KR20190024770A - 수직-공동부 표면-방출 레이저의 빔 발산의 제어 - Google Patents

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Abstract

일부 구현예에서, 수직 공동부 표면 방출 레이저(VCSEL)는 기판층 및 기판층 상의 에피택셜층을 포함한다. 에피택셜층은 활성층, 제1 미러, 제2 미러 및 하나 이상의 산화층을 포함할 수도 있다. 활성층은 제1 미러와 제2 미러 사이에 있을 수도 있고 그리고 하나 이상의 산화층은 활성층에 가장 근접할 수도 있다. 하나 이상의 산화층은 하나 이상의 산화층의 양, 하나 이상의 산화층의 형상, 하나 이상의 산화층의 두께 또는 활성층에 대한 하나 이상의 산화층의 근접성 중 적어도 하나에 기초하여 VCSEL에 의해 방출된 레이저 빔의 빔 발산을 제어하도록 구성될 수도 있다.

Description

수직-공동부 표면-방출 레이저의 빔 발산의 제어{CONTROLLING BEAM DIVERGENCE IN A VERTICAL-CAVITY SURFACE-EMITTING LASER}
본 개시내용은 일반적으로 레이저, 더 구체적으로, 수직-공동부 표면-방출 레이저(vertical-cavity surface-emitting laser: VCSEL)의 빔 발산의 제어에 관한 것이다.
수직-방출 디바이스, 예컨대, 수직-공동부 표면-방출 레이저는 레이저 빔이 기판의 표면에 대해 수직인 방향으로(예를 들어, 반도체 웨이퍼의 표면으로부터 수직으로) 방출되는 레이저이다. 에지-방출 디바이스와 대조적으로, 수직-방출 디바이스는 테스트가 웨이퍼 제작의 중간 단계에서 발생하게 할 수도 있다.
일부 가능한 구현예에 따르면, VCSEL은 기판층 및 기판층 상의 에피택셜층을 포함할 수도 있다. 에피택셜층은 활성층, 제1 미러, 제2 미러 및 하나 이상의 산화층을 포함할 수도 있다. 활성층은 제1 미러와 제2 미러 사이에 있을 수도 있고 그리고 하나 이상의 산화층은 활성층에 가장 근접할 수도 있다. 하나 이상의 산화층은 하나 이상의 산화층의 양, 하나 이상의 산화층의 형상, 하나 이상의 산화층의 두께 또는 활성층에 대한 하나 이상의 산화층의 근접성 중 적어도 하나에 기초하여 VCSEL에 의해 방출된 레이저 빔의 빔 발산을 제어하도록 구성될 수도 있다.
일부 가능한 구현예에 따르면, VCSEL의 빔 발산을 제어하는 방법은 VCSEL의 기판층 상에, 활성층, 제1 미러 및 제2 미러를 형성하는 단계를 포함할 수도 있다. 활성층이 제1 미러와 제2 미러 사이에 형성될 수도 있다. 방법은 활성층에 가장 근접한 하나 이상의 산화층을 형성하는 단계를 포함할 수도 있다. 하나 이상의 산화층은 하나 이상의 산화층의 양, 하나 이상의 산화층의 하나 이상의 형상, 하나 이상의 산화층의 하나 이상의 두께, 또는 활성층에 대한 하나 이상의 산화층의 하나 이상의 근접성 중 적어도 하나에 기초하여 VCSEL에 의해 방출된 레이저 빔의 빔 발산을 제어하도록 구성될 수도 있다.
일부 가능한 구현예에 따르면, VCSEL 웨이퍼는 기판층 및 기판층 상의 에피택셜층을 포함할 수도 있다. 에피택셜층은 제1 미러와 제2 미러 사이의 활성층, 및 하나 이상의 산화층으로서, 하나 이상의 산화층에 포함된 산화층의 양, 하나 이상의 산화층 중 적어도 하나의 산화층의 형상, 하나 이상의 산화층 중 적어도 하나의 산화층의 두께, 또는 활성층의 활성 구역에 대한, 하나 이상의 산화층 중 적어도 하나의 산화층의 근접성 중 적어도 하나에 기초하여 활성층의 활성 구역에 가장 근접한 유효 굴절률 단차를 제어함으로써 방출된 레이저 빔의 빔 발산을 제어하도록 구성된, 활성층에 가장 근접한, 상기 하나 이상의 산화층을 포함할 수도 있다.
도 1a 및 도 1b는 상이한 빔 발산을 하는 상이한 이미터(emitter)의 도면;
도 2a 및 도 2b는 예시적인 이미터의 평면도 그리고 예시적인 이미터의 예시적인 단면도를 각각 도시하는 도면;
도 3a 내지 도 3h는 빔 발산을 제어하도록 구성된 예시적인 이미터의 예시적인 단면도; 및
도 4는 VCSEL의 빔 발산을 제어하기 위한 예시적인 과정의 흐름도.
예시적인 구현예의 다음의 상세한 설명은 첨부된 도면을 참조한다. 상이한 도면에서 동일한 참조 부호는 동일한 또는 유사한 구성요소를 식별할 수도 있다. 아래에 설명되는 구현예는 단지 실시예이고 그리고 구현예를 개시된 정확한 형태에 제한하고자 의도되지 않는다. 대신, 구현예는 당업자가 구현예를 실행하게 하도록 설명을 위해 선택되었다.
도 1a 및 도 1b는 상이한 빔 발산을 하는 상이한 이미터(예를 들어, VCSEL)(100, 105)의 도면이다. 제1 이미터(100)는 더 넓은 빔 발산, 더 높은 개구수(numerical aperture) 및 더 넓은 스펙트럼 폭을 가진 레이저 빔(110)을 방출할 수도 있다. 제2 이미터(105)는 더 좁은 빔 발산, 더 낮은 개구수 및 더 좁은 스펙트럼 폭을 가진 레이저 빔(115)을 방출할 수도 있다.
이미터, 예컨대, VCSEL은 빔 발산, 개구수 및/또는 스펙트럼 폭과 같은 상이한 광학 모드 특성을 요구하는 다양한 적용을 위해 사용될 수도 있다. 예를 들어, 3차원 감지와 같은 소비자 적용에서, 더 높은 개구수, 더 넓은 빔 발산 및 더 넓은 스펙트럼 폭을 가진 이미터(예를 들어, 이미터(100))는 인간의 눈에 들어올 수도 있는 광의 양을 감소시킴으로써 안전성을 개선하도록 바람직할 수도 있다. 또 다른 실시예에서, 데이터 통신에서, 더 낮은 개구수, 더 좁은 빔 발산 및 더 좁은 스펙트럼 폭을 가진 이미터(예를 들어, 이미터(105))는 섬유 연결 효율을 증가시키고/증가시키거나 전송 거리를 증가시키도록 바람직할 수도 있다. 본 명세서에 설명된 일부 기법은 상이한 빔 발산, 개구수 및/또는 스펙트럼 폭을 요구하는 다양한 적용을 위한 이미터(100, 105)의 융통성 있는 디자인을 허용한다.
도 1a 및 도 1b에 도시된 바와 같이, 이미터(100, 105)는 기판층(120) 및 기판층(120) 상에 형성된 에피택셜층을 포함할 수도 있다. 에피택셜층은 활성층(125), 제1 미러(130), 제2 미러(135) 및 하나 이상의 산화층(140)을 포함할 수도 있다. 활성층(125)은 제1 미러(130)(예를 들어, 상단 미러)와 제2 미러(135)(예를 들어, 하단 미러) 사이에 있을 수도 있다. 예시적인 이미터(100, 105)에 관한 부가적인 상세사항은 본 명세서의 다른 곳에서 설명된다.
