KR20190084898A - 표면발광 레이저소자 및 이를 포함하는 발광장치 - Google Patents

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KR20190084898A
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장정훈
강호재
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엘지이노텍 주식회사
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Abstract

실시예는 표면발광 레이저소자 및 발광장치에 관한 것이다.
실시예에 따른 표면발광 레이저소자는 제1 반사층 및 제2 반사층; 및 상기 제1 반사층 및 제2 반사층 사이에 배치되는 활성영역;을 포함하고, 상기 제1 반사층은, 제1 그룹 제1 반사층 및 제2 그룹 제1 반사층을 포함하며, 상기 제2 반사층은 제1 그룹 제2 반사층 및 제2 그룹 제2 반사층을 포함할 수 있다.
상기 제1 그룹 제2 반사층은, 제1 알루미늄 농도를 가지는 제2-1 반사층; 상기 제1 알루미늄 농도보다 높은 제2 알루미늄 농도를 가지며 상기 제2-1 반사층의 일측에 배치되는 제2-2 반사층; 및 상기 제1 알루미늄 농도에서 상기 제2 알루미늄 농도로 변화하는 제3 알루미늄 농도를 가지며 상기 제2-1 반사층과 상기 제2-2 반사층 사이에 배치되는 제2-3 반사층;을 포함할 수 있다.
상기 제2-3 반사층의 제2 도전형 도핑농도는 상기 제2-1 반사층 또는 상기 제2-2 반사층의 제2 도전형 도핑농도 보다 높을 수 있다.

Description

표면발광 레이저소자 및 이를 포함하는 발광장치{A SURFACE-EMITTING LASER DEVICE AND LIGHT EMITTING INCLUDING THE SAME}
실시예는 반도체 소자에 관한 것으로, 보다 상세하게는 표면발광 레이저소자, 표면발광 레이저 패키지 및 이를 포함하는 발광장치에 관한 것이다.
GaN, AlGaN 등의 화합물을 포함하는 반도체 소자는 넓고 조정이 용이한 밴드 갭 에너지를 가지는 등의 많은 장점을 가져서 발광 소자, 수광 소자 및 각종 다이오드 등으로 다양하게 사용될 수 있다.
특히, 반도체의 3-5족 또는 2-6족 화합물 반도체 물질을 이용한 발광 다이오드(Light Emitting Diode)나 레이저 다이오드(Laser Diode)와 같은 발광소자는 박막 성장 기술 및 소자 재료의 개발로 적색, 녹색, 청색 및 자외선 등 다양한 색을 구현할 수 있으며, 형광 물질을 이용하거나 색을 조합함으로써 효율이 좋은 백색 광선도 구현이 가능하며, 형광등, 백열등 등 기존의 광원에 비해 저 소비전력, 반영구적인 수명, 빠른 응답속도, 안전성, 환경 친화성의 장점을 가진다. 뿐만 아니라, 광검출기나 태양 전지와 같은 수광 소자도 반도체의 3-5족 또는 2-6족 화합물 반도체 물질을 이용하여 제작하는 경우 소자 재료의 개발로 다양한 파장 영역의 빛을 흡수하여 광 전류를 생성함으로써 감마선부터 라디오 파장 영역까지 다양한 파장 영역의 빛을 이용할 수 있다. 또한 발광 소자는 빠른 응답속도, 안전성, 환경 친화성 및 소자 재료의 용이한 조절의 장점을 가져 전력 제어 또는 초고주파 회로나 통신용 모듈에도 용이하게 이용할 수 있다.
따라서, 광 통신 수단의 송신 모듈, LCD(Liquid Crystal Display) 표시 장치의 백라이트를 구성하는 냉음극관(CCFL: Cold Cathode Fluorescence Lamp)을 대체하는 발광 다이오드 백라이트, 형광등이나 백열 전구를 대체할 수 있는 백색 발광 다이오드 조명 장치, 자동차 헤드 라이트 및 신호등 및 Gas나 화재를 감지하는 센서 등에까지 응용이 확대되고 있다.
또한, 고주파 응용 회로나 기타 전력 제어 장치, 통신용 모듈에까지 응용이 확대될 수 있다.
예를 들어, 종래 반도체 광원소자 기술 중에, 수직공진형 표면발광 레이저(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser: VCSEL)가 있는데, 이는 광 통신, 광병렬 처리, 광연결 등에 사용되고 있다.
한편, 이러한 통신용 모듈에서 사용되는 레이저 다이오드의 경우, 저전류에서 작동하기 하도록 설계되어 있다.
그런데, 이러한 VCSEL을 LDAF(Laser Diode Autofocus), 구조광 센서 등에 적용하게 되면 수 KW의 고전류에서 작동하게 되므로 광도출력이 감소하고, 문턱 전류가 증가하는 등의 문제점이 발생한다.
즉, 종래 VCSEL(Vertical Cavity Surface Emitting Laser)의 에피(Epi) 구조는 기존의 데이터(Data) 광통신용 중심 구조에서는 응답속도가 중요하였으나, 센서용 고전압 패키지(High Power PKG) 개발 시에는 광출력과 전압 효율이 중요한 특성인데, 기존의 VCSEL 구조로는 광출력과 전압효율을 동시에 향상시키는데 한계가 있다.
예를 들어, VCSEL 구조를 위해서는 많은 수의 반사층, 예를 들어 DBR(distributed Bragg reflector)이 필요한데, 이러한 DBR에서 직렬 저항(series resistance)이 발생한다.
종래기술에서는 이러한 DBR에서 저항발생을 방지하기 위해 도핑농도를 증가시켜서 저항을 낮추어 전압효율을 향상시키려는 시도가 있으나, 도핑농도의 증가 시 도펀트에 의해 내부 광흡수가 발생되어 광출력 저하되는 기술적 모순상황이 발생하고 있다.
또한 종래기술에서 반사층인 DBR은 AlxGaAs 계열의 물질을 Al의 조성을 달리하여 교대로 배치하게 하여 반사율을 증대시킨다. 그런데, 이러한 인접하는 DBR층 사이 계면(interface)에서 에너지 밴드 벤딩(Energy Band Bending)에 의해 전기장(Electric Field)이 발생되고 있고, 이러한 전기장은 캐리어 장벽(Carrier Barrier)이 되어 광출력이 저하되는 문제가 발생되고 있다.
또한 VCSEL의 고전압 패키지(High Power PKG) 개발 시에는 광출력과 전압 효율이 중요한 특성인데, 광출력과 전압효율을 동시에 향상시키는데 한계가 있다.
예를 들어, 종래기술의 VCSEL 구조는 발광층과 소정의 공진기(cavity) 영역을 구비하는데, 이러한 영역은 내부 저항이 높아 구동전압이 상승하여 전압효율이 저하되는 기술적 문제점이 있다.
또한 종래기술에서 광출력을 향상시키기 위해서는 발광층 주변에서 광집중(optical confinement)이 필요한데, 종래기술에서는 이에 대한 적절한 해결책이 없는 실정이다.
실시예의 기술적 과제 중의 하나는, 전압효율을 향상시키면서도 광출력도 향상시킬 수 있는 표면발광 레이저소자 및 이를 포함하는 발광장치를 제공하고자 함이다.
또한 실시예의 기술적 과제 중의 하나는, 반사층에서의 전기장 발생에 따른 캐리어 배리어 영향을 최소화하여 광출력을 향상시킬 수 있는 표면발광 레이저소자 및 이를 포함하는 발광장치를 제공하고자 함이다.
또한 실시예의 기술적 과제 중의 하나는, 전압효율을 향상시켜 광출력을 향상시킬 수 있는 표면발광 레이저소자 및 이를 포함하는 발광장치를 제공하고자 함이다.
또한 실시예의 기술적 과제 중의 하나는, 발광층 주변에서 광집중(optical confinement) 효율 향상을 통해 광출력을 향상시킬 수 있는 표면발광 레이저소자 및 이를 포함하는 발광장치를 제공하고자 함이다.
실시예에 따른 표면발광 레이저소자는 제1 반사층(220) 및 제2 반사층(250); 및 상기 제1 반사층(220) 및 제2 반사층(250) 사이에 배치되는 활성영역(230);을 포함하고, 상기 제1 반사층(220)은, 제1 그룹 제1 반사층(221) 및 제2 그룹 제1 반사층(222)을 포함하며, 상기 제2 반사층(250)은 제1 그룹 제2 반사층(251) 및 제2 그룹 제2 반사층(252)을 포함할 수 있다.
상기 제1 그룹 제2 반사층은, 제1 알루미늄 농도를 가지는 제1-1 층과, 상기 제1 알루미늄 농도보다 높은 제2 알루미늄 농도를 가지며, 상기 제1-1층 상에 배치되는 제1-2 층 및 상기 제2 알루미늄 농도에서 상기 제1 알루미늄 농도로 감소하는 제4 알루미늄 농도를 가지며, 상기 제1-2 층 상에 배치되는 제1-4 층을 포함할 수 있다.
상기 제2 반사층은 제2 도전형 도펀트를 포함할 수 있다.
상기 제1-2 층은 상기 제1-1 층 및 상기 제1-4 층 사이에 배치될 수 있다.
상기 제1-4 층의 상기 제2 도전형 도펀트 도핑 레벨은 상기 제1-1 층 및 상기 제1-2 층의 상기 제2 도전형 도펀트 도핑 레벨보다 높을 수 있다.
상기 제2 도전형 도펀트는 카본(C)을 포함할 수 있다.
상기 제1-1층은 상기 제1-2층에 비해 상기 활성영역에 인접하게 배치될 수 있다.
상기 제2 반사층은, 상기 제1 그룹 제2 반사층보다 상기 활성영역에 인접하게 배치된 상기 제3 그룹 제2 반사층을 더 포함할 수 있다.
상기 제3 그룹 제2 반사층의 제2 도전형 도펀트의 평균농도는 상기 제1 그룹 제2 반사층의 제2 도전형 도펀트의 평균농도보다 낮을 수 있다.
상기 제1 그룹 제2 반사층(251)은, 제1 알루미늄 농도를 가지는 제2-1 반사층(251p); 상기 제1 알루미늄 농도보다 높은 제2 알루미늄 농도를 가지며 상기 제2-1 반사층(251p)의 일측에 배치되는 제2-2 반사층(251q); 및 상기 제1 알루미늄 농도에서 상기 제2 알루미늄 농도로 변화하는 제3 알루미늄 농도를 가지며 상기 제2-1 반사층(251p)과 상기 제2-2 반사층(251q) 사이에 배치되는 제2-3 반사층(251r);을 포함할 수 있다.
상기 제2-3 반사층(251r)의 제2 도전형 도핑농도는 상기 제2-1 반사층(251p) 또는 상기 제2-2 반사층(251q)의 제2 도전형 도핑농도 보다 높을 수 있다.
또한 상기 제1 그룹 제2 반사층(251)은, 제1 굴절률을 가지는 제2-1 반사층(251p); 상기 제1 굴절률보다 낮은 제2 굴절률을 가지며 상기 제2-1 반사층(251p)의 일측에 배치되는 제2-2 반사층(251q); 및 상기 제1 굴절률과 상기 제2 굴절률 사이의 제3 굴절률을 가지며 상기 제2-1 반사층(251p)과 제2-2 반사층(251q)의 사이에 배치되는 제2-3 반사층(251r);을 포함할 수 있다.
상기 제2-3 반사층(251r)의 제2 도전형 도핑농도는 상기 제2-1 반사층(251p) 또는 상기 제2-2 반사층(251q)의 제2 도전형 도핑농도 보다 높을 수 있다.
실시예에 따른 표면발광 레이저소자는 제1 반사층(220) 및 제2 반사층(250); 및 상기 제1 반사층(220) 및 제2 반사층(250) 사이에 배치되는 활성영역(230);을 포함하고, 상기 제1 반사층(220)은, 제1 알루미늄 농도를 가지는 제1-1 층(220a); 상기 제1 알루미늄 농도보다 높은 제2 알루미늄 농도를 가지며, 상기 제1-1 층(220a)의 일측에 배치되는 제1-2 층(220b); 및 상기 제1 알루미늄 농도에서 상기 제2 알루미늄 농도로 변화하는 제3 알루미늄 농도를 가지며, 상기 제1-1 층(220a)과 상기 제1-2 층(220b) 사이에 배치되는 제1-3 층(220c)을 포함할 수 있다.
상기 제1 반사층(220)은 제1 도전형 도펀트를 포함하고, 상기 제1-3 층(220c)의 제1 도전형 도펀트 농도는 상기 제1-1 층(220a) 및 제1-2 층(220b)의 제1 도전형 도펀트 농도보다 낮을 수 있다.
또한 실시예에 따른 표면발광 레이저소자는 제1 반사층(220) 및 제2 반사층(250); 및 상기 제1 반사층(220) 및 제2 반사층(250) 사이에 배치되는 활성영역(230);을 포함하고, 상기 제1 반사층(220)은, 제1 굴절률을 가지는 제1-1 층(220a); 상기 제1 굴절률보다 낮은 제2 굴절률을 가지며, 상기 제1-1 층(220a)의 일측에 배치되는 제1-2 층(220b); 및 상기 제1 굴절률과 상기 제2 굴절률 사이의 제3 굴절률을 가지며, 상기 제1-1 층(220a)과 제1-2 층(220b)의 사이에 배치되는 제1-3 층(220c)을 포함할 수 있다.
상기 제1 반사층(220)은 제1 도전형 도펀트를 포함하고, 상기 제1-3 층(220c)의 제1 도전형 도펀트 농도는 상기 제1-1 층(220a) 및 제1-2 층(220b)의 제1 도전형 도펀트 농도보다 낮을 수 있다.
실시예에 의하면, 전압효율을 향상시키면서도 광출력도 향상시킬 수 있는 표면발광 레이저소자 및 이를 포함하는 발광장치를 제공할 수 있는 기술적 효과가 있다.
또한 실시예는 반사층에서의 전기장 발생에 따른 캐리어 배리어 영향을 최소화하여 광출력을 향상시킬 수 있는 표면발광 레이저소자 및 이를 포함하는 발광장치를 제공할 수 있는 기술적 효과가 있다.
실시예에 따른 표면발광 레이저소자는 제1 도전형 도펀트를 포함하는 제1 반사층(220); 제2 도전형 도펀트를 포함하는 제2 반사층(250); 및 상기 제1 반사층(220)과 제2 반사층(250) 사이에 배치되는 활성영역(230);을 포함할 수 있다.
상기 활성영역(230)은, 상기 제1 반사층(220) 상에 배치되는 제1 캐비티(231)와, 양자우물(232a)과 양자벽(232b)을 포함하며 상기 제1 캐비티(231) 상에 배치되는 활성층(232)을 포함하고, 상기 제1 캐비티(231)는, 상기 제1 반사층(220)과 인접하고 제1 도전형 제1 도핑층(261)을 포함할 수 있다.
상기 제1 도전형 제1 도핑층(261)의 두께는 상기 제1 캐비티(231)의 두께 대비 70% 이하일 수 있다.
실시예에 따른 표면발광 레이저 패키지는 상기 표면발광 레이저소자를 포함할 수 있다.
실시예에 의하면, 전압효율을 향상시켜 광출력을 향상시킬 수 있는 기술적 효과가 있는 표면발광 레이저소자 및 이를 포함하는 발광장치를 제공할 수 있다.
또한, 실시예에 의하면, 발광층 주변에서 광집중(optical confinement) 효율 향상을 통해 광출력을 향상시킬 수 있는 기술적 효과가 있는 표면발광 레이저소자 및 이를 포함하는 발광장치를 제공할 수 있다.
도 1은 실시예에 따른 표면발광 레이저소자의 단면도.
도 2는 실시예에 따른 표면발광 레이저소자의 확대 단면도.
도 3은 실시예에 따른 표면발광 레이저소자에서 굴절률과 광에너지의 제1 분포 데이터.
도 4a는 실시예에 따른 표면발광 레이저소자의 제1 반사층에서의 굴절률과 광 에너지의 제1 데이터.
도 4b는 실시예에 따른 표면발광 레이저소자에서의 Al의 농도, 도펀트(Si, C)의 도핑 농도데이터.
도 4c은 실시예에 따른 표면발광 레이저소자에서 굴절률의 제2 분포 데이터.
도 4d는 실시예에 따른 표면발광 레이저소자의 제1 반사층에서의 굴절률에 대한 제2 데이터.
도 4e는 실시예에 따른 표면발광 레이저소자의 제2 반사층에서의 굴절률에 대한 데이터.
도 4f는 실시예에 따른 표면발광 레이저소자에서의 제2 반사층(250)에의 Secondary-ion mass spectrometry (SIMS) 데이터.
도 4g는 도 4f의 P2 영역의 확대도.
도 5 내지 도 8은 실시예에 따른 표면발광 레이저소자의 제조공정 단면도.
도 9 내지 도 14는 제2 실시예에 따른 표면발광 레이저소자의 제조공정 단면도.
도 15는 제3 실시예에 따른 반도체 소자에서 에너지밴드 다이어 그램 예시도.
도 16은 제4 실시예에 따른 반도체 소자에서 에너지밴드 다이어 그램 예시도.
도 17a와 도 17b는 실시예에 따른 반도체 소자의 캐비티 영역에서 도핑 농도 데이터.
도 18은 제5 실시예에 따른 반도체 소자에서 에너지밴드 다이어 그램 예시도.
도 19는 실시예에 따른 표면발광 레이저패키지를 포함하는 이동 단말기의 사시도.
실시 예의 설명에 있어서, 각 층(막), 영역, 패턴 또는 구조물들이 기판, 각 층(막), 영역, 패드 또는 패턴들의 "상/위(on)"에 또는 "하/아래(under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, "상/위(on)"와 "하/아래(under)"는 "직접(directly)" 또는 "다른 층을 개재하여 (indirectly)" 형성되는 것을 모두 포함한다. 또한 각 층의 상/위 또는 하/아래에 대한 기준은 도면을 기준으로 설명한다.
도면에서 각층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시될 수 있다. 또한 각 구성요소의 크기는 실제크기를 전적으로 반영하는 것은 아니다.
