KR20150062231A - 반도체 레이저 및 그 제조방법 - Google Patents

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김상훈
박재규
김경옥
장기석
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Abstract

반도체 레이저의 제조방법이 제공된다. 반도체 레이저의 제조방법은, 제1 영역 및 제2 영역을 포함하는 반도체 기판을 제공하는 것, 상기 반도체 기판의 상기 제2 영역에 선택적 에피택시얼 성장 공정을 이용하여 실리콘 단결정막을 형성하는 것, 상기 실리콘 단결정막을 이용하여 광 결합기를 형성하는 것, 및 상기 반도체 기판의 상기 제1 영역에 선택적 에피택시얼 성장 공정을 이용하여 게르마늄 단결정막을 포함하는 레이저 코어 구조체를 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 광 소자들과 모노리식 집적이 가능한 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 집적이 가능한 반도체 레이저 및 그 제조방법을 제공하는 데 있다.
본 발명에 따른 반도체 레이저의 제조방법은, 제1 영역 및 제2 영역을 포함하는 반도체 기판을 제공하는 것, 상기 반도체 기판의 상기 제2 영역에 선택적 에피택시얼 성장 공정을 이용하여 실리콘 단결정막을 형성하는 것, 상기 실리콘 단결정막을 이용하여 광 결합기를 형성하는 것, 및 상기 반도체 기판의 상기 제1 영역에 선택적 에피택시얼 성장 공정을 이용하여 게르마늄 단결정막을 포함하는 레이저 코어 구조체를 형성하는 것을 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 반도체 기판은 실리콘 기판, 상기 실리콘 기판 상의 상부 실리콘층, 및 상기 실리콘 기판과 상기 상부 실리콘층 사이의 매립 산화층을 포함하되, 상기 실리콘 단결정막은 상기 상부 실리콘층을 시드로 하여 형성될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 실리콘 단결정막을 형성하는 것은 상기 상부 실리콘층 상에, 상기 광 결합기가 형성될 영역을 정의하고 상기 상부 실리콘층을 노출하는 제1 개구부를 갖는 제1 마스크 패턴을 형성하는 것. 및 상기 제1 개구부 내에 상기 실리콘 단결정막을 형성한 후, 상기 제1 마스크 패턴을 제거하는 것을 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 실리콘 단결정막을 이용하여 광 결합기를 형성하는 것은, 상기 실리콘 단결정막을 건식 식각하여 상부 광 결합기를 형성하는 것, 및 상기 제2 영역의 상기 상부 실리콘층을 건식 식각하여 하부 광 결합기를 형성하는 것을 포함하되, 상기 상부 광 결합기와 상기 하부 광 결합기는 수직적으로 중첩되도록 형성될 수 있다.
본 발명에 따른 반도체 레이저의 제조방법은 상기 제2 영역의 상기 상부 실리콘층을 건식 식각하여 광 도파로를 형성하는 것을 더 포함하되, 상기 하부 광 결합기와 상기 광 도파로는 동시에 형성될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 상부 광 결합기의 일단 및 상기 하부 광 결합기의 일단은 평면적 관점에서 테이퍼진 형상으로 형성되고, 상기 하부 광 결합기의 상기 일단은 상기 광 도파로에 연결될 수 있다.
다른 실시예에 따르면, 상기 실리콘 단결정막을 이용하여 광 결합기를 형성하는 것은 상기 실리콘 단결정막을 습식 식각하여 상부 광 결합기를 형성하는 것, 및 상기 제2 영역의 상기 상부 실리콘층을 건식 식각하여 하부 광 결합기를 형성하는 것을 포함하되, 상기 상부 광 결합기와 상기 하부 광 결합기는 수직적으로 중첩되도록 형성될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 반도체 레이저의 제조방법은, 상기 제2 영역의 상기 상부 실리콘층을 건식 식각하여 광 도파로를 형성하는 것을 더 포함하되, 상기 하부 광 결합기와 상기 광 도파로는 동시에 형성될 수 있다.
다른 실시예에 따르면, 상기 상부 광 결합기의 일단 및 상기 하부 광 결합기의 일단은 평면적 관점에서 테이퍼진 형상으로 형성되고, 상기 하부 광 결합기의 상기 일단은 상기 광 도파로에 연결될 수 있다.
다른 실시예에 따르면, 상기 상부 광 결합기의 상기 일단은 수직적 관점에서 테이퍼진 형상으로 형성될 수 있다.
