KR20210096073A - 수직 공동 표면 방출 레이저 - Google Patents

수직 공동 표면 방출 레이저 Download PDF

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KR20210096073A
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이기황
노정래
유병수
전윤상
최공희
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서울바이오시스 주식회사
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Abstract

본 개시의 일 실시예에 따른 수직 공동 표면 방출 레이저(VCSEL)는, 하부 미러; 상부 미러; 상기 하부 미러와 상부 미러 사이에 개재된 활성층; 상기 상부 미러와 상기 활성층 사이에 개재되며, 산화층과 상기 산화층으로 둘러싸인 윈도우층을 갖는 애퍼쳐 형성층; 및 상기 상부 미러 및 애퍼쳐 형성층을 관통하는 복수의 산화홀들을 포함하고, 상기 상부 미러는 이온 주입에 의해 형성된 절연 영역 및 상기 절연 영역으로 둘러싸인 고립 영역을 포함하고, 상기 복수의 산화홀들은 상기 고립 영역 내에 배치된다.

Description

수직 공동 표면 방출 레이저
본 개시는 고 신뢰성의 수직 공동 표면 발광 레이저에 관한 것이다.
수직 공동 표면 방출 레이저(vertical-cavity surface-emitting laser; VCSEL)는 기판 면으로부터 수직 방향으로 레이저 빔을 방출하는 레이저이다.
전형적인 VCSEL은 미러들 사이에 배치된 활성층을 포함한다. 미러들을 통해 주입된 전자와 정공이 활성층에서 광을 생성하며, 미러들에 의한 공진을 통해 레이저가 생성되어 방출된다.
VCSEL에 수직으로 흐르는 전류는 작은 영역에 한정할 필요가 있으며, 이를 위해 에칭 및 산화를 이용하는 방법이 사용되어 왔다. 예를 들어, 미러층들과 활성층을 식각하여 링 모양으로 트렌치를 형성함으로써 고립된 포스트를 형성하고, 트렌치를 이용하여 산화층을 형성함으로써 전류가 작은 영역의 애퍼쳐(aperture)에 집중하도록 할 수 있다.
그러나 링 모양의 트렌치를 형성하기 위해 넓은 면적을 식각해야 하는 부담이 따른다. 더욱이, 패드 전극을 형성할 때 패드와 에미터를 연결하는 연결부가 트렌치를 지나게 되어 전기적 단선이 발생할 위험이 따르며, 이에 따라, 공정 수율이 떨어진다. 또한, 에미터 주위에 넓은 면적의 트렌치가 형성되므로, 표면 결함에 의해 에미터의 신뢰성에도 좋지 않은 영향을 준다.
본 개시의 실시예들은 고 신뢰성의 VCSEL을 제공한다.
특히, 본 개시의 실시예들은 트렌치에 의한 전기적 단선 발생을 방지할 수 있는 VCSEL을 제공한다.
나아가, 본 개시의 실시예들은 결함에 의해 에미터의 성능이 감소되는 것을 방지할 수 있는 VCSEL을 제공한다.
본 개시의 일 실시예에 따른 수직 공동 표면 방출 레이저(VCSEL)는, 하부 미러; 상부 미러; 상기 하부 미러와 상부 미러 사이에 개재된 활성층; 상기 상부 미러와 상기 활성층 사이에 개재되며, 산화층과 상기 산화층으로 둘러싸인 윈도우층을 갖는 애퍼쳐 형성층; 및 상기 상부 미러 및 애퍼쳐 형성층을 관통하는 복수의 산화홀들을 포함하고, 상기 상부 미러는 이온 주입에 의해 형성된 절연 영역 및 상기 절연 영역으로 둘러싸인 고립 영역을 포함하고, 상기 복수의 산화홀들은 상기 고립 영역 내에 배치된다.
본 개시의 또 다른 실시예에 따르면, 에미터 어레이를 갖는 수직 공동 표면 방출 레이저(VCSEL)가 제공된다. 상기 VCSEL은 하부 미러; 상부 미러; 상기 하부 미러와 상부 미러 사이에 개재된 활성층; 상기 상부 미러와 상기 활성층 사이에 개재되며, 산화층과 상기 산화층으로 둘러싸인 윈도우층을 갖는 애퍼쳐 형성층; 및 상기 상부 미러 및 애퍼쳐 형성층을 관통하는 복수의 산화홀들을 포함하고, 상기 상부 미러는 이온 주입에 의해 형성된 절연 영역 및 상기 절연 영역으로 둘러싸인 고립 영역을 포함하고, 상기 에미터 어레이는 상기 고립 영역 내에 배치되며, 상기 복수의 산화홀들은 각 에미터에 대응하여 배치되되, 상기 고립 영역 내에 배치된다.
본 개시의 실시예들에 따르면, 이온 주입에 의해 절연 영역을 형성함으로써 전기적 단선이 발생하는 것을 방지할 수 있으며, 또한, 산화홀들을 고립 영역 내에 배치함으로써 이온 주입에 의해 형성된 결함이 에미터 내로 이동하는 것을 방지할 수 있어 고 신뢰성의 VCSEL을 제공할 수 있다.
도 1은 본 개시의 일 실시예에 따른 VCSEL의 개략적인 평면도이다.
도 2a는 도 1의 에미터 영역을 확대 도시한 개략적인 평면도이다.
도 2b는 도 2a의 절취선 A-A를 따라 취해진 개략적인 단면도이다.
도 3a, 3b, 4a, 4b, 5a, 5b, 6a 및 6b는 본 개시의 일 실시예에 따른 VCSEL을 제조하는 방법을 설명하기 위한 개략적인 평면도들 및 단면도들이다.
도 7은 본 개시의 또 다른 실시예에 따른 VCSEL의 개략적인 평면도이다.
도 8a는 도 7의 에미터 어레이의 일부를 확대 도시한 개략적인 평면도이다.
도 8b는 도 8a의 절취선 B-B를 따라 취해진 단면도이다.
도 8c는 도 8a의 절취선 C-C를 따라 취해진 단면도이다.
도 9a는 본 개시의 일 실시예에 따른 산화층 형성을 위한 산화홀들을 설명하기 위한 개략적인 평면도이다.
