KR100909974B1 - 파장분할 통신용 반도체 레이저 다이오드와 그 제작 방법 - Google Patents

파장분할 통신용 반도체 레이저 다이오드와 그 제작 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 파장분할(WDM-PON) 통신방식에 사용되는 넓은 이득 대역폭을 가지는 반도체 레이저 다이오드의 구조와 제작방법에 대한 것으로서 구체적으로는 활성층의 이득피크파장을 조절하기 위하여 다중양자 우물층과 장벽층의 혼합방법 (intermixing 혹은 disordering)으로 이득대역폭을 증가시켜 파장분할 통신방식에서 요구되는 파장 무의존성(Colorless)을 실현할 수 있는 반도체 레이저 다이오드 및 그 제조방법에 관한 것이다. 본 발명에 의한 고출력 반도체 레이저 다이오드는 기판 상에 제1 SCH(separated confinement heterostructure)층과; 장벽층과 우물층이 교호적으로 적층되는 활성층과; 제2 SCH층과; 클래드층과; 오옴접촉층이 순차적으로 적층되는 다중양자우물형 반도체 레이저 다이오드에 있어서, 상기 활성층의 레이저의 진행방향을 따라 상기 우물층과 장벽층이 혼합되어 이득 피크파장의 변화를 갖는 혼합층이 형성되는 것을 특징으로 한다. 본 발명은 반도체 레이저 다이오드에 있어서 활성층으로 사용되는 다중양자우물 구조에서 출사방향으로 다중양자우물 혼합방법에 의한 파장 천이 정도를 조절하여줌으로써 활성층의 이득피크파장이 순차적으로 변화하도록 하면 출사되는 광의 이득대역폭이 기존의 반도체 레이저 다이오드가 가지는 이득대역폭을 획기적으로 증가시키는 효과를 가진다.
파장분할통신 (WDM-PON), 반도체 레이저, 레이저 다이오드

Description

파장분할 통신용 반도체 레이저 다이오드와 그 제작 방법{Semiconductor laser diode for WDM-PON system and its manufacturing method}
본 발명은 파장분할통신방식에 사용되는 넓은 이득 대역폭을 가지는 반도체 레이저 다이오드의 구조와 제작방법에 대한 것으로서 구체적으로는 활성층의 다중양자 우물층과 장벽층의 혼합방법 (intermixing 혹은 disordering)으로 광의 출사방향으로 이득피크파장을 변화시켜 이득대역폭을 증가시킬 수 있고, 파장분할 통신방신에서의 요구 조건인 파장 무의존성을 실현할 수 있는 반도체 레이저 다이오드 및 그 제조방법에 관한 것이다.
최근 음성신호 뿐만 아니라 데이터 및 화상신호에 대한 수요가 급증함에 따라 댁내통신 (FTTH;Fiber To The Home) 망에 대한 고도화를 위해 전 세계의 통신회사들이 지대한 관심과 함께 실제 적용에 나서고 있다.
댁내 통신망을 구성하는 방식으로는 수동광네트워크(PON; Passive Optical Network)가 주목을 끌고 있으며, 현재 진행 중인 방식으로는 E-PON과 G-PON이 주류 를 이루고 있다. 이러한 통신 방식은 시간분할 (TDM; Time-Domain Multiplexing)을 택하고 있어서 전체 가입자가 동시에 사용하게 되는 피크 시간에는 1/8~1/2 정도의 전송대역폭 밖에 확보할 수가 없기 때문에 3-D 게임이나 HD IP-TV와 같은 대용량 화상정보를 전송하는 경우에 많은 문제점을 가질 수밖에 없다. 따라서 이러한 문제점을 일거에 해결할 수 있는 방법으로 파장분할 수동광네트워크(WDM(Wavelength Division Multiplexing)-PON) 방식이 나타나게 되어 현재 활발한 기술 개발 및 필드 적용이 계속되고 있다.
댁내통신망에서 가장 저렴하면서 효과적인 방식으로 주입잠금 (injection locking)파장분할 통신방식이 대세를 이루고 있는데, 이 방식에서 가장 중요한 핵심은 반도체 레이저 다이오드에 주입된 광의 파장과 무관하게 파장 무의존성 (color- less)을 가져야 하기 때문에 넓은 대역폭을 가져야 한다. 즉 OLT (Optical Line Termination)과 ONU (Optical Network Unit)가 1:1 대응 파장을 가져야 하며, 이를 위해서는 임의의 OLT와 ONU에 특정 파장 대역폭 내의 어떠한 파장이 입사되더라도 주입 잠금 특성이 균일하여야 하는 까다로운 조건을 만족하여야 한다.
