KR20000006219A - 광도파관제조방법 - Google Patents
광도파관제조방법 Download PDFInfo
- Publication number
- KR20000006219A KR20000006219A KR1019990022521A KR19990022521A KR20000006219A KR 20000006219 A KR20000006219 A KR 20000006219A KR 1019990022521 A KR1019990022521 A KR 1019990022521A KR 19990022521 A KR19990022521 A KR 19990022521A KR 20000006219 A KR20000006219 A KR 20000006219A
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- waveguide
- mask
- height
- modeled
- compound
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 36
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 title abstract description 12
- 230000008569 process Effects 0.000 title description 11
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 claims abstract description 55
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 claims abstract description 46
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 32
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 31
- 238000000151 deposition Methods 0.000 claims abstract description 16
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims abstract description 6
- 230000012010 growth Effects 0.000 claims description 75
- 230000008021 deposition Effects 0.000 claims description 12
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 8
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 8
- 239000011810 insulating material Substances 0.000 claims description 4
- 229910000577 Silicon-germanium Inorganic materials 0.000 claims description 3
- LEVVHYCKPQWKOP-UHFFFAOYSA-N [Si].[Ge] Chemical group [Si].[Ge] LEVVHYCKPQWKOP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 239000012808 vapor phase Substances 0.000 claims description 3
- 238000005229 chemical vapour deposition Methods 0.000 claims description 2
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 11
- 230000008859 change Effects 0.000 description 11
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 11
- 230000005693 optoelectronics Effects 0.000 description 11
- 238000013461 design Methods 0.000 description 10
- 235000012431 wafers Nutrition 0.000 description 10
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 6
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 6
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 6
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 6
- 229910052738 indium Inorganic materials 0.000 description 5
- 241000894007 species Species 0.000 description 5
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 4
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 4
- 229910052733 gallium Inorganic materials 0.000 description 4
- APFVFJFRJDLVQX-UHFFFAOYSA-N indium atom Chemical compound [In] APFVFJFRJDLVQX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 239000012071 phase Substances 0.000 description 4
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- GPXJNWSHGFTCBW-UHFFFAOYSA-N Indium phosphide Chemical compound [In]#P GPXJNWSHGFTCBW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 3
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 description 3
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 description 3
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 description 3
- GYHNNYVSQQEPJS-UHFFFAOYSA-N Gallium Chemical compound [Ga] GYHNNYVSQQEPJS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910000530 Gallium indium arsenide Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910004298 SiO 2 Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 2
- 239000012159 carrier gas Substances 0.000 description 2
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 2
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 2
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 2
- 238000000407 epitaxy Methods 0.000 description 2
- 229910052698 phosphorus Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000011574 phosphorus Substances 0.000 description 2
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 2
- 235000012239 silicon dioxide Nutrition 0.000 description 2
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 description 2
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 2
- 238000007740 vapor deposition Methods 0.000 description 2
- OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N Phosphorus Chemical compound [P] OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000003698 anagen phase Effects 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 229910052785 arsenic Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 1
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 1
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 1
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 description 1
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 238000006731 degradation reaction Methods 0.000 description 1
- 238000005137 deposition process Methods 0.000 description 1
- 238000012938 design process Methods 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 230000002708 enhancing effect Effects 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 1
- 238000009413 insulation Methods 0.000 description 1
- 238000012821 model calculation Methods 0.000 description 1
- 239000002243 precursor Substances 0.000 description 1
- 238000004321 preservation Methods 0.000 description 1
- 239000000376 reactant Substances 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 230000002787 reinforcement Effects 0.000 description 1
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 1
- 238000005728 strengthening Methods 0.000 description 1
- 229920002994 synthetic fiber Polymers 0.000 description 1
- WLKSSWJSFRCZKL-UHFFFAOYSA-N trimethylgermanium Chemical compound C[Ge](C)C WLKSSWJSFRCZKL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- IBEFSUTVZWZJEL-UHFFFAOYSA-N trimethylindium Chemical compound C[In](C)C IBEFSUTVZWZJEL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
- H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
- H01L21/04—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer
- H01L21/18—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer the devices having semiconductor bodies comprising elements of Group IV of the Periodic Table or AIIIBV compounds with or without impurities, e.g. doping materials
- H01L21/20—Deposition of semiconductor materials on a substrate, e.g. epitaxial growth solid phase epitaxy
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
- G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
- G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
- G02B6/122—Basic optical elements, e.g. light-guiding paths
- G02B6/1228—Tapered waveguides, e.g. integrated spot-size transformers
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
- G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
- G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
- G02B6/12004—Combinations of two or more optical elements
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S5/00—Semiconductor lasers
- H01S5/02—Structural details or components not essential to laser action
- H01S5/026—Monolithically integrated components, e.g. waveguides, monitoring photo-detectors, drivers
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
- G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
- G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
- G02B2006/12166—Manufacturing methods
- G02B2006/12173—Masking
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S5/00—Semiconductor lasers
- H01S5/02—Structural details or components not essential to laser action
- H01S5/026—Monolithically integrated components, e.g. waveguides, monitoring photo-detectors, drivers
- H01S5/0265—Intensity modulators
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S5/00—Semiconductor lasers
- H01S5/20—Structure or shape of the semiconductor body to guide the optical wave ; Confining structures perpendicular to the optical axis, e.g. index or gain guiding, stripe geometry, broad area lasers, gain tailoring, transverse or lateral reflectors, special cladding structures, MQW barrier reflection layers
- H01S5/22—Structure or shape of the semiconductor body to guide the optical wave ; Confining structures perpendicular to the optical axis, e.g. index or gain guiding, stripe geometry, broad area lasers, gain tailoring, transverse or lateral reflectors, special cladding structures, MQW barrier reflection layers having a ridge or stripe structure
- H01S5/227—Buried mesa structure ; Striped active layer
- H01S5/2272—Buried mesa structure ; Striped active layer grown by a mask induced selective growth
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Semiconductor Lasers (AREA)
- Optical Integrated Circuits (AREA)
Abstract
테이퍼진 원하는 프로파일을 가지고 있는 도파관을 제조하는 방법이 공개된다. 상기 도파관은 제 1 높이를 가진 제 1 부분, 및 제 2 높이를 가진 제 2 부분을 가지고 있다. 상기 제 1 높이는 상기 제 2 높이보다 높다. 상기 도파관의 높이는 상기 제 1 높이에서부터 제 2 높이쪽으로 테이퍼져 있다. 상기 도파관은 화합물 반도체 재료이고, 선택적 영역 성장법을 이용하여 형성된다. 선택적 영역 성장법에서는 절연 마스크가 기판 상에 형성된다. 상기 절연 마스크의 치수는 원하는 치수를 가진 도파관을 제공할 수 있도록 선택된다. 상기 화합물 반도체 재료는 화학 기상 증착법을 이용하여 기판 상에 증착된다. 상기 절연 마스크는 화합물 재료가 상기 마스크에 인접한 기판의 영역에 증착되는 속도에 영향을 미친다. 따라서, 선택된 마스크 치수를 이용하여 형성된 도파관의 프로파일이 모델링되어 원하는 프로파일과 비교된다. 모델링된 프로파일이 상기 원하는 프로파일과 받아들일 수 없을 정도로 유사하지 않으면, 상기 마스크의 치수가 수정된다. 수정된 마스크 치수를 이용하여 형성된 도파관의 프로파일이 다시 모델링되고, 모델링된 도파관 프로파일이 원하는 도파관 프로파일과 비교된다. 이 공정은 모델링된 프로파일이 원하는 프로파일과 충분히 유사할 때까지 반복된다. 마스크 치수가 선택된 후에, 마스크가 기판 상에 형성되고, 화합물 반도체 도파관이 선택적 영역 성장법을 이용하여 상기 기판 상에 형성된다.
Description
본 발명은 광학 장치에 테이퍼진 도파관을 상호 접속하는 방법에 관한 것이다.
