KR20010011142A - Gain coupled single mode semiconductor laser and method for fabricating the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 광 손실이 최소화된 이득 결합형 단일모드 반도체 레이저의 구조 및 그 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a structure of a gain-coupled single mode semiconductor laser with minimized light loss and a method of manufacturing the same.
종래의 단일 모드 광원은 굴절률이 일정한 주기로 변하는 회절격자층을 활성층 주위에 인접시키고 레이저의 양쪽 거울면 사이를 빛이 진행하는 동안 회절격자의 주기에 해당하는 광 모드가 발진하도록 하는 원리를 이용하여 반도체 광원 제작을 하였으나, 거울면 위치 및 반사에 따른 위상차이의 발생 등으로 단일 모드 수율이 30%에도 못 미치는 단점이 있다. 보완책으로서 이득 결합의 기능을 위주로 하는 새로운 단일 모드 반도체 레이저가 제안되고 있으나, 별도의 이득 변화를 주기적으로 발생시키기 위한 회절 격자 혹은 전도형태의 반전을 위해 별도의 공정을 수행하여야 한다. 특히 안정된 광파를 얻기 위한 방법으로 매립형 레이저 구조를 선호하게 되는데 이경우에 최소한 한번 내지 두번의 재성장 공정등이 추가되어야 한다.Conventional single mode light sources utilize a principle that allows a diffraction grating layer whose refractive index changes at regular intervals to adjoin the active layer and cause an optical mode corresponding to the period of the diffraction grating to oscillate while light travels between both mirror surfaces of the laser. Although the light source is manufactured, the single mode yield is less than 30% due to the occurrence of phase difference due to the mirror position and reflection. As a countermeasure, a new single-mode semiconductor laser mainly focusing on the function of gain coupling has been proposed, but a separate process must be performed to invert the diffraction grating or conduction form to generate a separate gain change periodically. Particularly, the buried laser structure is preferred as a method for obtaining stable light waves. In this case, at least one or two regrowth processes should be added.
도1에는 전형적인 종래의 광 흡수형 이득결합 단일모드 반도체 레이저의 단면 구조가 도시되어 있다. 도1에서 도면부호 1은 예컨대 p+-InGaAs과 같은 저항성 p전극 접촉층을, 2는 예컨대 p-InP층과 같은 p형 클래드층을, 3은 예컨대 InGaAs(P)/InGaAsP 다중양자우물과 같은 활성층을, 4는 (In)GaAs 물질의 광 흡수형 회절격자를, 5는 n+-InP인 기판을 각각 나타낸다.Figure 1 shows a cross-sectional structure of a typical conventional light absorption type gain coupled single mode semiconductor laser. In Fig. 1, reference numeral 1 denotes a resistive p-electrode contact layer such as, for example, p + -InGaAs, 2 denotes a p-type cladding layer such as, for example, p-InP layer, and 3 denotes, for example, InGaAs (P) / InGaAsP multiquantum well. In the active layer, 4 represents a light absorption diffraction grating of (In) GaAs material, and 5 represents a substrate of n + -InP.
도1을 참조하면, 광 흡수형 회절격자(4)를 형성하기 위해서는 활성층(3)을 형성하기 전에 결정성장 장치에서 꺼내어 유전체 증착, 홀로그라피(holography), 건식 식각, 습식 식각 등 여러 공정을 거쳐야 하며 다시 그 위에 필요한 에피층들을 재결정성장 하여야 한다. 이러한 단일 모드 반도체 레이저에서의 공정의 복잡성은 기술적 측면뿐만 아니라 경제성 측면에서도 상업화의 걸림돌이 되고 있는 실정이다. 아울러 광 흡수형 회절격자를 사용하는 경우 광 손실이라는 기본적인 성능상의 약점을 내포하고 있는 단점이 있다.Referring to FIG. 1, in order to form the light absorption type diffraction grating 4, before forming the active layer 3, the light absorbing diffraction grating 4 must be removed from the crystal growth apparatus and subjected to various processes such as dielectric deposition, holography, dry etching, and wet etching. And again, the necessary epilayers must be recrystallized on it. The complexity of the process in such a single mode semiconductor laser is an obstacle to commercialization not only in terms of technology but also in economics. In addition, when using the light absorption type diffraction grating there is a disadvantage that includes the basic performance weakness of the light loss.