본 발명에 따른 반도체 레이저는, 제1 영역 및 제2 영역을 포함하는 기판 구조체, 상기 기판 구조체의 상기 제1 영역 상에 배치되고, 단결정 구조의 게르마늄을 포함하는 레이저 소자, 상기 기판 구조체의 상기 제2 영역 상에 배치되고, 단결정 구조의 실리콘을 포함하는 광 결합기, 및 상기 기판 구조체의 상기 제2 영역 상에 배치되고, 상기 광 결합기를 사이에 두고 상기 레이저 소자로부터 이격된 광 도파로를 포함하되, 상기 광 도파로에 인접한 상기 광 결합기의 일단은 상기 광 도파로 방향으로 테이퍼진 형상을 가지고, 상기 광 도파로에 연결될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, SOI(silicon-on-insulator) 기판 상에 실리콘 포토닉스 기술로 제조된 광 소자들과의 모노리식 집적화가 가능한 반도체 레이저가 용이하게 제조될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 반도체 레이저의 제조방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 2a 내지 도 7a는 본 발명의 제1 실시예에 따른 반도체 레이저의 제조방법을 설명하기 위한 평면도들이다.
도 2b 내지 도 7b는 각각 도 2a 내지 도 7a의 Ⅰ-Ⅰ'에 따른 단면도들이다.
도 8은 본 발명의 제1 실시예에 따라 제조된 반도체 레이저를 나타내는 도면이다.
도 9a 내지 도 11a는 본 발명의 제2 실시예에 따른 반도체 레이저의 제조방법을 설명하기 위한 평면도들이다.
도 9b 내지 도 11b는 각각 도 9a 내지 도 11a의 Ⅰ-Ⅰ'에 따른 단면도들이다.
도 12는 본 발명의 제2 실시예에 따라 제조된 반도체 레이저를 나타내는 도면이다.
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 1은 본 발명의 실시예들에 따른 반도체 레이저의 제조방법을 설명하기 위한 순서도이다. 도 2a 내지 도 7a는 본 발명의 제1 실시예에 따른 반도체 레이저의 제조방법을 설명하기 위한 평면도들이고, 도 2b 내지 도 7b는 각각 도 2a 내지 도 7a의 Ⅰ-Ⅰ'에 따른 단면도들이다.
도 1, 도 2a, 및 도2b를 참조하면, 반도체 기판(110)이 제공될 수 있다(S10). 상기 반도체 기판(110)은 제1 영역(R1) 및 제2 영역(R2)을 포함할 수 있다. 상기 제1 영역(R1) 및 상기 제2 영역(R2)은 상기 반도체 기판(110)의 서로 다른 영역들로, 상기 제1 영역(R1)은 광원과 같은 능동 소자(active device)가 형성될 영역일 수 있고, 상기 제2 영역(R2)은 광 도파로와 같은 수동 소자(passive device)가 형성될 영역일 수 있다. 상기 반도체 기판(110)은 실리콘 기판(100), 상기 실리콘 기판(100) 상의 상부 실리콘층(104), 및 상기 실리콘 기판(100)과 상기 상부 실리콘층(104) 사이의 매립 산화층(102)을 포함할 수 있다. 일 예로, 상기 반도체 기판(110)은 실리콘-온-인슐레이터(silicon-on-insulator, SOI) 기판일 수 있다.
상기 반도체 기판(110) 상에 제1 마스크 패턴(112)이 형성될 수 있다. 상기 제1 마스크 패턴(112)은 일 예로, 실리콘 산화물을 포함할 수 있다. 상기 제1 마스크 패턴(112)은 상기 제2 영역(R2)에서 광 결합기가 형성될 영역을 정의하는 제1 개구부(114)를 가질 수 있다. 상기 제1 개구부(114)는 상기 상부 실리콘층(104)의 상면의 일부를 노출할 수 있다.
상기 제1 개구부(114) 내에 실리콘 단결정막(116)이 형성될 수 있다(S20). 상기 실리콘 단결정막(116)은 상기 제1 개구부(114)에 의해 노출된 상기 상부 실리콘층(104)을 시드(seed)로 하여 선택적 에피택시얼 성장 공정을 수행함으로써 형성될 수 있다.
도 1, 도 3a, 및 도 3b를 참조하면, 먼저, 상기 실리콘 단결정막(116)이 형성된 후, 상기 제1 마스크 패턴(112)이 제거될 수 있다. 이 후, 상기 실리콘 단결정막(116)을 이용하여 광 결합기가 형성될 수 있다(S30).
