KR0135038B1 - 집적형 반도체 광증폭기 구조 및 제조방법 - Google Patents
집적형 반도체 광증폭기 구조 및 제조방법Info
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Abstract
본 발명은 광스위치의 광도파로와 반도체 광증폭기를 최적화시키는 반도체 광증폭기의 구조 및 제조방법에 관한 것이다. 본 발명은 n형의 화합물 반도체 기판(15)상에 형성되는 도핑되지 않은 화합물 반도체 도파로층(14)과, 제 1 및 제 2 클래드층(12,13)이 홈모양으로 선택식각되는 도파로(3)영역과, 상기 홈모양의 도파로(3)영역상에 형성된 홈모양의 광증폭기(1)영역의 도핑되지 않은 반도체 화합물 활성층(11) 및 반도체 화합물 클래드층(10), 화합물 반도체 캡층(9)과, 상기 홈모양의 측면에 형성된 전류차단층을 포함하는 구조를 이루고 있다.
또한 본 발명의 제조방법은 도파로층 도핑되지 않은 InGaAsP(14)과 제 1 및 제 2 클래드층(12,13)을 1차 결정 성장시키는 단계와, 선택식각액으로 증폭기(1)영역의 도파로층 InGaAsP(14)과 제 1 및 제 2 클래드층(12,13)을 홈모양으로 선택식각하는 단계와, 증폭기의 도핑되지 않은 활성층 InGaAsP(11), 클래드층 p-InP(12) 및 p+-InGaAs(9)을 제 2 차 결정시키는 단계와, 도파로를 식각하고 전극을 증착하는 단계로 이루어진다.
상기한 바와같이 본 발명은 2회의 결정 성장만으로도 제작이 가능하며 전류를 차단시킬 수 있으며, 옴저항을 최소화 할 수 있으며 일정 부분에 반송자의 집속시켜 입력광에 대한 효과적인 이득을 얻어 일정한 광이득을 얻기 위한 동작전류를 최소화 할 수 있다.
Description
제1도는 LD(Laser Diode) 게이트형 광스위치의 평면도.
제2도는 본 발명에 따른 광도파로와 광증폭기가 집적된 평면도.
제3도는 제2도의 A-A'방향에 따른 단면도.
제4도의 (a) 내지 (h)는 본 발명에 의한 제조공정 단면도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 광증폭기 2 : 도파로
315 : 기판 4 : 제 1 입력단
5 : 제 2 입력단 6 : 제 1 출력단
7 : 제 2 출력단 8 : p형 전극
9 : 증폭기 캡층 10 : 증폭기 클래드층
11 : 증폭기 활성층 1213 : 도파로 클래드층
14 : 도파로층 16 : n형 전극
17 : 폴리이미드 18 : PAD전극
본 발명은 광스위치의 광도파로 및 광증폭기에 관한 것으로, 구체적으로는 광스위치의 순수 광도파로와 증폭기를 단일칩에 집적화시키는 반도체 광증폭기의 구조 및 제조방법에 관한 것이다.
광증폭기(Optical Amplifier)는 입력된 광신호를 전기 신호로 변환하는 과정을 거치지 않고 입력된 광신호를 직접 증폭시키는 기능을 갖는 소자이다.
광증폭기의 종류로는 Er-doped 광섬유를 이용하는 광증폭기와 반도체 광증폭기가 있다.
상기 반도체 광증폭기는 크기가 작으며 반도체 도파로, LD(Laser Diode), PD(Photo Diode) 등과 같은 광전소자(photoelectro device)들과 단일 집적이 가능한 장점이 있다.
또한 반도체 광증폭기는 캐리어(carrier)의 수명시간이 수백 ps로서 Gb급 이상의 고속 데이터 처리가 가능하다.
상술한 장점에 의하여 반도체 광증폭기는 광전송 및 광교환등의 광정보 시스템에 응용되며, 특히 광전송 시스템에서 상기 반도체 광증폭기가 선형 재생기로 사용되어지는 경우, 디지털 재생 반복기의 가격을 크게 낮출 수 있다.
또한 광증폭기를 광검출기로 응용할 수 있어, 전치증폭기로서의 특성에 대한 연구가 활발히 진행중이다.
따라서 전치증폭기로 응용될 경우, 공지된 바와 같이 최소 광검출 출력을 최소화 시킬 수 있다.
전치증폭기로서 반도체 증폭기를 활용하는 가장 큰 이유는 광교환 시스템과 지역망(network)에서 삽입 손실 및 분리 손실등을 보상하기 위한 부우스터(booster) 증폭기로 응용하기 위해서이다.
상기 부우스터 증폭기는 수신기나 증폭기등에서 필요한 크기의 감도나 출력을 얻을 수 없을 때 그 이전과 이후에 부가하여 감도나 출력을 보충하기 위한 증폭기를 말한다.
상기한 것 이외에도 반도체 광증폭기는 광게이트 스위치(optical gate switch), 광변조기(optical modulator), 광파장 변환기 등에 응용한다.
