WO2022015085A1 - 광 집적회로 결합을 위한 전사인쇄된 마이크로 패치 레이저 - Google Patents

광 집적회로 결합을 위한 전사인쇄된 마이크로 패치 레이저 Download PDF

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WO2022015085A1
WO2022015085A1 PCT/KR2021/009132 KR2021009132W WO2022015085A1 WO 2022015085 A1 WO2022015085 A1 WO 2022015085A1 KR 2021009132 W KR2021009132 W KR 2021009132W WO 2022015085 A1 WO2022015085 A1 WO 2022015085A1
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laser
iii
micro
silicon structure
cavity
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PCT/KR2021/009132
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김명기
김유신
박병준
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고려대학교 산학협력단
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Definitions

  • the present invention relates to a technique for efficiently realizing a micro laser, which is an essential light source of an optical integrated circuit, using a transfer printing technique.
  • optical integrated circuit technologies for integrating optical components for the purpose of optical switching and operation in a small space like an IC chip, which are electronic integrated circuits, are being rapidly developed.
  • the light source is a micro-sized laser that can be used in an internal integrated circuit, which is called a micro laser.
  • a micro laser is a kind of semiconductor laser with a thickness of less than a few micrometers and a laser wavelength of 1-2 wavelengths. take off
  • the method must go through a more complicated and expensive process than a general silicon fabrication process.
  • it is necessary to form a resonator structure after bonding a quantum well semiconductor on a silicon wafer using a plasma bonding method or the like. Since the volume occupied by the micro-laser, which is a light source, of the entire optical integrated circuit is very small, this method may waste most of the area of the quantum well semiconductor that is not directly used for the laser, resulting in a significant cost loss.
  • An object of the present invention is to provide a technique for efficiently realizing a micro-laser, which is an essential light source of an optical integrated circuit, using a transfer printing technique.
  • the present invention relates to a silicon structure including a cavity capable of confining light
  • It is formed on the silicon structure, and provides a micro-laser including a III-V compound sheet covering the cavity.
  • the present invention comprises the steps of (A) attaching a III-V compound sheet to the PDMS stamp;
  • (D) provides a method of manufacturing a micro-laser comprising the step of separating the PDMS stamp from the silicon structure.
  • a laser can be realized by transferring and printing a sheet (III-V compound sheet) made of a quantum well semiconductor having an arbitrary shape on a silicon structure including a cavity fabricated on a silicon substrate (wafer).
  • the sheet itself is a simple structure that cannot trap enough light to make a laser, but a structure (ie, a micro-laser) that is transferred and printed on a silicon structure can act as a resonator sufficient to make a laser.
  • III-V compound sheet is larger than the silicon structure, it is possible to implement a laser in any shape, so it is possible to manufacture a micro laser by minimizing the expensive and complicated III-V semiconductor process.
  • laser realization is possible by transferring only a patch having a minimum size for laser realization, loss of III-V semiconductors can be minimized.
  • an appropriate III-V compound sheet form is used, it is expected that directional light emission and coupling efficiency with peripheral devices can be controlled.
  • FIG. 1 shows a rectangular micro-patch laser transfer-printed on an optical integrated circuit and a cross-sectional view thereof, (c) and (d) are an arbitrary micro-patch laser transfer-printed on an optical integrated circuit and its A cross-sectional view is shown.
  • FIG. 2 is a schematic diagram showing a transfer printing process.
  • FIG. 3 is a schematic diagram showing the manufacturing process of the micro laser, (a) is the manufacturing process of the silicon structure, (b) is the manufacturing process of the III-V compound sheet, (c) is the transfer of the III-V compound sheet on the silicon structure indicates the process
  • 4 and 5 show micro lasers manufactured through a transfer printing process.
  • FIG. 6 shows a photograph (a) and a schematic diagram (b) of an experimental measurement setup for measuring the resonance mode of a micro laser.
  • FIG. 7 is a resonance mode of the transfer-printed micro patch resonator, showing (a) a top view and (b) a cross-sectional view.
  • FIG. 8 and 9 are micro-laser images.
  • a is a silicon structure
  • b is a form in which a III-V compound sheet is transferred.
  • c is the PL image of the micro-laser in weak light pumping
  • d is the lasing image of the micro-laser.
  • FIG. 9 shows a PL image and a lasing image of a micro laser in the form in which the III-V compound sheet of various shapes is transferred.
  • the present invention relates to a silicon structure including a cavity capable of confining light
  • micro lasers have been manufactured by using III-V compounds as quantum well semiconductors and directly manufacturing resonators using the compounds, but this has a high process difficulty and uses III-V compounds with high unit cost per unit area efficiently.
  • the downside is that you can't.
  • it is possible to implement a micro laser by forming a III-V compound sheet in a silicon structure implemented in advance in an optical integrated circuit, thereby lowering the manufacturing cost of the laser and dramatically improving the application possibility of the micro laser. can be raised
  • micro-laser according to the present invention will be described in more detail.
  • a "photonic integrated circuit (PIC)” refers to a device in which optical devices are integrated in a monolithic or hybrid manner.
  • the optical direct device may include a micro-laser (which may be referred to as a micro-patch laser) according to the present invention as a light source.
  • the micro laser according to the present invention includes a silicon structure including a cavity; and a III-V compound sheet formed on the silicon structure and covering the cavity.
  • a III-V compound sheet is formed on a silicon structure to have a sufficient quality value for laser oscillation.
  • the silicon structure may have a cavity formed inside the structure to trap light, and may serve as a resonator.
  • the resonator refers to a device that confines electromagnetic waves or light of a specific frequency for a certain time using a resonance phenomenon (a phenomenon in which energy increases as the amplitude increases when a force of the same frequency is applied to an object having a specific frequency from the outside).
  • a resonance phenomenon a phenomenon in which energy increases as the amplitude increases when a force of the same frequency is applied to an object having a specific frequency from the outside.
  • the shape of the cavity is not particularly limited as long as it can trap light, and may have, for example, a cylindrical structure.
  • the external shape of the silicon structure is also not particularly limited, and it is preferable to make the same as the shape of the cavity to make the wall thickness of the silicon structure constant.
  • the shape of the cavity may have a cylindrical structure
  • the external shape of the silicon structure may also have a cylindrical structure.
  • the silicon structure when the silicon structure is viewed from the top, it has a ring (ring) structure. Therefore, in the present invention, the silicon structure can be expressed as a ring resonator.
  • the silicon structure may have any closed-curve structure including micro-rings, and may have an outer shape in which the change in the radius of curvature is not sharp.
  • the wall thickness of the silicon structure may be 0.1 to 1.55 um, 100 to 1000 nm, or 100 to 300 nm.
  • the thickness may be based on a 1540 nm communication wavelength.
  • the thickness of the silicon structure is too thin, it is difficult to support the III-V compound sheet, and there is a fear that the loss of mode occurring at the interface between the silicon structure and the III-V compound sheet may increase.
  • the thickness exceeds 1.55 um, the gain region overlaps too much at the end of the mode, so the confinement factor (limiting factor) becomes too low, which may lower performance.
  • the size of the cavity may be 1 to 500 um, 1 to 200 um, or 1 to 100 um.
  • the size of the cavity may mean the diameter of the ring when the cavity has a cylindrical structure, and may mean the length of the longest straight line passing through the center from the bottom of the cavity when the cavity has a different structure.
  • the resonance phenomenon is excellent in the wall thickness and cavity size of the silicon structure, and it is possible to generate a laser applicable to an optical integrated circuit.
  • the structure of the cavity can be changed according to the desired laser coating.
  • the III-V compound sheet serves to amplify the light confined in the cavity inside the resonator, that is, the silicon structure.
  • III-V compound sheet itself only has an optical gain and does not sufficiently confine light, but in combination with the above-described silicon structure, light sufficient to be used in a laser can be confined.
  • the III-V compound sheet may be formed to cover the above-described silicon structure, so that the silicon structure operates as a resonator.
  • the III-V compound may include at least one selected from the group consisting of GaN, InN, AlN, AlGaN, InGaN, AlGaInN, GaAs, and InGaAsP.
  • the thickness of the III-V compound sheet may be 0.01 to 1.55 um, 100 to 1000 nm, or 100 to 200 nm. The thickness may be based on a 1540 nm communication wavelength. If the thickness of the III-V compound sheet exceeds 1.55 um, there is a risk that a mode generated at the interface between the silicon structure and the III-V compound sheet is significantly lost to the III-V compound sheet.
  • the sum of the wall thickness of the silicon structure and the thickness of the III-V compound sheet may be 3 um or less, 1 um or less, or 500 nm or less. In the thickness range, it is possible to minimize the loss due to the higher-order mode occurring in the longitudinal direction.
