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KR100460839B1 - 다채널 장파장 수직공진 표면방출 레이저 어레이 및 그제조방법 - Google Patents

다채널 장파장 수직공진 표면방출 레이저 어레이 및 그제조방법 Download PDF

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KR100460839B1
KR100460839B1 KR10-2002-0002534A KR20020002534A KR100460839B1 KR 100460839 B1 KR100460839 B1 KR 100460839B1 KR 20020002534 A KR20020002534 A KR 20020002534A KR 100460839 B1 KR100460839 B1 KR 100460839B1
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KR10-2002-0002534A
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유병수
김종희
한원석
권오균
주영구
신재헌
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한국전자통신연구원
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
    • H01S5/18—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities
    • H01S5/183—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities having only vertical cavities, e.g. vertical cavity surface-emitting lasers [VCSEL]

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Abstract

1.3 ~ 1.6 ㎛ 대역의 장파장을 이용하는 파장 분할 다중화 방식의 다채널 수직공진 표면방출 레이저 어레이 및 그 제조방법을 개시한다. 본 발명에 따르면, 활성층 근처에 공진 거리 조절을 위한 다층의 초격자 조절층을 형성하는데, 상기 초격자 조절층은 선택적 식각이 가능한 두개의 물질이 교대로 여러 주기가 형성되어 있고, 어레이별로 상기 주기가 다르게 형성되어 레이저 발진 파장 간격이 조절된다. 이 초격자 조절층은 한 주기 단위로 선택적으로 식각하여 형성하는 것이기 때문에 재현성 있게 다채널 장파장 수직공진 표면방출 레이저 어레이를 제조할 수 있다.

Description

다채널 장파장 수직공진 표면방출 레이저 어레이 및 그 제조방법{Multiple wavelength and long-wavelength vertical cavity surface emitting laser array and fabricating method the same}
본 발명은 1.3 ~ 1.6 ㎛ 대역의 장파장 다채널 수직공진 표면방출 레이저(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser : 이하, "VCSEL") 어레이 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 특히 재현성 있게 공진 거리를 조절함으로써 레이저 발진 파장이 일정한 파장 간격을 갖는 다채널 장파장 VCSEL 어레이 및 그 제조방법에 관한 것이다.
VCSEL은 광배선 및 광통신용 광원으로 사용되고 있는데, 특히 1.3 ~ 1.6 ㎛ 대역의 장파장 VCSEL은 근/중거리 통신용 광원으로서의 높은 성장 가능성을 지니고 있다. 특히 VCSEL은 광섬유 커플링 효율(fiber-coupling efficiency)이 높고, 웨이퍼 단위로 제작할 수 있어 제조단가가 낮으며, 이차원 어레이(two-dimensional array) 특성 등의 장점이 있으므로, 차세대 광통신 및 신호 처리용 광원으로 자리를 잡을 것으로 예측된다.
대용량의 근/중거리 광통신에서는 파장 분할 다중화 방식(Wavelength Division Mutiplexing : 이하 "WDM")이 사용되고 있는데, 이것은 일정한 파장 간격을 갖는 여러 파장의 신호를 이용하여 많은 양의 정보를 전달/처리하는 방법이다. 이와 같은 방법으로 응용하기 위해서는 광원으로서 WDM 다채널 VCSEL 어레이가 필요하다.
VCSEL은 저가의 광원으로서 많은 장점을 갖추고 있으나, 다채널 어레이로 구현하는 경우에 공진 거리 조절 등에 어려움이 있다. 특히 수 ㎚의 공진 거리를 조절하려면 공진 거리를 수 ㎚ 간격으로 일정하게 조절하여야 하므로 종래 알려진 일반적인 식각 방법으로는 재현성 있게 공진 거리를 조절하는 것이 어렵다.
종래의 다채널 VCSEL 기술로는 주로 850 ㎚ ~ 980 ㎚의 단파장에서 시도된 것이 있다. 예를 들어, GaAs와 같은 상부 거울의 일부 층을 전기산화 방법으로 시간을 조절하여 산화한 후 산화막을 식각하여 공진 거리를 조절하는 방법, 습식산화 방법을 이용하여 거리 및 시간에 따라 산화되는 양을 조절하는 방법, 산화막의 두께를 다르게 하여 공진 거리를 조절하는 방법 등이 있다.
