KR20220089619A - 다중 터널 접합을 구비한 vcsel 레이저 및 그 제조 방법 - Google Patents

다중 터널 접합을 구비한 vcsel 레이저 및 그 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 다중 터널 접합을 구비한 VCSEL 레이저 및 그 제조 방법을 제공한다. 상기 VCSEL 레이저는 에피택셜 구조 및 상기 에피택셜 구조에 전기적으로 연결된 양극과 음극을 포함한다. 상기 에피택셜 구조는 기판; 상기 기판 상방에 위치한 제1 반사기 및 제2 반사기-상기 제1 반사기와 상기 제2 반사기 사이에는 반사 공동이 설치됨-; 상기 반사 공동 내에 형성된 복수의 활성 영역과 복수의 터널 접합-상기 복수의 활성 영역과 상기 복수의 터널 접합은 상기 반사 공동 내에 교대로 설치됨-; 및 상기 반사 공동 내에 형성된 적어도 2개의 제한층-상기 적어도 2개의 제한층은 각각 개구홀을 구비하고, 여기에서 상기 적어도 2개의 제한층의 상기 개구홀 중 적어도 일부 개구홀 사이는 상이한 공경을 구비함-을 포함한다. 이처럼 상기 VCSEL 레이저는 비교적 높은 광전 변환 효율을 갖는 동시에 원거리 빔 확산각의 크기를 고려할 수 있다.

Description

다중 터널 접합을 구비한 VCSEL 레이저 및 그 제조 방법 {VCSEL LASER WITH MULTIPLE TUNNEL JUNCTIONS AND PREPARATION METHOD THEREOF}
본 출원은 반도체 기술 분야에 관한 것으로, 보다 상세하게는 다중 터널 접합을 구비한 VCSEL 레이저 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
VCSEL(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser, 수직 공동 면 발광 레이저)는 반도체 레이저이며, 이는 기판의 수직 방향 상에 공진 공동을 형성하고, 수직 방향을 따라 레이저 빛을 방출한다. VCSEL 레이저는 특히 복수개의 VCSEL 유닛을 포함하는 VCSEL 도트 매트릭스 소자이며, 예를 들어 소비전자, 공업, 의료 등 산업에 널리 적용된다. 터널 접합의 수량을 기반으로 VCSEL 소자는 단일 접합 VCSEL 소자와 다중 접합 VCSEL 소자로 나눌 수 있다. 명칭에서 알 수 있듯이 단일 접합 VCSEL 소자는 VCSEL 소자 중의 VCSEL 유닛이 하나의 터널 접합을 구비하고, 다중 접합 VCSEL 소자는 VCSEL 소자 중의 VCSEL 유닛이 복수개의 터널 접합을 구비한다.
시장에서는 항상 고전력 VCSEL 도트 매트릭스 소자에 대한 비교적 높은 광전 변환 효율(Power-converted-efficiency, PCE)의 수요가 있다. 단일 접합 VCSEL 소자는 그 자체의 저항 특성으로 인해 고전력을 구현하는 동시에 비교적 높은 PCE에 도달하기가 어렵다. 또한 단일 접합 고전력 VCSEL 소자를 구동하려면 매우 큰 전류가 필요하다. 실제 적용에서 알고리즘은 전류 펄스의 상승 시간에 대한 요건이 높다. 즉, 구동 회로 기판의 설계에 대한 요건이 매우 까다로워 기술적으로 구현하기 어렵다.
단일 접합 VCSEL 소자와 비교하여, 다중 접합 VCSEL 소자는 특정 사용 조건에서 단일 접합 VCSEL 소자가 가진 상기 결함을 어느 정도 완화할 수 있다. 즉, 지정된 전력 수요에 대해 상대적으로 작은 전류로 다중 접합 VCSEL 소자를 구동할 수 있으며, 작업 전류가 낮아져 대응하는 PCE도 향상될 수 있다.
그러나 다중 접합 VCSEL 소자의 기하학적 공동 길이는 단일 접합 VCSEL 소자의 여러 배이므로, 실제 다중 접합 VCSEL 소자의 원거리 빔 확산각은 설계 요건을 충족시킬 수 없다. 즉, 다중 접합 VCSEL 소자의 경우 이는 광전 변환 효율과 원거리 빔 확산각의 두 측면에서 성능을 모두 고려하기 어렵다.
따라서 광전 변환 효율과 원거리 빔 확산각 크기를 모두 고려할 수 있는 신규한 VCSEL 소자가 필요하다.
본 출원의 장점은 다중 터널 접합을 구비한 VCSEL 레이저 및 그 제조 방법을 제공하는 데에 있다. 여기에서 상기 VCSEL 레이저는 비교적 높은 광전 변환 효율을 구비하는 동시에 원거리 빔 확산각의 크기를 동시에 고려할 수 있다.
상기 장점 중 적어도 하나를 구현하기 위해, 본 출원은 다중 터널 접합을 구비한 VCSEL 레이저를 제공한다. 여기에는 에피택셜 구조 및 상기 에피택셜 구조에 전기적으로 연결된 양극 및 음극이 포함된다.
여기에서 상기 에피택셜 구조는,
기판;
상기 기판 상방에 위치한 제1 반사기 및 제2 반사기-상기 제1 반사기와 상기 제2 반사기 사이에는 반사 공동이 설치됨-;
상기 반사 공동 내에 형성된 복수의 활성 영역과 복수의 터널 접합-상기 복수의 활성 영역과 상기 복수의 터널 접합은 상기 반사 공동 내에 교대로 설치됨-; 및
상기 반사 공동 내에 형성된 적어도 2개의 제한층-상기 적어도 2개의 제한층은 각각 개구홀을 구비하고, 여기에서 상기 적어도 2개의 제한층의 상기 개구홀 중 적어도 일부 개구홀 사이는 상이한 공경을 구비함-을 포함한다.
본 출원에 따른 다중 터널 접합을 구비한 VCSEL 레이저에 있어서, 상기 제한층은 각 상기 활성 영역 상방에 각각 형성되며, 상기 제한층의 수량은 상기 활성 영역의 수량과 동일하다.
본 출원에 따른 다중 터널 접합을 구비한 VCSEL 레이저에 있어서, 상기 제한층은 일부 상기 활성 영역 상방에 선택적으로 형성되며, 상기 제한층의 수량은 상기 활성 영역의 수량보다 적다.
본 출원에 따른 다중 터널 접합을 구비한 VCSEL 레이저에 있어서, 상기 개구홀의 공경 범위는 1um 내지 100um이다.
본 출원에 따른 다중 터널 접합을 구비한 VCSEL 레이저에 있어서, 상기 개구홀의 공경 범위는 3um 내지 50um이다.
본 출원에 따른 다중 터널 접합을 구비한 VCSEL 레이저에 있어서, 상기 개구홀 사이의 공경차 범위는 0.1um 내지 95um이다.
본 출원에 따른 다중 터널 접합을 구비한 VCSEL 레이저에 있어서, 상기 개구홀 사이의 공경차 범위는 0.5um 내지 20um이다.
본 출원에 따른 다중 터널 접합을 구비한 VCSEL 레이저에 있어서, 상기 적어도 2개의 제한층의 상기 개구홀 사이의 공경 치수는 서로 모두 동일하지 않다.
