KR100547830B1 - 집적광학장치 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 적어도 둘 이상의 광소자가 집적된 집적광학장치 및 그 제조방법에 관한 것으로, 특히 광소자들간의 상호 전기적 절연이 용이한 집적광학장치 및 그 제조방법에 관한 것이다.
본 발명은 제1 도전형의 기판 위에 상호 광학적으로 연결되고 전기적으로 절연되도록 집적된 제1 및 제2 광소자를 포함하는 집적광학장치의 제조방법에 있어서, 상기 반도체 기판 위에 메사구조의 활성층, 제2 도전형의 클래드층을 형성하는 제1 과정과; 상기 제2 도전형의 클래드층 및 활성층을 감싸도록 상기 반도체 기판 및 상기 제2 도전형의 클래드층 위에 S.I(Semi-Insulating) 클래드층을 형성하는 제2 과정과; 상기 제1 및 제2 광소자 영역의 상기 S.I 클래드층에 제2 도전형의 불순물(dopant) 확산공정에 의한 트랜치 형태의 제1 전도층 및 제2 전도층을 형성하는 제3 과정을 포함하는 것을 특징으로 한다.
집적광학장치, 전기적 절연, 불순물 확산

Description

집적광학장치 및 그 제조방법{INTEGRATED OPTICAL DEVICE AND METHOD FOR FABRICATING THE SAME}
도 1은 종래 PBH(Planarized Buried Hetero-structure) 구조 집적광학장치의 구성을 나타낸 도면,
도 2는 종래 EMBH(Etched Mesa Buried Hetero-structure) 구조 집적광학장치의 구성을 나타낸 도면,
도 3은 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 집적광학장치의 구성을 개략적으로 나타낸 도면,
도 4 본 발명의 바람직한 제2 실시예에 따른 집적광학장치의 구성을 개략적으로 나타낸 도면,
도 5는 본 발명에 따른 레이저 다이오드가 포함된 집적광학장치의 특성을 나타낸 도면,
도 6은 제1 광학소자인 레이저 다이오드에 전류(LD CURRENT)를 주입하였을 경우 제2 광학소자인 모듈레이터에서 측정되는 전류량(Imod)을 나타낸 도면,
도 7a 내지 도 7d는 도 4의 집적광학장치 제조과정을 나타낸 도면.
본 발명은 적어도 둘 이상의 광소자가 집적된 집적광학장치 및 그 제조방법에 관한 것으로, 특히 광소자들간의 상호 전기적 절연이 용이한 집적광학장치 및 그 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로, 광통신에서 10G bps 이상의 초고속 광신호 전송을 위하여 주로 광섬유의 흡수율이 낮은 1550nm 파장대역을 사용하고 있으며, 전계 흡수형 광변조기(electro-absorption optical modulator)가 결합된 분포귀환형 레이저 다이오드(Distributed-Feedback Laser Diode: DFB LD)를 사용하면 광전송 시스템의 제작이 용이한 장점이 있다. 그러나, 전계 흡수형 광변조기가 결합된 레이저(electro-absorption modulated laser; 이하 EML이라 칭함)의 경우, 낮은 광출력으로 인해 장거리 전송에는 단점이 있다. 이에 따라 광출력을 증가시키기 위해 위상 반도체 광증폭기(Semiconductor Optical Amplifier: SOA)를 집접화하는 방안이 제시되고 있다.
이러한 집적화 소자의 경우, 집적된 분포귀환형 레이저 다이오드와 전계 흡수형 광변조기 사이의 전기적 절연, 또는 반도체 광증폭기와 전계 흡수형 광변조기 또는 분포귀환형 레이저 다이오드 사이의 전기적 절연, 광적 절연이 소자의 성능을 결정하는 중요한 요소이다.
도 1은 종래 PBH(Planarized Buried Hetero-structure: 이하 PBH라 칭함) 구 조 집적광학장치의 구성을 나타낸 것이고, 도 2는 EMBH(Etched Mesa Buried Hetero-structure) 구조 집적광학장치의 구성을 나타낸 것으로, 이를 통해 종래 집적광학장치에서의 광소자 상호간 전기적 절연방법에 대해 살펴보자.
