KR20200023874A - A surface-emitting laser device and light emitting device including the same - Google Patents
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Abstract
Description
실시예는 반도체 소자에 관한 것으로, 보다 상세하게는 표면발광 레이저소자 및 이를 포함하는 발광장치에 관한 것이다.Embodiments relate to a semiconductor device, and more particularly, to a surface emitting laser device and a light emitting device including the same.
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.A semiconductor device including a compound such as GaN, AlGaN, etc. has many advantages, such as having a wide and easy-to-adjust band gap energy, and can be used in various ways as a light emitting device, a light receiving device, and various diodes.
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.Particularly, light emitting devices such as light emitting diodes or laser diodes using semiconductors of Group 3-5 or Group 2-6 compound semiconductors have been developed through the development of thin film growth technology and device materials. Various colors such as blue and ultraviolet light can be realized, and efficient white light can be realized by using fluorescent materials or combining colors, and low power consumption, semi-permanent life, and quick response compared to conventional light sources such as fluorescent and incandescent lamps. It has the advantages of speed, safety and environmental friendliness.
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 빠른 응답속도, 안전성, 환경 친화성 및 소자 재료의 용이한 조절의 장점을 가져 전력 제어 또는 초고주파 회로나 통신용 모듈에도 용이하게 이용할 수 있다.In addition, when a light-receiving device such as a photodetector or a solar cell is also manufactured using a group 3-5 or group 2-6 compound semiconductor material of a semiconductor, the development of device materials absorbs light in various wavelength ranges to generate photocurrent As a result, light in various wavelength ranges, from gamma rays to radio wavelength ranges, can be used. It also has the advantages of fast response speed, safety, environmental friendliness and easy control of device materials, making it easy to use in power control or microwave circuits or communication modules.
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.Therefore, a white light emitting device that can replace a fluorescent light bulb or an incandescent bulb that replaces a Cold Cathode Fluorescence Lamp (CCFL) constituting a backlight of a liquid crystal display (LCD) display device, a transmission module of an optical communication means. Applications are expanding to diode lighting devices, automotive headlights and traffic lights, and sensors that detect gas or fire.
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. In addition, applications can be extended to high frequency application circuits, other power control devices, and communication modules. For example, in the conventional semiconductor light source device technology, there is a vertical-cavity surface-emitting laser (VCSEL), which is used for optical communication, optical parallel processing, optical connection, and the like. On the other hand, the laser diode used in such a communication module is designed to operate at a low current.
한편 기존의 데이터(Data) 광통신용 구조에서는 응답속도가 중요하였으나, 최근 센서용 고전압 패키지(High Power PKG)에 적용되면서 광출력과 전압 효율이 중요한 특성이 된다.On the other hand, the response speed was important in the structure of the existing data optical communication, but recently applied to the high power package (High Power PKG) for the sensor, the optical output and voltage efficiency becomes an important characteristic.
예를 들어, 3D 센싱 카메라는 객체의 심도 정보(Depth Information)를 포착할 수 있는 카메라로서, 최근 증강현실과 맞물려 각광을 받고 있다. 한편, 카메라 모듈의 심도 센싱을 위해서는 별도 센서를 탑재하며, 구조광(Structured Light: SL) 방식과 ToF(Time of Flight) 방식 등 두 가지로 구분된다.For example, a 3D sensing camera is a camera capable of capturing depth information of an object, and has recently been in the spotlight in conjunction with augmented reality. On the other hand, a depth sensor of the camera module is equipped with a separate sensor, it is divided into two types of structured light (SL) method and ToF (Time of Flight) method.
구조광(SL) 방식은 특정 패턴의 레이저를 피사체에 방사한 후 피사체 표면의 모양에 따라 패턴이 변형된 정도를 분석해 심도를 계산한 후 이미지센서가 찍은 사진과 합성해 3D 촬영 결과를 얻게 된다. In the structured light (SL) method, a laser of a specific pattern is emitted to a subject, the depth of the pattern is analyzed according to the shape of the subject surface, the depth is calculated, and then synthesized with the photograph taken by the image sensor to obtain a 3D photographing result.
이에 비해 ToF 방식는 레이저가 피사체에 반사되어 돌아오는 시간을 측정해 심도를 계산한 후, 이미지센서가 찍은 사진과 합성해 3D 촬영 결과를 얻게 되는 방식이다.In contrast, the ToF method calculates the depth by measuring the time when the laser is reflected back to the subject, and then synthesizes it with the photograph taken by the image sensor to obtain a 3D photographing result.
이에 따라 SL 방식은 레이저가 매우 정확하게 위치해야 하는 반면에, ToF 기술은 향상된 이미지센서에 의존한다는 점에서 대량 생산에 유리한 장점이 있으며, 하나의 휴대폰에 어느 하나의 방식 또는 두 가지 방식 모두를 채용할 수도 있다.As a result, the SL method has an advantage in mass production in that the laser has to be positioned very accurately, whereas the ToF technology relies on an improved image sensor, and one or both methods can be adopted in one mobile phone. It may be.
예를 들어, 휴대폰의 전면에 트루뎁스(True Depth)라는 3D 카메라를 SL 방식으로 구현할 수 있고, 후면에는 ToF 방식으로 적용할 수도 있다.For example, a 3D camera called True Depth can be implemented in the SL method on the front of the mobile phone and can be applied in the ToF method on the back.
한편, VCSEL이 구조광(Structured Light) 센서, ToF(Time of Flight)센서, 또는 LDAF(Laser Diode Autofocus) 등에 적용하게 되면, 고 전류에서 작동하게 되므로 광도출력이 감소하거나 문턱 전류가 증가하는 등의 문제점이 발생한다.On the other hand, when the VCSEL is applied to a structured light sensor, a time of flight (ToF) sensor, or a laser diode autofocus (LDAF), the VCSEL operates at a high current, so that the light output is decreased or the threshold current is increased. A problem occurs.
앞서 기술한 바와 같이, VCSEL 패키지 기술 중에 ToF 방식은 광원인 VCSEL 칩과 디퓨져(diffuser)를 통한 플래시 형태(Flash type)의 펄스 프로젝션(Pulse Projection)으로 반사 펄스(reflected pulse) 빔의 시간차를 계산하여 심도(Depth)를 추출한다.As described above, in the VCSEL package technology, the ToF method calculates the time difference of the reflected pulse beam by using a flash type pulse projection through a VCSEL chip as a light source and a diffuser. Depth is extracted.
예를 들어, 도 1은 VCSEL 칩에서의 빔 발산(beam divergence)과 디퓨져 빔 각(Diffuser beam angle)의 조합으로 FOI(Field of Interest)와 FOV(Field Of View)를 결정하는 방식에 대한 예시도이다. 이에 따라 FOI와 FOV 결정하기 위해서는 VCSEL 칩에서의 빔 발산(beam divergence)의 제어가 중요하다.For example, FIG. 1 illustrates an example of determining a field of interest (FOI) and a field of view (FOV) based on a combination of beam divergence and diffuser beam angle in a VCSEL chip. to be. Accordingly, control of beam divergence in the VCSEL chip is important for determining the FOI and FOV.
다음으로, 도 2a는 종래기술에서 애퍼처 크기(aperture size)에 따른 모드(mode) 변화 데이터이다.Next, FIG. 2A shows mode change data according to aperture size in the prior art.
종래기술에서는 고출력 VCSEL 패키지의 요구에 따라 애퍼처 사이즈가 증가되고 있는 추세이다.In the prior art, the aperture size is increasing in accordance with the demand of a high output VCSEL package.
VCSEL 기술에서 단일 기본 모드(Single fundamental mode) 안정화를 위해서는 작은 사이즈 애퍼처(small size aperture), 예를 들어 직경(rA)이 3 ㎛ 이하의 애퍼처가 바람직하나, 고출력 VCSEL 패키지에서는 큰 사이즈 애퍼처(large size aperture)가 필요한 실정이다.In VCSEL technology, small size apertures, e.g., apertures of less than 3 μm in diameter (r A ) are preferred for single fundamental mode stabilization, but large size apertures in high-output VCSEL packages (large size aperture) is required.
한편, 도 2a와 같이 애퍼처 사이즈, 예를 들어 애퍼처의 직경(rA)이 증가하는 경우 모드 호핑(Mode hopping)으로 인한 발광모드 변화 또는 발산각이 변화되는 문제가 발생된다.On the other hand, as shown in FIG. 2A, when the aperture size, for example, the diameter r A of the aperture increases, a change in emission mode or divergence angle due to mode hopping occurs.
구체적으로, 도 2a를 참조하면 애퍼처의 직경(rA)이 증가하는 경우 발산 모드(mode)가 변화하게 되므로 고차모드로 변화(higher mode shift) 현상이 발생하게 된다.Specifically, referring to FIG. 2A, when the diameter r A of the aperture increases, the divergence mode changes, and thus a higher mode shift occurs.
예를 들어, 종래기술에서 애퍼처 사이즈가 증가함에 따라 LP01(rA=2㎛), LP21(rA=4㎛), LP41(rA=6㎛)로 고차 모드로 변화(higher mode shift) 현상이 발생하게 된다.For example, in the prior art, as the aperture size increases, LP 01 (r A = 2 μm), LP 21 (r A = 4 μm), LP 41 (r A = 6 μm) changes to higher order mode (higher). mode shift) phenomenon occurs.
그런데, 이러한 고차 모드로 변화 현상은 빔 패턴(beam pattern)이 분열 또는 출사 빔의 발산각(divergence angle of beams)의 증가의 문제를 유발 한다.However, the phenomenon of changing to the higher-order mode causes a problem in that the beam pattern increases the divergence angle of beams of the split or emitted beam.
