KR102569495B1 - 표면 광방출 레이저 소자 및 이를 포함하는 발광장치 - Google Patents

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Abstract

실시예는 표면 광방출 레이저소자 및 이를 포함하는 발광장치에 관한 것이다.
실시예에 따른 표면방출 레이저소자는 기판, 상기 기판 상에 배치되는 제1 반사층, 상기 제1 반사층 상에 배치되는 활성층, 상기 활성층 상에 배치되고, 애퍼처 영역을 포함하는 제2 반사층;을 포함하고,상기 애퍼처 영역은, 제1 절연층과 상기 제1 절연층 상에 배치되는 제2 절연층을 포함할 수 있다.
상기 제1 절연층의 길이는 상기 제2 절연층의 길이보다 길 수 있다.

Description

표면 광방출 레이저 소자 및 이를 포함하는 발광장치{A SURFACE-EMITTING LASER DEVICE AND LIGHT EMITTING DEVICE INCLUDING THE SAME}
실시예는 반도체 소자에 관한 것으로, 보다 상세하게는 표면 광방출 레이저 소자 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 Lamp)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 표면 광방출 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, 저전류에서 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.
그런데, 이러한 VCSEL을 ToF 센서, 구조광 센서 또는 LDAF(Laser Diode Autofocus) 등에 적용하게 되면 고전류에서 작동하게 되므로 광도출력이 감소하거나 문턱 전류가 증가하는 등의 문제점이 발생한다.
즉, 종래 VCSEL(Vertical Cavity Surface Emitting Laser)의 에피(Epi) 구조는 기존의 데이터(Data) 광통신용 구조에서는 응답속도가 중요하였으나, 센서용 고전압 패키지(High Power PKG) 개발 시에는 광출력과 전압 효율이 중요한 특성이 된다.
특히 센서용 VCSEL 패키지에서는 VCSEL 칩에서의 빔의 발산각(divergence angle of beams)과 확산판(diffuser)에서의 빔 각도(beam angle)의 조합으로 FOV(field-of-view)가 결정됨에 따라 VCSEL 칩에서의 빔의 발산각의 제어가 중요한데, 아래와 같이 VCSEL 칩에서의 빔의 발산각이 제어되지 못하고 증가하는 문제가 있다.
도 1a는 종래기술에서 고전류 인가 시 발생하는 고차 모드(higher mode) 발진 사진이며, 도 1b는 인가전류에 따른 빔의 발산각(divergence angle of beams) 데이터이다.
도 1a과 같이, 종래기술에서는 저 전류가 인가되는 경우 도 1a의 (a)와 같이 빔의 발산영역인 애퍼처(aperture)에서 주 모드(dominant mode)가 발진된다. 그런데, 고전류가 인가됨에 따라 도 1a의 (b) 내지 (d)와 같이 고차 모드(higher mode)가 발진된다.
또한 도 1b와 같이 인가 전류가 3mA에서 10mA로 저 전류에서 고 전류로 증가됨에 따라 빔의 발산각(divergence angle of beams)이 증가됨을 알 수 있다.
이와 같이, 종래기술에서는 고전류 인가 시 발생하는 고차 모드(higher mode) 발진으로 인해 애퍼처 에지(aperture edge)에서 발광이 증가하면서 빔의 발산각이 의도하지 않게 증가되는 기술적 문제점이 있다.
또한 도 1b에 의하면, 고전류 인가시 빔의 발산각 증가뿐만 아니라 레이징 되는 에미터 영역의 전체의 광도(intensity)가 균일하지 못해지고, 애퍼처 에지(aperture edge)에서의 광도는 비정상적으로 증가하며, 센터의 광도는 더욱 저하되는 기술적 문제가 있다.
특히 종래기술에서는 빔의 발산영역인 애퍼처(aperture)를 정의하기 위해 산화층(oxidation layer)이 배치되는데, 이러한 산화층이 애퍼처 에지영역에서 급격한 계면(abrupt interface)를 가질 경우 빔의 발산각이 의도하지 않게 증가됨과 아울러 급격한 조성 차이에 의한 스트레스(stress)가 생기게 되어 전류 특성이나 신뢰성 등에 문제가 발생하고 있다.
다음으로 도 1c는 종래기술(R)에서 애퍼처(aperture) 영역의 위치에 따른 캐리어 밀도 데이터이다. 도 1c에서 x축은 애퍼처 중심(aperture center)에서 애퍼처 에지(aperture edge) 방향으로의 거리(r)이며, y축은 그 위치에 따른 캐리어, 예를 들어 홀 밀도(hole density) 데이터이다.
도 1c에 의하면, 저전류에서 고전류로 인가됨에 따라 애퍼처 에지에서의 홀밀도가 급격히 증가하는 전류밀집(current crowding)(C)이 발생하고, 이러한 애퍼처 에지(aperture edge)에서의 전류밀집에 의해 고차 모드(higher mode)가 발진되고 이러한 고차 모드 발진이 빔의 발산각(divergence angle of beams)을 증가시키는 문제가 있다.
또한 종래기술에서 애퍼처 에지(aperture edge)에서 빛의 회절 현상이 발생되며, 이러한 회절 현상으로 빔의 발산각(divergence angle of beams)이 증가되는 문제가 있다.
또한 종래기술에서 애퍼처를 정의하는 산화층(oxidation layer)의 위치에 따라 발산 각이 영향을 받을 수 있는데, 종래기술에서는 산화층의 위치가 optical field에서 node와 antinode 중간에 배치됨에 따라 발산각(beam divergence)이 넓어지는 문제가 있다.
실시예는 빔의 발산각(divergence angle of beams)이 증가되는 문제를 해결할 수 있는 표면 광방출 레이저 소자 및 이를 포함하는 발광장치를 제공하고자 한다.
또한 실시예는 애퍼처 에지(aperture edge)에서 전류밀집(current crowding) 현상을 방지할 수 있는 표면 광방출 레이저 소자 및 이를 포함하는 발광장치를 제공하고자 한다.
실시예에 따른 표면방출 레이저소자는 기판, 상기 기판 상에 배치되는 제1 반사층, 상기 제1 반사층 상에 배치되는 활성층, 상기 활성층 상에 배치되고, 애퍼처 영역을 포함하는 제2 반사층;을 포함하고,상기 애퍼처 영역은, 제1 절연층과 상기 제1 절연층 상에 배치되는 제2 절연층을 포함할 수 있다.
상기 제1 절연층의 길이는 상기 제2 절연층의 길이보다 길 수 있다.
상기 제1 절연층의 길이는 상기 제2 절연층의 길이보다 1.1 배 내지 2.0배 범위일 수 있다.
상기 제2 반사층의 외곽에서 내측으로 소정 거리만큼 배치된 제3 절연층을 더 포함하고, 상기 제2 절연층의 길이는 상기 제3 절연층의 보다 길고, 상기 제1 절연층의 길이보다 짧을 수 있다.
