KR20200025005A - 표면발광 레이저소자 및 이를 포함하는 발광장치 - Google Patents

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Abstract

실시예는 표면발광 레이저소자 및 이를 포함하는 발광장치에 관한 것이다.
실시예에 따른 표면발광 레이저소자는 제1 애퍼처(aperture)와 제1 절연영역을 포함하는 제1 에미터와, 제2 애퍼처와 제2 절연영역을 포함하며 상기 제1 에미터에 인접하게 배치되는 제2 에미터와, 제3 애퍼처와 제3 절연영역을 포함하며 상기 제1 에미터 및 상기 제2 에미터에 인접하게 배치되는 제3 에미터 및 상기 제1 에미터 내지 제3 에미터 사이에 배치되는 제1 트렌치 영역을 포함할 수 있다.
상기 제1 트렌치 영역은, 상기 제1 에미터의 제1 애퍼처 중심, 상기 제2 에미터의 제2 애퍼처 중심 및 상기 제3 에미터의 제3 애퍼처 중심을 잇는 가상의 삼각형 내부에 배치될 수 있다.

Description

표면발광 레이저소자 및 이를 포함하는 발광장치{A SURFACE-EMITTING LASER DEVICE AND LIGHT EMITTING DEVICE INCLUDING THE SAME}
실시예는 반도체 소자에 관한 것으로, 보다 상세하게는 표면발광 레이저소자 및 이를 포함하는 발광장치에 관한 것이다.
GaN, AlGaN 등의 화합물을 포함하는 반도체 소자는 넓고 조정이 용이한 밴드 갭 에너지를 가지는 등의 많은 장점을 가져서 발광 소자, 수광 소자 및 각종 다이오드 등으로 다양하게 사용될 수 있다.
특히, 반도체의 3-5족 또는 2-6족 화합물 반도체 물질을 이용한 발광 다이오드(Light Emitting Diode)나 레이저 다이오드(Laser Diode)와 같은 발광소자는 박막 성장 기술 및 소자 재료의 개발로 적색, 녹색, 청색 및 자외선 등 다양한 색을 구현할 수 있으며, 형광 물질을 이용하거나 색을 조합함으로써 효율이 좋은 백색 광선도 구현이 가능하며, 형광등, 백열등 등 기존의 광원에 비해 저 소비전력, 반영구적인 수명, 빠른 응답속도, 안전성, 환경 친화성의 장점을 가진다.
뿐만 아니라, 광검출기나 태양 전지와 같은 수광 소자도 반도체의 3-5족 또는 2-6족 화합물 반도체 물질을 이용하여 제작하는 경우 소자 재료의 개발로 다양한 파장 영역의 빛을 흡수하여 광 전류를 생성함으로써 감마선부터 라디오 파장 영역까지 다양한 파장 영역의 빛을 이용할 수 있다. 또한 빠른 응답속도, 안전성, 환경 친화성 및 소자 재료의 용이한 조절의 장점을 가져 전력 제어 또는 초고주파 회로나 통신용 모듈에도 용이하게 이용할 수 있다.
따라서, 광 통신 수단의 송신 모듈, LCD(Liquid Crystal Display) 표시 장치의 백라이트를 구성하는 냉음극관(CCFL: Cold Cathode Fluorescence Lamp)을 대체하는 발광 다이오드 백라이트, 형광등이나 백열 전구를 대체할 수 있는 백색 발광 다이오드 조명 장치, 자동차 헤드 라이트 및 신호등 및 Gas나 화재를 감지하는 센서 등에까지 응용이 확대되고 있다.
또한, 고주파 응용 회로나 기타 전력 제어 장치, 통신용 모듈에까지 응용이 확대될 수 있다. 예를 들어, 종래 반도체 광원소자 기술 중에, 수직공진형 표면발광 레이저(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser: VCSEL)가 있는데, 이는 광 통신, 광병렬 처리, 광연결 등에 사용되고 있다. 한편, 이러한 통신용 모듈에서 사용되는 레이저 다이오드의 경우, 저전류에서 작동하기 하도록 설계되어 있다.
한편 기존의 데이터(Data) 광통신용 구조에서는 응답속도가 중요하였으나, 최근 센서용 고전압 패키지(High Power PKG)에 적용되면서 광출력과 전압 효율이 중요한 특성이 된다.
예를 들어, 3D 센싱 카메라는 객체의 심도 정보(Depth Information)를 포착할 수 있는 카메라로서, 최근 증강현실과 맞물려 각광을 받고 있다. 한편, 카메라 모듈의 심도 센싱을 위해서는 별도 센서를 탑재하며, 구조광(Structured Light: SL) 방식과 ToF(Time of Flight) 방식 등 두 가지로 구분된다.
구조광(SL) 방식은 특정 패턴의 레이저를 피사체에 방사한 후 피사체 표면의 모양에 따라 패턴이 변형된 정도를 분석해 심도를 계산한 후 이미지센서가 찍은 사진과 합성해 3D 촬영 결과를 얻게 된다.
이에 비해 ToF 방식는 레이저가 피사체에 반사되어 돌아오는 시간을 측정해 심도를 계산한 후, 이미지센서가 찍은 사진과 합성해 3D 촬영 결과를 얻게 되는 방식이다.
이에 따라 SL 방식은 레이저가 매우 정확하게 위치해야 하는 반면에, ToF 기술은 향상된 이미지센서에 의존한다는 점에서 대량 생산에 유리한 장점이 있으며, 하나의 휴대폰에 어느 하나의 방식 또는 두 가지 방식 모두를 채용할 수도 있다.
예를 들어, 휴대폰의 전면에 트루뎁스(RTue Depth)라는 3D 카메라를 SL 방식으로 구현할 수 있고, 후면에는 ToF 방식으로 적용할 수도 있다.
한편, VCSEL이 구조광(Structured Light) 센서, ToF(Time of Flight)센서, 또는 LDAF(Laser Diode Autofocus) 등에 적용하게 되면, 고 전류에서 작동하게 되므로 광도출력이 감소하거나 문턱 전류가 증가하는 등의 문제점이 발생한다.
앞서 기술한 바와 같이, VCSEL 패키지 기술 중에 ToF 방식은 광원인 VCSEL 칩과 디퓨져(diffuser)를 통한 플래시 형태(Flash type)의 펄스 프로젝션(Pulse Projection)으로 반사 펄스(reflected pulse) 빔의 시간차를 계산하여 심도(Depth)를 추출한다.
예를 들어, 도 1은 VCSEL 칩에서의 빔 발산(beam divergence)과 디퓨져 빔 각(Diffuser beam angle)의 조합으로 FOI(Field of Interest)와 FOV(Field Of View)를 결정하는 방식에 대한 예시도이다. 이에 따라 FOI와 FOV 결정하기 위해서는 VCSEL 칩에서의 빔 발산(beam divergence)의 제어가 중요하다.
다음으로, 도 2a는 종래기술에서 애퍼처 크기(aperture size)에 따른 모드(mode) 변화 데이터이다.
종래기술에서는 고출력 VCSEL 패키지의 요구에 따라 애퍼처 사이즈가 증가되고 있는 추세이다.
VCSEL 기술에서 단일 기본 모드(Single fundamental mode) 안정화를 위해서는 작은 사이즈 애퍼처(small size aperture), 예를 들어 직경(rA)이 3 ㎛ 이하의 애퍼처가 바람직하나, 고출력 VCSEL 패키지에서는 큰 사이즈 애퍼처(large size aperture)가 필요한 실정이다.
한편, 도 2a와 같이 애퍼처 사이즈, 예를 들어 애퍼처의 직경(rA)이 증가하는 경우 모드 호핑(Mode hopping)으로 인한 발광모드 변화 또는 발산각이 변화되는 문제가 발생된다.
구체적으로, 도 2a를 참조하면 애퍼처의 직경(rA)이 증가하는 경우 발산 모드(mode)가 변화하게 되므로 고차모드로 변화(higher mode shift) 현상이 발생하게 된다.
예를 들어, 종래기술에서 애퍼처 사이즈가 증가함에 따라 LP01(rA=2㎛), LP21(rA=4㎛), LP41(rA=6㎛)로 고차 모드로 변화(higher mode shift) 현상이 발생하게 된다.
그런데, 이러한 고차 모드로 변화 현상은 빔 패턴(beam pattern)이 분열 또는 출사 빔의 발산각(divergence angle of beams)의 증가의 문제를 유발 한다.
