KR20140048463A - 반도체 레이저 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

반도체 레이저 및 그 제조방법이 제공된다. 반도체 레이저의 제조방법은, 매립 산화층을 포함하는 기판을 제공하는 것; 상기 매립 산화층을 식각하여 상기 기판을 노출하는 개구부를 가지는 패턴들을 형성하는 것; 상기 개구부 내에 게르마늄 단결정막을 형성하는 것; 및 상기 기판 상에 상기 게르마늄 단결정막에 인접하는 광 결합기를 형성하는 것을 포함한다.

Description

반도체 레이저 및 그 제조방법{A SEMICONDUCTOR LASER AND METHOD OF FORMING THE SAME}
본 발명은 반도체 레이저 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 제조공정이 단순화된 반도체 레이저 및 그 제조방법에 관한 것이다.
CMOS (complementary metal oxide semiconductor) 소자의 발전이 데이터 전송속도 한계, 소비전력의 한계 등에 직면하게 됨에 따라 실리콘 웨이퍼 상에 광-인터커넥션을 구현하는 기술이 한층 더 주목을 받게 되었다. 광 트랜스미터, 광 리시버 및 광 수동 소자가 많은 연구 개발을 거쳐 일부 적용 단계에 이르고 있다. 최근에는, 실리콘 기판 상에 모노리식 집적이 가능한 게르마늄 광원이 개발되어 실리콘 포토닉스 기술에 대한 연구에 박차가 가해질 것으로 기대되고 있다.
본 발명의 일 기술적 과제는 제조공정이 단순화된 반도체 레이저 및 그 제조방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 기술적 과제는 광 소자들과의 모노리식 집적화가 가능한 반도체 레이저 및 그 제조방법을 제공하는 데 있다.
본 발명에 따른 반도체 레이저의 제조방법은, 매립 산화층을 포함하는 기판을 제공하는 것; 상기 매립 산화층을 식각하여 상기 기판을 노출하는 개구부를 가지는 패턴들을 형성하는 것; 상기 개구부 내에 게르마늄 단결정막을 형성하는 것; 및 상기 기판 상에 상기 게르마늄 단결정막에 인접하는 광 결합기를 형성하는 것을 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 게르마늄 단결정막은 선택적 에피택시 성장(SEG)에 의해 형성될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 기판은 상기 매립 산화층 상의 상부 실리콘층을 더 포함하고, 상기 매립 산화층은 상기 기판 상의 하부 매립 산화층 및 상기 하부 매립 산화층과 상기 상부 실리콘층 사이의 상부 매립 산화층을 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 기판을 노출하는 개구부를 가지는 패턴들을 형성하는 것은: 상기 상부 실리콘층을 식각하여 상기 상부 매립 산화층을 노출하는 제1 개구부를 가지는 제1 패턴을 형성하는 것; 상기 상부 매립 산화층을 식각하여 상기 하부 매립 산화층을 노출하는 제2 개구부를 가지는 제2 패턴을 형성하는 것; 및 상기 하부 매립 산화층을 식각하여 상기 기판을 노출하는 제3 개구부를 가지는 제3 패턴을 형성하는 것을 포함하되, 상기 게르마늄 단결정막은 상기 제3 개구부 내에 형성될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 제1, 제2, 및 제3 패턴들을 형성하는 것은, 상기 상부 실리콘층, 상기 상부 매립 산화층, 및 상기 하부 매립 산화층 상에 포토 리소그래피 공정 및 식각 공정을 각각 수행하여 상기 제1, 제2, 및 제3 패턴들을 단계적으로 형성하는 것을 포함할 수 있다.
다른 실시예에 따르면, 상기 제1, 제2, 및 제3 패턴들을 형성하는 것은, 상기 상부 실리콘층 상에 포토 리소그래피 공정을 수행하고, 상기 상부 실리콘층, 상기 상부 매립 산화층, 및 상기 하부 매립 산화층을 순차적으로 식각 하여 상기 제1, 제2, 및 제3 패턴들을 한번에 형성하는 것을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 반도체 레이저의 제조방법은, 상기 기판 내에 이온 주입 영역을 형성하는 것을 더 포함하되, 상기 이온 주입 영역은, 상기 제2 패턴이 형성된 후 상기 제3 패턴이 형성되기 전에, 상기 제2 개구부에 의해 노출되는 상기 하부 매립 산화층 상에 이온 주입 공정을 수행함으로써 형성될 수 있다.
