KR100634217B1 - 전기 광학 반도체 장치 및 그 제조 방법 - Google Patents

전기 광학 반도체 장치 및 그 제조 방법 Download PDF

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Abstract

내부에서 적어도 하나의 액티브 영역(4)에 위치되어 있는 코어 영역(12)을 구비하는 반도체 웨이브가이드(4)를 포함하는 본 발명의 전기-광학 반도체 장치(2)에서, 상기 하나 이상의 액티브 영역(4)의 외부에 있는 웨이브가이드(4)의 코어(12)는 확산된 액티브 영역 재료에 의하여 오염되지 않고, 하나 이상의 액티브 영역과 웨이브가이드는 모놀리식이며, 부가 성장 방법으로 성장된다. 또한, 반도체 웨이브가이드(14)의 코어층(12)의 제 1 부분을 성장시키는 단계와, 상기 코어층의 제 1 부분의 부분 영역위에 상기 액티브층(8, 10)을 선택적으로 성장시키는 단계, 및 상기 제 1 부분과 액티브층 위에 반도체 웨이브가이드의 코어층의 제 2 부분을 성장시키는 단계를 포함하는 본 발명의 전기-광학 반도체 제조 방법이 제공되며, 상기 방법은 액티브 성장 방법을 포함하는 것을 특징으로 한다.
액티브 영역, 코어 영역, 웨이브가이드, 모놀리식, 밴드갭, 웰층, 레이저

Description

전기 광학 반도체 장치 및 그 제조 방법{Electro-optic semiconductor devices and method for making the same}
본 발명은 다중의 액티브(active) 구성 부분과 패시브(passive) 구성 부분을 통합한 전기-광학 반도체 장치들 및 그 제조 방법에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 집적화된 반도체 웨이브가이드들(waveguides)과 연장된 캐비티 반도체 레이저들을 구비한 검출기들과 반도체 레이저들 및 그 제조 방법들에 관한 것이다.
전기-광학 반도체 장치는 고속의 아날로그 및 디지털 신호 처리 회로의 분야에서 빠르게 발전되게 사용되어 있으며, 이것은 특히 전기 통신 분야에서 고속의 광대역폭(wide-bandwidth) 광학 마이크로파와 광전송 기술들에 적용된다.
반도체 레이저들 및 웨이브가이드들과 같은 전기-광학 반도체 구성부품들은 분리된 결정 기판들 상에 서로 다른 구성부품 구조들을 발생시키기 위하여, 서로 다른 성장 방법들로 현재 분리되게 성장되고 있다. 그 후에, 분리된 구성부품의 구조들은 단일 서브시스템으로 조립된다. 분리된 구성부품 구조들 사이의 인터페이스에서는 큰 손실이 있으며, 높은 입력 전력의 요건들을 야기한다. 또한, 분리된 구성부품 구조들을 정확하게 광학적으로 정렬시키는 문제점은 높은 복잡성과 비용을 유발한다.
또한, 반도체 레이저들 및 웨이브가이드들과 같은 전기-광학 반도체 구성부품들은, 결정 성장의 전체 영역으로 연장되는 양자 웰층들(quantum well layers)로 성장된다. 이러한 양자 웰 결정 성장층들의 선택된 영역들은 그 후에 양자 웰 혼합(intermixing)의 방법에 의하여 파괴되는데, 여기에서 상기 양자 웰층들의 선택된 부분들은 둘러싸고 있는 결정 성장층들 내로 확산시킨다. 그러나 불행하게도 양자 웰 확산 방법은 패시브 웨이브가이드 내에서만 장치가 성장하도록 한다. 또한, 이러한 확산 재료는 둘러싸고 있는 결정 성장층들, 예를 들면 패시브 웨이브가이드 코어층들의 성질들을 바람직하지 못한 방법으로 변화시킬 수 있다. 이러한 확산 방법은 합금에 상당히 의존하는 것인데, 즉 GaAlAs 구조체용으로 작용하는 것이 InGaP 구조체용으로는 작용하지 않는다. 이것은 양자 웰층들에 사용될 수 있는 재료들의 형태를 제한한다. 또한, 이러한 결정 성장의 방법은 비용을 부가시키는 양자 웰층들의 선택된 영역들을 파괴시키기 위해 사후 처리(post process) 양자 웰 혼합 단계를 요구한다.
패시브 웨이브가이드 코어 내에서 양자 웰층들을 성장시키는 부가의 방법은 결정 성장의 전체 영역에 걸쳐서 양자 웰층들을 성장시키고, 그 다음 결정 성장을 멈추고, 양자 웰층의 불필요한 영역을 선택적으로 에칭 제거시키는 것이다. 이러한 에칭 방법 이후에, 패시브 웨이브가이드층은 양자 웰층들의 나머지 영역들에 걸쳐서 성장하게 된다. 이러한 방법의 문제점은 상기 성장 방법이 적어도 하나의 에칭 방법을 수행하는데 방해가 된다는 점이다. 이것은 성장 방법에 대하여 복잡성과 비용을 부가시키고, 수율을 감소시킬 수 있다.
미국 특허 제5,418,183호에 기재된 방법 및 장치에서, 이 장치는 마스크가 부분적으로 성장된 장치 위에 침착되고, 이 마스크는 에칭 방법에 의해 규정되는 선택적인 영역 에피택시(epitaxy)를 사용하여 제조된다. 이것은 마스크에 의하여 노출된 영역들에서 다른 에피택시 성장이 뒤따르고, 그 다음 에칭에 의한 마스크의 제거가 뒤따른다. 그래서 마스크에 의하여 노출되는 영역들에서 에피택시 성장의 결과로서 생긴 특징과 구조는 침착된 마스크의 치수에 크게 의존하게 된다. 또한, 2개의 에칭 단계용의 에피택시 성장 챔버(growth chamber)로부터 부분적으로 성장된 구조의 제거와 상기 에칭 단계들에 포함되는 방법들은 결과 장치 내로 오염물을 도입시킬 수 있다. 따라서 상기 설명된 방법은 매우 복잡하고 낮은 수율을 가질 수 있다.