본 출원에 따른 다중 터널 접합을 구비한 VCSEL 레이저에 있어서, 상기 적어도 1개의 제한층 중 상기 제2 반사기에 가장 인접한 상기 제한층의 개구홀은 최소 공경을 갖는다.
본 출원에 따른 다중 터널 접합을 구비한 VCSEL 레이저에 있어서, 상기 적어도 2개의 제한층은 적어도 1개의 산화 공정에 의해 형성된 산화 제한층을 포함한다.
본 출원에 따른 다중 터널 접합을 구비한 VCSEL 레이저에 있어서, 상기 적어도 2개의 제한층은 적어도 1개의 이온 주입 공정에 의해 형성된 이온 제한층을 포함한다.
본 출원에 따른 다중 터널 접합을 구비한 VCSEL 레이저에 있어서, 상기 적어도 2개의 제한층은 적어도 1개의 산화 공정에 의해 형성된 산화 제한층을 포함한다. 또한 상기 적어도 2개의 제한층은 적어도 1개의 이온 주입 공정에 의해 형성된 이온 제한층을 포함한다.
본 출원에 따른 다중 터널 접합을 구비한 VCSEL 레이저에 있어서, 상기 적어도 2개의 제한층은 모두 산화 공정에 의해 형성된 산화 제한층이다.
본 출원에 따른 다중 터널 접합을 구비한 VCSEL 레이저에 있어서, 상기 산화 제한층 사이의 간격은 0.5*상기 VCSEL 레이저에 의해 생성되는 레이저 빛의 파장의 정수배를 그 사이 반도체의 굴절률 가중합으로 나눈 것과 같다.
본 출원의 다른 일 양상은 다중 터널 접합을 구비한 VCSEL 레이저의 제조 방법을 더 제공한다.
여기에는 에피택셜 성장 공정을 통해 에피택셜 구조를 형성하는 단계-여기에는 기판; 상기 기판 상방에 위치한 제1 반사기와 제2 반사기; 및 상기 제1 반사기와 상기 제2 반사기 사이에 형성되는 복수개의 활성 영역과 복수개의 터널 접합이 포함되고, 상기 복수개의 활성 영역과 상기 복수개의 터널 접합 사이는 교대로 설치됨-; 및
산화 공정을 통해 상기 제1 반사기와 상기 제2 반사기 사이에 적어도 2개의 산화 제한층을 형성하는 단계-상기 적어도 2개의 산화 제한층은 개구홀을 각각 구비하고, 여기에서 상기 개구홀 중 적어도 일부 개구홀 사이는 상이한 공경을 가짐-가 포함된다.
본 출원에 따른 제조 방법에 있어서, 상기 산화 제한층은 각 상기 활성 영역 상방에 각각 형성되며, 상기 산화 제한층의 수량은 상기 활성 영역의 수량과 동일하다.
본 출원에 따른 제조 방법에 있어서, 상기 산화 제한층은 상기 활성 영역 상방에 선택적으로 형성되며, 상기 산화 제한층의 수량은 상기 활성 영역의 수량보다 적다.
본 출원에 따른 제조 방법에 있어서, 상기 개구홀의 공경 범위는 1um 내지 100um이다.
본 출원에 따른 제조 방법에 있어서, 상기 개구홀의 공경 범위는 3um 내지 50um이다.
본 출원에 따른 제조 방법에 있어서, 상기 개구홀 사이의 공경차 범위는 0.1um 내지 95um이다.
본 출원에 따른 제조 방법에 있어서, 상기 개구홀 사이의 공경차 범위는 0.5um 내지 20um이다.
본 출원에 따른 제조 방법에 있어서, 상기 적어도 2개의 산화 제한층 중 상기 제2 반사기에 가장 인접한 상기 산화 제한층의 개구홀은 최소 직경을 갖는다.
후술하는 설명과 첨부 도면에 대한 이해를 통해, 본 출원의 추가적인 목적과 장점이 더욱 명확해진다.
본 출원의 이러한 내용과 기타 목적, 특징 및 장점은 후술하는 상세한 설명, 첨부 도면 및 청구범위에 의해 더욱 명확해진다.
이하의 첨부 도면과 본 출원 실시예에 대한 상세한 설명을 통해 본 출원의 이러한 내용 및/또는 기타 측면과 장점이 더욱 명확하고 쉽게 이해된다.
도 1은 종래의 단일 접합 VCSEL 유닛의 구조도이다.
도 2는 종래의 다중 접합 VCSEL 유닛의 구조도이다.
도 3은 종래의 다중 접합 VCSEL 유닛의 다른 구조도이다.
도 4a는 본 출원 실시예에 따른 VCSEL 레이저의 구조도이다.
도 4b는 본 출원 실시예에 따른 VCSEL 레이저의 변형 실시된 구조도이다.
도 4c는 본 출원 실시예에 따른 VCSEL 레이저의 다른 변형 실시된 구조도이다.
도 5는 본 출원 실시예에 따른 VCSEL 레이저의 성능 곡선도이다.
도 6은 본 출원 실시예에 따른 VCSEL 레이저의 다른 성능 곡선도이다.
도 7은 본 출원 다른 실시예에 따른 VCSEL 레이저의 구조도이다.
도 8은 본 출원 또 다른 실시예에 따른 VCSEL 레이저의 구조도이다.
도 9는 본 출원 또 다른 실시예에 따른 VCSEL 레이저의 구조도이다.
도 10은 본 출원 실시예에 따른 VCSEL 레이저의 제조 방법의 개략도이다.
이하의 명세서와 청구범위에 사용된 용어는 문자 그대로의 함의에 한정되지 않으며, 본 출원인이 명확하고 일관성 있게 본 출원을 이해할 수 있도록 하기 위해서만 사용된다. 따라서 본 기술 분야의 당업자에게 있어서 본 출원의 다양한 실시예는 첨부된 청구범위 및 그 균등물에 의해 정의된 바와 같이 본 출원의 목적을 제한하기 위한 것이 아니라 단지 설명의 목적을 위해 이하와 같이 설명하였음은 자명하다.
"하나"라는 용어는 "적어도 하나" 또는 "하나 이상"으로 이해될 수 있다. 즉 일 실시예에서 하나의 요소의 수량은 하나일 수 있으나, 다른 실시예에서 상기 요소의 수량은 복수개일 수도 있다. "하나"라는 용어는 수량에 대한 제한으로 이해될 수 없다.
예를 들어 "제1", "제2" 등의 서수는 각종 구성요소를 설명하기 위한 것이며, 여기에서는 그러한 구성요소를 제한하지 않는다. 상기 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구분하기 위한 것일 뿐이다. 예를 들어 제1 구성요소는 제2 구성요소로 칭할 수 있고, 마찬가지로 제2 구성요소는 제1 구성요소로 칭할 수도 있으며, 이는 발명의 사상이 시사하는 바에서 벗어나지 않는다. 여기에서 사용된 용어 "및/또는"은 하나 이상의 관련하여 나열된 항목의 임의 및 모든 조합을 포함한다.