예를 들어, 도 2b는 종래 VCSEL의 원 거리장(Far field)에서 빔 프로파일(Beam profile) 데이터이며, 인가 전류의 증가에 따라 출사 빔의 빔 패턴(beam pattern)이 분열되고 있다. 예를 들어, 도 2b는 문턱전류(Ith)가 1.2mA인 조건에서, 원형 형태의 애퍼처의 직경(rA)이 4.5㎛인 애퍼처를 구비한 VICSEL에서 인가전류가 1.2 mA(b1)에서 3.0mA(b2) 및 5.0mA(b3)로 각각 증가함에 따라 발진모드가 고차모드로의 변화하여 출사 빔의 빔 패턴(beam pattern)이 분열되는 문제가 발생됨을 알 수 있다.For example, FIG. 2B is beam profile data in a far field of a conventional VCSEL, and a beam pattern of an exit beam is split as the applied current increases. For example, FIG. 2B shows an applied current of 1.2 mA (b1) in a VICSEL having an aperture having a diameter r A of 4.5 μm in a circular shape under the condition that the threshold current I th is 1.2 mA. It can be seen that as the oscillation mode is changed to the higher order mode as the increase to 3.0 mA (b2) and 5.0 mA (b3), respectively, the beam pattern of the exit beam is split.
한편, 도 2c는 종래 VCSEL의 원 거리장(Far field)에서 빔 프로파일(Beam profile) 데이터로서, 애퍼처의 직경(rA)이 6.0 ㎛인 경우 레이징(lasing) 직후 바로 고차모드로 발진되고, 전류 증가에 따라 멀티 모드(multi-mode) 발진이 더욱 심화되었다.2C shows beam profile data in a far field of a conventional VCSEL. When the aperture diameter r A is 6.0 μm, the oscillation is started immediately after lasing. As the current increases, multi-mode oscillation becomes even worse.
한편, 이건 출원에서 표면발광 레이저소자의 빔 프로파일(Far field Beam profile)의 측정은 Beam profiler 측정기인 8050M-GE-TE(Thorlabs, Inc.)를 사용하였다(8050M-GE-TE 사양정보: 8 Megapixel Monochrome Scientific CCD Camera, Hermetically Sealed Cooled Package, GigE Interface). 다만, 빔 프로파일(Far field Beam profile)의 측정장비가 이에 한정되는 것은 아니다.On the other hand, in this application, the measurement of the beam profile (Far field Beam profile) of the surface emitting laser device was used a beam profiler measuring instrument 8050M-GE-TE (Thorlabs, Inc.) (8050M-GE-TE specification information: 8 Megapixel Monochrome Scientific CCD Camera, Hermetically Sealed Cooled Package, GigE Interface. However, the measuring device of the far field beam profile is not limited thereto.
다음으로, 도 3은 종래 VCSEL에서 인가전류 증가에 따른 근거리장 이미지(Near field image) 데이터이며, 각 인가전류에 따른 발산각(divergence angle of beams)의 데이터도 함께 나타내었다. 도 3을 참조하면, 인가전류가 3mA(d1)에서 5mA(d2), 7.5mA(d3) 및 12mA(d4)로 전류가 증가함에 따라 발광 포인트(point) 증가에 따라 모드(mode) 분열이 일어나면서 발산각(divergence angle of beams)이 각각 21.0˚, 25.0˚, 및 31.0˚로 급격히 증가하였다.Next, FIG. 3 shows near field image data according to an increase in applied current in the conventional VCSEL, and also shows divergence angle of beams according to each applied current. Referring to FIG. 3, as the applied current increases from 3 mA (d1) to 5 mA (d2), 7.5 mA (d3), and 12 mA (d4), mode splitting occurs as the light emitting point increases. The divergence angle of beams increased sharply to 21.0 °, 25.0 °, and 31.0 °, respectively.
즉, 종래기술에 의하면 고전류 인가됨에 따라 애퍼처 에지(aperture edge)에서의 전류밀집(current crowding) 발생 시 레이저 출사영역인 애퍼처의 손상(damage)이 발생할 수 있으며, 저 전류에서 주 모드(dominant mode)가 발진되다가 고전류가 인가됨에 따라 고차 모드(higher mode) 발진으로 인해 출사 빔의 발산각(divergence angle of beams)이 증가되는 광학적 문제가 발생되고 있다.That is, according to the related art, when high current is applied, damage of the aperture, which is a laser emission area, may occur when current crowding occurs at the aperture edge. As the high current is applied while the oscillation mode is started, an optical problem in which the divergence angle of the beams is increased due to the higher mode oscillation is generated.
특히 종래기술에 의하면 발산 모드 호핑(Divergence Mode hopping)으로 인한 파장, 발산각 변화하는 문제가 있으며, 발산모드의 안정화를 위해서는 애퍼처(aperture)의 직경이 약 5.0 ㎛ 미만이 바람직하나, 고출력을 위해서는 큰 사이즈의 애퍼처(aperture)가 요구되나 5.0 ㎛ 이상의 큰 사이즈의 애퍼처에서는 발진 모드의 불 안정으로 발산각(divergence angle of beams)이 증가하는 기술적 모순이 발생하고 있다.In particular, according to the prior art, there is a problem of changing wavelength and divergence angle due to divergence mode hopping, and in order to stabilize the divergence mode, an aperture diameter is preferably less than about 5.0 μm. Although a large aperture is required, a technical contradiction occurs in the divergence angle of beams due to the instability of oscillation mode in an aperture of a large size of 5.0 µm or larger.
실시예는 고전류 인가 또는 애퍼처 사이즈의 증대에도 불구하고 고차 모드 이동(higher mode shift)에 따른 출사 빔의 발산각(divergence angle of beams)의 증가 또는 빔 패턴(beam pattern)이 분열되는 문제를 방지할 수 있는 표면발광 레이저소자 및 이를 포함하는 발광장치를 제공하고자 한다.The embodiment prevents an increase in the divergence angle of beams or the beam pattern splitting due to a higher mode shift despite high current application or an increase in aperture size. The present invention provides a surface emitting laser device and a light emitting device including the same.
실시예에 따른 표면발광 레이저소자는 제1 반사층과, 상기 제1 반사층 상에 배치되는 활성영역과, 상기 활성영역 상에 배치되며, 애퍼처(aperture)(241) 및 절연영역(242)을 포함하는 복수의 애퍼처 영역(240)과, 상기 애퍼처 영역 상에 배치되는 제2 반사층 및 상기 제1 반사층 및 상기 제2 반사층에 각각 전기적으로 연결되는 제1 전극과 제2 전극을 포함할 수 있다.The surface emitting laser device according to the embodiment includes a first reflective layer, an active region disposed on the first reflective layer, an
상기 애퍼처 영역(240)에서 상기 절연영역(242)의 외곽은 원형이며, 상기 애퍼처(241)의 외곽은 다각형 형태일 수 있다.In the
상기 애퍼처(241)의 외곽은 3각형 내지 7각형의 다각형 형태 중의 하나일 수 있다.The outer periphery of the
상기 다각형의 장축 대각선의 길이인 상기 애퍼처(241)의 사이즈(S1)는 6.0㎛ 내지 12㎛일 수 있다.The size S1 of the
상기 애퍼처(241)의 전류밀도는 8.3kA/cm3 내지 30.0 kA/cm3 일 수 있다.The current density of the
실시예에서 상기 복수의 애퍼처 영역에서 가장 근접한 각 애퍼처 중심 간의 거리(D)는 각 애퍼처 영역(240A, 240B)의 반지름(R)의 2배 보다는 크고 3배 이하일 수 있다.In an embodiment, the distance D between each of the closest aperture centers in the plurality of aperture regions may be greater than two times and less than three times the radius R of each of the
상기 애퍼처 영역의 사이즈(R)는, 상기 애퍼처(241)의 사이즈의 반(S2)과 상기 애퍼처(241)의 다각형 모서리에서 상기 절연영역(242) 외곽까지의 최단 거리(S2)을 합한 것일 수 있다.The size R of the aperture region is equal to half S2 of the size of the
상기 애퍼처의 발산각은 20˚ 내지 27˚ 일 수 있다.The divergence angle of the aperture may be 20 ° to 27 °.
실시예의 발광장치는 상기 표면발광 레이저소자를 포함할 수 있다.The light emitting device of the embodiment may include the surface emitting laser device.
실시예는 고전류 인가시 또는 애퍼처 사이즈의 증대에도 불구하고 고차 모드 이동(higher mode shift)에 따른 출사 빔의 발산각(divergence angle of beams)의 증가 또는 빔 패턴(beam pattern)이 분열되는 문제를 방지할 수 있는 표면발광 레이저소자 및 이를 포함하는 발광장치를 제공할 수 있다.Embodiments provide a problem in which the divergence angle of beams increases or the beam pattern splits due to a higher mode shift despite high current application or an increase in aperture size. It is possible to provide a surface emitting laser device and a light emitting device including the same.
예를 들어, 실시예에 의하면 결정품질이 우수한 애퍼처(241)의 다각형의 모서리에서 광학적 구속(optical confinement)이 됨으로써 가용모드를 제어하여 고차모드 쉬프트(higher mode shift)가 지연 되고 이를 통해 모드(mode)가 유지되는 특별한 기술적 효과가 있다.For example, according to the exemplary embodiment, the optical confinement is performed at the edge of the polygon of the
도 1은 VCSEL 칩에서의 빔 발산(beam divergence)과 디퓨져 빔 각(Diffuser beam angle)의 조합으로 FOI(Field of Interest)와 FOV(Field Of View)를 결정하는 방식에 대한 예시도.
