KR20030033277A - Vertically integrated high-power surface-emitting laser diode and method of manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 수직 공진기형 고출력 반도체 레이저 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 수직 공진기형 면발광 레이저의 중요한 특징인 단일 종 모드를 고출력 수준에서 유지함과 동시에 단일 횡 모드 발진을 하는 고출력 면발광 반도체 레이저 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a vertical resonator type high power semiconductor laser device, and more particularly, to a high output surface light emitting semiconductor laser device which maintains a single longitudinal mode, which is an important feature of a vertical resonator type surface emitting laser, at a high power level and performs a single transverse mode oscillation. It is about.
종래에 수직 공진기형 면발광 레이저(VCSEL : Vertical Cavity Surface Emitting Laser)는 매우 좁은 스펙트럼의 단일 종 모드 발진을 할 뿐 아니라 빔의 방사각이 작아 접속 효율이 높고 면발광의 구조상 다른 장치와의 집적(Monolithic Integration)이 용이한 특징이 있다. 이러한 특징을 가진 VCSEL은 광펌핑(optical pumping)용 광원에 적합하다.Conventionally, Vertical Cavity Surface Emitting Laser (VCSEL) not only performs single-mode oscillation of very narrow spectrum but also has low beam angle and high connection efficiency and integration with other devices due to the structure of surface emission. Monolithic Integration) is easy. These features make VCSELs suitable for light pumping light sources.
그러나, 종래의 VCSEL은 단일 횡 모드 발진이 단면 발광 LD(Edge EmittingLD)에 비해 매우 어렵고, 또한 통상의 단일 횡 모드 동작을 위해서는 발진 영역의 면적이 10㎛ 이하이어야 하며, 이러한 경우조차 광출력의 증가에 따라 열적 렌즈 효과(Thermal Lens Effect)로 가해지는 열 등의 영향에 의해 다중 모드 동작으로 바뀌게 되어 단일 횡 모드 출력의 한계는 일반적으로 5㎽를 넘지 못한다.However, in the conventional VCSEL, single lateral mode oscillation is very difficult compared to single-sided light emitting LD (Edge EmittingLD), and for the normal single lateral mode operation, the area of the oscillation area should be 10 μm or less, even in this case, the increase in light output As a result, the effect of heat applied by the thermal lens effect is changed to multi-mode operation, so the limit of the single lateral mode output is generally not more than 5 dB.
한편 상술한 VCSEL의 장점을 살리고 동시에 고출력 동작을 구현하기 위하여 제시된 방법이 VECSEL(Vertical External Cavity Surface Emitting Laser)이다(IEEE Photonics Technology Letters, Vol 11, Issue 12, 1999, 1551-1553).On the other hand, the method proposed to take advantage of the above-described VCSEL and at the same time to implement high output operation is VECSEL (Vertical External Cavity Surface Emitting Laser) (IEEE Photonics Technology Letters, Vol 11, Issue 12, 1999, 1551-1553).
상술한 인용자료에 의하면 VCSEL의 상부 미러를 외부 미러로 대체하여 이득(Gain) 영역을 증가시킴으로서 40㎽ 이상의 단일 횡 모드 및 단일 종 모드 광출력을 얻었으며 광펌핑용 다이오드를 2개 이상 채택하여 154㎽의 광출력을 얻었다고 보고되기도 하였다.According to the above cited data, the upper mirror of the VCSEL is replaced with an external mirror to increase the gain area, so that a single lateral mode and a single longitudinal mode light output of 40 GHz or more are obtained, and two or more optical pumping diodes are adopted. It has been reported that the light output of ㎽ was obtained.
그러나 상술한 종래 VECSEL 구조의 단점은, 첫째 VECSEL 구조가 전류 주입에 의한 동작이 아닌 광펌핑에 의한 구조라는 것과, 둘째 별도의 외부 미러를 사용한다는 것이다. 이러한 두가지 단점 모두는 장치의 부피를 매우 크게 할 뿐 아니라 사용되는 부품수의 증가를 초래하여 장치의 단가를 증가시키고 장치를 사용하기 어렵게 한다.However, the disadvantages of the conventional VECSEL structure described above are that, first, the VECSEL structure is a structure by optical pumping, not an operation by current injection, and secondly, a separate external mirror is used. Both of these drawbacks not only make the device very large, but also increase the number of parts used, which increases the cost of the device and makes the device difficult to use.
최근 상술한 종래 VECSEL 구조의 첫 번째 문제점, 즉 외부 광펌핑에 의한 동작 문제를 극복하고 직접 전류 주입에 의한 구조를 갖는 것이 제안되었다(미국 특허 제6,243,407호). 통상 NECSEL(Novalux Extended Cavity Surface EmittingLaser)이라 불리는 이 구조는 상술한 VECSEL 구조와 거의 유사하나 활성층을 전기적으로 펌핑한다는 점에 차이가 있다. 그러나 이 구조 역시 별도의 외부 미러를 사용하므로 앞서 설명한 종래 기술의 문제점을 완전히 극복하지는 못하였다.Recently, it has been proposed to overcome the first problem of the conventional VECSEL structure described above, namely, an operation by external light pumping and to have a structure by direct current injection (US Pat. No. 6,243,407). This structure, commonly referred to as Novalux Extended Cavity Surface Emitting Laser (NECSEL), is almost similar to the above-described VECSEL structure, except that it electrically pumps the active layer. However, since this structure also uses a separate external mirror, it does not completely overcome the problems of the prior art described above.
또한 본 발명의 주요 응용분야인 라만 광증폭기(Raman Optical Amplifier)에 사용되기 위해서는 GaAs 기판과 격자 정합(Lattice Match)이 되는 GaInNAs 4원 혼정계를 활성층으로 사용해야 한다. 하지만 1200㎚ 이상의 파장을 갖는 빛은 클래드(clad)층의 p-형 도핑(doping)에 의해 광의 강도가 급격히 감소하여 전류 주입에 의한 발진이 어렵다는 문제가 있다.In addition, in order to be used in the Raman Optical Amplifier, which is a main application of the present invention, a GaInNAs ternary hybrid system having a lattice match with a GaAs substrate should be used as an active layer. However, light having a wavelength of more than 1200 nm has a problem in that the intensity of light is drastically reduced by p-type doping of the clad layer, making it difficult to oscillate by current injection.
