KR20070065231A - 면 발광 레이저 - Google Patents

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KR20070065231A
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오사무 마에다
마사끼 시오자끼
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소니 가부시끼 가이샤
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Abstract

쉽게 제조될 수 있으며 상위 횡모드 발진만을 선택적으로 억제할 수 있는 VCSEL이 제공된다. VCSEL은 공진기, 제1 전류 집속층, 및 제2 전류 집속층을 포함한다. 공진기는 발광 영역을 가진 활성층과 그 사이에 활성층이 제공되는 한 쌍의 제1 다층 반사기 및 제2 다층 반사기를 포함하고, 소정 파장에서 공진이 발생된다. 제1 전류 집속층은 발광 영역에 대응되는 영역에 전류 주입 영역을 갖고, 정재파의 파복을 포함하는 영역에 형성된다. 제2 전류 집속층은, 직경이 제1 전류 주입 영역의 직경보다 작은 전류 주입 영역을 갖고, 정재파의 파절을 포함하는 영역에 형성된다.
상위 횡모드 발진의 선택적 억제, 전류 집속층, 전류 주입 영역, 정재파, 파복, 파절

Description

면 발광 레이저{VERTICAL CAVITY SURFACE EMITTING LASER}
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 VCSEL의 단면 구조를 나타낸 도면.
도 2의 (a) 및 (b)는 레이저의 확대된 중요 부분을 나타내는 단면 구조를 나타낸 도면.
도 3의 (a) 및 (b)는 레이저를 제조하는 단계들을 설명하기 위한 단면도.
도 4는 도 3의 (b)의 단계에 수반되는 단계를 설명하기 위한 단면도.
도 5는 도 1의 레이저에서의 전류 밀도들을 설명하기 위한 분포들을 나타낸 도면.
도 6은 도 1의 레이저에서의 정재파의 적분 강도를 설명하기 위한 분포들을 나타낸 도면.
도 7의 (a) 및 (b)는 관련 기술의 레이저에서의 전류 밀도들을 설명하기 위한 분포들을 나타낸 도면.
도 8의 (a) 및 (b)는 관련 기술의 레이저에서의 정재파의 적분 강도를 설명하기 위한 분포들을 나타낸 도면.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10 : 기판
11, 18 : 다층 반사기(DBR층)
12, 14 : 가이드층
13 : 활성층
13A : 발광 영역
15, 17 : 전류 집속층
15a, 17a : 전류 집속 영역
15b, 17b : 전류 주입 영역
16 : 스페이서층
19 : p형 접촉층
20 : p측 전극
21 : n측 전극
30 : 원주형 메사
본 발명은, 전체 내용들이 여기에 참고 문헌으로써 포함되어 있는, 2005년 12월 19일에 JPO(Japanese Patent Office)에 출원된 일본특허출원 JP 2005-364912호에 관련된 주제를 포함한다.
1. 발명의 분야
본 발명은 상부면에 레이저 발광 영역을 갖춘 VCSEL(vertical cavity surface emitting laser;빅셀)에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는, 하위 횡모드(low order tranverse mode)의 광 출력을 필요로 하는 목적들에 적절하게 적용될 수 있는 VCSEL에 관한 것이다.
2. 관련 기술의 설명
VCSEL은, 기존의 단면(edge) 출사형 레이저 다이오드들과 달리, 기판에 수직인 방향으로 광을 출사한다. VCSEL에서, 다수 소자들은 동일 기판상에 2차원 어레이 상태로 정렬될 수 있다. 그에 따라, VCSEL은 최근에 디지털 복사기 또는 프린터를 위한 광원으로써 관심을 끌어왔다.
지금까지, VCSEL의 상기 유형에서는, 한 쌍의 다층 반사기들(multilayer reflectors)이 반도체 기판상에 형성되고, 발광 영역이 되는 활성층(active layer)이 한 쌍의 다층 반사기들 사이에 제공되었다. 하나의 다층 반사기와 활성층 사이의 영역에는, 활성층으로의 전류 주입 효율성을 향상시키고 임계값 전류를 낮추기 위해, 전류 주입 영역이 좁혀진 구조의 전류 집속층(current confinement layer)이 제공된다. 더 나아가, n측 전극이 상부면상에 제공되고, p측 전극이 하부면상에 제공된다. p측 전극에는 레이저 광을 출사하기 위한 광 출사구(light emitting aperture)가 제공된다. VCSEL에서, 전류는 전류 집속층에 의해 집속된 다음, 광이 출사되는 활성층으로 주입된다. 출사된 광이 한 쌍의 다층 반사기들 사이에서 반사를 반복하는 동안, 광은 p측 전극의 광 출사구로부터 레이저 광으로서 출사된다.
상기 VCSEL에서, 기본적인 횡모드 발진(basic transverse mode oscillation)은 주로 레이저 발광 영역의 중앙 영역에서 발생되지만, 상위(high-order) 횡모드 발진은 주로 레이저 발광 영역의 외연(outer edge) 영역에서 발생된다. 따라서, VCSEL의 높은 출력을 획득하기 위해 광 출사구가 지나치게 넓혀질 경우, 상위 횡모드의 레이저 광 또한 높은 출력에서 출력된다는 단점이 존재한다.
따라서, 상기 단점을 해결하기 위해, 횡모드 발진을 제어하기 위한 많은 기술들이 보고되어 왔다. 예를 들어, 심사청구되지 않은 일본 특허 출원 공개 제2003-273459호에서는, 전류 주입 영역의 위치가 활성층에 가까워짐에 따라, 전류 주입 영역의 직경이 커지는 구조의 전류 집속층을 제공하기 위한 기술이 개시되었다.
상기 심사청구되지 않은 일본 특허 출원 공개 제2003-273459호의 기술에서는, 전류 주입 영역의 활성층쪽의 직경이 더 크고, 활성층의 넓은 범위에서 전류 밀도가 균일해진다. 따라서, 확실하게, 소자의 저항이 감소될 수 있고 전력 소비가 저감될 수 있다. 그러나, 전류 주입 영역의 그러한 형태를 획득하기 위해서는, 전류 집속층의 두께를 증가시켜야 한다. 두꺼운 전류 집속층은 광 손실(light loss)을 발생시키므로, 기본적인 횡모드에서의 광 출력이 떨어진다.
