KR20010042718A - 광학소자 - Google Patents

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KR20010042718A
KR20010042718A KR1020007011439A KR20007011439A KR20010042718A KR 20010042718 A KR20010042718 A KR 20010042718A KR 1020007011439 A KR1020007011439 A KR 1020007011439A KR 20007011439 A KR20007011439 A KR 20007011439A KR 20010042718 A KR20010042718 A KR 20010042718A
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light emitting
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다우슨마틴데이비드
마틴로버트윌리암
Original Assignee
에이치. 지. 톰슨
유니버시티 오브 스트라스클라이드
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Abstract

LED 또는 VCSEL과 같은 고체 표면발광형 광학소자로서, 이 소자는 하부층(13)의 일부 상에 지지되는 고 반사 DBR(Distributed Bragg Reflector) 미러(14)를 덮는 광이득매체(18)를 가지고 있다. 상기 광이득매체(18)는 하부층(13)으로부터 미러(14)위로 연장되는 에피텍셜 층구조(15)의 일부를 구성한다.

Description

광학소자{Optical devices}
본 발명은 고체 표면발광형 광학소자의 개량 또는 그 광학소자 자체에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 InAlGaN의 4차 구조를 갖는 표면 발광형 광학소자, 특히, 단파장(600 nm 미만)의 질화갈륨(GaN) 수직공진기 표면발광형 레이저 (VCSEL:Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser) 및 GaN 표면발광형 다이오드에 관한 것이다.
도 1a 내지 도 1c는 본 발명의 다양한 실시예들에 따른 3가지의 단파장 표면발광형 광학소자들을 예시하는 도면,
도 2a 내지 도 2h는 도 1b의 광학소자의 여러 제조과정을 도시하는 개략도,
도 2i는 상기 제조과정 후 얻어진 제 1b의 광학소자의 개략도,
도 3은 도 1a 내지 도 1c의 광학소자에 사용되는 DBR 미러의 주기 수에 따른 최대 반사도의 계산치를 나타내는 그래프,
도 4는 도 1a 내지 도 1c의 광학소자에 사용되는 DBR 미러의 파장에 따른 반사도를 나타내는 그래프,
도 5는 도 1a 내지 도 1c의 광학소자의 일부를 도시하는 개략도,
도 6은 도 1c의 광학소자를 도시하는 개략도.
발명의 제 1 특징에 따르면, 하부층에 의해 지지되는 고 반사 DBR(distributed Bragg reflector) 미러상에 형성된 광 이득 매체를 갖는 고체 표면발광형 광학소자에 있어서,
상기 DBR 미러가 다층 구조로 되어 그 다층 구조내의 인접층들 사이에 고 굴절율비를 갖는 유전물질층을 교대로 배열시켜서 된 다층 유전체 구조이고, 상기 광이득매체가 상기 하부층으로부터 상기 유전체 구조위로 연장되는 에픽텍셜 층구조의 일부인 것을 특징으로 하는 고체 표면발광형 광학소자가 제공된다.
상기 DBR 미러가 유전물질로 형성되어 있기 때문에, 상기 고굴절율비는 1.2 보다, 바람직하게는 1.3 보다, 유리하게는 1.5 보다 클 수 있고, 그 결과 제조공정을 단순화 시킬 수 있는 이점이 있는 고 반사 미러(레이저장치에서는 전형적으로 약 97% 이상의 반사율을 갖는 미러)를 제조하는데 요구되는 주기를 감소시킬 수 있다(바람직하게는 15 주기, 유리하게는 10 주기까지).
바람직하게, 상기 유전체 구조는 약 50 ㎛ 미만의 폭을 가지며 약 100 ㎛ 미만의 간격(중심간)을 두고 있는 각주들의 어레이(array)이다(유리하게는, 각주들의 폭은 약 10 ㎛이고 간격은 약 20 ㎛). 다른 실시예로서, 상기 유전체 구조는 100 ㎛ 이상의 길이를 가짐과 동시에 수 ㎛씩 이격된 스트라이프(stripe) 또는 라인들의 어레이일 수 있다.
인지할 수 있는 바와 같이, 상기 하부층은 항상 버퍼층을 갖는 기판이고, 상기 기판은 바람직하게는 사파이어, 유리하게는 SiC로 구성되고, 상기 버퍼층은 바람직하게 3족(주기율표) 질화물들 중 하나로 구성될 것이다. 양질의 기판의 제조가 가능하다면 이 기판만을 이용하여 하부층을 구성할 수도 있을 것이다.