예를 들어, 도 2b는 종래 VCSEL의 원 거리장(Far field)에서 빔 프로파일(Beam profile) 데이터이며, 인가 전류의 증가에 따라 출사 빔의 빔 패턴(beam pattern)이 분열되고 있다. 예를 들어, 도 2b는 문턱전류(Ith)가 1.2mA인 조건에서, 원형 형태의 애퍼처의 직경(rA)이 4.5㎛인 애퍼처를 구비한 VICEL에서 인가전류가 1.2 mA(b1)에서 3.0mA(b2) 및 5.0mA(b3)로 각각 증가함에 따라 발진모드가 고차모드로의 변화하여 출사 빔의 빔 패턴(beam pattern)이 분열되는 문제가 발생됨을 알 수 있다.
한편, 도 2c는 종래 VCSEL의 원 거리장(Far field)에서 빔 프로파일(Beam profile) 데이터로서, 애퍼처의 직경(rA)이 6.0 ㎛인 경우 레이징(lasing) 직후 바로 고차모드로 발진되고, 전류 증가에 따라 멀티 모드(multi-mode) 발진이 더욱 심화되었다.
한편, 이건 출원에서 표면발광 레이저소자의 빔 프로파일(Far field Beam profile)의 측정은 Beam profiler 측정기인 8050M-GE-TE(Thorlabs, Inc.)를 사용하였다(8050M-GE-TE 사양정보: 8 Megapixel Monochrome Scientific CCD Camera, Hermetically Sealed Cooled Package, GigE Interface). 다만, 빔 프로파일(Far field Beam profile)의 측정장비가 이에 한정되는 것은 아니다.
다음으로, 도 3은 종래 VCSEL에서 인가전류 증가에 따른 근거리장 이미지(Near field image) 데이터이며, 각 인가전류에 따른 발산각(divergence angle of beams)의 데이터도 함께 나타내었다. 도 3을 참조하면, 인가전류가 3mA(d1)에서 5mA(d2), 7.5mA(d3) 및 12mA(d4)로 증가함에 따라 발산각(divergence angle of beams)이 각각 21.0˚, 25.0˚및 31.0˚로 급격히 증가하였다.
즉, 종래기술에 의하면 고전류 인가됨에 따라 애퍼처 에지(aperture edge)에서의 전류밀집(current crowding) 발생 시 레이저 출사영역인 애퍼처의 손상(damage)이 발생할 수 있으며, 저 전류에서 주 모드(dominant mode)가 발진되다가 고전류가 인가됨에 따라 고차 모드(higher mode) 발진으로 인해 출사 빔의 발산각(divergence angle of beams)이 증가되는 광학적 문제가 발생되고 있다.
특히 종래기술에 의하면 발산 모드 호핑(Divergence Mode hopping)으로 인한 파장, 발산각 변화하는 문제가 있으며, 발산모드의 안정화를 위해서는 애퍼처(aperture)의 직경이 약 5.0 ㎛ 미만이 바람직하나, 고출력을 위해서는 큰 사이즈의 애퍼처(aperture)가 요구되나 5.0 ㎛ 이상의 큰 사이즈의 애퍼처에서는 발진 모드의 불 안정으로 발산각(divergence angle of beams)이 증가하는 기술적 모순이 발생하고 있다.
다음으로 도 4a는 종래기술의 VCSEL 에미터의 평면도이고, 도 4b는 도 4a의 T1-T1'선을 따른 단면 사진이고, 도 4c는 도 4a의 T2-T2'선을 따른 단면 사진이다.
구체적으로 도 4a를 참조하면, 종래기술의 VCSEL은 복수의 에미터, 예를 들어 제1 에미터(RE1), 제2 에미터(RE2), 제3 에미터(RE3) 등을 포함할 수 있으며, 각 에미터 내에는 애퍼처(RA)와 절연영역(RI)을 구비한다. 이러한 애퍼처(RA)와 절연영역(RI)을 형성하기 위해 메사공정이 진행되는데 이는 소정의 트렌치 공정을 통해 진행될 수 있다.
예를 들어, 제1 에미터(RE1)와 제2 에미터(RE2) 사이에 제1 트렌치(RT1)가 배치될 수 있고, 제1 에미터(RE1)와 제3 에미터(RE3) 사이에 제2 트렌치(RT2)가 배치될 수 있다.
도 4b는 도 4a의 T1-T1'선을 따른 단면 사진이며, 종래기술에서 트렌치 적용 시 발진영역이 증가하기 위해서는 에미터(Emitter)간의 간격을 좁혀야 하는데 이를 위해서는 트렌치(Trench) 에칭 각도(EA1)가 거의 직각이 되도록 해야 함에 따라 종래기술에서는 트렌치의 에칭 각도(EA1)가 약 80ºº 수준에 이른다.
그런데, 도 4b와 같이 에칭 각도(EA1)이 급함에 따라 이후 형성되는 유전물질(dielectric material)을 통한 패시베이션(passivation) 공정에서 제1 보이드(void)(V1) 발생으로 크랙의 문제가 발생하고 있다.
또한 도 4c를 참조하면, 트렌치 위치의 패시베이션 상에 전극물질이 채워져 배치되는데, 패시베이션에 생성된 제1 보이드(V1)가 전극물질에도 전파 내지 전달되어 제2 보이드(V2)를 발생시킴에 따라 습기 침투 및 저전류 발생으로 신뢰성 저하가 발생되는 문제가 있다.
한편, 종래기술에서 에미터 간의 에칭 각도를 낮추기 위해서는 에미터 간의 간격을 넓게 확보해야 하는데 이 경우에는 에미터 간의 간격을 좁게 할 수 없어 컴팩트 한 빅셀소자를 구현할 수 없는 기술적 모순이 발생되고 있다.
이에 따라 종래기술에서는 도 4b와 같이 패시베이션층을 여러층으로 형성하여 제1 보이드(V1)가 전파되는 것을 방지하려는 시도 수준에 머물고 있다.
실시예는 신뢰성이 우수한 표면발광 레이저소자 및 이를 포함하는 발광장치를 제공하고자 한다.
또한 실시예는 고전류 인가 또는 애퍼처 사이즈의 증대에도 불구하고 고차 모드 이동(higher mode shift)에 따른 출사 빔의 발산각(divergence angle of beams)의 증가 또는 빔 패턴(beam pattern)이 분열되는 문제를 방지할 수 있는 표면발광 레이저소자 및 이를 포함하는 발광장치를 제공하고자 한다.
실시예에 따른 표면발광 레이저소자는 제1 애퍼처(aperture)(241)와 제1 절연영역(242)을 포함하는 제1 에미터(E1)와, 제2 애퍼처(241b)와 제2 절연영역(242b)을 포함하며 상기 제1 에미터(E1)에 인접하게 배치되는 제2 에미터(E2)와, 제3 애퍼처(241c)와 제3 절연영역(242c)을 포함하며 상기 제1 에미터(E1) 및 상기 제2 에미터(E2)에 인접하게 배치되는 제3 에미터(E3) 및 상기 제1 에미터(E1) 내지 제3 에미터(E3) 사이에 배치되는 제1 트렌치 영역(ET1)을 포함할 수 있다.
상기 제1 트렌치 영역(ET1)은, 상기 제1 에미터(E1)의 제1 애퍼처(241) 중심, 상기 제2 에미터(E2)의 제2 애퍼처(241b) 중심 및 상기 제3 에미터(E3)의 제3 애퍼처(241c) 중심을 잇는 가상의 삼각형(IT) 내부에 배치될 수 있다.
실시예에서 상기 트렌치 영역에 의해 형성되는 상기 제1 에미터(E1)의 측벽의 경사각은 75˚이하일 수 있다.
상기 애퍼처 영역(240)에서 상기 절연영역(242)의 외곽은 원형이며, 상기 애퍼처(241)의 외곽은 다각형 형태일 수 있다.
실시예에서 상기 제1 에미터(E1)와 상기 제2 에미터(E2) 사이는 제1 이격거리(D1)로 이격되어 있으며, 상기 제1 트렌치 영역(ET1)의 제1 폭(W1)은 상기 제1 이격거리(D1)보다 클 수 있다.
상기 제1 트렌치 영역(ET1)은, 제1 라운드 영역(ER1)과 상기 제1 라운드 영역(ER1)의 양측에 배치된 제1 직선 영역(EL1) 및 제2 직선 영역(EL2)을 포함할 수 있다.
상기 제1 직선 영역(EL1)은 상기 제1 이격거리(D1)보다 클 수 있다.
상기 제1 트렌치 영역(ET1)은, 상기 제1 직선 영역(EL1)에서 연장되는 제2 라운드 영역(ER2)과 상기 제2 직선 영역(EL2)에서 연장되는 제3 라운드 영역(ER3) 및, 상기 제2 라운드 영역(ER2)과 상기 제3 라운드 영역(ER3) 사이에 배치되는 제3 직선 영역(EL3)을 포함할 수 있다.
실시예에서 상기 제1 라운드 영역(ER1)이 상기 제1 트렌치 영역(ET1)의 중심방향으로 아래로 볼록한 형태를 구비할 수 있다.
