KR20060113472A - 수직 공진기형 면발광 레이저 장치 - Google Patents

수직 공진기형 면발광 레이저 장치 Download PDF

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Abstract

수직 공진기형 면발광 레이저 장치는, 제 1반사 미러층, 제 2반사 미러층 및 이들 사이에 배치된 활성층을 포함하고, 상기 제 1반사 미러층 및 제 2반사 미러층 중의 적어도 한쪽은 굴절률이 면내 방향에 주기적으로 변화하는 굴절률 주기구조를 지니고, 상기 굴절률 주기구조의 일부는 주기를 교란시키는 부분을 복수개소 포함한다.

Description

수직 공진기형 면발광 레이저 장치{VERTICAL CAVITY SURFACE EMITTING LASER DEVICE}
도 1은 본 발명에 의한 2차원 포토닉 결정(photonic crystal)을 포함하는 레이저 장치의 모식적 단면도;
도 2는 2차원 포토닉 결정의 사시도;
도 3은 2차원 포토닉 결정의 사시도;
도 4는 포토닉 밴드 구조를 표시한 모식도;
도 5는 결함이 도입된 2차원 포토닉 결정의 포토닉 밴드를 표시한 모식도;
도 6은 레이저 장치의 구성을 표시한 일실시형태를 표시한 모식적 단면도;
도 7A 및 도 7B는 공진기 미러의 모식도;
도 8은 2개의 공진기 미러의 위치관계를 표시한 모식도;
도 9는 레이저 장치의 구성의 일실시형태를 표시한 모식적 단면도;
도 10A 및 도 10B는 레이저 장치에 있어서의 공진기 미러의 모식도;
도 11A 및 도 11B는 레이저 장치에 있어서의 공진기 미러의 모식도;
도 12는 레이저 장치의 구성의 일실시형태를 표시한 모식적 단면도;
도 13은 레이저 장치의 구성의 일실시형태를 표시한 모식적 단면도;
도 14A 및 도 14B는 주기 구조의 모식도;
도 15는 레이저 장치에 있어서의 공진기 미러의 모식도;
도 16A 및 도 16B는 각각 포토닉 밴드 구조를 표시한 개략도.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
1000: 제 2반사 미러층 1020, 1080: 전극
1030, 1050: 스페이서층 1040: 활성층
1070: 기판 1201: 얇은 평판
1210: 미소한 구멍 1300: 2차원 포토닉 결정
1301: 입사광 1302: 투과광
1303: 반사광
발명의 기술분야
본 발명은 수직 공진기형 면발광 레이저(VCSEL)에 관한 것이다.
종래기술의 설명
수직 공진기형 면발광 레이저는 낮은 임계값, 광학 소자와의 결합의 용이함, 어레이화의 가능함 등의 점에서 유리하다. 따라서, VCSEL은 1980년대 후반부터 활발하게 연구되어 왔다.
그러나, VCSEL은 단일 횡모드(single transverse mode)로 발진할 수 있는 스폿 크기가 직경으로 약 3 내지 4㎛로 작은 점에서 불리하다. 이러한 이유는 다음 과 같다. VCSEL이 멀티모드로 발진하고 있을 경우, 렌즈 등의 광학 소자에 대한 응답은 각 모드에서 서로 달라, 방사된(또는 출사된) 광이 동일한 방식으로 거동하지 못하기 때문이다.
또, VCSEL의 이득 영역이 작으므로, 공진기를 구성하는 1쌍의 분포형 브랙 반사기(distributed bragg reflector: DBR) 미러가 99% 이상의 높은 반사율을 지닐 필요가 있다. 이러한 높은 반사율을 실현하기 위해서, 반도체 미러에 있어서 수십 층으로 이루어진 다층막이 필요하다. 이러한 경우, 다층막의 층 두께가 두꺼우므로 공진기 중에 열이 쉽게 축적된다. 방열효과가 나쁘면 임계값 및 전기 저항이 증가하게 되어, 결과적으로 전류주입의 곤란 등을 초래한다.
판(Fan) 등은 2차원 포토닉 결정 슬래브(slab)를 미러로서 사용할 경우의 반사광 및 투과광의 파장의존성 등에 대해서 보고하고 있다(V. Lousse 외, Opt. Express, Vol. 12, No. 15, p. 3436 (2004)).
포토닉 결정은 재료에 인공적으로 광의 소정의 파장 정도의 굴절률 변조를 제공한 구조를 지닌다. 즉, 상기 포토닉 결정 구조에 있어서, 굴절률이 서로 다른 매질이 주기성을 가지고 배열되어 있다. 광의 다중 산란 효과에 의해 결정 중의 광의 전파를 제어할 수 있는 것으로 여겨지고 있다.
판(Fan) 등에 의한 상기 논문에 기재된 보고서에 의하면, 2차원 포토닉 결정의 표면상에 해당 표면과 대략 수직인 방향으로부터 광을 입사시키면, 소정의 주파수를 지닌 광은 거의 100%의 효율로 반사된다.
이 이유에 대해서, 본 발명자들은 VCSEL의 미러층으로서 포토닉 결정을 이용 하는 것을 검토하였다.
발명의 개시
VCSEL의 반사 미러로서 포토닉 결정 미러를 이용함으로써, 종래 두께가 수 ㎛ 정도로 두꺼운 다층막으로 이루어진 미러를, 수십 내지 수백 ㎚ 정도의 두께를 지닌 매우 얇은 막으로 구성된 미러로 교체할 수 있다. 따라서, 반사형 미러층의 두께에 의한 열적 문제는 억제될 수 있다.
그러나, 방출광의 스폿 크기가 예를 들어 5㎛ 이상으로 증가하면, VCSEL은 단일 횡모드에서 발진할 수 없게 된다. 즉, 스폿 크기를 크게 하면, 마치 위상이 다른 복수의 레이저가 독립적으로 발광하는 상태를 초래한다. 이 문제는 렌즈로 집광하는 광에 VCSEL을 적용한 경우에는 결정적인 문제로 된다.
본 발명은 단일 횡모드에서 용이하게 발진할 수 있는 신규의 VCSEL구조를 제공한다.
본 발명은, 제 1측면에 의하면, 제 1반사 미러; 상기 반사 미러와 반대쪽의 면의 면내 방향에서 굴절률이 주기적으로 변화하는 굴절률 주기구조를 지니는 제 2반사 미러; 및 상기 제 1반사 미러와 상기 제 2반사 미러 사이에 배치된 활성층을 구비한 수직 공진기형 면발광 레이저 장치에 관한 것이다. 상기 굴절률 주기구조는, 상기 제 2반사 미러의 해당 굴절률 주기구조의 주기를 교란시키는 부분이 복수개소 포함하고 있다. 상기 굴절률 주기구조는 2차원 포토닉 결정구조일 수 있다. 또, 상기 굴절률 주기구조의 주기를 교란시키는 부분에 대응하는 2차원 포토닉 결 정구조의 포토닉 밴드갭 내에는 결함 준위가 존재한다. 또한, 상기 굴절률 주기구조의 주기를 교란시키는 부분은 상기 제 2반사 미러의 면내방향에서 주기적으로 또는 비주기적으로 위치되어 있다. 더욱이, 상기 굴절률 주기구조의 주기를 교란시키는 부분은 서로 광결합되는 발광부를 포함한다. 본 실시형태에 있어서, 상기 수직 공진기형 면발광 레이저 장치는 단일 횡모드로 발광한다.
다른 일실시형태에 있어서, 기판상에 상기 제 1반사 미러, 상기 활성층 및 상기 굴절률 주기구조를 지니는 제 2반사 미러가 이 순서로 배치되어 있고, 상기 제 1반사 미러는 다층막을 포함한다. 또 다른 실시형태에 있어서, 기판상에 상기 제 2반사 미러, 상기 활성층 및 상기 제 1반사 미러가 이 순서로 배치되어 있고, 상기 제 1반사 미러는 다층막을 포함한다. 또 다른 실시형태에 있어서, 기판상에 상기 제 1반사 미러, 상기 활성층 및 상기 굴절률 주기구조를 지니는 제 2반사 미러가 이 순서로 배치되어 있고, 상기 제 1반사 미러 및 상기 제 2반사 미러는 모두 2차원 포토닉 결정을 포함한다. 다른 실시형태에 있어서, 기판상에 상기 제 1반사 미러, 상기 활성층, 상기 굴절률 주기구조를 지니는 제 2반사 미러 및 하나의 전극이 이 순서로 배치되어 있고, 상기 전극 바로 밑에 배치된 상기 제 2반사 미러의 일부에는 굴절률 주기구조가 설치되어 있지 않다. 상기 제 2반사 미러는 굴절률 주기구조를 각각 지니는 복수의 층을 포함한다. 일실시형태에 있어서, 상기 굴절률 주기구조는 제 1매질 및 해당 제 1매질 보다 높은 굴절률을 지닌 제 2매질을 포함하고, 상기 장치는, 상기 굴절률 주기구조를 지닌 제 2반사 미러와 상기 활성층 사이에 배치된 상기 제 2매질보다도 낮은 굴절률을 지니는 매질을 포함하는 층을 더 구비하고 있다. 상기 제 1반사 미러는 다층막을 포함하는 분포형 브랙 반사기 미러일 수 있다. 또, 상기 굴절률 주기구조의 주기를 교란시키는 부분 사이의 간격은, 상기 주기를 교란시키는 부분들이 발광부로서 기능하고 또한 상기 주기를 교란시키는 부분들의 각각의 광성분이 서로 결합되도록 설정되어 있다. 일실시형태에 있어서, 상기 굴절률 주기구조는 상기 주기를 교란시키는 부분들이 배치되어 있는 제 1영역과 상기 주기를 교란시키는 부분들이 배치되어 있지 않은 제 2영역을 포함하고, 상기 제 2영역은 상기 제 1영역을 둘러싸도록 위치결정되어 있다. 이 경우, 상기 제 1영역은 사각 격자로 이루어지고, 상기 제 2영역은 삼각 격자로 이루어져 있다. 또, 상기 굴절률 주기구조는 2차원 포토닉 결정을 포함하고, 상기 주기를 교란시키는 부분들은 결함이다.
제 2측면에 의하면, 본 발명은 기판, 제 1반사 미러, 활성층 및 제 2반사 미러를 포함하는 수직 공진기형 면발광 레이저 장치에 관한 것이다. 상기 기판상에는 상기 제 1반사 미러, 상기 활성층 및 상기 제 2반사 미러가 설치되어 있다. 또, 상기 제 1반사 미러 및 상기 제 2반사 미러는 2차원 굴절률 주기구조를 포함한다. 또한, 상기 레이저 장치는 단일 횡모드로 발광한다.
제 3측면에 의하면, 본 발명은, 기판, 제 1반사 미러, 활성층 및 제 2반사 미러를 포함하는 수직 공진기형 면발광 레이저 장치에 관한 것이다. 상기 기판상에는 상기 제 1반사 미러, 상기 활성층 및 상기 제 2반사 미러가 설치되어 있다. 상기 제 1반사 미러 및 상기 제 2반사 미러 중의 적어도 한쪽은 2차원 굴절률 주기구조를 포함한다. 상기 수직 공진기형 면발광 레이저 장치로부터 방출된 출사 레 이저광의 스폿 크기는 5㎛ 이상이다. 상기 출사 레이저광은 단일 횡모드로 발광한다.
제 4측면에 의하면, 본 발명은, 기판, 제 1반사 미러, 활성층 및 제 2반사 미러를 포함하는 수직 공진기형 면발광 레이저 장치에 관한 것이다. 상기 기판상에는 상기 제 1반사 미러, 상기 활성층 및 상기 제 2반사 미러가 설치되어 있다. 상기 제 1반사 미러 및 상기 제 2반사 미러 중 적어도 한쪽은 2차원 굴절률 주기구조를 포함한다. 상기 2차원 굴절률 주기구조는 파장 범위 5 내지 50㎚에서, 공명파장(resonance wave length)에 있어서의 반사율과 상기 파장 범위 내의 파장 이외의 파장에서의 반사율 간의 차가 3% 이내이고, 상기 파장범위는 상기 공명파장을 포함한다. 본 실시형태에 있어서, 상기 수직 공진기형 면발광 레이저 장치로부터 출사된 광은 단일 횡모드로 발광한다. 또, 상기 파장범위 5 내지 50㎚내에서, 상기 공명파장에 있어서의 반사율과 30㎚ 파장 부속범위(subrange) 내의 파장 이외의 파장에서의 굴절률간의 차가 3% 이내이고, 상기 30㎚ 파장 부속범위는 상기 공명파장을 포함한다.
본 발명에 의하면, 스폿 크기를 크게 한 경우에도 단일 횡모드에서 용이하게 발진할 수 있는 VCSEL의 신규한 구성을 제공할 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징은 첨부도면을 참조한 이하의 예시적인 실시형태의 설명으로부터 명백해질 것이다.
이하, 첨부도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시형태를 설명한다.
먼저, 본 발명에 의한 수직 공진기형 면발광 레이저(VCSEL)의 기본적인 구성에 대해서 도 1을 참조해서 설명한다.
도 1은 본 발명에 의한 VCSEL의 모식적 단면도이다. 도 1에 있어서, VCSEL은 활성층(1040), 활성층(1040)을 샌드위치시키는 스페이서층(1030), (1050)("클래드층"(cladding layer)이라고도 칭함), 전극(1020), (1080), 제 2반사 미러층 (1000), 제 1반사 미러층(1060) 및 기판(1070)이다.
도 1에 있어서는 제 2반사 미러층(1000)에 굴절률 주기구조가 설치되어 있다. 이 굴절률 주기구조는 주기를 교란시키는 부분(1010)을 포함한다. 이러한 주기를 교란시키는 부분이란, 포토닉 결정에 있어서 결함이라 칭할 경우도 있다.
또, 상기 굴절률 주기구조의 주기를 교란시키는 부분은 상기 제 1 또는 제 2반사 미러층의 면내 방향에 주기적 또는 비주기적으로 위치될 수 있다.
또한, 상기 굴절률 주기구조의 주기를 교란시키는 부분 사이의 간격은, 예를 들면, 주기를 교란시키는 부분이 발광부로서 기능하고, 또, 각각의 주기를 교란시키는 부분에 있어서의 광성분이 서로 결합되도록 결정될 수도 있다.
게다가, 굴절률 주기구조를 지니는 상기 제 1 또는 제 2반사 미러층은, 복수의 층으로 이루어진 굴절률 주기구조를 포함할 수도 있다.
