KR20060067130A - 단일집적 반도체 변조기-ｓｏａ-ｌｅｄ 광대역 광원 및 그제조 방법 - Google Patents

단일집적 반도체 변조기-ｓｏａ-ｌｅｄ 광대역 광원 및 그제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 단일집적 반도체 광대역 광원 제작에 관한 것이다. 제작된 반도체 레이저는 전자흡수(Electro Absorption; EA) 변조기(Modulator)와 반도체 광증폭기(Semiconductor Optical Amplifier;SOA)와 발광다이오드(Light Emitting Diode;LED)의 세 구성요소가 InP 기판위에 단일집적되어 있다. 변조기와 SOA와 LED 사이는 이온주입으로 전기적 절연되었으며, 각 전극에서 변조기와 SOA와 LED에 독립적으로 전류를 주입하게 되어 있다. 특히, 이온주입에 의한 전류차단층 형성과 전극간의 전기적 절연이지만 광학적으로 연결된 구조를 만드는 것이 소자성능에 중요하다. 본 발명은 동일한 활성층의 SOA와 LED를 단일집적으로 제작하여, LED 영역에서 생성된 광대역광이 SOA에서 증폭되고 변조기에서 변조되어 단일집적된 광대역 광원소자를 만드는 것이다.
반도체 레이저 다이오드, 광증폭기, SOA, 변조기, LED

Description

단일집적 반도체 변조기-ＳＯＡ-ＬＥＤ 광대역 광원 및 그 제조 방법{Monolithic intergrated semiconductor modulator-SOA-LED broad band light source and method of fabrication the same}
도 1은 유기금속화학기상증착(MOCVD)으로 1차 성장된 에피층의 단면도이다.
도 2는 광흡수층을 식각하기 위하여 흡수층 윗 부분에만 포토레지스트터를 형성한 단면도이다.
도 3a는 LED영역 양단에 광흡수층을 형성한 단면도이고, 도 3b는 도 3a에 의한 사시도이다.
도 4는 변조기영역을 식각을 위한 제2 질화물층을 성장시킨 단면도이다.
도 5는 변조기영역과 창(window)영역의 제2 질화물층을 식각한 단면도이다.
도 6a는 변조기영역과 창영역의 활성층을 습식식각한 단면도이고, 도 6b는 도 6a에 의한 사시도이다.
도 7a은 MOCVD로 p-InP 클래드층과 p-InGaAs 옴접촉층을 성장시킨 단면도이고, 도 7b는 도 7a에 의한 사시도이다.
도 8은 이온주입 마스크용 포토레지스트 층을 광리소그래피로 형성한 단면도이다.
도 9a는 이온주입된 영역을 나타내는 단면도이고, 도 9b는 도 9a에 의한 사 시도이다.
도 10은 전류주입영역을 형성하기 위한 제3 질화물층을 성장시킨 단면도이다.
도 11a는 변조기와 SOA 그리고 LED영역에 옴 접촉 금속을 증착한 단면도이고, 도 11b는 도 11a의 사시도이다.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
10; n-InP 기판 12; n-InP 버퍼층
14; 수동도파로층 16; InP 식각정지막
18; MQW 활성층 22; 흡수층
24: 제1 질화물층 26; 포토레지스트 패턴
28; 제2 질화물층 32; p-Inp 클래드층
34; p-InGaAs층 40; 이온주입 마스크 포토레지스트 패턴
38; 이온주입 영역 42; 3 질화물층
44; n-금속전극 50; p-금속전극
본 발명의 목적은 광가입자용 광원과 WDM 광통신용 광원으로 사용가능한 광대역 광원인 단일집적된 변조기-SOA-LED 및 그 제조방법을 제공하는 데 있다.
기존의 전자흡수(Electro Absorber; EA) 변조기와 DFB-LD가 단일집적된 광송 신소자는 단일 주파수 광원이므로 WDM 방식의 광통신시스템에서 요구되는 다채널 광원용으로 사용하기 위해서는 각 채널 주파수를 각각 제어해야 한다. 이에 따라, 광통신시스템이 복잡해지고 비용 측면에서 단점이 있었다. 본 발명의 변조기(modulator)-SOA-LED소자는 광가입자용 광원으로 사용될 변조기가 단일집적된 광대역 광원소자를 제작하는 방법에 관한 것이다. 변조된 광대역 광을 AWG(Arrayed Wavelength Grating)로 스펙트럼 슬라이싱(spectrum slicing)할 경우 WDM-PON 광원용으로 사용하기에 적합하다.
