KR20180015630A - 수직 공동 표면 방사 레이저 - Google Patents

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필립 헤닝 헤를라흐
로저 킹
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코닌클리케 필립스 엔.브이.
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Abstract

본 발명은 제 1 전기 접촉부(105), 기판(110), 제 1 분산 브래그 반사기Distributed Bragg Reflector)(115), 활성 층(120), 제 2 분산 브래그 반사기(130) 및 제 2 전기 접촉부(135)를 포함하는 수직 공동 표면 방사 레이저(Vertical Cavity Surface Emitting Laser)(100)에 관한 것이다. 수직 공동 표면 방사 레이저는 0.95≤y≤1이고 적어도 40nm의 두께를 갖는 적어도 하나의 AlyGa(1-y)As 층을 포함하고, AlyGa(1-y)As 층은 적어도 하나의 산화 제어 층(119, 125b)에 의해 분리된다. 본 발명은 또한, 이러한 VCSEL(100) 바람직하게, 전기 구동 회로(310)에 의해 구동되는 한 어레이의 이러한 VCSEL들(100)을 포함하는 레이저 디바이스(300)에 관한 것이다. 본 발명은 또한, 이러한 VCSEL(100)을 제조하는 방법에 관한 것이다.

Description

수직 공동 표면 방사 레이저
본 발명은 수직 공동 표면 방사 레이저(Vertical Cavity Surface Emitting Laser; VCSEL), 이러한 VCSEL을 포함하는 레이저 디바이스 및 이러한 VCSEL을 제작하는 대응 방법에 관한 것이다.
최신식의 수직 공동 표면 방사 레이저들(VCSELs)은 산화된 고 Al 포함 층을 가져서 캐리어들 및 광자들을 가두기 위해 전류 개구를 형성한다. 메사 에칭(Mesa etching)은 개구 층을, 또한 분산 브래그 반사기 레이저들(Distributed Bragg Reflector lasers; DBRs)과 같은 다른 층들이 산화 공정에 노출되는 부작용을 갖는 측 산화 공정에 노출시키기 위해 필요하다. DBR 층들의 기생 산화 레이트가 실제 이용을 위해 DBR들에서의 고 Al 일부를 ~90%로 제한하는 개구 층보다 느리다는 것이 중요하다.
US 2010/0226402 A1은 기판 측면으로부터 순서대로 하부 멀티층 반사 미러, 활성 층 및 상부 멀티층 반사 미러를 포함하는 적층 구성을 포함하는 레이저 다이오드를 개시하고, 적층 구성은 하부 멀티층 반사 미러, 활성 층 및 상부 멀티층 반사 미러의 상부 부분을 포함하는 원주형 메사 섹션을 포함하고, 하부 멀티층 반사 미러는 저 굴절률 층 및 고 굴절률 층의 복수의 쌍들, 및 저 굴절률 층들 중 하나 이상의 중심 영역을 제외한 영역에서 메사 섹션의 중심 축 주위를 회전하는 방향으로 비균일적으로 분산된 복수의 산화 층들을 포함한다.
EP 0 905 835 A1는 측면 산화 공정으로부터 형성된 독립적으로 어드레싱가능하고, 고 밀도인 수직 공동 표면 방사 레이저/LED 구조를 개시한다. 레이저 구조의 개구는 측면 습식 산화에 의해 또는 레이저 구조로 에칭된 반 고리형 홈으로부터 측면 습식 산화 및 선택형 층 내부혼합 둘 모두에 의해 형성된다.
본 발명의 목적은 개선된 VCSEL을 제공하는 것이다.
제 1 양태에 따라, 수직 공동 표면 방사 레이저가 제공된다. 수직 공동 표면 방사 레이저는 제 1 전기 접촉부, 기판, 제 1 분산 브래그 반사기, 활성 층, 제 2 분산 브래그 반사기 및 제 2 전기 접촉부를 포함한다. 수직 공동 표면 방사 레이저는 0.95≤y≤1이고 적어도 40nm의 두께를 갖는 적어도 하나의 AlyGa(1-y)As 층을 포함하고, AlyGa(1-y)As 층은 적어도 하나의 산화 제어 층에 의해 분리된다.
용어 "층"은, 층이 2개 이상의 서브 층들을 포함하는 것을 배제하지 않는다. VCSEL은 제 1 및 제 2 전기 접촉부에 의해 공급된 구동 전류를 활성 층의 정의된 영역으로 가두기 위한 전류 개구 층을 포함할 수 있다. VCSEL은 하나, 2개, 3개, 4개 또는 다수의 AlyGa(1-y)As 층들을 포함할 수 있다. AlyGa(1-y)As 층 또는 층들은 DBR 또는 예를 들면, 전류 개구 층에 의해 포함될 수 있다. AlyGa(1-y)As 층의 두께는 적어도 40nm, 바람직하게 적어도 50nm, 더 바람직하게 적어도 60nm일 수 있다. 미리 규정된 전류로 구동될 때, AlyGa(1-y)As 층의 두께는 가장 바람직하게 VCSEL의 방사 파장들의 1/4의 범위에 있을 수 있다. AlyGa(1-y)As 층의 알루미늄 함량은 95%보다 많고, 바람직하게 98%보다 많고, 더 바람직하게 99%보다 많으며, 가장 바람직하게 100%일 수 있다. AlyGa(1-y)As 층은 하나, 2개, 3개 또는 그 이상의 산화 제어 층들에 의해 분리될 수 있다. 특히 AlyGa(1-y)As 층의 두께가 40nm와 VCSEL의 방사 파장들의 1/4 사이의 범위에 있으면, AlyGa(1-y)As 층 내의 산화 제어 층들의 수는 4개 또는 5개의 산화 제어 층들로 제한될 수 있다. 산화 제어 층 또는 층들은 산화 제어 층 또는 층들이 없이 동일한 알루미늄 함량을 갖는 AlyGa(1-y)As 층과 비교하여 AlyGa(1-y)As 층의 산화 레이트를 감소시키도록 적응된다.
제 1 또는 제 2 분산 브래그 반사기는 바람직하게, 적어도 하나의 AlyGa(1-y)As 층을 포함할 수 있다. AlyGa(1-y)As 층 또는 층들은 이 경우에 DBR의 반사율에 기여한다.
산화 제어 층의 물질은 바람직하게, 0≤y≤0.9인 AlyGa(1-y)As를 포함하거나 그것으로 구성될 수 있다. 알루미늄 함량의 범위는 바람직하게 0.2와 0.7 사이, 더 바람직하게 0.4와 0.6 사이일 수 있다. 순수한 갈륨 비소(gallium arsenide)의 산화 제어 층들은, 상대적으로 두꺼운 산화 제어 층들이 이용되면 흡수가 약 800nm의 방사 파장 위로 증가하는 단점을 가질 수 있다. 얇은 산화 제어 층들(약 1nm의 두께)의 경우에 효과는 무시가능하다.
수직 공동 표면 방사 레이저는 바람직하게, y>0.99의 알루미늄 함량을 갖는 적어도 하나의 AlyGa(1-y)As 층을 포함한다. 적어도 하나의 AlyGa(1-y)As 층은 바람직하게, 적어도 2개의 산화 제어 층들, 더 바람직하게 정확하게 2개 내지 5개의 산화 제어 층들에 의해 분리된다. 산화 제어 층의 물질은 바람직하게, 0.4≤x≤0.6인, 더 바람직하게 약 50%의 알루미늄 함량을 갖는 AlxGa(1-x)As를 포함한다. 적어도 제 1(하부) DBR의 각각의 저 굴절률 층은 바람직하게, y>0.99의 알루미늄 함량을 갖거나 적어도 하나의 산화 제어 층들을 포함하는 AlyGa(1-y)As 층을 포함하거나 그것으로 구성된다. 제 2 DBR 및 하나 이상의 전류 개구 층이 y>0.99의 알루미늄 함량을 갖거나 적어도 하나의 산화 제어 층들을 포함하는 AlyGa(1-y)As 층을 포함하거나 그것으로 구성됨이 또한 이로울 수 있다. 현재 개구 층은 방사 파장들의 절반 또는 그의 정수배의 두께를 가질 수 있다.
