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KR102645382B1 - 표면발광 레이저소자 및 이를 포함하는 발광장치 - Google Patents

표면발광 레이저소자 및 이를 포함하는 발광장치 Download PDF

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KR102645382B1
KR102645382B1 KR1020180054093A KR20180054093A KR102645382B1 KR 102645382 B1 KR102645382 B1 KR 102645382B1 KR 1020180054093 A KR1020180054093 A KR 1020180054093A KR 20180054093 A KR20180054093 A KR 20180054093A KR 102645382 B1 KR102645382 B1 KR 102645382B1
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layer
pattern
reflective layer
aperture
laser device
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김백준
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쑤저우 레킨 세미컨덕터 컴퍼니 리미티드
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Abstract

실시예는 표면발광 레이저소자 및 이를 포함하는 발광장치에 관한 것이다.
실시예에 따른 표면방출 레이저소자는 제1 반사층(220); 상기 제1 반사층(220) 상에 배치되는 활성영역(230); 상기 활성영역(230) 상에 배치되며, 애퍼처(aperture)(241) 및 절연영역(242)을 포함하는 애퍼처 영역(240); 상기 애퍼처 영역(240) 상에 배치되는 제2 반사층(250); 상기 제2 반사층(250) 상에 배치되는 컨택 전극(282); 및 상기 컨택 전극(282)사이에 배치되는 렌즈패턴(290);을 포함하고, 상기 렌즈패턴(290)은 지지패턴(290a); 상기 지지패턴(290a)상에 배치된 경사패턴(290b);을 포함할 수 있다.

Description

표면발광 레이저소자 및 이를 포함하는 발광장치{A SURFACE-EMITTING LASER DEVICE AND LIGHT EMITTING DEVICE INCLUDING THE SAME}
실시예는 반도체 소자에 관한 것으로, 보다 상세하게는 표면발광 레이저소자 및 이를 포함하는 발광장치에 관한 것이다.
GaN, AlGaN 등의 화합물을 포함하는 반도체 소자는 넓고 조정이 용이한 밴드 갭 에너지를 가지는 등의 많은 장점을 가져서 발광 소자, 수광 소자 및 각종 다이오드 등으로 다양하게 사용될 수 있다.
특히, 반도체의 3-5족 또는 2-6족 화합물 반도체 물질을 이용한 발광 다이오드(Light Emitting Diode)나 레이저 다이오드(Laser Diode)와 같은 발광소자는 박막 성장 기술 및 소자 재료의 개발로 적색, 녹색, 청색 및 자외선 등 다양한 색을 구현할 수 있으며, 형광 물질을 이용하거나 색을 조합함으로써 효율이 좋은 백색 광선도 구현이 가능하며, 형광등, 백열등 등 기존의 광원에 비해 저 소비전력, 반영구적인 수명, 빠른 응답속도, 안전성, 환경 친화성의 장점을 가진다.
뿐만 아니라, 광검출기나 태양 전지와 같은 수광 소자도 반도체의 3-5족 또는 2-6족 화합물 반도체 물질을 이용하여 제작하는 경우 소자 재료의 개발로 다양한 파장 영역의 빛을 흡수하여 광 전류를 생성함으로써 감마선부터 라디오 파장 영역까지 다양한 파장 영역의 빛을 이용할 수 있다. 또한 빠른 응답속도, 안전성, 환경 친화성 및 소자 재료의 용이한 조절의 장점을 가져 전력 제어 또는 초고주파 회로나 통신용 모듈에도 용이하게 이용할 수 있다.
따라서, 광 통신 수단의 송신 모듈, LCD(Liquid Crystal Display) 표시 장치의 백라이트를 구성하는 냉음극관(CCFL: Cold Cathode Fluorescence Lamp)을 대체하는 발광 다이오드 백라이트, 형광등이나 백열 전구를 대체할 수 있는 백색 발광 다이오드 조명 장치, 자동차 헤드 라이트 및 신호등 및 Gas나 화재를 감지하는 센서 등에까지 응용이 확대되고 있다.
또한, 고주파 응용 회로나 기타 전력 제어 장치, 통신용 모듈에까지 응용이 확대될 수 있다. 예를 들어, 종래 반도체 광원소자 기술 중에, 수직공진형 표면발광 레이저(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser: VCSEL)가 있는데, 이는 광 통신, 광병렬 처리, 광연결 등에 사용되고 있다. 한편, 이러한 통신용 모듈에서 사용되는 레이저 다이오드의 경우, 저전류에서 작동하기 하도록 설계되어 있다.
한편 기존의 데이터(Data) 광통신용 구조에서는 응답속도가 중요하였으나, 최근 센서용 고전압 패키지(High Power PKG)에 적용되면서 광출력과 전압 효율이 중요한 특성이 된다.
예를 들어, 3D 센싱 카메라는 객체의 심도 정보(Depth Information)를 포착할 수 있는 카메라로서, 최근 증강현실과 맞물려 각광을 받고 있다. 한편, 카메라 모듈의 심도 센싱을 위해서는 별도 센서를 탑재하며, 구조광(Structured Light: SL) 방식과 ToF(Time of Flight) 방식 등 두 가지로 구분된다.
구조광(SL) 방식은 특정 패턴의 레이저를 피사체에 방사한 후 피사체 표면의 모양에 따라 패턴이 변형된 정도를 분석해 심도를 계산한 후 이미지센서가 찍은 사진과 합성해 3D 촬영 결과를 얻게 된다.
이에 비해 ToF 방식는 레이저가 피사체에 반사되어 돌아오는 시간을 측정해 심도를 계산한 후, 이미지센서가 찍은 사진과 합성해 3D 촬영 결과를 얻게 되는 방식이다.
이에 따라 SL 방식은 레이저가 매우 정확하게 위치해야 하는 반면에, ToF 기술은 향상된 이미지센서에 의존한다는 점에서 대량 생산에 유리한 장점이 있으며, 하나의 휴대폰에 어느 하나의 방식 또는 두 가지 방식 모두를 채용할 수도 있다.
예를 들어, 휴대폰의 전면에 트루뎁스(True Depth)라는 3D 카메라를 SL 방식으로 구현할 수 있고, 후면에는 ToF 방식으로 적용할 수도 있다.
한편, VCSEL을 구조광(Structured Light) 센서, ToF(Time of Flight)센서, 또는 LDAF(Laser Diode Autofocus) 등에 적용하게 되면 고 전류에서 작동하게 되므로 광도출력이 감소하거나 문턱 전류가 증가하는 등의 문제점이 발생한다.
앞서 기술한 바와 같이, VCSEL 패키지 기술 중에 ToF 방식은 광원인 VCSEL 칩과 디퓨져(diffuser)를 통한 플래시 형태(Flash type)의 펄스 프로젝션(Pulse Projection)으로 반사 펄스(reflected pulse) 빔의 시간차를 계산하여 심도(Depth)를 추출한다.
예를 들어, VCSEL 칩에서의 빔 발산(beam divergence)과 디퓨져 빔 각(Diffuser beam angle)의 조합으로 FOI(Field of Interest)와 FOV(Field Of View)를 결정하는 방식에 대한 예시도이다. FOI와 FOV 결정하기 위해서는 VCSEL 칩에서의 빔 발산(beam divergence)의 제어가 중요하다.
이에 따라 VCSEL 기술에서 FOI와 FOV를 제어하기 위해서는 VCSEL 칩에서의 빔 발산 모드(beam divergence mode) 및 빔 발산 각(beam divergence angle)의 제어가 중요하다.
한편, 종래기술에서 고출력 VCSEL 패키지 구조에서는 일정한 화각(Field Of View,FOV) 형성 위해 확산부(Diffuser)를 채용하고 있는데, 차량이나 모바일에서 사용 중 충격 등에 의해 확산부가 이탈하는 경우에 VCSEL의 레이저(laser)가 직접적으로 사람의 눈에 조사될 경우, 사람이 실명할 수도 있는 위험성이 있다. 이에 따라, 차량에 적용되거나 사람의 움직임 등의 응용 분야에 적용되면서도, 사람에게 직접적인 강한 빛이 입사되는 것을 방지할 수 있는 VCSEL 패키지에 대한 연구가 필요한 실정이다.
또한 종래기술에서 반도체 소자가 고출력, 고전압 구동이 요구되는 상황에서 습기 침투는 반도체 소자의 기계적, 전기적 신뢰성에 부정적 영향을 주고 있으나 이에 대한 적절한 대응방안이 마련되지 못하는 상황이다.
또한 종래기술에서 활성영역인 애퍼처에 손상이 발생되어 광 출력이 저하되는 문제가 있다.
실시예는 안전성이 우수한 표면발광 레이저소자 및 이를 포함하는 발광장치를 제공하고자 한다.
또한 실시예는 신뢰성이 우수한 표면발광 레이저소자 및 이를 포함하는 발광장치를 제공하고자 한다.