본 발명은 상술한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 광손실이 최소화된 이득 결합형 단일모드 반도체 레이저를 제공하는데 그 목적이 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the problems of the prior art as described above, and an object thereof is to provide a gain-coupled single mode semiconductor laser in which light loss is minimized.
본 발명의 다른 목적은 그 제조 공정이 단순화되어 상업성을 개선시키기 위한 이득 결합형 단일모드 반도체 레이저를 제공하는데 있다.It is another object of the present invention to provide a gain coupled single mode semiconductor laser for simplifying the manufacturing process to improve commerciality.
도1은 종래의 광 흡수형 이득결합 단일모드 반도체 레이저의 구조를 나타내는 단면도.1 is a cross-sectional view showing the structure of a conventional light absorption type gain coupling single mode semiconductor laser.
도2a 및 도2b는 본 발명의 특징적인 기술적 구성을 보여주는 단면도,2A and 2B are cross-sectional views showing a characteristic technical configuration of the present invention;
도3은 본 발명에 따른 이득 결합형 단일 모드 반도체 레이저의 개략적 구조를 보여주는 사시도.3 is a perspective view showing a schematic structure of a gain coupled single mode semiconductor laser according to the present invention;
도4는 규소 질화물 회절격자를 이용한 매립형 구조의 이득 결합형 단일 모드 반도체 레이저의 응용예를 보여주는 단면도.4 is a cross-sectional view showing an application example of a gain-coupled single mode semiconductor laser having a buried structure using a silicon nitride diffraction grating.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명* Explanation of symbols for main parts of the drawings
21 : n+-InP 기판21: n + -InP substrate
22 : InGaAs(P)/InGaAsP 다중양자우물 활성층22: InGaAs (P) / InGaAsP multi-quantum well active layer
23 : p-InP 클래드층23: p-InP cladding layer
24 : 규소질화물 회절 격자24: silicon nitride diffraction grating
25 : p+-InP 클래드층25: p + -InP cladding layer
26 : p+-InGaAs 저항성 p전극 접촉층26: p + -InGaAs resistive p-electrode contact layer
27 : 전극 스트라이프27: electrode stripe
40 : InP 전류차단층40: InP current blocking layer
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 반도체 레이저 제조방법은, 제1에피택셜층 상에 상기 회절 격자로서 실리콘질화막 또는 실리콘산화막을 형성하는 제1단계; 및 상기 제1단계가 완료된 결과물 전면에 제2에피택셜층을 성장시키는 제2단계를 포함하여 이루어지며, 상기 회절 격자의 듀티를 약 50% 이하로 형성하는 것을 특징으로 한다.The semiconductor laser manufacturing method of the present invention for achieving the above object comprises a first step of forming a silicon nitride film or a silicon oxide film as the diffraction grating on a first epitaxial layer; And a second step of growing a second epitaxial layer on the entire surface of the finished product of the first step, wherein the duty of the diffraction grating is about 50% or less.
상기 본 발명에 따르면, 첫째, 회절격자로서 절연체인 규소질화물 또는 규소산화물을 사용하므로서 주기적으로 주입되는 반송자의 변화를 강도 크게 줄 수 있게 되며, 이로 인하여 광 손실없이 활성층에 이득변화를 형성하게 된다. 둘째, 보통 선택적 결정성장의 마스크로 사용되는 규소 질화물 또는 규소산화물 상에 결장 성장시의 확산 거리를 고려하여 회절격자의 듀티를 설계하므로서 양질의 p형 클래드층을 격자결함 없이 형성시킬 수 있다.According to the present invention, first, by using the silicon nitride or silicon oxide as an insulator as a diffraction grating, it is possible to give a large change in the intensity of the carrier periodically injected, thereby forming a gain change in the active layer without light loss. Second, a good quality p-type clad layer can be formed without lattice defects by designing the duty of the diffraction grating on the silicon nitride or silicon oxide, which is usually used as a mask for selective crystal growth, in consideration of the diffusion distance during colon growth.
