KR980012746A - 수직 공진기 면발광 레이저 다이오드 및 그 제조방법 - Google Patents

수직 공진기 면발광 레이저 다이오드 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 제작이 용이하고, 수직 공진기의 반사율이 향상된 수직 공진기 면발광 레이저 다이오드 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 기판 상부에 순차적으로 하부 미러층. 제1콘택트층. 활성층, 제2콘택트층 및 상부미러층이 형성되고, 제1콘택트층의 일측이 치우쳐 노출되도록 식각하여 이 식각된 제1콘택트층의 노출된 부분에 제1금속층을 형성하고, 같은 방법으로 제1콘택트층 상면의 노출부분에 대해 맞은편의 제2콘택트층의 상면이 노출되도록 식각하여 이 식각된 제2콘택트층의 노출 부분에 제2금속층을 형성함으로써 결과적으로 케리어 주입통로가 제1금속층, 제1콘택트층, 활성층, 제2콘택트층 및 제2금속층으로 이어지게 되어, 상부 및 하부 미러 층은 캐리어 주입과 관련되지 않게 되어 고 반사율을 갖는 미러면을 형성할 수 있고, 오믹특성이 우수한 제1콘택트층 및 제2콘택트층에 의해 저항이 감소되어 문턱전류가 낮고, 열적 특성이 안정되어 안정된 동작특성을 갖는다.

Description

수직 공진기 면발광 레이저 다이오드 및 그 제조방법
본 발명은 수직 공진기 면발광 레이저 다이오드(vertical cavity surface emitting laser diode: VCSEL) 및그 제조방법에 관한 것으로, 특히 GaN계 111-V족 혼정계를 사용하여 제작이 용이하고, 광기록장치의 광원에 적합한 발진광을 출사하는 수직 공진기 면발광 레이저 다이오드 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
종래의 모서리 발광 레이저 다이오드는 소자의 적층면과 평행 방향의 공진 구조를 가지고 적층면과 평행 한 방향으로 레이저 빔을 발진시키는데 반하여, 수직 공진기 면발광 레이저 다이오드는 소자의 적층면에 수직인 공진 구조를 가지고 소자의 적층면의 수직 방향으로 레이저 빔을 발진한다. 이러한 수직 공진기 면발 광 레이저 다이오드(VCSEL)는 모서리 발광 레이저 다이오드(edge emitting lacer diode)에 비해 구동 전류가 낮고, 발진 빔의 발산(beam divergence)이 작아서 광통신이나 광정보기록, 그러고 홀로그래픽 메모리 (holographic memory) 등에 널리 이용된다. 또한, 수직 공진기 면발광 레이저 다이오드(VCSEL)는 종모드 간격(longitudinal mode spacing)이 넓어 기본적으로 단일 종모드(single longitudinal mode)를 나타내며, 발진개시 전류가 매우 낮고 출사빔이 대칭성을 갖고 있어 결합 효율(Coupling efficiency)이 좋다는 등의 장점 으로 인하여 점차 그 응용범위가 확대되고 있다.
현재 연구되고 있는 수직공진 방식의 면발광 레이저는 그 종류가 다수 있으나, 제작 방식에 따라 순수 MBE형 면발광 레이저 다이오드화 복합형 면발광 레이저 다이오드로 분류된다.
순수 MBE평 면발광 레이저 다이오드는 레이저 다이오드의 전체구조(상,하의 레이저 반사경과 레이저 활성영역)가 MBE(또는 HOCVD)에 의해서 완성되는 것으로서, MBE 결정성장 후의 공정은 부식 또는 양성자 주입, 고리고 전극 부착 등이 매우 간단하게 이루어진다는 장점이 있다. 그리고, 제작된 MBE형 면발광 레이저 다이오드는 물리적으로 상당히 견고하다는 장점을 가진다.