또한 실시예는 전기적 특성이 우수한 표면발광 레이저소자 및 이를 포함하는 발광장치를 제공하고자 한다.
또한 실시예는 애퍼처의 손상을 방지할 수 있는 표면발광 레이저소자 및 이를 포함하는 발광장치를 제공하고자 한다.
실시예의 기술적 과제는 본 항목에 기재된 내용에 한정되는 것은 아니며, 발명의 설명 전체로부터 파악될 수 있는 것도 포함한다.
실시예에 따른 표면방출 레이저소자는 제1 반사층(220); 상기 제1 반사층(220) 상에 배치되는 활성영역(230); 상기 활성영역(230) 상에 배치되며, 애퍼처(aperture)(241) 및 절연영역(242)을 포함하는 애퍼처 영역(240); 상기 애퍼처 영역(240) 상에 배치되는 제2 반사층(250); 상기 제2 반사층(250) 상에 배치되는 컨택 전극(282); 및 상기 컨택 전극(282)사이에 배치되는 렌즈패턴(290);을 포함하고, 상기 렌즈패턴(290)은 지지패턴(290a); 상기 지지패턴(290a)상에 배치된 경사패턴(290b)을 포함할 수 있다.
실시예에서 상기 렌즈패턴(290)의 전체 수평 폭은 상기 애퍼처(241)의 수평 폭에 비해 크게 형성될 수 있다.
상기 렌즈패턴(290)은, 수직 단면이 피라미드 형상을 포함할 수 있다.
상기 렌즈패턴(290)은, 수직 단면이 콘 형상을 포함할 수 있다.
상기 렌즈패턴(290)의 경사패턴(290b)이 절연영역(242)에 수직한 제2 축(y)과 이루는 제1 각(θ1)은 최대 발산 각(θ)보다는 클 수 있다.
상기 최대 발산 각(θ)은, 상기 애퍼처(241) 최 외곽에서 발산한 레이저가 상기 렌즈패턴(290) 중 최 외곽의 렌즈패턴(290)을 통과하는 경우의 발산 각일 수 있다.
상기 렌즈패턴의 경사패턴(290b)이 상기 제2 축(y)과 이루는 제1 각(θ1)은 상기 경사패턴(290b)이 상기 제2 축(y)에 수직한 제1 축(x)과 이루는 제2 각(θ2)보다 클 수 있다.
상기 렌즈패턴(290)에서 지지패턴(290a)의 제1 높이(H1)는 상기 렌즈패턴(290)에서 경사패턴(290b)의 제2 높이(H2)보다 클 수 있다.
실시예에 따른 발광장치는 상기 어느 하나의 표면발광 레이저소자를 포함할 수 있다.
실시예에 의하면 안전성이 우수한 표면발광 레이저소자 및 이를 포함하는 발광장치를 제공할 수 있다.
예를 들어, 실시예에 의하면, 상기 컨택 전극(282)의 사이의 영역에서 상기 제2 반사층(250)이 노출되는 영역에는 배치되는 렌즈패턴(290)을 포함하고, 상기 렌즈패턴(290)은 상기 애퍼처(241)와 상하간에 중첩되도록 함으로써 굴절 광학계를 통하여 집중된 빔(focused beam)을 확산하여 레이저(Laser) 구동이 인체에 무해하도록 하는 기술적 효과가 있다.
또한 실시예에서 렌즈패턴(290)의 경사패턴(290b)이 절연영역(242)에 수직한 제2 축(y)과 이루는 제1 각(θ1)은 앞에서 구한 최대 발산 각(θ)보다는 커야 더 넓은 FOV를 얻으면서 시각에 안전할 수 있는 기술적 효과가 있다.
또한 실시예에서 상기 렌즈패턴(290)의 전체 수평 폭은 상기 애퍼처(241)의 수평 폭에 비해 크게 형성됨으로써 더 넓은 FOV를 얻으면서 시각에 안전할 수 있는 기술적 효과가 있다.
다음으로, 실시예에 의하면 신뢰성이 우수한 표면발광 레이저소자 및 이를 포함하는 발광장치를 제공할 수 있다.
예를 들어, 방수나 방습 조건에서 신뢰성 시험에서 컨택 전극(282)의 사이의 영역에서 상기 제2 반사층(250)이 노출되는 영역에는 배치되는 렌즈패턴(290)이 패시베이션 역할을 하여 습기의 전극, 애퍼처나 절연영역 등에 대한 외부 침투를 막음으로써 신뢰성이 우수한 표면발광 레이저소자 및 이를 포함하는 발광장치를 제공할 수 있다.
다음으로 실시예에 의하면 전기적 특성이 우수한 표면발광 레이저소자 및 이를 포함하는 발광장치를 제공할 수 있다.
예를 들어, 컨택 전극을 포함하는 제2 전극에 대해 렌즈패턴이 제2 전극의 측면부에 대해 몰딩(molding)을 통하여 누설전류(Current Leakage)이 개선이 가능하여 전기적 특성을 향상시킬 수 있다.
다음으로 실시예에 의하면 애퍼처의 손상을 방지할 수 있는 표면발광 레이저소자 및 이를 포함하는 발광장치를 제공할 수 있다.
예를 들어, 렌즈패턴이 패시베이션 역할로 레이저 소자에서 가장 중요한 애퍼처(Aperture)의 보호 역할을 통하여 외부 손상(damage)을 최소화 할 수 있으며, 이로 인한 애퍼처 크랙(Aperture Crack) 등에 대한 보호 가능한 기술적 효과가 있다.
실시예의 기술적 효과는 본 항목에 기재된 내용에 한정되는 것은 아니며, 발명의 설명 전체로부터 파악될 수 있는 것을 포함한다.
도 1은 실시예에 따른 표면발광 레이저소자의 평면도.
도 2는 도 1에 도시된 실시예에 따른 표면발광 레이저소자의 제1 영역(C1) 확대도.
도 3는 도 2에 도시된 실시예에 따른 표면발광 레이저소자의 A1-A2 선을 따른 제1 단면도.
도 4은 도 3에 도시된 실시예에 따른 표면발광 레이저소자의 제1 부분(B1) 단면도.
도 5a와 도 5b는 실시예의 표면발광 레이저소자에서 렌즈패턴에 대한 평면과 단면의 예시도.
도 6은 실시예의 표면발광 레이저소자에서 발산 각에 대한 개념도.
도 7은 도 6에 도시된 제1 영역(P)에 대한 제1 부분 확대도.
도 8은 도 6에 도시된 제1 영역(P)에 대한 제2 부분 확대도.
도 9a 내지 도 17은 실시예에 따른 표면발광 레이저소자의 제조공정도.
도 18은 실시예에 따른 표면발광 레이저소자가 적용된 이동 단말기의 사시도.
이하 상기의 과제를 해결하기 위한 구체적으로 실현할 수 있는 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다.
실시예의 설명에 있어서, 각 element의 " 상(위) 또는 하(아래)(on or under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, 상(위) 또는 하(아래)(on or under)는 두 개의 element가 서로 직접(directly)접촉되거나 하나 이상의 다른 element가 상기 두 element사이에 배치되어(indirectly) 형성되는 것을 모두 포함한다. 또한 "상(위) 또는 하(아래)(on or under)"으로 표현되는 경우 하나의 element를 기준으로 위쪽 방향뿐만 아니라 아래쪽 방향의 의미도 포함할 수 있다.
(실시예)
도 1는 실시예에 따른 표면발광 레이저소자(201)의 평면도이며, 도 2는 도 1에 도시된 실시예에 따른 표면발광 레이저소자의 제1 영역(C1) 확대도이다.
우선 도 1를 참조하면, 실시예에 따른 표면발광 레이저소자(201)는 발광부(E)와 패드부(P)를 포함할 수 있으며, 상기 발광부(E)는 도 2와 같이 복수의 발광 에미터(E1, E2, E3)를 포함할 수 있으며, 수십에서 수백 개의 발광 에미터를 포함할 수 있다.
다음으로 도 2를 참조하면, 실시예에서 표면발광 레이저소자(201)는 개구부인 애퍼처(241) 외의 영역에 제2 전극(280)이 배치되며, 상기 애퍼처(241)에 대응되는 영역에 렌즈패턴(290)이 배치될 수 있으며, 렌즈패턴(290)에 대해서는 도 5a 내지 도 8에서 상술하기로 한다.
다음으로, 도 3는 도 2에 도시된 실시예에 따른 표면발광 레이저소자의 A1-A2 선을 따른 제1 단면도이다.
도 3을 참조하면, 실시예에서 표면발광 레이저소자(201)는 제1 전극(215), 기판(210), 제1 반사층(220), 활성영역(230), 애퍼처 영역(240), 제2 반사층(250), 제2 전극(280), 패시베이션층(270) 및 렌즈패턴(290) 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
상기 애퍼처 영역(240)은 개구부인 애퍼처(241)(aperture) 및 절연영역(242)을 포함할 수 있다. 상기 절영영역(242)은 전류차단 기능으로 하며 산화층으로 칭해질 수 있으며, 상기 애퍼처 영역(240)은 산화영역으로 칭해질 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 제2 전극(280)은 컨택 전극(282)과 패드 전극(284)을 포함할 수 있다.