  • the shape of the III-V compound sheet is not particularly limited as long as it has a size including a silicon structure, and may have a rectangular shape for process convenience.
  • the laser can be implemented regardless of the shape of the sheet, an appropriate sheet shape can be used to control the performance of the laser.
  • the III-V compound sheet may cover the silicon structure by 1/5 ⁇ or more.
  • X margin means the distance between the tip of the silicon structure and the tip of the III-V compound sheet (FIG. 11). In the case of covering 1/5 ⁇ or more, that is, when the X margin is 1/5 ⁇ or more, the resonance mode may be maintained without significant loss. Accordingly, the sheet can be manufactured in the form of an island of a desired size, and waste III-V compounds can be minimized.
  • the X margin may be 1 ⁇ or more, 5 ⁇ or more, 10 ⁇ or more, or 50 ⁇ or more, and the upper limit thereof may be 100 ⁇ .
  • the X margin may be 0.3 um or more, 1 um or more, 10 um or more, or 50 um or more based on the 1540 nm communication wavelength, and the upper limit thereof may be 150 um.
  • one III-V compound sheet may be formed on two or more silicon structures.
  • each of the silicon structures on which the III-V compound sheet is formed can be driven as a laser.
  • the III-V compound sheet on the inside of the silicon structure that is, on the area corresponding to the cavity space, does not affect the performance of the laser, so it is also possible to make a hole in the sheet or to manufacture an alignment mark so that it can be applied to transfer printing to be described later. do.
  • it can operate as a laser even if an arbitrary shape is processed in the region outside the silicon structure.
  • the micro laser according to the present invention can generate laser light by absorbing energy from the outside.
  • FIG. 1 shows views (a and c) and cross-sectional views (b and d) of a micro-laser that can be manufactured according to an example of the present invention.
  • the cross-sectional view of FIG. a is b
  • the cross-sectional view of FIG. c is d.
  • the micro laser according to the present invention may have a structure in which the III-V compound sheet covers the silicon structure, and it can be seen that the shape of the sheet is not limited. That is, not only a rectangular sheet but also a sheet having an arbitrary shape can be laser oscillated.
  • the micro laser may oscillate in a TM mode (transverse magnetic mode).
  • TM mode transverse magnetic mode
  • the effective refractive index difference between the III-V compound sheet and the portion where the silicon and III-V compound sheets are combined is large, a resonance mode can be formed with little loss even with a small radius.
  • the restriction factor of the micro laser may be 10 to 40% or 15 to 25%.
  • the micro laser according to the present invention can be applied to various fields.
  • the light source as a micro laser
  • a micro-laser is used as an optical signal transmission means, high-speed data transmission is possible, and an optical TSV (Through Silicon Via) that can transmit signals at high speed and solve the heat problem can be realized.
  • the micro laser may be applied as a high-precision and high-speed optical clock source compatible with CMOS.
  • the present invention relates to a method of manufacturing the aforementioned micro-laser.
  • a method of manufacturing a micro laser according to the present invention includes manufacturing a silicon structure; preparing a III-V compound sheet; and forming a III-V compound sheet on the silicon structure to cover the cavity.
  • Transfer printing technology is a technology that can easily transfer materials with different lattice constants, such as silicon and III-V compounds, without heat treatment.
  • the most basic principle of transfer printing technology is to use the difference in adhesion between materials. Since the adhesion force between the III-V compound and Si is greater than the adhesion force between the PDMS and the III-V compound, only the PDMS can be easily removed by applying a vertical force when attached side by side in the order of PDMS, III-V, and Si.
  • the III-V compound can be transferred onto the circuit by moving and bonding the PDMS stamp to which the III-V compound is attached to the place to be transferred on the silicon optical integrated circuit, and then removing the PDMS stamp. That is, the III-V compound sheet can be transferred to a desired place with sub-micrometer level of accuracy through transfer printing technology.
  • the manufacturing method according to the present invention comprises the steps of (A) attaching a III-V compound sheet to a PDMS stamp;
  • a silicon structure including a cavity is formed by the steps of (a) forming an electron beam resist on a substrate including silicon (Si);
  • Step (a) is a step of forming an electron beam resist on a substrate including silicon (Si).
  • the type of the substrate including silicon is not particularly limited as long as it includes silicon, and an SOI substrate (wafer) may be used in the present invention.
  • the process can be simplified by directly forming the silicon structure on the SOI substrate used in the optical integrated circuit.
  • the electron beam resist has a high electron beam absorptivity
  • PMMA Poly methyl methacrylate
  • ZMP methylstyrene-co-alphachloromethacrylate
  • HQ hydrogen silsesquioxane
  • SML SML
  • AR-P AR-P
  • Step (b) is a step of patterning an electron beam resist to form a base pattern.
  • the patterning of the electron beam resist may be performed using an electron beam (E-beam).
  • E-beam electron beam
  • the pattern may be formed by directly irradiating the E-beam to the substrate on which the electron beam resist is formed in a desired shape. Irradiation of the E-beam may be performed according to a general method in the art.
  • the base pattern formed by the E-beam irradiation may be used as a mask in manufacturing the present pattern.
  • Step (c) is a step of forming the main pattern in which the cavity is formed by etching the substrate including the silicon on which the base pattern is formed in the aforementioned step (b).
  • etching of the substrate may be performed using RIE etching.
  • RIE etching is a dry etching method used for microfabrication with reactive ion etching.
  • a material deposited on the wafer may be removed using a chemically reactive plasma.
  • the silicon layer in the substrate can be patterned by performing RIE etching on the substrate on which the base pattern is formed.
  • the RIE etching may be performed according to a general method in the art.
  • the present pattern is formed by RIE etching, and the present pattern may have a configuration of a silicon structure in which a cavity is formed.
  • Step (d) is a step of removing the electron beam resist.
  • Removal of the electron beam resist may be performed according to a general method in the art.
  • the III-V compound sheet in the present invention comprises the steps of (s1) forming an electron beam resist on a semiconductor wafer;
  • (s4) may be manufactured through the step of removing the electron beam resist.
  • Step (s1) is a step of forming an electron beam resist on a semiconductor wafer.
  • the semiconductor wafer is not particularly limited as long as it contains a III-V compound, and specifically, it may have a layer structure of InP/InAlAs (or InGaAs)/InP/InGaAsP.
  • the electron beam resist has a high electron beam absorptivity, and polymethylmethacrylate (PMMA) may be used as the electron beam resist in the present invention.
  • PMMA polymethylmethacrylate
  • the formation of the electron beam resist may be performed using a general method in the art.
  • Step (s2) is a step of forming a base pattern by patterning the electron beam resist.
  • the patterning of the electron beam resist may be performed using an electron beam (E-beam).
  • E-beam electron beam
  • the pattern may be formed by directly irradiating the E-beam to the substrate on which the electron beam resist is formed in a desired shape. Irradiation of the E-beam may be performed according to a general method in the art.
  • the base pattern formed by the E-beam irradiation may be used as a mask in manufacturing the present pattern.
  • Step (s3) is a step of forming the main pattern by etching the semiconductor on which the base pattern is formed in the aforementioned step (s2).
  • the main pattern may be formed using CAIBE etching, and transfer of the prepared main pattern may be facilitated by etching the lower portion of the main pattern using wet etching.
  • the present pattern may be formed by performing CAIBE etching.
  • the CAIBE etching is chemical assistant ion beam etching, which is a dry etching method.
  • the CAIBE etching is a physical method of converting an inert gas such as Ar into a reactive (or active) gas, and irradiating Ar + formed at this time with an ion beam, and adding halogen molecules such as Cl 2 to the substrate. It is a method combined with a chemical method (chemical aid method) that reacts with Such dry etching may be performed according to a general method in the art, such as inductively couupled plasma-reactive-ion etching (ICP-RIE).
  • ICP-RIE inductively couupled plasma-reactive-ion etching
  • the present pattern is formed by CAIBE etching, and the present pattern may have a sheet shape.
  • wet etching may be performed after performing CAIBE etching.
  • Wet etching may be performed according to a general method in the art. Through the etching, the lower layer of the present pattern is etched, so that the sheet transfer, which will be described later, can be easily performed.
  • the structure of the main pattern may be maintained by forming one or more tethers on the lower layer of the main pattern during etching.
  • Step (s4) is a step of removing the electron beam resist.
  • Removal of the electron beam resist may be performed according to a general method in the art.
  • step (A) is a step of attaching the III-V compound sheet to the PDMS stamp.
  • the surface of the PDMS stamp in contact with the III-V compound sheet is made of polydimethylsiloxane (PDMS), and the III-V compound sheet can be transferred onto the silicon structure by using van der Waals force.
