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KR100453814B1 - 이종 회절격자를 가지는 반도체 광소자 및 그 제조 방법 - Google Patents

이종 회절격자를 가지는 반도체 광소자 및 그 제조 방법 Download PDF

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KR100453814B1
KR100453814B1 KR10-2002-0007011A KR20020007011A KR100453814B1 KR 100453814 B1 KR100453814 B1 KR 100453814B1 KR 20020007011 A KR20020007011 A KR 20020007011A KR 100453814 B1 KR100453814 B1 KR 100453814B1
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South Korea
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layer
diffraction grating
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forming
optical device
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송정호
김성복
오광룡
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한국전자통신연구원
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Abstract

홀로그래피법에 의하여 형성되는 이종 회절격자를 가지는 반도체 광소자 및 그 제조 방법에 관하여 개시한다. 본 발명에 따른 반도체 광소자는 n형 InP 기판과, InP 기판상에 형성되고, 도파층 및 활성층을 포함하는 적층 구조와, InP 기판상에서 적층 구조의 아래에 형성되어 있는 제1 회절격자와, 적층 구조의 위에 형성되어 있는 제2 회절격자를 포함한다. 본 발명에 따른 반도체 광소자의 제조 방법에서는 n형 InP 기판상에서 활성층의 아래에 제1 회절격자를 형성하고, 활성층의 위에 제2 회절격자를 형성한다. 제1 회절격자 및 제2 회절격자는 홀로그라피법을 이용하여 형성된다.

Description

이종 회절격자를 가지는 반도체 광소자 및 그 제조 방법{Semiconductor optical devices with differential grating structure and method for manufacturing the same}
본 발명은 반도체 광소자 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 특히 이종 회절격자를 가지는 반도체 광소자 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
광통신의 전송 거리 증가에 필수적인 좁은 발진 스펙트럼을 가진 DFB (Distributed Feedback) 레이저 다이오드를 비롯하여 WDM (Wavelength Division Multiplexing) 네트워크에서 특정 파장을 선택하는 기능성 광소자들은 기본적으로 회절격자를 이용하여 파장 필터링을 하고 있으며, 지금까지 여러가지 형태의 회절격자 구조에 관하여 발표되었거나 개발되었다. 반도체 광소자에서는 파장 필터링에 의하여 광소자로 진행되는 광파의 주기적인 굴절률 변화를 감지하고, 브라그 파장에 해당되는 특정 파장만이 반사되어 이득영역으로 궤한(feedback)되어 특정 파장만이 발진한다. 이와 같은 기능을 가진 반도체 광소자는 통상적으로 반도체 결정 성장 및 재성장, 회절격자 형성, 건식 및 습식 식각 공정, 전극 형성 공정 등의 여러 단계를 거쳐 제조된다. 그 중, 회절격자 형성 공정에서는 균일한 대면적의 특성을 얻을 수 있는 홀로그라피 방법을 많이 이용하고 있다. 그러나, 특수한 형태의 회절격자를 형성하고자 하는 경우에는 전자선 리소그라피 방법도 종종 이용하고 있다. 전자선 리소그라피 방법을 이용하는 경우, 광소자의 광 필터링 특성을 얻을 수있지만, 전자선 직접 묘사 방법을 채택함으로 인하여 공정에 소요되는 시간이 증가하고, 그 결과 단위 시간당 소자 제작 생산량에 매우 큰 한계를 가진다. 이와 같은 이유로 회절격자를 포함하는 대부분의 광소자는 홀로그라피법을 활용하고 있다.
그러나, 최근에는 초고속 광신호를 생성하거나 광신호를 처리하는 데 이용되는 자기발진형(self-pulsating) DFB 레이저 다이오드 또는 다전극 DFB 레이저 다이오드와 같은 특별한 기능을 가진 광소자의 수요가 점차 증가하고 있다. 이와 같은 광소자를 제작하는 데 있어서 현재까지의 기술에 의하면 회절 격자를 형성하는 방법으로서 홀로그라피 방법을 이용하는 데에는 한계가 있었다. 예를 들면, 미국특허 제6,215,805B1호에서는 주기가 다른 두개의 반사기(reflector)로 구성되는 Q-스위치 반도체 레이저(Q-switched semiconductor laser)에 관하여 개시하고 있다. 상기 특허에 개시된 Q-스위치 반도체 레이저를 제조하기 위하여, 주기가 다른 회절격자들을 활성층 및 반사층의 영역에 각각 형성하여야 한다. 이 경우, 기존의 홀로그라피 방법을 활용하기에는 근본적인 문제를 가진다. 실제로 상기 특허에서는 전자선 리소그라피 방법을 활용하여 서로 다른 주기를 가지는 회절격자를 활성층 및 반사층의 각 영역에 형성함으로써 서로 다른 반사 특성을 가지는 반사기를 구성하였다. 이와 같이, 현재까지의 기술에 따르면, 특별한 형태의 회절 격자, 즉 주기 및 굴절율이 다른 형태의 회절 격자를 제조하기 위하여는 전자선 리소그라피 방법을 사용하여야만 하였다. 이러한 경우에 있어서, 광소자를 상용화하기 위하여는 앞서 언급하였듯이 직접 묘사에 의한 광소자의 단위 시간당 생산량에 막대한 제한을 갖는다.
