KR100228395B1 - 반절연 인듐갈륨비소 회절격자를 이용한 복소 결합된 분포 궤환형 레이저 소자 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 초고속 장거리 광통신의 광원으로서 기존의 굴절률 결합형에 이득 결합을 추가한 복소 결합형 분포 궤환형 반도체 레이저에 있어서 이득 결합의 분율을 증가시키기 위하여 광 흡수와 전류 차단의 이중효과가 있는 반절연 인듐갈륨비소를 회절격자로 사용하므로써 레이저의 광 특성을 증대시키는 것이다. 발명의 구성은 단일 모드 광원용 분포 궤환형 반도체 레이저에 있어서 반절연 인듐갈륨비소를 회절격자로 사용하는 것과 이 회절격자를 n형 인듐인 기판 사용시 n형 인듐인 버퍼층에 삽입시키므로써 본 회절격자가 p형 반도체와 접합시 야기될 수 있는 정공 주입효과를 배제 시키는 방법, 그리고 회절격자 두께의 자유로운 조절을 위하여, p형 인듐인 기판 사용시 공정상의 제한을 가지지 않도록 활성층 윗쪽에 본 회절격자를 위치시키는 소자 설계 등을 특징으로 한다.

Description

반절연 인듐갈륨비소 회절격자를 이용께 복소 결합된 분포 궤환형 레이저 소자
본 발명은 초고속 장거리 광통신의 광원으로서 기존의 굴절률 결합형에 이득 결합을 추가한 복소 결합형 분포 궤환형 반도체 레이저 소자에 관한 것으로, 특히 이득결합의 분율을 증가시키기 위하여 광흡수와 전류차단의 이중효과가 있는 반절연 인듐갈륨비소를 회절격자로 사용하므로써 광특성을 향상 시킬 수 있는 레이저 소자에 관한 것이다.
대표적인 고속 광통신용 단일 모드 광원으로서는 회절격자의 주기적인 굴절률 결합에 의하여 단일 모드를 형성하는 전형적인 분포 궤환형 레이저를 예로 들수 있다.
그러나 이 경우 거울면을 통한 반사광의 영향이 지대하여 절단되는 반사면의 위치에 따라 광의 위상이 변하게 되고 따라서 수율도 적을 뿐만 아니라 광 스펙트럼의 반치폭도 일정 수치 이상의 값을 보이므로 장거리 광 전송시 분산에 의한 거리의 제한을 가지게 된다. 이러한 단점을 보완하기 위하여 제안된 종래의 기술은 굴절률 결합 이외에 이득 혹은 손실 결합을 추가하므로써 분포 궤환형 레이저에서의 반사광의 영향력을 줄이는 것이었다.
제1(a)도 내지 제1(c)도는 종래의 기술로서 세가지 대표적인 이득 결합된 분포 궤환형 레이저의 칩 단면 구조를 보이고 있다. 도면에서 도면부호 1은 p-InP 클래드층, 2는 InGaAsP 활성층, 3은 InGaAsP 광도파층, 4는 n-InP 버퍼층, 5는 n-InP 간격층, 6은 n+-InP 기판, 7은 n-InP(n-InGaAsP ) 회절격자, 8은 p-InGaAsP 광도파층, 9는 n-InGaAsP 광도파층, 10은 InGaAs(InGaAsP) 양자우물층, 11은 InGaAsP 장벽층, 12는 InGaAs 양자우물 구조의 회절격자를 각각 나타내고 있다.
먼저, 제1(a)도는 활성층(2) 두께의 주기적 변화를 줌으로서 이득결합 효율을 높인 분포 궤환형 레이저 칩 단면을 보여주고 있다. 도면에 도시된 바와 같이 활성층(2) 자체의 두께를 주기적으로 변화시키기 위해서는 활성층(2) 자체를 식각하거나 n+-InP 기판(6)의 면 방향의 방향성 성장 등을 이용하는 방법 등이 있는데 정밀한 조절에 어려움이 크고 활성층(2)의 특성이 손상될 수 있는 우려가 있다.
제1(b)도는 회절격자(7)의 전도 형태를 반전시킴으로서 주입 전류의 차단에 의한 이득의 변화를 줌으로서 이득 결합 효율을 높인 분포 궤환형 레이저 칩 단면도인데, 실제적으로 이득 결합 효율이 굴절률 결합에 비하여 상대적으로 작은 경향이 있으며 회절격자(7)의 두께 및 도핑 농도 등 최적화에 많은 변수를 수반되는 단점이 있다.
