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KR20050090468A - 표면 발광 반도체 레이저와 표면 발광 반도체 레이저에서도파관 구조의 제조 방법 - Google Patents

표면 발광 반도체 레이저와 표면 발광 반도체 레이저에서도파관 구조의 제조 방법 Download PDF

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KR20050090468A
KR20050090468A KR1020057014286A KR20057014286A KR20050090468A KR 20050090468 A KR20050090468 A KR 20050090468A KR 1020057014286 A KR1020057014286 A KR 1020057014286A KR 20057014286 A KR20057014286 A KR 20057014286A KR 20050090468 A KR20050090468 A KR 20050090468A
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doped
semiconductor laser
junction
turnnel
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Withdrawn
Application number
KR1020057014286A
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English (en)
Inventor
마르쿠스-크리스티안 아만
Original Assignee
버티라스 게엠베하
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Publication date
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Application filed by 버티라스 게엠베하 filed Critical 버티라스 게엠베하
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Abstract

본 발명의 목적은 저렴하고 높은 생산효과가 가능한 특별한 InP-기저형 표면 방출 레이저 다이오드 및 측면 도파관에 의해 폭의 범위에 걸쳐 조절 가능한 측면 방사선 도표를 제공하는 것이다. 더욱이, 측면 단일 모드 작동이 비록 큰 장치들을 포함하고 있어도 안전할 것이며, 더 높은 능률효과 달성이 가능할 것이다.

Description

표면 발광 반도체 레이저와 표면 발광 반도체 레이저에서 도파관 구조의 제조 방법{METHOD FOR PRODUCING A WAVEGUIDE STRUCTURE IN A SURFACE-EMITTING SEMICONDUCTOR LASER AND SURFACE-EMITTING SEMICONDUCTOR LASER}
본 발명은 표면 발광 반도체 레이저와 비슷한 종류의 반도체 레이저에서 도파관 구조의 제조 방법에 관한 것이다.
표면 발광 레이저 다이오드는 영어로는 수직 공진형 표면 발광 레이저 다이오드(VCSEL)이며 반도체 칩(chip)의 표면에 수직으로 빛을 방출하게 하는 반도체 레이저들이다. 종래의 모서리(edge) 발광 레이저 다이오드와 비교하여 표면 발광 레이저 다이오드는 낮은 소비 전력, 웨이퍼(wafer) 위에서 상기 레이저 다이오드의 직접적인 감시(monitoring)의 실현 가능성, 유리 섬유와의 연결이 쉽고, 종적 단일 모드 스펙트럼들 그리고 이차원적 매트릭스(matrix)의 형태로 동시에 상기 표면 발광 레이저 다이오드들과 연결이 실현 가능성과 같은 장점이 있다.
섬유 렌즈들을 사용하는 통신 기술의 장르에서는 의존 파장의 분산 또는 병합 때문에 약 1.3 내지 3m의 파장범위에서 수직 공진형 표면 발광 레이저 다이오드 (VCSEL)가 필요하며, 더욱 상세하게는 약 1.31m 또는 1.55m의 파장에서 필요하다. 특히 상기 1.3m의 파장 범위 장파 레이저 다이오드들의 유용한 특징들은 지금까지 InP 기저 연결형 반도체들로부터 만들어 왔다. GaAs 기저형 수직 공진형 표면 발광 레이저 다이오드(VCSEL)들은 1.3m의 파장 범위보다 더 짧은 파장범위에서의 사용이 적당하다. 지금까지 상기 문제를 해결하기 위해 시도되어온 노력의 성과를 하기에 나타내었다.
1.55m의 파장에서 1mW의 출력을 내는 연속파 수직 공진형 표면 발광 레이저 다이오드(VCSEL)가 예컨대, 변성층들 또는 거울층들을 포함하는 InP형 기판 (IEEE Protonics Technology Letters, Volume 11, Number 6, June 1999, pages 629 to 631)을 보완하게 된다. 여기서 측면파의 유도는 양자의 이식으로 성취된다.
빛의 발광 부분에 변성 밀러를 가지고 1.5 내지 1.6m의 파장에서 0.45mW의 출력을 내는 단일 에피택시 방식의(epitactic) 성장 과정에서 생산된 수직 공진형 표면 발광 레이저 다이오드(VCSEL)는 "High Performance 1.6m single-Epitaxy Top-Emitting VCSEL" (Conference on Lasers & Electro-Optics(CLEO) 2000, San Francisco, USA, Post-Deadline Paper CPD 12, pages 23-24)로부터 알 수 있다. 여기서 전류와 도파관은 선택적인 산화작용에 의해서 달성되었다.