여기에서 사용된 용어는 각종 실시예를 설명하기 위한 것이며 제한하려는 의도가 아니다. 본원에 사용된 바와 같이, 문맥상 달리 명시되지 않는 한 단수 형태는 복수 형태도 포함한다. 또한 "포함하다" 및/또는 "구비하다"라는 용어가 본 명세서에서 사용될 경우 상기 특징, 숫자, 단계, 조작, 구성요소, 요소 또는 이들의 조합의 존재를 가리키며, 하나 이상의 다른 특징, 숫자, 단계, 조작, 구성요소 또는 이들의 조합의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
전술한 바와 같이, 단일 접합 VCSEL 소자는 그 자체의 저항 특성으로 인해 고전력을 구현하는 동시에 비교적 높은 PCE에 도달하기가 어렵다. 도 1은 종래의 단일 접합 VCSEL 소자 중 단일 접합 VCSEL 유닛의 구조도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 단일 접합 VCSEL 유닛은 위에서 아래로 순차적으로 음극(1P), 기판(2P), N-DBR(3P), 활성 영역(4P), 산화 제한층(5P), P-DBR(6P) 및 양극(7P)을 포함한다. 여기에서 작업 과정에서 활성 영역(4P) 내에는 밀도 반전이 존재하며, 레이저 빛의 매질이 제공하는 이득이 소모를 초과할 수 있는 경우, 전류가 상기 양극(7P)와 음극(1P)을 통해 주입될 때, 빛 강도가 지속 증가한다. 고에너지 준위 전도대 바닥에 위치한 전자가 저에너지 대역으로 전이될 때, 특정 파장의 빛이 P-DBR(6P)과 N-DBR(3P) 사이에서 왕복 반사되면서 증폭 과정이 끊임없이 반복되어 레이저 빛을 형성한다. 특히 종래의 단일 접합 VCSEL 유닛 중 단일 터널 접합이 활성 영역에 형성된다.
도 2는 종래의 다중 접합 VCSEL 유닛의 구조도이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 도 1에 도시된 단일 접합 VCSEL 유닛에 비해, 다중 접합 VCSEL 유닛의 N-DBR(3P)과 P-DBR(6P) 사이에 서로 교대 설치된 복수개의 활성 영역(4P)과 복수개의 터널 접합(8P)을 포함한다. 예를 들어 도 2에 도시된 다중 접합 VCSEL 유닛에 있어서, 상기 다중 접합 VCSEL 유닛은 삼중 접합 VCSEL 유닛으로 실시된다. 이는 3개의 활성 영역(4P)과 2개의 터널 접합(8P)을 포함하며, 터널 접합(8P)은 각 2개의 활성 영역(4P) 사이에 끼워 설치된다.
본 기술 분야에서 통상의 기술자는 터널 접합이 터널링 효과를 기반으로 작동한다는 것을 익히 알고 있다. 소위 터널링 효과는 캐리어 에너지가 비교적 낮은 경우(배리어 높이보다 작으며, 즉 E<V), 박막 재료 자체의 두께가 매우 얇아(10nm, 심지어 더 얇은 경우) 캐리어가 여전히 일정한 확률로 박막 재료를 통과할 수 있는 것을 말한다. 단일 접합 VCSEL 소자에 비해, 지정된 전력 수요에 대해 상대적으로 작은 전류로 다중 접합 VCSEL 소자를 구동할 수 있으며, 작업 전류가 낮아져 대응하는 PCE도 향상될 수 있다. 구체적으로 지정된 전력 수요의 경우, 예를 들어 단일 접합 VCSEL 소자는 10A 전류 구동이 필요하고, 이중 접합 VCSEL 소자는 약 5A 전류 구동만 필요하며, 삼중 접합 VCSEL 소자는 3A 내지 4A의 구동 전류만 필요하다.
그러나 다중 접합 VCSEL 소자의 기하학적 공동 길이는 단일 접합 VCSEL 소자의 여러 배이므로, 실제 다중 접합 VCSEL 소자의 원거리 빔 확산각은 설계 요건을 충족시킬 수 없다. 다중 접합 VCSEL 소자의 원거리 빔 확산각이 과도하게 큰 문제를 해결하기 위해, 일부 업체는 도 3에 도시된 바와 같이 산화 제한층(5P)의 수량을 줄이는 시도를 하였다. 도 3에 도시된 다중 접합 VCSEL 유닛에서 이는 하나의 산화 제한층(5P)만 배치하였다. 그러나 실제 테스트 과정에서 본 출원의 발명인은 산화 제한층의 수량을 줄일 경우 발광 효율이 저하될 수 있음을 발견하였다. 즉, 광전 변환 효율이 다시 낮아져 다중 접합 VCSEL 레이저 고유의 장점이 상실되는 것이다. 분석에 따르면 산화 제한층의 목적은 캐리어를 제한하는 것인데, 산화 제한층의 수량을 너무 줄이면 캐리어에 대한 제한이 너무 적어져 전류 임계값이 높아져 광전 변환 효율이 저하될 수 있다. 즉, 종래의 해결책은 여전히 다중 접합 VCSEL 소자가 광전 변환 효율과 원거리 빔 확산각이라는 두 측면에서의 성능이 구현되도록 모두 고려하지 못한다.
이를 기반으로 본 출원의 발명인은 제한층(여기에서의 제한층은 산화 제한층을 포함할 뿐만 아니라 이온 주입 공정에 의해 형성된 이온 제한층도 포함)의 배치 방식을 변경하여 광전 변환 효율과 원거리 빔 확산각의 두 측면에서의 성능을 모두 고려하고자 시도하였다.
본 출원의 발명인은 이론적 연구와 실험 테스트를 통해, 제한층의 개구홀 공경 변경 및/또는 제한층의 활성 영역과 터널 접합에 대한 위치 설정 변경을 통해 VCSEL 소자의 광전 변환 효율과 원거리 빔 확산각 두 측면에서의 성능이 모두 고려되도록 구현할 수 있음을 발견하였다. 구체적으로, 이론적 측면에서 전술한 바와 같이 산화 제한층의 목적은 캐리어를 제한하기 위한 것이다. 캐리어에 대한 제한이 너무 적으면 임계값이 커지고 광전 변환 효율이 낮아질 수 있다. 그러나 반대로 제한이 너무 크면 캐리어의 분포에 영향을 미치고 나아가 모델에 영향을 미쳐 원거리 빔 확산각을 제어할 수 없다. 따라서 본 출원의 발명인은 제한층의 개구홀 공경(보다 명확하게는 제한층의 일부 개구홀 공경이 동일하지 않음)을 조절하고, 및/또는 제한층의 활성 영역과 터널 접합에 대한 위치 설정을 변경함으로써(즉, 상기 제한층의 수량과 설치 위치를 조정함) VCSEL 소자의 광전 변환 효율과 원거리 빔 확산각 두 측면에서의 성능이 고려되도록 구현한다.
이를 기반으로 본 출원은 다중 터널 접합을 구비한 VCSEL 레이저를 제안한다. 여기에는 에피택셜 구조 및 상기 에피택셜 구조에 전기적으로 연결된 양극과 음극이 포함된다. 여기에서 상기 에피택셜 구조는 기판; 상기 기판 상방에 위치한 제1 반사기 및 제2 반사기-여기에서 상기 제1 반사기와 상기 제2 반사기 사이에는 반사 공동이 설치됨-; 상기 반사 공동 내에 형성된 복수의 활성 영역과 복수의 터널 접합-상기 복수의 활성 영역과 상기 복수의 터널 접합은 상기 반사 공동 내에 교대로 설치됨-; 및 상기 반사 공동 내에 형성된 적어도 2개의 제한층-상기 적어도 2개의 제한층은 각각 개구홀을 구비하고, 여기에서 상기 적어도 2개의 제한층의 상기 개구홀 중 적어도 일부 개구홀 사이는 상이한 공경을 구비함-을 포함한다.
