KR20140114946A - 하이브리드 수직 공진 레이저 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

하이브리드 수직 공진 레이저는 저굴절률부와 고굴절률부가 제1방향을 따라 교번 배치된 그레이팅과, 상기 제1방향을 따라 광을 가이드하는 도파로가 형성된 광회로 템플릿; 상기 광회로 템플릿 상에 상기 제1방향과 수직인 제2방향으로 순차 적층된 제1형반도체층, 활성층, 제2형 반도체층, 상부 반사층을 포함하며, 제1형반도체층, 활성층, 제2형 반도체층, 상부 반사층은 상기 제1형반도체층의 일부가 노출되도록 메사 식각되어 돌출된 형태를 갖는 메사 구조체; 상기 제1형반도체층의 노출된 메사식각면에 형성된 제1전극; 상기 상부반사층 위에 형성된 제2전극;을 포함하며, 상기 활성층에서 형성된 광이 상기 그레이팅으로 입사하는 개구를 형성하는 메사 어퍼쳐와 상기 도파로가 오버랩되는 길이를 D, 상기 그레이팅의 피치를 p라고 할 때, 0 < D < p 이다.

Description

하이브리드 수직 공진 레이저 및 그 제조방법{Hybrid vertical cavity laer and method of manufacturing the same}
본 개시는 하이브리드 수직 공진 레이저 및 그 제조방법에 관한 것이다.
광을 이용하여 데이터를 주고 받는 광 연결(optical interconnection) 기술은 전기적 연결(electrical interconnection)에 비해 전송 손실 및 전자파 간섭이 적어 고속의 고 대역폭 (bandwidth) 데이터 송수신 시스템을 구현하기에 적합하며, 최근 실리콘 기반의 광 집적 회로(photonics integrated circuit)를 구현하는 기술에 대한 관심이 높아지고 있다.
실리콘 기반의 광 집적 회로(photonics integrated circuit)는 광원(light source), 광 도파로 (optical waveguide), 광변조기 (optical modulator), 광 여과기(optical filter), 광 검출기 (photodetector) 등의 여러 광 소자를 포함할 수 있으며, 광 연결로 신호를 전달한다. 이 때, 집적된 구조내에서 광효율을 높이는 방법, 예를 들어, 광원에서 형성된 광을 광도파로에 효율적으로 결합시킬 수 있는 구조나 제조방법은 중요한 과제가 된다.
예를 들어, 하이브리드 수직 공진 레이저는 수직으로 공진하며 발진되는 레이저빔을 수평 방향으로 전송하는 광도파로에 결합시키는 구조를 가지는데, 이 경우, 광도파로에 레이저 어퍼쳐가 결합되는 구조는 커플링 효율에 밀접하게 관련되며, 한편, 레이저가 종횡비가 높은 메사 구조를 가질 경우, 정밀한 정렬을 위한 제조 과정이 다소 복잡하다.
본 개시는 하이브리드 수직 공진 레이저 및 그 제조방법을 제공하고자 한다.
일 유형에 따르는 하이브리드 수직 공진 레이저는 저굴절률부와 고굴절률부가 제1방향을 따라 교번 배치된 그레이팅과, 상기 제1방향을 따라 광을 가이드하는 도파로가 형성된 광회로 템플릿; 상기 광회로 템플릿 상에 상기 제1방향과 수직인 제2방향으로 순차 적층된 제1형반도체층, 활성층, 제2형 반도체층, 상부 반사층을 포함하며, 제1형반도체층, 활성층, 제2형 반도체층, 상부 반사층은 상기 제1형반도체층의 일부가 노출되도록 메사 식각되어 돌출된 형태를 갖는 메사 구조체; 상기 제1형반도체층의 노출된 메사식각면에 형성된 제1전극; 상기 상부반사층 위에 형성된 제2전극;을 포함하며, 상기 활성층에서 형성된 광이 상기 그레이팅으로 입사하는 개구를 형성하는 메사 어퍼쳐와 상기 도파로가 오버랩되는 길이를 D, 상기 그레이팅의 피치를 p라고 할 때, 0 < D < p 이다.
상기 광회로 템플릿은 제1층; 상기 제1층 상에, 상기 제1층의 굴절률보다 큰 굴절률의 재질로 형성된 것으로, 상기 그레이팅과 도파로 형태가 패턴된 제2층; 상기 제2층 상에, 상기 제2층의 굴절률보다 작은 굴절률의 재질로 형성된 절연물질층:을 포함할 수 있다.