따라서, 본 발명은 상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 광펌핑의 광원으로 적합하며 특히 1200㎚에서 1500㎚ 파장의 고출력 레이저를 출력할 수 있어 라만 증폭기에 적합하고 단일 종 모드 및 단일 횡 모드 발진을 하는 고출력의 면발광 반도체 레이저 장치 및 그 제조 방법을 제공하는 데 있다.Accordingly, the present invention solves the problems of the prior art described above, and an object of the present invention is to be suitable as a light source for optical pumping, and in particular to output a high power laser having a wavelength of 1200 nm to 1500 nm, which is suitable for a Raman amplifier, The present invention provides a high power surface emitting semiconductor laser device that performs longitudinal mode and single transverse mode oscillation, and a method of manufacturing the same.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 면발광 반도체 레이저 장치를 나타낸 단면도,1 is a cross-sectional view showing a surface-emitting semiconductor laser device according to an embodiment of the present invention;
도 2a 내지 도 2e는 도 1의 면발광 반도체 레이저 장치의 제조 방법을 설명하기 위한 도면,2A to 2E are views for explaining a method of manufacturing the surface emitting semiconductor laser device of FIG.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 면발광 반도체 레이저 장치를 나타낸 단면도.3 is a cross-sectional view showing a surface-emitting semiconductor laser device according to another embodiment of the present invention.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *Explanation of symbols on the main parts of the drawings
1, 7 ... 하부 DBR(Distributed Bragg Reflector)1, 7 ... bottom Distributed Bragg Reflector
2, 8 ... 활성층2, 8 ... active layer
3 ... 제 1 상부 DBR3 ... first upper DBR
4 ... 기판4 ... PCB
5 ... AlGaAs층5 ... AlGaAs layer
6 ... 제 2 상부 DBR6 ... second upper DBR
9 ... 상부 DBR9 ... upper DBR
10 ... n형 전극10 ... n-type electrode
11 ... p형 전극11 ... p-type electrode
12 ... 레이저빔12 ... laser beam
13 ... 광학렌즈13 ... optical lens
14 ... 중간 DBR14 ... intermediate DBR
상술한 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 제 1 관점에 따른 면발광 반도체 레이저 장치는, 하부 DBR(Distributed Bragg Reflector)과 제 1 상부 DBR 및 상기 하부 DBR과 제 1 상부 DBR과의 사이에 형성된 제 1 활성층을 포함하고, GaAs 기판의 한쪽 면상에 배치되며, 전기적으로 펌핑(pumping)되어 제 1 파장에서 발광하는 제 1 발광구조와; 하부 DBR과 상부 DBR 및 상기 하부 DBR과 상부 DBR과의 사이에 형성된 제 2 활성층을 포함하고, 상기 GaAs 기판의 다른쪽 면상에 배치되며, 상기 제 1 발광구조의 제 1 파장의 빛에 의해 제 2 파장의 빛이 광학적으로 여기되는 제 2 발광구조; 및 상기 제 1 발광구조의 하부 DBR과 상기 GaAs 기판의 상기 다른쪽 면상에 각각 접합된 한 쌍의 전극을 포함하는 면발광 반도체 레이저 장치로서, 상기 제 1 발광구조와 상기 제 2 발광구조와의 사이에는 상기 GaAs 기판의 상기 다른쪽 면상에 형성된 광학 렌즈를 구비하고, 상기 광학 렌즈와 상기 제 2 발광구조와의 사이에는 상기 제 1 발광구조에 속하는 제 2 상부 DBR를 더 구비하는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, the surface-emitting semiconductor laser device according to the first aspect of the present invention, the lower DBR (Distributed Bragg Reflector) and the first upper DBR and the first DBR formed between the lower DBR and the first upper DBR A first light emitting structure comprising a first active layer, disposed on one side of the GaAs substrate, electrically pumped to emit light at a first wavelength; A second active layer formed between the lower DBR and the upper DBR and the lower DBR and the upper DBR, the second active layer being disposed on the other side of the GaAs substrate, the second light emitting layer having a second wavelength by light of the first wavelength of the first light emitting structure; A second light emitting structure in which light of a wavelength is optically excited; And a pair of electrodes respectively bonded to the lower DBR of the first light emitting structure and the other surface of the GaAs substrate, wherein the surface emitting semiconductor laser device is disposed between the first light emitting structure and the second light emitting structure. And an optical lens formed on the other surface of the GaAs substrate, and further comprising a second upper DBR belonging to the first light emitting structure between the optical lens and the second light emitting structure.
상술한 본 발명에 있어서, 상기 제 1 발광구조의 하부 DBR은 상기 제 1 및 제 2 상부 DBR의 총반사율보다 높은 반사율을 갖고 p형 또는 n형으로 도핑되며, 상기 제 2 발광구조의 하부 DBR은 상기 상부 DBR의 반사율보다 높은 반사율을 갖는 것을 특징으로 한다.In the above-described present invention, the lower DBR of the first light emitting structure has a reflectance higher than the total reflectivity of the first and second upper DBR, and is doped in a p-type or n-type, and the lower DBR of the second light emitting structure is It has a reflectance higher than the reflectance of the upper DBR.
또한 상술한 본 발명에 있어서, 상기 제 1 발광구조의 제 1 활성층과 상기 GaAs 기판 및 광학렌즈로 구성된 커플드 캐비티(coupled cavity)를 이용하여 제 1 파장의 빛을 단일 종 모드로 발진하도록 한 것을 특징으로 한다.In addition, in the present invention described above, by using a coupled cavity consisting of the first active layer of the first light emitting structure, the GaAs substrate and the optical lens to emit light of the first wavelength in a single longitudinal mode It features.