WDM-PON 방식의 ONU에서 AWG 를 이용하여 스펙트럼을 슬라이싱하는 방식에서 요구되는 광원의 특성은 (i)광출력 스펙트럼 폭이 수십 nm 이상의 광대역이어야 하고 (ii)광출력세기가 수 mW 이상일 것이 요구된다. 이러한 관점에서 지금까지 사용되고 있는 LED(Light Emitting Diode), FP-LD, 그리고 DFB-LD 는 다음과 같은 개선점이 있다. (i) LED 광원은 제작이 용이하고 광대역 광원이나 출력광의 세기가 수 백 ??W 이하이므로 광가입자 시스템에서 추가적인 광증폭기의 사용이 필요하다. 이로 인해 시스템의 가격과 복잡성을 증가시킨다. (ii) FP-LD와 DFB-LD는 광출력은 10 mW 정도로 양호하나 광출력이 좁은 대역에 한정된다. 이로 인해 가입자 시스템에서 인접광원과 OBI(Optical Beat Interference)다.
본 발명의 modulator-SOA-LED소자는 상기의 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 광가입자용 광원으로 적합한 출력광이 광대역이면서 10 mW 정도의 세기를 갖는 변조기가 집적된 광대역 광원을 개발하는 것이다. 이를 위하여 본 발명에 서는 LED 영역에서 생성된 낮은 출력의 광대역(~50 nm) 광을 반도체 광증폭단에서 10 배 이상 광세기를 증폭한 후 EA(Electro Absorption)을 이용한 변조기 단에서 광원 변조하는 방식인 3 전극 구조를 갖는다. 본 발명의 기술적 요점은 단일 활성층으로 LED와 SOA를 동시에 제작하며, 변조기 영역과 창(window) 영역은 활성층을 제거하여 수동도파로층으로 광변조와 광도파로를 동시에 형성한다. 따라서 기술적 과제는 (i) 활성층에서 생성된 광을 광 흡수층에서 발진을 억제하여 광대역의 LED 광을 효과적으로 생성하고, (ii) 수동 도파로층에서 광 흡수 손실을 최소화 하면서 광대역의 광을 변조하는 것이다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 반도체 광대역 광소자는 기판의 전면에 형성된 수동 광도파로층과, 상기 수동 광도파로층 상의 양측에 배치된 변조기 영역과 창 영역과, 상기 변조기 영역과 상기 창 영역 사이의 상기 수동 광도파로층 위의 활성층 패턴 상에 형성된 반도체 광증폭기 영역과 발광다이오드 영역 및 상기 변조기 영역, 상기 반도체 광증폭기 영역, 상기 발광다이오드 영역 및 상기 창 영역 사이에 형성되어 각각을 전기적으로 절연시키는 이온주입영역 및 상기 발광다이오드 양측의 상기 활성층 패턴 위에 형성된 광흡수층 패턴을 포함한다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 반도체 광대역 광원소자의 제조방법은, InP 기판에 수동 도파로층, MQW 활성층, 식각정지막, 그리고 광흡수층이 포함된 제1 에피택셜층을 MOCVD로 성장하는 제1 단계, 광리소그래피와 습식식각으로 두 식각방지층을 이용한 광흡수층과 변조기 영역의 형성하는 제2 단계, RIE 건식식 각으로 폭 2??m로 수동도파로층 아래까지 식각하여 광공진 스트라이프(stripe)를 만드는 제3 단계, 클래드층으로 p-InP와 옴접촉층인 p-InGaAs층을 MOCVD로 제 2차 에피성장하여 매립된 리지구조(Buried Ridge Structure;BRS)를 형성하는 제4 단계, 포토레지스트 패턴을 마스크로 광도파로 양측 방향과 변조기, SOA, 그리고 LED 영역사이에 H+ 이온주입을 하여 전기적 고저항 영역을 형성하는 제5 단계, 그리고 전류주입 금속층 증착으로 변조기, SOA, 그리고 LED 전극을 형성하는 제6 단계를 포함한다.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 내용을 용이하게 이해할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 설명하기로 한다.
