KR20050073383A - 전계흡수형 변조기가 집적된 레이저 장치 및 그 제조방법 - Google Patents

전계흡수형 변조기가 집적된 레이저 장치 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은반도체 레이저와 광변조기가 단일 기판 위에 집적된 전계흡수형 변조기가 집적된 레이저 장치 및 그 제조방법에 관한 것이다.
본 발명의 전계흡수형 변조기가 집적된 레이저 장치는 기판과 상기 기판의 일측에 형성되며, BH(Buried Heterostructure)구조의 활성층을 구비하는 레이저 다이오드와; 상기 레이저 다이오드 영역의 상기 활성층 주위에 형성되어 상기 활성층 이외로의 전류흐름을 차단하며, 서로 다른 도전형의 반도체층이 적층된 제1 전류차단층과 상기 활성층을 공유하며, 상기 레이저 다이오드와 전기적으로절연되어 상기 기판의 타측에 형성된 전계흡수형 변조기와 상기 전계흡수형 변조기 영역의 상기 활성층 주위에 형성되며, SI(semi-insulator)-반도체 물질로 채워진 제2 전류차단층을 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.

Description

전계흡수형 변조기가 집적된 레이저 장치 및 그 제조방법{ELECTRO-ABSORPTION MODULATOR INTEGRATED DISTRIBUTED FEEDBACK LASER AND METHOD FOR FABRICATING THE SAME}
본 발명은 광통신용 반도체 레이저 장치에 관한 것으로, 특히 반도체 레이저와 광변조기가 단일 기판 위에 집적된 전계흡수형 변조기가 집적된 레이저 장치 및 그 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로, 초고속 통신망에서는 약 2.5Gbps 급 이상의 전송속도가 요구되며, 이에 따라 2.5GHz 이상의 변조가 필요한 초고속 광통신망에서는 그의 광원으로서 DFB(Distributed FeedBack) 레이저 다이오드에서 출력된 신호파를 직접 변조 즉, DFB 레이저 다이오드의 액티브층에 AC를 가하여 출력되는 신호를 필요한 주파수대로 직접 변조시켜 사용하거나, 또는 DFB 레이저 다이오드와 외부 변조기를 결합시켜 레이저 다이오드에서 출력을 일정하게 고정하되, 출력된 빛을 외부 변조기를 통해 필요한 주파수대로 고속 변조시켜 사용하고 있다.
상기에서 DFB 레이저 다이오드와 외부 변조기를 결합시켜 초고속 광통신망의 광원으로 사용하는 장치로는 전계흡수형 변조기가 집적된 레이저 장치(Electro-absorption Modulator integrated Laser : 이하, EML이라 칭함)가 있으며, 이러한 EML 소자는 레이저 다이오드에서 출력된 신호파를 반도체의 전계에 따른 흡수차이를 이용하여 변조하는 전계흡수 변조기(Electro-Absorption Modulator)를 DFB 레이저 다이오드와 결합시킨 것이다. EML 소자는 변조기를 거치는 동안 광의 손실이 비교적 적고, 또한 일체형이기 때문에 모듈의 크기가 매우 작다는 장점을 가지고 있다.
도 1은 종래 일반적인 EML 소자의 구성을 나타낸 도면이다. 도면에서, 상기 EML 소자(100)는 동일 기판(101) 위에 집적된 DFB 레이저 다이오드(110)와 전계흡수 변조기(EAM)(120)로 구성된다. 상기 레이저 다이오드(110)와 전계흡수 변조기(120)는 다층양자우물(MQW) 구조로 이루어진 BH(Buried Heterostructure)형의 활성층(102)을 공유하며, 상기 활성층(102)의 가장자리에는 활성층(102) 이외로의 전류흐름을 차단하는 전류차단층(103)을 구비한다. 상기 전류차단층(103)은 i(intrinsic)-n 또는 i-n-i-n 적층구조의 전류차단층이며, 전체 디바이스의 정전용량(capacitance)을 줄이기 위해 상기 전류차단층(103) 일부에 형성된 전도율이 큰 물질 예를 들면 BCB층104)을 구비한다.
상기와 같은 형태의 EML 광원은 다음과 같은 문제점을 가지고 있다.