적어도 하나의 산화 제어 층은 0.7nm와 3nm 사이, 바람직하게 0.8nm와 2nm 사이, 더 바람직하게 0.9nm와 1.5nm 사이의 두께를 갖는다. 적어도 하나의 산화 제어 층(119, 125b)의 두께는 AlyGa(1-y)As 층의 총 두께의 3%와 10% 사이를 포함할 수 있다. AlyGa(1-y)As 층의 총 두께는 AlyGa(1-y)As 층의 모든 서브 층들의 전체 두께에 의해 결정되고, 상기 모든 서브 층들은 산화 제어 층 또는 층들 그리고 산화 제어 층 또는 층들의 두께에 의해 분리된다.
전류 개구 층은 적어도 하나의 AlyGa(1-y)As 층을 포함할 수 있다. 현재 개구 층은 VCSEL의 방사 파장의 절반 또는 그의 정수배의 두께를 가질 수 있다. 전류 개구 층은 이 경우에, 인접 DBR의 반사율에 대해 어떠한 효과도 갖지 않을 것이다. 바람직하게, 전류 개구 층이 인접 DBR의 반사율에 기여할 수 있거나 심지어 DBR의 일부일 수 있도록 전류 개구 층은 VCSEL의 방사 파장의 1/4 또는 그의 홀수배의 두께를 가질 수 있다.
수직 공동 표면 방사 레이저는 제 1 전기 접촉부, 기판, 제 1 분산 브래그 반사기, 활성 층, 제 2 분산 브래그 반사기 및 제 2 전기 접촉부를 포함한다. 수직 공동 표면 방사 레이저는 적어도 2개의 전류 개구 층들을 포함할 수 있고, 전류 개구 층들은 활성 층 아래 또는 위에 배열된다. 적어도 2개의 전류 개구 층들 둘 모두는 바람직하게, 활성 층 아래 또는 위에 배열될 수 있다. 대안적으로, 적어도 2개의 전류 개구 층들 중 하나가 활성 층 아래에 배열될 수 있고 적어도 2개의 전류 개구 층들 중 다른 하나가 바람직하게, 활성 층 위에 배열될 수 있음이 가능할 수 있다. 적어도 2개의 전류 개구 층들 중 제 1 전류 개구 층은 적어도 2개의 전류 개구 층들 중 제 2 전류 개구 층보다 활성 층에 더 가까이 배열될 수 있다. 더 가까운은 이 점에 있어서, 층들에 수직인 층들 사이의 더 가까운 간격을 의미한다. 적어도 2개의 전류 개구 층들 중 제 1 전류 개구 층이 적어도 2개의 전류 개구 층들 중 제 2 전류 개구 층과 활성 층 사이에 배열될 수 있음이 바람직할 수 있다. 제 1 전류 개구 층은 제 2 전류 개구 층의 제 2 전류 개구보다 더 큰 크기를 갖는 제 1 전류 개구를 포함할 수 있다. 전류 개구들의 크기는 전류 개구 층들의 산화되지 않은 부분들에 의해 주어진다. 전류 개구의 크기가 지름에 의해 정의될 수 있도록 전류 개구는 원형 형상을 가질 수 있다. 전류 개구의 형상은 대안적으로, 타원형, 직사각형, 삼각형 등일 수 있다. 전류 개구의 형상은 VCSEL의 메사의 형상 및 산화 공정에 의해 주로 결정된다. 원형 전류 개구들의 경우에, 원들의 중심들이 공통 대칭 축을 따라 배열되도록 전류 개구들은 이 공통 대칭 축을 포함한다. 적어도 2개의 전류 개구 층들의 각각은 바람직하게, 하나 이상의 산화 제어 층 또는 층들을 갖는 AlyGa(1-y)As 층을 포함할 수 있다. AlyGa(1-y)As 층들의 두께는 40nm 예를 들면, 30nm 또는 심지어 20nm 미만일 수 있다. 개구들의 크기가 정밀한(precise) 방식으로 제조될 수 있도록 AlyGa(1-y)As 층들은 상이한 크기들을 갖는 전류 개구들의 제조 또는 공정을 단순화할 수 있다. 대안적으로, AlGaAs 층들의 산화는 AlGaAs 층들(등급별 알루미늄 함량을 갖는 층들) 내의 알루미늄 함량의 정의된 변화들 또는 AlGaAs 층들의 상이한 Al 농도들을 제공함으로써 제어될 수 있다. 적어도 2개의 전류 개구 층들은 이 경우에 또한, 평균 알루미늄 농도 또는 95% 미만의 알루미늄 농도를 갖는 AlGaAs 층들을 포함할 수 있다. 산화 제어 층들을 갖는 AlyGa(1-y)As 층들이 바람직할 수 있도록 상이한 전류 개구 층들의 산화 폭의 충분한 제어를 가능하게 하기 위해 AlGaAs 층들 내의 알루미늄 농도는 매우 정밀한 방식으로 제어될 필요가 있다. VCSEL의 동작 동안, 제 1 전류 개구의 에지에서의 고 전류 밀도들이 회피되도록 제 1 및 제 2 전류 개구 층이 배열되거나 VCSEL의 높은 신뢰성(reliability) 및 수명이 가능해지도록 적어도 제한된다. 제 1 및 제 2 전류 개구 층은 바람직하게, 제 1 또는 제 2 DBR의 층 배열에 배열될 수 있다.
제 1 전류 개구를 갖는 제 1 전류 개구 층은 바람직하게, 활성 층의 상부 측 또는 하부 측에, 또는 약간 상이한 표현으로, 전하 캐리어들의 측 확산이 회피되도록 활성 층에 가까운 것에 부착될 수 있다. VCSEL의 동작 동안, 제 1 전류 개구의 에지에서의 전류 밀도들이 100kA/cm2 미만이 되도록 제 2 전류 개구를 갖는 제 2 전류 개구 층이 배열된다. 제 1 전류 개구의 에지에서의 전류의 제한(전류 피킹(current peaking))은 VCSEL의 신뢰성 및 수명을 증가시키고 부가로, 특히 단일 모드의 VCSEL들을 위해 원하지 않게 될 수 있는 더 높은 순차의 레이저 모드들의 지원을 회피할 수 있다.
최소 크기를 갖는 제 2 전류 개구 또는 더 일반적으로 전류 개구는 바람직하게, VCSEL의 방사 파장의 반의 정수배에 대응하는 간격으로, 더 바람직하게 VCSEL의 방사 파장의 반의 짝수배에 대응하는 간격으로, 가장 바람직하게 활성 층에 대한 VCSEL의 방사 파장의 반의 6배의 간격으로 배열될 수 있다. DBR들의 저 굴절 층들과 비교하여 고 굴절 층인 활성 층과 제 2 전류 개구 사이의 간격은 제 2 전류 개구를 갖는 층 다음의 활성 층의 측면에서 (지지 층들을 포함하는) 활성 층 내의 정상파 패턴(standing wave pattern)의 노드 및 제 2 전류 개구를 포함하는 제 2 전류 개구 층 내의 정상파 패턴의 노드로부터 취해진다. 최소 크기를 갖는 전류 개구의 산화 프로파일은 광학 유도를 회피하기 위해 테이퍼링(tapering)될 수 있다.
수직 공동 표면 방사 레이저는 바람직하게, 다음의 방법에 따라 제조될 수 있다. 방법은:
- 제 1 전기 접촉부를 제공하는 단계,
- 기판을 제공하는 단계,
- 제 1 분산 브래그 반사기를 제공하는 단계,
- 활성 층을 제공하는 단계,
- 제 2 분산 브래그 반사기를 제공하는 단계,
- 제 2 전기 접촉부를 제공하는 단계,
- 적어도 2개의 전류 개구 층들을 제공하는 단계로서, 적어도 2개의 전류 개구 층들은 활성 층 아래에 또는 위에 배열되는, 상기 적어도 2개의 전류 개구 층 제공 단계,
- 적어도 2개의 전류 개구 층들 중 제 1 전류 개구 층을 적어도 2개의 전류 개구 층들 중 제 2 전류 개구 층보다 활성 층에 더 가까이 배열하는 단계.
- 제 1 전류 개구 층에서 제 1 전류 개구를 제공하는 단계,
- 제 2 전류 개구 층에서 제 1 전류 개구와 같은 더 작은 크기를 갖는 제 2 전류 개구를 제공하는 단계를 포함한다.
