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KR100345452B1 - 상부거울층 양단부에 확산영역을 구비하는 장파장표면방출 레이저 소자 및 그 제조 방법 - Google Patents

상부거울층 양단부에 확산영역을 구비하는 장파장표면방출 레이저 소자 및 그 제조 방법 Download PDF

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KR100345452B1
KR100345452B1 KR1020000076661A KR20000076661A KR100345452B1 KR 100345452 B1 KR100345452 B1 KR 100345452B1 KR 1020000076661 A KR1020000076661 A KR 1020000076661A KR 20000076661 A KR20000076661 A KR 20000076661A KR 100345452 B1 KR100345452 B1 KR 100345452B1
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유병수
권오균
주영구
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한국전자통신연구원
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Abstract

본 발명은 1.3 ㎛ 내지 1.6 ㎛ 대역의 장파장 표면방출 반도체 레이저 소자의 공진기 내에서 p형 불순물 도핑층의 흡수 손실을 억제하고, 거울층에서의 산란 손실과 효과적 전류유도에 의한 운반자 손실을 감소시킬 수 있는 표면방출 레이저 소자 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 제1 도전형의 반도체 기판, 상기 반도체 기판 상에 형성된 제1 도전형의 반도체층으로 이루어지는 하부 거울층, 상기 하부거울층 상에 형성된 활성층 및 상기 활성층 상부에 형성되며 그 중심부는 도핑되지 않고 그 양단부에 제2 도전형의 불순물 확산영역을 구비하는 상부거울층을 포함하는 표면방출 레이저 소자 및 그 제조 방법을 제공한다.

Description

상부거울층 양단부에 확산영역을 구비하는 장파장 표면방출 레이저 소자 및 그 제조 방법{Long-wavelength vertical-cavity surface-emitting laser device having diffusion area in edge of upper mirror and method for forming the same}
본 발명은 1.3 ㎛ 내지 1.6 ㎛ 대역의 장파장 표면방출 반도체 레이저 소자에 관한 것으로서, 특히 공진기 내에서의 흡수 손실을 방지하고, 전류의 흐름을 효과적으로 조절할 수 있는 Zn 확산 고효율 장파장 표면방출 레이저에 관한 것이다.
장파장 표면방출 레이저는 근/중거리 통신용 광원으로 많은 가능성을 보이고 있다. 특히 표면방출 레이저가 갖는 높은 광섬유 커플링 효율(fiber-coupling efficiency), 웨이퍼 단위의 제조에 의한 낮은 단가, 이차원 어레이(two-dimensional array) 특성 등으로 인하여 차세대 광통신 및 신호 처리용 광원으로 자리를 잡을 것으로 예측된다.
그런데 장파장 표면방출 레이저는 850 ㎚, 980 ㎚ 대역의 표면방출 레이저에 비하여 낮은 에너지의 발진 파장을 가지므로 구현하는데 있어 낮은 양자 효율, 도핑 등에 의한 높은 흡수 손실(absorption loss), 구성 물질의 낮은 열전도성(low thermal conductivity), 고효율의 균일한 전류 유도의 구조 제조 등의 어려움을 갖고 있다.
이하, 도 1을 참조하여 종래의 장파장 표면방출 레이저의 구조와 그 구조가 갖는 문제점을 설명한다.
도 1은 일반적인 내부 결함없이(defect-free) 모노리식한(monolithic) 구조로 성장된 장파장 표면방출 레이저 구조를 나타내는 단면도로서, 1.3 ㎛ 내지 1.6 ㎛ 대역의 레이저 구조 성장을 위한 InP 반도체 기판(11) 상에 형성된 n형 하부거울층(12), 상기 n형 하부거울층(12)의 표면 일부를 덮는 활성층(13), 상기 활성층(13) 상에 형성되며 레이저 기둥을 이루는 p형 상부거울층(14), 상기 활성층(13) 및 상기 상부거울층(14)의 측면 그리고 상기 활성층(13)으로 덮이지 않은 n형 하부 거울층(12)을 덮는 절연막(15), 상기 상부거울층(12)과 연결되는 제1 금속전극(16), 상기 InP 반도체 기판(11) 배면에 연결된 제2 금속전극(17)을 보이고 있다.
상기 상부거울층(14)과 하부거울층(12) 각각은 p형 및 n형으로 도핑된 다층의 반도체 DBR(distributed Bragg reflector)로서 굴절율이 다른 두 물질이 교대로 성장되어 다층 구조를 이루며 InP에 격자 정합된 InAlGaAs/InAlAs, InGaAsP/InP 등으로 이루어지며, 활성층(13)은 발진 파장인 1.3 ㎛ 내지 1.6 ㎛의 장파장에 적합한 양자우물 구조로 이루어진다.
도 1과 같은 구조를 갖는 장파장 표면방출 레이저의 제1 전극(16)과 제2 전극(17) 사이에 전류를 인가하면 식각된 레이저 기둥을 통하여 전류가 유도되고 활성층(13)의 이득이 증가하여 발진하게 된다.