본 발명에 따른 반도체 레이저의 제조방법은, 상기 기판 상에 보호 패턴들을 형성하는 것을 더 포함하되, 상기 보호 패턴들을 형성하는 것은: 상기 기판의 전면 상에 패시베이션막을 증착하는 것; 상기 패시베이션막을 패터닝하여 상기 게르마늄 단결정막의 상면을 노출하는 것을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 반도체 레이저의 제조방법은, 상기 기판 상에 전극을 형성하는 것을 더 포함하되, 상기 전극을 형성하는 것은: 상기 보호 패턴들이 형성되는 상기 기판의 일면과 이에 대향하는 상기 기판의 타면 상에 도전막을 증착하는 것; 및 상기 도전막을 패터닝하여 제1 전극과 제2 전극을 형성하는 것을 포함하되, 상기 제1 전극은 상기 기판의 타면 상에 형성되고, 상기 제2 전극은 상기 기판의 일면 상에 형성되어 상기 게르마늄 단결정막과 연결될 수 있다.
다른 실시예에 따르면, 상기 보호 패턴들을 형성하는 것은 상기 패시베이션막을 패터닝하여 상기 기판의 상면의 일부를 노출하는 것을 더 포함하되, 상기 노출되는 기판 상면의 일부는 상기 이온주입영역 내에 위치할 수 있다.
다른 실시예에 따르면, 본 발명에 따른 반도체 레이저의 제조방법은, 상기 기판 상에 전극을 형성하는 것을 더 포함하되, 상기 전극을 형성하는 것은: 상기 보호 패턴들이 형성되는 상기 기판의 일면 상에 도전막을 증착하는 것; 및 상기 도전막을 패터닝하여 제1 전극과 제2 전극을 형성하는 것을 포함하되, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극은 모두 상기 기판의 일면 상에 형성되고, 상기 제1 전극은 상기 기판 내의 상기 이온주입영역과 연결되고, 상기 제2 전극은 상기 게르마늄 단결정막과 연결될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 광 결합기를 형성하는 것은: 상기 기판 상에 상기 광 결합기가 형성될 영역을 정의하는 개구부를 가지는 마스크 패턴을 형성하는 것; 및 상기 개구부에 의해 노출되는 상기 상부 실리콘층을 이방성 식각함으로써 경사면을 가지는 광 도파로를 형성하는 것을 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 광 결합기가 형성된 후 상기 마스크 패턴을 제거하는 것을 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 반도체 레이저는, 매립 산화층 및 상기 매립 산화층 상의 상부 실리콘층을 포함하는 기판; 상기 매립 산화층 내에 형성되는 게르마늄 단결정막; 및 상기 기판 상에 형성되고 상기 게르마늄 단결정막과 이격되는 광결합기를 포함하되, 상기 광결합기는 상기 상부 실리콘층으로 형성된 광도파로를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 본 발명에 따른 반도체 레이저는 상기 기판의 일면 상에 형성되는 제1 전극 및 제2 전극을 더 포함하되, 상기 제1 전극은 상기 기판과 연결되고 상기 제2 전극은 상기 게르마늄 단결정막과 연결될 수 있다.
다른 실시예에 따르면, 본 발명에 따른 반도체 레이저는 상기 기판의 일면 상에 형성되고 상기 게르마늄 단결정막과 연결되는 제1 전극; 및 상기 기판의 일면에 대향하는 상기 기판의 타면 상에 형성되는 제2 전극을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 반도체 레이저의 제조공정이 단순화되어 공정 효율화가 가능하고, SOI(silicon-on-insulator) 기판 상에 실리콘 포토닉스 기술로 제조된 광 소자들과의 모노리식 집적화가 가능할 수 있다.
도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 반도체 레이저가 광 결합기와 결합된 상태를 나타내는 평면도이다.
도 1b는 도 1a의 A-A'에 따른 단면도이다.
도 1c는 도 1a의 B-B'에 따른 단면도이다.
도 2a 내지 도 11b은 본 발명의 일 실시예에 따라 반도체 레이저를 제조하는 방법을 설명하기 위한 도면들로, 도 2a 내지 도 11a는 1a의 A-A'에 따른 단면도들이고, 도 2b 내지 도 11b는 도 1a의 B-B'에 따른 단면도들이다.
도 12a는 본 발명의 다른 실시예에 따라 제조된 반도체 레이저가 광 결합기와 결합된 상태를 나타내는 평면도이다.
도 12b는 도 12a의 C-C'에 따른 단면도이다.
도 12c는 도 12a의 D-D'에 따른 단면도이다.