기공 반도체 거울(InP 공기 갭(gap) 분배된 브래그 반사경(DBRs)), 을 가지는 수직 공진형 표면 발광 레이저 다이오드(VCSEL)는 IEEE ISLC 2002, 145쪽 내지 146쪽에서 제안되어 있다. 턴넬(tunnel) 접합부는 활성구역과 상측부 DBR 거울 사이에 공급되며, 전류는 상기 턴넬 접합 층 밑부분을 엣칭(underetching)하여 제한되고 있다. 남아있는 턴넬 접합 영역을 둘러싸고 있는 상기 공기 갭(gap)은 광학적 분야에 대한 도파관의 역할을 한다.
더욱이, 밑부분이 엣칭된(underetched) InGaAs 활성 구역이 두 엔(n) 도핑 된 InP형 계층들로 둘러싸여 있고, AlGaAsSb-DBR 거울들과 인접되어 있는 안티모나이드화 기저형 거을들을 가지는 수직 공진형 표면 발광 레이저 다이오드(VCSEL)는 제 26차 광학적 통신에 대한 유럽 협의(ECOC 2000)에서 공개된 "88℃, Continuous-Wave Operation of 1.55m Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers"에서 알 수 있다.
그러나 이행, 작동 온도 범위, 단일 모드(mode) 전력 그리고 변조 대역폭과 관련하여 가장 좋은 특징들을 매장된 턴넬 접합부들이 있는 수직 공진형 표면 발광 레이저 다이오드(VCSEL)에서 찾게 된다. 상기 매장된 턴넬 접합부의 제조와 조립은 도 1을 참고하여 하기에서 설명될 것이다. 작은 밴드 간격을 가지는 계층 101, 102의 고도로 도핑 된 P+/n+ 쌍은 분자 빔 에피택시(MBE)에 의해서 만들어진다. 실 턴넬 접합부 103은 이 계층들 사이에서 형성된다. 상기 n+ 도핑 된 계층 102, 상기 턴넬 접합부 103 그리고 일부 또는 전체의 p+ 도핑 된 계층 101에 의해 본래 형성되는 민감한 이온 엣칭(RIE)에 의해서 원 또는 타원형 영역이 형성된다. 제 2 에피택시 과정에서 엔(n) 도핑 된 InP형 계층 104와 함께 초과 성장이 되어, 결과적으로 상기 턴넬 접합부 103 이 "매장된다". 전원이 공급될 때 상기 초과성장된 계층 104와 상기 p+ 도핑 된 계층 101 사이에 접촉 영역은 매장된 계층으로서 활동한다. 전류는 일반적으로 3 x 10-6 Ω ㎠ 의 저항을 가지고 상기 턴넬 접합부를 통하여 흐른다. 이런 방식에 있어서 전류의 흐름은 상기 활성 구역 108의 실제 영역까지 제한될 수 있다. 더욱이, 높은 저항의 피(p)-도핑 된 계층으로부터 낮은 저항의 엔(n)-도핑 된 계층까지 전류가 흐름으로써 미세한 열이 발생 된다.
상당히 큰 장치들의 경우, 상기 턴넬 접합부의 초과성장은 더욱 높은 측면 모드의 생산이 더 쉽게 만들어지는 결과 측면 도파관에 역효과를 가지는 두께에 있어서 미세한 변화를 야기한다. 특히 섬유 광통신 기술에서 오직 작은 장치들만이 이용될 수 있기 때문에 낮은 레이저 출력에 해당하는 단일 모드 작동이 요구된다.
매장된 턴넬 접합부가 있는 수직 공진형 표면 발광 레이저 다이오드(VCSEL)의 실시 예 및 적용은 2000년 4월 17일 발간된 Physics Letter, Volume 76, Number 16, pages 2179 to 2181, "Low-threshold index-guided 1.5 :m long wavelength vertical-cavity surface-emitting laser with high efficiency",
2001년 발간된 Adv. in Solid State Phys. 41, 75 to 85, "Long Wavelength Buried-Tunnel-Junction Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers",
2001년 10월 11일 발간된 Electronics Letters, Volume 37, Number 21 pages 1295 to 1296, "Vertical-cavity surface-emitting laser diodes at 1.55 :m with large output power and high operation temperature",
2000년 11월에 발간된 IEEE Photonics Technology Letters, Volume 12, Number 11, pages 1435 to 1437, "90℃ Continuous-Wave Operation of 1.83 :m Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers", and
2002년 9월 26일 발간된 Electronics Letters, Volume 38, Number 20, "High-Speed modulation up to 10 Gbit/s with 1.55 :m wavelength InGaAlAs VCSELs"에서 실시 예를 찾을 수 있다. 여기서 측면 도파관은 공진기 길이의 측면 변화로 제공된다.
상기 본 명세서에서 언급된 InP형 기저 된 VCSEL의 구조는 도 2를 참고로 설명될 것이며, 상기 설명된 도 1의 매장된 턴넬 접합부의 구조로부터 시작한다.