도 9b 내지 도 9d는 산화층 형성을 위한 산화홀들의 다양한 변형예들을 설명하기 위한 개략적인 평면도들이다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 개시의 실시예들을 상세히 설명한다. 다음에 소개되는 실시예들은 본 개시가 속하는 기술분야의 통상의 기술자에게 본 개시의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 개시는 이하 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 그리고 도면들에 있어서, 구성요소의 폭, 길이, 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수도 있다. 또한, 하나의 구성요소가 다른 구성요소의 "상부에" 또는 "상에" 있다고 기재된 경우 각 부분이 다른 부분의 "바로 상부" 또는 "바로 상에" 있는 경우뿐만 아니라 각 구성요소와 다른 구성요소 사이에 또 다른 구성요소가 개재된 경우도 포함한다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
본 개시의 일 실시예에 따른 수직 공동 표면 방출 레이저(VCSEL)는, 하부 미러; 상부 미러; 상기 하부 미러와 상부 미러 사이에 개재된 활성층; 상기 상부 미러와 상기 활성층 사이에 개재되며, 산화층과 상기 산화층으로 둘러싸인 윈도우층을 갖는 애퍼쳐 형성층; 및 상기 상부 미러 및 애퍼쳐 형성층을 관통하는 복수의 산화홀들을 포함하고, 상기 상부 미러는 이온 주입에 의해 형성된 절연 영역 및 상기 절연 영역으로 둘러싸인 고립 영역을 포함하고, 상기 복수의 산화홀들은 상기 고립 영역 내에 배치된다.
산화홀들을 고립 영역 내에 배치함으로서, 이온 주입에 의해 형성된 결함이 윈도우층 근처로 이동하는 것을 방지할 수 있어 고 신뢰성의 VCSEL을 제공할 수 있다.
상기 이온 주입에 의해 형성된 절연 영역은 상기 상부 미러로부터 상기 하부 미러의 일부 두께에 이르도록 형성될 수 있다.
한편, 상기 VCSEL은 상기 상부 미러 상에 배치된 오믹 콘택층을 더 포함할 수 있으며, 상기 오믹 콘택층은 원형 링 형상의 원형 부분과 상기 원형 부분의 바깥쪽으로 돌출된 돌출부들을 포함할 수 있다.
상기 원형 링 형상은 일부분이 절개된 부분 링 형상일 수 있다.
한편, 상기 산화홀들은 상기 돌출부들 사이에 배치될 수 있다. 오믹 콘택층이 돌출부들을 포함하고, 산화홀들을 돌출부들 사이에 배치함으로써 산화홀들을 더 좁은 간격으로 배치할 수 있어 에미터의 크기를 줄일 수 있다.
상기 산화홀들은 각각 상기 돌출부들보다 작은 폭을 가질 수 있다. 산화홀들을 상대적으로 작게 형성함으로써 산화층 형성 후 산화홀을 통한 수분 침투를 억제할 수 있다.
한편, 상기 VCSEL은 상기 오믹 콘택층 및 상부 미러를 덮는 표면 보호층 및 상기 표면 보호층 상에 배치된 상부 절연층을 더 포함할 수 있다. 나아가, 상기 산화홀들은 상기 표면 보호층을 관통하며, 상기 상부 절연층은 상기 산화홀들을 덮을 수 있다.
또한, 상기 VCSEL은 상기 상부 절연층 및 표면 보호층을 관통하여 상기 오믹 콘택층을 노출시키는 복수의 비아홀들을 더 포함할 수 있으며, 상기 비아홀들은 상기 돌출부들에 대응하여 배치될 수 있다.
상기 VCSEL은 상기 상부 절연층 상에 배치된 패드 및 연결부를 더 포함할 수 있으며, 상기 패드는 상기 절연 영역 상부에 배치되고, 상기 연결부는 상기 패드로부터 연장하여 상기 비아홀들을 통해 상기 오믹 콘택층에 전기적으로 접속할 수 있다.
상기 산화홀들은 원형 또는 사각형 형상을 가질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 산화홀들의 형상 및 개수는 필요에 따라 변경될 수 있다.
본 개시의 또 다른 실시예에 따르면, 에미터 어레이를 갖는 수직 공동 표면 방출 레이저(VCSEL)가 제공된다. 상기 VCSEL은 하부 미러; 상부 미러; 상기 하부 미러와 상부 미러 사이에 개재된 활성층; 상기 상부 미러와 상기 활성층 사이에 개재되며, 산화층과 상기 산화층으로 둘러싸인 윈도우층을 갖는 애퍼쳐 형성층; 및 상기 상부 미러 및 애퍼쳐 형성층을 관통하는 복수의 산화홀들을 포함하고, 상기 상부 미러는 이온 주입에 의해 형성된 절연 영역 및 상기 절연 영역으로 둘러싸인 고립 영역을 포함하고, 상기 에미터 어레이는 상기 고립 영역 내에 배치되며, 상기 복수의 산화홀들은 각 에미터에 대응하여 배치되되, 상기 고립 영역 내에 배치된다.
상기 이온 주입에 의해 형성된 절연 영역은 상기 상부 미러로부터 상기 하부 미러의 일부 두께에 이르도록 형성될 수 있다.
상기 VCSEL은 각 에미터에 대응하여 상기 상부 미러 상에 배치된 오믹 콘택층들을 더 포함할 수 있으며, 각각의 오믹 콘택층은 원형 링 형상의 원형 부분과 상기 원형 부분의 바깥쪽으로 돌출된 돌출부들을 포함하고, 상기 산화홀들은 상기 돌출부들 사이에 배치될 수 있다. 상기 원형 링 형상은 일부분이 절개된 부분 링 형상일 수 있다. 나아가, 상기 산화홀들은 각각 상기 돌출부들보다 작은 폭을 가질 수 있다.
상기 VCSEL은 상기 오믹 콘택층 및 상부 미러를 덮는 표면 보호층 및 상기 표면 보호층 상에 배치된 상부 절연층을 더 포함할 수 있으며, 상기 산화홀들은 상기 표면 보호층을 관통하고, 상기 상부 절연층은 상기 산화홀들을 덮을 수 있다.
나아가, 상기 VCSEL은 상기 상부 절연층 및 표면 보호층을 관통하여 상기 오믹 콘택층들을 노출시키는 복수의 비아홀들을 더 포함할 수 있으며, 상기 비아홀들은 상기 돌출부들에 대응하여 배치될 수 있다.
또한, 상기 VCSEL은 상기 상부 절연층 상에 배치된 패드 및 연결부를 더 포함할 수 있으며, 상기 패드는 상기 절연 영역 상부에 배치되고, 상기 연결부는 상기 패드로부터 연장하여 상기 비아홀들을 통해 상기 오믹 콘택층들에 전기적으로 접속할 수 있다.
나아가, 상기 연결부는 각 에미터에 대응하는 원형 개구부를 포함하는 메쉬 형상을 가질 수 있다.
상기 산화홀들은 원형 또는 사각형 형상을 가질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
이하, 도면을 참조하여 본 개시의 다양한 실시예들에 대해 상세하게 설명한다.