이러한 넓은 대역폭을 확보하기 위해서는 여러 가지 방법이 사용되고 있는데, 그 중에서 가장 보편적인 방법이 활성층영역으로 사용되는 다중양자우물층의 우물의 두께를 변화시켜 양자사이즈 효과에 의해 각각의 다른 파장이 발진하도록 하고, 각각의 파장들이 중첩되는 원리에 의해 파장 대역폭을 넓히는 방법이 사용되고 있다. 이 방법의 경우 다중양자우물 구조에서 원하는 파장을 각각 정확하게 일정 수준의 이득을 유지하는 것이 관건이지만, 실제 레이저 동작 시에는 특정 파 장의 이득이 크게 되어 평탄한 이득 특성을 얻기가 어렵고, 주입 전류의 증가에 따라 각각의 우물에서의 이득이 변화되고, 우물별로 캐리어의 주입효율이 달라져서 특정 우물의 이득이 다른 우물에 비해 커지게 되어 이득의 불균일성을 초래하게 된다. 이러한 이득 불균일은 파장의존성을 가져와서 주입되는 광원의 파장에 따라 이득이 변화하는 특성을 가지게 되어 댁내통신망에는 사용이 어려워지게 되는 문제점을 가진다.
종래에 일반적으로 사용되는 다중양자우물구조의 활성층을 가진 반도체레이저 다이오드의 단면이 [도 1]에 나타나 있다. [도 1]의 경우 동일한 파장의 좁은 스펙트럼 폭을 가져서 전면에 무반사막 코팅을 하여 스펙트럼의 폭을 증가시키는 방법이 많이 사용되고 있지만, 파장분할 통신에서 요구되는 넓은 이득 대역폭을 얻기에는 다소 어려운 점이 있다.
따라서 넓은 이득 대역폭을 얻는 종래의 방법으로서 우물의 두께를 변화시켜서 이득파장의 대역폭을 증가시키는 다중양자우물구조의 반도체 레이저 다이오드가 제안되었으며 측면도 [도 2]를 참조하여 간략하게 설명하면 다음과 같다.
종래의 넓은 이득대역폭을 가지는 반도체 레이저 다이오드의 경우 유기화학금속증착 (MOCVD) 혹은 분자선성장(MBE) 등의 장비를 사용하여 성장시킨다. 먼저 n형 혹은 p형 InP 웨이퍼(11)를 사용한다. 다음으로 다중양자우물구조을 구성하는 경우 주입캐리어의 가둠을 좋게 하기 위하여 InGaAsP SCH층(12)을 성장시킨다. SCH층(12)의 위에 양자 사이즈 효과에 의해 낮은 발진임계전류 및 높은 광전 변환효율 을 얻을 수 있는 다중양자우물구조로서, 활성층으로 InGaAsP 장벽층(13)과 InGaAsP 우물층(14)을 성장시키게 된다. 다중 양자우물구조는 이득대역폭의 증가를 위하여 우물의 두께를 다르게 하여 성장시키게 되면 양자사이즈 효과에 의해서 두꺼운 우물층은 장파장 발진을 하고, 얇은 우물층은 단파장 발진을 하게 되어 [도 3]의 이득 곡선에서 보여주듯이 서로 다른 파장이 중첩되어 이득대역이 증가되는 특성을 가지게 된다. 이 후 활성층 위에 InGaAsP SCH층(15)을 다시 성장시킨다. 다음으로 다시 SCH층(15) 위에 p형 혹은 n형(11번의 lnP 웨이퍼와 반대로) lnP(16) 클래드층을 성장 시킨다. 이렇게 성장시킨 웨이퍼를 이용하여 [도 4] 의 릿지형 반도체레이저나 [도 5]의 평면매립형 반도체 레이저 다이오드를 제작하게 된다.
[도 4]의 간단한 제작 과정을 살펴보면 우선 릿지구조를 만들기 위하여 사진전사 공정으로 패턴을 형성한 후 활성층 위쪽까지 식각을 하고 절연보호막 (18)를 증착한 후 사진전사 공정을 통해 전기적인 통로를 중간의 릿지 위 부분을 개방한 후 다시 [도 4]에 도시된 바와 같이 상부에 장기 신뢰성에 문제가 없는 Ti-Pt-Au 혹은 Ti-Pd-Au 금속을 증착시켜 p측 (혹은 n측) 전극을 형성하게 된다.
