KR100821364B1 - 보호막을 이용한 자기정렬 릿지 도파로 반도체 레이저다이오드 및 광 모드 변환기의 제조방법 - Google Patents

보호막을 이용한 자기정렬 릿지 도파로 반도체 레이저다이오드 및 광 모드 변환기의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 폴리머 보호막 코팅을 이용한 자기정렬 릿지 도파로 반도체 레이저 다이오드의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명에 의하면, 반도체 기판 상에 하부 클래딩층, 활성층, 상부 클래딩층 및 오믹접촉층을 순차적으로 증착하여 반도체 레이저 다이오드 기본 구조를 형성하는 단계와, 마스크 패턴을 이용하여 상기 활성층이 노출되도록 상기 오믹접촉층 및 상기 상부 클래딩층을 순차적으로 식각하여 릿지 도파로를 형성하는 단계와, 상기 결과물의 상부에 보호막을 형성하는 단계와, 건식 식각법을 이용하여 상기 오믹접촉층을 노출시키는 단계와, 상기 전체구조의 상부에 상부 전극층을 형성한 후, 상기 반도체 기판의 하단에 하부 전극층을 형성하는 단계를 포함한 자기정렬 릿지 도파로 반도체 레이저 다이오드의 제조방법을 제시한다.
본 발명에 의하면, 미세 패턴의 오믹 접촉(ohmic contact)의 어려움을 쉽게 해결할 수 있고 활성층 영역으로 전류 주입이 효과적으로 이루어지기 때문에 보다 향상된 소자 성능과 비용절감 효과를 얻을 수 있다.
반도체 레이저 다이오드, 릿지 도파로, 폴리머 보호막, 자기정렬

Description

보호막을 이용한 자기정렬 릿지 도파로 반도체 레이저 다이오드 및 광 모드 변환기의 제조방법{METHOD FOR MANUFACTURING SELF-ALIGNED RIDGE WAVEGUIDE SEMICONDUCTOR LASER DIODE AND OPTICAL MODE CONVERTER USING PROTECTION LAYER}
도 1a 내지 도 1e는 본 발명의 제1 실시예에 따른 보호막을 이용한 자기정렬 릿지 도파로 반도체 레이저 다이오드의 제조방법을 설명하기 위한 단면도 및 사시도.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 보호막을 이용한 자기정렬 릿지 도파로 반도체 레이저 다이오드를 전자 주사 현미경 촬영에 의해 나타낸 단면도.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 제2 실시예에 따른 본 발명의 제1 실시예에 따른 보호막을 이용한 자기정렬 릿지 도파로 반도체 레이저 다이오드의 제조방법을 설명하기 위한 단면도.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 제3 실시예에 따른 보호막을 이용한 자기정렬 릿지 도파로 반도체 레이저 다이오드의 제조방법을 설명하기 위한 단면도.
도 5는 본 발명의 제4 실시예에 따른 보호막을 이용한 광 모드 변환기의 제조방법을 설명하기 위한 단면도 및 사시도.
도 6은 본 발명의 제4 실시예에 따른 보호막을 이용한 광 모드 변환기를 전 자 주사 현미경 촬영에 의해 나타낸 단면도.
도 7은 본 발명의 제1 실시예에 적용된 보호막 형태에 따라 자기정렬 릿지 도파로 반도체 레이저 다이오드의 전압/전류, 미분 저항에 관한 특성을 나타낸 그래프.
*** 도면의 주요 부분에 대한 부호 설명 ***
100 : 반도체 기판, 110 : 하부 클래딩층,
120 : 활성층, 130 : 상부 클래딩층,
140 : 오믹접촉층, 150 : 보호막,
160 : 상부 금속층, 170 : 하부 금속층,
180 : 절연막
본 발명은 폴리머 계열의 보호막을 이용한 자기정렬 릿지 도파로 반도체 레이저 다이오드의 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로, 광통신 기술의 발전과 반도체 공정 기술의 발전으로 레이저 다이오드에 대한 기술이 끊임없이 발전되어 왔다. 특히, 실리카(silica) 기반의 광통신에서 광원으로써 레이저 다이오드가 주로 사용되는데, 손실이 가장 적은 1.3㎛와 1.55㎛의 파장 영역의 광원이 주로 사용된다.
광소자의 특성을 향상시키기 위해서 현재 매립형(Buried Heterostructure, BH) 구조가 사용되지만, 이는 에피 성장 시 재성장(regrowth)을 해야 하는 어려움이 있고, 가격이 높아 저가격의 모듈을 생산하는 데에는 한계가 있다.