그러나 이와 같이 단파장에서 시도된 방법들은 제조 공정이 복잡하며, 제조 시간에 의존하여 조절하기 때문에 재현성이 떨어진다. 그리고, 장파장 다채널 VCSEL에서는 산화막의 형성도 어렵다. 따라서, 이 방법들을 장파장 다채널 VCSEL 제조에 이용하기에는 한계가 있다. 그 외에 850 ㎚ 구조에서 식각 시간을 조절한 건식식각 방법에 의하여 다채널 어레이가 제조되기도 하였는데, 이와 같은 방법은 장파장 VCSEL 구조에 적용이 가능하기는 하나, 식각 시간의 조절에 의하여 파장 간격이 조절되므로 역시 재현성이 떨어진다는 문제가 있다.
따라서 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 재현성 있게 공진 거리를 조절함으로써 레이저 발진 파장이 일정한 파장 간격을 갖는 다채널 장파장 VCSEL 어레이 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 다채널 장파장 수직공진 표면방출 레이저(Vertical Cavity Surface Emitting Laser : 이하, "VCSEL") 어레이의 구조를 나타내는 도면들이다.
도 3 내지 도 11은 본 발명의 실시예에 따른 다채널 장파장 VCSEL 어레이의 제조방법을 나타내는 도면들이다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 다채널 장파장 VCSEL 어레이에서의 다채널 반사율 곡선을 나타낸다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10, 100 : 반도체 기판, 20, 120 : 하부 거울(bottom mirror),
30, 130 : 활성층(active region), 40, 140 : 전류제한층,
50, 150 : 초격자 조절층, 60, 160 : 상부 거울(top mirror)
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 다채널 장파장 VCSEL 어레이에는, 반도체 기판 상에 적층된 하부 거울이 포함된다. 상기 하부 거울 상에는 양자우물층으로 형성된 활성층과, 전류 제한 및 열 전달을 효율을 높이기 위한전류제한층이 순차 적층되어 있다. 상기 전류제한층 상에 공진 거리 조절을 위하여 적층되는 것으로, 선택적 식각이 가능한 두개의 물질이 교대로 여러 주기가 형성되어 있고, 어레이별로 상기 주기가 다르게 형성되어 레이저 발진 파장 간격이 조절되는 초격자 조절층이 있다. 상기 초격자 조절층 상에는 상부 거울이 적층되어 있다.
여기서, 상기 초격자 조절층은 선택적 식각이 가능한 두 물질이 교대로 성장된 여러 주기의 다층 구조로, 어레이의 위치마다 초격자의 주기를 다르게 함으로써 레이저 발진 파장의 간격이 조절된다. 즉, 일정한 파장 간격의 n 채널을 형성하기 위하여 각각의 채널별로 0에서부터 n-1 주기의 교대로 성장된 두 물질의 다층 구조로 이루어져 있다. 이와 같이 구성된 다채널 장파장 VCSEL은 초격자 조절층의 두께에 따라서 수직공진의 높이가 달라지므로, λ1, λ2, ···, λn의 레이저 발진 파장을 갖게 된다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 다채널 장파장 VCSEL 제조방법에서는, 반도체 기판 상에 하부 거울을 형성한 다음, 양자우물층으로 형성된 활성층을 적층한다. 상기 활성층 상에 전류 제한 및 열 전달을 효율을 높이기 위한 전류제한층을 적층한 다음, 상기 전류제한층 상에 공진 거리 조절을 위하여, 선택적 식각이 가능한 두개의 물질이 교대로 여러 주기가 형성되어 있고, 어레이별로 상기 주기가 다르게 형성되어 레이저 발진 파장 간격이 조절되는 초격자 조절층을 형성한다. 이어서, 상기 초격자 조절층 상에 재성장 또는 증착 방법으로 상부 거울을 적층한다.