제1(c)도는 발진되는 광의 흡수 계수가 큰 인듐갈륨비소 이중양자우물 구조의 회절격자(12)를 사용하므로서 이득 결합 효율을 높인 분포 궤환형 레이저 칩 단면도인데, 공정상의 어려움이 있고 이득 결합 효율 또한 굴절률 결합의 십 분지일 정도로 아직 낮은 편이다.
본 발명은 초고속 장거리 광통신의 광원으로서 기존의 굴절률 결합형에 이득 결합을 추가한 복소 결합된 분산 궤환형 반도체 레이저에 있어서, 이득 결합의 분율을 증가시키기 위하여 광 흡수와 전류 차단의 이중효과가 있는 반절연 인듐갈륨비소를 회절격자로 사용하므로써 레이저의 광 특성을 증대시킬 수 있는 분포 궤환형 레이저 소자를 제공하는데 그 목적이 있다.
제1(a)도는 활성층 두께의 주기적 변화를 줌으로서 이득 결합 효율을 높인 종래의 기술에 따른 분포 궤환형 레이저 칩 단면도.
제1(b)도는 회절격자의 전도 형태를 반전시킴으로서 주입 전류의 차단에 의한 이득의 변화를 줌으로서 이득 결합 효율을 높인 종래의 기술에 따른 분포 궤환형 레이저 칩 단면도.
제1(c)도는 발진되는 광의 흡수 계수가 큰 인듐갈륨비소 이중양자우물 구조의 회절격자를 사용하므로써 이득 결합 효율을 높인 종래의 기술에 따른 분포 궤환형 레이저 칩 단면도.
제2(a)도는 n형 인듐인 버퍼층에 반절연 인듐갈륨비소 회절격자를 삽입한 복소 결합된 본 발명에 따른 분포 궤환형 레이저 칩 단면도.
제2(b)도는 제2(a)도에서 n형 기판 대신 p형 기판을 사용하므로써 본 회절격자를 활성층 위에 위치시킨 본 발명에 따른 칩 단면도.
제3(a)도 내지 제3(f)도는 본 발명에 따른 반절연 인듐갈륨비소를 회절격자로 사용한 복소 결합된 분포 궤환 레이저 칩의 제작 공정 단면도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : p-InP 클래드 층 2 : InGaAsP 활성층
3 : InGaAsP 광도파층 4 : n-InP 버퍼층
5 : n-InP 간격층 6 : n+-InP 기판
7 : n-InP(n-InGaAsP )회절격자
8 : p-InGaAsP 광도파층 9 : n-InGaAsP 광도파층
10 : InGaAs(InGaAsP) 양자우물층
11 : InGaAsP 장벽층 12 : InGaAs 양자우물 구조의 회절격자
13 : Fe 도핑된 반절연 InGaAs 회절격자
14 : p+-InGaAsP 저항성 접촉층
15 : p+-InP 기판 16 : n+-InGaAs 저항성 접촉층
17 : 질화 실리콘 막 18 : 반절연 InP 전류 차단층
19 : n-InP 정공 주입 방지용 삽입층
20 : p+-InGaAs 저항성 접촉층
21 : p형 전극
본 발명은 단일모드 장파장계 광원을 형성하기 위하여 기판 상에 형성되는 버퍼층, 활성층, 클래드층을 구비한 분포 궤환형 레이저 소자에 있어서, 상기 버퍼층에 매립되는 반절연 InGaAs 회절격자층을 포함하여 이루어지는 것을 특징으 한다.
또한, 본 발명은 단일모드 장파장계 광원을 형성하는 분포 궤환형 레이저 소자에 있어서, n형 기판; 상기 n형 기판 상에 형성되되 반절연 InGaAs 회절격자층을 포함하는 n형 버퍼층; 상기 n형 버퍼층 상에 형성되되 광도파층을 구비한 활성층; 상기 활설층 상에 형성되는 p형 클래드층; 및 상기 p형 클래드층 상에 형성되는 저항성 접촉층을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 단일모드 장파장계 광원을 형성하는 분포 궤환형 레이저 소자에 있어서, p형 기판; 상기 p형 기판 상에 형성되는 p형 클래드층; 상기 p형 클래드층 상에 형성되되 광도파층을 구비한 활성층; 상기 활성층 상에 형성되되 반절연 InGaAs 회절격자층을 포함하는 n형 버퍼층; 및 상기 n형 버퍼층 상에 형성되는 저항성 접촉층을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다. 먼저, 제2(a)도에 나타난 바와 같이 기본구조로서 n+-InP 기판(6) 상에 n-InP 버퍼층(4)을 성장시키고, 상기 n-InP 버퍼층(4)상에 Fe이 도핑된 반절연 InGaAs층(13)을 회절격자 두께만큼 성장시킨 후에 다시 n-InP 버퍼층을 20nm 정도 성장시킨다. 즉, 홀로그래픽 방법에 의한 회절격자 형상 형성 및 건식 식각을 통하여 회절격자를 형성시킨 후에 다시 n-InP를 성장하여 반절연 InGaAs층(13) 주위에 n형-반절연형-n형의 구조가 되도록 하므로써 정공주입에 의한 전류 누설을 최소화하였다. 계속해서, p-InGaAsP 광도파층(8)과 n-InGaAsP 광도파층(9)을 포함한 다중양자우물 구조, 즉, InGaAs(InGaAsP) 양자우물층(10) 및 InGaAs 장벽층(11)을 성장한다. 이어서, 상기 p-InGaAsP 광도파층(8) 상에 p-InP 클래드층(1) 및 p+-InGaAs 저항성 접촉층(14)을 차례로 형성한다.
