KR100637929B1 - 하이브리드형 광소자 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 평판형 도파로 플랫폼에 플립칩 본딩 방식을 이용하여 반도체 레이저가 실장된 구조를 갖는 하이브리드형 광소자에 관한 것이다. 본 발명은, 광생성영역(active region)을 포함하고 적어도 하나의 측면을 광출사면으로 하는 제1 구조물 및 상기 제1 구조물 하부에 형성되며 상기 제1 구조물의 광출사면 및/또는 그 반대면 측으로 노출된 상면을 갖는 제2 구조물을 포함하는 반도체 레이저; 및 기판과, 상기 기판 상의 일부영역을 노출시키도록 상기 기판 상에 순차적으로 적층된 하부클래드층, 코어층 및 상부클래드층과, 상기 기판 상의 노출된 영역에 형성된 금속 패턴을 포함하는 평판형 도파로 플랫폼을 포함하여, 상기 제2 구조물의 노출된 상면이 상기 평판형 도파로 플랫폼의 상부클래드층 상면에 접하도록 상기 반도체 레이저가 상기 금속패턴에 플립칩 본딩된 것을 특징으로 하는 하이브리드형 광소자를 제공한다.
하이브리드형 광소자, 반도체 레이저, 평면 매립형 이종접합, 광모드 크기 변환기, 평판형 도파로 플랫폼, 플립칩 본딩

Description

하이브리드형 광소자{HYBRID INTEGRATION TYPE OPTICAL DEVICE}
도 1은 종래의 하이브리드형 광소자의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일실시형태에 따른 하이브리드형 광소자를 도시한 단면도이다.
도 3은 평면 매립형 이종접합구조의 반도체 레이저의 일례를 도시한 단면도이다.
도 4a 내지 4d는 본 발명에 따른 반도체 레이저의 제조공정을 도시한 공정단면도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시형태에 따른 하이브리드형 광소자를 도시한 단면도이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시형태에 따른 하이브리드형 광소자를 도시한 단면도이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시형태에 따른 하이브리드형 광소자를 도시한 단면도이다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시형태에 따른 하이브리드형 광소자를 도시한 단면도이다.
도 9는 본 발명에 따른 평판형 도파로 플랫폼의 일례를 도시한 사시도이다.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*
20 : 하이브리드형 광소자 21 : 반도체 레이저
21a : 제1 구조물 21b : 제2 구조물
212 : 광생성영역 214 : 광모드 크기 변환기
218a : 광출사면 22 : 평판형 도파로 플랫폼
221 : 기판 222 : 하부클래드층
223 : 코어층 224 : 상부클래드층
226a, 226b : 접합영역 23 : 금속패턴
본 발명은 평판형 도파로 플랫폼에 플립칩 본딩 방식을 이용하여 반도체 레이저가 실장된 구조를 갖는 하이브리드형 광소자에 관한 것으로 보다 상세하게는 평판형 도파로 플랫폼과 반도체 레이저의 효율적인 광결합이 가능하도록 보다 효과적으로 반도체 레이저의 수직방향 광축 정렬이 가능하며 평판형 도파로 플랫폼과 반도체 레이저 사이의 에어갭을 재현성 있게 감소시킬 수 있는 하이브리드형 광소자에 관한 것이다.
일반적으로, 플립칩 본딩 방식을 이용한 반도체 레이저와 평판형 도파로 플랫폼을 결합하여 제작되는 하이브리드형 광소자는 다양한 광 응용분야에 적용되고 있다. 그 대표적인 예로서, 1.31um/1.55um 쌍방향(bi-directional) 광송수신 모듈, 1.31um/1.49um/1.55um 트리플렉서(triplexer) 광송수신 모듈, 반도체 광증폭기(SOA)를 사용한 고속 채널 선택기, 도파로 배열 회절격자(AWG) 및 반도체 레이저 칩 혹은 반도체 광검출기 칩을 집적한 다채널 광송수신 모듈/광모니터 소자 등이 있다.
도 1은 종래의 하이브리드형 광소자의 단면도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 하이브리드형 광소자는 평판형 도파로 플랫폼(12)의 소정 영역(A)에 반도체 레이저(11)가 플립칩 본딩된 구조를 갖는다.
상기 평판형 도파로 플랫폼(12)은 기판(121) 상에 하부클래드층(122), 코어층(123) 및 상부클래드층(124)을 순차적으로 적층된 구조를 가지며, 기판(121) 상에 반도체 레이저(11)를 플립칩 본딩을 통해 장착하기 위한 영역(A)이 마련된다. 상기 반도체 레이저(11)가 플립칩 본딩되는 영역(A)은 기판 상에 상기 하부클래드층(122), 코어층(123) 및 상부클래드층(124)을 적층한 후 해당 영역(A) 상의 하부클래드층(122), 코어층(123) 및 상부클래드층(124)을 선택적으로 제거하는 방법으로 형성될 수 있으며, 반도체 포토리소그래피(photolithography) 공정을 이용하여 금속 패턴, 정렬 마크 등이 플립칩 본딩 영역(A) 내에 형성될 수 있다.
상기 반도체 레이저(11)는 상기 평판형 도파로 플랫폼(12)에 마련된 플립칩 본딩 영역(A) 상부에 금속(13)을 이용하여 융착된다. 통상 상기 금속(13)은 UBM(under bump metal), 솔더(Au/Sn)를 포함하며, 플립칩 본딩시 약 280℃ 이상 가열시켜 상기 금속(13)이 녹으면서 반도체 레이저(11)와 상기 평판형 도파로 플랫폼(12)의 기판(121)이 융착된다.
