KR100642628B1 - 단일 모드 수직 공진 표면방출 레이저 - Google Patents

Abstract

횡 방향으로 선택적인 광 흡수층과 이온 주입층의 동시적 사용과 그 상대적 크기 차이에 의해 수직 공진 표면방출 레이저의 단일 모드 특성을 향상하였다. 광흡수층이 모드 가장 자리에 있는 빛을 흡수함으로써 고차 횡모드의 광 손실을 증가시키고, 고차 횡모드의 레이저 발진을 막는다. 특히 광 흡수층은 가운데가 패터닝(patterning) 및 에칭(etching) 공정에 의하여 제거되었기 때문에 기본 모드에는 작은 광 손실을 고차 모드에는 더 큰 광 손실을 일으킨다. 광 흡수층의 직경이 이온 주입층 직경에 비해 약간 작을 때 기본 모드가 훨씬 넓은 범위에서 단일 모드로 동작한다.

VCSEL, 표면방출, 레이저(laser), 단일모드(single mode), semiconductor, 횡모드, 이온 주입(ion implant)

Description

단일 모드 수직 공진 표면방출 레이저{Single mode Vertical Cavity Surface Emitting Lasers}

도 1 은 본 발명의 실시 예에 따른 단일 모드 수직 공진 표면 방출 레이저 구조를 나타내 보인 단면도이다.

도 2는 종래의 수직 공진 표면 방출 레이저 구조(A)와 본 발명의 실시예에 따른 수직 공진 표면 방출 레이저 구조(B)를 비교한 비교 단면도이다.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

10...반도체 기판20...하부 브래그 반사경

30...레이저 활성층40...스페이서

50...이온 주입층

60...전기 전도층70...광흡수층

80...전극

90...상부 브래그 반사경

본 발명은 단일 모드 수직 공진 표면방출 레이저에 관한 것으로, 보다 상세하게는 수직공진 표면방출 레이저에 흡수층을 두고 특정 구경 안에서는 흡수가 일어나지 않도록 하며 흡수 구경이 전류 주입 구경보다 작도록 하여 높은 동작 전류까지 단일모드를 유지할 수 있도록 하는 단일 모드 수직 공진 표면방출 레이저에 관한 것이다.

수직공진 표면방출 레이저(Vertical_Cavity Surface-Emmitting Lasers, VCSEL)는 단/근거리 광 통신 시스템, 광 연결, 광 저장장치, 레이저 프린팅 등을 위한 광원으로 활용되고 있다. 특히 표면방출 레이저가 갖는 높은 광섬유 커플링 효율(fiber-coupling efficiency), 웨이퍼 단위의 제작 공정에 의한 낮은 단가, 낮은 실장 비용, 이차원 어레이(two-dimensional array) 특성 등으로 인하여 차세대 광통신 및 신호 처리용 광원으로 빠르게 자리를 잡을 것으로 예측된다.

그러나 지금까지의 표면방출 레이저는 주로 다중 횡모드(multiple transverse mode)의 특성을 지님으로 인해서, 초고속 광통신 및 데이터 통신에 있어서 색분산(chromatic dispersion) 등으로 인한 전송 거리 한계가 있으므로 이를 극복하기 위한 단일 횡모드(single transverse mode) 광원에 대한 개발 노력이 이루어지고 있다.

종래의 표면방출 레이저는 전류 제한을 위해 이온 주입(ion implantation)을 도입하거나 산화막 구경(oxide apeture)을 사용한다. 이온 주입은 VCSEL 개발 초기에 사용되었으며 상용 소자 생산에도 사용된 안정된 기술이다. 그러나 이 구조의 단점은 전류가 증가함에 따라 레이저 공진기 중심부에 열이 발생하여 광 모드 크기가 바뀌는 단점이 있다. 이것을 열 렌즈 효과라 하고 특별한 굴절률 변동 구조가 없는 이온 주입형 레이저에서는 광 특성에 영향을 많이 준다.

