KR20050019485A - 광검출소자가 일체적으로 형성되는 수직 면발광 레이저 - Google Patents

광검출소자가 일체적으로 형성되는 수직 면발광 레이저 Download PDF

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Abstract

광검출기가 일체적으로 부착된 수직 면발광 레이저에 관해 개시한다. 개시된 면발광 레이저는 그 저면에 소정 직경의 윈도우를 가지는 본딩층에 의해 광검출기 부착된다. 본딩층은 유택틱 본딩층이다. 상기 윈도우에는 에어갭이 존재하며, 따라서 에어갭을 통해서는 주로 레이저 빔이 통과하며, 비슷하게 입사하는 자발발광에 의한 빛은 대부분이 본딩층에 의해 차단되며 일부 윈도우로 진행하는 빛은 반도체층 및 에어의 높은 굴절율 차에 의해 윈도우를 통해 광검출기로 진행하기 어렵다. 유택틱 본딩층은 수직 면발광 레이저와 광검출기간의 계면에서 발생되는 전압강하를 크게 줄이며, 제품의 대량생산이 가능하도록 한다.

Description

광검출소자가 일체적으로 형성되는 수직 면발광 레이저{Vertical cavity Surface Emitting Laser with integrated photodetector}
본 발명은 수직면발광 레이저(Vertical cavity Surface Emitting Laser, VCSEL)에 관한 것으로서, 상세히는 광검출기(photodetector)가 일체적으로 접합되어 있는 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 확산에 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 접합(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 접합에 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.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 광검출기에 대한 자발 발광의 입사를 억제하고 레이저 빔의 입사 비율은 높임으로써 보다 정밀한 레이저 빔 출력을 검출할 수 있는 수직면발광 레이저를 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 광검출기의 접합 계면에서의 전압강하가 억제되는 구조를 가짐으로써 입력 전압이 낮추어진 수직면발광 레이저를 제공하는 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 수직면발광 레이저는:
레이저 발진이 이루어지는 활성영역;과 상기 활성영역 상하의 반도체물질층;을 포함하는 레이징 구조체;와
상기 반도체물질 적층의 하부에 마련되는 광검출기;와 그리고
상기 반도체물질 적층과 상기 광검출기의 사이에 마련되며, 상기 활성영역으로 부터의 레이저 빔이 통과하는 국부적 윈도우를 가지는 도전성 접착층;을 포함하는 구조를 가진다.
상기 본 발명의 레이저의 한 실시예에 따르면, 상기 도전성 접착층은 유텍틱 본딩층이다. 상기 본딩층은 소정의 두께를 가지며, 상기 윈도우영역에서 상기 레이징 구조체와 광검출기 간에 에어갭이 존재한다.
또한 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 상기 윈도우는 상기 레이징 구조체에서 발생된 레이저 빔의 진행축 상에 형성된다.
한편, 본 발명의 구체적인 다른 한 실시예에 따르면, 상기 광검출기는 상기 레이징 구조체를 지지하는 서브마운트로서의 기능을 가진다.
한편, 본 발명의 바람직한 또 다른 실시예에 따르면, 상기 하부 반도체물질층에 기판이 포함된다.
상기 본 발명의 레이저에 있어서, 상기 기판은 GaAs, InP 중의 어느 하나의 물질로 된 기판이다.
상기 기판이 GaAs 기판인 경우, 상기 활성영역은 InGaAs 양자 우물, InGaAnN 양자 우물, In(Ga)(N)As 양자점(quantum dot) 중의 어느 하나로 된 활성층을 구비한다.
또한 상기 상기 기판이 InP 기판인 경우, 상기 활성영역은 InGaAsP 양자 우물, InGaAlAs 양자 우물, InGaAs 양자우물, In(Ga)(N)As 양자우물 또는 양자점, AlGaAsSb 양자 우물 중의 어느 하나로 된 활성층을 구비한다.