먼저, 도 1의 PBH 구조 집적광학장치(100)는 제1 광소자(110), 제2 광소자(120) 및 이들 사이에 개재된 전기적 절연영역(130)으로 구성된다. 각각의 광소자(110, 120)를 구성하는 물질층들은 기판(101) 상에 형성되며, 광도파로(102)를 공유하는 구조를 갖는다. 광도파로(102)는 클래드층(103)에 의해 감싸지는 것이 바람직하며, 상기 각 광소자(110, 120)를 구성하는 물질층들에 대한 상세 구성은 생략한다. 또한, 편의상 도면에 도시하지는 않았으나, 상기 제1 광소자(110), 제2 광소자(120)는 전류주입을 위한 전극을 구비한다.
상기 PBH 구조 집적광학장치(100)의 제조방법은 먼저, n-기판(101) 위에 활성층 및 p-클래드층(103)을 기르고 식각하여 메사형태의 광도파로(102)를 형성한 후, 광도파로 주위를 S.I(Semi-Insulating) 클래드층(104)으로 채우고, 기판 전체를 덮는 p+-클래드층(105)을 성장시킨다. 이어서, 광도파로(102) 상에 위치하는 제1 광소자(110) 및 제2 광소자(120) 사이에 빛은 통과하면서 전기적으로는 서로 절연시키기 위한 전기적 절연영역(130)을 형성한다. 이때, 절연영역(130)의 형성은 이온주입(ion implantation)에 의해 p+-클래드층의 성질을 바꾸는 방법과, 식각공정을 이용하여 절연영역(130)을 식각하는 방법을 주로 이용하고 있다.
그러나, 이온주입 공정에 의한 방법은 1회 이상의 포토(photo) 공정을 수반 하며, 주입된 이온에 의해 반도체 결정구조에 손상을 가져올 수 있고, 장비가 고가인 단점이 있다. 또한, 식각공정에 의한 방법은 마찬가지로 포토 공정이 필요하며 과도한 식각으로 인해 광도파로가 손상을 입는 경우가 빈번하여 공정 비용이 높고 수율이 안정적이지 못한 단점이 있다. 또한, 넓은 면적에 걸쳐 p+-클래드층이 형성되어 있기 때문에 이로 인한 정전용량을 줄이기 위해 추가적인 식각공정이 요구되는 등의 문제점이 있다.
먼저, 도 2의 EMBH 구조 집적광학장치(200)는 제1 광소자(210), 제2 광소자(220) 및 이들 사이에 개재된 전기적 절연영역(230)으로 구성된다. EMBH 구조 집적광학장치(200)는 n-기판(201) 위에 활성층, p-클래드층(203) 및 p+-클래드층(204)을 형성한 후 이를 식각하여 메사형태의 광도파로(202)를 형성하고, 광도파로(202) 주위를 S.I(Semi-Insulating) 클래드층(205)으로 채운다.
EMBH 구조 집적광학장치는 광도파로 위에만 p+-클래드층을 구비하므로 정전용량을 작게할 수 있다. 따라서 주위의 불필요한 p+-클래드층을 식각할 필요가 없는 장점이 있다.
그러나, PBH 구조의 집적광학장치와 마찬가지로 소자들이 p+-클래드층으로 연결되어 있기 때문에 이를 이온주입 공정이나 식각공정으로 절연시켜야 하며, 각 공정이 가지는 문제점을 그대로 내포하고 있다. 또한, EMBH 구조의 집적광학장치는 전류주입을 위한 p+-클래드층의 폭이 좁기 때문에 이로 인해 전극과의 접촉저항을 포함한 저항이 커지며, 전극 주변의 형상이 날카롭게 변하여 얇은 전극의 경우 끊어지는 경우도 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 이온주입(ion implantation) 공정이나 식각공정 없이 광소자들간의 전기적 절연을 구현하는 집적광학장치 및 그 제조방법에 관한 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 집적광학장치는 제1 도전형의 기판 위에 상호 광학적으로 연결되고 전기적으로 절연되도록 집적된 제1 및 제2 광소자를 포함하며, 상기 제1 및 제2 광소자는
상기 제1 및 제2 광소자가 공유하도록 상기 기판 위에 메사구조로 형성된 활성층과; 상기 활성층 위에 형성된 제2 도전형의 클래드층과; 상기 활성층 및 상기 제2 도전형의 클래드층 측벽을 감싸도록 상기 기판 위에 형성된 S.I(Semi-Insulating) 클래드층과; 상기 제1 및 제2 광소자 각각으로의 전류 주입을 위해 상기 S.I 클래드층에 트랜치 형태로 형성되며, 상기 S.I 클래드층에 의해 상호 전기적으로 절연된 제2 도전형의 제1 전도층 및 제2 전도층을 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 제1 전도층 및 제2 전도층은 제2 도전형의 불순물 확산 층으로 이루어지며, 상기 활성층 아래 주변으로 상기 제2 도전형의 불순물이 확산되는 것을 방지하기 위해 상기 S.I 클래드층 내에 형성된 불순물 확산 방지층을 더 포함함을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 제1 도전형의 기판 위에 상호 광학적으로 연결되고 전기적으로 절연되도록 집적된 제1 및 제2 광소자를 포함하는 집적광학장치의 제조방법에 있어서, 상기 반도체 기판 위에 메사구조의 활성층, 제2 도전형의 클래드층을 형성하는 제1 과정과; 상기 제2 도전형의 클래드층 및 활성층을 감싸도록 상기 반도체 기판 및 상기 제2 도전형의 클래드층 위에 S.I(Semi-Insulating) 클래드층을 형성하는 제2 과정과; 상기 제1 및 제2 광소자 영역의 상기 S.I 클래드층에 제2 도전형의 불순물(dopant) 확산공정에 의한 트랜치 형태의 제1 전도층 및 제2 전도층을 형성하는 제3 과정을 포함하여 이루어짐을 특징으로 한다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 도면에서 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 참조번호 및 부호로 나타내고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다.