첫째, EML의 DFB LD 영역에서는 i-n 또는 i-n-i-n와 같은 형태의 전류차단층을 사용하므로 전류차단층의 역할을 충분히 하지 못하여 광 효율 선형도(linearity)가 떨어지고 광 효율도 저하된다. 특히, 상온에서 ~40℃까지 강화된 조건에서 사용해야 되는 상황에서는 더욱 그 특성이 저하된다. 그리고 i-n 전류차단층의 도핑 정도나 모양에 따라 런별 또는 웨이퍼별 레이저 영역에서의 특성이 크게 달라져 수율이 떨어지게 된다.
둘째, EAM(electro-absorption modulator)영역의 i-n 전류차단층은 2차 재성장 시의 p-InP와 넓은 경계면이 생기게 되고 전류차단층과 활성층 사이에 부분적인(local) p-n 영역이 생기게 되어 기생 정전용량(parasitic capacitance)이 커지게 되며 이것은 주파수 특성에 치명적인 영향을 주게 된다.
셋째, 전계 흡수층 영역의 정전용량을 줄이기 위해 재성장한 부분을 에칭하고 BCB와 같은 유전율이 낮은 물질을 채우게 되는데 이것은 후 공정시 p-메탈 패드와 이격되어 쉽게 떨어지는 원인이 되며 BCB와 같은 물질이 InP와 잘 붙지 않아 신뢰성 등에도 악영향을 끼친다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로 본 발명의 목적은 레이저 다이오드 영역에서는 활성층으로 많은 전류가 주입되도록 하여 광 효율을 증가시키며, 전계흡수 변조기 영역에서는 정전용량을 종래에 비해 크게 줄일 수 있는 전계흡수형 변조기가 집접된 레이저 장치 및 그 제조방법을 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 기판과 다른 물질을 채워 넣음으로 인해 전극 패드가 떨어져나가는(filling) 불량을 방지하며, 제조공정이 간단한 전계흡수형 변조기가 집접된 레이저 장치 및 그 제조방법을 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일실시예에 따른 전계흡수형 변조기가 집적된 레이저 장치는 기판과 상기 기판의 일측에 형성되며, BH 구조의 활성층을 구비하는 레이저 다이오드와 상기 레이저 다이오드 영역의 상기 활성층 주위에 형성되어 상기 활성층 이외로의 전류흐름을 차단하며, 서로 다른 도전형의 반도체층이 적층된 제1 전류차단층과 상기 활성층을 공유하며, 상기 레이저 다이오드와 전기적으로 절연되어 상기 기판의 타측에 형성된 전계흡수형 변조기와 상기 전계흡수형 변조기 영역의 상기 활성층 주위에 형성되며, SI(semi-insulator)-반도체 물질로 채워진 제2 전류차단층을 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 제1 전류차단층은 p-InP층과n-InP층의 적층 구조로 이루어짐을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 제2 전류차단층은 Fe가 도핑된 InP층임을 특징으로 한다.