본 발명의 목적은, 가격이 저렴하고 손실이 낮으며 그렇게 감소된 전력 요건들이 견고한 전기-광학 반도체 장치를 제공함으로써 상술된 문제점들 중의 적어도 일부를 극복하는 것이다.
그러므로 본 발명에 따라서, 적어도 하나의 액티브 영역에 위치된 코어 영역을 가지는 반도체 웨이브가이드를 포함하는 전기-광학 반도체 장치가 제공되고, 상기 액티브 영역의 외부에 있는 웨이브가이드의 코어는 확산된 액티브 영역 재료로 오염되지 않으며, 상기 액티브 영역과 웨이브가이드는 모놀리식(monolithic)이며, 부가 성장 방법(additive growth process)으로 성장된다.
또한, 본 발명에 따라서, 내부에서 적어도 하나의 액티브 영역에 위치되는 코어 영역을 가진 반도체 웨이브가이드를 포함하는 전기-광학 반도체 장치가 제공되고, 여기에서 상기 코어 영역의 윤곽은 액티브 영역의 윤곽에 따르며, 상기 액티브 영역과 웨이브가이드는 모놀리식이며, 부가의 결정 성장 방법으로 성장된다.
본 발명에 따른 전기-광학 반도체 장치는 모놀리식이며, 따라서 단일의 연속적인 재료의 결정 덩어리로 구성된 구조체이다.
부가 성장 방법이라는 용어는, 재료가 이전에 성장된 결정으로부터 제거되는 어떤 중간 단계 없이 모놀리식 결정 구조체가 성장되는 성장 방법을 규정하는데 사용된다. 예를 들면, 이것은 중간의 에칭 단계를 가지는 성장 방법들을 배제시킨다. 분명하게는, 부가 성장 방법은 일반으로 더 간단하며, 그래서 패시브 웨이브가이드 영역 내에 위치되는 액티브 영역을 포함하는 모놀리식 결정 기판을 제조하는 더 저렴한 방법을 제공할 것이다.
본 발명은 상기 장점과, 액티브 영역들의 선택된 부분들을 파괴하는데 어떠한 사후 처리 단계도 요구되지 않는다는 장점을 결합시킨다. 또한, 상기 발생 장치가 모놀리식이므로, 상기 액티브 영역과 웨이브가이드 사이에서는 낮은 결합 손실이 있다.
사후 처리 단계에서, 액티브 영역들은 레이저들 및 검출기들과 같은 전기-광학 구성부품으로 구성된다. 웨이브가이드의 코어 내에서 적어도 하나의 액티브 영역의 일체화는 단일 결정체 구조 내에서 액티브 영역들로부터 구성되는 다수의 전기-광학 구성부품사이에 광학적으로 접속을 가능하게 한다. 후속 장치 구성은 전기-광학 구성부품 내에 액티브 영역들을 구성시키기 위하여 종래의 확립된 처리 기술을 사용한다. 이러한 모놀리식 집적화는, 높은 용적이 달성되는 경우에 저비용으로 단일 기판 상에 반복적이며 신뢰성 있는 제조를 허용한다. 이렇게 발생된 장치들은 전체 장치가 단일 결정 구조체이기 때문에 간단하고, 컴팩트하며, 견고하다. 예를 들면, 레이저/웨이브가이드의 광학적인 정렬은 어떠한 기계적인 정렬도 요구하지 않으며, 따라서 양호한 광학적인 정렬이 부가의 복잡성이 없이 저렴하게 달성된다.
액티브 영역은 웨이브가이드의 코어의 2개의 인접한 성장층 사이에 위치되는 것이 바람직하다. 이러한 구조의 성장 방법은 매우 간단하고, 다중 단계의 처리 또는 재성장을 요구하지 않는 단일의 에피택셜 성장에서 다중의 액티브 영역들이 성장하도록 한다.
액티브 영역은 적어도 하나의 양자 웰층 또는 웨이브가이드의 코어보다 더 작은 밴드갭(bandgap)을 가지는 얇은 벌크층(bulk layer)을 포함하는 것이 바람직하다. 이렇게 발생되는 액티브 영역 외부에 있는 발생 단일 결정 구조체의 부분들은 웨이브가이드에 의하여 규정된 패시브 광학 상호 접속부로 되는 반면에, 상기 양자 웰을 가진 영역은 예를 들면, 연속적인 처리를 하는 액티브 레이저 또는 검출기 장치가 된다. 이것은 상기 웨이브가이드가 액티브 영역에 의하여 발생되거나 또는 검출되는 광에 대하여 투명하게 되는 더 넓은 밴드갭을 갖기 때문이다.
액티브 영역의 밴드갭은 액티브 영역과 웨이브가이드의 코어사이의 전이 영역의 밴드갭보다 작게 되는 것이 바람직하다. 이러한 점은 액티브 영역의 외부에서 밴드갭 흡수로 인한 손실을 감소시킨다.
상기 양자 웰층은 레이저 스트라이프와 전극이 부가되는 사후 성장 처리에 의하여 레이저로서 작용하도록 구성될 수 있다. 또한, 상기 양자 웰층은 이것이 역으로 바이어스될 때 광의 흡수에 의하여 검출기로 작용하도록 구성될 수 있다.
웨이브가이드 및 액티브 영역은 화학적 빔 에피택시(chemical beam epitaxy; CBE)를 사용하여 성장하는 것이 바람직하다. CBE는, 간단한 기계적 새도우 마스크로 하여금 액티브 영역들이 성장될 수 있는 웰 규정 영역들을 노출시키게 한다. 이러한 점은, 상기 CBE의 방법이 CBE의 화학물이 강하게 작용하지 않고 그래서 새도우 마스크위에 침착되는 결정이 감소되는 재료에 새도우 마스크가 선택되도록 하기 때문이다. CBE와 같은 분자 빔 처리에서 성취 가능한 영역의 형성부와, CBE가 UHV(ultra high vacuum) 기술을 사용한다는 사실을 결합시키는 것은 기계적 새도우 마스크 기술이 액티브 영역에 대하여 양호한 에지 규정를 제공하도록 한다.
