KR20080049705A - 면방출 광학 장치 - Google Patents

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제프리 더건
존 더글라스 램킨
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파이어콤스 리미티드
알프스 덴키 가부시키가이샤
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Abstract

단일 모드 작동에 적합한 가시 파장 수직 공동 면방출 레이저(vertical cavity surface emitting laser)로서, 전류를 장치의 중앙의 축 부분(143)에 집중시키기 위한 산화물 개구부(81, 82)와, 실질적으로 단일의 측방향 모드의 작동을 위한 선택하는 장치의 출력 표면에서 표면 양각 형상(144, 146)을 구비한다. 단일 모드의 거동을 위한 최적의 조건들을 제공하기 위해 산화물 감금 구조물 직경(140)과 표면 양각 형상 직경(141)의 사이의 관계가 그래프로 그려지며, 630 nm 및 690 nm 의 사이의 장치 작동 가시 파장에서의 최적의 장치 성능을 제공하는 공간의 영역을 정의한다.

Description

면방출 광학 장치{Surface emitting optical devices}
본 발명은 수직 공동 면방출 레이저(VCSELs; vertical cavity surface emitting lasers)에 관한 것으로, 보다 상세하게는 광범위한 작동 조건에서 단일의 횡방향 모드(single trnasvetrse mode)로 작동할 수 있는 레이저에 관한 것이다.
VCSELs는, 공진 공동(resonant cavity)이 반도체 소재의 자연 분열면(natural cleavage planes)에 의해 형성되지 않고 일반적으로 에피택셜하게(epitaxially) 생성된 분포 브래그 반사경(DBR; distributed Bragg reflector mirror)에 의해 형성되는 관점에서, 통상적인 측면 방출 레이저(edge emitting lasers)와는 다르다.
참조로서, 도 1에 VCSEL의 개략적인 다이어그램이 도시되었다. 활성 영역(1; active region)이 p-형 DBR(2)과 고반사 n-형 DBR(3)의 사이에 개재되어 있다. 장치는, 예를 들어 GaAs 기판(4) 위에 에피택셜 성장한다. N-P 접점(6, 7)은 각각 장치를 통해 산화물 개구부(5)의 작은 체적에 가두어진 전류를 전도한다. VCSEL의 공동(cavity)은 1 파장의 수준(즉, <1 마이크론)으로, 통상적인 측면 방출기(edge emitter)에 대한 수백 마이크론에 비해 측면 방출기의 공동보다 작다.
이러한 작은 공동의 크기는 보통 VCSEL의 오직 하나의 길이 방향 레이저 발광 모드(longitudinal lasing mode)를 지원한다. 그러나 장치의 측방향 크기(때로는 10 마이크론의 수준)는 VCSEL 이 많은 횡방향 모드들을 지원함을 의미한다. 많은 적용 분야, 예를 들어 플리스틱 광섬유(plastic optical fibre; POB)에서의 전달과 레이저 입체 사진술(홀로그래픽; holographic) 저장 분야에서는, VCSEL이 가능하면 광범위한 작동 온도와 구동 전류에서 단일의 길이 방향 및 횡방향 모드를 지원하는 규약으로 작동하는 것이 필수적이다.
850 nm 내지 980 nm의 범위의 파장을 갖는 적외선(IR) VCSELs의 편광과 단일 모드 거동들을 향상시키려는 노력에 대한 접근법을 상세히 설명하는 반포된 몇몇 논문들이 있다. 발명자들은 스텍트럼의 가시 영역에서 작동하는 VCSELs 의 단일 모드 거동을 향상시키기 위한 반포된 시도들을 알지 못한다. 장치의 활성 영역이 양자 우물(quantum wells; QWs)과 (Al, Ga) InP 반도체 소재 시스템으로부터 제조되는 헤테로 구조(heterostructure)로부터 만들어지는, 630 nm 690 nm 의 범위의 파장을 갖는 스펙트럼의 부분이 주된 관심 부분이다.
일반적으로 VCSEL의 공진 공동의 길이는 1 파장(1 λ)의 수준이지만, 이러한 공동을 적절한 간극층(spacer layer)을 첨가하여 확장시키는 것은 광의 빔의 원거리장 각도(far field angle)를 감소시키고 더 넓은 작동 전류 범위에 대해 단일 모드 거동을 확장시키기 위해 개시되었다(참조 문헌 [1], [2] 참고). 더 높은 수준의 횡방향 모드에 대한 증가된 회절 손실(diffraction loss)로 인해, 증가된 단일 모드 출력 동력과 더 넓은 영역의 단일 모드 작동이 관찰되었다(참조 문헌 [1]). 이러한 기술의 하나의 장점은 하나 이상의 길이 방향 모드(longitudinal mode) 가 확장된 공동 내에 지지될 수 있다는 점이다. 이로 인해 장치의 접합부 온도(junction temperature)가 증가하므로 VCSEL의 파장이 하나의 횡방향 모드와 다른 횡방향 모드의 사이에서 뛰는(hop) 가능성을 증가시킨다(참조 문헌 [2]).