구체적으로, 도시되지 않았지만, 상기 반도체 기판(110) 상에 상기 실리콘 단결정막(116)의 일부를 노출하는 개구부를 갖는 제1 예비 마스크 패턴이 형성될 수 있다. 상기 제1 예비 마스크 패턴을 식각 마스크로 상기 실리콘 단결정막(116)을 패터닝하여 상부 광 결합기(120)가 형성될 수 있다. 상기 실리콘 단결정막(116)을 패터닝하는 것은, 일 예로, 건식 식각 공정을 이용하여 수행될 수 있다. 상기 상부 광 결합기(120)가 형성된 후, 상기 제1 예비 마스크 패턴은 제거될 수 있다. 상기 상부 광 결합기(120)의 일단은, 도 3a에 도시된 바와 같이, 평면적 관점에서 테이퍼진 형상으로 형성될 수 있다.
계속하여, 도 4a 및 도 4b를 참조하면, 상기 제2 영역(R2)의 상기 상부 실리콘층(104)을 패터닝하여 하부 광 결합기(122) 및 광 도파로(130)가 동시에 형성될 수 있다. 상기 제2 영역(R2)의 상기 상부 실리콘층(104)을 패터닝하는 것은, 일 예로, 건식 식각 공정을 이용하여 수행될 수 있다. 상기 건식 식각 공정에 의해, 상기 제2 영역(R2)의 상기 매립 산화층(102)이 노출될 수 있다.
상기 하부 광 결합기(122)는 상기 상부 광 결합기(120)와 수직적으로 중첩되도록 형성될 수 있다. 즉, 상기 상부 광 결합기(120)의 하면은 상기 하부 광 결합기(122)의 상면의 일부와 접할 수 있다. 상기 하부 광 결합기(122) 일단은, 도 4a에 도시된 바와 같이, 평면적 관점에서 테이퍼진(tapered) 형상으로 형성될 수 있다. 상기 하부 광 결합기(122)의 상기 일단은 상기 광 도파로(130)에 연결될 수 있다. 즉, 상기 하부 광 결합기(122)의 상기 일단은 상기 광 도파로(130)의 일단에 접할 수 있다. 상기 하부 광 결합기(122)는 상기 광 도파로(130)와 동일한 물질을 포함할 수 있고, 상기 하부 광 결합기(122)의 상면은 상기 광 도파로(130)의 상면과 공면을 이룰 수 있다.
상기 상부 광 결합기(120)와 상기 하부 광 결합기(122)는 광 결합기(124)로 정의될 수 있고, 상기 광 결합기(124)는 상기 제1 영역(R1)에 형성될 광원과 상기 광 도파로(130) 사이에서 광을 전달할 수 있다.
도 1, 도 5a, 및 도 5b를 참조하면, 상기 반도체 기판(110) 상에 상기 광 결합기(124) 및 상기 광 도파로(130)를 덮는 제2 마스크 패턴(132)이 형성될 수 있다. 상기 제2 마스크 패턴(130)은 일 예로, 실리콘 산화물을 포함할 수 있다. 상기 제2 마스크 패턴(130)은 상기 제1 영역(R1)에서 레이저 코어 구조체(laser core structure, 140)가 형성될 영역을 정의하는 제2 개구부(134)를 포함할 수 있다. 상기 제2 개구부(134)는 상기 제1 영역(R1)의 상기 상부 실리콘층(104)의 상면의 일부를 노출할 수 있다.
상기 제2 개구부(134) 내에 게르마늄 단결정막을 포함하는 레이저 코어 구조체(140)가 형성될 수 있다(S40). 상기 레이저 코어 구조체(140)를 형성하는 것은, 상기 제2 개구부(134)에 의해 노출된 상기 상부 실리콘층(104)을 시드(seed)로 하여 선택적 에피택시얼 성장 공정을 수행함으로써 게르마늄 단결정막을 형성하는 것을 포함할 수 있다.
도 1, 도 6a, 및 도 6b를 참조하면, 먼저, 상기 레이저 코어 구조체(140)가 형성된 후, 상기 제2 마스크 패턴(132)이 제거될 수 있다. 이 후, 상기 레이저 코어 구조체(140)를 덮는 보호막(142)이 상기 제1 영역(R1)에 형성될 수 있다. 상기 보호막(142)은 일 예로, 실리콘 산화물을 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 레이저 코어 구조체(140)의 굴절률은 상기 제1 영역(R1)의 상기 상부 실리콘층(104)의 굴절률 및 상기 보호막(142)의 굴절률보다 클 수 있다. 즉, 상기 보호막(142)은 레이저 소자의 상부 클래딩층일 수 있고, 상기 상부 실리콘층(104)은 레이저 소자의 하부 클래딩층일 수 있다. 상기 레이저 코어 구조체(140)의 일단은, 상기 광 결합기(124)의 일단과 마주볼 수 있다. 즉, 상기 레이저 코어 구조체(140)와 상기 광 도파로(130) 사이에 상기 광 결합기 (124)가 배치될 수 있고, 상기 광 도파로(130)에 인접한 상기 광 결합기(124)의 타단은 평면적 관점에서 상기 광 도파로(130) 방향으로 테이퍼진 형상을 가질 수 있다.
