KR102635056B1 - 표면발광 레이저소자 및 이를 포함하는 발광장치 - Google Patents

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이정식
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쑤저우 레킨 세미컨덕터 컴퍼니 리미티드
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    • H01S5/183—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities having only vertical cavities, e.g. vertical cavity surface-emitting lasers [VCSEL]
    • H01S5/18386—Details of the emission surface for influencing the near- or far-field, e.g. a grating on the surface
    • H01S5/18394—Apertures, e.g. defined by the shape of the upper electrode

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 배치되며, 애퍼처(aperture) 및 절연영역을 포함하는 복수의 애퍼처 영역과, 상기 애퍼처 영역 상에 배치되는 제2 반사층 및 상기 제1 반사층 및 상기 제2 반사층에 각각 전기적으로 연결되는 제1 전극과 제2 전극을 포함할 수 있다.
상기 애퍼처 영역에서 상기 절연영역의 외곽은 원형이며, 상기 애퍼처)의 외곽은 다각형 형태일 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 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 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, 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.
한편, VCSEL이 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.
앞서 기술한 바와 같이, VCSEL 패키지 기술 중에 ToF 방식은 광원인 VCSEL 칩과 디퓨져(diffuser)를 통한 플래시 형태(Flash type)의 펄스 프로젝션(Pulse Projection)으로 반사 펄스(reflected pulse) 빔의 시간차를 계산하여 심도(Depth)를 추출한다.
예를 들어, 도 1은 VCSEL 칩에서의 빔 발산(beam divergence)과 디퓨져 빔 각(Diffuser beam angle)의 조합으로 FOI(Field of Interest)와 FOV(Field Of View)를 결정하는 방식에 대한 예시도이다. 이에 따라 FOI와 FOV 결정하기 위해서는 VCSEL 칩에서의 빔 발산(beam divergence)의 제어가 중요하다.
다음으로, 도 2a는 종래기술에서 애퍼처 크기(aperture size)에 따른 모드(mode) 변화 데이터이다.
종래기술에서는 고출력 VCSEL 패키지의 요구에 따라 애퍼처 사이즈가 증가되고 있는 추세이다.
VCSEL 기술에서 단일 기본 모드(Single fundamental mode) 안정화를 위해서는 작은 사이즈 애퍼처(small size aperture), 예를 들어 직경(rA)이 3 ㎛ 이하의 애퍼처가 바람직하나, 고출력 VCSEL 패키지에서는 큰 사이즈 애퍼처(large size aperture)가 필요한 실정이다.
한편, 도 2a와 같이 애퍼처 사이즈, 예를 들어 애퍼처의 직경(rA)이 증가하는 경우 모드 호핑(Mode hopping)으로 인한 발광모드 변화 또는 발산각이 변화되는 문제가 발생된다.
구체적으로, 도 2a를 참조하면 애퍼처의 직경(rA)이 증가하는 경우 발산 모드(mode)가 변화하게 되므로 고차모드로 변화(higher mode shift) 현상이 발생하게 된다.
예를 들어, 종래기술에서 애퍼처 사이즈가 증가함에 따라 LP01(rA=2㎛), LP21(rA=4㎛), LP41(rA=6㎛)로 고차 모드로 변화(higher mode shift) 현상이 발생하게 된다.
그런데, 이러한 고차 모드로 변화 현상은 빔 패턴(beam pattern)이 분열 또는 출사 빔의 발산각(divergence angle of beams)의 증가의 문제를 유발 한다.
예를 들어, 도 2b는 종래 VCSEL의 원 거리장(Far field)에서 빔 프로파일(Beam profile) 데이터이며, 인가 전류의 증가에 따라 출사 빔의 빔 패턴(beam pattern)이 분열되고 있다. 예를 들어, 도 2b는 문턱전류(Ith)가 1.2mA인 조건에서, 원형 형태의 애퍼처의 직경(rA)이 4.5㎛인 애퍼처를 구비한 VICSEL에서 인가전류가 1.2 mA(b1)에서 3.0mA(b2) 및 5.0mA(b3)로 각각 증가함에 따라 발진모드가 고차모드로의 변화하여 출사 빔의 빔 패턴(beam pattern)이 분열되는 문제가 발생됨을 알 수 있다.
한편, 도 2c는 종래 VCSEL의 원 거리장(Far field)에서 빔 프로파일(Beam profile) 데이터로서, 애퍼처의 직경(rA)이 6.0 ㎛인 경우 레이징(lasing) 직후 바로 고차모드로 발진되고, 전류 증가에 따라 멀티 모드(multi-mode) 발진이 더욱 심화되었다.