적절한 다른 에피택시 방법들은 분자 빔 에피택시(MBE)와 금속 유기물 증기상태 에피택시(MOVPE)이다.
웨이브가이드 및 액티브 영역은 통상적으로, 1.3 및 1.5 미크론의 파장에서 작동하는 액티브 전기-광학 구성부품들에 대한 기초를 형성할 수 있는Ⅲ-V 반도체 조성물을 포함할 수 있는데, 이 조성물은 인듐 인화물계(Indium Phosphide based) 일수 있다.
또한, 상기 웨이브가이드 및 액티브 영역은 1 미크론으로부터 8 미크론보다 더 큰 파장에서 작동하는 전기-광학 구성부품용의 InAs, GaSb, 또는 InSb계, 또는 UV 파장에서 가시성으로 작동하는 GaAs계인 것을 포함할 수 있는 Ⅲ-Ⅳ 반도체 조성물을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 하나의 실시예에서, 상기 Ⅲ-Ⅴ반도체 조성물은, 860nm의 파장에서 작동하는 액티브 전기-광학 및 광학 구성부품들에 대한 기초를 형성할 수 있는 갈륨 비소계(Gallium Arsenide based)이다. 일반적으로 온도의 함수로 있는 레이저 및 검출기와 같은 컴팩트한 구성부품을 발생시키는 이러한 짧은 작동 파장은 보다 효과적이고 낮은 잡음을 발생시킨다. 또한, GaAs계의 처리 기술은 다른 Ⅲ-Ⅴ 반도체 장치와 비교하여 매우 향상된 것이다.
GaAs계의 Ⅲ-Ⅴ반도체 장치가 작동하는 곳에서는 860nm가 요구되며, 상기 웨이브가이드는 알루미늄 갈륨 비소를 포함하고, 상기 액티브 영역은 적어도 하나의 갈륨 비소층을 포함하며, 상기 웨이브가이드의 코어는 통상적으로 20% 내지 40%의 알루미늄을 포함하고, 상기 웨이브가이드의 상부 및 하부의 클래딩층(cladding layer)은 통상적으로 40 내지 80%의 알루미늄을 포함할 수 있다. 또한, 상기 클래딩층들 중 한 층은 n-형으로 도핑될 수 있으며, 클래딩층들 중 다른 층은 p-형으로 도핑될 수 있다.
액티브 영역에서 GaAs층보다 훨씬 더 얇게 되어 있는 GaAs층은 액티브 영역 위의 웨이브가이드의 코어에 위치되고, 액티브 영역과 공동면에 있는 것이 바람직하다. 이러한 점은 이후에 보다 더 설명되는 바와 같이 결정 성장 동안에 AlGaAs 기판층의 길이 방향 노출을 방지시킨다.
연장된 캐비티 레이저가 될 수 있는 본 발명에 따른 장치는 웨이브가이드의 코어 내에 위치되는 적어도 하나의 양자 웰층을 포함한다. 이러한 레이저 캐비티의 범위는, 이 장치가 형성되는 모놀리식 결정의 자연적 분할면(natural cleavage planes)에 의하여 규정될 수 있다.
본 발명에 따른 장치는 코어 영역 내에서 다수의 액티브 영역을 가질 수 있다. 이러한 점은 다수의 전기-광학 장치가 단일의 모놀리식 결정 기판에서 일체적으로 되도록 한다.
본 발명의 제 2 특징에 따라서, 전기-광학 반도체 장치를 제조하는 방법이 제공되는데, 이 방법은,
반도체 웨이브가이드의 코어층의 제 1 부분을 성장시키는 단계와,
상기 코어층의 제 1 부분의 부분 영역에 적어도 하나의 액티브층을 선택적으로 성장시키는 단계 및,
상기 제 1 부분과 액티브층위에 반도체 웨이브가이드의 코어층중의 제 2 부분을 성장시키는 단계를 포함하며,
또한 상기 방법은 부가의 결정 성장 방법을 포함한다.
상기 액티브층의 선택적인 성장은,
코어층의 제 1 부분의 부분 영역을 노출시키기 위하여 코어층의 제 1 부분을 선택적으로 커버하는 단계;
상기 노출된 부분 영역 위에 적어도 하나의 액티브층을 성장시키는 단계; 및
상기 코어층의 제 1 부분을 언커버하는 단계를 포함한다.
본 발명에 따른 방법은 단일의 반도체 웨이퍼위에 광학 및 전기-광학 반도체 장치(액티브 및 패시브)를 발생시키고 일체적으로 되도록 한다. 광학 반도체 장치의 모놀리식과 평면적인 일체는 성장 단계에서 웨이브가이드층에서 액티브 영역의 일체에 의해 보다 이전에 가능한 것보다 덜 처리되는 보다 작은 측방향 스케일로 가능하다. 또한, 에칭과 재성장의 요구는 필요없게 된다. 그래서 성능과 견고함은 향상되고, 가격, 크기, 전력 요건과 중량은 감소된다.
웨이브가이드의 클래딩층은 코어층의 상하에서 성장될 수 있으며, 상기 액티브층은 웨이브가이드의 코어보다 더 작은 밴드갭을 가지는 적어도 하나의 양자 웰층을 포함할 수 있다.
상술한 바와 같이, 적어도 하나의 코어층과 액티브층은 화학적 빔 에피택시(CBE)가 양호하다.
상술한 바와 같이, 층으로된 구조체를 가진 GaAs계의 반도체 장치에서, 결정 성장에서 불순물을 감소시키고, 그래서 발생되는 액티브 및 패시브 구성부품의 광학적인 특징을 향상시키기 위하여, 상기 성장은 400 내지 700℃의 온도에서 실행되는 것이 바람직하다.