상기 매장된 턴넬 접합부(BTJ)는 이 구조와 반대로 배열되며, 결과적으로 상기 활성구역 106이 P+ 도핑 된 계층 101과 n+ 도핑 된 계층 102 사이의 지름 DBTJ 를 가지는 상기 턴넬 접합부 위에 놓이게 된다. 상기 레이저의 방사선은 표식 116이 지시하는 방향으로 이동한다. 상기 활성구역 106은 p 도핑 된 계층 105(InAlAs)와 n 도핑 된 계층 108(InAlAs)로 둘러싸여 있다. 상기 활성구역 106 위의 앞면 거울 109는 약 99.4%의 반사력을 가지는 약 35 쌍의 InGaAlAs/InAlAs 계층들을 포함하는 에피택시 방식의(epitaxial) DBR로 구성되어 있다. 뒷면 거울 112는 약 99.75%의 반사력을 가지는 금(gold) 계층이 있는 말단들과 DBR인 유전체 계층 뭉치들로 구성되어 있다. 절연 계층 113은 대부분 금(gold) 또는 은(silver)으로 구성되어 있는 p-말단에 있는 접촉 계층 114와 n-InP 계층 104가 직접 접촉하는 것을 막아준다(참조 DE 101 07 349 Al). 참조 번호 111은 고리모양의 p-말단 접촉 계층을 가리킨다.
유전체 거울 112 및 통합된 접촉 계층 114 및 열발산판 115의 배합은 에피택시 방식의 다중-계층 구조들에 비하여 열 전도율이 크게 감소 되는 결과를 낳았다. 전류는 접촉 계층 114를 통하거나 또는 통합된 열발산판 115 및 n-말단의 접촉점 110을 통하여 주입된다. 도 2에 나타낸 VCSEL 종류의 제조 및 특징들의 추가 항목들에 대하여, 독자는 상기 언급된 참고자료에 명확하게 나타나 있다.
본 명세서에서 제안된 VCSEL 다이오드들에 있어서, 특히 파장범위가 약 1.3m와 2m 사이에서 측면 도파관에 의해 폭의 범위 내에서 상기 다이오드의 측면 방사선 도표를 조절할 필요가 있다. 또한, 보편적으로 에피택시의 초과성장과 함께 제조될 것이며, 이와 같은 결과로 자유 알루미늄(Al-free) InP-기저형 VCSEL들은 특히 1m 이상의 파장에 대하여 적절하다.
GaAs-기저형 VCSEL들에 있어서, 오직 파장 범위가 약 1.3m 이하에서 사용될 수 있으며, 선택적으로 산화된 AlAs 계층들에 의해 측면 도파관이 발생 된다 (참고 "Advances in Selective Wet Oxidation of AlGaAs Alloys", in IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, Vol. 3, No. 3, June 1997, pages 916-926). 상기 설명된 VCSEL은 GaAs-AlGaAs의 다중 계층들로 이루어져 있으며, 금속 유기적인 증기 상 에피택시(MOVPE)에 의해 에피택시하게 생산된다. AlGaAs 계층들의 습한 산화작용에 의하여, 매장된 산화물 계층들은 상기 VCSEL의 중심부에서 산화되지 않은 개구(aperture)가 벌어지면서 형성된다. 부적절한 격자상수와 예컨대, 만족스런 특성의 산화물 계층을 지금까지 만들어내지 못하는 AlGaSb와 같은 기타 산화할 수 있는 물질들 때문에 AlAs가 제공될 수 없거나 오직 아주 얇은 계층들만이 제공되기 때문에, 이런 방법은 지금까지 상기 InP-기저형 VCSEL들에 성공적으로 제공되지 못하였다. AlGaSb는 지금까지 충분한 특성의 산화물 계층을 생산하지 못하고 있다. 따라서, 상기 참고자료들과 관련하여 이미 상기에서 설명한 예컨대, 공진기의 길이에 대한 측면 변경, 선택적으로 엣칭된 계층들, 양자 이식 또는 변성 AlAs 계층들과 같은 긴 파장 VCSEL들과 함께 측면 도파관의 다른 방법들이 사용되어 왔다.
특히 종속항으로부터 발생하는 본 발명의 추가적 특징들이 하기에 예증하는 실시 예들과 관련하여 이하에서 적절하게 설명될 것이다. 그러나 본 발명의 실시 예들은 특정 실시 예들의 설명에 제한되는 것은 아니다.
