KR20210130136A - 수직 공동 표면 방출 레이저 소자 - Google Patents

수직 공동 표면 방출 레이저 소자 Download PDF

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KR20210130136A
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Abstract

일 실시예에 따른 수직 공동 표면 방출 레이저 소자는, 하부 미러; 상기 하부 미러 상부에 배치된 상부 미러; 상기 하부 미러와 상부 미러 사이에 배치된 활성 영역; 상기 활성 영역과 상기 하부 미러 사이에 배치된 하부 n형 클래딩층; 상기 활성 영역과 상기 상부 미러 사이에 배치된 상부 n형 클래딩층; 상기 활성 영역과 상기 상부 n형 클래딩층 사이에 배치된 고농도 도핑된 p형 반도체층; 및 상기 고농도 도핑된 p형 반도체층과 상기 상부 n형 클래딩층 사이에 배치되어 상기 고농도 도핑된 p형 반도체층과 터널 접합을 형성하는 고농도 도핑된 n형 반도체층을 포함한다.

Description

수직 공동 표면 방출 레이저 소자
본 개시는 수직 공동 표면 방출 레이저 소자에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 고효율 및 저저항 수직 공동 표면 방출 레이저 소자에 관한 것이다.
수직 공동 표면 방출 레이저 소자는 단/중거리 통신용 광원으로 활용되고 있다. 특히, 수직 공동 표면방출 레이저는 높은 광섬유 커플링 효율(fiber-coupling efficiency), 낮은 레이저 제작 비용, 낮은 실장 비용, 및 저전력의 광원 효율(low electrical power consumption)을 가지며, 2차원 어레이(two-dimensional array)를 형성할 수 있는 특성으로 인하여 차세대 광통신 및 신호 처리용 광원으로 그 사용이 확대되고 있다.
수직 공동 표면 방출 레이저 소자는 엣지형(edge type) 레이저 소자와 달리 기판 면에 수직한 방향으로 전류가 흐르기 때문에, 전류가 흐르는 영역을 좁게 제한할 필요가 있다. 이를 위해 레이저 영역을 포스트로 만들거나 이온 주입을 통해 절연 영역을 형성하여 레이저 영역을 한정하는 방법이 사용되고 있으며, 나아가 산화막을 형성하여 전류 통과 영역인 애퍼처(aperture)를 한정하는 방법이 주로 사용되고 있다.
한편, 수직 공동 표면 방출 레이저 소자는 n형 콘택층 및 p형 콘택층 사이에 활성 영역을 포함한다. n형 콘택층 및 p형 콘택층에 전극이 형성되어 전류가 주입되면, 활성 영역에서 광이 생성된다. 활성 영역에서 생성된 광은 하부 미러와 상부 미러 사이에서 증폭되어 어느 하나의 미러를 통해 외부로 방출된다. 이에 따라, 레이저 빔은 하부 미러와 상부 미러 사이에 배치된 다양한 반도체층들을 통과하게 된다.
그런데, n형 콘택층을 포함하는 n형 반도체 영역과 p형 콘택층을 포함하는 p형 반도체 영역은 도전형의 차이에 기인하여 활성 영역에서 생성된 열이 균일하게 방출되지 못한다. 특히, p형 반도체 영역은 일반적으로 n형 반도체 영역보다 낮은 전도율을 갖기 때문에 p형 반도체 영역을 통한 열 방출이 좋지 않다. 이 때문에, p형 반도체 영역을 통해 주로 열이 방출되어야 하는 레이저 구조에서 열 방출이 문제가 될 수 있다.
나아가, p형 반도체 영역에 도핑된 p형 도펀트들은 n형 도펀트들에 비해 광을 더 잘 흡수하기 때문에, p형 반도체 영역에 의한 광 손실이 크게 발생한다. 나아가, 전극과 p형 콘택층 사이의 접촉 저항은 일반적으로 전극과 n형 콘택층 사이의 접촉 저항에 비해 상당히 높기 때문에, 레이저 소자의 순방향 전압을 증가시킨다.
본 개시의 실시예들은 접촉 저항을 줄일 수 있는 수직 공동 표면 방출 레이저 소자를 제공한다.
본 개시의 실시예들은 하부 미러와 상부 미러 사이에서 p형 도펀트에 의해 발생되는 광 손실을 줄일 수 있는 수직 공동 표면 방출 레이저 소자를 제공한다.
본 개시의 실시예들은 p형 반도체 영역을 통한 열 방출 성능을 개선한 수직 공동 표면 방출 레이저 소자를 제공한다.
본 개시의 일 실시예에 따른 수직 공동 표면 방출 레이저 소자는, 하부 미러; 상기 하부 미러 상부에 배치된 상부 미러; 상기 하부 미러와 상부 미러 사이에 배치된 활성 영역; 상기 활성 영역과 상기 하부 미러 사이에 배치된 하부 n형 클래딩층; 상기 활성 영역과 상기 상부 미러 사이에 배치된 상부 n형 클래딩층; 상기 활성 영역과 상기 상부 n형 클래딩층 사이에 배치된 고농도 도핑된 p형 반도체층; 및 상기 고농도 도핑된 p형 반도체층과 상기 상부 n형 클래딩층 사이에 배치되어 상기 고농도 도핑된 p형 반도체층과 터널 접합을 형성하는 고농도 도핑된 n형 반도체층을 포함한다.