도 3은 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 집적광학장치(300)의 구성을 개략적으로 나타낸 도면으로, 상기 집적광학장치(300)는 n-반도체(301) 기판 위에 집적된 제1 광소자(310), 제2 광소자(320) 및 이들 사이의 전기적 절연을 위한 절연영역(330)으로 구성된다. 본 실시예에서 상기 제1 광소자(310)는 분포귀환형 레이저 다이오드이며, 제2 광소자는 전계 흡수형 광변조기로 이루어진다.
상기 제1 광소자(310) 및 제2 광소자(320)를 구성하는 물질층들은 n(제1 도전형)-반도체(301) 기판 위에 형성되며, 서로 광학적으로 연결되도록 활성층(302)을 공유하는 구조를 갖는다. 활성층(302) 위에는 p(제2 도전형)-클래드층(303)이 위치하며, 메사구조의 활성층(302) 및 p-클래드층(303) 측벽을 감싸도록 S.I(Semi-Insulating) 클래드층(304)이 형성된다. 상기 S.I(Semi-Insulating) 클래드층(304) 대신 비도핑(undopped) 클래드층으로 구성할 수도 있다. 제1 광소자(310) 및 제2 광소자(320) 각각으로의 전류 주입을 위한 제1 전도층(305-1) 및 제2 전도층(305-2)이 S.I 클래드층(304) 상부로부터 트랜치 형태로 형성된다. 제1 전도층(305-1) 및 제2 전도층(305-2)은 p-형(제2 도전형) 불순물의 확산공정에 의해 이루어지며, S.I 클래드층(304)에 의해 상호 전기적으로 절연된다.
도 4는 본 발명의 바람직한 제2 실시예에 따른 집적광학장치(400)의 구성을 개략적으로 나타낸 도면으로, 상기 집적광학장치(400)는 n-반도체(401) 기판 위에 집적된 제1 광소자(410), 제2 광소자(420) 및 이들 사이의 전기적 절연을 위한 절연영역(430)으로 구성된다. 본 실시예는 S.I 클래드층(404-1, 404-2) 사이에 형성된 p-형 불순물 확산방지층(406)을 제외하고는 상기 도 3의 구성과 동일하므로 본 실시예의 설명에서는 불순물 확산방지층(406)에 대해서만 설명하기로 한다. 도면에서 미설명 부호 403은 p-클래드층을 나타낸다.
상기 p-형 불순물 확산방지층(406)은 제1 전도층(405-1) 및 제2 전도층(405-2) 형성을 위한 p-형 불순물의 확산공정 시, p-형 불순물이 활성층(402) 주변 아래로 확산되는 것을 방지하며, 제1 S.I 클래드층(404-1)과 제2 S.I 클래드층(404-2) 사이에 형성된다. 불순물 확산방지층(406)은 상기 주입되는 불순물과 다른 도전형의 n-형 클래드층 또는 제3 S.I 클래드층으로 구현할 수 있다. 이때, 제3 S.I 클래드층은 상기 제1 S.I 클래드층(404-1), 제2 S.I 클래드층(404-2)과는 다르게 p-형 불순물이 잘 확산되지 않는 특성을 가진다. 이러한, 특성은 S.I 물질에 Co, Ni, Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt 등의 전이금속 또는 La, Ce, Pr 등의 란탄계 또는 Ac, Th, Pa 등의 악티늄계 원소를 첨가하여 구현할 수 있다.