상기 제2 절연층의 두께는 상기 제1 절연층의 두께보다 얇을 수 있다.
상기 활성층과 상기 제2 반사층 사이에 배치되며, Al조성이 그레이딩되는 AlGa계열 전이층을 더 포함하고, 상기 AlGa계열 전이층은 상기 제1 절연층의 상측 제1 영역에 배치되는 제1 AlGa계열 전이층 및 상기 제1 절연층의 하측에 배치되는 제2 AlGa계열 전이층을 포함할 수 있다.
상기 제1 AlGa계열 전이층에서 Al의 조성이 0.12 내지 0.80의 제1 범위에서 그레이딩되며, 상기 제2 AlGa계열 전이층에서 Al의 조성이 0.30 내지 0.65의 제2 범위에서 그레이딩될 수 있다.
실시예에 따른 표면방출 레이저소자는 제1 반사층(220)과, 상기 제1 반사층(220) 상에 활성층(232)과, 제1 절연층(242b)과 애퍼처(241)를 구비하며 상기 활성층(232) 상에 배치되는 애퍼처 영역(240)과, 상기 애퍼처 영역(240) 상에 제2 반사층(250)과, 상기 활성층(232)과 상기 제2 반사층(250) 사이에 배치되며, Al조성이 그레이딩되는 AlGa계열 전이층(242) 및 상기 활성층(232)과 상기 제2 반사층(250) 사이에 배치되는 제2 절연층(242e)을 포함할 수 있다.
상기 제2 절연층(242e)은 상기 제1 절연층(242b)의 끝 단에서부터 상기 애퍼처(241) 방향으로 연장되어 상기 제1 절연층(242b) 상에 배치될 수 있다.
상기 제2 절연층(242e)은 상기 AlGa계열 전이층의 일부가 산화된 절연층일 수 있다.
상기 AlGa계열 전이층(242)은 상기 제1 절연층(242b)의 상측 제1 영역에 배치되는 제1 AlGa계열 전이층(242a1)을 포함하고, 상기 제2 절연층(242e)은 상기 제1 절연층(242b)의 상측 제2 영역에 배치되는 제2-1 절연층(242e1)을 포함할 수 있다.
상기 AlGa계열 전이층(242)은 상기 제1 절연층(242b)의 하측에 배치되는 제2 AlGa계열 전이층(242a2)을 더 포함할 수 있다.
상기 제2 절연층(242e)은 상기 제1 절연층(242b)의 하측에 배치되는 제2-2 절연층(242e2)을 더 포함할 수 있다.
상기 제2-1 절연층(242e1)의 제2-1길이(L21)는 상기 제1 절연층(242b)의 제1 길이(L1)보다 짧을 수 있다.
상기 제2-2 절연층(242e2)의 제2-2 길이(L22)는 상기 제2-1 절연층(242e1)의 제2-1 길이(L21)보다 짧을 수 있다.
상기 제2 반사층(250)은
상기 제2 반사층(250)의 외곽에서 내측으로 소정 거리만큼 배치된 제3 절연층(243)을 포함하고, 상기 제2 절연층(242e)의 제2 길이는 상기 제3 절연층(243)의 제3 길이(L3)보다 길 수 있다.
상기 제2-1 절연층(242e1)의 제2-1 두께(T21)는 상기 제1 절연층(242b)의 제1 두께(T1)보다 얇을 수 있다.
상기 제1 절연층(242b)의 제1 두께(T1)는 상기 제3 절연층(243)의 제3 두께(T3)보다 얇을 수 있다.
상기 제1 AlGa계열 전이층(242a1)에서 Al의 조성이 0.12 내지 0.80의 제1 범위에서 그레이딩될 수 있다.
상기 제2 AlGa계열 전이층(242a2)에서 Al의 조성이 0.30 내지 0.65의 제2 범위에서 그레이딩될 수 있다.
상기 제2 AlGa계열 전이층(242a2)에서 그레이딩되는 제2 조성범위는 상기 제1 AlGa계열 전이층(242a1)에서 그레이딩되는 Al의 제1 조성범위 내에 있을 수 있다.
상기 제1 절연층(242b)은 상기 활성층(232)에서 발진되는 레이저의 노드 포지션에 위치할 수 있다.
상기 제2 절연층(242e)은 상기 활성층(232)에서 발진되는 레이저의 노드포지션에 위치할 수 있다.
또한 실시예에 따른 발광장치는 상기 표면방출 레이저소자를 포함할 수 있다.
실시예는 애퍼처 에지에서 빔의 발산각이 증가되는 문제를 해결할 수 있는 표면 광방출 레이저 소자 및 이를 포함하는 발광장치를 제공할 수 있다.
예를 들어, 제2 절연층(242e)이 상기 제1 절연층(242b)의 끝 단에서부터 상기 애퍼처(241) 방향으로 연장되어 상기 제1 절연층(242b) 상에 배치됨에 따라 제1 절연층(242b)과 애퍼처(241) 경계에서의 제1 절연층(242b) 계면이 샤프한 상태를 구현할 수 있고, 이러한 사프한 계면(SI)에 의해 발산각이 증대되는 것을 방지할 수 있다.
또한 실시예는 애퍼처 에지에서 결정품질의 향상에 의해 신뢰성을 향상시켜 애퍼처 전체영역에서 균일한 광출력을 낼 수 있는 표면 광방출 레이저 소자 및 이를 포함하는 발광장치를 제공할 수 있다.
또한 예를 들어, 제2 절연층(242e)이 상기 제1 절연층(242b)의 끝 단에서부터 상기 애퍼처(241) 방향으로 연장되어 상기 제1 절연층(242b) 상에 배치됨에 따라, 제1 절연층(242b)의 결정품질을 유지 내지 기존보다 향상시킬 수 있고 특히 애퍼처(241)의 결정품질도 유지 내지 향상시킬 수 있어 종래보다 애퍼처 에지뿐만아니라 센터를 포함한 애퍼처 전체영역에서 균일한 광출력을 낼 수 있는 표면 광방출 레이저 소자 및 이를 포함하는 발광장치를 제공할 수 있다.
또한 실시예는 애퍼처 에지(aperture edge)에서 전류밀집(current crowding) 현상을 방지하여 고차 모드(higher mode) 발진을 방지하여 빔의 발산각(divergence angle of beams)이 증가되는 문제를 해결할 수 있는 표면 광방출 레이저 소자 및 이를 포함하는 발광장치를 제공할 수 있다.
