KR20120006595A - 파장조절 표면방출 레이저 소자 및 이의 제조 방법 - Google Patents

파장조절 표면방출 레이저 소자 및 이의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

표면방출 레이저는 단거리/중거리용 광연결 및 광통신용 광원으로 사용되고 있는데, 최근에 와서는 대용량 데이터 처리 및 전송을 위하여 여러 파장의 광원을 사용한 광연결 및 광통신의 필요성이 증가하고 있다. 하나의 파장을 이용한 광원을 사용하는 경우 용량을 늘리기 위하여서는 광연결 및 광통신 광원의 변조 속도를 높이는 방법을 사용하여야 하나, 이 경우 속도를 향상시키는데 한계를 가지고 있고 속도 증가에 따른 연결 및 전송 거리가 줄어드는 단점이 있다. 반면 여러 파장의 광연결 및 광통신을 사용하는 경우 각 파장의 전송 속도에 채널의 증가를 통한 용량 증가가 가능하여 다양한 영역에 활용될 수 있다. 따라서 파장 다중의 광연결 및 광통신용 광원으로 필요에 따라서 파장 조절이 가능한 광원의 필요성이 증가하고 있다. 본 발명은 파장조절 표면방출 레이저 소자로 거울층에 전류 인가를 통한 굴절률과 반사율 및 반사 위상 조절로 발진 파장을 조절하는 것을 특징으로 하는 고효율 파장조절 표면방출 레이저 소자 및 이의 제조 방법을 제공한다.

Description

파장조절 표면방출 레이저 소자 및 이의 제조 방법 {Tunable vertical-cavity surface-emitting laser and fabricating method the same}
본 발명은 파장조절 표면방출 레이저에 관한 것으로, 거울층에 전류 인가를 통한 굴절률과 반사율 및 반사 위상 조절에 의해 발진 파장을 조절할 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 고효율 파장조절 표면방출 레이저 소자 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
표면방출 레이저는 단/중거리 통신용 광원으로 활용되고 있으며, 광연결, 광센서, 광통신 등에 활용이 빠르게 증가되고 있다. 특히, 표면방출 레이저가 갖는 높은 광섬유 커플링 효율(fiber-coupling efficiency), 웨이퍼 단위의 제작 공정에 의한 낮은 단가, 낮은 실장 비용, 저전력의 광원 효율(low electrical power consumption), 이차원 어레이(two-dimensional array) 특성 등으로 인하여 차세대 광통신 및 신호 처리용 광원으로 빠르게 자리잡을 것으로 예상된다. 특히, 최근에 와서는 대용량 데이터 처리 및 전송을 위하여 여러 파장의 광원을 사용한 광연결 및 광통신의 필요성이 증가하고 있다. 하나의 파장을 이용한 광원을 사용하는 경우 용량을 늘리기 위하여서는 광연결 및 광통신 광원의 변조 속도를 높이는 방법을 사용하여야 하나, 이 경우 속도를 향상시키는데 한계가 있고 속도 증가에 따른 연결 및 전송 거리가 줄어드는 단점이 있다. 따라서 여러 파장의 광연결 및 광통신을 사용하는 경우 각 파장의 전송 속도와 채널의 증가를 통한 용량 증가가 가능하여 장거리에 대용량 신호의 전송 및 처리가 가능하게 된다. 그러나 여러 파장을 이용한 광연결 및 광통신을 위해서는 각각의 파장 특성을 갖는 개별 광원을 제작하여 적용하여야 하므로 각각의 파장을 갖는 광원 제작의 어려움과 가격 상승 및 교체 등의 어려움이 있다. 또한, 전체적 네트워크의 구성에 있어서도 파장이 고정되므로 유연성 있는 네트워크가 형성되지 않는 단점이 있다. 이와 같은 단점을 보완하기 위해서는 하나의 광원으로 파장 조절이 가능하게 하여 다양한 파장의 특성을 갖는 광원이 필요하다.
종래의 파장조절 표면방출 레이저 소자 및 이의 제조 방법으로는 얇은 상부 거울층과 상부 전류주입층 사이를 부분적으로 식각하여 얇은 공기층을 형성하고, 그 사이에 전압을 인가하여 거울층과 상부 전류주입층의 공간을 조절하여 공진기 거리를 조절하는 방법 등이 있다. 이와 같은 방법은 공진 거리를 인가 전압으로 조절하기 위하여 빛이 방출되는 영역에 얇은 공기층 형성을 위한 식각 및 상부 거울층이 있는 얇은 막을 지지하기 위해 일부는 상부 접촉층과 붙어있는 구조로 제작된다. 따라서 수 마이크론 정도의 미세 공간을 형성하고 공간의 차이를 유지하여 제작하는 것이 어려우며, 그에 따른 재현성 및 수율 확보에 어려움이 있다. 그리고 얇은 상부 거울층 막이 공중에 떠 있는 형태이므로 소자의 처리 및 실장에 있어서도 어려움이 있다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 다양한 파장 영역에서의 파장조절 표면방출 레이저에 적용할 수 있는 구조 및 제조 방법을 제공하기 위한 것으로, 상부 거울층에 전류 인가를 통한 거울층의 반사율 및 반사 위상을 조절하여 표면방출 레이저의 발진 파장을 조절할 수 있는 파장조절 표면방출 레이저 소자 및 이의 제조 방법을 제공하는 데 있다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 상부 파장 조절 소자에 전류를 인가하여 상부 거울층의 반사율 및 반사 위상을 조절하는 구조로 얇은 막이 아닌 일반적인 소자 두께의 상부 파장 조절 소자를 제작하고, 하부 파장 조절 소자와 안정된 유테틱(eutectic) 본딩(bonding) 방법을 사용하여 소자를 제작하여 공진 거리 조절 등에 의한 불안정성이 없고, 재현성 있는 레이저 소자 및 이의 제조 방법을 제공한다.
