KR20080024910A - 수직 단면 발광 레이저 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 제1 측면에 따른 수직 단면 발광 레이저는 접촉 층의 중앙 부분에 형성된 반사 렌즈와, 상기 반사 렌즈로부터 기 설정된 간격 이격되며 상기 반사 렌즈의 둘레를 둘러싸는 상부 전극을 포함한다.
본 발명의 제2 측면에 따른 수직 단면 발광 레이저의 제조 방법은 반도체 기판의 하부 면에 하부 전극을 형성하고, 상기 반도체 기판 상에 하부 반사 미러와, 발진 영역과, 상부 반사 미러와, 접촉 층을 순차적으로 성장시키는 과정과, 상기 접촉 층 상에 중앙 부분에 메사 형태의 개구가 형성된 환형의 마스크를 형성하는 과정과, 상기 마스크의 메사 구조의 개구에 의해서 중앙 부분과 주변 부분의 두께가 서로 다르게 반사 미러를 성장시키는 과정과, 상기 마스크들을 제거하고 상기 반사 미러의 둘레를 둘러싸는 환형의 상부 전극을 형성하는 과정을 포함한다.
수직 단면 발광, 레이저, 렌즈

Description

수직 단면 발광 레이저 및 그 제조 방법{VERTICAL CAVITY SURFACE EMITTING LASER AND FABRICATING METHOD THEREOF}
도 1은 종래 기술에 따른 수직 단면 발광 레이저의 단면을 도시한 도면,
도 2는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 수직 단면 발광 레이저의 단면을 도시한 도면,
도 3은 도 2에 도시된 반사 렌즈의 두께와 그에 따른 반사율의 관계를 설명하기 위한 그래프,
도 4는 도 2에 도시된 수직 단면 발광 레이저 중에서 발진 영역의 단면을 도시한 도면,
도 5는 도 2에 도시된 반사 렌즈를 성장시키기 위해서 접촉 층 상에 내주 측면이 메사 구조로 형성된 마스크의 단면을 도시한 도면,
도 6은 도 2에 도시된 반사 렌즈에 따른 레이저 광의 모드 선택을 설명하기 위한 그래프,
도 7은 도 2에 도시된 반사 렌즈와 출사되는 레이저 광의 원 시야 상과의 관계를 설명하기 위한 도면.
본 발명은 레이저 광원에 관한 발명으로서, 특히 수직 단면 발광 레이저에 관한 발명이다.
종래 에지 발광 레이저(Edge emitting laser)는 적층면과 평행한 방향으로 레이저 광을 발진시키는 형태인 반면에, 수직 단면 발광 레이저는 적층면과 수직한 방향으로 레이저 광을 발진시킨다. 상술한 수직 단면 발광 레이저는 에지 형태의 발광 레이저에 비해서 구동 전류 값이 낮고, 안정된 기본 횡 모드 동작을 하며, 발진 광의 발산(Beam divergence)이 작아서 광 통신이나 광 정보 기록 또는 홀로그래픽 메모리(holographic memory) 등에 널리 이용된다.
도 1은 종래 기술에 따른 수직 단면 발광 레이저의 단면을 도시한 도면이다. 도 1을 참조하면, 종래의 수직 단면 발광 레이저는 기판과, 상기 기판 상에 순차적으로 성장된 하부 반사 미러, 발진 영역, 상부 반사 미러, 접촉층 및 상부 전극 등을 포함한다. 또한, 상기 상부 전극와 함께 상기 수직 단면 발광 레이저에 전원을 인가하기 위해서 상기 기판의 하부에 하부 전극(미도시)이 형성된다.
도 1은 종래의 수직 단면 발광 레이저의 단면을 도시한 도면이다. 도 1을 참조하면, 종래의 수직 단면 발광 레이저(100)는 n-GaAs 기판(110)과, 상기 기판(110) 상에 성장된 n-GaAS 또는 AlGAaAS 재질의 하부 반사 미러(DBR;120), 상기 하부 반사 미러(120) 상에 성장된 활성층(130)과, 상기 활성층(130) 상에 성장된 상부 반사 미러(140)와, 상기 상부 반사 미러(140) 상에 성장된 투명 전도성 산화 막(141) 등을 포함한다. 상기 활성층(130)은 레이저 광을 발진시키는 발진 층으로서의 기능을 제공한다.
상기 상부 반사 미러(140)는 p형의 AlAs 또는 AlGaAs 재질로 구성될 수 있으며, AlAs 또는 AlGaAs 재질로 형성될 경우에는 전류 주입을 위해서 Zn 또는 C를 이용해서 p형 도핑(dopping)을 실시할 수 있다.
