KR100228396B1 - 선택성 식각층을 이용한 고 효율의 광변조기 집적 단일파장 레이저 소자 제작방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명에서 제안한 광변조기 집적 단일파장 레이저 소자의 제작에 있어서 레이저 부분과 광변조소자 부분을 전기적으로 격리시킬 영역을 형성할 때 식각용액의 종류에 대해서 식각 선택성이 있는 초박막의 InGaAsP층을 성장하여 최적 구조의 격리구조를 형성하면 소광비를 크게하고 광손실을 줄이며 선폭확대계수를 최소로 조절할수 있는 광변조 집적소자를 제작 가능하게되어 우수한 특성을 갖는 파장 다중화 광통신용 광원의 제작방법에 관한 내용이다.
Description
본 발명은 분포궤환(Distribute Feedback;DFB) 레이저와 전계 흡수형(electro-absorption) 광변조기 집적 레이저 소자에 관한 것으로, 특히, 습식 식각용액에 대해서 식각 선택성을 갖는 InGaAsP의 성장층을 이용한 제작을 통하여 소광비를 크게하고 광손실을 줄여서 우수한 특성을 갖는 광변조기 집적 단일장 레이저 소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로, 광통신 시스템의 전송속도와 전송거리가 증가함에 따라 광원은 변조속도와 변조광 선폭등에서 더욱 고성능이 요구된다. 1996년 이후 장거리 국간 전송은 10Gbps 이상의 전송율이 채용될 예정이며 따라서, 반도체 레이저의 직접변조 방식은 그 한계를 가지고 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위한 방법으로 변조하지 않는 협선폭의 반도체 레이저 광을 외부 광변조 소자를 사용하여 전송신호로 변조하고 있다. 이러한 방법은 직접변조 반도체 레이저에 비하여 변조광선폭을 크게 줄일 수 있는 장점이 있다. 특히 EDFA 광섬유 증폭기 기술의 발전에 따라 광통신의 전송거리는 신호의 감쇄 보다는 분산에 의한 신호의 왜곡에 더 지배를 받고 있으므로 광통신에의 무중계 전송거리 증가를 위해서는 광원의 변조광 선폭 감소가 필수적이다. 그러나 이러한 외부 광변조 소자의 사용을 위해서는 두 차례의 광섬유와 외부 광변조 소자 사이의 광결합 과정이 필요하며, 따라서 10dB 정도의 광결합 손실이 발생한다.
또한, 외부 광변조 소자가 가지고 있는 편광의존성 문제와 모듈의 크기에 의하여 시스템제작이 불편한 문제점을 가지고 있다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 세계적으로 분포궤환 레이저와 광변조 소자를 단일칩에 집적화 하는 연구가 시도되고 있다. 이러한 분포 궤환형 반도체 레이저와 전계흡수형 광변조 소자가 집적된 광변조기 직접 단일파장 레이저 집적소자가 동작될 때 일반적으로 분포 궤환형 반도체 레이저는 연속적인 전류에 의해서 구동되고 집적된 광변조 소자는 광변조 소자 양단에 인가된 전압에 의해서 발생된 전장에 의해서 반도체 레이저에서 나온 빛의 세기를 변조하게 된다. 이러한 집적형 변조소자를 광통신 시스템에 사용하기 위해서는 분포궤환형 반도체 레이저와 흡수 전계형 광변조 소자가 전기적으로 잘 절연이 되어야 하고, 동시에 분포궤환형 반도체 레이저에서 나오는 빛을 집적된 광변조 소자의 광도파로 손실없이 잘 전달될수 있도록 격리층의 두께가 잘 조정되어야 한다.
그러나 집적형 광변조 소자에서 분포궤환 레이저와 광변조 소자를 전기적으로 잘 격리시키면서 도파로를 형성하기는 매우 어려워서 우수한 소자 성능을 갖는 집적형 광변조소자를 제공하지 못하였다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여 종래에는 분포궤환형 반도체 레이저와 광변조 소자를 결정 성장법을 이용하여 집적시킨 후에 전기적인 격리를 위하여 습식식각에칭 방법에 의해서 식각을 하고 식각 깊이는 식각시간 조절로 하는 방법과 반응성 이온 식각 방법에 의한 격리방법이 제안되었다.