전형적으로, 하부층은 판형 요소로서, 그 일면에는 상기 DBR 미러 구조가 지지되고, 그 일면으로부터 에픽텍셜층 구조가 연장되게 된다. 하부층의 상기 일면은 평평하고, 따라서 각주들 또는 스트라이프들의 어레이가 그 평평한 면으로부터 직립된 상태로 있게 된다. 이와는 다른 실시예로서, 하부층의 상기 일면을 제조한 미러 어레이가 위치되는 각주 또는 스트라이프형태의 홈들을 형성하도록 패터닝시킬 수도 있다. 어느 경우나 에피텍셜 구조는 상기 하부층의 일면으로부터 유전체 구조위로 연장된다. 상기 제한이 있는 경우, 상기 홈들은 상기 하부층의 두께를 통해 연장되며, 상기 DBR 미러 구조는 상기 하부층과 에픽텍셜층 구조 모두에 의해 지지된다.
상기 에피텍셜층 구조는 InAlGaN 4차 구조의 조합, 일례로, GaN 또는 그의 합금들의 조합으로 형성된다. 바람직하게, 상기 에피텍셜층 구조는 질화 인듐 갈륨(InGaN)계 다중 양자 우물 구조를 포함한다. 이러한 에피텍셜층 구조는 동질 에피텍셜 및 이질 에피텍셜로서 다양하게 언급되고 있다.
상기 다층 유전체 구조의 상기 교대층들 중 하나는 이산화 규소(SiO2)로 구성하고, 다른 교대층은 이산화 티탄(TiO2)로 구성하는 것이 바람직하다. 이경우, SiO2/TiO2조합구조는 매우 높은 굴절률(약 1.8)을 나타내며, 특히 매우 낮은 흡수도를 나타내는 450 nm 파장 부근에서 동작하는데 적합하다. 그러나, 다른 적당한 유전층들을 사용하는 것도 가능한데, 이러한 것들로는 MGF2, CaF2, Al2O3, ZnS, AlN, SiC, SI3N4, ZrO2; SiO2/SiC, SiO2/Si3N4, CaF2/ZnS, Al2O3/TiO2, SiO2/AlN, SiO2/ZrO2의 조합을 들 수 있다. SiO2/ZrO2의 조합구조는 특히 400 nm 파장 부근에서 동작하기에 적합하고 약 1.4의 귤절률을 나타낸다.
바람직하게, 상기 광이득매체는 도전도핑층으로 덮혀 있고, DBR 미러를 덮는 도전도핑층위에 형성되며, 상기 두 도전도핑층들에는 상기 광학소자의 전기적인 활성화를 위해 전극들이 연결되며, 이에 따라 상기 광학소자는 다이오드로서 동작할 수 있다.
상기 에피텍셜층 구조를 고체 광공진기로서 동작케 할 수 있도록 상기 에피텍셜층 구조상에는 부분적인 광 투과성을 갖는 추가 미러를 상기 DBR 미러와 정합된 상태로 배치하는 것이 바람직하다.
상기 광학소자가 발광다이오드인 경우, 상기 추가 미러는 약 50 내지 90%의 반사도를 가지며, 따라서 이 경우에는 레이저의 발생이 이루어지지 않는다. 상기 광학소자가 VCSEL인 경우에는 상기 추가 미러는 약 98% 보다 높은 반사도를 가지며, 따라서 이 경우에는 레이저의 발생이 이루어지고, 하부층이 투과성을 갖는다면 발생된 레이저 출력은 상기 DBR 미러 또는 추가 미러의 각 반사도에 따라 그 DBR 미러 또는 추가 미러를 통해 처리되게 될 것이다.
상기 추가 미러는 반도체, 금속, 및/또는 유전체와 같이 여하한 적합한 물질로 구성할 수 있을 것이다.
본 발명의 제 2 특징에 따르면, 개량된 DBR 미러가 병합된 고체 표면발광형 광학소자의 제조방법에 있어서,
하부층을 준비하는 단계와,
고 굴절율의 유전체층과 저 굴절율의 유전체층이 교대로 다층구조를 이루는 피막을 상기 하부층상에 성장시키는 단계와,
상기 피막의 일부를 선택적으로 제거하여 자유직립형 유전체구조들의 어레이를, 그의 인접하는 유전체구조들사이에서 상기 하부층을 부분적으로 노출시킨 상태로 형성하는 단계와,
상기 하부층의 노출부들상에 광이득매체가 병합된 반도체층 구조를, 그의 하부가 상기 자유직립형 유전체 구조들의 상면상에서 상측방향 및 측방향으로 성장하는 상태로 그리고 그의 상부가 상기 광이득매체와 병합됨과 동시에 상기 유전체 직립형 유전체 구조들의 위에 형성되어 그 유전체 구조들 중 하나가 DBR를 형성케 하는 상태로 에피텍셜성장시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 고체 표면발광형 광학소자의 제조방법이 제공된다.