집적 회로(IC)에서 반도체 장치는 반도체 칩에 금속 와이어를 형성함으로써 집적화된다. 이 금속 와이어는 반도체 장치들 사이에 바람직한 전기 접속을 제공한다. 하지만, 금속 와이어는 광전자(opto-electronic) 장치의 동작 주파수가 매우 높기 때문에 광전자 장치를 집적하는데에는 사용될 수 없다. 따라서, 광전자장치를 집적하는데 도파관 구조가 요구된다. 반도체 장치들을 접속하는데 사용되는 와이어와는 달리, 도파관 상호 접속은 원하는 상호 접속을 제공할 수 있도록 특정한 두께, 밴드갭(bandgap) 및 스트레인 프로파일(strain profile)을 가지고 있어야 한다. 따라서, 이와 같은 도파관 상호 접속을 제조하기 위한 방법은 사양을 충족하는 도파관을 제공할 수 있어야 한다.
이들 상호 접속 도파관을 제조하는데 이용되는 현재의 한가지 방법은 선택적 영역 성장법(SAG)이다. 이 방법은 "InP 기판 상의 GaInAsP 및 관련 재료의 선택 영역 저압 MOCVD"(깁본(Gibbon) 등의 Semicond. Sci. Technol., Vol 8, pp.998 - 1010(1993))에 기재되어 있고, 이 문헌은 본 명세서의 참고 문헌이다. 도 1의 개략 단면도를 참조하면, SAG 공정에서, 도파관의 원하는 구조를 형성하는 패드(12)가 반도체 웨이퍼(10) 상에 형성되어 있다. 상기 깁본 등의 문헌에서는, 기판은 인듐-인(InP) 기판이며, 패드는 이산화실리콘(SiO2)(12)과 같은 절연 재료로 제조되어 있다. 이하에서는 이산화 실리콘을 산화물이라고 한다. 기상 증착, 예컨대 금속 유기 화학 기상 증착(MOCVD)은 도파관 재료(14), 일반적으로 갈륨-인듐-아세나이드-인(GaInAsP)과 같은 반도체 재료를 증착하는데 사용된다. 이 반도체 재료(14)는 산화물 패드(12)에 의해 덮인 기판(10)의 부분들 상에는 성장되지 않는다.
상기 깁본 등의 문헌에 공지된 바와 같이, 상기 도파관 재료(14)의 화합물 및 두께는 상기 패드의 근처에서 변화한다. 특히, 도파관 재료의 성장은 산화물 패드(12)에 인접하여 강화된다. 도파관 재료의 성장에 따른 산화물 패드(12)의 상기 성장 강화 현상은 도파관이 SAG에 의해 형성될 기판 영역을 한정하기 위해 기판 상에 산화물 패드를 배치할 때 고려되어야 한다. 성장 강화는 산화물 패드(12)의 치수 및 산화물 패드로부터의 거리를 변화시킨다. 따라서, SAG에 대한 산화물 마스크를 설계하는 것은 원하는 도파관의 치수를 결정하는 것과 원하는 도파관 치수에 대응하는 공간을 한정하는 산화물 마스크를 형성하는 것과 같은 간단한 문제가 아니다. 존스, 에이.엠.(Jones,A.M.) 등의 문헌 "선택적 영역 에피택시에 의한 집적된 광전자 장치"(SPIE, Vol.2918, pp.146-154(1996))에는 광 도파관을 형성하는데 SAG를 이용하는 것과 관련된 문제가 기재되어 있다.
SAG를 이용하여 형성된 장치의 일예가 확장형 빔 레이저이다. 확장형 빔 레이저(30)의 일예가 도 2A에 도시되어 있다. 도 2A에 도시된 바와 같이, 확장형 빔 레이저(30)는 하부 도파관(32)에 레이저 빔의 모드를 전달하는 제 1 부분(31)을 가지고 있다. 하부 도파관은 레이저의 모드를 확장하기 위해 제 2 부분(33)에서 느슨하게 테이퍼져 있다.
SAG를 이용하여 형성된 장치의 다른 예는 전자흡수 변조형 레이저(EML)이다. EML 장치에서는, 레이저가 변조기와 광학적으로 일체화된다. EML 구조의 예가 도 2B에 도시되어 있다. 상기 장치는 하부 도파관(32)에 레이저 빔의 모드를 전달하는 페이퍼진 부분(33), 제 1 부분(31)(이득부) 및 제 2 부분(34)(변조기부)을 가지고 있다. 하지만, 도 2A에 도시된 장치와는 달리, 이들 부분이 도파관을 구성하고 있고, 모든 층(42, 43, 44)은 테이퍼져 있다. 이러한 장치는 트러쉬 이.제이.(Thrush, E.J.) 등의 문헌 "저압 MOCVD을 이용한 InP, GaInAs 및 GaInAsP의선택적 비평면 에피택시"(Journal of Crystal Growth, Vol.124,pp.249-254(1992))에 기재되어 있다. 이와 같은 장치에서는 테이퍼 부분(33)이 SAG에 의해 형성된다. 이 테이퍼는 (도 2A에 도시된 형태의 장치를 위한) 원하는 모드 확장을 얻기 위해 또는 (도 2B에 도시된 형태의 장치를 위한) 원하는 변조기 특성을 유지하면서 전력 손실을 최소화하기 위해 주의깊게 제어되어야 한다.
존스 등의 문헌에 기재된 바와같이, 절연 패드의 치수는 상기 기판 상에 형성된 도파관 재료의 두께 및 화합물을 제어하는데 사용된다. 존스 등은 에피택셜 MOCVD 증착 공정을 모델링하고 이 모델을 사용하여 원하는 두께를 가진 도파관을 결정하기 위해 산화물 패드의 두께 및 패드 사이의 거리를 결정한다.
하지만, 존스 등의 모델은 도파관의 프로파일을 제어하는데에는 사용될 수 없는 2 차원 모델이다. 여기에서 사용된 바와 같이, 도파관의 프로파일은 제 1 두께(예컨대, 두꺼운 레이저 부분)에서 제 2 두께(예컨대, 두꺼운 모드 확장기 부분)로 전이되는 방식으로 테이퍼져있다. 현재까지는 MOCVD 공정에 의해 형성된 원하는 프로파일을 가진 도파관을 제공할 수 있는 절연 마스크 구조를 결정하는 방법이 존재하지 않았다. 원하는 프로파일을 제공하는 마스크 구조를 결정하기 위한 방법이 시도되었다. 도파관의 프로파일이 도파관을 사용하여 광전자 장치(예컨대, 레이저) 및 광섬유 또는 도파관을 단일체로 집적시키기 위해 정밀하게 구성되어야 하기 때문에, MOCVD 공정으로 기판상에 원하는 테이퍼를 가진 도파관을 성장시키기 위한 마스크를 설계하는데에는 긴 기간 걸쳐 여러번 반복되어야 한다. 따라서, 원하는 프로파일을 가진 도파관을 제조하는데 사용되는 절연 마스크를 설계하는 공정이 요구된다.
본 발명의 목적은 광전자 소자가 원하는 프로파일을 가진 도파관에 단일체로 결합된 광전자 장치를 제공하는데 있다.
도 1은 선택성 MOCVD 증착에 대한 절연 마스크의 효과를 설명하는 종래의 반도체 기판의 단면도.
도 2A는 변조기에 일체화된 종래의 레이저의 측면도.
도 2B는 빔 확장기에 일체화된 종래의 레이저의 측면도.
도 3은 단일 기판 상에 일체화된 복수의 요소를 가진 장치의 일예를 나타낸 평면도.
도 4는 도파관을 형성하는데 사용된 종래의 절연 마스크의 평면도.
도 5는 선택적 영역 MOCVD 성장법의 3 차원 모델에 사용된 구조 및 경계 조건을 나타낸 도면.
도 6은 3 차원 모델에 사용된 마스크 치수를 나타낸 도면.
도 7a 내지 도 7c는 제 1 마스크 구조, 및 이 마스크 구조를 이용한 모델링된 도파관 프로파일과 원하는 프로파일의 비교를 나타낸 도면.
도 8a 내지 도 8c는 제 2 마스크 구조, 및 이 마스크 구조를 이용한 모델링된 도파관 프로파일과 원하는 프로파일의 비교를 나타낸 도면.
도 9a 내지 도 9c는 제 3 마스크 구조, 및 이 마스크 구조를 이용한 모델링된 도파관 프로파일과 원하는 프로파일의 비교를 나타낸 도면.
도 10a 내지 도 10c는 제 4 마스크 구조, 및 이 마스크 구조를 이용한 모델링된 도파관 프로파일과 원하는 프로파일의 비교를 나타낸 도면.