제1도는 종래의 광변조 소자 집적 분포궤환 레이저의 단면을 나타내고 있다. 도면에서 도면부호 1은 DFB 레이저의 활성층, 2는 DFB 레이저를 위한 회절격자층, 3은 DFB 레이저부분의 InGaAsP 광도파로층, 4는 DFB 레이저 부분의 클래드(clad)층, 5는 오믹저항을 위한 InGaAs층, 6은 Ti/Pt/Au로 이루어진 p형 전극, 7은 DFB레이저와 광변조 소자의 전기적 격리를 위한 격리 구조, 8은 광변조 소자 부분의 클래드층, 9는 광변조 소자 부분의 InGaAsP/InGaAsP 다중양자우물 흡수층, 10은 광변조 소자 부분의 InGaAsP 광도파로층, 11은 Cr/Au n형 오믹 전극, 13은 기판을 각각 나타낸다.
그러나 종래의 집적 분포궤환 레이저는 식각 깊이에 있어서 재현성이 없어서 두 소자 사이의 충분한 전기적 격리와 그리고 광결합의 두조건을 만족시키기 어렵게 되어서 광변조 소자의 동작시 분포궤환형 반도체 레이저의 구동전류가 전계흡수형 광변조 소자 쪽으로 흘러들어서 변조기의 변조를 위해서 인가되는 전장의 세기를 감소시키게 되고 결과적으로 빛의 소광비를 줄여주게 되어서 우수한 소자특성을 갖게 어렵게 하는 결과를 초래하게 된다.
본 발명은 광변조 소자 집적 분포궤환 레이저의 레이저 부분과 광변조소자 부분을 전기적으로 격리하는데에 있어서 식각용액에 대해서 식각 선택성이 있는 초박막 InGaAsP를 사용하여 격리구조의 정확한 깊이 및 폭을 조절 할수 있어서 광흡수층의 소광비를 크게하고 광손실을 줄이며 선폭확대계수를 최소로 조절할 수 있는 광변조기 직접 단일파장 레이저 소자 및 그 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
제1도는 종래의 제작 방법으로 InGaAsP/InGaAsP 다층 양자우물 구조의 광변조 소자를 집적시킨 광변조 집적소자 구조의 개략도.
제2도는 본 발명에서 제안한 InGaAsP의 선택적 에칭층의 성장을 이용하여 레이저와 광변조 소자를 정밀하게 전기적으로 격리시켜 향상된 성능을 갖는 집적형 광변조 소자의 개략도이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : DFB(Distribute Feedback) 레이저의 활성층
2 : DFB 레이저를 위한 회절격자층
3 : DFB 레이저부분의 InGaAsP 광도파로층
4 : DFB 레이저 부분의 클래드층
5 : 오믹저항을 위한 InGaAs층
6 : Ti/Pt/Au로 이루어진 p형 전극
7 : DFB 레이저와 광변조 소자의 전기적 격리를 위한 격리 구조
8 : 광변조 소자 부분의 클래드층
9 : 광변조 소자 부분의 InGaAsP/InGaAsP 다중양자우물 흡수층
10 : 광변조 소자 부분의 InGaAsP 광도파로층
11 : Cr/Au n형 오믹 전극
12 : 정확한 격리 구조 형성을 위해 삽입된 식각용액에 따른 선택적 식각 특성을 갖는 InGaAsP층
13 : InP기판
본 발명은 동일한 하나의 제1 클래드층 상부의 일부에 레이저 소자 및 광변조 소자가 형성되어 상기 레이저 소자와 상기 광변조 소자를 집접화 시키는 반도체 소자 제조방법에 있어서, 상기 제1 클래드층 상부에 InGaAsP층을 형성하는 단계; 상기 InGaAsP층 상에 제2 클래드층을 형성하는 단계; 상기 InGaAsP층이 노출될때까지 상기 광변조소자 부위의 제2 클래드층을 각하는 단계; 및 노출된 상기 InGaAsP층을 식각하여 제거하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서는 광변조 소자의 성능을 향상하기 위하여 분포궤환형 반도체 레이저와 흡수 전계형 광변조 소자의 집적을 위하여 결정을 성장할 때 습식 식각 용액의 종류에 따라서 식각 선택 특성이 있는 초 박막의 InGaAsP층을 성장층에 포함시켜서 반도체 레이저와 광변조 소자를 전기적으로 격리시킬 때 정확한 식각 깊이를 조절할수 있슴으로서, 소광비를 크게하고 광손실을 줄이며 선폭확대계수를 최소로 조절할 수 있도록 구성된다.