예를 들어, 제2 절연층(242e)이 상기 제1 절연층(242b)의 끝 단에서부터 상기 애퍼처(241) 방향으로 연장되어 상기 제1 절연층(242b) 상에 배치됨에 따라, 디펙트(DL)들이 전류구속에 의해 애퍼처(241)를 정의하는 산화층인 제1 절연층(242b)으로 확장되는 것이 차단되어 제1 절연층(242b)이 보호됨으로써 제1 절연층(242b)의 결정품질을 유지 내지 기존보다 향상시킬 수 있어 전기적 신뢰성이 향상되고, 이에 따라 고전류 인가 시에도 고차 모드(higher mode)로 가속되는 것이 종래보다 방지될 수 있다.
실시예에서 상기 제2 절연층(242e)은 상기 제1 절연층(242b)의 끝 단에서부터 상기 애퍼처(241) 방향으로 일정거리 연장되어 상기 제1 절연층(242b) 상에 배치됨에 따라 애퍼처 에지에서 빔의 발산각이 증가되는 문제를 해결할 수 있고, 애퍼처 에지에서 제1 절연층(242b)과 애퍼처(241)의 결정품질의 향상에 의해 신뢰성을 향상시켜 애퍼처 전체영역에서 균일한 광출력을 낼 수 있는 복합적 기술적 효과가 있다.
도 1a는 종래기술에서 고전류 인가 시 발생하는 고차 모드(higher mode) 발진 사진.
도 1b는 종래기술에서 인가전류에 따른 빔의 발산각(divergence angle of beams) 데이터.
도 1c는 종래기술에서 애퍼처(aperture) 영역의 위치에 따른 캐리어 밀도 데이터.
도 2는 실시예에 따른 표면 광방출 레이저 소자의 단면도.
도 3은 도 2에 도시된 실시예에 따른 표면 광방출 레이저 소자의 제1 영역(A1)의 확대도.
도 4a는 도 2에 도시된 실시예에 따른 표면 광방출 레이저 소자의 제2 영역(A2)에 대한 제1 확대도.
도 4b는 도 4a에 도시된 실시예에 따른 표면 광방출 레이저 소자의 제2 영역(A2) 중 제3 영역(A3)에 대한 확대사진.
도 5는 배경 기술에 따른 표면 광방출 레이저 소자의 부분 확대도.
도 6a와 도 6b는 배경 기술에 따른 표면 광방출 레이저 소자의 Near field image와 Far field spectrum.
도 7a와 도 7b는 실시예에 따른 표면 광방출 레이저 소자의 Near field image와 Far field spectrum.
도 8는 도 4a에 도시된 실시예에 따른 표면 광방출 레이저 소자의 제4 영역(A4)에 대한 조성 예시 확대도.
도 9는 도 2에 도시된 실시예에 따른 표면 광방출 레이저 소자의 제2 영역(A2)에 대한 제2 확대도.
도 10은 도 2에 도시된 실시예에 따른 표면 광방출 레이저 소자의 제2 영역(A2)에 대한 제3 확대도.
도 11은 실시예에 따른 표면 광방출 레이저 소자가 적용된 표면 광방출 레이저 패키지.
도 12는 다른 실시예에 따른 표면 광방출 레이저 소자의 단면도.
도 13은 실시예에 따른 실시예에 따른 표면 광방출 레이저 소자가 적용된 이동 단말기의 사시도.
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 상기 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.
(실시예)
도 2는 실시예에 따른 표면 광방출 레이저 소자(200)의 단면도이며, 도 3은 도 2에 도시된 실시예에 따른 표면 광방출 레이저 소자의 제1 영역(A1)의 확대도이다.
도 2를 참조하면, 실시예에 따른 표면 광방출 레이저 소자(200)는 제1 전극(215), 기판(210), 제1 반사층(220), 활성층(232), 애퍼처 영역(240), 제2 반사층(250), 제2 전극(280) 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다. 상기 애퍼처 영역(240)은 애퍼처(241)(aperture) 및 제1 절연층(242b)을 포함할 수 있다. 상기 제1 절연층(242b)은 산화층으로 칭해질 수 있으며, 상기 애퍼처 영역(240)은 산화영역 또는 개구영역으로 칭해질 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
또한 실시예는 AlGa계열 전이층(242) 및 제2 절연층(242e)을 포함할 수 있다. 상기 AlGa계열 전이층(242)은 제1 AlGa계열 전이층(242a1)과 제2 AlGa계열 전이층(242a2)을 포함할 수 있다. 상기 제2 절연층(242e)은 제2-1 절연층(242e1) 및 제2-2 절연층(242e2)을 포함할 수 있다.
예를 들어, 도 2를 참조하면 실시예에 따른 표면 광방출 레이저 소자(200)는 제1 반사층(220)과, 상기 제1 반사층(220) 상에 배치되는 활성층(232)과, 제1 절연층(242b)과 애퍼처(241)를 구비하며 상기 활성층(232) 상에 배치되는 애퍼처 영역(240)과, 상기 애퍼처 영역(240) 상에 배치되는 제2 반사층(250)과, 상기 활성층(232)과 상기 제2 반사층(250) 사이에 배치되며, Al조성이 그레이딩되는 AlGa계열 전이층(242) 및 상기 활성층(232)과 상기 제2 반사층(250) 사이에 배치되는 제2 절연층(242e)을 포함할 수 있다. 실시예는 제2 접촉 전극(255)과, 패시베이션층(270)을 더 포함할 수 있다.
이하 도 2 및 이후 도면들을 참조하여 실시예에 따른 표면 광방출 레이저 소자(200)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>
도 2를 참조하면, 실시예에서 기판(210)은 전도성 기판 또는 비전도성 기판일 수 있다. 전도성 기판을 사용할 경우 전기 전도도가 우수한 금속을 사용할 수 있고, 표면 광방출 레이저 소자(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 실시예의 기판(210)은 반도체 물질을 사용할 수 있으며, 도핑이 진행될 수 있다. 예를 들어, 상기 기판(210)은 n형 도전형으로 도핑된 반도체 물질일 수 있으나 실시예가 이에 한정되는 것은 아니다.
실시예에서 기판(210)으로 비전도성 기판을 사용할 경우, AlN 기판이나 사파이어(Al2O3) 기판 또는 세라믹 계열의 기판을 사용할 수 있다.
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.
<제1 반사층, 제2 반사층>
도 3은 도 2에 도시된 실시예에 따른 표면 광방출 레이저 소자의 제1 영역(A1)의 확대도로서, 도 3을 참조하면, 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.
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 3과 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.
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 3과 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 3과 같이, 상기 제2 반사층(250)은 갈륨계 화합물 예를 들면 AlGaAs를 포함할 수 있으며, 제2 반사층(250)은 제2 도전형 도펀트가 도핑될 수 있다. 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.
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 활성층(232)에 인접하게 배치된 제1 그룹 제2 반사층(251) 및 상기 제1 그룹 제2 반사층(251)보다 상기 활성층(232)에서 이격배치 된 제2 그룹 제2 반사층(252)을 포함할 수 있다.
도 3과 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.
