KR100319759B1 - 선택적 결정 성장법을 이용한 굴절률보상형 분산궤환형레이저다이오드의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
InP 계열의 열적 불안정성과 기판의 기하학적 구조에 따른 성장특성의 불균일을 개선하기 위한 선택적 결정성장법을 이용한 반도체층 성장 방법 및 그를 이용한 굴절율보상형 분산궤환 레이저다이오드 제조 방법에 관한 것으로, 이를 위한 본 발명은 반도체층의 성장 InP 기판 상에 InGaAs흡수층 및 InP캡층을 형성하는 제 1 단계, 상기 InP캡층 상에 상기 InGaAs층을 보호하기 위한 유전체박막을 형성하는 제 2 단계, 상기 유전체박막을 보호막으로 하여 상기 InP기판 상에 InP평탄층을 형성하는 제 3 단계, 상기 유전체박막을 보호막으로 하여 상기 InP평탄층 상에 InGaAsP 굴절율보상층을 성장시키는 제 4 단계를 포함하여 이루어짐을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 반도체 레이저다이오드에 관한 것으로, 격자구조의 반도체기판에 결정을 성장시킬 때 전 영역에서 균일하게 조절되는 반도체층의 성장법 및 그를 이용한 굴절율보상형 손실결합형 분산궤환 레이저다이오드 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 InP계 화합물반도체는 InP기판에 InP, InGaAs, InAlAs, InGaAsP등을 결정성장시킨 반도체로서, 결정성장되는 반도체층은 성장시키고자 하는 모재의 특성에 매우 민감하게 반응하는데, 평면 상에 성장되는 반도체층과 굴곡이 있는 면에 성장되는 반도체층의 특성은 매우 달라지게 되며 이는 반도체의 성장특성이 등방적이지 않고 강한 방향성을 띄기 때문이다. 그러므로 회절 격자구조의 기판에 반도체층을 성장하게 되면 격자의 단차와 인접한 부분과 격자의 단차에서 멀리 떨어진 부분과의 사이에서 성장되는 물질의 조성이 달라지게 된다.
InP를 기반으로 하는 InP/InGaAs/InGaAsP의 화합물반도체 레이저 다이오드에서, InGaAsP의 In 및 Ga의 상대 조성과 As과 P의 상대 조성에 따라 격자상수, 굴절률 및 밴드갭 등이 달라지게 된다. 과도한 격자상수의 차이는 반도체층의 결정 특성을 저하시키게 되며 심하면 결정 결함을 발생시켜 소자의 특성을 저하시키게 된다.
그러므로 격자구조에서 성장되는 반도체층을 성장 특성이 전 영역에 걸쳐 균일하게 조절 되도록 함이 매우 어렵다. 특히 이러한 특성은 조성에 따라 결정상수의 변화가 심한 InP/InGaAsP의 물질 구조에서 매우 심하게 나타난다.
단일 광모드 분산궤환형레이저다이오드(Distributed Feedback laser diode; 이하 DFB-LD)는 현재의 대량, 초고속 광통신을 위한 광원으로써, 이런 초고속 통신을 위해서 단일 파장의 광원이 필수적이고 단일 파장 광원의 제조 방법으로써 DFB-LD의 구조가 제안되었다. 상기의 DFB-LD는 광원 소자의 활성층 아래 또는 위에 원하는 광파장의 같은 주기의 굴절률(Refractive index) 또는 손실계수(또는 이득계수)의 변화를 주는 격자(Grating)를 삽입하여 이 주기와 일치하는 파장의 광만 선택적으로 발진하게 하는 구조이다.
그러나 종래의 굴절률결합형(Refractive indes coupling) DFB-LD는 단일 광모드(Single light mode)의 수율이 제한되며 이는 실제의 광모드 발진이 브래그 (Bragg) 파장의 양 옆에서 동시에 발진이 일어나게 되기 때문이다. 이러한 단일모드 광소자의 수율을 올리기 위해 손실 또는 이득 결합형 DFB-LD가 제안되었다. 그러나 이득 또는 손실격자가 필수적으로 굴절률의 변화를 가져오므로 굴절률결합형 DFB-LD와 손실결합형 DFB-LD의 복합 효과인 복합결합형 형태가 되며 굴절률 결합효과를 제거하기 위해서는 격자 사이에 굴절률보상층(Refractive indes compensated layer)을 삽입하여야 한다.
