KR20040013569A

KR20040013569A - 파장 가변형 면방출 반도체 레이저

Info

Publication number: KR20040013569A
Application number: KR1020020046564A
Authority: KR
Inventors: 김택
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2002-08-07
Filing date: 2002-08-07
Publication date: 2004-02-14
Also published as: EP1389813A1; EP1389813B1; JP2004072118A; CN1476132A; CN1279668C; US20040028092A1; US6865214B2; DE60328567D1

Abstract

파장 가변형 면방출 반도체 레이저에 관해 개시되어 있다. 개시된 본 발명의 면방출 반도체 레이저는 하부 DBR층상에 전류 제한층을 구비하고, 레이저 발진을 위한 상부 및 하부 전극외에 레이저광이 방출되는 상부 DBR층의 주어진 영역 상에 유효 공진 영역의 폭을 가변시키기 위한 별도의 전극을 구비하는 것을 특징으로 한다. 이러한 본 발명을 이용하면, 종래의 면방출 반도체 레이저를 이용할 때보다 방출되는 레이저광의 파장을 고속으로 변화시킬 수 있을 뿐만 아니라 종래의 온도 가변을 통해서 유효 공진 영역의 폭을 변화시킬 때 나타나는 레이저 발진의 이득 특성 저하를 방지할 수 있어 방출되는 레이저광의 파장 가변 영역을 증가시킬 수 있다.

Description

파장 가변형 면방출 반도체 레이저{Wavelength tunable VCSEL}

본 발명은 반도체 레이저에 관한 것으로서, 자세하게는 파장 가변형 면방출 반도체 레이저에 관한 것이다.

일반적으로 면방출 반도체 레이저는 활성층 상부 및 하부에 반사율이 99 % 이상인 분산 브래그 반사기(Distributed Bragg Reflector, DBR)를 구비하여 광을 적층들의 수직 방향으로 공진하게 하는 구조를 갖는다. 상기 DBR은 굴절률의 차이가 크고 격자상수가 비슷하여 에피택셜(epitaxial) 성장이 가능한 물질, 예를 들면 비소갈륨(GaAs)과 비소알루미늄(AlAs)이 번갈아 적층된 구조를 갖거나, 실리콘 산화막(SiO2), 알루미늄 산화막(Al2O3) 및 타타늄 산화막(TiO2)과 같은 절연물질 중 선택된 굴절률의 차이가 큰 물질들의 쌍이 번갈아 적층된 구조를 갖는다. 이러한 DBR은 발진 파장보다 에너지 밴드 갭(energy band gap)이 커서 흡수가 일어나지 않아야 하고, 또한, DBR을 구성하는 두 물질층간에 굴절율 차이가 클수록 좋다.

도 1은 이러한 DBR을 구비하는 종래의 면방출 반도체 레이저의 일 예를 보여주는 단면도이다.

도 1을 참조하면, 기판(미도시) 상에 하부 분산 브래그 반사기(21)가 구비되어 있다. 하부 분산 브래그 반사기(21)는 상대적으로 굴절율이 다른 두 물질층(21a, 21b)이 반복해서 적층되어 형성된다. 하부 분산 브래그 반사기(21) 상에 n-콘택트층(22)이 형성되어 있다. n-콘택트층(22) 상에 n-하부 캐리어제한층(23), 활성층(24) 및 p-상부 캐리어 제한층(25)으로 구성된 공진기층이 존재한다. 이러한 공진기층의 소정 영역 상에 레이저 발진을 위한 전류가 유입되는 것을 제한하는 전류 제한층(26)이 형성되어 있고, 나머지 영역 상에 절연층(26a)이 형성되어 있다. 레이저 발진을 위한 전류는 전류제한층(26)을 통해서만 활성층(24)으로 유입된다. 이러한 전류 제한층(26) 및 절연층(26a) 상에 p-콘택트층(27)이 형성되어 있다. p-GaAs 콘택트층(27)의 소정 영역 상에 상부 분산 브래그 반사기(28)가 형성되어 있다. 상부 분산 브래그 반사기(28)는 하부 분산 브래그 반사기(21)와 마찬가지로 굴절률이 서로 다른 두 물질층(28a, 28b)이 반복 적층되어 형성된 것이다. n-콘택트층(22)의 가장자리 상부 및 p-콘택트층(27)의 가장자리 상부에 각각 하부 전극(30) 및 상부 전극(29)이 형성되어 있다.