<활성층>
계속하여 도 3을 참조하면, 활성층(232)이 제1 반사층(220)과 제2 반사층(250) 사이에 배치될 수 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 우물층(232a)과 장벽층(232b)을 포함할 수 있다. 상기 우물층(232a)은 상기 장벽층(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.
<캐비티>
실시예는 활성층(232) 위 또는 아래에 적어도 하나 이상의 캐비티(231, 233)을 포함할 수 있다. 실시예에서 캐비티(231, 233)는 상기 활성층(232) 상하게 각각 접하여 배치될 수 있으며, 상기 활성층(232)과 제1 반사층(220) 사이에 배치되는 제1 캐비티(231)와 상기 활성층(232)과 상기 제2 반사층(250) 사이에 배치되는 제2 캐비티(233)을 포함하여 활성층(232)에서 발산된 빛이 레이저 발진하도록 할 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. 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.
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. 이때, 상기 제2-2 캐비티층(233b)이 약 60~70nm로 형성되고, 상기 제1-1 캐비티층(231a)은 약 40~55nm로 형성될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
<애퍼처 영역, AlGa계열 전이층 및 절연영역>
다시 도 2를 참조하면, 실시예에서 애퍼처 영역(240)은 제1 절연층(242b)과 애퍼처(241)를 포함할 수 있다. 상기 애퍼처 영역(240)은 개구영역 또는 산화영역으로 칭해질 수도 있다.
상기 제1 절연층(242b)은 절연층, 예를 들어 알루미늄 산화물로 이루어져서 전류 차단영역으로 작용할 수 있으며, 제1 절연층(242b)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 제1 절연층(242b)이 형성될 수 있고, H2O와 반응하지 않은 중앙영역은 AlGaAs로 이루어진 애퍼처(241)가 될 수 있다.
실시예에 의하면, 애퍼처(241)를 통해 활성층(232)에서 발광된 광을 상부 영역으로 방출할 수 있으며, 제1 절연층(242b)과 비교하여 애퍼처(241)의 광투과율이 우수할 수 있다.
다시 도 3을 참조하면 상기 제1 절연층(242b)은 복수의 층을 포함할 수 있으며, 예를 들어 제1-1 절연층(242b1) 및 제1-2 절연층(242b2)을 포함할 수 있다. 상기 제1-1 절연층(242b1)의 두께는 상기 제1-2 절연층(242b2)과 서로 같거나 서로 다른 두께로 형성될 수 있다.
한편, 실시예의 기술적 과제 중의 하나는 빔의 발산각(divergence angle of beams)이 증가되는 문제를 해결할 수 있는 표면 광방출 레이저 소자 및 이를 포함하는 발광장치를 제공하고자 함이다.
또한 실시예에 기술적 과제 중의 하나는, 애퍼처 에지(aperture edge)에서 전류밀집(current crowding) 현상을 방지할 수 있는 표면 광방출 레이저 소자 및 이를 포함하는 발광장치를 제공하고자 함이다.
이하 상기 기술적 과제를 해결하기 위한 실시의 기술적 특징을 도 4a 내지 도 10을 참조하여 상술하기로 한다.
우선 도 4a는 도 2에 도시된 실시예에 따른 표면 광방출 레이저 소자의 제2 영역(A2)에 대한 제1 확대도이다.
도 4a를 참조하면, 실시예는 활성층(232)상에 배치되며, Al조성이 그레이딩되는 AlGa계열 전이층(242) 및 상기 활성층(232)과 상기 제2 반사층(250) 사이에 배치되는 제2 절연층(242e)을 포함하여 빔의 발산각(divergence angle of beams)이 증가되는 문제를 해결할 수 있는 기술적 효과가 있다.
또한 실시예는 Al조성이 그레이딩되는 AlGa계열 전이층(242) 및 제2 절연층(242e)을 포함함으로써 애퍼처 에지에서 결정품질의 향상에 의해 신뢰성을 향상시켜 애퍼처 전체영역에서 균일한 광출력을 낼 수 있는 표면 광방출 레이저 소자 및 이를 포함하는 발광장치를 제공할 수 있다.
구체적으로 도 4a를 참조하면, 상기 제2 절연층(242e)은 상기 제1 절연층(242b)의 끝 단에서부터 상기 애퍼처(241) 방향으로 연장되어 상기 제1 절연층(242b) 상에 배치될 수 있다. 실시예에서 상기 제2 절연층(242e)은 상기 AlGa계열 전이층(242)의 일부가 산화된 절연층일 수 있다.
이때, 상기 AlGa계열 전이층(242)은 제1 절연층(242b)의 상측에 배치되는 제1 AlGa계열 전이층(242a1)을 포함할 수 있다. 또한 상기 AlGa계열 전이층(242)은 상기 제1 절연층(242b)의 하측에 배치되는 제2 AlGa계열 전이층(242a2)을 포함할 수 있다.
또한 실시예에서 상기 제2 절연층(242e)은 상기 제1 절연층(242b)의 상측에 배치되는 제2-1 절연층(242e1)을 포함할 수 있다. 상기 제2-1 절연층(242e1)은 상기 제1 AlGa계열 전이층(242a1)의 일부가 산화된 절연층일 수 있다.
또한 상기 제2 절연층(242e)은 상기 제1 절연층(242b)의 하측에 배치되는 제2-2 절연층(242e2)을 더 포함할 수 있다. 상기 제2-2 절연층(242e2)은 상기 제2 AlGa계열 전이층(242a2)의 일부가 산화된 절연층일 수 있다.
또한 실시예에서 상기 제2 반사층(250)은 상기 제2 반사층(250)의 외곽에서 내측으로 소정 거리만큼 배치된 제3 절연층(243)을 포함할 수 있다. 상기 제3 절연층(243)은 상기 제2 반사층(250) 중에 제1 그룹 제2-2 층(251b)의 외측 일부와 제2 그룹 제2-2 층(252b)의 외측 일부가 산화된 절연층일 수 있다.
도 4b는 도 4a에 도시된 실시예에 따른 표면 광방출 레이저 소자의 제2 영역(A2) 중 제3 영역(A3)에 대한 확대 사진으로서, 상기 제2 절연층(242e)은 상기 제1 절연층(242b)의 상측에 배치되는 제2-1 절연층(242e1)과 상기 제1 절연층(242b)의 하측에 배치되는 제2-2 절연층(242e2)을 포함할 수 있다. 또한 상기 제2 반사층(250)은 상기 제2 반사층(250)의 외곽에서 내측으로 소정 거리만큼 배치된 제3 절연층(243)을 포함할 수 있다.
다시 도 4a를 참조하면 실시예에서 산화층인 제1 절연층(242b)의 전후로 Al 그레이딩층(grading layer)인 제2 AlGa계열 전이층(242a2)과 제1 AlGa계열 전이층(242a1)을 형성하게 되면, 도 4b와 같이 메사(MESA) 에칭 경계면으로부터 높은 Al 산화층(high Al oxidation layer) 전후로 제2 AlGa계열 전이층(242a2)과 제2 AlGa계열 전이층(242a2)의 일부가 산화된 산화층(oxidation layer)인 제2-2 절연층(242e2)과 제2-1 절연층(242e1)이 형성될 수 있다.
