(19) 대한민국특허청(KR) (12) 공개특허공보(A)

(1)

(11) 공개번호 10-2008-0098574 (43) 공개일자 2008년11월11일 (51) Int. Cl.

H01S 5/18 (2006.01)

(21) 출원번호 10-2008-0105481(분할) (22) 출원일자 2008년10월27일 심사청구일자 없음

(62) 원출원 특허 10-2007-0047284 원출원일자 2007년05월15일 심사청구일자 2007년05월15일 (30) 우선권주장

1020060123410 2006년12월06일 대한민국(KR)

(71) 출원인

한국전자통신연구원

대전 유성구 가정동 161번지 (72) 발명자

박미란

대전 유성구 지족동 열매마을4단지 412-1906 권오균

대전 유성구 신성동 한울아파트 111-1802 (74) 대리인

리앤목특허법인

전체 청구항 수 : 총 20 항

(54) 장파장 표면 방출 레이저 소자 및 그 제조 방법 (57) 요 약

본 발명의 표면 방출 레이저 소자에 따르면, 장파장 빛을 표면 방출하는 하부 거울층, 광 이득을 제공하는 활성 층, 자유 캐리어(free carrier) 흡수 손실을 줄이기 위한 터널 접합층 및 상부 거울층이 화합물 반도체 기판 상 에 순차적으로 적층되고, 상기 활성층, 터널 접합층 및 상부 거울층 중 적어도 어느 하나의 측면에 식각에 의하 여 구경부가 형성되고,상기 구경부가 형성되는 층보다 더 큰 열 전도성을 갖는 열 방출층이 상기 구경부에 채워 지는 것이 특징이다.

대 표 도 - 도6

(2)

이 발명을 지원한 국가연구개발사업 과제고유번호 2005-S-051-02

부처명 지식경제부 및 정보통신연구진흥원 연구사업명 IT전략기술개발

연구과제명 광엑세스용 광집적 모듈 주관기관 한국정보통신연구원

연구기간 2006년 02월 01일 ~ 2007년 01월 31일

(3)

특허청구의 범위 청구항 1

레이저를 표면 방출하는 하부 거울층, 광 이득을 제공하는 활성층, 자유 캐리어(free carrier) 흡수 손실을 줄 이기 위한 터널 접합층 및 상부 거울층이 화합물 반도체 기판 상에 순차적으로 적층되고,

상기 활성층, 터널 접합층 및 상부 거울층 중 적어도 어느 하나의 측면에 식각에 의하여 구경부가 형성되고, 상기 구경부가 형성되는 층보다 더 큰 열 전도성을 갖는 열 방출층이 상기 구경부에 채워지는 것을 특징으로 하 는 표면 방출 레이저 소자.

청구항 2 제1항에 있어서, 상기 열 방출층은,

상기 구경부에 증착되는 절연층과, 상기 절연층에 적층되는 금속층을 포함하는 것을 특징으로 하는 표면 방출 레이저 소자.

청구항 3 제2항에 있어서, 상기 절연층은,

원자층 증착법(ALD : atomic layer deposition) 또는 플라즈마 원자층 증착법(PEALD; Plasma Enhanced atomic layer deposition)에 의하여 상기 구경부의 두께보다 작게 증착되는 것을 특징으로 하는 표면 방출 레이저 소자.

산화막 또는 질화막으로서 Al2O3 SiO2, SnO2, TiO2, ZrO2, In2O3, HfO2, AlN 중에서 적어도 하나 이상 선택되는 것 을 특징으로 하는 표면 방출 레이저 소자.

청구항 5 제2항에 있어서, 상기 금속층은,

Cu, Al, Pd, Ru, Ti, Ta, W, TiN, TaN 중에서 적어도 하나 이상 선택되는 것을 특징으로 하는 표면 방출 레이 저 소자.

청구항 6 제1항에 있어서,

전류를 주입하기 위한, 상기 하부 거울층과 상기 활성층 사이에 제1 전극층, 상기 활성층과 터널 접합층 사이에 제2 전극층, 상기 터널 접합층과 상부 거울층 사이에 제3 전극층이 더 적층되는 것을 특징으로 하는 표면 방출 레이저 소자.