니시야마(Nishiyama, 참조 문헌[3]) 씨는 다층 산화물(multi-oxide; MOX) 층 구조를 이용하는 960 nm VCSEL 에서의 향상된 단일 모드 작동을 설명하였다. 여기에서, 상기 전류 감금층(current confinement layer)의 위에 세 개의 모드의 억제층(suppression layer)을 추가하는 것이 사용되었다. 이러한 층들은 전류 감금 개구부(current confinement aperture)보다 1 내지 2 마이크론이 더 큰 직경의 산화물 개구부들(oxide apertures)을 갖는다. 고차 모드의 광학 모드 분포들은 기초적인 횡방향 모드보다 더 넓다. 모드 억제 개구부들은 기초적인 모드의 분포보다 넓고 고차의 횡방향 모드들의 분포보다 작도록 선택될 필요가 있다. 이러한 방식으로 모드 억제 개구부들은 단지 고차의 모드들의 산란 손실(scattering loss)을 증가시키도록 작용하여 단일 모드 거동을 촉진시킨다. MOX 접근법이 개념적으로는 단순하지만, 구조를 만드는 데 소요되는 제어량에 큰 노력이 필요하다. Al-몰 분율(mole fraction)이 x ~ 0.94 를 초과하여 증가함에 따라 Al(x)Ga(1-x)의 산화율(oxidation rate)이 지수적으로 증가하는 것은 잘 알려져 있다(참조 문헌 [4]). 개구부 크기를 정확하게 제어하는 것이 필요함은, 에피텍셜 성장 동안에 Al-몰 분율을 정확하게 제어하는 것과 필요한 Al-몰 분율의 전부에 대해 웨이퍼 전체에 걸쳐 산화 균일성(oxidation uniformity)이 유지될 수 있도록 보장하는 것이 필수적이라는 것을 의미한다. 이와 같은 기술은 대량 생산 환경에 거의 적용될 수 없을 것 같다.
일반적으로 작은 중앙 영역에 게인을 제한하는 것은 편광 제어를 향상시키고 산화물이 수용된 VCSELs 에서의 단일 모드 거동을 향상시키는 데 유용한 기술이다. 상호침투(inter-diffusion; 참조 문헌 [5]), 양자 우물의 주입 혼합(implantation disordering of QWs; 참조 문헌 [6, 7]), 및 부가적인 상부 미러(top mirror; 참조 문헌 [8])의 주입은 5 mW의 단일 모드의 출력 동력을 달성하였다. MOX 기술과 같이 이러한 모든 접근법들은 두 개의 개구부들의 형식의 결정적인 정렬을 필요로 하는데, 이로 인해 이러한 기술들이 대량 생산에 진정으로 적합하지 않다.
가장 최근에는, 850 nm에서 작동하는 이른바 광학 밴드갭(photonic bandgap; PBG, 참조 문헌 [9, 10]) VCSELs 이 놀라운 단일 모드 거동을 보이도록 제작되었다. 이러한 장치들은 통상적으로 에칭되고 산화된 VCSEL의 표면에 걸쳐 굴절률(refractive index)에 효과적인 단계를 생성시킴으로써 단일 모드 거동을 달성하고자 시도한다. 단계는 2차 포토리소그래피 단계와 상부 p-DBR을 통해 일련의 구멍들을 에칭하는 에칭 단계를 통해 달성된다. 구멍들은 하나의 결함(defect)을 갖는 주기 격자들(periodic lattice, 즉 메사(mesa)의 중심에 구멍이 없음)에 배치된다. 예를 들어, 참조 문헌 [9]에서 5 마이크론의 홀 피치(4)와 0.3의 피치비(a/4)의 홀 지름(a)을 이용하여 단일 모드 거동이 달성된다.
자기 정렬 표면 양각 기술(self-aligned surface relief techniques, 참조 문헌 [11, 12])은, 예전에 850 nm의 큰 산화물 개구부의 VCSELs 로부터의 고출력의 단일 모드 거동을 성공적으로 증명하는 데 사용되었다. 이러한 범주의 장치들에서는, 요구되는 단일 모드 거동을 달성하는 데 두 가지 방법이 있다. 가장 많이 수행되는 하나의 접근법은 다른 상업용 VCSEL 구조에 고리 형상의 낮은 구조물을 에칭함으로써, 고차 모드들의 손실을 증가시키는 것이다(참조 문헌 [13]). 두 번째 방법은 에피텍셜 성장 동안에 통상적인 VCSEL의 상부에 4분 1 파장(λ/4) 두께의 여분층을 부가하는 것이다. 헤이글런드(Hagland) 씨가 지적한 바와 같이, 후자의 접근법의 장점은 이 방법이 거울 손실(mirror loss)에서의 좁은 극대값(local maximum)에 도달하기 위해 에피텍셜 성장에서의 두께 고정밀도를 사용한다는 점이다. 그래서 거울 반사율(mirror reflectivity)에서의 최소값이 더 넓어서 필요한 에칭 정밀도(etch precision)가 요구되므로, 필요한 에칭 깊이 정밀도(etch depth precision)를 경감시킬 것이다(참조 문헌 [12]).
