KR20170019199A - 발광소자, 발광소자 제작방법 및 발광소자를 이용한 파장 가변 외부 공진 레이저 - Google Patents

발광소자, 발광소자 제작방법 및 발광소자를 이용한 파장 가변 외부 공진 레이저 Download PDF

Info

Publication number
KR20170019199A
KR20170019199A KR1020150113293A KR20150113293A KR20170019199A KR 20170019199 A KR20170019199 A KR 20170019199A KR 1020150113293 A KR1020150113293 A KR 1020150113293A KR 20150113293 A KR20150113293 A KR 20150113293A KR 20170019199 A KR20170019199 A KR 20170019199A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
layer
tapered
active
region
light emitting
Prior art date
Application number
KR1020150113293A
Other languages
English (en)
Other versions
KR102227282B1 (ko
Inventor
오수환
김민수
Original Assignee
한국전자통신연구원
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 한국전자통신연구원 filed Critical 한국전자통신연구원
Priority to KR1020150113293A priority Critical patent/KR102227282B1/ko
Priority to US15/159,853 priority patent/US9859682B2/en
Publication of KR20170019199A publication Critical patent/KR20170019199A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102227282B1 publication Critical patent/KR102227282B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/005—Processes
    • 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
    • H01S5/1003—Waveguide having a modified shape along the axis, e.g. branched, curved, tapered, voids
    • H01S5/1014—Tapered waveguide, e.g. spotsize converter
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/0004—Devices characterised by their operation
    • H01L33/0045—Devices characterised by their operation the devices being superluminescent diodes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/02—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies
    • H01L33/14—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies with a carrier transport control structure, e.g. highly-doped semiconductor layer or current-blocking structure
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/48—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor body packages
    • H01L33/50—Wavelength conversion elements
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/48—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor body packages
    • H01L33/58—Optical field-shaping elements
    • 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
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/005—Optical devices external to the laser cavity, specially adapted for lasers, e.g. for homogenisation of the beam or for manipulating laser pulses, e.g. pulse shaping
    • 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
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/05—Construction or shape of optical resonators; Accommodation of active medium therein; Shape of active medium
    • H01S3/06—Construction or shape of active medium
    • H01S3/063—Waveguide lasers, i.e. whereby the dimensions of the waveguide are of the order of the light wavelength
    • 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
    • H01S5/1053—Comprising an active region having a varying composition or cross-section in a specific direction
    • H01S5/1064—Comprising an active region having a varying composition or cross-section in a specific direction varying width along the optical axis
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/02—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies
    • H01L33/20—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies with a particular shape, e.g. curved or truncated substrate
    • H01L33/24—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies with a particular shape, e.g. curved or truncated substrate of the light emitting region, e.g. non-planar junction
    • 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
    • H01S2301/00—Functional characteristics
    • H01S2301/18—Semiconductor lasers with special structural design for influencing the near- or far-field
    • 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
    • H01S5/026—Monolithically integrated components, e.g. waveguides, monitoring photo-detectors, drivers
    • 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
    • H01S5/1003—Waveguide having a modified shape along the axis, e.g. branched, curved, tapered, voids
    • H01S5/101—Curved waveguide
    • 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
    • H01S5/14—External cavity lasers
    • H01S5/141—External cavity lasers using a wavelength selective device, e.g. a grating or etalon
    • 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
    • H01S5/20—Structure or shape of the semiconductor body to guide the optical wave ; Confining structures perpendicular to the optical axis, e.g. index or gain guiding, stripe geometry, broad area lasers, gain tailoring, transverse or lateral reflectors, special cladding structures, MQW barrier reflection layers
    • H01S5/22—Structure or shape of the semiconductor body to guide the optical wave ; Confining structures perpendicular to the optical axis, e.g. index or gain guiding, stripe geometry, broad area lasers, gain tailoring, transverse or lateral reflectors, special cladding structures, MQW barrier reflection layers having a ridge or stripe 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
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/20—Structure or shape of the semiconductor body to guide the optical wave ; Confining structures perpendicular to the optical axis, e.g. index or gain guiding, stripe geometry, broad area lasers, gain tailoring, transverse or lateral reflectors, special cladding structures, MQW barrier reflection layers
    • H01S5/22—Structure or shape of the semiconductor body to guide the optical wave ; Confining structures perpendicular to the optical axis, e.g. index or gain guiding, stripe geometry, broad area lasers, gain tailoring, transverse or lateral reflectors, special cladding structures, MQW barrier reflection layers having a ridge or stripe structure
    • H01S5/2205—Structure or shape of the semiconductor body to guide the optical wave ; Confining structures perpendicular to the optical axis, e.g. index or gain guiding, stripe geometry, broad area lasers, gain tailoring, transverse or lateral reflectors, special cladding structures, MQW barrier reflection layers having a ridge or stripe structure comprising special burying or current confinement layers
    • H01S5/2222—Structure or shape of the semiconductor body to guide the optical wave ; Confining structures perpendicular to the optical axis, e.g. index or gain guiding, stripe geometry, broad area lasers, gain tailoring, transverse or lateral reflectors, special cladding structures, MQW barrier reflection layers having a ridge or stripe structure comprising special burying or current confinement layers having special electric properties
    • 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
    • H01S5/20—Structure or shape of the semiconductor body to guide the optical wave ; Confining structures perpendicular to the optical axis, e.g. index or gain guiding, stripe geometry, broad area lasers, gain tailoring, transverse or lateral reflectors, special cladding structures, MQW barrier reflection layers
    • H01S5/22—Structure or shape of the semiconductor body to guide the optical wave ; Confining structures perpendicular to the optical axis, e.g. index or gain guiding, stripe geometry, broad area lasers, gain tailoring, transverse or lateral reflectors, special cladding structures, MQW barrier reflection layers having a ridge or stripe structure
    • H01S5/227—Buried mesa structure ; Striped active layer

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Led Devices (AREA)
  • Semiconductor Lasers (AREA)
  • Geometry (AREA)

Abstract

본 발명의 일 실시 예에 따르는 발광소자 및 발광소자 제작방법은 발광소자에 PBH(Planar Buried Heterostructure) 구조와 리지 도파로(Ridge Waveguide) 구조를 접목함으로써, 저전류에서 100mW이상의 고출력으로 동작함과 동시에 전기 광학적 손실을 줄일 수 있는 발광소자를 제공할 수 있다. 또한, 이러한 발광소자를 파장 가변 외부 공진 레이저에 적용함으로써, 출력 특성이 우수한 외부 공진 레이저를 제공할 수 있다.

