KR100565049B1 - 표면광 레이저 - Google Patents

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Abstract

기판, 기판 상에 일 형의 불순물을 함유하는 조성이 다른 화합물 반도체가 교대로 적층 형성된 하부반사기층, 하부반사기층 상에 형성되며 전자와 정공의 재결합으로 광을 생성하는 활성층, 전류의 흐름을 가이드하는 고저항부, 활성층 상에 하부반사기층과 반대형의 불순물을 함유하는 조성이 다른 화합물 반도체가 교대로 적층 형성된 상부반사기층, 레이저광이 출사되는 윈도우 및 그 주변의 소정 넓이를 제외한 제2반사기층 상의 적어도 일부 영역에 형성된 cBN(cubic Boron Nitride)으로 이루어진 열분산층, 윈도우 주변 및 열분산층 상의 적어도 일부 영역에 걸쳐 형성되어 제2반사기층과 전기적으로 연결되는 상부전극 및 기판의 하면에 형성된 하부전극을 구비하는 것을 특징으로 하는 표면광 레이저가 개시되어 있다.
이 개시된 표면광 레이저는 열전도성이 우수하고 절연체이면서도 고온에서 안정된 물질인 cBN으로 이루어진 열분산층을 구비하므로, 표면광 레이저 내부에서 발생된 열이 빠르게 분산되어 표면광 레이저 자체의 온도 상승이 크게 일어나지 않기 때문에, 표면광 레이저의 온도 특성이 크게 개선된다.

Description

표면광 레이저{Vertical cavity surface emitting laser}
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 표면광 레이저의 적층구조를 보인 단면도,
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 표면광 레이저의 적층구조를 보인 단면도,
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 표면광 레이저의 적층구조를 보인 단면도.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
100...기판 110,140...하부 및 상부반사기층
120...활성층 130...예비산화층
135,235,435...고저항부 150...열분산층
160,170...상부 및 하부전극 200,400...메사
220...트렌치 300...블록
본 발명은 표면광 레이저(Vertical Cavity Surface Emitting Laser)에 관한 것으로, 상세하게는 열에 기인한 성능 저하를 개선할 수 있도록 열분산층을 가지는 표면광 레이저에 관한 것이다.
표면광 레이저는 광메모리, 광픽업, 광통신 및 의료용 등에 광원으로 폭넓게 사용되거나 사용하려는 추세에 있다. 이러한 표면광 레이저에서는 레이저 발진을 위해 외부에서 주입되는 전류에 의해 그 층들 사이의 접합에서의 오믹(ohmic) 저항 및 그 층 자체의 오믹 저항으로 인해 열이 발생되며, 이러한 열은 그 표면광 레이저 자체의 온도를 상승시킨다. 이와 같이 표면광 레이저의 온도가 상승하면, 레이저 광출력이 감소하고, 발진 파장이 길어지며 문턱전류가 변하게 될 뿐만 아니라 최대출력에 한계를 가져오는 등의 성능 저하가 유발된다.
이와 같이, 오믹 저항에 의해 발생된 열에 기인한 표면광 레이저의 성능 저하를 개선하기 위해, CVD나 스퍼터링(sputtering) 등의 진공 증착법을 이용하여 다이아몬드(diamond), diamond-like-carbon(DLC), SiC 등의 박막으로 이루어진 열분산층을 사용하는 구조가 제안된 바 있다.
하지만, 다이아몬드는 고가이며 박막으로 증착하기가 매우 어려운 단점이 있다. 또한, 상기 DLC는 열전도성이 우수할 것으로 추정되며 절연체이기는 하나, 내열성이 떨어져 고온 예컨대, 400℃ 이상에서는 흑연상으로 변하기 때문에 반도체 레이저의 제조공정과 부합되기 어렵다. 또한, 상기 SiC는 열전도성이 일반 금속에 비해 낮기 때문에 표면광 레이저의 히트 싱크(heat sink)로 사용하기에는 그 열분산 성능이 떨어진다.