상술한 수직 단면 발광 레이저(100)는 다양한 종류가 있으나 제조 방법에 따라 분류하면, 크게 MBE형 수직 단면 발광 레이저와, 복합형 수직 단면 발광 레이저로 분류할 수 있다.
상술한 MBE형의 수직 단면 발광 레이저는 MBE 또는 MOCVD에 의해서 적층 면들(상부 및 하부 반사 미러, 활성층)이 형성되는 레이저로서, 적층 면들이 성장된 후에 부식 또는 양성자 주입 및 전극 부착 등의 매우 간단한 공정에 의해 완성된다. 상술한 MBE형의 수직 단면 발광 레이저는 물리적으로 견고한 장점을 갖는다.
반면에, 복합형 수직 단면 발광 레이저는 적층 면들(하부 반사 미러, 활성층)이 적층된 이후에 별도의 진공 증착 공정에 의해 SiO2, SiNx, TiO2 또는 Au, Ag 등을 이용해서 상부 반사 미러를 적층하는 공정을 거쳐서 완성되므로 결정 성장 후의 공정이 복잡하고 MBE 형의 수직 단면 발광 레이저에 비해 물리적으로 덜 견고한 문제가 있다. 반면에, 복합형 수직 단면 발광 레이저는 자체의 전기 저항을 최소화시킬 수 있는 이점이 있다.
그러나, 복합형 또는 MBE형의 수직 단면 발광 레이저 모두는 발진된 레이저 광의 공진 폭이 10 ~ 16㎛로서 넓기 때문에 원하는 모드(mode)의 레이저 광 이외에 다른 다수의 모드들이 포함될 수 있다.
도 1에 도시된 수직 단면 발광 레이저(100)는 레이저 광의 발진 모드를 제한하기 위해서, 상부 반사 미러(140)의 일부가 에칭된 형태로서, 출사 면의 반사율을 다르게 형성함으로써 출사패턴의 변형을 억제할 수 있다.
그러나, 도 1에 도시된 바와 같은 수직 단면 발광 레이저(100)이 출사패턴의 변화를 억제하는 반면에, 출사패턴의 크기를 축소시키는 것은 용이하지 않다.
그 외에도, 다양한 방법 및 구조의 수직 단면 발광 레이저가 제안되고 있으나, 대부분의 수직 단면 발광 레이저는 입력되는 전류 변화에 따라서 수직 단면 발광 레이저에서 발진되는 레이저 광의 모드가 변화되는 문제가 있다. 즉, 모드들 각각은 공간적으로 다른 분포를 갖고 있으므로 발진되는 레이저 광의 세기를 증가시키기 위해서 인가되는 전류의 양을 증가시키면 발진되는 레이저 광의 출사패턴(원시야상 : far-field pattern)이 변화되는 문제가 있다.
본 발명은 인가되는 전류의 변화에도 안정적인 출사 패턴(Far-field pattern)을 유지하고, 폭이 좁은 출사 패턴을 제공할 수 있는 수직 단면 발광 레이저를 제공하는 데 목적이 있다.
본 발명의 제1 측면에 따른 수직 단면 발광 레이저는,
접촉 층의 중앙 부분에 형성된 반사 렌즈와;
상기 반사 렌즈로부터 기 설정된 간격 이격되며 상기 반사 렌즈의 둘레를 둘 러싸는 상부 전극을 포함한다.
본 발명의 제2 측면에 따른 수직 단면 발광 레이저의 제조 방법은,
반도체 기판의 하부 면에 하부 전극을 형성하고, 상기 반도체 기판 상에 하부 반사 미러와, 발진 영역과, 상부 반사 미러와, 접촉 층을 순차적으로 성장시키는 과정과;
상기 접촉 층 상에 중앙 부분에 메사 형태의 개구가 형성된 환형의 마스크를 형성하는 과정과, 상기 마스크의 메사 구조의 개구에 의해서 중앙 부분과 주변 부분의 두께가 서로 다르게 반사 미러를 성장시키는 과정과;
상기 마스크들을 제거하고 상기 반사 미러의 둘레를 둘러싸는 환형의 상부 전극을 형성하는 과정을 포함한다.
