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KR100487224B1 - 수직공동 표면방사 레이저 및 그 제조방법 - Google Patents

수직공동 표면방사 레이저 및 그 제조방법 Download PDF

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KR100487224B1
KR100487224B1 KR10-2002-0081041A KR20020081041A KR100487224B1 KR 100487224 B1 KR100487224 B1 KR 100487224B1 KR 20020081041 A KR20020081041 A KR 20020081041A KR 100487224 B1 KR100487224 B1 KR 100487224B1
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reflector layer
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upper reflector
oxidizable
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곽규섭
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삼성전자주식회사
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Abstract

본 발명은 수직공동 표면방사 레이저에 관한 것으로, 특히 레이저의 전류 흐름을 가이드하며, 산화물에 의해 결정되는 구경(aperture)의 형태가 원형에 가깝도록 형성하기 위한 수직공동 표면방사 레이저 및 그 제조방법에 관한 것이다.
본 발명은 수직공동 표면방사 레이저의 메사 트렌치가 소정 개수의 세그먼트(segment) 구조를 갖도록 함으로써, 수직공동 표면방사 레이저의 전류 흐름을 가이드 하는 개구를 형성하기 위한 산화가능층의 산화 속도를 조절할 수 있다. 이에 따라, 상기 개구를 거의 원형에 가깝도록 형성할 수 있어, 수직공동 표면방사 레이저의 방사각 및 방사모양 제어가 용이하다.

Description

수직공동 표면방사 레이저 및 그 제조방법{VERTICAL CAVITY SURFACE EMITTING LASER AND METHOD FOR FABRICATING THE SAME}
본 발명은 수직공동 표면방사 레이저에 관한 것으로, 특히 레이저의 전류 흐름을 가이드하며, 산화물에 의해 결정되는 구경(aperture)의 형태가 원형에 가깝도록 형성하기 위한 수직공동 표면방사 레이저 및 그 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로, 수직공동 표면방사 레이저(Vertical Cavity Surface Emitting Laser: 이하, VCSEL이라 칭함)는 모서리 방사 레이저와는 달리 반도체 물질층의 적층방향으로 원형에 가까운 가우시안 빔을 출사하므로, 출사광의 형상 보정을 위한 광학계를 필요로 하지 않는다. 또한, 그 크기를 작게 할 수 있어 하나의 반도체 웨이퍼 상에 복수개의 VCSEL를 집적할 수 있으므로 이차원 배열이 용이하다. 이러한 이점에 의해, VCSEL은 광통신분야, 전자계산기, 음향 영상기기, 레이저 프린터, 레이저 스캐너 및 의료장비 등 광 응용 분야에서 널이 응용될 수 있다.
이러한 VCSEL은 전극을 통해 공급된 전류의 흐름을 가이드 하여 광출력 특성을 향상시키고자, 상부 반사기층에 형성된 절연영역을 포함한다. 절연영역 형성방법은 크게 상부반사기층을 형성한 후, 양성자, 이온 등을 주입하는 방법(Ion implantation)과, 시간을 조절하여 전류의 가이드 영역을 제외한 주변 부분을 산화시키는 선택적 산화법(oxidation)의 2가지로 나눌 수 있다. 양성자 주입법에 의한 공정은 제작상의 용이성과 수율의 측면에서 장점이 있다. 그러나, 누설전류(leakage current) 조절이 쉽지 않아 고속동작에 문제가 있으며, 또한 주입된 양성자 분포가 일정하지 않아, 양산시 재현성이 떨어지는 단점이 있다.
이에 비하여 선택적 산화법은 상부 반사기층의 하부층 일부 즉, 절연영역을 형성하고자 하는 부분을 AlGaAs로 적층한 상태로, 일 기판 상에 성장된 복수의 표면방사 레이저 주변을 식각한 후, 산화분위기에서 시간을 조절하면, 상기 AlGaAs층이 외측에서 내측으로 확산 산화되어 Al2Ox 산화 절연막 즉, 전류를 제한하는 절연영역을 형성한다.
도 1은 종래의 선택적 산화법에 의한 VCSEL의 구조를 나타낸 단면도이다. 도 2a 내지 도 2d는 VCSEL 제조과정을 나타낸 공정 단면도이고, 도 3은 도 2c 단계의 평면 적외선 카메라(Infrared Rays camera) 사진이다. 이들 도면을 참조하여, 종래의 선택적 산화법에 의한 VCSEL의 구조 및 제작공정을 살펴보면 다음과 같다.
