KR100404043B1

KR100404043B1 - 수직으로 집적화된 고출력 면발광 반도체 레이저 장치 및그 제조 방법

Info

Publication number: KR100404043B1
Application number: KR10-2001-0064829A
Authority: KR
Inventors: 강상규
Original assignee: 주식회사 비첼
Priority date: 2001-10-19
Filing date: 2001-10-19
Publication date: 2003-11-03
Also published as: KR20030033277A; WO2003034559A1

Abstract

본 발명은 면발광 반도체 레이저 장치에 관한 것이다. 본 발명의 장치는 하부 DBR(Distributed Bragg Reflector; 1)과 제 1 상부 DBR(3) 및 상기 하부 DBR(1)과 제 1 상부 DBR(3)과의 사이에 형성된 제 1 활성층(2)을 포함하고, GaAs 기판(4)의 한쪽 면상에 배치되며, 전기적으로 펌핑(pumping)되어 제 1 파장에서 발광하는 제 1 발광구조와; 하부 DBR(7)과 상부 DBR(9) 및 상기 하부 DBR(7)과 상부 DBR(9)과의 사이에 형성된 제 2 활성층(8)을 포함하고, 상기 GaAs 기판(4)의 다른쪽 면상에 배치되며, 상기 제 1 발광구조의 제 1 파장의 빛에 의해 제 2 파장의 빛이 광학적으로 여기되는 제 2 발광구조; 및 상기 제 1 발광구조의 하부 DBR(1)과 상기 GaAs 기판(4)의 상기 다른쪽 면상에 각각 접합된 한 쌍의 전극(10, 11)을 포함하는 면발광 반도체 레이저 장치로서, 상기 제 1 발광구조와 상기 제 2 발광구조와의 사이에는 상기 GaAs 기판(4)의 상기 다른쪽 면상에 형성된 광학 렌즈(13)를 구비하고, 상기 광학 렌즈(13)와 상기 제 2 발광구조와의 사이에는 상기 제 1 발광구조에 속하는 제 2 상부 DBR(6)를 더 구비하는 것을 특징으로 한다.

Description

수직으로 집적화된 고출력 면발광 반도체 레이저 장치 및 그 제조 방법{VERTICALLY INTEGRATED HIGH-POWER SURFACE-EMITTING LASER DIODE AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME}

본 발명은 수직 공진기형 고출력 반도체 레이저 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 수직 공진기형 면발광 레이저의 중요한 특징인 단일 종 모드를 고출력 수준에서 유지함과 동시에 단일 횡 모드 발진을 하는 고출력 면발광 반도체 레이저 장치에 관한 것이다.

종래에 수직 공진기형 면발광 레이저(VCSEL : Vertical Cavity Surface Emitting Laser)는 매우 좁은 스펙트럼의 단일 종 모드 발진을 할 뿐 아니라 빔의 방사각이 작아 접속 효율이 높고 면발광의 구조상 다른 장치와의 집적(Monolithic Integration)이 용이한 특징이 있다. 이러한 특징을 가진 VCSEL은 광펌핑(optical pumping)용 광원에 적합하다.

그러나, 종래의 VCSEL은 단일 횡 모드 발진이 단면 발광 LD(Edge EmittingLD)에 비해 매우 어렵고, 또한 통상의 단일 횡 모드 동작을 위해서는 발진 영역의 면적이 10㎛ 이하이어야 하며, 이러한 경우조차 광출력의 증가에 따라 열적 렌즈 효과(Thermal Lens Effect)로 가해지는 열 등의 영향에 의해 다중 모드 동작으로 바뀌게 되어 단일 횡 모드 출력의 한계는 일반적으로 5㎽를 넘지 못한다.

한편 상술한 VCSEL의 장점을 살리고 동시에 고출력 동작을 구현하기 위하여 제시된 방법이 VECSEL(Vertical External Cavity Surface Emitting Laser)이다(IEEE Photonics Technology Letters, Vol 11, Issue 12, 1999, 1551-1553).

상술한 인용자료에 의하면 VCSEL의 상부 미러를 외부 미러로 대체하여 이득(Gain) 영역을 증가시킴으로서 40㎽ 이상의 단일 횡 모드 및 단일 종 모드 광출력을 얻었으며 광펌핑용 다이오드를 2개 이상 채택하여 154㎽의 광출력을 얻었다고 보고되기도 하였다.

그러나 상술한 종래 VECSEL 구조의 단점은, 첫째 VECSEL 구조가 전류 주입에 의한 동작이 아닌 광펌핑에 의한 구조라는 것과, 둘째 별도의 외부 미러를 사용한다는 것이다. 이러한 두가지 단점 모두는 장치의 부피를 매우 크게 할 뿐 아니라 사용되는 부품수의 증가를 초래하여 장치의 단가를 증가시키고 장치를 사용하기 어렵게 한다.

