 갭과 비례 관계에 있다. 따라서, 알루미늄 농도가 증가되는 경우 에너지 밴드 갭은 커지게 되고, 알루미늄 농도가 감소되는 경우 에너지 밴드 갭은 작아질 수 있다. 제1 계면에서 에너지 밴드 갭이 급격히 작아지게 되고, 제2 계면에서 에너지 밴드 갭이 급격히 증가됨으로써, 제2 반사층(250)의 홀이 제1-2 반사층(257_2)에 가능한 많이 트랩(trap)될 수 있어 제2 반사층(250)에서의 전류가 애퍼처 에지를 따라 밀집되는 전류밀집 현상이 완화되거나 제거될 수 있다.
이와 같이, 제1-2 반사층(257_2)의 제2 도전형 도펀트의 농도가 낮아짐으로써, 제1-2 반사층(257_2)의 저항이 증가되어 제2 반사층(250)의 홀이 제1-2 반사층(257_2)에서 횡 방향으로 확산되어, 제2 반사층(250)에서의 전류가 애퍼처 에지를 따라 밀집되는 전류밀집 현상이 완화되거나 제거되므로, 발광층(230)의 빔의 발산각이 변동되지 않아 제품에 대한 신뢰성과 품질이 향상될 수 있다. 또한, 상술한 일예에서 제1-2 반사층(257_2)에 도펀트가 포함되지 않는 것이 비해, 제1-2 반사층(257_2)에 도펀트가 포함되어 저항이 상대적으로 감소되므로, 상술한 일예에 비해 동작 전압이 낮아질 수 있다.
제2-2 반사층(257_2)은 산화층(240)으로부터 200nm 내지 300nm 이격되어 배치될 수 있다. 제2-2 반사층(257_2)가 200nm 초과하여 배치되는 경우 제2-2 반사층(257_2)가 산화층(240)의 애퍼처영역(241)으로부터 너무 멀리 이격되어 제2-2 반사층(257_2)을 통과하여 산화층(240)의 애퍼처영역(241)으로 진행되는 전류에 의해 여전히 전류밀집 현상이 발생될 수 있다.
예컨대, 제2-2 반사층(257_2)은 산화층(240)으로부터 200nm 내지 230nm 이격될 수 있다.
도 11은 제4 실시예에 따른 전류밀집 정도를 보여준다.
도 11에 도시한 바와 같이, 제4 실시예에 따라 제2 반사층(250)에 알루미늄 농도가 그레이딩되는 제2-4 반사층(257_4) 및 제2-5 반사층(257_5)이 생략되어 인접하는 제2-1 반사층(257_1)에 접하며 비교적 낮은 도핑 농도나 도펀트가 포함되지 않는 제2-2 반사층(257_2)가 구비됨으로써, 제2 반사층(250)에서 발광층(230)로 흐르는 전류 중 일부가 황 방향으로 확산되어 절연영역(242)의 내측에서 발생되는 전류밀집이 완화되거나 해소될 수 있다. 이와 같이 전류밀집이 완화되거나 해소되어, 발광층(230)의 빔의 발산각이 변동되지 않아 제품에 대한 신뢰성과 품질이 향상될 수 있다.
제4 실시예에 따르면, 제2 반사층(250)에에 상대적으로 낮은 에너지 밴드 갭을 갖고, 또한 낮은 도핑 농도를 갖는 제2 도전형 도펀트를 포함하거나 제1 도전형 도펀트를 포함하거나 제2 도전형 도펀트가 포함되지 않는 적어도 하나 이상의 제2 반사층(257_1, 257_2)이 제1 그룹 제2 반사층(251) 뿐만 아니라 제2 그룹 제2 반사층(252)에 포함됨으로써, 제1 그룹 제2 반사층(251)의 해당 제2 반사층(257_1)과 제2 그룹 제2 반사층(252)의 해당 제2 반사층(257_2) 각각에서 저항이 증가되어 제2 반사층(250)의 홀이 해당 제2 반사층(257_1, 257_2) 각각의 면 방향으로 확산될 수 있다. 이에 따라, 제2 반사층(250)에서의 전류가 애퍼처 에지를 따라 밀집되는 전류밀집 현상이 보다 확실히 완화되거나 제거되므로, 발광층(230)의 빔의 발산각이 변동되지 않아 제품에 대한 신뢰성과 품질이 향상될 수 있다.
