KR100651477B1 - 반도체 레이저와 반도체 레이저의 제작 방법 - Google Patents

반도체 레이저와 반도체 레이저의 제작 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 반도체 레이저의 제작 방법은 반도체 기판 상에 하부 클래드, 하부 도파로, 다중 양자 우물층을 순차적으로 성장시키는 과정과, 폭이 일정한 제1 영역과, 상기 제1 영역으로부터 연장되며 폭이 감소하는 제2 영역으로 이루어진 마스크들을 상기 다중 양자 우물층 상에 대칭되게 형성하는 과정과, 상기 다중 양자 우물층 상에 선택적 영역 성장에 의해 상부 도파로 및 클래드를 순차적으로 성장시키는 과정과, 상기 상부 클래드로부터 상기 하부 클래드까지 메사 식각하는 과정과, 전류 차단층을 상기 상부 클래드와 동일한 높이로 상기 반도체 기판 상에 성장시키는 과정을 포함한다.
모드 변환, 반도체 레이저, 선택적 영역 성장

Description

반도체 레이저와 반도체 레이저의 제작 방법{FABRICATING METHOD OF SEMICONDUCTOR LASER AND SEMICONDUCTOR LASER}
도 1은 종래 제작 과정에 따른 제작 단계별 반도체 레이저의 구조를 도시한 도면,
도 2 내지 8은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 반도체 레이저의 제작 단계별 구조를 도시한 도면들,
도 9는 도 8에 도시된 반도체 레이저의 측단면을 도시한 도면,
도 10a 내지 도 10c는 서로 다른 조건에서 제작된 반도체 레이저에서 출사된 광의 프로파일을 모델링한 그래프.
본 발명은 반도체 레이저에 관한 발명으로서, 특히, 모드 변환 영역을 포함하는 반도체 레이저의 제작 방법에 관한 발명이다.
근래, 광 통신망은 개인 가입자를 위주로 보급되고 있으며, 상기 개인 가입 자들에게 안정적인 광 통신 서비스를 제공하기 위해서 온도 변화 등과 같은 주변의 환경적 요인에 대해서 안정적인 동작 및 고속의 변조 특성을 갖는 반도체 레이저가 요구되고 있다.
InP 계열의 화합물로 이루어진 반도체 소자는 InGaAsP 및 AlGaInAs 등 4원계 물질들과 함께 격자 정합을 이루게되므로, 대부분 광통신용 반도체 레이저 등과 같은 통신용 능동 소자로서 사용되고 있다. 상술한 바와 같은 광 통신망의 보급 및 수요 요구를 충족시키기 위해서 주로 AlGaInAsP 계열의 물질들로 이루어진 반도체 레이저가 널리 사용되고 있다.
AlGaInAsP 계열의 물질들은 InGaAsP 계열과는 다르게 다량의 알루미늄을 함유하고 있어서 일반 대기 중에 노출될 경우에 자연 산화막이 형성되고, 자연 산화막에 의해서 재성장이 용이하지 않게 되는 문제를 갖고 있다. 즉, AlGaInAsP 계열의 물질들을 이용한 반도체 레이저는 제작 자체가 용이하지 않고, 그로 인해 제작 단가가 상승하게 되는 문제를 갖고 있다. 상술한 AlGaInAsP 계열의 문제를 해결하기 위한 방법으로서 알루미늄의 첨가 비율을 낮추는 등의 방법이 제안되고 있다.
광 통신망에 사용되는 반도체 레이저는 온도와 고속 동작의 특성뿐만 아니라, 높은 광 결합 효율도 요구되어 지고 있다. 광 결합 효율을 향상시키기 위한 수단으로서 스팟 사이즈(Spot Size)를 변환시키기 위한 모드 변환 영역이 집적된 반도체 레이저가 제안되고 있다.
모드 변환 영역은 반도체 레이저의 광이 출력되는 개구(Aperture)부분에 수직 및 수평 테이퍼(Vertical Taper, Lateral Taper)를 갖도록 형성되며, 출력되는 광의 발산각을 최소화시킨다.
