KR20210007065A - 레이저 소자 - Google Patents

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최원진
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상하이 아스코어 테크놀로지 컴퍼니 리미티드
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Abstract

실시 예는, 기판; 상기 기판 상에 배치되는 제1 반사 적층체; 상기 제1 반사 적층체 상에 배치되는 활성층; 상기 활성층 상에 배치되는 산화층; 상기 산화층 상에 배치되는 제2 반사 적층체; 상기 제2 반사 적층체, 상기 산화층, 상기 활성층, 및 상기 제1 반사 적층체를 관통하는 복수 개의 리세스; 상기 제2 반사 적층체 상에 배치되고, 상기 제2 반사 적층체와 전기적으로 연결되는 제1 전극층; 및 상기 제2 반사 적층체 상에 배치되고, 상기 복수 개의 리세스의 내부로 연장되어 상기 제1 반사 적층체와 전기적으로 연결되는 제2 전극층을 포함하고, 상기 제2 반사 적층체의 반사도는 상기 제1 반사 적층체의 반사도보다 높은 레이저 소자를 개시한다.

Description

레이저 소자{LASER DEVICE}
실시 예는 레이저 소자에 관한 것이다.
수직 공동 표면 방출 레이저(Vertical Cavity Surface Emitting Laser; VCSEL)는 좁은 스펙트럼의 단일 종모드(single longitudinal mode) 발진이 가능하고, 빔의 방사각이 작아 결합 효율(coupling efficiency)이 높다.
최근 수직 공동 표면 방출 레이저(VCSEL)를 2차원적 어레이 형태로 패턴화하여 광원 매트릭스를 제조하는 기술에 대한 연구가 활발하다. 2차원적 어레이 형태로 패턴화된 광원 매트릭스를 물체에 조사하고, 반사되는 광의 패턴을 분석하면 물체의 3차원 이미지를 구성할 수 있다.
그러나, 대부분의 수직 공동 표면 방출 레이저는 기판, 하부 반사층, 레이저 캐비티, 상부 반사층 구조로 구성되며, 레이저 캐비티에서 생성된 광은 기판의 반대 방향인 상부로 방출되는 구조이다.
즉, 레이저 캐비티에서 생성된 광이 기판을 통과하여 외부로 방출되는 플립칩 구조에 대해서는 개발이 미진한 실정이다.
실시 예는 플립칩 구조의 VCSEL 레이저 소자를 개시한다.
실시 예는 광 출력이 우수한 VCSEL 레이저 소자를 개시한다.
실시 예에서 해결하고자 하는 과제는 이에 한정되는 것은 아니며, 아래에서 설명하는 과제의 해결수단이나 실시 형태로부터 파악될 수 있는 목적이나 효과도 포함된다고 할 것이다.
실시 예에 따른 레이저 소자는, 기판; 상기 기판 상에 배치되는 제1 반사 적층체; 상기 제1 반사 적층체 상에 배치되는 활성층; 상기 활성층 상에 배치되는 산화층; 상기 산화층 상에 배치되는 제2 반사 적층체; 상기 제2 반사 적층체, 상기 산화층, 상기 활성층, 및 상기 제1 반사 적층체를 관통하는 복수 개의 리세스; 상기 제2 반사 적층체 상에 배치되고, 상기 제2 반사 적층체와 전기적으로 연결되는 제1 전극층; 및 상기 제2 반사 적층체 상에 배치되고, 상기 복수 개의 리세스의 내부로 연장되어 상기 제1 반사 적층체와 전기적으로 연결되는 제2 전극층을 포함하고, 상기 제2 반사 적층체의 반사도는 상기 제1 반사 적층체의 반사도보다 높다.
상기 기판과 상기 제1 반사 적층체 사이에 배치되는 도전층을 더 포함하고, 상기 기판은 도펀트가 도핑되지 않고, 상기 도전층은 도펀트가 도핑될 수 있다.
상기 도전층에 도핑된 도펀트의 종류는 상기 제1 반사 적층체에 도핑된 도펀트와 동일하고, 상기 도전층의 도핑 농도는 상기 제1 반사 적층체의 도핑 농도보다 높을 수 있다.
상기 복수 개의 리세스의 내부로 연장되는 제1 절연층을 포함하고, 상기 복수 개의 리세스와 제1 절연층은 상기 도전층의 상면을 일부 노출시킬 수 있다.
상기 제2 전극층은 상기 복수 개의 리세스의 내부로 연장되어 상기 도전층과 전기적으로 연결되는 접촉부를 포함할 수 있다.
상기 제1 전극층과 상기 제2 전극층 사이에 배치되는 제2 절연층을 포함할 수 있다.
상기 활성층에서 생성된 레이저 광은 상기 제2 반사 적층체에 반사되어 상기 기판을 통과하여 외부로 방출될 수 있다.