Description

발광소자, 발광소자 제작방법 및 발광소자를 이용한 파장 가변 외부 공진 레이저{LUMINESCENT DIODE, METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME AND WAVELENGTH TUNABLE EXTERNAL CAVITY LASER USING THE SAME}
본 발명은 발광소자, 발광소자 제작방법 및 발광소자를 이용한 파장 가변 외부 공진 레이저에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전기 광학적 손실을 최소화하여 고출력으로 동작하는 고휘도 발광소자(superlumnescent diode: SLD) 및 그 제작방법, 이를 이용한 파장 가변 외부 공진 레이저에 관한 것이다.
고휘도 발광소자(superlumnescent diode: SLD)는 발광소자(light emitting diode: LED)와 레이저 다이오드(laser diode: LD)의 중간적인 특징을 가진 광원으로서, 최근 들어 광 센서의 광원으로 부각되고 있는 소자이다. 이러한 고휘도 발광소자는 자동차·선박·항공기 등에서 항법장치로 사용되는 광섬유 자이로 스코프(fiber-optic gyroscopes), 생체 조직 내에서 미세구조의 다면을 고해상도로 관찰하는 진단영상 기술인 단층 촬영(optical coherence tomography), 그리고, 최근에 WDM-PON (wavelength division multiplexing-passive optical network)용 광원으로 널리 응용되고 있다.
한편, 100mW 이상으로 동작하는 고출력 레이저에 일반적으로 적용되는 발광소자 구조는 리지 도파로(Ridge Waveguide: RWG) 구조를 포함한다. 리지 도파로 구조는 활성층의 폭이 넓기 때문에 높은 주입전류에서도 고출력을 발생시킬 수 있다. 따라서 수백 mW 급 이상의 고휘도 발광소자에는 리지 도파로 구조가 이용되고 있다.
그리고 PBH(Planar Buried Heterostructure) 구조의 경우 전기 광학적 손실은 적지만 리지 도파로 구조보다 활성층의 폭이 좁아 고출력용으로 매우 제한적인 용도로 사용되고 있다.
본 발명의 일 실시 예는 리지 도파로 구조와 PBH 구조를 결합하여 저전류에서 고출력으로 동작 가능하며 전기 광학적 손실이 적은 고휘도 발광소자(SLD) 및 그 제작방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명의 일 실시 예는 이러한 발광소자를 이용하여 고출력으로 동작하는 파장 가변 외부 공진 레이저를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 전면이 활성 영역과 테이퍼 영역으로 구획되는 발광소자의 제작방법은, 기판 상부에 n형 수동 도파로, n형 클래드층, 활성층 및 p형 캡층을 순차적으로 적층하여 에피층을 형성하는 단계; 상기 에피층의 상기 활성층을 식각하여, 상기 활성 영역에 소정의 폭을 갖는 활성층을 형성하고, 상기 테이퍼 영역에 상기 활성층의 길이방향에 대하여 테이퍼를 가지며 상기 활성층으로부터 연장되는 테이퍼층을 형성하는 단계; 상기 테이퍼 영역에 상기 테이퍼층을 매립하는 pnp 전류차단층을 형성하여 PBH(Planar Buried Heterostructure) 구조를 형성하는 단계; 및 상기 활성 영역과 상기 테이퍼 영역의 상기 활성층 및 테이퍼층 상부에 리지 도파로(ridge waveguide)를 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 테이퍼 활성층을 형성하는 단계는, 상기 테이퍼층이 상기 활성 영역으로부터 멀어질수록 상기 테이퍼층의 폭을 좁게 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 테이퍼 활성층을 형성하는 단계는, 상기 활성층 및 테이퍼층을 제외한 영역에서 상기 n형 수동 도파로 상부로부터 150nm 내지 250nm의 두께까지 식각을 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 PBH 구조를 형성하는 단계는, 상기 테이퍼 영역에서, 상기 테이퍼층 하부의 상기 n형 수동 도파로를 식각하여 상기 테이퍼층의 폭을 커버하며 상기 테이퍼층과 중첩하는 수동 도파로 코어를 형성하는 단계; 및 상기 활성 영역과 테이퍼 영역에서, 상기 활성층과 상기 테이퍼층을 매립하는 상기 pnp 전류차단층을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 pnp 전류차단층을 형성하는 단계는, 상기 활성 영역의 상기 pnp 전류차단층의 상면은 상기 활성층의 상면에 대하여 편평하도록 형성하되, 상기 테이퍼 영역의 상기 pnp 전류차단층의 상면은 상기 테이퍼층의 상면에 대하여 소정의 각도의 경사를 갖도록 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 리지 도파로를 형성하는 단계는, 상기 pnp 전류차단층이 형성된 에피층 상부의 전면에 에치스탑(etch stop)층, p형 클래드층 및 p형 오믹층을 순차적으로 적층하는 단계; 상기 p형 클래드층 및 p형 오믹층에 대한 선택적인 식각을 수행하여 상기 활성층 및 테이퍼층과 중첩하는 상기 리지 도파로를 형성하는 단계; 및 상기 리지 도파로의 상부에 p형 메탈을 형성하고, 상기 에피층의 기판의 하부에 n형 메탈을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 p형 클래드층 및 p형 오믹층에 대한 선택적인 식각을 수행하여 상기 활성층 및 테이퍼층과 중첩하는 상기 리지 도파로를 형성하는 단계는, 상기 활성 영역의 리지 도파로는 상부에서 하부로 갈수록 단면의 폭이 좁아지는 역 메사(mesa) 구조를 갖도록 형성하며, 상기 테이퍼 영역의 리지 도파로는 상부부터 하부까지의 단면의 폭이 동일한 순 메사(mesa) 구조를 갖도록 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 p형 클래드층 및 p형 오믹층에 대한 선택적인 식각을 수행하여 상기 활성층 및 테이퍼층과 중첩하는 상기 리지 도파로를 형성하는 단계는, 상기 활성 영역의 리지 도파로의 폭이 상기 테이퍼 영역의 리지 도파로의 폭보다 좁도록 형성하며, 상기 활성 영역의 리지 도파로의 폭은 상기 활성층이 폭보다 좁으며, 상기 테이퍼 영역의 리지 도파로의 폭은 상기 테이퍼층의 폭보다 크도록 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
