KR20040025234A - 고출력 단일모드 표면방출 레이저 소자 및 제조 방법 - Google Patents

고출력 단일모드 표면방출 레이저 소자 및 제조 방법 Download PDF

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Abstract

표면방출 레이저는 광배선 및 광통신용 광원으로 사용되고 있는데, 특히 고출력 단일모드 표면방출 레이저는 단/근거리 통신용 광원 및 고속 데이터 통신용 광원으로 필요성이 빠르게 증가되고 있다. 본 발명은 고출력 단일모드 표면방출 레이저에 관한 것으로, 전류 제한 및 광모드의 유도 영역을 독립적으로 조절하여 큰 직경의 고출력 특성을 갖는 단일모드 표면방출 레이저의 구조 및 제조 방법이다.

Description

고출력 단일모드 표면방출 레이저 소자 및 제조 방법 {High-power single-mode vertical-cavity surface-emitting laser}
본 발명은 단일모드 표면방출 반도체 레이저 소자에 관한 것으로서, 특히 전류제한층과 광유도층 영역의 독립적 조절을 통한 대구경의 단일모드 표면방출 레이저 구조 및 제조 방법에 관한 것이다.
표면방출 레이저는 단/근거리 통신용 광원으로 활용되고 있으며, 광연결, 광센서 등에 활용이 빠르게 증가되고 있다. 특히 표면방출 레이저가 갖는 높은 광섬유 커플링 효율(fiber-coupling efficiency), 웨이퍼 단위의 제작 공정에 의한 낮은 단가, 낮은 실장 비용, 이차원 어레이(two-dimensional array) 특성 등으로 인하여 차세대 광통신 및 신호 처리용 광원으로 빠르게 자리를 잡을 것으로 예측된다. 그러나 현재 상용화되고 있는 850 nm 대역의 표면방출 레이저는 주로 다중 횡모드(multiple transverse mode)의 특성을 지님으로 인해서, 초고속 광통신 및 데이터 통신에 있어서 색분산(chromatic dispersion) 등으로 인한 전송 거리 한계가 있으므로 이를 극복하기 위한 단일 횡모드(single transverse mode) 광원에 대한 개발 노력이 이루어지고 있다. 그리고 더 나아가 시장의 수요가 증대되고 있는 단일 모드 광섬유를 이용한 초고속 데이터 통신과 자유공간 광연결(optical interconnection), 광 센서 등에 활용하기 위해 단일 모드 출력의 안정된 표면방출레이저의 개발이 필요하다.
표면방출 레이저는 공진 거리가 파장 정도로 종방향으로는 단일 모드 특성을 지니나, 횡방향으로 전류에 따라 다중 모드의 특성을 보인다. 따라서 전류의 변화에 의해 광의 발진 방사각이 변하여 광섬유와의 결합 효율이 변하는 단점을 지닌다. 단일 횡모드 특성을 얻기 위하여서는 현재 널리 사용되고 있는 proton-implanted VCSEL과 oxide-confined VCSEL의 경우 각각 직경이 ∼ 5 ㎛ 이하와 ∼ 3 ㎛이하가 되어야 하므로 재현성 있는 소자의 제작에 어려움이 많다. 또한 소자의 직경이 작으므로 출력 특성이 나쁘고, 빔의 퍼짐도 증가하여 광섬유 결합 및 자유공간 광연결 등에 어려움이 있다.
