KR20010012440A - 모니터 부착된 면 발광 레이저 및 그 제조 방법 - Google Patents

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KR20010012440A
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야스카와 히데아키
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Abstract

상부의 전극 형성 영역(120)에 컨택트층(109)에 대하여 오믹 접촉을 갖는 오믹 전극(113)과, 쇼트키 접촉을 갖는 쇼트키 전극(114)이 각각 형성된 수직 공진기형 면 발광 레이저(100A)의 광 공진기로부터 출사된 레이저광의 주변부가, 쇼트키 전극(114)과 컨택트층(109)과의 접촉부분에 형성되는 공핍층에 입사하여, 이 공핍층에서 발생한 광 전류를 검출함으로써, 출사 광량을 모니터하는 구조의 모니터 부착된 면 발광 레이저를 기술한다. 해당 모니터 부착된 면 발광 레이저에서는, 매우 간단한 구성으로, 수직 공진기형 면 발광 레이저(100A)와, 그 출사 광량을 모니터하는 포토다이오드(100B)가 모놀리식으로 형성되어 있다.

Description

모니터 부착된 면 발광 레이저 및 그 제조 방법{Surface emission laser with monitor and method of manufacturing the same}
출사 광량을 모니터할 수 있는 포토다이오드를 수직 공진기형 면 발광 레이저와 모놀리식으로 형성한 디바이스가, Jpn. J. Appl. Phys. Vol: 35(1996) pp. 506∼507에서 개시되어 있다. 이러한 수직 공진기형 면 발광 레이저는 광 출사부 상에 PIN형 포토다이오드를 형성한 것이다.
그렇지만, 상술한 기술에 있어서는, 수직 공진기형 면 발광 레이저를 구성하는 반도체층 이외에 포토다이오드를 구성하기 위한 복수의 반도체층을 추가로 적층할 필요가 있으며, 그 때문에, 구조가 복잡하고 또한 제조 공정수가 많다는 과제를 가지고 있었다.
본 발명은 출사 광량을 모니터할 수 있는 모니터 부착된 면 발광 레이저 및 그 제조방법에 관한 것이다.
도 1은 본 발명의 한 실시형태에 관련되는 모니터 부착된 면 발광 레이저의 구조를 모식적으로 도시하는 단면도.
도 2는 도 1에 도시하는 모니터 부착된 면 발광 레이저를 레이저광이 출사되는 측에서 본 구조를 모식적으로 도시하는 평면도.
도 3은 도 1 및 도 2에 도시하는 모니터 부착된 면 발광 레이저와, 이것을 구동하기 위한 회로를 모식적으로 도시한 회로도.
도 4는 본 발명의 다른 실시형태에 관련되는 모니터 부착된 면 발광 레이저의 구조를 모식적으로 도시하는 단면도.
도 5는 도 4에 도시하는 모니터 부착된 면 발광 레이저를 레이저광이 출사되는 방향과는 반대측에서 본 구조를 모식적으로 도시하는 평면도.
도 6은 도 4 및 도 5에 도시하는 모니터 부착된 면 발광 레이저와, 이것을 구동하기 위한 회로를 모식적으로 도시한 회로도.
※도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명※
100, 200: 모니터 부착된 면 발광 레이저
101, 201: 반도체 기판
102, 202 버퍼층(에칭 정지층) 103, 203: n형 DBR 미러
104, 204: n형 클래드층 105, 205: 활성층
106, 206: p형 클래드층 107, 207: 전류 협착층
108, 208: p형 DBR 미러 109, 209: 컨택트층
110, 210: 기둥 형상부 112, 212: 절연층
113, 213: p형 오믹 전극 114, 214: 쇼트키 전극
115, 215: n형 오믹 전극 116, 216: 개구부
217: 구멍부 118, 218: 전류 전압 변환 회로
119, 219: LD 구동회로 120, 220, 222: 전극 형성 영역
본 발명은 이러한 문제점을 해결하는 것으로, 그 과제로 하는 점은 대단히 간단한 구조의 고성능 모니터가 부착된 면 발광 레이저 및 그 제조방법을 제공함에 있다.
본 발명에 관련되는 모니터 부착된 면 발광 레이저는,
반도체 기판과, 해당 반도체 기판의 한쪽 면상에 형성된 적어도 활성층 및 컨택트층이 포함되는 반도체 퇴적체와, 상기 활성층에 전류를 주입하기 위한 오믹 전극이 포함되는 한 쌍의 전극 형성 영역을 가지고, 상기 반도체 기판과 수직인 방향으로 레이저광을 출사하는 광 공진기가 형성되며,
상기 한 쌍의 전극 형성 영역 중 적어도 한쪽에, 상기 오믹 전극과 접하는 반도체층에 대해 쇼트키 접촉을 갖는 쇼트키 전극이 형성되어, 상기 광 공진기에서 출사된 레이저광을 모니터할 수 있는 쇼트키 장벽 포토다이오드를 구비하는 것을 특징으로 한다.
이러한 모니터 부착된 면 발광 레이저에 의하면, 상기 광 공진기에서 출사된 레이저광의 일부는, 상기 쇼트키 장벽 포토다이오드의 공핍층에 입사하여, 해당 공핍층에서 발생한 광 전류를 검출함으로써 출사 광량을 모니터할 수 있다.
그리고, 이 모니터 부착된 면 발광 레이저는, 한 쌍(제1 및 제2)의 전극 형성 영역 중 적어도 한쪽에, 오믹 전극과 함께 쇼트키 전극을 형성하는 것만의 대단히 간단한 구성으로, 수직 공진기형 면 발광 레이저의 출사 광량을 모니터하는 쇼트키 장벽 포토다이오드를 모놀리식으로 형성할 수 있다. 이로써, 수직 공진기형 면 발광 레이저의 출사 광량을 일정하게 하는 APC(오토 파워 컨트롤)를 대단히 간단한 구조로 행할 수 있다.