그러나, 상기 제1(a)도에서 회절격자의 두께가 너무 큰 경우 활성층(10 및 11)이 평탄하게 형성되지 않는 수가 있게 된다. 따라서 이 경우에는 회절격자의 두께를 80nm 이하로 제한 받게 되고 활성층 성장 초기조건에 따라 재현성 확보에도 어려움이 있다. 이러한 공정상의 단점을 없애기 위하여 본 발명의 다른 실시예에서는 제2(b)도와 같이 p형 기판을 사용하고 p형 클래드층 및 광도파층을 포함한 활성층 그리고 n형 클래드층을 사용한다.
이를 구체적으로 살펴보면, p+-InP기판(15)상에 p-InP 클래드층(1)을 형성한후 p-InGaAsP 광도파층(8)과 n-InGaAsP 광도파층(9)을 포함한 다중양자우물 구조, 즉, InGaAs(InGaAsP) 양자우물층(10) 및 InGaAsP 장벽층(11)을 성장한다. 그리고, 상기 n-InGaAsP 광도파층(9) 상에 Fe이 도핑된 반절연 InGaAs층(13)이 매립되어 있는 n-InP 버퍼층(4' 및 4")을 성장시키고, 상기 n-InP 버퍼층(4") 상에 n+-InGaAs 저항성 접촉층(16)을 형성한다. 이때, 상기 n-InP 버퍼층(4')의 두게는 100nm 성장시킬 수 있으며, 반절연 InGaAs층 및 n-InP 클래드층을 한번의 결정 성장 공정으로 수행한다. 여기서는 반절연 InGaAs 회절격자층의 두께를 제한 받지 않고 설계하여도 이미 활성층(10 및 11)이 평탄하게 성장된 뒤이므로 공정상의 어려움 없이 복소결합된 분포 궤환형 레이저 칩을 제작할 수 있다.
제3(a)도는 내지 제3(f)도에서 제2(a)도의 칩 제작 과정을 보이고 있다. 즉, 제3(a)도 내지 제3(c)도의 공정은 제2(a)도의 p-InP 클래드층(1)의 공정을 나타낸 것으로 제3(d)도의 공정부터 상세히 설명한다. 제3(d)도는 상기 제3(c)도의 p-InP 클래드층(1)상에 식각 마스크로 사용될 질화 실리콘 막(17) 패턴을 소정의 크기로 형성하여 제3(b)도에서 회절격자 형성에서 사용될 수 있는 활성화된 이온 식각법과 동일한 방법으로 메사 스트리잎 구조를 형성한다. 이어서, 제3(e)도와 같이 반절연 InP(18)와 n-InP(19) 삽입층으로 구성된 반절연 전류차단층을 형성한 후 상기 제2(a)도의 p-InP 클래드층(1), p+-InGaAs 저항성 접촉층(20) 및 p형 전극(21)을 차례로 도포한다.
본 발명은 단일 모드 광원용 분포궤환형 반도체 레이저에 있어서 반절연 인듐갈륨비소를 회절격자로 사용하고, 이 회절격자를 n형 인듐인 기판 사용시 n형 인듐인 버퍼층에 삽입시키므로써 본 회절격자가 p형 반도체와 접합시 야기될 수 있는 정공 주입 효과를 배제 시킬수 있다. 또한, p형 인듐인 기판 사용시 공정상의 제한을 가지지 않도록 활성층 윗쪽에 본 회절격자를 위치시킴으로써 회절격자 두께를 자유롭게 조절할 수 있다.