상기한 바와 같이, 기존 기술들에서는, 상위 횡모드 발진만을 선택적으로 방지할 수 있는 VCSEL을 쉽게 제조할 수 없었다.
상기한 관점에서, 본 발명에서는, 바람직스럽게도, 상위 횡모드 발진만을 선택적으로 방지할 수 있는 VCSEL을 제공한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 소정 파장에서 공진하는 공진기로서, 발광 영역 을 가진 활성층 및 그 사이에 활성층이 제공되는 한 쌍의 제1 다층 반사기 및 제2 다층 반사기를 포함하는, 공진기; 공진기에서 형성되는 정재파(standing wave)의 파복(antinode)을 포함하는, 발광 영역에 대응되는 영역에 제1 전류 주입 영역을 갖고 활성층과 제1 다층 반사기 사이의 영역에 형성되는 제1 전류 집속층; 및 공진기에서 형성되는 정재파의 파절(node)을 포함하는, 직경이 제1 전류 주입 영역의 직경보다 작은 제2 전류 주입 영역을 갖고 제1 전류 집속층과 제1 다층 반사기 사이의 또는 제1 다층 반사기의 영역에 형성되는 제2 전류 집속층을 포함하는 VCSEL이 제공된다.
본 발명의 실시예의 VCSEL에서는, 제1 전류 집속층의 두께보다 얇은 두께를 가지며 제2 전류 주입 영역의 직경이 제1 전류 주입 영역의 직경보다 작은 제2 전류 집속층이 정재파의 파절(node)에 제공된다. 따라서, 제2 전류 집속층에서, 전류는 광 손실없이 집속된다. 그것에 의해, 제2 전류 주입 영역의 직경은, 전류 밀도가 제2 전류 주입 영역의 전체 면적에 걸쳐 거의 균일해지는 정도로 감소될 수 있다. 제2 전류 집속층은 활성층으로부터 제1 전류 집속층보다 좀더 멀리 떨어진 위치에 제공된다. 따라서, 전류 밀도가 제2 전류 주입 영역의 전체 면적에 걸쳐 거의 균일해지는 사이즈로 제2 전류 주입 영역의 직경이 설정될 경우, 제2 전류 집속층에 의해 집속되는 전류는 제1 전류 집속층의 제1 전류 주입 영역의 바깥쪽 단면에 집중되는 것이 아니라,제1 전류 주입 영역의 중앙부에 집중된다. 따라서, 전류를 활성층의 제1 전류 주입 영역에 대응되는 영역의 중앙부(발광 영역의 중앙부)로 강하게 주입하는 것이 가능해진다. 한편, 제2 전류 집속층의 두께보다 두꺼운 두께를 가지며 제1 전류 주입 영역의 직경이 제2 전류 주입 영역의 직경보다 큰 제1 전류 집속층이 정재파의 파복에 제공된다. 따라서, 제1 전류 집속층에서는, 제1 전류 주입 영역의 바깥쪽 단면(발광 영역의 바깥쪽 단면)에 대응되는 부분에서 큰 이득을 갖는 차수의 횡모드 광에는 손실이 부여되고, 제1 전류 주입 영역의 중앙부(발광 영역의 중앙부)에 대응되는 부분에서 큰 이득을 갖는 차수의 횡모드 광에는 거의 손실이 부여되지 않는다.
본 발명의 실시예의 VCSEL에 따르면, 큰 직경의 제1 전류 주입 영역을 가진 제1 전류 집속층 및 작은 직경의 제2 전류 주입 영역을 가진 제2 전류 집속층이 활성층쪽으로부터 이 순서로 제공된다. 따라서, 전류는 활성층의 발광 영역의 중앙부로 강하게 주입될 수 있다. 그것에 의해, 전류 밀도가 발광 영역의 바깥쪽 단면에 집중되는 경우에 비해, 발광 영역의 바깥쪽 단면에서 큰 이득을 갖는 상위 횡모드의 발진만이 선택적으로 억제될 수 있다. 얇은 제2 전류 집속층이 정재파의 파절에 제공되므로, 제2 전류 주입 영역의 직경 사이즈에 상관없이 광은 거의 손실되지 않고, 발광 영역의 중앙부에서 큰 이득을 갖는 기본적인 횡모드의 발진이 거의 차단되지 않는다.
더 나아가, 상술된 바와 같이, 제2 전류 집속층은 전류를 집속하는 기능을 가진다. 따라서, 정재파의 파복에 제공되는 제1 전류 집속층의 제1 전류 주입 영역에 대한 직경 사이즈를 비교적 자유롭게 설정할 수 있다. 제1 전류 주입 영역의 직경 사이즈가 적절하게 조정될 때, 발광 영역의 중앙부에서 큰 이득을 갖는 기본적인 횡모드의 광에는 손실이 거의 부여되지 않고 발광 영역의 바깥쪽 단면에서 큰 이득을 갖는 상위 횡모드의 광에만 선택적으로 손실이 부여될 수 있다.
상기한 바와 같이, 본 발명의 실시예의 VCSEL에 따르면, 상위 횡모드 발진만이 선택적으로 억제될 수 있다.
제1 전류 집속층에 대응되는 정재파의 파복 양끝들에 위치하는 2개 파절들 사이의 영역에 대한 정재파 강도의 적분값(면적)이 1.0일 경우, 제1 전류 집속층이, 제1 전류 집속층에 대응되는 영역에 대한 정재파 강도의 적분값(면적)이 0.5 이상이면서 1.0 미만이게 하는 두께를 가진다면, 제1 전류 집속층으로부터 부여되는 기본적인 횡모드의 광에 대한 손실은 아주 작을 수 있다. 더 나아가, 제2 전류 집속층에 대응되는 정재파의 파절 양끝들에 위치하는 2개 파절들 사이의 영역에 대한 정재파 강도의 적분값(면적)이 1.0일 경우, 제2 전류 집속층이, 제2 전류 집속층에 대응되는 영역에 대한 정재파 강도의 적분값(면적)이 0.1 미만이게 하는 두께를 가진다면, 제2 전류 집속층에서의 광 손실은 아주 작을 수 있다. 그것에 의해, 상위 횡모드에서의 발진을 억제하면서, 기본적인 횡모드에서의 광 출력을 추가적으로 향상시킬 수 있다.