도 1은 본 개시의 일 실시예에 따른 VCSEL의 개략적인 평면도이고, 도 2a는 도 1의 에미터 영역을 확대 도시한 개략적인 평면도이며, 도 2b는 도 2a의 절취선 A-A를 따라 취해진 개략적인 단면도이다.
도 1, 도 2a 및 도 2b를 참조하면, VCSEL(100)은 에미터(150), 패드(40) 및 연결부(41)를 포함한다. 에미터(150)는 하부 미러(25), 활성층(27), 애퍼쳐 형성층(29) 및 상부 미러(31)를 포함한다. VCSEL(100)은 또한 기판(21), 버퍼층(23), 오믹 콘택층(33), 표면 보호층(35) 및 상부 절연층(39)을 포함할 수 있다. VCSEL(100)은 또한 이온 주입(implantation) 의한 절연 영역(37) 및 절연 영역으로 둘러싸인 고립 영역을 포함할 수 있으며, 산화홀들을 포함할 수 있다.
기판(21)은 도전성 기판일 수 있으며, 예를 들어 n형 GaAs과 같은 반도체 기판일 수 있다. 기판(21)은 또한 그 위에 배치된 반도체층들을 성장시키기 위한 성장 기판일 수 있으며, 성장되는 반도체층에 따라 선택될 수 있다.
버퍼층(23)은 반도체층들의 성장을 돕기 위해 형성될 수 있으나, 생략될 수도 있다. 기판(23)이 GaAs 기판인 경우, 버퍼층(23)은 예를 들어 GaAs층일 수 있다.
하부 미러(25)는 분포 브래그 반사기 구조를 가지며, n형 반도체층들을 포함할 수 있다. 하부 미러(25)는 굴절률이 서로 다른 반도체층들을 예컨대 반복 적층하여 형성될 수 있다. 예를 들어, 하부 미러(25)는 Al 함량이 상대적으로 낮은 AlGaAs층과 Al 함량이 상대적으로 높은 AlGaAs층을 교대로 적층하여 형성될 수 있다. 특히, 15%의 Al 함량을 갖는 Al0.15Ga0.85As층과 85%의 Al 함량을 갖는 Al0.85Ga0.15As층을 교대로 적층하여 하부 미러(25)가 형성될 수 있다. n형 불순물로는 Si이 대략 1~3×1018/cm3의 농도로 도핑될 수 있다. 하부 미러(25)는 굴절률이 서로 다른 반도체층들의 쌍을 예컨대 30개 이상 포함할 수 있다. 하부 미러(25) 내의 각 층의 두께는 각 층 내에서의 광 파장의 1/4이 되도록 설정될 수 있다. 굴절률이 서로 다른 반도체층들의 하나의 쌍은 대략 100 내지 200nm 범위 내의 두께를 가질 수 있다.
활성층(27)은 하부 미러(25) 상에 배치되며, 하부 미러(25)에 접할 수 있다. 활성층(27)은 장벽층과 우물층을 가질 수 있으며, 우물층이 장벽층 사이에 개재된 구조를 가질 수 있다. 활성층(27)은 특히 복수의 우물층을 갖는 다중양자우물 구조를 가질 수 있으며, 예컨대, GaAs/InGaAs/GaAs의 적층 구조를 포함할 수 있다. 원하는 레이저 파장에 따라 장벽층 및 우물층의 조성이 변경될 수 있으며, 우물층은 예를 들어, InAlGaAs계의 4성분계, 3성분계 또는 2성분계를 포함할 수 있다. 또한, 본 개시가 GaAs계를 예를 들어 설명하지만, 이에 한정되는 것은 아니며, InAlGaN계나 InAlGaP계의 반도체층들이 사용될 수도 있으며, 이에 따라, 장벽층 및 우물층이 질화물계 또는 인화물계의 조성을 가질 수도 있다.
활성층(27) 내의 우물층은 언도프트층으로 형성되며, 장벽층도 언도프트층으로 형성될 수 있다. 우물층의 두께는 대략 2~8nm일 수 있으며, 장벽층은 대략 2 내지 15nm 범위 내일 수 있다.
상부 미러(31)는 활성층(27) 상에 배치된다. 상부 미러(31)는 분포 브래그 반사기 구조를 가지며, p형 반도체층들을 포함할 수 있다. 상부 미러(31)는 굴절률이 서로 다른 반도체층들을 예컨대 반복 적층하여 형성될 수 있다. 예를 들어, 상부 미러(31)는 하부 미러(25)와 같이 Al 함량이 상대적으로 낮은 AlGaAs층과 Al 함량이 상대적으로 높은 AlGaAs층을 교대로 적층하여 형성될 수 있다. 특히, 15%의 Al 함량을 갖는 Al0.15Ga0.85As층과 85%의 Al 함량을 갖는 Al0.85Ga0.15As층을 교대로 적층하여 상부 미러(31)가 형성될 수 있다. p형 불순물로는 예컨대, C가 약 1~5×1018/cm3의 농도로 도핑될 수 있다. 상부 미러(31)는 굴절률이 서로 다른 반도체층들의 쌍을 예컨대 20개 이상 포함할 수 있다. 다만, 상부 미러(31) 내의 페어수는 하부 미러(25) 내의 페어수에 비해 상대적으로 적다. 한편, 각 층의 두께는 각 층 내에서의 광 파장의 1/4이 되도록 설정될 수 있다.
한편, 애퍼쳐 형성층(29)은 활성층(27)과 상부 미러(31) 사이에 배치된다. 애퍼쳐 형성층(29)은 산화층(29x)과 윈도우층(29w)을 포함할 수 있다. 윈도우층(29w)은 산화층(29x)으로 둘러싸이며 이에 따라 전류의 통로를 한정하는 애퍼쳐가 형성된다. 애퍼쳐 형성층(29)은 예컨대 상부 미러(31) 내의 층들에 비해 Al 함량이 더 높은 AlGaAs층으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 애퍼쳐 형성층(29) 내의 Al 함량은 약 90% 이상일 수 있다. 윈도우층(29w)을 제외한 영역에서 AlGaAs층을 산화함으로써 산화층(29x)이 형성된다.
산화층(29x)에 의해 형성된 애퍼쳐, 즉 윈도우층(29w)의 폭은 특별히 한정되는 것은 아니며, 예를 들어, 8 내지 12um 범위 내일 수 있다.
도 2a에 윈도우층(29w) 또는 애퍼쳐가 원반 형상을 갖는 것으로 도시하지만, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 윈도우층(29w)은 원반 형상일 수도 있지만, 원반에 가까운 다각형 형상 등 다른 형상일 수도 있다. 이에 대해서는 도 9a 내지 도 9d를 참조하여 다시 설명된다.
