KR100369329B1 - 무결함, 무반사의 스폿사이즈 변환기를 구비한 광소자의제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 버트-조인트 부분에서의 낮은 반사율과 결함을 줄이기 위한 스폿사이즈변환기가 집적된 광소자의 제조 방법에 관한 것으로, 반도체기판의 (100)면상에 제 1 클래드층, 활성층, 제 2 클래드층을 순차적으로 적층하는 단계, 상기 제 2 클래드층상에 서로 다른 폭을 갖는 적층구조의 이중 유전체 마스크를 형성하는 단계, 상기 이중 유전체 마스크를 이용하여 제 1 클래드층, 활성층, 제 2 클래드층을 매립형 리지 구조로 습식각하여, 상기 (100)면에 소정 각도로 기울어진 상기 활성층의 (111)A면을 노출시키는 단계, 상기 활성층의 (111)A면상에 매립형 리지 구조의 스폿사이즈변환영역을 성장시키는 단계, 및 상기 이중 유전체 마스크를 제거하는 단계를 포함한다.

Description

무결함, 무반사의 스폿사이즈 변환기를 구비한 광소자의 제조 방법{FABRICATION METHOD OF DEFECTLESS AND ANTI-REFLECTION SPOT SIZE CONVERTED OPTICAL DEVICES}

본 발명은 광소자에 관한 것으로서, 특히 광통신용 전송모듈에서 렌즈없이 광소자와 광섬유간의 결합이 가능한 스폿 사이즈 변환기(Spot-size converter)가 집적된 광소자의 제조 방법에 관한 것이다.

일반적으로 반도체 레이저 다이오드(Laser Diode; LD)나 반도체 광 증폭기 (Semiconductor Optical Amplifier; SOA)와 같은 광소자를 제조한 후, 광소자의 양단에 광섬유(Optical Fiber)를 결합시켜 모듈의 형태로 제작이 이루어지는데, 이 경우 높은 결합 효율을 얻기 위해서는 복잡한 광학계를 사용하여야 하므로 가격이 높아지고 공정이 복잡해진다.

특히, 통신용 레이저다이오드(Laser Diode; LD)를 범용 광소자로 사용하기 위해서는 전송 모듈의 가격을 낮추는 것이 필수적이므로, 렌즈 등 복잡한 광학계를 이용하여 광섬유에 결합하는 방식은 제품의 가격을 상승시키며, 렌즈의 위치 조정 등에 어려움이 따른다.

또한, 통상의 에르븀(Er)이 첨가된 광섬유 증폭기(Erbium doped fiber amplifier : EDFA)의 대체 분야로 각광 받는 반도체 광 증폭기(SOA; SOA)는 활성층의 양쪽 벽개면이 일정한 반사율을 갖게 되면 광의 궤환이 일어나 소자의 특성이 열화되는 경향이 있다.

따라서, 레이저다이오드 및 반도체 광증폭기 제조후 모듈화할 경우 광섬유와의 결합효율을 개선시키기 위해, 레이저 다이오드의 전단에 선택성장을 통한 테이퍼형 도파로(Tapered waveguide)로 제작된 스폿 사이즈 변환기(Spot Size Converter; SSC)를 결합시키거나, 반도체 광증폭기 양단에 스폿 사이즈 변환기(SSC)를 결합시키고 있다.

통상의 반도체 도파로는 그 크기가 매우 작고 클래드층과의 굴절율의 차가 커서 스폿-사이즈(spot-size)가 광섬유에 비하여 상대적으로 작다. 이렇게 작은 스폿-사이즈(spot-size)는 밖으로 빠져 나올 때 큰 방사각을 주게 되며, 이로 인해 광섬유와의 결합 손실이 매우 커진다.

이러한 문제점을 해결하기 위해 테이퍼 영역(Tapered region)을 소자의 소정 영역에 만들어 주어 스폿 사이즈 변환(Spot Size Conversion)에 의해 파-필드 각도(Far-field angle)를 줄여주고 이를 통해 별도의 광학계없이도 높은 효율의 광섬유 결합이 가능하다. 또한 부가적인 효과로 스폿사이즈변환기가 경사 도파로에 의한 반사율을 더 낮추어주는 효과를 상승시켜 준다.

이러한 스폿 사이즈 변환기(SSC) 제조시, 광소자에서 나오는 빛의 방사각을 작게 하여 광섬유에 결합하는 방법이 중용한 핵심 기술이며, 이를 위해서 테이퍼 형태의 광도파로가 요구되고 있다.

