KR101170569B1

KR101170569B1 - 수직공동 표면방출 레이저장치

Info

Publication number: KR101170569B1
Application number: KR1020060047533A
Authority: KR
Inventors: 황선령; 이중기; 박병훈
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2006-05-26
Filing date: 2006-05-26
Publication date: 2012-08-01
Also published as: KR20070113791A

Abstract

본 발명은 수직외부공동 표면방출 레이저장치에 적합한 표면방출 레이저장치에 관한 것이다. 본 발명의 수직공동 표면방출 레이저장치는 기판과; 상기 기판 상에 위치하고, 입사되는 광을 대부분 반사시키고 일부를 투과시키도록 된 하부 반사기층과; 상기 하부 반사기층 상에 위치하며, 전자와 정공의 재결합에 의해 레이저광을 생성하는 활성층과; 상기 활성층 상에 위치하며, 입사되는 광을 대부분 반사시키고 일부를 투과시키도록 된 상부 반사기층과; 상기 상부 반사기층을 투과한 광이 출사되는 개구를 갖도록 상기 상부 반사기층 위에 서로 대칭되도록 형성된 서로 다른 도전형의 제1 전극 및 제2 전극을 포함하며, 상기 제1 전극이 위치하는 영역 하부의 상기 상부 반사기층, 활성층 및 하부 반사기층은 상기 제1 전극과 동일한 도전형의 불순물로 도핑 되어 있고, 상기 제2 전극이 위치하는 영역 하부의 상기 반사기층, 활성층 및 하부 반사기층은 상기 제2 전극과 동일한 도전형의 불순물로 도핑 되어 있는 것을 특징으로 한다.

표면방출 레이저, 수직외부공동 표면방출 레이저, 개구, 전류주입

Description

수직공동 표면방출 레이저장치{VERTICAL CAVITY SURFACE EMITTING LASER}

도 1은 종래 VECSEL의 개략적인 구조를 도시한 도면,

도 2는 도 1에 적용되는 종래의 OPS칩의 개략적인 구조를 도시한 단면도,

도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 VCSEL의 구조를 나타낸 단면도,

도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 VCSEL의 구조를 나타낸 단면도,

도 5는 본 발명의 제3 실시예에 따른 VCSEL의 구조를 나타낸 단면도.

본 발명은 수직공동 표면방출 레이저장치에 관한 것으로, 특히 수직외부공동 표면방출 레이저장치에 적합한 표면방출 레이저장치에 관한 것이다.

일반적으로, 수직공동 표면방출 레이저장치(Vertical Cavity Surface Emitting LASER; 이하 VCSEL라 칭함)는 모서리발광 레이저에 비하여 원형광에 가까운 가우시안 빔을 출사하므로 출사광의 형상 보정을 위한 광학계가 불필요하다. 그리고, 그 크기를 작게 할 수 있고, 하나의 반도체 웨이퍼 상에 복수개의 표면광 레이저를 집적할 수 있으므로 이차원 배열이 용이하다. 따라서, 전자계산기, 음향 영 상기기, 레이저 프린터, 레이저 스캐너, 의료장비 및 통신분야 등 광응용 분야에서 널리 응용될 수 있다.

그러나, VCSEL은 모서리발광 레이저에 비해 단일 횡모드 발진이 어렵고, 통상의 단일횡모드 동작을 위해서는 발진영역의 면적이 10마이크로 이하이어야 하며, 이 경우조차 광출력의 증가에 따라 열적렌즈효과(thermal lens effect)에 의해 가해지는 열 등의 영향으로 인해 다중모드동작으로 전환되어 단일횡모드 출력의 한계는 일반적으로 5mW를 넘지 못한다.

한편, 전술한 VCSEL의 장점을 살리면서 동시에 고출력 동작을 구현하기 위하여 제시된 것이 VECSEL이다(IEEE Photonics Technology Letters, Vol 11, Issue 12, 1999, 1551-1553).

