KR100237858B1 - 역메사 리지 웨이브가이드 구조의 분포귀환형 레이저 다이오드 - Google Patents

역메사 리지 웨이브가이드 구조의 분포귀환형 레이저 다이오드 Download PDF

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Abstract

본 발명은 역메사 리지-웨이브가이드 구조의 분포귀환형 레이저 다이오드에 관한 것으로서, 상기 레이저 다이오드의 구성은 기판에 회절격자가 형성되고, 이 회절격자 위에 가이드층, 이 가이드층 위에 활성층, 이 활성층 위에 제2가이드층, 그 위에 클래드층, 이 클래드층 위에 캡층이 위치하며, 그리고 이 캡층과 클래드층의 일부가 식각됨으로서 리지 부분이 형성되고, 그 위에 전체적으로 증착된 절연층과, 리지 부분 상부의 일부분에서 상기 절연층을 제거하고 금속박막을 증착하여 형성한 p-전극, 그리고 기판에서 상기 구조들이 형성된 면의 반대쪽 면을 래핑한 후 금속박막을 증착하여 형성한 n-전극으로 구성되며, 그 제작 공정에 있어서 회절격자가 활성층 아래에 있을 경우에는 단 한 번의 MOCVD 공정만으로도 제작이 가능하며, 이밖에 회절격자가 활성층 위에 있을 경우에는 두 번의 MOCVD 공정으로 제작할 수 있어, 종래의 매장형 구조의 분포귀환형 레이저 다이오드에 비하여 만들기가 비교적 쉬우며 제작 비용이 절감되는 효과가 있는 것을 특징으로 하는 역메사 리지 웨이브가이드 구조의 분포귀환형 레이저 다이오드에 관한 것이다.