이러한 면방출 반도체 레이저가 차세대 파장 분할 다중(Wavelength Division Multiplexing) 방식의 광통신이나 광 기록장치에 적용되면서, 상기 면방출 반도체 레이저를 파장 가변형으로 운용하고 있다. 곧, 상기 면방출 반도체 레이저를 가열(heating)하거나 냉각(cooling)하는 방법으로 상기 면방출 반도체 레이저의 공진폭을 변화시켜 방출되는 레이저광의 파장을 변화시킨다.

그러나, 동작 온도를 가변시켜 방출되는 레이저광의 파장을 가변시키는 경우, 동작 온도를 급속하게 변화시키는 것이 실질적으로 어렵기 때문에, 방출되는 레이저광의 파장을 급속하게 변화시키는 것 또한 어렵다. 아울러, 온도가 높아지는 경우, 과도한 이득 손실(gain loss)로 레이저 발진 특성이 급격히 저하될 수 있기 때문에, 온도 가변 폭이 제한될 수 있다. 또한, 상기 온도 가변 과정에서 갑작스런방전으로 면방출 반도체 레이저의 동작이 멈춰질 수 있다.

따라서, 본 발명이 이루고자하는 기술적 과제는 상술한 종래 기술의 문제점을 개선하기 위한 것으로서 온도가변 없이 방출되는 레이저광의 파장을 고속으로 변화시킬 수 있는 면방출 반도체 레이저를 제공함에 있다.

도 1은 종래 기술에 의한 면방출 반도체 레이저의 단면도이다.

도 2는 본 발명의 실시예에 의한 파장 가변형 면방출 반도체 레이저의 단면도이다.

도 3은 도 2에 도시한 파장 가변형 면방출 반도체 레이저의 상부 DBR층의 굴절률 변화에 따라 방출되는 레이저광의 반사율 변화를 보여주는 그래프이다.

*도면의 주요 부분에 대한 부호설명*

40:기판 50, 70:하부 및 상부 DBR층

52, 54, 72, 74:제1 내지 제4 화합물 반도체층

60:공진기층 62:n-하부 캐리어 제한층

64:활성층 66:p-상부 캐리어 제한층

80:절연층 82:전류 제한층

86:콘택층 90:제1 전극(하부전극)

92a, 92b:제2 전극(상부전극)

94a, 94b:제3 전극(유효 공진 영역의 가변용 전극)

G1, G2, G3, G4:제1 내지 제4 그래프

P1, P2, P3, P4:제1 내지 제4 캐버티 피크(cavity peak)

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은 반도체 기판, 상기 기판의 저면에 형성된 제1 전극, 상기 기판 상에 형성된 하부 DBR층, 상기 하부 DBR층 상에 형성된 전류 제한층, 상기 전류 제한층 상에 형성된 공진기층, 상기 공진기층 상에 이격되게 형성되어 상기 제1 전극과 함께 상기 활성층에 레이저 발진을 위한 캐리어를 공급하는 제2 전극, 상기 이격되게 형성된 제2 전극사이에 형성된 상부 DBR층 및 상기 상부 DBR층 상에 이격되게 형성되어 상기 제2 전극과 함께 유효 공진 영역을 가변시키는 제3 전극을 구비하는 것을 특징으로 하는 면방출 반도체 레이저를 제공한다.

상기 반도체 기판은 화합물 반도체 기판이다.

상기 상부 및 하부 DBR층은 굴절률이 다른 제1 및 제2 화합물 반도체층이 반복 적층되어 형성된 것으로, 최대 10²¹개/㎤ 의 불순물이 도핑되어 있다.

상기 공진기층은 n-하부 캐리어 제한층, 활성층 및 p-상부 캐리어 제한층으로 구성된다.

상기 활성층은 다중 양자 우물(Multi-Quantum Wells) 구조 또는 양자점(quantum dot)을 갖는 화합물 반도체층으로써, 2원, 3원 또는 4원 혼정계의 화합물 반도체층이다.

상기 상부 DBR은 모놀리식(monolithic) DBR 또는 기판과 융합된 DBR(fused DBR)이다.

이러한 본 발명을 이용하면, 종래의 면방출 반도체 레이저를 이용할 때보다 방출되는 레이저광의 파장을 고속으로 변화시킬 수 있을 뿐만 아니라 종래의 온도 가변을 통해서 유효 공진 영역의 폭을 변화시킬 때 나타나는 레이저 발진의 이득 특성 저하를 방지할 수 있어 방출되는 레이저광의 파장 가변 영역을 증가시킬 수 있다.