도 1 은 종래기술에 따른 굴절률결합형 또는 손실결합형 DFB-LD의 단면도로서, 손실결합형의 경우 반도체층의 성장은, InP기판(11)상에 InGaAs 흡수층(13)(굴절률결합형의 경우, 광흡수가 일어나지 않는 파장의 InGaAsP 반도체층)을 원하는 두께로 성장하고 그 상부를 InP 캡층(12a)으로 성장한다. 이어, 반도체층 성장 장치에서 꺼내어 홀로그램(Hologram) 또는 전자빔리소그래피(E-beam Lithography) 장치를 이용하여 격자(Grating)를 형성 한 후 반도체층 성장 장치에 장입한 후 InP 평탄층(12b)을 성장하고 레이저 다이오드 구조의 상,하부InGaAsP광도파로(14,16) 및 활성층(15)을 연속적으로 성장하는 방식으로 이루어진다. 도면부호 17은 InP 클래딩층, 도면부호 18 은 전극과의 오믹접촉 향상을 위한 반도체층 즉 InGaAs이다.
이러한 구조에서는 격자 위에 성장되는 InP층(12a)이 단일 조성만이 가능하여 모재의 결정특성 또는 기판의 기하학적인 특성에 그 성장 특성이 달라지지 않으므로, 격자와의 상대적 거리에 의한 조성 불균일의 문제가 발생하지 않는다. 또한 InP층(12a)은 단일 조성만이 가능하여 성장 온도에 따라 성장 특성이 달라지지 않으므로 저온에서 성장을 시작하여 성장 온도를 InGaAsP(13)의 최적 성장 온도로 계속 상승시켜도 조성의 변화를 야기하지 않는다.
이러한 조건은 InP 평탄층(12b)의 성장을 저온에서 시작함으로써 격자를 구성하고 있는 InP/InGaAs(InGaAsP)층(11,13)의 변형을 최소화할 수 있다.
도 2는 종래기술의 굴절률보상형 DFB-LD의 격자성장을 나타낸 도면으로서, 기본 물질이 GaAs 및 AlGaAs로써 AlGaAs의 Al과 Ga의 상대적 조성변화에 따른 결정상수 변화가 InGaAs 또는 InGaAsP의 경우에 비해 매우 미미한 물질 구성을 사용하고 있다. 또한 GaAs, AlGaAs 등의 결합에너지가 커서 열적으로 안정된 특성을 보이는 물질이다. 이러한 구조의 격자에서 p-GaAlAs굴절률격자층(24)의 성장 두께는 기하학적인 기체 평형분압의 차이로 인한 성장속도 차이를 가져와서 격자 위에서의 성장 두께는 얇으며 격자 사이 구간에서의 성장 두께는 두꺼워지게 된다. 이러한모양으로 요철 형태가 변화된 기판에 다른 조성을 갖는 GaAlAs클래딩층(27)을 성장하면 지역에 따른 굴절률의 변화가 발생하게 된다. 이렇게 발생하는 굴절률 변화가 이미 존재하는 n-GaAs광흡수층(26)의 굴절률을 보상하는 관계가 되면 최종적으로 성장된 구조의 위치에 따른 굴절률변화는 억제되게 되어 순수한 손실결합형 반도체 레이저 다이오드의 특성이 나타나게 된다. 여기서 도면부호 21은 n-GaAlAs클래딩층, 22는 활성층, 23은 p-GaAlAs 배리어층이다.
그러나 InP를 기반으로 하는 InP/InGaAs,/InGaAsP의 물질 구성에서 InGaAs 또는 InGaAsP는 조성에 따라 격자 상수가 매우 차이가 나게 된다. 또한 결정의 성장 특성은 모재의 결정방향 등의 특성에 배우 민감하게 변화 되어 통상의 기술로 InGaAsP를 성장하면 격자 바로 옆에 성장 되는 InGaAsP의 성장 특성과 격자에서 떨어진 격자 중간 영역의 성장 특성이 달라지게 되어 전체적으로 균일한 성장 특성을 갖는 반도체층을 성장 할 수 없다.
이러한 성장특성의 불균일은 일부지역에서 원치 않는 응력을 발생시켜 소자의 특성을 저하시킨다. 또한 InGaAsP의 경우는 InP와 달리 성장 온도에 민감하게 조성이 변화함으로써, 저온에서 성장을 시작하여 고온으로 성장온도를 끌어 올리는 기법을 사용하지 못한다. 또한 격자 위에서의 반도체층의 성장이 일어나기 전에 InGaAsP층의 성장 최적 온도로 성장온도를 끌어 올리고, 성장온도를 안정화시키기까지는 최소 4~5분 정도의 시간이 소요된다. InP 계열의 반도체층은 GaAs 계열의 반도체층에 비해 분자사이의 결합력이 약하여 열안정성이 매우 떨어지고 이러한 시간 동안 노출된 기판의 격자는 모두 뭉그러져 없어지게 된다.
