KR20050001858A - 저손실 표면방출 레이저 소자 및 제조 방법 - Google Patents

저손실 표면방출 레이저 소자 및 제조 방법 Download PDF

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Abstract

표면방출 레이저는 단거리용 광배선 및 광통신용 광원으로 사용되고 있는데,통신용 광원으로 보다 중/장거리에 응용을 위하여서는 저손실 표면방출 레이저의 필요성이 증가되고 있다. 본 발명은 저손실의 표면방출 레이저에 관한 것으로, 선택적 식각 및 식각된 영역의 절연 유전체층 삽입을 통한 전류 손실 최소화, 그리고 터널링과 도핑영역을 적게 하여 광 손실을 최소화하는 것을 특성으로 갖는 저손실 표면방출 레이저의 구조 및 제조 방법이다.

Description

저손실 표면방출 레이저 소자 및 제조 방법{Low loss vertical-cavity surface-emitting laser and fabricating method the same}
본 발명은 저손실 표면방출 반도체 레이저 소자에 관한 것으로서, 특히 선택적 식각 및 식각된 영역의 절연층 삽입을 통한 전류 손실 최소화, 그리고 터널링과 도핑영역을 적게 하여 광 손실을 최소화하는 것을 특성으로 갖는 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 전송 거리의 특성 및 전광 변환 효율 등을 높여 중거리 및 장거리용 송신소자로 응용을 하기 위하여서는 표면방출 레이저의 자체 손실이 적은 고효율의 저손실 표면방출 레이저의 개발이 필요하다. 표면방출 레이저의 손실 요인으로는 원하는 영역 이외에 전류의 흐름에 따른 전류 손실과 표면방출 레이저의 내부에서 운반자 흡수(free carrier absorption)등의 광 손실이 있다. 따라서 손실을 줄이기 위하여서는 활성층의 원하는 영역에 만 전류가 주입되는 전류 손실의 최소화와 내부의 흡수 손실을 최소화 할 수 있는 구조 및 제작 방법이 필요하다.
종래의 표면방출 레이저 구조 및 제작 방법으로는 활성층 바로 위의 AlGaAs 층의 일부를 습식 식각으로 산화하여 산화되지 않은 영역 만으로 전류가 흐르도록 하는 oxide-confined 방법과 proton등의 이온을 일정한 영역에 주입하여 절연층 역할을 하도록 하여 전류가 원하는 영역으로 흐르도록 하는 ion-implanted 방법, 그리고 일부 영역을 식각하여 전류의 흐름을 조절하는 air-gap 방법, 재성장을 통하여 전류흐름을 조절하는 재성장 방법 등이 있다. Oxide-confined 방법은 전류의 흐름을 효과적으로 조절 할 수 있는 장점을 가고 있으나, GaAs 기판의 AlGaAs 물질을 사용하는 경우에 만 효과적인 적용이 가능하여 다양한 파장 대역에 적용이 어려운 단점을 가지고 있다. 그리고 ion-implanted 방법은 ion-implantation에 따른 저항의 증가 등의 특성을 지니고 있으며, 정확한 전류 aperture 크기의 조절이 어려운 단점이 있다. Air-gap 방법은 식각이 용이한 여러 물질에 적용이 가능하여 다양한 파장 대역의 표면방출 레이저 구조로 사용 될 수 있으나, 전압 증가에 따른 air-gap을 통한 누설 전류 발생 등의 단점을 갖고 있다. 그리고 재성장 방법은 효과적인 전류 흐름 조절이 가능하나 제작 공정이 복잡하고, wafer 성장을 2번 이상 수행하여야 하는 단점을 지니고 있다.
그리고 광 손실을 줄이기 위한 방법으로는 광의 흡수가 적은 영역에 만 도핑을 증가시켜 저항이 늘어나는 것을 줄이며 광손실을 줄이는 방법 등이 제시되고 있으나, p형의 도핑에 따른 흡수 손실이 증가가 크게 나타나 전류 주입의 소모 전력을 최소화하며 흡수 손실을 줄이기 위한 방법이 필요하다.
