KR100594037B1

KR100594037B1 - 광모드 크기 변환 영역 포함하는 반도체 광소자

Info

Publication number: KR100594037B1
Application number: KR1020040003694A
Authority: KR
Inventors: 김현수; 방영철; 이중기; 이은화; 김준연
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2004-01-19
Filing date: 2004-01-19
Publication date: 2006-06-30
Also published as: JP2005210120A; KR20050075951A; US20050157766A1

Abstract

본 발명에 따른 반도체 기판과, 상기 반도체 기판 상에 성장된 하부 클래드와, 상기 하부 클래드 상에 성장된 상부 클래드로 이루어진 반도체 광소자는 광을 생성 및 증폭시키기 위해서 상기 하부 및 상부 클래드 사이에 성장된 활성층을 포함하는 이득 영역과, 상기 하부 및 상부 클래드 사이에 상기 활성층으로부터 연장되게 성장된 도파층을 포함함으로써 상기 이득 영역에서 생성된 상기 광의 모드 크기를 변환시켜서 출력하기 위한 광모드 크기 변환 영역을 포함하며, 상기 광모드 크기 변환 영역의 도파층은 상기 활성층으로부터 그 두께가 점차적으로 작아지게 성장되며, 상기 상부 클래드는 상기 이득 영역을 포함하는 상기 반도체 광소자의 일단으로부터 상기 광모드 크기 변환 영역을 포함하는 상기 반도체 광소자의 타단으로 갈수록 그 폭이 좁아지는 테이퍼 구조를 갖도록 식각된다.

광모드 변환, 반도체 광소자, 이득 영역

Description

광모드 크기 변환 영역 포함하는 반도체 광소자{SEMICONDUCTOR OPTICAL DEVICE HAVING THE SPOT SIZE CONVERSION REGION}

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 반도체 광소자를 나타내기 위한 사시도,

도 2는 도 1에 도시된 반도체 광소자를 나타내기 위한 평면도,

도 3은 도 1에 도시된 A-A'의 단면을 나타내기 위한 단면도.

본 발명은 반도체 광소자에 관한 것으로서, 특히 광모드 크기 변환기가 집적된 반도체 광소자에 관한 것이다.

근래에 광가입자 망과, 다양한 형태의 광 미디어 매체들에 사용하기 위한 광원들로서, 반도체 레이저 등이 널리 사용되고 있다. 즉, 상기 반도체 레이저 등은 높은 출력 파워과, 작은 부피로 인해서 광원으로서 다양하게 활용되고 있다.

그러나, 상기 반도체 레이저에서 출력되는 광은 단일 모드 광섬유 혹은 광도 파로 등과 같은 전송 매체와 결합시킬 때 큰 결합 손실이 발생한다. 상술한 바와 같은 결합 손실 등은 상기 반도체 레이저에서 출력되는 광의 모드와 상기 단일 모드 광섬유 혹은 광도파로 사이의 큰 모드 차이에 기인한다.

상술한 바와 같은 문제들을 해결하기 위한 수단으로서, 광모드 크기 변환기( SSC) 또는 상기 광을 상기 단일 모드 광섬유 또는 광도파로 등에 결합시키기 위한 렌즈계 등이 제안되고 있다. 상술한 렌즈계는 상기 반도체 레이저에서 출력되는 광을 시준화시키기 위한 시준화 렌즈(Collimating lens)와 시준화된 상기 광을 상기 단일 모드 광섬유 또는 상기 광도파로 등에 수렴시키기 위한 수렴 렌즈(Focuing lens) 등을 사용한다 .

그러나, 렌즈계는 부피가 크고, 광축 정렬이 용이하지 않다는 문제가 있다. 특히, 일정한 수율을 얻는 것이 용이하지 않다는 문제가 있다. 반면에, 상기 광모드 크기 변환기는 상기 반도체 레이저 등과 같은 반도체 광소자와 동일한 기판 상에 집적이 가능함으로 공정 및 생산 원가의 절감과, 부피를 최소화시킬 수 있다는 이점이 있다.

