KR100958719B1 - 단일모드 발진을 위한 하이브리드 레이저 다이오드 및 그제조 방법 - Google Patents

단일모드 발진을 위한 하이브리드 레이저 다이오드 및 그제조 방법 Download PDF

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Abstract

단일모드 발진을 위한 하이브리드 레이저 다이오드 및 그 제조 방법이 제공된다. 이 하이브리드 레이저 다이오드는 실리콘층, 실리콘층 상에 배치되는 활성 패턴, 그리고 실리콘층 및 활성 패턴 사이에 배치되는 본딩막을 구비한다. 이때, 본딩막은 브래그 격자를 구성하는 회절 패턴들을 구비한다.

Description

단일모드 발진을 위한 하이브리드 레이저 다이오드 및 그 제조 방법{Hybrid Laser Diode For Single Mode Operation And Method Of Fabricating The Same}
본 발명은 포토닉스 소자 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 단일모드 발진을 위한 하이브리드 레이저 다이오드 및 그 제조 방법에 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. 상기 하이브리드 레이저 다이오드를 정보 전송을 위한 광원으로 사용하는 경우, 전송 품질의 향상을 위해서는 단일 모드로 동작하는 레이저 다이오드를 구현하는 것이 요구된다.
알려진 것처럼, 레이저 소자는 활성 매질(active medium), 에너지 펌프 소스 및 공진기로 구성된다. 게인 매질(gain medium)라고도 불리는 상기 활성 매질은 펌핑 메커니즘에 의한 전자 밀도의 반전(electron population inversion)이 발생하는 매질로서, 하이브리드 레이저 다이오드의 경우 통상적으로 III-V족 화합물 반도체들로 구성되는 양자-한정 활성층(Quantum-Confined Active layer)이 상기 활성 매질로서 사용된다. 상기 에너지 펌프 소스는 상기 밀도 반전을 위한 에너지를 공급하며, 하이브리드 레이저 다이오드는 전원(electric power supply)으로부터 공급되는 전기적 에너지를 통해 이러한 밀도 반전을 구현한다. 상기 공진기(resonator)는 동일한 위상의 빛이 상기 활성 매질에서 증폭될 수 있도록 특정 파장의 빛이 왕복할 수 있는 광학적 경로를 제공하도록 구성된다.
일반적인 레이저 다이오드 기술에 있어서, 상기 공진기는 레이저 다이오드 외부에 형성된 외부 공진기 또는 회절 격자를 통해 구현될 수 있다. 상기 외부 공진기를 이용하는 경우, 소자의 크기가 커질 뿐만 아니라 광학적 연결과 관련된 기술적 어려움이 있다. 이에 따라, 외부 공진기는 주로 가변파장 광원을 위한 레이저 다이오드에 제한적으로 사용되고 있다.
상기 회절 격자를 사용하는 경우, 상술한 외부 공진기에서의 기술적 어려움을 극복할 수 있지만, 단일 모드를 구현하는 것이 용이하지 않다. 구체적으로, 회절 격자를 사용하는 레이저 다이오드는 크게 분포-브래그-반사경 레이저(distributed Bragg reflector laser; DBR laser) 및 분포궤환형 레이저(distributed feedback laser; DFB laser)로 분류될 수 있다. 상기 DBR 레이저는, 도파로 내에 유효 굴절률(effective refractive index)에서의 주기적인 변화를 제공하도록 구성된, 적어도 하나의 분포-브래그-반사경(distributed Bragg reflector; DBR)이 상기 활성 매질의 바깥에 배치되는 것을 특징으로 하지만, 상기 DFB 레이저에 비해 제조 공정이 복잡하다.
상기 DFB 레이저는 그것의 활성 영역 자체가 회절 격자를 형성하도록 구성된 레이저 다이오드의 한 종류로서, 요철 구조의 회절 격자가 공진기의 전 영역에 형성되는 것을 특징으로 한다. 이 경우, 만들어진 회절 격자는 브래그 산란(Bragg scattering)에 의한 광학적 피드백을 제공한다. 상술한 것처럼, 상기 DFB 레이저는 제조 공정은 상기 DBR 레이저에 비해 단순하지만, 두 모드 발진의 문제를 갖기 때문에 단일 모드를 구현하기가 어려운 단점이 있다.