상기 테이퍼형 광도파로는 선택적 재성장 공정으로 도파로의 두께를 3:1 이상 조절하여 구현할 수 있으며, 선택적 재성장은 필수적으로 버트-조인트(Butt-joint; BJ) 부분을 형성하게 된다. 특히, 반도체 광 증폭기(SOA)의 경우, 버트-조인트(BJ) 부분에서 반사될 경우, 증폭기로서의 역할을 수행할 수 없으므로 반드시무반사 결합이 이루어져야 한다.

최근에, 광소자에 스폿 사이즈 변환기(SSC)를 적용할 경우, 3:1 이상의 두께 차이를 가지는 선택 성장에 따른 변형(strain)을 극복하고 양질의 광 도파로를 형성하는 방법과, 버트-조인트 부분에서의 반사율을 최소화하는 방법이 가장 중요한 기술로 대두되고 있다.

즉, 방사각이 10°내외로 적어 광섬유 결합효율을 높여야 하며, 결합부분인 버트-조인트에서 반사율을 낮추어야 한다. 특히, 반사율을 낮추기 위해 기울어진 접합면을 형성해야 하지만, 결정면이 정확히 노출되지 않은 면에 재성장하여야 하는 문제점이 있다.

따라서, 접합면에서 원하지 않는 결함을 유발하며, 박막의 질을 현저히 저하시켜 반사율을 낮추는 목적을 달성하기 어려우며, 또한 재현성있는 공정을 확립하기 힘들다.

도 1a는 종래기술의 일예에 따른 수직 테이퍼 형태의 스폿 사이즈 변환기가 부착된 레이저 다이오드의 평면도이고 도 1b는 도 1a의 A-A'선에 따른 단면도이다.

도 1a 및 도 1b에 도시된 바와 같이, n형 InP 기판(11)상에 n형 InP 클래드층(12)을 성장한 후, n형 InP형 클래드층(12)상에 InGaAsP/InGaAsP로 구성된 다중양자우물 구조의 활성층(13)을 성장하고, 활성층(13)상에 p형 InP 클래드층(14)을 성장한다. 그리고, 활성층(13)의 폭을 1㎛ 정도로 정의하는 사진 식각 공정을 실시한 후, 식각된 활성층상에 선택 성장용 마스크(15)를 사진 식각법을 통해 형성하고, 선택 성장용 마스크(15)를 이용한 건식 식각 및 습식 식각으로 활성층의 (011)면이나 (0-1-1)면이 노출되도록 식각한다.

계속해서, 유기금속 화학 기상 증착 방식(Metal Organic Chemical Vapor Deposition; MOCVD)에서 선택 성장용 마스크(15)로 입사된 원료 가스의 이동(Migration)에 따른 선택 성장법을 이용하여 수직 방향으로 테이퍼 형태를 가지는 스폿사이즈변환 영역(16)을 형성한다.

이와 같은 종래기술의 일예에서는 스폿사이즈변환 영역(16)이 수직으로 테이퍼 형태를 가지도록 하기 위하여 성장률 차이를 3:1 이상으로 조절 할 수 있는 선택 성장용 마스크(15)를 적용하였으나, 수직 테이퍼링으로 인해 버트-조인트(Butt-joint) 부분(17)에서 결함이 발생됨에 따라 활성층(14)에서 나오는 빛이 스폿사이즈변환 영역(16)으로 전달되지 못하고 일부 재반사되는 경향이 있다. 이러한 버트-조인트 부분(17)에서의 재반사는 광증폭기로 반사되어 되돌아간 빛이 레이저를 발진시키는 역할을 하므로 증폭기의 기능을 상실시키는 문제점이 있다.

상기 문제점을 해결하기 위해, 버트-조인트 부분에서 재반사되는 효과를 억제하기 위하여 버트-조인트 부분을 경사지게 하므로서 재반사되는 빛의 방향을 공진기의 방향과 다르게 하여 발진되지 않도록 하는 방법이 제안되었다.

도 1c는 다중양자우물구조의 활성층(Multi Quantum Well; MQW)과 스폿사이즈변환영역(SSC)의 접합면인 버트조인트(BJ) 부분이 활성층(MQW)의 수직면에 대해 소정 각도(θ)로 기울어진 경사면을 갖고 수직 테이퍼링되어 있다.

도 2는 종래기술의 다른예에 따른 수평 테이퍼 형태의 스폿 사이즈 변환기가 부착된 레이저 다이오드의 개략도로서, 수평 테이퍼 형태는 마스크 상에서 수평 테이퍼링을 주는 또 다른 식각 공정을 통하여 형성할 수 있다.