다음에는 깨끗한 출사단면을 얻기 위하여 하부의 웨이퍼의 두께를 100㎛ ~ 150 ㎛ 정도가 되도록 갈아낸 후 [도 4]에 도시된 바와 같이 n측 (혹은 p측) 금속을 증착시켜 하부 전극(20)을 형성한다. 여기에 사용되는 금속으로는 대표적인 것이 쇼트키 금속인 Cr-Au 혹은 오옴성 금속인 Au-Ge-Ni-Au 를 증착한다. 이와 같은 릿지형 반도체레이저의 경우 결정성장을 1회 수행함으로써 공정의 단순화 및 공정 단가를 낮출 수 있는 장점을 가진다. 성능 측면에서는 다소 떨어지지만 저가형 광 원으로 많이 사용되게 된다.
또 다른 구조로는 평면 매립형 반도체 레이저 다이오드가 있으며 [도 5]에 구조도가 나타나 있다. 이 구조의 간단한 제작과정을 살펴보면, 먼저 활성층 부분을 1~3㎛ 폭만 남긴채 그 외 부분은 건식식각 혹은 습식식각 하고 결정성장장비를 이용하여 전류차단층으로는 p-InP (21)와 n-InP (22)를 성장시킨다. 전류차단층 성장이 완료된 후 활성층 위를 보호하고 있던 마스크를 제거하고 다시 성장장비를 이용하여 p-InP (16), p-InGaAs 오옴 접촉층 (17)을 성장시킨다. 절연보호막 (18)를 증착한 후 사진전사 공정을 통해 전기적인 통로를 중간의 활성층 영역 위 부분을 개방한 후 다시 [도 5]에 도시된 바와 같이 상부에 장기 신뢰성에 문제가 없는 Ti-Pt-Au 혹은 Ti-Pd-Au 금속을 증착시켜 p 측 (혹은 n 측) 전극을 형성하게 된다.
다음에는 깨끗한 출사단면을 얻기 위하여 하부의 웨이퍼의 두께를 100㎛ ~ 150 ㎛ 정도가 되도록 갈아낸 후 [도 3]에 도시된 바와 같이 n측 (혹은 p측) 금속을 증착시켜 하부 전극(20)을 형성한다. 여기에 사용되는 금속으로는 대표적인 것이 쇼트키 금속인 Cr-Au 혹은 오옴성 금속인 Au-Ge-Ni-Au 를 증착한다. 이러한 과정으로 제작된 평면 매립형 반도체 레이저 다이오드는 낮은 발진임계전류와 높은 고온 동작 특성을 가질 뿐만 아니라 광섬유와의 광결합시 중요한 출사빔의 형태가 거의 원형이 유지되는 우수한 특성을 가지므로 고성능이 요구되는 광통신 모듈의 광원으로 주로 사용된다.
일반적으로 다중양자 우물구조에서의 우물의 폭을 변화시켜 이득대역폭을 넓 게 하는 반도체 레이저 다이오드의 경우에는 저전류 동작시와 고전류 동작시에는 양자 우물 구조의 준위에서의 전자가 채워지는 정도가 달라서 서로 다른 파장에서 동일한 이득을 얻기가 어렵다. 또한 전자가 우물구조를 드리프트 할 때 전자의 주입효율이 우물마다 달라져서 각 우물의 이득 역시 동일하게 얻기가 어려워진다. 이러한 현상들로 인해 이득대역폭의 증가가 일어남과 동시에 파장에 따라 현저한 이득 편차가 발생하여, 주입 광의 파장에 따라 이득 편차가 심하게 발생하고, 이로 인해 주입잠금형 반도체 레이저 다이오드로 사용하기 어렵다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 과제는 종래의 반도체 레이저 다이오드에서 구현하는 이득대역폭을 증가시키는 방법에서 이득편차가 심하게 발생하는 현상을 방지하여 평탄한 이득 특성과 넓은 이득대역폭을 확보할 수 있는 수단을 제시한다.
또한 본 발명의 과제는 상술한 특성을 갖는 레이저 다이오드 구조를 형성하기 위한 제조방법을 제공하는데 있다.
상술한 기술적 과제를 달성하기 위하여, 기판 상에 제1 SCH(separated confinement heterostructure)층과; 장벽층과 우물층이 교호적으로 적층되는 활성층과; 제2 SCH층과; 클래드층이 순차적으로 적층되는 다중양자우물형 반도체 레이저 다이오드에 있어서 본 발명에 의한 고출력 반도체 레이저 다이오드는 혼합층을 더 포함한다. 혼합층은 이득대역폭을 증가시키기 위하여 레이저의 진행방향을 따라 상기 우물층과 장벽층이 혼합되어 형성되고, 발진파장이 장파장에서 단파장으로 변화한다.
