KR20080057522A - 수직공진 표면발광 레이저장치 및 그 제조방법 - Google Patents

수직공진 표면발광 레이저장치 및 그 제조방법 Download PDF

Info

Publication number
KR20080057522A
KR20080057522A KR1020060130902A KR20060130902A KR20080057522A KR 20080057522 A KR20080057522 A KR 20080057522A KR 1020060130902 A KR1020060130902 A KR 1020060130902A KR 20060130902 A KR20060130902 A KR 20060130902A KR 20080057522 A KR20080057522 A KR 20080057522A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
layer
electrode
surface emitting
emitting laser
quarter
Prior art date
Application number
KR1020060130902A
Other languages
English (en)
Other versions
KR100842540B1 (ko
Inventor
김인
이은화
김성원
Original Assignee
삼성전자주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 삼성전자주식회사 filed Critical 삼성전자주식회사
Priority to KR1020060130902A priority Critical patent/KR100842540B1/ko
Priority to US11/958,410 priority patent/US20080151961A1/en
Publication of KR20080057522A publication Critical patent/KR20080057522A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR100842540B1 publication Critical patent/KR100842540B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
    • H01S5/18—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities
    • H01S5/183—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities having only vertical cavities, e.g. vertical cavity surface-emitting lasers [VCSEL]
    • H01S5/18386—Details of the emission surface for influencing the near- or far-field, e.g. a grating on the surface
    • H01S5/18391—Aperiodic structuring to influence the near- or far-field distribution
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/04—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping, e.g. by electron beams
    • H01S5/042—Electrical excitation ; Circuits therefor
    • H01S5/0425—Electrodes, e.g. characterised by the structure
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S2301/00—Functional characteristics
    • H01S2301/16—Semiconductor lasers with special structural design to influence the modes, e.g. specific multimode
    • H01S2301/163—Single longitudinal mode
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S2301/00—Functional characteristics
    • H01S2301/17—Semiconductor lasers comprising special layers
    • H01S2301/176—Specific passivation layers on surfaces other than the emission facet
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/02—Structural details or components not essential to laser action
    • H01S5/028—Coatings ; Treatment of the laser facets, e.g. etching, passivation layers or reflecting layers
    • H01S5/0287—Facet reflectivity
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/04—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping, e.g. by electron beams
    • H01S5/042—Electrical excitation ; Circuits therefor
    • H01S5/0421—Electrical excitation ; Circuits therefor characterised by the semiconducting contacting layers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
    • H01S5/18—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities
    • H01S5/183—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities having only vertical cavities, e.g. vertical cavity surface-emitting lasers [VCSEL]
    • H01S5/18308—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities having only vertical cavities, e.g. vertical cavity surface-emitting lasers [VCSEL] having a special structure for lateral current or light confinement
    • H01S5/18311—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities having only vertical cavities, e.g. vertical cavity surface-emitting lasers [VCSEL] having a special structure for lateral current or light confinement using selective oxidation
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
    • H01S5/18—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities
    • H01S5/183—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities having only vertical cavities, e.g. vertical cavity surface-emitting lasers [VCSEL]
    • H01S5/18308—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities having only vertical cavities, e.g. vertical cavity surface-emitting lasers [VCSEL] having a special structure for lateral current or light confinement
    • H01S5/18322—Position of the structure
    • H01S5/18327—Structure being part of a DBR
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
    • H01S5/18—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities
    • H01S5/183—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities having only vertical cavities, e.g. vertical cavity surface-emitting lasers [VCSEL]
    • H01S5/18361—Structure of the reflectors, e.g. hybrid mirrors
    • H01S5/18369—Structure of the reflectors, e.g. hybrid mirrors based on dielectric materials
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
    • H01S5/18—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities
    • H01S5/183—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities having only vertical cavities, e.g. vertical cavity surface-emitting lasers [VCSEL]
    • H01S5/18361—Structure of the reflectors, e.g. hybrid mirrors
    • H01S5/18377—Structure of the reflectors, e.g. hybrid mirrors comprising layers of different kind of materials, e.g. combinations of semiconducting with dielectric or metallic layers

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Semiconductor Lasers (AREA)

Abstract

본 발명은 수직공진 표면발광 레이저 장치 및 그 제조방법에 관한 것으로, 본 발명은 1/4 파장층이 있는 영역과 이를 식각한 영역에서 굴절률 정합물질 도포 전후에 투과율이 변하지 않는 유전체 코팅구조를 제시하고, 이를 이용한 링형 개구(ring aperture) 구조를 VCSEL 제작공정 초기에 포토레지스트층의 정렬(photo-align) 및 1/4 파장층 식각공정을 통해 형성함으로써 산화막 개구 및 링형 개구를 정확히 일치시키는 것을 특징으로 한다.
수직공진 표면발광 레이저, 굴절률 정합, 방사각

