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KR102739381B1 - Single Mode Vertical Cavity Surface Emitting Laser - Google Patents

Single Mode Vertical Cavity Surface Emitting Laser Download PDF

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KR102739381B1
KR102739381B1 KR1020220160272A KR20220160272A KR102739381B1 KR 102739381 B1 KR102739381 B1 KR 102739381B1 KR 1020220160272 A KR1020220160272 A KR 1020220160272A KR 20220160272 A KR20220160272 A KR 20220160272A KR 102739381 B1 KR102739381 B1 KR 102739381B1
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Abstract

단일 모드(single mode) 수직공진형 표면발광 레이저(Vertical Cavity Surface Emitting laser, VCSEL)에 관한 개시로서, 본 실시예는, 제2 반사기층 상에 위상제어층을 형성하고, 위상제어층 상의 개구부(aperture)에 위상보상층을 형성함으로써, 개구부 하부의 제1 영역과 그 둘레의 제2 영역을 형성한다. 제1 영역과 제2 영역 간의 발진 문턱이득(threshold gain) 차이에 기반하는 제1 영역과 제2 영역 간의 유효 굴절률(effective refractive index) 차이를 이용하여 고차 모드(higher-order mode)를 억제함으로써, 굴절률 차이 도파로(index-guiding) 구조의 단일 모드(single mode) 수직공진형 표면발광 레이저를 제공한다.Disclosure of a single mode vertical cavity surface emitting laser (VCSEL), the present embodiment forms a phase control layer on a second reflector layer, and forms a phase compensation layer in an aperture on the phase control layer, thereby forming a first region below the aperture and a second region around the aperture. By utilizing the difference in effective refractive index between the first region and the second region based on the difference in oscillation threshold gain between the first region and the second region, higher-order modes are suppressed, thereby providing a single mode vertical cavity surface emitting laser having an index-guiding structure with a refractive index difference.

Description

단일 모드 수직공진형 표면발광 레이저{Single Mode Vertical Cavity Surface Emitting Laser}Single Mode Vertical Cavity Surface Emitting Laser

본 발명의 실시예는 단일 모드(single mode) 수직공진형 표면발광 레이저(Vertical Cavity Surface Emitting laser, VCSEL)에 관한 것이다. An embodiment of the present invention relates to a single mode vertical cavity surface emitting laser (VCSEL).

이하에 기술되는 내용은 단순히 본 발명과 관련되는 배경 정보만을 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것이 아니다. The content described below merely provides background information related to the present invention and does not constitute prior art.

수직공진형 표면발광 레이저(Vertical Cavity Surface Emitting laser, VCSEL)는 발광 특성이 우수하고 2차원 어레이 제작이 가능하며 소형으로 제작할 수 있다는 장점이 있다. VCSEL은 고성능 컴퓨터나 데이터 센터 등에서의 고속 근거리 광통신용 광원, 레이저 프린터(laser printer), 스캐너(scanner), 산업용 고출력 레이저, 근접 센서(proximity sensor) 또는 사용자 얼굴 인식과 같은 스마트폰의 각종 센서, 광 마우스(optical mouse) 또는 가스 센서와 같은 산업용 센서, 시선 추적(eye tracking) 시스템 또는 LiDAR(Light Detection and Ranging)와 같은 자율주행 자동차용 센서 등 다양한 분야에 응용이 가능하여 현재 널리 쓰이고 있다. 그러나 이러한 응용을 위해서는 안정된 모드 특성과 고출력이 요구된다.Vertical cavity surface emitting lasers (VCSELs) have the advantages of excellent luminescence characteristics, the possibility of two-dimensional array production, and small size production. VCSELs are widely used in various fields such as light sources for high-speed short-distance optical communications in high-performance computers or data centers, laser printers, scanners, industrial high-power lasers, various sensors for smartphones such as proximity sensors or user face recognition, industrial sensors such as optical mice or gas sensors, and sensors for autonomous vehicles such as eye tracking systems or LiDAR (Light Detection and Ranging). However, stable mode characteristics and high output are required for these applications.

도 1은 종래의 수직 공진형 표면발광 레이저의 수직 단면도이다. Figure 1 is a vertical cross-sectional view of a conventional vertical cavity surface-emitting laser.

도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 VCSEL(특허문헌 1 참조)에는 반도체 기판(substrate, 100) 상에 제1 반사기층(reflector layer, 108), 활성층(active layer, 118) 및 제2 반사기층(126)이 형성되어 있고, 캐리어(carrier)들이 상부전극(140)과 하부전극(142) 간의 제1 반사기층(108) 및 제2 반사기층(126)을 통과하여 활성층(118) 내로 주입된다.As illustrated in FIG. 1, in a conventional VCSEL (see Patent Document 1), a first reflector layer (108), an active layer (118), and a second reflector layer (126) are formed on a semiconductor substrate (100), and carriers pass through the first reflector layer (108) and the second reflector layer (126) between the upper electrode (140) and the lower electrode (142) and are injected into the active layer (118).

여기서, 반도체 기판(100)의 재료로는 GaAs, GaP, InP, 사파이어, GaN 등이 사용된다. Here, GaAs, GaP, InP, sapphire, GaN, etc. are used as materials for the semiconductor substrate (100).

제1 반사기층(108) 및 제2 반사기층(126)은 AlxGa(1-x)As로 형성되는데, 여기에 n형 또는 p형 도펀트(dopant)들을 도핑(doping)하여 형성된다. n형 도펀트로는 실리콘(Si)이 사용되고, p형 도펀트로는 탄소(C), 아연(Zn) 등이 사용된다. The first reflector layer (108) and the second reflector layer (126) are formed of Al x Ga (1-x) As, and are formed by doping n-type or p-type dopants. Silicon (Si) is used as the n-type dopant, and carbon (C), zinc (Zn), etc. are used as the p-type dopant.

각각의 반사기층(108, 126)은 굴절률(refractive index)이 높은 층과 굴절률이 낮은 층이 교대로 적층된 구조를 포함한다. 굴절률이 높은층(102, 120)과 굴절률이 낮은층(104, 122)을 합하여 하나의 짝(pair, 106, 124)으로 나타낼 때, 이러한 짝이 20 내지 40 회 정도 적층되어 각각의 반사기층이 형성된다. Each reflector layer (108, 126) includes a structure in which layers with high refractive index and layers with low refractive index are alternately laminated. When the layers with high refractive index (102, 120) and the layers with low refractive index (104, 122) are combined to form a pair (106, 124), each reflector layer is formed by laminating these pairs approximately 20 to 40 times.

기판이 GaAs일 때, 제1 반사기층(108) 및 제2 반사기층(126)을 구성하는 각 층의 굴절률 차이는 알루미늄(Al)의 조성을 달리하여 얻어질 수 있다. When the substrate is GaAs, the difference in refractive index of each layer constituting the first reflector layer (108) and the second reflector layer (126) can be obtained by varying the composition of aluminum (Al).

제1 반사기층(108)에 대하여 굴절률이 높은층(102) 및 굴절률이 낮은층(104)을 포함한 광학적 두께(optical thickness)는, VCSEL이 동작하도록 설계된 광의 파장 λ에 대하여 λ/2가 되도록 형성된다. 또한 제2 반사기층(126)의 한 짝(124)도 동일한 광학적 두께를 갖도록 형성된다. The optical thickness including the high refractive index layer (102) and the low refractive index layer (104) for the first reflector layer (108) is formed to be λ/2 for the wavelength λ of light at which the VCSEL is designed to operate. In addition, one pair (124) of the second reflector layer (126) is also formed to have the same optical thickness.

활성층(118)은 전자(electron)와 정공(hole)이 p-n 접합(junction)에서 재결합(recombination)하여 광이 발생되는 부분으로서, n형 캐리어 집속층(carrier confinement layer, 110)과 양자 우물층(quantum well layer, 112) 및 p형 캐리어 집속층(116)을 기본구조로 한다. 양자 우물층(112)은 복수의 층을 포함할 수 있고, 각 층 간에는 장벽층(barrier layer, 114)이 형성될 수 있다. The active layer (118) is a portion where electrons and holes recombine at the p-n junction to generate light, and has a basic structure of an n-type carrier confinement layer (110), a quantum well layer (112), and a p-type carrier confinement layer (116). The quantum well layer (112) may include multiple layers, and a barrier layer (114) may be formed between each layer.

위상보상층(phase compensation layer, 130)은 AlxGa(1-x)As층 및 GaAs층이 순차적으로 적층된 구조이다. The phase compensation layer (130) has a structure in which Al x Ga (1-x) As layers and GaAs layers are sequentially stacked.

위상보상층(130)에는 제2 반사기층(126)과 동일한 불순물(impurity)이 도핑되며 불순물의 도핑농도는 1×1019 개/cm3 이하로 한다. 바람직하게는 1∼5×1018 개/cm 3 정도로 도핑한다.The phase compensation layer (130) is doped with the same impurities as the second reflector layer (126), and the doping concentration of the impurities is set to 1×10 19 /cm 3 or less. Preferably, it is doped to about 1 to 5×10 18 /cm 3 .

제2 반사기층(126)의 두께까지 포함하여 λ/2의 정수배가 되는 광학적 두께가 되도록, 위상보상층(130)의 두께를 형성하여 문턱이득(threshold gain)이 최소가 되도록 한다. The thickness of the phase compensation layer (130) is formed so that the optical thickness, including the thickness of the second reflector layer (126), becomes an integer multiple of λ/2, so that the threshold gain is minimized.