  • PDMS polydimethylsiloxane
  • a III-V compound sheet may be attached to the PDMS stamp.
  • Step (B) is a step of aligning the stamp to which the III-V compound sheet is attached on the silicon structure including the cavity.
  • the III-V compound sheet may be aligned to cover the cavity of the silicon structure.
  • Step (C) is a step of contacting the stamp to which the III-V compound sheet is attached so as to cover the cavity of the silicon structure.
  • the adhesion force between the III-V compound and Si is greater than the adhesion force between PDMS and the III-V compound. Therefore, when the PDMS stamp to which the III-V compound sheet is attached is brought into contact with silicon, it becomes a III-V compound sheet/PDMS/silicon (Si) structure, and the adhesion between the III-V compound and Si is excellent, so III-V The compound sheet may be transferred onto the silicon.
  • Step (D) is a step of separating the stamp from the silicon structure.
  • the III-V compound sheet remains attached to the silicon structure and only the stamp is separated.
  • a micro laser can be manufactured by a simple process by the above-described method. Specifically, in the present invention, the III-V compound sheet is transferred and printed on the silicon structure (ring resonator) implemented in the optical integrated circuit in advance, instead of manufacturing the laser only with quantum well semiconductors with high processing difficulty and high unit cost per unit area. Thus, a laser can be implemented. Therefore, the manufacturing cost of the laser is low, and the possibility of application can be remarkably increased.
  • the micro laser was manufactured as in the process of the schematic diagram shown in FIG. 3 .
  • a silicon structure including a cavity was fabricated on an SOI wafer.
  • a ⁇ 300 nm thick PMMA layer was coated on an SOI wafer (Si/SiO2/Si, each having a thickness of 0.22/3/625 um).
  • PMMA polymers were converted to low molecular weight by irradiating the PMMA layer using an E-beam, and then, a low molecular weight portion was dissolved with a developer to form a basic pattern.
  • the remaining PMMA layer served as a mask, and RIE etching was performed to form the main pattern in which the micro ring cavity was to be formed.
  • the silicon structure including the cavity was completed by removing the PMMA layer.
  • a III-V compound sheet was prepared on a III-V substrate (wafer).
  • a PMMA layer was coated on a III-V substrate (InP/InAlAs(or InGaAs)/InP/InGaAsP).
  • the PMMA layer was patterned using an E-beam to form a base pattern. This pattern was formed using CAIBE etching.
  • the InP layer was etched so that the pattern could be easily detached using wet etching. After that, the PMMA layer was removed.
  • III-V compound sheet and PDMS stamp were aligned.
  • a III-V compound sheet was attached to the PDMS stamp.
  • the stamp was aligned on a silicon structure including a cavity.
  • the III-V compound sheet was transferred onto the silicon structure.
  • the stamp was separated from the silicon structure.
  • FIGS. 4 and 5 show a micro laser manufactured according to an embodiment of the present invention. As shown in FIGS. 4 and 5 , a micro-laser to which various III-V compound sheets are transferred can be manufactured, and the laser can be oscillated even in a structure in which the difference between the center of the sheet and the center of the cavity is large.
  • FIG. 6 shows a photograph and a schematic diagram of an experimental measurement setup for measuring the resonance mode of the micro laser, and the resonance mode of the micro laser was measured in the setup device.
  • a near-infrared (NIR) reflectometer was used.
  • NIR near-infrared
  • a 50 magnification lens (Olympus LCPLN50XIR) of 0.65 NA was used.
  • a 980 nm wavelength laser was used as a pumping laser by irradiating it in the patch laser resonance mode with a pulse repetition frequency of 1 MHz and a pulse width of 50 ns.
  • the manufactured laser absorbs a pump beam with a wavelength of 980 nm and oscillates the laser near 1500 nm.
  • the laser image that passed through the objective lens was sent to the NIR CCD (320HX-1.7RT) for half through a beam splitter to measure the lasing image, and the other half was measured with a monochromator (DigiKrom DK480 1/2 meter) for spectrum measurement. are sent The intensity of the monochromatic light emitted through the monochromator was measured using an fW NIR Detector to obtain a laser spectrum.
  • the measurement results of the resonance mode are shown in FIG. 7 .
  • Example 7 shows the simulation results of the resonance mode generated in the micro-laser manufactured in Example 1 (when a rectangular III-V compound sheet twice larger than the diameter of the silicon structure is transferred);
  • the photo on the left shows the electric field strength in the resonance mode at the cut surface corresponding to the middle height of the sheet.
  • the photo on the right shows the electric field strength of the resonance mode in a longitudinal section passing through the midpoint of the silicon structure.
  • the red line indicates the region corresponding to the sheet, and it can be seen that light is effectively focused by the silicon structure attached to the lower surface even in the region where the same medium is continuously distributed.
  • the intensity of the pump beam incident on the laser was adjusted to measure the characteristics of the laser according to the degree of light pumping.
  • the magnitude of the DC voltage applied for oscillation of the pump laser was adjusted between 0 and 5V.
  • the intensity of the output laser is determined in proportion to the magnitude of the applied voltage, and the conditions of 1 MHz pulse repetition frequency and 50 ns pulse width were maintained the same.
  • Other measurement methods are the same as in Experimental Example 1.
  • NIR near-infrared
  • a 50 magnification lens (Olympus LCPLN50XIR) of 0.65 NA was used.
  • a 980 nm wavelength laser was used as a pumping laser by irradiating it in a patch laser resonance mode with a pulse repetition frequency of 1 MHz and a pulse width of 50 ns.
  • the lasing image of the patch laser in the reflected image was observed using a NIR CCD (320HX-1.7RT).
  • the spectrum of the laser can be measured through the fW NIR Detector with the monochromatic light emitted through a monochromator (DigiKrom DK480 1/2 meter).
  • FIG. 8 a and b show the silicon structure and the micro-laser prepared in Example 1.
  • c and d were measured as a result of applying light pumping to the micro laser.
  • c is a PL image of the micro laser appearing in weak light pumping, and it can be confirmed that the silicon structure under the sheet contributes to the optical mode formation when light pumping is applied to the micro laser.
  • d is a lasing image of the micro laser, and when sufficient light pumping is applied, it can be confirmed that lasing occurs as in d.
  • FIG. 9 shows a PL image and a lasing image of a micro laser in the form in which the III-V compound sheet of various shapes is transferred.
  • lasing may occur even in a micro-laser to which various III-V compound sheets are transferred, and a structure in which the center of the sheet and the center of the cavity have a large difference.
  • FIG. 10 shows the spectrum and L-L curve according to the light pumping intensity of the micro laser.
  • FIG. 10 shows the laser characteristics measured by the micro laser.
  • lasing with a FWHM of about 0.3 nm was observed, and the LL curve showing the output according to the light pumping intensity shows the characteristic of a laser in which the output increases linearly above the threshold. can confirm.
  • a laser can be realized by transferring and printing a sheet (III-V compound sheet) made of a quantum well semiconductor having an arbitrary shape on a silicon structure including a cavity manufactured on a silicon substrate (wafer).
  • the sheet itself is a simple structure that cannot trap enough light to make a laser, but a structure (ie, a micro-laser) that is transferred and printed on a silicon structure can act as a resonator sufficient to make a laser.

Abstract

본 발명은 광 집적회로의 필수적인 광원인 마이크로 레이저를 전사인쇄 기술을 이용하여 효율적으로 구현하는 기술에 관한 것이다. 본 발명에서는 실리콘 기판(웨이퍼) 위에서 제작한 캐비티를 포함하는 실리콘 구조체 위에 임의의 모양을 갖는 양자우물 반도체로 만들어진 시트(Ⅲ-Ⅴ 화합물 시트)를 전사인쇄하여 레이저를 구현할 수 있다. 시트 자체는 레이저를 만들기에 충분한 빛을 가둘 수 없는 간단한 구조이지만, 이를 실리콘 구조체 위에 전사인쇄한 구조체는 레이저를 만들기에 충분한 공진기로 동작할 수 있다.

Description

광 집적회로 결합을 위한 전사인쇄된 마이크로 패치 레이저
본 발명은 광 집적회로의 필수적인 광원인 마이크로 레이저를 전사인쇄 기술을 이용하여 효율적으로 구현하는 기술에 관한 것이다.
최근 광 기술에서 광 부품을 전자 집적회로인 IC칩처럼 작은 공간 내에 광 스윗칭, 연산 등을 목적으로 하는 광 부품을 집적시키는 광 집적회로 기술들이 빠르게 개발되고 있다.
