KR100937589B1 - 하이브리드 레이저 다이오드 - Google Patents

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Abstract

실리콘층 및 화합물 반도체층을 각각 슬랩 도파로 및 채널 도파로로 이용하는 하이브리드 레이저 다이오드가 제공된다. 본 발명에 따른 하이브리드 레이저 다이오드는 도파 모드의 손실, 누설 전류 및 직렬 저항을 줄일 수 있으며, 개선된 열 방출 특성을 갖는다. 특히, 본 발명에 따르면, 활성영역 및 도파로가 분명하게 정의될 수 있다.

Description

하이브리드 레이저 다이오드{Hybrid LASER Diode}
본 발명은 반도체 장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 하이브리드 레이저 다이오드에 관한 것이다.
본 발명은 정보통신부 및 정보통신연구진흥원의 IT원천기술개발사업의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다. [과제관리번호: 2006-S-004-02, 과제명: 실리콘 기반 초고속 광인터커넥션 IC].
실리콘과 III-V족 화합물 반도체를 이용한 하이브리드 레이저 다이오드가 광학 기술과 전자소자기술을 융합하는 포토닉스 기술을 위한 광원으로 주목받고 있다.
도 1은 종래의 하이브리드 레이저 다이오드를 개략적으로 도시하는 단면도이다.
도 1을 참조하면, 기판(11) 상에 차례로 매몰 절연층(12), 실리콘층(13) 및 발광 다이오드(42)가 배치된다. 이때, 에스오아이(silicon-on-insulator; SOI) 기판(41)이 상기 기판(11), 상기 매몰 절연층(12) 및 상기 실리콘층(13)을 위해 사용된다.
상기 발광 다이오드(42)는 III-V족 화합물 반도체 기판을 패터닝함으로써 형성되며, 차례로 적층된 n형 반도체층(21), 활성층(22) 및 p형 반도체층(25)을 포함한다. 보다 구체적으로, 상기 III-V족 화합물 반도체 기판은 웨이퍼 본딩 기술을 이용하여 상기 에스오아이 기판(41) 상에 부착될 수 있으며, 상기 부착된 III-V족 화합물 반도체 기판의 상기 p형 반도체층(25) 및 상기 활성층(22)은 상기 n형 반도체층(21)의 상부면이 노출되도록 패터닝됨으로써, 도시된 것처럼 슬랩 도파로(slab waveguide)(SW)를 구성한다.
한편, 상기 III-V족 화합물 반도체 기판이 부착되기 전에, 상기 실리콘층(13)은 패터닝되어, 상기 슬랩 도파로(SW)보다 좁은 폭을 가지면서 상기 슬랩 도파로(SW)의 아래에 배치되는 채널 도파로(CW)를 형성한다. 상기 채널 도파로(CW)는 상기 슬랩 도파로(SW)보다 좁은 폭을 갖는다. 이에 따라, 상기 채널 도파로(CW)의 주변에는 상기 매몰 절연층(12)을 노출시키면서 공기로 채워지는 보이드 영역(99)이 형성된다.
하이브리드 레이저 다이오드에 따르면, 상기 발광 다이오드(42)에서 생성되는 레이저의 광학적 모드(optical mode of laser)는 상기 채널 도파로(CW) 및 상기 슬랩 도파로(SW) 모두에 포개진다(overlap). 이에 따라, 상기 광학적 모드는 상기 채널 도파로(CW)에 의해 가이드(guide)되면서, 동시에, 상기 발광 다이오드(42)에서 전기적으로 펌핑된 게인(gain)을 얻을 수 있다.
한편, 종래의 하이브리드 레이저 다이오드는 큰 누설 전류, 낮은 열적 안정성 및 큰 직렬 저항과 같은 기술적 문제들을 갖는다. 구체적으로, 슬랩 도파로를 구성하는 상기 활성층(22) 및 p형 반도체층(25)은 넓은 면적을 갖도록 형성되기 때문에, 발광 다이오드의 동작을 위한 전류가 분산될 수 있다. 이러한 전류 분산의 문제를 해결하기 위해, 이온 주입 기술을 사용하여, 상기 활성층(22) 및/또는 p형 반도체층(25) 내에, 활성 영역을 한정하는 불순물 영역(24)을 형성하는 방법이 제안되었다. 즉, 상기 활성영역은 상기 불순물 영역들(24) 사이의 상기 활성층(22) 및/또는 p형 반도체층(25) 내에 형성된다.
