KR100959170B1 - 금속 박막 히터가 집적되어 있는 자기 발진 다중 영역 ｄｆｂ 레이저 다이오드의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 금속 박막 히터가 집적되어 있는 자기 발진 다중 영역 분포귀환(Distributed Feedback; 이하 DFB) 레이저 다이오드 및 그의 제조방법에 관한 것으로 회절 격자를 포함하는 두 개 이상의 DFB 레이저 영역과 이들 영역 사이에 존재하는 위상 조절 영역으로 구성되며, 상기 하나 이상의 DFB 레이저 영역에는 금속 박막 히터를 집적할 수 있다. 본 발명에 의하면, 각각의 DFB 레이저 영역에서 매우 안정적이며 상호 코히어런트한 특성을 갖는 서로 다른 파장의 두 모드를 연속적으로 방출함으로써 자기 발진 현상을 발생시키고, DFB 레이저 영역에 집적된 금속 박막 히터에 전류를 주입하여 자기 발진 주파수를 연속적으로 폭넓게 조절할 수 있다. 또한, 회절 격자 형성 시 1회 노광을 통한 홀로그램 리소그래피 방법을 사용하여 제작공정을 간단히 하며, 상기 회절 격자의 주기를 동일하게 하여 대량 생산이 가능한 효과를 얻을 수 있다.
자기 발진, 금속 박막 히터, 다중영역, 분포귀환(DFB), 레이저 다이오드
Description
본 발명은 회절격자를 포함하는 두 개 이상의 DFB 레이저 영역과 그 사이에 위상 조절 영역을 구성하고, 하나 이상의 DFB 레이저 영역에 금속 박막 히터를 집적시킨 자기 발진 다중 영역 DFB 레이저 다이오드의 제조방법에 관한 것이다.
자기 발진 다중 전극 DFB 레이저 다이오드는 넓은 주파수 대역의 자기 발진 신호를 발생시키는 소자이므로 광통신, 광신호처리, 광밀리미터파 및 테라헤르츠파 생성 등에 사용된다.
상기 다중 영역 DFB 레이저에서 두 개의 DFB 레이저 영역은 서로 다른 발진 파장을 가진 레이저로 동작하고, 각각의 DFB 레이저는 연속적이고 안정적인 코히어런트한 빛을 방출한다. 이 경우 서로 다른 파장을 가진 코히어런트한 두 개의 발진 모드의 비팅에 의해 자기 발진 현상이 발생한다.
이러한 반도체 소자를 제작하기 위해 기존에 사용했던 방법은 서로 다른 파장을 발진시키기 위하여 회절격자의 주기를 서로 다르게 제작하는 것이다. 격자 주기를 서로 다르게 제작하는 방법으로는 홀로그램 리소그래피 방법과 전자빔 리소그래피 방법이 있다.
상기 홀로그램 리소그래피 방법은 공정 시간이 짧고 대량 생산이 가능하나, 회절격자의 주기를 다르게 제작하기 위한 추가 공정이 필요하고, 회절격자 제작 시 회절격자 주기에 대한 해상도가 좋지 않아 발진 파장을 세밀하게 조절하는 것은 매우 어렵기 때문에 자기 발진 주파수가 약 600GHz 이상 대역에서 사용 가능하다.
상기 전자빔 리소그래피 방법은 상기 홀로그램 리소그래피 방법보다 회절격자의 주기에 대한 해상도가 우수하여 자기 발진 주파수가 약 200GHz 이상부터 가능하나, 공정 시간이 길어 대량 생산이 불가능한 문제가 있다. 그리고, 200GHz 이하의 자기 발진 주파수는 불가능한 문제가 있다.
따라서, 실제 광통신 및 광신호 처리 등 응용분야에 적용하기 위해서는 자기 발진 주파수의 정확한 튜닝과 넓은 주파수 범위에서의 튜닝이 요구된다.