이미터(100, 105)에 의해 방출된 레이저 빔의 빔 발산, 개구수 및 스펙트럼 폭은 이미터(100, 105)에 의해 방출된의 광의 광학 모드에 의해 제어된다. 광학 모드는 활성층(125)의 활성 구역(145)과 하나 이상의 산화층(140)과 연관된 산화 영역(150) 사이의 유효 굴절률 단차에 의해 제어된다. 유효 굴절률 단차는 활성 구역(145)의 유효 굴절률에 대한 산화 영역(150)의 유효 굴절률 간의 상대적 차이를 나타낼 수도 있다. 본 명세서에 설명된 일부 기법은 산화 영역(150)의 유효 굴절률을 변경하고, 이는 이미터(100, 105)의 광학 모드를 변경하며, 이는 이미터(100, 105)에 의해 방출된 레이저 빔의 빔 발산, 개구수 및 스펙트럼 폭을 변경한다. 예를 들어, 산화 영역(150)의 유효 굴절률을 증가시키는 것은 활성 구역(145)에 가장 근접한 더 큰 유효 굴절률 단차를 발생시키며, 이는 광집중을 증가시키고 그리고 이미터(100) 및 레이저 빔(110)으로 도시된 바와 같이, 더 넓은 발산, 더 높은 개구수 및 더 넓은 스펙트럼 폭을 가진 레이저 빔을 생산한다. 반대로, 산화 영역(150)의 유효 굴절률을 감소시키는 것은 활성 구역(145)에 가장 근접한 더 작은 유효 굴절률 단차를 발생시키며, 이는 광집중을 감소시키고 그리고 이미터(105) 및 레이저 빔(115)으로 도시된 바와 같이, 더 좁은 발산, 더 낮은 개구수 및 더 좁은 스펙트럼 폭을 가진 레이저 빔을 생산한다.
본 명세서에 설명된 기법은 산화 영역(150)의 유효 굴절률을 변경하고 그리고 이미터, 예컨대, VCSEL의 광학 모드 특성을 제어하도록 산화층(들)(140)의 특성을 변경하는 것에 관한 것이다. 예를 들어, 이미터(100)는 다수의 산화층(140)(예를 들어, 2개의 산화층(140))을 포함하고, 이는 산화 영역(150)의 유효 굴절률을 증가시켜서, 레이저 빔(110)의 더 넓은 빔 발산을 발생시킨다. 또 다른 실시예에서, 이미터(105)는 소수의 산화층(140)(예를 들어, 하나의 산화층(140))을 포함하고, 이는 산화 영역(150)의 유효 굴절률을 감소시켜서, 레이저 빔(115)의 더 좁은 빔 발산을 발생시킨다. 산화층(140)의 양은 산화 영역(150)의 유효 굴절률을 변경하도록 변경될 수 있는 산화층 특성의 하나의 예이다. 다른 특성은 산화층(들)(140)의 형상, 두께 및/또는 활성층(125)에 대한 근접성을 포함하고 그리고 본 명세서의 다른 곳에서 더 상세히 설명될 것이다. 산화층(들)(140)의 특성을 변경함으로써, 이미터는 가변하는 필요조건을 가진 다양한 적용을 위해 디자인될 수 있다.
일부 구현예에서, 산화물층(140)의 디자인 및 발생된 산화물 구멍은 특히 유효 굴절률 단차가 작을 때, 산화물 구멍과 연관된 열 렌즈에 의해 생성된 전체 측방향 굴절률 프로파일을 설명한다. 예를 들어, VCSEL은 산화물 구멍의 중심에 거의 더 가까울 수도 있고 그리고 산화물 구멍의 에지를 향하는 온도 강하는 산화물 구멍의 중심으로부터 산화물 구멍의 에지로 반도체 굴절률의 대응하는 강하를 생성한다. 유효 굴절률 단차를 변경하는 본 명세서에 설명된 기법은 이 1차의 열 렌즈 효과에 영향을 주지 않는다.
일부 경우에서, 다수의 산화물층(140)은 데이터 통신 적용에서 VCSEL의 고속 변조(예를 들어, 20㎓ 등)를 제한하는 기생 용량을 감소시키도록 사용된다. 본 명세서에 설명된 일부 기법은 제한된 변조(예를 들어, 10㎒ 등)를 가진 높은 광출력 VCSEL에 적용되고, 여기서 다수의 산화물층(140)은 기생 용량을 감소시키도록 사용되지 않는다.
또한, VCSEL의 디자인은 특히, 레이저 안전 기준을 충족하는 경우에 대해, 단지 레이저 빔의 발산의 제어뿐만 아니라 광 강도(예를 들어, 원거리장)의 각 분포의 균일도를 요구한다. 이 기준에서, 공급원으로부터 일반적으로 100㎜ 떨어져 배치된 (예를 들어, 일반적으로 7㎜ 직경의) 구멍을 통해 전달된 출력 전력은 파장 및 펄싱 조건에 따라 특정한 값 미만이어야 한다. 또한, 공급원에 대한 구멍의 모든 가능한 각진 배치가 고려되어야 한다. 따라서, VCSEL의 원거리장 또는 VCSEL 어레이가 인간의 눈에 의해(예를 들어, 직접적으로 또는 렌즈를 통해) 보일 수 있는 적용에 대해, 원거리장은 최소 발산을 가져야 할 뿐만 아니라 광 강도가 집중되는 스파이크 또는 각진 콘을 갖지 않을 수 있다.
개별적인 레이징(lasing) 모드의 발산은 더 작은 구멍 크기에 대해 증가된다. 그러나, 높은 발산은 제작 시 구멍 크기(또는 동등하게 산화 길이 또는 깊이)를 제어하는 불능뿐만 아니라 어레이 내의 이미터의 수와 같은 다른 공학 제약 때문에 더 작은 구멍 직경(예를 들어 < 5um)을 만듦으로써 단순히 달성될 수 없다. 따라서, 높은 발산은 더 큰 개별적인 VCSEL 직경(예를 들어, 7um 내지 대략 15um 직경의 구멍)으로 달성되어야 한다. 이를 달성하는 것은, 레이저가 더 높은 발산을 하고 그리고 원거리장 내에 다수의 로브(lobe)를 갖는 고차 모드로 부분적으로 레이징(lase)되게 한다. 특정한 각 근처의 광의 집중을 방지하는 것은 고차 모드와 저차 모드 둘 다의 혼합이 동시에 레이징되게 한다. 데이터 통신을 위해 사용되는 다중-모드 VCSEL은 고차 모드와 저차 모드의 혼합으로 레이징되지만, 이 VCSEL이 일반적인 다중-모드 섬유 데이터 통신 표준에 의해 요구될 때 더 좁은 스펙트럼 폭을 달성하도록 더 적은 모드를 갖게 일반적으로 엔지니어링되기 때문에 자유 공간 감지 적용을 위한 필요조건을 충족하도록 넓은 충분한 발산을 하지 않는다.
데이터 통신을 위해 사용되는 VCSEL과 비교할 때, 고차 모드의 증가된 레이징을 가능하게 하는 것은, 다수의 산화물 구멍, 더 두꺼운 산화물 구멍 및/또는 본 명세서에 설명된 다른 기법으로 달성될 수도 있는 더 큰 측방향 유효 굴절률 단차를 요구한다. 유효 굴절률은 전기장 강도에 의해 가중된 굴절률의 (수직축에 따른) 적분에 의해 획정된다. 유효 굴절률 단차는 산화물층의 가장 두꺼운 부분(디바이스의 에지 근처)을 통해 수직축을 따른 유효 굴절률을 뺀, 디바이스의 중심(산화물 없음)의 수직축을 따른 유효 굴절률 간의 차이에 의해 계산될 수도 있다. 부가적으로 또는 대안적으로, 유효 굴절률 단차는 디바이스의 중심에서 수직축을 따라 이동하는 평면파에 대한 공진 파장을 디바이스의 에지에서 수직축을 따라 이동하고 그리고 산화물층의 가장 두꺼운 부분과 만나는 평면파를 비교함으로써 계산될 수도 있다.
유효 굴절률 단차의 큰 변화를 생산하는 하나의 방식은 갑작스런 점프 또는 단차를 사용하는 것이다. 그러나, 측방향 유효 굴절률에서 큰 갑작스런 단차는 2가지 문제점을 갖는다. 첫째로, 디바이스 내의 기계적 응력을 증가시키기 쉬운 뭉툭한 산화 정면을 요구한다. 둘째로, 고차 모드에 대한 산란 손실을 증가시켜서, 이 모드의 레이저를 억제하는, 유효 굴절률의 갑작스런 단차를 요구한다. 따라서, 더 큰 나중의 굴절률 단차는 측방향 굴절률 프로파일의 일부 테이퍼링(tapering)으로 달성되어야 한다.