실시예에서 반도체 소자는 발광소자, 수광 소자 등 각종 전자 소자 포함할 수 있으며, 발광소자와 수광소자는 모두 제1 도전형 반도체층과 활성층 및 제2 도전형 반도체층을 포함할 수 있다. 실시예에서 반도체 소자는 레이저 다이오드 일 수 있다. 예를 들어, 실시예에서 반도체 소자는 수직공진형 표면발광 레이저(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser: VCSEL)일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다
(실시예)
도 1은 실시예에 따른 표면발광 레이저소자(200)의 단면도이다.
실시예에 따른 표면발광 레이저소자(200)는 제1 전극(215), 제1 기판(210), 제1 반사층(220), 활성영역(230), 애퍼처 애퍼처영역(240), 제2 반사층(250), 제2 접촉 전극(255), 제2 전극(280), 패시베이션층(270) 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다. 상기 애퍼처영역(240)은 절연영역(242)과 애퍼처(241)를 포함할 수 있으며, 중간층으로 칭해질 수도 있다. 상기 제1 반사층(220), 상기 활성영역(230), 상기 절연영역(242) 및 제2 반사층(250)을 발광구조물이라 할 수 있다. 도 2와 같이, 상기 활성영역(230)은 활성층(232)과 캐비티(231,233)를 포함할 수 있으며, 캐비티영역으로 칭해질 수도 있다.
이하 도 1을 중심으로 실시예에 따른 표면발광 레이저소자(200)의 기술적 특징을 설명하기로 하며, 도 2 내지 도 4e를 참조하여 주요 기술적 효과도 함께 설명하기로 한다.
<제1 기판, 제1 전극>
실시예에서 제1 기판(210)은 전도성 기판 또는 비전도성 기판일 수 있다. 전도성 기판을 사용할 경우 전기 전도도가 우수한 금속을 사용할 수 있고, 표면발광 레이저소자(200) 작동 시 발생하는 열을 충분히 발산시킬 수 있어야 하므로 열전도도가 높은 GaAs 기판, 또는 금속기판을 사용하거나 실리콘(Si) 기판 등을 사용할 수 있다.
비전도성 기판을 사용할 경우, AlN 기판이나 사파이어(Al2O3) 기판 또는 세라믹 계열의 기판을 사용할 수 있다.
실시예에서 제1 기판(210)의 하부에 제1 전극(215)이 배치될 수 있으며, 상기 제1 전극(215)은 도전성 재료로 단층 또는 다층으로 배치될 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 전극(215)은 금속일 수 있고, 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 크롬(Cr), 니켈(Ni), 구리(Cu), 금(Au) 중 적어도 하나를 포함하여 단층 또는 다층 구조로 형성되어 전기적 특성을 향상시켜 광출력을 높일 수 있다.
<제1 반사층>
도 2는 도 1에 도시된 실시예에 따른 표면발광 레이저소자의 A 영역의 확대 단면도이다.
이하 도 2를 참조하여 실시예의 표면발광 레이저소자를 설명하기로 한다.
실시예에서 제1 기판(210) 상에는 제1 반사층(220)이 배치될 수 있다.
상기 제1 반사층(220)은 제1 도전형으로 도핑될 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 도전형 도펀트는 Si, Ge, Sn, Se, Te 등과 같은 n형 도펀트를 포함할 수 있다.
또한 상기 제1 반사층(220)은 갈륨계 화합물, 예를 들면 AlGaAs를 포함할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 제1 반사층(220)은 분산 브래그 반사기(DBR: Distributed Bragg Reflector)일 수 있다. 예를 들어, 제1 반사층(220)은 서로 다른 굴절 률을 가지는 물질로 이루어진 제1 층 및 제2 층이 교대로 적어도 1회 이상 적층된 구조일 수 있다.
우선, 상기 제1 반사층(220)은 상기 활성영역(230) 일측에 배치된 제1 그룹 제1 반사층(221) 및 상기 제1 그룹 제1 반사층(221)보다 상기 활성영역(230)에서 인접하여 배치된 제2 그룹 제1 반사층(222)을 포함할 수 있다.
제1 그룹 제1 반사층(221)과 제2 그룹 제1 반사층(222)은 AlxGa(1-x)As(0<x<1)의 조성식을 갖는 반도체 물질로 이루어진 복수의 층을 구비할 수 있으며, 각 층 내의 Al이 증가하면 각 층의 굴절률은 감소하고, Ga가 증가하면 각 층의 굴절률은 증가할 수 있다.
그리고, 각각의 층의 두께는 λ이고, λ는 활성영역(230)에서 발생하는 광의 파장일 수 있고, n은 상술한 파장의 광에 대한 각 층의 굴절률일 수 있다. 여기서, λ는 650 내지 980나노미터(nm)일 수 있고, n은 각층의 굴절률일 수 있다. 이러한 구조의 제1 반사층(220)은 약 940 나노미터의 파장 영역의 광에 대하여 99.999%의 반사율을 가질 수 있다.
각 제1 반사층(220)에서의 층의 두께는 각각의 굴절률과 활성영역(230)에서 방출되는 광의 파장 λ에 따라 결정될 수 있다.
예를 들어, 제1 그룹 제1 반사층(221)은 제1 그룹 제1-1 층(221a)과 제1 그룹 제1-2 층(221b)의 약 30~40 페어(pair)를 포함할 수 있다. 상기 제1 그룹 제1-1 층(221a)은 상기 제1 그룹 제1-2 층(221b)보다 두껍게 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 그룹 제1-1 층(221a)은 약 40~60nm로 형성될 수 있고, 상기 제1 그룹 제1-2 층(221b)은 약 20~30nm로 형성될 수 있다.
또한, 제2 그룹 제1 반사층(222)도 제2 그룹 제1-1 층(222a)과 제2 그룹 제1-2 층(222b)의 약 5~15 페어(pair)를 포함할 수 있다. 상기 제2 그룹 제1-1 층(222a)은 상기 제2 그룹 제1-2 층(222b)보다 두껍게 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 그룹 제1-1 층(222a)은 약 40~60nm로 형성될 수 있고, 상기 제2 그룹 제1-2 층(222b)은 약 20~30nm로 형성될 수 있다.
이하, 도 3 내지 도 4d를 참조하여 실시예에 따른 표면발광 레이저소자의 기술적 효과를 상세히 설명하기로 한다.
우선, 실시예의 기술적 과제 중의 하나는, 반사층에서의 전기장 발생에 따른 캐리어 배리어 영향을 최소화하여 광출력을 향상시킬 수 있는 표면발광 레이저소자 및 이를 포함하는 발광장치를 제공하고자 함이다.
즉, 앞서 기술한 바와 같이, 종래 VCSEL 구조에서는 인접하는 DBR층 사이 계면(interface)에서 에너지 밴드 벤딩(Energy Band Bending)에 의해 전기장(Electric Field) 발생에 의해 캐리어 장벽(barrier)이 발생되어 광출력이 저하되는 문제가 있다.
도 3은 실시예에 따른 표면발광 레이저소자에서 굴절률과 광에너지의 제1 분포 데이터이며, 도 4a는 도 3에 도시된 실시예에 따른 표면발광 레이저소자의 B영역의 제1 반사층에서의 굴절률(n)과 광 에너지(E)의 제1 데이터이다. 실시예에 의하면, 표면발광 레이저소자에서 발광된 광 에너지의 분포는 도 3에 도시된 바와 같이, 활성영역(230)을 중심으로 최대 값을 가지며, 활성영역(230)으로부터 멀어질수록 소정의 주기로 감소할 수 있다. 한편, 실시예에서 광 에너지 분포(E)는 도 3에 도시된 분포 데이터에 한정되는 것은 아니며 각 층에서의 광 에너지 분포는 각 층의 조성, 두께 등에 의해 도 3에 도시된 것과 다를 수 있다.
도 3을 참조하면, 실시예에 따른 표면발광 레이저소자(200)는 제1 반사층(220), 제2 반사층(250) 및 상기 제1 반사층(220)과 제2 반사층(250) 사이에 배치되는 활성영역(230)을 포함할 수 있다. 이때, 실시예에 따른 표면발광 레이저소자(200)는 제1 반사층(220), 제2 반사층(250) 및 활성영역(230)의 물질에 따라 굴절률(n)이 도 3에 도시된 것과 같을 수 있다.
다음으로 도 4a를 참조하면, 실시예에서 제1 반사층(220)은, 제1 굴절률을 가지는 제1-1 층(220a)과, 상기 제1 굴절률보다 낮은 제2 굴절률을 가지며, 상기 제1-1 층(220a)의 일측에 배치되는 제1-2 층(220b) 및 상기 제1 굴절률과 상기 제2 굴절률 사이의 제3 굴절률을 가지며, 상기 제1-1 층(220a)과 제1-2 층(220b)의 사이에 배치되는 제1-3 층(220c)을 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 제1 반사층(220)은, 제1 알루미늄 농도를 가지는 제1-1 층(220a)과, 상기 제1 알루미늄 농도보다 높은 제2 알루미늄 농도를 가지며, 상기 제1-1 층(220a)의 일측에 배치되는 제1-2 층(220b) 및 상기 제1 알루미늄 농도에서 상기 제2 알루미늄 농도로 변화하는 제3 알루미늄 농도를 가지며, 상기 제1-1 층(220a)과 상기 제1-2 층(220b) 사이에 배치되는 제1-3 층(220c)을 포함할 수 있다.
예를 들어, 제1 반사층(220)이 AlxGa(1-x)As(0<x<1)를 포함하는 경우, 제1-1 층(220a)이 Al0.12Ga0.88As이고, 제1-2 층(220b)이 Al0.88Ga0.12As인 경우, 제1-3 층(220c)은 Alx3Ga(1-x3)As(0.12≤X3≤0.88)일 수 있다.
이를 통해, 실시예에 의하면 제1 반사층(220)에서 인접한 제1-1 층(220a)과 제1-2 층(220b) 사이에 양자의 중간 영역의 알루미늄 농도를 구비한 제1-3 층(220c)을 구비함으로써 인접한 반사층 사이 계면(interface)에서 에너지 밴드 벤딩(Energy Band Bending)에 의한 전기장(Electric Field) 발생을 최소화하여 캐리어 장벽(barrier)을 낮춤으로써 광출력을 향상시킬 수 있는 기술적 효과가 있다.
이에 따라 실시예에 의하면, 반사층에서의 전기장 발생에 따른 캐리어 배리어 영향을 최소화하여 광출력을 향상시킬 수 있는 표면발광 레이저소자 및 이를 포함하는 발광장치를 제공할 수 있다.
다음으로, 실시예의 또 다른 기술적 과제 중의 하나는, 전압효율을 향상시키면서도 광출력도 향상시킬 수 있는 표면발광 레이저소자 및 이를 포함하는 발광장치를 제공하고자 함이다.
즉, 종래기술에서는 반사층인 DBR에서 저항발생을 방지하기 위해 도핑농도를 증가시켜서 저항을 낮추어 전압효율을 향상시키려는 시도가 있으나, 도핑농도의 증가 시 도펀트에 의해 내부 광흡수가 발생되어 광출력 저하되는 기술적 모순상황이 발생하고 있다.
실시예는 이러한 기술적 과제를 해결하기 위해, 반사층에서의 제1 도전형 도펀트의 농도를 광 에너지 분포 모드를 고려하여 제어함으로써 전압효율을 향상시키면서도 광출력도 향상시킬 수 있는 기술적 효과가 있다.
구체적으로, 도 4a를 참조하면, 상기 제1-3 층(220c)에서의 광 에너지(E)는, 상기 제1-1 층(220a)에서의 광 에너지와 상기 제1-2 층(220b)에서 광 에너지 각각 보다 높을 수 있다. 상기 제1-1 층(220a)은 상기 제1-2 층(220b) 보다 상기 활성영역(230)에 인접하게 배치될 수 있다.
아래 표 1은 실시예에서 제1 반사층의 Al 농도, 굴절률에 따른 광 에너지 분포와 각 층에서의 n형 도펀트의 도핑농도 데이터이다.
층 Al 농도(x) 굴절률(n) 광 에너지(E) 도핑농도
제1-1 층(220a) 0.12 大 中 中
제1-3 층(220c) 0.12->0.88 中 大 小
제1-2 층(220b) 0.88 小 中 中
제1-4 층(220d) 0.88->0.12 中 小 大
이때, 상기 제1 반사층(220)이 제1 도전형 도펀트를 포함하는 경우, 상기 제1-3 층(220c)의 제1 도전형 도펀트 농도는 상기 제1-1 층(220a) 및 제1-2 층(220b)의 제1 도전형 도펀트 농도보다 낮을 수 있다.
실시예에 의하면, 광 에너지가 상대적으로 높은 제1-3 층(220c) 영역에 제1 도전형 도펀트를 상대적으로 낮게 도핑 함으로써 도펀트에 의한 광 흡수를 최소하여 광 출력도 향상시킬 수 있으므로, 광출력과 전압효율을 동시에 향상시킬 수 있는 표면발광 레이저소자 및 이를 포함하는 발광장치를 제공할 수 있는 특유의 기술적 효과가 있다.
또한 실시예의 제1 반사층(220)은 상기 제1-2층(220b)의 일측에 배치되며, 제4 농도의 알루미늄 농도를 구비하는 제1-4층(220d)을 더 포함할 수 있다. 상기 제1-4층(220d)은 상기 제1-2층(220b)보다 활성영역(230)에서 더 이격되어 배치될 수 있다.
이때, 상기 제1-4 층(220d)에서의 광 에너지는 상기 제1-1 층(220a)에서의 광 에너지와 상기 제1-2 층(220b)에서의 광 에너지 보다 낮을 수 있다. 이를 통해 제1-4 층(220d)에서의 광 에너지는 제1-1 층(220a)에서의 광 에너지, 제1-2 층(220b)에서의 광 에너지 및 제1-3 층(220c)에서의 광 에너지보다 낮을 수 있다.
실시예에서 상기 제1-4 층(220d)의 제1 도전형 도펀트 농도는 상기 제1-1 층(220a) 및 제1-2 층(220b)의 제1 도전형 도펀트 농도보다 높게 제어할 수 있다.
예를 들어, 제1 반사층(220)이 AlxGa(1-x)As(0<x<1)를 포함하는 경우, 제1-1 층(220a)이 Al0.12Ga0.88As이고, 제1-2 층(220b)이 Al0.88Ga0.12As인 경우, 제1-4 층(220d)은 Alx4Ga(1-x4)As(0.12≤X4≤0.88, X4는 0.88에서 0.12로 증가)일 수 있다.
이 때, 상기 제1-4 반사층(220d)에서의 광 에너지는, 상기 제1-1 층(220a)에서의 광 에너지와 상기 제1-2 층(220b)에서의 각각의 광 에너지 보다 낮을 수 있다.
실시예는 상기 제1-4 층(220d)의 제1 도전형 도펀트 농도가 상기 제1-1 층(220a) 및 제1-3 층(220c)의 제1 도전형 도펀트 농도보다 높게 제어함으로써, 낮은 광 에너지 영역인 제1-4 층(220d)에서의 도펀트 농도를 최대로 제어함으로써 저항 개선으로 전압효율을 향상시킴과 동시에 도펀트에 의한 광 흡수를 최소하여 광출력을 향상시킬 수 있는 특유의 기술적 효과가 있다.
도 4b는 실시예에 따른 표면발광 레이저소자에서의 Al의 농도, 도펀트(Si, C)의 도핑 농도데이터이다.
도 4b에서 가로 축은 제2 반사층에서 제1 반사층 방향으로 거리이며, 세로 축은 각 Al의 농도, 도펀트(Si, C)의 도핑 농도데이터이다.
실시예 의하면, 제1 도펀트인 Si이 도핑되는 제1 반사층(220)은, 제1 알루미늄 농도를 가지는 제1-1 층(220a)과, 상기 제1 알루미늄 농도보다 높은 제2 알루미늄 농도를 가지며, 상기 제1-1 층(220a)의 일측에 배치되는 제1-2 층(220b) 및 상기 제1 알루미늄 농도에서 상기 제2 알루미늄 농도로 변화하는 제3 알루미늄 농도를 가지며, 상기 제1-1 층(220a)과 상기 제1-2 층(220b) 사이에 배치되는 제1-3 층(220c)을 포함할 수 있다.
이때, 상기 제1-1 층(220a)이나 상기 제1-2 층(220b)의 Al의 농도는 고정된 값을 갖는 것은 아니며, 소정의 레인지의 범위의 Al의 농도 값을 구비할 수 있다.
또한 제1 도전형 도펀트인 Si 의 도펀트 농도나 제2 도전형 도펀트인 C의 도펀트 농도도 그 상한 값이나 하한 값도 특정 고정된 값을 구비하는 것은 아니며, 그 사항 또는 하한은 특정 범위의 레인지 값을 가질 수 있다.
다음으로 도 4c은 실시예에 따른 표면발광 레이저소자에서 굴절률(n)의 제2 분포 데이터이다.
도 4d는 도 4c에 도시된 실시예에 따른 표면발광 레이저소자의 제1 반사층(220)의 제2 영역(B2)에 대한 굴절률(n)의 제2 데이터이고, 도 4e는 제2 반사층(250)의 제3 영역(P)에 대한 굴절률(n)의 제3 데이터이다.
우선 도 4d를 참조하면, 실시예에서 제1 반사층(220)은 제1 그룹 제1 반사층(221) 및 제2 그룹 제1 반사층(222)을 포함할 수 있다.
이때 상기 제1 그룹 제1 반사층(221)은 복수의 층을 포함할 수 있으며, 예를 들어 제1-1 반사층(221p), 제1-2 반사층(221q), 제1-3 반사층(221r) 및 제1-4 반사층(221s)을 포함할 수 있다.
실시예에서 제1 그룹 제1 반사층(221)은 제1-1 반사층(221p) 내지 제1-4 반사층(221s)을 하나의 페어(pair)로 하는 경우 복수의 페어를 포함할 수 있다. 예를 들어, 실시예에서 제1 그룹 제1 반사층(221)은 제1-1 반사층(221p) 내지 제1-4 반사층(221s)의 약 30~40 페어(pair)를 포함할 수 있다.
