KR101009408B1 - 다중 영역 반도체 레이저 및 그의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 다중 영역 반도체 레이저 및 그의 제조방법에 관한 것으로 제조 공정 시 두 개의 이산화 실리콘 마스크(SiO2)를 이용한 선택 영역 성장 기술을 사용하여 반도체 레이저의 PL peak를 조절함으로써 회절격자 형성 공정을 한번 수행하여 테라헤르츠파를 발생할 수 있다.
본 발명에 의하면, 어려운 공정인 회절 격자 형성 공정의 횟수를 줄임으로써 공정이 간단해지고 그에 따른 테라헤르츠파 발생 반도체 레이저의 수율을 향상시키며, 모드 비팅에 따른 안정적인 테라헤르츠파를 생성할 수 있다.
테라헤르츠파, 이산화실리콘 마스크, 선택영역 성장방법

Description

다중 영역 반도체 레이저 및 그의 제조방법{MULTI-AREA SEMICONDOUCTOR LASER AND ITS MANUFACTURE METHOD}
본 발명은 선택 영역 성장 기술을 사용하여 한번의 회절 격자 형성 공정을 통해 테라헤르츠 파를 발생하는 다중 영역 반도체 레이저 및 그의 제조방법에 관한 것이다.
광통신의 전송거리 증가에 필수적인 좁은 발진 스펙트럼을 가진 DFB (Distributed Feedback) LD를 비롯하여 WDM(wavelength division multiplexer) 네트워크에서 특정 파장을 선택하는 기능성 광소자들은 기본적으로 회절격자를 이용하여 파장 필터링을 하고 있으며, 이에 의해, 다양한 형태의 회절격자 구조가 발표 및 개발되고 있다.
반도체 기반 광소자에서 파장 필터링은 광소자 내에 진행되는 광파가 주기적인 굴절률 변화에 의해 브래그 파장에 해당되는 특정 파장만 반사되어 이득영역으로 귀환되어 특정 파장만 발진하는 것이다. 이러한 기능을 갖는 반도체 광소자는 크게 반도체 결정성장 및 재성장, 회절격자 형성, 건/습식 식각 과정, 그리고 전극형성 등의 과정을 거쳐 제작된다.
최근에는 광통신용 광원 개발에서 반도체 광소자의 고유 장점인 저가형, 대량생산이 가능하고 소형 시스템 구성에 적합하다는 장점과 다중 영역 DFB 구조를 사용하여 파장이 다른 두 모드의 모드 비팅(beating) 현상을 이용하여, 밀리미터파 및 테라헤르츠파 생성을 위한 외부 여기 광원 개발에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
특히, 테라헤르츠파 생성 및 검출 기술과 영상시스템 구현에 관한 많은 연구는 전파 천문학 관측과 유기 분자들을 검출하는 분광학 응용에서부터 생체내 의학적 이미징 작업과 보안 검사에 사용되어질 테라 헤르츠파를 이용한 영상 시스템까지 많은 응용 분야를 가지고 있기 때문에 미국, 일본과 유럽 각국에서 활발히 진행되고 있다.
테라헤르츠파를 영상 시스템에 활용하기 위해서는 테라헤르츠파의 발진 특성이 연속적이고, 주파수가 가변가능하며 매우 좁은 대역폭을 가지는 테라헤르츠파 생성 소자 혹은 시스템이 필요하다.
현재까지 활용되고 있는 테라헤르츠파 생성 방법으로는 주파수배가법, 후진파 발진기(Backward wave Oscillator), 포토믹싱(Photomixing)방법, CO2 pumped 가스레이저, 양자 폭포 레이저(Quantum cascade laser), 자유 전자 레이저(Free electronlaser) 등 매우 다양한 기술 등이 있다.
발진 특성이 연속적이고, 주파수가 가변 가능하며 매우 좁은 대역폭을 가지 는 테라헤르츠파를 생성하기 위하여, 서로 다른 파장을 가지는 두 개의 레이저 빔을 캐리어의 수명 시간이 매우 짧은 광전도 재료 또는 단일 주행 캐리어 광다이오드(uni-travelling-carrier-photodiode;UTC-PD)에 공간적으로 결합시켜 두 레이저 빔의 파장 차이에 해당하는 테라헤르츠파를 생성시키는 포토믹싱 방법이 사용되고 있다.