도 1은 종래의 기술에 따른 표면 방출형 반도체 레이저에 대한 매장된 턴넬 접합부의 구조를 도식적으로 나타낸 것이며,
도 2는 잘 알려진 매장된 턴넬 접합부를 포함하는 표면 방출형 반도체 레이저의 구조를 도식적으로 나타낸 것이며,
도 3은 본 발명에 따른 표면 발광형 반도체 레이저에 대한 일반적인 에피택시 방식의 시작하는 구조를 나타낸 것이며,
도 4는 최상층의 계층에 제공된 개구를 포함하는 도 3의 적층이 시작하는 구조를 나타낸 것이며,
도 5는 추가 계층들을 포함하는 초과성장 이후 도 4로부터의 구조를 나타낸 것이며,
도 6은 도 5에 따른 구조에 대한 대안을 나타낸 것이며,
도 7은 본 발명에 따른 완성된 반도체 레이저를 도식적으로 보여주며,
도 8은 전계 패턴(pattern)에 관하여 상기 계층들의 가능한 배열을 보여주고 그리고
도 9는 전계 패턴에 관한 상기 계층들의 대안의 위치 정하는 것을 보여준다.
본 발명의 목적은 저렴하고 높은 생산효과가 가능한 특별한 InP-기저형 표면 방출 레이저 다이오드 및 측면 도파관에 의해 폭의 범위에 걸쳐 조절 가능한 측면 방사선 도표를 제공하는 것이다. 더욱이, 측면 단일 모드 작동이 비록 큰 장치들을 포함하고 있어도 안전할 것이며, 더 높은 능률효과 달성이 가능할 것이다.
본 발명의 목적은 표면 방출형 반도체 레이저에 있어서 도파관 구조를 만들어내기 위하여 본 발명에 따라 청구된 방법 및 본 발명에 따라 청구된 표면 방출형 반도체 계층에 의해서 달성된다. 추가로 실시 예들은 종속항 및 하기의 설명으로 명확해질 것이다.
제 1 엔(n)-도핑 된 반도체 계층 및 적어도 하나 이상의 피(p)-도핑 된 반도체 계층으로 둘러싸인, 피엔(pn) 전이부를 가지는 활성구역 및 제 2 엔(n)-도핑 된 반도체 계층과 인접한 활성구역의 피(p)-부분 위 턴넬 접합부를 포함하는 표면 방출형 반도체 레이저에서 도파관 구조를 만들기 위하여 본 발명에 따른 방법은 우선 첫째로, 제 1 에피택시 방식의 성장 과정에 있어서 최소 하나의 피(p)-도핑 된 반도체 계층 위의 엔(n)-도핑 된 경계(barrier) 계층, 이 엔(n)-도핑 된 경계 계층에 이어 개구(aperture)를 형성하기 위해 부분적으로 약간 제거하고, 그런 다음, 제 2 에피택시 방식의 성장 과정에서 턴넬 접합부를 위해 상기 경계 계층 및 상기 개구(aperture)에 제공된 계층을 공급하는 단계를 제안한다.
본 발명에 따른 진행과정은 상기 개구(aperture) 영역 바깥부분에서는 에피택시 구조로 쌓이게 된다 (밑부분에서 위로 향하는): 활성구역과 인접한 p-도핑 된 반도체 계층, n-도핑 된 경계 계층, 고도로 p- 및 n- 도핑 된 반도체 계층 그리고 제 2 n-도핑 된 반도체 계층. 이런 초과성장 구조에 있어서, 전기적 흐름은(윗부분에서 극성 + 그리고 아랫부분에서 극성 -) 바깥부분은 p-n-p-n 구조로 만들어져 전류의 흐름을 막기 때문에 개구(aperture)의 범위 안에서만 흐를 수 있다. 더욱 상세하게는, 경계 계층과 n-도핑 된 반도체 계층 사이, 경계 계층과 활성구역 사이 접촉면에 좋은 경계 효과가 생긴다. 활성 구역 또는 레이저-활성 계층 내의 레이저-활성 범위 결과로써 대체로 측면적으로 개구(aperture)의 형태와 크기가 결정된다. 동시에, 개구(aperture)에 의해서 또한 결정되는 측면 도파관은 상기 경계 계층의 계층 두께의 적절한 선택에 의해 얻을 수 있으며, 따라서 레이저-활성 범위에 측면으로 정확하게 조절된다(자동 조절).
본 발명에 따른 상기 경계 계층은 인접한 p-도핑 된 반도체 계층의 물질과 반대로 바람직하게 선택적으로 엣칭할 수 있는 n-도핑 된 물질로 이루어져 있다. 예로써, 이 p-도핑 된 반도체 계층은 InP형으로 이루어져 있고, 상기 경계 계층은 InGaAsP형으로 이루어져 있다. 석판술 및 엣칭 과정에 있어서, 둥근, 타원형의, 정사각형, 직사각형 또는 다른 형태로 된 이런 개구(aperture)는 경계 계층에서 만들어지고, 인접한 p-도핑 된 반도체 계층까지 관통한다.