이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 수직면발광 레이저의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다.
도 2는 상부 반도체물질층에 리지(ridge)가 마련된 수직면발광 레이저의 실시예를 개략적으로 도시한다. 이하에서 설명되는 VCSEL은 레이징이 일어나는 활성영역 및 이 상하의 반도체물질층을 포함하는 레이징 구조체를 구비하며, 이 구조체는 알려진 구조를 가진다. 따라서 레이징 구조체의 구체적인 구조는 본발명의 기술적 범위를 제한하지 않는다.
도 3에 도시된 바와 같이 레이징 구조체(100)의 중앙에 레이저 공진이 일어나는 공동부(cavity)로서의 활성영역(110)을 중심으로 그 상하에 DBR(distributed Bragg reflectors) 에 의한 상하부 반도체 물질층(120, 130)이 마련되어 있다. 여기에서 상기 하부 반도체물질층(130)은 기판을 포함하며, 편의상 표시하지 않았다. 한편, 중앙부분의 활성영역(110)은 가운데 부분의 양자우물층(quantum well layer, 111a)과 그 상하의 장벽층(barrier layer, 111b, 111c)를 갖춘 활성층(111)과 활성층(111) 상하의 크래드 레이어(112, 113)를 구비한다. 상기 활성영격(110)의 상하에는 리지(120a)가 그 상부에 형성되는 상부 미러 적층(120)과 후술되는 광검출기(130)에 대응하는 하부 미러적층(130)이 마련되어 있다. 여기에서 레이저 광이 출사하는 상기 리지(120a)의 정상면을 제외한 정상면의 가장자리 및 리지(120a)의 측면에 상부콘택 레이어(122)가 형성되어 있다.
상기와 같은 구조의 레이징 구조체(100)의 하부에는 종래와 마찬가지로 광검출기(200)가 부착된다. 이때에 본 발명에 따라서, 상기 광검출기(200)는 본딩층(300)에 의해 상기 레이징 구조체(100)의 하부에 고정된다. 이때에 본딩층(300)에는 레이저 빔의 직경에 대응하는 크기의 윈도우(310)가 형성되어 있다. 상기 본딩층(300)은 소정의 두께를 가지며 따라서 윈도우(310)가 형성되는 영역에서 상기 광검출기(200)와 레이징 구조체, 즉 VCSEL의 사이에 에어갭이 존재한다. 이 에어갭으로는 상기 활성영역으로 부터 발진된 후 수직으로 입사하는 레이저 빔이 통과하는 영역으로서 이영역으로 비스듬한 방향으로 입사하는 자발발광에 의한 빛에 대해서는 광필터로서 작용하여 자발발광에 의한 빛이 광검출기(200)로 입사되지 못하도록 한다.
여기에서 상기 본딩층(300)은 상기 윈도우(310)를 필수적으로 가지며, 한편으로는 금속본딩, 유텍틱 본딩이 적용되는 것이 바람직하며, 한편으로는 일반적인 접착층(adhesion)이 적용될 수 있다. 상기 광검출기(200)는 편의상 극히 단순하게 도시되었으나, 이는 이미 알려져 있는 그러한 구조를 가지며, 이러한 구조는 본 발명의 기술적 범위를 제한하지 않는다.
상기 본딩층(300)은 도 3a에 되시된 바와 같이 중앙부분에 상기 레이징 구조체(100)로 부터의 레이저 빔이 통과하는 원형의 윈도우(310)를 가진다. 이 윈도우(310)의 크기 및 형상은 설계조건에 의해 다양화될 수 있다.