개략적 VCSEL 레이저
도 4a는 본 출원 실시예에 따른 VCSEL 레이저의 구조도이다. 도 4a에 도시된 바와 같이, 본 출원 실시예에 따른 상기 VCSEL 레이저는 다중 터널 접합을 구비한다. 여기에서 터널 접합이 터널링 효과를 기반으로 작동한다. 소위 터널링 효과는 캐리어 에너지가 비교적 낮은 경우(배리어 높이보다 작으며, 즉 E<V), 박막 재료 자체의 두께가 매우 얇아(10nm, 심지어 더 얇은 경우) 캐리어가 여전히 일정한 확률로 박막 재료를 통과할 수 있는 것을 말한다.
특히 도 4a에 도시된 상기 VCSEL 레이저에 있어서, 상기 VCSEL 레이저는 1개의 VCSEL 유닛을 포함한 예시이며 상기 VCSEL 유닛은 삼중 접합 터널 접합을 구비한다.
본 출원의 다른 예시에 있어서, 상기 VCSEL 레이저는 더 많은 수량의 VCSEL 유닛을 포함할 수 있음에 유의한다. 물론 상기 VCSEL 유닛은 더 많은 수량 또는 더 적은 수량의 터널 접합을 포함할 수 있으며, 이는 본 출원을 제한하지 않는다. 통상적으로 VCSEL 레이저에서 터널 접합의 수량은 활성 영역의 수량보다 1개가 많다. 예를 들어 도 4a에 도시된 바와 같이 상기 VCSEL 레이저에서 상기 VCSEL 유닛은 3개의 터널 접합과 2개의 활성 영역을 구비한다.
도 4a에 도시된 바와 같은 VCSEL 레이저에 있어서, 상기 VCSEL 레이저는 에피택셜 성장 공정(예를 들어 금속 유기 화합물 화학 기상 증착)에 의해 생성된 에피택셜 구조(10) 및 상기 에피택셜 구조(10)에 전기적으로 연결된 양극(20)과 음극(30)을 포함한다. 여기에서 상기 에피택셜 구조(10)는 기판(11); 상기 기판(11) 상방에 위치한 제1 반사기(12) 및 제2 반사기(13)-상기 제1 반사기(12)와 상기 제2 반사기(13) 사이에는 반사 공동(100)이 설치됨-; 상기 반사 공동(100) 내에 형성된 복수의 활성 영역(14)과 복수의 터널 접합(15)-상기 복수의 활성 영역(14)과 상기 복수의 터널 접합(15)은 상기 반사 공동(100) 내에 교대로 설치됨-; 및 상기 반사 공동(100) 내에 형성된 적어도 2개의 제한층(16)-상기 적어도 2개의 제한층(16)은 각각 개구홀(160)을 구비하고, 여기에서 상기 적어도 2개의 제한층(16)의 상기 개구홀(160) 중 적어도 일부 개구홀(160) 사이는 상이한 공경을 구비함-을 포함한다.
구체적으로 도 4a에 도시된 바와 같은 VCSEL 레이저에 있어서, 상기 VCSEL 레이저는 3개의 상기 활성 영역(14)과 2개의 상기 터널 접합(15)을 포함한다. 여기에서 상기 2개의 터널 접합(15)과 상기 3개의 활성 영역(14)은 상기 제1 반사기(12)와 상기 제2 반사기(13)에 의해 형성되는 상기 반사 공동(100) 내에서 교대로 설치된다. 즉, 각 1층의 상기 터널 접합(15)은 2개의 상기 활성 영역(14) 사이에 끼워 설치된다.
상기 VCSEL 레이저에 있어서, 상기 활성 영역(14)은 양자 우물(물론 본 출원의 다른 예시에 있어서, 상기 활성 영역(14)은 양자점을 포함할 수 있음)을 포함한다. 이는 AlInGaAs(예를 들어 AlInGaAs, GaAs, AlGaAs 및 InGaAs), InGaAsP(예를 들어 InGaAsP, GaAs, InGaAs, GaAsP 및 GaP), GaAsSb(예를 들어 GaAsSb, GaAs 및 GaSb), InGaAsN(예를 들어 InGaAsN, GaAs, InGaAs, GaAsN 및 GaN) 또는 AlInGaAsP(예를 들어 AlInGaAsP, AlInGaAs, AlGaAs, InGaAs, InGaAsP, GaAs, InGaAs, GaAsP 및 GaP)로 제조된다. 물론 본 출원 실시예에 있어서, 상기 활성 영역(14)은 양자 우물층을 형성하기 위한 다른 조성물에 의해 제조될 수도 있다.
상기 VCSEL 레이저에 있어서, 상기 제1 반사기(12)와 상기 제2 반사기(13)는 각각 굴절률이 상이한 재료의 교대층으로 구성되는 시스템을 포함한다. 상기 시스템은 분포식 브래그 반사기(Distributed Bragg Reflector)를 형성한다. 교대층의 재료는 필요한 레이저 빛의 작업 파장에 따라 다르다. 본 출원의 구체적인 일 예시에 있어서, 상기 제1 반사기(12)와 상기 제2 반사기(13)는 알루미늄 고함량의 AlGaAs와 알루미늄 저함량의 AlGaAs의 교대층으로 형성될 수 있다. 교대층의 광학 두께는 레이저 빛 작업 파장의 1/4와 같거나 대략 같음에 유의한다. 특히 본 출원 실시예에서 상기 제1 반사기(12)는 N타입 도핑의 분포식 브래그 반사기, 즉 N-DBR이고, 상기 제2 반사기(13)는 P타입 도핑의 분포식 브래그 반사기, 즉 P-DBR이다. 여기에서 상기 P타입 도핑의 DBR과 상기 N타입 도핑의 DBR(03)의 재료는 InGaAsP/InP, AlGaInAs/AlInAs, AlGaAsSb/AlAsSb, GaAs/AlGaAs, Si/MgO 및 Si/Al2O3 등을 포함하나 이에 한정되지 않는다.
상기 VCSEL 레이저에서 상기 기판(1101)은 실리콘 기판(11), 사파이어 기판(11), 갈륨 비소 기판(11) 등을 포함할 수 있으나 이에 한정되지 않는다.
도 4a에 도시된 바와 같이, 상기 복수개의 활성 영역(14)은 상기 제1 반사기(12)와 상기 제2 반사기(13) 사이의 상기 반사 공동(100) 내에 끼어 설치된다. 여기에서 광자는 여기된 후 상기 반사 공동(100) 내에서 왕복 반사되어 끊임없이 증폭을 반복하여 레이저 빛 진동을 형성함으로써 레이저 빛을 형성한다. 본 기술 분야에서 통상의 기술자는 상기 제1 반사기(12)와 상기 제2 반사기(13)의 구성과 설계를 통해 레이저 빛의 출사 방향을 선택적으로 제어할 수 있다. 예를 들어 제2 반사기(13)로부터 출사되거나(즉, 상기 VCSEL 레이저의 꼭대기 표면으로부터 출사), 제1 반사기(12)로부터 출사된다(즉, 상기 VCSEL 레이저의 바닥 표면으로부터 출사). 본 출원 실시예에 있어서, 상기 제1 반사기(12)와 상기 제2 반사기(13)는 레이저 빛이 상기 반사 공동(100) 내에서 진동한 후 상기 제2 반사기(13)로부터 출사되도록 설계된다. 즉, 상기 VCSEL 레이저는 정면 출광의 반도체 레이저이다.