전류의 인가를 위하여 상부거울층(14)과 하부거울층(12)은 각각 p형과 n형으로 도핑하여 양공과 전자의 주입이 가능하도록 되어 있다. 상기 하부거울층(12) 및 상부거울층(14)은 이질 접합의 다층 구조로 이루어지므로 계면에서의 가전도대(valence band)와 전도대(conduction band)의 불연속이 발생하여 저항을 줄이기 위해서는 1 ×1018cm-3내지 5 ×1018cm-3의 높은 농도로 도핑하여야 한다. 그런데 도핑 농도가 증가함에 따라 자유전자흡수(free carrier absorption)가 급격히 증가하고, 그에 따라 레이저 발진을 위한 문턱이득(threshold gain)이 급격히 증가하는 단점을 갖고 있다. 상기와 같은 자유전자흡수 손실을 줄이기 위하여 도핑을 감소시키면 직렬저항(series resistance)이 증가하고, 그에 따라 문턱 전압(threshold voltage) 등이 증가하고, 높은 열이 발생되어 발진 효율이 급격히 감소하는 특성을 갖게 된다.
이와 같은 이질접합 구조에 의한 저항 증가 및 도핑에 따른 흡수손실의 증가 문제는, 화합물 반도체에서는 특히 정공에 의하여 전류 흐름이 일어나는 p형 도핑된 상부거울층(14)에서 발생되는데 소자 문턱 전류, 출력 및 발진 온도 특성 향상에 큰 저해 요인이 되고 있다.
한편, 도 1과 같은 장파장 표면방출 레이저 구조에서는 전류가 식각에 의해 형성된 기둥으로 유도되므로 식각면에서의 산란 손실(scattering loss)과 전류 주입에 의한 활성층 표면에서의 재결합(surface recombination) 손실 등이 발생되는 문제점이 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명은, 1.3 ㎛ 내지 1.6 ㎛ 대역의 장파장 표면방출 반도체 레이저 소자의 공진기 내에서 p형 도핑층의 흡수손실을 억제하고, 거울층에서의 산란 손실과 효과적 전류 유도에 의한 운반자 손실을 감소시킬 수 있는 고효율 장파장 표면방출 레이저 소자 및 그 제조 방법을 제공하는데 목적이 있다.
도 1은 종래의 장파장 표면방출 레이저 구조를 나타내는 단면도,
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 Zn 확산 장파장 표면방출 레이저 소자의 단면도,
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 Zn 확산 장파장 표면방출 레이저 소자의 단면도,
도 4a 내지 도 4e는 본 발명의 일실시예에 따른 Zn 확산 장파장 표면방출 레이저 소자의 제조 공정 단면도,
도 5a 내지 도 5e는 본 발명의 다른 실시예에 따른 Zn 확산 장파장 표면방출 레이저 소자의 제조 공정 단면도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
21, 41: InP 반도체 기판 22, 42: 하부거울층
23, 43: 활성층 24, 44: 전자누설 장벽층
25, 45: 전류유도층 26, 46: 전류확대층
27, 47: 상부거울층 28, 48: Zn 확산 영역
29, 49: 절연층 30, 50: 공기층
31, 51: 제1 전극 32, 52: 제2 전극
M: 마스크 패턴
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 제1 도전형의 반도체 기판; 상기 반도체 기판 상에 형성된 제1 도전형의 반도체층으로 이루어지는 하부거울층; 상기 하부거울층 상에 형성된 활성층; 상기 활성층 상에 형성되며 상기 활성층보다 에너지 갭이 큰 반도체층으로 이루어지는 전자누설 장벽층; 상기 전자누설 장벽층 상에 형성된 제2 도전형의 반도체층으로 이루어지는 전류유도층; 상기 전류유도층 상에 형성된 제2 도전형의 반도체층으로 이루어지는 전류확대층; 및 상기 전류확대층 상에 형성되며 그 중심부는 도핑이 되지 않고, 그 양단부에 제2 도전형의 불순물 확산영역을 구비하는 반도체층으로 이루어지는 상부거울층을 포함하는 표면방출 레이저 소자를 제공한다.
또한 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 제1 도전형의 반도체 기판; 상기 반도체 기판 상에 형성된 제1 도전형의 반도체층으로 이루어지는 하부 거울층; 상기 하부거울층 상에 형성된 활성층; 및 상기 활성층 상부에 형성되며 그 중심부는 도핑되지 않고, 그 양단부에 제2 도전형의 불순물 확산영역을 구비하는 상부거울층을 포함하는 표면방출 레이저 소자를 제공한다.