또한 상술한 본 발명에 있어서, 상기 광학 렌즈는 상부방향으로 갈수록 알루미늄(Al)의 몰분율(mol fraction) 값이 증가하도록 성장시킨 AlxGa1-xAs층을 측면 습식산화법으로 부분 산화함으로써 렌즈 형상으로 형성되고, 상기 광학 렌즈를 이용하여 단일 횡 모드로 발진하도록 한 것을 특징으로 한다.In addition, in the present invention described above, the optical lens has a lens shape by partially oxidizing the Al x Ga 1-x As layer grown so that the mole fraction value of aluminum (Al) increases toward the upper direction by side wet oxidation. And oscillate in a single transverse mode using the optical lens.
또한 상술한 본 발명에 있어서, 상기 제 1 발광구조의 제 2 상부 DBR과 상기 제 2 발광구조의 상부 및 하부 DBR을 반도체 또는 반도체를 산화시킨 산화물로 구성하는 것을 특징으로 한다.In addition, in the present invention described above, the second upper DBR of the first light emitting structure and the upper and lower DBR of the second light emitting structure are composed of a semiconductor or an oxide oxidized semiconductor.
또한 상술한 본 발명에 있어서, 상기 GaAs 기판의 상기 다른쪽 면상에 형성된 층들은 상기 GaAs 기판의 상기 다른쪽 면보다 작은 단면적을 갖도록 상기 GaAs 기판과 직교하는 방향으로 부분 에칭되고, 상기 층들이 에칭되어 제거된 상기 GaAs 기판의 표면상에 전극이 배치되는 것을 특징으로 한다.Also in the present invention described above, the layers formed on the other side of the GaAs substrate are partially etched in a direction orthogonal to the GaAs substrate to have a smaller cross-sectional area than the other side of the GaAs substrate, and the layers are etched and removed. An electrode is disposed on the surface of the GaAs substrate.
또한 상술한 본 발명에 있어서, 상기 제 2 발광구조는 흡수되지 않은 제 1 파장의 빔을 완전히 차단하기 위해 최종 발광면인 상기 제 2 발광구조의 상부 DBR의 윗면에 추가로 배치된 유전체 DBR을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, in the present invention described above, the second light emitting structure further comprises a dielectric DBR further disposed on the upper surface of the upper DBR of the second light emitting structure that is the final light emitting surface to completely block the beam of the first wavelength that is not absorbed. It is characterized by including.
또한 본 발명의 제 2 관점에 따른 면발광 반도체 레이저 장치는, 하부 DBR(Distributed Bragg Reflector)과 제 1 상부 DBR 및 상기 하부 DBR과 제 1 상부 DBR과의 사이에 형성된 제 1 활성층을 포함하고, GaAs 기판의 한쪽 면상에 배치되며, 전기적으로 펌핑(pumping)되어 제 1 파장에서 발광하는 제 1 발광구조와; 중간 DBR과 상부 DBR 및 상기 중간 DBR과 상부 DBR과의 사이에 형성된 제 2 활성층을 포함하고, 상기 GaAs 기판의 다른쪽 면상에 배치되며, 상기 제 1 발광구조의 제 1 파장의 빛에 의해 제 2 파장의 빛이 광학적으로 여기되는 제 2 발광구조; 및 상기 제 1 발광구조의 하부 DBR과 상기 GaAs 기판의 상기 다른쪽 면상에 각각 접합된 한 쌍의 전극을 포함하는 면발광 반도체 레이저 장치로서, 상기 제 1 발광구조와 상기 제 2 발광구조와의 사이에는 상기 GaAs 기판의 상기 다른쪽 면상에 형성된 광학 렌즈를 더 구비하고, 상기 제 2 발광구조의 중간 DBR은 상기 제 1 발광구조에 속하는 제 2 상부 DBR로서의 기능을 겸하는 것을 특징으로 한다.In addition, the surface-emitting semiconductor laser device according to the second aspect of the present invention includes a lower distributed Bragg reflector (DBR) and a first upper DBR and a first active layer formed between the lower DBR and the first upper DBR, GaAs A first light emitting structure disposed on one side of the substrate and electrically pumped to emit light at a first wavelength; A second active layer formed between the intermediate DBR and the upper DBR and the intermediate DBR and the upper DBR, the second active layer being disposed on the other side of the GaAs substrate, wherein the second light is emitted by light of the first wavelength of the first light emitting structure. A second light emitting structure in which light of a wavelength is optically excited; And a pair of electrodes respectively bonded to the lower DBR of the first light emitting structure and the other surface of the GaAs substrate, wherein the surface emitting semiconductor laser device is disposed between the first light emitting structure and the second light emitting structure. And an optical lens formed on the other side of the GaAs substrate, wherein the intermediate DBR of the second light emitting structure also functions as a second upper DBR belonging to the first light emitting structure.