한편, 이건 출원에서 표면발광 레이저소자의 빔 프로파일(Far field Beam profile)의 측정은 Beam profiler 측정기인 8050M-GE-TE(Thorlabs, Inc.)를 사용하였다(8050M-GE-TE 사양정보: 8 Megapixel Monochrome Scientific CCD Camera, Hermetically Sealed Cooled Package, GigE Interface). 다만, 빔 프로파일(Far field Beam profile)의 측정장비가 이에 한정되는 것은 아니다.
다음으로, 도 3은 종래 VCSEL에서 인가전류 증가에 따른 근거리장 이미지(Near field image) 데이터이며, 각 인가전류에 따른 발산각(divergence angle of beams)의 데이터도 함께 나타내었다. 도 3을 참조하면, 인가전류가 3mA(d1)에서 5mA(d2), 7.5mA(d3) 및 12mA(d4)로 전류가 증가함에 따라 발광 포인트(point) 증가에 따라 모드(mode) 분열이 일어나면서 발산각(divergence angle of beams)이 각각 21.0˚, 25.0˚, 및 31.0˚로 급격히 증가하였다.
즉, 종래기술에 의하면 고전류 인가됨에 따라 애퍼처 에지(aperture edge)에서의 전류밀집(current crowding) 발생 시 레이저 출사영역인 애퍼처의 손상(damage)이 발생할 수 있으며, 저 전류에서 주 모드(dominant mode)가 발진되다가 고전류가 인가됨에 따라 고차 모드(higher mode) 발진으로 인해 출사 빔의 발산각(divergence angle of beams)이 증가되는 광학적 문제가 발생되고 있다.
특히 종래기술에 의하면 발산 모드 호핑(Divergence Mode hopping)으로 인한 파장, 발산각 변화하는 문제가 있으며, 발산모드의 안정화를 위해서는 애퍼처(aperture)의 직경이 약 5.0 ㎛ 미만이 바람직하나, 고출력을 위해서는 큰 사이즈의 애퍼처(aperture)가 요구되나 5.0 ㎛ 이상의 큰 사이즈의 애퍼처에서는 발진 모드의 불 안정으로 발산각(divergence angle of beams)이 증가하는 기술적 모순이 발생하고 있다.
실시예는 고전류 인가 또는 애퍼처 사이즈의 증대에도 불구하고 고차 모드 이동(higher mode shift)에 따른 출사 빔의 발산각(divergence angle of beams)의 증가 또는 빔 패턴(beam pattern)이 분열되는 문제를 방지할 수 있는 표면발광 레이저소자 및 이를 포함하는 발광장치를 제공하고자 한다.
실시예에 따른 표면발광 레이저소자는 제1 반사층과, 상기 제1 반사층 상에 배치되는 활성영역과, 상기 활성영역 상에 배치되며, 애퍼처(aperture)(241) 및 절연영역(242)을 포함하는 복수의 애퍼처 영역(240)과, 상기 애퍼처 영역 상에 배치되는 제2 반사층 및 상기 제1 반사층 및 상기 제2 반사층에 각각 전기적으로 연결되는 제1 전극과 제2 전극을 포함할 수 있다.
상기 애퍼처 영역(240)에서 상기 절연영역(242)의 외곽은 원형이며, 상기 애퍼처(241)의 외곽은 다각형 형태일 수 있다.
상기 애퍼처(241)의 외곽은 3각형 내지 7각형의 다각형 형태 중의 하나일 수 있다.
상기 다각형의 장축 대각선의 길이인 상기 애퍼처(241)의 사이즈(S1)는 6.0㎛ 내지 12㎛일 수 있다.
상기 애퍼처(241)의 전류밀도는 8.3kA/cm3 내지 30.0 kA/cm3 일 수 있다.
실시예에서 상기 복수의 애퍼처 영역에서 가장 근접한 각 애퍼처 중심 간의 거리(D)는 각 애퍼처 영역(240A, 240B)의 반지름(R)의 2배 보다는 크고 3배 이하일 수 있다.
상기 애퍼처 영역의 사이즈(R)는, 상기 애퍼처(241)의 사이즈의 반(S2)과 상기 애퍼처(241)의 다각형 모서리에서 상기 절연영역(242) 외곽까지의 최단 거리(S2)을 합한 것일 수 있다.
상기 애퍼처의 발산각은 20˚ 내지 27˚ 일 수 있다.
실시예의 발광장치는 상기 표면발광 레이저소자를 포함할 수 있다.
실시예는 고전류 인가시 또는 애퍼처 사이즈의 증대에도 불구하고 고차 모드 이동(higher mode shift)에 따른 출사 빔의 발산각(divergence angle of beams)의 증가 또는 빔 패턴(beam pattern)이 분열되는 문제를 방지할 수 있는 표면발광 레이저소자 및 이를 포함하는 발광장치를 제공할 수 있다.