도 7a 및 도 7b를 참조하면, 상기 보호막(142) 상에 제1 전극(150) 및 제2 전극(151)이 형성될 수 있다. 상기 제1 전극(150)은 상기 보호막(142)을 관통하여 상기 제1 영역(R1)의 상기 상부 실리콘층(104)에 전기적으로 접촉할 수 있고, 상기 제2 전극(151)은 상기 보호막(142)을 관통하여 상기 레이저 코어 구조체(140)에 전기적으로 접촉할 수 있다.
도 8은 본 발명의 제1 실시예에 따라 제조된 반도체 레이저를 나타내는 도면이다. 도 8을 참조하여, 본 발명의 제1 실시예에 따라 제조된 반도체 레이저의 구조적 특징들을 설명한다.
도 8을 참조하면, 실리콘 기판(100) 및 매립 산화층(102)을 포함하는 기판 구조체(111)가 제공될 수 있다. 상기 기판 구조체(111)는 제1 영역(R1) 및 제2 영역(R2)을 포함할 수 있다. 상기 제1 영역(R1) 및 상기 제2 영역(R2)은 상기 기판 구조체(111)의 서로 다른 영역들로, 상기 제1 영역(R1)은 광원과 같은 능동 소자(active device)가 형성될 영역일 수 있고, 상기 제2 영역(R2)은 광 도파로와 같은 수동 소자(passive device)가 형성될 영역일 수 있다.
상기 제1 영역(R1)의 상기 기판 구조체(111) 상에 레이저 소자(144)가 배치될 수 있다. 상기 레이저 소자(144)는 상기 제1 영역(R1)의 상기 매립 산화층(102) 상의 상부 실리콘층(104), 상기 상부 실리콘층(104) 상의 레이저 코어 구조체(140), 및 상기 상부 실리콘층(104) 상에 배치되어 상기 레이저 코어 구조체(140)를 덮는 보호막(142)을 포함할 수 있다. 상기 보호막(142)은 상기 레이저 코어 구조체(140)의 상면 및 양 측벽들을 덮을 수 있고, 상기 상부 실리콘층(104)의 상면의 일부와 접할 수 있다. 즉, 상기 보호막(142)의 바닥면은 상기 레이저 코어 구조체(140)의 상면, 상기 레이저 코어 구조체(140)의 양 측벽들, 및 상기 상부 실리콘층(104)의 상면에 접할 수 있다. 상기 레이저 코어 구조체(140)는 선택적 에피택시얼 성장에 의해 형성된 단결정 구조의 게르마늄을 포함할 수 있고, 상기 보호막(142)은 실리콘 산화물을 포함할 수 있다.
상기 보호막(142) 상에 상기 보호막(142)을 관통하여 상기 상부 실리콘층(104)에 전기적으로 연결되는 제1 전극(150)이 배치될 수 있다. 더하여, 상기 보호막(142) 상에 상기 보호막(142)을 관통하여 상기 레이저 코어 구조체(140)에 전기적으로 연결되는 제2 전극(151)이 배치될 수 있다.
상기 제2 영역(R2)의 상기 기판 구조체(111) 상에 광 결합기(124) 및 광 도파로(130)가 배치될 수 있다. 상기 광 결합기(124)는 상기 레이저 소자(144)와 상기 광 도파로(130) 사이에 배치될 수 있고, 이에 따라, 상기 레이저 소자(144)에서 발진된 빛은 상기 광 결합기(124)로 입사되어 상기 광 도파로(130)를 따라 가이드되어 진행될 수 있다.
상기 광 결합기(124)는 상부 광 결합기(120) 및 하부 광 결합기(122)를 포함할 수 있다. 상기 상부 광 결합기(120)의 하면은 상기 하부 광 결합기(122)의 상면의 일부와 접할 수 있다. 상기 광 도파로(130)에 인접한 상기 상부 광 결합기(120)의 일단은, 평면적 관점에서 상기 광 도파로(130)를 향하여 테이퍼진 형상을 가질 수 있다. 또한, 상기 광 도파로(130)에 인접한 상기 하부 광 결합기(122)의 일단은, 평면적 관점에서 상기 광 도파로(130)를 향하여 테이퍼진 형상을 가질 수 있고, 상기 광 도파로(130)의 일단과 접할 수 있다. 상기 하부 광 결합기(122)는 상기 광 도파로(130)와 동일한 물질을 포함할 수 있고, 상기 하부 광 결합기(122)의 상면은 상기 광 도파로(130)의 상면과 공면을 이룰 수 있다. 상기 상부 광 결합기(120)는 선택적 에피택시얼 성장에 의해 형성된 단결정 구조의 실리콘을 포함할 수 있다.