또한 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 제1 도전형의 반도체 기판 상에 제1 도전형의 반도체층으로 이루어지는 하부거울층을 형성하는 제1 단계; 상기 하부거울층 상에 활성층을 형성하는 제2 단계; 상기 활성층 상에 그 각각이 제2 도전형의 반도체층으로 이루어지는 전자누설 장벽층, 전류유도층 및 전류확대층을 차례로 형성하는 제3 단계; 상기 전류확대층 상에 비도핑 반도체층으로 이루어지는 상부거울층을 형성하는 제4 단계; 상기 상부거울층 상에 마스크 패턴을 형성하는 제5 단계; 상기 마스크 패턴을 식각마스크로 이용하여 상기 상부거울층의 일부를 선택적으로 식각하여 상기 상부거울층으로 이루어지는 레이저 기둥을 형성하는 제6 단계; 상기 마스크 패턴을 확산마스크로 이용하여 상기 상부거울층 양단부에 제2 도전형 불순물 확산층을 형성하는 제7 단계; 상기 마스크 패턴을 식각마스크로 이용하여 상기 전류유도층이 노출될 때까지 상기 상부거울층과 상기 전류확대층을 식각하는 제8 단계; 상기 전류유도층을 습식식각하여 상기 제2 도전형 불순물 확산층 사이의 상기 상부거울층과 중첩되는 전류유도층 패턴을 형성하는 제9 단계; 및 상기 마스크 패턴을 제거하는 제10 단계를 포함하는 표면방출 레이저 소자 제조 방법을 제공한다.
또한 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 제1 도전형의 반도체 기판 상에 제1 도전형의 반도체층으로 이루어지는 하부거울층을 형성하는 제1 단계; 상기 하부거울층 상에 활성층을 형성하는 제2 단계; 상기 활성층 상에 제2 도전형의 반도체층으로 이루어지는 전류확대층을 형성하는 제3 단계; 상기 전류확대층 상에 비도핑 반도체층으로 이루어지는 상부거울층을 형성하는 제4 단계; 상기 상부거울층 상에 마스크 패턴을 형성하는 제5 단계; 상기 마스크 패턴을 식각마스크로 이용하여 상기 상부거울층의 일부를 선택적으로 식각해서 상기 상부거울층으로 이루어지는 레이저 기둥을 형성하는 제6 단계; 상기 마스크 패턴을 확산마스크로 이용하여 상기 상부거울층 양단부에 제2 도전형 불순물 확산층을 형성하는 제7 단계; 상기 마스크 패턴을 식각마스크로 이용하여 상기 활성층이 노출될 때까지 상기 상부거울층 및 상기 전류확대층을 식각하는 제8 단계; 상기 활성층을 습식식각하여 상기 제2 도전형 불순물 확산층 사이의 상기 상부거울층과 중첩되는 활성층 패턴을 형성하는 제9 단계; 및 상기 마스크 패턴을 제거하는 제10 단계를 포함하는 표면방출 레이저 소자 제조 방법을 제공한다.
본 발명에 따른 장파장 표면방출 반도체 레이저 소자는 상부거울층이 도핑되지 않은 DBR로 구성되므로 흡수손실이 억제되고, 전류유도층을 이용한 전류 유도로 레이저 기둥에서의 산란 손실을 크게 줄일 수 있어서 표면방출 레이저의 효율을 증가시킬 수 있다. 또한, 전류 주입을 위하여 레이저 기둥의 외각 불순물 확산 영역을 이용하므로 저항을 크게 줄일 수 있어 저항 감소에 의한 열발생 및 소모 전력을최소화할 수 있다.
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 Zn 확산 장파장 표면방출 레이저 소자 구조를 보이는 단면도로서, n형의 InP 반도체 기판(21) 상에 굴절율이 다른 두 반도체층이 다수번 교대로 적층된 반도체 DBR(distributed Bragg reflector)로 이루어지는 하부거울층(22), 레이저 이득을 위한 양자우물층 및 공간층으로 이루어지는 활성층(23), 상기 활성층(23)의 일부를 덮으며 상기 활성층(23)을 이루는 양자우물층 및 공간층 보다 에너지 갭이 큰 전자누설 장벽층(25), p형의 반도체층으로 이루어지는 전류유도층(25), 상기 전류유도층(25) 상에 형성되며 그 보다 면적이 넓은 p형 반도체층으로 이루어지는 전류확대층(26), 상기 전류확대층(26) 상에 적층된 도핑되지 않은 반도체 DBR로 이루어지는 상부거울층(27), 상기 상부거울층(27)의 일단부 및 타단부 내에 형성되며 그 저면이 p형 전류확대층(26)과 접하는 Zn 확산영역(28), 상기 상부거울층(27) 및 상기 전류확대층(26)의 측벽을 덮어 상기 전류확대층(26), 전류유도층(26), 전자누설 장벽층(24) 사이에 공기층(30)을 마련하는 절연층(29) 및 상기 p형 상부거울층(27)과 연결되는 제1 금속전극(31), 상기 n형 InP 반도체 기판(11) 배면에 연결된 제2 금속전극(32)을 보이고 있다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 Zn 확산 장파장 표면방출 레이저 소자 구조를 보이는 단면도로서, n형의 InP 반도체 기판(21) 상에 굴절율이 다른 두 반도체층이 다수번 교대로 적층된 반도체 DBR로 이루어지는 하부거울층(22), 레이저 이득을 위한 양자우물층 및 공간층으로 이루어지며 상기 하부거울층(22)의 일부를 덮는 활성층(23), 상기 활성층(23) 상에 형성되며 상기 활성층(23) 보다 면적이 넓은 p형 반도체층으로 이루어지는 전류확대층(26), 상기 전류확대층(26) 상에 적층된 도핑되지 않은 반도체 DBR로 이루어지는 상부거울층(27), 상기 상부거울층(27)의 일단부 및 타단부 내에 형성되며 그 저면이 상기 전류확대층(26)과 접하는 Zn 확산영역(28), 상기 상부거울층(27)의 측벽 및 상기 하부거울층(23)의 표면 일부를 덮으며 상기 하부거울층(22), 활성층(23) 및 전류확대층(26) 사이에 공기층(30)을 마련하는 절연층(29) 및 상기 p형 상부 거울층(27)과 연결되는 제1 금속전극(31), 상기 n형 InP 반도체 기판(1) 배면에 연결된 제2 금속전극(32)을 보이고 있다.