상기 VCSEL 레이저의 전류 모드 및 출광 모드를 제한하기 위해, 본 출원의 실시예에 따른 VCSEL 레이저는 상기 반사 공동(100) 내에 형성된 적어도 2개의 제한층(16)을 더 포함한다. 상기 적어도 2개의 제한층(16)은 각각 개구홀(160)을 구비한다. 여기에서 상기 적어도 2개의 제한층(16)의 상기 개구홀(160) 중 적어도 일부 개구홀(160) 사이는 상이한 공경을 갖는다. 특히 도 4a에 도시된 VCSEL 레이저에 있어서, 상기 적어도 2개의 제한층(16)은 산화 공정에 의해 일부 상기 활성 영역(14)의 상방에 형성된 적어도 2개의 산화 제한층(16a)이다. 여기에서 상기 산화 제한층(16a)의 산화된 정도는 상기 산화 제한층(16a)의 상기 개구홀(160)의 공경 치수에 의해 결정된다.
보다 구체적으로, 도 4a에 도시된 VCSEL 레이저에 있어서, 상기 산화 제한층(16a)의 수량은 상기 활성 영역(14)의 수량과 동일하다. 즉, 도 4a에 도시된 VCSEL 레이저에 있어서, 상기 VCSEL 레이저는 3개의 산화 제한층(16a)을 포함하며, 이는 각 상기 활성 영역(14)의 상방에 각각 형성된다.
종래의 다중 접합 VCSEL 유닛과 다른 점은, 본 출원 실시예에 있어서 상기 적어도 2개의 산화 제한층(16a)의 복수의 개구홀(160) 중 적어도 일부 개구홀(160) 사이에 상이한 공경을 구비한다는 것이다. 즉, 본 출원 실시예에 있어서 상기 VCSEL 레이저는 비대칭의 산화 제한층(16a) 구조를 구비한다.
비대칭의 산화층 구조 배치를 통해, 측정한 바에 따르면, 상기 VCSEL 레이저는 광전 변환 효율과 원거리 빔 확산각의 두 측면에서의 성능이 모두 고려될 수 있다. 구체적으로 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 VCSEL 레이저는 2.7A 구동 전류를 전제로 그 원거리 빔 확산각이 19°이고 광 전력이 6.5W에 달하며 광전 변환 효율은 최고 47%에 달할 수 있다.
보다 구체적으로 본 출원 실시예에 있어서, 상기 적어도 2개의 산화 제한층(16a)의 복수의 개구홀(160)의 공경 치수는 모두 같지 않을 수 있다. 예를 들어 도 4a에 도시된 예시에서 3개의 상기 개구홀(160)은 위에서 아래로 그 공경이 점차 작아진다. 또는 도 4b에 도시된 예시에 있어서, 3개의 상기 개구홀(160)의 공경 치수는 위에서 아래로 점차 커진다. 또는 도 4c에 도시된 예시에 있어서, 3개의 상기 개구홀(160)의 공경 치수는 위에서 아래로 먼저 축소된 후 확대된다. 물론 본 출원의 다른 예시에 있어서, 상기 복수의 산화 제한층(16a)의 복수의 개구홀(160)의 공경 치수는 부분적으로 동일할 수 있으며, 이는 본 출원을 제한하지 않는다.
보다 명확하게 본 출원 실시예에 있어서, 상기 개구홀(160)의 공경 범위는 1um 내지 100um이며, 바람직하게는 상기 개구홀(160)의 공경 범위는 3um 내지 50um이다. 또한 본 출원 실시예에 있어서, 상기 개구홀(160) 사이의 공경차의 범위는 0.1um 내지 95um이며, 바람직하게는 상기 개구홀(160) 사이의 공경차의 범위는 0.5um 내지 20um이다. 또한 본 출원 실시예에 있어서, 상기 산화 제한층(16a) 사이의 간격은 0.5*상기 VCSEL 레이저에 의해 생성되는 레이저 빛의 파장의 정수배를 그 사이 반도체의 굴절률의 가중합으로 나눈 것과 같다. 여기에서 그 사이 반도체는 2개의 상기 산화 제한층(16a) 사이의 반도체 재료를 나타내며, 가중합은 반도체의 굴절률을 소정의 가중치로 곱한 것의 합을 나타낸다. 상기 산화 제한층(16a)과 상기 활성 영역(14) 사이의 거리는 0.25*상기 VCSEL 레이저에 의해 생성되는 레이저 빛의 파장의 홀수배를 상기 기판(11)의 굴절률로 나눈 것이다. 예를 들어 굴절률이 3.4인 GaAs 기판(11)이고 배수가 3일 때, 상기 산화 제한층(16a)과 상기 활성 영역(14) 사이의 거리는 0.25*940/3.4*3 내지 200nm이다.
보다 바람직하게는 본 출원 실시예에 있어서, 상기 적어도 하나의 산화 제한층(16a) 중 상기 제2 반사기(13)와 가장 인접한 상기 산화 제한층(16a)의 개구홀(160)은 최소 공경을 구비한다.
구체적인 실시에 있어서, 동일한 산화 공정 조건에서 상이한 공경을 갖는 산화 제한층(16a)은 상기 산화 제한층(16a)의 두께 또는 상기 산화 제한층(16a) 중 알루미늄 함량을 제어함으로써 구현할 수 있다. 특히 본 출원 실시예에 있어서, 상기 산화 제한층(16a)의 알루미늄 함량의 범위는 95% 내지 100%이며, 그 두께 범위는 10nm 내지 50nm이다.
본 출원 실시예에 있어서, 상기 산화 제한층(16a)은 상이한 공경을 갖는다는 점에 유의한다. 따라서 상기 산화 제한층(16a) 전체의 산화된 양은 축소될 수 있으므로, 상기 산화 제한층(16a)에서 가져온 전체 응력도 감소할 수 있다. 따라서 상기 VCSEL 레이저는 신뢰할 수 있도록 향상된다.
너무 많은 산화 제한층(16a)으로 인한 신뢰성 문제를 더욱 방지하기 위해, 본 출원의 다른 예시에 있어서 상기 산화 제한층(16a)과 상기 활성 영역(14) 및 상기 터널 접합(15) 사이의 상대적 위치 관계를 변경할 수 있다. 도 7은 본 출원의 다른 일 실시예에 따른 VCSEL 레이저의 구조도를 도시하였다. 여기에서 도 7에 도시된 상기 VCSEL 레이저는 도 4a 내지 도 4c에 도시된 VCSEL 레이저의 변형 실시예이다. 구체적으로 도 7에 도시된 VCSEL 레이저에 있어서, 상기 산화 제한층(16a)은 일부 상기 활성 영역(14)의 상방에 선택적으로 형성될 수 있다. 즉, 상기 산화 제한층(16a)의 수량은 상기 활성 영역(14)의 수량보다 작다(여기에서 상기 산화 제한층(16a)의 수량은 여전히 2 이상임에 유의함).