구체적으로 본 발명은 파장조절 표면방출 레이저 소자에 있어서, 반사를 위한 하부거울층과 이득을 위한 활성층으로 구성되고, 전류 주입을 통한 빛을 방출하는 하부 파장조절 소자와; 상부거울층으로 구성되고 전류 인가를 통한 거울층의 반사율과 반사 위상이 조절되는 상부 파장조절 소자; 가 서로 본딩된 구조로 상기 하부 파장조절 소자로 빛을 방출하고, 상기 상부 파장조절 소자를 통한 반사율 및 반사 위상을 조절하여 파장조절이 가능하도록 한다.
좀 더 구체적으로 본 발명은 반도체 기판상에 차례로 적층된 반도체 DBR(distributed Bragg reflector)로 구성된 하부거울층 및 양자우물층으로 형성된 활성층, 상기 활성층 상에 전류 주입을 위한 전류주입층, 상기 전류주입층 상에 반도체로 구성되어 전류제한층 형성을 위한 제한층, 상기 제한층 상에 도핑된 반도체로 구성된 상부접촉층을 포함하는 하부 파장조절 소자와; 상부거울층으로 구성되고 전류 인가를 통한 거울층의 반사율과 반사 위상이 조절되는 상부 파장조절 소자가 서로 본딩된 구조로 이루어져 상기 하부 파장조절 소자로 빛을 방출하고, 상부 파장조절 소자를 통한 반사율 및 반사 위상을 조절하여 파장조절이 가능하도록 한 파장조절 표면방출 레이저 소자를 제공한다.
본 발명에서 상기 하부 파장조절 소자의 상부접촉층과 제한층의 일부 영역을 식각 또는 산화한 후 제한층의 일부 영역에 전류 제한을 위한 절연층을 형성하여 절연을 안정적으로 유지하고 효과적인 전류 흐름을 갖도록 하고, 전극 간의 절연을 위한 유전체 절연층을 형성하고, 상부접촉층 상에 상부전극과 상부 파장조절 소자와 접촉하여 파장 조절을 위한 상부전극패드를 형성하고, 반도체 기판의 뒷면에 하부전극을 연결하여 전류가 주입되도록 한다.
또, 공기층과 마주치는 상부접촉층과 공기 사이의 반사를 줄이기 위하여 반사방지층을 상부접촉층 위에 형성하고, 상부 파장 조절 소자와의 본딩을 위하여 접촉범프를 형성한다. 그리고 상부 파장 조절 소자의 하부거울층 상에 전극 간의 절연을 위한 유전체 절연층을 형성하며, 파장 조절을 위한 하부전극을 형성하고, 하부 거울층의 일부와 기판 뒤의 일부에 공기 사이의 반사를 줄이기 위한 반사방지층을 형성하고며, 기판의 뒷면에 파장 조절을 위한 상부전극을 형성한다. 그리고 상부 파장조절 소자의 접촉 범프를 이용하여 하부 파장조절 소자의 하부전극과 본딩한 구조를 갖도록 한다.
따라서 하부 파장조절 소자의 조절용 상부전극패드, 상부 파장조절 소자의 하부전극과 상부 파장조절 소자의 상부전극을 통하여 부분적으로 전류가 인가되어 상부 파장조절 소자의 반사율과 반사 위상을 조절하고, 이때 하부 파장조절 소자의 전류주입을 위한 상부전극과 하부전극 사이에 인가된 전류에 의하여 이득을 얻은 빛이 발진하는 구조로 파장조절이 독립적으로 이루어지는 표면방출 레이저의 파장조절 발진 특성이 이루어진다.
본 발명의 파장조절 표면방출 레이저는 전류 인가로 거울층의 반사율 및 반사 위상 변화를 통하여 발진 파장을 조절하는 것을 특성으로 갖는 표면방출 레이저 구조 및 제조 방법에 관한 것으로, 모든 파장 영역에서 파장 조절 표면방출 레이저 소자 제작 방법으로 활용될 수 있다.