도 2a는 종래기술에서 애퍼처 크기(aperture size)에 따른 모드(mode) 변화 데이터.
도 2b는 종래 VCSEL의 인가 전류의 증가에 따라 원 거리장(Far field)에서 빔 프로파일(Beam profile) 데이터.
도 2c는 종래 VCSEL의 애퍼처의 지름(rA)이 약 6.0 ㎛인 경우 원 거리장(Far field)에서 빔 프로파일(Beam profile) 데이터.
도 3은 종래 VCSEL에서 인가전류 증가에 따른 근거리장 이미지(Near field image) 데이터와 각 인가전류에 따른 발산각(divergence angle of beams)의 데이터.
도 4는 실시예에 따른 표면발광 레이저소자의 평면도.
도 5는 도 4에 도시된 실시예에 따른 표면발광 레이저소자의 제1 영역(C1) 확대도.
도 6a는 도 5에 도시된 실시예에 따른 표면발광 레이저소자의 A1-A2 선을 따른 제1 단면도.
도 6b는 도 5에 도시된 실시예에 따른 표면발광 레이저소자의 A3-A4 선을 따른 제2 단면도.
도 7은 도 6a에 도시된 실시예에 따른 표면발광 레이저소자의 제1 부분(B1) 단면도.
도 8a는 도 6a에 도시된 실시예에 따른 표면발광 레이저소자의 애퍼처 영역의 평면 개념도.
도 8b는 도 6a에 도시된 실시예에 따른 표면발광 레이저소자의 애퍼처 영역의 IR 현미경 사진.
도 8c는 도 6a에 도시된 실시예에 따른 표면발광 레이저소자의 애퍼처 영역의 근거리장 이미지(Near field image) 데이터.
도 9a는 실시예에 따른 표면발광 레이저소자에서 GaAs의 low Miller index plane 예시도.
도 9b는 실시예에 따른 표면발광 레이저소자의 애퍼처 영역의 다른 IR 현미경 사진.
도 10a는 비교예에서 애퍼처 영역의 IR 현미경 사진.
도 10b는 비교예에서 애퍼처 영역의 단면 사진.
도 11a는 실시예에 따른 표면발광 레이저소자에서 애퍼처 영역에 대한 제2 확대도.
도 11b는 비교예와 실시예에 따른 표면발광 레이저소자에서 애퍼처 모양과 전류에 따른 근거리장 이미지(Near field image) 데이터와 각 인가전류에 따른 발산각(divergence angle of beams)의 데이터.
도 12는 실시예에 따른 표면발광 레이저소자에서 애퍼처 사이즈와 전류밀도에 따른 근거리장 이미지(Near field image) 데이터와 각 인가전류에 따른 발산각(divergence angle of beams)의 데이터.
도 13a는 도 12의 데이터에서 애퍼처 사이즈(Aperture size)별 전류밀도(Current density)에 따른 지향각 변화 데이터.
도 13b는 도 12의 데이터에서 애퍼처 사이즈(Aperture size)별 전류(Current)에 따른 지향각 변화 데이터.
도 14a 내지 도 16b는 실시예에 따른 표면발광 레이저소자의 제조공정도.
도 17는 실시예에 따른 표면발광 레이저소자가 적용된 이동 단말기의 사시도.1 is a diagram illustrating a method of determining a field of interest (FOI) and a field of view (FOV) based on a combination of beam divergence and diffuser beam angle in a VCSEL chip.
FIG. 2A shows mode change data according to aperture size in the prior art. FIG.
FIG. 2B shows beam profile data in a far field as the applied current of a conventional VCSEL increases. FIG.
FIG. 2C shows beam profile data in a far field when the diameter r A of the aperture of the conventional VCSEL is about 6.0 μm. FIG.
FIG. 3 illustrates near field image data according to an increase in applied current and divergence angle of beams according to each applied current in the conventional VCSEL.
4 is a plan view of a surface emitting laser device according to an embodiment;
FIG. 5 is an enlarged view of the first region C1 of the surface light emitting laser device according to the embodiment shown in FIG. 4.
6A is a first cross-sectional view taken along line A1-A2 of the surface emitting laser device according to the embodiment shown in FIG. 5;
6B is a second cross-sectional view taken along line A3-A4 of the surface emitting laser device according to the embodiment shown in FIG. 5;
FIG. 7 is a cross-sectional view of a first portion B1 of the surface emitting laser device according to the embodiment shown in FIG. 6A.
FIG. 8A is a top conceptual view of the aperture region of the surface emitting laser device according to the embodiment shown in FIG. 6A; FIG.
8B is an IR micrograph of an aperture region of the surface emitting laser device according to the embodiment shown in FIG. 6A.
FIG. 8C is near field image data of an aperture region of the surface emitting laser device according to the embodiment of FIG. 6A; FIG.
9A illustrates a low Miller index plane of GaAs in the surface emitting laser device according to the embodiment.
9B is another IR micrograph of an aperture region of the surface emitting laser device according to the embodiment.
10A is an IR micrograph of the aperture region in the comparative example.
10B is a cross-sectional photograph of the aperture region in the comparative example.
11A is a second enlarged view of an aperture region in the surface emitting laser device according to the embodiment;
FIG. 11B illustrates near field image data according to aperture shape and current and divergence angle of beams according to each applied current in the surface emitting laser device according to Comparative Example and Example. FIG.
FIG. 12 illustrates near field image data according to aperture size and current density and divergence angle of beams according to each applied current in the surface emitting laser device according to the embodiment; FIG.
FIG. 13A illustrates orientation angle change data according to current density for each aperture size in the data of FIG. 12. FIG.
FIG. 13B is directed angle change data according to current (Current) for each aperture size in the data of FIG. 12. FIG.
14a to 16b is a manufacturing process of the surface-emitting laser device according to the embodiment.
17 is a perspective view of a mobile terminal to which a surface emitting laser device is applied according to an embodiment;
이하 상기의 과제를 해결하기 위한 구체적으로 실현할 수 있는 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다.DETAILED DESCRIPTION Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
실시예의 설명에 있어서, 각 element의 " 상(위) 또는 하(아래)(on or under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, 상(위) 또는 하(아래)(on or under)는 두 개의 element가 서로 직접(directly)접촉되거나 하나 이상의 다른 element가 상기 두 element사이에 배치되어(indirectly) 형성되는 것을 모두 포함한다. 또한 "상(위) 또는 하(아래)(on or under)"으로 표현되는 경우 하나의 element를 기준으로 위쪽 방향뿐만 아니라 아래쪽 방향의 의미도 포함할 수 있다.In the description of the embodiments, when described as being formed on the "on or under" of each element, the on or under is It includes both the two elements are in direct contact with each other or one or more other elements are formed indirectly between the two elements. In addition, when expressed as "on" or "under", it may include the meaning of the downward direction as well as the upward direction based on one element.
(실시예)(Example)
도 4는 실시예에 따른 표면발광 레이저소자(201)의 평면도이며, 도 5는 도 4에 도시된 실시예에 따른 표면발광 레이저소자의 제1 영역(C1) 확대도이다.4 is a plan view of the surface emitting
도 4를 참조하면, 실시예에 따른 표면발광 레이저소자(201)는 발광부(E)와 패드부(P)를 포함할 수 있으며, 상기 발광부(E)에는 도 5와 같이 복수의 발광 에미터(E1, E2, E3)가 배치될 수 있다.Referring to FIG. 4, the surface emitting
도 5를 참조하면, 실시예에서 표면발광 레이저소자(201)는 개구부인 애퍼처(241) 외의 영역에 제2 전극(280)이 배치되며, 상기 애퍼처(241)에 대응되는 표면에는 패시베이션층(270)이 배치될 수 있다.Referring to FIG. 5, in the embodiment, the surface emitting
다음으로, 도 6a는 도 5에 도시된 실시예에 따른 표면발광 레이저소자의 A1-A2 선을 따른 제1 단면도이며, 도 6b는 도 5에 도시된 실시예에 따른 표면발광 레이저소자의 A3-A4 선을 따른 제2 단면도이다.Next, FIG. 6A is a first cross-sectional view taken along line A1-A2 of the surface emitting laser device according to the embodiment shown in FIG. 5, and FIG. 6B is A3- of the surface emitting laser device according to the embodiment shown in FIG. 5. 2nd sectional drawing along the A4 line.
도 6a와 도 6b를 참조하면, 실시예에서 표면발광 레이저소자(201)는 제1 전극(215), 기판(210), 제1 반사층(220), 활성영역(230), 애퍼처 영역(240), 제2 반사층(250), 제2 전극(280), 패시베이션층(270) 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.6A and 6B, in the embodiment, the surface emitting
상기 애퍼처 영역(240)은 애퍼처(241)(aperture) 및 절연영역(242)을 포함할 수 있다. 상기 절영영역(242)은 산화층으로 칭해질 수 있으며, 상기 애퍼처 영역(240)은 산화영역으로 칭해질 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. The
상기 제2 전극(280)은 컨택 전극(282)과 패드 전극(284)을 포함할 수 있다. The
다음으로 도 7은 도 6a에 도시된 실시예에 따른 표면발광 레이저소자의 제1 부분(B1)의 확대 단면도이다.Next, FIG. 7 is an enlarged cross-sectional view of the first portion B1 of the surface light emitting laser device according to the embodiment shown in FIG. 6A.
