KR20050019484A - 광검출소자가 일체적으로 성장된 장파장 수직 면발광 레이저 - Google Patents

광검출소자가 일체적으로 성장된 장파장 수직 면발광 레이저 Download PDF

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Abstract

광검출기가 일체적 성장된 장파장 수직 면발광 레이저에 관해 개시한다.
개시된 면발광 레이저는 하부 DBR의 하부 또는 중간에 포토디텍터가 마련되며, 이 포토디텍터는 레이저구조체와 일체적으로 성장된다. 본 발명은 장파장에 대한 기판의 비흡수성을 이용하며, 따라서 기판으로 향하는 레이저의 검출에 의해 레이저의 이득의 제어가 효과적으로 이루어 질수 있다.

Description

광검출소자가 일체적으로 성장된 장파장 수직 면발광 레이저{Long wavelength Vertical Cavity Surface Emitting Laser with monolithically-growth photodetector}
본 발명은 장파장 수직면발광 레이저(Vertical cavity Surface Emitting Laser, VCSEL)에 관한 것으로서, 상세히는 광검출기(photodetector)가 일체적으로 성장된 장파장 수직면발광 레이저 다이오드에 관한 것이다.
일반적으로 수직면발광레이저 다이오드에는 출력의 모니터링 및 이를 근거로하는 출력제어(automatic power contorl, APC)를 위한 광검출기가 결합된다. 예를 들어, 미국특허 5,943,357호에 개시된 레이저는 웨이퍼 접합(wafer fusion)에 의해 는 광검출기가 접착되는 구조를 가진다.
도 1은 광검출기가 접합에 의해 부착된 VCSEL의 개략적 단면도를 보인다.
도 1을 참조하면, 기판 상에 중앙의 레이저 공진이 일어나는 공동부(cavity)로서의 활성영역(active region)을 중심으로 그 상하에 DBR(distributed Bragg reflectors) 에 의한 상하부 반도체 물질층(12, 13)을 구비한다. 이러한 구조의 레이저의 하부에 광검출기, 예를 들어 PIN 광검출기(20)가 접합 또는 본딩에 의해 부착되어 있다.
이와 같이 장파장 VCSEL (파장 1300~1600nm)은 출력 모니터를 위한 광검출기 예를 들어 PIN 광검출기가 부착되어 있는데, 이 광검출기는 보통 웨이퍼 본딩(wafer bonding), 웨이퍼 확산(wafer fusion), 또는 투명한 금속 접착제(adhesion)에 의해 VCSEL 하부에 접합된다.
웨이퍼 접합에 의한 광검출기의 접합은 공정 상 문제로 인하여 제품 양산 체제에 부적합니다. 또한, 성능면에서 확산에 의해 광검출기가 접합된 VCSEL의 경우 접합 계면에서의 전압 강하(voltage drop)가 불가피하며, 따라서 입력 전압의 상승을 초래한다.
이러한 종래 구조의 VCSEL의 결점은 자발발광(spontaneous emission)과 레이저 빔이 광검출기로 모두 입사함으로써 광검출기에 의해 레이저 출력만을 정확히 검출할 수 없다는 것이다.
도 2를 참조하면, VCSEL의 활성영역(active region)에서 발진된 레이저 빔(laser beam) 외에 자발발광(spontaneous emission)에 의한 발생된 빛이 활성영역 바깥으로 나오게 된다. 이때에 VCSEL의 구조가 공진 공동 LED(Resonant cavity light emitting diode)의 구조와 실질적으로 동일하기 때문에 활성영역에서 방출된 강렬한 자발방출이 활성영역 외부의 모든 방향으로 진행하게 된다.
이때에, VCSEL의 상부로 나가는 빔을 이용하도록 설계된 경우, 하부 반도체층의 DBR의 반사율을 상부DBR의 반사율보다 높게 설계되게 되는데, 이로 인해서 하부로 나가는 레이저 빔의 강도는 상대적으로 미약하다. 반면에, 통상 레이저 빔은 10um 전후한 직경을 가지고 방출되나 자발발광은 모든 방향으로 나오기 때문에 레이저 빔이 진행하는 특정 영역(VCSEL의 중앙의 수직하부에서 약 10㎛ 직경의 영역) 에서는 레이저 빔의 강도가 자발발광의 강도 보다 높으나 광검출기로 수광되는 전체 광량을 비교했을때 자발발광의 수광량이 무실할 수 없을 정도로 높은 비율을 나타내 보이게 된다. 이것은 특히 VCSEL의 하부에서 약 200~300㎛의 폭을 가지는 수광면으로 광을 입사하도록 된 도 1 및 도 2에 도시된 형태의 VCSEL에서 나타나게 된다.