즉 본 출원의 다른 예시에 있어서, 상기 활성 영역(14)마다 산화 제한층(16A)을 배치하지 않는다. 이에 의해 상기 VCSEL 레이저의 광전 변환 효율을 보장함과 동시에 그 안정성을 확보할 수 있다. 이러한 방식은 더 많은 다중 접합 터널 접합(15)을 구비한 VCSEL 소자에 있어서 더욱 중요하다.
본 실시예에 있어서 상기 활성 영역(14)마다 하나의 상기 산화 제한층(16a)을 배치하지 않을 경우, 상기 산화 제한층(16a)의 공경은 모두 동일하도록 배치할 수 있다. 즉 상기 활성 영역(14)마다 하나의 상기 산화 제한층(16a)을 배치하지 않을 경우, 상기 산화 제한층(16a)은 대칭 구조를 갖도록 배치될 수 있으며, 본 출원은 이에 한정되지 않는다.
더 나아가, 본 출원 실시예에 있어서, 상기 에피택셜 구조(10)를 도통시켜 레이저 빛을 생성하기 위해, 상기 VCSEL 레이저는 상기 에피택셜 구조(10)에 전기적으로 연결되는 양극(20) 및 음극(30)을 더 포함한다. 여기에서 상기 양극(20)은 상기 에피택셜 구조(10)의 상표면에 형성되고, 상기 음극(30)은 상기 에피택셜 구조(10)의 하표면에 형성된다. 보다 명확하게는 본 출원 실시예에 있어서, 상기 정극(20)은 상기 에피택셜 구조(10)의 상기 제2 반사기(13)의 상방에 형성된다. 상기 음극(30)은 상기 에피택셜 구조(10)의 상기 기판(11)의 하방에 형성된다.
본 출원의 다른 예시에 있어서, 상기 양극(20)과 상기 음극(30)은 상기 VCSEL 레이저의 다른 위치에 형성될 수도 있으며 본 발명은 이에 한정되지 않음에 유의한다.
도 8은 본 출원 또 다른 실시예에 따른 VCSEL 레이저의 구조도이다. 도 4a 내지 도 4b 및 도 7에 도시된 VCSEL 레이저에 비해, 본 출원 실시예에 있어서 상기 VCSEL 레이저 중의 상기 제한층(16)은 이온 주입 공정에 의해 형성된 이온 제한층(16)이다.
도 8에 도시된 바와 같이 본 출원 실시예에 있어서, 상기 이온 제한층(16)의 수량은 상기 활성 영역(14)의 수량과 동일하다. 즉, 도 8에 도시된 VCSEL 레이저는 3개의 이온 제한층(16b)을 포함하며, 각각 상기 활성 영역(14)의 상방에 형성된다. 동일하도록 본 출원 실시예에 있어서, 상기 적어도 2개의 이온 제한층(16b)의 복수개의 개구홀(160) 중 적어도 일부 개구홀(160) 사이는 상이한 공경을 구비한다. 즉, 상기 VCSEL 레이저는 비대칭의 이온 제한층(16b) 구조를 구비한다.
보다 구체적으로 본 출원 실시예에 있어서, 상기 복수의 이온 제한층(16b)의 복수의 개구홀(160)의 공경 치수는 완전히 동일하지 않을 수 있다. 물론 상기 복수의 이온 제한층(16b)의 복수의 개구홀(160)의 공경 치수는 부분적으로 동일할 수 있으나 본 출원은 이에 한정되지 않는다.
보다 명확하게 본 출원 실시예에 있어서, 상기 개구홀(160)의 공경 범위는 1um 내지 100um이며, 바람직하게는 상기 개구홀(160)의 공경 범위는 3um 내지 50um이다. 또한 본 출원 실시예에 있어서, 상기 개구홀(160) 사이의 공경차의 범위는 0.1um 내지 95um이며, 바람직하게는 상기 개구홀(160) 사이의 공경차의 범위는 0.5um 내지 20um이다. 보다 바람직하게는 상기 적어도 하나의 이온 제한층(16b) 중 상기 제2 반사기(13)와 가장 인접한 상기 이온 제한층(16b)의 개구홀(160)은 최소 공경을 구비한다.
구체적인 실시에서 주입된 이온은 수소 이온, 산소 이온 등을 포함하나 이에 한정되지 않는다. 이는 상기 제2 반사기(13)의 상표면으로부터 상기 반사 공동(100) 내에 주입된다. 상기 입자가 주입되는 깊이는 주입 시의 에너지를 기반으로 제어할 수 있다. 구체적으로, 주입이 깊을수록 주입된 이온이 상기 제1 반사기(12)에 더욱 인접하도록 에너지를 증가시킬 수 있다. 주입이 얕을수록 주입된 이온이 상기 제2 반사기(13)에 더욱 인접하도록 에너지를 감소시킬 수 있다. 이에 상응하도록 주입 이온의 에너지와 주입 이온의 양을 기반으로 상기 이온 제한층(16b)의 상기 개구홀(160)의 치수를 제어할 수 있다.
본 출원의 다른 예시에 있어서, 상기 제한층(16)은 이온 제한층(16b)과 상기 산화 제한층(16a)의 조합일 수도 있다. 즉, 상기 적어도 2개의 제한층(16)은 적어도 하나의 산화 공정에 의해 형성된 산화 제한층(16a)을 포함한다. 또한 상기 적어도 2개의 제한층(16)은 적어도 하나의 이온 주입 공정에 의해 형성된 이온 제한층(16b)을 포함한다. 이는 도 9에 도시된 바와 같다.
요약하면 본 출원 실시예에 따른 상기 VCSEL 레이저는 상기 제한층(16)의 개구홀(160) 공경 조절 및/또는 상기 제한층(16)의 활성 영역(14)과 터널 접합(15) 사이에 대한 위치 설정 변경을 통해, VCSEL 소자의 광전 변환 효율과 원거리 빔 확산각 두 측면에서의 성능이 모두 고려되도록 구현된다.
개략적 제조 방법
도 10은 본 출원 실시예에 따른 VCSEL 레이저의 제조 방법의 개략도이다.
도 10에 도시된 바와 같이, 본 출원 실시예에 따른 제조 과정은 먼저 에피택셜 성장 공정을 통해 에피택셜 구조(10)를 형성하는 단계를 포함한다. 여기에는 기판(11); 상기 기판(11) 상방에 위치한 제1 반사기(12)와 제2 반사기(13); 및 상기 제1 반사기(12)와 상기 제2 반사기(13) 사이에 형성되는 복수개의 활성 영역(14)과 복수개의 터널 접합(15)이 포함되고, 상기 복수개의 활성 영역(14)과 상기 복수개의 터널 접합(15) 사이는 교대로 설치된다. 그 후 산화 공정을 통해 상기 제1 반사기(12)와 상기 제2 반사기(13) 사이에 적어도 2개의 산화 제한층(16a)을 형성하는 단계를 포함한다. 상기 적어도 2개의 산화 제한층(16a)은 개구홀(160)을 각각 구비한다. 여기에서 상기 개구홀(160) 중 적어도 일부 개구홀(160) 사이는 상이한 공경을 갖는다.
일 예시에 있어서, 상기 VCSEL 레이저의 제조 방법에 있어서, 상기 산화 제한층(16a)은 각 상기 활성 영역 (14) 상방에 각각 형성되며, 상기 산화 제한층(16a)의 수량은 상기 활성 영역(14)의 수량과 동일하다.