다음으로 도 4는 도 3에 도시된 실시예에 따른 표면발광 레이저소자의 제1 부분(B1)의 확대 단면도이다.
이하 도 3과 도 4를 중심으로 실시예에 따른 표면발광 레이저소자(201)의 기술적 특징을 설명하기로 하며, 도 5 내지 도 8을 참조하여 기술적 효과도 함께 설명하기로 한다. 실시예의 도면에서 x축의 방향은 기판(210)의 길이방향에 평행한 수평자표축 방향일 수 있으며, y축은 x축에 수직한 수직좌표축 방향일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
<기판, 제1 전극>
우선, 도 3를 참조하면, 실시예에서 기판(210)은 전도성 기판 또는 비전도성 기판일 수 있다. 전도성 기판을 사용할 경우 전기 전도도가 우수한 금속을 사용할 수 있고, 표면발광 레이저소자(201) 작동 시 발생하는 열을 충분히 발산시킬 수 있어야 하므로 열전도도가 높은 GaAs 기판, 또는 금속기판을 사용하거나 실리콘(Si) 기판 등을 사용할 수 있다.
비전도성 기판을 사용할 경우, AlN 기판이나 사파이어(Al2O3) 기판 또는 세라믹 계열의 기판을 사용할 수 있다.
실시예에서 기판(210)의 하부에 제1 전극(215)이 배치될 수 있으며, 상기 제1 전극(215)은 도전성 재료로 단층 또는 다층으로 배치될 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 전극(215)은 금속일 수 있고, 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 크롬(Cr), 니켈(Ni), 구리(Cu), 금(Au) 중 적어도 하나를 포함하여 단층 또는 다층 구조로 형성되어 전기적 특성을 향상시켜 광출력을 높일 수 있다.
<제1 반사층, 제2 반사층>
도 4를 참조하면, 상기 제1 반사층(220)은 제1 도전형으로 도핑될 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 도전형 도펀트는 Si, Ge, Sn, Se, Te 등과 같은 n형 도펀트를 포함할 수 있다.
또한 상기 제1 반사층(220)은 갈륨계 화합물, 예를 들면 AlGaAs를 포함할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 제1 반사층(220)은 분산 브래그 반사기(DBR: Distributed Bragg Reflector)일 수 있다. 예를 들어, 제1 반사층(220)은 서로 다른 굴절 률을 가지는 물질로 이루어진 제1 층 및 제2 층이 교대로 적어도 1회 이상 적층된 구조일 수 있다.
예를 들어, 도 4와 같이, 상기 제1 반사층(220)은 기판(210) 상에 배치된 제1 그룹 제1 반사층(221) 및 상기 제1 그룹 제1 반사층(221) 상에 배치된 제2 그룹 제1 반사층(222)을 포함할 수 있다.
제1 그룹 제1 반사층(221)과 제2 그룹 제1 반사층(222)은 AlxGa(1-x)As(0<x<1)의 조성식을 갖는 반도체 물질로 이루어진 복수의 층을 구비할 수 있으며, 각 층 내의 Al이 증가하면 각 층의 굴절률은 감소하고, Ga가 증가하면 각 층의 굴절률은 증가할 수 있다.
그리고, 각각의 층의 두께는 λ/4n일 수 있고, λ는 활성영역(230)에서 발생하는 광의 파장일 수 있고, n은 상술한 파장의 광에 대한 각 층의 굴절률일 수 있다. 여기서, λ는 650 내지 980나노미터(nm)일 수 있고, n은 각층의 굴절률일 수 있다. 이러한 구조의 제1 반사층(220)은 약 940 나노미터의 파장 영역의 광에 대하여 99.999%의 반사율을 가질 수 있다.
각 제1 반사층(220)에서의 층의 두께는 각각의 굴절률과 활성영역(230)에서 방출되는 광의 파장 λ에 따라 결정될 수 있다.
또한 도 4와 같이, 제1 그룹 제1 반사층(221)과 제2 그룹 제1 반사층(222)도 각각 단일 또는 복수의 층으로 형성될 수 있다.
예를 들어, 제1 그룹 제1 반사층(221)은 제1 그룹 제1-1 층(221a)과 제1 그룹 제1-2 층(221b)의 약 30~40 페어(pair)를 포함할 수 있다. 상기 제1 그룹 제1-1 층(221a)은 상기 제1 그룹 제1-2 층(221b)보다 두껍게 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 그룹 제1-1 층(221a)은 약 40~60nm로 형성될 수 있고, 상기 제1 그룹 제1-2 층(221b)은 약 20~30nm로 형성될 수 있다.
또한, 제2 그룹 제1 반사층(222)도 제2 그룹 제1-1 층(222a)과 제2 그룹 제1-2 층(222b)의 약 5~15 페어(pair)를 포함할 수 있다. 상기 제2 그룹 제1-1 층(222a)은 상기 제2 그룹 제1-2 층(222b)보다 두껍게 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 그룹 제1-1 층(222a)은 약 40~60nm로 형성될 수 있고, 상기 제2 그룹 제1-2 층(222b)은 약 20~30nm로 형성될 수 있다.
또한 도 4와 같이, 상기 제2 반사층(250)은 갈륨계 화합물 예를 들면 AlGaAs를 포함할 수 있으며, 제2 반사층(250)은 제2 도전형 도펀트가 도핑될 수 있다. 상기 제2 도전형 도펀트는 Mg, Zn, Ca, Sr, Ba 등과 같은 p형 도펀트일 수 있다. 한편, 제1 반사층(220)이 p형 도펀트로 도핑될 수도 있고, 제2 반사층(250)이 n형 도펀트로 도핑될 수도 있다.
상기 제2 반사층(250)도 분산 브래그 반사기(DBR: Distributed Bragg Reflector)일 수 있다. 예를 들어, 제2 반사층(250)은 서로 다른 굴절률을 가지는 물질로 이루어진 복수의 층이 교대로 적어도 1회 이상 적층된 구조일 수 있다.
제2 반사층(250)의 각 층은 AlGaAs를 포함할 수 있고, 상세하게는 AlxGa(1-x)As(0<x<1)의 조성식을 갖는 반도체 물질로 이루어질 수 있다. 여기서, Al이 증가하면 각 층의 굴절률은 감소하고, Ga가 증가하면 각 층의 굴절률은 증가할 수 있다. 그리고, 제2 반사층(250)의 각 층의 두께는 λ/4n이고, λ는 활성층에서 방출되는 광의 파장일 수 있고, n은 상술한 파장의 광에 대한 각 층의 굴절률일 수 있다.
이러한 구조의 제2 반사층(250)은 약 940 나노미터의 파장 영역의 광에 대하여 99.9%의 반사율을 가질 수 있다.
상기 제2 반사층(250)은 층들이 교대로 적층되어 이루어질 수 있으며, 제1 반사층(220) 내에서 층들의 페어(pair) 수는 제2 반사층(250) 내에서 층들의 페어 수보다 더 많을 수 있으며, 이때 상술한 바와 같이 제1 반사층(220)의 반사율은 99.999% 정도로서 제2 반사층(250)의 반사율인 99.9%보다 클 수 있다.
실시예에서 제2 반사층(250)은 상기 활성영역(230)에 인접하게 배치된 제1 그룹 제2 반사층(251) 및 상기 제1 그룹 제2 반사층(251)보다 상기 활성영역(230)에서 이격배치 된 제2 그룹 제2 반사층(252)을 포함할 수 있다.
도 4와 같이, 제1 그룹 제2 반사층(251)과 제2 그룹 제2 반사층(252)도 각각 단일 또는 복수의 층으로 형성될 수 있다.
예를 들어, 제1 그룹 제2 반사층(251)은 제1 그룹 제2-1 층(251a)과 제1 그룹 제2-2 층(251b)의 약 1~5 페어(pair)를 포함할 수 있다. 상기 제1 그룹 제2-1 층(251a)은 상기 제1 그룹 제2-2 층(251b)보다 두껍게 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 그룹 제2-1 층(251a)은 약 40~60nm로 형성될 수 있고, 상기 제1 그룹 제2-2 층(251b)은 약 20~30nm로 형성될 수 있다.
또한, 제2 그룹 제2 반사층(252)도 제2 그룹 제2-1 층(252a)과 제2 그룹 제2-2 층(252b)의 약 5~15 페어(pair)를 포함할 수 있다. 상기 제2 그룹 제2-1 층(252a)은 상기 제2 그룹 제2-2 층(252b)보다 두껍게 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 그룹 제2-1 층(252a)은 약 40~60nm로 형성될 수 있고, 상기 제2 그룹 제2-2 층(252b)은 약 20~30nm로 형성될 수 있다.