따라서, 기존의 방법에서의 한계를 극복하여 제조 수율을 높일 수 있도록 회절격자 형성시 홀로그라피법을 사용함으로써 여러가지 형태의 신개념의 광소자를 제작할 수 있는 방법을 모색할 필요가 있다.
본 발명의 목적은 상기한 종래 기술에서의 문제점을 해결하고자 하는 것으로, 높은 제조 수율로 얻어질 수 있는 새로운 구조를 가지는 반도체 광소자를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 높은 제조 수율을 확보하는 데 유리한 홀로그라피 방법을 이용하여 얻어질 수 있는 반도체 광소자의 제조 방법을 제공하는 것이다.
도 1 내지 도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 광소자의 제조 방법을 설명하기 위하여 공정 순서에 따라 도시한 단면도들이다.
도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 반도체 광소자의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도이다.
도 13은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 반도체 광소자의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도이다.
도 14는 본 발명에 따른 반도체 광소자의 제조 방법에 따라 제조된 반도체 광소자에서 회절격자상에 재성장된 활성층의 PL(photoluminescence) 특성을 평가한 결과를 나타낸 그래프이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10: InP 기판, 12: 제1 회절격자층, 12a: 제1 회절격자, 14: n형 InP층, 16: 제1 실리콘 질화막, 16a: 제1 실리콘 질화막 패턴, 18: 제1 포토레지스트 패턴, 20: n형 InP 클래드층, 22: 도파층, 24: 제1 광가이드층, 26: 활성층, 28: 제2 광가이드층, 30: p형 InP 클래드층, 32: 제2 회절격자층, 32a: 제2 회절격자, 34: p형 InP층, 36: 제2 실리콘 질화막, 36a: 제2 실리콘 질화막 패턴, 38: 제2 포토레지스트 패턴, 40: p형 클래드층, 42: InGaAs층.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 제1 양태에 따른 반도체 광소자는 n형 InP 기판과, 상기 InP 기판상에 형성되고, 도파층 및 활성층을 포함하는 적층 구조와, 상기 InP 기판상에서 상기 적층 구조의 아래에 형성되어 있고 동일 평면상에서 상호 이격되어 있는 복수의 격자 패턴으로 이루어지는 제1 회절격자와, 상기 적층 구조의 위에 형성되어 있고 동일 평면상에서 상호 이격되어 있는 복수의 격자 패턴으로 이루어지는 제2 회절격자를 포함한다.
또한, 본 발명의 제1 양태에 따른 반도체 광소자는 상기 제1 회절격자와 상기 적층 구조 사이에 형성되어 있는 n형 InP 클래드층을 더 포함한다. 또한, 상기 적층 구조와 제2 회절격자 사이에는 p형 InP 클래드층이 형성되어 있다.
바람직하게는, 상기 제1 회절격자는 InGaAsP로 이루어진다.
또한 바람직하게는, 상기 제2 회절격자는 도핑되지 않은 InGaAsP 또는 p형 InGaAsP로 이루어진다.
상기 제1 회절격자 및 제2 회절격자중 적어도 하나는 주기성회절격자(sampled grating)로 이루어질 수 있다. 상기 제1 회절격자 및 제2 회절격자는 각각 서로 주기가 다른 회절격자로 이루어질 수 있다.
바람직하게는, 상기 도파층은 InGaAsP로 이루어진다.
상기 활성층은 InGaAsP층으로 이루어지는 우물을 포함하는 MQW(multi-quantum well) 구조를 가질 수 있다. 또는, 상기 활성층은 InGaAsP로만 이루어진 벌크층으로 구성될 수도 있다.
본 발명의 제1 양태에 따른 반도체 광소자에 있어서, 상기 적층 구조는 상기 활성층을 협지하도록 상기 활성층의 하부 및 상부에 각각 형성된 제1 광가이드층 및 제2 광가이드층을 포함하는 SCH(separation confinement heterostructure) 구조를 포함할 수 있다. 상기 제1 광가이드층 및 제2 광가이드층은 각각 InGaAsP로 이루어지는 것이 바람직하다.
또한, 상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 제2 양태에 따른 반도체 광소자는 반사 영역, 광이득 영역 및 위상 보정 영역으로 구성되는 3개의 영역을 가지는 공진기를 포함하고, 상기 반사 영역 및 광이득 영역중 적어도 하나의 영역은 n형 InP 기판과, 상기 InP 기판상에 형성되고, 도파층 및 활성층을 포함하는 적층 구조와, 상기 InP 기판상에서 상기 적층 구조의 아래에 형성되어 있고 동일 평면상에서 상호 이격되어 있는 복수의 격자 패턴으로 이루어지는 제1 회절격자와, 상기 적층 구조의 위에 형성되어 있고 동일 평면상에서 상호 이격되어 있는 복수의 격자 패턴으로 이루어지는 제2 회절격자를 포함한다.