도 1a 및 도 1b는 각각 본 발명의 파장조절 표면방출 레이저 소자의 단면구조와 파장조절 표면방출 레이저 소자의 상부 구조를 보인 것이고,
도 2는 본 발명의 파장조절 표면방출 레이저 소자의 굴절률 변화에 따른 파장 조절특성을 보인 그래프이며,
도 3a 내지 도 3k는 본 발명에 의한 파장조절 표면방출 레이저 소자의 제조 공정을 순차적으로 도시한 것이다.
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하기로 한다.
도 1a는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 파장조절 표면방출 레이저 소자 구조의 단면도를 나타낸다. 도면에서 부호 20은 하부 파장조절 소자 전체를 나타내며, 21은 반도체기판, 22는 반도체 DBR로 구성된 하부거울층, 23은 이득을 주기 위한 다층 양자 우물로 이루어진 활성층, 24는 반도체로 구성된 전류주입층, 25는 반도체로 구성된 전류 절연층 형성을 위한 제한층, 26은 반도체로 구성된 상부접촉층, 27은 전류 제한을 위한 절연층, 28은 전극 간의 절연을 위한 유전체 절연1층, 29는 하부 파장조절 소자의 조절용 상부전극패드, 30은 하부 파장조절 소자의 전류 주입을 위한 상부전극, 31은 하부 파장조절 소자의 전류 주입을 위한 하부전극, 32는 하부 파장조절 소자의 전류 주입을 위한 상부전극과 연결된 상부전극패드, 33은 하부 파장조절 소자의 반사방지1층, 34는 상부 및 하부 파장조절 소자의 접촉범프를 나타낸다. 그리고 40은 상부 파장조절 소자 전체를 나타내고, 41은 상부 파장조절 소자의 기판, 42는 상부 파장조절 소자의 DBR로 구성된 상부거울층(top mirror), 43은 상부 파장조절 소자의 유전체 절연2층, 44는 상부 파장조절 소자의 조절용 하부전극, 45는 상부 파장조절 소자의 반사방지2층, 46은 상부 파장조절 소자의 조절용 상부전극, 47은 상부 파장조절 소자의 반사방지3층, 그리고 51은 빛의 방출 방향을, 52는 빛이 내부에서 공진하는 것을 나타낸다.
도 1b는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 파장 조절 표면방출 레이저 소자 구조의 상부 단면도를 나타낸다. 상부 파장조절 소자(40)와 하부 파장조절 소자(20)가 본딩되어 있으며, 파장 조절을 위한 전극으로 하부 파장조절 소자의 조절용 상부전극패드(29)와 상부 파장조절 소자의 조절용 상부전극(46)이 보인다.
그리고 하부 파장조절 소자의 전류 주입을 위한 하부전극(31; 도 1 참조)과 사이에서 소자 발진을 위한 전극으로 하부 파장조절 소자의 전류 주입을 위한 상부전극패드(32)가 보인다.
본 발명은 하부 파장조절 소자의 전류 주입용 상부전극패드(32)에 전류를 인가하여 전류주입용 상부전극(30), 상부접촉층(26), 제한층(25), 전류주입층(24), 활성층(23), 하부거울층(22), 반도체기판(21), 하부전극(31)을 통하여 전류가 흐르게 되고, 활성층(23)의 전류 인가 영역이 이득이 갖도록 구성하여 빛을 생성하며, 생성된 빛은 하부 파장조절 소자의 하부 거울층(22), 활성층(23), 전류주입층(24), 제한층(25), 상부접촉층(25), 반사방지1층(33), 상부 파장조절 소자의 반사방지2층(45), 상부 파장조절 소자의 상부거울층(42)을 왕복하여 이득을 얻어 레이저 빔을 방출하게 된다. 이때, 하부 파장조절 소자(20)의 상부전극패드(29)와 접촉범프(34), 상부 파장조절 소자의 하부전극(44), 상부 파장조절 소자의 상부거울층(42), 상부 파장조절 소자의 기판(41), 상부 파장조절 소자의 상부전극(46)을 통하여 전류를 인가하게 되면 빔이 왕복하는 영역의 상부거울층(42)의 굴절률 변화에 의하여 반사율과 반사 위상이 변화하고 그에 따라서 발진 파장이 변화하게 된다.
따라서 소자의 이득을 위한 전류 주입과 소자의 파장 조절을 위한 전류 주입이 독립적으로 동작하게 된다.
도 2는 도 1a 및 도 1b의 구조에서 상부거울층(42)의 전류 인가에 의한 굴절률 변화에 따른 파장조절 표면방출 레이저 소자의 반사율 변화를 나타낸 그래프이다.
도 2에서 반사율이 급격히 감소하는 파장이 발진 파장에 해당된다. 상부거울층(42)의 굴절률 변화에 의하여 굴절률 변화 3%에 발진 파장이 14nm 정도 변화하는 것을 나타낸다. 따라서 ±3% 굴절률 변화를 통하여 ±14 nm 이상의 파장조절이 가능하다.