그러나, 너무 긴 테이퍼 또는 동등하게 너무 낮은 측방향 굴절률 구배는 2가지 문제점을 초래할 수 있다. 가장 먼 경우에, 너무 긴 테이퍼는 활성 구역 근방에 작은 굴절률 단차처럼 실질적으로 나타날 것이고 그리고 고차 모드는 디바이스의 활성 구역(전류가 양자 우물로 흐름)과 중첩하기에 공간적으로 너무 넓을 것이고 그리고 레이징되지 않을 것이고 또는 매우 적게 레이징될 것이다. 하지만, 중간 경우에, 너무 긴 테이퍼(또는 동등하게 매우 낮은 측방향 굴절률 구배)는 고차 모드가 최저차 모드와 거의 동일한 손실을 갖도록 고차 모드에 대한 산란 손실을 과도하게 감소시킬 수 있다. 이러한 저손실은 저온(예를 들어, -40℃ 내지 5℃)에서 문제가 될 수 있다. 일반적으로, 저온에서 작동하는 VCSEL에서, 활성 구역의 이득 스펙트럼의 피크는 레이저 모드보다 파장이 더 짧을 것이다. 더 고온에서, 이득 스펙트럼의 피크와 레이저 모드 둘 다는 더 긴 파장으로 시프트되지만, 이득 스펙트럼의 피크는 더 빠르게 시프트되고 그리고 모든 레이저 모드와 더 양호하게 정렬된다. 그러나, 고차 모드는 저차 또는 최저차(예를 들어, 기본) 모드보다 더 짧은 파장으로 레이징된다. 따라서, 문턱값 운반자 밀도(따라서 문턱값 전류)는 산란 손실이 낮을 때 저온에서 고차 모드에 대해 더 낮을 것이다. 잠재적으로, 이 차이는 주로 단일 또는 더 적은 고차 모드의 레이저를 초래할 수 있고 그리고 특정한 각진 콘 내의 광의 집중을 초래할 수 있고, 이는 감지 적용을 위해 흔히 요구되는 바와 같은 광 강도의 더 균일한 각 분포를 달성하려고 시도할 때 바람직하지 않다.
그 결과, VCSEL의 미리 결정된 크기 및 파장에 대해, 충분한 발산 및 충분히 균일한 원거리장 프로파일을 달성하도록 유효 굴절률 단차 및 측방향 굴절률 구배에 대한 상한계와 하한계 둘 다가 있다. 다양한 유한 구성요소 소프트웨어를 가진 도파관의 측방향 모드의 형상을 결정하는 것이 가능하지만, 발생된 모드의 결합이 전류 주입 프로파일, 온도 프로파일, 운반자 밀도와 운반자 확산에 대한 광 이득에 의존적일 것이기 때문에 VCSEL의 레이저 모드의 상대적인 광출력을 예측하는 것은 어렵다. 일부 경우에서, 구멍은 다음과 같이 디자인될 수 있다: 6 내지 10㎛의 유효 구멍 직경을 가진 900 내지 960㎚ 파장 범위의 레이저에 대해, 요구되는 유효 굴절률 단차는 적어도 0.060이고 0.027 um-1 내지 0.108 um-1의 평균 유효 굴절률 구배를 갖거나 또는 동등하게 7kA/㎠의 주입 전류 밀도에서 적어도 0.20NA의 발산을 달성하도록 0.5 내지 2㎛의 테이퍼 길이를 갖고, 여기서 NA는 광출력의 86%를 둘러싸는 콘의 반각의 사인으로서 획정된 개구수이고 원거리장은 VCSEL이 연속파(continuous wave: CW) 또는 준-CW 조건 하에서 구동될 때 충분히 균일하다. 충분히 균일하게 하는 것은, 2도(레이저 빔의 주요 방향에 대하여 임의의 배향)의 반각을 가진 콘 광을 통과하는 광출력이 총 광출력 전력의 비율의 3%보다 크지 않음을 요구한다. 산화물 구멍은 정확히 원형일 필요가 없고, 그래서 위에서 언급된 유효 구멍 직경은 동등한 영역의 원의 직경이다.
좁은 발산의 경우에, 9 내지 11㎛의 유효 구멍 직경을 가진 900 내지 960㎚의 파장 범위의 레이저에 대해, 요구된 유효 굴절률 단차(열 구배의 부재 시)는 적어도 대략 14kA/㎠의 주입 전류 밀도에서 최대 0.20NA의 발산을 달성하도록 최대 0.0019이다. 부가적으로, 구멍은 광이득이 주로 최저차 모드를 활성화시키는 것을 보장하도록 활성 구역으로부터 수직으로 최대 대략 0.19㎛에 배치되어야 한다. 본 명세서에 설명된 기법은 위에서 설명된 필요조건을 충족할 수 있다.
위에서 나타낸 바와 같이, 도 1a 및 도 1b는 실시예로서 제공된다. 다른 실시예가 가능하고 그리고 도 1a 및 도 1b와 관련하여 설명된 것과는 상이할 수도 있다.
도 2a 및 도 2b는 이미터(200)의 평면도 그리고 이미터(200)의 예시적인 단면도(250)를 각각 도시하는 도면이다. 도 2a에 도시된 바와 같이, 이미터(200)는 이미터 아키텍처로 구성된 이미터층의 세트를 포함할 수도 있다. 명료성을 위해, 이미터(200)의 모든 이미터층이 도 2a에 도시되진 않는다. 일부 구현예에서, 이미터(200)는 도 1a의 이미터(100), 도 1b의 이미터(105), 도 3a의 이미터(300), 도 3b의 이미터(302), 도 3c의 이미터(310), 도 3d의 이미터(312), 도 3e의 이미터(320), 도 3f의 이미터(322), 도 3g의 이미터(330), 도 3h의 이미터(332) 등에 대응할 수도 있다.
도 2a에 도시된 바와 같이, 이미터(200)는 이 실시예에서 원형 형상인 주입 보호층(202)을 포함한다. 일부 구현예에서, 주입 보호층(202)은 또 다른 형상, 예컨대, 타원형 형상, 다각형 형상 등을 가질 수도 있다. 주입 보호층(202)은 이미터(200)에 포함된 주입 재료의 부분 간의 공간에 기초하여 획정된다. 도 2a에 추가로 도시된 바와 같이, 이미터(200)는 부분적인 링 형상(예를 들어, 내측 반경과 외측 반경을 가짐)으로 구성되는 P-오믹 금속층(204)을 포함한다. 도시된 바와 같이, P-오믹 금속층(204)은 주입 보호층(202)에 걸쳐 동심으로 배치된다(즉, P-오믹 금속층(204)의 외측 반경은 주입 보호층(202)의 반경 이하임). 이러한 구성은 예를 들어, P-상부/상단-방출 이미터(200)의 경우에 사용될 수도 있다. 하단-방출 이미터(200)의 경우에, 구성은 필요에 따라 조정될 수도 있다.
또한 도 2a에 도시된 바와 같이, 이미터(200)는 P-오믹 금속층(204)을 덮는 유전체 패시베이션/미러층(미도시) 상에 형성(예를 들어, 에칭)되는 유전체 비아 개구(206)를 포함한다. 도시된 바와 같이, 유전체 비아 개구(206)는 부분적인 링 형상(예를 들어, P-오믹 금속층(204)과 유사함)으로 형성되고 그리고 유전체 패시베이션/미러층의 금속화가 P-오믹 금속층(204)과 접촉하도록 P-오믹 금속층(204)에 걸쳐 동심으로 형성된다. 일부 구현예에서, 유전체 개구(206) 및/또는 P-오믹 금속층(204)은 또 다른 형상, 예컨대, 완전한 링 형상 또는 분할된 링 형상으로 형성될 수도 있다.
또한 도시된 바와 같이, 이미터(200)는 P-오믹 금속층(204)의 부분적인 링 형상의 내측 반경 내에서 이미터의 부분의 광학적 구멍(208)을 포함한다. 이미터(200)는 레이저 빔을 광학적 구멍(208)을 통해 방출한다. 또한 도시된 바와 같이, 이미터(200)는 또한 전류 제한 구멍(210)(예를 들어, 이미터(200)의 산화층(220)에 의해 형성된 산화물 구멍)을 포함한다. 전류 제한 구멍(210)은 광학적 구멍(208) 아래에 형성된다.
또한 도 2a에 도시된 바와 같이, 이미터(200)는 주입 보호층(202)의 원주 둘레에 (예를 들어, 같게, 같지 않게) 이격되는 산화 트렌치(212)의 세트를 포함한다. 산화 트렌치(212)가 광학적 구멍(208)에 대하여 얼마나 가까이 배치될 수 있는지는 적용에 따라 달라지고 그리고 일반적으로 주입 보호층(202), P-오믹 금속층(204), 유전체 비아 개구(206) 및 제작 허용 오차에 의해 제한된다.