이때의 광원은 내부의 집적회로에 쓸 수 있는 마이크로 크기의 레이저로서 이를 마이크로 레이저라고 한다. 마이크로 레이저는 반도체 레이저의 일종으로 두께가 수 마이크로 미터 이내이며 레이저 파장이 1-2 개의 파장을 가지며, 평면의 가로와 세로는 수십에서 수백 마이크로미터 크기의 넓은 디스크 형태의 레이저로, 평면으로 레이저가 발진한다.
기존의 마이크로 레이저들은 양자 우물 반도체를 III-V 물질로 사용하고, 이 물질을 주로 이용해 직접 공진기를 제작하는 방식을 주로 사용하였다. 이는 가장 직관적인 방식이며 양자 우물 반도체의 광 이득을 가장 효율적으로 이용하는 방법이다.
그러나, 상기 방법은 일반적인 실리콘 제작 공정보다 복잡하고 비싼 공정 과정을 거쳐야만 한다. 또한, 광 집적회로에 반도체 레이저를 구현하기 위해서는 실리콘 웨이퍼 위에 양자 우물 반도체를 플라즈마 접합 방식 등을 사용하여 접합한 후, 공진기 구조를 제작해야 한다. 전체 광 집적회로 중 광원인 마이크로 레이저가 차지하는 부피는 매우 작으므로, 이러한 방법은 레이저에 직접 사용되지 않는 양자 우물 반도체의 대부분 영역이 낭비되어 큰 비용 손실이 발생할 우려가 있다.
따라서, 마이크로 레이저를 제조하기 위한 새로운 방법을 필요로 한다.
본 발명은 광 집적회로의 필수적인 광원인 마이크로 레이저를 전사인쇄 기술을 이용하여 효율적으로 구현하는 기술을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 빛을 가둘 수 있는 캐비티를 포함하는 실리콘 구조체; 및
상기 실리콘 구조체 상에 형성되며, 상기 캐비티를 덮는 Ⅲ-Ⅴ 화합물 시트를 포함하는 마이크로 레이저를 제공한다.
또한, 본 발명은 (A) PDMS 스탬프에 Ⅲ-Ⅴ 화합물 시트를 부착시키는 단계;
(B) 상기 PDMS 스탬프를 캐비티를 포함하는 실리콘 구조체 상에 얼라인시키는 단계;
(C) 상기 PDMS 스탬프를 상기 실리콘 구조체의 캐비티를 덮도록 접촉시킨 후, 상기 Ⅲ-Ⅴ 화합물 시트를 실리콘 구조체 상에 전사시키는 단계; 및
(D) 상기 PDMS 스탬프를 실리콘 구조체로부터 분리시키는 단계를 포함하는 마이크로 레이저의 제조 방법을 제공한다.
본 발명에서는 실리콘 기판(웨이퍼) 위에서 제작한 캐비티를 포함하는 실리콘 구조체 위에 임의의 모양을 갖는 양자우물 반도체로 만들어진 시트(Ⅲ-Ⅴ 화합물 시트)를 전사인쇄하여 레이저를 구현할 수 있다. 시트 자체는 레이저를 만들기에 충분한 빛을 가둘 수 없는 간단한 구조이지만, 이를 실리콘 구조체 위에 전사인쇄한 구조체(즉, 마이크로 레이저)는 레이저를 만들기에 충분한 공진기로 동작할 수 있다.
Ⅲ-Ⅴ 화합물 시트는 실리콘 구조체보다 크다면 어떠한 형태이든 레이저 구현이 가능하므로, 비싸고 복잡한 Ⅲ-Ⅴ 반도체의 공정을 최소화하여 마이크로 레이저를 제작할 수 있다. 또한, 레이저 구현을 위한 최소 크기의 패치만 전사시켜 레이저 구현이 가능하므로 Ⅲ-Ⅴ 반도체의 손실을 최소화할 수 있다. 또한, 레이저와 광 직접회로 제작의 자유도를 증가시키고 제작 단가를 낮출 수 있다. 또한, 적절한 Ⅲ-Ⅴ 화합물 시트 형태를 이용한다면 지향성 광 방출이나 주변 소자와의 결합효율 등을 제어할 수 있을 것으로 기대된다.
도 1에서 (a) 및 (b)는 광 집적회로에 전사인쇄된 사각형 마이크로 패치 레이저와 그 단면도를 나타내고, (c) 및 (d)는 광 집적회로에 전사인쇄된 임의의 마이크로 패치 레이저와 그 단면도를 나타낸다.
도 2는 전사인쇄 공정을 나타내는 모식도이다.
도 3은 마이크로 레이저의 제작 과정을 나타내는 모식도로, (a)는 실리콘 구조체의 제작 과정, (b)는 Ⅲ-Ⅴ 화합물 시트의 제작 과정, (c)는 실리콘 구조체 위에 Ⅲ-Ⅴ화합물 시트를 전사하는 과정을 나타낸다.
도 4 및 5는 전사인쇄 공정을 통해 제조된 마이크로 레이저를 나타낸다.
도 6은 마이크로 레이저의 공진모드를 측정하기 위한 실험 측정 셋업 사진(a) 및 모식도(b)를 나타낸다.
도 7은 전사인쇄된 마이크로 패치 공진기의 공진모드로서, (a) 상면도 및 (b) 단면도를 나타낸다.
도 8 및 9는 마이크로 레이저의 이미지로, 도 8에서 a는 실리콘 구조체, b는 Ⅲ-Ⅴ 화합물 시트가 전사된 형태를 나타낸다. c는 약한 광 펌핑에서 나타나는 마이크로 레이저의 PL 이미지, d는 마이크로 레이저의 레이징 이미지를 나타낸다.
또한, 도 9는 다양한 모양의 Ⅲ-Ⅴ 화합물 시트가 전사된 형태에서의 마이크로 레이저의 PL 이미지 및 레이징 이미지를 나타낸다.
도 10은 제작된 마이크로 레이저의 광 펌핑 강도에 따른 스펙트럼과 L-L 곡선을 나타낸다.
도 11은 Ⅲ-Ⅴ 화합물 시트 구조의 높은 자유도를 나타낸다.
본 발명은 빛을 가둘 수 있는 캐비티를 포함하는 실리콘 구조체; 및
상기 실리콘 구조체 상에 형성되며, 상기 캐비티를 덮는 Ⅲ-Ⅴ 화합물 시트를 포함하는 마이크로 레이저에 관한 것이다.
종래 마이크로 레이저는 양자 우물 반도체로 Ⅲ-Ⅴ 화합물을 사용하고, 상기 화합물을 이용하여 직접 공진기를 제작하는 방식을 통해 제조되었으나, 이는 공정 난도가 높으며 단위면적당 단가가 높은 Ⅲ-Ⅴ 화합물을 효율적으로 사용하지 못한다는 단점을 가진다. 본 발명에서는 상기 문제점을 해결하여 광 직접회로에 미리 구현된 실리콘 구조체에 Ⅲ-Ⅴ 화합물 시트를 형성하여 마이크로 레이저를 구현할 수 있으며, 이를 통해 레이저의 제작 단가를 낮추고, 마이크로 레이저의 응용 가능성을 획기적으로 높일 수 있다.
이하, 본 발명에 따른 마이크로 레이저를 보다 상세하게 설명한다.
본 발명에서 "광 집적회로(PIC: photonic integrated circuit)"는 광 소자들을 모놀리딕(monolithic) 혹은 하이브리드(hybrid)로 집적화한 소자를 의미한다. 상기 광 직접소자는 광원으로서 본 발명에 따른 마이크로 레이저(마이크로 패치 레이저라 표현할 수 있다.)를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 마이크로 레이저는 캐비티를 포함하는 실리콘 구조체; 및 상기 실리콘 구조체 상에 형성되며, 상기 캐비티를 덮는 Ⅲ-Ⅴ 화합물 시트를 포함한다.
본 발명에 따른 마이크로 레이저는 Ⅲ-Ⅴ 화합물 시트가 실리콘 구조체 상에 형성되어 레이저 발진을 위한 충분한 품위 값을 가질 수 있다.
본 발명에서 실리콘 구조체는 상기 구조체 내부에 캐비티가 형성되어 빛을 가둘 수 있으며, 공진기의 역할을 할 수 있다.
상기 공진기는 공진현상(특정 진동수를 가진 물체가 같은 진동수의 힘이 외부에서 가해질 때 진폭이 커지면서 에너지가 증가하는 현상)을 이용하여 특정 진동수의 전자기파나 빛을 일정 시간 동안 가두는 장치를 의미한다.
일 구체예에서, 캐비티의 형상은 빛을 가둘 수 있다면 특별히 제한되지 않으며, 예를 들어 원기둥의 구조를 가질 수 있다. 또한, 실리콘 구조체의 외부 형상 역시 특별히 제한되지 않으며, 캐비티의 형상과 동일하게 하여, 실리콘 구조체의 벽 두께를 일정하게 하는 것이 좋다.
