KR101168460B1 - ＩｎＰ-계 수직공진 표면발광레이저를 제조하는 방법 및 이로부터 제조된 디바이스 - Google Patents

Abstract

본 발명은 1.30 마이크로미터 근처의 중심 파장을 갖는 빛을 방출하기에 특히 적합한 높은 반사율 분포 브래그 반사기(DBR)를 갖는 인듐 인화물-계 수직공진 표면발광레이저(VCSEL)의 제조방법에 관한 것이다. 상기 방법은 특정한 작동 파장을 선택하는 단계, 상기 선택된 작동 파장에 대응하는 광자 에너지를 측정하는 단계, 섭씨 온도로 최대 작동 온도를 선택하는 단계, 및 AlGaInAs 또는 광자 에너지의 합(밀리-전자 볼트, meV) + 최대 작동 온도의 합 + 110을 1.96으로 나눈 것과 동일하거나 더 큰 띠 간격을 갖도록 InP 기판에서 에피택셜 성장될 수 있는 다른 물질로부터 VCSEL의 분포 브래그 반사기(DBR)의 높은 굴절율 층들의 적어도 절반을 제조하는 단계를 포함한다. 적어도 바람직한 최대 온도까지 반사율을 유지하고, InP 기판에 결합되거나 그것 위에서 변성적으로 성장된 DBR을 사용하는 것에 대한 필요성을 제거하기 위해서 광학 흡수를 낮게 유지하는 동시에, 그러한 띠 간격을 갖는 높은 굴절율 층들의 제조는 DBR에 있는 교차하는 층들의 굴절율에서 충분한 차이를 발생시킨다.

InP, DBR, VCSEL, 브래그 반사기, 띠 간격, 활성층, 굴절율

Description

ＩｎＰ-계 수직공진 표면발광레이저를 제조하는 방법 및 이로부터 제조된 디바이스 {Method of manufacturing an InP based vertical cavity surface emitting laser and device produced therefrom}

본 발명은 일반적으로 표면 방출 레이저에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 높은 반사율의 분포 브래그 반사체(distributed Bragg reflector)를 갖는 장파장, 인듐 인화물(InP)계 수직공진 표면발광레이저에 관한 것이다.

수직공진 표면발광레이저(Vertical cavity surface emitting lasers; VCSELs)는 선행 기술에서 잘 알려져 있다. 일반적으로 말해서, VCSEL은 하부의(lower) 기판, 분포 브래그(Bragg) 반사체(DBR), 레이저 발진(lasing)이 발생하는 활성층(또는 층들), 및 다른 하나의 DBR 또는 다른 형태의 거울이 될 수 있는 상부의(upper) 반사체를 포함하는 반도체 디바이스이다. 상부 및 하부의 전극 층들이 또한 디바이스 내에 제공된다. 전기 전압이 상부 및 하부 전극 층들을 통해 적용될 때 활성층에 의해 산출된 디바이스의 빛을 밖으로 통과시키기(admit) 위해서 개구(opening)가 상부 또는 하부 전극에서 중앙에 제공된다.

VCSELs는 저-비용의 광학 통신 네트워크에서 사용되기에 잘 맞도록 하는 많은 속성들을 가진다. VCSEL 구조에서 방출되는 대칭의, 원형 광선(beam)은 광학 섬 유에 쉽게 결합될 수 있다. VCSELs의 작은 크기는 그들을 단일 반도체 웨이퍼 상에서 2차원을 따라서 조밀하게 배열되도록 한다. 마지막으로, 측면 발광 레이저(edge emitting lasers)와 같은 다른 유형의 레이저와 달리, 공진(resonating) 거울이 DBR의 형태로 레이저 내에서 완전하게 성장되는 것처럼 행동하는 구분된, 반사 면(reflecting facet)을 기계적으로 또는 화학적으로 생성할 필요가 없어서, 제조원가를 유리하게 감소시킨다.

광학 네트워크용 VCSELs이 다수의 다른 반도체(semiconducting) 물질로부터 형성될 수 있지만, 상기 VCSELs이 그러한 네트워크에서 광학 섬유를 통해 곧 최고로 전달된 빛의 비교적 장파장의 양쪽, 즉 1.31 마이크론 및 1.55 마이크론 근처를 포위함으로써 레이저 파장의 범위(1.1 내지 2.0 마이크론)가 산출될 때, 인듐 인화물(InP)이 바람직하다.

