KR100237188B1 - 튜너블 레이저 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 표면형 반도체 레이저 제조 방법에 관한 것으로, WDM을 위한 차세대 레이저에서 파장의 안정성을 유지하기 위한 본 발명은 활성층 내부의 클래딩층을 저온에서 성장시키고, 상부 및 하부 초격자 거울층과 활성층 내부의 양자 우물 구조층을 고온에서 성장시킨 후 형성된 구조에 고온 열처리 공정을 실시함으로써 개별적인 소자들의 레이저 파장을 원하는 대로 쉽고 정확하게 조절할 수 있으며 일단 열처리에 의해 파장 조절이 끝난 소자들은 재료 특성상 안정되어 시간에 따른 소자의 레이징 특성 변화를 일으키지 않는 튜너블 레이저 제조 방법이 제시된다.

Description

튜너블 레이저 제조 방법
본 발명은 차세대 파장 분할 방식(Wavelength Division Multiplex: 이하 WDM이라 함) 통신을 위한 핵심 소자로 사용되며 레이저 파장을 조절할 수 있는 1.55 마이크론 대역의 표면형 반도체 레이저 제조 방법에 관한 것으로, 특히 원자 오더링 구조를 갖는 활성층을 열처리한 튜너블 레이저(tunable laser) 제조 방법에 관한 것이다.
WDM용 레이저는 파장이 설계된 예상 수치의 2∼3 ㎚ 이내로 정확히 제조되어야 한다. 그러나 이를 위한 에피 성장과 공정의 재현성이 낮아 레이저 파장이 예상보다 쉽게 틀려져 소자 제조 후 레이저 파장을 정확히 조절할 수 있는 방법이 필요하다.
지금까지 알려져 있는 튜너블 레이저(tunable laser)는 불안정한 물성 특성을 이용하여 전장을 걸고 그 세기를 지속적으로 조절하여 파장을 조절하는 것이 일반적이다. 그러나 WDM을 위한 차세대 레이저는 파장의 변이가 2∼3 ㎚ 미만이어야 사용 가능하다. 이러한 파장의 안정성을 유지하기 위해서는 새로운 방법의 파장 조절 방법이 요구된다.
발광 파장이 조금씩 서로 다른 레이저들이 합쳐 구성된 WDM 통신망을 위해서는 개별적인 레이저의 파장 조절이 단순하고 레이저 파장이 주위 환경이나 발진 시간에 매우 안정하여야 한다.
따라서, 본 발명은 공명층의 격자 구조를 열처리하여 안정된 오더링에서 언오더링화 하여 공명층 두께를 변화시켜 파장이 조절된 후의 소자 구조의 물리적 특성을 시간에 변함없이 안정되고 주위의 영향에 적은 변화를 갖는 튜너블 레이저 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 반도체 기판 상부에 제 1 초격자 거울층을 750℃ 이상의 고온에서 성장시키는 단계와, 상기 제 1 초격자 거울층 상부에 제 1 전자 구속층을 650℃ 이하의 저온에서 성장시키는 단계와, 상기 제 1 전자 구속층 상부에 양자 우물 구속층을 750℃ 이상의 고온에서 성장시키는 단계와, 상기 양자 우물 구속층 상부에 제 2 전자 구속층을 650℃ 이하의 저온에서 성장시키는 단계와, 상기 제 2 전자 구속층 상부에 제 2 초격자 거울층을 750℃ 이상의 고온에서 성장시키는 단계와, 상기 단계에 의해 형성된 구조에 고온 열처리 공정을 실시하여 공명층 두께를 변화시켜 레이저 파장을 조절하는 단계로 이루어진 것을 특징으로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 성장 온도에 따른 격자 정합된 InAlAs/InP 버퍼층의 PL 에너지 변이를 도시한 그래프.
도 2는 본 발명에 따른 원자 오더링 구조를 가진 활성층을 열처리한 튜너블 레이저의 단면도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호 설명〉
10 : InP 기판 20 : 하부 초격자 거울층
30 : 활성층 40 : 상부 초격자 거울층
21a 내지 21e : InAlAs층 22a 내지 22f : InGaAlAs층
31a 및 31b : 전자 구속층 32 : 전자 우물 구속층
본 발명은 레이저 박막 구조를 성장하고 포토루미네센스(photoluminescence: 이하 PL이라 함) 분석을 통해 파장 변이 정도를 확인한다. 활성층의 일부는 규칙적인 배열(ordering)과 조성 분리가 되어 있어 소자의 고온 열처리를 통해 격자를 불규칙하게 만들어 원하는 레이저 파장대로 조절한다. 열처리 온도와 시간에 따라 레이저 파장의 변이 정도를 예상할 수 있다. 조절 방법이 매우 단순하고 일단 열처리를 통해 조절된 레이저 파장은 주위 온도와 발진 시간에 매우 안정하다.
기판 위에 3-5족 화합물 반도체의 3원계 박막층을 에피 성장법에 의해 격자 정합되도록 증착하면 불규칙적인 배열을 가진(unordering) 격자 구조를 이루는 것이 일반적이며 밴드갭은 1.56 eV 정도 예상된다. 그러나 InGaP, InGaAsP, InAlAs의 박막층은 특정한 성장 조건에서 오더링(ordering)이 일어난다. 오더링이란 격자의 규칙적인 배열로 밴드갭이 감소되고 광학적 특성이 변하는 것을 말한다. InAlAs 박막 성장의 경우에는 조성 분리까지 일어날 수 있어 밴드갭을 더욱 크게 감소시킨다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 성장 온도에 따른 격자 정합된 InAlAs/InP 버퍼층의 PL 에너지 변이를 도시한 그래프이다. 