청구항 7 제6항에 있어서, 상기 구경부는,

건식 식각에 의하여 노출된 상기 활성층, 제2 전극층, 터널 접합층, 제3 전극층, 상부 거울층의 측면을 선택적

(4)

습식 식각함으로써 상기 활성층, 터널 접합층 및 상부 거울층 중 적어도 어느 하나의 측면에 형성되는 것을 특 징으로 하는 표면 방출 레이저 소자.

상기 구경부의 형성에 따라 상기 터널 접합층의 직경은 상기 활성층 및 상부 거울층의 직경보다 더 작은 것을 특징으로 하는 표면 방출 레이저 소자.

청구항 9

제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 기판은 InP 로 이루어지며,

상기 하부 거울층, 활성층, 터널 접합층 및 상부 거울층은 상기 기판과 동종의 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 표면 방출 레이저 소자.

상기 하부 거울층은 InAlGaAs/InAlAs쌍, 상기 활성층은 다중양자우물 구조로서 InAlGaAs, 상기 상부 거울층은 InP/InAlAs쌍을 포함하는 것을 특징으로 하는 표면 방출 레이저 소자.

청구항 11 제6 항에 있어서,

상기 제1 전극층, 제2 전극층 및 제3 전극층은 그 적층 순서대로 n-InP, p-InP 및 n-InP을 포함하는 것을 특징 으로 하는 표면 방출 레이저 소자.

청구항 12

레이저를 표면 방출하는 하부 거울층, 전류를 주입하는 제1 전극층, 광 이득을 제공하는 활성층, 제2 전극층, 자유 캐리어(free carrier) 흡수 손실을 줄이기 위한 터널 접합층, 제3 전극층 및 상부 거울층을 화합물 반도체 기판 상에 순차적으로 적층하는 단계;

상기 활성층, 제2 전극층, 터널 접합층, 제3 전극층 및 상부 거울층을 건식 식각하여 각각의 측면을 노출하는 단계;

상기 활성층, 터널 접합층 및 상부 거울층 중 적어도 어느 하나의 측면을 선택적 습식 식각하여 구경부를 형성 하는 단계;

상기 구경부가 형성되는 층보다 더 큰 열 전도성을 갖는 열 방출층을 상기 구경부에 채워 넣는 단계; 를 포함하 는 것을 특징으로 하는 표면 방출 레이저 소자의 제조 방법.

청구항 13 제12항에 있어서, 상기 열 방출층은,

상기 구경부에 절연층을 증착시킨 다음 상기 절연층에 금속층을 적층시킴으로써 형성되는 것을 특징으로 하는 표면 방출 레이저 소자의 제조 방법.

원자층 증착법(ALD : atomic layer deposition) 또는 플라즈마 원자층 증착법(PEALD; Plasma Enhanced atomic

(5)

layer deposition)에 의하여 상기 구경부의 두께보다 작게 증착되는 것을 특징으로 하는 표면 방출 레이저 소자 의 제조 방법.

상기 구경부의 형성에 따라 상기 터널 접합층의 직경은 상기 활성층 및 상부 거울층의 직경보다 더 작아지는 것 을 특징으로 하는 표면 방출 레이저 소자의 제조 방법.

청구항 16

제12항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 기판은 InP 로 이루어지며,

상기 하부 거울층, 활성층, 터널 접합층 및 상부 거울층은 상기 기판과 동종의 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 표면 방출 레이저 소자의 제조 방법.

상기 하부 거울층은 InAlGaAs/InAlAs쌍,

상기 활성층은 다중양자우물 구조로서 InAlGaAs,

상기 상부 거울층은 InP/InAlAs쌍을 포함하는 것을 특징으로 하는 표면 방출 레이저 소자의 제조 방법.

상기 제1 전극층, 제2 전극층 및 제3 전극층은 그 적층 순서대로 n-InP, p-InP 및 n-InP을 포함하는 것을 특징 으로 하는 표면 방출 레이저 소자의 제조 방법.

상기 레이저는 1.3 ~ 1.6 ㎛ 대역의 장파장 레이저인 것을 특징으로 하는 표면 방출 레이저 소자.