예를 들어, 실시예에 의하면 결정품질이 우수한 애퍼처(241)의 다각형의 모서리에서 광학적 구속(optical confinement)이 됨으로써 가용모드를 제어하여 고차모드 쉬프트(higher mode shift)가 지연 되고 이를 통해 모드(mode)가 유지되는 특별한 기술적 효과가 있다.
도 1은 VCSEL 칩에서의 빔 발산(beam divergence)과 디퓨져 빔 각(Diffuser beam angle)의 조합으로 FOI(Field of Interest)와 FOV(Field Of View)를 결정하는 방식에 대한 예시도.
도 2a는 종래기술에서 애퍼처 크기(aperture size)에 따른 모드(mode) 변화 데이터.
도 2b는 종래 VCSEL의 인가 전류의 증가에 따라 원 거리장(Far field)에서 빔 프로파일(Beam profile) 데이터.
도 2c는 종래 VCSEL의 애퍼처의 지름(rA)이 약 6.0 ㎛인 경우 원 거리장(Far field)에서 빔 프로파일(Beam profile) 데이터.
도 3은 종래 VCSEL에서 인가전류 증가에 따른 근거리장 이미지(Near field image) 데이터와 각 인가전류에 따른 발산각(divergence angle of beams)의 데이터.
도 4는 실시예에 따른 표면발광 레이저소자의 평면도.
도 5는 도 4에 도시된 실시예에 따른 표면발광 레이저소자의 제1 영역(C1) 확대도.
도 6a는 도 5에 도시된 실시예에 따른 표면발광 레이저소자의 A1-A2 선을 따른 제1 단면도.
도 6b는 도 5에 도시된 실시예에 따른 표면발광 레이저소자의 A3-A4 선을 따른 제2 단면도.
도 7은 도 6a에 도시된 실시예에 따른 표면발광 레이저소자의 제1 부분(B1) 단면도.
도 8a는 도 6a에 도시된 실시예에 따른 표면발광 레이저소자의 애퍼처 영역의 평면 개념도.
도 8b는 도 6a에 도시된 실시예에 따른 표면발광 레이저소자의 애퍼처 영역의 IR 현미경 사진.
도 8c는 도 6a에 도시된 실시예에 따른 표면발광 레이저소자의 애퍼처 영역의 근거리장 이미지(Near field image) 데이터.
도 9a는 실시예에 따른 표면발광 레이저소자에서 GaAs의 low Miller index plane 예시도.
도 9b는 실시예에 따른 표면발광 레이저소자의 애퍼처 영역의 다른 IR 현미경 사진.
도 10a는 비교예에서 애퍼처 영역의 IR 현미경 사진.
도 10b는 비교예에서 애퍼처 영역의 단면 사진.
도 11a는 실시예에 따른 표면발광 레이저소자에서 애퍼처 영역에 대한 제2 확대도.
도 11b는 비교예와 실시예에 따른 표면발광 레이저소자에서 애퍼처 모양과 전류에 따른 근거리장 이미지(Near field image) 데이터와 각 인가전류에 따른 발산각(divergence angle of beams)의 데이터.
도 12는 실시예에 따른 표면발광 레이저소자에서 애퍼처 사이즈와 전류밀도에 따른 근거리장 이미지(Near field image) 데이터와 각 인가전류에 따른 발산각(divergence angle of beams)의 데이터.
도 13a는 도 12의 데이터에서 애퍼처 사이즈(Aperture size)별 전류밀도(Current density)에 따른 지향각 변화 데이터.
도 13b는 도 12의 데이터에서 애퍼처 사이즈(Aperture size)별 전류(Current)에 따른 지향각 변화 데이터.
도 14a 내지 도 16b는 실시예에 따른 표면발광 레이저소자의 제조공정도.
도 17는 실시예에 따른 표면발광 레이저소자가 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 4는 실시예에 따른 표면발광 레이저소자(201)의 평면도이며, 도 5는 도 4에 도시된 실시예에 따른 표면발광 레이저소자의 제1 영역(C1) 확대도이다.
도 4를 참조하면, 실시예에 따른 표면발광 레이저소자(201)는 발광부(E)와 패드부(P)를 포함할 수 있으며, 상기 발광부(E)에는 도 5와 같이 복수의 발광 에미터(E1, E2, E3)가 배치될 수 있다.
도 5를 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 6a는 도 5에 도시된 실시예에 따른 표면발광 레이저소자의 A1-A2 선을 따른 제1 단면도이며, 도 6b는 도 5에 도시된 실시예에 따른 표면발광 레이저소자의 A3-A4 선을 따른 제2 단면도이다.