이하 도 6a와 도 7을 중심으로 실시예에 따른 표면발광 레이저소자(201)의 기술적 특징을 설명하기로 하며, 이후 도면을 참조하여 기술적 효과도 함께 설명하기로 한다. 실시예의 도면에서 x축의 방향은 기판(210)의 길이방향에 평행한 방향일 수 있으며, y축은 x축에 수직한 방향일 수 있다.Hereinafter, technical features of the surface emitting
<기판, 제1 전극><Substrate, first electrode>
도 6a를 참조하면, 실시예에서 기판(210)은 전도성 기판 또는 비전도성 기판일 수 있다. 전도성 기판을 사용할 경우 전기 전도도가 우수한 금속을 사용할 수 있고, 표면발광 레이저소자(201) 작동 시 발생하는 열을 충분히 발산시킬 수 있어야 하므로 열전도도가 높은 GaAs 기판, 또는 금속기판을 사용하거나 실리콘(Si) 기판 등을 사용할 수 있다.Referring to FIG. 6A, in an embodiment, the
비전도성 기판을 사용할 경우, AlN 기판이나 사파이어(Al2O3) 기판 또는 세라믹 계열의 기판을 사용할 수 있다.In the case of using a non-conductive substrate, an AlN substrate, a sapphire (Al 2 O 3 ) substrate, or a ceramic substrate may be used.
실시예에서 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.In an embodiment, the
<제1 반사층, 제2 반사층><1st reflective layer, 2nd reflective layer>
도 7을 참조하면, 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.Referring to FIG. 7, the first
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.In addition, the first
예를 들어, 도 7과 같이, 상기 제1 반사층(220)은 기판(210) 상에 배치된 제1 그룹 제1 반사층(221) 및 상기 제1 그룹 제1 반사층(221) 상에 배치된 제2 그룹 제1 반사층(222)을 포함할 수 있다.For example, as illustrated in FIG. 7, the first
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.The first group first
그리고, 각각의 층의 두께는 λ/4n일 수 있고, 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.In addition, the thickness of each layer may be λ / 4n, λ may be a wavelength of light generated in the
각 제1 반사층(220)에서의 층의 두께는 각각의 굴절률과 활성영역(230)에서 방출되는 광의 파장 λ에 따라 결정될 수 있다.The thickness of the layer in each first
또한 도 7과 같이, 제1 그룹 제1 반사층(221)과 제2 그룹 제1 반사층(222)도 각각 단일 또는 복수의 층으로 형성될 수 있다.In addition, as shown in FIG. 7, the first group first
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.For example, the first group first
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.In addition, the second group first
또한 도 7과 같이, 상기 제2 반사층(250)은 갈륨계 화합물 예를 들면 AlGaAs를 포함할 수 있으며, 제2 반사층(250)은 제2 도전형 도펀트가 도핑될 수 있다. 상기 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.In addition, as shown in FIG. 7, the second
상기 제2 반사층(250)도 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.The second
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 λ/4n이고, λ는 활성층에서 방출되는 광의 파장일 수 있고, n은 상술한 파장의 광에 대한 각 층의 굴절률일 수 있다.Each layer of the second
이러한 구조의 제2 반사층(250)은 약 940 나노미터의 파장 영역의 광에 대하여 99.9%의 반사율을 가질 수 있다.The second
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% 정도로서 제2 반사층(250)의 반사율인 99.9%보다 클 수 있다. The second
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.In an embodiment, the second
도 7과 같이, 제1 그룹 제2 반사층(251)과 제2 그룹 제2 반사층(252)도 각각 단일 또는 복수의 층으로 형성될 수 있다.As illustrated in FIG. 7, the first group second
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.For example, the first group second
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.In addition, the second group
<활성영역><Active area>
계속하여 도 7을 참조하면, 활성영역(230)이 제1 반사층(220)과 제2 반사층(250) 사이에 배치될 수 있다.7, the
상기 활성영역(230)은 활성층(232)과 적어도 하나 이상의 캐비티(231, 233)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 활성영역(230)은 활성층(232)과, 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.The
상기 활성층(232)은 단일 우물구조, 다중 우물구조, 단일 양자우물 구조, 다중 양자우물(MQW: Multi Quantum Well) 구조, 양자점 구조 또는 양자선 구조 중 어느 하나를 포함할 수 있다.The
상기 활성층(232)은 Ⅲ-Ⅴ족 원소의 화합물 반도체 재료를 이용하여 양자우물층(232a)과 양자벽층(232b)을 포함할 수 있다. 상기 양자우물층(232a)은 상기 양자벽층(232b)의 에너지 밴드 갭보다 작은 에너지 밴드 갭을 갖는 물질로 형성될 수 있다. 상기 활성층(232)은 InGaAs/AlxGaAs, AlGaInP/GaInP, AlGaAs/AlGaAs, AlGaAs/GaAs, GaAs/InGaAs 등의 1 내지 3 페어 구조로 형성될 수 있으나 이에 한정되지는 않는다. 상기 활성층(232)에는 도펀트가 도핑되지 않을 수 있다.The
다음으로 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. Next, the
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.For example, the
예를 들어, 상기 제1-1 캐비티층(231a)이 약 60~70nm로 형성되고, 상기 제1-2 캐비티층(231b)은 약 40~55nm로 형성될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.For example, the first-
또한 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. 예를 들어, 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.In addition, the
<애퍼처 영역><Aperture area>
다시 도 6a를 참조하면, 실시예에서 애퍼처 영역(240)은 절연영역(242)과 애퍼처(241)를 포함할 수 있다. 상기 애퍼처(241)는 개구로 칭해질 수 있으며, 상기 애퍼처 영역(240)은 개구 영역으로 칭해질 수도 있다.Referring back to FIG. 6A, in the embodiment, the
상기 절연영역(242)은 절연층, 예를 들어 알루미늄 산화물로 이루어져서 전류 차단영역으로 작용할 수 있으며, 절연영역(242)에 의해 광 발산 영역인 애퍼처(241)가 정의될 수 있다.The
예를 들어, 상기 애퍼처 영역(240)이 AlGaAs(aluminum gallium arsenide)를 포함하는 경우, 애퍼처 영역(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.For example, when the
실시예에 의하면, 애퍼처(241)를 통해 활성영역(230)에서 발광된 광을 상부 영역으로 발산할 수 있으며, 절연영역(242)과 비교하여 애퍼처(241)의 광 투과율이 우수할 수 있다.According to an embodiment, the light emitted from the
도 7을 참조하면 상기 절연영역(242)은 복수의 층을 포함할 수 있으며, 예를 들어, 상기 절연영역(242)은 제1 절연층(242a) 및 제2 절연층(242b)을 포함할 수 있다. 상기 제1 절연층(242a)의 두께는 상기 제2 절연층(242b)과 서로 같거나 서로 다른 두께로 형성될 수 있다. Referring to FIG. 7, the
실시예의 기술적 과제 중의 하나는 고전류 인가 또는 애퍼처 사이즈의 증대에도 불구하고 고차 모드 이동(higher mode shift)에 따른 출사 빔의 발산각(divergence angle of beams)의 증가 또는 빔 패턴(beam pattern)이 분열되는 문제를 방지할 수 있는 표면발광 레이저소자 및 이를 포함하는 발광장치를 제공하고자 함이다.One of the technical problems of the embodiment is that the divergence angle of the beams increases due to the higher mode shift or the beam pattern is broken despite the application of a high current or an increase in the aperture size. It is an object of the present invention to provide a surface emitting laser device and a light emitting device including the same.
도 8a는 도 6a에 도시된 실시예에 따른 표면발광 레이저소자의 애퍼처 영역(240)의 평면 개념도이며, 도 8b는 도 6a에 도시된 실시예에 따른 표면발광 레이저소자의 애퍼처 영역(240)의 IR 현미경 사진이고, 도 8c는 도 6a에 도시된 실시예에 따른 표면발광 레이저소자의 애퍼처 영역의 근거리장 이미지(Near field image) 데이터이다. FIG. 8A is a schematic conceptual view of an
도 8a와 도 8b를 참조하면 실시예에서 상기 애퍼처 영역(240)은 절연영역(242)과 애퍼처(241)를 포함하며, 상기 애퍼처(241)는 다각형 수평 단면을 포함할 수 있다.8A and 8B, in the embodiment, the
예를 들어, 실시예에서 애퍼처(241)의 다각형 단면은 3각형 내지 7각형 중 어느 하나의 형상일 수 있다. 예를 들어, 상기 애퍼처(241)의 외각은 3각형, 4각형, 5각형, 6각형 또는 7각형 중 어느 하나의 형상일 수 있으며, 도 8a에서 애퍼처(241)의 외곽 형상이 육각형인 경우를 예시하였으나 이에 한정되는 것은 아니다.For example, in an embodiment, the polygonal cross section of the
또한 실시예에서 애퍼처 영역(240) 중 절연영역(242)의 외곽은 원형일 수 있다. In addition, in an embodiment, an outer portion of the
실시예에서 애퍼처(241)의 사이즈(S1)은 다각형에서 대각선 길이 일 수 있다. 예를 들어, 애퍼처(241)의 모양이 도 8a에서와 같이 육각형인 경우 최대 또는 장축 대각선의 길이가 애퍼처(241)의 사이즈(S1)일 수 있다. 한편, 애퍼처(241)의 사이즈의 반(1/2)은 S2로 나타낼 수 있다.In an embodiment the size S1 of the
실시예에서 애퍼처(241)와 절연영역(242)을 포함하는 애퍼처 영역(240)의 사이즈(R)는 애퍼처(241)의 사이즈의 반(S2)과 애퍼처(241)의 다각형 모서리에서 상기 절연영역(242) 외곽까지의 최단 거리(S2)를 합한 것일 수 있다.In an embodiment, the size R of the
앞서 기술한 바와 같이 실시예의 기술적 과제 중의 하나는, 고전류 인가 또는 애퍼처 사이즈의 증대에도 불구하고 고차 모드 이동(higher mode shift)에 따른 출사 빔의 발산각(divergence angle of beams)의 증가 또는 빔 패턴(beam pattern)이 분열되는 문제를 방지할 수 있는 표면발광 레이저소자 및 이를 포함하는 발광장치를 제공하고자 함이다.As described above, one of the technical problems of the embodiment is that the beam pattern or an increase in the divergence angle of the beams due to a higher mode shift despite the application of a high current or an increase in the aperture size An object of the present invention is to provide a surface light emitting laser device and a light emitting device including the same.