과거에, 1.3 마이크론 근처의 중심 파장을 갖는 레이저 방사선(radiation)을 효과적으로 산출할 수 있는 InP-계 VCSELs을 제조하는 것은 특히 어려운 것이었다. 이러한 문제는 효과적인 레이저 발진 작동을 생성하는데 필요한 높은 수준의 반사율(바람직하게는 99.9%)을 제공하는 VCSEL 내에서 DBR의 실패에 의해 야기된다. 이 문제의 원천을 이해하기 위하여, DBRs의 구조 및 기능에 대한 어느 정도의 토론이 필요하다.

VCSELs 내의 DBRs는 다른 굴절율을 갖는 반도체 물질로 된 교차하는(alternating) 층들로부터 형성되고, 이들의 각각은 1/4의 파장 두께이다. DBR이 VCSEL의 활성 영역 내에서 효과적인 레이저 발진 작동의 결과를 낳는 광학 공명(optical resonance)을 영속시키기에 충분히 반사적이 되기 전에, 낮은 굴절율 층들(low index layers) 및 높은 굴절율 층들(high index layers)의 굴절율(refractive indices) 사이의 차이는 어느 정도가 되어야 한다. InP-계 VCSELs에서, InP 층상에서 에피택셜 성장될 수 있는 양립가능한(compatible) 격자 구조를 가지는 반도체 물질로부터 높은 굴절율을 갖는 층을 형성하는 동시에, InP로부터 더 낮은 굴절율을 갖는 층을 형성하는 것이 바람직하다. DBR에서 그러한 물질의 사용은 VCSEL로 하여금, 예를 들어 MBE(분자 광선 에피택시), 또는 MOCVD(금속 유기 화학 증착법)에 의해 에피택셜 성장되도록 한다. 높은 굴절율 층으로서 사용될 수 있는 그러한 물질들의 실시예는 AlGaInAs, GaInAsP, 및 AlGaAsSb 등의 갈륨(Ga), 비소(As), 알루미늄(Al), 안티몬(Sb), 인듐(In) 및 인(P)으로부터 형성된 합금을 포함한다. DBR을 위한 교차하는 높은 굴절율 층들 및 낮은 굴절율 층들을 형성하기 위해서 InP 기판 위쪽에서 에피택셜 성장될 수 있는 반도체 물질의 다른 조합은 AlGaInAs/AlInAs; GaInAsP/AlInAs 및 AlGaAsSb/AlGaAsSb를 포함한다. 본 출원에서, 용어 "InP-계 VCSEL"는 InP 기판상에서 성장된 모든 VCSEL을 말하며, 전술한 교차하는 층들 중 어느 것, 또는 InP 기판상에서 에피택셜 성장될 수 있는 어떠한 층들로부터 형성된 DBR을 포함한다.