상기 레이저는 1.3 ~ 1.6 ㎛ 대역의 장파장 레이저인 것을 특징으로 하는 표면 방출 레이저 소자의 제조방법.

명 세 서

발명의 상세한 설명 기 술 분 야

본 발명은 표면 방출 레이저 소자 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 특히 광통신용 1.3㎛ ~ 1.6㎛ 대역의 장파장

<1>

표면 방출 레이저 소자 및 그 제조 방법에 관한 것이다.[관리번호: 2005-S-051-02, 과제명: 광엑세스용 광집적 모듈]

배 경 기 술

표면 방출 레이저는 출력 광이 비대칭적인 원통 형상이고 광섬유와의 결합성이 떨어지는 측면방출 레이저와는

<2>

달리, 기판에 수직한 방향으로 빛을 방출하는 레이저이다. 수직 공진에 의하여 출력 광을 만들어내는 표면 방출 레이저(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser: VCSEL)는, 종래의 측면발광소자(edge emitting laser diod

(6)

e)에 비하여, 낮은 문턱전류(threshold current) 및 원형 형상의 빔 모양(circular beam shape)에 따른 높은 광섬유 결합효율(coupling efficiency)을 갖는다. 그리고, 수 mA의 적은 전류로 구동 가능하기 때문에 일반적인 CMOS IC를 통해 직접 구동할 수 있어서 가격을 낮출 수 있다. 이러한 표면 방출 레이저는 2차원 어레이 소자 형 태로 용이하게 제작할 수 있음은 물론, 측면 방출(edge emitting) 레이저와 달리 웨이퍼 단위로 양산 및 테스트 를 진행할 수 있어 충분한 양산성이 있으므로 기존의 광소자(LD : Laser Diode)를 대체할 수 있는 소자로 개발 되고 있다.

그러나, 850nm ~ 980nm 대역의 파장을 갖는 표면 방출 레이저는 광섬유를 타고 이동되는 거리 및 속도의 한계를

<3>

가지므로 근거리 통신용으로 사용될 뿐, 장거리 광통신용으로 사용되기 곤란하다. 따라서, 기존 850nm 대역의 표면 방출 레이저의 한계를 극복하는 광원으로 수 Km의 통신 거리를 갖는 1.3㎛ ~ 1.6㎛ 대역의 장파장 표면 방 출 레이저가 개발되고 있다. 그 일환으로, 상온에서부터 고온(85 ℃) 까지 연속 발진과 빠른 동작 속도 및 높은 출력을 확보하기 위하여 문턱 전류와 직렬 저항값을 낮추는 방법, 효과적인 열 방출 방법, 적절한 광 유도 방법 등의 다양한 연구가 진행되고 있다.

1.3㎛ ~ 1.6㎛ 대역의 장파장 표면 방출 레이저 소자는 높은 반사율을 갖는 거울층과 높은 광학 이득을 갖는 이

<4>

득 매질을 필요로 하며, 이를 구성하는 물질의 조합으로서 InP 기판을 기초로 하는 소자와 GaAs 기판을 기초로 하는 소자로 크게 분류된다.

GaAs 기판 위에 구현되는 소자는, 굴절률 차이가 큰 물질쌍으로서 GaAs/Al(Ga)As의 쌍으로 된 반사경의 성장이

<5>

가능하고, AlAs를 습식 산화한 층을 이용하여 성능 좋은 전류 및 광자 감금 구조(optical/carrier confinement structure)를 구현할 수 있으며, 출력 광의 이득을 제공하는 활성층이 큰 에너지 갭(energy gap)을 가지므로 발 열이 성능 저하에 미치는 영향이 적다. GaAs 계열 소자의 대표적인 예로서 InGaAsN/GaAsN 양자 우물 구조를 이 득 매질로 하는 소자를 들 수 있다.

하지만, 질소(nitrogen)의 증가 또는 발진 광의 파장이 길어질수록 이득 매질의 이득과 안정성이 저하될 수 있

<6>

으며, 1.3㎛ 이상의 장파장 대역에서의 이득 특성을 보기 어렵다.