상기 광모드 크기 변환기는 반도체 레이저 등의 광원에서 생성된 광을 상기 반도체 레이저의 활성층에 속박시켜야 하며, 상기 활성층 내에 상기 광이 속박된 정도를 광가둠 계수(Optical Confinement factor)라고 한다. 즉, 상기 광모드 크기 변환기는 상기 반도체 광소자의 광가둠 계수를 증가시킴으로써 상기 반도체 레이저의 임계 전류를 낮추게 된다. 또한, 상기 광모드 크기 변환기는 상기 반도체 레이저의 활성층 내에 속박된 상기 광을 점차적으로 방출함으로써, 상기 반도체 광소자 출력 계면에서의 광의 크기를 증가시킴으로써 다른 광 소자 또는 전송 매체 등에 결합되는 광의 결합 손실을 최소화시킨다.

광모드 결합기가 집적된 반도체 광소자로는 2000년 기무라 등(Kimura et al.)에 의해서 미국 출원된 "Semiconductor laser and method of fabricating semiconductor laser"(미국 출원 번호: US 6,018,539)와, 1998년 아오끼 등(Aoki et al.)에 의해서 미국 출원된 "Semiconductor optical device"(미국 출원 번호 : US 5,737,474) 등이 있다.

기무라 등은 수직한 방향으로 경사지게 형성된 광모드 변환기가 집적된 반도체 광소자에 관해서 개시하고 있으며, 아오끼 등은 광모드 변환기가 형성된 영역 내에 위치된 상부 클래드의 양 측면을 경사지게 형성한 반도체 광소자의 구조에 관해서 각각 개시하고 있다. 기무라 등의 발명은 광모드 변환기가 형성된 영역을 포함하는 반도체 광소자는 선택적 영역 성장(Selective Area Growth; SAG) 등의 성장 방법을 이용함으로써 반도체 레이저 등과 다른 수직 방향으로 경사진 구조를 갖는 광모드 변환기를 형성할 수 있다.

한편, 아오끼 등에 의해 개시된 반도체 광소자는 상기 반도체 광소자와, 상기 반도체 광소자의 주변을 둘러싸는 대기 사이의 굴절률 차가 커서 방사각 또한 커지는 문제가 있다.

반면에 기무라 등에 의해서 개시된 반도체 광소자의 구조는 수직 방향으로 경사진 광모드 변환기의 도파로 층과, 광소자 영역 사이의 두께 차이(thickness enhancement factor : TEF)가 증가할 수록 선택적 영역 성장 법에 의해 성장된 광 모드 변환기에 의한 모드 커플링의 효과가 증가된다.

선택적 영역 성장법(SAG)을 이용해서 광모드 변환기가 형성된 영역으로부터 반도체 레이저 등과 같은 광원이 형성된 이득(Gain) 영역까지 활성층의 구조가 연속적인 반도체 광소자나, 버트 조인트(Butt joint) 방법 등을 이용해서 광모드 변환기가 형성된 영역과 반도체 레이저 등과 같은 광원이 형성된 이득(Gain) 영역이 불연속적으로 형성된 경우의 반도체 광소자들 모두는 이상적인 동작 특성을 갖기 위해서 광모드 변환기가 형성된 영역의 두께와 이득 영역의 두께비가 3:1 이상이어야 함과 동시에 응력의 차는 1% 이내이어야 한다.

그러나, 광모드 변환 영역과 이득 영역 사이의 두께 비가 3:1 이상일 경우는 선택적 영역 성장법 또는 버트 조인트 법에 의해 성장된 광모드 변환 영역과 이득 영역 사이의 응력 차이가 증가하게 되며, 이로 인해서 광모드의 변환 특성이 향상되는 반면에, 광 출력 특성이 저하되는 문제가 있다.

본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로서, 본 발명의 목적은 모드 커플링 및 출력광의 효율이 높은 광모드 변환 영역이 집적된 반도체 광소자를 제공함에 있다.