도 1은 종래 VECSEL의 개략적인 구조를 도시한 도면으로, 히트싱크(10)의 상부에 광펌핑반도체(Optical Pumped Semiconductor, OPS)칩(20)을 본딩하고, 펌핑소스(30)에서 OPS칩(20)으로 레이저를 펌핑하며, OPS칩(20) 내의 DBR미러와 외부미러(40) 사이에 공동(cavity)이 발생되어 레이저빔이 발진하게 되고, 발생된 레이저빔은 외부미러(40)를 통해 방출된다.

이때, OPS칩(20)으로 광이 펌핑될 때 발생되는 열은 히크싱크(10)를 통하여 외부로 방출된다. 또한, 펌핑소스(30)는 OPS칩(20)에서 얻고자하는 파장보다 짧은 파장을 갖는 레이저를 사용하는 것이 효율적이다.

도 2는 도 1에 적용된 종래의 OPS칩(20)의 개략적인 구조를 도시한 단면도로서, OPS칩(20)은 GaAs 기판(21)의 주면에 n-DBR층(22), 활성층(23) 및 p-DBR층(24) 과, 실리콘 질화물층(25)과, 전류차단층(26)과, N-전극(27) 및 P-전극(28)이 배치되고, GaAs 기판(21)의 배면에 ARC코팅층(29)이 배치되고, 레이저빔이 방출되는 개구(optical aperture)(50)가 형성된 구조이며, 서브마운트(60) 위에 배치된다.

상기 종래 VECSEL에 의하면 VCSEL의 상부미러를 외부미러로 대체하여 이득영역을 증가시킴으로써 40mW 이상의 단일 횡모드 및 단일 종모드 광출력을 얻을 수 있다.

그러나, 상기 종래의 VECSEL은 광펌핑에 의해 구동되는 구조로써 장치의 부피를 크게 할 뿐만 아니라 사용되는 부품수를 증가시켜 장치의 단가를 높이는 문제점이 있다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 전류주입에 의해 동작하며 수직외부공동 표면방출 레이저장치에 적합한 수직공동 표면방출 레이저장치를 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 제1 실시예에 따른 수직공동 표면방출 레이저장치는 기판과; 상기 기판 상에 위치하고, 입사되는 광을 대부분 반사시키고 일부를 투과시키도록 된 하부 반사기층과; 상기 하부 반사기층 상에 위치하며, 전자와 정공의 재결합에 의해 레이저광을 생성하는 활성층과; 상기 활성층 상에 위치하며, 입사되는 광을 대부분 반사시키고 일부를 투과시키도록 된 상부 반사기층과; 상기 상부 반사기층을 투과한 광이 출사되는 개구를 갖도록 상기 상부 반 사기층 위에 서로 대칭되도록 형성된 서로 다른 도전형의 제1 전극 및 제2 전극을 포함하며, 상기 제1 전극이 위치하는 영역 하부의 상기 상부 반사기층, 활성층 및 하부 반사기층은 상기 제1 전극과 동일한 도전형의 불순물로 도핑 되고, 상기 제2 전극이 위치하는 영역 하부의 상기 반사기층, 활성층 및 하부 반사기층은 상기 제2 전극과 동일한 도전형의 불순물로 도핑된 것을 특징으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 제2 실시예에 따른 수직공동 표면방출 레이저장치는 기판과; 상기 기판의 주면에 차례로 적층된 제1 반사기층, 활성층 및 제2 반사기층과; 상기 제2 반사기층, 활성층 및 제1 반사기층의 일부를 제거하여 형성된 제1 트렌치와; 상기 제1 트렌치로부터 중심부분으로 신장하도록 상기 제1 반사기층과 상기 활성층 사이에 형성된 전류차단층과; 상기 제1 트렌치의 내부 및 가장자리 전면에 형성된 제1 절연막과; 상기 제1 트렌치 안쪽의 상기 제2 반사기층 위에 형성된 제1 전극과; 상기 제1 반사기층을 투과한 광이 출사되는 개구부가 메사 구조를 갖도록 상기 기판의 배면에 형성된 제2 트렌치와; 상기 개구부 외의 상기 기판 배면에 형성된 제2 절연막 및 상기 개구부의 상기 기판 배면에 형성된 제2 전극을 포함함을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 제3 실시예에 따른 수직공동 표면방출 레이저장치는 기판과; 상기 기판의 주면에 차례로 적층된 제1 반사기층, 캐리어 이온주입층, 활성층 및 제2 반사기층과; 상기 제2 반사기층, 활성층의 일부를 제거하여 형성된 트렌치와; 상기 트렌치로부터 개구영역의 중심부분으로 신장하도록 상기 캐리어 이온주입층과 상기 활성층의 사이에 형성된 전류차단층과; 개구영역 외의 상기 제2 반사기 층 및 활성층의 노출부위를 감싸도록 형성된 절연막과; 상기 전류차단층 위에 형성된 제1 전극 및 개구영역의 상기 제2 반사기층 위에 형성된 제 2 전극을 포함함을 특징으로 한다.