본 발명의 이러한 특징에 따르면 주기가 적은 DBR 미러가 병합된 효율적인 표면발광형 광학소자(일례로, GaN VCSEL)를 제조할 수 있을 것이다. DBR 미러를 덮는 광이득매체는 미러가 하부층으로부터 전파되는 스레딩 전위(threading dislocation)을 정지시키기 때문에 대체로 결함이 없게 된다. 스레딩 전위가 수직방향으로 전파되기 때문에 DBR 미러의 상부에 위치한 광이득매체는 하부층으로부터 전파되는 여하한 스레딩 전위들로부터 측방향으로 오프셋되게 된다.
상기 방법은 추가로
상기 광이득매체상에 추가 미러를 성장시키는 단계와,
상기 자유직립형 구조들 중 상기 한 자유직립형 구조에 정합된 상태로 상기 광이득매체의 일측에 전기 접속되는 제 1 전극을 형성하는 단계와,
상기 광이득매체의 타측에 전기 접속되는 제 2 전극을 형성하는 단계를 포함하여,
상기 광이득매체가 상기 전극들에 의해 전기적으로 활성화될 수 있는 광공진기로서 작용케 할 수 있을 것이다.
상기 유전체 구조는 하부층의 결정배향 〈1, -1, 0, 0〉과 평행하게 연장되는 각주 또는 스트라이프(또는 라인)들의 어레이의 형태를 갖는 것이 유리하다.
바람직하게, 상기 유전체 구조의 어레이는 패턴 에칭에 의해 제공된다. 이와는 다른 실시예로서, "리프트-오프(lift-off)" 기술을 이용하여 포토레지스트 물질의 패턴을 다층구조의 상기 피막의 증착에 앞서 증착하고, 상기 패턴상에 추후 형성되는 상기 다층구조의 증착물 부분을 화학적인 용해에 의해 제거하는 것에 의해 상기 패턴 부분사이에 위치하는 상기 다층구조의 증착물 부분들만을 남기어 상기 각주 또는 스트라이프형의 구조들을 형성할 수도 있다.
본 발명의 제 3 특징에 따르면 개량된 DBR 미러가 병합된 고체 표면발광형 광학소자의 제조방법에 있어서,
하부층을 준비하는 단계와,
상기 하부층의 표면을 선택적으로 패터닝시켜 상기 표면에 다수의 홈들로 된어레이를 형성하는 단계와,
상기 홈들내에 유전체 구조들을, 그 유전체 구조들 중 인접한 것들 사이에서 상기 하부층을 노출시키는 상태로, 그리고 각각의 상기 유전체 구조를 고 굴절률의 유전체층과 저 굴절률의 유전체층을 교대로 배열하여 구성하는 상태로 형성하는 단계와,
상기 하부층의 노출부들상에 광이득매체가 병합된 반도체층 구조를, 그의 하부가 자유직립형의 상기 유전체 구조들의 상면상에서 상측방향 및 측방향으로 성장하는 상태로 그리고 그의 상부가 상기 광이득매체와 병합됨과 동시에 상기 유전체 직립형 유전체 구조들의 위에 형성되어 그 유전체 구조들 중 하나가 DBR를 형성케 하는 상태로 에피텍셜성장시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 고체 표면발광형 광학소자의 제조방법이 제공된다.
본 발명의 제 4 특징에 따르면 개량된 DBR 미러가 병합된 고체 표면발광형 광학소자의 제조방법에 있어서,
질화 갈륨으로 된 하부층을 준비하는 단계와,
상기 하부층을 레이저 천공 구멍들을 갖도록 패터닝시키는 단계와,
상기 하부층의 일 표면상에 광이득매체가 병합된 반도체층 구조를, 그의 하부가 상기 표면상에서 상측방향 및 측방향으로 성장함과 동시에 상기 구멍들을 덮는 상태로 에피텍셜성장시키는 단계와,
다층구조로된 피막을, 그의 구조들이 상기 하부층과 상기 구멍들을 덮는 상기 에피텍셜층 구조들 모두에 의해 지지되는 상태로 상기 구멍들의 두께부분내에 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 고체 표면발광형 광학소자의 제조방법이 제공된다.