도 6a와 도 6b를 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 애퍼처(241)(aperture) 및 절연영역(242)을 포함할 수 있다. 상기 절영영역(242)은 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.
다음으로 도 7은 도 6a에 도시된 실시예에 따른 표면발광 레이저소자의 제1 부분(B1)의 확대 단면도이다.
이하 도 6a와 도 7을 중심으로 실시예에 따른 표면발광 레이저소자(201)의 기술적 특징을 설명하기로 하며, 이후 도면을 참조하여 기술적 효과도 함께 설명하기로 한다. 실시예의 도면에서 x축의 방향은 기판(210)의 길이방향에 평행한 방향일 수 있으며, y축은 x축에 수직한 방향일 수 있다.
<기판, 제1 전극>
도 6a를 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.
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 7을 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 7과 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 활성영역(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)은 약 940 나노미터의 파장 영역의 광에 대하여 99.999%의 반사율을 가질 수 있다.
각 제1 반사층(220)에서의 층의 두께는 각각의 굴절률과 활성영역(230)에서 방출되는 광의 파장 λ에 따라 결정될 수 있다.
또한 도 7과 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 7과 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 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 7과 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.
<활성영역>
계속하여 도 7을 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 6a를 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 7을 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.
실시예의 기술적 과제 중의 하나는 고전류 인가 또는 애퍼처 사이즈의 증대에도 불구하고 고차 모드 이동(higher mode shift)에 따른 출사 빔의 발산각(divergence angle of beams)의 증가 또는 빔 패턴(beam pattern)이 분열되는 문제를 방지할 수 있는 표면발광 레이저소자 및 이를 포함하는 발광장치를 제공하고자 함이다.
도 8a는 도 6a에 도시된 실시예에 따른 표면발광 레이저소자의 애퍼처 영역(240)의 평면 개념도이며, 도 8b는 도 6a에 도시된 실시예에 따른 표면발광 레이저소자의 애퍼처 영역(240)의 IR 현미경 사진이고, 도 8c는 도 6a에 도시된 실시예에 따른 표면발광 레이저소자의 애퍼처 영역의 근거리장 이미지(Near field image) 데이터이다.
도 8a와 도 8b를 참조하면 실시예에서 상기 애퍼처 영역(240)은 절연영역(242)과 애퍼처(241)를 포함하며, 상기 애퍼처(241)는 다각형 수평 단면을 포함할 수 있다.
예를 들어, 실시예에서 애퍼처(241)의 다각형 단면은 3각형 내지 7각형 중 어느 하나의 형상일 수 있다. 예를 들어, 상기 애퍼처(241)의 외각은 3각형, 4각형, 5각형, 6각형 또는 7각형 중 어느 하나의 형상일 수 있으며, 도 8a에서 애퍼처(241)의 외곽 형상이 육각형인 경우를 예시하였으나 이에 한정되는 것은 아니다.
또한 실시예에서 애퍼처 영역(240) 중 절연영역(242)의 외곽은 원형일 수 있다.
실시예에서 애퍼처(241)의 사이즈(S1)은 다각형에서 대각선 길이 일 수 있다. 예를 들어, 애퍼처(241)의 모양이 도 8a에서와 같이 육각형인 경우 최대 또는 장축 대각선의 길이가 애퍼처(241)의 사이즈(S1)일 수 있다. 한편, 애퍼처(241)의 사이즈의 반(1/2)은 S2로 나타낼 수 있다.
실시예에서 애퍼처(241)와 절연영역(242)을 포함하는 애퍼처 영역(240)의 사이즈(R)는 애퍼처(241)의 사이즈의 반(S2)과 애퍼처(241)의 다각형 모서리에서 상기 절연영역(242) 외곽까지의 최단 거리(S2)를 합한 것일 수 있다.
앞서 기술한 바와 같이 실시예의 기술적 과제 중의 하나는, 고전류 인가 또는 애퍼처 사이즈의 증대에도 불구하고 고차 모드 이동(higher mode shift)에 따른 출사 빔의 발산각(divergence angle of beams)의 증가 또는 빔 패턴(beam pattern)이 분열되는 문제를 방지할 수 있는 표면발광 레이저소자 및 이를 포함하는 발광장치를 제공하고자 함이다.
도 8c를 참조하면, 실시예에 따른 표면발광 레이저소자에서는 원형의 메사 상태에서 산화조건을 제어하여 다각형의 외곽형상을 구비한 애퍼처를 형성함으로써 고전류 인가시 또는 애퍼처 사이즈의 증대에도 불구하고 다각형 애펴처의 모서리에서 피닝(pinning)에 의해 발광 포인트(point) 증가가 억제되어 고차 모드 이동(higher mode shift)에 따른 출사 빔의 발산각(divergence angle of beams)의 증가 또는 빔 패턴(beam pattern)이 분열되는 문제를 방지할 수 있는 기술적 효과가 있다.
