KR100243102B1 - 편광 스위칭 표면 방출 레이저 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 표면 방출 레이저에 관한 것으로서, 특히 갈륨 비소(GaAs) 등의 화합물 반도체 물질이 갖고 있는 전광(electro-optic) 효과를 이용하여 표면 방출 레이저의 화합물 반도체 거울층의 굴절률을 전기장을 이용하여 편광에 따라 다르게 변화시킴으로써 레이저 공진 파장이 편광에 의존하도록 하는 편광 조절 기능을 갖는 편광 스위칭 표면 방출 레이저 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
종래 표면 방출 레이저는 구조상 빛의 방출 면에서 대칭적인 구조를 갖고 있으므로 편광 특성을 보이지 않아야 하지만, 공정 상에서 발생되는 비대칭성, 응력 효과 및 전류 주입을 위한 전기장 효과 등에 의하여 편광 특성을 보이고 있다. 그러나 이와 같은 효과들은 인위적이지 않고 일정한 특성을 보이지 않아, 소자별 및 출력별로 편광의 변화가 나타나는 문제점이 도출되었다.
따라서 본 발명은 상부 및 하부 거울중 한쪽 거울에 전기장을 가해주어 편광에 따라 반사율과 반사파의 위상을 변화시킴으로서, 발진 빔의 편광을 인위적이고 능동적으로 스위칭할 수 있는 편광 스위칭 표면 방출 레이저 및 그 제조 방법을 제시한다.

Description

편광 스위칭 표면 방출 레이저 및 그 제조 방법
본 발명은 표면 방출 레이저에 관한 것으로서, 특히 갈륨 비소(GaAs) 등의 화합물 반도체 물질이 갖고 있는 전광(electro-optic) 효과를 이용하여 표면 방출 레이저의 화합물 반도체 거울층의 굴절률을 전기장을 이용하여 편광에 따라 다르게 변화시킴으로써 레이저 공진 파장이 편광에 의존하도록 하는 편광 조절 기능을 갖는 편광 스위칭 표면 방출 레이저의 수직 구조 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로 표면 방출 레이저는 광통신 및 광정보 처리 등에 있어서, 광섬유와의 효과적 커플링 가능성과 이차원 어레이 제작의 용이성 등의 장점으로 인하여 활발히 연구가 진행되고 있다. 이와 같은 표면 방출 레이저를 응용하기 위하여 안정된 편광 특성을 갖으며, 특히 운반자 밀도 등 공진기내에 상태 변화가 최소화된 상태에서 이루어지기 때문에 처핑(chirping) 등의 비선형 효과를 야기하지 않고 초고속으로 스위칭이 가능한 편광 스위칭의 기능을 갖는 것이 바람직하다.
또한 종래 표면 방출 레이저의 편광 제어 방법에 비대칭 횡 공진기 구조, 비대칭 응력에 의한 구조, 바이리프리젠트(birefringent) 편광판을 이용하는 구조 및 양자선 이득 물질을 이용하는 구조 등을 사용하였다. 그러나 이들 방법들은 발진 빔의 편광을 능동적으로 모두 변환할 수 없다. 이러한 이유는 소자별로 고정적인 편광 특성을 보인 결과 때문인데, 이 또한 부분적인 편광 특성 향상에 머물고 있는 실정이다.
도 1은 종래 표면 방출 레이저 기판의 수직 구조를 도시한 단면도로서, 설명하면 다음과 같다.
반도체 기판(1)상에 하부 거울층(2)이 형성되고, 상기 하부 거울층(2) 상부에 활성층(3)이 형성된다. 상기 활성층(3) 상부에 상부 거울층(4)이 형성된다. 이와 같은 구조의 표면 방출 레이저는 구조상 빛의 방출 면에서 대칭적인 구조를 갖고 있으므로 편광 특성을 보이지 않아야 하지만, 공정 상에서 발생되는 비대칭성, 응력 효과 및 전류 주입을 위한 전기장 효과 등에 의하여 편광 특성을 보이고 있다. 그러나 이와 같은 효과들은 인위적이지 않고 일정한 특성을 보이지 않아, 소자별 및 출력별로 편광의 변화가 나타나는 문제점이 도출되었다.