안타깝게도, 전술한 합금이 사용될 때 높은 굴절율 층들 및 낮은 굴절율 층들 사이의 굴절율에 있어서 충분히 큰 차이를 달성하는 것은 어렵다. 낮은 굴절율 층(InP 또는 AlInAs)을 형성하는 물질의 굴절율을 낮추는 방법이 없기 때문에, 더 큰 차이를 달성하는 유일한 방법은 높은 굴절율 합금을 형성하는 원소들의 몰 분율을 조정함으로써 높은 굴절율 물질의 굴절율을 더 높게 만드는 것이다. 이것은 그것이 VCSELs의 레이저 발진 파장의 광자 에너지(photon energy)에 도달하기 시작하도록, 높은 굴절율 물질의 띠 간격(band gap)을 감소시키는 효과를 가진다. 하지만, 출원인들은 높은 굴절율 물질의 띠 간격이 레이저 발진 파장의 광자 에너지에 너무 가깝게 감소되면, 높은 굴절율 물질에 의한 레이저 방사선의 흡수로 인해 결과적인 반사율(refrectively)이 실질적으로 더 나빠진다는 것을 관찰했다. 출원인들은 또한 높은 굴절율 물질의 굴절율의 증가를 줄임으로써 레이저 방사선 흡수 문제를 피하려고 시도하면, 결과적인 VCSEL은 넓은 온도 범위에 걸쳐 잘 실행되지 않을 수 있다는 것을 관찰했다. 출원인들은 광학 흡수 스펙트럼이 온도가 상승될 때 레이저 발진 파장보다 훨씬 더 빨리 더 긴 파장을 향해 이동하기 때문에, 더 높은 온도에서 DER의 반사율의 후퇴에 의해 실행능력 저하가 야기된다고 믿는다. 반면에, 높은 굴절율 물질의 굴절율이 일정 수준을 넘지 않으면, 결과적인 DBR의 반사성은 허용할 수 없을 정도로 낮을 것이다. 그러므로, 넓은 범위의 실온에 걸쳐 고-성능의 VCSEL을 얻기 위하여 높은 굴절율 물질의 굴절율은 단지 좁은 범위 내에서 선택될 수 있다. 고성능을 위한 이 좁은 범위가 VCSEL의 중앙-파장(mid-wavelength) 및 디바이스 온도 둘 다에 변화하기 때문에, 현재까지 쉽고 일관되게 고-효율의 InP-계 VCSELs을 제조하는 방법이 알려져 있지 않다.

InP 유형 물질에서 굴절율 차이의 최적량을 달성하는데 어려움이 있기 때문에, 선행 기술에서는 GaAs/Al(Ga)As의 교차하는 층 등의 다른 반도체 물질들이 DBRs를 형성하는데 사용되어왔다. (Al)GaAs 및 InP의 결정 격자 상수(crystal lattice constants) 사이의 큰 차이로 인해, InP 상에서 두꺼운 (Al)GaAs층의 성장은 고 밀도의 결점 및 형태학상 불완전함을 초래한다. 구조를 통해 전파되는 그러한 결점들을 피하기 위해, GaAs-계DBR은 InP-계 활성 영역 상으로 기계적으로 전이되었다. 안타깝게도, 그러한 웨이퍼-결합 기술은 GaAs-계 DBR 및 VCSEL 웨이퍼 또는 필름 사이의 정확한 기계적 방향(orientation)을 요구하기 때문에 어렵다. 게다가, 버블 없는 큰 면적의 일정한 결합은 어렵다. 결과적인 VCSELs의 신뢰도(reliability)는 불완전한 결합 공정에 의해 쉽게 손상된다(compromised). 유사한 문제는 InP 기판상에 그러한 GaAs-계 DBRs의 변성 성장과 관련이 있다.

확실히, 넓은 범위의 레이저 파장, 특히 1.3 마이크로미터 근처를 통해 높은 반사율의 DBRs를 갖는 InP-계 VCSELs를 제조하는 방법이 필요하다. 이상적으로는, 그러한 방법은 구분된, 웨이퍼 결합 단계, 또는 변성-유형 성장에 대한 필요성을 미연에 방지할 것이다.

발명의 요약

본 발명은 선행 기술과 관련된 전술한 문제들을 해결한 InP-계 VCSEL을 제조하는 방법이다. 본 발명의 방법에서는, VCSEL에 의해 산출된 레이저 빛의 특정 파장이 먼저 선택되는데, 이 파장은 광자 에너지 E_lasing(일반적으로 meVs로 표시)와 동등하다. 다음, 최대 작동 온도 T_max가 선택되는데, 여기서 T_max는 섭씨 온도로 표현되고, DBR이 높은 반사율을 유지하기 원하는 최대의 온도에 상응한다. 마지막으로, VCSEL의 DBR의 높은 굴절율 층들 중 적어도 반은 하기와 동등하거나 더 큰 띠 간격 G(meV)를 갖도록 제조된다:

높은 반사율이 적어도 바람직한 작동 온도까지 유지되도록 하기 위하여 광학 흡수를 낮게 유지하는 동시에, 상기와 같은 띠 간격을 가진 높은 굴절율 층의 공급(provision)은 DBR의 교차하는 높은 굴절율 층들 및 낮은 굴절율 층들의 굴절율 사이의 충분히 큰 차이를 야기한다.