한편, 하이브리드 레이저 다이오드의 경우, 웨이퍼 본딩 기술을 통해 제작되기 때문에, 본딩을 위한 표면은 3Å이하의 제곱 평균(root-mean-square, rms) 거칠기를 갖는 것이 요구된다. 하지만, 상술한 것처럼, 공진기를 위한 회절 격자의 요철이 형성될 경우, 상기 거칠기 요건을 충족시키는 표면상태를 유지하는 것은 어렵다. 이에 더하여, 종래의 하이브리드 레이저 다이오드의 경우, 높은 굴절률의 실리콘 또는 InP가 회절 격자를 위한 물질로 사용되기 때문에, 과도한 광학적 피드백 및 이에 따른 광 분포의 국소화의 문제들이 나타난다. 이에 따라, 종래의 회절 격자를 이용하는 단일 모드 발진 기술은 고출력의 단일 모드 하이브리드 레이저를 구현하기 위한 방법으로 사용되기 어려웠다.
본 발명이 이루고자 하는 일 기술적 과제는 단일 모드를 구현할 수 있는 하 이브리드 레이저 다이오드를 제공하는 데 있다.
본 발명이 이루고자 하는 일 기술적 과제는 고출력의 단일 모드 레이저를 생성할 수 있는 DFB 하이브리드 레이저 다이오드를 제공하는 데 있다.
본 발명이 이루고자 하는 일 기술적 과제는 단일 모드를 구현할 수 있는 하이브리드 레이저 다이오드의 제조 방법을 제공하는 데 있다.
상기 일 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은 본딩막 내에 회절 패턴이 형성되는 하이브리드 레이저 다이오드를 제공한다. 구체적으로, 이 하이브리드 레이저 다이오드는 실리콘층, 상기 실리콘층 상에 배치되는 활성 패턴 및 상기 실리콘층 및 상기 활성 패턴 사이에 배치되는 본딩막을 구비하며, 상기 본딩막은 브래그 격자를 구성하는 회절 패턴들을 구비한다.
본 발명에 따르면, 상기 본딩막의 회절 패턴들은 상기 실리콘층을 노출시키는 개구부들을 정의하도록 형성될 수 있으며, 상기 개구부들은, 상기 하이브리드 레이저 다이오드에서 생성되는 빛의 파장에 상응하는, 브래그 조건을 충족시키는 간격 및 배치를 갖도록 형성된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 개구부들은 상기 본딩막보다 낮은 굴절률을 갖는 물질로 채워지고, 상기 본딩막은 상기 실리콘층 및 상기 활성 패턴보다 낮은 굴절률을 갖는 물질로 형성될 수 있다. 예를 들면, 상기 본딩막은 실리콘 산화막일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 본딩막의 두께는 10nm 내지 100nm일 수 있다. 또한, 상기 회절 패턴의 커플링 계수는 20 내지 100cm-1일 수 있으며, 상기 회절 패턴의 커플링 계수는 상기 본딩막의 두께, 상기 본딩막의 굴절률 및 상기 회절 패턴이 형성되는 본딩막의 폭 중의 적어도 하나를 제어함으로써 조절될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 본딩막은 상기 활성 패턴으로부터 연장되어 상기 활성 패턴 주변의 상기 실리콘층을 덮도록 형성될 수 있다. 이때, 상기 회절 패턴이 형성되는 본딩막의 폭은 상기 활성 패턴보다 넓거나 같을 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 실리콘층은 슬랩 도파로로 사용되고, 상기 활성층은 채널 도파로로 사용될 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 실리콘층은 채널 도파로로 사용되고, 상기 활성층은 슬랩 도파로로 사용될 수 있다.
상기 일 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은 실리콘층 및 상기 실리콘층 상에 배치되는 화합물 반도체 패턴을 구비하는 하이브리드 레이저 다이오드를 제공한다. 이 하이브리드 레이저 다이오드는 상기 실리콘층 및 상기 화합물 반도체 패턴 사이에 형성된 공진 구조체를 구비하며, 상기 공진 구조체는 상기 실리콘층 및 상기 화합물 반도체 패턴보다 낮은 굴절률을 갖는 물질들로 형성될 수 있다.