따라서 본 발명은 공정의 비대칭성, 응력의 비대칭성 및 전기장 효과 등으로 인하여 발생되는 소자별 및 출력별의 일정하지 않은 편광 특성을 극복하여, 인위적이고 능동적으로 편광을 조절할 수 있는 표면 방출 레이저용 기판 및 이를 이용한 편광 스위칭 표면 방출 레이저의 제조 방법을 제시하는데 그 목적이 있다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 편광 스위칭 표면 방출 레이저의 구조는 반도체 기판 상부에 순차적으로 형성된 하부 거울층 및 활성층과, 상기 활성층 상부에 소정의 선택된 영역의 기둥으로 형성된 알루미늄 비소 및 갈륨 비소 이중층의 제 1 상부 거울층과, 상기 알루미늄 비소층의 노출된 측면에 소정의 깊이로 형성된 절연 영역과, 제 1 상부 거울층 상부의 소정의 선택된 영역에 기둥으로 형성된 제 2 및 제 3 상부 거울층과, 반도체 기판의 뒷면에 형성된 n형 전극과, 제 1 상부 거울층 상부에 선택된 영역에 형성된 p형 전극과, 제 3 상부 거울층 상부에 형성된 n형 전극과, 상기 반도체 기판 뒷면의 n형 전극과 상기 p형 전극 사이에 전류를 인가하여 레이저를 동작시키고, 상기 제 3 상부 거울층 상부에 형성된 n형 전극에 전기장을 인가하여 편광을 스위칭하도록 구성된 것을 특징 한다.
본 발명에 따른 편광 스위칭 표면 방출 레이저의 제조 방법은 반도체 기판 상부에 하부 거울층 및 활성층을 순차적으로 형성하는 단계와, 상기 활성층 상부에 알루미늄비소층/갈륨비소층 구조의 제 1 상부 거울층을 형성하는 단계와, 상기 제 1 상부 거울층 상부에 높은 전기장이 인가되고 높은 반사율을 갖도록 도우핑 안된 상반사경 다층 구조의 제 2 상부 거울층을 형성하는 단계와, 상기 제 2 상부 거울층 상부에 전기장을 효과적으로 분포시키도록 n형 도우핑된 상반사경 다층 구조의 제 3 상부 거울층을 형성하는 단계와, 상기 반도체 기판 뒤면에 무반사막을 증착하고, 상기 무반사막의 가장자리의 일부를 선택적으로 식각한 후, 상기 반도체 기판의 식각된 영역에 하부 n형 전극을 형성하는 단계와, 상기 제 3 상부 거울층 상부 표면에 포토레지스트 패턴을 형성한 후, 상기 제 3 상부 거울층, 상기 제 2 상부 거울층 및 상기 제 1 상부 거울층의 갈륨 비소층 일부를 이온빔 식각 방법으로 식각하여 레이저 기둥을 형성하는 단계와, 상기 레이저 기둥을 포함한 전체 구조 상에 SiNx를 사용한 보호막을 형성하는 단계와, 상기 레이저 기둥이 중심에 형성되도록 포토레지스터 패턴을 형성한 후 상기 보호막 및 상기 제 1 상부 거울층을 식각하는 단계와, 식각된 상기 제 1 상부 거울층의 측면에 노출된 알루미늄 비소층을 습식 산화법에 의해 일정 부분까지 산화시켜 절연 영역을 형성시키는 단계와, 상기 제 1 상부 거울층의 갈륨 비소층 상부의 상기 보호막 일부를 제거하고, 노출된 상기 갈륨 비소층에 p형 전극을 형성하는 단계와, 상기 레이저 기둥 상부의 상기 보호막을 제거하여 노출된 상기 레이저 기둥 상부에 상부 n 형 전극을 형성하는 단계와, 상기 전체 구조 상부에 SiOx 또는 SiNx를 이용하여 절연막을 형성하는 단계와,
상기 상부 n형 전극 상부의 상기 절연막과 p형 전극 상부의 상기 절연막의 일부분을 식각한 후, 와이어 본딩을 위한 전극 패드를 형성하는 단계로 이루어진 것을 특징으로 한다.
도 1은 종래 표면 방출 레이저의 수직 구조를 도시한 단면도.
도 2(a) 내지 도 2(i)는 본 발명에 따른 편광 스위칭 표면 방출 레이저 및 그 제조 방법을 설명하기 위해 도시한 단면도.
도 3은 본 발명에 따른 편광 스위칭 표면 방출 레이저의 단면도.