Description

수직공진 표면발광 레이저장치 및 그 제조방법{VERTICAL CAVITY SURFACE EMITTING LASER AND METHOD FOR FABRICATING THEREOF}
도 1은 종래 필름형 광도파로와 VCSEL을 이용한 저가형 광모듈의 구성예를 나타낸 도면,
도 2는 종래 굴절률 정합물질 도포 전(a)과 후(b)의 VCSEL의 특성변화를 나타낸 도면,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 VCSEL의 구조를 나타낸 단면도,
도 4는 추가되는 1/4 파장층의 두께에 따른 전체 투과율 변화를 나타낸 도면,
도 5는 본 발명에 따른 유전체층의 두께에 따른 전체 투과율 변화를 나타낸 도면,
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 VCSEL의 구조를 나타낸 도면,
도 7은 고투과율 영역이 형성된 VCSEL 구조에서 모드 선택성에 대해 설명하기 위한 도면,
도 8은 본 발명에 따라 440㎚ 두께의 SiO2층와 60㎚ 두께의 SiNX층이 유전체층으로 적용된 구조에서 유전체층의 바깥에 공기, 굴절률 정합물질, 금속이 존재하 는 각 경우에 대해 GaAs 추가층의 두께에 따른 투과율을 나타낸 도면,
도 9a 내지 도 9h는 도 3에 개시된 VCSEL의 제조과정 예를 나타낸 도면.
본 발명은 수직공진 표면발광 레이저장치 및 그 제조방법에 관한 것이다.
수직공진 표면발광 레이저장치(Vertical Cavity SurfaceEmitting LASER; 이하 VCSEL라 칭함)는 다층박막 구조인 두 개의 다층반사막(Distributed Bragg Reflector;DBR) 사이에 주로 다층양자우물층(Multi Quantum Well)을 포함하는 공진기(resonance cavity)를 두고 전류주입에 의해 이득(gain)을 얻는 레이저 장치로서, 일반적으로 작은 각도의 원형방사형태를 갖기 때문에 저가의 광모듈 제작에 유용하다. 특히 플라스틱 광섬유 및 많은 폴리머 도파로(waveguide) 물질에 사용이 적합한 850nm의 발진파장을 갖는 VCSEL은 GaAs 기판 위에 DBR 구조의 에피택셜(epitaxial) 성장이 용이하고 AlGaAs층의 습식 열산화(wet thermal oxidation) 기술이 잘 정립되어 있어서 대표적으로 많이 연구되고 있다.
한편, VCSEL의 광출력을 광섬유나 도파로에 효율적으로 결합하기 위해서는 VCSEL 제작시에 전류차단층 및 2차원적 광 가둠 효과를 위한 굴절률 분포를 만들기 위해 사용하는 AlGaAs 전류차단층의 열린 부분인 산화막 개구(oxide aperture)를 크게 하여 모드(near field mode) 크기를 크게 함으로써 출력 방사각을 줄이는 것 이 필요하다. 그러나 산화막 개구가 5㎛ 이상이 되면 일반적인 VCSEL은 멀티-모드 방사특성을 갖게 되어 전류에 따라 방사특성이 매우 불규칙하게 바뀌므로 안정적인 광결합 특성을 나타내지 못한다.
광모듈을 저가로 구현하는 방안의 하나로서 필름형 광도파로의 표면에 수직 발광, 수광소자를 배치하고 발생된 레이저광을 90°로 꺾어서 도파로에 입사하는 방식을 사용하고자 하는 연구가 진행되고 있다.
도 1은 종래 필름형 광도파로와 VCSEL을 이용한 저가형 광모듈의 구성예를 나타낸 것이다. 도 1에서 광모듈은 45°거울(1)을 구비하는 필름형 도파로(2) 상에 배치된 전극(3)과 VCSEL 칩(4)에 모두 솔더(solder, 5)와의 정렬(align)기능을 제공하는 언더 범프 야금패턴(under bump metallurgy pattern, 6)이 형성되어 있으며, 플립칩(flip chip)에 의해 솔더 본딩(solder bonding) 공정이 완료되면 칩과 도파로 사이의 열팽창 계수 차이에 의한 스트레스를 줄이고 광도파로에서의 반사를 막는 굴절률 정합(index-matching) 효과를 얻기 위한 언더-필(under-fill,7)을 도포한다. 일반적으로 언더-필과 같은 굴절률 정합 젤의 굴절률은 도파로 물질과 유사한 값을 사용하며, 1.5정도의 굴절률을 갖는다.
그러나 종래 도 1의 구조에서는, VCSEL 칩의 특성을 확인하는 칩 테스트(Chip test) 조건에서는 발광부의 외부가 공기이므로 굴절률이 1.0이나, 실제 모듈 제작 후에는 발광부에 굴절률 정합 젤이 도포 되어 굴절률이 1.5로 바뀌게 된다. 이로 인해 발진 임계전류(threshold current, ITH) 및 정해진 구동 광출력을 얻 는데 필요한 전류인 구동전류가 바뀌게 되며, 방사각도 줄어들게 된다. 도 2는 이러한 상황을 도식적으로 나타낸 것으로, 굴절률 정합 젤 도포 전(a)과 후(b)의 VCSEF의 특성변화를 알 수 있다.