한편, 본 발명의 다른 실시 예에 따르면, 전면이 활성 영역과 테이퍼 영역으로 구획되는 발광소자는, 기판; 상기 기판의 상부 중 상기 활성 영역 내에 소정의 폭과 소정의 길이를 갖도록 형성된 활성층; 상기 기판의 상부 중 상기 테이퍼 영역 내에 상기 활성층의 길이방향에 대하여 테이퍼를 가지며 상기 활성층과 동일한 재료로 상기 활성층으로부터 연장 형성된 테이퍼층; 상기 기판의 상부에 형성되며 상기 테이퍼층을 매립하여 PBH(Planar Buried Heterostructure) 구조를 형성하는 pnp 전류차단층; 및 상기 활성층, 테이퍼층 및 전류차단층 상부에 형성되며, 상기 활성층 및 테이퍼층과 중첩하도록 형성되는 리지 도파로(ridge waveguide);를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 테이퍼층은, 상기 활성층의 길이 방향에 대하여 5~15°의 각도로 기울어져 형성된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 테이퍼층은, 상기 활성 영역으로부터 멀어질수록 좁은 폭으로 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 발광소자는, 상기 테이퍼층과 상기 기판 사이에 형성되며, 상기 테이퍼층의 폭을 커버하며 상기 테이퍼층과 중첩하는 수동 도파로 코어를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 pnp 전류차단층은, 상기 테이퍼층 뿐만 아니라 상기 활성층을 매립하도록 형성되며, 상기 활성 영역 내에서 상기 활성층의 상면에 대하여 편평하게 형성되되, 상기 테이퍼 영역 내에서 상기 테이퍼층의 상면에 대하여 소정의 각도의 경사를 갖도록 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 리지 도파로는, 상기 활성 영역에서, 상부에서 하부로 갈수록 단면의 폭이 좁아지는 역 메사(mesa) 구조를 갖도록 형성되며, 상기 테이퍼 영역에서, 상부부터 하부까지의 단면의 폭이 동일한 순 메사(mesa) 구조로 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 리지 도파로의 폭은, 상기 테이퍼 영역보다 상기 활성 영역 내에서 좁도록 형성되며, 상기 활성 영역 내에서 상기 활성층의 폭보다 좁게 형성되고, 상기 테이퍼 영역 내에서 상기 테이퍼층의 폭보다 크도록 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 발광소자는, SLD(Superluminescent Diode)인 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 또 다른 실시 예에 따르는 파장 가변 외부 공진 레이저는 상술한 발광소자; 및 상기 테이퍼층의 단부가 배치된 상기 발광소자의 출력단과 인접하게 배치되어, 상기 발광소자의 출력단으로부터 출사된 광을 발진시켜 레이저를 발생시키는 반사기;를 포함하며, 상기 반사기는, 상기 발광소자의 출력단으로부터 출사된 광을 입력 받는 제 1 광도파로, 상기 제 1 광도파로로부터 입사된 광을 발진시키는 제 2 광도파로 및 상기 제 2 광도파로에서 발진된 광을 상기 반사기의 외부로 출사시키는 제 3 광도파로를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 발광소자는, 상기 발광소자의 활성층의 단부가 배치된 상기 발광소자의 입력단에 배치되어, 상기 활성층으로부터 발생된 광을 반사시켜 상기 광이 상기 발광소자의 출력단으로 향하게 하는 반사 코팅부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 반사기의 제 1 광도파로는, 상기 발광소자의 출력단으로부터 출사된 광의 출사방향에 대응하도록, 상기 발광소자의 출력단과 인접하게 배치되는 상기 반사기의 표면에 대하여 15~25°로 경사지어 형성된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 파장 가변 외부 공진 레이저는, 상기 발광소자와 상기 반사기 간의 결합효율을 높이기 위하여 상기 발광소자의 출력단과 상기 반사기 사이에 배치되는 렌즈를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
일반적으로, 발광소자가 외부 수동 소자 등과의 결합효율을 높이기 위해서는 광 출력 및 FFP(Far Field Pattern)가 15도 이하의 원형으로 나타나야 하는데, 이러한 관점에서 본 발명의 일 실시예의 발광소자는 출력단에 SSC(Spot Size Converter)를 가지며, SSC는 발광소자 발진 방지를 위해 5~15° 정도 기울어진 구조를 갖는다.(즉, 테이퍼층 형성) 한편, 발광소자의 고출력 특성을 가지기 위해 테이퍼층과 활성층 상부에 리지 도파로를 형성시킬 경우, 리지 도파로가 기울어진 구조를 갖게 되어 전기 광학적 손실이 커지게 되는데, 이러한 문제점을 방지하기 위해 본 발명의 일 실시예의 발광소자는 기울어진 테이퍼 영역에서 PBH 구조를 형성한다.(즉, 테이퍼 영역에 pnp 전류차단층 형성) 결과적으로, 본 발명의 일 실시 예에 따르는 발광소자 및 이를 이용한 파장 가변 외부 공진 레이저는 발광소자에 PBH구조와 리지 도파로 구조를 접목함으로써, 저전류에서 100mW이상의 고출력으로 동작함과 동시에 전기 광학적 손실을 최소화 할 수 있다.
도 1a은 본 발명의 일 실시 예에 따르는 발광소자의 평면도이다.
도 1b는 본 발명의 일 실시 예에 따르는 발광소자의 활성 영역과 테이퍼 영역에서의 단면도로서, 도 1a의 I-I’ 영역과 Ⅱ-Ⅱ’영역의 단면도를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따르는 발광소자 제작방법에 관한 순서도이다.