본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 감안하여 안출된 것으로, 열전도성이 우수하고 절연체이면서도 고온에서 안정된 물질로 이루어진 열분산층을 구비한 표면광 레이저를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 표면광 레이저는, 기판; 상기 기판 상에 일 형의 불순물을 함유하는 조성이 다른 화합물 반도체가 교대로 적층 형성된 하부반사기층; 상기 하부반사기층 상에 형성되며 전자와 정공의 재결합으로 광을 생성하는 활성층; 전류의 흐름을 가이드하는 고저항부; 상기 활성층 상에 상기 하부반사기층과 반대형의 불순물을 함유하는 조성이 다른 화합물 반도체가 교대로 적층 형성된 상부반사기층; 레이저광이 출사되는 윈도우 및 그 주변의 소정 넓이를 제외한 상기 제2반사기층 상의 적어도 일부 영역에 형성된 cBN(cubic Boron Nitride)으로 이루어진 열분산층; 상기 윈도우 주변 및 상기 열분산층 상의 적어도 일부 영역에 걸쳐 형성되어 상기 제2반사기층과 전기적으로 연결되는 상부전극; 및 상기 기판의 하면에 형성된 하부전극;을 구비하는 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하면서 본 발명에 따른 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 표면광 레이저를 개략적으로 보인 단면도이다.
도면을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 표면광 레이저는 그 적층 구조를 살펴보면, 기판(100)과, 이 기판(100)의 하면에 형성된 하부전극(170), 기판(100) 상에 순차로 적층 형성된 하부반사기층(110), 활성층(120), 부분 산화에 의하여 형성된 고저항부(135), 상부반사기층(140), 열분산층(150) 및 상부전극(160)을 포함하여 구성된다.
상기 기판(100)은 예컨대, n형 불순물을 함유하는 반도체물질
Figure 111999013582009-pat00001
등으로 되어 있으며, 이 기판(100) 상에 MOCVD나 MBE 등을 이용하여 동일 공정에 의해 복수의 표면광 레이저가 동시에 형성된다.
상기 하부반사기층(110)은 상기 기판(100) 상에 형성되어 있으며, 상기 기판(100)과 같은 형의 불순물 반도체물질로 굴절율이 서로 다른 두 화합물 반도체가 교대로 적층되어 이루어진다. 예를 들면, 상기 하부반사기층(110)은 조성이 서로 달라 굴절율이 다른 n형의 AlxGa1-xAs 와 AlyGa1-yAs(x≠y) 등이 λ/4 두께로 교대로 적층되어 이루어진다. 상기 상부반사기층(140)은 상기 하부반사기층(110)과 반대형의 불순물을 함유하는 같은 종류의 불순물 반도체물질로 되어 있다. 예를 들면, 상부반사기층(140)은 활성층(120) 상에 조성이 다른 p형의AlxGa1-xAs 와 AlyGa1-yAs(x≠y) 등이 λ/4 두께로 교대로 적층되어 이루어진다. 상기 상부반사기층(140)과 하부반사기층(110)은 상기 상,하부전극(160)(170)을 통해 인가된 전류에 의하여 전자와 정공의 흐름을 유도한다. 여기서, λ는 표면광 레이저의 출사 레이저광 파장이다.
상기 활성층(120)은 상기 상,하부반사기층(140)(110)에서 제공된 전자와 정공의 재결합으로 인한 에너지 천이에 의하여 광을 생성하는 영역으로 단일 또는 다 중 양자-우물 구조, 초격자(super lattice) 구조 등을 가진다. 여기서, 상기 활성층(120)은 표면광 레이저의 출사 파장에 따라 AlGaAs(780 nm), GaAs(850 nm), InGaAs(1300 nm) 등으로 이루어진다.
여기서, 상기 하부반사기층(110)과 활성층(120) 사이 및 상기 활성층(120)과 상부반사기층(140) 사이에는 각각 잘 알려진 바와 같이 클래드층(미도시)이 더 구비될 수 있다.
상기 고저항부(135)는 상기 상부반사기층(140)과 상기 활성층(120) 사이에 형성되며, 기본적으로 Al이 풍부한 층 예컨대, 그 재질이 AlAs 또는 y 값이 대략 0.98 이상이며 상기 상부반사기층(140)과 같은 구조의 p형AlyGa1-yAs로 된 예비산화층(130)에 대해, 증기 상태의 H2O에 의해 소정 시간동안 산화되어 산화분위기와 접촉되는 외측부에서 소정 깊이만큼 형성된 Al2O3 절연 산화막이다. 이 고저항부(135)는 상기한 선택적 산화법에 의해 형성되므로, 산화된 부분과 활성층(120)에서 생성된 광이 조사되는 부분 사이의 경계 위치를 정밀하게 설정할 수 있어서, 양산시 재현성이 뛰어나다는 장점이 있다.