예를 들어, 도 9a는 실시예에 따른 표면발광 레이저소자에서 GaAs의 low Miller index plane 예시도이며, 도 9b는 실시예에 따른 표면발광 레이저소자의 애퍼처 영역의 다른 IR 현미경 사진이다.
도 9a는 실시예에 따른 표면발광 레이저소자에서 GaAs(Zinc-blende결정) low Miller index plane의 예시도로서, Zinc-blende 구조는 (001) plane surface 기준으로 45° 간격으로 low Miller index plane이 나타난다. Low Miller index plane 특징은 결합밀도(Bond density)가 낮아서 화학적, 기계적으로 안정할 수 있다.
이에 따라 Low Miller index plane은 에칭속도(etching rate)나 성장속도(growth rate)가 느리므로 벽개(Cleavage)가 용이하고 표면 결함밀도가 낮다.
이에 도 9b를 참조하면 {110}side-wall termination에 의해 4각형 외곽의 애퍼처(aperture) 형성할 수 있으나 외각형상은 4각형에 한정되는 것은 아니며, 도 8b와 같이 6각형의 외곽형상을 구비한 애퍼처를 형성할 수도 있다.
실시예에 의하면, 애퍼처 영역을 형성하기 위한 메사(Mesa)를 원형으로 설계하여 대칭성을 높임으로써 국부적 스트레스(stress)나 디펙트(defect) 증가 발생을 억제하고, 산화속도 차이(speed contrast)이 제어를 통해 애퍼처 모양(aperture shape)을 다각형 형태로 제어할 수 있다.
한편, 도 10a는 비교예에서 애퍼처 영역의 IR 현미경 사진이며, 도 10b는 비교예에서 애퍼처 영역의 단면 사진이다.
도 10a와 도 10b는 비공개된 비교예의 사진으로서, 모드 제어(Mode control)를 위해 다각형 메사(mesa) 사용 시 애퍼처에서 크랙(crack)이 발생하는 문제가 있음을 나타낸다.
비교예에 의하면 밀집구조(closed packed structure) 구현을 위한 6각형 메사(mesa) 형성 시 high/low index 조합으로 side wall이 형성하게 되는데, High index plane surface에서의 디펙트(defect) 증가로 표면 품질에 차이(contrast)가 발생하고, 애퍼처 산화(Aperture oxidation) 진행 시 디펙트(defect) 전파로 인해 스트레스(stress) 집중으로 인한 크랙(crack)이 발생하여 신뢰성 이슈(issue)가 발생하는 문제가 있다.
이에 따라 실시예에 의하면, 애퍼처 영역(240)에서 상기 절연영역(242)의 외곽은 원형이며, 상기 애퍼처(241)의 외곽은 다각형 형태로 제어하며, 특히 애퍼처(241)의 다각형 모서리에서 결정품질이 우수하므로 고전류 인가시 또는 애퍼처 사이즈의 증대에도 불구하고 고차 모드 이동(higher mode shift)에 따른 출사 빔의 발산각(divergence angle of beams)의 증가 또는 빔 패턴(beam pattern)이 분열되는 문제를 방지할 수 있는 표면발광 레이저소자 및 이를 포함하는 발광장치를 제공할 수 있다.
실시예에 의하면 결정품질이 우수한 다각형의 모서리의 애퍼처에 의해 피닝(pinning)에 의해 발광 포인트(point) 증가가 억제되고 이러한 광학적 구속(optical confinement)로 인해 가용 모드를 제어함으로써 고차모드 쉬프트(higher mode shift)가 지연 되고 모드(mode)가 유지되는 특별한 기술적 효과가 있다.
예를 들어, 실시예에 의하면 결정품질이 우수한 애퍼처(241)의 다각형의 모서리에서 광학적 구속(optical confinement)이 됨으로써 가용모드를 제어하여 고차모드 쉬프트(higher mode shift)가 지연 되고 이를 통해 모드(mode)가 유지되는 특별한 기술적 효과가 있다.
이에 따라 실시예에 의하면, 애퍼처 사이즈의 증대에도 불구하고 고전류 인가시에도 빔 모드(beam mode)가 제어됨으로써 고차 모드 이동(higher mode shift)에 따른 출사 빔의 빔 패턴(beam pattern)이 분열되는 문제 및 발산 각이 증가하는 문제를 해결할 수 있는 표면발광 레이저소자 및 이를 포함하는 발광장치를 제공할 수 있다.