여기서, 상기 초격자 조절층은 n 채널 어레이의 레이저 발진 파장을 조절하기 위하여, 어레이별로 n-1에서 0의 주기를 갖도록 형성하는 것이 바람직하다. 특히, 상기 초격자 조절층은 공진 거리 조절을 위하여 선택적 두 물질의 식각 단계를, n = 2m의 관계식으로부터 채널수 n에 따라 결정되는 m에 따라, m번 수행하게 되는 2진 다중 식각(binary-code multiple etching)법에 의하여 형성하는 것이 바람직하다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예로 인해 한정되어지는 것으로 해석되어져서는 안된다. 본 발명의 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되어지는 것이다. 동일한 부호는 시종 동일한 요소를 의미한다. 나아가, 도면에서의 다양한 요소와 영역은 개략적으로 그려진 것이다. 따라서, 본 발명은 첨부한 도면에 그려진 상대적인 크기나 간격에 의해 제한되어지지 않는다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 다채널 장파장 VCSEL 어레이 구조를 나타낸다. 도면에서 참조부호 10은 반도체 기판, 참조부호 20은 하부 거울, 참조부호 30은 활성층이고, 참조부호 40은 전류제한층이다. 참조부호 50은 공진 거리 조절을 위한 선택적 식각이 가능한 두개의 물질이 교대로 구성된 다층의 초격자 조절층으로서 채널별로 0에서 n-1의 주기로 이루어져 있는 것을 나타낸다. 참조부호 60은 상부 거울이다.
상기 하부 거울(20) 및 상부 거울(60)은 상기 반도체 기판(10)에 격자 정합된 구조로서 굴절률이 다른 반도체층을 교대로 여러 주기 성장하되 한 주기의 두께가 광학길이(물질의 두께 ×발진 파장에서의 굴절률)로 레이저 발진 파장의 반이 되도록 조절한 반도체 DBR(Distributed Bragg Reflector)로 구성된다. 예를 들어, 상기 반도체 기판(10)으로서 InP 기판을 선택한 경우, 상기 굴절률이 다른 반도체층은 InAlAs/InAlGaAs 또는 InGaAsP/InP인 것이 바람직하다. 대신에, 원소 구성은 동일하되 각 원소의 몰분율이 다른 InAlGaAs/InAlGaAs 또는 InGaAsP/InGaAsP일 수도 있다. 상기 반도체 기판(10)으로서 n형 기판을 이용하는 경우, 상기 하부 거울(20)도 n형 도핑하고, 상기 상부 거울(60)은 p형 도핑하거나 도핑하지 않는다.
상기 활성층(30)은 상기 반도체 기판에 격자 정합된 구조로서 이득을 주기 위한 양자우물 및 공간층으로 구성되며 전체 두께가 광학길이로 레이저 발진 파장의 반의 정수배가 되도록 조절된다. 상기 반도체 기판(10)이 InP인 경우, 상기 활성층(30)은 InAlAs/InAlGaAs 또는 InGaAsP/InP인 것이 바람직하다. 대신에, 원소 구성은 동일하되 각 원소의 몰분율이 다른 InAlGaAs/InAlGaAs 또는 InGaAsP/InGaAsP일 수도 있다.
그리고 전류제한층(40) 또한 상기 반도체 기판(100)에 격자 정합된 구조로서, 전류 제한 및 열의 방출을 담당하며, 레이저의 구조에 따라 p형으로 할 수 있다. 상기 전류제한층(40)은 열전도도가 큰 물질로 구성된 제 1 열방출층, 전류 유도가 가능한 절연막형성층, 열전도도가 큰 물질로 구성된 제 2 열방출층 및 전극접촉층을 포함하여 구성된다. 상기 절연막형성층은 습식산화 또는 식각에 의해 일부가 절연되어 있는 상태가 되어, 절연되지 않은 부분으로만 전류가 흐르도록 할 수 있다.
도 2는 도 1에서 초격자 조절층(50)과 그 하부의 전류제한층(40)을 확대한 도면이다. 상기 초격자 조절층(50)은 InAlGaAs/InP와 같이 선택적 식각이 가능한 두개의 물질(52, 54)을 한 주기로 하여 여러 주기로 구성되어 있다. n개의 다채널로 구성하기 위하여서는 어레이의 부분별로 n-1의 주기서부터 n-2, n-3, ···, 1, 0의 주기를 갖도록 초격자 조절층(50)이 구성되어 있다. 따라서 일정한 위치에 따라, 선택적 식각이 가능한 두개의 물질(52, 54)의 한 주기에 해당되는 만큼 공진 거리가 조절되어 일정한 파장 간격의 다채널 장파장 VCSEL 구조가 된다. 이와 같이 구성된 다채널 장파장 VCSEL은 초격자 조절층의 두께에 따라서 λ1, λ2, ···, λn의 레이저 발진 파장을 갖게 된다.
