KR20000019294A

KR20000019294A - 스폿 사이즈 변환기 레이저 다이오드의 제조 방법

Info

Publication number: KR20000019294A
Application number: KR1019980037314A
Authority: KR
Inventors: 이정석
Original assignee: 윤종용; 삼성전자 주식회사
Priority date: 1998-09-10
Filing date: 1998-09-10
Publication date: 2000-04-06

Abstract

본 발명은 광통신용 전송 모듈에서 렌즈 없이 저렴한 비용으로 레이저 다이오드와 광섬유 간의 결합이 가능한 범용 광가입자 소자로서 사용되는 스폿 사이즈 변환기 레이저 다이오드의 제조 방법을 기재한다. 본 발명에 따른 스폿 사이즈 변환기 레이저 다이오드의 제조 방법은, SAG 영역에서의 에피층(epilayer)의 선택성(selectivity)을 이용하여 SSC-LD의 레이저 다이오드 영역(LD region)에 위치전이(dislocation) 없이 광도파로(waveguide)에 0.1~0.2%의 압축 스트레인(compressive strain)을 인가함으로써 SSC 영역과 LD 영역의 스트레인을 동시에 최적화하여 보다 높은 결합 효율(coupling efficiency)을 갖는 SSC-LD를 보다 높은 수율로 제작한다.

Description

스폿 사이즈 변환기 레이저 다이오드의 제조 방법

본 발명은 광통신용 전송 모듈에서 렌즈 없이 저렴한 비용으로 레이저 다이오드와 광섬유 간의 결합이 가능한 범용 광가입자 소자로서 사용되는 스폿 사이즈 변환기 레이저 다이오드의 제조 방법에 관한 것이다.

155Mpbs 속도를 가지는 광통신용 레이저 다이오드를 범용 광가입자 소자로 사용하기위해 전송 모듈(transmitter(Tx) module)의 가격을 낮추는 것은 필수적이다. 이를 구현하기 위하여 레이저 다이오드를 사용한 Tx 모듈(module) 제작시 레이저 다이오드(LD)와 광섬유(fiber) 간의 결합 효율(coupling efficiency)을 높이기 위하여 두 소자 사이에 콜리메이팅 렌즈(collimating lens)와 포커싱 렌즈(focusing lens) 등 두 개의 렌즈를 사용하고 있다. 이러한 방법은 두 렌즈의 위치조정이 힘들고 제품 단가 상승의 문제를 안고있다. 이런 문제들을 해결하기 위해 최근에 들어 선택 영역 성장(Selective Area Growth; SAG)을 이용하여 LD 전단에 테이퍼형 광도파로(tapered waveguide)를 성장시켜 위의 두 렌즈를 대체함으로써 무렌즈 결합(lensless coupling)이 가능한 스폿 사이즈 변환기(spot size converter; SSC) LD에 관심이 집중되고 있다.

도 1은 종래의 스폿 사이즈 변환기 레이저 다이오드(Spot-Size Converter Laser Diode ; SSC-LD)의 부분 절개 사시도이다. 도시된 바와 같이, 종래의 스폿 사이즈 변환기 레이저 다이오드는 기판(11)과, 기판(11) 상에 형성된 n-InP 하부 크래드층(21), 하부 크래드층(21) 상에 n-InGaAsP 하부 광도파층(n-waveguide)(1), 활성층(active layer)(2) 및 p-InGaAsP 상부 광도층(p-waveguide)(3)으로 이루어지도록 형성된 레이저 발진층(11) 및 레이저 발진층(11) 상에 형성된 p-InP 상부 크래드층(41)이 기본적으로 구비된다. 또한, p-InP 상부 크래드층(41)에는 전류 제한을 위한 n-InP 전류제한층(51)이 구비된다. 여기서, 도 2에 도시된 바와 같이, 특히 레이저 발진층(31)은 다중 양자 우물(Multiple Quantum Well; MQW)를 갖는 분리 제한 헤테로 구조(seperated confinement heterostructure; SCH)로 적층되는데, 비반사 경면(AR 코팅면)(71, 도 2참조) 쪽에는 두께가 점점 얇아지는 테이퍼형(tapered type)으로 제작되어스폿 사이즈 변환(spot-size converter; SSC) 영역이 되고, 반사 경면(HR 코팅면)(200) 쪽에는 통상적으로 평평하게 제작되어 이득 영역이 된다.