도 1은 유기금속화학 기상증착(MOCVD)로 1 차 성장된 에피층의 단면도이다.
도 1을 참조하면, n형 InP 기판(10)상에 버퍼층(12), 수동도파로층(14), 식각정지막(16), 활성층(18), 그리고 흡수층(22)을 유기금속화학기상증착법(Metal Organic Chemical Vapor Deposition; MOCVD)으로 성장한다. 이때, 버퍼층(12)은 n-InP로, 수동 도파로층(14)은 도핑되지 않은(undoped) InGaAsP 로 (??=1.48 ??m, 두께 0.3??m), 습식식각시 식각마스크로 작용할 식각정지막(16)은 InP로(두께 10nm)로 성장한다. 활성층(18)은 SCH(Seperate Confinement Heterostructure)(??=1.3??m, 두께 0.07??m)층을 성장한 후, 0.8 % InGaAsP strained well(??=1.3 ??m, 두께 7 nm)층과 unstrained InGaAsP barrial(??=1.68 ??m, 두께 11.5 nm )층, 그리고 SCH 층(??=1.3 ??m, 두께 0.07 ??m)을 성장한다. 성장된 활성층(18)위에 한 번 더 InP를 두께 약 10nm의 식각정지막(16)성장하여 광흡수층(22)을 식각할 때 습식 식각마스크로 사용한다. 맨 위의 광흡수층(22)은 InGaAsP (??=1.68 ??m, 두께 0.1??m )로 성장한다. 광도파로층(14)은 광이 출력되는 면과 약 7o 경사지도록 형성되는 것이 바람직하다.
도 2는 공진 스트라이프 패턴을 제작하기 위한 광리소그래피 후의 단면도이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 제작과정은 상기 광흡수층(22) 위에 플라즈마화학기상증착법 (Plasma Enhanced CVD; PECVD)을 이용하여 0.2??m두께의 제1 질화물층(24)(SiOX, SiNX 를 포함한 산화물)을 형성한다. 그후 광리소그리피로 2 ??m 선폭으로 110 방향의 제1 포토레지스트 스트라이프 패턴(26)을 질화물층에 형성한다.
도 3a과 도 3b는 각각 두 단계의 공정, 즉 (i) 스트라이프 패턴(26)을 마스크로 제1 질화물층(24)을 MERIE로 식각한 후 포토레지스트를 제거한 공정과, (ii) 제1 질화물 스트라이프 패턴(24)을 마스크로 하여 H2SO4:H2O2:H2O=1:1:10 용액으로 120 초간 흡수층(22)을 식각한 후의 단면도 및 사시도이다.
도 4는 습식식각된 광흡수층 위의 제1 질화물 패턴(24a)을 제거한 후 전체표면에 제2 질화물층(28) 증착한 상태의 단면도이다. SOA와 LED 영역 제외한 부분의 제2 질화물층(28)을 BOE(Buffed Oxide Etchant)용액으로 제거한 후의 단면도를 도 5에 나타내었다. 참조번호 22a 및 24a는 식각된 결과물인 패턴을 지칭한다. 이때, 제2 질화물층(28)을 식각하기 위하여, 제2 포토레지스트 패턴(27)을 이용한다.
도 6a 및 도 6b에 도시된 바와 같이, 두 단계 공정, 즉 (i) InP 식각정지막(16)을 H3PO4:HCl=15:85 용액으로 60 초간 식각하는 공정과 (ii) 활성층(18)을 H2SO4:H2O2:H2O=1:1:10 용액으로 120 초간 식각으로 형성된다. 변조기 영역과 창(window) 영역의 활성층(18)을 제거한 후 (110) 방향으로 폭 2um 공진 스트라이프를 변조기, SOA, LED, 그리고 창(window) 전 영역에 걸쳐서 리지(ridge) 형태로 형성한다. 이 공정은 (i) 식각마스크로 사용되었던 제2 질화물층(28)을 제거한 후 전면에 다시 질화물층을 증착 한 후 광 리소그래피로와 MERIE 건식식각으로 (110) 방향으로 2um 폭의 질화물 스트라이프 형성하고, (ii) 산화물 스트라이프 패턴을 마스크로 수동도파로층(14)까지 아래로 건식식각하고, 그리고 (iii) 건식식각 과정에서 손상된 표면층을 제거하기 위하여 황산 용액에 2 분간 세정(clealning) 한 후 HBr:H2O2:H2O=8:2:100 용액에 60 초간 식각하여 손상된 표면층을 10 nm 정도로 식각한다. 도파로 리지(ridge)가 형성된 후 곧 p-InP 로 리지(rigde) 패턴을 덮는 MOCVD 에피성장을 한다.