도 8c를 참조하면, 실시예에 따른 표면발광 레이저소자에서는 원형의 메사 상태에서 산화조건을 제어하여 다각형의 외곽형상을 구비한 애퍼처를 형성함으로써 고전류 인가시 또는 애퍼처 사이즈의 증대에도 불구하고 다각형 애펴처의 모서리에서 피닝(pinning)에 의해 발광 포인트(point) 증가가 억제되어 고차 모드 이동(higher mode shift)에 따른 출사 빔의 발산각(divergence angle of beams)의 증가 또는 빔 패턴(beam pattern)이 분열되는 문제를 방지할 수 있는 기술적 효과가 있다.Referring to FIG. 8C, in the surface light emitting laser device according to the embodiment, the oxidation condition is controlled in a circular mesa state to form an aperture having an outline shape of the polygon so that the polygon may be formed at the time of application of a high current or an increase in the aperture size. Pinning at the edges of the aperture is suppressed to increase the point of light emission, increasing the divergence angle of beams or beam pattern due to higher mode shift. There is a technical effect that can prevent this splitting problem.
예를 들어, 도 9a는 실시예에 따른 표면발광 레이저소자에서 GaAs의 low Miller index plane 예시도이며, 도 9b는 실시예에 따른 표면발광 레이저소자의 애퍼처 영역의 다른 IR 현미경 사진이다.For example, FIG. 9A illustrates a low Miller index plane of GaAs in the surface emitting laser device according to the embodiment, and FIG. 9B is another IR micrograph of an aperture region of the surface emitting laser device according to the embodiment.
도 9a는 실시예에 따른 표면발광 레이저소자에서 GaAs(Zinc-blende결정) low Miller index plane의 예시도로서, Zinc-blende 구조는 (001) plane surface 기준으로 45° 간격으로 low Miller index plane이 나타난다. Low Miller index plane 특징은 결합밀도(Bond density)가 낮아서 화학적, 기계적으로 안정할 수 있다.9A is an exemplary diagram of a GaAs (Zinc-blende crystal) low Miller index plane in the surface emitting laser device according to the embodiment. In the zinc-blende structure, low Miller index planes appear at intervals of 45 ° based on the (001) plane surface. . The low Miller index plane features low bond density and can be chemically and mechanically stable.
이에 따라 Low Miller index plane은 에칭속도(etching rate)나 성장속도(growth rate)가 느리므로 벽개(Cleavage)가 용이하고 표면 결함밀도가 낮다. As a result, the Low Miller index plane has a low etching rate or a slow growth rate, so easy cleavage and low surface defect density.
이에 도 9b를 참조하면 {110}side-wall termination에 의해 4각형 외곽의 애퍼처(aperture) 형성할 수 있으나 외각형상은 4각형에 한정되는 것은 아니며, 도 8b와 같이 6각형의 외곽형상을 구비한 애퍼처를 형성할 수도 있다.Accordingly, referring to FIG. 9B, an aperture of a quadrilateral shape may be formed by {110} side-wall termination, but the external shape is not limited to the quadrangle, and as illustrated in FIG. 8B, the hexagonal shape is provided. One aperture may be formed.
실시예에 의하면, 애퍼처 영역을 형성하기 위한 메사(Mesa)를 원형으로 설계하여 대칭성을 높임으로써 국부적 스트레스(stress)나 디펙트(defect) 증가 발생을 억제하고, 산화속도 차이(speed contrast)이 제어를 통해 애퍼처 모양(aperture shape)을 다각형 형태로 제어할 수 있다.According to the embodiment, by designing a mesa (circle) to form an aperture region in a circular shape to increase the symmetry, it is possible to suppress the occurrence of local stress or defect increase, and the speed contrast Control allows you to control the aperture shape in polygonal form.
한편, 도 10a는 비교예에서 애퍼처 영역의 IR 현미경 사진이며, 도 10b는 비교예에서 애퍼처 영역의 단면 사진이다.10A is an IR micrograph of the aperture region in the comparative example, and FIG. 10B is a cross-sectional photograph of the aperture region in the comparative example.
도 10a와 도 10b는 비공개된 비교예의 사진으로서, 모드 제어(Mode control)를 위해 다각형 메사(mesa) 사용 시 애퍼처에서 크랙(crack)이 발생하는 문제가 있음을 나타낸다.10A and 10B are photographs of a closed comparative example, and show that there is a problem that a crack occurs in an aperture when using polygonal mesa for mode control.
비교예에 의하면 밀집구조(closed packed structure) 구현을 위한 6각형 메사(mesa) 형성 시 high/low index 조합으로 side wall이 형성하게 되는데, High index plane surface에서의 디펙트(defect) 증가로 표면 품질에 차이(contrast)가 발생하고, 애퍼처 산화(Aperture oxidation) 진행 시 디펙트(defect) 전파로 인해 스트레스(stress) 집중으로 인한 크랙(crack)이 발생하여 신뢰성 이슈(issue)가 발생하는 문제가 있다.According to the comparative example, when the hexagonal mesa is formed to realize the closed packed structure, the side wall is formed by the combination of high and low index, and the surface quality is increased by the defect on the high index plane surface. There is a problem in that a reliability issue occurs due to a difference in stress and a crack due to stress concentration due to defect propagation during aperture oxidation. have.
이에 따라 실시예에 의하면, 애퍼처 영역(240)에서 상기 절연영역(242)의 외곽은 원형이며, 상기 애퍼처(241)의 외곽은 다각형 형태로 제어하며, 특히 애퍼처(241)의 다각형 모서리에서 결정품질이 우수하므로 고전류 인가시 또는 애퍼처 사이즈의 증대에도 불구하고 고차 모드 이동(higher mode shift)에 따른 출사 빔의 발산각(divergence angle of beams)의 증가 또는 빔 패턴(beam pattern)이 분열되는 문제를 방지할 수 있는 표면발광 레이저소자 및 이를 포함하는 발광장치를 제공할 수 있다.Accordingly, according to the embodiment, the outer portion of the
실시예에 의하면 결정품질이 우수한 다각형의 모서리의 애퍼처에 의해 피닝(pinning)에 의해 발광 포인트(point) 증가가 억제되고 이러한 광학적 구속(optical confinement)로 인해 가용 모드를 제어함으로써 고차모드 쉬프트(higher mode shift)가 지연 되고 모드(mode)가 유지되는 특별한 기술적 효과가 있다.According to an embodiment, an increase in light emission point is suppressed by pinning by an aperture of a corner of a polygon having excellent crystal quality and a higher order mode shift is achieved by controlling an available mode due to such optical confinement. There is a special technical effect that the mode shift is delayed and the mode is maintained.
예를 들어, 실시예에 의하면 결정품질이 우수한 애퍼처(241)의 다각형의 모서리에서 광학적 구속(optical confinement)이 됨으로써 가용모드를 제어하여 고차모드 쉬프트(higher mode shift)가 지연 되고 이를 통해 모드(mode)가 유지되는 특별한 기술적 효과가 있다.For example, according to the exemplary embodiment, the optical confinement is performed at the edge of the polygon of the
이에 따라 실시예에 의하면, 애퍼처 사이즈의 증대에도 불구하고 고전류 인가시에도 빔 모드(beam mode)가 제어됨으로써 고차 모드 이동(higher mode shift)에 따른 출사 빔의 빔 패턴(beam pattern)이 분열되는 문제 및 발산 각이 증가하는 문제를 해결할 수 있는 표면발광 레이저소자 및 이를 포함하는 발광장치를 제공할 수 있다.Accordingly, according to the embodiment, despite the increase in the aperture size, even when a high current is applied, the beam mode is controlled so that the beam pattern of the output beam is split due to a higher mode shift. It is possible to provide a surface emitting laser device and a light emitting device including the same, which can solve a problem and a problem of increasing the divergence angle.
다음으로 도 11a는 실시예에 따른 표면발광 레이저소자에서 애퍼처 영역에 대한 제2 확대도(C2)이다.Next, FIG. 11A is a second enlarged view C2 of the aperture region in the surface emitting laser device according to the embodiment.
실시예에 의하면, 애퍼처 영역을 형성하기 위한 메사(Mesa)를 원형으로 대칭성을 높임으로 국부적 스트레스(stress)나 디펙트(defect) 증가 발생을 억제하고, 인접한 애패처 영역 간의 거리 제어를 통해 산화 속도 차이(speed contrast)를 제어하여 애퍼처 모양(aperture shape)을 다각형 형태로 형성할 수 있다.According to the embodiment, by increasing the symmetry of the Mesa for forming the aperture region in a circular manner, it is possible to suppress the occurrence of local stress or defect increase, and to oxidize by controlling the distance between adjacent patcher regions. Speed contrast may be controlled to form an aperture shape in a polygonal shape.