또한 상기 제2 그룹 제1 반사층(222)은 복수의 층을 포함할 수 있으며, 예를 들어 제1-5 반사층(222p), 제1-6 반사층(222q), 제1-7 반사층(222r) 및 제1-8 반사층(222s)을 포함할 수 있다.
또한, 제2 그룹 제1 반사층(222)도 제1-5 반사층(222p) 내지 제1-8 반사층(222s)을 하나의 페어(pair)로 하는 경우 복수의 페어를 포함할 수 있다. 예를 들어, 실시예에서 제2 그룹 제1 반사층(222)은 제1-5 반사층(222p) 내지 제1-8 반사층(222s)을 하나의 페어(pair)로 하는 경우 약 5~15 페어(pair)를 포함할 수 있다.
종래 VCSEL 구조에서는 인접하는 DBR층 사이 계면(interface)에서 에너지 밴드 벤딩(Energy Band Bending)에 의해 전기장(Electric Field) 발생에 의해 캐리어 장벽(barrier)이 발생되어 광출력이 저하되는 문제가 있다.
이에 실시예의 기술적 과제 중의 하나는, 반사층에서의 전기장 발생에 따른 캐리어 배리어 영향을 최소화하여 광출력을 향상시킬 수 있는 표면발광 레이저소자 및 이를 포함하는 발광장치를 제공하고자 함이다.
도 4d를 참조하면, 실시예에서 상기 제1 그룹 제1 반사층(221)은 제1-1 반사층(221p), 제1-2 반사층(221q), 제1-3 반사층(221r) 및 제1-4 반사층(221s)을 포함할 수 있으며, 각 층은 굴절률이 서로 다를 수 있다.
예를 들어, 상기 제1 그룹 제1 반사층(221)은, 제1 굴절률을 가지는 제1-1 반사층(221p)과, 상기 제1 굴절률보다 낮은 제2 굴절률을 가지며 상기 제1-1 반사층(221p)의 일측에 배치되는 제1-2 반사층(221q) 및 상기 제1 굴절률과 상기 제2 굴절률 사이의 제3 굴절률을 가지며 상기 제1-1 반사층(221p)과 제1-2 반사층(221q)의 사이에 배치되는 제1-3 반사층(221r)을 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 제1 그룹 제1 반사층(221)은, 제1 알루미늄 농도를 가지는 제1-1 반사층(221p)과, 상기 제1 알루미늄 농도보다 높은 제2 알루미늄 농도를 가지며 상기 제1-1 반사층(221p)의 일측에 배치되는 제1-2 반사층(221q) 및 상기 제1 알루미늄 농도에서 상기 제2 알루미늄 농도로 변화하는 제3 알루미늄 농도를 가지며 상기 제1-1 반사층(221p)과 상기 제1-2 반사층(221q) 사이에 배치되는 제1-3 반사층(221r)을 포함할 수 있다.
예를 들어, 제1 그룹 제1 반사층(221)이 AlxGa(1-x)As(0<x<1)를 포함하는 경우, 제1-1 반사층(221p)이 Al0.12Ga0.88As일 수 있으며, 제1-2 반사층(221q)은 Al0.88Ga0.12As일 수 있고, 제1-3 반사층(221r)은 Alx3Ga(1-x3)As(0.12≤X3≤0.88)일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
또한 상기 제1 그룹 제1 반사층(221)은, 상기 제1-2 반사층(221q)의 외측에 배치되며 제1 알루미늄 농도에서 상기 제2 알루미늄 농도로 변화하는 제4 알루미늄 농도를 가지는 제1-4 반사층(221s)을 더 포함할 수 있다.
예를 들어, 제1 그룹 제1 반사층(221)이 AlxGa(1-x)As(0<x<1)를 포함하는 경우, 제1-4 반사층(221s)은 Alx4Ga(1-x4)As(0.12≤X4≤0.88)일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
이를 통해, 실시예에 의하면 인접한 제1-1 반사층(221p)과 제1-2 반사층(221q) 사이에 중간 영역의 알루미늄 농도를 구비한 제1-3 반사층(221r) 또는 제1-4 반사층(221s)을 구비함으로써 인접한 반사층 사이 계면(interface)에서 에너지 밴드 벤딩(Energy Band Bending)에 의한 전기장(Electric Field) 발생을 최소화하여 캐리어 장벽(barrier)을 낮춤으로써 광출력을 향상시킬 수 있는 기술적 효과가 있다.
이에 따라 실시예에 의하면, 반사층에서의 전기장 발생에 따른 캐리어 배리어 영향을 최소화하여 광출력을 향상시킬 수 있는 표면발광 레이저소자 및 이를 포함하는 발광장치를 제공할 수 있다.
또한 실시예에서 상기 제1-2 반사층(221q)의 두께는 상기 제1-1 반사층(221p)의 두께보다 두꺼울 수 있다. 또한 상기 제1-1 반사층(221p) 또는 상기 제1-2 반사층(221q)의 두께는 상기 제1-3 반사층(221r) 또는 상기 제1-4 반사층(221s)의 두께보다는 두꺼울 수 있다.
이때 제1-2 반사층(221q)의 제2 알루미늄 농도는 제1-1 반사층(221p)의 제1 알루미늄 농도가 높을 수 있다. 또한 제1-1 반사층(221p)의 제1 알루미늄 농도는 제1-3 반사층(221r)의 제3 알루미늄 농도 또는 제1-4 반사층(221s)의 제4 알루미늄 농도보다 높을 수 있다.
이에 따라 알루미늄 농도가 상대적으로 높은 제1-2 반사층(221q)의 두께가 상기 제1-1 반사층(221p)의 두께보다 두꺼우므로 격자 품질을 향상시켜 광출력에 기여할 수 있다.
또한 알루미늄 농도가 상대적으로 높은 제1-1 반사층(221p)의 두께가 상기 제1-3 반사층(221r) 또는 제1-4 반사층(221s)의 두께보다 두꺼우므로 격자 품질을 향상시켜 광출력에 기여할 수 있다.
예를 들어, 상기 제1-2 반사층(221q)의 두께는 약 50~55nm일 수 있으며, 상기 제1-1 반사층(221p)의 두께는 약 40~45nm일 수 있고, 알루미늄 농도가 상대적으로 높은 제1-2 반사층(221q)의 두께가 상기 제1-1 반사층(221p)의 두께보다 두꺼우므로 격자 품질을 향상시켜 광출력에 기여할 수 있다.
또한 상기 제1-3 반사층(221r)의 두께는 약 22~27 nm일 수 있으며, 상기 제1-4 반사층(221s)의 두께는 약 22~27 nm일 수 있으며, 알루미늄 농도가 상대적으로 높은 제1-2 반사층(221q), 제1-1 반사층(221p)의 두께가 제1-3 반사층(221r), 제1-4 반사층(221s)보다 두꺼우므로 격자 품질을 향상시켜 광출력에 기여할 수 있다.
계속하여 도 4d를 참조하면, 실시예에서 상기 제2 그룹 제1 반사층(222)은 제1-5 반사층(222p), 제1-6 반사층(222q), 제1-7 반사층(222r) 및 제1-8 반사층(222s)을 포함할 수 있으며, 각 층은 굴절률이 서로 다를 수 있다.
예를 들어, 상기 제2 그룹 제1 반사층(222)은, 제5 굴절률을 가지는 제1-5 반사층(222p)과, 상기 제5 굴절률보다 낮은 제6 굴절률을 가지며 상기 제1-5 반사층(222p)의 일측에 배치되는 제1-6 반사층(222q) 및 상기 제5 굴절률과 상기 제6 굴절률 사이의 제7 굴절률을 가지며 상기 제1-5 반사층(222p)과 제1-6 반사층(222q)의 사이에 배치되는 제1-7 반사층(222r)을 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 제2 그룹 제1 반사층(222)은, 제5 알루미늄 농도를 가지는 제1-5 반사층(222p)과, 상기 제5 알루미늄 농도보다 높은 제6 알루미늄 농도를 가지며 상기 제1-5 반사층(222p)의 일측에 배치되는 제1-6 반사층(222q) 및 상기 제5 알루미늄 농도에서 상기 제6 알루미늄 농도로 변화하는 제7 알루미늄 농도를 가지며 상기 제1-5 반사층(222p)과 상기 제1-6 반사층(222q) 사이에 배치되는 제1-7 반사층(222r)을 포함할 수 있다.
예를 들어, 제2 그룹 제1 반사층(222)이 AlxGa(1-x)As(0<x<1)를 포함하는 경우, 제1-5 반사층(222p)이 Al0.12Ga0.88As일 수 있으며, 제1-6 반사층(222q)은 Al0.88Ga0.12As일 수 있고, 제1-7 반사층(222r)은 Alx3Ga(1-x3)As(0.12≤X3≤0.88)일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
또한 상기 제2 그룹 제1 반사층(222)은, 상기 제1-6 반사층(222q)의 외측에 배치되며 제5 알루미늄 농도에서 상기 제6 알루미늄 농도로 변화하는 제8 알루미늄 농도를 가지는 제1-8 반사층(222s)을 더 포함할 수 있다.
예를 들어, 제2 그룹 제1 반사층(222)이 AlxGa(1-x)As(0<x<1)를 포함하는 경우, 제1-8 반사층(222s)은 Alx4Ga(1-x4)As(0.12≤X4≤0.88)일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
이를 통해, 실시예에 의하면 인접한 제1-5 반사층(222p)과 제1-6 반사층(222q) 사이에 중간 영역의 알루미늄 농도를 구비한 제1-7 반사층(222r) 또는 제1-8 반사층(222s)을 구비함으로써 인접한 반사층 사이 계면(interface)에서 에너지 밴드 벤딩(Energy Band Bending)에 의한 전기장(Electric Field) 발생을 최소화하여 캐리어 장벽(barrier)을 낮춤으로써 광출력을 향상시킬 수 있는 기술적 효과가 있다.
이에 따라 실시예에 의하면, 반사층에서의 전기장 발생에 따른 캐리어 배리어 영향을 최소화하여 광출력을 향상시킬 수 있는 표면발광 레이저소자 및 이를 포함하는 발광장치를 제공할 수 있다.
또한 실시예에서 상기 제1-6 반사층(222q)의 두께는 상기 제1-5 반사층(222p)의 두께보다 두꺼울 수 있다. 또한 상기 제1-5 반사층(222p) 또는 상기 제1-6 반사층(222q)의 두께는 상기 제1-7 반사층(222r) 또는 상기 제1-8 반사층(222s)의 두께보다는 두꺼울 수 있다.
이때 제1-6 반사층(222q)의 제6 알루미늄 농도는 제1-5 반사층(222p)의 제5 알루미늄 농도보가 높을 수 있다. 또한 제1-5 반사층(222p)의 제5 알루미늄 농도는 제1-7 반사층(222r)의 제7 알루미늄 농도 또는 제1-8 반사층(222s)의 제8 알루미늄 농도보다 높을 수 있다.
이에 따라 알루미늄 농도가 상대적으로 높은 제1-6 반사층(222q)의 두께가 상기 제1-5 반사층(222p)의 두께보다 두꺼우므로 격자 품질을 향상시켜 광출력에 기여할 수 있다.
또한 알루미늄 농도가 상대적으로 높은 제1-5 반사층(222p)의 두께가 상기 제1-7 반사층(222r) 또는 제1-8 반사층(222s)의 두께보다 두꺼우므로 격자 품질을 향상시켜 광출력에 기여할 수 있다.
예를 들어, 상기 제1-6 반사층(222q)의 두께는 약 50~55nm일 수 있으며, 상기 제1-5 반사층(222p)의 두께는 약 40~45nm일 수 있고, 알루미늄 농도가 상대적으로 높은 제1-6 반사층(222q)의 두께가 상기 제1-5 반사층(222p)의 두께보다 두꺼우므로 격자 품질을 향상시켜 광출력에 기여할 수 있다.
또한 상기 제1-7 반사층(222r)의 두께는 약 22~27 nm일 수 있으며, 상기 제1-8 반사층(222s)의 두께는 약 22~27 nm일 수 있으며, 알루미늄 농도가 상대적으로 높은 제1-6 반사층(222q), 제1-5 반사층(222p)의 두께가 제1-7 반사층(222r), 제1-8 반사층(222s)보다 두꺼우므로 격자 품질을 향상시켜 광출력에 기여할 수 있다.
다음으로 실시예의 기술적 과제 중의 하나는, 반사층에서의 전기장 발생에 따른 캐리어 배리어 영향을 최소화하여 광출력을 향상시킬 수 있는 표면발광 레이저소자 및 이를 포함하는 발광장치를 제공하고자 함이다.
잠시 도 3을 참조하면, 실시예에 따른 표면발광 레이저소자에서 위치에 따른 광 에너지(E) 분포를 알 수 있는데, 활성영역(230)에서 상대적으로 이격될수록 광 에너지 분포가 낮아지며, 실시예는 광 에너지 분포를 고려하여, 상기 제1 그룹 제1 반사층(221)에서의 제1 도전형 도펀트의 농도가 상기 제2 그룹 제1 반사층(222)에서의 도펀트 농도보다 높게 제어할 수 있다.
예를 들어, 실시예는 상기 제1 그룹 제1 반사층(221)에서의 도펀트의 농도는 약 2.00E18 일 수 있으며, 상기 제2 그룹 제1 반사층(222)에서는 약 1.00E18로 제어할 수 있다. 실시예에서 농도 단위 E18은 1018(atoms/cm3)를 의미할 수 있다. 예를 들어, 농도 1.00E18는 1.00X1018(atoms/cm3)를 의미할 수 있고, 농도 1.00E17은 1.00X1017(atoms/cm3)를 의미할 수 있다.
실시예에서 n형 도펀트는 Si(Silicone)일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
이를 통해 실시예는 광 에너지 분포가 상대적으로 높은 상기 제2 그룹 제1 반사층(222)에서의 제1 도전형 도펀트의 농도가 상기 제1 그룹 제1 반사층(221)에서의 도펀트 농도보다 낮게 제어하고, 광 에너지가 상대적으로 낮은 제1 그룹 제1 반사층(221) 영역에 제1 도전형 도펀트를 상대적으로 높게 도핑 함으로써, 제2 그룹 제1 반사층(222)에서는 도펀트에 의한 광 흡수를 최소하여 광 출력을 향상시킴과 아울러 제1 그룹 제1 반사층(221)에서는 상대적으로 높은 도펀트에 의한 저항 개선으로 전압효율을 향상시켜, 광출력과 전압효율을 동시에 향상시킬 수 있는 표면발광 레이저소자 및 이를 포함하는 발광장치를 제공할 수 있는 특유의 기술적 효과가 있다.
다음으로 도 4e는 도 4c에 도시된 실시예에 따른 표면발광 레이저소자의 제2 반사층(250)의 제3 영역(P)에 대한 굴절률(n)의 제3 데이터이다.
도 4e를 참조하면, 실시예에서 제2 반사층(250)은 제1 그룹 제2 반사층(251) 및 제2 그룹 제2 반사층(252)을 포함할 수 있다.
이때 상기 제1 그룹 제2 반사층(251)은 복수의 층을 포함할 수 있으며, 예를 들어 제2-1 반사층(251p), 제2-2 반사층(251q), 제2-3 반사층(251r) 및 제2-4 반사층(251s)을 포함할 수 있다.
실시예에서 제1 그룹 제2 반사층(251)은 제2-1 반사층(251p) 내지 제2-4 반사층(251s)을 하나의 페어(pair)로 하는 경우 복수의 페어를 포함할 수 있다. 예를 들어, 실시예에서 제1 그룹 제2 반사층(251)은 제2-1 반사층(251p) 내지 제2-4 반사층(251s)의 약 2~5 페어(pair)를 포함할 수 있다.
또한 상기 제2 그룹 제2 반사층(252)은 복수의 층을 포함할 수 있으며, 예를 들어 제2-5 반사층(252p), 제2-6 반사층(252q), 제2-7 반사층(252r) 및 제2-8 반사층(252s)을 포함할 수 있다.
상기 제2 그룹 제2 반사층(252)도 제2-5 반사층(252p) 내지 제2-8 반사층(252s)을 하나의 페어(pair)로 하는 경우 복수의 페어를 포함할 수 있다. 예를 들어, 실시예에서 제2 그룹 제2 반사층(252)은 제2-5 반사층(252p) 내지 제2-8 반사층(252s)을 하나의 하나의 페어(pair)로 하는 경우 약 10~20 페어(pair)를 포함할 수 있다.
실시예의 기술적 과제 중의 하나는, 반사층에서의 전기장 발생에 따른 캐리어 배리어 영향을 최소화하여 광출력을 향상시킬 수 있는 표면발광 레이저소자 및 이를 포함하는 발광장치를 제공하고자 함이다.
도 4e를 참조하면, 실시예에서 상기 제1 그룹 제2 반사층(251)은 제2-1 반사층(251p), 제2-2 반사층(251q), 제2-3 반사층(251r) 및 제2-4 반사층(251s)을 포함할 수 있으며, 각 층은 굴절률이 서로 다를 수 있다.
예를 들어, 상기 제1 그룹 제2 반사층(251)은, 제1 굴절률을 가지는 제2-1 반사층(251p)과, 상기 제1 굴절률보다 낮은 제2 굴절률을 가지며 상기 제2-1 반사층(251p)의 일측에 배치되는 제2-2 반사층(251q) 및 상기 제1 굴절률과 상기 제2 굴절률 사이의 제3 굴절률을 가지며 상기 제2-1 반사층(251p)과 제2-2 반사층(251q)의 사이에 배치되는 제2-3 반사층(251r)을 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 제1 그룹 제2 반사층(251)은, 제1 알루미늄 농도를 가지는 제2-1 반사층(251p)과, 상기 제1 알루미늄 농도보다 높은 제2 알루미늄 농도를 가지며 상기 제2-1 반사층(251p)의 일측에 배치되는 제2-2 반사층(251q) 및 상기 제1 알루미늄 농도에서 상기 제2 알루미늄 농도로 변화하는 제3 알루미늄 농도를 가지며 상기 제2-1 반사층(251p)과 상기 제2-2 반사층(251q) 사이에 배치되는 제2-3 반사층(251r)을 포함할 수 있다.