도 11은 본 발명의 선택적 영역 성장 공정에 사용된 절연 마스크를 설명하는데 사용된 치수를 나타낸 도면.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
10 : 반도체 웨이퍼 32 : 하부 도파관
52 : 접속기 53 : 증폭기
54 : 변조기
본 발명은 광전자 소자가 원하는 프로파일을 가진 도파관에 단일체로 결합된 광전자 장치를 제조하는 방법에 관한 것이다. 광전자 소자의 예로는 레이저, 광 증폭기 및 변조기를 들 수 있다.
이들 방법에서는 원하는 도파관 구조가 제공된다. 도파관은 각각 치수를 가지고 있는 적어도 3개의 부분을 가지고 있다. 제 1 부분은 제 1 높이를 가지고 있고, 제 2 부분은 제 1 높이와는 다른 제 2 높이를 가지고 있다. 일반적으로, 제 1 부분은 제 2 부분의 화합물과 다른 화합물을 가지고 있다. 이러한 제 1 및 제 2 부분에서는 높이가 일정한 경우, 즉 높이가 길이 또는 폭에 대해 거의 변화하지 않는 경우 유리하다. 제 3 부분은 제 1 부분 및 제 2 부분을 링크하여, 제 3 부분의 높이는 제 1 부분에 인접한 지점에서의 제 1 높이로부터 제 2 부분에 인접한 지점에서의 제 2 높이로 전이된다. 여기에서 사용된 도파관 프로파일은 도파관의 높이 및 도파관의 길이 또는 폭간의 상호 관계이다. 장치의 제 1 및 제 2 부분에서는 프로파일이 일정하다. 제 3 부분에서, 원하는 프로파일은 제 1 높이에서 제 2 높이로 전이되는 방식으로 도파관의 높이가 적절히 변화된다.
소자 및 도파관은 화합물 반도체 재료(예컨대, 실리콘-게르마늄 및 Ⅲ-V 반도체)로 형성된다. 화합물은 화합물 반도체를 구성하는 소자의 상대적인 양을 변화시킴으로써 변화된다. 결과적으로, 제 1 부분의 화합물이 제 2 부분의 화합물과 다르면, 이는 제 1 부분에서 화합물 반도체를 구성하는 성분의 상대량이 제 2 부분에서 화합물 반도체를 구성하는 성분의 상대량과 다르다는 것을 의미한다. 본 발명의 방법은 원하는 화합물 뿐만아니라 원하는 프로프일을 가진 장치를 제공한다.
또한, 본 발명이 제 1 높이로부터 제 2 높이로 전이되는 도파관 및 2 개의 단일체로 집적된 소자에 의해 설명되었지만, 당업자는 임의의 실시예에서 2 개 이상의 소자가 단일체로 집적된다는 것을 이해해야한다. 따라서, 임의의 실시예에서, 상기 장치는 하나 이상의 도파관의 프로파일과 다른 부대적인 프로파일을 가진 하나 이상의 도파관을 가지고 있다. 이러한 장치의 평면도는 도 3에 도시되어 있다. 도 3에 도시된 장치(50)에서, 4 개의 레이저(51a, 51b, 51c, 51d)는 변조기(54)와 단일체로 집적되는 단일 증폭기(53)와 단일체로 집적된 단일 접속기(52)와 단일체로 집적된다. 상기 장치(50)는 기판(60) 상에 형성된다. 장치(50)에서, 소자(51a-d, 52, 53, 54)중 적어도 하나는 다른 소자중 적어도 하나의 높이와 다른 높이(소자의 높이는 기판(60)의 평면의 높이와 다름)를 가지고 있다. 특정 실시예에서는 각각의 소자의 높이가 다르다. 또한, 장치(50)에서, 적어도 하나의 도파관(55-60)은 적어도 하나의 다른 도파관 프로파일과 다른 프로파일(거리의 함수로써 높이의 변화)을 가지고 있다. 특정 실시예에서, 각각의 도파관(55-60)은 다른 도파관 프로파일과 다른 프로파일을 가지고 있다.
당업자는 원하는 프로파일이 여러 요소에 좌우됨을 이해할 수 있다. 예컨대, 확장기 영역 및 활성 영역을 가진 도파관은 모드를 확장하기 위해 확장기 영역의 완만한 테이퍼를 가지고 있다. 이러한 도파관의 프로파일은 원하는 성장 강화를 고려하여 먼저 결정된다. 선택된 프로파일은 허용가능한 한계치 내에서 자유 캐리어 흡수 및 방사 손실을 유지한다. 확장기 부분의 프로파일은 원하는 인터페이스 반사를 제공하도록 형성된다. 확장기 부분의 프로파일은 확장기 부분이 동일한 광학 벤치(bench) 상에서 다른 도파관과 효율적으로 결합되도록 설계된다.
또한, 화합물 반도체(예컨대, InP) 웨이퍼 및 처리 공정은 비용이 많이 들기때문에, 가능한 작은 방에서 처리할 수 있는 도파관을 설계하는 유리하다. 이러한 사항을 고려하여, 절연 마스크 치수는 MOCVD 증착 기술을 사용하여 원하는 프로파일을 가진 도파관을 제공하도록 선택된다.
제 1 마스크 구조는 일정한 프로파일이 바람직한 장치 부분에서 원하는 치수를 가지는 도파관을 제공하도록 선택된다. 존스 등의 저서에 개시된 바와 같이, 도파관은 MOCVD 증착상의 절연 재료의 공지된 효과(즉, 성장 강화) 때문에 직선이다. 패드 치수와 패드사이의 공간은 원하는 길이, 폭 및 높이를 가진 부분 또는 부분들을 제공하도록 선택된다.
이전에 언급한 바와 같이, 절연 패드는 마스크 패드에 근접한 영역에서 MOCVD 증착속도를 강화한다. 패드로부터의 임의의 거리 및 MOCVD 증착속도는 절연 마스크 패드에 의해 영향을 받지 않는다. 따라서, 임의의 실시예에서, 장치의 하나이상의 부분에 대한 높이는 MOCVD증착이 절연 패드에 의해 영향을 받지 않는 영역에서 웨이퍼상에 증착된 MOCVD 막의 두께이다.
따라서, 본 발명의 방법에서, 도파관의 화합물 및 치수 프로파일은 장치의 기능 및 성능에 의해 제공된다. 마스크 설계는 마스크가 MOCVD를 사용하여 형성되는 기판상에 화합물 반도체 재료층이 증착될때 원하는 치수를 가진 도파관의 제 1 부분을 제공하도록 선택된다. 제 1 영역에서부터 제 2 영역으로 전이되는 도파관의 원하는 프로파일은 MOCVD 증착속도로 마스크의 종료효과를 모델링하고 원하는 도파관 프로파일을 가진 모델링된 도파관 프로파일을 비교함으로써 얻어진다. 마스크 설계는 원하는 프로파일 및 모델링된 프로파일사이의 밀접한 유사성을 얻기 위해 상기의 비교에 기초하여 수정된다. 마스크 설계는 도파관의 제 1 및 제 2 영역에서 원하는 높이를 유지하면서 제 1 높이에서부터 제 2 높이로 도파관이 테이퍼지도록 설계된다.
본 발명은 레이저, 변조기 또는 광학 증폭기와 같은 능동 광전자 소자와 단일체로 집적되는 도파관을 제조하는 방법에 관한 것이다. 도파관은 전형적으로 MOCVD 공정을 사용하여 제조된다. 도파관의 일실시예가 도 2A에 도시되어 있다. 도파관(30)은 제 1 부분(31) 및 제 2 부분(32)을 가지고 있다. 제 1 부분(31)은 레이저(35)로부터의 레이저 빔을 하부 도파관(32)내로 전달하는데 사용된다. 제 2 부분(32)은 레이저 빔의 모드를 확장한다. 제 2 부분(32)은 레이저(35) 아래에서 제 1 높이(36)를 가지며 모드 확장 부분에서 제 2 높이(37)를 가지고 있다. 도파관의 제 2 부분(32)은 제 1두께(360에서부터 제 2 두께(37)로 테이퍼진 부분(33)을가지고 있다. 이전에 주지된 바와같이, 테이퍼진 부분은 도파관 프로파일로써 언급된다. 용어 "프로파일"은 도파관의 제 1 부분(31)에서 높이의 일정성으로써 언급된다. 이하에 설명되는 바와 같이, 제 1 부분에서의 화합물 및 높이의 균일성은 장치의 성능이 향상되도록 선택된다. 도파관 프로파일은 장치의 성능에 영향을 미친다. 따라서, 능동 프로파일이 실질적으로 원하는 프로파일에 따른다면, 도파관은 최적의 기능을 수행하지 않는다.