본 발명의 개념에 따르면, SOI 기판 상에 선택적 에피택시얼 성장 공정을 이용하여 상기 레이저 소자(144) 및 상기 광 결합기(124)를 형성함으로써, 동일한 기판 상에 상기 레이저 소자(144), 상기 광 결합기(124), 및 상기 광 도파로(130)가 모노리식하게 집적된 반도체 레이저를 용이하게 형성할 수 있다. 더하여, 상기 광 도파로(130)에 인접한 상기 광 결합기(124)의 일단이 상기 광 도파로(130)를 향하여 테이퍼진 형상으로 갖도록 형성됨에 따라, 상기 레이저 소자(144)와 상기 광 도파로(130)의 크기 차이에 따른 빛의 손실을 줄일 수 있다.
도 9a 내지 도 11a는 본 발명의 제2 실시예에 따른 반도체 레이저의 제조방법을 설명하기 위한 평면도들이고, 도 9b 내지 도 11b는 각각 도 9a 내지 도 11a의 Ⅰ-Ⅰ'에 따른 단면도들이다. 도 2a 내지 도 7a, 및 도 2b 내지 도 7b를 참조하여 설명한, 본 발명의 제1 실시예에 따른 반도체 레이저의 제조방법과 동일한 구성에 대하여는 동일한 참조번호가 제공되고, 설명의 간소화를 위해 중복되는 설명은 생략될 수 있다.
먼저, 도 1, 도 2a, 및 도2b를 참조하여 설명한 바와 같이, 제1 영역(R1) 및 제2 영역(R2)을 포함하는 반도체 기판(110)이 제공될 수 있다(S10). 상기 반도체 기판(110)은 실리콘 기판(100), 상기 실리콘 기판(100) 상의 상부 실리콘층(104), 및 상기 실리콘 기판(100)과 상기 상부 실리콘층(104) 사이의 매립 산화층(102)을 포함할 수 있다. 일 예로, 상기 반도체 기판(110)은 실리콘-온-인슐레이터(silicon-on-insulator, SOI) 기판일 수 있다.
상기 반도체 기판(110) 상에 제1 마스크 패턴(112)이 형성될 수 있다. 상기 제1 마스크 패턴(112)은 상기 제2 영역(R2)에서 광 결합기가 형성될 영역을 정의하는 제1 개구부(114)를 가질 수 있다. 상기 제1 개구부(114)는 상기 상부 실리콘층(104)의 상면의 일부를 노출할 수 있다.
상기 제1 개구부(114) 내에 실리콘 단결정막(116)이 형성될 수 있다(S20). 상기 실리콘 단결정막(116)은 상기 제1 개구부(114)에 의해 노출된 상기 상부 실리콘층(104)을 시드(seed)로 하여 선택적 에피택시얼 성장 공정을 수행함으로써 형성될 수 있다.
도 1, 도 9a, 및 도 9b를 참조하면, 먼저, 상기 실리콘 단결정막(116)이 형성된 후, 상기 제1 마스크 패턴(112)이 제거될 수 있다. 이 후, 상기 실리콘 단결정막(116)을 이용하여 광 결합기가 형성될 수 있다(S30).
구체적으로, 도시되지 않았지만, 상기 반도체 기판(110) 상에 상기 실리콘 단결정막(116)의 일부를 노출하는 개구부를 갖는 제1 예비 마스크 패턴이 형성될 수 있다. 상기 제1 예비 마스크 패턴을 식각 마스크로 상기 실리콘 단결정막(116)을 패터닝하여 예비 광 결합기(119)가 형성될 수 있다. 상기 실리콘 단결정막(116)을 패터닝하는 것은, 일 예로, 건식 식각 공정을 이용하여 수행될 수 있다. 상기 예비 광 결합기(119)의 일단은, 도 9a에 도시된 바와 같이, 평면적 관점에서 테이퍼진(tapered) 형상으로 형성될 수 있다.
