KR20060067190A - 하이브리드 금속접합 표면방출 레이저 및 그 제작 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 반도체 광소자 중 표면방출 레이저 제작방법에 관한 것으로 화합물 반도체 기판 위에 거울층과 활성층으로 구성된 에피 구조를 유전체 거울층과 결합하고, 이를 다시 새로운 기판 위에 금속접합 방법으로 결합한 후 기존 기판을 제거한 후 새로운 기판 위에서 표면방출 레이저를 제작하는 방법에 관한 기술을 개시한다. 이러한 기술은 표면방출 레이저를 구성하는 상부 거울 및 하부 거울과 활성층에 전기적, 광학적 영향없이 표면방출 레이저 구조를 외부적인 금속접합 방법으로 새로운 기판에 옮겨 붙여 제작하는 방법으로, 기존의 표면방출 레이저의 제작방법을 이용하면서 열적 특성이 우수한 새로운 기판으로 옮겨 제작함으로써 우수한 열 방출 특성을 얻게 하여, 궁극적으로 제작이 용이하면서 신뢰성이 높으며, 우수한 특성의 표면방출 레이저 제작을 가능하게 한다.
표면방출 레이저(Vertical Cavity Surface Emitting Lasers, VCSELs), 금속접합(metallic bonding), 화합물 반도체(compound semiconductor), 유전체 거울층(dielectric mirror), 반도체 거울층(semiconductor Distributed Brag reflector, DBR), 습식선택 식각, 건식선택 식각

Description

하이브리드 금속접합 표면방출 레이저 및 그 제작 방법{hybrid metal-bonded vertical cavity surface emitting laser and fabricating method thereof}
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 표면방출 레이저 구조에 대한 단면도이다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 표면방출 레이저의 제작 방법에 대한 공정 단면도이다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 표면방출 레이저의 특성 개선을 위한 추가적인 제작 공정에 대한 단면도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호설명>
11 : 제 1 기판 12 : 제 2 기판
13 : 제 1 거울층 14 : 제 1 반도체 전극층
15 : 활성층 16 : 제 2 반도체 전극층
17 : 제 2 거울층 17a : 유전체 거울층
17b : 금속 거울층 18 : 접합층
19 : 제 1 금속 오믹층 20 : 제 2 금속 오믹층
21 : 전류차단층
본 발명은 광소자의 특성을 크게 개선 할 수 있는 반도체 광소자 특히 표면방출 레이저 및 그 제작 방법에 관한 것이다.
표면방출 레이저(vertical cavity surface emitting lasers, VCSEL)는 기존의 측면발광소자(edge emitting laser diode)에 비하여 낮은 문턱전류(threshold current), 구형의 빔 모양(circular beam shape)에 따른 높은 광섬유 결합효율(coupling efficiency)의 우수한 소자 특성을 가지며, 이차원 어레이 소자 제작이 용이하고, 웨이퍼 상태에서 소자 테스트가 이루어질 수 있어 기존의 전자 소자가 갖는 양산성을 지니고 있다. 따라서, 표면방출 레이저는 우수한 성능과 저렴한 소자 가격의 잇점으로 인해 광 통신망과 광 센서 등에서 기존 광 소자를 대체할 수 있는 유력한 소자로 연구 개발되고 있다.
기술적으로 표면방출 레이저를 제작하기 위해서는 높은 반사율을 갖는 거울 층(mirror layer)이 필요하며, 높은 광학이득(optical gain) 물질이 요구된다. 특히 레이저 빛을 이용하는 레이저의 경우, 응용 분야에 따라 파장(wavelength)을 달리해야 하며, 따라서 각 응용 분야에 적합한 파장에 따라서 효과적인 물질의 조합을 고려하여야 한다.
일례로써, 850㎚ 파장 대역의 표면방출 레이저는 GaAs를 기판으로 GaAs/AlGaAs 물질의 조합을 이용하여 높은 반사율의 반도체 거울층과 높은 이득물질의 활성층, 우수한 열특성 등으로 성공적으로 상용화되었다.