이러한, 효과적인 SSC-LD를 구현하기 위한 SAG 기술은 2 마이크로미터 정도의 좁은 스트라이프(stripe) 영역에 테이퍼 광도파층을 성장시키는 방법과 10 마이크로미터 이상의 영역에 광도파층을 성장시키는 방법이 있다. 전자의 경우는 측면(side facet)으로부터의 성장 원료의 이동(migration) 효과가 이용되고, 후자의 경우는 기체 상태에서의 성장 원료의 확산(diffusion) 효과가 주로 이용된다. 이러한 방법으로 레이저 다이오드 부분의 광도파층과 SSC 부분의 광도파층의 두께와 조성을 달리 할 수 있다. 이득 영역에서는 광도파층으로 광 제한(optical confinement)을 유지하면서 스폿 사이즈 변환(Spot-Size Converter)의 두께를 점차적으로 감소시켜, SSC-LD로부터의 빛의 발산 각(divergence angle)을 줄임으로써, 무렌즈 결합(lensless coupling) 기술이 확보된다. 여기서, 두 영역의 광도파층은 3:1 이상의 큰 두께 비가 요구되고, 스트레인(strain)의 변화도 0.5% 이하로 작아야 한다. 그러나, SAG 기술을 이용하여 광도파층의 두께의 비를 3:1 이상으로 제작할 경우, 광도파층의 조성도 바뀌어 두 광도파층에서의 스트레인(strain) 차가 0.5% 정도 이상으로 주어진다. 이 심한 스트레인 차이에 의해서 두 영역에서 모두 양질의 광도파층 성장이 이루어지기 어려워지므로 그 질이 떨어질 가능성이 높아진다. 따라서, 종래기술의 SSC-LD는 보다 작은 두께의 비에서 작은 발산 각(divergence angle)을 실현할 수 있는 방법으로 개선되어져야 한다.

즉, 효과적인 SSC-LD를 구현하기 위해서는 SAG를 통해 스폿 사이즈 변환기 영역(SSC-region)의 광도파로(waveguide) 두께를 LD에서부터 점차적으로 감소시켜 끝에서는 1/3보다 작게 성장하여야 한다. 이 때 두께 감소는 광도파로(waveguide)로 사용되는 InGaAsP(1.1 μm의 파장을 갖는 시료)의 Ga 성분비에 따라 변화가 수반된다. 즉, 스폿 사이즈 변환기 레이저 다이오드(SSC-LD)는 제작시 스폿 사이즈 변환기 영역(SSC region)에서 심한 Ga 성분비의 변화기 생기고, 이 성분비의 변화는 스폿 사이즈 변환기 영역(SSC region)에서 과도한 스트레인(strain)을 유도하여 위치전이(dislocation)가 형성될 가능성이 매우 높게된다. 이 위치 전이(dislocation)와 같은 많은 결함(defect)이 형성됨으로써 스폿 사이즈 변환기 영역(SSC region)에서의 광필드(optical field)의 손실(loss)이 매우 심하게 일어난다. 즉, SSC-LD와 광섬유와의 결합 손실(coupling loss)이 매우 증가된다. 따라서, 양질의 SSC-LD 제작에 많은 제약이 따르게 된다.