광스위치의 순수 도파로와 광증폭기를 집적하는 종래의 기술에 있어서, 순수 도파로에 집적된 광증폭기는 RWG(Ridge Wave-guide : 마루 도파로) LD(Laser Diode), BH(Buried Heterostructure : 매립 이종구조) LD,PBH(Planar Buried Heterostructure : 플레이너 매립 이종구조) LD 등의 구조를 이룬다. 상기한 구조로 되어있는 광증폭기는 활성층의 폭이 도파로 폭과 동일하다.
도파로 영역의 코아층은 광증폭기의 활성층에 비하여 에너지 갭(energy gap)이 크고, 동일한 파장의 광신호가 입력될 경우, 상기 입력 광신호에 대한 굴절율이 도파로 영역의 코아층 보다는 광증폭기의 활성층 영역이 더 큰 특성이 있다.
다시 말하면, 상기 활성층과 코아층의 넓이에 대한 단일 모드 조건이 다르게 된다.
예를들어, 1.3㎛의 빛에 대하여 도파로 영역의 에너지 갭을 1.08eV로 하고 증폭기의 활성층 영역의 에너지 갭을 0.96eV로 하는 경우의 단일모드조건은 다음과 같다.
통상, 도파로 폭에 대한 단일모드 조건은 두께에 따라 달라지지만 ridge형 도파로의 경우는 대략 넓이가 5㎛ 정도까지 가능하고, buried형 도파로는 2㎛ 이하가 되어야 한다. 광증폭기가 상기 BH구조 및 PBH구조일 경우, 대표적인 예로서 p/n/p/n층을 이용하여 전류차단하므로써 효과적인 활성층으로의 효과적인 전류구속을 얻을 수 있다.
그러나 각각 3회 및 4회의 결정성장을 하여야 하므로 공정이 복잡해지는 단점이 있다.
한편 광증폭기가 RWG구조일 경우 2회의 결정성장만으로도 도파로와 집적이 가능하지만, 광증폭기의 활성층에 주입되는 전류의 구속이 효율적이지 못하여 동작전류가 비교적 크다는 단점이 있다.
따라서 본 발명에서는 RWG형의 광도파로와 효율적인 전류구속이 가능한 반도체 광증폭기를 단일칩 집적시켜 2회의 결정성장으로 제작공정을 최소화하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적은 광증폭기내의 이득분포를 도파되는 가우시안 빔(Gaussian Beam)의 가운데 부분에만 높임으로써 효율적인 증폭기 동작을 시키는 데 목적이 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 광증폭기의 캡층의 넓이를 활성층의 넓이보다 2 내지 3배 이상으로 크게하여 옴저항을 최소화하는데 목적이 있다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.
제1도는 LD 게이트형 광스위치를 나타낸 평면도로 참조번호 1은 광증폭기, 2는 도파로, 3은 기판, 4,5는 제 1 및 제 2 입력단, 6,7은 제 1 및 제 2 출력단을 나타낸다.
제2도는 광도파로와 광증폭기가 집적된 평면도를 나타낸다.
제3도는 제2도의 광증폭기영역인 A-A'의 단면도로서, p/n/p/n전류차단층과 홈모양의 집적형 광증폭기의 구조를 나타낸 단면도이다.
상기한 목적들을 달성하기 위한 광집적형 광증폭기 제작의 구체적 실시예는 다음과 같으며, 각 공정 단계별 광증폭기 영역의 단면도가 제4도에 도시되어 있다.
n+-InP기판(15)상에 도파로(3)영역인 도핑되지 않은 InGaAsP 도파로층(14)과, 제 1 클래드층인 p--InP클래드층(13)과, 제 2 클래드층인 n+-InP도파로 클래드층(12)을 MOCVD(Metal organic Chemical Vapor Deposition : 유기금속화학기상증착) 또는 LPE(Liquid Phase Epitaxy : 액상 에피텍시)에 의해 순차적으로 1차 결정 성장시킨다.(제4도의 (a))
제4도의 (b)와 같이 1차 결정 성장된 웨이퍼의 광증폭기(1)가 집적될 부분의 n+-InP도파로 클래드층(12)(제 1 클래드층, p--InP 클래드층(13)(제 2 클래드층), 도핑되지 않은 InGaAsP 도파로층(14)을 제4도의 (b)와 같이 홈모양으로 황산계 또는 인산계등의 식각액을 이용하여 선택식각한다.
다음 상기 홈모양으로 식각된 웨이퍼상에 광증폭기(1)의 도핑되지 않은 InGaAsP 활성화층(11), p--InP증폭기 클래드층(10), p+-InGaAs 증폭기 캡층(9)을 MOCVD 또는 LPE법에 의해 순차적으로 2차 결정 성장시킨다(제4도의 (c)).
제4도의 (d)와 같이 광증폭기(1)의 p형 전극을 리프트-오프(lift off) 방법으로 형성시킨다.