모드를 선택하는 표면 양각 구조물을 갖는, 산화물 수용 VCSEL을 설계하고 구현할 때에는 산화물 개구부 직경과, 양각 직경과, 에칭 깊이의 최적의 조합이 존재할 것 같다. 이러한 변수 공간은 뷰쿠직(Vucusic) 씨에 의해 낮게 에칭된 850 nm 의 VCSELs에 대하여 이론적으로 연구되었다. 산화물 개구부들과 표면 양각 지름들의 조합에 관한 개략적인 결과가 존재하지만, 더 많은 생산을 할 수 있는 깊게 에칭된 표면 표면 양각 변형예에 대해서는 어떤 연구도 없었다. 그러나 850 nm 장치들에 대한 어떤 조직적인 연구도 없다. AlGaAs 소재의 조합에만 기초하고, AlGaInP 소재 시스템을 병합한 활성 영역들에 기초하여 스펙트럼의 630 nm 내지 690 nm 의 가시 영역 내에서 작동하는 단일 모드 장치의 높은 동력의 작동을 위해 산화물 지 름과, 에칭 깊이와, 양각 지름의 최적 조합을 선택하는 것은 기술이 속하는 분야의 숙련된 자에게도 명백하지 않다.
본 발명은 가시 파장 스펙트럼 내에서 동작하며, 광범위한 작동 조건 하에서 단일의 횡방향 모드로 동작하는, VCSEL 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 본 발명은 630 nm 내지 690 nm 의 범위에서 파장을 갖는 광학 출력을 발생시키도록 이루어지는 공동(cavity)을 구비하는 수직 공동 면방출 광학 장치(verical cavity surface emitting optical device)를 제공한다. 광학 장치는 전류를 장치의 중심축 부분 내에 집중시키기 위한 산화물 개구부와, 단일한 측면 작동 모드를 실질적으로 선택하도록 이루어지는 표면 양각 형상(surface relief feature)을 광학 장치의 출력면에 구비한다.
이제 본 발명의 실시예들이 이하의 첨부하는 도면들을 참조하여 예로 설명될 것이다.
도 1은 통상적인 VCSEL 구조의 개략적인 횡단면 다이어그램이다.
도 2는 가시 스펙트럼 내에서 작동할 수 있는 VCSEL을 형성하기에 적합한 에피텍셜층 구조의 개략적인 횡단면 다이어그램이다.
도 3 내지 13은 제조의 다양한 단계 동안에 VCSEL의 개략적인 횡단면도를 나타낸다.
도 14는 본 발명에 따라 제작된 VCSEL의 측면의 개략적인 횡단면도이다.
도 15는 도 14에 따라 제작된 680 nm 장치의 광 강도 대 구동 전류 특성이다.
도 16은 도 14에 따라 제작된 장치의 변화하는 구동 전류에 대한 파장과 레이저 동력 출력의 사이의 관계를 나타낸다.
도 17은 (i) 본 발명에 따른 장치와, 이와 대비되는 (ii) 종래 기술에 따른 장치의 변화하는 작동 온도에서의 구동 전류와 광학 출력의 사이의 관계를 나타낸다.
도 18은 표면 양각 지름 및 산화물 개구부의 변수 공간을 나타내며, 단일 모드 작동이 실현되는 이 변수 공간에서의 이들 영역들을 정의한다.
도 19는 장치로부터 이용할 수 있는 동력을 다양한 산화물 지름에 대해 표면 양각 지름의 함수로 도시한다.
가시파장 방사를 위해 작동할 수 있는 VCSEL 장치를 형성하는 데 적합한 개략적인 에피텍셜층 구조가 도 2에 도시되었다. 예시적인 실시예에서, 에피텍셜 구조들과 장치들은, 유기 금속 기상 결정 성장 (metal-organic chemical vapour deposition; MOCVD)으로도 불리는 금속 유기물 증착법(MOCVD; metal organic chemical vapor deposition)의 성장 기술에 의해 생산된다(참조 문헌 [15]). 그러나 다른 성장 방법이 대체의 실시예로서 사용될 수 있다. 유사한 장치 결과가 분자빔 에피탁시(molecular beam epitaxy; MBE)나 그 변형예들, 예를 들어 측면 방출(650 nm) 밴드의 DVD 레이저 다이오드의 상업적인 제작에서 성공적으로 사용되는 예를 들어 가스 공급원 MBE를 이용하여 얻을 수 있다.
도 2의 에피텍셜층들은 <111A> 방향을 향해 10 도로 치우친 n-형 GaAs 기판(4) 위에 증착된다. 치우친 기판의 사용은 최고의 품질의 에피텍셜층들을 얻는 데에 바람직하며, 10도의 각도가 바람직하다. 그러나 6도 내지 15도의 사이에서의 방향을 이용하여 뛰어난 결과가 역시 예상될 수 있다(참조 문헌 [16, 17]). 다른 실시예로서, (311)A 평면으로 맞추어진 기판들을 이용하여 성공적인 결과를 얻을 수 있다(참조 문헌 [18]).