방법 단계들은 반드시 상기 주어진 순서로 수행될 필요는 없다. 기판은 예를 들면, 제 1 단계에서 제공되고 제 1 전기 접촉부는 제 2 단계에서 제공될 수 있다. 제 1 및 제 2 전류 개구를 제공하는 단계는 제 1 및 제 2 전류 개구 층을 제공하는 단계 및 상기 층들을 후속 단계에서 산화하는 단계를 포함할 수 있다. 제 1 및 제 2 전류 개구 층들은 상기 및 하기에 설명된 바와 같이 서브층들 및 산화 제어 층들을 교번적으로 증착함으로써 제공될 수 있다. 산화 제어 층의 수 및 산화 제어 층들 사이의 간격은 산화 폭 따라서, 전류 개구들의 크기를 제어하기 위해 이용될 수 있다. 제 1 및 제 2 전류 개구 층들은 대안적으로, 상기 설명된 바와 같이 층들 내의 고르게(smoothly) 달라지는 알루미늄 함량 또는 상이한 알루미늄 농도를 갖는 층들을 증착함으로써 제공될 수 있다. 그들의 알루미늄 함량 또는 알루미늄 함량의 변화는 전류 개구 층들의 인텐던트(intendant) 산화 폭에 대해 층들에서 적응될 수 있다. 산화 공정은 대안적으로, 동일한 알루미늄 함량을 갖는 전류 개구 층들에 의해 수행될 수 있다. 상이한 전류 개구들의 산화 폭은 각각의 산화 제어 층에 대한 산화 개구를 후속적으로 에칭함으로써 제어될 수 있다. 전류 개구들의 순차적 에칭을 상이한 알루미늄 함량 및/또는 산화 제어 층들과 조합하는 것이 또한 가능할 수 있다. 제 1 전류 개구 및 제 2 전류 개구의 크기 사이의 차는 참조로서 원형 개구를 취하면 바람직하게, 지름으로 1㎛과 6㎛ 사이이다.
상기 그리고 다음에서 설명된 모든 바람직한 실시예들은 또한, 적어도 제 1 및 제 2 전류 개구 층들을 포함하는 VCSEL에 포함될 수 있고, 제 1 전류 개구는 더 큰 크기를 갖는다.
VCSEL은 전류 개구들을 갖는 3개, 4개, 5개 또는 그 이상의 전류 개구 층들을 포함할 수 있다. 활성 층 다음의 제 1 전류 개구 층의 측면 상에 배열되는 전류 개구 층들 중 적어도 하나의 전류 개구의 크기는 제 1 전류 개구의 크기보다 작다. 전류 개구들 중 2개 이상의 크기는 동일할 수 있다. 대안적으로, 모든 전류 개구들의 크기는 상이할 수 있고, 전류 개구들의 크기는 활성 층에 수직인 방향에서 감소하며, 제 1 전류 개구는 최대 크기를 갖는다. 활성 층의 방향에 수직인 2개의 인접 전류 개구 층들 사이의 간격이 모든 전류 개구 층들에 대해 동일하도록 전류 개구 층들은 같은 간격으로 배열될 수 있다. 대안적으로, 전류 개구 층들 사이의 간격이 달라짐이 가능할 수 있다. 제 1 또는 제 2 DBR은 예를 들면, 제 1 전류 개구를 갖는 제 1 전류 개구 층을 포함하는 제 1 저 굴절률 층을 포함할 수 있다. 제 4 저 굴절률 층은 제 2 전류 개구를 갖는 제 2 전류 개구 층을 포함할 수 있고 제 5 저 굴절률 층은 제 3 전류 개구를 갖는 제 3 전류 개구 층을 포함할 수 있다. 제 2 전류 개구의 크기는 제 3 전류 개구의 크기보다 작을 수 있다.
수직 공동 표면 방사 레이저는 테이퍼링된 산화 프로파일을 포함하는 적어도 하나의 AlyGa(1-y)As 층 또는 하나, 2개, 3개 또는 그 이상의 AlyGa(1-y)As 층들을 포함할 수 있다. 테이퍼링된 산화 프로파일을 갖는 적어도 하나의 AlyGa(1-y)As 층은 바람직하게, 적어도 2개의 산화 제어 층들을 포함할 수 있다. 적어도 2개의 산화 제어 층들은 적어도 하나의 AlyGa(1-y)As 층을 적어도 3개의 서브 층들로 분리하고, 3개의 서브 층들 중 적어도 하나는 다른 서브 층들과 상이한 두께를 갖는다. 상이한 두께를 갖는 서브 층은 바람직하게, 다른 서브 층들과 비교하여 더 두껍다. 테이퍼링된 산화 프로파일이 산화 공정 동안 구축되도록 더 두꺼운 서브 층은 인접 서브 층과 같이 더 빠르게 산화한다. 테이퍼링된 산화 프로파일은 산화 공정 동안 산화되지 않는 AlyGa(1-y)As 층 내의 최소 지름을 의미하는 웨이스트라인(waistline)을 포함한다. 미리 정의된 전기 구동 전류로 구동될 때, 테이퍼링된 산화 프로파일의 웨이스트라인은 바람직하게, 수직 공동 표면 방사 레이저의 정상파 패턴의 노드의 범위에서 배열된다. 노드의 범위에서 웨이스트라인이 정상파 패턴의 최대치보다 노드에 훨씬 가까이 배열됨을 의미한다. 노드와 웨이스트라인 사이의 간격은 바람직하게, 35nm 미만, 더 바람직하게 25nm 미만이다. 정상파 패턴의 노드의 범위에 테이퍼링된 산화 프로파일의 웨이스트라인을 배열하는 것은 두꺼운 AlyGa(1-y)As 층 내의 정상파 패턴의 강한 유도가 회피되거나 적어도 감소되는 장점을 가질 수 있다. 이러한 유도는 일반적으로, 약 30nm 또는 그 미만의 두께를 갖는 얇은 전류 개구 층들을 이용함으로써 회피되거나 제한된다.
제 1 또는 제 2 분산 브래그 반사기는 다수의 AlyGa(1-y)As 층들을 포함할 수 있고, AlyGa(1-y)As 층들은 적어도 하나의 산화 제어 층에 의해 분리된다. AlyGa(1-y)As 층들은 최대 3개의 산화 제어 층들을 포함할 수 있다. 냉각 구조체 상에 장착될 때, AlyGa(1-y)As 층들은 냉각 구조체에 대한 수직 공동 표면 방사 레이저(100)의 열저항을 감소시키도록 배열될 수 있다. AlyGa(1-y)As 층들을 포함하는 DBR은 VCSEL 및 냉각 구조체의 배열에 의존하는 상부 또는 하부 DBR일 수 있다. 가장 공통적인 배열은 상부 방사 VCSEL의 경우에 하부 DBR이 될 것이다. AlyGa(1-y)As 층들의 고 알루미늄 함량은 고 열 전도도를 야기한다. 알루미늄 함량은 따라서, 바람직하게 가능한 한 높을 수 있고 예를 들면, 100 퍼센트이다. AlyGa(1-y)As 층들은 이 경우에 AlAs 층들이다.
AlyGa(1-y)As 층들의 고 알루미늄 함량은 또한, VCSEL의 기생 용량을 감소시키기 위해 이용될 수 있다. 제 1 또는 제 2 분산 브래그 반사기는 따라서, 다수의 AlyGa(1-y)As 층들을 포함할 수 있다. AlyGa(1-y)As 층들은 적어도 하나의 산화 제어 층, 바람직하게 최대 3개의 산화 제어 층들에 의해 분리된다. AlyGa(1-y)As 층들을 포함하는 DBR은 VCSEL의 배열에 의존하는 상부 또는 하부 DBR일 수 있다. 가장 공통적인 배열은 상부 방사 VCSEL의 경우에 상부 DBR이 될 것이다.
제 1 및 제 2 분산 브래그 반사기는 다수의 고 굴절률 층들 및 다수의 저 굴절률 층들을 포함하고, 저 굴절률 층들은 상기 AlyGa(1-y)As 층들을 포함하거나 상기 AlyGa(1-y)As 층들이다. AlyGa(1-y)As 층들은 적어도 하나의 산화 제어 층, 바람직하게 최대 3개의 산화 제어 층들에 의해 분리된다.