상기 광이득매체의 선택에 따라 상기 광학소자는 약 1 ㎛ 미만의 파장에서 동작할 수 있으며, 특히 InGaN계의 광이득매체를 선택하면 상기 광학소자는 650 nm 미만의 파장에서 동작할 수 있으며, 이 경우 약 400 내지 450 nm의 파장에서 최적의 성능을 나타낼것으로 예상된다.
본 발명의 상기한 바와 같은 특징들 및 그 외의 특징들은 첨부된 도면들을 참조하여 예를 들어 이루어진 하기의 상세한 설명을 참조하면 명백해질 것이다.
도 1a에는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기주입식, GaN계 고체 표면발광형 광학소자(10a)가 도시되어 있다. 상기 광학소자(10a)는 단파장 발광다이오드로서, 이 다이오드(10a)는 기판(12)의 형태로 되어 있고 에피텍셜 성장된 버퍼층(13)이 상면에 형성되어 있는 하부층과, 상기 버퍼층(13)상에 부분적으로 위치한 DBR 미러(14)와, 그 미러(14) 및 상기 버퍼층(13) 모두 상에 위치하고 상기 미러(14)가 매설되는 구조를 갖는 층구조(15)를 가지고 있다.
상기 층구조(15)는 준비층(제 1 도전층)(16)과, 그 준비층(16)상에 위치한 광이득매체(18)와, 그 광이득매체(18)상에 위치한 제 2 도전층(20)으로 구성된다.
상기 준비층(16)은 상기 버퍼층(13)으로부터 상기 미러(14)의 측면상에서 상측방향으로 그리고 상기 미러(14)의 상면상에서는 측방향으로 연장되어 상기 미러(14)의 상면상에 그리고 그 주위에 위치된다.
상기 다이오드(10a)는 또한 상기 준비층(16)을 통해 상기 광이득매체(18)의 일 측면에 전기접속된 제 1 전극(22)과, 제 2 도전층(20)을 통해 상기 광이득매체(18)의 타 측면에 전기접속된 제 2 전극(24)을 가지고 있다.
사용시, 광이득매체(18)에는 제 1 및 제 2 전극(22),(24)를 통해 순방향 바이어스가 인가되고, 이 전위에 의해 광이득매체(18)에서 광자가 발생되며, 이 광자는 화살표(26)로 표시된 바와 같이 광이득매체(18)의 상면(18a)으로부터 방출되게 된다. 광이득매체(18)의 저면(18b)으로부터 방출되는 광자는 미러(14)에 의해 반사된 후 광이득매체(18)의 상면(18a)을 통해 다이오드(10a)로부터 방출되게 된다.
도 1b에는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전기주입식, GaN계 고체 표면발광형 광학소자(10b)가 도시되어 있다. 본 실시예의 경우, 상기 광학소자(10b)는 단파장 VCSEL소자이나, 유사한 구조를 마이크로 공진기 발광다이오드(LED)로서 사용할 수도 있다. 상기 VCSEL(10b)은 상기 다이오드(10a)와 유사하나, 제 2 도전층(20)의 상면상에 미러(14)와 정합되는 상태로 위치된 제 2 미러(28)(제 1 미러보다 반사도가 약간 낮음)를 가지고 있는 점에 차이점이 있다. 마이크로 공진기 LED의 경우에는 전형적으로 VCSEL 소자의 경우보다 낮은 반사도를 갖는 상부 미러를 구비할 수 있을 것이다.
사용시, 제 1 및 제 2 전극(22),(24)을 통해 상기 광이득매체(18)(즉, 광공진기)에 전위가 인가되면, 이 전위에 따라 상기 공진기(18)내에서 레이저가 발생하고, 이에 따라 화살표(30)으로 표시된 바와 같이 VCSEL(10b)의 표면으로부터 제 2(상부) 미러(28)를 거쳐 간섭성 단파장 방사광의 방출이 이루어지게 된다. 물론, 미러(14)의 반사도가 미러(28)의 반사도보다 약간 작았다면 상기의 일차적인 방사는 기판(12)를 통해 이루어졌을 것이다.