이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다.

도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 VCSEL의 구조를 나타낸 도면이다.

도 3을 참조하면, VCSEL(100)은 서브마운트(110)와; 서브마운트(110) 위에 위치하는 기판(121)과, 기판(121) 위에 위치하고 전자와 정공의 재결합에 따른 에너지 천이에 의하여 광을 생성하는 활성층(123)과, 활성층(123)의 양쪽 적층면에 위치하는 하부 및 상부 반사기층(122A,122B,124A,124B)을 포함한다. 또한, 전류의 흐름을 발생시키는 P-전극(125)과 N-전극(126)을 포함하며, 두 전극(125,126) 사이에는 상부 반사기층(124A,124B)을 투과하는 레이저빔이 통과할 수 있도록 개구(optical aperture)(127)가 형성되어 있다.

상기 반사기층(122A,122B,124A,124B)은 활성층(123)과 기판(121) 사이에 적층된 하부 반사기층(122A,122B)과 상기 활성층(123)의 상부에 위치한 상부 반사기층(124A,124B)으로 되어있으며, 활성층(123)에서 출사되는 광의 대부분을 반사시키 고 일부를 투과시키도록 되어 있다. 특히, 상부 반사기층(124A,124B)의 반사율이 하부 반사기층(122A,122B)의 반사율 보다 낮아 생성 투과되는 광의 대부분이 상부 반사기층(124A,124B)쪽을 투과한다.

기판(121)은, 도핑하지 않은 반도체 결정층 예를 들면, Si-GaAs 기판(121)이며, 반사기층(122A,122B,124A,124B)은 비도핑 반도체물질 예를 들면, AlGaAs/AlAs 또는 GaAs/AlAs를 교대로 20~40쌍 정도로 원하는 반사율을 확보할 수 있도록 적층하여 활성층의 아래와 위에 각각 u-DBR 형성한 다음, P-영역(120A)에는 p형 불순물을 도핑하고, N-영역(120B)에는 n형 불순물을 도핑하여 형성된다. 이때, 불순물의 도핑은 이온주입공정에 의해 이루어지며, 분포반전영역이 활성층 주변에서 이루어지도록 충분한 깊이로 이온주입을 된다.

상기 구성을 갖는 VCSEL(100)의 동작은 다음과 같다.

P-전극(125)과 N-전극(126)에 순방향으로 바이어스를 인가하면, 활성층(123)에서 전자와 정공의 재결합이 이루어지고 이때 발생된 광은 하부 반사기층(122A,122B)과 상부 반사기층(124A,124B)에 의해 광학적으로 증폭된다. 증폭된 광이 문턱이득을 초과하는 순간 상대적으로 반사율이 낮은 상부 반사기층(124A,124B)을 투과하여 개구(127)를 통해 원형광에 가까운 가우시안 빔을 출사하게 된다.