도 2 및 도 3과 같은 표면방출 레이저 소자 구조에서, 상기 하부거울층(22)은 n형의 반도체 DBR층이 InP에 격자 정합되는 InAlAs/InAlGaAs, InGaAsP/InP, 또는 Inx(AlyGa1-y)1-xAs/Inx'(Aly'Ga1-y')1-x'As, InxGa1-xAsyP1-y/Inx'Ga1-x'Asy'P1-y'(상기 x, x', y, y' 각각은 0과 1 사이의 실수이며 x≠x', y≠y'이다 ) 등과 같이 굴절률이 다른 반도체 박막층이 교대로 성장되어 이루어지며, 한 주기의 두께가 다음의 수학식1과 같이 정의되는 광학길이로서 레이저 발진 파장의 1/2의 정수배가 되도록 한다.
광학길이 = 물질의 두께 ×발진파장에서의 굴절률
그리고 양자우물 및 공간층으로 이루어지는 활성층(23)은 전체 두께가 광학길이로 발진파장의 1/2의 정수배가 되도록 구성한다.
상기 전류유도층(25)은 p형의 반도체층으로 구성되며 선택적 식각에 의하여 공기층(30)이 형성될 수 있도록 상부거울층(27), 활성층(23), 전자누설 장벽층(24) 및 전류확대층(26)을 구성하는 InP에 격자 정합되는 InAlGaAs, InGaAsP 또는 InP와 다른 조성의 물질로 InP의 격자 정합되는 화합물 반도체인 InP, InGaAsP, 또는 InAlGaAs등으로 형성되어 용이한 선택적 식각이 가능하도록 하며, 전류유도층(25)의 폭은 5 ㎛ 내지 50 ㎛가 되도록 한다.
상기 상부거울층(27)은 흡수 손실을 없애기 위하여 도핑되지 않은 반도체 DBR층이 InP에 격자 정합되는 InAlAs/InAlGaAs, InGaAsP/InP, Inx(AlyGa1-y)1-xAs/Inx'(Aly'Ga1-y')1-x'As 또는 InxGa1-xAsyP1-y/Inx'Ga1-x'Asy'P1-y'(상기 x, x', y, y' 각각은 0과 1 사이의 실수이며 x≠x', y≠y'이다) 등으로 형성되며, 상기 상부거울층(27)은 식각에 의하여 활성층(23) 및 하부거울층(22) 보다 면적이 좁은 기둥 모양으로 형성되고, 그 양단부는 전류 주입을 위하여 정공의 전도도가 높은 p형의 특성을 지닌 Zn 확산영역(28)을 구비한다. 그리고, 계면에서의 산란 손실을 줄이기 위하여 전류유도층(25)이 Zn 확산 영역(28)과 중첩하지 않고 그 사이의 상기 상부거울층(27)과 중첩되도록 한다.
상기 제1 금속전극(31), 제2 금속전극(32) 각각은 Ti/Pt/Au, Ti/Au, Au 또는 AuGe/Ni/Au, Au 등으로 형성한다.
도 2와 같은 구조의 Zn 확산 장파장 표면방출 레이저 소자에서는, 제1 금속전극(31)으로부터 주입된 전류가 상부거울층(27)의 Zn 확산된 영역(28)을 지나 전류확대층(26), 전류유도층(25)으로 흐르고 활성층(23)에 전류가 유도된다. 이때, 레이저의 전류 주입 영역은 전류유도층(25)에 의하여 결정된다.
그리고 도 3과 같은 구조의 Zn 확산 장파장 표면방출 레이저 소자에서는, 제1 금속전극(31)으로부터 주입된 전류가 상부거울층(27)의 Zn 확산영역(28)을 통과하여 활성층(23)에 전류가 유도된다. 이때, 레이저의 전류 주입 영역은 활성층(23)에 의하여 결정된다.
도 2 및 도 3과 같은 구조의 Zn 확산 장파장 표면방출 레이저 소자는, 상부거울층(27)의 중심부는 도핑되지 않은 상태이므로 광 흡수에 의한 손실이 없어 고효율 레이저 발진이 가능하게된다. 그리고 상부거울층(27)의 레이저 기둥 단면적을 전류유도층(25)의 단면적 보다 크게 형성함으로써 레이저 기둥과 절연막 또는 공기의 계면에서 발생되는 산란 손실을 없앨 수 있다. 전기적 측면에서도 Zn 확산영역(28)을 2 ×1018cm-3내지 50 ×1018cm-3으로 높게 도핑할 수 있어서 전류 주입시 저항을 감소시킬 수 있고, 그에 따라 전력 소모 및 열 발생을 최소화하여 고출력, 고온 발진의 표면방출 레이저 제조가 가능하다.