한편, 에미터(150)는 이온 주입에 의해 형성된 절연 영역(37)과 상기 절연 영역(37)으로 둘러싸인 고립 영역을 포함한다. 이온들은 상부 미러(31)에 주입되며, 나아가, 애퍼쳐 형성층(29) 및 활성층(27)에 주입되고, 또한, 하부 미러(25)의 일부 두께 영역에 주입될 수 있다.
절연 영역(37)은 전류가 애퍼쳐(윈도우층, 29w)를 제외한 다른 영역으로 흐르는 것을 방지하여 광 효율을 개선한다.
오믹 콘택층(33)은 상부 미러(31) 상에 배치된다. 특히, 오믹 콘택층(33)은 절연 영역(37)을 둘러싸인 고립 영역 상에서 상부 미러(31)에 오믹 콘택할 수 있다. 오믹 콘택층(33)은 예를 들어 Ti, Pt 및 Au를 포함할 수 있으며, 급속 열 처리 공정을 이용하여 오믹 접촉이 형성될 수 있다. 오믹 콘택층(33)은 도 2a에 도시한 바와 같이 부분 링 형상의 원형 부분(33a)과 원형 부분의 바깥쪽에 돌출한 돌출부들(33b)을 포함할 수 있다.
표면 보호층(35)은 이온 주입 공정을 수행하는 동안 상부 미러(31) 및 오믹 콘택층(33)을 보호한다. 표면 보호층(35)은 광 투과성 물질로 형성되며, 예를 들어 실리콘 산화막 또는 실리콘 질화막으로 형성될 수 있다. 표면 보호층(35)은 또한 표면 보호층 내 광 파장의 1/4의 정수배의 두께로 형성될 수 있다. 예를 들어, 표면 보호층(35)은, Si3N4로 형성될 경우, 약 118nm의 정수배의 두께로 형성될 수 있다. 또한, 표면 보호층(35)은 인장(tensile) 스트레인을 갖도록 형성되며, 이를 위해, 예를 들어 250℃에서 형성될 수 있다.
산화홀들(29a)은 애퍼쳐 형성층(29)을 노출시키도록 형성된다. 이를 위해, 산화홀들(29a)은 상부 미러(31) 및 애퍼쳐 형성층(29)을 관통할 수 있으며, 나아가, 활성층(27)을 관통하고 또한 하부 미러(25)의 일부 두께를 관통할 수 있다. 산화홀들(29a)은 또한 표면 보호층(35)을 관통할 수 있다.
산화홀들(29a)은 오믹 콘택층(33)의 바깥쪽에 배치되며, 특히, 돌출부들(33b) 사이에 배치될 수 있다. 나아가, 산화홀들(29a)은 절연 영역(37)으로 둘러싸인 고립 영역 상에 형성된다. 산화홀들(29a)을 이온 주입에 의해 형성되는 절연 영역(37)으로부터 떨어진 고립 영역 상에 배치함으로써, 이온 주입에 의해 생성된 결함들이 산화층(29x)을 형성하는 동안 애퍼쳐로 이동하는 것을 방지할 수 있다. 또한, 오믹 콘택층(33)이 돌출부들(33b)을 갖도록 형성됨으로써 산화홀들(29a)을 서로 더 가깝게 배치할 수 있으며, 이에 따라, 에미터(150)의 크기를 줄일 수 있다.
또한, 산화홀들(29a)은 각각 돌출부들(33b)의 크기보다 작은 크기로 형성될 수 있다. 예컨대, 산화홀(29a)의 폭은 돌출부(33b)의 폭보다 작을 수 있다. 산화홀들(29a)의 크기를 상대적으로 작게 함으로써 산화층 형성 후 산화홀을 통한 수분 침투를 억제할 수 있다. 예를 들어, 산화홀들(29a)의 깊이는 약 3um이고, 홀 직경은 약 4um일 수 있다.
상기 산화홀들(29a)을 통해 애퍼쳐 형성층(29)을 산화시킴으로써 산화층(29x)과 윈도우층(29w)이 정의된다. 이때, 산화홀들(29a)의 측벽에 노출된 상부 미러(31), 활성층(27) 및 하부 미러(25)도 부분적으로 산화될 수 있다.
상부 절연층(39)은 표면 보호층(35)을 덮고, 산화홀들(29a)을 덮는다. 산화홀들(29a) 내에 노출된 상부 미러(35), 산화층(29x), 활성층(27) 및 하부 미러(25)는 상부 절연층(39)으로 덮여 절연된다. 상부 절연층(39)은 광 투과성 물질로 형성되며, 예를 들어 실리콘 산화막 또는 실리콘 질화막으로 형성될 수 있다. 상부 절연층(39)은 또한 상부 절연층 내 광 파장의 1/4의 정수배의 두께로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상부 절연층(39)은, Si3N4로 형성될 경우, 약 200, 300, 또는 500nm의 두께로 형성될 수 있다. 또한, 상부 절연층(39)은 인장(tensile) 스트레인을 갖도록 형성되며, 이를 위해, 예를 들어 250℃에서 형성될 수 있다.
하편, 상부 절연층(39) 및 표면 보호층(35)을 관통하여 오믹 콘택층(33)을 노출시키는 비아홀들(39a)이 형성된다. 비아홀들(39a)은 오믹 콘택층(33)의 돌출부들(33b)에 대응하여 배치된다. 도 2a에 도시한 바와 같이, 비아홀들(39a)은 돌출부(33b)와 원형 부분(33a)을 함께 노출하도록 형성될 수 있다. 도 2a에 비아홀들(39a)이 사각형 형상인 것으로 도시하였지만, 이들의 형상은 특별히 한정되는 것은 아니며, 원형일 수도 있다.
한편, 패드(40) 및 연결부(41)는 상부 절연층(39) 상에 배치될 수 있다. 패드(40)는 와이어를 본딩하기 위한 영역으로 상대적으로 넓은 영역에 걸쳐 배치된다. 패드(40)는 예를 들어 이온 주입에 의해 형성된 절연 영역(37) 상에 배치될 수 있으며, 따라서, 기생 캐패시턴스를 감소시킬 수 있다.
한편, 연결부(41)는 패드(40)와 오믹 콘택층(33)을 전기적으로 연결한다. 연결부(41)는 비아홀들(39a)을 통해 오믹 콘택층(33)에 접속할 수 있다. 연결부(41)는 오믹 콘택층(33)을 따라 부분 링 형상의 원형 부분을 가질 수 있으며, 링 형상의 원형 부분 내측에 레이저 빔이 방출될 수 있는 개구부(41a)가 제공된다.