본 발명은 종래 기술의 문제점을 해소하기 위하여 다중 영역 DFB 레이저 다이오드에 금속 박막 히터를 집적하여 넓은 주파수 대역의 자기 발진 신호를 생성하고, 자기 발진 주파수의 세밀한 튜닝과 폭넓은 범위에서 주파수 튜닝이 가능하며, 단순한 제작 공정으로 대량생산이 가능하고 제작 수율을 향상시킬 수 있는 금속 박막 히터가 집적되어 있는 자기 발진 다중 영역 DFB 레이저 다이오드 및 그의 제조방법을 제공하는 데에 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 두개 이상의 분포귀환(DFB) 레이저영역과, 상기 두개 이상의 분포귀환 레이저영역의 사이에 형성되는 위상조절영역을 구비하는 자기 발진 다중영역 DFB 레이저 다이오드 제조방법으로, 기판상에 회절격자 층을 적층하는 단계와, 상기 기판상에 적층된 회절격자 층 중 상기 위상조절영역 상에 적층된 회절격자 층을 제거하는 단계와, 회절격자 층이 제거된 상기 위상조절영역 상에 수동 도파로 층을 형성하는 단계와, 상기 두개 이상의 분포귀환 레이저영역 및 상기 위상조절영역 상의 각각에 전극을 형성하는 단계와, 상기 두개 이상의 분포귀환 레이저영역 중 어느 하나의 분포귀환 레이저영역의 상기 전극의 상부에 금속 박막 히터를 형성하는 단계를 포함하는 금속 박막 히터가 집적되어 있는 자기 발진 다중 영역 DFB 레이저 다이오드 제조 방법이다.
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본 발명에서 상기 회절 격자층을 제거하는 단계에서 상기 회절 격자층은 습식 식각에 의해 제거하는 것이 바람직하다.
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본 발명에서 상기 회절 격자층을 제거하는 단계 및 상기 수동 도파로층으로 형성하는 단계를 동시에 수행하는 것이 바람직하다.
본 발명에 의하면 DFB 레이저 영역의 회절 격자 주기를 형성할 때, 1회의 홀로그램 리소그래피 방법을 사용함에 따라 제작 공정이 간단하며 공정 시간이 절감되는 효과가 있다.
또한, 적어도 하나의 DFB 레이저 영역의 상부에 금속 박막 히터를 집적함에 따라 공정이 간단하여 대량생산이 가능하고, 광범위한 주파수 영역의 자기 발진 신호를 생성하며, 자기 발진 주파수를 세밀하게 조절할 수 있는 효과가 있다.
그리고, 안정된 자기 발진 신호를 발생함에 따라 광통신, 광신호처리, 광밀리미터파 생성 등 다양하게 이용할 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 하기의 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하며, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.
도 1a 내지 도 1c는 본 발명의 일 실시 예에 따른 금속 박막 히터가 집적되어 있는 다중 영역 DFB 레이저 다이오드의 구조를 나타낸 도면이다.
도 1a를 참조하면, 제 1 DFB 레이저 영역(100), 제 2 DFB 레이저 영역(110), 위상 조절 영역(120), 금속 박막 히터층(130) 및 절연층(140)을 포함한다.
상기 제 1DFB 레이저 영역(100)은 기판(101), n·p형 인듐인(InP) 버퍼층(102a, 102b), 상·하부 헤테로 구조(separate-confinement heterostructure; 이하 SCH)층(103a,103b), 회절격자층(104), 활성층(106) 및 제 1 DFB 레이저 영역 전극(108)을 포함하고, 상기 제 2 DFB 레이저 영역(110)은 제 1 DFB 레이저 영역과 동일한 구조에 추가로 절연층(140) 및 금속 박막 히터층(130)을 포함한다. 그리고, 상기 위상 조절 영역(120)은 n·p형 인듐인(InP) 버퍼층(102a, 102b), 수동 도파로층(122) 및 위상 조절 영역 전극(128)을 포함한다.
상기 제 1DFB 레이저 영역(100), 제 2DFB 레이저 영역(110) 및 위상 조절 영역(120)은 빛을 측면(lateral) 방향으로 구속(confinement) 시키기 위하여 릿지(Ridge) 도파로, 매립형(Buried) 도파로, 스트립(Strip) 도파로 및 리브(Rib) 도 파로 구조 중 선택되는 어느 하나의 레이저 도파로 구조의 형태로 형성된다.
그리고, 한정되는 것은 아니나 상기 레이저 도파로 구조에서 폭은 측면 측면방향으로 단일 모드가 발진하기 위하여 매립형(Buried) 도파로 및 스트립(Strip) 도파로 형태일 경우에는 1~1.5㎛, 릿지(Ridge) 도파로 및 리브(Rib) 도파로 형태일 경우에는 2~3㎛로 형성하는 것이 바람직하다.