일반적인 모드 변환 영역이 집적된 반도체 레이저는 다중 양자 우물층(Multi Quantum well)이 선택적 영역 성장법(SAG : Selective area growth)에 의해서 형성된다.
도 1의 (a) 내지 도 1의 (d)는 종래 제작 과정에 따른 제작 단계별 반도체 레이저의 구조를 도시한 도면이다. 도 1의 (a)는 반도체 기판(110) 상에 상호 대칭되는 구조로서 일정 간격 이격된 한 쌍의 마스크들(101, 102)이 형성된 상태를 도시한 도면이다. 도 1의 (b)는 상기 마스크들(101, 102)을 제외한 상기 반도체 기판(110) 상에 하부 클래드(120), 다중 양자 우물층(130), 상부 클래드(140)를 순차적으로 적층한 상태를 도시한 도면이다. 종래의 반도체 레이저는 상기 하부 클래드(120) 상에 하부 도파로(미도시)가 성장되고, 상기 다중 양자 우물층(130) 상에 상부 도파로(미도시)가 성장된 구조로 적용 될 수 있다.
도 1의 (c)는 도 1의 (b)에서 성장된 상기 하부 클래드(120), 상기 다중 양자 우물층(130), 상부 클래드(140)를 메사(Mesa) 식각한 상태를 도시한 도면이다. 도 1의 (c)는 메사 식각된 상기 상부 클래드(140) 상에 스트라이프 마스크(Stripe mask; 150)가 형성된 상태를 나타내고, 도 1의 (d)는 도 1의 (b)에서 메사 식각된 반도체 레이저 상에 전류 차단층들(160~180)을 성장시킨 후, 상기 전류 차단층(180) 상에 캡층(190)을 성장시킨 상태를 도시한 도면이다.
즉, 도 1의 (a) 내지 도 1의 (d)에 도시된 바와 같이 종래는 다중 양자 우물층(130)의 성장 시부터 선택적 영역 성장법(Selective Area Growth)을 이용해서 스 팟 사이즈 변화의 효과를 극대화시켰다.
그러나, 선택 영역 성장법에 의해 성장된 다중 양자 우물층의 결정들은 분자들이 유전체 마스크 표면을 미끄러지면서 성장이 이루어지므로, 고품질의 결정 형성이 용이하지 않은 문제가 있다. 따라서, 종래의 방법에 의해 성장된 다중 양자 우물층을 포함하는 반도체 레이저는 수명 및 신뢰성이 저하되는 문제가 있다.
본 발명은 다중 양자 우물층의 결정에 손상 발생을 억제하고 모드 변환 영역의 제작이 용이한 반도체 레이저의 제작 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
본 발명에 따른 반도체 레이저의 제작 방법은,
반도체 기판 상에 하부 클래드, 하부 도파로, 다중 양자 우물층을 순차적으로 성장시키는 과정과;
폭이 일정한 제1 영역과, 상기 제1 영역으로부터 연장되며 폭이 감소하는 제2 영역으로 이루어진 마스크들을 상기 다중 양자 우물층 상에 대칭되게 형성하는 과정과;
상기 다중 양자 우물층 상에 선택적 영역 성장에 의해 상부 도파로 및 클래드를 순차적으로 성장시키는 과정과;
상기 상부 클래드로부터 상기 하부 클래드까지 메사 식각하는 과정과;
전류 차단층을 상기 반도체 기판 상에 성장시키는 과정을 포함한다.
이하에서는 첨부도면들을 참조하여 본 발명의 실시 예를 상세히 설명하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능, 혹은 구성에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 모호하지 않게 하기 위하여 생략한다.