상기 제1 라운드 영역(ER1)을 호로 하는 부채꼴을 중심각(Θ)은 25~45˚일 수 있다.
실시예의 발광장치는 상기 표면발광 레이저소자를 포함할 수 있다.
실시예는 신뢰성이 우수한 표면발광 레이저소자 및 이를 포함하는 발광장치를 제공할 수 있다.
예를 들어, 실시예에 의하면, 제1 트렌치 영역(ET1)이 제1 애퍼처(241) 중심, 제2 애퍼처(241b) 중심 및 제3 애퍼처(241c) 중심을 잇는 가상의 삼각형(IT) 내부에 배치됨에 따라 트렌치 영역 확보할 수 있는 영역을 넓힘으로써 상기 트렌치 영역에 의해 형성되는 상기 제1 에미터(E1)의 측벽의 경사각(EA2)을 완만하게 형성하여 이후 형성되는 패시베이션층 공정에서 보이드(void) 발생을 방지함으로써 신뢰성을 현저히 향상시킬 수 있다.
또한 예를 들어, 실시예에서 상기 제1 트렌치 영역(ET1)의 제1 직선 영역(EL1)의 제1 거리(L1)는 제1 에미터(E1)와 제2 에미터(E2) 사이의 이격거리인 제1 이격거리(D1)보다 크게 제어되어 제1 트렌치 영역(ET1)이 확보할 수 있는 영역을 넓힘으로써 상기 트렌치 영역에 의해 형성되는 상기 제1 에미터(E1)의 측벽의 경사각(EA2)을 완만하게 형성하여 이후 형성되는 패시베이션층 공정에서 보이드(void) 발생을 방지함으로써 신뢰성을 현저히 향상시킬 수 있다.
또한 실시예는 고전류 인가시 또는 애퍼처 사이즈의 증대에도 불구하고 고차 모드 이동(higher mode shift)에 따른 출사 빔의 발산각(divergence angle of beams)의 증가 또는 빔 패턴(beam pattern)이 분열되는 문제를 방지할 수 있는 표면발광 레이저소자 및 이를 포함하는 발광장치를 제공할 수 있다.
예를 들어, 실시예에 의하면 결정품질이 우수한 애퍼처(241)의 다각형의 모서리에서 광학적 구속(optical confinement)이 됨으로써 가용모드를 제어하여 고차모드 쉬프트(higher mode shift)가 지연 되고 이를 통해 모드(mode)가 유지되는 특별한 기술적 효과가 있다.
예를 들어, 실시예에 따른 표면발광 레이저소자에서는 원형의 메사 상태에서 보이드 없는 품질이 우수산 트렌치 영역의 형상을 제어하여 다각형의 외곽형상을 구비한 애퍼처를 형성함으로써 고전류 인가시 또는 애퍼처 사이즈의 증대에도 불구하고 고차 모드 이동(higher mode shift)에 따른 출사 빔의 발산각(divergence angle of beams)의 증가 또는 빔 패턴(beam pattern)이 분열되는 문제를 방지할 수 있는 기술적 효과가 있다.
도 1은 VCSEL 칩에서의 빔 발산(beam divergence)과 디퓨져 빔 각(Diffuser beam angle)의 조합으로 FOI(Field of Interest)와 FOV(Field Of View)를 결정하는 방식에 대한 예시도.
도 2a는 종래기술에서 애퍼처 크기(aperture size)에 따른 모드(mode) 변화 데이터.
도 2b는 종래 VCSEL의 인가 전류의 증가에 따라 원 거리장(Far field)에서 빔 프로파일(Beam profile) 데이터.
도 2c는 종래 VCSEL의 애퍼처의 지름(rA)이 약 6.0 ㎛인 경우 원 거리장(Far field)에서 빔 프로파일(Beam profile) 데이터.
도 3은 종래 VCSEL에서 인가전류 증가에 따른 근거리장 이미지(Near field image) 데이터와 각 인가전류에 따른 발산각(divergence angle of beams)의 데이터.
도 4a는 종래기술의 VCSEL 에미터의 평면도.
도 4b는 도 4a의 T1-T1'선을 따른 단면 사진.
도 4c는 도 4a의 T2-T2'선을 따른 단면 사진.
도 5는 실시예에 따른 표면발광 레이저소자의 평면도.
도 6은 도 5에 도시된 실시예에 따른 표면발광 레이저소자의 제1 영역(C1) 확대도.
도 7a는 도 6에 도시된 실시예에 따른 표면발광 레이저소자의 A1-A1' 선을 따른 단면도.
도 7b는 도 7a에 도시된 실시예에 따른 표면발광 레이저소자의 제1 부분(B1) 단면도.
도 8a는 도 5에 도시된 실시예에 따른 표면발광 레이저소자의 제1 영역(C1) 다른 확대도.
도 8b는 도 8a에 도시된 실시예에 따른 표면발광 레이저소자의 제1 에미터의 A1-A1'선을 따른 단면 사진.
도 8c와 도 8d는 각각 비교예와 실시예에 따른 표면발광 레이저소자의 신뢰성 데이터.
도 9a는 도 8a에 도시된 실시예에 따른 표면발광 레이저소자의 애퍼처 영역의 IR 현미경 사진.
도 9b는 도 8a에 도시된 실시예에 따른 표면발광 레이저소자의 애퍼처 영역의 근거리장 이미지(Near field image) 데이터.
도 9c는 실시예에서 애퍼처 사이즈(Aperture size)별 전류밀도(Current density)에 따른 지향각 변화 데이터.
도 10a는 실시예에 따른 표면발광 레이저소자의 트렌치(ET1) 형상 확대도.
도 10b는 비교예에서의 트렌치 영역의 3차원 에칭 형상.
도 10c는 실시예에서 트렌치(ET1)의 3차원 에칭 형상.
도 10d는 실시예에 따른 표면발광 레이저소자의 제조 중의 평면 개념도.
도 11은 다른 실시예에 따른 표면발광 레이저소자의 단면도.
도 12는 실시예에 따른 표면발광 레이저소자가 적용된 이동 단말기의 사시도.
이하 상기의 과제를 해결하기 위한 구체적으로 실현할 수 있는 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다.
실시예의 설명에 있어서, 각 element의 " 상(위) 또는 하(아래)(on or under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, 상(위) 또는 하(아래)(on or under)는 두 개의 element가 서로 직접(directly)접촉되거나 하나 이상의 다른 element가 상기 두 element사이에 배치되어(indirectly) 형성되는 것을 모두 포함한다. 또한 "상(위) 또는 하(아래)(on or under)"으로 표현되는 경우 하나의 element를 기준으로 위쪽 방향뿐만 아니라 아래쪽 방향의 의미도 포함할 수 있다.
(제1 실시예)
도 5는 실시예에 따른 표면발광 레이저소자(201)의 평면도이며, 도 6은 도 5에 도시된 실시예에 따른 표면발광 레이저소자의 제1 영역(C1) 확대도이다.
도 5를 참조하면, 실시예에 따른 표면발광 레이저소자(201)는 발광부(E)와 패드부(P)를 포함할 수 있으며, 상기 발광부(E)에는 도 6과 같이 복수의 발광 에미터(E1, E2, E3)가 배치될 수 있다.
도 6을 참조하면, 실시예의 표면발광 레이저소자(201)는 상호 인접한 복수의 에미터를 포함할 수 있다.
예를 들어, 실시예의 표면발광 레이저소자(201)는 제1 애퍼처(aperture)(241)와 제1 절연영역(242)을 포함하는 제1 에미터(E1)와, 제2 애퍼처(241b)와 제2 절연영역(242b)을 포함하며 상기 제1 에미터(E1)에 인접하게 배치되는 제2 에미터(E2)와, 제3 애퍼처(241c)와 제3 절연영역(242c)을 포함하며 상기 제1 에미터(E1) 및 상기 제2 에미터(E2)에 인접하게 배치되는 제3 에미터(E3) 및 상기 제1 에미터(E1) 내지 제3 에미터(E3) 사이에 배치되는 제1 트렌치 영역(ET1)을 포함할 수 있다.
다음으로, 도 7a는 도 6에 도시된 실시예에 따른 표면발광 레이저소자의 A1-A1' 선을 따른 제1 단면도이다.
도 7a를 참조하면, 실시예에서 표면발광 레이저소자(201)는 제1 전극(215), 기판(210), 제1 반사층(220), 활성층(232), 애퍼처 영역(240), 제2 반사층(250), 제2 전극(280), 패시베이션층(270) 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
상기 애퍼처 영역(240)은 애퍼처(241)(aperture) 및 절연영역(242)을 포함할 수 있다. 상기 절영영역(242)은 산화층으로 칭해질 수 있으며, 상기 애퍼처 영역(240)은 산화영역으로 칭해질 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 제2 전극(280)은 컨택 전극(282)과 패드 전극(284)을 포함할 수 있다.