하지만 통신용으로 주로 활용되는 1.3㎜와 1.5㎜ 파장 대역의 표면방출 레이저의 경우, GaAs/AlGaAs 물질을 활용하는데 어려움이 많다.
그래서 최근에는 주로 InP 기판에 InGaAsP나 InAlGaAs 물질 등을 활용하여 표면방출 레이저를 제작한다. 이 경우 높은 반사율을 얻기 위해서 많은 층의 성장이 필요하며, 또한 일반적인 InGaAsP, InAlGaAs와 같은 4원(quaternary) 물질들은 GaAs와 같은 2원(binary) 물질에 비하여 1/10 이상의 낮은 열전도도로 소자 특성이 제한된다는 문제점을 가지고 있다. 따라서, 상술한 문제를 극복하고 장파장대역의 표면방출 레이저를 개발하고자 다양한 기술적 방법이 시도되고 있다.
표면방출 레이저 제작 기술은 크게 반도체 에피 성장법을 이용하여 거울층(mirror stack)과 활성층(active layer)으로 구성된 구조를 한번에 성장한 후 반도체 소자 공정을 이용하여 제작하는 모놀리식(Monolithic) 방법과 광학적 이득 활성층과 거울층을 개별적으로 성장한 후 제작 과정에서 조합하는 하이브리드(Hybrid) 방법으로 크게 분류된다. 전자의 경우 성장을 통하여 구조를 이미 완성한 후, 소자 제작을 수행함으로써 매우 단순화된 제작 공정을 가진다는 장점이 있지만, 두꺼운 거울층 성장의 어려움과 4원(quaternary) 물질로 인하여 열 특성의 단점이 개선되어야 한다는 단점도 있다. 후자의 경우 개별 구조를 분리해 성장을 함으로써, 다시 말해서 장파장 이득 물질은 4원(quaternary) 물질을 쓰고, 거울층은 GaAs/AlAs와 같은 2원(binary) 물질을 사용하여 성장함으로써 우수한 열적, 광학적 특성을 얻을 수 있다. 하지만 구성요소를 개별적으로 에피 성장한 후 표면방출 레이저 구조로 결합하기 위한 복잡한 공정, 예로써, 웨이퍼 본딩(wafer bonding)을 수행해야 하기 때문에 제작 접합 결함 등으로 소자의 신뢰성 및 양산성이 저하된다는 단점과 그로 인한 칩 가격의 상승의 문제점 등이 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 금속접합 표면방출 레이저가 가진 제작 공정의 용이함을 활용하면서 제작된 소자의 신뢰성을 높일 수 있는 표면방출 레이저 구조 및 이의 제작 방법을 제공하는 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서는 종래의 기술을 바탕을 둔 표면방출 레이저에서 발생하는 기술적 복잡성, 예를 들면 거울층 물질과 활성층 물질을 달리 성장하여 제작 과정시 웨이퍼를 접합(wafer bonding)하는 방식이나 메타모픽(metamorphic) 성장법 후 유전체 거울층(dielectric mirror layer)을 결합하는 방법으로 인한 소자의 결정결함(crystal defect)이나 제작시 불가피하게 발생하는 결함, 예로써 가소성 변형(plastic deformation) 등으로 인한 신뢰성 문제를 극복하고자 한다. 또한, 본 발명에서는 장파장 대역의 경우처럼 신뢰성 높은 정합 성장(lattice matched crystal growth)을 바탕으로 한 구조에서 발생되는 낮은 열전도도 같은 물성적 한계를 소자 구조 및 제작 방법을 통하여 크게 개선하고자 한다.
