KR100335242B1 - 이종 파장 광 송수신 장치 및 그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 파장 분리 수단, 레이저 다이오드 및 포토 다이오드를 한 기판상에 일체로 형성함으로써 간단한 제조 공정으로 제작할 수 있도록 한 이종 파장 광 송수신 장치에 관한 것으로, 이를 위하여 본 발명은, 파장 분리기와 도파로가 형성된 완성 기판과 레이저 다이오드 및 포토 다이오드를 별도의 제작 공정으로 각각 제작하고, 플립-칩 본딩 기술을 이용하여 기판상에 레이저 다이오드 및 포토 다이오드를 각각 접착시키는 복잡한 제조 공정을 통해 제작되는 종래 광 송수신 장치와는 달리, 레이저 다이오드, 포토 다이오드 및 파장 분리기(즉, 파장 선택적 거울)가 한 기판상에 일체로 형성되기 때문에 제품의 제조 공정을 대폭 간소화할 수 있으며, 또한 종래 장치에서 이용되는 플립-칩 본딩을 위한 얼라인 공정을 제거함으로써 미스얼라인으로 인해 야기되는 제품의 고장율을 대폭 개선하여 생산 수율을 증진시킬 수 있어 전체 제품의 제조원가를 절감할 수 있는 것이다. 또한, 본 발명에 따른 이종 파장 광 송수신 장치는 레이저 다이오드, 포토 다이오드 및 파장 선택적 거울을 한 기판상에 일체로 형성하기 때문에 전체 제품의 경박단소화를 실현할 수 있는 것이다.
Description
본 발명은 임의의 파장 대역을 갖는 광신호를 발생하여 광섬유로 전송하고 광섬유를 통해 수신되는 임의의 파장 대역의 광신호를 검출하는 이종 파장 송수신 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 레이저 다이오드(LD)와 포토 다이오드(PD)를 이용하여 광통신을 위한 광신호 발생 및 검출을 수행하는 적합한 이종 파장 광 송수신 장치에 관한 것이다.
근래들어, 가입자 망의 고속화를 위해 가입자 유닛(또는 단말)까지 광섬유를 연결하는 광 가입자 망에 대한 연구가 도처에서 활발하게 진행되고 있으며, 또한 일부 지역에서는 광 가입자 망의 보급화를 위해 광 가입자 시험망을 구축하여 운영하고 있다.
이러한 광 가입자 망을 구축하는 데 있어서는, 디지탈화된 전기적 신호를 임의의 파장대의 광신호로 변환하여 광섬유로 전송하고 광섬유를 통해 수신되는 임의의 파장대의 광신호를 검출하여 디지탈화된 전기적 신호로 역변환하는 광 송수신기의 요구가 필수적이라 할 수 있으며, 광 송수신기로써는 전기적 신호에 응답하여 상응하는 광신호를 발생하는 레이저 다이오드(LD)와 광섬유를 통해 수신된 광신호를 검출하여 전기적 신호로 역변환하는 포토 다이오드(PD)가 이용되고 있다.
한편, 광통신에 이용되고 있는 광섬유는 송수신측간에 쌍방향 통신이 가능한데, 이 경우 송수신되는 광신호간의 상호 간섭에 의한 열화를 방지하기 위해 송신광과 수신광은 서로 다른 파장 대역을 이용하고 있다. 예를들어, 송신광의 파장 대역을 1300㎚로 할당하고 수신광의 파장 대역을 1550㎚로 할당하거나 혹은 반대의 경우로 할당할 수 있다.
따라서, 상기한 바와같은 점을 고려할 때, 레이저 다이오드와 포토 다이오드의 동작 파장 대역을 달리하여 하나의 광섬유로 송수신할 수 있는 구조가 필요한 데, 이를 위해 파장 분리기(WDM : Wavelength Division Multiplexing), 레이저 다이오드(LD) 및 포토 다이오드(PD)로 된 구조를 갖는 광 송수신기가 종래에 제안된 바 있다.
도 5는 종래의 이종 파장 광 송수신 장치를 광섬유와 접속한 상태를 도시한 접속 구조도를 나타낸다.
도 5를 참조하면, 종래의 광 송수신 장치는 실리콘 또는 실리카 기판(500)상에 파장 분리기(502), 도파로(504a, 504b), 레이저 다이오드(또는 포토 다이오드)(506) 및 포토 다이오드(또는 레이저 다이오드)(508)를 포함한다.