하지만, 알려진 것처럼, 이온 주입되는 동안 원자들 사이의 충돌 및 그 이후의 확산 등에 의해, 이온 주입 기술을 통해 주입된 불순물 농도의 공간적 분포(spatial distribution of impurity concentration)는 가우시안 분포(Gaussian distribution)에 가깝다. 즉, 상기 불순물 영역(24)은 농도 구배(gradient of concentration)를 갖고, 따라서 상기 불순물 영역(24)의 경계는 수직적인 방향 및 수평적인 방향 모두에서 분명하게(discretely) 정의되기 어렵다.
상기 불순물 영역(24)에 의해 정의되는 상기 활성영역은 발광 현상이 일어나는 장소일 뿐만 아니라 상기 슬랩 도파로로서 이용된다는 점에서, 수평적인 방향에서의 불순물 농도 구배(gradient of impurity concentration)는 레이저 다이오드의 광학적 특성을 열화시키는 원인이 된다. 또한, 수직적인 방향에서의 이러한 불순물 농도 구배에 의해, 불순물들이 상기 n형 반도체층(21)으로 주입될 수 있으며, 이 경우 발광 다이오드 전류 경로의 전기적 저항을 증가시키는 문제를 유발할 수 있다.
이에 더하여, 상술한 것처럼, 공기로 채워지는 상기 보이드 영역(99)은 낮 은 열전도율을 갖기 때문에, 발생되는 열을 효과적으로 방출하기 어렵다. 레이저 다이오드의 동작 특성 및 광학적 특성은 온도에 민감하기 때문에, 이러한 불량한 열 방출 특성은 제품 특성을 열화시키는 이유가 될 수 있다. 또한, 상기 불순물 영역(24)의 존재는 상기 활성영역과 상기 n형 전극 사이의 거리를 줄이는 것을 어렵게 만들기 때문에, 종래의 하이브리드 레이저 다이오드는 n형 전극(31)과 p형 전극(32) 사이의 직렬 저항(series resistance)이 크다는 단점을 갖는다.
본 발명이 이루고자 하는 일 기술적 과제는 누설 전류를 줄일 수 있는 하이브리드 레이저 다이오드를 제공하는 데 있다.
본 발명이 이루고자 하는 일 기술적 과제는 분명하게 정의된 활성영역 및 도파로를 구비하는 하이브리드 레이저 다이오드를 제공하는 데 있다.
본 발명이 이루고자 하는 일 기술적 과제는 우수한 열 방출 특성을 갖는 하이브리드 레이저 다이오드를 제공하는 데 있다.
본 발명이 이루고자 하는 일 기술적 과제는 n형 및 p형 전극들 사이의 직렬 저항이 낮은 하이브리드 레이저 다이오드를 제공하는 데 있다.
본 발명이 이루고자 하는 일 기술적 과제는 도파 모드의 손실을 줄일 수 있는 하이브리드 레이저 다이오드를 제공하는 데 있다.
상기 일 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은 실리콘층 및 III-V족 반도체층을 각각 슬랩 도파로(slab waveguide) 및 채널 도파로(channel waveguide)로 이용하는 하이브리드 레이저 다이오드를 제공한다. 구체적으로, 이 장치는 슬랩 도파로를 구성하는 실리콘층 및 상기 실리콘층 상에 배치되어 채널 도파로를 구성하는 화합물 반도체층을 포함한다.
이때, 상기 채널 도파로의 폭은 상기 슬랩 도파로의 폭보다 좁으며, 상기 채널 도파로의 폭 및 상기 슬랩 도파로의 두께는 단일 도파 모드 조건 및 도파 모드 크기 조건을 충족시키도록 구성된다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 채널 도파로의 폭은 1 내지 2.2 마이크로 미터이고, 상기 슬랩 도파로의 두께는 200 나노 미터 내지 700 나노 미터일 수 있다.
이에 더하여, 상기 슬랩 도파로의 측면에는, 상기 화합물 반도체층에 생성되는 광 도파 모드를 상기 실리콘층으로 모드 변환시키는 커플링 구조체가 더 배치될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 실리콘층의 아래에는 기판이 배치되고, 상기 기판과 상기 실리콘층 사이에는 매몰 절연층이 개재될 수 있다. 또한, 상기 매몰절연층의 상부에는, 상기 슬랩 도파로로부터 소정의 광학 소자로 연장되는 연결 도파로가 더 배치될 수 있다. 이때, 상기 연결 도파로는 상기 실리콘층으로 이루어지며, 상기 슬랩 도파로보다 좁은 단면 폭을 가질 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 연결 도파로는 상기 슬랩 도파로에서 연장되어, 상기 채널 도파로보다 넓은 폭을 갖는 연결 영역, 상기 채널 도파로보다 좁은 폭을 갖는 전송 영역, 및 상기 연결 영역 및 상기 전송 영역을 연결하는 전이 영역을 포 함할 수 있다. 이때, 상기 전이 영역은 상기 연결 영역으로부터 상기 전송 영역으로 갈수록 좁아지는 폭을 갖도록 형성될 수 있다.
