적색 광 레이저 document_id A220623108665

본 발명은 수직 공진 평면 발광 레이저(Vertical Cavity Surface Emitting Laser, VCSEL) 칩과 하위 부품(subassembly)에 관한 것이다. VCSEL은 광섬유 데이터 통신 시스템(fiber optic data communication systems)에 있어서 중요한 광원이다. 이들 시스템에 사용되는 대부분의 소자들은 830 내지 860nm 파장 범위의 광을 발한다. 그러나, 660nm, 780nm, 850nm, 980nm, 1310nm 및 1550nm의 파장 값과 동일하거나, 그 근처 파장에서의 발광이 검증되는 VCSEL이 제조되고 있다. 적색 발광 VCSEL(~660nm)은, 인간 눈으로 인식할 수 있는 발광 광이 가치가 있는 적용분야에서 상당한 중요하다. 이러한 발광 광을 검출하도록 조율된, 예컨대 광전 센서(photoelectric sensors)가, 그 광에 의해 조명된 대상물의 존재/부존재, 거리 또는 다른 특성(attribute)을 감지하는데 사용될 수 있다. 관찰자가 센서 정렬용(sensor alignment purpose)의 발광 광을 볼 수 있는 능력은 유리한 점이 있다. 바코드 스캐너가 이러한 센서의 하나의 특정 케이스가 될 것이며, 사용자는 이로써 가시 파장의 사용 광(use light)을 선택하여, 보다 용이하게 광선을 바코드로 조준할 수 있다. 화학적, 생물학적, 또는 의학적 센서는 특수의 발광 파장 또는 파장 범위를 갖는 광의 흡수 또는 산란을 이용할 수 있다. 일예로서, 혈액의 산소 함량을 결정하기 위하여 665nm와 905nm 파장 광원의 상대 흡수(relative absorption)에 의존하는 펄스 산소농도계(pulse oximeter)를 들 수 있다. 디스플레이 또는 인쇄장치는 고해상도를 제공하기 위해 이러한 단파장의 발광 광에 의존할 수 있다. 이러한 적색 발광 VCSEL이 있는 시스템에 대한 계획된 사용은, 발광 광 파장, 전력 변환 효율, 발광 확산 각도(emission divergence angle) 및 발광 모드 구조를 포함하는 중요한 그 시스템의 특성을 결정한다. 상기 모드 구조는 발광 광선의 형상을 말한다. 몇몇 사용에 있어서는 단일모드 소자(single mode device), 즉 균일하게 둥근 가우스 형상(uniform round Guassian shaped)의 발광 강도 프로파일(emission intensity profile)을 가진 소자를 필요로 한다. 도 1은, 기판(1) 상에 형성된 전형적인 박막 반도체 재료 적색 발광 VCSEL의 상당히 일반적인 개략 층도면(schematic layer diagram)이다. 광공진 공동(optical resonance cavity)을 형성하는 미러(2, 3)는, 몰분율 x 003e# 0.85인 AlxGa1-xAs의 조성을 가진 비교적 작은 굴절율의 박막 층과, 대략 Al0.5Ga0.5As의 조성을 가진 비교적 큰 굴절율의 박막 층이 서로 교대로 되어 있는 AlGaAs로 구성된다. 이러한 층 각각은, 그층 재료에서 VCSEL에 의해 발광하게 된 광의 1/4 광파장(optical wavelength)(λ/4)에 대응하는 두께를 가진다. 상기 광학 두께는, 파장을 상기 굴절율로 나누는 것에 의해 정의된다. 예컨대, 발광 파장이 670nm이고, 3.65의 굴절율을 갖는 GaInP의 조성을 갖는 경우, 상기 재료에서의 일 파장에 대응하는 광학 두께는 (670nm)/3.65 = 183.6nm가 된다. 미러 내에서, 상기 층들은 1/4 파장 두께이므로, 미러 층들은 45nm 두께의 범위 내에 있게 된다. 이들 두 개 재료의, 다(多)주기(periods)(003e#20)의 1/4 파장 두께 교호층들은, 계획된 발광 파장에서 고반사형의 미러를 형성한다. 미러(2)는 n형 도전형이 되도록 도핑되고, 미러(3)는 p형 도전형이 되도록 도핑되며, 그 위에는 2nλ/4(n은 정수) 두께를 가지는 고도로 도핑된 도핑 그레이딩층(doping grading layer, 3')이 있다. 미러(2)와 미러(3) 사이의 VCSEL의 활성영역(4)은 AlGaInP 재료 시스템으로 형성된다. 하나 이상의 양자 우물이, Ga0.5In0.5P와 대략 동일한 조성을 가진 대응하는 박막으로 형성된 구조에 포함된다. 주입된 캐리어는 이들 양자 우물에 포획되어, 결합함으로써 광을 방사한다. 각 양자 우물 박막의 조성과 두께는 함께 양자 우물의 파장, 방사(emission) 또는 광 루미네선스(photoluminescence)를 결정한다. 