턴넬 효과에 필요한 고도의 도핑 및/또는 작은 밴드(band) 거리 들의 결과로써, 상기 턴넬 접합부 계층은 일반적으로 레이저 방사선에 대한 강한 흡수 효과를 가지는 점을 주의해야할 것이다. 따라서 증폭이 최대로 하기 위해서 전계 강도의 수직의 세기에 대한 배분을 최대로 함에 있어서 상기 개구(aperture) 내에 다시 말하면, 레이저-활성 영역 안에 활성구역이 위치하는 것이 타당하며, 반면에 손실을 최소로 하기 위해서는 전계 강도의 수직의 세기에 대한 배분을 최소로 함에 있어서 상기 개구(aperture) 내에 상기 턴넬 접합부가 위치되어 질 것이다. 개구(aperture) 바깥부분의 턴넬 접합 계층의 수직의 위치는 반면에 예컨대, 전계의 최대 또는 전계의 최소로써 경계 계층의 두께에 의존하며 위치가 정해진다. 따라서, 상기 경계 계층의 계층 두께는 대략 0 부터 전계의 최소에서 다음번 최대까지의 거리의 범위 내에서 선택될 것이다(= 연속적인 최소 또는 최대의 간결의 절반). 대부분의 각각의 계층들로부터 경계 계층의 형성에 적절할 것이다.
예증하는 실시 예와 관련하여 이하에 설명된 것으로서, 상기 개구(aperture) 바깥부분의 턴넬 접합부의 수직의 위치가 최대 전계 라면, 기본 모드는 상기 개구(aperture)로 범위가 좁혀지고, 더 높은 모드들은 외부 범위에서 그들의 더 강한 전계의 충동들 (확장) 때문에 크게 약화 되고, 따라서 발생 되지 않는다 (발진이 일어나지 않는다).
반면에 상기 경계 계층의 두께가 아주 작아 진다면, 상기 개구 바깥부분의 턴넬 접합부의 수직의 위치가 최소의 전계에 위치된다면, 도파관이 작거나 또는 전혀 없어진다. 따라서, 상기 경계 계층, 특히 명세서에 기재된, 상기 측면 도파관과 모드 선택은 폭의 범위 내에 연속적으로 조절될 수 있다.
이미 알려진 BTJ-VCSEL의 제조 및 조립은 서론에서 도 1 및 도 2와 관련한 설명에 이미 설명된바 있다. 따라서, 하기의 설명에서는 본 발명에 따른 반도체 레이저의 제조 및 조립의 차이점이 특별하게 역설될 것이다.
도 3은 본 발명에 따른 WG-VCSEL(WG=파유도)에 대한 일반적인 에피택시 방식으로 시작하는 것을 보여준다. 상기 도면은 제 1 에피택시 방식의 초과성장 과정에서 연속적으로 공급된 기판 1을 나타내며, n-도핑 된 반도체 계층으로서 에피택시 방식의 브래그(Bragg) 반사경 2, 활성구역 3 그리고 p-도핑 된 반도체 계층 4를 나타낸다. 본 실시 예의 기판은 n-도핑 된 InP형으로 이루어져 있다. 이 경우 p-도핑된 반도체는 InP형 또는 InAlAs형 계층이다. 상기 계층 4가 InAlAs로 이루어져 있다면, 다른 p도핑 된 InP 또는 InGaAs 계층 5는 임의로 공급될 것이다. 본 발명에 따르면, n-도핑 된 경계 계층 6은 그 다음 p-도핑 된 반도체 계층에 붙게 된다. 상기 경계 계층 6은 p-도핑 된 계층 5 또는 상기 계층 4의 물질에 선택적으로 엣칭될 수 있는 물질로 이루어져 있는 것이 바람직하다. 예로써, 인접한 계층 4 또는 5는 InP형으로 이루어져 있고, 경계 계층 6은 InGaAsP로 이루어져 있다.
도 4는 원, 타원, 정사각형, 직사각형 또는 다른 형태로 된 개구 10이 만들어지는 동안에 석판술 및 엣칭 과정, 인접한 p-도핑 된 반도체 계층 5까지 경계 계층 6을 통하여 통과하는 단계 이후의 결과를 보여준다. 도 4는 예컨대 원의 지름이 w인 원형 개구 10을 나타내고, 한편 상기 계층 6의 남아 있는 원형 영역이 이하에 6a로 표시하였다.