이에 더하여, 상기 화합물 반도체층은 상기 채널 도파로로부터 연장되어 상기 연결 도파로의 상부에 배치되는 커플링 영역을 더 포함할 수 있다. 이때, 상기 커플링 영역의 단면 폭은 상기 슬랩 도파로에서 멀어질수록 좁아질 수 있다.
본 발명에 따르면, 상기 화합물 반도체층은 인듐-인(InP)를 포함하는 박막 및 인듐-갈륨-비소-인(InGaAsP)을 포함하는 박막 중의 적어도 하나를 구비할 수 있다. 이에 더하여, 상기 화합물 반도체층과 상기 실리콘층 사이에는 실리콘 산화막이 더 개재될 수 있다. 또한, 상기 슬랩 도파로의 마주보는 두 측면에는 공진 구조체가 더 배치될 수 있다.
본 발명에 따르면, 실리콘층 및 III-V족 반도체층을 각각 슬랩 도파로 및 채널 도파로로 이용하는 하이브리드 레이저 다이오드가 제공된다. 상기 채널 도파로는 패터닝을 통해 형성되기 때문에, 발광 다이오드의 동작을 위한 전류 경로가 분명하게 정의될 수 있다. 이에 따라, 누설 전류, 직렬 저항 및 소모 전력과 관련된 종래 기술에서의 문제들이 극복될 수 있다. 또한, 상기 슬랩 도파로는 발광 다이오드의 하부면 전체와 직접 접촉하기 때문에, 종래 기술에서의 열적 문제 역시 감소될 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 도파 모드의 대부분이 분포하는 실리콘층을 슬랩 도파로로 사용함으로써, 도파 모드의 변환에 따른 도파 모드의 손실을 줄일 수 있 다. 이에 더하여, 슬랩 도파로를 소정의 광학 소자와 연결하는 커플링 구조체는 이러한 도파 모드의 손실을 줄이는데 기여한다. 그 결과, 본 발명에 따른 하이브리드 레이저 다이오드는 높은 커플링 효율을 가질 수 있다.
이상의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
본 명세서에서, 어떤 막이 다른 막 또는 기판 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 막 또는 기판 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 막이 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한, 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. 또한, 본 명세서의 다양한 실시예들에서 제1, 제2, 제3 등의 용어가 다양한 영역, 막들 등을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 영역, 막들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 소정 영역 또는 막을 다른 영역 또는 막과 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 따라서, 어느 한 실시예에의 제1막질로 언급된 막질이 다른 실시예에서는 제2막질로 언급될 수도 있다. 여기에 설명되고 예시되는 각 실시예는 그것의 상보적인 실시예도 포함한다.
도 2는 본 발명에 따른 하이브리드 레이저 다이오드를 설명하기 위한 단면도이다.
도 2를 참조하면, 기판(110) 상에 차례로 적층된 매몰 절연층(112), 실리콘층(114) 및 발광 다이오드(200)가 배치된다. 에스오아이(silicon-on-insulator; SOI) 기판(100)이 상기 기판(110), 상기 매몰 절연층(112) 및 상기 실리콘층(114)을 위해 사용될 수 있다.
본 발명에 따르면, 상기 실리콘층(114)은 슬랩 도파로(SW)로서 사용된다. 이를 위해, 상기 발광 다이오드(200)의 아래에서, 상기 실리콘층(114)은 상기 발광 다이오드(200)보다 넓은 폭을 갖도록 형성된다. 즉, 본 발명에 따르면, 상기 실리콘층(114)은 도시된 것처럼 상기 발광 다이오드(200)의 하부면 전체와 접촉하도록 형성될 수 있다. 종래 기술에 따르면, 실리콘층(114)이 채널 도파로(CW)로 이용되기 때문에, 발광 다이오드에서 생성된 열의 방출을 차단하는 보이드 영역(도 1의 99)이 실리콘 채널 도파로(도 1의 CW)의 주변에 형성된다. 하지만, 상기 발광 다이오드(200)의 하부면 전체와 접촉하는 본 발명에 따른 상기 실리콘층(114)의 경우, 이러한 열 방출의 문제는 감소될 수 있다.
