KR20160006838A - 분포 궤환형 레이저 다이오드 어레이 및 그것을 제조하는 방법 - Google Patents

분포 궤환형 레이저 다이오드 어레이 및 그것을 제조하는 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 분포 궤환형 레이저 다이오드 어레이를 제조하는 방법은: 전자 빔 리소그라피를 이용하여 복수의 채널들에 대응하는 활성층들을 형성하는 단계; 상기 활성층들 사이에 복수의 마스크 패턴들을 형성하는 단계; 및 선택 영역 성장 기술을 이용하여 상기 활성층들을 성장시키는 단계를 포함하고, 상기 복수의 채널들 대응하는 상기 복수의 마스크 패턴들의 오프닝 폭들은 서로 다르다.

Description

분포 궤환형 레이저 다이오드 어레이 및 그것을 제조하는 방법{DISTRIBUTED FEEDBACK LASER DIODE ARRAY AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은 분포 궤환형 레이저 다이오드 어레이 및 그것을 제조하는 방법에 관한 것이다.
고속 동작 및 소형화는 데이터 송신용 광송수신기에 대해 지속적으로 요구되는 사항이다. 고속 동작은 칩레벨의 단위소자의 성능에 관련된 사항으로 현시점에서 10Gb/s가 시장의 주 상품이다. 하지만, 향후 10Gb/s 넘어선 100 Gb/s 통신용 송수신기는, 현재의 상용화 기술로는 10Gb/s 디스크릿(discrete)를 모아 광섬유 기반 집적화(fiber-based integration)하여 구성하는 수준에 머물고 있다. 10G 디스크릿을 10개 모아 100G를 구성할 경우 광섬유(fiber), 스플릿터(splitter)가 차지하는 공간의 문제로 아이폰 정도의 크기로 송수신기가 구성된다.
더 작은 폼 팩터(form factor)의 송수신기를 구성하기 위해서는 모노리틱 집적화(monolithic integration) 혹은 하이브리드 집적화(hybrid integration) 기술이 적용되어야 한다. 두 기술 모두 어레이 형태의 소자구현을 요구한다.
어레이형 소자는 채널 별로 활성층 구조가 최적화되어야 한다. 데이터센터용 광 송수신기의 경우, 파장 간격이 8 nm, 각 채널이 10 Gb/s 직접변조가 가능하여야 한다. 각 채널 별로 발진 파장에 적합한 이득을 가지는 활성층을 갖추어야 한다.
본 발명의 목적은 고속 동작 및 소형화 제작이 가능한 분포 궤환 레이저 다이오드 어레이 및 그것을 제조하는 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 분포 궤환형 레이저 다이오드 어레이를 제조하는 방법은: 전자 빔 리소그라피를 이용하여 복수의 채널들에 대응하는 활성층들을 형성하는 단계; 상기 활성층들 사이에 복수의 마스크 패턴들을 형성하는 단계; 및 선택 영역 성장 기술을 이용하여 상기 활성층들을 성장시키는 단계를 포함하고, 상기 복수의 채널들 대응하는 상기 복수의 마스크 패턴들의 오프닝 폭들은 서로 다르다.
실시 예에 있어서, 상기 복수의 채널들 각각은 에피텍셜 층을 포함하고, 상기 에피텍셜 층은 격자 층과 적어도 하나의 SCH(separate confinement hetero-structure) 층을 포함한다.
실시 예에 있어서, 상기 격자 층은 상기 전자 빔 리소그라피 및 건식 식각에 의해 형성된 듀티 격자를 포함한다.
실시 예에 있어서, 상기 복수의 채널들 각각에 대응하는 마스크 패턴들은 좌우 대칭으로 형성된다.
실시 예에 있어서, 상기 복수의 채널들에 대응하는 마스크 패턴들의 폭들은 서로 다르다.
실시 예에 있어서, 상기 복수의 채널들에 대응하는 상기 마스크 패턴들의 폭들과 상기 복수의 채널들에 대응하는 상기 오프인 폭들 사이에는 기하학적 파라미터가 결정된다.
실시 예에 있어서, 상기 복수의 채널들의 개수는 10이다.
실시 예에 있어서, 상기 복수의 채널들 각각의 측면들에 AR(anti-reflection) 코팅하는 단계를 더 포함한다.