도 3a 내지 도 3h는 본 발명의 일 실시 예에 따르는 발광소자 제작방법을 설명하기 위한 평면도 및 활성영역(I-I’ 영역)과 테이퍼 영역(Ⅱ-Ⅱ’영역)에서의 단면도이다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 일 실시 예에 따르는 발광소자를 이용한 파장 가변 외부 공진 레이저의 구조도이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시 예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 “포함”한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
또한, 본 발명은 “5세대 유무선통합망용 10Gbps 파장 가변 광송수신기 및 운용 SW 개발” 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다.
이하, 도 1a 및 도 1b를 참조하여, 본 발명의 일 실시 예에 따르는 발광소자(100)의 구조에 대하여 구체적으로 설명한다. 본 발명의 일 실시 예에 따르는 발광소자(100)는 바람직하게, SLD(Superluminescent Diode)가 될 수 있다.
도 1a를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따르는 발광소자(100)는 전면(front face) 상에서 활성 영역(101)과 테이퍼 영역(102)으로 구획될 수 있다. 도 1a의 일점 쇄선을 기준으로 왼쪽이 활성 영역(101)이며, 오른쪽이 테이퍼 영역(102)이다.
도 1b를 참조하면, 활성 영역(101)의 단면 구조의 경우, 기판(11), 기판(11) 상부에 형성되며 3~10μm의 폭을 갖도록 식각된 n형 수동 도파로(12), n형 클래드층(13), 활성층(14), p형 캡층(15), 활성층(14)을 둘러싸며 매립하는 pnp 전류차단층(20), pnp 전류차단층(20)과 p형 캡층(15) 상부에 형성된 에치스탑층(31)과 리지 도파로(Ridge Waveguide)(40), 리지 도파로(40) 상부에 증착된 실리콘 박막(51), 발광소자(100)의 전면과 후면 각각에 증착된 p형 메탈층(52)과 n형 메탈층(61)을 포함한다. 여기서 활성층(14)은 10~20μm의 폭을 갖도록 식각될 수 있다.
테이퍼 영역(102)의 단면 구조의 경우, 기판(11), 기판(11) 상부에 순차적으로 적층된 수동 도파로 코어(12), n형 클래드층(13), 활성층(14), p형 캡층(15)을 포함한다. 이때, 수동 도파로 코어(12) 상부의 n형 클래드층(13), 테이퍼 영역(102)의 활성층(14), p형 캡층(15)은 1~1.5μm에서 0~0.5μm 의 폭으로 감소 되도록 식각될 수 있다. 이어서, 테이퍼 영역(102)은 활성 영역(101)과 마찬가지로 pnp 전류차단층(20), 에치스탑층(31), 리지 도파로(40), 실리콘 박막(51), p형 메탈층(52) 및 n형 메탈층(61)이 순차적으로 적층되는 구조를 갖는다. 여기서 pnp 전류차단층(20) 형성에 의해 테이퍼 영역(102)은 PBH(Planar Buried Heterostructure) 구조를 가질 수 있다.
활성 영역(101)과 테이퍼 영역(102)의 구조의 첫 번째 차이는, 먼저, 도 1a를 참조하면 활성층과 테이퍼 활성층의 평면 형상을 들 수 있다. 테이퍼 영역(102)의 활성층(14)의 길이방향은 활성 영역(101)의 활성층(14)의 길이방향에 대하여 5~15°의 경사 각도를 갖도록 형성된다. 그리고, 테이퍼 영역(102)의 활성층(14)의 폭은 활성 영역(101)의 활성층(14)의 폭보다 좁게 형성되고 활성 영역(101)으로부터 멀어질수록 좁아지는 형태를 갖는다.
활성 영역(101)과 테이퍼 영역(102)의 구조의 두 번째 차이는, 도 1a 및 도 1b를 참조하면, 리지 도파로(40)의 평면 및 단면 형상을 들 수 있다. 먼저, 도 1a를 참조하면, 리지 도파로(40)는 활성 영역(101)의 활성층(14) 및 테이퍼 영역(102)의 활성층(14)과 중첩되는 위치에 형성됨에 따라 테이퍼 영역(102)의 리지 도파로(40)는 활성 영역(101)의 리지 도파로(40)에 대하여 소정의 경사 각도를 갖도록 형성된다. 또한, 활성 영역(101)의 리지 도파로(40)는 상부에서 하부로 갈수록 단면의 폭이 좁아지는 역 메사(mesa) 구조로 형성되며, 테이퍼 영역(102)의 리지 도파로(40)는 상부부터 하부까지 단면의 폭이 동일한 순 메사(mesa) 구조로 형성될 수 있다. 또한, 리지 도파로(40)의 폭은 테이퍼 영역(102)보다 활성 영역(101)에서 더욱 좁게 형성되며, 활성 영역(101) 내에서는 활성층(14)의 폭보다 좁게 형성되고 테이퍼 영역(102) 내에서는 테이퍼 영역(102)의 활성층(14)의 폭보다 크도록 형성될 수 있다.
일반적으로 PBH 구조가 발광소자(100)에 적용될 경우, 활성 영역(101)의 활성층(14)의 폭은 0.7~1.5um 정도로 형성되는 것이 바람직하다. 활성층(14)의 폭이 넓을 경우 활성층(14)과 전류차단층 사이의 굴절율 차가 크게 되어 발광소자(100)가 멀티 모드로 동작하는 현상이 나타나기 때문이다. 본 발명의 일 실시예의 경우, 활성층(14)의 폭을 10~20um 범위에서 형성하며, 이렇게 발광소자(100)를 제작할 경우 FFP(Far Field Pattern) 특성이 멀티 모드로 나타날 수 있다. 따라서, 이러한 특성을 줄이기 위해 활성층(14) 위에 역 메사 구조의 리지 도파로(40)를 형성시키며, 이 경우 주입되는 전류가 활성층(14)으로 퍼져나가기 때문에 멀티 모드로 동작하는 특성을 제거할 수 있다. 한편, 테이퍼 영역(102)에서, 테이퍼 영역(102)의 활성층(14) 아래에 n형 수동 도파로 코어를 약 3~9μm로 형성시키고, 순 메사 구조의 리지 도파로(40)를 테이퍼 영역(102)의 활성층(14)의 폭을 커버하는 약 11μm의 폭으로 형성할 경우, FFP특성이 15° 이하로 우수하게 나타날 수 있다.