다음으로 도 7b는 도 7a에 도시된 실시예에 따른 표면발광 레이저소자의 제1 부분(B1)의 확대 단면도이다.
이하 도 7a와 도 7b를 중심으로 실시예에 따른 표면발광 레이저소자(201)의 기술적 특징을 설명하기로 하며, 이후 도면을 참조하여 기술적 효과도 함께 설명하기로 한다. 실시예의 도면에서 x축의 방향은 기판(210)의 길이방향에 평행한 방향일 수 있으며, y축은 x축에 수직한 방향일 수 있다.
<기판, 제1 전극>
도 7a를 참조하면, 실시예에서 기판(210)은 전도성 기판 또는 비전도성 기판일 수 있다. 전도성 기판을 사용할 경우 전기 전도도가 우수한 금속을 사용할 수 있고, 표면발광 레이저소자(201) 작동 시 발생하는 열을 충분히 발산시킬 수 있어야 하므로 열전도도가 높은 GaAs 기판, 또는 금속기판을 사용하거나 실리콘(Si) 기판 등을 사용할 수 있다.
비전도성 기판을 사용할 경우, AlN 기판이나 사파이어(Al2O3) 기판 또는 세라믹 계열의 기판을 사용할 수 있다.
실시예에서 기판(210)의 하부에 제1 전극(215)이 배치될 수 있으며, 상기 제1 전극(215)은 도전성 재료로 단층 또는 다층으로 배치될 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 전극(215)은 금속일 수 있고, 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 크롬(Cr), 니켈(Ni), 구리(Cu), 금(Au) 중 적어도 하나를 포함하여 단층 또는 다층 구조로 형성되어 전기적 특성을 향상시켜 광출력을 높일 수 있다.
<제1 반사층, 제2 반사층>
도 7b를 참조하면, 상기 제1 반사층(220)은 제1 도전형으로 도핑될 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 도전형 도펀트는 Si, Ge, Sn, Se, Te 등과 같은 n형 도펀트를 포함할 수 있다.
또한 상기 제1 반사층(220)은 갈륨계 화합물, 예를 들면 AlGaAs를 포함할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 제1 반사층(220)은 분산 브래그 반사기(DBR: Distributed Bragg Reflector)일 수 있다. 예를 들어, 제1 반사층(220)은 서로 다른 굴절 률을 가지는 물질로 이루어진 제1 층 및 제2 층이 교대로 적어도 1회 이상 적층된 구조일 수 있다.
예를 들어, 도 7b와 같이, 상기 제1 반사층(220)은 기판(210) 상에 배치된 제1 그룹 제1 반사층(221) 및 상기 제1 그룹 제1 반사층(221) 상에 배치된 제2 그룹 제1 반사층(222)을 포함할 수 있다.
제1 그룹 제1 반사층(221)과 제2 그룹 제1 반사층(222)은 AlxGa(1-x)As(0<x<1)의 조성식을 갖는 반도체 물질로 이루어진 복수의 층을 구비할 수 있으며, 각 층 내의 Al이 증가하면 각 층의 굴절률은 감소하고, Ga가 증가하면 각 층의 굴절률은 증가할 수 있다.
그리고, 각각의 층의 두께는 λ/4n일 수 있고, λ는 활성영역(230)에서 발생하는 광의 파장일 수 있고, n은 상술한 파장의 광에 대한 각 층의 굴절률일 수 있다. 여기서, λ는 650 내지 980나노미터(nm)일 수 있고, n은 각층의 굴절률일 수 있다. 이러한 구조의 제1 반사층(220)은 약 940 나노미터의 파장 영역의 광에 대하여 99.999%의 반사율을 가질 수 있다.
각 제1 반사층(220)에서의 층의 두께는 각각의 굴절률과 활성영역(230)에서 방출되는 광의 파장 λ에 따라 결정될 수 있다.
또한 도 7b와 같이, 제1 그룹 제1 반사층(221)과 제2 그룹 제1 반사층(222)도 각각 단일 또는 복수의 층으로 형성될 수 있다.
예를 들어, 제1 그룹 제1 반사층(221)은 제1 그룹 제1-1 층(221a)과 제1 그룹 제1-2 층(221b)의 약 30~40 페어(pair)를 포함할 수 있다. 상기 제1 그룹 제1-1 층(221a)은 상기 제1 그룹 제1-2 층(221b)보다 두껍게 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 그룹 제1-1 층(221a)은 약 40~60nm로 형성될 수 있고, 상기 제1 그룹 제1-2 층(221b)은 약 20~30nm로 형성될 수 있다.
또한, 제2 그룹 제1 반사층(222)도 제2 그룹 제1-1 층(222a)과 제2 그룹 제1-2 층(222b)의 약 5~15 페어(pair)를 포함할 수 있다. 상기 제2 그룹 제1-1 층(222a)은 상기 제2 그룹 제1-2 층(222b)보다 두껍게 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 그룹 제1-1 층(222a)은 약 40~60nm로 형성될 수 있고, 상기 제2 그룹 제1-2 층(222b)은 약 20~30nm로 형성될 수 있다.
또한 도 7b와 같이, 상기 제2 반사층(250)은 갈륨계 화합물 예를 들면 AlGaAs를 포함할 수 있으며, 제2 반사층(250)은 제2 도전형 도펀트가 도핑될 수 있다. 상기 제2 도전형 도펀트는 Mg, Zn, Ca, Sr, Ba 등과 같은 p형 도펀트일 수 있다. 한편, 제1 반사층(220)이 p형 도펀트로 도핑될 수도 있고, 제2 반사층(250)이 n형 도펀트로 도핑될 수도 있다.
상기 제2 반사층(250)도 분산 브래그 반사기(DBR: Distributed Bragg Reflector)일 수 있다. 예를 들어, 제2 반사층(250)은 서로 다른 굴절률을 가지는 물질로 이루어진 복수의 층이 교대로 적어도 1회 이상 적층된 구조일 수 있다.
제2 반사층(250)의 각 층은 AlGaAs를 포함할 수 있고, 상세하게는 AlxGa(1-x)As(0<x<1)의 조성식을 갖는 반도체 물질로 이루어질 수 있다. 여기서, Al이 증가하면 각 층의 굴절률은 감소하고, Ga가 증가하면 각 층의 굴절률은 증가할 수 있다. 그리고, 제2 반사층(250)의 각 층의 두께는 λ/4n이고, λ는 활성층에서 방출되는 광의 파장일 수 있고, n은 상술한 파장의 광에 대한 각 층의 굴절률일 수 있다.
이러한 구조의 제2 반사층(250)은 약 940 나노미터의 파장 영역의 광에 대하여 99.9%의 반사율을 가질 수 있다.
상기 제2 반사층(250)은 층들이 교대로 적층되어 이루어질 수 있으며, 제1 반사층(220) 내에서 층들의 페어(pair) 수는 제2 반사층(250) 내에서 층들의 페어 수보다 더 많을 수 있으며, 이때 상술한 바와 같이 제1 반사층(220)의 반사율은 99.999% 정도로서 제2 반사층(250)의 반사율인 99.9%보다 클 수 있다.
실시예에서 제2 반사층(250)은 상기 활성영역(230)에 인접하게 배치된 제1 그룹 제2 반사층(251) 및 상기 제1 그룹 제2 반사층(251)보다 상기 활성영역(230)에서 이격배치 된 제2 그룹 제2 반사층(252)을 포함할 수 있다.
도 7b와 같이, 제1 그룹 제2 반사층(251)과 제2 그룹 제2 반사층(252)도 각각 단일 또는 복수의 층으로 형성될 수 있다.
예를 들어, 제1 그룹 제2 반사층(251)은 제1 그룹 제2-1 층(251a)과 제1 그룹 제2-2 층(251b)의 약 1~5 페어(pair)를 포함할 수 있다. 상기 제1 그룹 제2-1 층(251a)은 상기 제1 그룹 제2-2 층(251b)보다 두껍게 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 그룹 제2-1 층(251a)은 약 40~60nm로 형성될 수 있고, 상기 제1 그룹 제2-2 층(251b)은 약 20~30nm로 형성될 수 있다.
또한, 제2 그룹 제2 반사층(252)도 제2 그룹 제2-1 층(252a)과 제2 그룹 제2-2 층(252b)의 약 5~15 페어(pair)를 포함할 수 있다. 상기 제2 그룹 제2-1 층(252a)은 상기 제2 그룹 제2-2 층(252b)보다 두껍게 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 그룹 제2-1 층(252a)은 약 40~60nm로 형성될 수 있고, 상기 제2 그룹 제2-2 층(252b)은 약 20~30nm로 형성될 수 있다.