<활성영역>
계속하여 도 4를 참조하면, 활성영역(230)이 제1 반사층(220)과 제2 반사층(250) 사이에 배치될 수 있다.
상기 활성영역(230)은 활성층(232)과 적어도 하나 이상의 캐비티(231, 233)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 활성영역(230)은 활성층(232)과, 상기 활성층(232)의 하측에 배치되는 제1 캐비티(231), 상측에 배치되는 제2 캐비티(233)를 포함할 수 있다. 실시예의 활성영역(230)은 제1 캐비티(231)와 제2 캐비티(233)를 모두 포함하거나, 둘 중의 하나만 포함할 수도 있다.
상기 활성층(232)은 단일 우물구조, 다중 우물구조, 단일 양자우물 구조, 다중 양자우물(MQW: Multi Quantum Well) 구조, 양자점 구조 또는 양자선 구조 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 활성층(232)은 Ⅲ-Ⅴ족 원소의 화합물 반도체 재료를 이용하여 양자우물층(232a)과 양자벽층(232b)을 포함할 수 있다. 상기 양자우물층(232a)은 상기 양자벽층(232b)의 에너지 밴드 갭보다 작은 에너지 밴드 갭을 갖는 물질로 형성될 수 있다. 상기 활성층(232)은 InGaAs/AlxGaAs, AlGaInP/GaInP, AlGaAs/AlGaAs, AlGaAs/GaAs, GaAs/InGaAs 등의 1 내지 3 페어 구조로 형성될 수 있으나 이에 한정되지는 않는다. 상기 활성층(232)에는 도펀트가 도핑되지 않을 수 있다.
다음으로 상기 제1 캐비티(231)와 상기 제2 캐비티(233)는 AlyGa(1-y)As(0<y<1) 물질로 형성될 수 있으나 이에 한정되지 않는다. 예를 들어, 상기 제1 캐비티(231)와 상기 제2 캐비티(233)는 각각 AlyGa(1-y)As으로된 복수의 층을 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 제1 캐비티(231)는 제1-1 캐비티층(231a)과 제1-2 캐비티층(231b)을 포함할 수 있다. 상기 제1-1 캐비티층(231a)은 상기 제1-2 캐비티층(231b)에 비해 상기 활성층(232)에서 더 이격될 수 있다. 상기 제1-1 캐비티층(231a)은 상기 제1-2 캐비티층(231b)에 비해 더 두껍게 형성될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
예를 들어, 상기 제1-1 캐비티층(231a)이 약 60~70nm로 형성되고, 상기 제1-2 캐비티층(231b)은 약 40~55nm로 형성될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
또한 상기 제2 캐비티(233)는 제2-1 캐비티층(233a)과 제2-2 캐비티층(233b)을 포함할 수 있다. 상기 제2-2 캐비티층(233b)은 상기 제2-1 캐비티층(233a)에 비해 상기 활성층(232)에서 더 이격될 수 있다. 상기 제2-2 캐비티층(233b)은 상기 제2-1 캐비티층(233a)에 비해 더 두껍게 형성될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 제2-2 캐비티층(233b)이 약 60~70nm로 형성되고, 상기 제2-1 캐비티층(233a)은 약 40~55nm로 형성될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
<애퍼처 영역>
다시 도 3를 참조하면, 실시예에서 애퍼처 영역(240)은 절연영역(242)과 애퍼처(241)를 포함할 수 있다. 상기 애퍼처(241)는 개구로 칭해질 수 있으며, 상기 애퍼처 영역(240)은 개구 영역으로 칭해질 수도 있다.
상기 절연영역(242)은 절연층, 예를 들어 알루미늄 산화물로 이루어져서 전류 차단영역으로 작용할 수 있으며, 절연영역(242)에 의해 광 발산 영역인 애퍼처(241)가 정의될 수 있다.
예를 들어, 상기 애퍼처 영역(240)이 AlGaAs(aluminum gallium arsenide)를 포함하는 경우, 애퍼처 영역(240)의 AlGaAs가 H2O와 반응하여 가장자리가 알루미늄산화물(Al2O3)로 변함에 따라 절연영역(242)이 형성될 수 있고, H2O와 반응하지 않은 중앙영역은 AlGaAs로 이루어진 애퍼처(241)가 될 수 있다.
실시예에 의하면, 애퍼처(241)를 통해 활성영역(230)에서 발광된 광을 상부 영역으로 발산할 수 있으며, 절연영역(242)과 비교하여 애퍼처(241)의 광 투과율이 우수할 수 있다.
도 4를 참조하면 상기 절연영역(242)은 복수의 층을 포함할 수 있으며, 예를 들어, 상기 절연영역(242)은 제1 절연층(242a) 및 제2 절연층(242b)을 포함할 수 있다. 상기 제1 절연층(242a)의 두께는 상기 제2 절연층(242b)과 서로 같거나 서로 다른 두께로 형성될 수 있다.
<제2 전극, 패시베이션층>
다시 도 3를 참조하면, 실시예에 따른 표면방출 레이저소자(201)는 제2 반사층(250)으로부터 애퍼처 영역(240)과 활성영역(230)까지 메사 식각되어 에미터가 정의될 수 있다. 또한, 제1 반사층(220)의 일부까지도 메사 식각될 수 있다.
제2 반사층(250) 상에는 제2 전극(280) 배치될 수 있으며, 상기 제2 전극(280)은 컨택 전극(282)과 패드 전극(284)을 포함할 수 있다.
상기 컨택 전극(282)의 사이의 영역에서 제2 반사층(250)이 노출되는 영역에는 렌즈패턴(290)이 배치될 수 있으며 이후 상술하기로 하며, 상기 렌즈패턴(290)은 애퍼처(241)와 상하간에 중첩될 수 있다. 상기 컨택 전극(282)은 제2 반사층(250)과 패드 전극(284) 사이의 오믹 접촉특성을 향상시킬 수 있다.
제2 전극(280)은 도전성 재료로 이루어질 수 있고, 예를 들면 금속일 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 전극(280)은 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 크롬(Cr), 니켈(Ni), 구리(Cu), 금(Au) 중 적어도 하나를 포함하여 단층 또는 다층 구조로 형성될 수 있다.
도 3에서 메사 식각된 발광 구조물의 측면과 상부면 및 제1 반사층(220)의 상부면에 패시베이션층(270)이 배치될 수 있다. 패시베이션층(270)은 소자 단위로 분리된 표면방출 레이저소자(201)의 측면에도 배치되어, 표면방출 레이저소자(201)를 보호하고 절연시킬 수 있다. 패시베이션층(270)은 절연성 물질로 이루어질 수 있고, 예를 들면 질화물 또는 산화물로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 패시베이션층(270)은 폴리이미드(Polymide), 실리카(SiO2), 또는 질화 실리콘(Si3N4) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
패시베이션층(270)은 발광 구조물의 상부면에서의 두께가 컨택 전극(282)보다 얇을 수 있으며, 이를 통해 컨택 전극(282)이 패시베이션층(270) 상부로 노출될 수 있다. 노출된 컨택 전극(282)과 전기적으로 접촉하며 패드 전극(284)이 배치될 수 있는데, 패드 전극(284)은 패시베이션층(270)의 상부로 연장되어 배치되어 외부로부터 전류를 공급받을 수 있다.
<렌즈패턴>
도 3과 같이, 실시예는 컨택 전극(282)의 사이의 영역에서 제2 반사층(250)이 노출되는 영역에는 렌즈패턴(290)이 배치될 수 있으며, 상기 렌즈패턴(290)은 애퍼처(241)와 상하간에 중첩될 수 있다.
실시예에서 상기 렌즈패턴(290)의 전체 수평 폭은 상기 애퍼처(241)의 수평 폭에 비해 크게 형성되어 더 넓은 화각을 확보할 수 있다.
다음으로 도 5a와 도 5b는 실시예의 표면발광 레이저소자에서 렌즈패턴(290)에 대한 평면과 단면 예시도이다.
예를 들어, 도 5a와 같이 실시예의 표면발광 레이저소자에서 제1 렌즈패턴(291)의 입체 형상은 끝이 잘린 콘 형상일 수 있다.
또한 예를 들어, 도 5b와 같이 실시예의 표면발광 레이저소자에서 제2 렌즈패턴(292)의 입체 형상은 끝이 잘린 피라미드 형상일 수 있다.
도 5a와 도 5b와 같이, 실시예의 표면발광 레이저소자에서 렌즈패턴(290)은 그 입체 형상이 콘 형상 또는 피라미드 형상일 수 있으며, 그 단면은 부분 확대 사시도와 같이 사다리꼴 형상일 수 있다.
이에 따라 제1 렌즈패턴(291) 또는 제2 렌즈패턴(292)의 단면에서 밑변의 제1 폭(W1)는 윗변의 제2 폭(W2)보다 클 수 있다.