특히, VCSEL의 방사특성을 개선하기 위하여 표면의 반사율을 부분적으로 조절할 경우에는 굴절률 정합물질을 도포함에 따라 이와 같은 효과가 크게 바뀌게 되어 저방사각 특성을 구현하기 어렵다.
따라서, 본 발명은 굴절률 정합 물질의 도포 전후에 방사각 등의 특성 변화가 적은 수직공진 표면발광 레이저장치 및 그 제조방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 전류차단층 형성에 의한 산화막 개구와 광 출력측 개구의 정렬이 용이한 수직공진 표면발광 레이저장치 및 그 제조방법을 제공한다.
VCSEL의 구성요소인 DBR은 서로 다른 굴절률을 갖는 두 층을 각각 굴절률을 고려한 파장의 1/4배 또는 그 두께에 반파장의 정수 배를 더한 두께만큼 교대로 반복하여 적층한 것으로, 반사율은 DBR 구성층간의 굴절률 차이 및 DBR 쌍(pair)의 수에 따라 결정된다. 그러나, 공진기에서 최상부 DBR 방향으로의 반사율은 DBR 구조와 함께 최상부 층의 두께에 따라 전체 반사율은 다르게 나타난다.
따라서, 본 발명은 1/4 파장층이 있는 영역과 이를 식각한 영역에서 굴절률 정합물질 도포 전후에 투과율이 변하지 않는 유전체 코팅구조를 제시하고, 이를 이용한 링형 개구(ring aperture) 구조를 VCSEL 제작공정 초기에 포토레지스트층의 정렬(photo-align) 및 1/4 파장층 식각공정을 통해 형성함으로써 전류차단층 형성에 의한 산화막 개구와 광 출력측 개구인 링형 개구를 정확히 일치시키는 것을 특징으로 한다.
이를 위해 본 발명의 일실시예에 따른 VCSEL은, 적층구조로 그 사이에 길이방향의 공진구간을 형성하는 하부반사층 및 상부반사층과; 상기 하부반사층과 상부반사층 사이에 위치하며 레이저광을 생성하는 활성층과; 상기 상부 반사층을 투과한 광이 출사되는 개구를 갖도록 상기 상부 반사층 위에 링 형태로 형성된 전극과; 상기 상부 반사층 위에 형성된 콘택층과; 상기 레이저광의 투과율이 가장 높은 고투과율 영역이 상기 전극의 개구 안쪽에 링 형태로 형성되도록 상기 콘택층 위에 형성된 1/4 파장층 및 상기 전극이 형성된 부분 이외의 상기 콘택층 및 1/4 파장층을 덮고 있는 유전체층을 포함함을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 VCSEL의 제조방법은 반도체 기판 위에 하부반사층, 활성층 및 상부반사층을 적층하여 레이저광의 공진구간을 형성하는 과정과; 상기 상부 반사층 위에 콘택층을 형성하는 과정과; 상기 레이저광의 투과율이 가장 높은 고투과율 영역이 링 형태로 형성되도록 상기 콘택층을 부분적으로 1/4 파장 두께만큼 식각하여 1/4 파장층을 형성하는 과정과; 상기 1/4 파장층 또는 콘택층 위에 전극을 형성하는 과정; 및 상기 전극이 형성된 부분을 제외한 상기 1/4 파장층 및 콘택층 상부에 유전체층을 형성하는 과정을 포함함을 특징으로 한다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 VCSEL의 구조를 나타낸 도면으로, 고리형태의 개구(ring aperture)를 구비하는 VCSEL을 도시한 것이다. 참고로, 본 실시예의 도면은 산화막 개구 및 최상부 DBR과 연관된 부분만을 도시한 것으로, 실제로 VCSEL 칩을 제작함에 있어서는 예를 들어 p,n 전극, 폴리이미드층 등 공지구조를 적용하여 구현할 수 있으므로 본 실시예의 설명에서는 생략한다. 또한, 본 실시예의 설명은 GaAs, AlGaAs 물질을 사용하여 850㎚의 발진파장을 갖는 VCSEL에 관한 것이나 여타의 파장 및 기타 물질계의 VCSEL 제작에도 적용할 수 있음은 물론이다.
도 3을 참조하면, VCSEL(100)은 양자우물 활성층(120)과; 전류차단층(130)과; 상부 DBR(140)과; 콘택층(150)과; 1/4 파장층(160)과; 유정체층(170)과; 금속층(180)을 포함한다.