이때, 상기 공진 구조체는, 상기 하이브리드 레이저 다이오드가 단일 모드의 레이저를 생성할 수 있도록, 20 내지 100cm-1의 커플링 계수를 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 실리콘층을 노출시키는 개구부들를 정 의하면서 상기 실리콘층 및 상기 화합물 반도체 패턴 사이에 개재되는 본딩막을 더 포함할 수 있다. 이때, 상기 개구부들을 갖는 상기 본딩막은 상기 공진 구조체로 사용된다. 또한, 상기 개구부들은 상기 하이브리드 레이저 다이오드에서 생성되는 빛의 파장에 상응하는 브래그 조건을 충족시키는 배열 및 간격을 갖도록 형성될 수 있으며, 상기 본딩막보다 낮은 굴절률을 갖는 물질로 채워짐으로써 광학적 피드백을 제공하는 브래그 격자를 구성한다.
또한, 상기 본딩막은 10nm 내지 100nm의 두께를 갖는 실리콘 산화막일 수 있으며, 상기 활성 패턴으로부터 연장되어 상기 활성 패턴 주변의 상기 실리콘층을 덮도록 형성될 수 있다. 이때, 상기 공진 구조체로 사용되는 상기 본딩막의 영역은 상기 활성 패턴보다 넓거나 같은 폭을 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 공진 구조체의 커플링 계수는 상기 본딩막의 두께, 상기 본딩막의 굴절률 및 상기 본딩막의 폭 중의 적어도 하나를 제어함으로써 조절될 수 있다.
상기 일 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은 본딩막 내에 회절 패턴을 형성하는 단계를 포함하는 하이브리드 레이저 다이오드의 제조 방법을 제공한다. 이 방법은 실리콘층을 갖는 기판을 준비하고, 상기 실리콘층 상에 실리콘 산화막을 형성하고, 상기 실리콘 산화막을 본딩막으로 사용하여 상기 기판 상에 화합물 반도체층을 부착한 후, 상기 화합물 반도체층을 패터닝하여 활성 패턴을 형성하는 단계를 포함한다. 이때, 상기 실리콘 산화막을 형성하는 단계는 브래그 격자를 구성하는 개구부들을 형성하는 단계를 포함하되, 상기 개구부들은 상기 브래그 격자 가 단일 모드 발진을 위한 커플링 계수를 갖도록 패터닝된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 개구부들은 상기 실리콘 산화막보다 낮은 굴절률을 갖는 물질로 채워질 수 있다. 또한, 상기 실리콘 산화막을 형성하는 단계는, 상기 실리콘 산화막이 상기 단일 모드 발진을 위한 커플링 계수의 조건을 충족시키는 두께 및 폭을 갖도록, 상기 실리콘 산화막을 패터닝하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 레이저 공진을 위한 회절 격자가 실리콘층과 화합물 반도체층 사이의 부착을 위한 본딩막 내에 형성한다. 상기 본딩막은 얇은 두께로 형성될 수 있기 때문에, 본딩막 내에 형성되는 회절 격자는 상기 실리콘층 또는 화합물 반도체층에 회절 격자를 형성하는 경우에 비해 감소된 커플링 계수를 가질 수 있다. 이에 따라, 본 발명에 따른 하이브리드 레이저 다이오드에서 생성되는 레이저는 단일 모드를 가질 수 있다.
이에 더하여, 본 발명에 따르면, 회절 격자의 커플링 계수는, 상기 본딩막의 두께 및 회절 격자가 형성되는 영역의 폭 등과 같은, 용이하게 제어될 수 있는 공정 변수들에 의해 정밀하게 제어될 수 있다. 그 결과, 본 발명에 따른 하이브리드 레이저 다이오드는 단일 모드의 레이저를 생성할 수 있을 뿐만 아니라 개선된 성능을 가질 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 상기 본딩막 내에 형성되는 상기 개구부들은 상기 실리콘층을 노출시키도록 형성된다. 이에 따라, 결정 격자 상수(lattice constant) 의 차이 및 열 팽창 계수의 차이에 따른 스트레스의 문제는 본 발명에 따른 하이브리드 레이저 다이오드에서는 경감될 수 있으며, 열처리 공정의 조건과 관련된 기술적 제약들은 본 발명에 따른 하이브리드 레이저 다이오드의 제조 방법에서는 완화될 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 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 레이저 다이오드의 제조 방법을 설명하기 위한 공정 순서도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 레이저 다이오드를 설명하기 위한 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 하이브리드 레이저 다이오드의 제조 방법은 실리콘층(114)을 포함하는 에스오아이(silicon-on-insulator; SOI) 웨이퍼(100)를 준비(S10)한 후, 상기 실리콘층(114) 상에 본딩막(500)을 형성하는 단계(S20)를 포함한다. 상기 SOI 웨이퍼(100)는 차례로 적층된 실리콘 기판(110), 매몰 절연층(112) 및 상기 실리콘층(114)을 포함할 수 있다. 상기 본딩막(500)은 실리콘 또는 화합물 반도체보다 낮은 굴절률을 갖는 물질들 중의 적어도 한가지일 수 있으며, 그 두께는 대략 10 내지 100nm인 것이 바람직하다. 예를 들면, 상기 본딩막(500)은 열산화 공정 또는 화학기상증착 공정을 통해 형성되는 실리콘 산화막일 수 있다.