또한, 본 발명에 따른 면발광 반도체 레이저 장치의 제조 방법은, (a) 제 1 도전형을 갖는 GaAs 기판의 한쪽 면상에 제 1 도전형으로 도핑된 제 1 상부 DBR과 활성층 및 상기 제 1 도전형과는 반대 극성의 제 2 도전형으로 도핑된 하부 DBR을 순차적으로 성장시켜 전기적인 펌핑에 의해 제 1 파장을 발광하는 제 1 발광구조를 형성하는 단계; (b) 상기 GaAs 기판의 다른쪽 면상에 알루미늄(Al)의 몰분율을 상부방향으로 갈수록 증가시켜 가며 성장시킨 AlxGa1-xAs층을 형성하는 단계; (c) 상기 AlxGa1-xAs층 위에 상기 제 1 발광구조에 속하는 제 2 상부 DBR을 형성하는 단계; (d) 상기 제 2 상부 DBR 위에 또다른 하부 DBR과 활성층 및 상부 DBR을 순차적으로 성장시켜 상기 제 1 파장의 빛에 의해 제 2 파장의 빛이 광학적으로 여기되는 제 2 발광구조를 형성하는 단계; (e) 상기 GaAs 기판의 표면이 노출되도록 상기 GaAs 기판의 상기 다른쪽 면 위에 형성되어 있는 층들을 부분에칭하는 단계; (f) 상기 AlxGa1-xAs층을 측면 습식산화법으로 산화하여 광학 렌즈를 형성하는 단계; 및 (g) 상기 부분에칭에 의해 노출된 상기 GaAs 기판의 표면상에 제 1 도전형의 전극을 형성하고, 상기 하부 DBR에 접하여 제 2 도전형의 전극을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, the method for manufacturing a surface-emitting semiconductor laser device according to the present invention includes (a) a first upper DBR, an active layer and the first conductive type doped with a first conductivity type on one side of a GaAs substrate having a first conductivity type Sequentially growing a lower DBR doped with a second conductivity type of opposite polarity to form a first light emitting structure that emits a first wavelength by electrical pumping; (b) forming an Al x Ga 1-x As layer grown on the other side of the GaAs substrate by increasing the mole fraction of aluminum in an upward direction; (c) forming a second upper DBR belonging to the first light emitting structure on the Al x Ga 1-x As layer; (d) sequentially growing another lower DBR, an active layer, and an upper DBR on the second upper DBR to form a second light emitting structure in which light of a second wavelength is optically excited by the light of the first wavelength; (e) partially etching the layers formed on the other side of the GaAs substrate so that the surface of the GaAs substrate is exposed; (f) oxidizing the Al x Ga 1-x As layer by lateral wet oxidation to form an optical lens; And (g) forming an electrode of a first conductivity type on the surface of the GaAs substrate exposed by the partial etching, and forming an electrode of a second conductivity type in contact with the lower DBR. .
상술한 본 발명의 방법에 있어서, 상기 제 1 발광구조의 하부 DBR, 제 1 상부 DBR 및 제 2 상부 DBR과, 상기 제 2 발광구조의 하부 DBR 및 상부 DBR은 Al(Ga)As/GaAs층의 교차 적층에 의해 형성되며, 상기 활성층들은 InGaAs(N)층의 적층에 의해 형성되는 것을 특징으로 한다.In the above-described method of the present invention, the lower DBR, the first upper DBR and the second upper DBR of the first light emitting structure, and the lower DBR and the upper DBR of the second light emitting structure are formed of an Al (Ga) As / GaAs layer. It is formed by the cross-lamination, the active layer is characterized in that formed by the lamination of the InGaAs (N) layer.
이하 본 발명의 바람직한 실시예를 도면을 참조하여 설명한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
<제 1 실시예><First Embodiment>
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 면발광 반도체 레이저 장치를 나타낸 단면도이다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 고출력 반도체 레이저 장치는 기본적으로 제 1 발광구조, 제 2 발광구조, 기판, 광학렌즈, 및 적어도 한쌍의 전극들로 이루어진다.1 is a cross-sectional view showing a surface-emitting semiconductor laser device according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 1, a high power semiconductor laser device according to an embodiment of the present invention basically includes a first light emitting structure, a second light emitting structure, a substrate, an optical lens, and at least a pair of electrodes.
보다 구체적으로 살펴 보면, 제 1 발광구조는 제 1 파장에 대한 하부 DBR(1)과 활성층(cavity; 2)과 제 1 파장에 대한 제 1 상부 DBR(3) 및 제 1 파장에 대한 제 2 상부 DBR(6)로 이루어진다. 제 1 파장에 대한 하부 DBR(1)과 제 1 상부 DBR(3)은 각각 p형과 n형으로 도핑되어 전기적으로 도전성을 갖는다. 제 1 파장에 대한 제 1 상부 DBR(3)과 제 2 상부 DBR(6)은 n형의 GaAs 기판(4)을 사이에 두고 배치된다. 또한, 제 1 파장에 대한 제 1 상부 DBR(3)과 제 2 상부 DBR(6)과의 사이에는 AlGaAs층(5)을 습식 산화하여 형성한 광학 렌즈(13)가 더 배치된다. 제 2 발광구조는 제 2 파장에 대한 하부 DBR(7)과 활성층(cavity; 8) 및 제 2 파장에 대한 상부 DBR(9)로 이루어진다. 제 2 발광구조는 제 1 파장에 대한 제 2 상부 DBR(6)위에 배치된다. 제 2 발광구조가 배치된 방향의 n형 GaAs 기판(4)의 주면상에는 n형 전극(10)이 배치되고 기판(4)의 배면측에는 제 1 파장의 하부 DBR(1)에 접하여 p형 전극(11)이 배치된다.More specifically, the first light emitting structure includes a lower DBR (1) and an active layer (cavity) 2 for the first wavelength and a first upper DBR (3) for the first wavelength and a second upper portion for the first wavelength. It consists of DBR (6). The lower DBR 1 and the first upper DBR 3 for the first wavelength are doped with p-type and n-type, respectively, and are electrically conductive. The first upper DBR 3 and the second upper DBR 6 for the first wavelength are disposed with the n-type GaAs substrate 4 interposed therebetween. Further, an optical lens 13 formed by wet oxidation of the AlGaAs layer 5 is further disposed between the first upper DBR 3 and the second upper DBR 6 for the first wavelength. The second light emitting structure consists of a lower DBR 7 and an active layer 8 for the second wavelength and an upper DBR 9 for the second wavelength. The second light emitting structure is disposed above the second upper DBR 6 for the first wavelength. The n-type electrode 10 is disposed on the main surface of the n-type GaAs substrate 4 in the direction in which the second light emitting structure is arranged, and the p-type electrode (10) is in contact with the lower DBR 1 of the first wavelength on the back side of the substrate 4. 11) is arranged.
구체적으로, 본 발명은 장치 하부의 제 1 활성층(2)을 전기적으로 펌핑하여 제 1 파장의 레이저 빔을 발진시킨다. 제 1 파장에 대한 하부 DBR(1)은 일반 VCSEL의 하부 DBR과 같이 상부 DBR보다 높은 반사율, 예를 들어 99.9%의 반사율을 갖도록 설계되어 있으며 전기적으로 통전 가능하도록 특정한 극성, 즉 p형으로 도핑되어 있다.Specifically, the present invention electrically pumps the first active layer 2 at the bottom of the device to oscillate the laser beam of the first wavelength. The lower DBR (1) for the first wavelength is designed to have a higher reflectance than the upper DBR, for example 99.9%, like the lower DBR of the general VCSEL and is doped with a specific polarity, i. have.