상기 굴절률 주기구조는, 제 1매질과, 해당 제 1매질보다도 굴절률이 높은 제 2매질을 포함할 수 있다. 이러한 경우, 상기 굴절률 주기구조를 갖는 제 1 또는 제 2반사 미러층과 상기 활성층 사이에는, 제 2매질보다도 굴절률이 낮은 매질을 포함하는 층이 위치되어 있어도 된다.
상기 1 및 제 2반사 미러층 중의 한쪽은 상기 굴절률 주기구조를 포함해도 되고, 다른 쪽의 반사 미러층은 다층막으로 이루어진 DBR 미러이어도 된다.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.
굴절률 주기구조란 포토닉 결정을 의미한다. 이하에서는, 먼저, 포토닉 결정에 대해서 설명하고, 본 발명의 특징인 결함부에 관해서 설명한다.
(포토닉 결정)
굴절률 주기구조(포토닉 결정)는, 굴절률의 주기성의 관점으로부터 1차원 구조, 2차원 구조 또는 3차원구조 중의 하나로 분류될 수 있다. VCSEL에 이용되는 다층막 미러는 1차원 주기구조를 지닌다. 2차원 포토닉 결정(구조체의 면내 방향에 있어서의 굴절률이 주기적으로 변화하는 주기구조)은 3차원 포토닉 결정에 비해서 비교적 용이하게 제작될 수 있으므로, 지금까지 2차원 포토닉 결정이 가장 활발히 연구되어왔다.
포토닉 결정은 인공적으로 굴절률의 주기구조를 설치한 구조체이다. 특히, 주기구조에 있어서의 굴절률의 주기가 공간좌표 중의 2개의 축에 의해 형성되는 면내 방향에 설치되어 있거나 혹은 상호 직교하는 2방향에만 설치되어 있는 구조체를, 특히 2차원 포토닉 결정이라 칭한다. 나머지 1방향에는 주기적인 굴절률의 변화는 없다.
2차원 포토닉 결정의 공지된 형태로서, 얇은 평판 재료에 대해서, 면내 방향에 주기성을 가지도록 굴절률 주기구조를 설치한 것이 있다. 이러한 결정은 특히 2차원 슬래브 포토닉 결정이라 불리고 있다.
예를 들면, 도 2에 표시한 바와 같이, Si 등의 고굴절률의 반도체의 얇은 평판(1201)에, 대략 사용하는 광에 상당하는 주기로 미소한 구멍(1210)을 형성함으로써, 굴절률을 면내 방향으로 변조시킬 수 있다.
도 3에 표시한 바와 같이, 2차원 포토닉 결정(1300)에, 평면과 대략 수직방향으로부터 광을 입사시키면(도면에는 입사광(1301), 투과광(1302) 및 반사광(1303)이 도시되어 있음), 그 투과스펙트럼은 복잡한 형상을 지닌다. 예를 들면, 상기 문헌(V. Lousse 외, Opt. Express, Vol. 12, No. 15, p. 3436 (2004))에는, 파장 1,100㎚, 1,220 내지 1,250㎚ 및 1350㎚ 정도의 3개의 영역에 있어서 반사율이 100%로 되는 것이 이론적으로 설명되어 있다. 또, 상기 문헌에는, 적외 영역에 있어서의 실험에 의해 그와 같이 반사율이 상기 이론에서와 같이 실질적으로 100%에 가깝게 되는 것이 실증되어 있다. 반사될 광의 주파수는 FDTD(Finite Difference Time Domain)법에 의한 수치 시뮬레이션에 의해 결정구조를 설계함으로써 제어될 수 있는 것이 알려져 있다. 이와 같이 면내 방향의 굴절률 주기 구조에도 불구하고, 해당 구조에 수직 방향으로부터 입사한 광이 반사된다. 이 현상은 면내 도파(혹은 전파) 공명(in-plane guided resonance)으로 알려져 있다. 예를 들면, 면내 도파 공명은 "Physical Review B, Volume 65, 235112"에 상세히 설명되어 있다. 본 발명에 있어서는, 이 면내 도파 공명을 이용해서 VCSEL을 구성하는 미러의 반사기능이 실현된다.
이러한 현상은, 2차원 포토닉 결정에 대략 수직방향으로부터 입사한 광(1301)이 일시적으로 포토닉 결정의 면내 방향으로 도파되는 광으로 일시적으로 변환되고, 이 도파광이 면내 방향에 있어서 공진을 일으켜, 재차 입사광측의 수직방향으로 출사되는 사실에 의거한 것이다. 이 현상을, 2차원 포토닉 결정내를 도파되는 광의 에너지와 운동량과의 분산관계(포토닉 밴드라 칭함)를 이용해서 설명한다.
도 4는 2차원 포토닉 결정의 포토닉 밴드를 표시한 모식도이다. 가로축은 파수 백터를, 세로 축은 광의 규격화 주파수(ωa/2πc: ω는 광의 각주파수, a는 포토닉 결정의 격자상수, c는 진공에 있어서의 광속임)이다.
상기 면내 방향에 있어서의 공진은 포토닉 밴드 구조에 있어서의 광 콘(41)(light cone)(2차원 슬래브 내의 도파광이 슬래브 계면에서 전반사를 일으키는 경계선)보다도 에너지가 높은 모드의 광에 대해서만 일어난다. 즉, 도 4에 있어서, 광 콘(41)의 라인에 대해서 위쪽의 영역에 존재하는 광에 대해서, 면내 방향의 공진은 일어난다.
면내 방향의 광의 공진은, 일반적으로 다모드로 수행되기 쉽다. 그러므로, 미러의 면적이 크게 되면(즉, 레이저빔의 스폿 크기가 예를 들면, 5㎛ 이상으로 되면), 출사광의 위상은 면내 방향의 장소에 따라 달라지게 된다.
이 문제를 극복하기 위해, 포토닉 결정에 본 발명의 특징 사항인 주기성을 교란시키는 부분을 도입함으로써, 대면적(예를 들면, 직경 5㎛ 내지 50㎛)에 걸쳐서 광의 위상이 정렬된 단일 모드광을 실현할 수 있다.
도 4에 표시된 것과 같은 포토닉 밴드도에 있어서, 포토닉 밴드가 존재하지 않는 주파수 대역(45)을, 고체결정에 있어서의 전자밴드이론을 모방해서 "포토닉 밴드갭"이라 칭한다. 도 5는 2차원 포토닉 결정 중에 주기성을 교란시키는 부분(이하 "결함부"라 칭함)이 배치된 경우의 포토닉 밴드도이다. 도 5에 있어서의 부분(51)으로 표시된 주파수대역(파장영역)은 포토닉 밴드갭을 나타낸다.
포토닉 밴드갭의 크기는, 포토닉 결정의 고굴절률부와 저굴절률부간의 굴절률차에 의해 변화한다. 굴절률차가 큰 때에는 포토닉 밴드갭도 증대되고, 굴절률차가 작을 때는 포토닉 밴드갭도 감소된다. 굴절률차가 지나치게 낮은 경우에는, 포토닉 밴드갭은 소멸한다.
도 2에 표시한 바와 같은 2차원 포토닉 결정 슬래브에 있어서, 모재인 슬래브에 형성된 구멍의 치수, 격자의 형상, 주기 등에 따라 포토닉 밴드갭의 크기는 변화하고 있다.
2차원 포토닉 결정에 있어서, 일반적으로 사각 격자를 지닌 포토닉 결정보다도 삼각 격자를 지닌 포토닉 결정에 있어서의 포토닉 밴드갭이 크다. 대략적인 기준으로서, 굴절률차가 1.8 이하인 경우, 사각 격자보다도 오히려삼각 격자를 이용할 수 있는 데, 그 이유는 큰 포토닉 밴드갭 폭이 얻어질 수 있기 때문이다. 이러한 물질의 예로서는, GaN 및 TiO2를 포함한다.
Si 또는 GaAs 등과 같이 굴절률차가 1.8 이상 얻어질 수 있는 물질에 대해서는 삼각 격자와 사각 격자의 양쪽을 이용해도 된다.
포토닉 결정을 지닌 구조체에 관해서, 포토닉 밴드갭 내의 주파수대역의 광은 해당 구조체 중에 존재하지 않는다. 그러나, 해당 구조체에 결함부를 도입하 면, 포토닉 밴드갭 내에, 새로운 준위(즉, 도 5에 있어서의 결함준위(52))가 출현하고, 그 결함부에 있어서 광은 존재할 수 있게 된다. 즉, 포토닉 밴드갭 내의 광에 있어서도, 결함부를 개재해서 결정 속을 도파할 수 있도록 된다. 이러한 결함부를 지니는 2차원 포토닉 결정에 있어서의 반사는 이와 같은 결함모드의 주파수를 지닌 광에 의해서 수행된다.
근접해서 다른 준위가 존재하지 않도록, 결함부를 도입함으로써, 그 결함준위에 존재하는 광성분(즉, 결함부에 있어서의 편재광 성분)은 상호 작용이 강하고, 서로 결합된다고 생각된다. 그 결과, 단일 횡모드로 발진하기 쉽다. 이와 같이 해서, 굴절률 주기구조에 그 주기성을 교란시키는 부분을 복수 개소 도입함으로써, 스폿 크기가 큰 경우, 예를 들면, 5㎛ 내지 50㎛의 범위에서도, 위상이 정렬된 광을 출사하는 VCSEL이 제공될 수 있다.
후술하는 실시형태에 있어서는, 스폿 크기가 15㎛로 단일의 모드 발진하는 VCSEL에 대해서 설명하고 있다.
또, 본 발명은 단일 모드로 발진하기 쉬운 구성을 제공한다. 본 발명의 적용 범위는 스폿 크기가 5㎛ 내지 50㎛인 VCSEL로 한정되는 것은 아니다. 또한, 2차원 포토닉 결정을 중심으로 설명했으나, 본 발명은 3차원 포토닉 결정에 적용하는 것도 가능하다.
본 발명에 있어서의 굴절률 주기구조의 주기성을 교란시키는 부분(결함부)의 위치나 크기는 특히 한정되는 것은 아니다. 그러나, 결함부를 도입함으로써, 상기 설명한 바와 같이 포토닉 밴드갭 내에 새로운 준위를 형성할 필요가 있다.
또, 굴절률 주기구조에 도입되는 복수의 결함부 간의 간격은, 도입된 결함부에 광성분이 존재할 수 있고, 각각의 결함부에 있어서 존재하는 광 성분이 서로 결합될 수 있는 범위 내일 필요가 있다. 즉, 도입된 결함부로부터 주로 얻어진 광의 강도 분포가, 상호 중첩되는 영역을 지니는 간격으로 복수의 결함부를 배치한다.
상기 간격은 포토닉 결정의 재료, 구성 및 도파될 광의 파장영역에 의존한다. 예를 들면, 슬래브에 삼각 격자(주기 a)를 형성하도록 구멍을 형성하고, 굴절률 3.5 정도, 슬래브 두께 0.5a, 구멍 직경 0.4a인 포토닉 결정의 경우에는, 결함부간의 간격은, 예를 들면, 2주기 내지 8주기일 수 있다. 여기서 말하는 "주기"란, 굴절률 주기구조의 주기를 의미한다. 또, 여기서는 격자상수로 규격화하고, 그 주기에 관해서만 조건을 예시하고 있다.
또, 굴절률 주기구조의 주기나 도입하는 복수의 결함부의 간격은, 어떠한 발진파장으로 설계하느냐에도 의존한다. 예를 들면, 파장 670㎚의 레이저빔의 경우, 굴절률 주기구조의 주기를 면내 방향으로 180㎚로 설정하고, 3주기마다 구멍을 포함하지 않는 부분(결함부)을 배치한다. 이 경우, 스폿 크기를 15㎛로 해도 단일 횡모드에서의 발진이 수행될 수 있다. 굴절률 주기구조는, 활성층으로부터의 발광파장, 혹은 해당 발광파장의 정수배에 상당하는 주기를 지녀도 된다.
결함부간의 간격은, 굴절률 주기구조의 주기의 2배 이상(즉, 2주기 이상) 50배 이내, 바람직하게는, 2배 이상 20배 이내, 더욱 바람직하게는, 2배 이상 10배 이내이다. 상기 굴절률 주기구조상에 막이 적층되면 공기 또는 진공의 유전상수 를 이용하지 않는 구조, 즉, 에어-갭(air-gap)을 이용하지 않는 구조도 사용될 수 있다.
(결함부의 도입방법)
도 2의 2차원 포토닉 결정의 예를 참조하면, 상기 설명한 바와 같이 구멍(1210)을 어느 일부만 제외(즉, 구멍을 더 형성하지 않거나 혹은 기존의 구멍의 일부를 매립)하거나, 또는 둘레 구멍과 크기가 다른 구멍을 만듦으로써, 결함을 형성한다.
또는, 결함으로서 이용되는 부분에 별도의 굴절률이 다른 물질(공기 이외의 고체재료)을 도입함으로써 결함을 형성하는 것도 가능하다.
결함부를 도입함으로써, 포토닉 결정의 주기성의 교란 정도를 조정한다. 이것에 의해 포토닉 밴드도에 있어서의 결함준위를 포토닉 밴드갭의 중앙에 위치시키는 것이 가능하다. 예를 들면, 도 2의 2차원 포토닉 결정의 예에서는, 결함부의 구멍의 직경을 적당한 수치로 튜닝함으로써 상기 조정이 실현된다. 그러나, 결함부의 도입에 의한 주기성의 교란이 지나치게 적다면, 포토닉 밴드갭의 밴드 말단에 가까운 위치에 결함준위가 배치된다.
결함모드가 밴드 말단에 가까워지면, 밴드 모드와 밴드 말단 혹은 밴드의 안쪽의 모드와의 사이의 에너지차가 적어지고, 이에 따라, 결함모드를 포함하는 복수의 모드가 레이저활성층의 이득영역에 함께 들어가 버리는 일이 있다. 이와 같은 경우, 모드의 선택성이 낮아져, 동시에 복수의 모드로 발진이 수행되어 버리거나, 혹은 복수의 모드가 불안정하게 교체되는 등의 현상이 일어나기 쉽게 된다.
따라서, 발진모드의 제어가 용이해진다고 하는 관점으로부터, 결함준위는 포토닉 밴드갭의 중앙에 위치될 수 있다. 구체적으로는, 그 결함준위가 포토닉 밴드갭 내에 위치되도록 설계된다.
또, 결합준위는, 포토닉 밴드갭의 중앙부의 70%, 50% 혹은 30% 이내, 즉, 포토닉 밴드갭의 영역의 70%, 50% 혹은 30%를 망라하도록 포토닉 밴드갭의 중앙의 어느 한쪽 상에 뻗어 있는 영역 내의 지역에 존재하도록 하는 동시에 포토닉 밴드갭의 밴드 말단으로부터 이간되도록 설계한다.