도 7a 및 도 7b에 도시된 바와 같이, MOCVD에 의한 p-InP 클래드층(32)과 p-InGaAs 옴 접촉층(34)성장으로 BRS 구조가 형성된다. p-InGaAs 층위에 InP를 0.1 ??m 성장하여 보호층 역할과 이온주입 공정 후 잔류 포토레지스트를 제거하는데 이용한다. p-InP 클래드층(32)은 옴 저항을 최소화하기 위하여 두께 1.8??m, 도핑농도 2x1018ions/cm2 의 p-InP 층(32)으로 구성되어 있다.
BRS 구조가 성장된 후 공진 스트라이프 영역으로만 전류를 주입하고 나머지 영역으로는 고저항 형성으로 전류를 제한하기 위한 이온주입공정이 요구된다. 이온주입공정에서 활성층을 보호하기 위하여 두께 10??m, 폭 10??m의 포토레지스트 스트라이프 패턴(40)을 도 8과 같이 p-InGaAs층(32)위에 형성한다. 도 9는 이온주입영역을 표시하였다. 이온주입공정은 주입이온의 종류와 가속전압 그리고 도즈(dose)량 등의 변수 각각에 대하여 최적화를 하여야 한다. 본 특허에서는 H+ 이온을 주로 사용하며 가속전압은 수 백 KeV 정도이며 p-InP 층의 두께에 따라 가속전압이 다르며, 도즈(dose)량은 2x1014 ion/cm2 이다. 이온주입영역(38)은 이온주입 마스크 포토레지스트 스트라이프(40)가 형성된 영역이외의 모든 부분이 되며, 변조기 영역, SOA 영역, 그리고 LED 영역사이에도 이온이 주입되어 세 영역이 전기적으로 절연이 되어야 한다. 이온주입이 완료된 샘플은 이온주입 마스크로 사용한 포토레지스트(40)를 ACT-1 용액으로 끓인 후, 프라즈마 에슁(ashing) 공정으로 제거한 후 맨 윗층의 InP을 H3PO4:HCl=85:15 용액에 2 분간 에칭하여 제거한다. 이 에칭과정에 잔류 PR도 함께 완전히 제거된다.
도 10은 이온주입 마스크용 PR을 제거한 후 제3 질화물층(42)을 증착한 후의 단면도이다.
도 11a 및 도 11b에 의하면, 3 단계 공정 후 (i) 제3 질화물층(42)에 3 곳의 전류주입 스트라이프(변조기, SOA, 그리고 LED)영역을 이미지 역변환(image reversal) 광리소그래피로 패턴을 형성하고, (ii) 그 영역들의 제3 질화물층(42)을 MERIE로 식각하고, 그리고 (iii) p-type 금속전극을 전자빔 증착기로 Au(300nm)/Pt(30nm)/Ti(30nm)를 증착하여 형성한다. p-type 전극(50) 형성 후 오믹접촉을 위한 어닐링(annealing)공정과 기판(10)을 100 ??m정도로 랩핑(lapping)한 후 기판(10) 밑면에 n형 메탈(Au/Cr)(44)을 증착한 후 다시 한번 더 어닐링으로 공정은 끝난다. 참조번호 50a 변조기 영역, 50b는 광증폭기 영역, 그리고 50c는 LED영역의 금금 속전극을 나타낸다.
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 범위 내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
본 발명의 단일집적 modulator-SOA-LED소자는 광가입자용 광원으로 사용 광대역 WDM-PON 광원용으로 사용하기에 적합하며, 광대역 광원이 요구되는 광영상 시스템용 광원으로도 사용이 가능하다.