한편, 본 발명에 의한 넓은 이득대역폭을 가지는 반도체 레이저 다이오드 제작 방법은 아래와 같은 단계를 포함한다.
(a) 단계에서는 기판의 상부에 제1 SCH층, 다중양자우물층을 형성하는 활성층, 제2 SCH층, 클래드층을 순차적으로 성장시킨다.
(b) 단계에서는 상기 클래드층의 상부에 레이저의 진행방향을 따라 절연막 패턴을 연속적으로 증가하는 모양으로 형성한다.
(c) 단계에서는 상기 절연막 패턴으로 습식 식각을 한다.
(d) 단계에서는 상기 습식식각에 의해 형성된 클래드층 상으로 실리콘 산화막을 증착한다.
(e) 단계에서는 상기 활성층에 혼합층을 형성하기 위하여 기판을 열처리한다.
다른 한편, 일반적으로 장파장 영역의 이득이 단파장 영역의 이득에 비해 낮으므로 이를 보완하기 위하여 장파장 혼합층의 이득을 증가시키는 것이 효율적이므로 넓은 이득대역폭을 갖도록 상기 (b)단계에서 클래드 층에 클래드 층의 타부분에 비하여 상대적으로 두께가 두꺼운 부분을 일정길이 이상 더 형성할 수 있다.
다른 한편, 산화막을 이용하는 다중양자우물구조의 혼합법에 비해 이온 주입법을 사용하는 경우에는 파장변화 폭을 더욱 더 증가시켜 광대역 이득을 가질 수 있으며, 본 발명에 의한 넓은 이득대역폭을 가지는 반도체 레이저 다이오드 제작 방법은 아래와 같은 단계를 포함한다.
(a) 단계에서는 기판의 상부에 제1 SCH층, 다중양자우물층을 형성하는 활성층, 제2 SCH층, 클래드층을 순차적으로 성장시킨다.
(b) 단계에서는 상기 클래드층의 상부에 레이저의 진행방향을 따라 절연막 패턴을 연속적으로 증가하는 모양으로 형성한다.
(c) 단계에서는 상기 절연막 패턴으로 습식 식각한다.
(d2) 단계에서는 상기 습식식각에 의해 형성된 클래드층 상으로 이온을 주입을 한다.
(e21) 단계에서는 열처리 전에 기판의 열손상을 막기 위한 절연막을 형성한다.
(e22) 단계에서는 상기 활성층에 혼합층을 형성하기 위하여 기판을 열처리한다.
또한 상기 (b)단계에서 클래드 층에 클래드 층의 타부분에 비하여 상대적으로 두께가 두꺼운 부분을 일정길이 이상 더 형성할 수 있다.
또 다른 한편, 본 발명에 의한 넓은 이득대역폭을 가지는 반도체 레이저 다이오드 제작 방법은 유기금속화학기상증착 장비의 선택영역성장법을 이용하는 것으로서 아래와 같은 단계를 포함할 수 있다.
(a) 단계에서는 기판의 상부에 제1 SCH층, 다중양자우물층을 형성하는 활성층, 제2 SCH층, 클래드층을 순차적으로 성장시킨다.
(b3) 단계에서는 상기 클래드층의 상부에 레이저의 진행방향을 따라 절연막 패턴을 연속적으로 감소하는 모양으로 형성한다.
(c3) 단계에서는 상기 절연막 패턴에 선택영역성장법을 적용하여 성장시킨다.
(d) 단계에서는 상기 클래드층 상으로 실리콘 산화막을 증착한다.
(e) 단계에서는 상기 활성층에 혼합층을 형성하기 위하여 기판을 열처리한다.
또한 상기 (b3)단계에서 클래드 층에 클래드 층의 타부분에 비하여 상대적으로 두께가 얇은 부분을 일정길이 이상 더 형성할 수 있다.
상술한 본 발명의 구성상의 특징으로부터, 본 발명은 파장분할 통신에 사용 되는 반도체 레이저 다이오드가 가져야 하는 넓은 이득 대역폭을 실현할 수 있다. 본 발명은 실리콘 산화막을 이용한 다중양자우물 혼합방법을 사용하여 광 진행 방향으로 혼합방법에 의한 파장 변화 정도를 조절할 수 있도록 클래드층의 변화를 줌으로써 발진파장이 출사방향으로 서서히 단파장영역으로 변화되도록 하면 기존의 방법으로는 얻지 못하는 넓은 이득대역폭을 확보할 수 있다.