위상보상층(130)은 상부전극(140)에서 광의 반사가 일어나 위상(phase)이 간섭하는 것을 보상하기 위한 광학적 두께를 가지며, 저농도로 도핑되어 개구부(aperture)에서의 광손실을 최소화시킨다. 또한, 위상보상층(130)은 공기와 접촉 시 제2 반사기층(126) 상에 산화막이 형성되는 것을 방지하는 역할을 한다.The phase compensation layer (130) has an optical thickness to compensate for phase interference caused by light reflection from the upper electrode (140), and is doped at a low concentration to minimize light loss at the aperture. In addition, the phase compensation layer (130) serves to prevent an oxide film from forming on the second reflector layer (126) when in contact with air.

위상부정합층(phase mismatching layer, 132)은 AlxGa(1-x)As층 및 GaAs층이 순차적으로 적층된 구조이다. The phase mismatching layer (132) is a structure in which Al x Ga (1-x) As layers and GaAs layers are sequentially stacked.

위상부정합층(132) 내의 AlxGa(1-x)As층은 x가 x>0.15이고, 위상보상층(130)과 동일한 불순물이 동일 농도로 도핑된다. 그리고, 위상부정합층(132) 내의 GaAs층은 개구부에 산화막이 형성되는 것을 방지하며, 전극(electrode) 접촉저항을 줄여서 전류 주입효율을 높이기 위하여 제2 반사기층(126)과 동일한 불순물이 1×1019 개/cm3 이상으로 도핑된다. The Al x Ga (1-x) As layer in the phase mismatch layer (132) has x > 0.15 and is doped with the same impurity as the phase compensation layer (130) at the same concentration. In addition, the GaAs layer in the phase mismatch layer (132) prevents the formation of an oxide film in the opening and has the same structure as the second reflector layer (126) to reduce the electrode contact resistance and increase the current injection efficiency. It is doped with impurities in amounts of 1×10 19 /cm 3 or more.

위상부정합층(132)은 제1 반사기층(108) 및 제2 반사기층(126)에서 반사되는 광의 위상이 상쇄 간섭(destructive interference)을 일으키는 (2N-1)λ/4(N은 자연수) 배의 광학적 두께를 가지도록 형성된다. 따라서, 문턱이득이 최대가 된다. The phase mismatch layer (132) is formed to have an optical thickness of (2N-1)λ/4 (N is a natural number) times that causes destructive interference in the phase of light reflected from the first reflector layer (108) and the second reflector layer (126). Therefore, the threshold gain is maximized.

VCSEL은 제2 반사기층(126)의 양측의 일정 깊이에 이온(ion)을 주입시키거나 산화가능 층(oxidizable layer)을 산화시켜 형성된 전류차단 영역(current blocking layer, 144)을 포함한다. 전류차단 영역(144)은 캐리어의 통로를 중앙부분으로 제한하여 활성층(118) 내로 주입되는 전류가 일정 영역에 제한되도록 한다. The VCSEL includes a current blocking layer (144) formed by injecting ions into a certain depth on both sides of the second reflector layer (126) or by oxidizing an oxidizable layer. The current blocking layer (144) restricts the path of carriers to the central portion, thereby limiting the current injected into the active layer (118) to a certain area.

위상부정합층(132) 상에 Au, Zn, Cr 등을 증착(evaporation)하여 상부전극(upper electrode, 140)이 형성되고, 반도체 기판(100)의 하부면에 Ni, AuGe, Au 등의 금속을 증착하여 하부전극(lower electrode, 142)이 형성된다.An upper electrode (140) is formed by evaporating Au, Zn, Cr, etc. on a phase mismatch layer (132), and a lower electrode (142) is formed by evaporating a metal such as Ni, AuGe, Au, etc. on the lower surface of a semiconductor substrate (100).

전술한 바와 같은 종래의 VCSEL에, 두 개의 전극(140, 142)을 통하여 전류가 주입되면 제1 반사기층(108) 및 제2 반사기층(126)을 통과한 전자(electron)들과 정공(hole)들이 활성층(118)에서 결합하면서 광이 발생된다. 이때 발생한 광은 초기에 모든 입체각(solid angle)들로 발산하나 각 반사기층(108, 126)의 브래그 파장(Bragg wavelength)을 만족하는 광만이 보강 간섭(constructive interference)을 거쳐 남게 된다. 이 광이 활성층(118)에서 캐리어 농도 반전(population inversion)에 따른 여기 방출광(stimulated emitting light)을 만들어 내면, 반도체 기판으로부터 수직방향의 표면 개구부(surface aperture)를 통하여 레이저 광이 외부로 방출된다. In the conventional VCSEL as described above, when current is injected through two electrodes (140, 142), electrons and holes that have passed through the first reflector layer (108) and the second reflector layer (126) combine in the active layer (118), thereby generating light. The generated light initially diverges into all solid angles, but only light that satisfies the Bragg wavelength of each reflector layer (108, 126) remains after constructive interference. When this light creates stimulated emitting light according to carrier concentration inversion in the active layer (118), laser light is emitted to the outside through a surface aperture in the vertical direction from the semiconductor substrate.

개구부만 위상보상을 하고 그 주변부는 위상 부정합이 되도록 함으로써, 종래의 VCSEL은 개구부 주변의 광손실(optical loss)을 최대화하여 레이저 광의 횡 모드(transverse mode)를 억제하였다. 또한, 종래의 VCSEL은 개구부를 제외하고 금속 전극이 접촉되는 부분인 위상부정합층(132)의 도핑농도만을 높이는 구조를 이용하여 접촉저항을 줄임과 동시에 개구부에서의 광흡수(optical absorption)를 최소화하였다. 따라서 종래의 VCSEL은 광출력이 우수하고 문턱전류(threshold current)를 감소시켰다는 장점을 지닌다. 그러나, 종래의 VCSEL은 레이저 광의 횡 모드의 억제에 따른 단일 모드(single mode) 구현에 대한 가능성을 보이나, 단일 모드(single mode) 구현에 대한 조건을 명확하게 제시하지 못하는 문제를 갖는다. By performing phase compensation only on the aperture and making the surrounding area phase-mismatched, the conventional VCSEL maximizes the optical loss around the aperture and suppresses the transverse mode of the laser light. In addition, the conventional VCSEL uses a structure that increases only the doping concentration of the phase-mismatched layer (132), which is the part where the metal electrode comes into contact, excluding the aperture, to reduce the contact resistance while minimizing the optical absorption in the aperture. Therefore, the conventional VCSEL has the advantages of excellent optical output and reduced threshold current. However, the conventional VCSEL shows the possibility of implementing a single mode by suppressing the transverse mode of the laser light, but has the problem of not clearly presenting the conditions for implementing a single mode.

도 1에 도시된 바와 같이, 상부전극 개구부의 반지름이 전류차단 영역 개구부의 반지름보다 작은 기존 단일 모드 VCSEL의 가장 큰 문제점은 문턱이득(threshold gain)의 차이를 이용한 이득 차이 도파로(gain-guiding) 구조라는 점이다. 일반적으로 이득 차이 도파로 구조는 굴절률 차이 도파로(index-guiding) 구조에 비해 현저히 낮은 모드 안정성을 보인다. As shown in Fig. 1, the biggest problem of the existing single-mode VCSEL, in which the radius of the upper electrode aperture is smaller than the radius of the current blocking region aperture, is that it is a gain-guiding structure that utilizes the difference in threshold gain. In general, the gain-guiding structure shows significantly lower mode stability than the index-guiding structure.

따라서, 굴절률 차이 또는 개구부의 반지름을 조절하여 단일 모드로 동작시킴으로써 효율적으로 멀티 모드(multi-mode)를 억제하기 위해, 굴절률 차이 도파로(index-guiding) 구조를 갖는 단일 모드 VCSEL이 절실히 요구된다.Therefore, a single-mode VCSEL with an index-guiding structure is urgently required to efficiently suppress multi-mode by operating in a single mode by controlling the refractive index difference or the radius of the aperture.

특허문헌 1: 한국 특허번호 KR 10-0475846(수직공진형 표면발광 레이저, 2005.03.02, 등록)Patent Document 1: Korean Patent No. KR 10-0475846 (Vertical Cavity Surface-Emitting Laser, Registered on 2005.03.02)

본 개시는, 제2 반사기층 상에 위상제어층을 형성하고, 위상제어층 상의 개구부(aperture)에 위상보상층을 형성함으로써, 개구부 하부의 제1 영역과 그 둘레의 제2 영역을 형성한다. 제1 영역과 제2 영역 간의 발진 문턱이득(threshold gain) 차이에 기반하는 제1 영역과 제2 영역 간의 유효 굴절률(effective refractive index) 차이를 이용하여 고차 모드(higher-order mode)를 억제함으로써, 굴절률 차이 도파로(index-guiding) 구조의 단일 모드(single mode) 수직공진형 표면발광 레이저(Vertical Cavity Surface Emitting laser, VCSEL)를 제공하는 데 주된 목적이 있다.The present disclosure forms a phase control layer on a second reflector layer, and forms a phase compensation layer in an aperture on the phase control layer, thereby forming a first region below the aperture and a second region around the aperture. The main purpose of the present disclosure is to provide a single-mode vertical cavity surface emitting laser (VCSEL) having an index-guiding structure by suppressing higher-order modes by utilizing the difference in effective refractive index between the first region and the second region based on the difference in oscillation threshold gain between the first region and the second region.