한편, 도 5는 배경 기술에 따른 표면 광방출 레이저 소자의 부분 확대도이다.
배경기술에 의하면 제2 반사층(50)인 p-DBR 중 88% 이상의 높은 Al 조성을 가지는 DBR 층(51, 52)의 경우, 도 5와 같이 메사(MESA) 에칭 경계면에서 제2 반사층(50)의 일부가 산화된 외곽 절연층(43)이 생기며, 이러한 외곽 절연층(43)은 50nm 이상의 두께와 산화(oxidation)에 따른 스트레스(stress)로 인하여 디펙트(defect)(DL)가 발생하게 된다.
이러한 디펙트(DL)들이 애퍼처(41)를 정의하는 산화층(oxidation layer)(42b)에 영향을 주어 산화층의 대미지(oxidation layer damage)에 따른 크랙(crack)이 발생할 수 있다.
특히 발산 각(beam divergence)를 작게 하기 위해서는 산화층(oxidation layer)(42b)을 얇게 형성해야 하는 데, 산화층(42b) 얇을 수록 디펙트(defect)(DL)에 의한 대미지(damage)를 크게 받을 수 있는 기술적 모순이 발생하고 있다.
이에 따라 배경기술에서는 산화층(42b)을 두껍게 형성하게 되며 이 경우 애퍼처(41)와의 경계 영역에서 급격한 계면(abrupt interface)(AI)을 구비하게 되고 이러한 급격한 산화층 계면(AI)은 발산 각을 설계치보도 증가시키는 문제가 있다.
예를 들어, 도 6a와 도 6b는 배경 기술에 따른 표면 광방출 레이저 소자의 Near field image와 Far field spectrum이다.
도 6a를 참조하면 디펙트(DL)들이 산화층(oxidation layer)(42b)에 대미지를 줌에 따라 전류구속에 의해 애퍼처(41)를 정의하는 산화층(42b)의 결정품질이 저하되어 전기적 신뢰성의 문제가 발생하고 이에 따라 고전류 인가 시 고차 모드(higher mode)가 더욱 유발되는 문제가 있다.
또한 도 6b를 참조하면, 배경기술에 산화층(42b)이 급격한 계면(abrupt interface)(AI)을 구비함에 따라 빔의 발산각(divergence angle of beams)이 약 29˚정도로 증가하는 문제가 있다.
한편, 도 7a와 도 7b는 실시예에 따른 표면 광방출 레이저 소자의 Near field image와 Far field spectrum이다.
도 7a와 도 4a를 함께 참조하면, 제2 절연층(242e)이 상기 제1 절연층(242b)의 끝 단에서부터 상기 애퍼처(241) 방향으로 연장되어 상기 제1 절연층(242b) 상에 배치됨에 따라, 디펙트(DL)들이 전류구속에 의해 애퍼처(241)를 정의하는 산화층인 제1 절연층(242b)으로 확장되는 것이 차단되어 제1 절연층(242b)이 보호됨으로써 제1 절연층(242b)의 결정품질을 유지 내지 기존보다 향상시킬 수 있어 전기적 신뢰성이 향상되고, 이에 따라 고전류 인가 시에도 고차 모드(higher mode)로 가속되는 것이 종래보다 방지될 수 있다.
또한 도 7a와 도 4a를 함께 참조하면, 제2 절연층(242e)이 상기 제1 절연층(242b)의 끝 단에서부터 상기 애퍼처(241) 방향으로 연장되어 상기 제1 절연층(242b) 상에 배치됨에 따라 메사(MESA) 에칭 경계면에서 내측으로 산소 공급에 의해 산화공정 진행시 산소공급의 정도에 따라 외곽보다 내측의 제1 절연층의 두께가 얇게 형성될 수 있고, 이를 통해 제1 절연층(242b)과 애퍼처(241) 경계에서의 제1 절연층(242b) 계면이 샤프한 상태를 구현할 수 있다. 실시예는 제1 절연층(242b)의 이러한 사프한 계면(SI)에 의해 발산각이 증대되는 것을 방지할 수 있다. 예를 들어, 도 7a를 참조하면 제1 절연층(242b)이 사프한 계면(SI)을 구비함에 따라 빔의 발산각(divergence angle of beams)이 약 21˚정도로 제어 가능한 기술적 효과가 있다.
또한 도 7 b 를 참조하면, 제2 절연층(242e)이 상기 제1 절연층(242b)의 끝 단에서부터 상기 애퍼처(241) 방향으로 연장되어 상기 제1 절연층(242b) 상에 배치됨에 따라, 제1 절연층(242b)의 결정품질을 유지 내지 기존보다 향상시킬 수 있고 특히 애퍼처(241)의 결정품질도 유지 내지 향상시킬 수 있어 종래보다 애퍼처 에지뿐만아니라 센터를 포함한 애퍼처 전체영역에서 균일한 광출력을 낼 수 있는 표면 광방출 레이저 소자 및 이를 포함하는 발광장치를 제공할 수 있다.
도 8는 도 4a에 도시된 실시예에 따른 표면 광방출 레이저 소자의 제4 영역(A4)에 대한 조성 예시 확대도이고, 도 9는 도 2에 도시된 실시예에 따른 표면 광방출 레이저 소자의 제2 영역(A2)에 대한 제2 확대도(A22)이다.
실시예에서 상기 제2 절연층(242e)은 상기 제1 절연층(242b)의 끝 단에서부터 상기 애퍼처(241) 방향으로 일정거리 연장되어 상기 제1 절연층(242b) 상에 배치됨에 따라 애퍼처 에지에서 빔의 발산각이 증가되는 문제를 해결할 수 있고, 애퍼처 에지에서 제1 절연층(242b)과 애퍼처(241)의 결정품질의 향상에 의해 신뢰성을 향상시켜 애퍼처 전체영역에서 균일한 광출력을 낼 수 있는 복합적 기술적 효과가 있다.
실시예에서 제2 절연층(242e)의 길이는 AlGa계열 전이층(242)의 Al 조성에 따라 제어될 수 있다. 상기 AlGa계열 전이층(242)은 AlxGa1-xAs 조성을 구비할 수 있다.
우선 도 8을 참조하면, 제1 AlGa계열 전이층(242a1)에서 Al의 조성이 0.01 내지 0.99 범위에서 그레이딩 될 수 있다. 예를 들어, 제1 AlGa계열 전이층(242a1)에서 Al의 조성이 0.12 내지 0.80의 제1 범위(12% 내지 80%)에서 그레이딩 될 수 있다. 예를 들어, 제1 AlGa계열 전이층(242a1)에서 Al의 조성이 활성층(232)에서 제1 그룹 제2-1 층(251a) 방향으로 0.80 내지 0.12의 제1 범위에서 감소될 수 있다.