그러나, 버트-조인트(BJ) 부분, 즉 활성층(MQW)이 노출된 (011) 또는 ( 0-1-1)면에서 재성장시 결함을 줄이는데 한계가 있으며, 특히, 결정면이 정확히 노출되지 않은 면의 버트-조인트(BJ)에서 스폿사이즈변환영역(SSC)을 재성장해야 하므로 성장조건 확립이 매우 어렵다.

본 발명은 상기 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 활성층과 스폿사이즈변환기의 계면에서의 반사율을 낮추고, 스폿사이즈변환기의 재성장시의 결함을 방지하는데 적합한 스폿사이즈변환기를 구비한 광소자의 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1a 내지 도 1c는 종래기술의 일예에 따른 수직 테이퍼 형태의 스폿 사이즈 변환기를 구비한 광소자를 도시한 도면,

도 2는 종래기술의 다른 예에 따른 측면 테이퍼 형태의 스폿 사이즈 변환기를 구비한 광소자를 도시한 도면,

도 3a 내지 도 3f는 본 발명의 실시예에 따른 스폿 사이즈 변환기를 구비한 광소자의 제조 공정도.

*도면 주요부분에 대한 부호의 설명

31 : n형 InP 기판 32 : n형 InP 클래드층

33 : InGaAsP/InGaAsP 다중 양자 우물 구조의 활성층

34 : p형 InP 클래드층 35 : SiO₂마스크

36 : Si₃N₄마스크 37 : 스폿사이즈변환 영역

상기의 목적을 달성하기 위한 스폿사이즈변환기를 구비한 광소자의 제조 방법은 반도체기판의 (100)면상에 제 1 클래드층, 활성층, 제 2 클래드층을 순차적으로 적층하는 단계, 상기 제 2 클래드층상에 상기 제 2 클래드층의 일측을 오픈시키며 상층에 비해 하층이 상대적으로 폭이 큰 적층구조의 이중 유전체 마스크를 형성하는 단계, 상기 이중 유전체 마스크를 이용하여 제 1 클래드층, 활성층, 제 2 클래드층을 매립형 리지 구조로 습식각하여, 상기 (100)면에 소정 각도로 기울어진 상기 활성층의 (111)A면을 노출시키는 단계, 상기 활성층의 (111)A면상에 스폿사이즈변환영역을 성장시키는 단계, 및 상기 이중 유전체 마스크를 제거하는 단계를 포함하여 이루어짐을 특징으로 한다.

바람직하게, 상기 이중 유전체 마스크를 형성하는 단계는, 상기 제 2 클래드층상에 SiO₂, Si₃N₄를 순차적으로 적층하는 단계, 상기 Si₃N₄를 선택적으로 식각하여 상기 제 2 클래드층의 일측을 노출시키는 Si₃N₄마스크를 형성하는 단계, 및 상기 SiO₂를 선택적으로 식각하여 상기 SiO₂마스크의 일측으로부터 소정 간격(w)만큼 작은 폭을 갖는 Si₃N₄마스크를 형성하는 단계를 포함함을 특징으로 한다.

바람직하게, 상기 이중유전체 마스크의 폭 차이(w)는에 의해 조절되되, t는 상기 제 1 클래드층, 활성층, 제 2 클래드층의 식각 두께, θ는 상기 (100)면에 기울어진 상기 활성층의 (111)A면의 각도인 것을 특징으로 한다.

바람직하게, 상기 스폿사이즈변환영역을 성장시키기 전, 상기 이중유전체마스크 중 상층 마스크의 하부에 드러난 하층 마스크의 오버행 부분을 제거하는 단계를 더 포함하여 이루어짐을 특징으로 한다.

이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 설명하기로 한다.

도 3a 내지 도 3f는 본 발명의 실시예에 따른 스폿사이즈변환기를 구비한 광소자의 제조 방법을 도시한 도면으로서, 도 3a는 사시도이고 도 3c는 도 3b의 평면도이며, 도 3b 및 도 3d 내지 도 3f는 도 3a의 B-B'선에 따른 단면도이다.

도 3a에 도시된 바와 같이, n형 InP기판(31)상에 n형 InP 클래드층(32)을 성장한 후, n형 InP 클래드층(32)상에 InGaAsP/InGaAsP 다중양자우물 구조의 활성층(33)을 성장하고, 활성층(33)상에 p형 InP 클래드층(34)을 성장한다.

도 3a는 <011>, <0-11>, <100> 방향이 도시된 사시도로서, n형 InP 클래드층(32), InGaAsP/InGaAsP 다중양자우물 구조의 활성층(33), p형 InP 클래드층(34)은 n형 InP기판(31)의 <100>면상에 성장된다.