상기한 바와 같이 본 발명은 금속본딩을 이용하여 레이징 구조체 즉, VCSEL과 광검출기 예를 들어 PIN 광검출기를 접합한다. 이러한 금속접합은 양산체제에 적합하다. 특히 이러한 금속접합은 VCSEL과 광검출기의 접합계면에서의 전압강하를 크게 감소시킨다. 또한 이러한 본딩층에 레이저 모니터에 필요한 레이저 빔만 주로 통과시키기 위한 윈도우를 마련함으로써 자발발광에 의한 빛을 차단한다. 따라서 도 4에 도시된 바와 같이 광검출기(200)의 윈도우(310)를 통과한 광 만이 입사되게 되는데 이 윈도우는 발진된 레이저 빔이 주로 통과하는 영역, 즉 레이저 빔 진행축상, 다시 말해서 VCSEL에 대해 수직방향으로 진행하는 축상에 마련됨으로써 이 축을 통해 입사하는 레이저 빔이 통과하게 된다. 이때 비록 자발발광에 의한 광선이 수직방향으로 입사한다 하여도 다른 영역에서는 본딩층(300)에 의해 차단되기 때문에 실제 광검출기(200)로 입사하는 광량이 레이저 빔의 광량에 비해 비율면에서 극히 적기 때문에 보다 정밀한 레이저 빔의 모니터가 가능하게 된다.
본 발명에 있어서, 상기 윈도우의 직경은 일반적으로 1um 이상, 100um 이하인 것이 바람직하다. 여기에서 상기 VCSEL과 광검출기를 접하하는 본딩층에 의하면, 전술한 바와 같이 윈도우 영역에서 상기 VCSEL과 광검출기 간에 에어갭이 형성된다. 이 에어갭은 반도체층 및 공기층간의 큰 굴절율 차이에 의한 광 필터로서 작용하게 되여 윈도우에 대해 일정한 경사각을 가지고 입사하는 자발발광을 반사시키게 됨으로써 윈도우를 통한 자발발광의 입사가 더욱 억제되게 된다.
상기와 같은 금속 본딩 특히 유텍틱 본딩은 소자 분리가 이루어 지지 않은 웨이퍼 상태, 즉 VCSEL 웨이퍼와 광검출기 웨이퍼를 접합하여 구현될 수도 있으며, 한편으로는 웨이터로 부터 분리된 각각의 칩 상태, 즉 VCSEL 칩과 광검출기 칩을 개별적으로 결합하여 구현될 수도 있다.
상기와 같은 본딩층은 상기 VCSEL의 하부 전극, 예를 들어 n-형 전극 및 상기 광검출기의 일측 전극으로 사용될 수 있다.
이러한 본발명은 이와 같이 VCSEL과 포토다이오드의 접합에 의해 구현되는 장치에 관한 것으로 특정한 VCSEL의 구조나 광검출기의 종류에 제한되지 않고 적용된다.
즉, 기판에 DBR을 포함하는 하부 반도체층, 그위의 활성층을 포함하는 공진영역 즉 활성영역, 활성영역 상부의 DBR을 포함하는 상부 반도체물질층을 구비하는 VCSEL에서, 상기 VCSEL에서 방출되는 레이저 빔의 강도를 모니터하기 위한 포토다이오드가 상기 기판의 하부에 윈도우를 갖는 금속성 본딩층에 의해 접합되는 구조에 적용된다. 이러한 본 발명에 있어서,상기 윈도우는 상기 VCSEL의 레이저 빔 진행축상에 마련되는 것이 바람직하다.
위의 구조의 VCSEL에서 이를 지지하는 상기 광검출기는 전체구조물을 지지하는 서브마운트로서의 역할을 수행하게 된다. 상기 본 발명의 VCSEL에서 상기 기판은 GaAs 이고 활성층은 InGaAs 양자 우물, InGaAnN 양자 우물, In(Ga)(N)As 양자점(quantum dot) 중의 어느 하나 일 수 있다.
한편, 상기 기판은 InP가 사용될 수 있고, 이경우 활성층이 InGaAsP 양자 우물, InGaAlAs 양자 우물, InGaAs 양자우물, In(Ga)(N)As 양자우물 또는 양자점, AlGaAsSb 양자 우물 중의 어느 하나이다.
