KR20060050164A - 공기 갭 및 보호 코팅을 갖는 ｖｃｓｅｌ - Google Patents

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Abstract

VCSEL은 거울 스택 중의 갭 및 갭의 말단을 밀봉하는 보호 층을 포함한다. 갭은, 산화물 VCSEL 중의 산화물 영역을 생기게 할 수 있는 응력을 받지 않게 하면서 VCSEL의 어퍼쳐의 경계부를 규정하고, 얇은 유전체 층일 수 있는 보호 층은 환경적 손상으로부터 거울 스택을 차폐한다. 이와 같이 VCSEL은 높은 신뢰도를 성취할 수 있다. VCSEL의 제조 방법은 산화 홀을 형성하고, 홀에 노출된 VCSEL의 거울 스택 중의 알루미늄-풍부 층의 일부를 산화시킨 후, 생성된 산화물의 전부 또는 일부를 제거하여 목적하는 갭을 형성한다. 이후 갭의 말단을 밀봉하기 위해 보호 층이 침착될 수 있다.

Description

공기 갭 및 보호 코팅을 갖는 ＶＣＳＥＬ{VCSEL HAVING AN AIR GAP AND PROTECTIVE COATING}
도 1은 통상적인 산화물 VCSEL을 도시한다.
도 2는 VCSEL의 어퍼쳐를 규정하기 위해 사용된 갭을 밀봉하는 얇은 층을 포함하는, 본 발명의 실시양태에 따른 VCSEL을 도시한다.
도 3a, 3b, 3c, 3d 및 3e는 도 2의 VCSEL을 형성하는 방법을 도시한다.
도 4는 본 발명의 실시양태에 따른 VCSEL의 상면도를 도시한다.
다른 도면에서의 동일한 참고 부호는 유사 또는 동일한 부분을 의미한다.
수직 공극 표면 발광 레이저는 반도체 가공 기법을 이용하여 제조될 수 있는 공지된 광전자 장치이다. 예컨대 도 1은 부분적 반사성 거울 스택(110)과 고도 반사성 거울 스택(130) 사이에 샌드위치된 공극 층(120)을 포함하는 통상적 산화물 VCSEL(100)의 단면도를 보여준다. 공극 층(120)은 전류가 공극 층(120)을 통해 흐 르는 발광하는 갈륨 아르세나이드와 같은 레이저발광(lasing) 물질을 일반적으로 함유한다. 거울 스택(110) 및 (120)은 보통 VCSEL(100)에서의 광 파장 조작을 위한 바람직한 게인(gain)을 성취하도록 선택된 반사도 및 이격도를 갖고, 바람직하게는 전도성이고, VCSEL(100)의 전기적 터미널(미도시됨)과 접촉된다.
거울 스택(110) 중의 절연 산화물 영역(112)은 VCSEL(100)으로부터의 광 빔이 나오는 어퍼쳐의 경계를 규정한다. 광 빔을 제한하기 위해, 산화물 영역(112)은 공극 층(120)으로 가는 전류를 발광이 바람직한 영역으로 흐르게 한다. 또한, 산화물 영역은 최적 게인이 어퍼쳐(140) 영역에 제한되도록 어퍼쳐(140) 영역으로부터 거울 스택(110)의 반사도/굴절률을 변화시킬 수 있다.
상업 제품으로서 판매되기 전에, 산화물 VCSEL(100)과 같은 VCSEL은 짧은 유효 수명을 가질 수 있거나 또는 일부 작동 환경에서 고장날 수 있는 장치를 규명하기 위해 시도되는 신뢰도 시험을 통과해야 한다. 이런 시험의 하나인 85/85 응력 시험 또는 습식 고온 작동 수명 시험(WHTOL)으로 통상적으로 알려진 시험은 VCSEL의 신뢰도 및 기타 광학 전자 장치의 신뢰도를 산정하기 위해 산업 전반적으로 사용된다. 전형적으로, 산화물 VCSEL는 85/85 응력 시험에서 신속하게 실패한다.