상기 산화층은 복수 개의 비산화 영역을 포함하고, 각각의 비산화 영역은 평면상에서 상기 복수 개의 리세스에 의해 둘러싸일 수 있다.
각각의 비산화 영역은 평면상에서 상기 복수 개의 접촉부에 의해 둘러싸이고, 상기 복수 개의 접촉부는 평면상에서 상기 복수 개의 리세스와 중첩될 수 있다.
본 발명의 다른 실시 예에 따른 레이저 소자는, 기판; 상기 기판 상에 배치되는 도전층; 상기 도전층 상에 배치되는 제1 반사 적층체; 상기 제1 반사 적층체 상에 배치되는 활성층; 상기 활성층 상에 배치되는 산화층; 상기 산화층 상에 배치되는 제2 반사 적층체; 상기 제2 반사 적층체, 상기 산화층, 상기 활성층, 및 상기 제1 반사 적층체를 관통하여 상기 도전층을 노출시키는 복수 개의 리세스; 상기 제2 반사 적층체 상에 배치되는 제1 전극층; 상기 상기 제1 전극층 및 상기 복수 개의 리세스 상에 배치되고 상기 도전층을 노출시키는 개구부를 포함하는 제1 절연층; 상기 제1 절연층 상에 배치되고 상기 개구부로 연장되어 상기 도전층과 접촉하는 제2 전극층; 상기 제2 전극층 상에 배치되는 제2 절연층; 상기 제1 절연층과 상기 제2 절연층을 관통하여 상기 제1 전극층과 전기적으로 연결되는 제1 패드; 및 상기 제2 절연층을 관통하여 상기 제2 전극층과 전기적으로 연결되는 제2 패드를 포함한다.
실시 예에 따르면, 플립칩 구조의 레이저 소자를 제작할 수 있다. 따라서 별도의 와이어 본딩 작업을 생략할 수 있다.
또한, 광 출력이 향상될 수 있다.
또한, 동작 전압이 낮아질 수 있다.
또한, 광 균일도를 개선할 수 있다.
또한, 1개의 웨이퍼에서 생산 가능한 칩의 개수를 증가시킬 수 있다.
또한, 칩의 제조 단가를 낮출 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 레이저 소자의 평면도이고,
도 2a는 도 1의 A-A 단면도이고,
도 2b는 도 2a의 A 부분 확대도이고,
도 3은 도 1의 B-B 단면도이고,
도 4는 기판의 도핑 농도에 따른 상대적인 광 출력을 측정한 그래프이고,
도 5는 도전층의 두께에 따른 I-V 커브를 측정한 그래프이고,
도 6 내지 도 25는 레이저 소자를 제작하는 과정을 보여주는 도면이고,
도 26 내지 도 30은 리세스와 비산화 영역의 배치를 보여주는 다양한 변형예이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제2, 제1 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제2 구성요소는 제1 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제1 구성요소도 제2 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 레이저 소자의 평면도이고, 도 2a는 도 1의 A-A 단면도이고, 도 2b는 도 2a의 A 부분 확대도이고, 도 3은 도 1의 B-B 단면도이다.
도 1을 참조하면, 실시 예에 따른 레이저 소자는 평면 상에서 제1 패드(62)와 제2 패드(61)가 칩의 상부에 배치된 플립칩 타입일 수 있다.
제1 패드(62)와 제2 패드(61)는 칩의 상부에 배치되고 일 방향으로 길게 연장될 수 있다. 이러한 구조의 레이저 소자는 별도의 와이어 본딩 작업 없이 회로 기판에 직접 실장될 수 있다. 또한, 이러한 플립칩 구조는 다양한 이점을 갖는다.
레이저 소자는 평면상에서 복수 개의 리세스(H1) 및 복수 개의 비산화 영역(53)을 포함할 수 있다. 복수 개의 리세스(H1)에 의해 산화층(51)은 외부에 노출되어 산화될 수 있다. 리세스(H1)를 중심으로 산화층(51)은 가상의 산화 직경(P1)까지 산화될 수 있다. 그 결과, 산화 직경(P1)들에 중첩되지 않은 영역은 산화가 진행되지 않는다. 따라서, 산화가 진행되지 않은 영역은 전류 또는 광이 투과하는 비산화 영역(53)을 형성할 수 있다.
각각의 비산화 영역(53)은 인접한 복수 개의 리세스(H1)에 둘러싸일 수 있다. 어느 하나의 비산화 영역에 가장 가까이 배치되는 리세스(H1)를 인접 리세스(H1)로 정의할 수 있다. 도 1에서는 1개의 비산화 영역(53)을 4개의 인접 리세스(H1)가 둘러싸고 있는 것으로 도시하였으나, 인접 리세스(H1)의 개수는 특별히 한정하지 않는다. 예시적으로 인접 리세스(H1)의 개수는 5개 또는 8개일 수도 있다.