일 구체예에서, 캐비티의 형상은 원기둥의 구조를 가질 수 있으며, 실리콘 구조체의 외부 형상도 원기둥의 구조를 가질 수 있다. 이 경우, 실리콘 구조체를 상면에서 보면 링(고리) 구조를 띄게 된다. 따라서, 본 발명에서는 실리콘 구조체를 링 공진기라 표현할 수 있다.
일 구체예에서, 실리콘 구조체는 마이크로 링을 포함한 임의의 폐곡선 구조를 가질 수 있으며, 곡률 반경의 변화가 급격하지 않는 외형을 가질 수 있다.
일 구체예에서, 실리콘 구조체의 벽 두께는 0.1 내지 1.55 um, 100 내지 1000 nm 또는 100 내지 300 nm일 수 있다. 상기 두께는 1540 nm 통신파장을 기준으로 할 수 있다. 상기 실리콘 구조체의 두께가 너무 얇으면 Ⅲ-Ⅴ 화합물 시트를 지지하기 어려울 뿐만 아니라, 실리콘 구조체와 Ⅲ-Ⅴ 화합물 시트의 계면에서 생기는 모드의 손실이 커질 우려가 있다. 또한, 두께가 1.55 um를 초과하면, gain 영역이 모드의 너무 끝단에 겹치게 되어 confinement factor(제한율)이 너무 낮아져 성능이 낮아질 우려가 있다.
또한, 캐비티의 크기는 1 내지 500 um, 1 내지 200 um 또는 1 내지 100 um일 수 있다. 이때, 캐비티의 크기는 상기 캐비티가 원기둥 구조일 경우 고리의 지름을 의미하며, 다른 구조일 경우 캐비티 바닥에서 중심을 지나는 직선 중 가장 긴 것의 길이를 의미할 수 있다. 상기 실리콘 구조체의 벽 두께 및 캐비티 크기에서 공진 현상이 우수하며, 광 집적회로에 적용 가능한 레이저의 발생이 가능하다. 또한, 본 발명에서는 목적하는 레이저 피장에 따라 상기 캐비티의 구조를 변화시킬 수 있다.
본 발명에서 Ⅲ-Ⅴ 화합물 시트는 공진기, 즉 실리콘 구조체 내부의 캐비티에 가둔 빛을 증폭시키는 역할을 수행한다.
상기 Ⅲ-Ⅴ 화합물 시트 자체는 광 이득을 가질 뿐 빛을 충분히 가두지 못하지만, 전술한 실리콘 구조체와 결합한 형태에서는 레이저에 사용되기에 충분할 만큼의 빛을 가둘 수 있다.
상기 Ⅲ-Ⅴ 화합물 시트는 전술한 실리콘 구조체를 덮도록 형성되어, 상기 실리콘 구조체가 공진기로서 작동하도록 할 수 있다.
일 구체예에서, Ⅲ-Ⅴ 화합물은 GaN, InN, AlN, AlGaN, InGaN, AlGaInN, GaAs 및 InGaAsP로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다.
일 구체예에서, Ⅲ-Ⅴ 화합물 시트의 두께는 0.01 내지 1.55 um, 100 내지 1000 nm 또는 100 내지 200 nm일 수 있다. 상기 두께는 1540 nm 통신파장을 기준으로 할 수 있다. 상기 Ⅲ-Ⅴ 화합물 시트의 두께가 1.55 um를 초과하면, 실리콘 구조체와 Ⅲ-Ⅴ 화합물 시트의 계면에서 생기는 모드가 Ⅲ-Ⅴ 화합물 시트로 손실이 크게 발생할 우려가 있다.
일 구체예에서, 실리콘 구조체의 벽 두께 및 Ⅲ-Ⅴ 화합물 시트의 두께의 합은 3 um 이하, 1 um 이하, 또는 500 nm이하일 수 있다. 상기 두께 범위에서 세로 방향으로 생기는 고차모드로 인한 손실을 최소화할 수 있다.
일 구체예에서, Ⅲ-Ⅴ 화합물 시트의 형태는 실리콘 구조체를 포함하는 크기를 가진다면 특별히 제한되지 않으며, 공정 편의상 사각형의 형태를 가질 수 있다. 시트의 형태에 무관하게 레이저의 구현이 가능하나, 적절한 시트의 모양은 레이저의 성능을 제어하는데 사용될 수 있다.
일 구체예에서, Ⅲ-Ⅴ 화합물 시트는 실리콘 구조체를 1/5 λ 이상 커버할 수 있다. 본 발명에서 X margin은 실리콘 구조체의 끝단과 Ⅲ-Ⅴ 화합물 시트의 끝단 사이 거리를 의미한다(도 11). 상기 1/5 λ 이상 커버할 경우, 즉, X margin이 1/5 λ 이상일 경우, 큰 손실 없이 공진모드가 유지될 수 있다. 이에 따라, 시트를 원하는 크기의 아일랜드 형태로 제작할 수 있으며, 낭비되는 Ⅲ-Ⅴ 화합물을 최소화할 수 있다. 상기 X margin은 1 λ 이상, 5 λ 이상, 10 λ 이상 또는 50 λ 이상일 수 있으며, 그 상한은 100 λ일 수 있다. 또한, 상기 X margin은 1540 nm 통신파장을 기준으로 0.3 um 이상, 1 um 이상, 10 um 이상 또는 50 um 이상일 수 있으며, 그 상한은 150 um일 수 있다.
일 구체예에서, 하나의 Ⅲ-Ⅴ 화합물 시트가 둘 이상의 실리콘 구조체 상에 형성될 수 있다.
본 발명에 따른 마이크로 레이저에서, Ⅲ-Ⅴ 화합물 시트가 형성된 실리콘 구조체 각각은 레이저로서 구동할 수 있다. 실리콘 구조체의 내부, 즉 캐비티 공간에 해당하는 영역 상의 Ⅲ-Ⅴ 화합물 시트는 레이저의 성능에 영향을 주지 않으며, 따라서, 시트에 구멍을 뚫거나 후술할 전사인쇄에 응용할 수 있도록 Align mark를 제조하는 것도 가능하다. 또한, 실리콘 구조체 바깥쪽 영역에 임의의 형태를 가공해도 레이저로서 동작할 수 있다.
본 발명에 따른 마이크로 레이저는 외부로부터 에너지를 흡수하여 레이저광을 발생시킬 수 있다.
본 발명에서 도 1은 본 발명의 일례에 따라 제조 가능한 마이크로 레이저의 도면(a 및 c) 및 단면도(b 및 d)를 나타낸다. 상기 도 1에서 도면 a의 단면도는 b이고, 도면 c의 단면도는 d이다.
상기 도 1에 나타난 바와 같이, 본 발명에 따른 마이크로 레이저는 실리콘 구조체를 Ⅲ-Ⅴ 화합물 시트가 덮는 구조를 가질 수 있으며, 시트의 모양은 제한되지 않음을 확인할 수 있다. 즉, 사각형 형태의 시트는 물론 임의의 형태를 가지는 시트 역시 레이저 발진이 가능하다.
본 발명에서 마이크로 레이저는 TM 모드(transverse magnetic mode)로 발진할 수 있다. TM 모드는 Ⅲ-Ⅴ 화합물 시트와 실리콘과 Ⅲ-Ⅴ 화합물 시트가 결합된 부분과의 유효굴절률 차이가 크기 때문에 작은 반경에도 적은 손실로 공진 모드를 형성할 수 있다.
일 구체예에서 마이크로 레이저의 제한율(Confinement factor)은 10 내지 40% 또는 15 내지 25%일 수 있다.
본 발명에 따른 마이크로 레이저는 다양한 분야에 응용될 수 있다. 예를 들면, 광원을 마이크로 레이저로 구현함으로써 초고속, 저전력화 및 소형화된 온칩형 포토닉 IC(On-chip photonic IC)를 제작할 수 있다. 또한, 마이크로 레이저를 광신호 전달 수단으로 사용하게 되면 고속의 데이터 전송이 가능해지며, 또한 고속으로 신호를 전달할 수 있고 발열문제를 해결할 수 있는 광학적 TSV(ThroughSilicon Via)를 실현할 수 있다. 그리고, 상기 마이크로 레이저는 CMOS와 호환될 수 있는 고정밀 및 고속의 광학적 클럭 소스(clock source)로도 응용될 수 있다.