패드(40) 및 연결부(41)는 동일한 금속 재료로 형성될 수 있으며, 예를 들어, Ti/Pt/Au로 형성될 수 있다. 패드(40) 및 연결부(41)는 약 2um 이상의 두께로 형성될 수 있다.
한편, 도시하지는 않았지만, 기판(21) 하부에 다른 하나의 패드, 예를 들어 n-패드가 형성될 수 있다. 기판(21)이 GaAs 기판인 경우, n-패드는 일 예로 AuGe/Ni/Au(900Å/300Å/1000~3000Å)로 형성될 수 있다.
도 3a, 3b, 4a, 4b, 5a, 5b, 6a 및 6b는 본 개시의 일 실시예에 따른 VCSEL을 제조하는 방법을 설명하기 위한 개략적인 평면도들 및 단면도들이다. 각 단면도는 대응하는 평면도의 절취선 A-A를 따라 취해진 도면이다.
우선, 도 3a 및 도 3b를 참조하면, 기판(21) 상에 반도체층들(23, 25, 27, 29, 31)이 형성되고, 오믹 콘택층(33)이 형성된다.
기판(21)은 예를 들어 n형 GaAs 기판일 수 있다. 반도체층들은 버퍼층(23), 하부 미러(25), 활성층(27), 애퍼쳐 형성층(29) 및 상부 미러(31)를 포함할 수 있다. 반도체층들은 예컨대 금속 유기화학 기상 성장법 또는 분자선 에피텍시 등의 에피텍셜 성장 기술을 이용하여 형성될 수 있다.
버퍼층(23)은 기판(21) 상에 예를 들어, GaAs층으로 형성될 수 있다. 하부 미러(25)는 버퍼층(23) 상에 형성되며, 활성층(27), 애퍼쳐 형성층(29) 및 상부 미러(31)가 하부 미러(25) 상에 순차적으로 형성될 수 있다. 하부 미러(25) 및 상부 미러(31)는 각각 Al 조성이 다른 AlGaAs/AlGaAs을 반복 적층하여 형성될 수 있다. 하부 미러(25), 활성층(27), 애퍼쳐 형성층(29) 및 상부 미러(31)의 구체적인 구조에 대해서는 앞에서 상세하게 설명하였으므로, 중복을 피하기 위해 여기서는 그 설명을 생략한다.
상부 미러(31) 상에 오믹 콘택층(33)이 형성된다. 오믹 콘택층(33)은 부분 링 형상의 원형 부분(33a)과 원형 부분(33a)으로부터 외부로 돌출된 돌출부들(33b)을 포함하도록 형성된다. 오믹 콘택층(33)은 금속층을 리프트 오프 기술을 이용하여 형성한 후, 급속 열 처리 공정을 통해 열처리될 수 있다. 금속층은 예컨대, Ti/Pt/Au로 형성될 수 있으며, 각각 약 300Å, 300Å, 및 1000~3000Å의 두께로 형성될 수 있다. 열처리에 의해 오믹 콘택층(33)과 상부 미러(31) 사이에 양호한 오믹 콘택이 형성될 수 있다.
본 실시예에서, 기판(21) 상부에 하나의 오믹 콘택층(33)이 형성된 것을 도시하지만, 기판(21)은 예컨대 10mm 크기의 직경을 가질 수 있으며, 기판(21) 상에 다수의 오믹 콘택층들(33)이 각 소자 영역마다 형성될 수 있다.
또한, 상기 오믹 콘택층(33)은 네커티브 포토레지스트 또는 포지티브 포토레지스트를 마스크로 이용할 수 있으나, 포지티브 포토레지스트가 고밀도 어레이를 형성하기에 더 적합하다.
도 4a 및 도 4b를 참조하면, 상부 미러(31) 및 오믹 콘택층(33)을 덮는 표면 보호층(35)이 형성된다. 표면 보호층(35)은 이온 주입 공정(예, 임플랜테이션) 동안 상부 미러(31)의 표면을 보호한다.
표면 보호층(35)은 예를 들어 Si3N4 또는 SiO2로 형성될 수 있으며, 표면 보호층(35) 내 광 파장의 1/4의 정수배의 두께로 형성될 수 있다. 예를 들어, 표면 보호층(35)이 Si3N4로 형성될 때, 약 118nm의 정수배의 두께로 형성될 수 있다.
이어서, 표면 보호층(35) 상에 포토레지스트가 형성되고 포토레지스트를 마스크로 사용하여 이온 주입 공정에 의해 상부 미러(31)를 통해 이온이 주입된다. 수소 이온이 주입될 수 있으며, 이에 따라, 이온 주입된 영역이 절연 영역으로 변환된다. 수소 이온의 임플란트 에너지는 약 350keV까지 사용될 수 있으며, 포토레지스트는 이러한 에너지의 수소 이온을 막기 위해 충분한 두께, 예컨대 8um의 두께로 형성될 수 있다.
한편, 포토레지스트는 오믹 콘택층(33)을 덮도록 형성되며, 따라서, 이온 주입은 오믹 콘택층(33)의 외부에서 수행된다. 도 4a에 도시한 바와 같이, 이온 주입에 의해 원형으로 고립 영역이 형성되고, 그 외부에 절연 영역(37)이 형성된다. 절연 영역(37)은 도 4b에 도시한 바와 같이 하부 미러(25)의 일부 두께까지 형성될 수 있다. 이온 주입이 완료된 후, 포토레지스트는 제거된다.
도 5a 및 도 5b를 참조하면, 산화홀들(29a)이 형성된다. 산화홀들(29a)은 표면 보호층(35), 상부 미러(31), 애퍼쳐 형성층(29), 활성층(27)을 관통할 수 있으며, 하부 미러(25)의 일부 두께를 관통할 수 있다.
또한, 산화홀들(29a)은 절연 영역(37)으로 둘러싸인 고립 영역 내에서 형성되며, 따라서, 이온 주입 영역으로부터 이격된다.
나아가, 산화홀들(29a)은 돌출부들(33b) 사이에 배치될 수 있으며, 돌출부들(33b)보다 작은 크기를 가질 수 있다. 산화홀들(29a)은 깊이가 약 3um이고 입구측에서 직경(또는 폭)이 약 4um이며 측벽은 약 80도로 경사질 수 있다. 산화홀들(29a)의 형상은 다양할 수 있는데, 이에 대해서는 도 9a 내지 도 9d를 참조하여 뒤에서 상세히 설명된다. 오믹 콘택층(33)이 돌출부들(33b)을 갖도록 형성됨으로써 원형 부분(33a)의 폭을 감소시킬 수 있으며, 이에 따라, 산화홀들(29a) 사이의 간격을 줄일 수 있다.