상기 제1층은 산화 실리콘으로 이루어지고, 상기 제2층은 실리콘으로 이루어질 수 있다.
상기 광회로 템플릿은 실리콘층, 산화실리콘층, 실리콘층을 포함하는 구조의 SOI(silicone on insulator) 기판을 포함하며, 상기 산화실리콘층이 상기 제1층이 되고, 상기 산화실리콘층 위의 실리콘층이 패터닝되어 상기 제2층을 형성할 수 있다.
상기 고굴절률부는 실리콘층으로 이루어지고, 상기 저굴절률부는 공기층으로 이루어질 수 있다.
상기 저굴절률부의 폭과, 서로 인접한 저굴절률부 간의 간격은 일정할 수 있다.
상기 저굴절률부는 폭이 다른 제1저굴절률부와 제2저굴절률부를 포함하며, 상기 제1저굴절률부와 제2저굴절률부가 교번 배치되고, 상기 그레이팅의 피치(p)는 인접하는 제1저굴절률부간의 간격과, 인접하는 제2저굴절률부간의 간격의 평균으로 정의된다.
또는, 인접하는 제1저굴절률부간의 간격과, 인접하는 제2저굴절률부간의 간격이 일정할 수 있다.
상기 메사구조체의 측면과 상기 제1형반도체층의 메사식각면이 이루는 각은 90도 보다 작을 수 있다.
일 유형에 따르는 하이브리드 수직 공진 레이저 제조방법은 저굴절률부와 고굴절률부가 제1방향을 따라 교번 배치된 그레이팅과, 상기 제1방향을 따라 광을 가이드하는 도파로가 형성된 광회로 템플릿을 형성하는 단계; 상기 광회로 템플릿 상에 제1형반도체층, 활성층, 제2형반도체층, 상부반사층의 순서로 적층된 레이저 구조체를 형성하는 단계; 상기 제1형반도체층의 일부 영역이 드러나도록 상기 레이저 구조체를 메사 식각하여 메사 구조체를 형성하는 단계; 상기 제1형반도체층의 일부 영역이 드러난 메사식각면 상에 제1전극, 상기 상부반사층 상에 제2전극을 형성하되, 상기 제1전극과 제2전극이 동일한 한 번의 메탈 증착 공정에 의해 형성되는 전극 형성 단계;를 포함한다.
상기 레이저 구조체를 형성하는 단계는 반도체 기판 상에 상부반사층, 제2형반도체층, 활성층, 제1형반도체층 및 상기 고굴절률부보다 낮은 굴절률의 절연물질층이 순차 적층된 적층 구조물을 형성하는 단계; 상기 제1형반도체층이 상기 광회로 템플릿과 마주하도록 상기 광회로 템플릿 상에 상기 적층 구조물을 접합한 후, 상기 반도체 기판을 제거하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 제1형반도체층, 활성층, 제2형반도체층은 Ⅲ-Ⅴ족 반도체물질로 이루어질 수 있다.
상기 상부반사층은 분산브래그미러 구조로 형성될 수 있다.
상기 메사 구조체를 형성하는 단계는 상기 상부반사층 위에 마스크층을 패터닝하고, 패터닝된 마스크층을 식각 마스크로 하여 상기 레이저 구조체를 식각하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 마스크층이 상기 도파로와 오버랩되는 길이를 D, 상기 그레이팅의 피치를 p라고 할 때, 0 < D < p 가 되도록 마스크층을 패터닝할 수 있다.
상기 메사 구조체를 형성하는 단계는 상기 메사 구조체의 측면과 상기 제1형반도체층의 메사 식각면이 이루는 각도가 90도 보다 작아지도록, 상기 레이저 구조체를 식각할 수 있다.
상기 전극 형성 단계는 상기 메사 구조체와 메사 식각면을 전체적을 덮는 포토리지스트 층을 형성하는 단계; 상기 포토리지스트 층에 대해 상기 제1전극 및 제2전극 형성을 위한 패터닝 단계; 메탈 물질을 전면 증착하는 단계; 남아있는 포토리지스트 층을 제거하는 리프트 오프 단계;를 포함할 수 있다.
상기 패터닝 단계는 상기 제1전극 형상에 대응한 패턴을 위한 포토리소그라피 단계; 플라즈마 공정을 사용하여, 상기 포토리지스트 층 중 메사 구조체 상부에 형성된 부분을 제거하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 광회로 템플릿을 형성하는 단계는 제1층을 형성하는 단계; 상기 제1층 상에, 상기 제1층의 굴절률보다 큰 굴절률의 재질로 형성된 제2층을 형성하는 단계; 상기 그레이팅과 도파로 형태가 형성되도록 상기 제2층을 패터닝하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 제1층을 산화 실리콘으로 형성하고, 상기 제2층은 실리콘으로 형성할 수 있다.