다음으로 도 11a는 실시예에 따른 표면발광 레이저소자에서 애퍼처 영역에 대한 제2 확대도(C2)이다.
실시예에 의하면, 애퍼처 영역을 형성하기 위한 메사(Mesa)를 원형으로 대칭성을 높임으로 국부적 스트레스(stress)나 디펙트(defect) 증가 발생을 억제하고, 인접한 애패처 영역 간의 거리 제어를 통해 산화 속도 차이(speed contrast)를 제어하여 애퍼처 모양(aperture shape)을 다각형 형태로 형성할 수 있다.
예를 들어, 도 11a를 참조하면 상기 복수의 애퍼처 영역에서 가장 근접한 각 애퍼처 중심 간의 거리(D)는 각 애퍼처 영역의 반지름(R)의 2배 보다는 크고 3배 이하로 제어하여 인접한 애퍼처 영역 사이에서는 상대적으로 산화속도가 느리게 진행되도록 하여 애퍼처 모양(aperture shape)을 다각형 형태로 형성할 수 있다.
예를 들어, 제1 애퍼처 영역(204A)이 제1 절연영역(242A)과 제1 애퍼처(241A)를 포함하고, 도 8a에서 설명했듯이 제1 애퍼처 영역(240A)의 사이즈는 R일 수 있고, 상기 제1 애퍼처 영역(240A)의 사이즈는 반지름을 의미할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
또한 상기 제1 애퍼처 영역(204A)과 인접한 제2 애퍼처 영역(240B)은 제2 절연영역(242B)과 제2 애퍼처(241B)를 포함하고, 제2 애퍼처 영역(240B)의 사이즈는 R일 수 있다.
이때 실시예에 의하면 가장 인접한 제1 애퍼처(241A)와 제2 애퍼처(241B) 간의 거리(D)는 각 애퍼처 영역의 반지름(R)의 2배 보다는 크고 3배 이하로 제어하여 인접한 애퍼처 영역 사이에서는 상대적으로 산화속도가 느리게 진행되도록 하여 애퍼처 모양(aperture shape)을 다각형 형태로 형성할 수 있다.
다음으로 도 11b는 비교예와 실시예에 따른 표면발광 레이저소자에서 애퍼처 모양과 전류에 따른 근거리장 이미지(Near field image) 데이터와 각 인가전류에 따른 발산각(divergence angle of beams)의 데이터이다.
비교계는 원형(circle type) 애퍼처를 구비한 경우로서, 전류(current)가 0.5 A에서 1A 및 2A로 증가함에 따라 발광 포인트(point) 증가에 따라 발광 모드(mode) 분열이 일어나면서 발산각이 19.5˚에서 26.0˚ 및 32.5˚로 급격히 증가하였다.
반면, 실시예에서 다각형, 예를 들어 육각형(hexagonal) 애퍼처를 구비하는 경우, 애처처의 모서리에 피닝(pinning)이 일어나서 발광 포인드(point)의 증가가 억제되고, 이에 따라 모드(mode) 분열에 의한 발산각의 증가량을 줄일 수가 있다.
예를 들어, 실시예에서는 전류(current)가 0.5 A에서 1A 및 2A로 증가하더라도, 발광 모드(mode) 분열을 방지하여 발산각이 19.0˚에서 23.5˚ 및 27.5˚로 제어되는 기술적 효과가 있다(H기준).
즉, 실시예에 의하면 결정품질이 우수한 다각형의 모서리를 구비한 애퍼처에 의해 광학적 구속(optical confinement)로 인해 애처처의 모서리에 피닝(pinning)이 일어나서 발광 포인드(point)의 증가가 억제되고, 이를 통해 가용 모드를 제어함으로써 고차모드 쉬프트(higher mode shift)가 지연 되고 모드(mode)가 유지되는 특별한 기술적 효과가 있다.
또한 실시예에 의하면, 고전류 인가시에도 빔 모드(beam mode)가 제어됨으로써 고차 모드 이동(higher mode shift)에 따른 출사 빔의 빔 패턴(beam pattern)이 분열되는 문제 및 발산 각이 증가하는 문제를 해결할 수 있는 표면발광 레이저소자 및 이를 포함하는 발광장치를 제공할 수 있다.
다음으로, 도 12는 실시예에 따른 표면발광 레이저소자에서 애퍼처 사이즈와 전류밀도에 따른 근거리장 이미지(Near field image) 데이터와 각 인가전류에 따른 발산각(divergence angle of beams)의 데이터이다.
