KR100651478B1 - 반도체 레이저와 반도체 레이저의 제작 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명에 따른 모드 변환 영역을 포함하는 반도체 레이저의 제작 방법은 반도체 기판 상에 도파로 영역을 성장시키는 과정과, 상기 도파로 영역 상에 상부 클래드를 성장시키고 상기 상부 클래드 상의 일 부분에 제1 마스크를 형성하는 과정과, 상기 제1 마스크가 형성되지 않은 상기 도파로 영역의 일 부분에 이온을 주입해서 상기 도파로 영역보다 낮은 밴드 갭의 모드 변환 영역을 형성하는 과정과, 상기 제1 마스크를 제거하고 상기 상부 클래드 상에 제2 마스크를 형성하는 과정과, 상기 제2 마스크가 형성된 상기 반도체 레이저를 열처리하는 과정을 포함한다.
모드 변환 영역, 반도체 레이저, 도파로
Description
도 1은 종래의 반도체 레이저를 나타내는 도면,
도 2은 종래의 또 다른 반도체 레이저를 나타내는 도면,
도 3은 도 2에 도시된 반도체 레이저에서 발진되는 광의 스펙트럼을 나타내는 그래프,
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 반도체 레이저의 구조를 나타내는 도면,
도 5는 도 4에 도시된 반도체 레이저의 X ~ X' 단면을 도시한 도면,
도 6은 도 4에 도시된 반도체 레이저에서 발진된 광의 스펙트럼을 나타내는 그래프,
도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 반도체 레이저의 구조를 나타내는 도면,
도 8a 내지 도 8c는 도 4에 도시된 반도체 레이저의 제작 단계별 구조를 나타내는 도면들,
도 9a 내지 9b는 종래의 반도체 레이저에서 발진된 광과, 본 발명의 제2 실 시예에 따른 반도체 레이저에서 발진된 광의 방사각을 비교하기 위한 그래프.
본 발명은 단일 모드의 광을 생성할 수 있는 반도체 레이저에 관한 발명으로서, 특히 모드 변환 영역을 포함하는 반도체 레이저 및 그 제작 방법에 관한 발명이다.
일반적으로 장거리의 고속 통신에는 분포 귀환 레이저가 사용되고 있다. 분포 귀환 레이저는 공진 길이 내의 클래드 층 등에 주기적인 굴절률 변화를 가해서 일정한 주기를 갖는 격자를 형성하는 방법이 제안되고 있다. 상술한 방법으로 형성된 격자들을 포함하는 분포 귀환 레이저에서 방사되는 광은 수평으로 22 ~ 30 도, 수직으로 25 ~35도 정도의 방사각을 갖게 된다. 상술한 정도의 방사각을 갖는 분포 귀환 레이저는 다른 광 소자 대략 30% 내외의 결합 효율을 갖게 된다.
상기 분포 귀환 레이저의 단일 모드 특성을 향상시키기 위한 방법으로서 모드 변환 영역을 동시에 집적시키는 방법 또는 구조가 제안되고 있다. 그 외에도 비구면 렌즈(aspherical) 렌즈 등과 같은 별도의 소자를 이용해서 결합 효율을 향상시키는 방법 등이 제안되고 있다.
도 1과 도 2는 모드 변환 영역이 집적된 종래의 분포 귀환 레이저의 구조를 나타태는 도면이다. 도 1을 참조하면, 종래의 분포 귀환 레이저(100)는 반도체 기 판(110) 상에 하부 클래드(120)와, 도파로(130)와, 상부 클래드(140)와, 상부 및 하부 전극(151, 152)을 포함하며, 상기 반도체 레이저(100)는 광을 생성하는 발진 영역(100a)과, 상기 도파로가 테이퍼 구조로 형성된 모드 변환 영역(100b)으로 이루어진다.
상기 모드 변환 영역(100b)은 상기 발진 영역(100a)을 이루는 도파로(130)로부터 테이퍼(Taper) 구조를 갖도록 연장되며, 상기 도파로(130)는 상기 하부 클래드(120) 상에 성장된 하부 도파로(131)와, 상기 하부 도파로(131) 상에 성장된 다중 양자 우물층(132)과, 상기 다중 양자 우물층(132) 상에 성장된 상부 도파로(133)로 구성 가능하다.