따라서, 필요한 신뢰도 시험을 통과할 수 있는 VCSEL의 수율을 개선할 수 있는 구조물 또는 제조 방법이 요구된다.
본 발명의 한 양태에 따르면, VCSEL은 광 어퍼쳐를 규정하기 위해 거울 스택 중에 보이드(void) 또는 갭을 사용하고, 갭을 덮기 위해 얇은 보호 층을 사용한다. 보호 층을 사용하는 경우, VCSEL은 85/85 응력 시험을 통과할 수 있고, 높은 신뢰도를 제공할 수 있다. 또한, 얇은 층을 위한 제조 방법은 두꺼운 보호 층의 형성과 관련된 문제를 방지한다.
본 발명의 한 특정 실시양태는 제 1 거울 스택, 제 2 거울 스택, 공극 층 및 보호 층을 포함하는 VCSEL과 같은 장치이다. 공극 층은 제 1 거울 스택과 제 2 거울 스택 사이에 있다. 홀(hole)은 제 1 거울 스택을 통해 연장되고, 갭은 홀의 측벽으로부터 제 1 거울 스택으로 연장되어 장치의 어퍼쳐의 경계를 규정한다. 보호 층은 제 1 거울 층 중의 홀의 측벽에서의 갭의 말단을 밀봉한다.
본 발명의 다른 특정 실시양태는 VCSEL과 같은 장치의 제조 방법이다. 일반적으로 그 방법은 제 1 거울 스택, 공극 층 및 제 2 거울 스택을 기재 상에 형성하는 단계; 제 1 거울 스택에 홀을 에칭하는 단계; 제 1 거울 스택에서 층의 일부를 제거하여, 홀의 측벽으로부터 제 1 거울 스택으로 연장되는 갭을 형성하는 단계; 및 홀의 측벽에서의 갭의 말단을 밀봉하는 보호 층을 침착시키는 단계를 포함한다. 갭의 형성은 제 1 거울 스택 중의 층을 산화시켜 산화물 영역을 형성한 후, 산화물 영역 중 적어도 일부를 에칭하여 제거하는 것을 포함할 수 있다.
본 발명의 양태에 따라면, 어퍼쳐의 경계를 규정하는 갭 및 얇은 보호 층을 갖는 수직 공극 표면 발광 레이저(VSCEL)는 높은 신뢰도를 제공한다. 이런 VCSEL에 대한 제조 기법은 85/85 응력 시험과 같은 산업 표준 신뢰도 시험을 통과하는 장치를 높은 수율로 제공한다.
도 2는 본 발명의 실시양태에 따른 VCSEL(200)의 단면도를 보여준다. VCSEL(200)은 기저 기재(240) 상에 형성된 상부 거울 스택(210), 공극 층(220) 및 바닥 거울 스택(230)을 포함한다. 보호 층(250)은 공극 층(220) 및 거울 스택(210) 및 (230) 중 적어도 선택된 부분을 덮고, 특히 VCSEL(200)의 어퍼쳐의 경계를 규정하는 갭(212)을 밀봉한다.
예시된 실시양태에서, 공극 층(220)은 스페이서 층(222) 및 (226)의 사이에 샌드위치된 하나 이상의 활성 층(224)(예, 하나 이상의 양자 웰 및/또는 하나 이상의 양자 도트)을 포함한다. 다르게는, 활성 층(224)은 단일 스페이서 층 위에 또는 밑에 위치될 수 있다. 활성 층(224)은 GaAs, InGaAs, AlInGaAs, AlGaAs, InGaAsP, GaAsP, GaP, GaSb, GaAsSb, GaN, GaAsN, InGaAsN 및 AlInGaAsP를 포함하지만, 이에 한정되지는 않는다. 또한 다른 양자 웰 층 조성물이 사용될 수 있다. 스페이서 층(222) 및 (226)은 활성 층(224)의 조성물에 기초하여 선택된 물질로부터 일반적으로 형성된다.