<활성층>
계속하여 도 7b를 참조하면, 활성층(232)이 제1 반사층(220)과 제2 반사층(250) 사이에 배치될 수 있다.
상기 활성층(232)은 단일 우물구조, 다중 우물구조, 단일 양자우물 구조, 다중 양자우물(MQW: Multi Quantum Well) 구조, 양자점 구조 또는 양자선 구조 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 활성층(232)은 ⅢⅤ족 원소의 화합물 반도체 재료를 이용하여 우물층(232a)과 장벽층(232b)을 포함할 수 있다. 상기 우물층(232a)은 상기 장벽층(232b)의 에너지 밴드 갭보다 작은 에너지 밴드 갭을 갖는 물질로 형성될 수 있다. 상기 활성층(232)은 InGaAs/AlxGaAs, AlGaInP/GaInP, AlGaAs/AlGaAs, AlGaAs/GaAs, GaAs/InGaAs 등의 1 내지 3 페어 구조로 형성될 수 있으나 이에 한정되지는 않는다. 상기 활성층(232)에는 도펀트가 도핑되지 않을 수 있다.
<캐비티>
실시예는 상기 제1 반사층(220)과 상기 제2 반사층(250) 사이에 소정의 캐비티(231, 233)가 배치될 수 있다.
실시예에서 캐비티는 상기 활성층(232) 상하게 각각 접하여 배치될 수 있으며, 상기 활성층(232)과 제1 반사층(220) 사이에 배치되는 제1 캐비티(231)와 상기 활성층(232)과 상기 제2 반사층(250) 사이에 배치되는 제2 캐비티(233)를 포함할 수 있다.
상기 제1 캐비티(231)와 상기 제2 캐비티(233)는 AlyGa(1-y)As(0<y<1) 물질로 형성될 수 있으나 이에 한정되지 않는다. 예를 들어, 상기 제1 캐비티(231)와 상기 제2 캐비티(233)는 각각 AlyGa(1-y)As으로된 복수의 층을 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 제1 캐비티(231)는 제1-1 캐비티층(231a)과 제1-2 캐비티층(231b)을 포함할 수 있다. 상기 제1-1 캐비티층(231a)은 상기 제1-2 캐비티층(231b)에 비해 상기 활성층(232)에서 더 이격될 수 있다. 상기 제1-1 캐비티층(231a)은 상기 제1-2 캐비티층(231b)에 비해 더 두껍게 형성될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
또한 상기 제2 캐비티(233)는 제2-1 캐비티층(233a)과 제2-2 캐비티층(233b)을 포함할 수 있다. 상기 제2-2 캐비티층(233b)은 상기 제2-1 캐비티층(233a)에 비해 상기 활성층(232)에서 더 이격될 수 있다. 상기 제2-2 캐비티층(233b)은 상기 제2-1 캐비티층(233a)에 비해 더 두껍게 형성될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 이때, 상기 제2-2 캐비티층(233b)이 약 60~70nm로 형성되고, 상기 제1-1 캐비티층(231a)은 약 40~55nm로 형성될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
<애퍼처 영역>
다시 도 7a를 참조하면, 실시예에서 애퍼처 영역(240)은 절연영역(242)과 애퍼처(241)를 포함할 수 있다. 상기 애퍼처(241)는 개구로 칭해질 수 있으며, 상기 애퍼처 영역(240)은 개구 영역으로 칭해질 수도 있다.
상기 절연영역(242)은 절연층, 예를 들어 알루미늄 산화물로 이루어져서 전류 차단영역으로 작용할 수 있으며, 절연영역(242)에 의해 광 발산 영역인 애퍼처(241)가 정의될 수 있다.
예를 들어, 상기 애퍼처 영역(240)이 AlGaAs(aluminum gallium arsenide)를 포함하는 경우, 애퍼처 영역(240)의 AlGaAs가 H2O와 반응하여 가장자리가 알루미늄산화물(Al2O3)로 변함에 따라 절연영역(242)이 형성될 수 있고, H2O와 반응하지 않은 중앙영역은 AlGaAs로 이루어진 애퍼처(241)가 될 수 있다.
실시예에 의하면, 애퍼처(241)를 통해 활성영역(230)에서 발광된 광을 상부 영역으로 발산할 수 있으며, 절연영역(242)과 비교하여 애퍼처(241)의 광 투과율이 우수할 수 있다.
도 7b를 참조하면 상기 절연영역(242)은 복수의 층을 포함할 수 있으며, 예를 들어, 상기 절연영역(242)은 제1 절연층(242a) 및 제2 절연층(242b)을 포함할 수 있다. 상기 제1 절연층(242a)의 두께는 상기 제2 절연층(242b)과 서로 같거나 서로 다른 두께로 형성될 수 있다.
<제2 전극, 오믹컨택층, 패시베이션층>
다시 도 7a를 참조하면, 실시예에 따른 표면방출 레이저소자(201)는 제2 반사층(250)으로부터 애퍼처 영역(240)과 활성영역(230)까지 메사 식각되어 에미터가 정의될 수 있다. 또한, 제1 반사층(220)의 일부까지도 메사 식각될 수 있다.
이후 제2 반사층(250) 상에는 제2 전극(280) 배치될 수 있으며, 상기 제2 전극(280)은 컨택 전극(282)과 패드 전극(284)을 포함할 수 있다.
상기 컨택 전극(282)의 사이의 영역에서 제2 반사층(250)이 노출되는 영역에는 패시베이션층(270)이 배치될 수 있으며, 상술한 애퍼처(241)와 상하간에 대응될 수 있다. 상기 컨택 전극(282)은 제2 반사층(250)과 패드 전극(284) 사이의 오믹 접촉특성을 향상시킬 수 있다.
제2 전극(280)은 도전성 재료로 이루어질 수 있고, 예를 들면 금속일 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 전극(280)은 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 크롬(Cr), 니켈(Ni), 구리(Cu), 금(Au) 중 적어도 하나를 포함하여 단층 또는 다층 구조로 형성될 수 있다.
도 7a과 같이, 메사 식각된 발광 구조물의 측면과 상부면 및 제1 반사층(220)의 상부면에 패시베이션층(270)이 배치될 수 있다. 패시베이션층(270)은 소자 단위로 분리된 표면방출 레이저소자(201)의 측면에도 배치되어, 표면방출 레이저소자(201)를 보호하고 절연시킬 수 있다. 패시베이션층(270)은 절연성 물질로 이루어질 수 있고, 예를 들면 질화물 또는 산화물로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 패시베이션층(270)은 폴리이미드(Polymide), 실리카(SiO2), 또는 질화 실리콘(Si3N4) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
패시베이션층(270)은 발광 구조물의 상부면에서의 두께가 컨택 전극(282)보다 얇을 수 있으며, 이를 통해 컨택 전극(282)이 패시베이션층(270) 상부로 노출될 수 있다. 노출된 컨택 전극(282)과 전기적으로 접촉하며 패드 전극(284)이 배치될 수 있는데, 패드 전극(284)은 패시베이션층(270)의 상부로 연장되어 배치되어 외부로부터 전류를 공급받을 수 있다.
실시예의 기술적 과제중의 하나는 신뢰성이 우수한 표면발광 레이저소자 및 이를 포함하는 발광장치를 제공하고자 함이다.
도 8a는 도 5에 도시된 실시예에 따른 표면발광 레이저소자의 제1 영역(C1) 다른 확대도이고, 도 8b는 도 8a에 도시된 실시예에 따른 표면발광 레이저소자의 제1 에미터의 A1-A1'선을 따른 단면 사진이며, 도 8c는 도 8a에 도시된 실시예에 따른 표면발광 레이저소자의 애퍼처 영역의 IR 현미경 사진이고, 도 8d는 도 8a에 도시된 실시예에 따른 표면발광 레이저소자의 애퍼처 영역의 근거리장 이미지(Near field image) 데이터이다.
도 8a를 참조하면, 실시예의 표면발광 레이저소자(201)는 제1 애퍼처(aperture)(241)와 제1 절연영역(242)을 포함하는 제1 에미터(E1)와, 제2 애퍼처(241b)와 제2 절연영역(242b)을 포함하며 상기 제1 에미터(E1)에 인접하게 배치되는 제2 에미터(E2)와, 제3 애퍼처(241c)와 제3 절연영역(242c)을 포함하며 상기 제1 에미터(E1) 및 상기 제2 에미터(E2)에 인접하게 배치되는 제3 에미터(E3) 및 상기 제1 에미터(E1) 내지 제3 에미터(E3) 사이에 배치되는 제1 트렌치 영역(ET1)을 포함할 수 있다.