여기에서, 도파로(504a, 504b)를 통해 광섬유(510)와 레이저 다이오드(506) 및 포토 다이오드(508)간을 접속하는 파장 분리기(502)는 송신광과 수신광을 분리, 즉 레이저 다이오드(506)에서 발생되어 도파로(504a, 504b)를 통해 전달되는 송신광을 광섬유(510)측으로 전달하고, 광섬유(510)를 통해 원격지로부터 전달되는 수신광을 포토 다이오드(508)로 전달하는 기능을 수행한다. 즉, 종래 광 송수신 장치는 파장 분리기(502), 레이저 다이오드(506) 및 포토 다이오드(508)가 일정 간격만큼 이격되어 기판(500)상에 형성(접착)되며, 이들 각각은 도파로(504a, 504b)를 통해 상호 연결(또는 접속)되는 구조를 갖는다.
그러나, 상술한 바와같은 구조를 갖는 종래의 광 송수신 장치는 기판상에 파장 분리기(502), 레이저 다이오드(506) 및 포토 다이오드(508)가 일정간격 만큼 서로 이격되어 형성(접착)되고, 이들 소자 각각이 도파로(504a, 504b)를 통해 상호간에 연결되는 구조를 갖기 때문에 제품 전체의 부피가 불필요하게 커진다는 문제, 즉 광 송수신 장치를 경박단소화하는데 큰 제약 요인이 되고 있는 실정이다.
한편, 종래의 광 송수신 장치는, 그 구조적인 특성상 하나의 기판상에 파장 분리기(502), 레이저 다이오드(506) 및 포토 다이오드(508)를 동시에 형성하는 것이 어렵기 때문에, 첫째 실리콘 또는 실리카로 된 기판(500)상에 파장 분리기(502) 및 도파로(504a, 504b)만을 형성하여 완성된 기판을 제작하고, 둘째 레이저 다이오드(506)와 포토 다이오드(508)를 유사한 제작 공정을 이용하여 각각 별도로 제작하며, 셋째 제작된 레이저 다이오드(506) 및 포토 다이오드(508)를, 예를들면 플립-칩 본딩 기술(flip-chip bonding technique)을 이용하여 완성된 기판(500)상의 소정 위치(즉, 각 도파로(504a, 504b)에 접속되는 위치)에 각각 접착하는 방법(즉, 하이브리드 집적화 방법)으로 제작되었다.
여기에서, 플립-칩 본딩 기술은, 기판(500)상의 접착 영역에 납 등과 같은 접착 물질을 도포하고, 레이저 다이오드(506) 또는 포토 다이오드(508)의 접착면을 접착 영역에 정확하게 정렬시킨 다음, 가열 수단을 통해 가열함으로써 기판(500)상의 목표 위치에 레이저 다이오드(506) 또는 포토 다이오드(508)를 접착(또는 융착)시키는 기술이다.
따라서, 종래 방법에 따라 광 송수신 장치를 제작하는 경우, 첫째 파장 분리기(502)와 도파로(504a, 504b)가 형성된 완성 기판(500)을 제작하고, 둘째 별도의 제작 공정을 통해 레이저 다이오드(506) 및 포토 다이오드(508)를 각각 제작하며, 셋째 레이저 다이오드(506)를 기판(500)상의 정위치(즉, 도파로(504a)와 광을 발생하는 레이저 다이오드내 활성층이 고정밀하게 당접하는 위치)에 정렬하여 접착하고, 넷째, 포토 다이오드(508)를 기판(500)상의 정위치(즉, 도파로(504b)와 광을 흡수하는 포토다이오드내 활성층이 고정밀하게 당접하는 위치)에 정렬하여 접착하는 공정들을 거쳐야만 했었다. 즉, 종래 방법에 따라 광 송수신 장치를 제작하는 경우 적어도 두 번의 정렬 공정(얼라인 공정) 및 접착 공정을 각각 수행해야만 했었다.
그러나, 상술한 바와 같은 종래의 광 송수신 장치는 파장 분리기와 도파로가 형성된 완성 기판과 레이저 다이오드 및 포토 다이오드를 별도의 제작 공정으로 각각 제작하고, 플립-칩 본딩 기술을 이용하여 기판상에 레이저 다이오드 및 포토 다이오드를 각각 접착시키기 때문에, 제품의 전체 제작 공정이 매우 복잡하다는 문제가 있고, 또한 플립-칩 본딩시의 오정렬(미스얼라인) 등으로 인해 제품의 생산 수율이 떨어진다는 문제가 있으며, 이러한 문제들은 결국 제품의 제조원가를 상승시키는 큰 요인으로 작용하고 있는 실정이다.