이러한 장치의 프로파일은 제 1 높이에서 제 2 높이로 전이되는 도파관의 필수적인 두께 및 화합물을 결정함으로써 선택된다. 도파관이 레이저 빔의 모드를 확장시키는 실시예에서, 레이저 파는 도파관에 의해 흡수되지 않아야 한다. 결과적으로, 도파관의 화합물 및 두께는 방사파가 과도한 손실없이 전파하도록 레이저 빔이 모드 확장기에 결합되는 도파관의 부분으로부터 변화된다.
본 발명의 도파관은 화합물 반도체 재료(예컨대, Ⅲ-V 반도체, 실리콘-게르마늄 반도체 등)로 제조된다. Ⅲ-V 반도체가 멘델의 주기율표의 그룹 Ⅲ중 적어도 한 성분과 멘델의 주기율표의 그룹 V중 적어도 한 성분으로 형성된 합성 재료이라는 것은 당업자에게 명백하다. 인듐 인(InP)은 Ⅲ-V 반도체의 일예이다. 갈륨 인듐 아세나이드 인(GaInAsP)은 그룹 Ⅲ중 두 성분과 그룹 V중 두 성분을 가진 Ⅲ-V 반도체의 다른 예이다.
도파관 화합물의 변화는 MOCVD 증착 분위기에서 그룹 Ⅲ 및 그룹 V 성분의 상대량을 변화시킴으로써 달성된다. 하지만, Ⅲ-V 반도체 재료의 성장 속도는 MOCVD 분위기에서 그룹 Ⅲ 및 그룹 V 성분의 상대량에 완전히 좌우되지 않는다. 특히, MOCVD 분위기에서 하나의 그룹 Ⅲ 성분 및 하나 이상의 그룹 V 성분이 존재하는 경우, MOCVD 분위기에서의 상기 성분의 상대량이 원하는 화합물 변화를 얻기 위해 성장 단계 동안에 변화되더라도 Ⅲ-V 반도체의 성장 속도는 본질적으로 공간적으로 일정하다(반도체 기판의 표면상의 위치의 함수로써의 성장 속도 일정성). 하지만, MOCVD 분위기에서 하나 이상의 그룹 Ⅲ 성분이 존재하면, MOCVD 분위기에서 그룹 Ⅲ 성분의 상대량의 변화는 Ⅲ-V 반도체 재료의 성장에 영향을 미치며 성장 속도는 더 이상 공간적으로 일정하지 않게 된다.
위에서 설명한 바와 같이, 절연 패드는 화합물 반도체 재료의 성장 속도에 영향을 미친다. 특히, 성장 속도는 절연 패드의 근접 부근에서 강화된다. 증착 분위기에서 그룹 Ⅲ 및 그룹 V 성분의 상대량이 성장 속도에 영향을 미치도록, 절연 패드의 근접 부근 외에서 원하는 프로파일을 가진 도파관을 얻기 위한 화합물의 성분량이 고려되어야 한다.
제 1 (두꺼운) 부분의 두께는 활성 영역에서의 광학 모드 제한 요소와 양호한 모드 전달 효율에 의해 결정된다. 이러한 부분의 두께는 제 1(두꺼운) 부분으로부터 제 2(얇은) 모드 확장 부분으로의 전달 효율이 두꺼운 부분으로부터 얇은 부분으로의 테이퍼에 따른다는 사실에 의해 제한된다. 이들 사항을 기초로 하여, 절연 마스크의 치수는 선택된 두께를 가진 두꺼운 부분을 제공하도록 선택된다. 이 선택된 두께는 마스크의 절연 패드사이의 성장 강화에 의해 얻어진다.
선택된 프로파일은 허용가능한 한계치 내에서 자유 캐리어 손실 및 방사 손실을 유지한다. 도파관의 다양한 치수는 원하는 장치에 따른다. 이와 같은 문제는 도 2A에 도시된 장치에 대한 설명에 개시되어 있다. 하지만, 본 발명이 테이퍼진 프로파일을 가진 도파관을 얻기위한 방법을 제공하고 특히 여기에 기술된 장치가 테이퍼진 프로파일을 가진 장치에 대한 단순한 실시예라는 것을 당업자는 이해해야 한다.
도 2A에 도시된 장치에서, 레이저(35)는 모드 확장기(32)에 단일체로 집적된다. 제 1 부분(31)의 두께(36)는 레이저(35) 및 모드 확장기(32)사이를 결합하는 원하는 모드에 기초하여 선택된다. 일반적인 원리로써, 두꺼운 제 1 부분은 이러한 목적에 바람직하다. 마스크는 제 1 부분(31)의 전반에 걸쳐 두께 및 화합물 균일성(즉, 평면 또는 평평한 표면)을 제공하도록 선택된다. 일반적으로, 제 1 부분의 표면이 평평할 수록 장치의 성능은 보다 향상된다.
제 1 부분에서의 화합물 및 표면의 균일성에 대한 필요성은 분산 피드백 레이저(DFB)의 설명에 개시되어 있다. DFB는 다수의 다른 층을 가지며, 각 층은 레이저의 다른 영역을(예컨대, 격자영역, 이득 영역, 공간 영역등)이다. DFB는 이들 층에 가로로 광학 모드 프로파일을 가지고 있다. 레이저(neff)의 모델 또는 효과적인 인덱스는 레이저를 구성하는 개별 층의 대역폭(즉, 층의 화합물), 두께 및 굴절률에 의해 결정된다. DFB의 격자 영역은 길이 방향 굴절율이 주기 A를 가진 주기적인 방식으로 변화하는 영역이다. 격자 영역에 근접하게 광학 모드가 이득에 영향을 미치는 활성(이득) 영역이 배치되어 있다. 2neffΛ와 동일한 파장을 가진 광은 격자에 의해 효율적으로 회절된다. 이러한 회절은 레이저 동작이 상기 파장(DFB파장)에서 발생하도록 하는 최소 굴절률을 최소화하는 파장에서 효율적인 반사율을 야기한다. 활성영역에서 두께 또는 화합물이 변하면, neff는 길이에 따라 변화한다. 이러한 변화는 격자 길이를 효율적으로 감소시키고, 레이저의 출력 전력을 감소시키며 임계 전류를 증가시키기 때문에 바람직하지 않다.
제 1 부분의 길이는 길이 방향 레이저 계산에 의해 결정된다. 이러한 계산은 제 1 부분의 평탄도의 함수로서 파장 시프트를 기술한다. 제 1 부분을 가능한 평평하게 유지하여 파장 시프트를 가능한 평평하게 유지하는 것이 유리하다.
테이퍼진 영역(33)의 프로파일은 자유 캐리어 흡수를 감소시키도록 형성된다. 특히, 프로파일이 너무 짧으면, 도파관으로부터 너무 많은 신호가 방사되게 된다. 프로파일이 너무 길면, 부적절한 자유 캐리어 손실이 발생한다.
제 2 (얇은) 부분의 두께(37)는 동일한 광학 벤치상의 다른 도파관 또는 광섬유와의 원하는 결합 효율에 의해 결정된다. 이러한 두께가 얇은 부분 및 다른 도파관 또는 광섬유사이의 모드 매칭 사항에 의해 결정된다는 것은 당업자에게 명백하다.
또한, Ⅲ-V(예컨대, InP) 웨이퍼 및 웨이퍼 처리 공정이 비싸기 때문에, 가능한 작은 방에서 처리할 수 있는 도파관을 설계하는 것이 유리하다. 이러한 사항을 고려하여, 절연 마스크의 치수는 MOCVD 증착 기술을 사용하여 원하는 프로파일을 가진 도파관을 제공하도록 선택된다.