이러한 문제는 레이저 다이오드 영역(LD region)에서 스트레인 보상(strained compensated) MQW의 구조를 도입할 경우 SSC 영역에서는 보다 큰 인장력 스트레인(tensile strain)이 유도되어 이러한 구조의 적용이 더욱 힘들게 된다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하고자 창안한 것으로, 레이저 다이오드 영역(LD region)의 광도파로(waveguide)를 격자 매칭(lattice matching)된 구조를 사용하는 대신 약간의 압축 스트레인(compressive strain)을 유도하여 SSC 영역에서 위치전이(dislocation)를 억제함으로써, 보다 광학적 손실(optical loss)이 작은 SSC-LD를 제작함으로써 보다 높은 수율을 가지는 스폿 사이즈 변환기 레이저 다이오드의 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1은 종래의 스폿 사이즈 변환기 레이저 다이오드(Spot-Size Converter Laser Diode ; SSC-LD)의 부분 절개 사시도,

도 2는 도 1의 스폿 사이즈 변환기 레이저 다이오드를 A-A' 라인을 따라 절개한 단면의 발췌 단면도,

도 3은 도 1의 스폿 사이즈 변환기 레이저 다이오드의 에너지 밴드갭 분포 상태를 나타내는 다이아그램이고,

도 4는 본 발명에 따른 스폿 사이즈 변환기 레이저 다이오드 제조 방법에 의해 제작된 스폿 사이즈 변환기 레이저 다이오드의 에너지 밴드갭 분포 상태를 나타내는 다이아그램이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1. InGaAsP 하부 광도파층(waveguide) 2. 활성층(active layer)

3. InGaAsP 상부 광도층(p-waveguide) 11. 기판

21. n-InP 하부 크래드층 41. p-InP 상부 크래드층

51. n-InP 전류제한층 61. 전류 차단층(SiO₂)

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 스폿 사이즈 변환기 레이저 다이오드의 제조 방법은, 반도체 기판; 상기 반도체 기판 상에 적층된 하부 크래드층; 상기 하부 크래드층 상에 고반사 코팅면 쪽 및 반반사 코팅면 쪽으로 나누어 레이저 다이오드 영역과 스폿 사이즈 변환기 영역으로 하부 광도파층, 다중 양자 우물 구조로 형성된 활성층 및 상부 광도파층을 순차로 적층하되, 상기 스폿 사이즈 변환기 영역에서는 상기 하부 광도파층, 활성층 및 상부 광 도파층이 두께가 점점 줄어드는 테이퍼형으로 적층된 레이저 발진층; 및 상기 레이저 발진층 상에 적층된 상부 크래드층;을 구비한 스폿 사이즈 변환기 레이저 다이오드의 제조 방법에 있어서, 선택 영역 성장법에 의한 에피택시층의 선택성을 이용하여 상기 레이저 다이오드 영역에 위치전이 없이 상기 레이저 다이오드 영역의 광도파로에 0.1~0.2%의 압축 스트레인을 인가하여 상기 스폿 사이즈 변환기 영역 및 상기 레이저 다이오드 영역의 스트레인을 최적화하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 있어서, 상기 상하부 광도파로는 각각 undoped-InGaAsP로 형성되고, 상기 하부 크래드층은 n-InP로 형성되고, 상기 상부 크래드층은 p-InP로 형성된 것이 바람직하다.

이하 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 스폿 사이즈 변환기 레이저 다이오드의 제조 방법을 상세하게 설명한다.

본 발명에 따른 스폿 사이즈 변환기 레이저 다이오드의 제조 방법은 기존의 문제점을 해결하기 위하여 LD 영역(region)의 광도파로(waveguide)에, 도 4에 도시된 바와 같이, 약간의(0.1~0.2%) 압축 스트레인(compressive strain)을 인가하여 상대적으로 스폿 사이즈 변환기 영역(SSC region)에서 인장력 스트레인(tensile strain)의 양을 줄임으로써, 위치전이(dislocation)가 없는 스폿 사이즈 변환기 영역(SSC region)을 얻는데 그 특징이 있다. 따라서 레이저 다이오드와 광섬유 간에 결합 손실(coupling loss)이 매우 작은 스폿 사이즈 변환기 레이저 다이오드(SSC-LD)를 제작할 수 있다.

이와 같은 방법으로 제작된 스폿 사이즈 변환기 레이저 다이오드의 제조 원리는 다음과 같다.