도 1에 도시된 바와 같이, VCSEL 구조는 반도체 기판(10), 하부반사기층(n-DBR: Distributed Bragg Reflector)(11), 활성층(12), 상부반사기층(p-DBR)(14), 절연영역(15), 절연막(16), 상부전극(17) 및 하부전극(18)으로 구성된다.
제작공정은, 먼저, 도 2a에 도시된 바와 같이 반도체 기판(10) 위에 하부반사기층(11), 활성층(12), 상부반사기층(14)을 적층 형성한다. 이때, 상기 활성층(12)과 상부반사기층(14) 사이에는 이후 산화공정을 통해 절연영역(15) 형성을 위한 산화가능층(13) AlAs를 형성한다.
이어서, 도 2b에서 상기 산화가능층(13) 주변이 산화분위기에 노출될 수 있도록 상기 상부 반사기층(14) 위에 마스크 패턴을 형성한 후, 드라이 에칭을 이용한 메사(A) 에칭을 통해 트렌치(B)를 형성한다.
상기 트렌치(B) 형성 후 소정시간 동안 산화분위기를 조성하면, 도 2c에 도시된 바와 같이 상기 산화가능층(13)은 그 외측에서 내측으로 산화되어 Al2O3로 된 절연영역(15, C)이 형성된다. 이때, 산화가능층(13) 중 중앙 일부는 산화되지 않도록 선택 산화공정을 진행한다. 이와 같이 산화가능층(15') 중 산화되어 절연영역(15, C)이 형성된 영역 사이의 산화되지 않은 영역을 산화 구경(Oxidation Aperture, D)이라 하며, 이에 의해 VCSEL 출력광의 방사모양이 결정된다.
도 3은 선택 산화공정 후(도 2c 단계)의 평면도로서, 메사(A) 에칭에 의한 트렌치(B)의 구조를 알 수 있으며, 또한, 선택 산화공정에 의한 절연영역(C)과 산화 구경(D)의 모양을 자세히 알 수 있다.
끝으로, 도 2d에 도시된 바와 같이 보호막(16), 상부전극(17)을 형성하고, 래핑된 기판(10)의 하면에 하부전극(18)을 형성함으로써 VCSEL 제작이 완료된다. 이때, 상부전극(17)에는 상기 활성층(12)에서 생성된 광이 출사될 수 있도록 금속 구경(metal aperture, E)에 의한 윈도우가 형성되며, 이웃한 VCSEL과 독립적으로 구동되도록 각 VCSEL에 대해 상부전극은 독립적으로 형성된다.
상기 구조의 VCSEL은 원 칩화한 어레이 구조로 사용될 수 있으며, 절개하여 개별적으로 사용할 수 있다.
그러나, 상기 선택 산화법에 의한 VCSEL의 가장 큰 문제는 FFP(far field pattern) 제어가 어렵다는 점이다. FFP 제어는 두 가지 측면이 있는데, 하나는 방사각을 제어하는 것이고, 다른 하나는 방사모양을 제어하는 것이다. 방사각의 제어는 금속 구경과 산화 구경의 크기를 조절함으로써 적정 값을 찾아낼 수 있다. 반면, 방사모양을 제어하는 것은 산화 구경의 모양에 의해 결정되므로 그 제어가 쉽지 않다. 반도체의 격자(lattice) 방향성으로 인해 동일 조건에서 동일시간 산화공정을 진행하여도 산화되는 속도가 달라진다. 결국, 도 3에 도시된 바와 같이 대각선 방향(Di)이 수직(V), 수평 방향(H)보다 산화속도가 빨라 산화 구경의 모양이 원형이 아닌 마름모꼴을 갖게 되고, 이에 따라 방사모양을 제어하기 어려운 문제점이 따른다.
따라서, 본 발명의 목적은 반도체 격자의 방향성에 기인한 산화 속도의 차이를 극복하고, 원형에 가까운 산화 구경을 갖는 수직공동 표면방사 레이저 및 그 제조방법을 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 수직공동 표면방사 레이저는 기판과; 상기 기판 상에 적층 형성된 하부 반사기층과; 상기 하부 반사기층 상에 형성되며 광을 생성하는 활성층과; 상기 활성층 상에 형성되며 전류의 흐름을 가이드 하는 개구(aperture)를 갖도록 형성된 절연영역과; 상기 절연영역 상에 적층 형성된 상부 반사기층과; 상기 상부 반사기층, 활성층 및 하부반사기층의 적어도 일부분에 걸쳐 인입 형성되며, 상기 전류의 흐름을 가이드 하는 개구가 거의 원형을 갖도록 상기 절연영역의 산화 속도를 조절하기 위해 소정 개수의 세그먼트(segment) 구조로 형성된 트렌치와; 상기 트렌치에 형성된 절연막과; 상기 상부 반사기층 상에 형성된 상부 전극과; 상기 기판 하부에 형성된 하부전극을 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 세그먼트 구조는, 상기 절연영역 형성을 위한 산화 공정 시 수증기와 접촉되는 상기 산화가능층의 면적을 줄이도록 산화속도가 빠른 부분의 상기 산화가능층 주위에 형성됨을 특징으로 한다.