따라서, Ⅲ-Ⅴ족 반도체 기판 상에 활성층으로 InGaAsP 혹은 InGaAlAs물질을 웨이퍼 위에 성장시키고, 이를 릿지(Ridge) 도파로 형태로 구현하는 반도체 레이저가 주로 사용되고 있다.
광통신에 사용되는 릿지 도파로 레이저 다이오드는 활성층과 클래드층의 격자 정합을 이루는 물질의 사용과 단일 모드로 동작하기 위한 활성층과 클래드층의 적절한 굴절률 차이와 릿지 폭이 필요하다.
통상적으로 Ⅲ-Ⅴ족 반도체 기판 상에 격자 정합된 클래딩, 활성층의 굴절률 차이가 0.1∼0.3㎛ 정도로 매우 크기 때문에 단일 모드로 동작하는 레이저 다이오드를 만들기 위해서는 도파로의 릿지 폭이 3㎛이하로 작아야 한다.
또한, 릿지 구조 레이저 다이오드는 매립형(BH) 구조에 비해 전류가 주입되는 영역이 상대적으로 크고 전류의 측면 확산 때문에 문턱전류가 상대적으로 크다는 단점이 있어 가능한 한 도파로 릿지 폭을 작게 제작하여야 한다.
이러한 작은 릿지 패턴에 보호막을 형성한 후 p측 오믹 접촉(ohmic contact)을 위한 오프닝(opening)을 형성하기 위해서는 추가적인 사진 공정이 필요하며 도파로 폭이 좁아질수록 상부 금속층과의 오믹 접촉면 제작을 위한 좀 더 정밀한 정렬과정이 필요하게 된다. 그리고, 결국 오믹 접촉면이 좁아져 접촉 저항이 증가하게 되어 특성 저하의 원인이 되기도 한다.
이를 해결하기 위해 산화가 잘 되는 물질을 상부 클래딩층, 산화가 일어나기 어려운 오믹접촉층을 순차적으로 증착하고 산화 공정을 진행하여 노출된 상부 클래딩층의 일부 표면을 전기가 통하지 않는 산화물로 변환시키는 자기정렬 구조의 레이저 다이오드 제작하는 방법이 사용되기도 한다.
이는 추가적인 오프닝(opening) 공정이 필요 없고 단순히 산화된 물질이 보호막으로 형성되기 때문에 다른 추가적인 공정이 필요 없다는 장점이 있다. 하지만, 상부 클래딩층이 산화가 잘 되는 물질을 사용해야 한다는 단점과 기판에 격자 정합을 이루며 산화되는 물질을 찾아야 하는 선택성에서 한계가 있다.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 추가적인 사진 공정 없이 폴리머 계열의 물질을 코팅하여 보호막을 형성함으로써, 릿지 미세 패턴의 p측 오믹 접촉(ohmic contact)을 용이하게 할 수 있도록 한 자기정렬 릿지 도파로 반도체 레이저 다이오드의 제조방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 p측 오믹 접촉의 어려움을 해결하고, 미세 패턴을 갖는 릿지 도파로의 오프닝(opening)을 쉽게 하여 활성층으로의 전류 주입을 효과적으로 이루게 함으로써 출력을 향상시키고, 공정을 보다 단순하게 한 자기정렬 릿지 도파로 반도체 레이저 다이오드의 제조방법을 제공하는데 있다.
전술한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 제1 측면은, (a) 반도체 기판 상에 하부 클래딩층, 활성층, 상부 클래딩층 및 오믹접촉층을 순차적으로 증착하여 반도체 레이저 다이오드 기본 구조를 형성하는 단계; (b) 마스크 패턴을 이용하여 상기 활성층이 노출되도록 상기 오믹접촉층 및 상기 상부 클래딩층을 순차적으로 식각하여 릿지 도파로를 형성하는 단계; (c) 상기 결과물의 상부에 보호막을 형성하는 단계; (d) 건식 식각법을 이용하여 상기 오믹접촉층을 노출시키는 단계; 및 (e) 상기 전체구조의 상부에 상부 전극층을 형성한 후, 상기 반도체 기판의 하단에 하부 전극층을 형성하는 단계를 포함하여 이루어진 자기정렬 릿지 도파로 반도체 레이저 다이오드의 제조방법을 제공하는 것이다.
여기서, 상기 반도체 기판은 n-형 또는 p-형 GaAs 혹은 InP를 사용함이 바람직하다.
바람직하게는, 상기 보호막은 산화 실리콘 또는 질화 실리콘과 굴절률이 유사한 폴리머 계열 물질을 사용한다.