상술한 DBR(1,3,6,7,9)은 GaAs/AlAs 또는 GaAs/AlGaAs층을 교대로 적층하여 제작하며 통상 20쌍 내지 40쌍 사이에서 원하는 반사율을 확보할 수 있다. 또한, DBR의 두께는 수 마이크로미터(10㎛ 이내)가 된다. 즉, 통상의 DBR은 소정 두께(빛의 파장/(재료의 굴절율*4))를 갖는 낮은 굴절률 재료와 높은 굴절률 재료를 교대로 적층하여 제작된다. 따라서 한 쌍의 두께는 재료의 굴절률과 발진 파장에 따라 다르지만 통상 수십 나노미터의 두께를 갖게 된다. 즉, 본 실시예의 구조에 사용된 DBR(1,3,6,7,9)의 두께는 수 마이크로미터 정도의 두께를 갖는다.The above-described DBRs (1, 3, 6, 7, and 9) are fabricated by alternately stacking GaAs / AlAs or GaAs / AlGaAs layers, and can usually secure desired reflectivity between 20 to 40 pairs. In addition, the thickness of the DBR becomes several micrometers (within 10 micrometers). That is, a normal DBR is produced by alternately stacking a low refractive index material and a high refractive index material having a predetermined thickness (wavelength of light / (refractive index of material * 4)). Thus, the thickness of a pair depends on the refractive index and the oscillation wavelength of the material, but usually has a thickness of several tens of nanometers. That is, the thickness of the DBRs (1, 3, 6, 7, and 9) used in the structure of this embodiment has a thickness of about several micrometers.
또한, 활성층(2)의 상부에는 제 1 파장에 대한 제 1 상부 DBR(3)이 형성된다. 이러한 제 1 상부 DBR(3)은 제 2 상부 DBR(6)과의 총 반사율이 하부 DBR(1)보다 낮게 설계되어 발진된 빔이 상부 방향, 즉 소자의 주면과 직교하는 방향으로 향하도록 형성된다. 제 1 파장에 대한 하부 DBR(1)과 제 1 상부 DBR(3) 사이에 있는 제 1 활성층(2)에 의해서 형성된 캐비티와 제 1 상부 DBR(3)과 제 2 상부 DBR(6)사이에 있는 GaAs 기판(4)과 광학 렌즈(13)에 의해 구성된 또 다른 캐비티, 즉 2개의 캐비티로 구성된 커플드 캐비티(coupled cavity)를 이용하여 제 1 파장의 빛을 단일 종 모드로 발진할 수 있도록 한다. 즉, 제 1 파장에 대한 활성층/캐비티(2)의 발진 파장과 같은 두께인 람다(lambda; 단위파장) 또는 수 람다(단위파장) 두께로 형성한다고 하였을 때, 존재가능한 캐비티 모드는 한 개 또는 수 개에 불과하며, 수 개인 경우에라도 각 모드간의 거리, 즉 파장이 멀리 떨어져 있게 된다. 반면 또하나의 캐비티로 작용하게 되는 광학 렌즈(13)와 제 1 상부 DBR(3)의 윗부분까지의 거리 d는 발진 파장에 비해 매우 크기 때문에 매우 많은 캐비티 모드가 조밀하게 분포된다. 그러나 이러한 커플드 캐비티 구조에서 발진은 상술한 두 캐비티 모드 중 일치되는 모드에서만 발진하게 되며 활성층의 이득 영역(Gain profile) 이내에는 결국 한 개의 캐비티 모드가 존재하도록 설계될 수 있어 단일 종 모드 발진이 가능하다.In addition, a first upper DBR 3 for the first wavelength is formed on the active layer 2. The first upper DBR 3 is designed such that the total reflectance with the second upper DBR 6 is lower than that of the lower DBR 1 so that the oscillated beam is directed in the upper direction, that is, the direction perpendicular to the main surface of the device. . The cavity formed by the first active layer 2 between the lower DBR 1 and the first upper DBR 3 for the first wavelength and between the first upper DBR 3 and the second upper DBR 6. Another cavity formed by the GaAs substrate 4 and the optical lens 13, ie, a coupled cavity consisting of two cavities, is used to make it possible to oscillate light of the first wavelength in a single species mode. That is, when it is formed to have a lambda (unit wavelength) or a number lambda (unit wavelength) thickness that is the same thickness as the oscillation wavelength of the active layer / cavity 2 with respect to the first wavelength, there can be only one or several cavity modes. In the case of only a few dogs, the distance between each mode, or wavelength, is far apart. On the other hand, since the distance d between the optical lens 13 and the upper portion of the first upper DBR 3, which serve as another cavity, is very large compared to the oscillation wavelength, very many cavity modes are densely distributed. However, in this coupled cavity structure, the oscillation only oscillates in the coincident mode of the two cavity modes described above, and can be designed such that one cavity mode exists within the gain profile of the active layer, so that single species mode oscillation is possible. Do.
상술한 제 1 상부 DBR(3)은 수쌍 또는 십여쌍으로 수십% 이상의 반사율을 나타낼 수 있도록 그 두께 역시 수 마이크로미터(통상 5㎛ 이내)로 제작된다. 이때 발진 영역의 크기 a는 고출력 발진을 위해 수십㎛에서 수백㎛나 그 이상으로 한다. 또, 큰 발진영역의 소자에서 단일 횡 모드 발진을 하기 위해 제 1 발광구조와 제 2 발광구조와의 사이에 광학 렌즈(13)를 구비한다.The above-mentioned first upper DBR 3 is made of several micrometers (typically within 5 µm) in thickness so as to show reflectivity of several tens or more in several pairs or dozen pairs. At this time, the size a of the oscillation region is from several tens of micrometers to several hundred micrometers or more for high power oscillation. Further, an optical lens 13 is provided between the first light emitting structure and the second light emitting structure in order to perform single transverse mode oscillation in a device having a large oscillation region.