상기 설명된 알려진 BTJ-VCSEL들과 비슷한 방법에 있어서, 제 2 에피택시 방식의 단계에서 무엇보다도 먼저 예컨대 고도로 p- 및 n- 도핑 된 InGaAs계층으로 이루어진 턴넬 접합부 7, InP형으로 이루어진 윗부분에 n-도핑 된 제한 계층 8 그리고 고도로 n-도핑 된 InGaAs형으로 바람직하게 이루어진 임의의 n-접촉 계층 9의 순으로 이루어진다. 도 5 및 도 6은 상기 진행과정의 매개변수 또는 에피택시 방법에 영향을 받는 두 대비적인 결과, 상기 개구 10의 측면의 조립하는 단계는 주름이 펴지거나(도 5) 대부분 다시 주름이 유지될 것이다(도 6). 에피택시 방법들은 예컨대 MBE(분자 빔 에피택시, Molecular Beam Epitaxy), CBE(화학적 빔 에피택시, Chemical Beam Epitaxy) 그리고 MOVPE(금속 유기 진공 상 에피택시, Metal Organic Vapour Phase Epitaxy).
상기에서 설명한 바와 같이, 초과성장 구조에 있어서 막아주는 p-n-p-n 구조가 이 개구 10의 바깥부분 반도체 계층 5, 6, 7 및 8을 만들었기 때문에 전류(전극: 윗부분에서 + 그리고 아랫부분에서 -)는 이제 오직 개구 10의 범위에서만 흐를 수 있다. 상세하게는, p-도핑 된 반도체 계층과 경계 계층 6 사이의 경계면 10a는 좋은 경계 효과를 가진다. 그 결과로써, 레이저 활성 계층 3 내의 레이저 활성 영역은 상기 개구 10의 모양과 크기에 따라 측면적으로 대체로 결정된다. 동시에 개구 10에 의해 또한 결정된 측면의 도파관은 경계 계층 6에 대하여 계층 두께의 적절한 선택에 의해 만들어질 수 있으며, 따라서 측면적으로 정확하게 레이저 활성 영역에 맞춰졌다. 이와 같은 방법은 도 8 및 도 9를 참고하여 설명될 것이다:
도 8에서 경계 계층 6a의 계층 두께 d는 대체로 확대된 도면에서 계층 구조의 오른쪽 끝 부분에 나타낸 수직의 세기 분포도에 있어서 두 최솟값 사이의 반경과 일치한다. 도 8에서 보여주는 구조는 강한 파 유도가 허용된다. 약한 파 유도는 아주 작은 두께 d의 고리모양을 가지 경계 계층 6a가 있는 도 9에 따른 구조가 이용된다.
턴넬 효과에 대하여 고도의 도핑 및/또는 낮은 밴드 간격들이 요구되기 때문에 일반적으로 턴넬 접합부 계층 7이 레이저 방사선에 고도로 흡수성인 점이 주의 돼야할 것이다. 모든 경우에 있어서, 상기 개구 10 이내에 다시 말하면 레이저 활성 영역 안에서 상기 활성 계층 3(도 8 및 도 9에 있는 A부분) 그리고 상기 개구 10(도 8 및 도 9에 있는 B부분)의 범위에 있는 턴넬 접합부 7은 각각 최솟치 및 최대치에 위치된다. 상기 최대치에 위치한 상기 활성구역은 따라서 증폭의 최대화를 경험하며, 반면에 상기 최솟치에 위치한 상기 턴넬 접합부는 손실들의 최소화하는 것을 야기한다.
상기 개구 10의 바깥부분의 턴넬 접합부 7의 수직의 위치는 반면에 경계 계층 6a의 두께 d에 의존하고, 예컨대 전계의 최대치(도 8) 또는 전계의 최솟치에 위치될 것이다. 상기 턴넬 접합부 계층 7의 굴절률이 외부 계층/제한 계층 8과 다르다면, 외부 범위(상기 개구 10의 바깥부분)에 위치한 레이저 전계에 대한 이전의 경우는 효과적인 굴절률의 적지않은 감쇠 및/또는 변화를 받는다. 개구 10의 모서리에 광학적 증대 또는 손실에 대한 방사상의 기울기 결과로써, 기본 모드가 상기 개구 10에 국한되고, 더 높은 모드들은 외부 영역에서 그들의 더욱더 강한 전계의 박차 때문에 크게 감쇠 되며, 따라서 시작할 수 없다. 따라서, 도 8에 따른 상기 구성은 높은 레이저 출력을 가진 단일 모드 운용이 가능하다.
약한 파 유도의 정반대의 경우가 도 9에 나타나 있다. 경계 계층 6a의 두께 d가 아주 작게 선택된다면, 적거나 또는 전혀 파 유도를 얻을 수 없다. 상기 개구 10의 바깥부분의 감쇠는 약간이고 더 높은 모드들은 보다 약간 강하게 감쇠 되며 시작이 가능하다.
도 8 및 도 9는 본 발명에 따른 경계 계층 6a의 두께 d를 변경함으로써 측면 파 유도 및 모드 선택을 본 발명에 따른 WG-VCSEL안의 폭의 범위 이내에 계속해서 맞춰질 수 있다는 것을 보여준다.