종래의 단일모드 표면방출 레이저 기술로는 proton-implanted VCSEL과 oxide-confined VCSEL에 있어서 고차 횡모드의 발진이 일어나지 않도록 소자의 직경은 작게하는 방법이 있다. 따라서 고출력 특성을 얻는데 어려움이 있으며 작은 직경의 빔 방출 window 제작에 따른 재현성 및 수율 확보에 어려움이 있다. 또한작은 직경으로 인한 divergence angle이 큰 단점을 가지고 있다. 그리고 그 외에 antiguided, surface-reliefed, metal-filtered, oxidized/implanted 등 다양한 구조가 제안되고 있다. 이와같은 구조들은 기본적으로 기본 횡모드와 고차 횡모드 간의 손실(modal loss) 또는 이득(modal gain) 차이를 크게 하는 방법으로 고차횡모드의 유도 손실을 크게 하거나, 광유도를 약하게 하거나, 또는 이득과 기본 횡모드 분포와의 광커플링을 크게 하여 이득을 크게 하는 구조들이다. 그러나 이와같은 구조들은 제작 공정이 복잡하고 그에 따른 재현성 확보에 어려움이 있다. Surface-relief, oxidized/implanted 표면방출 레이저와 같은 구조는 각각 표면 층의 식각, implantation 및 oxidation 공정이 모두 필요한 점 등 제작 공정이 복잡한 단점을 갖고 있으며, antiguide 구조의 경우 비정질 GaAs 물질과 같은 고굴절율 물질의 선택 및 재성장/증착에 어려움이 있다. 그리고 그 외의 metal-filtered 방법은 빔을 방출하는 window를 작게하여 고차 횡모드의 발진을 억제하는 방법으로 레이저 발진효율의 저하 등의 단점을 갖고 있다.
본 발명에서는 간단한 제작 공정으로 전류제한층과 광유도층 영역의 독립적조절을 통하여 재현성 있고 대구경의 단일모드 표면방출 레이저 구조 및 제조 방법을 제안한다.
본 발명은 고출력 단일모드 표면방출 반도체 레이저에 관한 것으로서, 이중 산화막을 동시에 형성하여 전류제한 및 광모드 유도를 독립적으로 조절하여, 재현성있는 간단한 공정으로 고출력 단일모드 표면방출 레이저 소자 및 그 제조 방법을제공하는데 목적이 있다.
도1a 내지 도1b는 본 발명의 고출력 단일모드 표면방출 레이저 구조의 단면도와 전류 흐름과 광유도를 나타낸다.
도2는 Al 조성에 따른 산화막의 형성 깊이 차이를 나타낸 실험 결과이다.
도3a 내지 도3e는 본 발명의 고출력 단일모드 표면방출 레이저 제조 방법을 나타낸다.
도4는 본 발명의 고출력 단일모드 표면방출 레이저의 다른 실시 예를 나타내는 단면도이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
21 : n형의 반도체기판 (n-type substrate)
22 : n층의 반도체 DBR로 구성된 하부 거울층 (bottom mirror)
23 : 활성층 (active region)
24 : 광 유도(optical guide)를 위한 광유도층
25 : p층의 반도체 DBR로 구성된 제1상부거울층 (bottom mirror)
26 : 전류 제한(current confinement)를 위한 전류제한층
27 : p층의 반도체 DBR로 구성된 제2상부거울층 (bottom mirror)
28 : 광 유도를 위한 광유도산화막층
29 : 전류 제한을 위한 전류제한산화막층
30 : p형 전극
31 : 절연층
32 : 전극 패드
33 : n형 전극
d0: 광유도산화막에 의해 제한된 광가이드 영역의 직경
d1: 전류제한산화막에 의해 제한된 전류 흐르는 영역의 직경
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 고출력 단일모드 표면방출 레이저 어레이 소자는, 반도체 기판 상에 차례로 적층된 n형 도핑된 반도체 DBR(distributed Bragg reflector)로 구성된 하부거울층 및 양자우물층으로 형성된 활성층; 상기 활성층 상에 광모드 크기를 조절하기 위한 광유도층; 광유도층 상에 차례로 적층된 p형 도핑된 반도체 DBR로 구성되어 상부거울의 일부가 되는 제1상부거울층; 제1상부거울층 상에 전류 흐름 영역의 조절을 위한 전류제한층 그리고 그 위에 차례로 적층된 p형 도핑된 반도체 DBR로 구성되어 상부거울의 일부가 되는 제2상부거울층으로 이루어진다. 여기서 광유도층과 전류제한층은 서로 두께나 조성을 다르게 하여 한번의 산화막 형성 공정을 이용하여 서로 독립적으로 전류제한 및 광유도 영역이형성된다. 전류제한층에서 형성된 전류 흐름 영역이 광유도층에 의하여 형성된 광모드 영역에 비하여 작게하므로서 기본 횡모드의 이득이 크게 증가하여 기본 횡모드의 발진만 일어나고, 이득이 작은 고차 횡모드의 발진을 억제하게 되어 대구경의 고출력 단일모드 표면방출 레이저 발진이 이루어진다.