상기 다른 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 반도체 광소자의 제조 방법에서는 n형 InP 기판상에 동일 평면상에서 상호 이격되어 있는 복수의 격자 패턴으로 이루어지는 제1 회절격자를 형성한다. 상기 제1 회절격자 위에 n형 InP 클래드층을 형성한다. 상기 n형 InP 클래드층 위에 도파층을 형성한다. 상기 도파층 위에 활성층을 형성한다. 상기 활성층 위에 p형 InP 클래드층을 형성한다. 상기 p형 InP 클래드층 위에 동일 평면상에서 상호 이격되어 있는 복수의 격자 패턴으로 이루어지는 제2 회절격자를 형성한다.
상기 제1 회절격자를 형성하는 단계 및 상기 제2 회절격자를 형성하는 단계에서는 각각 레이저 홀로그라피법을 이용한다.
본 발명에 따른 반도체 광소자의 제조 방법에서는 상기 제1 회절격자를 형성하기 위하여, 먼저 상기 InP 기판 위에 제1 회절격자층을 형성한다. 상기 제1 회절격자층 위에 n형 InP층을 형성한다. 상기 n형 InP층 위에 제1 실리콘 질화막을 형성한다. 레이저 홀로그라피법을 이용하여 상기 제1 실리콘 질화막 위에 상기 제1 실리콘 질화막을 일부 노출시키는 제1 포토레지스트 패턴을 형성한다. 상기 제1 포토레지스트 패턴을 식각 마스크로 하여 상기 제1 실리콘 질화막을 건식 식각하여 상기 n형 InP층을 노출시키는 제1 실리콘 질화막 패턴을 형성한다. 상기 제1 실리콘 질화막 패턴을 식각 마스크로 하여 상기 n형 InP층 및 제1 회절 격자층을 식각하여 상기 제1 회절격자를 형성한다.
본 발명에 따른 반도체 광소자의 제조 방법에서는 상기 InP 기판상의 일부 영역에서 상기 제1 회절격자를 제거하여 주기성 제1 회절격자를 형성할 수도 있다.
본 발명에 따른 반도체 광소자의 제조 방법에서는 상기 제2 회절격자를 형성하기 위하여, 먼저 상기 p형 InP 클래드층 위에 제2 회절격자층을 형성한다. 상기 제2 회절격자층 위에 p형 InP층을 형성한다. 상기 p형 InP층 위에 제2 실리콘 질화막을 형성한다. 레이저 홀로그라피법을 이용하여 상기 제2 실리콘 질화막 위에 상기 제2 실리콘 질화막을 일부 노출시키는 제2 포토레지스트 패턴을 형성한다. 상기제2 포토레지스트 패턴을 식각 마스크로 하여 상기 제2 실리콘 질화막을 건식 식각하여 상기 p형 InP층을 노출시키는 제2 실리콘 질화막 패턴을 형성한다. 상기 제2 실리콘 질화막 패턴을 식각 마스크로 하여 상기 p형 InP층 및 제2 회절 격자층을 식각하여 상기 제2 회절격자를 형성한다.
본 발명에 따른 반도체 광소자의 제조 방법에서는 상기 InP 기판상의 일부 영역에서 상기 제2 회절격자를 제거하여 주기성 제2 회절격자를 형성할 수 있다.
본 발명에 따르면, 회절격자를 포함하고 있는 광소자를 고가의 장비 없이 높은 수율로 제조할 수 있으며, 이와 같은 방법을 이용하여 수요가 점차 증가하고 있는 자기발진형 DFB 레이저 다이오드를 높은 수율로 제조하는 것이 가능하다. 또한, 본 발명에 따른 반도체 광소자는 이종의 회절격자를 구비하고 있으므로, 광소자의 특성을 개선할 수 있으며, 단일층 회절격자를 가지는 소자에서의 기능 제한을 극복하여, 활성층 위 아래에 서로 다른 특성을 가지는 회절격자를 각각 형성함으로써 신기능의 다양한 광소자를 창출할 수 있다.
다음에, 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
다음에 예시하는 실시예들은 여러가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 상술하는 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예는 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되어지는 것이다. 첨부 도면에서 막 또는 영역들의 크기 또는 두께는 명세서의 명확성을 위하여 과장되어진 것이다. 또한, 어떤 막이 다른 막 또는 기판의 "위"에 있다라고 기재된 경우, 상기 어떤 막이 상기 다른 막의 위에 직접 존재할 수도 있고, 그 사이에 제3의 다른 막이 개재될 수도 있다.
도 1 내지 도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 광소자의 제조 방법을 설명하기 위하여 공정 순서에 따라 도시한 단면도들이다. 본 실시예에서는 자기발진(self-pulsation)을 유발함으로써 초고속 초단펄스를 실현하는 자기발진형 DFB 레이저 다이오드를 제조하는 경우에 대하여 예시한다.