복합형의 면발광 레이저 다이오드는 레이저 반사경이 결정성장 완료 후 별도로 진공증착에 의해서 GaAs/AIGaAs가 아닌 물질 Si02/TiOA12, Au, Ag 등에 의해서 이루어지는 경우이다. 이와 같은 경우에 결정성장 후의 공정이 비교적 복잡하고, 견고성 등에 있어서 문제가 있으나, 레이저 다이오드 자체에서의 전기 저항값 올 줄일 수 있다는 장점이 있다.
또한, 캐비티를 식각하여 만드는 에어 포스트(air poet)형과 H+를 주입(implantation)하여 캐리어 제한을 하는 평탄화(planar)구조로 크게 대별된다.
에어 포스트(air past)형은 누설 전류가 없어 발진개시 전류가 낮은 장점이 있으나, 공진기와 에어 사이의 굴절률 차이를 적절하게 일정수준으로 유지하도록 해야 하는 제한을 갖고 있다.
도 1은 종래 기술에 의한 수직 공진기 면발광 레이저 다이오드의 수직 단면도로서, H+주입 평탄화 구조의 일예를 나타내 보인 것이다.
상기 종래의 수직 공진기 면발광 레이저 다이오드는 n-GaAs기판(2) 위에 형성된 Inn,Ga nrAs 활성층(4)의 상, 하부에 수직 공진기가 되는 미러(mirror)면을 만들어 주기 위해 MOCVD 또는 러BE 등의 에퍼택시 기술 을 이용하여 하부 미러층(3)으로 GaA7층과 AIGaAs층을 각각 교대로 적층하여 n-GaAs/AIGaAs DBR층 (dlstributed Bragg reflector)을 형성하고, 상부 미러층(5)도 같은 방법으로 AIAs/AIGaAs DBR층(5)을 성장시키고, 상부 미러층(5) 위에 GaAs 오믹 버퍼층(6)을 형성한 후, 상기 상부미러층(5)의 상면 양측에서 소정 깊이로 하부 미러층(3)의 일부에 이르기가지 H+를 선택적으로 주입(implantation)시켜, 주입된 영역에 의해 캐리어통로가 중앙부분으로 제한되도록 제작된다. 제1도에서 참조부호 8는 H+주입(implantation) 영역을 나타낸 것이고, 1과 7은 제1금속층(n-오믹메탈(ohmic met리)과 제2금속층(p-오믹 메탈)을 나타낸 것이다.
상기한 H+주입 평탄화구조는 이득도파형 구조가 되므로 빛이 방출되는 왼도우의 크기가 작을 경우(5m 이하) 기본 횡모드 발진을 하게 되는 잇점이 있다.
그러나, 상기 평탄화 구조 역시 도파로와 주변간의 굴절률 차이가 너무 작아 적절한 웨이브 가이드(waveguide)를 구현할 수 없고, 캐리어 주입이 상부와 하부미러층을 통과하여야 하기 때문에 저항을 낮추는데 한계가 있다. 따라서, 근본적인 열적 문제를 안고 있어 안정적인 발진을 방해하고, 고 반사율을 얻기 위한 적절한 조성비에 제약이 따르며, 양성자 주입과정을 거쳐야 하는 제작상의 어려움이 따른다.