계속하여, 도 10a 및 도 10b를 참조하면, 상기 예비 광 결합기(119)가 형성된 후, 상기 제1 예비 마스크 패턴이 제거될 수 있다. 이 후, 상기 반도체 기판(110) 상에 상기 예비 광 결합기(119)의 상기 일단을 노출하는 제2 예비 마스크 패턴(121)이 형성될 수 있다. 상기 제2 예비 마스크 패턴(121)을 식각 마스크로 상기 예비 광 결합기(119)를 패터닝하여 상부 광 결합기(120)가 형성될 수 있다. 상기 예비 광 결합기(119)를 패터닝하는 것은, 일 예로, 습식 식각 공정을 이용하여 수행될 수 있다. 상기 습식 식각 공정은 상기 예비 광 결합기(119)의 실리콘 결정 방향에 따라 서로 다른 식각 속도를 가질 수 있다. 즉, 실리콘 결정 구조의 일 방향을 따라 빠른 식각 속도를 갖는 식각 조건을 이용하여 상기 예비 광 결합기(119)를 등방성 식각함으로써, 상기 상부 광 결합기(120)의 일 단은, 도 10b에 도시된 바와 같이, 수직적 관점에서 테이퍼진(tapered) 형상으로 형성될 수 있다. 즉, 도 3a 및 도 3b를 참조하여 설명한 본 발명의 일 실시예와 달리, 상기 상부 광 결합기(120)의 상기 일 단은 평면적 관점뿐만 아니라, 수직적 관점에서도 테이퍼진 형상으로 형성될 수 있다.
도 11a 및 도 11b를 참조하면, 먼저, 상기 제2 예비 마스크 패턴(121)이 제거될 수 있다. 이 후, 상기 제2 영역(R2)의 상기 상부 실리콘층(104)을 패터닝하여 하부 광 결합기(122) 및 광 도파로(130)가 동시에 형성될 수 있다. 상기 제2 영역(R2)의 상기 상부 실리콘층(104)을 패터닝하는 것은, 일 예로, 건식 식각 공정을 이용하여 수행될 수 있다. 상기 건식 식각 공정에 의해, 상기 제2 영역(R2)의 상기 매립 산화층(102)이 노출될 수 있다.
상기 하부 광 결합기(122)는 상기 상부 광 결합기(120)와 수직적으로 중첩되도록 형성될 수 있다. 즉, 상기 상부 광 결합기(120)의 하면은 상기 하부 광 결합기(122)의 상면과 접할 수 있고, 상기 하부 광 결합기(122)는 상기 상부 광 결합기(120)의 측벽들에 정렬된 측벽들을 가질 수 있다. 이에 따라, 상기 하부 광 결합기(122) 일단은, 평면적 관점에서 테이퍼진(tapered) 형상으로 형성될 수 있다. 상기 하부 광 결합기(122)는 상기 광 도파로(130)와 동일한 물질을 포함할 수 있고, 상기 하부 광 결합기(122)의 상면은 상기 광 도파로(130)의 상면과 공면을 이룰 수 있다. 상기 하부 광 결합기(122)의 상기 일 단은 상기 광 도파로(130)에 연결될 수 있다. 즉, 상기 하부 광 결합기(122)의 상기 일 단은 상기 광 도파로(130)의 일단에 접할 수 있다.
상기 상부 광 결합기(120)와 상기 하부 광 결합기(122)는 광 결합기(124)로 정의될 수 있고, 상기 광 결합기(124)는 상기 제1 영역(R1)에 형성될 광원과 상기 광 도파로(130) 사이에서 광을 전달할 수 있다.
이 후의 공정은 도 5a 내지 도 7a, 및 도 5b 내지 도 7b를 참조하여 설명한 본 발명의 제1 실시예에 따른 반도체 레이저의 제조방법과 동일하다.
도 12는 본 발명의 제2 실시예에 따라 제조된 반도체 레이저를 나타내는 도면이다. 도 12를 참조하여, 본 발명의 제2 실시예에 따라 제조된 반도체 레이저의 구조적 특징들을 설명한다. 도 8을 참조하여 설명한, 본 발명의 제1 실시예에 따른 반도체 레이저와 동일한 구성에 대하여는 동일한 참조번호가 제공되고, 설명의 간소화를 위해 중복되는 설명은 생략될 수 있다.
도 12를 참조하면, 실리콘 기판(100) 및 매립 산화층(102)을 포함하는 기판 구조체(111)가 제공될 수 있다. 상기 기판 구조체(111)는 제1 영역(R1) 및 제2 영역(R2)을 포함할 수 있다.