도 1을 참조하면, n형 InP 기판(10) 위에 아래쪽 도파로인 제1 회절격자를 형성하기 위하여 InGaAsP(λ PL = 1.3㎛)층으로 이루어지는 제1 회절격자층(12)을 약 100 ∼ 500Å의 두께로 성장시킨다. 그 후, 연속적으로 n형 InP층(14)을 약 100Å의 두께로 성장시킨다. 이어서, 홀로그라피법을 이용하여 제1 회절격자를 형성하기 위하여, 먼저 상기 n형 InP층(14) 위에 500Å 두께의 제1 실리콘 질화막(SiNx막)(16)을 형성한다.
도 2를 참조하면, 상기 제1 실리콘 질화막(16) 위에 포토레지스트를 도포한 후 홀로그라피법을 이용하여 상기 제1 실리콘 질화막(16)을 일부 노출시키는 정현파 형태의 제1 포토레지스트 패턴(18)을 형성한다. 이를 위하여, 아르곤(Ar) 이온 레이저로 구성된 홀로그라피 시스템을 이용한다. 이 때, 주기는 간섭되는 아르곤 이온 레이저의 두 빔의 각도에 의해 결정된다. DFB 레이저 다이오드의 경우에는, 활성층의 구조와 관계를 가지고 있으며, 제작하고자 하는 레이저 다이오드의 발진 파장을 광통신 시스템의 전송로인 광파이버의 전파 손실이 가장 적은 파장 1.55㎛근방에서 이루어지게 하려면 대략 240nm 주기를 이용한다.
도 3을 참조하면, 상기 제1 포토레지스트 패턴(18)을 식각 마스크로 활용하여 상기 제1 실리콘 질화막(16)을 MERIE(magnetically enhanced reactive ion etcher)를 사용하여 건식 식각하여, 상기 n형 InP층(14)을 노출시키는 제1 실리콘 질화막 패턴(16a)을 형성한다. 그 후, 상기 제1 포토레지스트 패턴(18)은 제거한다.
도 4를 참조하면, 도 3의 결과물에 대하여 상기 제1 실리콘 질화막 패턴(16a)을 식각 마스크로하여 비선택성 식각액으로 식각을 행하여 동일 평면상에서 상호 이격되어 있는 복수의 격자 패턴으로 이루어지는 제1 회절격자(12a)을 얻는다.
도 5를 참조하면, 자기발진형 DFB 레이저 다이오드 또는 다른 특별한 용도의 광소자를 제작하려면 상기 n형 InP 기판(10)상의 전체 영역에 형성된 상기 제1 회절격자(12a)중 임의의 영역 만을 제외하고, 나머지 영역에 형성된 상기 제1 회절격자(12a)를 제거하여야 한다. 이를 위하여, 상기 제1 실리콘 질화막 패턴(16a)를 제거한 후, 리소그라피 공정을 행한다. 즉, 상기 임의의 영역 만을 덮는 포토레지스트 패턴(도시 생략)을 식각 마스크로 이용하여, 노출되어 있는 상기 n형 InP층(14) 및 상기 제1 회절격자(12a)를 비선택성 식각액으로 차례대로 식각하여 제거한다. 그 결과, 상기 임의의 영역에만 원하는 형태의 상기 제1 회절격자(12a)가 남아있게 된다.
도 6을 참조하면, 상기 제1 회절격자(12a)가 형성되어 있는 결과물상에 MOCVD(metal-organic chemical vapor deposition) 공정에 의해 약 1000Å 두께의 n형 InP 클래드층(20)을 재성장시키고 평탄화한다. 그 후, 연속적으로 InGaAsP(λ PL = 1.18㎛)를 0.1 ∼ 0.3㎛의 두께로 성장시켜 도파층(22)을 형성한다. 그 후, SCH(separate confinement hetero-structure) 구조를 형성하기 위해 상기 도파층(22) 위에 InGaAsP(λ PL = 1.3㎛)를 약 0.1㎛의 두께로 성장시켜 제1 광가이드층(24)을 형성하고, 그 위에 연속적으로 활성층(26)을 형성한다. 상기 활성층(26)은 InGaAsP(λ PL = 1.55㎛)층으로 이루어지는 우물로 구성된 MQW(multi quantum well) 구조를 가지도록 형성할 수 있다. 또는, 상기 활성층(26)은 InGaAsP(λ PL = 1.55㎛)층 자체로만 이루어진 벌크(bulk)층으로 구성될 수도 있다. 그 후, SCH 구조를 형성하기 위해 상기 활성층(26) 위에 InGaAsP(λ PL = 1.3㎛)를 약 0.1㎛의 두께로 성장시켜 제2 광가이드층(28)을 형성하고, 상기 제2 광가이드층(28) 위에 p형 InP 클래드층(30)을 0.1㎛의 두께로 성장시켜 활성층을 위한 구조를 완성한다.