이어서, 도 2 및 도 3a 내지 도 3h를 참조하여, 본 발명의 일 실시 예에 따르는 발광소자(100) 제작방법에 대하여 구체적으로 설명한다.
먼저, 에피층을 형성한다(S100). 도 3a를 참조하면, 기판(11)을 준비하고, 기판(11) 상부에 n형 수동 도파로(12), n형 클래드층(13), 활성층(14), p형 캡층(15)을 순차적으로 적층시킴으로써 에피층을 형성할 수 있다. 이때, 기판(11)은 N-InP 기판(11)인 것이 바람직하다.
이어서, 에피층에 대하여 포토리소그래피 및 식각 공정을 수행하여 활성 영역(101)과 테이퍼 영역(102)의 활성층(14)을 형성한다(S110).
도 3b를 참조하면, 에피층 상부에 포토리소그래피 공정을 통하여 활성 영역(101)의 활성층(14)영역, 테이퍼 영역(102)의 활성층(14) 영역을 규정하는 포토레지스트를 형성한 후, 식각(건식 또는 습식) 공정을 통하여 n형 클래드층(13), 활성층(14), p형 캡층(15)의 일부를 제거함으로써, 활성 영역(101)의 활성층(14)과 테이퍼영역(102)의 활성층(14)을 형성할 수 있다. 도 3b의 상부 도면을 참고하면, 활성 영역(101)의 활성층(14)의 평면적 형상은 수평방향의 길이 방향을 가지며, 테이퍼 영역(102)의 활성층(14)의 평면적 형상은 수평방향에 대하여 소정의 각도를 가지며 굽어진 형상을 가짐을 알 수 있다. 또한, 테이퍼 영역(102)의 활성층(14)은 활성 영역(101)으로부터 멀어질 수록 좁은 폭으로 형성되어 끝부분이 뾰족한 형태를 가질 수 있다.
그리고, 활성 영역(101)의 활성층(14)의 폭은 10~20μm이고, 테이퍼 영역(102)의 활성층(14)의 폭은 1~1.5μm 또는 0~0.5μm 가 되도록 형성될 수 있다. 또한, 활성 영역(101)의 활성층(14) 및 테이퍼영역(102)의 활성층(14)을 형성하기 위하여 n형 클래드층(13), 활성층(14), p형 캡층(15)은 n형 수동 도파로(12) 상부의 150nm~250nm (바람직하게, 약 200nm) 위치까지 식각될 수 있다.
이어서, 도 3c와 같이, 에피층 상부에 수동 도파로 코어(12)를 형성한다. 먼저, 에피층 상부에 포토리소그래피 공정을 수행하여 포토레지스트를 형성한 후, n형 수동 도파로 코어(12)와 n형 클래드층(13)에 대한 식각(건식 또는 습식) 공정을 수행하여, 수동 도파로 코어(12)를 형성한다. 도 3c의 상부 도면을 참조하면, 수동 도파로 코어(12)는 테이퍼 영역(102) 내에 형성되는 것으로, 테이퍼 영역(102)의 활성층(14)의 폭을 커버하며 테이퍼 영역(102)의 활성층(14)과 중첩하도록 형성될 수 있다. 수동 도파로 코어(12)에 의해 FFP의 특성이 결정되기 때문에, 수동 도파로 코어(12)는 9μm이하의 폭으로 형성되는 것이 바람직하다.
이어서, 테이퍼 영역(102)에 PBH 구조를 형성한다(S120).
도 3d를 참조하면, PBH 구조를 형성하기 위하여 에피층의 전면에 활성 영역(101)의 활성층(14)과 테이퍼 영역(102)의 활성층(14)을 매립하는 pnp 전류차단층(20)을 형성한다. 구체적으로, P-InP 전류차단층(21), N-InP 전류차단층(22), P-InP 전류차단층(23)을 에피층의 식각된 영역 상부에 순차적으로 성장시킴으로써 pnp 전류차단층(20)을 형성할 수 있다. pnp 전류차단층(20)의 두께는 식각 두께보다 두껍지 않게 성장하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 식각된 층의 총 두께가 0.7μm이면 pnp 전류차단층(20)의 두께도 약 0.7μm 정도로 하는 것이 바람직하다. 또한, 도 3d의 I-I’ 영역과 Ⅱ-Ⅱ’영역의 단면도를 참고하면, 활성 영역(101)의 pnp 전류차단층(20)의 상면은 활성 영역(101)의 활성층(14)의 상면과 동일한 면을 갖도록 편평하게 형성되는 반면, 테이퍼 영역(102)의 pnp 전류차단층(20)의 상면은 테이퍼 영역(102)의 활성층(14)의 상면에 대하여 내리막 경사면이 되도록 소정의 각도로 기울어져 형성될 수 있다.
그리고, 활성 영역(101) 및 테이퍼 영역(102)의 활성층(14) 의 상부에 리지 도파로(40)를 형성한다(S130).
구체적으로, 도 3e를 참조하면, 리지 도파로(40)를 형성하기 위하여, 먼저, pnp 전류차단층(20)이 형성된 에피층의 전면(front face)의 상부에 에치스탑(etch stop)층(31), p형 클래드층(32), p형 오믹층(33)을 순차적으로 적층한다.
이어서, 도 3f를 참조하면, p형 클래드층(32)과 p형 오믹층(33)을 선택 식각하여, 활성 영역(101)에서는 역 메사(mesa) 구조의 리지 도파로(40)를 형성하고, 테이퍼 영역(102)에서는 순 메사(mesa) 구조의 리지 도파로(40)를 형성한다. 역 메사 구조는 상부에서 하부로 갈수록 폭이 좁아지는 구조로서, 상부면의 폭(43)이 4.5~5μm인 것이 바람직하다. 순 메사 구조는 상부부터 하부까지의 폭이 동일한 구조로서, 폭(44)이 약 5~11μm 인 것이 바람직하다. 이러한 구조의 특징으로 인해, 도 3f의 상부 도면을 참고하면, 활성 영역(101)의 리지 도파로(40)는 활성 영역(101)의 활성층(14)보다 좁은 폭을 가지며 활성 영역(101)의 활성층(14)과 중첩 배치되는 반면, 테이퍼 영역(102)의 리지 도파로(40)는 테이퍼 영역(102)의 활성층(14)보다 넓은 폭을 가지며 테이퍼 영역(102)의 활성층(14)과 중첩 배치됨을 알 수 있다.
마무리 공정으로서, p형 메탈층(52)과 n형 메탈층(61)을 에피층의 전면과 후면에 증착한다(S140).
구체적으로, 도 3g를 참조하면, 먼저, 리지 도파로(40)가 형성된 에피층의 전면에 실리콘 박막(51)을 형성한다. 이때, 리지 도파로(40)의 상면이 노출되도록 리지 도파로(40)의 상면에 증착된 실리콘 박막(51)은 제거되는 것이 바람직하다. 이어서, 리지 도파로(40)의 상면과 접촉하도록 p형 메탈층(52)을 리지 도파로(40) 상에 형성한다. 활성 영역(101)의 p형 메탈층(52)은 리지 도파로(40)의 상면과 활성층(14)의 일부 영역과 중첩되도록 형성될 수 있으며, 테이퍼 영역(102)의 p형 메탈층(52)은 리지 도파로(40)의 상면에만 형성될 수 있다.