또한, 본 발명은 전술한 마이크로 레이저의 제조 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 마이크로 레이저의 제조 방법은 실리콘 구조체를 제조하는 단계; Ⅲ-Ⅴ 화합물 시트를 제조하는 단계; 및 상기 실리콘 구조체 상에 캐비티를 덮도록 Ⅲ-Ⅴ 화합물 시트를 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명에서는 전사인쇄 기술을 사용하여 마이크로 레이저를 제조할 수 있으며, Ⅲ-Ⅴ 화합물 시트의 형태에 상관없이 인쇄를 수행할 수 있다.
본 발명에서 도 2는 전사인쇄 기술을 나타내는 모식도이다. 전사인쇄 기술은 실리콘, Ⅲ-Ⅴ 화합물과 같이 격자상수가 서로 다른 물질을 열처리 없이 쉽게 전사할 수 있는 기술이다. 전사인쇄 기술의 가장 기본적인 원리는 서로 물질 간의 부착력의 차이를 이용하는 것이다. Ⅲ-Ⅴ 화합물과 Si 간의 부착력은 PDMS와 Ⅲ-Ⅴ 화합물 간의 부착력보다 더 크기 때문에, PDMS, Ⅲ-Ⅴ, Si 순으로 나란히 부착되었을 때 수직방향 힘을 가함으로써 상기 PDMS 만을 쉽게 떼어낼 수 있다. 상기 원리를 이용하여, Ⅲ-Ⅴ 화합물이 접착된 PDMS 스탬프를 실리콘 광 집적회로 위 전사하려는 곳으로 이동·결합한 후, PDMS 스탬프를 떼어냄으로써 Ⅲ-Ⅴ 화합물만을 회로 위에 전사할 수 있다. 즉, 전사인쇄 기술을 통해 마이크로미터 이하 수준의 정확도로 Ⅲ-Ⅴ 화합물 시트를 원하는 곳에 전사할 수 있다.
구체적으로 본 발명에 따른 제조 방법은 (A) PDMS 스탬프에 Ⅲ-Ⅴ 화합물 시트를 부착시키는 단계;
(B) 상기 PDMS 스탬프를 캐비티를 포함하는 실리콘 구조체 상에 얼라인시키는 단계;
(C) 상기 PDMS 스탬프를 상기 실리콘 구조체의 캐비티를 덮도록 접촉시킨 후, 상기 Ⅲ-Ⅴ 화합물 시트를 실리콘 구조체 상에 전사시키는 단계; 및
(D) 상기 PDMS 스탬프를 실리콘 구조체로부터 분리시키는 단계를 포함할 수 있다.
일 구체예에서, 캐비티를 포함하는 실리콘 구조체는 (a) 실리콘(Si)을 포함하는 기판 상에 전자빔 레지스트를 형성하는 단계;
(b) 상기 전자빔 레지스트를 패터닝하여 기초 패턴을 형성하는 단계;
(c) 상기 기초 패턴이 형성된 실리콘을 포함하는 기판을 에칭하여 캐비티가 형성된 본 패턴을 형성하는 단계; 및
(d) 전자빔 레지스트를 제거하는 단계를 통해 제조될 수 있다.
단계 (a)는 실리콘(Si)을 포함하는 기판 상에 전자빔 레지스트를 형성하는 단계이다.
일 구체예에서 실리콘을 포함하는 기판의 종류는 실리콘을 포함한다면 특별히 제한되지 않으며, 본 발명에서는 SOI 기판(웨이퍼)을 사용할 수 있다. 구체적으로, 본 발명에서는 광 집적회로에 사용되는 SOI 기판 상에 실리콘 구조체를 직접 형성함으로써 공정을 간소화할 수 있다.
일 구체예에서, 전자빔 레지스트는 높은 전자빔 흡수율을 가지며, 본 발명에서는 전자빔 레지스트로 폴리메틸메싸크릴레이트(PMMA, Poly methyl methacrylate), 메틸스티렌-co-알파클로로메타크릴레이트(ZEP, methylstyrene-co-alphachloromethacrylate), 수소-실세스퀴옥산(HSQ, hydrogen silsesquioxane), SML 및 AR-P로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상을 사용할 수 있다. 상기 전자빔 레지스트의 형성은 당업계의 일반적인 방법을 사용하여 수행할 수 있다.
단계 (b)는 전자빔 레지스트를 패터닝하여 기초 패턴을 형성하는 단계이다.
일 구체예에서, 전자빔 레지스트의 패터닝은 E-빔(electron beam)을 사용하여 수행할 수 있다. 구체적으로, E-빔을 직접 원하는 모양대로 전자빔 레지스트가 형성된 기판에 조사하여 패턴을 형성할 수 있다. 상기 E-빔의 조사는 당업계의 일반적인 방법에 따라 수행될 수 있다.
일 구체예에서, 상기 E-빔 조사에 의해 형성된 기초 패턴은 본 패턴의 제조 시 마스크로서 사용될 수 있다.
단계 (c)는 전술한 단계 (b)에서 기초 패턴이 형성된 실리콘을 포함하는 기판을 에칭하여 캐비티가 형성된 본 패턴을 형성하는 단계이다.
일 구체예에서, 기판의 에칭은 RIE 에칭을 사용하여 수행할 수 있다. RIE 에칭은 반응성 이온 에칭(Reactive Ion Etching)으로 미세 가공에 사용되는 건식 에칭 방법이다. 상기 RIE 에칭에서는 화학적 반응성 플라즈마를 사용하여 웨이퍼에 증착된 물질을 제거할 수 있다. 구체적으로, 본 발명에서는 기초 패턴이 형성된 기판에 RIE 에칭을 수행하여 기판 중의 규소층을 패턴화할 수 있다. 상기 RIE 에칭은 당업계의 일반적인 방법에 따라 수행될 수 있다.
일 구체예에서, RIE 에칭에 의해 본 패턴이 형성되며, 상기 본 패턴은 캐비티가 형성된 실리콘 구조체의 구성을 가질 수 있다.
단계 (d)는 전자빔 레지스트를 제거하는 단계이다.
상기 전자빔 레지스트의 제거는 당업계의 일반적인 방법에 따라 수행될 수 있다.
본 발명에서 Ⅲ-Ⅴ 화합물 시트는 (s1) 반도체 웨이퍼 상에 전자빔 레지스트를 형성하는 단계;
(s2) 상기 전자빔 레지스트를 패터닝하여 기초패턴을 형성하는 단계;
(s3) 상기 기초 패턴이 형성된 반도체를 에칭하여 본패턴을 형성하는 단계; 및
(s4) 전자빔 레지스트를 제거하는 단계를 통해 제조될 수 있다.
단계 (s1)은 반도체 웨이퍼 상에 전자빔 레지스트를 형성하는 단계이다.
본 발명에서 반도체 웨이퍼는 Ⅲ-Ⅴ 화합물을 포함한다면 특별히 제한되지 않으며, 구체적으로 InP/InAlAs(또는 InGaAs)/InP/InGaAsP의 층 구조를 가질 수 있다.
일 구체예에서, 전자빔 레지스트는 높은 전자빔 흡수율을 가지며, 본 발명에서는 전자빔 레지스트로 PMMA(polymethylmethacrylate)를 사용할 수 있다. 상기 전자빔 레지스트의 형성은 당업계의 일반적인 방법을 사용하여 수행할 수 있다.
단계 (s2)는 전자빔 레지스트를 패터닝하여 기초패턴을 형성하는 단계이다.
일 구체예에서, 전자빔 레지스트의 패터닝은 E-빔(electron beam)을 사용하여 수행할 수 있다. 구체적으로, E-빔을 직접 원하는 모양대로 전자빔 레지스트가 형성된 기판에 조사하여 패턴을 형성할 수 있다. 상기 E-빔의 조사는 당업계의 일반적인 방법에 따라 수행될 수 있다.
일 구체예에서, 상기 E-빔 조사에 의해 형성된 기초 패턴은 본 패턴의 제조 시 마스크로서 사용될 수 있다.
단계 (s3)는 전술한 단계 (s2)에서 기초 패턴이 형성된 반도체를 에칭하여 본 패턴을 형성하는 단계이다. 상기 단계에서는 CAIBE 에칭을 이용하여 본 패턴을 형성할 수 있으며, 또한 습식(wet) 에칭을 사용하여 본 패턴 하부를 식각함으로써 상기 제조된 본 패턴의 전사를 용이하게 할 수 있다.