제 2 양태에 따라, 레이저 디바이스가 제공된다. 레이저 디바이스는 상기 설명된 임의의 실시예들에 따른 적어도 하나의 수직 공동 표면 방사 레이저 및 수직 공동 표면 방사 레이저를 전기적으로 구동하기 위한 전기 구동 회로를 포함한다. 레이저 디바이스는 선택적으로, 예를 들면 배터리 또는 재충전가능한 배터리 장치와 유사한 전기 전원을 더 포함할 수 있다. 레이저 디바이스는 광 센서 디바이스, 광 데이터콤 디바이스 등에 결합될 수 있다.
제 3 양태에 따라, 수직 공동 표면 방사 레이저를 제작하는 방법이 제공된다. 방법은:
- 제 1 전기 접촉부를 제공하는 단계,
- 기판을 제공하는 단계,
- 제 1 분산 브래그 반사기를 제공하는 단계,
- 활성 층을 제공하는 단계,
- 제 2 분산 브래그 반사기를 제공하는 단계,
- 제 2 전기 접촉부를 제공하는 단계,
- 0.95≤y≤1이고 적어도 40nm의 두께를 갖는 적어도 하나의 AlyGa(1-y)As 층을 제공하는 단계를 포함하고, AlyGa(1-y)As 층은 적어도 하나의 산화 제어 층에 의해 분리된다.
방법 단계들은 반드시 상기 주어진 순서로 수행될 필요는 없다. 기판은 예를 들면, 제 1 단계에서 제공되고 제 1 전기 접촉부는 제 2 단계에서 제공될 수 있다. 적어도 하나의 AlyGa(1-y)As 층은 제 1 및/또는 제 2 DBR을 제공하는 단계 내에 제공될 수 있다. 방법은 선택적으로, 적어도 하나의 AlyGa(1-y)As 층일 수 있는 전류 개구 층을 제공하는 부가적인 단계를 포함할 수 있다.
제 4 양태에 따라, 레이저 디바이스를 제작하는 단계가 제공된다. 방법은:
- 상기 설명된 바와 같은 VCSEL을 제공하는 단계,
- 전기 구동 회로를 제공하는 단계, 및 선택적으로
- 전기 전원을 제공하는 단계를 포함한다.
청구항 제 1 항 내지 제 13 항에 따른 VCSEL 및 청구항 제 15 항의 방법이 특히, 종속 청구항들에서 정의된 바와 같이, 유사하고/하거나 동일한 실시예들을 가짐이 이해될 것이다.
본 발명의 바람직한 실시예가 또한, 각각의 독립 청구항과의 종속 청구항들의 임의의 조합일 수 있음이 이해될 것이다. 청구항 제 5 항 및 제 6 항의 특징들은 예를 들면, 청구항 제 2 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항의 특징들과 조합될 수 있다. 청구항들 제 7 항 및 제 8 항, 제 11 항, 제 12 항 그리고 제 13 항의 특징들은 예를 들면, 청구항 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항의 특징들과 조합될 수 있다. 청구항 제 9 항의 특징들은 예를 들면, 청구항 제 8 항의 특징들과 조합될 수 있다.
또 다른 이로운 실시예들이 하기에 설명될 것이다.
본 발명의 이들 그리고 다른 양태들은 이하에 설명된 실시예들로부터 분명해질 것이고 그들을 참조하여 더 자세히 설명될 것이다.
본 발명은 이제 첨부된 도면들을 참조한 실시예들에 기초하여 예로서 설명될 것이다.
도 1은 제 1 VCSEL의 주요 스케치를 도시한 도면.
도 2는 전류 개구 층의 주요 스케치를 도시한 도면.
도 3은 제 2 VCSEL의 주요 스케치를 도시한 도면.
도 4는 제 2 VCSEL의 제 1 DBR의 주요 스케치를 도시한 도면.
도 5는 제 1 DBR의 저 굴절률 층의 주요 스케치를 도시한 도면.
도 6은 제 3 VCSEL의 층 구조체의 주요 스케치를 도시한 도면.
도 7은 제 4 VCSEL의 층 구조체의 주요 스케치를 도시한 도면.
도 8은 제 5 VCSEL의 층 구조체의 주요 스케치를 도시한 도면.
도 9는 제 6 VCSEL의 층 구조체의 주요 스케치를 도시한 도면.
도 10은 제 7 VCSEL의 층 구조체의 주요 스케치를 도시한 도면.
도 11은 제 8 VCSEL의 층 구조체의 주요 스케치를 도시한 도면.
도 12는 산화 프로파일의 주요 스케치를 도시한 도면.
도 13은 정상파 패턴의 주요 스케치를 도시한 도면.
도 14는 제 9 VCSEL의 층 구조체의 주요 스케치를 도시한 도면.
도 15는 레이저 디바이스의 주요 스케치를 도시한 도면.
도 16은 VCSEL을 제작하는 방법의 공정 흐름의 주요 스케치를 도시한 도면.
도면들에서, 유사한 부호들은 도면에 걸쳐서 유사한 객체들을 언급한다. 도면들에서의 객체들은 반드시 크기대로 도시되지 않는다.
본 발명의 다양한 실시예들은 이제 도면들에 의해 설명될 것이다.
도 1은 제 1 VCSEL(100)의 주요 스케치를 도시한다. 제 1 VCSEL(100)은 기판(110)으로부터 먼 방향으로 레이저 광을 방사하는 상부 방사 VCSEL(100)이다. 기판(110)의 하부 측 상에, 제 1 전기 접촉부(105)가 제공된다. 기판의 상부 측 상에, 제 1 및 제 2 굴절률을 갖는 30개의 쌍들의 층들을 포함하는 제 1 DBR(115)이 제공된다. 제 1 DBR(115)의 층들의 쌍들은 고 및 저 알루미늄 함량을 갖는 AlGaAs 층들을 포함한다. 알루미늄 함량은 극단의 경우들에서 그리고 VCSEL(100)의 방사 파장에 의존하여, 고 굴절률 물질에 대해 0%이고 저 굴절률 물질에 대해 최대 100%일 수 있다. 층들의 두께는 99.9%보다 높은 요청된 반사율을 제공하기 위해 VCSEL(100)의 방사 파장(1/4 파장 두께)에 적응된다. 제 1 DBR(115)의 위에 활성 층(120)이 제공된다. 활성 층(120)은 광 생성을 위한 양자 우물 구조체를 포함한다. n 전류 주입 층(도시되지 않음)은 제 1 DBR(115)과 활성 층(120) 사이에 배열될 수 있다. VCSEL(100)은 850nm의 VCSEL(100)의 방사 파장의 1/4의 범위에 있는 약 70nm의 두께를 갖는 Al0 .98Ga0 .02As 층을 포함하거나 그것으로 구성된 전류 개구 층(125)을 더 포함한다. Al0 .98Ga0 .02As 층은 1nm의 두께를 갖는 Al0 .2Ga0 .8As 층을 포함하거나 그것으로 구성된 5개의 산화 제어 층들을 포함한다. 제 2 DBR(130)은 제 1 DBR의 AlGaAs 층들과 유사하거나 심지어 같은 고 및 저 알루미늄 함량을 갖는 AlGaAs 층들을 포함하는 15개의 쌍들의 층들을 포함한다. 층들의 쌍의 두께는 약 95%의 요청된 반사율을 제공하기 위해 VCSEL(100)의 방사 파장에 적응된다. 링 형상의 제 2 전기 접촉부(135)는 전기적으로 전도성의 제 2 DBR(130)에 전기적으로 접촉된다. VCSEL(100)은 제 2 DBR(130)을 통해 화살표의 방향으로 레이저 광을 방사한다. 전류 개구 층(125)은 활성 층(120) 위에 배열된다.
도 2는 산화 제어 층(125b)에 의해 분리되는 2개의 Al0 .98Ga0 .02As 서브 층들을 갖는 전류 개구 층(125)의 주요 스케치를 도시한다. Al0 .98Ga0 .02As 서브 층들(125a)의 두께는 전류 개구 층(125) 내에 산화 프로파일을 인에이블링(enabling)하기 위해 상이하다. 산화 제어 층(125b)은 VCSEL(100)의 제조 동안 전류 개구 층(125)의 산화의 개선된 제어를 가능하게 한다.