바람직하게는, 상기 폴리머 계열 물질은 BCB(benzocyclobutene)이다.
바람직하게는, 상기 활성층은 AlGaAs, InGaAlP, InGaAs, InGaAsP 또는 InGaAlAs을 사용한다.
바람직하게는, 상기 단계(b)에서, 상기 마스크 패턴은 산화 실리콘 또는 질화 실리콘으로 이루어진다.
바람직하게는, 상기 단계(b)에서, 상기 릿지 도파로는 일정간격으로 이격된 패턴으로 형성한다.
바람직하게는, 상기 간격은 8㎛ 내지 10㎛이다.
바람직하게는, 상기 단계(b)에서, 상기 하부 클래딩층의 일부분이 노출되도록 상기 오믹접촉층, 상기 상부 클래딩층, 상기 활성층 및 상기 하부 클래딩층의 일부를 순차적으로 식각하여 릿지 도파로를 형성한다.
바람직하게는, 상기 단계(b)에서, 상기 상부 클래딩층 또는 상기 릿지 도파로의 측면에 금속 회절 격자를 새겨 단일 파장을 갖는다.
바람직하게는, 상기 단계(b)에서, 상기 릿지 도파로의 끝부분이 다른 부분보다 횡방향으로 좁아지는 형태로 형성한다.
바람직하게는, 상기 단계(c)에서, 상기 결과물의 상부에 절연막을 증착한 후, 상기 보호막을 형성한다.
바람직하게는, 상기 절연막은 질화 실리콘과 산화 실리콘으로 이루어진다.
바람직하게는, 상기 단계(d)에서, 상기 건식 식각법은 반응성 이온 에칭(Reactive Ion Etching, RIE)을 통해 수행한다.
본 발명의 제2 측면은, (a') 반도체 기판 상에 하부 클래딩층, 활성층, 상부 클래딩층 및 오믹접촉층을 순차적으로 증착하는 단계; (b') 제1 마스크 패턴을 이용하여 상기 하부 클래딩층의 일부분이 노출되도록 상기 오믹접촉층, 상기 상부 클래딩층, 상기 활성층 및 상기 하부 클래딩층의 일부를 순차적으로 식각하여 제1 릿지 도파로를 형성하는 단계; (c') 제2 마스크 패턴을 이용하여 상기 활성층이 노출되도록 상기 오믹접촉층 및 상기 상부 클래딩층을 순차적으로 식각하여 일측면에 테이퍼 형상을 갖는 제2 릿지 도파로를 형성하는 단계; (d') 상기 결과물의 상부에 보호막을 형성하는 단계; 및 (e') 건식 식각법을 이용하여 상기 오믹접촉층을 노출시키는 단계를 포함하여 이루어진 광 모드 변환기의 제조방법을 제공하는 것이다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다. 그러나, 다음에 예시하는 본 발명의 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 상술하는 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예는 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되어지는 것이다.
(제1 실시예)
도 1a 내지 도 1e는 본 발명의 제1 실시예에 따른 보호막을 이용한 자기정렬 릿지 도파로 반도체 레이저 다이오드의 제조방법을 설명하기 위한 단면도 및 사시도이다.
도 1a를 참조하면, 예컨대, Ⅲ-Ⅴ 반도체 기판(100) 상에 격자 정합된 n형 하부 클래딩층(110), 활성층(120), p형 상부 클래딩층(130) 및 오믹접촉층(140)을 순차적으로 증착하여 릿지 도파로 반도체 레이저 다이오드 공정을 위한 에피를 성장한다. 즉, 반도체 레이저 다이오드 기본 구조를 형성한다.
이때, 반도체 기판(100)은 n-형 또는 p-형 GaAs 혹은 InP를 사용함이 바람직하다.
활성층(120)은 격자 정합 혹은 스트레인을 갖는 양자 우물 구조나 양자점 구조로 형성될 수 있으며, 예컨대, AlGaAs, InGaAlP, InGaAs, InGaAsP 또는 InGaAlAs 등을 사용함이 바람직하다.
상부 클래딩층(130) 및 하부 클래딩층(110)은 활성층(120)과 적절한 굴절률 차이를 갖고 격자 정합된 물질을 사용할 수 있다.