상기 반도체 레이저(11)의 광생성영역(active region)(112)에서 생성된 광은 반도체 레이저(11)의 광출사면(118)을 통해 평판형 도파로의 측단면(128)으로 광결합된다. 반도체 레이저(11)의 광출사면(118)과 그 반대측면에는 제작하려는 소자의 성능 및 목적에 따라서 반사방지막(anti-reflection(AR) coating) 또는 고반사막(high-reflection(HR) coating)이 형성될 수도 있다.
도 1에서와 같이, 플립칩 본딩 방식을 이용하여 반도체 레이저(11)를 평판형 도파로 플랫폼(12)의 소정 영역에 수동 정렬에 의해 부착하여 하이브리드형 광소자를 제작하는 데에는 효율적인 광결합을 위해 수직 및 수평 방향으로 정밀한 광축정렬이 요구되며, 서로 대면하는 반도체 레이저(11)의 출사면(118)과 평판형 도파로 플랫폼(12)의 측단면(128) 사이의 에어갭(air gap)(14)을 줄이는 것이 요구된다.
종래에는, 수직방향의 광축 제어를 위해 Si 테라스(terrace) 또는 실리카 테라스를 구비하여 이 테라스 상에 반도체 레이저를 플립칩 본딩하여 평판형 도파로와의 수직방향의 높이를 맞추는 방식을 채택하였으며, 수평방향의 광축 제어는 정렬 마크를 사용하였다.
이와 같이 플립칩 본딩 방식을 채용하여 반도체 레이저(11)를 융착시키는 과정에서 종래의 광축 제어 방식으로 얻을 수 있는 수직/수평 방향의 정렬오차는 ±2㎛ 이내이다. 이와 같은 오차 범위로 인한 광결합 효율의 저하를 방지하기 위해 종래에는 반도체 레이저(11) 내에 광모드 크기 변환기(Spot Size Converter : SSC)(114)를 형성하여 광생성영역(112)에서 출력되는 광의 모드 크기를 크게 변환하였다. 상기 광모드 크기 변환기(114)는 반도체 레이저(11)의 광생성영역(112)에서 생성된 광의 모드를 변환시켜 광출사면(118)으로 전달한다.
통상, 광모드 크기 변환기(114)는 수직 또는/및 수평 방향으로 도파로의 크기를 줄이는 형태로 형성된다. 광모드 크기 변환기(114)의 성능은 파필드각(far-field angle)으로 그 성능을 평가할 수 있다. 이 때, 파필드각이 큰 경우에는 반도체 레이저(11)의 광출사면(118)과 대면하는 평판평 도파로의 측단면 사이의 에어갭(14)의 크기에 따라서 광결합효율이 달라지게 되므로, 원하는 광결합 효율을 재현성 있게 얻기 위해서 플립칩 본딩시 에어갭(14)의 크기를 정밀하게 제어해야 한다.
그러나 통상의 반도체 레이저(11) 제작 공정에서 단일 칩은 웨이퍼 상에 형성된 복수개의 칩을 클리빙(cleaving)하여 생성되기 때문에 반도체 레이저(11)의 길이는 목표치를 기준으로 하여 약 ±30㎛의 오차 범위를 갖는다. 이러한 반도체 레이저(11) 제조공정 상의 오차로 인해, 에어갭(14)의 크기가 약 ±30㎛으로 변화하게 되고, 이로부터 반도체 레이저(11)와 평판형 도파로(12) 간의 광결합 효율이 최대 50%까지 변동되는 문제가 발생할 수 있다.
상기 문제를 해결하기 위한 방법으로, 현재까지는 반도체 레이저(11) 광출사 면(118)을 통하여 전파되는 광의 파필드각을 가급적 작게 할 수 있는 광모드 크기 변환기(114)를 레이저 칩에 집적하는 연구가 이루어져 왔다. 그러나 파필드각을 작게 만들기 위해서 광모드 크기 변환기(114) 도파로의 수직/수평 양 방향의 테이퍼(taper) 구조를 매우 정밀하게 제작해야 한다. 그리고 반도체 레이저(11)의 광생성영역(112)의 도파로와 모드 크기 변환기(114) 내의 도파로가 만나는 버트-조인트(butt-joint) 영역(116)에서 내부 반사(internal reflection)가 발생할 수 있기 때문에 각 영역의 증착 및 패턴 형성 공정을 정밀하게 제어해야 한다. 이와 같이 광모드 크기 변환기의 제작 공정에 요구되는 정밀도로 인해 반도체 레이저의 단가 및 상기 반도체 레이저를 사용하여 제작한 하이브리드 광소자의 가격이 상승하게 되는 문제점이 발생하게 된다.
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 그 목적은, 반도체 레이저와 평판형 도파로 플랫폼 사이의 에어갭의 크기를 재현성 있게 감소시킴으로써 광결합 효율을 향상시킬 수 있는 하이브리드형 광소자를 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 하이브리드형 광소자에 사용되는 반도체 레이저 내의 광모드 크기 변환기의 요구 규격을 완화시킴으로써 반도체 레이저 및 이를 플립칩 본딩하여 제작한 하이브리드형 광소자의 단가를 저감시킬 수 있는 하이브리드형 광소자를 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 광생성영역(active region)을 포함하고 적어도 하나의 측면을 광출사면으로 하는 제1 구조물 및 상기 제1 구조물 하부에 형성되며 상기 제1 구조물의 광출사면 및/또는 그 반대면 측으로 노출된 상면을 갖는 제2 구조물을 포함하는 반도체 레이저; 및 기판과, 상기 기판 상의 일부영역을 노출시키도록 상기 기판 상에 순차적으로 적층된 하부클래드층, 코어층 및 상부클래드층과, 상기 기판 상의 노출된 영역에 형성된 금속 패턴을 포함하는 평판형 도파로 플랫폼을 포함하여, 상기 제2 구조물의 노출된 상면이 상기 평판형 도파로 플랫폼의 상부클래드층 상면에 접하도록 상기 반도체 레이저가 상기 금속패턴에 플립칩 본딩된 것을 특징으로 하는 하이브리드형 광소자를 제공한다.