실시 예에 있어서, 상기 복수의 마스크 패턴들을 제거한 뒤, 클래드 층을 성장하는 단계를 더 포함한다.
실시 예에 있어서, 상기 선택 영역 성장 기술은 프리커서 확산에 3족 원소를 사용한다.
본 발명의 실시 예에 따른 분포 궤환형 레이저 다이오드 어레이는, 선택 영역 성장 기술을 이용하여 제 1 마스크 패턴들에 의해 형성된 제 1 활성층을 갖는 제 1 채널; 및 상기 선택 영역 성장 기술을 이용하여 제 2 마스크 패턴들에 의해 형성된 제 2 활성층을 갖는 제 2 채널을 포함하고, 상기 제 1 마스크 패턴들과 상기 제 2 마스크 패턴들은 서로 다른 오프닝 폭들을 갖고, 상기 제 1 및 제 2 채널들은 서로 다른 조성 물질로 구성된다.
실시 예에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 채널들 각각은 InGaAsP 기반으로 형성된다.
실시 예에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 채널들 각각은 10 Gb/s 이상의 데이터를 전송한다.
상술한 바와 같이 본 발명의 실시 예에 따른 분포 궤환형 레이저 다이오드 어레이는 SAG 기술을 이용하여 서로 다른 파장을 갖는 복수의 채널들을 구현함으로써, 저비용 및 초소형으로 직접화를 할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 DFB-LDA를 위한 SAG 마스크를 예시적으로 보여주는 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 SAG 공정에 이용된 마스크 패턴의 단면도를 예시적으로 보여주는 도면이다.
도 3은 오프닝 폭(Wo)의 서로 다른 값들을 갖는 마스크 패턴들을 위한 상온 PL 스펙트라를 보여주는 도면이다.
도 4는 오프닝 폭(Wo)의 서로 다른 값들을 갖는 마스크 패턴들을 위한 파장 변화를 보여주는 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 10-채널 DFB-LDA 칩을 위한 광섬유-커플드 출력 스펙트라를 보여주는 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 SAG에 따른 FP-LDA(Fabry Perot Laser Diode Array)의 스펙트라를 보여주는 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 DFB-LDA 제조 방법에 대한 흐름도이다.
아래에서는 도면들을 이용하여 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있을 정도로 본 발명의 내용을 명확하고 상세하게 기재할 것이다.
본 발명의 실시 예에 따른 분포 궤환 레이저 다이오드 어레이(distributed feedback laser diode array, "DFB-LDA")는 선택적 영역 성장(selective area growth, "SAG") 기술을 이용하여 복수의 채널들을 구현할 수 있다. 여기서 복수의 채널들 각각은 인듐갈륨비소인(InGaAsP) 기반으로 형성될 수 있다. SAG는 기판에 질화규소(SiNx)와 규산(SiO2) 박막의 패턴을 형성하고, 박막이 없는 위치의 성장을 촉진함으로써 활성층의 물성을 바꿀 수 있다. SAG 기술을 통하여, DFB-LDA의 채널들 각각은 채널 별 파장에 적합한 이득을 갖는 활성층을 형성될 수 있다.
일반적으로 SAG는 선택된 곳이 오픈되어 있을 때, 3족 원소(예를 들어, B, Al, Ga, In, Tl)의 프리커서 확산(Precursor Diffusion)에 의해 선택 영역의 성장이 촉진된다. 5족 원소(예를 들어, N, P, As, Sb, Bi)의 프리커서 양은 일반적으로 3족 원소에 비교하여 매우 크기 때문에 5족 원소의 프리커서에 의한 영향은 무시된다. 즉, SAG 마스크 패턴의 형태에 따른 3족 원소의 프리커서 양을 조절함으로써, 특정 영역 활성층의 밴드 갭이 변화될 수 있다. 이는 단일 집적 광소자의 제작이 용이하다.