또한 제2 AlGa계열 전이층(242a2)에서 Al의 조성이 0.01 내지 0.99 범위에서 그레이딩 될 수 있다. 예를 들어, 제2 AlGa계열 전이층(242a2)에서 Al의 조성이 0.30 내지 0.65의 제2 범위에서 그레이딩 될 수 있다. 예를 들어, 제2 AlGa계열 전이층(242a2)에서 Al의 조성이 활성층(232)에서 제1 그룹 제2-1 층(251a) 방향으로 0.30 내지 0.65의 제2 범위에서 그레이딩 될 수 있다.
이에 따라 실시예에서 상기 제2 AlGa계열 전이층(242a2)에서 그레이딩되는 제2 조성범위는 상기 제1 AlGa계열 전이층(242a1)에서 그레이딩되는 Al의 제1 조성범위 내에 있을 수 있다.
실시예에서 애퍼처(241) 영역의 Al의 조성은 약 0.99일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 제1 그룹 제2-1 층(251a)에서 Al의 조성은 0.12일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
이에 따라 도 9를 참조하면 상기 제2-1 절연층(242e1)의 제2-1길이(L21)는 상기 제1 절연층(242b)의 제1 길이(L1)보다 짧게 제어될 수 있으며, 상기 제2-2 절연층(242e2)의 제2-2 길이(L22)는 상기 제2-1 절연층(242e1)의 제2-1 길이(L21)보다 짧게 제어될 수 있다.
또한 상기 제2-1 절연층(242e1)의 제2-1길이(L21)는 상기 제1 절연층(242b)의 제1 길이(L1) 외에 잔존 길이(L1r) 이하로 제어될 수 있다.
예를 들어, 상기 제2-1 절연층(242e1)의 제2-1길이(L21)는 상기 제1 절연층(242b)의 제1 길이(L1) 외에 잔존 길이(L1r)의 0.1 배 내지 1배 범위로 제어될 수 있다.
또한 상기 제2-1 절연층(242e1)의 제2-1 길이(L21)는 상기 제3 절연층(243)의 제3 길이(L3)보다 길 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 절연층(242e)의 제2 길이(L21,L22)는 상기 제3 절연층(243)의 제3 길이(L3)보다 크되 5배 이하일 수 있다.
상기 제2-1 절연층(242e1)의 제2-1 길이(L21)는 0.5~10㎛일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
이에 따라 실시예에서 상기 제2-1 절연층(242e1)이 상기 제1 절연층(242b)의 끝 단에서부터 상기 애퍼처(241) 방향으로 제2-1길이만큼 연장되어 상기 제1 절연층(242b) 상에 배치됨에 따라 디펙트(DL)를 효과적으로 차단하여 애퍼처 에지에서 제1 절연층(242b)과 애퍼처(241)의 결정품질의 향상에 의해 신뢰성을 향상시켜 애퍼처 전체영역에서 균일한 광출력을 낼 수 있으며, 제1 절연층(242b)과 애퍼처(241) 사이의 계면에서 제1절연층(242b)을 샤프한 계면(SI)으로 제어함으로써 애퍼처 에지에서 빔의 발산각이 증가되는 문제를 해결할 수 있다.
실시예에서 제2-1 절연층(242e1)의 제2-1 길이(L21)가 상기 제1 절연층(242b)의 잔존 길이(L1r)보다도 길게되면 발산 각(beam divergence)이 커질 수 있고, 제2-1 절연층(242e1)의 제2-1 길이(L21)가 제3 절연층(243)의 제3 길이(L3)보다 짧으면 디펙트(DL)로부터 보호 기능이 약해 질 수 있다.
다음으로 도 10은 도 2에 도시된 실시예에 따른 표면 광방출 레이저 소자의 제2 영역(A2)에 대한 제3 확대도(A23)이다.
실시예에서 상기 제2-1 절연층(242e1)의 제2-1 두께(T21)는 상기 제1 절연층(242b)의 제1 두께(T1)보다 얇을 수 있다. 상기 제2-2 절연층(242e2)의 제2-2 두께(T22)는 상기 제1 절연층(242b)의 제1 두께(T1)보다 얇을 수 있다. 상기 제1 절연층(242b)의 제1 두께(T1)는 약 5~50nm 일수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
또한 상기 제1 절연층(242b)의 제1 두께(T1)는 상기 제3 절연층(243)의 제3 두께(T3)보다 얇을 수 있다.
실시예에서 상기 제1 절연층(242b)은 상기 활성층(232)에서 발진되는 레이저의 노드 포지션(NP)에 위치하여 발산각(beam divergence)을 줄일 수 있는 기술적 효과가 있다.
또한 상기 제2 절연층(242e)은 상기 활성층(232)에서 발진되는 레이저의 노드포지션에 위치하여 발산각(beam divergence)을 줄일 수 있는 기술적 효과가 있다.
또한 실시예에서 상기 제2-2 절연층(242e2)의 제2-2 두께(T22)가 제2-1 절연층(242e1)의 제2-1 두께(T21)보다 두꺼울 경우, 절연영역(242)이 optical NP(node position)에 가까워져서 발산각(beam divergence)을 줄일 수 있는 기술적 효과가 있다.
또한 상기 제2-1 절연층(242e1)의 제2-1 두께(T21)가 제2-2 절연층(242e2)의 제2-2 두께(T22)보다 두꺼울 경우 디펙트(DL)로부터 제1 절연층(242b)을 보호하는 효과를 높일 수 있다.
이에 따라 상기 제2-1 절연층(242e1)의 제2-1 두께(T21)는 제2-2 절연층(242e2)의 제2-2 두께(T22)의 0.2 ~ 3배로 제어할 수 있다.
상기 제2 절연층(242e)의 두께는 1~150nm 범위일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
실시에서 제1 절연층(242b) 또는 제2 절연층(242e)은 활성층(232) 상부로부터 약 100 ~ 250nm 사이에 위치할 수 있다.
<전극, 패시베이션층>
다시 도 2를 참조하면 제2 반사층(250) 상에 제2 접촉 전극(255)이 배치될 수 있는데, 제2 접촉 전극(255)의 사이의 영역에서 제2 반사층(250)이 노출되는 영역은 상술한 애퍼처 영역(240)의 중앙 영역인 애퍼처(241)와 대응될 수 있다. 상기 접촉 전극(255)은 제2 반사층(250)과 후술하는 제2 전극(255)의 접촉 특성을 향상시킬 수 있다.
다음으로, 접촉 전극(255) 상에 배치되는 패시베이션층(270)은 발광 구조물의 상부면에서의 두께가 제2 접촉 전극(255)보다 얇을 수 있으며, 이때 제2 접촉 전극(255)이 패시베이션층(270) 상부로 노출될 수 있다.