분포궤환형 반도체 레이저와 흡수형 광변조 소자가 집적된 광변조소자의 경우 집적된 레이저의 구동시 약100mA 정도의 전류가 연속적으로 흘려서 빛을 발생시키게 된다. 이렇게 발생되어서 집적된 전계 흡수형 광변조 소자에 들어온 빛은 변조기에 인가되는 전압에 의해서 변조가 되는 데 보통 변조시에는 5×10E5V/cm 정도의 높은 전장이 걸려서 약 13dB 정도의 소광비를 얻게된다. 이러한 인가전압에서 13dB 정도의 우수한 소광특성을 얻기위해서는 집적된 반도체 레이저와 광변조 소자가 전기적으로 잘 격리되고 또한 집적된 레이저에서 발생된 빛이 변조기쪽으로 잘 결합되도록 하기 위해서는 집적 결정구조에 있어서 레이저와 변조기가 직접되는 결합면의 연결부위 높이가 적당하여야 만이 가능하게 된다.
이하, 첨부된 제2도를 참조하여 본 발명의 일실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.
먼저, 제2도는 본 발명에서 제안한 InGaAsP의 선택적 에칭층의 성장을 이용하여 레이저와 광변조 소자를 정밀하게 전기적으로 격리시켜 향상된 성능을 갖는 집적형 광변조기 직접 단일파장 레이저 소자의 개략적인 단면도로서, 상기 제1도에서와 동일부호는 동일명칭을 나타낸다.
먼저, 기판(13) 상에 DFB 레이저를 위한 회절격자층(2)을 형성한다. 이이서, 상기 회절격자층(2) 상에 DFB 레이저부분의 InGaAsP 광도파로층(3), 다중 양자 우물 활성층(1), InGaAsP 광도파로층(10) 및 p-InP 클래드층을 MOCVD 결정 성장법으로 차례로 형성한후, 광변조기 부분이 형성될 부분을 반응성 이온식각후 광변조 소자 부분의 InGaAsP 광도파로층(10), InGaAsP/InGaAsP 다중양자우물 흡수층(9), InGaAsP 광도파로층(10) 및 p-InP 클래드층 차례로 선택성장 시킨다.
그리고, 상기 DFB 레이저 및 광변조 소자 부분에 3㎛의 폭을 갖는 메사형 도파로 구조를 형성한후 반절연 InP를 도파로 측면에 MOCVD 방법으로 성장하여 매립형 구조를 형성한다. 또한, p-InP클래드층(4')을 전체구조 상부에 형성한후, 상기 제1 클래드층(4') 상에 상기 제1 클래드층(4')의 InP와 다른 선택식각 특성비를 갖는 InGaAsP층(12)을 레이저 및 변조소자 상부 각각에 대해 0.7~1.3㎛ 및 0.15~0.25㎛ 정도의 두께를 MOCVD방법으로 성장시킨다.
이어서, 레이저 부분 및 변조소자 부분의 상기 InGaAsP층(12) 상부에 InP층을 형성한다.
상기 제2 클래드층(4') 상부에 오믹저항 감소를 위한 InGaAsP층(5)을 0.3㎛두께로 형성한다.