최근 상술한 종래 VECSEL 구조의 첫 번째 문제점, 즉 외부 광펌핑에 의한 동작 문제를 극복하고 직접 전류 주입에 의한 구조를 갖는 것이 제안되었다(미국 특허 제6,243,407호). 통상 NECSEL(Novalux Extended Cavity Surface EmittingLaser)이라 불리는 이 구조는 상술한 VECSEL 구조와 거의 유사하나 활성층을 전기적으로 펌핑한다는 점에 차이가 있다. 그러나 이 구조 역시 별도의 외부 미러를 사용하므로 앞서 설명한 종래 기술의 문제점을 완전히 극복하지는 못하였다.

또한 본 발명의 주요 응용분야인 라만 광증폭기(Raman Optical Amplifier)에 사용되기 위해서는 GaAs 기판과 격자 정합(Lattice Match)이 되는 GaInNAs 4원 혼정계를 활성층으로 사용해야 한다. 하지만 1200㎚ 이상의 파장을 갖는 빛은 클래드(clad)층의 p-형 도핑(doping)에 의해 광의 강도가 급격히 감소하여 전류 주입에 의한 발진이 어렵다는 문제가 있다.

따라서, 본 발명은 상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 광펌핑의 광원으로 적합하며 특히 1200㎚에서 1500㎚ 파장의 고출력 레이저를 출력할 수 있어 라만 증폭기에 적합하고 단일 종 모드 및 단일 횡 모드 발진을 하는 고출력의 면발광 반도체 레이저 장치 및 그 제조 방법을 제공하는 데 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 면발광 반도체 레이저 장치를 나타낸 단면도,

도 2a 내지 도 2e는 도 1의 면발광 반도체 레이저 장치의 제조 방법을 설명하기 위한 도면,

도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 면발광 반도체 레이저 장치를 나타낸 단면도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

1, 7 ... 하부 DBR(Distributed Bragg Reflector)

2, 8 ... 활성층

3 ... 제 1 상부 DBR

4 ... 기판

5 ... AlGaAs층

6 ... 제 2 상부 DBR

9 ... 상부 DBR

10 ... n형 전극

11 ... p형 전극

12 ... 레이저빔

13 ... 광학렌즈

14 ... 중간 DBR

상술한 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 제 1 관점에 따른 면발광 반도체 레이저 장치는, 하부 DBR(Distributed Bragg Reflector)과 제 1 상부 DBR 및 상기 하부 DBR과 제 1 상부 DBR과의 사이에 형성된 제 1 활성층을 포함하고, GaAs 기판의 한쪽 면상에 배치되며, 전기적으로 펌핑(pumping)되어 제 1 파장에서 발광하는 제 1 발광구조와; 하부 DBR과 상부 DBR 및 상기 하부 DBR과 상부 DBR과의 사이에 형성된 제 2 활성층을 포함하고, 상기 GaAs 기판의 다른쪽 면상에 배치되며, 상기 제 1 발광구조의 제 1 파장의 빛에 의해 제 2 파장의 빛이 광학적으로 여기되는 제 2 발광구조; 및 상기 제 1 발광구조의 하부 DBR과 상기 GaAs 기판의 상기 다른쪽 면상에 각각 접합된 한 쌍의 전극을 포함하는 면발광 반도체 레이저 장치로서, 상기 제 1 발광구조와 상기 제 2 발광구조와의 사이에는 상기 GaAs 기판의 상기 다른쪽 면상에 형성된 광학 렌즈를 구비하고, 상기 광학 렌즈와 상기 제 2 발광구조와의 사이에는 상기 제 1 발광구조에 속하는 제 2 상부 DBR를 더 구비하는 것을 특징으로 한다.

상술한 본 발명에 있어서, 상기 제 1 발광구조의 하부 DBR은 상기 제 1 및 제 2 상부 DBR의 총반사율보다 높은 반사율을 갖고 p형 또는 n형으로 도핑되며, 상기 제 2 발광구조의 하부 DBR은 상기 상부 DBR의 반사율보다 높은 반사율을 갖는 것을 특징으로 한다.

또한 상술한 본 발명에 있어서, 상기 제 1 발광구조의 제 1 활성층과 상기 GaAs 기판 및 광학렌즈로 구성된 커플드 캐비티(coupled cavity)를 이용하여 제 1 파장의 빛을 단일 종 모드로 발진하도록 한 것을 특징으로 한다.

또한 상술한 본 발명에 있어서, 상기 광학 렌즈는 상부방향으로 갈수록 알루미늄(Al)의 몰분율(mol fraction) 값이 증가하도록 성장시킨 Al_xGa_1-xAs층을 측면 습식산화법으로 부분 산화함으로써 렌즈 형상으로 형성되고, 상기 광학 렌즈를 이용하여 단일 횡 모드로 발진하도록 한 것을 특징으로 한다.