상기 웨이브가이드 코어의 제 1 부분은 마스크 표면 상의 결정 성장의 양을 감소시키기 위하여, 산화 규소, 이산화 규소 또는 질화 규소로 피복된 규소로 이루어질 수 있는 기계적 새도우 마스크에 의해 선택적으로 커버되는 것이 바람직하다. 액티브층의 에지들을 정확하게 규정하기 위하여, 웨이브가이드의 코어의 제 1 부분의 영역에 인접한 에지들이 테이퍼의 얇은 단부를 형성하도록, 웨이브가이드의 코어의 제 1 부분 영역에 노출되는 개구를 규정하는 새도우 마스크의 에지들이 테이퍼되어 있는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 방법은 코어층의 제 1 부분의 서로 다른 부분 영역위에서 다수의 액티브층을 선택적으로 성장시키기 위하여 사용될 수 있다. 이러한 점은 레이저 및 검출기와 같은 다수의 액티브 전기-광학 장치가 단일의 모놀리식 결정 기판으로 일체되도록 한다.
다음은, 첨부된 도면을 참고로 하여서 본 발명을 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 모놀리식의 연장된 캐비티 레이저를 도시하는 도면.
도 2는 도 1의 연장된 캐비티 레이저의 액티브 부분의 층으로된 구조를 도시하는 도면.
도 3a 내지 도 3c는 도 1의 연장된 캐비티 레이저를 제조하기 위하여 사용되는 본 발명에 따른 방법의 개략적인 도면.
도 4는 2개의 액티브 영역이 성장하는 본 발명에 따른 웨이브가이드의 단면도.
도 1에는, 액티브 레이저 영역(4)과 패시브 웨이브 영역(6)을 포함하는 모놀리식의 연장된 캐비티 레이저(2)가 도시되어 있다. 상기 액티브 레이저 영역(4)은 웨이브가이드(14)의 코어(12)에서 2개의 양자 웰층(8, 10)의 선택적인 성장에 의하여 형성된다. 이러한 2개의 양자 웰층(8, 10)은 레이저 작용을 위하여 요구되는 좁은 밴드갭의 반도체 재료를 형성한다.
상기 양자 웰층(8, 10)은 100 Å(옹그스트롬) 두께의 갈륨 비소(GaAs)로부터 각각 제조된다. 상기 양자 웰층은 20%의 알루미늄을 포함하는 언도핑된 알루미늄 갈륨 비소(AlGaAs)의 층내에서 성장된다. 상기 20%의 AlGaAs층은 액티브 레이저 영역(4)을 통하여 연장되는 웨이브가이드(14)의 코어(12)와, 연장된 캐비티 레이지의 패시브 웨이브가이드 영역(6)을 형성한다. 상기 웨이브가이드(14)의 클래딩층(16) 또는 저부 경계는 웨이브가이드의 코어(12)를 형성하는 20%의 AlGaAs보다 더 큰 굴절률을 가지는 40%의 알루미늄을 포함하는 n-형으로 도핑된 AlGaAs층으로 형성된다. 상기 웨이브가이드(14)의 상부 경계 또는 클래딩층(18)은 40%의 알루미늄을 포함하는 p-형으로 도핑된 AlGaAs로 형성된다. 상기 액티브 및 패시브 영역(4, 6)은 n-도핑된 기판에서 성장된다.
연장된 캐비티 레이저(2)를 발생시키기 위하여 사용되는 사후 성장 방법의 단계는 종래의 산화물 스트라이프 반도체 레이저(일체적으로 연장된 캐비티가 없이)에서 요구되는 것과 동일하다. 이러한 점은 표준의 방법에 대하여 파열과 복잡성을 제거시킴으로써, 양호한 생산을 보장한다. 웨이브가이드 구조의 상부 경계층(18)의 상부에는 사후 성장 방법동안에 유전체인 절연체층(22)이 침착되고, 예를 들면, 이산화 규소(SiO2), 질화 규소(SiN) 또는 이것 2개의 조합은 연장된 캐비티 레이저(2)를 규정하는 레이저와 웨이브가이드 스트라이프(24)에 개방된다. 상기 스트라이프는, 예를 들면 25 미크론 내지 75 미크론 범위의 폭(W)을 가질 수 있다. 상기 웨이브가이드 스트라이프의 개구는 단지 편리함을 위해서 요구되는 것이며, 장치 작동을 위해서 필수적인 것은 아니다. 레이저 스트라이프 위에 있는 개구는 웨이브가이드층 아래로 접촉하는 금속을 얻기 위하여 요구된다.
액티브 레이저 영역(4)의 전체 길이 위와, 유전체인 절연체(22)의 상부 위와, 상기 스트라이프(24)의 내에는, 스트라이프(24) 바로 아래에 있는 양자 웰층(8, 10)의 영역으로 전류가 공급되는 금속 접촉부(26)가 침착된다. 자극된 방출은 전류가 전기 접촉부(26)와 기판(20)을 통하여 레이저(2) 내로 펌프될 때 스트라이프 아래에 놓이는 양자 웰층에서 발생된다.