바람직하게, 상기 반도체 레이저는 평면 매립형 이종접합 구조를 갖는 반도체 레이저이며, 상기 광생성영역 및 상기 광출사면 사이에 광모드 크기 변환기를 더 포함할 수 있다. 그리고 상기 제1 구조물은 6㎛ 이상의 높이를 갖는 것이 바람직하다. 또한, 상기 반도체 레이저의 광출사면에는 반사방지막이 형성되고, 광출사면의 반대측면에는 고반사막이 형성된 것이 바람직하다.
상기 반도체 레이저와 평판형 도파로 플랫폼과의 접합 시에, 상기 제2 구조물의 노출된 상면과 상기 평판형 도파로 플랫폼의 상부클래드층 상면 사이에 충전 물질이 충전되거나, 상기 제2 구조물의 노출된 상면과 상기 평판형 도파로 플랫폼 의 상부클래드층 사이 및 상기 제1 구조물의 측면과 그에 대면하는 상기 평판형 도파로 플랫폼의 측면 사이에 충전 물질이 충전될 수 있다.
또한, 상기 반도체 레이저와 평판형 도파로 플랫폼의 수직방향 광축정열을 위해, 상기 평판형 도파로 플랫폼의 상부클래드층은 소정 깊이로 제거된 접합영역을 가지며, 상기 제2 구조물의 노출된 상면이 상기 접합영역의 상면에 접합되도록 상기 반도체 레이저가 플립칩 본딩되는 것이 바람직하다. 이 때, 상기 제2 구조물의 노출된 상면과 상기 상부클래드층의 접합영역의 상면 사이에 충전 물질이 충전되거나, 상기 제2 구조물의 노출된 상면과 상기 상부클래드층의 접합영역의 상면 사이 및 상기 제1 구조물의 측면과 그에 대면하는 상기 평판형 도파로 플랫폼의 측면 사이에 충전 물질이 충전되어 상기 반도체 레이저가 상기 평판형 도파로 플랫폼에 플립칩 본딩될 수 있다.
상기 반도체 레이저와 평판형 도파로 플랫폼의 접합에 사용되는 충전 물질은 열경화 에폭시 물질 또는 UV 경화 에폭시 물질 또는 상기 열경화 및 UV 경화 에폭시 물질의 조합으로 이루어진 에폭시 물질일 수 있다. 상기 충전 물질이 광출사면과 그에 대면하는 상기 평판형 도파로 플랫폼의 측면 사이에 충전되는 경우, 굴절률 매칭을 위해 상기 충전 물질의 유효굴절률은 상기 평판형 광도파로 플랫폼의 코어층의 유효굴절률과의 차이가 0.1 이하인 것이 바람직하다.
상기 충전물질을 충전하기 위해, 상기 평판형 도파로 플랫폼은, 상기 상부클 래드층의 일부를 소정 깊이로 제거하여 형성된 충전 물질 보관 영역 및 상기 충전 물질 보관 영역과 상기 접합영역 사이에 상기 상부클래드층을 소정 깊이로 제거하여 형성된 트랜치영역을 구비할 수 있다. 상기 충전 물질 보관 영역에 보관된 충전 물질은 트랜치영역을 따라 상기 접합영역으로 흘러 들어가게 되어, 상기 제2 구조물의 노출된 상면과 상기 상부클래드층의 접합영역의 상면 사이 및 상기 제1 구조물의 측면과 그에 대면하는 상기 평판형 도파로 플랫폼의 측면 사이에 충전 물질이 충전될 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 다양한 실시형태에 따른 하이브리드형 광소자를 보다 상세하게 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 일실시형태에 따른 하이브리드형 광소자를 도시한 단면도이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시형태에 따른 하이브리드형 광소자는, 광생성영역(active region)(212)을 포함하고 적어도 하나의 측면을 광출사면(218a)으로 하는 제1 구조물(21a) 및 상기 제1 구조물(21a) 하부에 형성되며 상기 제1 구조물(21a)의 광출사면(218a) 및 그 반대면(218b) 측으로 노출된 상면(217a 및 217b)을 갖는 제2 구조물(21b)을 포함하는 반도체 레이저(21) 및 기판(221)과, 상기 기판(221) 상의 일부영역(A)을 노출시키도록 상기 기판(221) 상에 순차적으로 적층된 하부클래드층(222), 코어층(223) 및 상부클래드층(224)과, 상기 기판(221) 상의 노출된 영역(A)에 형성된 금속 패턴(23)을 포함하는 평판형 도파로 플랫폼(22)을 포함하여 구성된다. 상기 반도체 레이저(21)는 상기 제2 구조물(21b)의 노출된 상면(217a, 217b)이 상기 평판형 도파로 플랫폼의 상부클래드층 상면이 소정 깊이(detch)로 제거된 접합영역(226a 및 226b)에 접하도록 상기 반도체 레이저(21)가 상기 금속패턴(23)에 플립칩 본딩된다. 상기 반도체 레이저(21)는 광생성영역(212)과 광출사면(218a) 사이에 광모드 크기 변환기(214)를 포함한다.