더욱 바람직하게는, 상기 세그먼트의 크기 및 개수에 의해 상기 산화가능층의 산화속도가 결정됨을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 수직공동 표면방사 레이저 제조방법은 기판 위에 하부반사기층, 활성층, 산화가능층, 상부반사기층을 적층 형성하는 단계와; 상기 상부반사기층 위에 세그먼트 구조의 마스크 패턴을 형성한 다음, 이를 식각마스크로 이용한 식각공정을 진행하여 하부의 상기 상부반사기층, 산화가능층, 활성층 및 상기 상부반사기층의 적어도 일부분에 인입된 세그먼트 구조의 트렌치를 형성하는 단계와; 소정 시간 동안 산화분위기에 노출시켜 상기 산화가능층을 선택적으로 산화시켜 중앙 일부에 개구를 갖는 절연영역을 형성하는 단계와; 상기 트렌치 및 상기 상부반사기층 가장자리에 절연막을 형성하되, 상기 상부반사기층 일부를 노출시켜 윈도우를 형성하는 단계와; 상기 절연막 상부에 상부 전극을 형성하되 상기 윈도우 주변의 상부반사기층과 접하도록 상부 전극을 형성하는 단계와; 상기 기판 하부에 하부 전극을 형성하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 도면에서 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 참조번호 및 부호로 나타내고 있음에 유의해야 한다. 또한, 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 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 VCSEL의 구조를 나타낸 일측 단면도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 VCSEL은 기판(100)과, 상기 기판(100) 위에 적층된 하부 반사기층(110), 활성층(120), 부분 산화에 의해 형성된 절연영역(150), 상부 반사기층(140), 절연막(160), 상부 전극(170) 및 상기 기판(100) 하면에 형성된 하부 전극(180)을 포함하여 구성된다.
상기 기판(100)은 예컨대 n형 분순물을 함유하는 Ga, As 등의 반도체 물질로 되어 있으며, 상기 기판(100) 위에 동일 공정에 의해 복수의 VCSEL이 동시에 형성될 수 있다.
상기 하부반사기층(n-DBR)(110)은 상기 반도체 기판(100) 위에 형성되며, 상기 기판(100)과 동일형의 불순물 예를 들면, 조성이 다른 n형 AlxGa1-xAs가 20층 이상 적층 되어 이루어진다. 상기 상부반사기층(140)은 상기 하부반사기층(110)과 반대형의 불순물을 함유하는 동일 종류의 불순물 반도체 물질로 이루어진다. 상기 상부반사기층(140)과 하부반사기층(110)은 상기 상, 하부전극(170, 180)을 통해 인가된 전류에 의해 전자와 정공의 흐름을 유도한다.
상기 활성층(120)은 전자와 정공의 재결합으로 인한 에너지 천이에 의하여 광을 생성하는 영역으로 단일 또는 다중 양자-우물 구조, 초격자(super lattice) 구조 등을 가진다.
