KR100949541B1 - 광변조기 집적 분포궤환형 레이저 다이오드 및 그 제조방법 - Google Patents

광변조기 집적 분포궤환형 레이저 다이오드 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 초고속 광통신 시스템의 핵심 소자로서 요구되고 있는 광변조기 집적 분포궤환형 레이저 다이오드 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 광변조기 부분에서 빛이 출력되는 면을 광도파로 방향에 대해 비스듬하게 경사진 면으로 형성하여 다시 광도파로로 재입사되는 빛의 양을 줄일 수 있는 반도체 소자를 제공한다. 본 발명에 의하면 광출력단에서 반사되는 빛의 위상을 조절하여 다시 분포궤환형 레이저에 입사되더라도 레이저의 동작 특성을 변화시키지 않도록 하여 반도체 소자가 안정적인 변조 광출력을 낼 수 있도록 한다.
광변조기 집적 분포궤환형 레이저 다이오드, 반사광, 주파수 응답 특성, 재입사

Description

광변조기 집적 분포궤환형 레이저 다이오드 및 그 제조 방법{Modulator integrated distributed feedback laser diode and manufacturing method thereof}
도 1a 및 도 1b는 n형의 InP 기판을 사용한 일반적인 광변조기 집적 분포궤환형 레이저 다이오드의 구조에 대한 개략도.
도 2는 반사율이 충분히 작지 않은 경우의 통상의 광변조기 집적 분포궤환형 레이저 다이오드의 주파수 응답 특성에 대한 그래프.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 광변조기 집적 분포궤환형 레이저 다이오드에 대한 사시도.
도 4a는 통상적인 광변조기 집적 분포궤환형 레이저 다이오드의 출력단 부근에 대한 개략적인 평면도.
도 4b 및 도 4c는 본 발명의 실시예에 따른 광변조기 집적 분포궤환형 레이저 다이오드의 출력단 부근의 평면도.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
11: 분포궤환형 레이저 p형 오믹 전극
12: n형 오믹 전극
13: InP 기판
14: n형 반도체 도핑층
15: 그레이팅 층
16: 광흡수형 변조기용 활성층
17: 분포궤환형 레이저용 활성층
18: p형 반도체 도핑층
19 : 무반사 코팅
20: InP window
21: 레이저-광변조기 isolation 트렌치
23: 광변조기용 p형 오믹 전극
31: 광도파로의 기울어진 단면
41: 광도파로
42: 광도파로에서의 빛의 진행 방향
43: 광출력면에 수직인 벡터
본 발명은 초고속 광통신 시스템의 광송신기에 관한 것으로, 특히 큰 대역폭을 가지는 광변조기 집적 분포궤환형 레이저 다이오드 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
정보 통신 환경의 발달로 광섬유를 통해 전송되는 정보의 양이 급격히 증가하여 그 정보를 송신하기 위한 광송신기는 큰 대역폭이 요구되고 있다. 더욱이, 소 형화 요구에 부응하여 광송신기를 제작하는 데 작은 크기의 모듈을 사용하기 위하여 광변조기와 레이저 다이오드가 하나의 칩으로 집적되는 형태가 선호되고 있다.
광변조기 내부에서 외부로 출력되는 빛의 일부는 반사되어 다시 레이저로 들어가게 되며, 이러한 반사광은 레이저 다이오드의 동작 특성에 악영향을 준다. 따라서 기존의 광변조기 직접 레이저 다이오드 등의 반도체 소자에서는 광변조기의 출력면에 무반사 코팅을 하거나 혹은 InP window 영역을 삽입하여 반사되어 되돌아가는 빛의 양을 줄이는 노력을 하고 있다. 그럼에도 불구하고 기존의 방법에서는 여전히 광변조기 내부에서 외부로 출력되는 빛의 일부가 반사되어 다시 레이저로 들어가며 따라서 레이저 다이오드의 동작 특성을 나쁘게 하는 단점이 있다.
본 발명은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로, 본 발명의 목적은 광변조기의 출력 단면에서 반사되어 레이저 다이오드로 재입사되는 빛에 의한 레이저의 동작 특성 변화를 제거할 수 있는 새로운 구조의 광변조기 집적 분포궤환형 레이저 다이오드 및 그 제조 방법을 제공하는 데 있다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에서는, 분포궤환형 레이저 다이오드에 광변조기가 집적된 광변조기 집적 분포궤환형 레이저 다이오드에 있어서, 상기 광변조기와 상기 분포궤환형 레이저 다이오드는, 반도체 기판; 상기 반도체 기판 상에 광도파로 형태로 적층되는 n형 반도체 도핑층, 활성층 및 p형 반도체 도핑층; 상기 n형 반도체 도핑층 상에 그라운드 전극으로 형성되는 n형 오믹 전극; 및 상기 p형 반도체 도핑층 상에 두 부분으로 각각 형성되는 p형 오믹 전극을 포함하되, 상기 광변조기의 출력면은 상기 광도파로 방향에 대하여 일정 범위의 각도로 경사져 있는 것을 특징으로 하는 광변조기 집적 분포궤환형 레이저 다이오드를 제공한다.
