WO2020022827A1 - 표면발광 레이저소자 및 이를 포함하는 발광장치 - Google Patents

표면발광 레이저소자 및 이를 포함하는 발광장치 Download PDF

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정세연
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    • H01S5/40—Arrangement of two or more semiconductor lasers, not provided for in groups H01S5/02 - H01S5/30
    • H01S5/42—Arrays of surface emitting lasers
    • H01S5/423—Arrays of surface emitting lasers having a vertical cavity

Definitions

  • Embodiments relate to a semiconductor device, and more particularly, to a surface emitting laser device and a light emitting device including the same.
  • a semiconductor device including a compound such as GaN, AlGaN, etc. has many advantages, such as having a wide and easy-to-adjust band gap energy, and can be used in various ways as a light emitting device, a light receiving device, and various diodes.
  • light emitting devices such as light emitting diodes or laser diodes using semiconductors of Group 3-5 or Group 2-6 compound semiconductors have been developed through the development of thin film growth technology and device materials.
  • Various colors such as blue and ultraviolet light can be realized, and efficient white light can be realized by using fluorescent materials or combining colors, and low power consumption, semi-permanent life, and quick response compared to conventional light sources such as fluorescent and incandescent lamps. It has the advantages of speed, safety and environmental friendliness.
  • a light-receiving device such as a photodetector or a solar cell
  • a group 3-5 or group 2-6 compound semiconductor material of a semiconductor the development of device materials absorbs light in various wavelength ranges to generate a photocurrent.
  • light in various wavelength ranges from gamma rays to radio wavelength ranges, can be used. It also has the advantages of fast response speed, safety, environmental friendliness and easy control of device materials, making it easy to use in power control or microwave circuits or communication modules.
  • a white light emitting device which can replace a LED backlight, a fluorescent lamp or an incandescent bulb, which replaces a cold cathode tube (CCFL) constituting a backlight of a transmission module of an optical communication means and a liquid crystal display (LCD) display device.
  • CCFL cold cathode tube
  • LCD liquid crystal display
  • VCSEL vertical-cavity surface-emitting laser
  • the laser diode used in such a communication module is designed to operate at a low current.
  • the epitaxial structure of the conventional VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser) is important in the data optical communication structure, but the response speed is important in the development of high power PKG for sensors. Efficiency is an important characteristic.
  • the prior art has a problem that the current injection efficiency is lowered due to the current crowding (carrier density) is rapidly increased at the aperture edge (aperture edge) as applied from a low current to a high current, this problem is When the ohmic characteristics of the epi layer and the electrode are lowered, the resistance is increased, and thus the electrical injection efficiency is further lowered, thereby lowering the electrical characteristics.
  • Embodiments provide a surface emitting laser device capable of improving electrical characteristics and a light emitting device including the same.
  • the embodiment is to provide a surface emitting laser device and a light emitting device including the same that can improve not only the electrical characteristics but also the optical characteristics.
  • the surface emitting laser device includes a substrate, a first reflective layer disposed on the substrate, an active layer disposed on the first reflective layer, an aperture layer disposed on the active layer, and an opening, and the active layer. It may include a second reflective layer disposed on, a transparent electrode layer disposed on the second reflective layer and a metal electrode layer disposed on the transparent electrode layer.
  • the transparent electrode layer may include a first region 290a vertically overlapping the opening and a plurality of second regions 290b extending from the first region 290a.
  • the plurality of second regions may be spaced apart from each other on the outside of the opening along the circumferential direction of the opening.
  • the plurality of second regions may be spaced apart from each other to correspond to the circumference of the opening.
  • the metal electrode layer may be in electrical contact with the second reflective layer between the plurality of second regions 290b.
  • the second reflective layer includes a 2-1 region in direct contact with the transparent electrode layer and a 2-2 region in direct contact with the metal electrode layer, wherein the 2-2 region is between the 2-1 regions. Can be arranged.
  • the transparent electrode layer 290 includes a first contact region 290C which is in contact with the second-first region of the second reflective layer 250, and the metal electrode layer 280 is a second of the second reflective layer 250. And a second contact region 280C in contact with the ⁇ 2 region, wherein an area of the first contact region 290C of the transparent electrode layer 290 is larger than an area of the second contact region 280C of the metal electrode layer 280. It can be wide.
  • the surface-emitting laser device includes a substrate, a first reflective layer disposed on the substrate, an active layer disposed on the first reflective layer, an active layer disposed on the active layer, and an aperture and an insulating region. It may include an oxide layer, a second reflective layer disposed on the oxide layer, a transparent electrode layer disposed on the second reflective layer and a metal electrode layer disposed on the transparent electrode layer.
  • the oxide layer may be referred to as an aperture region.
  • the transparent electrode layer may include a plurality of protrusions, the transparent electrode layer and the plurality of protrusions may directly contact the second reflective layer, and the metal electrode layer may directly contact the second reflective layer between the plurality of protrusions.
  • the second reflective layer may include a first region in direct contact with the transparent electrode layer and a second region in direct contact with the metal electrode layer, and the second region may be disposed between the first regions.
  • the transparent electrode layer 290 includes a first contact region 290C in contact with a first region of the second reflective layer 250, and the metal electrode layer 280 is formed in a second region of the second reflective layer 250.
  • the contact area may include a second contact area 280C, and an area of the first contact area 290C of the transparent electrode layer 290 may be larger than an area of the second contact area 280C of the metal electrode layer 280.
  • the first contact region 290C is in the range of 60 to 80%.
  • the second contact area 280C may range from 40% to 20%.
  • the surface-emitting laser device includes a first reflective layer disposed on the substrate, an active region disposed on the first reflective layer, and an aperture and an insulating region disposed on the active region.
  • the transparent electrode layer may include a first ohmic region 290a and a plurality of second ohmic regions 290b protruding outward from the first ohmic region 290a and spaced apart from each other.
  • the transparent electrode layer may directly contact the second reflective layer in the first ohmic region 290a and the second ohmic region 290b.
  • the metal electrode layer may directly contact the second reflective layer between the plurality of protruding second ohmic regions 290b.
  • the surface-emitting laser device includes a first electrode, a substrate disposed on the first electrode, a first reflective layer disposed on the substrate, and a cavity region disposed on the first reflective layer.
  • the embodiment may further include a passivation layer disposed on a portion of the side surface and the upper surface of the second reflective layer 250.
  • the transparent electrode layer 290 may include a first ohmic region 290a spaced apart from the passivation layer 270 and a second ohmic region 290b contacting the passivation layer 270.
  • the transparent electrode layer 290 is spaced apart from the passivation layer 270 so as to contact the first ohmic region 290a and the passivation layer 270 exposing a portion of the second reflective layer to expose the second reflective layer. May include a second ohmic region 290b.
  • the first ohmic region 290a may extend from a first region of the second reflective layer to a part of the second region.
  • the second ohmic region 290b may extend from the first region of the second reflective layer to the second region and may extend to the upper side of the passivation layer 270.
  • the first ohmic region 290a may be spaced apart from the passivation layer 270 to expose a portion of the second reflective layer 250.
  • the exposed portions of the exposed second reflective layer may be plural, and may be spaced apart from each other.
  • the second ohmic region 290b may extend in the direction of the passivation layer 270 in the first ohmic region 290a.
  • the second ohmic region 290b may be disposed to extend above the passivation layer 270.
  • An area of the first contact region 290C where the transparent electrode layer 290 is in contact with the second reflecting layer 250 is a second contact region where the metal electrode layer 280 is in contact with the exposed part 250P of the second reflecting layer ( 280C).
  • the thickness of the transparent electrode layer 290 may be 100 nm to 250 nm.
  • the light emitting device of the embodiment may include the surface emitting laser device.
  • the embodiment can provide a surface emitting laser device and a light emitting device including the same, which can improve electrical characteristics by improving ohmic characteristics.
  • the embodiment is to improve the current crowding (current crowding) phenomenon, the surface emitting laser device having a uniform optical characteristic of the radiation intensity (radiance intensity) between the aperture (edge) and the center (center) and includes the same A light emitting device can be provided.
  • the embodiment of the present invention provides a surface emitting laser device and a light emitting device including the same to improve ohmic characteristics and improve current density to prevent damage to the aperture or increase in the divergence angle of the beams. Can provide.
  • FIG. 1 is a plan view of a surface emitting laser device according to an embodiment
  • FIG. 2 is an enlarged plan view of a first emitter B1 of the surface emitting laser device according to the embodiment shown in FIG. 1.
  • 3A is a first cross-sectional view taken along line A1-A1 'of the surface emitting laser device according to the embodiment shown in FIG.
  • 3B is a second cross-sectional view taken along line A2-A2 'of the surface emitting laser device according to the embodiment shown in FIG.
  • FIG. 4 is an enlarged cross-sectional view of a portion B2 of the epi area of the surface-emitting laser device according to the embodiment shown in FIG. 3A.
  • 5A is a detailed plan view including a transparent electrode layer disposed on a second reflective layer in an embodiment.
  • 5B is a cross-sectional view taken along a line A1-A1 'of the surface emitting laser device according to the embodiment shown in FIG. 5A.
  • 5C is a cross-sectional view taken along line A2-A2 'of the surface emitting laser device according to the embodiment shown in FIG. 5A.
  • Figure 6a is a detailed plan view including a metal electrode layer disposed on the transparent electrode layer in the embodiment.
  • FIG. 6B is a cross-sectional view taken along a line A1-A1 'of the surface emitting laser device according to the embodiment shown in FIG. 6A.
  • 6C is a cross-sectional view taken along line A2-A2 'of the surface emitting laser device according to the embodiment shown in FIG. 6A.
  • FIG. 7 is an exemplary photograph including a contact region of a metal electrode layer in the prior art.
  • FIG 8 is an exemplary photograph including a contact region of a transparent electrode layer and a metal electrode layer with respect to the second reflective layer in an embodiment.
  • 9A is a carrier flow diagram in cross section of a surface emitting laser device according to the embodiment shown in FIG. 6B.
  • FIG. 9B is a carrier flow diagram in cross-sectional view of the surface emitting laser device according to the embodiment shown in FIG. 6C.
  • FIG. 9B is a carrier flow diagram in cross-sectional view of the surface emitting laser device according to the embodiment shown in FIG. 6C.
  • 10A and 10B are light emission patterns and light emission intensity data in a comparative technique.
  • 11A and 11B show light emission pattern and light emission intensity data in the embodiment.
  • FIG. 13 is an enlarged view of a third region of the surface emitting laser device according to the embodiment shown in FIG. 6C;
  • 16A shows light transmissive data in the surface emitting laser device according to the embodiment
  • 16B and 16C show light transmission characteristics comparison examples in Comparative Examples 2 and 2, respectively.
  • 17a to 23 is a manufacturing process diagram of the surface light emitting laser device according to the embodiment.
  • 24 is a sectional view of a surface emitting laser device according to another embodiment.
  • 25 is a perspective view of a mobile terminal to which a surface emitting laser device is applied according to an embodiment
  • the on or under when described as being formed on the "on or under” of each element, the on or under is It includes both the two elements are in direct contact with each other or one or more other elements are formed indirectly between the two elements.
  • the on or under when expressed as “on” or “under”, it may include the meaning of the downward direction as well as the upward direction based on one element.
  • FIG. 1 is a plan view of a surface emitting laser device 201 according to an embodiment
  • FIG. 2 is an enlarged plan view of a first emitter B1 of the surface emitting laser device according to the embodiment shown in FIG. 1.
  • FIG. 3A is a first cross-sectional view taken along line A1-A1 'of the surface emitting laser device according to the embodiment shown in FIG. 2, and FIG. 3B is A2-A2 of the surface emitting laser device according to the embodiment shown in FIG. 'Second section along the line.
  • the x-axis direction may be a direction parallel to the longitudinal direction of the substrate 210
  • the y-axis may be a direction perpendicular to the x-axis.
  • the surface emitting laser device 201 may include a light emitting part E and a pad part P, and the light emitting part E may include a plurality of light emitting emitters. And may include dozens to hundreds of light emitting emitters.
  • the surface-emitting laser device 201 may include a first electrode 215, a substrate 210, a first reflective layer 220, an active layer 232, and an aperture region.
  • One or more of the 240, the second reflective layer 250, the metal electrode layer 280, the passivation layer 270, and the transparent electrode layer 290 may be included.
  • the transparent electrode layer 290 may be referred to as a transparent ohmic layer.
  • the first reflecting layer 220 and the second reflecting layer 250 may include a distributed Bragg reflector (DBR), and may be predetermined between the first reflecting layer 220 and the second reflecting layer 250. Cavities 231 and 233 (see FIG. 4) may be disposed.
  • DBR distributed Bragg reflector
  • the aperture region 240 may include an aperture 241, which is an opening, and an insulating region 242.
  • the saving region 242 may function as a current blocking function and may be referred to as an oxide layer, and the aperture region 240 may be referred to as an oxidation region or an oxide layer, but is not limited thereto.
  • the substrate 210 may be a conductive substrate or a non-conductive substrate.
  • a metal having excellent electrical conductivity may be used, and a heat generating GaAs substrate, a metal substrate, or silicon (Si ) Substrates and the like can be used.
  • a non-conductive substrate an AlN substrate, a sapphire (Al 2 O 3 ) substrate, or a ceramic substrate may be used.
  • the substrate 210 may use a semiconductor material and may be doped.
  • the substrate 210 may be a semiconductor material doped with an n-type conductivity, but embodiments are not limited thereto.
  • the first electrode 215 may be disposed under the substrate 210, and the first electrode 215 may be disposed in a single layer or multiple layers with a conductive material.
  • the first electrode 215 may be a metal and at least one of aluminum (Al), titanium (Ti), chromium (Cr), nickel (Ni), copper (Cu), and gold (Au). Including a single layer or a multi-layer structure to improve the electrical properties can increase the light output.
  • the first electrode 215 may be referred to as an n-type electrode because the first electrode 215 may serve as an electrode for the first reflective layer 220 which functions as an n-type reflective layer, but a conductive element may be formed in the first electrode 215 itself. It is not doped.
  • the first reflective layer 220 may be doped with a first conductivity type.
  • the first conductivity type dopant may include an n type dopant such as Si, Ge, Sn, Se, Te, or the like.
  • the first reflective layer 220 may include a gallium-based compound, for example, AlGaAs, but is not limited thereto.
  • the first reflective layer 220 may be a distributed Bragg reflector (DBR).
  • DBR distributed Bragg reflector
  • the first reflective layer 220 may have a structure in which a first layer and a second layer made of materials having different refractive indices are alternately stacked at least once.
  • the first reflective layer 220 may include a first group first reflective layer 221 disposed on the substrate 210 and a first group first reflective layer 221 disposed on the first group first reflective layer 221.
  • the second group first reflection layer 222 may be included.
  • the first group first reflective layer 221 and the second group first reflective layer 222 may include a plurality of layers made of a semiconductor material having a compositional formula of Al x Ga (1-x) As (0 ⁇ x ⁇ 1). As the Al in each layer increases, the refractive index of each layer may decrease, and as Ga increases, the refractive index of each layer may increase.
  • each layer may be ⁇ / 4n
  • ⁇ may be a wavelength of light generated in the active layer 232
  • n may be a refractive index of each layer with respect to light having the aforementioned wavelength.
  • ⁇ may be 650 to 980 nanometers (nm)
  • n may be the refractive index of each layer.
  • the first reflective layer 220 having such a structure may have a reflectance of 99.999% for light in a wavelength region of about 940 nanometers.
  • the thickness of the layer in each first reflective layer 220 may be determined according to the respective refractive index and the wavelength ⁇ of the light emitted from the active layer 232.
  • first group first reflective layer 221 and the second group first reflective layer 222 may also be formed of a single layer or a plurality of layers, respectively.
  • the first group first reflective layer 221 may include about 30-40 pairs of the first group first-first layer 221a and the first group first-second layer 221b. have.
  • the first group 1-1 layer 221a may be formed thicker than the first group 1-2 layer 221b.
  • the first group first-first layer 221a may be formed at about 40 to 60 nm
  • the first group first-2 layer 221b may be formed at about 20-30 nm.
  • the second group first reflective layer 222 may also include about 5 to 15 pairs of the second group first-first layer 222a and the second group first-second layer 222b.
  • the second group first-first layer 222a may be formed thicker than the second group first-second layer 222b.
  • the second group 1-1 layer 222a may be formed at about 40 nm to about 60 nm
  • the second group 1-2 layer 222 b may be formed at about 20 nm to about 30 nm.
  • the second reflective layer 250 may include a gallium-based compound, for example, AlGaAs, and the second reflective layer 250 may be doped with a second conductivity type dopant.
  • the second conductivity type dopant may be a p-type dopant such as Mg, Zn, Ca, Sr, Ba, or the like.
  • the second reflective layer 250 may also be a distributed Bragg reflector (DBR).
  • DBR distributed Bragg reflector
  • the second reflective layer 250 may have a structure in which a plurality of layers made of materials having different refractive indices are alternately stacked at least once.
  • Each layer of the second reflective layer 250 may include AlGaAs, and in detail, may be formed of a semiconductor material having a compositional formula of Al x Ga (1-x) As (0 ⁇ x ⁇ 1).
  • Al increases, the refractive index of each layer may decrease, and when Ga increases, the refractive index of each layer may increase.
  • the thickness of each layer of the second reflective layer 250 may be ⁇ / 4n, ⁇ may be a wavelength of light emitted from the active layer, and n may be a refractive index of each layer with respect to light having the aforementioned wavelength.
  • the second reflective layer 250 having such a structure may have a reflectance of 99.9% with respect to light in a wavelength region of about 940 nanometers.
  • the second reflective layer 250 may be formed by alternately stacking layers, and the number of pairs of layers in the first reflective layer 220 may be greater than the number of pairs of layers in the second reflective layer 250.
  • the reflectance of the first reflective layer 220 may be about 99.999%, which may be greater than 99.9% of the reflectance of the second reflective layer 250.
  • the second reflective layer 250 is spaced apart from the active layer 232 than the first group second reflective layer 251 and the first group second reflective layer 251 disposed adjacent to the active layer 232.
  • the second group second reflective layer 252 may be included.
  • the first group second reflective layer 251 and the second group second reflective layer 252 may also be formed of a single layer or a plurality of layers, respectively.
  • the first group second reflective layer 251 may include about 1 to 5 pairs of the first group 2-1 layer 251a and the first group 2-2 layer 251b. have.
  • the first group 2-1 layer 251a may be formed thicker than the first group 2-2 layer 251b.
  • the first group 2-1 layer 251a may be formed at about 40 to 60 nm
  • the first group 2-2 layer 251b may be formed at about 20 to 30 nm.
  • the second group second reflection layer 252 may also include about 5 to 15 pairs of the second group 2-1 layer 252a and the second group 2-2 layer 252b.
  • the second group 2-1 layer 252a may be formed thicker than the second group 2-2 layer 252b.
  • the second group 2-1 layer 252a may be formed at about 40 to 60 nm
  • the second group 2-2 layer 252b may be formed at about 20 to 30 nm.
  • the active layer 232 may be disposed between the first reflective layer 220 and the second reflective layer 250.
  • the active layer 232 may include any one of a single well structure, a multi well structure, a single quantum well structure, a multi quantum well (MQW) structure, a quantum dot structure, or a quantum line structure.
  • a single well structure a multi well structure
  • a single quantum well structure a single quantum well structure
  • a multi quantum well (MQW) structure a quantum dot structure
  • a quantum line structure a quantum line structure
  • the active layer 232 may include a well layer 232a and a barrier layer 232b using a compound semiconductor material of a group IIIV element.
  • the well layer 232a may be formed of a material having an energy band gap smaller than the energy band gap of the barrier layer 232b.
  • the active layer 232 may be formed in a 1 to 3 pair structure such as InGaAs / AlxGaAs, AlGaInP / GaInP, AlGaAs / AlGaAs, AlGaAs / GaAs, GaAs / InGaAs, but is not limited thereto. Dopants may not be doped in the active layer 232.