결국에, 도 7은 도파관을 가진 본 발명에 따른 완성된 반도체 레이저(WG-VCSEL)의 구조를 나타내며; 도 5 및 도 6에 나타낸 구조의 원리에서 이 구조의 진행 단계는 BTJ-VCSEL들로부터 알고 있는 기술과 상응하며, 이는 본 명세서의 도입부분에서 충분히 설명되었다. 따라서, 더 이상 자세한 설명은 이 시점에서 하지 않을 것이다. 완성된 WG-VCSEL에 있어서 본래의 n-InP 기판 1은 전적으로 제거되어 왔고 n-말단 접촉면 15는 적합했다. n-도핑 된 제한 계층 8위에 고리모양의 p-말단 접촉 계층 9a가 있으며, 이는 유전체 거울 12를 둘러싼다. p-말단 접촉면 11(예, Au/Ti/Pt/Au)은 계층 14(예, Si3N4 또는 Al2O3로 이루어져 있는)가 절연 및 보호막을 씌움으로써, n-도핑 된 제한 계층 8로부터 분리된다. 이런 구조 위에 주위의 통합된 금 열 발산 판 13이 있다. n-말단 접촉면 15는 예컨대 Ti/Pt로 이루어져 있다. 레이저 빛은 접촉면 15부분 위의 반도체 레이저로부터 나온다.
최종적으로, 균질적인 계층으로서 본 명세서에서 설명된 활성구역 3은 일반적으로 예컨대 11개의 얇은 계층들(5개의 양자 박막 및 6개의 경계 계층)의 계층 구조로 이루어져 있다는 점이 지적되어야 할 것이다.
본 발명은 측면의 파 유도 및 모드 선택의 연속적으로 조절할 수 있는 범위를 가지는 파 유도를 포함하는 VCSEL의 제조할 수 있게 하는 효과가 있다. 단일 모드 성과(출력)가 종래에 알려진 레이저 다이오드들에 비해 많아 진다.

Claims (21)

  1. 엔(n)-도핑 된 경계 계층 (6,6a)가 적어도 하나의 피(p)-도핑 된 반도체 계층(4, 5) 장치되고 그 결과로써 개구 (10)를 이루는 일부분이 제거되는 제 1 에피택시 방식의 성장과정 및 턴넬 접합부 (7)를 만들기 위한 계층이 경계 계층 (6, 6a) 및 상기 개구 (10)에 장치되는 제 2 에피택시 방식의 성장과정에 있어서, 제 1 엔(n)-도핑 된 반도체 계층 (2) 및 적어도 하나의 피(p)-도핑 된 반도체 계층 (4, 5)에 의해 둘러싸인 피엔(pn) 전이부를 포함하는 활성구역 (3)을 가지고, 제 2 엔(n) 도핑 된 반도체 계층 (8)에 인접한 활성구역 (3)의 피(p) 부분 위에 턴넬 접합부 (7)을 가지는 표면 방출형 반도체 레이저에 있어서 도파관 구조를 만드는 방법.
  2. 제 1항에 있어서, d는 계층의 두께이고 λ는 전계 강도의 수직의 세기 분포에 있어서 두 최소치 사이의 간격 일 때, 상기 경계 계층 (6, 6a)의 두께 (d)가 0＜d≤λ/2의 범위 이내에서 선택된 것을 특징으로 하는 도파관 구조를 만드는 방법.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 경계 계층 (6, 6a)로써 선택된 물질이 인접한 피(p)-도핑 된 반도체 계층 (4, 5)에 반하여 선택적으로 엣칭할 수 있는 것을 특징으로 하는 도파관 구조를 만드는 방법.
  4. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 경계 계층 (6, 6a)이 InGaAsP 또는 InGaAs로부터 만들어지고, 상기 인접 피(p)-도핑 된 반도체 계층 (3, 5)이 InP로부터 만들어진 것을 특징으로 하는 도파관 구조를 만드는 방법.
  5. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 활성구역 (3)이 전계 강도의 수직의 세기 분포도의 최대치에 배열되고, 상기 개구 (10)의 범위에 있는 상기 턴넬 접합부 (7)가 전계 강도의 수직 세기 분포도의 최소치에 배열되는 것을 특징으로 하는 도파관 구조를 만드는 방법.
  6. 제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 턴넬 접합부 (7)가 전계 강도의 수직의 세기 분포도의 최소치에 있어서 상기 개구 (10)의 범위 바깥부분에 배열되는 것을 특징으로 하는 도파관 구조를 만드는 방법.