포토믹싱 방법을 사용하는 경우에 생성되는 테라헤르츠 파의 특성은, 파장이 다른 두 레이저 빔의 간섭에 의하여 테라헤르츠 파가 생성되므로, 두 레이저 빔의 특성과 상호 간의 코히어런스 특성에 의해 결정된다. 따라서 발진특성이 연속적이며 안정적인 테라헤르츠파를 발생시키는 저가이며 작은 크기를 가지는 시스템을 구현하기위해서는 매우 안정적이고 상호 코히어런트한 특성을 가지며 파장 차이 조정이 가능한 파장이 다른 두 개의 모드를 방출하는 LD를 단일 집적하여 소형으로 구현하는 것이 매우 중요하다.
포토믹싱 방법에서 활용하는 기술은 대부분 두 개의 고출력 고체레이저나 반도체의 두 개의 종 모드 간격을 제어하여 두 모드의 주파수 차이가 테라헤르츠(THz)가 되도록 하는 방법들을 활용하고 있다. 예를 들어, "광학테라헤르츠 생성기/수신기(Optical Terahertz generator/ receiver)"라는 제목의 미국특허(0242287A1)에서는 테라헤르츠 도파로에 두 개의 여기 광원을 주입하여 고출력 테라헤르츠파원 및 수신기 제작에 관한 것이지만, 두 모드의 파장 간 위상 변조가 되지 않아 테라헤르츠파 발생 효율과 안정성과 크기 등에 문제점이 발생할 수 있다.
또한, IEEE Photonics Technology Letters.(vol. 7, no. 9, 1995)에는 "Two-Longitudinal-Mode Laser Diodes"라는 제목으로 두 개의 종모드를 활용한 반도체 레이저 광원에 대한 관련 기술이 소개되어 있는데, 이 역시 광 통신용 다 파장 레이저 개발이 주목적이고 두 개의 모드가 하나의 활성 영역에서 발진되므로 두 모드의 주파수 차이 범위가 매우 작고, 동작 주입 전류의 영역이 매우 작으며 또한 불 안정된 동작 특성을 가지기 때문에, 포토믹싱 방법을 활용한 테라헤르츠파 발생 효율 측면에서는 효과적이지 않다.
또한, 기존의 상용화되어 되어 있는 DFB LD는 대부분 회절격자가 굴절률의 실수 부위만 변화시켜 필터링 특성을 얻는 인덱스-커플(index-coupled) 형태의 회절 격자를 사용하기 있기 때문에, 회절격자의 단면 위상, 즉, 단면에 위치하는 회절 격자의 위상이 달라짐에 따라 광출력 특성의 변화가 매우 심하여 높은 단일 모드 발진 수율을 얻기 어렵다는 단점이 있다.
게다가, 테라헤르츠파를 발생하는 DFB LD에서는 어려운 공정인 회절격자 형성 공정을 각 DFB 영역마다 수행해야 하기 때문에, 공정 비용이 증가하며 공정의 난이도가 매우 어려운 단점이 있다.
본 발명은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 어려운 공정인 회절 격자 형성 공정을 한번만 수행하면서도 테라헤르츠 파를 발생하도록 선택 영역 성장 기술을 도입하여 레이저 다이오드의 PL peak를 조절하는 다중 영역 반도체 레이저 및 그의 제조방법을 제공하는 데에 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 테라헤르츠 파를 발생하는 다중 영역 반도체 레이저 및 그의 제조방법은 두 개의 선택 영역 성장용 마스크 사이의 갭(gab)과 각각의 선택 영역 성장용 마스크의 폭을 조절하여 레이저 다이오드의 PL peak를 조절하여 테라헤르츠를 발생할 수 있다.