본 발명의 실시예에 따르면, 반도체(semiconductor) 물질로 형성된 반도체 기판(substrate); 상기 반도체 기판 상에 형성되며 제1 도전형 불순물(impurity)이 도핑(doping)되어 형성된 제1 반사기층(reflector layer); 상기 제1 반사기층 상에 형성되며 광을 생성하는 활성층(active layer); 상기 활성층 상에 형성되며 제2 도전형 불순물이 도핑되어 형성된 제2 반사기층; 상기 제2 반사기층 상에 형성되어, 상기 제2 반사기층에서 반사되는 광의 위상(phase)을 조절하여 상기 광의 횡 모드(trnasverse mode)의 광이득(optical gain)과 유효굴절율(effective refractive index)을 조절하는 위상제어층(phase control layer); 상기 위상제어층 상의 중앙에 형성되어 개구부(aperture)를 형성하고, 상기 위상제어층에서 반사되는 광의 위상을 조절하여 상기 횡 모드의 광이득과 유효굴절율을 조절하는 위상보상층(phase compensation layer);상기 제2 반사기층 내부의 바깥 쪽에 형성되는 전류차단 영역(current blocking layer); 상기 개구부 주변에 위치하고 상기 위상제어층 상에 형성되는 상부전극(upper electrode); 및 상기 반도체 기판의 하부면에 형성되는 하부전극(lower electrode)을 포함하는 것을 특징으로 하는, 수직공진형 표면발광 레이저(vertical cavity surface emitting laser)를 제공한다. According to an embodiment of the present invention, there is provided a semiconductor substrate formed of a semiconductor material; a first reflector layer formed on the semiconductor substrate and doped with a first conductive impurity; an active layer formed on the first reflector layer and generating light; a second reflector layer formed on the active layer and doped with a second conductive impurity; a phase control layer formed on the second reflector layer and controlling a phase of light reflected by the second reflector layer to control an optical gain and an effective refractive index of a transverse mode of the light; The present invention provides a vertical cavity surface emitting laser, characterized by including: a phase compensation layer formed at the center of the phase control layer to form an aperture and to control the phase of light reflected from the phase control layer to control the optical gain and effective refractive index of the transverse mode; a current blocking layer formed on the outer side inside the second reflector layer; an upper electrode formed on the phase control layer and positioned around the aperture; and a lower electrode formed on a lower surface of the semiconductor substrate.

이상에서 설명한 바와 같이 본 실시예에 따르면, 위상보상층 하부의 제1 영역과 그 둘레의 제2 영역 간의 발진 문턱이득 차이에 기반하는 제1 영역과 제2 영역 간의 유효 굴절률 차이를 이용하여 고차 모드를 억제하는 수직공진형 표면발광 레이저를 제공함으로써 모드 안정성이 우수한 굴절률 차이 도파로 구조를 갖는 단일 모드 레이저의 제작이 가능해지는 효과가 있다.As described above, according to the present embodiment, a vertical cavity surface-emitting laser is provided that suppresses higher-order modes by utilizing the effective refractive index difference between the first region and the second region based on the difference in oscillation threshold gain between the first region under the phase compensation layer and the second region around it, thereby enabling the production of a single-mode laser having a refractive index difference waveguide structure with excellent mode stability.

또한, 본 실시예에 따르면, 상부전극(upper electrode)의 개구부(aperture) 반지름이 전류차단 영역 개구부의 반지름보다 작아서 레이저의 직렬저항(serial resistance)이 감소된 수직공진형 표면발광 레이저를 제공함으로써, 열 발생이 감소하고, 최대 광출력도 증가시키는 것이 가능해지는 효과가 있다. In addition, according to the present embodiment, a vertical cavity surface-emitting laser having a reduced serial resistance of the laser is provided because the aperture radius of the upper electrode is smaller than the radius of the current blocking region aperture, thereby reducing heat generation and increasing the maximum optical output.

도 1은 종래의 수직공진형 표면발광 레이저의 수직 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 수직공진형 표면발광 레이저의 수직 단면도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 수직공진형 표면발광 레이저의 수직 단면도이다.
도 4는 원통형 광도파관의 구조도이다.
도 5는 두 개의 반사기 사이에 광 이득층이 있는 레이저에서 발진 문턱이득의 개념도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른, 위상제어층과 위상보상층의 두께에 따른 개구부의 최대 크기를 나타내는 예시도이다.
Figure 1 is a vertical cross-sectional view of a conventional vertical cavity surface-emitting laser.
FIG. 2 is a vertical cross-sectional view of a vertical cavity surface-emitting laser according to one embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a vertical cross-sectional view of a vertical cavity surface-emitting laser according to another embodiment of the present invention.
Figure 4 is a structural diagram of a cylindrical optical waveguide.
Figure 5 is a conceptual diagram of the threshold gain in a laser having an optical gain layer between two reflectors.
Figure 6 shows the maximum size of the opening according to the thickness of the phase control layer and the phase compensation layer according to one embodiment of the present invention. This is an example showing.

이하, 본 발명의 실시예들을 예시적인 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 실시예들을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 실시예들의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to exemplary drawings. When adding reference numerals to components in each drawing, it should be noted that identical components are given the same numerals as much as possible even if they are shown in different drawings. In addition, when describing the present embodiments, if it is determined that a specific description of a related known configuration or function may obscure the gist of the present embodiments, the detailed description thereof will be omitted.

또한, 본 실시예들의 구성요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성요소를 다른 구성요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 '포함', '구비'한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 '…부', '모듈' 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.In addition, when describing components of the present embodiments, terms such as first, second, A, B, (a), (b), etc. may be used. These terms are only intended to distinguish the components from other components, and the nature, order, or sequence of the components are not limited by the terms. Throughout the specification, when a part is said to "include" or "have" a component, this does not mean that other components are excluded, unless otherwise specifically stated, but rather that other components may be further included. In addition, terms such as "part," "module," etc. described in the specification mean a unit that processes at least one function or operation, and this may be implemented by hardware, software, or a combination of hardware and software.

첨부된 도면과 함께 이하에 개시될 상세한 설명은 본 발명의 예시적인 실시형태를 설명하고자 하는 것이며, 본 발명이 실시될 수 있는 유일한 실시형태를 나타내고자 하는 것이 아니다.The detailed description set forth below, together with the accompanying drawings, is intended to explain exemplary embodiments of the present invention and is not intended to represent the only embodiments in which the present invention may be practiced.

본 실시예는 단일 모드(single mode) 수직공진형 표면발광 레이저(Vertical Cavity Surface Emitting laser, VCSEL)에 대한 발명을 개시한다. 보다 자세하게는, 위상보상층 하부의 제1 영역과 위상제어층 외곽 하부의 제2 영역 간의 유효 굴절률(effective refractive index) 차이를 이용하여 고차 모드(higher-order mode)를 억제하는 굴절률 차이 도파로(index-guiding) 구조의 단일 모드(single mode) 수직공진형 표면발광 레이저(Vertical Cavity Surface Emitting laser, VCSEL)를 제공한다.The present invention discloses a single mode vertical cavity surface emitting laser (VCSEL). More specifically, a single mode vertical cavity surface emitting laser (VCSEL) having an index-guiding structure that suppresses higher-order modes by utilizing the difference in effective refractive index between a first region under a phase compensation layer and a second region under an outer portion of a phase control layer is provided.

단일 모드 레이저 광이란 단일 주파수 및 단일 필드 분포(field distribution)를 갖는 레이저 광을 의미한다. 여기서 단일 주파수는 광의 종 모드(longitudinal mode)로부터 결정되고, 단일 필드 분포는 광의 횡 모드(transverse mode)로부터 결정된다. 두 반사기 층 간의 거리가 수 ㎛ 정도로 짧기 때문에, 자유 주파수 범위(free spectral range)가 넓어져서, VCSEL의 종 모드에 따른 단일 주파수를 생성하는 것은 큰 문제가 되지 않는다. 따라서 VCSEL의 단일 모드 구현은 주로 횡 모드의 조절에 좌우된다.Single-mode laser light refers to laser light having a single frequency and a single field distribution. Here, the single frequency is determined from the longitudinal mode of the light, and the single field distribution is determined from the transverse mode of the light. Since the distance between the two reflector layers is short, on the order of several ㎛, the free spectral range is wide, so generating a single frequency according to the longitudinal mode of the VCSEL is not a big problem. Therefore, the single-mode implementation of the VCSEL mainly depends on the control of the transverse mode.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 수직공진형 표면발광 레이저의 수직 단면도이다. 본 발명의 실시예에 있어서, 수직공진형 표면발광 레이저(Vertical Cavity Surface Emitting laser, VCSEL)는 단일 모드 레이저 광을 생성한다. 도 2에 도시된 바와 같이 VCSEL은 반도체 기판(substrate, 100) 상에 형성되고, 광의 생성과 관련된 제1 반사기층(reflector layer, 108), 활성층(active layer, 118) 및 제2 반사기층(126), 광의 위상을 조절하는 위상보상층(phase compensation layer, 200) 및 위상제어층(phase control layer, 202), 전류의 흐름과 관련된 전류차단 영역(current blocking layer, 144), 하부전극(lower electrode, 142) 및 상부전극(upper electrode, 140)의 전부 또는 일부를 포함한다.FIG. 2 is a vertical cross-sectional view of a vertical-cavity surface-emitting laser according to an embodiment of the present invention. In the embodiment of the present invention, a vertical-cavity surface-emitting laser (VCSEL) generates single-mode laser light. As illustrated in FIG. 2, the VCSEL is formed on a semiconductor substrate (substrate) 100, and includes all or part of a first reflector layer 108, an active layer 118, and a second reflector layer 126 related to light generation, a phase compensation layer 200 and a phase control layer 202 for controlling a phase of light, a current blocking layer 144 related to the flow of current, a lower electrode 142, and an upper electrode 140.