도 1의 연장된 캐비티 레이저(2)의 액티브 레이저 영역(4)의 구조는 도 2에 보다 상세히 도시되어 있다. 도 3a 내지 도 3c는 도 1의 연장된 캐비티 레이저(2)의 양자 웰층과 웨이브가이드를 형성하기 위하여 사용되는 방법의 단계를 개략적으로 도시한다. 상기 2개의 도면에서, n-형으로 도핑된 40%의 AlGaAs(16)의 1.5 미크론 층이 n-형으로 도핑된 기판(20) 위에서 화학적 빔 에피택시(CBE)에 의하여 성장된다. 그 다음, 언도핑된 20%의 AlGaAs층(43)의 1000Å의 두께층이 성장되고, 20Å 두께의 언도핑된 GaAs층(39)의 반쪽이 뒤따라 성장된다. 도 3에서, 웨이브가이드층(29)은 40%의 AlGaAs층(16)과, 20%의 AlGaAs층(43) 및 20Å 두께의 언도핑된 GaAs층(39)의 반쪽을 포함한다. 그 다음, SiO으로 코팅된 규소로부터 만들어진 새도우 마스크(34)가 웨이브가이드층(29)의 패시브 영역(6)에 코팅됨으로써(도 3b를 참조), 상기 액티브 영역(4)이 노출되고, 20Å 두께의 언도핑된 GaAs층(39)의 나머지가 성장된다. 언도핑된 20%의 AlGaAs의 100Å 층(35)은 새도우 마스크(34)에 의하여 노출된 결정 구조체의 영역(38)에서 선택적으로 성장되고, 제 1 양자 웰층(8)을 형성하는 100Å 두께의 GaAs층이 뒤따라 선택적으로 성장된다. 그 다음, 언도핑된 20% AlGaAs의 제 2 100Å 두께층(36)은 결정 구조체의 노출된 영역(38) 위에서 선택적으로 성장되고, 제 2 양자 웰층(10)을 형성하는 제 2 100Å 두께의 GaAs층이 뒤따라 선택적으로 성장된다. 언도핑된 20% AlGaAs의 제 3 100Å 두께층(37)은 결정 구조체의 노출된 영역(38) 위에서 선택적으로 성장하게 되고, 마지막으로, GaAs의 10Å 두께층(층(40)의 제 1 부분)이 상기 결정 구조체의 노출된 영역(38) 위에서 선택적으로 성장하게 된다. 상기 층(35, 8, 36, 10, 37)은 도 3b 및 도 3c에서 31로 지시된 바와 같이 함께 표시된다. 그 다음, 상기 새도우 마스크(34)가 제거되고, 10Å 두께의 GaAs층(층(40)의 제 2 부분)과, 1000Å 두께의 언도핑된 20% AlGaAs층(42)과, 0.9 미크론 두께의 p-형으로 도핑된 40%의 AlGaAs층(18), 및 0.1 미크론 두께의 p-형으로 도핑된 GaAs층(44)이 결정 구조체의 전체 영역에 걸쳐서 연속적으로 성장된다. 층(42, 18, 44)은 도 3c에서 (46)과 함께 표시된다.
상기 연장된 캐비티 레이저(2)의 레이저 캐비티는 분할된 면들(28,30)에 의해 규정되고, 그 다음 세척되고 미러 코팅된다. 종래에 따르면, 하나의 면(30)은 상기 장치(2) 바깥으로 레이저 광을 결합하기 위하여 부분적인 전달성의 미러 코팅으로 피복된다. 분할면이 사용될 때에, 레이저를 규정하는 광학 웨이브가이드(스트라이프(24) 아래의 영역)는 레이저(2)의 모놀리식 결정 구조체의 결정학적인 축에 대하여 정렬되어야만 한다. 또한, 양자 웰층(8, 10)의 에지들(9)이 스트라이프(24)의 축에 수직인 것이 요구되고, 따라서 상기 새도우 마스크(34)와 레이저(2)의 모놀리식 결정 구조체의 결정 평면 사이의 회전 정렬이 결정 반도체의 자연적 분할면에 의하여 레이저(2)의 미러가 규정되도록 정확하게 제어되어야만 한다. 그리고 이온 에칭된 면은 미러용으로 사용될 수 있으며, 그래서 결정 구조체에 대한 스트라이프(24)와 에지들(9)의 정렬에 대한 요구를 제거시킨다. 상기 레이저 캐비티의 길이는, 예를 들면 300 미크론과 1200 미크론 사이가 될 수 있다.
레이저 구조체는 75㎛이고, 300, 500, 700, 900 및 1200㎛의 변화되는 캐비티 길이로 있는 일련의 장치로 처리되고 분할된다.
제이. 결정 성장 164(1990)의 57에서 공개된 티이. 마틴(T. Martin)과 씨.알. 화이트하우스(C.R. Whitehouse)에 의한 보고서에 기재된 바와 같이, CBE 반응기에서 성장이 실행되었다. 에피택시 막들은, 반응기에 놓이게 되는 2인치 반절연되고 n-도핑된 GaAs 웨이퍼(20) 상에서 침착되었다. 순수 산화물은 성장이 시작되기 전에 웨이퍼(20)의 표면으로부터 열적으로 제거된다. 트리에틸갈륨(TEGa)(트리이소프로필갈륨(TIPGa)이 대체물로 사용될 수 있을지라도)과 에틸디메틸아민 알랜(EDMAAI)은 그룹 Ⅲ의 전구체로 사용되지만, 1150°에서 열적으로 균열되는(EPI 가스 이젝터 셀의 EPI-Ta-GS-L)아르신(AsH3)은 그룹 V 의 소스가 된다. GaAs 및 AlGaAs 에피층(epilayer)은 황화 수소(H2S)를 사용하는 도핑된 n-형이고, 카본 테트라브로마이드(CBr4)를 사용하는 p-형이다. 성장율은 RHEED(반사 고에너지의 전자 회절) 진동으로 보정되고, 성장온도는 고정된 As 과압력에서 As-안정으로부터 Ga-안정으로의 표면 재구성을 모니터하기 위하여 RHEED를 사용하여서 각각 구동되기 이전에 보정된다. 상기 통상적인 성장 온도는 적외선 고온계(이르콘 시리즈 V, 파장 범위는 0.91-0.97㎛)를 사용하여서 측정될 때 540℃이다. 540℃의 온도는 CBE 성장에서 산소와 탄소의 의도되지 않는 합체를 최소화시키기 위하여 이상적인 성장 온도 근처에서 규정된다.