상기 열분산층(150)은 그 재질이 cBN(cubic Boron-Nitride)으로 이루어지며, 상기 상부반사기층(140)의 광이 출사될 부분인 윈도우(210) 및 그 주변의 소정 넓이를 제외한 전역에 걸쳐 형성된다. 여기서, 상기 cBN은 부도체이므로 완벽한 전기적 절연성을 가져 절연체로서 기능을 하며, 우수한 고온 안정성 및 금속보다 우수한 열전도성을 가지며, 내화학성이 우수한 특성이 있다. 따라서, cBN 박막으로 이 루어진 본 발명에 따른 열분산층(150)은 고온에서도 상이 변하지 않으므로 반도체 제조공정과 양립할 수 있으며, 열을 분산시키는 히트 싱크로서의 기능을 함과 동시에 절연막으로서 기능을 하게 된다.
상기 상부전극(160)은 상기 윈도우(210) 주변의 소정 넓이와 상기 열분산층(150) 상에 형성되며, 상기 윈도우(210) 주변에서 상기 상부반사기층(140)과 접촉되어 오믹 컨택이 형성된다. 상기 하부전극(170)은 상기 기판(100)의 하면에 형성된다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 표면광 레이저의 형상을 살펴보면, 일 표면광 레이저에 대하여, 광이 출사되는 영역인 윈도우(210)를 가지며 인가된 전류에 따라 광을 생성 조사하는 기능을 하는 메사(200)와, 이 메사(200) 주변에 상기한 상부반사기층(140), 고저항부(135), 활성층(120) 및 하부반사기층(110)의 일부 깊이로 인입 형성된 트렌치(trench)(220)와, 상기 메사(200)와 동일 반도체 적층 구조를 가지는 블록(300)으로 구분된다.
여기서, 기판(100)상에 하부반사기층(110), 활성층(120), 예비산화층(130) 및 상부반사기층(140)을 순차로 적층 형성한 다음, 메사를 형성하고자 하는 부분 외측을 하부반사기층(110)의 일부 깊이까지 인입하여 트렌치(220)를 형성하면, 트렌치(220)를 경계로 레이저광이 발생되는 메사(200)와 상기 메사(200) 주변의 블록(300)으로 구분되는 구조가 형성된다.
이때, 상기와 같이 트렌치(220)를 형성한 다음 위에서 설명한 바와 같이, 산화분위기를 만들어주면 예비산화층(130)이 트렌치(220)에 인접한 외측부로부터 산 화되어 상기 고저항부(135)가 형성되게 된다. 한편, 본 발명에 따른 열분사층(150)은 상기와 같이 고저항부(135)를 형성한 다음, 상기 윈도우(210) 및 그 주변을 제외한 상기 메사(200), 트렌치(220) 및 블록(300)에 걸쳐 형성한다. 또한, 상부전극(160)은 상기 열분사층(150) 및 윈도우(210) 주변의 상부반사기층(140) 상에 직접 형성한다.
따라서, 상기 상,하부전극(160)(170)에 전원을 인가시 히트 싱크로서 기능을 하여 열을 분산시킴과 동시에 절연막으로서 기능을 하는 상기 열분산층(150)에 의해 상기 블록(300)으로의 전류 흐름이 차단되고, 상기 메사(200)의 윈도우(210) 주변을 통해 전원이 공급되므로, 상기 메사(200)에서만 광이 생성되게 된다.
물론, 상기한 반도체 층 내부로 인가되는 전류는 고저항부(135)에 의해 가이드된다. 상기 블록(300)은 그 상면이 상기 메사(200) 상면보다 넓게 형성되어, 그 상면에 형성된 상부전극에 전원을 인가하기 위하여 와이어 본딩되는 본딩 패드로 이용된다.
한편, 상기한 바와 같이 상기 상,하부전극(160)(170)에 전원을 인가하면, 표면광 레이저 내부의 반도체물질층들 사이의 접합부분 특히, 상부반사기층(140)을 이루는 조성이 서로 다른 화합물 반도체물질층들의 접합부분에서의 오믹 저항으로 인해 접합 부분에서 열이 발생되며, 또한 활성층(120)과 같이 진성 반도체물질층으로 이루어져 고유 저항이 상대적으로 큰 반도체 물질층 자체의 오믹 저항으로 인해서도 열이 발생된다.
하지만, 메사(200) 상면 및 트렌치(220) 특히, 상기 메사(200)의 수직단면에 형성된 본 발명에 따른 열분산층(150)이 표면광 레이저 내부에서 발생된 열을 빠르게 분산시키므로, 표면광 레이저를 계속적으로 작동시키는 경우에도 표면광 레이저 자체의 온도는 그다지 상승되지 않고 안정화된다.
따라서, 표면광 레이저로부터 출사되는 광의 파장은 일정하게 유지될 수 있으며, 광출력 및 문턱 전류도 안정화된다.