따라서, 최근에는 주로 InP 기판에 InGaAsP 나 InAlGaAs 물질 등을 활용하여 표면 방출 레이저를 제작한다. InP

<7>

기판을 기초로 하는 경우 반사경으로서 굴절률의 차이가 큰 물질 쌍을 획득하는 것이 어려우므로 높은 반사율을 얻기 위해서 많은 층을 성장시켜야 하는 광학적 과제가 있다. 이러한 예로서 InAlGaAs/InAlAs, InAlGaAs/InP 물 질 쌍이 시도되고 있다.

또한, 활성층이나 반사경을 이루는 재료로서 InGaAsP, InAlGaAs와 같은 4원 (quarternary) 물질들은 GaAs와 같

<8>

은 2원 (binary) 물질에 비하여 1/10 에 해당하는 낮은 열 전도성을 가지므로 소자의 열 방출 특성이 저하되는 문제점이 있다. 장파장 VCSEL은 물질 고유의 작은 밴드 갭(band gap) 때문에 온도 증가와 함께 소자 성능이 급 격히 저하되는 특성이 있으므로 효율적인 열 방출은 대단히 중요한 과제이다.

한편, 표면 방출 레이저의 제조 방법을 살펴보면, 모노리식(Monolithic) 방법과 하이브리드(Hybrid) 방법으로

<9>

크게 분류된다. 하이브리드 방법의 일예로서, 광학적 이득을 제공하는 활성층과, 거울층을 개별적으로 성장한 후 이들을 접합하는 방법이 있다. 이 경우, 개별 구조를 별도의 공정에서 성장시킴으로써(예를 들어 장파장 이 득 물질은 4원 (quarternary) 물질을 사용하고 거울층은 굴절률 차이가 큰 GaAs/AlAs 와 같은 2원 (binary) 물 질을 사용함으로써), GaAs 기판 타입 및 InP 기판 타입의 장점을 절충할 수 있으며 우수한 열적, 광학적 특성을 얻을 수 있다.

하지만 별개의 공정에서 에피 성장된 2개의 웨이퍼를 접합하기 위하여 웨이퍼 본딩 (wafer bonding) 공정을 수

<10>

행해야 하기 때문에 웨이퍼 접합 불량, 신뢰성 및 양산성 저하, 가격 상승 등의 문제점이 있다. 즉, GaAs 및 InAlGaAs와 같은 이종 물질 웨이퍼를 웨이퍼 본딩(wafer bonding)하는 방법이나 또는 메타모픽(metamorphic) 성장시키는 경우, 레이저 방출 구조에 대하여 접합부가 전기적 및 광학적으로 매우 민감한 역할을 하게 되므로 신뢰성과 양산성의 저하 및 그로 인한 칩 가격 상승의 문제점이 있다.

한편, 모노리식 방법은 거울층 및 활성층(active layer) 등의 구조를 반도체 에피 성장법을 이용하여 한번에

<11>

성장시키는 방법이다. 이는 공정 단순화의 장점이 있지만, 두꺼운 거울층 성장의 어려움과 4원 (quarternary) 물질의 적용으로 인한 방열 특성 저하의 문제점이 있다.

발명의 내용

(7)

해결 하고자하는 과제

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 상술한 문제점을 개선하기 위한 것으로서, 장파장 수직 공진 표면 방

<12>

출 레이저(VCSEL)가 갖는 생산성 향상의 장점을 그대로 이용하되 소자에서 발생한 열을 효과적으로 방출할 수 있는 표면 방출 레이저 소자 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.

과제 해결수단

상술한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 표면 방출 레이저 소자는,

<13>

장파장 빛을 표면 방출하는 하부 거울층, 광 이득을 제공하는 활성층, 자유 캐리어(free carrier) 흡수 손실을

<14>

줄이기 위한 터널 접합층 및 상부 거울층이 화합물 반도체 기판 상에 순차적으로 적층되고, 상기 활성층, 터널 접합층 및 상부 거울층 중 적어도 어느 하나의 측면에 식각에 의하여 구경부가 형성되고, 상기 구경부가 형성되 는 층보다 더 큰 열 전도성을 갖는 열 방출층이 상기 구경부에 채워지는 것을 특징으로 한다.