도 3 내지 도 11은 본 발명의 실시예에 따른 다채널 장파장 VCSEL 어레이의 제조방법을 나타내는 도면들이다.
먼저, 도 3을 참조하면 반도체 기판(100) 상에 하부 거울(120)을 형성한다. 상기 하부 거울(120)은 상기 반도체 기판(100)에 격자 정합된 구조로서 굴절률이 다른 반도체층을 교대로 여러 주기 성장하되 한 주기의 두께가 광학길이로 레이저 발진 파장의 반이 되도록 조절한 반도체 DBR로 구성된다. 예를 들어, 상기 반도체 기판(100)으로서 InP 기판을 선택한 경우, 상기 굴절률이 다른 반도체층은 InAlAs/InAlGaAs 또는 InGaAsP/InP인 것이 바람직하다. 대신에, 원소 구성은 동일하되 각 원소의 몰분율이 다른 InAlGaAs/InAlGaAs 또는 InGaAsP/InGaAsP일 수도 있다. 상기 반도체 기판(100)으로서 n형 기판을 이용하는 경우, 상기 하부 거울(120)도 n형 도핑한다.
상기 하부 거울(120) 상에 양자우물층으로 형성된 활성층(130)을 적층한다. 상기 활성층(130)은 상기 반도체 기판에 격자 정합된 구조로서 이득을 주기 위한 양자우물 및 공간층으로 구성되며 전체 두께가 광학길이로 레이저 발진 파장의 반의 정수배가 되도록 조절된다. 상기 반도체 기판(100)이 InP인 경우, 상기 활성층(130)은 InAlAs/InAlGaAs 또는 InGaAsP/InP인 것이 바람직하다. 대신에, 원소 구성은 동일하되 각 원소의 몰분율이 다른 InAlGaAs/InAlGaAs 또는 InGaAsP/InGaAsP일 수도 있다.
상기 활성층(130) 상에 전류 제한 및 열 전달을 효율을 높이기 위한 전류제한층(140)을 적층한다. 상기 전류제한층(140)도 상기 반도체 기판(100)에 격자 정합된 구조로서, 먼저 상기 활성층(130) 상에 열전도도가 큰 물질로 구성된 제 1 열방출층(142)을 적층한다. 이어서, 상기 제 1 열방출층(142)상에 절연막형성층(144)을 형성한다. 상기 절연막형성층(144)은 습식산화 또는 식각에 의해 일부가 절연되어 있는 상태가 되어, 절연되지 않은 부분으로만 전류가 흐르게 할 수 있다. 계속하여, 열전도도가 큰 물질로 구성된 제 2 열방출층(146) 및 전극접촉층(148)을 형성한다. 상기 전류제한층(140)은 레이저의 구조에 따라 p형으로 할 수 있다.
상기 전류제한층(140) 상에 공진 거리 조절을 위한 초격자 조절층을 형성하기 위하여, InAlGaAs/InP와 같이 선택적 식각이 가능한 두개의 물질(152, 154)을교대로 여러 주기 형성한다. n채널 어레이의 레이저 발진 파장을 조절하기 위하여, 상기 초격자 조절층은 어레이별로 n-1에서 0의 주기를 갖도록 형성하는 것이 바람직하다. 이를 위해서는, 선택적 식각이 가능한 두개의 물질(152, 154)을 교대로 n-1 주기 적층한다. 본 실시예에서는 8 채널 어레이를 제조하는 경우를 예로 든다. 즉, n = 8인 경우를 예로 든다. 이에 따라, 도 3 에서와 같이 선택적 식각이 가능한 두개의 물질(152, 154)을 교대로 7 주기 적층한다. 즉, 상기 전류제한층(140) 상에 참조부호 1521, 1541, 1522, 1542, 1523, 1543, ···, 1527및 1547에 해당하는 물질이 차례로 적층된다.