상기 광회로 템플릿을 형성하는 단계는 실리콘층, 산화실리콘층, 실리콘층을 포함하는 구조의 SOI(silicone on insulator) 기판을 준비하는 단계; 상기 그레이팅과 도파로 형태가 형성되도록 상기 산화실리콘층 위의 실리콘층을 패터닝하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 하이브리드 수직 공진 레이저는 광도파로와 메사 어퍼쳐를 적정 범위로 오버랩시켜 광 커플링 효율을 높일 수 있다.
상기 하이브리드 수직 공진 레이저 제조방법에 따르면, 메탈 증착 및 메탈 리프트 오프 공정을 최소화하여 제조단계가 간단하고, 또한, 광도파로와 메사 어펴쳐를 원하는 형태로 정렬시키기 용이하다.
도 1은 실시예에 따른 하이브리드 수직 공진 레이저의 개략적인 구조를 보인 단면도이다.
도 2는 도 1의 하이브리드 수직 공진 레이저에서, 메사 어퍼쳐와 광도파로가 오버랩되는 배치관계를 보인 평면도이다.
도 3은 도 1의 하이브리드 수직 공진 레이저의 전극 구조를 보인 평면도이다.
도 4는 도 1의 하이브리드 수직 공진 레이저에 채용될 수 있는 그레이팅의 예시적인 구조를 보인 평면도이다.
도 5는 도 1의 하이브리드 수직 공진 레이저에 채용될 수 있는 그레이팅의 다른 예시적인 구조를 보인 평면도이다.
도 6은 도 1의 하이브리드 수직 공진 레이저에 채용될 수 있는 그레이팅의 다른 예시적인 구조를 보인 평면도이다.
도 7a 내지 도 7m은 실시예에 따른 하이브리드 수직 공진 레이저 제조방법을 설명하기 위한 도면들이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다.
도 1은 실시예에 따른 하이브리드 수직 공진 레이저(100)의 개략적인 구조를 보인 단면도이고, 도 2는 도 1의 하이브리드 수직 공진 레이저(100)에서, 메사 어퍼쳐(A)와 광도파로(130)가 오버랩되는 배치관계를 보인 평면도이며, 도 3은 도 1의 하이브리드 수직 공진 레이저(100)의 전극 구조를 보인 평면도이다.
도면들을 참조하면, 하이브리드 수직 공진 레이저(100)는 저굴절률부(122)와 고굴절률부(121)가 제1방향(X방향)을 따라 교번 배치된 그레이팅(120)과, 제1방향을 따라 광을 가이드하는 도파로(130)가 형성된 광회로 템플릿(T), 광회로 템플릿(T) 상에 상기 제1방향과 수직인 제2방향(Z방향)으로 순차 적층된 제1형반도체층(150), 활성층(160), 제2형 반도체층(170), 상부 반사층(180)을 포함한다. 제1형반도체층(150), 활성층(160), 제2형 반도체층(170), 상부 반사층(180)은 제1형반도체층(150)의 일부가 노출되도록 메사 식각되어 돌출된 형태를 갖는 메사 구조체(MS)를 이루며, 제1형반도체층(150)의 노출된 메사식각면(150a)에 형성된 제1전극(140)이 형성되고, 상부 반사층(180) 위에 제2전극(190)이 형성된다.
활성층(160)에서 형성된 광이 상기 그레이팅(120)으로 입사하는 개구를 형성하는 메사 어퍼쳐(A)와 도파로(130)가 오버랩되는 길이를 D, 그레이팅(120)의 피치(p)를 p라고 할 때, D의 범위는 0 < D < p 일 수 있고, 예를 들어, 0.1 < D < 0.4p 일 수 있다. 여기서, 그레이팅(120)의 피치(p)는 인접하는 저굴절률부(122) 사이의 간격을 의미한다.