상기 하부 클래드(120)는 그 내부에 일정한 주기를 갖도록 배열된 복수의 격자들(121)이 매립된다.
즉, 상기 발진 영역(100a)은 상기 다중 양자 우물층(132)에서 생성된 광을 상기 하부 및 상부 도파로(131, 133)에 의해서 도파시키며, 상기 발진 영역(100a)의 도파로(130)를 진행하는 광은 상기 격자들(121)과 결맞은 파장의 레이저 광으로 발진된다.
상기 모드 변환 영역(100b)을 이루는 해당 도파로(130) 부분은 테이퍼 구조를 갖도록 형성됨으로써 상기 발진 영역(100a)에서 발진된 광의 방사각을 원하는 정도로 변환시켜서 출력하는 역할을 한다. 즉, 상기 모드 변환 영역(100b)은 분포 귀환 레이저에서 출력되는 광의 스팟(Spot) 크기를 조절함으로써, 해당 분포 귀환 레이저와 다른 소자와의 광결합을 효율을 높이는 데 사용된다.
도 2를 참조하면, 종래의 분포 귀환 레이저(200)는 반도체 기판(210) 상에 하부 클래드(220)와, 도파로(230)와, 상부 클래드(240)와, 상부 및 하부 전극(251, 252)을 포함하며, 상기 도파로(230)가 직선 형태로 형성된 발진 영역(200a)과, 상기 도파로(230)가 테이퍼 구조로 형성된 모드 변환 영역(200b)으로 이루어진다.
상기 하부 클래드(220)는 그 내부에 일정한 주기를 갖도록 배열된 복수의 격자들(221)이 매립된다.
상기 분포 귀환 레이저(200)는 상기 하부 및 상부 전극(251, 252)이 상기 발진 영역(200a)에만 제한적으로 형성되고, 상기 격자들(221)은 상기 발진 영역(200a)에 해당하는 도파로(230)의 하부에 근접하게 형성된다. 즉, 상기 격자들(221)은 상기 모드 변환 영역(200b)의 하부에 형성되지 않음으로서 발진 모드 이외의 파장을 갖는 광이 생성되는 것을 억제할 수 있다.
그러나, 종래의 모드 변환 영역을 형성하는 방법 등은 결합 효율이 개선되는 만큼의 광손실이 발생하게 되는 문제를 갖고 있다. 구체적으로, 도 1에 도시된 반도체 레이저는 레이저 발진을 의도했던 광의 파장 외에도 다수의 광들이 발진됨으로 인해서 단일 모드 특성이 저하되는 문제를 갖고 있다.
도 2에 도시된 반도체 레이저는 단일 모드 특성을 유지하는 반면에, 발진되는 광의 파장과 동일한 파장 대역에서 과도하게 큰 흡수 손실이 발생하게 되는 문제가 있다. 도 3은 도 2에 도시된 반도체 레이저의 발진 영역에서 발진된 광과, 모드 변환 영역에서 광의 흡수 스펙트럼 패턴을 도시한 그래프이다. 점선은 발진된 광을 나타내고, 실선은 모드 변환 영역에서 광의 흡수 스펙트럼 패턴을 나타낸다. 결과적으로 흡수 스펙트럼 패턴이 해당되는 파장과 발진되는 광의 파장이 중첩됨으로써 발진 광의 이득 손실이 크게 나타나게 된다.
본 발명은 모드 변환 영역의 집적이 용이한 반도체 레이저의 제작 방법을 제공하는 데 목적이 있다.
본 발명에 따른 모드 변환 영역을 포함하는 반도체 레이저의 제작 방법은,
반도체 기판 상에 도파로를 성장시키는 과정과;
상기 도파로 상에 클래드를 성장시키고 상기 클래드 상의 일 부분에 제1 마스크를 형성하는 과정과;
상기 제1 마스크가 형성되지 않은 상기 도파로 영역의 일 부분에 이온을 주입해서 상기 도파로 영역보다 낮은 밴드 갭의 모드 변환 영역을 형성하는 과정과;
상기 제1 마스크를 제거하고 상기 클래드 상에 제2 유전체 층을 형성하는 과정과;
상기 반도체 레이저를 열처리하는 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 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 반도체 레이저의 구조를 나타내는 도면이다. 도 4를 참하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 반도체 레이저는 기 설정된 주기를 갖는 복수의 격자들(321)을 포함하는 분포 귀환 레이저(300)로서, 상기 분포 귀환 레이저(300)는 반도체 기판(310) 상에 성장된 하부 클래드(320)와, 상기 하부 클래드(320) 상에 성장되며 기설정된 파장의 광을 발진시키기 위한 도파로 영역(330)과, 상기 도파로 영역(330)으로부터 연장되며 상기 도파로 영역(330) 보다 낮은 밴드 갭(Band gap)을 갖는 모드 변환 영역(360)과, 상기 도파로 영역(330) 및 모드 변환 영역(360) 상에 성장된 상부 클래드(340)와, 상부 및 하부 전극(351, 352)을 포함한다.
