KR19980082331A - 이차원 광자 밴드갭 구조를 가지는 수직공진형 반도체 레이저 장치 와 그 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 FTTH(Fiber To The Home)등의 광통신 시스템의 응용에 사용될 수 있는 1.3 ~ 1.55 ㎛ 파장대의 수직 공진기형 반도체 레이저 장치에 관한 것으로 이차원 광자 밴드갭(photonic bandgap : PBG)구조를 갖는 수직 공진형 반도체 레이저 장치 및 그 제조방법에 관한 것이다.

종래의 장파장 수직 공진형 반도체 레이저는 반도체의 구성상 격자 부정합에 의한 소자의 열화가 급히 발생하는 단점을 가지고 있으며, 전류의 가둠 (confinement) 효과를 높히기 어려워 전체적으로 소자의 특성이 나빠지는 단점을 가지고 있었다.

그러나 본발명에 의한 이차원 PBG구조를 갖는 수직 공진형 반도체 레이저는, 소자의 발진 개시 전류를 수 ~ 수십 ㎂ 정도로 종래의 소자가 수 ~ 수십 ㎃ 를 가지는 것과 비교하면 약 1000 분 1의 수준으로 줄여서 획기적인 성능향상이 기대되고, 동시에 소자의 특성도 획기적으로 개선되는 이점이 있다.

Description

이차원 광자 밴드갭구조를 가지는 수직 공진형 반도체 레이저 장치 와 그 제조 방법

본 발명은 FTTH(Fiber To The Home)등의 광통신 시스템의 응용에 사용될 수 있는 1.3 ~ 1.55 ㎛ 파장대의 수직 공진형 반도체 레이저장치에 관한 것으로 특히, 능동 계층이 이차원 광자 밴드갭(photonic bandgap : PBG) 구조를 갖는 수직 공진형 반도체 레이저 장치 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

도 1 에서는 종래의 장파장 수직 공진형 반도체 레이저 장치의 구조를 나타낸 것으로 제조 과정상 분산형 브래그 반사층(DBR : Distributed Bragg Reflector) 영역이 능동(Active) 영역과 격자 부정합이 있기 때문에 통상의 에피텍셜 성장법(Epitaxial growth) 대신 웨이퍼 융합법(wafer fusion)을 통해 소자를 만들게된다. 이로 인하여 구조적 결함이 생기고 소자의 열화가 급속히 발생하여, 통상의 전류 가둠(confinement) 방법을 이용하기가 어려워 발진 개시 전류가 높아지고 결과적으로 소자의 특성이 나빠지게된다.

따라서 본 발명은, 상기한 문제점을 해결하기 위해서 수직 공진형 반도체의 능동 매체(Active medium)에 이차원의 광자 밴드갭(photonic bandgap : PBG)을 형성하여, 완벽한 광 가둠(optical confinement) 효과를 통해서 발진 개시 전류를 획기적으로 낮추고, 소자의 전반적인 특성을 개선시키기 위한 수직 공진형 반도체 레이저 장치 및 이의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

도 1 은 종래 기술의 장파장 수직 공진형 반도체 레이저 장치의 수직단면도

도 2 는 본 발명에 의한 수직 공진형 반도체 레이저 장치의 수직 단면도

도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10: n-GaAs 기판 20: n-GaAs/AlAs DBR

30: i-InP 도파관 계층 40: i-InGaAsP 능동 계층

50: p-GaAs/AlAs DBR 60: 기공(Air hole)

본 발명에 의한 수직 공진형 반도체 레이저 장치는, 기판 위에 제 1 분산형 브래그 반사층이 적층되어 있고, 상기 제 1 분산형 브래그 반사층 위에는 제 1 도파관계층과 제 2 도파관계층이 2층으로 적층되어 형성되어 있으며, 상기 두 도파관계층 사이에 활성층이 적층되어 형성되어 있고, 상기 제 2 도파관계층 위에는 제 2 분산형 브래그 반사층이 적층되어 형성되어있고, 상기 제 1 및 제 2 도파관계층과 활성층을 관통하도록 다수의 기공이 형성되어 있는 구조로 이루어져 있다.

이하 도 2 를 참조하여 본 발명의 내용을 보다 상세하게 설명한다.