이하, 도 4a 내지 도 4e를 참조하여 도 2와 같은 구조의 Zn 확산 장파장 표면방출 레이저 소자의 제조 방법을 설명한다.
먼저 도 4a에 보이는 바와 같이, n형의 InP 반도체 기판(41) 상에 InP에 격자 정합되며 굴절률이 다른 n형의 반도체 박막층이 교대로 적층되어 이루어지는 DBR로 구성된 하부거울층(42), 양자우물 및 공간층으로 이루어지는 활성층(43), 전자누설 장벽층(44), 전류유도층(45), 전류확대층(46), 굴절률이 다르며 도핑되지 않은 반도체 박막이 교대로 적층되어 이루어지는 DBR로 구성된 상부거울층(47)을 형성하고, 상부거울층(47) 상에 SiNx유전체 박막을 증착하고 패터닝하여 레이저 기둥 패턴을 정의하는 마스크 패턴(M)을 형성한다.
다음으로 BCl3, Cl2, CH4, H2, Ar등을 가스로 사용한 이온(빔)식각 방법으로 상부거울층(47)의 일부 두께를 선택적으로 식각하여 도 4b에 도시한 바와 같이 레이저 기둥을 형성하고, 상기 마스크 패턴(M)을 확산마스크로 이용하여 상부거울층(47) 양단부에 1 ㎛ 내지 10 ㎛ 깊이로 Zn을 확산시켜 그 저면이 p형 전류확대층(46)과 접하는 Zn 확산영역(48)을 형성한다. 상기 Zn 확산영역(48)은 Zn3P2등을 시료와 함께 400 ℃ 내지 500 ℃의 고온에서 열처리하여 Zn이 시료 속으로 확산되게 한다.
그리고 도 4c에 도시한 바와 같이 상기 마스크 패턴(M)을 식각마스크로 이용하고 BCl3, Cl2, CH4, H2또는 Ar 등을 가스로 사용한 이온(빔)식각 방법으로 전류유도층(45)이 노출될 때까지 상부거울층(47)과 전류확대층(46)을 식각한다.
이어서 습식식각 방법을 이용하여 도 4d에 보이는 바와 같이 전류유도층(45)만 선택적으로 일부 제거한다. 이러한 습식식각 후 남아있는 전류유도층(45)이 Zn 확산영역(48) 사이 도핑되지 않은 상부거울층(44)과 중첩되도록 한다. 즉, 전류유도층(45)이 상부거울층(47) 내 Zn이 확산되지 않은 영역의 폭에 비하여 작게되도록 전류유도층(45)의 일부를 식각하여 전류유도층(45), 전류확대층(46) 및 전자누설 장벽층(44) 사이에 공기층(50)이 마련되도록 한다.
상기 습식식각은, 전류유도층(45)이 InP 또는 InGaAsP로 이루어지고, 상부거울층(47), 전자누설 장벽층(44) 및 전류확대층(46) 각각이 InAlGaAs로 이루어진 경우 선택적으로 전류유도층(45)을 식각하기 위하여 HCl, H2O 및 H202의 혼합용액 등을 이용하며, 또한 전류유도층(45)이 InAlGaAs로 이루어지고, 상부거울층(47), 전자누설 장벽층(44) 및 전류확대층(46))이 InP 또는 InGaAsP로 이루어진 경우 선택적으로 전류유도층(45)을 식각하기 위하여 H3PO4,H2O 및 H202의 혼합용액 등을 각각 이용한다.
다음으로 도 4e에 도시한 바와 같이, 상기 마스크 패턴(M)을 식각하여 제거한 후 전체 구조 상에 유전체막 또는 폴리이미드 등으로 이루어지는 절연층(49)을 형성하고 선택적으로 식각하여 상기 상부거울층(47) 및 상기 전류확대층(46) 측벽과 상기 전자누설 장벽층(44) 표면을 덮는 절연층(49) 패턴을 형성해서 전류확대층(46), 전류유도층(45) 및 전자누설 장벽층(44) 사이에 공기층(50)을 마련한다. 이어서, 상기 p형 상부거울층(47)과 연결되는 제1 금속전극(51)을 Au 또는 Ti/Au, Ti/Pt/Au로 형성하고, 상기 n형 InP 반도체 기판(41) 뒷면을연마(polishing) 한 후, 반도체 기판(41)에 연결되는 제2 금속전극(52)을 형성한다. 한편, 반도체 기판(41) 배면의 반사 정도에 따라 뒷면에서의 반사를 감소시키기 위하여 유전체 박막을 제2 전극(52)이 없는 부분에 형성할 수도 있다.
이하, 도 5a 내지 도 5e를 참조하여 도 3과 같은 구조의 Zn 확산 장파장 표면방출 레이저 소자의 제조 방법을 설명한다.