〈도면의 주요 부분에 대한 부호 설명〉
1 및 11 : 반도체 기판 2 및 12 : 하부 거울층
3 및 13 : 활성층 4 : 상부 거울층
15 : 제 1 상부 거울층 16 : 제 2 상부 거울층
17 : 제 3 상부 거울층 18 : 무반사막
19 : 하부 n형 전극 20 : 레이저 기둥
21 : 보호막 22 : 산화 영역
23 : p형 전극 24 : 상부 n형 전극
25 : 절연막 26 : 전극 패드
반도체 물질 중에서 갈륨 비소 등과 같이 반전 대칭을 갖고 있지 않은 물질들에서는 전광 효과, 즉 전기장에 의하여 굴절률이 변화되는 특성을 나타낸다. 이와 같은 갈륨 비소 등과 같은 III-V 화합물 반도체가 속한 징크 브랜드(zinc blende) 결정 구조에서는 z 방향으로 전기장(Eo)이 가해지면, 다음과 같이 편광 방향에 따른 굴절률이 변화하게 된다.
Figure 1019970047183_B1_M0001
여기서, No는 전기장을 인가하기 전의 굴절률이고, 이때 주축선(principal axes) x, y는 각각 [110], [110]의 방향으로 주어진다. 그러므로 표면 방출 레이저의 거울층을 이루는 화합물 반도체 상반사경(distributed Bragg reflector:이하 DBR이라 함) 층에 전기장을 인가하면 상기 [수학식 1]에서 보여주는 것과 같이 [110]과 [110]의 서로 수직한 방향이 주축선이 되고 서로 다른 굴절률을 갖고 있으므로, 레이저 공진 파장이 두 편광에 따라 서로 다르게 나타난다. 따라서 활성층에서 이득층의 이득이 크고, 거울 손실이 작은 파장을 공진 파장으로 갖는 편광만 발진이 되며, 그에 수직한 다른 편광은 발진이 억제된다. 그리고 전기장의 방향을 반대로 바꾸어 주면 굴절률 변화 방향이 반대 방향으로 바뀌므로 다른 편광이 발진하게 된다. 그러므로 전기장의 세기 및 방향 변화를 통하여 발진 빔의 편광을 능동적으로 변화할 수 있게 된다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 2(a) 내지 도 2(i)는 본 발명에 따른 편광 스위칭 표면 방출 레이저의 제조 방법을 순차적으로 도시한 단면도이다.
도 2(a)는 표면 방출 레이저용 기판의 구조를 도시한 단면도로서, 반도체 기판(11) 상부에 하부 거울층(12)을 형성하며 상기 하부 거울층(12) 상부에 활성층(13)을 형성한다. 상기 활성층(13) 상부에 제 1 상부 거울층(15)을 형성하고 상기 제 1 상부 거울층(15) 상부에 제 2 상부 거울층(16)을 형성한다. 상기 제 2 상부 거울층(16) 상부에 제 3 상부 거울층(17)을 형성한다.
여기서, 제 1 상부 거울층(15)은 전류 주입 경로를 습식 산화 방법으로 정의하기 위하여 p형 도우핑된 알루미늄비소(15B)/갈륨비소(15A)의 화합물 반도체로 구성되어 있다. 전기장에 따라 굴절률이 변화되는 제 2 상부 거울층(16)은 높은 전기장이 가하여 질 수 있고, 높은 반사율을 갖기 위하여 고순도의 도우핑되지 않은 알루미늄비소/알루미늄갈륨비소 또는 알루미늄비소/갈륨비소 등의 화합물 반도체를 교대로 성장하여 이루어진 DBR 다층구조로 구성된다. n형 전극아래 위치하는 제 3 상부 거울층(17)은 효율적인 전기장 분포를 위하여 n 형 도우핑된 알루미늄비소/알루미늄갈륨비소 또는 알루미늄비소/갈륨비소 등의 화합물 반도체를 각각 l/4n 두께로 교대로 이루어진 DBR 다층 구조로 구성되어 있다.
도 2(b)는 상기 반도체 기판(11) 뒤면에 무반사막(18)을 증착한 후, 실리콘 기판(11) 가장자리의 무반사막(18)을 선택적으로 식각한 후, 하부 n형 전극(19)을 형성한 것을 도시한 단면도이다.
도 2(c)는 상기 반도체 기판(11)의 상부 표면에 식각 마스크로 포토레지스트 패턴을 형성한 후, 제 3 상부 거울층(17), 제 2 상부 거울층(16) 및 제 1 상부 거울층(15)의 갈륨 비소층(15B)의 일부를 건식 식각 방법에 의한 패터닝 공정을 실시하여 레이저 기둥(20)을 형성한 것을 도시한 단면도이다.