레이저의 활성층에 가까운 높은 굴절율 층들 중 적어도 과반수는 G와 동등하거나 더 큰 띠 간격을 가져야 한다. 본 발명의 바람직한 방법에서, T_max는 약 50 내지 125℃ 사이에서 선택된다. 선택된 작동 파장은 약 1.1 내지 2.0 마이크로미터, 더욱 바람직하게는 약 1.25 내지 1.36 마이크로미터에서 선택된다.

제조 단계는 전술한 띠 간격을 달성하기 위해 DBR의 높은 굴절율 층의 조성을 조정하는 단계를 포함한다. 본 발명의 바람직한 방법에서, 높은 굴절율 층은 Ga 및 As, 및 Al, In, P, 및 Sb로 이루어지는 군으로부터 적어도 두 개의 원소들의 합금으로부터 형성되고, 상기 띠 간격은 상기 합금을 형성하는 원소들의 몰 분율을 바꿈으로써 조정된다.

높은 굴절율 층들이 Al_xGa_yIn_(1-x-y)As이면, 그들의 띠 간격은 그들의 Al 및 Ga 몰 분율을 변형시킴으로써 조정될 수 있고, In의 몰 분율은 상기 층들의 격자 상수를 InP 기판의 것과 동등하게 유지하기 위해 약간 조정될 수 있으며, 이는 DBR과 같은 두꺼운 구조의 완벽한 또는 완벽에 가까운 성장을 위해 중요하다. 높은 굴절율 층들이 Ga_xIn_(1-x)As_yP_(1-y), 또는 Al_xGa_(1-x)As_ySb_(1-y)일 때, 상기 층들의 격자 상수를 InP 기판의 것과 동등하게 유지하는 동시에, 상기 띠 간격을 조정하기 위하여 모든 네 원소의 몰 분율은 변화되는 것이 필요하다. 바람직한 방법에서, DBR의 높은 굴절율 층들 및 낮은 굴절율 층들은 InP 기판의 꼭대기에서 에피택셜 성장에 의해 제조된다.

본 발명은 또한 약 1.1 내지 1.5 마이크로미터 사이의 파장을 갖는 빛을 방출하기 위한 장파장, InP-계 VCSEL에 관한 것으로, 이는 InP 기판, 상기 기판상에서 성장되고 높은 굴절율 층들 및 낮은 굴절율 층을 포함하는 DBR, 및 상기 DBR 상에 배치된 활성 레이저 발진 섹션(section)을 포함하는데, 여기서 상기 높은 굴절율 층의 적어도 반은 본 발명의 방법에서 일반식에 의해 정의된 것과 동일하거나 더 큰 띠 간격 G를 갖는 것을 특징으로 한다.

도 1은 본 발명에 따라 제조된 VCSEL의 개략적인 횡단면도이다;

도 2는 InP-계 VCSEL에서 DBR의 높은 굴절율 층의 굴절율 및 상기 높은 굴절율 층에 의해 산출된 레이저 빛 흡수율의 증가 사이의 관계를 나타내는 그래프이다;

도 3 및 4는 1.33 마이크로미터의 중앙 파장에 있어서 본 발명에 따르지 않는(Tmax=85℃ 식을 만족시키지 않는) 띠 간격을 갖도록 제조된 높은 굴절율 층들을 갖는 DBRs의 20℃, 85℃ 및 100℃에서의 반사율 스펙트럼을 비교를 위해 나타낸다;

도 5는 1.33 마이크로미터의 중앙 파장에 있어서, 본 발명에 따라 제조된(Tmax=85℃ 식을 만족시키는) DBR의 20℃, 85℃ 및 100℃에서의 반사율 스펙트럼을 나타낸다;

도 6은 20℃ 내지 66℃ 범위의 온도에서, 본 발명에 따라 제조되지 않은 DBR을 갖는 VCSEL의 전류 투입(current input)에 대한 전력 산출(power output)을 나타낸다; 그리고

도 7은 20℃ 내지 125℃의 온도 범위에 걸쳐, 본 발명에 따라 제조된 DBR을 갖는 VCSEL의 전류 투입에 대한 전력 산출을 나타낸다.