도 3h를 참조하면, 에피층을 래핑(lapping) 한 후, 에피층의 후면에 n형 메탈층(61)을 증착하여 발광소자(100) 제작공정을 마무리 할 수 있다.
이와 같이 제작된 발광소자(100)(바람직하게, SLD)는 파장 가변 외부 공진 레이저에 이용될 수 있다. 이하, 도 4a 및 도 4b를 참조하여, 본 발명의 일 실시 예에 따르는 파장 가변 외부 공진 레이저의 구조에 대하여 구체적으로 설명한다.
먼저, 도 4a를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따르는 파장 가변 외부 공진 레이저는 발광소자(100) 및 발광소자(100)의 광을 발진시켜 레이저를 발생시키는 반사기(200)를 포함한다. 이때, 반사기(200)는 바람직하게 bragg 반사기(200)로 구성될 수 있다.
발광소자(100)는 상술한 PBH 구조와 리지 도파로(40) 구조가 결합된 구조의 발광소자(100)로서, 반사 코팅부(71)와 무반사 코팅부(72)를 추가로 포함한다. 발광소자(100)의 테이퍼 영역(102)의 활성층(14)의 단부가 배치된 면을 발광소자(100)의 ‘출력단’이라고 정의하고, 발광소자(100)의 활성층(14)의 단부가 배치되며 상기 출력단과 반대방향에 배치된 면을 발광소자(100)의 ‘입력단’이라고 정의할 때, 무반사 코팅부(72)는 발광소자(100)의 출력단에 부착되며, 반사 코팅부(71)는 발광소자(100)의 입력단에 부착될 수 있다.
발광소자(100)에 전류가 주입될 경우, 활성층(14)에서 광이 발생되는데, 이러한 광은 반사 코팅부(71)에 의하여 고반사되어, 테이퍼 영역(102)의 활성층(14)을 경유하여 발광소자(100)의 출력단으로 출사될 수 있다. 즉, 반사 코팅부(71)와 무반사 코팅부(72)는 발광소자(100)가 일 방향으로만 광을 출사하도록 부착되는 구성이다.
반사기(200)는 발광소자(100)의 출력단으로부터 출사된 광을 입력 받는 제 1 광도파로(201), 제 1 광도파로(201)로부터 전달된 광을 발진시키는 제 2 광도파로(202) 및 제 2 광도파로(202)에서 발진된 광을 반사기(200)의 외부로 출사시키는 제 3 광도파로(203)를 포함하여 구성될 수 있다. 이때, 반사기(200)는 발광소자(100)로부터 발생된 광을 입력 받을 수 있도록 제 1 광도파로(201)의 입구와 테이퍼 영역(102)의 활성층(14)의 단부가 대응하도록 발광소자(100)의 출력단과 인접하여 배치될 수 있다.
한편, 제 1 광도파로(201)는 상기 반사기(200)의 표면에 대하여 15~30°로 경사지어 형성될 수 있다. 발광소자(100)의 테이퍼 영역(102)의 활성층(14)은 광이 출사되는 경로가 되는 것으로서, 발광소자(100)에서 출사되는 광이 발광소자(100)의 계면에서 적게 반사되도록 소정의 각도(예를 들어, 활성 영역(101)의 활성층(14)의 길이방향에 대하여 5~15° 정도)로 기울어져 형성되어 있다. 이에 대응하여 반사기(200)가 발광소자(100)의 광을 제대로 입력 받을 수 있도록 제 1 광도파로(201) 역시 발광소자(100)의 출력단과 인접한 반사기(200)의 표면에 대하여 길우어져 형성되는 것이다.
제 2 광도파로(202)는 바람직하게 bragg 도파로로 구성되는 것으로서, 제 2 광도파로(202)에 전달된 광에 포함되는 파장들 중 제 2 광도파로(202)의 반사주기에 일치하는 파장이 발광소자(100)의 활성층(14)으로 되돌아가도록 한다. 이러한 현상이 반복되어 일정한 이득 이상이 될 경우, 발진이 발생하게 되며, 발진된 파장은 제 3 광도파로(203)를 통하여 반사기(200)의 외부로 나오게 된다. 즉, 발광소자(100)의 반사 코팅부(71)와 반사기(200)의 제 2 광도파로(202) 부분이 공진기를 형성하여 외부 공진 레이저를 형성할 수 있다.
한편, 도 4b를 참조하면, 파장 가변 외부 공진 레이저는 발광소자(100)와 반사기(200) 간의 결합효율을 높이기 위하여 렌즈(150)를 추가로 포함할 수 있다. 렌즈(150)는 볼록 렌즈(150)로 구성될 수 있다. 렌즈(150)는 발광소자(100)의 출력단과 반사기(200) 사이에 배치되어, 발광소자(100)의 출력단에서 출사된 광(L)을 반사기(200)로 더욱 집중시킬 수 있다.
발광소자(100)가 외부 수동 소자 등과의 결합효율을 높이기 위해서는 광 출력 및 FFP가 15도 이하의 원형으로 나타나야 하는데, 이러한 관점에서 본 발명의 일 실시예의 발광소자(100)는 출력단에 SSC(Spot Size Converter)를 가지며, SSC는 발광소자(100) 발진 방지를 위해 5~15° 정도 틸팅된 구조를 갖는다.(즉, 테이퍼 영역(102)의 활성층(14) 형성) 한편, 발광소자(100)의 고출력 특성을 제작하기 위해 테이퍼 영역(102)의 활성층(14)과 활성 영역(101)의 활성층(14) 상부에 리지 도파로(40)를 형성시킬 경우, 리지 도파로(40)가 틸팅된 구조를 갖게 되어 전기 광학적 손실이 커지게 되는데, 이러한 문제점을 방지하기 위해 본 발명의 일 실시예의 발광소자(100)는 틸팅된 테이퍼 영역(102)에서 PBH 구조를 형성한다.(즉, 테이퍼 영역(102)에 pnp 전류차단층(20) 형성)
결과적으로, 본 발명의 일 실시 예에 따르는 발광소자(100) 및 이를 이용한 파장 가변 외부 공진 레이저는 발광소자(100)에 PBH구조와 리지 도파로(40) 구조를 접목함으로써, 저전류에서 100mW이상의 고출력으로 동작함과 동시에 전기 광학적 손실을 줄일 수 있다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예들은 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
11 : 기판
12 : 수동 도파로 코어
13 : n 형 클래드층
14 : 활성층
15 : p 형 캡층
20 : pnp 전류차단층
40 : 리지 도파로
52 : p형 메탈층
61 : n형 메탈층
100 : 발광소자
150 : 렌즈
200 : 반사기
201 : 제 1 광도파로
202 : 제 2 광도파로
203 : 제 3 광도파로