이와 같은 범위는 활성층(160)에서 형성되고 그레이팅(120)과 상부 반사층(180) 사이에서 수직 공진하며 발진하는 레이저빔이 도파로(130)에 커플링되는 효율을 높이기 위한 것이다. 도파로(130)와 메사 어퍼쳐(A)가 오버랩되지 않는 범위에서 커플링 효율은 일정하게 낮은 값을 가지며, 도파로(130)와 메사어퍼쳐(A)가 오버랩되면 커플링 효율이 90% 이상으로 높아지고, 소정의 범위 내에서 높은 커플링 효율이 유지된다. 도파로(130)와 메사어퍼쳐(A)가 오버랩되는 길이를 정렬하는 것은 메사구조체(MS)를 형성하는 식각단계에서 행해지며, 메사구조체(MS)가 큰 종횡비를 가질 경우, 이러한 정렬의 난이도는 높아진다. 본 실시예에서는 이러한 점을 감안하여, 도파로(130)와 메사어퍼쳐(A)가 오버랩되는 길이를 적절히 설정하고 있으며, 또한, 메사구조체(MS)의 측면과 제1형반도체층(150)의 메사식각면(150a)이 이루는 각(θ)은 90도 보다 작게 하여, 도파로(130)와 메사구조체(MS)를 정렬하는 제조 방법을 보다 용이하게 하고 있다. 제조방법에 대해서는 후술할 것이다.
이하, 하이브리드 수직 공진 레이저(100)의 보다 상세한 구조를 살펴보기로 한다.
광회로 템플릿(T)은 제1층(113)과, 제1층(113) 상에, 제1층(113)의 굴절률보다 큰 굴절률의 재질로 형성되고, 도 2에 도시된 바와 같은 그레이팅(120)과 도파로(130) 형태가 패턴된 제2층(115)을 포함한다. 또한, 제2층(115) 상에는 제2층(115)의 굴절률보다 작은 굴절률의 재질로 형성된 절연물질층(119)이 형성될 수 있다.
제1층(113)은 산화 실리콘으로 이루어지고, 제2층(115)은 실리콘으로 이루어질 수 있다. 또한, 절연물질층(119)은 산화실리콘으로 이루어질 수 있고, 또는 ZrO2, TiO2, MgO, CeO2, Al2O3, HfO2, NbO, Si3N4 로 이루어질 수도 있다.
광회로 템플릿(T)은 도시된 바와 같이, 실리콘층(111), 산화실리콘층인 제1층(113), 실리콘층인 제2층(115)를 구비하는 구조의 SOI(silicone on insulator) 기판을 포함하며, 상부의 실리콘층인 제2층(115)을 도시된 형태로 패터닝하여, 그레이팅(120)과 도파로(130) 구조를 형성할 수 있다.
그레이팅(120)은 복수의 고굴절률부(121)와 저굴절률부(122)를 포함하며, 이들이 교번 배치된 구조를 갖는다. 고굴절률부(121)는 실리콘층으로, 저굴절률부(122)는 실리콘보다 굴절률이 낮은 물질로 이루어질 수 있으며, 예를 들어, 공기층으로 이루어질 수 잇다. 저굴절률부(122), 고굴절률부(121)는 막대 형상을 가질 수 있고, 제1방향을 따라 서로 평행하게 배치될 수 있다. 제1방향은 도면에서, x방향일 수 있다. 이러한 그레이팅(120)은 HCG(high index contrast grating)로도 불린다. 저굴절률부(122), 고굴절률부(121)는 실리콘층(115)을 패터닝 식각하여 형성될 수 있으며, 식각에 의해 실리콘물질이 제거된 영역이 저굴절률부(122), 실리콘물질이 남아있는 영역이 고굴절률부(121)가 될 수 있다.
저굴절률부(122)의 폭과, 서로 인접한 저굴절률부(122) 간의 간격은 일정하며, 즉, 그레이팅(120)의 피치(p)는 일정하게 도시되어 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 다른 예들은 후술할 것이다.
광회로 템플릿(T) 상에는 제1형반도체층(150), 활성층(160), 제2형반도체층(170)이 형성되며, 제1형반도체층(150)은 N형 Ⅲ-Ⅴ족 반도체층일 수 있고, 제2형반도체층(170)은 P형 Ⅲ-Ⅴ족 반도체층일 수 있다. 상기 Ⅲ-Ⅴ족 반도체층은 InP, GaAs로 형성될 수 있다.