양자우물 활성층(120)은 전자와 정공의 재결합에 따른 에너지 천이에 의하여 광을 생성하며, 예를 들면, 비도핑 Al0 .3Ga0 .7As층과, 비도핑 GaAs층과, 비도핑 Al0.3Ga0.7As층이 적층된 구조이다. 전류차단층(130)은 레이저 광이 투과하도록 산화막 개구(oxide aperture; OA)를 구비하며, 예를 들면, p형 AlAs층이 부분적으로 산화하여 형성된 것이다. 상부 DBR(140)은 예를 들면, p형의 Al0 .9Ga0 .1As층과 p형의 Al0.1Ga0.9As층이 교대로 여러 번 적층된 구조이다. 상부 DBR(140)의 적층 수는 하부 DBR(미도시)의 적층 수보다 적으며, 이는 반사율에 차이를 두어 레이저 발진광이 상부 DBR(140)을 통해 방출되도록 하기 위함이다.
콘택층(150)은 상부 DBR(140)의 최상층으로써 상부 DBR(140)의 적층 수에 포함된다. 일반적으로, 1/4 파장 두께의 두 층을 연속적으로 쌓아 상부 DBR(140)을 형성하는 경우, 마지막을 굴절률이 높은 콘택층(150)으로 마무리하고 그 바깥에 공기가 존재할 경우 콘택층(150)을 포함하는 상부 DBR(140)의 전체 반사율은 최고가 되고 반대로 투과율은 최저가 된다. 본 실시예에서 콘택층(150)은 예를 들면, p형의 GaAs층이며 편의상 콘택층(150)을 상부 DBR(140)과 분리하여 설명한다.
1/4 파장층(160)은 고투과율 영역으로 콘택층(150) 위에 링형 개구(ring aperture)를 구비하도록 이중 링 형태로 형성되어 있다. 이와 같이 콘택층(150) 위에 1/4 파장층(160)이 추가되면 1/4 파장층(160)과 콘택층(150)을 포함하는 상부 DBR(140)의 전체 투과율은 변하게 되며, 추가되는 1/4 파장층(160)의 두께에 따른 전체 투과율 변화는 도 4에 도시된 바와 같다.
도 4는 추가되는 1/4 파장층(160)의 두께에 따른 전체 투과율 변화를 나타낸 것으로, 1/4 파장층(160)이 GaAs인 경우의 예를 나타낸 것이다. 도 4에서 굵은 실선을 보면, 더해진 GaAs층(160)의 두께가 1/4 파장에 해당하는 55nm 정도가 될 때 투과율이 최대가 되며 GaAs층이 더해지지 않은 최소 투과율 값과 비교하면 투과율의 비는 9:1 정도임을 알 수 있다. 그리고 투과율이 최대가 되는 1/4 파장두께 부 근에서는 그 값이 두께에 따라 민감하게 바뀌지만 이층을 식각(etching)하여 투과율을 최소로 하고자 할 경우에는 식각의 정확성이 심각하게 요구되지 않음을 알 수 있다.
유전체층(170)은 굴절률 정합 물질(index-matching gel)의 도포에 따른 투과율 변화문제를 최소화하기 위한 것으로, 예를 들면, SiO2층이나 SiNX층 또는 이들의 적절한 두께의 조합으로 이루어진다. 다시 도 4를 참조하면, 굴절률 정합 물질을 도포하지 않은 경우(굵은 실선으로 표시) 투과율 비가 9:1인 1/4 파장층이 있는 경우와 이를 식각한 경우에 대해 굴절률 정합 물질을 도포하면(굵은 점선으로 표시) 투과율 비는 4:1 정도로 급격히 줄어드는 것을 알 수 있다.
이때, 유전체층(170)을 구성하는 물질의 조성과 두께에 따라 투과율의 비가 결정된다. 예를 들어 SiO2층의 두께가 440㎚이고, SiNX층의 두께가 60㎚인 유전체층을 적용한 경우 투과율의 비는 굴절률 정합 물질 도포 전후에 도 4의 가는 실선과 가는 점선으로 표시한 바와 같이 거의 9:1로 일정함을 알 수 있다.
만일, 유전체층의 두께가 약 10㎚ 정도 변하는 경우 도 5에 도시한 바와 같이 1/4 파장층이 있는 경우와 이를 식각한 경우의 투과율 값이 조금씩 변하게 되나 전체적인 값은 8:1~10:1 범위 내에 있다. 따라서, 유전체층 두께의 정확성에 대해 어느 정도 여유(margin)를 가지고 있음을 알 수 있다.
또한, 도 5에서 1/4 파장층이 있는 경우나 이를 식각한 경우 모두 표면에 금속층을 덮으면 GaAs 추가층의 두께와 무관하게 그 투과율이 매우 작아짐을 알 수 있다. 따라서, 도 3의 구조에서는 CB와 RE 사이의 영역에 고리 모양의 투과율이 높은 영역이 형성된다.
금속층(180)은 링형 개구를 형성하는 1/4 파장층(160)과 이격되어 콘택층(150)과 외측 1/4 파장층(160) 위에 형성된다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 VCSEL의 구조를 나타낸 도면으로, 중심 식각(center etch) 구조의 VCSEL을 도시한 것이다. 도 3과 마찬가지로 본 실시예의 도면은 산화막 개구 및 최상부 DBR과 연관된 부분만을 도시한 것으로, 실제로 VCSEL 칩을 제작함에 있어서는 예를 들어 p,n 전극, 폴리이미드층 등 공지구조를 적용하여 구현할 수 있으므로 본 실시예의 설명에서는 생략한다.