일 실시예로서, 상기 열 방출층은, 상기 구경부에 증착되는 절연층과, 상기 절연층 상에 적층되는 금속층을 포

<15>

함한다.

일 실시예로서, 상기 절연층은, 원자층 증착법(ALD : atomic layer deposition) 또는 플라즈마 원자층 증착법

<16>

(PEALD; Plasma Enhanced atomic layer deposition)에 의하여 상기 구경부의 두께보다 작게 증착된다.

일 실시예로서, 상기 절연층은 산화막 또는 질화막으로서 Al2O3 SiO2, SnO2, TiO2, ZrO2, In2O3, HfO2, AlN 중에서

<17>

적어도 하나 이상 선택되고, 상기 금속층은 Cu, Al, Pd, Ru, Ti, Ta, W, TiN, TaN 중에서 적어도 하나 이상 선 택된다.

일 실시예로서, 상기 표면 방출 레이저 소자는, 전류를 주입하는 것으로, 상기 하부 거울층과 상기 활성층 사이

<18>

에 제1 전극층, 상기 활성층과 터널 접합층 사이에 제2 전극층, 상기 터널 접합층과 상부 거울층 사이에 제3 전 극층이 더 적층된다.

일 실시예로서, 상기 구경부는, 건식 식각에 의하여 노출된 상기 활성층, 제2 전극층, 터널 접합층, 제3

<19>

전극층, 상부 거울층의 측면을 선택적 습식 식각함으로써 상기 활성층, 터널 접합층 및 상부 거울층 중 적어도 어느 하나의 측면에 형성된다.

일 실시예로서, 상기 구경부의 형성에 따라 상기 터널 접합층의 직경은 상기 활성층 및 상부 거울층의 직경보다

<20>

더 작다.

일 실시예로서, 상기 기판은 InP 로 이루어지며, 상기 하부 거울층, 활성층, 터널 접합층 및 상부 거울층은 상

<21>

기 기판과 동종의 물질을 포함한다.

일 실시예로서, 상기 하부 거울층은 InAlGaAs/InAlAs쌍, 상기 활성층은 다중양자우물 구조로서 InAlGaAs, 상기

<22>

상부 거울층은 InP/InAlAs쌍을 포함한다.

일 실시예로서, 전류를 주입하는 제1 전극층, 제2 전극층 및 제3 전극층이 더 적층되는 경우에, 상기 제1 전극

<23>

층, 제2 전극층 및 제3 전극층은 그 적층 순서대로 n-InP, p-InP 및 n-InP을 포함한다.

한편, 본 발명에 따른 표면 방출 레이저의 제조 방법은,

<24>

장파장 빛을 표면 방출하는 하부 거울층, 전류를 주입하는 제1 전극층, 광 이득을 제공하는 활성층, 제2

<25>

전극층, 자유 캐리어(free carrier) 흡수 손실을 줄이기 위한 터널 접합층, 제3 전극층 및 상부 거울층을 화합 물 반도체 기판 상에 순차적으로 적층하는 단계;

상기 활성층, 제2 전극층, 터널 접합층, 제3 전극층 및 상부 거울층을 건식 식각하여 각각의 측면을 노출하는

<26>

단계;

상기 활성층, 터널 접합층 및 상부 거울층 중 적어도 어느 하나의 측면을 선택적 습식 식각하여 구경부를 형성

<27>

하는 단계;

상기 구경부가 형성되는 층보다 더 큰 열 전도성을 갖는 열 방출층을 상기 구경부에 채워 넣는 단계; 를 포함하

<28>

는 것을 특징으로 한다.

일 실시예로서, 상기 열 방출층은, 상기 구경부에 절연층을 증착시킨 다음 상기 절연층에 금속층을 적층시킴으

<29>

(8)

로써 형성된다.

일 실시예로서, 상기 절연층은, 원자층 증착법(ALD : atomic layer deposition) 또는 플라즈마 원자층 증착법

<30>

(PEALD; Plasma Enhanced atomic layer deposition)에 의하여 상기 구경부의 두께보다 작게 증착된다.