본 발명에 따른 반도체 기판과, 상기 반도체 기판 상에 성장된 하부 클래드와, 상기 하부 클래드 상에 성장된 상부 클래드로 이루어진 반도체 광소자는,

광을 생성 및 증폭시키기 위해서 상기 하부 및 상부 클래드 사이에 성장된 활성층을 포함하는 이득 영역과;

상기 하부 및 상부 클래드 사이에 상기 활성층으로부터 연장되게 성장된 도파층을 포함함으로써 상기 이득 영역에서 생성된 상기 광의 모드 크기를 변환시켜서 출력하기 위한 광모드 크기 변환 영역을 포함하며,

상기 광모드 크기 변환 영역의 도파층은 상기 활성층으로부터 그 두께가 점차적으로 작아지게 성장되며, 상기 상부 클래드는 상기 이득 영역을 포함하는 상기 반도체 광소자의 일단으로부터 상기 광모드 크기 변환 영역을 포함하는 상기 반도체 광소자의 타단으로 갈수록 그 폭이 좁아지는 테이퍼 구조를 갖도록 식각된다.

이하에서는 첨부도면들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능이나 구성에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 모호하지 않게 하기 위하여 생략한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 반도체 광소자를 나타내기 위한 사시도이고, 도 2는 도 1에 도시된 반도체 광소자를 나타내기 위한 평면도이며, 도 3은 도 1에 도시된 A-A'의 단면을 나타내기 위한 단면도이다. 도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 반도체 광소자(100)는 반도체 기판(101)과, 상기 반도체 기판(101) 상에 성장된 버퍼층(buffer lay; 102)과, 상기 버퍼층(102) 상에 성장된 하부 클래드(103)와, 상기 하부 클래드(103) 상에 성장된 상부 클래드(105)와, 상기 상부 클래드 상에 성장된 접촉층(106) 등으로 이루어지며 광을 생성 및 증폭시키기 위해서 상기 하부 및 상부 클래드(103, 105)의 사이에 성장된 활성층(104b)을 포함하는 이득 영역(120)과, 상기 하부 및 상부 클래드(103, 105)의 사이에 상기 활성층(104b)으로부터 연장되게 성장된 도파층(104a)을 갖는 광모드 크기 변환 영역(110)을 포함한다. 또한, 상기 반도체 광소자(100)는 상기 광모드 크기 변환 영역(110)과 상기 이득 영역(120)의 사이를 광학적, 전기적으로 분리하기 위해서 상기 접촉층(106)을 상기 이득 영역(120) 상에만 형성하거나, 상기 접촉층(106)을 상기 광모드 크기 변환 영역(110) 상에도 형성한 후 상기 광모드 크기 변환 영역(110)과 상기 이득 영역(110)의 사이에 트랜치(Trench: 10n)를 형성한 구조로도 적용 가능하다.

상기 상부 클래드(105)는 상기 이득 영역(120)을 포함하는 상기 반도체 광소자(100)의 일단으로부터 상기 광모드 크기 변환 영역(110)을 포함하는 상기 반도체 광소자(100)의 타단으로 갈수록 그 폭이 좁아지는 테이퍼(Taper) 구조를 갖도록 식각된다. 보다 구체적인 일예로서, 상기 상부 클래드(105)는 상기 이득 영역(104b)을 포함하는 상기 반도체 광소자(100) 일단에서의 폭(T₂)이 2 ~ 5㎛이고, 상기 광모드 크기 변환 영역(104a)을 포함하는 상기 반도체 광소자(100) 타단에서의 폭(T₁)이 2.0㎛ 이하의 폭을 갖는 테이퍼(Taper) 구조로 식각된다.