광학 렌즈(13)는 AlxGa1-xAs층을 상부로 갈수록 알루미늄(Al)의 몰분율(x) 값이 증가되도록 성장시킨 후에 측면 습식산화법에 의해 알루미늄의 몰분율이 높은상부 부분이 렌즈 형태로 산화되게 한다. 이때 제작된 렌즈의 곡률 반경은 발진된 빔의 빔 웨이브 프론트(beam wave front)와 일치되게 하여 단일 횡 모드 발진이 되도록 한다. 이러한 선택적 습식 산화 기술은 O. Blum, C. I. H. Ashby, and H. Q. Hou, "Barrier-layer-thickness control of selective wet oxidation of AlGaAs for embedded optical elements," Appl. Phys. Lett. Vol. 70, No. 21, (26 May 1997)에 개시되어 있다. 또, 렌즈와 활성층간의 거리 b는 수십 마이크로미터에서 수천 마이크로미터 또는 그 이상의 범위에서 발진 영역의 크기(a)와 빔의 방사각, 그리고 렌즈의 곡률 반경에 의해 조절될 수 있다.The optical lens 13 is grown so that the mole fraction (x) of aluminum (Al) increases as the Al x Ga 1-x As layer is upward, and the upper portion having the high mole fraction of aluminum is formed in the form of a lens by the side wet oxidation method. To be oxidized. At this time, the radius of curvature of the fabricated lens is coincided with the beam wave front of the oscillated beam so as to be a single transverse mode oscillation. Such selective wet oxidation techniques are described in O. Blum, CIH Ashby, and HQ Hou, "Barrier-layer-thickness control of selective wet oxidation of AlGaAs for embedded optical elements," Appl. Phys. Lett. Vol. 70, no. 21, (26 May 1997). In addition, the distance b between the lens and the active layer can be adjusted by the size (a) of the oscillation region, the radiation angle of the beam, and the radius of curvature of the lens in the range of tens of micrometers to thousands of micrometers or more.
제 2 상부 DBR(6)은 제 1 상부 DBR(3)과 함께 통상적인 VCSEL의 상부 DBR이 갖는 반사율(95 ~ 99.9%)을 갖도록 레이어 쌍의 개수를 설계한다. 여기서 제 2 상부 DBR(6)은 전기적인 전도(conducting)가 가능하도록 도핑될 필요는 없다.The second top DBR 6, together with the first top DBR 3, designs the number of layer pairs to have a reflectance (95-99.9%) that the top DBR of a typical VCSEL has. The second top DBR 6 here need not be doped to enable electrical conducting.
발진된 제 1 파장의 빔은 제 2 파장의 활성층(8)을 광학적으로 펌핑하여 제 2 파장의 빔이 상부로 나오게 한다. 따라서 제 1 파장은 제 2 파장보다 짧다. 한 예로 제 1 파장은 980㎚, 제 2 파장은 라만 광증폭기(Raman Optical Amplifier)에 적합한 1200~1500㎚로 설계할 수 있다. 제 2 파장의 하부 DBR(7)의 반사율은 상부 DBR(9)의 반사율보다 높게 설계한다. 제 2 파장은 광학적 펌핑으로 동작하므로 제 2 파장에 대한 DBR(7, 9)은 전기적 극성을 갖도록 도핑될 필요는 없다. 이는 본 발명에서 추가로 중요한 의미를 가지는데, 즉 본 발명의 주된 응용분양인 라만 광증폭기의 파장인 1마이크로미터가 넘는 파장대의 빛은 p-(Al)GaAs에 의한 흡수, 즉 도핑 레벨에 의한 흡수가 매우 크며, 따라서 GaAs를 기반으로 하여 전기적 펌핑으로 높은 효율의 반도체 레이저를 제작하기가 매우 곤란하나 본 발명에서는 이를 광학적 여기로 하여 이러한 문제를 해결하고 있다.The oscillated beam of the first wavelength optically pumps the active layer 8 of the second wavelength such that the beam of the second wavelength emerges upwards. Thus, the first wavelength is shorter than the second wavelength. For example, the first wavelength may be 980 nm, and the second wavelength may be designed to be 1200 to 1500 nm suitable for a Raman optical amplifier. The reflectance of the lower DBR 7 of the second wavelength is designed to be higher than the reflectance of the upper DBR 9. Since the second wavelength operates with optical pumping, the DBRs 7 and 9 for the second wavelength need not be doped to have electrical polarity. This has a further important meaning in the present invention, that is, light in the wavelength band of more than 1 micrometer, which is the wavelength of the main application of the present invention, Raman optical amplifier, is absorbed by p- (Al) GaAs, that is, by doping level. Absorption is very large, and therefore, it is very difficult to fabricate a high efficiency semiconductor laser by electric pumping based on GaAs, but the present invention solves this problem by using optical excitation.
본 발명의 면발광 반도체 레이저 장치를 제작하는 원리를 도 2a 내지 도 2e를 참조하여 상세하게 설명한다. 도 2a에 도시된 바와 같이, 먼저 n형의 GaAs 기판(4)의 한쪽 면상에 n형으로 도핑된 제 1 상부 DBR(3)과 활성층(2) 및 p형으로 도핑된 하부 DBR(1)을 순차적으로 성장시킨다. 이로써 전기적인 펌핑에 의해 제 1 파장을 발광하는 제 1 발광구조를 기본적으로 형성한다.The principle of manufacturing the surface-emitting semiconductor laser device of the present invention will be described in detail with reference to Figs. 2A to 2E. As shown in FIG. 2A, first, an n-type doped first upper DBR 3 and an active layer 2 and a p-type doped lower DBR 1 are formed on one surface of an n-type GaAs substrate 4. Grow sequentially. This basically forms a first light emitting structure that emits a first wavelength by electrical pumping.
