KR20050112703A - 수직공진 표면발광 레이저 다이오드 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 수직공진 표면발광 레이저 다이오드는, 오믹접촉층(52) 상에는 오믹접촉층(52)의 중앙부분을 노출시키는 금속전극층(70)이 적층되며, 금속전극층(70)에 의해 노출되는 오믹접촉층(52)의 중앙부분 상에는 전류 주입구(40b)의 상부에 위치하면서 전류 주입구(40b)보다 작은 크기를 갖는 상부 제2거울층(50b)이 적층되며, 금속전극층(70)에 의해 노출되는 오믹접촉층(52)의 중앙부분 상에는 상부 제2거울층(50b)을 포함하면서 오믹접촉층(52)의 표면을 덮는 표면 보호막(60)이 적층되어, 상부 제2거울층(50b)이 있는 부분을 통해서만 단일모드의 레이저 광이 출력되는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의하면, 레이저가 출사되는 부분에서는 충분한 공진이 일어날 수 있도록 상부 거울층을 두껍게 하고 그 외의 부분에서는 반사도가 낮아 공진이 제대로 되지 않도록 상부 거울층을 얇게 형성시킴으로써, 전류 주입구(40b)의 크기를 작게 하지 않으면서도 단일모드의 광특성을 얻을 수 있게 된다.

Description

수직공진 표면발광 레이저 다이오드{Vertical-cavity surface-emitting laser diode}
본 발명은 수직공진 표면발광 레이저 다이오드(VCSEL)에 관한 것으로서, 특히, 단일모드의 광출력 특성을 갖는 수직공진 표면발광 레이저 다이오드에 관한 것이다.
수진공진 표면발광 레이저 다이오드는 에지(edge) 발광 레이저 다이오드에 비해 제작비용이 싸고, 저전력 고속구동이 가능하며, 출사광의 원형모양 특성으로 인해 광파이버와의 결합효율이 좋아 광통신 및 광센서등 여러 분야에 응용된다.
수직공진 표면발광 레이저 다이오드는 특성측면에서 다중모드와 단일모드로 구분할 수 있는데, 광센서 및 프린터에 있어서는 원형의 가우시안 빔이 요구되기 때문에 단일횡모드 수직공진 표면발광 레이저 다이오드가 필요하다.
도 1a 내지 도 1e는 종래의 수직공진 표면발광 레이저 다이오드의 제조방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
먼저, 도 1a에 도시된 바와 같이, 기판(10) 상에 하부 거울층(20), 활성층(30), 전류 가이드층(40), 상부 거울층(50), 오믹접촉층(52), 및 표면 보호층(60)을 순차적으로 형성하고, 표면 보호층(60) 상에 동그란 모양의 감광막 패턴(80a)을 형성한다.
그리고, 도 1b에 도시된 바와 같이, 감광막 패턴(80a)을 식각 마스크로 하여 하부 거울층(20)이 노출될 때까지 상기 결과물을 메사(mesa) 식각한 후에 감광막 패턴(80a)을 제거하고, 전류 가이드층(40)의 측면부를 산화시킨다. 전류 가이드층(40)의 측면이 전부 노출되면 족하기 때문에 도면과 달리 활성층(30)은 식각되지 않을 수도 있다.
전류 가이드층(40)은 AlGaAs로 이루어질 수 있는데 이를 400℃ 이상의 습식산화 분위기에 노출시키면 Al 성분이 측면쪽에서부터 산화되어 측면부(40a)는 산화되고, 중앙부(40b)는 산화되지 않고 동그란 모양으로 존재하게 된다. 중앙부(40b)가 전류 주입구가 되어 이 부분으로 전류나 광이 통과하게 된다. 전류 주입구(40b)는 상기 측면 산화방식 대신에 이온주입방식으로도 형성시킬 수 있다.
다음에, 도 1c에 도시된 바와 같이, 단차극복 및 타부분과의 고립(isolation)을 위해서 메사식각된 부분에 폴리이미드(polyimide) 또는 BCB를 채워놓고 경화시켜 평탄화층(55)을 형성한다. 그리고, 표면 보호층(60) 상에 동그란 모양의 감광막 패턴(80b)을 형성한다.
그리고, 도 1d에 도시된 바와 같이 감광막 패턴(80b)을 식각 마스트로 하여 오믹접촉층(52)이 노출될 때까지 표면 보호층(60)을 식각한다.