제1 반사기층(108)은 분산 브래그 반사기(Distributed Bragg Reflector, DBR)이며 레이저 광을 활성층(118) 쪽으로 반사시킨다. 제1 반사기층(108)은 제1 도전형 불순물(impurity)이 도핑된(doped) 서로 다른 굴절률(refractive index)을 갖는 두 AlxGa(1-x)As층이 교대로 적층되어 형성된다. 예컨대, 제1 도전형 불순물로는 n형 불순물인 Si 등이 이용된다. 추가적으로, 제1 반사기층(108)의 물질로는 레이저 파장이 자외선에서 적외선 영역이면 AlGaInN 또는 AlGaAsP 반도체가 사용되고, 적색에서 근적외선 영역이면 AlGaAsP 반도체가 사용되며, 광통신용의 1 ~ 2 ㎛ 영역이면 InGaAsP 반도체가 사용될 수 있다.The first reflector layer (108) is a distributed Bragg reflector (DBR) and reflects the laser light toward the active layer (118). The first reflector layer (108) is formed by alternately stacking two Al x Ga (1-x) As layers doped with a first conductive impurity and having different refractive indices. For example, an n-type impurity such as Si is used as the first conductive impurity. Additionally, as a material of the first reflector layer (108) , if the laser wavelength is in the ultraviolet to infrared range, an AlGaInN or AlGaAsP semiconductor is used, if the laser wavelength is in the red to near-infrared range, an AlGaAsP semiconductor is used, and if the wavelength is in the 1 to 2 ㎛ range for optical communication, an InGaAsP semiconductor can be used.

굴절률이 높은층(102)과 굴절률이 낮은층(104)을 에피택시(epitaxy) 방법으로 적층하여 순차적으로 적층한 것을 한 짝(106)이라 할 때, 이런 짝(106)이 20∼40 회 적층되어 제1 반사기층(108)이 형성된다. 제1 반사기층(108)의 굴절률이 높은층(102)과 굴절률이 낮은층(104) 각각의 광학적 두께는 λ/4가 되도록 형성되고, 따라서 한 짝(106)의 광학적 두께(optical thickness)는 λ/2가 되도록 형성된다. When a layer (102) with a high refractive index and a layer (104) with a low refractive index are sequentially laminated by an epitaxy method, and this is called a pair (106), the first reflector layer (108) is formed by laminating such pairs (106) 20 to 40 times. The optical thickness of each of the layer (102) with a high refractive index and the layer (104) with a low refractive index of the first reflector layer (108) is formed to be λ/4, and therefore the optical thickness of the layer (106) is formed to be λ/2.

여기서 λ는 VCSEL이 동작하도록 설계되는 파장을 나타낸다. 그리고, 광학적 두께는 광학적 소자의 물리적인 두께(physical thickness)와 굴절률을 곱한 값이다.Here, λ represents the wavelength at which the VCSEL is designed to operate. And, the optical thickness is the product of the physical thickness of the optical element and the refractive index.

굴절률이 높은층(102)과 굴절률이 낮은층(104) 간의 굴절률 차이는 AlxGa(1-x)As의 알루미늄(Al)의 조성을 다르게 함으로써 형성된다. 이렇게 형성된 반사기층(108)의 반사도(reflectance)는 99 % 이상일 수 있다. AlGaInN, AlGaAsP 또는 InGaAsP 계열의 반도체에 대해서도 물질조성을 변경하여 굴절률 차이를 조절할 수 있다. The difference in refractive index between the high refractive index layer (102) and the low refractive index layer (104) is formed by changing the composition of aluminum (Al) of Al x Ga (1-x) As. The reflectance of the reflector layer (108) formed in this way can be 99% or more. The difference in refractive index can also be controlled by changing the material composition for semiconductors of the AlGaInN, AlGaAsP, or InGaAsP series.

활성층(118, 또는 공진기(resonator))은 광이 발생되는 층으로서, n형 캐리어 집속층(carrier confinement layer, 110), InxGa(1-x)As 양자 우물층(quantum well layer, 112), AlxGa(1-x)As 또는 GaAsxP(1-x) 장벽층(barrier layer, 114) 및 p형 캐리어 집속층(116)을 에피택시 방법을 이용하여 순차적으로 적층하여 이루어진다. 여기서, n형 또는 p형 캐리어 집속층은 AlGaAs 계열의 물질을 사용하여 형성된다. 또한, 활성층(118)을 구성하는 각각의 층(110, 112, 114, 116)은 단일층 또는 이종(hetero) 구조의 복수층(미도시)으로 구성될 수 있다. AlGaInN, AlGaAsP 또는 InGaAsP 계열의 반도체에 대해서도 물질조성을 변경하여 레이저의 광의 파장을 조절할 수 있다. The active layer (118, or resonator) is a layer where light is generated, and is formed by sequentially stacking an n-type carrier confinement layer (110), an In x Ga (1-x) As quantum well layer (112), an Al x Ga (1-x) As or GaAs x P (1-x) barrier layer (114), and a p-type carrier confinement layer (116) using an epitaxy method. Here, the n-type or p-type carrier confinement layer is formed using an AlGaAs series material. In addition, each of the layers (110, 112, 114, 116) constituting the active layer (118) may be composed of a single layer or multiple layers of a heterostructure (not shown). The wavelength of the laser light can also be controlled by changing the material composition for semiconductors of the AlGaInN, AlGaAsP, or InGaAsP series.

제2 반사기층(126)도 DBR이며, 레이저 광을 활성층(118) 쪽으로 반사시킨다. 제2 반사기층(126)은 제2 도전형 불순물이 도핑된 서로 다른 굴절률을 갖는 두 AlxGa(1-x)As층이 교대로 적층되어 형성된다. 예컨대, 제2 도전형 불순물로는 p형 불순물인 탄소(C), 아연(Zn), 마그네슘(Mg) 등이 이용될 수 있다. 추가적으로, 제2 반사기층(126)의 물질로는 AlGaInN, AlGaAsP 또는 InGaAsP 계열의 반도체가 사용되며, 이들의 물질조성을 변경하여 굴절률 차이를 조절할 수 있다. The second reflector layer (126) is also a DBR and reflects the laser light toward the active layer (118). The second reflector layer (126) is formed by alternately stacking two Al x Ga (1-x) As layers with different refractive indices doped with second conductive impurities. For example, the second conductive impurities include Carbon (C), zinc (Zn), magnesium (Mg), etc., which are p-type impurities, can be used. Additionally, semiconductors of the AlGaInN, AlGaAsP, or InGaAsP series are used as the material of the second reflector layer (126), and the difference in refractive index can be controlled by changing the material composition thereof.

굴절률이 높은층(120)과 굴절률이 낮은층(122)을 에피택시 방법으로 적층하여 순차적으로 적층된 것을 한 짝(124)이라 할 때, 이런 짝(124)이 10∼40 회 적층되어 제2 반사기층(126)이 형성된다. 제2 반사기층(126)의 굴절률이 높은층(120)과 굴절률이 낮은층(122) 각각의 광학적 두께는 λ/4가 되도록 형성되고, 따라서 한 짝(124)의 광학적 두께(optical thickness)는 λ/2가 되도록 형성된다. 이렇게 형성된 반사기층(126)의 반사도는 95 % 이상일 수 있다. When a layer (120) with a high refractive index and a layer (122) with a low refractive index are sequentially laminated by an epitaxy method and are referred to as a pair (124), such pairs (124) are laminated 10 to 40 times to form a second reflector layer (126). The optical thickness of each of the layer (120) with a high refractive index and the layer (122) with a low refractive index of the second reflector layer (126) is formed to be λ/4, and therefore the optical thickness of the layer (124) is formed to be λ/2. The reflectivity of the reflector layer (126) formed in this way can be 95% or more.

위상제어층(202)은 제2 반사기층(126)에서 반사되는 광 위상(phase)을 조절함으로써 제2 영역에서 특정한 광특성이 최적값으로 되도록 해당 횡 모드의 광이득(optical gain)과 유효굴절율(effective refractive index)을 조절한다. 여기서, 광특성은, 레이저의 특성을 나타내고, 광출력, 광효율, 문턱 전류(threshold current) 등을 포함한다. 위상제어층(202)은 AlxGa(1-x)As층 및 GaAs층을 에피택시 방법으로 성장시켜 순차적으로 적층된 구조로 이루어진다. 또한, 물질조성을 조절하여 AlGaInN, AlGaAsP 또는 InGaAsP 계열의 반도체도 위상제어층(202)을 형성할 수 있다.The phase control layer (202) adjusts the light phase reflected from the second reflector layer (126) so that a specific optical characteristic in the second region becomes an optimal value. corresponding The optical gain and effective refractive index of the transverse mode are controlled. Here, the optical characteristics represent the characteristics of the laser and include optical output, optical efficiency, threshold current, etc. The phase control layer (202) is formed by sequentially stacking Al x Ga (1-x) As layers and GaAs layers grown by an epitaxy method. In addition, a semiconductor of the AlGaInN, AlGaAsP, or InGaAsP series can also be formed as the phase control layer (202) by controlling the material composition.

위상제어층(202) 내 AlxGa(1-x)As층은, 광의 발진 파장에 대해 광학적으로 투명한 에너지갭(energy gap, Eg) 이상을 구현하는 알루미늄 조성비(x)를 갖는다. 위상제어층(202)의 상부면은 도핑농도를 높이고 에너지 갭을 가능한 한 작게 하여 상부전극(140)과 위상제어층(202) 사이의 오옴(ohm)성 접촉저항을 줄여야 한다. 이를 위하여 제2 도전형 불순물이 1×1019 개/cm3 이상으로 도핑된다. 따라서, 위상제어층(202)은 여러 층으로 이루어질 수 있다. The Al x Ga (1-x) As layer in the phase control layer (202) is made of aluminum that implements an energy gap ( Eg) that is optically transparent to the wavelength of light emitted. The phase control layer (202) has a composition ratio (x). The upper surface of the phase control layer (202) should have a high doping concentration and an energy gap as small as possible to reduce the ohmic contact resistance between the upper electrode (140) and the phase control layer (202). To this end, the second conductive impurity is doped at 1×10 19 /cm 3 or more. Accordingly, the phase control layer (202) may be formed of multiple layers.