또한 본 발명의 이득 결합형 단일모드 반도체 레이저는, 기판 상에 활성층과 제1클래드층이 적층되어 있고, 상기 제1클래드층 상에 규소질화물 또는 규소산화물의 회절격자가 형성되어 있으며, 그 상부로 제2클래드층과, 저항성 전극 접촉층이 차례로 적층된 구조를 갖는 것을 특징으로 한다.In addition, in the gain-coupled single mode semiconductor laser of the present invention, an active layer and a first cladding layer are stacked on a substrate, and a diffraction grating of silicon nitride or silicon oxide is formed on the first cladding layer. The second cladding layer and the resistive electrode contact layer are sequentially stacked.
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하기로 한다.DETAILED DESCRIPTION Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art may easily implement the technical idea of the present invention. do.
도2a 내지 도2b는 본 발명의 특징적인 기술적 구성을 보여주는 단면도로서, n+-InP 기판(21) 상에 InGaAs(P)/InGaAsP 다중양자우물 활성층(22)과 p-InP 클래드층(23)을 차례로 형성한 다음, 홀로그래피법을 사용하여 규소 질화물 회절 격자(24)를 형성하고, 그 위에 p+-InP 클래드층(25)이 형성되는 과정을 보이고 있다.2A to 2B are cross-sectional views showing a characteristic technical configuration of the present invention, in which an InGaAs (P) / InGaAsP multi-quantum well active layer 22 and a p-InP clad layer 23 are formed on an n + -InP substrate 21. Next, the silicon nitride diffraction grating 24 is formed by using a holography method, and a p + -InP clad layer 25 is formed thereon.
일반적으로, 규소 질화물 위에는 화합물 반도체 결정의 성장이 불가능하여, 규소 질화물로 마스킹된 이외의 부위에 선택적으로 결정 성장이 이루어진다. 그러나, 질화물 마스크의 폭을 1000nm 이하로 줄이게 되면 결정 성장시 원자의 확산 거리가 공정 조건에 따라 수천 nm에 이르게 되므로 자연스럽게 질화물 위에서 결정 성장의 입자체들이 머물게되어 선택성이 급격히 떨어지게 된다. 따라서 1.55μm 중심파장에 해당되는 회절격자의 1차 주기는 235nm 정도이고, 여기에 듀티값을 50% 이하로 형성시키면 열려있는 반도체 결정 표면위에 자연스럽게 결정성장이 이루어지고 규소 질화물 위에도 확산 효과 등에 의하여 측면으로의 성장이 가능하게 되고 양질의 반도체 결정을 결함없이 형성시키게 된다. 여기서 듀티값은 주기중에 회절격자가 차지하는 비율로서 도2a에서의 L/Λ를 뜻한다.In general, the growth of compound semiconductor crystals is impossible on silicon nitride, and crystal growth is selectively performed at sites other than those masked with silicon nitride. However, if the width of the nitride mask is reduced to 1000 nm or less, since the diffusion distance of atoms in the crystal growth reaches thousands of nm depending on the process conditions, the grain growth of the crystal growth naturally stays on the nitride, and thus the selectivity drops sharply. Therefore, the first period of the diffraction grating corresponding to the 1.55μm center wavelength is about 235 nm, and if the duty value is formed to 50% or less, crystal growth naturally occurs on the open semiconductor crystal surface, and the side effects such as diffusion on the silicon nitride Growth is possible and good quality semiconductor crystals are formed without defects. Here, the duty value is a ratio occupied by the diffraction grating during the period, which means L / Λ in FIG. 2A.