도 5는 본 발명에 따른 레이저 다이오드가 포함된 집적광학장치의 특성을 측정한 것으로, 가로 축은 전류(I)를 나타내고, 세로 축은 전압(V), 광파워(Po), 레이저의 효율(SE), 저항(Rd)을 각각 나타낸다. 레이저의 발진개시전류(Ith)는 9.44mA이며 이는 10mA 정도인 기존의 일반레이저의 발진개시전류와 유사한 수치임을 알 수 있다.
도 6은 제1 광학소자인 레이저 다이오드에 전류(LD CURRENT)를 주입하였을 경우 제2 광학소자인 모듈레이터에서 측정되는 전류량(Imod)을 각각 나타낸 것이다. 도 6에서, 레이저 다이오드에 주입되는 전류(LD CURRENT)가 증가하면 모듈레이터에 흐르는 전류(Imod) 또한 증가하며 이를 통해 레이저 다이오드에서 방출되는 빛이 모듈레이터에 주입됨을 알 수 있다. 또한, 아래 표1.을 통해 인접 광소자간의 전기적인 절연정도를 알 수 있다.
종래 PBH 구조(식각에 의한 절연) 본 발명 구조
소자간 거리(10㎛) 10 Ω 20 ~ 30 ㏀
소자간 거리(200㎛) 20 ㏀ 0.8 ~ 1 ㏁
상기 구성을 갖는 본 발명에 따른 집적광학장치의 제조공정은 다음과 같다.
도 7a 내지 도 7d는 도 4에 도시된 집적광학장치(400)의 제조과정을 나타낸 것이다.
먼저, 도 7a에서, n-반도체 기판(401) 위에 활성층(402), p-클래드층(403)을 차례로 형성한 다음, SiO2 마스크(440)를 이용한 식각공정을 통해 메사 구조의 p-클래드층(403) 및 활성층(402)을 형성한다. 이때, 식각되는 p-클래드층(403), 활성층(402) 및 n-반도체 기판(401)의 총 두께는 예컨대, 3㎛ 정도가 되도록 한다.
도 7b에서, p-클래드층(403), 활성층(402) 및 n-반도체 기판(401)의 식각에 의해 형성된 메사 주위로 S.I 클래드층(404-1) 및 n-클래드층(406)을 성장시켜 평탄화되도록 한 다음, SiO2 마스크(440)를 제거한다. n-클래드층(406)은 이후 p-형 불순물 확산공정 시에 p-형 불순물이 활성층(402) 주변 아래로 확산되는 것을 방지하기 위한 것으로, 비도핑 클래드층, p-형 불순물이 잘 확산되지 않는 특성을 갖는 S.I 클래드층 등으로 형성할 수 있다.
도 7c에서, 상기 평탄화 후 전체 상부에 S.I 클래드층(404-2)을 형성한다.
도 7d에서, S.I 클래드층(404-2) 상부에 마스크 패턴(미도시)을 형성하여 예정된 제1 전도층(405-1) 및 제2 전도층(405-2) 형성영역을 노출시킨다. 노출된 영역에 증착(evaporation) 또는 스퍼터(sputtering) 등의 방법으로 p-형 불순물을 올린 다음 소정시간 동안 가열하여 p-형 불순물이 S.I 클래드층(404) 내로 확산되도록 한다. 확산 시간 및 온도는 활성층(402) 상부에까지 불순물이 확산되도록 조절하며, 사용되는 p-형 불순물로는 Be, Mg, Zn, Cd, Hg 등이 있다.
한편, 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 아니 되며 후술하는 특허청구의 범위뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따른 집적광학장치는 소자 상부에 절연특성을 가진 반도체층을 형성하고 전류주입이 필요한 소자 상부에만 불순물 확산공정에 의해 전류가 흐를 수 있는 구조를 형성함으로써 제조공정을 간소화 할 수 있다.
또한, 식각공정이나 이온주입으로 인한 활성층의 변형 또는 손상을 초래하지 않아 광전송 특성을 개선할 수 있다.