상술한 본 발명에 관련되는 모니터 부착된 면 발광 레이저는 이하의 공정 (a) 및 (b)를 포함하는 제조방법에 의해 얻을 수 있다.
(a) 반도체 기판의 한쪽 면 상에, 적어도 활성층 및 컨택트층이 포함되는 반도체 퇴적체를 형성하여, 상기 반도체 기판과 수직 방향으로 레이저광을 출사하는 광 공진기 혹은 그 일부를 얻는 공정, 및
(b) 한 쌍의 전극 형성 영역 중 적어도 한쪽에 있어서, 상기 활성층에 전류를 주입하기 위한 오믹 전극과, 상기 오믹 전극과 접하는 반도체층에 대해 쇼트키 접촉을 갖는 쇼트키 전극을 형성하여, 쇼트키 장벽 포토다이오드를 얻는 공정.
이러한 제조방법에 의하면, 한 쌍의 전극 형성 영역 중 적어도 한쪽에 있어서, 오믹 전극과 함께 쇼트키 전극을 형성하는 간단한 방법으로, 쇼트키 장벽 포토다이오드를 모놀리식으로 형성할 수 있다.
본 발명의 모니터 부착된 면 발광 레이저는, 반도체 기판의 한쪽 면 상에 형성된 적어도 활성층 및 컨택트층이 포함되는 반도체 퇴적체와, 상기 활성층에 전류를 주입하기 위한 오믹 전극이 포함되는 한 쌍의 전극 형성 영역을 가진 수직 공진기형의 반도체 레이저이며, 상기 한 쌍의 전극 형성 영역 중 적어도 한쪽에, 상기 오믹 전극과 접하는 반도체층에 대해 쇼트키 접촉을 갖는 쇼트키 전극이 형성된 광 공진기에서 출사된 레이저광을 모니터할 수 있는 쇼트키 장벽 포토다이오드를 구비한 점에서 특징적이다.
이러한 모니터 부착된 면 발광 레이저로서는, 바람직하게는 이하의 2종류의 구성을 갖는다.
우선 첫째로, 본 발명의 모니터 부착된 면 발광 레이저에서는,
상기 컨택트층의 표면에, 해당 컨택트층에 대해 쇼트키 접촉을 갖는 쇼트키 전극과, 상기 컨택트층에 대해 오믹 접촉을 갖는 제1 오믹 전극이 각각 형성되고, 상기 반도체 기판의 다른 쪽 면 상에, 해당 반도체 기판에 대해 오믹 접촉을 갖는 제2 오믹 전극이 형성되어, 상기 쇼트키 장벽 포토다이오드는 상기 컨택트층과 상기 쇼트키 전극으로 구성된다.
이러한 제1 구성의 모니터 부착된 면 발광 레이저에서는, 상기 레이저광의 파장을 λ라 하고, 상기 컨택트층의 밴드 캡의 에너지에 상당하는 파장을 λcont라 했을 때, λcont≥λ인 것이 바람직하다. 해당 모니터 부착된 면 발광 레이저에 의하면, 상기 컨택트층에 있어서 상기 광 공진기에서 출사된 레이저광의 일부가 흡수되기 때문에, 상기 쇼트키 장벽 포토다이오드에 확실하게 모니터광을 공급할 수 있다.
또한, 상기 제1 구성의 모니터 부착된 면 발광 레이저에 있어서는, 상기 제1 오믹 전극은 상기 쇼트키 장벽 포토다이오드의 전극을 겸하는 것이 바람직하다. 해당 모니터 부착된 면 발광 레이저에 의하면, 전극 형성 영역을 유효하게 이용할 수 있어 보다 간단한 구성을 취할 수 있다.
더욱이, 상기 모니터 부착된 면 발광 레이저는, 적어도 상기 제1 오믹 전극은 분할된 복수의 전극부로 구성되고, 해당 전극부는 해당 전극부가 형성된 전극 형성 영역에서 대칭 배치되어 있는 것이 바람직하다. 이러한 모니터 부착된 면 발광 레이저에 의하면, 상기 활성층으로의 전류 공급을 보다 균일하게 행할 수 있다.
둘째로, 본 발명의 모니터 부착된 면 발광 레이저에서는,
상기 반도체 퇴적체는, 추가로 상기 반도체 기판의 한쪽 면 상에 쇼트키 장벽 포토다이오드를 형성하는 반도체층을 가지고,
상기 컨택트층 표면에, 해당 컨택트층에 대해 오믹 접촉하는 제1 오믹 전극이 형성되며,
상기 반도체 기판의 소정 영역이 제거되어 노출한 상기 반도체층의 표면에, 해당 반도체층에 대해 쇼트키 접촉을 갖는 쇼트키 전극과, 상기 반도체층에 대해 오믹 접촉을 갖는 제2 오믹 전극이 각각 형성되어,
상기 쇼트키 장벽 포토다이오드는, 상기 반도체층과 상기 쇼트키 전극으로 구성된다.
이러한 제2 구성의 모니터 부착된 면 발광 레이저에 의하면, 상기 광 공진기에서 상기 반도체 기판 방향으로 출사된 레이저광의 일부는 상기 쇼트키 장벽 포토다이오드의 공핍층에 입사하여, 해당 공핍층에서 발생한 광 전류를 검출함으로써 출사 광량을 모니터할 수 있다. 그리고, 해당 모니터 부착된 면 발광 레이저에서는, 제1 구성의 모니터 부착된 면 발광 레이저와는 달리, 컨택트층은 출사광의 파장에 대해 흡수가 없는 재료에 의해 형성할 수 있기 때문에, 면 발광 레이저의 고출력화가 가능하다.