상기 발광 다이오드(200)는 III-V족 화합물 반도체 기판을 패터닝함으로써 형성되며, 차례로 적층된 n형 반도체층(210), 활성층(212) 및 p형 반도체층(213)을 포함한다. 구체적으로, 상기 III-V족 화합물 반도체 기판은 웨이퍼 본딩 기술을 이용하여 상기 실리콘층(114) 상에 부착된다. 상기 웨이퍼 본딩 기술은 상기 III-V족 화합물 반도체 기판과 상기 실리콘층(114) 사이의 열팽창 계수 차이에 따른 열적 스트레스를 줄일 수 있는 방법(예를 들면, 산소 플라즈마 본딩 기술)을 사용하여 수행되는 것이 바람직하다.
이 경우, 상기 III-V족 화합물 반도체 기판과 상기 실리콘층(114)사이에는, 도시된 것처럼, 이들을 서로 접착시키는 산화막(120)이 생성된다. 상기 산화막(120)의 두께는 산소 플라즈마에 의해 처리되는 공정 시간을 제어함으로써 조절될 수 있으며, 대략 0.01 내지 0.03 마이크로 미터일 수 있다. 상기 산화막(120)은 상기 발광 다이오드의 동작 전류가 상기 실리콘층(114)으로 유입되는 것을 차단하기 때문에, 상기 동작 전류의 누설 및 이에 따른 제품의 소모 전력을 줄이는데 기여한다.
상기 n형 반도체층(210)은 n형 인듐-인(n-type InP)층 및 n형 인듐-갈륨-비소-인(n-type InGaAsP)층 중의 적어도 하나를 더 포함할 수 있다. 또한, 상기 활성층(212)은 인듐-갈륨-비소-인(InGaAsP)층 및 알루미늄-갈륨-인듐-비소(AlGaInAs)층 중의 적어도 하나를 더 포함할 수 있다. 상기 p형 반도체층(213)은 p형 인듐-인(p-type InP)층, p형 인듐-갈륨-비소-인(p-type InGaAsP)층, p형 인듐-갈륨-비소(p-type InGaAs)층 및 p형 알루미늄-갈륨-인듐-비소 (p-type AlGaInAs)층 중의 적어도 하나를 더 포함할 수 있다. 한편, 상기 n형 반도체층(210), 상기 활성층(212) 및 상기 p형 반도체층(213)을 위한 물질들은 본 발명의 기술적 사상을 구현할 수 있는 실시예들을 설명하기 위해 예시된 것일 뿐, 본원의 기술적 특징이 여기에 예시된 물질들에 한정되는 것은 아니다. 즉, 알려진 다양한 물질들이 상기 발광 다이오 드(200)를 구현하기 위해 사용될 수 있다.
상기 p형 반도체층(213) 및 상기 활성층(212)은 상기 n형 반도체층(210)의 상부면이 노출되도록 패터닝됨으로써, 도시된 것처럼, 상기 슬랩 도파로(SW)보다 좁은 폭을 갖는 채널 도파로(channel waveguide)(CW)를 형성한다. 상기 p형 반도체층(213) 및 상기 노출된 n형 반도체층(210)의 상부면들에는, 각각, 상기 발광 다이오드(200)의 발광현상에 참여하는 전류를 공급하기 위한 p-전극(312) 및 n-전극(311)이 배치된다.
한편, 상기 채널 도파로(CW) 및 상기 발광 다이오드(200)로서 이용되는 상기 p형 반도체층(213) 및 상기 활성층(212)이 패터닝 공정을 통해 형성되기 때문에, 발광 현상이 발생하는 활성 영역 및 생성된 빛의 광학적 모드가 분포하는 채널 도파로(CW)는 상기 패터닝된 p형 반도체층(213) 및 활성층(212)의 측벽들에 의해 실질적으로 분명하게 정의될 수 있다. 즉, 본 발명은, 누설 전류의 문제를 초래하는 종래의 이온주입 공정없이, 활성영역 및 도파로(구체적으로, 채널 도파로(CW))를 정의할 수 있다.
이에 더하여, 상술한 것처럼 이온 주입을 통해 형성되는 불순물 영역(도 1의 24)없이 상기 채널 도파로(CW)가 정의되기 때문에, 상기 활성 영역과 상기 n-전극(311) 사이의 공간적 길이(W2)는 종래기술의 그것(W1)에 비해 줄어들 수 있다. 이에 따라, 상기 n-전극(311)과 상기 p-전극(312) 사이의 직렬 저항(series resistance)이 감소될 수 있다. 또한, 상술한 것처럼, 상기 활성영역 및 채널 도파로(CW)가 이온주입 공정을 사용하여 정의되는 것이 아니기 때문에, n-형 반도체 층(210)으로의 불순물 침투 및 이에 따른 전기적 저항 증가의 문제는 발생하지 않는다. 그 결과, 본 발명에 따른 하이브리드 레이저 다이오드의 소모 전력이 더욱 감소될 수 있다.