이에 반해 산화막 레이저는 AlAs 층을 산화하여 AlxOy 로 구성된 절연막을 형성함으로써 전류 제한과 굴절률 제어를 함으로써 안정된 광 모드 특성을 얻게 된다. 그러나 AlAs와 AlxOy의 굴절률 차이가 크기 때문에 단일 모드를 얻기 위해서는 매우 작은 직경 2-3 μm 까지 산화막 구경을 제어해야 하는 어려움이 있어, 대부분 산화막 직경이 큰 다중 모드 출력을 사용하고 있다. 또한 근본적으로 작은 직경 산화막 에서는 소자의 수명이 짧아져 공정상 어려움과 함께 근본적인 약점을 가지고 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 단순한 구조를 통해 넓은 동작 전류 영역에서 단일 모드 출력이 유지되는 수직 공진 표면방출 레이저를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한 본 발명은 이온 주입 구조가 갖고 있는 동작시 모드 불안정성을 없애고 단일 모드 산화막 레이저의 수명 단축을 피할 수 있는 구조를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 구성수단으로서, 본 발명은 반도체 기판 상에 수직으로 적층된 하부 브래그 반사경과 상부 브래그 반사경 사이에 활성층을 포함하는 수직 공진 표면방출 레이저에 있어서, 상기 상부 브래그 반사경 상부측으로부터 도입되는 전류를 횡 방향으로 제한하여 상기 활성층의 중심부에 공급하기 위한 전류 감금 구조(current confinement structure); 및 상기 전류 감금 구조에 인접하도록 상기 상부 브래그 반사경 하부에 배열되며, 일정 직경을 경계로 바깥쪽 광 손실이 안쪽보다 크도록 형성되고, 상기 활성층의 중심부에 전류를 공급하도록 하며 동시에 상기 활성층으로부터 발진되는 광의 일부를 흡수하여 선택적 손실을 일으키는 광 흡수층;을 포함하는 수직 공진 표면방출 레이저를 제공한다.

바람직하게는 상기 광 흡수층은 상기 전류 감금 구조와 상기 상부 브래그 반사경 사이에 형성될 수 있으며, 또는 상기 활성층과 상기 전류 감금 구조 사이에 형성될 수 있다.

또한 바람직하게는 상기 광 흡수층의 경계부분 직경은 상기 전류 감금 구조의 전류 제한부분 직경보다 작은 것을 특징으로 한다.

또한 바람직하게는 상기 활성층 상부에는 상기 활성층에 전류를 공급하기 위한 전기전도층이 형성되고, 상기 전류 감금 구조는 상기 전기전도층에 이온을 주입하여 그 중심부에 소정직경의 비저항 영역과 그 외측의 저항영역을 형성하도록 하는 이온주입층인 것을 특징으로 한다.

또한 바람직하게는 상기 광 흡수층은 광 흡수물질을 상기 전류 감금 구조 상부면에 코팅하거나, 상기 전류 감금 구조 상부면에 GaAs를 성장하는 것에 의해 형성될 수 있다.

또한 바람직하게는, 상기 광 흡수층은 패턴형성 후 에칭에 의하여 중심부를 소정 직경으로 제거하여 중심부에서 광 흡수가 일어나지 않도록 하는 것을 특징으로 한다.

또한 바람직하게는 상기 활성층 상부에는 상기 활성층에 전류를 공급하기 위한 전기전도층이 형성되고, 상기 전류감금구조는 그 중심부에 소정직경의 비저항 영역과 그 외측의 저항영역을 형성하도록 하는 산화막을 형성하는 것이 가능하다.

이하 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 첨부된 도면에 따라서 보다 상세히 설명한다.