(결함부의 종류)
VCSEL의 공진기를 구성하는 미러 중의 적어도 한쪽 미러에 도입되는 포토닉 결정에 있어서의 복수의 결함부는, 그 결함부 자체가 주기성을 가지고 있는 경우(주기적 결함) 혹은 하등의 주기성을 갖고 있지 않은 경우(비주기적 결함)가 있다.
본 명세서에 있어서, "주기적 결함"이란, 결함의 도입 위치가 공간적으로 병진대칭성을 지니는 경우를 말한다. 이와 같은 주기적 결함은, 결함을 도입하기 전의 굴절률 주기구조의 공간적인 배치는 변하는 일없이, 굴절률 값만을 변화시킴으로써 도입할 수 있는 일이 종종 있다. 예를 들면, 도 2의 2차원 포토닉 결정에서, 구멍의 2주기마다 1개의 비율로 결함(구멍을 형성하지 않은 부분)을 형성하는 것은, 주기적 결함의 일례이다.
이 경우, 결함의 주기는 자유롭게 변화시키는 것이 가능하다. 전술한 바와 같이, 결함부에 편재하는 광 성분이 서로 결합하도록 결함주기를 적절하게 조정하는 것이 바람직하다. 또, 결함의 주기는 기본격자의 방향에 대해서 이방성을 지 니고 있어도 된다.
"비주기적 결함"이란, 결함의 분포가 공간적인 병진대칭성은 지니지 않지만, 어느 종류의 규칙성을 지니도록 결함이 배치되어 있는 경우이다. 예를 들면, 결함이 어느 종류의 수학적 패턴에 의거해서 분포하고 있는 경우나, 국소적으로는 대칭성을 지니지 않지만 장주기에 걸쳐서 대칭성을 지니도록 준결정구조를 지니고 있는 경우 등이 있다. 결함의 분포가 수학적 패턴을 지닌 경우의 실시예에 대해서는, 제 3실시예에 있어서 설명할 것이다. 하나의 격자점에 대응하는 크기를 지니는 점결함 이외에, 결함부가 연속적으로 연결되어 있는 선결함, 혹은 3개 이상의 결함이 하나의 결함을 연속적으로 형성하는 결함(대형 점결함이라고 칭함)도 이용될 수 있다. 이러한 경우, 선결함 또는 대형 점결함부에서, 그들 점결함은 서로 연결되어 있다. 따라서, 결함 사이의 간격은 1주기에 상당한다. 그러나, 선결함 또는 대형 점결함은 약 2 내지 8주기의 간격으로 배열되어 있으므로, 편재화된 광 성분이 서로 결합되어 있다. 또한, 이들 3종류의 결함, 즉, 점결함, 선결함 및 대형 점결함은 조합되어 있어도 된다. 이들 결함의 도입에 의해 이하의 효과가 제공된다. 결함을 도입함으로써, 미러 상의 굴절률 분포가 출사광의 모드 패턴을 변화시키도록 조정될 수 있다. 즉, 출사광의 모드패턴은 결함의 종류를 변경함으로써 변화된다. 따라서, 레이저빔의 원거리 패턴(far field pattern)이 변화될 수 있다. 이러한 효과는, 편재화된 광성분이 서로 결합되는 거리로 결함 간의 간격이 설정되어 있지 않은 경우에도 실현될 수 있다.
(포토닉 결정을 지닌 구조체의 구성 재료)
2차원 포토닉 결정 미러에는, 금속, 반도체 및 유전체의 어느 것이라도 이용하는 것이 가능하지만, 레이저발진파장을 지닌 광을 투과하는 반도체나 유전체 등의 재료가 주로 사용될 수 있다. 또, 광여기에 의해 발진이 수행되는 경우에는, 반도체와 유전체를 모두 이용하는 것이 가능하다. 또한, 전류주입에 의해 발진이 수행될 경우에는 반도체를 이용할 수 있다.
또, 2차원 포토닉 결정은, 저굴절률 부위와 고굴절률 부위가 주기적으로 배열된 구조를 지니고 있다. 고굴절률 부위에는, 실리콘 등의 굴절률이 큰 반도체를 이용하고, 저굴절률 부위는 구멍을 이용하는 구성이 가장 굴절률차를 크게 제공할 수 있다. 즉, 이러한 구성이 포토닉 밴드갭을 크게 실현할 수 있다.
또, 이러한 2차원 포토닉 결정 미러를 통해서 전류주입을 행할 경우에는, 저굴절률 부위는 고굴절률 부위에서 이용되고 있는 재료보다 굴절률이 작은 반도체로 구성될 수 있다.
다음에, 2차원 포토닉 결정의 굴절률 주기구조에 수직인 방향(굴절률 주기구조가 존재하지 않는 방향)의 두께에 대해서 설명한다. 두께는, 결정속을 2차원의 면내 방향으로 도파하는 광의 횡모드가 단일로 되도록 결정된다. 두께는 도파될 광의 파장이나, 포토닉 결정을 구성하는 재료에 의해 다양하게 다르지만, 공지의 계산방법에 의해(예를 들면, "광도파로의 기초"(오카모토 카츠나리 저, 옵트로닉스사) 제 2장 참조) 도출될 수 있다.
예를 들면, 실리콘의 포토닉 결정을 이용하고, 포토닉 결정 외부의 물질이 공기인 경우를 설명한다. 파장 1.5㎛의 도파광에 대해서, 포토닉 결정의 두께를 220㎚ 이하로 조정함으로써, 단일 횡모드가 실현된다.
또, 2차원 포토닉 결정의 굴절률 주기구조에 수직인 방향(막두께 방향, 즉, VCSEL의 출사방향)에서의 포토닉 결정 외부의 매질은 공기 혹은 기타 재료로 구성하는 것이 가능하다. 그러나, 전류주입에 의해 발진시키는 경우, 2차원 포토닉 결정 속에 광을 유효하게 감금시키고, 또 미러 위의 전극으로부터 활성층으로 캐리어를 주입하기 위해, 상기 매질은 상기 포토닉 결정을 구성하는 재료가운데 고굴절률을 지닌 재료보다도 저굴절률의 재료로 구성될 수 있다. 2차원 포토닉 결정 외부의 매질의 굴절률은 포토닉 결정의 것과 동일할 수 있다. 그러나, 전술한 바와 같이, 공기, 즉, 기타 매질을 포함하는 구조는 비대칭이어도 된다. 이 경우, 외부 매질의 굴절률은 포토닉 결정을 구성하는 고굴절률 재료보다도 낮을 수 있다.
또, 굴절률 주기구조의 주기를 교란시키는 부분에 있어서의 발광부는 서로 광결합되는 간격으로 배치하고, 수직 공진기형 면발광 레이저 장치가 단일 횡모드로 발광하도록 구성하는 것이 가능하다.
구체적인 VCSEL의 구성으로서는, 기판상에, 상기 제 1반사 미러, 상기 활성층 및 상기 굴절률 주기구조를 지니는 상기 제 2반사 미러를 이 순서로 배치하고, 상기 제 1반사 미러는 다층막미러(DBR 미러)로 구성한다.
또, 다른 VCSEL의 구성으로서는, 기판상에, 굴절률 주기구조를 지닌 제 2반사 미러, 상기 활성층 및 상기 제 1반사 미러를 이 순서로 배치하고, 상기 제 1반사 미러는 다층막미러로 구성한다. 또는, 상기 제 1 반사 미러 및 제 2반사 미러를 모두 2차원 포토닉 결정으로 구성해도 된다.
기판상에, 상기 제 1반사 미러, 상기 활성층 및 상기 굴절률 주기구조를 지니는 상기 제 2반사 미러 및 전극을 이 순서로 설치할 경우, 상기 장치는 전류주입의 관점으로부터는, 이하의 구성을 지닐 수 있다.
즉, 해당 전극의 바로 아래에 배치된 상기 제 2반사 미러의 일부에는, 상기 굴절률 주기구조를 설치하지 않는다.
또, 상기 굴절률 주기구조는, 주기를 교란시키는 부분이 배치된 제 1영역과, 주기를 교란시키는 부분이 배치되어 있지 않은 제 2영역을 포함해도 되고, 상기 제 1영역을 둘러싸도록 제 2영역을 위치결정해도 된다.
특히, 상기 제 1영역을 사각 격자로 구성하고, 제 2영역을 삼각 격자로 구성할 수 있다.
또, 본 발명에 있어서는, 광이 단일 횡모드로 발광하는 한 반드시 굴절률 주기구조에의 결함도입은 필요하지 않다. 따라서, 본 발명은 이하의 구성을 포함한다. 즉, 수직 공진기형 면발광 레이저장치는, 기판; 제 1반사 미러; 활성층; 및 제 2반사 미러를 포함하고, 상기 기판상에 상기 제 1반사 미러, 상기 활성층 및 상기 제 2반사 미러가 설치되어 있고, 상기 제 1반사 미러 및 상기 제 2반사 미러는 2차원 굴절률 주기구조를 포함하고, 상기 레이저 장치는 단일 횡모드로 발광하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 이하의 구성도 포함한다. 즉, 수직 공진기형 면발광 레이저 장치는, 기판; 제 1반사 미러; 활성층; 및 제 2반사 미러를 포함하고, 상기 기판상에 상기 제 1반사 미러, 상기 활성층 및 상기 제 2반사 미러가 설치되어 있고, 상기 제 1반사 미러 및 상기 제 2반사 미러 중의 적어도 한쪽은 2차원 굴절률 주기구조를 포함하고, 출사 광의 스폿 크기는 5㎛ 이상이고, 상기 출사광은 단일 횡모드로 발광하는 것을 특징으로 한다.
또, 본 발명은 이하의 구성도 포함한다. 즉, 수직 공진기형 면발광 레이저 장치는, 기판; 제 1반사 미러; 활성층; 및 제 2반사 미러를 포함하고, 상기 기판상에 상기 제 1반사 미러, 상기 활성층 및 상기 제 2반사 미러가 설치되어 있고, 상기 제 1반사 미러 및 상기 제 2반사 미러 중 적어도 한쪽은 2차원 굴절률 주기구조를 포함한다. 상기 2차원 굴절률 주기구조는 파장 범위 5 내지 50㎚에서, 공명파장에 있어서의 반사율과 상기 파장 범위 내의 파장 이외의 파장에서의 반사율 간의 차가 3% 이내이고, 상기 파장범위는 상기 공명파장을 포함하며, 상기 수직 공진기형 면발광 레이저 장치로부터 출사된 광은 단일 횡모드로 발광한다.
면내 방향에 주기구조를 지닌 포토닉 결정에, 그 면내 방향과는 수직인 방향으로부터 광을 조사한다. 파장(혹은 주파수)을 변화시키면서 반사율 혹은 투과율을 측정하면, 반사율이 100% 정도인 파장이 존재한다. 상기 파장은 일반적으로 "공명 파장"이라 불린다. 상기 공명 파장을 지닌 광은 포토닉 결정 내에 입력되면, 일시적으로 면내 방향으로 도파하는 모드로 되고 나서, 반사광으로서 되돌아오게 된다.
공명파장에 있어서의 반사율은 100%에 가깝지만, 일반적으로 공명파장으로부터 1㎚정도 벗어나면, 반사율은 20% 이상 급격하게 내려간다. 공명파장에 의한 반사작용을 VCSEL의 미러에 적용하는 경우, 제조상의 에러마진을 고려하면, 공명파 장에서의 반사율에 대한 반사율의 변화의 비율이 3% 이내인 파장범위가 5㎚ 내지 50㎚ 정도의 범위일 필요가 있다.
공명 파장을 포함해서 30㎚의 파장범위에서, 반사율의 변화를 3% 정도 이내로 억제한 포토닉 결정이, 판(Fan) 등의 논문(Optics Express, Vol. 12, No. 8 (2004), pp. 1575-1582)에 기재되어 있다. VCSEL의 제조의 관점으로부터 이와 같은 포토닉 결정 미러를 이용할 수 있다.
이하, 본 발명의 몇 가지 특징적인 구성에 대해서 설명한다.
(VCSEL을 구성하는 공진기 미러가 다층막 미러와 포토닉 결정으로 이루어진 경우)
다음에 이하의 경우에 대해서 설명한다. 즉, 레이저 장치(혹은 레이저 소자)의 공진기에 있어서의 1쌍의 미러 중, 한쪽 미러가 다층막 미러이고, 다른 한쪽 미러가 상술한 결함부를 포함하는 포토닉 결정으로 이루어져 있는 경우에 대해서 설명한다.
본 발명의 면발광 레이저 장치의 공진기를 구성하는 반사 미러쌍에 대해서는, 한쪽 미러가 결함이 도입된 굴절률 주기구조를 지니고 있는 경우, 다른 쪽의 미러에는 임의의 미러를 이용하는 것이 가능하다. 물론, 활성층의 상·하부에 형성된 층들을 포토닉 결정으로 구성해도 된다.
여기서는, 한쪽 미러로서 공지의 VCSEL를 이용하는 DBR 미러가 이용된 구성에 대해서 설명한다. 상기 결함부가 도입된 굴절률 주기구조를 지닌 미러에 대해 서는, 이제까지 설명한 구성의 미러를 더 이상의 처리 없이 이용하는 것이 가능하다. 굴절률 주기구조의 패턴이나, 결함의 편차 등도 이제까지 설명한 모든 구성을 채용하는 것이 가능하다.
본 발명에 있어서 이용되는 다층막 미러로서는, 통상의 VCSEL 등에서 이용되는 DBR 미러를 이용할 수 있다. 통상 이 DBR 미러는 굴절률이 다른 2종류의 재료를 교대로 적층함으로써 제작된다. 개개의 매질에 있어서의 1층의 두께 d는 Nd = λ/4(N: 매질의 굴절률, λ: 공명광의 파장)를 만족하도록 설계되어 있다. DBR 미러에 이용되는 재료의 예로서는, 금속, 유전체, 반도체 등을 들 수 있지만, 금속에 의한 광흡수를 고려하면, 유전체 및 반도체를 이용할 수 있다. 이에 더해서, 전류주입에 의해 구동할 경우에는, 전기저항이 낮은 금속 혹은 반도체재료를 이용할 수 있다.