Description

역메사 리지 웨이브가이드 구조의 분포귀환형 레이저 다이오드
본 발명은 광통신용 반도체 레이저 및 그 제작 방법에 관한 것으로서, 특히 역메사 리지 웨이브가이드 구조를 갖는 분포귀환형(DFB : Distributed Feedback) 레이저 다이오드(LD : Laser Diode)에 관한 것이다.
일반적으로, 대용량의 정보를 광섬유를 통하여 전달하기 위해서는 전기적 신호를 광신호로 변환해주는 레이저 다이오드로부터 발진되는 빛이 단일모드로 유지되는 것은 매우 중요한 일이다. 레이저 다이오드의 결정 양면은 통상적으로는 파브리 페로형 공진기로 되어 있으나, 상기한 단일모드 특성을 향상시키기 위하여 파브리 페로형 공진기 대신에 회절격자를 갖는 분포귀환형 레이저가 실현되고 있다. 파브리 페로형 공진기 대신에 분광기와 같은 원리의 파장 선택성이 높은 회절격자로 반사기를 만들면, 특정의 파장 즉 특정의 단일모드만을 발진시킬 수가 있으며 또한 고속 변조시에서도 단일모드의 발진을 유지하는 장점도 가진다. 이 회절격자를 레이저 결정 내에 만들어 붙인 것이 ″분포귀환형 레이저″ 또는 ″분포반사형(DBR : Distributed Bragg Reflector) 레이저″이다. 이때 가이드층과 회절격자는 활성층의 위쪽에 붙여지는 경우와 아래쪽에 붙여지는 경우가 있다.
종래의 고출력 및 단일모드를 실현하는 분포귀환형 레이저 다이오드의 제작 기술 중 하나로서 매장형 이종접합구조의 DFB LD 가 알려져 있다.
종래의 매장형 이종접합구조의 DFB LD에 있어서는, 도 1에 의하여 도시되어 있는 바와 같이, n-InP 기판에 회절격자가 만들어지고, 그 위에 InGaAsP 가이드층과 활성층과 그리고 p-InP 클래드층을 차례로 성장시킨다. 그런 다음 식각공정으로 메사형태를 만들고, 식각된 부분에 p-InP 제1접합층과 n-InP 제2접합층을 성장시킨 다음, 메사의 윗부분과 식각한 후 형성한 n-InP 층 위의 모든 부분에 p-InP 층과 p-InGaAsP 층을 차례로 형성시키고 있다. 이와 같이 회절격자가 활성층의 아래쪽에 붙여지는 경우에 있어서는, 회절격자의 형성 후, p-InP 클래드층의 형성까지의 첫번째 유기금속화합물 기상 성장법(MOCVD : metal organic chemical vapor deposition)에 의한 공정과, 메사형성 후, 메사 옆부분에 두 개의 접합층인 p-InP 층과 n-InP 층을 형성하는 두 번째 MOCVD 공정과, 그리고 전체적으로 p-InP 클래드층과 p-InGaAsP 캡층을 형성시키는 세 번째 MOCVD 공정이 필요하게 된다.
일반적으로 레이저 다이오드 제작에 이용되는 장비 중에서 가장 핵심적인 장비가 MOCVD 공정 장비이다. 상기한 종래의 기술에서는 MOCVD 공정이 여러번 반복되므로 제작 공정이 비교적 복잡하여 비용이 많이 들고 만들기가 어렵다는 단점이 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 종래에 비하여 필요한 MOCVD 공정의 횟수를 줄임으로써 제작공정을 단축시킨 고출력 단일모드의 빛을 발진할 수 있는 역메사 리지 웨이브가이드 구조를 갖는 DFB LD 을 제공하고자 한다.
도 1은 종래의 기술에 의한 역메사 매장형 구조의 DFB LD를 도시하고 있는 개략도.
도 2는 본 발명에 일실시예인 역메사 리지 웨이브가이드 구조의 DFB LD를 도시하고 있는 개략도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10 : n-전극20 : 기판 (n-InP)
22 : 제1접합층 (p-InP)24 : 제2접합층 (n-InP)
26 : 클래드층 (p-InP)30 : 회절격자
40 : 가이드층 (n-InGaAsP)45 : 제2가이드층 (u-InGaAsP)
50 : 활성층 60 : 캡층 (p-InGaAsP)
65 : 캡층 (p-InGaAs)70 : 절연층 (SiOX)
80 : p-전극
이러한 목적을 위하여 본 발명은 역메사 리지 웨이브가이드 구조를 가지는 DFB LD를 제공하고 있는데, 상기 LD는 n-InP 기판 위에 회절격자가 형성되며, 이 회절격자 위에 가이드층인 n-InGaAsP 층이 있고, 이 가이드층 위에 u-InGaAsP 층과 u-InGaAs 층으로 이루어지는 다중양자우물(MQW : multi quantum well) 구조를 갖는 활성층과, 이 활성층 위에 u-InGaAsP 제2가이드층과, 이러한 u-InGaAsP 층 위에 형성된 p-InP로 이루어진 클래드층, 이 클래드층 위에 형성된 p-InGaAs 캡층, 이 p-InGaAs 캡층과 p-InP 클래드층의 일부가 식각됨으로서 형성된 리지 부분과, 이렇게 만들어진 구조의 상부에 전체적으로 증착된 SiOX절연층과, 리지부분 상부 SiOX절연층의 일부분만을 식각한 후 증착된 금속박막인 p-전극 및 상기 n-InP 기판의 아랫부분을 래핑한 후 증착된 금속박막인 n-전극으로 구성되는 것을 특징으로 하는 역메사 리지 웨이브가이드 구조를 가진 DFB LD이다.
또한 본 발명은, 1.31 ㎛, 1.55 ㎛ 파장의 광을 발진하는 것을 특징으로 하는 역메사 리지 웨이브가이드 형태의 구조를 갖는 DFB LD를 제공하고 있다.
이하에서 첨부된 도면에 의하여, 본 발명에 의한 레이저 다이오드를 구체적으로 설명하면 다음과 같다. 각각의 도면에서 동일한 참조번호는 동일한 장치를 지칭하고 있음에 주의하라.