상기 발광 다이오드(200)는 상기 채널 도파로(CW)를 정의하기 때문에, 상기 발광 다이오드(200)는 빛을 생성할 뿐만 아니라, 생성된 빛의 광학적 모드를 가이드하면서 증폭시킨다. 또한, 상술한 것처럼, 상기 빛의 광학적 모드(optical mode of laser)는 상기 채널 도파로(CW) 및 상기 슬랩 도파로(SW) 모두에 포개(overlap)지기 때문에, 상기 발광 다이오드(200)에서 생성된 빛은 상기 실리콘층(114) 또는 그 주변에 배치되는 별도의 공진기(도 12의 600)를 통해 공진될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 레이저 다이오드를 설명하기 위한 단면도이다. 도 3은 도 2를 참조하여 설명된 실시예의 그것과 유사하므로, 중복되는 내용에 대한 설명은 생략한다.
도 3을 참조하면, 상기 발광 다이오드(200)가 형성된 결과물을 덮는 절연막(300)이 형성된다. 상기 절연막(300)은 상기 p-형 반도체층(314)의 상부면 및 상기 n-형 반도체층(210)의 상부면을 노출시키는 개구부들을 갖도록 형성되고, 상기 p- 및 n-형 전극들(312, 311)은 각각 상기 개구부들을 통해 p-형 반도체층(214)의 상부면 및 상기 n-형 반도체층(210)의 상부면에 전기적으로 연결된다. 상기 절연막(300)은 폴리이미드일 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
이에 더하여, 상기 발광 다이오드(200)의 측벽에는 측벽 보호 패턴(sidewall passivation pattern)(도시하지 않음)이 더 배치될 수 있다. 상기 측 벽 보호 패턴은 상기 발광 다이오드(200)의 측벽과 상기 절연막(300) 사이에 배치될 수 있다. 본 발명에 따르면, 상기 절연막(300) 및/또는 상기 측벽 보호 패턴은 상기 발광 다이오드(200)와 다른 굴절률을 갖는 물질로 형성될 수 있으며, 상기 채널 도파로(CW) 내에 광학 모드를 한정하는데 기여하는 물질로 형성되는 것이 바람직하다.
도 4는 본 발명에 따른 하이브리드 레이저 다이오드에서 생성되는 광학적 모드를 보여주는 시뮬레이션 결과이다. 이 시뮬레이션은 아래 표 1에 개시된 박막 물질, 박막 두께 및 채널 도파로(CW) 폭의 조건 아래에서 수행되었으며, 사용된 시뮬레이터는 RSoft사가 제공하는 BeamPROP FullWAVE BandSOLVE였다.
[표 1]
p형 반도체층 (213) 활성층 (212) n형 반도체층 (210) 산화막 (120) 실리콘층 (113) 매몰절연층 (112)
물질 p-type InP InGaAsP n-type InP SiO2 Si SiO2
두께(㎛) 1.529 0.3 0.2 0.02 0.5 3
폭(㎛) 3 3 - - - -
도 4를 참조하면, 상기 실리콘층(114)을 슬랩 도파로(SW)로 사용하는 경우에도, 레이저의 단면 도파 모드(transverse waveguide mode)가 생성됨을 확인할 수 있었다.
도 5는 채널 도파로의 폭에 따른 광학적 모드의 크기를 시뮬레이션한 결과를 도시하는 그래프이다. 도 5에서, 가로축은 채널 도파로(CW)의 폭을 나타내고, 세로축은 계산된 도파 모드의 크기를 나타낸다.
도 5를 참조하면, 도파 모드의 크기는 채널 도파로(CW)의 폭이 대략 1㎛일 때 최소값을 가졌다. 즉, 도파 모드의 크기는 상기 채널 도파로(CW)의 폭이 감소함에 따라 감소하였지만, 상기 채널 도파로(CW)의 폭이 대략 1㎛이하인 경우에서는 반비례하였다. 따라서, 표 1에 제시된 조건 아래에서는, 상기 채널 도파로(CW)의 폭은 1㎛ 이상인 것이 수평적인 방향에서의 도파 모드 한정(confinement)을 위해 요구된다.
