초록 ▼

본 연구는 0.98㎛ 표면발광 반도체 레이저 개발이 목적이었다.
(1) MOCVD 방법으로 99% 이상의 반사도를 갖는 브레그 반사경과 VCSEL 구조를 성장하여 레이저 개발의 기초를 확립하였다.
(2) 처음 제작한 두 종류의 backside emission VCSEL는 위쪽 반사경의 저항을 줄이기 위해 각각 서로 다른 브레그 반사경의 구조를 가졌다. Grading된 경계의 반사경을 갖는 VCSEL로부터 발진임계전류 3.2mA와 임계전압 3.4V를 얻었으며, Al 조성비가 낮은 급준한 경계를 갖는 레이저로부터 발진임계

본 연구는 0.98㎛ 표면발광 반도체 레이저 개발이 목적이었다.
(1) MOCVD 방법으로 99% 이상의 반사도를 갖는 브레그 반사경과 VCSEL 구조를 성장하여 레이저 개발의 기초를 확립하였다.
(2) 처음 제작한 두 종류의 backside emission VCSEL는 위쪽 반사경의 저항을 줄이기 위해 각각 서로 다른 브레그 반사경의 구조를 가졌다. Grading된 경계의 반사경을 갖는 VCSEL로부터 발진임계전류 3.2mA와 임계전압 3.4V를 얻었으며, Al 조성비가 낮은 급준한 경계를 갖는 레이저로부터 발진임계전류 2.3mA와 최대광출력 0.8W를 얻었다.
(3) Top emission VCSEL 제작에 응용하기 위하여 Al(Ga)As/GaAs 구조에서 측면습식 산화에 대해 연구하였다. AlAs 두께가 얇을수록 산화가 급격히 감소되고 약 11nm 두께에서 거의 산화가 안된다. 경계면에 있는 AlGaAs는 산화된 AlAs에 의해 야기된 변형력 때문에 촉진된 산화율을 감소시켜 준다.
(4) VCSEL 구조에서 양자우물과 공진기모드 사이의 관계를 연구하였다. 공진기모드와 엑시톤 준위의 파장간격을 온도와 발광 측정각도를 변화시켜 조절하였는데 두 에너지 준위가 일치할 때 매우 강한 자발방출이 있으며, 공진기 방향으로의 자발방출의 세기는 광파의 위상이 일치하지 않는 공진기가 없는 구조에서보다 수십, 수백 배 크다.
(5) 기존의 표면발광 레이저 제작 방법과 다른 선택적 산화법을 이용하여 위쪽 반사경 밑에 산화막 전류주입구를 사용함으로써 지금까지 발표된 어떠한 형태의 레이저 보다 낮은 발진임계전류를 갖는 표면발광 레이저를 제작하였다. 이 레이저 구조는 2원소물질(AlAs/GaAs)로만 구성한 DBR과 p형 DBR의 높은 저항을 피하여 활성층 가까이 금속접촉을하여 낮은 열저항을 갖도록 설계되었다. 10×10μ㎡ 소자에서 최대 광출력이 1.2mW 이상이면서 발진임계전류는 140μA이고, 3×3μ㎡ 소자에서는 8.7μA의 극히 낮은 발진임계전류를 얻었다.
(6) 반사경의 반사율의 변화가 VCSEL의 특성에 미치는 영향을 조사하기 위해서 제작된 10×10μ㎡ 에이저의 위쪽 DBR의 각층을 선택적으로 에칭한 후 매번 광출력, 전류특성을 측정하였다. 반사경의 반사율을 감소시킬수록 cavity로 부터 출력이 증가하여 외부 양자효율이 증가하게 된다. 18쌍의 경우 212μA 낮은 발진 임계전류를 유지하면서 최대 광출력은 1.9mW 이상을 보인다. 이때 외부 양자효율은 55%로 매우 높으며, 최대 입·출력 변화율은 16%을 얻을 수 있다.
(7) VCSEL의 경우 온도변화에 대한 발진임계전류의 변화를 측정하였다. 최소 발진임계 전류를 상온에서 얻었으며 이는 상온 근처에서 cavity mode와 게인 피크가 일치함을 나타낸다. 0에서 50℃ 온도범위에서 발진임계전류의 변화는 30μA 이내로 매우 작다. 산화막 전류주입구를 갖는 VCSEL에서 산화막 밑에서 인위적으로 전류의 퍼짐을 증대시켜 산화막 전류주입구가 레이저의 특성에 미치는 영향을 살펴보았다. 공진기 종모드가 전류주입구 부분과 산화막이 부분에서 독립적으로 존재하였으며, 단일 소자에서 이 두개 모드로부터 동시에 발진하는 특성을 얻었다. 또한, 산화막 전류주입구와 전류의 퍼짐으로 인하여 고차 횡모드를 거를 수 있게 되어 모든 구동전류 범위에서 단일 횡모드 발진을 얻었다.
(8) 지금까지 MOCVD법으로 성장한 VCSEL구조의 소자제작 과정을 거쳐 8×8 VCSEL 어레이를 제작하였다. 레이저 어레이는 individual addressing 할 수 있도록 설계하였다. 선택적 산화법을 사용하여 8×8μ㎡ 크기의 산화막 전류주입구를 만들었다. 또한 습식산화에 있어서 <011/sub -/> 방향이 <011>방향보다 빠르게 산화되는 방향성을 가지고 있으므로 이를 피하기 위하여 벽개된면에 대해 45° 회전시킨 [001] 메사를 만들었다. 앞으로 여전히 소자의 저항을줄이고 VCSEL 어레이 구동을 위해 균일한 결정성장이되도록 추가연구가 필요하다.

목차 Contents

• 제1장 서론...17
• 제2장 국내외 기술개발 현황...24
• 제3장 연구개발수행 내용 및 결과...34
• 제4장 연구개발목표 달성도 및 대외기여도...142
• 제5장 연구개발결과의 활용계획...144
• 제6장 참고문헌...145