상부 반사층(180)은 활성층(152)에서 발생한 광을 하부에 위치된 그레이팅 (120)을 향해 반사시켜, 광이 상부 반사층(180)과 그레이팅(120) 사이에서 공진하도록 한다. 상부 반사층(180)는 원하는 공진 파장(λ)에서 최대의 반사율을 갖도록 설계된 분산 브래그 반사(Distributed Bragg Reflector; DBR) 구조일 수 있다. 상부 반사층(180)은 굴절률이 서로 다른 두 물질층이 원하는 공진 파장의 약 1/4 두께(즉, λ/4)로 교대로 반복하여 적층하여 형성될 수 있다. 예컨대, DBR 구조는 AlxGa(1-x)As 층과 AlyGa(1-y)As 층 (여기서, 0 ≤ x,y ≤ 1, x ≠ y)을 각각 약 λ/4의 두께로 교대로 반복한 구조로 형성될 수 있다. 상부 반사층(180)으로 DBR 구조를 예시하였지만, 이에 한정되지 않으며, 다른 반사층 구조, 예를 들어 그레이팅(120)이 채용될 수도 있다.
제1형반도체층(150)의 메사식각면(150a) 상에는 제1전극(140)이 형성되고, 상부 반사층(180) 위에는 활성층(160)에 전류 주입을 위한 제2전극(190)이 형성된다. 또한, 활성층(160)으로의 전류 주입을 용이하게 하기 위해 상부 반사층(180)에도 소정의 불순물이 도핑될 수 있다.
제1전극(140)과 제2전극(190)을 통해서 전류를 주입하면, 활성층(150)에서 전자 및 정공이 재결합되며 레이저 광의 발진이 시작된다. 재결합에 의해 활성층(150)에서 방출되는 광은 상부 반사층(180) 및 그레이팅(120) 사이를 왕복하면서 세기가 증가되고, 소정 세기가 되면 광은 상부반사층(180) 보다 반사율이 낮은 그레이팅 (120)에서 레이저 광으로 방출되며, 광 도파로(130)에 커플링되어 다른 미도시된 광소자로 전달된다.
도 4는 도 1의 하이브리드 수직 공진 레이저에 채용될 수 있는 그레이팅(220)의 예시적인 구조를 보인 평면도이다.
그레이팅(220)의 저굴절률부는 폭이 다른 제1저굴절률부(221)와 제2저굴절률부(222)를 포함하며, 제1저굴절률부(221)와 제2저굴절률부(222)가 고굴절률부(224)를 사이에 두고 교번 배치될 수 있다. 이 경우, 인접하는 저굴절률부(221)(224) 사이의 간격은 일정하지 않고, p1, p2의 두가지 피치를 가지게 된다. 이 경우, 메사 어퍼쳐와 오버랩되는 길이를 정하는 그레이팅의 피치는 p1, p2의 평균값으로 즉, 인접하는 제1저굴절률부(221)간의 간격(p1+p2)의 1/2로 정의할 수 있다.
도 5는 도 1의 하이브리드 수직 공진 레이저(100)에 채용될 수 있는 그레이팅(320)의 다른 예시적인 구조를 보인 평면도이다.
그레이팅(320)은 폭이 다른 제1저굴절률부(321)와 제2저굴절률부(322)가 교번 배치되며, 다만, 일정한 피치(p)를 갖도록 그 간격이 다르게 되어 있다. 즉, 제1저굴절률부(321)와 제2저굴절률부(322) 사이의 간격도 두 가지 값이 교번 되도록 배치되어 있다.
도 6은 도 1의 하이브리드 수직 공진 레이저(100)에 채용될 수 있는 그레이팅(420)의 다른 예시적인 구조를 보인 평면도이다.
본 실시예의 그레이팅(420)은 두 개의 제1저굴절률부(421), 다른 폭의 제2저굴절률부(424) 하나의 순서로 교번 배치된 구조를 가지며, 인접하는 저굴절률부간의 간격은 순서대로, p1, p1, p2가 된다. 이 경우, 메사 어퍼쳐와 도파로가 오버랩되는 길이를 정하는 그레이팅의 피치는 상기 세 값의 평균으로 정의할 수 있다.
도 7a 내지 도 7m은 실시예에 따른 하이브리드 수직 공진 레이저 제조방법을 설명하기 위한 도면들이다.
실시예에 따른 하이브리드 수직 공진 레이저 제조방법은 크게, 광회로 템플릿을 형성하는 단계, 광회로 템플릿 상에 레이저 구조체를 형성하는 단계, 레이저 구조체를 메사 식각하여 메사 구조체를 형성한 후, 전극 구조를 형성하는 단계를 포함하며, 전극 구조 형성시, 메사 구조체의 상면의 전극과 메사 식각면 상의 전극이 동일한 한 번의 메탈 증착 공정에 의해 형성되고 있다.