이러한 모니터 부착된 면 발광 레이저에서는, 상기 제2 오믹 전극은 상기 쇼트키 장벽 포토다이오드의 전극을 겸하는 것이 바람직하다. 해당 모니터 부착된 면 발광 레이저에 의하면, 전극 형성 영역을 유효하게 이용할 수 있어, 보다 간단한 구성을 취할 수 있다.
또한, 상기 모니터 부착된 면 발광 레이저에서는, 적어도 상기 제2 오믹 전극은 분할된 복수의 전극부로 구성되고, 해당 전극부는 상기 반도체층의 표면에서 대칭 배치되어 있는 것이 바람직하다. 이러한 모니터 부착된 면 발광 레이저에 의하면, 상기 활성층으로의 전류 공급을 보다 균일하게 행할 수 있다.
본 발명에 관련되는 모니터 부착된 면 발광 레이저는 상술한 공정 (a) 및 (b)를 포함하는 제조방법에 의해 얻을 수 있다.
바람직하게는, 상기 제1 구성의 모니터 부착된 면 발광 레이저는,
상기 공정 (b)에 있어서, 한쪽 전극 형성 영역을 구성하는 상기 컨택트층의 표면에, 해당 컨택트층에 대해 쇼트키 접촉을 갖는 쇼트키 전극과, 상기 컨택트층에 대해 오믹 접촉을 갖는 제1 오믹 전극을 각각 형성하고, 다른 쪽의 전극 형성 영역을 구성하는 상기 반도체 기판의 다른쪽 면 상에, 해당 반도체 기판에 대해 오믹 접촉을 갖는 제2 오믹 전극을 형성함으로써, 상기 컨택트층과, 상기 쇼트키 전극으로 쇼트키 장벽 포토다이오드를 얻음으로써 제조된다.
또한, 상기 제2 구성의 모니터 부착된 면 발광 레이저는, 바람직하게는,
상기 공정 (a)에 있어서, 추가로, 상기 반도체 기판 상에 쇼트키 장벽 포토다이오드를 위한 반도체층을 형성하고, 상기 공정 (b)에 있어서, 상기 컨택트층의 표면에, 해당 컨택트층에 대해 오믹 접촉을 갖는 제1 오믹 전극을 형성하고, 상기반도체 기판의 소정 영역을 제거하여 노출시킨 상기 반도체층의 표면에, 해당 반도체층에 대해 쇼트키 접촉을 갖는 쇼트키 전극과, 상기 반도체층에 대해 오믹 접촉을 갖는 제2 오믹 전극을 각각 형성함으로써, 상기 반도체층과, 상기 쇼트키 전극으로 쇼트키 장벽 포토다이오드를 얻음으로써 제조된다.
이하, 본 발명의 실시형태에 대해서, 도면을 참조하여 설명한다.
(실시형태 1)
도 1은, 본 발명의 한 실시형태에 관련되는 모니터 부착된 면 발광 레이저(100)의 단면 구조(도 2의 A-A선을 따른 단면)를 모식적으로 도시하는 단면도이며, 도 2는 이것을 레이저광이 출사되는 측에서 본 평면 구조를 모식적으로 도시하는 평면도이다.
(디바이스 구조)
도 1 및 도 2에 도시하는 모니터 부착된 면 발광 레이저(100)의 디바이스 구조에 대해서 설명한다. 면 발광 레이저(100)는, n형 GaAs로 이루어지는 반도체 기판(101) 상에, n형 GaAs로 이루어지는 버퍼층(102), n형 AlAs층과 n형 Al0.15Ga0.85As층을 교대로 적층시킨 구조로 800nm 부근의 빛에 대해 99% 이상의 반사율을 갖는 30페어의 n형 DBR 미러(103), n형 Al0.5Ga0.5As로 이루어지는 n형 클래드층(104), GaAs 웰층과 Al0.3Ga0.7As 장벽층으로 이루어지고 웰층이 5층으로 구성되는 다중 양자 우물 구조의 활성층(105), p형 Al0.5Ga0.5As로 이루어지는 p형 클래드층(106), p형 AlAs로 이루어지는 전류 협착층(107), p형 AlAs층과 p형 Al0.15Ga0.85As층이 교대 적층되어 800nm 부근의 빛에 대해 98.5% 이상의 반사율을 갖는 22페어의 p형 DBR 미러(108) 및 p형 GaAs로 이루어지는 컨택트층(109)이 순차 적층된 구조의 반도체 퇴적체를 구비한다.
그리고, 컨택트층(109) 측에서 p형 클래드층(106)의 도중까지, 적층된 방향에서 보아 원형 형상으로 에칭되며, 기둥 형상부(110)가 형성되어 있다. 본 실시형태에서는, 기둥 형상부(110)의 평면 형상을 원형으로 했지만, 이 형상은 임의의 형상을 취할 수 있다.
또한, 후술하는 p형 오믹 전극(113)으로부터의 전류를 공진기 중앙 부분에만 집중시키기 위해, 전류 협착층(107)의 주위 수(μm) 정도의 영역에, 산화 알루미늄으로 이루어지는 절연체층(111)이 형성되어 있다.
더욱이, 기둥 형상부(110) 주위에는, SiO2등의 실리콘 산화막(SiOX막)으로 이루어지는 절연층(112)이 형성되어 있다.
기둥 형상부(110) 및 절연층(112)의 상면에는, 상부 전극이 형성되어 있다. 본 실시형태에서는, 기둥 형상부(110)의 상면을 제1 전극 형성 영역(120)으로 한다. 그리고, 제1 전극 형성 영역(120)의 중앙부에는 레이저광의 출사구가 되는 개구부(116)가 형성되어 있다.