또한 본 발명의 다른 실시예에 있어서, 위상보상층(200) 하부의 개구부(aperture)와 상부전극(140) 하부의 위상제어층(202)은 서로 두께가 다를 수 있다.In addition, in another embodiment of the present invention, the aperture under the phase compensation layer (200) and the phase control layer (202) under the upper electrode (140) may have different thicknesses.

제2 반사기층(126)에서 반사되는 광 위상의 조절에 따라 해당 횡 모드의 광이득과 유효굴절율이 조절되도록 위상제어층(202)의 광학적 두께가 조절된다. 이때, 위상보상층(200)의 광학적 두께는 기설정된 값일 수 있다. 2 영역에서는 발진 문턱이득(threshold gain)이 커지게 되어 발진이 발생하지 않는다. 따라서 캐리어 재결합도 약하게 일어나므로, 제1 영역의 레이저 효율이나 최대 출력을 낮추는 일이 발생하지 않는다. The optical thickness of the phase control layer (202) is adjusted so that the optical gain and effective refractive index of the corresponding transverse mode are adjusted according to the adjustment of the light phase reflected from the second reflector layer (126). At this time, the optical thickness of the phase compensation layer (200) may be a preset value. In the second region, the threshold gain for oscillation becomes large, so that oscillation does not occur. Accordingly, carrier recombination also occurs weakly, so that the laser efficiency or maximum output of the first region is not lowered.

위상보상층(200)은 위상제어층(202)과 함께, 반사되는 광 위상을 조절함으로써 제1 영역에서 특정한 광특성이 최적값으로 되도록 해당 횡 모드의 광이득과 유효굴절률을 조절한다. 여기서, 광특성은 광출력, 광효율, 문턱 전류(threshold current) 등을 포함한다. The phase compensation layer (200) adjusts the reflected light phase together with the phase control layer (202) so that a specific optical characteristic in the first region becomes an optimal value. Controls the optical gain and effective refractive index of the corresponding transverse mode. Here, the optical characteristics include optical output, optical efficiency, threshold current, etc.

위상보상층(200)은 위상제어층(202) 상에 형성되며, 레이저 광이 방출되는 개구부를 형성한다. 도 2에 도시된 바와 같이 개구부의 하부는 제1 영역을 형성한다. 위상보상층(200)은 유전(dielectric) 물질인 SiNx, SiO2 등으로 형성되며, 개구부와 상부전극(140)의 일부분이 서로 연결되도록 형성된다. 위상보상층(200)과 위상제어층(202)과 합하여 광 위상의 조절에 따라 제2 영역에서 해당 횡 모드의 광이득과 유효굴절률이 조절되도록 위상보상층(200)의 광학적 두께가 조절된다. 또한, 단일모드 동작조건을 만족시키고 광출력을 높일 수 있도록, 위상보상층(200)의 광학적 두께가 의도적으로 최소값보다 큰 값으로 조절될 수도 있다.The phase compensation layer (200) is formed on the phase control layer (202) and forms an opening through which laser light is emitted. As illustrated in FIG. 2, the lower portion of the opening forms a first region. The phase compensation layer (200) is formed of a dielectric material such as SiN x or SiO 2 and is formed such that the opening and a portion of the upper electrode (140) are connected to each other. The optical thickness of the phase compensation layer (200) is controlled so that the optical gain and effective refractive index of the corresponding transverse mode in the second region are controlled according to the control of the optical phase by combining the phase compensation layer (200) and the phase control layer (202). In addition, the optical thickness of the phase compensation layer (200) may be intentionally controlled to a value greater than the minimum value so as to satisfy a single-mode operation condition and increase the optical output.

본 발명의 다른 실시예에 있어서, 위상보상층(200)은 반도체인 AlGaAs 등으로 형성되고, 개구부와 상부전극(140)은 서로 분리되도록 형성될 수 있다. In another embodiment of the present invention, the phase compensation layer (200) may be formed of a semiconductor such as AlGaAs, and the opening and the upper electrode (140) may be formed to be separated from each other.

반도체 기판(100)은 제1 도전형 불순물이 도핑된 반도체 물질층이다. 예컨대, n형 불순물로 도핑된 GaAs, GaP, AlGaAs, GaN, InP, Sapphire, GaN 중 선택된 하나의 반도체 물질층일 수 있다. The semiconductor substrate (100) is a semiconductor material layer doped with a first conductive type impurity. For example, it may be a semiconductor material layer selected from among GaAs, GaP, AlGaAs, GaN, InP, Sapphire, and GaN doped with an n-type impurity.

하부전극(142)은 반도체 기판(100)의 하부면에 형성되며, Ni, AuGe, Au 중 선택된 하나의 금속 또는 다수 개의 금속을 증착하여 형성된다.The lower electrode (142) is formed on the lower surface of the semiconductor substrate (100) and is formed by depositing one or more metals selected from Ni, AuGe, and Au.

상부전극(140)은 위상제어층(202)의 상부에 위치하여 개구부 주변에 형성되며, AuZn, Au, AuBe, Cr, Ti, Pt 중 선택된 하나의 금속 또는 다수의 금속층을 적층하여 형성된다. The upper electrode (140) is positioned on the upper side of the phase control layer (202) and formed around the opening, and is formed by laminating one or more metal layers selected from AuZn, Au, AuBe, Cr, Ti, and Pt.

전류차단 영역(144)은, 도 2의 예시와 같이 제2 반사기층(126)의 양측의 일정 깊이에 이온(ion)을 주입시키거나, 도 3의 예시와 같이 산화가능 층(oxidizable layer)을 산화시켜 형성된다. 전류차단 영역(144)은 캐리어(carrier)의 통로를 중앙 부분으로 제한함으로써, 활성층(118) 내로 주입되는 전류가 제1 영역 및 제2 영역에 제한되고 제3 영역으로는 흐르지 않도록 한다. The current blocking region (144) is formed by injecting ions into a certain depth on both sides of the second reflector layer (126) as in the example of Fig. 2, or by oxidizing the oxidizable layer as in the example of Fig. 3. The current blocking region (144) restricts the path of carriers to the central portion, thereby restricting the current injected into the active layer (118) to the first region and the second region and preventing it from flowing to the third region.

위상보상층(200)이 형성하는 개구부(제1 영역을 상부에서 내려다보는 부분)는 원형, 마름모, 다각형 등과 같은 형태일 수 있는데, 이러한 형태는 상부전극(140)을 형성할 때 결정되며, 개구부의 직경(또는 대각선의 길이, 도 2의 예시에서 A)은 추후에 설명되는 단일 모드 구현에 따라 결정될 수 있다.The opening formed by the phase compensation layer (200) (a portion looking down on the first region from above) may have a shape such as a circle, a diamond, a polygon, etc., and this shape is determined when forming the upper electrode (140), and the diameter of the opening (or the length of the diagonal, A in the example of FIG. 2) may be determined according to the single mode implementation described later.

이상에서 설명한 바와 같이 본 실시예에 따르면, 상부전극의 개구부 반지름이 전류차단 영역 개구부의 반지름보다 작아서 레이저의 직렬저항이 감소된 수직공진형 표면발광 레이저를 제공함으로써, 열 발생이 감소하고, 최대 광출력도 증가하는 것이 가능해지는 효과가 있다. As described above, according to the present embodiment, a vertical resonance surface-emitting laser having a reduced series resistance of the laser is provided because the radius of the opening of the upper electrode is smaller than the radius of the opening of the current blocking region, thereby reducing heat generation and increasing the maximum optical output.

본 실시예에 따른 VCSEL에, 두 개의 전극(140, 142)을 통하여 전류가 주입되면 제1 반사기층(108) 및 제2 반사기층(126)을 통과한 전자(electron)들과 정공(hole)들이 활성층(118)에서 재결합(recombination)하면서 광이 발생된다. 발생한 광은 초기에 모든 입체각(solid angle)들로 발산하나 각 반사기층(108, 126)의 브래그 파장(Bragg wavelength)을 만족하는 광만이 보강 간섭(constructive interference)을 거쳐 남게 된다. 또한 제1 영역에 해당하는 개구부만 위상보상이 되고 제2 영역에 해당하는 주변부는 위상 부정합이 되도록 함으로써, 제2 영역의 발진 문턱이득이 증가되고 유효 굴절률은 감소된다. 따라서 제2 영역에서 레이저 발진의 발생 억제에 따른 고차 모드 발진이 억제되어 본 실시예에 따른 VCSEL은 단일 모드로 동작한다. In the VCSEL according to the present embodiment, when current is injected through two electrodes (140, 142), electrons and holes that have passed through the first reflector layer (108) and the second reflector layer (126) recombine in the active layer (118), thereby generating light. The generated light initially diverges into all solid angles, but only light that satisfies the Bragg wavelength of each reflector layer (108, 126) remains after undergoing constructive interference. In addition, by making only the aperture corresponding to the first region phase-compensated and the peripheral region corresponding to the second region phase-mismatched, the threshold gain of the second region increases and the effective refractive index decreases. Therefore, the VCSEL according to the present embodiment operates in a single mode because the high-order mode oscillation is suppressed due to the suppression of the occurrence of laser oscillation in the second region.

또한, 제1 영역의 유효 굴절률을 높이고 제2 영역의 유효 굴절률을 낮추어 유효 굴절률 차이가 나타나게 하면, 유효 굴절률 차이 및 제1 영역의 두께를 조절하여 본 실시예에 따른 VCSEL은 단일 모드로 동작할 수 있다. 굴절률 차이 도파로(index-guiding) 구조의 VCSEL은 이득 차이 도파로(gain-guiding) 구조에 비하여 모드 안정성이 탁월하다. In addition, by increasing the effective refractive index of the first region and decreasing the effective refractive index of the second region to create an effective refractive index difference, the VCSEL according to the present embodiment can operate in a single mode by controlling the effective refractive index difference and the thickness of the first region. The VCSEL of the index-guiding structure has excellent mode stability compared to the gain-guiding structure.