본 발명에서는 air-gap 구조를 형성 후 air-gap 영역을 절연체로 채워넣어 안정된 특성의 전류 손실을 최소화하고, 상부 및 하부 거울층을 도핑이 없는 층으로 구성하여 도핑에 따른 흡수 손실을 최소화하여 표면방출 레이저의 효율을 높인 저손실 표면방출 레이저 구조 및 제작 방법을 제공한다.
본 발명은 저손실 표면방출 반도체 레이저에 관한 것으로서, 원하는 영역의 일부를 절연 유전체층으로 채워넣고, 상부와 하부 거울층을 도핑이 없는 저손실층으로 하여 고효율 특성을 갖는 저손실 표면방출 레이저 소자 및 그 제조 방법을 제공하는데 목적이 있다.
도1a 내지 도1b는 본 발명의 저손실 표면방출 레이저 구조의 단면도와 전류 흐름을 나타낸다.
도2a 내지 도2g는 본 발명의 저손실 표면방출 레이저 소자의 제조 방법을 나타낸다.
도3은 본 발명의 저손실 표면방출 레이저의 다른 실시 예를 나타내는 단면도이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
21 : 반도체 기판 (n-type substrate)
22 : 도핑되지 않은 반도체 DBR로 구성된 하부 거울층 (bottom mirror)
23 : n 형 반도체로 구성된 하부 접촉층 (bottom contact layer)
24 : 활성층 (active region)
25 : 반도체로 구성된 상부 접촉층 (top contact layer)
26 : 도핑되지 않은 반도체나 유전체 DBR로 구성된 상부 거울층 (top mirror)
27 : 활성층의 일부 영역에 채워진 절연 유전체층
28 : 전극 패드 절연을 위한 유전체층
29 : 상부 전극
30 : 하부 n형 전극
31 : 상부 전극 패드
32 : 하부 전극 패드
33 : 기판 뒷면의 반사를 막기위한 반사막층
25a : 전극 접촉층의 일부로 p형과 n형의 접합으로 이루어져 전류의 터널링을 위한 터널접합층
25b : 전극 접촉층의 일부로 n형의 전극 접촉을 위한 n형 접촉층
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 저손실 표면방출 레이저 소자는, 반도체 기판 상에 차례로 적층된 도핑되지 않은 반도체 DBR(distributed Bragg reflector)로 구성된 하부거울층 및 n 형 반도체로 구성된 하부 접촉층; 상기의 하부 접촉층 상에 양자우물층으로 형성된 활성층; 상기 활성층 상에 반도체로 구성된 상부 접촉층; 상부 접촉층 상에 차례로 적층된 도핑되지 않은 반도체나 유전체 DBR로 구성된 상부 거울층으로 이루어진다. 여기서 상부 거울층, 상부 접촉층의 일부 영역을 식각한 후 활성층을 선택적으로 식각하여 일부를 제거한 후 그 사이를 절연 유전체층으로 채워넣어 절연을 안정적으로 유지하고 효과적인 전류 흐름을 갖도록 하고, 상부 거울층의 일부를 제거하고 상부 접촉층 상에 상부 전극을 연결하고, 상부거울층, 활성층, 절연유전체 층을 일부 제거하고 하부 접촉층에 하부 전극을 연결하여 전류 가 주입되도록 한다. 이때 하부 거울층을 도핑하지 않은 반도체 DBR, 상부 거울층을 도핑하지 않은 반도체 나 유전체 DBR로 구성하여 흡수 손실을 최소화한 구조를 갖는다. 따라서 전류 손실과 광손실을 최소화한 저손실 표면방출 레이저 의 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 저손실 표면방출 레이저 소자 구조의 단면도를 나타낸다. 도면에서 21은 반도체기판, 22는 도핑되지 않은 반도체 DBR로 구성된 하부 거울층, 23은 n 형 반도체로 구성된 하부 접촉층, 24는 이득을 주기 위한 다층 양자 우물로 이루어진 활성층, 25는 반도체로 구성된 상부 접촉층, 26은 도핑되지 않은 반도체나 유전체 DBR로 구성된 상부 거울층, 27은 활성층의 일부 영역을 식각하고 채워진 절연 유전체층, 29는 상부 접촉층 상에 전류 주입을 위해 형성된 상부 전극, 30은 하부 접촉층 상에 전류 주입을 위해 형성된 하부 n형 전극 을 각각 나타낸다. 그리고 31, 32는 각각 상부 전극과 하부 n형 전극에 연결되어 있는 상부 전극 패드와 하부 전극 패드를 나타내고, 28은 소자의 절연을 위한 절연층이다.