터널 접합을 이용함으로써 p형 콘택층 대신 n형 콘택층을 사용할 수 있어, 방열 성능을 향상시킬 수 있으며, 광 손실 및 저항을 감소시킬 수 있는 수직 공동 표면 방출 레이저 소자를 제공할 수 있다.
도 1은 본 개시의 일 실시예에 따른 수직 공동 표면 방출 레이저 소자를 설명하기 위한 개략적인 평면도이다.
도 2는 도 1의 절취선 A-A를 따라 취해진 개략적인 단면도이다.
도 3 내지 도 9는 본 개시의 일 실시예에 따른 수직 공동 표면 방출 레이저 소자를 제조하는 방법을 설명하기 위한 개략적인 단면도들이다.
도 10은 본 개시의 또 다른 실시예에 따른 수직 공동 표면 방출 레이저 소자를 설명하기 위한 개략적인 단면도이다.
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 소자는, 하부 미러; 상기 하부 미러 상부에 배치된 상부 미러; 상기 하부 미러와 상부 미러 사이에 배치된 활성 영역; 상기 활성 영역과 상기 하부 미러 사이에 배치된 하부 n형 클래딩층; 상기 활성 영역과 상기 상부 미러 사이에 배치된 상부 n형 클래딩층; 상기 활성 영역과 상기 상부 n형 클래딩층 사이에 배치된 고농도 도핑된 p형 반도체층; 및 상기 고농도 도핑된 p형 반도체층과 상기 상부 n형 클래딩층 사이에 배치되어 상기 고농도 도핑된 p형 반도체층과 터널 접합을 형성하는 고농도 도핑된 n형 반도체층을 포함한다.
터널 접합을 이용함과 아울러 p형 클래딩층 대신 n형 클래딩층을 사용하기 때문에, 레이저 소자의 방열 성능을 향상시킬 수 있으며, p형 클래딩층에 의한 광 손실 및 저항을 감소시킬 수 있다.
본 명세서에서, "고농도 도핑"은 n형 또는 p형 불순물 도핑 농도가 1E19/㎤ 이상인 도핑을 의미하며, p++ 또는 n++로 표시된다.
한편, 상기 고농도 도핑된 p형 반도체층은 p++ InAlAs 또는 p++ InAlGaAs을 포함할 수 있다.
나아가, 상기 고농도 도핑된 n형 반도체층은 n++ InP, n++ InAlGaAs 또는 n++ InAlAs을 포함할 수 있다.
상기 고농도 도핑된 n형 반도체층 및 p형 반도체층은 각각 2E19/㎤ 내지 5E19/㎤ 범위 내의 도핑 농도를 가질 수 있다.
상기 레이저 소자는 상기 활성 영역과 상기 고농도 도핑된 p형 반도체층 사이에 배치된 식각 정지층을 더 포함할 수 있다. 식각 정지층은 상기 고농도 도핑된 p형 반도체층을 습식 식각하는 동안 활성 영역을 보호한다.
상기 식각 정지층은 p형 InP를 포함할 수 있다.
한편, 상기 활성 영역은 장벽층들 및 상기 장벽층들 사이에 배치된 우물층을 포함할 수 있으며, 상기 장벽층들 및 우물층은 InAlGaAs 계열의 반도체를 포함할 수 있다.
상기 레이저 소자는 또한 상기 활성 영역에 접하여 상기 활성 영역의 양측에 배치된 InAlGaAs 계열의 스페이서층들을 더 포함할 수 있다. 상기 스페이서층들에 의해 SCH(separate confinement heterostructure)를 형성할 수 있다.
상기 하부 및 상부 n형 클래딩층은 각각 n형 콘택층을 포함할 수 있다.
상기 n형 콘택층은 5E18/㎤ 내지 1E19/㎤ 범위 내의 도핑 농도를 갖는 n+ InP를 포함할 수 있다.
나아가, 레이저 소자는 상기 하부 n형 클래딩층 및 상부 n형 클래딩층에 각각 접속된 하부 오믹 콘택층 및 상부 오믹 콘택층을 더 포함할 수 있다.
상기 하부 및 상부 오믹 콘택층은 AuGe를 포함할 수 있다.
하부 및 상부 오믹 콘택층이 AuGe를 포함하므로, 이들 오믹 콘택층들을 동일 공정에서 함께 형성할 수 있어 제조 공정을 단순화할 수 있다.
한편, 상기 레이저 소자는 상기 상부 n형 클래딩층과 상기 상부 오믹 콘택층 사이에 부분적으로 위치하여, 상기 상부 오믹 콘택층의 바깥쪽 가장자리를 상기 상부 n형 클래딩층으로부터 이격시키는 절연층을 더 포함할 수 있다.
상기 상부 오믹 콘택층의 바깥쪽 가장자리 아래에 절연층을 배치함으로써 레이저 소자의 전기적 안정성을 향상시킬 수 있다.