또한 상술한 본 발명에 있어서, 상기 제 1 발광구조의 제 2 상부 DBR과 상기 제 2 발광구조의 상부 및 하부 DBR을 반도체 또는 반도체를 산화시킨 산화물로 구성하는 것을 특징으로 한다.

또한 상술한 본 발명에 있어서, 상기 GaAs 기판의 상기 다른쪽 면상에 형성된 층들은 상기 GaAs 기판의 상기 다른쪽 면보다 작은 단면적을 갖도록 상기 GaAs 기판과 직교하는 방향으로 부분 에칭되고, 상기 층들이 에칭되어 제거된 상기 GaAs 기판의 표면상에 전극이 배치되는 것을 특징으로 한다.

또한 상술한 본 발명에 있어서, 상기 제 2 발광구조는 흡수되지 않은 제 1 파장의 빔을 완전히 차단하기 위해 최종 발광면인 상기 제 2 발광구조의 상부 DBR의 윗면에 추가로 배치된 유전체 DBR을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명의 제 2 관점에 따른 면발광 반도체 레이저 장치는, 하부 DBR(Distributed Bragg Reflector)과 제 1 상부 DBR 및 상기 하부 DBR과 제 1 상부 DBR과의 사이에 형성된 제 1 활성층을 포함하고, GaAs 기판의 한쪽 면상에 배치되며, 전기적으로 펌핑(pumping)되어 제 1 파장에서 발광하는 제 1 발광구조와; 중간 DBR과 상부 DBR 및 상기 중간 DBR과 상부 DBR과의 사이에 형성된 제 2 활성층을 포함하고, 상기 GaAs 기판의 다른쪽 면상에 배치되며, 상기 제 1 발광구조의 제 1 파장의 빛에 의해 제 2 파장의 빛이 광학적으로 여기되는 제 2 발광구조; 및 상기 제 1 발광구조의 하부 DBR과 상기 GaAs 기판의 상기 다른쪽 면상에 각각 접합된 한 쌍의 전극을 포함하는 면발광 반도체 레이저 장치로서, 상기 제 1 발광구조와 상기 제 2 발광구조와의 사이에는 상기 GaAs 기판의 상기 다른쪽 면상에 형성된 광학 렌즈를 더 구비하고, 상기 제 2 발광구조의 중간 DBR은 상기 제 1 발광구조에 속하는 제 2 상부 DBR로서의 기능을 겸하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 면발광 반도체 레이저 장치의 제조 방법은, (a) 제 1 도전형을 갖는 GaAs 기판의 한쪽 면상에 제 1 도전형으로 도핑된 제 1 상부 DBR과 활성층 및 상기 제 1 도전형과는 반대 극성의 제 2 도전형으로 도핑된 하부 DBR을 순차적으로 성장시켜 전기적인 펌핑에 의해 제 1 파장을 발광하는 제 1 발광구조를 형성하는 단계; (b) 상기 GaAs 기판의 다른쪽 면상에 알루미늄(Al)의 몰분율을 상부방향으로 갈수록 증가시켜 가며 성장시킨 Al_xGa_1-xAs층을 형성하는 단계; (c) 상기 Al_xGa_1-xAs층 위에 상기 제 1 발광구조에 속하는 제 2 상부 DBR을 형성하는 단계; (d) 상기 제 2 상부 DBR 위에 또다른 하부 DBR과 활성층 및 상부 DBR을 순차적으로 성장시켜 상기 제 1 파장의 빛에 의해 제 2 파장의 빛이 광학적으로 여기되는 제 2 발광구조를 형성하는 단계; (e) 상기 GaAs 기판의 표면이 노출되도록 상기 GaAs 기판의 상기 다른쪽 면 위에 형성되어 있는 층들을 부분에칭하는 단계; (f) 상기 Al_xGa_1-xAs층을 측면 습식산화법으로 산화하여 광학 렌즈를 형성하는 단계; 및 (g) 상기 부분에칭에 의해 노출된 상기 GaAs 기판의 표면상에 제 1 도전형의 전극을 형성하고, 상기 하부 DBR에 접하여 제 2 도전형의 전극을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상술한 본 발명의 방법에 있어서, 상기 제 1 발광구조의 하부 DBR, 제 1 상부 DBR 및 제 2 상부 DBR과, 상기 제 2 발광구조의 하부 DBR 및 상부 DBR은 Al(Ga)As/GaAs층의 교차 적층에 의해 형성되며, 상기 활성층들은 InGaAs(N)층의 적층에 의해 형성되는 것을 특징으로 한다.

이하 본 발명의 바람직한 실시예를 도면을 참조하여 설명한다.