도 6을 참조하면, 본 실시예에 따른 VCSEL(200)은 양자우물 활성층(220)과; 전류차단층(230)과; 상부 DBR(240)과; 콘택층(250)과; 1/4 파장층(260)과; 유전체층(270)과; 금속층층(280)을 포함한다. 도 3에 개시된 일실시예와의 차이점은 1/4 파장층(260)이 중심 차단부(center block: CB)를 구비하도록 단일 링 형태로 형성된 점 및 1/4 파장층(260)의 구조 변경에 따른 유전체층(270)과 금속층층(280)의 구조에 차이가 있을 뿐, 그 이외 층들의 구조 및 동작은 도 3에 개시된 VCSEL과 동일하다.
도 3 및 도 6에 개시된 두 가지 구조의 예를 참조하여, 본 발명에 따른 설계요소들에 대한 명칭 및 그 역할을 살펴보면 다음과 같다.
도 3 및 도 6을 참조하면, 두 경우 모두 산화막 개구(OA)는 예를 들어 10~15㎛의 직경을 가지며, 중심부에는 예를 들어 4~6㎛ 직경으로 1/4 파장층을 식각한 중심 차단부(CB) 영역을 갖는다. 링형 개구 구조(도 3)의 경우 예를 들어 직경이 14~20㎛인 링 가장자리(ring edge;RE) 바깥쪽은 1/4 파장층이 식각되고, 중심 식각 구조(도 6)의 경우 전극을 겸하는 금속층의 직경이 예를 들어 14~20㎛인 금속 개구(metal aperture; MA)가 있다. 도 4 및 도 5를 통해 살펴본 바와 같이 링형 개구 구조(도 3)의 경우 CB와 RE 사이의 영역에, 중심 식각 구조(도 6)의 경우 CB와 MA 사이의 영역에 각각 고리 모양의 투과율이 높은 영역이 형성됨을 알 수 있다.
도 7은 고투과율 영역이 형성된 VCSEL 구조에서 모드 선택성에 대해 설명하기 위한 도면이다. 도 7의 (a)는 산화막 개구에 의한 모드의 예를 도시한 것으로, 단일모드((1))는 어느 경우에나 형성되지만 중심에서의 크기가 0이고 원주방향으로의 변화가 존재하는 모드((2))나 반경을 따라 몇 개의 다른 피크를 나타내는 모드((3))와 같은 모드(higher mode)들은 산화막 개구(OA)의 크기가 5㎛ 이상에서 주로 나타나게 되며, 링형 개구를 형성하지 않는 일반적인 VCSEL의 경우에는 그 구동전류의 증가에 따라 이런 모드들이 계속하여 경쟁하며 나타남에 따라 방사특성 또한 전류에 따라 급격히 바뀌는 경우가 발생한다. 특히 원주방향으로 변하는 모드((2))와 같은 경우에는 그 방사광이 중심에서 약하고 주변에서도 방향에 따라 변화가 심한 형태로 나타나므로 광섬유나 광도파로와의 결합에 불리한 형태가 된다.
그러나, CB의 형성에 따라 중심부를 제외하면 반사손실(mirror loss)이 큰 구조가 되면 도 7의 (b)에 도시한 바와 같이 모드((2))의 경우 이득(gain)과 모드의 불일치로 인해 임계전류가 급격히 커져 발진이 어렵다. 따라서 CB의 형태가 적용된 VCSEL은 일반적으로 중심에서의 세기(intensity)가 최대인 모드들만을 선택적 으로 발진시키는 경향이 있으며 이런 모드들은 원주방향으로의 변화가 없다.
상기와 같이 형성된 모드들이 방사됨에 있어서, 그 투과율이 낮은 CB 영역과 RE 또는 MA 바깥 영역은 그 사이의 링형 개구 영역에 비해 출력이 8~10배 정도 작아지므로 도 7(c)의 ((3))과 같은 링 형태의 near field가 형성되며, 이에 따라 방사각이 작고 중심에 집중된 광섬유 및 도파로 등과의 결합에 용이한 방사형태를 만들 수 있다.
도 8은 본 발명에 따라 440㎚ 두께의 SiO2층와 60㎚ 두께의 SiNX층이 유전체층으로 적용된 구조에서 유전체층의 바깥에 공기, 굴절률 정합물질, 금속이 존재하는 각 경우에 대해 GaAs 추가층의 두께에 따른 투과율을 나타낸 것이다. 실제로 소자에 사용하는 특정 GaAs 두께 및 그 도포 물질에서의 투과율을 명시하기 위하여 화살표에 (x),(y),(z)를 병기하였으며 이는 도 3 및 도 6에서 각 영역의 투과율을 나타내는 ⓧ,ⓨ,ⓩ와 동일한 것이다.
본 발명을 더욱 상세히 설명하기 위해, 도 9의 (a) 내지 도 9의 (h)를 참조하여 본 발명의 일 실시예의 구성인 도 3에 개시된 VCSEL의 제조방법에 대해서 설명한다.