한편, 상기 하부 미러는 InAlAs과 InAlGaAs을 반복 적층하여 형성된 분포 브래그 반사기일 수 있으며, 상기 상부 미러는 서로 다른 굴절률을 갖는 유전층들을 반복 적층하여 형성된 분포 브래그 반사기일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 레이저 소자는, 상기 하부 n형 클래딩층을 노출시키는 링 형상의 트렌치; 및 상기 트렌치로 둘러싸인 메사를 포함할 수 있으며, 상기 메사는, 상기 활성 영역, 상기 고농도 도핑된 p형 반도체층 및 n형 반도체층, 상기 상부 n형 클래딩층을 포함하고, 상기 상부 미러는 상기 메사 상에서 상기 상부 n형 클래딩층 상에 배치될 수 있다.
나아가, 상기 레이저 소자는, 상기 상부 미러 주위를 따라 링 형상으로 배치되어 상기 상부 n형 클래딩층에 오믹 콘택하는 상부 오믹 콘택층; 및 상기 트렌치를 통해 노출된 상기 하부 n형 클래딩층에 오믹 콘택하는 하부 오믹 콘택층을 더 포함할 수 있다. 또한, 상기 레이저 소자는 상기 상부 미러를 덮는 금속 반사층을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 레이저 소자는 상기 하부 오믹 콘택층 및 상기 금속 반사층에 각각 전기적으로 접속하는 제1 전극 패드 및 제2 전극 패드를 더 포함할 수 있다.
상기 레이저 소자는 상기 트렌치의 측벽 및 바닥을 덮되, 상기 하부 오믹 콘택층 및 상기 금속 반사층을 노출시키는 개구부들을 갖는 상부 절연층을 더 포함할 수 있으며, 상기 제1 및 제2 전극 패드들은 상기 상부 절연층 상에 배치되고, 상기 개구부들을 통해 상기 하부 오믹 콘택층 및 상기 금속 반사층에 각각 전기적으로 접속할 수 있다.
한편, 상기 레이저 소자는 상기 하부 미러 아래에 배치된 InP 기판을 더 포함할 수 있으며, 상기 기판을 통해 레이저 빔이 방출될 수 있다.
도 1은 본 개시의 일 실시예에 따른 수직 공동 표면 방출 레이저 소자를 설명하기 위한 개략적인 평면도이고, 도 2는 도 1의 절취선 A-A를 따라 취해진 개략적인 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 상기 레이저 소자는 기판(21), 버퍼층(23), 하부 미러(25), 하부 n형 클래딩층(27), 하부 스페이서층(29), 활성 영역(31), 상부 스페이서층(33), 식각 정지층(35), 고농도 도핑된 p형 반도체층(37), 고농도 도핑된 n형 반도체층(39), 상부 n형 클래딩층(41), 하부 절연층(43), 하부 오믹 콘택층(45a), 상부 오믹 콘택층(45b), 상부 미러(47), 금속 반사층(49), 상부 절연층(51), 제1 전극 패드(53a), 제2 전극 패드(53b) 및 반사 방지층(55)을 포함할 수 있다.
기판(21)은 레이저 소자를 지지한다. 기판(21)은 활성 영역(31)에서 생성된 광을 투과시킬 수 있는 투명 기판으로, 예컨대 InP 기판일 수 있다. 기판(21)은 반절연(semi-insulating) 기판일 수 있으며, 이를 위해, Fe가 카운터 도핑될 수 있다. 기판(21)은 예를 들어 약 100 내지 150 um 범위 내의 두께를 가질 수 있다.
버퍼층(23)은 기판(21) 표면을 덮어 그 위에 성장되는 반도체층의 결정성을 향상시킨다. 버퍼층(23)은 예컨대 도핑되지 않은 InP로 형성될 수 있다. 버퍼층(23)은 InP 기판(21) 상에 형성되는 InAlGaAs 및 InAlAs 등의 화합물 반도체의 결정성을 향상시킨다.
하부 미러(25)는 굴절률이 서로 다른 화합물 반도체층들을 교대로 적층한 분포 브래그 반사기(DBR)로 형성될 수 있다. 각 반도체층은 대략 각 반도체층 내에서의 발진 파장의 1/4의 두께로 형성될 수 있다.
이들 화합물 반도체층들은 결정성을 좋게 하고 광 손실을 방지하기 위해 도핑되지 않고 형성될 수 있다. 하부 미러(25)는 예를 들어, InyAlxGa1-x-yAs/InzAlwGa1-w-yAs (0 < x, y, z, w < 1))으로 형성될 수 있다. 일 실시예에서, 하부 미러(25)의 형성을 용이하게 하기 위히, In의 조성비를 일정하게 하고, Al과 Ga의 조성비를 조절하여 굴절률이 서로 다른 층들을 교대로 형성할 수 있다. 예컨대, In0.52Al0.15Ga0.33As과 In0.52Al0.48As을 교대로 적층하여 하부 미러(25)를 형성할 수 있다.
한편, 하부 미러(25)의 반사율을 높이기 위해, 하부 미러(25)의 첫번째 및 마지막층으로는 하부 미러(25)와 접하는 층들보다 굴절률 차이가 상대적으로 높은 층이 선택된다. 예를 들어, 버퍼층(23) 및 하부 n형 클래딩층(27)이 InP(굴절률: 약 3.170)로 형성된 경우, InAlAs보다 굴절률이 상대적으로 높은 InAlGaAs층이 반사 미러(25)의 첫번째 및 마지막에 배치될 수 있다.