따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 감안하여 이를 개선하고자 창안된 것으로서 본 발명의 목적은 GaN계 혼정 화합물을 이용하여 단파장 특성이 우수하고 제작이 용이하며, 열적특성이 우수한 수직 공진기 면발광 레이저 다이오드 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
도 1은종래 기술에 의한 수직 공진기 면발광 레이저 다이오드의 수직 단면도이고,
도 2는 본 발명에 의한 수직 공진기 면발광 레이저 다이오드의 수직 단면도이다.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
1, 18 : 제1금속층(n-오믹메탈) 2. 12: 기판
3, 13 : 하부 미러층 4. 15: 활성층
5, 17 : 상부 미러층 6: 오믹 버퍼층
7, 19: 제2금속층(p-오믹메탈) 8: H+주입영역
14: 제1콘택트층 16: 제2콘택트층
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 수직 공진기 면발광 레이저 다이오드는, 기판 상부에 개재된 활성층, 상기 활성 층에서 발진된 광을 공진시키기 위한 수직 공진기로서의 상, 하부 미러층이 상기 활성 층의 상부 및 하부에 각각 형성된 수직 공진기 면발광 레이저 다이오드에 있어서, 상기 하부 미러층과 상기 활성층사이에는 제1콘택트층이 개재되고, 상기 활성층은 상기 제1콘택트층의 일측에 치우쳐 형성되고, 상기 제1콘택트층 상면의 노출된 타측 위에는 전극으로 이용되는 제1금속층이 형성되고,상기 활성층과 상기 상부 미러층사이에는 제2콘택트층이 개재되고, 상기 상부 미러층은 상기 제2콘택트층의 일측에 상기 제1금속층의 반대편이 노출되도록 치우쳐 형성되고, 상기 제2콘택트층 상면의 노출된 타측 위에는 전극으로 이용되는 제 2금속층이 경성된 것을 그 특징으로 한다.
그리고, 상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 수직 공진기 면발광 레이저 다이오드의 제조방법은,기판 상면에 하부 미러층, 제1콘택트층, 활성층, 제2콘택트층 및 상부 미러층을 순차적으로 나란하게 성장시켜 적층하는 결정성장 단계: 상기 상부 미러층의 일측에서 상기 제1콘택트층의 상면까지 식각하여 상기 제 1콘택트층의 상면의 일부를 노출시키는 제1식각 단계: 상기 제1식각단계를 마친 상기 상부 미러층의 타측에서 상기 제2콘택트층의 상면가지 식각하여 상기 제2콘택트층의 상면의 일부를 노출시키는 제2식각단계: 상기 제1실각단계에서 제1콘택트층 상면의 노출된 부분에 전극으로 사용되는 제1금속층을 형성하는 제1금속층 형성 단계: 상기 제2식각 단계에서 상기 제2콘택트층 상면의 노출된 부분에 전극으로 사용되는 제2금속층을 형성하는 제2금속층 형성 단계:를 포함하여 제조되는 것을 그 특징으로 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 수직 공진기 면발광 레이저 다이오드 및 그 제조 방법에 대한 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명에 따른 수직 공진기 면발광 레이저 다이오드의 수직 단면도이다.
도시된 바와 같이, 기판(12) 위에 순차적으로 하부 미러층(13), 제1콘택트층(14), 활성층(15), 제2콘택트층 (16), 상부 미러층(17)이 적층되고, 제1콘택트층(14) 상면의 노출된 부분에 형성된 제1금속층(18), 제2콘택트층 (16) 상면의 노출된 부분에 형성된 제2금속층(19)이 구비된다.
목적하는 파장을 구현하기 위한 각 층별 조성물에 있어서, 제1 및 제2 콘택트층(14)(16)은 제1 및 제2금속층 (18)(19)과의 오믹특성이 우수한 GaN층으로 형성되고, 활성층(15)이 InGaN층이면 상부 및 하부 미러층(17)(13)은 AIN/GaN DBR층으로 켱성되고, 활성층(15)이 GaN층이면, 상부 및 하부 미러층(17)(13)은 AIO.IGaO.9N/AIN DBR층으로 형성되는게 바람직하다.