공극 층(220)은 VCSEL(200)로부터 발광된 광의 작동 파장에 따라 선택된 전체 두께를 가진다. VCSEL(200)로부터의 광 빔을 생성하기 위해, 구동 회로(미도시됨)는 활성 층(224)을 통해 전류를 가한다. 구동 회로에의 연결을 위해, VCSEL(200)은 거울 스택(210) 위의 제 1 전기적 접촉부(252) 및 활성 층(220) 아래 의 제 2 전기적 접촉부(242)를 갖는다. 그러나, VCSEL(200)은 다른 배열을 갖는 접촉부를 대안적으로 이용할 수 있다. 예컨대, 제 2 전기적 접촉부는 VCSEL(200)의 상부에 또는 바닥 거울 스택(230) 내에 있을 수 있다. 어떤 접촉부 배열을 사용하든지, 바람직하게는 전기적 접촉부(242) 및 (252) 사이에 인가된 구동 전압은 거울 스택(210) 및 공극 층(220)을 통과하는 VCSEL(200)에서의 전류를 생성하여, 활성 층(224)에서 레이저발광을 일으킨다.
갭(212)은 거울 스택(210)의 알루미늄-풍부 층(214)에 형성되어, VCSEL(200)에서 전하 캐리어 및 광자의 흐름을 측방향으로 제한하는 제한 영역을 생성한다. 층(214)은 거울 스택(210)의 상부 또는 바닥을 포함하는 거울 스택(210)의 어느 곳에서도 위치될 수 있다. 일부 실시양태에서, 갭(212)은 전류 및 광이 바람직하게 흐르는 중앙 어퍼쳐의 경계를 제한한다. 전하 캐리어 제한은 갭(212)의 비교적 높은 전기 저항도에 기인하는데, 이는 전류가 VCSEL(200)의 중앙에 위치된 영역을 통해 흐르게 한다. 광학적 제한(confinement)은 공극 층(220)에서 생성된 광자를 인도하는 측방향 굴절률 프로파일을 생성하는 갭(212)의 낮은 굴절률에 기인한다. 캐리어 및 광학 측방향 제한은 층(224)의 활성 영역 내의 캐리어 및 광자의 밀도를 증가시키고, 활성 영역 내의 광 발생 효율을 증가시킨다.
각 거울 스택(210) 및 (230)은 작동 레이저 파장(예, 650nm 내지 1650nm 범위의 파장)에 대해 설계된 분포 브래그 반사기(distributed Bragg reflector; DBR)를 바람직하게 형성하는 상이한 굴절률의 교대배치 층의 시스템을 포함한다. 예컨대, 거울 스택(210) 및 (230)은 알루미늄 갈륨 아르세나이드(AlGaAs)의 층들을 포 함할 수 있으며, 이때 층 중 알루미늄 함량은 보다 높은 수준과 보다 낮은 수준 사이로 교대한다. 통상의 스택 중의 거울 스택(210) 및 (230)의 각 층은 작동 레이저 파장의 약 1/4인 효과적 광학 두께(즉, 층 두께는 층의 굴절률을 곱하여 된다)를 갖는다. 거울 스택(210) 중의 하나의 특정 층(214)은 거울 스택(210)의 다른 층 보다 층(214)이 훨씬 신속하게 산화될 정도로 충분히 많은 알루미늄 함량을 갖는 알루미늄-풍부 물질을 함유한다. 전형적인 실시에서, 교대배치 층은 약 20% 내지 80%에서 전형적으로 변하는 알루미늄 함량을 갖는 반면, 층(214)는 약 95 내지 98%의 알루미늄 함량을 가질 수 있다.
도 2의 예시적 실시양태에서, 거울 스택(210) 및 (230)은 거울 스택(210)을 통해 VCSEL(200)이 빛을 발광하도록 설계된다. 본 발명의 다른 실시양태에서, 거울 스택(210) 및 (230)은 거울 스택(230) 및 기재(240)를 통해 VCSEL(200)이 빛을 발광하도록 설계된다.