먼저, 도 9의 (a)에 도시된 바와 같이, 유기금속화학기상증착법(MOCVD법)에 의해 n형의 GaAs 기판(101) 위에 n형의 Al0 .9Ga0 .1As층과 n형의 Al0 .1Ga0 .9As층이 교대로 여러 번 적층된 하부 DBR(110)과; 비도핑 Al0 .3Ga0 .7As층, 비도핑 GaAs층, 비도핑 Al0.3Ga0.7As층이 적층된 양자우물 활성층(120)과; p형 AlAs층(102)과; p형의 Al0.9Ga0.1As층과 p형의 Al0 .1Ga0 .9As층이 교대로 여러 번 적층된 상부 DBR(140)과; p형의 GaAs층으로 이루어지는 콘택층 패턴(103)을 형성한다.
도 9의 (b)에서, p형의 GaAs층(103) 위에 원하는 링형 개구의 형태로 포토레지스트(PR) 패턴(104)을 형성한 다음 예를 들어 H2PO3:H2O=1:20 용액을 이용하여 GaAs층(103) 일부를 55㎚ 정도 식각한다. 이하 본 실시예의 설명에서는 GaAs층(103) 중 링형 개구를 구비하도록 식각되는 깊이까지의 부분을 1/4 파장층(160)이라 칭하고, 나머지 부분을 콘택층(150)이라 칭한다.
도 9의 (c)에서, 포토레지스트 패턴을 제거한 후, 예를 들면 플라즈마보조화학기상증착법(PECVD법)에 의해 220㎚ 두께의 SiO2층(171)을 성장한 후 링형 개구 형태를 포함하는 부분의 바깥쪽을 식각하기 위한 메사식각용 포토레지스트패턴(105)을 형성한다. 이때, 상부 표면이 거의 평면에 가까우므로 얇은 포토레지스트로도 패턴 형성이 가능하며 따라서 링형 개구와 메사패턴의 중심을 비교적 정확하게 일치시킬 수 있다.
도 9의 (d)에서, 예를 들어 IC(inductance coupled) 플라즈마 건식식각법 등으로 양자우물 활성층(120)까지 식각하여 메사패턴을 형성한 다음, 습식열산화방법으로 p형 AlAs층(102)을 산화시켜 측면이 노출된 부분에 전류차단층(130)을 형성한다. 이때, 메사패턴의 중심부분은 산화되지 않고 거의 원형에 가까운 p형 AlAs층(102)이 남아있게 되며 이를 통상 산화막 개구(oxide aperture; OA)라 한다.
도 9의 (e)에서, 메사패턴 형성에 사용된 포토레지스트패턴을 제거한 다음 산화막 개구가 형성된 메사의 측면을 보호하기 위해 예를 들면, 플라즈마보조화학기상증착(PECVD)법으로 SiO2층과 SiNX층을 각각 220㎚, 60㎚ 두께로 연달아 성장한 추가층(172)을 형성한다. 도 9의 (c)에서 전술한 SiO2층(171)과 도 9의 (e)에서 설명한 추가층(172)를 더하여 메사의 상부에는 도 4에서 전술한 구조의 유전체층(170)이 형성된다. 계속해서, 메사구조를 모두 덮을 수 있는 두꺼운 포토레지스트를 사용하여 금속층 형성을 위한 포토래지스트패턴(106)을 형성한다.
도 9의 (f)에서, 금속층 형성을 위한 포토래지스트패턴(106)을 이용하여 예를 들면, 반응성이온식각(reactive ion etch; RIE)법으로 도 9의 (c) 단계 및 (e) 단계에서 형성된 SiO2층과 SiNX층으로 된 유전체층(171,172)을 부분적으로 식각하여 하부의 1/4 파장층(160) 및 콘택층(150)을 노출시킨 다음, 금속층(180,180')을 증착한다.
도 9의 (g)에서, 금속층(도 9(f)의 180')이 덮여 있는 포토레지스트패턴(도 9(f)의 106)을 예를 들어 아세톤(acetone) 등에 녹여 내어 포토레지스트패턴 위의 금속층을 제거하는 리프트-오프(lift-off) 공정을 수행하는 원하는 금속층(180)을 형성한다.
도 9의 (h)에서, 정전용량을 줄이기 위한 두꺼운 폴리이미드(107) 도포, 패드-금속층 증착(108), 리프트-오프 등의 과정을 통해 VCSEL의 상부전극형태를 완성한다.
한편 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위를 초과하지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 아니 되며 후술하는 특허청구의 범위뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따른 VCSEL은 유전체층을 형성함으로써 1/4 파장층이 있는 영역과 이를 식각한 영역에서 굴절률 정합물질의 도포 전후에 투과율이 변하지 않는다.
또한, 본 발명에 따른 VCSEL의 제조방법은 링형 개구 구조를 VCSEL 제작공정 초기에 포토레지스트 정렬 및 1/4 파장층 식각공정을 통해 형성함으로써 산화막 개구 및 링형 개구를 정확히 일치시킬 수 있다.
따라서, 본 발명에 의하면 플립칩 본딩구조를 사용하거나 광섬유어레이 등을 사용하는 저가형 광모듈 제작에 용이한 방사각 특성이 우수하고 에폭시 등의 도포에 의해 열화되지 않는 VCSEL 구조를 구현할 수 있다.