구체적인 재료로서는, InxGa1 - xAsyP1 -y/Inx'Ga1 -x'AsyP1- y', AlxGa1 - xAs/AlyGa1 - yAs, GaN/AlxGa1-xN 등의 비교적 격자상수에 근사한 재료를 이용할 수 있다. 이 미러의 반사율을 높이기 위해서는, 2종류의 재료 간의 굴절률차를 가능한 한 크게 하고, 또 적층수를 많게 할 필요가 있다. 하지만, 도전성 재료를 이용해서 미러를 제조한 경우, 적층수를 크게 하면 적층막의 표면에 대해서 수직인 방향의 전기저항이 커진다. 미러를 통해서 장치에 전류를 성공적으로 도입하기 위해서는, 미러의 전기저항은 낮게 할 필요가 있다. 따라서, 이 경우, 미러의 2종류의 재질 간의 굴절률차를 크게 하는 동시에 적층수는 가능한 한 작게 유지한 상태에서 소망의 반사 율을 얻을 필요가 있다. 또, 미러를 면발광 레이저 공진기의 반사경으로서 이용하는 경우, 클래딩(caldding) 등의 기타 공정을 거치는 일없이, 결정 성장만으로 미러를 제작할 수도 있다. 따라서, 미러의 재료는, 레이저장치의 본체를 구성하고 있는 재료와 근사한 격자 상수를 지녀도 된다.
또, 활성층의 상·하부에 배치하는 미러를 모두 포토닉 결정으로 구성해도 된다. 이 경우, 한쪽 미러를 결함부가 도입되어 있지 않은 포토닉 결정으로 구성하고, 다른 쪽 미러를 결함부를 지닌 포토닉 결정으로 구성하는 것도 가능하다. 또한, 포토닉 결정을 미러로서 이용할 경우에는, 기판과 활성층 사이에 배치된 하부 미러보다는, 활성층을 개재해서 하부미러와 반대쪽에 배치된 상부 미러에 포토닉 결정을 이용할 수 있다. 그 이유는 구멍을 이용해서 굴절률 주기구조를 작성할 경우, 해당 구조 위에 형성하는 막은 가능한 한 적게 한 쪽이 제조 공정을 간단화할 수 있기 때문이다. 물론, 활성층의 상·하부에 배치하는 미러의 한쪽을 포토닉 결정으로 구성하고, 다른 쪽의 미러층을 서로 굴절률이 다른 다층막(DBR)으로 구성하는 것도 가능하다.
(미러가 복수의 굴절률 주기구조를 지닌 다층막으로 구성되어 있는 경우)
본 발명의 면발광 레이저 장치에 있어서, 공진기의 반사 미러쌍을 구성하는 굴절률 주기구조는, 단독 구조(1주기)로 구성하는 것도 가능하고, 또는 이러한 단독 구조가 복수종 조합된 구성을 취하는 것도 가능하다.
예를 들면, 굴절률 주기구조를 2차원 포토닉 결정으로 구성한 경우를 고려할 수 있다. 공진기를 구성하는 2차원 포토닉 결정 미러가, 공진기 내의 광의 공진 방향(출사방향, 이하 이것을 "세로방향의 공진"이라 칭함)에 복수층 중첩되어, 공진기 미러의 적어도 한쪽을 형성해도 된다. 2차원 포토닉 결정 대신에, 3차원 포토닉 결정을 이용해도 된다. 또, 어느 주기를 지닌 굴절률 주기구조 영역과 별도의 주기를 지닌 다른 주기구조영역 사이에는, 공기 또는 그외의 매질에 의한 스페이서 층을 설치해도 된다. 이에 따라, 공진기 미러가 굴절률 주기구조 및 스페이서층을 포함하는 1쌍의 층이 1주기를 형성하는 다층막 미러의 구조를 지니도록 해도 된다.
이들 쌍의 층은, 미러 내에서 공진하는 광의 위상정합이 취해지도록 설계될 필요가 있다. 위상정합에 관해서, 구체적으로는 2개의 조건이 있다. 그 중 첫번째는 2차원 포토닉 결정 내에서 공진하는 광의 공진방향과 평행한 방향(즉, 광의 출사방향에 대해서 수직인 방향이고, 이것을 "횡방향"이라 칭함)으로 굴절률 주기구조의 위치관계가 일정한 것이다. 두번째는, 상기 첫번째 조건이 만족된 상태에서, 1쌍의 층의 두께가 조정되는 것이다.
상기 첫번째 조건은, 굴절률 주기구조층 사이에 설치된 스페이서층의 두께가 얇고, 2개 이상의 굴절률 주기구조가 광학적으로 서로 결합되어 있는 상태일 때 고려될 필요가 있다. 그와 같은 경우, 굴절률 주기구조간의 횡방향의 정렬(평행 이동 혹은 회전)이 필요하게 된다. 이들 위치가 서로 정렬되어 있지 않은 경우, 굴절률 주기구조로부터 세로방향으로 방사되는 광의 위상이 각각의 층과 달라져버려, 반사율의 저하를 초래한다. 스페이서층의 두께가 두껍고, 굴절률 주기구조가 서로 광학적으로 결합하고 있지 않은 경우에도, 위치관계는 일정할 수 있다.
예를 들면, 이러한 위치 관계에 대해서는, 동일 주기를 지닌 2차원 포토닉 결정 슬래브를 복수매 적층한 경우에, 각각의 구멍의 위치가 오차 3㎚ 이내의 정밀도로 일치한다.
두번째의 조건은 첫번째 조건이 만족된 상태에서 상기 쌍의 층의 두께를 조정함으로써 만족될 수 있다. 앞에서도 설명한 바와 같이, 굴절률 주기구조층의 두께를 지나치게 크게 하면, 층 내에 있어서의 세로방향의 모드가 다모드화해서 바람직하지 않다. 따라서, 굴절률 주기구조층의 두께는 고정시키고, 스페이서층의 두께만을 변화시켜 전체 두께를 조정해도 된다. 또, 굴절률 주기구조와 스페이서층과의 굴절률차를 크게 취하고, 반사율을 크게 하기 위해서는, 스페이서층은 공기인 것이 바람직하다. 또, 미러를 통해서 전류주입을 행하기 위해서는, 스페이서층의 재료는 금속 또는 반도체일 수 있다. 그러나, 금속에 의한 광흡수를 고려하면, 레이저의 임계치를 저하시키기 위해서 스페이서층은 반도체로 구성될 수 있다.
이상에 설명한 바와 같은 복수의 굴절률 주기구조로 이루어진 공진기 미러를 이용함으로써, 굴절률 주기구조 단독으로 구성한 미러에 비해서 반사율을 높이는 것이 가능하다.
(활성층 및 스페이서층(클래드층))
공진기를 구성하는 활성층 및 스페이서층으로서는, 통상의 VCSEL에서 이용되고 있는 바와 같은 더블헤테로구조, 다중 양자 우물 구조, 양자 도트 구조 등을 직접 적용할 수 있다. 또, 활성층두께 + 클래드 층 두께로 표시되는 공진기의 길이 L(공진기 미러 간의 거리)은, 미러의 굴절률이 클래드층의 굴절률보다 큰 경우에 는, NL + ΔL = nλ/2(N: 공진기 매질의 굴절률, n: 양의 정수, λ: 공명광 파장, ΔL은 미러 반사 동안의 위상 시프트에 의한 광로길이의 변화)의 관계를 만족하도록 설계할 필요가 있다. 또, 활성층은 공진기에 형성된 정재파의 배(antinode) 부분에 배치될 수 있다.
상기 활성층과 클래드 층의 재료의 예로서는, GaAs/AlGaAs, InGaAsP/InP, AlGaInP/GaInP, GaN/InGaN/AlGaN, GaInNAs/AlGaAs 등의 공지의 VCSEL에 이용되는 재료를 들 수 있다. 상기 구성의 예에 있어서, 활성층의 양쪽 측면에 배치된 클래드층에 n-형 GaN층 또는 p-형 GaN층이 이용될 수 있고, 비도핑 GaN/InGaN 다중 양자우물구조는 활성층에 이용된다.
(활성층에의 캐리어주입 방법)
활성층(1040)에의 캐리어주입방법에 대해서는, 예를 들면, 애노드와 캐소드의 쌍을 포함하는 전극으로부터의 전류주입에 의해, 활성층에의 캐리어주입이 수행된다.
이용가능한 전극의 예로서, 통상의 VCSEL에 있어서 이용되고 있는 링 전극 및 원형, 직사각형 등의 다양한 형상을 지닌 전극을 들 수 있다.
또, 굴절률 주기구조가 고체 매질과 구멍으로 이루어진 경우에는, 전극 바로 밑에 배치된 영역에는 주기구조의 패턴을 형성하지 않는다. 그 이유는 구멍의 존재에 의해 접촉저항이 커지는 경우가 있기 때문이다.
전극의 재질은 전극을 형성하는 부위의 레이저 장치재료에 의존한다.
예를 들면, n형 GaAs층에는 Au-Ge-Ni 또는 Au-Sn을 전극에 이용할 수 있고, p형 GaAs에는 Au-Zn 또는 In-Zn을 전극에 이용하는 것이 가능하다. 또, ITO(Indium Tin Oxide) 등의 투명전극을 이용하는 것도 가능하다. 특히 장치의 발광면 상에 링 전극 이외의 전극을 형성할 경우에는, 투명전극을 이용하는 것이 바람직하다.
(반사 미러의 상기 굴절률 주기구조에 인접한 장소에, 해당 굴절률 주기구조의 주기보다도 작은 간격으로, 상기 굴절률 주기구조를 구성하는 매질 중, 가장 고굴절률의 매질보다도 낮은 굴절률을 지닌 매질을 도입한 구성)
본 발명의 면발광 레이저 장치에 있어서는, 반사 미러의 굴절률 주기구조에 인접하는 위치에 해당 굴절률 주기구조의 주기보다도 작은 간격으로 저굴절률의 매질을 도입함으로써, 해당 위치에서의 실효적인 굴절률을 적게 하는 것이 가능하다. 도입하고자 하는 저굴절률 매질은, 반사 미러의 굴절률 주기구조를 구성하는 매질중, 가장 고굴절률을 지닌 매질보다도 낮은 굴절률을 지닐 필요가 있다. 예를 들면, 실리콘(Si)에 주기적으로 구멍을 형성한 2차원 포토닉 결정에 있어서, 모재로서 기능하는 Si보다도 저굴절률을 지닌 매질을, 구멍의 주기보다도 작은 간격으로 도입해도 된다. 이 매질이 공기로 이루어진 구조는, 포토닉 결정에 인접한 재료를 다공질화함으로써 실현될 수 있다. 이 구조는, 상기 굴절률 주기구조 속을 도파하는 광이 외부에 누출되는 것을 방지한다. 따라서, 상기 광을 해당 굴절률 주기구조 속에 유효하게 감금시킬 수 있다.
도입하는 매질은, 상기 굴절률 주기구조를 구성하는 매질중 가장 고굴절률을 지닌 매질보다도 낮은 굴절률을 지니는 것이면 어느 매질이라도 된다. 상기 매 질이 공기로 구성되어 있는 구조, 즉, 구멍을 함유하는 다공질화 구조를 형성함으로써 제작한 구조는, 상기 굴절률 주기구조를 구성하는 가장 굴절률이 높은 매질과의 굴절률차가 크고, 또 상기 굴절률 주기구조 속에의 광의 감금의 효율이 향상되기 때문에 이용될 수 있다.
본 발명에 의한 VCSEL은, 다양한 발광용 광원으로서 이용될 수 있다. VCSEL의 어레이 형상은, 멀티빔 광원으로서도 이용될 수 있다. 예를 들면, 본 발명은 일본국 공개특허 제2004-230654호 공보에 기재되어 있는 화상형성장치에 적용될 수 있다. 화상형성장치의 예로서는, 레이저광원으로부터의 광변조된 레이저빔을 감광체나 정전기록매체 등의 화상담지면 위에 도광해서, 그 면 위에 예를 들면, 정전잠상으로 이루어진 화상정보를 형성하도록 한 복사기, 레이저빔 프린터, 팩시밀리 장치 등을 들 수 있다. 종래로부터 VCSEL을 광원으로서 이용한 경우에는, 그 최대출력이 낮고, 폴리곤 주사미러 등의 복수의 광학계를 레이저광이 통과하는 구성에서는, 광량이 부족하였다. 본 발명에 의하면, 출사스폿의 크기를 5㎛ 이상으로 증대시킬 수 있으므로, 고출력의 면발광 레이저로서 본 발명의 VCSEL이 이용될 수 있다.
이하, 본 발명의 실시예를 설명한다.
이하의 실시예는 예시적인 것이며, 본 발명에 있어서 이용되는 레이저 장치의 구조재료, 치수 및 형상 등의 각종 조건은 이하의 제 1 내지 제 6실시예로 제한 되는 것은 아니다.
(제 1실시예 )
이하, 본 제 1실시예에 의한 레이저 장치의 구조는 도 6을 참조해서 설명한다.
기판(61) 상에 하부 공진기 미러 광 감금층(lower cavity mirror light confinement layer)(62), 하부 공진기 미러층(63), 하부 클래드층(64), 활성층(65), 상부 클래드 층(66) 및 상부 공진기 미러층(67)을 순차 적층한다. 상기 기판(61)의 반대면과 상기 상부 공진기형 미러층(67)의 상부면 상에는 각각 n-전극(68)과 p-전극(69)이 설치되어 있다.
기판(61)은 두께 565㎛를 지닌 n형 GaAs 기판이다. 하부 공진기 미러 광 감금층(62)은 n형 Al0 .7Ga0 .4As로 이루어지고 두께 1㎛이다. 하부 공진기 미러층(63)은 n형 Al0 .4Ga0 .6As로 이루어지고, 하부 클래드층(64)은 n형 (Al0.5Ga0.5)0.5In0.5P로 이루어져 있다. 상부 공진기 미러층(67)은 p형 Al0.4Ga0.6As로 이루어지고, 상부 클래드층(66)은 p형 (Al0 .5Ga0 .5)0.5In0 .5P로 이루어져 있다.
상·하부 미러층(63), (67)의 중앙부에는 미러를 형성하는 포토닉 결정구조(610), (612)가 각각 설치되어 있다. 하부미러에만 결함(611)이 도입되어 있다.
상·하부 공진기 미러층(63), (67)사이의 거리(즉, 공진기의 길이)는 약 1.5㎛(공명광의 파장 670㎚의 약 7.5배에 상당함)이다. 활성층(65)은 비도핑 In0.56Ga0.44P/(Al0.5Ga0.5)0.5In0.5P의 변형된 양자우물 구조에 의해 구성되어 있다. 이 우물의 층의 수는 3층이다. 또, In0 .56Ga0 .44P층과 (Al0 .5Ga0 .5)0.5In0 .5P층의 각각의 두께는 6㎚이다. 기판에 인접한 n-전극(68)은 Ni/Au/Ge로 이루어지고, 미러에 인접한 p-전극(69)은 Au-Zn으로 이루어져 있다.