또한 본 발명은 기존의 방식에서는 불연속적인 이득 파장을 중첩시킴으로써 이득 대역폭 내에서도 이득 편차가 일어나는 문제점을 보완하여 출사방향으로의 연속적인 이득 파장 변화가 일어나서 균일한 이득 특성을 가지게 된다.
또한 본 발명은 다중양자우물 혼합법이라는 아주 간단한 공정을 추가하여, 넓은 이득대역폭을 가지는 반도체 레이저 다이오드를 용이하게 제작할 수 있도록 한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명한다. 특별한 정의나 언급이 없는 경우에 본 설명에 사용하는 '상하좌우' 등 방향을 표시하는 용어는 도면에 표시된 상태를 기준으로 한다. 또한 각 실시예를 통하여 동일한 도면부호는 동일한 부재를 가리킨다.
본 발명에 의한 넓은 이득 대역폭을 가지는 반도체 레이저 다이오드를 [도 8]에 도시하였다. 기판 상에 제1 SCH(12)층과; 장벽층(13)과 우물층(14)이 교호적 으로 적층되는 활성층과; 제2 SCH층(15)과; 클래드층(16)이 순차적으로 적층되는 공지의 반도체 레이저 다이오드에 레이저의 진행방향을 따라 활성층의 우물층(14)과 장벽층(13)을 후술할 여러 방법에 의하여 혼합시켜 연속적으로 파장의 변화가 발생하는 혼합층을 형성하게 된다. 즉, 본 발명에 의한 반도체 레이저 다이오드는 레이저의 진행방향(도면 앞과 뒷면 방향)을 기준으로 보았을 때 전체 활성층이 혼합층으로 되어 있고, 그 혼합 정도에 따라 발진파장이 변하도록 되어 있다.
다중양자우물의 우물층과 장벽층이 혼합되면 발진 파장은 단파장으로 이동되고 광의 진행 방향으로 [도 9]에 도시된 바와 같이 연속적으로 변화하는 발진 파장이 발생된다. 이 때 각기 다른 혼합 정도로 형성된 혼합층은 거의 일직선의 이득특성 곡선을 그리게 되어, 파장분할 광통신에서 주입 광원이 입사할 경우에는 파장에 무관하게 거의 동일한 이득 특성을 가짐으로써 임의의 반도체 레이저 다이오드를 사용하더라도 문제가 없어져서 기존의 파장분할 광통신에서 문제가 되었던 파장별 재고 문제를 일거에 해소할 수 있다.
한편 상술한 혼합층을 형성하는 방법으로는 스퍼터(sputter) 장비로 증착한 실리콘 산화막을 이용하거나 이온 주입 장비를 사용하는 방법 두 가지가 있는데 어떠한 방법을 사용하더라도 동일한 효과를 가지므로 장비의 보유여부에 따라 선택하여 사용하면 된다. 이러한 혼합층을 형성하기 위한 실시예를 각 유형별로 상세히 설명한다.
<실시예 1>
실시예 1은 실리콘 산화막을 이용하여 혼합층을 형성하는 제조방법에 관한 것으로서 아래와 같은 단계로 이루어진다.
먼저 (a) 단계에서는 [도 1]에 도시된 바와 같이 기판의 상부에 제1 SCH층, 다중양자우물층을 형성하는 활성층, 제2 SCH층, 클래드층을 순차적으로 성장시킨다.
즉, n 형 (혹은 p 형) InP 반도체 기판(11) 상에 캐리어 주입효율을 높여 주기 위하여 InGaAsP SCH층(12)을 성장시키고, 원하는 파장을 구현할 만큼 다중양자우물구조의 장벽층(13)과 우물층(14)을 교호적으로 성장시킨다. 다음으로 InGaAsP SCH층(12)과 동일한 개념의 InGaAsP SCH(15)를 성장시키고, p형 (혹은 n 형) InP 클래드 층(16)을 성장시킨다.
이러한 성장을 위해 사용되는 장비로는 액상결정성장 장비나 분자선 증착장비 혹은 유기금속 화학증착 장비가 있는데, 일반적으로는 유기금속 화학증착 장비가 많이 사용되고 있다.