따라서, 본 발명은 상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 파장분리 수단, 레이저 다이오드 및 포토 다이오드를 한 기판상에 일체로 형성함으로써 간단한 제조 공정으로 제작할 수 있는 이종 파장 광 송수신 장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적은 파장 분리 수단, 레이저 다이오드 및 포토 다이오드를 한 기판상에 일체로 형성할 수 있는 이종 파장 광 송수신 장치의 제조 방법을 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 일 관점에 따른 본 발명은, 광섬유를 통해 제공되는 임의의 파장 대역의 수신광을 검출하고 발진을 통해 생성되는 다른 파장 대역의 발진광을 상기 광섬유로 전송하는 광 송수신 장치에 있어서, 상기 광섬유에 접속되는 반도체 절단면을 가지고, 수신 광신호의 검출 또는 발진을 위한 소정 크기의 밴드 갭을 갖는 제 1 신호 경로를 가지며, 상부 전극 및 하부 전극이 각각 형성된 제 1 다이오드 영역; 상기 제 1 신호 경로의 출력측에서 연장되며, 광 크리스탈 또는 광 밴드 갭 구조로 된 파장 선택적 거울; 및 상기 파장 선택적 거울을 투과하는 광신호를 검출하거나 또는 광신호를 발진하며, 상기 제 1 신호 경로의 밴드 갭보다 상대적으로 작은 밴드 갭을 갖는 제 2 신호 경로를 가지며, 상부 전극과 상기 하부 전극으로부터 신장되는 하부 전극이 각각 형성된 제 2 다이오드 영역으로 이루어진 이종 파장 광 송수신 장치를 제공한다.
상기 목적을 달성하기 위한 다른 관점에 따른 본 발명은, 광섬유를 통해 제공되는 임의의 파장 대역의 수신광을 검출하고 발진을 통해 생성되는 다른 파장 대역의 발진광을 상기 광섬유로 전송하는 광 송수신 장치를 제조하는 방법에 있어서,반도체 기판상에 제 1 언도핑층, 양자우물층, 제 2 언도핑층 및 p 타입층을 순차 증착하여 에피택셜 구조를 완성하는 제 1 과정; 상기 p 타입층의 상부 일부에 유전체 물질로 된 덮개층을 형성하는 제 2 과정; 상기 에피택셜 구조를 어닐링 공정을 수행하여 상기 덮개층이 형성된 제 1 하부 영역과 상기 노출된 p 타입층의 제 2 하부 영역에서의 밴드 갭의 크기를 지역적으로 변화시키는 제 3 과정; 상기 덮개층을 제거하여 상기 p 타입층을 완전히 노출시키는 제 4 과정; 마스크 패턴을 이용하는 식각 공정을 통해 상기 덮개층이 제거된 영역의 상부 일부로부터 상기 p 타입층, 제 2 언도핑층, 양자우물층 및 제 1 언도핑층의 일부를 선택적으로 제거함으로써, 파장 선택적 거울을 형성하는 제 5 과정; 및 상기 파장 선택적 거울을 제외한 상기 p 타입층의 상부에 임의의 도전형을 갖는 상부 전극을 형성하고, 상기 반도체 기판의 하부에 다른 도전형의 하부 전극을 형성함으로써, 제 1 다이오드 영역, 파장 선택적 거울 및 제 2 다이오드 영역으로 된 광 송수신 장치를 완성하는 제 6 과정으로 이루어진 이종 파장 광 송수신 장치의 제조 방법을 제공한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이종 파장 광 송수신 장치를 광섬유와 접속한 상태를 도시한 접속 구조도,
도 2는 본 발명에 따른 광 송수신 장치가 지역적으로 서로 다른 밴드 갭을 갖는 구조를 설명하기 위해 도시한 밴드 갭 구조도,
도 3은 도 1에 도시된 본 발명의 이종 파장 광 송수신 장치를 A - A′선에 따라 자른 절단면도,
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 이종 파장 광 송수신 장치를 제조하는 과정을 도시한 공정 순서도,
도 5는 종래의 이종 파장 광 송수신 장치를 광섬유와 접속한 상태를 도시한 접속 구조도.
