KR960011480B1

KR960011480B1 - 레이저 다이오드 제조방법

Info

Publication number: KR960011480B1
Application number: KR1019930004044A
Authority: KR
Inventors: 김앙서; 김남준; 이두환
Original assignee: 현대전자산업 주식회사; 김주용
Priority date: 1993-03-17
Filing date: 1993-03-17
Publication date: 1996-08-22
Also published as: KR940022961A

Abstract

내용없음.

Description

레이저 다이오드 제조방법

제1도는 종래의 인덱스 커플드 DFB-레이저 다이오드의 구조를 도시한 단면도.

제2도는 종래의 부분적인 게인-인덱스 커플드 DFB-레이저 다이오드의 구조를 도시한 단면도.

제3도는 본 발명의 순수한 게인 커플드 DFB-레이저 다이오드의 구조를 도시한 단면도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1,11,21 : 기판 2,12,22 : n-클래드층

3,13,23 : 활성층 4,14,31 : 도파층

5,15,25 : p-클래드층 6,16,26 : 콘택

7,17,27 : 회절격자 28 : 작은 회절격자

30 : 버퍼층

본 발명은 레이저 다이오드(LASER Diode)를 제조하는 방법에 관한 것으로 특히, 순수한 게인 커플드 DFB-레이저 다이오드(Gain Coupled Distributed Feedback LASER Diode : DFB-LD) 구조를 실현하여 길이 방향으로 단일 보드(Mode)를 형성함으로써 양쪽 거울면의 반사율의 변화에 무관한 고수율의 특성을 갖는 레이저 다이오드를 제조하는 것에 관한 기술이다.

레이저 다이오드는 2단자의 광소자로서, 전류를 문턱전류 이상으로 인가하면 그 전류의 크기에 선형적으로 비례하는 레이저광을 출력하는 소자이며, 레이저광은 선폭이 좁은 단일 모드로 구현할수록 특성이 우수해지므로 고속변조하에서도 길이 방향으로 단일모드를 얻기 위해서는 DFB-레이저 다이오드 구조가 많이 사용되고, 이 DFB-레이저 다이오드는 산업상 고속 장거리 전송 시스템이나 고속 대용량 광통신 시스템, 초고속 측정기등에 광신호 발생소자로 사용된다.

제1도는 종래의 인덱스 커플드 DFB-레이저 다이오드(Index Coupled DFB-LD)의 구조를 도시한 단면도로서, n+-InP 성분의 기판(1)에 n-InP 성분의 클래드(Clad)(2)층을 형성한 후, 그 상부에 도핑(Dopig)이 되지 않은 u-InGaAsP 성분의 활성층(3)을 형성하고, 그 상부에 p-InGaAsP 성분의 도파층(Waveguide Layer)(4)을 성장시키고, 상기의 공정에서 성장된 도파층(4)의 상부 표면에 일정한 회절격차(Grating)(7)를 만든 후, 그 상부에 p-InP 성분의 클래드(5)와 p+-InGaAsP 성분의 콘택(Contact)(6)을 차례로 성장시켜 인덱스 커플링 방식을 이용한 레이저 다이오드를 완성한 것이다.

그러나, 상기의 공정으로 구현한 인덱스 커플드 DFB-레이저 다이오드는 고유한 특성상 브래그(Bragg) 파장을 중심으로하여 양측으로 가장 낮은 문턱이득을 갖는 두 개의 길이 방향 모드가 존재하므로, 이러한 단점을 극복하기 위해 회절격자 내에 포톤 파장의 1/4 길이의 위상변화를 주거나, 불균일한 회절격자의 폭, 다른 두께의 활성층 영역을 사용하여 실효 굴절율을 변화시킴으로써 활성층에서 생성되는 포톤의 위상을 변화시켜 단일 모드의 레이저광이 발진되게 하고 있지만, 레이저 다이오드가 동작하는 과정에서 스페이셜 홀 버닝(Spatial Hole Burning) 현상이나 양쪽 거울면 반사율의 변화에 의해 특성이 변화하는 문제점이 존재하게 된다.