이때 상기 제1 트렌치 영역(ET1)은, 상기 제1 에미터(E1)의 제1 애퍼처(241) 중심, 상기 제2 에미터(E2)의 제2 애퍼처(241b) 중심 및 상기 제3 에미터(E3)의 제3 애퍼처(241c) 중심을 잇는 가상의 삼각형(IT) 내부에 배치될 수 있다.
또한 실시예에서 상기 제1 트렌치 영역(ET1)은, 상기 제1 에미터(E1)의 제1 애퍼처(241) 중심과 상기 제2 에미터(E2)의 제2 애퍼처(241b) 중심을 잇는 가상의 제1 라인과 만나지 않을 수 있다.
또한 상기 제1 트렌치 영역(ET1)은, 상기 제2 에미터(E2)의 제2 애퍼처(241b) 중심과 상기 제3 에미터(E3)의 제3 애퍼처(241c) 중심을 잇는 가상의 제2 라인과 만나지 않을 수 있다.
또한 상기 제1 트렌치 영역(ET1)은, 상기 제1 에미터(E1)의 제1 애퍼처(241) 중심과 상기 제3 에미터(E3)의 제3 애퍼처(241c) 중심을 잇는 가상의 제3 라인과 만나지 않을 수 있다.
앞서 기술한 바와 같이, 종래기술에서 트렌치 적용 시 발진영역이 증가하기 위해서는 에미터(Emitter)간의 간격을 좁혀야 하는데 이를 위해서는 트렌치(Trench) 에칭 각도(EA1)가 거의 직각이 되도록 해야 하는데, 에칭 각도(EA1)이 급함에 따라 이후 형성되는 유전물질(dielectric material)을 통한 패시베이션(passivation) 공정에서 제1 보이드(void)(V1) 발생으로 크랙의 문제가 발생하고 있다.
또한 트렌치 위치의 패시베이션 상에 전극물질이 배치되는데, 패시베이션에 생성된 제1 보이드(V1)가 전극물질에도 전달되어 제2 보이드(V2)를 발생시킴에 따라 습기 침투 및 저전류 발생으로 신뢰성 저하가 발생되는 문제가 있다.
도 8a와 같이, 실시예의 제1 트렌치 영역(ET1)이 제1 애퍼처(241) 중심, 제2 애퍼처(241b) 중심 및 제3 애퍼처(241c) 중심을 잇는 가상의 삼각형(IT) 내부에 배치됨에 따라 트렌치 영역 확보할 수 있는 영역을 넓힐 수 있다.
도 7a와 도 8b를 참조하면, 실시예에서 상기 트렌치 영역에 의해 형성되는 상기 제1 에미터(E1)의 측벽의 경사각(EA2)을 완만하게 형성하여 이후 형성되는 패시베이션층 공정에서 보이드(void) 발생을 방지함으로써 신뢰성을 현저히 향상시킬 수 있다.
예를 들어, 실시예에 의하면, 제1 트렌치 영역(ET1)이 제1 애퍼처(241) 중심, 제2 애퍼처(241b) 중심 및 제3 애퍼처(241c) 중심을 잇는 가상의 삼각형(IT) 내부에 배치됨에 따라 트렌치 영역 확보할 수 있는 영역을 넓힘으로써 상기 트렌치 영역에 의해 형성되는 상기 제1 에미터(E1)의 측벽의 경사각(EA2)을 75˚이하로 완만하게 형성하여 이후 형성되는 패시베이션층 공정에서 보이드(void) 발생을 방지함으로써 신뢰성을 현저히 향상시킬 수 있다.
또한 도 8a를 참조하면, 실시예에서 상기 제1 에미터(E1)와 상기 제2 에미터(E2) 사이는 제1 이격거리(D1)로 이격되어 있으며, 상기 제1 트렌치 영역(ET1)의 제1 폭(W1)은 상기 제1 이격거리(D1)보다 클 수 있으며, 이에 따라 종래기술에 비해 트렌치 영역을 확보할 수 있는 영역을 넓일 수 있어 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
예를 들어, 도 8c와 도 8d는 각각 비교예와 실시예에 따른 표면발광 레이저소자의 신뢰성 데이터이다.
도 8c를 참조하면, 트렌치의 경사각이 약 85˚로 높은 경우에는 에이징(aging) 시간이 경과함에 따라 전기적 신뢰성이 변화되는 문제가 있다.
반면 도 8d를 참조하면, 트렌치의 경사각이 약 75˚이하로 완만한 경우에는 에이징 시간이 경과함에 따라 전기적 신뢰성이 유지되는 기술적 효과가 있다.
다음으로, 도 9a는 도 8a에 도시된 실시예에 따른 표면발광 레이저소자의 애퍼처 영역의 IR 현미경 사진이며, 도 9b는 도 8a에 도시된 실시예에 따른 표면발광 레이저소자의 애퍼처 영역의 근거리장 이미지(Near field image) 데이터이고, 도 9c는 실시예에서 애퍼처 사이즈(Aperture size)별 전류밀도(Current density)에 따른 지향각 변화 데이터이다.
또한 실시예의 다른 기술적 과제 중의 하나는 고전류 인가 또는 애퍼처 사이즈의 증대에도 불구하고 고차 모드 이동(higher mode shift)에 따른 출사 빔의 발산각(divergence angle of beams)의 증가 또는 빔 패턴(beam pattern)이 분열되는 문제를 방지할 수 있는 표면발광 레이저소자 및 이를 포함하는 발광장치를 제공하고자 함이다.
도 9a를 참조하면 실시예에서 상기 애퍼처 영역(240)은 절연영역(242)과 애퍼처(241)를 포함하며, 상기 애퍼처(241)는 다각형 수평 단면을 포함할 수 있다.
예를 들어, 실시예에서 애퍼처(241)의 다각형 단면은 3각형 내지 7각형 중 어느 하나의 형상일 수 있다. 예를 들어, 상기 애퍼처(241)의 외각은 3각형, 4각형, 5각형, 6각형 또는 7각형 중 어느 하나의 형상일 수 있으며, 도 9a에서 애퍼처(241)의 외곽 형상이 육각형인 경우를 예시하였으나 이에 한정되는 것은 아니다.
또한 실시예에서 애퍼처 영역(240) 중 절연영역(242)의 외곽은 원형일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 절연영역(242)의 외곽도 다각형일 수도 있다.
도 9b를 참조하면 실시예에 따른 표면발광 레이저소자의 애퍼처 영역의 근거리장 이미지(Near field image) 데이터로서, 약 810nm 내지 980nm 파장영역에서 애퍼처의 발진 모드가 안정적임을 알 수 있다.
구체적으로, 또한 도 9c는 실시예에서 애퍼처 사이즈(Aperture size)별 전류(Current)에 따른 지향각 변화 데이터이다.
실시예에 의하면 약 810nm 내지 980nm 파장영역에서 애퍼처 사이즈(aperture size)에 따라 발진 모드 및 발산각이 전류 영역(Current range)에 따라 안정적으로 제어할 수 있는 특별한 기술적 효과가 있다.
실시예에서 표면발광 레이저소자의 지향각 측정은 LEDGON-100 goniophotometer(Instrument Systems Optische Messtechnik GmbH, Germany)을 이용하였으나 이에 한정되는 것은 아니다.
예를 들어, 도 9c를 참조하면, 실시예에서 애퍼처의 사이즈가 6.0㎛일 때, 전류밀도가 8.3kA/cm3 내지 30.0 kA/cm3로 제어되는 경우에, 발진 모드가 2차 모드, 발산각이 약 20˚로 전류(current) 영역(7mA)에서 안정적으로 제어되었다.
또한 실시예에서 애퍼처의 사이즈가 8.0㎛일 때, 전류밀도가 8.3kA/cm3 내지 30.0 kA/cm3로 제어되는 경우에, 전류(current)가 7mA, 9mA, 12mA, 14mA로 변화되어도 발진 모드가 2차 모드, 발산각이 약 21˚로 안정적으로 제어되는 특별한 기술적 효과가 있다.
또한 실시예에서 애퍼처의 사이즈가 10.0㎛일 때, 전류밀도가 8.3kA/cm3 내지 30.0 kA/cm3로 제어되는 경우에, 전류(current)가 7mA, 9mA, 12mA, 14mA로 변화되어도 발진 모드가 2차 모드, 발산각이 약 25˚로 안정적으로 제어되는 특별한 기술적 효과가 있다.
또한 실시예에서 애퍼처의 사이즈가 12.0㎛일 때, 전류밀도가 8.3kA/cm3 내지 30.0 kA/cm3로 제어되는 경우에, 전류(current)가 9mA, 12mA, 14mA로 변화되어도 발진 모드가 2차 모드, 발산각이 약 27˚로 안정적으로 제어되는 특별한 기술적 효과가 있다.