상기 패시베이션층(270)은 폴리마이드(Polymide), 실리카(SiO2), 또는 질화 실리콘(Si3N4) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
다음으로, 노출된 제2 접촉 전극(255)과 전기적으로 접촉되는 제2 전극(280)이 배치될 수 있는데, 제2 전극(280)은 패시베이션층(270)의 상부로 연장되어 배치되어 외부로부터 전류를 공급받을 수 있다.
상기 제2 전극(255)은 도전성 재료로 이루어질 수 있고, 예를 들면 금속일 수 있다. 예를 들어, 제2 전극(255)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 반도체 소자는 레이저 다이오드일 수 있으며, 2개의 반사층 내부가 공진기로 작용할 수 있다. 이때, 제1 도전형의 제1 반사층(220)과 제2 도전형의 제2 반사층(250)으로부터 전자와 정공이 활성층으로 공급되어, 활성층(232)에서 방출된 광이 공진기 내부에서 반사되어 증폭되고 문턱 전류에 도달하면, 상술한 애퍼처(241)를 통하여 외부로 방출될 수 있다.
실시예에 따른 반도체 소자에서 방출된 광은 단일 파장 및 단일 위상의 광일 수 있으며, 제1 반사층(220), 제2 반사층(250)과 활성층(232)의 조성 등에 따라 단일 파장 영역이 변할 수 있다.
실시예는 애퍼처 에지에서 빔의 발산각이 증가되는 문제를 해결할 수 있는 표면 광방출 레이저 소자 및 이를 포함하는 발광장치를 제공할 수 있다.
예를 들어, 제2 절연층(242e)이 상기 제1 절연층(242b)의 끝 단에서부터 상기 애퍼처(241) 방향으로 연장되어 상기 제1 절연층(242b) 상에 배치됨에 따라 제1 절연층(242b)과 애퍼처(241) 경계에서의 제1 절연층(242b) 계면이 샤프한 상태를 구현할 수 있고, 이러한 사프한 계면(SI)에 의해 발산각이 증대되는 것을 방지할 수 있다.
또한 실시예는 애퍼처 에지에서 결정품질의 향상에 의해 신뢰성을 향상시켜 애퍼처 전체영역에서 균일한 광출력을 낼 수 있는 표면 광방출 레이저 소자 및 이를 포함하는 발광장치를 제공할 수 있다.
또한 예를 들어, 제2 절연층(242e)이 상기 제1 절연층(242b)의 끝 단에서부터 상기 애퍼처(241) 방향으로 연장되어 상기 제1 절연층(242b) 상에 배치됨에 따라, 제1 절연층(242b)의 결정품질을 유지 내지 기존보다 향상시킬 수 있고 특히 애퍼처(241)의 결정품질도 유지 내지 향상시킬 수 있어 종래보다 애퍼처 에지뿐만아니라 센터를 포함한 애퍼처 전체영역에서 균일한 광출력을 낼 수 있는 표면 광방출 레이저 소자 및 이를 포함하는 발광장치를 제공할 수 있다.
또한 실시예는 애퍼처 에지(aperture edge)에서 전류밀집(current crowding) 현상을 방지하여 고차 모드(higher mode) 발진을 방지하여 빔의 발산각(divergence angle of beams)이 증가되는 문제를 해결할 수 있는 표면 광방출 레이저 소자 및 이를 포함하는 발광장치를 제공할 수 있다.
예를 들어, 제2 절연층(242e)이 상기 제1 절연층(242b)의 끝 단에서부터 상기 애퍼처(241) 방향으로 연장되어 상기 제1 절연층(242b) 상에 배치됨에 따라, 디펙트(DL)들이 전류구속에 의해 애퍼처(241)를 정의하는 산화층인 제1 절연층(242b)으로 확장되는 것이 차단되어 제1 절연층(242b)이 보호됨으로써 제1 절연층(242b)의 결정품질을 유지 내지 기존보다 향상시킬 수 있어 전기적 신뢰성이 향상되고, 이에 따라 고전류 인가 시에도 고차 모드(higher mode)로 가속되는 것이 종래보다 방지될 수 있다.
실시예에서 상기 제2 절연층(242e)은 상기 제1 절연층(242b)의 끝 단에서부터 상기 애퍼처(241) 방향으로 일정거리 연장되어 상기 제1 절연층(242b) 상에 배치됨에 따라 애퍼처 에지에서 빔의 발산각이 증가되는 문제를 해결할 수 있고, 애퍼처 에지에서 제1 절연층(242b)과 애퍼처(241)의 결정품질의 향상에 의해 신뢰성을 향상시켜 애퍼처 전체영역에서 균일한 광출력을 낼 수 있는 복합적 기술적 효과가 있다.
<패키지>
다음으로, 도 11은 실시예에 따른 표면 광방출 레이저 소자가 적용된 표면 광방출 레이저 패키지이다.
도 11을 참조하면, 실시예에 따른 표면 광방출 레이저 패키지(100)는 하우징(110), 표면발광레이저 소자(201) 및 확산부(140)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 실시예에 따른 표면발광레이저 패키지(100)는 캐비티(C)를 구비하는 하우징(110)과, 상기 캐비티(C) 내에 배치되는 표면발광레이저 소자(201) 및 상기 하우징(110) 상에 배치되는 확산부(140)를 포함할 수 있다.
상기 표면발광레이저 소자(201)는 앞서 기술한 실시예에 따른 표면 광방출 레이저 소자(200)가 적용될 수 있다.
실시예의 하우징(110)은 단일 또는 복수의 바디를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 하우징(110)은 제1 바디(110a), 제2 바디(110b), 및 제3 바디(110c) 를 포함할 수 있다. 제2 바디(110b)는 제1 바디(110a) 상에 배치되고, 제3 바디(110c)는 제2 바디(110b) 상에 배치될 수 있다.
다음으로, 실시예는 제1 전극부(181)와 제2 전극부(182)를 포함할 수 있다. 제1 전극부(181)와 제2 전극부(182)는 하우징(110)에 배치될 수 있다. 구체적으로, 제1 전극부(181)와 제2 전극부(182)는 제1 바디(110a)의 상면에 각각 이격되어 배치될 수 있다. 상기 표면발광레이저 소자(201)는 제2 전극부(182)와 소정의 와이어(187)에 의해 전기적으로 연결될 수 있다.
또한 실시예는 상기 제1 바디(110a)의 하측에 이격되어 배치되는 제3 전극부(183)와 제4 전극부(184)를 포함할 수 있으며, 또한 상기 제1 바디(110a)를 관통하는 제5 전극부(185) 및 제6 전극부(186)를 포함할 수 있다.
실시예에서 하우징(110)은 확산부(140)가 배치되는 안착부(110bt)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 제2 바디(110b)의 상면 일부가 안착부(110bt) 기능을 할 수 있다. 실시예는 하우징(110)의 안착부(110bt)와 확산부(140) 사이에 배치되는 접착부재(155)를 포함할 수 있다.