도 1a 및 도 1b을 참조하여 본 발명의 상기 바람직한 실시 예를 좀더 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
N형의 하부 파장조절 소자의 InP 반도체 기판(21) 위에 하부 파장조절 소자의 하부거울층(22)으로서 반도체 DBR층이 Iny(AlxGa1 -x) 1- yAs/ Inz(AlwGa1 -w) 1- zAs (0 < x, y, z, w < 1) 또는 InP/ Iny(AlxGa1 -x) 1- yAs (0 < x, y < 1) 등으로 형성되어 있고, 그 위에 레이저 이득을 위한 InP에 거의 격자 정합된 구조로 Iny(AlxGa1 -x) 1- yAs/ Inz(AlwGa1-w) 1- zAs s (0 < x, y < 1) 양자우물층으로 구성된 활성층(23)이 형성되어 있다. 활성층(23) 상에는 선택적 식각에서 보호와 전류인가를 위한 도핑된 InP로 구성된 전류주입층(24), 전류 제한 및 전류 인가와 선택적 식각을 위한 Iny(AlxGa1 -x) 1-yAs(0 < x, y, z, w < 1)로 구성된 제한층(25), 상부 전극 접촉을 위한 상부 접촉층(26)이 도핑된 InP 등으로 구성되어 있다. 제한층(25)은 전류 제한을 위하여 일부가 식각되고, 식각된 부분은 AlOx 또는 AlNx 등의 절연층(27)으로 채워져 있거나 산화방법으로 형성된 AlOx 등의 산화막으로 되어 있다.
상부전극(30)은 상부접촉층(26) 상에 금속 전극을 증착하여 형성되어 있으며, 전극패드간의 절연을 위한 유전체 절연1층(28)은 상부 전극(30)과 빛이 방출되는 곳을 제외하고 절연을 위하여 상부접촉층(26)과 전류주입층(24)상에 형성된다. 유전체 절연1층(28)상에 상부전극(30)과 연결된 상부전극패드(32)를 형성하여 하부 파장조절 소자에 전류를 인가하기 위한 전극으로 사용한다. 그리고 반도체 기판(21)의 뒷면에 하부전극(31)을 형성하여 상부전극패드(32)와 하부전극(31) 사이에 전류를 인가하도록 하여 빛이 방출되는 구조를 형성한다. 빛이 방출되는 영역에서 빛의 반사를 막기 위한 SiOx, TiOx, SiNx 등을 이용하여 반사방지1층(33)을 상부접촉층(27) 위에 형성한다. 그리고 유전체 절연1층(28) 상에 파장 조절을 위한 조절용 상부전극패드(29)를 형성하고 그 위에 상부 조절 소자와의 유테틱 본딩을 위한 AuSn 등과 같은 접촉패드(34)를 형성한다.
그리고 상부 파장조절 소자(40)는 반도체 기판(41) 위에 상부 파장조절 소자의 상부거울층(42)으로서 반도체 DBR층이 Iny(AlxGa1 -x) 1- yAs/ Inz(AlwGa1 -w) 1- zAs (0 < x, y, z, w < 1), InP/ Iny(AlxGa1 -x) 1- yAs (0 < x, y < 1), AlxGa1 - xAs/AlyGa1 -yAs(0 < x, y < 1) 등으로 형성되어 있다. 상부거울층(42)의 상에 전극 간의 절연을 위하여 상부파장조절 소자의 유전체 절연2층(43)을 일부분 형성하고, 유전체 절연2층(43)과 상부거울층(42)의 일부에 파장조절을 위한 하부전극(44)을 형성하며, 상부 파장조절 소자(40)의 기판(41) 뒤에는 파장조절용 상부전극(46)이 형성되어 있다. 이때 전류의 효율적인 인가를 위하여 상부거울층(42)의 일부를 p형의 반도체로 구성하여 전류 인가가 용이하도록 할 수 있다.
하부 파장조절 소자(20)와 상부 파장조절 소자(40)를 서로 본딩한 후 빛이 반사되는 표면의 반사를 막기 위한 반사방지2층(45)이 상부거울층(42)상의 일부에 형성되어 있으며, 상부 파장조절 소자의 기판(41)에도 빛이 방출하는 영역의 반사를 막기 위하여 반사방지3층(47)이 형성되어 있다.
상부 파장조절 소자(40)와 하부 파장조절 소자(20)를 접촉범프(34)를 이용하여 본딩하여 하부파장조절 소자의 조절용 상부전극패드(29)와 상부 파장조절 소자의 하부전극(44)에 본딩과 함께 서로 전기적으로 연결되도록 한다.
따라서 하부 파장조절 소자의 전류 주입을 위한 상부전극패드(32)와 하부 파장조절 소자의 하부전극(31) 사이에 전류를 인가하면 상부전극패드(32)-상부전극(30)-접촉층(27)-제한층(25)-전류주입층(24)-활성층(23)-하부거울층(22)-기판(21)을 통하여 전류가 활성층(23)에 흐르게 되고 빛이 방출되게 된다. 이때, 하부 파장조절 소자의 상부전극패드(29)와 상부 파장조절 소자의 상부전극(46) 사이에 전압을 인가하게 되면 하부 파장조절소자의 전극패드(29)-접촉범프(34)-상부 파장조절소자의 하부전극(44)-상부 파장조절 소자의 상부거울층(42)-상부 파장조절 소자의 기판(41)-상부 파장조절 소자의 상부전극(46) 사이에 전압이 인가되고 전류가 흐르게 되어 상부 파장조절 소자의 상부거울층(42)의 굴절률 변화에 의해 반사율 및 반사 위상이 변하게 된다. 따라서 방출되는 파장이 조절되어 파장조절 표면방출 레이저의 특성을 갖게 된다.