본 발명의 다른 그리고 추가적인 목적들, 사양들 및 이점들은 다음의 설명으로부터 좀더 분명해 질 것이다.
도면들을 참조하여 본 발명의 실시예에 대한 설명들이 제시될 것이다.
제1 실시예
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 VCSEL의 단면 구조를 나타낸다. 도 2의 (a)는 도 1의 VCSEL에 대한 제1 전류 집속층(15) 및 제2 전류 집속층(17)과, 그 부근에서의 정재파 강도를 나타낸다. 도 2의 (b)는 도 1의 VCSEL에 대한 제1 전류 집속층(15) 및 제2 전류 집속층(17)과, 그 부근의 확대된 단면도를 나타낸다. 도 1, 도 2의 (a), 및 도 2의 (b)는 도면들을 모델로서 나타내므로, 그것에 관한 치수들 및 형태들이 실제 치수들 및 형태들과는 상이하다.
VCSEL은, n형 DBR층(11)(제2 다층 반사기), n형 가이드층(12;guide layer), 활성층(13), p형 가이드층(14), 제1 전류 집속층(15), 스페이서층(16;spacer layer), 제2 전류 집속층(17), p형 DBR층(18)(제1 다층 반사기), 및 p형 접촉층(19)이 이 순서대로 기판(10)의 일 표면상에 적층되어 있는 공진기를 포함한다. n형 DBR층(11), n형 가이드층(12), 활성층(13), p형 가이드층(14), 제1 전류 집속층(15), 스페이서층(16), 제2 전류 집속층(17), p형 DBR층(18), 및 p형 접촉층(19)의 상부는 p형 접촉층(19)까지 형성된 다음 상부면으로부터 에칭됨으로써, 원주형 메사(30;columnar mesa)가 된다. p측 전극(20)이 p형 접촉층(19)상에 형성되고, n측 전극(21)이 기판(10)의 후면상에 형성된다.
기판(10), n형 DBR층(11), n형 가이드층(12), 활성층(13), p형 가이드층(14), 스페이서층(16), p형 DBR층(18), 및 p형 접촉층(19)은 각각, 예를 들어, GaAs계 화합물 반도체로 이루어진다. GaAs계 화합물 반도체는 단주기 주기율표(short period periodic table)의 3B족 원소들 중 적어도 Ga 및 단주기 주기율표의 5B족 원소들 중 적어도 As를 함유하는 화합물 반도체를 포함한다.
기판(10)은, 예를 들어, n형 GaAs로 이루어진다. n형 DBR층(11)은, 예를 들 어, 이 층들이 하나의 세트로서 간주되는, (도시되어 있지 않은) 저반사율층과 (도시되어 있지 않은) 고반사율층의 복수개 세트들을 포함한다. 저반사율층은, 예를 들어, λ/4na(λ는 발진 파장이고, na는 반사율임) 두께의 n형 Alx1Ga1-x1As(0<x1<1)로부터 형성된다. 고반사율층은, 예를 들어, λ/4nb(nb는 반사율임) 두께의 n형 Alx2Ga1-x2As(0<x2<x1)로부터 형성된다. n형 불순물로는, 예를 들어, Si(silicon), Se(selenium) 등을 언급할 수 있다.
n형 가이드층(12)은, 예를 들어, Alx3Ga1-x3As(0<x3<1)로 이루어진다. 활성층은, 예를 들어, GaAs계 재료로 이루어진다. 활성층(13)에서, 전류 주입 영역에 대향되는 영역(11C-1)은 발광 영역이고, 발광 영역의 중앙 영역(발광 중앙 영역;13A)은 기본적인 횡모드 발진이 주로 발생되는 영역이며, 발광 영역의 발광 중앙 영역(13A)을 둘러싸고 있는 영역은 상위 횡모드 발진이 주로 발생되는 영역이다. p형 가이드층(14)은, 예를 들어, Alx4Ga1-x4As(0<x4<1)로 이루어진다. n형 가이드층(12), 활성층(13), 및 p형 가이드층(14)은 불순물을 함유하지 않는 것이 바람직스럽지만, p형 불순물 또는 n형 불순물을 함유할 수도 있다.
스페이서층(16)은, 예를 들어, p형 Alx5Ga1-x5As(0<x5<1)로 이루어진다. p형 DBR층(18)은, 예를 들어, 이 층들이 하나의 세트로서 간주되는, (도시되어 있지 않은) 저반사율층 및 (도시되어 있지 않은) 고반사율층의 복수개 세트들을 포함한다. 저반사율층은, 예를 들어, λ/4nc(λ는 발진 파장이고, nc는 반사율임) 두께의 p형 Alx6Ga1-x6As(0<x6<1)로부터 형성된다. 고반사율층은, 예를 들어, λ/4nd(nd는 반사율임) 두께의 p형 Alx7Ga1-x7As(0<x7<x6)로부터 형성된다. p형 불순물로는, 예를 들어, Zn(zinc), Mg(magnesium), Be(beryllium) 등을 언급할 수 있다.
제1 전류 집속층(15)은 그것의 바깥쪽 단면 영역에 토러스 형태(torus shape)의 전류 집속 영역(15a)을 가진다. 제1 전류 집속층(15)은 그것의 중앙 영역에 W1(예를 들어, 4 내지 6 ㎛) 직경의 원형 전류 주입 영역(15b;제1 전류 주입 영역)을 가진다. 전류 주입 영역(15b)은, 예를 들어, Alx8Ga1-x8As(x6<x8<1)로 이루어진다. 전류 주입 영역(15a)은 제1 전류 집속층(15)에 함유되어 있는 고농도 Al을 메사(30)의 측면(side surface)으로부터 산화시키는 것에 의해 획득되는 Al2O3(aluminum oxide)를 함유한다. 다시 말해, 제1 전류 집속층(15)은 전류를 집속하는 기능을 가진다.