도 4 내지 도 6은 상기 교대로 7 주기 적층된 두 물질(152, 154)을 2진 다중 식각하는 단계를 설명한다. 여기서 2진 다중 식각은 n = 2m의 관계식으로부터 채널수 n에 따라 결정되는 m에 따라, 상기 두 물질(152, 154)을 차례로 선택하여 식각하는 선택적 식각 단계를 m번 수행하는 방법이다. 좀 더 상세히 설명하면, 1차 식각 단계에서는, 채널 n에서 채널까지의 부분을 제 1 포토레지스트로 보호하고, 포토레지스트로 보호되지 않은 부분에 대해 선택적 식각 방법으로주기의 두 물질(152, 154)을 식각한다. 상기 두 물질(152, 154)은 선택적 식각이 되는 물질이므로 물질(152)의 식각 용액과 물질(154)의 식각 용액에 반복적으로차례 넣어 식각하는 방법을 사용할 수 있다. 2차 식각 단계에서는, 상기 제 1 포토레지스트를 제거한 다음, 채널 n에서 채널까지의 부분 및 채널에서 채널까지의 부분을 제 2 포토레지스트로 보호하고, 포토레지스트로 보호되지 않은 부분에 대해 선택적 식각 방법으로주기의 두 물질(152, 154)을 식각한다. 그리고 3차 식각 단계에서는, 상기 제 2 포토레지스트를 제거한 다음, 채널 n에서 채널까지의 부분, 채널에서 채널까지의 부분, 채널에서 채널까지의 부분 및 채널에서 채널까지의 부분을 제 3 포토레지스트로 보호하고, 포토레지스트로 보호되지 않은 부분에 대해 선택적 식각 방법으로주기의 두 물질(152, 154)을 식각한다. 이와 같은 방식으로 매 식각 단계의 포토레지스트로 보호되는 부분의 수가 2의 지수함수적으로 증가되고, 매 식각 단계에서 식각되는 두 물질의 주기는 2의 지수함수적으로 감소되는 식각 단계를 총 m번 수행한다.
이제 도 4 내지 도 6을 참조하면, 본 실시예는 n = 8인 경우이므로, m = 3이 된다. 따라서, 상기 두 물질(152, 154)을 차례로 선택하여 식각하는 선택적 식각 단계를 3번 수행한다.
먼저, 도 4는 선택적 식각 단계를 1차 수행하는 것을 설명한다.
도 4를 참조하면, 1차 식각 단계에서는, 채널 n에서 채널까지의 부분 즉, 채널 8에서 채널 5까지의 부분을 제 1 포토레지스트(190)로 보호하고. 상기 제1 포토레지스트(190)로 보호되지 않은 부분에 대해 선택적 식각 방법으로주기, 즉 4 주기의 두 물질(152, 154)을 식각한다. 즉, 채널 4에서 채널 1까지의 부분은 위에서부터 차례로, 참조부호 1547, 1527, 1546, 1526, 1545, 1525, 1544및 1524에 해당하는 물질이 식각된다.
상기 두 물질(152, 154)은 선택적 식각이 되는 물질이므로 물질(152)의 식각 용액과 물질(154)의 식각 용액에 반복적으로 4차례 넣어 식각하는 방법을 사용할 수 있다. 예를 들어, 상기 두 물질(152, 154)로서 각각 InAlGaAs와 InP를 적층한 경우, 상기 InAlGaAs를 식각하는 단계의 식각액은 H3P04(또는 H2SO4), H2O 및 H2O2의 혼합용액을 이용하고, 상기 InP를 식각하는 단계의 식각액은 HCl, H2O 및 H2O2의 혼합용액을 이용하여 InAlGaAs와 InP를 선택적으로 식각할 수 있다.