여기서 하부 파장조절 소자의 하부거울층(22)을 구성하는 반도체 DBR층은 반도체를 두 층 이상 교대로 성장한 구조로, 하부거울층(22)의 경우에는 InP에 격자 정합된 구조로 Iny(AlxGa1 -x) 1- yAs/Inz(AlwGa1 -w) 1- zAs s (0 < x, y, z, w < 1) 또는 InP/Iny(AlxGa1-x) 1- yAs (0 < x, y < 1) 등과 같이 굴절률이 다른 반도체 박막층을 교대로 성장하여 제작하는데 한 주기의 두께가 광학길이(물질의 두께x발진파장에서의 굴절률)로 레이저 발진 파장의 반이 되도록 구성한다.
그리고 상부거울층(42)의 경우 Iny(AlxGa1 -x) 1- yAs/Inz(AlwGa1 -w) 1- zAs s (0 < x, y, z, w < 1) 또는 InP/Iny(AlxGa1 -x) 1- yAs (0 < x, y < 1)나 AlxGa1 - xAs/AlyGa1 -yAs(0 < x, y < 1) 등과 같이 굴절률이 다른 반도체 박막층을 교대로 성장하여 제작하는데 한 주기의 두께가 광학길이(물질의 두께x발진파장에서의 굴절률)로 레이저 발진파장의 반이 되도록 구성한다.
그리고 활성층(23)은 전체 두께가 광학길이로 발진파장 반의 정수 배가 되도록 구성한다.
도 3a 내지 도 3k는 도 1a 및 도 1b에 도시된 구조를 갖는 파장조절 표면방출 레이저 소자의 제조 방법을 순차적으로 보여주는 단면도로, 도 3a 내지 도 3g는 하부 파장조절 소자의 제조 방법을 보여주는 단면도이고, 도 3h 내지 도 3j는 상부 파장조절 소자의 제조 방법을 보여주는 단면도이다.
먼저, 도 3a를 참조하면 하부 파장조절 소자의 제작을 위해 n형 반도체기판(21), 반도체 DBR로 구성된 하부거울층(22), 양자우물로 구성된 활성층(23), 전류주입층(24), 전류 제한층 형성을 위한 제한층(25), 상부 전극 접촉을 위한 상부 접촉층(26) 등을 순차적으로 성장한다.
도 3b에서 나타난 것과 같이 하부 파장조절 소자 간의 분리를 위하여 건식 식각 방법으로 레이저 포스트를 형성한다. 즉 SiNx와 같은 유전체(71)를 증착한 후 포토레지스터를 이용하여 패턴을 형성한 후, 포토레지스터를 마스크로 하여 유전체(71)를 식각하여 마스크용 패턴을 형성하고, Cl2:Ar 믹스쳐 또는 CH4: H2 믹스쳐를 이용한 건식 식각 방법으로 원하는 영역의 상부접촉층(26), 제한층(25)을 일부 식각하여 레이저 포스트를 제작한다.
그리고 계속하여 도 3c에 도시된 바와 같이 포스트 주위의 제한층(25) 일부를 선택적 식각 방법을 이용하여 식각시키거나 또는 선택적 산화 방법을 이용한 산화시켜 절연층(27)을 형성한다. 이때, 선택적 식각 방법으로는 InP를 상부 접촉층(26)과 전류주입층(24)으로 한 경우, H3PO4 계열의 믹스쳐(mixture)를 사용하여 상부 접촉층(26) 및 전류주입층(24)의 식각 없이 제한층(25)을 식각하여 에어갭(air-gap)을 형성하며, 그 외에 구성 물질에 따라 HCl, H3SO4 등의 믹스쳐 등을 사용할 수 있다. 그리고 제작된 에어갭 구조에 유전체 물질을 채워 넣는 공정으로 소자에 손실이 발생되지 않는 150 ~ 400℃의 온도 범위에서 원자층 증착 방법으로 AlOx 또는 AlNx 등과 같은 절연층(27)을 증착하여 채워 넣는다. 그리고 선택적 산화 방법을 이용하는 경우 상부접촉층(26)과 전류주입층(24)에는 Al조성이 낮은 물질로 구성하고 제한층(25)은 Al조성이 높은 물질로 구성하여 350 ~ 450℃의 온도 범위에서 물을 포함한 분위기에서 열처리하여 AlOx과 같은 절연층(27)을 형성한다.
도 3d에 도시된 바와 같이 포토레지스터를 이용한 패터닝 방법을 이용하여 상부접촉층(26)의 상부에 전극용 메탈을 증착하여 상부전극(30)을 제작한다.