따라서, 10 채널 소자를 구현하기 위해서는 변조 특성을 유지하면서, 에너지 밴드 갭을 변화시켜야 한다. 이러한 변화는 두 가지 현상에 의해 조절될 수 있다. 첫째로, 인듐(In)과 갈륨(Ga)의 조성 비율에 변화에 의해 자체 물질의 밴드 갭이 변화될 수 있다. 둘째로, 조성의 변화없이 쌓인 양의 변화에 따라 양자 구조에서 발생하는 속박 에너지의 변화에 의해 밴드 갭이 변화될 수 있다. 직접 변조의 속도 밴드 폭을 증가시키기 위해서 압축 변형된 양자 우물 구조가 적합하다. 하지만, SAG 방법을 사용할 경우 부가되는 변형력이 SAG 마스크 구조에 따라 변화함으로써, 다채널 소자 구현이 어렵다. 이로 인해, SAG 방법을 적용시, 물질의 조성변화 즉, 변형력의 변화가 최소화되어야 한다.
실시 예에 있어서, 8 nm 파장 간격의 10 개의 채널을 구현할 경우, SAG 방법으로 이득 중심이 70 nm 이상 변화되어야 한다. 이 경우 SAG 마스크의 변화를 많이 주어야 한다. 이는 각 채널 별로 부가되는 변형력의 양이 일정할 수 없다. 결국, 채널 별 파장간격이 넓고, 채널의 수가 많을 경우 SAG 방법의 원리에 기인한 부가 변형력으로 인하여 전체 채널을 최적화시키기 어려울 수 있다.
아래에서는 다채널 소자의 제작하기 위한 SAG 마스크 패턴을 설명하겠다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 DFB-LDA를 위한 SAG 마스크 패턴을 보여주는 도면이다. 도 1을 참조하면, 복수의 SAG 마스크 패턴들(11, 12, 21, 22, 31, 32)이 채널들 각각에 대응하는 레이저 다이오드 형성 영역들(1, 2, 3) 사이에 배치된다. 도 1에서는 설명의 편의를 위하여 3 개의 채널들을 위한 마스크 패턴들이 도시된다.
SAG 마스크 패턴들(11, 12, 21, 22, 31, 32)은 레이저 다이오드 형성 영역들(1, 2, 3)을 중심으로 각각 양측에 위치한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 제 1 SAG 마스크 패턴(11)은 제 1 레이저 다이오드 형성 영역(1)의 좌측에 위치하고, 제 2 SAG 마스크 패턴(12)은 제 1 레이저 다이오드 형성 영역(1)의 우측에 위치한다. 여기서, 제 1 SAG 마스크 패턴(11) 및 제 2 SAG 마스크 패턴(12)은 제 1 채널의 SAG 마스크들 패턴들이다.
제 3 SAG 마스크 패턴(21)은 제 2 레이저 다이오드 형성 영역(2)의 좌측에 위치하고, 제 4 SAG 마스크 패턴(22)은 제 2 레이저 다이오드 형성 영역(2)의 우측에 위치한다. 여기서, 제 3 SAG 마스크 패턴(21)과 제 4 SAG 마스크 패턴(22)은 제 2 채널의 SAG 마스크들 패턴들이다.
또한, 제 5 SAG 마스크 패턴(31)은 제 3 레이저 다이오드 형성 영역(3)의 좌측에 위치하고, 제 6 SAG 마스크 패턴(32)은 제 3 레이저 다이오드 형성 영역(3)의 우측에 위치한다. 여기서, 제 5 SAG 마스크 패턴(31)과 제 6 SAG 마스크 패턴(32)은 제 3 채널의 SAG 마스크 패턴들이다.
한편, 10 GHz의 직접 변조를 위한 활성층의 구성에 있어서 중요한 두 가지 인자들은 광 구속율(optical confinement factor)과 캐리어 전송 시간(carrier transport time)이다. 광 구속율은 양자 우물(quantum well)의 개수에 관련된다. 약 10 개 이내 양자 우물 개수 부근에서 레이저 다이오드의 직접 변조 속도가 최대가 된다. 또한, 캐리어 전송 시간의 주 변수는, SCH(separate confinement heterostructure)의 폭로 결정될 수 있다. 따라서, 캐리어 전송 시간은, SCH의 폭이 레이저 다이오드의 성능에 지장을 주지 않는 범위 내에서 좁을수록 향상될 수 있다.
실시 예에 있어서, 10 개의 채널에 대한 SAG를 수행할 경우, 성장률 증대(growth rate enhancement)에 의해 모든 층의 폭이 증가할 수 있다. 이로 인해, 직접 변조의 속도를 저감시킬 뿐만 아니라, 성장 폭이 두꺼워져 변형력에 의해 결정되는 임계 폭(critical thickness)의 제한으로 인해, 양자 우물의 개수를 증가시키기가 어려울 수 있다. 따라서, 10 개의 채널을 갖는 소자는 SAG에 의한 성장률 증대는 최소화하고, 성장 폭에 대해 임계 변형력 이하로 변형력의 양을 조절하여야 한다.