상기 적층막은 이하의 같은 공정에 의해 제조될 수 있다. GaAs기판상에 MOCVD(metalorganic chemical vapor deposition)법에 의해 Al0 .9Ga0 .4As 리프트-오프(lift-off)층을 형성한다. 상기 리프트-오프층 위에 상부 공진기 미러층으로부터 하부 공진기 포토닉 결정 미러층까지를 포함하는 층을 순차 형성한다. 후속 공정에서, 제1성장에 이용되었던 GaAs 기판을 리프트-오프해야만 하므로, 상기 리프트-오프 층은 기판과 상부 공진기 미러 사이에 삽입된다. 상기 리프트 미러 층위에, 상부 공진기 미러층으로부터 하부 공진기 미러층까지를 포함하는 층을 순차 형성한다. 먼저, 하부 공진기 미러를 형성한다. 상기 하부 공진기 미러의 포토닉 결정 패턴을 전자선(EB)리소그래피 및 반응성 이온빔에칭(RIBE)에 의해 Cl2 가스를 이용해서 형성한다. 그 후, 별도의 GaAs 기판상에 하부 공진기 미러 광 감금층을 두께 1㎛로 형성함으로써 웨이퍼를 준비한다. 하부 공진기 미러층의 면과 하부 공진기 미러 광 감금층의 면을 정렬시켜 열융착접착에 의해 접합한다. 이와 같이 해서, 하부 공진기 미러의 형성이 완료된다. 다음에, 상부 공진기 미러를 형성한다. 상부 공진기 미러에 인접한 Al0 .6Ga0 .4As 리프트-오프층을 불화수소산에 의해 선택적으로 에칭하여 제 1성장용으로 이용된 GaAs 기판을 제거한다. 노출된 상부 공진기 미러층상에 상기 하부 공진기 미러층상에 상기 패턴을 형성하는 데 사용한 바와 마찬가지 방법에 의해 포토닉 결정 패턴을 형성한다. 이와 같이 해서, 상부 공진기 미러의 형성을 종료한다. 마지막으로, 상기 GaAs 기판의 뒷면 및 상부 공진기 미러층 위에 각각 증착에 의해 n-전극과 p-전극을 형성한다.
이하, 상기 상·하부 공진기 미러의 포토닉 결정 미러에 대해서 상세히 설명한다.
도 7A 및 도 7B는 각각 상·하부 미러의 포토닉 결정의 평면도이다. 포토닉 결정 구조는, Al0 .4Ga0 .6As 층에 구멍(71) 혹은 (74)을 주기적으로 설치함으로써 형성된다. 예를 들면, 상기 설명한 바와 같이, 이러한 미세 구멍들은 EB 리소그래피에 의해 형성된 패턴을 드라이 에칭에 의해 전사함으로써 Al0 .4Ga0 .6As 층상에 형성될 수 있다.
상·하부 미러층 모두에는, 각각 구멍이 원형이고 주기가 180㎚인 삼각 격자로 배열되어 있다. 구멍 반경은 75㎚, 층 두께는 270㎚이다. 이하, 결함이 도입되어 있지 않은 포토닉 결정 구조를 기본(혹은 호스트) 포토닉 결정구조로서 정의한다.
도 7B의 상부 포토닉 결정 미러에는 결함이 도입되어 있지 않다. 이에 대해서, 하부 포토닉 결정 미러에는, 도 7A에 도시한 바와 같이, 포토닉 결정의 굴절률 주기구조를 교란시키는 결함(72)이 주기적으로 도입되어 있다.
결함(72)은 기본적인 포토닉 결정의 구멍을 주기적으로 제거함으로써 형성된다. 상기 결함(72)은 기본적인 포토닉 결정구조에서와 마찬가지로 삼각 격자를 형성하지만 결함간의 간격은 상기 기본적인 포토닉 결정구조의 3주기에 상당한다. 도 7A 및 도 7B에 있어서의 포토닉 결정의 구멍의 주기의 수는 편의상 실제의 미러 영역에서보다도 작게 되어 있지만, 실제의 미러 영역에는 80주기 이상에 걸쳐서 기본적인 포토닉 결정 및 결함이 도입되어 있다.
본 실시예에서, 하부 포토닉 결정 미러의 결함은 기본적 포토닉 결정구조에서 구멍을 주기적으로 제거함으로써 형성된다. 또는, 상기 기본적인 포토닉 결정의 구멍과는 다른 크기의 구멍을 이용해도 된다. 또는, 상기 결함부에 굴절률이 다른 별도의 재료를 도입함으로써 결함을 형성하는 것도 가능하다.
결함의 배치 방법에 대해서는, 본 실시예에서의 결함간의 간격은, 포토닉 결정구조의 3주기에 상당하고 있으나, 상기 간격은 이것보다 크거나 작아도 된다. 그러나, 상기 간격이 지나치게 크면, 결함에 편재되는 광 성분이 서로 결합될 수 없다. 따라서, 상기 간격의 상한은 존재한다.
본 실시예에서는, 상·하부 포토닉 결정 미러 중, 하부 미러에만 결함을 마련하고 있다. 또는, 상부 미러에만 또는 상·하부 미러 양쪽 모두에 결함을 도입해도 된다.
또한, 이하에 상·하부 2매의 미러 간의 위치관계에 대해 설명한다. 도 8은 공진기를 구성하는 상부 공진기 미러(81)와 하부 공진기 미러(82)의 상대 위치관계를 표시한 도면이다.
도 8은, 편의상 화살표로 표시한 좌표의 방향으로 하부 공진기 미러(82)를 이동시킴으로써 얻어진 가능한 상대 위치관계를 표시하고 있다. 도 8에 표시한 바와 같이, 두 미러 간의 상대 위치 관계는 각각 x, y, z 방향의 직교방향과 상기 x, y, z축 둘레를 회전하는 방향인 α, β, γ방향을 포함하는 합계 6방향을 고려해서 결정되어 있다. 이하 각 방향에 대해서 차례로 설명한다.
x 방향 및 y 방향에 대해서는, 2개의 미러 간의 거리에 따라, 위치관계에 요구되는 조건은 상당히 다르다. 구체적으로는, 상기 조건은 2개의 미러 간에 있어서의 z 방향의 거리(즉, 간격)에 의존한다. 2개의 미러의 면내 방향에 도파하는 광 성분이 서로 결합될 수 있는 간격 정도만 서로 분리된 경우, 미러의 x, y 방향의 위치관계에 의해 공진기 특성은 현저하게 변화한다. 따라서, 미러의 x, y방향의 위치관계가 공진특성에 상당히 영향을 주므로, 레이저 장치의 특성이 일정하게 제공되는 것을 확실히 하기 위해서는, x, y 방향의 위치 관계를 일정하게 유지할 필요가 있다. 또, 미러 간의 거리가 상기의 경우보다 큰 때에도, 위치 관계는 일정하게 유지될 수 있다. 이 거리는, 공진기의 재료, 미러의 재료 및 공진기의 파장에 의해 결정되는 값이다. 본 실시예의 공진기에서는, 상기 미러에 있어서의 도파 광 성분의 결합을 피하도록, z 방향의 거리를 크게 취하고 있다. γ방향에 대해서는, 본 실시예에 있어서의 미러는 서로에 대한 편광의존성을 지니지 않으므로, 출사광의 편광특성은 γ방향의 회전에는 특히 영향을 주지 않는다. 그러나, 이 경우에도 위치 관계는 일정하게 유지될 수 있다. z 방향의 거리는, 통상의 VCSEL 공진기와 마찬가지로, 2매의 반사경 간의 거리 L이 전술한 바와 같은 공진조 건을 만족하도록 조정하면 된다. α, β 방향에 대해서는, 회전은 가능한 한 적고, 이상적으로는 0으로 되어 2매의 미러가 서로 완전히 평행이 될 필요가 있다. 그러나, 본 실시예의 레이저 장치 전체를 결정성장에 의해 일괄적으로 제작할 수 있도록 한 경우에는, 이들 방향에 대한 회전은 거의 없게 하는 것이 가능하므로, 특별한 조정을 할 필요는 없다.
또, 본 실시예에 있어서의 하부 공진기 미러 광 감금층(62) 및 클래드층(64), (66)은, 면내 방향의 도파광으로 변환된 공명광이 미러 내부에 유효하게 감금되도록 형성된다. 구체적으로는, 미러의 재료인 Al0 .4Ga0 .6As 보다 굴절률이 작은 Al0 .7Ga0 .4As를 이용하고 있다. 이 목적에서는, 예를 들면, 클래드층을 공진기 미러층과 같은 재료인 Al0 .4Ga0 .6As로 구성해도 되고, 상기 클래드층은, 미러의 포토닉 결정을 구성하는 구멍보다도 충분히 작은 구멍을 다수 형성한 구성을 지녀도 된다(즉, 다공질 구조). 이 구성에 의하면, 이 부위의 실효적인 굴절률을 낮추는 것이 가능하고, 따라서, 면내 방향의 도파광으로 변환된 공명광을 미러 내부에 감금시키기 쉽게 된다. 또, 이 구조는 미러 면내 방향의 도파광의, 클래드 층에의 침투 길이가 작게 되므로, 활성층과의 결합의 영향도 감소시킬 수 있다. 결과적으로, 공진기의 길이를 짧게 하는 것이 가능하다. 도 7A 및 도 7B를 참조하면, 상·하부 공진기 미러와 함께, 상기 2차원 슬래브형의 포토닉 결정으로 이루어진 광반사 영역의 주위에는, 각각 전류주입영역(73), (75)이 형성되어 있다. 상기 전류주입영역(73), (75)에는 전기저항을 저감하기 위해, 구멍을 형성하지 않는다. 그 때문에, 포토닉 결정구조를 포함하고 있는 영역만이 미러로서 작용한다. 이 미러 영역의 형상은 원형이고, 직경은 15㎛이다.
본 실시예에 있어서는, 전류협착 구조는, 프로톤 주입에 의한 반도체의 저항을 증대시킴으로써 형성된다. 구체적으로는, 활성층 부근에 있어서의 링 전극 바로 아래에 배치된 영역에만 프로톤을 주입함으로써, 전류가 포토닉 결정 영역 바로 아래에 배치된 활성층에 집중하도록 하고 있다. 또는, 그 밖의 전류 협착 구조로서, 결정 재성장에 의해 형성된 매립 헤테로구조나 AlAs층의 선택적 산화에 의해 형성된 전류협착구조 등을 이용할 수 있다.
전극에 전압을 인가하여 활성층에 전류를 주입하면, 활성층으로부터의 방출광이 공진기 속에서 공진증폭되어, 레이저 발진을 일으킨다. 레이저 빔은, 발진파장 670㎚를 지닌 적색광이다. 전류는 프로톤 주입에 의한 저항증대화 프로세스에 의해 형성된 전류 협착 구조에 의해 활성층의 중앙부에 집중됨으로써, 발광효율이 상승한다.
상·하부 공진기 미러에 있어서의 광반사 메커니즘은 전술한 바와 같다. 특히 결함이 도입된 하부 미러에서는, 결함의 영향 때문에, 단일 모드에서의 발진스폿의 면적을 확대하는 것이 가능하다. 미러에 있어서, 반사율 및 투과율은 이론적으로는 각각 99%이상을 실현하는 것이 가능하다. 그러나, 본 실시예에서는 빔을 상부 공진기 미러 방향으로부터 도파시키기 위해 구멍의 주기를 수㎚ 정도 벗어나게 해서 미러를 설계한다. 이러한 구성에 의하면, 미러의 공진 피크가 약간 벗어나므로, 반사율이 저하한다. 따라서, 위쪽 방향으로 광이 도파된다.
본 실시예에 있어서의 활성층 및 장치에 의하면, AlGaInP/GaInP/AlGaAs로 이루어진 재료를 이용해서 적색 레이저빔을 얻을 수 있다. 또, GaN/AlN/InN 등의 III족-N 반도체 및 그의 혼합 결정; GaAs/AlAs, InGaAsP/InP 및 GaInNAs/AlGaAs 등의 III-V족 반도체 및 그의 혼합 결정 등도 이용될 수 있다. 또, ZnSe/CdSe/ZnS 등의 II-VI족 반도체 및 그의 혼합 결정도 이용될 수 있다. 본 실시예에 있어서의 레이저 장치는, 직경 15㎛의 대면적을 지닌 단일 모드의 적색 레이저빔을 제공할 수 있다. 또, 공진기를 반도체 DBR 미러로 구성한 VCSEL에 비해서, 저열저항, 저전기저항 및 제작의 간략화를 실현할 수 있다.
(제 2실시예 )
이하, 도 9를 참조해서 제 2실시예에 의한 레이저 장치의 구성을 설명한다. 기판(91) 위에, 하부 공진기 미러 광 감금층(92), 하부 공진기 미러층(93), 하부 클래드층(94), 활성층(95) 및 상부 클래드 층(96)을 순차 적층한다. 상기 하부 클래드 층(94)의 일부와 활성층(95)과 상부 클래드층(96)의 일부를 둘러싸도록 전류협착층(99)이 설치되어 있다. 또, 상기 상부 클래드층(96) 상에는 상부 공진기 미러층(910)이 더 적층되어 있다. 상기 기판(91)의 반대면과 상기 상부 공진기 미러층(910)의 상부면 상에는 각각 n-전극(911)과 p-전극(912)이 설치되어 있다. 기판(91)은 두께 565㎛를 지닌 n형 GaAs 기판이다. 하부 공진기 미러층 및 하부 클래드 층은 각각 n형 Al0 .4Ga0 .6As 및 (Al0.5Ga0.5)0.5In0.5P로 이루어져 있다. 상부 공진기 미러층 및 상부 클래드 층은 각각 p형 Al0.4Ga0.6As 및 (Al0 .5Ga0 .5)0.5In0 .5P로 이루어져 있다.