본 발명은 테라헤르츠 파를 발생하는 다중 영역 반도체 레이저 제조방법에 관한 것으로 기판의 상부에 버퍼층, 회절격자층, 캡층, 및 포토레지스트층이 순차적으로 적층되는 단계를 포함하고, 상기 포토레지스트층을 패턴화하여 식각하는 단계를 포함하며, 상기 식각된 포토레지스트 층을 마스크로 사용하여 캡층 및 회절격자층을 식각한 후 상기 포토레지스트 층을 제거하는 단계를 포함한다. 그리고, 상기 식각된 캡층 및 회절격자층과 노출된 버퍼층의 소정 부분에 두 개의 선택 영역 성장용 마스크를 형성하는 단계를 포함하며, 상기 선택 영역 성장용 마스크, 캡층, 및 노출된 버퍼층의 상부에 활성층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명에서 상기 활성층을 형성하는 단계 후 상기 선택 영역 성장용 마스크가 형성되지 않은 부분 중 소정 부분에 상기 버퍼층, 회절격자층, 캡층, 및 활성층을 식각하여 위상 변조 영역을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명에서 상기 두 개의 선택 영역 성장용 마스크를 형성하는 단계에서 상기 두 개 선택 영역 성장용 마스크 사이 간격(gap) 및 각각의 상기 선택 영역 성장용 마스크의 폭을 제어하여 포토누미네선스(photoluminescence;PL) 피크(peak)를 제어할 수 있다.
본 발명에서 상기 선택성장용 마스크는 이산화 실리콘(SiO2)으로 형성할 수 있다.
또한, 본 발명은 이격되어 형성된 제 1,2 DFB 영역과 상기 제 1, 2DFB 영역 사이에 형성된 위상 변조 영역을 포함하는 다중 영역 반도체 레이저에 있어서, 식각된 회절 격자층의 상부에 두 개의 선택 영역 성장용 마스크를 형성하여 테라헤르츠파를 발생하는 제 1DFB 영역을 포함할 수 있다.
본 발명에 의하면, 두 개의 선택 성장용 마스크 사이의 간격 및 각각의 선택 성장용 마스크의 폭을 제어하여 다중 영역 반도체 레이저의 PL peak를 조절하여 테라헤르츠 파를 발생시키며, 모드 비팅에 따른 안정적인 테라헤르츠파를 생성할 수 있는 효과가 있다.
또한, 제작 공정 시 선택 영역 성장용 마스크를 사용하여 두 DFB영역의 회절 격자를 한번에 생성함에 따라 공정이 간단하며 그에 따른 비용이 절감되는 효과가 있다.
게다가, 어려운 공정인 회절 격자 형성 공정의 횟수를 한번으로 줄임으로써 공정이 간단해지기 때문에 그에 따른 테라헤르츠파 발생 반도체 레이저의 수율을 향상되는 효과가 있다.
본 발명의 바람직한 실시예를 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 1i는 본 발명의 일 실시 예에 따른 테라헤르츠 파를 발생하는 다중 영역 반도체 레이저 제조방법을 나타낸 도면이다.
도 1a를 참조하면, 기판(110)의 상부에 버퍼층(120)을 형성한다.
기판(110)은 화합물 반도체 기판을 사용하며 좀더 자세하게, 갈륨비소(GaAs) 기판 또는 인듐인(InP) 기판 등의 Ⅲ-Ⅴ족 반도체 기판을 사용한다. 그리고 한정하 는 것은 아니나 인듐인(InP) 기판을 사용하는 것이 바람직하다.
버퍼층(110)은 기판(100)의 상부에 적층하여 이는 갈륨 비소(GaAs) 또는 인듐인(InP)으로 형성할 수 있으며, 사용자의 선택에 따라 생략할 수 있다.
도 1b를 참조하면, 버퍼층(110)의 상부에 회절 격자층(130)을 형성하며, 버퍼층(110)이 생략되었을 경우에는 기판(110)의 상부에 회절 격자층(130)을 형성할수 있다.
회절 격자층(130)은 1회 노광을 통한 홀로그램 리소그래피 방법을 통해 형성하며, 한정하는 것은 아니나 SiNx층으로 형성할 수 있다.
그리고, 회절 격자의 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.
또한, 회절 격자 종류는 상기 회절격자층(130)의 물질 및 구조에 따라 인덱스 회절격자, 이득 회절격자, 복소 회절격자 및 위상 지연 회절격자로 구분되는데, 이중 어떤 종류를 선택하여도 무방하다.