도 9는 본 발명에 따른 모드 변환 영역을 포함하는 반도체 레이저의 단면을 도시한 도면이다. 도 9를 참조하면, 본 발명에 따른 반도체 레이저(200)는 레이저 발진된 광을 생성하기 위한 발진 영역(200a)과, 상기 발진 영역(200a)에서 생성된 광의 스팟 사이즈(Spot Size)를 변환시키기 위한 모드 변환 영역(200b)으로 이루어진다.
상기 반도체 레이저(200)는 반도체 기판(210) 상에 순차적으로 성장된 하부 클래드(241), 하부 도파로(231), 다중 양자 우물층(220), 상부 도파로(232), 상부 클래드(242)를 포함하며, 상기 상부 도파로(232) 및 클래드(242)는 선택적 영역 성장 법에 의해서 상기 모드 변환 영역(200b)에서 상기 다중 양자 우물층(220)으로부터의 성장 두께가 낮아지는 테이퍼(Taper) 구조로 성장된다.
상기 발진 영역(200a)이 일정한 이득을 갖는 레이저 광을 발진시켜도, 상기 상부 모드 변환 영역(200b)의 상기 다중 양자 우물층(220)으로부터의 성장 두께에 따라서 상기 상부 및 하부 도파로(231, 232)가 도파시킬 수 있는 상기 광의 발산각이 변화된다.
상술한 모드 변환 영역(200b)에서의 광 필드(Optical-Field)와 상기 발진 영역에서의 광 필드는 서로 상이하게 된다. 즉, 상기 모드 변환 영역(200b)은 상기 발진 영역(200a)에서 발진된 광의 니어 필드(Near-Field)를 증가시킴으로써, 상기 반도체 레이저(200)에서 출사되는 광의 발산각을 최소화시킨다.
도 2 내지 도 8은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 반도체 레이저의 제작 단계별 반도체 레이저의 구조를 도시한 도면들로서, 도 9에 도시된 반도체 레이저를 제작하기 위한 방법의 각 단계별 과정을 도시하고 있다. 도 2 내지 도 8을 참조하면, 본 발명에 따른 반도체 레이저의 제작 방법은 반도체 기판(210) 상에 하부 클래드(241), 하부 도파로(231), 다중 양자 우물층(220)을 순차적으로 성장시키는 과정과. 상기 다중 양자 우물층(220) 상에 대칭된 마스크들(201, 202)을 형성하는 과정과, 선택적 영역 성장에 의해 상부 도파로 및 클래드(232, 242)를 순차적으로 성장시키는 과정과, 상기 상부 클래드(242)로부터 상기 하부 클래드(241)까지 메사 식각하는 과정과, 전류 차단층(250) 성장시키는 과정과, 상기 전류 차단층(250) 상에 캡 층(Cap; 260)을 형성하는 과정을 포함한다. 상술한 과정에 의해 제작된 반도체 레이저는 상기 전류 차단층 상(250)에 상부 전극(미도시)을 형성하고, 상기 반도체 기판(210)의 하면에 하부 전극(미도시)을 더 형성한다.
도 2를 참조하면, 상기 하부 클래드(241), 상기 하부 도파로(231), 다중 양자 우물층(220)은 상기 반도체 기판(210) 상에 순차적으로 성장된다. 상기 하부 클래드(241)는 InP 재질의 반도체 기판(210) 상에 성장되고, 상기 다중 양자 우물층(220)은 AlGaInAs 계열의 물질들을 사용해서 성장될 수 있다.
도 3을 참조하면, 상기 다중 양자 우물층(220) 상에 상호 대칭되는 형태를 갖도록 한 쌍의 마스크들(201, 202)이 형성된다. 상기 각 마스크(201, 202)는 그 폭이 일정한 제1 영역과, 상기 제1 영역으로부터 연장되며 그 폭이 서서히 감소하는 제2 영역으로 이루어진다. 상기 마스크들(201, 202)은 상호 일정한 간격으로 이격되도록 형성된다. 상기 마스크들(201, 202)은 유전체 매질 등을 사용할 수 있으며, SiO2 등과 같은 물질을 사용해서 구성할 수 있다.