예를 들어, 제1 그룹 제2 반사층(251)이 AlxGa(1-x)As(0<x<1)를 포함하는 경우, 제2-1 반사층(251p)이 Al0.12Ga0.88As일 수 있으며, 제2-2 반사층(251q)은 Al0.88Ga0.12As일 수 있고, 제2-3 반사층(251r)은 Alx3Ga(1-x3)As(0.12≤X3≤0.88)일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
또한 상기 제1 그룹 제2 반사층(251)은, 상기 제2-2 반사층(251q)의 외측에 배치되며 제1 알루미늄 농도에서 상기 제2 알루미늄 농도로 변화하는 제4 알루미늄 농도를 가지는 제2-4 반사층(251s)을 더 포함할 수 있다.
예를 들어, 제1 그룹 제2 반사층(251)이 AlxGa(1-x)As(0<x<1)를 포함하는 경우, 제2-4 반사층(251s)은 Alx4Ga(1-x4)As(0.12≤X4≤0.88)일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
이를 통해, 실시예에 의하면 인접한 제2-1 반사층(251p)과 제2-2 반사층(251q) 사이에 중간 영역의 알루미늄 농도를 구비한 제2-3 반사층(251r) 또는 제2-4 반사층(251s)을 구비함으로써 인접한 반사층 사이 계면(interface)에서 에너지 밴드 벤딩(Energy Band Bending)에 의한 전기장(Electric Field) 발생을 최소화하여 캐리어 장벽(barrier)을 낮춤으로써 광출력을 향상시킬 수 있는 기술적 효과가 있다.
이에 따라 실시예에 의하면, 반사층에서의 전기장 발생에 따른 캐리어 배리어 영향을 최소화하여 광출력을 향상시킬 수 있는 표면발광 레이저소자 및 이를 포함하는 발광장치를 제공할 수 있다.
또한 실시예에서 상기 제2-2 반사층(251q)의 두께는 상기 제2-1 반사층(251p)의 두께보다 두꺼울 수 있다. 또한 상기 제2-1 반사층(251p) 또는 상기 제2-2 반사층(251q)의 두께는 상기 제2-3 반사층(251r) 또는 상기 제2-4 반사층(251s)의 두께보다는 두꺼울 수 있다.
이때 제2-2 반사층(251q)의 제2 알루미늄 농도는 제2-1 반사층(251p)의 제1 알루미늄 농도가 높을 수 있다. 또한 제2-1 반사층(251p)의 제1 알루미늄 농도는 제2-3 반사층(251r)의 제3 알루미늄 농도 또는 제2-4 반사층(251s)의 제4 알루미늄 농도보다 높을 수 있다.
이에 따라 알루미늄 농도가 상대적으로 높은 제2-2 반사층(251q)의 두께가 상기 제2-1 반사층(251p)의 두께보다 두꺼우므로 격자 품질을 향상시켜 광출력에 기여할 수 있다.
또한 알루미늄 농도가 상대적으로 높은 제2-1 반사층(251p)의 두께가 상기 제2-3 반사층(251r) 또는 제2-4 반사층(251s)의 두께보다 두꺼우므로 격자 품질을 향상시켜 광출력에 기여할 수 있다.
예를 들어, 상기 제2-2 반사층(251q)의 두께는 약 50~55nm일 수 있으며, 상기 제2-1 반사층(251p)의 두께는 약 26~32nm일 수 있고, 알루미늄 농도가 상대적으로 높은 제2-2 반사층(251q)의 두께가 상기 제2-1 반사층(251p)의 두께보다 두꺼우므로 격자 품질을 향상시켜 광출력에 기여할 수 있다.
또한 상기 제2-3 반사층(251r)의 두께는 약 22~27 nm일 수 있으며, 상기 제2-4 반사층(251s)의 두께는 약 22~27 nm일 수 있으며, 알루미늄 농도가 상대적으로 높은 제2-2 반사층(251q), 제2-1 반사층(251p)의 두께가 제2-3 반사층(251r), 제2-4 반사층(251s)보다 두꺼우므로 격자 품질을 향상시켜 광출력에 기여할 수 있다.
계속하여 도 4e를 참조하면, 실시예에서 상기 제2 그룹 제2 반사층(252)은 제2-5 반사층(252p), 제2-6 반사층(252q), 제2-7 반사층(252r) 및 제2-8 반사층(252s)을 포함할 수 있으며, 각 층은 굴절률이 서로 다를 수 있다.
예를 들어, 상기 제2 그룹 제2 반사층(252)은, 제5 굴절률을 가지는 제2-5 반사층(252p)과, 상기 제5 굴절률보다 낮은 제6 굴절률을 가지며 상기 제2-5 반사층(252p)의 일측에 배치되는 제2-6 반사층(252q) 및 상기 제5 굴절률과 상기 제6 굴절률 사이의 제7 굴절률을 가지며 상기 제2-5 반사층(252p)과 제2-6 반사층(252q)의 사이에 배치되는 제2-7 반사층(252r)을 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 제2 그룹 제2 반사층(252)은, 제5 알루미늄 농도를 가지는 제2-5 반사층(252p)과, 상기 제5 알루미늄 농도보다 높은 제6 알루미늄 농도를 가지며 상기 제2-5 반사층(252p)의 일측에 배치되는 제2-6 반사층(252q) 및 상기 제5 알루미늄 농도에서 상기 제6 알루미늄 농도로 변화하는 제7 알루미늄 농도를 가지며 상기 제2-5 반사층(252p)과 상기 제2-6 반사층(252q) 사이에 배치되는 제2-7 반사층(252r)을 포함할 수 있다.
예를 들어, 제2 그룹 제2 반사층(252)이 AlxGa(1-x)As(0<x<1)를 포함하는 경우, 제2-5 반사층(252p)이 Al0.12Ga0.88As일 수 있으며, 제2-6 반사층(252q)은 Al0.88Ga0.12As일 수 있고, 제2-7 반사층(252r)은 Alx3Ga(1-x3)As(0.12≤X3≤0.88)일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
또한 상기 제2 그룹 제2 반사층(252)은, 상기 제2-6 반사층(252q)의 외측에 배치되며 제5 알루미늄 농도에서 상기 제6 알루미늄 농도로 변화하는 제8 알루미늄 농도를 가지는 제2-8 반사층(252s)을 더 포함할 수 있다.
예를 들어, 제2 그룹 제2 반사층(252)이 AlxGa(1-x)As(0<x<1)를 포함하는 경우, 제2-8 반사층(252s)은 Alx4Ga(1-x4)As(0.12≤X4≤0.88)일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
이를 통해, 실시예에 의하면 인접한 제2-5 반사층(252p)과 제2-6 반사층(252q) 사이에 중간 영역의 알루미늄 농도를 구비한 제2-7 반사층(252r) 또는 제2-8 반사층(252s)을 구비함으로써 인접한 반사층 사이 계면(interface)에서 에너지 밴드 벤딩(Energy Band Bending)에 의한 전기장(Electric Field) 발생을 최소화하여 캐리어 장벽(barrier)을 낮춤으로써 광출력을 향상시킬 수 있는 기술적 효과가 있다.
이에 따라 실시예에 의하면, 반사층에서의 전기장 발생에 따른 캐리어 배리어 영향을 최소화하여 광출력을 향상시킬 수 있는 표면발광 레이저소자 및 이를 포함하는 발광장치를 제공할 수 있다.
또한 실시예에서 상기 제2-6 반사층(252q)의 두께는 상기 제2-5 반사층(252p)의 두께보다 두꺼울 수 있다. 또한 상기 제2-5 반사층(252p) 또는 상기 제2-6 반사층(252q)의 두께는 상기 제2-7 반사층(252r) 또는 상기 제2-8 반사층(252s)의 두께보다는 두꺼울 수 있다.
이때 제2-6 반사층(252q)의 제6 알루미늄 농도는 제2-5 반사층(252p)의 제5 알루미늄 농도보가 높을 수 있다. 또한 제2-5 반사층(252p)의 제5 알루미늄 농도는 제2-7 반사층(252r)의 제7 알루미늄 농도 또는 제2-8 반사층(252s)의 제8 알루미늄 농도보다 높을 수 있다.
이에 따라 알루미늄 농도가 상대적으로 높은 제2-6 반사층(252q)의 두께가 상기 제2-5 반사층(252p)의 두께보다 두꺼우므로 격자 품질을 향상시켜 광출력에 기여할 수 있다.
또한 알루미늄 농도가 상대적으로 높은 제2-5 반사층(252p)의 두께가 상기 제2-7 반사층(252r) 또는 제2-8 반사층(252s)의 두께보다 두꺼우므로 격자 품질을 향상시켜 광출력에 기여할 수 있다.
예를 들어, 상기 제2-6 반사층(252q)의 두께는 약 50~55nm일 수 있으며, 상기 제2-5 반사층(252p)의 두께는 약 40~45nm일 수 있고, 알루미늄 농도가 상대적으로 높은 제2-6 반사층(252q)의 두께가 상기 제2-5 반사층(252p)의 두께보다 두꺼우므로 격자 품질을 향상시켜 광출력에 기여할 수 있다.
또한 상기 제2-7 반사층(252r)의 두께는 약 22~27 nm일 수 있으며, 상기 제2-8 반사층(252s)의 두께는 약 22~27 nm일 수 있으며, 알루미늄 농도가 상대적으로 높은 제2-6 반사층(252q), 제2-5 반사층(252p)의 두께가 제2-7 반사층(252r), 제2-8 반사층(252s)보다 두꺼우므로 격자 품질을 향상시켜 광출력에 기여할 수 있다.
다음으로 실시예의 기술적 과제 중의 하나는, 반사층에서의 전기장 발생에 따른 캐리어 배리어 영향을 최소화하여 광출력을 향상시킬 수 있는 표면발광 레이저소자 및 이를 포함하는 발광장치를 제공하고자 함이다.
잠시 도 3을 참조하면, 실시예에 따른 표면발광 레이저소자에서 위치에 따른 광 에너지(E) 분포를 알 수 있는데, 활성영역(230)에서 상대적으로 이격될수록 광 에너지 분포가 낮아지며, 실시예는 광 에너지 분포를 고려하여, 상기 제1 그룹 제2 반사층(251)에서의 제1 도전형 도펀트의 농도가 상기 제2 그룹 제2 반사층(252)에서의 도펀트 농도보다 낮게 제어할 수 있다.
예를 들어, 실시예는 상기 제1 그룹 제2 반사층(251)에서의 도펀트의 농도는 약 7.00E17 내지 1.50E18 일 수 있으며, 상기 제2 그룹 제2 반사층(252)에서는 약 1.00E18 내지 3.00E18으로 제어할 수 있다. 실시예에서 농도단위 1.00E18는 1.00X1018(atoms/cm3)를 의미할 수 있다. 실시예에서 p형 도펀트는 C(Carbon)일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
이를 통해 실시예는 상기 제2 그룹 제2 반사층(252)에서의 제2 도전형 도펀트의 농도가 상기 제1 그룹 제2 반사층(251)에서의 도펀트 농도보다 높게 제어하고, 광 에너지가 상대적으로 높은 제1 그룹 제2 반사층(251) 영역에 제2 도전형 도펀트를 상대적으로 낮게 도핑 함으로써, 제1 그룹 제2 반사층(251)에서는 도펀트에 의한 광 흡수를 최소하여 광 출력을 향상시킴과 아울러 제2 그룹 제2 반사층(252)에서는 상대적으로 높은 도펀트에 의한 저항 개선으로 전압효율을 향상시켜, 광출력과 전압효율을 동시에 향상시킬 수 있는 표면발광 레이저소자 및 이를 포함하는 발광장치를 제공할 수 있는 특유의 기술적 효과가 있다.
또한 종래기술에 의하면 정상파(Standing wave)가 DBR과 계면(interference)에서 진행될 이러한 도펀트에 의하여 흡수가 일어날 가능성이 있다. 이에 따라 실시예는 정상파의 광학적 반사도(optical power reflectance)가 가장 작은 노드 포지션(node position)에서는 많은 도핑을 진행하여 저항을 최소화하고, 안티노드 포지션(antinode position)에서는 되도록이면 낮은 도핑을 진행함으로써 광흡수를 최소화할 수 있는 기술적 효과가 있다. 상기 노드 포지션은 각 층의 굴절률이 상승 또는 하강하여 변화하는 지점을 의미할 수 있다.
계속하여 도 4e를 참조하면, 상기 제1 그룹 제2 반사층(251)에서 제2-1 반사층(251p)과 제2-2 반사층(251q)의 굴절률은 상점 또는 하점으로 변화하지 않는 안티노드 포지션일 수 있다. 또한 상기 제1 그룹 제2 반사층(251)에서 제2-3 반사층(251r)과 제2-4 반사층(251s)의 굴절률은 상승 또는 또는 하강하여 변화하는 노드 포지션일 수 있다.
이에 따라 실시예에서 제2-3 반사층(251r) 또는 제2-4 반사층(251s)의 제2 도전형 도핑농도는 제2-1 반사층(251p) 또는 제2-2 반사층(251q)의 제2 도전형 도핑농도 보다 높게 제어할 수 있다.
예를 들어, 제2-3 반사층(251r) 또는 제2-4 반사층(251s)의 제2 도전형 도핑농도는 약 1.00E18 내지 1.50E18일 수 있으며, 제2-1 반사층(251p) 또는 제2-2 반사층(251q)의 제2 도전형 도핑농도는 약 6.00E17 내지 8.00E17일 수 있다.
이에 따라 정상파의 광학적 반사도(optical power reflectance)가 낮은 노드 포지션(node position)인 제2-3 반사층(251r) 또는 제2-4 반사층(251s)에서는 많은 도핑을 진행하여 저항을 최소화하고, 안티노드 포지션(antinode position)인 제2-1 반사층(251p) 또는 제2-2 반사층(251q)에서는 낮은 도핑을 진행함으로써 광흡수를 최소화할 수 있는 복합적인 기술적 효과가 있다.
또한 실시예에서 노드 포지션인 제2-3 반사층(251r) 또는 제2-4 반사층(251s) 중에 활성영역(230)에서 멀어지는 방향으로 굴절률이 증가하는 노드 포지션인 제2-4 반사층(251s)의 제2 도전형 도펀트의 농도가 굴절률이 감소하는 노드 포지션인 제2-3 반사층(251r)의 제2 도전형 도펀트의 농도보다 높게 제어할 수 있다.
이를 통해 광학적 반사도가 상대적으로 더 낮은 굴절률이 증가하는 노드 포지션인 제2-4 반사층(251s)의 제2 도전형 도펀트의 농도를 높게 제어하여 전기적 특성을 개선할 수 있다.
예를 들어, 제2-4 반사층(251s)의 제2 도전형 도핑농도는 약 1.50E18일 수 있으며, 제2-3 반사층(251r)의 제2 도전형 도핑농도는 약 1.00E18일 수 있으며, 광학적 반사도가 상대적으로 더 낮은 제2-4 반사층(251s)의 제2 도전형 도펀트의 농도를 높게 제어하여 전기적 특성을 개선할 수 있다.
계속하여 도 4e를 참조하면, 상기 제2 그룹 제2 반사층(252)에서 제2-5 반사층(252p)과 제2-6 반사층(252q)의 굴절률은 상점 또는 하점으로 변화하지 않는 안티노드 포지션일 수 있다. 또한 상기 제2 그룹 제2 반사층(252)에서 제2-7 반사층(252r)과 제2-8 반사층(252s)의 굴절률은 상승 또는 또는 하강하여 변화하는 노드 포지션일 수 있다.
실시예는 제2-7 반사층(252r) 또는 제2-8 반사층(252s)의 제2 도전형 도핑농도는 제2-5 반사층(252p) 또는 제2-6 반사층(252q)의 제2 도전형 도핑농도 보다 높게 제어할 수 있다.
예를 들어, 제2-7 반사층(252r) 또는 제2-8 반사층(252s)의 제2 도전형 도핑농도는 약 2.00E18 내지 3.00E18일 수 있으며, 제2-5 반사층(252p) 또는 제2-6 반사층(252q)의 제2 도전형 도핑농도는 약 1.00E18 내지 1.50E18일 수 있다.
이에 따라 정상파의 광학적 반사도(optical power reflectance)가 낮은 노드 포지션(node position)인 제2-7 반사층(252r) 또는 제2-8 반사층(252s)에서는 많은 도핑을 진행하여 저항을 최소화하고, 안티노드 포지션(antinode position)인 제2-5 반사층(252p) 또는 제2-6 반사층(252q)에서는 낮은 도핑을 진행함으로써 광흡수를 최소화할 수 있는 복합적인 기술적 효과가 있다.
또한 실시예에서 노드 포지션인 제2-7 반사층(252r) 또는 제2-8 반사층(252s) 중에 활성영역(230)에서 멀어지는 방향으로 굴절률이 증가하는 노드 포지션인 제2-8 반사층(252s)의 제2 도전형 도펀트의 농도가 굴절률이 감소하는 노드 포지션인 제2-7 반사층(252r)의 제2 도전형 도펀트의 농도보다 높게 제어할 수 있다.
이를 통해 광학적 반사도가 상대적으로 더 낮은 굴절률이 증가하는 노드 포지션인 제2-8 반사층(252s)의 제2 도전형 도펀트의 농도를 높게 제어하여 전기적 특성을 개선할 수 있다.
예를 들어, 제2-8 반사층(252s)의 제2 도전형 도핑농도는 약 3.00E18일 수 있으며, 제2-7 반사층(252r)의 제2 도전형 도핑농도는 약 2.00E18일 수 있으며, 광학적 반사도가 상대적으로 더 낮은 제2-8 반사층(252s)의 제2 도전형 도펀트의 농도를 높게 제어하여 전기적 특성을 개선할 수 있다.
다음으로 도 4f는 실시예에 따른 표면발광 레이저소자에서의 제2 반사층(250)에의 Secondary-ion mass spectrometry (SIMS) 데이터이며, 도 4g는 도 4f의 P2 영역의 확대도이다.