도 13a 내지 도 13b는 본 발명의 다른 실시예에 따라 반도체 레이저를 제조하는 방법을 설명하기 위한 도면들로, 도 13a는 도 12a의 C-C'에 따른 단면도이고, 도 13b는 도 12a의 D-D'에 따른 단면도이다.
본 발명의 구성 및 효과를 충분히 이해하기 위하여, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 설명한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라, 여러가지 형태로 구현될 수 있고 다양한 변경을 가할 수 있다. 단지, 본 실시예들의 설명을 통해 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위하여 제공되는 것이다. 첨부된 도면에서 구성 요소들은 설명의 편의를 위하여 그 크기가 실제보다 확대하여 도시한 것이며, 각 구성 요소의 비율은 과장되거나 축소될 수 있다.
본 발명의 실시예들에서 사용되는 용어들은 다르게 정의되지 않는 한, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 통상적으로 알려진 의미로 해석될 수 있다. 이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함으로써 본 발명을 상세히 설명한다.
도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 반도체 레이저가 광 결합기와 결합된 상태를 나타내는 평면도이다. 도 1b는 도 1a의 A-A'에 따른 단면도이고, 도 1c는 도 1a의 B-B'에 따른 단면도이다.
도 1a 내지 도 1c를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 반도체 레이저는 광 결합기(300)와 모노리식 집적화(monolithic integration)가 가능할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 반도체 레이저는 실리콘 기판(10) 상에 형성된 게르마늄 단결정막(90) 및 상기 실리콘 기판(10)의 일면 상에 형성된 제1 및 제2 전극들(150 및 160)을 포함할 수 있다. 상기 제1 전극(150)은 상기 게르마늄 단결정막(90)과 이격될 수 있고, 상기 제2 전극(160)은 상기 게르마늄 단결정막(90)과 중첩될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 반도체 레이저는 상기 실리콘 기판(10) 상의 제1 패턴(60), 상기 실리콘 기판(10)과 상기 제1 패턴(60) 사이의 제2 패턴(70), 및 상기 실리콘 기판(10)과 상기 제2 패턴(70) 사이의 제3 패턴(80)을 포함할 수 있다. 또한, 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 반도체 레이저는 상기 실리콘 기판(10)과 상기 전극들(150 및 160) 사이의 보호 패턴들(110) 및 상기 실리콘 기판(10) 내의 불순물 주입 영역(15)을 포함할 수 있다. 상기 불순물 주입 영역(15)은 상기 게르마늄 단결정막(90)과 중첩될 수 있다. 도 1c에서, 상기 제1 내지 제3 패턴들(60, 70, 및 80) 및 보호 패턴들(110)은 도면의 간소화를 위해 생략되었다. 상기 광 결합기(300)은 상기 게르마늄 단결정막(90)과 이격될 수 있다. 상기 광 결합기(300)는 상기 실리콘 기판(10) 상의 광 도파로(310) 및 상기 실리콘 기판(10)과 상기 광 도파로(310) 사이의 반사 패턴(320)을 포함할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 반도체 레이저에서 발진된 빛(330)은 상기 반사 패턴(320)의 경사면에서 반사되고 상기 광 도파로(310)를 따라 진행할 수 있다.
도 2a 내지 도 11b은 본 발명의 일 실시예에 따라 반도체 레이저를 제조하는 방법을 설명하기 위한 도면들로, 도 2a 내지 도 11a는 1a의 A-A'에 따른 단면도들이고, 도 2b 내지 도 11b는 도 1a의 B-B'에 따른 단면도들이다.
도 2a 및 도 2b를 참조하면, 반도체 기판(50)이 제공된다. 상기 반도체 기판(50)은 실리콘-온-인슐레이터(silicon-on-insulator, SOI) 기판일 수 있다. 상기 반도체 기판(50)은 실리콘 기판(10), 상기 실리콘 기판(10) 상의 상부 실리콘층(40), 및 상기 실리콘 기판(10)과 상기 상부 실리콘층(40) 사이의 매립 산화층(35)을 포함할 수 있다. 상기 매립 산화층(35)은 상기 실리콘 기판(10) 상의 하부 매립 산화층(20) 및 상기 하부 매립 산화층(20)과 상기 상부 실리콘층(40) 사이의 상부 매립 산화층(30)을 포함할 수 있다.
도 3a 및 도 3b를 참조하면, 상기 상부 실리콘층(40)을 패터닝하여 상기 상부 매립 산화층(30)을 노출하는 제1 개구부(65)를 가지는 제1 패턴(60)이 형성될 수 있다. 일 예로, 상기 제1 패턴(60)은 상기 상부 실리콘층(40) 상에 포토 리소그래피 공정 및 식각 공정을 수행함으로써 형성될 수 있다. 도 3b에서, 도면의 간소화를 위해 상기 제1 패턴(60)의 일부가 생략되었다.