표면 보호층(60) 식각이 완료되면 그 결과물 상에 금속전극층(70)을 증착하고 감광막 패턴(80b)을 제거하는 리프트-오프(lift-off) 공정을 거친다. 그러면, 도 1e에 도시된 바와 같이 금속전극층(70)이 오믹접촉층(52)에 접촉되면서 그 가운데 동그란 부분에 위치하는 오믹접촉층(52)의 표면이 표면 보호층(60)에 의해 보호되는 결과물이 형성된다. 마지막으로, 기판(10)의 뒷면에 금속전극층(80)을 형성한다.
활성층(20)에서 나오는 빛은 전류 주입구(40b)를 거쳐 결국에는 출사구(A)를 통해서 외부로 출사된다.
단일모드의 광출력 특성을 얻기 위해서는 전류 주입구(40b)의 크기를 작게 하는 방법, 또는 출사구(A)의 크기를 작게하는 방법을 들 수 있다.
전자의 경우는 전류 주입구(40b)의 크기를 5㎛ 정도로 작게 만들어야 하기 때문에 저항이 커지는 문제를 가지고 있으며, 또한 측면산화를 이용하여 전류 주입구(40b)를 만드는 경우에는 산화된 부분과 산화되지 않은 부분의 큰 굴절률 차이로 인해 빔의 발산각이 커지는 단점을 가지고 있다.
후자의 경우는 도2에 도시된 바와 같이 출사구(A＇)가 전류 주입구(40b)보다 작게 되는데, 이 때에는 낮은 전류에서는 선형적인 단일모드 특성을 갖는 광출력을 얻을 수 있지만 높은 전류에서는 금속전극층(70)에 의해 갇혀 있던 고차모드의 빔이 공간상 단일모드 영역으로 출사됨으로 인해 단일모드에서 다중모드로의 전이가 일어나는 문제가 발생한다. 이 경우, 단일모드에서 다중모드로 바뀌는 지점에서 출사광의 세기가 달라지는 현상, 즉 출사광의 불연속적인 변화(kink)가 발생하는데 이러한 현상은 실제 소자의 응용에 있어 심각한 문제를 야기시킬 수 있기 때문에 단일모드 구현에 좋은 방법이 되지 못한다.
따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 상부 거울층(50)을 적절히 설치함으로써 전류 주입구(40b)의 크기를 작게 하지 않으면서도 상술한 종래의 문제점을 해결할 수 있는 단일모드의 광출력 특성을 갖는 수직공진 표면발광 레이저 다이오드를 제공하는 데 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 예에 따른 수직공진 표면발광 레이저 다이오드는, 기판 상에 하부 거울층, 활성층, 전류/광이 통과하는 전류 주입구가 중앙부분에 형성된 전류 가이드층, 상부 제1거울층, 및 오믹접촉층이 순차적으로 적층되고, 상기 오믹접촉층 상에는 상기 오믹접촉층의 중앙부분을 노출시키는 금속전극층이 적층되며, 상기 금속전극층에 의해 노출되는 오믹접촉층의 중앙부분 상에는 상기 전류 주입구의 상부에 위치하면서 상기 전류 주입구보다 작은 크기를 갖는 상부 제2거울층이 적층되며, 상기 금속전극층에 의해 노출되는 오믹접촉층의 중앙부분 상에는 상기 상부 제2거울층을 포함하면서 상기 오믹접촉층의 표면을 덮는 표면 보호막이 적층되어, 상기 상부 제2거울층이 있는 부분을 통해서만 단일모드의 레이저 광이 출력되는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 상부 제2거울층은 도전성을 부여하기 위한 도펀트를 포함하지 않는 것이 바람직하다. 그리고, 상기 상부 제2거울층은 GaAs층과 AlAs층이 번갈아 적층되어 이루어지는 것일 수 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 다른 예에 따른 수직공진 표면발광 레이저 다이오드는, 기판 상에 하부 거울층, 활성층, 전류/광이 통과하는 전류 주입구가 중앙부분에 형성된 전류 가이드층, 상부 제1거울층, 및 오믹접촉층이 순차적으로 적층되며, 상기 오믹접촉층의 중앙부분 상에는 상기 전류 주입구보다 더 작은 크기로 상기 오믹접촉층을 노출시키는 개구부를 갖는 도전성의 재성장 평탄화층이 형성되며, 상기 재성장 평탄화층의 개구부 내에는 상부 제2거울층과 표면 보호층이 순차적으로 적층되며, 상기 재성장 평탄화층 상에는 금속전극층이 형성되어, 상기 상부 제2거울층이 있는 부분을 통해서만 단일모드의 레이저 광이 출력되는 것을 특징으로 한다.