＜도면의 주요부분에 대한 부호의 설명＞
302 : 반도체 기판 304 : 제 1 언도핑층
306 : 양자우물층 308 : 제 2 언도핑층
310 : p 타입층 312 : 파장 선택적 거울
314, 316 : p 타입 전극 318 : n 타입 전극
320, 322 : 다이오드 영역
본 발명의 상기 및 기타 목적과 여러가지 장점은 이 기술분야에 숙련된 사람들에 의해 첨부된 도면을 참조하여 하기에 기술되는 본 발명의 바람직한 실시 예로 부터 더욱 명확하게 될 것이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 이종 파장 광 송수신 장치를 광섬유와 접속한 상태를 도시한 접속 구조도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 이종 파장 광 송수신 장치(100)는 도시 생략된 네트워크와 연결된 광섬유(110)측면에서 볼 때 차례로 제 1 반도체 절단면(102a), 제 1 밴드 갭 영역(102), 파장 선택적 거울(104), 제 2 밴드 갭 영역(106) 및 제 2 반도체 절단면(106a)을 구비하여 동일 기판상에 일체로 집적화된 구조를 갖는다.
또한, 제 1 밴드 갭 영역(102)은 제 2 밴드 갭 영역(106)의 밴드 갭보다 상대적으로 큰 밴드 갭을 가지며, 반대로 제 2 밴드 갭 영역(106)은 제 1 밴드 갭 영역(102)의 밴드 갭보다 상대적으로 작은 밴드 갭을 갖는다. 즉, 본 발명에 따른 광 송수신 장치의 밴드 갭 구조를 도시한 도 2로부터 알 수 있는 바와 같이, 제 1 밴드 갭 영역(102)은 광대역 밴드 갭(RG1)을 가지고, 제 2 밴드 갭 영역(106)은 협대역 밴드 갭(RG2)을 가지며, 제 1 밴드 갭 영역(102)과 제 2 밴드 갭 영역(106) 사이에 위치하는 파장 선택적 거울(104)은 광대역 밴드 갭(RG1)을 갖는 제 1 밴드 갭 영역(102)보다 크게 밴드 갭(M)을 형성하는 것이 바람직하지만 광 신호의 흡수를 무시할 수 있을 정도로 그 폭을 충분히 작게 한다면 제 1 밴드 갭 영역(102)의 밴드 갭과 동일한 크기로 해도 된다.
여기에서, 지역적으로 서로 다른 밴드 갭을 갖는 구조는 양자 우물의 상호 섞임(quantum well intermixing) 기술을 이용하여 구현할 수 있는 데, 이러한 양자 우물 상호 섞임 기술은, 예를들면 Sang Kee Si, Deok Ho Yeo, Kyung Hun Yoon, and Sung June Kim,“Area seletivity of InGaP/InP muiti-quantum well intermixingby impurity free vacancy defusion”. IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, vol.4,pp.619,1998.에 상세하게 기술되어 있다.
즉, 참고 문헌에서는 유기 금속 화학 기상 증착법(MOCVD)을 이용하여 다중 양자우물층을 포함하는 전체 에피택셜 구조를 성장시킨 다음 에피택셜 구조의 상부 일부에 SiO2, SiOxNy또는 SiO2, 와 SiOxNy를 순차 형성하여 덮개층을 형성한 후에 어닐링(열처리)을 수행함으로써, 밴드 갭 구조를 지역적으로 변환시킨다. 보다 상세하게 에피택셜 구조의 상부 일부에 덮개층을 형성한 후에 소정의 온도 범위에서 어닐링을 수행함으로써, 지역적으로 밴드 갭 구조를 변화, 즉 광대역 밴드 갭 영역과 협대역 밴드 갭 영역을 형성시킨다.
도 3은 도 1에 도시된 본 발명의 이종 파장 광 송수신 장치를 A - A′선에 따라 자른 절단면도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 이종 파장 광 송수신 장치는 크게 구분해 볼 때, 레이저 다이오드 영역(또는 포토 다이오드 영역)(320), 파장 선택적 거울(312) 및 포토 다이오드 영역(또는 레이저 다이오드 영역)(322)를 포함한다. 여기에서, 양측 다이오드 영역(320, 322)은 실질적으로 동일한 p-i-n 구조로써 수직 방향으로 전류를 인가하거나 전압을 인가할 수 있도록 각 영역의 윗면과 아랫면에 전극(예를들면, p타입 전극과 n타입 전극)을 구비하고 있지만, 밴드 갭의 크기는 서로 다르다.
여기에서, 다이오드 영역(320)은 전극간에 순방향 전류를 인가할 때 짧은 파장 대역(1300nm)의 광신호를 발생시키는 레이저 다이오드(LD)로 동작하고, 전극간에 역방향 전압을 인가할 때 짧은 파장 대역의 광신호를 검출하는 포토 다이오드(PD)로 동작한다. 또한, 다이오드 영역(322)은 전극간에 순방향 전류를 인가할 때 긴 파장 대역(예를들면, 1550nm)의 광신호를 발생시키는 레이저 다이오드(LD)로 동작하고, 전극간에 역방향 전압을 인가할 때 긴 파장 대역의 광신호를 검출하는 포토 다이오드(PD)로 동작한다.