Claims (20)

  1. 전면이 활성 영역과 테이퍼 영역으로 구획되는 발광소자의 제작방법에 있어서,
    기판 상부에 n형 수동 도파로, n형 클래드층, 활성층 및 p형 캡층을 순차적으로 적층하여 에피층을 형성하는 단계;
    상기 에피층내의 상기 활성 영역에 위치한 상기 활성층의 일부를 식각하고, 상기 테이퍼 영역에 위치한 상기 활성층의 길이방향에 대하여 테이퍼를 가지며 상기 활성층으로부터 연장되는 테이퍼 활성층을 형성하는 단계;
    상기 테이퍼 영역에 테이퍼층을 매립하는 pnp 전류차단층을 형성하여 PBH(Planar Buried Heterostructure) 구조를 형성하는 단계; 및
    상기 활성 영역과 상기 테이퍼 영역의 상기 활성층 및 상기 테이퍼층 상부에 리지 도파로(ridge waveguide)를 형성하는 단계;를 포함하는, 발광소자 제작방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 테이퍼 활성층을 형성하는 단계는,
    상기 테이퍼층이 상기 활성 영역으로부터 멀어질수록 상기 테이퍼층의 폭을 좁게 형성하는 단계를 포함하는, 발광소자 제작방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 테이퍼 활성층을 형성하는 단계는,
    상기 활성층 및 테이퍼층을 제외한 영역에서 상기 n형 수동 도파로층을 식각을 수행하는 단계를 포함하는, 발광소자 제작방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 PBH 구조를 형성하는 단계는,
    상기 테이퍼 영역에서, 상기 테이퍼층 하부의 상기 n형 수동 도파로를 식각하여 상기 테이퍼층의 폭을 커버하며 상기 테이퍼층과 중첩하는 수동 도파로 코어를 형성하는 단계; 및
    상기 활성 영역과 테이퍼 영역에서, 상기 활성층과 상기 테이퍼층을 매립하는 상기 pnp 전류차단층을 형성하는 단계;를 포함하는, 발광소자 제작방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 pnp 전류차단층을 형성하는 단계는,
    상기 활성 영역의 상기 pnp 전류차단층의 상면은 상기 활성층의 상면에 대하여 편평하도록 형성하되, 상기 테이퍼 영역의 상기 pnp 전류차단층의 상면은 상기 테이퍼층의 상면에 대하여 소정의 각도의 경사를 갖도록 형성하는 단계를 포함하는, 발광소자 제작방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 리지 도파로를 형성하는 단계는,
    상기 pnp 전류차단층이 형성된 에피층 상부의 전면에 에치스탑(etch stop)층, p형 클래드층 및 p형 오믹층을 순차적으로 적층하는 단계;
    상기 p형 클래드층 및 p형 오믹층에 대한 선택적인 식각을 수행하여 상기 활성층 및 테이퍼층과 중첩하는 상기 리지 도파로를 형성하는 단계; 및
    상기 리지 도파로의 상부에 p형 메탈을 형성하고, 상기 에피층의 기판의 하부에 n형 메탈을 형성하는 단계;를 포함하는, 발광소자 제작방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 p형 클래드층 및 p형 오믹층에 대한 선택적인 식각을 수행하여 상기 활성층 및 테이퍼층과 중첩하는 상기 리지 도파로를 형성하는 단계는,
    상기 활성 영역의 리지 도파로는 상부에서 하부로 갈수록 단면의 폭이 좁아지는 역 메사(mesa) 구조를 갖도록 형성하며, 상기 테이퍼 영역의 리지 도파로는 상부부터 하부까지의 단면의 폭이 동일한 순 메사(mesa) 구조를 갖도록 형성하는 단계를 포함하는, 발광소자 제작방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 p형 클래드층 및 p형 오믹층에 대한 선택적인 식각을 수행하여 상기 활성층 및 테이퍼층과 중첩하는 상기 리지 도파로를 형성하는 단계는,
    상기 활성 영역의 리지 도파로의 폭이 상기 테이퍼 영역의 리지 도파로의 폭보다 좁도록 형성하며, 상기 활성 영역의 리지 도파로의 폭은 상기 활성층이 폭보다 좁으며, 상기 테이퍼 영역의 리지 도파로의 폭은 상기 테이퍼층의 폭보다 크도록 형성하는 단계를 포함하는, 발광소자 제작방법.
  9. 전면이 활성 영역과 테이퍼 영역으로 구획되는 발광소자에 있어서,
    기판;
    상기 기판의 상부 중 상기 활성 영역 내에 소정의 폭과 소정의 길이를 갖도록 형성된 활성층;
    상기 기판의 상부 중 상기 테이퍼 영역 내에 상기 활성층의 길이방향에 대하여 테이퍼를 가지며 상기 활성층과 동일한 재료로 상기 활성층으로부터 연장 형성된 테이퍼층;
    상기 기판의 상부에 형성되며 상기 테이퍼층을 매립하여 PBH(Planar Buried Heterostructure) 구조를 형성하는 pnp 전류차단층; 및
    상기 활성층, 테이퍼층 및 전류차단층 상부에 형성되며, 상기 활성층 및 테이퍼층과 중첩하도록 형성되는 리지 도파로(ridge waveguide);를 포함하는, 발광소자.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 테이퍼층은,
    상기 활성층의 길이 방향에 대하여 5~15°의 각도로 기울어져 형성된, 발광소자.
  11. 제 9 항에 있어서, 상기 테이퍼층은,
    상기 활성 영역으로부터 멀어질수록 좁은 폭으로 형성되는, 발광소자.
  12. 제 9 항에 있어서, 상기 발광소자는,
    상기 테이퍼층과 상기 기판 사이에 형성되며, 상기 테이퍼층의 폭을 커버하며 상기 테이퍼층과 중첩하는 수동 도파로 코어를 더 포함하는, 발광소자.
  13. 제 9 항에 있어서, 상기 pnp 전류차단층은,
    상기 테이퍼층 뿐만 아니라 상기 활성층을 매립하도록 형성되며, 상기 활성 영역 내에서 상기 활성층의 상면에 대하여 편평하게 형성되되, 상기 테이퍼 영역 내에서 상기 테이퍼층의 상면에 대하여 소정의 각도의 경사를 갖도록 형성되는, 발광소자.
  14. 제 9 항에 있어서, 상기 리지 도파로는,
    상기 활성 영역에서, 상부에서 하부로 갈수록 단면의 폭이 좁아지는 역 메사(mesa) 구조를 갖도록 형성되며, 상기 테이퍼 영역에서, 상부부터 하부까지의 단면의 폭이 동일한 순 메사(mesa) 구조로 형성되는, 발광소자.
  15. 제 14 항에 있어서, 상기 리지 도파로의 폭은,
    상기 테이퍼 영역보다 상기 활성 영역 내에서 좁도록 형성되며, 상기 활성 영역 내에서 상기 활성층의 폭보다 좁게 형성되고, 상기 테이퍼 영역 내에서 상기 테이퍼층의 폭보다 크도록 형성되는, 발광소자.
  16. 제 9 항에 있어서, 상기 발광소자는,
    SLD(Superluminescent Diode)인, 발광소자.
  17. 제 9 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에
    따르는 발광소자; 및
    상기 테이퍼층의 단부가 배치된 상기 발광소자의 출력단과 인접하게 배치되어, 상기 발광소자의 출력단으로부터 출사된 광을 발진시켜 레이저를 발생시키는 반사기;를 포함하며,
    상기 반사기는,
    상기 발광소자의 출력단으로부터 출사된 광을 입력 받는 제 1 광도파로, 상기 제 1 광도파로로부터 입사된 광을 발진시키는 제 2 광도파로 및 상기 제 2 광도파로에서 발진된 광을 상기 반사기의 외부로 출사시키는 제 3 광도파로를 포함하는, 파장 가변 외부 공진 레이저.
  18. 제 17 항에 있어서, 상기 발광소자는,
    상기 발광소자의 활성층의 단부가 배치된 상기 발광소자의 입력단에 배치되어, 상기 활성층으로부터 발생된 광을 반사시켜 상기 광이 상기 발광소자의 출력단으로 향하게 하는 반사 코팅부를 더 포함하는, 파장 가변 외부 공진 레이저.
  19. 제 18 항에 있어서, 상기 반사기의 제 1 광도파로는,
    상기 발광소자의 출력단으로부터 출사된 광의 출사방향에 대응하도록, 상기 발광소자의 출력단과 인접하게 배치되는 상기 반사기의 표면에 대하여 15~25°로 경사지어 형성된, 파장 가변 외부 공진 레이저.
  20. 제 17 항에 있어서, 상기 파장 가변 외부 공진 레이저는,
    상기 발광소자와 상기 반사기 간의 결합효율을 높이기 위하여 상기 발광소자의 출력단과 상기 반사기 사이에 배치되는 렌즈를 더 포함하는, 파장 가변 외부 공진 레이저.
KR1020150113293A 2015-08-11 2015-08-11 발광소자, 발광소자 제작방법 및 발광소자를 이용한 파장 가변 외부 공진 레이저 KR102227282B1 (ko)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020150113293A KR102227282B1 (ko) 2015-08-11 2015-08-11 발광소자, 발광소자 제작방법 및 발광소자를 이용한 파장 가변 외부 공진 레이저
US15/159,853 US9859682B2 (en) 2015-08-11 2016-05-20 Luminescent diode, method for manufacturing the luminescent diode and wavelength tunable external cavity laser using the luminescent diode