바람직하게, 광변조기 출력면은 광도파로 방향에 대하여 3°에서 10° 사이의 경사도를 갖는다.
또한 활성층은 InGaAsP 물질계의 다중 층으로 이루어진다.
본 발명의 또 다른 측면에서는, 반도체 기판 상에 광도파로 형태로 n형 반도체 도핑층, 활성층 및 p형 반도체 도핑층을 적층하는 단계; 상기 광도파로의 출력단이 형성될 단면을 경사지게 식각하는 단계; 상기 n형 반도체 도핑층 상에 그라운드 전극으로 n형 오믹 전극을 형성하는 단계; 및 상기 p형 반도체 도핑층 상에 광변조기용 p형 오믹 전극 및 분포궤환형 레이저용 p형 오믹 전극을 형성하는 단계를 포함하는 광변조기 집적 분포궤환형 레이저 다이오드의 제조 방법을 제공한다.
바람직하게, 전술한 광변조기 집적 분포궤환형 레이저 다이오드의 제조 방법은 광변조기용 p형 오믹 전극 및 분포궤환형 레이저용 p형 오믹 전극 사이에 분리 트랜치를 형성하는 단계를 더 포함한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세하게 설명하기로 한다. 이하의 실시예는 본 기술 분야에서 통상적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 충분히 이해하도록 하기 위한 것이다.
도 1a 및 도 1b는 n형 InP 기판을 사용한 일반적인 광변조기 집적 분포궤환 형 레이저 다이오드(modulator integrated distributed feedback laser diode, MI-DFB-LD)의 구조에 대한 개략도이다. 이하의 설명에서 MI-DFB-LD는 EML(electro-modulated laser)로도 언급된다.
도 1a를 참조하면, 일반적인 EML은 InP 기판(13)을 사용하고 그 위에 n형 반도체 도핑층(14)을 성장시킨다. 분포궤환형 레이저 제작을 위해서 그레이팅(15)을 형성하고 레이저의 활성층(17)을 성장한다. 광변조기의 활성층(16)은 BT(Butt coupled) 구조를 사용하는 경우 따로 성장하게 되고 선택적 성장법을 사용하면 동시에 성장 가능하다. 다음으로 p형 반도체 도핑층(18)을 성장하고, 레이저와 광변조기의 전기적 간섭을 피하기 위해서 두 부분 사이의 p형 반도체 도핑층(18)을 식각하여 전술한 두 부분을 전기적으로 분리하기 위한 영역(21)을 형성한다. 형성된 구조의 상부 및 하부에 오믹 전극(11, 12)을 형성한 후 단면의 반사를 줄이기 위한 무반사 코팅(19)을 한다.
그러나 전술한 구조의 EML에서는 무반사 코팅만으로 충분히 반사율을 낮추기가 어렵고, 이러한 유한한 반사율에 의해 레이저로 재입사되는 빛은 레이저의 완화 진동(relaxation oscillation)을 일으킬 수 있다. 완화진동은 광자의 밀도와 캐리어의 밀도가 주기적으로 감소와 증가를 번갈아 가며 반복하는 현상을 말한다. 이러한 완화진동은 도 2에서와 같이 일반적인 EML의 주파수 응답 특성에서 뚜렷하게 볼 수 있다. 도 2에서는 수 내지 수십 ㎓ 대역에서 주파수(frequency)에 대한 E/O 응답(electrical-to-optical response) 특성을 보여준다.
또한, 일반적인 EML에서는 도 1b에 도시한 바와 같이 단면의 반사를 줄이기 위하여 즉 빛의 재입사를 억제하기 위해 InP window(20)를 형성하기도 한다. 하지 만 InP window를 형성하는 기존의 방법은 비교적 효과적인 것으로 알려져 있으나, 식각 후 InP 재성장을 추가로 요구하기 때문에 공정의 난이도를 높이고 수율을 낮추며 제작비용을 상승시키는 단점이 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 광변조기 집적 분포궤환형 레이저 다이오드에 대한 사시도이다.