여기서도, 상기 상부 제2거울층은 도전성을 부여하기 위한 도펀트를 포함하지 않는 것이 바람직하며, 또한, GaAs층과 AlAs층이 번갈아 적층되어 이루어지는 것일 수 있다.
상기 재성장 평탄화층은 도전성을 부여하기 위한 도펀트를 함유하는 것이 바람직하다.
상기 재성장 평탄화층은 GaAs, InGaAs, 또는 InP 으로 이루어지는 것일 수 있다.
이하에서, 본 발명의 바람직한 실시예들을 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 도면에 있어서, 종래기술과 동일한 참조번호는 동일 기능을 수행하는 구성요소를 나타내며 반복적인 설명은 생략한다.
아래의 실시예들은 본 발명의 내용을 이해하기 위해 제시된 것일 뿐이며 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상 내에서 많은 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명의 권리범위가 이들 실시예에 한정되어지는 것으로 해석되어져서는 안된다.
[실시예 1]
도3은 본 발명의 제1실시예에 따른 단일모드 수직공진 표면발광 레이저 다이오드를 설명하기 위한 단면도이다.
기판(10) 상에는 하부 거울층(20), 활성층(30), 전류/광이 통과하는 전류 주입구(40b)가 중앙부분에 형성된 전류 가이드층(40), 상부 제1거울층(50a), 및 오믹접촉층(52)이 순차적으로 적층된다. 오믹접촉층(52) 상에는 오믹접촉층(52)의 중앙부분을 노출시키는 금속전극층(70)이 적층된다. 기판(10)의 뒷면에도 금속전극층(80)이 형성된다.
기판(10)은 n형, p형, 또는 도펀트가 도핑안된 GaAs나 InP로 이루어질 수 있다. 하부 거울층(20)은 기판(10)이 n형인 경우에는 n형 도펀트가 도핑된 것이 바람직하고, 기판(10)이 p형인 경우에는 p형 도펀트가 도핑되는 것이 바람직하며, 기판(10)이 도핑안된 경우에는 n형 또는 p형의 적절한 도펀트를 사용하면 된다.
하부거울층(20) 및 상부 제1거울층(50a)은 예컨대, Al(16%)Ga(84%)As와 Al(92%)Ga(8%)As층을 교번하여 적층하여서 만들어진 것일 수 있는데, 이 때, 각 층은 레이저 파장의 1/4 광두께를 가지는 것이 바람직하며, 전기저항을 줄이기 위해 조성비 변화와 1~5E18의 농도 범위내에서 적절한 도핑이 이루어져야 한다.
활성층(30)은 GaAs, AlGaAs, InGaAs, InGaAsSb, InGaAlAs, InGaAsN, GaAsP, InGaP, InP 및 상기 물질들의 조합으로 이루어진 하나 이상의 양자우물로 이루어질 수 있다.
금속전극층(70)에 의해 노출되는 오믹접촉층(52)의 중앙부분 상에는 전류 주입구(40b)의 상부에 위치하도록 상부 제2거울층(50b)이 적층된다. 상부 제2거울층(50b)은 전류 주입구(40b)보다 작은 크기를 갖는다.
상부 제1거울층(50a)은 전기전도도가 좋아야 하는 반면에 상부 제2거울층(50b)은 전기전도와는 무관하므로 도핑되지 않은 층들을 교번하여 적층하여서 형성하는 것이 바람직하고, 층들 사이의 굴절률은 차이가 큰 것이 바람직하다.
상부 제2거울층(50b)에 도핑이 이루어지 않더라도 전류가 금속전극층(70), 오믹접촉층(52), 상부 제1거울층(50a), 및 전류 주입구(40b)를 거쳐 활성층(30)으로 흐를 수 있다. 이렇게 상부 제2거울층(50b)에 도핑을 하지 않으면 자유 캐리어에 의한 광 흡수가 줄어들어 소자의 열 특성이 향상된다.
상부 제2거울층(50b)은 전기적 특성에 전혀 무관하므로 광특성에 효과적인 측면만을 고려하여 성장시키면 된다. 즉, 상부 제2거울층(50b)을 이루는 층들 사이의 굴절률 차이를 크게 함으로써 적은 층수로서 반사도를 높일 수 있게 된다. 예컨대, GaAs 기판을 사용할 경우 상부 제2거울층(50b)을 GaAs와 AlAs를 교번 적층하여 형성하면, AlGaAs의 일원계 물질을 조성을 달리하여 여러층 교번 적층하는 경우에 비해 적은 층수로 높은 반사도를 얻을 수 있으며, GaAs와 AlAs가 AlGaAs보다 열전도도가 좋기 때문에 열전도성이 좋다는 이중 효과를 얻을 수 있다.