(제조방법)
이하 도 12a 내지 도 16b를 참조하여 실시예에 따른 표면발광레이저 소자의 제조방법을 설명하기로 한다. 한편, 아래 제조방법은 제1 실시예의 제조방법을 중심으로 설명하나, 제조방법이 제1 실시예의 제조에만 적용되는 것은 아니며, 제2 실시예 내지 제5 실시예의 제조방법에도 적용될 수 있다.
우선, 도 12a와 같이, 기판(210) 상에 제1 반사층(220), 발광층(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, 표면발광레이저 소자(201) 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 12b는 도 12a에 도시된 실시예에 따른 표면발광레이저 소자의 제2 영역(B2)의 확대 단면도이다.
이하 도 12a와 도 12b를 함께 참조하여 실시예의 실시예에 따른 표면발광레이저 소자를 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 굴절 률을 가지는 물질로 이루어진 층들이 교대로 적어도 1회 이상 적층된 구조일 수 있다.
예를 들어, 도 12b와 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 12b와 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 발광층(230)이 형성될 수 있다.
도 12b와 같이, 상기 발광층(230)은 활성층(232) 및 상기 활성층(232)의 하측에 배치되는 제1 캐비티(231), 상측에 배치되는 제2 캐비티(233)를 포함할 수 있다. 실시예의 발광층(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, 발광층(230) 상에 산화층(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. 한편, 제1 반사층(220)이 p형 도펀트로 도핑될 수도 있고, 제2 반사층(250)이 n형 도펀트로 도핑될 수도 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 발광층(230)에 인접하게 배치된 제1 그룹 제2 반사층(251) 및 상기 제1 그룹 제2 반사층(251)보다 상기 발광층(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 13a는 실시예에 따른 표면발광레이저 소자의 제1 영역(C1) 확대도이고, 도 13b는 도 13a에 도시된 실시예에 따른 표면발광레이저 소자의 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 발광층(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 발광층(230)을 제거할 수 있으며, 메사 식각 영역은 측면이 기울기를 가지고 식각될 수 있다.
다음으로 도 14a는 실시예에 따른 표면발광레이저 소자의 제1 영역(C1) 확대도이고, 도 14b는 도 14a에 도시된 실시예에 따른 표면발광레이저 소자의 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 애퍼처영역(241)를 포함하는 산화층(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 implantation)을 통해 AlGa 계열층의 가장 자리 영역을 절연영역(242)으로 변화시킬 수도 있으며 이에 한정하지 않는다. 이온 주입 시에는 300keV 이상의 에너지로 포톤(photon)이 공급될 수 있다.
상술한 반응 공정 후에, 산화층(240)의 중앙 영역은 도전성의 AlGaAs가 배치되고 가장 자리 영역에는 비도전성의 Al2O3가 배치될 수 있다. 중앙 영역의 AlGaAs는 발광층(230)에서 방출되는 광이 상부 영역으로 진행되는 부분으로 애퍼처영역(241)로 정의될 수 있다.
실시예의 기술적 과제중의 하나는 고전류 인가시 또는 애퍼처 사이즈의 증대에도 불구하고 고차 모드 이동(higher mode shift)에 따른 출사 빔 패턴(beam pattern)이 분열되는 문제를 방지할 수 있는 표면발광레이저 소자를 제공하고자 함이다.