본 발명은 반절연 인듐갈륨비소를 회절격자로 사용하므로써 반절연 특성에 의한 주기적 전류차단 및 인듐갈륨비소의 높은 발진광 흡수 특성으로 인하여 굴절률 결합에 비하여 매우 낮은 이득결합 비율을 극대화 하였다. 이로 인하여 반사면에서의 광 반사 효과에 덜 민감한 모드 안정성의 향상, 그리고 단일 모드 발진 수율 향상 및 적은 스펙트럼 반치폭 등으로 직접 변조 반도체 레이저 광원 및 어레이형 레이저 광원 등 범용 장파장계 단일 모드 광원으로 표준화될 가능성도 가지고있다.

Claims (16)

  1. 단일모드 장파장계 광원을 형성하기 위하여 기판 상에 형성되는 버퍼층, 활성층, 클래드층을 구비한 분포 궤환형 레이저 소자에 있어서, 상기 버퍼층에 매립되는 반절연 InGaAs 회절격자층을 포함하여 이루어지는 분포 궤환형 레이저 소자.
  2. 제1항에 있어서, 상기 반절연 InGaAs 회절격자층은 Fe이 도핑된 회절격자층인 것을 특징으로 하는 분포 궤환형 레이저 소자.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 기판은 n형 InP기판 상에 형성되고, 상기 반절연 InGaAs 회절격자층은 상기 n형 InP기판 상에 형성된 n형 InP버퍼층 상에 형성되는 것을 특징으로 하는 분포 궤환형 레이저 소자.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 레이저 소자는 p형 InP기판 상에 형성되고, 상기 반절연 InGaAs 회절격자층은 상기 n형 InP기판 상에 형성된 n형 InP버퍼층 상에 형성되는 것을 특징으로 하는 분포 궤환형 레이저 소자.
  5. 단일모드 장파장계 광원을 형성하는 분포 궤환형 레이저 소자에 있어서, n형 기판; 상기 n형 기판 상에 형성되되 반절연 InGaAs 회절격자층을 포함하는 n형 버퍼층; 상기 n형 버퍼층 상에 형성되되 광도파층을 구비한 활성층; 상기 활성층 상에 형성되는 p형 클래드층; 및 상기 p형 클래드층 상에 형성되는 저항성 접촉층을 포함하여 이루어지는 분포 궤환형 레이저 소자.
  6. 제5항에 있어서, 상기 반절연 InGaAs 회절격자층은 Fe이 도핑된 회절격자층인 것을 특징으로 하는 분포 궤환형 레이저 소자.
  7. 제5항 또는 제6항에 있어서, 상기 n형 기판은 n+-InP층인 것을 특징으로 하는 분포 궤환형 레이저 소자.
  8. 제7항에 있어서, 상기 버퍼층은 n-InP층 인것을 특징으로 하는 분포 궤환형 레이저 소자.
  9. 제8항에 있어서, 상기 클래드층은 p-InP층 인것을 특징으로 하는 분포 궤환형 레이저 소자.
  10. 제9항에 있어서, 상기 저항성 접촉층은 p+-InGaAs층 인것을 특징으로 하는 분포 궤환형 레이저 소자.
  11. 단일모드 장파장계 광원을 형성하는 분포 궤환형 레이저 소자에 있어서, p형 기판; 상기 p형 기판 상에 형성되는 p형 클래드층; 상기 p형 클래드층 상에 형성되되 광도파층을 구비한 활성층; 상기 활성층에 상에 형성되되 반절연 InGaAs 회절격자층을 포함하는 n형 버퍼층; 및 상기 n형 버퍼층 상에 형성되는 저항성 접촉층을 포함하여 이루어지는 분포 궤환형 레이저 소자.
  12. 제11항에 있어서, 상기 반절연 InGaAs 회절격자층은 Fe이 도핑된 회절격자층인 것을 특징으로 하는 분포 궤환형 레이저 소자.
  13. 제11항 또는 제12항에 있어서, 상기 p형 기판은 p+-InP층인 것을 특징으로 하는 분포 궤환형 레이저 소자.
  14. 제13항에 있어서, 상기 버퍼층은 n-InP층 인것을 특징으로 하는 분포 궤환형 레이저 소자.
  15. 제14항에 있어서, 상기 클래드층은 p-InP층 인것을 특징으로 하는 분포 궤환형 레이저 소자.
  16. 제15항에 있어서, 상기 저항성 접촉층은 n+-InGaAs층 인것을 특징으로 하는 분포 궤환형 레이저 소자.
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