바람직한 실시예로서, n-형 분포 브래그 반사경(DBR; distributed Bragg reflector mirror, 이하에서는 n-DBR로 칭한다)(20)은, AlAs / Al(0.5)Ga(0.5)As 의 교번하는 λ/4n 층들(9, 8A)의 55쌍을 갖는다. 여기에서 λ는 관심이 있는 파장이고, n은 관심이 있는 파장에서의 구성 요소 층의 굴절률(refractive index)이다. 본 실시예에서 층 두께는 680 nm 의 중앙 정지 밴드 파장에서의 스택(stack)의 반사율을 최대화시키도록 선택된다. 두 개의 층들의 사이에서의 Al-몰분율의 선형 기울기를 갖는 것도 또한 바람직하다. 교번하는 층들(9, 8A)은 ~ 1ㅧ 1018 cm-3　의 도핑을 생성하기에 적합한 가스 흐름을 이용하여 Si로 도핑된다. DBR 스택(20)은 GaAs 기판(4)에 일치하는 격자에 가깝다. DBR 스택의 상부층의 위에는 Al(0.95)GaAs 층(10)과 n 도핑된 AlInP(Si ~ 1-5 x 1017 cm-3)의 확산 장벽층(diffusion barrier layer; 11)이 있다. 확산 장벽층(11)에서의 도핑 수준은, Si의 확산이 장치 성능에 나쁜 영향을 가지므로 이하의 층들의 그 후의 성장에 있어 서 장치의 활성 영역을 향하는 Si 의 어떠한 확산도 최소화시킬 시도로서 DBR 층들(9, 8A)에 비교하여 감소된다.
층(11)의 상단에는 측면 방출 레이저 다이오드(edge emitting laser diode)의 개별적인 감금 헤테로 구조(separate confinement heterostructure; SCH)의 공동과 설계 면에서 유사한 λ/n 공동(21)이 성장한다. 바람직한 실시예에서, 각각 13 내지 9 nm 의 두께인 세 개의 압축적으로 변형되는 InGaP 양자 우물들(14)이 사용된다. 양자 우물들(14)은 Al(0.5)GaInP 의 격자 대응 장벽들(13)과 각각 n 및 p로 도핑되는 Al(0.7)GaInP 추가 장벽들(12A, 12B)에 의해 마무리된다. Al(0.5)GaInP 층들(13)의 두께는 양자 우물들이 기계적으로 독립되도록 선택되고, Al(0.7)GaInP 층들(13)은 1 λ/n 공동을 형성하는 기준을 충족하도록 선택된다. 다음 층은 온도가 증가함에 따라 전자 누출 방지를 돕는 AlInP 간극층(22)이다. 이상적으로는 전자 누설에 관하여 장벽을 최대화시키기 위해서 이러한 간극층(22)은 가능하면 두껍게 도핑되어야 하지만, 설계자는 실제로는 (a) Zn 이 p-함유 소재 내에서 p-형 도펀트(dopant)로 사용되어야 하고, (b) 도펀트는 활성 영역으로 확산되어서는 안되는 요구 조건으로 인해, 제한된다. 바람직한 실시예로서, ~ 1 내지 5 x 1017 cm-3 의 p-형 도핑 수준이 사용된다. AlInP에서 이와 같은 n-형 및 p-형 도핑 레벨들을 이용하여 성장하는 시료들에 대한 이차 이온 질량 분석(secondary ion mass spectrometry; SIMS)은 어떤 도펀트도 활성 영역으로 확실하게 확산되지 않음을 확인시켜 준다.
DVD R/W 드라이브들의 증가하는 읽기 및 쓰기 속도는 측면 방출 레이저로부터 얻을 수 있는 동력을 상당히 증가시킴으로써 달성되었다. 부분적으로는 Zn 대신 Mg 를 이용함으로써 신뢰할만한 고동력 및 고온의 작동이 실현되었다. Mg는 대단히 낮은 확산의 개연성을 가지므로, 간극층(22)에서 고농도로 사용될 수 있다.
p-형 DBR-거울(16)은, 적절한 크기의 산화물 개구부의 형성을 용이하게 하기 위해 Al(0.98)GaAs / Al(0.5)GaAs로부터 만들어지는 제2 쌍(15, 8C)을 제외하고는 Al(0.95)GaAs / Al(0.5)GaAs 층들(10, 8B)의 35 개의 쌍들을 갖는다. 이에 대해서는 후술한다. (i) 하나의 InGaP 에칭 정지층(ESL; 17)과 (ii) λ/4n GaAs 역상층(antiphase layer; 18)의 두 개의 추가층들이 부가된다. 선택적인 실시예들에 있어서, 에칭 정지면(17)은 AlGaInP 이며, 역상 캡층(18)은 InGaAs 이다.
도 3 내지 도 13을 참조하면, VCSEL 장치들의 특별히 바람직한 제조 방법은 이하의 단계들을 포함한다. 이와 같은 방법은 단지 예시적인 것임을 이해하여야 할 것이다.
도 3은 약간 단순화된 형태로, 리소그래피 공정 이전의 시작 소재(starting material)의 계층 구조를 도시한다. 도 3은 대응하는 참조 부호들을 이용하여 도 2와 관련한 더 상세한 설명과 일치한다.
도 4를 참조하면 약 50 nm 두께의 SiO2의 얇은층(40)이 PECVD를 이용하여 증착된다. 이 산화물층(40)은 공지된 코팅 공정과 건조 공정을 이용하여 HMDS(41)과 같은 부착 촉진 소재로 코팅된다. 그 이후 HMDS 층(41)은 통상적인 스핀 코 팅(spin coating) 기술을 이용하여 포토레지스트층(42)으로 코팅된다. 포토레지스트층(42)의 영역들(50)을 노광하기 위해 포토 마스크(미도시)가 사용되며, 그 이후 영역들(40)은 현상되어 비노광 영역들(51)에 포토레지스트(42)를 남기며 도시된 것과 같이 제거된다. 그 이후 이러한 포토레지스트 마스크는, 예를 들어 버퍼 산화 에칭(buffered oxide etch; BOE)을 이용하는 산화물층(40)의 에칭 중에 사용된다. 그 이후 GaAs 역상층(18)도 적절한 습식 에칭이나 건식 에칭을 이용해 포토레지스트 마스크(51)를 통해 에칭된다.