상기 절연영역(150)은 상기 활성층(120)과 상부 반사기층(140) 사이에 형성되며, 선택 산화공정에 의해 산화된 반도체층이다. 이때, 상기 절연영역(15, C)이 형성된 영역 사이의 산화되지 않은 영역을 산화 구경(Oxidation Aperture, D)이라 한다. 이러한 산화 구경은 가능한 원형이어야 하며, 이에 의해 VCSEL 출력광의 방사모양이 결정된다. 그러나, 전술한 바와 같이 반도체층의 격자 구조상 동일 조건에서 동일시간 산화공정을 진행하여도 산화되는 속도가 달라지게 된다. 이에 본 발명에서는 트렌치 형성(메사 에칭) 시, 절연영역 형성을 위한 반도체층 중 산화 속도가 빠른 부분의 수증기와의 접촉면적을 줄이도록 상기 부분은 식각하지 않고 남도록 한다. 즉, 소정 개수의 세그먼트(segment) 구조의 트렌치를 형성한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 1 세그먼트 구조의 트렌치를 갖는 VCSEL의 평면 적외선 카메라 사진이다. 본 평면도는 트렌치 구조를 설명하기 위한 것으로, 종래구조를 나타낸 도 3과 비교할 때 1 세그먼트 구조의 트렌치(1)를 형성함으로써 메사 주위에 식각 되지 않고 남는 부분이 형성되도록 한다. 참고로, 도 3에서 메사 트렌치는 메사 주위를 모두 식각한 도우넛 형태를 갖는다. 도 5에서 미설명 부호 C는 산화된 부분이고, F는 상부반사기층 중 Al 함량이 상대적으로 많은 층이 일부 산화된 부분이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 4 세그먼트 구조의 트렌치를 갖는 VCSEL의 평면 적외선 카메라 사진이다. 4 세그먼트 구조의 트렌치(1',2,3,4)는 산화 속도가 빠른 양쪽 대각선 방향을 제외한 수직, 수평 방향의 메사 주위에 형성된다. 이와 같이 산화 속도가 빠른 부분의 메사 주위는 식각하지 않고 남겨두어 산화공정시 수증기와 접촉되는 면적을 줄임으로써 거의 원형에 가까운 산화 구경(D)이 형성됨을 알 수 있다. 이때, 세그먼트의 크기 및 개수와 산화 가능한 반도체층의 두께에 따라 산화속도가 달라지므로 이들을 적절히 조절하여 산화 구경(D)의 크기 및 모양을 조절할 수 있다. 도 6에서 미설명 부호 C는 산화된 부분이고, F는 상부반사기층 중 Al 함량이 상대적으로 많은 층이 일부 산화된 부분이다.
다시 도 4를 참조하면, 상기 절연막(160)은 상기 상부 반사기층(140)의 광이 출사될 부분과 그 주변을 제외한 전역에 걸쳐 형성되며, SiO2 등으로 형성할 수 있다.
상기 상부 전극(170)은 상기 절연막(160) 상에 형성되며, 광이 출사될 부분 주변에서 상기 상부 반사기층(140)과 접촉된다. 이때, 상부 전극 사이 간격인 금속 구경(E)에 의한 윈도우의 크기는 대략 14㎛ 이내가 되도록 형성한다.
본 실시예에서는 단일의 VCSEL을 예로 들어 그 구조를 설명하였으나, 단일 기판 상에 복수의 VCSEL를 일체로 형성한 어레이 구조도 가능하다. 이 경우, 트렌치 이외에 각 VCSEL을 구분 짖도록 이웃한 VCSEL 사이에 공간부가 형성되어 각 VCSEL를 독립적으로 구동할 수 있다.
이하, 도 7a 내지 도 7d를 참조하여 본 발명에 따른 VCSEL의 바람직한 실시예의 제조공정을 상세히 설명한다.
우선, 도 7a에 도시된 바와 같이, 반도체 기판(100) 위에 하부반사기층(110), 활성층(120), 산화가능층(130), 상부반사기층(140)을 적층 형성한다. 이때, 상기 산화가능층(130)은 이후 산화공정을 통해 절연영역(150)을 형성할 층으로, AlAs 등의 반도체층으로 형성한다. 이때, 상기 상부반사기층(140) 상에는 후술하는 산화 공정시 상기 상부반사기층(140)의 산화를 방지하기 위한 보호막(190)을 입히는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 보호막(190)은 SiO2 등의 절연막으로 형성하며, 산화공정 후 건식 또는 습식 식각공정을 통해 용이하게 제거될 수 있도록 한다.
이어서, 상기 상부반사기층(140) 또는 보호막(190) 상에 마스크 패턴을 형성한 다음 건식식각 공정을 진행하여, 도 7b에 도시된 바와 같이, 상기 상부반사기층(140), 산화가능층(130), 활성층(120) 및 적층 형성된 하부반사기층(110)의 적어도 일부분에 걸쳐 인입된 트렌치(B)를 형성한다. 이때, 산화가능층(150')의 각 방향에서의 산화속도가 균등하지 않을 경우(예를 들면, 격자 방향성으로 인해) 산화가 빠르게 진행되는 부분은 산화분위기에 덜 노출되도록 산화속도가 빠른 부분 주위는 식각되지 않고 남도록 도 6에 도시된 바와 같은 세그먼트 구조의 마스크 패턴을 형성한다.
상기 세그먼트 구조의 트렌치 형성 후, 도 7c에 도시된 바와 같이 산화분위기에 일정시간 노출시키면, 상기 산화가능층(130)은 외측에서 내측으로(I) 산화되어, 절연영역(150)이 형성된다. 절연영역(150)을 형성한 다음, 상기 보호막(190)이 형성된 경우 이를 제거하고 다음 공정을 진행한다.
끝으로, 도 7d에 도시된 바와 같이, 상기 트렌치(140) 및 상기 상부반사기층(140) 가장자리에 절연막(160)을 형성하고, 상부 전극(170) 및 하부 전극(180)을 형성하여 VCSEL을 제조한다.