또한, 10 개의 채널을 갖는 소자의 경우 반복적인 형태의 SAG 패턴을 형성할 수 없으므로, 점진적인 패턴의 변화로 70 nm 이상의 이득 중심의 변화가 획득되어야 한다. 이를 위해서 최대한 활성층의 이득 중심 변화를 획득하기 위해 양자 우물의 폭을 최소화하고, SAG에 의한 변형력의 변화 방향이 인장 변형(tensile strain)이어야 한다.
실시 예에 있어서, SAG 마스크 패턴(10)은 양자 우물의 폭을 레이저 다이오드의 특성을 변화시키지 않는 한도인 약 50 Å로 설정될 수 있다. 또한, 실시 예에 있어서, SCH의 폭은 약 600 Å 설정될 수 있다. 또한, 압축 변형력은 약 0.68%의 값을 갖는다.
한편, SAG 마스크들의 채널 간 간격들(D1, D2)은 SAG 마스크 패턴(10)의 간섭 현상을 조절할 수 있다. 서로 다른 채널들에 포함된 SAG 마스크 패턴들(12와 21, 22와 31) 사이의 간격들(D1, D2)은 동일한 값을 가질 수 있다.
예를 들어, 제 1 SAG 마스크 패턴(11)의 폭(Wm1)와 제 2 SAG 마스크 패턴(12)의 폭(Wm2)는 다른 SAG 마스크 패턴들에 그것들과 비교하여 가장 두껍다. 이때, 제 1 및 제 2 SAG 마스크 패턴들(11, 12) 사이의 간격(Wo1)은 다른 SAG 마스크들의 간격들과 비교하여 가장 작다.
또한, 제 3 및 제 4 SAG 마스크 패턴들(21, 22)의 폭들(Wm3, Wm4)은 제 1 및 제 2 SAG 마스크 패턴들(11, 12)의 그것들과 비교하여 감소한다. 또한, 제 3 및 제 4 SAG 마스크 패턴들(21, 22)의 간격(Wo2, "폭")은 제 1 및 제 2 SAG 마스크 패턴들(11, 12)의 그것과 비교하여 폭들(Wm3, Wm4)이 감소한 만큼 증가한다.
또한, 제 5 및 제 6 SAG 마스크 패턴들(31, 32)의 폭들(Wm5, Vm6)은 제 3 및 제 4 SAG 마스크 패턴들(21, 22)의 그것들과 비교하여 감소한다. 또한, 제 5 및 제 6 SAG 마스크 패턴들(21, 22)의 간격(Wo3)은 제 3 및 제 4 SAG 마스크들(21, 22)의 그것과 비교하여 폭들(Wm5, Wm6)이 감소한 만큼 증가한다.
위에서는 설명의 편의를 위하여 세 개의 채널들에 대한 SAG 마스크들을 기준으로 설명하였다. 그러나, 10 개의 채널에 대한 SAG 마스크 패턴에서도 SAG 마스크들은 순차적으로 각 채널에서도 세 개의 채널에 대한 SAG 마스크 패턴과 같이 폭이 감소될 수 있다. 예를 들어, 제 1 채널부터 제 10 채널까지 순차적으로 마스크 패턴들의 폭이 감소한다. 즉, 제 1 채널에 대응되는 SAG 마스크 패턴들의 폭이 가장 넓고 제 10 채널에 대응되는 SAG 마스크 패턴들의 폭이 가장 좁다. 또한, 제 10 채널의 SAG 마스크 패턴들 간의 간격이 가장 넓고, 제 1 채널의 SAG 마스크 패턴들의 간격이 가장 좁다.
본 발명의 실시 예에 따른 SAG 마스크 패턴(10)은 각 채널 내에서 SAG 마스크 패턴들 간에 간섭을 감소시키기 위한 SAG 마스크 패턴들 간에 일정 거리 이상 이격시킨다. 이러한 SAG 마스크 패턴들 간의 간격 변화를 통해서 10 개의 채널들 각각의 내부에서 미세 조절을 통한 활성층 구성을 원활하게 할 수 있다. 또한, SAG 마스크 패턴들의 외곽에도 계속적인 간격 변화를 통해 SAG 성장의 선형적인 변화를 확보할 수 있다.