다음으로, 도 6은 실시예의 표면발광 레이저소자에서 발산 각에 대한 개념도이다.
예를 들어, 실시예에 따른 표면발광 레이저소자에서 절연영역(242)에 의해 정의되는 애퍼처(241)에서 출사된 레이저 빔은 제2 전극(280)의 컨택 전극(282) 사이의 렌즈패턴(290)를 통해 출사되며, 컨택 전극(282)에 인접하여 출사될 때 최대 발산 각(θ)을 가질 수 있다.
실시예에서는 발산 각(θ)을 최대로 설정하고 제어함으로써 안전성이 우수한 표면발광 레이저소자 및 이를 포함하는 발광장치를 제공할 수 있다.
도 6을 참조하면, 발산각(θ)에 대한 관계식은 아래 수학식 1로 표현될 수 있다.
이때, a는 절연영역(242) 또는 애퍼처(241)와 렌즈패턴(290)까지의 수직거리일 수 있으며, 약 3㎛일 수 있다. 또한 b 값은 컨택 전극(282) 사이의 내부 거리에서 애퍼처(241)의 지름을 뺀 값의 1/2이며, 약 8.5㎛일 수 있다.
이에 따라 수학식 1에 따라 최대 발산 각(θ)을 구하면 약 70.56˚이다.
이때 컨택 전극(282)의 두께(T1)은 약 1㎛일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
다음으로, 도 7은 도 6에 도시된 제1 영역(P)에 대한 부분 확대도이다.
실시예에 의하면, 렌즈패턴(290)은 지지패턴(290a)과 경사패턴(290b)을 포함할 수 있다. 상기 렌즈패턴(290)에서 경사패턴(290b)의 단면형상은 사다리꼴 형상일 수 있다.
실시예에서 렌즈패턴(290)의 경사패턴(290b)이 절연영역(242)에 수직한 제2 축(y)과 이루는 제1 각(θ1)은 앞에서 구한 최대 발산 각(θ)보다는 커야 더 넓은 FOV를 얻으면서 시각에 안전할 수 있다.
상기 최대 발산 각(θ)은 애퍼처(241) 최 외곽에서 발산한 레이저가 상기 렌즈패턴(290) 중 최 외곽의 렌즈패턴(290)을 통과하는 경우의 발산 각을 의미할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
이에 따라 렌즈패턴(290)의 경사패턴(290b)이 절연영역(242)과 수직한 제2 축(y)과 이루는 제1 각(θ1)은 약 70.56˚보다 클 수 있으며 약 89.99˚ 보다 작을 수 있고, 상기 경사패턴(290b)이 절연영역(242)과 수평한 제1 축(X)과 이루는 제2 각(θ2)은 약 00.01˚ 보다 클 수 있으며 약 19.44˚ 보다 작을 수 있다.
이에 따라 실시예에서 렌즈패턴의 경사패턴(290b)이 절연영역(242)과 수직한 제2 축(y)과 이루는 제1 각(θ1)은 경사패턴(290b)이 절연영역(242)과 수평한 제1 축(x)과 이루는 제2 각(θ2)보다 클 수 있다.
다음으로 도 8은 도 6에 도시된 제1 영역(P)에 대한 제2 부분 확대도이다.
실시예에서 렌즈패턴(290)은 지지패턴(290a)과 경사패턴(290b)을 포함할 수 있다. 실시예에서 지지패턴(290a)의 수평 폭(L)은 약 3㎛일 수 있다. 이에 따라 지지패턴(290a)에서 제1 영역의 제1 폭(L1), 제2 영역의 제2 폭(L2), 제3 영역의 제3 폭(L3)은 각각 약 1㎛일 수 있다.
이에 따라, 도 8을 참조하면, 아래 수학식 2와 같다.
Figure 112018046310984-pat00002
이때, L1은 렌즈패턴(290)에서 경사패턴(290b)의 수평폭(L)의 1/3인 약 1㎛일 수 있다.
그러므로, tanθ2=tan19.44˚=0.354=H2
θ2>19.44˚이므로, 이에 H2는 0.354보다 작을 수 있다.
이때 H1은 컨택 전극(282)의 두께인 1㎛일 수 있다.
이에 따라 렌즈패턴(290)에서 지지패턴(290a)의 제1 높이(H1)는 렌즈패턴의 경사패턴(290b)의 제2 높이(H2)보다 클 수 있다.
실시예에서 렌즈패턴(290)에서 지지패턴(290a)의 제1 높이(H1)는 렌즈패턴의 경사패턴(290b)의 제2 높이(H2)보다 크게 제어함으로써 넓은 FOV를 얻으면서 시각에 안전할 수 있는 기술적 효과가 있다.
실시예에 의하면 안전성이 우수한 표면발광 레이저소자 및 이를 포함하는 발광장치를 제공할 수 있다.
예를 들어, 실시예에 의하면, 상기 컨택 전극(282)의 사이의 영역에서 상기 제2 반사층(250)이 노출되는 영역에는 배치되는 렌즈패턴(290)을 포함하고, 상기 렌즈패턴(290)은 상기 애퍼처(241)와 상하간에 중첩되도록 함으로써 굴절 광학계를 통하여 집중된 빔(focused beam)을 확산하여 레이저(Laser) 구동이 인체에 무해하도록 하는 기술적 효과가 있다.
또한 실시예에서 렌즈패턴(290)의 경사패턴(290b)이 절연영역(242)에 수직한 제2 축(y)과 이루는 제1 각(θ1)은 앞에서 구한 최대 발산 각(θ)보다는 커야 더 넓은 FOV를 얻으면서 시각에 안전할 수 있는 기술적 효과가 있다.
또한 실시예에서 상기 렌즈패턴(290)의 전체 수평 폭은 상기 애퍼처(241)의 수평 폭에 비해 크게 형성됨으로써 더 넓은 FOV를 얻으면서 시각에 안전할 수 있는 기술적 효과가 있다.
다음으로, 실시예에 의하면 신뢰성이 우수한 표면발광 레이저소자 및 이를 포함하는 발광장치를 제공할 수 있다.
예를 들어, 방수나 방습 조건에서 신뢰성 시험에서 컨택 전극(282)의 사이의 영역에서 상기 제2 반사층(250)이 노출되는 영역에는 배치되는 렌즈패턴(290)이 패시베이션 역할을 하여 습기의 전극, 애퍼처나 절연영역 등에 대한 외부 침투를 막음으로써 신뢰성이 우수한 표면발광 레이저소자 및 이를 포함하는 발광장치를 제공할 수 있다.
다음으로 실시예에 의하면 전기적 특성이 우수한 표면발광 레이저소자 및 이를 포함하는 발광장치를 제공할 수 있다.
예를 들어, 컨택 전극을 포함하는 제2 전극에 대해 렌즈패턴이 제2 전극의 측면부에 대해 몰딩(molding)을 통하여 누설전류(Current Leakage)이 개선이 가능하여 전기적 특성을 향상시킬 수 있다.
다음으로 실시예에 의하면 애퍼처의 손상을 방지할 수 있는 표면발광 레이저소자 및 이를 포함하는 발광장치를 제공할 수 있다.
예를 들어, 렌즈패턴이 패시베이션 역할로 레이저 소자에서 가장 중요한 애퍼처(Aperture)의 보호 역할을 통하여 외부 손상(damage)을 최소화 할 수 있으며, 이로 인한 애퍼처 크랙(Aperture Crack) 등에 대한 보호 가능한 기술적 효과가 있다.
(제조방법)
이하 도 9a 내지 도 17을 참조하여 실시예에 따른 표면발광 레이저소자의 제조방법을 설명하기로 한다.
우선, 도 9a와 같이, 기판(210) 상에 제1 반사층(220), 활성영역(230) 및 제2 반사층(250)을 포함하는 발광구조물을 형성시킨다.
상기 기판(210)은 반도체 물질 성장에 적합한 물질이나 캐리어 웨이퍼로 형성될 수 있으며, 열 전도성이 뛰어난 물질로 형성될 수 있고, 전도성 기판 또는 절연성 기판을 포함할 수 있다.
예를 들어, 기판(210)이 전도성 기판인 경우, 전기 전도도가 우수한 금속을 사용할 수 있고, 표면발광 레이저소자(200) 작동 시 발생하는 열을 충분히 발산시킬 수 있어야 하므로 열전도도가 높은 GaAs 기판, 또는 금속기판을 사용하거나 실리콘(Si) 기판 등을 사용할 수 있다.
또한 기판(210)이 비전도성 기판인 경우, AlN 기판이나 사파이어(Al2O3) 기판 또는 세라믹 계열의 기판을 사용할 수 있다.
또한 실시예는 기판(210)으로 제1 반사층(220)과 동종의 기판을 사용할 수 있다. 예를 들어, 기판(210)이 제1 반사층(220)과 동종인 GaAs 기판일 때 제1 반사층(210)과 격자 상수가 일치하여, 제1 반사층(220)에 격자 부정합 등의 결함이 발생하지 않을 수 있다.