도 2(d)는 상기 제 1 상부 거울층(15)의 알루미늄 비소층(15A)에 산화막 형성시, 레이저 기둥(20)의 측면을 보호할 목적으로 보호막(21)으로 사용된 SiNx를 증착한 것을 도시한 단면도이다.
도 2(e)는 상기 레이저 기둥(20)이 중심부에 형성되도록 포토레지스트 패턴을 형성한 후, 활성층(13)이 노출되도록 보호막(21)과 제 1 상부 거울층(15)을 건식 식각하는 공정을 실시한 것을 도시한 단면도이다.
도 2(f)는 식각에 의해 측면이 노출된 상기 제 1 상부 거울층(15B)의 알루미늄 비소층을 습식 산화법으로 이용하여 절연 영역(22)을 형성함으로서 소자를 고립시키고 전류 주입 경로를 정의하는 것을 도시한 단면도이다.
도 2(g)는 상기 기판 상부 전면에 포토레지스트를 도포한 후, 제 1 상부 거울층(15b) 상부에 링 모양의 패턴을 형성하여 보호막(21)을 선택적으로 식각한 후, p형 전극(23)을 리프트-오프(lift-off) 방법으로 형성한 것을 도시한 단면도이다.
도 2(h)는 상기 기판 상부 전면에 포토레지스트를 도포한 후, 제 3 상부 거울층(17)의 상부를 패턴닝하여 보호막(21)을 식각한 후, 상부 n형 전극(24)을 리프트-오프(lift-off) 방법으로 형성한 것을 나타낸 단면도이다.
도 2(i)는 상기 기판 상부의 전면에 SiOx 혹은 SiNx를 이용한 절연막(25)을 형성하고, n형 전극(24) 및 p형 전극(23)의 상부 절연막의 선택된 영역을 식각한 후, 와이어 본딩을 위한 전극 패드(26)를 리프트-오프(lift-off) 방법으로 형성한 것을 나타낸 단면도이다.
상기 방법으로 제작된 편광 스위칭 표면 방출 레이저는 제 3 도에서 보여주는 것과 같이 하부 n형 전극과 p형 전극사이에 전류(I)를 가하여 전자 및 정공을 활성층에 주입시켜 레이저를 발진시킨다. 그리고 상부 n형 전극에 전압(V)의 전기장을 인가하여 편광에 따라 상부 거울층의 공진 파장을 변화시키면, 이득이 크고 거울의 손실이 작은 파장을 공진 파장으로 갖는 방향으로 편광을 갖는 빛이 발진하게 된다. 따라서 전압(V)의 방향 및 크기 조절에 의하여 편광 특성을 조절할 수 있다. 그러므로 두 수직한 편광을 능동적으로 조절할 수 있으며, 또한 편광 조절은 운반자 등의 분포에 변화 없이 이루어질 수 있으므로 발진 특성의 변화 없이 초고속으로 스위칭이 가능하다.
상술한 바와 같이 본 발명에 의하면 능동적으로 편광을 서로 수직한 두 방향으로 조절할 수 있고, 또한 초고속 편광 스위칭의 가능성을 갖고 있으므로 광 교환 및 광 컴퓨터 등에 이용될 수 있는 핵심 소자로서도 탁월한 효과를 발휘한다.

Claims (6)

  1. 반도체 기판 상부에 순차적으로 형성된 하부 거울층 및 활성층과,
    상기 활성층 상부에 소정의 선택된 영역의 기둥으로 형성된 알루미늄 비소 및 갈륨 비소 이중층의 제 1 상부 거울층과,
    상기 알루미늄 비소층의 노출된 측면에 소정의 깊이로 형성된 절연 영역과,
    제 1 상부 거울층 상부의 소정의 선택된 영역에 기둥으로 형성된 제 2 및 제 3 상부 거울층과,
    반도체 기판의 뒷면에 형성된 n형 전극과,
    제 1 상부 거울층 상부에 선택된 영역에 형성된 p형 전극과,
    제 3 상부 거울층 상부에 형성된 n형 전극과,
    상기 반도체 기판 뒷면의 n형 전극과 상기 p형 전극 사이에 전류를 인가하여 레이저를 동작시키고,
    상기 제 3 상부 거울층 상부에 형성된 n형 전극에 전기장을 인가하여 편광을 스위칭하도록 구성된 것을 특징으로 하는 편광 스위칭 표면 방출 레이저.