도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 VCSEL의 구조를 나타낸 단면도이다.

도 4를 참조하면, VCSEL(200)은 기판(221)과, 기판(221)의 주면에 차례로 적층된 제1 반사기층(222), 활성층(223) 및 제2 반사기층(224)과, 상기 제2 반사기 층(224), 활성층(223) 및 제1 반사기층(222)까지의 식각에 의해 형성된 제1 트렌치(225)와, 제1 트렌치로부터 중심부분으로 신장하도록 제1 반사기층(222)과 활성층(223)의 사이에 형성된 전류차단층(226)과, 제1 트렌치 내부 및 가장자리 전면에 형성된 제1 절연막(227)과, 제1 트렌치 안쪽의 상기 제2 반사기층(224) 위에 형성된 P-전극(228)을 포함한다. 또한, 기판(221)의 배면에 형성된 제2 트렌치(229)와, 제2 절연막(230)과, N-전극(231)을 포함한다.

본 실시예의 VCSEL(200)은 기판(221)의 주면에 형성된 제1 절연막(227)과 P-전극(228)이 서브마운트(210)와 접촉하며, 기판(221)의 배면을 통해 레이저빔을 방출하도록 된 후면발광(backside emitting)구조이다.

기판(221)은 n형 불순물을 함유하는 반도체 물질 예를 들면, n형 GaAs층이며, 제1 반사기층(222)은 기판(221)과 동일한 도전형의 불순물을 함유하는 반도체층 예를 들면, n형 AlGaAs/AlAs 또는 n형 GaAs/AlAs가 교대로 수십쌍 적층된 n-DBR로 이루어진다. 또한, 제2 반사기층(224)은 기판(221)과 다른 도전형의 불순물을 함유하는 반도체층 예를 들면, p형 AlGaAs/AlAs 또는 p형 GaAs/AlAs가 교대로 수십쌍 적층된 p-DBR로 이루어진다.

제1 트렌치(225)는 제1 트렌치로부터 중심부분으로 신장하도록 제1 반사기층(222)과 활성층(223)의 사이에 전류차단층(226)을 형성하기 위한 것으로, 제2 반사기층(224), 활성층(223) 및 제1 반사기층(222)까지의 식각에 의해 형성된다.

전류차단층(226)은 개구 이외로의 전류흐름을 차단하기 위한 것으로, 산화물층(oxidation layer)으로 이루어지며 AlGaAs층 등을 선택적으로 산화시킬 수 있는 반도체 산화공정에 의해 형성된다.

제2 트렌치(229)는 개구영역을 메사구조로 형성하기 위한 것으로, 예정된 개구 주변의 기판(221) 배면을 식각하는 것에 의해 이루어진다. 이와 같이 개구영역을 메사구조로 형성함으로써 개구 가장자리 부분에서의 광의 산란을 억제하여 균일한 캐리어(carrier) 분포를 갖도록 하며, 레이저빔의 특성(beam quality)을 개선할 수 있다.

N-전극(231)은 개구영역의 기판(21) 배면에 형성되며, 발진한 광이 흡수되지 않도록 투명전극(ITO)으로 이루어진다. 통상, VCSEL은 전극으로 사용되는 금속물질의 광흡수로 인해 윈도우 가장자리에 전극을 형성하게 되는데, 윈도우의 중심부에 비해 가장자리 영역에서 상대적으로 전자와 정공의 재결합효율이 높아지고 이에 따라 발진광의 빔 특성이 나빠지게 된다. 따라서, 본 실시예에서와 같이 전극으로써 투명전극을 이용하면 활성층에 균일한 전류주입이 가능하므로 빔 특성(beam quality)를 개선할 수 있고, 이에 따라 SHG(second harmonic generation) 효율을 높일 수 있다.