본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, InP 계열의 열적 불안정성과 기판의 기하학적 구조에 따른 성장특성의 불균일을 개선하기 위해 격자구조의 반도체기판에 결정을 성장시킬 때 전 영역에서 균일하게 조절되는 반도체층의 성장방법을 이용한 굴절률보상형 레이저다이오드의 제조방법을 제공함에 그 목적이 있다.
도 1 은 종래기술의 InGaAs 손실형 또는 InGaAsP의 굴절률형 격자가 삽입된 분산궤환형 레이저다이오드(DFB-LD)를 나타낸 도면,
도 2 는 종래기술의 굴절률보상형 손실결합형 분산궤환형 레이저다이오드를 나타낸 도면,
도 3 은 본 발명의 실시예에 따른 굴절율보상형 격자의 제조 방법을 나타낸 도면,
도 4 는 본 발명의 실시예에 따른 굴절율보상형 손실결합형 분산궤환형 레이저다이오드의 구조 단면도.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*
31 : InGaAs흡수층 32 : InP 캡층
33 : 유전체박막 34 : InP 평탄층
35 : InGaAsP 굴절율보상층 36 : InP 보호층
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 반도체층의 성장방법은 InP 기판 상에 InGaAs흡수층 및 InP캡층을 형성하는 제 1 단계, 상기 InP캡층 상에 상기 InGaAs층을 보호하기 위한 유전체박막을 형성하는 제 2 단계, 상기 유전체박막을 보호막으로 하여 상기 InP기판 상에 InP평탄층을 형성하는 제 3 단계, 상기 유전체박막을 보호막으로 하여 상기 InP평탄층 상에 InGaAsP 굴절율보상층을 성장시키는 제 4 단계를 포함하여 이루어짐을 특징으로 하고, 그를 이용한 굴절율보상형 레이저다이오드의 제조 방법은 InP 기판 상에 InGaAs흡수층을 형성하는 제 1 단계, 상기 InGaAs흡수층을 제외한 상기 InP기판 상에 상기 InGaAs흡수층을 보호하기 위한 유전체박막을 형성하는 제 2 단계, 상기 유전체박막을 보호막으로 하여 상기 InP기판 상에 제1InP평탄층을 형성하는 제 3 단계, 상기 InP평탄층 상에 선택적으로 InGaAsP 굴절율보상층을 결정성장시키는 제 4 단계, 상기 유전체박막을 제거하고 제2InP평탄층을 형성하는 제 5 단계, 상기 제2InP평탄층 상에 활성층을 형성하는제 6 단계를 포함하여 이루어짐을 특징으로 한다.
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 설명하기로 한다.
도 3 은 본 발명의 실시예에 따른 격자구조 기판의 굴절률변화 보상 방법을 나타낸 도면으로서, 굴절률보상형 보상층을 성장할 때 이미 존재하는 손실(혹은 이득)격자의 변형을 최소화하며 성장되는 보상층의 특성을 개선하는 방법을 제안한다.
즉 먼저 InP 기판(30) 상에 InGaAs흡수층(31)과 InP 캡층(32)을 성장한 후 반도체 성장 장치에서 꺼낸 후 SiNx 또는 SiO2의 유전체박막(33)을 형성한 후 통상의 홀로그램리소그래피법이나 전자빔(E-beam) 리소그래피법으로 격자모양을 형성한다. 이렇게 격자가 형성된 기판을 다시 반도체층 성장장치에 장입하고 InP평탄층 (34)을 성장한다. 이때 성장되는 반도체층은 InP이므로, 성장 중의 성장온도 변화에 무관하게 일정한 조성을 얻게 된다. 또한 유전체박막(33) 상에는 반도체층의 성장이 일어나지 않으므로 InP평탄층(34)의 성장을 통하여 격자 구조를 평탄화시키게 된다.
즉 상기 유전체박막(33)을 마스크로 하여 상기 InP평탄층(34)이 선택적으로 결정성장된다.