도 4a 및 도 4b를 참조하면, 상기 제1 개구부(65)에 의해 노출되는 상기 상부 매립 산화층(30)을 패터닝하여, 상기 하부 매립 산화층(20)을 노출하는 제2 개구부(75)를 가지는 제2 패턴(70)이 형성될 수 있다. 일 예로, 상기 제2 패턴(70)은 상기 상부 매립 산화층(30) 상에 포토 리소그래피 공정 및 식각 공정을 수행함으로써 형성될 수 있다. 상기 제2 개구부(75)의 폭(d2)은 상기 제1 개구부(65)의 폭(d1)보다 작거나 같을 수 있다. 도 4b에서, 도면의 간소화를 위해 상기 제1 및 제2 패턴들(60 및 70)의 일부가 생략되었다.
상기 제2 개구부(75)는 상기 실리콘 기판(10) 내의 불순물 주입 영역(15)을 정의할 수 있다. 상기 제2 패턴(70)은 이온 주입 공정의 마스크로 사용될 수 있다. 상기 제2 개구부(75)에 의해 노출되는 상기 하부 매립 산화층(20) 상에 이온 주입 공정을 수행하여, 상기 실리콘 기판(10) 내에 불순물 주입 영역(15)이 형성될 수 있다. 상기 하부 매립 산화층(20)은 이온 주입 공정에 의해 불순물들(일 예로, 보론, 인)이 상기 실리콘 기판(10)으로 주입될 수 있을 정도의 두께를 가질 수 있다. 상기 불순물 주입 영역(15)은 N형 또는 P형의 도전형을 가질 수 있다.
앞서 설명된 바와 같이, 일 실시예에서 상기 제2 패턴(70)을 이온 주입 공정의 마스크로 사용하여, 상기 제2 개구부(75)에 의해 노출되는 상기 하부 매립 산화층(20) 상에 이온 주입 공정이 수행될 수 있다. 그러나, 다른 실시예에서, 상기 실리콘 기판(10)이 N형 또는 P형으로 고준위 도핑(high doping)된 경우, 상기 이온 주입 공정은 생략될 수 있다. 일 예로, 고준위 도핑된 상기 실리콘 기판(10) 내의 실제 생성된 캐리어 농도는 1019 ea/cm3 일 수 있다.
계속하여, 도 5a 및 도 5b를 참조하면, 상기 제2 개구부(75)에 의해 노출되는 상기 하부 매립 산화층(20)을 패터닝하여, 상기 실리콘 기판(10)을 노출하는 제3 개구부(85)를 가지는 제3 패턴(80)이 형성될 수 있다. 일 예로, 상기 제3 패턴(80)은 상기 하부 매립 산화층(20) 상에 포토 리소그래피 공정 및 식각 공정을 수행함으로써 형성될 수 있다. 상기 제3 개구부(85)의 폭(d3)은 상기 제2 개구부(75)의 폭(d2)보다 작거나 같을 수 있다. 상기 제3 개구부(85)는 상기 실리콘 기판(10) 내에 형성된 상기 불순물 주입 영역(15)을 노출할 수 있다. 도 5b에서, 도면의 간소화를 위해 상기 제1, 제2, 및 제3 패턴들(60, 70, 및 80)의 일부가 생략되었다.
일 실시예에서, 상기 제1, 제2, 및 제3 패턴들(60, 70, 및 80)은, 도 2a 내지 도 5b를 참조하여 설명한 바와 같이, 상기 상부 실리콘층(40), 상기 상부 매립 산화층(30), 및 상기 하부 매립 산화층(20) 상에 포토 리소그래피 공정 및 식각 공정을 각각 수행하여 단계적으로 형성될 수 있다. 그러나, 다른 실시예에서, 상기 제1, 제2, 및 제3 패턴들(60, 70, 및 80)은 상기 상부 실리콘층(40)상에 포토 리소그래피 공정을 수행하고, 상기 상부 실리콘층(40), 상기 상부 및 하부 매립 산화층(30 및 20)을 순차로 식각하여 한번에 형성될 수 있다. 이 경우, 상기 제1, 제2, 및 제3 개구부(65, 75, 및 85)의 폭들(d1, d2, 및 d3)은 실질적으로 동일할 수 있다.