도 2에서는 상기 반도체 레이저(21)가 플립칩 본딩되는 구조를 도시하고 있으므로, 반도체 레이저(21)의 제1 구조물(21a)이 제2 구조물(21b)의 하부에 형성된 것으로 도시하고 있으나, 본 명세서에서 반도체 레이저(21)에 대한 설명은 제1 구조물(21a)이 제2 구조물(21b)의 상부에 형성된 구조에 대하여 설명할 것이다.
상기 하이브리드형 광소자는 주로 광통신용 광원으로 사용되므로 상기 반도체 레이저(21)는 고속변조가 가능한 평면 매립형 이종접합구조(planar buried heterostructure)를 갖는 반도체 레이저인 것이 바람직하다. 평면 매립형 이종접합구조의 반도체 레이저는 클래드층들 사이에 형성된 광생성영역의 측면에 전류차단층이 형성되어 동작시 전류의 퍼짐을 방지하므로 낮은 발진 개시전류, 높은 양자 효율 및 높은 온도 특성을 갖는 등의 장점을 가지고 있다. 이러한 평면 매립형 이종접합구조를 갖는 반도체 레이저는 도 3을 참조함으로써 보다 명확하게 이해될 수 있을 것이다. 도 3은 평면 매립형 이종접합구조의 반도체 레이저의 일례를 도시한 단면도로서 도 3을 참조하면, 광생성영역(33)은 다중 양자 우물(quantum well)(33a)을 포함하며, n형 전극(38)과 p형 전극(39)에서 각각 주입되는 전자와 홀이 다중 양자 우물 영역(33a)에서 재결합(recombination)하면서 광이 생성된다. 광생성영역(33)의 굴절률 값은 광생성영역(33)을 둘러싼 영역의 굴절률보다 약 0.2~0.3 정도 큰 값을 갖도록 제작되어 도파로가 광생성영역을 따라서 형성되고, 다중 양자 우물 영역(33a)에서 생성된 광은 능동 영역(33)을 따라서 전파된다. 여기서, 참조부호 31은 n형 반도체 기판, 32는 n형 클래드층, 34는 p형 전류제한층, 35는 n형 전류제한층, 36은 p형 클래드층, 37은 오믹콘택층을 나타낸다.
다시 도 2를 참조하면, 본 발명의 일실시형태에서 상기 반도체 레이저(11)는 광생성영역(212)에서 생성된 광의 모드크기를 변환시켜 출사면(218a)으로 출력하는 광모드 크기 변환기(214)를 포함한다. 광모드 크기 변환기(214)는 광생성영역(212)과 접하여 광생성영역(212)이 형성하는 도파로의 폭을 점진적으로 감소시키거나(lateral down taper), 두께를 점진적으로 감소시키거나(vertical down taper), 상기 두 가지 방식을 적절하게 조합하여 제작될 수 있다.
본 발명에 따른 반도체 레이저(21)는 광생성영역(active region)(212)을 포함하고 적어도 하나의 측면을 광출사면(218a)으로 하는 제1 구조물(21a) 및 상기 제1 구조물(21a) 하부에 형성되며 상기 제1 구조물(21a)의 광출사면(218a) 및 그 반대면(218b) 측으로 노출된 상면(217a 및 217b)을 갖는 제2 구조물(21b)을 포함하는 것을 특징으로 한다. 상기 제2 구조물(21a)의 노출된 상면(217a, 217b)은 반도체 레이저(21)의 플립칩 본딩시, 평판형 도파로 플랫폼(22)의 상부클래드층(224)의 상면(또는 상부클래드층(224)이 소정 깊이로 제거된 접합영역(226a, 226b))과 접합된다.
상기 제1 구조물(21a) 및 제2 구조물(21b)은 별도의 공정에 의해 별도로 제작되기 보다는 제1 구조물(21a) 및 제2 구조물(21b)을 동시에 하나의 칩으로 제작한 후 제1 구조물(21a)의 일부영역을 제거하여 제작될 수 있다. 도 4a 내지 4d는 본 발명에 따른 반도체 레이저의 제조공정을 도시한 공정단면도이다. 먼저 도 4a와 같이 반도체 레이저는 하나의 n형 반도체 웨이퍼(기판) 상에 복수개 제작된다. 이 때, 광생성영역(412)과 광모드 크기 변환기(414)를 갖는 영역(X)과 이후 공정에서 제거되는 영역(Y)이 설정된다.
이어, 도 4b와 같이 상기 제거되는 영역(Y)을 소정 깊이(Hetch)로 제거하여 광생성영역(412)과 광모드 크기 변환기(414)를 포함하고 광출사면(418a)이 노출된 제1 구조물(41a)과 그 하부에 형성된 제2 구조물(41b)을 형성한다. 상기 영역(Y)을 제거하는 데는 반도체 포토리소그래피(photolithography)공정 및 습식식각 공정이 채택된다. 즉, 제1 구조물(41a)이 형성될 영역(X)의 상면에 마스크를 형성하고 상기 마스크를 식각 마스크로 사용하여 영역(Y)을 소정 깊이(Hetch)로 건식식각하여 제거한다. 이로써 상기 제2 구조물(41b)은 상기 제1 구조물(41a)의 광출사면(418a) 측과 그 반대면(418b) 측으로 노출된 상면(417)을 갖게 된다. 상기 영역(Y)의 제거되는 깊이는 영역(Y)에 형성된 광도파로가 포함될 수 있는 깊이로서 약 6㎛ 이상인 것이 바람직하다. 즉, 상기 제1 구조물(41a)의 높이는 6㎛ 이상인 것이 바람직하 다. 상기 건식 식각 방식은 공지의 기술인 RIE 혹은 ICP 장비에서 Cl2, H2, Ar, CH 4 가스를 사용하여 이루어질 수 있다.