도 1b를 참조하면, 오믹접촉층(140)의 상부에 예컨대, 산화 실리콘(SiO2) 또는 질화 실리콘(SiNx)을 소정 두께로 증착하여 포토리쏘그라피(photo-lithography) 공정을 통해 마스크 패턴(mask pattern)(미도시)을 형성한 후, 이를 식각 마스크로 이용하여 예컨대, 건식 또는 습식식각 공정을 통해 활성층(120)이 노출되도록 오믹접촉층(140) 및 상부 클래딩층(130)을 순차적으로 식각하여 릿지(Ridge) 도파로 패턴을 형성한다. 그런 다음, 상기 마스크 패턴을 제거한다.
여기서, 상기 릿지(Ridge)라 함은 상부 클래딩층(130) 및 오믹접촉층(140)으로 형성된 볼록 뛰어나온 가운데 부분을 칭한다.
한편, 하부 클래딩층(110)의 일부분이 노출되도록 오믹접촉층(140), 상부 클래딩층(130), 활성층(120) 및 하부 클래딩층(110)의 일부를 순차적으로 식각하여 깊은(deep) 릿지 도파로 구조를 형성할 수도 있다.
다른 한편, 상부 클래딩층(130) 또는 상기 릿지 도파로 패턴의 측면에 금속 회절 격자를 새겨 단일 파장을 갖도록 할 수도 있다.
도 1c를 참조하면, 상기 결과물의 전체 상부면에 보호막(150)을 형성한다. 이때, 보호막(150)은 예컨대, 산화 실리콘(SiO2) 또는 질화 실리콘(SiNx)과 굴절률이 유사한 폴리머 계열 물질을 사용함이 바람직하다.
이때, 보호막(150)은 통상적인 스핀 코팅법(spin coating)에 의해 형성되는 바, 약 5000rpm 속도로 약 30초 동안 코팅한 후, 코팅된 폴리머를 응고시켜 기판과 접착력을 높이기 위하여 약 210℃ 정도에서 약 60분(min) 동안 베이킹(baking) 과정을 수행함이 바람직하다.
한편, 상기 폴리머 계열 물질로는 예컨대, BCB(benzocyclobutene)를 사용함이 바람직하지만, 이에 국한하지 않으며, SU-8(formulated in GBL), SU-2000(formulated in cyclopentanone), PMMI(Poly methyl methylacrylimide), PMMA(Poly methyl methacrylate), Polymide 등을 사용할 수도 있다.
이에 따라, 단순히 폴리머 계열 물질을 코팅하여 보호막(150)을 형성하여 추가적인 사진 공정 없이 p측 오믹 접촉을 위한 오프닝(opening)을 쉽게 형성할 수 있다.
한편, 상기 폴리머 계열 물질은 스핀 속도와 시간에 따라서 웨이퍼(wafer) 위에 도포되는 두께가 다르고 반도체 레이저 다이오드의 릿지 구조상의 특징으로 p측 오믹접촉층(140) 위로는 폴리머가 상대적으로 얇게 도포된다.
도 1d를 참조하면, 예컨대, 전면 건식 식각법을 이용하여 오믹접촉층(140) 의 상면을 노출시킨다. 즉, 오믹접촉층(140) 상에 도포된 폴리머 계열 물질로 이루어진 보호막(150)을 제거하기 위해 어떠한 사진 공정 없이 적절한 조건 하에서 전면 건식 식각을 수행하면, 오믹접촉층(140)의 상면이 개방된 형태로 이루어진 구조를 얻을 수 있다.
이때, 상기 건식 식각법은 예컨대, 반응성 이온 에칭(Reactive Ion Etching, RIE)을 통해 수행함이 바람직하다. 이때, 반응성 이온 에칭(RIE)은 약 40∼60sccm(바람직하게는, 약 50sccm 정도)의 플로오르(CF4), 산소(O2) 가스(gas)를 약 0.01∼0.05torr(바람직하게는, 약 0.03torr 정도) 압력에서 약 1∼3분 정도 수행함이 바람직하다.
도 1e를 참조하면, 상기 전체구조의 상부에 p형-금속의 상부 전극층(160)을 증착하고, 반도체 기판(100)의 하단을 래핑(lapping)한 후 반도체 기판(100)의 하단에 n형-금속의 하부 전극층(170)을 증착 및 열처리 공정을 수행하여 본 발명의 제1 실시예에 따른 자기정렬 릿지 도파로 반도체 레이저 다이오드를 완성한다.
이때, 본 발명에 의한 자기정렬 릿지 도파로의 끝부분이 다른 부분보다 횡방향으로 좁아지는 형태로 패턴을 형성하고, 산화막(절연막)을 형성하여, 도파로의 한쪽 또는 양쪽 끝에 테이퍼(Tapered) 또는 모드변환 형태를 갖게 제작할 수도 있다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 보호막을 이용한 자기정렬 릿지 도파 로 반도체 레이저 다이오드를 전자 주사 현미경 촬영에 의해 나타낸 단면도로서, 보호막(150, 도 1c 참조)을 폴리머 계열 물질인 BCB(benzocyclobutene)를 사용하여 실제적으로 구현한 단면도 사진을 나타낸 것이다.