표면 방출 레이저는 반도체 기판 면에 수직인 광선을 그 기판의 하면 또는 상면으로 방출시킨다. VCSEL은 웨이퍼 표면과 평행하게 배치된 반사경을 가지며 그 사이에 광공동(optical cavity)이 형성된 표면 방출 레이저이다. 일반적으로, VCSEL은 하부 브래그 반사경과 상부 브래그 반사경이 배열되고, 그 사이에 양자우물 활성영역을 갖는 기판을 포함한다. 브래그 반사체(Distributed Bragg Reflector: DBR)는 일반적으로 반사율 99%이상을 갖게 된다.

도 1에서 본 발명에 의한 수직 공진 표면방출 레이저는 반도체 기판(10) 위에 하부 브래그 반사경이 있고 그 위에 스페이서(spacer)(40) 사이에 끼워진 레이저 활성층(30)이 있다. 반도체 기판(10)은 적절한 반도체 물질(예를 들면, 갈륨 아세나이드(GaAs), 인듐 포스파이드(InP) 또는 상기 물질의 조합 등)로 형성된 기판이 된다. 도시하지는 않았지만, 상기 반도체 기판(10)의 하부면에는 적절한 금속성 또는 다른 전도성 물질로 형성되는 후면 접촉부가 형성된다.

반도체 기판(10) 상부에 배열되는 하부 브래그 반사경(20)은 저굴절율과 고굴절율의 물질이 번갈아 나타나고 n도핑될 수 있다. 하부 브래그 반사경(20) 상부에는 레이저 활성층(30)이 형성된다. 활성층(30)은 다수의 양자 우물층 및 공간층으로 구성될 수 있고, 전류가 주입되어 빛으로 변환되는 부분이 된다.

활성층(30) 상부에는 전류를 공급하기 위한 전기 전도층(60)이 형성된다. 전기 전도층은 횡 방향으로 전류를 제한하여 중심부에만 전류를 공급하기 위한 전류 감금 구조(current confinement structure)가 형성된다. 전기 전도층(60) 상에는 광 흡수층(70) 및 그 상부측에 전극(80)이 형성된다. 광 흡수층의 전극(80) 위에는 상부 반사경(90)이 형성되며, 이는 하부 반사경(20)과 함께 레이저 공진기를 형성하게 된다. 상부 반사경(90)은 여러 가지 다양한 방법에 의해 제작이 가능하게 되며, 바람직하게는 유전체 증착에 의한 방법으로 제조할 수 있다.

또한, 상기 광 흡수층은 상술한 바와 같이 상기 전류 감금 구조와 상기 상부 브래그 반사경 사이에 형성될 수 있으며, 또는 상기 활성층과 상기 전류 감금 구조 사이에 형성될 수 있다.

본 발명의 표면방출 레이저 구조에 있어서, 전류 감금구조는 바람직하게는 이온 주입층(50)이 된다. 이온 주입층(50)은 전기전도층(60)에 수소, 중수소(deutron) 또는 여러 가지 이온을 주입(implant)하여, 주입된 영역의 결정만 파괴되어 주입되지 않은 영역으로만 전류가 흐르게 되는 저항층을 형성하는 것에 의해 형성된다.

광 흡수층(70)은 그 상부의 전극(80)에서 출발한 전류가 이온주입층을 통하여 깔대기 모양으로 모아져 레이저 활성층(30) 중심부에 전류를 공급하도록 하는 역할을 한다. 또한 동시에 그로부터 발진되는 광의 선택적 광손실을 일으키기 위한 구조이다. 따라서 광 흡수층은 상기 이온주입층에 인접하여 배열되는 것이 가장 바람직하게 되며, 그 배열 위치는 이온주입층의 상부측 또는 하부측이 될 수 있다. 본 발명에 의한 광 흡수층은 활성층에서 발진하는 광을 흡수하기 위한 것이며, 예를 들어 850nm 에서의 광을 흡수하기 위한 흡수물질인 Si와 같은 물질을 코팅하는 것이 가능하며, 또한 에피 성장시 GaAs와 같은 물질을 사용하여 흡수층을 성장하는 것도 가능하다. 이와 같은 광 흡수층은 그 중심부에 상기 전류 감금구조의 중심 직경보다 작은 직경으로 패턴 형성하여 이를 식각(etching)하여 제거하게 된다. 본 발명에 의한 광 흡수층은 이에 제한되는 것은 아니며 광을 흡수할 수 있는 다른 어떠한 구조도 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 충분히 이해할 수 있을 것이다.