(b) 단계에서는 클래드층(16)의 상부중앙에 레이저의 진행방향을 따라 [도 6]에 도시된 바와 같이 절연막(18) 패턴을 형성한다. 즉, 습식식각을 이용하여 광의 진행방향으로 클래드 두께를 점진적으로 감소시키기 위하여 플라즈마화학기상증착법 (PECVD)으로 절연막 패턴(17)을 형성한다.
(c) 단계에서는 [도 6]과 같이 형성된 패턴을 이용하여 습식식각을 한다. 습 식식각 용액으로는 반응제한(reaction-limited)형과 확산제한(diffusion-limited)형이 있는데, 진행방향으로 클래드의 식각 깊이를 조절하여야 하는 경우에는 확산제한형을 사용하게 된다. 이러한 확산 제한형 식각 용액은 브롬(Br)이 들어간 용액을 사용하게 된다. 이러한 과정으로 식각하면 [도 7]과 같은 클래드층 (16) 형태가 만들어지게 된다.
(d) 단계에서는 [도 8]에 도시된 바와 같이 절연막 패턴(17)을 제거한 후 실리콘 산화막(21)을 증착한다. 다중양자우물을 혼합하기 위하여 스퍼터 장비로 실리콘 산화막(21)을 1,000Å ~ 3,000Å 정도의 두께로 증착한다. 실리콘 산화막(21)을 증착하는 방법으로 널리 사용되는 플라즈마화학기상증착 법을 이용하는 경우 다중양자우물구조의 혼합효과가 미미한 것으로 알려져 있으므로 플라즈마화학기상증착법은 사용하지 않는다.
(e) 단계에서는 활성층(13, 14)에 혼합층을 형성하기 위하여 기판을 열처리한다. 즉, [도 8] 상태의 웨이퍼를 급속열처리(RTA) 장치를 이용하여 600℃ ~ 700℃ 온도에서 열처리를 한다. 이 경우 클래드층(16)이 두꺼운 쪽은 파장변화량이 작게 되고, 얇은 쪽은 파장변화량이 커져서 출사방향으로 장파장에서 단파장으로 연속적인 파장변화를 하게 된다.
(f) 단계에서는 상기 웨이퍼를 이용하여 [도 4] 릿지형 반도체 레이저 다이 오드 혹은 [도 5] 평면매립형 구조의 반도체 레이저 다이오드를 제작하게 된다.
이렇게 제작된 반도체 레이저 다이오드의 이득특성 곡선이 [도 9]에 나타나 있다. 출사진행 방향으로 [도 9]의 하부 스펙트럼형태들이 연속적으로 변화하게 되고, 이 특성들이 중첩하게 되면 상부와 같이 평탄하고 넓은 이득특성을 갖게 된다.
<실시예 2>
실시예 2는 실시예 1과 다른 형태로 실리콘 산화막을 이용하여 혼합층을 형성하는 제조방법에 관한 것으로서 아래와 같은 단계로 이루어지며, 실시예 1과 차이점을 비교하여 보면 (b2)단계에 특징이 있다.
(a) 단계에서는 [도 1]에 도시된 바와 같이 기판의 상부에 제1 SCH층, 다중양자우물층을 형성하는 활성층, 제2 SCH층, 클래드층을 순차적으로 성장시킨다.
(b2) 단계에서는 [도 10]에 도시된 바와 같이 클래드층(16)의 상부중앙에 레이저의 진행방향을 따라 절연막 패턴(17)을 형성한다. 즉, 습식식각을 이용하여 광의 진행방향으로 클래드 두께를 점진적으로 감소시키기 위하여 플라즈마화학기상증착법 (PECVD)으로 절연막 패턴(17)을 형성한다. [도 10]과 같은 패턴을 사용하는 이유는 일반적으로 LD의 경우 전도대의 밀도상태(DOS; Denisty of State)가 낮은 준위의 경우 전자와 정공이 재결합하는 효율이 낮아서 이득이 낮아지게 되는데, 즉 장파장쪽 이득이 낮아지므로, 장파장의 이득을 증가시키기 위하여 클래드 층이 두꺼운 영역을 길게 만들어 주는 방법을 사용하였다.
(c) 단계에서는 [도 10]과 같이 형성된 패턴을 이용하여 실시예 1의 (c)단계와 동일한 방식으로 습식식각을 한다. 이러한 과정으로 식각하면 [도 11]과 같은 클래드층 (16) 형태가 만들어지게 된다.
(d) 단계에서는 실시예 1의 (d)단계와 마찬가지로 상기 절연막 패턴(17)을 제거한 후 실리콘 산화막(21)을 증착한다. 그 결과를 [도 12]에 도시하였다.