더욱 바람직하게는, 상기 활성층은 다중양자우물(MQW) 구조로 이루어짐을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일실시예에 따른 전계흡수형 변조기가 집적된 레이저 장치의 제조방법은
(a) 반도체 기판 위에 하부 클래딩, 활성층, 상부 클래딩 및 오믹 콘택층을 성장하는 과정과; (b) 예정된 레이저 다이오드 영역에 선택적으로 격자를 형성하는 과정과; (c) 윈도우 영역을 제외한 상기 오믹 콘택층 위에 BH 구조 형성을 위한 제1 마스크를 형성하는 과정과; (d) 예정된 전계흡수형 변조기 영역의 상부 전면에 제2 마스크를 형성하는 과정과; (e) 상기 제1 마스크 및 제2 마스크를 이용한 메사 식각공정으로 레이저 다이오드 영역의 상기 오믹 콘택층, 상부 클래딩, 활성층, 하부 클래딩을 식각하여 BH(Buried Heterostructure) 구조를 형성하는 과정과; (f) 상기 BH구조의 측벽에 제1 도전형의 반도체층과 제2 도전형의 반도체층의 적층구조로 된 전류차단층 및 상부 클래딩을 재성장하는 과정과; (g) 상기 레이저 다이오드 영역의 상부 전면에 제3 마스크를 형성하는 과정과; (h) 상기 제3 마스크를 이용한 메사 식각공정을 통해 전계흡수형 변조기 영역의 상기 오믹 콘택층, 상부 클래딩, 활성층, 하부 클래딩을 식각하여 BH구조를 형성하는 과정과; (i) 상기 전계흡수형 변조기 영역의 BH구조 측벽에 SI-반도체층으로 된 제2 전류차단층을 형성하는 과정과; (j) 상기 제1 마스크 및 제3 마스크를 제거한 다음, 상기 레이저 다이오드 영역과 변조기 영역의 전기적 분리를 위해 트렌치를 형성하는 과정과; (k) 적어도 상기 오믹 콘택층 위에 레이저 다이오드 및 전계흡수형 변조기 각각의 상부 전극을 형성하는 과정과; (l) 상기 반도체 기판의 배면에 하부 전극을 형성하는 과정을 포함함을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 (f)과정은 상기 BH구조의 측벽에 p-InP층, n-InP층 및 p-InP 층을 차례로 재성장하여 상기 BH 구조의 상부에 위치한 오믹 콘택층과 평탄화되도록 함으로써 이루어짐을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 (i)과정은 상기 전계흡수형 변조기 영역의 BH구조 측벽을 InP층으로 채워 평탄화한 후 Fe를 도핑함으로써 이루어짐을 특징으로 한다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 도면에서 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 참조번호 및 부호로 나타내고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 전계흡수형 변조기가 집적된 레이저 장치의 구성을 나타낸 도면이다.
도 2를 참조하면, 상기 전계흡수형 변조기가 집적된 레이저 장치(200)는 기판(201) 위에 집적된 DFB 레이저 다이오드(210)와 전계흡수 변조기(EAM)(220)를 포함한다. 상기 레이저 다이오드(210)와 전계흡수 변조기(220)는 이들 두 영역 사이에 형성된 트렌치(230)에 의해 서로 전기적으로 분리된다. 또한, 상기 전계흡수형 변조기가 집적된 레이저 장치(200)는 예를들면 n-InP 기판(201) 위에 n-InP 하부 클래딩(202), 활성층(203), p-InP 상부 클래딩(204), p+-InGaAs 오믹 콘택층(205)이 적층된다. 또한, 상기 오믹 콘택층(205) 위에 각각의 상부 전극(206)을, 상기 기판(201)의 배면에는 하부 전극(207)을 포함한다.
또한, 레이저 다이오드(210) 영역의 상기 하부 클래딩(202) 위에 형성된 격자(211)를 포함하며, BH(Buried Heterostructure) 구조의 활성층(203) 측벽에는 p-InP층(212)과 n-InP층(213)로 된 제1 전류차단층(214)을 포함한다. BH(buried heterostructure) 타입의 레이저 다이오드에서 전류차단층으로 가장 견고하고 안정적인 구조는 p-n 전류차단층(예를 들면 p-InP와 n-InP 성장층)이다.
상기 전계흡수형 변조기(220) 영역의 활성층(203) 측벽에는 SI(semi-insulator)-InP로 채워진 제2 전류차단층(221)을 포함한다. 상기 SI(semi-insulator)-InP층은 주로 Fe, Co, Ru 등의 천이금속을 도핑하여 형성하며, 전류 차단층 내에서 다른 형태로 도핑(p 타입과 n 타입 또는 n 타입과 SI)한 층 사이에 생기는 기생정전 용량을 없앨 수 있다.
도 3a 내지 3h는본 발명의 일실시예에 따른 전계흡수형 변조기가 집적된 레이저 장치의 제조과정을 나타낸 도면이다.
먼저, 도 3a에 도시된 바와 같이 n-InP 기판(201) 위에 n-InP 하부 클래딩(202), 다중양자우물(MQW) 구조의 활성층(203), p-InP 상부 클래딩(204) 및 p+-InGaAs 오믹 콘택층(205)을 성장한다. 이때, 예정된 레이저 다이오드 영역(210a)에만 선택적으로 격자(211)가 형성되도록 한다. 본 실시예의 도면에서, 상기 격자(211)는 활성층(203)의 아래에 형성되어 있으나, 격자(211)는 활성층(203)의 위에 형성될 수도 있다.