도3은 본 발명에 따른 이득 결합형 단일 모드 반도체 레이저의 개략적 구조를 보여주는 사시도이다. 도3을 참조하면, 본 발명에 따른 이득 결합형 단일 모드 반도체 레이저는, n+-InP 기판(21) 상에 InGaAs(P)/InGaAsP 다중양자우물 활성층(22)과 p-InP 클래드층(23)이 차례로 성장되어 있고, p-InP 클래드층(23) 상에 규소 질화물 회절 격자(24) 형성되며, 그 상부로 p+-InP 클래드층(25)과, p+-InGaAs 저항성 p전극 접촉층(26)이 형성되어 있다. 그리고, 저항성 p전극 접촉층(26) 상에는 회절격자(24)에 수직한 방향으로 레이저 공진기가 형성되도록 전극 스트라이프(27)가 형성되어 있다.3 is a perspective view showing a schematic structure of a gain coupled single mode semiconductor laser according to the present invention. Referring to FIG. 3, a gain-coupled single mode semiconductor laser according to the present invention, an InGaAs (P) / InGaAsP multi-quantum well active layer 22 and a p-InP clad layer 23 on an n + -InP substrate 21. ) Is sequentially grown, and a silicon nitride diffraction grating 24 is formed on the p-InP cladding layer 23, on top of which the p + -InP cladding layer 25 and the p + -InGaAs resistive p-electrode contact layer. (26) is formed. The electrode stripe 27 is formed on the resistive p-electrode contact layer 26 so that the laser resonator is formed in a direction perpendicular to the diffraction grating 24.
도4는 규소 질화물 회절격자를 이용한 매립형 구조의 이득 결합형 단일 모드 반도체 레이저의 응용예를 보여주는 것으로서, 도3과 같은 구조의 반도체 레이저를 Fe 도핑된 반절연성의 InP로 전류차단층(40)에 매립시키므로써 계면에서의 양질의 재결정성 및 상부 표면의 평탄화를 이룰 수 있고 적은 정전용량의 이점 등으로 고속변조용 레이저로도 활용 가능하다.FIG. 4 shows an application example of a gain-coupled single mode semiconductor laser having a buried structure using a silicon nitride diffraction grating. The semiconductor laser having the structure as shown in FIG. 3 is applied to the current blocking layer 40 by Fe-doped semi-insulating InP. By embedding, high quality recrystallization at the interface and flattening of the upper surface can be achieved, and it can be utilized as a laser for high speed modulation due to the advantage of low capacitance.
본 실시예에서는 InP계 반도체 레이저를 실시예로써 기술하였으나, InP 이외의 화합물 반도체를 사용하는 모든 구조에 본 발명은 적용될 수 있을 것이다.In this embodiment, the InP-based semiconductor laser is described as an embodiment, but the present invention may be applied to all structures using compound semiconductors other than InP.
이렇듯, 본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술 분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술 사상의 범위내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.As such, although the technical idea of the present invention has been described in detail according to the above-described preferred embodiment, it should be noted that the above-described embodiment is for the purpose of description and not of limitation. In addition, those skilled in the art will understand that various embodiments are possible within the scope of the technical idea of the present invention.
본 발명은 회절격자를 위한 별도의 에피층 형성 공정을 거치지 않고 절연성 질화물을 그대로 회절격자로 사용하므로서 광 손실없이 주기적으로 활성층에 이득의 변화를 줄 수 있게 된다. 아울러 일반적인 공정에 사용되는 규소 질화물을 그대로 사용하게 되므로서 공정 단계의 절감이 있게 되어 제작 단가의 축소에 의한 경제성 향상은 물론이고 에피층의 식각 이나 성장없이 회절 격자를 형성하게 되므로써 듀티의 조절 및 재현성 확보가 유리하여 기술적으로도 신뢰성이 우월한 단일 모드 반도체 레이저를 구현할 수 있다.According to the present invention, since the insulating nitride is used as the diffraction grating without undergoing a separate epi layer forming process for the diffraction grating, it is possible to periodically change the gain of the active layer without light loss. In addition, the silicon nitride used in the general process can be used as it is, thereby reducing the process step, thereby improving the economical efficiency by reducing the manufacturing cost, and forming a diffraction grating without etching or growing the epi layer, thereby controlling and reproducing the duty. It is advantageous to secure a single mode semiconductor laser which is technically reliable.
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KR100528976B1 (en) * | 2003-12-23 | 2005-11-16 | 한국전자통신연구원 | Single frequency laser |
KR100663589B1 (en) * | 2004-11-24 | 2007-01-02 | 삼성전자주식회사 | Method for manufacturing distributed feedback semiconductor laser |
KR100679372B1 (en) * | 2005-02-25 | 2007-02-05 | 엘에스전선 주식회사 | Laser diode having buried grating and fabricating method therefor |
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- 1999-07-26 KR KR10-1999-0030379A patent/KR100377184B1/en not_active IP Right Cessation
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