도 3은 제 2 VCSEL(100)의 주요 스케치를 도시한다. 제 2 VCSEL(100)은 기판(110)으로부터 먼 방향으로 레이저 광을 방사하는 상부 방사 VCSEL(100)이다. 기판의 상부 측 상에, 제 1 DBR(115)이 제공된다. 활성 층(120)은 제 1 DBR(115) 위에 제공된다. 전류 개구(122)를 갖는 전류 개구 층(125)은 활성 층(120) 위에 제공된다. 제 2 DBR(130)은 전류 개구 층(125) 위에 제공된다. 전류 개구 층(125)은 AlA들을 포함하거나 그것으로 구성된다. 2개의 산화 제어 층들(125b)을 포함하는 전류 개구 층(125)의 두께는 40nm이다. 제 2 전기 접촉부(135)는 전기적으로 전도성의 제 2 DBR(130)에 전기적으로 접촉된다. VCSEL(100)은 제 2 DBR(130)을 통해 화살표의 방향으로 레이저 광을 방사한다. VCSEL(100)은 또 다른 층들을 예를 들면, 도시되지 않은 버퍼 층들로서 포함할 수 있다. VCSEL(100)은 냉각 구조체(150) 상에 기판(110)과 함께 장착된다. 제 1 전기 접촉부(105)는 제 1 DBR(115) 내에 배열된 전도 층 상에 공동 내(intracavity) 접촉부로서 배열된다.
도 4는 제 2 VCSEL(100)의 제 1 DBR(115)의 주요 스케치를 도시한다. 제 1 DBR(115)은 40개의 고 굴절률 층들(116) 및 저 굴절률 층들(117)의 교번 시퀀스를 포함한다. 고 굴절률 층(116)은 Al0 .05Ga0 .95As를 포함하고 그것으로 구성되며 저 굴절률 층(117)은 1nm의 두께를 갖는 Al0 .5Ga0 .5As를 포함하거나 그것으로 구성된 2개의 산화 제어 층들(119)을 갖는 AlAs를 포함하거나 그것으로 구성된다. 도 5는 제 1 DBR(115)의 저 굴절률 층(117)의 주요 스케치를 도시한다. 3개의 AlAs 서브 층들(118)이 동일한 두께를 갖도록 저 굴절률 층(117)은 2개의 산화 제어 층들(119)에 의해 분리된다. AlAs 층들의 고 열 전도도는 활성 층(120)과 냉각 구조체(150) 사이의 열 저항을 감소시킨다. 산화 제어 층들(119)은 VCSEL(100)의 제조 동안 전류 개구 층(125)의 산화의 개선된 제어를 가능하게 한다. 산화 제어 층들(119)은 전류 개구 층(125)의 산화와 비교하여 저 굴절률 층들(117)의 더 빠른 산화를 회피한다.
도 6은 제 3 VCSEL(100)의 층 구조체의 주요 스케치를 도시한다. 층 구조체가 활성 층(120) 주위에 도시된다. 수직 축(200)은 층들의 AlAs 함량을 보여준다. 수평 축(210)은 좌측에서 제 1 DBR(115) 및 우측에서 제 2 DBR(130)을 갖는 방사 방향을 따르는 VCSEL(100)에 걸친 방향을 보여준다. 제 1 DBR(115)의 4개의 층들이 도시된다. 좌측에서의 제 1 저 굴절률 층(117)은 Al0 .5Ga0 .5As를 포함하거나 그것으로 구성된 3개의 산화 제어 층들(119)을 갖는 AlAs를 포함하거나 그것으로 구성된다. 좌측에서의 제 2 저 굴절률 층(117)은 Al0 .5Ga0 .5As를 포함하거나 그것으로 구성된 2개의 산화 제어 층들(119)을 갖는 AlAs를 포함하거나 그것으로 구성된다. 활성 층(120)의 좌측 상에 배열된 전류 개구 층(125)은 임의의 산화 제어 층들이 없는 AlAs를 포함하거나 그것으로 구성된다. 전류 개구 층(125)은 30nm의 두께를 갖는다. 제 1 DBR(115)의 4개의 층들이 도시된다. 활성 층(120)의 우측에서의 제 2 저 굴절률 층(117)은 Al0 .5Ga0 .5As를 포함하거나 그것으로 구성된 하나의 산화 제어 층(119)을 갖는 AlAs를 포함하거나 그것으로 구성된다. 활성 층(120)의 우측에서의 제 2 및 제 3 저 굴절률 층(117)은 Al0 .5Ga0 .5As를 포함하거나 그것으로 구성된 2개의 산화 제어 층들(119)을 갖는 AlAs를 포함하거나 그것으로 구성된다. 산화 제어 층들(119)은 1nm의 두께를 갖고 저 굴절률 층들(117)의 총 두께는 약 70nm이다.
실험들은 30nm의 두께를 갖고 도 6에 도시된 바와 같이 스택(stack)으로 배열된 임의의 산화 제어 층(119)이 없는 AlAs 층이 약 72분 내에서 370℃로 38㎛ 산화함을 보여주었다. 850nm의 방사 파장들을 갖는 VCSEL의 DBR 내에서 저 굴절률 층(117)으로서 이용될 수 있는 70nm의 두께를 갖는 AlAs 층은 30nm 층과 동일한 조건들 하에서 45㎛ 산화한다. 따라서, 산화가 30nm 전류 개구 층(125)의 산화와 비교하여 더 빠르기 때문에, DBR에서 저 굴절률 층(117)과 같은 70nm AlAs 층을 이용하는 것이 가능하지 않다. 70nm와 비교하여, 1nm의 두께를 갖는 하나의 산화 제어 층(119)을 포함하고 Al0 .5Ga0 .5As를 포함하거나 그것으로 구성된 AlAs 층은 28.6nm 산화하며, 1nm의 두께를 갖는 2개의 산화 제어 층(119)을 포함하고 Al0 .5Ga0 .5As를 포함하거나 그것으로 구성된 70nm AlAs 층은 동일한 조건들 하에서 단지 10nm 산화한다. 산화 제어 층들(119)은 동일한 두께의 AlAs 서브 층(118)에서 실험으로 AlAs 층을 분리시킨다. 산화 제어 층들(119)은 순수한 AlAs를 저 굴절률 층(117)으로서 이용하는 것을 가능하게 한다. 산화 제어 층들(119)은 산화 제어 층들(119)의 수 및 배치에 의존하여 산화 폭의 우수한 제어를 가능하게 한다.