한편, 본 실시예에서는 n형 기판을 사용한 것을 예로 설명하였으나, n형 기판 대신 p형의 기판을 사용하여 VCSEL을 제작할 수 있음은 물론이며, 이 경우에는 상기 상부 반사기층(222)과 하부 반사기층(224)이 각각 p형과 n형으로 도핑 되어야 하고, 서브마운트(210)와 접촉되는 기판(21)의 주면에 n형 전극이, 그리고 기판의 배면측에는 p형 전극이 각각 배치된다.

도 5 본 발명의 제3실시예에 따른 VCSEL의 구조를 나타낸 단면도이다.

도 5 참조하면, VCSEL(300)은 기판(321)과, 기판(321)의 주면에 차례로 적층된 제1 반사기층(322), 활성층(323) 및 제2 반사기층(224)과, 상기 제2 반사기층(324), 활성층(323) 및 제1 반사기층(322)까지의 식각에 의해 형성된 트렌치(325)를 포함한다. 또한, 트렌치로부터 개구의 중심부분으로 신장하도록 제1 반사기층(322)과 활성층(323)의 사이에 형성된 전류차단층(326)과, 개구영역 외의 제2 반사기층(224) 및 활성층(323)의 노출부위를 감싸도록 형성된 절연막(327)과, 전류차단층(326) 위에 형성된 N-전극(328)과, 개구영역의 제2 반사기층(224) 위에 형성된 P-전극(329)을 포함한다.

본 실시예의 VCSEL(300)은 기판(321)의 주면에 형성된 N-전극(328)과 P-전극(329)이 서브마운트(310)와 접촉하며, 기판(221)의 배면을 통해 레이저빔을 방출하도록 된 후면발광(backside emitting)구조이다.

또한, 제1 반사기층(322)과 활성층(323)의 사이에는 캐리어 이온주입층(carrier injection layer)으로서 N-GaAs층(330)을 포함한다. 이와 같이, 캐리어 이온주입을 통한 전류주입은 기존의 DBR을 통한 전류주입에 비하여 소자저항을 줄일 수 있다. 또한, DBR을 도핑하지 않아도 되므로 광흡수를 줄일 수 있다.

기판(321)은 예를 들면, Si-GaAs 기판이며, 제1 반사기층(322)은 비도핑 반도체물질 예를 들면, AlGaAs/AlAs 또는 GaAs/AlAs를 교대로 20~40쌍 정도로 원하는 반사율을 확보할 수 있도록 적층하여 형성하며, 제2 반사기층(324)은 p형 불순물을 도핑하여 형성한다.

트렌치(325)는 전류차단층(226)을 형성하기 위한 것으로, 제2 반사기 층(324), 활성층(323) 및 제1 반사기층(322)까지의 식각에 의해 형성된다.

전류차단층(326)은 개구 이외로의 전류흐름을 차단하기 위한 것으로, 트렌치로부터 중심부분으로 신장하도록 제1 반사기층(322)과 활성층(323)의 사이에 형성된다. 전류차단층(326)은 산화물층(oxidation layer)으로 이루어지며 AlGaAs층 등을 선택적으로 산화시킬 수 있는 반도체 산화공정에 의해 형성된다.

한편 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위를 초과하지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 아니 되며 후술하는 특허청구의 범위뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 전류주입형 VCSEL을 VECSEL에 채용할 경우, 개구 가장자리 부분에서의 광의 산란을 억제하여 균일한 캐리어 분포를 갖도록 함으로써 레이저빔의 출력특성(bean quality)을 개선하며, SHG(second harmonic generation) 효율을 높일 수 있다.

또한, 내부 공진기(intra cavity)를 구성함으로써 크기가 작고 대량생산이 가능한 장점이 있다.