또한, 파장 선택적 거울(312)은 짧은 파장 대역(1300nm)에서는 반사율이 100%에 가까운 거울로 동작하고, 긴 파장 대역(1550nm)에서는 반사율이 0%에 가까워서 대부분의 빛(광)을 투과, 예를들어 1300nm 파장 대역의 광은 모두 반사시키는 반면에 1550nm 파장 대역의 광은 대부분을 투과시킨다. 이때, 반사율이 높은 파장 대역과 반사율이 낮은 파장 대역은 각각 밴드 갭이 큰 영역(RG1)과 밴드 갭이 작은 영역(RG2)에 전류를 인가할 때 발생하는 파장 대역들과 일치하도록 설계되어야 한다.
더욱이, 파장 선택적 거울(312)은 광신호의 흡수가 무시할 수 있을 정도로 작게 되도록, 예를들면 20㎛ 이하로 설계하는 것이 바람직하고, 그 밴드 갭은 장치의 효율적인 동작을 위해 밴드 갭이 큰 영역(RG1)보다 적어도 크게 설계하는 것이 바람직하지만 광 흡수를 무시할 수 있을 정도로 그 폭이 충분히 작다면 다이오드 영역(320)의 밴드 갭과 동일한 크기로 해도 되며, 그 구조로써는 광 크리스탈(photonic crystal) 구조, 광 밴드 갭(photonic band gap) 구조를 채용할 수 있다.
그러므로, 상술한 바와같은 구성을 갖는 본 발명의 이종 파장 광 송수신 장치에 있어서, 짧은 파장 대역(1300nm)에서 광신호를 송신하고 긴 파장 대역(1550nm)에서 광신호를 수신하도록 장치를 구성하는 경우, 다이오드 영역(320)에는 순방향 전류를 인가하고, 다이오드 영역(322)에는 역방향 전압을 인가한다. 그 결과, 도시 생략된 광섬유를 통해 제공되는 1550nm 파장 대역의 수신 광신호는 다이오드 영역(320)과 파장 선택적 거울(312)을 투과하여 역방향 전압이 걸린 다이오드 영역(322)에서 흡수되어 전기신호로 검출되고, 다이오드 영역(320)에서는 1300nm 파장 대역의 광신호가 발진하여 도시 생략된 광섬유로 전송된다. 즉, 다이오드 영역(320)에 순방향 전류를 인가하는 경우(즉, 다이오드 영역(320)이 레이저 다이오드로 이용되는 경우) 도 1에 도시된 A 및 A'의 단면 사이에 케비티가 형성되어 레이저 발진이 일어나고, 다이오드 영역(322)에 순방향 전류를 인가하는 경우(즉, 다이오드 영역(322)이 레이저 다이오드로 이용되는 경우) 도 1에 도시된 A 및 파장 선택적 거울(312)의 단면 사이에 케비티가 형성되어 레이저 발진이 일어난다.
또한, 짧은 파장 대역(1300nm)에서 광신호를 수신하고 긴 파장 대역(1550nm)에서 광신호를 송신하도록 장치를 구성하는 경우, 다이오드 영역(320)에는 역방향 전압을 인가하고, 다이오드 영역(322)에는 순방향 전류를 인가한다. 그 결과, 도시 생략된 광섬유를 통해 제공되는 1300nm 파장 대역의 수신 광신호는 역방향 전압이 걸린 다이오드 영역(320)에서 흡수되어 전기신호로 검출되고, 다이오드 영역(322)에서 발생(발진)된 1550nm 파장 대역의 광신호는 파장 선택적 거울(312)과 다이오드 영역(320)을 통과하여 도시 생략된 광섬유로 전송된다.
따라서, 상술한 바와같은 집적 구조를 갖는 본 발명의 이종 파장 광 송수신 장치는 단지 광섬유에 접속하는 공정만을 수행함으로써 광 송수신 장치로써 이용될 수 있다.