이후, 상기 본딩막(500)을 패터닝하여, 상기 실리콘층(114)의 상부면을 노출시키는 개구부들(도 3 및 도 4의 510)을 형성한다(S30). 본 발명에 따르면, 상기 본딩막(500)은 레이징을 위한 공진기(resonator)를 구성한다. 이를 위해, 상기 본딩막(500)의 개구부들(510)은 회절 격자(grating)를 구성하도록 형성될 수 있다. 구체적으로, 레이저가 의도된 파장을 가질 수 있도록, 상기 개구부들(510)은 상기 레이저 파장에 상응하는 브래그 조건(Bragg's condition)을 충족시키는 간격 및 배 치를 갖도록 형성된다. 상기 개구부(510) 및 공진기와 관련된 본 발명의 기술적 특징은 이후 도 3 내지 도 5를 참조하여 다시 설명될 것이다.
상기 개구부들(510)이 형성된 본딩막(500)을 이용하여 상기 SOI 웨이퍼(100) 상에 화합물 반도체 기판(200)을 본딩(S40)한 후, 상기 화합물 반도체 기판(200)을 패터닝하여 활성 패턴(215)을 형성한다(S50). 일 실시예에 따르면, 상기 화합물 반도체 기판(200)은 차례로 적층된 n형 반도체층(210), 활성층(212) 및 p형 반도체층(213)을 포함할 수 있다. 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 포함할 수 있고, 상기 활성층(212)은 인듐-갈륨-비소-인(InGaAsP)층 및 알루미늄-갈륨-인듐-비소(AlGaInAs)층 중의 적어도 하나를 포함할 수 있다. 또한, 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 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, 예시되지 않았지만 알려진 다양한 물질들이 본 발명에 따른 하이브리드 레이저 다이오드를 구현하기 위해 사용될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 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. 이후, 상기 p형 반도체층(213) 및 상기 노출된 n형 반도체층(210)의 상부면들에는, 각각, 상기 발광 다이오드(200)로의 전류 공급을 위한 p-전극(312) 및 n-전극(311)이 형성된다.
도 3은 본 발명에 따른 공진기 구조를 설명하기 위한 공정 단면도이고, 도 4 및 도 5는 공진기로 사용되는 본딩막의 일 영역을 도시한 사시도들이다.
도 3을 참조하면, 상술한 것처럼 상기 본딩막(500) 내에는 2차원적으로 배열되는 복수개의 개구부들(510)이 형성된다. 상기 개구부들(510)은 브래그 산란(Bragg scattering)에 따른 광학적 피드백이 가능하도록, 회절 격자를 구성한다. 이를 위해, 상기 본딩막(500)은 상기 실리콘층(114) 및 상기 활성 패턴(215)보다 낮은 굴절률을 갖는 물질로 형성되고, 상기 개구부들(510) 각각은 상기 본딩막(500)보다 낮은 굴절률을 갖는 매립 매질(gapfill medium)(520)로 채워진다. 예를 들면, 상기 본딩막(500)은 상술한 것처럼 대략 1.5의 굴절률을 갖는 실리콘 산화막일 수 있고, 상기 매립 매질(520)은 대략 1의 굴절률을 갖는 공기일 수 있다.
또한, 상기 개구부들(510) 각각은, 도 4에 도시된 것처럼, 고립된 섬 형태이거나, 도 5에 도시된 것처럼, 라인 또는 스트라이프(stripe) 형태로 형성될 수 있다. 이때, 상기 브래그 산란에 의한 피드백이 발진을 위해 이용될 수 있도록 각각의 개구부들(510) 사이의 간격(d)은 보강 간섭(constructive interference)을 위한 브래그 조건을 충족시키도록 형성된다. 상기 간격(d)은 도시된 것처럼 상기 활성 패턴(215)에서 생성되는 빛이 진행하는 방향 상에서 인접하는 두 개구부들(510) 사이의 이격 거리일 수 있다.