도1b는 도1a중 하부거울층(22), 하부접촉층(23), 활성층(24), 상부접촉층 (25),상부거울층(26), 절연유전체층(27), 상부전극(29), 하부전극(30)을 도시화하여 표시한 전류 흐름을 나타낸 단면도이다. 여기서 상부 접촉층(25)는 p형의 전류 주입을 위한 p형의 반도체층 하나로 구성하거나, 또는 p형 도핑에 의한 흡수 손실을 최소화하기 위하여 그림 1b와 같이 전극 접촉층의 일부로 p형과 n형의 접합으로 이루어져 전류의 터널링을 위한 터널접합층(25a), 전극 접촉층의 일부로 n형의 전극 접촉을 위한 n형 접촉층(25b)으로 구성할 수 있다.
상부 전극(29)를 통하여 전류를 주입하면 상부 접촉층(25)을 지나 절연유전체층(27)이 없는 활성층(24)을 통하여 하부접촉층(23)으로 손실 없이 전류가 흐르게 된다. 이때 상부 거출층(26)과 하부 거울층(22)는 각각 도핑되지 않은 DBR을 사용 할 수 있으므로 운반자(free carrier) 흡수 손실이 발생되지 않아 저손실의 표면방출 레이저 트성을 갖는 다.
도 1를 참조하면, n 또는 semi-insulating형의 InP 반도체 기판(21) 위에 하부 거울층(22)으로서 도핑되지 않은 반도체 DBR층이 Iny(AlxGa1-x)1-yAs/ Inz(AlwGa1-w)1-zAs s (0<x, y, z, w<1) 또는 InP/ Iny(AlxGa1-x)1-yAs (0<x, y<1) 등으로형성되어 있고, 그 위에 하부 전극 접촉을 위한 하부 접촉층(23)을 n형의 InP로 구성하며, 그 위에 레이저 이득을 위한 InP에 거의 격자 정합된 구조로 Iny(AlxGa1-x)1-yAs/ Inz(AlwGa1-w)1-zAs s (0<x, y, z, w<1) 양자우물층으로 구성된 활성층(24)이 형성되어 있다. 활성층(24) 상에는 상부 전극 접촉을 위한 상부 접촉층(25)이 p형의 InP 또는 n/p형 접합의 반도체 터널접합층(25a)와 n형 InP의 n형 접촉층(25b)로 구성되어 있다. 그리고 그 위에 상부 거울층(26)으로 도핑되지 않은 반도체나 유전체 DBR층이 Iny(AlxGa1-x)1-yAs/ Inz(AlwGa1-w)1-zAs s (0<x, y, z, w<1) 또는 InP/ Iny(AlxGa1-x)1-yAs (0<x, y<1) 나 TiOx/SIOx또는 Si/SiOx, Si/TiOx등으로 형성되어 있다. 활성층은 전류 제한을 위하여 일부가 식각되고 식각된 부분은 AlOx또는 AlNx등의 절연 유전체층(27)으로 채워져 있다. 상부 전극(29)은 상부 거울층(26)을 일부 식각한 후 상부 접촉층(25) 상에 금속 전극을 증착하여 형성되어 있으며, 하부 n형 전극은(30) 상부 거울층(26), 상부 접촉층(25), 절연 유전체층(27)의 일부를 제거 한 후 하부 접촉층(23) 상에 금속 전극을 증착하여 형성 된다. 따라서 전류 흐름은 상부 전극(29) - 상부접촉층(25) - 활성층(24)- 하부접촉층(23) - 하부 전극(30)으로 유도되어 효과적 전류 제한이 이루어지며, 상부 거울층(22)과 하부 거울층(26)이 흡수 손실이 없는 도핑되지 않도록 하여 흡수 손실을 최소화 하도록 한다.