<제 1 실시예>

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 면발광 반도체 레이저 장치를 나타낸 단면도이다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 고출력 반도체 레이저 장치는 기본적으로 제 1 발광구조, 제 2 발광구조, 기판, 광학렌즈, 및 적어도 한쌍의 전극들로 이루어진다.

보다 구체적으로 살펴 보면, 제 1 발광구조는 제 1 파장에 대한 하부 DBR(1)과 활성층(cavity; 2)과 제 1 파장에 대한 제 1 상부 DBR(3) 및 제 1 파장에 대한 제 2 상부 DBR(6)로 이루어진다. 제 1 파장에 대한 하부 DBR(1)과 제 1 상부 DBR(3)은 각각 p형과 n형으로 도핑되어 전기적으로 도전성을 갖는다. 제 1 파장에 대한 제 1 상부 DBR(3)과 제 2 상부 DBR(6)은 n형의 GaAs 기판(4)을 사이에 두고 배치된다. 또한, 제 1 파장에 대한 제 1 상부 DBR(3)과 제 2 상부 DBR(6)과의 사이에는 AlGaAs층(5)을 습식 산화하여 형성한 광학 렌즈(13)가 더 배치된다. 제 2 발광구조는 제 2 파장에 대한 하부 DBR(7)과 활성층(cavity; 8) 및 제 2 파장에 대한 상부 DBR(9)로 이루어진다. 제 2 발광구조는 제 1 파장에 대한 제 2 상부 DBR(6)위에 배치된다. 제 2 발광구조가 배치된 방향의 n형 GaAs 기판(4)의 주면상에는 n형 전극(10)이 배치되고 기판(4)의 배면측에는 제 1 파장의 하부 DBR(1)에 접하여 p형 전극(11)이 배치된다.

구체적으로, 본 발명은 장치 하부의 제 1 활성층(2)을 전기적으로 펌핑하여 제 1 파장의 레이저 빔을 발진시킨다. 제 1 파장에 대한 하부 DBR(1)은 일반 VCSEL의 하부 DBR과 같이 상부 DBR보다 높은 반사율, 예를 들어 99.9%의 반사율을 갖도록 설계되어 있으며 전기적으로 통전 가능하도록 특정한 극성, 즉 p형으로 도핑되어 있다.

상술한 DBR(1,3,6,7,9)은 GaAs/AlAs 또는 GaAs/AlGaAs층을 교대로 적층하여 제작하며 통상 20쌍 내지 40쌍 사이에서 원하는 반사율을 확보할 수 있다. 또한, DBR의 두께는 수 마이크로미터(10㎛ 이내)가 된다. 즉, 통상의 DBR은 소정 두께(빛의 파장/(재료의 굴절율*4))를 갖는 낮은 굴절률 재료와 높은 굴절률 재료를 교대로 적층하여 제작된다. 따라서 한 쌍의 두께는 재료의 굴절률과 발진 파장에 따라 다르지만 통상 수십 나노미터의 두께를 갖게 된다. 즉, 본 실시예의 구조에 사용된 DBR(1,3,6,7,9)의 두께는 수 마이크로미터 정도의 두께를 갖는다.

또한, 활성층(2)의 상부에는 제 1 파장에 대한 제 1 상부 DBR(3)이 형성된다. 이러한 제 1 상부 DBR(3)은 제 2 상부 DBR(6)과의 총 반사율이 하부 DBR(1)보다 낮게 설계되어 발진된 빔이 상부 방향, 즉 소자의 주면과 직교하는 방향으로 향하도록 형성된다. 제 1 파장에 대한 하부 DBR(1)과 제 1 상부 DBR(3) 사이에 있는 제 1 활성층(2)에 의해서 형성된 캐비티와 제 1 상부 DBR(3)과 제 2 상부 DBR(6)사이에 있는 GaAs 기판(4)과 광학 렌즈(13)에 의해 구성된 또 다른 캐비티, 즉 2개의 캐비티로 구성된 커플드 캐비티(coupled cavity)를 이용하여 제 1 파장의 빛을 단일 종 모드로 발진할 수 있도록 한다. 즉, 제 1 파장에 대한 활성층/캐비티(2)의 발진 파장과 같은 두께인 람다(lambda; 단위파장) 또는 수 람다(단위파장) 두께로 형성한다고 하였을 때, 존재가능한 캐비티 모드는 한 개 또는 수 개에 불과하며, 수 개인 경우에라도 각 모드간의 거리, 즉 파장이 멀리 떨어져 있게 된다. 반면 또하나의 캐비티로 작용하게 되는 광학 렌즈(13)와 제 1 상부 DBR(3)의 윗부분까지의 거리 d는 발진 파장에 비해 매우 크기 때문에 매우 많은 캐비티 모드가 조밀하게 분포된다. 그러나 이러한 커플드 캐비티 구조에서 발진은 상술한 두 캐비티 모드 중 일치되는 모드에서만 발진하게 되며 활성층의 이득 영역(Gain profile) 이내에는 결국 한 개의 캐비티 모드가 존재하도록 설계될 수 있어 단일 종 모드 발진이 가능하다.