전형적인 마스크 구조의 측면도가 도 1에 도시되어 있으며, 마스크의 평면도는 도 4에 도시되어 있다. 마스크는 SiO2와 같은 절연 재료로 마들어진 2 개의 패드(12)를 가지고 있다. 패드(12)는 거리(13) 만큼 떨어져 있다. 이 거리는 원하는 높이를 가진 도파관을 제공하도록 선택된다. 패드(12)의 단부(14)에서, 패드(12)에 의해 야기된 MOCVD 성장 강화는 페이퍼 처리로부터 시작한다. 따라서, 패드(12)의 단부(14)에서의 성장 강화는 패드(12)의 내부 부분에서의 성장 강화보다 낮다. 도파관(30)의 제 1 부분(31)이 일정한 높이를 가지도록 요구되기 때문에, 패드(12)의 길이는 도파관의 제 1 부분의 길이에 대한 균일한 MOCVD 성장 강화를 제공하도록 요구된 길이이다. 본 발명의 설명에서, 성장 강화는 성장 속도가 패드에 의해 영향을 받지 않는 기판상의 한 지점에서의 MOCVD 성장 속도와 비교하여 패드에 따른 MOCVD 성장 속도를 향상시킨다.
집적된 변조기/레이저가 선택적 영역 성장에 의해 제공되는 도 2B에 도시된 장치와 같은 EML 장치에서, 화합물 및 두께의 변하는 SAG 산화물 마스크의 단부 근처에서 일어난다. 이들 변화는 종종 약 100μm의 길이보다 중요하다. EML 장치의 DFB 레이저가 종종 약 300μm의 능동 레이저 길이를 가지기 때문에, 마스크의 에지(12) 근처에서 길이 방향 화합물 및 두께의 변화(산화물 패드(14)사이의 중앙선을 따라)를 제거하는 것이 바람직하다. 제어된 한계치 내에서 이들 변화를 유지하는 것은 두께 및 화합물의 원하지 않는 변화로 인해 DFB 레이저 성능의 저하를 막을 수 있다.
원하는 길이, 폭 및 높이를 가진 제 1 부분을 제공하도록 요구된 마스크는 존스 등의 문헌에서 기재된 것과 같은 2차원 모델링을 사용하여 신속하게 제공된다. 절연 패드사이의 주어진 거리에 대해, 성장 강화는 절연 패드의 폭을 함수이다. 예컨대, 74μm만큼 떨어진 2개의 산화물 패드에 대해, 산화물 패드의 폭은 1.8의 성장 강화를 얻기 위해 76μm이다. 유사하게, 40μm 만큼 떨어진 2 개의 120μm 폭 산화물 패드는 2.5의 성장 강화를 제공한다. 이러한 성장 강화는 MOCVD 조건(예컨대, MOCVD 분위기의 성분에 대한 온도, 흐름 및 부분 압력)에 의해 영향을 받는다. 따라서, 주어진 성장 강화는 모든 MOCVD 조건에 대해 절대적이지 않다.
시작점에서 단순한 마스크를 사용하면, 마스크의 단부에서 MOCVD 성장 프로파일은 모델링된다. 이 모델은 기판 표면상의 주어진 지점에서의 강화 성장이 마스크의 단부로부터의 지점의 거리에 따르기 때문에 필연적으로 3차원이어야 한다. 적절한 3차원 모델은 기상확산 또는 표면 확산중 하나에 기초한다. 다음은 3차원 기상확산 모델의 설명이다.
모델은 웨이퍼 표면에서의 도파관 재료의 공간 분포가 유동층으로부터 정지 경계층을 통해 웨이퍼 표면으로 정상상태 확산에 의해 제어되는 것으로 가정된다. 정지 경계층은 분자 수소 캐리어 가스의 미세 흐름에 의해 형성된다.
화합물 반도체가 Ⅲ-V 반도체인 본 발명의 실시예에 있어서, 모델은 유동층에 존재하는 그룹 Ⅲ 종이 Ⅲ-V 반도체 재료(예컨대, InGaAsP)의 성장 속도를 제어하는 것으로 가정된다. 이전에 주지된 바와같이, 유동층에서 In 및 Ga의 상대량이 변화되면, 성장 속도는 변하게 된다. 따라서, 모델은 Ⅲ-V 반도체 재료의 성장 속도를 결정할때 유동층에서 그룹 Ⅲ 성분의 상대량을 고려한다. 모델은 Ⅲ-V 반도체 재료의 유효량이 절연 마스크상에 증착되지 않는 것으로 추정된다.
도 5에는 선택적 영역 MOCVD 성장의 3차원 기상 모델에 사용된 기하학적 및 경계 조건이 도시되어 있다. 그룹 Ⅲ 선구물질의 농도, 즉 n(x,y,z)은 다음과 같이 유동층에서 정수로 가정된다.
여기서, d는 유동층의 높이이다. 정지층(0<z<d)에서는, 플럭스가 픽스 법칙(J=-Dvgrad(n))을 만족하며, 여기서 Dv는 기상 확산 상수이다.
기상 증착 모델에 2 개의 재료 종속 파라미터 Dv및 k가 존재한다. 기상확산이 일정하기 때문에, Dv는 증착 분위기에서의 그룹 Ⅲ 종과 배경 H2캐리어 가스사이의 충돌에 의해 제한되며, Dv의 추정치는 가스의 운동법칙으로부터 유도된 다음과 같은 표현으로부터 얻어진다.
여기서 m1및 m2은 H2의 질량이고, 금속 분자 kB는 볼츠만 상수이며, T는 온도이고, P는 전체 압력이며, σ은 충돌 단면이다. 주어진 그룹 Ⅲ 성분에 대해, Dv는 반응기 내의 전체 압력에 좌우된다. 결정적으로, Dv의 보다 작은 값은 저압 성장에 비교하여 분위기 압력 MOCVD 성장을 위해 추정된다. 금속분자(예컨대, 트리메틸 인듐, 트리메틸 게르마늄)의 질량이 분자 수소의 질량보다 훨씬 크기 때문에, 수학식 2의 감소된 질량은 대략 수소의 질량과 동일하다. 따라서, TMI 및 TMG에 대한 확산 상수간의 차이는 이들 두 분자에 대한 H2충돌 단면의 차이와 유사하다. TMI 분자의 치수가 TMG 분자의 치수와 대략적으로 동일하기 때문에, 이들 분자는 실질적으로 동일한 기상 확산 상수를 가질 것으로 추측된다.
정지층의 소스 또는 싱크가 존재하지 않기 때문에, 반응이 보존된다는 것은 그룹 Ⅲ 종이 다음과 같은 라플라스 수학식을 만족함을 내포하고 있다.
기판 표면에서, 기판에 수직한 소스 플럭스의 보존 법칙은 다음과 같다.
여기서 k는 반응 계수이다. 반응물은 절연(이하, 산화) 마스크 상에 증착되지 않는 것으로 추정되므로, k는 산화물 마스크상에서 0이며 마스크에 의해 덮이지 않은기판의 부분 상에서는 0이 아니다.
따라서, 기판 상에는 하나의 경계조건이 존재하며 마스크상에는 다른 경계조건이 존재한다.
대칭의 중심은 x=0에 존재하는 것으로 가정하였으며, 이에 따라 순 측면 플럭스는 수직 경계 x=0를 가로질러 흘러 흐르지 않고, 수학식 6이 성립된다.
이와 유사하게, 도 5의 단위 셀은 x축을 따라 2w의 간격으로 그리고 y축을 따라 (L+L)(도 6에 도시됨)의 간격으로 반복되는 것으로 가정된다. 결과적으로, 순 플럭스는 x=w 및 x=(L+L')/2에서 표면을 가로질러 흐르지 않는다.
수학식 1-7은 기상 확산 모델을 정의한다.
하지만, 금속 유기종의 기상 확산 상수가 유사한 것으로 추정되더라도, 성장 속도 상수(k)는 아니다. 반응 속도 k가 양과 동일하며, 여기서 VT는 기상 재료의 열 속도(thermal velocity)이며, α는 흡수 확률이며, ζ는 표면 흡수 속도이고, η은 표면 흡수 속도이다. 예컨대, 인듐에 대한 표면 흡수 및 흡수는 갈륨에 대한 표면 흡수 및 흡수와 매우 다르다. 즉, k(In)>>k(Ga)이다. 도 4a 및 도 4b를 참조하면, 표면 z=0에서 ∂n/∂x에 대한 경계 조건의 공간 관계는 웨이퍼 표면 전반에 걸쳐 그룹 Ⅲ 종의 비균일 흡수를 발생시킨다. In 대 Ga의 농도비가 공간에 좌우되기 때문에, 웨이퍼 표면 전반에 걸쳐 다른 두께, 다른 변형 및 화합물 프로파일이 존재한다. 모델이 독립적인 성장 파라미터를 포함하지 않기 때문에, 모델은 절대적인 층 두께를 예측할 수 없다. 대신에, 모델은 반도체 기판 상에서 임의의 알려진 두께를 기준으로 하여 새로운 두께를 예측하기 위해 사용된다. 기준 두께의 일예는 x=w(가로 경계)이다. 이는 전형적으로 산화물 마스크에 의해 영향을 받지 않는 기판 상의 지점에서 에피택셜층의 두께이다.