표면방출 레이저의 상부거울층(26)과 하부거울층(22)을 구성하는 반도체 DBR층은 InP에 격자 정합된 구조로 Iny(AlxGa1-x)1-yAs/ Inz(AlwGa1-w)1-zAs s (0<x, y, z, w<1) 또는 InP/ Iny(AlxGa1-x)1-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(24)은 전체 두께가 광학길이로 발진파장 반의 정수배가 되도록 구성한다.
도 2a 내지 도 2g는 도 1의 구조를 갖는 저손실 표면방출 레이저의 제조 방법을 보여주는 단면도이다.
먼저, 도 2a를 참조하면 n형 또는 semi-insulating 반도체기판(41), 도핑되지 않은 반도체 DBR로 구성된 하부거울층(42), 하부 전극 접촉을 위한 하부접촉층(43), 양자우물로 구성된 활성층(44), 상부 전극 접촉을 위한 상부 접촉층(45), 도핑되지 않은 반도체나 유전체 DBR로 구성된 상부거울층(46) 등을 순차적으로 성장한다.
도 2b에서 나타난 것과 같이 표면방출 레이저 소자간의 isolation을 위하여 건식식각 방법으로 레이저 포스트를 형성한다. 즉 SiNx와 같은 유전체(61)를 증착한 후 포토레지스터를 이용하여 패턴을 형성한 후 포토레지스터를 마스크로 하여 유전체(61)을 식각하여 마스크용 패턴을 형성하고 Cl2:Ar mixture 또는 CH4: H2mixture 를 이용한 건식식각 방법으로 원하는 영역의 상부거울층(46)을 식각하여 레이저 포스트를 제작한다.
그리고 계속하여 도 2c에 도시된 바와 같이 유전체 마스크(61)를 제거한 후포토레지스터 또는 유전체를 이용하여 식각용 마스크(62)를 형성하고 상부 접촉층(45)를 건식 식각 또는 습식 식각 방법으로 일부 영역을 제거 하여 상부 전극 형성 을 위한 이차 레이저 포스트를 형성한다.
그리고 계속하여 도 2d에 도시된 바와 같이 상부 접촉층(45) 및 하부 접촉층(43)의 식각은 없이 활성층(44)을 식각하는 선택적 식각 방법으로 활성층(44)의 일부를 제거 한다. 이때 활성층의 직경이 일차로 형성된 레이저 포스트의 직경에 비하여 작도록하여 광손실이 발생되지 않도록 한다. 선택적 식각 방법으로는 습식 식각 방법으로 선택적 조절이 가능하도록 한다. InP를 상부 접촉층(45)와 하부 접촉층(43)으로 한 경우 H3PO4계열의 mixture를 사용하여 접촉층의 식각 없이 활성층(44)을 식각하여 air-gap을 형성하며, 그 외에 구성 물질에 따라 HCl의 mixture 등을 사용할 수 도 있다.
도 2e는 제작된 air-gap 구조에 유전체 물질을 채워 넣는 공정으로 소자에 손실이 발생되지 않는 150 ~ 400oC의 온도 범위에서 원자층 증착 방법으로 AlOx또는 AlNx등과 같은 절연 유전체(47)를 증착하여 채워 넣는다.