도 7을 참조하면, 이종 회절격자 형성을 위하여 상기 활성층(26)의 위쪽 영역에 제2 회절격자를 제작하여야 하는데, 이를 위하여 상기 활성층(26) 성장 직후 연속하여 도핑되지 않은(undoped) InP층 또는 p형 InP층을 약 0.1㎛의 두께로 성장시키고, 이어서 도핑되지 않은 InGaAsP층 또는 p형 InGaAsP(λ PL = 1.3㎛)층을 약 100 ∼ 500Å의 두께로 성장시켜 제2 회절격자층(32)을 형성한다. 연속적으로, 상기 제2 회절격자층(32) 위에 p형 InP층(34)을 약 100Å의 두께로 성장시킨다. 그후, 도 1 및 도 2를 참조하여 설명한 바와 같은 방법으로 상기 p형 InP층(34) 위에 약 500Å 두께의 제2 실리콘 질화막(SiNx막)(36)을 형성하고, 상기 제2 실리콘 질화막(36) 위에 포토레지스트를 도포한 후 홀로그라피법을 이용하여 상기 제2 실리콘 질화막(36)을 일부 노출시키는 정현파 형태의 제2 포토레지스트 패턴(38)을 형성한다.
도 8을 참조하면, 상기 제2 포토레지스트 패턴(38)을 식각 마스크로 활용하여 상기 제2 실리콘 질화막(36)을 MERIE를 사용하여 건식 식각하여, 상기 p형 InP층(34)을 노출시키는 제2 실리콘 질화막 패턴(36a)을 형성한 후, 상기 제2 포토레지스트 패턴(38)은 제거한다. 그 후, 상기 제2 실리콘 질화막 패턴(36a)을 식각 마스크로하여 비선택성 식각액으로 식각을 행하여 동일 평면상에서 상호 이격되어 있는 복수의 격자 패턴으로 이루어지는 제2 회절격자(32a)을 얻는다.
도 9를 참조하면, 도 5를 참조하여 설명한 바와 같은 방법으로 리소그라피 공정을 이용하여 상기 제2 회절격자(32a)중 일부를 제거하여 임의의 영역에만 상기 제2 회절격자(32a)가 남아있도록 함으로써, 상기 제1 회절격자(12a)와는 그 특성이 다른 상기 제2 회절격자(32a)를 얻을 수 있다.
반사 영역, 광이득 영역 및 위상 보정 영역의 3개 영역으로 구성되는 공진기를 포함하는 자기발진형 DFB 레이저 다이오드를 형성하는 경우, 위상 보정 영역에서는 활성층을 제거하는 것이 광소자의 특성면에서 유리하다. 그 이유를 설명하면 다음과 같다. 위상 보정 영역은 전류 주입에 의해 위상을 제어하는 구조를 가진다. 이와 같은 구조를 가지는 위상 보정 영역에 활성층이 존재하는 경우에는 전류 주입에 의하여 굴절률이 심하게 변화되는 결과를 초래하게 된다. 따라서, 상기 제2 회절 격자(32a)가 얻어진 후, 리소그라피 공정 및 식각 공정을 활용하여 상기 활성층(26)중 위상 보정 영역에 해당하는 부분을 제거한다. 그 결과, 도 9에 나타낸 바와 같이 위상 보정 영역에서는 상기 제1 광가이드층(24)이 노출된다.
다른 방법으로서, 위상 보정 영역에 상기 도파층(22) 만 남도록 할 수 있다. 이와 같은 구조를 얻기 위해서는 도 6을 참조하여 설명한 공정 단계에서, 상기 도파층(22)을 형성한 후 상기 제1 광가이드층(24)을 형성하기 전에, 식각 저지층으로서 InP층(도시 생략)을 약 100Å의 두께로 형성한다. 이와 같이 형성한 상기 InP층을 위상 보정 영역에서 상기 활성층(26)을 제거하기 위한 식각 공정시 식각 저지층으로 사용하면 광소자 제작 공정이 보다 용이하게 된다.
또 다른 방법으로서, 상기 설명한 방법에서와 같이 도파로(22) 공유형으로 구성하는 대신, 상기 도파로(22)를 형성하지 않고 상기 활성층(26)이 제거된 위상 보정 영역에 별도의 도파층(도시 생략)을 형성하고 이를 상기 활성층(26)과 버트커플링(butt coupling)하여 공진기를 형성할 수도 있다. 이와 같은 구조를 도입하는 경우에는 상기 활성층(26)과 도파로간의 결합 효율 면에 있어서 유리하게 되는 이점이 있어 광소자 제작에 유용하게 활용될 수 있다.
상기 제2 회절격자(32a) 형성 후의 공정은 제조하고자 하는 광소자의 특성에 따라 적절히 변경될 수 있다.