특히, 표면방출 레이저의 동작시 성능에 큰 영향을 주는 열 특성을 개선하기 위해 종래의 방법들은 주로 GaAs-InAlGaAs같은 이종 물질계간의 웨이퍼 결합(wafer bonding) 방법이나 메타모픽(metamorphic)한 성장을 통한 방법들을 이용한다. 하지만, 이러한 종래의 방법을 이용하면, 접합부가 레이저 구조 내에서 전기적이나 광학적 역할에 매우 민감한 역할을 할뿐만 아니라 웨이퍼 접합(wafer bonding)으로 말미암아 결함을 내재하게 되어 소자 제작 공정이 복잡해질 뿐만 아니라 내재 결함에 의한 신뢰성 등의 문제를 일으킨다는 단점이 있다. 따라서 본 발명에서는 표면방출 레이저 구조에서 안정된 동종 물질계를 기반으로 하며, 레이저부와 열적 특성 개선을 위한 기판부의 접합을 레이저에 영향을 주지 않도록 레이저 구조의 외부로 끌어내어지고, 접합 방식도 금속접합법을 이용하여 신뢰성도 향상시키는 방법을 도입하여 궁극적으로 매우 용이한 제작과정과 신뢰성 높은 안정된 소자 구조를 제공한다.
상기 기술적 과제들을 달성하기 위하여 본 발명의 제 1 측면은, 기판 상에 형성되는 접합층, 상기 접합층 상에 형성되는 제 1 거울층, 상기 제 1 거울층 상에 형성되며 전류 주입을 위한 제 1 및 제 2 반도체 전극층에 쌓여있는 활성층, 및 상기 활성층 상에 형성되는 제 2 거울층을 포함하되, 상기 구조 내의 결정 성장은 격자정합 성장되는 것을 특징으로 하는 표면방출 레이저 구조를 제공한다.
본 발명의 제 2 측면은, 제 1 기판 상에 제 1 거울층을 형성하는 단계, 상기 제 1 거울층 상에 제 1 반도체 전극층을 형성하는 단계, 상기 제 1 반도체 전극층 상에 활성층을 형성하는 단계, 상기 활성층 상에 제 2 반도체 전극층을 형성하는 단계, 상기 제 2 반도체 전극층 상에 제 2 거울층을 형성하는 단계, 상기 제 2 거울층 상에 접합층을 형성하여 제 2 기판을 접합하는 단계, 상기 제 1 기판을 제거하는 단계, 상기 제 1 및 제 2 반도체 전극층이 노출되도록 상기 제 1 거울층, 상기 제 1 반도체 전극층 및 상기 활성층을 부분 식각하는 단계, 및 상기 제 1 및 제 2 반도체 전극층 상에 제 1 및 제 2 금속 오믹층을 형성하는 단계를 포함하되, 상기 구조 내의 결정 성장은 격자정합 성장되는 것을 특징으로 하는 표면방출 레이저 제작 방법을 제공한다.
바람직하게, 상기 구조 내의 결정 성장은 동종 물질계 재료를 이용한 격자정합 성장된다.
또한, 상기 제 1 거울층은 상기 접합층 상에 형성되는 금속 거울층, 및 상기 금속거울층 상에 형성되는 유전체 거울층을 포함한다.
또한, 상기 접합층은 금속접합층을 포함한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 이하의 실시예는 이 기술분야에서 통상적인 지식을 가진 자에게 본 발명이 충분히 이해되도록 제공되는 것으로서 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 기술되는 실시예에 한정되는 것은 아니다. 이하의 설명에서 어떤 층이 다른 층의 위에 존재한다고 기술될 때, 이는 다른 층의 바로 위에 존재할 수도 있고, 그 사이에 제3의 층이 게재될 수도 있다. 또한, 도면에서 각 층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되었다. 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 표면방출 레이저에 대한 단면도이다.