상기 회절격자층(104)은 상기 제 1DFB 레이저 영역(100) 및 제 2DFB 레이저 영역(110)에는 동일한 회절격자로 형성되며, 상기 회절격자는 1회 노광을 통한 홀로그램 리소그래피 방법을 통해 형성한다. 이에 따라 상기 회절격자의 주기는 웨이퍼 전면에 걸쳐서 동일하며 추가 공정을 필요로 하지 않기 때문에 공정이 간단하고 공정시간이 단축되어 대량 생산이 가능한 효과가 있다.
상기 회절격자의 형태는 어떠한 도형이라도 무관하며, 바람직하게는 원형, 직사각형, 삼각형, 마름모형, 사다리꼴형 및 그외의 다각형 중 선택되는 어느 하나의 형태로 일정한 주기를 가지면서 상기 회절격자층(104)을 형성할 수 있다.
그리고, 상기 회절격자 종류는 상기 회절격자층(104)의 물질 및 구조에 따라 인덱스 회절격자, 이득 회절격자, 복소 회절격자 및 위상 지연 회절격자로 구분되는데, 이중 어떤 종류를 선택하여도 무방하다.
상기 위상 조절 영역(120)에는 회절격자가 존재하지 않으므로, 상기 위상 조절 영역(120)에 형성되는 회절격자는 선택적으로 습식 식각을 통해 제거할 수 있다.
상기 위상 조절 영역(120)은 상기 제 1 DFB 레이저 영역(100)과 상기 제 2 DFB 레이저 영역(110)은 사이에 위치하며, DFB 레이저 영역이 두 개 이상 예를 들어, 다수 개 위치할 경우에는 각각의 DFB 레이저 영역 사이에 위치할 수 있다.
상기 위상 조절 영역(120)은 회절격자가 존재하지 않으며, 상기 활성층(106) 대신 수동 도파로층(122)이 형성됨으로써 전류가 주입되면 상기 제 1,2 DFB 레이저 영역(100, 110)에서 발생 된 빛의 위상을 조절할 수 있다.
상기 위상 조절 영역(120)을 제조하기 위해서는, 상기 회절격자를 선택적으로 제거한 후, 하부 SCH층(130a), 활성층(106), 상부 SCH층(103b), p형 인듐인(InP) 버퍼층(102b) 순으로 성장한다.
그리고, 상기 위상 조절 영역(120)에는 상기 활성층(106)과 상·하부 SCH층(103a, 103b)이 존재하지 않기 때문에 상기 활성층(106)과 상·하부 SCH층(103a, 103b)을 선택적으로 건식 및 습식 식각을 통해 제거한다.
상기 활성층(106)을 제거한 후, 상기 위상 조절 영역(120)에 수동 도파로층(122)을 형성하기 위하여 활성층보다 밴드갭 파장이 작은 물질을 성장하고, 그 상부에 p형 인듐인(InP) 버퍼층(102b)을 성장한다.
즉, 상기 위상 조절 영역(120)을 형성하기 위해서는 상기 회절격자층(104)을 제거하는 공정과 수동 도파로층(122)을 형성하는 공정을 실행하여야 한다.
그리고, 상기 회절격자층(104), 활성층(106) 및 상·하부 SCH층(103a, 103b)을 동시에 식각하여, 상기 두 공정은 동시에 수행할 수도 있다.
상기 제 1,2 DFB 레이저 영역 전극(108, 118) 및 위상 조절 영역 전극(128)은 각 영역의 상부에 형성된다.
상기 금속 박막 히터층(130)은 상기 제 1,2 DFB 레이저 영역 전극(108, 118) 중 적어도 하나 이상의 전극의 상부에 집적된다.
상기 금속 박막 히터층(130)은 백금(Pt), 금(Au), 알루미늄(Al), 크롬(Cr), 니켈(Ni), 타이타늄(Ti), 구리(Cu) 및 은(Ag)으로 구성된 그룹 중 선택되는 하나 또는 하나 이상의 복합층으로 구성할 수 있으며, 한정되는 것은 아니나 상기 금속 박막 히터층(130)의 폭은 10~20㎛, 두께는 200~1000nm로 구성하는 것이 바람직하다.