도 3b에서, 윈도우 영역(w)이 되는 부분을 제외하고 상기 오믹 콘택층(205) 위에 BH 구조 형성을 위한 Si3N4 마스크(301)를 형성한다.
도 3c에서, 예정된 전계흡수형 변조기 영역(220a)의 상부 전면에 SiO2 마스크(302)를 형성한 다음, 상기 Si3N4 마스크(301) 및 SiO2 마스크(302)를 마스크로 이용한 메사(mesa) 식각공정을 통해 BH(Buried Heterostructure) 구조를 형성한다.
도 3d에서, 상기 메사 식각공정에 의해 형성된 BH구조의 측벽에 p-InP층(212), n-InP층(213)으로 된 전류차단층(214)과, p-InP 상부 클래딩(204')을 재성장 한 후 상기 SiO2 마스크(302)를 제거한다.
도 3e에서, 레이저 다이오드 영역의 상부 전면에 SiO2 마스크(303)를 형성한 다음, 상기 Si3N4 마스크(301) 및 SiO2 마스크(303)를 이용한 메사 식각공정을 통해 전계흡수형 변조기 영역에 BH구조를 형성한다. 이때, SiO2 마스크(303)는 상기 레이저 다이오드 영역에 형성된 p-n 구조의 제1 전류차단층(314)이 전계흡수 변조기 영역에 미치지 않으면서, 이후 전기적 분리를 위한 트렌치의 크기를 감안하여 SiO2 마스크(303)의 크기를 레이저 다이오드 영역에 재성장된 부분과 겹치도록 한다.
도 3f에서, 상기 BH구조의 측벽에 SI-InP 즉, Fe가 도핑된 InP로 채워 제2 전류차단층(221)을 형성하여 평탄화한다.
도 3g에서, 상기 SiO2 마스크 및 Si3N4 마스크를 제거한 다음, 레이저 다이오드 영역과 변조기 영역의 전기적 분리를 위해 트렌치(230c)를 형성한다.
도 3h에서, 상기 오믹 콘택층(205) 및 상기 상부 클래딩(204') 위에 각각의 p-전극(206)을 형성한 다음, 상기 기판(201)의 배면에 n-전극(207)을 형성한다.
한편 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 아니 되며 후술하는 특허청구의 범위뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따른 전계흡수형 변조기가 집적된 레이저 장치는 레이저 다이오드 영역에는 p-n 전류차단층을 도입하여 활성층 영역으로 많은 량의 전류가 주입되도록 함으로써 광 효율이 증가되며 그 선형성도 우수하다. 또한, 전계흡수형 변조기 영역에는 SI- 반도체물질을 채워 넣음으로써 p-n 또는 i-n 등과 같은 전류차단층을 사용하였을 때 보다 정전용량이 크게 작아져서 전계흡수형 변조기의 대역폭(bandwidth) 특성을 개선할 수 있다.
또한, BCB와 같은 기판과 다른 물질을 채워 넣지 않음으로써 전극 패드가 떨어져 나가거나 신뢰성이 저하되는 등의 문제가 유발되지 않으며, 제조공정이 간단한 장점이 있다.
도 1은 종래 일반적인 전계흡수형 변조기가 집적된 레이저 장치의 구성예를 나타낸 도면,
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 전계흡수형 변조기가 집적된 레이저 장치의 구성을 나타낸 도면,
도 3a 내지 3h는본 발명의 일실시예에 따른 전계흡수형 변조기가 집적된 레이저 장치의 제조과정을 나타낸 도면.