이와 같이 각 층이 조성되고, 상기와 같은 구조를 갖는 본 발명의 수직 공진기 면발광 레이저 다이오드의 특징에 의하면 활성층(15) 내부로 캐리어가 주입되는 통로는 제1콘택트층(14) 상면의 노출된 부분에 마련된 제1금속층(11)으로부터 제1콘택트층(14), 활성층(15), 제2콘택트층(16) 및 제2콘랙트층(16) 상면의 노출된 부분 에 마련되고, 상기 제1금속층(18)에 대해 맞은편에 배치되는 제2금속층(19)을 연결하는 선상에 헝성된다. 따라서, 낮은 저항특성을 갖는 GaN에 의한 제1콘택트층(14)과 제2콘택트층(16)에 의해 원할한 캐리어가 주입됨으 로써 문틱전류가 낮아지고, 하부 미러층(13)과 상부 미러층(17)은 캐리어 주입과 분리됨으로쌔 99.9%에 가까운 고 반사율을 갖는 DBR미러층을 형성할 수 있게 된다. 그 결과 원하는 자외선영역으로부터 청록색 영역에 걸쳐서 이용하고자 하는 파장대역에 해당하는 광을 출사하기에 적항하도륵 각 층을 조성할 수 있고, 이와 관련하여 상부와 하부 미러층(17)(13)이 99.9%에 가가운 고반사율을 제공함으로써 광출력효율이 향상된다.
이와 같은 특성을 갖는 수직 공진기 면발광 레이저 다이오드의 제작공정을 살펴보면, 먼저, 결정성장단계에서 기판(12) 위에 하부 미러층(13), 제1콘택트층(14), 활성층(15), 제2콘택트층(16) 및 상부 미러층(17)을 순차적으로 나란하게 성장시킨다. 이때, 활성층(15)을 InGaN층으로 형성시킬 경우, 하부 미러층(13)과 상부 미러층 (17)은 GaN층과 AIN층을 발진파장λ의 λ/4두께로 교대로 적층한다. 마찬가지로 활성층(15)율 GaN층으로 형 성시킬 경우, 하부 미러층(13)과 상부 미러층(17)은 AIO.IGaO.9N층과 AIN층을 발진딱장의 λ/4두개로 교대로 적층한다. 또한 활성층(15)은 발진파장 λ의 정수배에 해당하는 두게로 적층하고, 제1 및 제2콘택트층(14)(16)은 GaN층으로 형성 한다.
다음으로 제1식각단계에서는 제1금속층(18)인 n형 오믹메탈(ohmic metal)을 형성하기 위한 공간을 확보하기 위하여, 결정성장된 상부 미러층(16)의 일측에서 수직으로 제1콘택트층(14)의 상면가지 식각한다.
제2식각단계에서도 제2전극층(19)인 p형 오믹메탈(ohmic metal)을 형성하기 위한 공간을 확보하기 위하여, 상부 미러층(17)의 타측에서 수직으로 제2콘택트층(16)의 상면가지 일부를 식각한다.
두 번의 식각단계를 거치고 나면, 제1식각단계 및 제2식각단계에서 제1론택트층(14) 상면의 노출된 부분과 제2콘택트층(16) 상면의 노출된 부분에 전극으로 사용되는 제1금속층(n형 오믹메탈)(18)과 제2금속층(p형 오믹 메탈)(19)을 형성하는 금속층 형성단계를 거치게 된다.
이와 같이 제작된 소자의 측면 광도파(lateral wave guide)는 광출사면의 외결에 의해 발진되는 모드수가 결 정 되 게 된 다. 종래에는 캐리어 주입특성을 향상시키기 위하여 저항을 낮추기 위해 상부 및 하부 미러층(17)(13)제 p형과 n형 도펀트를 각각 주입하였으나, 본 발명에 의한 수직 공진기 면발광 레이저 다이오드에서는 제1 및 제2콘택트층(14)(15)이 캐리어 주입통로를 제공하기 때문에 상, 하부 미러층(17)(13)에 별도의 도핑을 하지 않아도 되고, 단일 횡모드 특성을 얻기위해 전류를 제한하기 위해 황성층(15)을 포함하는 상,하층에 양성자(proton)를 주입하여 캐리어의 통전 경로를 공간적으로 제한하였으나, 본 발명에 의하면 이러한 양성자 주입공정이 필요없어 제작이 용이하다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 수직 공진기 면발광 레이저 다이오드는 케리어 주입통로가 케리어 주입통로가 제1금속층(18), 제1콘택트층(14), 활성층(15), 제2콘택트층(16) 및 제2금속층(19)으로 이어지게 되어, 수직공진기의 발진방향에 대해 수직으로 형성됨으로써, 상부 및 하부 미러층(17)(13)은 캐리어 주입과 관련되지 않게 되어고 반사율을 갖는 미러면을 형성할 수 있고, 오믹특성이 우수한 제1콘택트층(14) 및 제2콘택트층(16)에 의해 저항이 감소되어 문턱전류가 낮고, 열적 특성이 안정되어 안정된 동작특성을 갖는다.