예를 들어, 도 11a를 참조하면 상기 복수의 애퍼처 영역에서 가장 근접한 각 애퍼처 중심 간의 거리(D)는 각 애퍼처 영역의 반지름(R)의 2배 보다는 크고 3배 이하로 제어하여 인접한 애퍼처 영역 사이에서는 상대적으로 산화속도가 느리게 진행되도록 하여 애퍼처 모양(aperture shape)을 다각형 형태로 형성할 수 있다.For example, referring to FIG. 11A, the distance D between the closest aperture centers in the plurality of aperture regions is controlled to be greater than two times and less than three times the radius R of each aperture region to control adjacent apertures. Aperture shapes may be formed in a polygonal shape by allowing a relatively slow oxidation rate between the aperture regions.
예를 들어, 제1 애퍼처 영역(204A)이 제1 절연영역(242A)과 제1 애퍼처(241A)를 포함하고, 도 8a에서 설명했듯이 제1 애퍼처 영역(240A)의 사이즈는 R일 수 있고, 상기 제1 애퍼처 영역(240A)의 사이즈는 반지름을 의미할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.For example, the first aperture region 204A includes the first
또한 상기 제1 애퍼처 영역(204A)과 인접한 제2 애퍼처 영역(240B)은 제2 절연영역(242B)과 제2 애퍼처(241B)를 포함하고, 제2 애퍼처 영역(240B)의 사이즈는 R일 수 있다.In addition, the
이때 실시예에 의하면 가장 인접한 제1 애퍼처(241A)와 제2 애퍼처(241B) 간의 거리(D)는 각 애퍼처 영역의 반지름(R)의 2배 보다는 크고 3배 이하로 제어하여 인접한 애퍼처 영역 사이에서는 상대적으로 산화속도가 느리게 진행되도록 하여 애퍼처 모양(aperture shape)을 다각형 형태로 형성할 수 있다.At this time, according to the embodiment, the distance D between the closest
다음으로 도 11b는 비교예와 실시예에 따른 표면발광 레이저소자에서 애퍼처 모양과 전류에 따른 근거리장 이미지(Near field image) 데이터와 각 인가전류에 따른 발산각(divergence angle of beams)의 데이터이다.Next, FIG. 11B illustrates near field image data according to aperture shape and current and divergence angle of beams according to each applied current in the surface emitting laser device according to Comparative Examples and Examples. .
비교계는 원형(circle type) 애퍼처를 구비한 경우로서, 전류(current)가 0.5 A에서 1A 및 2A로 증가함에 따라 발광 포인트(point) 증가에 따라 발광 모드(mode) 분열이 일어나면서 발산각이 19.5˚에서 26.0˚ 및 32.5˚로 급격히 증가하였다.The comparator has a circular type aperture, and the divergence angle occurs as the light emission mode splits as the light emission point increases as the current increases from 0.5 A to 1 A and 2 A. It increased rapidly from 19.5˚ to 26.0˚ and 32.5˚.
반면, 실시예에서 다각형, 예를 들어 육각형(hexagonal) 애퍼처를 구비하는 경우, 애처처의 모서리에 피닝(pinning)이 일어나서 발광 포인드(point)의 증가가 억제되고, 이에 따라 모드(mode) 분열에 의한 발산각의 증가량을 줄일 수가 있다. On the other hand, in the embodiment, when the polygon is provided with a hexagonal aperture, for example, pinning occurs at the edge of the archer, thereby increasing the emission point, thereby suppressing mode splitting. It is possible to reduce the amount of increase in the divergence angle.
예를 들어, 실시예에서는 전류(current)가 0.5 A에서 1A 및 2A로 증가하더라도, 발광 모드(mode) 분열을 방지하여 발산각이 19.0˚에서 23.5˚ 및 27.5˚로 제어되는 기술적 효과가 있다(H기준).For example, in the embodiment, even if the current increases from 0.5 A to 1 A and 2 A, there is a technical effect that the divergence angle is controlled from 19.0 ° to 23.5 ° and 27.5 ° by preventing light emission mode splitting ( H standard).
즉, 실시예에 의하면 결정품질이 우수한 다각형의 모서리를 구비한 애퍼처에 의해 광학적 구속(optical confinement)로 인해 애처처의 모서리에 피닝(pinning)이 일어나서 발광 포인드(point)의 증가가 억제되고, 이를 통해 가용 모드를 제어함으로써 고차모드 쉬프트(higher mode shift)가 지연 되고 모드(mode)가 유지되는 특별한 기술적 효과가 있다.That is, according to the embodiment, pinning occurs at the edge of the archer due to optical confinement by the aperture having polygonal edges having excellent crystal quality, thereby increasing the emission point. By controlling the available mode through this, there is a special technical effect that the higher mode shift is delayed and the mode is maintained.
또한 실시예에 의하면, 고전류 인가시에도 빔 모드(beam mode)가 제어됨으로써 고차 모드 이동(higher mode shift)에 따른 출사 빔의 빔 패턴(beam pattern)이 분열되는 문제 및 발산 각이 증가하는 문제를 해결할 수 있는 표면발광 레이저소자 및 이를 포함하는 발광장치를 제공할 수 있다.In addition, according to the embodiment, even when a high current is applied, the beam mode is controlled so that the beam pattern of the output beam is split and the divergence angle is increased according to the higher mode shift. It is possible to provide a surface emitting laser device and a light emitting device including the same.
다음으로, 도 12는 실시예에 따른 표면발광 레이저소자에서 애퍼처 사이즈와 전류밀도에 따른 근거리장 이미지(Near field image) 데이터와 각 인가전류에 따른 발산각(divergence angle of beams)의 데이터이다.Next, FIG. 12 illustrates near field image data according to aperture size and current density and divergence angle of beams according to each applied current in the surface emitting laser device according to the embodiment.
또한 도 13a는 도 12의 데이터에서 애퍼처 사이즈(Aperture size)별 전류밀도(Current density)에 따른 지향각 변화 데이터이며, 도 13b는 도 12의 데이터에서 애퍼처 사이즈(Aperture size)별 전류(Current)에 따른 지향각 변화 데이터이다.In addition, FIG. 13A is data indicating direction angle changes according to current density for each aperture size in the data of FIG. 12, and FIG. 13B shows current for each aperture size in the data of FIG. 12. ) Is the orientation angle change data.
실시예에 의하면 약 810nm 내지 980nm 파장영역에서 애퍼처 사이즈(aperture size)에 따라 발진 모드 및 발산각이 전류 영역(Current range)(IE)에 따라 안정적으로 제어할 수 있는 특별한 기술적 효과가 있다.According to the embodiment, there is a special technical effect that the oscillation mode and the divergence angle can be stably controlled according to the current range IE according to the aperture size in the wavelength region of about 810 nm to 980 nm.
예를 들어, 도 12와 도 13a를 참조하면 실시예에서 애퍼처의 사이즈(S1)가 6.0㎛ 내지 12㎛이고, 전류밀도가 8.3kA/cm3 내지 30.0 kA/cm3인 경우로 제어되는 경우에, 발진 모드 및 발산각이 안정적으로 제어할 수 있는 특별한 기술적 효과가 있다.For example, Fig. 12 and Figs. 13a to see if the 6.0㎛ 12㎛ size (S1) of the aperture in the embodiment, when the current density is controlled in the case of 8.3kA / cm 3 to 30.0 kA / cm 3 There is a special technical effect that the oscillation mode and the divergence angle can be controlled stably.
실시예에서 표면발광 레이저소자의 지향각 측정은 LEDGON-100 goniophotometer(Instrument Systems Optische Messtechnik GmbH, Germany)을 이용하였으나 이에 한정되는 것은 아니다.In the embodiment, the orientation angle of the surface-emitting laser device was measured using an LEDGON-100 goniophotometer (Instrument Systems Optische Messtechnik GmbH, Germany), but is not limited thereto.
예를 들어, 도 12, 도 13a 및 도 13b를 참조하면, 실시예에서 애퍼처의 사이즈(S1)가 6.0㎛일 때, 전류밀도가 8.3kA/cm3 내지 30.0 kA/cm3로 제어되는 경우에, 발진 모드가 2차 모드, 발산각이 약 20˚로 전류(current) 영역(7mA)에서 안정적으로 제어되었다.For example, when it is controlled to 12, 13a and Referring to Figure 13b, when the size (S1) of the aperture is 6.0㎛ In an embodiment, the current density of 8.3kA / cm 3 to 30.0 kA / cm 3 The oscillation mode was stably controlled in the current region (7 mA) with the secondary mode and the divergence angle approximately 20 degrees.
또한 실시예에서 애퍼처의 사이즈(S1)가 8.0㎛일 때, 전류밀도가 8.3kA/cm3 내지 30.0 kA/cm3로 제어되는 경우에, 전류(current)가 7mA, 9mA, 12mA, 14mA로 변화되어도 발진 모드가 2차 모드, 발산각이 약 21˚로 안정적으로 제어되는 특별한 기술적 효과가 있다.In addition, when one size (S1) of the aperture is 8.0㎛ In an embodiment, if the current density is controlled to 8.3kA / cm 3 to 30.0 kA / cm 3, the current (current) in the 7mA, 9mA, 12mA, 14mA There is a special technical effect that the oscillation mode is controlled in the secondary mode and the divergence angle is approximately 21 degrees even if it is changed.
또한 실시예에서 애퍼처의 사이즈(S1)가 10.0㎛일 때, 전류밀도가 8.3kA/cm3 내지 30.0 kA/cm3로 제어되는 경우에, 전류(current)가 7mA, 9mA, 12mA, 14mA로 변화되어도 발진 모드가 2차 모드, 발산각이 약 25˚로 안정적으로 제어되는 특별한 기술적 효과가 있다.In addition, when one size (S1) of the aperture is 10.0㎛ In an embodiment, if the current density is controlled to 8.3kA / cm 3 to 30.0 kA / cm 3, the current (current) in the 7mA, 9mA, 12mA, 14mA There is a special technical effect that the oscillation mode is controlled in the secondary mode and the divergence angle is approximately 25 ° even if it is changed.