본 발명의 상기 제 1 도파층과 제 2 도파층 및 활성층의 일부는 이차원 광자 밴드갭 구조를 갖는다. 그리고 상기한 이차원 광자 밴드갭 구조는, 유전율이 다른 물질이 적어도 두개이상 이차원의 주기적으로 반복 형성되어 이차원 어레이 형태로 배열되어 있다. 그리고 본 발명의 이차원 광자 밴드갭 구조를 갖는 영역의 크기는 상기 이차원의 주기적으로 배열된 물질들의 유전율의 차이에 의해 결정된다. 또한 본 발명의 이차원 PBG에서는, 0.5 ㎛ 정도의 기공(Air hole)이 능동 매체상에 2차원의 주기적으로 배열되어 있고, 상기 기공이 차지하는 다공도(porosity)는 상기 이차원 밴드갭구조를 갖는 영역 전체에 대해 80% 내외이며, 상기한 다공도를 유지하기 위해 초미세 패턴이 형성되어 있다.

또한 상기 이차원 광자 밴드갭 구조는 소자의 양단면상에 대칭적으로 형성되어 있고, 상기 제 1 도파관계층과 제 2 도파관계층으로 InP를 사용하고, 활성층으로는 InGaAsP를 사용한다. 또는 상기 제 1 도파관계층과 제 2 도파관계층으로 AlGaAs를 사용하고, 활성층으로는 InGaNAs를 사용한다.

상기 제 1 및 제 2 분산형 브래그 반사층은 GaAs/AlAs, InP/InGaAsP, Si/SiO2 또는 Si/Al2O3 가운데 하나로 이루어져 있고, 상기 기판은 n-GaAs로 이루어져있다.

그리고 이러한 패턴의 형성을 위해서는 E-빔 직접 주사기(E-beam direct writer)나 스테퍼(Stepper)와 같은 장치를 이용하여야 한다. 식각도 RIBE(reactive ion beam etching)나 CAIBE(chemical assisted ion beam etching)와 같이 수직 경사(vertical slope)가 가능한 장치를 이용하여야 한다. 광의 가둠을 가능하도록 하기 위해서는 이득 영역(Defect free 영역)을 1㎛ 정도로하여 beam의 이차원적인 가둠이 가능하도록 하여야 한다.

이차원 구조를 가지는 PBG는, 유전율이 상이한 두물질을 주기적으로 그리고 이차원적으로 배열하여 이로 인하여 발생하는 광 bandgap내에 광신호의 전파를 제어하여 광 가둠효과를 극대화시킨 방식으로, 공기와 반도체 사이를 미세한 PBG 구조로 하여 광 영역에서의 이차원적인 광 가둠에 의해 소자의 특성을 향상시킬 수 있다.

본 발명에 의한 이차원 PBG 구조를 가지는 수직 공진형 반도체 레이저 장치는 통상의 에피텍시(Epitaxy)와 PBG 구조의 형성 및 웨이퍼 융합법을 두차례 실시하여 제조한다. 즉 상기 제조방법에 대해 보다 자세히 설명을 하면, 본 발명에 의한 수직 공진형 반도체 레이저 장치의 제조방법은, InP 기판상에 능동 매체에 해당하는 계층들을 통상의 MOCVD(metal organic chemical vapor deposition), CBE(chemical beam epitaxy) 또는 MBE(molecular beam epitaxy)등을 이용하여 성장시키는 단계; 같은 방식에 의해서 GaAs 기판상에 GaAs/AlAs DBR을 발진 파장근처에서 높은 반사율을 가지도록 교대로 성장시키는 단계; 능동 매체를 관통하도록 공기구멍을 통상의 석판인쇄(Lithography : E-빔 직접 주사기나 스테퍼), RIBE나 CAIBE등을 이용한 건식 식각을 아용하여 형성하는 단계; 통상의 웨이퍼 융합법과 선택적 욋 에칭(Selective wet etchin g) 방법을 이용하여 융합(Fusion) → 에칭(Etching) → 융합(Fusion) → 에칭(Etching)의 과정을 반복 수행하는 단계를 포함하여 이루어진다.

상기한 바와 같이 본발명에 의한 이차원 PBG구조를 가지는 수직 공진형 반도체 레이저 장치는 소자의 발진 개시 전류를 수 ~ 수십 ㎂ 정도로 종래의 소자가 수 ~ 수십 ㎃ 를 가지는 것과 비교하면 약 1000 분 1의 수준으로, 획기적인 성능향상을 가져오게 된다. 또한 웨이퍼 융합(Wafer fusion)에 의해 생기는 열적 열화(Thermal stress)를 PBG 계층이 줄여줄 수 있고, Fused 인터페이스로 방출되는 광손실(Leakage)이 줄어들게되어 소자의 전반적인 전기적, 광자적 특성의 현격한 향상을 기대할 수 있으며, 빔 spot 크기를 종래(5~10㎛) 보다 상당히 줄일 수 있어 광섬유 접합(Fiber Coupling) 효율을 크게 향상시킬 수 있다는 이점이 있다.