본 발명에서는 전류 감금 구조로서 이온주입층(50)을 사용함과 동시에 발진되는 광을 흡수하기 위한 광 흡수층(70)을 사용하였다. 이온주입층(50)은 전류를 제한하도록 하는 구조일 뿐 아니라, 전류 진행로에서 열을 발생시켜 굴절율을 증가시키는 작용을 한다.

굴절율이 증가하는 직경과 이온 주입 구조의 직경은 거의 같다고 볼 수 있는데, 온도가 증가할 수록 중심부 굴절율과 주변 굴절율의 차이는 커지게 된다. 굴절율의 차이가 커지면 광학적 인덱스 가이딩(index guiding) 효과가 커져서 광 손실은 줄어들게 되고, 고차 휭 모드(transverse mode)가 발생하게 되므로 단일 모드 동작이 어려워지게 된다.

이를 막기 위해 광 흡수층(70)이 모드 가장자리에 있는 빛을 흡수함으로써 고차 횡 모드의 광 손실을 증가시키게 되고, 이에 따라 고차 횡 모드의 레이저 발진을 막게 된다. 특히 이를 위해 광 흡수층은 일정 직경을 경계로 하여 바깥쪽 광 손실이 안쪽의 광손실보다 크도록 형성된다. 즉, 광 흡수층은 가운데 부위가 페터닝 및 에칭 공정에 의해 제거되어 형성되며, 이에 의해 고차 횡 모드의 광손실을 증가시키고 기본 모드의 광 손실은 줄여주게 되는 효과를 제공한다.

본 발명과 달리 전류감금구조를 산화막 구조로 형성하게 되면, 굴절율 차이가 커져서 존재하는 모드의 개수가 많아지게 되는 문제가 있다. 즉, 산화막 구조로 AlAs을 사용하는 경우 가운데 부분의 굴절율은 2.8 정도가 되며, 산화된 AlOx의 굴절율은 1.6 정도가 된다. 따라서 그 굴절율 차이가 상당히 크게 된다.

이에 반해 본 발명에서와 같이 전류감금구조로 이온주입층을 사용하게 되면 물질 고유의 굴절율 차이를 거의 없앨 수 있다. 다만, 이온주입층은 열에 의해 발생하는 유효 굴절율의 차이가 생기게 되며 이 값은 0.02 이하가 된다. 따라서 내측과 외측의 굴절율 차이가 작을 수록 단일모드 유지가 쉬워지는 원리에 따라 기존 산화막 구조는 이온주입구조에 비해 단일 모드 발진에 있어 보다 불리한 조건을 갖게 되는 것이다.

또한, 본 발명에서는 전류감금구조로 이온주입층을 사용함과 동시에 이온주입층의 중심부를 통과하여 발진하는 다중모드를 흡수하기 위한 광 흡수층을 사용하였다.

이온 주입 구조에서 직경이 10 micron 정도 되면 다중 모드가 발생하여 광 출력이 여러 횡 모드 사이를 천이하는 현상이 나타나 잡음을 일으킨다. 그러나 단일 모드로 되면 이런 모드 천이가 발생하지 않아 안정된 출력을 얻을 수 있다. 산화막 레이저가 단일 모드를 얻기 위해서는 2 micron 내외의 직경을 가져야 하는데, 이렇게 작은 산화막 수직 공진 표면광 레이저의 수명은 매우 단축된다.