  • predetermined cavities 231 and 233 may be disposed between the first reflective layer 220 and the second reflective layer 250.
  • the cavity may be disposed to be in contact with each other on the active layer 232, and the first cavity 231, the active layer 232, and the first cavity 231 disposed between the active layer 232 and the first reflective layer 220.
  • the second cavity 233 may be disposed between the two reflective layers 250.
  • the first cavity 231 and the second cavity 233 may be formed of Al y Ga (1-y) As (0 ⁇ y ⁇ 1) material, but is not limited thereto.
  • the first cavity 231 and the second cavity 233 may each include a plurality of layers made of Al y Ga (1-y) As.
  • the first cavity 231 may include a first-first cavity layer 231a and a first-second cavity layer 231b.
  • the first-first cavity layer 231a may be further spaced apart from the active layer 232 than the first-second cavity layer 231b.
  • the first-first cavity layer 231a may be formed thicker than the first-second cavity layer 231b, but is not limited thereto.
  • the second cavity 233 may include a 2-1 cavity layer 233a and a 2-2 cavity layer 233b.
  • the 2-2 cavity layer 233b may be further spaced apart from the active layer 232 than the 2-1 cavity layer 233a.
  • the 2-2 cavity layer 233b may be formed thicker than the 2-1 cavity layer 233a, but is not limited thereto.
  • the second-second cavity layer 233b may be formed to about 60 to 70 nm
  • the first-first cavity layer 231a may be formed to about 40 to 55 nm, but is not limited thereto.
  • the aperture region 240 may include an insulation region 242 and an aperture 241.
  • the aperture region 240 may be referred to as an opening region or an oxide layer.
  • the insulating region 242 may be formed of an insulating layer, for example, aluminum oxide, to serve as a current blocking region, and the aperture 241 may be defined by the insulating region 242.
  • the aperture region 240 includes aluminum gallium arsenide (AlGaAs)
  • AlGaAs of the aperture region 240 reacts with H 2 O to change the edge to aluminum oxide (Al 2 O 3 ).
  • the insulating region 242 may be formed, and the central region that does not react with H 2 O may be an aperture 241 made of AlGaAs.
  • the light emitted from the active layer 232 through the aperture 241 may be emitted to the upper region, and the light transmittance of the aperture 241 may be superior to that of the insulating region 242. .
  • the insulating region 242 may include a plurality of layers, and may include, for example, a first insulating layer 242a and a second insulating layer 242b.
  • the first insulating layer 242a may have a thickness that is the same as or different from that of the second insulating layer 242b.
  • the surface-emitting laser device 201 includes the insulating region 242 and the active layer 232 from the second reflective layer 250 in the region around the aperture 241. As far as mesa can be etched. In addition, even a part of the first reflective layer 220 may be mesa etched.
  • a passivation layer 270 may be disposed on the side and top surfaces of the mesa-etched light emitting structure and the top surface of the second reflective layer 250.
  • the passivation layer 270 may also be disposed on the side surface of the surface emitting laser device 201 separated by device units to protect and insulate the surface emitting laser device 201.
  • the passivation layer 270 may be made of an insulating material, for example, nitride or oxide.
  • the passivation layer 270 may include at least one of polyimide, silica (SiO 2 ), or silicon nitride (Si 3 N 4 ).
  • the metal electrode layer 280 may be disposed on the second reflective layer 250, and the region in which the second reflective layer 250 is exposed in the region between the metal electrode layers 280 may be formed with the aperture 241 described above. Can correspond.
  • the metal electrode layer 280 may be referred to as a second electrode.
  • the metal electrode layer 280 may be made of a conductive material, for example, metal.
  • the metal electrode layer 280 may include at least one of aluminum (Al), titanium (Ti), chromium (Cr), nickel (Ni), copper (Cu), and gold (Au). It can be formed as.
  • One of the technical problems of the embodiment is to provide a surface emitting laser device and a light emitting device including the same that can improve electrical characteristics.
  • one of the technical problems of the embodiment is to provide a surface emitting laser device and a light emitting device including the same that can improve the electrical properties as well as the optical properties.
  • the embodiment may include a transparent electrode layer 290 disposed between the second reflective layer 250 and the metal electrode layer 280 to solve the technical problem.
  • the transparent electrode layer 290 is in direct contact with the second reflective layer 250 to form an ohmic contact between the second reflective layer 250 and the transparent electrode layer 290, thereby improving the electrical characteristics.
  • the transparent electrode layer 290 may be any one or more of ITO, AZO, GZO, ZnO, Y 2 O 3 , ZrO 2, and the like.
  • FIG. 5A is a detailed plan view including a transparent electrode layer 290 disposed on the second reflective layer 250 in the embodiment
  • FIG. 5B is a line A1-A1 'of the surface emitting laser device according to the embodiment shown in FIG. 5A
  • 5C is a cross-sectional view taken along line A2-A2 'of the surface emitting laser device according to the embodiment shown in FIG. 5A.
  • the second reflective layer 250 may include the transparent electrode layer 290 and the upper contact second reflective layer 250T in contact with the metal electrode layer 280.
  • FIG. 6A is a detailed plan view including a metal electrode layer 280 disposed on the transparent electrode layer 290 in the embodiment
  • FIG. 6B is A1-A1 'of the surface emitting laser device according to the embodiment shown in FIG. 6A
  • 6C is a cross-sectional view along the line A2-A2 'of the surface emitting laser device according to the embodiment shown in FIG. 6A.
  • the transparent electrode layer 290 is in contact with the first ohmic region 290a and the passivation layer 270 spaced apart from the passivation layer 270. It may include a second ohmic region 290b.
  • the first ohmic region 290a may be spaced apart from the passivation layer 270 to expose a portion of the second reflective layer 250, and the exposed portions 250P of the exposed second reflective layer may be plural. , May be spaced apart from each other.
  • the second ohmic region 290b may extend in the direction of the passivation layer 270 in the first ohmic region 290a. In addition, the second ohmic region 290b may be in contact with the passivation layer 270. In addition, the second ohmic region 290b may be disposed to extend above the passivation layer 270.
  • the second ohmic regions 290b may be spaced apart from each other to correspond to the circumference of the aperture 241.
  • the second ohmic region 290b may be disposed to be spaced apart from each other along a predetermined circle having a large radius and a center corresponding to the circumference of the aperture 241.
  • the second ohmic region 290b may be spaced apart from each other so as to be symmetrical with respect to a virtual line passing through the center of the aperture 241 to increase uniform injection efficiency of current.
  • the second ohmic region 290b may be formed in a shape such as a circle, a polygon, or a rounded polygon.
  • the region where the transparent electrode layer 290 is in contact with the second reflective layer 250 may be the first contact region 290C, and may be larger than the exposed area of the exposed portion 250P of the second reflective layer.
  • the metal electrode layer 280 may be disposed on the transparent electrode layer 290 in the surface light emitting laser device according to the embodiment.
  • the metal electrode layer 280 may be disposed on the transparent electrode layer 290 and the passivation layer 270 to be spaced apart from the aperture 241.
  • the metal electrode layer 280 is also disposed in the exposed portion 250P of the second reflective layer shown in FIG. 5A, and the region where the metal electrode layer 280 is in contact with the exposed portion 250P of the second reflective layer is a second portion. Contact area 280C.
  • the second contact area 280C in which the metal electrode layer 280 is in contact with the exposed part 250P of the second reflective layer may include a plurality of areas.
  • the second contact area 280C may include the second-first contact area 280C1, the second-second contact area 280C2, the second-3 contact area 280C3, and the second contact area 280C.
  • 2-4 may include, but is not limited to, the contact area 280C4.
  • the 2-1 contact region 280C1, the 2-2 contact region 280C2, the 2-3 contact region 280C3, and the 2-4 contact region 280C4 may be formed at the center of the aperture 241. Spaced apart from each other to be symmetrical with respect to the virtual line passing through it can increase the uniform injection efficiency of the current.
  • the 2-1 contact area 280C1, the 2-2 contact area 280C2, the 2-3 contact area 280C3, and the 2-4 contact area 280C4 are circular, polygonal, or rounded in corners. It may be formed in a shape such as a grid.
  • the 2-1 contact region 280C1, the 2-2 contact region 280C2, the 2-3 contact region 280C3, and the 2-4 contact region 280C4 protrude toward the passivation layer 280.
  • an area (see FIG. 5A) of the first contact region 290C in which the transparent electrode layer 290 is in contact with the second reflective layer 250 may correspond to the metal electrode layer.
  • 280 may be larger than the area of the second contact region 280C in contact with the exposed portion 250P of the second reflective layer.
  • the transparent electrode layer 290 is in direct contact with the second reflective layer 250 to form an ohmic contact between the second reflective layer 250 and the transparent electrode layer 290 to improve electrical and optical characteristics.
  • the metal electrode layer 280 may simultaneously improve electrical characteristics by maintaining or improving VF characteristics in contact with the second reflective layer 250 in the second contact region 280C.
  • FIG. 7 is an exemplary photograph including a contact region M1 of a metal electrode layer according to the related art
  • FIG. 8 is an exemplary photograph including a contact region of a transparent electrode layer and a metal electrode layer with respect to the second reflective layer 250 in an embodiment.
  • an insulating layer such as SiO 2 is disposed on the p-DBR corresponding to the aperture in the prior art, and the contact region M1 between the p-DBR and the p-metal has a circular shape at the outer edge of the aperture. It was arranged uniformly, and thus there was an issue of current concentration at the aperture edge.
  • FIG. 8 illustrates an example of contact areas between the metal electrode layer 280 and the transparent electrode layer 290, and the first contact area 290C and the metal electrode layer of the transparent electrode layer 290 with respect to the second reflective layer 250.
  • An example photograph including the second contact region 280C of 280.
  • a portion of the second reflective layer 250 may be in direct contact with the transparent electrode layer 290 in the first contact region 290C to prevent current concentration at the aperture edge and improve electrical characteristics by current diffusion. It is possible to provide a surface emitting laser device and a light emitting device including the same, and at the same time the metal electrode layer 280 is in direct contact with the second reflective layer 250 in the second contact region 280C, thereby maintaining or improving the VF characteristics. The electrical characteristics can be improved at the same time.
  • a part of the second reflective layer 250 is in direct contact with the transparent electrode layer 290 in the first contact region 290C to improve the current crowding phenomenon at the aperture edge, thereby opening the aperture.
  • a surface-emitting laser device having a uniform optical characteristic with an emission intensity between an edge of an edge and a center thereof, and a light emitting device including the same can be provided.
  • a part of the second reflective layer 250 is in direct contact with the transparent electrode layer 290 in the first contact region 290C, thereby improving ohmic characteristics and improving current density, thereby preventing damage to the aperture or laser oscillation mode.
  • a surface emitting laser device and a light emitting device including the same may be provided to prevent switching to a multi-mode by a pinning effect, thereby preventing an increase in the divergence angle of beams.
  • FIG. 9A is a carrier flow chart in a cross-sectional view of the surface emitting laser device according to the embodiment shown in FIG. 6B
  • FIG. 9B is a carrier flow chart in a cross-sectional view of the surface light emitting laser device according to the embodiment shown in FIG. 6C. to be.
  • the first current C1 is further diffused so that the aperture ( Current can be injected uniformly and efficiently over the entire region of 241.
  • a part of the second reflective layer 250 is in direct contact with the transparent electrode layer 290 in the first contact region 290C to prevent current concentration at the aperture edge, and the electrical characteristics and It is possible to provide a surface emitting laser device capable of improving optical characteristics and a light emitting device including the same.
  • a second current C2 may be injected into the aperture 241, and the metal electrode layer 280 may be in contact with the second contact layer 280C.
  • the electrical characteristics may be simultaneously improved by maintaining or improving the VF3 characteristics.
  • FIG. 10A is light emission pattern data in a comparative technique
  • FIG. 10B is light emission intensity data based on a long axis X1 and a short axis X2 in a comparative example.
  • the light emission pattern at the aperture edge AE1 is brighter than the center even in the light emission pattern at the near field due to current concentration at the aperture edge AE1.
  • the intensity of emission in the far field is significantly different between the aperture edge AE1 and the aperture center AC1 due to current concentration at the aperture edge AE1. Uneven emission distribution is shown.
  • the emission intensity of the aperture center AC1 does not reach 30-40% of the emission intensity of the aperture edge AE1, and thus the aperture edge and the center of the aperture.
  • the intensity of light emission is significantly different between each other, indicating uneven light emission distribution.
  • FIG. 11A is light emission pattern data in the embodiment, and FIG. 11B is light emission intensity data on the basis of the long axis X1 and the short axis X2 in the comparative example.
  • a part of the second reflective layer 250 is in direct contact with the transparent electrode layer 290 in the first contact region 290C to prevent current concentration at the aperture edge and electrical and optical characteristics by current diffusion. Can be improved. Accordingly, as shown in FIG. 11A, the light emission pattern at the aperture edge AE2 in the near field is improved compared to the comparative example.
  • a part of the second reflective layer 250 directly contacts the transparent electrode layer 290 and the first contact region 290C, and a part of the metal electrode layer 280 is the metal electrode layer 280.
  • Direct contact with the device improves the ohmic and operating voltage characteristics simultaneously, thereby preventing current concentration at the aperture edge and simultaneously improving the electrical and optical characteristics by the current diffusion, resulting in luminescence intensity in the far field.
  • the intensity has a technical effect of exhibiting a uniform light emission distribution between the aperture edge AE2 and the aperture center AC2.
  • the emission intensity of the aperture center AC2 is improved to 60% or more compared with the emission intensity of the aperture edge AE2, thereby emitting light between the aperture edge and the center of the aperture.
  • the intensity is very uniform.
  • the applicant's internal technology is a technique in which the metal electrode layer 280 does not have an area in contact with the second reflective layer 250, and the transparent electrode layer is in contact with the second reflective layer 250 as a whole.
  • the ohmic characteristics of the transparent electrode layer are improved to prevent current concentration at the aperture edge as shown in FIG. 12, and the electrical and optical characteristics are improved by the current diffusion to improve the far field.
  • the light emission intensity has a technical effect of showing a uniform light emission distribution between the aperture edge AE3 and the aperture center AC3 as compared with the comparative example.
  • the light emission intensity of the aperture center AC3 is improved by 40% or more compared with the light emission intensity of the aperture edge AE3, so that the light emission intensity between the aperture edge and the center of the aperture is improved.
  • the radiation intensity is uniform.
  • Table 1 shows the integration sphere evaluation data for the internal technology and the examples.
  • Applicant's internal technology is a technique in which the metal electrode layer 280 is not in contact with the second reflective layer 250 as described above, and the transparent electrode layer is in contact with the second reflective layer 250 as a whole. As shown in FIG. 6A, the transparent electrode layer 290 is in contact with the second reflective layer 250 in the first contact region 290C, and the metal electrode layer 280 is exposed with the exposed portion 250P of the second reflective layer. The technique may be in contact with the second contact area 280C.
  • the area of the first contact region 290C where the transparent electrode layer 290 is in contact with the second reflective layer 250 is such that the metal electrode layer 280 is exposed to the exposed portion 250P of the second reflective layer.
  • the contact area may be wider than the area of the second contact area 280C.
  • the transparent electrode layer 290 may contact about 60 to 80% of the upper area of the second reflective layer 250 exposed by the passivation layer 270, and the remaining area may be contacted by the metal electrode layer 280. And may be about 40% to 20%.
  • the area of the first contact region 290C where the transparent electrode layer 290 is in contact with the second reflective layer 250 is about 60 out of the upper area of the second reflective layer 250 exposed by the passivation layer 270. May be ⁇ 80%.
  • the area of the second contact region 280C where the metal electrode layer 280 is in contact with the exposed portion 250P of the second reflective layer is one of the upper areas of the second reflective layer 250 exposed by the passivation layer 270. About 40-20%.
  • the metal electrode layer 280 when the metal electrode layer 280 is directly in contact with the second reflective layer 250, the operating voltage (VF3) characteristics are excellent, according to this embodiment, the metal electrode layer 280 is compared to the internal technology Since the second reflective layer 250 is in contact with the second contact region 280C, the operating voltage VF3 is improved as shown in Table 1. In addition, since the transparent electrode layer 290 is in contact with the first contact region 290C, the light output and emission intensity characteristics are remarkably improved due to the improvement of the ohmic characteristics.
  • the power (Po) is improved by more than about 10.4% from 823.9 (mW) in internal technology to 909.1 (mW) in the embodiment.
  • the power conversion efficiency (PCE) is about 22.5 (%) in internal technology, and the embodiment is improved by about 41% to 31.8 (%).
  • the transparent electrode layer 290 is formed with the second reflective layer 250.
  • the area of the first contact region 290C that is in contact is less than 40% of the area of the upper side of the second reflective layer 250 exposed by the passivation layer 270, it may be difficult to improve the ohmic characteristics.
  • the contact region of the metal electrode layer 280 is narrowed so that VF3 becomes Can be increased.
  • the area of the second contact region 280C where the metal electrode layer 280 is in contact with the exposed portion 250P of the second reflective layer is one of the upper areas of the second reflective layer 250 exposed by the passivation layer 270.
  • the area of the first contact region 290C may be relatively narrow, and thus the improvement of the ohmic characteristics may not be significant.
  • the contact area of the metal electrode layer 280 is narrowed to VF3. Can be increased.
  • FIG. 13 is an enlarged view of the third region B3 of the surface light emitting laser device according to the embodiment shown in FIG. 6C.
  • the thickness of the transparent electrode layer 290 by controlling the thickness of the transparent electrode layer 290 to the first thickness (T1) of about 100nm to about 250nm, it is possible to obtain a high ohmic characteristics between the transparent electrode layer 290 and the second reflective layer 250, The sheet resistance Rs can be significantly lowered.
  • the thickness of the transparent electrode layer 290 is the second thickness T2
  • the ohmic characteristics are not realized and the sheet resistance is high.
  • the sheet resistance is high as 180 to 37 ohm / sq.
  • the sheet resistance can be controlled to be significantly low.
  • the sheet resistance can be significantly lowered to 18 to 7 ohm / sq.
  • FIG. 15 and Table 3 below are ohmic characteristic data of the surface-emitting laser device according to the embodiment.
  • E-04 may mean 10 ⁇ 4 .
  • the second reflective layer 250 is a p-type reflective layer
  • the transparent electrode layer 290 may have n-type conductivity.
  • n-type conductive ITO is formed on the p-type reflective layer.
  • the second comparative example (As-dep), in which no action is taken after the formation of ITO on a p-type reflective layer, for example, p-GaAs, is used in Non-Ohmic) results.
  • ITO is formed on a p-type reflective layer, for example p-GaAs, and then subjected to annealing, as in the embodiment, there is a technical effect that can realize high ohmic characteristics at a thickness of 100 nm to 250 nm. have.
  • a predetermined annealing treatment may be performed at 200 ° C to 500 ° C. There is a technical effect.
  • the work function of each material should be considered as the physical condition of ohmic.
  • the work function of the ohmic layer must be larger than the work function of the p-type reflective layer.
  • a high ohmic characteristic may be realized by tunneling in ITO having a thickness of 100 nm to 250 nm through a predetermined annealing process after depositing ITO on p-GaAs. .
  • the tunneling effect in the ITO having a thickness of 100 nm to 250 nm through a predetermined annealing process in a range of 200 ° C. to 500 ° C. and a nitrogen atmosphere after deposition of ITO on p-GaAs There is a technical effect that can implement a high ohmic characteristics.
  • the tunneling effect in the ITO having a thickness of 100 nm to 250 nm through an annealing process of about 1 minute in a nitrogen atmosphere in the range of 250 ° C to 450 ° C after deposition of ITO on p-GaAs There is a technical effect that can implement a higher ohmic characteristics.
  • Ga out-diffusion occurs to form a Ga-In solid solution.
  • Ga vacancy, or acceptor may increase on the p-GaAs surface.
  • the p-GaAs upper surface layer is formed as a deep acceptor like Ga vacancies due to the formation of Ga-In-Sn- (Oxide) compound due to Ga out-diffusion during annealing, thereby increasing carrier concentration.