제1 전극 형성 영역(120) 및 절연층(112)의 상면에 형성된 상부 전극은, 도 2에 도시하는 바와 같이, 4개로 분할된 전극부를 가지며, 크롬과 금-아연 합금 등의 금속으로 이루어지는 p형 오믹 전극(113)과, 금 등의 금속으로 이루어지는 쇼트키 전극(114)이 각각 형성되어 있다. p형 오믹 전극(113)은 대각선 상에 배치된 두 오믹 전극부(113a) 및 (113b)로 이루어지며, 쇼트키 전극(114)은 대각선 상에 배치된 두 쇼트키 전극부(114a) 및 (114b)로 이루어진다.
활성층(105)으로의 전류 주입이 가능한 한 균일하게 행해지는 것을 고려하면, p형 오믹 전극(113)의 전극부는 제1 전극 형성 영역(120)의 평면에 있어서 그 중심점에 대해 대칭적으로 배치되는 것이 바람직하다.
또한, 쇼트키 전극(114)은, 출사 광량의 모니터에 필요한 광 전류가 얻어지는 것을 고려하여, 컨택트층(109)의 상면과의 접촉 영역이 확보된다. 이들 상부 전극은 도 2에 도시한 형상에 한정되지 않고, 임의의 분할수 및 형상을 취할 수 있다.
반도체 기판(101)의 레이저광의 출사 방향과 반대측 표면(제2 전극 형성 영역)에는, 금-게르마늄 합금 등의 금속으로 이루어지는 n형 오믹 전극(115)이 형성되어 있다.
반도체 기판(101), 버퍼층(102), n형 DBR 미러(103), n형 클래드층(104), 활성층(105), p형 클래드층(106), 전류 협착층(107), p형 DBR 미러(108), 컨택트층(109), p형 오믹 전극(113) 및 n형 오믹 전극(115)에 의해, 수직 공진기형 면 발광 레이저(100A)가 구성된다. 그리고, p형 오믹 전극(113)과 n형 오믹 전극(115)을 사용하여 활성층(105)에 전류를 공급함으로써, 개구부(116)에서 레이저광이 출사된다.
한편, 쇼트키 전극(114), 컨택트층(109) 및 p형 오믹 전극(113)에 의해 쇼트키 장벽 포토다이오드(100B)가 구성된다. 이 때, p형 오믹 전극(113)은 수직 공진기형 면 발광 레이저(100A)와 쇼트키 장벽 포토다이오드(100B)의 공통 전극이 된다.
수직 공진기형 면 발광 레이저(100A)에서 출사되는 레이저광은 활성층(105)에 있어서 빔 웨이스트를 가지며, 일정한 방사각으로 넓어지면서 개구부(116)에서 출사된다. 이 때, 이 레이저광의 주변부가 쇼트키 장벽 포토다이오드(100B)를 구성하는 부분, 즉, 쇼트키 전극(114)과 컨택트층(109)의 표면이 접촉하고 있는 부분에 형성되는 공핍층에 입사하면, 광 전류가 발생하고, 이 전류를 검출함으로써 수직 공진기형 면 발광 레이저(100A)의 출사 광량을 모니터할 수 있다.
또한, 쇼트키 장벽 포토다이오드(100B)에 의해 수직 공진기형 면 발광 레이저(100A)의 출사 광량을 고효율로 모니터하기 위해서는, 컨택트층(109)의 밴드 캡의 에너지에 상당하는 파장을 λcont라 하고, 수직 공진기형 면 발광 레이저(100A)에서 출사되는 레이저광의 파장을 λ라 하면, λcont≥λ로 하는 것이 바람직하다. 본 실시형태에서는, 이 관계를 만족하도록 컨택트층(109)을 p형 GaAs에 의해 형성했지만, 상기 관계를 만족하는 한은 p형 AlGaAs에 의해 형성해도 된다.
(제조방법)
다음으로, 본 실시형태에 관련되는 모니터가 부착된 면 발광 레이저(100)의 제조방법에 대해서 설명한다.
(1) 우선, n형 GaAs로 이루어지는 반도체 기판(101) 상에, n형 GaAs로 이루어지는 버퍼층(102), n형 AlAs층과 n형 Al0.15Ga0.85As층으로 이루진 800nm 부근의 빛에 대해 99% 이상의 반사율을 갖는 30페어의 n형 DBR 미러(103), n형 Al0.5Ga0.5As로 이루어지는 n형 클래드층(104), GaAs 웰층과 Al0.3Ga0.7As 장벽층으로 이루어져 웰층이 5층으로 구성되는 다중 양자 우물 구조의 활성층(105), p형 Al0.5Ga0.5As로 이루어지는 p형 클래드층(106), p형 AlAs로 이루어지는 전류 협착층(107), p형 AlAs층과 p형 Al0.15Ga0.85As로 이루어져 800nm 부근의 빛에 대해 98.5% 이상의 반사율을 갖는 22페어의 p형 DBR 미러(108) 및 p형 GaAs로 이루어지는 컨택트층(109)이 순차 적층된다.
상기 각 반도체층은, 유기 금속 기상 성장(MOVPE:Metal-Organic Vapor Phase Epitaxy)법으로 에피택셜 성장시킬 수 있다. MOVPE법 대신에, MBE(Molecular Beam Epitaxy)법 혹은 LPE(Liquid Phase Epitaxy)법을 사용해도 된다.