VCSEL(200)에 구조적 기지를 제공하는 기재(240)는 GaAs, InP, 사파이어(Al2O3) 또는 InGaAs를 포함하지만 이에 한정되지는 않는 다양한 물질로 제조될 수 있고, 비도핑된, 도핑된 n-형(예, Si로 도핑) 또는 도핑된 p-형(예, Zn으로 도핑됨)일 수 있다. 약 100Å의 두께의 GaAs 또는 AlGaAs와 같은 물질의 버퍼 층(미도시됨)은 VCSEL(200)의 다른 층 이전에 기재(240) 상에 성장되어 기재(240)에 대한 결합을 개선할 수 있다. 전기적 접촉부(242)가 기재(240)의 바닥 표면 상에 있는 VCSEL(200)의 예시적 실시양태에서 바람직하게 기재(240)는 전도성이다. 다르게 는, 기재(240)는 절연성 물질로 제조될 수 있고, 공극 층(220) 또는 바닥 거울 스택(230)에 대한 전기적 접촉부가 기재(240) 위에 위치될 수 있다.
도 3a 내지 도 3e는 VCSEL(200)의 제조 공정 동안 형성되는 중간 구조체의 단면도를 도시한다. 설명의 용이성을 위해, 기저 지지 기재 및 접촉 구조체가 도 3a 내지 3e에서 생략된다. VCSEL에서의 접촉 구조체는 당업계에 공지되어 있고, 통상적 기법을 이용하여 형성될 수 있다.
도 3a 바닥 거울 스택(230), 공극 층(220) 및 상부 거울 스택(210)의 형성 이후의 구조체의 단면도를 도시한다. 통상의 에피택셜 성장 공정, 예컨대 금속-유기 화학 증착(MOCVD) 및 분자 빔 애피택시(MBE)는 지지 기재(미도시됨) 상에 이런 VCSEL(200) 층들을 형성할 수 있다. 개구부(또는 복수 개구부)를 갖는 마스크(260)는 층(210), (220) 및 (230) 위에 위치되게 형성된다. 마스크(260)는 포토레지스트 또는 규소 나이트라이드(Si3N4) 또는 금속과 같은 다른 물질로 제조될 수 있다.
도 3b에 도시된 바와 같이 마스크(260)를 이용한 에칭 공정은 개구부(270)를 형성한다. 산화 홀로서 보통 알려진 개구부(270)는 상부 거울 스택(210) 및 공극 층(220)을 통해 VCSEL(200)의 하부 거울 스택(230) 중의 영역으로 연장되므로, 상부 거울 스택(210) 중의 알루미늄-풍부 층(214)의 에지를 노출시킨다. 보다 일반적으로, 산화 홀(270)은 하부 거울 스택(230) 중의 영역으로 연장될 필요는 없고, 대신 산화 홀(270)이 알루미늄-풍부 층(214)을 노출시킬 정도로 길면 공극 층(220) 내에서 또는 상부 거울 스택(210)에서 종결될 수 있다. 반응성 이온 에칭(RIE) 및 반응성 이온 빔 에칭(RIBE)을 포함하는 습식 또는 건식 에칭 공정은 필요한 깊이로 개구부(270)를 형성할 수 있다. 한 실시양태에서, 개구부(270)는 VCSEL(200)이 있는 메사(mesa) 구조체를 남긴다.
스팀 또는 건조 산화 환경을 이용하는 산화 공정은 도 3c에 도시된 바와 같이 노출된 알루미늄-풍부 층(214)의 에지를 산화시켜 산화물 영역(216)을 형성한다. 상기 주지된 바와 같이, 알루미늄-풍부 층(214)의 함량 조성은, 층(214)은 강하게 산화되는 반면, 거울 스택(210) 중의 다른 층은 보다 천천히 산화도록 높은 것이 바람직하다. 예컨대, 층(214)은 약 95% 알루미늄인 AlGaAs인 반면, 다른 층은 전형적으로 약 90% 알루미늄 보다 많지 않은 AlGaAs이다. 알루미늄-풍부 층(214)의 높은 산화 비율 및 산화 공정의 지속 기간은 산화물 영역(216)의 측방향 연장을 제어하고, VCSEL(200)의 어퍼쳐를 규정하는 층(214)의 나머지 영역을 제어한다. 본 발명의 예시적 실시양태에서, 산화물 영역(216)은 층(214)으로 약 25㎛ 연장되어, 약 10 내지 20㎛ 폭의 어퍼쳐를 남긴다. 마스크(260)는 산화 공정 이전 또는 이후에 제거될 수 있다.