이어, 도 4c와 같이 상기 제1 구조물의 광출사면(418a)과 그 반대면(418b)에는 각각 반사방지막(419a) 및 고반사막(419b)이 형성될 수 있다. 상기 반사방지막(419a)은 광출사면(418a)에서 방출되는 광이 반사되는 것을 방지하여 광추출효율을 향상시키기 위한 것이며, 상기 고반사막(419b)은 생성된 광을 광출사면(418a)측으로 반사하여 광추출효율을 향상시키기 위한 것이다. 상기 반사방지막(419a) 및 고반사막(419b)의 형성되는 위치는 적용되는 반도체 레이저에 따라 변경되거나 생략될 수 있다. 예를 들어, 반도체 레이저의 양측면을 모두 광출사면으로 이용하는 경우에는 양측면에 모두 반사방지막이 형성될 수 있다. 상기 반사방지막(419a) 및 고반사막(419b)은 sputtering, e-beam 증착, CVD 등과 같은 공지의 증착 공정을 이용하여 형성될 수 있다.
이어, 도 4d와 같이 상기 제2 구조물(41b)의 노출된 상면의 적절한 위치를 클리빙(cleaving)함으로써, 광생성영역(412)과 광모드 크기 변환기(414)를 갖는 제1 구조물(41a)과, 상기 제1 구조물(41a)의 광출사면(418a)과 그 반대측면(419b)의 방향으로 노출된 상면(417a, 417b)을 갖는 제2 구조물(41b)을 포함하는 구조를 갖는 반도체 레이저(41)가 완성된다.
다시 도 2를 참조하면, 상기 반도체 레이저(21)가 플립칩 본딩되는 평판형 도파로 플랫폼(22)은, 기판(221)과, 상기 기판(221) 상의 일부영역(A)을 노출시키도록 상기 기판(211) 상에 순차적으로 적층된 하부클래드층(222), 코어층(223) 및 상부클래드층(224)과, 상기 기판(211) 상의 노출된 영역(A)에 형성된 금속 패턴(23)을 포함한다.
상기 평판형 도파로 플랫폼(22)은 반도체 물질로 이루어진 기판(221)의 상면에 하부클래드층(222) 및 코어층(223)을 순서대로 증착하고, 원하는 도파로 패턴을 형성하도록 상기 코어층(223)을 선택적으로 식각하여 제거한 후 상기 하부클래드층(222) 및 코어층(223)의 전면에 상부클래드층(224)을 증착하여 형성할 수 있다.
상기 반도체 레이저(21)가 플립칩 본딩되는 영역(A)은, 상기 적층된 하부클래드층(222), 코어층(223) 및 상부클래드층(224)의 소정영역을 기판(221)이 노출되도록 선택적으로 제거하여 형성될 수 있다. 상기 기판(221) 상의 노출영역(A)에 반도체 레이저(41)를 플립칩 본딩방식으로 융착하기 위한 금속패턴(23)이 형성될 수 있다. 상기 평판형 도파로 플랫폼(22)을 이루는 재료에 따라, 상기 평판형 도파로 플랫폼(21)은, 상기 기판(221) 상에 먼저 금속패턴(23)을 형성한 후 그 상면에 하부클래드층(222), 코어층(223) 및 상부클래드층(224)을 증착시키고, 상기 금속패턴(23)이 노출되도록 상기 하부클래드층(222), 코어층(223) 및 상부클래드층(224)의 해당 영역을 건식식각 방식으로 제거하는 공정으로 형성될 수도 있다.
도 2에서 플립칩 본딩을 위한 금속패턴(23)이 형성된 영역(A)은 평판형 도파로 플랫폼(22)의 거의 중심부에 형성된 것으로 도시하고 있으나 이에 한정되지 않으며, 본 발명이 적용되는 형태에 따라 다양하게 변경될 수 있음은 당 기술분야에 서 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.
전술한 것과 같은 구조를 갖는 반도체 레이저(21)와 평판형 도파로 플랫폼(22)은 플립칩 본딩방식으로 서로 결합되어 하이브리드형 광소자(20)가 완성된다. 보다 상세하게는, 상기 반도체 레이저(21)와 상기 평판형 도파로 플랫폼(22)은, 상기 반도체 레이저(21)의 최상부에 형성된 p형 전극(미도시)과 상기 평판형 도파로 플랫폼(22) 기판 상의 금속패턴(23)이 융착되고, 상기 반도체 레이저(21)의 제2 구조물(21b)의 노출된 상면(217a, 217b)이 상기 평판형 도파로 플랫폼(22)의 상부클래드층(224) 상면과 접합되는 형태로 결합된다.
특히, 상기 광출사면(218a)과 상기 평판형 도파로 플랫폼(22)의 광도파로(코어층)(223)와의 수직 광축정렬을 위해서, 도 2는 상기 평판형 도파로 플랫폼(22)의 상부클래드층(224) 일부 영역(217a, 217b)을 소정 깊이(detch)로 제거하여 접합영역(217a, 217b)을 형성하는 실시형태를 도시한다. 상기 제거되는 상부클래드층(224)의 제거되는 깊이(detch)는 반도체 레이저(11)의 제1 구조물(21a)의 높이(도 4b의 Hetch)에 따라 적절하게 조절될 수 있다. 이와 같이, 본 발명에 따르면, 평판형 도파로 플랫폼(22)에 수직 광축 정렬을 위해 반도체 레이저(21)가 플립칩 본딩되는 영역(A)에 별도의 테라스를 형성할 필요가 없이 상부클래드층(224)을 적절한 깊이로 제거하면 되므로 하이브리드형 광소자의 제작공정을 단순화 할 수 있으며 동시에 하이브리드형 광소자의 단가를 절감시킬 수 있게 된다.