도 3b는 도 3a의 B-B'선에 따른 단면도로서, (111)면 상부에 오버행(overhang)이 없는 마스크를 제작하기 위하여, p형 InP 클래드층(34)상에 SiO₂, Si₃N₄를 순차적으로 증착한 후, 사진 식각 공정을 통해 SiO₂마스크(35), Si₃N₄마스크(36)을 형성한다. 이 때, SiO₂마스크(35)와 Si₃N₄마스크(36)는 버트-조인트 부분(BJ)에서 소정 폭차이를 갖고 적층되어 형성되되, SiO₂마스크(35)가 Si₃N₄마스크(36)에 비해 상대적으로 그 폭이 크다.

도 3c는 도 3b의 평면도로서, SiO₂마스크(35)와 Si₃N₄마스크(36)는 노출폭이 작은 부분과 노출폭이 넓은 부분이 형성되며, 버트-조인트(BJ) 부분에서 스폿사이즈변환영역(C)으로 갈수록 그 노출폭이 증가한다. 이처럼, 버트-조인트 부분(BJ)에서 스폿사이즈변환영역(C)으로 갈수록 노출폭이 커지는 이유는 선택성장을 통하여 수직 테이퍼 형태의 스폿사이즈변환기를 형성하기 위함이다.

또한, 버트-조인트 부분(BJ)에서 SiO₂마스크(35)의 폭을 Si₃N₄마스크(36)보다 소정 폭만큼 크게 형성하고, 스폿사이즈변환영역(C)으로 갈수록 SiO₂마스크(35)와 Si₃N₄마스크(36)의 폭차이가 감소되어 동일해진다.

도 3d에 도시된 바와 같이, SiO₂마스크(35)와 Si₃N₄마스크(36)의 적층구조로 이루어진 이중마스크를 이용하고 선택적 습식 식각 용액을 이용하여 버트-조인트 부분(BJ)을 식각하여 활성층(33)의 (111)A면을 노출시킨다. 즉, 수평면인 반도체기판(31)의 (100)면에 소정 각도(θ)로 기울어진 (111)A면을 노출시킨다.

여기서, (111)A면과 (100)면이 이루는 각도(θ)가 55°이므로 식각하는 두께(t)와 SiO₂마스크(35)와 Si₃N₄마스크(36)의 폭의 차(w)의 관계식을 구하면, 다음과 같다.

tan(θ)=t/w,

w=t/tan(θ),

w=0.7t

예를 들어, 식각 두께(t)를 0.5㎛로 공정 조건을 설정하면, 버트-조인트 부분에서 Si₃N₄마스크(36)는 SiO₂마스크(35)보다 0.35㎛ 정도 작게 한다.

도 3e에 도시된 바와 같이, SiO₂마스크(35)의 오버행을 제거하기, Si₃N₄마스크(36)에 대하여 SiO₂마스크(35)를 선택적으로 식각 할 수 있는 BOE 에칭 용액을 이용하여 SiO₂마스크(35)의 오버행 부분을 제거한다. 여기서, 도면부호 35a는 오버행이 제거된 SiO₂마스크를 도시한다.

결과적으로, 버트-조인트 부분(BJ)에 오버행이 없는 활성층의 (111)A면이 노출된다.

도 3f에 도시된 바와 같이, 노출된 활성층의 (111)A면상에 선택 성장을 통하여 InGaAsP의 수직 테이퍼 형태의 스폿사이즈변환영역(37)을 성장한 후, SiO₂마스크(35)와 Si₃N₄마스크(36)를 제거한다. 여기서, 스폿사이즈변환영역(37)은 매립형 리지(Ridge) 형태로 성장된다.

상술한 것처럼, 본 발명의 실시예에서는 버트-조인트 부분(BJ)을 (111)A면이 노출되도록 식각하므로 기울어진 접합면이 정확히 결정면으로 노출됨과 동시에 기울어진 접합면을 가지게 되어 무결함 및 무반사의 우수한 스폿사이즈변환영역을 형성할 수 있다.

한편, 접합면이 (111)A면으로 기울어진 각도가 55°정도로 7∼10°로 기울인 접합면에 비해 손실이 많을 것으로 예상되지만, [Itaya et al. "Improvement of spectrum characteristics in spot-size converter intergrated lasers with tilted butt joint portion", Semiconductor laser Conf., 15^thIEEE International, p67∼68, 1996]에서 45°정도로 기울어진 접합면에서 매우 우수한결합효율을 가지는 것으로 알려져 있으므로, 본 발명의 실시예를 적용하더라도 결합효율이 저하되지는 않을 것이다. 참고로, Itaya에 의하면, 식각을 통하여 수직으로 기울어진 버트-조인트를 구성하므로 반사가 거의 없는 버트-조인트를 구현할 수 있다 하였다.