(2) 다음으로, 컨택트층(109) 상에 포토 레지스트를 도포한 후 포토리소그래피에 의해 해당 포토 레지스트를 패터닝함으로써, 소정 패턴의 레지스트층을 형성한다. 이어서, 이 레지스트층을 마스크로 하여, 반응성 이온 에칭에 의해 컨택트층(109), 상부 DBR 미러(108), 전류 협착층(107) 및 p형 클래드층(106)의 도중까지를 에칭하여 기둥 형상부(110)를 얻는다.
이어서, AlAs로 이루어지는 반도체층(107)을 400℃ 정도의 수증기 분위기 하에 1 내지 30분 노출시킴으로써, AlAs층이 그 노출면에서 안쪽으로 산화되어 가고, 절연체인 산화 알루미늄이 형성된다. 이로써, 중심 부분의 AlAs로 이루어지는 반도체층 주위에 산화 알루미늄으로 이루어지는 절연체층(111)이 형성되고, 전류 협착층(107)이 형성된다.
(3) 이어서, 모노실란 가스와 산소 가스를 사용하여, 질소 가스를 캐리어 가스로 하는 정규압 열CVD법에 의해, 기판 상에 실리콘 산화막을 형성한다. 그 후, 포토리소그래피와 드라이 에칭에 의해, 기둥 형상부(110)의 상면에 있어서의 실리콘 산화막을 에칭 제거하여, 절연층(112)을 형성한다.
(4) 이어서, 진공 증착법에 의해 반도체층 상에 크롬과 금-아연 합금 등의 금속으로 이루어지는 금속층을 형성하고, 더욱이 포토리소그래피 및 드라이 에칭에 의해, 기둥 형상부(110)의 상면(제1 전극 형성 영역) 및 절연층(112)의 상면에 있어서 소정 패턴을 갖는 p형 오믹 전극(113)을 형성한다. 또한, 마찬가지로 하여 기둥 형상부(110) 및 절연층(112)의 상면에, 소정 패턴을 갖는 금 등의 금속으로 이루어지는 쇼트키 전극(114)을 형성한다. 또한, p형 오믹 전극(113)과 쇼트키 전극(114)의 형성 순서는 한정되지 않는다.
이어서, 반도체 기판(101)의 하면(제2 전극 형성 영역)에, 진공 증착법에 의해 금-게르마늄 합금 등의 금속으로 이루어지는 n형 오믹 전극(115)을 형성한다.
이상의 프로세스를 거쳐, 도 1 및 도 2에 도시하는 구조의 모니터 부착된 면 발광 레이저(100)가 형성된다.
(구동방법)
다음으로, 실시형태 1에 관련되는 모니터가 부착된 면 발광 레이저(100)의 구동방법의 일 예에 대해서 설명한다.
도 3은 모니터가 부착된 면 발광 레이저(100)와 이것을 구동하기 위한 회로를 모식적으로 도시한 도면이다. 도 3에 있어서, p형 오믹 전극(113)은 접지되고, 쇼트키 전극(114) 및 n형 오믹 전극(115)은 각각 전류 전압 변환 회로(118) 및 LD 구동회로(119)에 접속되어 있다.
수직 공진기형 면 발광 레이저(100A)는, LD 구동회로(119)에 의해서 구동신호에 따른 광량의 레이저광을 출사한다.
한편, 수직 공진기형 면 발광 레이저(100A)로부터의 출사광에 의해서 쇼트키 장벽 포토다이오드(100B)에 있어서 발생한 광 전류는, 전류 전압 변환회로(118)에 의해서 모니터 신호로서 출력된다. 이 모니터 신호를 사용하여 LD 구동회로(119)에 피드백을 거는 것에 의해, 출사 광량을 일정하게 하는 APC(오토 파워 컨트롤)를 행할 수 있다.
여기서, 전류 전압 변환회로(118)는 양의 전압의 Vb에서 바이어스되어 있고, 쇼트키 장벽 포토다이오드(100B)의 음극(쇼트키 전극(114))은 항상 양극(p형 오믹전극(113))보다도 높은 전위가 된다. 그러므로, 수직 공진기형 면 발광 레이저(100A)를 구동하기 위한 전류는 쇼트키 장벽 포토다이오드(100B)로는 흘러 들어가지 않고, 수직 공진기형 면 발광 레이저(100A)로부터의 출사광에 의해서 발생한 광 전류만이 모니터 신호로서 출력된다. 또한, 전류 전압 변환회로(118)가 양의 전압으로 바이어스되어 있는 것에 의해, 쇼트키 장벽 포토다이오드(100B)에 대하여 역 바이어스를 걸 수 있다.
(실시 형태 2)
도 4는, 본 발명의 다른 실시 형태에 관계되는 모니터가 부착된 면 발광 레이저(200)의 단면구조(도 5에 있어서의 B-B선에 따른 단면)를 모식적으로 도시하는 단면도이고, 도 5는 이것을 레이저광이 출사하는 방향과는 반대측에서 본 평면구조를 모식적으로 도시하는 평면도이다.
(디바이스 구조)
도 4 및 도 5에 도시하는 모니터가 부착된 면 발광 레이저(200)의 디바이스 구조는, n형 GaAs로 이루어지는 반도체 기판(201)상에, n형 GaAs로 이루어지는 버퍼층(202), n형 AlAs층과 n형 Al0.15Ga0.85As층으로 이루어져 800 nm 부근의 광에 대하여 99% 이상의 반사율을 가지는 30 페어의 n형 DBR 미러(203), n형 Al0.5Ga0.5As로 이루어지는 n형 클래드층(204), GaAs 웰층과 Al0.3Ga0.7장벽층으로 이루어지는 웰층이 5층으로 구성되는 다중 양자 우물 구조의 활성층(205), p형 Al0.5Ga0.5로 이루어지는 p형 클래드층(206), p형 AlAs층으로 이루어지는 전류 협착층(207), p형 AlAs층과 p형 Al0.15Ga0.85As층으로 이루어져 800 nm 부근의 광에 대하여 98.5% 이상의 반사율을 가지는 22 페어의 p형 DBR 미러(208) 및 p형 Al0.15Ga0.85As로 이루어지는 컨택트층(209)이 순차 적층된 구조의 반도체 퇴적체를 구비한다.