또한, 전술한 바와 같이 종래에는 반도체 레이저의 전체 길이가 클리빙 공정에 의해 결정되기 때문에, 상기 반도체 레이저의 길이는 클리빙 공정의 정밀도인 30㎛의 오차가 발생하므로 에어갭(24)의 크기가 30㎛ 이상의 오차를 가지게 된다. 이에 비해, 본 발명에서는 제1 구조물(21a)은 에칭공정에 의해 제조되므로, 상기 제1 구조물(21a)의 길이는 식각공정에서 사용된 반도체 포토리소그래피 공정의 정밀도에 따라 그 오차가 결정된다. 반도체 포토리소그래피 공정의 오차가 약 1㎛ 정도이므로 상기 제1 구조물(21a)의 길이는 약 1㎛의 오차를 갖게 되며, 통상의 플립칩 본딩시의 오차가 2㎛ 정도임을 감안하면 에어갭(24)의 크기를 약 3㎛로 조절할 수 있게 된다. 이와 같이, 본 발명에 따르면, 에어갭(24)의 크기를 재현성 있게 정밀 제어할 수 있으므로 광결합효율을 보다 향상시킬 수 있고, 반도체 레이저(21) 내에 형성되는 광모드 크기 변환기(214)의 요구 규격을 완화시킬 수 있게 되므로 반도체 레이저(21)의 가격 상승을 방지할 수 있다.
도 5는 본 발명의 다른 실시형태에 따른 하이브리드형 광소자를 도시한 단면도이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 본 실시형태에 따른 하이브리드형 광소자(50)는, 평판형 도파로 플랫폼(52)의 일측에 반도체 레이저(51)를 플립칩 본딩하기 위한 영역(A)이 구비되고, 상기 반도체 레이저(51)의 광출사면측 제2 구조물(51b)의 상면(517)이 평판형 도파로 플랫폼(52)의 상부클래드층(524)과 접하는 구조를 갖는다. 상기 상부클래드층(524)의 일부 영역(526)은 반도체 레이저(51)의 수직 광축 정렬을 위해 소정 깊이로 식각될 수 있으며, 상기 반도체 레이저(51)의 제2 구조물(51b)의 상면(517)이 상기 상부클래드층(524)의 식각된 영역(526)에 접합된다. 상기 반도체 레이저(51)의 광출사면과 그 반대측면에는 각각 반사방지막과 고반사막이 형성될 수 있다.
특히, 반도체 레이저(51)의 제2 구조물 상면(517)과 상부클래드층의 식각된 영역(526)은 표면 거칠기, 공정 오차 등에 의하여 완전 밀착이 되지 않을 수 있으므로, 접착 강도를 높이기 위해 상기 두 면들 사이에 에폭시(epoxy) 등과 같은 충전 물질(56)을 삽입시킬 수 있다. 상기 충전 물질(56)로 사용 가능한 물질로는 열경화 에폭시 물질 또는 UV 경화 에폭시 물질 또는 이들 에폭시 물질의 조합으로 이루어진 물질 등이 있으며, 상기 열경화 에폭시 물질을 사용하는 것이 가장 바람직하다. UV 경화 에폭시 물질은 외부에서 UV 광선이 조사되어야 경화가 가능하나, 하이브리드형 광소자를 형성하는 반도체 물질은 UV 투과 특성이 좋지 않고, 그 구조상 UV를 전체 충전부위에 조사하는 것이 어려워 충분하게 경화되지 않기 때문에, 열경화 에폭시 물질을 사용하는 것이 보다 바람직하다.
도 5에서는 상기 충전 물질(56)이 서로 접합하는 상기 반도체 레이저의 제2 구조물(51b)의 상면(517) 및 평판형 도파로 플랫폼(52)의 상부클래드층(524) 사이에 충전되고 상기 반도체 레이저의 제1 구조물(51a)과 평판형 도파로 플랫폼 사이에는 에어갭이 형성된 실시예를 도시하고 있으나, 본 발명의 다른 실시형태에서는 도 6에 도시된 것과 같이 상기 충전 물질(66)이 상기 반도체 레이저(61)의 제1 구 조물(61a)과 평판형 도파로 플랫폼(62) 사이의 에어갭 영역에도 충전될 수 있다. 에어갭 영역은 광이 전파되어 광결합되는 영역이므로, 본 실시형태에서 사용되는 충전 물질은 상기 평판형 도파로 플랫폼(62)의 광도파로(코어층)(623)와 유효굴절률의 차이가 작은 굴절률 매칭(index-matching) 에폭시 물질을 사용하는 것이 바람직하다. 보다 상세하게는 상기 충전 물질의 유효굴절률은 광통신용 파장 범위(1260nm 내지 1650nm)에서 1.3 ~ 1.7 사이의 값을 갖는 것이 바람직하며, 광도파로(코어층)(623)의 유효굴절률과의 차이가 0.1 이하 인 것이 가장 바람직하다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시형태를 도시한 것으로, 평판형 도파로 플랫폼(72)의 중앙부에 반도체 레이저(71)를 플립칩 본딩하기 위한 영역(A)이 구비되고, 상기 반도체 레이저(71)의 제2 구조물(71b)의 양측 상면(717a, 717b)이 평판형 도파로 플랫폼(72)의 상부클래드층(724)과 접하는 구조를 갖는다. 상기 상부클래드층(724)의 일부 영역(726a, 726b)은 반도체 레이저(71)의 수직 광축 정렬을 위해 소정 깊이로 식각될 수 있으며, 상기 반도체 레이저(71)의 제2 구조물(71b)의 상면(717a, 717b)이 상기 상부클래드층(724)의 식각된 영역(726a, 726b)에 접합된다. 본 실시형태에서도 상기 반도체 레이저(71)와 평판형 도파로 플랫폼(72) 사이에는 접합력을 강화하기 위한 충전물질(76a, 76b)이 충전될 수 있다. 