금속전극층(70)에 의해 노출되는 오믹접촉층(52)의 중앙부분 상에는 제2거울층(50b)을 포함하면서 오믹접촉층(52)의 표면을 덮도록 표면 보호막(60)이 적층된다.
본 발명에 따르면, 금속전극층(70)에 의해 노출되는 오믹접촉층(52)의 중앙부분에는 오믹접촉층(52)을 사이에 개재한 상태로 상부 제1거울층(50a)과 상부 제2거울층(50b)이 겹쳐서 존재하게 되고, 가장자리 부분에는 상부 제1거울층(50a)만 존재하게 된다. 따라서, 오믹접촉층(52)의 중앙부분에서는 거울층에 의한 반사도가 높은 반면에 가장자리 부분은 반사도가 낮게 된다.
결국, 상부 제2거울층(50b)과 금속전극층(70) 사이의 틈새영역(T)에서는 반사도가 낮기 때문에 공진이 제대로 이루어지지 않아 레이저 출사가 이루어지지 않고, 상부 제2거울층(50b)이 있는 부분을 통해서만 단일모드의 레이저 출사가 이루어진다.
상부 제2거울층(50b)이 있는 부분을 통해서 단일모드의 레이저 출사가 이루어지려면 상부 제1거울층(50a) 및 상부 제2거울층(50b)의 전체 두께가 적어도 99.5% 이상의 반사도를 갖을 정도로 두꺼워야 한다.
상부 제2거울층(50b)이 두꺼울 경우에는 굴절률 차이가 커짐으로 인한 출사광의 발산각이 커지는 문제가 생길 수 있기 때문에 상부 제1거울층(50a)과 상부 제2거울층(50b)이 이루는 전체두께에서 상부 제2거울층(50b)이 차지하는 두께를 작게 하는 것이 좋다.
그러나, 상부 제1거울층(50a)이 두꺼우면 틈새영역(T)에서의 반사도가 어느 정도 커지게 되어 틈새영역(T)에서 레이저 출사가 이루어질 가능성이 많아 바람직하지 않게 되므로, 이를 방지하기 위하여 틈새영역(T)에서 표면 보호층(60)과 공기층에서 반사된 광이 상부 제1거울층(51a)에서 반사되는 광과 180도 위상반전 되도록 하여 틈새영역(T)에서의 반사도 감소에 일조하도록 하는 것이 바람직하다.
또한, 금속전극층(70)에서 반사되는 광이 상부 제1거울층(51a)에서 반사되는 광과 180도 위상반전 되도록 하여 금속전극층(70)의 아래에 위치하는 전류퍼짐영역(S)에서의 공진효율을 감소시키는 것이 바람직하다. 공진효율이 감소되면 공진에 의한 전류소모도 줄게 되어 바람직하다.
틈새영역(T)에서 레이저 출사가 이루어지지 않으면 그 아래 부분에 위치하는 활성층(30)에서의 캐리어 소모가 작아져서 임계전류도 작아지며 양자효율도 좋아진다.
[실시예 2]
도4는 본 발명의 제2실시예에 따른 단일모드 수직공진 표면발광 레이저 다이오드를 단면도이다.
기판(10) 상에는 하부 거울층(20), 활성층(30), 전류/광이 통과하는 전류 주입구(40b)가 중앙부분에 형성된 전류 가이드층(40), 상부 제1거울층(50a), 및 오믹접촉층(52)이 순차적으로 적층된다.
오믹접촉층(52)의 중앙부분 상에는 전류 주입구(40b)보다 더 작은 크기로 오믹접촉층(52)을 노출시키는 개구부를 갖는 도전성의 재성장 평탄화층(55a)이 형성된다.
재성장 평탄화층(55a)의 개구부 내에는 상부 제2거울층(50b)과 표면 보호층(60)이 순차적으로 적층되고, 재성장 평탄화층(55a) 상에는 금속전극층(70)이 형성된다.
재성장 평탄화층(55a)은 굴절율이 큰 물질을 사용하는 것이 바람직한데, 상부 제2거울층(50b)이 존재하지 않는 부분에 굴절률이 큰 물질을 채우면 굴절률 차이에 의한 고차모드의 손실이 크게 되어 출사광의 발산각을 줄일 수 있게 되어 바람직하다.