도 3e에 도시된 바와 같이 하부 파장 조절 소자의 상부에 유전체 절연층을 증착한 후, 포토지스터 등을 패턴으로 형성하여 레이저 포스트와 상부 전극(30) 상의 유전체 절연층을 식각하여 유전체 절연1층(28)을 형성한다.
다음으로, 도 3f에 도시된 바와 같이 하부 파장 조절 소자에 포토레지스터를 이용한 패터닝 방법을 이용하여 상부전극패드(29)와 전류 주입을 위한 상부전극패드(32)를 증착한다. 그리고 전류 주입을 위한 하부전극(31)을 반도체 기판의 뒷면에 형성한다.
도 3g에 도시된 바와 같이 하부 파장 조절 소자에 포토레지스터를 이용한 패터닝 방법을 이용하여 공기와의 반사를 막기 반사방지1층(33)을 레이저 포스트 위에 형성하고, 그리고 포토레지스터를 이용한 패터닝 방법으로 상부전극패드(29) 상에 하부 파장조절 소자(40)와의 본딩을 위한 접촉범프(34)를 증착한다. 이때, 유테틱 본딩을 위한 접촉 범프로는 Sn을 함유한 AuSu 등의 접촉용 메탈을 증착한다.
도 3h를 참조하면 상부 파장조절 소자를 제작하기 위하여 n형 반도체기판(41), 반도체 DBR로 구성된 상부거울층(42)을 순차적으로 성장한다.
도 3i에 도시된 바와 같이 상부거울층(42) 상에 유전체 절연2층(43)을 증착한 후, 포토레지스터의 패턴 방법을 이용하여 일부 영역의 패터닝하고, 건식 식각이나 습식 식각 방법으로 제거한다. 그리고 그 위에 하부전극(44)을 포토레지스터를 이용한 패턴하여 원하는 영역에 증착한다. 이때, 하부 전극의 일부는 상부 거울층(42) 위에 위치하여 전류를 인가할 수 있도록 한다.
도 3j에 도시된 바와 같이 상부 거울층(42) 상의 일부 영역에 반사방지2층(45)을 형성하고, 반도체 기판(41)의 뒷면에도 상부전극(46)과 반사방지3층(47)을 증착하여 상부 파장조절 소자를 제작한다.
도 3k에 도시된 바와 같이 도 3g에서 제작한 하부 파장조절 소자(20) 위에 도 3j에서 제작한 상부 파장조절 소자(40)를 뒤집어서 유텍틱 방법을 이용하여 본딩한다. 이때, 하부 파장조절 소자의 상부전극패드(29)와 상부 파장조절 소자의 하부전극(44)이 서로 전기적으로 접촉이 되도록 하며, 또한, 하부 파장조절 소자의 빛이 방출되는 영역과 상부 파장조절 소자의 빛이 공진하는 영역이 서로 일치하도록 한다.
본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시 예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시 예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술 분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 실시 예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
20 : 하부 파장조절 소자
21 : 하부 파장조절 소자의 반도체 기판 (substrate)
22 : 하부 파장조절 소자의 반도체 DBR로 구성된 하부거울층 (bottom mirror)
23 : 하부 파장조절 소자의 반도체로 구성된 활성층 (active region)
24 : 반도체로 구성된 전류주입층 (current injection layer)
25 : 반도체로 구성된 전류 절연층 형성을 위한 제한층 (confine layer)
26 : 반도체로 구성된 상부접촉층 (top contact layer)
27 : 전류제한을 위한 절연층 (insulation layer)
28 : 전극간의 절연을 위한 유전체 절연1층
29 : 하부 파장조절 소자의 조절용 상부전극패드
30 : 하부 파장조절 소자의 전류 주입을 위한 상부전극
31 : 하부 파장조절 소자의 전류 주입을 위한 하부전극
32 : 하부 파장조절 소자의 전류 주입을 위한 상부전극패드
33 : 하부 파장조절 소자의 반사방지1층
34 : 상부 및 하부 파장조절 소자의 접촉범프
40 : 상부 파장조절 소자
41 : 상부 파장조절 소자의 기판
42 : 상부 파장조절 소자의 DBR로 구성된 상부거울층 (top mirror)
43 : 상부 파장조절 소자의 유전체 절연2층
44 : 상부 파장조절 소자의 조절용 하부전극
45 : 상부 파장조절 소자의 반사방지2층
46 : 상부 파장조절 소자의 조절용 상부전극
47 : 상부 파장조절 소자의 반사방지3층
51 : 빛의 방출 방향을 나타내는 표시
52 : 빛이 내부에서 공진하는 것을 표시

Claims (10)

  1. 반사를 위한 하부거울층과 이득을 위한 활성층으로 구성되고, 전류 주입을 통한 빛을 방출하는 하부 파장조절 소자와;
    상부거울층으로 구성되고 전류 인가를 통한 거울층의 반사율과 반사 위상이 조절되는 상부 파장조절 소자; 가 서로 본딩된 구조로 이루어지며, 상기 하부 파장조절 소자로 빛을 방출하고, 상기 상부 파장조절 소자를 통한 반사율 및 반사 위상을 조절하여 파장조절을 이루는 것을 특징으로 하는 파장조절 표면방출 레이저 소자.