계속하여, 도 6a 및 도 6b를 참조하면, 상기 제3 개구부(85) 내에 활성층인 게르마늄 단결정막(90)이 형성될 수 있다. 도6b에서, 도면의 간소화를 위해 상기 제1, 제2, 및 제3 패턴들(60, 70, 및 80)의 일부가 생략되었다. 상기 게르마늄 단결정막(90)은 선택적 에피택시 성장(selective epitaxial growth, SEG)에 의해 형성될 수 있다. 상기 제3 개구부(85)는 선택적 에피택시 성장 영역을 정의할 수 있다. 상기 선택적 에피택시 성장은 감압 화학적 기상 증착(reduced pressure chemical vapor deposition) 방법 또는 저압 화학적 기상 증착(low pressure chemical vapor deposition) 방법으로 구현될 수 있다. 상기 선택적 에피택시 성장은 플로우 가스로 수소 가스를 사용할 수 있다. 상기 게르마늄 소스는 사수소화 게르마늄(Germanium Tetrahydride: GeH4)일 수 있다. 상기 게르마늄 단결정막(90)은 상기 불순물 주입 영역(15)과 연결될 수 있다.
상기 게르마늄 단결정막(90)이 형성되기 전 또는 후에, 상기 광 결합기가(300)가 동일한 기판(10) 상에 형성될 수 있다. 일 예로, 도 6a 내지 도 8b를 참조하면, 상기 게르마늄 단결정막(90) 형성된 상기 실리콘 기판(10) 상에 마스크 패턴(95)이 형성될 수 있다. 상기 마스크 패턴(95)은 상기 광 결합기(300)가 형성될 영역을 정의하는 개구부(96)를 포함할 수 있다. 상기 마스크 패턴(95)은 상기 광 결합기(300)를 형성하는 식각 공정에서 식각 선택비를 가지는 물질을 포함할 수 있다. 상기 개구부(96)에 의해 노출되는 상기 제1 패턴(60)을 식각하여 광 도파로(310)가 형성될 수 있다. 구체적으로, 상기 제1 패턴(60)을 이방성 식각(anisotropic etch)하여 경사면을 갖는 상기 광 도파로(310)가 형성될 수 있다. 다음으로, 상기 제2 및 제3 패턴들(70 및 80)을 등방석 식각(isotropic etch) 및 이방성 식각하여 경사면을 가지는 반사 패턴(320)이 형성될 수 있다. 도 6b, 도 7b, 및 도 8b에서, 도면의 간소화를 위해 상기 제1, 제2, 및 제3 패턴들(60, 70, 및 80)의 일부가 생략되었다.
도 9a 및 도 9b를 참조하면, 상기 게르마늄 단결정막(90)이 형성된 상기 실리콘 기판(10)의 전면 상에 패시베이션막(passivation layer, 100)이 형성될 수 있다. 도 6a 내지 도 8b를 참조하여 설명된 바와 같이 상기 마스크 패턴(95)이 형성된 경우, 상기 마스크 패턴(95)이 제거된 후 상기 실리콘 기판(10)의 전면 상에 상기 패시베이션막(100)이 형성될 수 있다. 일 예로, 상기 패시베이션막(100)은 LPCVD LTO(low pressure chemical vapor deposition low temperature oxide) 또는 LPCVD TEOS(low pressure chemical vapor deposition tetraethyl orthosilicate)에 의해 증착된 실리콘 산화막일 수 있다. 도 9b에서, 도면의 간소화를 위해, 상기 제1, 제2, 및 제3 패턴들(60, 70, 및 80)이 생략되었다.
도 10a 및 도 10b를 참조하면, 상기 패시베이션막(100)을 패터닝하여 보호 패턴들(110)이 형성될 수 있다. 상기 보호 패턴들(110)은 상기 게르마늄 단결정막(90)의 상면 및 상기 실리콘 기판(10)의 상면의 일부를 노출할 수 있다. 상기 노출된 실리콘 기판(10)의 상면의 일부는 상기 불순물 주입 영역(15) 내에 위치할 수 있다. 도 10b에서, 도면의 간소화를 위해 상기 제1, 제2, 및 제3 패턴들(60, 70, 및 80) 및 상기 보호 패턴들(110)이 생략되었다.