Claims (12)

  1. 적층구조로 그 사이에 길이방향의 공진구간을 형성하는 하부반사층 및 상부반사층과;
    상기 하부반사층과 상부반사층 사이에 위치하며, 레이저광을 생성하는 활성층과;
    상기 상부 반사층을 투과한 광이 출사되는 개구를 갖도록 상기 상부 반사층 위에 링 형태로 형성된 전극과;
    상기 상부 반사층 위에 형성된 콘택층과;
    상기 레이저광의 투과율이 가장 높은 고투과율 영역이 상기 전극의 개구 안쪽에 링 형태로 형성되도록 상기 콘택층 위에 형성된 1/4 파장층 및
    상기 전극이 형성된 부분 이외의 상기 콘택층 및 1/4 파장층을 덮고 있는 유전체층을 포함함을 특징으로 하는 수직공진 표면발광 레이저장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 공진구간의 중심에 상기 레이저광이 방출되는 산화막 개구를 구비하도록 상기 공진구간의 측벽에 형성된 전류차단층을 더 포함함을 특징으로 하는 수직공진 표면발광 레이저장치.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 1/4 파장층은
    상기 산화막 개구의 중심을 제외한 상기 콘택층 위에 링 형태로 형성됨을 특징으로 하는 수직공진 표면발광 레이저장치.
  4. 제 2 항에 있어서, 상기 1/4 파장층은
    상기 산화막 개구의 중심을 제외한 상기 콘택층 위에 이중 링 형태로 형성됨을 특징으로 하는 수직공진 표면발광 레이저장치.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 유전체층 및 상기 전극층을 덮도록 된 굴절률 정합물질층을 더 포함함을 특징으로 하는 수직공진 표면발광 레이저장치.
  6. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 유전체층의 두께 또는 물질조성은 상기 레이저광의 파장에 따라 선택됨을 특징으로 하는 수직공진 표면발광 레이저장치.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 레이저광의 파장이 850nm인 경우 상기 유전체층은
    440nm 두께의 SiO2층과 60nm 두께의 SiNX층으로 이루어짐을 특징으로 하는 수직공진 표면발광 레이저장치.
  8. 반도체 기판 위에 하부반사층, 활성층 및 상부반사층을 적층하여 레이저광의 공진구간을 형성하는 과정과;
    상기 상부 반사층 위에 콘택층을 형성하는 과정과;
    상기 레이저광의 투과율이 가장 높은 고투과율 영역이 링 형태로 형성되도록 상기 콘택층을 부분적으로 1/4 파장 두께만큼 식각하여 1/4 파장층을 형성하는 과정과;
    상기 1/4 파장층 또는 콘택층 위에 전극을 형성하는 과정; 및
    상기 전극이 형성된 부분을 제외한 상기 1/4 파장층 및 콘택층 상부에 유전체층을 형성하는 과정을 포함함을 특징으로 하는 수직공진 표면발광 레이저장치의 제조방법.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 공진구간의 중심에 상기 레이저광이 방출되는 산화막 개구를 구비하도록 상기 공진구간의 측벽에 전류차단층을 형성하는 과정을 더 포함함을 특징으로 하는 수직공진 표면발광 레이저장치.
  10. 제 8 항 또는 제 9 항에 있어서, 상기 유전체층 상부에 굴절률 정합물질층을 형성하는 과정을 더 포함함을 특징으로 하는 수직공진 표면발광 레이저장치의 제조방법.
  11. 제 8 항에 있어서, 상기 유전체층은
    440nm 두께의 SiO2층과 60nm 두께의 SiNX층으로 이루어짐을 특징으로 하는 수직공진 표면발광 레이저장치의 제조방법.
  12. 제 10 항에 있어서, 상기 1/4 파장층은
    이중 링 형태로 형성됨을 특징으로 하는 수직공진 표면발광 레이저장치의 제조방법.
KR1020060130902A 2006-12-20 2006-12-20 수직공진 표면발광 레이저장치 및 그 제조방법 KR100842540B1 (ko)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020060130902A KR100842540B1 (ko) 2006-12-20 2006-12-20 수직공진 표면발광 레이저장치 및 그 제조방법
US11/958,410 US20080151961A1 (en) 2006-12-20 2007-12-18 Vertical cavity surface-emitting laser and method of fabricating the same