상기 도파로 영역(330)은 상기 하부 클래드(320) 상에 순차적으로 성장된 하부 도파로(331), 다중 양자 우물층(332), 상부 도파로(333)로 이루어지며, 기 설정된 파장의 광을 생성해서 상기 하부 클래드(320)에 형성된 격자들(321)과 결맞는 파장을 레이저 광으로 발진시킨다.
도 5는 도 4에 도시된 분포 귀환 레이저(300)의 X~X' 부분을 절개한 상태를 도시한 도면이다. 상기 모드 변환 영역(360)은 상기 도파로 영역(332)으로부터 테이퍼 구조를 갖도록 연장되게 성장되며, 이온 주입(Ion implation) 등에 의해서 상기 도파로 영역(330)과 다른 밴드갭을 갖게된다. 상기 모드 변환 영역(360)은 상기 도파로 영역(330)에서 발진된 광의 스팟(Spot) 크기를 조절해서 출력한다.
상기 하부 클래드(320)는 그 내부에 매립된 형태로서 일정한 주기를 갖도록 배열된 복수의 격자들(321)을 구비하며, 상기 격자들(321)은 상기 도파로 영역 (330)의 하부에만 위치된다.
상기 상부 전극(351)은 상기 광을 발진시키기 위한 도파로 영역(330) 상에 성장된 상기 상부 클래드(340) 상의 일 부분에 형성되며, 상기 하부 전극(352)과 함께 상기 도파로 영역(330)에 전류를 인가한다.
도 8a 내지 도 8c는 도 4에 도시된 분포 귀환 레이저를 제작하기 위한 방법에 있어서 각 단계별 분포 귀환 레이저의 구조를 도시한 도면이다. 도 8a 내지 도 8c를 참조하면, 모드 변환 영역을 포함하는 분포 귀환 레이저는 하기의 과정들을 거쳐서 제작된다. 도 4에 도시된 분포 귀환 레이저(300)는 반도체 기판(310) 상에 도파로 영역(330)을 성장시키는 과정과, 상기 도파로 영역(330) 상에 상부 클래드(340)를 성장시키고 상기 상부 클래드(340) 상의 일 부분에 제1 마스크(301)를 형성하는 과정과, 상기 제1 마스크(301)가 형성되지 않은 상기 도파로 영역(330)에 이온을 주입해서 상기 도파로 영역(330)으로부터 연장된 모드 변환 영역(360)을 형성하는 과정과, 상기 제1 마스크(301)를 제거하고 상기 상부 클래드(340) 상에 제2 유전체 층(302)을 형성하는 과정과, 상기 분포 귀환 레이저를 열처리하는 과정과, 하부 클래드(320)를 성장시키는 과정을 포함한다.
상기 하부 클래드(320)는 상기 반도체 기판(310) 상에 성장되며, 기 설정된 주기를 갖는 복수의 격자들(321)이 형성된다. 상기 격자들(321)은 상기 도파로 영역(330)의 하부에 형성된다.
상기 도파로 영역(330)은 상기 하부 클래드(320) 상에 순차적으로 성장된 하부 도파로(331)와, 다중 양자 우물층(332)과, 상부 도파로(333)를 포함하고, 기 설 정된 파장의 광을 생성해서 상기 격자들의 주기에 결맞은 파장의 광을 레이저 광으로 발진시킨다.
상기 제1 마스크(301)는 SiO2 등과 같은 유전체 물질의 증착에 의해서 상부 클래드(340) 상에 형성되며, 상기 제1 마스크(301)는 상기 모드 변환 영역(360)을 형성하기 위한 부분을 제외한 나머지 부분에 형성된다.