제1 전류 집속층(15)은 활성층(13)의 파복으로부터 mλ/2(m은 1 이상의 정수이고, λ는 공진 파장임)만큼 떨어져 위치하는 파복을 포함하는 영역에 형성된다. 예를 들어, 도 2의 (a) 및 (b)에 도시되어 있는 바와 같이, 공진기에서 형성되는 발광 파장(λ)과 동일한 파장을 가진 정재파의 파복들(P1, P2, P3, P4, P5 등) 중에서 파복(P3)을 활성층(13)쪽으로부터의 제3 파복으로서 포함하는 제1 전류 집속층(15)이 활성층(13)과 p형 DBR층(18) 사이의 영역에 형성된다. 제1 전류 집속층(15)의 광학적 두께(L1;optical thickness)는 제1 전류 집속층(15)에 대응되는 파복(P3)의 양끝들에 위치하는 파절들(Z2 및 Z3) 사이의 광학적 거리보다 두꺼울 수도 있다. 그러나, 파절들(Z2 및 Z3) 사이의 정재파 강도에 대한 적분값(면적)이 1.0일 경우, 제1 전류 집속층(15)에 대응되는 영역에서의 정재파 강도에 대한 적분값(면적 A)은 0.5 이상이면서 1.0 미만인 것이 바람직스럽다.
산화물을 함유하는 층이 정재파의 파복 위치에 배치되면, 공진기에서 진동하는 광(light shuttling in the resonator)은 산화물을 함유하는 층에 의해 산란된다. 따라서, 전류 집속 영역(15a)은 기본적으로 공진기에서 진동하는 광에 손실을 부여하여 발진을 억제하는 특징들을 가진다. 그러나, 앞서 설명된 바와 같이, 전류 집속 영역(15a)은 제1 전류 집속층(15)의 바깥쪽 단면 영역에만 형성된다. 따라서, 전류 집속 영역(15a)은 공진기에서 진동하는 광 중에서 제1 전류 집속층(15)의 바깥쪽 단면(발광 영역(13A)의 바깥쪽 단면) 영역에 대응되는 영역에서 큰 이득을 갖는 차수의 횡모드 발진을 주로 억제한다. 다시 말해, 전류 집속 영역(15a)은 공진기에서 진동하는 광 중에서 전류 주입 영역(15b)에 대응되는 영역(발광 영역(13A)의 중앙부)에서 큰 이득을 갖는 차수의 횡모드 발진은 거의 억제하지 않는다. 따라서, 후자의 차수를 가진 횡모드 광에 대해, 제1 전류 집속층(15)은 거의 투명하다.
후술되는 바와 같이, 제2 전류 집속층(17)은 제1 전류 집속층(15)보다 좀더 강력하게 전류를 집속시키는 기능을 가진다. 따라서, 전류 주입 영역(15b)의 직경 사이즈는 비교적 자유롭게 설정될 수 있다. 제2 전류 주입 영역(15b)의 직경이 적당한 값으로 조정될 때, 발광 영역(13A)의 중앙부에서 큰 이득을 갖는 기본적인 횡모드의 광에는 손실이 거의 부여되지 않고 발광 영역(13A)의 바깥쪽 단면에서 큰 이득을 갖는 상위 횡모드 광에만 선택적으로 손실이 부여될 수 있게 된다. 앞서와 같이, 제1 전류 집속층(15)은, 전류를 집속시키는 기능 이외에, 상위 횡모드의 광에만 선택적으로 손실을 부여하는 기능을 가진다.
또한, 후술되는 바와 같이, 전류 주입 영역(15b)의 직경이 과도하게 좁혀지지 않은 경우라 하더라도, 제2 전류 집속층(17)은 여전히 상위 횡모드의 발진을 억제할 수 있다. 따라서, 전류 주입 영역(15b)의 직경이 증가될 수 있다. 전류 주입 영역(15b)의 직경이 증가될 때, 발광 영역(13A)의 면적이 증가된다. 따라서, 활성층(13)의 저항(접합 저항)은 감소되고, VCSEL의 직렬 저항 및 전력 소비가 감소될 수 있다.
제2 전류 집속층(17)은 바깥쪽 단면 영역에 토러스형 전류 집속 영역(17a)을 가진다. 제2 전류 집속층(17)은 그것의 중앙부에 W2(예를 들어, 3 내지 4 ㎛) 직경의 원형 전류 주입 영역(17b;제2 전류 주입 영역)을 가진다. W2는 W1보다 작다. 전류 주입 영역(17b)은, 예를 들어, Alx9Ga1-x9As(x8<x9≤1)로 이루어진다. 전류 주입 영역(17a)은 제2 전류 집속층(17)에 함유되어 있는 고농도 Al을 메사(30)의 측면으로부터 산화시키는 것에 의해 획득되는 Al2O3(aluminum oxide)를 함유한다. 다시 말해, 제2 전류 집속층(17)은 제1 전류 집속층(15)보다 좀더 강력하게 전류를 집속하는 기능을 가진다.