도 2a에 도시된 층의 수 및 배열은 실시예로서 제공된다. 실제로, 이미터(200)는 추가의 층, 더 적은 층, 상이한 층 또는 도 2a에 도시된 것과는 상이하게 배열된 층을 포함할 수도 있다. 예를 들어, 이미터(200)가 실제로 6개의 산화 트렌치(212)의 세트를 포함하지만, 5개의 산화 트렌치(212), 7개의 산화 트렌치(212) 등을 포함하는 컴팩트한(compact) 이미터와 같은 다른 디자인도 가능하다. 또 다른 실시예로서, 이미터(200)가 실제로 원형 이미터 디자인이지만, 직사각형 이미터, 육각형 이미터, 타원형 이미터 등과 같은 다른 디자인도 가능하다. 부가적으로 또는 대안적으로, 이미터(200)의 층(예를 들어, 하나 이상의 층)의 세트는 이미터(200)의 층의 또 다른 세트에 의해 수행되는 것으로 설명되는 하나 이상의 기능을 각각 수행할 수도 있다.
특히, 이미터(200)의 디자인이 VCSEL을 포함하는 것으로 설명되지만, 다른 구현예도 가능하다. 예를 들어, 이미터(200)의 디자인은 또 다른 유형의 광 디바이스, 예컨대, 발광 다이오드(light emitting diode: LED) 또는 또 다른 유형의 수직 방출(예를 들어, 상단 방출 또는 하단 방출) 광 디바이스의 배경에 적용될 수도 있다. 부가적으로, 이미터(200)의 디자인은 임의의 파장, 전력 레벨, 방출 프로파일 등의 이미터에 적용될 수도 있다. 즉, 이미터(200)는 미리 결정된 성능 특성을 가진 이미터에 특정하지 않다.
도 2b에 도시된 바와 같이, 예시적인 단면도는 산화 트렌치(212)의 쌍을 통과하는 이미터(200)의 단면을 (예를 들어, 도 2a에서 "X-X"로 표시된 선으로 도시된 바와 같이) 나타낼 수도 있다. 도시된 바와 같이, 이미터(200)는 후면 음극층(228), 기판층(226), 하단 미러(224), 활성층(222), 산화층(220), 상단 미러(218), 주입 절연 재료(216), 유전체 패시베이션/미러층(214) 및 P-오믹 금속층(204)을 포함할 수도 있다. 도시된 바와 같이, 이미터(200)는 대략 10㎛인 총 높이를 가질 수도 있다.
후면 음극층(228)은 기판층(226)과 전기 접촉하는 층을 포함할 수도 있다. 예를 들어, 후면 음극층(228)은 어닐링된 금속화층, 예컨대, AuGeNi층, PdGeAu층 등을 포함할 수도 있다.
기판층(226)은 에피택셜층이 성장되는 기저 기판층을 포함할 수도 있다. 예를 들어, 기판층(226)은 반도체층, 예컨대, GaAs층, InP층 등을 포함할 수도 있다. 일부 구현예에서, 기판층(226)은 반도체 웨이퍼의 표면일 수도 있고 그리고 이미터(200)는 (예를 들어, 이미터 웨이퍼를 형성하도록) 반도체 웨이퍼 상에 형성될 수도 있다. 일부 구현예에서, 기판층(226)은 도 1a 및 도 1b와 관련하여 위에 설명된 기판층(120)에 대응할 수도 있다.
하단 미러(224)는 이미터(200)의 하단 반사기층을 포함할 수도 있다. 예를 들어, 하단 미러(224)는 분배 브래그 반사기(distributed Bragg reflector: DBR)를 포함할 수도 있다. 일부 구현예에서, 하단 미러(224)는 도 1a 및 도 1b와 관련하여 위에 설명된 제2 미러(135)에 대응할 수도 있다.
활성층(222)은 전자를 가두고 그리고 이미터(200)의 방출 파장을 획정하는 층을 포함할 수도 있다. 예를 들어, 활성층(222)은 양자 우물일 수도 있다. 일부 구현예에서, 활성층(222)은 도 1a 및 도 1b와 관련하여 위에 설명된 활성층(125)에 대응할 수도 있다.
산화층(220)은 이미터(200)의 광학적 및 전기적 제한을 제공하는 산화물층을 포함할 수도 있다. 일부 구현예에서, 산화층(220)은 에피택셜층의 습식 산화의 결과로서 형성될 수도 있다. 예를 들어, 산화층(220)은 AlAs층 또는 AlGaAs층의 산화의 결과로서 형성된 Al2O3층일 수도 있다. 산화 트렌치(212)는 산소(예를 들어, 건식 산소, 습식 산소)가 산화층(220)이 형성되는 에피택셜층에 접근하게 하는 개구를 포함할 수도 있다. 산화층(들)(220)은 활성층(222)에 가장 근접할 수도 있다. 일부 구현예에서, 산화층(220)은 도 1a 및 도 1b와 관련하여 위에 설명된 산화층(140)에 대응할 수도 있다. 도시된 바와 같이, 산화층(220)은 활성층(222)과 비교하여 기판층(226)으로부터 더 멀다(예를 들어, 기판층(226)은 활성층(222)의 한측에 위치되고 그리고 산화층(220)은 활성층(222)의 맞은편에 위치된다).
도 2b에 도시된 바와 같이, 이미터(200)가 상단-방출 레이저일 때, 산화층(220)은 활성층(222)과 이미터(200)가 레이저 빔을 방출하는 광학적 구멍(208) 사이에 배치된다. 일부 구현예에서, 이미터(200)가 하단-방출 레이저일 때, 산화층(220)은 산화층(220)과 이미터(200)가 레이저 빔을 방출하는 광학적 구멍(208) 사이에 배치된다.
전류 제한 구멍(210)은 산화층(220)에 의해 획정된 광학적으로 활성인 구멍을 포함할 수도 있다. 전류 제한 구멍(210)의 크기는 예를 들어, 대략 6.0㎛ 내지 대략 14.0㎛의 범위일 수도 있다. 일부 구현예에서, 전류 제한 구멍(210)의 크기는 이미터(200)를 둘러싸는 산화 트렌치(212) 간의 거리에 따라 달라질 수도 있다. 예를 들어, 산화 트렌치(212)는 산화층(220)이 형성되는 에피택셜층을 노출시키도록 에칭될 수도 있다. 여기서, 유전체 패시베이션/미러층(214)이 증착되기 전에, 에피택셜층의 산화는 이미터(200)의 중심을 향하여 특정한 거리(예를 들어, 도 2b에서 do로서 식별됨)로 발생할 수도 있어서, 산화층(220) 및 전류 제한 구멍(210)을 형성한다. 일부 구현예에서, 전류 제한 구멍(210)은 산화물 구멍을 포함할 수도 있다. 부가적으로 또는 대안적으로, 전류 제한 구멍(210)은 또 다른 유형의 전류 제한 기법, 예컨대, 에칭된 메사, 이온 주입이 없는 구역, 리소그래피로 획정된 공동부 내 메사 및 재성장 등과 연관된 구멍을 포함할 수도 있다.
상단 미러(218)는 이미터(200)의 상단 반사기층을 포함할 수도 있다. 예를 들어, 상단 미러(218)는 DBR을 포함할 수도 있다. 일부 구현예에서, 상단 미러(218)는 도 1a 및 도 1b와 관련하여 위에 설명된 제1 미러(130)에 대응할 수도 있다.
주입 절연 재료(216)는 전기 절연을 제공하는 재료를 포함할 수도 있다. 예를 들어, 주입 절연 재료(216)는 이온 주입된 재료, 예컨대, H 주입된 재료 또는 수소/양자 주입된 재료를 포함할 수도 있다. 일부 구현예에서, 주입 절연 재료(216)는 주입 보호층(202)을 획정할 수도 있다.
유전체 패시베이션/미러층(214)은 보호성 패시베이션층으로서 작용하고 그리고 부가적인 DBR로서 작용하는 층을 포함할 수도 있다. 예를 들어, 유전체 패시베이션/미러층(214)은 이미터(200)의 하나 이상의 다른 층 상에 (예를 들어, 화학적 기상 증착을 통해) 증착된 하나 이상의 하위-층(예를 들어, SiO2층, Si3N4층)을 포함할 수도 있다.