또한 실시예에서 애퍼처의 사이즈(S1)가 12.0㎛일 때, 전류밀도가 8.3kA/cm3 내지 30.0 kA/cm3로 제어되는 경우에, 전류(current)가 9mA, 12mA, 14mA로 변화되어도 발진 모드가 2차 모드, 발산각이 약 27˚로 안정적으로 제어되는 특별한 기술적 효과가 있다.In addition, when the size (S1) of the aperture is 12.0㎛ one time, the current density is controlled to 8.3kA / cm 3 to 30.0 kA / cm 3 in the embodiment, the current (current) may be changed to a 9mA, 12mA, 14mA There is a special technical effect that the oscillation mode is stably controlled as the secondary mode and the divergence angle is about 27 °.
이에 따라 실시예는 고전류 인가시 또는 애퍼처 사이즈의 증대에도 불구하고 고차 모드 이동(higher mode shift)에 따른 출사 빔의 발산각(divergence angle of beams)의 증가 또는 빔 패턴(beam pattern)이 분열되는 문제를 방지할 수 있는 표면발광 레이저소자 및 이를 포함하는 발광장치를 제공할 수 있다.Accordingly, the embodiment may increase the divergence angle of the beams or the beam pattern due to the higher mode shift despite the increase of the aperture size or the aperture size. It is possible to provide a surface emitting laser device and a light emitting device including the same, which can prevent the problem.
또한 실시예는 고전류 인가시 또는 애퍼처 사이즈의 증대에도 불구하고 결정 품질이 우수한 다각형 모서리의 애퍼처에서 피닝(pinning)에 의해 발광 포인트(point) 증가가 억제되어 고차 모드 이동(higher mode shift)에 따른 출사 빔의 발산각(divergence angle of beams)의 증가 또는 빔 패턴(beam pattern)이 분열되는 문제를 방지할 수 있는 표면발광 레이저소자 및 이를 포함하는 발광장치를 제공할 수 있다.In addition, the embodiment suppresses the increase of the light emission point by pinning at the aperture of the polygonal edge having excellent crystal quality despite the increase of the aperture size or the application of high current, thereby increasing the higher mode shift. According to the present invention, there is provided a surface emitting laser device capable of preventing an increase in divergence angle of beams or a splitting of a beam pattern, and a light emitting device including the same.
<제2 전극, 오믹컨택층, 패시베이션층><Second electrode, ohmic contact layer, passivation layer>
다시 도 6a를 참조하면, 실시예에 따른 표면방출 레이저소자(201)는 제2 반사층(250)으로부터 애퍼처 영역(240)과 활성영역(230)까지 메사 식각되어 에미터가 정의될 수 있다. 또한, 제1 반사층(220)의 일부까지도 메사 식각될 수 있다.Referring back to FIG. 6A, the surface emitting
제2 반사층(250) 상에는 제2 전극(280) 배치될 수 있으며, 상기 제2 전극(280)은 컨택 전극(282)과 패드 전극(284)을 포함할 수 있다.The
상기 컨택 전극(282)의 사이의 영역에서 제2 반사층(250)이 노출되는 영역에는 패시베이션층(270)이 배치될 수 있으며, 상술한 애퍼처(241)와 상하간에 대응될 수 있다. 상기 컨택 전극(282)은 제2 반사층(250)과 패드 전극(284) 사이의 오믹 접촉특성을 향상시킬 수 있다.The
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.The
도 6a에서 메사 식각된 발광 구조물의 측면과 상부면 및 제1 반사층(220)의 상부면에 패시베이션층(270)이 배치될 수 있다. 패시베이션층(270)은 소자 단위로 분리된 표면방출 레이저소자(201)의 측면에도 배치되어, 표면방출 레이저소자(201)를 보호하고 절연시킬 수 있다. 패시베이션층(270)은 절연성 물질로 이루어질 수 있고, 예를 들면 질화물 또는 산화물로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 패시베이션층(270)은 폴리이미드(Polymide), 실리카(SiO2), 또는 질화 실리콘(Si3N4) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.In FIG. 6A, a
패시베이션층(270)은 발광 구조물의 상부면에서의 두께가 컨택 전극(282)보다 얇을 수 있으며, 이를 통해 컨택 전극(282)이 패시베이션층(270) 상부로 노출될 수 있다. 노출된 컨택 전극(282)과 전기적으로 접촉하며 패드 전극(284)이 배치될 수 있는데, 패드 전극(284)은 패시베이션층(270)의 상부로 연장되어 배치되어 외부로부터 전류를 공급받을 수 있다.The
(실시예의 제조방법)(Production Method of Example)
이하 도 14a 내지 도 16b를 참조하여 실시예에 따른 표면발광 레이저소자의 제조방법을 설명하기로 한다. Hereinafter, a method of manufacturing a surface emitting laser device according to an embodiment will be described with reference to FIGS. 14A to 16B.
우선, 도 14a와 같이, 기판(210) 상에 제1 반사층(220), 활성영역(230) 및 제2 반사층(250)을 포함하는 발광구조물을 형성시킨다.First, as shown in FIG. 14A, a light emitting structure including a first
상기 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.The
예를 들어, 기판(210)이 전도성 기판인 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.For example, when the
또한 기판(210)이 비전도성 기판인 경우, AlN 기판이나 사파이어(Al2O3) 기판 또는 세라믹 계열의 기판을 사용할 수 있다.In addition, when the
또한 실시예는 기판(210)으로 제1 반사층(220)과 동종의 기판을 사용할 수 있다. 예를 들어, 기판(210)이 제1 반사층(220)과 동종인 GaAs 기판일 때 제1 반사층(210)과 격자 상수가 일치하여, 제1 반사층(220)에 격자 부정합 등의 결함이 발생하지 않을 수 있다.In addition, in the exemplary embodiment, a substrate of the same type as the first
다음으로, 기판(210) 상에 제1 반사층(220)이 형성될 수 있으며, 도 14b는 도 14a에 도시된 실시예에 따른 표면발광 레이저소자의 제2 영역(B2)의 확대 단면도이다.Next, a first
이하 도 14a와 도 14b를 함께 참조하여 실시예의 실시예에 따른 표면발광 레이저소자를 설명하기로 한다.Hereinafter, a surface emitting laser device according to an exemplary embodiment will be described with reference to FIGS. 14A and 14B.
상기 제1 반사층(220)은 화학증착방법(CVD) 혹은 분자선 에피택시(MBE) 혹은 스퍼터링 혹은 수산화물 증기상 에피택시(HVPE) 등의 방법을 사용하여 성장될 수 있다.The first
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.The first
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.The first
예를 들어, 도 14b와 같이, 상기 제1 반사층(220)은 상기 기판(210) 상에 배치된 제1 그룹 제1 반사층(221) 및 상기 제1 그룹 제1 반사층(221) 상에 배치된 제2 그룹 제1 반사층(222)을 포함할 수 있다. For example, as shown in FIG. 14B, the first
상기 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.The first group first
또한 도 14b와 같이, 제1 그룹 제1 반사층(221)과 제2 그룹 제1 반사층(222)도 각각 단일 또는 복수의 층으로 형성될 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. 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. In addition, as shown in FIG. 14B, the first group first
다음으로, 제1 반사층(220) 상에 활성영역(230)이 형성될 수 있다.Next, the
도 14b와 같이, 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.As shown in FIG. 14B, the
상기 활성층(232)은 Ⅲ-Ⅴ족 원소의 화합물 반도체 재료를 이용하여 양자우물층(232a)과 양자벽층(232b)을 포함할 수 있다. 상기 활성층(232)은 InGaAs/AlxGaAs, AlGaInP/GaInP, AlGaAs/AlGaAs, AlGaAs/GaAs, GaAs/InGaAs 등의 1 내지 3 페어 구조로 형성될 수 있으나 이에 한정되지는 않는다. 상기 활성층(232)에는 도펀트가 도핑되지 않을 수 있다. The
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. The
예를 들어, 상기 제1 캐비티(231)는 제1-1 캐비티층(231a)과 제1-2 캐비티층(231b)을 포함할 수 있다. 또한 상기 제2 캐비티(233)는 제2-1 캐비티층(233a)과 제2-2 캐비티층(233b)을 포함할 수 있다. For example, the
다음으로, 활성영역(230) 상에 애퍼처 영역(240)을 형성하기 위한 AlGa 계열층(241a)을 형성할 수 있다. 상기 AlGa 계열층(241a)은 복수의 층을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 AlGa 계열층(241a)은 제1 AlGa 계열층(241a1)과 제2 AlGa 계열층(241a2)을 포함할 수 있다.Next, an AlGa-based
상기 AlGa 계열층(241a)은 AlzGa(1-z)As(0<z<1) 등의 물질을 포함할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.The AlGa-based
상기 AlGa 계열층(241a)은 도전성 재료를 포함할 수 있으며, 제1 반사층(220) 및 제2 반사층(250)과 동종의 재료를 포함할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. The AlGa-based
예를 들어, 상기 AlGa 계열층(241a)이 AlGaAs 계열물질을 포함하는 경우, 상기 AlGa 계열층(241a)은 AlxGa(1-x)As(0<x<1)의 조성식을 갖는 반도체 물질로 이루어질 수 있으며, 예를 들면 Al0.98Ga0.02As의 조성식을 가질 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.For example, when the AlGa-based
다음으로, 상기 AlGa 계열층(241a)상에 제2 반사층(250)이 형성될 수 있다. Next, a second
상기 제2 반사층(250)은 갈륨계 화합물 예를 들면 AlGaAs를 포함할 수 있다. 예를 들어, 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. The second
상기 제2 반사층(250)은 제2 도전형 도펀트가 도핑될 수 있다. 예를 들어, 상기 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.The second
상기 제2 반사층(250)도 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.The second
예를 들어, 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.For example, the second reflecting
또한 상기 제1 그룹 제2 반사층(251)과 제2 그룹 제2 반사층(252)도 각각 단일 또는 복수의 층으로 형성될 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 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. In addition, the first group second reflecting
다음으로 도 15a는 실시예에 따른 표면발광 레이저소자의 제1 영역(C1) 확대도이고, 도 15b는 도 15a에 도시된 실시예에 따른 표면발광 레이저소자의 A1-A2선을 따른 단면도이다.Next, FIG. 15A is an enlarged view of the first region C1 of the surface light emitting laser device according to the embodiment, and FIG. 15B is a cross-sectional view along the line A1-A2 of the surface light emitting laser device according to the embodiment shown in FIG. 15A.