그러나, Itaya의 논문은 반사율을 낮추기 위해 수직면에서 기울어진 버트-조인트를 제조하기 때문에 일정한 결정면으로 노출되지 않으므로 재성장시 재현성이 저하되는 문제점이 있어 본 발명의 실시예와는 다르다.

상기와 같이 통상의 스폿 사이즈 변환기에서 버트-조인트 부분(BJ)에 사용하는 (011)면과 (0-1-1)면을 사용하지 않고, 비대칭 습식 식각 공정에서 매우 안정한 (111)A면을 버트-조인트의 성장면으로 활용하므로 무결함의 수직 테이퍼형 스폿 사이즈 변환기를 제작할 수 있으며, 부가적으로 계면에서 생기는 반사를 (111)A면에서 공진기 방향으로 보내지 않고 산란시키는 효과 즉, 무반사 특성을 가지므로 반도체 광 증폭기와 같이 반사율에 민감한 소자의 결합에 매우 유용하다.

본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술 분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.

상술한 바와 같은 본 발명은 활성층의 (111)면을 버트-조인트부분의 성장면으로 사용하고, 또한 마스크 제작시 오버행을 없애므로서 버트-조인트 부분에서 무결함, 무반사의 스폿 사이즈 변환기를 제조할 수 있는 효과가 있으며, 무결함, 무반사 스폿 사이즈 변환기를 구현할 수 있으므로 반사율에 매우 민감한 광소자인 반도체 광증폭기 뿐아니라, 레이저 다이오드 등 광섬유와 결합되는 모든 광소자에 복잡한 광학계를 대체 할 수 있는 효과가 있다.

Claims (7)

1. 스폿사이즈변환기가 집적된 광소자의 제조 방법에 있어서,

   반도체기판의 (100)면상에 제 1 클래드층, 활성층, 제 2 클래드층을 순차적으로 적층하는 단계;

   상기 제 2 클래드층상에 상기 제 2 클래드층의 일측을 오픈시키며 상층에 비해 하층이 상대적으로 폭이 큰 적층구조의 이중 유전체 마스크를 형성하는 단계;

   상기 이중 유전체 마스크를 이용하여 제 1 클래드층, 활성층, 제 2 클래드층을 매립형 리지 구조로 습식각하여, 상기 (100)면에 소정 각도로 기울어진 상기 활성층의 (111)A면을 노출시키는 단계;

   상기 활성층의 (111)A면상에 스폿사이즈변환영역을 성장시키는 단계; 및

   상기 이중 유전체 마스크를 제거하는 단계

   를 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 스폿사이즈변환기를 구비한 광소자의 제조 방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 이중 유전체 마스크를 형성하는 단계는,

   상기 제 2 클래드층상에 SiO₂, Si₃N₄를 순차적으로 적층하는 단계;

   상기 Si₃N₄를 선택적으로 식각하여 상기 제 2 클래드층의 일측을 노출시키는 Si₃N₄마스크를 형성하는 단계; 및

   상기 SiO₂를 선택적으로 식각하여 상기 SiO₂마스크의 일측으로부터 소정 간격(w)만큼 작은 폭을 갖는 Si₃N₄마스크를 형성하는 단계

   를 포함함을 특징으로 하는 스폿사이즈변환기를 구비한 광소자의 제조 방법.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 이중유전체 마스크의 폭 차이(w)는

   에 의해 조절되되, t는 상기 제 1 클래드층, 활성층, 제 2 클래드층의 식각 두께, θ는 상기 (100)면에 기울어진 상기 활성층의 (111)A면의 각도인 것을 특징으로 하는 스폿사이즈변환기를 구비한 광소자의 제조 방법.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 (111)A면은 상기 (100)면에 대해 55°의 각도로 기울어진 것을 특징으로 하는 스폿사이즈변환기를 구비한 광소자의 제조 방법.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 스폿사이즈변환영역을 성장시키기 전에,

   상기 이중유전체마스크 중 상층 마스크의 하부에 드러난 하층 마스크의 오버행 부분을 제거하는 단계를 더 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 스폿사이즈변환기를 구비한 광소자의 제조 방법.
6. 제 5 항에 있어서,

   상기 하층 마스크의 오버행 부분을 제거하는 단계는,

   BOE 용액을 이용하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 스폿사이즈변환기를 구비한 광소자의 제조 방법.
7. 제 1 항에 있어서,

   상기 스폿사이즈변환영역은 InGaAsP를 포함하고, 수직 테이퍼 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는 스폿사이즈변환기를 구비한 광소자의 제조 방법.