도시된 바와 같이, 유전체 패시베이션/미러층(214)은 P-오믹 금속층(204)에 전기적 접근을 제공하는 하나 이상의 유전체 비아 개구(206)를 포함할 수도 있다. 광학적 구멍(208)은 광이 방출될 수도 있는 전류 제한 구멍(210) 위에 유전체 패시베이션/미러층(214)의 일부를 포함할 수도 있다.
P-오믹 금속층(204)은 전류가 흐를 수도 있는 전기 접점을 만드는 층을 포함할 수도 있다. 예를 들어, P-오믹 금속층(204)은 (예를 들어, 유전체 비아 개구(206)를 통해 P-오믹 금속층(204)과 접촉하는 본드패드(미도시)를 통해) 전류가 흐를 수도 있는 TiAu층, TiPtAu층 등을 포함할 수도 있다.
일부 구현예에서, 이미터(200)는 일련의 단계를 사용하여 제작될 수도 있다. 예를 들어, 하단 미러(224), 활성층(222), 산화층(220) 및 상단 미러(218)가 기판층(226) 상에 에피택셜 성장될 수도 있고, 그 후에 P-오믹 금속층(204)이 상단 미러(218) 상에 증착될 수도 있다. 다음에, 산화 트렌치(212)는 산화를 위해 산화층(220)을 노출시키도록 에칭될 수도 있다. 주입 절연 재료(216)가 이온 주입을 통해 생성될 수도 있고, 그 후에 유전체 패시베이션/미러층(214)이 증착될 수도 있다. 유전체 비아 개구(206)는 (예를 들어, 접촉을 위해 P-오믹 금속층을 노출시키도록) 유전체 패시베이션/미러층(214) 내에 에칭될 수도 있다. 도금, 시딩(seeding) 및 에칭이 수행될 수도 있고, 그 후에 기판층(226)이 타깃 두께로 시닝(thin) 및/또는 래핑(lap)될 수도 있다. 마지막으로, 후면 음극층(228)이 기판층(226)의 하단측에 증착될 수도 있다.
도 2b에 도시된 층의 수, 배열, 두께, 순서, 대칭 등은 실시예로서 제공된다. 실제로, 이미터(200)는 추가의 층, 더 적은 층, 상이한 층, 상이하게 구성된 층 또는 도 2b에 도시된 것과는 상이하게 배열된 층을 포함할 수도 있다. 부가적으로 또는 대안적으로, 이미터(200)의 층(예를 들어, 하나 이상의 층)의 세트는 이미터(200)의 층의 또 다른 세트에 의해 수행되는 것으로 설명되는 하나 이상의 기능을 수행할 수도 있다.
도 3a 내지 도 3h는 빔 발산 및/또는 다른 광학 모드 특성을 제어하도록 구성된 예시적인 이미터의 예시적인 단면도이다. 도 3a 내지 도 3h에 도시된 이미터는 도 1a, 도 1b, 도 2a 및/또는 도 2b와 관련하여 위에 설명된 하나 이상의 구성요소를 포함할 수도 있다. 예를 들어, 도 3a 내지 도 3h에 도시된 이미터는 기판층(226), 활성층(222), 상단 미러(218), 하단 미러(224), 산화층(들)(220), 활성 구역(145), 산화 영역(150) 등을 포함할 수도 있다. 또한, 단일의 이미터가 도 3a 내지 도 3h의 각각에 도시되지만, 본 명세서에 설명된 기법은 이미터의 어레이에 적용될 수도 있다. 더 구체적으로, 본 명세서에 설명된 기법은 공통 양극과 공통 음극 둘 다를 가진 이미터의 어레이에 적용될 수도 있다.
도 3a 및 도 3b는 상이한 양의 산화층(220)에 기인하여 상이한 빔 발산을 하는 상이한 이미터(예를 들어, VCSEL)(300, 302)의 도면이다. 이미터(300)는 더 넓은 빔 발산, 더 높은 개구수 및 더 넓은 스펙트럼 폭을 가진 레이저 빔(304)을 방출할 수도 있고, 반면에 이미터(302)는 더 좁은 빔 발산, 더 낮은 개구수 및 더 좁은 스펙트럼 폭을 가진 레이저 빔(306)을 방출할 수도 있다. 도 3a 및 도 3b에 도시된 바와 같이, 이미터(300, 302)는 이미터(300, 302)에 포함된 산화층(220)의 양에 의해 제어되는 광학 모드 특성을 가진 레이저 빔(304, 306)을 (각각) 생산할 수도 있다.
예를 들어, 이미터(300)는 다수의 산화층(220)(예를 들어, 3개의 산화층(220))을 포함하고, 이는 활성층(222)의 활성 구역(145)과 산화층(220)과 연관된 산화 영역(150) 사이의 유효 굴절률 단차를 증가시킨다. 활성 구역(145)에 가장 근접한 유효 굴절률 단차를 증가시키는 것은 광집중을 증가시키고 그리고 레이저 빔(304)으로 도시된 바와 같은, 더 넓은 발산, 더 높은 개구수 및 더 넓은 스펙트럼 폭을 가진 레이저 빔을 생산한다.
반대로, 이미터(302)는 소수의 산화층(220)(예를 들어, 하나의 산화층(220))을 포함하고, 이는 활성층(222)의 활성 구역(145)과 산화층(220)과 연관된 산화 영역(150) 사이의 유효 굴절률 단차를 감소시킨다. 활성 구역(145)에 가장 근접한 유효 굴절률 단차를 감소시키는 것은 광집중을 감소시키고 그리고 레이저 빔(306)으로 도시된 바와 같은, 더 좁은 발산, 더 낮은 개구수 및 더 좁은 스펙트럼 폭을 가진 레이저 빔을 생산한다. 활성층 활성 구역(145)에 가장 가까운 산화층(220)은 유효 굴절률 단차에 가장 큰 영향을 줄 수도 있고 그리고 산화층(220)은 유효 굴절률 단차에 더 적은 영향을 줄 수도 있다.
도 3a 및 도 3b에 도시된 산화층(220)의 양이 실시예로서 제공되고 그리고 상이한 양의 산화층(220)(예를 들어, 2개의 산화층(220), 4개의 산화층(220), 5개의 산화층(220) 등)이 이미터에 포함될 수도 있다. 이미터에 포함된 산화층(220)의 양을 변경함으로써 그리고/또는 하나 이상의 다른 산화층 특성(예를 들어, 본 명세서의 다른 곳에 설명됨)을 변경함으로써, 이미터는 상이한 빔 발산, 개구수 및/또는 스펙트럼 폭을 요구하는 다양한 적용을 위해 융통성 있게 디자인될 수도 있다.
도 3c 및 도 3d는 하나 이상의 산화층(220)의 상이한 두께에 기인하여 상이한 빔 발산을 하는 상이한 이미터(예를 들어, VCSEL)(310, 312)의 도면이다. 이미터(310)는 더 넓은 빔 발산, 더 높은 개구수 및 더 넓은 스펙트럼 폭을 가진 레이저 빔(314)을 방출할 수도 있고, 반면에 이미터(312)는 더 좁은 빔 발산, 더 낮은 개구수 및 더 좁은 스펙트럼 폭을 가진 레이저 빔(316)을 방출할 수도 있다. 도 3c 및 도 3d에 도시된 바와 같이, 이미터(310, 312)는 이미터(310, 312)에 포함된 산화층(들)(220)의 두께에 의해 제어되는 광학 모드 특성을 가진 레이저 빔(314, 316)을 (각각) 생산할 수도 있다.
예를 들어, 이미터(310)는 더 두꺼운 산화층(220)(예를 들어, 50 내지 60㎚)을 포함하고, 이는 활성층(222)의 활성 구역(145)과 산화층(220)과 연관된 산화 영역(150) 사이의 유효 굴절률 단차를 증가시킨다. 활성 구역(145)에 가장 근접한 유효 굴절률 단차를 증가시키는 것은 광집중을 증가시키고 그리고 레이저 빔(314)으로 도시된 바와 같은, 더 넓은 발산, 더 높은 개구수 및 더 넓은 스펙트럼 폭을 가진 레이저 빔을 생산한다.