이때 비산화 영역(53)에서 각 인접 리세스(H1)까지의 거리는 실질적으로 동일할 수 있다. 실시 예에 따르면, 인접 리세스(H1)에 의해 노출된 산화층의 측면이 점차 산화(P1 영역)되어 비산화 영역(53)이 형성되는 것이므로 산화 속도가 동일하다면 비산화 영역(53)에서 각 인접 리세스(H1)까지의 거리는 거의 동일할 수 있다.
복수 개의 비산화 영역과 복수 개의 리세스의 면적비는 1: 0.03 내지 1: 5일 수 있다. 면적비가 1:0.03보다 작아지는 경우(예: 1:0.01) 리세스의 면적이 너무 작아져 산화 공정이 길어지는 문제가 있다. 또한, 면적비가 1:5보다 커지는 경우 비산화 영역이 너무 적어져 정공의 주입이 원활하지 않은 문제가 발생할 수 있다.
복수 개의 접촉부(82a)는 평면상에서 복수 개의 리세스(H1)와 각각 중첩될 수 있다. 접촉부(82a)는 제2 전극층이 도전층과 전기적으로 연결되는 영역으로 리세스(H1)의 중앙 지점에 형성될 수 있다. 따라서, 평면 상에서 각각의 비산화 영역(53)은 복수 개의 접촉부(82a)에 의해 둘러싸인 구조일 수 있다.
도 2a 및 도 2b를 참조하면, 실시 예에 따른 레이저 소자는, 기판(10), 제1 반사 적층체(20), 활성층(32)을 포함하는 레이저 캐비티(30), 산화층(51), 제2 반사 적층체(40), 복수 개의 리세스(H1), 제1 전극층(81), 및 제2 전극층(82)을 포함할 수 있다.
기판(10)은 반절연성 또는 전도성 기판일 수 있다. 예시적으로 기판(10)은 도핑 농도가 낮은 GaAs 기판으로서, 도핑 농도는 1×1014cm-3 내지 1×1017cm-3 정도일 수 있다.
또한, 실시 예에 따른 기판(10)은 도펀트가 도핑되지 않은 GaAs 기판일 수 있다. 이러한 구성에 의하면 기판(10)의 광 투과율이 향상될 수 있다. 기판(10)의 두께는 0 내지 120㎛일 수 있다. 필요에 따라 기판은 제거될 수도 있다.
기판(10) 상에는 도전층(11)이 배치될 수 있다. 기판(10)에 도펀트가 도핑되지 않으므로 기판(10)은 절연성을 가질 수 있다. 따라서, 도전층(11)에 전극이 연결되어 제1 반사 적층체(20)에 전류를 공급할 필요가 있다.
도전층(11)은 도핑 농도가 1×1018cm-3 내지 10×1018cm-3일 수 있다. 도전층(11)의 도핑 농도는 제1 반사 적층체(20)의 도핑 농도보다 높을 수도 있다. 도전층(11)은 기판(10)과 제1 반사 적층체(20) 사이에 배치된 것으로 도시하였으나 반드시 이에 한정되는 것은 아니고 도전층(11)은 제1 반사 적층체(20)의 내부에 배치될 수도 있다.
즉, 제1 반사 적층체(20)은 반사 역할과 전류 분산 역할을 동시에 하는 기능층을 포함할 수 있다. 기능층은 도핑 농도가 1×1018cm-3 내지 10×1018cm-3로 나머지 층보다 도핑 농도가 높을 수 있다.
도전층(11)의 두께는 1㎛ 내지 10㎛일 수 있다. 도전층(11)의 두께가 10 ㎛ 보다 큰 경우 너무 두꺼워져 광 흡수율이 증가할 수 있다. 따라서 광 출력이 약해질 수 있다. 또한, 두께가 1㎛ 보다 얇은 경우 저항이 높아져 전류 분산 효과가 떨어지므로 광 균일도가 저하될 수 있다.
제1 반사 적층체(20)는 기판(10) 또는 도전층(11) 상에 배치될 수 있다. 제1 반사 적층체(20)는 n형의 초격자(superlattice) 구조의 분산형 브래그 반사기(Distributed Bragg Reflector: DBR)를 포함할 수 있다. 제1 반사 적층체(20)는 MOCVD, MBE 등의 기법에 의해 기판(10) 상에 에피택셜 증착될 수 있다.
제1 반사 적층체(20)는 VCSEL 구조에서 내부 반사 기능을 수행할 수 있다. 제1 반사 적층체(20)는 복수 개의 제1 반사층(21)과 복수 개의 제2 반사층(22)이 교대로 적층될 수 있다.
제1 반사층(21)과 제2 반사층(22)은 모두 AlGaAs이거나 AlGaAsP 일 수 있으나 제1 반사층(21)의 알루미늄 조성이 더 높을 수 있다.