  • p-GaAs / ITO ohmic formation may be possible due to tunneling.
  • one of the technical problems of the embodiment is to provide a surface emitting laser device capable of preventing damage to apertures or increasing divergence angle of beams, and a light emitting device including the same. do.
  • 16A illustrates light transmissive data in the surface emitting laser device according to the embodiment.
  • the transparent electrode layer 290 is formed on the second reflective layer 250 at about 100 nm to 250 nm, thereby improving the light transmittance.
  • the refractive index of the transparent electrode layer may be about 1.6 to 2.2, and the dielectric constant k may be about 0.1 or less. have.
  • 16B and 16C are examples of comparing light transmission characteristics in the second comparative example and the example, respectively.
  • the thickness of the highest transmittance is shown as about 100 nm as shown in FIG. 16B, but the actual LED is shown.
  • the ITO thickness is about 40 nm, because LED is a volume light emitting device, so thin ITO is advantageous, and when applied over 100 nm, there is an issue of power drop.
  • the optical characteristics due to anti-reflection (AR) coating may be improved by the transparent electrode layer 290 disposed on the second reflective layer 250.
  • the embodiment can provide a surface emitting laser device and a light emitting device including the same, which can prevent damage to apertures or increase in divergence angle of beams.
  • a high ohmic characteristic between the transparent electrode layer 290 and the second reflective layer 250 may be obtained by controlling the thickness of the transparent electrode layer 290 to a first thickness T1 of about 100 nm to about 250 nm.
  • the sheet resistance (Rs) can be significantly lowered, and there is a complex technical effect that the light transmittance is further improved.
  • the light emitting structure including the first reflective layer 220, the active layer 232, and the second reflective layer 250 is formed on the substrate 210.
  • the substrate 210 may be formed of a material suitable for growth of a semiconductor material or a carrier wafer, may be formed of a material having excellent thermal conductivity, and may include a conductive substrate or an insulating substrate.
  • the substrate 210 is a conductive substrate
  • a metal having excellent electrical conductivity may be used, and a GaAs substrate having high thermal conductivity may be used because it should be able to sufficiently dissipate heat generated when the surface emitting laser device 200 is operated.
  • a metal substrate may be used, or a silicon (Si) substrate may be used.
  • the substrate 210 is a non-conductive substrate
  • an AlN substrate, a sapphire (Al 2 O 3 ) substrate, or a ceramic substrate may be used.
  • a substrate of the same type as the first reflective layer 220 may be used as the substrate 210.
  • the substrate 210 is a GaAs substrate of the same type as the first reflective layer 220
  • the lattice constant coincides with the first reflective layer 210, so that a defect such as lattice mismatch does not occur in the first reflective layer 220. Can be.
  • FIG. 17B is an enlarged view of a portion B2 of the surface emitting laser device according to the embodiment shown in FIG. 17A.
  • FIGS. 17A and 17B a surface emitting laser device according to an exemplary embodiment will be described with reference to FIGS. 17A and 17B.
  • the first reflective layer 220 may be grown using a chemical vapor deposition method (CVD), molecular beam epitaxy (MBE), sputtering, or hydroxide vapor phase epitaxy (HVPE).
  • CVD chemical vapor deposition method
  • MBE molecular beam epitaxy
  • HVPE hydroxide vapor phase epitaxy
  • the first reflective layer 220 may be doped with a first conductivity type.
  • the first conductivity type dopant may include an n type dopant such as Si, Ge, Sn, Se, Te, or the like.
  • the first reflective layer 220 may include a gallium-based compound, for example, AlGaAs, but is not limited thereto.
  • the first reflective layer 220 may be a distributed Bragg reflector (DBR).
  • DBR distributed Bragg reflector
  • the first reflective layer 220 may have a structure in which layers made of materials having different refractive indices are alternately stacked at least once.
  • the first reflective layer 220 is disposed on the first group first reflective layer 221 and the first group first reflective layer 221 disposed on the substrate 210.
  • the second group first reflective layer 222 may be included.
  • the first group first reflective layer 221 and the second group first reflective layer 222 may include a plurality of layers made of a semiconductor material having a compositional formula of Al x Ga (1-x) As (0 ⁇ x ⁇ 1). If the Al in each layer increases, the refractive index of each layer may decrease, and if Ga increases, the refractive index of each layer may increase.
  • the first group first reflective layer 221 and the second group first reflective layer 222 may also be formed of a single layer or a plurality of layers, respectively.
  • the first group first reflective layer 221 may include about 30-40 pairs of the first group first-first layer 221a and the first group first-second layer 221b. have.
  • the second group first reflective layer 222 may also include about 5 to 15 pairs of the second group first-first layer 222a and the second group first-second layer 222b.
  • the active layer 232 may be formed on the first reflective layer 220.
  • the active layer 232 may include an active layer 232, a first cavity 231 disposed below the active layer 232, and a second cavity 233 disposed above the active layer 232.
  • the active layer 232 of the embodiment may include both the first cavity 231 and the second cavity 233, or may include only one of the two.
  • the active layer 232 may include a well layer 232a and a barrier layer 232b using a compound semiconductor material of a group IIIV element.
  • the active layer 232 may be formed in a 1 to 3 pair structure such as InGaAs / AlxGaAs, AlGaInP / GaInP, AlGaAs / AlGaAs, AlGaAs / GaAs, GaAs / InGaAs, but is not limited thereto. Dopants may not be doped in the active layer 232.
  • the first cavity 231 and the second cavity 233 may be formed of Al y Ga (1-y) As (0 ⁇ y ⁇ 1) material, but is not limited thereto.
  • the first cavity 231 and the second cavity 233 may each include a plurality of layers made of Al y Ga (1-y) As.
  • the first cavity 231 may include a first-first cavity layer 231a and a first-second cavity layer 231b.
  • the second cavity 233 may include a 2-1 cavity layer 233a and a 2-2 cavity layer 233b.
  • an AlGa-based layer 241a for forming the aperture region 240 may be formed on the active layer 232.
  • the AlGa-based layer 241a may include a material such as Al z Ga (1-z) As (0 ⁇ z ⁇ 1), but is not limited thereto.
  • the AlGa-based layer 241a may include a conductive material, and may include the same material as the first reflective layer 220 and the second reflective layer 250, but is not limited thereto.
  • the AlGa-based layer 241a when the AlGa-based layer 241a includes an AlGaAs-based material, the AlGa-based layer 241a is a semiconductor material having a composition formula of Al x Ga (1-x) As (0 ⁇ x ⁇ 1). It may be made, for example, but may have a composition formula of Al 0.98 Ga 0.02 As, but is not limited thereto.
  • the AlGa-based layer 241a may include a plurality of layers.
  • the AlGa-based layer 241a may include a first AlGa-based layer 241a1 and a second AlGa-based layer 241a2.
  • a second reflective layer 250 may be formed on the AlGa-based layer 241a.
  • the second reflective layer 250 may include a gallium-based compound, for example AlGaAs.
  • each layer of the second reflective layer 250 may include AlGaAs, and in detail, may be formed of a semiconductor material having a compositional formula of Al x Ga (1-x) As (0 ⁇ x ⁇ 1). .
  • the second reflective layer 250 may be doped with a second conductivity type dopant.
  • the second conductivity type dopant may be a p-type dopant such as Mg, Zn, Ca, Sr, Ba, or the like.
  • the first reflective layer 220 may be doped with a p-type dopant, and the second reflective layer 250 may be doped with an n-type dopant.
  • the second reflective layer 250 may also be a distributed Bragg reflector (DBR).
  • DBR distributed Bragg reflector
  • the second reflective layer 250 may have a structure in which a plurality of layers made of materials having different refractive indices are alternately stacked at least once.
  • the second reflective layer 250 is spaced apart from the active layer 232 than the first group second reflective layer 251 and the first group second reflective layer 251 disposed adjacent to the active layer 232.
  • the second group second reflective layer 252 may be disposed.
  • first group second reflecting layer 251 and the second group second reflecting layer 252 may also be formed of a single layer or a plurality of layers, respectively.
  • first group second reflective layer 251 may include about 1 to 5 pairs of the first group 2-1 layer 251a and the first group 2-2 layer 251b.
  • second group second reflective layer 252 may also include about 5 to 15 pairs of the second group 2-1 layer 252a and the second group 2-2 layer 252b. .
  • the mesa region M may be formed by etching the light emitting structure using a predetermined mask (not shown).
  • the mesa may be etched from the second reflective layer 250 to the AlGa series layer 241a and the active layer 232, and may be mesa etched to a part of the first reflective layer 220.
  • the AlGa-based layer 241a and the active layer 232 may be removed from the second reflective layer 250 in the peripheral region by an inductively coupled plasma (ICP) etching method, and the mesa etching region may be etched with the inclined side. Can be.
  • ICP inductively coupled plasma
  • the edge region of the AlGa-based layer 241a may be changed to the insulating region 242, and may be changed to, for example, wet oxidation.
  • the aperture region 240 including the insulating region 242 and the aperture 241 which is a non-oxidation region may be formed.
  • AlGaAs of the AlGa-based layer may react with H 2 O to form aluminum oxide (Al 2 O 3 ).
  • Al 2 O 3 aluminum oxide
  • the center region of the AlGa-based layer does not react with oxygen, and only the edge region reacts with oxygen to form an insulating region 242 of aluminum oxide.
  • the embodiment may change the edge region of the AlGa series layer into the insulating region 242 through ion implantation, but is not limited thereto.
  • photons may be supplied with energy of 300 keV or more.
  • conductive AlGaAs may be disposed in the central region of the aperture region 240 and non-conductive Al 2 O 3 may be disposed in the edge region.
  • AlGaAs in the central region may be defined as the aperture 241 as a portion where light emitted from the active layer 232 proceeds to the upper region.
  • the passivation layer 270 may be formed on the upper surface of the light emitting structure, and a portion of the upper surface of the second reflective layer 250 may be exposed.
  • the passivation layer 270 may include at least one of polymide, silica (SiO 2 ), or silicon nitride (Si 3 N 4 ).
  • the transparent electrode layer 290 may be formed on the second reflective layer 250.
  • the transparent electrode layer 290 may be any one or more of ITO, AZO, GZO, ZnO, Y 2 O 3 , ZrO 2, and the like.
  • FIG. 21A is a detailed plan view including the transparent electrode layer 290 disposed on the second reflective layer 250 in the embodiment
  • FIG. 21B is A1-1 of the surface-emitting laser device according to the embodiment shown in FIG. 21A
  • FIG. 21C is a cross-sectional view along the A2-A2 'line of the surface emitting laser device according to the embodiment shown in FIG. 21A.
  • the transparent electrode layer 290 is in contact with the first ohmic region 290a and the passivation layer 270 spaced apart from the passivation layer 270. It may include a second ohmic region 290b.
  • the first ohmic region 290a may be spaced apart from the passivation layer 270 to expose a portion of the second reflective layer 250, and the exposed portions 250P of the exposed second reflective layer may be plural. , May be spaced apart from each other.
  • the second ohmic region 290b may extend in the direction of the passivation layer 270 in the first ohmic region 290a. In addition, the second ohmic region 290b may be in contact with the passivation layer 270. In addition, the second ohmic region 290b may be disposed to extend on the passivation layer 270.
  • the region where the transparent electrode layer 290 is in contact with the second reflective layer 250 may be the first contact region 290C, and may be larger than the exposed area of the exposed portion 250P of the second reflective layer.
  • the metal electrode layer 280 may be disposed on the transparent electrode layer 290 in the surface emitting laser device according to the embodiment.
  • the metal electrode layer 280 may be disposed on the transparent electrode layer 290 and the passivation layer 270 to be spaced apart from the aperture 241.
  • the metal electrode layer 280 is also disposed in the exposed portion 250P of the second reflective layer shown in FIG. 21A, and the region where the metal electrode layer 280 is in contact with the exposed portion 250P of the second reflective layer is a second portion. Contact area 280C.
  • the metal electrode layer 280 may be made of a conductive material.
  • the metal electrode layer 280 may include at least one of aluminum (Al), titanium (Ti), chromium (Cr), nickel (Ni), copper (Cu), and gold (Au). Can be formed.
  • the area (see FIG. 21A) of the first contact region 290C where the transparent electrode layer 290 is in contact with the second reflective layer 250 is such that the metal electrode layer 280 is exposed to the exposed portion 250P of the second reflective layer.
  • the contact area may be wider than the area of the second contact area 280C.
  • the transparent electrode layer 290 is in direct contact with the second reflective layer 250 to form an ohmic contact between the second reflective layer 250 and the transparent electrode layer 290 to improve electrical and optical characteristics.
  • the metal electrode layer 280 may simultaneously improve electrical characteristics by maintaining or improving VF characteristics in contact with the second reflective layer 250 in the second contact region 280C.
  • a portion of the second reflective layer 250 may be in direct contact with the transparent electrode layer 290 in the first contact region 290C to prevent current concentration at the aperture edge and improve electrical characteristics by current diffusion. It is possible to provide a surface emitting laser device and a light emitting device including the same, and at the same time the metal electrode layer 280 is in direct contact with the second reflective layer 250 in the second contact region 280C, thereby maintaining or improving the VF characteristics. The electrical characteristics can be improved at the same time.
  • a part of the second reflective layer 250 is in direct contact with the transparent electrode layer 290 in the first contact region 290C to improve the current crowding phenomenon at the aperture edge, thereby opening the aperture.
  • a surface-emitting laser device having a uniform optical characteristic with an emission intensity between an edge of an edge and a center thereof, and a light emitting device including the same can be provided.
  • a part of the second reflective layer 250 is in direct contact with the transparent electrode layer 290 in the first contact region 290C, thereby improving ohmic characteristics and improving current density, thereby causing damage to the aperture or emission of the emission beam.
  • a surface emitting laser device capable of preventing an increase in the divergence angle of beams and a light emitting device including the same can be provided.
  • FIG. 11A is light emission pattern data in the embodiment
  • FIG. 11B is light emission intensity data on the basis of the long axis X1 and the short axis X2 in the comparative example.
  • a part of the second reflective layer 250 is in direct contact with the transparent electrode layer 290 in the first contact region 290C to prevent current concentration at the aperture edge and electrical and optical characteristics by current diffusion. Can be improved. Accordingly, as shown in FIG. 11A, the light emission pattern at the aperture edge AE2 in the near field is improved compared to the comparative example.
  • a part of the second reflective layer 250 directly contacts the transparent electrode layer 290 and the first contact region 290C, and a part of the metal electrode layer 280 is the metal electrode layer 280.
  • Direct contact with the device improves the ohmic and operating voltage characteristics simultaneously, thereby preventing current concentration at the aperture edge and simultaneously improving the electrical and optical characteristics by the current diffusion, resulting in luminescence intensity in the far field.
  • the intensity has a technical effect of exhibiting a uniform light emission distribution between the aperture edge AE2 and the aperture center AC2.
  • the emission intensity of the aperture center AC2 is improved to 60% or more compared with the emission intensity of the aperture edge AE2, thereby emitting light between the aperture edge and the center of the aperture.
  • the intensity is very uniform.
  • an area of the first contact region 290C where the transparent electrode layer 290 is in contact with the second reflective layer 250 may include an area where the metal electrode layer 280 is in contact with the exposed portion 250P of the second reflective layer. It may be wider than the area of the second contact area 280C.
  • the transparent electrode layer 290 may contact about 60 to 80% of the upper area of the second reflective layer 250 exposed by the passivation layer 270, and the remaining area may be contacted by the metal electrode layer 280. And may be about 40% to 20%.
  • the area of the first contact region 290C where the transparent electrode layer 290 is in contact with the second reflective layer 250 is about 60 out of the upper area of the second reflective layer 250 exposed by the passivation layer 270. May be ⁇ 80%.
  • the area of the second contact region 280C where the metal electrode layer 280 is in contact with the exposed portion 250P of the second reflective layer is one of the upper areas of the second reflective layer 250 exposed by the passivation layer 270. About 40-20%.
  • the metal electrode layer 280 when the metal electrode layer 280 is directly in contact with the second reflective layer 250, the operating voltage (VF3) characteristics are excellent, according to this embodiment, the metal electrode layer 280 is compared to the internal technology Since the second reflective layer 250 is in contact with the second contact region 280C, the operating voltage VF3 is improved. In addition, since the transparent electrode layer 290 is in contact with the first contact region 290C, the light output and emission intensity characteristics are remarkably improved due to the improvement of the ohmic characteristics.
  • FIG. 23 is an enlarged view of the third region B3 of the surface emitting laser device according to the embodiment shown in FIG. 22C.
  • the thickness of the transparent electrode layer 290 is about 100 nm to about 250 nm.
  • T1 high ohmic characteristics between the transparent electrode layer 290 and the second reflective layer 250 can be obtained, and the sheet resistance Rs can be significantly reduced.
  • the thickness of the transparent electrode layer 290 is the second thickness T2
  • the ohmic characteristics are not realized and the sheet resistance is high.
  • the sheet resistance can be significantly lowered to 18 to 7 ohm / sq.
  • the second reflective layer 250 may be a p-type reflective layer
  • the transparent electrode layer 290 may have n-type conductivity
  • n-type conductive ITO cannot be adopted as a transparent electrode layer on the p-type reflective layer.
  • ITO is formed on a p-type reflective layer, for example p-GaAs, and then subjected to annealing, as in the embodiment, there is a technical effect that can realize high ohmic characteristics at a thickness of 100 nm to 250 nm. have.
  • a predetermined annealing treatment may be performed at 200 ° C to 500 ° C. There is a technical effect.
  • the work function of each material should be considered as the physical condition of ohmic.
  • the work function of the ohmic layer should be larger than the work function of the p-type reflective layer.
  • a high ohmic characteristic may be realized by tunneling in ITO having a thickness of 100 nm to 250 nm through a predetermined annealing process after depositing ITO on p-GaAs. .
  • the tunneling effect in the ITO having a thickness of 100 nm to 250 nm through a predetermined annealing process in a range of 200 ° C. to 500 ° C. and a nitrogen atmosphere after deposition of ITO on p-GaAs There is a technical effect that can implement a high ohmic characteristics.
  • the tunneling effect in the ITO having a thickness of 100 nm to 250 nm through an annealing process of about 1 minute in a nitrogen atmosphere in the range of 250 ° C to 450 ° C after deposition of ITO on p-GaAs There is a technical effect that can implement a higher ohmic characteristics.
  • Ga out-diffusion occurs to form a Ga-In solid solution.
  • Ga vacancy, or acceptor may increase on the p-GaAs surface.
  • the p-GaAs upper surface layer is formed as a deep acceptor like Ga vacancies due to the formation of Ga-In-Sn- (Oxide) compound due to Ga out-diffusion during annealing, thereby increasing carrier concentration.
  • p-GaAs / ITO ohmic formation may be possible due to tunneling.
  • the transparent electrode layer 290 is formed on the second reflective layer 250 to about 100nm to 250nm has the technical effect that the light transmittance is significantly improved.
  • the refractive index n of the transparent electrode layer may be about 1.6 to 2.2, and an extinction coefficient
  • the absorption index k value may be 0.1 or less.
  • the optical characteristics due to anti-reflection (AR) coating may be improved by the transparent electrode layer 290 disposed on the second reflective layer 250.
  • the embodiment can provide a surface emitting laser device and a light emitting device including the same, which can prevent damage to apertures or increase in divergence angle of beams.
  • the thickness between the transparent electrode layer 290 and the second reflective layer 250 is controlled by controlling the thickness of the transparent electrode layer 290 to a first thickness T1 of about 100 nm to about 250 nm.
  • Ohmic characteristics can be obtained, the sheet resistance (Rs) can be significantly reduced, and further there is a complex technical effect that the light transmittance is significantly improved.
  • 24 is another cross-sectional view of the surface emitting laser device according to the embodiment.
  • the surface emitting laser device may have a flip chip shape in which the first electrode 215 and the metal electrode layer 280 have the same direction as shown in FIG. 24.
  • the surface-emitting laser device may include the first electrode 215, the substrate 210, the first reflective layer 220, the active layer 232, the aperture region 240, and the first electrode 215.