한편, 발명자들이 실시한 또 다른 시뮬레이션에 따르면, 상기 채널 도파로(CW)의 폭이 1.8㎛ 이하일 경우, 단일 모드 조건이 충족됨을 확인할 수 있었다. 따라서, 단일 모드 및 수평적 한정의 요건들을 충족시키기 위해서는, 상기 채널 도파로(CW)의 폭은 대략 1㎛ 내지 1.8㎛일 수 있다. 하지만, 이러한 결과는 표 1에 제시된 조건 아래에서 얻을 수 있는 설계값 선택의 방법을 예시적으로 설명하는 것일 뿐, 사용되는 박막의 물질 및 박막의 두께 등에 따라 바뀔 수 있음은 자명하다.
도 6은 실리콘층의 두께에 따른 도파 모드의 한정 인수(confinement factor)를 시뮬레이션한 결과를 도시하는 그래프이고, 도 7은 채널 도파로(CW)의 폭에 따른 도파 모드의 한정 인수를 시뮬레이션한 결과를 도시하는 그래프이다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 상기 실리콘층(114)의 두께가 증가함에 따라, 상기 실리콘층(114)에서의 한정인수는 선형적으로 증가하였고, 상기 활성층(212)에서의 한정인수는 선형적으로 감소하였다. 반면, 상기 채널 도파로(CW)의 폭이 증가함에 따라, 상기 실리콘층(114)에서의 한정인수는 감소하였고, 상기 활성층(212)에서의 한정인수는 증가하였다. 하지만, 도 6 및 도 7의 비교로부터 알 수 있는 것처럼, 도파 모드의 수직적 분포는 상기 채널 도파로(CW)의 폭에 비해 상기 실리콘 층(114)의 두께에 더 민감하였다. 따라서, 도파 모드의 수직적 분포는 상기 실리콘층(114)의 두께를 통해 조절되는 것이 효과적임을 알 수 있다.
한편, 본 발명에 따르면, 도 6 및 도 7에 도시된 것처럼, 생성된 도파 모드의 대부분이 상기 실리콘 슬랩 도파로(SW)에 분포하기 때문에, 클래딩(cladding)을 위한 상기 p-형 반도체층(213)의 불순물 농도를 높이더라도 큰 도파 손실을 초래하지 않는다. 따라서, 본 발명에 따르면, 상기 p-형 반도체층(213)은 증가된 불순물 농도를 갖도록 형성될 수 있으며, 이 경우 상기 p-형 반도체층(213) 및 상기 p-전극(312) 사이의 접촉 저항 특성이 향상될 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 레이저 다이오드를 설명하기 위한 사시도이다. 이 실시예에 따른 하이브리드 레이저 다이오드는 도 2을 참조하여 설명된 실시예의 그것과 유사하므로, 중복되는 내용에 대한 설명은 생략한다.
도 8을 참조하면, 본 발명에 따른 하이브리드 레이저 다이오드는 생성된 레이저 광(LL)을 소정의 광학 소자(도시하지 않음)로 전송하기 위한 연결 도파로(150)를 더 구비할 수 있다. 상기 광학 소자는 상기 매몰 절연막(112) 및 상기 실리콘층(114) 상에 집적될 수 있으며, 상기 실리콘층(114)을 광학적 연결을 위한 매질로 사용할 수 있다. 이 경우, 상기 연결 도파로(150)는 상기 실리콘층(114)으로 이루어진 상기 슬랩 도파로(SW)로부터 상기 광학 소자로 연장된다.
한편, 도 4, 도 6 및 도 7을 통해 알 수 있는 것처럼, 도파 모드는 주로 상기 실리콘층(114) 내에 분포할 수 있다. 그럼에도 불구하고, 상기 실리콘층(114)에서의 한정인수가 작을 경우, 상기 연결 도파로(150)를 통해 전송되는 레이저 광(LL)의 출력이 크게 감소될 수 있다. 이런 점에서, 하이브리드 레이저 다이오드는, 상기 채널 도파로(CW)에서의 도파 모드가 상기 연결 도파로(150)로 전달되는 효율로서 정의되는, 커플링 계수(coupling coefficient)가 큰 것이 바람직하다.
이를 위해, 상기 연결 도파로(150)의 상부에는 상기 채널 도파로(CW)로부터 연장된 커플링 영역(250)이 배치될 수 있다. 상기 커플링 영역(250)은, 도 8 내지 도 10에 도시된 것처럼, 상기 채널 도파로(CW)로부터 멀어질수록 좁아지는 폭을 갖도록 형성된다. 즉, 상기 커플링 영역(250)은 테이퍼진 모양(taper shape)일 수 있다. 상기 커플링 영역(250)은 상기 커플링 계수를 증가시키는데 기여한다.