일단 모델 문제가 특정 반응기에 대해 설정되면, 결과적인 부분 미분 수학식은 다양한 스펙트럼 또는 유한 엘리먼트 기술에 의해 해결될 수 있다. 가스 흐름 문제의 해답이 얻어지면, 다른 재료에 대한 해답은 합성 구조의 원하는 재료 특성을 얻기 위해 적절히 결합된다. 특히, 두께 비 n(x,y,z)/n(w,(L+L')/2, 0)은 E로 표시된다. 계산된 공간 종속 성장 강화가 주어지면, 4변수(Q) 층 두께는 다음과 같은 수학식을 사용하여 결정된다.
여기서, E(Q)는 수학식 8에 의해 주어진다.
여기서, t0은 필드영역에서 Q층의 두께이다(실험으로 결정됨). E(Q)는 그룹 Ⅲ 성장 강화 인자만을 따른다. 그룹 V 비는 고정된 것으로 가정된다. 따라서, 필드 영역에서 x0및 y0의 Ga 및 As 몰-분수를 가진 4변수 층에 대해, 성장 강화는 다음과 같다:
유사하게, 인듐의 농도가 물리적인 치수(즉, 길이, 폭 또는 높이)에 따라 변화하는 InP 층에서, InP 층에 대한 성장 강화는 증착된 InP층 대 증착된 Q층의 용량비로부터 얻어진다. 공간 종속 인듐 몰 분수는 다음과 같다.
여기서, E(Q)는 수학식 8에서 주어진다.
도파관이 InGaAsP의 층을 가지고 있는 본 발명의 실시예에 있어서, 층은 인듐 인(InP)의 두 층사이에 삽입될 수 있다. 이러한 장치(30)는 도 2A에 도시되어 있다. 이 장치는 다수의 층을 가지고 있고, 각각의 층은 원하는 프로파일을 가지고 있다. 도 8a 내지 도 8c를 참조하면, 제 1 층(41)은 InP(x'=0 및 y'=0)의 층이다. 제 2층(42)은 x'=0.21 및 y'=0.41인 InGaAsP의 층이다. 제 3층(43)은 InP(x'=0 및 y'=0)의 층이다. 이러한 층에서, 층(42)은 효율적인 도파관을 제공한다. 층(42)의 유효성은 InP층(41, 43) 및 층(42)사이의 굴절률의 차이에 의해 결정된다. 층의 굴절률 정보는 층의 대역폭 및 변형으로부터 얻어진다. 원하는 프로파일은 층(41, 42, 43)의 결합 프로파일이다. 전술한 화합물은 도 2A의 두께(37)에 의해 한정된 도파관의 부분에 대한 것이다.
한 시뮬레이션에서, 3D 시뮬레이션에 대해 가정된 성장 파라미터 값(Dv/k)은 인듐에 대해 25μm이며 갈륨에 대해 183.3μm이다. 시뮬레이션에서, 산화물 패드의 쌍은 무한 기판상에 배치된다.
전술한 모델을 사용하면, 테이퍼의 원하는 길이를 가진 도파관을 제공하는 마스크 설계가 선택된다. 도 6을 참조하면, 무한 길이의 두개의 산화물 패드를 가정하는 2차원 설정 모델에 기초하여, 단순한 마스크 공간은 원하는 길이, 두께 및 일정한 높이를 가진 제 1 부분을 제공하도록 선택된다. 이것은 산화물 피드에 의해 제공된 2차원 점근선 성장 강화에 기초한다. 이러한 단순한 마스크 형상(100)은 도 7a(0은 두개의 산화물 패드사이의 중심선이며, 각각의 패드는 약 38μm의 절반 폭과 약 500μm의 길이를 가지고 있고(형상은 도 6에서 점선으로 그려진 직사각형(100)으로 표시됨))에 도시되어 있다. 이때, 선택적 영역 산화물 성장 시뮬레이션이 행해진다. 시뮬레이션의 결과가 도 7b에 도시되어 있다. 도 7c에는 두 산화물 패드사이의 중심선을 따라 증착된 에피택셜 Ⅲ-V 반도체 재료의 프로파일이 도시되어 있다. y축은 에피택셜 Ⅲ-V 반도체 재료의 성장 강화이다. 도 7b에는 성장 강화가 마스크의 단부 근처에서 페이퍼지도록 하는 것이 도시되어 있다. 도 7b의 시뮬레이트된 프로파일은 도 7c의 원하는 프로파일과 비교된다. 마스크 설계는 시물레이트된 프로파일 및 원하는 프로파일사이의 차이에 기초하여 조절된다. 이와같은 처리는 시물레이트된 프로파일 및 원하는 프로파일 사이의 원하는 유사성이 얻어질때까지 반복된다.
예 1
본 발명의 방법에 따라 설계된 확장기 빔 레이저는 장치 중심 사이의 150μm의 반복 거리를 가진 것으로 가정된다. 2차원 시뮬레이션은 산화물 패드가 76μm 폭일때 1.8의 성장강화가 74μm 떨어져있는 두개의 산화물 패드에 대해 얻어지는 것을 결정하도록 수행된다. 유사하게, 40μm 떨어져 있는 두개의 120μm 폭 산화물 패드는 2.5의 성장 강화를 제공한다. 한 마스크 패드(100)의 절반은 도 7a에 도시되어 있다(즉, 음영진 부분(100)은 38μm 폭을 가지고 있다). 유사하게, 산화물 패드(100)사이의 거리의 절반은 도 7a에 도시되어 있다(즉, 두 마스크 패드사이의 거리의 절반은 37μm이다). 이와 같은 부분적인 설명은 문제가 대칭이기 때문에 충분하다.
76-74-76 마스크는 도 7b에 도시된 성장 프로파일을 계산하기 위해 시작점으로써 사용된다. 원하는 프로파일 및 모델링 프로파일(710)사이의 차이는 도 7c에도시되어 있다. 원하는 프로파일은 모델링된 프로파일(710)이 베이스 라인(도 7c에서 700)에 따를 때 얻어진다. 라인위의 지점은 원하는 프로파일과 일치하도록 구조내의 특정 지점에서 요구되는 추가 성장 강화의 양을 나타낸다. 라인 아래의 지점은 원하는 프로파일과 일치하도록 구조내의 특정 지점에서 요구되는 감소된 성장 강화의 량을 나타낸다. 도 7c에는 모델링된 성장 강화가 구조 전반에 걸쳐 원하는 성장 강화보다 약 0.1 작은 것이 도시되어 있다.
모델링된 프로파일 및 원하는 프로파일사이의 유사성을 개선하기 위해, 산화물 패드의 폭은 76μm에서 86μm으로 증가된다. 마스크는 도 8a에 도시되어 있다. 마스크의 두 패드(200)를 분리하는 거리는 감소된다(74μm 에서 64로). 또한, 두개의 패드(200)사이의 거리의 절반이 도 8a에 도시되어 있다. 성장 프로파일은 이전에 기술된 3차원 모델링 기술을 사용하여 모델링되며 모델링된 성장 프로파일은 도 8b에 도시되어 있다. 도 8c에서는 모델링된 성장 프로파일과 원하는 성장 프로파일을 비교한다. 도 8c에는 원하는 성장 강화가 두개의 패드사이에서 얻어지는 것이 도시되어 있다. 하지만, 성장 프로파일은 마스크의 단부에서 너무 빠르게 떨어진다(대략 430μm). 모델링된 성장 프로파일은 성장 강화가 너무 빠르게 감소하기 때문에 허용되지 않는다. 즉, 도파관의 에지에서 원하는 프로파일 및 예측된 프로파일사이의 차이는 너무 크다. 이러한 큰 차이는 허용되지 않게 큰 도파관내의 방사 손실을 유발한다. 성장 강화가 마스크의 단부에서 감소되는 것이 바람직하더라도, 감소가 너무 빠르게 이루어지는 경우에는 도파관의 테이퍼진 부분이 너무 급경사를 이루게 된다. 테이퍼가 너무 급경사를 이루면, 도파관은 허용되지 않는 레이저 발진을 유발하여 방사 손실이 너무 크기 때문에 허용되지 않는다.