제1 반사층(21)과 제2 반사층(22)은 n형 도펀트가 도핑될 수 있다. 도핑 농도는 4×1018cm-3 내지 8×1018cm-3일 수 있다.
제1 반사층(21)과 제2 반사층(22)은 VCSEL에 의해 발생되는 광 파장의 약 1/4 정도인 유효 광학 두께를 가질 수 있다.
제1 반사 적층체(20)의 반사율은 제1 반사층(21)과 제2 반사층(22) 사이의 굴절율 차와, 제1 반사층(21)과 제2 반사층(22)의 적층수에 의존할 수 있다. 그러므로, 고품위 VCSEL 특성을 확보하기 위한 높은 반사율을 얻기 위해서는 굴절률의 차가 크고 적층수가 적을수록 좋을 수 있다.
레이저 캐비티(30)는 제1 반사 적층체(20) 상에 배치될 수 있다. 레이저 캐비티(30)는 하나 이상의 우물층과 장벽층을 포함할 수 있다. 우물층은 GaAs, AlGaAs, AlGaAsSb, InAlGaAs, AlInGaP, GaAsP 또는 InGaAsP 중 어느 하나가 선택될 수 있고, 장벽층은 AlGaAs, InAlGaAs, InAlGaAsP, AlGaAsSb, GaAsP, AlGaAsP, GaInP, AlInGaP, 또는 InGaAsP 중 어느 하나가 선택될 수 있다.
레이저 캐비티(30)는 충분한 광학적 이득을 갖도록 설계될 수 있다. 예시적으로 실시 예에 따른 레이저 캐비티(30)는 약 800nm의 파장대 내지 900nm 파장대의 광을 방출하기 위해 적정한 두께 및 조성비를 가지는 우물층을 중심에 가질 수 있다. 그러나, 우물층이 출력하는 레이저의 파장대는 특별히 한정하지 않는다.
레이저 캐비티(30)는 활성층(32)의 하부에 배치되는 제1반도체층(31) 및 활성층의 상부에 배치되는 제2반도체층(33)을 포함할 수 있다. 제1반도체층(31)은 n형 반도체층이고 제2반도체층(33)은 p형 반도체층일 수 있으나 반드시 이에 한정하지 않는다. 제1반도체층과 제2반도체층은 도펀트가 도핑되지 않을 수도 있다. 예시적으로 제1반도체층과 제2반도체층은 AlGaAs일 수 있으나 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
산화층(51)은 레이저 캐비티(30) 상에 배치될 수 있다. 산화층(51)은 제2 반사 적층체(40)와 동일한 종류의 도펀트로 도핑될 수 있다. 예시적으로 산화층(51)은 약 1×1018cm-3 농도로서 p형 도펀트가 도핑될 수 있으나 반드시 이에 한정하지 않는다.
산화층(51)은 알루미늄을 함유하는 반도체 화합물, 예를 들면, AlAs, AlGaAs, InAlGaAs 등을 포함할 수 있다. 실시 예에 따른 산화층(51)은 중앙에 산화되지 않은 비산화 영역(53)이 배치될 수 있다. 즉, 산화층(51)은 중앙에 비산화 영역(53)이 형성될 수 있다.
산화층(51)의 산화 영역은 저항이 상대적으로 높은 반면 굴절율은 상대적으로 낮을 수 있다. 따라서, 비산화 영역(53)으로 전류가 주입될 수 있다. 구체적으로 비산화 영역(53)으로 정공(hole)의 분포가 높아져 광 이득이 높아질 수 있다.
제2 반사 적층체(40)는 산화층(51) 상에 배치될 수 있다. 제2 반사 적층체(40)는 복수 개의 제3 반사층(41)과 제4 반사층(42)을 포함할 수 있다.
제3 반사층(41)은 AlGaAs의 조성을 가질 수 있고, 제4 반사층(42)은 GaAs 조성을 가질 수 있다. 따라서, 제3 반사층(41)의 알루미늄 조성은 제4 반사층(42)보다 더 높을 수 있다.
제2 반사 적층체(40)는 제1 반사 적층체(20)와 다른 극성을 갖도록 도핑될 수 있다. 예시적으로 제1 반사 적층체(20)과 도전층(11)이 n형 도펀트로 도핑되었다면, 제2 반사 적층체(40)는 p형 도펀트로 도핑될 수 있다.
제2 반사 적층체(40)의 반사도는 제1 반사 적층체(20)의 반사도보다 높을 수 있다. 예시적으로 800nm 내지 900nm 파장대의 광을 기준으로 제2 반사 적층체(40)의 반사도는 100%일 수 있고, 제1 반사 적층체(20)의 반사도는 80%일 수 있다. 따라서 레이저 캐비티(30)에서 생성된 광(L1)은 제1 반사 적층체(20)와 기판(10) 방향으로 출사될 수 있다.