또한 도 13a는 도 12의 데이터에서 애퍼처 사이즈(Aperture size)별 전류밀도(Current density)에 따른 지향각 변화 데이터이며, 도 13b는 도 12의 데이터에서 애퍼처 사이즈(Aperture size)별 전류(Current)에 따른 지향각 변화 데이터이다.
실시예에 의하면 약 810nm 내지 980nm 파장영역에서 애퍼처 사이즈(aperture size)에 따라 발진 모드 및 발산각이 전류 영역(Current range)(IE)에 따라 안정적으로 제어할 수 있는 특별한 기술적 효과가 있다.
예를 들어, 도 12와 도 13a를 참조하면 실시예에서 애퍼처의 사이즈(S1)가 6.0㎛ 내지 12㎛이고, 전류밀도가 8.3kA/cm3 내지 30.0 kA/cm3인 경우로 제어되는 경우에, 발진 모드 및 발산각이 안정적으로 제어할 수 있는 특별한 기술적 효과가 있다.
실시예에서 표면발광 레이저소자의 지향각 측정은 LEDGON-100 goniophotometer(Instrument Systems Optische Messtechnik GmbH, Germany)을 이용하였으나 이에 한정되는 것은 아니다.
예를 들어, 도 12, 도 13a 및 도 13b를 참조하면, 실시예에서 애퍼처의 사이즈(S1)가 6.0㎛일 때, 전류밀도가 8.3kA/cm3 내지 30.0 kA/cm3로 제어되는 경우에, 발진 모드가 2차 모드, 발산각이 약 20˚로 전류(current) 영역(7mA)에서 안정적으로 제어되었다.
또한 실시예에서 애퍼처의 사이즈(S1)가 8.0㎛일 때, 전류밀도가 8.3kA/cm3 내지 30.0 kA/cm3로 제어되는 경우에, 전류(current)가 7mA, 9mA, 12mA, 14mA로 변화되어도 발진 모드가 2차 모드, 발산각이 약 21˚로 안정적으로 제어되는 특별한 기술적 효과가 있다.
또한 실시예에서 애퍼처의 사이즈(S1)가 10.0㎛일 때, 전류밀도가 8.3kA/cm3 내지 30.0 kA/cm3로 제어되는 경우에, 전류(current)가 7mA, 9mA, 12mA, 14mA로 변화되어도 발진 모드가 2차 모드, 발산각이 약 25˚로 안정적으로 제어되는 특별한 기술적 효과가 있다.
또한 실시예에서 애퍼처의 사이즈(S1)가 12.0㎛일 때, 전류밀도가 8.3kA/cm3 내지 30.0 kA/cm3로 제어되는 경우에, 전류(current)가 9mA, 12mA, 14mA로 변화되어도 발진 모드가 2차 모드, 발산각이 약 27˚로 안정적으로 제어되는 특별한 기술적 효과가 있다.
이에 따라 실시예는 고전류 인가시 또는 애퍼처 사이즈의 증대에도 불구하고 고차 모드 이동(higher mode shift)에 따른 출사 빔의 발산각(divergence angle of beams)의 증가 또는 빔 패턴(beam pattern)이 분열되는 문제를 방지할 수 있는 표면발광 레이저소자 및 이를 포함하는 발광장치를 제공할 수 있다.
또한 실시예는 고전류 인가시 또는 애퍼처 사이즈의 증대에도 불구하고 결정 품질이 우수한 다각형 모서리의 애퍼처에서 피닝(pinning)에 의해 발광 포인트(point) 증가가 억제되어 고차 모드 이동(higher mode shift)에 따른 출사 빔의 발산각(divergence angle of beams)의 증가 또는 빔 패턴(beam pattern)이 분열되는 문제를 방지할 수 있는 표면발광 레이저소자 및 이를 포함하는 발광장치를 제공할 수 있다.
<제2 전극, 오믹컨택층, 패시베이션층>
다시 도 6a를 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 6a에서 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.
(실시예의 제조방법)
이하 도 14a 내지 도 16b를 참조하여 실시예에 따른 표면발광 레이저소자의 제조방법을 설명하기로 한다.
우선, 도 14a와 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 14b는 도 14a에 도시된 실시예에 따른 표면발광 레이저소자의 제2 영역(B2)의 확대 단면도이다.
이하 도 14a와 도 14b를 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 굴절 률을 가지는 물질로 이루어진 층들이 교대로 적어도 1회 이상 적층된 구조일 수 있다.
예를 들어, 도 14b와 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 14b와 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 14b와 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. 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 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 15a는 실시예에 따른 표면발광 레이저소자의 제1 영역(C1) 확대도이고, 도 15b는 도 15a에 도시된 실시예에 따른 표면발광 레이저소자의 A1-A2선을 따른 단면도이다.