도 10을 참조하면, 상기한 바와 같이 소자 특성에 맞게 상기 제2 회절격자(32a) 및 활성층(26)이 형성된 후, 상기 p형 InP 클래드층(30)의 일부인 p형 InP층을 약 0.5㎛의 두께로 재성장시키고 평탄화한다. 그 후, 공진기를 위한 도파로를 형성하고, PBH(Planar buried heterostructure)형 광소자를 제작하기 위하여 공진기를 구성하는 이외의 영역에 전류 차단층인 p형 InP층, n형 InP층 및 p형 InP층을 순차적으로 MOCVD 방법에 의해 재성장시킨다. 그 후의 공정으로서, 대부분의 능동형 광소자의 공정에서와 마찬가지로 MOCVD에 의한 재성장 방법에 의해 p형 클래드층(40)과, 높은 전기전도층을 위한 InGaAs층(42)층을 형성한다.
도 11을 참조하면, 상기 InGaAs층(42)이 형성된 결과물상에 실리콘 질화막(도시 생략)을 형성한 후, 리소그라피법 및 식각법을 이용하여 상기 활성층(26)이 형성된 영역 이외의 영역에서 상기 InGaAs층(42)을 식각하여 제거함으로써 상기 활성층(26)에만 전류가 주입되도록 하고, 나머지 부분은 실리콘 질화막(도시 생략)을 이용하여 전류 차단시킨다.
상기한 실시예에서는 자기발진형 DFB 레이저 소자를 제조하는 경우를 예시하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 예를 들면, 본 발명에 따른 반도체 광소자 제조 방법은 기존의 인덱스 커플드(index-coupled) 또는 컴플렉스 커플드(complex-coupled) DFB 레이저 다이오드 등의 회절격자를 포함하고 있는 광소자 제작에 활용할 수도 있다.
도 12 및 도 13은 각각 본 발명에 따른 반도체 광소자 제조 방법에 따라 얻어진 신기능의 광소자 구조를 예시한 것이다. 도 12에서와 같이, 활성층(126)의 위쪽에 형성되는 회절격자(132)로서 기존의 회절격자층인 InGaAsP(λ PL = 1.3㎛) 대신에 광소자 내부에서 진행하고 있는 광파의 흡수를 유도하는 InGaAs층을 형성하면, 단면 근처에서 흡수에 의한 기존의 인덱스 커플드 DFB 레이저 다이오드의 단점을개선할 수 있다. 또한, 도 13에서와 같이, 공진기의 가운데 부분에 흡수형 회절격자층(232)을 삽입함으로써 기존의 레이저 다이오드의 홀 버닝(hole burning) 문제를 해결할 수 있게 된다. 이 이외에도 주기성 회절격자(sampled grating)를 활성층의 위 아래에 형성하는 데 있어서 각각의 주기가 서로 다른 회절격자를 형성함으로써 넓은 파장 튜닝을 가지고 동시에 높은 SMR(side mode suppression)을 가진 파장 가변 레이저 다이오드 등을 창출 할 수 있게 된다.
상기 설명한 본 발명에 따른 반도체 광소자 제조 방법에서와 같이 이종 회절격자를 홀로그라피 방법으로 제작하면 기존의 광소자 제작의 어려움을 극복하고 신기능의 광소자를 창출할 수 있다.
본 발명에 따른 방법으로 상기 설명한 바와 같은 이종 회절격자 구조를 이용하는 광소자를 제작하기 위하여는 무엇보다도 고품위의 재성장 특성을 얻을 수 있어야 한다. 왜냐하면, 한번의 재성장 과정이 이종 회절격자 구성을 위해서 필수적이며, 이 경우 재성장에 의해서 뜻하지 않는 내부 손실이 발생하면 광소자의 특성에 상당한 영향을 미치기 때문이다.
도 14는 본 발명에 따른 반도체 광소자의 제조 방법에 따라 제조된 반도체 광소자에서 회절격자상에 재성장된 활성층의 PL(photoluminescence) 특성을 평가한 결과를 나타내는 그래프이다. 보다 구체적으로 설명하면, 먼저 n형 InP 기판상에 회절격자층인 InGaAsP(λ PL = 1.3㎛)층을 성장시키고, 이를 이용하여 회절격자를 형성하고, 그 위에 MOCVD 방법에 의하여 활성층을 성장시킨 후, 상기 활성층에서의 PL 강도를 평가하였다. 대조용으로서, n형 InP 기판상에 회절격자를 형성하지 않고바로 활성층을 형성한 후, 상기 활성층에서의 PL 강도를 평가한 결과를 같이 표시하였다. 도 14의 결과로부터, 회절격자상에 형성된 활성층 및 기판상에 바로 형성된 활성층 사이에 PL 강도의 차이가 없음을 알 수 있다. 이와 같은 결과로부터, 한번의 재성장 과정 추가는 PL 강도 특성에 거의 영향을 주지 않는다는 것을 알 수 있다. 따라서, 본 발명의 중요한 특징인 홀로그라피법을 활용하여 여러 종류의 회절격자를 형성하는 방법에 의하여 기능성 광소자들을 높은 수율로 재현성있게 제조할 수 있다.