도 4g를 참조하면, 실시예의 제2 반사층(250)은 제1 그룹의 제2 반사층(251)과 제2 그룹의 반사층(252)을 포함할 수 있다.
상기 제1 그룹의 제2 반사층(251)은 제2 그룹의 반사층(252)에 비해 상기 활성영역(240)에 인접하게 배치될 수 있다.
실시예에서 상기 제1 그룹의 제2 반사층(251)은 제1 알루미늄 농도를 가지는 제1-1 층(251a)과, 상기 제1 알루미늄 농도보다 높은 제2 알루미늄 농도를 가지며, 상기 제1-1층(251a) 상에 배치되는 제1-2 층(251b) 및 상기 제2 알루미늄 농도에서 상기 제1 알루미늄 농도로 감소하는 제4 알루미늄 농도를 가지며, 상기 제1-2 층(251b) 상에 배치되는 제1-4 층(251d)을 포함할 수 있다.
상기 제1-2 층(251b)은 상기 제1-1 층(251a) 및 상기 제1-4 층(251d) 사이에 배치할 수 있다. 이때 상기 제1-1 층(251a)이 상기 제1-2층(251b)보다 상기 활성영역(240)에 인접하게 배치될 수 있다.
또한 상기 제1 그룹의 제2 반사층(251)은 상기 제1-2층(252b)과 상기 제1-4층(251d) 사이에 배치되는 제1-3층(251c)을 포함할 수 있다.
이때 상기 제2 반사층(250)은 제2 도전형 도펀트, 예를 들어 카본(C)을 포함할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 제1-4 층(251d)의 상기 제2 도전형 도펀트 도핑 레벨은 상기 제1-1 층(251a) 및 상기 제1-2 층(251b)의 상기 제2 도전형 도펀트 도핑 레벨보다 높을 수 있다.
이에 따라 정상파의 광학적 반사도(optical power reflectance)가 낮은 노드 포지션(node position)인 제1-4 층(251d)에서는 많은 도핑을 진행하여 저항을 최소화하여 전기적 특성을 개선할 수 있으며, 안티노드 포지션(antinode position)인 제1-1 층(251a) 등에서 낮은 도핑을 진행함으로써 광흡수를 최소화할 수 있는 복합적인 기술적 효과가 있다.
또한 도 4g를 참조하면, 실시예에서 상기 제2 그룹의 제2 반사층(252)은 제1 알루미늄 농도를 가지는 제2-1 층(252a)과, 상기 제1 알루미늄 농도보다 높은 제2 알루미늄 농도를 가지며, 상기 제2-1층(252a) 상에 배치되는 제2-2 층(252b) 및 상기 제2 알루미늄 농도에서 상기 제1 알루미늄 농도로 감소하는 제4 알루미늄 농도를 가지며, 상기 제2-2 층(252b) 상에 배치되는 제2-4 층(252d)을 포함할 수 있다.
상기 제2-2 층(252b)은 상기 제2-1 층(252a) 및 상기 제2-4 층(252d) 사이에 배치할 수 있다. 이때 상기 제2-1 층(252a)이 상기 제2-2층(252b)보다 상기 활성영역(240)에 인접하게 배치될 수 있다.
또한 상기 제2 그룹의 제2 반사층(252)은 상기 제2-2층(252b)과 상기 제2-4층(252d) 사이에 배치되는 제2-3층(252c)을 포함할 수 있다.
상기 제2-4 층(252d)의 상기 제2 도전형 도펀트 도핑 레벨은 상기 제2-1 층(252a) 및 상기 제2-2 층(252b)의 상기 제2 도전형 도펀트 도핑 레벨보다 높을 수 있다.
이에 따라 정상파의 광학적 반사도(optical power reflectance)가 낮은 노드 포지션(node position)인 제2-4 층(252d)에서는 많은 도핑을 진행하여 저항을 최소화하여 전기적 특성을 개선할 수 있으며, 안티노드 포지션(antinode position)인 제2-1 층(252a) 등에서 낮은 도핑을 진행함으로써 광흡수를 최소화할 수 있는 복합적인 기술적 효과가 있다.
다시 도 4g를 참조하면, 상기 제2 반사층(250)은, 상기 제1 그룹 제2 반사층(251)보다 상기 활성영역(240)에 인접하게 제3 영역(P3)에 배치된 상기 제3 그룹 제2 반사층(253)을 더 포함할 수 있다. 상기 제3 영역(P3)에는 제3 그룹 제2 반사층(253)이 2개 내지 3개 배치될 수 있다.
실시예에서 상기 제3 그룹 제2 반사층(253)의 제2 도전형 도펀트의 평균농도는 제2 영역(P2)에 배치된 상기 제1 그룹 제2 반사층(251)의 제2 도전형 도펀트의 평균농도보다 낮을 수 있다.
실시예에 의하면 활성영역(240)과 인접한 제3 영역(P3)의 제3 그룹 제2 반사층(253)에는 낮은 도핑을 진행함으로써 광흡수를 최소화함과 동시에, 제3 영역(P3)에 비해 활성영역(240)에서 멀리 이격된 제2 영역(P2)의 제1 그룹 제2 반사층(251) 또는 제2 그룹 제2 반사층(252)에는 상대적으로 많은 도핑을 진행하여 저항을 최소화하여 전기적 특성을 개선할 수 있는 복합적인 기술적 효과가 있다.
다음으로 아래 표 2는 종래기술(비교예)와 실시예에서의 칩 특성 데이터이다.
실시예에 의하면, 표 2에서와 같이 광출력, 전압특성 등이 현저히 향상됨을 알 수 있다.
비교예 실시예 비고
Emitter 수(ea) 202 202
칩 특성(@2.5A) Wp nm 937.5 939
Pop mW 1516 1858 22.6% 증가
Vf V 2.19 1.96 0.23V 감소
PCE % 27.8 38.0 36.7% 증가
다음으로, 도 3을 참조하면, 실시예에 따른 표면발광 레이저소자에서 위치에 따른 광 에너지 분포를 알 수 있는데, 앞서 설명한 바와 같이 활성영역(230)에서 상대적으로 이격될수록 광 에너지 분포가 낮아지며, 실시예는 광 에너지 분포를 고려하여, 상기 제1 그룹 제1 반사층(221)에서의 제1 도전형 도펀트의 농도가 상기 제2 그룹 제1 반사층(222)에서의 도펀트 농도보다 높게 제어할 수 있다.
예를 들어, 도 2를 참조하면, 실시예에서 상기 제1 반사층(220)은, 상기 활성영역(230) 일측에 배치된 제1 그룹 제1 반사층(221) 및 상기 제1 그룹 제1 반사층(221)보다 상기 활성영역(230)에서 근접하여 배치 된 제2 그룹 제1 반사층(222)을 포함할 수 있다.
이때, 상기 활성영역(230)에 인접하게 배치된 제2 그룹 제1 반사층(222)에서의 광 에너지가 제1 그룹 제1 반사층(221)에서의 광 에너지보다 높게 된다.
실시예는 광 에너지 분포를 고려하여, 상기 제2 그룹 제1 반사층(222)에서의 제1 도전형 도펀트의 농도가 상기 제1 그룹 제1 반사층(221)에서의 도펀트 농도보다 낮게 제어하고, 광 에너지가 상대적으로 낮은 제1 그룹 제1 반사층(221) 영역에 제1 도전형 도펀트를 상대적으로 높게 도핑 함으로써, 제2 그룹 제1 반사층(222)에서는 도펀트에 의한 광 흡수를 최소하여 광 출력을 향상시킴과 아울러 제1 그룹 제1 반사층(221)에서는 상대적으로 높은 도펀트에 의한 저항 개선으로 전압효율을 향상시켜, 광출력과 전압효율을 동시에 향상시킬 수 있는 표면발광 레이저소자 및 이를 포함하는 발광장치를 제공할 수 있는 특유의 기술적 효과가 있다.
예를 들어, 상기 제1 그룹 제1 반사층(221)에서의 도펀트의 농도는 약 2.00E18 일 수 있으며, 상기 제2 그룹 제1 반사층(222)에서는 약 1.00E18 일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 또한 실시예에서 상기 제2 반사층(250)은, 상기 활성영역(230)에 인접하게 배치된 제1 그룹 제2 반사층(251) 및 상기 제1 그룹 제2 반사층(251)보다 상기 활성영역(230)에서 이격배치 된 제2 그룹 제2 반사층(252)을 포함할 수 있다.
이때, 상기 활성영역(230)에 인접하게 배치된 제1 그룹 제2 반사층(251)에서의 광 에너지가 제2 그룹 제2 반사층(252)에서의 광 에너지보다 높게 된다.
이를 통해, 실시예는 광 에너지 분포를 고려하여, 상기 제1 그룹 제2 반사층(251)에서의 제2 도전형 도펀트의 농도가 상기 제2 그룹 제2 반사층(252)에서의 도펀트 농도보다 낮게 제어하고, 광 에너지가 상대적으로 낮은 제2 그룹 제2 반사층(252) 영역에 제2 도전형 도펀트를 상대적으로 높게 도핑 함으로써, 제1 그룹 제2 반사층(251)에서는 도펀트에 의한 광 흡수를 최소하여 광 출력을 향상시킴과 아울러 제2 그룹 제2 반사층(252)에서는 도펀트에 의한 저항 개선으로 전압효율을 향상시켜, 광출력과 전압효율을 동시에 향상시킬 수 있는 표면발광 레이저소자 및 이를 포함하는 발광장치를 제공할 수 있는 특유의 기술적 효과가 있다.
<활성영역>
다시 도 2를 참조하면, 실시예는 제1 반사층(220) 상에 활성영역(230)을 포함할 수 있다.
이때, 상기 활성영역(230)은 활성층(232) 및 상기 활성층(232)의 하측에 배치되는 제1 캐비티(231), 상측에 배치되는 제2 캐비티(233)를 포함할 수 있다. 실시예의 활성영역(230)은 제1 캐비티(231)와 제2 캐비티(233)를 모두 포함하거나, 둘 중의 하나만 포함할 수도 있다.
상기 활성영역(230)은 제1 반사층(220)과 제2 반사층(250)의 사이에 배치될 수 있다. 실시예의 활성영역(230)은 단일우물 구조(Single Well Structure), 다중 우물 구조, 단일 양자 우물 구조, 다중양자 우물(MQW:Multi Quantum Well) 구조, 양자점 구조 또는 양자선 구조 중 어느 하나의 활성층(232)을 포함할 수 있다.
상기 활성층(232)은 Ⅲ-Ⅴ족 원소의 화합물 반도체 재료를 이용하여 양자우물(232a)과 양자벽232a), 예를 들면, InGaAs/AlxGaAs, AlGaInP/GaInP, AlGaAs/AlGaAs, AlGaAs/GaAs, GaAs/InGaAs 등의 1 내지 3 페어 구조로 형성될 수 있으나 이에 한정되지는 않는다. 양자우물(232a)은 양자벽232a)의 에너지 밴드 갭보다 작은 에너지 밴드 갭을 갖는 물질로 형성될 수 있다. 상기 활성층(232)에는 도펀트가 도핑되지 않을 수 있다.
상기 제1 캐비티(231)와 상기 제2 캐비티(233)는 AlyGa(1-y)As(0<y<1) 물질로 형성될 수 있으나 이에 한정되지 않는다. 예를 들어, 상기 제1 캐비티(231)와 상기 제2 캐비티(233)는 각각 AlyGa(1-y)As으로된 복수의 층을 포함할 수 있다.
실시예에서 활성영역(230) 상에 절연영역(242)이 배치되며, 상기 절연영역(242)에 의해서 정의되는 애퍼처(241)가 있다.
상기 절연영역(242)은 절연층, 예를 들어 알루미늄 산화물로 이루어져서 전류 절연영역으로 작용할 수 있으며, 중앙 영역에는 비절연층인 애퍼처(241)가 배치될 수 있다. 상기 애퍼처(241)와 상기 절연영역(242)은 애퍼처영역(240)으로 칭해질 수 있다.
구체적으로, 상기 애퍼처영역(240)은 알루미늄 갈륨 아세나이드(aluminum gallium arsenide)를 포함할 수 있다. 이때, 애퍼처영역(240)의 AlGaAs가 H2O와 반응하여 가장자리가 알루미늄산화물(Al2O3)로 변함에 따라 절연영역(242)이 형성될 수 있고, H2O와 반응하지 않은 중앙영역은 AlGaAs로 이루어진 애퍼처(241)가 될 수 있다.
상기 절연영역(242)은 복수의 층을 포함할 수 있으며, 예를 들어 제1 절연층(242a) 및 제2 절연층(242b)을 포함할 수 있다. 상기 제1 절연층(242a)의 두께는 상기 서로 같거나 서로 다른 두께로 형성될 수 있다.
실시예에 의하면, 애퍼처(241)를 통해 활성영역(230)에서 발광된 광을 상부 영역으로 방출할 수 있으며, 절연영역(242)과 비교하여 애퍼처(241)의 광투과율이 우수할 수 있다.
<제2 반사층>
제2 반사층(250)은 절연영역(242)을 포함하는 애퍼처영역(240) 상에 배치될 수 있다.
상기 제2 반사층(250)은 갈륨계 화합물 예를 들면 AlGaAs를 포함할 수 있으며, 제2 반사층(250)은 제2 도전형 도펀트가 도핑될 수 있다. 예를 들어, 제2 도전형 도펀트는 Mg, Zn, Ca, Sr, Ba 등과 같은 p형 도펀트일 수 있다. 한편, 제1 반사층(220)이 p형 도펀트로 도핑될 수도 있고, 제2 반사층(250)이 n형 도펀트로 도핑될 수도 있다.
상기 제2 반사층(250)은 분산 브래그 반사기(DBR: Distributed Bragg Reflector)일 수 있다. 예를 들어, 제2 반사층(250)은 서로 다른 굴절률을 가지는 물질로 이루어진 복수의 층이 교대로 적어도 1회 이상 적층된 구조일 수 있다.
제2 반사층(250)의 각 층은 AlGaAs를 포함할 수 있고, 상세하게는 AlxGa(1-x)As(0<x<1)의 조성식을 갖는 반도체 물질로 이루어질 수 있다. 여기서, Al이 증가하면 각 층의 굴절률은 감소하고, Ga가 증가하면 각 층의 굴절률은 증가할 수 있다. 그리고, 제2 반사층(250)의 각 층의 두께는 λ이고, λ는 활성층에서 방출되는 광의 파장일 수 있고, n은 상술한 파장의 광에 대한 각 층의 굴절률일 수 있다.
이러한 구조의 제2 반사층(250)은 940 나노미터의 파장 영역의 광에 대하여 99.9%의 반사율을 가질 수 있다.
상기 제2 반사층(250)은 층들이 교대로 적층되어 이루어질 수 있으며, 제1 반사층(220) 내에서 층들의 페어(pair) 수는 제2 반사층(250) 내에서 층들의 페어 수보다 더 많을 수 있으며, 이때 상술한 바와 같이 제1 반사층(220)의 반사율은 99.999% 정도로 제2 반사층(250)의 반사율인 99.9%보다 클 수 있다.
실시예에서 제2 반사층(250)은 상기 활성영역(230)에 인접하게 배치된 제1 그룹 제2 반사층(251) 및 상기 제1 그룹 제2 반사층(251)보다 상기 활성영역(230)에서 이격배치 된 제2 그룹 제2 반사층(252)을 포함할 수 있다.
앞서 기술한 바와 같이, 상기 제1 그룹 제2 반사층(251)에서의 제1 도전형 도펀트의 농도가 상기 제2 그룹 제2 반사층(252)에서의 도펀트 농도보다 낮을 수 있다.
예를 들어, 제1 그룹 제2 반사층(251)은 제1 그룹 제2-1 층(251a)과 제1 그룹 제2-2 층(251b)의 약 1~5 페어(pair)를 포함할 수 있다. 상기 제1 그룹 제2-1 층(251a)은 상기 제1 그룹 제2-2 층(251b)보다 두껍게 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 그룹 제2-1 층(251a)은 약 40~60nm로 형성될 수 있고, 상기 제1 그룹 제2-2 층(251b)은 약 20~30nm로 형성될 수 있다.
또한, 제2 그룹 제2 반사층(252)도 제2 그룹 제2-1 층(252a)과 제2 그룹 제2-2 층(252b)의 약 5~15 페어(pair)를 포함할 수 있다. 상기 제2 그룹 제2-1 층(252a)은 상기 제2 그룹 제2-2 층(252b)보다 두껍게 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 그룹 제2-1 층(252a)은 약 40~60nm로 형성될 수 있고, 상기 제2 그룹 제2-2 층(252b)은 약 20~30nm로 형성될 수 있다.
<제2 접촉 전극, 패시베이션층, 제2 전극>
도 1을 참조하면, 실시예에 따른 표면발광 레이저소자(200)는 애퍼처(241)의 둘레의 영역에서 제2 반사층(250)으로부터 절연영역(242)과 활성영역(230)까지 메사 식각 될 수 있다. 또한, 제1 반사층(220)의 일부까지 메사 식각될 수 있다.
제2 반사층(250) 상에는 제2 접촉 전극(255)이 배치될 수 있는데, 제2 접촉 전극(255)의 사이의 영역에서 제2 반사층(250)이 노출되는 영역은 상술한 절연영역(242)의 중앙 영역의 애퍼처(241)와 대응될 수 있다. 여기서, 애퍼처(241)의 폭은 제2 접촉 전극(255) 사이의 폭보다 넓거나 좁을 수 있다. 애퍼처(241)의 폭이 제2 접촉 전극(255) 사이의 폭보다 좁게 형성되면, 활성영역(230)에서 방출된 광이 확산되어 투과될 수 있고, 애퍼처(241)의 폭이 제2 접촉 전극(255) 사이의 폭보다 넓게 형성되면 활성영역(230)에서 방출된 광이 수렴되어 투과될 수 있다. 제2 접촉 전극(255)은 제2 반사층(250)과 후술하는 제2 전극(280)의 접촉 특성을 향상시킬 수 있다.