이에 따라 실시예는 고전류 인가시 또는 애퍼처 사이즈의 증대에도 불구하고 고차 모드 이동(higher mode shift)에 따른 출사 빔의 발산각(divergence angle of beams)의 증가 또는 빔 패턴(beam pattern)이 분열되는 문제를 방지할 수 있는 표면발광 레이저소자 및 이를 포함하는 발광장치를 제공할 수 있다.
실시예에 따른 표면발광 레이저소자에서는 원형의 메사 상태에서 트렌치 영역의 형상을 제어하여 다각형의 외곽형상을 구비한 애퍼처를 형성함으로써 고전류 인가시 또는 애퍼처 사이즈의 증대에도 불구하고 고차 모드 이동(higher mode shift)에 따른 출사 빔의 발산각(divergence angle of beams)의 증가 또는 빔 패턴(beam pattern)이 분열되는 문제를 방지할 수 있는 기술적 효과가 있다.
다음으로 도 10a는 실시예에 따른 표면발광 레이저소자의 트렌치(ET1) 형상 확대도이고, 도 10b는 비교예에서의 트렌치 영역의 3차원 에칭 형상이고, 도 10c는 실시예에서 트렌치(ET1)의 3차원 에칭 형상이다.
도 10a를 참조하면, 실시예에서 제1 트렌치 영역(ET1)은, 제1 라운드 영역(ER1)과 상기 제1 라운드 영역(ER1)의 양측에 배치된 제1 직선 영역(EL1) 및 제2 직선 영역(EL2)을 포함할 수 있다.
또한 실시예에서 제1 트렌치 영역(ET1)은 제1 직선 영역(EL1)에서 연장되는 제2 라운드 영역(ER2)과 제2 직선 영역(EL2)에서 연장되는 제3 라운드 영역(ER3)을 포함할 수 있으며, 상기 제2 라운드 영역(ER2)과 상기 제3 라운드 영역(ER3) 사이에 배치되는 제3 직선 영역(EL3)을 포함할 수 있다.
실시예에 의하면 제1 라운드 영역(ER1)이 상기 제1 트렌치 영역(ET1)의 중심방향으로 아래로 볼록한 형태를 구비하고, 제2 라운드 영역(ER2)과 제3 라운드 영역(ER3)도 제2 트렌치 영역의 중심방향으로 아래로 볼록함에 따라 다각형의 외곽형상을 구비한 애퍼처를 형성함으로써 고전류 인가시 또는 애퍼처 사이즈의 증대에도 불구하고 고차 모드 이동(higher mode shift)에 따른 출사 빔의 발산각(divergence angle of beams)의 증가 또는 빔 패턴(beam pattern)이 분열되는 문제를 방지할 수 있는 기술적 효과가 있다.
또한 실시예에서 상기 제1 트렌치 영역(ET1)의 상기 제1 라운드 영역(ER1)을 호로 하는 부채꼴을 중심각(Θ)은 25~45˚로 제어됨에 따라 다각형의 외곽형상을 구비한 애퍼처를 형성함으로써 고전류 인가시 또는 애퍼처 사이즈의 증대에도 불구하고 고차 모드 이동(higher mode shift)에 따른 출사 빔의 발산각(divergence angle of beams)의 증가 또는 빔 패턴(beam pattern)이 분열되는 문제를 방지할 수 있는 기술적 효과가 있다.
또한 실시예에서 상기 제1 트렌치 영역(ET1)의 제1 직선 영역(EL1)의 제1 거리(L1)는 제1 에미터(E1)와 제2 에미터(E2) 사이의 이격거리인 제1 이격거리(D1)보다 크게 제어되어 제1 트렌치 영역(ET1)이 확보할 수 있는 영역을 넓힘으로써 상기 트렌치 영역에 의해 형성되는 상기 제1 에미터(E1)의 측벽의 경사각(EA2)을 완만하게 형성하여 이후 형성되는 패시베이션층 공정에서 보이드(void) 발생을 방지함으로써 신뢰성을 현저히 향상시킬 수 있다.
예를 들어, 실시예에서 상기 제1 트렌치 영역(ET1)의 제1 직선 영역(EL1)의 제1 거리(L1)는 약 2㎛ 이상으로 제1 에미터(E1)와 제2 에미터(E2) 사이의 이격거리인 제1 이격거리(D1)보다 크게 제어되어 제1 트렌치 영역(ET1)이 확보할 수 있는 영역을 넓힘으로써 상기 트렌치 영역에 의해 형성되는 상기 제1 에미터(E1)의 측벽의 경사각(EA2)을 완만하게 형성하여 이후 형성되는 패시베이션층 공정에서 보이드(void) 발생을 방지함으로써 신뢰성을 현저히 향상시킬 수 있다.
도 10b는 제2 비교예에서의 트렌치 영역의 3차원 에칭 형상이고, 도 10c는 실시예에서 트렌치(ET1)의 3차원 에칭 형상이다.
도 10b를 참조하면 직선영역이 작을 때 트렌치 영역의 3차원 형상에서 에칭 경사각이 크게 형성됨을 알 수 있다.
반면, 도 10c를 참조하면 직선영역이 클 때 트렌치 영역의 3차원 형상에서 에칭 경사각이 완만하게 형성됨을 알 수 있다.
실시예에 의하면 결정품질이 우수한 다각형의 모서리를 구비한 애퍼처에 의해 광학적 구속(optical confinement)로 인해 가용 모드를 제어함으로써 고차모드 시프트(higher mode shift)가 지연 되고 모드(mode)가 유지되는 특별한 기술적 효과가 있다.
예를 들어, 실시예에 의하면 결정품질이 우수한 애퍼처(241)의 다각형의 모서리에서 광학적 구속(optical confinement)이 됨으로써 가용모드를 제어하여 고차모드 쉬프트(higher mode shift)가 지연 되고 이를 통해 모드(mode)가 유지되는 특별한 기술적 효과가 있다.
도 10d는 실시예에 따른 표면발광 레이저소자의 제조 중의 평면 개념도로서, 예를 들어 메사 에칭이 진행된 후 트렌치가 형성된 평면도일 수 있고 각 에미터에 대한 산화공정이 진행되기 전의 상태일 수 있다.
예를 들어, 실시예에 의하면 메사 에칭 공정에 의해 제1 에미터(E1), 상기 제1 에미터(E1)에 인접하게 배치되는 제2 에미터(E2)와, 상기 제1 에미터(E1) 및 상기 제2 에미터(E2)의 제1 측에 인접하게 배치되는 제3 에미터(E3) 및 상기 제1 에미터(E1) 및 상기 제2 에미터(E2)의 제2 측에 인접하게 배치되는 제4 에미터(E4)를 포함할 수 있다.
또한 실시예에 의하면 상기 제1 에미터(E1) 내지 제3 에미터(E3) 사이에 배치되는 제1 트렌치 영역(ET1)을 포함할 수 있다. 또한 실시예에 의하면 제1 에미터(E1), 제2 에미터(E2) 및 제4 에미터(E4) 사이에 배치되는 제2 트렌치 영역(ET2)를 포함할 수 있다.
상기 제1 트렌치 영역(ET1)은, 상기 제1 에미터(E1)의 중심, 상기 제2 에미터(E2)의 중심 및 상기 제3 에미터(E3)의 중심을 잇는 가상의 삼각형 내부에 배치될 수 있고, 이를 통해 제1 트렌치 영역(ET1)이 확보할 수 있는 영역을 넓힘으로써 상기 트렌치 영역에 의해 형성되는 상기 제1 에미터(E1), 제2 에미터(E2)의 측벽의 경사각을 완만하게 형성하여 이후 형성되는 패시베이션층 공정에서 보이드(void) 발생을 방지함으로써 신뢰성을 현저히 향상시킬 수 있다.
또한 상기 제2 트렌치 영역(ET2)은, 상기 제1 에미터(E1)의 중심, 상기 제2 에미터(E2)의 중심 및 상기 제4 에미터(E4)의 중심을 잇는 가상의 삼각형 내부에 배치될 수 있고, 이를 통해 제2 트렌치 영역(ET2)이 확보할 수 있는 영역을 넓힘으로써 상기 트렌치 영역에 의해 형성되는 상기 제1 에미터(E1), 제2 에미터(E2)의 측벽의 경사각을 완만하게 형성하여 이후 형성되는 패시베이션층 공정에서 보이드(void) 발생을 방지함으로써 신뢰성을 현저히 향상시킬 수 있다.
또한 실시예에 의하면 제1 트렌치 영역(ET1)과 트렌치 영역(ET2) 사이의 제2 이격거리(D2)는 제1 에미터(E1)와 제2 에미터(E2) 사이의 이격거리인 제1 이격거리(D1)보다 크게 제어되어 다각형의 외곽형상을 구비한 애퍼처를 형성함으로써 고전류 인가시 또는 애퍼처 사이즈의 증대에도 불구하고 고차 모드 이동(higher mode shift)에 따른 출사 빔의 발산각(divergence angle of beams)의 증가 또는 빔 패턴(beam pattern)이 분열되는 문제를 방지할 수 있는 기술적 효과가 있다.