GaAs 웨이퍼(20)는 GaAs 웨이퍼(20)가 성장 기판과 새도우 마스크 사이의 밀접한 접촉을 허용하기 위하여 홀더에 놓이는 인듐이 없는 홀더에 장착된다. 결정학적인 정렬은 웨이퍼(20)의 주 평면을 홀더에서 평면에 대향하여 위치시킴으로써 성취된다. 상기 웨이퍼 홀더와 새도우 마스크의 장착은 이들 사이의 회전 정렬이 주 평면과 결정학적인 축사이의 정렬(±0.5°보다 양호함)을 위하여 언급되는 통상적인 웨이퍼 공급기에 대하여 비교 가능할 수 있도록 디자인된다.
상기 CBE 성장은 성장 기판의 정면에 새도우 마스크(34)를 삽입할 수 있도록 정지되어야만 한다. AlGaAs의 베어 표면(bare surface)이 마스크를 결합하면서 노출되게 남아 있게 된다면 수용할 수 없는 정도의 오염으로 판명될 수 있다. 따라서, GaAs(39)의 부가의 10Å 두께의 반쪽 층은 상기 새도우 마스크가 적용되기 이전에 기판의 전체 영역에 걸쳐서 성장하게 된다. 또한, 상기 100Å 층(8, 10)의 성장이후에, 상기 성장은 GaAs(40)의 10Å 반쪽층으로 종결되고, 성장 마스크가 제거된다. 그 다음, 10Å GaAs 성장이 다시 시작된 이후에(상기 층(40)의 나머지 반쪽) 상기 남아 있는 AlGaAs층이 성장하게 된다. 발생되는 20Å 두께의 GaAs층은 100Å 두께의 양자 웰층(8, 10)의 밴드갭보다 더 넓고 효과적인 밴드갭을 가짐으로써, 상기 20Å의 GaAs층은 양자 웰층의 밴드갭에서 흡수 손실을 발생시키지 않을 것이다.
CBE에 의한 새도우 마스크 성장 동안에, 상기 새도우 마스크는 저장되고, 삽입되며 진공에서 완전히 제거 즉, 공기에 노출되게 된다. 그래서 성장 표면의 공기 노출 및/또는 복잡한 진공 처리가 전체적으로 피하게 된다.
성장 시퀀스는 액티브의 좁은 밴드갭 레이저 영역(4)을 가지고 거의 평면의 구조가 패시브의 넓은 밴드갭 웨이브 영역(6)보다 더 큰 단지 약 50nm만으로 있는 것을 발생시킨다. 이러한 성장 방법은 50nm보다 100배 더 긴 정도 또는 그 정도의 높이 차이(도 3c의 확대된 부분을 참조)가 있는 영역들 사이에서 원활한 변화를 보장한다. 이러한 원활한 변화는 상기 레이저 영역(4)으로부터 웨이브가이드 영역(6)까지의 평균 밴드갭에서 점차적인 증가를 발생시킨다. 이러한 점은 상기 영역들 사이의 경계가 레이저(2)의 860nm 파장에서 방사에 투명하게 되고, 그래서 흡수 손실이 낮아지게 된다. 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같은 구조를 가지는 레이저 장치는, 예를 들면, 캐비티 길이가 500 미크론일 때 500Acm-2 정도의 임계 전류를 가진다.
상기 새도우 마스크(34)는 적절한 유전체를 사용하여서 이루어지는데, 이 유전체는 상기 마스크(34)의 노출된 표면이 아니고, 노출된 GaAs 또는 AlGaAs 표면위에 선택적으로 성장할 수 있도록 선택된다. 이러한 점은 상기 새도우 마스크(34)의 에지들(48)을 가로질러서 상기 노출된 표면(38)으로부터 어떠한 결정 성장도 없게 된다. 새도우 마스크의 에지들을 가로질러서 상기 노출된 표면으로부터 성장이 발생된다면, 상기 마스크가 제거될 때, 에지들을 가로질러 있는 결정 성장은 붕괴되고, 깔죽깔죽한 에지들을 남기게 된다. 따라서, 산화 규소, 질화 규소 또는 이산화 규소로 피복된 규소 새도우 마스크가 바람직하다.
상기 선택적인 성장 방법에서의 양호한 에지 규정를 위해서는, 새도우 마스크(34)의 개구의 에지들(48)이 미크론 정도 두께로 얇게 되는 것이 요구된다. 이러한 점은 에피택시 성장 방법이 에피택시층보다 100배 이상으로 있는 마스크의 수직벽에 의하여 독점적으로 되지 않는 것을 보장한다. 따라서, 상기 새도우 마스크는 규소 웨이퍼로부터 형성되고(통상적으로는 450 미크론의 두께), 상기 얇은 에지들은 5%의 테트라메틸 암모늄 하이드로옥사이드(TMAH) 에칭을 사용하여서 성취된다. 이것은 <111> 평면을 우선적으로 에칭하고, 마스크 에지들(도 3b의 확대된 부분에 도시된)에서 54.7° 테이퍼를 발생시킨다. 그러나, 다른 에칭이 사용될 수 있다.
상기 규소 마스크(34)의 에지들은 도 3b에 확대된 부분에서 48로 도시된 바와 같이 테이퍼되어 있어야만 한다. 이러한 점은, 양자 웰층들의 에지들이 사후 철 단계들에서 가시적으로 검출될 수 있도록 충분히 가파른(abrupt) 것을 보장하는데, 예를 들면, 언펌프되는(즉, 전극(26)의 에지 너머로 연장되는) 스트라이프(24)의 아래에 양자 웰들의 영역들이 없도록, 전극(26)의 침착을 위해 마스크 정렬을 허용한다. 스트라이프(24) 아래에 있는 언펌프된 웰들의 영역들은 광 흡수에 의하여 상기 장치(2)의 효율성을 저하시킬 것이다.
상기 레이저(2)는 -860nm에서 중심이 맞혀지는 좁은 밴드폭에서 작용하게 된다. 그리고 상기 레이저(2)가 상술한 바와 같이 GaAs계의 Ⅲ-V 반도체 장치를 사용할 수 있지만, 1.3 또는 1.5 미크론 정도의 파장에서 작용할 수 있는 인듐 인화물계(InP)의 Ⅲ-V 반도체 장치를 사용하여서 제조될 수 있다.