양자 우물은 AlGaInP의 배리어 박막층에 의해 서로 격리되어 있으며, AlGaInP의 클래드(cladding) 또는 구속(confining)층(5, 6)에 의해 활성영역(4)의 어느 한쪽에 같이 부착되는 동시에, 배리어층과 클래드층 모두의 조성은 소자 기판으로 기능하는 GaAs에 격자상수가 정합되도록 선택되어, GaInP보다 큰 밴드갭을 가짐으로써 광자 구속(photon confinement)을 제공한다. 활성영역의 총 두께는 1/2 발광 파장의 정수배(nλ/2)일 수도 있지만, 통상은 VCSEL 두께에 의해 발광하도록 되어 있는 광의 일파장(1λ)이다. 고도로 도핑된 GaAs 캡층(capping layer, 7)은 횡 방향으로 함께 전기 저항을 감소시키도록 도핑 그레이딩 층(3') 상에 설치된다. 전체 VCSEL 에피택셜 구조를 위한 제약 중 하나는, 상기 구조내 층들의 격자 상수 또는 파라미터가 하부의 GaAs 기판과 거의 동일해야한다는 것이다. 그렇지 않은 경우, 소자가 사용되었을 때 소자에 손상을 일으킬 수도 있는 격자 결함을 형성하여, 소자의 신뢰도나 수명을 제한한다. AlGaAs 재료 시스템에 있어서, 이러한 조건은 AlAs에서 GaAs까지 갈륨과 알루미늄을 서로 대체하는 모든 가능한 한 조성에 대하여 충족된다. 그러나, AlGaInP 재료 시스템에 있어서, 이러한 조건은 몰분율 y = 0.51인, (AlxGa1-x)In1-yP에 대응하는 조성에서만 충족된다. 몰분율 x는 GaAs에 대한 격자 정합에 영향을 미치지 않고 0 내지 1.0으로 조정될 수 있다. 그러나, AlGaInP에서의 밴드갭 불연속성(discontinuities)은, 상기 층들의 두께와 y값을 약간 조정하여 양자 우물과 배리어층들에 소량의 응력변형(strain)을 가함으로써 다소 조정될 수 있다. 만일 응력변형된 층의 총 두께가 충분히 얇게(100-200nm) 유지된다면, 결함은 형성되지 않고, 소자 신뢰도에 영향을 미치지 않는다. 상기 구조에서 원하는 위치로의 전류의 구속은, 동일한 반도체 재료층들을 갖는 도 1의 VCSEL 구조의, 조금더 일반적인 층의 개략도인 도 2에 나타낸 바와 같이, 이온주입 및 산화물 개구 형성에 관한 표준 기술로 제공될 수 있다. 거기에서, 방사 개구(emission aperture)를 가진, 주입 또는 산화물 구속층(8) 및 상부 금속 접속부(9)와 같은 구조를 나타낸다. 기판(1)은 그 노출된 외부 표면상에 설치된, 다른 금속 접속부(1')를 가진다. 다른 파장에서 VCSEL 발광이 검증된 이용가능한 또다른 선택안이 이를 위해 존재한다. 적색 발광 VCSEL은 검증되었지만, 통상은 작동 온도 범위가 제한적이며, 최대 출력 전력, 특히 단일모드 출력 전력 또한 제한적이다. 이들 제한은 단파장 소자에 있어서 더욱더 심각해진다. AlGaInP-AlGaAs 재료 시스템에 있어서의 작은 밴드갭 불연속성 및 낮은 열전도도로 인하여, 발광 파장이 감소하거나 작동 온도가 증가하는 경우, 또는 모든 경우에 적색 발광 VCSEL의 출력 전력은 감소한다. 밴드갭 불연속성이 작다는 것은, 양자 우물에 포획되어 거기에서 재결합되어 광을 방사해야하는 캐리어가, 대신, 양자 우물을 이탈하여 광출력에 기여하지 않는다는 것을 의미한다. 온도가 증가함에 따라서, 전하 캐리어는 이들 우물을 빠져나가기가 더 쉽다. 단파장 소자에 있어서, 고도의 에너지, 또는 단파장, 광을 발생시키기 위해서는 양자 우물이 더욱 얇아질 필요가 있지만, 이 또한 전하 캐리어의 이탈에 기여한다. 따라서, 예컨대 650nm에서 발광하는 소자 대 670nm에서 발광하는 소자에서 고성능을 얻는데 있어서 어려움이 매우 현저하게 증가한다. 작동 온도 범위에서의 또다른 문제점은, AlGaAs 미러의 전기 저항이다. 미러 두께의 대략 50%를 구성하는, Al0.5Ga0.5As 조성은 불량한 열전도도를 가진다. 뿐만 아니라, 미러 내의 다수의 주기는 저항증가에 기여하여, 이것은 추가의 가열(heating)로 된다. 이 재료 시스템의 온도 민감성과 결합된 추가의 가열은 상기 문제를 더욱 악화시킬 뿐이다. 이들 요인은 결합하여 적색 발광 VCSEL 소자에 실질적인 단일모드 출력 전력을 공급하는 것을 특히 어렵게 한다. 또한, 통상적으로, 단일모드 소자의 개구 사이즈가 작다는 것은 이들 소자가 보다 신속하게 가열된다는 것을 의미한다. 따라서, 이러한 제한에 의해 덜 구속되도록 적색 발광 VCSEL 소자를 구성하는 것이 요구된다.