(제2 실시예)
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 제2 실시예에 따른 본 발명의 제1 실시예에 따른 보호막을 이용한 자기정렬 릿지 도파로 반도체 레이저 다이오드의 제조방법을 설명하기 위한 단면도로서, 릿지(Ridge) 도파로 패턴 및 보호막(150)의 형성 공정을 주축으로 설명하고, 나머지 공정들은 전술한 본 발명의 제1 실시예와 동일하므로, 이에 대한 상세한 설명은 본 발명의 제1 실시예를 참조하기로 한다.
도 3a를 참조하면, 반도체 기판(100) 상에 하부 클래딩층(110), 활성층(120), 상부 클래딩층(130) 및 오믹접촉층(140)을 순차적으로 증착하여 구성된 반도체 레이저 다이오드 기본 구조에 있어서, 오믹접촉층(140)의 상부에 예컨대, 산화 실리콘(SiO2) 또는 질화 실리콘(SiNx)을 소정 두께로 증착하여 포토리쏘그라피(photo-lithography) 공정을 통해 일정한 간격(W)으로 이격된 마스크 패턴(mask pattern)(미도시)을 형성한다.
이후에, 상기 마스크 패턴을 식각 마스크로 이용하여 예컨대, 건식 또는 습식식각 공정을 통해 활성층(120)이 노출되도록 오믹접촉층(140) 및 상부 클래딩층(130)을 순차적으로 식각하여 일정한 간격(W)으로 이격된 릿지(Ridge) 도파로 패턴을 형성한다. 이때, 간격(W)은 약 8㎛ 내지 10㎛로 이격됨이 바람직하다.
그런 다음, 상기 마스크 패턴을 제거한 후, 상기 결과물의 전체 상부면에 보호막(150)을 형성한다. 이때, 간격(W)을 적절히 조절하면, 상기 릿지 도파로 패턴 위에도 균일한(uniform) 보호막(150)이 형성될 수 있다.
도 3b를 참조하면, 예컨대, 전면 건식 식각법을 이용하여 오믹접촉층(140)의 상면을 노출시킨다. 즉, 오믹접촉층(140) 상에 도포된 폴리머 계열 물질로 이루어진 보호막(150)을 제거하기 위해 어떠한 사진 공정 없이 적절한 조건하에서 전면 건식 식각을 수행하면, 오믹접촉층(140)의 상면이 개방된 형태로 이루어진 구조를 얻을 수 있다. 이때, 상기 건식 식각법은 예컨대, 반응성 이온 에칭(Reactive Ion Etching, RIE)을 통해 수행함이 바람직하다.
(제3 실시예)
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 제3 실시예에 따른 보호막을 이용한 자기정렬 릿지 도파로 반도체 레이저 다이오드의 제조방법을 설명하기 위한 단면도로서, 보호막(150)의 형성 공정을 주축으로 설명하고, 나머지 공정들은 전술한 본 발명의 제1 실시예와 동일하므로, 이에 대한 상세한 설명은 본 발명의 제1 실시예를 참조하기로 한다.
도 4a를 참조하면, 반도체 기판(100) 상에 하부 클래딩층(110), 활성층(120), 상부 클래딩층(130) 및 오믹접촉층(140)을 순차적으로 증착하여 구성된 반도체 레이저 다이오드 기본 구조에 있어서, 오믹접촉층(140)의 상부에 예컨대, 산화 실리콘(SiO2) 또는 질화 실리콘(SiNx)을 소정 두께로 증착하여 포토리쏘그라피(photo-lithography) 공정을 통해 마스크 패턴(mask pattern)(미도시)을 형성한다.
이후에, 상기 마스크 패턴을 식각 마스크로 이용하여 예컨대, 건식 또는 습식식각 공정을 통해 활성층(120)이 노출되도록 오믹접촉층(140) 및 상부 클래딩층(130)을 순차적으로 식각하여 릿지(Ridge) 도파로를 형성한다.
그런 다음, 상기 마스크 패턴을 제거한 후, 상기 결과물의 전체 상부면에 예컨대, 절연막 증착 장비를 이용하여 질화 실리콘(SiNx)과 산화 실리콘(SiO2)을 병행하여 사용한 소정 두께의 절연막(180)을 형성한다.