도 5를 참조하면, 2차 식각 단계에서는, 상기 제 1 포토레지스트(190)를 제거한 다음, 채널 n에서 채널까지의 부분 및 채널에서 채널까지의 부분, 즉 채널 8에서 채널 7까지의 부분 및 채널 4에서 채널 3까지의 부분을 제 2 포토레지스트(192)로 보호하고, 상기 제 2 포토레지스트(192)로 보호되지 않은 부분에 대해 선택적 식각 방법으로주기, 즉 2 주기의 두 물질(152, 154)을 식각한다. 즉, 채널 6에서 채널 5까지의 부분에서는 위에서부터 차례로, 참조부호 1547, 1527, 1546및 1526에 해당하는 물질이 식각되고, 채널 2에서 채널 1까지의 부분에서는 위에서부터 차례로, 참조부호 1543, 1523, 1542및 1522에 해당하는 물질이 식각된다.
도 6을 참조하면, 3차 식각 단계에서는, 상기 제 2 포토레지스트(192)를 제거한 다음, 채널 n에서 채널까지의 부분, 채널에서 채널까지의 부분, 채널에서 채널까지의 부분 및 채널에서 채널까지의 부분, 즉 채널 8 부분, 채널 6 부분, 채널 4 부분 및 채널 2 부분을 제 3 포토레지스트(194)로 보호하고, 상기 제 3 포토레지스트(194)로 보호되지 않은 부분에 대해 선택적 식각 방법으로주기, 즉 1 주기의 두 물질(152, 154)을 식각한다. 즉, 채널 7 부분에서는 위에서부터 차례로, 참조부호 1547및 1527에 해당하는 물질이 식각되고, 채널 5 부분에서는 위에서부터 차례로, 참조부호 1545및 1525에 해당하는 물질이 식각되고, 채널 3 부분에서는 위에서부터 차례로, 참조부호 1543및 1523에 해당하는 물질이 식각되며, 채널 1 부분에서는 위에서부터 차례로, 참조부호 1541및 1521에 해당하는 물질이 식각된다.
상기 제 3 포토레지스트(194)를 제거하면, 어레이별로 주기가 다르게 형성되어 레이저 발진 파장 간격이 조절되는 초격자 조절층(150)이 완성된다.
도 7을 참조하면, 상기 초격자 조절층(150) 상에 재성장 또는 증착 방법으로 상부 거울(160)을 적층하여 다채널 장파장 VCSEL 어레이를 제작한다.
계속하여, 도 8 내지 도 11에 나타낸 단계를 더 수행함으로써, 다채널 장파장 VCSEL 어레이 구조를 이용한 소자를 제작할 수도 있다.
먼저, 도 8에 나타난 것과 같이 유전체 박막 또는 포토레지스트 등을 제 1 마스크(196)로 이용하여 패턴을 형성한 후 BCl3, Cl2, CH4, H2, Ar 등을 가스로 사용한 이온(빔)식각 방법으로 상부 거울(160)과 초격자 조절층(150)을 식각하여 레이저 기둥(170)을 형성한다.
이어서 도 9를 참조하면, 사용한 제 1 마스크(196)를 제거한 후 유전체 박막 등으로 레이저 기둥 보다 큰 제 2 마스크(198)를 형성한 후 이를 이용하여 전류제한층(140) 및 활성층(130) 일부를 식각한다. 그리고 제 2 마스크(196)를 이용하여 습식 산화방법 또는 식각 방법 등으로 전류제한층(140) 내 절연막형성층(144)의 일부를 산화 또는 제거하여 절연막층(144a)을 형성함으로써, 전류가 레이저 기둥(170) 영역으로만 흐르도록 한다.
도 10을 참조하면, 제 2 마스크(196)를 제거한 후 노출된 전극접촉층(148) 상부에 p형 전극(182)을 형성하고, 반도체 기판(100)의 뒷면을 연마한 다음, n형 전극(184)을 형성한다.