예를 들어, 실시예에서 제1 트렌치 영역(ET1)과 트렌치 영역(ET2) 사이의 제2 이격거리(D2)는 제1 에미터(E1)와 제2 에미터(E2) 사이의 제1 이격거리(D1)보다 크고 5배 이하로 제어되어 다각형의 외곽형상을 구비한 애퍼처를 형성할 수 있다.
예를 들어, 실시예에서 제1 트렌치 영역(ET1)과 트렌치 영역(ET2) 사이의 제2 이격거리(D2)는 약 2㎛ 내지 10㎛로 제어될 수 있고, 이를 통해 다각형의 외곽형상을 구비한 애퍼처를 형성함으로써 고전류 인가시 또는 애퍼처 사이즈의 증대에도 불구하고 고차 모드 이동(higher mode shift)에 따른 출사 빔의 발산각(divergence angle of beams)의 증가 또는 빔 패턴(beam pattern)이 분열되는 문제를 방지할 수 있는 기술적 효과가 있다.
이에 따라 실시예에 의하면, 애퍼처 사이즈의 증대에도 불구하고 고전류 인가시에도 빔 모드(beam mode)가 제어됨으로써 고차 모드 이동(higher mode shift)에 따른 출사 빔의 빔 패턴(beam pattern)이 분열되는 문제 및 발산 각이 증가하는 문제를 해결할 수 있는 표면발광 레이저소자 및 이를 포함하는 발광장치를 제공할 수 있다.
(플립칩 구조의 실시예)
다음으로 도 11은 실시예에 따른 표면발광 레이저소자의 다른 단면도이다.
실시예에 따른 표면발광 레이저소자는 수직형 외에 도 11과 같이 제1 전극(215)과 메탈전극층(280)의 방향이 동일한 플립 칩 형태일 수 있다.
예를 들어, 도 11과 같이 다른 실시예에 따른 표면발광 레이저소자는 제1 전극(215), 기판(210), 제1 반사층(220), 활성층(232), 애퍼처 영역(240), 제2 반사층(250), 메탈전극층(280), 제1 패시베이션층(271), 제2 패시베이션층(272), 비반사층(290) 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다. 이때 제2 반사층(250)의 반사율이 제1 반사층(220)의 반사율 보다 높게 설계될 수 있다.
이때 제1 전극(215)은 제1 컨택 전극(216)과 제1 패드 전극(217)을 포함할 수 있으며, 소정의 메사 공정을 통해 노출된 제1 반사층(220) 상에 제1 컨택 전극(216)이 전기적으로 연결되며, 제1 컨택 전극(216)에 제1 패드 전극(217)이 전기적으로 연결될 수 있다.
상기 제1 전극(215)은 도전성 재료로 이루어질 수 있고, 예를 들면 금속일 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 전극(215)은 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 크롬(Cr), 니켈(Ni), 구리(Cu), 금(Au) 중 적어도 하나를 포함하여 단층 또는 다층 구조로 형성될 수 있다.
상기 제1 반사층(220)이 n형 반사층인 경우, 상기 제1 전극(215)은 n형 반사층에 대한 전극일 수 있다.
다음으로, 메탈전극층(280)은 제2 컨택 전극(282)과 제2 패드 전극(284)을 포함할 수 있으며, 제2 반사층(250) 상에 제2 컨택 전극(282)이 전기적으로 연결되며, 제2 컨택 전극(282)에 제2 패드 전극(284)이 전기적으로 연결될 수 있다.
상기 제2 반사층(250)이 p형 반사층인 경우, 상기 메탈전극층(280)은 p형 반사층에 대한 전극일 수 있다.
상기 제1 절연층(271)과 제2 절연층(272)은 절연성 물질로 이루어질 수 있고, 예를 들면 질화물 또는 산화물로 이루어질 수 있으며, 예를 들어, 폴리이미드(Polymide), 실리카(SiO2), 또는 질화 실리콘(Si3N4) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
(이동 단말기)
다음으로 도 12는 실시예에 따른 표면발광 레이저소자가 적용된 이동 단말기의 사시도이다.
도 12에 도시된 바와 같이, 실시예의 이동 단말기(1500)는 후면에 제공된 카메라 모듈(1520), 플래쉬 모듈(1530), 자동 초점 장치(1510)를 포함할 수 있다. 여기서, 상기 자동 초점 장치(1510)는 발광부로서 앞서 설명된 실시예에 따른 표면발광 레이저소자의 패키지 중의 하나를 포함할 수 있다.
상기 플래쉬 모듈(1530)은 그 내부에 광을 발광하는 발광소자를 포함할 수 있다. 상기 플래쉬 모듈(1530)은 이동 단말기의 카메라 작동 또는 사용자의 제어에 의해 작동될 수 있다.
상기 카메라 모듈(1520)은 이미지 촬영 기능 및 자동 초점 기능을 포함할 수 있다. 예컨대 상기 카메라 모듈(1520)은 이미지를 이용한 자동 초점 기능을 포함할 수 있다.
상기 자동 초점 장치(1510)는 레이저를 이용한 자동 초점 기능을 포함할 수 있다. 상기 자동 초점 장치(1510)는 상기 카메라 모듈(1520)의 이미지를 이용한 자동 초점 기능이 저하되는 조건, 예컨대 10m 이하의 근접 또는 어두운 환경에서 주로 사용될 수 있다. 상기 자동 초점 장치(1510)는 수직 캐비티 표면 방출 레이저(VCSEL) 반도체 소자를 포함하는 발광부와, 포토 다이오드와 같은 빛 에너지를 전기 에너지로 변환하는 수광부를 포함할 수 있다.
이상에서 실시예들에 설명된 특징, 구조, 효과 등은 적어도 하나의 실시예에 포함되며, 반드시 하나의 실시예에만 한정되는 것은 아니다. 나아가, 각 실시예에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시예들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의해 다른 실시예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 실시예의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
이상에서 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 실시예를 한정하는 것이 아니며, 실시예가 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 설정하는 실시예의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (10)

  1. 제1 애퍼처(aperture)와 제1 절연영역을 포함하는 제1 에미터;
    제2 애퍼처와 제2 절연영역을 포함하며 상기 제1 에미터에 인접하게 배치되는 제2 에미터;
    제3 애퍼처와 제3 절연영역을 포함하며 상기 제1 에미터 및 상기 제2 에미터에 인접하게 배치되는 제3 에미터; 및
    상기 제1 에미터 내지 제3 에미터 사이에 배치되는 제1 트렌치 영역;을 포함하고,
    상기 제1 트렌치 영역은,
    상기 제1 에미터의 제1 애퍼처 중심, 상기 제2 에미터의 제2 애퍼처 중심 및 상기 제3 에미터의 제3 애퍼처 중심을 잇는 가상의 삼각형 내부에 배치되는 표면발광 레이저소자.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 트렌치 영역에 의해 형성되는 상기 제1 에미터의 측벽의 경사각은 75˚이하인 표면발광 레이저소자.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 애퍼처 영역에서 상기 절연영역의 외곽은 원형이며,
    상기 애퍼처의 외곽은 다각형 형태인 표면발광 레이저소자.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 에미터와 상기 제2 에미터 사이는 제1 이격거리로 이격되어 있으며,
    상기 제1 트렌치 영역의 제1 폭은 상기 제1 이격거리보다 큰 표면발광 레이저소자.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 제1 트렌치 영역은,
    제1 라운드 영역과
    상기 제1 라운드 영역의 양측에 배치된 제1 직선 영역 및 제2 직선 영역을 포함하는 표면발광 레이저소자.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 제1 직선 영역은
    상기 제1 이격거리보다 큰 표면발광 레이저소자.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 제1 트렌치 영역은,
    상기 제1 직선 영역에서 연장되는 제2 라운드 영역과 상기 제2 직선 영역에서 연장되는 제3 라운드 영역 및, 상기 제2 라운드 영역과 상기 제3 라운드 영역 사이에 배치되는 제3 직선 영역을 포함하는 표면발광 레이저소자.
  8. 제5 항에 있어서,
    상기 제1 라운드 영역이 상기 제1 트렌치 영역의 중심방향으로 아래로 볼록한 형태를 구비하는 표면발광 레이저소자.
  9. 제7 항에 있어서,
    상기 제1 라운드 영역을 호로 하는 부채꼴을 중심각은 25~45˚인 표면발광 레이저소자.
  10. 제1 항 내지 제9 항 중 어느 하나의 표면발광 레이저소자를 포함하는 발광장치.
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