레이저 광의 출사 방향이 기판(10) 방향으로 하기 위하여, 제1 반사 적층체(20)는 반사율을 줄이기 위해 제2 반사 적층체(40)보다 층수가 적을 수 있다. 예를 들어 제1 반사 적층체의 층수는 약 17 내지 25 pair이고, 제2 반사 적층체의 층수는 약 35 내지 39 pair일 수 있다. 따라서, 제1 반사 적층체(20)의 반사율은 제2 반사 적층체(40)보다 작을 수 있다.
복수 개의 리세스(H1)는 제2 반사 적층체(40), 산화층(51), 레이저 캐비티(30) 및 제1 반사 적층체(20)를 관통할 수 있다. 따라서, 복수 개의 리세스(H1)에 의해 노출된 산화층(51)은 측면부터 점차 산화되어 비산화 영역(53)이 형성될 수 있다.
제1 전극층(81)은 제2 반사 적층체(40) 상에 배치되고, 제2 반사 적층체(40)와 전기적으로 연결될 수 있다. 제1 전극층(81)은 복수 개의 리세스(H1)가 형성된 후 잔존하는 제2 반사 적층체(40) 상에 배치될 수 있다.
제1 전극층(81)은 P형 컨택 전극일 수 있다. 예시적으로 제1 전극층(81)은 ITO(indium tin oxide), IZO(indium zinc oxide), IZTO(indium zinc tin oxide), IAZO(indium aluminum zinc oxide), IGZO(indium gallium zinc oxide), IGTO(indium gallium tin oxide), AZO(aluminum zinc oxide), ATO(antimony tin oxide), GZO(gallium zinc oxide), IZON(IZO Nitride), AGZO(Al-Ga ZnO), IGZO(In-Ga ZnO), ZnO, IrOx, RuOx, NiO, RuOx/ITO, Ni/IrOx/Au, 또는 Ni/IrOx/Au/ITO, Ag, Ni, Cr, Ti, Al, Rh, Pd, Ir, Sn, In, Ru, Mg, Zn, Pt, Au, Hf, W 중 적어도 하나를 포함하여 형성될 수 있으나, 이러한 재료에 한정되는 않는다.
제1 절연층(71)은 제1 전극층(81)과 복수 개의 리세스(H1) 상에 배치될 수 있다. 제1 절연층(71)은 복수 개의 리세스(H1)의 내부에서 홈이 형성되어 도전층(11)의 상면을 일부 노출시킬 수 있다.
제2 전극층(82)은 제1 절연층(71) 상에 배치되고, 복수 개의 리세스(H1)의 내부로 연장될 수 있다. 제2 전극층(82)은 제1 절연층(71)의 홈을 통해 도전층(11)과 전기적으로 연결되는 접촉부(82a)를 포함할 수 있다. 따라서, 제2 전극층(82)으로 주입된 전류는 도전층(11)을 통해 제1 반사 적층체(20)에 분산될 수 있다. 제2 전극층(82)은 n형 컨택 전극일 수 있다.
제2 절연층(72)은 제2 전극층(82) 상에 배치될 수 있다. 제2 절연층(72)은 제1 전극층(81)의 일부를 노출시키는 홈과 제2 전극층(82)의 일부를 노출시키는 홈을 포함할 수 있다.
제1 절연층(71)과 제2 절연층(72)은 SiO2, Si3N4, SiON, Ta2O5, HfO2, BCB(benzocyclobutene), 폴리이미드(polyimide) 중 적어도 하나일 수 있으나 반드시 이에 한정하지 않는다.
제1 패드(62)는 제2 절연층(72)을 관통하여 제1 전극층(81)과 전기적으로 연결될 수 있다. 또한, 제2 패드(61)는 제2 절연층(72)을 관통하여 제2 전극층(82)과 전기적으로 연결될 수 있다.
실시 예에 따르면, 제1 패드(62)와 제2 패드(61)가 모두 제2 반사 적층체(40)의 상부에 배치될 수 있다. 실시 예에 따른 레이저 소자는 플립칩 구조를 가지므로 별도의 와이어 본딩 공정 없이 회로기판에 실장이 가능해진다.
도 4는 기판의 도핑 농도에 따른 상대적인 광 출력을 측정한 그래프이고, 도 5는 도전층의 두께에 따른 I-V 커브를 측정한 그래프이다.
도 4를 참조하면, 기판의 도핑 농도에 따라 광 출력이 달라지는 것을 알 수 있다. 예시적으로, 기판의 도핑농도가 각각 2.0×1018cm-3 인 경우, 1.0×1018cm-3 인 경우, 5.0×1017cm-3 인 경우, 1.0×1017cm-3 인 경우, 1.0×1016cm-3 인 경우 두께에 따라 광 출력이 달라지는 것을 알 수 있다.