제2도는 종래의 부분적인 게인-인덱스 커플드 DFB-레이저 다이오드의 구조를 도시한 단면도로서, n+-InP 성분의 기판(11)에 n-InP 성분의 클래드(12)층을 형성한 후, 그 상부에 도핑이 되지 않은 u-InGaAsP 성분의 활성층(13)을 형성하여 그 표면에 회절격자(17)를 형성하고, 그 상부에 p-InGaAsP 성분의 도파층(14)을 성장시키고, 도파층(14)의 상부에 p-InP 성분의 클래드(15)와 p+-InGaAsP 성분의 콘택(16)을 차례로 성장시켜 레이저 다이오드를 완성한 것이다.

제2도에 도시된 레이저 다이오드는 상기 제1도의 인덱스 커플드 DFB-레이저 다이오드의 문제점을 제거하기 위하여 게인 커플링 방식을 적용하여 DFB-레이저 다이오드를 구현한 것이다.

일반적으로, 게인 커플링 방식은 활성층의 게인 매체(Medium) 자체의 회절격자(17)를 형성함으로써 게인이 간섭을 일으키도록 하는 것으로, 이러한 게인 커플링 방식을 적용한 게인 커플드 DFB-레이저 다이오드는 고유한 하나의 브래그 파장에 가장 낮은 문턱이득이 존재하고 모드간의 문턱이득의 차이가 크므로 양쪽 거울면의 반사율의 변화에도 상당히 무관하고 정지 밴드(Stop Band)가 없는 특성을 가지고 있다.

그러나, 상기 제2도에 도시된 DFB-레이저 다이오드 구조는 완전한 게인 커플링 방식이 아니고 게인 커플링 방식과 인덱스 커플링 방식이 합쳐진 구조로서, 인덱스 커플링 방식이 갖고 있는 문제점의 일부를 가지고 있다.

따라서, 본 발명에서는 상기의 제1도와 제2도의 DFB-레이저 다이오드가 가지고 있는 문제점들을 제거하기 위하여, 활성층의 게인 매체 자체에도 회절격자를 만들고 버퍼(Buffer) 층에도 회절격자를 형성함으로써, 활성층과 도파층간의 인덱스 변화로 인한 공간 위상과 도파층과 버퍼층간의 인덱스 변화로 인한 공간 위상이 반대가 되어 정확히 상쇄되도록 함으로써, 순수한 게인 커플링 효과만 갖는 DFB-레이저 다이오드를 제공하는데에 그 목적이 있다.

제3도는 본 발명의 순수한 게인 커플드 DFB-레이저 다이오드의 구조를 도시한 단면도로서, n+-InP 기판(21) 위에 MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)의 에피텍시(Epitaxy) 방법으로 n-InP 클래드층(22)을 형성하고, 그 상부에 n-InGaAsP의 버퍼층(30)을 성장시킨 후, 상기 버퍼층(30)의 표면을 에칭(Etching)하여 회절격자(27)를 형성시키고, 그 상부에 다시 MOCVD방법으로 n-InGaAsP의 도파층(31)을 성장시키면서 도파층(31)의 표면에는 작은 회절격자(28)가 형성되도록 한다.

상기 도파층(31)의 표면에 형성된 작은 회절격자(28)의 상부에는 도핑이 되지 않은 InGaAsP의 활성층(23)을 성장시키는데, 성장변수를 조절하여 활성층(23)의 표면을 평평하게 만든다. 연속하여 p-InP 클래드층(25)과 p+-InGaAsP콘택층(26)을 형성하여 DFB-레이저 다이오드를 완성한다.

종래에는 LPE(Liquid Phase Epitaxy) 등의 방법으로 에피텍시 성장을 실시하였으므로 회절격자에 많은 결함이 존재하여, 활성층에 직접 회절격자를 만들지 않고 삽입한 도파층에 회절격자를 형성하였으나, 현재는 발전된 MOCVD 방법을 이용하여 회절격자 내에 결함이 없도로고 에피텍시 성장을 실시할 수 있게 되었다.