도 1에 의하여 종래 기술에 의한 매장형 DFB LD의 구조가 도시되어 있다. 그 구조에 대하여는 앞에서 언급한 것과 같고, 그 제작 공정을 설명하자면 다음과 같다. 먼저 통상적인 n-InP 기판(20)에 E-빔 리소그래피 장비와 식각액을 사용하여 회절격자(30)를 형성한다. 회절격자(30)를 만드는 과정은 다음과 같다. 즉 기판에 형성된 회절격자 전용 포토레지스트(PR)를 상기 E-빔 리소그래피 장비를 이용하여 일정한 간격으로 광에 노출시킨다. 이렇게 노출된 PR을 현상하여 회절격자의 일정한 형상이 나타나게 한다. 그런 다음 형상이 나타난 PR위로 식각액을 접촉시켜, 기판에 소정 주기의 회절격자를 형성한 후 남아있는 PR을 다른 식각액으로 제거한다. 이렇게 형성된 회절격자 위로 제1차 MOCVD 공정에 의하여, n-InGaAsP 가이드층(40), u-InGaAsP 활성층(50), p-InP 클래드층(26)을 차례로 성장시킨다. 그런 다음 식각공정으로 활성층(50)이 포함된 부분을 메사형태로 만들고, 메사 주위 공간에 제2차 MOCVD 공정에 의하여 p-InP 제1접합층(22)과 n-InP 제2접합층(24)을 형성시킨다, 이제 메사 부분의 옆 공간은 제1접합층과 제2접합층에 의하여 완전히 채워졌다. 그런 다음, 제3차 MOCVD 공정에 의하여 메사의 윗부분과 식각한 후 형성한 n-InP 제2접합층(24) 위의 모든 부분에 전체적으로 n-InP 클래드층(26)과 p-InGaAsP 캡층(60)을 형성시킨다. 이제 산화규소막을 증착하고 활성층 윗부분과 대응되는 산화규소막을 식각한 후 p-전극(80)을 증착하고 래핑공정으로 기판을 얇게 깍아 n-전극(10)을 증착시키기만 하면 역메사 매장형 구조의 DFB LD가 완성된다.
상기한 바와 같이, 도 1에 의하여 도시되어 있는 종래의 DFB LD는 MOCVD 공정이 최소 3번이 필요하며, 만약 회절격자가 활성층 위에 존재하는 경우에는 4번의 MOCVD 공정이 필요하게 된다.
본 발명에 의하여 제공되는 DFB LD는, 도 2에 도시되어 있는 바와 같이, 역메사 리지 웨이브가이드 구조를 가지며, 단 한 번의 MOCVD 공정만으로도 제작이 가능한 이점을 가지고 있다. 본 발명이 제공하는 역메사 리지 웨이브가이드 구조를 가진 DFB LD의 구조를 도 2에 도시되어 있는 것을 참고로 설명하면 다음과 같다. 즉, n-InP 기판(20)위에 회절격자(30)가 위치해 있고, 이 회절격자(30) 위에 n-InGaAsP 가이드층(40)이 있고, 이 가이드층 위에 u-InGaAsP 층과 u-InGaAs 층으로 이루어지는 다중양자우물(MQW : multi quantum well) 구조를 갖는 활성층(50)과, 이 활성층(50) 위에 u-InGaAsP 제2가이드층(45)과, 이러한 u-InGaAsP 제2가이드층(45) 위에 형성된 p-InP로 이루어진 클래드층(26), 이 클래드층(26) 위에 형성된 p-InGaAs 캡층(65), 이 p-InGaAs 캡층(65)과 p-InP 클래드층(26)의 일부가 식각됨으로서 형성된 리지 부분과, p-InGaAs 캡층(65)위에 증착된 SiOX절연층(70)과, 리지부분 상부의 일부분만을 식각한 금속박막이 증착된 p-전극(80)으로 구성되고 있다. 이러한 구조의 경우 회절격자가 형성된 후 한 번의 MOCVD 공정으로 모든 층을 형성시킬 수 있는 장점이 있다.
도 2에 의하여 도시되어 있는 본 발명의 일실시예의 제작 공정을 상세히 설명하면 다음과 같다. 먼저 통상적인 n-InP 기판(20)에 E-빔 리소그래피 장비와 식각액을 사용하여 회절격자(30)를 형성한다. 회절격자를 만드는 과정은 다음과 같다. 즉 기판에 형성된 회절격자 전용 포토레지스트(PR)를 상기 E-빔 리소그래피 장비를 이용하여 일정한 간격으로 광에 노출시킨다. 이렇게 노출된 PR을 현상하여 회절격자의 일정한 형상이 나타나게 한다. 그런 다음 형상이 나타난 PR위로 식각액을 접촉시켜, 기판에 소정 주기의 회절격자를 형성한 후 남아있는 PR을 다른 식각액으로 제거한다. 이때 상기 회절격자(30)의 주기는 LD의 발진파장의 원하는 바에 맞추어 조정할 수 있다. 이렇게 회절격자(30)가 형성된 기판 위에 MOCVD 장비로 n-InGaAsP 가이드층(40)과 활성층(50), u-InGaAsP 제2가이드층(45), p-InP 클래드층(26), 그리고 p-InGaAs 캡층(65)을 차례로 형성한다. 이렇게 결정들이 성장되어 있는 이종접합구조를 갖는 박막 기판에 산화규소층을 증착하여 리소그래피 공정으로 리지 형태의 포토레지스트(PR) 마스크를 만든후, 상기 PR 마스크 부분 이외에 노출되어 있는 산화규소층을 식각하여 제거한다. 잔류 PR 마스크를 제거한 후 산화규소 마스크를 이용하여 p-InGaAs 캡층(65)을 습식으로 선택 식각한 후 다시 선택용액을 사용하여 활성층(50) 바로 윗층인 u-InGaAsP 제2가이드층(45)까지 식각하여 메사구조를 형성한다. 그런 다음 남아있는 산화규소층을 제거하고 다시 기판 전면에 SiO2절연층(70)을 증착한 다음 사진석판술 공정으로 리지 윗부분만을 PR을 이용하여 리지 윗부분의 절연층(70)을 제거한다. 그 위에 p-전극(80)을 증착한 후 리프트오프(Liftoff) 공정으로 PR을 제거하여 제2도에서 도시되고 있는 바와 같은 모양의 p-전극(80)을 만든다. 일반적으로 기판의 두께는 예컨대 350 ㎛ 정도인데 비하여 상기와 같은 제조 공정에 의하여 제작된 회절격자부터 p-전극까지의 구조물의 두께는 약 2 ㎛ 정도이다. 일반적으로 기판의 아래쪽에 n-전극이 붙는 최종 구조에 있어서, 전류는 p-전극에서 활성층으로 내려가고 그런다음 기판을 통하여 n-전극으로 확산되게 될 것인데, 이때 기판의 두께가 얇으면 확산되는 전류를 절약할 수 있게 된다. 그리고 레이저광의 발진시에 발생하는 열을 빠르게 방출시키도록 하기 위해서도 기판의 두께가 얇을 것이 요구되는 것이다. 따라서, 래핑공정으로 기판의 두께가 약 100 ㎛ 정도로 되도록 만들고 래핑으로 인한 기판 손상을 제거하기 위하여 래핑된 면을 식각용액을 이용하여 습식식각을 한다. 그런 다음 금속박막인 n-전극(10)을 p-전극의 대향되는 결정면에 증착한다.
상기한 바와 같이, 종래의 분포귀환형 레이저 다이오드는 매장형 이종접합(BH : Burried Heterostructure) 구조를 가지고 있기 때문에 회절격자가 활성층 위에 있을 경우에는 4번의 MOCVD 공정이 필요하고, 회절격자를 활성층 아래에 형성할 때에도 적어도 3번의 MOCVD 공정이 필요하였다. 그러나 본 발명에 의하여 제안된 역메사 리지 웨이브가이드 구조를 가진 새로운 분포귀환형 레이저 다이오드는 회절격자가 활성층 아래에 있을 경우 단 한 번의 MOCVD 공정만으로도 제작이 가능하며, 회절격자가 활성층 위에 있을 경우 두 번의 MOCVD 공정으로 제작할 수 있어, 비교적 고가의 장비가 요구되는 MOCVD 공정의 횟수를 줄임으로써 제작 비용이 절감되는 효과가 있다.