하부 n형 클래딩층(27)은 n형 콘택층을 포함한다. n형 콘택층은 하부 n형 클래딩층(27)의 상면을 형성한다. 한편, 하부 n형 클래딩층(27)은 또한 하부 미러(25)과 n형 콘택층 사이에 위치하는 저농도 도핑층을 포함할 수 있다. 하부 n형 클래딩층(27)은 n형 불순물, 예컨대 Si으로 도핑된 InP로 형성될 수 있다. n형 콘택층은 예컨대 5E18/㎤~1E19/㎤의 도핑 농도를 가질 수 있으며, 저농도 도핑층은 1E18/㎤~2E18/㎤의 도핑 농도를 가질 수 있다. 하부 n형 클래딩층(27)은 활성 영역(31)에서 생성되는 광의 파장의 1/4의 정수배로 형성될 수 있으며, 예컨대, 2.5λ로 형성될 수 있다.
한편, 활성 영역(31)은 하부 n형 클래딩층(27) 상에 배치된다. 활성 영역(31)은 단일 양자우물 구조 또는 다중 양자우물 구조로 형성될 수 있으며, 장벽층들과 적어도 하나의 우물층을 포함한다. 활성 영역(31)은 예를 들어, 7개의 우물층들을 포함하는 다중 양자우물 구조로 형성될 수 있다. 장벽층들 및 우물층들은 InAlGaAs 계열의 화합물 반도체로 도핑 없이 형성될 수 있다. 또한, 장벽층은 인장 변형되고, 우물층은 압축변형될 수 있다.
한편, 하부 및 상부 스페이서층들(29, 33)은 활성 영역(31)의 윗면 및 아래 면에 각각 배치될 수 있다. 하부 스페이서층(29) 및 상부 스페이서층(33)은 InAlGaAs 계열의 화합물 반도체로 형성될 수 있으며, SCH(separate confinement heterostructure)를 형성하기 위해 채택된다.
식각 정지층(35)은 고농도 도핑된 p형 반도체층(37)을 습식 식각할 때, 활성 영역(31)이 손상되는 것을 방지한다. 식각 정지층(35)은 예를 들어, p형 InP로 형성될 수 있으며, 약 1E18/㎤~2E18/㎤의 농도로 도핑될 수 있다. p형 불순물로는 예를 들어, Zn이 사용될 수 있다.
고농도 도핑된 p형 반도체층(37)은 식각 정지층(35) 상에 배치된다. 고농도 도핑된 p형 반도체층(37)은 p형 불순물로 예컨대 탄소(C)를 포함할 수 있으며, 예를 들어 2E19/㎤~5E19/㎤의 도핑 농도를 가질 수 있다. 고농도 도핑된 p형 반도체층(37)은 전류의 흐름을 제한하는 애퍼쳐(37a)를 형성할 수 있으며, 따라서, 애퍼쳐 형성층으로 지칭될 수도 있다. 애퍼쳐(37a)를 형성하기 위해, 고농도 도핑된 p형 반도체층(37)은 예를 들어 p++ InAlAs 또는 p++ InAlGaAs을 포함할 수 있다.
한편, 고농도 도핑된 n형 반도체층(39)은 고농도 도핑된 p형 반도체층(37)에 터널 접합한다. 이에 따라, 고농도 도핑된 n형 반도체층(39)과 고농도 도핑된 p형 반도체층(37)을 포함하는 터널 접합층(40)이 형성될 수 있다. 예를 들어, 고농도 도핑된 n형 반도체층(39)은 n++ InP를 포함할 수 있다. 고농도 도핑된 n형 반도체층(39)은 n++ InAlGaAs 또는 n++ InAlAs를 포함할 수 있으나, 이에 대해서는 도 10을 참조하여 뒤에서 다시 설명한다. 고농도 도핑된 n형 반도체층(39)은 n형 불순물로 예컨대 Si을 포함할 수 있으며, 예를 들어 2E19/㎤~5E19/㎤의 도핑 농도를 가질 수 있다.
상부 n형 클래딩층(41)은 n형 콘택층을 포함할 수 있다. n형 콘택층은 예를 들어, 5E18/㎤~1E19/㎤의 Si 도핑 농도를 가질 수 있다. 한편, 상부 n형 클래딩층(41)은 n형 콘택층과 고농도 도핑된 n형 반도체층(37) 사이에 저농도 도핑층을 가질 수 있으며, 저농도 도핑층은 예를 들어, 1E18/㎤~2E18/㎤의 Si 도핑 농도를 가질 수 있다. 상부 n형 클래딩층(41)은 활성 영역(31)에서 생성되는 광의 파장의 1/4의 정수배로 형성될 수 있으며, 예컨대, 2.75λ로 형성될 수 있다.
한편, 상부 n형 클래딩층(41), 고농도 도핑된 n형 반도체층(39), 고농도 도핑된 p형 반도체층(37), 식각 정지층(35), 스페이서층들(33, 29) 및 활성 영역(31)을 통해 하부 n형 클래딩층(27)을 노출시키는 트렌치(T)가 형성될 수 있다. 트렌치(T)는 메사(M)를 둘러싸는 링 형상으로 형성될 수 있다.