Claims (8)

  1. 기판과
    상기 기판의 일측에 형성되며, BH(buried heterostructure)구조의 활성층을 구비하는 레이저 다이오드와
    상기 레이저 다이오드 영역의 상기 활성층 주위에 형성되어 상기 활성층 이외로의 전류흐름을 차단하며, 서로 다른 도전형의 반도체층이 적층된 제1 전류차단층과;
    상기 활성층을 공유하며, 상기 레이저 다이오드와 전기적으로 절연되어 상기 기판의 타측에 형성된 전계흡수형 변조기와
    상기 전계흡수형 변조기 영역의 상기 활성층 주위에 형성되며, SI(semi-insulator)-반도체 물질로 채워진 제2 전류차단층을 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 전계흡수형 변조기가 집적된 레이저 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 제1 전류차단층은
    제1 도전형의 반도체층과 제2 도전형의 반도체층의 적층 구조로 이루어짐을 특징으로 하는 전계흡수형 변조기가 집적된 레이저 장치.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 제1 전류차단층은
    p-InP층과 n-InP층의 적층 구조로 이루어짐을 특징으로 하는 전계흡수형 변조기가 집적된 레이저 장치.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 제2 전류차단층은
    Fe가 도핑된 InP층임을 특징으로 하는 전계흡수형 변조기가 집적된 레이저 장치.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 활성층은
    다중양자우물(MQW) 구조로 이루어짐을 특징으로 하는 전계흡수형 변조기가 집적된 레이저 장치.
  6. (a) 반도체 기판 위에 하부 클래딩, 활성층, 상부 클래딩 및 오믹 콘택층을 성장하는 과정과;
    (b) 예정된 레이저 다이오드 영역에 선택적으로 격자를 형성하는 과정과;
    (c) 윈도우 영역을 제외한 상기 오믹 콘택층 위에 BH 구조 형성을 위한 제1 마스크를 형성하는 과정과;
    (d) 예정된 전계흡수형 변조기 영역의 상부 전면에 제2 마스크를 형성하는 과정과;
    (e) 상기 제1 마스크 및 제2 마스크를 이용한 메사 식각공정으로 레이저 다이오드 영역의 상기 오믹 콘택층, 상부 클래딩, 활성층, 하부 클래딩을 식각하여 BH(Buried Heterostructure) 구조를 형성하는 과정과;
    (f) 상기 BH구조의 측벽에 제1 도전형의 반도체층과 제2 도전형의 반도체층의 적층구조로 된 전류차단층 및 상부 클래딩을 재성장하는 과정과;
    (g) 상기 레이저 다이오드 영역의 상부 전면에 제3 마스크를 형성하는 과정과;
    (h) 상기 제3 마스크를 이용한 메사 식각공정을 통해 전계흡수형 변조기 영역의 상기 오믹 콘택층, 상부 클래딩, 활성층, 하부 클래딩을식각하여 BH구조를 형성하는 과정과;
    (i) 상기 전계흡수형 변조기 영역의 BH구조 측벽에 SI-반도체층으로 된 제2 전류차단층을 형성하는 과정과;
    (j) 상기 제1 마스크 및 제3 마스크를 제거한 다음, 상기 레이저 다이오드 영역과 변조기 영역의 전기적 분리를 위해 트렌치를 형성하는 과정과;
    (k) 적어도 상기 오믹 콘택층 위에 레이저 다이오드 및 전계흡수형 변조기 각각의 상부 전극을 형성하는 과정과;
    (l) 상기 반도체 기판의 배면에 하부 전극을 형성하는 과정을 포함함을 특징으로 하는 전계흡수형 변조기가 집적된 레이저 장치의 제조방법.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 (f)과정은
    상기 BH구조의 측벽에 p-InP층, n-InP층 및 p-InP 층을 차례로 재성장하여 상기 BH 구조의 상부에 위치한 오믹 콘택층과 평탄화되도록 함으로써 이루어짐을 특징으로 하는 전계흡수형 변조기가 집적된 레이저 장치의 제조방법.
  8. 제 6 항에 있어서, 상기 (i)과정은
    상기 전계흡수형 변조기 영역의 BH구조 측벽을 InP층으로 채워 평탄화한 후 Fe를 도핑함으로써 이루어짐을 특징으로 하는 전계흡수형 변조기가 집적된 레이저 장치의 제조방법.
KR1020040001757A 2004-01-09 2004-01-09 전계흡수형 변조기가 집적된 레이저 장치 및 그 제조방법 KR100584332B1 (ko)

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KR20120061379A (ko) * 2010-12-03 2012-06-13 삼성전자주식회사 광 이미지 변조기 및 그 제조 방법
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