또한, 상기 웨이브가이드와 액티브 영역은 UV파장에서 볼 수 있게 작용하는 GaN계 또는, 1 미크론 내지 8 미크론의 파장에서 작용하는 전기-광학 구성부품용의 InAs, GaSb 또는 InSb계가 될 수 있다.
도 3c의 확대된 부분으로 볼 수 있는 바와 같이, 상기 패시브 웨이브가이드(46)의 상부층은 양자 웰 영역(31)의 형상을 따르게 된다. 이러한 점은 웨이브가이드층(46)을 구성하는 결정층이 양자 웰 영역위에서 성장되기 때문이다. 상기 양자 웰 영역의 에지들 위에는(즉, 도 3c의 확대된 부분에서의 에지들(9) 위에), 상기 패시브 웨이브가이드층의 상부면은 양자 웰 영역의 에지들 형상에 따르는 곳에서 계단부(6)를 가진다.
상기 설명은 하나의 액티브 영역을 가진 반도체 전기-광학 장치의 구성에 관계된 것이지만, 동일한 방법이 도 4에 도시된 바와 같은 단일 기판위에서 다수의 서로 다른 액티브 영역이 성장하는 장치의 제조에 사용될 수 있다. 도 4는 도 3c에 도시된 유사한 단면을 도시하지만, 2개의 액티브 영역(31 및 31')가 다른 점이다. 도 4에 도시된 모놀리식 결정 구조체는 기판(20)과, 웨이브가이드 클래딩층을 포함하는 패시브 웨이브가이드(29)의 하부층과, 상기 웨이브가이드 클래딩층 및 2개의 양자 웰 영역(31, 31')을 포함하는 패시브 웨이브가이드(46)의 상부층을 포함한다. 2개의 양자 웰 영역들은 서로 다른 밴드갭으로 이루어질 수 있고 서로 다른 치수들을 가질 수 있다. 이들은 2개의 개구로 단일의 새도우 마스크를 통하여 동일한 기판(29) 위에 동시에 성장될 수 있으므로, 이 경우에 상기 영역(31 및 31')은 동일한 재료로 만들어진다. 또한, 상기 영역(31 및 31')은 서로 다른 위치에서 개구를 가진 서로 다른 새도우 마스크를 통하여 연속적으로 성장될 수 있다. 이러한 점은 다수의 전기-광학 장치가 단일의 모놀리식 결정 기판에서 일체적으로 되게 한다.

Claims (33)

  1. 내부에 적어도 하나의 액티브 영역(active area)(31, 31')이 위치된 코어 영역(12)을 가진 반도체 웨이브가이드(waveguide)(14)를 포함하는 전기-광학 반도체 장치(2)에 있어서:
    상기 하나 이상의 액티브 영역(31, 31')의 외측에 있는 웨이브가이드(14)의 코어(12)는 확산 액티브 영역 재료에 의하여 오염되지 않으며,
    상기 하나 이상의 액티브 영역(31, 31')과 웨이브가이드(14)는 모놀리식(monolithic)이며,
    상기 하나 이상의 액티브 영역(31, 31')과 웨이브가이드(14)는 재료가 제거되는 어떤 중간 단계 없이 부가 성장 방법으로 성장되는 것을 특징으로 하는, 전기-광학 반도체 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 액티브 영역들(31, 31')은 상기 웨이브가이드(14)의 코어(12)의 2개의 인접한 성장층들(43, 42) 사이에 위치되는, 전기-광학 반도체 장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 액티브 영역(31, 31')은 상기 웨이브가이드(14)의 코어(12)보다 더 작은 밴드갭(bandgap)을 가지는 적어도 하나의 양자 웰층(well layer) 또는 벌크층(bulk layer)(8, 10)을 포함하는, 전기-광학 반도체 장치.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 액티브 영역(31, 31')의 밴드갭은 상기 액티브 영역(31, 31')과 상기 웨이브가이드(14)의 코어(12) 사이의 전이 영역(transition region)의 밴드갭보다 더 작은, 전기-광학 반도체 장치.
  5. 청구항 5은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제 3 항에 있어서,
    상기 양자 웰층들(8, 10)은 레이저로서 작용하도록 구성되는, 전기-광학 반도체 장치.
  6. 청구항 6은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제 3 항에 있어서,
    상기 양자 웰층들(8, 10)은 검출기로서 작용하도록 구성되는, 전기-광학 반도체 장치.
  7. 청구항 7은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 웨이브가이드(14) 및 상기 하나 이상의 액티브 영역(31, 31')은 화학적 빔 에피택시(chemical beam epitaxy)를 사용하여 성장되는, 전기-광학 반도체 장치.
  8. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 웨이브가이드(14) 및 상기 하나 이상의 액티브 영역(31, 31')은 Ⅲ-V 반도체 조성물을 포함하는, 전기-광학 반도체 장치.
  9. 청구항 9은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제 8 항에 있어서,
    상기 Ⅲ-V 반도체 조성물은 인듐 인화물계(Indium Phosphide based)인, 전기-광학 반도체 장치.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 Ⅲ-V 조성물은 갈륨 비소계(Gallium Arsenide based)인, 전기-광학 반도체 장치.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 웨이브가이드(14)는 알루미늄 갈륨 비소를 포함하고, 상기 하나 이상의 액티브 영역(31, 31')은 적어도 하나의 갈륨 비소층을 포함하는, 전기-광학 반도체 장치.
  12. 청구항 12은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제 10 항에 있어서,
    상기 웨이브가이드(14)의 코어(12)는 20% 내지 40%의 알루미늄을 포함하고, 상기 웨이브가이드(14)의 상부 및 하부 클래딩층들(16, 18)은 40% 내지 80%의 알루미늄을 포함하는, 전기-광학 반도체 장치.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 클래딩층들 중 한 층(16)은 n-형으로 도핑되고, 상기 클래딩층들 중 다른 층(18)은 p-형으로 도핑되는, 전기-광학 반도체 장치.