도 3을 참조하면, 본 실시예에 따른 광변조기 집적 분포궤환형 레이저 다이오드는 InP 반도체 기판(13), 분포궤환형 레이저용 p형 오믹 전극(11), n형 오믹 전극(12), n형 반도체 도핑층(14), 그레이팅 층(15), 광흡수형 변조기용 활성층(16), 분포궤환형 레이저용 활성층(17), p형 반도체 도핑층(18), 광변조기-레이저 분리 트랜치(isolation tranch)(21), 및 광변조기용 p형 오믹 전극(23)을 포함하여 이루어진다. 광흡수형 변조기용 활성층(16)과 분포궤환형 레이저용 활성층(17)은 n형 반도체 도핑층(14)과 p형 반도체 도핑층(18)과의 사이에 위치하며 광도파로 형태로 적층된다.
본 실시예에서 광변조기 집적 분포궤환영 레이저 다이오드는 광변조기 내부에서 외부로 출력되는 빛의 적어도 일부가 반사되어 다시 레이저 다이오드로 들어가는 것을 차단하기 위하여 광도파로의 기울어진 단면(31)을 포함하는 것을 주된 특징으로 한다.
광도파로의 기울어진 단면(31)은 빛의 재입사를 방지할 수 있는 범위로서 광도파로 방향에 대하여 3°에서 10° 사이의 경사도를 갖도록 구현되는 것이 바람직하다.
전술한 광변조기 집적 분포궤환형 레이저 다이오드는 본 발명에서 제안하는 반도체 소자의 일례이다. 본 발명은 반도체 기판(13) 상에 광도파로 형태로 적층되는 n형 반도체 도핑층(14), 그레이팅 층(15), 활성층(16, 17) 및 p형 반도체 도핑층(18)과, n형 반도체 도핑층(14) 상에 그라운드 전극으로 형성되는 n형 오믹 전극(12)과, p형 반도체 도핑층(18) 상에 두 부분으로 각각 형성되는 p형 오믹 전극(11, 23)을 포함하되, p형 오믹 전극(11, 23)의 두 부분은 각각 광변조기와 분포궤환형 레이저 다이오드의 일직선상에 배열되어 있으며, 상기 광변조기 출력면은 광도파로 방향과 직교하는 방향에 대하여 일정 범위의 각도로 경사져 있는 반도체 소자를 포함할 수 있다. 이때, 활성층은 InGaAsP 물질계의 다중층으로 이루어지는 것이 바람직하다.
전술한 광변조기 집적 분포궤환형 레이저 다이오드의 제작 과정을 설명하면 다음과 같다.
먼저, 반도체 기판(13) 상에 n형 반도체 도핑층(14)을 형성한 다음, n형 반도체 도핑층(14) 상에 광도파로 형태로 그레이팅 층(15), 활성층(16, 17) 및 p형 반도체 도핑층(18)을 적층하여 형성한다.
다음으로, 소정 각도로 기울어진 형태의 식각 마스크 패턴을 이용하여 광변조기의 광도파로 출력단이 형성될 단면(31)을 경사지게 식각한다. 그 다음, n형 반도체 도핑층(14) 상에는 그라운드 전극으로서 n형 오믹 전극(12)을 형성한다.
삭제
다음으로, p형 반도체 도핑층(18) 상에 광변조기용 p형 오믹 전극(23) 및 분포궤환형 레이저용 p형 오믹 전극(11)을 형성한다. 그 다음, 광변조기용 p형 오믹 전극(23)과 분포궤환형 레이저용 p형 오믹 전극(11)과의 사이에 분리 트랜치(21)를 형성하여 광변조기 집적 분포궤환형 레이저 다이오드를 제작한다.
전술한 광변조기 집적 분포궤환형 레이저 다이오드에서는 광변조기의 출력단 을 식각하여 도파로의 끝이 절단면과 각도를 가지고 만나도록 만들어진 구조를 나타내었다. 비스듬하게 식각된 단면(31)을 통해서 광변조기가 변조한 빛이 나오도록 되어 있다. 비스듬하게 식각된 단면 즉 식각면(31) 위에는 반사 자체를 줄이기 위하여 빛의 입사각에 해당하는 무반사 코팅층(19)이 추가로 형성될 수 있다.
위에서 설명한 바와 같이 본 발명의 EML 소자는, 광송신을 담당하는 분포궤환형 레이저 다이오드와 빛의 변조를 담당하는 광흡수형 광변조기가 하나의 기판 위에 같이 제작된 구조를 포함하다. 또한 레이저 다이오드와 광변조기의 제작은 Butt coupling 방식에 의해 별도로 성장하여 집적시킬 수도 있고, 선택적 결정 성장 방법에 의해 한 번의 성장 공정으로 동시에 성장시킬 수도 있다.