메사(M) 내에서, 고농도 도핑된 p형 반도체층(37)의 측면이 리세스되어 애퍼쳐(37a) 가 형성된다. 애퍼쳐(37a)는 식각 정지층(35)보다 좁은 면적을 가지며, 나아가, 고농도 도핑된 n형 반도체층(37)보다 좁은 면적을 가질 수 있다.
고동도 도핑된 p형 반도체층(37)이 리세스되어 형성된 에어 갭은 하부 절연층(43)으로 채워질 수 있다. 즉, 하부 절연층(43)은 애퍼쳐(37a)를 둘러싸서 전류가 애퍼쳐(37a)에 한정되어 흐르도록 한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 활성 영역(31) 및/또는 스페이서층들(29, 33)도 리세스될 수 있으며, 하부 절연층(43)이 활성 영역(31) 및/또는 스페이서층들(29, 33)의 리세스된 영역도 채울 수 있다. 다만, 활성 영역(31) 및/또는 스페이서층들(29, 33)의 리세스는 고농도 도핑된 p형 반도체층(37)보다 작게 조절된다.
하부 절연층(43)은 원자층 증착 기술을 사용하여 형성될 수 있으며, 예를 들어, Al2O3 또는 AlN 등으로 형성될 수 있다. 도 2에 도시한 바와 같이, 하부 절연층(43)은 메사(M)의 측벽 전체를 덮을 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 메사(M)의 측벽을 노출시키도록 형성될 수도 있다.
하부 오믹 콘택층(45a)은 트렌치(T)를 통해 노출된 하부 n형 클래딩층(27) 상에 배치될 수 있다. 하부 오믹 콘택층(45a)은 하부 n형 클래딩층(27)에 오믹 콘택할 수 있다. 하부 오믹 콘택층(45a)은 도 1에 도시한 바와 같이, 메사(M) 둘레를 따라 개방된 링 형상으로 형성될 수 있다.
한편, 상부 오믹 콘택층(45b)은 메사(M) 상에서 상부 n형 클래딩층(41)에 오믹 콘택한다. 상부 오믹 콘택층(45b)은 링 형상으로 배치될 수 있다. 나아가, 상기 상부 오믹 콘택층(45b)의 바깥쪽 가장자리는 도 2에 도시한 바와 같이 하부 절연층(43)에 의해 상부 n형 클래딩층(41)으로부터 이격될 수 있다. 이에 따라, 상부 오믹 콘택층(45b)이 열처리를 하는 동안 메사(M)의 측면으로 이동하여 전기적 단락이 발생되는 것을 방지할 수 있다.
하부 및 상부 오믹 콘택층(45a, 45b)은 서로 다른 금속층으로 형성될 수 있다. 본 실시예에서, 하부 및 상부 클래딩층들(27, 41)이 모두 n형 반도체층이므로, 하부 및 상부 오믹 콘택층(45a, 45b)은 동일한 콘택층, 예컨대 AuGe를 포함할 수 있다. 예를 들어, 하부 및 상부 오믹 콘택층(45a, 45b)은 AuGe/Ni/Au로 형성될 수 있다.
상부 미러(47)는 메사(M) 상에 배치된다. 상부 미러(47)는 상부 오믹 콘택층(45b)으로 둘러싸인 영역 내에 형성될 수 있다. 특히, 상부 미러(47)는 애퍼쳐(37a)를 덮어 애퍼쳐(37a)를 통해 입사되는 광을 반사시킨다.
상부 미러(47)는 반도체나 유전체의 DBR로 형성될 수 있다. 상부 미러(47)는 예를 들어, InAlGaAs 계열의 반도체층들, InP와 InAlGaAs 계열의 반도체층, 타이타늄 산화막과 규소 산화막, 규소와 규소산화막, 규소와 타이타늄산화막 등으로 형성될 수 있다.
상부 미러(47)는 하부 미러(25)보다 더 높은 반사율을 가지며, 따라서, 상부 미러(47)와 하부 미러(25) 사이에서 생성된 레이저(L)는 도 2에 화살표로 도시된 바와 같이 하부 미러(25)를 통해 외부로 방출된다.
한편, 금속 반사층(49)은 상부 미러(47)를 덮어 상부 미러(47)의 반사율을 증가시킨다. 금속 반사층(49)은 예를 들어, Ti/Au로 형성될 수 있다. 금속 반사층(49)은 상부 오믹 콘택층(45b)에 전기적으로 접속할 수 있다.
상부 절연층(51)은 상부 n형 클래딩층(41)을 덮고, 트렌치(T) 내벽을 덮는다. 상부 절연층(51)은 또한 하부 오믹 콘택층(45a)을 덮을 수 있다. 다만, 상부 절연층(51)은 하부 오믹 콘택층(45a)을 노출시키는 개구부(51a)를 가질 수 있다. 나아가, 상부 절연층(51)은 하부 오믹 콘택층(45a)에 전기적 접속을 허용하도록 금속 반사층(49)을 노출시킬 수 있다.