또한, 본 발명의 마스크 패턴(10)은 각 채널 내에서 SAG 마스크 패턴들 간의 간격은 인듐(In)과 갈륨(Ga)의 확산 길이(diffusion length)의 차에 의해서 인듐과 갈륨의 농도 변화가 발생할 수 있는 길이를 갖는다. 실시 예에 있어서, 50 내지 100 ㎛ 형성될 수 있으나, 성장 장비 또는 조건에 따라 가변되는 길이를 가질 수 있다. 이에 제 1 채널 내지 제 10 채널을 위한 SAG 마스크 패턴은 약 1525 nm의 파장부터 약 1597 nm까지의 파장, 약 70 nm의 파장을 지원하는 다채널 소자를 제작할 수 있다.
실시 예에 있어서, 마스크와 마스크 사이의 폭은 In과 Ga의 확산 길이의 차에 의해 In 과 Ga의 농도변화가 발생할 수 있는 크기로 설정될 수 있다. 실시 예에 있어서, 확산 길이는 50~100 mm 를 이용될 수 있다. 이는 성장장비 및 조건에 따라 차이가 발생한다. 이러한 방식을 테스트하기 위하여 마스크 패턴폭을 100 mm에서 줄이는 방향으로 마스크를 형성하고 SCH를 포함한 활성층 만을 SAG로 성장을 한 경우 아래 같은 결과를 얻는다. SAG 마스크의 폭이 넓어지면 중심파장이 변화된다. 이때 전체 이득 중심 변화는 100 nm 정도이다. 양자우물의 폭 변화로 이러한 이득중심변화는 설명이 불가능하며, SAG성장시 InGaAsP의 조성변화로 이해될 수 있다. In 함량의 증가는 장파장으로 밴드 갭을 변화시키며, QW(양자 우물)에 압축 변형력(compressive strain)을 가하게 된다.
본 발명에서 제안한 마스크의 형태에 대해 얇은 QW구조를 사용할 경우 임계 두께 이내에서 활성층을 성장할 수 있음을 보여준다.
본 발명의 실시 예에 따른 분포 궤환형 레이저 다이오드 어레이 제조 방법은 성장률 증가 인자(growth rate enhancement factor)를 1.35로 제약하며, 동시에 100nm의 이득중심 이동 확보할 수 있다. 실시 예에 있어서, SAG 효과를 미세 조정할 수 있는 SAG 마스크 패턴 형태가 이용될 수 있다. 실시 예에 있어서, 각 채널 별로 미세 조정할 수 있는 SAG 마스크 패턴 형태가 이용될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 10 채널 분포 궤환 레이저 다이오드 어레이(distributed feedback laser diode array, "DFB-LDA")는 1.55 ㎛의 중심 파장에서 8㎚ 파장 그리드(wavelength grid)에 의해 분리된 100 Gb/s 신호들 전송을 할 수 있다. 본 발명의 실시 예에 따른 DFB-LDA는 선택 영역 성장(selective area growth, SAG) 기술, 전자빔 리소그래피(electron-beam lithography) 및 리버스-메사 라이지 도파로(reverse-mesa ridge waveguide; LD) 처리 기술을 이용하여 각 채널을 제조함으로써, 제조 비용, 전기적 혹은 열적 저항을 줄이면서 정확한 레이저 파장 제어 및 탁월한 싱글 모드 수율을 제공할 수 있다.
본 발명의 DFB-LDA의 에피택셜(epitaxial) 층은 측방향 흐름 형(lateral-flow-metal) MOCVD(metal-organic chemical vapor deposition)으로 성장될 수 있다. 이때, 트리메틸 인듐(trimethylindium, TMIN), 트리메틸 갈륨(trimethylgallium, TMGa), PH3, AsH3는 원료로 사용될 수 있다.