이상 설명한 바와같이, 본 발명에 따른 이종 파장 광 송수신 장치는 레이저 다이오드, 포토 다이오드 및 파장 선택적 거울이 연속하는 일련의 공정들을 통해 한 기판상에 일체로 형성되기 때문에, 종래의 광 송수신 장치에서와 같이, 파장 분리기와 도파로가 형성된 완성 기판과 레이저 다이오드 및 포토 다이오드를 별도의 제작 공정으로 각각 제작하고, 플립-칩 본딩 기술을 이용하여 기판상에 레이저 다이오드 및 포토 다이오드를 각각 접착시키는 복잡한 제조 공정을 수행할 필요가 없어, 제품의 제조 공정을 대폭 간소화할 수 있으며, 또한 플립-칩 본딩을 위한 정렬(얼라인) 공정을 제거함으로써 오정렬(미스얼라인)로 인해 야기되는 제품의 고장율을 대폭 개선하여 생산 수율을 증진시킬 수 있기 때문에 전체 제품의 제조원가를 절감할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 이종 파장 광 송수신 장치는 레이저 다이오드, 포토 다이오드 및 파장 선택적 거울을 한 기판상에 일체로 형성하기 때문에 전체 제품의 경박단소화를 실현할 수 있다.
다음에, 상술한 바와같은 구성을 갖는 본 발명에 따른 광 송수신 장치를 제조하는 과정에 대하여 도 4를 주로 참조하여 상세하게 설명한다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 이종 파장 광 송수신 장치를 제조하는 과정을 도시한 공정 순서도이다.
도 4a를 참조하면, n 타입의 반도체 기판(302)상에 유기 금속 화학 기상 증착법(MOCVD)을 이용하여, 예를들면 620℃의 온도에서 다중 양자 우물층을 포함하는 전체 에피택셜 구조를 성장, 예를들면 대략 500 - 1000Å 정도의 InP 등과 같은 제 1 언도핑층(304), 대략 50Å의 InGaAs 층과 100Å의 InP 층이 교번적으로 혼재하는 형태의 복합층으로 된 양자우물층(306), 대략 500Å 정도의 InP 등과 같은 제 2 언도핑층(308), 대략 500 - 1000Å 정도의 p+ - InSaAs 등과 같은 p 타입층(310)을 순차 성장시킨다.
이어서, p 타입층(310)의 상부에 250℃의 온도에서 APCVD 등과 같은 증착 공정을 이용하여 SiO2또는 SiOxNy(또는 SiO2, 와 SiOxNy) 등의 유전체 물질을 증착하고, 마스크 패턴을 이용하는 포토리쏘그라피 공정을 통해 p 타입층(310)의 상부 일부에 형성된 유전체 물질을 제거한 다음 스크리핑 공정을 통해 마스크 패턴을 제거하여, 일예로서 도 4b에 도시된 바와같이, 일측 다이오드 영역으로 되는 p 타입층(310)의 일부를 노출시킴으로써 타측 다이오드 영역과 파장 선택적 거울 영역을 덮는 덮개층(330)을 형성한다. 여기에서, 유전체 물질로 된 덮개층(330)은 후속하는 어닐링 공정시에 열에 의해 확산되는 P 등의 물질이 외부로 증발되지 않고 양자우물층(306)으로 확산되어 들어가도록 유도하기 위한 것이다.
여기에서, 덮개층(330)은, 예를들면 SiO2또는 SiOxNy를 사용하거나 혹은 SiO2,와 SiOxNy를 순차 형성하여 사용할 수 있는 데, 이러한 유전체 물질은 어닐링 공정후에 얻어지는 에너지 밴드 갭(즉, 목표 밴드 갭)의 변화를 고려하여 선택할수 있다.
다음에, 덮개층(330)이 형성된 에피택셜 구조에서 어닐링 공정을 수행하여 불순물이 없는 빈공간을 확산시킴으로써 양자우물층(306)에서의 에너지 밴드 갭을 변화시킨다. 예를들면, 550℃ - 650℃의 온도에서 대략 30분 내지 60분 동안 어닐링 공정을 수행하거나 혹은 650℃ - 800℃의 온도에서 대략 30초 내지 50초 동안 어닐링 공정을 수행함으로써 밴드 갭 구조를 지역적으로 변화, 즉 레이저 다이오드(또는 포토 다이오드)로 이용될 영역과 포토 다이오드(또는 레이저 다이오드)로 이용될 영역에서의 밴드 갭을 변화(즉, 광대역 밴드 갭 영역과 협대역 밴드 갭 영역으로 변화)시킨다.
이어서, 어닐링 공정이 완료되면, p 타입층(310)의 상부 일부에 형성된 유전체 물질의 덮개층(330)을 제거한 다음, 포토리쏘그라피 공정을 수행하여 p 타입층(310)의 상부에 마스크 패턴, 즉 도 4c에 도시된 바와같이, 파장 선택적 거울을 형성하기 위한 마스크 패턴(332)을 형성한다.