상기 제1 마스크(301)가 형성된 분포 귀환 레이저는 As, P, H 계열 물질들 중 중 하나 또는 둘 이상으로 조합된 이온들이 상기 제1 마스크(301)가 형성되지 않은 상기 상부 클래드(340)를 통과해서 침투된 이온에 의해서 이온이 침투되지 않은 도파로 영역(330)과 다른 밴드갭을 갖는 모드 변환 영역(360)을 형성하게 된다.
따라서, 상기 모드 변환 영역(360)은 상기 도파로 영역(330)으로부터 연장되며, 상기 도파로 영역(330)과 다른 밴드갭을 갖게된다. 상기 모드 변환 영역(360)의 밴드갭은 침투되는 이온의 조성 및 량에 따라서 조절 가능하다. 상기 도파로 영역(330)은 수평 방향의 식각등의 방법을 통하여 형성됨으로써, 상기 모드 변환 영역(360)은 테이퍼 구조를 갖도록 상기 도파로 영역(330)으로부터 연장된다.
도 6은 본 발명에 따른 이온 침투된 다중 모드 영역(360)에서의 흡수 스펙트럼 패턴과, 발진된 광의 파장 대역을 비교한 그래프이다. 도 6을 참조하면, 다중 모드 영역(360)에서의 흡수 스펙트럼 패턴이 나타난 파장 대역은 1450㎚인 반면에, 레이저 발진된 광의 파장은 1550㎚ 임을 알 수 있다. 실선은 모드 변환 영역(360)에서 나타나는 흡수 스펙트럼 패턴을 나타내고, 점선은 도파로 영역(330)에서 발진 된 광의 스펙트럼 패턴을 나타낸다. 즉, 본 발명에 따른 모드 변환 영역(360)은 이온 침투에 의해서 도파로 영역(330) 보다 낮은 밴드갭을 갖도록 형성됨으로써, 다중 모드 영역(360)에서 생성되는 흡수 스펙트럼의 파장 대역과 도파로 영역(330)에서 발진되는 광의 파장 대역이 중복되지 않음을 알 수 있다.
결과적으로, 본 발명에 따른 분포 귀환 레이저는 광의 이득 손실 발생을 억제하고, 원하는 방사각을 갖는 광을 생성할 수 있다.
도 7은 본 발명의 바람직한 제2 실시예에 따른 반도체 레이저(400)를 나타내는 도면이다. 도 7에 도시된 반도체 레이저(400)는 페브리-페롯(Fabry-Perrot) 레이저 등에 적용 가능하며, 해당 모드 변환 영역(460)의 높이가 도파로 영역(430) 보다 낮게 성장된다. 도 7을 참조하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 반도체 레이저(400)는 반도체 기판(410) 상에 성장된 하부 클래드(420)와, 상기 하부 클래드 (420) 상에 성장되며 기설정된 파장의 광을 발진시키기 위한 도파로 영역(430)과, 상기 도파로 영역(430)으로부터 연장되며 상기 도파로 영역(430) 보다 낮은 밴드 갭을 갖는 모드 변환 영역(460)과, 상기 도파로 및 모드 변환 영역(430, 460) 상에 성장된 상부 클래드(440)와, 상기 도파로 영역(430)에 전류를 인가하기 위한 상부 및 하부 전극(451, 452)을 포함한다.
상기 도파로 영역(430)은 상기 하부 클래드 상에 순차적으로 성장된 하부 도파로, 다중 양자 우물층, 상부 도파로를 포함하며, 기 설정된 파장의 광을 발진시킬 수 있다.
상기 모드 변환 영역(460)은 상기 도파로 영역(430)으로부터 연장되며, 이온 주입 등에 의해서 상기 도파로 영역(430) 보다 낮은 밴드갭을 갖는다. 상기 도파로 영역(430) 및 모드 변환 영역(460)은 선택적 영역 성장법 등에 의해서 서로 다른 높이를 갖도록 성장될 수 있다.
도 9a와 9b는 종래의 반도체 레이저에서 발진된 광과, 본 발명의 제2 실시예에 따른 반도체 레이저에서 발진된 광의 방사각을 비교하기 위한 그래프이다. 도 9a는 종래 반도체 레이저에서 발진된 광의 방사각을 나타내며, 도 9a를 참조하면 x축의 FWHM은 12.8948 도(Deg)이고, y축의 FWHM은 14.1145도(Deg)임을 알 수 있다. 도 9b는 본 발명의 제2 실시예에 따른 반도체 레이저에서 발진된 광의 방사각을 나타낸다. 도 9b를 참조하면, x축의 FWHM은 12.5502도(Deg)이고, y축의 FWHM은 13.2967도(Deg)를 나타냄을 알 수 있다.