도 1은 본 발명이 적용가능한 많은 InP-계 VCSEL 배치(configuration) 중 하나를 나타낸다. 이 실시예에서, VCSEL 1은, 처음부터, 위쪽에 에피택셜 성장한 DBR(3)을 갖는 InP 기판(2)을 포함한다. 이 특정한 실시예에서, DBR(3)은 AlGaInAs 및 InP로부터 각각 형성된, 교차하는 높은 굴절율 층들 및 낮은 굴절율 층들(3a, 3b)을 포함하는데, 이들 각각은 4분의 1 파장 두께를 갖는다. 예를 들면, DBR(3)는 40쌍 이상의 상기 교차하는 높은 굴절율 층들 및 낮은 굴절율 층들을 가질 수 있다. 상기 DBR(3) 상에 배치된 활성층(4)은, 높은 굴절율 층들을 형성하는 물질에 비해 그것의 개개의 원소들이 다른 몰 분율을 갖는 AlGaInAs로부터 형성될 수 있다. 다음으로, 다른 InP 층(5)이 상기 활성 층(4) 위에 배치된다. 접촉 층(6)이 상기 InP 층(5) 위에 배치된다. 이 접촉 층은 예를 들어, GaInAs로 형성될 수 있다. 부식-내성(corrosion-resistant) 합금 NiGeAu 및 TiPtAu로부터 각각 형성된 전극 층들(7 및 8)은 도시된 바와 같이, VCSEL의 바닥 및 꼭대기 면에 배치된다. 마지막으로, 상부의 DBR(9)이 꼭대기 전극 층(8) 위에 배치된다. 상부의 DBR(9)은 Si/Al₂O₃ 또는 금속 층 위에 쉽게 배치될 수 있는 어떠한 다른 고 반사 재료로부터 형성될 수 있다. 작동에 있어서, 전압은 꼭대기 및 바닥 전극 층들(7, 8)을 통해 적용된다. 상기 전압은 전자가 활성 층(4)에 존재하는 구멍으로 흐르게 하여, 레이저 발진 작동을 개시한다. 발생된 초기의 레이저 빛은 하부 및 상부 DBRs(3, 9) 사이에서 반사되어, 완전한(full) 레이저 발진 작동을 유도하는 광학 공명을 생성한다. 생성된 레이저 빛은 꼭대기 전극 층(8)에 있는 통로(10)를 통해 방출된다.

도 2를 참고로 하면, 본 발명은 VCSEL에서 DBR의 높은 굴절율 층들의 굴절율이 증가함에 따라 이러한 층들에 의해 흡수된 레이저 빛의 상대적인 양에 관한 출원인들의 관찰로부터 일부 비롯된 것이다. 구체적으로, 이 그래프의 섹션 A에서와 같이, 높은 굴절율 층들의 띠 간격이 VCSEL의 레이저 발진 파장의 광자 에너지에 접근하기 시작하도록 DBR의 높은 굴절율 층들의 굴절율이 증가되면, 높은 굴절율 층들에 의한 레이저 빛의 흡수는 또한 날카롭게 증가하기 시작한다. 그래프의 섹션 A에서, 흡수량이 너무 커서 결과적인 DBR의 반사율은 높은 굴절율이 증가됨에 따라 사실상 더 나빠졌다. 반대로, 상기 높은 굴절율 층들의 띠 간격이 단지 그래프의 섹션 B에 나타낸 범위에만 놓이면, 레이저 빛 흡수량의 증가가 DBR의 반사율 증가보다 실질적으로 더 작기 때문에 DBR의 반사율은 합리적으로 높은 수준에 도달할 수 있다. 하지만, 주위 온도가 증가하면, 높은 굴절율 층들에 의한 레이저 빛의 흡수는 DBR의 반사율이 손상된 영역으로 증가할 것이다. 출원인들은 그러한 하락(degradation)이 온도에 따른 띠 간격의 축소(shrinkage)로 인한 그래프의 더 긴 파장면을 향한 흡수 곡선의 치환(displacement)의 결과로 발생하여, 이번에는 섹션 B에서 그래프의 일부분이 그래프의 낮은-반사율 섹션 A를 닮아가기 시작하도록 한다고 믿는다. 그래프의 부분 D는 높은 굴절율 층들의 굴절율이 매우 낮은 경우를 설명하는데, 따라서 DBR의 반사율이 너무 낮아서 효율적인 InP-계 VCSEL에 충분히 높은 반사율을 제공할 수 없다. 이것은 높은 굴절율 층의 굴절율이 바람직한 높은-반사율 DBR을 생성하기 위해서 충분히 상승되나, 이러한 층들의 얻어진 더 높은 흡수가 높은 반사율 장점을 방해하기 시작하지 않도록 하는, 그래프의 단지 비교적 작은 섹션 C를 남긴다. 본 출원에서 청구된 발명 전에, 특히 1.3 마이크로미터 범위에서 효과적인 작동에 요구되는 높은 수준의 반사율이 달성된, 에피택셜 성장한, InP-양립성 DBR을 가진 InP-계 VCSELs를 빠르고 쉽게 제조하도록 반도체 제조자들에게 알려진 방법은 없었다.