기판(10)의 도핑 농도가 가장 낮은 1.0×1016cm-3 인 경우 두께가 두꺼워져도 광 출력이 거의 변하지 않는 것을 알 수 있다. 그러나, 기판의 도핑 농도가 높아질수록 광 흡수율이 높아져 광 출력은 급격히 낮아지는 것을 알 수 있다. 예시적으로 기판의 도핑 농도가 2.0×1018cm-3 인 경우 기판의 두께가 20㎛인 경우 광 출력이 80%로 줄어들고, 기판의 두께가 40㎛인 경우 광 출력이 약 60%로 급격하게 줄어드는 것을 알 수 있다.
따라서, 기판을 통해 광이 출력되는 플립칩 구조에서, 기판은 도핑 농도가 낮을수록 광 출력에 유리함을 알 수 있다. 따라서, 일 실시 예에서는 기판에 도핑을 하지 않고 별도의 도전층을 얇게 형성함으로써 광 출력은 개선하면서 전류 분산 효율은 증가시킬 수 있다.
도 5를 참조하면, 도전층의 두께가 0.5㎛, 1.0㎛, 2.0㎛, 3.0㎛, 6.0㎛인 경우 칩 구동시 전류 증가에 따른 전압 증가가 일정함을 알 수 있다. 즉, 도전층의 저항에 의한 전압 상승은 전체 동작 전압의 상승에 영향을 크게 미치지 않음을 알 수 있다. 그러나, 도전층의 두께가 0.1㎛인 경우 동작 전압이 상대적으로 커짐을 알 수 있다. 따라서, 도전층의 두께는 0.5㎛ 이상인 것이 바람직하다. 또한, 도전층의 두께가 10㎛ 보다 큰 경우 광 흡수율이 커지는 문제가 있다. 따라서, 도전층의 두께는 0.5㎛ 내지 10㎛일 수 있다.
도 6 내지 도 25는 레이저 소자를 제작하는 과정을 보여주는 도면이다.
도 6을 참조하면, 기판(10), 도전층(11), 제1 반사 적층체(20), 레이저 캐비티(30), 산화층(51), 및 제2 반사 적층체(40)를 순서대로 성장시킬 수 있다. 각 층의 구성은 전술한 특징이 모두 포함될 수 있다. 유기 금속 화학적 기상 증착법(Metal-Organic Chemical Vapor Deposition: MOCVD), 액상 에피택시법(Liquid Phase Epitaxy: LPE), 분자빔 에피택시법(Molecular Beam Epitaxy: MBE) 등을 이용하여 제조할 수 있으나 반드시 이에 한정하지는 않는다.
기판은 GaAs 기판으로서, 광 흡수율을 낮추기 위해 도핑 농도는 1×1014cm-3 내지 1×1017cm-3 정도로 낮게 제작하거나, 아예 도핑하지 않을 수도 있다.
도 7을 참조하면, 마스크를 이용하여 제2 반사 적층체(40) 상에 제1 포토 리지스트(R1)를 형성하고, 도 8과 같이 제1 포토 리지스트(R1)가 형성되지 않은 영역에 리세스(H1)를 형성할 수 있다.
리세스(H1)는 제2 반사 적층체(40), 산화층(51), 레이저 캐비티(30), 제1 반사 적층체(20)를 관통하여 도전층(11)의 상면을 일부 노출시킬 수 있다.
도 9를 참조하면, 복수 개의 리세스(H1)에 의해 노출된 산화층(51)을 수증기(H2O)에 노출시키면 노출된 산화층(51)의 외측에서 내측으로 산화가 진행될 수 있다. 도 1과 같이 산화되는 영역(P1)은 리세스(H1)의 직경을 따라 점차 넓어질 수 있다.
도 10을 참조하면, 산화가 중지되면 중앙에는 산화가 되지 않은 비산화 영역(53)이 형성될 수 있다. 비산화 영역(53)의 면적을 조절하기 위해 산화 속도 및 시간을 적절히 조절할 수 있다. 즉, 원하는 직경의 비산화 영역을 형성하기 위해 수증기의 양 및 산화 시간 등을 조절할 수 있다. 이때, 산화층(51) 내에서 비산화 영역을 미리 제거한 후 그 위에 제2 반사 적층체를 형성할 수도 있다.
도 11을 참조하면, 복수 개의 리세스(H1)에 제2 포토 리지스트(R2)를 충전할 수 있다. 도 12를 참조하면, 제2 포토 리지스트(R2)의 상부에 제1 전극층(81)을 형성할 수 있다. 제1 전극층(81)은 제2 포토 리지스트(R2)의 상부 및 제2 전극 적층체(40)의 상부에 전체적으로 형성될 수 있다. 도 13을 참조하면, 제2 포토 리지스트(R2)를 lift-off공정을 적용하여 선택적으로 제거하면 제2 반사 적층체(40)의 상부에만 제1 전극층(81)이 배치될 수 있다.