일반적으로 1.3μm 파장의 광가입자 레이저 다이오드 구조에서 격자 매칭(lattice matching)된 광도파로(waveguide)를 사용한다. SAG에서 LD의 광도파로(waveguide)로 사용되는 1.1μm 파장을 갖는 InGaAsP(1.1Q)의 경우 3:1의 두께 강화 인자(thickness enhancement factor)를 얻을 때, 스폿 사이즈 변환기 영역(SSC region)에서 레이저 다이오드 영역(LD region)에 비해 약 0.5% 정도의 인장력 스트레인(tensile strain)을 더 받게되어 위치전이(dislocation)가 형성되는 문제점을 개선하기 위해 스폿 사이즈 변환기 영역(SSC region)에서 1.1Q의 스트레인(strain)의 양을 줄여야 한다. 또한, SAG에 의한 1.1Q의 위치에 따른 Ga 조성(composition) 변화에 따른 스트레인의 절대적인 차이는 일정하므로, 스폿 사이즈 변환기 영역(SSC region)에서 1.1Q에 인장력 스트레인(tensile strain) 양을 줄일 경우, 그 만큼 레이저 다이오드에서 압축 스트레인(compressive strain)을 받게된다. 이와 같이 스폿 사이즈 변환기 영역(SSC region)과 레이저 다이오드 영역(LD region)의 스트레인을 동시에 최적화하는 것은 불가능한 것 처럼 보인다. 그러나, SSC-LD에서 LD 영역은 SAG영역으로 에피택시층(epitaxial layer)의 치수(dimension)가 매우 작다. 이 경우 스트레인에 의해 위치전이가 형성되기 시작하는 시료의 임계 두께(critical thickness)를 증가시켜 줌은 이미 알려진 사실이다. 이의 특성을 SSC-LD에 잘 응용을 하면, LD 영역의 광도파로(waveguide)에 0.1~0.2%의 압축 스트레인(compressive strain)을 인가함으로써 SSC 영역과 LD 영역을 동시에 최적화할 수 있다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 스폿 사이즈 변환기 레이저 다이오드의 제조 방법은, SAG 영역에서의 에피층(epilayer)의 선택성(selectivity)을 이용하여 SSC-LD의 레이저 다이오드 영역(LD region)에 위치전이(dislocation) 없이 광도파로(waveguide)에 0.1~0.2%의 압축 스트레인(compressive strain)을 인가함으로써 SSC 영역과 LD 영역의 스트레인을 동시에 최적화하여 보다 높은 결합 효율(coupling efficiency)을 갖는 SSC-LD를 보다 높은 수율로 제작할 수 있다.

Claims

반도체 기판;

상기 반도체 기판 상에 적층된 하부 크래드층;

상기 하부 크래드층 상에 고반사 코팅면 쪽 및 반반사 코팅면 쪽으로 나누어 레이저 다이오드 영역과 스폿 사이즈 변환기 영역으로 하부 광도파층, 다중 양자 우물 구조로 형성된 활성층 및 상부 광도파층을 순차로 적층하되, 상기 스폿 사이즈 변환기 영역에서는 상기 하부 광도파층, 활성층 및 상부 광 도파층이 두께가 점점 줄어드는 테이퍼형으로 적층된 레이저 발진층; 및

상기 레이저 발진층 상에 적층된 상부 크래드층;을 구비한 스폿 사이즈 변환기 레이저 다이오드의 제조 방법에 있어서,

선택 영역 성장법에 의한 에피택시층의 선택성을 이용하여 상기 레이저 다이오드 영역에 위치전이 없이 상기 레이저 다이오드 영역의 광도파로에 0.1~0.2%의 압축 스트레인을 인가하여 상기 스폿 사이즈 변환기 영역 및 상기 레이저 다이오드 영역의 스트레인을 최적화하는 단계;를

포함하는 것을 특징으로 하는 스폿 사이즈 변환기 레이저 다이오드의 제조 방법.
제1항에 있어서,

상기 상하부 광도파로는 각각 undoped-InGaAsP로 형성된 것을 특징으로 하는 스폿 사이즈 변환기 레이저 다이오드의 제조 방법.
제1항에 있어서,

상기 하부 크래드층은 n-InP로 형성되고, 상기 상부 크래드층은 p-InP로 형성된 것을 특징으로 하는 스폿 사이즈 변환기 레이저 다이오드의 제조 방법.