도 1을 참조하면, 표면방출 레이저는 양측의 거울층 중 어느 한쪽의 거울층을 통해 소정 파장의 레어저 빔을 방출하기 위해 기판(12), 접합층(18), 제 2 거울층(17a, 17b), 제 2 반도체 전극층(16), 활성층(15), 제 1 반도체 전극층(14) 및 제 1 거울층(13)을 포함한다. 여기서, 제 2 거울층은 유전체 거울층(17a) 및 금속 거울층(17b)을 포함한다. 또한, 표면방출 레이저는 제 1 및 제 2 반도체 전극층(14, 16) 상에 형성되는 제 1 및 제 2 금속 오믹층(19, 20)과, 레이저 구조 내의 활성층(15)의 측면을 둘러싸는 전류차단층(21)을 구비한다.
본 실시예에 따른 표면방출 레이저는 별도의 기판 상에서 제 1 거울층(13), 제 1 반도체 전극층(14), 활성층(15), 제 2 반도체 전극층(16) 및 제 2 거울층(17a, 17b)을 성장시킨 후 소정의 접합층(18)을 이용하여 기판(12)에 옮겨 붙인 구조를 가진다. 또한, 상기 구조 내의 결정 성장은 동종 물질계 재료에 의해 이루어진다. 따라서, 본 발명에 의하면, 우수한 열 방출 특성을 가지며 신뢰성이 우수하고 제작이 용이한 표면방출 레이저 구조가 제공된다.
상술한 본 실시예에 따른 표면방출 레이저 구조 및 그 제작 방법에 대하여 아래에서 보다 상세히 설명한다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 표면방출 레이저의 제조 방법에 대한 공정 단면도이다. 도 2a는 화합물 반도체 기판 위에 반도체 거울층, 전류 주입을 위한 전극층 및 활성층이 구비되는 표면방출 레이저 구조의 단면도이고, 도 2b는 도 2a의 구조 상에 유전체 거울층 및 금속 거울층을 증착한 단면도이다.
본 발명에 따른 표면방출 레이저의 제작 방법은 다음과 같은 순서로 이루어진다. 먼저 도 2a에 도시한 것처럼, 제 1 기판(11) 상에 화합물 반도체 에피 성장법을 이용하여 표면방출 레이저 구조를 갖도록 기판(11) 위에 반도체 거울층(13)을 성장하고 순서대로 제 1 반도체 전극층(14), 광학이득 활성층(15), 제 2 반도체 전극층(16)을 성장한다. 이때, 제 1 및 제 2 반도체 전극층(14, 16)은 전류 주입을 위한 전극 역활과 우수한 열 특성에 의한 열 방출 기능을 수행한다. 활성층(15)은 레이저 동작을 위한 이득층의 역할을 수행한다. 상기의 수행으로 최종의 제 2 거울층을 제외한 표면방출 레이저의 에피 구조가 완료되며, 본 발명의 실시예에서는 일례로써 InP 기판 위에 InAlGaAs/InAlAs 반도체 거울층, InP 제 1 및 제 2 반도체 전극층, 및 InAlGaAs 다중양자우물구조 활성층을 사용한다.
다음, 도 2b에 도시한 것처럼, 도 2a에서 형성된 에피 구조 위에 유전체 다층막(17a)과 금속 거울막(17b)을 증착함으로써 제2 거울층(17)을 제작한다. 일례로 본 실시예에서는 2.5쌍의 Si/Al2O3 막과 Ti/Au(10A/2000A) 금속막을 사용하였으며, 이어지는 후속 공정에서 금속 원자 확산 문제 등을 방지하기 위하여 Ni, Pt와 같은 금속막을 증착하여 완성하였다. 상기의 수행 결과로 제 1 및 제 2 거울층과 활성 층, 전류 주입을 위한 제 1 및 제 2 반도체 전극층이 구비된 표면방출 레이저가 완성되었다. 본 실시예에 따른 구조에서는 종래 기술에서 레이저 구조 내부에서 이종 반도체간 접합, 예를 들어 GaAs/AlAs 반도체 거울층과 InP 전극층 간의 접합이나, InP 기판 위에 GaAs/AlAs 반도체 거울층의 성장과 같은 메타모픽(metamorphic) 성장에 의한 내재된 결함이 없으며, 제작이 용이한 구조를 확보한다.