SAG 공정 전에, 에피텍셜 층은 n-INP 버퍼, 1.3 ㎛의 밴드 갭 파장을 갖는 격자 층(grating layer), n-InP 스페이스 층(space layer), 및 격자 정합된(lattice-matched) 외부의 1.08 ㎛의 SCH(separate confinement hetero-structure) 층으로 구성될 수 있다. 여기서 격자 패턴(grating pattern)은 브래그 조건(Bragg condition)에 따라 격자 주기(grating period)를 변경함으로써 모든 채널들에 대한 8 nm의 채널-공간(channel-spacing)을 갖도록 설계될 수 있다. 브래그 조건은, 예를 들어, λB = 2Λneq. 여기서 λB 는 브래그 파장, Λ는 격자 주기, neq는 등가 굴절률(equivalent refractive index)이다.
실시 예에 있어서, 사각형 모양의 듀티 격자는 전자 빔 쓰기와 건식 식각(dry-etching)에 의해 형성될 수 있다.
실시 예에 있어서, SAG 공정에 이용되는 마스크 패턴들은 500 ㎛의 유닛 셀 주기(P)를 갖는 좌우 대칭 형상(bilaterally symmetric shapes)일 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 SAG 공정에 이용된 마스크 패턴의 단면도를 예시적으로 보여주는 도면이다. 도 2를 참조하면, 유닛 셀 내의 마스크 패턴의 폭(Wm)을 갖는 인접 마스크 스트립들 사이의 공간은 오프닝 폭(Wo)로서 동일하다. 이러한 마스크 패턴을 위하여, Wm와 Wo 사이의 관계를 발생하는 기하학적 파라미터(M)이 설정된다. 예를 들어, Wm + Wo =M/2. 서로 다른 오프닝 폭(Wo)을 갖는 SAG 마스크 패터닝은 각각의 채널 파장들 근처에 위치한 이득 스펙트럼을 얻도록 설계될 수 있다.
실시 예에 있어서, 마스크 패터닝 이후에, SAG 층들이 소정의 온도 및 소정의 압력 아래에서 성장될 수 있다. 여기서 SAG 층들은 InGaAsP로 형성될 수 있다. 여기서 소정의 온도는 630 ℃ 및 소정의 압력은 100 mbar 일 수 있다. 실시 예에 있어서, SAG 층들 각각은 10 ㎚ 폭의 외부 SCH 층, 20 ㎚ 폭의 내부 SCH 층, 7-쌍 QWs, 20 ㎚ 폭의 내부 SCH 층, 10 ㎚ 폭의 외부 SCH 층으로 구성될 수 있다. 여기서 7-쌍 QWs는 1.62 ㎛의 0.6 % 압축적으로 변형된 6 ㎚ 폭의 웰들(wells)과 1.3 ㎛ 의 0.45% 인장 변형된 7.4 ㎚ 폭의 장벽들(barriers)로 구성될 수 있다. SAG 공정 이후에, 상온 PL 측정들은 오픈 영역의 중앙에서 수행될 수 있다.
도 3은 오프닝 폭(Wo)의 서로 다른 값들을 갖는 마스크 패턴들을 위한 상온 PL 스펙트라를 보여주는 도면이다. 도 3을 참조하면, PL 스펙트라는 ~ 32 mV의 FWHM(full width at half maximum)으로써 거의 동일한 형상들(shapes)이다.
도 4는 오프닝 폭(Wo)의 서로 다른 값들을 갖는 마스크 패턴들을 위한 피크 파장 변화를 보여주는 도면이다. 도 4를 참조하면, 오프닝 폭(Wo)이 감소함에 따라, 동일한 오프닝 폭(Wo)를 갖는 마스크 패턴에 형성된 SAG 층들의 테스트 결과와 달리, 그것의 피크 강도는 ~ 0.7로 감소하는 경향이 있다. 그리고 피크 파장은 대략 8 ㎚의 파장 인터벌을 갖는 긴 파장 측면으로 이동된다. 이러한 이동은 퀀텀 레벨의 낮아짐과 밴드 갭 에너지의 감소로부터 야기된다.
예를 들어, 100 ㎛의 오프닝 폭(Wo)에서, 양자 우물과 장벽의 폭은 각각 1.74/1.46의 인듐(indium)/갈륨(gallium) 성장 속도로 대략 10 ㎚ 및 124 ㎚이다.