Claims (20)

1. 기판상에 제1분산형 브래그 반사층과 제1 도파층과, 활성층과, 제2도파층과, 제2 분산형 브래그 반사층이 적층되어 형성된 수직공진형 반도체 레이저 장치에 있어서,

   상기 제1 및 제2 도파층과 상기 활성층의 일부가 이차원 광자 밴드갭구조를 갖는 것을 특징으로하는, 수직공진형 반도체 레이저 장치.
2. 청구항 1에 있어서, 상기 이차원 광자 밴드갭구조는 유전율이 다른 적어도 두개이상의 물질이 이차원의 주기적으로 배열된 것을 특징으로 하는, 수직 공진형 반도체 레이저 장치.
3. 청구항 2에 있어서, 상기 이차원 광자 밴드갭구조를 갖는 영역의 크기는 상기 이차원의 주기적으로 배열된 물질들의 유전율 차이에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는, 수직 공진형 반도체 레이저 장치.
4. 청구항 2에 있어서, 상기 이차원 광자 밴드갭구조는 상기 제1 및 제2 도파층과 상기 활성층이 관통되어 형성된 기공(air hole)이 이차원의 주기적으로 배열된 것을 특징으로 하는, 수직 공진형 반도체 레이저 장치.
5. 청구항 4에 있어서, 상기 기공이 차지하는 다공도(Porosity)는 상기 이차원 밴드갭 구조를 갖는 영역 전체에 대해 80%내외임을 특징으로 하는, 수직공진형 반도체 레이저 장치.
6. 청구항 5에 있어서, 상기 이차원 광자 밴드갭 구조는 소자의 양단면상에 대칭적으로 형성된 것을 특징으로 하는, 수직공진형 반도체 레이저 장치.
7. 청구항 6에 있어서, 상기 제 1 및 제2 도파층으로 InP 물질을 사용하고, 활성층으로 InGaAsP 물질을 사용하는 것 혹은 제1 및 제2 도파층으로 AlGaAs 물질을 사용하고, 활성층으로 InGaNAs 물질을 사용하는 것을 특징으로 하는, 수직공진형 반도체 레이저장치.
8. 청구항 7에 있어서, 상기 제1 및 제2 분산형 브래그 반사층은 GaAs/AlAs 혹은 InP/InGaAsP 혹은 Si/SiO2 혹은 Si/Al2O3로 이루어진 것을 특징으로 하는, 수직공진형 반도체 레이저 장치.
9. 청구항 8에 있어서, 상기 기판은 n-GaAs 이고, 상기 제1 분산형 브래그 반사층은 n-type의 GaAs/AlAs 이고, 상기 제1 도파층 및 제2 도파층은 i-InP 이고, 상기 활성층은 i-InGaAsP 이고, 상기 제2 분산형 브래그 반사층은 p형 GaAs/AlAs 인 것을 특징으로 하는, 수직공진형 반도체 레이저 장치.
10. 청구항 9에 있어서, 상기 이차원 광자 밴드갭 구조가 이차원의 주기적으로 반복 형성되어 이차원 어레이 형태를 갖는 것을 특징으로 하는, 수직공진형 반도체 레이저 장치.
11. 기판상에 제1 분산형 브래그 반사층을 형성하는 공정과;

    상기 제1 분산형 브래그 반사층에 제1 도파층을 형성하는 공정과;

    상기 제1 도파층상에 활성층을 형성하는 공정과;

    상기 활성층상에 제2 도파층을 형성하는 공정과;

    상기 제2 도파층상에 제2 분산형 브래그 반사층을 형성하는 공정과;