도 11a 및 도 11b를 참조하면, 상기 보호 패턴들(110)이 형성된 상기 실리콘 기판(10)의 전면 상에 도전막(120)이 형성될 수 있다. 상기 도전막(120)은 스퍼터링 방법, 전자-빔(electron-beam) 방법, 열 증착 방법 등을 이용하여 형성될 수 있다. 상기 도전막(120)은 도전 물질을 포함할 수 있다. 일 예로, 상기 도전막(120)은 Pt/Au, Ti/Al, Ni/Au 등의 금속으로 이루어진 다중막일 수 있다. 도 11b에서, 도면의 간소화를 위해 상기 제1, 제2, 및 제3 패턴들(60, 70, 및 80) 및 상기 보호 패턴들(110)이 생략되었다.
도1b 및 도 1c를 다시 참조하면, 상기 도전막(120)을 패터닝하여 제1 전극(150) 및 제2 전극(160)이 형성될 수 있다. 일 예로, 상기 제1 전극(150) 및 상기 제2 전극(160)은 상기 도전막(120)에 포토 리소그래피 공정 및 식각 공정을 수행함으로써 형성될 수 있다. 일 실시예에 따르면, 상기 제1 전극(150) 및 상기 제2 전극(160)은 모두 상기 실리콘 기판(10)의 일면 상에 위치할 수 있고, 상기 제1 전극(150) 및 상기 제2 전극(160) 사이의 보호 패턴들(110)에 의해 서로 이격될 수 있다. 상기 제1 전극(150)은 상기 게르마늄 단결정막(90)과 이격될 수 있고, 상기 실리콘 기판(10) 내의 불순물 주입 영역(15)과 연결될 수 있다. 상기 제2 전극(160)은 상기 게르마늄 단결정막(90)과 연결될 수 있다. 상기 제1 전극(150) 및 상기 제2 전극(160) 중 어느 하나가 애노드(anode)로 기능하는 경우, 다른 하나는 캐소드(cathode)로 기능할 수 있다.
도 12a는 본 발명의 다른 실시예에 따라 제조된 반도체 레이저가 광 결합기와 결합된 상태를 나타내는 평면도이다. 도 12b는 도 12a의 C-C'에 따른 단면도이고, 도 12c는 도 12a의 D-D'에 따른 단면도이다. 설명의 간소화를 위해 중복되는 설명은 생략될 수 있다.
도 12a 내지 도 12c를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따라 제조된 반도체 레이저는 광 결합기(300)와 모노리식 집적화(monolithic integration)가 가능할 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에 따라 제조된 반도체 레이저는 실리콘 기판(10) 상에 형성된 게르마늄 단결정막(90) 및, 상기 실리콘 기판(10)의 일면 및 이에 대향하는 타면 상에 형성된 제1 및 제2 전극들(151 및 161)을 포함할 수 있다. 상기 제1 전극(151)은 상기 실리콘 기판(10)의 타면 상에 형성될 수 있고, 상기 제2 전극(161)은 상기 실리콘 기판(10)의 일면 상에 형성되어 상기 게르마늄 단결정막(90)과 중첩될 수 있다. 도 12c에서, 상기 제1 내지 제3 패턴들(60, 70, 및 80) 및 보호 패턴들(111)은 도면의 간소화를 위해 생략되었다. 상기 광 결합기(300)은 상기 게르마늄 단결정막(90)과 이격될 수 있다. 상기 게르마늄 단결정막(90)이 형성되기 전 또는 후에, 상기 광 결합기(300)가 동일한 기판(10) 상에 형성될 수 있고, 상기 광 결합기(300)의 구체적인 제조방법의 예는 도 6a 내지 도 8b를 참조하여 설명한 것과 같다. 본 발명의 다른 실시예에 따라 제조된 반도체 레이저에서 발진된 빛(331)은 상기 반사 패턴(320)의 경사면에서 반사되고 상기 광 도파로(310)를 따라 진행할 수 있다.
도 13a 내지 도 13b는 본 발명의 다른 실시예에 따라 반도체 레이저를 제조하는 방법을 설명하기 위한 도면들로, 도 13a는 도 12a의 C-C'에 따른 단면도이고, 도 13b는 도 12a의 D-D'에 따른 단면도이다. 도 13b에서, 도면의 간소화를 위해 상기 제1, 제2, 및 제3 패턴들(60, 70, 및 80)과 보호 패턴들(111)은 생략되었다. 설명의 간소화를 위해 중복되는 설명은 생략될 수 있다.
도 13a 및 도 13b를 참조하면, 도 9a 및 도 9b를 참조하여 설명된 상기 패시베이션막(100)을 패터닝하여 보호 패턴들(111)이 형성될 수 있다. 상기 보호 패턴들(111)은 상기 게르마늄 단결정막(90)의 상면을 노출할 수 있다.