다음으로, 도 2b에 도시된 바와 같이, GaAs 기판(4)의 다른쪽 면상에 알루미늄(Al)의 몰분율을 상부방향으로 갈수록 증가시켜 가며 AlxGa1-xAs층(5)을 성장시킨다. 그런 다음, AlxGa1-xAs층(5) 위에 제 1 파장에 대한 제 2 상부 DBR(6)을 성장시킨다. 그리고, 제 2 상부 DBR(6) 위에 제 2 파장에 대한 하부 DBR(7)과 제 2 파장에 대한 활성층(8) 및 제 2 파장에 대한 상부 DBR(9)을 순차적으로 성장시킨다. 이로써 상술한 제 1 발광구조의 제 1 파장의 빛에 의해 제 2 파장의 빛이 광학적으로 여기되는 제 2 발광구조를 형성한다. 물론 여기서 제 2 상부 DBR(6)이 제 1 발광구조에 속하는 것은 상술한 바와 같다.Next, as shown in FIG. 2B, the Al x Ga 1-x As layer 5 is grown on the other side of the GaAs substrate 4 by increasing the mole fraction of aluminum (Al) upward. Then, a second upper DBR 6 for the first wavelength is grown on the Al x Ga 1-x As layer 5. The lower DBR 7 for the second wavelength, the active layer 8 for the second wavelength, and the upper DBR 9 for the second wavelength are sequentially grown on the second upper DBR 6. This forms a second light emitting structure in which the light of the second wavelength is optically excited by the light of the first wavelength of the first light emitting structure described above. Of course, it is as described above that the second upper DBR 6 belongs to the first light emitting structure.
다음으로, 도 2c에 도시된 바와 같이, GaAs 기판(4)의 표면 일부가 노출되도록 상술한 층들(5, 6, 7, 8, 9)을 부분에칭한다. 이러한 에칭 공정은 예를 들어 선택적 식각에 의해 이루어진다. 즉, CCl2F2가스를 이용한 RIE(reactive ion etching) 공정을 적용하여 GaAs와 AlGaAs를 선택적으로 식각한다.Next, as shown in FIG. 2C, the above-described layers 5, 6, 7, 8, and 9 are partially etched so that a part of the surface of the GaAs substrate 4 is exposed. This etching process is done, for example, by selective etching. That is, GaAs and AlGaAs are selectively etched by applying a reactive ion etching (RIE) process using CCl 2 F 2 gas.
그 다음에, 도 2d에 도시된 바와 같이, AlxGa1-xAs층(5)을 측면 습식산화법으로 산화하여 광학 렌즈(13)를 형성한다. 이러한 렌즈(13)의 형성은 소자 구조 깊숙이 묻혀 있는 알루미늄-갈륨-비소(AlGaAs)층들을 선택적으로 산화시킬 수 있는 반도체 산화 공정으로 이루어진다.Then, as shown in FIG. 2D, the Al x Ga 1-x As layer 5 is oxidized by the lateral wet oxidation method to form the optical lens 13. The formation of the lens 13 consists of a semiconductor oxidation process capable of selectively oxidizing aluminum-gallium-arsenic (AlGaAs) layers buried deep in the device structure.
마지막으로, 도 2e에 도시된 바와 같이, 상술한 부분에칭에 의해 노출된 GaAs 기판(4)의 다른쪽 표면상에 n형 전극(10)을 형성하고, 하부 DBR(1)에 접하여 p형 전극을 형성한다.Finally, as shown in FIG. 2E, an n-type electrode 10 is formed on the other surface of the GaAs substrate 4 exposed by the above-described partial etching, and the p-type electrode is in contact with the lower DBR 1. To form.
상술한 단계들에서 각 층들을 성장시키는 공정은 MBE(Molecular Beam Epitaxy), MOCVD (Metal-Organic Chemical Vapor Deposition) 등의 공정에 의해 이루어질 수 있다.The growth of each layer in the above-described steps may be performed by a process such as a molecular beam epitaxy (MBE), a metal-organic chemical vapor deposition (MOCVD).
또한, 상술한 단계들에서 상기 제 1 발광구조의 상기 하부 DBR(1)과 제 1 상부 DBR(3) 및 제 2 상부 DBR(6)과, 상기 제 2 발광구조의 하부 DBR(7) 및 상부 DBR(9)은 Al(Ga)As/GaAs층의 교차 적층에 의해 각각 형성되며, 상기 활성층(2, 8)들은 원하는 파장에 맞게 설계된 3원 또는 4원 혼정계인 InGaAs(N)층의 적층에 의해 각각 형성될 수 있다.Further, in the above-described steps, the lower DBR 1, the first upper DBR 3, and the second upper DBR 6 of the first light emitting structure, and the lower DBR 7 and the upper part of the second light emitting structure. DBR (9) is formed by cross-lamination of Al (Ga) As / GaAs layers, respectively, and the active layers (2, 8) are a stack of InGaAs (N) layers, which are three- or four-membered hybrid systems designed for the desired wavelength. It can be formed by each.
한편, 본 발명은 상술한 실시예에서 설명하는 방법 이외에 두 장의 기판에 참조부호 1,2,3으로 표시된 층들과 나머지 층들을 각기 다른 기판위에 각각 성장시킨 후에 웨이퍼 융합(wafer fusion)에 의해 두 기판을 붙여 제작하는 방법도 가능하다.On the other hand, in the present invention, in addition to the method described in the above-described embodiment, the two substrates are grown by wafer fusion after growing the layers indicated by reference numerals 1,2 and 3 and the remaining layers on the different substrates, respectively. It is also possible to make a paste.
또한, 참조부호 6,7,9로 표시된 DBR의 경우 통상적인 Al(Ga)As/GaAs의 교차 적층으로 구성된 반도체 DBR일 수 있으나 광학적 렌즈 구성시 측면을 보호하지 않고 같이 AlAs가 산화되도록 하여 GaAs와 Al 산화물로 구성된 DBR로 설계할 수 있다.In addition, the DBR denoted by reference numerals 6, 7, and 9 may be a semiconductor DBR composed of a conventional stack of Al (Ga) As / GaAs, but the AlAs are oxidized together without protecting the side in the optical lens configuration. It can be designed as DBR composed of Al oxide.