한편, 상기 본 발명에 있어서, 상기 본딩층이 유텍틱 본딩층이 아닌 일반적인 접착제에 의해 부착된다하여도 접착제에 의한 본딩층에 상기와 같은 윈도우가 있는 한 전술한 바와 같은 광학적 효과를 얻게 된다.
상기 본딩층이 유텍틱 본딩층을 적용하는 경우 VCSEL과 광검출기 간의 계면에서의 전압강하를 억제할 수 있고, 그리고 전술한 바와 같이 양산 체제에 유리하게 된다.
상기와 같은 본 발명은 접착층을 VCSEL과 광검출기간의 접착수단으로 사용할 뿐 아니라 이를 불필요광의 차단을 위한 수단으로 적용하는 것이 본 발명의 특징 중의 하나이다. 이러한 특징은 앞에서 충분히 설명되었다. 이러한 특징에 더하여 본딩층을 유텍틱본딩층을 이용하는 경우 상기와 같은 양효과 광학적 특성을 가지는 VCSEL을 대량생산할 수 있게 도와 준다.
이러한 본 발명은 레이저 빔을 이용하는 광 기록/재생장치,광 스캐너 등 다양한 분야에 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 (12)

  1. 레이저 발진이 이루어지는 활성영역;과 상기 활성영역 상하의 반도체물질층;을 포함하는 레이징 구조체;와
    상기 반도체물질 적층의 하부에 마련되는 광검출기;와 그리고
    상기 반도체물질 적층과 상기 광검출기의 사이에 마련되며, 상기 활성영역으로 부터의 레이저 빔이 통과하는 국부적 윈도우를 가지는 도전성 접착층;을 포함하는 것을 특징으로 하는 수직 면발광 레이저.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 도전성 접착층은 유텍틱 본딩층인 것을 특징으로 하는 수직 면발광 레이저.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 본딩층은 소정의 두께를 가지며, 상기 윈도우영역에서 상기 레이징 구조체와 광검출기 간에 에어갭이 존재하는 것을 특징으로 하는 수직 면발광 레이저.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 윈도우는 상기 레이징 구조체에서 발생된 레이저 빔의 진행축 상에 형성되는 것을 특징으로 하는 수직 면발광 레이저.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 윈도우는 상기 레이징 구조체에서 발생된 레이저 빔의 진행축 상에 형성되는 것을 특징으로 하는 수직 면발광 레이저.
  6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 광검출기는 상기 레이징 구조체를 지지하는 서브마운트인 것을 특징으로 하는 수직 면발광 레이저.
  7. 제 3 항에 있어서,
    상기 광검출기는 상기 레이징 구조체를 지지하는 서브마운트인 것을 특징으로 하는 수직 면발광 레이저.
  8. 제 4 항에 있어서,
    상기 광검출기는 상기 레이징 구조체를 지지하는 서브마운트인 것을 특징으로 하는 수직 면발광 레이저.
  9. 제 5 항에 있어서,
    상기 광검출기는 상기 레이징 구조체를 지지하는 서브마운트인 것을 특징으로 하는 수직 면발광 레이저.
  10. 상기 하부 반도체물질층에 기판이 포함되어 있는 것을 특징으로 하는 수직면발광 레이저.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 기판은 GaAs 기판이며,
    상기 활성영역은 InGaAs 양자 우물, InGaAnN 양자 우물, In(Ga)(N)As 양자점(quantum dot) 중의 어느 하나로 된 활성층을 구비하는 것을 특징으로 하는 수직 면발광 레이저.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 기판은 InP 기판이며,
    상기 활성영역은 InGaAsP 양자 우물, InGaAlAs 양자 우물, InGaAs 양자우물, In(Ga)(N)As 양자우물 또는 양자점, AlGaAsSb 양자 우물 중의 어느 하나로 된 활성층을 구비하는 것을 특징으로 하는 수직 면발광 레이저.
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