  • One or more of the second reflective layer 250, the metal electrode layer 280, the first passivation layer 271, the second passivation layer 272, and the anti-reflective layer 290 may be included.
  • the reflectance of the second reflecting layer 250 may be designed to be higher than that of the first reflecting layer 220.
  • the first electrode 215 may include a first contact electrode 216 and a first pad electrode 217.
  • the first contact electrode (215) may be disposed on the first reflective layer 220 exposed through a predetermined mesa process.
  • the 216 may be electrically connected, and the first pad electrode 217 may be electrically connected to the first contact electrode 216.
  • the first electrode 215 may be made of a conductive material, for example, metal.
  • the first electrode 215 may include at least one of aluminum (Al), titanium (Ti), chromium (Cr), nickel (Ni), copper (Cu), and gold (Au). It may be formed into a structure.
  • the first electrode 215 may be an electrode for the n-type reflective layer.
  • the metal electrode layer 280 may include a second contact electrode 282 and a second pad electrode 284, and the second contact electrode 282 is electrically connected to the second reflective layer 250.
  • the second pad electrode 284 may be electrically connected to the second contact electrode 282.
  • the metal electrode layer 280 may be an electrode for the p-type reflective layer.
  • the first insulating layer 271 and the second insulating layer 272 may be made of an insulating material, for example, may be made of nitride or oxide, and may be, for example, polyimide or silica (SiO 2 ). Or at least one of silicon nitride (Si 3 N 4 ).
  • the surface emitting laser device according to the embodiment may be applied to a mobile terminal.
  • FIG. 25 is a perspective view of a mobile terminal to which a surface emitting laser device is applied according to an embodiment.
  • the mobile terminal 1500 of the embodiment may include a camera module 1520, a flash module 1530, and an auto focusing device 1510 provided at a rear surface thereof.
  • the auto focus device 1510 may include one of the packages of the surface emitting laser device according to the above-described embodiment as a light emitting unit.
  • the flash module 1530 may include a light emitting device that emits light therein.
  • the flash module 1530 may be operated by camera operation of a mobile terminal or control of a user.
  • the camera module 1520 may include an image capturing function and an auto focus function.
  • the camera module 1520 may include an auto focus function using an image.
  • the auto focus device 1510 may include an auto focus function using a laser.
  • the auto focusing device 1510 may be mainly used in a condition in which the auto focus function using the image of the camera module 1520 is degraded, for example, a proximity or a dark environment of 10 m or less.
  • the autofocus device 1510 may include a light emitting unit including a vertical cavity surface emitting laser (VCSEL) semiconductor device, and a light receiving unit converting light energy such as a photodiode into electrical energy.
  • VCSEL vertical cavity surface emitting laser

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Abstract

실시예는 표면발광 레이저소자 및 이를 포함하는 발광장치에 관한 것이다. 실시예에 따른 표면발광 레이저소자는 기판과, 상기 기판 상에 배치된 제1 반사층과, 상기 제1 반사층 상에 배치되는 활성층과, 상기 활성층 상에 배치되고 개구부를 포함하는 애퍼처층과, 상기 활성층 상에 배치되는 제2 반사층과, 상기 제2 반사층 상에 배치되는 투명전극층 및 상기 투명전극층 상에 배치되는 메탈전극층을 포함할 수 있다. 상기 투명전극층은, 상기 개구부와 수직으로 중첩되는 제1 영역 및 상기 제1 영역에서 연장되는 복수의 제2 영역을 포함할 수 있다. 상기 복수의 제2 영역은 상기 개구부의 원주방향을 따라 상기 개구부의 외측에 서로 이격되어 배치될 수 있다. 상기 복수의 제2 영역은 상기 개구부의 원주에 대응되도록 서로 이격되어 배치될 수 있다. 상기 메탈전극층은 상기 복수의 제2 영역 사이에서 상기 제2 반사층과 전기적으로 컨택할 수 있다.

Description

표면발광 레이저소자 및 이를 포함하는 발광장치
실시예는 반도체 소자에 관한 것으로, 보다 상세하게는 표면발광 레이저소자 및 이를 포함하는 발광장치에 관한 것이다.
GaN, AlGaN 등의 화합물을 포함하는 반도체 소자는 넓고 조정이 용이한 밴드 갭 에너지를 가지는 등의 많은 장점을 가져서 발광 소자, 수광 소자 및 각종 다이오드 등으로 다양하게 사용될 수 있다.
특히, 반도체의 3-5족 또는 2-6족 화합물 반도체 물질을 이용한 발광 다이오드(Light Emitting Diode)나 레이저 다이오드(Laser Diode)와 같은 발광소자는 박막 성장 기술 및 소자 재료의 개발로 적색, 녹색, 청색 및 자외선 등 다양한 색을 구현할 수 있으며, 형광 물질을 이용하거나 색을 조합함으로써 효율이 좋은 백색 광선도 구현이 가능하며, 형광등, 백열등 등 기존의 광원에 비해 저 소비전력, 반영구적인 수명, 빠른 응답속도, 안전성, 환경 친화성의 장점을 가진다.
뿐만 아니라, 광검출기나 태양 전지와 같은 수광 소자도 반도체의 3-5족 또는 2-6족 화합물 반도체 물질을 이용하여 제작하는 경우 소자 재료의 개발로 다양한 파장 영역의 빛을 흡수하여 광 전류를 생성함으로써 감마선부터 라디오 파장 영역까지 다양한 파장 영역의 빛을 이용할 수 있다. 또한 빠른 응답속도, 안전성, 환경 친화성 및 소자 재료의 용이한 조절의 장점을 가져 전력 제어 또는 초고주파 회로나 통신용 모듈에도 용이하게 이용할 수 있다.
따라서, 광 통신 수단의 송신 모듈, LCD(Liquid Crystal Display) 표시 장치의 백라이트를 구성하는 냉음극관(CCFL: Cold Cathode Fluorescence Lamp)을 대체하는 발광 다이오드 백라이트, 형광등이나 백열 전구를 대체할 수 있는 백색 발광 다이오드 조명 장치, 자동차 헤드 라이트 및 신호등 및 Gas나 화재를 감지하는 센서 등에까지 응용이 확대되고 있다.
또한, 고주파 응용 회로나 기타 전력 제어 장치, 통신용 모듈에까지 응용이 확대될 수 있다. 예를 들어, 종래 반도체 광원소자 기술 중에, 수직공진형 표면발광 레이저(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser: VCSEL)가 있는데, 이는 광 통신, 광병렬 처리, 광연결 등에 사용되고 있다. 한편, 이러한 통신용 모듈에서 사용되는 레이저 다이오드의 경우, 저전류에서 작동하기 하도록 설계되어 있다.
그런데, 이러한 VCSEL을 구조광 센서, LDAF(Laser Diode Autofocus) 등에 적용하게 되면 고전류에서 작동하게 되므로 광도출력이 감소하거나 문턱 전류가 증가하는 등의 문제점이 발생한다.
즉, 종래 VCSEL(Vertical Cavity Surface Emitting Laser)의 에피(Epi) 구조는 기존의 데이터(Data) 광통신용 구조에서는 응답속도가 중요하였으나, 센서용 고전압 패키지(High Power PKG) 개발 시에는 광출력과 전압 효율이 중요한 특성이 된다.
한편, 종래기술에서는 저전류에서 고전류로 인가됨에 따라 애퍼처 에지(aperture edge)에서의 캐리어 밀도가 급격히 증가하는 전류밀집(current crowding)이 발생하여 전류주입 효율이 저하되는 문제가 있으며, 이러한 문제는 에피층과 전극의 오믹특성이 낮아지는 경우에 저항(resistance)이 증가하여 더욱 전기주입효율이 저하되어 전기적인 특성이 떨어지게 된다.
또한 종래기술에 의하면 애퍼처 에지(aperture edge)에서의 전류밀집(current crowding) 발생 시, 레이저 출사영역인 애퍼처(apertures)의 손상(damage)이 발생할 수 있으며, 또한 종래기술에 의하면 저 전류에서 주 모드(dominant mode)가 발진되다가 고전류가 인가됨에 따라 고차 모드(higher mode) 발진으로인해 출사 빔의 발산각(divergence angle of beams)을 증가시키는 광학적 문제가 발생되고 있다.
실시예는 전기적인 특성을 개선할 수 있는 표면발광 레이저소자 및 이를 포함하는 발광장치를 제공하고자 한다.
또한 실시예는 전기적 특성과 아울러 광학적 특성도 향상시킬 수 있는 표면발광 레이저소자 및 이를 포함하는 발광장치를 제공하고자 한다.
실시예에 따른 표면발광 레이저소자는 기판과, 상기 기판 상에 배치된 제1 반사층과, 상기 제1 반사층 상에 배치되는 활성층과, 상기 활성층 상에 배치되고 개구부를 포함하는 애퍼처층과, 상기 활성층 상에 배치되는 제2 반사층과, 상기 제2 반사층 상에 배치되는 투명전극층 및 상기 투명전극층 상에 배치되는 메탈전극층을 포함할 수 있다.
상기 투명전극층은, 상기 개구부와 수직으로 중첩되는 제1 영역(290a) 및 상기 제1 영역(290a)에서 연장되는 복수의 제2 영역(290b)을 포함할 수 있다.
상기 복수의 제2 영역은 상기 개구부의 원주방향을 따라 상기 개구부의 외측에 서로 이격되어 배치될 수 있다.
상기 복수의 제2 영역은 상기 개구부의 원주에 대응되도록 서로 이격되어 배치될 수 있다.
상기 메탈전극층은 상기 복수의 제2 영역(290b) 사이에서 상기 제2 반사층과 전기적으로 컨택할 수 있다.
상기 제2 반사층은, 상기 투명전극층과 직접 컨택하는 제2-1 영역 및 상기 메탈전극층과 직접 컨택하는 제2-2 영역을 포함하고, 상기 제2-2 영역은 상기 제2-1 영역 사이에 배치될 수 있다.
상기 투명전극층(290)은 상기 제2 반사층(250)의 제2-1 영역에서 접하는 제1 접촉영역(290C)을 포함하고, 상기 메탈전극층(280)은 상기 제2 반사층(250)의 제2-2 영역에서 접하는 제2 접촉영역(280C)을 포함하며, 상기 투명전극층(290)의 제1 접촉영역(290C)의 면적이 상기 메탈전극층(280)의 제2 접촉영역(280C)의 면적보다 넓을 수 있다.
또한 실시예에 따른 표면발광 레이저소자는 기판과, 상기 기판 상에 배치된 제1 반사층과, 상기 제1 반사층 상에 배치되는 활성층과, 상기 활성층 상에 배치되며, 애퍼처(aperture)와 절연영역을 포함하는 산화층과, 상기 산화층 상에 배치되는 제2 반사층과, 상기 제2 반사층 상에 배치되는 투명전극층 및 상기 투명전극층 상에 배치되는 메탈전극층을 포함할 수 있다. 상기 산화층은 애퍼처 영역으로 칭해질 수 있다.
상기 투명전극층은 복수의 돌출부를 포함하며, 상기 투명전극층 및 상기 복수의 돌출부는 상기 제2 반사층과 직접 컨택하고, 상기 메탈전극층은 상기 복수의 돌출부 사이에서 상기 제2 반사층과 직접 컨택할 수 있다.
상기 제2 반사층은, 상기 투명전극층과 직접 컨택하는 제1 영역 및 상기 메탈전극층과 직접 컨택하는 제2 영역을 포함하고, 상기 제2 영역은 상기 제1 영역 사이에 배치될 수 있다.
상기 투명전극층(290)은 상기 제2 반사층(250)의 제1 영역에서 접하는 제1 접촉영역(290C)을 포함하고, 상기 메탈전극층(280)은 상기 제2 반사층(250)의 제2 영역에서 접하는 제2 접촉영역(280C)을 포함하며, 상기 투명전극층(290)의 제1 접촉영역(290C)의 면적이 상기 메탈전극층(280)의 제2 접촉영역(280C)의 면적보다 넓을 수 있다.
상기 제2 반사층(250) 중에 상기 투명전극층(290)과 상기 메탈전극층(280)과 접하는 상부 컨택 제2 반사층(250T) 중에, 상기 제1 접촉영역(290C)은 60~80%범위이며, 상기 제2 접촉영역(280C)은 40% 내지 20%범위일 수 있다.
또한 실시예에 따른 표면발광 레이저소자는 기판 상에 배치된 제1 반사층과, 상기 제1 반사층 상에 배치되는 활성영역과, 상기 활성영역 상에 배치되며, 애퍼처(aperture) 및 절연영역을 포함하는 애퍼처 영역과, 상기 애퍼처 영역 상에 배치되는 제2 반사층과, 상기 제2 반사층 상에 배치되는 투명전극층; 및 상기 투명전극층 상에 배치되는 메탈전극층;을 포함할 수 있다.
상기 투명전극층은, 제1 오믹영역(290a) 및 상기 제1 오믹영역(290a)에서 외측으로 돌출되며 상호 이격된 복수의 제2 오믹영역(290b)을 포함할 수 있다.
상기 투명전극층은 상기 제1 오믹영역(290a)과 상기 제2 오믹영역(290b)에서 상기 제2 반사층과 직접 컨택할 수 있다.
상기 메탈전극층은 복수의 돌출된 상기 제2 오믹영역(290b) 사이에서 상기 제2 반사층과 직접 컨택할 수 있다.
또한 실시예에 따른 표면발광 레이저소자는 제1 전극과, 상기 제1 전극 상에 배치된 기판과, 상기 기판 상에 배치된 제1 반사층과, 상기 제1 반사층 상에 배치되고, 캐비티 영역을 포함하는 활성영역과, 상기 활성영역 상에 배치되며, 애퍼처(aperture) 및 절연영역을 포함하는 애퍼처 영역과, 상기 애퍼처 영역 상에 배치되는 제2 반사층과, 상기 애퍼처와 수직으로 중첩되는 제2 반사층의 제1 영역에 배치되는 투명전극층 및 상기 애퍼처와 수직으로 중첩되지 않는 상기 제2 반사층의 제2 영역에 배치되는 메탈전극층을 포함할 수 있다.
실시예는 상기 제2 반사층(250)의 측면과 상면 일부에 배치되는 패시베이션층을 더 포함할 수 있다.
상기 투명전극층(290)은, 상기 패시베이션층(270)과 이격되는 제1 오믹영역(290a)과 상기 패시베이션층(270)과 접하는 제2 오믹영역(290b)을 포함할 수 있다.
또한 상기 투명전극층(290)은, 상기 패시베이션층(270)과 이격되어 상기 제2 반사층의 일부를 노출시키는 제1 오믹영역(290a) 및 상기 패시베이션층(270)과 접하여 상기 제2 반사층을 노출시키지 않는 제2 오믹영역(290b)을 포함할 수 있다.
상기 제1 오믹영역(290a)은 상기 제2 반사층의 제1 영역으로부터 상기 제2 영역의 일부까지 연장되어 배치될 수 있다.
상기 제2 오믹영역(290b)은, 상기 제2 반사층의 제1 영역으로부터 상기 제2 영역까지 연장되며, 상기 패시베이션층(270) 상측까지 연장되어 배치될 수 있다.
상기 제1 오믹영역(290a)은, 상기 패시베이션층(270)과 이격되어 상기 제2 반사층(250)의 일부를 노출시킬 수 있다.
상기 노출되는 제2 반사층의 노출부는 복수일 수 있으며, 서로 이격되어 배치될 수 있다.
상기 제2 오믹영역(290b)은, 상기 제1 오믹영역(290a)에서 상기 패시베이션층(270) 방향으로 연장될 수 있다.
상기 제2 오믹영역(290b)은 상기 패시베이션층(270) 상측으로 연장되어 배치될 수 있다.
상기 투명전극층(290)이 상기 제2 반사층(250)과 접하는 제1 접촉영역(290C)의 면적은 상기 메탈전극층(280)이 상기 제2 반사층의 노출부(250P)와 접하는 제2 접촉영역(280C)의 면적보다 넓을 수 있다.
상기 투명전극층(290)의 두께는 100 nm 내지 250nm일 수 있다.
실시예의 발광장치는 상기 표면발광 레이저소자를 포함할 수 있다.
실시예는 오믹특성을 개선하여 전기적 특성을 개선할 수 있는 표면발광 레이저소자 및 이를 포함하는 발광장치를 제공할 수 있다.
또한 실시예는 전류밀집(current crowding) 현상을 개선하여, 애퍼처의 에지(aperture edge)와 센터(center) 간의 발광 강도(radiance intensity)가 균일한 광학적 특성을 구비한 표면발광 레이저소자 및 이를 포함하는 발광장치를 제공할 수 있다.
또한 실시예는 오믹특성을 향상 및 전류밀집 현상을 개선하여 애퍼처의 손상이나 출사 빔의 발산각(divergence angle of beams)이 증가하는 것을 방지할 수 있는 표면발광 레이저소자 및 이를 포함하는 발광장치를 제공할 수 있다.
도 1은 실시예에 따른 표면발광 레이저소자의 평면도.
도 2는 도 1에 도시된 실시예에 따른 표면발광 레이저소자의 제1 에미터(B1)에 대한 확대 평면도.
도 3a는 도 2에 도시된 실시예에 따른 표면발광 레이저소자의 A1-A1' 선을 따른 제1 단면도.
도 3b는 도 2에 도시된 실시예에 따른 표면발광 레이저소자의 A2-A2' 선을 따른 제2 단면도.
도 4는 도 3a에 도시된 실시예에 따른 표면발광 레이저소자의 에피영역의 부분(B2)의 확대 단면도.
도 5a는 실시예에서 제2 반사층 상에 배치되는 투명전극층을 포함한 상세 평면도.
도 5b는 도 5a에 도시된 실시예에 따른 표면발광 레이저소자의 A1-A1' 선을 따른 단면도.
도 5c는 도 5a에 도시된 실시예에 따른 표면발광 레이저소자의 A2-A2' 선을 따른 단면도.
도 6a는 실시예에서 투명전극층 상에 배치되는 메탈전극층을 포함한 상세 평면도.
도 6b는 도 6a에 도시된 실시예에 따른 표면발광 레이저소자의 A1-A1' 선을 따른 단면도.
도 6c는 도 6a에 도시된 실시예에 따른 표면발광 레이저소자의 A2-A2' 선을 따른 단면도.
도 7은 종래기술에서의 메탈전극층의 접촉영역을 포함한 예시 사진.
도 8은 실시예에서 제2 반사층에 대한 투명전극층과 메탈전극층의 접촉영역을 포함한 예시 사진.
도 9a는 도 6b에 도시된 실시예에 따른 표면발광 레이저소자의 단면도에서의 캐리어 흐름도.
도 9b는 도 6c에 도시된 실시예에 따른 표면발광 레이저소자의 단면도에서의 캐리어 흐름도.
도 10a와 도 10b는 비교기술에서의 발광패턴 및 발광 강도 데이터.
도 11a와 도 11b는 실시예에서의 발광패턴 및 발광 강도 데이터.
도 12는 내부 기술에서 발광 강도 데이터.
도 13은 도 6c에 도시된 실시예에 따른 표면발광 레이저소자의 제3 영역에 대한 확대도.
도 14는 실시예에 따른 표면발광 레이저소자에서 투명전극층 두께에 따른 저항 데이터.
도 15는 실시예에 따른 표면발광 레이저소자의 오믹특성 데이터.
도 16a는 실시예에 따른 표면발광 레이저소자에서 광 투광성 데이터.
도 16b와 도 16c는 각각 제2 비교예와 실시예에서 광투과 특성 비교예시.
도 17a 내지 도 23은 실시예에 따른 표면발광 레이저소자의 제조공정도.
도 24는 다른 실시예에 따른 표면발광 레이저소자의 단면도.
도 25는 실시예에 따른 표면발광 레이저소자가 적용된 이동 단말기의 사시도.
이하 상기의 과제를 해결하기 위한 구체적으로 실현할 수 있는 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다.