상기 이득 영역(120)은 상기 상부 및 하부 클래드(103, 105)의 사이에 성장된 활성층(104b)을 포함하며, 상기 활성층(104b)은 InGaAsP, AlGaInAs, InP, GaAs 등 모든 화합물 반도체 층을 포함할 수 있다. 상기 이득 영역(120)은 상기 활성층(104b)의 동작 특성에 따라서, 기 설정된 파장의 광을 생성하기 위한 반도체 레이저, 그 내부에 입력된 광을 증폭시키기 위한 반도체 광증폭기, 그 내부에 입력된 광에 데이터를 실은 광신호로 변조시키기 등과 같은 다양한 형태의 광소자이다. 더욱이, AlGaInAs 계열의 화합물 반도체 층은 대기 중에서 산화되는 등의 문제로 인해서, 리지 구조 이외의 매립형 헤테로 구조의 반도체 광소자 등에는 적용이 용이하지 않은 문제가 있다. 그러나, 본 발명은 리지 구조의 반도체 광소자 등에 적용함으로써 AlGaInAs 계열의 화합물 반도체 층으로 포함하는 구조로도 적용할 수 있다.

상기 광모드 크기 변환 영역(110)은 상기 활성층(104b)으로부터 연장된 도파층(104a)을 더 포함하며, 상기 활성층(104b)에 비교해서 2:1 이하의 두께 차이(Thickness Enhancement Factor: TEF)를 갖도록 선택 영역 성장법(Selective Area Growth)에 의해 성장된다. 상기 도파층(104a)은 상기 상부 및 하부 클래드 보다 낮은 굴절률을 갖는 물질 등을 사용한다. 상기 광모드 크기 변환 영역(110)의 도파층(104a)은 상기 활성층(104b)으로부터 그 두께가 점차적으로 작아지게 성장된다.

본 발명에 따른 반도체 광소자(100)의 동작 특성과, 일반적인 반도체 광증폭기의 동작 특성을 하기하는 표 1에서와 같이 비교한다. 본 발명에 따른 반도체 광소자(100)는 전체 길이가 600㎛이고, 상기 광모드 크기 변환 영역(110)의 길이는 150㎛이고, 상기 이득 영역(120)의 길이는 450㎛이며, 상기 상부 클래드(105)는 상기 이득 영역(120)을 포함하는 상기 반도체 광소자(100) 일단에서의 폭이 3㎛이고, 상기 광모드 크기 변환 영역(110)을 포함하는 상기 반도체 광소자(100) 타단에서의 폭이 1㎛이다.

	구 분	두께 차이(TEF.)	ITH (mA)	SE (w/A)	FFPH/FFPV (median)
1	기무라 등에 의한 반도체 광소자 구조	2.3	55	0.13	18/15
2	아오끼 등에 의한 반도체 광소자 구조		20	0.30	24/44
3	본 발명의 실시예에 따른 반도체 광소자 구조	1.5	40	0.21	14/13

표 1은 본 발명의 실시예들에 따른 반도체 광소자의 출력 트성과, 종래 기술에 따른 반도체 광소자의 출력 특성을 비교한 표이다. 표 1을 참조하면, 두께 차이(TEF)가 2.3 이상일 경우의 반도체 광소자는 출력되는 광의 방사 각이 20도 미만으로 감소된 반면에, 문턱 전류(Ith) 값과 출력 효율(SE) 이 증가함을 알 수 있다. 반면에, 종래 아오끼 등의 측면에만 테이퍼링(Tapering)된 상부 클래드를 포함하는 반도체 광소자는 문턱 전류 및 출력 효율 등과 같은 레이저 효율은 우수하게 나타나는 반면에, 출력되는 광의 방사 각도는 거의 감소되지 않음을 알 수 있다.

상술한 두께 차이는 반도체 광소자의 광모드 변환 영역의 두께와 이득 영역 사이의 두께 차를 의미하며, 본원 발명의 바람직한 실시예에 따른 1.5 미만의 두께 차이를 갖는 반도체 광소자가 기무라 등에 의해 제안된 반도체 광소자 구조 보다 낮은 문턱 전류 값과, 높은 출력 효율을 갖게 됨과 동시에 보다 낮아진 방사각으로 광을 출력함을 알 수 있다.