제1 및 제2 전극 패드들(53a, 53b)이 상부 절연층(51) 상에 배치된다. 제1 전극 패드(53a)는 개구부(51a)를 통해 노출된 하부 오믹 콘택층(45a)에 전기적으로 접속할 수 있으며, 제2 전극 패드(53b)는 상부 오믹 콘택층(45b)에 전기적으로 접속할 수 있다. 도시한 바와 같이, 제2 전극 패드(53b)는 금속 반사층(49)에 접속되어 상부 오믹 콘택층(45b)에 전기적으로 접속할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 제2 전극 패드(53b)가 직접 상부 오믹 콘택층(45b)에 접속할 수도 있다.
한편, 반사 방지층(55)이 기판(21)의 하면에 형성된다. 반사 방지층(55)은 레이저(L)가 기판(21)을 통해 방출될 때, 기판(21)의 표면에서 반사되는 것을 방지한다.
본 실시예에 따르면, 고농도 도핑된 p형 반도체층(37)과 고농도 도핑된 n형 반도체층(39)을 이용하여 터널 접합층(40)을 형성함으로써, 상부 클래딩층(41)을 n형 반도체층으로 형성할 수 있다. 따라서, 하부 n형 클래딩층(27) 및 상부 n형 클래딩층(41)을 동일한 도전형의 동일 재료로 형성할 수 있어, 열 방출 효율을 향상시킬 수 있다.
나아가, 종래의 p형 콘택층 대신 n형 콘택층을 사용할 수 있어, p형 반도체에 의해 발생되는 광 손실을 방지할 수 있으며, 저항을 감소시킬 수 있다.
도 3 내지 도 9는 본 개시의 일 실시예에 따른 수직 공동 표면 방출 레이저 소자를 제조하는 방법을 설명하기 위한 개략적인 단면도들이다.
우선, 도 3을 참조하면, 기판(21) 상에 버퍼층(23), 하부 미러(25), 하부 n형 클래딩층(27), 하부 스페이서층(29), 활성 영역(31), 상부 스페이서층(33), 식각 정지층(35), 고농도 도핑된 p형 반도체층(37), 고농도 도핑된 n형 반도체층(39), 및 상부 n형 클래딩층(41)이 형성된다. 이들 층들은 예컨대 금속 유기화학 기상 성장법을 이용하여 차례로 형성될 수 있다.
기판(21)은 반절연 InP 기판일 수 있으며, 버퍼층(23)은 언도프트 InP로 형성될 수 있다. 한편, 하부 n형 클래딩층(27)은 n형 콘택층을 포함하며, 상부 n형 클래딩층(41) 또한, n형 콘택층을 포함한다. 또한, 고농도 도핑된 p형 반도체층(37)과 고농도 도핑된 n형 반도체층(39)은 터널 접합층(40)을 형성한다. 각각의 층들에 대해서는 앞서 설명한 바와 동일하므로, 중복을 피하기 위해 상세한 설명은 생략한다.
도 4를 참조하면, 상부 n형 클래딩층(41), 고농도 도핑된 n형 반도체층(39), 고농도 도핑된 p형 반도체층(37), 식각 정지층(35), 스페이서층들(33, 29) 및 활성 영역(31)을 통해 하부 n형 클래딩층(27)을 노출시키는 트렌치(T)가 형성된다. 트렌치(T)는 메사(M)를 둘러싸는 링 형상으로 형성될 수 있다.
도 5를 참조하면, 습식 식각 기술을 이용하여 고농도 도핑된 p형 반도체층(37)의 측면을 식각한다. 이에 따라, 고농도 도핑된 p형 반도체층(37)이 트렌치(T)로부터 리세스되어 에어갭(37b)으로 둘러싸인 애퍼쳐(37a)가 형성된다.
습식 식각하는 동안, 스페이서층들(29, 33) 및 활성 영역(31)의 측면들도 리세스될 수 있다. 다만, 스페이서층들(29, 33) 및 활성 영역(31)은 고농도 도핑된 p형 반도체층(37)보다 적게 리세스된다.
도 6을 참조하면, 원자층 증착(ALD) 기술을 사용하여 하부 절연층(43)을 형성한다. 예컨대, 150 내지 400℃의 온도에서 Al2O3 또는 AlN 등의 절연층이 원자층 증착 기술로 증착될 수 있다. 하부 절연층(43)은 리세스된 영역들을 채우며, 트렌치(T)의 바닥 및 측벽과, 상부 n형 클래딩층(41)의 상면을 덮을 수 있다. 하부 절연층(43)은 또한 에어갭(37b)을 채워 애퍼쳐(37a)를 둘러싼다.
이어서, 사진 및 식각 기술을 이용하여 상부 n형 클래딩층(41) 및 하부 n형 클래딩층(27) 상에 형성된 하부 절연층(43)을 제거한다. 이에 따라, 하부 절연층(43)은 고농도 도핑된 p형 반도체층(37)의 리세스 영역을 채우며, 메사(M)의 측벽을 덮을 수 있다. 나아가, 하부 절연층(43)의 일부는 메사(M)의 가장자리를 따라, 상부 n형 클래딩층(41)의 상면을 부분적으로 덮을 수 있다.