제2 전류 집속층(17)은 활성층(13)의 파복으로부터 (2n+1)λ/4(n은 m보다 큰 정수임)만큼 떨어져 위치하는 파복을 포함하는 영역에서 형성된다. 예를 들어, 도 2의 (a) 및 (b)에 도시되어 있는 바와 같이, 공진기에서 형성되는 발광 파장(λ)과 동일한 파장을 가진 정재파의 파절들(Z1, Z2, Z3, Z4, Z5 등) 중에서 파절(Z4)를 활성층(13)쪽으로부터의 제4 파절로서 포함하는 제2 전류 집속층(17)이 제1 전류 집속층(15)과 p형 DBR층(18) 사이의 영역에 형성된다.
n은 m보다 큰 정수이다. 그것에 의해, 제1 전류 집속층(15) 및 제2 전류 집속층(17)은 물리적으로 서로 접촉하지 않도록 정렬된다. 제1 전류 집속층(15) 및 제2 전류 집속층(17)이 서로 접촉한다면, 공진기에 제1 전류 집속층(15) 및 제2 전류 집속층(17)을 포함하는 두꺼운 산화물층이 형성되어, 공진기의 진폭 함수(amplitude function)가 차단될 수 있다. 공진기의 진폭 함수가 손실되면, 상위 횡모드의 발진 뿐만 아니라 기본적인 횡모드의 발진도 억제되고, 그에 따라, 상위 횡모드 발진만을 선택적으로 억제하는 것이 어려워진다. 그러한 상태를 방지하기 위해, 제1 전류 집속층(15) 및 제2 전류 집속층(17)이 물리적으로 서로 접촉하지 않도록 정렬되는 것이 아주 중요하다.
제2 전류 집속층(17)에 대응되는 파절(Z4)의 양끝들상의 파절들(Z3 및 Z5) 사이의 정재파 강도들에 대한 적분값(면적)이 1.0일 경우, 제2 전류 집속층(17)의 광학적 두께(L2)를 위해, 제2 전류 집속층(17)에 대응되는 영역에서의 정재파 강도에 대한 적분값(면적 B)은 0.1 미만인 것이 바람직스럽다. 광학적 두께(L2)는 산화될 수 있는 두께 이상인 것이 바람직스럽다.
산화물을 함유하는 층이 정재파의 파절 위치에 배치되면, 공진기에서 진동하는 광은 산화물을 함유하는 층에 의해 산란된다. 산화물을 함유하는 층은 공진기 에서 진동하는 광에 대해 투명하다. 따라서, 전류 집속 영역(17a)이 이상적으로는 공진기에서 진동하는 광에 손실을 부여하지 않아 발진을 억제하지 않는다는 특징들을 가진다. 그러나, 전류 집속 영역(17a)이 실제로는 소정 두께를 갖고, 정재파의 파절이 아닌 부분들을 차지한다. 따라서, 그것에 의해 약간의 광 손실이 발생된다. 그러나, 제2 전류 집속층(17)의 광학적 두께(L2)가 산화될 수 있는 두께 이상이고 제2 전류 집속층(17)에 대응되는 영역에서의 정재파 강도에 대한 적분값(면적 B)이 0.1보다 작은 범위의 값이면, 전류 집속 영역(17a)으로 인한 광 손실은 무시될 수 있는 정도로 감소될 수 있다. 상기한 바와 같이, 제2 전류 집속층(17)은 사실상 공진기에서 진동하는 광에 손실을 부여하지 않는 특징들을 가진다.
전류 주입 영역(17b)이 제2 전류 집속층(17)의 중앙부에 제공되므로, 제2 전류 집속층(17)은 전류를 집속하는 기능을 가진다. 그것에 의해, 전류 주입 영역(17b)의 직경은, 사실상 광에 손실을 부여하지 않으면서, 전류 주입 영역(17b)의 전체 면적에 걸쳐 전류 밀도가 거의 균일해지는 정도로 감소될 수 있다. 상기한 바와 같이, 제2 전류 집속층(17)에서, 전류 주입 영역(17b)의 직경 사이즈는 비교적 자유롭게 설정될 수 있다. 더 나아가, 제2 전류 집속층(17)은 활성층으로부터 제1 전류 집속층(15)보다 좀더 멀리 떨어진 위치에 제공된다. 따라서, 전류 주입 영역(17b)의 직경이, 전류 주입 영역(17b)의 전체 면적에 걸쳐 거의 균일해지는 사이즈로 설정될 경우, 제2 전류 집속층(17)에 의해 집속되는 전류는 제1 전류 집속층(15)의 전류 주입 영역(15b)의 바깥쪽 단면이 아니라 전류 주입 영역(15b)의 중앙부에 집중된다. 결과적으로, 전류를 활성층(13)의 전류 주입 영역(15b)에 대응 되는 영역의 중앙부(발광 영역(13A)의 중앙부)로 강하게 주입하는 것이 가능해진다. 상기한 바와 같이, 제2 전류 집속층(17)은 전류를 집속시킬 수 있을 뿐만 아니라 전류를 발광 영역(13A)의 중앙부로 강하게 주입할 수도 있다.
기능과 특징들의 관점에서, 제2 전류 집속층(17)은 활성층(13)쪽으로부터 제1 전류 집속층(15)보다 좀더 멀리 떨어진 영역에 제공될 수도 있다. 예를 들어, 제2 전류 집속층(17)은 p형 DBR층(18)의 저반사율층의 영역에 제공될 수도 있다.
p형 접촉층(19)은, 예를 들어, p형 GaAs로 이루어진다. 상기한 전류 주입 영역(17b)에 대향되는 p형 접촉층(19)의 영역에, 예를 들어, 원형의 간극이 제공될 수도 있다.
예를 들어, Ti(titanium)층, Pt(platinium)층, 및 Au(gold)층을 이 순서로 적층하는 것에 의해 p측 전극(20)이 구축되고, p측 전극(20)은 p형 접촉층(19)에 전기적으로 접속된다. 더 나아가, p측 전극(20)에서는, 전류 주입 영역(17b)에 대응되는 영역에 간극(W1)이 제공된다. n측 전극(21)은, 예를 들어, Au와 Ge(germanium)의 합금층, Ni(nickel)층, 및 Au층이 기판(10)측으로부터 순차적으로 적층되어 있고, 기판(10)에 전기적으로 접속되어 있는 구조를 가진다. n측 전극(21)은 n형 DBR층(11)의 메사 주위에 노출된 표면상에 형성될 수도 있다.
이 실시예에 따른 VCSEL은, 예를 들어, 다음과 같이 제조될 수 있다.