한편, 단파장 VCSEL의 경우에 있어서는 상기 포토디텍터가 일체적으로 성장된 구조가 있는데, 이 경우는 포토디텍터가 VCSEL의 상부측에 마련되어서 사용되는 레이저의 일부를 흡수하게 된다. 그러나, 포토디텍터가 VCSEL의 하부측에 마련되는 경우는 기판에 의한 흡수에 의해 효과적인 레이저의 모니터링이 어렵고 따라서 단파장 VCSEL에서는 포토디텍터가 VCSEL의 상부에 마련되어야만 한다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 보다 제작이 용이하고 효과적인 레이저의 모니터링이 가능하도록 포토디텍터가 일체적으로 성장된 장파장 수직면발광 레이저를 제공하는 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 수직면발광 레이저는:
반도체 기판과;
상기 기판 상에 성장된 다중의 하부 DBR 층과;
상기 하부 DBF 층 위에 성장된 다중의 반도체 물질층에 의한 활성영역;과
상기 활성영역 위에 성장된 다중의 상부 DBR 층;을 포함하고,
상기 하부 DBR 층은 상기 활성영역으로 부터 발생된 레이저 중 상기 기판으로 향하는 레이저를 검출하는 포토디텍터를 포함하는 구조를 가진다.
본 발명의 실시예들에 따르면 상기 포토디텍터는 DBR 층의 중간 또는 상기 DBR의 하부에 마련된다.
또한 본 발명의 바람직한 실시예들에 따르면 상기 기판은 GaAs, InP 중의 어느 하나인 것이 바람직하다.
상기 기판이 GaAs 인 경우, 활성영역은 InGaAs 양자우물(Quantum well), InGaAsN 양자우물, In(Ga)(N)As 양자점(Quantum dot) 중 하나를 포함하는 것이 바람직하다. 또한 이 경우 DBR은 (Al)GaAs/Al(Ga)As의 적층구조를 가진다.,
상기 기판이 InP인 경우, 활성영역은 InGaAsP 양자우물, InGaAlAs 양자우물, InGaAs 양자우물, In(Ga)(N)As 양자점, AlGaAsSb 양자우물 중의 어느 하나를 포함하는 것이 바람직하다. 또한, 이 경우, DBR은 InP/InGaAsP 또는 InP/InGaAlAs 의 적층구조를 가진다.
이하 첨부된 도면을 참조하면서 포토디텍터가 일체적으로 성장된 본 발명에 따른 수직면발광 레이저의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다.
<<실시예 1>>
도 3을 참조하면, 그 저면에 하부 금속 전극(110)이 형성되어 있는 GaAs 기판(100) 상에 포토디텍터로서의 AlGa/GaAs/AlGaAs 적층구조를 가지는 PIN 다이오드(120)가 결정성장에 의해 형성되어 있다.
상기 다이오드(120)의 양쪽 어깨부분에 중간 금속전극(130) 이 형성되어 있다. 그리고 다이오드(120)의 중간부분에 VISEL의 한 구성요소로서, GaAs/AlAs 또는 AlGaAs/AlGaAs 적층구조 즉, (Al)GaAs/Al(Ga)As 의 적층구조를 가지는 하부 DBR(110)이 성장되어 있다.
상기 하부 DBR(110) 위에는 활성층(151) 및 이 상하의 크래드 레이어(152)를 구비하는 활성영역(150)이 성장되어 있다. 여기에서 활성층(151)에는 InGaAs 양자우물(Quantum well), InGaAsN 양자우물, In(Ga)(N)As 양자점(Quantum dot) 중 하나와 그 상하의 장벽층(barrier layer) 이 포함된다.
그리고 활성영역(150)의 상부에는 GaAs/AlAs 또는 AlGaAs/AlGaAs 적층구조 즉, (Al)GaAs/Al(Ga)As 의 적층구조를 가지는 상부 DBR(160)이 성장되어 있다.
상기 상부 DBR(160)의 상부에서 레이저가 진행하는 중앙영역(w)의 양쪽에 상부 금속전극(170)이 형성되어 있다.
위의 구조에서 상기 PIN 다이오드(120)가 하부 DBR의 하부에 마련된 것으로 설명되었으나, 다른 실시예에 따르면, 상기 PIN 다이오드(120)가 상기 하부 DBR 중간에 마련될 수 있다. 즉, 상기 PIN 다이오드(120)는 하부 DBR 을 성장하는 과정 중에 같이 성장될 수 있다.
<<실시예 2>>
도 4를 참조하면, 그 저면에 하부 금속 전극(210)이 형성되어 있는 InP 기판(200) 상에 포토디텍터로서의 AlGa/GaAs/AlGaAs 적층구조를 가지는 PIN 다이오드(120)가 결정성장에 의해 형성되어 있다.
상기 기판이 InP인 경우, 활성영역은 InGaAsP 양자우물, InGaAlAs 양자우물, InGaAs 양자우물, In(Ga)(N)As 양자점, AlGaAsSb 양자우물 중의 어느 하나를 포함하는 것이 바람직하다.