따라서, 본 발명에서는 이온주입 구조를 사용하여 비교적 큰 직경으로 전류 감금 구조를 형성하였고, 이에 따른 다중 모드의 광 출력을 흡수하기 위하여 그 상부에 광 흡수층을 형성하게 된 것이다. 단일 모드 특성을 얻기 위해 본 발명의 구조를 사용하면 수명 단축의 문제를 해결할 수 있게 된다.

본 발명의 광 흡수층(70)은 일정 직경을 경계로 하여 바깥쪽 광 손실이 안쪽의 광손실보다 크도록 형성되며, 광 흡수층(70)의 직경이 이온주입층(50)의 직경에 비해 약간 작을 때 기본 모드가 훨씬 넓은 범위에서 단일모드로 동작하도록 할 수 있다.

도 2에서, 구조 A는 선택적 광 손실 층 없이 이온 주입 직경(a)만 10 μm 인 구조이다. 구조 B는 본 발명에 따른 선택적 광 흡수층을 포함하고 있으며 이온 주입 직경(b)이 10 μm 이고, 선택적 광 손실 층 직경(c)이 6 μm 인 구조이다.

하기 표 1은 구조 A와 구조 B의 VCSEL의 기본 모드 선택 비율을 비교한 표이다. 여기서 기본 모드 선택 비율이란 기본 모드와 그 다음 고차 횡모드 사이의 광 출력의 비율을 나타낸다. 이 값이 크면 클 수록 단일 모드로 동작하는 특성이 좋아지게 된다.

기본 모드 선택 비율 = 광출력(LP01모드)/광출력(LP11모드)

∝(두 모드 간 광 이득 및 광 손실 차이)/(임계 광 이득 값)

이 값을 구조와 굴절률 변화 Δn에 따라 표로 나타내면 다음과 같다.

Δn	구조 A	구조 B
0.00 (소자 온도가 상승하지 않았을 때에 해당)	0.126	1.80
0.01 (소자 온도 상승이 30~40 도에 해당)	0.02	1.55

계산 결과 전류 감금을 위한 이온 주입 직경 10 μm 일 경우, 직경 6 μm 의 선택적 광 흡수층을 구조에 포함하게 되면, 광 흡수층을 포함하지 않은 경우에 비해 기본 모드 선택 비율이 70 배 정도 증가하였다. 이는 단일 모드 특성이 획기적으로 개선된다는 것을 입증하는 것이다.

이때 선택적 흡수 영역은 반경 3 μm 이상에서만 흡수하고 그 안쪽에서는 흡수하지 않고 굴절률만 약간 증가(0.002)하는 구조로 가정하였다. 이것은 기본 모드의 광 분포가 안쪽에 모여 있고 고차 모드들이 바깥쪽에 약간 더 분포해 있으므로, 광 흡수층 직경을 이온 주입 직경 보다 약간 적게 해줄 경우 모드에 따라 다른 광 손실을 유발하기 때문이다.

따라서 본 발명의 경우 고차 모드에서 더 큰 광 손실을 겪게 되므로 레이저 발진에 불리해 진다. 사실 선택적 광 손실 층의 직경이 이온 주입 직경과 같거나 커도 고차 횡 모드가 단일 모드에 비해 더 큰 광 손실을 겪게 되지만 광 손실 층 직경이 이온 주입 직경에 비해 약간 작게 되면 효과는 더 커진다.

굴절률 변화 0.01은 소자에 전류를 흘릴 경우 소자 중심부의 굴절률 상승에 의한 효과이며 이온주입 VCSEL에서 전형적으로 나타나는 값이다. 이때 구조 A와 구조 B의 기본 모드 선택 비율을 비교해 보면 약 70 배 차이가 난다. 이것은 소자 동작 시 두 모드 간의 출력 비율(모드 억제 비율:mode suppression ratio)이 70 배 차이가 난다는 의미를 갖게 된다.