다음으로, 기판(210) 상에 제1 반사층(220)이 형성될 수 있으며, 도 9b는 도 9a에 도시된 실시예에 따른 표면발광 레이저소자의 제2 영역(B2)의 확대 단면도이다.
이하 도 9a와 도 9b를 함께 참조하여 실시예의 실시예에 따른 표면발광 레이저소자를 설명하기로 한다.
상기 제1 반사층(220)은 화학증착방법(CVD) 혹은 분자선 에피택시(MBE) 혹은 스퍼터링 혹은 수산화물 증기상 에피택시(HVPE) 등의 방법을 사용하여 성장될 수 있다.
상기 제1 반사층(220)은 제1 도전형으로 도핑될 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 도전형 도펀트는 Si, Ge, Sn, Se, Te 등과 같은 n형 도펀트를 포함할 수 있다.
상기 제1 반사층(220)은 갈륨계 화합물, 예를 들면 AlGaAs를 포함할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 제1 반사층(220)은 분산 브래그 반사기(DBR: Distributed Bragg Reflector)일 수 있다. 예를 들어, 제1 반사층(220)은 서로 다른 굴절 률을 가지는 물질로 이루어진 층들이 교대로 적어도 1회 이상 적층된 구조일 수 있다.
예를 들어, 도 9b와 같이, 상기 제1 반사층(220)은 상기 기판(210) 상에 배치된 제1 그룹 제1 반사층(221) 및 상기 제1 그룹 제1 반사층(221) 상에 배치된 제2 그룹 제1 반사층(222)을 포함할 수 있다.
상기 제1 그룹 제1 반사층(221)과 제2 그룹 제1 반사층(222)은 AlxGa(1-x)As(0<x<1)의 조성식을 갖는 반도체 물질로 이루어진 복수의 층을 구비할 수 있으며, 각 층 내의 Al이 증가하면 각 층의 굴절률은 감소하고, Ga가 증가하면 각 층의 굴절률은 증가할 수 있다.
또한 도 9b와 같이, 제1 그룹 제1 반사층(221)과 제2 그룹 제1 반사층(222)도 각각 단일 또는 복수의 층으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 제1 그룹 제1 반사층(221)은 제1 그룹 제1-1 층(221a)과 제1 그룹 제1-2 층(221b)의 약 30~40 페어(pair)를 포함할 수 있다. 또한, 제2 그룹 제1 반사층(222)도 제2 그룹 제1-1 층(222a)과 제2 그룹 제1-2 층(222b)의 약 5~15 페어(pair)를 포함할 수 있다.
다음으로, 제1 반사층(220) 상에 활성영역(230)이 형성될 수 있다.
도 9b와 같이, 상기 활성영역(230)은 활성층(232) 및 상기 활성층(232)의 하측에 배치되는 제1 캐비티(231), 상측에 배치되는 제2 캐비티(233)를 포함할 수 있다. 실시예의 활성영역(230)은 제1 캐비티(231)와 제2 캐비티(233)를 모두 포함하거나, 둘 중의 하나만 포함할 수도 있다.
상기 활성층(232)은 Ⅲ-Ⅴ족 원소의 화합물 반도체 재료를 이용하여 양자우물층(232a)과 양자벽층(232b)을 포함할 수 있다. 상기 활성층(232)은 InGaAs/AlxGaAs, AlGaInP/GaInP, AlGaAs/AlGaAs, AlGaAs/GaAs, GaAs/InGaAs 등의 1 내지 3 페어 구조로 형성될 수 있으나 이에 한정되지는 않는다. 상기 활성층(232)에는 도펀트가 도핑되지 않을 수 있다.
상기 제1 캐비티(231)와 상기 제2 캐비티(233)는 AlyGa(1-y)As(0<y<1) 물질로 형성될 수 있으나 이에 한정되지 않는다. 예를 들어, 상기 제1 캐비티(231)와 상기 제2 캐비티(233)는 각각 AlyGa(1-y)As으로된 복수의 층을 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 제1 캐비티(231)는 제1-1 캐비티층(231a)과 제1-2 캐비티층(231b)을 포함할 수 있다. 또한 상기 제2 캐비티(233)는 제2-1 캐비티층(233a)과 제2-2 캐비티층(233b)을 포함할 수 있다.
다음으로, 활성영역(230) 상에 애퍼처 영역(240)을 형성하기 위한 AlGa 계열층(241a)을 형성할 수 있다. 상기 AlGa 계열층(241a)은 복수의 층을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 AlGa 계열층(241a)은 제1 AlGa 계열층(241a1)과 제2 AlGa 계열층(241a2)을 포함할 수 있다.
상기 AlGa 계열층(241a)은 AlzGa(1-z)As(0<z<1) 등의 물질을 포함할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 AlGa 계열층(241a)은 도전성 재료를 포함할 수 있으며, 제1 반사층(220) 및 제2 반사층(250)과 동종의 재료를 포함할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
예를 들어, 상기 AlGa 계열층(241a)이 AlGaAs 계열물질을 포함하는 경우, 상기 AlGa 계열층(241a)은 AlxGa(1-x)As(0<x<1)의 조성식을 갖는 반도체 물질로 이루어질 수 있으며, 예를 들면 Al0.98Ga0.02As의 조성식을 가질 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
다음으로, 상기 AlGa 계열층(241a)상에 제2 반사층(250)이 형성될 수 있다.
상기 제2 반사층(250)은 갈륨계 화합물 예를 들면 AlGaAs를 포함할 수 있다. 예를 들어, 제2 반사층(250)의 각 층은 AlGaAs를 포함할 수 있고, 상세하게는 AlxGa(1-x)As(0<x<1)의 조성식을 갖는 반도체 물질로 이루어질 수 있다.
상기 제2 반사층(250)은 제2 도전형 도펀트가 도핑될 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 도전형 도펀트는 Mg, Zn, Ca, Sr, Ba 등과 같은 p형 도펀트일 수 있다. 한편, 제1 반사층(220)이 p형 도펀트로 도핑될 수도 있고, 제2 반사층(250)이 n형 도펀트로 도핑될 수도 있다.
상기 제2 반사층(250)도 분산 브래그 반사기(DBR: Distributed Bragg Reflector)일 수 있다. 예를 들어, 제2 반사층(250)은 서로 다른 굴절률을 가지는 물질로 이루어진 복수의 층이 교대로 적어도 1회 이상 적층된 구조일 수 있다.
예를 들어, 상기 제2 반사층(250)은 상기 활성영역(230)에 인접하게 배치된 제1 그룹 제2 반사층(251) 및 상기 제1 그룹 제2 반사층(251)보다 상기 활성영역(230)에서 이격배치 된 제2 그룹 제2 반사층(252)을 포함할 수 있다.
또한 상기 제1 그룹 제2 반사층(251)과 제2 그룹 제2 반사층(252)도 각각 단일 또는 복수의 층으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 제1 그룹 제2 반사층(251)은 제1 그룹 제2-1 층(251a)과 제1 그룹 제2-2 층(251b)의 약 1~5 페어(pair)를 포함할 수 있다 또한, 제2 그룹 제2 반사층(252)도 제2 그룹 제2-1 층(252a)과 제2 그룹 제2-2 층(252b)의 약 5~15 페어(pair)를 포함할 수 있다.
다음으로 도 10a는 실시예에 따른 표면발광 레이저소자의 제1 영역(C1) 확대도이고, 도 10b는 도 10a에 도시된 실시예에 따른 표면발광 레이저소자의 A1-A2선을 따른 단면도이다.
실시예는 도 10b와 같이, 소정의 마스크(300)를 사용하여 발광 구조물을 식각하여 메사영역(M)을 형성할 수 있다. 이때, 제2 반사층(250)으로부터 AlGa 계열층(241a)과 활성영역(230)까지 메사 식각될 수 있고, 제1 반사층(220)의 일부까지 메사 식각될 수도 있다. 메사 식각에서는 ICP(inductively coupled plasma) 에칭 방법으로, 주변 영역의 제2 반사층(250)으로부터 AlGa 계열층(241a)과 활성영역(230)을 제거할 수 있으며, 메사 식각 영역은 측면이 기울기를 가지고 식각될 수 있다.
다음으로 도 11a는 실시예에 따른 표면발광 레이저소자의 제1 영역(C1) 확대도이고, 도 11b는 도 11a에 도시된 실시예에 따른 표면발광 레이저소자의 A1-A2선을 따른 단면도이다.
실시예는 도 11b와 같이, AlGa 계열층(241a)의 가장 자리 영역을 절연영역(242)으로 변화시킬 수 있으며, 예를 들면 습식 산화(Wet Oxidation)으로 변화시킬 수 있다. 이를 통해 절연영역(242)과 비 산화영역인 애퍼처(241)를 포함하는 애퍼처 영역(240)을 형성할 수 있다.