일 구체예에서, CAIBE 에칭을 수행하여 본 패턴을 형성할 수 있다. 상기 CAIBE 에칭은 화학 보조 이온빔 에칭(Chemical Assistant Ion Beam Etching)으로, 건식 에칭 방법이다. 상기 CAIBE 에칭은 Ar 등과 같은 비활성 기체(Inert Gas)를 반응성(혹은 활성) 기체(Reactive Gas)로 변환하여 이때 형성된 Ar+를 이온빔으로 쏘아주는 물리적인 방식과 Cl2와 같은 할로겐 분자를 첨가하여 기판과 반응하는 화학적 방식(화학 보조 방식)이 결합된 방식이다. 이러한 건식 에칭은 ICP-RIE(Inductively couupled plasma - reactive-ion etching)와 같이 당업계의 일반적인 방법에 따라 수행될 수 있다.
일 구체에에서, CAIBE 에칭에 의해 본 패턴이 형성되며, 상기 본 패턴은 시트 형태를 가질 수 있다.
또한, 일 구체예에서, CAIBE 에칭을 수행한 후 습식(wet) 에칭을 수행할 수 있다. 습식 에칭은 당업계의 일반적인 방법에 따라 수행될 수 있다. 상기 에칭을 통해 본 패턴의 하부층이 식각되어 후술한 시트의 전이가 용이하게 수행될 수 있다.
일 구체예에서, 식각시 본 패턴의 하부층에 하나 이상의 테더(thther)를 형성하여 본 패턴의 구조를 유지시킬 수 있다.
단계 (s4)는 전자빔 레지스트를 제거하는 단계이다.
상기 전자빔 레지스트의 제거는 당업계의 일반적인 방법에 따라 수행될 수 있다.
본 발명에서 단계 (A)는 PDMS 스탬프에 Ⅲ-Ⅴ 화합물 시트를 부착시키는 단계이다.
일 구체예에서, PDMS 스탬프는 Ⅲ-Ⅴ 화합물 시트와 접촉하는 면이 PDMS(polydimethylsiloxane)로 구성되며, 반데르발스 힘을 이용하여 Ⅲ-Ⅴ 화합물 시트를 실리콘 구조체 상에 전사시킬 수 있다.
일 구체예에서, 상기 단계에서는 전술한 Ⅲ-Ⅴ 화합물 시트의 제조 방법에 의해 제조된 Ⅲ-Ⅴ 화합물 시트 상에 PDMS 스탬프를 얼라인시키고, 상기 Ⅲ-Ⅴ 화합물 시트 및 PDMS 스탬프를 접촉시키켜, 상기 PDMS 스탬프에 Ⅲ-Ⅴ 화합물 시트를 부착시킬 수 있다.
단계 (B)는 Ⅲ-Ⅴ 화합물 시트가 부착된 스탬프를 캐비티를 포함하는 실리콘 구조체 상에 얼라인시키는 단계이다.
상기 단계에서는 Ⅲ-Ⅴ 화합물 시트가 실리콘 구조체의 캐비티를 덮을 수 있도록 얼라인 시킬 수 있다.
단계 (C)는 Ⅲ-Ⅴ 화합물 시트가 부착된 스탬프를 상기 실리콘 구조체의 캐비티를 덮도록 접촉시키는 단계이다.
Ⅲ-Ⅴ 화합물과 Si 간의 부착력은 PDMS와 Ⅲ-Ⅴ 화합물 간의 부착력보다 더 크다. 따라서, Ⅲ-Ⅴ 화합물 시트가 부착된 PDMS 스탬프를 실리콘에 접촉시키면, Ⅲ-Ⅴ 화합물 시트/PDMS/실리콘(Si)의 구조가 되고, Ⅲ-Ⅴ 화합물과 Si 간의 부착력이 우수하므로, Ⅲ-Ⅴ 화합물 시트는 실리콘 상에 전사될 수 있다.
단계 (D)는 스탬프를 실리콘 구조체로부터 분리시키는 단계이다.
상기 단계에서 실리콘 구조체로부터 PDMS 스탬프를 떼어내면 Ⅲ-Ⅴ 화합물 시트는 실리콘 구조체에 부착된 상태로 존재하고 스탬프만 분리된다.
이를 통해 마이크로 레이저를 제조할 수 있다.
본 발명에서는 전술한 방법으로 간단한 공정으로 마이크로 레이저를 제조할 수 있다. 구체적으로, 본 발명에서는 마이크로 레이저를 공정 난도가 높으며 단위면적당 단가가 높은 양자 우물 반도체로만 레이저를 제작하지 않고, 광 집적회로에 미리 구현된 실리콘 구조체(링 공진기)에 III-V 화합물 시트를 전사인쇄하여 레이저를 구현할 수 있다. 따라서, 레이저의 제작 단가가 낮으며, 응용 가능성을 획기적으로 높일 수 있다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
실시예
실시예 1. 마이크로 레이저 제조
본 발명에서 마이크로 레이저는 도 3에 개시된 모식도의 과정과 같이 제작하였다.
(1) 실리콘 구조체 제작
SOI 기판(wafer) 상에 캐비티를 포함하는 실리콘 구조체를 제작하였다.
먼저, SOI 웨이퍼(Si/SiO2/Si, 각각의 두께는 0.22/3/625 um) 상에 ~ 300 nm 두께의 PMMA 층을 코팅하였다. E-빔(beam)을 사용하여 상기 PMMA 층에 조사하여 PMMA 고분자들을 저분자로 전환시켰으며, 이후 현상액으로 저분자 부분을 녹여서 기초 패턴을 형성하였다. 남은 PMMA층이 마스크 역할을 하고, RIE 식각(etching)을 수행하여 마이크로 링 캐비티가 형성될 본 패턴을 형성하였다. PMMA 층을 제거하여 캐비티를 포함한 실리콘 구조체를 완성하였다.
(2) III-V 화합물 시트 제작
III-V 기판(wafer) 상에 III-V 화합물 시트를 제작하였다.
먼저, III-V 기판(InP/InAlAs(or InGaAs)/InP/InGaAsP) 상에 PMMA 층을 코팅하였다. E-빔(beam)을 사용하여 상기 PMMA 층을 패터닝하여 기초 패턴을 형성하였다. CAIBE 에칭(etching)을 이용하여 본 패턴을 형성하였다. 습식 에칭(wet etching)을 이용하여 본 패턴이 용이하게 탈착될 수 있도록 InP 층을 식각하였다. 그 후, PMMA 층을 제거하였다.
(3) 마이크로 레이저 제조
III-V 화합물 시트 및 PDMS 스탬프를 얼라인시켰다.
상기 PDMS 스탬프에 Ⅲ-Ⅴ 화합물 시트를 부착시켰다.
상기 스탬프를 캐비티를 포함하는 실리콘 구조체 상에 얼라인시켰다.
상기 스탬프를 상기 실리콘 구조체의 캐비티를 덮도록 접촉시킨 후, 상기 Ⅲ-Ⅴ 화합물 시트를 실리콘 구조체 상에 전사시켰다.
스탬프를 실리콘 구조체로부터 분리시켰다.
도 4 및 5는 본 발명의 실시예에 따라 제조된 마이크로 레이저를 나타낸다. 상기 도 4 및 5에 나타난 바와 같이, 다양한 Ⅲ-Ⅴ 화합물 시트가 전사된 마이크로 레이저를 제조할 수 있으며, 상기 시트의 중심과 캐비티의 중심 차이가 많이 나는 구조에서도 레이저가 발진될 수 있다.
실험예 1. 마이크로 레이저의 공진모드 측정
(1) 방법
도 6은 마이크로 레이저의 공진모드를 측정하기 위한 실험 측정 셋업 사진 및 모식도를 나타낸 것으로, 마이크로 레이저의 공진모드는 상기 셋업 장지에서 측정되었다.
구체적으로, 마이크로 패치 레이저의 레이저 공진 모드를 측정하기 위해서 NIR(near Infrared) 반사 측정 장비를 사용했다. 대물렌즈는 0.65 NA의 50 배율 렌즈(Olympus LCPLN50XIR)를 사용했다. 980 nm 파장의 레이저를 1 MHz 펄스 반복 주파수에 50 ns 펄스 폭의 조건으로 패치 레이저 공진모드에 조사하여 펌핑레이저로 사용하였다. 제작된 레이저는 980 nm 파장의 펌프 빔을 흡수하여 1500 nm 근처에서 레이저를 발진시키며, 발진된 레이저 광은 다시 대물렌즈를 통해 NIR CCD(320HX-1.7RT) 촬상소자 면 위에 이미지가 형성되도록 하였다. 대물렌즈를 통과한 레이저 이미지는 빔 스플리터를 통해 절반은 NIR CCD(320HX-1.7RT)로 보내져 레이징 이미지를 측정하였으며, 나머지 절반은 스펙트럼 측정을 위해 모노크로미터(DigiKrom DK480 1/2 meter)로 보내진다. 모노크로미터를 통해서 나온 단색광을 fW NIR Detector을 이용하여 세기를 측정하여 레이저의 스펙트럼을 얻었다.