이상과 같이 본 발명에 의하면 넓은 동작 전류 영역에서 단일 모드 출력이 유지되도록 하는 효과를 제공한다. 또한, 본 발명은 이를 위해서 전류 감금 구조로서 이온주입층을 형성하고 이를 광 흡수층과 동시에 사용하도록 하고, 광 흡수층의 직경이 이온주입층의 직경에 비해 작도록 형성하여 고차 횡 모드의 레이저 발진을 방지하여 단일모드로서의 사용이 가능하도록 하는 효과를 제공한다. 또한 본 발명은 종래에 비해 보다 단순한 구조의 표면발광 레이저를 제공하여 보다 넓은 동작 전류 영역에서 단일 모드 출력이 유지되도록 하는 효과를 제공한다.

또한 본 발명은 이온 주입 구조가 갖고 있는 동작시 모드 불안정성을 없애고 단일 모드 산화막 레이저의 수명 단축을 피할 수 있는 효과를 제공한다.

본 발명은 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 마련되는 본 발명의 정신이나 분야를 벗어나지 않는 한도 내에서 본 발명이 다양하게 개조 및 변화될 수 있다는 것을 당업계에서 통상의 지식을 가진 자는 용이하게 알 수 있음을 밝혀두고자 한다.

Claims (9)

1. 반도체 기판 상에 수직으로 적층된 하부 브래그 반사경과 상부 브래그 반사경 사이에 활성층을 포함하는 수직 공진 표면방출 레이저에 있어서,

   상기 상부 브래그 반사경 상부측으로부터 도입되는 전류를 횡 방향으로 제한하여 상기 활성층의 중심부에 공급하기 위한 전류 감금 구조(current confinement structure); 및

   상기 전류 감금 구조에 인접하도록 상기 상부 브래그 반사경 하부에 배열되며, 일정 직경을 경계로 바깥쪽 광 손실이 안쪽보다 크도록 형성되고, 상기 활성층의 중심부에 전류를 공급하도록 하며 동시에 상기 활성층으로부터 발진되는 광의 일부를 흡수하여 선택적 손실을 일으키는 광 흡수층;을 포함하고,

   상기 활성층 상부에는 상기 활성층에 전류를 공급하기 위한 전기전도층이 형성되고, 상기 전류 감금 구조는 상기 전기전도층에 이온을 주입하여 그 중심부에 소정직경의 비저항 영역과 그 외측의 저항영역을 형성하도록 하는 이온주입층인 것을 특징으로 하는 수직 공진 표면방출 레이저.
2. 제 1항에 있어서, 상기 광 흡수층은 상기 전류 감금 구조와 상기 상부 브래그 반사경 사이에 형성되는 것을 특징으로 하는 수직 공진 표면방출 레이저.
3. 제 1항에 있어서, 상기 광 흡수층은 상기 활성층과 상기 전류 감금 구조 사이에 형성되는 것을 특징으로 하는 수직 공진 표면방출 레이저.
4. 제 1항에 있어서, 상기 광 흡수층의 경계부분 직경은 상기 전류 감금 구조의 전류 제한부분 직경보다 작은 것을 특징으로 하는 수직 공진 표면방출 레이저.
5. 삭제
6. 제 1 항에 있어서, 상기 광 흡수층은 광 흡수물질을 상기 전류 감금 구조 상부면에 코팅하는 것에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 수직 공진 표면방출 레이저.
7. 제 1항에 있어서, 상기 광 흡수층은 상기 전류 감금 구조 상부면에 GaAs를 성장하는 것에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 수직 공진 표면방출 레이저.
8. 제 1항에 있어서, 상기 광 흡수층은 패턴형성 후 에칭에 의하여 중심부를 소정 직경으로 제거하여 중심부에서 광 흡수가 일어나지 않도록 하는 것을 특징으로 하는 수직 공진 표면방출 레이저.
9. 삭제

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