예를 들어, AlGa 계열층(241a)의 가장 자리 영역으로부터 산소를 공급하면, AlGa 계열층의 AlGaAs가 H2O와 반응하여 알루미늄 산화물(Al2O3)가 형성될 수 있다. 이때, 반응 시간 등을 조절하여, AlGa 계열층의 중앙 영역은 산소와 반응하지 않고 가장 자리영역만 산소와 반응하여 알루미늄 산화물의 절연영역(242)이 형성될 수 있도록 한다.
또한 실시예는 이온 주입(Ion implantation)을 통해 AlGa 계열층의 가장 자리 영역을 절연영역(242)으로 변화시킬 수도 있으며 이에 한정하지 않는다. 이온 주입 시에는 300keV 이상의 에너지로 포톤(photon)이 공급될 수 있다.
상술한 반응 공정 후에, 애퍼처 영역(240)의 중앙 영역은 도전성의 AlGaAs가 배치되고 가장 자리 영역에는 비도전성의 Al2O3가 배치될 수 있다. 중앙 영역의 AlGaAs는 활성영역(230)에서 방출되는 광이 상부 영역으로 진행되는 부분으로 애퍼처(241)로 정의될 수 있다.
다음으로 도 12a는 실시예에 따른 표면발광 레이저소자의 제1 영역(C1) 확대도이고, 도 12b는 도 12a에 도시된 실시예에 따른 표면발광 레이저소자의 A1-A2선을 따른 단면도이다.
도 12b와 같이, 발광 구조물의 상부면에 패시베이션층(270)이 형성될 수 있다. 상기 패시베이션층(270)은 폴리마이드(Polymide), 실리카(SiO2), 또는 질화 실리콘(Si3N4) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 패시베이션층(270)은 이후 형성되는 제2 전극(280)과 전기적으로 연결되도록 제2 반사층(250)의 일부를 노출시킬 수 있다.
한편, 상기 애퍼처(241)와 상하간에 중첩되는 제2 반사층(250) 상에 렌즈패턴물질(290a)이 형성될 수 있다. 상기 렌즈패턴물질(290a)은 실리카(SiO2) 또는 질화 실리콘(Si3N4) 중 적어도 하나를 포함할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
다음으로 도 13a는 실시예에 따른 표면발광 레이저소자의 제1 영역부분(C1) 확대도이고, 도 13b는 도 13a에 도시된 실시예에 따른 표면발광 레이저소자의 A1-A2선을 따른 단면도이다.
실시예에 의하면 도 13b와 제2 반사층(250) 상에 컨택 전극(282)이 형성될 수 있으며, 컨택 전극(282)의 사이의 중앙영역은 애퍼처(241)와 대응될 수 있다. 상기 컨택 전극(282)은 제2 반사층(250)과의 오믹 접촉 특성을 향상시킬 수 있다.
다음으로, 컨택 전극(282)과 전기적으로 접촉되는 패드 전극(284)이 형성될 수 있으며, 패드 전극(284)은 패시베이션층(270)의 상부로 연장되어 배치되어 외부로부터 전류를 공급받을 수 있다.
상기 컨택 전극(282)과 패드 전극(284)은 도전성 재료로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 컨택 전극(282)과 패드 전극(284)은 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 크롬(Cr), 니켈(Ni), 구리(Cu), 금(Au) 중 적어도 하나를 포함하여 단층 또는 다층 구조로 형성될 수 있다.
다음으로, 상기 기판(210)의 아래에는 제1 전극(215)이 배치될 수 있다. 상기 제1 전극(215)의 배치 전에 소정의 그라인딩 공정 등을 통해 상기 기판(210)의 저면 일부를 제거하여 방열 효율을 향상시킬 수 있다. 상기 제1 전극(215)은 도전성 재료로 이루어질 수 있고, 예를 들면 금속일 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 전극(215)은 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 크롬(Cr), 니켈(Ni), 구리(Cu), 금(Au) 중 적어도 하나를 포함하여 단층 또는 다층 구조로 형성될 수 있다.
이때 실시예는 상기 애퍼처(241)와 상하간에 중첩되는 제2 반사층(250) 상에 렌즈패턴(290)이 형성될 수 있다.
이하 도 14a 내지 도 17을 참조하여, 실시예에서의 렌즈패턴(290)의 기술적 특징을 설명하기로 한다.
다음으로 도 14a와 도 14b는 실시예의 표면발광 레이저소자에서 렌즈패턴(290)에 대한 평면과 단면 예시도이다.
예를 들어, 도 14a와 같이 실시예의 표면발광 레이저소자에서 제1 렌즈패턴(291)의 입체 형상은 끝이 잘린 콘 형상일 수 있다.
또한 예를 들어, 도 14b와 같이 실시예의 표면발광 레이저소자에서 제2 렌즈패턴(292)의 입체 형상은 끝이 잘린 피라미드 형상일 수 있다.
도 14a와 도 14와 같이, 실시예의 표면발광 레이저소자에서 렌즈패턴(290)은 그 입체 형상이 콘 형상 또는 피라미드 형상일 수 있으며, 그 단면은 부분 확대 사시도와 같이 사다리꼴 형상일 수 있다.
이에 따라 제1 렌즈패턴(291) 또는 제2 렌즈패턴(292)의 단면에서 밑변의 제1 폭(W1)는 윗변의 제2 폭(W2)보다 클 수 있다.
다음으로, 도 15는 실시예의 표면발광 레이저소자에서 발산 각에 대한 개념도이다.
예를 들어, 실시예에 따른 표면발광 레이저소자에서 절연영역(242)에 의해 정의되는 애퍼처(241)에서 출사된 레이저 빔은 제2 전극(280)의 컨택 전극(282) 사이의 렌즈패턴(290)를 통해 출사되며, 컨택 전극(282)에 인접하여 출사될 때 최대 발산 각(θ)을 가질 수 있다.
실시예에서는 발산 각(θ)을 최대로 설정하고 제어함으로써 안전성이 우수한 표면발광 레이저소자 및 이를 포함하는 발광장치를 제공할 수 있다.
도 15를 참조하면, 발산각(θ)에 대한 관계식은 앞서 기술한 바와 같이 수학식 1로 표현될 수 있다. 이에 따라 수학식 1에 따라 최대 발산 각(θ)을 구하면 약 70.56˚이다.
이때 컨택 전극(282)의 두께(T1)은 약 1㎛일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
다음으로, 도 16은 도 15에 도시된 제1 영역(P)에 대한 부분 확대도이다.
실시예에 의하면, 렌즈패턴(290)은 지지패턴(290a)과 경사패턴(290b)을 포함할 수 있다. 상기 렌즈패턴(290)에서 경사패턴(290b)의 단면형상은 사다리꼴 형상일 수 있다.
실시예에서 렌즈패턴(290)의 경사패턴(290b)이 절연영역(242)에 수직한 제2 축(y)과 이루는 제1 각(θ1)은 앞에서 구한 최대 발산 각(θ)보다는 커야 더 넓은 FOV를 얻으면서 시각에 안전할 수 있다.
상기 최대 발산 각(θ)은 애퍼처(241) 최 외곽에서 발산한 레이저가 상기 렌즈패턴(290) 중 최 외곽의 렌즈패턴(290)을 통과하는 경우의 발산 각을 의미할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
이에 따라 렌즈패턴(290)의 경사패턴(290b)이 절연영역(242)과 수직한 제2 축(y)과 이루는 제1 각(θ1)은 약 70.56˚보다 클 수 있으며 약 89.99˚ 보다 작을 수 있고, 상기 경사패턴(290b)이 절연영역(242)과 수평한 제1 축(X)과 이루는 제2 각(θ2)은 약 00.01˚ 보다 클 수 있으며 약 19.44˚ 보다 작을 수 있다.
이에 따라 실시예에서 렌즈패턴의 경사패턴(290b)이 절연영역(242)과 수직한 제2 축(y)과 이루는 제1 각(θ1)은 경사패턴(290b)이 절연영역(242)과 수평한 제1 축(x)과 이루는 제2 각(θ2)보다 클 수 있다.
다음으로 도 17은 도 15에 도시된 제1 영역(P)에 대한 제2 부분 확대도이다.
실시예에서 렌즈패턴(290)은 지지패턴(290a)과 경사패턴(290b)을 포함할 수 있다. 실시예에서 지지패턴(290a)의 수평 폭(L)은 약 3㎛일 수 있다. 이에 따라 지지패턴(290a)에서 제1 영역의 제1 폭(L1), 제2 영역의 제2 폭(L2), 제3 영역의 제3 폭(L3)은 각각 약 1㎛일 수 있다.
이에 따라, 도 17을 참조하면, 앞서 기술한 다음 수학식 2와 같다.
tanθ=(H2/L1)
이때, L1은 렌즈패턴(290)에서 경사패턴(290b)의 수평폭(L)의 1/3인 약 1㎛일 수 있다.