실시예는 도 15b와 같이, 소정의 마스크(300)를 사용하여 발광 구조물을 식각하여 메사영역(M)을 형성할 수 있다. 이때, 제2 반사층(250)으로부터 AlGa 계열층(241a)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 AlGa 계열층(241a)과 활성영역(230)을 제거할 수 있으며, 메사 식각 영역은 측면이 기울기를 가지고 식각될 수 있다.15B, the light emitting structure may be etched using a
다음으로 도 16a는 실시예에 따른 표면발광 레이저소자의 제1 영역(C1) 확대도이고, 도 16b는 도 16a에 도시된 실시예에 따른 표면발광 레이저소자의 A1-A2선을 따른 단면도이다.Next, FIG. 16A is an enlarged view of the first region C1 of the surface light emitting laser device according to the embodiment, and FIG. 16B is a cross-sectional view taken along line A1-A2 of the surface light emitting laser device according to the embodiment shown in FIG. 16A.
실시예는 도 16b와 같이, AlGa 계열층(241a)의 가장 자리 영역을 절연영역(242)으로 변화시킬 수 있으며, 예를 들면 습식 산화(Wet Oxidation)으로 변화시킬 수 있다. 이를 통해 절연영역(242)과 비 산화영역인 애퍼처(241)를 포함하는 애퍼처 영역(240)을 형성할 수 있다.According to an embodiment, as shown in FIG. 16B, the edge region of the
예를 들어, AlGa 계열층(241a)의 가장 자리 영역으로부터 산소를 공급하면, AlGa 계열층의 AlGaAs가 H2O와 반응하여 알루미늄 산화물(Al2O3)가 형성될 수 있다. 이때, 반응 시간 등을 조절하여, AlGa 계열층의 중앙 영역은 산소와 반응하지 않고 가장 자리영역만 산소와 반응하여 알루미늄 산화물의 절연영역(242)이 형성될 수 있도록 한다. For example, when oxygen is supplied from an edge region of the AlGa-based
또한 실시예는 이온 주입(Ion implantation)을 통해 AlGa 계열층의 가장 자리 영역을 절연영역(242)으로 변화시킬 수도 있으며 이에 한정하지 않는다. 이온 주입 시에는 300keV 이상의 에너지로 포톤(photon)이 공급될 수 있다.In addition, the embodiment may change the edge region of the AlGa series layer into the
상술한 반응 공정 후에, 애퍼처 영역(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 부분으로 애퍼처(241)로 정의될 수 있다.After the reaction process described above, conductive AlGaAs may be disposed in the central region of the
이후 도 6a를 참조하면 발광 구조물의 상부면에 패시베이션층(270)이 형성될 수 있다. 상기 패시베이션층(270)은 폴리마이드(Polymide), 실리카(SiO2), 또는 질화 실리콘(Si3N4) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 6A, a
상기 패시베이션층(270)은 이후 형성되는 제2 전극(280)과 전기적으로 연결되도록 제2 반사층(250)의 일부를 노출시킬 수 있다.The
또한 실시예에 의하면 제2 반사층(250) 상에 컨택 전극(282)이 형성될 수 있으며, 컨택 전극(282)의 사이의 중앙영역은 애퍼처(241)와 대응될 수 있다. 상기 컨택 전극(282)은 제2 반사층(250)과의 오믹 접촉 특성을 향상시킬 수 있다.In addition, according to an embodiment, the
다음으로, 컨택 전극(282)과 전기적으로 접촉되는 패드 전극(284)이 형성될 수 있으며, 패드 전극(284)은 패시베이션층(270)의 상부로 연장되어 배치되어 외부로부터 전류를 공급받을 수 있다.Next, a
상기 컨택 전극(282)과 패드 전극(284)은 도전성 재료로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 컨택 전극(282)과 패드 전극(284)은 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 크롬(Cr), 니켈(Ni), 구리(Cu), 금(Au) 중 적어도 하나를 포함하여 단층 또는 다층 구조로 형성될 수 있다.The
다음으로, 상기 기판(210)의 아래에는 제1 전극(215)이 배치될 수 있다. 상기 제1 전극(215)의 배치 전에 소정의 그라인딩 공정 등을 통해 상기 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. Next, a
(이동 단말기) (Mobile terminal)
다음으로 도 17는 실시예에 따른 표면발광 레이저소자가 적용된 이동 단말기의 사시도이다.Next, FIG. 17 is a perspective view of a mobile terminal to which a surface emitting laser device is applied according to an embodiment.
도 17에 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 실시예에 따른 표면발광 레이저소자의 패키지 중의 하나를 포함할 수 있다.As shown in FIG. 17, the
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. The
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.The
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 수직 캐비티 표면 방출 레이저(VCSEL) 반도체 소자를 포함하는 발광부와, 포토 다이오드와 같은 빛 에너지를 전기 에너지로 변환하는 수광부를 포함할 수 있다.The
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.Features, structures, effects, etc. described in the above embodiments are included in at least one embodiment, but are not necessarily limited to one embodiment. Furthermore, the features, structures, effects, and the like illustrated in the embodiments may be combined or modified with respect to other embodiments by those skilled in the art to which the embodiments belong. Therefore, it should be interpreted that the contents related to such combinations and modifications are included in the scope of the embodiments.
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.Although described above with reference to the embodiment, this is merely an example, not to limit the embodiment, those skilled in the art to which the embodiment belongs to various not illustrated above in the range without departing from the essential characteristics of the embodiment It will be appreciated that modifications and applications of the branches are possible. For example, each component specifically shown in the embodiment can be modified. And differences relating to these modifications and applications will have to be construed as being included in the scope of the embodiments set forth in the appended claims.
Claims (9)
상기 제1 반사층 상에 배치되는 활성영역;
상기 활성영역 상에 배치되며, 애퍼처(aperture) 및 절연영역을 포함하는 복수의 애퍼처 영역;
상기 애퍼처 영역 상에 배치되는 제2 반사층; 및
상기 제1 반사층 및 상기 제2 반사층에 각각 전기적으로 연결되는 제1 전극과 제2 전극;을 포함하고,
상기 복수의 애퍼처 영역에서 상기 절연영역의 외곽은 원형이며,
상기 애퍼처의 외곽은 다각형 형태인 표면발광 레이저소자.A first reflective layer;
An active region disposed on the first reflective layer;
A plurality of aperture regions disposed on the active region and including an aperture and an insulating region;
A second reflective layer disposed on the aperture region; And
And first and second electrodes electrically connected to the first reflective layer and the second reflective layer, respectively.
The outer periphery of the insulation region in the plurality of aperture regions is circular,
The outer surface of the aperture is a polygonal surface-emitting laser device.
상기 애퍼처의 외곽은
3각형 내지 7각형의 다각형 형태 중의 하나인 표면발광 레이저소자.The method of claim 1,
The outer periphery of the aperture
Surface-emitting laser device which is one of the triangular shape to polygonal shape.
상기 다각형의 장축 대각선의 길이인 상기 애퍼처의 사이즈는 6.0㎛ 내지 12㎛인 표면발광 레이저소자.The method of claim 1,
And a size of the aperture, which is the length of the polygonal long axis diagonal, from 6.0 μm to 12 μm.
상기 애퍼처의 전류밀도는 8.3kA/cm3 내지 30.0 kA/cm3인 표면발광 레이저소자.The method of claim 3,
The current density of the aperture is 8.3kA / cm 3 to 30.0 kA / cm 3 Surface emitting laser device.
상기 복수의 애퍼처 영역에서 가장 근접한 각 애퍼처 중심 간의 거리는 각 애퍼처 영역의 반지름의 2배 보다는 크고 3배 이하인 표면발광 레이저소자.The method of claim 4, wherein
And a distance between each of the closest aperture centers in the plurality of aperture regions is greater than two times and less than three times the radius of each aperture region.
상기 애퍼처 영역의 사이즈는,
상기 애퍼처의 사이즈의 반과 상기 애퍼처의 다각형 모서리에서 상기 절연영역 외곽까지의 최단 거리을 합한 것인 표면발광 레이저소자.The method of claim 4, wherein
The size of the aperture region is
And a half of the aperture size and the shortest distance from the polygon edge of the aperture to the outside of the insulation region.
상기 애퍼처의 외곽은
3각형 내지 7각형의 다각형 형태 중의 하나인 표면발광 레이저소자.The method of claim 4, wherein
The outer periphery of the aperture
Surface-emitting laser device which is one of the triangular shape to polygonal shape.
상기 애퍼처의 발산각은 20˚ 내지 27˚ 인 표면발광 레이저소자.The method of claim 4, wherein
The divergent angle of the aperture is 20 ° to 27 ° surface emitting laser device.
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