도 7을 참조하면, 메사(M) 상에 상부 미러(47)를 형성한다. 상부 미러(47)는 굴절률이 서로 다른 층들이 교대로 적층된 구조를 가질 수 있다. 예를 들어, 반도체층 또는 유전층들을 이용하여 상부 미러(47)를 형성할 수 있다.
한편, 트렌치(T)를 통해 노출된 하부 n형 클래딩층(27) 및 상부 미러(47) 주위에 노출된 상부 n형 클래딩층(41) 상에 각각 하부 오믹 콘택층(45a) 및 상부 오믹 콘택층(45b)이 형성된다. 본 실시예에 있어서, 하부 오믹 콘택층(45a) 및 상부 오믹 콘택층(45b)은 동일 공정에서 동일 재료로 함께 형성될 수 있다.
하부 오믹 콘택층(45a)은 메사(M)를 둘러싸는 개방된 링 형상으로 형성될 수 있다. 상부 오믹 콘택층(45b)은 상부 미러(47)를 둘러싸는 링 형상으로 형성될 수 있으며, 바깥쪽 가장자리가 하부 절연층(43) 상에 위치할 수 있다.
본 실시예에서, 상부 미러(47)를 먼저 형성한 후에 오믹 콘택층들(45a, 45b)을 형성하는 것으로 설명하지만, 오믹 콘택층들(45a, 45b)을 먼저 형성하고 상부 미러(47)를 형성할 수도 있다. 다른 실시예에서, 상부 미러(47)는 트렌치(T)를 형성하기 전에 상부 n형 클래딩층(41) 상에 먼저 형성될 수도 있다.
한편, 금속 반사층(49)이 상부 미러(47) 상에 형성된다. 금속 반사층(49)은 활성 영역(31)에서 생성된 광을 반사시키는 금속층으로 형성되며, 예를 들어, Ti/Au로 형성될 수 있다.
도 8을 참조하면, 상부 절연층(51)이 형성된다. 상부 절연층(51)은 상부 n형 클래딩층(41), 금속 반사층(49) 및 트렌치(T)의 내벽 및 바닥을 덮도록 형성될 수 있다. 그 후, 사진 및 식각 기술을 이용하여 하부 오믹 콘택층(45a) 및 금속 반사층(49)을 노출시키도록 상부 절연층(51)이 패터닝될 수 있다. 도 8에 도시된 바와 같이, 하부 오믹 콘택층(45a) 상에 개구부(51a)가 형성될 수 있으며, 금속 반사층(47)의 적어도 일부가 노출될 수 있다.
도 9를 참조하면, 상부 절연층(51) 상에 제1 전극 패드(53a) 및 제2 전극 패드(53b)가 형성된다. 제1 전극 패드(53a)는 개구부(51a)를 통해 하부 오믹 콘택층(45a)에 전기적으로 접속하며, 제2 전극 패드(53b)는 금속 반사층(49)에 전기적으로 접속할 수 있다. 제1 및 제2 전극 패드들(53a, 53b)은 예컨대 Ti/Pt/Au로 형성될 수 있다.
한편, 기판(21) 하부면을 연마하여 기판(21)의 두께를 감소시킨 후, 반사 방지층(55)이 형성될 수 있다.
그 후, 기판(21)은 개별 소자 단위로 분할될 수 있으며, 이에 따라, 도 1에 도시된 바와 같은 레이저 소자(100)가 완성된다.
도 10은 본 개시의 또 다른 실시예에 따른 수직 공동 표면 방출 레이저 소자를 설명하기 위한 개략적인 단면도이다.
도 10을 참조하면, 본 실시예에 따른 레이저 소자는 도 1 및 도 2를 참조하여 설명한 레이저 소자(100)와 대체로 유사하나, 고농도 도핑된 n형 반도체층(39)도 고농도 도핑된 p형 반도체층(37)과 유사하게 리세스되어 애퍼쳐(37a)를 형성하는 것에 차이가 있다.
고농도 도핑된 n형 반도체층(39)도 고농도 도핑된 p형 반도체층(37)과 유사하게 As을 포함하는 반도체, 예컨대, n++ InAlGaAs 또는 n++ InAlAs을 포함할 수 있으며, 따라서, 고농도 도핑된 p형 반도체층(37)을 습식 식각하는 동안 함께 식각될 수 있다.
고농도 도핑된 n형 반도체층(39) 및 고농도 도핑된 p형 반도체층(37)의 리세스된 영역은 하부 절연층(43)으로 채워질 수 있다.
본 실시예에 따르면, 애퍼쳐(37a)의 높이를 증가시킬 수 있어, 전류를 애퍼쳐(37a) 영역에 더욱 집중시킬 수 있다.