도 9a와 도 9b를 비교해 보면, 종래의 반도체 레이저 보다 본 발명에 따른 반도체 레이저의 방사각이 작아짐을 알 수 있다.
본 발명은 도파로의 일부에 이온을 주입해서 밴드갭이 다른 모드 변환 영역을 형성함으로써, 모드 변환 영역의 흡수 대역을 도파로의 발진 파장 대역 보다 단파장 측으로 이동시키는 이점이 있다. 즉, 본 발명은 모드 변환 영역에서 형성되는 흡수 대역과 발진 파장이 중복되지 않도록 함으로써, 발진되는 광의 세기 손실 발생을 억제하게 되는 이점이 있다.
Claims (11)
- 반도체 레이저의 제작 방법에 있어서,반도체 기판 상에 도파로 영역을 성장시키는 과정과;상기 도파로 영역 상에 상부 클래드를 성장시키고 상기 상부 클래드 상의 일 부분에 제1 마스크를 형성하는 과정과;상기 제1 마스크가 형성되지 않은 상기 도파로 영역의 일 부분에 이온을 주입해서 상기 도파로 영역보다 낮은 밴드 갭의 모드 변환 영역을 형성하는 과정과;상기 제1 마스크를 제거하고 상기 상부 클래드 상에 제2 마스크를 형성하는 과정과;상기 제2 마스크가 형성된 상기 반도체 레이저를 열처리하는 과정을 포함함을 특징으로 하는 반도체 레이저의 제작 방법.
- 제1 항에 있어서,상기 도파로 영역 및 모드 변환 영역과, 상기 반도체 기판의 사이에 하부 클래드를 성장시키는 과정을 더 포함함을 특징으로 하는 반도체 레이저의 제작 방법.
- 제1 항에 있어서,상기 도파로 영역은 상기 반도체 기판 상에 하부 도파로와, 다중 양자 우물층과, 상부 도파로를 순차적으로 성장시켜서 형성됨을 특징으로 하는 반도체 레이저의 제작 방법.
- 제1 항에 있어서,상기 도파로 영역은 기 설정된 파장의 광을 발진시킴을 특징으로 하는 반도체 레이저의 제작 방법.
- 제2 항에 있어서,상기 하부 클래드 내에 기설정된 주기의 격자들이 매몰되게 형성됨을 특징으로 하는 모드 변환 영역을 포함하는 반도체 레이저의 제작 방법.
- 제1 항에 있어서,상기 모드 변환 영역은 테이퍼 구조로 형성됨을 특징으로 하는 반도체 레이저의 제작 방법.
- 제1 항에 있어서,상기 모드 변환 영역에 주입되는 이온은 As, P, H 계열의 이온 중 하나 또는 둘 이상의 조합으로 사용됨을 특징으로 하는 반도체 레이저의 제작 방법.
- 반도체 레이저에 있어서,반도체 기판 상에 성장된 하부 클래드와;상기 하부 클래드 상에 성장되며 기설정된 파장의 광을 발진시키기 위한 도파로 영역과;상기 도파로 영역으로부터 연장되며 상기 도파로 영역 보다 낮은 밴드 갭을 갖는 모드 변환 영역과;상기 도파로 및 모드 변환 영역 상에 성장된 상부 클래드를 포함함을 특징으로 하는 반도체 레이저.
- 제8 항에 있어서,상기 하부 클래드는 그 내부에 매립된 형태로서 일정한 주기를 갖도록 배열된 복수의 격자들을 포함함을 특징으로 하는 반도체 레이저.
- 제8 항에 있어서, 상기 반도체 레이저는,상기 도파로 영역에 전류를 인가하기 위한 상부 및 하부 전극을 더 포함함을 특징으로 하는 반도체 레이저.
- 제8 항에 있어서,상기 도파로 영역은 상기 하부 클래드 상에 순차적으로 성장된 하부 도파로, 다중 양자 우물층, 상부 도파로를 포함함을 특징으로 하는 반도체 레이저.
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2005
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