본 실시예에서는 n형의 GaAs 기판(4)을 사용한 것을 예로 설명하였으나, n형의 기판 대신에 p형의 기판을 사용하여 면발광 반도체 레이저 장치를 제작할 수 있음은 물론이며, 이 경우에는 다이오드의 구조상 상기한 제 1 파장에 대한 하부 DBR(1)과 제 1 상부 DBR(3)이 각각 n형과 p형으로 도핑되어야 하고, 또한 제 2 발광구조가 배치된 방향의 GaAs 기판(4)의 주면상에는 p형 전극이, 그리고 기판(4)의 배면측에는 제 1 파장의 하부 DBR(1)에 접하여 n형 전극이 각각 배치되게 된다.In this embodiment, the n-type GaAs substrate 4 is used as an example. However, the p-type substrate can be used instead of the n-type substrate to manufacture the surface-emitting semiconductor laser device. In this case, the diode The main surface of the GaAs substrate 4 in the direction in which the lower DBR 1 and the first upper DBR 3 for the first wavelength described above should be doped n-type and p-type, respectively, and the second light emitting structure is disposed. The p-type electrode is disposed on the back side of the substrate 4, and the n-type electrode is disposed in contact with the lower DBR 1 of the first wavelength.
<제 2 실시예>Second Embodiment
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 면발광 반도체 레이저 장치를 나타낸 단면도이다. 도 3을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 고출력 반도체 레이저 장치가 기본적으로 제 1 발광구조, 제 2 발광구조, 기판, 광학렌즈, 및 적어도 한쌍의 전극들로 이루어지는 점을 비롯하여, 그 밖의 대부분의 구성은 상술한 본 발명의 일실시예와 동일하다.3 is a cross-sectional view showing a surface-emitting semiconductor laser device according to another embodiment of the present invention. Referring to FIG. 3, a high power semiconductor laser device according to another embodiment of the present invention basically includes a first light emitting structure, a second light emitting structure, a substrate, an optical lens, and at least one pair of electrodes, and the like. Most of the configuration is the same as the embodiment of the present invention described above.
다만, 상술한 본 발명의 일실시예에 있어서의 제 1 발광구조의 제 2 상부 DBR(6)과 제 2 발광구조의 하부 DBR(7)을 대신하여, 중간 DBR(14)을 구비하고 있다는 점에서 상술한 본 발명의 일실시예와 구별된다.However, the intermediate DBR 14 is provided in place of the second upper DBR 6 of the first light emitting structure and the lower DBR 7 of the second light emitting structure in the embodiment of the present invention described above. It is distinguished from the embodiment of the present invention described above.
다시 말해, 본 실시예에서는 DBR 제작시, DBR의 단위층 두께와 Al(Ga)As 층의 Al 몰 비율(mole fraction), 그리고 적층하는 Al(Ga)As/GaAs 층의 수를 조절하여 제 1, 2 파장 각각에 대해 제 1 발광구조의 제 2 상부 DBR과 제 2 발광구조의 하부 DBR이 설계에 의해 각각 가져야만 하는 반사율(reflectivity)을 동시에 갖는 하나의 넓은 스탑 밴드(stop band)를 이용하여 하나의 DBR, 즉 중간 DBR(14)을 형성하고 있는 것이다.In other words, in the present embodiment, when fabricating a DBR, the unit layer thickness of the DBR, the Al mole fraction of the Al (Ga) As layer, and the number of stacked Al (Ga) As / GaAs layers are controlled. For each of the two wavelengths, one wide stop band is used which simultaneously has the reflectivity that the second upper DBR of the first light emitting structure and the lower DBR of the second light emitting structure should each have by design. One DBR, that is, an intermediate DBR 14, is formed.
한편, 이상의 실시예들에서 구체적으로 언급하지는 않았지만 본 발명의 장치는 장치 내부에 발생된 열을 효과적으로 방출하기 위해 제 1 발진구조에 걸쳐 접촉된 방열판(Heat Sink)을 더 구비할 수도 있다.Meanwhile, although not specifically mentioned in the above embodiments, the apparatus of the present invention may further include a heat sink contacted over the first oscillation structure to effectively release heat generated inside the apparatus.
게다가, 응용분야에 따라 발진된 제 1 파장의 빔을 완전히 차단할 필요가 있을 경우, 이를 차단하기 위한 DBR을 추가로 구비할 수 있다. 이러한 경우 반도체 DBR보다는 유전체 DBR을 본 장치의 발광면(제 2 파장에 대한 상부 DBR(9) 윗면)에 형성시켜 효과적으로 제 1 파장의 빔을 차단할 수도 있다.In addition, if it is necessary to completely block the beam of the first wavelength oscillated according to the application, it may be further provided with a DBR for blocking it. In such a case, a dielectric DBR may be formed on the light emitting surface (above the upper DBR 9 for the second wavelength) of the device rather than the semiconductor DBR to effectively block the beam of the first wavelength.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 단일 종 모드 발진과 함께 단일 횡 모드 발진을 하는 고출력의 면발광 반도체 레이저 장치를 제공할 수 있다.As described above, according to the present invention, it is possible to provide a high power surface emitting semiconductor laser device that performs single transverse mode oscillation and single transverse mode oscillation.
또한 본 발명에 의하면, 1200㎚ 이상의 빔을 광학적으로 펌핑함으로써 프리 캐리어(free carrier) 흡수에 의해 장치 효율이 감소되는 것을 방지한다.In addition, according to the present invention, by optically pumping a beam of 1200 nm or more, the device efficiency is prevented from being reduced by free carrier absorption.
또한, 발진 영역이 넓어 COD(Catastrophic Optical Damage)에 의해 광출력이 제한되는 경우가 없다.In addition, since the oscillation area is wide, the light output is not limited by COD (Catastrophic Optical Damage).
게다가, 제 1 발진구조에 걸쳐 방열판(Heat Sink)을 접촉시킬 수 있어 고출력에 매우 유리하다.In addition, the heat sink can be contacted over the first oscillation structure, which is very advantageous for high power.
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