도 12b 및 도 12c를 다시 참조하면, 상기 보호 패턴들(111)이 형성된 상기 실리콘 기판(10)의 일면 및 이에 대향하는 상기 실리콘 기판(10)의 타면 상에 도전막을 증착하고 패터닝함으로써, 제1 전극(151) 및 제2 전극(161)이 형성될 수 있다. 상기 제1 전극(151)은 상기 실리콘 기판(10)의 타면 상에 형성될 수 있고, 상기 제2 전극(161)은 상기 보호 패턴들(111)이 형성된 상기 실리콘 기판(10)의 일면 상에 형성될 수 있다. 상기 제2 전극(161)은 상기 게르마늄 단결정막(90)과 연결될 수 있다. 상기 제1 전극(151) 및 상기 제2 전극(161) 중 어느 하나가 애노드(anode)로 기능하는 경우, 다른 하나는 캐소드(cathode)로 기능할 수 있다.
본 발명의 개념에 따라 SOI 기판 내의 매립 산화층을 이용하여 게르마늄 단결정막을 선택적 에피택시 성장시킴으로써 반도체 레이저를 제조하는 경우, 게르마늄 단결정막의 선택적 에피택시 성장 영역을 정의하기 위해 별도의 마스크층을 증착하고 이를 패터닝하는 공정은 생략될 수 있다. 따라서, 반도체 레이저의 제조 공정이 단순화될 수 있다. 나아가, SOI 기판 상에 실리콘 포토닉스 기술로 제작된 실리콘 광 모듈레이터, 수동 도파로 소자, 광 검출기 등의 광 소자들과 모노리식 집적화가 가능할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 대한 이상의 설명은 본 발명의 설명을 위한 예시를 제공한다. 따라서 본 발명은 이상의 실시예들에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당해 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 상기 실시예들을 조합하여 실시하는 등 여러 가지 많은 수정 및 변경이 가능함은 명백하다.
10: 실리콘 기판 110: 보호 패턴들
20: 하부 매립 산화층 120: 도전막
30: 상부 매립 산화층 150: 제1 전극
35: 매립 산화층 160: 제2 전극
40: 상부 실리콘층 15: 불순물 주입 영역
50: 반도체 기판 300: 광 결합기
60: 제1 패턴 310: 광 도파로
65: 제1 개구부 320: 반사 패턴
70: 제2 패턴 330: 레이저 빛
75: 제2 개구부
80: 제3 패턴
85: 제3 개구부
90: 게르마늄 단결정막
100: 패시베이션막

Claims (16)

  1. 매립 산화층을 포함하는 기판을 제공하는 것;
    상기 매립 산화층을 식각하여 상기 기판을 노출하는 개구부를 가지는 패턴들을 형성하는 것;
    상기 개구부 내에 게르마늄 단결정막을 형성하는 것; 및
    상기 기판 상에 상기 게르마늄 단결정막에 인접하는 광 결합기를 형성하는 것을 포함하는 반도체 레이저의 제조방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 게르마늄 단결정막은 선택적 에피택시 성장(SEG)에 의해 형성되는 반도체 레이저의 제조방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 기판은 상기 매립 산화층 상의 상부 실리콘층을 더 포함하고,
    상기 매립 산화층은 상기 기판 상의 하부 매립 산화층 및 상기 하부 매립 산화층과 상기 상부 실리콘층 사이의 상부 매립 산화층을 포함하는 반도체 레이저의 제조방법.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 기판을 노출하는 개구부를 가지는 패턴들을 형성하는 것은:
    상기 상부 실리콘층을 식각하여 상기 상부 매립 산화층을 노출하는 제1 개구부를 가지는 제1 패턴을 형성하는 것;
    상기 상부 매립 산화층을 식각하여 상기 하부 매립 산화층을 노출하는 제2 개구부를 가지는 제2 패턴을 형성하는 것; 및
    상기 하부 매립 산화층을 식각하여 상기 기판을 노출하는 제3 개구부를 가지는 제3 패턴을 형성하는 것을 포함하되,
    상기 게르마늄 단결정막은 상기 제3 개구부 내에 형성되는 반도체 레이저의 제조방법.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 제1, 제2, 및 제3 패턴들을 형성하는 것은,
    상기 상부 실리콘층, 상기 상부 매립 산화층, 및 상기 하부 매립 산화층 상에 포토 리소그래피 공정 및 식각 공정을 각각 수행하여 상기 제1, 제2, 및 제3 패턴들을 단계적으로 형성하는 것을 포함하는 반도체 레이저의 제조방법.