실시예의 설명에 있어서, 각 element의 " 상(위) 또는 하(아래)(on or under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, 상(위) 또는 하(아래)(on or under)는 두 개의 element가 서로 직접(directly)접촉되거나 하나 이상의 다른 element가 상기 두 element사이에 배치되어(indirectly) 형성되는 것을 모두 포함한다. 또한 "상(위) 또는 하(아래)(on or under)"으로 표현되는 경우 하나의 element를 기준으로 위쪽 방향뿐만 아니라 아래쪽 방향의 의미도 포함할 수 있다.
(실시예)
도 1은 실시예에 따른 표면발광 레이저소자(201)의 평면도이며, 도 2는 도 1에 도시된 실시예에 따른 표면발광 레이저소자의 제1 에미터(B1)에 대한 확대 평면도이다.
또한 도 3a는 도 2에 도시된 실시예에 따른 표면발광 레이저소자의 A1-A1' 선을 따른 제1 단면도이며, 도 3b는 도 2에 도시된 실시예에 따른 표면발광 레이저소자의 A2-A2' 선을 따른 제2 단면도이다.
또한 4는 도 3a에 도시된 실시예에 따른 표면발광 레이저소자의 에피영역의 부분(B2)의 확대 단면도이다. 실시예의 도면에서 x축의 방향은 기판(210)의 길이방향에 평행한 방향일 수 있으며, y축은 x축에 수직한 방향일 수 있다.
우선, 도 1을 참조하면, 실시예에 따른 표면발광 레이저소자(201)는 발광부(E)와 패드부(P)를 포함할 수 있으며, 상기 발광부(E)는 복수의 발광 에미터를 포함할 수 있으며, 수십에서 수백개의 발광 에미터를 포함할 수도 있다.
다음으로 먼저 도 3a와 도 3b를 참조하면, 실시예에서 표면발광 레이저소자(201)는 제1 전극(215), 기판(210), 제1 반사층(220), 활성층(232), 애퍼처 영역(240), 제2 반사층(250), 메탈전극층(280), 패시베이션층(270) 및 투명전극층(290) 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다. 상기 투명전극층(290)은 투광성 오믹층으로 칭해질 수 있다. 상기 제1 반사층(220)과 상기 제2 반사층(250)은 분산 브래그 반사기(DBR: Distributed Bragg Reflector)를 포함할 수 있고, 상기 제1 반사층(220)과 상기 제2 반사층(250) 사이에 소정의 캐비티(231, 233)(도 4 참조)가 배치될 수 있다.
상기 애퍼처 영역(240)은 개구부인 애퍼처(241)(aperture) 및 절연영역(242)을 포함할 수 있다. 상기 절영영역(242)은 전류차단 기능으로 하며 산화층으로 칭해질 수 있으며, 상기 애퍼처 영역(240)은 산화영역 또는 산화층으로 칭해질 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
이하 도 2, 도 3a, 도 3b 및 도 4를 중심으로 실시예에 따른 표면발광 레이저소자(201)의 기술적 특징을 설명하기로 하며, 나머지 도면들도 함께 참조하여 기술적 효과도 함께 설명하기로 한다.
<기판, 제1 전극>
우선, 도 2, 도 3a 및 도 3b를 참조하면, 실시예에서 기판(210)은 전도성 기판 또는 비전도성 기판일 수 있다. 전도성 기판을 사용할 경우 전기 전도도가 우수한 금속을 사용할 수 있고, 표면발광 레이저소자(201) 작동 시 발생하는 열을 충분히 발산시킬 수 있어야 하므로 열전도도가 높은 GaAs 기판, 또는 금속기판을 사용하거나 실리콘(Si) 기판 등을 사용할 수 있다. 비전도성 기판을 사용할 경우, AlN 기판이나 사파이어(Al2O3) 기판 또는 세라믹 계열의 기판을 사용할 수 있다. 실시예에서 기판(210)은 반도체 물질을 사용할 수 있으며, 도핑이 진행될 수 있다. 예를 들어, 상기 기판(210)은 n형 도전형으로 도핑된 반도체 물질일 수 있으나 실시예가 이에 한정되는 것은 아니다.
실시예에서 기판(210)의 하부에 제1 전극(215)이 배치될 수 있으며, 상기 제1 전극(215)은 도전성 재료로 단층 또는 다층으로 배치될 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 전극(215)은 금속일 수 있고, 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 크롬(Cr), 니켈(Ni), 구리(Cu), 금(Au) 중 적어도 하나를 포함하여 단층 또는 다층 구조로 형성되어 전기적 특성을 향상시켜 광출력을 높일 수 있다. 상기 제1 전극(215)은 n형 반사층의 기능을 하는 제1 반사층(220)에 대한 전극 기능을 할 수 있으므로 n형 전극으로 칭해질 수 있으나, 제1 전극(215) 자체에 도전형 원소가 도핑된 것은 아니다.
<제1 반사층, 제2 반사층>
다음으로 도 4를 참조하면, 상기 제1 반사층(220)은 제1 도전형으로 도핑될 수 있다. 상기 제1 도전형 도펀트는 Si, Ge, Sn, Se, Te 등과 같은 n형 도펀트를 포함할 수 있다.
또한 상기 제1 반사층(220)은 갈륨계 화합물, 예를 들면 AlGaAs를 포함할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 제1 반사층(220)은 분산 브래그 반사기(DBR: Distributed Bragg Reflector)일 수 있다. 예를 들어, 제1 반사층(220)은 서로 다른 굴절 률을 가지는 물질로 이루어진 제1 층 및 제2 층이 교대로 적어도 1회 이상 적층된 구조일 수 있다.
예를 들어, 도 4와 같이, 상기 제1 반사층(220)은 기판(210) 상에 배치된 제1 그룹 제1 반사층(221) 및 상기 제1 그룹 제1 반사층(221) 상에 배치된 제2 그룹 제1 반사층(222)을 포함할 수 있다.
제1 그룹 제1 반사층(221)과 제2 그룹 제1 반사층(222)은 AlxGa(1-x)As(0<x<1)의 조성식을 갖는 반도체 물질로 이루어진 복수의 층을 구비할 수 있으며, 각 층 내의 Al이 증가하면 각 층의 굴절률은 감소하고, Ga가 증가하면 각 층의 굴절률은 증가할 수 있다.
그리고, 각각의 층의 두께는 λ/4n일 수 있고, λ는 활성층(232)에서 발생하는 광의 파장일 수 있고, n은 상술한 파장의 광에 대한 각 층의 굴절률일 수 있다. 여기서, λ는 650 내지 980나노미터(nm)일 수 있고, n은 각층의 굴절률일 수 있다. 이러한 구조의 제1 반사층(220)은 약 940 나노미터의 파장 영역의 광에 대하여 99.999%의 반사율을 가질 수 있다.
각 제1 반사층(220)에서의 층의 두께는 각각의 굴절률과 활성층(232)에서 방출되는 광의 파장 λ에 따라 결정될 수 있다.
또한 도 4와 같이, 제1 그룹 제1 반사층(221)과 제2 그룹 제1 반사층(222)도 각각 단일 또는 복수의 층으로 형성될 수 있다.
예를 들어, 제1 그룹 제1 반사층(221)은 제1 그룹 제1-1 층(221a)과 제1 그룹 제1-2 층(221b)의 약 30~40 페어(pair)를 포함할 수 있다. 상기 제1 그룹 제1-1 층(221a)은 상기 제1 그룹 제1-2 층(221b)보다 두껍게 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 그룹 제1-1 층(221a)은 약 40~60nm로 형성될 수 있고, 상기 제1 그룹 제1-2 층(221b)은 약 20~30nm로 형성될 수 있다.
또한, 제2 그룹 제1 반사층(222)도 제2 그룹 제1-1 층(222a)과 제2 그룹 제1-2 층(222b)의 약 5~15 페어(pair)를 포함할 수 있다. 상기 제2 그룹 제1-1 층(222a)은 상기 제2 그룹 제1-2 층(222b)보다 두껍게 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 그룹 제1-1 층(222a)은 약 40~60nm로 형성될 수 있고, 상기 제2 그룹 제1-2 층(222b)은 약 20~30nm로 형성될 수 있다.
또한 도 4와 같이, 상기 제2 반사층(250)은 갈륨계 화합물 예를 들면 AlGaAs를 포함할 수 있으며, 제2 반사층(250)은 제2 도전형 도펀트가 도핑될 수 있다.
예를 들어, 상기 제2 도전형 도펀트는 Mg, Zn, Ca, Sr, Ba 등과 같은 p형 도펀트일 수 있다.
상기 제2 반사층(250)도 분산 브래그 반사기(DBR: Distributed Bragg Reflector)일 수 있다. 예를 들어, 제2 반사층(250)은 서로 다른 굴절률을 가지는 물질로 이루어진 복수의 층이 교대로 적어도 1회 이상 적층된 구조일 수 있다.
제2 반사층(250)의 각 층은 AlGaAs를 포함할 수 있고, 상세하게는 AlxGa(1-x)As(0<x<1)의 조성식을 갖는 반도체 물질로 이루어질 수 있다. 여기서, Al이 증가하면 각 층의 굴절률은 감소하고, Ga가 증가하면 각 층의 굴절률은 증가할 수 있다. 그리고, 제2 반사층(250)의 각 층의 두께는 λ/4n이고, λ는 활성층에서 방출되는 광의 파장일 수 있고, n은 상술한 파장의 광에 대한 각 층의 굴절률일 수 있다.
이러한 구조의 제2 반사층(250)은 약 940 나노미터의 파장 영역의 광에 대하여 99.9%의 반사율을 가질 수 있다.
상기 제2 반사층(250)은 층들이 교대로 적층되어 이루어질 수 있으며, 제1 반사층(220) 내에서 층들의 페어(pair) 수는 제2 반사층(250) 내에서 층들의 페어 수보다 더 많을 수 있으며, 이때 상술한 바와 같이 제1 반사층(220)의 반사율은 99.999% 정도로서 제2 반사층(250)의 반사율인 99.9%보다 클 수 있다.
실시예에서 제2 반사층(250)은 상기 활성층(232)에 인접하게 배치된 제1 그룹 제2 반사층(251) 및 상기 제1 그룹 제2 반사층(251)보다 상기 활성층(232)에서 이격배치 된 제2 그룹 제2 반사층(252)을 포함할 수 있다.
도 4와 같이, 제1 그룹 제2 반사층(251)과 제2 그룹 제2 반사층(252)도 각각 단일 또는 복수의 층으로 형성될 수 있다.
예를 들어, 제1 그룹 제2 반사층(251)은 제1 그룹 제2-1 층(251a)과 제1 그룹 제2-2 층(251b)의 약 1~5 페어(pair)를 포함할 수 있다. 상기 제1 그룹 제2-1 층(251a)은 상기 제1 그룹 제2-2 층(251b)보다 두껍게 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 그룹 제2-1 층(251a)은 약 40~60nm로 형성될 수 있고, 상기 제1 그룹 제2-2 층(251b)은 약 20~30nm로 형성될 수 있다.
또한, 제2 그룹 제2 반사층(252)도 제2 그룹 제2-1 층(252a)과 제2 그룹 제2-2 층(252b)의 약 5~15 페어(pair)를 포함할 수 있다. 상기 제2 그룹 제2-1 층(252a)은 상기 제2 그룹 제2-2 층(252b)보다 두껍게 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 그룹 제2-1 층(252a)은 약 40~60nm로 형성될 수 있고, 상기 제2 그룹 제2-2 층(252b)은 약 20~30nm로 형성될 수 있다.
<활성층>
계속하여 도 4를 참조하면, 활성층(232)이 제1 반사층(220)과 제2 반사층(250) 사이에 배치될 수 있다.
상기 활성층(232)은 단일 우물구조, 다중 우물구조, 단일 양자우물 구조, 다중 양자우물(MQW: Multi Quantum Well) 구조, 양자점 구조 또는 양자선 구조 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 활성층(232)은 ⅢⅤ족 원소의 화합물 반도체 재료를 이용하여 우물층(232a)과 장벽층(232b)을 포함할 수 있다. 상기 우물층(232a)은 상기 장벽층(232b)의 에너지 밴드 갭보다 작은 에너지 밴드 갭을 갖는 물질로 형성될 수 있다. 상기 활성층(232)은 InGaAs/AlxGaAs, AlGaInP/GaInP, AlGaAs/AlGaAs, AlGaAs/GaAs, GaAs/InGaAs 등의 1 내지 3 페어 구조로 형성될 수 있으나 이에 한정되지는 않는다. 상기 활성층(232)에는 도펀트가 도핑되지 않을 수 있다.
<캐비티>
실시예는 상기 제1 반사층(220)과 상기 제2 반사층(250) 사이에 소정의 캐비티(231, 233)가 배치될 수 있다.
실시예에서 캐비티는 상기 활성층(232) 상하게 각각 접하여 배치될 수 있으며, 상기 활성층(232)과 제1 반사층(220) 사이에 배치되는 제1 캐비티(231)와 상기 활서층(232)과 상기 제2 반사층(250) 사이에 배치되는 제2 캐비티(233)을 포함할 수 있다.
상기 제1 캐비티(231)와 상기 제2 캐비티(233)는 AlyGa(1-y)As(0<y<1) 물질로 형성될 수 있으나 이에 한정되지 않는다. 예를 들어, 상기 제1 캐비티(231)와 상기 제2 캐비티(233)는 각각 AlyGa(1-y)As으로된 복수의 층을 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 제1 캐비티(231)는 제1-1 캐비티층(231a)과 제1-2 캐비티층(231b)을 포함할 수 있다. 상기 제1-1 캐비티층(231a)은 상기 제1-2 캐비티층(231b)에 비해 상기 활성층(232)에서 더 이격될 수 있다. 상기 제1-1 캐비티층(231a)은 상기 제1-2 캐비티층(231b)에 비해 더 두껍게 형성될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
또한 상기 제2 캐비티(233)는 제2-1 캐비티층(233a)과 제2-2 캐비티층(233b)을 포함할 수 있다. 상기 제2-2 캐비티층(233b)은 상기 제2-1 캐비티층(233a)에 비해 상기 활성층(232)에서 더 이격될 수 있다. 상기 제2-2 캐비티층(233b)은 상기 제2-1 캐비티층(233a)에 비해 더 두껍게 형성될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 이때, 상기 제2-2 캐비티층(233b)이 약 60~70nm로 형성되고, 상기 제1-1 캐비티층(231a)은 약 40~55nm로 형성될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
<애퍼처 영역>
다시 도 3a를 참조하면, 실시예에서 애퍼처 영역(240)은 절연영역(242)과 애퍼처(241)를 포함할 수 있다. 상기 애퍼처 영역(240)은 개구영역 또는 산화층으로 칭해질 수도 있다.
상기 절연영역(242)은 절연층, 예를 들어 알루미늄 산화물로 이루어져서 전류 차단영역으로 작용할 수 있으며, 절연영역(242)에 의해 광 발산 영역인 애퍼처(241)가 정의될 수 있다.
예를 들어, 상기 애퍼처 영역(240)이 AlGaAs(aluminum gallium arsenide)를 포함하는 경우, 애퍼처 영역(240)의 AlGaAs가 H2O와 반응하여 가장자리가 알루미늄산화물(Al2O3)로 변함에 따라 절연영역(242)이 형성될 수 있고, H2O와 반응하지 않은 중앙영역은 AlGaAs로 이루어진 애퍼처(241)가 될 수 있다.
실시예에 의하면, 애퍼처(241)를 통해 활성층(232)에서 발광된 광을 상부 영역으로 방출할 수 있으며, 절연영역(242)과 비교하여 애퍼처(241)의 광 투과율이 우수할 수 있다.
도 4를 참조하면 상기 절연영역(242)은 복수의 층을 포함할 수 있으며, 예를 들어 제1 절연층(242a) 및 제2 절연층(242b)을 포함할 수 있다. 상기 제1 절연층(242a)의 두께는 상기 제2 절연층(242b)과 서로 같거나 서로 다른 두께로 형성될 수 있다.
<메탈전극층, 투명전극층, 패시베이션층>
다시 도 3a 및 도 3b를 함께 참조하면, 실시예에 따른 표면방출 레이저소자(201)는 애퍼처(241)의 둘레의 영역에서 제2 반사층(250)으로부터 절연영역(242)과 활성층(232)까지 메사 식각 될 수 있다. 또한, 제1 반사층(220)의 일부까지도 메사 식각될 수 있다.
도 2, 도 3a 및 도 3b를 참조하면, 메사 식각된 발광 구조물의 측면과 상부면 및 제2 반사층(250)의 상부면에 패시베이션층(270)이 배치될 수 있다. 패시베이션층(270)은 소자 단위로 분리된 표면방출 레이저소자(201)의 측면에도 배치되어, 표면방출 레이저소자(201)를 보호하고 절연시킬 수 있다. 패시베이션층(270)은 절연성 물질로 이루어질 수 있고, 예를 들면 질화물 또는 산화물로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 패시베이션층(270)은 폴리이미드(Polymide), 실리카(SiO2), 또는 질화 실리콘(Si3N4) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
또한 실시예에서 제2 반사층(250) 상에는 메탈전극층(280) 배치될 수 있으며, 메탈전극층(280)의 사이의 영역에서 제2 반사층(250)이 노출되는 영역은 상술한 애퍼처(241)와 대응될 수 있다. 상기 메탈전극층(280)은 제2 전극으로 칭해질 수 있다. 상기 메탈전극층(280)은 도전성 재료로 이루어질 수 있고, 예를 들면 금속일 수 있다. 예를 들어, 상기 메탈전극층(280)은 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 크롬(Cr), 니켈(Ni), 구리(Cu), 금(Au) 중 적어도 하나를 포함하여 단층 또는 다층 구조로 형성될 수 있다.
실시예의 기술적 과제 중의 하나는 전기적인 특성을 개선할 수 있는 표면발광 레이저소자 및 이를 포함하는 발광장치를 제공하고자 함이다.
또한 실시예의 기술적 과제 중의 하나는 전기적 특성과 아울러 광학적 특성도 향상시킬 수 있는 표면발광 레이저소자 및 이를 포함하는 발광장치를 제공하고자 함이다.
도 3a 및 도 3b를 참조하면, 실시예는 상기 기술적 과제를 해결하기 위해, 상기 제2 반사층(250)과 상기 메탈전극층(280) 사이에 배치되는 투명전극층(290)을 포함할 수 있으며, 상기 투명전극층(290)은 상기 제2 반사층(250)과 직접 접함으로써 제2 반사층(250)과 투명전극층(290) 간의 오믹접촉을 형성하여 전기적 특성을 개선할 수 있는 기술적 효과가 있다.
상기 투명전극층(290)은 ITO, AZO, GZO, ZnO, Y2O3, ZrO2 등 중에 어느 하나 이상일 수 있다.
이하 도 5a 내지 도 6c를 참조하여 실시예의 기술적 특징을 좀 더 상술하기로 한다.
도 5a는 실시예에서 제2 반사층(250) 상에 배치되는 투명전극층(290)을 포함한 상세 평면도이며, 도 5b는 도 5a에 도시된 실시예에 따른 표면발광 레이저소자의 A1-A1' 선을 따른 단면도이고, 도 5c는 도 5a에 도시된 실시예에 따른 표면발광 레이저소자의 A2-A2' 선을 따른 단면도이다.
실시예에서 상기 제2 반사층(250)은 상기 투명전극층(290)과 상기 메탈전극층(280)과 접하는 상부 컨택 제2 반사층(250T)을 포함할 수 있다.
다음으로, 도 6a는 실시예에서 투명전극층(290) 상에 배치되는 메탈전극층(280)을 포함한 상세 평면도이고, 도 6b는 도 6a에 도시된 실시예에 따른 표면발광 레이저소자의 A1-A1' 선을 따른 단면도이며, 도 6c는 도 6a에 도시된 실시예에 따른 표면발광 레이저소자의 A2-A2' 선을 따른 단면도이다.
우선, 도 5a, 도 5b 및 도 5c를 참조하면, 실시예에서 상기 투명전극층(290)은, 상기 패시베이션층(270)과 이격되는 제1 오믹영역(290a)과 상기 패시베이션층(270)과 접하는 제2 오믹영역(290b)을 포함할 수 있다.