이어서, 산화홀들(29a)을 통해 노출된 애퍼쳐 형성층(29)을 산화시킨다. 산화는 예를 들어 400 내지 430℃ 범위 내에서 수행될 수 있으며, 애퍼쳐 형성층(29)의 Al 조성비를 조절하여 하부 및 상부 미러들(25, 31) 내의 층들에 비해 10배 이상의 산화율을 나타내도록 온도 및 조성이 설정될 수 있다.
산화 공정에 의해 애퍼쳐 형성층(29)에 산화층(29x)이 형성된다. 산화층(29x)은 산화홀들(29a)의 내벽에 노출된 애퍼쳐 형성층(29)을 통해 애퍼쳐 형성층(29)의 내부로 진행한다. 이에 따라, 오믹 콘택층(33)으로 둘러싸인 영역 하부에 윈도우층(29w, 애퍼쳐)이 형성된다. 한편, 도 5b에 도시한 바와 같이, 산화층(29x)의 일부는 절연 영역(37) 내에도 형성될 수 있다.
400 내지 430℃의 상대적으로 고온에서 산화가 진행되므로, 이온 주입에 의해 절연 영역(37) 내에 형성된 결함들이 이동할 수 있다. 이때, 산화홀들(29a)이 절연 영역(37)으로 둘러싸인 고립 영역 내에 배치되므로, 결함들이 윈도우층(29w) 측으로 이동하는 것을 방지할 수 있다.
도 6a 및 도 6b를 참조하면, 표면 보호층(35) 상에 상부 절연층(39)이 형성된다. 상부 절연층(39)은 광 투과성 물질로 형성될 수 있으며, 예를 들어, Si3N4 또는 SiO2로 형성될 수 있다. 상부 절연층(39)은 산화홀들(29a)의 측벽 및 바닥을 덮어 산화홀들(29a) 내에 노출된 반도체층들을 절연시킨다.
한편, 상부 절연층(39) 및 표면 보호층(35)을 패터닝하여 오믹 콘택층(33)을 노출시키는 비아홀들(39a)이 형성된다. 비아홀들(39a)은 도 6a에 도시한 바와 같이, 오믹 콘택층(33)의 돌출부들(33b)에 대응하여 형성될 수 있다.
도면에 도시하지는 않았지만, 비아홀들(39a)을 형성할 때, 기판(21) 상에 형성된 복수의 소자 영역들을 분리하기 위한 소자 분리 영역, 예컨대 스크라이빙 라인이 함께 형성될 수 있다. 스크라이빙 라인은 표면 보호층(35) 및 상부 절연층(39)을 식각하여 형성되며, 향후 소자 분리를 위한 스크라이빙 공정 시에 표면 보호층(35) 및 상부 절연층(39)이 박리되는 것을 방지할 수 있다.
이어서, 도 1에 도시한 바와 같은 패드(40) 및 연결부(41)가 형성된다. 패드(40) 및 연결부(41)는 리프트 오프 기술을 이용하여 형성될 수 있으며, 예를 들어, Ti/Pt/Au로 형성될 수 있다.
그 후, 개별 소자들을 스크라이빙 라인을 따라 분할함으로써 도 1의 VCSEL이 완성된다. 또한, 기판(21)을 분할하기 전에 기판(21) 하부면에 n-패드가 더 형성될 수도 있다.
도 7은 본 개시의 또 다른 실시예에 따른 VCSEL의 개략적인 평면도이고, 도 8a는 도 7의 에미터 어레이의 일부를 확대 도시한 개략적인 평면도이며, 도 8b는 도 8a의 절취선 B-B를 따라 취해진 단면도이고, 도 8c는 도 8a의 절취선 C-C를 따라 취해진 단면도이다.
도 7, 도 8a, 도 8b, 및 도 8c를 참조하면, 본 실시예에 따른 VCSEL(200)은 도 1, 도 2a 및 도 2b를 참조하여 설명한 VCSEL(100)과 대체로 유사하나, 복수의 에미터 어레이(250)를 포함하며, 그에 따라, 패드(40)의 형상이 변형된 것에 차이가 있다. 중복을 피하기 위해 동일한 사항에 대해서는 생략한다.
에미터들은 도시한 바와 같이 기판(21) 상에 벌집 모양으로 배열될 수 있다. 에미터 어레이 영역(250)은 이온 주입에 의한 절연 영역(37)으로 둘러싸일 수 있으며, 패드(40)는 절연 영역(37) 상에 위치한다. 패드(40)는 어레이 영역(250)에 인접하여 기판(21) 상의 일측에 형성될 수 있다.
도 8a에 도시한 바와 같이, 각 에미터 영역에 이온 주입의 경계 영역을 표시하는 라인들을 도시하지만, 에미터 어레이 영역 내의 라인들은 서로 겹치기 때문에 에미터 어레이 영역(250) 내에는 이온 주입에 의한 절연 영역(37)이 형성되지 않는다. 즉, 에미터 어레이 영역(250)의 바깥측을 둘러싸는 경계 라인 바깥에만 이온 주입이 수행되어 절연 영역(37)이 형성된다.
각각의 에미터는 도 1, 도 2a 및 도 2b를 참조하여 설명한 바와 같이, 하부 미러(25), 활성층(25), 애퍼쳐 형성층(29) 및 상부 미러(31)를 포함한다. 또한, 에퍼쳐 형성층(29)은 산화층(29x)과 윈도우층(29w)을 포함하며, 전류 흐름은 윈도우층(29w)에 한정된다. 각 에미터의 기본 구조는 이온 주입에 의한 절연 영역(37)을 제외하면 앞서 설명한 에미터(150)와 동일하다.