한편, 단일 모드의 레이저를 생성하기 위해서는, 회절 격자를 구성하는 두 물질들(즉, 상기 본딩막(500) 및 상기 매립 매질(520)) 사이의 굴절률 차이를 줄이거나 상기 개구부(510)의 깊이를 증가시키는 것이 요구된다. 구체적으로, 회절 격자가 굴절률의 차이가 큰 물질들로 형성되는 경우, 각각의 격자 패턴(grating pattern)에서의 빛 반사율 및 커플링 계수가 높아지기 때문에, 회절 격자의 내부를 진행하는 빛은 국소화된 영역 내에서 공진 모드를 형성한다. 이러한 현상은 단일 모드의 레이저를 구현하는 것을 어렵게 만들기 때문에, 공진기의 크기가 작은 경우에만 단일 모드의 레이저가 생성될 수 있다. 하지만, 공진기의 크기가 작아질 경우, 레이저 다이오드의 출력을 증가시키기 어렵다. 결과적으로, 단일 모드의 레이저를 생성하기 위해서는, 적정한 크기(예를 들면, 대략 20 내지 100cm-1)의 커플링 계수를 갖도록 상기 회절 격자를 구성하는 것이 요구된다.
종래의 기술들에 따르면, 회절 격자를 위한 개구부들은 대략 4 또는 3.5의 굴절률을 갖는 실리콘층 또는 화합물 반도체층 내에 형성되고, 상기 개구부들은 낮은 굴절률의 공기 또는 실리콘 산화막으로 채워진다. 회절 격자의 커플링 계수는 굴절률의 제곱의 차이에 비례하기 때문에, 종래 기술에 따른 회절 격자는 굴절률의 큰 차이에 따른 상술한 기술적 문제들을 수반한다. 구체적으로, 실리콘층 또는 화합물 반도체층에 형성되는 개구부의 깊이가 대략 20nm인 경우, 회절 격자의 커플링 계수는 대략 600cm-1로 과도하게 큰 값을 갖게 되어, 단일 모드의 레이저를 생성하 기 어렵다. 비록, 개구부의 깊이를 대략 2nm로 형성하는 경우, 요구되는 커플링 계수를 달성할 수 있지만, 이러한 개구부 얕은 깊이는 증가된 공정 오차를 수반하기 때문에 현실적으로 달성되기 어렵다.
이에 비해, 본 발명에 따르면, 회절 격자를 위한 개구부들(510)은 낮은 굴절률을 갖는 상기 본딩막(500) 내에 형성되고, 상기 개구부들(510)은 상기 본딩막(500)보다 낮은 굴절률을 갖는 매립 매질(520)로 채워진다. 그 결과, 상술한 굴절률의 큰 차이에 따른 단일 모드 형성에서의 어려움은 본 발명에 따른 공진기에서는 감소될 수 있다. 즉, 상기 본딩막(500)을 이용하는 본 발명에 따른 공진기는 단일 모드 발진을 위해 요구되는 대략 20 내지 100cm-1의 커플링 계수를 용이하게 얻을 수 있다. 바람직하게는, 상기 커플링 계수는 대략 40 내지 70 cm-1일 수 있다.
한편, 이종 물질들이 접촉할 경우, 결정 격자 상수(lattice constant)의 차이 및 열 팽창 계수의 차이에 따른 스트레스가 발생할 수 있다. 이러한 스트레스는 활성 패턴에서의 결함(defect)을 유발할 수 있기 때문에, 웨이퍼 본딩 공정은 제한된 온도 조건 아래에서 실시되는 것이 요구된다. 하지만, 본 발명에 따르면, 상기 본딩막(500) 내에 형성되는 상기 개구부들은 상기 실리콘층을 노출시키도록 형성되기 때문에, 이러한 스트레스를 완화시키는데 기여한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 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 수행되었으 며, 사용된 시뮬레이터는 RSoft사가 제공하는 BeamPROP FullWAVE BandSOLVE였다.