도 11에 나타난 것과 같이 전면에 유전체 박막(186)을 증착한 다음, p형 전극(182) 위의 유전체 박막 부분은 제거하고, 전극 패드(188)를 형성한다. 전극 패드(188)는 옆의 레이저 기둥과는 떨어져 있으면서 그 밑의 모든 층을 덮고 있다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 다채널 장파장 VCSEL 어레이에서의 다채널 반사율 곡선을 나타낸다. 도 3 내지 도 11을 참조하여 설명한 방법에 따라 다채널장파장 VCSEL 어레이 소자를 제작한 후 성장시의 불균일 특성을 보정하고, 공진 파장 특성을 측정한 것이다. 특히, 초격자 조절층(150)을 형성하기 위하여, 1.6 ㎚의 InAlGaAs와 1.6 ㎚의 InP를 교대로 7 주기 적층한 다음, 선택적 식각하여 8 채널의 장파장 VCSEL 어레이를 제조하였다. 도 12에서 확인할 수 있듯이, 본 발명의 실시예에 따라 제조된 다채널 장파장 VCSEL 어레이에 의하면, 최단 파장이 15690 Å 정도이고, 최장 파장이 15770 Å 정도이며, 각 채널 사이의 파장 간격은 약 10 Å 정도로 균일하다. 따라서, 본 발명에 따른 다채널 장파장 VCSEL 어레이는 균일한 채널 간격의 공진 파장 조절 특성을 갖는다.
본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 본 발명을 설명하기 위한 것이지 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 많은 변형이 가능함은 명백하다.
상기의 실시예에서 명백하게 알 수 있듯이, 본 발명이 개시하는 다채널 장파장 VCSEL 어레이는 선택적 식각 방법을 이용한 재현성 있는 어레이 구조로서, WDM 광원 구조 및 제조방법으로 활용될 수 있다. 본 발명에 따르면, 재현성 있게 공진 거리를 조절함으로써 레이저 발진 파장이 일정한 파장 간격을 갖는 다채널 장파장 VCSEL 어레이를 제조할 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 다채널 장파장 VCSEL 어레이는 균일한 채널 간격의 공진 파장 조절 특성을 갖는다.

Claims (14)

  1. 반도체 기판 상에 적층되는 하부 거울;
    상기 하부 거울 상에 적층되며 양자우물층으로 형성된 활성층;
    상기 활성층 상에 적층되며 전류 제한 및 열 전달을 효율을 높이기 위한 전류제한층;
    상기 전류제한층 상에 공진 거리 조절을 위하여 적층되며, 선택적 식각이 가능한 두개의 물질이 최대 n-1개의 주기로 형성되어 있고, 각 소자별로 0 ~ n-1개의 주기로 다르게 형성되어 최대 n개의 서로 다른 레이저 파장이 발진되도록 조절되는 어레이를 위한 초격자 조절층; 및
    상기 초격자 조절층 상에 적층된 상부 거울을 포함하는 것을 특징으로 하는 다채널 장파장 수직공진 표면방출 레이저 어레이.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 상부 거울과 하부 거울은 상기 반도체 기판에 격자 정합된 구조로서 굴절률이 다른 반도체층을 교대로 여러 주기 성장하되 한 주기의 두께가 광학길이로 레이저 발진 파장의 반이 되도록 조절한 반도체 DBR(Distributed Bragg Reflector)로 구성되는 것을 특징으로 하는 다채널 장파장 수직공진 표면방출 레이저 어레이.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 반도체 기판은 InP이고, 상기 굴절률이 다른 반도체층은 InAlAs/InAlGaAs, InGaAsP/InP, 원소 구성은 동일하되 각 원소의 몰분율이 다른 InAlGaAs/InAlGaAs 또는 원소 구성은 동일하되 각 원소의 몰분율이 다른InGaAsP/InGaAsP인 것을 특징으로 하는 다채널 장파장 수직공진 표면방출 레이저 어레이.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 활성층은 상기 반도체 기판에 격자 정합된 구조로서 양자우물 및 공간층으로 구성되며 전체 두께가 광학길이로 레이저 발진 파장의 반의 정수배가 되도록 조절된 것을 특징으로 하는 다채널 장파장 수직공진 표면방출 레이저 어레이.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 반도체 기판은 InP이고, 상기 활성층은 InAlAs/InAlGaAs, InGaAsP/InP, 원소 구성은 동일하되 각 원소의 몰분율이 다른 InAlGaAs/InAlGaAs 또는 원소 구성은 동일하되 각 원소의 몰분율이 다른InGaAsP/InGaAsP인 것을 특징으로 하는 다채널 장파장 수직공진 표면방출 레이저 어레이.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 전류제한층은 상기 반도체 기판에 격자 정합된 구조로서 열전도도가 큰 물질로 구성된 제 1 열방출층, 습식산화 또는 식각에 의해 전류 유도가 가능한 절연막형성층, 열전도도가 큰 물질로 구성된 제 2 열방출층 및 전극접촉층으로 구성된 것을 특징을 하는 다채널 장파장 수직공진 표면방출 레이저 어레이.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 초격자 조절층에 포함되는 두 개의 물질은 InAlGaAs와 InP인 것을 특징을 하는 다채널 장파장 수직공진 표면방출 레이저 어레이.