(2) 결과
공진모드의 측정 결과를 도 7에 나타내었다.
도 7은 실시예 1에서 제조된 마이크로 레이저(실리콘 구조체의 직경보다 2 배 큰 사각형 Ⅲ-Ⅴ 화합물 시트를 전사했을 경우)에서 생기는 공진모드의 시뮬레이션 결과를 나타낸 것으로,
구체적으로, 왼쪽 사진은 시트의 중간 높이에 해당하는 절단면에서 공진모드의 전기장 세기를 도시한 것이다. 오른쪽 사진은 실리콘 구조체의 중간점을 지나는 세로 절단면에서 공진모드의 전기장 세기를 도시한 것이다. 붉은선은 시트에 해당하는 영역을 나타낸 것으로 동일 매질이 연속되어 분포한 영역에서도 아랫면에 부착된 실리콘 구조체에 의해 빛이 효과적으로 집속됨을 알 수 있다.
실험예 2. 광 펌핑 결과 측정
(1) 방법
실험예 1 에서 사용한 측정 장비에서 레이저에 입사시키는 펌프 빔의 세기를 조절하여 광 펌핑 정도에 따른 레이저의 특성을 측정하였다. 펌프 레이저의 출력은 펌프 레이저의 발진을 위해 가해지는 직류 전압의 크기를 0~5V 사이로 조절하였다. 이때 가해진 전압의 크기에 비례하여 출력 레이저의 세기가 결정되며 1 MHz 펄스 반복 주파수에 50 ns 펄스 폭의 조건은 동일하게 유지하였다. 이 외의 측정방법은 실험예 1과 동일하다. 마이크로 패치 레이저의 레이저 공진 모드를 측정하기 위해서 NIR(near Infrared) 반사 측정 장비를 사용했다. 대물렌즈는 0.65 NA의 50 배율 렌즈(Olympus LCPLN50XIR)를 사용했다. 980 nm 파장의 레이저를 1 MHz 펄스 반복 주파수에 50 ns 펄스 폭의 조건으로 패치 레이저 공진모드에 조사하여 펌핑레이저로 사용하였다. 이때 반사되는 이미지에서 패치 레이저의 레이징 이미지를 NIR CCD(320HX-1.7RT)를 이용하여 관측하였다. 이미지를 관측함과 동시에 레이저의 스펙트럼은 모노크로미터(DigiKrom DK480 1/2 meter)를 통해서 나온 단색광을 fW NIR Detector를 통해서 측정할 수 있다.
(2) 결과
광 펌핑 결과를 도 8 및 9에 나타내었다.
먼저, 도 8에서 a 및 b는 실시예 1에서 제조된 실리콘 구조체 및 마이크로 레이저를 나타낸다.
또한, c 및 d를 마이크로 레이저에 광 펌핑을 가해준 결과를 측정한 것이다. 구체적으로 c는 약한 광 펌핑에서 나타나는 마이크로 레이저의 PL 이미지로 마이크로 레이저에 광 펌핑을 가해주면 시트 아래쪽의 실리콘 구조체가 광학 모드 형성에 기여함을 확인할 수 있다. 그리고, d는 마이크로 레이저의 레이징 이미지로, 충분한 광 펌핑이 가해지면 d와 같이 레이징이 일어남을 확인할 수 있다.
또한, 도 9는 다양한 모양의 Ⅲ-Ⅴ 화합물 시트가 전사된 형태에서의 마이크로 레이저의 PL 이미지 및 레이징 이미지를 나타낸다. 도 5와 같은 다양한 Ⅲ-Ⅴ 화합물 시트가 전사된 마이크로 레이저, 및 시트의 중심과 캐비티의 중심 차이가 많이 나는 구조에서도 레이징이 일어날 수 있다.
한편, 도 10은 마이크로 레이저의 광 펌핑 강도에 따른 스펙트럼과 L-L 곡선을 나타낸다.
즉, 도 10은 마이크로 레이저에서 측정된 레이저의 특성을 나타낸다. 상기 도 10에 나타난 바와 같이, 스펙트럼의 확인 결과 약 0.3 nm 의 FWHM을 갖는 레이징이 관측되었으며, 광펌핑 강도에 따른 출력을 나타내는 L-L 곡선에서도 Threshold 이상에서 선형으로 출력이 증가하는 레이저의 특성을 보임을 확인할 수 있다.
본 발명에서는 실리콘 기판(웨이퍼) 위에서 제작한 캐비티를 포함하는 실리콘 구조체 위에 임의의 모양을 갖는 양자우물 반도체로 만들어진 시트(Ⅲ-Ⅴ 화합물 시트)를 전사인쇄하여 레이저를 구현할 수 있다. 시트 자체는 레이저를 만들기에 충분한 빛을 가둘 수 없는 간단한 구조이지만, 이를 실리콘 구조체 위에 전사인쇄한 구조체(즉, 마이크로 레이저)는 레이저를 만들기에 충분한 공진기로 동작할 수 있다.

Claims (13)

  1. 빛을 가둘 수 있는 캐비티를 포함하는 실리콘 구조체; 및
    상기 실리콘 구조체 상에 형성되며, 상기 캐비티를 덮는 Ⅲ-Ⅴ 화합물 시트를 포함하는 마이크로 레이저.
  2. 제 1 항에 있어서,
    실리콘 구조체의 벽 두께는 0.1 내지 1.55 um인 것인 마이크로 레이저.
  3. 제 1 항에 있어서,
    실리콘 구조체의 벽 두께는 100 내지 300 nm인 것인 마이크로 레이저.
  4. 제 1 항에 있어서,
    캐비티의 크기는 1 내지 500 um인 것인 마이크로 레이저.
  5. 제 1 항에 있어서,
    Ⅲ-Ⅴ 화합물은 GaN, InN, AlN, AlGaN, InGaN, AlGaInN, GaAs 및 InGaAsP으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상을 포함하는 것인 마이크로 레이저.
  6. 제 1 항에 있어서,
    Ⅲ-Ⅴ 화합물 시트의 두께는 0.01 내지 1.55 um인 것인 마이크로 레이저.
  7. 제 1 항에 있어서,
    Ⅲ-Ⅴ 화합물 시트의 두께는 100 내지 200 nm인 것인 마이크로 레이저.
  8. 제 1 항에 있어서,
    X margin은 1/5 λ 이상인 것인 마이크로 레이저.
  9. 제 1 항에 있어서,
    TM 모드(Transverse magnetic mode)로 발진하는 것인 마이크로 레이저.
  10. (A) PDMS 스탬프에 Ⅲ-Ⅴ 화합물 시트를 부착시키는 단계;
    (B) 상기 PDMS 스탬프를 캐비티를 포함하는 실리콘 구조체 상에 얼라인시키는 단계;
    (C) 상기 PDMS 스탬프를 상기 실리콘 구조체의 캐비티를 덮도록 접촉시킨 후, 상기 Ⅲ-Ⅴ 화합물 시트를 실리콘 구조체 상에 전사시키는 단계; 및
    (D) PDMS 스탬프를 실리콘 구조체로부터 분리시키는 단계를 포함하는 마이크로 레이저의 제조 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    캐비티를 포함하는 실리콘 구조체는 (a) 실리콘(Si)을 포함하는 기판 상에 전자 빔 레지스트를 형성하는 단계;
    (b) 상기 전자 빔 레지스트를 패터닝하여 기초 패턴을 형성하는 단계;
    (c) 상기 기초 패턴이 형성된 실리콘을 포함하는 기판을 에칭하여 캐비티가 형성된 본 패턴을 형성하는 단계; 및
    (d) 전자 빔 레지스트를 제거하는 단계를 통해 제조되는 것인 마이크로 레이저의 제조 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    전자 빔 레지스트는 폴리메틸메싸크릴레이트(PMMA, Poly methyl methacrylate), 메틸스티렌-co-알파클로로메타크릴레이트(ZEP, methylstyrene-co-alphachloromethacrylate), 수소-실세스퀴옥산(HSQ, hydrogen silsesquioxane), SML 및 AR-P로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상을 포함하는 것인 마이크로 레이저의 제조 방법.
  13. 제 10 항에 있어서,
    Ⅲ-Ⅴ 화합물 시트는 (s1) 반도체 웨이퍼 상에 전자 빔 레지스트를 형성하는 단계;
    (s2) 상기 전자 빔 레지스트를 패터닝하여 기초패턴을 형성하는 단계;
    (s3) 상기 기초 패턴이 형성된 반도체를 에칭하여 본패턴을 형성하는 단계; 및
    (s4) 전자 빔 레지스트를 제거하는 단계를 통해 제조되는 것인 마이크로 레이저의 제조 방법.
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