이하, 본 발명의 실시예에 의한 파장 가변형 면방출 반도체 레이저를 첨부된 도면들을 참조하여 상세하게 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 층이나 영역들의 두께는 명세서의 명확성을 위해 과장되게 도시된 것이다.

도 2를 참조하면, 참조번호 40은 하부 및 상부 DBR층(50, 70)과 공진기층(60)이 형성된 기판으로써, 화합물 반도체 기판이다. 기판(40)은 바람직하게는 갈륨비소(GaAs) 기판이다. 기판(40) 상에 하부 DBR층(50)이 형성되어 있다. 하부 DBR층(50)은 제1 및 제2 화합물 반도체층(52, 54)이 반복 적층되어 형성된 것이다. 제1 및 제2 화??물 반도체층(52, 54)은 공진기층(60)에서 방출되는 레이저광을 흡수하지 않는 것이 바람직하다. 따라서, 제1 및 제2 화합물 반도체층(52, 54)의 에너지 밴드 갭은 발진 파장보다 큰 것이 바람직하다. 하지만, 제1 및 제2 화합물 반도체층(52, 54)의 에너지 밴드 갭이 너무 클 경우, 하부 DBR층(50)을 통한 전류 주입시에 구동 전압이 높아져서 발열로 인한 문제가 발생될 수 있으므로, 제1 및 제2 화합물 반도체층(52, 54)은 레이저광을 흡수하지 않으면서 전류 주입시에 발열을 최소화할 수 있는 에너지 밴드 갭을 갖는 화합물 반도체층인 것이 바람직하다. 예를 들면, 제1 및 제2 화합물 반도체층(52, 54)은 모두 AlGaAs층이다. 이때, 제1 및 제2 화합물 반도체층(52, 54)은 굴절률이 다른 것이 바람직하므로, 제1 화합물 반도체층으로 사용된 AlGaAs층의 도핑과 제2 화합물 반도체층으로 사용된 AlGaAs층의 도핑 정도는 서로 다르게 한 것이 바람직하다. 제1 및 제2 화합물 반도체층(52, 54)은 파장 변조 폭을 증가시키기 위해 최대 10²¹개/㎤ 의 불순물, 예를 들면 카본(C), 마그네슘(Mg) 또는 아연(Zn)이 도핑된 화합물 반도체층이다. 하부 DBR층(50)의 이러한 특성은 상부 DBR층(70)에도 그대로 적용된다.

한편, 본 발명의 면방출 반도체 레이저는 상부 DBR층(70)을 통해서 레이저광이 방출되는 구조이므로, 상부 DBR층(70)의 반사율을 하부 DBR층(50)의 반사율보다 낮게 하는 것이 바람직하다.

계속하면, 하부 DBR층(50)의 소정 영역 상에 전류 제한층(82)이 형성되어 있고, 전류 제한층(82) 둘레의 나머지 영역 상에 절연층(80)이 형성되어 있다. 전류 제한층(82)은 하부 DBR층(50)을 통해서 공진기층(60)으로 유입되는 전류의 채널이 된다. 전류 제한층(82)이 아닌 다른 영역으로 유입되는 전류는 절연층(80)에 의해 차단된다. 절연층(80)과 전류 제한층(82)은 동일한 두께로 형성된 것이 바람직하다. 이러한 절연층(80) 상으로 전류 제한층(82)을 덮는 콘택층(86)이 형성되어 있다. 콘택층(86) 상에 공진기층(60)이 형성되어 있다. 공진기층(60)은 레이저가 발진되는 영역으로써 캐리어를 제한하는 n-하부 캐리어 제한층(62), 캐리어의 재결합이 이루어지는 활성층(64) 및 p-상부 캐리어 제한층(66)이 순차적으로 적층된 구조를 갖는다. 활성층(64)은 다중 양자 우물(MQW) 구조를 갖거나 양자점 구조를 갖는 2원, 3원 또는 4원 혼정계의 화합물 반도체층으로써, 예를 들면 GaAs층, InGaAs층, AlGaAs층, InAs층, GaInNAs층 및 GaPSb층으로 이루어진 군 중에서 선택된 어느 하나이다. 공진기층(60)은 공진 조건을 만족시키기 위해 발진되는 파장의 정수배에 해당하는 두께로 적층된 것이 바람직하다. 공진기층(60)의 p-상부 캐리어 제한층(66)의 소정 영역 상에 상부 DBR층(70)이 형성되어 있다. 상부 DBR층(70)은 굴절률이 서로 다른 제3 및 제4 화합물 반도체층(72, 74)이 반복 적층되어 이루어진 것이다. 제3 및 제4 화합물 반도체층(72, 74)은 하부 DBR층(50)의 제1 및 제2 화합물 반도체층(52, 54)과 동일한 물리적 및 도핑 특성을 갖는 화합물 반도체층인 것이 바람직하다.