Claims (20)

  1. 하부 미러;
    상기 하부 미러 상부에 배치된 상부 미러;
    상기 하부 미러와 상부 미러 사이에 배치된 활성 영역;
    상기 활성 영역과 상기 하부 미러 사이에 배치된 하부 n형 클래딩층;
    상기 활성 영역과 상기 상부 미러 사이에 배치된 상부 n형 클래딩층;
    상기 활성 영역과 상기 상부 n형 클래딩층 사이에 배치된 고농도 도핑된 p형 반도체층; 및
    상기 고농도 도핑된 p형 반도체층과 상기 상부 n형 클래딩층 사이에 배치되어 상기 고농도 도핑된 p형 반도체층과 터널 접합을 형성하는 고농도 도핑된 n형 반도체층을 포함하는 수직 공동 표면 방출 레이저 소자.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 고농도 도핑된 p형 반도체층은 p++ InAlAs 또는 p++ InAlGaAs을 포함하는 수직 공동 표면 방출 레이저 소자.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 고농도 도핑된 n형 반도체층은 n++ InP, n++ InAlGaAs 또는 n++ InAlAs을 포함하는 수직 공동 표면 방출 레이저 소자.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 고농도 도핑된 n형 반도체층 및 p형 반도체층은 각각 2E19/㎤ 내지 5E19/㎤ 범위 내의 도핑 농도를 갖는 수직 공동 표면 방출 레이저 소자.
  5. 청구항 2에 있어서,
    상기 활성 영역과 상기 고농도 도핑된 p형 반도체층 사이에 배치된 식각 정지층을 더 포함하는 수직 공동 표면 방출 레이저 소자.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 식각 정지층은 p형 InP를 포함하는 수직 공동 표면 방출 레이저 소자.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 활성 영역은 장벽층들 및 상기 장벽층들 사이에 배치된 우물층을 포함하되, 상기 장벽층들 및 우물층은 InAlGaAs 계열의 반도체를 포함하는 수직 공동 표면 방출 레이저 소자.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 활성 영역에 접하여 상기 활성 영역의 양측에 배치된 InAlGaAs 계열의스페이서층들을 더 포함하는 수직 공동 표면 방출 레이저 소자.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 하부 및 상부 n형 클래딩층은 각각 n형 콘택층을 포함하는 수직 공동 표면 방출 레이저 소자.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 n형 콘택층은 5E18/㎤ 내지 1E19/㎤ 범위 내의 도핑 농도를 갖는 n+ InP를 포함하는 수직 공동 표면 방출 레이저 소자.
  11. 청구항 9에 있어서,
    상기 하부 n형 클래딩층 및 상부 n형 클래딩층에 각각 접속된 하부 오믹 콘택층 및 상부 오믹 콘택층을 더 포함하는 수직 공동 표면 방출 레이저 소자.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 하부 및 상부 오믹 콘택층은 AuGe를 포함하는 수직 공동 표면 방출 레이저 소자.
  13. 청구항 11에 있어서,
    상기 상부 n형 클래딩층과 상기 상부 오믹 콘택층 사이에 부분적으로 위치하여, 상기 상부 오믹 콘택층의 바깥쪽 가장자리를 상기 상부 n형 클래딩층으로부터 이격시키는 절연층을 더 포함하는 수직 공동 표면 방출 레이저 소자.
  14. 청구항 1에 있어서,
    상기 하부 미러는 InAlAs과 InAlGaAs을 반복 적층하여 형성된 분포 브래그 반사기이고, 상기 상부 미러는 서로 다른 굴절률을 갖는 유전층들을 반복 적층하여 형성된 분포 브래그 반사기인 수직 공동 표면 방출 레이저 소자.
  15. 청구항 1에 있어서,
    상기 하부 n형 클래딩층을 노출시키는 링 형상의 트렌치; 및
    상기 트렌치로 둘러싸인 메사를 포함하고,
    상기 메사는, 상기 활성 영역, 상기 고농도 도핑된 p형 반도체층 및 n형 반도체층, 상기 상부 n형 클래딩층을 포함하고,
    상기 상부 미러는 상기 메사 상에서 상기 상부 n형 클래딩층 상에 배치된 수직 공동 표면 방출 레이저 소자.
  16. 청구항 15에 있어서,
    상기 상부 미러 주위를 따라 링 형상으로 배치되어 상기 상부 n형 클래딩층에 오믹 콘택하는 상부 오믹 콘택층; 및
    상기 트렌치를 통해 노출된 상기 하부 n형 클래딩층에 오믹 콘택하는 하부 오믹 콘택층을 더 포함하는 수직 공동 표면 방출 레이저 소자.
  17. 청구항 16에 있어서,
    상기 상부 미러를 덮는 금속 반사층을 더 포함하는 수직 공동 표면 방출 레이저 소자.
  18. 청구항 17에 있어서,
    상기 하부 오믹 콘택층 및 상기 금속 반사층에 각각 전기적으로 접속하는 제1 전극 패드 및 제2 전극 패드를 더 포함하는 수직 공동 표면 방출 레이저 소자.
  19. 청구항 18에 있어서,
    상기 트렌치의 측벽 및 바닥을 덮되, 상기 하부 오믹 콘택층 및 상기 금속 반사층을 노출시키는 개구부들을 갖는 상부 절연층을 더 포함하되,
    상기 제1 및 제2 전극 패드들은 상기 상부 절연층 상에 배치되고, 상기 개구부들을 통해 상기 하부 오믹 콘택층 및 상기 금속 반사층에 각각 전기적으로 접속하는 수직 공동 표면 방출 레이저 소자.
  20. 청구항 1에 있어서,
    상기 하부 미러 아래에 배치된 InP 기판을 더 포함하고,
    상기 InP 기판을 통해 레이저 빔이 방출되는 수직 공동 표면 방출 레이저 소자.
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