일 예시에 있어서, 상기 VCSEL 레이저의 제조 방법에 있어서, 상기 산화 제한층(16a)은 일부 상기 활성 영역(14) 상방에 선택적으로 형성되며, 상기 산화 제한층(16a)의 수량은 상기 활성 영역(14)의 수량보다 적다.
일 예시에 있어서, 상기 VCSEL 레이저의 제조 방법에 있어서, 상기 개구홀(160)의 공경 범위는 1um 내지 100um이다.
일 예시에 있어서, 상기 VCSEL 레이저의 제조 방법에 있어서, 상기 개구홀(160)의 공경 범위는 3um 내지 50um이다.
일 예시에 있어서, 상기 VCSEL 레이저의 제조 방법에 있어서, 상기 개구홀(160) 사이의 공경차 범위는 0.1um 내지 95um이다.
일 예시에 있어서, 상기 VCSEL 레이저의 제조 방법에 있어서, 상기 개구홀(160) 사이의 공경차 범위는 0.5um 내지 20um이다.
일 예시에 있어서, 상기 VCSEL 레이저의 제조 방법에 있어서, 상기 적어도 2개의 산화 제한층(16a) 중 상기 제2 반사기(13)와 가장 인접한 상기 상화 제한층(16a)의 개구홀(160)은 최소 공경을 갖는다.
요약하면 본 출원 실시예에 따른 VCSEL 레이저의 제조 방법을 설명하였으며, 이는 전술한 VCSEL 레이저를 제조할 수 있다. 도 10에 도시된 제조 과정으로 상기 제한층(16)이 산화 제한층(16a)인 VCSEL 레이저를 제조하는 것을 예로 들어 설명한 것임에 유의한다. 상기 제한층(16)이 이온 제한층(16b)이거나 상기 제한층(16)이 이온 제한층(16b)과 산화 제한층(16a)의 조합인 경우, 대응하는 제조 과정은 간단하게 변경하여 알 수 있으므로 여기에서 반복하여 설명하지 않는다.
이상에서는 본 출원의 기본 원리를 구체적인 실시예와 함께 설명하였으나, 본 출원에서 언급된 장점, 강점, 효과 등은 예시일 뿐 제한이 없음에 유의하여야 한다. 이러한 장점, 강점, 효과 등은 본 출원 각 실시예에 필수적인 것으로 간주할 수 없다. 또한 상기에서 개시한 구체적인 내용은 예시 및 이해하기 쉬운 역할을 할 뿐이며 한정하는 역할을 하지 않는다. 상기의 구체적인 내용은 본 발명이 반드시 상기 구체적인 내용을 채택해야만 구현되는 것으로 한정하지 않는다.
본 출원에 언급된 소자, 장치, 디바이스 및 시스템의 블록도는 단지 예시적인 예일 뿐이며 블록도에 도시된 방식으로 연결, 배치 및 구성되어야 함을 요구하거나 암시하지 않는다. 본 기술 분야의 당업자가 익히 알고 있는 바와 같이, 이러한 소자, 장치, 디바이스 및 시스템은 임의 방식으로 연결, 배치 및 구성될 수 있다. "포괄하다", "포함하다", "구비하다" 등과 같은 용어는 개방적 어휘이며 "포함하지만 이에 국한되지 않는다"는 것을 의미하고 서로 호환되어 사용될 수 있다. 본원에 사용된 "또는" 및 "및"은 용어 "및/또는"을 나타내며, 문맥상 달리 명시되지 않는 한 서로 호환되어 사용될 수 있다. 본원에 사용된 "예를 들어"라는 용어는 "~와 같으나 이에 국한되지 않는다"는 것을 의미하고, 서로 호환되어 사용될 수 있다.
본 출원의 장치, 디바이스 및 방법에 있어서 각 부재 또는 각 단계는 분해 및/또는 재조합된 것일 수 있다. 이러한 분해 및/또는 재조합은 본 출원의 등가의 방안으로 간주된다.
개시된 측면의 상기 설명을 제공함으로써 본 기술 분야의 임의 기술자는 본 출원을 실시 또는 사용할 수 있다. 이러한 측면의 각종 수정은 본 기술 분야의 당업자가 매우 용이하게 구현할 수 있는 것이며, 본원에 정의된 일반 원리가 다른 측면에 응용된 것은 본 출원의 범위를 벗어나지 않는다. 따라서 본 출원은 본원에 제시된 측면으로 제한되지 않으며, 개시된 원리 및 신규한 특징과 일치하는 가장 넓은 범위에 따르도록 한다.
상기 설명은 예시와 설명을 위해 제시되었다. 또한 상기 설명은 본 출원의 실시예를 개시된 형태로 제한하지 않는다. 상기에서 다양한 예시적 측면과 실시예로 설명하였으나, 본 기술 분야의 당업자는 그 일부 변형, 수정, 변화, 추가 및 하위 조합을 알 수 있다.

Claims (22)

  1. 다중 터널 접합을 구비한 VCSEL 레이저에 있어서,
    여기에는 에피택셜 구조 및 상기 에피택셜 구조에 전기적으로 연결된 양극 및 음극이 포함되고;
    여기에서 상기 에피택셜 구조는,
    기판;
    상기 기판 상방에 위치한 제1 반사기 및 제2 반사기-상기 제1 반사기와 상기 제2 반사기 사이에는 반사 공동이 설치됨-;
    상기 반사 공동 내에 형성된 복수의 활성 영역과 복수의 터널 접합-상기 복수의 활성 영역과 상기 복수의 터널 접합은 상기 반사 공동 내에 교대로 설치됨-; 및
    상기 반사 공동 내에 형성된 적어도 2개의 제한층-상기 적어도 2개의 제한층은 각각 개구홀을 구비하고, 여기에서 상기 적어도 2개의 제한층의 상기 개구홀 중 적어도 일부 개구홀 사이는 상이한 공경을 구비함-을 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 터널 접합을 구비한 VCSEL 레이저.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제한층은 각 상기 활성 영역 상방에 각각 형성되며, 상기 제한층의 수량은 상기 활성 영역의 수량과 동일한 것을 특징으로 하는 다중 터널 접합을 구비한 VCSEL 레이저.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제한층은 일부 상기 활성 영역 상방에 선택적으로 형성되며, 상기 제한층의 수량은 상기 활성 영역의 수량보다 적은 것을 특징으로 하는 다중 터널 접합을 구비한 VCSEL 레이저.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서,
    상기 개구홀의 공경 범위는 1um 내지 100um인 것을 특징으로 하는 다중 터널 접합을 구비한 VCSEL 레이저.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 개구홀의 공경 범위는 3um 내지 50um인 것을 특징으로 하는 다중 터널 접합을 구비한 VCSEL 레이저.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 개구홀 사이의 공경차 범위는 0.1um 내지 95um인 것을 특징으로 하는 다중 터널 접합을 구비한 VCSEL 레이저.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 개구홀 사이의 공경차 범위는 0.5um 내지 20um인 것을 특징으로 하는 다중 터널 접합을 구비한 VCSEL 레이저.
  8. 제4항에 있어서,
    상기 적어도 2개의 제한층의 상기 개구홀 사이의 공경 치수는 서로 모두 동일하지 않는 것을 특징으로 하는 다중 터널 접합을 구비한 VCSEL 레이저.