상기 제1 오믹영역(290a)은 상기 패시베이션층(270)과 이격되어 상기 제2 반사층(250)의 일부를 노출시킬 수 있으며, 상기 노출되는 제2 반사층의 노출부(250P)는 복수일 수 있으며, 서로 이격되어 배치될 수 있다.
상기 제2 오믹영역(290b)은 상기 제1 오믹영역(290a)에서 상기 패시베이션층(270) 방향으로 연장될 수 있다. 또한 상기 제2 오믹영역(290b)은 상기 패시베이션층(270)과 접할 수 있다. 또한 상기 제2 오믹영역(290b)은 상기 패시베이션층(270) 상측으로 연장되어 배치될 수 있다.
실시예에서 상기 제2 오믹영역(290b)은 상기 애퍼처(241)의 원주에 대응되도록 서로 이격되어 배치될 수 있다. 예를 들어, 상기 애퍼처(241)의 원주에 대응되며 반지름은 크되 중심이 같은 소정의 원을 따라 상기 제2 오믹영역(290b)은 서로 이격되어 배치될 수 있다.
상기 제2 오믹영역(290b) 상기 애퍼처(241)의 중심을 지나는 가상의 선을 기준으로 서로 대칭되도록 상호 이격 배치되어 전류의 균일한 주입효율을 높일 수 있다.
또한 상기 제2 오믹영역(290b) 원형, 다각형 또는 모서리가 둥근 다격형 등의 형상으로 형성될 수 있다.
실시예에서 투명전극층(290)이 상기 제2 반사층(250)과 접하는 영역은 제1 접촉영역(290C)일 수 있으며, 제2 반사층의 노출부(250P)의 노출면적보다 넓을 수 있다.
다음으로 도 6a, 도 6b 및 도 6c와 같이, 실시예에 따른 표면발광 레이저소자에서 투명전극층(290) 상에 메탈전극층(280)이 배치될 수 있다.
상기 메탈전극층(280)은 상기 애퍼처(241)와 이격되도록 상기 투명전극층(290)과 패시베이션층(270) 상에 배치될 수 있다.
이때, 상기 메탈전극층(280)은 도 5a에 도시된 제2 반사층의 노출부(250P)에도 배치되며, 상기 메탈전극층(280)이 상기 제2 반사층의 노출부(250P)와 접하는 영역은 제2 접촉영역(280C)일 수 있다.
상기 메탈전극층(280)이 상기 제2 반사층의 노출부(250P)와 접하는 제2 접촉영역(280C)은 복수의 영역을 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 6a를 참조하면, 상기 제2 접촉영역(280C)은 제2-1 접촉영역(280C1), 제2-2 접촉영역(280C2), 제2-3 접촉영역(280C3) 및 제2-4 접촉영역(280C4)을 포함할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 제2-1 접촉영역(280C1), 제2-2 접촉영역(280C2), 제2-3 접촉영역(280C3) 및 제2-4 접촉영역(280C4)은 상기 애퍼처(241)의 중심을 지나는 가상의 선을 기준으로 서로 대칭되도록 상호 이격 배치되어 전류의 균일한 주입효율을 높일 수 있다.
또한 상기 제2-1 접촉영역(280C1), 제2-2 접촉영역(280C2), 제2-3 접촉영역(280C3) 및 제2-4 접촉영역(280C4)은 원형, 다각형 또는 모서리가 둥근 다격형 등의 형상으로 형성될 수 있다.
상기 제2-1 접촉영역(280C1), 제2-2 접촉영역(280C2), 제2-3 접촉영역(280C3) 및 제2-4 접촉영역(280C4)은 패시베이션층(280) 방향으로 돌출된 제2 오믹전극(290b) 사이에 배치될 수 있다.실시예에서 투명전극층(290)이 상기 제2 반사층(250)과 접하는 제1 접촉영역(290C)의 면적(도 5a 참조)은 상기 메탈전극층(280)이 제2 반사층의 노출부(250P)와 접하는 제2 접촉영역(280C)의 면적보다 넓을 수 있다.
이를 통해 실시예에 의하면, 상기 투명전극층(290)이 상기 제2 반사층(250)과 직접 접함으로써 제2 반사층(250)과 투명전극층(290) 간의 오믹접촉을 형성하여 전기적 특성, 광학적 특성을 개선할 수 있으며, 메탈전극층(280)은 제2 접촉영역(280C)에서 제2 반사층(250)과 접하여 VF 특성을 유지 내지 향상시킴으로써 전기적 특성을 동시에 향상시킬 수 있다.
도 7은 종래기술에서의 메탈전극층의 접촉영역(M1)을 포함한 예시 사진이며, 도 8은 실시예에서 제2 반사층(250)에 대한 투명전극층과 메탈전극층의 접촉영역을 포함한 예시 사진이다.
도 7을 참조하면, 종래기술에서 애퍼처에 대응되는 p-DBR 상에는 SiO2 등의 절연층이 배치되었으며, p-DBR과 p-metal간의 접촉영역(M1)은 애퍼처의 외곽에 원형태로 일정하게 배치되었고, 이에 따라 애퍼처 에지에서의 전류집중 현상의 이슈가 있었다.
한편, 도 8은 실시예에서 메탈전극층(280)과 투명전극층(290)의 접촉영역 예시 사진으로서, 제2 반사층(250)에 대한 투명전극층(290)의 제1 접촉영역(290C)과 메탈전극층(280)의 제2 접촉영역(280C)을 포함한 예시 사진이다.
실시예에 의하면, 제2 반사층(250)의 일부는 투명전극층(290)과 제1 접촉영역(290C)에서 직접 접촉하여 애퍼처 에지에서의 전류집중을 방지하고 전류확산에 의해 전기적 특성을 개선할 수 있는 표면발광 레이저소자 및 이를 포함하는 발광장치를 제공할 수 있으며, 동시에 메탈전극층(280)이 제2 접촉영역(280C)에서 제2 반사층(250)과 직접 접촉함으로써 VF 특성을 유지 내지 향상시킴으로써 전기적 특성을 동시에 향상시킬 수 있다.
또한 실시예에 의하면, 제2 반사층(250)의 일부는 투명전극층(290)과 제1 접촉영역(290C)에서 직접 접촉하여 애퍼처 에지에서의 전류밀집(current crowding) 현상을 개선하여, 애퍼처의 에지(aperture edge)와 센터(center) 간의 발광 강도(radiance intensity)가 균일한 광학적 특성을 구비한 표면발광 레이저소자 및 이를 포함하는 발광장치를 제공할 수 있다.
또한 실시예는 제2 반사층(250)의 일부는 투명전극층(290)과 제1 접촉영역(290C)에서 직접 접촉하여 오믹특성을 향상 및 전류밀집 현상을 개선하여 애퍼처의 손상이나 레이저 발진모드의 피닝(pinning) 효과에 의해 멀티모드로 전환을 방지하여 출사 빔의 발산각(divergence angle of beams)이 증가하는 것을 방지할 수 있는 표면발광 레이저소자 및 이를 포함하는 발광장치를 제공할 수 있다.
예를 들어, 도 9a는 도 6b에 도시된 실시예에 따른 표면발광 레이저소자의 단면도에서의 캐리어 흐름도이고, 도 9b는 도 6c에 도시된 실시예에 따른 표면발광 레이저소자의 단면도에서의 캐리어 흐름도이다.
도 6, 도 9a와 도 9b를 참조하면, 실시예에서 투명전극층(290)이 제2 반사층(250)과 접하는 제1 접촉영역(290C)에서는 제1 전류(C1)가 더욱 확산되어 애퍼처(241)의 전체 영역에 균일하고 효율적으로 전류가 주입될 수 있다.
이에 따라 실시예에 의하면, 제2 반사층(250)의 일부는 투명전극층(290)과 제1 접촉영역(290C)에서 직접 접촉하여 애퍼처 에지에서의 전류집중을 방지하고 전류확산에 의해 전기적 특성 및 광학적 특성을 개선할 수 있는 표면발광 레이저소자 및 이를 포함하는 발광장치를 제공할 수 있다.
상기 메탈전극층(280)이 제2 반사층(250)과 접하는 제2 접촉영역(280C)에서는 제2 전류(C2)가 애퍼처(241)에 주입될 수 있으며, 메탈전극층(280)이 제2 접촉영역(280C)에서 제2 반사층(250)과 직접 접촉함으로써 VF3 특성을 유지 내지 향상시킴으로써 전기적 특성을 동시에 향상시킬 수 있다.
도 10a은 비교기술에서의 발광패턴 데이터이며, 도 10b는 비교예에서 장축(X1), 단축(X2) 기준으로 발광 강도 데이터이다.
비교기술에 의하면, 도 10a와 같이 애퍼처 에지(AE1)에서 전류 집중에 의해 근거리장(near field)에서의 발광패턴에서도 애퍼처 에지(AE1)에서의 발광패턴이 센터에 비해 밝게 나타나고 있다.
특히 도 10b를 참조하면, 애퍼처 에지(AE1)에서 전류 집중에 의해 원거리장(far field)에서의 발광 강도(intensity)는 애퍼처 에지(AE1)와 애퍼처 센터(AC1)간에 현저히 차이가 나서 균일하지 못한 발광분포를 나타내고 있다. 예를 들어, 비교예에서 애퍼처 에지(AE1)의 발광강도에 비해 애퍼처 센터(AC1)의 발광강도는 30~40% 수준에도 이르지 못하는 실정으로 애퍼처의 에지(aperture edge)와 센터(center) 간의 발광 강도(radiance intensity)가 현저히 차이가 나서 균일하지 못한 발광분포를 나타내고 있다.
한편, 도 11a은 실시예에서의 발광패턴 데이터이며, 도 11b는 비교예에서 장축(X1), 단축(X2) 기준으로 발광 강도 데이터이다.
실시예에 의하면, 제2 반사층(250)의 일부는 투명전극층(290)과 제1 접촉영역(290C)에서 직접 접촉하여 애퍼처 에지에서의 전류집중을 방지하고 전류확산에 의해 전기적 특성 및 광학적 특성을 개선할 수 있다. 이에 따라 도 11a와 같이 근거리장(near field)에서의 애퍼처 에지(AE2)에서의 발광패턴이 비교예에 비해 개선되었다.
특히 도 11b를 참조하면, 실시예에 의하면 제2 반사층(250)의 일부가 투명전극층(290)과 제1 접촉영역(290C)에서 직접 접촉하고, 메탈전극층(280)의 일부가 메탈전극층(280)과 직접 접함으로써 오믹특성 및 동작전압 특성이 동시 향상됨으로써 애퍼처 에지에서의 전류집중을 방지하고 전류확산에 의해 전기적 특성 및 광학적 특성이 동시에 개선됨에 따라 원거리장(far field)에서의 발광 강도(intensity)는 애퍼처 에지(AE2)와 애퍼처 센터(AC2)간에 균일한 발광분포를 나타내는 기술적 효과가 있다.
예를 들어, 실시예에서 애퍼처 에지(AE2)의 발광강도에 비해 애퍼처 센터(AC2)의 발광강도는 60% 수준 이상으로 개선됨으로써 애퍼처의 에지(aperture edge)와 센터(center) 간의 발광 강도(radiance intensity)가 매우 균일해지는 기술적 효과가 있다.
한편, 도 12는 출원인의 내부 기술에서 발광 강도의 데이터이다. 예를 들어, 출원인의 내부 기술은 메탈전극층(280)이 제2 반사층(250)과 접하는 영역이 없고, 투명전극층이 제2 반사층(250)과 전체적으로 접하는 기술이다.
이러한 내부기술의 경우에, 투명전극층의 오믹특성 개선으로 도 12에서와 같이 애퍼처 에지에서의 전류집중을 방지하고 전류확산에 의해 전기적 특성 및 광학적 특성이 개선됨에 따라 원거리장(far field)에서의 발광 강도(intensity)는 애퍼처 에지(AE3)와 애퍼처 센터(AC3)간에 비교예에 비해서 균일한 발광분포를 나타내는 기술적 효과가 있다. 예를 들어, 실시예에서 애퍼처 에지(AE3)의 발광강도에 비해 애퍼처 센터(AC3)의 발광강도는 40% 이상으로 개선됨으로써 애퍼처의 에지(aperture edge)와 센터(center) 간의 발광 강도(radiance intensity)가 균일해지는 기술적 효과가 있다.
다음으로 아래 표1은 내부기술과 실시예에 대한 적분구 평가 데이터이다.
적분구 평가(@1.5A) 내부기술 실시예
VF3(V) 2.12 1.90
Po(mW) 823.9 909.1
PCE(%) 22.5 31.8
Wp(nm) 941.4 940.2
Wh(nm) 1.56 1.56
출원인의 내부 기술은 앞서 기술한 바와 같이 메탈전극층(280)이 제2 반사층(250)과 접하는 영역이 없고, 투명전극층이 제2 반사층(250)과 전체적으로 접하는 기술이다.한편, 실시예의 기술은 도 6a에 도시된 바와 같이, 상기 투명전극층(290)이 상기 제2 반사층(250)과 제1 접촉영역(290C)에서 접하며, 상기 메탈전극층(280)이 상기 제2 반사층의 노출부(250P)와 제2 접촉영역(280C)에서 접하는 기술일 수 있다.
이때, 실시예에 의하면 상기 투명전극층(290)이 상기 제2 반사층(250)과 접하는 제1 접촉영역(290C)의 면적이 상기 메탈전극층(280)이 상기 제2 반사층의 노출부(250P)와 접하는 제2 접촉영역(280C)의 면적보다 넓을 수 있다.
예를 들어, 제2 반사층(250) 중에 패시베이션층(270)에 의해 노출되는 상측 면적 중 약 60~80%를 투명전극층(290)이 접촉할 수 있으며, 나머지 영역은 메탈전극층(280)에 의해 접촉될 수 있고 이는 약 40% 내지 20%일 수 있다.
이에 따라 상기 투명전극층(290)이 상기 제2 반사층(250)과 접하는 제1 접촉영역(290C)의 면적은 상기 패시베이션층(270)에 의해 노출되는 제2 반사층(250)의 상측 면적 중 약 60~80%일 수 있다.
또한 상기 메탈전극층(280)이 상기 제2 반사층의 노출부(250P)와 접하는 제2 접촉영역(280C)의 면적은 상기 패시베이션층(270)에 의해 노출되는 제2 반사층(250)의 상측 면적 중 약 40~20%일 수 있다.
실시예에 의하면, 메탈전극층(280)과 제2 반사층(250)이 직접 접할 때, 동작전압(VF3) 특성이 우수하므로, 이러한 실시예에 의할 때, 내부기술에 비해 메탈전극층(280)이 제2 반사층(250)과 제2 접촉영역(280C)에서 접하므로 동작전압(VF3)이 표 1에서와 같이 개선된다. 또한 투명전극층(290)이 제1 접촉영역(290C)에서 접하므로 오믹특성의 개선으로 광출력, 발광 강도 특성이 현저히 개선된다.
예를 들어, 파워(Po)는 내부기술이 823.9(mW)에서 실시예가 909.1(mW)로 약 10.4% 이상 향상이 되었다.
또한 PCE(power conversion efficiency)는 내부기술이 약 22.5(%)인데 실시예가 31.8(%)로 약 41%나 향상이 되었다.실시예에서 상기 투명전극층(290)이 상기 제2 반사층(250)과 접하는 제1 접촉영역(290C)의 면적이 상기 패시베이션층(270)에 의해 노출되는 제2 반사층(250)의 상측 면적 중 40% 미만인 경우에는 오믹특성의 개선이 유의미한 효과를 나타내기 어려울 수 있다. 또한 제1 접촉영역(290C)의 면적이 상기 패시베이션층(270)에 의해 노출되는 제2 반사층(250)의 상측 면적 중 80%를 초과하는 경우 메탈전극층(280)의 접촉영역이 좁아져서 VF3가 증가될 수 있다.
또한 상기 메탈전극층(280)이 상기 제2 반사층의 노출부(250P)와 접하는 제2 접촉영역(280C)의 면적이 상기 패시베이션층(270)에 의해 노출되는 제2 반사층(250)의 상측 면적 중 약 40%를 초과하는 경우 제1 접촉영역(290C)의 면적이 상대적으로 좁아져 오믹특성이 개선이 유의미하지 않을 수 있다. 또한, 상기 제2 접촉영역(280C)의 면적이 상기 패시베이션층(270)에 의해 노출되는 제2 반사층(250)의 상측 면적 중 약 20% 미만인 경우 메탈전극층(280)의 접촉영역이 좁아져서 VF3가 증가될 수 있다.
다음으로 도 13은 도 6c에 도시된 실시예에 따른 표면발광 레이저소자의 제3 영역(B3)에 대한 확대도이다.
또한 도 14는 실시예에 따른 표면발광 레이저소자에서 투명전극층(290) 두께에 따른 면저항 데이터이다.
실시예에 의하면, 상기 투명전극층(290)의 두께를 약 100nm 내지 약 250nm인 제1 두께(T1)로 제어함으로써 투명전극층(290)과 제2 반사층(250) 간의 높은 오믹특성을 얻을 수 있으며, 면저항(Rs)을 현저히 낮출 수 있다.
한편, 제2 비교예에서는 투명전극층(290)의 두께가 제2 두께(T2)인 경우 오믹특성의 구현이 되지 못하며 면저항이 높게 발생된다.
예를 들어, 아래 표 2 및 도 14와 같이 제2 비교예에서 투명전극층의 두께가 20nm 내지 60m인 제2 두께(T2)인 경우, 면저항이 180 내지 37 ohm/sq로 높게 발생된다.
그런데, 실시예와 같이 투명전극층(290)의 두께를 제1 두께(T1)인 100 nm 내지 250nm로 제어하는 경우 면저항을 현저히 낮게 제어가 가능하다. 예를 들어, 투명전극층(290)의 두께를 110 nm 내지 210nm로 제어하는 경우 면저항이 18 내지 7 ohm/sq로 현저히 낮게 제어가 가능하다.
ITO 두께(nm) 20 40 50 60 110 160 210
면저항(ohm/sq) 180 80 50 37 18 11 7
다음으로, 도 15와 아래 표3은 실시예에 따른 표면발광 레이저소자의 오믹특성 데이터이다. 표 3에서 E-04은 10-4을 의미할 수 있다.
p-GaAs / ITO
열처리 As-dep(비교예) 250℃ 350℃ 450℃
컨택저항(ohm*cm2) Non-Ohmic 2.7E-04 1.0E-04 1.0E-04
우선 실시예에서 상기 제2 반사층(250)은 p형 반사층이며, 상기 투명전극층(290)은 n형의 도전성을 띌 수 있다.한편, 종래기술에서는 n형의 도전성의 ITO를 p형 반사층 상에 투명전극층으로 채용하지 못하는 기술적 한계가 있었다.
예를 들, 표 3과 도 15에서 보듯이, p형 반사층, 예를 들어 p-GaAs 상에 ITO가 형성된 후 별다른 조치가 되지는 않는 제2 비교예의 경우(As-dep)는 비-오믹(Non-Ohmic) 결과가 나오게 된다.
반면, 실시예와 같이 p형 반사층, 예를 들어 p-GaAs 상에 ITO가 형성된 후 소정의 어닐링(annealing) 처리를 진행하는 경우 100 nm 내지 250nm의 두께에서 높은 오믹특성의 구현이 가능한 기술적 효과가 있다.
예를 들어, 제2 반사층(250)인 p-GaAs 상에 투명전극층(290)으로 ITO가 형성된 후 200℃내지 500℃에서 소정의 어닐링(annealing) 처리를 진행하는 경우 높은 오믹특성의 구현이 가능한 기술적 효과가 있다.
예를 들어, 제2 반사층(250)인 p-GaAs 상에 투명전극층(290)으로 ITO가 형성된 후 250℃내지 450℃에서 어닐링(annealing) 처리를 진행하는 경우 더욱 높은 오믹특성의 구현이 가능한 기술적 효과가 있다.