마스크가 중심에서 원하는 성장 강화를 제공하기 때문에, 마스크의 단부는 마스크의 단부에서의 성장강화의 변화가 점차적으로 만들어지도록 수정된다. 이 마스크는 도 9a에 도시되어 있다. 도 9a의 마스크 패드(910)는 단부(930)에서 작은 확장부분(920)을 가지고 있다. 작은 확장부분(920)은 마스크 패드사이의 공간(940)내로 돌출한다. 작은 확장부분(920)의 치수 및 위치는 도 9c로부터 관찰되는 중요한 에러의 위치를 관찰함으로써 선택된다. 그 위치는 약 450μm에 있다. 이 마스크에 의해 제공된 성장 강화는 이때 모델링되며, 수정된 프로파일은 도 9b에 도시되어 있다. 모델링된 프로파일은 원하는 프로파일과 비교되며, 이 비교의 결과는 도 9c에 도시되어 있다. 도 9c에서의 수정된 프로파일이 450μm 주위의 전이 영역에서의 원하는 프로파일에 매우 일치할지라도, 모델링된 프로파일은 전이영역에서의 성장강화로 인해 부적절한 발진을 가지고 있다.
확장부분의 기하학적 형태는 원하는 프로파일로부터의 상기와 같은 발진을 제거하기 위해 수정된다. 조절된 확장부분의 치수를 가진 마스크는 도 10a에 도시되어 있다. 도 10a에 도시된 마스크에 대한 모델링된 성장 강화 프로파일은 도 10b에 도시되어 있다. 모델링된 프로파일은 도 10C에서 원하는 프로파일과 비교된다. 이 비교는 SAG의 중심에서 원하는 성장 강화(예컨대 1.8)가 마스크에서 얻어지며 원하는 테이퍼가 도파관의 활성영역(즉, 제 1 두꺼운 부분)을 통해 얻어지는 것을 기술한다.
예컨대, 도 10a 내지 도 10c에 도시된 도파관 프로파일에서, 두께(36)(도2A 참조)는 두께 37의 1.8배이며, 테이퍼 부분(33)의 길이는 450μm이다. 두께(37)를 가진 도파관 부분의 화합물은 4 변수 층이 이전에 기술된 화합물(수학식 8 참조)을 가지는 InP/InGaAsP/InP이다. 장치(36)의 두꺼운 부분의 변화는 7퍼센트이하이며, 장치는 1데시벨(dB)의 방사 손실을 가지고 있다.
본 발명의 방법은 특정 사항을 충족시키기 위해 마스크를 설계하는데 사용된다. 예컨대, 기판 표면의 공간 제한 때문에, 보다 짧은 영역이 요구될 수 있다. 이전의 실시예에서, 도파관의 확장기 길이는 300μm이다. 예컨대, 보다 짧은 확장기 길이가 요구된다. 본 발명의 방법을 사용하면, 원하는 확장기 길이를 가진 도파관을 형성하기 위한 마스크의 치수는 마스크를 원하는 프로파일과 비교하여 마스크에 의해 제공된 성장 강화를 모델링하여, 모델링된 프로파일이 원하는 프로파일과 일치할때까지 마스크의 치수를 수정함으로써 결정된다.
도 11에는 치수(W1,L)의 확장 패드(920)를 가진 마스크(900)가 도시되어 있다. 갭 영역(941)은 패드(920)로부터 중심선(943)까지의 거리이며, W는 산화물 패드(910)의 폭이다. 앞서 주지된 바와같이, 도 11에 도시된 패드(920)와 같은 확장 패드는 원하는 테이퍼를 얻을 뿐만아니라 제 1 높이에서 장치의 원하는 프로파일 균일성을 얻기 위해 사용된다. 장치가 변조기와 접적된 DGB 레이저인 실시예를 참조하면, DFB 파장 변화(δλDFB)가 약 0.5Δλstop이하이고 Δλstop이 약 1nm이며 DFB 정지 대역폭인 영역에서 모델 변화를 유지하는 것은 유리하다. 수학식 δλDFB=2Λδηwff은 다음과 같은 관계식 ηwff=δλDFB=δληDFB/2Λ를 제공한다. δλDFB가 0.5nm와 대략 동일하며(1.55μm 레이저 동작에 대해), Λ가 대략 240nm이면, ηeff의 변화는 약 0.5/500 또는 10-3dls 0.5nm/2X240nm이다.
본 발명의 일실시예에서는 마스크의 설계 공정이 자동화된다. 특히, 위에서 설명한 기상 확산 모델 계산은 원하는 프로파일을 가진 도파관을 제공하는 마스크 치수를 선택하는 공정을 자동화하기 위해 마스크 설계 파라미터의 입력과 인터페이스된다. 상기 모델은 상기 마스크의 중심선을 따라 대칭인 것으로 추정된다. 마스크 설계 방법은 도파관이 제 1 높이에서부터 제 2 높이로 전이되기 때문에 제 1 높이에서의 도파관의 원하는 두께 일정성과 원하는 프로파일을 산출하는 마스크 치수(예컨대, 산화물 패드의 폭, 산화물 패드 확장 부분의 폭, 산화물 패드사이의 거리, 산화물 패드의 길이, 산화물 패드 확장 부분의 길이)의 결함을 검색하는 단계로 이루어진다. 최소자승 적합 분석은 원하는 프로파일에 모델링된 프로파일을 적합시키는데 사용될 수 있다.
마스크 치수가 원하는 마스크를 픽셀로 절단함으로써 그리고 프로파일상의 각 픽셀의 현상을 모델링하여 원하는 프로파일을 제공하는 마스크 치수를 검색함으로써 선택되는 경우 유리하다.
Claims (7)
- 화합물 반도체 재료로 제조될 도파관을 형성하는데 사용될 절연 재료로 제조된 마스크의 치수를 선택하는 단계로서, 상기 도파관이 제 1 높이, 제 2 높이, 및 상기 제 1 높이에서부터 상기 제 2 높이까지의 적어도 하나의 테이퍼를 포함한 치수를 가지고 있는 단계와;선택된 마스크 치수를 가진 마스크로 반도체 웨이퍼 상에 형성된 도파관의 도파관 치수 및 화합물을 모델링하는 단계로서, 상기 도파관이 선택적 영역 성장법을 이용하여 기판 상에 형성되는 단계와;상기 도파관의 모델링된 도파관 치수 및 화합물을 상기 도파관의 선택된 도파관 치수 및 화합물과 비교하여, 상기 모델링된 도파관 치수 및 모델링된 도파관 화합물이 상기 도파관의 선택된 도파관 치수 및 선택된 화합물과 충분히 유사하지 않으면 상기 마스크 치수를 수정하고, 상기 모델링된 도파관 치수 및 모델링된 도파관 화합물이 제공된 도파관 치수 및 제공된 도파관 화합물과 충분히 유사할 때까지 상기 비교를 반복하는 단계와;반도체 기판 상의 제공된 도파관 치수와 충분히 유사한 모델링된 도파관 치수를 가지고 있는 마스크를 형성하는 단계와;상기 제공된 치수 및 화합물을 가진 도파관을 형성하기 위해 상기 마스크로 상기 기판 상에 화합물 반도체 재료를 증착하는 단계를 포함하고 있는 도파관 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 화합물 반도체는 실리콘-게르마늄과 Ⅲ-V 반도체로 이루어진 그룹에서 선택된 도파관 제조 방법.
- 제 2 항에 있어서, 상기 모델링된 도파관 치수는 상기 선택된 마스크 치수를 가진 위에 형성된 절연 마스크로 기판 상의 상기 화합물 반도체의 금속 유기 화학 기상 증착을 모델링하고, 이 모델링된 증착으로부터 상기 모델링된 도파관 치수를 결정함으로써 얻어지는 도파관 제조 방법.