그러므로, MOCVD방법을 사용하여 구현한 제3도의 레이저 다이오드의 구조를 보면 인덱스 커플링 면에서 활성층(23)과 도파층(31) 사이의 공간 위상과 도파층(31)과 버퍼층(30) 사이의 공간 위상이 반대이므로, 두 인덱스 커플링 계수(Index Coupling Coefficient)의 크기만 같도록 회절격자의 모양과 도파층(31)과 버퍼층(30)의 물질 파장을 조절하면 상기의 공간 위상은 완전히 상쇄시킬 수 있으며, 그에 따라 브래그 파장 주위의 양측으로 모드가 존재하지 않게 되어, 제3도는 활성층인 이득 매체의 두께 변화로 인한 순수한 게인 커플링만 존재하게 되는 것이다.

상기 제3도에 있어서, 활성층(23)의 레이저광의 파장은 도파층(31)이나 버퍼층(30)의 물질 파장에 비해서는 길어야 하고, 버퍼층(30)의 물질 파장도 도파층(31)의 물질 파장보다는 약간 길어야 하며, 도파층(31)과 버퍼층(30)의 물질 파장을 적당히 조절하면 광통신에 주로 사용되는, 레이저광의 파장이 1.3㎛나 1.55㎛대인 게인 커플드 DFB-레이저 다이오드를 얻을 수 있다.

또한, 상기의 제3도에 도시된 DFB-레이저 다이오드는 InP계열 외에 GaAs계열에도 적용하는 것이 가능한데, 이때의 기판은 n+-GaAs, 클래드층은 n-AlxGa1-xAs(x=0.45), p-AlxGa1-xAs(x=0.45), 활성층으로는 도핑되지 않은 GaAs, 도파층은 n-AlxGaAs(x=0.4), 버퍼층은 n-AlxGaAs(x=0.12)

콘택층은 p+-GaAs을 사용한다.

이상에서 설명한 구조와 같이 순수한 게인 커플링 방식을 사용하여 DFB-레이저 다이오드를 제조하게 되면 고유한 단일 모드를 갖고, 모드 간의 문턱 이득의 차이가 크고, 양쪽 거울면의 반사율의 변화에도 비교적 무관하며 수율이 높은 DFB-레이저 다이오드를 얻을 수 있는 효과가 있다.

Claims

순수한 게인 커플링 방식을 사용하여 DFB(Distributed Feedback)-레이저 다이오드를 제조하는데에 있어서, n+-InP 기판(21) 위에 MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)의 에피텍시(Epitaxy) 방법으로 n-InP 클래드층(22)을 형성하는 단계와, 상기 n-InP 클래드층(22) 상부에 n-InGaAsP 버퍼층(30)을 형성하는 단계와, 상기 버퍼층(30)의 표면을 에칭(Etching)하여 회절격자(27)를 형성하는 단계와, 상기 회절격자(27)의 상부에 다시 MOCVD방법으로 n-InGaAsP 도파층(31)을 성장시키면서 그 표면에는 작은 회절격자(28)를 형성시키는 단계와, 상기 도파층(31)의 표면에 형성된 회절격자(28)의 상부에 성장변수를 조절하여 표면이 평평한 도핑이 되지 않은 u-InGaAsP 활성층(23)을 형성하는 단계와, 상기 활성층(23)의 상부에 p-InP 클래드층(25)를 형성하는 단계와 p-InP 클래드층(25)의 상부에 p+-InGaAsP 콘택층(26)을 형성하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 레이저 다이오드 제조방법.
제1항에 있어서, 도파층(31)과 버퍼층(30)의 물질 파장을 조절하여 활성층(23)에 생성되는 레이저광의 파장을 1.3㎛대로 하는 것을 특징으로 하는 레이저 다이오드 제조방법.
제1항에 있어서, 도파층(31)과 버퍼층(30)의 물질 파장을 조절하여 활성층(23)에 생성되는 레이저광의 파장을 1.55㎛대로 하는 것을 특징으로 하는 레이저 다이오드 제조방법.
제1항에 있어서, 클래드층, 도파층, 버퍼층, 활성층의 순으로 물질 파장이 길어지는 것을 특징으로 하는 레이저 다이오드 제조방법.
제1항에 있어서, 각층의 물질성분을 GaAs 계열로 사용하는 것을 특징으로 하는 레이저 다이오드 제조방법.