상기 커플링 계수는, 상기 연결 도파로(150)와 상기 채널 도파로(CW) 사이의 오정렬 정도를 나타내는, 오프셋(offset)의 크기에 의해 주로 결정된다. 본 발명에 따르면, 상기 테이퍼진 모양의 커플링 영역(250)에 의해, 도 9에 도시된 것처럼, 통상적인 제조 공정을 통해 달성될 수 있는 0.4um의 오정렬 마아진(misalignment margin)에서도 충분히 큰 커플링 계수를 구현할 수 있었다. 이때, 도 9는 도 8에 도시된 실시예에 따른 하이브리드 레이저 다이오드의 커플링 효율을 시뮬레이션한 결과를 도시하는 그래프이다.
한편, 상기 커플링 계수는 상기 연결 도파로(150)의 두께 및 폭과 같은 구성요소들의 기하학적 특징들에도 의존적이다. 따라서, 상기 연결 도파로(150), 상기 채널 도파로(CW) 및 상기 슬랩 도파로(SW)의 치수적 특징들(dimensional properties)을 조절하는 방법은 상기 커플링 계수 및 도파 모드를 제어하기 위한 방법으로 사용될 수 있다. 특히, 충분히 큰 커플링 계수를 얻기 위해서는, 상기 연 결 도파로(150)의 폭(L1)은 상기 채널 도파로(CW)의 폭(L2)보다 넓은 것이 바람직하다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 하이브리드 레이저 다이오드를 설명하기 위한 사시도이다. 상기 연결 도파로(150)의 구조에서의 변형을 제외하면, 이 실시예에 따른 하이브리드 레이저 다이오드는 도 8을 참조하여 설명된 실시예의 그것과 유사하므로, 중복되는 내용에 대한 설명은 생략한다.
도 10을 참조하면, 상기 연결 도파로(150)는 상기 슬랩 도파로(SW)로부터 연장되는 연결 영역(151), 상기 연결 영역(151)으로부터 연장되는 전이 영역(152) 및 상기 전이 영역(152)으로부터 연장되는 전송 영역(153)을 포함할 수 있다. 상술한 L1>L2의 조건을 충족시키도록, 상기 연결 영역(151)은 상기 채널 도파로(CW) 및 상기 커플링 영역(250)보다는 넓은 폭을 갖도록 형성된다. 상기 전송 영역(153)은 상기 채널 도파로(CW)보다 좁거나 같은 폭을 갖도록 형성될 수 있다. 또한, 상기 전이 영역(152)은 상기 연결 영역(151)으로부터 상기 전송 영역(153)으로 갈수록 점진적으로(gradually) 좁아지는 폭을 갖도록 형성될 수 있다.
도 11은 도 10에 도시된 실시예에 따른 하이브리드 레이저 다이오드의 커플링 효율을 시뮬레이션한 결과를 도시하는 그래프이다.
도 9 및 도 11을 비교하면, 상기 전송 영역(153)을 갖는 경우에도, 점진적으로 좁아지는 폭을 갖는 상기 전이 영역(152)에 의해, 도 11의 실시예의 하이브리드 레이저 다이오드는 도 9의 실시예의 그것보다 향상된 커플링 계수 및 오프셋 마아진을 갖는다는 것을 확인할 수 있다.
도 12는 본 발명의 또다른 실시예에 따른 하이브리드 레이저 다이오드를 설명하기 위한 사시도이다. 레이저 공진을 위한 부분을 제외하면, 이 실시예에 따른 하이브리드 레이저 다이오드는 도 8 및 도 10을 참조하여 설명된 실시예의 그것과 유사하므로, 중복되는 내용에 대한 설명은 생략한다.
도 12를 참조하면, 이 실시예에 따른 하이브리드 레이저 다이오드는 상기 슬랩 도파로(SW)의 마주보는 두 측벽에 배치되는 공진 구조체(600)를 더 구비할 수 있다. 상기 공진 구조체(600)는 레이저 발진을 유도하기 위한 공진 현상을 위해 배치되며, 회절 격자(grating)을 포함할 수 있다.
하지만, 도 8 및 도 10에 도시된 것처럼, 별도의 공진 구조체없이, 상기 실리콘층(110)으로 이루어지는 슬랩 도파로(SW)의 마주보는 두 측벽들이 상술한 공진을 일으키기 위해 사용될 수도 있다.
도 1은 종래의 하이브리드 레이저 다이오드를 개략적으로 도시하는 단면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 하이브리드 레이저 다이오드를 설명하기 위한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 레이저 다이오드를 설명하기 위한 단면도이다.
도 4는 본 발명에 따른 하이브리드 레이저 다이오드에서 생성되는 광학적 모드를 보여주는 시뮬레이션 결과이다.