그리고, p형 클래드층(206)의 도중까지, 적층된 방향에서 보아 원형의 형상에 에칭되어 기둥 형상부(210)가 형성되어 있다. 본 실시 형태에서는 기둥 형상부(210)의 평면 형상을 원형으로 하였지만, 이것에 한정되지 않으며 임의의 형상을 취하는 것이 가능하다.
또한, p형 오믹 전극(213)의 전류를 공진기 중앙부분에만 집중시키기 위해서, 전류 협착층(207)의 주위 수μm 정도의 영역에 산화 알루미늄으로 이루어지는 절연체층(211)이 형성되어 있다.
또한, 기둥 형상부(210)의 주위에는, SiO2등의 실리콘 산화막(SiOX막)으로 이루어지는 절연층(212)이 형성되어 있다. 컨택트층(209)의 상면(제1 전극 형성 영역(220)) 및 절연층(212)의 상면에는, 소정 패턴을 갖는 크롬과 금-아연 합금 등의 금속으로 이루어지는 p형 오믹 전극(213)이 형성되어 있다. 그리고, 기둥 형상부(210)의 상면의 중앙부에는 출사구가 되는 개구부(216)가 형성되어 있다.
반도체 기판(201)은, 이면측으로부터 버퍼층(202)이 노출할 때까지 에칭되어, 구멍부(217)가 형성된다. 그리고, 도 5에 도시하는 바와 같이, 기판(201)의, 레이저광이 출사하는 방향과는 반대측의 표면 및 버퍼층(202)이 노출하는 영역(제2 전극 형성영역(222))에는, 금 등의 금속으로 이루어지는 쇼트키 전극(214)과, 금-게르마늄 합금 등의 금속으로 이루어지는 n형 오믹 전극(215)이 각각 형성되어 있다. 버퍼층(202)은, 쇼트키 장벽 포토다이오드(200B)의 반도체층을 구성한다.
반도체 기판(201), 버퍼층(202), n형 DBR 미러(203), n형 클래드층(204), 활성층(205), p형 클래드층(206), 전류 협착층(207), p형 DBR 미러(208), 컨택트층(209), p형 오믹 전극(213), n형 오믹 전극(215)에 의해서, 수직 공진기형 면 발광 레이저(200A)가 구성된다.
p형 오믹 전극(213)과 n형 오믹 전극(215)을 사용하여 활성층(205)에 전류를 공급함으로써, 개구부(216)로부터 레이저광이 출사된다.
한편, 쇼트키 전극(214), 버퍼층(202) 및 n형 오믹 전극(215)에 의해서 쇼트키 장벽 포토다이오드(200B)가 구성된다. 그리고, n형 오믹 전극(215)은, 수직 공진기형 면 발광 레이저(200A)와 쇼트키 장벽 포토다이오드(200B)와의 공통전극이 된다.
레이저광은 개구부(216)로부터 출사되지만, n형 DBR 미러(203)를 투과하고 이것과는 반대의 방향으로도 출사된다. 반도체 기판(201)이 두꺼운 경우, 이 n형 DBR 미러(203)로부터의 투과광은 반도체 기판(201)으로 흡수된다. 그러므로, 본 실시 형태에서는, 반도체 기판(201)에 구멍부(217)를 형성하고, n형 DBR 미러(203)에서의 투과광이, 쇼트키 전극(214)과 버퍼층(202)의 노출면이 접촉하고 있는 부분에 형성된 공핍층에 입사하도록 하고 있다. 이로써, 쇼트키 장벽 포토다이오드(200B)에 의해서 수직 공진기형 면 발광 레이저(200A)의 출사 광량을 모니터할 수 있다. 본 실시 형태에서는, 구멍부(217)를 형성하였지만, 반도체 기판(201) 전체를 에칭에 의해서 제거해도 된다.
또한, 본 실시 형태에서는, 실시 형태 1과는 달리, 버퍼층(202)을 사용하여 쇼트키 장벽 포토다이오드(200B)를 형성하였기 때문에, 컨택트층(209)은 출사광의 파장에 대하여 흡수가 없는 재질에 의해서 형성할 수 있다. 그 결과, 수직 공진기형 면 발광 레이저(200A)는, 실시 형태 1의 수직 공진기형 면 발광 레이저(100A)와 비교하여 고출력화가 가능하다.
또한, 본 실시 형태에 있어서는, 레이저광의 출사방향측의 미러를, 예를 들면 SiOX층과 TaOX층으로 이루어지는 유전체 다층막 미러로 구성하는 것도 가능하다. 이 때, 이 유전체 다층막 미러는 컨택트층(209) 및 p형 오믹 전극(213)의 위에 적층된다.
(제조방법)
본 실시 형태에 관계되는 모니터가 부착된 면 발광 레이저(200)는, 상기 실시 제1 형태의 모니터가 부착된 면 발광 레이저(100)의 제조방법에 있어서의 (1), (2) 및 (3)의 공정은 기본적으로 같고, 공정(4)의 대신에 이하의 (4')를 사용함으로써 제조할 수 있다.
(4') 진공증착법에 의해 반도체층의 위에 크롬과 금-아연 합금 등의 금속으로 이루어지는 금속층을 형성하며, 또한 포토리소그래피 및 드라이 에칭에 의해서, 기둥 형상부(210)의 상면(제1 전극 형성 영역(220)) 및 절연층(212)의 상면에 있어서 소정 패턴을 갖는 p형 오믹 전극(213)을 형성한다.