반대로, 이미터(312)는 더 얇은 산화층(220)(예를 들어, 10 내지 20㎚)을 포함하고, 이는 활성층(222)의 활성 구역(145)과 산화층(220)과 연관된 산화 영역(150) 사이의 유효 굴절률 단차를 감소시킨다. 활성 구역(145)에 가장 근접한 유효 굴절률 단차를 감소시키는 것은 광집중을 감소시키고 그리고 레이저 빔(316)으로 도시된 바와 같은, 더 좁은 발산, 더 낮은 개구수 및 더 좁은 스펙트럼 폭을 가진 레이저 빔을 생산한다.
도 3c 및 도 3d에 도시된 산화층(220)의 두께가 실시예로서 제공되고 그리고 산화층(220)의 상이한 두께가 구성될 수도 있다. 부가적으로 또는 대안적으로, 다수의 산화층 특성은 광학 모드 특성(예를 들어, 빔 발산, 개구수, 스펙트럼 폭 등)을 제어하도록 구성될 수도 있다. 예를 들어, 상이한 이미터는 목적하는 광학 모드 특성을 달성하도록 산화층(220)의 상이한 양 그리고 산화층(220) 중 하나 이상의 상이한 두께를 포함할 수도 있다.
일부 구현예에서, 이미터는 상이한 두께를 가진 다수의 산화층(220)(예를 들어, 활성층(222)에 더 가까운 더 두꺼운 산화층(220)과 활성층(222)으로부터 더 먼 더 얇은 산화층(220), 또는 활성층(222)에 더 가까운 더 얇은 산화층(220)과 활성층(222)으로부터 더 먼 더 두꺼운 산화층(220))을 포함할 수도 있다. 이미터에 포함된 산화층(들)(220)의 두께를 변경함으로써 그리고/또는 하나 이상의 다른 산화층 특성(예를 들어, 본 명세서의 다른 곳에 설명됨)을 변경함으로써, 이미터는 상이한 빔 발산, 개구수 및/또는 스펙트럼 폭을 요구하는 다양한 적용을 위해 융통성 있게 디자인될 수도 있다.
도 3e 및 도 3f는 활성층(222)에 대한 하나 이상의 산화층(220)의 상이한 근접성에 기인하여 상이한 빔 발산을 하는 상이한 이미터(예를 들어, VCSEL)(320, 322)의 도면이다. 이미터(320)는 더 넓은 빔 발산, 더 높은 개구수 및 더 넓은 스펙트럼 폭을 가진 레이저 빔(324)을 방출할 수도 있고, 반면에 이미터(322)는 더 좁은 빔 발산, 더 낮은 개구수 및 더 좁은 스펙트럼 폭을 가진 레이저 빔(326)을 방출할 수도 있다. 도 3e 및 도 3f에 도시된 바와 같이, 이미터(320, 322)는 이미터(320, 322)에 포함된 활성층(222)에 대한, 이미터(320, 322)에 포함된 하나 이상의 산화층(220)의 근접성에 의해 제어되는 광학 모드 특성을 가진 레이저 빔(324, 326)을 (각각) 생산할 수도 있다.
예를 들어, 이미터(320)는 활성층(222)에 더 가까이 배치된 산화층(220)을 포함하고, 이는 활성층(222)의 활성 구역(145)과 산화층(220)과 연관된 산화 영역(150) 사이의 유효 굴절률 단차를 증가시킨다. 활성 구역(145)에 가장 근접한 유효 굴절률 단차를 증가시키는 것은 광집중을 증가시키고 그리고 레이저 빔(324)으로 도시된 바와 같은, 더 넓은 발산, 더 높은 개구수 및 더 넓은 스펙트럼 폭을 가진 레이저 빔을 생산한다.
반대로, 이미터(322)는 활성층(222)으로부터 더 멀리 배치된 산화층(220)을 포함하고, 이는 활성층(222)의 활성 구역(145)과 산화층(220)과 연관된 산화 영역(150) 사이의 유효 굴절률 단차를 감소시킨다. 활성 구역(145)에 가장 근접한 유효 굴절률 단차를 감소시키는 것은 광집중을 감소시키고 그리고 레이저 빔(326)으로 도시된 바와 같은, 더 좁은 발산, 더 낮은 개구수 및 더 좁은 스펙트럼 폭을 가진 레이저 빔을 생산한다.
도 3e 및 도 3f에 도시된 활성층(222)에 대한 산화층(220)의 근접성이 실시예로서 제공되고 그리고 상이한 근접성이 구성될 수도 있다. 부가적으로 또는 대안적으로, 다수의 산화층 특성은 광학 모드 특성(예를 들어, 빔 발산, 개구수, 스펙트럼 폭 등)을 제어하도록 구성될 수도 있다. 예를 들어, 상이한 이미터는 목적하는 광학 모드 특성을 달성하도록 산화층(220)의 상이한 양, 산화층(220) 중 하나 이상의 상이한 두께 및/또는 활성층(222)에 대한 하나 이상의 산화층(220)의 상이한 근접성을 포함할 수도 있다.
일부 구현예에서, 이미터는 활성층(222)에 대해 상이한 근접성을 가진 다수의 산화층(220)을 포함할 수도 있다. 이 경우에, 활성층(222)에 대한 단일의 산화층(220)의 근접성(예를 들어, 활성층(222)에 가장 가까운 산화층(220))은 광학 모드 특성을 변경하도록 구성될 수도 있다. 부가적으로 또는 대안적으로, 활성층(222)에 대한 다수의 산화층(220)의 근접성은 광학 모드 특성을 변경하도록 구성될 수도 있다. 이미터에 포함된 산화층(들)(220)의 대응하는 근접성을 변경함으로써 그리고/또는 하나 이상의 다른 산화층 특성(예를 들어, 본 명세서의 다른 곳에 설명됨)을 변경함으로써, 이미터는 상이한 빔 발산, 개구수 및/또는 스펙트럼 폭을 요구하는 다양한 적용을 위해 융통성 있게 디자인될 수도 있다.
도 3g 및 도 3h는 하나 이상의 산화층(220)의 상이한 형상을 가진 상이한 이미터(예를 들어, VCSEL)(330, 332)의 도면이다. 이미터(330, 332)는 더 넓은 빔 발산, 더 높은 개구수 및 더 넓은 스펙트럼 폭을 가진 레이저 빔(334, 336)을 (각각) 방출할 수도 있다. 도 3g 및 도 3h에 도시된 바와 같이, 이미터(330, 332)는 이미터(330, 332)에 포함된 하나 이상의 산화층(220)의 형상에 의해 제어되는 광학 모드를 가진 레이저 빔(334, 336)을 (각각) 생산할 수도 있다.
예를 들어, 이미터(330)는 테이퍼링된 단부(예를 들어, 미러(218)의 중심에 더 가까이 위치된 테이퍼링된 중심 단부)를 가진 산화층(220)을 포함한다. 산화층(220)의 단부를 테이퍼링하는 것은 (예를 들어, 테이퍼링되지 않은 단부와 비교할 때) 활성층(222)의 활성 구역(145)과 산화층(220)과 연관된 산화 영역(150) 사이의 유효 굴절률 단차를 감소시킨다. 그러나, 이러한 테이퍼링은 또 다른 광학 모드 특성(예를 들어, 더 두꺼운 산화층(220), 증가된 수의 산화층(220), 활성층(222)에 더 가까이 배치된 산화층(220) 등)의 구성에 기인하여 기계적 신뢰성의 감소를 상쇄시키도록 이미터(330)의 기계적 신뢰성을 증가시킬 수도 있다.
예를 들어, 도 3g에 도시된 바와 같이, 이미터(330)는 두꺼운 산화층(220)을 포함하고, 이는 활성층(222)의 활성 구역(145)과 산화층(220)과 연관된 산화 영역(150) 사이의 유효 굴절률 단차를 증가시킨다. 활성 구역(145)에 가장 근접한 유효 굴절률 단차를 증가시키는 것은 광집중을 증가시키고 그리고 레이저 빔(334)으로 도시된 바와 같은, 더 넓은 발산, 더 높은 개구수 및 더 넓은 스펙트럼 폭을 가진 레이저 빔을 생산한다. 또한, 산화층(220)이 테이퍼링된 단부를 포함하기 때문에, 이미터(330)는 테이퍼링되지 않은 산화층(220)의 유사한 두께를 가진 유사한 이미터(예를 들어, 도 3c의 이미터(310)와 같음)와 비교할 때 개선된 기계적 안정성 및 신뢰성을 나타낼 수도 있다.