이후에, 절연막(180)의 전체 상부면에 보호막(150)을 형성한다. 이때, 보호막(150)은 예컨대, 산화 실리콘(SiO2) 또는 질화 실리콘(SiNx)과 굴절률이 유사한 폴리머 계열 물질을 사용함이 바람직하다.
상기 폴리머 계열 물질로는 예컨대, BCB(benzocyclobutene) 등을 사용함이 바람직하지만, 이에 국한하지 않으며, SU-8(formulated in GBL), SU-2000(formulated in cyclopentanone), PMMI(Poly methyl methylacrylimide), PMMA(Poly methyl methacrylate), Polymide 등을 사용할 수도 있다.
이에 따라, 단순히 폴리머 계열 물질을 코팅하여 보호막(150)을 형성하여 추가적인 사진 공정 없이 p측 오믹 접촉을 위한 오프닝(opening)을 쉽게 형성할 수 있다.
도 4b를 참조하면, 예컨대, 전면 건식 식각법과 BOE(buffered oxide etcher)와 같은 액체를 이용하면, 도포된 보호막(150)이 마스크가 되어 p측 오믹 접촉을 위한 습식 식각이 효과적으로 이루어져 오믹접촉층(140)의 상면을 노출시킨다. 즉, 오믹접촉층(140) 상에 도포된 폴리머 계열 물질로 이루어진 보호막(150)을 제거하기 위해 어떠한 사진 공정 없이 적절한 조건 하에서 전면 건식 식각을 수행하면, 오믹접촉층(140)의 상면이 개방된 형태로 이루어진 구조를 얻을 수 있다. 이때, 상기 건식 식각법은 예컨대, 반응성 이온 에칭(Reactive Ion Etching, RIE)을 통해 수행함이 바람직하다.
(제4 실시예)
도 5는 본 발명의 제4 실시예에 따른 보호막을 이용한 광 모드 변환기의 제조방법을 설명하기 위한 단면도 및 사시도이다.
도 5를 참조하면, 예컨대, 반도체 기판(100) 상에 하부 클래딩층(110), 활성층(120), 상부 클래딩층(130) 및 오믹접촉층(140)을 순차적으로 증착하여 에피를 성장한다.
이후에, 오믹접촉층(140)의 상부에 제1 릿지 도파로를 형성하기 위한 제1 마스크 패턴(미도시)을 형성한 후, 이를 식각 마스크로 이용하여 예컨대, 건식 또는 습식식각 공정을 통해 하부 클래딩층(110)의 일부분이 노출되도록 오믹접촉층(140), 상부 클래딩층(130), 활성층(120) 및 하부 클래딩층(110)의 일부를 순차적으로 식각하여 제1 릿지 도파로를 형성한다.
다음으로, 상기 제1 마스크 패턴을 제거한 후, 제2 릿지 도파로를 형성하기 위한 제2 마스크 패턴(미도시)을 이용하여 활성층(120)이 노출되도록 오믹접촉층(140) 및 상부 클래딩층(130)을 순차적으로 식각하여 일측면(출력측)에 테이퍼(taper) 형상을 갖는 제2 릿지 도파로를 형성한다.
이후에, 상기 결과물의 전체 상부면에 보호막(150)을 형성한다. 이때, 보호막(150)은 예컨대, 산화 실리콘(SiO2) 또는 질화 실리콘(SiNx)과 굴절률이 유사한 폴리머 계열 물질을 사용함이 바람직하다.
상기 폴리머 계열 물질로는 예컨대, BCB(benzocyclobutene) 등을 사용함이 바람직하지만, 이에 국한하지 않으며, SU-8(formulated in GBL), SU-2000(formulated in cyclopentanone), PMMI(Poly methyl methylacrylimide), PMMA(Poly methyl methacrylate), Polymide 등을 사용할 수도 있다.
이에 따라, 단순히 폴리머 계열 물질을 코팅하여 보호막(150)을 형성하여 추가적인 사진 공정 없이 p측 오믹 접촉을 위한 오프닝(opening)을 쉽게 형성할 수 있다.
다음으로, 예컨대, 전면 건식 식각법을 이용하여 오믹접촉층(140)의 상면을 노출시킨다. 즉, 오믹접촉층(140) 상에 도포된 폴리머 계열 물질로 이루어진 보호막(150)을 제거하기 위해 어떠한 사진 공정 없이 적절한 조건 하에서 전면 건식 식각을 수행하면, 오믹접촉층(140)의 상면이 개방된 형태로 이루어진 구조를 얻을 수 있다. 이때, 상기 건식 식각법은 예컨대, 반응성 이온 에칭(Reactive Ion Etching, RIE)을 통해 수행함이 바람직하다.