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하기로 한다.
도1a는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 고출력 단일모드 표면방출 레이저 소자 구조의 단면도를 나타낸다. 도면에서 21은 n형의 반도체기판, 22는 n층의반도체 DBR로 구성된 하부 거울층, 23은 이득을 주기 위한 다층 양자 우물의 이득 층과 공간층으로 이루어진 활성층, 24는 광유도를 위한 광유도층, 25는 p형 반도체 DBR로 구성되어 상부거울의 일부를 구성하는 제1상부거울층, 26은 전류 흐름의 조절을 위한 전류제한층, 27은 p형 반도체 DBR로 구성되어 상부거울의 일부를 구성하는 제2상부거울층을 각각 나타낸다. 그리고 28은 24 광유도층의 일부를 산화하여 형성된 낮은 굴절율의 광유도산화막층, 29는 26 전류제한층의 일부를 산화하여 형성된 절연의 전류제한산화막층, 30, 32, 33은 각각 레이저 소자에 전류를 주입하기 위한 p형 전극, 전극 패드, n형 전극을 나타낸다. 그리고 31은 소자의 절연을 위한 절연층이다.
도1b는 도1a중 전류제한층(26), 전류제한산화막층(29), 광유도층(24), 광유도산화막층(28)을 도시화하여 표시한·전류 흐름 영역과 광모드를 확대 비교한 단면도이다. 전류제한산화막층(29)와 광유도산화막층(28)을 각각 조절하여 직경 d1의 전류 흐름영역을 직경 d0의 광모드유도영역 보다 작게 형성하여 모드 영역 중 가운데에 이득이 크게 되도록하면, 가운데에 모드의 세기가 큰 기본 횡모드의 이득이 크게 증가하고, 가장자리에서 모드의 세기가 큰 고차 횡모드의 이득은 크게 감소하여 기본 횡모드 만이 발진하게 된다. 따라서 기본 황모드만 발진하는 단일모드 발진의 표면방출 레이저 특성을 갖게 된다.
도 1를 참조하면, n형의 GaAs 반도체 기판(21) 위에 하부 거울층(22)으로서 n형의 반도체 DBR층이 AlxGa1-xAs/ AlyGal-yAs (0 ≤ x, y ≤ 1)등으로 형성되어 있고, 그 위에 레이저 이득을 위한 GaAs에 거의 격자 정합된 구조로 AlGaAs/GaAs 양자우물층 및 공간층으로 구성된 활성층(23)이 형성되어 있다. 활성층(23) 상에는 광유도를 위한 광유도층(24)이 형성되는데, 일부가 산화막(28)등으로 형성되어 광유도가 가능하도록 한다. 그리고 그 위에 제1상부거울층(25)과 제2상부거울층(27)은 각각 p형의 반도체 DBR AlxGa1-xAs/AlyGa1-yAs (0 ≤ x, y ≤ 1)등으로 형성되어 있고 그 사이에 전류유도를 위한 전류제한층(26)으로 형성되는데, 일부가 산화막(29)등으로 형성되어 절연이 되므로서 원하는 영역만 전류가 흐르도록 되어있다.
전류가 흐르는 영역은 광유도 영역에 비하여 작은 직경을 갖고 있어 광유도영역의 가운데 부분만 전류가 흐르도록하여, 가운데에 있는 광만이 이득을 크게 얻도록 한다.
표면방출 레이저의 상부거울층(25, 27)과 하부거울층(22)을 구성하는 반도체 DBR층은 GaAs에 격자 정합된 구조로 AlxGa1-xAs/ AlyGa1-yAs (0 ≤ x, y ≤ 1)등과 같이 굴절률이 다른 반도체 박막층을 교대로 성장하여 제작하는데 한 주기의 두께가 광학길이 (물질의 두께x발진파장에서의 굴절률)로 레이저 발진 파장의 반이 되도록 구성한다. 그리고 활성층(23)은 양자우물 및 공간층 구조로 구성되어 있으며 전체두께가 광학길이로 발진파장 반의 정수배가 되도록 구성한다. 그리고 광유도층(24)과 전류제한층(26) 등은 레이저의 구조에 따라 p형의 AlxGa1-xAs (0 ≤ x ≤ 1)으로 하며, 광유도를 위한 산화된 영역인 광유도산화막층(28), 전류 제한을 위한 산화된영역인 전류제한산화막층(29)등을 포함하여 구성한다.