본 발명에 따른 반도체 광소자는 활성층의 위 아래에 각각 회절 격자가 형성되어 있는 이종 회절격자 구조를 가지고 있다. 상기와 같은 구조를 얻기 위하여, 본 발명에 따른 반도체 광소자의 제조 방법에서는 소자의 제조 수율을 높일 수 있는 홀로그라피법을 이용하여 회절격자를 형성한다. 따라서, 회절격자를 포함하고 있는 광소자를 고가의 장비 없이 제작할 수 있으며, 이와 같은 방법을 이용하여 수요가 점차 증가하고 있는 자기발진형 DFB 레이저 다이오드를 높은 수율로 제조하는 것이 가능하다.
또한, 본 발명에 따른 반도체 광소자는 이종의 회절격자를 구비하고 있으므로, 이와 같은 구조를 기존의 회절격자를 포함하고 있는 광소자 제작에 활용한다면 광소자의 특성을 개선할 수 있을 뿐 만 아니라 신기능의 광소자를 창출할 수 있다. 즉, 이종 회절격자 구조를 가지는 본 발명에 따른 반도체 광소자의 제조 방법을 이용하여 서로 다른 회절격자를 활성층의 위 아래에 각각 홀로그라피 방법으로 형성함으로써 광전송 장치 및 광신호 처리에 필수적인 펄스 레이저 및 광클락 추출용으로 활용 가능한 자기발진형 DFB 레이저 다이오드의 제작상의 어려움을 해결할 수 있고, 또한 이를 활용하여 신개념의 반도체 광소자를 창출할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 반도체 광소자의 제조 방법에 따르면, 이층 구조의 회절격자를 사용함은 물론 회절 및 반사 특성을 결정하는 회절격자의 주기를 홀로그래피 방법을 이용하여 독립적으로 결정할 수 있다. 따라서, 단일층 회절격자를 가지는 소자에서의 기능 제한을 극복할 수 있으며, 다기능의 광소자를 개발하여 제조 할 수 있다. 예를 들면, 기존의 상용화 되어있는 DFB 레이저 다이오드는 대부분 회절격자가 굴절률의 실수 부위만 변화시켜 필터링 특성을 얻는 인덱스 커플드(index-coupled) 형태의 회절격자를 사용하고 있고, 이 경우 단면 위상 즉, 회절격자가 단면에 놓이는 위치가 달라짐에 따라 광출력 스펙트럼의 변화가 매우 심하여 높은 단일 모드 발진 수율을 얻기 힘들다. 그러나, 본 발명에 따르면, 활성층 위 아래에 부분적으로 인덱스 커플드 및 컴플렉스 커플드(complex-coupled) 형태의 회절격자를 형성함으로써 단면의 위상을 정의할 수 있어 수율 증대를 예상할 수 있다. 또한, 광소자의 공진기에서 가운데 부분에 임의의 길이를 가지는 컴플렉스 커플드 형태의 회절격자를 형성함으로써 공진기 내에 존재하는 광자의 농도를 변화 시킬 수 있어 단일모드 발진 레이저 다이오드의 특성을 안정화시킬 수 있다.
이상, 본 발명을 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러가지 변형이 가능하다.

Claims (20)

  1. n형 InP 기판과,
    상기 InP 기판상에 형성되고, 도파층 및 활성층을 포함하는 적층 구조와,
    상기 InP 기판상에서 상기 적층 구조의 아래에 형성되어 있고 동일 평면상에서 상호 이격되어 있는 복수의 격자 패턴으로 이루어지는 제1 회절격자와,
    상기 적층 구조의 위에 형성되어 있고 동일 평면상에서 상호 이격되어 있는 복수의 격자 패턴으로 이루어지는 제2 회절격자를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 광소자.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 회절격자와 상기 적층 구조 사이에 형성되어 있는 n형 InP 클래드층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 광소자.
  3. 제1항에 있어서, 상기 적층 구조와 제2 회절격자 사이에 형성되어 있는 p형 InP 클래드층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 광소자.
  4. 제1항에 있어서, 상기 제1 회절격자는 InGaAsP로 이루어진 것을 특징으로 하는 반도체 광소자.
  5. 제1항에 있어서, 상기 제2 회절격자는 도핑되지 않은 InGaAsP 또는 p형 InGaAsP로 이루어지는 것을 특징으로 하는 반도체 광소자.
  6. 제1항에 있어서, 상기 제1 회절격자 및 제2 회절격자중 적어도 하나는 주기성 회절격자(sampled grating)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 반도체 광소자.
  7. 제1항에 있어서, 상기 제1 회절격자 및 제2 회절격자는 각각 서로 주기가 다른 회절격자로 이루어지는 것을 특징으로 하는 반도체 광소자.
  8. 제1항에 있어서, 상기 도파층은 InGaAsP로 이루어지는 것을 특징으로 하는 반도체 광소자.
  9. 제1항에 있어서, 상기 활성층은 InGaAsP층으로 이루어지는 우물을 포함하는 MQW(multi-quantum well) 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 반도체 광소자.
  10. 제1항에 있어서, 상기 활성층은 InGaAsP로만 이루어진 벌크층으로 구성된 것을 특징으로 하는 반도체 광소자.