- 제 3 항에 있어서, 상기 도파관은 상기 제 1 높이를 가진 제 1 부분, 상기 제 2 높이를 가진 제 2 부분, 및 상기 제 1 부분과 상기 제 2 부분을 접속하는 제 3 부분을 가지고 있고,상기 제 1 부분에 인접한 상기 제 3 부분은 상기 제 1 높이를 가지고 있고, 상기 제 2 부분에 인접한 상기 제 3 부분은 상기 제 2 높이를 가지고 있으며, 상기 제 3 부분은 상기 제 1 높이에서부터 제 2 높이까지 테이퍼진 프로파일을 가지고 있고,상기 제 1 부분은 상기 제 1 부분의 길이에 걸쳐 실질적으로 일정한 제 1 높이를 가지고 있고, 상기 제 2 부분은 상기 제 2 부분의 길이에 걸쳐 실질적으로 일정한 제 2 높이를 가지고 있는 도파관 제조 방법.
- 제 3 항에 있어서, 상기 기상 모델은 상기 기판 상의 여러 지점에서 상기 기판 상의 화합물 반도체의 증착을 모델링하는데 이용되는 도파관 제조 방법.
- 제 5 항에 있어서, 상기 기상 모델은 상기 절연 마스크로부터의 거리의 함수로써 상기 기판 상의 화합물 반도체의 증착을 모델링하는데 이용되는 도파관 제조 방법.
- 제 4 항에 있어서, 상기 제 1 부분은 상기 제 1 부분의 길이에 걸쳐 실질적으로 일정한 제 1 재료 화합물을 가지고 있고,상기 제 2 부분은 상기 제 1 재료 화합물과는 다르고 상기 제 2 부분의 길이에 걸쳐 실질적으로 일정한 제 2 재료 화합물을 가지고 있는 도파관 제조 방법.
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US09/097,924 | 1998-06-17 | ||
| US09/097,924 US6261857B1 (en) | 1998-06-17 | 1998-06-17 | Process for fabricating an optical waveguide |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20000006219A true KR20000006219A (ko) | 2000-01-25 |
Family
ID=22265788
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1019990022521A KR20000006219A (ko) | 1998-06-17 | 1999-06-16 | 광도파관제조방법 |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US6261857B1 (ko) |
| EP (1) | EP0966027A1 (ko) |
| JP (1) | JP2000047047A (ko) |
| KR (1) | KR20000006219A (ko) |
Families Citing this family (14)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6403454B1 (en) * | 1999-10-29 | 2002-06-11 | Agere Systems Guardian Corp. | Silicon semiconductor devices with δ-doped layers |
| US7116851B2 (en) | 2001-10-09 | 2006-10-03 | Infinera Corporation | Optical signal receiver, an associated photonic integrated circuit (RxPIC), and method improving performance |
| US7751658B2 (en) * | 2001-10-09 | 2010-07-06 | Infinera Corporation | Monolithic transmitter photonic integrated circuit (TxPIC) having tunable modulated sources with feedback system for source power level or wavelength tuning |
| AU2002334906A1 (en) * | 2001-10-09 | 2003-04-22 | Infinera Corporation | Transmitter photonic integrated circuits (txpic) and optical transport networks employing txpics |
| CA2463500C (en) * | 2001-10-09 | 2012-11-27 | Infinera Corporation | Transmitter photonic integrated circuit (txpic) chip architectures and drive systems and wavelength stabilization for txpics |
| US7058246B2 (en) * | 2001-10-09 | 2006-06-06 | Infinera Corporation | Transmitter photonic integrated circuit (TxPIC) chip with enhanced power and yield without on-chip amplification |
| US20080044128A1 (en) * | 2001-10-09 | 2008-02-21 | Infinera Corporation | TRANSMITTER PHOTONIC INTEGRATED CIRCUITS (TxPICs) AND OPTICAL TRANSPORT NETWORK SYSTEM EMPLOYING TxPICs |
| US7672546B2 (en) * | 2001-10-09 | 2010-03-02 | Infinera Corporation | Optical transport network having a plurality of monolithic photonic integrated circuit semiconductor chips |
| US20030113085A1 (en) * | 2001-12-14 | 2003-06-19 | Applied Materials, Inc., A Delaware Corporation | HDP-CVD film for uppercladding application in optical waveguides |
| US20030110808A1 (en) * | 2001-12-14 | 2003-06-19 | Applied Materials Inc., A Delaware Corporation | Method of manufacturing an optical core |
| US7747114B2 (en) * | 2002-10-08 | 2010-06-29 | Infinera Corporation | Tilted combiners/decombiners and photonic integrated circuits (PICs) employing the same |
| US7080528B2 (en) * | 2002-10-23 | 2006-07-25 | Applied Materials, Inc. | Method of forming a phosphorus doped optical core using a PECVD process |
| US9018108B2 (en) | 2013-01-25 | 2015-04-28 | Applied Materials, Inc. | Low shrinkage dielectric films |
| CN112965170B (zh) * | 2021-03-18 | 2022-06-03 | 东北大学 | 一种利用玻璃套管制备光纤模式选择性耦合器的方法 |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH07176827A (ja) * | 1993-08-20 | 1995-07-14 | Mitsubishi Electric Corp | 変調器付半導体レーザ装置の製造方法 |
| US5764842A (en) * | 1995-03-23 | 1998-06-09 | Hitachi, Ltd. | Semiconductor guided-wave optical device and method of fabricating thereof |
-
1998
- 1998-06-17 US US09/097,924 patent/US6261857B1/en not_active Expired - Lifetime
-
1999
- 1999-06-08 EP EP99304468A patent/EP0966027A1/en not_active Ceased
- 1999-06-16 KR KR1019990022521A patent/KR20000006219A/ko not_active Application Discontinuation
- 1999-06-17 JP JP11170402A patent/JP2000047047A/ja active Pending
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| US6261857B1 (en) | 2001-07-17 |
| EP0966027A1 (en) | 1999-12-22 |
| JP2000047047A (ja) | 2000-02-18 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US8290014B2 (en) | Active photonic device | |
| US7941024B2 (en) | Buried heterostructure device having integrated waveguide grating fabricated by single step MOCVD | |
| US5543353A (en) | Method of manufacturing a semiconductor photonic integrated circuit | |
| US20020196826A1 (en) | Farby-perot laser with wavelength control | |
| KR20000006219A (ko) | 광도파관제조방법 | |
| JPH08107251A (ja) | 反射ディジタル同調レーザの作製方法 | |
| US4944838A (en) | Method of making tapered semiconductor waveguides | |
| Cockerill et al. | Strained-layer InGaAs-GaAs-AlGaAs buried-heterostructure quantum-well lasers by three-step selective-area metalorganic chemical vapor deposition | |
| JP4111549B2 (ja) | 半導体デバイスを製作する方法 | |
| JP2004133407A (ja) | 犠牲層プロセスを使用する半導体空隙格子製造 | |
| US5805629A (en) | Semiconductor laser | |
| Kim et al. | Selective area masked growth (nano to micro) | |
| CN112993760B (zh) | 一种半导体制造方法 | |
| JP2634687B2 (ja) | テーパ付き半導体導波路とその形成方法 | |
| Balmer et al. | Vertically tapered epilayers for low-loss waveguide-fiber coupling achieved in a single epitaxial growth run | |
| US7272161B1 (en) | Epitaxial layer for laser diode ridge protection | |
| US10684414B1 (en) | Interconnect between different multi-quantum well waveguides in a semiconductor photonic integrated circuit | |
| JP3321800B2 (ja) | 半導体光集積素子の設計方法 | |
| Shi et al. | Monolithic InGaAs/GaAs multi-QWs DFB nano-ridge laser directly grown on 300 mm Si Wafer | |
| WO2015198377A1 (ja) | 半導体レーザ光源及び半導体レーザ光源の製造方法 | |
| CN117335266A (zh) | 半导体激光器及其制备方法 | |
| JP6043698B2 (ja) | 光半導体装置の製造方法 | |
| Junesand | High-quality InP on Si and concepts for monolithic photonic integration | |
| Campbell et al. | Enabling terabit systems through MOVPE | |
| Joyner | Advances in Semiconductor Laser Growth and Fabrication Technology |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| WITN | Application deemed withdrawn, e.g. because no request for examination was filed or no examination fee was paid |