[표 1]
p형 반도체층 (213) 활성층 (212) n형 반도체층 (210) 본딩막 (500) 실리콘층 (114) 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 6을 참조하면, 레이저의 단면 도파 모드(transverse waveguide mode)는 주로 상기 실리콘층(114)에 분포하지만, 본 발명에 따른 공진기로 사용되는 상기 본딩막(500) 내에도 분포하였다. 회절 격자의 커플링 계수는 상기 본딩막(500) 내에 분포된 도파 모드의 세기에 의존적일 수 있다. 상기 본딩막(500) 내에 분포되는 도파 모드의 세기는 상기 실리콘층(114)의 두께 등과 같은 소자의 기하학적 구조를 변경하는 방법을 통해 조절될 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 레이저 다이오드의 기술적 특징을 설명하기 위한 사시도이다. 이 실시예에 따른 하이브리드 레이저 다이오드는 도 2 내지 도 5를 참조하여 설명된 앞선 실시예들의 그것과 유사하므로, 중복되는 내용에 대한 설명은 생략한다.
도 7을 참조하면, 상기 본딩막(500)은 상기 개구부들(510)이 형성되는 회절 격자 영역(grating region)을 가지면서, 상기 활성 패턴(215) 및 상기 실리콘층(114) 사이에 개재된다. 상기 회절 격자 영역에 형성되는 개구부들(510)은 도시된 것처럼 라인 또는 스트라이프(stripe) 형태일 수 있지만, 도 4를 참조하여 설명된 것처럼 2차원적으로 배열된 섬 모양일 수도 있다. 일 실시예에 따르면, 상술한 것처럼, 상기 개구부들(510)은 공기로 채워지거나, 상기 본딩막(500)보다 낮은 굴절률을 갖는 고상의 매립 매질(solid gapfill medium)로 채워질 수 있다.
상기 본딩막(500)은, 도시된 것처럼, 슬랩 도파로를 구성하는 상기 실리콘층(114)의 상부면을 덮도록 상기 활성 패턴(215)의 하부로부터 측방향으로 연장(laterally extended)될 수 있다. 이때, 상기 개구부들(510)은 상기 활성 패턴(215)을 가로지르는 방향으로 형성되고, 그 길이(w)는 상기 활성 패턴(215)의 폭보다 넓거나 같을 수 있다.
한편, 본 발명에 따르면, 상기 회절 격자의 커플링 계수는 다양한 방법들을 통해 원하는 크기(대략 40 내지 70cm-1)를 갖도록 조절될 수 있다. 예를 들면, 상기 회절 격자의 커플링 계수는 상기 본딩막(500)의 두께를 변경하거나, 상기 본딩막(500) 및 상기 매립 매질(520)의 종류를 변경하거나, 상기 회절 격자 영역의 폭을 조절하는 방법들을 통해 제어될 수 있다. 특히, 도 8을 참조하여 설명될 것처럼, 상기 커플링 계수는 상기 회절 격자 영역의 폭을 변경시키는 방법을 통해 미세한 조절될 수 있다는 점에서, 본 발명은 개선된 성능의 하이브리드 레이저 다이오드의 제작을 가능하게 한다.
한편, 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 있 다. 이 경우, 상기 연결 도파로(150)는 상기 실리콘층(114)으로 이루어진 상기 슬랩 도파로(SW)로부터 상기 광학 소자로 연장된다.
한편, 도 6에 도시된 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 효율이 큰 것이 바람직하다. 이러한 전달 효율의 증대를 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, 도시된 것처럼, 상기 테이퍼진 모양(taper shape)일 수 있다.
한편, 상기 전달 효율은 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 전달 효율 및 도파 모드를 제어하기 위한 방법으로 사용될 수 있다. 특히, 충분히 큰 전달 효율을 얻기 위해서는, 상기 연결 도파로(150)는 상기 활성 패턴(215)보다 넓은 폭을 갖도록 형성되는 것이 바람직하다.
도 8은 회절 격자 영역의 폭과 이 영역에서의 커플링 계수 사이의 관계를 시뮬레이션한 결과를 보여주는 그래프이다. 이 시뮬레이션은 상기 본딩막(510) 및 상기 매립 매질(520)이 각각 실리콘 산화막 및 공기인 조건 아래에서 실시되었으 며, 상기 본딩막(510)의 두께는 20nm로 가정되었다. 그래프에서, 가로축은 회절 격자 영역의 폭(도 7의 d)을 나타내고, 세로축은 회절 격자의 커플링 계수를 나타낸다. 또한, 가로축에 도시된 회절 격자 영역의 최소 폭(2um)는 활성 패턴의 폭에 해당한다.