상기 광출사면(718a)과 평판형 도파로 플랫폼(72)과의 사이에는 광결합이 이루어지는 영역이므로 이 영역에 사용되는 충전물질(76a)은 상기 평판형 도파로 플랫폼(72)의 광도파로(코어층)(723)와 유효굴절률의 차이가 작은 굴절률 매칭(index-matching) 에폭시 물 질을 사용하는 것이 바람직하다. 보다 상세하게는 상기 충전 물질의 유효굴절률은 광통신용 파장 범위(1260nm 내지 1650nm)에서 1.3 ~ 1.7 사이의 값을 갖는 것이 바람직하며, 광도파로(코어층)(723)의 유효굴절률과의 차이가 0.1 이하 인 것이 가장 바람직하다. 광출사면의 반대측면(718b)과 평판형 도파로 플랫폼(72)과의 사이에는 굴절률 매칭(index-matching) 에폭시 물질 또는 다른 굴절률을 갖는 에폭시 물질이 모두 사용될 수 있다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시형태에 따른 하이브리드형 광소자를 도시한 단면도이다. 본 실시형태에 따른 하이브리드형 광소자(80)에 사용된 반도체 레이저(81)는 두 개의 광출사면(818a, 818b)을 갖는다. 즉, 반도체 레이저(81) 제1 구조물(81a)의 중심부에 위치한 광생성영역(812)의 양측으로 각각 광모드 크기 변환기(814a, 814b)가 형성되며, 광생성영역(812)에서 생성된 광은 제1 구조물(81a)의 양측으로 방출된다. 본 실시형태에서는 제1 구조물(81a)의 양측으로 모두 광이 출사되므로, 제1 구조물(81a)의 양측에서 모두 광결합이 이루어진다. 따라서 제1 구조물(81a)의 광출사면(814a, 814b)과 평판형 도파로 플랫폼(82) 사이의 에어갭에 충전되는 물질(86)은 모두 광도파로(823a, 823b)의 유효굴절율과 차이가 0.1 이하 굴절율을 갖는 것이 바람직하다.
도 9는 상기 충전 물질을 충전하는데 적용될 수 있는 평판형 도파로 플랫폼의 일례를 도시한 사시도이다. 전술한 바와 같이, 상기 평판형 도파로 플랫폼(92) 에는 반도체 레이저가 플립칩 본딩되는 영역(A)이 구비되며, 상기 플립칩 본딩되는 영역(A)의 양측으로 상부클래드층(924)의 일부영역이 소정 깊이로 제거되어 반도체 레이저의 제2 구조물 상면이 접합되는 접합 영역(926a, 926b)이 마련된다. 이에 더하여, 상기 평판형 도파로 플랫폼(924)은, 상기 접합 영역(926a, 926b)과는 별도로 상기 상부클래드층(924)의 일부 영역을 소정 깊이로 제거하여 충전 물질 보관 영역(928a, 928b)과 상기 충전 물질 보관 영역(928a, 928b)과 상기 접합 영역(926a, 926b) 사이에 상기 두 영역을 연결하기 위해 상기 상부클래드층(924)이 소정 깊이로 제거된 트렌치(trench) 영역(929a, 929b)을 구비할 수 있다. 상기 충전 물질 보관 영역(928a, 928b)과 트렌치(trench) 영역(929a, 929b)은 상기 접합영역(926a, 926b)과 마찬가지로 건식식각 공정을 이용하여 형성될 수 있다.
이와 같은 구조에서, 충전 물질(96)을 상기 충전 물질 보관 영역(928a, 928b)으로 흘려보내면, 상기 충전 물질(96)은 상기 트렌치 영역(929a, 929b)을 따라 상기 접합영역(926a, 926b)으로 흘러간다. 모세관 현상에 의하여 상기 접합영역(926a, 926b)과 이에 접촉하는 반도체 레이저의 제2 구조물 상면 사이의 미세한 공간으로 충전 물질이 삽입될 수 있다. 또한, 충전 시간, 충전 물질의 점도, 충전 물질 양을 적절하게 조절함으로써, 상기 제1 구조물의 측면과 그에 대면하는 상기 평판형 도파로 플랫폼의 측면 사이의 공간(에어갭)에도 충전 물질이 충전될 수 있다. 전술한 바와 같이 상기 충전물질은 열경화 에폭시 물질 또는 UV 경화 에폭시 물질 또는 그 조합을 모두 사용할 수 있으나, 열경화 에폭시 물질을 사용하는 것이 가장 바람직하다.
본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 하며, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게는 자명할 것이다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 하이브리드형 광소자에서 반도체 레이저의 광출사면과 그에 대면하는 평판형 도파로 플랫폼의 측면 사이 공간(에어갭)의 크기를 3㎛ 이내로 재현성 있게 감소시킴으로써, 반도체 레이저에서 출사되는 광과 평판형 도파로 플랫폼 내의 광도파로와의 광결합 효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다. 더하여, 반도체 레이저 내에 형성되는 광모드 크기 변환기의 요구 규격을 완화시킬 수 있게 되므로 반도체 레이저의 제조 단가를 절감할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 평판형 도파로 플랫폼에 수직 광축 정렬을 위해 반도체 레이저가 플립칩 본딩되는 영역에 별도의 테라스를 형성할 필요가 없이 상부클래드층을 적절한 깊이로 제거하여 수직 광축 정렬을 이룰 수 있으므로 하이브리드형 광소자의 제작공정을 단순화 할 수 있으며 동시에 하이브리드형 광소자의 단가를 절감시킬 수 있게 된다.