  14. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 장치는 연장된 캐비티 레이저(2)이며, 상기 레이저(2)는 상기 웨이브가이드(14)의 코어(12) 내에 위치된 적어도 하나의 양자 웰층(8, 10)을 포함하고, 상기 레이저 캐비티의 범위는 상기 장치가 형성되는 모놀리식 결정의 자연적 분할면들(natural cleavage planes; 28, 30)에 의하여 규정되는, 전기-광학 반도체 장치.
  15. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    다수의 액티브 영역들(31, 31')이 있는, 전기-광학 반도체 장치.
  16. 전기-광학 반도체 장치 제조 방법에 있어서:
    반도체 웨이브가이드(14)의 코어층(12)의 제 1 부분(43)을 성장시키는 단계;
    상기 코어층(12)의 제 1 부분(43)의 부분 영역 위에 액티브층(31, 31')을 선택적으로 성장시키는 단계; 및
    상기 제 1 부분(43)과 상기 액티브층(31, 31') 위에 상기 반도체 웨이브가이드(14)의 코어층(12)의 제 2 부분(42)을 성장시키는 단계를 포함하고,
    상기 방법은 재료가 제거되는 어떤 중간 단계 없이 부가 성장 방법을 포함하는 것을 특징으로 하는, 전기-광학 반도체 장치 제조 방법.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 액티브층의 선택적인 성장은:
    상기 코어층의 제 1 부분의 부분 영역을 노출시키기 위하여, 상기 코어층(12)의 제 1 부분(43)의 일부를 선택적으로 커버하는 단계;
    상기 노출된 부분 영역 위에 적어도 하나의 액티브층(31, 31')을 성장시키는 단계; 및
    상기 코어층의 제 1 부분(43)을 언커버하는(uncover) 단계를 포함하는, 전기-광학 반도체 장치 제조 방법.
  18. 청구항 18은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제 16 항 또는 제 17 항에 있어서,
    웨이브가이드 클래딩층들(16, 18)은 코어층 위와 아래쪽에서 성장하는, 전기-광학 반도체 장치 제조 방법.
  19. 제 16 항 또는 제 17 항에 있어서,
    상기 액티브층(31, 31')은 상기 웨이브가이드(14)의 코어(12)보다 더 작은 밴드갭을 가지는 적어도 하나의 양자 웰층 또는 벌크층(8, 10)을 포함하는, 전기-광학 반도체 장치 제조 방법.
  20. 제 16 항 또는 제 17 항에 있어서,
    상기 코어층(12) 및 상기 액티브층(31, 31')은 화학적 빔 에피택시를 사용하여 성장되는, 전기-광학 반도체 장치 제조 방법.
  21. 청구항 21은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제 16 항 또는 제 17 항에 있어서,
    상기 코어층(12) 및 상기 액티브층(31, 31')은 Ⅲ-V 반도체 조성물들을 포함하는, 전기-광학 반도체 장치 제조 방법.
  22. 청구항 22은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제 21 항에 있어서,
    상기 Ⅲ-V 반도체 조성물은 인듐 인화물계인, 전기-광학 반도체 장치 제조 방법.
  23. 청구항 23은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제 21 항에 있어서,
    상기 Ⅲ-V 반도체 조성물은 갈륨 비소계인, 전기-광학 반도체 장치 제조 방법.
  24. 청구항 24은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제 23 항에 있어서,
    상기 웨이브가이드(14)는 알루미늄 갈륨 비소를 포함하고, 상기 액티브층은 적어도 하나의 갈륨 비소층(31, 31')을 포함하는, 전기-광학 반도체 장치 제조 방법.
  25. 청구항 25은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제 24 항에 있어서,
    상기 웨이브가이드의 코어(12)는 20% 내지 40% 알루미늄을 포함하고, 상기 웨이브가이드의 상부 및 하부의 클래딩층들(16, 18)은 40% 내지 80%의 알루미늄을 포함하는, 전기-광학 반도체 장치 제조 방법.
  26. 청구항 26은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제 25 항에 있어서,
    상기 클래딩층들 중 한 층(16)은 n-형으로 도핑되고, 상기 클래딩층들(18) 중 다른 층은 p-형으로 도핑되는, 전기-광학 반도체 장치 제조 방법.
  27. 제 17 항에 있어서,
    상기 웨이브가이드(14)의 코어(12)의 상기 제 1 부분(43)은 기계적 새도우 마스크(mechanical shadow mask; 34)에 의하여 선택적으로 커버되는, 전기-광학 반도체 장치 제조 방법.
  28. 제 27 항에 있어서,
    상기 새도우 마스크(34)는 산화 규소, 질화 규소 또는 이산화 규소로 피복된(coat) 규소로 이루어지는, 전기-광학 반도체 장치 제조 방법.
  29. 제 27 항 또는 제 28 항에 있어서,
    상기 웨이브가이드의 코어의 상기 제 1 부분 영역을 노출시키는 개구(38)를 규정하는 상기 새도우 마스크(34)의 에지들은, 상기 웨이브가이드의 코어의 상기 제 1 부분 영역에 인접한 에지들(48)이 테이퍼의 얇은 단부를 형성하도록 테이퍼되어 있는, 전기-광학 반도체 장치 제조 방법.
  30. 청구항 30은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제 16 항 또는 제 17 항에 있어서,
    다수의 액티브층들(31, 31')은 상기 코어층(43)의 제 1 부분의 서로 다른 부분의 영역들 위에서 성장되는, 전기-광학 반도체 장치 제조 방법.
  31. 청구항 31은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제 16 항 또는 제 17 항에 따른 방법을 사용하여 성장되는 장치.
  32. 삭제
  33. 삭제
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