실시예는 도 15b와 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 16a는 실시예에 따른 표면발광 레이저소자의 제1 영역(C1) 확대도이고, 도 16b는 도 16a에 도시된 실시예에 따른 표면발광 레이저소자의 A1-A2선을 따른 단면도이다.
실시예는 도 16b와 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 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, 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.
이후 도 6a를 참조하면 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.
또한 실시예에 의하면 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.
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.
(이동 단말기)
다음으로 도 17는 실시예에 따른 표면발광 레이저소자가 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, 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 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 (9)

  1. 제1 반사층;
    상기 제1 반사층 상에 배치되는 활성영역;
    상기 활성영역 상에 배치되며, 애퍼처(aperture) 및 절연영역을 포함하는 애퍼처 영역;
    상기 애퍼처 영역 상에 배치되는 제2 반사층;
    상기 제1 반사층, 상기 활성영역 및 상기 제2 반사층의 노출된 영역들 상에 배치된 패시베이션층;
    상기 제2 반사층의 상부면에 배치된 콘택전극; 및
    상기 제1 반사층 및 상기 제2 반사층에 각각 전기적으로 연결되는 제1 전극과 제2 전극;을 포함하고,
    상기 애퍼처 영역에서 상기 절연영역의 외곽은 원형이며,
    상기 애퍼처의 외곽은 다각형 형태이며,
    상기 제2 전극은 상기 콘택전극과 상기 패시베이션층상에 배치된 패드전극을 포함하고 상기 패드전극은 상기 콘택전극과 전기적으로 연결되며,
    상기 패시베이션층은 상기 애퍼처 영역과 상기 활성영역과 상기 제2 반사층의 측면들, 및 상기 제1 반사층의 상부면과 접촉하며,
    상기 애퍼처 영역의 사이즈는,
    상기 애퍼처의 사이즈의 반과 상기 애퍼처의 상기 외곽의 다각형 모서리에서 상기 절연영역의 상기 외곽까지의 최단 거리의 합이며,
    상기 애퍼처의 사이즈는 6.0㎛ 내지 12㎛이며,
    상기 애퍼처의 전류밀도는 8.3kA/cm3 내지 30.0 kA/cm3이며,
    상기 애퍼처의 발산각은 20˚ 내지 27˚인 표면발광 레이저소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 애퍼처의 상기 외곽은
    3각형 내지 7각형의 다각형 형태 중의 하나인 표면발광 레이저소자.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1 반사층;
    상기 제1 반사층 상에 배치된 활성영역;
    상기 활성영역 상에 배치되며, 애퍼처 및 절연영역을 포함하는 복수의 애퍼처 영역;
    상기 복수의 애퍼처 영역 상에 배치된 제2 반사층;
    상기 제1 반사층, 상기 활성영역, 상기 애퍼처 영역 및 상기 제2 반사층의 노출된 영역들 상에 배치된 패시베이션층;
    상기 제2 반사층의 상부면에 배치된 콘택전극; 및
    상기 제1 반사층 및 상기 제2 반사층에 각각 전기적으로 연결된 제1 전극과 제2 전극을 포함하며,
    상기 복수의 에퍼처 영역에서, 상기 절연영역의 외곽은 원형이며,
    상기 에퍼처의 외곽은 다각형 형태이며,
    상기 제2 전극은 상기 콘택전극과 상기 패시베이션층상에 배치된 패드전극을 포함하고 상기 패드전극은 상기 콘택전극과 전기적으로 연결되며,
    상기 패시베이션층은 상기 애퍼처 영역과 상기 활성영역과 상기 제2 반사층의 측면들, 및 상기 제1 반사층의 상부면과 접촉하며,
    상기 복수의 에퍼처 영역에서, 각각의 가장 가까운 에퍼처 중심 사이의 거리는 각 에퍼처 영역의 반경의 2배보다 크고, 각 에퍼처 영역의 반경의 3배 이하이며,
    상기 애퍼처 영역의 사이즈는,
    상기 애퍼처의 사이즈의 반과 상기 애퍼처의 상기 외곽의 다각형 모서리에서 상기 절연영역의 상기 외곽까지의 최단 거리의 합이며,
    상기 애퍼처의 사이즈는 6.0㎛ 내지 12㎛이며,
    상기 애퍼처의 전류밀도는 8.3kA/cm3 내지 30.0 kA/cm3이며,
    상기 애퍼처의 발산각은 20˚ 내지 27˚인 표면발광 레이저소자.
  6. 삭제
  7. 제5항에 있어서,
    상기 애퍼처의 상기 외곽은
    3각형 내지 7각형의 다각형 형태 중의 하나인 표면발광 레이저소자.
  8. 삭제
  9. 삭제
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