재성장 평탄화층(55a)은 기판에 따라 GaAs, InGaAs, 또는 InP 등의 물질로 형성시킬 수 있는데, 전류통로로서의 역할도 해야 하므로 고농도 도핑되는 것이 바람직하다.
상술한 바와 같이 본 발명에 의하면, 레이저가 출사되는 부분에서는 충분한 공진이 일어날 수 있도록 상부 거울층을 두껍게 하고 그 외의 부분에서는 반사도가 낮아 공진이 제대로 되지 않도록 상부 거울층을 얇게 형성시킴으로써, 전류 주입구(40b)의 크기를 작게 하지 않으면서도 단일모드의 광특성을 얻을 수 있게 된다.
도 1a 내지 도 1e는 종래의 수직공진 표면발광 레이저 다이오드의 제조방법을 설명하기 위한 단면도들;
도 2는 종래의 수직공진 표면발광 레이저 다이오드를 설명하기 위한 단면도;
도3은 본 발명의 제1실시예에 따른 단일모드 수직공진 표면발광 레이저 다이오드를 설명하기 위한 단면도;
도4는 본 발명의 제2실시예에 따른 단일모드 수직공진 표면발광 레이저 다이오드를 단면도이다.
< 도면의 주요 부분에 대한 참조번호의 설명 >
10: 기판 20: 하부 거울층
30: 활성층 40: 전류 가이드층
40b: 전류 주입구 50: 상부 거울층
52: 오믹접촉층 55: 평탄화층
55a: 재성장 평탄화층 60: 표면 보호층
70, 80: 금속전극층 80a, 80b: 감광막 패턴
A, A｀: 출사구 T: 틈새영역
S: 전류퍼짐영역

Claims (6)

  1. 기판 상에 하부 거울층, 활성층, 전류/광이 통과하는 전류 주입구가 중앙부분에 형성된 전류 가이드층, 상부 제1거울층, 및 오믹접촉층이 순차적으로 적층되고,
    상기 오믹접촉층 상에는 상기 오믹접촉층의 중앙부분을 노출시키는 금속전극층이 적층되며,
    상기 금속전극층에 의해 노출되는 오믹접촉층의 중앙부분 상에는 상기 전류 주입구의 상부에 위치하면서 상기 전류 주입구보다 작은 크기를 갖는 상부 제2거울층이 적층되며,
    상기 금속전극층에 의해 노출되는 오믹접촉층의 중앙부분 상에는 상기 상부 제2거울층을 포함하면서 상기 오믹접촉층의 표면을 덮는 표면 보호막이 적층되어,
    상기 상부 제2거울층이 있는 부분을 통해서만 단일모드의 레이저 광이 출력되는 것을 특징으로 하는 수직공진 표면발광 레이저 다이오드.
  2. 기판 상에 하부 거울층, 활성층, 전류/광이 통과하는 전류 주입구가 중앙부분에 형성된 전류 가이드층, 상부 제1거울층, 및 오믹접촉층이 순차적으로 적층되며,
    상기 오믹접촉층의 중앙부분 상에는 상기 전류 주입구보다 더 작은 크기로 상기 오믹접촉층을 노출시키는 개구부를 갖는 도전성의 재성장 평탄화층이 형성되며,
    상기 재성장 평탄화층의 개구부 내에는 상부 제2거울층과 표면 보호층이 순차적으로 적층되며,
    상기 재성장 평탄화층 상에는 금속전극층이 형성되어,
    상기 상부 제2거울층이 있는 부분을 통해서만 단일모드의 레이저 광이 출력되는 것을 특징으로 하는 수직공진 표면발광 레이저 다이오드.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 상부 제2거울층은 도전성을 부여하기 위한 도펀트를 포함하지 않는 것을 특징으로 하는 수직공진 표면발광 레이저 다이오드.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 상부 제2거울층이 GaAs층과 AlAs층이 번갈아 적층되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 수직공진 표면발광 레이저 다이오드.
  5. 제2항에 있어서, 상기 재성장 평탄화층은 도전성을 부여하기 위한 도펀트를 함유하는 것을 특징으로 하는 수직공진 표면발광 레이저 다이오드.
  6. 제2항에 있어서, 상기 재성장 평탄화층은 GaAs, InGaAs, 또는 InP 으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 수직공진 표면발광 레이저 다이오드.
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