이와 같은 제1 포토리스그래피 단계는 보호 SiO2 층(40)과 GaAs 캡층(18)에서 메사 구조(53)의 표면 양각 형상(52)과 직경을 동시에 정의한다.
도 6을 참조하면 포토레지스트 부가층(60)이 노광 영역들(50)을 채우고 존재하는 레지스트 영역들(51)을 덮도록 증착된다. 포토레지스트 부가층은 표면 양각 형상(52)을 보호하는 마스크(61)를 이용하여 노광된다. 포토레지스트 구역(60B; 검게 칠해짐)은 현상되어 제거되어 밑에 깔리는 나머지의 포토레지스트층(40)과 함께 보호 영역(60A)을 남긴다.
다음 단계에서, 메사 구조물(mesa structure)을 정의하기 위해 InGaP 에칭 정지면(17)의 노광 표면들이 p-형 DBR 거울(16)의 상단 부분과 함깨 건식 에칭된다. 산화층(15; Al(0.98)GaAs)과 나머지(밑에 깔리는) p-형 DBR 거울층들(16)을 에칭하기 위해 개별적인 습식 에칭이 사용되어, 도 7에 도시된 것과 같은 구조물을 남긴다. 습식 에칭은 공진 공동을 정의하는 간극층(22)에서 정지한다.
그 이후 포토레지스트 층들(42 및 60)은 적절한 습식 에칭을 이용하여 제거된다. 다음 단계는 도 8에 도시된 것과 같은 산화물 개구부(80)를 정의하기 위한 정해진 시간의 수증기 산화법(timed steam oxidation)이다. 산화물 개구부는 Al(0.98)GaAs 산화층(15)의 측면 산화에 의해 형성됨으로써 산화물(AlOx)층(81)을 형성하지만 산화되지 않은 Al(0.98)GaAs층(15)의 중앙 영역(82)을 남긴다.
도 9를 참조하면, 노광된 산화층들을 위해 측벽 패시베이션층(passivation layer)으로 기능하는 PECVD SiO2 층(90)의 증착이 이어진다. 바람직한 방법으로서, SiO2 층은 약 200 nm 의 두께이다. 제3 포토레지스트층(91)은 증착되고 마스크(92)를 이용해 노광되어 포토레지스트 영역들(91A)을 남기고, 포토레지스트 영역들(91B; 해칭 표시됨)을 현상으로 제거한다. 마스크(92)는 표면 양각 형상(52)의 중심에 정렬된다.
포토레지스트 영역들(91A)을 보호 마스크로 이용하여, 노광된 PECVD SiO2 층(92)이 밑에 깔린 산화물 층(40)과 함께 에칭, 예를 들어 버퍼 산화 에칭(buffered oxide etch)된다. 포토레지스트(91A)의 제거 이후에, 도 10에 도시된 것과 같이 p-접점을 형성하기 위한 포토리소그래피의 준비가 완료된 구조물이 남는다.
도 11을 참조하면, 포토레지스트의 제1 및 2 층들(110)은 증착되고 p-금속 접점을 정의하기 위해 포토 마스크(111)를 이용하여 노광된다. 포토레지스트 영역들(110B; 해칭 표시됨)은 현상 이후에 제거되지만, 포토레지스트 영역들(110A)은 노광과 현상의 이후에 남는다.
그 이후에 p-접점 금속들의 증착이 이루어진다. 바람직한 방법에 있어서, p-금속 접점은 Ti, Pt, 및 Au 금속들의 증발로부터, 30 nm 의 Ti, 40 nm 의 Pt 및 300 nm 의 Au 의 순서대로 계층화된 금속배선(layered metallization)에 의해 형성된다. 그 이후에 포토레지스트(110A)는 제거되며 또한 그 위에 증착된 모든 금속배선을 제거하여 도 12에 도시된 것과 같은 구조물을 남긴다.
그 이후에 이와 같은 구조물은 흑색 왁스(130; 도 13)로 코팅되고, 구조물의 하부면이 처리될 수 있도록 유리 기판(131)에 뒤집혀서 부착된다. 하부면의 처리가 이루어지는 동안, GaAs 기판(4)이 브롬 메탄올(bromine methanol)을 이용하여 약 120 마이크론까지 얇아진다. 바람직하게는 n-금속 접점 증착은 170 nm의 Ge, 50 nm 의 Au, 10 nm의 Ni가 순차로 계층화된 금속배선을 포함한다.
그 이후에 유리 기판(131)과 보호 흑색 왁스층(130)은 제거되고, 접점은 예를 들어 약 380 ℃에서 어닐(anneal)된다.