(e)단계 및 (f)단계에서는 실시예1과 동일한 단계를 거치게 된다.
<실시예 3>
실시예 3은 실리콘 이온 주입 장치를 통하여 혼합층을 형성하는 제조방법에 관한 것으로서 아래와 같은 단계로 이루어진다.
(a) 내지 (c)단계는 앞서 설명한 바와 동일하다.
(d3) 단계에서는 [도 13]과 [도 14]에 도시된 바와 같이 (a) 내지 (c)단계를 거쳐 형성된 기판 상부로부터 이온을 주입한다.
(e31) 단계에서는 이온주입후 다중양자우물구조의 혼합층 형성을 위해서 열처리를 하게 되는데, 열처리시에 기판이 열손상을 입는 것을 방지하기 위하여 [도 8]과 [도 12]와 같이 절연막을 열처리 방지층으로 증착한다.
(e32) 단계에서는 활성층에 혼합층을 형성하기 위하여 기판을 열처리한다. 이 때 이온주입에 의해 활성층의 결정구조가 파괴되어 있으므로, 열처리시 결정구조를 회복시켜주지 못하면 광도파로의 손실이 커져서 오히려 성능을 악화시키는 요인이 되므로 적절한 온도 조건을 구하는 것이 중요하다.
(f) 단계는 실시예1의 경우와 동일하다.
한편, 이온주입에 의한 제조방법은 실리콘 산화막을 이용한 제조방법에 비하여 이온주입을 위한 고가의 장비가 필요하므로 제작 단가가 높아지지만 굴절률 변화량의 정밀한 제어에 의하여 실리콘 산화막을 이용하는 혼합방법에 비해 굴절률의 변화량을 5배 이상 크게 조절이 가능하며 재현성이 우수한 장점을 가지고 있다.
<실시예 4>
실시예 4는 실리콘 산화막을 이용하여 혼합층을 형성하는 제조방법에 관한 것으로서, 유기금속 화학증착 장비의 선택영역성장법 (SAG; Selective Area Growth) 에 의해 제조하는 것으로 아래와 같은 단계로 이루어진다.
(a) 단계는 실시예 1과 동일하다.
(b4) 단계에서는 [도 15]와 [도 16]에 도시된 바와 같이 클래드층(16)의 상부중앙에 레이저의 진행방향을 따라 절연막 패턴(17)을 형성한다.
(c4) 단계에서는 [도 15]와 [도 16]과 같이 형성된 패턴에 유기금속화학기상증착 장비 (MOCVD)등을 이용하여 선택영역성장법을 사용하게 되면, 패턴이 큰 부분은 성장 속도가 빨라져서 두껍게 성장되고, 패턴이 좁은 부분은 성장속도가 늦어져서 얇게 성장된다. 이러한 성장과정으로 [도 7]과 [도 11] 과 같은 클래드층 (16) 형태가 만들어지게 된다.
(d) 단계에서는 실시예 1과 마찬가지 방식으로 절연막 패턴(17)을 제거한 후 실리콘 산화막(21)을 증착하며, 그 결과는 [도 8]과 [도 12]에 도시된 바와 같다.
(e)단계 및 (f)단계에서는 실시예1과 동일한 단계를 거치게 된다.
이상 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 기술적 사상이 상술한 바람직한 실시예에 한정되는 것은 아니며, 특허청구범위에 구체화된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범주에서 다양한 고출력 반도체 레이저 다이오드와 그 제작 방법으로 구현될 수 있다.
도 1 은 종래의 반도체 레이저 다이오드의 다중양자우물의 적층구조의 측면도이다.
도 2는 종래의 이득대역폭을 증가시키기 위해 사용되는 우물층의 두께를 변화시킨 반도체 레이저 다이오드의 다중양자우물의 적층구조의 측면도이다.
도 3은 종래의 우물층 변화를 통해 얻어진 반도체 레이저 다이오드의 이득특성곡선이다.
도 4는 종래의 릿지형 반도체 레이저 다이오드의 단면 구조이다.
도 5는 종래의 평면 매립형 반도체 레이저 다이오드의 단면 구조이다.
도 6 내지 도 8은 실시예 1에 의한 반도체 레이저 다이오드의 제작 순서를 개략적으로 나타내는 측면도이다.
도 10 내지 도 12는 실시예 2에 의한 반도체 레이저 다이오드의 제작 순서를 개략적으로 나타내는 측면도이다.