이하, 도면들을 참조하여, 보다 상세한 예시적인 과정들을 살펴보기로 한다.
도 7a를 참조하면, 제1층(113)과, 제1층(113) 상에 제1층(113)보다 굴절률이 큰 제2층(115)을 형성한다. 제1층(113)은 산화 실리콘, 제2층(115)은 실리콘 층일 수 있다. 또는, 도시된 바와 같이, 실리콘층(111), 산화실리콘으로 된 제1층(113), 실리콘으로 된 제2층(115)을 구비하는 구조이 SOI(silicone on insulator) 기판을 준비할 수 있다.
다음, 도 7b와 같이, 제2층(115)을 도파로(130) 형태와 그레이팅(120) 형태를 갖도록 패터닝하여 광회로 템플릿을 형성한다. 그레이팅(120)은 도 2 또는 도 4 내지 도 6에 도시된 다양한 형태를 가질 수 있다.
다음, 도 7c와 같이, 상부반사층(180), 제2형반도체층(170), 활성층(160), 제1형반도체층(150)을 구비하는 레이저 구조체를 형성한다. 이와 같은 구조는 반도체 기판(S) 상에 형성될 수 있다. 또한, 제1형 반도체층(150) 상에는 도 7a의 제2층(115)의 굴절률보다 낮은 굴절률의 절연물질층(119)을 형성한다.
상부반사층(180)은 분산브래그미러 구조를 가질 수 있다. 제1형반도체층(150), 활성층(160), 제2형반도체층(170)은 Ⅲ-Ⅴ족 반도체물질로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 제1형반도체층(150)은 N형 Ⅲ-Ⅴ족 반도체층, 제2형반도체층(170)은 P형 반도체층일 있다. Ⅲ-Ⅴ족 반도체물질로 InP, GaAs 등이 채용될 수 있다. 절연물질층(119)은 산화실리콘으로 이루어질 수 있고, 또는 ZrO2, TiO2, MgO, CeO2, Al2O3, HfO2, NbO, Si3N4 로 이루어질 수도 있다.
다음, 도 7d를 참조하면, 도 7b의 광회로 템플릿 상에 도 7c의 구조물을 접합하며, 이 때, 제1형반도체층(150)이 제2층(115)에 마주하도록 접합한다.
다음, 도 7e와 같이 반도체기판(S)을 제거하고, 도 7f와 같이, 상부반사층(180) 위에 마스크층(510)을 형성한다. 마스크층(510)은 산화실리콘 물질로 이루어질 수 있으며, 형성하고자 하는 메사어퍼쳐 크기 및 도파로(130)와의 정렬을 고려한 형상으로 패터닝한다.
다음, 도 7g와 같이, 마스크층(510)을 식각 마스크로 하여 상부반사층(180), 제2형반도체층(170), 활성층(160), 제1형반도체층(150)을 메사 식각하여 메사구조체(MS)를 형성하며, 제1형반도체층(150)의 일부 영역이 드러나는 형태가 되도록 한다. 제1형반도체층(150)의 일부 영역이 노출된 면을 메사식각면(150a)이라 한다.
이러한 식각 공정에서, 메사구조체(MS)와 메사식각면(150a)이 이루는 각도(θ)는 90도보다 작은 각으로 할 수 있다. 이것은 이후의 메탈 증착 및 리프트 오프 단계에서, 리프트 오프될 메탈 부분과 메사구조체(MS) 상면에 형성되는 제2전극이 될 메탈 부분이 연결되지 않게 하기 위한 것이다.
다음, 도 7i와 같이, 포토리지스트층(520)을 메사구조체(MS)와 메사식각면(150a) 전체에 걸쳐 형성한다. 스핀 코팅의 방법을 사용할 수 있으며, 메사구조체(MS)의 높은 종횡비에 의해, 메사구조체(MS)의 상면상의 포토리지스트층(520) 두께는 메사식각면(150a) 상의 포토리지스트층(520) 두께보다 얇게 형성된다.
다음, 도 7j와 같이, 제1전극(140)의 형상에 대응하는 패턴으로 포토리지스트층(520)을 패터닝한다.
다음, 도 7k와 같이, 플라즈마 공정을 이용하여, 상부반사층(180) 위의 포토리지스트층(520) 부분을 제거한다. 이 때, 산소(O2) 및 아르곤(Ar)을 사용한 RIE 플라즈마 공정을 사용할 수 있다.