한편, 도 2b에서 레이저 구조가 완성되었지만, 본 발명에서 일례로 실시한 InAlGaAs/InAlAs 반도체 거울층은 낮은 열전도도와 두꺼운 층으로 소자 동작시 발생하는 열을 충분히 방출하기에 적합하지 않다. 아래에서는 이러한 문제를 해결하기 위한 방법을 제시한다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 표면방출 레이저의 특성 개선을 위한 추가적인 제작 공정에 대한 단면도이다. 도 3a는 도 2b의 구조에 새로운 기판을 금속접합용 금속층을 도포한 후, 이를 이용하여 금속 접합한 구조의 단면도이며, 도 3b는 화합물 반도체 기판을 선택 식각하여 제거한 구조의 단면도이다.
본 실시예에서는 표면방출 레이저의 특성을 추가적으로 개선하고자 열전도도가 우수하며 전기적으로 절연인 GaAs, AlN, Si 등으로 이루어진 제 2 기판(12)을 도 2b에서 얻은 구조 상에 금속 결합(metallic bonding)을 통하여 구조 이식한다. 이를 위해, 도 3a에 도시한 바와 같이, 도 2b에서 얻은 구조의 표면에 금속 접합용 금속(metallic bonding agency)을 증착하고 제 2 기판(12) 상에도 같은 방법으로 증착한 후, 두 면을 접촉한 상태에서 일정한 압력과 온도를 가하여 금속간 반응을 유발하고 그것에 의해 강하고 조밀한 결합 층을 형성한다.
이때, 금속접합은 일례로써, AuGe, AuSn, Pd/In 등의 재료를 사용하고 반응시 불활성 기체(inert gas) 분위기와 1kg/cm2 이하의 압력, 200 ~ 400℃의 온도에서 반도체 공정으로 수행된다. 금속접합부는 레이저 작동시 발생하는 열을 얇은 Si/Al2O3 유전체 거울층(17a)을 통하여 우수한 열 특성을 갖는 제 2 기판(12)으로 방열시키고, 레이저 구조를 제 2 기판(12)에 기계적으로 고정시키는 역할을 하며, 이로써 레이저 동작시 전기적, 광학적으로 민감한 특성에 영향을 주지 않는다.
다음, 도 3b에 도시한 바와 같이, 제 2 기판(12)으로 구조를 이식 접합한 후 제 1 기판(11)을 제거한다. 제 1 기판(11)을 제거함으로써 레이저 구조층을 열전도도가 우수한 제 2 기판(12)으로의 이식이 완성된다. 제 1 기판(11)의 제거는 기계적으로 래핑(lapping)한 후 염화수소(HCl)계 용액으로 습식선택 식각법을 이용하여 수행된다. 일례로, 본 실시예에서는 염화수소 원액을 사용하여 InP 기판(11)을 제거한다
이와 같이, 본 발명은 금속접합부가 레이저 외부에 존재함으로써 레이저 내부에 결함을 내재시키지 않고 금속접합 자체의 신뢰성으로 표면방출 레이저 특성의 신뢰도를 향상시키며 우수한 열 방출로 온도특성을 크게 향상시킬 수 있다.
다음, 도 1에 도시한 표면방출 레이저를 제작하기 위하여 소정의 과정을 수행한다. 예를 들면, 이식된 소자 부분이 원활한 작동을 하도록 전류 주입을 위한 제 1 및 제 2 반도체 전극층(14, 16)을 노출시키는 과정과 전류 감금(current confinement) 형성을 위한 전류 차단층(21)을 형성한다. 예를 들면, 식각 공정에 의해 제 1 거울층(13), 제 1 반도체 전극층(14) 및 활성층(15)의 일부를 제거하고 전류 감금은 에어 갭(air gap), 이온주입, 산화막 등을 이용하여 전류 차단층(21)를 형성한다.