도 3d는 에칭 공정이 산화물 영역(216)을 제거하여 층(214)에 갭(212)을 남긴 이후의 구조체를 도시한다. 산화물 영역(216)은 수산화 나트륨(NaOH) 용액과 같은 염기성 용액을 이용한 습식 에칭을 이용하여 제거될 수 있다. 특히, pH가 13보다 큰 염기성 용액이 산화물 영역을 제거할 수 있다. 산화물 영역(216)의 완전한 제거에 대한 대안으로서, 산화물 영역(216)의 부분적 제거는 산화물 영역(216) 의 일부를 남길 수 있다. 산화물 영역(216)의 전부 또는 일부의 제거는 산화물 영역(216)이 형성될 때 생성되는 응력을 감소시켜 장치 신뢰도를 개선하는 것으로 여겨진다.
도 3e에 도시된 바와 같은 얇은 보호 층(250)은 구조체 위에 또는 산화 홀(270)을 포함하는 영역에서 선택적으로 침착된다. 얇은 층(250)은 약 6000Å 미만, 또는 바람직하게는 약 2500Å 미만, 보다 바람직하게는 약 1100Å의 두께를 갖는 규소 나이트라이드 층일 수 있다. 그러나, 규소 옥시-나이트라이드(SiON)와 같은 다른 물질은 보호 층(250)에 사용될 수 있다. 다르게는, 보호 층(250)은 예컨대 약 1100 내지 1500Å의 두께의 규소 나이트라이드(Si3N4) 층, 약 1100 내지 1500Å의 두께의 규소 옥시-나이트라이드(SiON) 층 및 약 700 내지 1000Å 두께의 타이타늄(Ti) 층을 포함하는 복합 층일 수 있다. 침착 공정은 산화 홀(270)의 구조체/측벽을 덮고, 갭(212)의 노출된 말단을 밀봉하여, 밀봉 갭(예, 밀봉된 공기 갭)을 남긴다. 홀(270)에 대한 우수한 피복은 신뢰도에 중요하고, 예컨대 플라즈마 증진 화학 증착(PECVD) 공정으로써 성취될 수 있다. 상부 거울 스택(210)에 대한 전기적 접촉부는 보호 층(250)의 침착 이전 또는 보호 층(250)에서 바람직한 개구부(필요한 경우) 형성 이후에 형성될 수 있다.
VCSEL 제조 방법은 예컨대 후면 금속 침착 또는 하부 접촉부에 대한 하부 거울 스택 상으로 또는 스택 내로의 금속 침착을 포함하는 통상적 기법을 이용하여 완결될 수 있다.
도 4는 중앙 어퍼쳐(410)를 갖는 VCSEL(400)의 상면도를 도시한다. 전기적 접촉부/라인(420)은 어퍼쳐(410)를 둘러 싸고 상부 거울 스택과 접촉되는 패턴화된 금속 층을 포함한다. 어퍼쳐(410) 주변의 거의 산화된 4개의 홀(270)은 공기 갭이 상부 거울 스택으로 측방향 연장된 거리 이하의 거리만큼 어퍼쳐(410)로부터 분리된다. 결과적으로, 산화 홀(270)과 연관된 공기 갭은 함께 어퍼쳐(410) 주변으로 결합한다. 또한, 전기적 접촉부/라인(420)은 산화 홀 사이에서 어퍼쳐(410) 주변 영역으로 가는 트레이스(trace) 또는 금속 라인을 포함할 수 있다. 어퍼쳐(410)는 금속 라인 내부에서, 동심 원 또는 사각형을 형성할 수 있다.
본 발명이 특정 실시양태를 참고하여 기술되어졌지만, 그 기술은 단지 본 발명의 적용의 예일 뿐이고, 이를 한정하는 것으로 고려되어서는 안된다. 개시된 실시양태의 특징의 다양한 조정 및 조합이 다음의 청구범위에 의해 정의된 바와 같은 본 발명의 범위 내에 있다.