또한, 각각의 에미터 내에 오믹 콘택층(33)이 형성될 수 있으며, 오믹 콘택층(33)은 앞의 실시예에서 설명한 바와 같이, 부분 링 형상의 원형 부분(33a)과 돌출부들(33b)을 포함할 수 있다. 또한, 각 에미터 영역에서 산화홀들(29a)이 돌출부들(33b) 사이에 배치되며, 비아홀들(39a)이 돌출부들(33b)에 대응하여 형성된다. 각 에미터에 형성되는 산화홀들(29a) 및 비아홀들(39a)은 앞서 설명한 실시예의 에미터(150)에 형성되는 것과 동일하다. 특히, 각 에미터마다 산화홀들(29a)을 따로 형성함으로서 산화홀들(29a)의 크기를 돌출부들(33b)의 크기보다 작게 할 수 있어, 소자의 신뢰성을 향상시킬 수 있다. 또한, 산화홀들(29a)은 이온 주입에 의해 형성된 절연 영역(37)으로 둘러싸인 고립 영역 내에 형성된다. 따라서, 산화 공정 동안 결함이 윈도우층(29w) 근처로 이동하는 것을 방지할 수 있어, 소자의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
한편, 패드(40)와 오믹 콘택층들(33)을 연결하는 연결부(41)는 비아홀들(39a)을 통해 각 에미터에 연결될 수 있다. 에미터들은 모두 병렬 연결될 수 있다. 다만, 앞의 실시예에서 연결부(41)가 부분 링 형상을 갖는 것으로 설명하지만, 본 실시예에서, 연결부(41)는 복수의 에미터들에 연결됨에 따라 부분 링 형상을 갖도록 형성되기는 어려우며, 도시한 바와 같이, 원형 개구부들(41a)을 형성하는 메쉬 형상을 가질 수 있다.
에미터 어레이를 갖는 VCSEL(200)의 제조 방법은 앞에서 설명한 VCSEL(100)의 제조 방법과 대체로 유사하므로 상세한 설명은 생략한다.
도 9a는 본 개시의 일 실시예에 따른 산화층 형성을 위한 산화홀들(29a)을 설명하기 위한 개략적인 평면도이고, 도 9b 내지 도 9d는 산화층 형성을 위한 홀들의 다양한 변형예들을 설명하기 위한 개략적인 평면도들이다.
도 9a를 참조하면, 산화홀들(29a)은 이온 주입에 의한 절연 영역(37)으로 둘러싸인 고립 영역 내에 형성된다. 앞서 설명한 실시예들에 도시한 바와 같이, 산화홀들(29a)은 원형 또는 타원형 형상을 갖도록 형성될 수 있다. 특히, 산화홀들(29a)은 6개가 형성될 수 있으며, 이들에 의해 애퍼쳐 형성층(29)에 대한 산화가 진행되어 산화층(29x)이 형성되고, 이들 산화층들(29x)에 의해 고립 영역 내에 윈도우층(29w)이 형성된다. 윈도우층(29w)은 대체로 원형 형상으로 형성된다.
산화홀들(29a)의 형상 및 배치는 다양하게 변형될 수 있다. 예를 들어, 도 9b에 도시한 바와 같이, 산화홀들(129a)이 정사각형 또는 직사각형 형상을 갖고 정육각형의 각 꼭지점에 대응하는 위치에 배치될 수 있다. 또한, 도 9c에 도시한 바와 같이, 산화홀들(129b)은 사각형 형상을 갖되, 고립 영역의 중심에 가까운 변이 오목하게 형성될 수 있다. 또한, 도 9d에 도시한 바와 같이, 8개의 산화홀들(129c)이 정팔각형의 각 꼭지점에 대응하는 위치에 배치될 수 있다.
한편, 원형 또는 타원형의 산화홀들(29a)은 사진 및 식각 기술을 이용하여 형성하기 쉽고 또한 그 위에 형성되는 상부 절연층(39)이나 연결부(41)의 안정성을 높일 수 있다. 그러나 본 개시가 산화홀들(29a)의 형상을 원형이나 타원형으로 한정하는 것은 아니며, 앞에서 설명한 바와 같은 사각형이나 또는 다른 형상으로 변형할 수도 있다.
이상에서, 본 개시의 다양한 실시예들에 대해 설명하였으나, 본 개시는 이들 실시예들에 한정되는 것은 아니다. 또한, 하나의 실시예에 대해서 설명한 사항이나 구성요소는 본 개시의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한, 다른 실시예에도 적용될 수 있다.

Claims (20)

  1. 수직 공동 표면 방출 레이저(VCSEL)에 있어서,
    하부 미러;
    상부 미러;
    상기 하부 미러와 상부 미러 사이에 개재된 활성층;
    상기 상부 미러와 상기 활성층 사이에 개재되며, 산화층과 상기 산화층으로 둘러싸인 윈도우층을 갖는 애퍼쳐 형성층; 및
    상기 상부 미러 및 애퍼쳐 형성층을 관통하는 복수의 산화홀들을 포함하고,
    상기 상부 미러는 이온 주입에 의해 형성된 절연 영역 및 상기 절연 영역으로 둘러싸인 고립 영역을 포함하고,
    상기 복수의 산화홀들은 상기 고립 영역 내에 배치된 수직 공동 표면 방출 레이저.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 이온 주입에 의해 형성된 절연 영역은 상기 상부 미러로부터 상기 하부 미러의 일부 두께에 이르도록 형성된 수직 공동 표면 방출 레이저.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 상부 미러 상에 배치된 오믹 콘택층을 더 포함하되,
    상기 오믹 콘택층은 원형 링 형상의 원형 부분과 상기 원형 부분의 바깥쪽으로 돌출된 돌출부들을 포함하는 수직 공동 표면 방출 레이저.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 원형 링 형상은 일부분이 절개된 부분 링 형상인 수직 공동 표면 방출 레이저.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 산화홀들은 상기 돌출부들 사이에 배치된 수직 공동 표면 방출 레이저.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 산화홀들은 각각 상기 돌출부들보다 작은 폭을 갖는 수직 공동 표면 방출 레이저.
  7. 청구항 4에 있어서,
    상기 오믹 콘택층 및 상부 미러를 덮는 표면 보호층 및 상기 표면 보호층 상에 배치된 상부 절연층을 더 포함하되,
    상기 산화홀들은 상기 표면 보호층을 관통하며,
    상기 상부 절연층은 상기 산화홀들을 덮는 수직 공동 표면 방출 레이저.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 상부 절연층 및 표면 보호층을 관통하여 상기 오믹 콘택층을 노출시키는 복수의 비아홀들을 더 포함하되,
    상기 비아홀들은 상기 돌출부들에 대응하여 배치된 수직 공동 표면 방출 레이저.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 상부 절연층 상에 배치된 패드 및 연결부를 더 포함하되,
    상기 패드는 상기 절연 영역 상부에 배치되고,
    상기 연결부는 상기 패드로부터 연장하여 상기 비아홀들을 통해 상기 오믹 콘택층에 전기적으로 접속하는 수직 공동 표면 방출 레이저.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 산화홀들은 원형 또는 사각형 형상을 갖는 수직 공동 표면 방출 레이저.