  2. 반도체 기판상에 차례로 적층된 반도체 DBR(distributed Bragg reflector)로 구성된 하부 거울층, 상기의 하부거울층 상에 양자우물층으로 형성된 활성층, 상기 활성층 상에 반도체로 구성된 전류주입층, 상기 전류주입층 상에 반도체로 구성된 절연층 형성을 위한 제한층, 상기 제한층 상에 반도체로 구성된 상부접촉층을 포함하며, 상기 상부접촉층과 절연층의 일부 영역을 식각한 후 절연층을 선택적으로 식각하여 일부를 제거한 후 그 사이를 채워넣거나 선택적으로 산화하여 형성한 절연층이 구비되고, 상기 상부접촉층 상에 연결되는 전류 주입용 상부전극과, 상기 기판의 뒷면에 형성된 전류 주입용 하부 전극과, 상기 전극 간의 절연을 위해 상기 상부접촉층 및 전류주입층 위의 일부에 형성된 유전체 절연층과, 상기 유전체 절연층 상에 형성된 조절용 상부전극패드와, 상기 상부전극패드 상에 본딩을 위한 접촉범프와, 상기 상부접촉층과 공기 사이의 반사를 줄이기 위한 반사방지층으로 구성된 하부 파장조절 소자와;
    반도체 기판상에 차례로 적층된 반도체 DBR(distributed Bragg reflector)로 구성된 상부거울층과, 상기 상부거울층 상에 전극 간의 절연을 위해 상부거울층 위의 일부에 형성된 유전체 절연층과, 상기 유전체 절연층과 상부거울층 상에 형성된 조절용 하부전극과, 상기 상부거울층 상에 상부거울층과 공기 사이의 반사를 줄이기 위하여 형성되는 반사방지층과, 상기 반도체 기판의 뒷면에 형성된 조절용 상부전극과, 상기 기판의 뒷면 상에 공기 사이의 반사를 줄이기 위하여 형성되는 반사방지층으로 구성된 상부 파장조절 소자; 로 이루어지며,
    상기 상부 파장조절 소자를 뒤집어서 상기 하부 파장조절 소자와 본딩하여 상부 파장조절 소자에 전류를 인가하여 상부거울층의 반사율과 반사 위상을 조절하여 하부 파장조절 소자에서 방출한 빛의 발진 파장을 조절하는 것을 특징으로 하는 파장 조절 표면방출 레이저 소자.
  3. n형 InP 반도체 기판상에 Iny(AlxGa1 -x) 1- yAs/Inz(AlwGa1 -w) 1- zAs (0 < x, y, z, w < 1) 또는 InP/Iny(AlxGa1 -x) 1- yAs (0 < x, y < 1)의 도핑된 반도체 DBR층으로 구성된 하부거울층, 상기 하부거울층 상에 InP에 거의 격자 정합된 구조의 양자우물층으로 구성된 활성층, 상기 활성층 상에 도핑된 반도체로 구성된 전류주입층, 상기 전류주입층 상에 도핑된 Iny(AlxGa1 -x) 1- yAs (0 < x, y < 1) 반도체로 형성된 제한층, 상기 제한층 상에 도핑된 반도체로 구성된 상부접촉층, 상기 상부접촉층과 절연층의 일부 영역을 식각한 후 절연층을 선택적으로 식각하여 일부를 제거한 후 그 사이를 AlOx 또는 AlNx등의 물질로 채워넣거나 선택적으로 산화하여 AlOx를 형성한 절연층, 상기 상부접촉층 상에 연결된 금속 전극을 증착하여 형성된 전류 주입용 상부전극, 상기 기판의 뒷면에 금속 전극을 증착하여 형성된 전류 주입용 하부 전극, 전극 간의 절연을 위해 상기 상부접촉층 및 전류주입층 위의 일부에 형성된 유전체 절연층, 상기 유전체 절연층 상에 형성된 조절용 상부전극패드, 상기 상부전극패드 상에 본딩을 위한 접촉범프, 상기 상부접촉층과 공기 사이의 반사를 줄이기 위하여 유전체 반사방지층으로 구성된 하부 파장조절 소자와;
    N형 GaAs나 InP 기판상에 차례로 적층된 Iny(AlxGa1 -x) 1- yAs/Inz(AlwGa1 -w) 1-zAs s (0 < x, y, z, w < 1) 또는 InP/Iny(AlxGa1 -x) 1- yAs (0 < x, y < 1)나 AlxGa1 -xAs/AlyGa1-yAs(0 < x, y < 1) 반도체 DBR로 구성된 상부거울층, 상기 상부거울층 상에 전극 간의 절연을 위해 상부거울층 위의 일부에 형성된 유전체 절연층, 상기 유전체 절연층과 상부거울층 상에 금속 전극을 증착하여 형성된 조절용 하부전극, 상기 상부거울층 상에 상부거울층과 공기 사이의 반사를 줄이기 위하여 형성되는 반사방지층, 상기 기판의 뒷면에 상기 금속 전극을 증착하여 형성된 조절용 상부전극, 상기 기판의 뒷면 상에 공기 사이의 반사를 줄이기 위하여 반사방지층으로 구성된 상부 파장조절 소자; 로 구성되며, 상기 상부 파장조절 소자를 뒤집어서 하부 파장조절 소자와 본딩하여 상부 파장조절 소자에 전류를 인가하여 상부거울층의 반사율과 반사 위상을 조절하여 하부 파장조절 소자에서 방출한 빛의 발진 파장을 조절하는 것을 특징으로 하는 파장 조절 표면방출 레이저 소자.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 상부 파장조절 소자의 상부거울층의 일부를 p형 반도체로 구성하여 전류 인가가 용이하게 구성하는 것을 특징으로 하는 파장조절 표면방출 레이저 소자.