완성된 VCSEL 장치가 장치의 임계 치수들을 나타내는 도 14에 개략적으로 도시되었다. 산화물 개구부 직경(140)은 산화되지 않은 Al(0.98)GaAs 층(82)의 직경을 나타낸다(도 8도 참조). 표면 양각 형상의 직경(141)은 GaAs 캡층(18)으로 표면 에칭된 직경을 나타낸다(도 5 참조). 표면 양각 형상의 단 높이(42)는 GaAs 층(18)의 두께를 나타내며, 바람직하게는 4분의 1 파장(λ/4n) 또는 3λ/4n, 4λ/4n, 5λ/4n, 7λ/4n 등의 4분의 1 파장의 홀수 배이다. 표면 양각 형상 및 산화물 개구부는 모두 바람직하게는 원형이며, 동축에 있고 장치의 중앙 광학축(143)에 중 심이 맞추어진다. 그러나 단일의 횡방향 모드 작동을 구현하면서도 산화물 개구부 및 표면 양각 형상의 원형, 동축상으로 형성하는 것에서 변형하는 것도 가능하다. 그러므로 비원형 및/또는 축상으로 정렬되지 않은 표면 양각 형상들과 산화물 개구부들도 사용될 수 있다.
제작된 장치의 전기적 특성과 광학적 특성이 도 15 내지 도 17에 도시되었다.
도 15는 상술한 방법들을 이용하여 마련된 장치의 L-I(광 강도 대 구동 전류) 특성의 설명적인 예를 나타낸다. 방출은 약 680 nm 파장에서 이루어지고, 장치는 60 ℃까지 이르는 단일 모드 거동을 할 수 있다. 도 16은 구동 전류를 변화시키기 위한 레이저 동력 출력 및 파장의 관계를 나타내며, 다양한 구동 전류들에 대해 20 ℃에서의 단일 모드 스펙트럼의 특성을 설명한다. 장치의 작동이 실질적으로 4 내지 10 mA의 범위의 구동 전류에서 단일 모드로 유지됨을 주목하여야 한다.
도 17은 상술한 바람직한 방법을 이용하여 제조된 장치들과 하나의 작은 산화물 개구부를 이용하여 제조된 장치를 대조한다. 실선으로 표시된 곡선은 산화물 개구부 직경(140)이 대략 8 마이크론이고 표면 양각 형상 직경(141)이 대략 3.5 마이크론인 도 14로부터 다시 생성된 것이다. 점선은 산화물 개구부의 직경이 겨우 4 마이크론인 장치의 대응하는 L-I 곡선을 나타낸다. 일반적으로 표면 양각 형상(52)과 산화물 개구부(80)를 이용하여 얻을 수 있는 단일 모드 동력은, 작은 산화물 개구부에 의한 동력보다 높다. 온도에 의한 광 동력의 변형은 표면 양각 VCSEL에 대해 한계점에서 좋지 않지만, 이는 한계점에 대해서만이다. 이와 같은 특 성에 있어서의 어떤 변형보다도 3 내지 4 마이크론의 개구부를 재생산 가능하게 산화시키려고 하는 시도에 비해 훨씬 더 제어된 방식으로 이러한 장치들을 제조하는 능력이 크게 중요하다.
본 발명자들은, 630 내지 690nm 파장의 가시광 스펙트럼에서 작동 가능한 VCSELs 에 대하여 장치들이 양호한 단일 모드 성능을 제공할 수 있는, 표면 양각 형상(52)과 산화물 개구부(80)의 변수 공간의 최적 치수들을 결정하였다.
도 18은 특별히 양호한 단일 모드 성능의 장치들을 찾을 수 있는 변수 공간 또는 변수 영역을, 표면 양각 직경(141) 및 산화물 개구부(140)의 함수로서 그림으로 나타낸 지도이다. 40 ℃ 이상에서 단일 모드로 작동하는 장치들이 3 내지 5 마이크론의 범위의 표면 양각 직경들과 6 내지 15 마이크론의 범위의 산화물 개구부들을 이용하는 것으로 발견된다. 도 19는 다른 방식으로 이러한 점을 도시한다. 도 19는 산화물 개구부 직경(140)을 변수로 사용하여 20 ℃에서 7 mA의 구동 전류의 장치로부터 얻을 수 있는 동력을 표면 양각 직경(141)의 함수로 도시한다. 실험되는 장치의 공간의 모드 특성이 단일 모드에서 복합 모드로 변화하는 시점을 나타내도록 적절한 데이터의 지점들이 표시되었다. 데이터가 산포되어 있으나, 표면 양각 직경이 산화 개구부 영역의 더 큰 부분이 됨에 따라 동력 출력이 증가하는 명확한 흐름이 존재한다. 그러나 이러한 흐름은 한계가 없이 지속되지는 않으며, 장치는 어떤 지점에서 복합 모드 출력으로 변화한다. 이러한 그래프는 양호한 출력 동력과 뛰어난 공간 특성들을 지니는 제조 가능한 장치가 약 두배의 산화물 개구부에 대한 표면 양각의 비에서 얻을 수 있음을 명확히 한다. 명확하게는, 표면 양각 직 경이 4.8 내지 5 마이크론의 범위에 있고, 산화물 개구부가 8 내지 9 마이크론의 범위에 있을 때 뛰어난 장치 성능을 얻을 수 있다.
보다 일반적으로는, 도 18에 도시된 것과 같이 복합 모드 동작은 곡선(182)의 위쪽의 영역(181)에서 발생하는 반면, 단일 모드 동작은 곡선(182)의 밑의 영역(180)의 630 내지 690 nm 파장의 장치들에서 최적화된다. 그러므로 단일 모드 동작은 하기의 식에서 최적화된다.
a) y ≤ x/8 + 4.25, 및
b) y ≤ -4x/3 + 25.67,
여기에서 x는 마이크론 단위의 산화물 개구부이고, y는 마이크론 단위의 표면 양각 직경이다. 보다 상세하게는, 표면 양각 직경은 3 마이크론보다 크고 산화물 개구부는 6 마이크론보다 크다.