이어 상기 평탄화된 기판 위에 연속적으로 InGaAsP 굴절률보상층(35)을 성장한 후 InP 보호층(36)을 성장한다. 이어 InP 보호층(36)이 형성된 기판을 반도체층성장 장치에서 꺼내어 유전체박막(33)을 제거 한 후 다시 반도체층 성장 장치에 장입한다
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 굴절률보상형 손실결합형 DFB-LD를 나타낸 도면으로서, 상기 도 3에서 성장된 형태의 기판을 반도체층 성장 장치에 장입한 후 다시 InP 평탄층(34)을 저온에서 성장시키기 시작하여 InGaAsP(35)의 성장 최적온도로 성장온도를 변화시키며 InP층(36)을 성장시킨다.
이 때 상기 InP층(36)의 성장이 끝나게 되면 기판의 표면에는 격자구조와 같은 요철이 모두 없어지게 되어 표면상태가 균일한 평면기판이 된다. 이어 상기의 기판에 연속적으로 반도체 레이저다이오드의 활성층(44)을 성장한다.
도 4를 참조하여 굴절률보상형 손실결합형 DFB-LD에 대해 자세히 설명하면, InP기판(40)에 InGaAs 흡수형격자(41)가 형성되며 상기 InGaAs 흡수형격자(41) 사이에는 InGaAsP 굴절율보상용격자(42)가 형성된다. 그리고 상기 InGaAsP 굴절율보상용격자(42) 상부에 InGaAsP를 이용한 하부광도파로(43)가 형성되고 하부광도파로 (43) 상에 단일광모드 DFB-LD의 활성층(44)이 형성된다. 그리고 상기 활성층(44) 상에 InGaAsP를 이용한 상부광도파로(45)가 형성되고 상기 상부광도파로(45) 상에 InP 클래딩층(46) 및 전극과의 오믹접촉저항 향상을 위한 InGaAs를 이용한 반도체층(47)이 형성된다.
상술한 바와 같이 본 발명에서는 이득 또는 손실결합형 격자 제조시 발생하는 굴절율변화를 보상하여 순수이득 또는 손실결합형으로 만들어 주어 순수 이득 또는 손실결합형 DFB-LD제조시 성장되는 InP평탄층 즉, 에피층의 결정특성을 개선하였다.
본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술 분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
상술한 본 발명은 손실결합형 분산궤환형 레이저다이오드(DFB-LD)의 굴절률 변화를 보상하는 InGaAsP의 성장 특성이 격자와의 거리에 의존하지 않고 균일한 특성의 InGaAsP 반도체층을 성장시킬 수 있는 효과가 있다.
Claims (4)
- 반도체층 성장 방법에 있어서,InP 기판 상에 InGaAs흡수층 및 InP캡층을 형성하는 제 1 단계;상기 InP캡층 상에 상기 InGaAs층을 보호하기 위한 유전체박막을 형성하는 제 2 단계:상기 유전체박막을 보호막으로 하여 상기 InP기판 상에 InP평탄층을 형성하는 제 3 단계; 및상기 유전체박막을 보호막으로 하여 상기 InP평탄층 상에 선택적으로 InGaAsP 굴절율보상층을 결정성장시키는 제 4 단계;를 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 반도체층의 성장 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 제 2 단계에서,상기 유전체박막으로는 SiNx또는 SiO2막을 이용함을 특징으로 하는 반도체층의 성장 방법.
- 레이저 다이오드 제조 방법에 있어서,InP 기판 상에 InGaAs흡수층을 형성하는 제 1 단계;상기 InGaAs흡수층을 제외한 상기 InP기판 상에 상기 InGaAs흡수층을 보호하기 위한 유전체박막을 형성하는 제 2 단계:상기 유전체박막을 보호막으로 하여 상기 InP기판 상에 제1InP평탄층을 형성하는 제 3 단계;상기 제1InP평탄층 상에 선택적으로 InGaAsP 굴절율보상층을 결정성장시키는 제 4 단계;상기 유전체박막을 제거하고 제2InP평탄층을 형성하는 제 5 단계; 및상기 제2InP평탄층 상에 활성층을 형성하는 제 6 단계를 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 굴절율보상형 레이저다이오드의 제조 방법.
- 제 3 항에 있어서,상기 제 5 단계에서,상기 제2InP평탄층은 상기 InGaAsP 굴절율보상층의 성장최적온도로 성장온도를 변화시키며 형성되는 것을 특징으로 하는 굴절율보상형 레이저다이오드의 제조 방법.
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1999
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