일 실시예로서, 상기 구경부의 형성에 따라 상기 터널 접합층의 직경은 상기 활성층 및 상부 거울층의 직경보다

<31>

더 작아진다.

일 실시예로서, 상기 기판은 InP 로 이루어지며, 상기 하부 거울층, 활성층, 터널 접합층 및 상부 거울층은 상

<32>

기 기판과 동종의 물질을 포함한다.

일 실시예로서, 상기 하부 거울층은 InAlGaAs/InAlAs쌍, 상기 활성층은 다중양자우물 구조로서 InAlGaAs, 상기

<33>

상부 거울층은 InP/InAlAs쌍을 포함한다.

일 실시예로서, 전류를 주입하는 것으로 상기 하부 거울층과 상기 활성층 사이에 제1 전극층, 상기 활성층과 터

<34>

널 접합층 사이에 제2 전극층, 상기 터널 접합층과 상부 거울층 사이에 제3 전극층을 더 적층하는 경우에, 상기 제1 전극층, 제2 전극층 및 제3 전극층은 그 적층 순서대로 n-InP, p-InP 및 n-InP을 포함한다.

본 발명에 의하면 종래 기술에 바탕을 둔 표면 방출 레이저에서 발생하는 기술적 복잡성, 예를 들면 거울층 물

<35>

질과 활성층 물질을 달리 성장한 다음 소자 제작 과정에서 웨이퍼를 서로 접합(wafer bonding)하는 방식이나, 메타모픽(metamorphic) 성장 후 유전체 거울층을 결합하는 방식에서 발생하는 결정 결함(crystal defect)이나 소성 변형(plastic deformation) 등으로 인한 신뢰성 저하의 문제를 극복할 수 있다.

본 발명은 장파장 대역의 표면 방출 레이저를 신뢰성 높은 격자 정합 성장(lattice matched crystal growth) 구

<36>

조로 실현함과 동시에 낮은 열전도성의 물성적 한계를 개선할 수 있다.

본 발명에서는 열적 특성 개선을 위해 이종 물질계의 접합이 아니라 안정된 동종 물질계를 사용하여 소자를 제

<37>

작하였으며, 발열 부분에 공기층 구경부를 형성한 다음 열전도성이 높은 절연층과 금속 물질을 구경부에 증착 함으로써 레이저의 열 방출을 용이하게 하고 동작 특성과 신뢰성을 향상시킬 수 있다.

효 과

상술한 바와 같이 본 발명의 표면 방출 레이저 소자 및 그 제작 방법에 따르면, 이종 물질로 된 웨이퍼들을 서

<38>

로 본딩하는 종래의 방법에 비하여 동종 물질을 한 번에 에피 성장시킨 구조이므로 웨이퍼 본딩으로 인한 불량 을 방지할 수 있고 경제성 및 생산성을 향상시킬 수 있으며, 모든 층은 격자 정합 상태로 성장되므로 소자의 성 능 및 신뢰성을 향상시킬 수 있고, 장파장 대역에 적합한 InP 계열로 소자를 구성하되 열 방출층을 선택적 습식 식각 및 원자층 증착법을 이용하여 형성함으로써 4원 물질의 열특성 저하를 해결할 수 있으며, 기존의 장파장 대역 표면 방출 레이저에 비하여 열방출이 개선되므로 상온과 고온에서 안정적인 레이저 동작 특성을 얻을 수 있다.

발명의 실시를 위한 구체적인 내용

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명한다. 본 발명의 실시예는 첨부도면

<39>

에 도시된 바에 국한되지 않고, 동일한 발명의 범주내에서 다양하게 변형될 수 있음을 밝혀둔다.

도 1 내지 도 5는 본 발명의 표면 방출 레이저 소자 및 그 제작 방법을 순차적으로 나타낸 단면도이다.