전술한 바와 같이, 출력측이 가늘게 테이퍼지는 릿지 형태의 광 모드 변환기의 경우는 출력측 릿지 패턴이 약 0.3㎛ ∼ 07㎛ 정도의 폭을 갖는데, 이를 사진 공정을 통해 오프닝(opening)을 하는 것은 거의 불가능하다.
이런 경우 폴리머 코팅을 이용하여 보호막(150)을 형성하면, 미세 패턴도 오프닝(opening)이 가능하기 때문에 활성층(120) 영역으로 전류 주입이 효과적으로 이루어져 출력이 증가하고 광 결합 효율도 높일 수 있다.
도 6은 본 발명의 제4 실시예에 따른 보호막을 이용한 광 모드 변환기를 전자 주사 현미경 촬영에 의해 나타낸 단면도로서, 보호막(150, 도 5 참조)을 폴리머 계열 물질인 BCB(benzocyclobutene)를 사용하여 실제적으로 구현한 단면도 사진을 나타낸 것이다.
도 7은 본 발명의 제1 실시예에 적용된 보호막 형태에 따라 자기정렬 릿지 도파로 반도체 레이저 다이오드의 전압/전류, 미분 저항에 관한 특성을 나타낸 그래프로서, 대역의 광도파로 레이저 다이오드에서 보호막으로 산화실리콘을 사용한 경우, BCB 보호막을 사용한 경우, 산화실리콘과 BCB를 동시에 사용한 경우의 누설전류를 알아보기 위한 IV 커브와 미분저항을 나타낸 그래프이다.
전술한 본 발명에 따른 자기정렬 릿지 도파로 반도체 레이저 다이오드의 제 조방법에 대한 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명에 속한다.
이상에서 설명한 바와 같은 본 발명의 자기정렬 릿지 도파로 반도체 레이저 다이오드의 제조방법에 따르면, 추가적인 사진 공정 없이 폴리머 계열의 물질을 코팅하여 보호막을 형성함으로써, 릿지 미세 패턴의 p측 오믹 접촉(ohmic contact)을 용이하게 할 수 있는 이점이 있다.
또한, 본 발명에 따르면, p측 오믹 접촉의 어려움을 해결하고, 미세 패턴을 갖는 릿지 도파로의 오프닝(opening)을 쉽게 하여 활성층으로의 전류 주입을 효과적으로 이루게 함으로써 출력을 향상시키고, 공정을 보다 단순하게 수행할 수 있는 이점이 있다.
또한, 본 발명에 따르면, p측 오믹 접촉을 위한 면적이 일반 보호막을 형성하고 오프닝(opening) 공정을 했을 때보다 커지기 때문에 저항을 줄이고, 횡 방향의 확산 전류가 작아져 문턱 전류를 줄일 수 있으며, 이로써 재성장을 이용한 매립형(BH) 구조보다 훨씬 간단한 방법으로 그에 버금하는 소자 특성을 얻을 수 있어 저가의 광소자 모듈을 구현할 수 있는 이점이 있다.

Claims (18)

  1. (a) 반도체 기판 상에 하부 클래딩층, 활성층, 상부 클래딩층 및 오믹접촉층을 순차적으로 증착하여 반도체 레이저 다이오드 기본 구조를 형성하는 단계;
    (b) 마스크 패턴을 이용하여 상기 활성층이 노출되도록 상기 오믹접촉층 및 상기 상부 클래딩층을 순차적으로 식각하여 릿지 도파로를 형성하는 단계;
    (c) 상기 릿지 도파로가 형성된 구조의 상부에 보호막을 형성하는 단계;
    (d) 전면 식각으로 상기 릿지 도파로 상부의 상기 오믹접촉층을 노출시키는 단계; 및
    (e) 상기 오믹접촉층과 접속되는 상부전극층과 상기 반도체 기판의 하단에 하부 전극층을 형성하는 단계를 포함하여 이루어진 자기정렬 릿지 도파로 반도체 레이저 다이오드의 제조방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 반도체 기판은 n-형 또는 p-형 GaAs 혹은 InP를 사용하는 것을 특징으로 하는 자기정렬 릿지 도파로 반도체 레이저 다이오드의 제조방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 보호막은 산화 실리콘 또는 질화 실리콘과 굴절률이 유사한 폴리머 계열 물질을 사용하는 것을 특징으로 하는 자기정렬 릿지 도파 로 반도체 레이저 다이오드의 제조방법.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 폴리머 계열 물질은 BCB(benzocyclobutene)인 것을 특징으로 하는 자기정렬 릿지 도파로 반도체 레이저 다이오드의 제조방법.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 활성층은 AlGaAs, InGaAlP, InGaAs, InGaAsP 또는 InGaAlAs을 사용하는 것을 특징으로 하는 자기정렬 릿지 도파로 반도체 레이저 다이오드의 제조방법.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 단계(b)에서,