상술한 제 1 상부 DBR(3)은 수쌍 또는 십여쌍으로 수십% 이상의 반사율을 나타낼 수 있도록 그 두께 역시 수 마이크로미터(통상 5㎛ 이내)로 제작된다. 이때 발진 영역의 크기 a는 고출력 발진을 위해 수십㎛에서 수백㎛나 그 이상으로 한다. 또, 큰 발진영역의 소자에서 단일 횡 모드 발진을 하기 위해 제 1 발광구조와 제 2 발광구조와의 사이에 광학 렌즈(13)를 구비한다.

광학 렌즈(13)는 Al_xGa_1-xAs층을 상부로 갈수록 알루미늄(Al)의 몰분율(x) 값이 증가되도록 성장시킨 후에 측면 습식산화법에 의해 알루미늄의 몰분율이 높은상부 부분이 렌즈 형태로 산화되게 한다. 이때 제작된 렌즈의 곡률 반경은 발진된 빔의 빔 웨이브 프론트(beam wave front)와 일치되게 하여 단일 횡 모드 발진이 되도록 한다. 이러한 선택적 습식 산화 기술은 O. Blum, C. I. H. Ashby, and H. Q. Hou, "Barrier-layer-thickness control of selective wet oxidation of AlGaAs for embedded optical elements," Appl. Phys. Lett. Vol. 70, No. 21, (26 May 1997)에 개시되어 있다. 또, 렌즈와 활성층간의 거리 b는 수십 마이크로미터에서 수천 마이크로미터 또는 그 이상의 범위에서 발진 영역의 크기(a)와 빔의 방사각, 그리고 렌즈의 곡률 반경에 의해 조절될 수 있다.

제 2 상부 DBR(6)은 제 1 상부 DBR(3)과 함께 통상적인 VCSEL의 상부 DBR이 갖는 반사율(95 ~ 99.9%)을 갖도록 레이어 쌍의 개수를 설계한다. 여기서 제 2 상부 DBR(6)은 전기적인 전도(conducting)가 가능하도록 도핑될 필요는 없다.

발진된 제 1 파장의 빔은 제 2 파장의 활성층(8)을 광학적으로 펌핑하여 제 2 파장의 빔이 상부로 나오게 한다. 따라서 제 1 파장은 제 2 파장보다 짧다. 한 예로 제 1 파장은 980㎚, 제 2 파장은 라만 광증폭기(Raman Optical Amplifier)에 적합한 1200~1500㎚로 설계할 수 있다. 제 2 파장의 하부 DBR(7)의 반사율은 상부 DBR(9)의 반사율보다 높게 설계한다. 제 2 파장은 광학적 펌핑으로 동작하므로 제 2 파장에 대한 DBR(7, 9)은 전기적 극성을 갖도록 도핑될 필요는 없다. 이는 본 발명에서 추가로 중요한 의미를 가지는데, 즉 본 발명의 주된 응용분양인 라만 광증폭기의 파장인 1마이크로미터가 넘는 파장대의 빛은 p-(Al)GaAs에 의한 흡수, 즉 도핑 레벨에 의한 흡수가 매우 크며, 따라서 GaAs를 기반으로 하여 전기적 펌핑으로 높은 효율의 반도체 레이저를 제작하기가 매우 곤란하나 본 발명에서는 이를 광학적 여기로 하여 이러한 문제를 해결하고 있다.

본 발명의 면발광 반도체 레이저 장치를 제작하는 원리를 도 2a 내지 도 2e를 참조하여 상세하게 설명한다. 도 2a에 도시된 바와 같이, 먼저 n형의 GaAs 기판(4)의 한쪽 면상에 n형으로 도핑된 제 1 상부 DBR(3)과 활성층(2) 및 p형으로 도핑된 하부 DBR(1)을 순차적으로 성장시킨다. 이로써 전기적인 펌핑에 의해 제 1 파장을 발광하는 제 1 발광구조를 기본적으로 형성한다.

다음으로, 도 2b에 도시된 바와 같이, GaAs 기판(4)의 다른쪽 면상에 알루미늄(Al)의 몰분율을 상부방향으로 갈수록 증가시켜 가며 Al_xGa_1-xAs층(5)을 성장시킨다. 그런 다음, Al_xGa_1-xAs층(5) 위에 제 1 파장에 대한 제 2 상부 DBR(6)을 성장시킨다. 그리고, 제 2 상부 DBR(6) 위에 제 2 파장에 대한 하부 DBR(7)과 제 2 파장에 대한 활성층(8) 및 제 2 파장에 대한 상부 DBR(9)을 순차적으로 성장시킨다. 이로써 상술한 제 1 발광구조의 제 1 파장의 빛에 의해 제 2 파장의 빛이 광학적으로 여기되는 제 2 발광구조를 형성한다. 물론 여기서 제 2 상부 DBR(6)이 제 1 발광구조에 속하는 것은 상술한 바와 같다.