  5. 청구항 3에 있어서,
    상기 접촉범프를 AuSn으로 구성하는 것을 특징으로 하는 파장조절 표면방출 레이저 소자.
  6. 파장조절 표면방출 레이저 소자를 제조하는 방법으로,
    n형 반도체 기판, 반도체 DBR로 구성된 하부거울층, 양자우물로 구성된 활성층, 전류 주입을 위한 전류주입층, 전류 제한을 위한 제한층, 상부 전극 접촉을 위한 상부접촉층을 순차적으로 형성하고;
    유전체를 마스크로 하여 건식 식각 방법으로 원하는 영역의 상부접촉층과 제한층의 일부를 식각하여 레이저 포스트를 제작하고;
    전류 제한층을 위하여 제한층을 선택적 식각 및 절연체 증착이나 선택적 산화막 형성으로 절연층을 제작하고;
    포토레지스터를 이용한 패터닝 방법을 이용하여 상부접촉층의 상부에 전극용 금속을 증착하여 상부전극을 제작하고;
    상부에 유전체 절연층을 증착한 후 포토지스터 등을 패턴으로 형성하여 레이저 포스트와 상부 전극 상의 유전체 절연층을 식각하여 유전체 절연1층을 형성하고;
    포토레지스터를 이용한 패터닝 방법을 이용하여 조절용 상부전극패드와 전류 주입을 위한 상부전극패드를 증착하고;
    전류 주입을 위한 하부전극을 반도체 기판의 뒷면에 형성하고;
    공기와의 반사를 막기 반사방지1층을 레이저 포스트 위에 형성하고;
    포토레지스터를 이용한 패터닝 방법으로 조절용 상부전극패드 상에 하부 파장조절 소자와의 본딩을 위한 접촉범프를 증착하여 하부 파장조절 소자를 제작하고;
    n형 반도체기판, 반도체 DBR로 구성된 상부거울층을 순차적으로 형성하고;
    상기 상부거울층 상에 유전체 절연2층을 증착한 후 포토레지스터의 패턴 방법을 이용하여 일부 영역을 식각하고;
    상기 상부거울층과 일부 영역이 식각된 유전체 절연2층 위에 하부전극을 포토레지스터를 이용한 패턴하여 원하는 영역에 증착하고;
    상기 상부 거울층 상에 일부 영역에 반사방지2층을 형성하고;
    상기 반도체 기판의 뒷면에 상부전극과 반사방지3층을 증착하여 상부 파장조절 소자를 제작하여; .
    상기 하부 파장조절 소자 위에 상부 파장조절 소자를 뒤집어서 유텍틱 방법을 이용하여 본딩하는 것을 특징으로 하는 파장조절 표면방출 레이저 소자의 제조 방법.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 제한층을 선택적 식각 방법으로 제거하여 에어갭(air-gap)을 형성하는 방법으로 H3PO4 계열의 믹스쳐나 HCl의 믹스쳐를 사용하여 선택적으로 식각하고, 150 ~ 400℃의 온도 범위에서 원자층 증착 방법으로 AlOx 이나 AlNx을 포함하는 절연층을 증착하여 채워넣는 것을 특징으로 하는 파장조절 표면방출 레이저 소자의 제조방법.
  8. 청구항 6에 있어서,
    상기 제한층을 선택적 산화 방법으로 350 ~ 450℃의 온도 범위에서 물을 포함한 분위기에서 열처리하여 절연층을 형성하는 것을 특징으로 하는 파장조절 표면방출 레이저 소자의 제조방법.
  9. 청구항 6에 있어서,
    상기 하부 파장조절 소자의 상부전극패드와 상부 파장조절 소자의 하부전극이 서로 전기적으로 접촉이 되도록 본딩하는 것을 특징으로 하는 파장조절 표면방출 레이저 소자의 제조 방법.
  10. 청구항 6에 있어서,
    상기 하부 파장조절 소자의 빛이 방출되는 영역과 상부 파장조절 소자의 빛이 공진하는 영역이 서로 일치하도록 하는 것을 특징으로 하는 파장조절 표면방출 레이저 소자의 제조 방법.
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