도 4는 상기 상부 도파로(232) 및 클래드(242)가 상기 다중 양자 우물층(220) 상에 선택적 영역 성장에 의해 성장된 상태를 나타낸다. 상기 상부 도파로(232) 및 클래드(242)의 일 단부는 상기 마스크들(201, 202)의 제2 영역에 의해서 상기 다중 양자 우물층(220)으로부터의 높이가 서서히 감소하는 테이퍼 구조로 성장된다. 상기 상부 (232) 및 클래드(242)의 상기 다중 양자 우물층(220)으로부터의 성장 높이는 동일한 성장 조건하에서, 상기 마스크들(201, 202)의 폭 변화에 비례해서 변화될 수 있다.
도 5는 상기 하부 클래드(241)로부터 상기 상부 클래드(242)까지를 매립형 헤테로 구조로 (Burried Hetero structre) 식각시킨 상태를 도시한 도면이다. 도 6은 매립형 헤테로 구조로 식각된 상기 하부 클래드(241)로부터 상기 상부 클래드(242)를 중심으로 상기 반도체 기판(210) 상에 전류 차단층(250)을 형성한 상태를 도시한 도면이다.
도 7은 상기 전류 차단층(250) 상에 캡(260)이 성장된 상태를 도시한 도면이다. 도 8은 도 7에 도시된 전류 차단층(250)과 캡(260)의 일부를 제거해서 도시한 사시도 이다.
도 10a 와 도 10c는 서로 다른 조건에서 제작된 반도체 레이저에서 출사된 광의 프로파일을 모델링(Beam Profile Modeling)한 그래프들이다. 도 10A는 종래의 일반적인 매립형 헤테로(BH)구조를 갖는 반도체 레이저에서 생성된 광의 프로파일을 나타낸다. 도 10a에 도시된 광은 24.4× 30 도(Deg)의 발산각으로 출사할 수 있는 프로파일(Far-Field Profile)을 나타낸다.
도 10b는 종래의 다중 양자 우물층에 선택적 영역 성장법을 적용해서 수직 테이퍼(Lateral Taper) 구조의 모드 변환 영역을 형성한 반도체 레이저에서 출사된 광의 프로파일을 나타낸다. 도 10b에 도시된 광은 12.687× 16.8608 도(Deg)로 도 10a에 도시된 광의 프로파일 보다 다소 감소하게 됨을 알 수 있다.
도 10c는 본 발명에 따른 제작 방법에 의해서 제작된 반도체 레이저에서 생성된 광의 프로파일을 나타낸다. 즉, 도 10c가 적용된 반도체 레이저는 상부 도파로 및 클래드를 선택적 영역 성장에 의해 성장시켜서 다중 모드 영역을 형성한 경우이다. 도 10c에 도시된 광의 프로파일은 8.7× 14.4 도(Deg)로 발산각이 도 10a 및 도 10b와 비교해서 상당한 크기로 감소하게 됨을 알 수 있다.
본 발명은 AlGaInAs 재질의 다중 양장 우물층을 성장시킴으로써 보다 향상된 온도 특성을 갖는다. 또한, 다중 양자 우물층 상에 상부 도파로 및 클래드를 선택적 영역 성장에 의해 성장시킴으로써 다중 양자 우물층은 안정적인 결정 구조로 성장됨과 동시에, 본원 발명의 제작 방법에 따른 반도체 레이저는 테이퍼 구조의 모 드 변환 영역을 형성할 수 있다.
결과적으로 본원 발명은 다중 양자 우물층의 결정 품질의 저하가 없는 안정적인 선택적 영역 성장법을 제공할 수 있다.

Claims (12)

  1. 반도체 레이저의 제작 방법에 있어서,
    하부 클래드 및 도파로가 순차적으로 성장된 반도체 기판 상에 다중 양자 우물층을 성장시킨 후에, 상부 도파로 및 클래드를 선택적 영역 성장에 의해서 순차적으로 성장시킴을 특징으로 하는 반도체 레이저의 제작 방법.