다음으로 도 15a는 실시예에 따른 표면발광레이저 소자의 제1 영역(C1) 확대도이고, 도 15b는 도 15a에 도시된 실시예에 따른 표면발광레이저 소자의 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 표면발광레이저 소자의 제1 영역부분(C1) 확대도이고, 도 16b는 도 16a에 도시된 실시예에 따른 표면발광레이저 소자의 A1-A2선을 따른 단면도이다.
실시예에 의하면 도 16b와 제2 반사층(250) 상에 컨택전극(282)이 형성될 수 있으며, 컨택전극(282)의 사이의 중앙영역은 애퍼처영역(241)와 대응될 수 있다. 상기 컨택전극(282)은 제2 반사층(250)과의 오믹 접촉 특성을 향상시킬 수 있다.
다음으로, 컨택전극(282)과 전기적으로 접촉되는 패드전극(284)이 형성될 수 있으며, 패드전극(284)은 패시베이션층(270)의 상부로 연장되어 배치되어 외부로부터 전류를 공급받을 수 있다.
상기 컨택전극(282)과 패드전극(284)은 도전성 재료로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 컨택전극(282)과 패드전극(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.
상술한 표면발광레이저 소자를 포함하는 반도체 소자는 레이저 다이오드일 수 있으며, 2개의 반사층 내부가 공진기(resonator)로 작용할 수 있다. 이때, 제1 도전형의 제1 반사층(220)과 제2 도전형의 제2 반사층(250)으로부터 전자와 정공이 활성층으로 공급되어, 발광층(230)에서 방출된 광이 공진기 내부에서 반사되어 증폭되고 문턱 전류에 도달하면, 상술한 애퍼처영역(241)를 통하여 외부로 방출될 수 있다.
실시예에 따른 표면발광레이저 소자에서 방출된 광은 단일 파장 및 단일 위상의 광일 수 있으며, 제1 반사층(220), 제2 반사층(250)과 발광층(230)의 조성 등에 따라 단일 파장 영역이 변할 수 있다.
이러한 표면발광레이저 소자는 다양한 발광장치로 활용될 수 있다. 예컨대, 표면발광레이저 소자는 이동 단말기에 자동 초점을 위한 센서로 채택될 수 있다.
(이동 단말기)
도 17은 실시예에 따른 표면발광레이저 소자가 적용된 이동 단말기의 사시도이다.
도 17에 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, 자동 초점 장치(1510)는 발광층으로서 앞서 설명된 실시예에 따른 표면발광레이저 소자의 패키지 중의 하나를 포함할 수 있다.
플래쉬 모듈(1530)은 그 내부에 광을 발광하는 발광소자를 포함할 수 있다. 플래쉬 모듈(1530)은 이동 단말기의 카메라 작동 또는 사용자의 제어에 의해 작동될 수 있다.
카메라 모듈(1520)은 이미지 촬영 기능 및 자동 초점 기능을 포함할 수 있다. 예컨대 카메라 모듈(1520)은 이미지를 이용한 자동 초점 기능을 포함할 수 있다.
자동 초점 장치(1510)는 레이저를 이용한 자동 초점 기능을 포함할 수 있다. 자동 초점 장치(1510)는 카메라 모듈(1520)의 이미지를 이용한 자동 초점 기능이 저하되는 조건, 예컨대 10m 이하의 근접 또는 어두운 환경에서 주로 사용될 수 있다. 자동 초점 장치(1510)는 앞서 기술된 실시예의 표면발광레이저 소자를 포함하는 발광층과, 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.