상부 DBR층(70)은 모놀리식(monolithic) DBR 또는 기판과 융합된 DBR(fused DBR)일 수 있는데, 이 경우의 기판으로는 상기 모놀리식 DBR 또는 기판과 융합된 DBR과 격자정합 되는 InP 기판인 것이 바람직하다.

계속해서, 기판(40)의 저면에 제1 전극(90)이 형성되어 있다. 제1 전극(90)은 하부 전극으로써, 전류 주입을 위해 오믹 콘택된 금속층이다. 상부 DBR층(70) 둘레의 p-상부 캐리어 제한층(66) 상에 제2 전극(92a, 92b)이 형성되어 있다. 제2 전극(92a, 92b)은 상부 DBR층(70)과 접촉되지 않게 형성되어 있다. 제2 전극(92a, 92b)은 상부 전극으로써, 전류 주입을 위해 오믹 콘택된 금속층이다. 상부DBR층(70) 상에 제2 전극과 함께 유효 공진 영역을 조절하는데 사용되는 제3 전극(94a, 94b)이 형성되어 있다. 제3 전극(94a, 94b)은 상부 DBR층(70)의 양쪽 가장자리에 형성되어 있다.

레이저광의 발진은 제1 및 제2 전극(90, 92a, 92b)을 통해 공진기층(60)에 전류가 공급되고, 활성층(64)에서 캐리어가 재결합되면서 시작된다. 캐리어 재결합에 의해 활성층(64)에서 방출되는 광은 하부 및 상부 DBR층(50, 70)사이를 왕복하면서 그 세기가 증가된다. 상기 광의 세기가 주어진 세기가 되면서 상기 광은 반사율이 하부 DBR층(50)보다 낮은 제3 전극(94a, 94b)사이의 상부 DBR층(70)을 통해서 레이저광으로 방출된다.

한편, 상부 DBR층(70)을 통해서 방출되는 레이저광의 파장은 공진기층(60)의 유효 공진 영역의 폭에 의해 결정된다. 제3 전극(94a, 94b)이 사용되지 않는 경우, 유효 공진 영역의 폭은 공진기층(60)의 폭과 크게 다르지 않다. 따라서, 상부 DBR층(70)을 통해서 방출되는 레이저광의 파장은 공진기층(60)의 폭에 의해 결정된다.

그러나, 제2 전극(92a, 92b)과 제3 전극(94a, 94b)을 이용하여 상부 DBR층(70)에 공급되는 전류를 조절하는 경우, 상부 DBR층(70)의 굴절률이 달라져서 유효 공진 영역은 공진기층(60)을 벗어나서 상부 DBR층(70)으로 확장된다. 곧, 유효 공진 영역이 확장된 만큼 유효 공진 영역의 폭도 증가되므로, 상부 DBR층(70)을 통해서 방출되는 레이저광의 파장은 전자의 경우와 달라지게 된다.

도 3은 이러한 결과를 예시한다. 도면 참조부호 G1 내지 G4는 각각 상부 DBR층(70)의 굴절률 변화에 따라 활성층(64)에서 방출된 광의 반사율 변화를 보여주는제1 내지 제4 그래프들을 나타낸다.

제1 그래프(G1)는 제3 전극(94a, 94b)을 사용하지 않은 경우, 곧 상부 DBR층(70)의 굴절률을 인위적으로 변화시키지 않은 경우(이하, 제1 경우라 함)를 나타내고, 제2 내지 제4 그래프들(G2, G3, G4)은 제2 전극(92a, 92b)과 제3 전극(94a, 94b)을 사용하여 상부 DBR층(70)에 흐르는 전류를 조절하는 방법으로 상부 DBR층(70)의 굴절률을 각각 1%, 2% 및 4% 변화시킨 경우(이하, 제2 내지 제4 경우라 함)를 나타낸다.