계속해서, 반도체 기판(201)의 하면(제2 전극 형성 영역(222))에, 진공증착법에 의해 금-게르마늄 합금 등의 금속으로 이루어지는 n형 오믹 전극(215)을 형성한다. 마찬가지로, 소정 패턴을 갖는 금등의 금속으로 이루어지는 쇼트키 전극(214)을 형성한다. 또, n형 오믹 전극(215)과 쇼트키 전극(214)의 형성순서는 한정되지 않는다.
이상의 프로세스를 거쳐서, 도 4 및 도 5에 도시하는 모니터가 부착된 면 발광 레이저(200)가 형성된다.
(구동방법)
다음에, 본 실시 형태의 모니터 부착된 면 발광 레이저(200)의 구동방법의 일 예에 대해서 설명한다.
도 6은, 본 실시 형태의 모니터 부착된 면 발광 레이저(200)와 이것을 구동하기 위한 회로를 모식적으로 도시하는 도면이다. 도 6에 있어서는, n형 오믹 전극(215)은 접지되고, p형 오믹 전극(213) 및 쇼트키 전극(214)은 각각 LD 구동회로(219) 및 전류 전압 변환 회로(218)에 접속되어 있다.
수직 공진기형 면 발광 레이저(200A)는, LD 구동회로(219)에 의해서 구동신호에 따른 광량의 레이저광을 출사한다.
한편, 수직 공진기형 면 발광 레이저(200A)로부터의 출사광에 의해서 쇼트키 장벽 포토다이오드(200B)에서 발생한 광 전류는, 전류 전압 변환 회로(218)에 의해서 모니터 신호로서 출력된다. 이 모니터 신호를 사용하여 LD 구동회로(219)에 피드백을 거는 것에 의해, 출사 광량을 일정하게 하는 APC(오토 파워 컨트롤)를 행할 수 있다.
여기서, n형 오믹 전극(215)은 쇼트키 장벽 포토다이오드(200B)의 음극 전극으로 되기 때문에, 이 구동전류는 쇼트키 장벽 포토다이오드(200B)에 흘러 들어 오지 않고, 수직 공진기형 면 발광 레이저(200A)로부터의 출사광에 의해서 발생한 광 전류만이 모니터 신호로서 출력된다. 또한, 전류 전압 변환 회로(218)는 음의 전압의 Vb에서 바이어스되어 있고, 쇼트키 장벽 포토다이오드(200B)에 대하여 역 바이어스를 걸 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시 형태에 관계되는 각 모니터가 부착된 면 발광 레이저에 의하면, 종래의 수직 공진기형 면 발광 레이저의 구성을 거의 변경하지 않고, 대단히 간단한 구성으로 수직 공진기형 면 발광 레이저의 출사 광량을 모니터하는 쇼트키 장벽 포토다이오드를 모놀리식으로 형성할 수 있다. 이 모니터가 부착된 면 발광 레이저는, 수직 공진기형 면 발광 레이저의 출사 광량을 일정하게 하는 APC를 매우 간단히 행할 수 있다.
또, 상기의 실시 형태에 있어서, 각 반도체층에 있어서의 p형과 n형을 교체하더라도 본 발명의 취지를 일탈하는 것이 아니다. 상기의 실시 형태에서는, AlGaAs계에 대해서 설명하였지만, 발진파장에 따라서 그 밖의 재료계, 예를 들면, GaInP계, ZnSSe계, InGaN계의 반도체 재료를 사용하는 것도 가능하다. 상기의 모니터가 부착된 면 발광 레이저의 구동방법은 일 예이고, 본 발명의 취지를 일탈하지않는 한 여러가지의 변경이 가능하다. 또한, 상기의 실시 형태에서는, 기둥 형상부가 하나의 모니터가 부착된 면 발광 레이저를 나타내고 있지만, 기판면내에서 기둥 형상부가 복수개 있더라도 본 발명의 형태는 손상되지 않는다.
본 발명의 면 발광 레이저는, 극히 간단한 구조로 그 출사 광량의 APC를 행하여 안정적으로 뛰어난 효율로 구동이 이루어지고, 광디스크, 광통신용 광원 등에 있어서의 광기능 디바이스로의 넓은 응용이 이루어진다.

Claims (14)

  1. 반도체 기판과, 해당 반도체 기판의 한쪽의 면상에 형성된, 적어도, 활성 및 컨택트 층이 포함되는 반도체 퇴적체와, 상기 활성층에 전류를 주입하기 위한 오믹 전극이 포함되는 1쌍의 전극 형성 영역을 가지며, 상기 반도체 기판과 수직인 방향으로 레이저광을 출사하는 광 공진기가 형성되고,
    상기 1쌍의 전극 형성 영역의 적어도 한쪽에, 상기 오믹 전극과 접하는 반도체층에 대하여 쇼트키 접촉을 갖는 쇼트키 전극이 형성되고, 상기 광 공진기로부터 출사된 레이저광을 모니터할 수 있는 쇼트키 장벽 포토다이오드를 구비하는 것을 특징으로 하는 모니터 부착된 면 발광 레이저.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 컨택트 층의 표면에, 해당 컨택트 층에 대하여 쇼트키 접촉을 갖는 쇼트키 전극과, 상기 컨택트 층에 대하여 오믹 접촉을 갖는 제1 오믹 전극이 각각 형성되며, 상기 반도체 기판의 다른 쪽의 면상에, 해당 반도체 기판에 대하여 오믹 접촉을 갖는 제2 오믹 전극이 형성되고, 상기 쇼트키 장벽 포토다이오드는, 상기 컨택트 층과, 상기 쇼트키 전극으로 구성되는 것을 특징으로 하는 모니터 부착된 면 발광 레이저.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 레이저광의 파장을 λ로 하고, 상기 컨택트 층의 밴드 갭 에너지에 상당하는 파장을 λcont로 하였을 때, λcont≥λ인 것을 특징으로 하는 모니터 부착된 면 발광 레이저.