  8. 삭제
  9. 반도체 기판 상에 하부 거울을 형성하는 단계;
    상기 하부 거울 상에 양자우물층으로 형성된 활성층을 적층하는 단계;
    상기 활성층 상에 전류 제한 및 열 전달을 효율을 높이기 위한 전류제한층을 적층하는 단계;
    상기 전류제한층 상에 공진 거리 조절을 위하여 적층되며, 선택적 식각이 가능한 두개의 물질이 최대 n-1개의 주기로 형성되어 있고, 각 소자별로 0 ~ n-1개의 주기로 다르게 형성되어 최대 n개의 서로 다른 레이저 파장이 발진되도록 조절되는 어레이를 위한 초격자 조절층을 형성하는 단계;
    상기 초격자 조절층 상에 재성장 또는 증착 방법으로 상부 거울을 적층하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 다채널 장파장 수직공진 표면방출 레이저 어레이 제조방법.
  10. 삭제
  11. 제 9 항에 있어서, 상기 초격자 조절층을 형성하는 단계는 n 채널 어레이의 레이저 발진 파장을 조절하기 위하여,
    상기 전류제한층 상에 선택적 식각이 가능한 두개의 물질을 교대로 n-1 주기 적층하는 단계; 및
    어레이별로 n-1에서 0의 주기를 갖도록, 상기 교대로 n-1 주기로 적층된 두 물질을 2진 다중 식각(binary-code multiple etching)하는 단계를 포함하고, 여기서 2진 다중 식각은 n = 2m의 관계식으로부터 채널수 n에 따라 결정되는 m에 따라, 상기 두 물질을 차례로 선택하여 식각하는 선택적 식각 단계를 m번 수행하는 방법인 것을 특징을 하는 다채널 장파장 수직공진 표면방출 레이저 어레이 제조방법.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 초격자 조절층에 포함되는 두 개의 물질은 InAlGaAs와 InP이고, 상기 InAlGaAs를 식각하는 단계의 식각액은 H3P04(또는 H2SO4), H2O 및 H2O2의 혼합용액이고, 상기 InP를 식각하는 단계의 식각액은 HCl, H2O 및 H2O2의 혼합용액인 것을 특징을 하는 다채널 장파장 수직공진 표면방출 레이저 어레이 제조방법.
  13. 제 9 항에 있어서, 상부 거울을 적층하는 단계 이후,
    상기 상부 거울과 초격자 조절층을 식각하여 레이저 기둥을 형성하는 단계;
    상기 레이저 기둥 보다 큰 마스크를 형성한 후 이를 이용하여 상기 전류제한층 및 활성층 일부를 식각하는 단계; 및
    전류가 상기 레이저 기둥 영역으로만 흐르도록 상기 전류제한층 내 상기 절연막형성층의 일부를 산화 또는 제거하여 절연막층을 형성하는 단계;
    상기 마스크를 제거한 후 노출된 상기 전극접촉층 상부에 p형 전극을 형성하고, 상기 기판의 뒷면을 연마한 다음, n형 전극을 형성하는 단계; 및
    상기 p형 전극이 형성된 결과물 전면에 유전체 박막을 증착한 후, 상기 p형 전극 위의 유전체 박막 부분을 제거하고, 전극 패드를 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다채널 장파장 수직공진 표면방출 레이저 어레이 제조방법.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 절연막층을 형성하는 단계는 상기 마스크를 이용한 습식 산화방법 또는 식각 방법에 의하며, 상기 전극접촉층은 p형 도핑된 반도체인 것을 특징으로 하는 다채널 장파장 수직공진 표면방출 레이저 어레이 제조방법.
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