Claims (13)

  1. 기판의 전면에 형성된 수동 광도파로층;
    상기 수동 광도파로층 상의 양측에 배치된 변조기 영역과 창 영역;
    상기 변조기 영역과 상기 창 영역 사이의 상기 수동 광도파로층 위의 활성층 패턴 상에 형성된 반도체 광증폭기 영역과 발광다이오드 영역; 및
    상기 변조기 영역, 상기 반도체 광증폭기 영역, 상기 발광다이오드 영역 및 상기 창 영역 사이에 형성되어 각각을 전기적으로 절연시키는 이온주입영역 및 상기 발광다이오드 양측의 상기 활성층 패턴 위에 형성된 광흡수층 패턴을 포함하는 단일집적된 광대역 광원소자.
  2. 제1항에 있어서, 상기 광원소자는 측방향으로 상기 창 영역, 상기 발광다이오드 영역, 상기 반도체 광증폭기 영역 및 상기 변조기 영역의 순서대로 배열되는 것을 특징으로 하는 단일집적된 광대역 광원소자.
  3. 제1항에 있어서, 상기 광흡수층 패턴은 상기 반도체 광증폭기 영역, 상기 발광다이오드 및 상기 창 영역 사이의 상기 이온주입영역의 하부에 형성되는 것을 특징으로 하는 단일집적된 광대역 광원소자.
  4. 제1항에 있어서, 상기 광흡수층 패턴은 흡수된 광의 발진을 억제하게 하는 것을 특징으로 하는 단일집적된 광대역 광원소자의 제조방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 변조기, 상기 광증폭기 및 상기 발광다이오드는 각각 독립적으로 전류를 주입받는 것을 특징으로 하는 단일집적된 광대역 광원소자.
  6. 제5항에 있어서, 상기 변조기, 상기 광증폭기 및 상기 발광다이오드는 각각전원을 공급하는 제1 금속전극과 접촉되어 있는 것을 특징으로 하는 단일집적된 광대역 광원소자.
  7. 제1항에 있어서, 상기 이온주입영역은 제3 질화물층으로 덮이는 것을 특징으로 하는 단일집적된 광대역 광원소자.
  8. 기판을 준비하는 단계
    상기 기판 상에 수동 광도파로층, 활성층 및 광흡수층을 순차적으로 형성하는 단계;
    상기 광흡수층을 패터닝하기 위한 제1 식각마스크를 이용하여 상기 광흡수층의 일부를 제거하여 광흡수층 패턴을 형성하는 단계;
    상기 광흡수층 패턴을 덮고 변조기 영역과 창 영역이 형성될 부분을 정의하는 제2 식각마스크를 이용하여 상기 활성층의 일부를 제거하여 반도체 광증폭기와 발광다이오드가 형성될 리지 형태의 광공진 스트라이프를 형성하는 단계;
    상기 광공진 스트라이프를 덮는 클래드층과 오믹접촉층을 형성하는 단계;
    상기 오믹접촉층 상에 패터닝된 이온주입 마스크를 이용하여 상기 변조기 영역, 상기 반도체 광증폭기 영역, 상기 발광다이오드 영역 및 상기 창 영역 사이의 상기 클래드층에 이온주입을 하여 각각을 전기적으로 절연시키는 단계 및 상기 오믹접촉층 내에 전류주입을 위한 제1 금속전극을 형성하는 단계를 포함하는 단일집적된 광대역 광원소자의 제조방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 수동 광도파로층, 상기 활성층 및 상기 광흡수층은 유기금속화학기상증착법을 이용하여 형성하는 것을 특징으로 하는 단일집적된 광대역 광원소자의 제조방법.
  10. 제8항에 있어서, 상기 이온주입된 영역은 상기 변조기, 상기 반도체 광증폭기 및 상기 발광다이오드 사이의 영역을 동시에 전기적으로 차단하는 것을 특징으로 하는 단일집적된 광대역 광원소자의 제조방법.
  11. 제8항에 있어서, 상기 광도파로층은 광이 출력되는 면과 약 7o 경사지도록 형성하는 것을 특징으로 하는 특징으로 하는 단일집적된 광대역 광원소자의 제조방법.
  12. 제8항에 있어서, 상기 광출력면에 무반사 코팅막을 형성하는 것을 특징으로하는 단일집적된 광대역 광원소자의 제조방법.
  13. 제8항에 있어서, 상기 제1 금속전극을 형성하는 단계 이전에,
    상기 이온주입영역 상의 오믹접촉층을 제거하는 단계 및
    상기 오믹접촉층과 상기 이온주입영역을 덮는 제3 질화물층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 단일집적된 광대역 광원소자의 제조방법.
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