도 7은 제 4 VCSEL(100)의 층 구조체의 주요 스케치를 도시한다. 제 4 VCSEL(100)은 기판(110)으로부터 먼 방향으로 레이저 광을 방사하는 상부 방사 VCSEL(100)이다. 기판(110)의 하부 측 상에, 제 1 전기 접촉부(105)가 제공된다. 기판의 상부 측 상에, 제 1 및 제 2 굴절률을 갖는 30개의 쌍들의 층들을 포함하는 제 1 DBR(115)이 제공된다. 제 1 DBR(115)의 층들의 쌍들은 고 및 저 알루미늄 함량을 갖는 AlGaAs 층들을 포함한다. 알루미늄 함량은 극단의 경우들에서 그리고 VCSEL(100)의 방사 파장에 의존하여, 고 굴절률 물질에 대해 0%이고 저 굴절률 물질에 대해 최대 100%일 수 있다. 층들의 두께는 99.9%보다 높은 요청된 반사율을 제공하기 위해 VCSEL(100)의 방사 파장(1/4 파장 두께)에 적응된다. 제 1 DBR(115)의 위에 활성 층(120)이 제공된다. 활성 층(120)은 광 생성을 위한 양자 우물 구조체를 포함한다. n 전류 주입 층(도시되지 않음)은 제 1 DBR(115)과 활성 층(120) 사이에 배열될 수 있다. VCSEL(100)은 약 30nm의 두께를 갖는 Al0 .90Ga0 .1As 층의 평균 조성을 갖는 AlGaAs를 포함하거나 그것으로 구성된 제 1 전류 개구 층(125a)을 더 포함한다. 고 산화 레이트들 따라서, 감소된 산화 시간들을 가능하게 하기 위해 적어도 95%의 더 높은 알루미늄 함량을 갖는 것이 바람직할 수 있다. 제 1 전류 개구 층(125a)은 양호한 전류 밀폐(current confinement)를 가능하게 하기 위해 활성 층(120)의 위에 배열되고 활성 층(120)의 상부 표면 상에 배열되는 제 1 전류 개구(122a)를 포함한다. 제 2 DBR(130)은 제 1 DBR의 AlGaAs 층들과 유사하거나 심지어 같은 고 및 저 알루미늄 함량을 갖는 AlGaAs 층들을 포함하는 15개의 쌍들의 층들을 포함한다. 층들의 쌍의 두께는 약 95%의 요청된 반사율을 제공하기 위해 VCSEL(100)의 방사 파장에 적응된다. 제 2 전류 개구 층(125b)은 제 1 DBR의 층 스택 내에 배열된다. 제 2 전류 개구 층(125b)은 제 1 DBR의 저 굴절률 층들(117) 중 하나이고 약 850nm의 VCSEL(100)의 방사 파장들의 1/4에 대응하는 약 70nm의 두께를 갖는다. 제 2 전류 개구 층(125b)은 제 1 전류 개구 층(125a)의 제 1 전류 개구(122a) 만큼 짧은 지름을 갖는 제 2 전류 개구(122b)를 포함한다. 제 1 전류 개구(122a) 및 제 2 전류 개구(122b)의 지름들 그리고 VCSEL(100)의 층들에 수직인 제 1 전류 개구 층(125a)과 제 2 전류 개구 층(125b) 사이의 간격 뿐만 아니라, 제 1 전류 개구 층(125a)과 활성 층 사이의 간격은, 양호한 전류 밀폐가 가능하지만 예를 들면, 제 1 전류 개구(122a)의 에지에서 100kA/cm2보다 큰 고 전류 밀도들이 회피되도록 선택된다. 또한, 최소 개구 크기를 갖는 제 2 전류 개구(122b)와 활성 층(120) 사이의 간격은 종래의 VCSEL(100)과 비교하여 더 커서 낮은 광 유도가 가능하도록 한다. 일반적으로, 낮은 광 유도가 바람직한데, 이는 그것이 협소한 빔 확산(beam divergence), 더 높은 단일 모드 전력, 더 적은 스펙트럼 폭의 VCSEL들, 고 휘도 설계들, 등을 지원하기 때문이다. 제 1 또는 제 2 DBR 내에 전류 개구 층들(125)을 제공하는 것은 전류 개구 층들(125)이 제 1 또는 제 2 DBR의 반사율에 기여하는 장점을 가질 수 있다. 게다가, 이러한 전류 개구 층들(125)의 제조가 단순화될 수 있는데, 이는 알루미늄 프로파일이 DBR 설계의 요구들에 부합하기 때문이다. 링 형상의 제 2 전기 접촉부(135)는 전기적으로 전도성의 제 2 DBR(130)에 전기적으로 접촉된다. VCSEL(100)은 제 2 DBR(130)을 통해 화살표의 방향으로 레이저 광을 방사한다. 전류 개구 층들(125)은 활성 층(120) 위에 배열된다.
도 8은 제 5 VCSEL(100)의 층 구조체의 일부의 주요 스케치를 도시한다. VCSEL(100)은 상부 방사 VCSEL(100)이다. 고 굴절률 및 저 굴절률 층들(116, 117)이 그의 일부로 도시되는 제 2 DBR(130)이 활성 층(120) 위에 증착된다. 제 2 DBR(130)은 전류 개구 층들(125)로서 배열되는 3개의 저 굴절률 층들(117)을 포함한다. 제 1 전류 개구 층(125a)은 활성 층(120)으로부터 먼 방향의 제 2 DBR(130)의 제 2 저 굴절률 층(117)이다. 제 2 전류 개구 층(125b)은 제 3 저 굴절률 층(117)이고 제 3 전류 개구 층(125c)은 제 2 DBR(130)의 제 4 저 굴절률 층(117)이다. 전류 개구 층들(125) 사이의 간격은 같다. 활성 층(120) 다음에 배열되는 제 1 전류 개구(122a)는 원형 개구의 경우에서 최대 지름을 의미하는 최대 크기를 갖는다. 제 2 전류 개구 층(125b)의 제 2 전류 개구(122b)는 최소 크기를 갖고 제 1 및 제 2 전류 개구 층들(125a, 125c) 사이에 배열된다. 제 3 전류 개구 층(125c)의 전류 개구는 제 1 전류 개구(125a) 및 제 2 전류 개구(122b)의 크기들 사이인 크기를 갖는다.
도 9는 제 6 VCSEL의 층 구조체의 일부의 주요 스케치를 도시한다. VCSEL(100)은 상부 방사 VCSEL(100)이다. 고 굴절률 및 저 굴절률 층들(116, 117)이 그의 일부로 도시되는 제 2 DBR(130)이 활성 층(120) 위에 증착된다. 제 2 DBR(130)은 전류 개구 층들(125)로서 배열되는 3개의 저 굴절률 층들(117)을 포함한다. 제 1 전류 개구 층(125a)은 활성 층(120)으로부터 먼 방향의 제 2 DBR(130)의 제 2 저 굴절률 층(117)이다. 제 2 전류 개구 층(125b)은 제 4 저 굴절률 층(117)이고 제 3 전류 개구 층(125c)은 제 2 DBR(130)의 제 3 저 굴절률 층(117)이다. 전류 개구 층들(125) 사이의 간격은 같다. 활성 층(120) 다음에 배열되는 제 1 전류 개구(122a)는 원형 개구의 경우에서 최대 지름을 의미하는 최대 크기를 갖는다. 제 3 전류 개구 층(125c)의 전류 개구는 제 1 전류 개구(125a)와 동일한 크기를 갖는다. 제 2 전류 개구 층(125b)의 제 2 전류 개구(122b)는 최소 크기를 갖고 활성 층(120)으로부터 먼 방향으로 제 1 및 제 3 전류 개구 층들(125a, 125c) 위에 배열된다. 전류 개구들(125a, 125b 및 125c)은 일 대안적인 실시예에서, 활성 층(120) 아래의 제 1 DBR(115)로 배열된다.
도 10은 제 7 VCSEL의 층 구조체의 주요 스케치를 도시한다. 층 구조체는 도 9에 도시된 제 6 VCSEL의 층 구조체와 매우 유사하다. 제 1 전류 개구(122a)를 갖는 제 1 전류 개구 층(125a)은 이 경우에, 활성 층(120) 아래의 제 1 DBR(115)의 제 1 저 굴절률 층(117)이다. 활성 층(120)은 이 경우에, 제 1 전류 개구 층(125a)과 제 2 전류 개구 층(125b) 사이에 배열되고, 상기 제 2 전류 개구 층은 제 2 DBR(130)의 제 3 저 굴절률 층(117)으로 배열된다.
도 11은 제 8 VCSEL(100)의 주요 스케치를 도시한다. 제 7 VCSEL(100)은 기판(110)의 방향으로 레이저 광을 방사하는 하부 방사 VCSEL(100)이다. 기판(110)은 레이저 광이 방사되는 영역에서 제거된다. 광 방사의 방향은 화살표로 표시된다. 기판(110)의 하부 측 상에서, 기판(110)의 제거된 부분 주위에 제 1 전기 접촉부(105)가 제공된다. 기판의 상부 측 상에, 제 1 DBR(115)을 통한 레이저 광 방사를 가능하게 하기 위해 약 95%의 반사율을 갖는 제 1 DBR(115)이 제공된다. 전류 개구 층(125)은 제 1 DBR(115) 위에 제공된다. 활성 층(120)은 전류 개구 층(125) 위에 제공된다. 제 2 DBR(130)은 99.9%보다 큰 반사율을 갖는 활성 층(120) 위에 제공된다. 제 2 전기 접촉부(135)는 전기적으로 전도성의 제 2 DBR(130)에 전기적으로 연결된다.