Claims (6)

  1. 기판 상부에 개재된 활성층, 상기 활성 층에서 발진된 광을 공진시키기 위한 수직 공진기로서의 상, 하부미러층이 상기 활성층의 상부 및 하부에 각각 형성된 수직 공진기 면발광 레이저 다이오드에 있어서, 상기 하부 미러층과 상기 활성층사이에는 제1콘택트층이 개재되고, 상기 활성층은 상기 제1콘택트층의 일측에 치우쳐 형성되고, 상기 제1콘택트층 상면의 노출된 타측 위에는 전극으로 이용되는 제1금속층이 형성되고, 상기 활성층과 상기 상부 미러층사이에는 제2콘택트층이 개재되고, 상기 상부 미러층은 상기 제2콘택트층의 일측에 상기 제1금속층의 반대편이 노출되도록 처우적 형성되고, 상기 제2콘택트층 상면의 노출된 타측 위에는 전극으 로 이용되는 제2금속층이 형성된 것을 특징으로 하는 수직 공진기 면발광 레이저 다이오드.
  2. 제1항에 있어서, 상기 상부 및 하부 미러층은 AIN/GaN DBR층이고, 상기 활성층은 InGaN층이고, 상기 제1 및 제2 콘택트층 GaN층인 것을 특징으로 하는 수직 공진기 면발광 레이저 다이오드.
  3. 제1항에 있어서, 상기 상부 및 하부 미러층은 AIO.IGaO.9N/AIN DBR층이고, 상기 활성층은 GaN층이고,상기 제1 및 제2 콘택트층 GaN층인 것을 특징으로 하는 수직 공진기 면발광 레이저 다이오드.
  4. 기판 상면에 하부 미러층, 제1콘택트층, 활성층, 제2콘택트층 및 상부 미러층을 순차적으로 나란하게 성장시켜 적층하는 결정성장 단계: 상기 상부 미러층의 일측에서 상기 제1콘택트층의 상면까지 식각하여 상기 제1콘택트층의 상면의 일부를 노출시키는 제1식각 단계: 상기 제1식각단계를 마친 상기 상부 미러층의 타측에 서 상기 제2콘택트층의 상면까지 식각하여 상기 제2콘택트층의 상면의 일부를 노출시키는 제2식각단계 : 상기 제1식각단계에서 제1콘택트층 상면의 노출된 부분에 전극으로 사용되는 제1금속층을 형성하는 제1금속층 형성 단계 ; 상기 제2식각 단계에서 상기 제2콘택트층 상면의 노출된 부분에 전극으로 사용되는 제2금속층을 형 성하는 제2금속층 켱성 단계:를 포함하는 수직 공진기 면발광 레이저 다이오드 제조방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 상부 및 하부 미러층은 AIN/GaN DBR층이고, 상기 활성층은 InGaN층이고, 상기 제1 및 제2 콘택트층 GaN층인 것을 특징으로 하는 수직 공진기 면발광 레이저 다이오드의 제조방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 상부 및 하부 미러층은 AIO.IGaO.9N/AIN DBR층이고, 상기 활성층은 GaN층이고,상기 제1 및 제2 콘택트층 GaN층인 것을 특징으로 하는 수직 공진기 면발광 레이저 다이오드의 제조방법.
    ※참고사항 : 최초출원 내용에 의하여 공개하는 것임.
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