SAG 마스크를 제거한 후에, 30 nm 폭의 외부 SCH 층, 100 nm 폭의 p-InP 잔여(residual) 클래드(cladding) 층, 20 nm 폭의 p-InGaAsP 식각 금지 층, 2 ㎛ 폭의 p-InP 상부 클래드 층 및 0.2 ㎛ 폭의 p+ InGaAs 층이 차례로 성장된다. 대략 2 ㎛의 라이지-넥(ridge-neck) 폭을 갖는 RM-RWGs가 제조될 수 있다.
일반적인 LD 제조 공정들(예를 들어, benzo-cyclobutene (BCB) 공정, contact-layer opening, p-metallization, lapping, n-metallization, and scribing) 후에, 300 ㎛ 의 긴 DFB-LDA의 두 측면들은 AR(anti-reflection)으로 코팅된다. 여기서 AR 코팅막은 TiO2 및 SiO2의 이온 빔 증착으로 형성될 수 있다. 대략 0.53%의 굴절률이 1.55 ㎛ 에서 얻어질 수 있다.
도 5는 10-채널 DFB-LDA 칩을 위한 일반적인 광섬유-커플드 출력 스펙트라를 보여주는 도면이다. 도 5를 참조하면, 모든 스펙트라는 50 mA의 전류에서 측정된다. 그것들은 8.2 nm의 평균 채널 공간을 갖는 50 dB 이상의 SMSRs(side-mode suppression ratios)을 보인다.
본 발명의 실시 예에 따른 DFB-LDA는 SAG 기술 전자빔 리소그라피에 의해 10 채널로 제조될 수 있다. 설계된 마스크 패턴에 성장한 SAG 층들의 측정된 PL 스펙트라는 대략 8 nm의 파장 간격으로 거의 동일한 형상을 보인다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 SAG에 따른 FP-LDA(Fabry Perot Laser Diode Array)의 스펙트라를 보여주는 도면이다. 도 6을 참조하면, FP-LDA의 경우, 임계 전류 혹은 기울기 효율의 상당한 변화 없이 모든 채널들에서 대략 35 nm의 스펙트럼 폭을 갖는 일치된 스펙트라가 나타난다. 각 파장들 1519nm, 1571nm, 1602nm, 및 1623nm를 통해 양질의 SAG가 수행되었음을 확인할 수 있다. 실제로 약 70nm의 이득 중심폭의 변화가 필요함에 따라, 양 극단을 기준으로 활성층의 두께 차이는 1.28을 넘지 않는다. 이것은 전체 레이저 다이오드의 성능의 균일성을 확보하게 한다. 이를 통해, 본 발명에서 제안된 SAG 마스크 패턴을 이용하여 제작된 다채널 소자 일 예로, 10 개의 채널을 지원하는 DFB-LDA의 제작에 사용될 수 있다.
본 발명은 채널 별 파장간격이 넓으며, 채널의 수가 많을 경우 SAG 방법의 원리에 기인한 부가 스트레인으로 인하여 전체 채널을 최적화시키기 힘들다는 기술적 문제를 해결하기 위한 선택적 영역 성장 마스크 패턴을 제공할 수 있다. 이를 위해, 본 발명은 상술한 8nm 파장 간격의 10채널에 대하여, SAG 마스크 및 성장구조의 설계로 해결할 수 있다.
본 발명의 SAG 마스크 패턴은 파장 간격이 8나노미터(nm)이고, 각 채널에서 10GHz의 직접 변조가 가능한 활성층 구조를 갖는 데이터 센터용 광 트랜시버의 다채널 소자의 제작에 이용될 수 있다. 이를 위해, SAG 마스크 패턴은 열 개의 채널의 구조적인 변화를 최소화하면서, 밴드 갭(band gap)은 최대한 변화시킬 수 있다. 또한, SAG 마스크 패턴은 스트레인(strain) 변화량은 최소화하는 것을 모두 만족할 수 있다.
DFB-LDA의 경우, 거의 모든 채널들에서 50 dB 이상의 높은 SMSRs이 얻어질 때, 임계 전류의 증가, 채널 공간의 확장, 변조 대역폭의 감소, 오버 슛의 향상이 나타난다. 이러한 변화들은 SAG 층을 포함하는 제조된 도파로 구조에서 커플링 계수의 감소 및 반사 지수 증가에 밀접한 관계성을 갖는다. 모든 채널에 대하여 10 GHz 이상의 큰 변조 대역폭 때문에, 모듈은 2 Km 전송 전 후에 명확하게 아이 오프닝을 보인다. 이러한 결과에 따라, 본 발명의 DFD-LDA는 10 Gb/s의 데이터 비율에서 동작할 수 있고, 100 Gb/s 이더넷 송수신기를 위한 저 비용 광원 소스로 사용될 수 있다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 DFB-LDA 제조 방법을 예시적으로 보여주는 흐름도이다. 도 1 내지 도 7을 참조하면, DFB-LDA 제조 방법은 다음과 같다.