계속하여, 집적된 레이저와 광변조 소자의 전기적 격리 및 우수한 광결합 특성을 얻기 위하여 질화 산화막 및 리쏘그라피방법에 의해서 50um 정도의 길이로서 광변조 소자 영역에 식각 영역을 형성하는데, 먼저 InGaAs층(5)의 선택 식각 용액인 5H2O+1H3PO4+1H2O2용액을 이용하여 InGaAs만 선택 식각하고 다시 광변조기의 클래드층인 InP층(8)의 선택 식각 용액인 1HCl+5H3PO4용액으로 식각 중단 층으로 작용하는 InGaAsP(12) 층까지 InP를 선택 식각 한다. 그리고 다시 최종적으로 InGaAsP의 선택 식각용액인 3H2SO4+1H2O2+1H2O를 이용하여 선택 식각하여 설계상에서 원하는 최적의 전기적 격리와 광결합을 가져다주는 격리구조를 얻을 수 있게 된다.
상기와 같은 식각용액에 따른 선택성 식각 특성을 갖는 식각 중단층을 이용하여 제작된 광변조 소자는 전기적 격리 영역의 깊이 및 폭을 정확하게 형성함으로서 소자 상호간에 일으킬 수 있는 전기적 간섭을 배제할 수 있다. 결과적으로 동작 전압이 낮고 또한 소광특성이 우수한 집적형 광 변조소자를 제작할 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명에서 제안한 바 같이 광변조기 집적 단일파장 레이저 소자의 제작에 있어서 레이저 부분과 광변조 소자 부분을 전기적으로 격리시킬 영역을 형성할 때 식각용액의 종류에 대해서 식각 선택성이 있는 초박막의 InGaAsP층을 성장하여 최적 구조의 격리구조를 형성하면 소광비를 크게하고 광손실을 줄이며 선폭확대계수를 최소로 조절할 수 있는 광변조 집적소자를 제작가능하게되어 파장 다중화 광통신용 광원으로 적합한 광원이 된다.
Claims (6)
- 동일한 하나의 제1 InP-클래드층 상부의 일부에 레이저 소자 및 광변조 소자가 형성되어 상기 레이저 소자와 상기 광변조 소자를 집적화 시키는 반도체 소자 제조방법에 있어서, 상기 제 1클래드층 상부에 InGaAsP층을 형성하는 단계; 상기 InGaAsP층 상에 제2 InP-클래드층을 형성하는 단계; 상기 InGaAsP층이 노출될때까지 상기 광변조소자 부위의 상기 제2 InP-클래드층을 식각하는 단계; 및 노출된 상기 InGaAsP층을 식각하여 제거하는 단계를 포함하여 이루어지는 반도체 소자 제조 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 클래드층은 InP층인 것을 특징으로 하는 반도체 소자 제조방법.
- 제2항에 있어서, 상기 제2 클래드층의 식각 용액은 HCl+5H3PO4용액인 것을 특징으로 하는 반도체 소자 제조 방법.
- 제2항에 있어서, 상기 InGaAsP층의 식각 용액은 3H2SO4+H2O2+H2O 용액인 것을 특징으로 하는 반도체 소자 제조 방법.
- 제2항에 있어서, 상기 제2 클래드층은 InGaAs의 오믹저항층을 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 반도체 소자 제조 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 광변조 소자 부분에 형성되는 InGaAsP층의 두께는 저전압 동작에서 높은 소광비를 갖도록 상기 레이저 소자 부위에 형성되는 InGaAsP층의 두께보다 얇은 것을 특징으로 하는 반도체 소자 제조 방법.
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| KR19980050976A KR19980050976A (ko) | 1998-09-15 |
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|---|---|---|---|---|
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1996
- 1996-12-21 KR KR1019960069824A patent/KR100228396B1/ko not_active IP Right Cessation
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| US11398713B2 (en) * | 2017-12-04 | 2022-07-26 | Mitsubishi Electric Corporation | Electro-absorption modulator, optical semiconductor device and optical module |
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