  6. 청구항 4에 있어서,
    상기 제1, 제2, 및 제3 패턴들을 형성하는 것은,
    상기 상부 실리콘층 상에 포토 리소그래피 공정을 수행하고, 상기 상부 실리콘층, 상기 상부 매립 산화층, 및 상기 하부 매립 산화층을 순차적으로 식각 하여 상기 제1, 제2, 및 제3 패턴들을 한번에 형성하는 것을 포함하는 반도체 레이저의 제조방법.
  7. 청구항 4에 있어서,
    상기 기판 내에 이온 주입 영역을 형성하는 것을 더 포함하되,
    상기 이온 주입 영역은, 상기 제2 패턴이 형성된 후 상기 제3 패턴이 형성되기 전에, 상기 제2 개구부에 의해 노출되는 상기 하부 매립 산화층 상에 이온 주입 공정을 수행함으로써 형성되는 반도체 레이저의 제조방법.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 기판 상에 보호 패턴들을 형성하는 것을 더 포함하되,
    상기 보호 패턴들을 형성하는 것은:
    상기 기판의 전면 상에 패시베이션막을 증착하는 것;
    상기 패시베이션막을 패터닝하여 상기 게르마늄 단결정막의 상면을 노출하는 것을 포함하는 반도체 레이저의 제조방법.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 기판 상에 전극을 형성하는 것을 더 포함하되,
    상기 전극을 형성하는 것은:
    상기 보호 패턴들이 형성되는 상기 기판의 일면과 이에 대향하는 상기 기판의 타면 상에 도전막을 증착하는 것; 및
    상기 도전막을 패터닝하여 제1 전극과 제2 전극을 형성하는 것을 포함하되,
    상기 제1 전극은 상기 기판의 타면 상에 형성되고, 상기 제2 전극은 상기 기판의 일면 상에 형성되어 상기 게르마늄 단결정막과 연결되는 반도체 레이저의 제조방법.
  10. 청구항 8에 있어서,
    상기 보호 패턴들을 형성하는 것은 상기 패시베이션막을 패터닝하여 상기 기판의 상면의 일부를 노출하는 것을 더 포함하되,
    상기 노출되는 기판 상면의 일부는 상기 이온주입영역 내에 위치하는 반도체 레이저의 제조방법.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 기판 상에 전극을 형성하는 것을 더 포함하되,
    상기 전극을 형성하는 것은:
    상기 보호 패턴들이 형성되는 상기 기판의 일면 상에 도전막을 증착하는 것; 및
    상기 도전막을 패터닝하여 제1 전극과 제2 전극을 형성하는 것을 포함하되,
    상기 제1 전극과 상기 제2 전극은 모두 상기 기판의 일면 상에 형성되고, 상기 제1 전극은 상기 기판 내의 상기 이온주입영역과 연결되고, 상기 제2 전극은 상기 게르마늄 단결정막과 연결되는 반도체 레이저의 제조방법.
  12. 청구항 3에 있어서,
    상기 광 결합기를 형성하는 것은:
    상기 기판 상에 상기 광 결합기가 형성될 영역을 정의하는 개구부를 가지는 마스크 패턴을 형성하는 것; 및
    상기 개구부에 의해 노출되는 상기 상부 실리콘층을 이방성 식각함으로써 경사면을 가지는 광 도파로를 형성하는 것을 포함하는 반도체 레이저의 제조방법.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 광 결합기가 형성된 후 상기 마스크 패턴을 제거하는 것을 더 포함하는 반도체 레이저의 제조방법.
  14. 매립 산화층 및 상기 매립 산화층 상의 상부 실리콘층을 포함하는 기판;
    상기 매립 산화층 내에 형성되는 게르마늄 단결정막; 및
    상기 기판 상에 형성되고 상기 게르마늄 단결정막과 이격되는 광결합기를 포함하되,
    상기 광결합기는 상기 상부 실리콘층으로 형성된 광도파로를 포함하는 반도체 레이저.
  15. 청구항 14에 있어서,
    상기 기판의 일면 상에 형성되는 제1 전극 및 제2 전극을 더 포함하되,
    상기 제1 전극은 상기 기판과 연결되고, 상기 제2 전극은 상기 게르마늄 단결정막과 연결되는 반도체 레이저.
  16. 청구항 14에 있어서,
    상기 기판의 일면 상에 형성되고 상기 게르마늄 단결정막과 연결되는 제1 전극; 및
    상기 기판의 일면에 대향하는 상기 기판의 타면 상에 형성되는 제2 전극을 포함하는 반도체 레이저.
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