도 14를 참조하면, 제1 전극층(81)의 상부 및 복수 개의 리세스(H1)의 내부에 전체적으로 제1 절연층(71)을 형성할 수 있다. 이후, 도 15와 같이 제3 포토 리지스트(R3)를 형성하고 도 16과 같이 리세스(H1)의 내부 영역에 배치된 제1 절연층(71)의 일부를 제거하여 제3 홈(H3)을 형성함으로써 도전층(11)을 노출시킬 수 있다. 이때, 제1 전극층(81)의 일부를 노출시키는 제2 홈(H2)을 더 형성할 수 있다. 이후 도 17과 같이 제3 포토 리지스트(R3)는 제거할 수 있다.
도 18 및 도 19를 참조하면, 제1 전극층(81)이 노출된 제2 홈(H2)의 상부에 제4 포토 리지스트(R4)를 형성하고, 전체적으로 제2 전극층(82)을 형성할 수 있다. 이 과정에서 복수 개의 리세스(H1) 내부로 연장되어 도전층(11)과 연결되는 접촉부(82a)가 형성될 수 있다.
도 20 및 도 21을 참조하면, 제4 포토 리지스트(R4)를 lift-off공정을 적용하여 선택적으로 제거하고 전체적으로 제2 절연층(72)을 형성할 수 있다. 도 22 및 23을 참조하면, 제5 포토 리지스트(R5)를 형성하여 제2 절연층(72) 상에 제4홈(H5)과 제5홈(H4)을 형성할 수 있다. 제4홈(H5)은 제2 전극층(82)을 노출시키고 제5홈은 제1 전극층(81)을 노출시킬 수 있다.
이후, 도 24 및 도25와 같이 제6 포토 리지스트(R6)를 형성하여 제1 패드(62)와 제2 패드(61)를 형성할 수 있다. 제1 패드(62)는 제5홈을 통해 제1 전극층(81)과 전기적으로 연결되고, 제2 패드(61)는 제4홈을 통해 제2 전극층(82)과 전기적으로 연결될 수 있다.
도 26 내지 도 30은 리세스와 비산화 영역의 배치를 보여주는 다양한 변형예이다.
리세스(H1)는 십자 형상, 다각 형상, 방사 형상 등 다양한 형상이 선택적으로 적용될 수 있다. 다만, 복수 개의 리세스(H1)를 따라 산화가 진행되어 균일한 비산화 영역(53)이 형성되어야 하므로 리세스(H1)의 형상은 중심을 관통하는 가상선을 축으로 대칭인 형상이 유리할 수 있다.
도 26 및 도 27을 참조하면, 리세스(H1)는 직사각형 또는 정사각형 형상을 가질 수 있다. 이 경우 비산화 영역(53)은 사각 형상을 가질 수 있다.
도 28을 참조하면, 리세스(H1)는 삼각 형상을 가질 수 있다. 이 경우 비산화 영역(53) 역시 삼각 형상을 가질 수 있다.
또한, 도 29를 참조하면 리세스(H1)는 육각 형상을 가질 수 있다. 이 경우 비산화 영역(53)도 육각 형상을 가질 수 있다. 그러나, 반드시 이에 한정하는 것은 아니고 리세스(H1) 및 비산화 영역(53)은 오각 형상, 팔각 형상 등과 같이 다양한 다각 형상 구조를 가질 수도 있다. 그러나, 반드시 이에 한정하는 것은 아니고 도 30과 같이 리세스(H1)는 원 형상을 가질 수 있다.
본 실시 예에 따른 레이저 소자는 3D 얼굴인식 및 3D 이미징 기술의 광원으로 사용될 수 있다.
3D 얼굴인식 및 3D 이미징 기술은 2차원적 어레이 형태로 패턴화된 광원 매트릭스가 필요하다. 이런 2차원적 어레이 형태로 패턴화된 광원 매트릭스를 물체에 조사하고 반사되는 광의 패턴을 분석할 수 있다.
이때 2차원적 어레이 형태로 패턴화된 광원 매트릭스 중에서 각 형태물체의 굴곡된 표면에서 반사된 엘리먼트광들의 변형된 상태들을 분석하면 물체의 3차원 이미지를 구성할 수 있게 된다.
이런 2차원적 어레이 형태로 패턴화된 광원(Structured light source)을 실시 예에 따른 VCSEL 어레이를 제작하면, 각 엘리먼트 광원의 특성이 균일한 2차원적 어레이 형태로 패턴화된 광원(Structured light source) 매트릭스를 제공할 수 있다.
3D 얼굴인식 및 3D 이미징 기술에 필요한 VCSEL은 수 내지 수십 와트(watt)의 광출력과 1 내지 10ns의 짧은 펄스 또는 100MHz 이상의 광변조가 가능하면서도 전력 소모가 낮은 고효율 광소자가 요구될 수 있다.