도 1c에는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 GaN계 고체 마이크로 공진기 표면발광형 광학소자(10c)가 도시되어 있다. 본 실시예의 경우, 상기 소자(10c)는 단파장 광펌핑형 VCSEL 소자로서, 이 광펌핑형 VCSEL 소자(10c)는 VCSEL(10b)와 유사하나 전혀 전극이나 제 2 도전층을 구비하고 있지 않다는 점에서 차이점이 있다 (즉, 층 구조(15)는 준비층(16)과 광이득매체(18)로 구성된다). VCSEL(10c)는 화살표(31)로 표시된 바와 같이 VCSEL(10c)의 표면에 입사되는 방사광에 의해 펌핑된다.
도 2a 내지 도 2h도는 다양한 제조과정에서의 VCSEL(10b)의 구조를 도시하는 개략도이다. VCSEL(10b)은 소정의 특정 파장, 전형적으로 400 내지 450 nm의 범위의 파장에서 단파장 광을 방출한다.
도 2a를 참조하면, VCSEL(10b)는 사파이어 기판(12)상에 여러 층의 형태로 에피텍셜 성장된다. 즉, 약 0.5 ㎛의 두께를 갖는 GaN 버퍼층(13)을 사파이어 기판(12)상에 성장시키고, 그에 이어 GaN 버퍼층(13)상에 실리카(SiO2) 층(42)과 이산화 티탄(TiO2) 층(44)이 교대로 배열되어 구성되는 다층 구조의 유전체 피막(32)을 성장시킨다.
450 nm에서 실리카의 굴절율은 약 1.55이며, 이산화 티탄의 굴절율은 약 2.81로서, 이때의 굴절율비는 약 1.8이 된다. 이러한 값들을 고려하여 볼때 일례로 450 nm에서 1/4 파장 DBR 미러를 얻기 위해서는 상기 다층 피막(32)에서 성장되는 실리카 층(42)과 TiO2 층(44)의 두께가 각기 72.5 nm 및 40 nm으로 되어야 한다는 것을 알 수 있다.
도 3에는 72.5 nm의 두께를 갖는 SiO2층(42)와 40 nm의 두께를 갖는 TiO2층(44)으로 구성되는 다층 피막(32)에 대한 SiO2/TiO2의 주기 수에 따른 최대 반사도의 계산치를 나타내는 그래프가 도시되어 있다. 최대 반사도는 메우 높은 굴절율비(1.0) 때문에 신속하게 증가되고, 그 결과 단지 5회의 SiO2/TiO2주기 수에서 99%의 반사도가 얻어지게 된다. 충분히 높은(약 99%보다 높은) 반사도를 보장하기 위해서 다층 피막(32)에 6 주기가 이용된다(도 2a 내지 도 2i에는 도해의 간명함을 위해 단지 3회의 주기만이 도시되어 있음).
도 4는 도 3의 6 주기 다층피막에 대한 파장대역에 따른 전 반사도의 그래프이다. 도 4를 참조하면 반사도는 425 nm 내지 475 nm의 스팩트럼 범위에 걸쳐서 가장 높다는 것을 알 수 있다.
도 2b 및 도 2c(도 2b의 평면도)를 참조하면, 상기 6 주기 다층 피막(32)을 종래의 포토리토그라피 및 식각 기술을 이용하여 패턴-에칭시켜, 자유 직립형의 각주(50)들의 어레이를 형성한다. 상기 각주 어레이의 각 각주는 약 5 ㎛의 폭을 가지며, 인접한 각주(50)들은 약 10 ㎛의 간격(중심간)을 두고 이격되어 있다. 각주 어레이의 패터닝에 의해 인접 각주(50)들사이에 위치한 버퍼층(13) 부분들을 노출시킨다. 이러한 각주(50)들 중 어느 것도 미러(14)로서 사용할 수 있도록 선택될 수 있을 것이다.
도 2d를 참조하면, 상기 공정 후에는 각주(50)들사이의 버퍼층(13)의 영역들상에 n-도핑 GaN 층(16)의 형태의 준비층을 성장시킨다. 상기 n-도핑층(16)은 각주(50)들의 상면에 이를때까지는 GaN 버퍼층(13)으로부터 상측으로 성장하며, 그 후에는 각주(50)들의 상면상에서 수직방향 및 측방향으로 성장하고, 측방향으로 성장된 GaN은 유착되어 연속된 n-도핑 GaN 층(16)을 형성하게 된다.