본 발명의 방법에 따르면, VCSEL의 DBR의 높은 굴절율 층들(3a)의 적어도 반은 하기식과 동등하거나 더 큰 띠 간격 G(MeV로 표시)를 갖도록 제조된다.

상기 식으로부터, T_max가 85℃로 정해지면 굴절율 층들의 띠 간격은 적어도 99.5 meV에 의한 레이저 발진 파장에 대응하는 에너지보다 더 높아지는 것이 필요하다.

도 3에서, DBR의 높은 굴절율 층들은 1.33 마이크로미터의 레이저 발진 파장에 대응하는 에너지인 0.932eV에 매우 근접한, 0.992eV의 띠 간격을 가진다. 둘 사이의 차이는 단지 60 meV에 불과하다(도 2 참조, 섹션 A에 가까운 섹션 B 내). 20℃에서, DBR의 반사율은 대략 1.29-1.36 마이크로미터 스펙트럼을 통해 수용가능하게 높다. 하지만, 85℃에서, 피크 반사율은 20℃에서의 값으로부터 0.4% 떨어진다. 마지막으로, 100℃에서, DBR의 피크 반사율은 20℃에서의 값으로부터 0.6% 떨어진다.

도 4에서, DBR의 높은 굴절율 층들의 띠 간격은 0.016 eV(G-E_lasting = 84 MeV)로 상승된다. 또한, 20℃에서, 레이저 빛의 전체 스펙트럼을 통한 반사율 성능은 합리적으로 높다. 하지만, 85℃에서, 스펙스럼의 피크 반사율은 20℃에서의 값으로부터 0.2% 떨어진다. 마지막으로, 100℃에서, 반사율은 20℃에서의 값으로부터 0.3% 떨어진다. 상기 DBR이 도 3의 DBR보다 더 잘 수행함에도 불구하고, 그것은 여전히 도 2의 섹션 B에 있다.

도 5는 띠 간격이 Tmax=85℃인 식을 충족하기 때문에, 도 2에서 나타낸 그래프의 섹션 C에 대응하는 1.033eV(G-E_lasing = 100 meV)와 동일한 높은 굴절율 물질의 띠 간격을 가진 DBR의 반사율 스펙트라를 나타낸다. 도 5에서 나타낸 바와 같이, 20℃ 내지 85℃의 넓은 온도 범위에 걸친 반사율 성능에서는 하강이 사실상 없다. 하지만, 100℃의 스펙트럼은 20℃에서의 값으로부터 0.1% 하강을 나타낸다.

도 1에 나타낸 본 발명의 VCSEL 1의 실시예에서, 낮은 굴절율 층들(3b)은 InP로부터 형성되는 반면에, 높은 굴절율 층들은 AlGaInAs, GaInAsP, 또는 AlGaAsSb 등의 갈륨(Ga), 비소(As), 알루미늄(Al), 안티몬(Sb), 인듐(In) 및 인(P)의 합금으로부터 또한 형성될 수 있지만, 높은 굴절율 층들(3a)은 AlGaInAs로부터 형성된다. DBR을 위한 교차하는 높은 굴절율 층들 및 낮은 굴절율 층들(3a, 3b)을 형성하기 위해 InP 기판(2) 위에서 에피택셜 성장될 수 있는 반도체 물질의 다른 조합은 AlGaInAs/AlInAs, GaInAsP/AlInAs 및 AlGaAsSb/AlGaAsSb를 포함한다. 상기 교차하는 높은 굴절율 층들 및 낮은 굴절율 층들(3a, 3b)의 에피택셜 증착은, 예를 들어, MBE(분자 광선 에피택시) 또는 MOCVD(금속 유기 화학 증착법)에 의해 수행될 수 있다. 본 출원에서, 용어 "InP-계VCSEL"은 InP 기판상에서 에피택셜 성장될 수 있는 어떠한 다른 층들로부터 형성된 DBR을 갖는 InP 기판상에서 성장된 모든 VCSELs를 포함한다.