상·하부 공진기 미러층(93), (910)사이의 거리(즉, 공진기의 길이)는 약 1.5㎛(공명광의 파장의 약 7.5배에 상당함)이다. 상·하부 공진기 미러층(93), (910)상에는 각각 미러를 형성하는 포토닉 결정 구조(구멍)(913), (915)가 설치되어 있다. 상·하부 미러의 중앙부에는 각각 결함(914), (916)이 배치되어 있다. 상부 공진기 미러층(910)은 p-형 Al0 .4Ga0 .6As로 이루어지고 두께 270㎚이다. 또, 하부 공진기 미러층(93)은 n형 Al0 .4Ga0 .6As로 이루어지고 두께 270㎚이다. 하부 공진기 미러층(93)과 굴절률이 높은 GaAs기판(91)과의 사이에는, 해당 미러의 내부에 광을 유효하게 감금하기 위해 굴절률이 낮은 광감금층(92)이 설치되어 있다. 광감금층(92)은 n형 Al0 .7Ga0 .4As로 이루어지고, 두께가 약 1㎛이다. 본 실시예에서, n형 (Al0 .5Ga0 .5)0.5In0 .5P서브층(97)과 p형 (Al0 .5Ga0 .5)0.5In0 .5P서브층(98)을 포함하는 매립 헤테로구조의 전류협착층(99)이 설치되어 있다. 활성층(95)은 비도핑 In0 .56Ga0 .44P/(Al0 .5Ga0 .5)0.5In0 .5P의 변형 양자우물 구조를 지닌다. 우물의 층 수는 3층이다. 또, In0 .56Ga0 .44P층과 (Al0.5Ga0.5)0.5In0.5P층의 각각의 두께는 6㎚이다. 기판에 인접한 n-전극(911)은 Ni/Au/Ge로 이루어지고, 미러에 인접한 p-전극(912)은 Au-Zn으로 이루어져 있다.
이 구성을 제조하는 방법은, 매립 헤테로구조의 전류 협착층(99)을 형성하는 공정이 추가된 이외에는 상기 제 1실시예의 방법과 마찬가지이다.
구체적으로는, 상기 공정은 GaAs기판상에 Al0 .9Ga0 .4As 리프트-오프층과, 상부 공진기 미러층(910)으로부터 하부 공진기 미러층(93)까지를 포함하는 층을 형성하는 공정의 과정에 추가된다.
상부 공진기 미러층(910), 상부 클래드층(96), 활성층(95) 및 하부 클래드층(94)을 성장한다. 이어서, 활성층(95)의 발광부 주위의 영역을, ICP (inductively coupled plasma) 건식 에칭에 의해 Cl2 가스를 이용해서 제거한다. 상기 주위의 영역을 하부 클래드층(94)으로부터 상부 클래드층(96)의 중간까지 제거한다. 다음에, n형 (Al0 .5Ga0 .5)0.5In0 .5P서브층(97)과 p형 (Al0 .5Ga0 .5)0.5In0 .5P서브(98)을 이 순서대로 재성장시킨다. 그 후, 평탄화 공정을 수행하고, 하부 클래드 층(94)을 연속적으로 성장시키고, 이 하부 클래드층(94)상에 하부 공진기 미러층(93)을 성장시킨다.
후속의 공정은 상기 제 1실시예의 것과 마찬가지이다.
이하, 공진기 미러의 구조에 대해서 상세히 설명한다.
도 9에 표시한 바와 같이, 하부 및 상부 공진기 미러는, 각각 기본 포토닉 결정을 구성하는 구멍(913), (915)과, 구멍이 형성되어 있지 않은 결함(914), (915)을 포함한다. 도 10A 및 도 10B는 각각 본 실시예의 상·하부 미러의 포토닉 결정의 평면도이다.
도 10A는 하부 공진기 미러를 나타내고, 도 10B는 상부 공진기 미러를 나타낸다.
먼저, 상·하부 미러 양쪽에 공통인 특징을 이하에 설명한다. 본 실시예에서는, 미러층 표면의 전체 영역에 사각 격자 포토닉 결정 구조의 구멍(101), (103)이 형성되어 있다. 또, 구멍을 포함하지 않는 결함(102), (104)이 직경 15㎛의 중앙 원형영역에 주기적으로 위치되어 있다. 이 영역에만 포토닉 밴드갭 속에 결함 준위가 형성되어 있다. 따라서, 미러에 입사하는 광은 상기 결함 준위에 의한 면내 도파 공명 현상에 의해 반사되어 발진한다. 결함이 배치되어 있는 곳은 미러의 중앙 영역이다. 이에 대해서, 이러한 준위는 기본 포토닉 결정만으로 이루어진 상기 주위의 영역에서의 포토닉 밴드갭 내에 존재하지 않으므로, 면에 수직인 방향에서의 공진은 일어나지 않으므로, 광은 반사되지 않는다. 또한, 상기 주위의 포토닉 결정구조는 면내 방향으로 도파하는 광의 포토닉 밴드갭을 지녀 반사를 일으킨다. 따라서, 면내 방향에서의 포토닉 결정 미러 영역에 있어서의 광의 누설은 방지될 수 있다.
다음에, 상이점에 대해서 설명한다. 도 10A에 있어서의 하부 미러의 포토닉 결정구조에 있어서, 상기 구멍은 원형이고, 주기는 180㎚, 구멍 반경은 75㎚, 층의 두께는 270㎚이다. 하부 미러층은 구멍(101)과 결함(102)을 포함한다. 도 10B에 있어서의 상부 미러의 포토닉 결정구조에 있어서, 구멍은 직사각형이고, 주기는 180㎚, 각 구멍의 긴 변은 70㎚, 각 구멍의 짧은 변은 35㎚, 층의 두께는 270㎚이다. 상부 미러층은 구멍(103)과 결함(104)을 포함한다. 활성층의 위·아래 부분에 배치된 미러를 모두 미소 구멍을 포함하는 포토닉 결정으로 구성한 경우, 접합법을 이용할 수 있다.
본 실시예에서는, 상부 미러의 구멍이 직사각형이므로, 포토닉 결정구조의 대칭성이 붕괴된다. 따라서, 상부 미러는 편광에 의해 다른 반사특성을 나타낸다. 구체적으로는, 전계 벡터가 y방향을 향한 편광광만이 미러에 반사되어 공진이 일어나는 반면, 전계벡터가 x방향을 향한 편광광은 거의 100% 투과된다. 이것에 의해, 레이저의 편광을 제어할 수 있어, 단일 직선 편광광의 발진이 얻어진다. 상·하부 미러 사이의 위치관계에 대해서는, 제 1실시예와 마찬가지의 관계가 성립되고, 이 관계의 기본적인 조건은 제 1실시예와 마찬가지이다.
전극으로부터의 전류주입에 응해서, 제 1실시예와 마찬가지로 포토닉 결정 미러와 수직인 방향으로 발진이 일어난다. 이때의 발진은 포토닉 결정 미러가 설치되어 있는 직경 15㎛를 지닌 영역에서 일어난다. 이 영역에서 단일 횡모드 및 단일의 직선 모드에서의 레이저빔이 얻어진다. 이 레이저빔은 발진파장 670㎚인 적색광이다. 이 레이저빔은 제 1실시예와 마찬가지 방법에 의해 상부 미러의 반사율을 어느 정도까지 감소시킴으로써 위쪽 방향으로만 방사된다.
본 실시예에 의한 레이저 장치에서는, 포토닉 결정 미러의 결함이 배치되는 영역을 조정함으로써, 레이저빔의 단일모드에서의 스폿 크기 및 스폿 형상을 조절하는 것이 가능해진다.
또, 포토닉 결정 미러의 결함도입부 주위의 포토닉 결정구조에 의해, 미러에 있어서의 면내 방향의 광의 누설이 억제될 수 있어, 레이저 발광효율이 향상된다.
본 실시예의 미러의 결함부에는, 구멍이 형성되어 있지 않다. 또는, 기본 포토닉 결정 구조의 구멍보다도 크기가 큰 구멍 혹은 작은 구멍을 도입함으로써 결 함을 형성해도 된다. 또는, 결함부에 굴절률이 다른 별도의 재료를 도입함으로써 결함을 형성하는 것도 가능하다.
또, 상기 장치의 재료에 대해서는, AlGaInP/GaInP/AlGaAs 이외에도, GaN/AlN/InN 등의 III-N 반도체 및 그의 혼합 결정을 이용할 수 있다. 또는, GaAs/AlAs, InAgAsP/InP 및 GaInNAs/AlGaAs 등의 III-V족 반도체 및 그의 혼합 결정; ZnSe/CdSe/ZnS 등의 II-VI족 반도체 및 그의 혼합 결정도 이용될 수 있다.
또한, 원형 구멍을 지닌 미러와 직사각형 구멍을 지닌 미러의 구성에 대해서도, 본 실시예와는 반대의 위치에 미러를 배치해도 된다. 또는, 상·하부 미러 모두 직사각형 구멍을 지닌 미러이어도 된다. 그러나, 상·하부 미러의 양쪽 모두 직사각형 구멍을 지닐 경우에만, 미러의 위치관계를 나타내는 도 8의 γ축으로 표시되는 회전방향으로 그 위치가 정렬될 필요가 있다. 구체적으로는, 양쪽 미러의 회전축은, 직사각형의 수직축과 수평축의 방향이 정렬되고 편광의 방향이 서로 일치되도록 조정된다.
(제 3실시예 )
이하, 도 11A 및 도 11B를 참조해서 제 3실시예를 설명한다. 본 실시예의 레이저 장치 자체의 구조 및 재료는 상기 제 2실시예의 것과 동일하므로, 공진기 미러의 구조만 설명한다. 제작공정도 상기 제 2실시예의 것과 마찬가지이다.
도 11A 및 도 11B는 제 3실시예에 있어서의 상·하부 포토닉 결정 미러의, 평면에 대해서 수직인 방향으로부터 본 모식도이다. 도 11A에 표시한 바와 같이, 하부 공진기 미러에서는, 기본 포토닉 결정구조의 구멍이 면 전체에 형성되고, 그 구멍을 제거함으로써 형성된 결함이 중앙부에 배치되어 있다. 기본 포토닉 결정 구조의 파라미터는, 제 2실시예의 하부 공진기 미러와 마찬가지이다. 본 실시예에서는, 이 결함의 배열에 특징이 있다. 이들 결함은 어느 특정 규칙을 지니고 있지만, 비주기적으로 배열되어 있다. 대체로, 결함은 미러의 중앙부 둘레에 집중하고, 주변부에서는 동심원적으로 배열되어 있다. 또, 결함의 위치가 중앙부로부터 멀어질수록, 동심원 간의 간격은 커진다. 결함의 위치는 중심부로부터 멀어질수록 그 위치에서의 결함밀도가 감소한다. 따라서, 결함밀도는 이하의 식으로 표현된다:
D = D0 exp(-r2/a) (식 1)
(식 중, D는 결함밀도를 나타내고, r은 중심으로부터의 거리를 나타내며, D0는 미러의 중심에서의 결함밀도를 나타내고, a는 중심으로부터의 결함의 밀도 구배의 크기를 결정하는 소정의 상수를 나타냄). 결함도입 영역의 면적은, 제 2실시예와 마찬가지로 직경 15㎛이다. 또, 도 11A에서는, 도면 그리기의 편의상, 동심원형상 결함의 주기수는 매우 적게 되어 있지만, 실제로 결함은 10주기 이상으로 배치된다. 해당 2차원 포토닉 결정 미러에 있어서는, 큰 중앙부에서는 광밀도가 커서, 높은 결함밀도를 지닌다. 한편, 결함밀도는 주변부를 향해서 작아짐에 따라서, 광밀도도 작게 된다. 따라서, 본 실시예에서의 결함밀도는 상기 식 1과 같은 가우스 함수로 표시되는 프로파일을 지니게 되므로, 방사되는 레이저빔의 모드 프로파일도 가우스 함수로 표현된다. 도 11B의 상부 공진기 미러에 대해서는, 제 2실 시예의 하부 공진기 미러와 마찬가지 구조이므로, 그 설명은 생략한다.
본 실시예의 면발광 레이저 장치에 의해, 직경 15㎛의 대면적으로 단일 횡모드인 동시에 단일 피크 모드 프로파일을 지닌 레이저빔을 얻을 수 있다.
본 실시예의 미러의 결함부에는 구멍이 형성되어 있지 않다. 또는 상기 결함은, 기본 포토닉 결정 구조의 구멍보다도 구멍이 큰 구멍 혹은 작은 구멍을 도입함으로써 형성되어 있어도 된다. 또는 결함부에 굴절률이 다른 별도의 재료를 도입함으로써 결함을 형성해도 된다.
포토닉 결정구조에 있어서의 결함의 배열에 대해서는, 상기 식 1로 표시되는 결함밀도의 상기 배열 이외에도, 예를 들면, 하기 식 2로 표시되는 바와 같이, 결함밀도가 동심타원형 패턴으로 배열되도록 결함이 배치되어 있어도 된다:
D = D0 exp(x2/a2+y2/b2) (식 2)
(식 중, a는 타원의 장축 길이를 나타내고, b는 타원의 단축길이를 나타내며, x 및 y는 각각 평면 내의 직교좌표를 나타냄).
또, 재료에 대해서도, AlGaInP/GaInP/AlGaAs 이외에도, GaN/AlN/InN 등의 III-N 반도체 및 그의 혼합 결정을 이용할 수 있다.
또한, GaAs/AlAs, GaAs/Inp 및 GaInNAs/AlGaAs 등의 III-V족 반도체 및 그의 혼합 결정; ZnSe/CdSe/ZnS 등의 II-VI족 반도체 및 그의 혼합 결정도 이용될 수 있다.
또, 본 실시예의 상·하부 미러를 서로 교체해도 된다. 또는, 상·하부 미 러 양쪽의 결함밀도는 각종 분포를 지녀도 된다.
이상 설명한 바와 같이, 포토닉 결정에 설치되는 결함부는 상기 수학적 패턴에 의거해서 배치될 수 있다.
(제 4실시예 )
도 12를 참조해서 제 4실시예에 의한 레이저 장치의 구성에 대해서 설명한다.
기판(121) 상에, 하부 공진기 미러층(122), 하부 클래드층(125), 활성층(126), 상부 클래드층(127) 및 상부 공진기 미러층(128)이 순차 적층되어 있다. 기판(121)의 반대면과 상기 상부 공진기 미러층(128)의 상부면 상에는 각각 n-전극(129)과 p-전극(1213)이 설치되어 있다.