이하에서는 첨부도면들을 참조하여 본 발명의 실시 예를 상세히 설명하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능, 혹은 구성에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 모호하지 않게 하기 위하여 생략한다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 수직 단면 발광 레이저의 단면을 도시한 도면이다. 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 수직 단면 발광 레이저(200)는 접촉 층의 중앙 부분에 형성된 반사 렌즈(260)와, 상기 반사 렌즈로부터 기 설정된 간격 이격되며 상기 반사 렌즈의 둘레를 둘러싸는 상부 전극(202)과, 하부 반사 미러(220)와, 상부 반사 미러(240)와, 발진 영역(230)과, 하부 전극(201)과, 접촉 층(250)을 포함한다. 상기 접촉 층(250)은 p형의 GaAs의 적층에 의해 형성될 수 있다.
상기 기판(210)은 n-GaAs 재질이 사용될 수 있으며, 상기 하부 반사 미러(220)는 상기 기판(210) 상에 n-GaAS 또는 AlGAaAS 재질의 성장에 의해 형성될 수 있다. 상기 상부 반사 미러(240)는 p형의 AlAs 또는 AlGaAs 재질로 구성될 수 있으며, AlAs 또는 AlGaAs 재질로 형성될 경우에는 전류 주입을 위해서 Zn 또는 C를 이용해서 p형 도핑(dopping)을 실시할 수 있다.
상기 하부 반사 미러(220)는 MOCVD 또는 MBE 등에 의해 다층의 n형 반사 미러로 성장될 수 있다. 그 외에도, 상기 하부 반사 미러(220)는 굴절률이 높은 AlGaAs 800Å과, 굴절률이 낮은 AlGaAs 1000Å을 교대로 35~45 층 성장시켜서 형성될 수도 있다.
도 4는 도 2에 도시된 수직 단면 발광 레이저(200) 중에서 발진 영역(230)의 단면을 도시한 도면으로서, 상기 발진 영역(230)은 상부 및 하부 클래드(231,233)의 사이에 활성층(232)이 성장된 구조가 적용될 수 있으며, 상기 활성층(232)은 다중 양자 우물 구조로 성장될 수 있다. 상기 발진 영역(230)에서 생성된 광은 상기 상부 및 하부 미러(220,240)의 사이에서 공진되어 레이저 광으로 출력된다. 상기 발진 영역(230)의 양 측면에는 전류 차단층(203)이 위치된다.
상기 하부 클래드(231)는 상기 하부 반사 미러(220) 상에 성장되고, 상기 상부 클래드(233)은 상기 상부 반사 미러(240)의 하부에 위치된다. 상기 활성층(232)은 GaAs 재질로 형성될 수 있다.
도 5는 도 2에 도시된 반사 렌즈(260)를 성장시키기 위해서 접촉 층(250) 상에 내주 측면에 메사 구조(mesa structure)의 구조를 형성하는 역 메사 형태의 마스크(301)의 단면을 도시한 도면이다. 상기 반사 렌즈(260)는 역 메사 구조의 마스크(306)에 의해서 중앙 부분과 중앙 부분 둘레의 주변 부분과의 높이가 서로 다르게 성장될 수 있다.
상기 마스크(301)는 상기 접촉 층(250) 상에 포토 리소그라피(Photo lithography) 등에 의해 형성되며, 상기 반사 렌즈(260)를 형성하기 위한 중앙 부분에 개구가 형성되며, 개구의 측벽은 상기 접촉 층(250)으로부터 중앙 부분으로 점차 돌출되게 형성된 역 메사 구조를 갖는다. 결론적으로, 그 내주 측벽 사이의 공간은 메사 구조를 갖게된다.
상기 반사 렌즈(260)는 상기 마스크(301)가 형성된 상태에서 다수의 유전체 물질들의 다층 증착에 의해 성장될 수 있으며, 마스크에 의해 증착 두께가 일부 제한 되므로 기 설정된 곡률을 갖는 렌즈의 형태를 갖는다. 유전체 물질로는 SiO2 또는 TiO2 등이 사용될 수 있다.
보다 구체적으로 수치적인 예를 들어 설명하자면, 상기 반사 렌즈(260)의 두께가 1.6~2.0㎛라면, 상기 마스크(301)의 두께는 대략 2.5~10㎛로 형성해서 상기 반사 렌즈(260) 높게 형성한다면 유전체 물질의 두께가 상기 반사 렌즈(260) 중앙 부분과 주변 부분에 따라서 다르게 성장될 수 있다. 상기 반사 렌즈(260)는 SiO2 1500Å과, TiO2 780Å를 교대로 6층 또는 8층 적층에 의해 형성될 수 있다.