도 8을 참조하면, 커플링 계수는 상기 회절 격자 영역의 폭이 증가함에 따라 대략 40 cm-1에서 55cm-1로 증가하였다. 구체적으로, 커플링 계수는 대략 5um 이상에서는 대략 55cm-1의 포화값(saturated value)를 가졌지만, 대략 2um와 5um 사이에서는 큰 기울기를 가졌다. 이런 점에서, 상기 회절 격자 영역의 폭을 조절하는 방법을 통해 커플링 계수를 미세하게 조절할 수 있음을 알 수 있다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 하이브리드 레이저 다이오드를 설명하기 위한 단면도이다. 상기 실리콘층이 채널 도파로로 사용되는 점을 제외하면, 이 실시예는 앞선 실시예의 그것과 유사하므로, 중복되는 내용에 대한 설명은 생략한다.
도 9를 참조하면, 이 실시예에 따르면, 상기 화합물 반도체층(200)의 부착 공정 전에, 상기 실리콘층(114)을 패터닝하여 채널 도파로(CW)를 형성하는 단계가 실시된다. 즉, 상기 채널 도파로(CW)를 구성하는 실리콘층(114)의 주변에는 상기 매몰 절연층(112)을 노출시키는 보이드 영역(99)이 형성된다.
이후, 상기 본딩막(500)을 형성한 후, 이를 패터닝하여 브래그 격자를 구성하는 개구부들(도 3 및 도 4의 510)을 형성한다. 상기 개구부들(510)은 앞선 실시 예들에서 설명된 방법을 통해 형성될 수 있다. 본 발명의 변형된 실시예에 따르면, 상기 본딩막(500) 및 상기 개구부(510)를 형성하는 단계는 상기 실리콘층(114)을 패터닝하여 상기 채널 도파로(CW)를 형성하기 전에 실시될 수 있다.
이후, 상기 화합물 반도체층(200)을 상기 본딩막(500)에 부착한 후, 상기 화합물 반도체층(200)을 패터닝하여 활성 패턴(215)을 형성한다. 상기 화합물 반도체층(200)은 차례로 적층된 n형 반도체층(210), 활성층(212) 및 p형 반도체층(213)을 포함하며, 상기 활성 패턴(215)을 형성하는 단계는 상기 n형 반도체층(210)의 상부면이 노출되도록 상기 p형 반도체층(213) 및 상기 활성층(212)을 패터닝하는 단계를 포함한다. 이 실시예에 따르면, 상기 활성 패턴(215)은 상기 채널 도파로(CW)보다 넓은 폭을 갖도록 패터닝됨으로써, 슬랩 도파로(SW)를 구성한다.
한편, 본 발명의 변형된 실시예들에 따르면, 상기 개구부들(510)을 갖는 본딩막(500)은 상기 실리콘층(114)이 아니라 상기 화합물 반도체층(200)의 n형 반도체층(210)의 하부면에 형성될 수도 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 레이저 다이오드의 제조 방법을 설명하기 위한 공정 순서도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 레이저 다이오드를 설명하기 위한 단면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 공진기 구조를 설명하기 위한 공정 단면도이다.
도 4 및 도 5는 공진기로 사용되는 본딩막의 일 영역을 도시한 사시도들이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 레이저 다이오드에서 생성되는 광학적 모드를 보여주는 시뮬레이션 결과이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 레이저 다이오드의 기술적 특징을 설명하기 위한 사시도이다.
도 8은 회절 격자 영역의 폭과 이 영역에서의 커플링 계수 사이의 관계를 시뮬레이션한 결과를 보여주는 그래프이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 하이브리드 레이저 다이오드를 설명하기 위한 단면도이다.