  9. 제2항 또는 제3항에 있어서,
    상기 적어도 2개의 제한층 중 상기 제2 반사기에 가장 인접한 상기 제한층의 개구홀은 최소 공경을 갖는 것을 특징으로 하는 다중 터널 접합을 구비한 VCSEL 레이저.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 2개의 제한층은 적어도 1개의 산화 공정에 의해 형성된 산화 제한층을 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 터널 접합을 구비한 VCSEL 레이저.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 2개의 제한층은 적어도 1개의 이온 주입 공정에 의해 형성된 이온 제한층을 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 터널 접합을 구비한 VCSEL 레이저.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 2개의 제한층은 적어도 1개의 산화 공정에 의해 형성된 산화 제한층을 포함하고, 또한 상기 적어도 2개의 제한층은 적어도 1개의 이온 주입 공정에 의해 형성된 이온 제한층을 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 터널 접합을 구비한 VCSEL 레이저.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 적어도 2개의 제한층은 모두 산화 공정에 의해 형성된 산화 제한층인 것을 특징으로 하는 다중 터널 접합을 구비한 VCSEL 레이저.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 산화 제한층 사이의 간격은 0.5*상기 VCSEL 레이저에 의해 생성되는 레이저 빛의 파장의 정수배를 그 사이 반도체의 굴절률 가중합으로 나눈 것과 같은 것을 특징으로 하는 다중 터널 접합을 구비한 VCSEL 레이저.
  15. 다중 터널 접합을 구비한 VCSEL 레이저의 제조 방법에 있어서,
    에피택셜 성장 공정을 통해 에피택셜 구조를 형성하는 단계-여기에는 기판; 상기 기판 상방에 위치한 제1 반사기와 제2 반사기; 및 상기 제1 반사기와 상기 제2 반사기 사이에 형성되는 복수개의 활성 영역과 복수개의 터널 접합이 포함되고, 상기 복수개의 활성 영역과 상기 복수개의 터널 접합 사이는 교대로 설치됨-; 및
    산화 공정을 통해 상기 제1 반사기와 상기 제2 반사기 사이에 적어도 2개의 산화 제한층을 형성하는 단계-상기 적어도 2개의 산화 제한층은 개구홀을 각각 구비하고, 여기에서 상기 개구홀 중 적어도 일부 개구홀 사이는 상이한 공경을 가짐-가 포함되는 것을 특징으로 하는 다중 터널 접합을 구비한 VCSEL 레이저의 제조 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 산화 제한층은 각 상기 활성 영역 상방에 각각 형성되며, 상기 산화 제한층의 수량은 상기 활성 영역의 수량과 동일한 것을 특징으로 하는 다중 터널 접합을 구비한 VCSEL 레이저의 제조 방법.
  17. 제15항에 있어서,
    상기 산화 제한층은 상기 활성 영역 상방에 선택적으로 형성되며, 상기 산화 제한층의 수량은 상기 활성 영역의 수량보다 적은 것을 특징으로 하는 다중 터널 접합을 구비한 VCSEL 레이저의 제조 방법.
  18. 제15항에 있어서,
    상기 개구홀의 공경 범위는 1um 내지 100um인 것을 특징으로 하는 다중 터널 접합을 구비한 VCSEL 레이저의 제조 방법.
  19. 제15항에 있어서,
    상기 개구홀의 공경 범위는 3um 내지 50um인 것을 특징으로 하는 다중 터널 접합을 구비한 VCSEL 레이저의 제조 방법.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 개구홀 사이의 공경차 범위는 0.1um 내지 95um인 것을 특징으로 하는 다중 터널 접합을 구비한 VCSEL 레이저의 제조 방법.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 개구홀 사이의 공경차 범위는 0.5um 내지 20um인 것을 특징으로 하는 다중 터널 접합을 구비한 VCSEL 레이저의 제조 방법.
  22. 제16항에 있어서,
    상기 적어도 2개의 산화 제한층 중 상기 제2 반사기에 가장 인접한 상기 산화 제한층의 개구홀은 최소 직경을 갖는 것을 특징으로 하는 다중 터널 접합을 구비한 VCSEL 레이저의 제조 방법.
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Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115986562B (zh) * 2023-03-20 2023-07-25 苏州长光华芯半导体激光创新研究院有限公司 高功率低发散角垂直腔面发射半导体发光器件及制备方法
CN117424070B (zh) * 2023-12-18 2024-03-01 苏州长光华芯光电技术股份有限公司 一种多结垂直腔面发光结构及其制备方法

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20010084208A (ko) * 2000-02-24 2001-09-06 윤종용 표면광 레이저
JP2005044964A (ja) * 2003-07-28 2005-02-17 Ricoh Co Ltd 面発光レーザ素子および面発光レーザアレイおよび面発光レーザモジュールおよび電子写真システムおよび光インターコネクションシステムおよび光通信システムおよび面発光レーザ素子の製造方法
US20170256915A1 (en) * 2016-03-04 2017-09-07 Princeton Optronics, Inc. High-Speed VCSEL Device

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2001093387A2 (en) * 2000-05-31 2001-12-06 Sandia Corporation Long wavelength vertical cavity surface emitting laser
JP4537658B2 (ja) 2002-02-22 2010-09-01 株式会社リコー 面発光レーザ素子、該面発光レーザ素子を用いた面発光レーザアレイ、電子写真システム、面発光レーザモジュール、光通信システム、光インターコネクションシステム、および面発光レーザ素子の製造方法
CN1588717A (zh) * 2004-07-16 2005-03-02 北京工业大学 高效大功率多波长隧道级联多有源区垂直腔面发射激光器
US9088134B2 (en) * 2011-07-27 2015-07-21 Vixar Inc. Method and apparatus including improved vertical-cavity surface-emitting lasers
US8731012B2 (en) 2012-01-24 2014-05-20 Fuji Xerox Co., Ltd. Surface emitting semiconductor laser and its manufacturing method, surface emitting semiconductor laser device, optical transmitter, and information processor
CN104577711A (zh) * 2013-10-24 2015-04-29 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 垂直腔面发射激光器及其制作方法
CN113490998A (zh) * 2018-08-09 2021-10-08 阵列光子学公司 用于混合式半导体生长的氢扩散屏障
US11563307B2 (en) * 2018-10-01 2023-01-24 Mellanox Technologies, Ltd. High speed high bandwidth vertical-cavity surface-emitting laser
US20220069546A1 (en) * 2019-01-17 2022-03-03 Array Photonics, Inc. Control of vcsel spatial modes and output beam
CN111478179A (zh) * 2020-05-25 2020-07-31 长春中科长光时空光电技术有限公司 一种垂直腔面发射激光器及其制作方法

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20010084208A (ko) * 2000-02-24 2001-09-06 윤종용 표면광 레이저
JP2005044964A (ja) * 2003-07-28 2005-02-17 Ricoh Co Ltd 面発光レーザ素子および面発光レーザアレイおよび面発光レーザモジュールおよび電子写真システムおよび光インターコネクションシステムおよび光通信システムおよび面発光レーザ素子の製造方法
US20170256915A1 (en) * 2016-03-04 2017-09-07 Princeton Optronics, Inc. High-Speed VCSEL Device

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