도 3의 (a), 도 3의 (b) 및 도 4는 단계들의 순서로 VCSEL을 제조하는 방법을 나타낸다. 여기에서, 기판(10)상의 GaAs로 이루어진 화합물 반도체층들은, 예를 들어, MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition) 방법에 의해 형성된다. 그 다음, GaAs계 화합물 반도체의 미가공 재료로서, 예를 들어, TMA(trimethyl aluminium), TMG(trimethyl gallium), 또는 AsH3(arsine)이 사용된다. 도우너 불순물의 미가공 재료로서는, 예를 들어, H2Se가 사용된다. 억셉터 불순물의 미가공 재료로서는, 예를 들어, DMZ(dimethyl zinc)가 사용된다.
먼저, n형 DBR층(11), n형 가이드층(12), 활성층(13), p형 가이드층(14), 제1 전류 집속층(15D), 스페이서층(16), 제2 전류 집속층(17D), p형 DBR층(18), 및 p형 접촉층(19)이 기판(10)상에 이 순서대로 적층된다. 그후, p형 접촉층(19)상에 저항층(R1)이 형성된다(도 3의 (a)). 제1 전류 집속층(15D) 및 제2 전류 집속층(17D)의 끝의 심볼 "D"는, 그 층에 산화 프로세스가 제공되지 않아, 전류 집속 영역(15a) 및 전류 집속 영역(17a)과 같은 산화물을 함유하는 영역이 아직 형성되지 않았다는 것을 의미한다.
다음으로, p형 접촉층(19)으로부터 n형 DBR층(11)의 일부에 이르는 영역이 메사(30)를 형성하기 위해, 예를 들어, RIE(Reactive Ion Etching) 방법에 의해 선택적으로 제거된다(도 3의 (b)).
다음으로, 수증기 분위기의 고온에서 산화 처리가 수행되어 제1 전류 집속층(15D) 및 제2 전류 집속층(17D)에 함유되어 있는 고농도 Al을 메사(30)의 바깥쪽으로부터 동시에 산화시킨다. 그 다음, 제1 전류 집속층(15D) 및 제2 전류 집속층(17D)에 함유되어 있는 Al 농도(또는 Al 구성비)는, 동일한 산화 조건들하에서 소정 시간 동안 산화되었을 때, 제1 전류 집속층(15D) 및 제2 전류 집속층(17D)의 비산화 영역에서의 직경 사이즈가 각각 소정 값이 되도록 설정된다. 그에 따라, 산화 프로세스에서는, 산화 시간만 엄격하게 제어하면 된다. 따라서, 제1 전류 집속층(15) 및 제2 전류 집속층(17)은 쉽고 정확하게 형성될 수 있다. 상기한 바와 같이 산화 프로세스를 수행하는 것에 의해, 제1 전류 집속층(15D) 및 제2 전류 집속층(17D)의 바깥쪽 단면은 절연층(알루미늄 산화물)이 되고, 전류 집속 영역들(15a 및 17a)이 그것의 바깥쪽 단면에 형성되며, 그것의 중앙부가 전류 주입 영역들(15b 및 17b)이 된다. 그것에 의해, 제1 전류 집속층(15) 및 제2 전류 집속층(17)이 형성된다(도 4).
다음으로, 상기 금속 재료가, 예를 들어, 진공 기상 증착법(vacuum vapor deposition method)에 의해 메사(30)상에 그리고 메사(30)의 주변 기판상에 적층된다. 그후, 예를 들어, 선택적 에칭에 의해, 메사(30)의 상부에 p형 전극(20)이 형성되고 간극(W1)이 형성된다. 다음으로, 기판(10) 후면이 그것의 두께를 조정하기에 적합한만큼 폴리싱된다. 그후, n측 전극(21)이 기판(10)의 후면에 형성된다. 결과적으로, 이 실시예의 VCSEL이 제조된다.
상기 구조를 가진 VCSEL에서, n측 전극(21)과 p측 전극(20) 사이에 소정 전압이 인가될 때, 전류 집속층들(15 및 17)의 전류 주입 영역들(15b 및 17b)을 통해 활성층(13)으로 전류가 주입된다. 그것에 의해, 전자-홀 재조합으로 인한 광이 출사된다. 그러한 광은 n형 DBR층(11)과 p형 DBR층(11)의 쌍에 의해 반사된다. 광이 소자에서 한번 진동할 때 위상 변화가 2π의 정수배가 되는 파장에서, 레이저 발진이 발생된다. 그 다음, 광은 레이저 빔으로서 밖으로 출사된다.
다음에서는, 비교예들과의 비교에 의해 이 실시예의 VCSEL의 동작 및 효과들을 상세하게 설명할 것이다. 도 7의 (a)는, 제2 전류 집속층이 제공되지 않고 전류 집속 영역(115a) 및 전류 주입 영역(115b)을 포함하는 제1 전류 집속층(115)만이 제공될 때의 전류 주입 영역(115b)에서의 전류 밀도 분포를 나타낸다. 도 7의 (b)는, 제1 전류 집속층이 제공되지 않고 전류 집속 영역(117a) 및 전류 주입 영역(117b)을 포함하는 제2 전류 집속층(117)만이 제공될 때의 전류 주입 영역(117b)에서의 전류 밀도 분포를 나타낸다. 도 8의 (a)는, 제1 전류 집속층(115)만이 제공될 때의 전류 주입 영역(115b)에서의 적분된 정재파 강도의 분포를 나타낸다. 도 8의 (b)는, 제2 전류 집속층(117)만이 제공될 때의 전류 주입 영역(117b)에서의 적분된 정재파 강도의 분포를 나타낸다. 도 5는, 이 실시예의 전류 주입 영역들(15b 및 17b)에서의 전류 밀도 분포들을 나타낸다. 도 6은, 이 실시예의 전류 주입 영역들(15b 및 17b)에서의 적분된 정재파 강도 분포들을 나타낸다. 이 실시예의 제1 전류 집속층(15)만큼 두꺼운 제1 전류 집속층(115)이 정재파의 파복에 제공된다. 이 실시예의 제2 전류 집속층(17)만큼 얇은 제2 전류 집속층(117)이 정재파의 파절에 제공된다.