그러므로, tanθtan19.44˚=0.354=H2, θ2>19.44˚이므로, 이에 H2는 0.354보다 작을 수 있다. 이에 H1은 컨택 전극(282)의 두께인 1㎛일 수 있다.
이에 따라 렌즈패턴(290)에서 지지패턴(290a)의 제1 높이(H1)는 렌즈패턴의 경사패턴(290b)의 제2 높이(H2)보다 클 수 있다.
실시예에서 렌즈패턴(290)에서 지지패턴(290a)의 제1 높이(H1)는 렌즈패턴의 경사패턴(290b)의 제2 높이(H2)보다 크게 제어함으로써 넓은 FOV를 얻으면서 시각에 안전할 수 있는 기술적 효과가 있다.
실시예에 의하면 안전성이 우수한 표면발광 레이저소자 및 이를 포함하는 발광장치를 제공할 수 있다.
예를 들어, 실시예에 의하면, 상기 컨택 전극(282)의 사이의 영역에서 상기 제2 반사층(250)이 노출되는 영역에는 배치되는 렌즈패턴(290)을 포함하고, 상기 렌즈패턴(290)은 상기 애퍼처(241)와 상하간에 중첩되도록 함으로써 굴절 광학계를 통하여 집중된 빔(focused beam)을 확산하여 레이저(Laser) 구동이 인체에 무해하도록 하는 기술적 효과가 있다.
또한 실시예에서 렌즈패턴(290)의 경사패턴(290b)이 절연영역(242)에 수직한 제2 축(y)과 이루는 제1 각(θ1)은 앞에서 구한 최대 발산 각(θ)보다는 커야 더 넓은 FOV를 얻으면서 시각에 안전할 수 있는 기술적 효과가 있다.
또한 실시예에서 상기 렌즈패턴(290)의 전체 수평 폭은 상기 애퍼처(241)의 수평 폭에 비해 크게 형성됨으로써 더 넓은 FOV를 얻으면서 시각에 안전할 수 있는 기술적 효과가 있다.
다음으로, 실시예에 의하면 신뢰성이 우수한 표면발광 레이저소자 및 이를 포함하는 발광장치를 제공할 수 있다.
예를 들어, 방수나 방습 조건에서 신뢰성 시험에서 컨택 전극(282)의 사이의 영역에서 상기 제2 반사층(250)이 노출되는 영역에는 배치되는 렌즈패턴(290)이 패시베이션 역할을 하여 습기의 전극, 애퍼처나 절연영역 등에 대한 외부 침투를 막음으로써 신뢰성이 우수한 표면발광 레이저소자 및 이를 포함하는 발광장치를 제공할 수 있다.
다음으로 실시예에 의하면 전기적 특성이 우수한 표면발광 레이저소자 및 이를 포함하는 발광장치를 제공할 수 있다.
예를 들어, 컨택 전극을 포함하는 제2 전극에 대해 렌즈패턴이 제2 전극의 측면부에 대해 몰딩(molding)을 통하여 누설전류(Current Leakage)이 개선이 가능하여 전기적 특성을 향상시킬 수 있다.
다음으로 실시예에 의하면 애퍼처의 손상을 방지할 수 있는 표면발광 레이저소자 및 이를 포함하는 발광장치를 제공할 수 있다.
예를 들어, 렌즈패턴이 패시베이션 역할로 레이저 소자에서 가장 중요한 애퍼처(Aperture)의 보호 역할을 통하여 외부 손상(damage)을 최소화 할 수 있으며, 이로 인한 애퍼처 크랙(Aperture Crack) 등에 대한 보호 가능한 기술적 효과가 있다.
상술한 반도체 소자는 레이저 다이오드일 수 있으며, 2개의 반사층 내부가 공진기로 작용할 수 있다. 이때, 제1 도전형의 제1 반사층(220)과 제2 도전형의 제2 반사층(250)으로부터 전자와 정공이 활성층으로 공급되어, 활성영역(230)에서 방출된 광이 공진기 내부에서 반사되어 증폭되고 문턱 전류에 도달하면, 상술한 애퍼처(241)를 통하여 외부로 방출될 수 있다.
실시예에 따른 반도체 소자에서 방출된 광은 단일 파장 및 단일 위상의 광일 수 있으며, 제1 반사층(220), 제2 반사층(250)과 활성영역(230)의 조성 등에 따라 단일 파장 영역이 변할 수 있다.
(이동 단말기)
다음으로 도 18은 실시예에 따른 표면발광 레이저소자가 적용된 이동 단말기의 사시도이다.
도 18에 도시된 바와 같이, 실시예의 이동 단말기(1500)는 후면에 제공된 카메라 모듈(1520), 플래쉬 모듈(1530), 자동 초점 장치(1510)를 포함할 수 있다. 여기서, 상기 자동 초점 장치(1510)는 발광부로서 앞서 설명된 실시예에 따른 표면발광 레이저소자의 패키지 중의 하나를 포함할 수 있다.
상기 플래쉬 모듈(1530)은 그 내부에 광을 발광하는 발광소자를 포함할 수 있다. 상기 플래쉬 모듈(1530)은 이동 단말기의 카메라 작동 또는 사용자의 제어에 의해 작동될 수 있다.
상기 카메라 모듈(1520)은 이미지 촬영 기능 및 자동 초점 기능을 포함할 수 있다. 예컨대 상기 카메라 모듈(1520)은 이미지를 이용한 자동 초점 기능을 포함할 수 있다.
상기 자동 초점 장치(1510)는 레이저를 이용한 자동 초점 기능을 포함할 수 있다. 상기 자동 초점 장치(1510)는 상기 카메라 모듈(1520)의 이미지를 이용한 자동 초점 기능이 저하되는 조건, 예컨대 10m 이하의 근접 또는 어두운 환경에서 주로 사용될 수 있다. 상기 자동 초점 장치(1510)는 앞서 기술된 실시예의 표면발광 레이저소자를 포함하는 발광부와, 포토 다이오드와 같은 빛 에너지를 전기 에너지로 변환하는 수광부를 포함할 수 있다.
이상에서 실시예들에 설명된 특징, 구조, 효과 등은 적어도 하나의 실시예에 포함되며, 반드시 하나의 실시예에만 한정되는 것은 아니다. 나아가, 각 실시예에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시예들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의해 다른 실시예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 실시예의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
이상에서 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 실시예를 한정하는 것이 아니며, 실시예가 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 설정하는 실시예의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
제1 전극(215); 기판(210); 제1 반사층(220);
활성영역(230); 애퍼처(aperture)(241), 절연영역(242);
애퍼처 영역(240); 제2 반사층(250); 제2 전극(280);

Claims (9)

  1. 제1 반사층;
    상기 제1 반사층 상에 배치되는 활성영역;
    상기 활성영역 상에 배치되며, 애퍼처(aperture) 및 절연영역을 포함하는 애퍼처 영역;
    상기 애퍼처 영역 상에 배치되는 제2 반사층;
    상기 제2 반사층 상에 배치되는 컨택 전극; 및
    상기 컨택 전극 사이에 배치되고, 소정의 이격 거리를 갖는 복수의 렌즈패턴;을 포함하고,
    상기 복수의 렌즈패턴은,
    지지패턴;
    상기 지지패턴상에 배치된 경사패턴;을 포함하고,
    상기 복수의 렌즈 패턴은,
    끝이 잘린 피라미드 형상 또는 끝이 잘린 콘 형상을 포함하고,
    상기 복수의 렌즈 패턴의 전체 수평 폭은 상기 애퍼처의 수평 폭에 비해 크게 형성되고,
    상기 경사패턴이 상기 절연영역에 수직한 제2 축과 이루는 제1 각(θ1)은 최대 발산 각(θ)보다는 크고,
    상기 최대 발산 각(θ)은 상기 애퍼처의 최 외곽에서 발산한 레이저가 상기 렌즈패턴 중 최 외곽의 렌즈패턴을 통과하는 경우의 발산 각이고, 하기의 수식에 의하여 획득되는 표면방출 레이저소자.

    (a: 상기 애퍼처와 상기 렌즈패턴까지의 수직거리, b: 상기 컨택 전극 사이의 내부 거리에서 상기 애퍼처의 지름을 뺀 값의 1/2)
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 렌즈패턴의 경사패턴이 상기 제2 축과 이루는 제1 각은 상기 경사패턴이 상기 제2 축에 수직한 제1 축과 이루는 제2 각보다 큰 것을 특징으로 하는 표면방출 레이저소자.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 렌즈패턴에서 지지패턴의 제1 높이는 상기 렌즈패턴에서 경사패턴의 제2 높이보다 큰 것을 특징으로 하는 표면방출 레이저소자.
  9. 제1 항, 제7 항 및 제8 항 중 어느 하나의 표면발광 레이저소자를 포함하는 발광장치.
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