Claims (17)

  1. 실리콘층;
    상기 실리콘층 상에 배치되는 활성 패턴; 및
    상기 실리콘층 및 상기 활성 패턴 사이에 배치되는 본딩막을 구비하되,
    상기 본딩막은 브래그 격자를 구성하는 회절 패턴들을 구비하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 레이저 다이오드.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 본딩막의 회절 패턴들은 상기 실리콘층을 노출시키는 개구부들을 정의하도록 형성되되,
    상기 개구부들은, 상기 하이브리드 레이저 다이오드에서 생성되는 빛의 파장에 상응하는, 브래그 조건을 충족시키는 간격 및 배치를 갖도록 형성되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 레이저 다이오드.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 개구부들은 상기 본딩막보다 낮은 굴절률을 갖는 물질로 채워지는 것을 특징으로 하는 하이브리드 레이저 다이오드.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 본딩막은 상기 실리콘층 및 상기 활성 패턴보다 낮은 굴절률을 갖는 물질로 형성되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 레이저 다이오드.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 본딩막은 실리콘 산화막인 것을 특징으로 하는 레이저 다이오드.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 본딩막의 두께는 10nm 내지 100nm인 것을 특징으로 하는 하이브리드 레이저 다이오드.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 회절 패턴의 커플링 계수는 20 내지 100cm-1이고,
    상기 회절 패턴의 커플링 계수는 상기 본딩막의 두께, 상기 본딩막의 굴절률 및 상기 회절 패턴이 형성되는 본딩막의 폭 중의 적어도 하나를 제어함으로써 조절되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 레이저 다이오드.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 본딩막은 상기 활성 패턴으로부터 연장되어 상기 활성 패턴 주변의 상기 실리콘층을 덮도록 형성되되,
    상기 회절 패턴이 형성되는 본딩막의 폭은 상기 활성 패턴보다 넓거나 같은 것을 특징으로 하이브리드 레이저 다이오드.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 실리콘층은 슬랩 도파로로 사용되고, 상기 활성 패턴은 채널 도파로로 사용되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 레이저 다이오드.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 실리콘층은 채널 도파로로 사용되고, 상기 활성 패턴은 슬랩 도파로로 사용되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 레이저 다이오드.
  11. 실리콘층 및 상기 실리콘층 상에 배치되는 화합물 반도체 패턴을 구비하는 하이브리드 레이저 다이오드에 있어서,
    상기 실리콘층 및 상기 화합물 반도체 패턴 사이에 형성된 공진 구조체를 구비하되, 상기 공진 구조체는 상기 실리콘층 및 상기 화합물 반도체 패턴보다 낮은 굴절률을 갖는 물질들로 형성되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 레이저 다이오드.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 공진 구조체는, 상기 하이브리드 레이저 다이오드가 단일 모드의 레이 저를 생성할 수 있도록, 20 내지 100cm-1의 커플링 계수를 갖는 것을 특징으로 하는 하이브리드 레이저 다이오드.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 실리콘층을 노출시키는 개구부들를 정의하면서 상기 실리콘층 및 상기 화합물 반도체 패턴 사이에 개재되는 본딩막을 더 포함하되,
    상기 개구부들을 갖는 상기 본딩막은 상기 공진 구조체로 사용되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 레이저 다이오드.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 개구부들은 상기 하이브리드 레이저 다이오드에서 생성되는 빛의 파장에 상응하는 브래그 조건을 충족시키는 배열 및 간격을 갖도록 형성되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 레이저 다이오드.
  15. 제 13 항에 있어서,
    상기 개구부들은 상기 본딩막보다 낮은 굴절률을 갖는 물질로 채워짐으로써, 상기 개구부들은 광학적 피드백을 제공하는 브래그 격자를 구성하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 레이저 다이오드.
  16. 실리콘층을 갖는 기판을 준비하는 단계;
    상기 실리콘층 상에 실리콘 산화막을 형성하는 단계;
    상기 실리콘 산화막을 본딩막으로 사용하여 상기 기판 상에 화합물 반도체층을 부착하는 단계; 및
    상기 화합물 반도체층을 패터닝하여 활성 패턴을 형성하는 단계를 포함하되,
    상기 실리콘 산화막을 형성하는 단계는 브래그 격자를 구성하는 개구부들을 형성하는 단계를 포함하되, 상기 개구부들은 상기 브래그 격자가 단일 모드 발진을 위한 커플링 계수를 갖도록 패터닝되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 레이저 다이오드의 제조 방법.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 개구부들은 상기 실리콘 산화막보다 낮은 굴절률을 갖는 물질로 채워지고,
    상기 실리콘 산화막을 형성하는 단계는, 상기 실리콘 산화막이 상기 단일 모드 발진을 위한 커플링 계수의 조건을 충족시키는 두께 및 폭을 갖도록, 상기 실리콘 산화막을 패터닝하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 레이저 다이오드의 제조 방법.
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