선택적으로는, 단일 모드 동작은 (6, 3), (6, 5), (14, 6) 및 (17, 3)에 의해 정의되는 (x, y) 공간에서의 630 내지 690 nm 파장 장치들에서 최적화된다. 여기에서 x는 마이크론 단위의 산화물 개구부이고, y는 마이크론 단위의 표면 양각 직경이다.
상술한 바와 같이 표면 양각 형상(52)을 형성하는 데 사용되는 바람직한 방법은 상부 층(17, 18) 내에서의 낮은 에칭 공정을 이용하지 않고, 메사의 중심에서 InGaP 층(17)에 대해 에칭 정지된 GaAs 역상층(18)을 완전히 제거하는 더 신뢰성이 있는 방법을 이용한다. 그러나 어떠한 기술도 사용될 수 있다.
얇은 InGaP 에칭 정지면은 일반적으로 인장 변형되고, InGaP 조성은 AlGaInP 와 InGaP의 사이의 화학적 에칭의 선택성을 향상시키도록 선택된다. 장치의 파장이 630 nm에 접근함에 따라, InGaP는 바람직하게는 InGaP보다 더 높은 밴드갭을 갖는 AlGaInP와 대체될 수 있다. GaAs 4분의 1 역상층은 표면 양각 장치들의 깊은 에칭을 가능하게 하는 적절하게 큰 굴절률을 갖는 층의 가장 직접적인 예이다. 여기에 제공되는 예시적인 장치의 결과에 있어서, GaAs가 접점층과 역상층으로 사용되지만, InGaAs의 흡수 계수(absorption coefficient)가 소량의 인듐(In) 몰 분율에 대해서는 GaAs의 흡수 계수와 거의 같고, 소량의 인듐을 첨가함으로써 밴드갭의 감소가 더 양호한 오믹 접점(ohmic contact)를 가져오고 장치의 전체적인 저항에서 어느 정도의 감소를 가져올 것이므로, 격자와 거의 일치하는 InGaAs의 사용이 바람직하게 이용될 수 있다.
상술한 바람직한 실시예들이 VCSEL의 중앙 광축(143)에서 표면 요부(144)(즉, 중앙의 낮은 양각 부분)를 구비하는 표면 양각 형상(52)을 이용하지만, 다른 실시예들에 있어서 표면 양각 형상(52)은 똑바로 선 양각 형상(즉, 중앙의 높은 양각 부분)을 구비할 수 있다. 예를 들어, 표면 양각 형상은 환형의 하부면에 의해 둘러싸인 직경(141)의 돌출된 부분(raised portion)을 구비할 수 있다.
보다 일반적으로는, 표면 양각 형상(52)은 더 높은 차수의 측면 모드들의 축을 벗어난 최대값들에 우선하여, 단일의 측면 모드의 중앙 최대점에 대한 축 상의 선택성을 부여하는 어떠한 양각 형상이다. 바람직하게는, 표면 양각 형상은 직경(141)의 중앙 부분과 환형의 외측 부분(146)의 사이에서 광학 경로 길이(광축(143)에 평행)에서의 4분의 1의 파장 차이를 제공한다.
바람직한 실시예로서, 표면 양각 형상은 40 nm 내지 46 nm 의 범위의 높이를 갖는다. 보다 일반적으로는, 표면 양각 형상은 약 λ/4n 의 높이를 가지며, λ는 630 nm 내지 690 nm 의 범위에 놓이고, n 은 표면 양각 형상이 파장 λ에서 형성되는 소재(예를 들어, GaAs 또는 InGaAs)의 굴절률이다. 더욱 일반적으로는, 표면 양각 형상은 대략 mλ/4n의 높이를 갖는데, λ은 630 nm 내지 690 nm 의 범위에 놓이고, m 은 홀수이며, n 은 표면 양각 형상이 파장 λ에서 형성되는 소재(예를 들어, GaAs 또는 InGaAs)의 굴절률이다.
다른 실시예로서, 도 1 내지 도 14와 관련하여 설명된 광학 장치가 전도될 수 있다. 다시 말해, 기판(4)는 p-형 기판이고, DBR 스택(20)은 p-형 거울이며, DBR 스택(16)은 n-형 거울일 수 있다. 어떤 경우에 있어서, 이와 같은 배치는 열 방출을 도울 수 있어 바람직할 수 있다.
다른 실시예들은 첨부하는 청구항들의 범위에 있도록 의도된 것이다.
본 발명은 수직 공동 면방출 레이저(VCSELs; vertical cavity surface emitting lasers)에 관한 것으로, 보다 상세하게는 광범위한 작동 조건에서 단일 횡방향 모드로 작동할 수 있는 레이저에 관한 것이다.