<40>

도 1을 참조하면, 화합물 반도체 기판(10) 상에 에피텍셜(epitaxial) 성장법을 이용하여, 하부 거울층(20), 활

<41>

성층(40), 터널 접합층(60), 상부 거울층(80)을 순차적으로 성장시킨다. 이때, 하부 거울층(20)과 활성층(40) 사이에 제1 전극층(30), 활성층(40)과 터널 접합층(60) 사이에 제2 전극층(50), 터널 접합층(60)과 상부 거울층 (80) 사이에 제3 전극층(70)을 더 구비하는 것이 바람직하다. 상기 제1 전극층(30), 제2 전극층(50) 및 제3 전 극층(70)은 전류 주입을 위한 전극 역할을 수행하며, 열 방출 특성이 주변 층보다 좋은 재질로 이루어지는 것이 바람직하다. 표면 방출 레이저 소자에서 터널 접합층(60)과, 활성층(40), 거울층(20,80)의 조성이 주로 관심 대 상이 된다.

터널 접합층(60)은 자유 캐리어(free carrier) 흡수 손실을 줄이기 위한 영역이며, p-n 접합 구조가 될 수

<42>

있다.

활성층(40)은 레이저의 동작에 이득을 제공하는 이득 매질로서, InAlGaAs로 이루어진 다중양자우물 구조가 바람

<43>

(9)

직하다.

기판(10)은 2원 물질로서 높은 열 전도율을 갖는 InP 로 이루어진다. 종래에 InP 기판과 GaAs 계열 거울층을 서

<44>

로 웨이퍼 본딩하던 방식과 달리, 본 발명의 하부 거울층(20), 활성층(40), 터널 접합층(60), 상부 거울층(80), 제1 전극층(30), 제2 전극층(50) 및 제3 전극층(70)은 모두 기판(10)과 InP 기판(10)과 동종의 물질로써 InP 기 판(10) 상에서 한번에 에피 성장된다. 따라서, 본 발명의 표면 방출 레이저 소자를 구성하는 모든 층은 InP 기 판(10)에 격자 정합 형태로 성장된다.

하부 거울층(20)은 InAlGaAs/InAlAs 쌍, 상부 거울층(80)은 InP/InAlAs 쌍이 적층됨으로써 높은 반사율을 얻을

<45>

수 있다. 광 반사율은 하부 거울층(20)이 상부 거울층(80)보다 더 낮다. 따라서, 하부 거울층(20)의 표면에서 레이저가 방사된다. 하부 거울층(20)은 높은 굴절률을 확보하기 위하여 참조부호 21 내지 25에 이르는 여러 개 의 층을 에피 성장시킨다. 하부 거울층(20)의 재료로는 굴절율차가 큰 물질 쌍으로서 InAlGaAs와 InAlAs 를 사 용하는 것이 바람직하다. 굴절율이 다른 두 개의 층을 교대로 적층하여 원하는 광 반사 특성을 얻을 수 있다.

예컨대 참조부호 21, 25가 굴절율이 높은 InAlGaAs 층이면 참조부호 22, 24는 굴절율이 낮은 InAlAs 층이 된다.

상부 거울층(80)도 하부 거울층(20)과 마찬가지로 참조부호 81 내지 85에 이르는 여러 개의 층을 에피 성장시킨

<46>

다. 상부 거울층(80)의 재료로는 굴절율 차이가 큰 물질이 되어야 함은 물론, 구경부(도 4의 89)의 형성을 위하 여 선택적 습식 식각에 대한 선택비 차이를 갖도록 InAlAs 와 InP 를 교대로 적층하는 것이 바람직하다.

제1 내지 제3 전극층(30,50,70)은 n 타입으로 도핑된 InP(n-InP) 및 n 타입으로 도핑된 InP(p-InP) 를 그 적층

<47>

순서대로 교대로 포함하는 것이 바람직하다. 예를 들어 n-InP, p-InP, n-InP 순서로 적층될 수 있다.

도 2 내지 도 3을 참조하면, 건식 식각에 의하여 활성층(40), 제2 전극층(50), 터널 접합층(60), 제3 전극층

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(70), 상부 거울층(80)의 측면이 노출된다. 즉, 도 1과 같이 표면 방출 레이저를 위한 에피 구조가 완성되면 도 2 및 도 3과 같이 참조부호 L1 및 L2 폭의 에어 포스트(air post) 패턴을 형성하기 위하여 일반적인 포토리토그 래피 공정 및 건식 식각 공정을 사용한다. SiN 등을 사용하여 마스크를 한 다음, 식각 이온으로 CH4 나 H2 계열 의 이온을 사용할 수 있다.