    상기 제1 및 제2 도파층과 상기 활성층의 일부에 이차원 광자 밴드갭구조를 형성하는 공정으로 이루어지는, 수직공진형 반도체 레이저 장치를 제조하는 방법.
12. 청구항 11에 있어서, 상기 이차원 광자 밴드갭구조를 형성하는 공정은 유전율이 다른 적어도 두개이상의 물질이 이차원의 주기적으로 배열되도록 형성하는 것을 특징으로 하는, 수직 공진형 반도체 레이저 장치를 제조하는 방법.
13. 청구항 12에 있어서, 상기 이차원 광자 밴드갭구조를 형성하는 공정은 상기 이차원의 주기적으로 배열된 물질들의 유전율 차이에 의해 상기 이차원 광자 밴드갭구조의 영역을 조절하는 것을 특징으로 하는, 수직 공진형 반도체 레이저 장치를 제조하는 방법.
14. 청구항 13에 있어서, 상기 이차원 광자 밴드갭구조를 형성하는 공정은 RIBE 혹은 CAIBE등과 같은 건식식각법을 이용하여 상기 제1 및 제2 도파층과 상기 활성층이 관통되도록 기공(air hole)을 이차원의 주기적으로 형성하는 것을 특징으로 하는, 수직 공진형 반도체 레이저 장치를 제조하는 방법.
15. 청구항 14에 있어서, 상기 이차원 광자 밴드갭구조를 형성하는 공정은 원하는 발진파장에 따라 상기 기공의 크기와 기공이 차지하는 다공도(Porosity)를 조절하는 것을 특징으로 하는, 수직공진형 반도체 레이저 장치를 제조하는 방법.
16. 청구항 14에 있어서, 상기 건식식각단계이전에 E-빔 직접 주사기(E-BEAM DIRECT WRITER) 혹은 스테퍼(STEPPER)를 이용한 사진식각법으로 상기 이차원 광자 밴드갭 구조가 형성될 영역을 결정하는 공정을 갖는 것을 특징으로 하는, 수직공진형 반도체 레이저 장치를 제조하는 방법.
17. 청구항 16에 있어서, 상기 제 1 및 제2 도파층으로 InP 물질을 사용하고, 활성층으로 InGaAsP 물질을 사용하는 것 혹은 제1 및 제2 도파층으로 AlGaAs 물질을 사용하고, 활성층으로 InGaNAs물질을 사용하는 것을 특징으로 하는, 수직공진형 반도체 레이저장치를 제조하는 방법.
18. 청구항 17에 있어서, 상기 제1 및 제2 분산형 브래그 반사층은 GaAs/AlAs 혹은 InP/InGaAsP 혹은 Si/SiO2 혹은 Si/Al2O3로 이루어진 것을 특징으로 하는, 수직공진형 반도체 레이저 장치를 제조하는 방법.
19. InP기판상에 i-InP 제1 도파층, i-InGaAsP 활성층, i-InP 제2 도파층을 적층으로 형성하는 공정과;

    상기 적층의 양 가장자리 부분에 이차원 광자 밴드갭구조를 대칭적으로 형성하기 위해 상기 제2 도파층상에 E-빔 직접 주사기 혹은 스테퍼를 이용한 사진식각법으로 2차원의 주기적 배열을 갖는 마스크 패턴을 형성하는 공정과;

    RIBE 혹은 CAIBE등과 같은 건식식각법을 이용하여 상기 마스크 패턴에 따라 상기 제1 및 제2 도파층과 상기 활성층이 관통되도록 기공을 이차원의 주기적으로 형성하는 공정과;

    GaAs 기판상에 발진파장근방의 파장영역에서 고반사율을 갖도록 n-GaAs와 n-AlAs를 교대로 적층하여 제1 분산형 브래그 반사층을 형성하는 공정과;

    GaAs 기판상에 발진파장 근방의 파장영역에서 고반사율을 갖도록 p-GaAs와 p-AlAs를 교대로 적층하여 제2 분산형 브래그 반사층을 형성하는 공정과;

    상기 제1 분산형 브래그 반사층이 형성된 GaAs 기판을 상기 제1 분산형 브래그 반사층과 상기 제1 도파층이 접촉되도록하는 통상의 웨이퍼 융합공정과;

    상기 제2 분산형 브래그 반사층이 형성된 GaAs 기판을 상기 제2 분산형 브래그 반사층과 상기 제2 도파층이 접촉되도록하는 통상의 웨이퍼 융합공정으로 이루어지는 것을 특징으로 하는, 수직공진형 반도체 레이저 장치의 제조방법.
20. 청구항 19에 있어서, 발진파장이 1.3 ∼ 1.55μm를 얻고자하는 경우 상기 기공의 직경을 0.5μm내외, 상기 기공이 차지하는 다공도를 80%내외로 형성하는 것을 특징으로 하는, 수직공진형 반도체 레이저 장치의 제조방법.