다음 제4도의 (e)와 같이 p--InP도파로 클래드층(13) 상까지 SiO2 또는 SiNX 등의 식각 마스크를 하고 이온빔을 이용하여 건식식각을 하여 도파로(3)전체를 형성시킨다.
다음 제4도의 (f)에 도시된 바와 같이 표면을 안정화(패시베이션)하기 위하여 고온에서도 내열성이 뛰어나며 전기적 특성도 우수한 폴리이미드(Polyimide)를 전면에 입히고, p형 전극(8) 부분을 제외한 부분의 폴리이미드를 플라즈마를 이용하여 식각하여 없앤다.
그리고 p형 전극(8)의 PAD(18)을 리프트-오프 방법으로 제4도의 (g)와 같이 폴리이미드(17)상에 형성시킨다.
다음 n+-InP기판(15)을 랩핑(경마)시키고 n형 전극(16)을 제4도의 (h)와 같이 열(Thermal) 및 이온빔증착기(E-beam Evaporator)등으로 증착시킨다.
이상에서 설명된 바와같이, 광도파로와 반도체 광증폭기가 단일칩으로 집적되어 있는 본 발명은 2회의 결정성장만으로도 본 발명을 제작할 수 있고, 증폭기내의 이득분포를 도파되는 가우시안빔의 가운데 부분에만 높임으로써 효율적인 증폭기 동작을 시킬 수 있다.
Claims (3)
- 광도파로와 광증폭기의 집적구조에 있어서, n형 화합물 반도체 기판(15)상에 형성되는 도핑되지 않은 화합물 반도체 도파로층(14)과 제 1 및 제 2 클래드층(12,13)으로 구성된 RWG형의 도파로(2) 영역과, 제 1 및 제 2 클래드층(12,13)이 홈모양으로 식각되고, 그위에 도핑되지 않은 화합물 반도체 활성층(11) 및 반도체 화합물 클래드층(10), 화합물 반도체 캡층(9) 등으로 구성된 광증폭기(1) 영역과, 상기 홈모양의 측면에 형성된 p-InGaAsP/n-InP/p-InP의 전류차단층을 포함하는 것을 특징으로 하는 집적형 반도체 광증폭기의 구조.
- 제1항에 있어서,상기 n형 화합물 반도체 기판(15)이 n+-InP 기판인 경우, 상기 도핑되지 않은 화합물 반도체 도파로층(14)은 InGaAsP도파로층이고, 상기 제 1 및 제 2 클래드층(12,13)은 InP 클래드층이고, 상기 도핑되지 않은 반도체 화합물 활성층(11)은 InGaAsP활성층이고, 상기 화합물 반도체 클래드층(10)은 InP 클래드층이고, 상기 화합물 반도체 캡층(9)은 InGaAs 캡층이며, 상기 n형 화합물 반도체 기판(15)이 n+-GaAs 기판인 경우, 상기 도핑되지 않은 화합물 반도체 도파로층(14)은 GaAs(AlGaAs) 도파로층이고, 상기 제 1 및 제 2 클래드층(12,13)은 AlGaAs클래드층이고, 상기 광증폭기(1)의 상기 도핑되지 않은 화합물 활성층(11)은 GaAs(AlGaAs)활성층이고, 상기 화합물 반도체 클래드층(10)은 AlGaAs클래드층이고, 상기 화합물 반도체 캡층(9)은 GaAs캡층인 것을 특징으로 하는 집적형 반도체 광증폭기의 구조.
- 광도파로와 광증폭기를 집적하기 위한 제조방법에 있어서, InP 기판(15)상에 도핑되지 않은 InGaAsP 도파로층(14), 제 1 및 제 2의 도파로 클래드층(12,13)을 2차 결정 성장시키는 단계와; 선택식각액으로 증폭기(1)기 집적될 영역의 상기 제 1 및 제 2 도파로 클래드층(12,13), 상기 InGaAsP 도파로층(14)을 홈모양으로 선택식각하는 단계와; 상기 식각된 홈모양의 웨이퍼상에 증폭기(1)의 도핑되지 않은 활성층 InGaAsP(11)과 클래드층 p-InP(10), 캡층 p-InGaAs(9)을 2차 결정 성장하는 단계와; 상기 증폭기(1)의 p형 전극(8)을 리프트오프 방법으로 형성하는 단계와; 상기 p-InP도파로 클래드층(13)까지 식각마스크를 하고 이온 빔을 이용하여 건식식각하여 도파로(3) 전체를 형성하는 단계와; 상기 도파로(3) 전면에 폴리이미드(17)을 입히고 상기 p형 전극(8)을 제외한 영역을 식각하여 제거하는 단계와; 상기 p형 전극(8)의 PAD(18)를 상기 폴리이미드(17)상에 형성시키는 단계와; 상기 InP 기판을 랩핑하고 n형 전극(16)을 증착하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 집적형 반도체 광폭기의 제조방법.
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