높은 굴절율 층(3a)의 띠 간격을 변화시키는 것은 높은 굴절율 합금을 구성하는 여러가지 원소들의 몰 분율을 조정함으로써 수행된다. Al_xGa_yIn_(1-x-y)As의 경우에, 띠 간격은 Al 및 Ga 몰 분율을 변형시킴으로써 조정되고, In의 몰 분율은 상기 층들의 격자 상수를 InP 기판의 것과 동일하게 유지하기 위해 약간 조정되는데, 이 는 DBR 등의 두꺼운 구조의 완벽한 또는 완벽에 가까운 성장에 중요하다. 실시예로서, 도 3,4 및 5에서 높은 굴절율 층들의 Al, Ga 및 In 몰 분율은 각각 0.156, 0.315, 0.529; 0.172, 0.299, 0.529 및 0.183, 0.288, 0.529이다. 높은 굴절율 층들이 Ga_xIn_(1-x)As_yP_(1-y)일 때, 상기 층들의 격자 상수를 InP 기판의 것과 동일하게 유지하는 동시에, As 및 P뿐 아니라 Ga 및 In의 몰 분율은 띠 간격을 조정하기 위해서 변화되는 것이 필요하다. 바람직한 방법에서, DBR의 높은 굴절율 층들 및 낮은 굴절율 층들은 InP 기판의 꼭대기에서 에피택셜 성장에 의해 제조된다.

바람직한 구체예에서, DBR의 높은 굴절율 층들(3a)의 각각은 상기 식에 따른 띠 간격을 갖도록 제조된다. 하지만, VCSEL의 활성 층(4)에 가장 가까운 DBR의 높은 굴절율 층들(3a)이 앞서-정의된 띠 간격을 갖는다면, 유사한 이로운 결과들이 얻어질 수 있다.

도 6 및 7은 1.33 마이크로미터(광자 에너지 = 0.932eV)에서 방출되고, 본 발명에 따라 제조된 것에 비해 제조되지 않은 DBRs를 갖는 VCSELs의 전력 성능을 비교한다. 도 6에서, VCSEL DBR의 높은 굴절율 층들의 띠 간격은 도 2에서 나타낸 그래프의 섹션 B 부분에 대충 놓인, 1.008 eV로 조정되고, 이는 도 4에서 나타낸 것들에 매우 가까운 반사율 특성을 준다. 6개의 그래프 곡선은 20℃ 내지 66℃ 사이의 다른 온도에 있어서 전류 투입에 대한 전력 출력을 나타낸다. 도 7은 DBR의 높은 굴절율 층들이 상기 식을 만족시키는 1.033 eV의 띠 간격을 갖는 VCSEL에 있어서, 20℃ 내지 125℃ 사이의 전류 투입에 대한 전력 출력을 나타내는데, 각각의 선이 다른 온도를 나타낸다. 상기 두 그래프의 비교에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따라 구성된 DBRs을 갖는 VCSELs는 최대 125℃까지 효과적인 레이저 발진 작동을 할 수 있다. 따라서, 본 발명은 넓은 온도 범위에 걸쳐 효과적으로 전력을 출력할 수 있는 InP-계 VCSELs를 제공한다.

본 발명이 바람직한 구체화와 관련하여 기술되었지만, 본 발명은 어떠한 VCSEL 구성에도 적용가능하다. 여러 가지 다른 부가 및 변경은 당업계의 당업자들에게 자명한 일이다. 모든 그러한 부가, 변경 및 변형은 첨부된 청구항 및 이의 동등한 것에 의해 단지 한정되는 본 특허의 영역 내에 포함되는 것이다.