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020150113293A KR102227282B1 (ko) 2015-08-11 2015-08-11 발광소자, 발광소자 제작방법 및 발광소자를 이용한 파장 가변 외부 공진 레이저

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20170019199A true KR20170019199A (ko) 2017-02-21
KR102227282B1 KR102227282B1 (ko) 2021-03-15

Family

ID=57994398

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020150113293A KR102227282B1 (ko) 2015-08-11 2015-08-11 발광소자, 발광소자 제작방법 및 발광소자를 이용한 파장 가변 외부 공진 레이저

Country Status (2)

Country Link
US (1) US9859682B2 (ko)
KR (1) KR102227282B1 (ko)

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2020038905A (ja) * 2018-09-04 2020-03-12 ルネサスエレクトロニクス株式会社 半導体レーザおよび半導体レーザの製造方法
WO2020255281A1 (ja) * 2019-06-19 2020-12-24 三菱電機株式会社 半導体光素子
US11921298B2 (en) * 2020-09-22 2024-03-05 Ii-Vi Delaware, Inc. Spot-size converter
JPWO2023042855A1 (ko) * 2021-09-16 2023-03-23
WO2023228234A1 (ja) * 2022-05-23 2023-11-30 三菱電機株式会社 半導体レーザ、半導体レーザ装置、及び半導体レーザの製造方法

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20080052233A (ko) * 2006-12-06 2008-06-11 한국전자통신연구원 광모드 크기 변환기가 집적된 레이저 소자
KR100842277B1 (ko) * 2006-12-07 2008-06-30 한국전자통신연구원 반사형 반도체 광증폭기 및 수퍼 루미네센스 다이오드
US20120307857A1 (en) * 2011-06-02 2012-12-06 Electronics And Telecommunications Research Institute Superluminescent diode, method of manufacturing the same, and wavelength-tunable external cavity laser including the same

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6256330B1 (en) * 1996-12-02 2001-07-03 Lacomb Ronald Bruce Gain and index tailored single mode semiconductor laser
KR19980058399A (ko) 1996-12-30 1998-10-07 김영환 Rwg 레이저 다이오드 제조 방법
KR100397609B1 (ko) * 2001-02-16 2003-09-13 삼성전기주식회사 캐리어 유입 경로의 폭을 임의로 제어할 수 있는 반도체레이저 다이오드
KR100427581B1 (ko) 2002-02-21 2004-04-28 한국전자통신연구원 반도체 광소자의 제조방법
US7359418B2 (en) * 2003-02-13 2008-04-15 Hamamatsu Photonics K.K. Quantum cascade laser
US7580441B2 (en) * 2005-12-07 2009-08-25 Electronics And Telecommunications Research Institute Athermal external cavity laser
KR100958338B1 (ko) 2007-12-18 2010-05-17 한국전자통신연구원 광 증폭기가 집적된 슈퍼루미네슨트 다이오드 및 이를이용한 외부 공진 레이저
KR20130120266A (ko) 2012-04-25 2013-11-04 한국전자통신연구원 분포 궤환형 레이저 다이오드

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20080052233A (ko) * 2006-12-06 2008-06-11 한국전자통신연구원 광모드 크기 변환기가 집적된 레이저 소자
KR100842277B1 (ko) * 2006-12-07 2008-06-30 한국전자통신연구원 반사형 반도체 광증폭기 및 수퍼 루미네센스 다이오드
US20120307857A1 (en) * 2011-06-02 2012-12-06 Electronics And Telecommunications Research Institute Superluminescent diode, method of manufacturing the same, and wavelength-tunable external cavity laser including the same

Also Published As

Publication number Publication date
US20170047710A1 (en) 2017-02-16
US9859682B2 (en) 2018-01-02
KR102227282B1 (ko) 2021-03-15

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5387671B2 (ja) 半導体レーザ及び集積素子
KR100958338B1 (ko) 광 증폭기가 집적된 슈퍼루미네슨트 다이오드 및 이를이용한 외부 공진 레이저
KR102227282B1 (ko) 발광소자, 발광소자 제작방법 및 발광소자를 이용한 파장 가변 외부 공진 레이저
KR101208030B1 (ko) 외부 공진 레이저 광원
US9995876B2 (en) Configurable compact photonic platforms
JP2009246241A (ja) 半導体光素子および光モジュール
KR20080052093A (ko) 반사형 반도체 광증폭기 및 수퍼 루미네센스 다이오드
EP3066727A1 (en) Lasers with beam shape and beam direction modification
US6445722B2 (en) Single-transverse-mode laser diode with multi-mode waveguide region and manufacturing method of the same
US9502861B2 (en) Semiconductor laser
JPH02205092A (ja) 半導体ダイオードレーザおよびその製造方法
JP2000208862A (ja) 半導体光集積素子及びその製造方法
US20210143609A1 (en) Semiconductor optical device and method for producing semiconductor optical device
KR20080052233A (ko) 광모드 크기 변환기가 집적된 레이저 소자
US20220320813A1 (en) Optical Device
JP5616629B2 (ja) 高輝度発光ダイオード
KR20150048017A (ko) 수퍼루미네센트 다이오드 및 그의 구현 방법
CN110178275B (zh) 半导体激光元件、半导体激光元件的制造方法
JP2017092382A (ja) 量子カスケードレーザデバイス
JP2000068553A (ja) スーパールミネッセントダイオード
JP2015220358A (ja) 光素子
JPH11330540A (ja) スーパールミネッセントダイオード
JPH0448792A (ja) 窓領域を有する半導体能動光素子
JPS5880887A (ja) 半導体レ−ザ・フオトダイオ−ド光集積化素子
JP2016149415A (ja) 半導体光集積素子

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