이상에서는, 본 발명에 따른 cBN으로 이루어진 열분산층을 구비하는 표면광 레이저가 도 1에 도시된 트렌치를 경계로 레이저광이 발생되는 메사와 그 메사 주변의 블록으로 구분되는 구조인 경우를 예를 들어 설명하였으나, 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같은 다양한 구조를 가지는 것도 가능하다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 표면광 레이저를 개략적으로 보인 단면도로서, 고저항부(235)가 상부반사기층(140)의 일부 영역에 이온을 주입하여 형성된 점에 그 특징이 있다. 여기서, 상기 고저항부(235)는 활성층(120) 및 상부반사기층(140)의 일부에 걸쳐 형성될 수 도 있다.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 표면광 레이저를 개략적으로 보인 단면도로서, 고저항부(435)를 이온 주입에 의해 형성하는 점에 있어서는 도 2에 도시된 표면광 레이저와 동일하다. 본 실시예의 표면광 레이저는 윈도우(210) 외측의 상부반사기층(140)의 적어도 일부 깊이를 식각하여 메사(400)를 형성함으로써 융기된 도파로(ridge waveguide) 구조를 가진다. 이때, 열분산층(150)은 윈도우(210) 및 그 주변이 소정 넓이를 제외한 메사(400) 부분뿐만 아니라, 상기 메사(400)의 수직 단면 및 식각되어 노출된 상부반사기층면상에도 마련된다.
도 2 및 도 3의 표면광 레이저에서 나머지 구성요소는 도 1를 참조로 설명한 본 발명의 일 실시예에서와 실질적으로 동일하므로 동일 참조부호로 표기하고 그 설명은 생략한다.
상기한 바와 같은 본 발명에 따른 표면광 레이저는 열전도성이 우수하고 절연체이면서도 고온에서 안정된 물질인 cBN으로 이루어진 열분산층을 구비하므로, 표면광 레이저 내부에서 발생된 열이 빠르게 분산되어 표면광 레이저 자체의 온도 상승이 크게 일어나지 않기 때문에, 표면광 레이저의 온도 특성이 크게 개선된다.
또한, 본 발명에 따른 열분산층은 절연막으로서 기능을 하므로, 별도의 절연막이 불필요한 이점이 있다.

Claims (4)

  1. 기판;
    상기 기판 상에 일 형의 불순물을 함유하는 조성이 다른 화합물 반도체가 교대로 적층 형성된 하부반사기층;
    상기 하부반사기층 상에 형성되며 전자와 정공의 재결합으로 광을 생성하는 활성층;
    전류의 흐름을 가이드하는 고저항부;
    상기 활성층 상에 상기 하부반사기층과 반대형의 불순물을 함유하는 조성이 다른 화합물 반도체가 교대로 적층 형성된 상부반사기층;
    레이저광이 출사되는 윈도우 및 그 주변의 소정 넓이를 제외한 상기 제2반사기층 상의 적어도 일부 영역에 형성된 cBN(cubic Boron Nitride)으로 이루어진 열분산층;
    상기 윈도우 주변 및 상기 열분산층 상의 적어도 일부 영역에 걸쳐 형성되어 상기 제2반사기층과 전기적으로 연결되는 상부전극; 및
    상기 기판의 하면에 형성된 하부전극;을 구비하는 것을 특징으로 하는 표면광 레이저.
  2. 제1항에 있어서, 상기 상부반사기층, 활성층 및 하부반사기층의 적어도 일부깊이에 걸쳐 인입된 트렌치를 구비하여, 상기 트렌치를 경계로 레이저광이 발생되는 메사와 상기 메사 주변의 블록으로 구분되는 구조를 가지며,
    상기 고저항부는 상기 활성층과 상부반사기층 사이에 형성된 예비산화층을 산화시켜 형성되고,
    상기 열분산층은, 상기 트렌치 및 블록 위에도 마련된 것을 특징으로 하는 표면광 레이저.
  3. 제1항에 있어서, 상기 고저항부는 상기 활성층 및/또는 상부반사기층의 일부 영역에 이온을 주입하여 형성된 것을 특징으로 하는 표면광 레이저.
  4. 제3항에 있어서, 상기 윈도우 외측의 상기 상부 반사기층의 적어도 일부분을 식각하여 메사를 형성한 융기된 도파로(ridge waveguide) 구조를 가지며,
    상기 열분산층은 상기 메사의 수직단면 및 노출된 상기 상부 반사기층면 위에도 마련된 것을 특징으로 하는 표면광 레이저.
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