레이저 광의 횡 모드를 억제하는 것은 도 4에 도시된 바와 같은 원통형 광도파관(light waveguide)의 원리를 이용한다. 도 4의 도시에서 a는 코어의 반지름이고, n1 및 n2 각각은 코어 및 클래드 층의 굴절률 또는 유효 굴절률이다. 전술한 바와 같이 위상제어층(202)과 위상보상층(200)의 광학적 두께를 조절함으로써 제1 영역의 발진 문턱이득이 감소하고 유효 굴절률은 증가된다. 위상제어층(202)의 광학적 두께를 조절함으로써 제2 영역의 발진 문턱이득이 증가되고 유효 굴절률은 감소된다. 감소된 발진 문턱이득에 따라 발진이 용이해져서 유효 굴절률이 증가한 제1 영역은 광도파관의 코어(core)가 된다. 발진이 어려워져서 유효 굴절률이 감소된 제2 영역은 광도파관의 클래드(clad) 층이 된다. Suppressing the transverse mode of laser light utilizes the principle of a cylindrical light waveguide as illustrated in FIG. 4. In the diagram of FIG. 4, a is the radius of the core, and n 1 and n 2 are refractive indices or effective refractive indices of the core and cladding layers, respectively. As described above, by controlling the optical thickness of the phase control layer (202) and the phase compensation layer (200), the oscillation threshold gain of the first region is reduced and the effective refractive index is increased. By controlling the optical thickness of the phase control layer (202), the oscillation threshold gain of the second region is increased and the effective refractive index is reduced. The first region, where oscillation becomes easy due to the reduced oscillation threshold gain and the effective refractive index increases, becomes the core of the light waveguide. The second region, where oscillation becomes difficult and the effective refractive index decreases, becomes the clad layer of the light waveguide.

광도파관이 횡 모드를 억제하여 단일 모드로 동작하기 위한 조건은, V-넘버(V-number)가 수학식 1을 만족해야 하는 것으로 알려져 있다. It is known that the condition for an optical waveguide to suppress the transverse mode and operate in a single mode is that the V-number must satisfy mathematical expression 1.

파장 λ를 갖는 레이저 광의 V-넘버를 줄이기 위해서는, 수학식 1에 나타낸 바에 따라 코어의 반지름 a를 줄이거나, 으로 표현되는 개구수(Numerical Aperture, NA)를 줄여야 한다. 물리적 한계에 직면하게 되는 a를 줄이는 방법을 대신하여 본 실시예는 개구수를 줄임으로써 단일 모드 VCSEL을 구현한다. 단, 개구수가 지나치게 감소되면, 레이저 광의 관점에서 광 도파로의 동작이 약화되어 레이저 소자의 모드 안정성이 유지되기 어려울 수 있다. 따라서, 수학식 1에 따라, 코어 반지름과 개구수는 적절하게 절충될 수 있다. To reduce the V-number of laser light with wavelength λ, the radius a of the core is reduced as shown in mathematical expression 1, or The numerical aperture (NA) expressed as a must be reduced. Instead of the method of reducing a, which faces a physical limit, the present embodiment implements a single-mode VCSEL by reducing the numerical aperture. However, if the numerical aperture is reduced excessively, the operation of the optical waveguide may be weakened from the perspective of the laser light, making it difficult to maintain the mode stability of the laser device. Therefore, according to mathematical expression 1, the core radius and the numerical aperture can be appropriately compromised.

본 실시예에 있어서, 제1 영역 및 제2 영역을 구성하는 각 층의 굴절률은 수직 방향의 위치에 따라 변하는 값이다. 그러나 광을 방출하는 레이징 모드(lasing mode)에서는 각각 단일한 유효(effective) 굴절률 neff,1 및 neff,2를 갖게 되며, 단일 모드 구현을 위한 조건은 수학식 2와 같이 나타낼 수 있다.In this embodiment, the refractive indices of each layer constituting the first region and the second region are values that change depending on the position in the vertical direction. However, in the lasing mode that emits light, each has a single effective refractive index n eff,1 and n eff,2 , and the condition for implementing a single mode can be expressed as in mathematical expression 2.

제1 영역 및 제2 영역의 수직 방향의 위치에 따른 굴절률을 n1(z) 및 n2(z)라 할 때, 이들은 수직 방향을 구성하는 각 층의 물질조성에 의존한다. 따라서, 유효 굴절률 neff,1 및 neff,2는 수학식 3으로 나타낼 수 있다.When the refractive indices according to the vertical direction of the first and second regions are n 1 (z) and n 2 (z), they depend on the material composition of each layer constituting the vertical direction. Therefore, the effective refractive indices n eff,1 and n eff,2 can be expressed by mathematical expression 3.

여기서, φ1(z) 및 φ2(z)는 각각 제1 영역 및 제2 영역의 수직 방향 레이징 모드의 전기장 프로파일이다. Here, φ 1 (z) and φ 2 (z) are the electric field profiles of the vertical lasing modes in the first and second regions, respectively.

전기장 프로파일 φ1(z) 및 φ2(z)는 위상제어층(202)과 위상보상층(200)의 굴절률과 광학적 두께에 의해 조절될 수 있다. 또한, 문턱이득(threshold gain)을 포함한 공진기 특성은 전기장 프로파일 φ1(z) 및 φ2(z)에 따라 결정된다. 따라서, 위상제어층(202)과 위상보상층(200)의 광학적 두께와 굴절률의 조합을 조절하여 제1 영역과 제2 영역의 유효굴절률은 물론 공진기의 특성, 즉, 레이저의 특성도 조절될 수 있다. The electric field profiles φ 1 (z) and φ 2 (z) can be controlled by the refractive indices and optical thicknesses of the phase control layer (202) and the phase compensation layer (200). In addition, the resonator characteristics including the threshold gain are determined according to the electric field profiles φ 1 (z) and φ 2 (z). Therefore, by controlling the combination of the optical thickness and refractive indices of the phase control layer (202) and the phase compensation layer (200), not only the effective refractive indices of the first region and the second region but also the characteristics of the resonator, i.e., the characteristics of the laser, can be controlled.

도 5에 도시된 바와 같이 반사도(reflectance) R1 및 R2를 갖는 두 개의 반사기 미러(reflector mirrors) 간의 거리, 즉 공진기 길이가 L일 때, 발진 문턱이득은 수학식 4로 표현된다.When the distance between two reflector mirrors having reflectances R 1 and R 2 as shown in Fig. 5, i.e. the resonator length, is L, the oscillation threshold gain is expressed by mathematical expression 4.

DBR 짝의 수가 증가하고 굴절률 차이가 크며 위상제어층(202)과 위상보상층(200)에서 보강 간섭이 일어날수록 DBR의 반사도는 증가하는 값이므로, 반사도는 조절이 가능하다. 반사도가 증가하여 발진 문턱이득이 감소하면, 굴절률과 광이득(optical gain)이 가장 높은 활성층(118), 즉 공진기(resonant cavity)에 광이 집중된다. 이에 따라 굴절률이 높은 활성층(118)에서 전기장 프로파일이 증가하면, 수학식 3에 따라 유효 굴절률도 증가한다. 즉 영역 별 발진 문턱이득을 조절하여 유효 굴절률을 조절할 수 있다. 따라서, 수학식 2에 나타낸 바와 같이, 제1 영역과 제2 영역의 유효 굴절률을 조절하여 단일 모드 구현을 위한 V-넘버의 조건을 만족하는 것이 가능해진다. 또한 개구수가 양수이기 위해서는 neff,1이 neff,2 보다 커야 하므로, 제1 영역의 발진 문턱이득 gth,1은 제2 영역의 발진 문턱이득 gth,2보다 작아지도록 조절된다. 이에 따라 레이저 발진은 제1 영역에서만 일어나고 제1 영역의 유효 굴절률이 제2 영역의 유효 굴절률보다 높아지게 되어 광도파관 구조가 만들어진다.As the number of DBR pairs increases and the refractive index difference increases and constructive interference occurs in the phase control layer (202) and the phase compensation layer (200), the reflectivity of the DBR increases. Therefore, the reflectivity can be controlled. When the reflectivity increases and the oscillation threshold gain decreases, light is concentrated in the active layer (118) with the highest refractive index and optical gain, i.e., the resonant cavity. Accordingly, when the electric field profile increases in the active layer (118) with the high refractive index, the effective refractive index also increases according to Equation 3. That is, the effective refractive index can be controlled by controlling the oscillation threshold gain for each region. Therefore, as shown in Equation 2, it becomes possible to satisfy the condition of the V-number for implementing a single mode by controlling the effective refractive indices of the first region and the second region. In addition, since n eff,1 must be greater than n eff,2 in order for the numerical aperture to be positive, the lasing threshold gain g th,1 of the first region is adjusted to be smaller than the lasing threshold gain g th,2 of the second region. Accordingly, laser lasing occurs only in the first region, and the effective refractive index of the first region becomes higher than that of the second region, thereby creating an optical waveguide structure.