다음, 도 7l과 같이 메탈 물질(530)을 전면 증착하고, 리프트 오프 공정을 수행한다. 이 과정에서, 남아있는 포토리지스트층(520) 상의 메탈 물질(530)이 함께 제거되고, 제1전극(140), 제2전극(190)에 대응하는 부분의 메탈 물질만이 남으며, 도 7m과 같은 하이브리드 수직 공진 레이저(100)가 형성된다.
상술한 제조 방법에서, 메사구조체(MS)를 도파로(130)에 정렬하는 공정은 도 7f의 단계 한 번으로, 메사구조체(MS)의 어퍼쳐와 도파로(130)를 원하는 만큼으로 정렬하는 난이도 있는 공정 회수가 감소되고 있다. 또한, 제1전극(140)과 제2전극(190)을 형성할 때, 한 번의 메탈 증착 및 리프트 오프 공정을 수행하여 패턴 품질이 양호한 전극 구조가 비교적 간단하게 형성될 수 있다.
이러한 본원 발명은 이해를 돕기 위하여 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.
100...하이브리드 수직 공진 레이저 111...실리콘층
113...제1층 115...제2층
119...절연물질층 120,220,320,420...그레이팅
130...도파로 140...제1전극
150...제1반도체층 160...활성층
170...제2반도체층 180...상부반사층
190...제2반도체층

Claims (21)

  1. 저굴절률부와 고굴절률부가 제1방향을 따라 교번 배치된 그레이팅과, 상기 제1방향을 따라 광을 가이드하는 도파로가 형성된 광회로 템플릿;
    상기 광회로 템플릿 상에 상기 제1방향과 수직인 제2방향으로 순차 적층된 제1형반도체층, 활성층, 제2형 반도체층, 상부 반사층을 포함하며, 제1형반도체층, 활성층, 제2형 반도체층, 상부 반사층은 상기 제1형반도체층의 일부가 노출되도록 메사 식각되어 돌출된 형태를 갖는 메사 구조체;
    상기 제1형반도체층의 노출된 메사식각면에 형성된 제1전극;
    상기 상부반사층 위에 형성된 제2전극;을 포함하며,
    상기 활성층에서 형성된 광이 상기 그레이팅으로 입사하는 개구를 형성하는 메사 어퍼쳐와 상기 도파로가 오버랩되는 길이를 D, 상기 그레이팅의 피치를 p라고 할 때, 0 < D < p 인 하이브리드 수직 공진 레이저.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 광회로 템플릿은
    제1층;
    상기 제1층 상에, 상기 제1층의 굴절률보다 큰 굴절률의 재질로 형성된 것으로, 상기 그레이팅과 도파로 형태가 패턴된 제2층;
    상기 제2층 상에, 상기 제2층의 굴절률보다 작은 굴절률의 재질로 형성된 절연물질층:을 포함하는 하이브리드 수직 공진 레이저.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1층은 산화 실리콘으로 이루어지고,
    상기 제2층은 실리콘으로 이루어진 하이브리드 수직 공진 레이저.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 광회로 템플릿은
    실리콘층, 산화실리콘층, 실리콘층을 포함하는 구조의 SOI(silicone on insulator) 기판을 포함하며,
    상기 산화실리콘층이 상기 제1층이 되고,
    상기 산화실리콘층 위의 실리콘층이 패터닝되어 상기 제2층을 형성하는 하이브리드 수직 공진 레이저.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 고굴절률부는 실리콘층으로 이루어지고,
    상기 저굴절률부는 공기층으로 이루어지는 하이브리드 수직 공진 레이저.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 저굴절률부의 폭과, 서로 인접한 저굴절률부 간의 간격은 일정한 하이브리드 수직 공진 레이저.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 저굴절률부는 폭이 다른 제1저굴절률부와 제2저굴절률부를 포함하며,
    상기 제1저굴절률부와 제2저굴절률부가 교번 배치되고,
    상기 그레이팅의 피치(p)는 인접하는 제1저굴절률부간의 간격의 1/2로 정의되는 하이브리드 수직 공진 레이저.
  8. 제7항에 있어서,
    인접하는 제1저굴절률부간의 간격과, 인접하는 제2저굴절률부간의 간격이 일정한 하이브리드 수직 공진 레이저.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 메사구조체의 측면과 상기 제1형반도체층의 메사식각면이 이루는 각은 90도 보다 작은 하이브리드 수직 공진 레이저.