다음으로, 도 2c에 도시된 바와 같이, GaAs 기판(4)의 표면 일부가 노출되도록 상술한 층들(5, 6, 7, 8, 9)을 부분에칭한다. 이러한 에칭 공정은 예를 들어 선택적 식각에 의해 이루어진다. 즉, CCl₂F₂가스를 이용한 RIE(reactive ion etching) 공정을 적용하여 GaAs와 AlGaAs를 선택적으로 식각한다.

그 다음에, 도 2d에 도시된 바와 같이, Al_xGa_1-xAs층(5)을 측면 습식산화법으로 산화하여 광학 렌즈(13)를 형성한다. 이러한 렌즈(13)의 형성은 소자 구조 깊숙이 묻혀 있는 알루미늄-갈륨-비소(AlGaAs)층들을 선택적으로 산화시킬 수 있는 반도체 산화 공정으로 이루어진다.

마지막으로, 도 2e에 도시된 바와 같이, 상술한 부분에칭에 의해 노출된 GaAs 기판(4)의 다른쪽 표면상에 n형 전극(10)을 형성하고, 하부 DBR(1)에 접하여 p형 전극을 형성한다.

상술한 단계들에서 각 층들을 성장시키는 공정은 MBE(Molecular Beam Epitaxy), MOCVD (Metal-Organic Chemical Vapor Deposition) 등의 공정에 의해 이루어질 수 있다.

또한, 상술한 단계들에서 상기 제 1 발광구조의 상기 하부 DBR(1)과 제 1 상부 DBR(3) 및 제 2 상부 DBR(6)과, 상기 제 2 발광구조의 하부 DBR(7) 및 상부 DBR(9)은 Al(Ga)As/GaAs층의 교차 적층에 의해 각각 형성되며, 상기 활성층(2, 8)들은 원하는 파장에 맞게 설계된 3원 또는 4원 혼정계인 InGaAs(N)층의 적층에 의해 각각 형성될 수 있다.

한편, 본 발명은 상술한 실시예에서 설명하는 방법 이외에 두 장의 기판에 참조부호 1,2,3으로 표시된 층들과 나머지 층들을 각기 다른 기판위에 각각 성장시킨 후에 웨이퍼 융합(wafer fusion)에 의해 두 기판을 붙여 제작하는 방법도 가능하다.

또한, 참조부호 6,7,9로 표시된 DBR의 경우 통상적인 Al(Ga)As/GaAs의 교차 적층으로 구성된 반도체 DBR일 수 있으나 광학적 렌즈 구성시 측면을 보호하지 않고 같이 AlAs가 산화되도록 하여 GaAs와 Al 산화물로 구성된 DBR로 설계할 수 있다.

본 실시예에서는 n형의 GaAs 기판(4)을 사용한 것을 예로 설명하였으나, n형의 기판 대신에 p형의 기판을 사용하여 면발광 반도체 레이저 장치를 제작할 수 있음은 물론이며, 이 경우에는 다이오드의 구조상 상기한 제 1 파장에 대한 하부 DBR(1)과 제 1 상부 DBR(3)이 각각 n형과 p형으로 도핑되어야 하고, 또한 제 2 발광구조가 배치된 방향의 GaAs 기판(4)의 주면상에는 p형 전극이, 그리고 기판(4)의 배면측에는 제 1 파장의 하부 DBR(1)에 접하여 n형 전극이 각각 배치되게 된다.

<제 2 실시예>

도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 면발광 반도체 레이저 장치를 나타낸 단면도이다. 도 3을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 고출력 반도체 레이저 장치가 기본적으로 제 1 발광구조, 제 2 발광구조, 기판, 광학렌즈, 및 적어도 한쌍의 전극들로 이루어지는 점을 비롯하여, 그 밖의 대부분의 구성은 상술한 본 발명의 일실시예와 동일하다.

다만, 상술한 본 발명의 일실시예에 있어서의 제 1 발광구조의 제 2 상부 DBR(6)과 제 2 발광구조의 하부 DBR(7)을 대신하여, 중간 DBR(14)을 구비하고 있다는 점에서 상술한 본 발명의 일실시예와 구별된다.

다시 말해, 본 실시예에서는 DBR 제작시, DBR의 단위층 두께와 Al(Ga)As 층의 Al 몰 비율(mole fraction), 그리고 적층하는 Al(Ga)As/GaAs 층의 수를 조절하여 제 1, 2 파장 각각에 대해 제 1 발광구조의 제 2 상부 DBR과 제 2 발광구조의 하부 DBR이 설계에 의해 각각 가져야만 하는 반사율(reflectivity)을 동시에 갖는 하나의 넓은 스탑 밴드(stop band)를 이용하여 하나의 DBR, 즉 중간 DBR(14)을 형성하고 있는 것이다.