도 12는 제 7 VCSEL(100)의 전류 개구 층(125)을 갖는 산화 프로파일(126)의 주요 스케치를 도시한다. 전류 개구 층(125)은 0.8nm의 두께를 갖는 Al0 .7Ga0 .3As를 포함하거나 그것으로 구성된 3개의 산화 제어 층들(125b)에 의해 분리되는 4개의 Al0.99Ga0.01As 서브 층들(125a)을 포함한다. Al0 .99Ga0 .02As 서브 층들(125a)은 전류 개구 층(125) 내의 산화 프로파일을 가능하게 하기 위해 상이하다. 활성 층(120) 다음의 상부 Al0 .99Ga0 .02As 서브 층(125a)(도 7 참조)은 약 35nm의 두께를 갖고, 다음 Al0.99Ga0.02As 서브 층(125a)은 20nm 미만의 두께이며 다른 2개의 Al0 .99Ga0 .02As 서브 층들(125a)은 7nm의 두께를 갖는다. 전류 개구 층(125)의 총 두께는 도 7에 도시된 VCSEL(100)의 850nm의 방사 파장의 1/4의 범위에 있다. 산화 제어 층(125)은 따라서, 제 1 DBR(115)의 반사에 기여한다. Al0 .99Ga0 .02As 서브 층들(125a)의 상이한 두께는 활성 층(120) 가까이의 상부 Al0 .99Ga0 .02As 서브 층(125a)에서 웨이스트라인(127)을 갖는 산화 프로파일(126)을 야기한다. 도 13에 묘사된 바와 같이 미리 정의된 전류로 구동될 때, 웨이스트라인(127)은 VCSEL(100)의 정상파 패턴(250)의 노드의 범위에서 배열된다. 전류 개구 층(125)을 상이한 두께의 서브 층들로 분리하는 산화 제어 층들(125b)은 VCSEL(100)의 제조 동안 전류 개구 층(125)의 산화의 제어를 가능하게 하여 정의된 산화 프로파일이 구축되게 한다. 대안적인 방법들은 예를 들면, 전류 개구 층(125)에 걸친 알루미늄 함량의 미리 결정된 변화를 이용한다. 실험들은 전체 웨이퍼 또는 심지어 몇몇 웨이퍼들에 걸쳐 전류 개구 층 내의 알루미늄 함량의 정의된 제어가 제조 공정 동안 어렵고 실질적으로 생산 수율을 감소시킴을 보여주었다. 따라서, 30nm 또는 그 미만의 두께를 갖는 얇은 전류 개구 층들은 레이저 광의 강한 유도를 회피하기 위해 종래의 VCSEL에서 이용된다.
1nm의 두께를 갖는 Al0 .5Ga0 .5As로 구성된 2개의 산화 제어 층들(125a)을 포함하는 약 70nm의 두께를 갖는 AlAs 전류 개구 층(125)을 사용한 실험들이 행해져 왔다. 상부 AlAs 서브 층(125a)은 다른 2개의 AlAs 서브 층들(125a)보다 두꺼운 2nm였다. 방사된 레이저 광의 스펙트럼은 정상파의 웨이스트라인(127)을 갖는 전류 개구 층(125) 내의 테이퍼링된 산화 프로파일(126)을 확인했다.
도 14는 제 9 VCSEL(100)의 층 구조체의 일부의 주요 스케치를 도시한다. VCSEL(100)은 이 경우에, 도 10에서 설명된 것과 유사한 하부 방사 VCSEL(100)이다. 활성 층(120)은 저 및 고 굴절 층들(116, 117)이 그의 일부로 도시되는 제 1 DBR(115) 위에 증착된다. 제 1 DBR(115)은 전류 개구 층들(125)로서 배열되는 4개의 저 굴절률 층들(117)을 포함한다. 제 1 전류 개구 층(125a)은, 활성 층(120) 아래에 직접적으로 배열되는 제 1 DBR(115)의 최상부 저 굴절률 층(117)이다. 제 2 전류 개구 층(125b)은 제 1 저 굴절률 층(117)과 같은 제 1 전류 개구 층(125a)으로 시작하는 제 5 저 굴절률 층(117)이다. 제 3 전류 개구 층(125c)은 제 2 DBR(130)의 제 3 저 굴절률 층(117)이고 제 4 전류 개구 층(125d)은 제 2 DBR(130)의 제 4 저 굴절률 층(117)이다. 제 1 전류 개구 층(125a)과 다음의 전류 개구 층(제 3 전류 개구 층(125c)) 사이의 간격은 제 3, 제 4 및 제 2 전류 개구 층들(125c, 125d, 125b) 사이의 간격의 2배 만큼 크다. 활성 층(120) 다음에 배열되는 제 1 전류 개구(122a)는 전류를 통과시키기 위한 최대 영역을 의미하는 최대 크기를 갖는다. 활성 층으로부터 먼 방향의 후속 전류 개구들은 후속적으로 크기가 감소한다. 제 2 전류 개구 층(125b)의 제 2 전류 개구(122b)는 최소 크기를 갖고 제 1, 제 3 및 제 4 전류 개구 층들(125a, 125c) 아래에 활성 층(120)으로부터 먼 방향으로 배열된다.
도 14는 비소화 알루미늄(AlAs)으로 구성된 저 굴절률 층들(117)을 포함하는 DBR들을 갖는 다수의 VCSEL들(100)을 포함하는 레이저 디바이스(300)의 주요 스케치를 도시한다. VCSEL들(100)은 레이저 어레이(330)에 배열된다. 단일 VCSEL(100)의 구성은 필수적으로, 도 3에 도시된 제 2 VCSEL(100)의 구성과 동일하다. 레이저 디바이스(300)는 전기 구동 회로(310) 및 재충전가능한 배터리인 전기 전원(320)을 더 포함한다. 전기 구동 회로(310)는 정의된 방식으로 전기 전원(320)에 의해 제공된 전기 파워를 레이저 어레이(330)에 공급하도록 배열된다.
도 15는 본 발명에 따라 VCSEL(100)을 제작하는 방법의 공정 흐름의 주요 스케치를 도시한다. 제 1 전기 접촉부가 단계(410)에서 제공된다. 제 1 전기 접촉부는 단계(420)에서 제공되는 GaAs 기판의 하부 측에 부착된다. 제 1 DBR(115)은 단계(430)에서 기판의 상부 측 상에 제공되고 활성 층(120)은 후속 단계(440)에서 제 1 DBR(115) 위에 제공된다. 단계(450)에서 제 2 DBR이 활성 층(120) 위에 제공된다. 제 2 전기 접촉부는 단계(460)에서 VCSEL(100)을 전기적으로 접촉시키기 위해 제공된다. 0.95≤y≤1이고 적어도 40nm의 두께를 갖는 적어도 하나의 AlyGa(1-y)As 층이 단계(470)에서 제공된다. 0.95≤y≤1인 AlyGa(1-y)As 층을 제공하는 제조 단계는 제 1 AlyGa(1-y)As 서브 층(118, 125a)을 증착시키는 단계, 적어도 하나의 산화 제어 층(119, 125b)을 증착시키는 단계 및 적어도 제 2 AlyGa(1-y)As 서브 층(118, 125a)을 적어도 하나의 산화 제어 층(119, 125b) 위에 증착시키는 단계를 포함한다. 방법은 전류 개구 층(125)을 제공하는 단계를 더 포함할 수 있다.
제 1 DBR(115), 제 2 DBR(130)의 층들, 활성 층(120), 전류 개구 층(125) 및 전류 주입 층들, 버퍼 층들 등과 같은 임의의 다른 층은 MOCVD와 유사한 에피택셜 방법(epitaxial method)들에 의해 증착될 수 있다.
본 발명의 의도는 하나, 2개, 3개 또는 그 이상의 전류 개구 층들(125)의 정의된 산화를 가능하게 함으로써 그리고 저 굴절률 층들(117)과 같은 95%의 최소 알루미늄 함량을 갖는 AlyGa(1-y)As를 이용함으로써 신뢰가능한 방식으로 용이하게 처리될 수 있는 VCSEL(100)을 제공하는 것이다. 본 발명은 최적화된 방식으로 VCSEL(100)의 정상파 패턴과 상호작용하도록 적응되는 두꺼운(예로서, 1/4 파장) 전류 개구 층(125) 내에 정의된 산화 프로파일을 제공하는 것을 가능하게 한다. VCSEL(100)의 하나 또는 2개의 DBR들 내에서 이용될 수 있는 저 굴절률 층들(117)의 고 알루미늄 함량은 고 열 전도도 및 감소된 기생 용량을 가능하게 한다. VCSEL(100)의 수명 및 스위칭 거동(switching behavior)은 95%의 최소 알루미늄 함량을 갖는 두꺼운 (1/4 파장) AlyGa(1-y)As 층들 특히, AlAs 층들에 의해 일반적으로 야기되는 신뢰성 및 수율 문제들 없이 개선될 수 있는데, 이는 이러한 층들의 산화가 제조 공정 동안 웨이버에 걸쳐 충분하게 제어될 수 없기 때문이다.