도 4a는 통상적인 광변조기 집적 분포궤환형 레이저 다이오드의 출력단 부근에 대한 개략적인 평면도이다.
도 4a를 참조하면, 통상적인 EML에서는 광변조기 영역의 출력단 부근에서 광도파로(41)에서의 빛의 진행 방향(42)과 광출력면의 방향(43)이 평행하다. 따라서 기존의 EML에서는 광변조기의 출력단에서 재입사되는 빛에 의해 레이저 동작에 좋지 않은 변화가 발생하였다.
도 4b 및 도 4c는 본 발명의 실시예에 따른 광변조기 집적 분포궤환형 레이저 다이오드의 출력단 부근의 평면도이다.
도 4b 및 도 4c를 참조하면, 본 발명의 광변조기 집적 분포궤환형 레이저 다이오드는 광변조기의 출력단을 광도파로(41)에서의 빛의 진행 방향(42)과 광출력면의 방향(43)이 소정 각도(θ)를 이루도록 구성된다. 이러한 구성에 따르면, 광도 파로(41)에서 외부로 진행하는 빛은 출력단에서 소정 각도(θ)만큼 굴절되어 진행하고, 외부에서 반사된 빛은 굴절된 각도에 의하여 다시 레이저로 재입사되지 않게 된다.
이와 같이 본 발명의 실시예에 따른 광변조기 집적 분포궤환형 레이저 다이오드에서는 종래의 단순한 EML 구도에 비하여, 광출력면의 각도를 식각 공정으로 경사지게 조절하여 소자의 광도파로로 재입사되는 빛의 양을 줄임으로써 재입사광에 의한 완화진동을 제거하고 그것에 의해 레이저 다이오드의 오동작을 방지할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 광변조기 집적 분포궤환형 레이저 다이오드에서 광변조기의 광출력단을 식각 공정을 통해 비스듬하게 형성함으로써 광변조기의 출력단에서 반사되어 다시 소자의 광도파로로 재입사되는 빛의 양을 줄일 수 있어서 광학적 되먹임에 의한 분포궤환형 레이저의 완화진동(relaxation oscillation)을 효과적으로 없앨 수 있고, 따라서 EML을 초고속 광통신 시스템에 적용할 수 있게 한다.
이상에서 본 발명에 대한 기술 사상을 첨부 도면과 함께 서술하였지만 이는 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자이면 누구나 본 발명의 기술 사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방 가능함은 명백한 사실이다.

Claims (6)

  1. 분포궤환형 레이저 다이오드에 광변조기가 집적된 광변조기 집적 분포궤환형 레이저 다이오드에 있어서,
    상기 광변조기와 상기 분포궤환형 레이저 다이오드는,
    반도체 기판;
    상기 반도체 기판 상에 광도파로 형태로 적층되는 n형 반도체 도핑층, 활성층 및 p형 반도체 도핑층;
    상기 n형 반도체 도핑층 상에 그라운드 전극으로 형성되는 n형 오믹 전극; 및
    상기 p형 반도체 도핑층 상에 두 부분으로 각각 형성되는 p형 오믹 전극을 포함하되,
    상기 광변조기의 출력면은 상기 광도파로 방향에 대하여 일정 범위의 각도로 경사져 있는 것을 특징으로 하는 광변조기 집적 분포궤환형 레이저 다이오드.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 광변조기의 출력면은 상기 광도파로 방향에 대하여 3°에서 10° 사이의 경사도를 갖는 것을 특징으로 하는 광변조기 집적 분포궤환형 레이저 다이오드.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 광변조기의 출력면은 식각 면인 것을 특징으로 하는 광변조기 집적 분포궤환형 레이저 다이오드.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 활성층은 InGaAsP 물질계의 다중 층으로 이루어지는 광변조기 집적 분포궤환형 레이저 다이오드.
  5. 반도체 기판 상에 광도파로 형태로 n형 반도체 도핑층, 활성층 및 p형 반도체 도핑층을 적층하는 단계;
    상기 광도파로의 출력단이 형성될 단면을 경사지게 식각하는 단계;
    상기 n형 반도체 도핑층 상에 그라운드 전극으로 n형 오믹 전극을 형성하는 단계; 및
    상기 p형 반도체 도핑층 상에 광변조기용 p형 오믹 전극 및 분포궤환형 레이저용 p형 오믹 전극을 형성하는 단계를 포함하는 광변조기 집적 분포궤환형 레이저 다이오드의 제조 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 광변조기용 p형 오믹 전극 및 상기 분포궤환형 레이저용 p형 오믹 전극 사이에 분리 트랜치를 형성하는 단계를 더 포함하는 광변조기 집적 분포궤환형 레이저 다이오드의 제조 방법.
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