  2. 반도체 기판 상부에 하부 거울층 및 활성층을 순차적으로 형성하는 단계와, 상기 활성층 상부에 알루미늄비소층/갈륨비소층 구조의 제 1 상부 거울층을 형성하는 단계와,
    상기 제 1 상부 거울층 상부에 높은 전기장이 인가되고 높은 반사율을 갖도록 도우핑 안된 상반사경 다층 구조의 제 2 상부 거울층을 형성하는 단계와,
    상기 제 2 상부 거울층 상부에 전기장을 효과적으로 분포시키도록 n형 도우핑된 상반사경 다층 구조의 제 3 상부 거울층을 형성하는 단계와,
    상기 반도체 기판 뒤면에 무반사막을 증착하고, 상기 무반사막의 가장자리의 일부를 선택적으로 식각한 후, 상기 반도체 기판의 식각된 영역에 하부 n형 전극을 형성하는 단계와,
    상기 제 3 상부 거울층 상부 표면에 포토레지스트 패턴을 형성한 후, 상기 제 3 상부 거울층, 상기 제 2 상부 거울층 및 상기 제 1 상부 거울층의 갈륨 비소층 일부를 이온빔 식각 방법으로 식각하여 레이저 기둥을 형성하는 단계와,
    상기 레이저 기둥을 포함한 전체 구조 상에 SiNx를 사용한 보호막을 형성하는 단계와,
    상기 레이저 기둥이 중심에 형성되도록 포토레지스터 패턴을 형성한 후 상기 보호막 및 상기 제 1 상부 거울층을 식각하는 단계와,
    식각된 상기 제 1 상부 거울층의 측면에 노출된 알루미늄 비소층을 습식 산화법에 의해 일정 부분까지 산화시켜 절연 영역을 형성시키는 단계와,
    상기 제 1 상부 거울층의 갈륨 비소층 상부의 상기 보호막 일부를 제거하고, 노출된 상기 갈륨 비소층에 p형 전극을 형성하는 단계와,
    상기 레이저 기둥 상부의 상기 보호막을 제거하여 노출된 상기 레이저 기둥 상부에 상부 n 형 전극을 형성하는 단계와,
    상기 전체 구조 상부에 SiOx 또는 SiNx를 이용하여 절연막을 형성하는 단계와,
    상기 상부 n형 전극 상부의 상기 절연막과 p형 전극 상부의 상기 절연막의 일부분을 식각한 후, 와이어 본딩을 위한 전극 패드를 형성하는 단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 편광 스위칭 표면 방출 레이저의 제조 방법.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 제 1 상부 거울층은 상기 활성층에 정공을 효과적으로 주입하기 위해 P형 도우핑을 하고, 전류 주입 경로를 습식 산화 방법으로 정의하기 위해 알루미늄비소/갈륨비소의 화합물 반도체로 구성된 것을 특징으로 하는 편광 스위칭 표면 방출 레이저의 제조 방법.
  4. 제 2 항에 있어서, 상기 제 2 상부 거울층은 높은 전기장이 인가되어 굴절률의 변화를 최대로 하고, 높은 반사율을 갖기 위해 고순도의 도우핑되지 않은 알루미늄비소/알루미늄갈륨비소 또는 알루미늄비소/갈륨비소의 화합물 반도체를 교대로 성장하여 이루어진 상반사경 다층 구조로 구성된 것을 특징으로 하는 편광 스위칭 표면 방출 레이저의 제조 방법.
  5. 제 2 항에 있어서, 상기 제 3 상부 거울층은 효율적인 전기장 분포를 위해 n형 도우핑된 알루미늄비소/알루미늄갈륨비소 또는 알루미늄비소/갈륨비소의 화합물 반도체를 각각의 두께가 λ/4n으로 교대로 이루어진 상반사경 다층 구조로 구성되며, 상부 n형 전극에 인가된 전기장의 세기에 따라 굴절률이 변화하여 발진 빔의 편광 방향이 변화하는 것을 특징으로 한 편광 스위칭 표면 방출 레이저의 제조 방법.
  6. 제 3 항에 있어서, 제 1 상부 거울층의 알루미늄 비소층의 측면을 건식 식각으로 노출시킨 후, 습식 산화 방법으로 소자의 고립 및 전류 주입 경로를 효과적으로 정의하는 것을 특징으로 하는 편광 스위칭 표면 방출 레이저의 제조 방법.
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