도 2의 예시를 참조하면, 수직 방향의 굴절률 n1(z) 및 n2(z)는 위상제어층(202)과 위상보상층(200)을 제외하고는 동일하다. 따라서 위상제어층(202) 및 위상보상층(200) 두 층의 광학적 두께를 변경하여 gth,1 및 φ1(z)가 변경될 수 있다. 또한 위상제어층(202)의 광학적 두께를 변경하여 gth,2 및 φ2(z)가 변경될 수 있다. 결과적으로 두 개의 층, 즉 위상제어층(202) 및 위상보상층(200)의 광학적 두께를 변경하면 유효 굴절률 neff,1 및 neff,2가 변경할 수 있다. Referring to the example of Fig. 2, the refractive indices n 1 (z) and n 2 (z) in the vertical direction are the same except for the phase control layer (202) and the phase compensation layer (200). Therefore, g th,1 and φ 1 (z) can be changed by changing the optical thickness of the two layers of the phase control layer (202) and the phase compensation layer (200). In addition, g th,2 can be changed by changing the optical thickness of the phase control layer (202). and φ 2 (z) can be changed. Consequently, by changing the optical thicknesses of the two layers, i.e., the phase control layer (202) and the phase compensation layer (200), the effective refractive indices n eff,1 and n eff,2 can be changed.

한편, 수학식 1과 수학식 4의 유도 과정에 대한 기술은 본 개시의 범위를 벗어나므로 더 이상의 자세한 설명은 생략한다.Meanwhile, the description of the derivation process of mathematical expressions 1 and 4 is beyond the scope of the present disclosure, so further detailed description is omitted.

이하, 위상제어층(202) 및 위상보상층(200) 두 층의 광학적 두께에 따른 영향에 대한 예시를 설명한다.Below, an example of the influence according to the optical thickness of two layers, the phase control layer (202) and the phase compensation layer (200), is described.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른, 위상제어층과 위상보상층의 두께에 따른 개구부의 최대 크기를 나타내는 예시도이다.Figure 6 shows the maximum size of the opening according to the thickness of the phase control layer and the phase compensation layer according to one embodiment of the present invention. This is an example showing.

도 6의 도시는 파장 λ가 850 nm인 레이저 광에 대하여, 위상제어층(202) 및 위상보상층(200)의 광학적 두께에 따른 개구부(A)의 최대 크기(Amax)의 변화를 나타낸다. 여기서, 위상제어층(202)으로는 AlGaAs가 사용되고, 위상보상층(200)으로는 SiNx가 사용될 수 있다. 개구부(A)는 원형으로 형성하되, 최대 크기는 수학식 2를 만족하는 값이다. 위상제어층(202)의 두께가 증가함에 따라 개구부(A)의 최대 크기(Amax)가 증가하고, 제2 영역과 제1 영역 간 발진 문턱이득의 차이(Δgth = gth,2 - gth,1)는 감소한다. 이러한 경향은 일정한 크기의 위상제어층(202)의 두께를 기준으로 주기성을 지닌 채로 반복된다. The diagram of FIG. 6 shows the change in the maximum size (A max ) of the aperture (A) according to the optical thickness of the phase control layer (202) and the phase compensation layer (200) for laser light having a wavelength λ of 850 nm. Here, AlGaAs can be used as the phase control layer (202), and SiN x can be used as the phase compensation layer (200). The aperture (A) is formed in a circular shape, and its maximum size is a value satisfying mathematical expression 2. As the thickness of the phase control layer (202) increases, the maximum size (A max ) of the aperture (A) increases, and the difference in oscillation threshold gain between the second region and the first region (Δg th = g th,2 - g th,1 ) decreases. This trend is repeated periodically based on the thickness of the phase control layer (202) of a constant size.

수학식 2와 같이, Amax 값은 유효 굴절율들 간 차이와 관련되는데, 유효 굴절율의 차이는 위상제어층(202)의 두께에 의해 용이하게 조절되고, 발진 문턱이득의 차이도 동시에 위상제어층(202)의 두께에 의해 용이하게 조절될 수 있다. 위상제어층(202)의 두께는 단일 모드의 조건을 결정하는 변수로서 매우 유용하고, 이는 위상보상층(200)도 마찬가지이다. 따라서, 단일 모드의 조건을 결정함에 있어서, 이 두 층의 변화를 이용하여 제1 영역과 제2 영역의 유효 굴절율과 발진 문턱이득을 조절하는 것은 단순하면서도 강력한 도구가 될 수 있다.As shown in mathematical expression 2, the A max value is related to the difference between effective refractive indices, and the difference in effective refractive indices can be easily controlled by the thickness of the phase control layer (202), and the difference in the oscillation threshold gain can also be easily controlled by the thickness of the phase control layer (202). The thickness of the phase control layer (202) is very useful as a variable that determines the condition of a single mode, and the same applies to the phase compensation layer (200). Therefore, in determining the condition of a single mode, adjusting the effective refractive indices and the oscillation threshold gain of the first and second regions by utilizing the change in these two layers can be a simple yet powerful tool.

위상제어층(202)은 단일층 또는 복수의 층으로 구성되나, 통상 단일층으로 구성될 수 있다. 위상제어층(202)의 광학적 두께(물리적 두께×물질 굴절률)의 크기에 따라서 공진기 내에 형성된 레이저 광의 위상이 변화될 수 있다. 예컨대, GaAs/AlGaAs 에피층으로 구성된 도파로에서, 발진 파장에 따라 AlGaAs층 또는 GaAs층이 위상제어층(202)으로 사용될 수 있다.The phase control layer (202) is composed of a single layer or multiple layers, but can usually be composed of a single layer. The phase of the laser light formed in the resonator can be changed depending on the size of the optical thickness (physical thickness × material refractive index) of the phase control layer (202). For example, in a waveguide composed of a GaAs/AlGaAs epilayer, an AlGaAs layer or a GaAs layer can be used as the phase control layer (202) depending on the oscillation wavelength.

개구부(A)의 크기를 4~15 ㎛로 구현 시, 개구부 직경(Amax)의 상한과 하한은 다음과 같은 근거에 따라 설정될 수 있다. 직경의 하한은, 상용화 동작 조건에서 신뢰성을 보장하는 VCSEL의 최소 크기에 의존한다. 한편, 직경의 상한은 굴절률 차이 도파로(index-guiding) 구조의 VCSEL 특성 유지 고려하여 설정된다. 즉, 개구부의 크기가 지나치게 커지는 경우, 개구부(A)의 유효 굴절율 neff,1 과 제2 영역의 유효 굴절율 neff,2 간의 차이가 감소하여, 레이저 광의 관점에서 굴절률 차이 도파로의 동작이 약화된다. 전술한 바와 같이, 이러한 레이저 소자는 모드 안정성을 유지하기 어려울 수 있다. When the size of the aperture (A) is implemented as 4 to 15 ㎛, the upper and lower limits of the aperture diameter (A max ) can be set based on the following grounds. The lower limit of the diameter depends on the minimum size of the VCSEL that ensures reliability under commercial operating conditions. Meanwhile, the upper limit of the diameter is set in consideration of maintaining the VCSEL characteristics of the index-guiding structure. That is, when the size of the aperture becomes excessively large, the difference between the effective refractive index n eff,1 of the aperture (A) and the effective refractive index n eff,2 of the second region decreases, so that the operation of the index-guiding structure is weakened from the perspective of laser light. As described above, such a laser device may have difficulty in maintaining mode stability.

제1 영역의 반경이 최대 크기로 확보되면, VCSEL은 직렬 저항 감소에 따른 접합 (junction) 온도가 낮아지게 되고 광출력이 증가되는 장점을 갖는다. 또한 신뢰성 및 공정 마진이 증가하므로, 제품의 생산성이 증대되는 효과를 갖는다.When the radius of the first region is secured to the maximum size, the VCSEL has the advantage of lowering the junction temperature due to the decrease in series resistance and increasing the light output. In addition, since the reliability and process margin are increased, it has the effect of increasing the productivity of the product.

한편, 수학식 1에 따른 단일 모드 동작이 가능한 제1 영역의 최대 반경에 대하여, 제1 영역의 반경은 최대 반경보다 기정해진 비율만큼 크게 설정될 수 있다. 제1 영역의 반경이 최대 반경보다 약간 크더라도, 본 실시예에 따른 VCSEL은 단일모드로 동작하면서도 상부전극(140)에 막혀서 방출되지 못하는 레이저 광의 비율을 최소화함으로써 발광효율을 증가시킬 수 있다. 다수의 변수들이 복합적으로 고려되어야 하므로, 기정해진 비율은 실험을 이용하여 결정하는 편이 더 간편하고 정확할 수 있다.Meanwhile, with respect to the maximum radius of the first region capable of single-mode operation according to mathematical expression 1, the radius of the first region may be set to be larger than the maximum radius by a predetermined ratio. Even if the radius of the first region is slightly larger than the maximum radius, the VCSEL according to the present embodiment can increase luminous efficiency by minimizing the ratio of laser light that is blocked by the upper electrode (140) and cannot be emitted while operating in a single mode. Since a number of variables must be comprehensively considered, it may be simpler and more accurate to determine the predetermined ratio using experiments.

이상의 설명은 본 실시예의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 실시예들은 본 실시예의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 실시예의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 실시예의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 실시예의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.The above description is merely an illustrative description of the technical idea of the present embodiment, and those with ordinary skill in the art to which the present embodiment belongs may make various modifications and variations without departing from the essential characteristics of the present embodiment. Therefore, the present embodiments are not intended to limit the technical idea of the present embodiment, but to explain it, and the scope of the technical idea of the present embodiment is not limited by these embodiments. The protection scope of the present embodiment should be interpreted by the following claims, and all technical ideas within a scope equivalent thereto should be interpreted as being included in the scope of the rights of the present embodiment.