상기 n-도핑 GaN 층(준비층)(16)은 상기한 패턴-에칭 및 성장기술에 따라 대체로 결함이 없으며, 특히 각주들의 바로 위에 위치되는 영역들은 버퍼층(13)으로부터 수직방향으로 전파되는 스레딩 전위가 거의 없게 된다. n-도핑층(16)은 각주(50)들에 의해 완전히 에워싸여지게 되고, 이에 따라 각주(50)들은 n-도핑층(16)의 하부에 매설되게 된다.
도 2e를 참조하면, 상기의 공정 후에는 n-도핑층(16)상에 광공진기(마이크로 공진기)(18)를 형성한다. 이 마이크로 공진기(18)는 일례로 도 5에 도시된 바와 같이 InGaN/GaN/AlGaN 활성영역을 갖는다. 상기 공진기(18)는 n-도핑 In0.2Ga0.8N 층(52), n-도핑 Al0.14Ga0.86N/GaN 변조-도핑 스트레인층 초격자(MD-SLS: Modulation-Doped Strained-Layer Superlattice)층(54),n-도핑 GaN 층(56), In0.02Ga0.98N/In0.15Ga0.85N 다중-양자 우물층(58), p-도핑 Al0.2Ga0.8N 층(60), p-도핑 GaN 층(62), 그리고 p-도핑 Al0.14Ga0.86N/GaN MD-SLS 층(64)으로 구성된다.
도 2f를 참조하면, 상기 공정 후에는 상기 마이크로 공진기(18)의 상면(18a)상에 p-도핑 GaN 층(20)을 성장시킨다. 그 후, 도 2g에 도시된 바와 같이, 각주(50A)들 중 하나(DBR 미러(14)로서 작용하도록 선택된 각주)로부터 측방향으로 이격된 영역을 에칭하여 n-도핑층(16)의 부분을 노출시킨다. 상기 n-도핑층(16)의 노출부분상에 티타늄과 알루미늄으로 구성된 전극(22)을 각주(50A)(미러(14))로부터 측방향으로 이격되게 증착한다. 이 전극(22)은 n-전극으로서 사용된다.
도 2h를 참조하면, 상기 공정 후에는 p-도핑층(20)상에 실리카층(72)을 성장시킨다. 그 뒤에, 이 실리카층(72)을 패터닝 및 에칭시켜, 에칭된 실리카 영역들내의 도전층(20)상에 금과 니켈로 구성된 제 2 전극(24)을 증착시킬 수 있게 한다. 이 전극(24)은 p-전극으로서 사용된다. 상기 p-전극은 상기 미러(14) 및 공진기(18)와 정합되는 개구를 형성한다.
상기 p-전극(24)은 p-도핑층(20)을 통해 마이크로 공진기(18)의 상면(18a)에 전기접속되며, 상기 n-전극(22)은 n-도핑층(16)을 통해 마이크로 공진기(18)의 저면(18b)에 전기접속된다.
그 뒤에, 미러(14)와 마이크로 공진기(18)의 수직 상부에 위치하는 영역에서 p-도핑층(20)의 상면상에 제 2 미러(28)를 증착한다. 이 제 2 미러(28)는 상기 피막(32)과 유사하지만 피막(32)의 반사도보다 약간 작은 반사도를 가질 수 있도록 단지 5회의 주기를 갖는 유전체 미러 피막으로 구성된다. 피막(32)과 미러(28)간의 2번째 차이점은 미러(28)가 패턴-에칭되지 않는다는 점이다.
도 2i에는 완전한 VOSEL(10b)가 도시되어 있는데, 그러나 이에 있어서는 간명함을 위해 단지 각주(50A)만을 도시하였다. 사용시, n-전극(22) 및 p-전극(24)에 전압을 인가하여 마이크로 공진기(18)내로 캐리어를 전기 주입한다. 미러(14),(28)들은 매우 높은 반사도를 제공하고, 이에 따라 사용시 약 450 nm 파장의 고 강도 간섭광이 화살표(30)으로 표시된 바와 같이 VCSEL(10b)의 상면으로부터 (미러(28)를 통해) 방출되게 된다.
도 6은 도 1c의 광펌핑형 VCSEL(10c)의 구조를 도시하는 개략도이다. 상기 VCSEL(10c) 또한 400 내지 450 nm 범위의 특정 파장에서 단파장 광을 방출한다.