이들의 측면이 노출되면, 도 4와 같이 활성층(40), 터널 접합층(60), 상부 거울층(80)의 측면을 일부 제거하여

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구경부(49,69,89)를 형성하며, 이를 위하여 선택적 습식 식각 방법을 이용한다. 이때 레이저의 광 유도를 방해 하지 않도록 활성층(40)의 직경(d3)과 상부 거울층(80)의 직경(d1)은 터널 접합층(60)의 직경(d2)보다 커야 한 다. 이를 감안하여, 터널 접합층(60)에 형성되는 구경부(69), 상부 거울층(80)에 형성되는 구경부(89) 및 활성 층(40)에 형성되는 구경부(49)의 상대적인 깊이를 조절한다.

도 5는 선택적 습식 식각에 의해 형성된 구경부(49,69,89) 영역에 열전도성이 좋은 절연층(91)과 금속층(92)이

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순차적으로 증착된 것을 보여 준다. 본 발명의 열 방출층(90)은 상기 절연층(91)과 금속층(92)을 포함한다. 구 경부(49,69,89)의 좁은 공간을 감안하여 원자층 증착법(ALD : Atomic Layer Deposition) 또는 플라즈마 원자층 증착법(PEALD; Plasma Enhanced atomic layer deposition) 방법으로 열 전도성이 좋은 산화막 혹은 질화막을 구경부(49,69,89)의 두께보다 작게 형성하며, 다음으로 열전도성이 좋은 금속층(92)을 증착하여 구경부 (49,69,89)를 채운다.

절연층(91)으로서 산화막 Al2O3 SiO2, SnO2, TiO2, ZrO2, In2O3, HfO2 등이나, AlN 등이 사용될 수 있다. 금속층

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(92)으로는 열전도성이 좋은 Cu 가 가장 바람직하며, Al, Pd, Ru, Ti, Ta, W, TiN, TaN 등의 물질이 될 수 있 다. 제1 전극층(30) 및 제3 전극층(70)에 전류를 인가하는 것으로 오믹(Ohmic)콘택을 위한 전극(100)이 마련될 수 있다.

도 6은 본 발명의 실시예로서 완성된 표면 방출 레이저 소자의 구조를 전체적으로 나타낸 단면도이다. 일반적인

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크기의 웨이퍼에 도 1의 구조를 성장시키고 도 2 내지 도 5의 공정을 수행한 다음, 웨이퍼를 다이싱하면 도 6의 소자를 여러 개 얻을 수 있다. 한편, 상기의 방법으로 제작된 표면 방출 레이저의 출력 광은 하부 거울층(20)을 통해 하측으로 방출된다. 기판(10)이 도시되고 있지만, 하부 거울층(20)의 표면을 통한 레이저 방출을 용이하게 하기 위하여 기판(10)의 일부 또는 전부를 제거할 수 있다. 열 방출층(90)이 마련되므로 상온에서 고온까지 연 속 발진하는 레이저에서 발생하는 열을 효과적으로 방출할 수 있으며 발열에 의하여 소자의 성능이 저하되는 것 을 방지할 수 있다.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속

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하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해

(10)

할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.

도면의 간단한 설명

도 1 내지 도 5는 본 발명의 표면 방출 레이저 소자의 구조 및 그 제작 방법을 순차적으로 나타낸 단면도이다.

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도 6은 본 발명의 표면 방출 레이저 소자의 완성된 구조를 도시한 단면도이다.

<55>

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

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10...기판 20...하부 거울층

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30...제1 전극층 40...활성층

<58>

49,69,89...구경부 50...제2 전극층

<59>

60...터널 접합층 70...제3 전극층

<60>

80...상부 거울층 90...열 방출층

<61>

91...절연층 92...금속층

<62>

100...전극

<63>

도면 도면1

(11)

도면2

도면3

(12)

도면4

도면5

(13)

도면6