상기 제1 영역(R1)의 상기 기판 구조체(111) 상에 레이저 소자(144)가 배치될 수 있다. 상기 레이저 소자(144)는 상기 제1 영역(R1)의 상기 매립 산화층(102) 상의 상부 실리콘층(104), 상기 상부 실리콘층(104) 상의 레이저 코어 구조체(140), 및 상기 상부 실리콘층(104) 상에 배치되어 상기 레이저 코어 구조체(140)를 덮는 보호막(142)을 포함할 수 있다. 상기 보호막(142)의 바닥면은 상기 레이저 코어 구조체(140)의 상면, 상기 레이저 코어 구조체(140)의 양 측벽들, 및 상기 상부 실리콘층(104)의 상면과 접할 수 있다. 상기 레이저 코어 구조체(140)는 선택적 에피택시얼 성장에 의해 형성된 단결정 구조의 게르마늄을 포함할 수 있고, 상기 보호막(142)은 실리콘 산화물을 포함할 수 있다.
상기 보호막(142) 상에, 상기 보호막(142)을 관통하여 상기 상부 실리콘층(104)에 전기적으로 연결되는 제1 전극(150) 및 상기 보호막(142)을 관통하여 상기 레이저 코어 구조체(140)에 전기적으로 연결되는 제2 전극(151)이 배치될 수 있다.
상기 제2 영역(R2)의 상기 기판 구조체(111) 상에 광 결합기(124) 및 광 도파로(130)가 배치될 수 있다. 상기 광 결합기(124)는 상기 레이저 소자(144)와 상기 광 도파로(130) 사이에 배치될 수 있다.
상기 광 결합기(124)는 상부 광 결합기(120) 및 하부 광 결합기(122)를 포함할 수 있다. 상기 상부 광 결합기(120)의 하면은 상기 하부 광 결합기(122)의 상면과 접할 수 있다. 상기 하부 광 결합기(122)는 상기 상부 광 결합기(120)의 측벽들에 정렬된 측벽들을 가질 수 있다. 상기 광 도파로(130)에 인접한 상기 상부 광 결합기(120)의 일단은, 평면적 관점에서 상기 광 도파로(130)를 향하여 테이퍼진 형상을 가질 수 있다. 또한, 상기 상부 광 결합기(120)의 상기 일단은, 수직적 관점에서 상기 광 도파로(130)를 향하여 테이퍼진 형상을 가질 수 있다. 상기 광 도파로(130)에 인접한 상기 하부 광 결합기(122)의 일단은, 평면적 관점에서 상기 광 도파로(130)를 향하여 테이퍼진 형상을 가질 수 있고, 상기 광 도파로(130)의 일단과 접할 수 있다. 상기 하부 광 결합기(122)는 상기 광 도파로(130)와 동일한 물질을 포함할 수 있고, 상기 하부 광 결합기(122)의 상면은 상기 광 도파로(130)의 상면과 공면을 이룰 수 있다. 상기 상부 광 결합기(120)는 선택적 에피택시얼 성장에 의해 형성된 단결정 구조의 실리콘을 포함할 수 있다.
본 발명의 개념에 따르면, SOI 기판 상에 선택적 에피택시얼 성장 공정을 이용하여 상기 레이저 소자(144) 및 상기 광 결합기(124)를 형성함으로써, 동일한 기판 상에 상기 레이저 소자(144), 상기 광 결합기(124), 및 상기 광 도파로(130)가 모노리식하게 집적된 반도체 레이저를 용이하게 형성할 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.
100: 실리콘 기판 102: 매립 산화층
104: 상부 실리콘층 110: 반도체 기판
112, 132, 162: 마스크 패턴들 114, 134, 164: 개구부들
116: 실리콘 단결정막 120: 상부 광 결합기
122: 하부 광 결합기 124: 광 결합기
130: 광 도파로
140: 레이저 코어 구조체 142: 보호막
144: 레이저 소자 150, 151: 전극들

Claims (15)

  1. 제1 영역 및 제2 영역을 포함하는 반도체 기판을 제공하는 것;
    상기 반도체 기판의 상기 제2 영역에 선택적 에피택시얼 성장 공정을 이용하여 실리콘 단결정막을 형성하는 것;
    상기 실리콘 단결정막을 이용하여 광 결합기를 형성하는 것; 및
    상기 반도체 기판의 상기 제1 영역에 선택적 에피택시얼 성장 공정을 이용하여 게르마늄 단결정막을 포함하는 레이저 코어 구조체를 형성하는 것을 포함하는 반도체 레이저의 제조방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 반도체 기판은 실리콘 기판, 상기 실리콘 기판 상의 상부 실리콘층, 및 상기 실리콘 기판과 상기 상부 실리콘층 사이의 매립 산화층을 포함하되,
    상기 실리콘 단결정막은 상기 상부 실리콘층을 시드로 하여 형성되는 반도체 레이저의 제조방법.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 실리콘 단결정막을 형성하는 것은:
    상기 상부 실리콘층 상에, 상기 광 결합기가 형성될 영역을 정의하고 상기 상부 실리콘층의 상면의 일부를 노출하는 제1 개구부를 갖는 제1 마스크 패턴을 형성하는 것; 및
    상기 제1 개구부 내에 상기 실리콘 단결정막을 형성한 후, 상기 제1 마스크 패턴을 제거하는 것을 포함하는 반도체 레이저의 제조방법.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 실리콘 단결정막을 이용하여 광 결합기를 형성하는 것은:
    상기 실리콘 단결정막을 건식 식각하여 상부 광 결합기를 형성하는 것; 및
    상기 제2 영역의 상기 상부 실리콘층을 건식 식각하여 하부 광 결합기를 형성하는 것을 포함하되,
    상기 상부 광 결합기와 상기 하부 광 결합기는 수직적으로 중첩되도록 형성되는 반도체 레이저의 제조방법.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 제2 영역의 상기 상부 실리콘층을 건식 식각하여 광 도파로를 형성하는 것을 더 포함하되,
    상기 하부 광 결합기와 상기 광 도파로는 동시에 형성되는 반도체 레이저의 제조방법.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 상부 광 결합기의 일단 및 상기 하부 광 결합기의 일단은 평면적 관점에서 테이퍼진 형상으로 형성되고,
    상기 하부 광 결합기의 상기 일단은 상기 광 도파로에 연결되는 반도체 레이저의 제조방법.