Claims (13)

  1. 제1 도전형의 기판 위에 상호 광학적으로 연결되고 전기적으로 절연되도록 집적된 제1 및 제2 광소자를 포함하며, 상기 제1 및 제2 광소자는
    상기 제1 및 제2 광소자가 공유하도록 상기 기판 위에 메사구조로 형성된 활성층과;
    상기 활성층 위에 형성된 제2 도전형의 클래드층과;
    상기 활성층 및 상기 제2 도전형의 클래드층 측벽을 감싸도록 상기 기판 위에 형성된 S.I(Semi-Insulating) 클래드층과,
    상기 제1 및 제2 광소자 각각으로의 전류 주입을 위해 상기 S.I 클래드층에 트랜치 형태로 형성되며, 상기 S.I 클래드층에 의해 상호 전기적으로 절연된 제2 도전형의 제1 전도층 및 제2 전도층을 포함함을 특징으로 하는 집적광학장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 제1 전도층 및 제2 전도층은
    제2 도전형의 불순물 확산층임을 특징으로 하는 집적광학장치.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 활성층 아래 주변으로 상기 제2 도전형의 불순물이 확산되는 것을 방지하기 위해
    상기 S.I 클래드층 내에 형성된 불순물 확산 방지층을 더 포함함을 특징으로 하는 집적광학장치.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 불순물 확산 방지층은
    제1 도전형의 클래드층임을 특징으로 하는 집적광학장치.
  5. 제 3 항에 있어서, 상기 불순물 확산 방지층은
    전이원소 또는 란탄계 또는 악티늄계 원소 중 어느 하나를 포함하는 S.I(Semi-Insulating) 클래드층임을 특징으로 하는 집적광학장치.
  6. 제1 도전형의 기판 위에 상호 광학적으로 연결되고 전기적으로 절연되도록 집적된 제1 및 제2 광소자를 포함하는 집적광학장치의 제조방법에 있어서,
    상기 반도체 기판 위에 메사구조의 활성층, 제2 도전형의 클래드층을 형성하는 제1 과정과;
    상기 제2 도전형의 클래드층 및 활성층을 감싸도록 상기 반도체 기판 및 상기 제2 도전형의 클래드층 위에 S.I(Semi-Insulating) 클래드층을 형성하는 제2 과정과;
    상기 제1 및 제2 광소자 영역의 상기 S.I 클래드층에 제2 도전형의 불순물(dopant) 확산공정에 의한 트랜치 형태의 제1 전도층 및 제2 전도층을 형성하는 제3 과정을 포함함을 특징으로 하는 집적광학장치 제조방법.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 제1 과정은
    상기 반도체 기판 위에 활성층, 제2 도전형의 클래드층을 차례로 증착하는 과정과,
    상기 제2 도전형의 클래드층 위에 제1 마스크 패턴을 형성한 다음, 이를 이용한 식각공정을 통해 상기 제2 도전형의 클래드층, 활성층을 차례로 식각하여 메사 구조를 형성하는 과정을 포함함을 특징으로 하는 집적광학장치 제조방법.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 제2 과정은
    상기 메사 주위로 제1 S.I 클래드층을 성장시켜 평탄화하는 과정과,
    상기 제1 마스크 패턴을 제거하는 과정과,
    상기 제1 S.I 클래드층이 형성된 전체 구조 상부에 제2 S.I 클래드층을 형성하는 과정을 포함함을 특징으로 하는 집적광학장치 제조방법.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 제3 과정은
    상기 제2 S.I 클래드층 상부에 제2 마스크 패턴을 형성하여 예정된 제1 전도층 및 제2 전도층 형성영역을 노출시키는 과정과,
    상기 노출된 영역에 제2 도전형의 불순물을 올리는 과정과,
    소정 온도에서 가열하여 상기 제2 도전형의 불분물이 상기 활성층 상부에까지 확산되도록 하는 과정을 포함함을 특징으로 하는 집적광학장치 제조방법.
  10. 제 6 항에 있어서, 상기 제2 과정은
    상기 메사 주위로 제1 S.I 클래드층, 불순물 확산방지층을 형성하여 평탄화하는 과정과,
    상기 제1 마스크 패턴을 제거하는 과정과,
    상기 제1 S.I 클래드층이 형성된 전체 구조 상부에 제2 S.I 클래드층을 형성하는 과정을 포함함을 특징으로 하는 집적광학장치 제조방법.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 불순물 확산방지층은
    제1 도전형의 클래드층임을 특징으로 하는 집적광학장치 제조방법.
  12. 제 10 항에 있어서, 상기 불순물 확산 방지층은
    전이원소 또는 란탄계 또는 악티늄계 원소 중 어느 하나를 포함하는 S.I(Semi-Insulating) 클래드층임을 특징으로 하는 집적광학장치 제조방법.
  13. 제 6 항에 있어서, 상기 제2 도전형의 불순물은
    p-형 불순물임을 특징으로 하는 집적광학장치 제조방법.
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