먼저 도 5a에 보이는 바와 같이, n형의 InP 반도체 기판(41) 상에 InP에 격자 정합되며 굴절률이 다른 n형의 반도체 박막층이 교대로 적층되어 이루어지는 DBR로 구성된 하부거울층(42), 양자우물 및 공간층으로 이루어지는 활성층(43), 전류확대층(46), 굴절률이 다르며 도핑되지 않은 반도체 박막이 교대로 적층되어 이루어지는 DBR로 구성된 상부거울층(47)을 형성하고, 상부거울층(47) 상에 SiNx유전체 박막을 증착하고 패터닝하여 레이저 기둥 패턴을 정의하는 마스크 패턴(M)을 형성한다.
다음으로 BCl3, Cl2, CH4, H2, Ar등을 가스로 사용한 이온(빔)식각 방법으로 상부거울층(47)의 일부 두께를 선택적으로 식각하여 도 5b에 도시한 바와 같이 레이저 기둥을 형성하고, 상기 마스크 패턴(M)을 확산마스크로 이용하여 상부거울층(47) 양단부에 1 ㎛ 내지 10 ㎛ 깊이로 Zn을 확산시켜 그 저면이 p형 전류확대층(46)과 접하는 Zn 확산영역(48)을 형성한다. 상기 Zn 확산영역(48)은 Zn3P2등을 시료와 함께 400 ℃ 내지 500 ℃의 고온에서 열처리하여 Zn이 시료 속으로 확산되게 한다.
그리고 도 5c에 도시한 바와 같이 상기 마스크 패턴(M)을 식각마스크로 이용하고 BCl3, Cl2, CH4, H2또는 Ar 등을 가스로 사용한 이온(빔)식각 방법으로 활성층(43)이 노출될 때까지 상부거울층(47)과 전류확대층(46)을 식각한다.
이어서 습식식각 방법을 이용하여 도 5d에 보이는 바와 같이 활성층(43)만 선택적으로 일부 제거한다. 이러한 습식식각 후 남아있는 활성층(43)이 Zn 확산영역(48) 사이 도핑되지 않은 상부거울층(44)과 중첩되도록 한다. 즉, 활성층(43)이 상부거울층(47) 내 Zn이 확산되지 않은 영역의 폭에 비하여 작게되도록 활성층(43)의 일부를 식각하여 하부거울층(42), 활성층(43), 및 전류확대층(46) 사이에 공기층(50)이 마련되도록 한다.
다음으로 도 5e에 도시한 바와 같이, 상기 마스크 패턴(M)을 식각하여 제거한 후 전체 구조 상에 유전체막 또는 폴리이미드 등으로 이루어지는 절연층(49)을 형성하고 선택적으로 식각하여 상기 상부거울층(47) 및 상기 전류확대층(46)의 측벽과 상기 하부거울층(42) 표면을 덮는 절연층(49) 패턴을 형성해서 전류확대층(46), 활성층(43) 및 하부거울층(42) 사이에 공기층(50)을 마련한다. 이어서, 상기 p형 상부거울층(47)과 연결되는 제1 금속전극(51)을 Au 또는 Ti/Au, Ti/Pt/Au로 형성하고, 상기 n형 InP 반도체 기판(41) 뒷면을 연마(polishing)한 후, 반도체 기판(41)에 연결되는 제2 금속전극(52)을 형성한다. 한편, 반도체 기판(41) 배면의 반사 정도에 따라 뒷면에서의 반사를 감소시키기 위하여 유전체 박막을 제2 전극(52)이 없는 부분에 형성할 수도 있다.
본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술 분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
상기와 같이 이루어지는 본 발명은 장파장 표면방출 레이저의 효율을 향상시켜, 손실이 적고 열발생 및 전력 소모를 최소화할 수 있는 고효율 표면방출 레이저 광원으로 사용될 수 있다.
특히 상부거울층의 자유 전자 흡수 손실을 없애고, 산란 손실 및 저항을 최소화함으로서 고온에서의 발진이 가능하게 하는 특성을 갖는다. 따라서 안정된 특성의 장파장 레이저 광원으로 활용될 수 있다.

Claims (28)

  1. 표면방출 레이저 소자에 있어서,
    제1 도전형의 반도체 기판;
    상기 반도체 기판 상에 형성된 제1 도전형의 반도체층으로 이루어지는 하부거울층;
    상기 하부거울층 상에 형성된 활성층;
    상기 활성층 상에 형성되며 상기 활성층보다 에너지 갭이 큰 반도체층으로 이루어지는 전자누설 장벽층;
    상기 전자누설 장벽층 상에 형성된 제2 도전형의 반도체층으로 이루어지는 전류유도층;
    상기 전류유도층 상에 형성된 제2 도전형의 반도체층으로 이루어지는 전류확대층; 및
    상기 전류확대층 상에 형성되며 그 중심부는 도핑이 되지 않고, 그 양단부에 제2 도전형의 불순물 확산영역을 구비하는 반도체층으로 이루어지는 상부거울층
    을 포함하는 표면방출 레이저 소자.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 전류확대층은 상기 전류유도층 보다 상대적으로 면적이 넓은 것을 특징으로 하는 표면방출 레이저 소자.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 전류유도층은 상기 상부거울층의 중심부와 중첩되는 것을 특징으로 하는 표면방출 레이저 소자.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 상부거울층의 측벽 및 상기 전류확대층 각각의 측벽을 덮어 그 일측면, 상기 전류확대층, 상기 전류유도층 및 상기 전자누설 장벽층 사이에 공기층을 마련하는 절연층을 포함하는 것을 특징으로 하는 표면방출 레이저 소자.