결론적으로 상기 반사 렌즈(260)의 중앙 부분은 1.6~2.0㎛ 정도의 두께를 갖게되고, 주변 부분으로 갈수록 두께가 0㎛에 인접하게 된다. 상술한 두께 변화는 연속적으로 이루어지며 완만한 곡면의 형태를 이루게 된다. 상기 반사 렌즈(260)가 성장된 후에는 상기 마스크(301)는 NMP 또는 아세톤(Aceton) 등의 포토 레지스트 제거제(PR Stripper)에 의해서 제거된다.
상기 반사 렌즈(260)의 성장은 굴절률이 높은 재료와, 낮은 재료를 이용해서 형성될 수 있으며, 발진 레이저 광의 파장에 대해서 흡수율이 낮거나 없는 재질이 선택될 수 있다. 사용 가능한 유전체 물질들로는 SiO2/SiNx, Al2O3/TiO2, Al2O3/SiNx, SiO2/Ta2O5 등이 있다.
도 6은 도 2에 도시된 반사 렌즈(260)에 따른 레이저 광의 모드 선택을 설명하기 위한 그래프로서, 상기 반사 렌즈(260)의 사용 파장 대역에서의 반사율 특성을 측정한 스펙트럼 특성을 나타낸다. 도 6에 도시된 그래프를 참조하면, 상기 반사 렌즈(260)는 약 750 ~ 1050㎚ 사이의 파장 대역에서 99% 이상의 반사율을 갖을 수 있다. 또한, 상기 반사 렌즈(260)의 반사율 특성 및 파장 대역은 수직 단면 발광 레이저의 발진 광의 파장 및 조건에 따라서 다르게 설정될 수 있다.
도 3은 도 2에 도시된 반사 렌즈의 두께와 그에 따른 반사율의 관계를 설명하기 위한 그래프이다. 도 3을 참조하면, 원래 두께의 85%부터 반사율이 약, 98% 미만으로 점진적으로 저하되며, 원래 두께의 약 80%는 85% 이하의 반사율로 급격하게 저하됨을 알 수 있다. 본 발명에 따른 상기 반사 렌즈(260)는 중앙 부분과 주변 부분의 반사율 차가 그 두께 변화에 따라서 점진적으로 나타나게 되므로 중앙 부분의 반사율과 주변 부분의 반사율 곡선이 다르게 될 수 있다.
반사 렌즈(260)는 발진 대상인 파장 대역의 광에 대해서 98% 이하의 반사율을 갖게된다면, 레이저 광의 발진이 용이하지 않으며, 도 3에서 살펴본 바와 같이 원래 두께의 80% 이하가 되면 반사율이 85% 이하가 되므로 레이저 광의 발진이 일어나지 않게 도니다.
따라서, 문턱 전류 이상에서 가장 먼저 발생되는 모드의 레이저 광이 중앙부분에서 형성되므로, 본 발명에 따른 반사 렌즈(260)는 출사 면의 중앙 부분에 위치된 모드만을 포함하는 레이저 광을 선택적으로 발진시킬 수 있다. 이로 인해서, 인가되는 전류량이 증가해도 중앙 부분에서의 모드만을 레이저 광으로 발진시킬 수 있다.
또한, 도 7에 도시된 바와 같이 상기 반사 렌즈(260)는 중앙 부분에 비해서 주변 부분의 두께가 얇아지는 곡률을 갖게되므로, 출사되는 레이저 광을 수렴시키는 기능도 제공할 수 있다. 상기 반사 렌즈(260)의 곡률 및 크기 등을 원하는 초점 거리를 갖도록 설정할 수 있다.
본 발명에 따른 수직 단면 발광 레이저는 반도체 기판의 하부 면에 하부 전극을 형성하고, 상기 반도체 기판 상에 하부 반사 미러와, 발진 영역과, 상부 반사 미러와, 접촉 층을 순차적으로 성장시키는 과정과, 상기 접촉 층 상에 중앙 부분에 메사 형태의 개구가 형성된 환형의 마스크를 형성하는 과정과, 상기 마스크의 메사 구조의 개구에 의해서 중앙 부분과 주변 부분의 두께가 서로 다르게 반사 미러를 성장시키는 과정과, 상기 마스크들을 제거하고 상기 반사 미러의 둘레를 둘러싸는 환형의 상부 전극을 형성하는 과정에 의해 형성될 수 있다.
본 발명은 접촉 층 상에 중앙 부분으로부터 주변 부분으로부터 점진적으로 두께가 얇아지는 곡률을 갖도록 성장된 반사 렌즈를 더 포함함으로써, 문턱 전류의 인가 시 형성되는 레이저 광의 모드가 중앙 부분에서 형성되므로 최초 의도했던 모드의 레이저 광을 발진시킬 수 있다.