기판(121)은 두께 300㎛를 지닌 n형 GaAs 기판이다. 하부 공진기 미러층(122)은 제 1층(123) 및 제 2층(124)이 교대로 적층된 구성을 지닌다. 구체적으로는, 제 1의 n형 AlxGa1 - xAs층(제 1층(123))은 x = 0.55인 두께 29㎚의 하부서브층과, x가 0.55 내지 0.93으로 변화하는 두께 20㎚의 상부서브층을 포함한다. 또, 제 2의 AlxGa1 - xAs층(제 2층(124))은 x = 0.93인 두께 33.2㎚의 하부서브층과, x가 0.93 내지 0.55로 변화하는 두께 20㎚의 상부서브층을 포함한다. 이와 같이 해서, 하부 공진기 미러층(122)은 제 1층(123)과 제 2층(124)이 교대로 적층된 DBR 미러로 구성되어 있다. 모든 층이 도면에 도시되어 있지는 않지만, 층수는 70쌍이다. 전술한 바와 같이, 제 1층(123) 및 제 2층(124)의 각각의 두께 d는, Nd = (1/4)λ(N: 물질의 굴절률, λ: 공명 광의 파장)로 표현된다. 상부 공진기 미러층(128)은 p형 Al0 .4Ga0 .6As로 이루어져 있다. 상부 공진기 미러층(128)의 중앙부에는 미러를 형성하는 포토닉 결정구조(1211)가 설치되고, 이 포토닉 결정구조(1211)에는 결함(1212)이 도입되어 있다. 상·하부 클래드층(127), (125)은 각각 n형 (Al0 .5Ga0 .5)0.5In0 .5P 및 p형 (Al0 .5Ga0 .5)0.5In0 .5P로 이루어져 있다. 활성층(126)은 비도핑 Ga0 .56In0 .44P/(Al0 .5Ga0 .5)0.5In0 .5P로 이루어진 변형된 양자 우물구조를 지닌다. 상기 우물의 층수는 3층이다. 또, Ga0 .56In0 .44P층과 (Al0 .5Ga0 .5)0.51In0 .49P층의 각각의 두께는 6㎚이다. 상부 클래드층(127)과 하부 클래드층(125)을 포함하는 미러와 활성층(126)(즉, 공진기의 길이) 간의 거리는 약 1.5㎛(공명 광의 파장의 약 7.5배에 상당함)이다. 기판에 인접한 n-전극(129)은 Ni/Au/Ge로 이루어지고, 미러에 인접한 p-전극(1213)은 Au-Zn으로 이루어져 있다.
상기 적층구조는 다음과 같이 제조된다. GaAs기판상에 MOCVD법에 의해 하부 공진기 DBR 미러로부터 상부 공진기 포토닉 결정 미러층까지를 순차 형성시킨다. 본 실시예에서는 기판을 리프트-오프시키지 않고 이용하므로, 하부 공진기 미러를 먼저 형성하고, 이어서 나머지 층을 순차 적층시킨다. 그 후, EB리소그라피, Cl2 가스를 이용한 RIBE에 의해 상부 공진기 미러층(128)의 포토닉 결정 패턴을 형성한다. 최후로, GaAs기판(121)의 반대면과 상부 공진기 미러층(128) 상에 전극을 증착에 의해 형성한다.
본 실시예의 구조는, 상기 재료 이외에, 제 1실시예의 장치에 있어서의 상부 공진기 미러만을 2차원 포토닉 결정으로부터 1차원 포토닉 결정인 DBR 미러로 변경한 점에서도 상이하다. 따라서, 본 실시예에 있어서는, 단일 모드로 커다란 스폿 크기를 달성하기 위하여, 상부 미러의 포토닉 결정구조에 결함이 설치되어 있는 것이 필요하다. 또, 이 미러의 구조파라미터에 대해서는, 주기 180㎚, 구멍직경 75㎚, 층 두께 250㎚이다. 출사 스폿 영역은, 제 1실시예와 마찬가지로 직경 15㎛로 된다. 결함은 기본의 포토닉 결정의 구멍을 제거함으로써 형성된다. 또는, 제 1실시예와 마찬가지로, 기본 포토닉 결정과 구멍직경이 다른 구멍을 이용해도 된다. 또는, 결함부에 굴절률이 다른 별도의 재료를 도입함으로써, 결함을 형성하는 것도 가능하다. 결함의 배치 방식에 대해서도, 제 1실시예와 마찬가지이고, 포토닉 결정구조 3주기분에 상당하는 간격보다 많게 하는 것도 적게 하는 것도 가능하다. 그러나, 간격을 지나치게 크게 하면, 결함에 편재한 광성분이 서로 결합되지 않을 수도 있다. 따라서, 간격에는 상한이 존재한다. 또, 클래드층의 다공질 구조 등도 제 1 내지 제 3실시예에 기재된 바와 마찬가지로 설치하는 것이 가능하다. 하부 공진기 미러에 대해서는, 통상의 VCSEL에 이용되는 공지의 DBR 미러이고, 각 층의 재료, 두께 및 주기수 등의 특징은 위에서 설명한 바와 마찬가지이어도 된다.
이하, 본 실시예에 있어서의 상·하부 미러의 관계에 대해서 설명한다. 하부 공진기 미러는 편광 의존성을 지니지 않고, 또, x, y 및 γ방향에서 일정한 구조를 지니므로, 도 8에 있어서의 x 및 y 직선방향 및 γ회전방향에서의 상세한 위 치맞춤은 필요없다. 본 실시예에서는, 제 1 내지 제 3실시예의 경우와는 달리, 위치맞춤의 필요성이 경감되어 제작의 관점상 유리하다. 그외의 위치관계에 대해서는, 본 실시예는 전술한 다른 실시예에서 이미 설명한 것과 마찬가지 조건이 적용된다.
본 실시예에서는, 전류협착구조는, 프로톤 주입에 의한 장치의 고저항화에 의해 형성되어 있다. 구체적으로는, 포토닉 결정구조의 주위에 설치된 p전극바로 아래의 영역에 프로톤을 주입함으로써, 전류가 활성층에 집중하도록 하고 있다. 또는, 그 밖의 전류협착구조로서, 결정 재성장에 의한 매립 헤테로 구조나, DBR 미러에 있어서의 AlAs층의 선택적 산화에 의해 형성된 전류협착구조 등을 채용하는 것도 가능하다.
전극에 전압을 인가해서 활성층에 전류를 주입하면, 활성층으로부터의 방출광이 공진기 속에서 공진 증폭되어, 레이저 발진한다. 레이저빔은 발진파장 670㎚의 적색광이다. 상부 공진기 미러에 결함을 도입함으로써, 단일 모드에서의 발진스폿을 확대하는 것이 가능하다. 본 실시예에서는 상부 공진기 미러의 반사율이 하부 공진기 미러보다도 반사율이 작게 되도록, 상부 공진기 미러의 적층수를 조절하고 있다.
본 실시예에 있어서의 면발광 레이저 장치의 하부 공진기 미러로서는 공지된 DBR 미러를 이용하고 있으나, 스폿 크기의 확대 등의 효과는, 제 1실시예와 마찬가지이다. 또, 본 실시예는 장치의 박형화, 저전기저항화 및 방열성의 향상이라고 하는 관점에서는 제 1실시예보다도 열등하지만, 상·하부 공진기 미러의 양쪽에 DBR 미러를 이용한 공지된 VCSEL에 비해서 우수하다.
본 실시예에 의하면, 공지된 DBR 미러를 이용함으로써, 기판상에 순차 결정을 성장시켜, 접합 공정 등을 이용하는 일없이, 한번에 장치를 용이하게 제작할 수 있다. 따라서, 본 실시예에 있어서는, 제 1 내지 제 3실시예와 비교해서, 장치의 제작의 점에서 상당히 유리하다.
(제 5실시예 )
이하, 도 13을 참조해서 제 5실시예에 의한 레이저 장치의 구성에 대해 설명한다. 기판(131) 위에, 하부 공진기 미러층(132), 하부 클래드층(135), 활성층(136), 상부 클래드 층(137) 및 상부 공진기 미러층(138)을 순차 적층한다. 상기 기판(131)의 반대면과 상기 상부 공진기 미러층(138)의 상부면 상에는 각각 n-전극(1311)과 p-전극(1312)이 설치되어 있다. 기판(131)은 두께 300㎛를 지닌 n형 GaAs 기판이다. 하부 공진기 미러층(132)은 n형 Al0 .4Ga0 .6As 포토닉 결정층(133)과 n형 Al0 .4Ga0 .6As 스페이서층(134)이 교대로 적층됨으로써 형성되어 있다. 상부 공진기 미러층(138)은 p형 Al0 .4Ga0 .6As 포토닉 결정층(139) 및 p형 Al0 .4Ga0 .6As 스페이서층(1310)을 교대로 적층함으로써 형성되어 있다. 상·하부 미러는 양쪽 모두 2쌍을 포함하는 4층으로 이루어져 있다. 구멍(1313), (1314)은 한층 걸러 주기적으로 형성되어, 포토닉 결정 미러를 형성하고 있다. 스페이서층은 포토닉 결정 미러 간의 위상조정을 위해 설치되어 있다. 상·하부 클래드층은, 각각 n형 (Al0 .5Ga0 .5)0.5In0 .5P 및 p형 (Al0.5Ga0.5)0.5In0.5P로 이루어져 있다. 활성층(136)은 비 도핑 Ga0.56In0.44P/(Al0.5Ga0.5)0.5In0.5P로 이루어진 변형 양자우물 구조를 지닌다. 우물의 층 수는 3층이다. 또, Ga0 .56In0 .44P층과 (Al0 .5Ga0 .5)0.5In0 .5P층의 각각의 두께는 6㎚이다. 활성층(136)을 포함한 미러 사이의 거리(즉, 공진기의 길이)는 약 1.5㎛(공명광의 파장의 약 7.5배에 상당함)이다. 기판에 인접한 n-전극(1311)은 Ni/Au/Ge로 이루어지고, 미러에 인접한 p-전극(1312)은 Au로 이루어져 있다.
이와 같은 적층구조체는 다음과 같이 해서 제작된다. GaAs 기판상에 AlAs 리프트-오프층을 형성하고, 이 리프트-오프층 상에, MOCVD법에 의해 상부 공진기 미러의 공진기에 인접하는 층을 형성한다. 이어서, 그 위에 순차 상부 클래드층(137), 활성층(136), 하부 클래드층(135), 하부 공진기 미러층(132)의 공진기에 인접하는 층을 형성한다. 이와 같이 해서 얻어진 웨이퍼를 웨이퍼(A)라 칭한다. 이 웨이퍼(A)로부터 후속 공정에서 GaAs 기판의 리프트-오프를 행하므로, 이들 층은 실제의 장치와는 반대의 순서로 형성된다. 이 공정에서는, 공진기 미러층 중에서 각 클래드층에 접하는 1층만 형성된다.
다음에, 하부 공진기 미러층(132)을 제작한다. 웨이퍼(A)의 하부 공진기 미러층 상에, 제 4실시예와 마찬가지 방법에 의해 포토닉 결정 패턴을 형성한다. 또한, 별도의 GaAs 기판상에, AlAs 리프트-오프층을 형성하고, 이 리프트-오프층 상에 Al0 .4Ga0 .6As 스페이서층(134)을 형성한다. 얻어진 기판을 웨이퍼(A)의 하부공진기 미러층 상에 열융착법에 의해 접합한다. 이어서, 불화수소산에 의해 AlAs 리프트-오프층을 선택에칭함으로써 GaAs기판을 리프트-오프하고, 이것에 의해, 하 부 공진기 미러의 스페이서층(134)을 형성하는 것이 가능하다. 다음에, 재차 웨이퍼(A) 위에 Al0 .4Ga0 .6As층을 형성하고, 그 위에 포토닉 결정을 패터닝한다. 또, 그 포토닉 결정층 위에 별도의 스페이서층(134)을 재차 접합한다. 이 공정에서는 단지 Al0 .4Ga0 .6As층만을 지닌 GaAs기판을 이용한다. 이 스페이서층의 접합시, GaAs 기판을 리프토오프할 필요는 없으므로, 접합하는 웨이퍼에 AlAs 리프트-오프층은 설치할 필요는 없다. 따라서, 하부공진기 미러의 형성이 종료되었다.
다음에, 상부 공진기 미러(138)의 제조방법을 설명한다. 웨이퍼(A) 제조시, 처음부터 이용한 GaAs 기판(후속 공정에서 접합된 기판이 아님)은, AlAs 리프트-오프층을 선택 에칭함으로써 리프트-오프된다. 표면의 상부 공진기 미러의 공진기 인접층에, 전술한 바와 마찬가지 방법으로 포토닉 결정을 패터닝하고, 상부 공진기 미러의 공진기에 인접하는 포토닉 결정층을 형성한다. 이후는 하부 공진기 미러와 마찬가지 방법으로 상부 공진기 미러를 구성하는 2쌍의 층을 형성한다. 그러나, 이 상부 공진기 미러에 있어서는, 하부 공진기 미러와 달리, 최후 공정까지 남아 있는 GaAs 기판도 리프트-오프한다. 이와 같이 해서, 상부 공진기 미러의 제작이 종료된다.
이상의 공정에 의해 레이저 공진기가 형성된다. 최후로, GaAs 기판의 반대쪽면과 상부 공진기 미러 상에 전극을 증착법에 의해 형성한다.
본 실시예에 있어서의 공진기 미러에 대해서 이하에 상세히 설명한다.
하부 및 상부 공진기 미러는 Al0 .4Ga0 .6As 포토닉 결정층과 Al0 .4Ga0 .6As 스페이 서층으로 구성된다.
포토닉 결정 미러의 구조패턴에 대해서는, 주기 180㎚, 구멍직경 75㎚, 층두께 250㎚이다. 상부 공진기 미러층(138)을 구성하는 포토닉 결정 미러의 1매에, 구멍을 주기적으로 제거함으로써, 결함(1315)이 도입되어 있다. 포토닉 결정구조를 포함하는 출사스폿 영역은 직경 15㎛로 된다. 포토닉 결정층과 스페이서층으로 이루어진 각 쌍은 1쌍당 반사광의 위상이 (n/2)파장분 전진하도록 설계되어 있다. 상기 쌍은, 포토닉 결정층(139)과 상부 클래드층(137)사이의 계면에서 상기 포토닉 결정층(139)상에 설치된 포토닉 결정에서 반사된 광의 위상과 포토닉 결정층(139)상에서 반사된 광의 위상이 정합되도록 설계된다. 구체적으로는 면내 도파 공명에 의해 반사되는 광의 위상은 포토닉 결정으로부터 광이 방사될 때에는 일정하다. 따라서, 2쌍으로 위상정합조건이 만족되도록, 스페이서층의 두께를 조절하고 있어도 된다. 본 실시예에서의 스페이서층의 두께는 48㎚이다.
이하, 도 8에 있어서의 포토닉 결정 미러의 위치관계에 대해서 설명한다. 상부 공진기 미러층(138)과 하부 공진기 미러층(132)간의 관계는, 상기 제 1, 제 3 및 제 4실시예와 마찬가지이다. 한편, 각 공진기 미러층 내에서, 본 실시예에 있어서의 포토닉 결정 미러 간의 거리는 예를 들면, 출사된 레이저광의 파장의 반파장 정도로서 짧다. 그러므로, 공진기 미러층 내의 인접하는 포토닉 결정 미러 속을 면내 방향으로 도파하는 광성분은 서로 결합한다. 따라서, 이들 미러 간의 위치관계는, 도 8의 x, y 및 γ방향에서와 마찬가지로 되도록 조정할 필요가 있다.