도2는 AlxGa1-xAs (0 ≤ x ≤ 1)의 Al 조성에 따른 산화막 형성 깊이를 나타내는 실험 결과이다. Al 조성에 따라 같은 시간을 산화시켜도 산화막 형성 깊이가 다르게 된다. 그러므로 전류제한층(26)의 Al 조성과 광유도층(24)의 Al 조성을 다르게 하면 다른 깊이의 전류제한산화막층(29), 광유도산화막층(28)을 동시에 형성가능하다. 즉 예를 들어 40 ㎛ 직경의 포스트를 사용하고, 전류제한층(26)과 광유도층(24)의 Al 조성을 각각 99.5%와 99.1%를 사용할 경우 29분 동안 산화막 형성 공정을 수행하면 측면에서부터 각각 약 16 ㎛ 과 15 ㎛ 의 전류제한산화막층(29)와 광유도산화막층(28)을 형성하여 각각 dI∼ 8 ㎛, d0∼ 10 ㎛ 의 전류 제한 영역 및 광유도영역을 형성하게 된다. 그리고 그 외에도 전류제한층(26)과 광유도층(24)의 두께를 다르게하여도 상기와 같은 방법으로 전류제한 영역 및 광유도 영역의 독립적 조절이 가능하게 된다.
도3a 내지 도3e는 도1의 구조를 갖는 고출력 단일모드 표면방출 레이저의 제조 방법을 보여주는 단면도이다.
먼저, 도3a를 참조하면 n형의 반도체기판(41), n형의 DBR로 구성된 하부거울층(42), 양자우물 및 공간층으로 구성된 활성층(43), 산화막형성을 통한 광유도를 위한 광유도층(44), p형의 DBR로 구성된 제1상부거울층(45), 산화막형성을 통한 전류제한을 위한 전류제한층(46), p형의 DBR로 구성된 제2상부거울층(47) 등을 순차적으로 성장한다.
도 3b에서 나타난 것과 같이 표면방출 레이저 소자간의 isolation을 위하여 건식식각 방법으로 레이저 포스트를 형성한다. 즉 포토레지스터(48)를 이용하여 패턴을 형성한 후 포토레지스터(48)를 마스크로 하여 Cl2:Ar mixturte를 이용한 건식식각 방법으로 제2상부거울층(47), 전류제한층(46), 제1상부거울층(45), 광유도층(44)의 일부를 식각하여 레이저 포스트를 제작한다.
그리고 계속하여 도2c에 도시된 바와 같이 포토레지스터(48)를 제거한 후 습식산화공정을 이용하여 전류제한층(46), 광유도층(44)의 일부를 산화시켜 각각 전류제한산화막층(50), 광유도산화막층(49)을 형성한다. 전류제한층(46), 광유도층(44) 성장시 전류제한층(46)의 두께나 Al 조성이 광유도층(44) 보다 크도록 조절하여 전류제한산화막층(50) 형성 깊이가 광유도산화막층(49) 보다 크도록 한다. 즉 전류제한산화막(50)에 의해 제한된 전류 흐르는 영역의 직경(dI)이 광유도산화막(49)에 의해 제한된 광유도 영역의 직경(d0) 보다 작게 형성하도록 한다. 습식산화공정은 H2O를 통과한 N2가 흐르는 분위기에서 약 380∼450℃ 열처리하는 방법으로 수행한다.
그리고 계속하여 도3d에 도시된 바와 같이 절연층(51)으로 SiNx, SiOx등의 유전체 박막을 증착한 후 포토레지서 패턴을 형성하여 레이저 포스트 위의 절연층을 식각하여 제거한 후 레이저 포스트 위에 링 형태의 p형 전극(52)을 증착한다.
도3e는 제작된 구조에 전극 패드(53)와 n형 전극(54)을 p형 전극을 일부 포함한 영역과 기판(41)의 뒷면에 각각 증착하여 고출력 단일모드 표면방출 레이저를 제작한다.