구체적으로 설명하면, 첫 단계로 반도체 거울층(13)에 첫번째 메사(first mesa) 형성을 위한 Ar/Cl 건식식각으로 제 1 반도체 전극층(14)을 노출시키고, 다시 제 1 반도체 전극층(14)에 두번째 메사(second mesa)를 CH4:H2 기체를 이용한 건식식각으로 형성한다. 그 후, 선택 습식방법으로 노출된 활성층(15)을 제거하여 제 2 반도체 전극층(16)을 노출시킨다. 이때 일례의 전류감금은 에어 갭(air gap)을 이용하며, 이온 주입으로 절연층화시키는 이온주입(implantation)과 부분적으로 산화되어 형성된 산화층(oxide layer)을 이용하여 전류차단층(21)을 형성하고, 노출된 제 1 및 제 2 반도체 전극층(14, 16)에 각각 제 1 및 제 2 오믹 금속층(19, 20)을 증착하여 전극을 형성한다. 상술한 공정을 통해, 도 1에 도시한 표면방출 레이저 소자가 제작된다.
이상, 본 발명을 바람직한 실시 일 예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 많은 변형이 가능함은 명백하다.
이상과 같이, 본 발명에 따르면, 화합물 반도체 성장법으로 표면방출 레이저 구조를 제 1 기판위에서 반도체 거울층, 제 1 반도체 전극층, 활성층, 제 2 반도체 전극층을 성장한 후, 유전체 다층막과 금속 거울층을 포함한 제 2 거울층으로 레이저 구조를 완성한 후, 이를 금속접합 방법을 이용하여 열 특성이 우수한 제 2 기판에 접합 이식하고 제 1 기판을 제거하는 방법으로 최종 에피 구조를 완성한다. 따라서 제 1 기판은 요구되어지는 파장의 반도체 거울층, 이득 활성층을 성장하는 매개로 이용한 후, 열 특성이 우수한 제 2 기판으로 안정된 금속접합 방식으로 옮김으로써, 종래 기술인 반도체 간 접합으로 인한 공정의 복잡성과 내재 결함 발생으로 인한 신뢰성 저하문제를 줄이는 효과를 얻을 수 있다. 이는 표면방출 레이저가 갖는 양산성에 기반을 둔 저렴한 가격과 열 특성으로 인한 특성저하를 크게 개선할 수 있는 소자 구조 및 그 제작 기술이 된다.

Claims (11)

  1. 기판;
    상기 기판 상에 형성되는 접합층;
    상기 접합층 상에 형성되는 제 1 거울층;
    상기 제 1 거울층 상에 형성되며 전류 주입을 위한 제 1 및 제 2 반도체 전극층에 쌓여있는 활성층; 및
    상기 활성층 상에 형성되는 제 2 거울층을 포함하되,
    상기 구조 내의 결정 성장은 격자정합 성장되는 것을 특징으로 하는 표면방출 레이저 구조.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 구조 내의 결정 성장은 동종 물질계 재료에 의해 수행되는 표면방출 레이저 구조.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 거울층은 상기 접합층 상에 형성되는 금속 거울층, 및 상기 금속거울층 상에 형성되는 유전체 거울층을 포함하는 표면방출 레이저 구조.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 접합층은 금속접합층을 포함하는 표면방출 레이저 구조.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 반도체 전극층 상에 형성되는 제 1 및 제 2 금속 오믹층을 더 포함하는 표면방출 레이저 구조.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 반도체 전극층 사이에서 상기 활성층을 둘러싸는 전류차단층을 더 포함하는 표면방출 레이저 구조.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 기재된 표면방출 레이저 구조를 기반으로 하는 화합물 반도체 광 소자.