도 1에서 메사 식각된 발광 구조물의 측면과 상부면 및 제1 반사층(220)의 상부면에 패시베이션층(270)이 배치될 수 있다. 패시베이션층(270)은 소자 단위로 분리된 표면발광 레이저소자(200)의 측면에도 배치되어, 표면발광 레이저소자(200)를 보호하고 절연시킬 수 있다. 패시베이션층(270)은 절연성 물질로 이루어질 수 있고, 예를 들면 질화물 또는 산화물로 이루어질 수 있다.
패시베이션층(270)은 발광 구조물의 상부면에서의 두께가 제2 접촉 전극(255)보다 얇을 수 있으며, 이를 통해 제2 접촉 전극(255)이 패시베이션층(270) 상부로 노출될 수 있다. 노출된 제2 접촉 전극(255)과 전기적으로 접촉하며 제2 전극(280)이 배치될 수 있는데, 제2 전극(280)은 패시베이션층(270)의 상부로 연장되어 배치되어 외부로부터 전류를 공급받을 수 있다.
제2 전극(280)은 도전성 재료로 이루어질 수 있고, 예를 들면 금속일 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 전극(280)은 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 크롬(Cr), 니켈(Ni), 구리(Cu), 금(Au) 중 적어도 하나를 포함하여 단층 또는 다층 구조로 형성될 수 있다.
<제조방법>
이하 도 5 내지 도 8을 참조하여 실시예에 따른 표면발광 레이저소자의 제조 방법을 설명하기로 한다.
우선, 도 5와 같이, 제1 기판(210) 상에 제1 반사층(220), 활성영역(230) 및 제2 반사층(250)을 포함하는 발광구조물을 형성시킨다.
상기 제1 기판(210)은 반도체 물질 성장에 적합한 물질이나 캐리어 웨이퍼로 형성될 수 있으며, 열 전도성이 뛰어난 물질로 형성될 수 있고, 전도성 기판 또는 절연성 기판을 포함할 수 있다.
예를 들면 실시예에서는 제1 기판(210)으로 제1 반사층(220)과 동종의 GaAs 기판을 사용할 수 있다. 제1 기판(210)이 제1 반사층(220)과 동종일 때 격자 상수가 일치하여, 제1 반사층(220)에 격자 부정합 등의 결함이 발생하지 않을 수 있다.
상기 제1 반사층(220)은 서로 다른 굴절률을 가지는 물질로 이루어진 층들이 교대로 적어도 1회 이상 적층된 구조일 수 있다.
상기 제1 반사층(220)은 상술한 바와 같이 DBR 구조를 가질 수 있으므로, AlGaAs가 공급되어 성장될 수 있고, 이때, Al과 Ga의 공급량을 달리하여, 상술한 바와 같이 AlxGa(1-x)As(0<x<1)의 조성식을 갖는 반도체 물질의 제1 반사층(220)을 성장시킬 수 있다.
예를 들면 제1 반사층(220)은 화학증착방법(CVD) 혹은 분자선 에피택시(MBE) 혹은 스퍼터링 혹은 수산화물 증기상 에피택시(HVPE) 등의 방법을 사용하여 성장될 수 있다.
상기 제1 반사층(220)은 제1 도전형으로 도핑될 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 도전형 도펀트는 Si, Ge, Sn, Se, Te 등과 같은 n형 도펀트를 포함할 수 있다.
또한 상기 제1 반사층(220)은 갈륨계 화합물, 예를 들면 AlGaAs를 포함할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 제1 반사층(220)은 분산 브래그 반사기(DBR: Distributed Bragg Reflector)일 수 있다. 예를 들어, 제1 반사층(220)은 서로 다른 굴절 률을 가지는 물질로 이루어진 층들이 교대로 적어도 1회 이상 적층된 구조일 수 있다.
다음으로, 제1 반사층(220) 상에는 활성영역(230)이 형성될 수 있다.
상기 활성영역(230)은 활성층(232) 및 상기 활성층(232)의 하측에 배치되는 제1 캐비티(231), 상측에 배치되는 제2 캐비티(233)를 포함할 수 있다. 실시예의 활성영역(230)은 제1 캐비티(231)와 제2 캐비티(233)를 모두 포함하거나, 둘 중의 하나만 포함할 수도 있다.
예를 들어, 상기 활성층(232)은 단일우물 구조(Single Well Structure), 다중 우물 구조, 단일 양자 우물 구조, 다중양자 우물(MQW:Multi Quantum Well) 구조, 양자점 구조 또는 양자선 구조 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
다음으로, 활성영역(230) 상에 예비 애퍼처영역(245)이 형성될 수 있다.
상기 예비 애퍼처영역(245)은 도전성 재료로 이루어질 수 있고, 상세하게는 제1 반사층(220) 및 제2 반사층(250)과 동일한 재료로 이루어질 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 예비 애퍼처영역(245)이 AlGaAs을 포함하는 경우, 상기 예비 애퍼처영역(245)은 AlxGa(1-x)As(0<x<1)의 조성식을 갖는 반도체 물질로 이루어질 수 있으며, 예를 들면 Al0.98Ga0.02As의 조성식을 가질 수 있다.
다음으로, 상기 예비 애퍼처영역(245) 상에 제2 반사층(250)이 형성될 수 있다.
상기 제2 반사층(250)은 제2 도전형으로 도핑될 수 있다. 상기 제2 반사층(250)은 갈륨계 화합물 예를 들면 AlGaAs를 포함할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 제2 반사층(250)은 분산 브래그 반사기(DBR: Distributed Bragg Reflector)일 수 있다. 예를 들어, 제2 반사층(250)은 서로 다른 굴절 률을 가지는 물질로 이루어진 층들이 교대로 적어도 1회 이상 적층된 구조일 수 있다. 예를 들어, 제2 반사층(250)은 AlGaAs를 포함할 수 있고, 상세하게는 AlxGa(1-x)As(0<x<1)의 조성식을 갖는 반도체 물질로 이루어질 수 있다.
그리고, 제2 반사층(250)의 각 층들의 두께는 λ이고, λ는 활성영역(230)에서 발생하는 광의 파장일 수 있고, n은 상술한 파장의 광에 대한 각 층의 굴절률일 수 있다. 여기서, λ는 650 내지 980나노미터(nm)일 수 있고, n은 각층의 굴절률일 수 있다. 이러한 구조의 제2 반사층(250)은 940 나노미터의 파장 영역의 광에 대하여 99.999%의 반사율을 가질 수 있다.
상기 제2 반사층(250)은 갈륨계 화합물 예를 들면 AlGaAs를 포함할 수 있으며, 제2 반사층(250)은 제2 도전형 도펀트가 도핑될 수 있다. 예를 들어, 제2 도전형 도펀트는 Mg, Zn, Ca, Sr, Ba, C 등과 같은 p형 도펀트일 수 있다. 한편, 제1 반사층(220)이 p형 도펀트로 도핑될 수도 있고, 제2 반사층(250)이 n형 도펀트로 도핑될 수도 있다.
이러한 구조의 제2 반사층(250)은 940 나노미터의 파장 영역의 광에 대하여 99.9%의 반사율을 가질 수 있다.
다음으로 도 6과 같이, 소정의 마스크(300)를 사용하여 발광 구조물을 메사 식각할 수 있다. 이때, 제2 반사층(250)으로부터 예비 애퍼처영역(245)과 활성영역(230)까지 메사 식각될 수 있고, 제1 반사층(220)의 일부까지 메사 식각될 수도 있다. 메사 식각에서는 ICP(inductively coupled plasma) 에칭 방법으로, 주변 영역의 제2 반사층(250)으로부터 예비 애퍼처영역(245)과 활성영역(230)을 제거할 수 있으며, 메사 식각 영역은 측면이 기울기를 가지고 식각될 수 있다.
다음으로, 도 7과 같이, 예비 애퍼처영역의 가장 자리 영역을 절연영역(242)으로 변화시킬 수 있으며, 예를 들면 습식 산화(Wet Oxidation)으로 변화시킬 수 있다.
예를 들어, 예비 애퍼처영역(245)의 가장 자리 영역으로부터 산소를 공급하면, 예비 애퍼처영역의 AlGaAs가 H2O와 반응하여 알루미늄 산화물(Al2O3)가 형성될 수 있다. 이때, 반응 시간 등을 조절하여, 예비 애퍼처영역의 중앙 영역은 산소와 반응하지 않고 가장 자리영역만 산소와 반응하여 알루미늄 산화물이 형성될 수 있도록 한다. 또한 이온 주입(Ion implantation)을 통해 예비 애퍼처영역의 가장 자리 영역을 절연영역(242)으로 변화시킬 수도 있으며 이에 한정하지 않는다. 이온 주입 시에는 300keV 이상의 에너지로 포톤(photon)이 공급될 수 있다.
상술한 반응 공정 후에, 애퍼처영역(240)의 중앙 영역은 도전성의 AlGaAs가 배치되고 가장 자리 영역에는 비도전성의 Al2O3가 배치될 수 있다. 중앙 영역의 AlGaAs는 활성영역(230)에서 방출되는 광이 상부 영역으로 진행되는 부분이므로, 상술한 바와 같이 애퍼처(241)라고 할 수 있다.
다음으로, 도 8과 같이, 제2 반사층(250) 상에 제2 접촉 전극(255)이 배치될 수 있는데, 제2 접촉 전극(255)의 사이의 영역에서 제2 반사층(250)이 노출되는 영역은 상술한 애퍼처영역(240)의 중앙 영역인 애퍼처(241)와 대응될 수 있다. 상기 제2 접촉 전극(255)은 제2 반사층(250)과 후술하는 제2 전극(280)의 접촉 특성을 향상시킬 수 있다.
다음으로, 제2 접촉 전극(255) 상에 배치되는 패시베이션층(270)은 발광 구조물의 상부면에서의 두께가 제2 접촉 전극(255)보다 얇을 수 있으며, 이때 제2 접촉 전극(255)이 패시베이션층(270) 상부로 노출될 수 있다.
상기 패시베이션층(270)은 폴리마이드(Polymide), 실리카(SiO2), 또는 질화 실리콘(Si3N4) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
다음으로, 노출된 제2 접촉 전극(255)과 전기적으로 접촉되는 제2 전극(280)이 배치될 수 있는데, 제2 전극(280)은 패시베이션층(270)의 상부로 연장되어 배치되어 외부로부터 전류를 공급받을 수 있다.
상기 제2 전극(280)은 도전성 재료로 이루어질 수 있고, 예를 들면 금속일 수 있다. 예를 들어, 제2 전극(280)은 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 크롬(Cr), 니켈(Ni), 구리(Cu), 금(Au) 중 적어도 하나를 포함하여 단층 또는 다층 구조로 형성될 수 있다.
또한 상기 제1 기판(210)의 아래에는 제1 전극(215)이 배치될 수 있다. 상기 제1 전극(215)의 배치 전에 소정의 그라인딩 공정 등을 통해 상기 제1 기판(210)의 저면 일부를 제거하여 방열 효율을 향상시킬 수 있다.
상기 제1 전극(215)은 도전성 재료로 이루어질 수 있고, 예를 들면 금속일 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 전극(215)은 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 크롬(Cr), 니켈(Ni), 구리(Cu), 금(Au) 중 적어도 하나를 포함하여 단층 또는 다층 구조로 형성될 수 있다.
상술한 표면발광 레이저소자는 레이저 다이오드일 수 있으며, 2개의 반사층 내부가 공진기로 작용할 수 있다. 이때, 제1 도전형의 제1 반사층(220)과 제2 도전형의 제2 반사층(250)으로부터 전자와 정공이 활성층으로 공급되어, 활성영역(230)에서 방출된 광이 공진기 내부에서 반사되어 증폭되고 문턱 전류에 도달하면, 상술한 애퍼처(241)를 통하여 외부로 방출될 수 있다.
실시예에 따른 표면발광 레이저소자에서 방출된 광은 단일 파장 및 단일 위상의 광일 수 있으며, 제1 반사층(220), 제2 반사층(250)과 활성영역(230)의 조성 등에 따라 단일 파장 영역이 변할 수 있다.
또한 도 9 내지 도 14를 참조하여 제2 실시예에 따른 표면발광 레이저소자의 제조 방법을 설명하기로 한다. 이하의 설명에서는 방열성능을 향상시키기 위해, 소정의 성장 기판(190) 상에 발광구조물을 형성 후, 상기 성장 기판(190)을 제거하는 공정을 설명하고 있으나, 실시예의 제조방법이 이에 한정되는 것은 아니다.
우선, 도 9와 같이, 성장 기판(190) 상에 제2 반사층(250), 활성영역(230) 및 제1 반사층(220)을 포함하는 발광구조물을 형성시킨다.
상기 성장 기판(190)은 반도체 물질 성장에 적합한 물질이나 캐리어 웨이퍼로 형성될 수 있으며, 열 전도성이 뛰어난 물질로 형성될 수 있고, 전도성 기판 또는 절연성 기판을 포함할 수 있다.
예를 들면 실시예에서는 성장 기판(190)으로 제2 반사층(250)과 동종의 GaAs 기판을 사용할 수 있다. 성장 기판(190)이 제2 반사층(250)과 동종일 때 격자 상수가 일치하여, 제2 반사층에 격자 부정합 등의 결함이 발생하지 않을 수 있다.
그리고, 성장 기판(190) 상에는 식각 저지층(192)이 형성될 수 있다.
다음으로, 상기 성장 기판(190) 또는 식각 저지층(192) 상에 제2 반사층(250)이 형성될 수 있다.
상기 제2 반사층(250)은 서로 다른 굴절률을 가지는 물질로 이루어진 제3 층(미도시) 및 제4 층(미도시)이 교대로 적어도 1회 이상 적층된 구조일 수 있다.
상기 제2 반사층(250)은 상술한 바와 같이 DBR 구조를 가질 수 있으므로, 제3층과 제4 층의 재료인 AlGaAs가 공급되어 성장될 수 있고, 이때, Al과 Ga의 공급량을 달리하여, 상술한 바와 같이 AlxGa(1-x)As(0<x<1)의 조성식을 갖는 반도체 물질의 제2 반사층(250)을 성장시킬 수 있다.
예를 들면 제3 층은 Al0.88Ga0.12As를 포함할 수 있으며, 제4 층은 Al0.16Ga0.84As로 성장될 수 있으며, 화학증착방법(CVD) 혹은 분자선 에피택시(MBE) 혹은 스퍼터링 혹은 수산화물 증기상 에피택시(HVPE) 등의 방법을 사용하여 성장될 수 있다.
다음으로, 제2 반사층(250) 상에는 예비 애퍼처영역(245)이 형성될 수 있다. 상기 예비 애퍼처영역(245)은 도전성 재료로 이루어질 수 있고, 상세하게는 제1 반사층(220) 및 제2 반사층(250)과 동일한 재료로 이루어질 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 예비 애퍼처영역(245)이 AlGaAs을 포함하는 경우, 상기 예비 애퍼처영역(245)은 AlxGa(1-x)As(0<x<1)의 조성식을 갖는 반도체 물질로 이루어질 수 있으며, 예를 들면 Al0.98Ga0.02As의 조성식을 가질 수 있다.
다음으로, 상기 예비 애퍼처영역(245) 상에 활성영역(230)과 제1 반사층(220)이 형성될 수 있다. 상기 활성영역(230)은 활성층(232) 및 상기 활성층(232)의 하측에 배치되는 제1 캐비티(231), 상측에 배치되는 제2 캐비티(233)를 포함할 수 있다. 실시예의 활성영역(230)은 제1 캐비티(231)와 제2 캐비티(233)를 모두 포함하거나, 둘 중의 하나만 포함할 수도 있다.
상기 활성층(232)은 단일우물 구조(Single Well Structure), 다중 우물 구조, 단일 양자 우물 구조, 다중양자 우물(MQW:Multi Quantum Well) 구조, 양자점 구조 또는 양자선 구조 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 활성층(232)은 Ⅲ-Ⅴ족 원소의 화합물 반도체 재료를 이용하여 우물층과 장벽층, 예를 들면, AlGaInP/GaInP, AlGaAs/AlGaAs, AlGaAs/GaAs,GaAs/InGaAs 등의 페어 구조로 형성될 수 있으나 이에 한정되지는 않는다. 우물층은 장벽층의 에너지 밴드 갭보다 작은 에너지 밴드 갭을 갖는 물질로 형성될 수 있다.
상기 제1 반사층(220)은 제1 도전형으로 도핑될 수 있다. 상기 제1 반사층(220)은 갈륨계 화합물 예를 들면 AlGaAs를 포함할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 제1 반사층(220)은 분산 브래그 반사기(DBR: Distributed Bragg Reflector)일 수 있다. 예를 들어, 제1 반사층(220)은 서로 다른 굴절 률을 가지는 물질로 이루어진 제1 층(미도시) 및 제2 층(미도시)이 교대로 적어도 1회 이상 적층된 구조일 수 있다.
제1 층과 제2 층은 AlGaAs를 포함할 수 있고, 상세하게는 AlxGa(1-x)As(0<x<1)의 조성식을 갖는 반도체 물질로 이루어질 수 있다. 여기서, 제1 층 또 는 제2 층 내의 Al이 증가하면 각 층의 굴절률은 감소하고, Ga가 증가하면 각 층의 굴절률은 증가할 수 있다.
그리고, 제1 층 및 제2 층 각각의 두께는 λ이고, λ는 활성영역(230)에서 발생하는 광의 파장일 수 있고, n은 상술한 파장의 광에 대한 각 층의 굴절률일 수 있다. 여기서, λ는 650 내지 980나노미터(nm)일 수 있고, n은 각층의 굴절률일 수 있다. 이러한 구조의 제1 반사층(220)은 940 나노미터의 파장 영역의 광에 대하여 99.999%의 반사율을 가질 수 있다.
제1 층과 제2 층의 두께는 각각의 굴절률과 활성영역(230)에서 방출되는 광의 파장 λ에 따라 결정될 수 있다.
제1 반사층(220)에는 제1 도전형 도펀트가 도핑될 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 도전형 도펀트는 Si, Ge, Sn, Se, Te 등과 같은 n형 도펀트를 포함할 수 있다.