이는 InP 기판 위에 InAlAs층을 여러가지 기판 온도에 따라 성장하여 77oK에서 PL을 분석한 결과로서, 밴드갭 에너지의 증가와 PL 반치폭의 감소를 보여주고 있다. (100) InP 기판 위에 격자 정합된 In(0.52)Al(0.48)As 박막층을 MOCVD 에피 성장법에 의해 535∼750℃에서 성장하면 성장 온도에 따라 InAlAs 박막층의 밴드갭 에너지가 변화 한다. 최저 성장 온도에서 감소된 에너지와의 차이는 최대 300 meV에 이른다. 주요 원인은 In과 Al원자 간의 규칙적인 격자 배열에 의해 일어나며 조성 분리에 의한 효과도 크다. 오더링에 의한 밴드갭 에너지 감소는 최고 80 meV 미만으로 예상되며, 그 나머지 에너지 감소는 조성 분리(phase separation)에 의한 것으로 사료된다. 전자현미경을 통한 구조적 분석 결과로는 조성 변조(compositional modulation)의 현상이 가장 뚜렷하며 일정한 간격의 줄무늬를 가지는 수직형 In(x)Al(1-x)As/In(y)Al(1-y)As 초격자 형태가 성장 방향으로 형성되는 것을 보였다. 오더링과 조성 분리가 일어난 InAlAs 박막층 샘플을 750℃ 이상의 고온에서 열처리하면 시간에 따라 In과 Al 원자들의 자유로운 이동으로 격자의 언오더링 효과를 보여준다. 이에 따라 밴드갭도 점차 증대되며 굴절율이 감소된다.
도 2는 본 발명에 따른 원자 오더링 구조를 가진 활성층을 열처리한 튜너블 레이저의 단면도이다. 단면 구조는 n-타입 InP 기판(10) 위에 n-타입 하부 초격자 거울층(20)과 도우핑되지 않은 λ= 1인 활성층(30) 및 p-타입 상부 초격자 거울층(40)으로 이루어져 있다. 또한, 하부 및 상부 초격자 거울층(20 및 40)은 InAlAs층(21a 내지 21e)및 InGaAlAs층(22a 내지 22f)이 반복 적층된 구조를 가지고 있으며, 활성층(30)은 다층 양자 우물 구조층(quantum well structure)(32)과 이를 둘러싼 제 1 전자 구속층(confinement layer)(31a) 및 제 2 전자 구속층(31b)으로 이루어져 있다. 제 1 및 제 2 전자 구속층(31a 및 31b)은 650℃ 이하의 저온으로 성장한 격자 오더링된 InAlAs 박막층으로 장벽층의 역할을 한다. 단일 파장의 레이저 발진을 위해서는 활성층(30)을 이루는 공명층 두께를 레이저 파장과 같도록 해야 한다. 공명층(cavity layer)의 두께는 주로 장벽층의 두께를 조절하므로 장벽층을 클래딩층(cladding layer)이라고도 한다. 레이저의 발광 효율은 상부 및 하부 초격자 거울층(20 및 40)의 반사율에 크게 달려 있으나 레이저 파장은 활성층(30)에 있는 양자 우물 구조층(32) 보다도 공명층의 두께에 좌우된다. 1.55 마이크론 레이저를 위한 소자 구조로 활성층(30)내의 클래딩층만을 저온에서 성장하여 격자 오더링과 조성분리 효과가 일어나는 InAlAs 또는 InGaAlAs 박막층으로 만든다. 하부 및 상부 초격자 거울층(20 및 40)과 양자 우물 구조층(32)은 언오더링이 되도록 고온에서 성장한다.
성장된 소자 구조를 고온에서 열처리하게 되면 활성층(30)내의 InAlAs 클래딩층은 언오더링된 격자 구조를 가지면서 밴드갭과 굴절율이 변한다. 열처리 온도와 시간에 따라 변하는 정도가 달라져 광학적 공명층 두께를 정확히 조절할 수 있다. 이러한 방법에 의해 조절된 공명층 두께는 레이저 파장을 정확하게 변화시킬 수 있다. 열처리 방법에 의한 레이저 파장이 조절된 소자 구조는 재료의 특성을 기본적으로 변질시켜 제조되었기 때문에 시간에 따른 파장 특성이 매우 안정하다.
상술한 바와 같이 본 발명에 의하면 개별적인 소자들의 레이저 파장을 원하는 대로 쉽고 정확하게 조절할 수 있으며 일단 열처리에 의해 파장 조절이 끝난 소자들은 재료 특성상 안정되어 시간에 따른 소자의 레이징 특성 변화를 일으키지 않는 훌륭한 효과가 있다.

Claims (4)

  1. 반도체 기판 상부에 제 1 초격자 거울층을 성장시키는 단계와,
    상기 제 1 초격자 거울층 상부에 제 1 전자 구속층을 성장시키는 단계와,
    상기 제 1 전자 구속층 상부에 양자 우물 구속층을 성장시키는 단계와,
    상기 양자 우물 구속층 상부에 제 2 전자 구속층을 성장시키는 단계와,
    상기 제 2 전자 구속층 상부에 제 2 초격자 거울층을 성장시키는 단계와,
    전체 구조에 고온 열처리 공정을 실시하는 단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 튜너블 레이저 제조 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 초격자 거울층, 양자 우물 구속층 및 제 2 초격자 거울층은 750℃ 이상의 고온에서 성장시키는 것을 특징으로 하는 튜너블 레이저 제조 방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 전자 구속층은 650℃ 이하의 저온에서 성장시키는 것을 특징으로 하는 튜너블 레이저 제조 방법.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 전자 구속층은 InAlAs 및 InGaAlAs 중 어느 하나로 이루어진 것을 특징으로 하는 튜너블 레이저 제조 방법.
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