도 4는 본 발명의 고출력 단일모드 표면방출 레이저의 다른 실시 예인 구조의 단면도를 나타낸다. 광유도층(64)을 활성층(63)의 아래에 위치하도록 하고 따라서 광유도산화막층(68)도 활성층 아래에 위치하여 광유도 영역을 결정하여 주는 구조로 본 발명의 광제한 영역과 전류 제한 영역의 독립적 조절을 통한 고출력 단일모드 표면방출 레이저 구조의 다른 실시 예를 나타낸다.
본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술 분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
본 발명의 고출력 단일모드 표면방출 레이저는 전류 흐름 영역과 광유도 영역을 서로 독립적으로 조절하여 기본 횡모드 만이 발진하도록하는 대구경의 표면방출 레이저 구조로 고출력의 단일모드 표면방출 레이저 구조 및 제작 방법으로 활용될 수 있다.

Claims (8)

  1. 표면방출 레이저 소자에 있어서,
    반도체 기판 상에 차례로 적층된 n형 도핑된 하부거울층 및 양자우물층으로 형성된 활성층;
    상기 활성층 상에 산화막 형성을 통하여 광유도 하기 위한 광유도층;
    광유도층 상에 차례로 적층된 p형 도핑된 반도체 DBR로 구성되어 상부거울의 일부가 되는 제1상부거울층;
    제1상부거울층 상에 전류 흐름 영역의 조절을 위한 전류제한층;
    상기 전류제한층 위에 차례로 적층된 p형 도핑된 반도체 DBR로 구성되어 상부거울의 일부가 되는 제2상부거울층으로 이루어져 있으며,
    상기 광유도층과 전류제한층은 서로 두께나 조성을 다르게 하여 한번의 산화막 형성 공정을 이용하여 서로 독립적으로 광유도산화막층과 전류제한산화막층이 형성 되는 것을 특징으로 하는 고출력 단일모드 표면방출 레이저 소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1상부거울층과 제2상부거울층, 하부거울층을 구성하는 반도체 DBR층은 GaAs에 격자 정합된 구조로 AlxGa1-xAs/ AlyGa1-yAs (0 ≤ x, y ≤ 1)등과 같이 굴절률이 다른 반도체 박막층을 교대로 성장하여 제작하는데 한 주기의 두께가 광학길이로 레이저 발진 파장의 반이 되도록 구성하는 것을 특징으로 하는 고출력 단일모드 표면방출 레이저 소자.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 활성층은 GaAs에 거의 격자 정합된 구조로 AlGaAs/GaAs등의 양자우물 및 공간층 구조로 구성되어 있으며 전체 두께가 광학길이로 발진파장 반의 정수배가 되도록 구성된 것을 특징으로 하는 고출력 단일모드 표면방출 레이저 소자.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 광유도층과 전류제한층은 GaAs에 격자 정합된 구조의 AlxGa1-xAs (0 ≤ x ≤ 1)으로 하며, 전류제한층의 Al 조성이나 두께가 광유도층의 Al 조성 이나 두께보다 크게 하는 것을 특징으로 하는 고출력 단일모드 표면방출 레이저 소자.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 광유도층을 일부 산화하여 광유도를 위한 광유도산화막층이 형성되는 것을 특징으로 하는 고출력 단일모드 표면방출 레이저 소자 제조 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 전류제한층을 일부 산화하여 전류 절연을 위한 전류제한산화막층이 형성되는 것을 특징으로 하는 고출력 단일모드 표면방출 레이저 소자 제조 방법.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 광유도층과 전류제한층을 동시에 산화하여 각각 광유도산화막층과 전류제한산화막층을 형성하되 산화되지 않은 전류제한층 영역이 산화되지 않은 광유도층의 영역보다 작게하는 것을 특징으로 하는 고출력 단일모드 표면방출 레이저 소자 제조하는 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 광유도산화막층과 전류제한산화막층은 H2O를 통과한 N2가 흐르는 분위기에서 약 380∼450℃ 열처리하는 방법의 습식산화공정을 사용하여 각각 광유도층과 전류제한층을 일부 산화하여 형성하는 것을 특징으로 하는 고출력 단일모드 표면방출레이저 소자 제조하는 방법.
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