Claims

기판과;

상기 기판 상에 위치하고, 입사되는 광을 대부분 반사시키고 일부를 투과시키도록 된 하부 반사기층과;

상기 하부 반사기층 상에 위치하며, 전자와 정공의 재결합에 의해 레이저광을 생성하는 활성층과;

상기 활성층 상에 위치하며, 입사되는 광을 대부분 반사시키고 일부를 투과시키도록 된 상부 반사기층과;

상기 상부 반사기층을 투과한 광이 출사되는 개구를 갖도록 상기 상부 반사기층 위에 서로 대칭되도록 형성된 서로 다른 도전형의 제1 전극 및 제2 전극을 포함하며,

상기 제1 전극이 위치하는 영역 하부의 상기 상부 반사기층, 활성층 및 하부 반사기층은 상기 제1 전극과 동일한 도전형의 불순물로 도핑 되어 있고, 상기 제2 전극이 위치하는 영역 하부의 상기 반사기층, 활성층 및 하부 반사기층은 상기 제2 전극과 동일한 도전형의 불순물로 도핑 되어 있는 것을 특징으로 하는 수직공동 표면방출 레이저장치.
제 1 항에 있어서, 상기 기판은

비도핑 반도체물질로 된 것을 특징으로 하는 수직공동 표면방출 레이저장치.
제 1 항에 있어서, 상기 상부 반사기층은 상기 하부 반사기층의 반사율 보다 낮은 반사율을 갖는 것을 특징으로 하는 수직공동 표면방출 레이저장치.
기판과;

상기 기판의 주면에 차례로 적층된 제1 반사기층, 활성층 및 제2 반사기층과;

상기 제2 반사기층, 활성층 및 제1 반사기층의 일부를 제거하여 형성된 제1 트렌치와;

상기 제1 트렌치로부터 중심부분으로 신장하도록 상기 제1 반사기층과 상기 활성층 사이에 형성된 전류차단층과;

상기 제1 트렌치의 내부 및 가장자리 전면에 형성된 제1 절연막과;

상기 제1 트렌치 안쪽의 상기 제2 반사기층 위에 형성된 제1 전극과;

상기 제1 반사기층을 투과한 광이 출사되는 개구부가 메사 구조를 갖도록 상기 기판의 배면에 형성된 제2 트렌치와;

상기 개구부 외의 상기 기판 배면에 형성된 제2 절연막 및

상기 개구부의 상기 기판 배면에 형성된 제2 전극을 포함함을 특징으로 하는 수직공동 표면방출 레이저장치.
제 4 항에 있어서, 상기 제1 반사기층은 n-DBR로 되고, 제2 반사기층은 p-DBR로 된 것을 특징으로 하는 수직공동 표면방출 레이저장치.
제 4 항에 있어서, 상기 제2 전극은

투명전극으로 된 것을 특징으로 하는 수직공동 표면방출 레이저장치.
기판과;

상기 기판의 주면에 차례로 적층된 제1 반사기층, 캐리어 이온주입층, 활성층 및 제2 반사기층과;

상기 제2 반사기층, 활성층의 일부를 제거하여 형성된 트렌치와;

상기 트렌치로부터 개구영역의 중심부분으로 신장하도록 상기 캐리어 이온주입층과 상기 활성층의 사이에 형성된 전류차단층과;

개구영역 외의 상기 제2 반사기층 및 활성층의 노출부위를 감싸도록 형성된 절연막과;

상기 전류차단층 위에 형성된 제1 전극 및

개구영역의 상기 제2 반사기층 위에 형성된 제 2 전극을 포함함을 특징으로 하는 수직공동 표면방출 레이저장치.
제 7 항에 있어서, 상기 기판은 비도핑 반도체물질로 되며, 상기 제1 반사기층은 u-DBR로 되고, 제2 반사기층은 p-DBR로 된 것을 특징으로 하는 수직공동 표면방출 레이저장치.
제 8 항에 있어서, 상기 캐리어 이온주입층은

상기 제2 반사기층과 반대되는 도전형의 반도체 물질로 된 것을 특징으로 하는 수직공동 표면방출 레이저장치.