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020060130902A KR100842540B1 (ko) 2006-12-20 2006-12-20 수직공진 표면발광 레이저장치 및 그 제조방법

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20080057522A true KR20080057522A (ko) 2008-06-25
KR100842540B1 KR100842540B1 (ko) 2008-07-01

Family

ID=39542737

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020060130902A KR100842540B1 (ko) 2006-12-20 2006-12-20 수직공진 표면발광 레이저장치 및 그 제조방법

Country Status (2)

Country Link
US (1) US20080151961A1 (ko)
KR (1) KR100842540B1 (ko)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9048613B2 (en) 2013-03-18 2015-06-02 Samsung Electronics Co., Ltd. Hybrid vertical cavity laser and method of manufacturing the same
KR101997787B1 (ko) 2018-10-05 2019-07-08 주식회사 포셈 수직공진표면발광레이저의 제조방법

Families Citing this family (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8189642B1 (en) 2007-08-08 2012-05-29 Emcore Corporation VCSEL semiconductor device
JP5515767B2 (ja) * 2009-05-28 2014-06-11 株式会社リコー 面発光レーザ素子の製造方法、面発光レーザ素子、面発光レーザアレイ、光走査装置及び画像形成装置
JP5409221B2 (ja) * 2009-09-10 2014-02-05 キヤノン株式会社 面発光レーザの製造方法および面発光レーザアレイの製造方法
JP5585940B2 (ja) 2010-04-22 2014-09-10 株式会社リコー 面発光レーザ素子、面発光レーザアレイ、光走査装置、画像形成装置及び面発光レーザ素子の製造方法
JP5893246B2 (ja) 2010-11-08 2016-03-23 キヤノン株式会社 面発光レーザ及び面発光レーザアレイ、面発光レーザの製造方法及び面発光レーザアレイの製造方法、面発光レーザアレイを備えた光学機器
EP2533380B8 (en) 2011-06-06 2017-08-30 Mellanox Technologies, Ltd. High speed lasing device
WO2017027004A1 (en) * 2015-08-10 2017-02-16 Hewlett Packard Enterprise Development Lp Low impedance vcsels
US10148059B2 (en) * 2016-06-23 2018-12-04 Theodore John Podgorski Gain mirror for solid state ring laser rotation sensors
US11699893B2 (en) * 2020-11-24 2023-07-11 Vixar, Inc. VCSELs for high current low pulse width applications

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5359618A (en) * 1993-06-01 1994-10-25 Motorola, Inc. High efficiency VCSEL and method of fabrication
JP4120421B2 (ja) 2003-02-24 2008-07-16 凸版印刷株式会社 光配線層の製造方法
JP2004319643A (ja) 2003-04-14 2004-11-11 Furukawa Electric Co Ltd:The 面発光レーザ素子
JP2005251852A (ja) 2004-03-02 2005-09-15 Seiko Epson Corp 垂直共振器型面発光レーザ

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9048613B2 (en) 2013-03-18 2015-06-02 Samsung Electronics Co., Ltd. Hybrid vertical cavity laser and method of manufacturing the same
KR101997787B1 (ko) 2018-10-05 2019-07-08 주식회사 포셈 수직공진표면발광레이저의 제조방법

Also Published As

Publication number Publication date
KR100842540B1 (ko) 2008-07-01
US20080151961A1 (en) 2008-06-26

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR100842540B1 (ko) 수직공진 표면발광 레이저장치 및 그 제조방법
US7141441B2 (en) Surface emitting semiconductor laser and manufacturing method thereof
US7720125B2 (en) Surface light emitting laser element, surface light emitting laser array provided with it, electro-photographic system and optical communication system
US7288421B2 (en) Method for forming an optoelectronic device having an isolation layer
JP3911551B2 (ja) 面発光レーザー
JP2004523896A (ja) 光電子デバイス用の空間変調された反射器
JP2013149980A (ja) 光集積回路用ハイブリッドレーザー光源
US9368937B1 (en) Multimode vertical cavity surface emitting laser having narrow laser light emitting angle
JP3652252B2 (ja) 半導体光装置
KR100950263B1 (ko) 마이크로렌즈를 포함한 단일모드 수직 공진식표면발광레이저 및 그 제조방법
US7418014B2 (en) Surface-emitting type semiconductor laser, and method for manufacturing the same, optical switch, and optical branching ratio variable element
US20140294030A1 (en) Multimode vertical cavity surface emitting laser having narrow laser light emitting angle
KR100404043B1 (ko) 수직으로 집적화된 고출력 면발광 반도체 레이저 장치 및그 제조 방법
KR100795994B1 (ko) 단일모드 수직 공진식 표면발광레이저 및 그 제조방법
CN112103767B (zh) 一种垂直腔面发射激光器及其制备方法
US20200381897A1 (en) Vertical-cavity surface-emitting laser with characteristic wavelength of 910 nm
US7672350B2 (en) Method and device for using optical feedback to overcome bandwidth limitations caused by relaxation oscillation in vertical cavity surface emitting lasers (VCSELs)
KR100472822B1 (ko) 표면 발광 레이저
JP2003133639A (ja) 面発光型半導体レーザ素子
US20070058688A1 (en) End pumping vertical external cavity surface emitting laser
JP5092559B2 (ja) 面発光レーザ
JP4969765B2 (ja) 面発光レーザ、その面発光レーザを用いた面発光レーザアレイと面発光レーザモジュール、および面発光半導体レーザの製造方法
CN118399194A (zh) 垂直腔表面发射激光器及其制造方法
CN118630576A (zh) 一种用于高速通信的垂直腔面发射激光器及其制备方法
CN117374732A (zh) 一种异质结面发射激光器及其制备方法

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20130530

Year of fee payment: 6

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20140529

Year of fee payment: 7

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20150528

Year of fee payment: 8

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20160530

Year of fee payment: 9

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20170529

Year of fee payment: 10

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20180530

Year of fee payment: 11