도 2f는 상부 거울층(46)과 상부 접촉층(45) 상에 증착된 절연 유전체층(47)를 습식 식각 방법으로 제거 한 후 상부 접촉층(45) 상에 전극용 metal을 증착하여 상부 전극(49)을 제작하고, 또한 상부 거울층(46)과 상부 접촉층(45)가 없는 일부 영역의 절연 유전체층(47)를 식각하고 전극용 metal을 증착하여 하부 전극(50)을 제작한다. 전극 패드의 절연을 위한 유전체 층(48)을 증착하고 레이저 포스트와 상부 전극, 하부 전극상의 유전체를 식각한다.
그리고 계속하여 도 2g에 나타난 것과 같이 상부 전극 패드(51), 하부 전극 패드(52)를 Ti/Pt/Au등의 금속을 증착하여 금속 패드를 형성 한다. 그리고 기판의 뒷면을 polishing 한 후 반사막층(33)을 증착한다.
도 3는 본 발명의 저손실 표면방출 레이저의 다른 실시 예인 구조의 단면도를 나타낸다. 활성층(74)와 상부 접촉층(75) 사이에 식각 보호층(85), 식각층(84)을 넣고 활성층(74) 대신에 식각층(84)를 선택적으로 식각 한 후 그 사이를 절연 유전체(77)로 채워넣는 구조로 빛이 발생하는 활성층(74)에 interface가 형성되지 않도록하여 interface 재결합과 같은 운반자 손실을 막는 방법으로 저손실 표면방출 레이저의 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 저손실 단일모드 표면방출 레이저는 선택적 식각 및 식각된 영역의 절연층 삽입을 통한 전류 손실 최소화, 그리고 터널링과 도핑영역을 적게 하여 광 손실을 최소화하는 것을 특성으로 갖는 표면방출 레이저 구조 및 제조 방법에 관한 것으로, 모든 파장 영역에서 높은 광전변환 효율의 표면방출 레이저 소자 제작방법으로 활용 될 수 있다.

Claims (8)

  1. 표면방출 레이저 소자에 있어서,
    반도체 기판 상에 차례로 적층된 도핑되지 않은 반도체 DBR(distributed Bragg reflector)로 구성된 하부 거울층 및 n 형 반도체로 구성된 하부 접촉층;
    상기의 하부 접촉층 상에 양자우물층으로 형성된 활성층;
    상기 활성층 상에 반도체로 구성된 상부 접촉층;
    상부 접촉층 상에 차례로 적층된 도핑되지 않은 반도체나 유전체 DBR로 구성된 상부 거울층으로 이루져있으며;
    여기서 상부 거울층, 상부 접촉층의 일부 영역을 식각한 후 활성층을 선택적으로 식각하여 일부를 제거한 후 그 사이를 채워넣은 절연 유전체;
    상부 거울층의 일부를 제거하고 상부 접촉층 상에 연결된 상부 전극;
    상부거울층, 활성층, 절연유전체 층을 일부 제거하고 하부 접촉층 상에 연결된 하부 전극을 형성하여 활성층으로 전류가 주입되도록 하는 것을 특징으로 하는 저손실 표면방출 레이저 소자.