더욱이, 본원 발명의 반사 렌즈는 중앙 부분에서 주변 부분으로 얇은 두께를 갖도록 성장됨으로써 발진되는 레이저 광의 원시 야상(Far field pattern)을 감소 시킬 수 있다. 또한, 반사 렌즈의 곡률에 따라 레이저 광의 수렴 위치도 조절할 수 있으므로 다양한 초점 거리의 수직 단면 발광 레이저의 개발이 용이하다.

Claims (14)

  1. 수직 단면 발광 레이저에 있어서,
    접촉 층의 중앙 부분에 형성된 반사 렌즈와;
    상기 반사 렌즈로부터 기 설정된 간격 이격되며 상기 반사 렌즈의 둘레를 둘러싸는 상부 전극을 포함함을 특징으로 하는 수직 단면 발광 레이저.
  2. 제2 항에 있어서, 상기 수직 단면 발광 레이저는,
    기판 상에 성장된 하부 반사 미러와;
    상기 하부 반사 미러 상에 성장된 상부 반사 미러와;
    상기 상부 및 하부 반사 미러의 사이에 성장되며 레이저 광을 발진시켜서 상기 상부 반사 미러 측으로 출력하는 발진 영역을 더 포함함을 특징으로 하는 수직 단면 발광 레이저.
  3. 제2 항에 있어서, 상기 수직 단면 발광 레이저는,
    상기 기판의 하부에 형성된 하부 전극을 더 포함함을 특징으로 하는 수직 단면 발광 레이저.
  4. 제2 항에 있어서,
    상기 하부 반사 미러는 MOCVD 또는 MBE 등에 의해 다층의 n형 반사 미러로 성장됨을 특징으로 하는 수직 단면 발광 레이저.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 하부 반사 미러는 GaAs와 AlGaAs가 교대로 다층 적층되어 성장됨을 특징으로 하는 수직 단면 발광 레이저.
  6. 제2 항에 있어서, 상기 발진 영역은,
    상기 하부 반사 미러 상에 성장된 하부 클래드와;
    상기 하부 클래드 상에 성장된 활성층과
    상기 활성층 상에 성장된 상부 클래드를 포함함을 특징으로 하는 수직 단면 발광 레이저.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 활성층은 GaAs 재질로 형성됨을 특징으로 하는 수직 단면 발광 레이저.
  8. 제2 항에 있어서,
    상기 상부 반사 미러는 AlAs와 AlGaAs가 교대로 다층 적층해서 p형의 반사 미러로 성장됨을 특징으로 하는 수직 단면 발광 레이저.
  9. 제1 항에 있어서,
    상기 접촉 층은 p형의 GaAs의 적층에 의해 형성됨을 특징으로 하는 수직 단면 발광 레이저.
  10. 제1 항에 있어서,
    상기 반사 렌즈는 중앙 부분과 주변 부분의 높이가 다르게 성장됨을 특징으로 하는 수직 단면 발광 레이저.
  11. 제10 항에 있어서,
    상기 반사 렌즈는 서로 다른 굴절률의 유전체 물질들이 다수에 걸쳐서 교대로 성장됨을 특징으로 하는 수직 단면 발광 레이저.
  12. 수직 단면 발광 레이저의 제조 방법에 있어서,
    반도체 기판의 하부 면에 하부 전극을 형성하고, 상기 반도체 기판 상에 하부 반사 미러와, 발진 영역과, 상부 반사 미러와, 접촉 층을 순차적으로 성장시키는 과정과;
    상기 접촉 층 상에 중앙 부분에 메사 형태의 개구가 형성된 환형의 마스크를 형성하는 과정과;
    상기 마스크의 메사 구조의 개구에 의해서 중앙 부분과 주변 부분의 두께가 서로 다르게 반사 미러를 성장시키는 과정과;
    상기 마스크들을 제거하고 상기 반사 미러의 둘레를 둘러싸는 환형의 상부 전극을 형성하는 과정을 포함함을 특징으로 하는 수직 단면 발광 레이저의 제조 방법.
  13. 제12 항에 있어서,
    상기 마스크의 개구가 형성된 내주 측벽은 역 메사 구조로 식각됨을 특징으로하는 수직 단면 발광 레이저의 제조 방법.
  14. 제12 항에 있어서,
    상기 반사 렌즈는 기 설정된 곡률을 갖도록 그 중앙 부분과 주변 부분의 두께가 점진적으로 변화되게 성장됨을 특징으로 하는 수직 단면 발광 레이저의 제조 방법.
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