좀 더 구체적으로 설명하면, 오믹(Ohmic)의 물리적 조건으로 각 물질의 일함수(Φwork function)를 고려하여야 하는데 오믹특성이 되기 위해서는 오믹층의 일함수가 p형 반사층의 일함수에 비해 커야 한다.
그런데, 일반적으로 ITO의 일함수는 약 4.3eV이고 p-GaAs의 일함수는 약 5.5eV이므로, p-GaAs 상에 TIO 증착시 오믹특성의 구현이 되지 않게 된다.
그런데, 실시예에서는 p-GaAs 상에 ITO를 증착 후 소정의 어닐링(annealing) 공정을 통해 100 nm 내지 250nm의 두께의 ITO에서 터널링(Tunneling) 효과에 의해 높은 오믹특성의 구현이 가능한 기술적 효과가 있다.
예를 들어, 실시예에 의하면 p-GaAs 상에 ITO를 증착후 200℃내지 500℃범위 및 질소분위기에서 소정의 어닐링(annealing) 공정을 통해 100 nm 내지 250nm의 두께의 ITO에서 터널링(Tunneling) 효과에 의해 높은 오믹특성의 구현이 가능한 기술적 효과가 있다.
또한 실시예에 의하면 p-GaAs 상에 ITO를 증착후 250℃내지 450℃범위에서 질소분위기에서 약 1분 내외의 어닐링(annealing) 공정을 통해 100 nm 내지 250nm의 두께의 ITO에서 터널링(Tunneling) 효과에 의해 더욱 높은 오믹특성의 구현이 가능한 기술적 효과가 있다.
예를 들어, 실시예에 따라 p-GaAs 표면에 Ga과 ITO의 인듐(Indium)이 어닐링(annealing) 시, Ga-In 고용체(solid solution) 형성을 위해 Ga 아웃 디퓨젼(out-diffusion)이 발생하여 p-GaAs 표면에 Ga 베이컨시(vacancy), 즉 어셉터(acceptor)가 증가할 수 있다.
또한 실시예에 의하면 어닐링(annealing) 시 Ga out-diffusion으로 인한 Ga-In-Sn-(Oxide) compound 형성으로 p-GaAs 상부 표면층은 deep acceptor like Ga vacancies 형성되어 캐리어 농도(Carrier Concentration)가 증가할 수 있고, 이에 따라 터널링(Tunneling)으로 인한 p-GaAs / ITO ohmic 형성이 가능할 수 있다.
다음으로 실시예의 기술적 과제 중 의 하나는, 애퍼처(apertures)의 손상이나 출사 빔의 발산각(divergence angle of beams)이 증가를 방지할 수 있는 표면발광 레이저소자 및 이를 포함하는 발광장치를 제공하고자 한다.
도 16a는 실시예에 따른 표면발광 레이저소자에서 광 투광성 데이터이다.
도 16a와 같이, 실시예에 의하면 제2 반사층(250) 상에 투명전극층(290)을 약 100nm 내지 250nm로 형성함으로써 광 투과성이 현저히 향상되는 기술적 효과가 있다.
예를 들어, 실시예에 따른 표면발광 레이저소자가 적용 가능한 파장(λ이 약 800nm 내지 1,000nm인 경우에, 투명전극층의 굴절률은 약 1.6 내지 2.2일 수 있으며, 유전율(k)은 약 0.1 이하일 수 있다.
도 16b와 도 16c는 각각 제2 비교예와 실시예에서 광투과 특성 비교예시이다.
예를 들어, 도 16a와 같이, 제2 비교예인 LED 기술에서는 LED의 주요 파장(λ이 약 450nm 인 경우에, 도 16b와 같이 가장 높은 투과도(highest transmittance)의 두께는 약 100nm로 나타나지만, 실제 LED 적용시 ITO 두께는 약 40nm가 된다. 이유는 LED는 볼륨(volume) 발광소자이므로 얇은(thin) ITO가 유리하며, 100nm 이상 적용 시 파워(Power) 하락의 이슈가 있다.
반면, 도 16c와 같이 실시예에 따른 표면발광 레이저소자 적용시에는 포톤(photon)의 레이징(lasing)으로 인한 수직성분의 두께만 고려하게 되므로 VCSEL 파장을 고려하여 두꺼운(thick) ITO의 고려가 가능하며, 실시예에 따라 약 100nm 내지 250nm의 두께에서 광투과성이 현저히 향상되는 기술적 효과가 있다.
실시예에 의하면, 제2 반사층(250) 상에 배치되는 투명전극층(290)에 의해 AR(anti-reflection) 코팅(Coating)으로 인한 광학적 특성 향상될 수 있다.
또한 실시예는 애퍼처(apertures)의 손상이나 출사 빔의 발산각(divergence angle of beams)이 증가를 방지할 수 있는 표면발광 레이저소자 및 이를 포함하는 발광장치를 제공할 수 있다.
이에 따라 실시예에 의하면, 상기 투명전극층(290)의 두께를 약 100nm 내지 약 250nm인 제1 두께(T1)로 제어함으로써 투명전극층(290)과 제2 반사층(250) 간의 높은 오믹특성을 얻을 수 있으며, 동시에 면저항(Rs)이 현저히 저하될 수 있고, 나아기 광투과성이 현저히 향상되는 복합적 기술적 효과가 있다.
(제조방법)
이하 도 17a 내지 도 23을 참조하여 실시예에 따른 표면발광 레이저소자의 제조공정을 설명하기로 한다.
우선, 도 17a와 같이, 기판(210) 상에 제1 반사층(220), 활성층(232) 및 제2 반사층(250)을 포함하는 발광구조물을 형성시킨다.
상기 기판(210)은 반도체 물질 성장에 적합한 물질이나 캐리어 웨이퍼로 형성될 수 있으며, 열 전도성이 뛰어난 물질로 형성될 수 있고, 전도성 기판 또는 절연성 기판을 포함할 수 있다.
예를 들어, 기판(210)이 전도성 기판인 경우, 전기 전도도가 우수한 금속을 사용할 수 있고, 표면발광 레이저소자(200) 작동 시 발생하는 열을 충분히 발산시킬 수 있어야 하므로 열전도도가 높은 GaAs 기판, 또는 금속기판을 사용하거나 실리콘(Si) 기판 등을 사용할 수 있다.
또한 기판(210)이 비전도성 기판인 경우, AlN 기판이나 사파이어(Al2O3) 기판 또는 세라믹 계열의 기판을 사용할 수 있다.
또한 실시예는 기판(210)으로 제1 반사층(220)과 동종의 기판을 사용할 수 있다. 예를 들어, 기판(210)이 제1 반사층(220)과 동종인 GaAs 기판일 때 제1 반사층(210)과 격자 상수가 일치하여, 제1 반사층(220)에 격자 부정합 등의 결함이 발생하지 않을 수 있다.
다음으로, 기판(210) 상에 제1 반사층(220)이 형성될 수 있으며, 도 17b는 도 17a에 도시된 실시예에 따른 표면발광 레이저소자의 부분(B2)의 확대도이다.
이하 도 17a와 도 17b를 함께 참조하여 실시예의 실시예에 따른 표면발광 레이저소자를 설명하기로 한다.
상기 제1 반사층(220)은 화학증착방법(CVD) 혹은 분자선 에피택시(MBE) 혹은 스퍼터링 혹은 수산화물 증기상 에피택시(HVPE) 등의 방법을 사용하여 성장될 수 있다.
상기 제1 반사층(220)은 제1 도전형으로 도핑될 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 도전형 도펀트는 Si, Ge, Sn, Se, Te 등과 같은 n형 도펀트를 포함할 수 있다.
상기 제1 반사층(220)은 갈륨계 화합물, 예를 들면 AlGaAs를 포함할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 제1 반사층(220)은 분산 브래그 반사기(DBR: Distributed Bragg Reflector)일 수 있다. 예를 들어, 제1 반사층(220)은 서로 다른 굴절 률을 가지는 물질로 이루어진 층들이 교대로 적어도 1회 이상 적층된 구조일 수 있다.
예를 들어, 도 17b와 같이, 상기 제1 반사층(220)은 상기 기판(210) 상에 배치된 제1 그룹 제1 반사층(221) 및 상기 제1 그룹 제1 반사층(221) 상에 배치된 제2 그룹 제1 반사층(222)을 포함할 수 있다.
상기 제1 그룹 제1 반사층(221)과 제2 그룹 제1 반사층(222)은 AlxGa(1-x)As(0<x<1)의 조성식을 갖는 반도체 물질로 이루어진 복수의 층을 구비할 수 있으며, 각 층 내의 Al이 증가하면 각 층의 굴절률은 감소하고, Ga가 증가하면 각 층의 굴절률은 증가할 수 있다.
또한 도 17b와 같이, 제1 그룹 제1 반사층(221)과 제2 그룹 제1 반사층(222)도 각각 단일 또는 복수의 층으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 제1 그룹 제1 반사층(221)은 제1 그룹 제1-1 층(221a)과 제1 그룹 제1-2 층(221b)의 약 30~40 페어(pair)를 포함할 수 있다. 또한, 제2 그룹 제1 반사층(222)도 제2 그룹 제1-1 층(222a)과 제2 그룹 제1-2 층(222b)의 약 5~15 페어(pair)를 포함할 수 있다.
다음으로, 제1 반사층(220) 상에 활성층(232)이 형성될 수 있다.
도 17b와 같이, 상기 활성층(232)은 활성층(232) 및 상기 활성층(232)의 하측에 배치되는 제1 캐비티(231), 상측에 배치되는 제2 캐비티(233)를 포함할 수 있다. 실시예의 활성층(232)은 제1 캐비티(231)와 제2 캐비티(233)를 모두 포함하거나, 둘 중의 하나만 포함할 수도 있다.
상기 활성층(232)은 ⅢⅤ족 원소의 화합물 반도체 재료를 이용하여 우물층(232a)과 장벽층(232b)을 포함할 수 있다. 상기 활성층(232)은 InGaAs/AlxGaAs, AlGaInP/GaInP, AlGaAs/AlGaAs, AlGaAs/GaAs, GaAs/InGaAs 등의 1 내지 3 페어 구조로 형성될 수 있으나 이에 한정되지는 않는다. 상기 활성층(232)에는 도펀트가 도핑되지 않을 수 있다.
상기 제1 캐비티(231)와 상기 제2 캐비티(233)는 AlyGa(1-y)As(0<y<1) 물질로 형성될 수 있으나 이에 한정되지 않는다. 예를 들어, 상기 제1 캐비티(231)와 상기 제2 캐비티(233)는 각각 AlyGa(1-y)As으로된 복수의 층을 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 제1 캐비티(231)는 제1-1 캐비티층(231a)과 제1-2 캐비티층(231b)을 포함할 수 있다. 또한 상기 제2 캐비티(233)는 제2-1 캐비티층(233a)과 제2-2 캐비티층(233b)을 포함할 수 있다.
다음으로, 활성층(232) 상에 애퍼처 영역(240)을 형성하기 위한 AlGa 계열층(241a)을 형성할 수 있다.
상기 AlGa 계열층(241a)은 AlzGa(1-z)As(0<z<1) 등의 물질을 포함할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 AlGa 계열층(241a)은 도전성 재료를 포함할 수 있으며, 제1 반사층(220) 및 제2 반사층(250)과 동종의 재료를 포함할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
예를 들어, 상기 AlGa 계열층(241a)이 AlGaAs 계열물질을 포함하는 경우, 상기 AlGa 계열층(241a)은 AlxGa(1-x)As(0<x<1)의 조성식을 갖는 반도체 물질로 이루어질 수 있으며, 예를 들면 Al0.98Ga0.02As의 조성식을 가질 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 AlGa 계열층(241a)은 복수의 층을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 AlGa 계열층(241a)은 제1 AlGa 계열층(241a1)과 제2 AlGa 계열층(241a2)을 포함할 수 있다.
다음으로, 상기 AlGa 계열층(241a)상에 제2 반사층(250)이 형성될 수 있다.
상기 제2 반사층(250)은 갈륨계 화합물 예를 들면 AlGaAs를 포함할 수 있다. 예를 들어, 제2 반사층(250)의 각 층은 AlGaAs를 포함할 수 있고, 상세하게는 AlxGa(1-x)As(0<x<1)의 조성식을 갖는 반도체 물질로 이루어질 수 있다.
상기 제2 반사층(250)은 제2 도전형 도펀트가 도핑될 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 도전형 도펀트는 Mg, Zn, Ca, Sr, Ba 등과 같은 p형 도펀트일 수 있다. 한편, 제1 반사층(220)이 p형 도펀트로 도핑될 수도 있고, 제2 반사층(250)이 n형 도펀트로 도핑될 수도 있다.
상기 제2 반사층(250)도 분산 브래그 반사기(DBR: Distributed Bragg Reflector)일 수 있다. 예를 들어, 제2 반사층(250)은 서로 다른 굴절률을 가지는 물질로 이루어진 복수의 층이 교대로 적어도 1회 이상 적층된 구조일 수 있다.
예를 들어, 상기 제2 반사층(250)은 상기 활성층(232)에 인접하게 배치된 제1 그룹 제2 반사층(251) 및 상기 제1 그룹 제2 반사층(251)보다 상기 활성층(232)에서 이격배치 된 제2 그룹 제2 반사층(252)을 포함할 수 있다.
또한 상기 제1 그룹 제2 반사층(251)과 제2 그룹 제2 반사층(252)도 각각 단일 또는 복수의 층으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 제1 그룹 제2 반사층(251)은 제1 그룹 제2-1 층(251a)과 제1 그룹 제2-2 층(251b)의 약 1~5 페어(pair)를 포함할 수 있다 또한, 제2 그룹 제2 반사층(252)도 제2 그룹 제2-1 층(252a)과 제2 그룹 제2-2 층(252b)의 약 5~15 페어(pair)를 포함할 수 있다.
다음으로 도 18과 같이, 소정의 마스크(미도시)를 사용하여 발광 구조물을 식각하여 메사영역(M)을 형성할 수 있다. 이때, 제2 반사층(250)으로부터 AlGa 계열층(241a)과 활성층(232)까지 메사 식각될 수 있고, 제1 반사층(220)의 일부까지 메사 식각될 수도 있다. 메사 식각에서는 ICP(inductively coupled plasma) 에칭 방법으로, 주변 영역의 제2 반사층(250)으로부터 AlGa 계열층(241a)과 활성층(232)을 제거할 수 있으며, 메사 식각 영역은 측면이 기울기를 가지고 식각될 수 있다.
다음으로 도 19와 같이, AlGa 계열층(241a)의 가장 자리 영역을 절연영역(242)으로 변화시킬 수 있으며, 예를 들면 습식 산화(Wet Oxidation)으로 변화시킬 수 있다. 이를 통해 절연영역(242)과 비 산화영역인 애퍼처(241)를 포함하는 애퍼처 영역(240)을 형성할 수 있다.
예를 들어, AlGa 계열층(241a)의 가장 자리 영역으로부터 산소를 공급하면, AlGa 계열층의 AlGaAs가 H2O와 반응하여 알루미늄 산화물(Al2O3)가 형성될 수 있다. 이때, 반응 시간 등을 조절하여, AlGa 계열층의 중앙 영역은 산소와 반응하지 않고 가장 자리영역만 산소와 반응하여 알루미늄 산화물의 절연영역(242)이 형성될 수 있도록 한다.
또한 실시예는 이온 주입(Ion implantation)을 통해 AlGa 계열층의 가장 자리 영역을 절연영역(242)으로 변화시킬 수도 있으며 이에 한정하지 않는다. 이온 주입 시에는 300keV 이상의 에너지로 포톤(photon)이 공급될 수 있다.
상술한 반응 공정 후에, 애퍼처 영역(240)의 중앙 영역은 도전성의 AlGaAs가 배치되고 가장 자리 영역에는 비도전성의 Al2O3가 배치될 수 있다. 중앙 영역의 AlGaAs는 활성층(232)에서 방출되는 광이 상부 영역으로 진행되는 부분으로 애퍼처(241)로 정의될 수 있다.
다음으로 도 20과 같이, 발광 구조물의 상부면에 패시베이션층(270)이 형성될 수 있으며, 제2 반사층(250)의 상면의 일부가 노출될 수 있다.
상기 패시베이션층(270)은 폴리마이드(Polymide), 실리카(SiO2), 또는 질화 실리콘(Si3N4) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
다음으로 도 21a 내지 도 21c와 같이 투명전극층(290)이 제2 반사층(250) 상에 형성될 수 있다.
상기 투명전극층(290)은 ITO, AZO, GZO, ZnO, Y2O3, ZrO2 등 중에 어느 하나 이상일 수 있다.
예를 들어, 도 21a는 실시예에서 제2 반사층(250) 상에 배치되는 투명전극층(290)을 포함한 상세 평면도이며, 도 21b는 도 21a에 도시된 실시예에 따른 표면발광 레이저소자의 A1-A1' 선을 따른 단면도이고, 도 21c는 도 21a에 도시된 실시예에 따른 표면발광 레이저소자의 A2-A2' 선을 따른 단면도이다.
우선, 도 21a, 도 21b 및 도 21c를 참조하면, 실시예에서 상기 투명전극층(290)은, 상기 패시베이션층(270)과 이격되는 제1 오믹영역(290a)과 상기 패시베이션층(270)과 접하는 제2 오믹영역(290b)을 포함할 수 있다.
상기 제1 오믹영역(290a)은 상기 패시베이션층(270)과 이격되어 상기 제2 반사층(250)의 일부를 노출시킬 수 있으며, 상기 노출되는 제2 반사층의 노출부(250P)는 복수일 수 있으며, 서로 이격되어 배치될 수 있다.
상기 제2 오믹영역(290b)은 상기 제1 오믹영역(290a)에서 상기 패시베이션층(270) 방향으로 연장될 수 있다. 또한 상기 제2 오믹영역(290b)은 상기 패시베이션층(270)과 접할 수 있다. 또한 상기 제2 오믹영역(290b)은 상기 패시베이션층(270) 상으로 연장되어 배치될 수 있다.
실시예에서 투명전극층(290)이 상기 제2 반사층(250)과 접하는 영역은 제1 접촉영역(290C)일 수 있으며, 제2 반사층의 노출부(250P)의 노출면적보다 넓을 수 있다.
다음으로 도 22a, 도 22b 및 도 22c와 같이, 실시예에 따른 표면발광 레이저소자에서 투명전극층(290) 상에 메탈전극층(280)이 배치될 수 있다.
상기 메탈전극층(280)은 상기 애퍼처(241)와 이격되도록 상기 투명전극층(290)과 패시베이션층(270) 상에 배치될 수 있다.
이때, 상기 메탈전극층(280)은 도 21a에 도시된 제2 반사층의 노출부(250P)에도 배치되며, 상기 메탈전극층(280)이 상기 제2 반사층의 노출부(250P)와 접하는 영역은 제2 접촉영역(280C)일 수 있다.
상기 메탈전극층(280)은 도전성 재료로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 메탈전극층(280)은 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 크롬(Cr), 니켈(Ni), 구리(Cu), 금(Au) 중 적어도 하나를 포함하여 단층 또는 다층 구조로 형성될 수 있다.
실시예에서 투명전극층(290)이 상기 제2 반사층(250)과 접하는 제1 접촉영역(290C)의 면적(도 21a 참조)은 상기 메탈전극층(280)이 제2 반사층의 노출부(250P)와 접하는 제2 접촉영역(280C)의 면적보다 넓을 수 있다.
이를 통해 실시예에 의하면, 상기 투명전극층(290)이 상기 제2 반사층(250)과 직접 접함으로써 제2 반사층(250)과 투명전극층(290) 간의 오믹접촉을 형성하여 전기적 특성, 광학적 특성을 개선할 수 있으며, 메탈전극층(280)은 제2 접촉영역(280C)에서 제2 반사층(250)과 접하여 VF 특성을 유지 내지 향상시킴으로써 전기적 특성을 동시에 향상시킬 수 있다.