  4. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서, 상기 제1 오믹 전극은, 상기 쇼트키 장벽 포토다이오드의 전극을 겸하는 것을 특징으로 하는 모니터 부착된 면 발광 레이저.
  5. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
    적어도 상기 제1 오믹 전극은 분할된 복수의 전극부로 구성되고, 해당 전극부는 해당 전극부가 형성된 전극 형성 영역에 있어서 대칭으로 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 모니터 부착된 면 발광 레이저.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 반도체 퇴적체는, 또한, 상기 반도체 기판의 한쪽의 면상에 쇼트키 장벽 포토다이오드를 형성하기 위한 반도체층을 가지며,
    상기 컨택트층의 표면에, 해당 컨택트층에 대하여 오믹 접촉하는 제1 오믹 전극이 형성되고,
    상기 반도체 기판의 소정 영역이 제거되어 노출한 상기 반도체층의 표면에, 해당 반도체층에 대하여 쇼트키 접촉을 갖는 쇼트키 전극과, 상기 반도체층에 대하여 오믹 접촉을 갖는 제2 오믹 전극이 각각 형성되고,
    상기 쇼트키 장벽 포토다이오드는, 상기 반도체층과, 상기 쇼트키 전극으로 구성되는 것을 특징으로 하는 모니터 부착된 면 발광 레이저.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 제2 오믹 전극은, 상기 쇼트키 장벽 포토다이오드의 전극을 겸하는 것을 특징으로 하는 모니터 부착된 면 발광 레이저.
  8. 제 6 항 또는 제 7 항에 있어서, 적어도 상기 제2 오믹 전극은 분할된 복수의 전극부로 구성되며, 해당 전극부는 상기 반도체층의 표면에 있어서 대칭으로 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 모니터 부착된 면 발광 레이저.
  9. (a) 반도체 기판의 한쪽의 면상에, 적어도 활성층 및 컨택트층이 포함되는 반도체 퇴적체를 형성하고, 상기 반도체 기판과 수직인 방향으로 레이저광을 출사하는 광 공진기 또는 그 일부를 얻는 공정, 및
    (b) 1쌍의 전극 형성 영역의 적어도 한쪽에 있어서, 상기 활성층에 전류를 주입하기 위한 오믹 전극과, 상기 오믹 전극과 접하는 반도체층에 대하여 쇼트키 접촉을 갖는 쇼트키 전극을 형성하고, 쇼트키 장벽 포토다이오드를 얻는 공정을 구비하는 모니터 부착된 면 발광 레이저의 제조 방법.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 공정(b)에서, 한쪽의 전극 형성 영역을 구성하는 상기 컨택트층의 표면에, 해당 컨택트층에 대하여 쇼트키 접촉을 갖는 쇼트키 전극과, 상기 컨택트층에 대하여 오믹 접촉을 갖는 제1 오믹 전극을 각각 형성하고,
    다른 쪽의 전극 형성 영역을 구성하는 상기 반도체 기판의 다른 쪽의 면상에, 해당 반도체 기판에 대하여 오믹 접촉을 갖는 제2 오믹 전극을 형성하는 것에 의해, 상기 컨택트층과 상기 쇼트키 전극에서 쇼트키 장벽 포토다이오드를 얻는 것을 특징으로 하는 모니터 부착된 면 발광 레이저의 제조 방법.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 공정(a)에 있어서, 상기 레이저광의 파장을 λ로 하였을 때, 상기 컨택트층을, 그 밴드 갭 에너지에 상당하는 파장을 λcont로 하여 λcont≥λ의 관계가 성립하는 반도체로 형성하는 것을 특징으로 하는 모니터 부착된 면 발광 레이저의 제조 방법.
  12. 제 10 항에 있어서, 적어도 상기 제1 오믹 전극을 분할된 복수의 전극부로서, 상기 전극 형성 영역에 있어서 대칭으로 배치하는 것을 특징으로 하는 모니터 부착된 면 발광 레이저의 제조 방법.
  13. 제 9 항에 있어서, 상기 공정(a)에 있어서, 또한, 상기 반도체 기판상에 쇼트키 장벽 포토다이오드를 위한 반도체층을 형성하고,
    상기 공정(b)에 있어서, 상기 컨택트층의 표면에, 해당 컨택트층에 대하여 오믹 접촉을 갖는 제1 오믹 전극을 형성하며, 상기 반도체 기판의 소정 영역을 제거하여 노출시킨 상기 반도체층의 표면에, 해당 반도체층에 대하여 쇼트키 접촉을 갖는 쇼트키 전극과, 상기 반도체층에 대하여 오믹 접촉을 갖는 제2 오믹 전극을 각각 형성하는 것에 의해, 상기 반도체층과, 상기 쇼트키 전극으로 쇼트키 장벽 포토다이오드를 얻는 것을 특징으로 하는 모니터 부착된 면 발광 레이저의 제조 방법.
  14. 제 13 항에 있어서, 적어도 상기 제2 오믹 전극은 분할된 복수의 전극부로서, 상기 반도체층에 있어서 대칭으로 배치하는 것을 특징으로 하는 모니터 부착된 면 발광 레이저의 제조방법.
KR1019997010393A 1998-03-11 1999-03-03 모니터 부착된 면 발광 레이저 및 그 제조 방법 KR20010012440A (ko)

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