한편, 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 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 발명은 VCSEL의 메사 트렌치가 소정 개수의 세그먼트(segment) 구조를 갖도록 함으로써, VCSEL의 전류 흐름을 가이드 하는 개구를 형성하기 위한 산화가능층의 산화 속도를 조절할 수 있다. 이에 따라, 상기 개구를 거의 원형에 가깝도록 형성할 수 있어, VCSEL의 방사각 및 방사모양 제어가 용이하다.
또한, 산화가능층의 산화 속도 조절을 위해 형성된 세그먼트 구조의 메사 트렌치가 스트레스 취약성을 보완하는 구조물 역할을 동시에 수행하여 기존의 도넛형 트렌치 구조에 비해 소자의 신뢰성을 높일 수 있다.
도 1은 종래의 선택적 산화법에 의한 수직공동 표면방사 레이저의 구조를 나타낸 단면도,
도 2a 내지 도 2d는 종래 수직공동 표면방사 레이저의 제조과정을 나타낸 공정 단면도,
도 3은 도 2c 단계의 평면 적외선 카메라 사진,
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 수직공동 표면방사 레이저의 구조를 나타낸 일측 단면도,
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 1 세그먼트 구조를 갖는 수직공동 표면방사 레이저의 평면 적외선 카메라 사진,
도 6는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 4 세그먼트 구조를 갖는 수직공동 표면방사 레이저의 평면 적외선 카메라 사진.
도 7a 내지 도 7d는 본 발명의 일 실시 예에 따른 수직공동 표면방사 레이저 제조과정을 나타낸 공정단면도.

Claims (6)

  1. 기판과;
    상기 기판 상에 적층 형성된 하부 반사기층과;
    상기 하부 반사기층 상에 형성되며 광을 생성하는 활성층과;
    상기 활성층 상에 형성되며 전류의 흐름을 가이드 하는 개구(aperture)를 갖도록 형성된 절연영역과;
    상기 절연영역 상에 적층 형성된 상부 반사기층과;
    상기 상부 반사기층, 활성층 및 하부반사기층의 적어도 일부분에 걸쳐 인입 형성되며, 상기 전류의 흐름을 가이드 하는 개구가 거의 원형을 갖도록 상기 절연영역 형성을 위한 산화가능층의 산화 속도를 조절하기 위해 소정 개수의 세그먼트(segment) 구조를 갖도록 형성된 트렌치와;
    상기 트렌치에 형성된 절연막과;
    상기 상부 반사기층 상에 형성된 상부 전극과;
    상기 기판 하부에 형성된 하부전극을 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 수직공동 표면방사 레이저.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 세그먼트 구조는
    상기 절연영역 형성을 위한 산화 공정 시 수증기와 접촉되는 상기 산화가능층의 면적을 줄이도록 산화속도가 빠른 부분의 상기 산화가능층 주위에 형성됨을 특징으로 하는 수직공동 표면방사 레이저.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 세그먼트의 크기 및 개수에 의해 상기 산화가능층의 산화속도가 결정됨을 특징으로 하는 수직공동 표면방사 레이저.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 세그먼트 구조는
    4 세그먼트 구조인 것을 특징으로 하는 수직공동 표면방사 레이저.
  5. 기판 위에 하부반사기층, 활성층, 산화가능층, 상부반사기층을 적층 형성하는 단계와;
    상기 상부반사기층 위에 세그먼트 구조의 마스크 패턴을 형성한 다음, 이를 식각마스크로 이용한 식각공정을 진행하여 하부의 상기 상부반사기층, 산화가능층, 활성층 및 상기 상부반사기층의 적어도 일부분에 인입된 세그먼트 구조의 트렌치를 형성하는 단계와;
    소정 시간 동안 산화분위기에 노출시켜 상기 산화가능층을 선택적으로 산화시켜 중앙 일부에 개구를 갖는 절연영역을 형성하는 단계와;
    상기 트렌치 및 상기 상부반사기층 가장자리에 절연막을 형성하되, 상기 상부반사기층 일부를 노출시켜 윈도우를 형성하는 단계와;
    상기 절연막 상부에 상부 전극을 형성하되 상기 윈도우 주변의 상부반사기층과 접하도록 상부 전극을 형성하는 단계와;
    상기 기판 하부에 하부 전극을 형성하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 수직공동 표면방사 레이저 제조방법.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 세그먼트 구조의 트렌치 형성 이전에 상기 상부반사기층 상에 산화방지 보호막을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수직공동 표면방사 레이저 제조방법.
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