100: 반도체 기판
108: 제1 반사기층
118: 활성층(또는 공진기)
126: 제2 반사기층
140: 상부전극
142: 하부전극
144: 전류차단 영역
200: 위상보상층
202: 위상제어층
100: Semiconductor substrate
108: 1st reflector layer
118: Active layer (or resonator)
126: Second reflector layer
140: Upper electrode
142: Lower electrode
144: Current blocking area
200: Phase compensation layer
202: Phase control layer

Claims (14)

반도체(semiconductor) 물질로 형성된 반도체 기판(substrate);
상기 반도체 기판 상에 형성되며 제1 도전형 불순물(impurity)이 도핑(doping)되어 형성된 제1 반사기층(reflector layer);
상기 제1 반사기층 상에 형성되며 광을 생성하는 활성층(active layer);
상기 활성층 상에 형성되며 제2 도전형 불순물이 도핑되어 형성된 제2 반사기층;
상기 제2 반사기층 상에 형성되어, 상기 제2 반사기층에서 반사되는 광의 위상(phase)을 조절하여 상기 광의 횡 모드(transverse mode)의 광이득(optical gain)과 유효굴절율(effective refractive index)을 조절하는 위상제어층(phase control layer);
상기 위상제어층 상의 중앙에 형성되어 개구부(aperture)를 형성하고, 상기 위상제어층에서 반사되는 광의 위상을 조절하여 상기 횡 모드의 광이득과 유효굴절율을 조절하는 위상보상층(phase compensation layer);
상기 제2 반사기층 내부의 바깥 쪽에 형성되는 전류차단 영역(current blocking layer);
상기 개구부 주변에 위치하고 상기 위상제어층 상에 형성되는 상부전극(upper electrode); 및
상기 반도체 기판의 하부면에 형성되는 하부전극(lower electrode)
을 포함하고,
상기 제1 반사기층, 상기 활성층, 상기 제2 반사기층 및 상기 위상제어층을 포함하는 공통 영역에 대하여,
상기 위상보상층과 상기 위상보상층 하부의 공통 영역을 포함하는 제1 영역;
상기 전류차단 영역이 전류를 차단하는 공통 영역인 제3 영역; 및
상기 제1 영역과 상기 제3 영역 간에 위치하는 공통 영역인 제2 영역
을 포함하는 것을 특징으로 하는, 수직공진형 표면발광 레이저(vertical cavity surface emitting laser).
A semiconductor substrate formed of a semiconductor material;
A first reflector layer formed on the semiconductor substrate and doped with a first conductive impurity;
An active layer formed on the first reflector layer and generating light;
A second reflector layer formed on the above active layer and doped with a second conductive impurity;
A phase control layer formed on the second reflector layer to control the phase of light reflected from the second reflector layer, thereby controlling the optical gain and effective refractive index of the transverse mode of the light;
A phase compensation layer formed at the center of the phase control layer to form an aperture and adjust the phase of light reflected from the phase control layer to adjust the optical gain and effective refractive index of the transverse mode;
A current blocking layer formed on the outer side of the inside of the second reflector layer;
An upper electrode positioned around the opening and formed on the phase control layer; and
A lower electrode formed on the lower surface of the semiconductor substrate
Including,
For the common region including the first reflector layer, the active layer, the second reflector layer and the phase control layer,
A first region including the above phase compensation layer and a common region below the above phase compensation layer;
A third region in which the current-blocking region is a common region that blocks current; and
A second area, which is a common area located between the first area and the third area
A vertical cavity surface emitting laser, characterized by including a.
삭제delete 제1항에 있어서,
상기 제1 영역의 유효 굴절률과 상기 제2 영역의 유효 굴절률 간의 차이를 이용하여 단일 모드(single mode)를 구현하는 것을 특징으로 하는, 수직공진형 표면발광 레이저.
In the first paragraph,
A vertical cavity surface-emitting laser characterized in that a single mode is implemented by utilizing the difference between the effective refractive index of the first region and the effective refractive index of the second region.
제3항에 있어서,
상기 제1 영역의 유효 굴절률이 상기 제2 영역의 유효 굴절률보다 크게 하되, 상기 제1 영역의 유효 굴절률과 상기 제2 영역의 유효 굴절률 간의 차이를 근접시킴으로써 상기 단일 모드를 구현하는 것을 특징으로 하는, 수직공진형 표면발광 레이저.
In the third paragraph,
A vertical-cavity surface-emitting laser characterized in that the single mode is implemented by making the effective refractive index of the first region greater than the effective refractive index of the second region, and making the difference between the effective refractive index of the first region and the effective refractive index of the second region close.
제1항에 있어서,
상기 위상제어층 및 상기 위상보상층의 광학적 두께(optical thickness)를 조절함으로써 상기 제1 영역의 발진 문턱이득(threshold gain)을 결정하고, 상기 발진 문턱이득을 이용하여 상기 제1 영역의 유효 굴절률을 결정하는 것을 특징으로 하는, 수직공진형 표면발광 레이저.
In the first paragraph,
A vertical-cavity surface-emitting laser characterized in that the threshold gain of the first region is determined by controlling the optical thickness of the phase control layer and the phase compensation layer, and the effective refractive index of the first region is determined using the threshold gain.
제1항에 있어서,
상기 위상제어층의 광학적 두께를 조절함으로써 상기 제2 영역의 발진 문턱이득을 결정하고, 상기 발진 문턱이득을 이용하여 상기 제2 영역의 유효 굴절률을 결정하는 것을 특징으로 하는 수직공진형 표면발광 레이저.
In the first paragraph,
A vertical cavity surface-emitting laser characterized in that the oscillation threshold gain of the second region is determined by controlling the optical thickness of the phase control layer, and the effective refractive index of the second region is determined using the oscillation threshold gain.
제1항에 있어서,
상기 위상제어층은 에피택시(epitaxy) 방법으로 AlxGa(1-x)As를 성장시켜 형성한 AlxGa(1-x)As층, 및 GaAs을 성장시켜 형성한 GaAs층이 순차적으로 적층되어 구성되는 것을 특징으로 하는, 수직공진형 표면발광 레이저.
In the first paragraph,
A vertical cavity surface-emitting laser, characterized in that the phase control layer is configured by sequentially stacking an Al x Ga (1-x) As layer formed by growing Al x Ga (1-x) As by an epitaxy method, and a GaAs layer formed by growing GaAs.
제7항에 있어서,
상기 위상제어층 내 AlxGa(1-x)As층은, 상기 광의 발진 파장에 대해 광학적으로 투명한 에너지갭(energy gap) 이상을 구현하는 알루미늄 조성비(x)를 갖는 것을 특징으로 하는, 수직공진형 표면발광 레이저.
In Article 7,
The Al x Ga (1-x) As layer in the above phase control layer is made of aluminum that implements an energy gap greater than or equal to the optically transparent energy gap for the light emission wavelength. A vertical cavity surface-emitting laser characterized by having a composition ratio (x).
제1항에 있어서,
상기 상부전극과 접촉되는 상기 위상제어층의 상부면은 상기 제2 도전형 불순물이 1×1019 개/cm3 이상 도핑(doping)되는 것을 특징으로 하는, 수직공진형 표면발광 레이저.
In the first paragraph,
A vertical cavity surface-emitting laser, characterized in that the upper surface of the phase control layer in contact with the upper electrode is doped with 1×10 19 /cm 3 or more of the second conductive type impurities.
제1항에 있어서,
상기 위상제어층은, 상기 위상보상층의 광학적 두께가 기설정된 상황에서 상기 위상제어층에서 반사되는 광의 위상의 조절에 따라 상기 제2 영역에서 상기 횡 모드의 광이득과 유효굴절율이 조절되는 광학적 두께로 형성되는 것을 특징으로 하는, 수직공진형 표면발광 레이저.
In the first paragraph,
A vertical-cavity surface-emitting laser, characterized in that the phase control layer is formed with an optical thickness such that the optical gain and effective refractive index of the transverse mode in the second region are controlled by controlling the phase of light reflected from the phase control layer in a situation where the optical thickness of the phase compensation layer is preset.
제1항에 있어서,
상기 개구부 하부의 위상제어층과 상기 상부전극 하부의 위상제어층의 두께와 조성이 각각 설정되는 것을 특징으로 하는, 수직공진형 표면발광 레이저.
In the first paragraph,
A vertical cavity surface-emitting laser, characterized in that the thickness and composition of the phase control layer under the opening and the phase control layer under the upper electrode are respectively set.
제1항에 있어서,
상기 위상보상층은 유전(dielectric) 물질 또는 상기 반도체 물질로 형성되는 것을 특징으로 하는, 수직공진형 표면발광 레이저.
In the first paragraph,
A vertical cavity surface-emitting laser, characterized in that the phase compensation layer is formed of a dielectric material or a semiconductor material.
제1항에 있어서,
상기 위상보상층 및 상기 위상제어층의 합은, 상기 광의 위상의 조절에 따라 상기 제1 영역에서 상기 횡 모드의 광이득과 유효굴절율이 조절되는 광학적 두께로 형성되는 것을 특징으로 하는, 수직공진형 표면발광 레이저.
In the first paragraph,
The sum of the above phase compensation layer and the above phase control layer is A vertical cavity surface-emitting laser characterized in that the optical thickness is formed such that the optical gain and effective refractive index of the transverse mode in the first region are controlled according to the control of the phase of the light.
제3항에 있어서,
상기 광의 파장, 상기 제1 영역의 유효 굴절률 및 상기 제2 영역의 유효 굴절률을 이용하여 기정해진 단일 모드 조건을 만족하도록 최대 반경이 산정되고, 상기 제1 영역의 반경을 상기 최대 반경보다 기설정된 비율만큼 크게 설정하는 것을 특징으로 하는, 수직공진형 표면발광 레이저.
In the third paragraph,
A vertical cavity surface-emitting laser, characterized in that the maximum radius is calculated to satisfy a single mode condition set using the wavelength of the light, the effective refractive index of the first region, and the effective refractive index of the second region, and the radius of the first region is set to be larger than the maximum radius by a preset ratio.
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