다음으로, 도 10과 같이, 제2 기판(212)을 제1 반사층(220) 상에 결합할 수 있다. 실시예는 접착층(260)을 개재하여 제2 기판(212)을 제1 반사층(220) 상에 결합시킬 수 있다.
상기 접착층(260)은 단층 또는 복수의 층으로 형성될 수 있으며, 제1 접착층(261)과 제2 접착층(262)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제2 접착층(262)은 제2 기판(212)의 하부에 배치되고, 제1 접착층(261)은 제1 반사층(220)의 상부에 배치되어 제2 접착층(262)과 제1 접착층(261)이 서로 접착되어 제2 기판(212)과 제1 반사층(220)이 본딩될 수 있다.
상기 접착층(260)은 AuSn, NiSn 또는 InAu 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 제2 기판(212)은 전도성 기판 또는 비전도성 기판을 사용할 수 있다. 전도성 기판을 사용할 경우 전기 전도도가 우수한 금속을 사용할 수 있고, 표면발광 레이저소자(200) 작동 시 발생하는 열을 충분히 발산시킬 수 있어야 하므로 열전도도가 높은 금속을 사용하거나 실리콘(Si) 기판을 사용할 수 있다. 비전도성 기판을 사용할 경우, 알루미늄 질화물 예를 들면 AlN 기판을 사용할 수 있다.
다음으로, 상기 제2 기판(212) 상에 제1 전극(215)이 배치될 수 있다.
상기 제1 전극(215)은 도전성 재료로 이루어질 수 있고, 예를 들면 금속일 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 전극(215)은 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 크롬(Cr), 니켈(Ni), 구리(Cu), 금(Au) 중 적어도 하나를 포함하여 단층 또는 다층 구조로 형성될 수 있다.
다음으로, 도 11과 같이, 성장 기판(190)을 분리할 수 있다. 상기 성장 기판(190)의 제거는 사파이어 기판의 경우 엑시머 레이저 등을 이용한 레이저 리프트 오프(Laser Lift Off: LLO)의 방법으로 할 수도 있으며, 건식 및 습식식각의 방법으로 할 수도 있다.
레이저 리프트 오프법을 예로 들면, 성장 기판(190) 방향으로 일정영역의 파장을 가지는 엑시머 레이저 광을 포커싱(focusing)하여 조사하면, 성장기판(190)과 제2 반사층(250)의 경계면에 열 에너지가 집중되어 경계면이 갈륨과 질소 분자로 분리되면서 레이저 광이 지나가는 부분에서 순간적으로 성장 기판(190)의 분리가 일어날 수 있다.
여기서, 식각 저지층(192)은 성장 기판(190)을 발광 구조물로부터 제거할 때, 제2 반사층(220)을 보호해 줄 수 있다.
다음으로 도 12와 같이, 소정의 마스크(300)를 사용하여 발광 구조물을 메사 식각할 수 있다. 이때, 제2 반사층(250)으로부터 예비 애퍼처영역(245)과 활성영역(230)까지 메사 식각될 수 있고, 제1 반사층(220)의 일부까지 메사 식각될 수도 있다. 메사 식각에서는 ICP(inductively coupled plasma) 에칭 방법으로, 주변 영역의 제2 반사층(250)으로부터 애퍼처영역(240)과 활성영역(230)을 제거할 수 있으며, 메사 식각 영역은 측면이 기울기를 가지고 식각될 수 있다.
다음으로, 도 13과 같이, 예비 애퍼처영역의 가장 자리 영역을 절연영역(242)으로 변화시킬 수 있으며, 예를 들면 습식 산화(Wet Oxidation)으로 변화시킬 수 있다.
예를 들어, 예비 애퍼처영역의 가장 자리 영역으로부터 산소를 공급하면, 예비 애퍼처영역의 AlGaAs가 H2O와 반응하여 알루미늄 산화물(Al2O3)가 형성될 수 있다. 이때, 반응 시간 등을 조절하여, 예비 애퍼처영역의 중앙 영역은 산소와 반응하지 않고 가장 자리영역만 산소와 반응하여 알루미늄 산화물이 형성될 수 있도록 한다. 또한 이온 주입(Ion implantation)을 통해 예비 애퍼처영역의 가장 자리 영역을 절연영역(242)으로 변화시킬 수도 있으며 이에 한정하지 않는다. 이온 주입 시에는 300keV 이상의 에너지로 포톤(photon)이 공급될 수 있다.
상술한 반응 공정 후에, 애퍼처영역(240)의 중앙 영역은 도전성의 AlGaAs가 배치되고 가장 자리 영역에는 비도전성의 Al2O3가 배치될 수 있다. 중앙 영역의 AlGaAs는 활성영역(230)에서 방출되는 광이 상부 영역으로 진행되는 부분이므로, 상술한 바와 같이 애퍼처(241)라고 할 수 있다.
다음으로, 도 14와 같이, 제2 반사층(250) 상에 제2 접촉 전극(255)이 배치될 수 있는데, 제2 접촉 전극(255)의 사이의 영역에서 제2 반사층(250)이 노출되는 영역은 상술한 애퍼처영역(240)의 중앙 영역인 애퍼처(241)와 대응될 수 있다. 상기 제2 접촉 전극(255)은 제2 반사층(250)과 후술하는 제2 전극(280)의 접촉 특성을 향상시킬 수 있다.
다음으로, 제2 접촉 전극(255) 상에 배치되는 패시베이션층(270)은 발광 구조물의 상부면에서의 두께가 제2 접촉 전극(255)보다 얇을 수 있으며, 이때 제2 접촉 전극(255)이 패시베이션층(270) 상부로 노출될 수 있다.
상기 패시베이션층(270)은 폴리마이드(Polymide), 실리카(SiO2), 또는 질화 실리콘(Si3N4) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
다음으로, 노출된 제2 접촉 전극(255)과 전기적으로 접촉되는 제2 전극(280)이 배치될 수 있는데, 제2 전극(280)은 패시베이션층(270)의 상부로 연장되어 배치되어 외부로부터 전류를 공급받을 수 있다.
상기 제2 전극(280)은 도전성 재료로 이루어질 수 있고, 예를 들면 금속일 수 있다. 예를 들어, 제2 전극(280)은 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 크롬(Cr), 니켈(Ni), 구리(Cu), 금(Au) 중 적어도 하나를 포함하여 단층 또는 다층 구조로 형성될 수 있다.
다음으로 제3 실시예 내지 제5 실시예를 설명하기로 한다.
도 15는 제3 실시예에 따른 표면발광 레이저소자에서 에너지밴드 다이어 그램(203) 예시도이며, 도 16는 제4 실시예에 따른 표면발광 레이저소자에서 에너지밴드 다이어 그램(204) 예시도이고, 도 17a와 도 17b는 실시예에 따른 표면발광 레이저소자의 활성영역에서 도핑 농도 데이터이다. 또한 도 18은 제5 실시예에 따른 표면발광 레이저소자에서 에너지밴드 다이어 그램(205) 예시도이다.
(제3 실시예)
도 15은 제3 실시예에 따른 표면발광 레이저소자에서 에너지밴드 다이어 그램(203) 예시도이다.
제3 실시예는 제1 실시예, 제2 실시예의 기술적 특징을 채용할 수 있다.
예를 들어, 도 15를 참조하면, 실시예에서 제1 반사층(220)이 AlxGa(1-x)As(0<x<1)을 포함하는 경우, Al의 농도에 그레이딩(grading)를 두어 인접하는 반사층 사이의 전기장(Electric Field) 발생을 최소화할 수 있다.
예를 들어, 상기 제1 반사층(220)이 제1 알루미늄 농도의 제1 층(220p)과 제2 알루미늄 농도의 제2 층(220q)을 포함하는 경우, 상기 제1 알루미늄 농도의 제1 층(220p)과 제2 알루미늄 농도의 제2 층(220q) 사이에 제3 알루미늄 농도의 제3층(220r)의 개재하고, 상기 제3층(220r)의 알루미늄 농도는 상기 제1 층(220p)과 상기 제2 층(220q) 사이의 알루미늄 농도 사이 값을 가질 수 있다.
예를 들어, 제1 반사층(220)은 Al0.12Ga0.88As인 제1 층(220p)과 Al0.88Ga0.12As인 제2 층(220q) 사이에 Alx3Ga(1-x3)As(0.12≤X3≤0.88)인 제3층(220r)을 개재할 수 있다. 이를 통해 실시예에 의하면 제1 층(220p)과 제2 층(220q) 사이에 중간 영역의 알루미늄 농도를 구비한 제3 층(220r)을 구비함으로써 인접한 반사층 사이 계면(interface)에서 에너지 밴드 벤딩(Energy Band Bending)에 의한 전기장(Electric Field) 발생을 최소화하여 캐리어 장벽(barrier)을 낮춤으로써 광출력을 향상시킬 수 있는 기술적 효과가 있다.
이에 따라 실시예에 의하면, 반사층에서의 전기장 발생에 따른 캐리어 배리어 영향을 최소화하여 광출력을 향상시킬 수 있는 표면발광 레이저소자 및 이를 포함하는 표면발광 레이저패키지를 제공할 수 있다.
이하 제3 실시예의 주된 기술적 특징을 중심으로 설명하기로 한다.
계속하여 도 15을 참조하면, 제3 실시예는 제1 반사층(220) 상에 활성영역(230)을 포함할 수 있다.
이때, 상기 활성영역(230)은 활성층(232) 및 상기 활성층(232)의 하측에 배치되는 제1 캐비티(231), 상측에 배치되는 제2 캐비티(233)를 포함할 수 있다. 실시예의 활성영역(230)은 제1 캐비티(231)와 제2 캐비티(233)를 모두 포함하거나, 둘 중의 하나만 포함할 수도 있다.
상기 제1 캐비티(231)와 상기 제2 캐비티(233)는 AlyGa(1-y)As(0<y<1)물질로 형성될 수 있으나 이에 한정되지 않는다. 예를 들어, 상기 제1 캐비티(231)와 상기 제2 캐비티(233)는 각각 AlyGa(1-y)As으로된 복수의 층을 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 제1 캐비티(231)는 제1-1 캐비티층(231a)과 제1-2 캐비티층(231b)을 포함할 수 있다. 상기 제1-1 캐비티층(231a)은 상기 제1-2 캐비티층(231b)에 비해 상기 활성층(232)에서 더 이격될 수 있다. 상기 제1-1 캐비티층(231a)은 상기 제1-2 캐비티층(231b)에 비해 더 두껍게 형성될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
실시예의 기술적 과제 중의 하나는, 전압효율을 향상시켜 광출력을 향상시킬 수 있는 표면발광 레이저소자 및 이를 포함하는 표면발광 레이저패키지를 제공하고자 함이다.
실시예는 이러한 기술적 과제를 해결하기 위해, 활성영역에서의 저항감소를 통해 전압효율을 향상시켜 광출력을 향상시킬 수 있는 기술적 효과가 있는 표면발광 레이저소자 및 이를 포함하는 표면발광 레이저패키지를 제공할 수 있다.
우선, 도 15을 참조하면, 제3 실시예에서 상기 활성영역(230)은, 상기 제1 반사층(220) 상에 배치되는 제1 캐비티(231)와, 양자우물(232a)과 양자벽(232b)을 포함하며 상기 제1 캐비티(231) 상에 배치되는 활성층(232)을 포함하고, 상기 제1 캐비티(231)는, 상기 제1 반사층(220)과 인접하고 제1 도전형 제1 도핑층(261)을 포함할 수 있다.
제3 실시예에 의하면, 제1 캐비티(231)의 일부 영역에 제1 도전형 제1 도핑층(261)을 포함함으로써 기존 활성영역에 비해 저항을 감소시킴으로써 활성영역에서의 저항감소를 통해 전압효율을 향상시켜 광출력을 향상시킬 수 있는 기술적 효과가 있다.
예를 들어, 제3 실시예에서 제1 캐비티(231)가 제1-1 캐비티층(231a)과 제1-2 캐비티층(231b)을 포함하는 경우, 상기 활성층(232)에서 더 이격되어 배치된 제1-1 캐비티층(231a)에 제1 도전형 제1 도핑층(261)을 포함함으로써 종래 활성영역에 비해 저항을 감소시킴으로써 활성영역에서의 저항감소를 통해 전압효율을 향상시켜 광출력을 향상시킬 수 있는 기술적 효과가 있다.
아래 표 3은 비교예와 실시예의 표면발광 레이저소자의 특성 데이터이다. 비교예는 캐비티에 도핑이 진행되지 않는 경우이다.
구분 비교예 실시예
에미터 개수 202 202
Wp(nm) 943.2 942.4
Vf(V) 2.19 2.07
PCE(%) 38.9 39.3
제3 실시예는 캐비티에 도핑이 진행됨에 따라 활성영역에서 저항감소를 통해 비교예에 비해 동작전압(Vf)이 낮아졌으며, 광효율이나 광출력을 향상시킬 수 있는 기술적 효과가 있다.제3 실시예에서 제1 도전형 제1 도핑층(261)의 두께는 상기 제1 캐비티(231)의 두께 대비 10% 내지 70%로 제어됨으로써 활성영역에서의 저항감소를 통해 전압효율을 향상시켜 광출력을 향상시킬 수 있는 기술적 효과가 있다. 이때, 상기 제1 도전형 제1 도핑층(261)의 영역이 상기 제1 캐비티(231)의 영역 대비 70%를 초과시 도핑영역에 의한 광 흡수로 인해 광출력이 저하될 수 있으며, 그 영역이 10% 미만의 경우 저항 감소효과의 기여도가 낮을 수 있다. 또한 실시예에서 제1 도전형 제1 도핑층(261)의 영역은 상기 제1 캐비티(231)의 영역 대비 20% 내지 50%로 제어될 수 있다.
실시예에서 상기 “영역”은 각 층이 차지하는 “폭”을 기준으로 비교될 수 있다. 또한 상기 “영역”은 각 층이 차지하는 “체적”일 수도 있다.
실시예에서 제1 도전형 제1 도핑층(261)에서 제1 도전형 도펀트의 농도는 1x1017~8x1017(atoms/cm3)범위로 제어됨으로써 활성영역에서의 저항감소를 통해 전압효율을 향상시켜 광출력을 향상시킬 수 있는 기술적 효과가 있다. 이때, 상기 제1 도전형 제1 도핑층(261)에서 제1 도전형 도펀트의 농도가 그 상한을 초과시 도핑영역에 의한 광 흡수로 인해 광출력이 저하될 수 있으며, 그 하한 미만의 경우 저항 감소효과의 기여도가 낮을 수 있다.
이 때 실시예에서 제1 캐비티(231)에 위치하는 제1 도전형 제1 도핑층(261)의 제1 도전형 도펀트의 농도는 제1 반사층(220)의 제1 도전형 도펀트의 농도보다 낮게 제어됨으로써 도핑영역에 의한 광 흡수를 방지함과 동시에 활성영역에서의 저항감소를 통해 전압효율을 향상시켜 광출력을 향상시킬 수 있다.
예를 들어, 상기 제1 도전형 제1 도핑층(261)의 제1 도전형 도펀트의 농도는 1x1018~2x1018(atoms/cm3)범위인 경우, 상기 제1 도전형 제1 도핑층(261)에서 제1 도전형 도펀트의 농도는 1x1017~8x1017(atoms/cm3)범위로 제어됨으로써 활성영역에서의 저항감소를 통해 전압효율을 향상시켜 광출력을 향상시킬 수 있는 기술적 효과가 있다.
또한 실시예의 기술적 과제 중의 하나는, 발광층 주변에서 광집중(optical confinement) 효율 향상을 통해 광출력을 향상시킬 수 있는 표면발광 레이저소자 및 이를 포함하는 표면발광 레이저패키지를 제공하고자 함이다.
실시예는 이러한 기술적 과제를 해결하기 위해, 실시예는 발광층 주변의 활성영역(230)에서의 광집중(optical confinement) 효율 향상을 통해 광출력을 향상시킬 수 있는 기술적 효과가 있다.
구체적으로, 상기 제1 캐비티(231)가 AlxGaAs계열층(0<X<1)을 포함하는 경우에, 상기 제1 캐비티(231)의 Al의 농도를 상기 활성층(232) 방향으로 감소하도록 제어함으로써 도 15에서와 같이, 제1 캐비티(231)의 밴드갭 에너지 준위가 활성층(232) 방향으로 감소하도록 제어함으로써 광집중(optical confinement) 효율 향상을 통해 광출력을 향상시킬 수 있는 기술적 효과가 있다.
또한, 상기 제2 캐비티(233)가 AlxGaAs계열층(0<X<1)을 포함하는 경우에, 상기 제2 캐비티(233)의 Al의 농도를 상기 활성층(232) 방향으로 감소하도록 제어함으로써 도 15에서와 같이, 제2 캐비티(233)의 밴드갭 에너지 준위가 활성층(232) 방향으로 감소하도록 제어함으로써 광집중(optical confinement) 효율 향상을 통해 광출력을 향상시킬 수 있는 기술적 효과가 있다.
(제4 실시예)
다음으로, 도 16는 제4 실시예에 따른 표면발광 레이저소자에서 에너지밴드 다이어 그램(204) 예시도이다.
제4 실시예는 앞서 설명된 제1 실시예 내지 제3 실시예의 기술적 특징을 채용할 수 있으며, 이하 제4 실시예의 주된 특징을 중심으로 설명하기로 한다.
제4 실시예에서 상기 제2 캐비티(233)의 제2 폭(T2)이 상기 제1 캐비티(231)의 제1 폭(T1)에 비해 크게 형성될 수 있다.