상기 다이오드(220)의 양쪽 어깨부분에 중간 금속전극(230) 이 형성되어 있다. 그리고 다이오드(220)의 중간부분에 VISEL의 한 구성요소로서, InP/InGaAsP 또는 InP/InGaAlAs를 가지는 하부 DBR(210)이 성장되어 있다.
상기 하부 DBR(210) 위에는 활성층(251) 및 이 상하의 크래드 레이어(252)를 구비하는 활성영역(250)이 성장되어 있다. 여기에서 활성층(251)에는 활성영역은 InGaAsP 양자우물, InGaAlAs 양자우물, InGaAs 양자우물, In(Ga)(N)As 양자점, AlGaAsSb 양자우물 중 하나와 그 상하의 장벽층(barrier layer)이 포함된다.
그리고 활성영역(250)의 상부에는 InP/InGaAsP 또는 InP/InGaAlAs의 적층구조를 가지는 상부 DBR(260)이 성장되어 있다.
상기 상부 DBR(260)의 상부에서 레이저가 진행하는 중앙영역(w)의 양쪽에 상부 금속전극(270)이 형성되어 있다.
위의 구조에서 역시 상기 PIN 다이오드(220)가 하부 DBR(240)의 하부에 마련된 것으로 설명되었으나, 다른 실시예에 따르면, 상기 PIN 다이오드(220)가 상기 하부 DBR(240)의 중간에 마련될 수 있다. 즉, 상기 PIN 다이오드(220)는 하부 DBR(240) 을 성장하는 과정 중에 같이 성장될 수 있다.
상기한 바와 같은 본 발명의 레이저는 기판과 활성영역의 사이, 즉 사용되지 않는 레이저가 진행하는 영역에 포토디텍터가 마련되어 있으므로 실제 사용되는 레이저의 감소가 나타나지 않는다. 이러한 본 발명은 장파장의 레이저가 기판 측으로 진행할때 기판에 의한 흡수가 나타나지 않는 점을 고려한 것으로서 만약에 단파장의 레이저 인 경우 기판에 의한 레이저의 흡수가 불가피하고 따라서 정밀한 광검출이 어렵다. 그러나, 본 발명은 장파장 레이저를 발진하는 구조 하에서 기판에 의한 레이저의 흡수가 적고 따라서 정밀한 광검출 및 이에 따른 레이저의 이득 제어가 가능하게 된다.
이러한 발명의 레이저는 VCSEL구조 성장시 먼저 기판에 포토디텍터를 먼저 성장하고 그 위에 하부 DBR, 활성층을 포함한 활성영역 및 상부 DBR을 순차적으로 성장함으로써 얻을 수 있다. 이러한 결정 성장 이후에 식각방법에 의해 하부 DBR아래 포토다이오드 상부가 노출되게 한 후 중간 금속전극을 형성한다. 이 중간 금속전극은 포토다이오드 및 VCSEL 의 공통전극으로 사용된다.
여기에서 상기한 바와 같이 포토디텍터(120, 220) 상부에 형성되는 기둥 형태의 VCSEL 구조는 자발방출된 빛이 포토다이오드에 흡수되어 노이즈로 작용하는것을 감소시켜주는 역할도 한다. 따라서, 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이 기판(100, 200) 위의 광검출기(120, 220)의 양 쪽 어깨부분이 노출되게 하여 그 상부의 VCSEL의 폭이 좁혀진 기둥형상을 가지도록 하는 것이 바람직하다. 따라서, 이와 같은 구조에서는 하부 DBR쪽으로 나오는 빛이 그 아래에 마련된 포토다이오드에 수광되어 광출력을 검출할수 있게 된다.
상기와 같은 본 발명은 장파장용 레이저에 사용되는 기판의 장파장에 대한 비흡수성을 이용한다. 이는 발진파장에 비해 기판의 에너지 밴드갭이 크기 때문인 것이다. 즉, 본원 발명의 레이저는 장파장 레이저에서 발진파장에 비해 에너지 밴드갭이 ㅎ큰 기판, 즉 GaAs 기판 또는 InP 기판을 적용하며, 그 위에 레이징 구조 및 광 검출구조가 일체적으로 결정성장된 구조를 가진다.
이러한 본 발명의 레이저는 광통신 분야 등 장파장의 레이저가 이용되는 어떠한 분야에도 적용될 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 한해서 정해져야 할 것이다.
도 1은 광검출기가 부착된 종래 수직 면발광 레이저의 일례를 보이는 개략적 수직 단면도이다.
도 2는 종래 수직 면발광 레이저에서 광검출기로 입사하는 레이저 빔 및 자발발광의 진행을 설명하는 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 수직 면발광 레이저의 한 실시예를 보이는 개략적 단면도이다.
도 3a는 도 3에도시된 본 발명에 따른 수직 면발광 레이저에 적용되는 본딩층의 평면구조를 보인다.
도 4는 본 발명에 따른 수직 면발광 레이저에서 광검출기로 입사하는 레이저 빔 및 자발발광의 진행을 설명하는 도면이다.