또한, 본 발명에 따르면, 반도체 레이저와 평판형 도파로 플랫폼 간의 공간( 에어갭)을 충전 물질로 충전시킴으로써 먼지, 수분 등의 오염으로 인한 광결합효율 저하를 방지할 수 있는 효과가 있다.

Claims (13)

  1. 광생성영역(active region)을 포함하고 적어도 하나의 측면을 광출사면으로 하는 제1 구조물 및 상기 제1 구조물 하부에 형성되며 상기 제1 구조물의 광출사면 및/또는 그 반대면 측으로 노출된 상면을 갖는 제2 구조물을 포함하는 반도체 레이저; 및
    기판과, 상기 기판 상의 일부영역을 노출시키도록 상기 기판 상에 순차적으로 적층된 하부클래드층, 코어층 및 상부클래드층과, 상기 기판 상의 노출된 영역에 형성된 금속 패턴을 포함하는 평판형 도파로 플랫폼을 포함하여,
    상기 제2 구조물의 노출된 상면이 상기 평판형 도파로 플랫폼의 상부클래드층 상면에 접하도록 상기 반도체 레이저가 상기 금속패턴에 플립칩 본딩된 것을 특징으로 하는 하이브리드형 광소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 반도체 레이저는 평면 매립형 이종접합 구조를 갖는 반도체 레이저인 것을 특징으로 하는 하이브리드형 광소자.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 반도체 레이저는 상기 광생성영역 및 상기 광출사면 사이에 광모드 크기 변환기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드형 광소자.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 구조물은 적어도 6㎛의 높이를 갖는 것을 특징으로 하는 하이브리드형 광소자.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 반도체 레이저는 광출사면에 형성된 반사방지막 및 그 반대측면에 형성된 고반사막을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드형 광소자.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 평판형 도파로 플랫폼의 상부클래드층은 소정 깊이로 제거된 접합영역을 가지며, 상기 제2 구조물의 노출된 상면이 상기 접합영역의 상면에 접합되도록 상기 반도체 레이저가 플립칩 본딩되어,
    상기 접합영역의 깊이를 조절하여 상기 반도체 레이저와 평판형 도파로 플랫폼의 수직방향 광축 정열이 이루어지는 것을 특징으로 하는 하이브리드형 광소자.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제2 구조물의 노출된 상면과 상기 평판형 도파로 플랫폼의 상부클래드층 상면 사이에 충전 물질이 충전되어 상기 반도체 레이저가 상기 평판형 도파로 플랫폼에 플립칩 본딩된 것을 특징으로 하는 하이브리드형 광소자.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제2 구조물의 노출된 상면과 상기 평판형 도파로 플랫폼의 상부클래드층 사이 및 상기 제1 구조물의 측면과 그에 대면하는 상기 평판형 도파로 플랫폼의 측면 사이에 충전 물질이 충전되어 상기 반도체 레이저가 상기 평판형 도파로 플랫폼에 플립칩 본딩된 것을 특징으로 하는 하이브리드형 광소자.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 제2 구조물의 노출된 상면과 상기 상부클래드층의 접합영역의 상면 사이에 충전 물질이 충전되어 상기 반도체 레이저가 상기 평판형 도파로 플랫폼에 플립칩 본딩된 것을 특징으로 하는 하이브리드형 광소자.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 제2 구조물의 노출된 상면과 상기 상부클래드층의 접합영역의 상면 사이 및 상기 제1 구조물의 측면과 그에 대면하는 상기 평판형 도파로 플랫폼의 측면 사이에 충전 물질이 충전되어 상기 반도체 레이저가 상기 평판형 도파로 플랫폼에 플립칩 본딩된 것을 특징으로 하는 하이브리드형 광소자.
  11. 제7항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 충전 물질은 열경화 에폭시 물질 또는 UV 경화 에폭시 물질 또는 상기 열경화 및 UV 경화 에폭시 물질의 조합으로 이루어진 에폭시 물질인 것을 특징으로 하는 하이브리드형 광소자.
  12. 제8항 또는 제10항에 있어서,
    상기 충전 물질의 유효굴절률은 상기 평판형 광도파로 플랫폼의 코어층의 유효굴절률과의 차이가 0.1 이하인 것을 특징으로 하는 하이브리드형 광소자.
  13. 제9항 또는 제10항에 있어서, 상기 평판형 도파로 플랫폼은,
    상기 상부클래드층의 일부를 소정 깊이로 제거하여 형성된 충전 물질 보관 영역 및 상기 충전 물질 보관 영역과 상기 접합영역 사이에 상기 상부클래드층을 소정 깊이로 제거하여 형성된 트랜치영역을 구비하여,
    상기 충전 물질 보관 영역에 보관된 충전 물질이 트랜치영역을 따라 상기 접합영역으로 흘러 상기 제2 구조물의 노출된 상면과 상기 상부클래드층의 접합영역의 상면 사이 및 상기 제1 구조물의 측면과 그에 대면하는 상기 평판형 도파로 플랫폼의 측면 사이에 충전 물질이 충전되는 것을 특징으로 하는 하이브리드형 광소자.
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