예를 들어, 상기 제2 캐비티(233)는 AlyGa(1-y)As(0<y<1)물질로 형성될 수 있으나 이에 한정되지 않으며, AlyGa(1-y)As으로된 단층 또는 복수의 층을 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 제2 캐비티(233)는 제2-1 캐비티층(233a)과 제2-2 캐비티층(233b)을 포함할 수 있다. 상기 제2-2 캐비티층(233b)은 상기 제2-1 캐비티층(233a)에 비해 상기 활성층(232)에서 더 이격될 수 있다. 상기 제2-2 캐비티층(233b)은 상기 제2-1 캐비티층(233a)에 비해 더 두껍게 형성될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 이때, 상기 제2-2 캐비티층(233b)이 약 60~70nm로 형성되고, 상기 제2-1 캐비티층(233a)은 약 40~55nm로 형성될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
제4 실시예에 의하면, 상기 제2 캐비티(233)의 제2 폭(T2)이 상기 제1 캐비티(231)의 제1 폭(T1)에 비해 크게 형성됨으로써 공진 효율을 향상시킴으로써 광 출력을 향상시킬 수 있다.
다음으로, 도 17a와 도 17b는 도 16에 도시된 제4 실시예에 따른 표면발광 레이저소자의 활성영역 중 제1 도전형 제1 도핑층(261)에서의 도핑농도 데이터이다.
예를 들어, 도 17a와 도 17b에서 가로축은 활성층(232)에서 제1 반사층(220) 방향(X방향)으로 거리가 증가할 때의 제1 도전형 제1 도핑층(261)에서 제1 도전형 도펀트의 도핑농도이다.
실시예에 의하면, 상기 제1 도전형 제1 도핑층(261)에서 제1 도전형 도펀트의 농도는 상기 활성층(232)의 방향에서 상기 제1 반사층(220)의 방향으로 증가하도록 제어함으로써, 활성층(232)에 인접한 영역에서의 도핑농도 증가를 제어하여 광 흡수에 따른 광도 저하를 방지함과 아울러, 상기 제1 반사층(220)에 인접한 영역에서의 도핑농도를 증대시켜 저항 감소에 따른 전압효율을 향상시켜 광출력을 향상시킬 수 있는 기술적 효과가 있다.
예를 들어, 도 17a를 참조하면, 제1 도전형 제1 도핑층(261)이 제1-1 도핑층(261a)과 제1-2 도핑층(261b)을 포함하는 경우, 제1-1 도핑층(261a)에 비해 활성층(232)에서 더 이격되어 배치된 제1-2 도핑층(261b)에서의 도핑농도가 d1에서 d2 내지 d3로 증가함에 따라, 활성층(232)에 인접한 제1-1 도핑층(261a)에서의 광 흡수에 따른 광도 저하를 방지함과 아울러, 상기 제1 반사층(220)에 인접한 제1-2 도핑층(261b)영역에서의 저항 감소에 따른 전압효율을 향상시켜 광출력을 향상시킬 수 있는 기술적 효과가 있다.
또한, 도 17b를 참조하면, 제1 도전형 제1 도핑층(261)이 제1-1 도핑층(261a), 제1-2 도핑층(261b) 및 제1-3 도핑층(261c)을 포함하는 경우, 제1-1 도핑층(261a)에 비해 활성층(232)에서 더 이격되어 배치된 제1-2 도핑층(261b)과 제1-3 도핑층(261c)에서의 도핑농도가 각각 d1, d2, d3로 순차적으로 증가함에 따라, 활성층(232)에 인접한 영역에서의 광 흡수에 따른 광도 저하를 방지함과 아울러, 상기 제1 반사층(220)에 인접한 영역에서의 저항 감소에 따른 전압효율을 향상시켜 광출력을 향상시킬 수 있는 기술적 효과가 있다.
(제5 실시예)
다음으로, 도 18은 제5 실시예에 따른 표면발광 레이저소자에서 에너지밴드 다이어 그램(205) 예시도이다.
제5 실시예에 의하면, 상기 활성영역(230)은, 상기 제2 반사층(250)과 상기 활성층(232) 사이에 배치되는 제2 캐비티(233)를 포함하고, 상기 제2 캐비티(233)는 상기 제2 반사층(250)과 접하며, 제2 도전형 제2 도핑층(262)을 포함할 수 있다.
실시예에 의하면, 제2 캐비티(233)의 일부 영역에 제2 도전형 제2 도핑층(262)을 포함함으로써 기존 활성영역에 비해 저항을 감소시킴으로써 활성영역에서의 저항감소를 통해 전압효율을 향상시켜 광출력을 향상시킬 수 있는 기술적 효과가 있다.
예를 들어, 실시예에서 제2 캐비티(233)가 제2-1 캐비티층(233a)과 제2-2 캐비티층(233b)을 포함하는 경우, 상기 활성층(232)에서 더 이격되어 배치된 제2-2 캐비티층(233b)에 제2 도전형 제2 도핑층(262)을 포함함으로써 종래기술에 비해 활성영역에서의 저항감소를 통해 전압효율을 향상시켜 광출력을 향상시킬 수 있는 기술적 효과가 있다. 예를 들어, 제2 캐비티(233)에 도핑이 진행된 실시예의 경우, 활성영역에서 저항감소를 통해 비교예에 비해 동작전압(Vf)이 낮아졌으며, 광효율이나 광출력을 향상시킬 수 있는 기술적 효과가 있다.
실시예에서 제2 도전형 제2 도핑층(262)의 영역은 상기 제2 캐비티(233)의 영역 대비 10% 내지 70%로 제어됨으로써 활성영역에서의 저항감소를 통해 전압효율을 향상시켜 광출력을 향상시킬 수 있는 기술적 효과가 있다. 이때, 상기 제2 도전형 제2 도핑층(262)의 영역이 상기 제2 캐비티(233)의 영역 대비 70%를 초과시 도핑영역에 의한 광 흡수로 인해 광출력이 저하될 수 있으며, 그 영역이 10% 미만의 경우 저항 감소효과의 기여도가 낮을 수 있다.
제3 실시예 내지 제5 실시예를 참조하면, 상기 제1 도전형 제1 도핑층(261)과 상기 제2 도전형 제2 도핑층(262)의 합계 영역은 상기 활성영역(230)의 전체 영역의 20% 내지 70%로 제어될 수 있으며, 그 상한을 초과시 도핑영역에 의한 광 흡수로 인해 광출력이 저하될 수 있으며, 하한 미만시 저항 감소효과의 기여도가 낮을 수 있다.
실시예에서 제2 도전형 제2 도핑층(262)에서 제2 도전형 도펀트의 농도는 1x1017~8x1017(atoms/cm3)범위로 제어됨으로써 활성영역에서의 저항감소를 통해 전압효율을 향상시켜 광출력을 향상시킬 수 있는 기술적 효과가 있다. 이때, 상기 제2 도전형 제2 도핑층(262)에서 제2 도전형 도펀트의 농도가 그 상한을 초과시 도핑영역에 의한 광 흡수로 인해 광출력이 저하될 수 있으며, 그 하한 미만의 경우 저항 감소효과의 기여도가 낮을 수 있다.
또한 실시예에서 제2 도전형 제2 도핑층(262)의 제2 도전형 도펀트의 농도는 제2 반사층(250)의 제2 도전형 도펀트의 농도 이하로 제어됨으로써 도핑영역에 의한 광 흡수를 방지함과 동시에 활성영역에서의 저항감소를 통해 전압효율을 향상시켜 광출력을 향상시킬 수 있다.
예를 들어, 상기 제2 도전형 제2 도핑층(262)의 제2 도전형 도펀트의 농도는 7x1017~3x1018(atoms/cm3)범위인 경우, 상기 제2 도전형 제2 도핑층(262)에서 제2 도전형 도펀트의 농도는 1x1017~7x1017(atoms/cm3)범위로 제어됨으로써 활성영역에서의 저항감소를 통해 전압효율을 향상시켜 광출력을 향상시킬 수 있는 기술적 효과가 있다.
다음으로 도 19는 실시예에 따른 표면발광 레이저패키지가 적용된 이동 단말기의 사시도이다.
도 19에 도시된 바와 같이, 실시예의 이동 단말기(1500)는 후면에 제공된 카메라 모듈(1520), 플래쉬 모듈(1530), 자동 초점 장치(1510)를 포함할 수 있다. 여기서, 상기 자동 초점 장치(1510)는 발광부로서 앞서 설명된 실시 예에 따른 표면발광 레이저소자 중의 하나를 포함할 수 있다.
상기 플래쉬 모듈(1530)은 그 내부에 광을 발광하는 발광소자를 포함할 수 있다. 상기 플래쉬 모듈(1530)은 이동 단말기의 카메라 작동 또는 사용자의 제어에 의해 작동될 수 있다.
상기 카메라 모듈(1520)은 이미지 촬영 기능 및 자동 초점 기능을 포함할 수 있다. 예컨대 상기 카메라 모듈(1520)은 이미지를 이용한 자동 초점 기능을 포함할 수 있다.
상기 자동 초점 장치(1510)는 레이저를 이용한 자동 초점 기능을 포함할 수 있다. 상기 자동 초점 장치(1510)는 상기 카메라 모듈(1520)의 이미지를 이용한 자동 초점 기능이 저하되는 조건, 예컨대 10m 이하의 근접 또는 어두운 환경에서 주로 사용될 수 있다. 상기 자동 초점 장치(1510)는 표면발광 레이저소자를 포함하는 발광부와, 포토 다이오드와 같은 빛 에너지를 전기 에너지로 변환하는 수광부를 포함할 수 있다.
이상에서 실시예들에 설명된 특징, 구조, 효과 등은 적어도 하나의 실시예에 포함되며, 반드시 하나의 실시예에만 한정되는 것은 아니다. 나아가, 각 실시예에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시예들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의해 다른 실시예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 실시예의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
이상에서 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 실시예를 한정하는 것이 아니며, 실시예가 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 설정하는 실시예의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (19)

  1. 제1 반사층 및 제2 반사층; 및
    상기 제1 반사층 및 제2 반사층 사이에 배치되는 활성영역; 을 포함하고,
    상기 제1 반사층은, 제1 그룹 제1 반사층 및 제2 그룹 제1 반사층을 포함하며,
    상기 제2 반사층은 제1 그룹 제2 반사층 및 제2 그룹 제2 반사층을 포함하며,
    상기 제1 그룹 제2 반사층은,
    제1 알루미늄 농도를 가지는 제1-1 층;
    상기 제1 알루미늄 농도보다 높은 제2 알루미늄 농도를 가지며, 상기 제1-1층 상에 배치되는 제1-2 층; 및
    상기 제2 알루미늄 농도에서 상기 제1 알루미늄 농도로 감소하는 제4 알루미늄 농도를 가지며, 상기 제1-2 층 상에 배치되는 제1-4 층을 포함하고,
    상기 제2 반사층은 제2 도전형 도펀트를 포함하고,
    상기 제1-2 층은 상기 제1-1 층 및 상기 제1-4 층 사이에 배치하며,
    상기 제1-4 층의 상기 제2 도전형 도펀트 도핑 레벨은 상기 제1-1 층 및 상기 제1-2 층의 상기 제2 도전형 도펀트 도핑 레벨보다 높은 표면발광 레이저소자.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 제2 도전형 도펀트는 카본(C)을 포함하고,
    상기 제1-1층은 상기 제1-2층에 비해 상기 활성영역에 인접하게 배치된 표면발광 레이저소자.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 제2 반사층은,
    상기 제1 그룹 제2 반사층보다 상기 활성영역에 인접하게 배치된 상기 제3 그룹 제2 반사층을 더 포함하고,
    상기 제3 그룹 제2 반사층의 제2 도전형 도펀트의 평균농도는 상기 제1 그룹 제2 반사층의 제2 도전형 도펀트의 평균농도보다 낮은 표면발광 레이저소자.
  4. 제1 반사층 및 제2 반사층; 및
    상기 제1 반사층 및 제2 반사층 사이에 배치되는 활성영역; 을 포함하고,
    상기 제1 반사층은, 제1 그룹 제1 반사층 및 제2 그룹 제1 반사층을 포함하며,
    상기 제2 반사층은 제1 그룹 제2 반사층 및 제2 그룹 제2 반사층을 포함하며,
    상기 제1 그룹 제2 반사층은,
    제1 알루미늄 농도를 가지는 제2-1 반사층;
    상기 제1 알루미늄 농도보다 높은 제2 알루미늄 농도를 가지며 상기 제2-1 반사층의 일측에 배치되는 제2-2 반사층; 및
    상기 제1 알루미늄 농도에서 상기 제2 알루미늄 농도로 변화하는 제3 알루미늄 농도를 가지며 상기 제2-1 반사층과 상기 제2-2 반사층 사이에 배치되는 제2-3 반사층;을 포함하며,
    상기 제2-3 반사층의 제2 도전형 도핑농도는 상기 제2-1 반사층 또는 상기 제2-2 반사층의 제2 도전형 도핑농도 보다 높은 표면발광 레이저소자.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1 그룹 제2 반사층은,
    상기 제2-2 반사층의 외측에 배치되며 상기 제1 알루미늄 농도에서 상기 제2 알루미늄 농도로 변화하는 제4 알루미늄 농도를 가지는 제2-4 반사층을 더 포함하고,
    상기 제2-4 반사층의 제2 도전형 도펀트의 농도는,
    상기 제2-3 반사층의 제2 도전형 도펀트의 농도보다 높은 표면발광 레이저소자.
  6. 제4 항에 있어서,
    상기 제2-2 반사층의 두께는
    상기 제2-1 반사층의 두께보다 두꺼우며,
    상기 제2-1 반사층 또는 상기 제2-2 반사층의 두께는
    상기 제2-3 반사층의 두께보다는 두꺼운 표면발광 레이저소자.
  7. 제1 반사층 및 제2 반사층; 및
    상기 제1 반사층 및 제2 반사층 사이에 배치되는 활성영역;을 포함하고,
    상기 제1 반사층은, 제1 그룹 제1 반사층 및 제2 그룹 제1 반사층을 포함하며,
    상기 제2 반사층은, 제1 그룹 제2 반사층 및 제2 그룹 제2 반사층을 포함하며,
    상기 제1 그룹 제2 반사층은,
    제1 굴절률을 가지는 제2-1 반사층;
    상기 제1 굴절률보다 낮은 제2 굴절률을 가지며 상기 제2-1 반사층의 일측에 배치되는 제2-2 반사층; 및
    상기 제1 굴절률과 상기 제2 굴절률 사이의 제3 굴절률을 가지며 상기 제2-1 반사층과 제2-2 반사층의 사이에 배치되는 제2-3 반사층;을 포함하고,
    상기 제2-3 반사층의 제2 도전형 도핑농도는 상기 제2-1 반사층 또는 상기 제2-2 반사층의 제2 도전형 도핑농도 보다 높은 표면발광 레이저소자.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 제1 그룹 제2 반사층은,
    제1 알루미늄 농도를 가지는 상기 제2-1 반사층과,
    상기 제1 알루미늄 농도보다 높은 제2 알루미늄 농도를 가지며 상기 제2-1 반사층의 일측에 배치되는 상기 제2-2 반사층과,
    상기 제1 알루미늄 농도에서 상기 제2 알루미늄 농도로 변화하는 제3 알루미늄 농도를 가지며 상기 제2-1 반사층과 상기 제2-2 반사층 사이에 배치되는 상기 제2-3 반사층을 포함하는 표면발광 레이저소자.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 제1 그룹 제2 반사층은,
    상기 제2-2 반사층의 외측에 배치되며 상기 제1 알루미늄 농도에서 상기 제2 알루미늄 농도로 변화하는 제4 알루미늄 농도를 가지는 제2-4 반사층을 더 포함하는 표면발광 레이저소자.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 제2-4 반사층의 제2 도전형 도펀트의 농도는,
    상기 제2-3 반사층의 제2 도전형 도펀트의 농도보다 높은 표면발광 레이저소자.
  11. 제1 도전형 도펀트를 포함하는 제1 반사층;
    제2 도전형 도펀트를 포함하는 제2 반사층; 및
    상기 제1 반사층과 제2 반사층 사이에 배치되는 활성영역;을 포함하고,
    상기 활성영역은, 상기 제1 반사층 상에 배치되는 제1 캐비티와, 양자우물과 양자벽을 포함하며 상기 제1 캐비티 상에 배치되는 활성층을 포함하고,
    상기 제1 캐비티는, 상기 제1 반사층과 인접하고 제1 도전형 제1 도핑층을 포함하며,
    상기 제1 도전형 제1 도핑층의 영역의 두께는 상기 제1 캐비티의 영역 대비 70% 이하인 표면발광 레이저소자.
  12. 제11 항에 있어서,
    상기 활성영역은, 상기 제2 반사층과 상기 활성층 사이에 배치되는 제2 캐비티를 더 포함하고,
    상기 제2 캐비티는 상기 제2 반사층과 인접하며, 제2 도전형 제2 도핑층을 포함하는 표면발광 레이저소자.
  13. 제12 항에 있어서,
    상기 제2 도전형 제2 도핑층의 두께는 상기 제2 캐비티의 두께 대비 70% 이하인 표면발광 레이저소자.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 제1 도전형 제1 도핑층과 상기 제2 도전형 제2 도핑층의 합계 두께는 상기 활성영역의 전체 두께의 20% 내지 70%인 표면발광 레이저소자.
  15. 제11항에 있어서,
    상기 제2 캐비티의 제2 폭이 상기 제1 캐비티의 제1 폭에 비해 큰 표면발광 레이저소자.
  16. 제11 항에 있어서,
    상기 제1 캐비티는 AlxGaAs 계열층(0<X<1)을 포함하며,
    상기 제1 캐비티의 Al의 농도는 상기 활성층 방향으로 감소하는 표면발광 레이저소자.
  17. 제11 항에 있어서,
    상기 제1 도전형 제1 도핑층에서 제1 도전형 도펀트의 농도는 상기 활성층의 방향에서 상기 제1 반사층의 방향으로 증가하는 표면발광 레이저소자.
  18. 제11 항에 있어서,
    상기 제1 도전형 제1 도핑층의 제1 도전형 도핑 농도는
    상기 제1 반사층에서의 제1 도전형 도핑 농도보다 낮은 표면발광 레이저소자.
  19. 제1 항 내지 제18항 중의 어느 하나의 표면발광 레이저소자를 포함하는 발광장치.
KR1020190002642A 2018-01-09 2019-01-09 표면발광 레이저소자 및 이를 포함하는 발광장치 KR20190084898A (ko)

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