실시예에 의하면, 제2 반사층(250)의 일부는 투명전극층(290)과 제1 접촉영역(290C)에서 직접 접촉하여 애퍼처 에지에서의 전류집중을 방지하고 전류확산에 의해 전기적 특성을 개선할 수 있는 표면발광 레이저소자 및 이를 포함하는 발광장치를 제공할 수 있으며, 동시에 메탈전극층(280)이 제2 접촉영역(280C)에서 제2 반사층(250)과 직접 접촉함으로써 VF 특성을 유지 내지 향상시킴으로써 전기적 특성을 동시에 향상시킬 수 있다.
또한 실시예에 의하면, 제2 반사층(250)의 일부는 투명전극층(290)과 제1 접촉영역(290C)에서 직접 접촉하여 애퍼처 에지에서의 전류밀집(current crowding) 현상을 개선하여, 애퍼처의 에지(aperture edge)와 센터(center) 간의 발광 강도(radiance intensity)가 균일한 광학적 특성을 구비한 표면발광 레이저소자 및 이를 포함하는 발광장치를 제공할 수 있다.
또한 실시예는 제2 반사층(250)의 일부는 투명전극층(290)과 제1 접촉영역(290C)에서 직접 접촉하여 오믹특성을 향상 및 전류밀집 현상을 개선하여 애퍼처의 손상이나 출사 빔의 발산각(divergence angle of beams)이 증가하는 것을 방지할 수 있는 표면발광 레이저소자 및 이를 포함하는 발광장치를 제공할 수 있다.
예를 들어, 앞서 설명된 바와 같이, 도 11a은 실시예에서의 발광패턴 데이터이며, 도 11b는 비교예에서 장축(X1), 단축(X2) 기준으로 발광 강도 데이터이다.
실시예에 의하면, 제2 반사층(250)의 일부는 투명전극층(290)과 제1 접촉영역(290C)에서 직접 접촉하여 애퍼처 에지에서의 전류집중을 방지하고 전류확산에 의해 전기적 특성 및 광학적 특성을 개선할 수 있다. 이에 따라 도 11a와 같이 근거리장(near field)에서의 애퍼처 에지(AE2)에서의 발광패턴이 비교예에 비해 개선되었다.
특히 도 11b를 참조하면, 실시예에 의하면 제2 반사층(250)의 일부가 투명전극층(290)과 제1 접촉영역(290C)에서 직접 접촉하고, 메탈전극층(280)의 일부가 메탈전극층(280)과 직접 접함으로써 오믹특성 및 동작전압 특성이 동시 향상됨으로써 애퍼처 에지에서의 전류집중을 방지하고 전류확산에 의해 전기적 특성 및 광학적 특성이 동시에 개선됨에 따라 원거리장(far field)에서의 발광 강도(intensity)는 애퍼처 에지(AE2)와 애퍼처 센터(AC2)간에 균일한 발광분포를 나타내는 기술적 효과가 있다. 예를 들어, 실시예에서 애퍼처 에지(AE2)의 발광강도에 비해 애퍼처 센터(AC2)의 발광강도는 60% 수준 이상으로 개선됨으로써 애퍼처의 에지(aperture edge)와 센터(center) 간의 발광 강도(radiance intensity)가 매우 균일해지는 기술적 효과가 있다.
실시예에 의하면 상기 투명전극층(290)이 상기 제2 반사층(250)과 접하는 제1 접촉영역(290C)의 면적이 상기 메탈전극층(280)이 상기 제2 반사층의 노출부(250P)와 접하는 제2 접촉영역(280C)의 면적보다 넓을 수 있다.
예를 들어, 제2 반사층(250) 중에 패시베이션층(270)에 의해 노출되는 상측 면적 중 약 60~80%를 투명전극층(290)이 접촉할 수 있으며, 나머지 영역은 메탈전극층(280)에 의해 접촉될 수 있고 이는 약 40% 내지 20%일 수 있다.
이에 따라 상기 투명전극층(290)이 상기 제2 반사층(250)과 접하는 제1 접촉영역(290C)의 면적은 상기 패시베이션층(270)에 의해 노출되는 제2 반사층(250)의 상측 면적 중 약 60~80%일 수 있다.
또한 상기 메탈전극층(280)이 상기 제2 반사층의 노출부(250P)와 접하는 제2 접촉영역(280C)의 면적은 상기 패시베이션층(270)에 의해 노출되는 제2 반사층(250)의 상측 면적 중 약 40~20%일 수 있다.
실시예에 의하면, 메탈전극층(280)과 제2 반사층(250)이 직접 접할 때, 동작전압(VF3) 특성이 우수하므로, 이러한 실시예에 의할 때, 내부기술에 비해 메탈전극층(280)이 제2 반사층(250)과 제2 접촉영역(280C)에서 접하므로 동작전압(VF3)이 개선된다. 또한 투명전극층(290)이 제1 접촉영역(290C)에서 접하므로 오믹특성의 개선으로 광출력, 발광 강도 특성이 현저히 개선된다.
다음으로 도 23은 도 22c에 도시된 실시예에 따른 표면발광 레이저소자의 제3 영역(B3)에 대한 확대도이다.
한편, 도 14는 실시예에 따른 표면발광 레이저소자에서 투명전극층(290) 두께에 따른 저항 데이터이며, 실시예에 의하면, 상기 투명전극층(290)의 두께를 약 100nm 내지 약 250nm인 제1 두께(T1)로 제어함으로써 투명전극층(290)과 제2 반사층(250) 간의 높은 오믹특성을 얻을 수 있으며, 면저항(Rs)이 현저히 저하될 수 있다.
한편, 제2 비교예에서는 투명전극층(290)의 두께가 제2 두께(T2)인 경우 오믹특성의 구현이 되지 못하며 면저항이 높게 발생된다.
그런데, 실시예와 같이 투명전극층(290)의 두께를 100 nm 내지 250nm로 제어하는 경우 면저항을 현저히 낮게 제어가 가능하다. 예를 들어, 투명전극층(290)의 두께를 110 nm 내지 210nm로 제어하는 경우 면저항이 18 내지 7 ohm/sq로 현저히 낮게 제어가 가능하다.
또한 실시예에서 상기 제2 반사층(250)은 p형 반사층이며, 상기 투명전극층(290)은 n형의 도전성을 띌 수 있다.
한편, 종래기술에서는 n형의 도전성의 ITO를 p형 반사층 상에 투명전극층으로 채용하지 못하는 기술적 한계가 있었다.
반면, 실시예와 같이 p형 반사층, 예를 들어 p-GaAs 상에 ITO가 형성된 후 소정의 어닐링(annealing) 처리를 진행하는 경우 100 nm 내지 250nm의 두께에서 높은 오믹특성의 구현이 가능한 기술적 효과가 있다.
예를 들어, 제2 반사층(250)인 p-GaAs 상에 투명전극층(290)으로 ITO가 형성된 후 200℃내지 500℃에서 소정의 어닐링(annealing) 처리를 진행하는 경우 높은 오믹특성의 구현이 가능한 기술적 효과가 있다.
예를 들어, 제2 반사층(250)인 p-GaAs 상에 투명전극층(290)으로 ITO가 형성된 후 250℃내지 450℃에서 어닐링(annealing) 처리를 진행하는 경우 더욱 높은 오믹특성의 구현이 가능한 기술적 효과가 있다.
구체적으로, 오믹(Ohmic)의 물리적 조건으로 각 물질의 일함수(Φwork function)를 고려하여야 하는데 오믹특성이 되기 위해서는 오믹층의 일함수가 p형 반사층의 일함수에 비해 커야 한다.
그런데, 일반적으로 ITO의 일함수는 약 4.3eV이고 p-GaAs의 일함수는 약 5.5eV이므로, p-GaAs 상에 TIO 증착시 오믹특성의 구현이 되지 않게 된다.
그런데, 실시예에서는 p-GaAs 상에 ITO를 증착 후 소정의 어닐링(annealing) 공정을 통해 100 nm 내지 250nm의 두께의 ITO에서 터널링(Tunneling) 효과에 의해 높은 오믹특성의 구현이 가능한 기술적 효과가 있다.
예를 들어, 실시예에 의하면 p-GaAs 상에 ITO를 증착후 200℃내지 500℃범위 및 질소분위기에서 소정의 어닐링(annealing) 공정을 통해 100 nm 내지 250nm의 두께의 ITO에서 터널링(Tunneling) 효과에 의해 높은 오믹특성의 구현이 가능한 기술적 효과가 있다.
또한 실시예에 의하면 p-GaAs 상에 ITO를 증착후 250℃내지 450℃범위에서 질소분위기에서 약 1분 내외의 어닐링(annealing) 공정을 통해 100 nm 내지 250nm의 두께의 ITO에서 터널링(Tunneling) 효과에 의해 더욱 높은 오믹특성의 구현이 가능한 기술적 효과가 있다.
예를 들어, 실시예에 따라 p-GaAs 표면에 Ga과 ITO의 인듐(Indium)이 어닐링(annealing) 시, Ga-In 고용체(solid solution) 형성을 위해 Ga 아웃 디퓨젼(out-diffusion)이 발생하여 p-GaAs 표면에 Ga 베이컨시(vacancy), 즉 어셉터(acceptor)가 증가할 수 있다.
또한 실시예에 의하면 어닐링(annealing) 시 Ga out-diffusion으로 인한 Ga-In-Sn-(Oxide) compound 형성으로 p-GaAs 상부 표면층은 deep acceptor like Ga vacancies 형성되어 캐리어 농도(Carrier Concentration)가 증가할 수 있고, 이에 따라 터널링(Tunneling)으로 인한 p-GaAs / ITO ohmic 형성이 가능할 수 있다.
또한 실시예에 의하면, 제2 반사층(250) 상에 투명전극층(290)을 약 100nm 내지 250nm로 형성함으로써 광투과성이 현저히 향상되는 기술적 효과가 있다.
예를 들어, 실시예에 따른 표면발광 레이저소자가 적용가능한 파장(λ이 약 800nm 내지 1,000nm인 경우에, 투명전극층의 굴절률(n)은 약 1.6 내지 2.2일 수 있으며, 소광 계수(extinction coefficient) 또는 흡수 계수(absorption index) k값은 0.1이하일 수 있다.
실시예에 의하면, 제2 반사층(250) 상에 배치되는 투명전극층(290)에 의해 AR(anti-reflection) 코팅(Coating)으로 인한 광학적 특성 향상될 수 있다.
또한 실시예는 애퍼처(apertures)의 손상이나 출사 빔의 발산각(divergence angle of beams)이 증가를 방지할 수 있는 표면발광 레이저소자 및 이를 포함하는 발광장치를 제공할 수 있다.
또한 앞서 기술한 바와 같이, 실시예에 의하면, 상기 투명전극층(290)의 두께를 약 100nm 내지 약 250nm인 제1 두께(T1)로 제어함으로써 투명전극층(290)과 제2 반사층(250) 간의 높은 오믹특성을 얻을 수 있으며, 면저항(Rs)이 현저히 저하될 수 있고 나아가 광투과성이 현저히 향상되는 복합적 기술적 효과가 있다.
(다른 실시예)
다음으로 도 24는 실시예에 따른 표면발광 레이저소자의 다른 단면도이다.
실시예에 따른 표면발광 레이저소자는 수직형 외에 도 24와 같이 제1 전극(215)과 메탈전극층(280)의 방향이 동일한 플립 칩 형태일 수 있다.
예를 들어, 도 24와 같이 다른 실시예에 따른 표면발광 레이저소자는 제1 전극(215), 기판(210), 제1 반사층(220), 활성층(232), 애퍼처 영역(240), 제2 반사층(250), 메탈전극층(280), 제1 패시베이션층(271), 제2 패시베이션층(272), 비반사층(290) 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다. 이때 제2 반사층(250)의 반사율이 제1 반사층(220)의 반사율 보다 높게 설계될 수 있다.
이때 제1 전극(215)은 제1 컨택 전극(216)과 제1 패드 전극(217)을 포함할 수 있으며, 소정의 메사 공정을 통해 노출된 제1 반사층(220) 상에 제1 컨택 전극(216)이 전기적으로 연결되며, 제1 컨택 전극(216)에 제1 패드 전극(217)이 전기적으로 연결될 수 있다.
상기 제1 전극(215)은 도전성 재료로 이루어질 수 있고, 예를 들면 금속일 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 전극(215)은 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 크롬(Cr), 니켈(Ni), 구리(Cu), 금(Au) 중 적어도 하나를 포함하여 단층 또는 다층 구조로 형성될 수 있다.
상기 제1 반사층(220)이 n형 반사층인 경우, 상기 제1 전극(215)은 n형 반사층에 대한 전극일 수 있다.
다음으로, 메탈전극층(280)은 제2 컨택 전극(282)과 제2 패드 전극(284)을 포함할 수 있으며, 제2 반사층(250) 상에 제2 컨택 전극(282)이 전기적으로 연결되며, 제2 컨택 전극(282)에 제2 패드 전극(284)이 전기적으로 연결될 수 있다.
상기 제2 반사층(250)이 p형 반사층인 경우, 상기 메탈전극층(280)은 p형 반사층에 대한 전극일 수 있다.
상기 제1 절연층(271)과 제2 절연층(272)은 절연성 물질로 이루어질 수 있고, 예를 들면 질화물 또는 산화물로 이루어질 수 있으며, 예를 들어, 폴리이미드(Polymide), 실리카(SiO2), 또는 질화 실리콘(Si3N4) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
실시예에 따른 표면발광 레이저소자는 이동 단말기 등에 적용될 수 있다.
예를 들어, 도 25는 실시예에 따른 표면발광 레이저소자가 적용된 이동 단말기의 사시도이다.
도 25에 도시된 바와 같이, 실시예의 이동 단말기(1500)는 후면에 제공된 카메라 모듈(1520), 플래쉬 모듈(1530), 자동 초점 장치(1510)를 포함할 수 있다. 여기서, 상기 자동 초점 장치(1510)는 발광부로서 앞서 설명된 실시예에 따른 표면발광 레이저소자의 패키지 중의 하나를 포함할 수 있다.
상기 플래쉬 모듈(1530)은 그 내부에 광을 발광하는 발광소자를 포함할 수 있다. 상기 플래쉬 모듈(1530)은 이동 단말기의 카메라 작동 또는 사용자의 제어에 의해 작동될 수 있다.
상기 카메라 모듈(1520)은 이미지 촬영 기능 및 자동 초점 기능을 포함할 수 있다. 예컨대 상기 카메라 모듈(1520)은 이미지를 이용한 자동 초점 기능을 포함할 수 있다.
상기 자동 초점 장치(1510)는 레이저를 이용한 자동 초점 기능을 포함할 수 있다. 상기 자동 초점 장치(1510)는 상기 카메라 모듈(1520)의 이미지를 이용한 자동 초점 기능이 저하되는 조건, 예컨대 10m 이하의 근접 또는 어두운 환경에서 주로 사용될 수 있다. 상기 자동 초점 장치(1510)는 수직 캐비티 표면 방출 레이저(VCSEL) 반도체 소자를 포함하는 발광부와, 포토 다이오드와 같은 빛 에너지를 전기 에너지로 변환하는 수광부를 포함할 수 있다.
이상에서 실시예들에 설명된 특징, 구조, 효과 등은 적어도 하나의 실시예에 포함되며, 반드시 하나의 실시예에만 한정되는 것은 아니다. 나아가, 각 실시예에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시예들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의해 다른 실시예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 실시예의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
이상에서 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 실시예를 한정하는 것이 아니며, 실시예가 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 설정하는 실시예의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (10)

  1. 기판;
    상기 기판 상에 배치된 제1 반사층;
    상기 제1 반사층 상에 배치되는 활성층;
    상기 활성층 상에 배치되고 개구부를 포함하는 애퍼처층;
    상기 활성층 상에 배치되는 제2 반사층;
    상기 제2 반사층 상에 배치되는 투명전극층; 및
    상기 투명전극층 상에 배치되는 메탈전극층;을 포함하며,
    상기 투명전극층은, 상기 개구부와 수직으로 중첩되는 제1 영역 및 상기 제1 영역에서 연장되는 복수의 제2 영역;을 포함하고,
    상기 복수의 제2 영역은 상기 개구부의 원주방향을 따라 상기 개구부의 외측에 서로 이격되어 배치되고,
    상기 메탈전극층은 상기 복수의 제2 영역 사이에서 상기 제2 반사층과 전기적으로 컨택하는 표면발광 레이저소자.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 제2 반사층은, 상기 투명전극층과 직접 컨택하는 제2-1 영역 및 상기 메탈전극층과 직접 컨택하는 제2-2 영역을 포함하고,
    상기 제2-2 영역은 상기 제2-1 영역 사이에 배치되는 표면발광 레이저소자.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 투명전극층은 상기 제2 반사층의 제2-1 영역에서 접하는 제1 접촉영역을 포함하고,
    상기 메탈전극층은 상기 제2 반사층의 제2-2 영역에서 접하는 제2 접촉영역을 포함하며,
    상기 투명전극층의 제1 접촉영역의 면적이 상기 메탈전극층의 제2 접촉영역의 면적보다 넓은 표면발광 레이저소자.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 제2 반사층 중에 상기 투명전극층과 상기 메탈전극층과 접하는 상부 컨택 제2 반사층 중에, 상기 제1 접촉영역은 60~80%범위이며,
    상기 제2 접촉영역은 40% 내지 20%범위인 표면발광 레이저소자.
  5. 기판 상에 배치된 제1 반사층;
    상기 제1 반사층 상에 배치되는 활성층;
    상기 활성층 상에 배치되며, 애퍼처(aperture) 및 절연영역을 포함하는 애퍼처 영역;
    상기 애퍼처 영역 상에 배치되는 제2 반사층;
    상기 제2 반사층 상에 배치되는 투명전극층; 및
    상기 투명전극층 상에 배치되는 메탈전극층;을 포함하며,
    상기 투명전극층은, 제1 오믹영역 및 상기 제1 오믹영역에서 외측으로 돌출되며 상호 이격된 복수의 제2 오믹영역을 포함하고,
    상기 투명전극층은, 상기 제1 오믹영역과 상기 제2 오믹영역에서 상기 제2 반사층과 직접 컨택하고,
    상기 메탈전극층은, 복수의 돌출된 상기 제2 오믹영역 사이에서 상기 제2 반사층과 직접 컨택하는 표면발광 레이저소자.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 제1 오믹영역은 상기 애퍼처와 수직으로 중첩되며,
    상기 제2 오믹영역은 상기 절연영역과 수직으로 중첩되는 표면발광 레이저소자.
  7. 제5 항에 있어서,
    상기 제2 반사층의 측면과 상면 일부에 배치되는 패시베이션층;을 포함하고,
    상기 제1 오믹영역은 상기 패시베이션층과 이격되어 상기 제2 반사층의 일부를 노출시키며,
    상기 제2 오믹영역은 상기 패시베이션층과 접하여 상기 제2 반사층을 노출시키지 않는 표면발광 레이저소자.
    투명전극층표면발광 레이저소자.
  8. 제5 항에 있어서,
    상기 제2 오믹영역은,
    상기 패시베이션층 상측까지 연장되어 배치되며,
    상기 제2 오믹영역은,
    상기 제1 오믹영역에서 상기 패시베이션층 방향으로 연장되며,
    상기 메탈전극층은 상기 제2 오믹영역 상에 배치되어 상기 제2 반사층과는 이격되는 표면발광 레이저소자.
  9. 제5 항에 있어서,
    상기 투명전극층이 상기 제2 반사층과 접하는 제1 접촉영역의 면적은 상기 메탈전극층이 상기 제2 반사층의 노출부와 접하는 제2 접촉영역의 면적보다 넓으며,
    상기 제2 반사층 중에 상기 패시베이션층에 의해 노출되는 상부 컨택 제2 반사층 중에, 상기 제1 접촉영역은 60~80%범위이며, 상기 제2 접촉영역은 40% 내지 20%범위인 표면발광 레이저소자.
  10. 제1 항 내지 제9 항 중 어느 하나의 표면발광 레이저소자를 포함하는 발광장치.
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