VCSEL(10c)은 VCSEL(10b)과 유사하나, 전극을 가지고 있지 않다. VCSEL(10c)은 도 2i의 경우와 동일하게 사파이어 기판(12)과, GaN 버퍼층(13)과, DBR 미러(14)(패턴-에칭 6 주기 SiO2/TiO2유전체 피막)와, n-도핑 GaN 층(16)과, 마이크로 공진기(18)를 가지고 있다. 그러나, 제 2 미러(28)는 마이크로 공진기(18)의 상면상에 직접 위치한다(즉, 중간 도전층이 없다). 본 실시예의 경우에는 적당한 파장 및 강도의 펌핑 빔(화살표(31)로 표시됨)에 의해 VCSEL(10c)의 상면을 조사함에 따라 마이크로 공진기(18)내에서 캐리어를 발생시킨다.
GaN 발광다이오드를 제조하는 경우에는, LED 동작에 필요치 않은 상부 미러(28)를 형성시키지 않는 상태로 도 2i의 구조를 제조할 수 있을 것이다. 이와 는 다른 실시예로서, 반사도가 높지 않은(단지 부분 반사특성을 갖는) 상부 미러를 사용할 수도 있는데, 이 경우에는 일부 방사광이 공진기(18)로 역 반사되기는 하나 그 양은 공진기내에서 레이저의 발생을 야기시킬 수 있을 정도로 충분한 양이지는 않다. 상기 GaN 발광다이오드는 일례로 약 450 nm에 중심을 두는 단파장 광을 방출하게 될 것이다. 이 GaN 발광다이오드는 DBR 미러기능을 제공할 수 있도록 둘 이상의 각주(50)들(일례로, 100개의 각주 어레이)을 사용할 수도 있을 것이다.
상술한 실시예들에 대해 다양한 수정을 행할 수도 있을 것이다. 일례로, 상기 p-전극 및 n-전극들은 상술한 재료와는 다른 재료를 사용하여 형성시킬 수도 있을 것이다. 다른 실시예로서, 상기 각주들은 도 2c에 도시된 6각형대신에 스트라이프(선)들로 구성할 수도 있을 것이다. 이 경우에는 미러를 형성하는데 스트라이프 길이의 단지 일부만을 사용할 수 있으며, 편리하게 전극(22)을 미러가 형성된 스트라이프의 다른 부분상에 증착시킬 수 있다(층(16)의 대체로 결함이 없는 영역상에 위치될 수 있게). 기판으로는 사파이어가 아닌 다른 물질, 일례로 탄화규소로 구성된 기판을 사용할 수도 있을 것이다. 인지할 수 있는 바와 같이, 표면발광소자의 어레이를 단일 기판상에 형성시키는 것도 가능하다. 또한, 상기 제조 방법에 있어서는 하부층을 먼저 패터닝시켜 그 표면상에 홈 어레이를 형성하고, 이 상태에서 상기 홈들내에 유전체 구조들을, 하부층이 인접 유전체 구조들 사이에서 부분적으로 노출될 수 있게 하는 상태로 증착하고, 그 뒤에 노출된 하부층 부분들상에 에피텍셜 구조를 성장시킬 수도 있다. 다른 실시예로서, 상기 홈들의 패턴을 레이저 천공 구멍(원형 또는 연장형)의 형태로 하고, 이러한 상태에서 에피텍셜 구조를 바람직하게 양질의 질화 갈륨(GaN)으로 구성된 천공된 하부층상에 성장시키고, 그 뒤에 브래그 미러 구조들을 상기 구멍들내에 형성하여, 상기 미러 구조들이 하부층과, 상기 구멍들을 덮는 에피텍셜 층 구조 모두에 의해 지지되게 할 수도 있다.

Claims (10)

  1. 하부층에 의해 지지되는 고 반사 DBR(distributed Bragg reflector) 미러상에 형성된 광 이득 매체를 갖는 고체 표면발광형 광학소자에 있어서,
    상기 DBR 미러가 다층 구조로 되어 그 다층 구조내의 인접층들 사이에 고 굴절율비를 갖는 유전물질층을 교대로 배열시켜서 된 다층 유전체 구조이고, 상기 광이득매체가 상기 하부층으로부터 상기 유전체 구조위로 연장되는 에픽텍셜 층구조의 일부인 것을 특징으로 하는 고체 표면발광형 광학소자.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 고굴절율비는 1.3 보다 큰 것을 특징으로 하는 고체 표면발광형 광학소자.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 하부층은 주기율표의 3족 원소의 질화물로 된 버퍼층을 가지고 있는 기판으로 구성되는 것을 특징으로 하는 고체 표면발광형 광학소자.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 에피텍셜 구조는 InAlGaN 4차 구조의 조합에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 고체 표면발광형 광학소자.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 에피텍셜 구조는 질화 인듐 갈륨(InGaN)계 다중 양자 우물 구조를 포함하는 것을 특징으로 하는 고체 표면발광형 광학소자.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 에피텍셜층 구조를 고체 광공진기로서 동작케 할 수 있도록 상기 에피텍셜층 구조상에 부분적인 광 투과성을 갖는 추가 미러가 상기 DBR 미러와 정합된 상태로 배치되는 것을 특징으로 하는 고체 표면발광형 광학소자.