  11. 에미터 어레이를 갖는 수직 공동 표면 방출 레이저에 있어서,
    하부 미러;
    상부 미러;
    상기 하부 미러와 상부 미러 사이에 개재된 활성층;
    상기 상부 미러와 상기 활성층 사이에 개재되며, 산화층과 상기 산화층으로 둘러싸인 윈도우층을 갖는 애퍼쳐 형성층; 및
    상기 상부 미러 및 애퍼쳐 형성층을 관통하는 복수의 산화홀들을 포함하고,
    상기 상부 미러는 이온 주입에 의해 형성된 절연 영역 및 상기 절연 영역으로 둘러싸인 고립 영역을 포함하고,
    상기 에미터 어레이는 상기 고립 영역 내에 배치되며,
    상기 복수의 산화홀들은 각 에미터에 대응하여 배치되되, 상기 고립 영역 내에 배치된 수직 공동 표면 방출 레이저.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 이온 주입에 의해 형성된 절연 영역은 상기 상부 미러로부터 상기 하부 미러의 일부 두께에 이르도록 형성된 수직 공동 표면 방출 레이저.
  13. 청구항 11에 있어서,
    각 에미터에 대응하여 상기 상부 미러 상에 배치된 오믹 콘택층들을 더 포함하되,
    각각의 오믹 콘택층은 원형 링 형상의 원형 부분과 상기 원형 부분의 바깥쪽으로 돌출된 돌출부들을 포함하고,
    상기 산화홀들은 상기 돌출부들 사이에 배치된 수직 공동 표면 방출 레이저.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 원형 링 형상은 일부분이 절개된 부분 링 형상인 수직 공동 표면 방출 레이저.
  15. 청구항 13에 있어서,
    상기 산화홀들은 각각 상기 돌출부들보다 작은 폭을 갖는 수직 공동 표면 방출 레이저.
  16. 청구항 13에 있어서,
    상기 오믹 콘택층 및 상부 미러를 덮는 표면 보호층 및 상기 표면 보호층 상에 배치된 상부 절연층을 더 포함하되,
    상기 산화홀들은 상기 표면 보호층을 관통하며,
    상기 상부 절연층은 상기 산화홀들을 덮는 수직 공동 표면 방출 레이저.
  17. 청구항 16에 있어서,
    상기 상부 절연층 및 표면 보호층을 관통하여 상기 오믹 콘택층들을 노출시키는 복수의 비아홀들을 더 포함하되,
    상기 비아홀들은 상기 돌출부들에 대응하여 배치된 수직 공동 표면 방출 레이저.
  18. 청구항 17에 있어서,
    상기 상부 절연층 상에 배치된 패드 및 연결부를 더 포함하되,
    상기 패드는 상기 절연 영역 상부에 배치되고,
    상기 연결부는 상기 패드로부터 연장하여 상기 비아홀들을 통해 상기 오믹 콘택층들에 전기적으로 접속하는 수직 공동 표면 방출 레이저.
  19. 청구항 18에 있어서,
    상기 연결부는 각 에미터에 대응하는 원형 개구부를 포함하는 메쉬 형상을 갖는 수직 공동 표면 방출 레이저.
  20. 청구항 11에 있어서,
    상기 산화홀들은 원형 또는 사각형 형상을 갖는 수직 공동 표면 방출 레이저.
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Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11404848B2 (en) * 2018-12-24 2022-08-02 Seoul Viosys Co., Ltd. Vertical-cavity surface-emitting laser
US11581705B2 (en) * 2019-04-08 2023-02-14 Lumentum Operations Llc Vertical-cavity surface-emitting laser with dense epi-side contacts
JP2021153136A (ja) * 2020-03-24 2021-09-30 富士フイルムビジネスイノベーション株式会社 発光部品
US11831129B2 (en) * 2020-12-23 2023-11-28 Lumentum Operations Llc Vertical cavity surface emitting laser design with shorter oxidation length and/or larger number of trenches
CN113285353A (zh) * 2021-07-23 2021-08-20 华芯半导体研究院(北京)有限公司 减少via开窗刻蚀损伤的方法和vcsel芯片
US20230032341A1 (en) * 2021-07-27 2023-02-02 Fujifilm Business Innovation Corp. Light-emitting element array, optical device, optical measurement device, and method for manufacturing light-emitting element array

Family Cites Families (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5729566A (en) * 1996-06-07 1998-03-17 Picolight Incorporated Light emitting device having an electrical contact through a layer containing oxidized material
US6658040B1 (en) 2000-07-28 2003-12-02 Agilent Technologies, Inc. High speed VCSEL
US6990135B2 (en) * 2002-10-28 2006-01-24 Finisar Corporation Distributed bragg reflector for optoelectronic device
US7085301B2 (en) * 2002-07-12 2006-08-01 The Board Of Trustees Of The University Of Illinois Photonic crystal single transverse mode defect structure for vertical cavity surface emitting laser
US6813293B2 (en) * 2002-11-21 2004-11-02 Finisar Corporation Long wavelength VCSEL with tunnel junction, and implant
US7433381B2 (en) * 2003-06-25 2008-10-07 Finisar Corporation InP based long wavelength VCSEL
CN1315234C (zh) * 2004-02-17 2007-05-09 长春理工大学 垂直腔面发射半导体激光器制作中刻蚀环形分布孔法
JP2006278662A (ja) * 2005-03-29 2006-10-12 Nec Corp 光通信用光源
JP2008283028A (ja) 2007-05-11 2008-11-20 Fuji Xerox Co Ltd 面発光型半導体レーザ、面発光型半導体レーザの製造方法、モジュール、光源装置、情報処理装置、光送信装置、光空間伝送装置および光空間伝送システム。
JP5381180B2 (ja) * 2009-03-10 2014-01-08 富士ゼロックス株式会社 面発光型半導体レーザ、面発光型半導体レーザ装置、光送信装置および情報処理装置
CN101510666A (zh) * 2009-04-07 2009-08-19 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 垂直腔面发射半导体激光器制作中刻蚀非闭合环形沟槽法
US10749312B2 (en) * 2015-05-28 2020-08-18 Vixar, Inc. VCSELs and VCSEL arrays designed for improved performance as illumination sources and sensors
US9742153B1 (en) 2016-02-23 2017-08-22 Lumentum Operations Llc Compact emitter design for a vertical-cavity surface-emitting laser
US9917419B2 (en) * 2016-06-26 2018-03-13 Vi Systems Gmbh Low capacitance optoelectronic device
US9929536B1 (en) * 2017-06-15 2018-03-27 Truelight Corporation Structure of VCSEL and method for manufacturing the same
US10666020B2 (en) * 2017-09-20 2020-05-26 Lumentum Operations Llc Reconfigurable emitter array
US11404848B2 (en) * 2018-12-24 2022-08-02 Seoul Viosys Co., Ltd. Vertical-cavity surface-emitting laser

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