본 발명은 VCSEL은 광 어퍼쳐를 규정하기 위해 거울 스택 중에 보이드(void) 또는 갭을 사용하고, 갭을 덮기 위해 얇은 보호 층을 사용하여, 85/85 응력 시험을 통과할 수 있고, 높은 신뢰도를 제공할 수 있다. 또한, 얇은 층을 위한 제조 방법은 두꺼운 보호 층의 형성과 관련된 문제를 방지한다.

Claims (19)

  1. 홀(hole)이 연장되는 제 1 거울 스택(이때, 갭은 홀의 측벽으로부터 제 1 거울 스택으로 연장된다);
    제 2 거울 스택;
    제 1 거울 스택과 제 2 거울 스택 사이의 공극 층; 및
    제 1 거울 층 중의 홀의 측벽 상의 갭의 말단을 밀봉하는 보호 층
    을 포함하는 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 장치가 수직 공극 표면 발광 레이저를 포함하는 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    제 1 거울 스택이 복수개의 층을 포함하고, 갭이 그 중 하나의 층의 제거된 부분에 상응하는 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    보호 층이 제 1 유전체 층을 포함하는 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    제 1 유전체 층의 두께가 약 6000Å 미만인 장치.
  6. 제 4 항에 있어서,
    보호 층이 제 2 유전체 층을 추가로 포함하는 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    제 1 유전체 층이 제 1 거울 스택 중의 홀의 측벽 상에 있는 규소 나이트라이드 층을 포함하고;
    제 2 유전체 층이 규소 나이트라이드 층 상에 규소 옥시-나이트라이드 층을 포함하는 장치.
  8. 제 4 항에 있어서,
    보호 층이 금속 층을 추가로 포함하는 장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    제 1 거울 스택이 알루미늄-풍부 층을 포함하고, 갭이 알루미늄-풍부 층의 제거된 부분에 상응하는 장치.
  10. 제 1 항에 있어서,
    갭이 장치의 어퍼쳐(aperture)를 완전히 둘러싸는 장치.
  11. 제 1 거울 스택, 공극 층 및 제 2 거울 스택을 기재 상에 형성하는 단계;
    제 1 거울 스택에 홀을 에칭하는 단계;
    제 1 거울 스택에서 층의 일부를 제거하여, 홀의 측벽으로부터 제 1 거울 스택으로 연장되는 갭을 형성하는 단계; 및
    홀의 측벽에서의 갭의 말단을 밀봉하는 보호 층을 침착시키는 단계
    를 포함하는 제조 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    제 1 거울 스택의 형성 단계가 AlGaAs의 층의 형성을 포함하되, 이때 제거된 부분을 갖는 층은 최고 알루미늄 농도를 갖는 AlGaAs 층인 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    층의 일부를 제거하는 단계가
    층을 산화시켜 산화물 영역을 형성하는 단계; 및
    산화물 영역의 적어도 일부를 에칭으로 제거하는 단계
    를 포함하는 방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    산화물 영역의 적어도 일부를 에칭으로 제거하는 단계가 높은 pH 용액을 이용한 습 식 에칭을 사용하는 것을 포함하는 방법.
  15. 제 11 항에 있어서,
    보호 층을 침착시키는 단계가 약 2500Å 미만의 두께를 갖는 제 1 유전체 층을 침착시키는 것을 포함하는 방법.
  16. 제 15 항에 있어서,
    보호 층이 규소 나이트라이드를 포함하는 방법.
  17. 제 15 항에 있어서,
    보호 층을 침착시키는 단계가 제 2 유전체 층을 침착시키는 것을 추가로 포함하는 방법.
  18. 제 17 항에 있어서,
    제 2 유전체 층이 규소 옥시-나이트라이드를 포함하는 방법.
  19. 제 15 항에 있어서,
    보호 층을 침착시키는 단계가 금속 층을 침착시키는 것을 추가로 포함하는 방법.
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