  7. 청구항 2에 있어서,
    상기 실리콘 단결정막을 이용하여 광 결합기를 형성하는 것은:
    상기 실리콘 단결정막을 습식 식각하여 상부 광 결합기를 형성하는 것; 및
    상기 제2 영역의 상기 상부 실리콘층을 건식 식각하여 하부 광 결합기를 형성하는 것을 포함하되,
    상기 상부 광 결합기와 상기 하부 광 결합기는 수직적으로 중첩되도록 형성되는 반도체 레이저의 제조방법.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 제2 영역의 상기 상부 실리콘층을 건식 식각하여 광 도파로를 형성하는 것을 더 포함하되,
    상기 하부 광 결합기와 상기 광 도파로는 동시에 형성되는 반도체 레이저의 제조방법.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 상부 광 결합기의 일단 및 상기 하부 광 결합기의 일단은 평면적 관점에서 테이퍼진 형상으로 형성되고,
    상기 하부 광 결합기의 상기 일단은 상기 광 도파로에 연결되는 반도체 레이저의 제조방법.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 상부 광 결합기의 상기 일단은 수직적 관점에서 테이퍼진 형상으로 형성되는 반도체 레이저의 제조방법.
  11. 제1 영역 및 제2 영역을 포함하는 기판 구조체;
    상기 기판 구조체의 상기 제1 영역 상에 배치되고, 단결정 구조의 게르마늄을 포함하는 레이저 소자;
    상기 기판 구조체의 상기 제2 영역 상에 배치되고, 단결정 구조의 실리콘을 포함하는 광 결합기; 및
    상기 기판 구조체의 상기 제2 영역 상에 배치되고, 상기 광 결합기를 사이에 두고 상기 레이저 소자로부터 이격된 광 도파로를 포함하되,
    상기 광 도파로에 인접한 상기 광 결합기의 일단은 상기 광 도파로 방향으로 테이퍼진 형상을 가지고, 상기 광 도파로에 연결되는 반도체 레이저.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 레이저 소자는:
    상기 기판 구조체 상의 상부 실리콘층;
    상기 상부 실리콘층 상의 보호막; 및
    상기 상부 실리콘층과 상기 보호막 사이의 레이저 코어 구조체를 포함하되.
    상기 레이저 코어 구조체는 상기 단결정 구조의 게르마늄을 포함하는 반도체 레이저.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 광 결합기는 차례로 적층된 하부 광 결합기와 상부 광 결합기를 포함하되,
    상기 상부 광 결합기는 상기 단결정 구조의 실리콘을 포함하고,
    상기 하부 광 결합기는 상기 광 도파로와 동일한 물질을 포함하고, 상기 하부 광 결합기의 상면은 상기 광 도파로의 상면과 공면을 이루는 반도체 레이저.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 광 도파로에 각각 인접한 상기 하부 광 결합기의 일단 및 상기 상부 광 결합기의 일단은 평면적 관점에서 상기 광 도파로 방향으로 테이퍼진 형상을 가지고,
    상기 하부 광 결합기의 상기 일단은 상기 광 도파로에 연결되는 반도체 레이저.
  15. 청구항 14에 있어서,
    상기 상부 광 결합기의 상기 일단은 수직적 관점에서 상기 광 도파로 방향으로 테이퍼진 형상을 갖는 반도체 레이저.
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