도 1c를 참조하면, 회절 격자층(130)의 상부에 캡(cap)층(140)을 형성하며, 이는 사용자의 선택에 따라 생략할 수 있다.
캡층(140)은 다음 공정(도 1e)에서 포토레지스트 층(150)의 식각시 하부의 회절 격자층(130)을 보호한다.
도 1d를 참조하면, 캡층(140)의 상부에 포토레지스트 층(150)을 형성하는 것으로, 만약 도 1c 공정이 생략되었다면, 도 1b에서 형성된 회절 격자층(130)의 상 부에 포토레지스트 층(150)을 형성할 수 있다.
포토레지스트 층(150)은 회절 격자층(130)의 패턴 마스크의 역할을 위해 증착되며, 다음 공정(도 1f)에서 포토레지스트 층(150)를 식각장벽으로 활용하기 위하여 레이저 홀로그래피 시스템을 활용하여 식각한다(도 1e 참조).
도 1f를 참조하면, 식각되어 패턴화된 포토레지스트 층(150)을 마스크로 사용하여 회절 격자층(130)을 식각하며, 한정되는 것은 아니나 자장 강화 반응성 이온 에칭(magnetically enhanced reactive ion etching; MERIE)을 사용하여 식각하는 것이 바람직하다.
그리고, 회절 격자층(130)을 식각한 후에는 마스크로 사용된 포토레지스트 층(150)을 제거한다.
도 1g를 참조하면, 도 1f에서 형성된 회절격자층(130)과 식각으로 노출되 버퍼층(120)의 소정부분에 선택 영역 성장용 마스크(160)를 증착하여, 제 1,2 DFB 영역 및 위상 변조 영역으로 형성되는 다중 영역 반도체 레이저의 제 1DFB 영역을 형성한다.
이때, 선택 영역 성장용 마스크(160)는 이산화 실리콘(SiO2)로 형성하며, 두 개로 형성한다. 자세한 내용은 하기의 도 2를 참조한다.
도 1h를 참조하면, 도 1g에서 형성된 소자의 상부에 전반적으로 활성층(170)을 형성한다.
활성층(130)은 단층 또는 다층 구조로 형성되며, 본 발명에 한정되는 것은 아니지만 다층 구조로 형성할 경우 상하부 SCH층(separate-confinement heterostructure) 및 양자우물층(MQW)으로 형성할 수 있다.
도 1i를 참조하면, 도 1h에서 선택 영역 성장용 마스크(160)가 형성되지 않은 부분 중 일부를 식각하여 위상 변조 영역(100B)을 형성한다.
좀 더 자세하게, 한번의 공정을 통해 다중영역 반도체 레이저(100)를 형성하는 방법으로서, 도 1a 내지 도 1h를 통해 DFB영역(100A, 100C)을 형성하고, DFB 영역 중 중간 부분에 기판(110)을 제외한 모든 층을 식각하여 위상 변조 영역(100B)을 형성한다.
위상 변조 영역(100B)을 형성함에 따라 하나의 기판에 선택 영역 성장용 마스크(160)가 포함된 DFB 영역(100A), 회절 격자가 포함되지 않은 위상 변조 영역(100B), 및 회절 격자가 포함된 DFB 영역(100C)을 포함하는 다중 영역 반도체 레이저(100)를 형성한다.
이는, 회절 격자를 형성하는 어려운 공정을 한번만 진행하면서 DFB 영역(100A)에 선택 영역 성장 방법(선택 영역 성장용 마스크(160)에 의한 PL peak Shift))을 통해 테라헤르츠파를 발생한다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 도 1g의 상면도로서, 선택영역 성장 기술을 나타낸다.
도 2를 참조하면, 도 1i에서 다중 영역 반도체 레이저(100)의 DFB 영 역(100A)의 테라헤르츠파 발생을 위하여 이산화 실리콘(SiO2)을 형성된 두 개의 선택 성장용 마스크(162, 164)를 소정 간격 이격시켜 형성한다.
이 때, 테라헤르츠파는 두 개의 선택 성장용 마스크(162, 164) 사이의 간격(B)과 선택 성장용 마스크(162, 164)의 각각의 폭(A)에 따라 DFB 레이저 다이오드의 포토누미네선스(photoluminescence;이하 PL) 피크(peak)를 조절하여 테라헤르츠파를 발생시킬 수 있다.