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18. A. Valster, C. T. H. F. Liedenbaum, M. N. Finke, A. L. G. Severens, M. J. B. Boermans, D. W. E. Vandenhoudt and C. W. T. Bulle-Lieuwma "High Quality AIxGa 1-x-yInyP Alloys Grown by MOVPE on (31 1) B GaAs Substrates", Journal of Crystal Growth, Vol. 107, pp. 403-409, 1991

Claims (20)

  1. 630 nm 내지 690 nm 의 범위의 파장을 갖는 광학 출력을 발생시키도록 이루어지는 공동(cavity)을 구비하는 수직 공동 면방출 광학 장치(vertical cavity surface emitting optical device)로서, 광학 장치의 중앙 축 부분에 전류(electrical current)를 집중시키기 위한 산화물 개구부와, 단일의 측면 작동 모드를 실질적으로 선택하도록 이루어지는 표면 양각 형상(surface relief feature)을 광학 장치의 출력면에 구비하는, 수직 공동 면방출 광학 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    λ가 630 nm 내지 690 nm 의 범위에 놓이고, m 이 홀수이며, n 이 표면 양각 형상이 파장 λ에서 형성되는 소재의 굴절률일 때, 상기 표면 양각 형상은 mλ/4n의 범위의 높이를 갖는, 수직 공동 면방출 광학 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 표면 양각 형상은 GaAs 캡층과 그 밑의 InGaP 에칭 정지층의 사이의 스텝(step), 또는 InGaAs 캡층과 AlGaInP 에칭 정지층의 사이의 스텝으로 마련되는, 수직 공동 면방출 광학 장치.
  4. 제1항, 제2항, 또는 제3항에 있어서,
    상기 표면 양각 형상은 광학축 상에 중심 맞추어지는 낮은 양각 부분을 구비하는, 수직 공동 면방출 광학 장치.
  5. 제1항, 제2항, 또는 제3항에 있어서,
    상기 표면 양각 형상은 광학축 상에 중심 맞추어지는 높은 양각 부분을 구비하는, 수직 공동 면방출 광학 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 표면 양각 형상은, 광학 장치의 중심 광학축 상에 중심 맞추어지며 산화물 개구부와 동축 상에 있는 원형 양각 영역을 구비하는, 수직 공동 면방출 광학 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    x가 마이크론 단위의 산화물 개구부이고 y가 마이크론 단위의 표면 양각 직경일 때, 상기 표면 양각 형상의 직경과 산화물 개구부의 직경은 하기의 수식들에 의해 연결되는, 수직 공동 면방출 광학 장치:
    y ≤ x/8 + 4.25 및 y ≤ -4x/3 + 25.67
  8. 제7항에 있어서,
    상기 표면 양각 직경은 3 마이크론보다 크고, 산화물 개구부는 6 마이크론 보다 큰, 수직 공동 면방출 광학 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    표면 약각 직경은 3 내지 5 마이크론의 범위에 있고, 산화물 개구부는 6 내지 15 마이크론의 범위에 있는, 수직 공동 면방출 광학 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    표면 양각 직경은 4.8 내지 5 마이크론의 범위에 있고, 산화물 개구부는 8 내지 9 마이크론의 범위에 있는, 수직 공동 면방출 광학 장치.
  11. 제1항에 있어서,
    기판;
    상기 기판 상에 형성된 하부 반사면 구조물;
    광학 장치의 공동을 정의는 하부 반사면 구조물 위의 양자 우물(quantum well) 구조물;
    양자 우물 구조물 위에 형성되는 상부 반사면 구조물; 및
    상기 표면 양각 형상을 정의하는 상부층이나 상부층들;을 구비하는, 수직 공동 면방출 광학 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 하부 반사면 구조물은, AlAs / Al(0.5)Ga(0.5)As의 교번 층들의 55 쌍들을 구비하는 분포 브래그 반사경(DBR; distributed Bragg reflector mirror)을 구비하고, 상부 반사면 구조물은 Al(0.98-0.95)GaAs / Al(0.5)GaAs 의 교번 층들의 35 쌍들을 구비하는 분포 브래그 반사경을 구비하는, 수직 공동 면방출 광학 장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상부 반사면 구조물 층들의 한 쌍은 Al(0.98)GaAs 를 이용하고, 층들의 나머지 34 쌍들은 Al(0.95)GaAs를 각 쌍의 구성 요소들의 하나로 이용하는, 수직 공동 면방출 광학 장치.
  14. 제11항에 있어서,
    하부 반사면 구조물과 양자 우물 구조물의 사이에 확산 장벽층(diffusion barrier layer)을 더 구비하는, 수직 공동 면방출 광학 장치.
  15. 제11항에 있어서,
    양자 우물 구조물과 하부 반사면 구조물의 사이에 간극층(spacer layer)을 더 구비하는, 수직 공동 면방출 광학 장치.
  16. 제15항에 있어서,
    간극층은 마그네슘(Mg)으로 도핑된, 수직 공동 면방출 광학 장치.
  17. 제11항에 있어서,
    상기 표면 양각 형상을 정의하는 상부층 또는 상부층들은, 하부 InGaP 에칭 정지층과 4분의 1 파장의 역상층(antiphase layer)을 구비하는, 수직 공동 면방출 광학 장치.
  18. 제1항에 있어서,
    표면 양각 형상은 40 nm 내지 46 nm의 범위의 높이를 갖는, 수직 공동 면방출 광학 장치.
  19. VCSEL을 구비하는, 전기한 청구항의 수직 공동 면방출 광학 장치.
  20. 첨부된 도면들을 참고로 여기에서 실질적으로 설명된 광학 장치.
KR1020087000444A 2005-06-08 2006-06-02 면방출 광학 장치 KR20080049705A (ko)

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