  8. 제 1 기판 상에 제 1 거울층을 형성하는 단계;
    상기 제 1 거울층 상에 제 1 반도체 전극층을 형성하는 단계;
    상기 제 1 반도체 전극층 상에 활성층을 형성하는 단계;
    상기 활성층 상에 제 2 반도체 전극층을 형성하는 단계;
    상기 제 2 반도체 전극층 상에 제 2 거울층을 형성하는 단계;
    상기 제 2 거울층 상에 접합층을 형성하여 제 2 기판을 접합하는 단계;
    상기 제 1 기판을 제거하는 단계;
    상기 제 1 및 제 2 반도체 전극층이 노출되도록 상기 제 1 거울층, 상기 제 1 반도체 전극층 및 상기 활성층을 부분 식각하는 단계; 및
    상기 제 1 및 제 2 반도체 전극층 상에 제 1 및 제 2 금속 오믹층을 형성하 는 단계를 포함하되,
    상기 구조 내의 결정 성장은 격자정합 성장되는 것을 특징으로 하는 표면방출 레이저 제작 방법.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 결정 성장은 동종 물질계 재료로 격자정합 성장되는 표면방출 레이저 제작 방법.
  10. 제 8 항에 있어서, 상기 제 2 거울층을 형성하는 단계는,
    상기 제 2 반도체 전극층 상에 유전체 거울층을 형성하는 단계; 및
    상기 유전체 거울층 상에 금속 거울층을 형성하는 단계를 포함하는 표면방출 레이저 제작 방법.
  11. 제 8 항에 있어서, 상기 제 2 거울층 상에 접합층을 형성하여 제 2 기판을 접합하는 단계는 금속접합층을 형성하여 상기 제 2 기판을 접합하는 단계를 포함하는 표면방출 레이저 제작 방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100661602B1 (ko) * 2005-12-09 2006-12-26 삼성전기주식회사 수직 구조 질화갈륨계 ｌｅｄ 소자의 제조방법
JP5656393B2 (ja) * 2009-12-01 2015-01-21 キヤノン株式会社 モジュール
KR20130062969A (ko) 2013-05-24 2013-06-13 한국전자통신연구원 웨이퍼 본딩을 사용한 수직 공진형 표면 방출 레이저 구조 및 제작 방법

Family Cites Families (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5724376A (en) * 1995-11-30 1998-03-03 Hewlett-Packard Company Transparent substrate vertical cavity surface emitting lasers fabricated by semiconductor wafer bonding
US5835521A (en) * 1997-02-10 1998-11-10 Motorola, Inc. Long wavelength light emitting vertical cavity surface emitting laser and method of fabrication
US5914973A (en) * 1997-02-10 1999-06-22 Motorola, Inc. Vertical cavity surface emitting laser for high power operation and method of fabrication
AU2001286620A1 (en) * 2000-08-22 2002-03-04 The Regents Of The University Of California Aigaassb/inp distributed bragg reflector
US6549556B1 (en) * 2000-12-01 2003-04-15 Applied Optoelectronics, Inc. Vertical-cavity surface-emitting laser with bottom dielectric distributed bragg reflector
US6611543B2 (en) * 2000-12-23 2003-08-26 Applied Optoelectronics, Inc. Vertical-cavity surface-emitting laser with metal mirror and method of fabrication of same
US6656756B2 (en) * 2001-08-24 2003-12-02 Telecommunication Laboratories, Chunghwa Telecom Co., Ltd. Technique for a surface-emitting laser diode with a metal reflector
US6658041B2 (en) 2002-03-20 2003-12-02 Agilent Technologies, Inc. Wafer bonded vertical cavity surface emitting laser systems
US7085301B2 (en) * 2002-07-12 2006-08-01 The Board Of Trustees Of The University Of Illinois Photonic crystal single transverse mode defect structure for vertical cavity surface emitting laser
US6936486B2 (en) * 2002-11-19 2005-08-30 Jdsu Uniphase Corporation Low voltage multi-junction vertical cavity surface emitting laser
US6813293B2 (en) * 2002-11-21 2004-11-02 Finisar Corporation Long wavelength VCSEL with tunnel junction, and implant

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