다음으로 실시예에서 확산부(140)는 제1 두께를 구비하는 글라스층(141)과 제2 두께를 구비하며 상기 글라스층(141) 상에 배치되는 폴리머층(145)을 포함할 수 있다. 도 11에서 폴리머층(145)이 글라스층(141) 아래에 배치되는 것으로 도시되어 있으나, 제조공정에서 글라스층(141) 상측에 폴리머층(145)이 프린팅 공정으로 배치될 수 있다. 상기 폴리머층(145)는 곡면을 포함하는 패턴을 포함할 수 있으며, 상기 패턴은 규칙적이거나 불규칙적일 수 있다. 또한, 접착부재(155)가 접촉되는 부분에는 상기 패턴은 없을 수 있으며, 상기 패턴보다 상대적으로 평평한 면으로 형성될 수 있다.
(플립칩형 표면발광레이저소자)
다음으로 도 12는 실시예에 따른 표면발광 레이저소자의 다른 단면도이다.
실시예에 따른 표면발광레이저 소자가 도 12에 도시된 플립칩형 표면발광레이저소자에 적용될 수 있다.
실시예에 따른 표면발광 레이저소자는 수직형 외에 도 12와 같이 제1 전극(215)과 제2 전극(282)이 동일 방향을 향하는 플립칩형일 수 있다.
예를 들어, 도 12에 도시된 플립칩형 표면발광레이저소자는 제1 전극부(215, 217), 기판(210), 제1 반사층(220), 활성층(232), 애퍼처 영역(240), 제2 반사층(250), 제2 전극부(280, 282), 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.
또한 상기 플립칩형 표면발광레이저소자는 상기 활성층(232)과 상기 제2 반사층(250) 사이에 배치되며, Al조성이 그레이딩되는 AlGa계열 전이층(미도시) 및 상기 활성층(232)과 상기 제2 반사층(250) 사이에 배치되는 제2 절연층(242e)을 포함할 수 있다.
이때 제1 전극부(215, 217)는 제1 전극(215)과 제1 패드전극(217)을 포함할 수 있으며, 소정의 메사 공정을 통해 노출된 제1 반사층(220) 상에 제1 전극(215)이 전기적으로 연결되며, 제1 전극(215)에 제1 패드전극(217)이 전기적으로 연결될 수 있다.
제1 전극부(215, 217)은 도전성 재료로 이루어질 수 있고, 예를 들면 금속일 수 있다. 예를 들어, 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. 제1 전극(215)와 제1 패드전극(217)은 서로 동일한 금속 또는 상이한 금속을 포함할 수 있다.
제1 반사층(220)이 n형 반사층인 경우, 제1 전극(215)은 n형 반사층에 대한 전극일 수 있다.
제2 전극부(280, 282)는 제2 전극(282)과 제2 패드전극(280)을 포함할 수 있으며, 제2 반사층(250) 상에 제2 전극(282)이 전기적으로 연결되며, 제2 전극(282)에 제2 패드전극(280)이 전기적으로 연결될 수 있다.
제2 반사층(250)이 p형 반사층인 경우, 제2 전극(282)은 p형 전극일 수 있다.
상술한 실시예에 따른 제2 전극은 플립칩형 표면발광레이저 소자의 제2 전극(282)에 동일하게 적용될 수 있다.
제1 절연층(271)과 제2 절연층(272)은 절연성 재질로 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.
(이동 단말기)
다음으로 도 13은 실시예에 따른 표면 광방출 레이저 소자 가 적용된 이동 단말기의 사시도이다.
도 13에 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 표면 광방출 레이저 소자의 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 수직 캐비티 표면 방출 레이저(VCSEL) 반도체 소자를 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 (17)

  1. 기판;
    상기 기판 상에 배치되는 제1 반사층;
    상기 제1 반사층 상에 배치되는 활성층;
    상기 활성층 상에 배치되고, 애퍼처 영역을 포함하는 제2 반사층; 및
    상기 제2 반사층의 외곽에서 내측으로 소정 거리만큼 배치된 제3 절연층; 을 포함하고,
    상기 애퍼처 영역은, 제1 절연층과 상기 제1 절연층 상에 배치되는 제2 절연층을 포함하고,
    상기 제2 절연층은
    상기 제1 절연층의 상측에 배치되는 제2-1 절연층; 및
    상기 제1 절연층의 하측에 배치되는 제2-2 절연층;
    을 포함하며,
    상기 제2-1 절연층의 제2-1길이는 상기 제1 절연층의 제1 길이보다 짧고,
    상기 제2-2 절연층의 제2-2 길이는 상기 제1 절연층의 상기 제1 길이보다 짧으며,
    상기 제2-1 절연층의 제2-1길이 및 상기 제2-2 절연층의 제2-2 길이는 상기 제3 절연층의 제3 길이보다 길고,
    상기 제1 절연층의 상기 제1 길이와 상기 제2-1 절연층의 상기 제2-1길이 간 차이는 상기 제2-1 절연층의 상기 제2-1길이와 같거나 길며,
    상기 제2-2 절연층의 제2-2 길이와 상기 제1 절연층의 상기 제1 길이 간 차이는 상기 제2-2 절연층의 상기 제2-2길이와 같거나 긴 표면광방출 레이저소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제2-1 절연층의 상기 제2-1길이는 상기 제1 절연층의 상기 제1 길이와 상기 제2-1 절연층의 상기 제2-1길이 간 차이의 0.1 내지 1 배인 표면광방출 레이저소자.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제2-1 절연층의 두께 또는 상기 제2-2 절연층의 두께는 상기 제1 절연층의 두께보다 얇은 표면광방출 레이저소자.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 활성층과 상기 제2 반사층 사이에 배치되며, Al조성이 그레이딩되는 AlGa계열 전이층을 더 포함하고,
    상기 AlGa계열 전이층은 상기 제1 절연층의 상측 제1 영역에 배치되는 제1 AlGa계열 전이층을 포함하고,
    상기 제1 AlGa계열 전이층에서 Al의 조성이 0.12 내지 0.80의 제1 범위에서 그레이딩되는 표면광방출 레이저소자.
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  13. 제5항에 있어서,
    상기 AlGa계열 전이층은 상기 제1 절연층의 하측에 배치되는 제2 AlGa계열 전이층을 더 포함하고,
    상기 제2 AlGa계열 전이층에서 Al의 조성이 0.30 내지 0.65의 제2 범위에서 그레이딩 되는 표면 광방출 레이저 소자.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 제2 AlGa계열 전이층에서 그레이딩되는 제2 조성범위는 상기 제1 AlGa계열 전이층에서 그레이딩되는 Al의 제1 조성범위 내에 있는 표면 광방출 레이저 소자.
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