또한, 제1 그래프(G1)의 제1 캐버티 피크(cavity peak)는 상기 제1 경우에 상부 DBR층(70)을 통해서 방출되는 레이저광의 파장을 나타낸다. 그리고 제2 그래프(G2)의 제2 캐버티 피크(P2), 제3 그래프(G3)의 제3 캐버티 피크(P3) 및 제4 그래프(G4)의 제4 캐버티 피크(P4)는 각각 상기 제2 내지 제4 경우에 상부 DBR층(70)을 통해서 방출되는 레이저광의 파장을 나타낸다. 제1 내지 제4 그래프들(G1, G2, G3, G4)에서 제1 내지 제4 캐버티 피크(P1, P2, P3, P4)의 위치가 다른데, 이것은 상기한 바와 같이 상부 DBR층(70)의 굴절률을 변화시켜 유효 공진 영역의 폭을 가변시킴으로써, 상부 DBR층(70)을 통해 방출되는 레이저광의 파장을 가변시킬 수 있음을 의미한다.

상기한 설명에서 많은 사항이 구체적으로 기재되어 있으나, 그들은 발명의 범위를 한정하는 것이라기보다, 바람직한 실시예의 예시로서 해석되어야 한다. 예들 들어, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 본 발명의 실시예에 의한 면방출 반도체 레이저에서 절연층(80)을 공기층으로 대체할 수도 있을 것이다. 또한, 하부 전극으로 사용되는 제1 전극(90)을 기판(40)의 저면에 구비하는 대신, 콘택층(86)과 접촉되도록 구비할 수도 있을 것이다. 때문에 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 의하여 정하여 질 것이 아니고 특허 청구범위에 기재된 기술적 사상에 의해 정하여져야 한다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 의한 면방출 반도체 레이저는 상부 DBR층 상에 상부 전극과 함께 유효 공진 영역의 폭을 가변시키는데 사용되는 별도의 전극을 구비하고, 하부 DBR층에 전류 제한층을 구비한다. 이러한 본 발명을 이용하면, 상부 DBR층에 전류를 인가하여 유효 공진 영역의 폭을 가변시켜서 방출되는 레이저광의 파장을 가변시킬 수 있기 때문에, 종래의 면방출 반도체 레이저를 이용할 때보다 방출되는 레이저광의 파장을 고속으로 변화시킬 수 있을 뿐만 아니라 종래의 온도 가변을 통해서 유효 공진 영역의 폭을 변화시킬 때 나타나는 레이저 발진의 이득 특성 저하를 방지할 수 있다. 또한, 상부 DBR층에 인가되는 전류의 증감이 레이저 발진의 이득 특성에 미치는 악영향은 거의 없으므로, 상부 DBR층에 인가되는 전류 증감을 통해 방출되는 레이저광의 파장 가변 영역을 증가시킬 수 있다.

Claims

기판;

상기 기판의 저면에 형성된 제1 전극;

상기 기판 상에 형성된 하부 DBR층;

상기 하부 DBR층 상에 형성된 전류 제한층;

상기 전류 제한층 상에 형성된 공진기층;

상기 공진기층의 주어진 영역 상에 형성된 상부 DBR층;

상기 상부 DBR층 둘레의 공진기층 상에 형성되어 상기 제1 전극과 함께 레이저 발진에 사용되는 제2 전극; 및

상기 상부 DBR층 상에 형성되어 상기 제2 전극과 함께 유효 공진 영역의 폭을 가변시키는데 사용되는 제3 전극을 구비하는 것을 특징으로 하는 면방출 반도체 레이저.
제 1 항에 있어서, 상기 상부 및 하부 DBR층은 굴절률이 다른 제1 및 제2 화합물 반도체층이 반복 적층되어 형성된 것으로, 최대 10²¹개/㎤ 의 불순물이 도핑된 것을 특징으로 하는 면방출 반도체 레이저.
제 1 항에 있어서, 상기 활성층은 다중 양자 우물(Multi-Quantum Wells) 구조 또는 양자 점(quantum dot)을 갖는 2원, 3원 또는 4원 혼정계의 화합물 반도체층인 것을 특징으로 하는 면방출 반도체 레이저.
제 3 항에 있어서, 상기 화합물 반도체층은 GaAs층, InGaAs층, AlGaAs층, InAs층, GaInNAs층 또는 GaPSb층인 것을 특징으로 하는 면방출 반도체 레이저.