광소자의 변조 등가 회로는 RC 회로로 표현될 수 있으며, RC회로에서는 변조 속도를 결정하는 특성 시간은 저항과 정전용량의 곱으로 표현될 수 있다. 따라서 고속변조가 가능하고 광전변환효율이 높은 소자를 구현하기 위해서는 저저항을 확보하는 것이 중요하다. 따라서 본 발명은 3D 얼굴인식 및 3D 이미징용 광원을 제공하기에 가장 적합한 솔루션을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 레이저 소자는 광통신 소자, CCTV, 자동차용 나이트 비전(night vision), 동작 인식, 의료/치료, IoT용 통신 소자, 열추적 카메라, 열화상 카메라, SOL (Solid state laser)의 펌핑 분야, 플라스틱 필름의 접합을 위한 가열공정 등 많은 응용 분야에서 저가의 VCSEL 광원으로 사용될 수 있다.
이상에서 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 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 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (12)

  1. 기판;
    상기 기판 상에 배치되는 제1 반사 적층체;
    상기 제1 반사 적층체 상에 배치되는 활성층;
    상기 활성층 상에 배치되는 산화층;
    상기 산화층 상에 배치되는 제2 반사 적층체;
    상기 제2 반사 적층체, 상기 산화층, 상기 활성층, 및 상기 제1 반사 적층체를 관통하는 복수 개의 리세스;
    상기 제2 반사 적층체 상에 배치되고, 상기 제2 반사 적층체와 전기적으로 연결되는 제1 전극층; 및
    상기 제2 반사 적층체 상에 배치되고, 상기 복수 개의 리세스의 내부로 연장되어 상기 제1 반사 적층체와 전기적으로 연결되는 제2 전극층을 포함하고,
    상기 제2 반사 적층체의 반사도는 상기 제1 반사 적층체의 반사도보다 높은 레이저 소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 기판과 상기 제1 반사 적층체 사이에 배치되는 도전층을 더 포함하고,
    상기 기판은 도펀트가 도핑되지 않고,
    상기 도전층은 도펀트가 도핑된 레이저 소자.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 도전층에 도핑된 도펀트의 종류는 상기 제1 반사 적층체에 도핑된 도펀트와 동일하고,
    상기 도전층의 도핑 농도는 상기 제1 반사 적층체의 도핑 농도보다 높은 레이저 소자.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 복수 개의 리세스의 내부로 연장되는 제1 절연층을 포함하고,
    상기 복수 개의 리세스와 제1 절연층은 상기 도전층의 상면을 일부 노출시키는 레이저 소자.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제2 전극층은 상기 복수 개의 리세스의 내부로 연장되어 상기 도전층과 전기적으로 연결되는 접촉부를 포함하는 레이저 소자.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전극층과 상기 제2 전극층 사이에 배치되는 제2 절연층을 포함하는 레이저 소자.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 활성층에서 생성된 레이저 광은 상기 제2 반사 적층체에 반사되어 상기 기판을 통과하여 외부로 방출되는 레이저 소자.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 산화층은 복수 개의 비산화 영역을 포함하고,
    각각의 비산화 영역은 평면상에서 상기 복수 개의 리세스에 의해 둘러싸인 레이저 소자.
  9. 제8항에 있어서,
    각각의 비산화 영역은 평면상에서 상기 복수 개의 접촉부에 의해 둘러싸이고,
    상기 복수 개의 접촉부는 평면상에서 상기 복수 개의 리세스와 중첩되는 레이저 소자.
  10. 기판;
    상기 기판 상에 배치되는 도전층;
    상기 도전층 상에 배치되는 제1 반사 적층체;
    상기 제1 반사 적층체 상에 배치되는 활성층;
    상기 활성층 상에 배치되는 산화층;
    상기 산화층 상에 배치되는 제2 반사 적층체;
    상기 제2 반사 적층체, 상기 산화층, 상기 활성층, 및 상기 제1 반사 적층체를 관통하여 상기 도전층을 노출시키는 복수 개의 리세스;
    상기 제2 반사 적층체 상에 배치되는 제1 전극층;
    상기 상기 제1 전극층 및 상기 복수 개의 리세스 상에 배치되고 상기 도전층을 노출시키는 개구부를 포함하는 제1 절연층;
    상기 제1 절연층 상에 배치되고 상기 개구부로 연장되어 상기 도전층과 접촉하는 제2 전극층;
    상기 제2 전극층 상에 배치되는 제2 절연층;
    상기 제1 절연층과 상기 제2 절연층을 관통하여 상기 제1 전극층과 전기적으로 연결되는 제1 패드; 및
    상기 제2 절연층을 관통하여 상기 제2 전극층과 전기적으로 연결되는 제2 패드를 포함하는 레이저 소자.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제2 반사 적층체의 반사도는 상기 제1 반사 적층체의 반사도보다 높은 레이저 소자.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 활성층에서 생성된 레이저 광은 상기 제2 반사 적층체에 반사되어 상기 기판을 통과하여 외부로 방출되는 레이저 소자.
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