상기 절연층(140)은 상기 제 1,2 DFB 레이저 영역 전극(108, 118)과 상기 금속 박막 히터층(130)의 절연을 위해 산화실리콘(SiO2) 또는 질화실리콘(SiNx)으로 형성된다.
상기 도 1b는 상기 도 1a의 단면도이며, 도 1c는 상기 도 1a의 상면도로서, 본 발명의 자기 발진 다중 영역 DFB 레이저 다이오드를 더욱 자세히 알 수 있다.
본 발명에 의하면, 제 1,2 DFB 레이저 영역의 회절격자 주기가 동일하여 상기 두 영역의 전류가 주입되면 발진하는 파장은 거의 동일하다. 이 경우 상기 두 영역 중 한쪽 DFB 레이저 영역에 집적된 금속 박막 히터에 전류가 가해지면 열이 발생하고, 발생된 열로 인하여 유효 굴절률이 변화됨으로써 발진 파장이 변한다.
따라서 상기 제 1 DFB 레이저 영역 및 상기 제 2 DFB 레이저 영역에서 발진하는 모드의 파장 차이가 발생하여, 서로 다른 파장을 가진 두 개의 모드가 발진하 고, 이러한 두 모드의 모드 비팅에 의해 자기 발진 현상이 발생한다. 이 경우, 자기 발진 주파수는 파장 차이에 해당되는 주파수임을 알 수 있다.
예를 들어, IEE Electronic Letters (vol. 39, no. 25, 2003)에는 "Tunable InGaAsP/InP DFB lasers at 1.3㎛ integrated with Pt thin film heaters deposited by focused ion beam"이라는 제목으로 금속 박막 히터에 전류를 가하면 발진 파장이 최대 4.9nm 튜닝되며, 이 결과를 본 발명에 적용하면 다중 전극 DFB 레이저 다이오드에서 박막 히터에 전류를 주입함으로써 4.9nm까지의 파장 차이가 가능하다. 자기 발진 주파수는 파장 차이에 해당되므로, 낮은 주파수 대역부터 약 600 GHz 까지 자기 발진 현상이 가능함을 알 수 있다.
요컨대, 본 발명의 다중 전극 DFB 레이저 다이오드에서 금속 박막 히터에 전류를 주입하여 자기 발진 주파수를 세밀하게 튜닝할 수 있고 그 튜닝 범위는 약 600 GHz로 매우 넓은 것이 특징이며, 종래의 방법으로는 얻기 힘든 주파수 대역인 0~200 GHz의 자기 발진 신호 발생이 가능한 것을 알 수 있다.
본 발명의 회절 격자를 형성하는 홀로그램 리소그래피 방법은 하나의 레이저에서 방출되는 빔을 기판과 거울면에 주사하게 되면, 직접 기판에 주사된 빔과 거울면에 반사되어 다시 기판에 주사되는 빔과의 위상차가 발생하게 되는데 이러한 두 개의 위상 차가 나는 빔의 보강 간섭 및 상쇄 간섭에 의해 회절 격자 패턴을 형성시키는 방법이다.
따라서, 이 방법은 정렬된 시스템에 빛을 1회 노광시키는 작업으로 매우 간 단하고 공정시간이 짧아 대량생산이 가능하므로 동일한 회절격자를 제작하는 데 주로 사용된다.
본 발명에 따르면 동일한 회절격자를 가진 다중 전극 DFB레이저에서 금속 박막 히터에 전류를 주입하여 약 600 GHz이하의 자기 발진 주파수 신호를 얻을 수 있다.
그리고, 600 GHz 이상 자기 발진 주파수 신호를 얻기 위해서는 두 개 이상의 DFB 레이저 영역의 회절격자 주기를 서로 다르게 제작하여야 하므로 2회의 홀로그램 리소그래피 방법을 하거나, 전자빔 리소그래피 방법 1회 사용할 수 있다.
상기 전자빔 리소그래피 방법을 1회 사용할 경우에는 두 개 이상의 DFB 레이저 영역의 회절격자 주기를 서로 다르게 제작할 수 있으나 공정시간이 길어 대량 생산이 불가능한 단점이 있지만, 상기 홀로그램 리소그래피 방법을 2회 사용할 경우에는 1회의 추가 공정이 존재하지만, 공정 시간이 짧아 대량 생산이 가능하기 때문에, 본 발명에서는 상기 홀로그램 리소그래피 방법을 사용한다.