도 5는 채널 도파로의 폭에 따른 광학적 모드의 크기를 시뮬레이션한 결과를 도시하는 그래프이다.
도 6은 실리콘층의 두께에 따른 도파 모드의 한정 인수를 시뮬레이션한 결과를 도시하는 그래프이다.
도 7은 채널 도파로의 폭에 따른 도파 모드의 한정 인수를 시뮬레이션한 결과를 도시하는 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 레이저 다이오드를 설명하기 위한 사시도이다.
도 9는 도 8에 도시된 실시예에 따른 하이브리드 레이저 다이오드의 커플링 효율을 시뮬레이션한 결과를 도시하는 그래프이다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 하이브리드 레이저 다이오드를 설명 하기 위한 사시도이다.
도 11은 도 10에 도시된 실시예에 따른 하이브리드 레이저 다이오드의 커플링 효율을 시뮬레이션한 결과를 도시하는 그래프이다.
도 12는 본 발명의 또다른 실시예에 따른 하이브리드 레이저 다이오드를 설명하기 위한 사시도이다.

Claims (11)

  1. 기판;
    상기 기판 상에 배치되어 빛을 생성하는 발광 다이오드;
    상기 발광 다이오드로 전류를 공급하는 한쌍의 전극들; 및
    상기 기판과 상기 발광 다이오드 사이에 배치되어, 슬랩 도파로를 구성하는 실리콘층을 포함하되,
    상기 발광 다이오드는, 상기 실리콘층 상에 차례로 적층된, 제 1 화합물 반도체층, 활성 패턴 및 제 2 화합물 반도체 패턴을 포함하고,
    상기 활성 패턴 및 상기 제 2 화합물 반도체 패턴은 상기 실리콘층 및 상기 제 1 화합물 반도체층보다 좁은 폭을 갖도록 형성되어 채널 도파로를 구성하는 하이브리드 레이저 다이오드.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 채널 도파로의 폭 및 상기 슬랩 도파로의 두께는 단일 도파 모드 조건 및 도파 모드 크기 조건을 충족시키도록 구성되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 레이저 다이오드.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 채널 도파로의 폭은 1 내지 2.2 마이크로 미터이고,
    상기 슬랩 도파로의 두께는 200 나노 미터 내지 700 나노 미터인 것을 특징으로 하는 하이브리드 레이저 다이오드.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 슬랩 도파로의 측면에 배치되어, 상기 채널 도파로에 생성되는 광 도파 모드를 상기 실리콘층으로 모드 변환시키는 커플링 구조체를 더 구비하는 하이브리드 레이저 다이오드.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판과 상기 실리콘층 사이에 개재되는 매몰 절연층;
    상기 매몰 절연층의 상부에서, 상기 슬랩 도파로로부터 소정의 광학 소자로 연장되는 연결 도파로를 더 포함하되,
    상기 연결 도파로는 상기 실리콘층으로 이루어지며, 상기 슬랩 도파로보다 좁은 단면 폭을 갖는 것을 특징으로 하는 하이브리드 레이저 다이오드.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 연결 도파로는
    상기 슬랩 도파로에서 연장되어, 상기 채널 도파로보다 넓은 폭을 갖는 연결 영역;
    상기 채널 도파로보다 좁은 폭을 갖는 전송 영역; 및
    상기 연결 영역 및 상기 전송 영역을 연결하되, 상기 연결 영역으로부터 상기 전송 영역으로 갈수록 좁아지는 폭을 갖는 전이 영역을 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 레이저 다이오드.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 활성 패턴 및 상기 제 2 화합물 반도체 패턴은 상기 채널 도파로로부터 연장되어 상기 연결 도파로의 상부에 배치되는 커플링 영역을 더 포함하되,
    상기 커플링 영역의 단면 폭은 상기 슬랩 도파로에서 멀어질수록 좁아지는 것을 특징으로 하는 하이브리드 레이저 다이오드.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 발광 다이오드는 인듐-인(InP)를 포함하는 박막 및 인듐-갈륨-비소-인(InGaAsP)을 포함하는 박막 중의 적어도 하나를 구비하고,
    상기 발광 다이오드와 상기 실리콘층 사이에는 개재되는 실리콘 산화막을 더 포함하는 하이브리드 레이저 다이오드.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 발광 다이오드의 하부면 전체는 상기 실리콘층 또는 상기 실리콘 산화막에 접촉하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 레이저 다이오드.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 슬랩 도파로의 마주보는 두 측면에 배치되는 공진 구조체를 더 포함하는 하이브리드 레이저 다이오드.
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