본 발명은 SAG 만을 사용해서 수직 방향과 측면 방향의 경사도를 구조를 갖는 반도체 광소자를 제공함으로써 종래의 반도체 광소자 보다 낮은 TEF를 갖는 구조에도 적용 가능한 이점이 있다. 즉, TEF 값을 낮춤으로써 광모드 변환 특성과 반도체 레이저 등과 같은 이득 영역의 동작 특성을 동시에 만족시킬 수 있다. 더욱이, 본 발명은 ALGaInAS 계열의 활성층을 포함하는 반도체 광소자 등과 같은 매립형 헤테로(Burried hetro) 구조에 적용이 용이하지 않은 반도체 광소자 등에도 적용할 수 있다는 이점이 더 있다.

Claims

반도체 기판과, 상기 반도체 기판 상에 성장된 하부 클래드와, 상기 하부 클래드 상에 성장된 상부 클래드로 이루어진 반도체 광소자에 있어서,

광을 생성 및 증폭시키기 위해서 상기 하부 및 상부 클래드 사이에 성장된 활성층을 포함하는 이득 영역과;

상기 하부 및 상부 클래드 사이에 상기 활성층으로부터 연장되게 성장된 도파층을 포함함으로써 상기 이득 영역에서 생성된 상기 광의 모드 크기를 변환시켜서 출력하기 위한 광모드 크기 변환 영역을 포함하며,

상기 광모드 크기 변환 영역의 도파층은 상기 활성층으로부터 그 두께가 점차적으로 작아지게 성장되며, 상기 상부 클래드는 상기 이득 영역을 포함하는 상기 반도체 광소자의 일단으로부터 상기 광모드 크기 변환 영역을 포함하는 상기 반도체 광소자의 타단으로 갈수록 그 폭이 좁아지는 테이퍼 구조를 갖도록 식각됨을 특징으로 하는 광모드 크기 변환 영역을 포함하는 반도체 광소자.
제1 항에 있어서,

상기 광모드 크기 변환 영역의 도파층은 상기 이득 영역의 활성층 비해서 2:0 보다 크고 2:1 이하의 두께차이(TEF)를 갖도록 선택 영역 성장 법에 의해 성장됨을 특징으로 하는 광모드 크기 변환 영역을 포함하는 반도체 광소자.
제1 항에 있어서,

상기 상부 클래드는 상기 이득 영역을 포함하는 상기 반도체 광소자의 일단에서의 폭이 2 ~ 5㎛이고, 상기 광모드 크기 변환 영역을 포함하는 상기 반도체 광소자의 타단에서 0보다 크고 2.0㎛ 이하의 폭을 갖도록 테이퍼 구조로 식각됨을 특징으로 하는 광모드 크기 변환 영역을 포함하는 반도체 광소자.
제1 항에 있어서, 상기 반도체 광소자는,

상기 광모드 크기 변환 영역과 상기 이득 영역의 사이는 상호 광학적으로 분리하기 위한 트랜치가 형성됨을 특징으로 하는 광모드 크기 변환 영역을 포함하는 반도체 광소자.
제1 항에 있어서,

상기 이득 영역은 기 설정된 파장의 광을 생성하기 위한 반도체 레이저임을 특징으로 하는 광모드 크기 변환 영역을 포함하는 반도체 광소자.
제1 항에 있어서,

상기 이득 영역은 그 내부에 입력된 광을 증폭시키기 위한 반도체 광증폭기임을 특징으로 하는 광모드 크기 변환 영역을 포함하는 반도체 광소자.
제1 항에 있어서,

상기 이득 영역은 그 내부에 입력된 광에 데이터를 실은 광신호로 변조시키기 위한 광변조기임을 특징으로 하는 광모드 크기 변환 영역을 포함하는 반도체 광소자.
제1 항에 있어서,

상기 활성층은 InGaAsP, AlGaInAs, InP, GaAs와 같은 계열의 화합물 반도체 물질들 포함함을 특징으로 하는 광모드 크기 변환 영역을 포함하는 반도체 광소자.
제1 항에 있어서,

상기 반도체 광소자는 리지(Ridge) 구조임을 특징으로 하는 광모드 크기 변환 영역을 포함하는 반도체 광소자.