  2. 반도체 기판 상에 하부 클래드, 하부 도파로, 다중 양자 우물층을 순차적으로 성장시키는 과정과;
    폭이 일정한 제1 영역과, 상기 제1 영역으로부터 연장되며 폭이 감소하는 제2 영역으로 이루어진 마스크들을 상기 다중 양자 우물층 상에 대칭되게 형성하는 과정과;
    상기 다중 양자 우물층 상에 선택적 영역 성장에 의해 상부 도파로 및 클래드를 순차적으로 성장시키는 과정과;
    상기 상부 클래드로부터 상기 하부 클래드까지 메사 식각하는 과정과;
    전류 차단층을 상기 상부 클래드와 동일한 높이로 상기 반도체 기판 상에 성장시키는 과정을 포함함을 특징으로 하는 반도체 레이저의 제작 방법.
  3. 제2 항에 있어서, 반도체 레이저의 제작 방법은,
    상기 전류 차단층 상에 캡 층을 형성하는 과정을 더 포함함을 특징으로 하는 반도체 레이저의 제작 방법.
  4. 제2 항에 있어서,
    상기 상부 클래드 및 도파로는 상기 다중 양자 우물층 상의 상기 마스크가 형성되지 않은 부분에 성장됨을 특징으로 하는 반도체 레이저의 제작 방법.
  5. 제2 항에 있어서,
    상기 상부 클래드 및 도파로의 다중 양자 우물층으로부터의 높이는 상기 마스크의 폭에 비례함을 특징으로 하는 반도체 레이저의 제작 방법.
  6. 제2 항에 있어서,
    상기 하부 클래드는 InP 재질의 반도체 기판 상에 성장됨을 특징으로 하는 반도체 레이저의 제작 방법.
  7. 제2 항에 있어서,
    상기 다중 양자 우물층은 AlGaInAs 계열의 물질들로 성장됨을 특징으로 하는 반도체 레이저의 제작 방법.
  8. 제2 항에 있어서,
    상기 상부 클래드 및 도파로는 상기 마스크들의 제1 영역 사이에서 상기 다중 양자 우물층으로부터의 높이가 일정하게 성장됨을 특징으로 하는 반도체 레이저의 제작 방법.
  9. 제2 항에 있어서,
    상기 상부 클래드 및 도파로는 상기 마스크들의 제2 영역 사이에서 상기 반도체 기판으로부터의 높이가 감소하는 테이퍼 구조로 성장됨을 특징으로 하는 반도체 레이저의 제작 방법.
  10. 제2 항에 있어서,
    상기 마스크들은 일정한 간격으로 이격되게 상기 다중 양자 우물층 상에 형성됨을 특징으로 하는 반도체 레이저의 제작 방법.
  11. 반도체 기판 상에 순차적으로 성장된 하부 클래드 및 도파로, 다중 양자 우물층, 상부 도파로 및 클래드를 포함하는 반도체 레이저에 있어서,
    상기 상부 도파로 및 클래드는 선택적 영역 성장법에 의해서 상기 다중 양자 우물층 상에 성장되며, 상기 상부 도파로 및 클래드의 일 부분은 상기 다중 양자 우물층으로부터의 높이가 서서히 낮아지는 테이퍼 구조로 성장됨을 특징으로 하는 반도체 레이저.
  12. 제11 항에 있어서, 상기 반도체 레이저는,
    상기 다중 양자 우물층으로부터 그 높이가 일정하게 성장된 상기 상부 도파로 및 클래드를 포함하며 레이저 광을 발진시키기 위한 발진 영역과;
    상기 발진 영역으로부터 연장되며 테이퍼 구조로 성장된 상기 상부 도파로 및 클래드를 포함하고, 상기 광의 스팟 크기를 변환시키기 위한 모드 변환 영역으로 이루어짐을 특징으로 하는 반도체 레이저.
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