  7. 개구 (10)이 형성되는 영역을 제외하고는, 엔(n)-도핑 된 경계 계층 (6, 6a)이 상기 턴넬 접합부 (7)을 위한 계층과 적어도 하나의 피(p)-도핑 된 반도체 계층 (4, 5) 사이에 장치되는 것을 특징으로 하는, 제 1 엔(n)-도핑 된 반도체 계층 (2) 및 적어도 하나의 피(p)-도핑 된 반도체 계층 (4,5)에 의해 둘러싸인 피엔(pn) 전이부를 가지는 활성구역 (3)을 포함하고, 제 2 엔(n) 도핑 된 반도체 계층 (8)에 인접한 활성구역 (3)의 피(p) 부분 위에 턴넬 접합부 (7)을 가지는 표면 방출형 반도체 레이저.
  8. 제 7항에 있어서, 상기 개구 (10)의 범위에 있는 상기 턴넬 접합부 (7)가 피(p)-도핑된 반도체 계층(4, 5)에 직접 장치되는 것임을 특징으로 하는 반도체 레이저.
  9. 제 7항 또는 제 8항에 있어서, d는 계층의 두께이고 λ는 전계 강도의 수직의 세기 분포에 있어서 두 최소치 사이의 간격 일 때, 상기 경계 계층 (6, 6a)의 계층 두께 (d)가 0＜d≤λ/2의 범위인 것임을 특징으로 하는 반도체 레이저.
  10. 제 7항 내지 제 9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 경계 계층 (6, 6a)이 인접한 피(p)-도핑 된 반도체 계층 (4, 5)에 반하여 선택적으로 엣칭할 수 있는 물질로 이루어져 있는 것임을 특징으로 하는 반도체 레이저.
  11. 제 7항 내지 제 10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 경계 계층이 InGaAs로 이루어져 있고, 인접한 피(p)-도핑 된 반도체 계층 (4, 5)이 InP로 이루어져 있는 것임을 특징으로 하는 반도체 레이저.
  12. 제 7항 내지 제 11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 활성구역 (3)이 전계 강도에 대한 수직의 세기 분포도의 최대치에 배열되고, 상기 개구 (10)의 범위에 상기 턴넬 접합부 (7)가 전계 강도에 대한 수직의 분포도의 최소치에 배열되는 것임을 특징으로 하는 반도체 레이저.
  13. 제 7항 내지 제 12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 개구 (10)의 영역 바깥부분의 상기 턴넬 접합부 (7)가 전계 강도에 대한 수직의 세기 분포도의 최소치에 배열되는 것임을 특징으로 하는 반도체 레이저.
  14. 제 7항 내지 제 13항 중 어느 한 항에 있어서, 또 다른 엔(n)-도핑 된 접촉면 계층 (9)이 상기 턴넬 접합부 (7)와 접하는 제 2 엔(n)-도핑 된 반도체 계층 (8)과 가장 작은 부분으로 접하는 것임을 특징으로 하는 반도체 레이저.
  15. 제 7항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 유전체 거울 (12)이 상기 턴넬 접합부 (7)과 접하는 제 2 엔(n)-도핑 된 반도체 계층 (8)과 가장 작은 부분으로 접하는 것임을 특징으로 하는 반도체 레이저.
  16. 제 7항 내지 제 15항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제 1 엔(n)-도핑 된 반도체 계층 (2)이 엔(n)-도핑 된 에피택시 방식의 브래그(Bragg) 거울로써 장착된 것임을 특징으로 하는 반도체 레이저.
  17. 제 7항 내지 제 16항에 중 어느 한 항에 있어서, 피(p)-도핑 된 InP 또는 InAlAs 계층 (4)이 적어도 하나의 피(p)-도핑 된 반도체 계층 (4, 5)으로써 장착된 것임을 특징으로 하는 반도체 레이저.
  18. 제 7항 내지 제 17항 중 어느 한 항에 있어서, 피(p)-도핑 된 InAlAs 계층(4) 및 피(p)-도핑 된 InP 또는 InGaAs 계층 (5)이 적어도 하나의 피(p)-도핑 된 반도체 계층 (4, 5)으로써 장착된 것임을 특징으로 하는 반도체 레이저.
  19. 제 7항 내지 제 18항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 턴넬 접합부 (7)에 장착되는 계층이 고도로 피(p)- 및 엔(n)- 도핑 된 InGaAs 계층으로 이루어진 것임을 특징으로 하는 반도체 레이저.
  20. 제 7항 내지 제 19항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 턴넬 접합부 (7)과 인접한 상기 제 2 엔(n)-도핑 된 반도체 계층이 InP형으로 이루어진 것임을 특징으로 하는 반도체 레이저.
  21. 제 7항 내지 제 20항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 접촉면 계층 (9)이 고도로 엔(n)-도핑 된 InGaAs로 이루어진 것임을 특징으로 하는 반도체 레이저.
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