일반적으로, 제1 전류 집속층(115)만이 제공될 경우에는, 제1 전류 집속층(115)에 의한 상위 횡모드의 발진만 억제하면 된다. 따라서, 전류 주입 영역(115b)의 직경(W11)은 이 실시예의 전류 주입 영역(15b)의 직경(W1)보다 낮은 자유도를 갖고, 직경(W11)은 상대적으로 좁아진다(도 7의 (a)). 그 결과, 전류는 전류 주입 영역(115b)의 바깥쪽 단면에 집중되어 상위 횡모드에서의 발진을 가속한 다(도 8의 (a)).
한편, 제2 전류 집속층(117)만이 제공될 경우에는, 제2 전류 집속층(117)에 의한 상위 횡모드의 발진만 억제하면 된다. 그러나, 제2 전류 집속층(117)은 정재파의 파절에 제공되므로, 제2 전류 집속층(117)이 광의 산란을 사용하는 것에 의해 상위 횡모드에서의 발진을 억제하기는 어렵다. 따라서, 전류 주입 영역(117b)(도 7의 (b))에서 균일한 전류 밀도 분포를 획득하고 그것에 의해 상위 횡모드에서의 발진(도 8의 (b))을 감소시키기 위해, 전류 주입 영역(117b)의 직경(W21)은 W11보다 좀더 좁혀질 수 있다. 그러나, 직경(W21)이 지나치게 좁혀질 경우에는, 제2 전류 집속층(117)의 저항값이 커질 뿐만 아니라 활성층의 저항 또한 발광 영역(13A)의 좁혀진 면적으로 인해 커지게 된다. 그것에 의해, VCSEL의 직렬 저항 및 전력 소비가 증가하게 되고, 그에 따라, 큰 광 출력을 획득하기는 어려워진다.
한편, 이 실시예에서, 전류 주입 영역(17b)의 직경이, 전류 밀도가 전류 주입 영역(17b)의 전체 면적에 걸쳐 거의 균일해지는 정도로 좁아질 경우, 제2 전류 집속층(17)에 의해 집속되는 전류는 도 7의 (a)에 도시되어 있는 바와 같이 전류 주입 영역(115b)의 바깥쪽 단면에 집중되지 않고, 전류는 전류 주입 영역(15b)(도 5)의 중앙부에 집중된다. 그에 따라, 전류는 활성층(13)의 전류 주입 영역(15b)에 대응되는 영역의 중앙부(발광 영역(13A)의 중앙부)로 강하게 주입될 수 있다. 따라서, 발광 영역(13A)의 바깥쪽 단면에서 큰 이득을 갖는 상위 횡모드에서의 발진만이 선택적으로 억제될 수 있다.
얇은 제2 전류 집속층(17)이 정재파의 파절에 제공된다. 따라서, 전류 주입 영역(17b)의 직경 사이즈에 상관없이 광 손실은 거의 발생하지 않으며, 발광 영역(13A)의 중앙부에서 큰 이득을 갖는 기본적인 횡모드에서의 발진은 거의 차단되지 않는다(도 6). 더 나아가, 상술된 바와 같이, 제2 전류 집속층(17)은 전류를 집속하는 기능을 가진다. 따라서, 정재파의 파복에 제공되는 제1 전류 집속층(15)의 전류 주입 영역(15b)에 대한 직경 사이즈를 비교적 자유롭게 설정할 수 있다. 전류 주입 영역(15b)의 직경 사이즈가 적절하게 조정될 때, 발광 영역(13A)의 중앙부에서 큰 이득을 갖는 기본적인 횡모드의 광에는 손실이 거의 부여되지 않고, 발광 영역(13A)의 바깥쪽 단면에서 큰 이득을 갖는 상위 횡모드의 광에만 선택적으로 손실이 부여될 수 있다(도 6).
더 나아가, 상위 횡모드의 발진은, 전류 주입 영역(15b)의 직경을 과도하게 좁히지 않으면서도, 제2 전류 집속층(17)에 의해 억제될 수 있다. 따라서, 전류 주입 영역(15b)의 직경은, 제1 전류 집속층(115)만이 제공되는 경우보다 좀더 증가될 수 있다. 전류 주입 영역(15b)의 직경이 증가될 때, 발광 영역(13A)의 면적이 증가된다. 따라서, 활성층(13)의 저항(접합 저항)이 증가되고, VCSEL의 직렬 저항 및 전력 소비가 감소될 수 있다. 결과적으로, 상위 횡모드의 발진을 억제하면서, 기본적인 횡모드의 광 출력을 향상시킬 수 있다.
더 나아가, 상술된 바와 같이, 제1 및 제2 전류 주입 영역들의 직경 사이즈는 제1 전류 집속층 및 제2 전류 집속층에 함유되어 있는 Al 농도(Al 구성비)를 적절하게 조정하는 것에 의해 쉽게 조정될 수 있다.
상기한 바와 같이, 이 실시예의 VCSEL에서는, 제1 전류 집속층 및 제2 전류 집속층이 제공된다. 따라서, 이 실시예의 VCSEL은 쉽게 제조될 수 있고, 상위 횡모드의 발진만이 선택적으로 억제될 수 있다.
제1 전류 집속층(15)에 대응되는 정재파의 파복 양끝들에 위치하는 2개 파절들(Z2 및 Z3) 사이의 영역에서의 정재파 강도에 대한 적분값(면적)이 1.0일 경우, 제1 전류 집속층(15)이, 제1 전류 집속층(15)에 대응되는 영역에서의 정재파 강도에 대한 적분값(면적)이 0.5 이상 1.0 미만이게 하는 광학적 두께를 가진다면, 전류 주입 영역(15b)의 직경이 소정 레벨인 경우의 제1 전류 집속층(15)에 의해 부여되는 기본적인 횡모드의 광에 대한 손실은 아주 작을 수 있다. 제2 전류 집속층(17)이 산화될 수 있는 두께 이상의 광학적 두께를 가짐으로써, 제2 전류 집속층(17)에 대응되는 정재파의 파절 양끝들에 위치하는 2개 파절들(Z3 및 Z5) 사이의 영역에서의 정재파 강도에 대한 적분값(면적)이 1.0일 경우, 제2 전류 집속층(17)에 대응되는 영역에서의 정재파 강도에 대한 적분값(면적)이 0.1 미만이라면, 제2 전류 집속층(17)에서의 광 손실은 아주 작을 수 있다. 따라서, 제1 전류 집속층(15) 및 제2 전류 집속층(17)의 광 두께가 상기한 바와 설정된다면, 상위 횡모드의 발진을 억제하면서, 기본적인 횡모드에서의 광 출력을 추가적으로 향상시킬 수 있다.