유사하게, 도 3h에 도시된 바와 같이, 이미터(332)는 활성층(222)에 더 가까이 배치된 산화층(220)을 포함하고, 이는 활성층(222)의 활성 구역(145)과 산화층(220)과 연관된 산화 영역(150) 사이의 유효 굴절률 단차를 증가시킨다. 활성 구역(145)에 가장 근접한 유효 굴절률 단차를 증가시키는 것은 광집중을 증가시키고 그리고 레이저 빔(336)으로 도시된 바와 같은, 더 넓은 발산, 더 높은 개구수 및 더 넓은 스펙트럼 폭을 가진 레이저 빔을 생산한다. 또한, 산화층(220)이 테이퍼링된 단부를 포함하기 때문에, 이미터(332)는 테이퍼링되지 않은 산화층(220)과 활성층(222) 사이의 유사한 근접성을 가진 유사한 이미터(예를 들어, 도 3e의 이미터(320)와 같음)와 비교할 때 개선된 기계적 안정성 및 신뢰성을 나타낼 수도 있다. 그러나, 일부 구현예에서, 하나 이상의 산화층(220)은 VCSEL의 디자인의 용이성을 개선하도록 테이퍼링되지 않을 수도 있다(또는 문턱값 정도 미만의 테이퍼링을 가질 수도 있다). 일부 구현예에서, 활성층(222)에 가장 가까운 산화층(220)은 테이퍼링되지 않거나 문턱값 정도 미만의 테이퍼링을 갖는다.
도 3g에 도시된 바와 같이, 활성층(222)에 더 가까이 배치된 산화층(220)의 제1 부분의 더 깊은 깊이의 산화 및 활성층(222)으로부터 더 멀리 배치된 산화층(220)의 제2 부분의 더 얕은 깊이의 산화를 가진 이미터(330)의 산화층(220)이 도시된다. 도 3h에 도시된 바와 같이, 활성층(222)에 더 가까이 배치된 산화층(220)의 제1 부분의 더 얕은 깊이의 산화 및 활성층(222)으로부터 더 멀리 배치된 산화층(220)의 제2 부분의 더 깊은 깊이의 산화를 가진 이미터(332)의 산화층(220)이 도시된다. 이 산화층의 형상이 실시예로서 제공되고 그리고 다른 실시예도 가능하다. 예를 들어, 활성층(222)에 더 가까이 배치된 산화층(220)의 제1 부분은 비교적 얕은 깊이의 산화를 가질 수도 있고, 활성층(222)으로부터 더 멀리 배치된 산화층(220)의 제2 부분은 비교적 얕은 깊이의 산화를 가질 수도 있으며 그리고 제1 부분과 제2 부분 사이에 배치된 산화층(220)의 제3 부분은 비교적 깊은 깊이의 산화를 가질 수도 있다.
부가적으로 또는 대안적으로, 다수의 산화층 특성은 광학 모드 특성(예를 들어, 빔 발산, 개구수, 스펙트럼 폭 등)을 제어하도록 구성될 수도 있다. 예를 들어, 상이한 이미터는 목적하는 광학 모드 특성을 달성하도록 산화층(220)의 상이한 양, 산화층(220) 중 하나 이상의 상이한 두께, 활성층(222)에 대한 하나 이상의 산화층(220)의 상이한 근접성 및/또는 산화층(220)의 상이한 형상을 포함할 수도 있다.
일부 구현예에서, 이미터는 상이한 형상을 가진 다수의 산화층(220)을 포함할 수도 있다. 이 경우에, 단일의 산화층(220)(예를 들어, 활성층(222)에 가장 가까운 산화층(220))의 형상은 광학 모드 특성을 변경하도록 구성될 수도 있다. 부가적으로 또는 대안적으로, 활성층(222)에 대한 다수의 산화층(220)의 형상은 광학 모드 특성을 변경하도록 구성될 수도 있다. 이미터에 포함된 산화층(들)(220)의 대응하는 형상을 변경함으로써 그리고/또는 하나 이상의 다른 산화층 특성(예를 들어, 본 명세서의 다른 곳에 설명됨)을 변경함으로써, 이미터는 상이한 빔 발산, 개구수 및/또는 스펙트럼 폭을 요구하는 다양한 적용을 위해 융통성 있게 디자인될 수도 있다.
위에 나타낸 바와 같이, 도 3a 내지 도 3h는 실시예로서 제공된다. 다른 실시예가 가능하고 그리고 도 3a 내지 도 3h와 관련하여 설명된 것과는 상이할 수도 있다.
도 4는 VCSEL의 빔 발산을 제어하기 위한 예시적인 과정(400)의 흐름도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 과정(400)은 VCSEL의 기판층 상에, 활성층, 제1 미러 및 제2 미러를 형성하는 단계를 포함할 수도 있고, 활성층은 제1 미러와 제2 미러 사이에 형성된다(블록(410)). 일부 구현예에서, VCSEL은 상단 방출 VCSEL이다. 일부 구현예에서, VCSEL은 하단 방출 VCSEL이다.
또한 도 4에 도시된 바와 같이, 과정(400)은 활성층에 가장 근접한 하나 이상의 산화층을 형성하는 단계를 포함할 수도 있고, 하나 이상의 산화층은 하나 이상의 산화층 특성에 기초하여 VCSEL에 의해 방출된 레이저 빔의 빔 발산을 제어하도록 구성된다(블록(420)). 일부 구현예에서, 하나 이상의 산화층은 레이저 빔의 비교적 넓은 빔 발산을 형성하도록, 활성층의 활성 구역에 가장 근접한, 비교적 큰 유효 굴절률 단차를 생성하도록 구성된다. 일부 구현예에서, 하나 이상의 산화층은 레이저 빔의 비교적 좁은 빔 발산을 형성하도록, 활성층의 활성 구역에 가장 근접한, 비교적 작은 유효 굴절률 단차를 생성하도록 구성된다.
일부 구현예에서, 빔 발산은 하나 이상의 산화층의 양, 하나 이상의 산화층의 하나 이상의 형상, 하나 이상의 산화층의 하나 이상의 두께 또는 활성층에 대한 하나 이상의 산화층의 하나 이상의 근접성 중 적어도 하나에 기초하여 제어된다. 예를 들어, 하나 이상의 산화층은 빔 발산을 제어하도록 다수의 산화층을 포함할 수도 있다. 부가적으로 또는 대안적으로, 하나 이상의 산화층의 형상은 빔 발산을 제어하도록 구성될 수도 있다. 부가적으로 또는 대안적으로, 하나 이상의 산화층의 두께는 빔 발산을 제어하도록 구성될 수도 있다. 부가적으로 또는 대안적으로, 활성층에 대한 하나 이상의 산화층의 근접성은 빔 발산을 제어하도록 구성될 수도 있다.
일부 구현예에서, 활성층에 가장 가까운, 하나 이상의 산화층 중 하나의 산화층은 문턱값 정도 미만의 테이퍼링을 갖는다. 예를 들어, 활성층에 가장 가까운, 하나 이상의 산화층 중 하나의 산화층은 테이퍼링되지 않을 수도 있다.
도 4가 과정(400)의 예시적인 블록을 도시하지만, 일부 구현예에서, 과정(400)은 추가의 블록, 더 적은 블록, 상이한 블록 또는 도 4에 도시된 것과는 상이하게 배열된 블록을 포함할 수도 있다. 부가적으로 또는 대안적으로, 과정(400)의 블록 중 2개 이상은 동시에 수행될 수도 있다.
본 명세서에 설명된 일부 기법은 빔 발산, 개구수 및/또는 스펙트럼 폭과 같은 상이한 광학 모드 특성을 요구하는 다양한 적용을 위한 이미터(예를 들어, VCSEL)의 융통성 있는 디자인을 허용한다.
앞서 말한 개시내용이 예시 및 설명을 제공하지만, 총망라하도록 그리고 구현예를 개시된 정확한 형태로 제한하도록 의도되지 않는다. 수정 및 변형이 위의 개시내용에 비추어 가능하거나 또는 구현예의 실행으로부터 획득될 수도 있다.