한편, 이상의 실시예들에서 구체적으로 언급하지는 않았지만 본 발명의 장치는 장치 내부에 발생된 열을 효과적으로 방출하기 위해 제 1 발진구조에 걸쳐 접촉된 방열판(Heat Sink)을 더 구비할 수도 있다.

게다가, 응용분야에 따라 발진된 제 1 파장의 빔을 완전히 차단할 필요가 있을 경우, 이를 차단하기 위한 DBR을 추가로 구비할 수 있다. 이러한 경우 반도체 DBR보다는 유전체 DBR을 본 장치의 발광면(제 2 파장에 대한 상부 DBR(9) 윗면)에 형성시켜 효과적으로 제 1 파장의 빔을 차단할 수도 있다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 단일 종 모드 발진과 함께 단일 횡 모드 발진을 하는 고출력의 면발광 반도체 레이저 장치를 제공할 수 있다.

또한 본 발명에 의하면, 1200㎚ 이상의 빔을 광학적으로 펌핑함으로써 프리 캐리어(free carrier) 흡수에 의해 장치 효율이 감소되는 것을 방지한다.

또한, 발진 영역이 넓어 COD(Catastrophic Optical Damage)에 의해 광출력이 제한되는 경우가 없다.

게다가, 제 1 발진구조에 걸쳐 방열판(Heat Sink)을 접촉시킬 수 있어 고출력에 매우 유리하다.

Claims

하부 DBR(Distributed Bragg Reflector; 1)과 제 1 상부 DBR(3) 및 상기 하부 DBR(1)과 제 1 상부 DBR(3)과의 사이에 형성된 제 1 활성층(2)을 포함하고, GaAs 기판(4)의 한쪽 면상에 배치되며, 전기적으로 펌핑(pumping)되어 제 1 파장에서 발광하는 제 1 발광구조와;

하부 DBR(7)과 상부 DBR(9) 및 상기 하부 DBR(7)과 상부 DBR(9)과의 사이에 형성된 제 2 활성층(8)을 포함하고, 상기 GaAs 기판(4)의 다른쪽 면상에 배치되며, 상기 제 1 발광구조의 제 1 파장의 빛에 의해 제 2 파장의 빛이 광학적으로 여기되는 제 2 발광구조; 및

상기 제 1 발광구조의 하부 DBR(1)과 상기 GaAs 기판(4)의 상기 다른쪽 면상에 각각 접합된 한 쌍의 전극(10, 11)을 포함하는 면발광 반도체 레이저 장치로서,

상기 제 1 발광구조와 상기 제 2 발광구조와의 사이에는 상기 GaAs 기판(4)의 상기 다른쪽 면상에 형성된 광학 렌즈(13)를 구비하고,

상기 광학 렌즈(13)와 상기 제 2 발광구조와의 사이에는 상기 제 1 발광구조에 속하는 제 2 상부 DBR(6)를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 면발광 반도체 레이저 장치.
제 1항에 있어서,

상기 제 1 발광구조의 하부 DBR(1)은 상기 제 1 및 제 2 상부 DBR(3, 6)의 총반사율보다 높은 반사율을 갖고 p형 또는 n형으로 도핑되며,

상기 제 2 발광구조의 하부 DBR(7)은 상기 상부 DBR(9)의 반사율보다 높은 반사율을 갖는 것을 특징으로 하는 면발광 반도체 레이저 장치.
제 1항에 있어서,

상기 제 1 발광구조의 제 1 활성층(2)과 상기 GaAs 기판(4) 및 광학렌즈(13)로 구성된 커플드 캐비티(coupled cavity)를 이용하여 제 1 파장의 빛을 단일 종 모드로 발진하도록 한 것을 특징으로 하는 면발광 반도체 레이저 장치.
제 1항에 있어서,

상기 광학 렌즈(13)는 상부방향으로 갈수록 알루미늄(Al)의 몰분율(mol fraction) 값이 증가하도록 성장시킨 Al_xGa_1-xAs층(5)을 측면 습식산화법으로 부분 산화함으로써 렌즈 형상으로 형성되고,

상기 광학 렌즈(13)를 이용하여 단일 횡 모드로 발진하도록 한 것을 특징으로 하는 면발광 반도체 레이저 장치.
제 1항에 있어서,

상기 제 1 발광구조의 제 2 상부 DBR(6)과 상기 제 2 발광구조의 상부 및 하부 DBR(7, 9)을 반도체 또는 반도체를 산화시킨 산화물로 구성하는 것을 특징으로 하는 면발광 반도체 레이저 장치.
제 1항에 있어서,