전자 빔 쓰기 및 식각 공정을 이용하여 복수의 채널들에 대응하는 활성층들이 형성된다(S110). 복수의 채널들 각각의 마스크 패턴들이 형성된다(S120). 이때 마스크 패턴들의 폭(Wm) 및 오프닝 폭(Wo)은 각 채널 별로 다를 수 있다. 여기에 대한 자세한 것은 도 1 및 도 2에서 설명된 바와 동일하다. 이후, SAG을 이용하여 상기 활성층들이 성장된다(S130). 이후에 마스크 패턴들이 제거된다(S140).
본 발명의 실시 예에 따른 DFB-LDA 제조 방법은 SAG를 이용하여 간단하면서 저비용으로 제작 가능하다.
한편, 상술 된 본 발명의 내용은 발명을 실시하기 위한 구체적인 실시 예들에 불과하다. 본 발명은 구체적이고 실제로 이용할 수 있는 수단 자체뿐 아니라, 장차 기술로 활용할 수 있는 추상적이고 개념적인 아이디어인 기술적 사상을 포함할 것이다.
10: SAG 마스크 패턴
Wo: 오프닝 폭
Wm: 마스크 패턴 폭

Claims (13)

  1. 분포 궤환형 레이저 다이오드 어레이를 제조하는 방법에 있어서:
    전자 빔 리소그라피를 이용하여 복수의 채널들에 대응하는 활성층들을 형성하는 단계;
    상기 활성층들 사이에 복수의 마스크 패턴들을 형성하는 단계; 및
    선택 영역 성장 기술을 이용하여 상기 활성층들을 성장시키는 단계를 포함하고,
    상기 복수의 채널들 대응하는 상기 복수의 마스크 패턴들의 오프닝 폭들은 서로 다른 제조 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 채널들 각각은 에피텍셜 층을 포함하고,
    상기 에피텍셜 층은 격자 층과 적어도 하나의 SCH(separate confinement hetero-structure) 층을 포함하는 제조 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 격자 층은 상기 전자 빔 리소그라피 및 건식 식각에 의해 형성된 듀티 격자를 포함하는 제조 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 채널들 각각에 대응하는 마스크 패턴들은 좌우 대칭으로 형성되는 제조 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 채널들에 대응하는 마스크 패턴들의 폭들은 서로 다른 제조 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 채널들에 대응하는 상기 마스크 패턴들의 폭들과 상기 복수의 채널들에 대응하는 상기 오프인 폭들 사이에는 기하학적 파라미터가 결정되는 제조 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 채널들의 개수는 10인 제조 방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 채널들 각각의 측면들에 AR(anti-reflection) 코팅하는 단계를 더 포함하는 제조 방법.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 마스크 패턴들을 제거한 뒤, 클래드 층을 성장하는 단계를 더 포함하는 제조 방법.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 선택 영역 성장 기술은 프리커서 확산에 3족 원소를 사용하는 제조 방법.
  11. 선택 영역 성장 기술을 이용하여 제 1 마스크 패턴들에 의해 형성된 제 1 활성층을 갖는 제 1 채널; 및
    상기 선택 영역 성장 기술을 이용하여 제 2 마스크 패턴들에 의해 형성된 제 2 활성층을 갖는 제 2 채널을 포함하고,
    상기 제 1 마스크 패턴들과 상기 제 2 마스크 패턴들은 서로 다른 오프닝 폭들을 갖고,
    상기 제 1 및 제 2 채널들은 서로 다른 조성 물질로 구성되는 분포 궤환형 레이저 다이오드 어레이.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 채널들 각각은 InGaAsP 기반으로 형성되는 분포 궤환형 레이저 다이오드 어레이.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 채널들 각각은 10 Gb/s 이상의 데이터를 전송하는 분포 궤환형 레이저 다이오드 어레이.



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