즉, 본 발명은 1회의 홀로그램 리소그래피 방법을 사용하여 회절격자를 제작하고, 박막 히터층이 집적된 다중 영역 DFB 레이저 다이오드에서는 600GHz 이하의 자기 발진 신호를 생성할 수 있으며, 금속 박막 히터에 전류를 주입하여 연속적으로 세밀하게 튜닝할 수 있다. 또한, 2회의 홀로그램 리소그래피 방법을 사용하여 회절격자 주기를 서로 다르게 제작하면 600GHz 이상의 자기 발진 신호의 생성이 가능하고 또한 박막 히터에 전류를 주입하여 넓은 튜닝 범위에서 세밀하게 자기 발진 주파수를 튜닝할 수 있다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다"등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
당업자는 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 설명된 실시형태를 변경 또는 변형할 수 있으며, 이러한 변경 또는 변형도 본 발명의 범위에 속한다. 또한, 본 명세서에서 설명한 각 구성요소의 물질은 당업자가 공지된 다양한 물질로부터 용이하게 선택하여 대처할 수 있다. 또한, 당업자는 본 명세서에서 설명된 구성요소 중 일부를 성능의 열화 없이 생략하거나 성능을 개선하기 위해 구성요소를 추가할 수 있다. 뿐만 아니라, 당업자는 공정 환경이나 장비에 따라 본 명세서에서 설명한 방 법 단계의 순서를 변경할 수도 있다. 따라서 본 발명의 범위는 설명된 실시형태가 아니라 특허청구범위 및 그 균등물에 의해 결정되어야 한다.
도 1a 내지 도 1c는 본 발명의 일 실시 예에 따른 금속 박막 히터가 집적되어 있는 다중 영역 DFB 레이저 다이오드의 구조를 나타낸 도면.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100 : 제 1 DFB 레이저 영역 101 : 기판
102a, 102b : n·p형 버퍼층 103a, 103b : 상·하부 SCH
104 : 회절 격자 106 : 활성층
108 : 제 1 DFB 레이저 영역 전극
110 : 제 2 DFB 레이저 영역 112 : 제 2레이저 도파로
118 : 제 2 DFB 레이저 영역 전극
120 : 위상 조절 영역 122 : 수동 도파로층
128 : 위상 조절 영역 전극
130 : 금속 박막 히터층 140 : 절연층
Claims (11)
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- 두개 이상의 분포귀환(DFB) 레이저영역과, 상기 두개 이상의 분포귀환 레이저영역의 사이에 형성되는 위상조절영역을 구비하는 자기 발진 다중영역 DFB 레이저 다이오드 제조방법으로,기판상에 회절격자 층을 적층하는 단계와,상기 기판상에 적층된 회절격자 층 중 상기 위상조절영역 상에 적층된 회절격자 층을 제거하는 단계와,회절격자 층이 제거된 상기 위상조절영역 상에 수동 도파로 층을 형성하는 단계와,상기 두개 이상의 분포귀환 레이저영역 및 상기 위상조절영역 상의 각각에 전극을 형성하는 단계와,상기 두개 이상의 분포귀환 레이저영역 중 어느 하나의 분포귀환 레이저영역의 상기 전극의 상부에 금속 박막 히터를 형성하는 단계를 포함하는 금속 박막 히터가 집적되어 있는 자기 발진 다중 영역 DFB 레이저 다이오드 제조 방법.
- 제 8항에 있어서,상기 회절격자 층을 제거하는 단계에서 상기 회절격자 층은 습식 식각에 의해서 제거하는 것을 특징으로 하는 금속 박막 히터가 집적되어 있는 자기 발진 다중 영역 DFB 레이저 다이오드 제조 방법.
- 삭제
- 제 8항에 있어서,상기 회절격자 층을 제거하는 단계 및 상기 수동 도파로 층으로 형성하는 단계를 동시에 수행하는 것을 특징으로 하는 금속 박막 히터가 집적되어 있는 자기 발진 다중 영역 DFB 레이저 다이오드 제조 방법.
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