Claims (10)

1. 작동 파장을 선택하는 단계;

   선택된 작동 파장에 대응하는 광자 에너지(photon energy) E_lasing을 측정하는 단계; 및

   최대 작동 온도 T_max를 선택하고, 높은 굴절율(index) 층의 적어도 절반이 하기 식의 값과 같거나 더 큰 띠 간격 G (meV로 표시)를 갖도록 제작하는 단계:

   

   를 포함하는 것을 특징으로 하는 교차하는 높은 굴절율 층들과 낮은 굴절율 층들로부터 형성된 고 반사율 DBR(분포 브래그 반사체)을 갖는 InP-계 VCSEL(수직공진 표면발광레이저)를 제조하는 방법으로서, 상기 높은 굴절율 층 각각이 낮은 굴절율 층 보다 높은 굴절율을 갖는 것인 InP-계 VCSEL를 제조하는 방법.
2. 제1항에 있어서, 레이저의 활성 영역에 가까운 높은 굴절율 층들의 적어도 절반이 G와 같거나 더 큰 띠 간격을 갖는 것을 특징으로 하는 InP-계 VCSEL를 제조하는 방법.
3. 제1항에 있어서, 상기 제작 단계는 상기 띠 간격을 얻기 위해 상기 높은 굴절율 층들을 형성하는 원소들의 비율을 조정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 InP-계 VCSEL를 제조하는 방법.
4. 제3항에 있어서, 상기 높은 굴절율 층들은 Ga과 As, 및 Al, In, P 및 Sb로 이루어지는 군 중 적어도 두 개의 합금으로 형성되는 것을 특징으로 하는 InP-계 VCSEL를 제조하는 방법.
5. 제1항에 있어서, 상기 낮은 굴절율 층들은 In, P, Al, As, Ga 및 Sb로 이루어지는 군 중 적어도 두 개를 포함하는 것을 특징으로 하는 InP-계 VCSEL를 제조하는 방법.
6. InP 기판;

   교차하는 높은 굴절율 층들 및 낮은 굴절율 층들을 포함하는, 상기 기판에 의해 지지되는 DBR(분포 브래그 반사체), 여기서 상기 높은 굴절율 층 각각이 낮은 굴절율 층들 보다 높은 굴절율을 가짐; 및

   상기 DBR 상에 배치된 활성 레이저 발진 섹션(active lasing section)을 포함하며, 상기 높은 굴절율 층들의 적어도 절반이 하기 식의 값과 같거나 더 큰 띠 간격 G(meV)를 가지는 것을 특징으로 하는 1.1 내지 1.5 마이크로미터의 파장을 갖는 빛을 방출하기 위한 장파장, InP-계 VCSEL:

   

   여기서, T_max는 섭씨 온도로 레이저의 최대 작동 온도이고, E_lasing은 1.1 내지 1.5 마이크로미터 사이에서 선택된 파장의 광자 에너지임.
7. 제6항에 있어서, 상기 높은 굴절율 층들 전체가 상기 띠 간격 G를 갖는 것을 특징으로 하는, 1.1 내지 1.5 마이크로미터의 파장을 갖는 빛을 방출하기 위한 장파장, InP-계 VCSEL.
8. 제6항에 있어서, 상기 높은 굴절율 층들은 Ga과 As, 및 Al, In, P 및 Sb로 이루어지는 군 중 적어도 두 개의 합금으로 형성되는 것을 특징으로 하는, 1.1 내지 1.5 마이크로미터의 파장을 갖는 빛을 방출하기 위한 장파장, InP-계 VCSEL.
9. 제6항에 있어서, 상기 낮은 굴절율 층들은 In, P, Al, Ga, As 및 Sb로 이루어지는 군 중 적어도 두 개를 포함하는 것을 특징으로 하는, 1.1 내지 1.5 마이크로미터의 파장을 갖는 빛을 방출하기 위한 장파장, InP-계 VCSEL.
10. 제6항에 있어서, 상기 DBR은 상기 기판상에서 에피택셜(epitaxially) 성장된 것을 특징으로 하는, 1.1 내지 1.5 마이크로미터의 파장을 갖는 빛을 방출하기 위한 장파장, InP-계 VCSEL.

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