  11. 제1항에 있어서, 상기 적층 구조는
    상기 활성층을 협지하도록 상기 활성층의 하부 및 상부에 각각 형성된 제1 광가이드층 및 제2 광가이드층을 포함하는 SCH(separation confinement heterostructure) 구조를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 광소자.
  12. 제11항에 있어서, 상기 제1 광가이드층 및 제2 광가이드층은 각각 InGaAsP로 이루어지는 것을 특징으로 하는 반도체 광소자.
  13. 반사 영역, 광이득 영역 및 위상 보정 영역으로 구성되는 3개의 영역을 가지는 공진기를 포함하고,
    상기 반사 영역 및 광이득 영역중 적어도 하나의 영역은
    n형 InP 기판과,
    상기 InP 기판상에 형성되고, 도파층 및 활성층을 포함하는 적층 구조와,
    상기 InP 기판상에서 상기 적층 구조의 아래에 형성되어 있고 동일 평면상에서 상호 이격되어 있는 복수의 격자 패턴으로 이루어지는 제1 회절격자와,
    상기 적층 구조의 위에 형성되어 있고 동일 평면상에서 상호 이격되어 있는 복수의 격자 패턴으로 이루어지는 제2 회절격자를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 광소자.
  14. n형 InP 기판상에 동일 평면상에서 상호 이격되어 있는 복수의 격자 패턴으로 이루어지는 제1 회절격자를 형성하는 단계와,
    상기 제1 회절격자 위에 n형 InP 클래드층을 형성하는 단계와,
    상기 n형 InP 클래드층 위에 도파층을 형성하는 단계와,
    상기 도파층 위에 활성층을 형성하는 단계와,
    상기 활성층 위에 p형 InP 클래드층을 형성하는 단계와,
    상기 p형 InP 클래드층 위에 동일 평면상에서 상호 이격되어 있는 복수의 격자 패턴으로 이루어지는 제2 회절격자를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 광소자의 제조 방법.
  15. 제14항에 있어서, 상기 제1 회절격자를 형성하는 단계 및 상기 제2 회절격자를 형성하는 단계에서는 각각 레이저 홀로그라피법을 이용하는 것을 특징으로 하는 반도체 광소자의 제조 방법.
  16. 제14항에 있어서, 상기 제1 회절격자를 형성하는 단계는
    상기 InP 기판 위에 제1 회절격자층을 형성하는 단계와,
    상기 제1 회절격자층 위에 n형 InP층을 형성하는 단계와,
    상기 n형 InP층 위에 제1 실리콘 질화막을 형성하는 단계와,
    레이저 홀로그라피법을 이용하여 상기 제1 실리콘 질화막 위에 상기 제1 실리콘 질화막을 일부 노출시키는 제1 포토레지스트 패턴을 형성하는 단계와,
    상기 제1 포토레지스트 패턴을 식각 마스크로 하여 상기 제1 실리콘 질화막을 건식 식각하여 상기 n형 InP층을 노출시키는 제1 실리콘 질화막 패턴을 형성하는 단계와,
    상기 제1 실리콘 질화막 패턴을 식각 마스크로 하여 상기 n형 InP층 및 제1 회절 격자층을 식각하여 상기 제1 회절격자를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 광소자의 제조 방법.
  17. 제16항에 있어서, 상기 InP 기판상의 일부 영역에서 상기 제1 회절격자를 제거하여 주기성 제1 회절격자를 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 광소자의 제조 방법.
  18. 제14항에 있어서, 상기 제2 회절격자를 형성하는 단계는
    상기 p형 InP 클래드층 위에 제2 회절격자층을 형성하는 단계와,
    상기 제2 회절격자층 위에 p형 InP층을 형성하는 단계와,
    상기 p형 InP층 위에 제2 실리콘 질화막을 형성하는 단계와,
    레이저 홀로그라피법을 이용하여 상기 제2 실리콘 질화막 위에 상기 제2 실리콘 질화막을 일부 노출시키는 제2 포토레지스트 패턴을 형성하는 단계와,
    상기 제2 포토레지스트 패턴을 식각 마스크로 하여 상기 제2 실리콘 질화막을 건식 식각하여 상기 p형 InP층을 노출시키는 제2 실리콘 질화막 패턴을 형성하는 단계와,
    상기 제2 실리콘 질화막 패턴을 식각 마스크로 하여 상기 p형 InP층 및 제2 회절 격자층을 식각하여 상기 제2 회절격자를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 광소자의 제조 방법.
  19. 제18항에 있어서, 상기 InP 기판상의 일부 영역에서 상기 제2 회절격자를 제거하여 주기성 제2 회절격자를 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 광소자의 제조 방법.
  20. 제14항에 있어서,
    상기 InP 기판은 반사 영역, 광이득 영역 및 위상 보정 영역이 각각 형성될 3개의 영역을 포함하고,
    상기 위상 보정 영역이 형성될 영역에서 상기 활성층을 제거하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 광소자의 제조 방법.
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