A와 B에 따른 PL 피크 조절은 하기의 도 3a 내지 도 3c를 참조한다.
도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 일 실시 예에 따른 선택영역 성장 방법을 나타낸 도면이다.
도 3a을 참조하면, 두 개의 선택 성장용 마스크(162,164)의 간격(상기 도 2의 B)을 20㎛로 고정하고 각각의 선택 성장용 마스크(162,164)의 폭(상기 도 2의 A)의 길이를 2㎛에서 30㎛까지 변화하며 활성층(MQW+SCH)과 클래드층(Clad)의 변화를 알 수 있다.
도 3b를 참조하면, 두 개의 선택 성장용 마스크(162,164)의 간격(상기 도 2의 B)과 각각의 선택 성장용 마스크(162,164)의 폭(상기 도 2의 A)의 변화에 따른 PL 피크 이동(PL peak shift)를 나타낸 그래프로, A와 B를 제어하여 PL 피크를 조절할 수 있음을 알 수 있다.
도 3c를 참조하면, 도 3b에서 조절되는 PL 피크를 조절하여 테라헤르츠파를 발생할 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 방법 단계의 순서를 변경할 수도 있다. 따라서 본 발명의 범위는 설명된 실시형태가 아니라 특허청구범위 및 그 균등물에 의해 결정되어야 한다.
도 1a 내지 도 1i는 본 발명의 일 실시 예에 따른 테라헤르츠 파를 발생하는 다중 영역 반도체 레이저 제조방법을 나타낸 도면.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 도 1g의 상면도.
도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 일 실시 예에 따른 선택영역 성장 방법을 나타낸 도면.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100 : 다중영역 반도체 레이저 100A, 100C : DFB 영역
100B : 위상 변조 영역 110 : 기판
120 : 버퍼층 130 : 회절 격자층
140 : 포토레지스트층 150 : 캡 층
160 : 선택 영역 성장용 마스크 162, 164 : 이산화 실리콘 마스크
170 : 활성층

Claims (6)

  1. 기판의 상부에 버퍼층, 회절격자층, 캡층, 및 포토레지스트층이 순차적으로 적층되는 단계;
    상기 포토레지스트층을 패턴화하여 식각하는 단계;
    상기 식각된 포토레지스트 층을 마스크로 사용하여 캡층 및 회절격자층을 식각한 후 상기 포토레지스트 층을 제거하는 단계;
    상기 식각된 캡층 및 회절격자층과 노출된 버퍼층의 소정 부분에 두 개의 선택 영역 성장용 마스크를 형성하는 단계;
    상기 선택 영역 성장용 마스크, 캡층, 및 노출된 버퍼층의 상부에 활성층을 형성하는 단계; 및
    상기 선택 영역 성장용 마스크가 형성되지 않은 부분 중 소정 부분에 상기 버퍼층, 회절격자층, 캡층, 및 활성층을 식각하여 위상 변조 영역을 형성하는 단계;
    를 포함하는 테라헤르츠 파를 발생하는 다중 영역 반도체 레이저 제조방법.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서, 상기 두 개의 선택 영역 성장용 마스크를 형성하는 단계에서,
    상기 두 개 선택 영역 성장용 마스크 사이 간격(gap) 및 각각의 상기 선택 영역 성장용 마스크의 폭을 제어하여 PL 피크(peak)를 제어하는 것으로 하는 테라헤르츠 파를 발생하는 다중 영역 반도체 레이저 제조방법.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 선택성장용 마스크는 이산화 실리콘(SiO2)으로 형성하는 것을 특징으로 하는 테라헤르츠 파를 발생하는 다중 영역 반도체 레이저 제조방법.
  5. 삭제
  6. 삭제
KR1020080124179A 2008-12-08 2008-12-08 다중 영역 반도체 레이저 및 그의 제조방법 KR101009408B1 (ko)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JPH06314657A (ja) * 1993-03-17 1994-11-08 Nec Corp 光半導体素子の製造方法
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KR100532333B1 (ko) * 2003-12-16 2005-11-29 삼성전자주식회사 레이저 다이오드의 회절격자 제조방법

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