  5. 표면방출 레이저 소자에 있어서,
    제1 도전형의 반도체 기판;
    상기 반도체 기판 상에 형성된 제1 도전형의 반도체층으로 이루어지는 하부 거울층;
    상기 하부거울층 상에 형성된 활성층; 및
    상기 활성층 상부에 형성되며 그 중심부는 도핑되지 않고, 그 양단부에 제2도전형의 불순물 확산영역을 구비하는 상부거울층
    을 포함하는 표면방출 레이저 소자.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 활성층과 상기 상부거울층 사이에,
    상기 활성층을 덮으며 상기 활성층 보다 상대적으로 면적이 큰 제2 도전형의 반도체층으로 이루어지는 전류확대층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 표면방출 레이저 소자.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 활성층은 상기 상부거울층의 중심부와 중첩되는 것을 특징으로 하는 표면방출 레이저 소자.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 상부거울층 및 상기 전류확대층 각각의 측벽을 덮어 그 일측면, 상기 전류확대층, 상기 활성층 및 상기 하부거울층 사이에 공기층을 마련하는 절연층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 표면방출 레이저 소자.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 불순물 확산영역은,
    Zn 확산영역인 것을 특징으로 하는 표면방출 레이저 소자.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 상부거울층 및 상기 하부거울층 각각은,
    굴절률이 다른 다수의 반도체층이 번갈아 적층된 구조로 이루어지는 것을 특징으로 하는 표면방출 레이저 소자.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 상부거울층에 연결된 제1 전극; 및
    상기 반도체 기판에 연결된 제2 전극을 더 포함하는 표면방출 레이저 소자.
  12. 제 9 항에 있어서,
    상기 활성층은,
    양자우물층 및 공간층을 포함하는 것을 특징으로 하는 표면방출 레이저 소자.
  13. 제 10 항에 있어서,
    상기 굴절률이 다른 다수의 반도체층으로 이루어지는 한주기의 두께는 광학길이로 레이저 발진 파장의 반인 것을 특징으로 하는 표면방출 레이저 소자.
  14. 제 10 항에 있어서,
    상기 반도체 기판은 InP 기판이고,
    상기 하부거울층 및 상기 상부거울층 각각은 InP에 격자 정합되는 InAlAs/InAlGaAs, InGaAsP/InP, 또는 Inx(AlyGa1-y)1-xAs/Inx'(Aly'Ga1-y')1-x'As, InxGa1-xAsyP1-y/Inx'Ga1-x'Asy'P1-y'(상기 x, x', y, y' 각각은 0과 1 사이의 실수이며 x≠x', y≠y'이다 )으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 표면방출 레이저 소자.
  15. 제 12 항에 있어서,
    상기 활성층은 InP에 격자 정합되는 InAlGaAs/InAlAs, InAlGaAs/InGaAsP,InAlGaAs/InP로 이루어지며,
    상기 활성층의 두께는 발진파장의 1/2의 정수배인 것을 특징으로 하는 표면방출 레이저 소자.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 전류확대층은 InP에 격자 정합되는 반도체층으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 표면방출 레이저 소자.
  17. 제 15 항에 있어서,
    상기 전류유도층은 InP에 격자 정합되는 InP, InGaAsP 또는 InAlGaAs으로 이루어지며 그 폭은 5 ㎛ 내지 50 ㎛인 것을 특징으로 하는 표면방출 레이저 소자.
  18. 표면방출 레이저 소자 제조 방법에 있어서,
    제1 도전형의 반도체 기판 상에 제1 도전형의 반도체층으로 이루어지는 하부거울층을 형성하는 제1 단계;
    상기 하부거울층 상에 활성층을 형성하는 제2 단계;
    상기 활성층 상에 그 각각이 제2 도전형의 반도체층으로 이루어지는 전자누설 장벽층, 전류유도층 및 전류확대층을 차례로 형성하는 제3 단계;
    상기 전류확대층 상에 비도핑 반도체층으로 이루어지는 상부거울층을 형성하는 제4 단계;
    상기 상부거울층 상에 마스크 패턴을 형성하는 제5 단계;
    상기 마스크 패턴을 식각마스크로 이용하여 상기 상부거울층의 일부를 선택적으로 식각하여 상기 상부거울층으로 이루어지는 레이저 기둥을 형성하는 제6 단계;
    상기 마스크 패턴을 확산마스크로 이용하여 상기 상부거울층 양단부에 제2 도전형 불순물 확산층을 형성하는 제7 단계;
    상기 마스크 패턴을 식각마스크로 이용하여 상기 전류유도층이 노출될 때까지 상기 상부거울층과 상기 전류확대층을 식각하는 제8 단계;
    상기 전류유도층을 습식식각하여 상기 제2 도전형 불순물 확산층 사이의 상기 상부거울층과 중첩되는 전류유도층 패턴을 형성하는 제9 단계; 및
    상기 마스크 패턴을 제거하는 제10 단계
    를 포함하는 표면방출 레이저 소자 제조 방법.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 제10 단계 후,
    상기 상부거울층 및 상기 전류확대층 각각의 측벽을 덮어 그 일측면, 상기전류확대층, 상기 전류유도층 및 상기 전자누설 장벽층 사이에 공기층을 마련하는 절연층을 형성하는 제11 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 표면방출 레이저 소자 제조 방법.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 제3 단계에서, 상기 전류유도층을 InP 또는 InGaAsP으로 형성하고, 상기 전자누설 장벽층 및 상기 전류확대층 각각을 InAlGaAs로 형성하고,
    상기 제4 단계에서, 상기 상부거울층을 InAlGaAs로 형성하고,
    상기 제9 단계에서, HCl, H2O 및 H202의 혼합용액을 이용하여 상기 전류유도층을 습식식각하는 것을 특징으로 하는 표면방출 레이저 소자 제조 방법.