본 실시예에 설명한 결함 이외에도, 기본 포토닉 결정과는 각각 직경이 다른 구멍을 결함으로서 이용하는 것도 가능하다. 또는, 결함부에 굴절률이 다른 별도의 재료를 도입함으로써, 결함을 형성하는 것도 가능하다. 결함의 배치방법에 대해서도, 결함 간의 간격은 포토닉 결정구조 3주기분에 상당하는 간격보다 많게 하는 것도 적게 하는 것도 가능하다.
또, 본 실시예에 있어서는, 상부 공진기 미러층 또는 하부 공진기 미러층을 구성하는 포토닉 결정 미러의 1매에만 결함을 도입하고 있다. 또는, 결함은 상부 공진기 미러층과 하부 공진기 미러층 모두에 도입하는 것도 가능하다. 또한, 상부 공진기 미러층과 하부 공진기 미러층의 각각을 구성하는 2매의 포토닉 결정 미러에 결함을 도입하는 것도 가능하다.
본 실시예에 있어서의 전류협착구조도, 프로톤 주입에 의한 장치의 저항을 증대시킴으로써 형성되어 있다. 구체적으로는, 포토닉 결정구조의 주위에, 또, p형 전극 바로 밑의 영역에 프로톤 주입함으로써, 전류가 활성층에 집중하도록 하고 있다. 또는 전류협착구조로서는, 결정 재성장에 의해 형성된 매립 헤테로구조나, DBR 미러에 있어서의 AlAs의 선택산화에 의해 형성된 전류 협착구조 등을 이용하는 것이 가능하다.
전류주입의 응답에 있어서의 거동은 제 4실시예와 마찬가지이다.
본 실시예에 있어서의 면발광 레이저 장치를 이용함으로써, 1매의 포토닉 결정 미러를 포함하는 장치에 비해서, 공진기 미러의 반사율을 높이는 것이 가능하다. 따라서, 임계값 전류를 낮추는 것이 가능하다. 또, 제작 오차 등으로 각 미러의 반사율이 요구치를 충족시키지 못할 경우에도 이들 미러를 복수매 중첩함으 로써, 보다 높은 반사율을 달성할 수 있다.
(제 6실시예 )
이하, 도 15를 이용해서 제 6실시예의 레이저 장치의 구성에 대해서 설명한다. 도 15는 본 실시예에 의한 레이저 장치 중의 상부 미러를 나타내고 있다. 미러층의 중앙부에 사각 격자로 이루어진 포토닉 결정구조(15141)가 직경 15㎛의 원형 영역에 형성되어 있다. 상기 포토닉 결정구조(15141)의 주위를 삼각 격자로 이루어진 포토닉 결정구조(15142)가 둘러싸고 있다. 포토닉 결정구조(15141)에는 주기적으로 결함이 도입되어 있다. 상부 미러 이외의 레이저 장치의 구조는 제 2실시예에 나타낸 바와 마찬가지이다. 본 실시예에서는, 포토닉 결정구조(15141)의 결함준위가, 포토닉 결정구조(15142)의 포토닉 밴드갭 중에 상당하도록 구조를 제작한다. 그 결과, 제 2실시예에 기재된 것과 마찬가지의 원리에 의해 미러영역에 있어서의 면내 방향의 광의 누설을 억제하는 것이 가능하다. 본 실시예는, 기본 포토닉 결정 구조가 미러로서 작용하는 중앙영역과 광의 누설을 억제하는 주변영역과 다른 점에서 제 2실시예와 다르다. 이 경우, 설계가 비교적 용이하다고 하는 사각 격자의 특징과, 일반적으로 사각 격자보다 포토닉 밴드갭이 크다(즉, 보다 효과적으로 광의 누설을 억제한다)고 하는 삼각 격자의 특징을 양립시키는 것이 가능해진다. 도 16A 및 도 16B는 2차원 포토닉 결정의 포토닉 밴드 구조의 일례를 표시한다. 고체 매질(굴절률 3.46) 중에 반경 0.3a의 구멍(굴절률 1.0)이 주기적으로 배열된 구조에 의거해서 계산을 행하였다. 가로축은 파수벡터, 세로축은 광의 규격화 주파수이다. 도 16A는 사각 격자의 포토닉 밴드 구조를 나타내 고, 도 16B는 삼각 격자의 포토닉 밴드 구조를 나타낸다. 도 16A와 도 16B의 비교로부터, 삼각 격자에는 포토닉 밴드갭(166)이 존재하는 데 대해서, 사각 격자에는 포토닉 밴드갭이 존재하지 않는 것을 알 수 있다. 즉, 면내 방향의 광의 누설을 보다 효과적으로 억제하기 위해서는, 일반적으로 사각 격자보다 삼각 격자를 이용하는 쪽이 바람직하다. 본 실시예에 있어서는, 삼각 격자와 사각 격자를 조합시킨 구조를 상부 미러에만 이용하고 있다. 또는, 이 구조는 하부 미러에만 혹은 상·하부 미러의 양쪽 모두에 이용해도 된다.
또, 도 14A에 표시한 바와 같이, 2차원 포토닉 결정 슬래브(1401)에 있어서는, 중앙부에는 장방형의 사각구멍(1403)으로 이루어진 사각 격자형상의 포토닉 결정이 설치되고, 그 사각 격자형상 포토닉 결정 둘레에는 광을 포토닉 밴드갭 효과에 의해 차광하는 원주구멍(1402)으로 이루어진 포토닉 결정이 설치되어 있다. 도 14B는 도 14A의 XIV B-XIV B선을 따라 취한 단면도이다. 이 구조에 의하면, 중앙 부에 존재할 수 있는 광은 둘레의 포토닉 결정에 의해 차단됨으로써, 2차원 방향에서의 광 손실을 감소시킨다. 원주구멍(1402)은 삼각 격자형상으로 배열되고, 사각구멍(1403)은 사각 격자형상으로 배열되어 있다.
본 발명에 의한 면발광 레이저는, 광통신기술, 전자사진기술, 표시소자기술, 대용량 기억매체 등의 산업분야에 있어서, 광원으로서 사용될 수 있다.
이상, 본 발명의 예시적인 실시형태에 대해서 상세하게 설명하였으나, 본 발명의 신규한 내용과 이점으로부터 벗어나는 일없이 당업자라면 상기 예시적인 실시 형태를 다수 변형가능함은 물론이다. 따라서, 이러한 모든 변형은 본 발명의 범주에 포함되는 것으로 의도하고자 한다. 이하의 특허청구범위는, 이러한 모든 변형과, 등가의 구조 내지는 기능을 망라하도록 최광의로 해석해야만 한다.

Claims (20)

  1. 제 1반사 미러;
    상기 제 1반사 미러와 반대쪽의 면의 면내 방향에서 굴절률이 주기적으로 변화하는 굴절률 주기구조를 지니는 제 2반사 미러; 및
    상기 제 1반사 미러와 상기 제 2반사 미러 사이에 배치된 활성층을 구비하고;
    상기 굴절률 주기구조는 상기 제 2반사 미러의 해당 굴절률 주기구조의 주기를 교란시키는 부분을 복수개소 포함하는 것을 특징으로 하는 수직 공진기형 면발광 레이저 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 굴절률 주기구조는 2차원 포토닉 결정구조인 것을 특징으로 하는 수직 공진기형 면발광 레이저 장치.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 굴절률 주기구조의 주기를 교란시키는 부분에 대응하는 2차원 포토닉 결정구조의 포토닉 밴드갭내에 결함 준위가 존재하는 것을 특징으로 하는 수직 공진기형 면발광 레이저 장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 굴절률 주기구조의 주기를 교란시키는 부분은 상기 제 2반사 미러의 면내방향에서 주기적으로 또는 비주기적으로 위치되어 있는 것을 특징으로 하는 수직 공진기형 면발광 레이저 장치.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 굴절률 주기구조의 주기를 교란시키는 부분은 서로 광결합되는 발광부를 포함하고, 상기 수직 공진기형 면발광 레이저 장치는 단일 횡모드로 발광하는 것을 특징으로 하는 수직 공진기형 면발광 레이저 장치.
  6. 제 1항에 있어서,
    기판상에 상기 제 1반사 미러, 상기 활성층 및 상기 굴절률 주기구조를 지니는 제 2반사 미러가 이 순서로 배치되어 있고, 상기 제 1반사 미러는 다층막을 포함하는 것을 특징으로 하는 수직 공진기형 면발광 레이저 장치.
  7. 제 1항에 있어서,
    기판상에 상기 제 2반사 미러, 상기 활성층 및 상기 제 1반사 미러가 이 순서로 배치되어 있고, 상기 제 1반사 미러는 다층막을 포함하는 것을 특징으로 하는 수직 공진기형 면발광 레이저 장치.
  8. 제 1항에 있어서,
    기판상에 상기 제 1반사 미러, 상기 활성층 및 상기 굴절률 주기구조를 지니는 제 2반사 미러가 이 순서로 배치되어 있고, 상기 제 1반사 미러 및 상기 제 2반사 미러는 모두 2차원 포토닉 결정을 포함하는 것을 특징으로 하는 수직 공진기형 면발광 레이저 장치.
  9. 제 1항에 있어서,
    기판상에 상기 제 1반사 미러, 상기 활성층, 상기 굴절률 주기구조를 지니는 제 2반사 미러 및 하나의 전극이 이 순서로 배치되어 있고, 상기 전극 바로 밑에 배치된 상기 제 2반사 미러의 일부에는 굴절률 주기구조가 설치되어 있지 않은 것을 특징으로 하는 수직 공진기형 면발광 레이저 장치.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 제 2반사 미러는 굴절률 주기구조를 각각 지니는 복수의 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 수직 공진기형 면발광 레이저 장치.
  11. 제 1항에 있어서,
    상기 굴절률 주기구조는 제 1매질 및 해당 제 1매질보다 높은 굴절률을 지닌 제 2매질을 포함하고,
    상기 장치는, 상기 굴절률 주기구조를 지닌 제 2반사 미러와 상기 활성층 사 이에 배치된 상기 제 2매질보다도 낮은 굴절률을 지니는 매질을 포함하는 층을 더욱 구비한 것을 특징으로 하는 수직 공진기형 면발광 레이저 장치.
  12. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1반사 미러는 다층막을 포함하는 분포형 브랙 반사기(distributed bragg reflector) 미러인 것을 특징으로 하는 수직 공진기형 면발광 레이저 장치.
  13. 제 1항에 있어서,
    상기 굴절률 주기구조의 주기를 교란시키는 부분 사이의 간격은, 상기 주기를 교란시키는 부분들이 발광부로서 기능하고 또한 상기 주기를 교란시키는 부분들의 각각의 광성분이 서로 결합되도록 설정되어 있는 것을 특징으로 하는 수직 공진기형 면발광 레이저 장치.
  14. 제 1항에 있어서,
    상기 굴절률 주기구조는 상기 주기를 교란시키는 부분들이 배치되어 있는 제 1영역과 상기 주기를 교란시키는 부분들이 배치되어 있지 않은 제 2영역을 포함하고, 상기 제 2영역은 상기 제 1영역을 둘러싸도록 위치결정되어 있는 것을 특징으로 하는 수직 공진기형 면발광 레이저 장치.
  15. 제 14항에 있어서,
    상기 제 1영역은 사각 격자로 이루어지고, 상기 제 2영역은 삼각 격자로 이루어진 것을 특징으로 하는 수직 공진기형 면발광 레이저 장치.
  16. 제 1항에 있어서,
    상기 굴절률 주기구조는 2차원 포토닉 결정을 포함하고, 상기 주기를 교란시키는 부분들은 결함인 것을 특징으로 하는 수직 공진기형 면발광 레이저 장치.
  17. 수직 공진기형 면발광 레이저 장치에 있어서,
    기판;
    제 1반사 미러;
    활성층; 및
    제 2반사 미러를 포함하고,
    상기 기판상에 상기 제 1반사 미러, 상기 활성층 및 상기 제 2반사 미러가 설치되어 있고,
    상기 제 1반사 미러 및 상기 제 2반사 미러는 2차원 굴절률 주기구조를 포함하고,
    상기 레이저 장치는 단일 횡모드로 발광하는 것을 특징으로 하는 수직 공진기형 면발광 레이저 장치.
  18. 수직 공진기형 면발광 레이저 장치에 있어서,
    기판;
    제 1반사 미러;
    활성층; 및
    제 2반사 미러를 포함하고,
    상기 기판상에 상기 제 1반사 미러, 상기 활성층 및 상기 제 2반사 미러가 설치되어 있고,
    상기 제 1반사 미러 및 상기 제 2반사 미러 중의 적어도 한쪽은 2차원 굴절률 주기구조를 포함하고,
    상기 수직 공진기형 면발광 레이저 장치로부터 방출된 출사 레이저광의 스폿 크기는 5㎛ 이상이고,
    상기 출사 레이저광은 단일 횡모드로 발광하는 것을 특징으로 하는 수직 공진기형 면발광 레이저 장치.
  19. 수직 공진기형 면발광 레이저 장치에 있어서,
    기판;
    제 1반사 미러;
    활성층; 및
    제 2반사 미러를 포함하고,
    상기 기판상에 상기 제 1반사 미러, 상기 활성층 및 상기 제 2반사 미러가 설치되어 있고,
    상기 제 1반사 미러 및 상기 제 2반사 미러 중 적어도 한쪽은 2차원 굴절률 주기구조를 포함하고,
    상기 2차원 굴절률 주기구조는 파장 범위 5 내지 50㎚에서, 공명파장에 있어서의 반사율과 상기 파장 범위 내의 파장 이외의 파장에서의 반사율 간의 차가 3% 이내이고, 상기 파장범위는 상기 공명파장을 포함하며,
    상기 수직 공진기형 면발광 레이저 장치로부터 출사된 광은 단일 횡모드로 발광하는 것을 특징으로 하는 수직 공진기형 면발광 레이저 장치.
  20. 제 19항에 있어서,
    상기 파장범위 5 내지 50㎚내에서, 상기 공명파장에 있어서의 반사율과 30㎚ 파장 부속범위(subrange) 내의 파장 이외의 파장에서의 굴절률간의 차가 3% 이내이고, 상기 30㎚ 파장 부속범위는 상기 공명파장을 포함하는 것을 특징으로 하는 수직 공진기형 면발광 레이저 장치.
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