  10. 저굴절률부와 고굴절률부가 제1방향을 따라 교번 배치된 그레이팅과, 상기 제1방향을 따라 광을 가이드하는 도파로가 형성된 광회로 템플릿을 형성하는 단계;
    상기 광회로 템플릿 상에 제1형반도체층, 활성층, 제2형반도체층, 상부반사층의 순서로 적층된 레이저 구조체를 형성하는 단계;
    상기 제1형반도체층의 일부 영역이 드러나도록 상기 레이저 구조체를 메사 식각하여 메사 구조체를 형성하는 단계;
    상기 제1형반도체층의 일부 영역이 드러난 메사식각면 상에 제1전극, 상기 상부반사층 상에 제2전극을 형성하되, 상기 제1전극과 제2전극이 동일한 한 번의 메탈 증착 공정에 의해 형성되는 전극 형성 단계;를 포함하는 하이브리드 수직 공진 레이저 제조방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 레이저 구조체를 형성하는 단계는
    반도체 기판 상에 상부반사층, 제2형반도체층, 활성층, 제1형반도체층 및 상기 고굴절률부보다 낮은 굴절률의 절연물질층이 순차 적층된 적층 구조물을 형성하는 단계;
    상기 제1형반도체층이 상기 광회로 템플릿과 마주하도록 상기 광회로 템플릿 상에 상기 적층 구조물을 접합한 후, 상기 반도체 기판을 제거하는 단계;를 포함하는 하이브리드 수직 공진 레이저 제조방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제1형반도체층, 활성층, 제2형반도체층은 Ⅲ-Ⅴ족 반도체물질로 이루어지는 하이브리드 수직 공진 레이저 제조방법.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 상부반사층은 분산브래그미러 구조로 형성되는 하이브리드 수직 공진 레이저 제조방법.
  14. 제10항에 있어서,
    상기 메사 구조체를 형성하는 단계는
    상기 상부반사층 위에 마스크층을 패터닝하고,
    패터닝된 마스크층을 식각 마스크로 하여 상기 레이저 구조체를 식각하는 하이브리드 수직 공진 레이저 제조방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 마스크층이 상기 도파로와 오버랩되는 길이를 D, 상기 그레이팅의 피치를 p라고 할 때, 0 < D < p 가 되도록 마스크층을 패터닝하는 하이브리드 수직 공진 레이저 제조방법.
  16. 제10항에 있어서,
    상기 메사 구조체를 형성하는 단계는
    상기 메사 구조체의 측면과 상기 제1형반도체층의 메사 식각면이 이루는 각도가 90도 보다 작아지도록, 상기 레이저 구조체를 식각하는 하이브리드 수직 공진 레이저 제조방법.
  17. 제10항에 있어서,
    상기 전극 형성 단계는
    상기 메사 구조체와 메사 식각면을 전체적을 덮는 포토리지스트 층을 형성하는 단계;
    상기 포토리지스트 층에 대해 상기 제1전극 및 제2전극 형성을 위한 패터닝 단계;
    메탈 물질을 전면 증착하는 단계;
    남아있는 포토리지스트 층을 제거하는 리프트 오프 단계;를 포함하는 하이브리드 수직 공진 레이저 제조방법.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 패터닝 단계는
    상기 제1전극 형상에 대응한 패턴을 위한 포토리소그라피 단계;
    플라즈마 공정을 사용하여, 상기 포토리지스트 층 중 메사 구조체 상부에 형성된 부분을 제거하는 단계;를 포함하는 하이브리드 수직 공진 레이저 제조방법.
  19. 제10항에 있어서,
    상기 광회로 템플릿을 형성하는 단계는
    제1층을 형성하는 단계;
    상기 제1층 상에, 상기 제1층의 굴절률보다 큰 굴절률의 재질로 형성된 제2층을 형성하는 단계;
    상기 그레이팅과 도파로 형태가 형성되도록 상기 제2층을 패터닝하는 단계;를 포함하는 하이브리드 수직 공진 레이저 제조방법.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 제1층을 산화 실리콘으로 형성하고,
    상기 제2층은 실리콘으로 형성하는 하이브리드 수직 공진 레이저 제조방법.
  21. 제10항에 있어서,
    상기 광회로 템플릿을 형성하는 단계는
    실리콘층, 산화실리콘층, 실리콘층을 포함하는 구조의 SOI(silicone on insulator) 기판을 준비하는 단계;
    상기 그레이팅과 도파로 형태가 형성되도록 상기 산화실리콘층 위의 실리콘층을 패터닝하는 단계;를 포함하는 하이브리드 수직 공진 레이저 제조방법.

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