도 13 및 도 14는 실시예 3에 의한 반도체 레이저 다이오드의 제작 순서를 개략적으로 나타내는 측면도이다.
도 15 및 도 16은 실시예 4에 의한 반도체 레이저 다이오드의 제작을 위한 패턴이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
11; n (혹은 p)- InP 기판
12; 아래쪽 InGaAsP (혹은 InAlAs) SCH (Separate Confinement Hetero-sturucture) 층
13; 다중양자우물의 InGaAsP (혹은 AlGaInAs) 장벽층
14; 다중양자우물의 InGaAsP (InGaAs 혹은 AlGaInAs) 우물층
15; 위쪽 InGaAsP (혹은 InAlAs) SCH
16; p (혹은 n)- InP 클래드층 17; p (혹은 n)- InGaAs 오옴접촉층
18 절연막 (실리콘 산화막 혹은 실리콘 질화막)
19; p (혹은 n) 전극 20; n (혹은 p) 전극
21; 실리콘 산화막

Claims (7)

  1. 기판 상에 제1 SCH(separated confinement heterostructure)층과; 장벽층과 우물층이 교호적으로 적층되는 활성층과; 제2 SCH층과; 클래드층이 순차적으로 적층되는 다중양자우물형 반도체 레이저 다이오드에 있어서,
    이득대역폭을 증가시키기 위하여 레이저의 진행방향을 따라 상기 우물층과 장벽층이 혼합되어 형성되고, 발진파장이 장파장에서 단파장으로 변화하는 혼합층을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 다이오드.
  2. (a) 기판의 상부에 제1 SCH층, 다중양자우물층을 형성하는 활성층, 제2 SCH층, 클래드층을 순차적으로 성장시키는 단계;
    (b) 상기 클래드층의 상부에 레이저의 진행방향을 따라 절연막 패턴을 연속적으로 증가하는 모양으로 형성하는 단계;
    (c) 상기 절연막 패턴으로 습식 식각을 하는 단계;
    (d) 상기 습식식각에 의해 형성된 클래드층 상으로 실리콘 산화막을 증착하는 단계; 및
    (e) 상기 활성층에 혼합층을 형성하기 위하여 기판을 열처리하는 단계:를 포함하는 반도체 레이저 다이오드를 제작하는 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 (b)단계에서 클래드 층에 클래드 층의 타부분에 비하여 상대적으로 두께가 두꺼운 부분을 일정길이 이상 더 형성하는 반도체 레이저 다이오드를 제작하는 방법.
  4. (a) 기판의 상부에 제1 SCH층, 다중양자우물층을 형성하는 활성층, 제2 SCH층, 클래드층을 순차적으로 성장시키는 단계;
    (b) 상기 클래드층의 상부에 레이저의 진행방향을 따라 절연막 패턴을 연속적으로 증가하는 모양으로 형성하는 단계;
    (c) 상기 절연막 패턴으로 습식 식각을 하는 단계;
    (d2) 상기 습식식각에 의해 형성된 클래드층 상으로 이온을 주입하는 단계; 및
    (e21) 열처리 전에 기판의 열손상을 막기 위한 절연막을 형성하는 단계; 및
    (e22) 상기 활성층에 혼합층을 형성하기 위하여 기판을 열처리하는 단계:를 포함하는 반도체 레이저 다이오드를 제작하는 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 (b)단계에서 클래드 층에 클래드 층의 타부분에 비하여 상대적으로 두께가 두꺼운 부분을 일정길이 이상 더 형성하는 반도체 레이저 다이오드를 제작하는 방법.
  6. (a) 기판의 상부에 제1 SCH층, 다중양자우물층을 형성하는 활성층, 제2 SCH층, 클래드층을 순차적으로 성장시키는 단계;
    (b3) 상기 클래드층의 상부에 레이저의 진행방향을 따라 절연막 패턴을 연속적으로 감소하는 모양으로 형성하는 단계;
    (c3) 상기 절연막 패턴에 선택영역성장법을 적용하여 성장시키는 단계;
    (d) 상기 클래드층 상으로 실리콘 산화막을 증착하는 단계; 및
    (e) 상기 활성층에 혼합층을 형성하기 위하여 기판을 열처리하는 단계:를 포함하는 반도체 레이저 다이오드를 제작하는 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 (b3)단계에서 클래드 층에 클래드 층의 타부분에 비하여 상대적으로 두께가 얇은 부분을 일정길이 이상 더 형성하는 반도체 레이저 다이오드를 제작하는 방법.
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