앞에서는 실시예를 참조하여 본 발명에 대한 설명들이 이루어졌다. 그러나, 본 발명이 상기 실시예로 한정되는 것은 아니며, 다양한 변경들이 가능할 수 있다.
예를 들어, 상기 실시예에서, 활성층(13)은 공진기에서 형성되는 정재파의 파복을 포함하는 영역에 제공된다. 그러나, 활성층(13)은 정재파의 파절을 포함하 는 영역에 형성될 수도 있다. 이 경우, 제1 전류 집속층(15)은 활성층(13)의 파절로부터 (2m-1)λ/4(m은 1 이상의 정수이고, λ는 공진 파장임)만큼 떨어져 위치하는 파절을 포함하는 영역에 형성되고, 제2 전류 집속층(17)은 활성층(13)의 파복으로부터 nλ/2(n은 m보다 큰 정수임)만큼 떨어져 위치하는 파절을 포함하는 영역에 형성된다. 그 이유는, 활성층(13)이 공진기에서 형성되는 정재파의 파복을 포함하는 영역에 형성되는 경우의 이유와 유사한 이유로부터 유래한다.
더 나아가, 상기 실시예에서, 본 발명은 GaAs계 화합물 반도체 레이저를 참조하여 설명되었다. 그러나, 본 발명은 GaInP계 화합물 반도체 레이저, AlGaInP계 화합물 반도체 레이저, InGaAs계 화합물 반도체 레이저, InP계 화합물 반도체 레이저, GaN계 화합물 반도체 레이저, GaInN계 화합물 반도체 레이저, 및 GaInNAs계 화합물 반도체 레이저와 같은 다른 화합물 반도체 레이저들에도 적용될 수 있다.
당업자들이라면, 첨부된 청구항들 또는 첨부된 청구항들의 등가물들의 범위내에 해당되기만 한다면, 설계 요구 사항들 및 다른 팩터들에 따라, 다양한 변경들, 조합들, 하부-조합들 및 변형들이 발생할 수도 있다는 것을 이해할 수 있어야 한다.
따라서, 본 발명에 따르면, 쉽게 제조될 수 있으며 상위 횡모드 발진만을 선택적으로 억제할 수 있는 VCSEL이 제공된다.

Claims (5)

  1. 발광 영역을 갖는 활성층과, 상기 활성층을 사이에 두고 설치되는 한 쌍의 제1 다층 반사기 및 제2 다층 반사기를 포함하고, 소정의 파장에서 공진하는 공진기와,
    상기 발광 영역에 대응되는 영역에 제1 전류 주입 영역을 가지며, 상기 활성층과 상기 제1 다층 반사기 사이에, 상기 공진기 내에 형성되는 정재파의 파복을 포함하는 영역에 형성되는 제1 전류 집속층과,
    상기 제1 전류 주입 영역의 직경보다 작은 직경의 제2 전류 주입 영역을 가지며, 상기 제1 전류 집속층과 상기 제1 다층 반사기 사이에, 또는 상기 제1 다층 반사기 내에, 상기 공진기 내에 형성되는 상기 정재파의 파절을 포함하는 영역에 형성되는 제2 전류 집속층
    을 포함하는 면 발광 레이저.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제2 전류 집속층의 두께는 상기 제1 전류 집속층의 두께보다 얇은 면 발광 레이저.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전류 집속층은, 상기 제1 전류 집속층에 대응되는 정재파의 파복의 양끝에 위치하는 2개의 파절들 사이의 영역에서의 정재파 강도에 대한 적분값(면적)이 1.0인 경우, 상기 제1 전류 집속층에 대응되는 영역에서의 정재파 강도에 대한 적분값(면적)이 0.5 이상이면서 1.0 미만이게 하는 두께를 갖고,
    상기 제2 전류 집속층은, 상기 제2 전류 집속층에 대응되는 정재파의 파절의 양끝에 위치하는 2개의 파절들 사이의 영역에서의 정재파 강도에 대한 적분값(면적)이 1.0인 경우, 상기 제2 전류 집속층에 대응되는 영역에서의 정재파 강도에 대한 적분값(면적)이 0.1 미만이게 하는 두께를 갖는 면 발광 레이저.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 활성층은 상기 공진기 내에 형성되는 상기 정재파의 파복을 포함하는 영역에 형성되고,
    상기 제1 전류 집속층은 상기 활성층 내의 파복으로부터 mλ/2(m은 1보다 큰 정수이고, λ는 공진 파장임)만큼 떨어져 위치하는 파복을 포함하는 영역에 형성되며,
    상기 제2 전류 집속층은 상기 활성층 내의 파복으로부터 (2n+1)λ/4(n은 m보다 큰 정수임)만큼 떨어져 위치하는 파절을 포함하는 영역에 형성되는 면 발광 레이저.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 활성층은 상기 공진기 내에 형성되는 상기 정재파의 파절을 포함하는 영역에 형성되고,
    상기 제1 전류 집속층은 상기 활성층 내의 파절로부터 (2m-1)λ/4(m은 1보다 큰 정수이고, λ는 공진 파장임)만큼 떨어져 위치하는 파복을 포함하는 영역에 형성되며,
    상기 제2 전류 집속층은 상기 활성층 내의 파복으로부터 nλ/2(n은 m보다 큰 정수임)만큼 떨어져 위치하는 파절을 포함하는 영역에 형성되는 면 발광 레이저.
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