  21. 제 19 항에 있어서,
    상기 제3 단계에서, 상기 전류유도층을 InAlGaAs로 형성하고, 상기 전자누설 장벽층 및 상기 전류확대층 각각을 InP 또는 InGaAsP로 형성하고,
    상기 제4 단계에서 상부거울층을 InP 또는 InGaAsP로 형성하고,
    상기 제9 단계에서, H3PO4,H2O 및 H202의 혼합용액으로 상기 전류유도층을 습식식각하는 것을 특징으로 하는 표면방출 레이저 소자 제조 방법.
  22. 표면방출 레이저 소자 제조 방법에 있어서,
    제1 도전형의 반도체 기판 상에 제1 도전형의 반도체층으로 이루어지는 하부거울층을 형성하는 제1 단계;
    상기 하부거울층 상에 활성층을 형성하는 제2 단계;
    상기 활성층 상에 제2 도전형의 반도체층으로 이루어지는 전류확대층을 형성하는 제3 단계;
    상기 전류확대층 상에 비도핑 반도체층으로 이루어지는 상부거울층을 형성하는 제4 단계;
    상기 상부거울층 상에 마스크 패턴을 형성하는 제5 단계;
    상기 마스크 패턴을 식각마스크로 이용하여 상기 상부거울층의 일부를 선택적으로 식각해서 상기 상부거울층으로 이루어지는 레이저 기둥을 형성하는 제6 단계;
    상기 마스크 패턴을 확산마스크로 이용하여 상기 상부거울층 양단부에 제2 도전형 불순물 확산층을 형성하는 제7 단계;
    상기 마스크 패턴을 식각마스크로 이용하여 상기 활성층이 노출될 때까지 상기 상부거울층 및 상기 전류확대층을 식각하는 제8 단계;
    상기 활성층을 습식식각하여 상기 제2 도전형 불순물 확산층 사이의 상기 상부거울층과 중첩되는 활성층 패턴을 형성하는 제9 단계; 및
    상기 마스크 패턴을 제거하는 제10 단계
    를 포함하는 표면방출 레이저 소자 제조 방법.
  23. 제 22 항에 있어서,
    상기 제10 단계 후,
    상기 상부거울층의 측벽 및 상기 전류확대층의 측벽을 덮어 그 일측면, 상기 전류확대층, 상기 활성층 및 상기 하부거울층 사이에 공기층을 마련하는 절연층을 형성하는 제11 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 표면방출 레이저 소자 제조 방법.
  24. 제 18 항 내지 제 22 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제7 단계에서,
    Zn을 확산시켜 상기 불순물 확산영역을 형성하는 것을 특징으로 하는 표면방출 레이저 소자 제조 방법.
  25. 제 24 항에 있어서,
    상기 제7 단계에서,
    Zn3P2을 400 ℃ 내지 500 ℃에서 열처리하여 상기 상부거울층 양단부에 Zn을 확산시켜 상기 불순물 확산영역을 형성하는 것을 특징으로 하는 표면방출 레이저 소자 제조 방법.
  26. 제 18 항 내지 제 22 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 단계에서,
    상기 반도체 기판에 격자정합되며 굴절률이 다른 다수의 제1 도전형 반도체층을 교대로 적층하여 상기 하부거울층을 형성하고,
    상기 제4 단계에서,
    굴절률이 다르며 도핑되지 않은 다수의 반도체층을 교대로 적층하여 상기 상부거울층을 형성하는 것을 특징으로 하는 표면방출 레이저 소자 제조 방법.
  27. 제 18 항 내지 제 22 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 마스크 패턴을,
    실리콘 질화막으로 형성하는 것을 특징으로 하는 표면방출 레이저 소자 제조 방법.
  28. 제 18 항 내지 제 22 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 상부거울층에 연결되는 제1 전극 및 상기 반도체 기판에 연결되는 제2 전극을 형성하는 제12 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 표면방출 레이저 소자 제조 방법.
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