Claims (3)

  1. 분포귀환형 레이저 다이오드에 있어서, n-InP 기판 위에 회절격자가 형성되며, 이 회절격자 위에 가이드층인 n-InGaAsP 층이 있고, 이 가이드층 위에 u-InGaAsP 층과 u-InGaAs 층으로 이루어지는 활성층과, 이 활성층 위에 u-InGaAsP 제2가이드층과, 이러한 u-InGaAsP 층 위에 형성된 p-InP로 이루어진 클래드층, 이 클래드층 위에 형성된 p-InGaAs 캡층, 이 p-InGaAs 캡층과 p-InP 클래드층의 일부가 식각됨으로서 형성된 리지 부분과, 이렇게 만들어진 구조물의 상부에 전체적으로 증착된 SiOX절연층과, 리지부분 상부 SiOX절연층의 일부분만을 식각한 후 증착되는 금속박막인 p-전극 및 상기 n-InP 기판의 아랫부분을 래핑한 후 증착되는 금속박막인 n-전극으로 구성되는 것을 특징으로 하는 역메사 리지 웨이브가이드 구조를 가진 DFB LD.
  2. 제1항에 있어서, 1.31 ㎛ 파장의 광을 발진하는 것을 특징으로 하는 역메사 리지 웨이브가이드 형태의 구조를 갖는 DFB LD.
  3. 제1항에 있어서, 1.55 ㎛ 파장의 광을 발진하는 것을 특징으로 하는 역메사 리지 웨이브가이드 형태의 구조를 갖는 DFB LD.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JPH0521904A (ja) * 1991-07-10 1993-01-29 Nec Corp 半導体光制御素子およびその製造方法
KR940022961A (ko) * 1993-03-17 1994-10-22 김주용 레이저 다이오드 제조방법

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