    상기 마스크 패턴은 산화 실리콘 또는 질화 실리콘으로 이루어진 것을 특징으로 하는 자기정렬 릿지 도파로 반도체 레이저 다이오드의 제조방법.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 단계(b)에서,
    상기 릿지 도파로는 일정간격으로 이격된 패턴으로 형성하는 것을 특징으로 하는 자기정렬 릿지 도파로 반도체 레이저 다이오드의 제조방법.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 간격은 8㎛ 내지 10㎛인 것을 특징으로 하는 자기정렬 릿지 도파로 반도체 레이저 다이오드의 제조방법.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 단계(b)에서,
    상기 하부 클래딩층의 일부분이 노출되도록 상기 오믹접촉층, 상기 상부 클래딩층, 상기 활성층 및 상기 하부 클래딩층의 일부를 순차적으로 식각하여 릿지 도파로를 형성하는 것을 특징으로 하는 자기정렬 릿지 도파로 반도체 레이저 다이오드의 제조방법.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 단계(b)에서,
    상기 상부 클래딩층 또는 상기 릿지 도파로의 측면에 금속 회절 격자를 새겨 단일 파장을 갖는 것을 특징으로 하는 자기정렬 릿지 도파로 반도체 레이저 다이오드의 제조방법.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 단계(b)에서,
    상기 릿지 도파로의 끝부분이 다른 부분보다 횡방향으로 좁아지는 형태로 형성하는 것을 특징으로 하는 자기정렬 릿지 도파로 반도체 레이저 다이오드의 제조방법.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 단계(c)에서,
    상기 릿지 도파로가 형성된 구조의 상부에 절연막을 증착한 후, 상기 보호막을 형성하는 것을 특징으로 하는 자기정렬 릿지 도파로 반도체 레이저 다이오드의 제조방법.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 절연막은 질화 실리콘과 산화 실리콘으로 이루어진 것을 특징으로 하는 자기정렬 릿지 도파로 반도체 레이저 다이오드의 제조방법.
  14. 제 1 항에 있어서, 상기 단계(d)에서,
    상기 전면 식각은 반응성 이온 에칭(Reactive Ion Etching, RIE)을 통해 수행하는 것을 특징으로 하는 자기정렬 릿지 도파로 반도체 레이저 다이오드의 제조방법.
  15. (a') 반도체 기판 상에 하부 클래딩층, 활성층, 상부 클래딩층 및 오믹접촉층을 순차적으로 증착하는 단계;
    (b') 제1 마스크 패턴을 이용하여 상기 하부 클래딩층의 일부분이 노출되도록 상기 오믹접촉층, 상기 상부 클래딩층, 상기 활성층 및 상기 하부 클래딩층의 일부를 순차적으로 식각하여 제1 릿지 도파로를 형성하는 단계;
    (c') 제2 마스크 패턴을 이용하여 상기 활성층이 노출되도록 상기 오믹접촉층 및 상기 상부 클래딩층을 순차적으로 식각하여 일측면에 테이퍼 형상을 갖는 제2 릿지 도파로를 형성하는 단계;
    (d') 상기 제2 릿지 도파로가 형성된 구조의 상부에 보호막을 형성하는 단계; 및
    (e') 전면 식각으로 상기 제2 릿지 도파로 상부의 상기 오믹접촉층을 노출시키는 단계를 포함하여 이루어진 광 모드 변환기의 제조방법.
  16. 제 15 항에 있어서, 상기 보호막은 산화 실리콘 또는 질화 실리콘과 굴절률이 유사한 폴리머 계열 물질을 사용하는 것을 특징으로 하는 광 모드 변환기의 제조방법.
  17. 제 16 항에 있어서, 상기 폴리머 계열 물질은 BCB(benzocyclobutene)인 것 을 특징으로 하는 광 모드 변환기의 제조방법.
  18. 제 15 항에 있어서, 상기 단계(e')에서,
    상기 전면 식각은 반응성 이온 에칭(Reactive Ion Etching, RIE)을 통해 수행하는 것을 특징으로 하는 광 모드 변환기의 제조방법.
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