상기 GaAs 기판(4)의 상기 다른쪽 면상에 형성된 층들(5,6,7,8,9)은 상기 GaAs 기판(4)의 상기 다른쪽 면보다 작은 단면적을 갖도록 상기 GaAs 기판(4)과 직교하는 방향으로 부분 에칭되고,

상기 층들(5,6,7,8,9)이 에칭되어 제거된 상기 GaAs 기판(4)의 표면상에 전극(10)이 배치되는 것을 특징으로 하는 면발광 반도체 레이저 장치.
제 1항에 있어서,

상기 제 2 발광구조는 흡수되지 않은 제 1 파장의 빔을 완전히 차단하기 위해 최종 발광면인 상기 제 2 발광구조의 상부 DBR(9)의 윗면에 추가로 배치된 유전체 DBR을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 면발광 반도체 레이저 장치.
하부 DBR(Distributed Bragg Reflector; 1)과 제 1 상부 DBR(3) 및 상기 하부 DBR(1)과 제 1 상부 DBR(3)과의 사이에 형성된 제 1 활성층(2)을 포함하고, GaAs 기판(4)의 한쪽 면상에 배치되며, 전기적으로 펌핑(pumping)되어 제 1 파장에서 발광하는 제 1 발광구조와;

중간 DBR(14)과 상부 DBR(9) 및 상기 중간 DBR(14)과 상부 DBR(9)과의 사이에 형성된 제 2 활성층(8)을 포함하고, 상기 GaAs 기판(4)의 다른쪽 면상에 배치되며, 상기 제 1 발광구조의 제 1 파장의 빛에 의해 제 2 파장의 빛이 광학적으로 여기되는 제 2 발광구조; 및

상기 제 1 발광구조의 하부 DBR(1)과 상기 GaAs 기판(4)의 상기 다른쪽 면상에 각각 접합된 한 쌍의 전극(10, 11)을 포함하는 면발광 반도체 레이저 장치로서,

상기 제 1 발광구조와 상기 제 2 발광구조와의 사이에는 상기 GaAs 기판(4)의 상기 다른쪽 면상에 형성된 광학 렌즈(13)를 더 구비하고,

상기 제 2 발광구조의 중간 DBR(14)은 상기 제 1 발광구조에 속하는 제 2 상부 DBR로서의 기능을 겸하는 것을 특징으로 하는 면발광 반도체 레이저 장치.
면발광 반도체 레이저 장치의 제조 방법에 있어서,

(a) 제 1 도전형을 갖는 GaAs 기판(4)의 한쪽 면상에 제 1 도전형으로 도핑된 제 1 상부 DBR(3)과 활성층(2) 및 상기 제 1 도전형과는 반대 극성의 제 2 도전형으로 도핑된 하부 DBR(1)을 순차적으로 성장시켜 전기적인 펌핑에 의해 제 1 파장을 발광하는 제 1 발광구조를 형성하는 단계;

(b) 상기 GaAs 기판(4)의 다른쪽 면상에 알루미늄(Al)의 몰분율을 상부방향으로 갈수록 증가시켜 가며 성장시킨 Al_xGa_1-xAs층(5)을 형성하는 단계;

(c) 상기 Al_xGa_1-xAs층(5) 위에 상기 제 1 발광구조에 속하는 제 2 상부 DBR(6)을 형성하는 단계;

(d) 상기 제 2 상부 DBR(6) 위에 하부 DBR(7)과 활성층(8) 및 상부 DBR(9)을 순차적으로 성장시켜 상기 제 1 파장의 빛에 의해 제 2 파장의 빛이 광학적으로 여기되는 제 2 발광구조를 형성하는 단계;

(e) 상기 GaAs 기판(4)의 표면이 노출되도록 상기 층들(5, 6, 7, 8, 9)을 부분에칭하는 단계;

(f) 상기 Al_xGa_1-xAs층(5)을 측면 습식산화법으로 산화하여 광학 렌즈(13)를 형성하는 단계; 및

(g) 상기 부분에칭에 의해 노출된 상기 GaAs 기판(4)의 표면상에 제 1 도전형의 전극(10)을 형성하고, 상기 하부 DBR(1)에 접하여 제 2 도전형의 전극을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 면발광 반도체 레이저 장치의 제조방법.
제 9항에 있어서,

상기 제 1 발광구조의 하부 DBR(1), 제 1 상부 DBR(3) 및 제 2 상부 DBR(6)과, 상기 제 2 발광구조의 하부 DBR(7) 및 상부 DBR(9)은 Al(Ga)As/GaAs층의 교차 적층에 의해 형성되며,

상기 활성층들(2, 8)은 InGaAs(N)층의 적층에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 면발광 반도체 레이저 장치의 제조 방법.