피처의 특정한 조합이 청구항에 언급되고/되거나 명세서에 개시되지만, 이 조합은 가능한 구현예의 개시내용을 제한하고자 의도되지 않는다. 실제로, 이 피처 중 대다수는 특별히 청구항에 언급되고/되거나 명세서에 개시되지 않은 방식으로 조합될 수도 있다. 이하에 나열된 각각의 종속항이 단 하나의 청구항에 직접적으로 따를 수도 있지만, 가능한 구현예의 개시내용은 청구항 세트 내의 모든 다른 청구항과 조합하여 각각의 종속항을 포함한다.
본 명세서에 사용되는 구성요소, 행위 또는 명령은 달리 이와 같이 분명히 설명되지 않는 한 중요하거나 본질적인 것으로서 해석되어서는 안 된다. 또한, 본 명세서에서 사용될 때, 단수표현은 하나 이상의 항목을 포함하는 것으로 의도되고 그리고 "하나 이상"과 교환 가능하게 사용될 수도 있다. 또한, 본 명세서에서 사용될 때, 용어 "세트"는 하나 이상의 항목(예를 들어, 관련된 항목, 비관련된 항목, 관련된 항목과 비관련된 항목의 조합 등)을 포함하는 것으로 의도되고 그리고 "하나 이상"과 교환 가능하게 사용될 수도 있다. 단 하나의 항목을 의도하는 경우에, 용어 "하나" 또는 유사한 언어가 사용된다. 또한, 본 명세서에서 사용될 때, 용어 "갖는", "구비하는" 등은 개방형 용어인 것으로 의도된다. 또한, 어구 "기초하여"는 달리 명확히 언급되지 않는 한 "적어도 부분적으로 기초하여"를 의미하는 것으로 의도된다.

Claims (20)

  1. 수직 공동부 표면 방출 레이저(vertical cavity surface emitting laser: VCSEL)로서,
    기판층; 및
    상기 기판층 상의 에피택셜층을 포함하되,
    상기 에피택셜층은 활성층, 제1 미러, 제2 미러 및 하나 이상의 산화층을 포함하고,
    상기 활성층은 상기 제1 미러와 상기 제2 미러 사이에 있으며,
    상기 하나 이상의 산화층은 상기 활성층에 가장 근접하고, 그리고
    상기 하나 이상의 산화층은,
    상기 하나 이상의 산화층의 양,
    상기 하나 이상의 산화층의 형상,
    상기 하나 이상의 산화층의 두께, 또는
    상기 활성층에 대한 상기 하나 이상의 산화층의 근접성 중 적어도 하나에 기초하여 상기 VCSEL에 의해 방출된 레이저 빔의 빔 발산을 제어하도록 구성되는, VCSEL.
  2. 제1항에 있어서, 상기 하나 이상의 산화층은 상기 레이저 빔의 넓은 빔 발산을 형성하도록, 상기 활성층의 활성 구역과 상기 하나 이상의 산화층과 연관된 산화 영역 사이에, 유효 굴절률 단차를 생성하도록 구성되는, VCSEL.
  3. 제1항에 있어서, 상기 하나 이상의 산화층은 상기 빔 발산을 제어하도록 다수의 산화층을 포함하는, VCSEL.
  4. 제1항에 있어서, 상기 하나 이상의 산화층의 상기 형상은 상기 빔 발산을 제어하도록 구성되는, VCSEL.
  5. 제1항에 있어서, 상기 하나 이상의 산화층의 상기 두께는 상기 빔 발산을 제어하도록 구성되는, VCSEL.
  6. 제1항에 있어서, 상기 활성층에 대한 상기 하나 이상의 산화층의 상기 근접성은 상기 빔 발산을 제어하도록 구성되는, VCSEL.
  7. 제1항에 있어서, 상기 활성층에 가장 가까운, 상기 하나 이상의 산화층 중 하나의 산화층은 문턱값 정도 미만의 테이퍼링(tapering)을 갖는, VCSEL.
  8. 제1항에 있어서, 상기 VCSEL은 상단 방출 VCSEL인, VCSEL.
  9. 제1항에 있어서, 상기 VCSEL은 하단 방출 VCSEL인, VCSEL.
  10. 수직 공동부 표면 방출 레이저(VCSEL)의 빔 발산을 제어하는 방법으로서,
    상기 VCSEL의 기판층 상에, 활성층, 제1 미러 및 제2 미러를 형성하는 단계로서,
    상기 활성층이 상기 제1 미러와 상기 제2 미러 사이에 형성되는, 상기 VCSEL의 기판층 상에, 활성층, 제1 미러 및 제2 미러를 형성하는 단계; 및
    상기 활성층에 가장 근접한 하나 이상의 산화층을 형성하는 단계로서,
    상기 하나 이상의 산화층은,
    상기 하나 이상의 산화층의 양,
    상기 하나 이상의 산화층의 하나 이상의 형상,
    상기 하나 이상의 산화층의 하나 이상의 두께, 또는
    상기 활성층에 대한 상기 하나 이상의 산화층의 하나 이상의 근접성 중 적어도 하나에 기초하여 상기 VCSEL에 의해 방출된 레이저 빔의 빔 발산을 제어하도록 구성되는, 상기 활성층에 가장 근접한 하나 이상의 산화층을 형성하는 단계를 포함하는, VCSEL의 빔 발산을 제어하는 방법.
  11. 제10항에 있어서, 상기 하나 이상의 산화층은 상기 레이저 빔의 비교적 넓은 빔 발산을 형성하도록, 상기 활성층의 활성 구역에 가장 근접한, 비교적 큰 유효 굴절률 단차를 생성하도록 구성되는, VCSEL의 빔 발산을 제어하는 방법.
  12. 제10항에 있어서, 상기 하나 이상의 산화층은 상기 레이저 빔의 비교적 좁은 빔 발산을 형성하도록, 상기 활성층의 활성 구역에 가장 근접한, 비교적 작은 유효 굴절률 단차를 생성하도록 구성되는, VCSEL의 빔 발산을 제어하는 방법.
  13. 제10항에 있어서, 상기 VCSEL은 상단 방출 VCSEL인, VCSEL의 빔 발산을 제어하는 방법.
  14. 제10항에 있어서, 상기 활성층에 가장 가까운, 상기 하나 이상의 산화층 중 하나의 산화층은 테이퍼링되지 않은, VCSEL의 빔 발산을 제어하는 방법.
  15. 수직 공동부 표면 방출 레이저(VCSEL) 웨이퍼로서,
    기판층; 및
    상기 기판층 상의 에피택셜층을 포함하되,
    상기 에피택셜층은,
    제1 미러와 제2 미러 사이의 활성층, 및
    하나 이상의 산화층으로서,
    상기 하나 이상의 산화층에 포함된 산화층의 양,
    상기 하나 이상의 산화층 중 적어도 하나의 산화층의 형상,
    상기 하나 이상의 산화층 중 적어도 하나의 산화층의 두께, 또는
    상기 활성층의 활성 구역에 대한, 상기 하나 이상의 산화층 중 적어도 하나의 산화층의 근접성 중 적어도 하나에 기초하여 상기 활성층의 상기 활성 구역에 가장 근접한 유효 굴절률 단차를 제어함으로써 방출된 레이저 빔의 빔 발산을 제어하도록 구성된, 상기 활성층에 가장 근접한, 상기 하나 이상의 산화층을 포함하는, VCSEL 웨이퍼.
  16. 제15항에 있어서, 비교적 큰 유효 굴절률 단차는 상기 방출된 레이저 빔의 비교적 넓은 빔 발산을 유발하고 그리고 비교적 작은 유효 굴절률 단차는 상기 방출된 레이저 빔의 비교적 좁은 빔 발산을 유발하는, VCSEL 웨이퍼.
  17. 제15항에 있어서, 상기 빔 발산은 상기 하나 이상의 산화층에 포함된 산화층의 양에 기초하여 제어되는, VCSEL 웨이퍼.
  18. 제15항에 있어서, 상기 빔 발산은 상기 하나 이상의 산화층 중 적어도 하나의 산화층의 상기 형상에 기초하여 제어되는, VCSEL 웨이퍼.
  19. 제15항에 있어서, 상기 빔 발산은 상기 하나 이상의 산화층 중 적어도 하나의 산화층의 상기 두께에 기초하여 제어되는, VCSEL 웨이퍼.
  20. 제15항에 있어서, 상기 빔 발산은 상기 활성층의 상기 활성 구역에 대한, 상기 하나 이상의 산화층 중 적어도 하나의 산화층의 상기 근접성에 기초하여 제어되는, VCSEL 웨이퍼.
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