그런다음, 마스크 패턴(332)을 식각 마스크로하여 반응성 이온 식각(RIE : reactive ion etching), 감응성 결합 플라즈마(ICP : inductive coupled plasma) 등의 건식 식각을 수행하여, p 타입층(310), 제 2 언도핑층(308), 양자우물층(306) 및 제 1 언도핑층(304)의 일부까지를 선택적으로 순차 식각한 다음, PR 스트립 공정을 수행하여 마스크 패턴(332)을 제거함으로써, 도 4d에 도시된 바와같은 파장 선택적 거울(312)을 형성한다. 이때, 형성되는 파장 선택적 거울(312)은 광신호의 흡수가 무시할 수 있을 정도로 작게 되도록, 예를들면 20㎛ 이하로 하는 것이 바람직하며, 그 밴드 갭은 장치의 효율적인 동작을 위해 밴드 갭이 큰 영역보다 크거나 적어도 동일하게 형성하는 것이 바람직하다.
이어서, 파장 선택적 거울(312)이 형성된 에피택셜 구조의 상부(즉, 다이오드 영역으로 되는 p 타입층(310)의 상부)에 전극용 패턴을 형성하고, E빔 이베퍼레이션(E-beam evaporation)을 이용하여 p 타입의 전극 물질을 p 타입층(310)의 상부 일부에 증착하며, 리프트 오프 공정을 수행하여 전극용 패턴을 제거함으로써, 목표로하는 임의의 패턴을 갖는 p 타입 전극(314, 316)을 형성하고, 다시 E빔 이베퍼레이션을 이용하여 n 타입의 전극 물질을 반도체 기판(302)의 하부에 증착하여 n 타입 전극(318)을 형성함으로써, 일예로서 도 4e에 도시된 바와같은 이종 파장 광 송수신 장치의 구조를 완성한다.
즉, 본 발명에 따른 이종 파장 광 송수신 장치는 상술한 바와같은 연속하는 일련의 공정들을 통해 레이저 다이오드, 파장 선택적 거울 및 포토 다이오드를 한 기판상에 일체로 형성하여 제조할 수 있다.
이상 설명한 바와같이 본 발명에 따르면, 파장 분리기와 도파로가 형성된 완성 기판과 레이저 다이오드 및 포토 다이오드를 별도의 제작 공정으로 각각 제작하고, 플립-칩 본딩 기술을 이용하여 기판상에 레이저 다이오드 및 포토 다이오드를 각각 접착시키는 복잡한 제조 공정을 통해 제작되는 종래 광 송수신 장치와는 달리, 레이저 다이오드, 포토 다이오드 및 파장 선택적 거울이 연속하는 일련의 공정들을 통해 한 기판상에 일체로 형성되기 때문에 제품의 제조 공정을 대폭 간소화할수 있으며, 또한 종래 장치에서 이용되는 플립-칩 본딩을 위한 얼라인 공정을 제거함으로써 미스얼라인으로 인해 야기되는 제품의 고장율을 대폭 개선하여 생산 수율을 증진시킬 수 있어 전체 제품의 제조원가를 절감할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 이종 파장 광 송수신 장치는 레이저 다이오드, 포토 다이오드 및 파장 선택적 거울을 한 기판상에 일체로 형성하기 때문에 전체 제품의 경박단소화를 실현할 수 있다.
Claims (15)
- 청구항1는 삭제 되었습니다.
- 광섬유를 통해 제공되는 임의의 파장 대역의 수신광을 검출하고 발진을 통해 생성되는 다른 파장 대역의 발진광을 상기 광섬유로 전송하는 광 송수신 장치에 있어서,상기 광섬유에 접속되는 반도체 절단면을 가지고, 수신 광신호의 검출 또는 발진을 위한 소정 크기의 밴드 갭을 갖는 제 1 신호 경로를 가지며, 상부 전극 및 하부 전극이 각각 형성된 제 1 다이오드 영역;상기 제 1 신호 경로의 출력측에서 연장되며, 광 크리스탈 또는 광 밴드 갭 구조로 된 파장 선택적 거울; 및상기 파장 선택적 거울을 투과하는 광신호를 검출하거나 또는 광신호를 발진하며, 상기 제 1 신호 경로의 밴드 갭보다 상대적으로 작은 밴드 갭을 갖는 제 2 신호 경로를 가지며, 상부 전극과 상기 하부 전극으로부터 신장되는 하부 전극이 각각 형성된 제 2 다이오드 영역으로 이루어진 이종 파장 광 송수신 장치.
- 제 2 항에 있어서, 상기 제 1 신호 경로의 밴드 갭과 제 2 신호 경로의 밴드 갭은 양자우물의 상호 섞임 기법에 의해 서로 다른 값으로 변화되는 것을 특징으로 하는 이종 파장 광 송수신 장치.