  2. 표면방출 레이저 소자에 있어서,
    n 또는 semi-insulating 형의 InP 반도체 기판 상에 Iny(AlxGa1-x)1-yAs/ Inz(AlwGa1-w)1-zAs s (0<x, y, z, w<1) 또는 InP/ Iny(AlxGa1-x)1-yAs (0<x, y<1)의 도핑되지 않은 반도체 DBR층으로 구성된 하부 거울층;
    상기 하부 거울층 상에 n형의 InP로 구성된 하부 접촉층;
    상기 하부 접촉층 상에 InP에 거의 격자 정합된 구조의 양자우물층으로 구성된 활성층;
    상기 활성층 상에 도핑된 반도체로 구성된 상부 접촉층;
    상기 상부 접촉층 상에 Iny(AlxGa1-x)1-yAs/ Inz(AlwGa1-w)1-zAs s (0<x, y, z, w<1) 또는 InP/ Iny(AlxGa1-x)1-yAs (0<x, y<1)의 도핑되지 않은 반도체 DBR층이나 TiOx/SIOx또는 Si/SiOx, Si/TiOx의 유전체 DBR층으로 이루어진 이 상부 거울층;
    여기서 활성층의 일부 영역을 식각하고 식각된 부분을 AlOx또는 AlNx등의 물질로 채워넣은 절연 유전체층과
    상기 상부 거울층을 일부 식각한 후 상기 상부 접촉층 상에 금속 전극을 증착하여 형성한 상부 전극;
    상기 상부 거울층, 상부 접촉층, 절연 유전체층의 일부를 제거 한 후 상기 하부 접촉층 상에 금속 전극을 증착하여 형성한 하부 전극;
    으로 구성되어 상부 전극과 하부 전극을 통하여 활성층으로 전류가 주입되도록 하는 것을 특징으로 하는 저손실 표면방출 레이저 소자.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 상부 접촉층은 p형의 InP 또는 n/p형 접합의 반도체 터널접합층와 n형 InP의 n형 접촉층로 구성되는 것을 특징을 하는 저손실 표면방출 레이저 소자.
  4. 표면방출 레이저 소자에 있어서,
    n형 또는 semi-insulating 반도체 기판, 도핑되지 않은 반도체 DBR로 구성된 하부거울층, 하부 전극 접촉을 위한 하부접촉층, 양자우물로 구성된 활성층, 상부 전극 접촉을 위한 상부 접촉층, 도핑되지 않은 반도체나 유전체 DBR로 구성된 상부거울층을 순차적으로 형성하고;
    SiNx와 같은 유전체를 마스크로 하여 건식식각 방법으로 원하는 영역의 상부거울층을 식각하여 레이저 포스트를 제작하고;
    포토레지스터 또는 유전체를 식각용 마스크로 하여 상부 접촉층의 일부 영역을 식각하여 이차 레이저 포스트를 형성하고;
    선택적 식각 방법으로 활성층 만의 일부를 제거 하여 air-gap을 형성하고;
    상기의 air-gap 구조에 절연 유전체를 증착하여 채워 넣어 절연 유전체층을 형성하고;
    상부 접촉층 상에 전극용 metal을 증착하여 상부 전극을 제작하고;
    하부 접촉층 상에 전극용 metal을 증착하여 제작 하는 것을 특징으로 하는 저손실 표면방출 레이저의 제조 방법
  5. 제4항에 있어서,
    상기 상부 거울층 식각을 위한 건식 식각 방법으로 Cl2:Ar mixture 또는 CH4: H2mixture를 사용하는 것을 특징으로 하는 저손실 표면방출 레이저 소자 제조 방법.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 활성층을 선택적 식각 방법으로 제거 하여 air-gap을 형성하는 방법으로 H3PO4계열의 mixture 또는 HCl의 mixture 사용하여 식각하는 것을 특징으로 하는 저손실 표면방출 레이저 소자 제조 방법.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 활성층의 air-gap 형성에 있어 형성된 활성층의 직경이 일차로 형성된 레이저 포스트의 직경에 비하여 작도록 하는 것을 특징으로 하는 저손실 표면방출 레이저 소자 제조 방법.
  8. 제4항에 있어서,
    상기 절연 유전체층을 형성하는데 있어 150 ~ 400oC의 온도 범위에서 원자층 증착 방법으로 AlOx또는 AlNx등과 같은 절연 유전체를 증착하여 형성하는 것을 특징으로 하는 저손실 표면방출 레이저 소자 제조 방법.
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