  7. 개량된 DBR 미러가 병합된 고체 표면발광형 광학소자의 제조방법에 있어서,
    하부층을 준비하는 단계와,
    고 굴절율의 유전체층과 저 굴절율의 유전체층이 교대로 다층구조를 이루는 피막을 상기 하부층상에 성장시키는 단계와,
    상기 피막의 일부를 선택적으로 제거하여 자유직립형 유전체구조들의 어레이를, 그의 인접하는 유전체구조들사이에서 상기 하부층을 부분적으로 노출시킨 상태로 형성하는 단계와,
    상기 하부층의 노출부들상에 광이득매체가 병합된 반도체층 구조를, 그의 하부가 상기 자유직립형 유전체 구조들의 상면상에서 상측방향 및 측방향으로 성장하는 상태로 그리고 그의 상부가 상기 광이득매체와 병합됨과 동시에 상기 유전체 직립형 유전체 구조들의 위에 형성되어 그 유전체 구조들 중 하나가 DBR를 형성케 하는 상태로 에피텍셜성장시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 고체 표면발광형 광학소자의 제조방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 광이득매체상에 추가 미러를 성장시키는 단계와,
    상기 자유직립형 구조들 중 상기 한 자유직립형 구조에 정합된 상태로 상기 광이득매체의 일측에 전기 접속되는 제 1 전극을 형성하는 단계와,
    상기 광이득매체의 타측에 전기 접속되는 제 2 전극을 형성하는 단계를 추가로 포함하여,
    상기 광이득매체가 상기 전극들에 의해 전기적으로 활성화될 수 있는 광공진기로서 작용케 하는 것을 특징으로 하는 고체 표면발광형 광학소자의 제조방법.
  9. 개량된 DBR 미러가 병합된 고체 표면발광형 광학소자의 제조방법에 있어서,
    하부층을 준비하는 단계와,
    상기 하부층의 표면을 선택적으로 패터닝시켜 상기 표면에 다수의 홈들로 된어레이를 형성하는 단계와,
    상기 홈들내에 유전체 구조들을, 그 유전체 구조들 중 인접한 것들 사이에서 상기 하부층을 노출시키는 상태로, 그리고 각각의 상기 유전체 구조를 고 굴절률의 유전체층과 저 굴절률의 유전체층을 교대로 배열하여 구성하는 상태로 형성하는 단계와,
    상기 하부층의 노출부들상에 광이득매체가 병합된 반도체층 구조를, 그의 하부가 자유직립형의 상기 유전체 구조들의 상면상에서 상측방향 및 측방향으로 성장하는 상태로 그리고 그의 상부가 상기 광이득매체와 병합됨과 동시에 상기 유전체 직립형 유전체 구조들의 위에 형성되어 그 유전체 구조들 중 하나가 DBR 미러를 형성케 하는 상태로 에피텍셜성장시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 고체 표면발광형 광학소자.
  10. 개량된 DBR 미러가 병합된 고체 표면발광형 광학소자의 제조방법에 있어서,
    질화 갈륨으로 된 하부층을 준비하는 단계와,
    상기 하부층을 레이저 천공 구멍들을 갖도록 패터닝시키는 단계와,
    상기 하부층의 일 표면상에 광이득매체가 병합된 반도체층 구조를, 그의 하부가 상기 표면상에서 상측방향 및 측방향으로 성장함과 동시에 상기 구멍들을 덮는 상태로 에피텍셜성장시키는 단계와,
    다층구조로된 피막을, 그의 구조들이 상기 하부층과 상기 구멍들을 덮는 상기에피텍셜층 구조들 모두에 의해 지지되는 상태로 상기 구멍들의 두께부분내에 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 고체 표면발광형 광학소자의 제조방법.
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