201: 표면발광레이저 소자
210: 기판
215: 제1 전극
220: 제1 반사층
221: 제1 그룹 제1 반사층
221a: 제1 그룹 제1-1 층
221b: 제1 그룹 제1-2 층
222: 제2 그룹 제1 반사층
222a: 제2 그룹 제1-1 층
222b: 제2 그룹 제1-2 층
230: 발광층
231: 제1 캐비티층
231a: 제1-1 캐비티층
231b: 제1-2 캐비티층
232: 활성층
232a: 양자우물
232b: 양자배리어
233: 제2 캐비티층
233a: 제2-1 캐비티층
233b: 제2-2 캐비티층
240: 산화층
241: 애퍼처영역
242: 절연영역
242a, 242b: 절연층
250: 제2 반사층
251: 제1 그룹 제2 반사층
251a: 제1 그룹 제2-1 층
251b: 제1 그룹 제2-2 층
252: 제2 그룹 제2 반사층
252a: 제2 그룹 제2-1 층
252b: 제2 그룹 제2-2 층
255_1, 257_1: 제2-1 반사층
255_2, 257_2: 제2-2 반사층
255_3, 257_3: 제2-3 반사층
255_4, 257_4: 제2-4 반사층
255_5, 257_5: 제2-5 반사층
270: 패시베이션층
280: 제2 전극
282: 컨택 전극
284: 패드 전극
300: 마스크
E: 발광층
E1, E2, E3: 에미터
M: 메사영역
n, N1, N2: 굴절률
P: 패드부

Claims (14)

  1. 기판;
    상기 기판상에 배치되는 제1 반사층;
    상기 제1 반사층 상에 배치되는 활성층;
    상기 활성층 상에 배치되며 개구부(Aperture) 및 절연영역을 포함하는 산화층; 및
    상기 산화층 상에 배치되고 전류확산층을 포함하는 제2 반사층;을 포함하고
    상기 전류확산층의 도핑 농도는 5E17/cm3 미만이며,
    상기 전류확산층은 상기 산화층으로부터 10nm 내지 100nm 범위로 이격되는 표면발광레이저 소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전류확산층의 도핑농도는 1E15/cm3 내지 1E17/cm3 인 표면발광레이저 소자.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 전류확산층의 도핑농도는 0인 표면발광레이저 소자.
  4. 제1항 내지 제3항 중 하나의 항에 있어서,
    상기 전류확산층의 알루미늄 조성은 상하에 있는 층의 알루미늄 조성보다 낮은 표면발광레이저 소자.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 전류확산층은 abrupt type의 알루미늄 조성 변화를 갖는 표면발광레이저 소자.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 전류확산층은 상기 산화층 상으로부터 10nm 내지 50nm 이격되는 표면발광레이저 소자.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제2 반사층은 복수의 전류확산층을 포함하고,
    상기 복수의 전류확산층 사이의 간격은 50nm 이상인 표면발광레이저 소자.
  8. 기판;
    상기 기판상에 배치되는 제1 반사층;
    상기 제1 반사층 상에 배치되는 활성층;
    상기 활성층 상에 배치되며 개구부(Aperture) 및 절연영역을 포함하는 산화층; 및
    상기 산화층 상에 배치되고 전류확산층을 포함하는 제2 반사층;을 포함하고,
    상기 전류확산층은 상기 제2 반사층과 상기 제1 반사층 사이로 배치되고, 수직으로 흐르는 전류를 횡 방향으로 확산시키며,
    상기 전류확산층은 상기 산화층으로부터 10nm 내지 100nm 범위로 이격되는 표면발광레이저 소자.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 전류확산층의 도핑농도는 1E15/cm3 내지 1E17/cm3인 표면발광레이저 소자.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 전류확산층의 도핑농도는 0인 표면발광레이저 소자.
  11. 제8항 내지 제10항 중 하나의 항에 있어서,
    상기 전류확산층의 알루미늄 조성은 상하에 있는 층의 알루미늄 조성보다 낮은 표면발광레이저 소자.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 전류확산층은 abrupt type의 알루미늄 조성 변화를 갖는 표면발광레이저 소자.
  13. 제8항에 있어서,
    상기 전류확산층은 상기 산화층 상으로부터 10nm 내지 50nm 이격되는 표면발광레이저 소자.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 제2 반사층은 복수의 전류확산층을 포함하고,
    상기 복수의 전류확산층 사이의 간격은 50nm 이상인 표면발광레이저 소자.
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