Claims (9)

  1. 반도체 기판과;
    상기 기판 상에 성장된 다중의 하부 DBR 층과;
    상기 하부 DBF 층 위에 성장된 다중의 반도체 물질층에 의한 활성영역;과
    상기 활성영역 위에 성장된 다중의 상부 DBR 층;을 포함하고,
    상기 하부 DBR 층은 상기 활성영역으로 부터 발생된 레이저 중 상기 기판으로 향하는 레이저를 검출하는 포토디텍터를 포함하는 것을 특징으로 하는 장파장 수직면발광레이저.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 포토디텍터는 DBR 층의 중간 또는 상기 DBR의 하부에 마련되는 것을 특징으로 하는 장파장 수직면발광레이저.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 포토디텍터의 상부에서 상기 하부 DBR, 활성영역 및 상부 DBR에 의한 구조체가 기둥형상으로 형성되고, 상기 포토디텍터의 상부 양측에 노출되어 있는 것을 특징으로 하는 장파장 수직면발광레이저.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 기판은 GaAs, InP 중의 어느 하나인 것을 특징으로 하는 장파장 수직면발광레이저.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 기판은 GaAs, InP 중의 어느 하나인 것을 특징으로 하는 장파장 수직면발광레이저.
  6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 기판은 GaAs 기판이며,
    상기 활성영역은 InGaAs 양자우물(Quantum well), InGaAsN 양자우물, In(Ga)(N)As 양자점(Quantum dot) 중 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 장파장 수직면발광레이저.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상ㄱ DBR은 (Al)GaAs/Al(Ga)As의 적층구조를 가지는 것을 특징으로 하는 장파장 수직면발광레이저.
  8. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 기판이 InP 기판이며,
    상기 활성영역은 InGaAsP 양자우물, InGaAlAs 양자우물, InGaAs 양자우물, In(Ga)(N)As 양자점, AlGaAsSb 양자우물 중의 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 장파장 수직면발광레이저.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 상하 DBR은 InP/InGaAsP 또는 InP/InGaAlAs 의 적층구조를 가지는 것을 특징으로 하는 장파장 수직면발광레이저.
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