본 발명이 도면들 및 상기 설명에서 상세하게 도시되고 설명되었을지라도, 이러한 도시 및 설명은 도시적이거나 예시적이며 제한적이지 않는 것으로 고려될 것이다.
본 발명을 판독하는 것으로부터, 다른 수정들이 당업자들에게 분명해질 것이다. 이러한 수정들은 이미 본 분야에 공지되고 본 명세서에서 설명된 특징들 대신에 또는 그들에 더하여 이용될 수 있는 다른 특징들을 수반할 수 있다.
개시된 실시예들에 대한 변형들은 도면들, 본 발명 및 첨부된 청구항들의 학습으로부터, 당업자들에 의해 이해되고 영향을 받을 수 있다. 청구항들에서, 단어 "포함하는"은 다른 소자들 또는 단계들을 배제하지 않고, 부정 관사("a" 또는 "an")는 복수의 소자들 또는 단계들을 배제하지 않는다. 특정 조치들이 서로 상이한 종속 청구항들에서 인용된다는 사실은, 이들 조치들의 조합이 이롭게 하기 위해 이용될 수 없음을 나타내지 않는다.
청구항들에서의 임의의 참조 부호들은 그의 범위를 제한하는 것으로서 해석되지 않아야 한다.
100: 수직 공동 표면 방사 레이저
105: 제 1 전기 접촉부
110: 기판
115: 제 1 분산 브래그 반사기
116: 고 굴절률 층
117: 저 굴절률 층
118: AlyGa(1-y)As 서브 층
119: 산화 제어 층
120: 활성 층
122: 전류 개구
122a: 제 1 전류 개구
122b: 제 2 전류 개구
125: 전류 개구 층
125a: 제 1 전류 개구 층
125b: 제 2 전류 개구 층
125c: 제 3 전류 개구 층
125d: 제 4 전류 개구 층
126: 산화 프로파일
127: 웨이스트라인
130: 제 2 분산 브래그 반사기
135: 제 2 전기 접촉부
150: 냉각 구조체
200: AlAs 함량
210: 방사 방향을 따르는 VCSEL에 걸친 방향
250: 정상파 패턴
300: 레이저 디바이스
310: 전기 구동 회로
320: 전기 전원
330: 레이저 어레이
410: 제 1 전기 접촉부를 제공하는 단계
420: 기판을 제공하는 단계
430: 제 1 분산 브래그 반사기를 제공하는 단계
440: 활성 층을 제공하는 단계
450: 제 2 분산 브래그 반사기를 제공하는 단계
460: 제 2 전기 접촉부를 제공하는 단계
470: AlyGa(1-y)As 층을 제공하는 단계

Claims (13)

  1. 수직 공동 표면 방사 레이저(Vertical Cavity Surface Emitting Laser)(100)로서, 제 1 전기 접촉부(105), 기판(110), 제 1 분산 브래그 반사기(Distributed Bragg Reflector)(115), 활성 층(120), 제 2 분산 브래그 반사기(130) 및 제 2 전기 접촉부(135)를 포함하는, 상기 수직 공동 표면 방사 레이저에 있어서,
    0.95≤y≤1이고 적어도 40nm의 두께를 갖는 적어도 하나의 AlyGa(1-y)As 층을 포함하고, 상기 AlyGa(1-y)As 층은 적어도 하나의 산화 제어 층(119, 125b)에 의해 적어도 2개의 서브 층들(118, 125a)로 분리되며, 상기 적어도 하나의 산화 제어 층(119, 125b)은 0.7nm와 3nm 사이의 두께에 의해 특징지워지는, 수직 공동 표면 방사 레이저.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 또는 상기 제 2 분산 브래그 반사기(115, 130)는 상기 적어도 하나의 AlyGa(1-y)As 층을 포함하는, 수직 공동 표면 방사 레이저.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    전류 개구 층(125)을 더 포함하고, 상기 전류 개구 층(125)은 상기 적어도 하나의 AlyGa(1-y)As 층을 포함하는, 수직 공동 표면 방사 레이저.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 활성 층(120) 아래 또는 위에 배열된 적어도 2개의 전류 개구 층들(125)을 포함하고, 상기 전류 개구 층들(125)의 각각은 하나의 AlyGa(1-y)As 층을 포함하고, 상기 적어도 2개의 전류 개구 층들(125) 중 제 1 전류 개구 층(125a)은 상기 적어도 2개의 전류 개구 층들(125) 중 제 2 전류 개구 층(125b)보다 상기 활성 층(120)에 더 가까이 배열되며, 상기 제 1 전류 개구 층(125a)은 상기 제 2 전류 개구 층(125b)의 제 2 전류 개구(122b)보다 더 큰 크기를 갖는 제 1 전류 개구(122a)를 포함하는, 수직 공동 표면 방사 레이저.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 산화 제어 층(119, 125b)의 물질은 0≤x≤0.9인 AlxGa(1-x)As를 포함하는, 수직 공동 표면 방사 레이저.
  6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 AlyGa(1-y)As 층은 y>0.99에 의해 특징지워지고, 상기 적어도 하나의 AlyGa(1-y)As 층은 적어도 2개의 산화 제어 층들(119, 125b)에 의해 분리되며, 상기 산화 제어 층(119, 125b)의 물질은 0.4≤x≤0.6인 AlxGa(1-x)As를 포함하는, 수직 공동 표면 방사 레이저.
  7. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 산화 제어 층(119, 125b)의 두께는 상기 AlyGa(1-y)As 층의 총 두께의 3%와 10% 사이를 포함하는, 수직 공동 표면 방사 레이저.
  8. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 AlyGa(1-y)As 층들 중 적어도 하나는 테이퍼링(tapering)된 산화 프로파일(126)을 포함하는, 수직 공동 표면 방사 레이저.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 테이퍼링된 산화 프로파일(126)을 갖는 상기 적어도 하나의 AlyGa(1-y)As 층은 적어도 2개의 산화 제어 층들(119, 125b)을 포함하고, 상기 적어도 2개의 산화 제어 층들(119, 125b)은 상기 적어도 하나의 AlyGa(1-y)As 층을 적어도 3개의 서브 층들(118, 125a)로 분리하며, 상기 3개의 서브 층들(118, 125a) 중 적어도 하나는 다른 서브 층들과 상이한 두께를 갖는, 수직 공동 표면 방사 레이저.
  10. 제 8 항에 있어서,
    미리 정의된 전기 구동 전류로 구동될 때, 상기 테이퍼링된 산화 프로파일(126)의 웨이스트라인(waistline)(127)은 상기 수직 공동 표면 방사 레이저(100)의 정상파 패턴(standing wave pattern)(210)의 노드의 범위에서 배열되는, 수직 공동 표면 방사 레이저.
  11. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 및 상기 제 2 분산 브래그 반사기(115, 130)는 다수의 고 굴절률 층들(116) 및 다수의 저 굴절률 층들(117)을 포함하고, 상기 저 굴절률 층들은 상기 AlyGa(1-y)As 층들을 포함하는, 수직 공동 표면 방사 레이저.
  12. 레이저 디바이스(300)에 있어서,
    제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 따른 적어도 하나의 수직 공동 표면 방사 레이저(100) 및 상기 수직 공동 표면 방사 레이저(100)를 전기적으로 구동하기 위한 전기 구동 회로(310)를 포함하는, 레이저 디바이스.
  13. 수직 공동 표면 방사 레이저(100)를 제작하는 방법에 있어서:
    - 제 1 전기 접촉부(105)를 제공하는 단계,
    - 기판(110)을 제공하는 단계,
    - 제 1 분산 브래그 반사기(115)를 제공하는 단계,
    - 활성 층(120)을 제공하는 단계,
    - 제 2 분산 브래그 반사기(130)를 제공하는 단계,
    - 제 2 전기 접촉부(135)를 제공하는 단계,
    - 0.95≤y≤1이고 적어도 40nm의 두께를 갖는 적어도 하나의 AlyGa(1-y)As 층을 제공하는 단계를 포함하고,
    상기 AlyGa(1-y)As 층은 적어도 하나의 산화 제어 층(119, 125b)에 의해 적어도 2개의 서브 층들(118)로 분리되며, 상기 적어도 하나의 산화 제어 층(119, 125b)은 0.7nm와 3nm 사이의 두께에 의해 특징지워지는, 수직 공동 표면 방사 레이저를 제작하는 방법.
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