- 제 3 항에 있어서, 상기 파장 선택적 거울은, 상기 제 1 신호 경로의 밴드 갭과 동일하거나 적어도 상대적으로 큰 밴드 갭을 갖는 것을 특징으로 하는 이종 파장 광 송수신 장치.
- 제 2 항에 있어서, 상기 제 1 다이오드 영역 및 제 2 다이오드 영역 각각은, 하부에 하부 전극이 형성된 동일 반도체 기판상에 제 1 언도핑층, 양자우물층, 제 2 언도핑층, p 타입층 및 상부 전극이 순차 형성되는 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 이종 파장 광 송수신 장치.
- 광섬유를 통해 제공되는 임의의 파장 대역의 수신광을 검출하고 발진을 통해 생성되는 다른 파장 대역의 발진광을 상기 광섬유로 전송하는 광 송수신 장치를 제조하는 방법에 있어서,반도체 기판상에 제 1 언도핑층, 양자우물층, 제 2 언도핑층 및 p 타입층을 순차 증착하여 에피택셜 구조를 완성하는 제 1 과정;상기 p 타입층의 상부 일부에 유전체 물질로 된 덮개층을 형성하는 제 2 과정;상기 에피택셜 구조를 어닐링 공정을 수행하여 상기 덮개층이 형성된 제 1 하부 영역과 상기 노출된 p 타입층의 제 2 하부 영역에서의 밴드 갭의 크기를 지역적으로 변화시키는 제 3 과정;상기 덮개층을 제거하여 상기 p 타입층을 완전히 노출시키는 제 4 과정;마스크 패턴을 이용하는 식각 공정을 통해 상기 덮개층이 제거된 영역의 상부 일부로부터 상기 p 타입층, 제 2 언도핑층, 양자우물층 및 제 1 언도핑층의 일부를 선택적으로 제거함으로써, 파장 선택적 거울을 형성하는 제 5 과정; 및상기 파장 선택적 거울을 제외한 상기 p 타입층의 상부에 임의의 도전형을 갖는 상부 전극을 형성하고, 상기 반도체 기판의 하부에 다른 도전형의 하부 전극을 형성함으로써, 제 1 다이오드 영역, 파장 선택적 거울 및 제 2 다이오드 영역으로 된 광 송수신 장치를 완성하는 제 6 과정으로 이루어진 이종 파장 광 송수신 장치의 제조 방법.
- 제 6 항에 있어서, 상기 제 2 과정은:상기 p 타입층의 상부에 유전체 물질을 증착하는 과정;마스크 패턴을 이용하는 포토리쏘그라피 공정을 통해 p 타입층(310)의 상부 일부에 형성된 유전체 물질을 제거하는 과정; 및스트리핑 공정을 통해 상기 마스크 패턴을 제거하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 이종 파장 광 송수신 장치의 제조 방법.
- 제 7 항에 있어서, 상기 유전체 물질은, SiO2로 형성된 것을 특징으로 하는 이종 파장 광 송수신 장치의 제조 방법.
- 제 7 항에 있어서, 상기 유전체 물질은, SiOxNy로 형성된 것을 특징으로 하는 이종 파장 광 송수신 장치의 제조 방법.
- 제 7 항에 있어서, 상기 유전체 물질은, SiO2,와 SiOxNy가 순차 형성된 것을 특징으로 하는 이종 파장 광 송수신 장치의 제조 방법.
- 제 6 항에 있어서, 상기 어닐링 공정은, 550℃ - 650℃의 온도에서 대략 30분 내지 60분 동안 수행되는 것을 특징으로 하는 이종 파장 광 송수신 장치의 제조 방법.
- 제 6 항에 있어서, 상기 어닐링 공정은, 650℃ - 800℃의 온도에서 대략 30초 내지 50초 동안 수행되는 것을 특징으로 하는 이종 파장 광 송수신 장치의 제조 방법.
- 제 6 항에 있어서, 상기 파장 선택적 거울은, 상기 제 1 하부 영역의 밴드 갭과 동일하거나 적어도 상대적으로 큰 밴드 갭을 갖는 것을 특징으로 하는 이종 파장 광 송수신 장치의 제조 방법.
- 제 13 항에 있어서, 상기 파장 선택적 거울은, 반응성 이온 식각 공정에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 이종 파장 광 송수신 장치의 제조 방법.
- 제 13 항에 있어서, 상기 파장 선택적 거울은, 감응성 결합 플라즈마 식각 공정에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 이종 파장 광 송수신 장치의 제조 방법.
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1999
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Patent Citations (1)
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|---|---|---|---|---|
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