KR100227788B1 - 브래그 반사막 제작 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 브래그 반사막 제작 방법에 관한 것으로, 브레그 반사막과 동일한 파장을 갖는 레이져 빔을 사용하여 실시간으로 원하는 두께의 막을 성장시킬 수 있도록 한 브래그 반사막 제작 방법에 관한 것이다.

Description

브래그 반사막 제작 방법

본 발명은 브래그 반사막 제작 방법에 관한 것으로, 특히 실시간 레이져 빔 반사율 측정 장치를 사용하여 효과적이고 간편한 방법으로 성장 두께를 제어할 수 있도록 한 브래그 반사막 제작 방법에 관한 것이다.

일반적으로 반도체 이종박막 성장법인 금속유기물화학증착(Metal-organic Chemical Vapor Deposition; MOCVD)" 방법을 이용하여 갈륨비소(GaAs) 및 인듐인(InP) 기판에 전자 및 광전구조의 관련 에피층을 성장하는 과정은 많은 연구자에 의해 연구되어 왔고 앞으로도 더욱 성능 좋은 소자를 구현하기 위해 계속 연구되어질 전망이다.

최근에 개발되어 실용화되고 있는 표면발광 레이져(surface emitting laser, 이하 SEL)는 80년대 후반에 단면에서 레이져 빔이 발진되는 측면발광 레이져 빔으로 문턱전류(threshold current)가 낮고 집적이 용이하며 어레이(array) 형태로 고출력이 가능한 장점을 가지고 있기 때문에 차세대 광원으로 많은 관심의 집중이 되고 있다. 이와 같은 SEL를 제작하는데 있어, 기본이 되는 구조인 브래그 반사막(Bragg reflector)은 에피 성장 장비를 이용하여 성장시킨다. 브래그 반사막은 원하는 파장대에서 1에 가까운 최대의 반사율을 갖도록 하기 위해 그 두께가 원하는 파장의 4분파장이 되도록 설계되어야 한다. 그러면 종래의 브래그 반사막 성장 방법을 설명하면 다음과 같다.

종래의 브래그 반사막 성장 방법으로 첫째, 브래그 반사막의 재료를 각각 단일층으로 성장시킨 후 전자현미경 등을 이용하여 성장두께를 측정하고 성장속도를 구한다. 그리고 이를 바탕으로 설계된 브래그 반사막의 두께에 해당되는 성장시간을 결정한다. 둘째, 실시간 레이져 빔 분석장치를 이용하여 원하는 층의 굴절을 미리 알아낸 다음 실시간 성장과정에서 성장속도를 알아내어 원하는 성장두께를 제어한다. 그러나 상기 첫 번째 방법은 성장장비의 성장조건이 각기 다르기 때문에 장비 자체의 재현성이 저하되며, 따라서 균일한 두께의 브래그 반사막을 얻기가 힘들다. 그리고 상기 두 번째 방법은 성장속도를 계산하기 위해서는 에피층의 굴정을 상수가 필요하기 때문에 장비자체의 재현성에 문제가 있더라도 성장과정에서 에피층의 굴정율을 미리 알아야 한다. 그러므로 사전에 정보를 갖지 않은 재료로 이루어진 브래그 반사막을 실시간으로 성장하는 것이 불가능하다. 즉, 하나의 레이져 빔(주로 0.6328μm 내에 발진되는 레이져 빔을 사용하였다)을 사용한 실시간 레이져 빔 반사율 측정장치는 에피층을 성장하는 과정에서 에피층의 굴절율을 미리 알고 있으면 버퍼층 반사신호의 주기를 미리 구하여 에피층의 성장속도를 계산할 수 있다.

따라서 본 발명은 사전 정보를 얻지 않고도 특정 파장의 레이져 빔을 사용하여 실시간으로 에피층의 두께를 알아내므로써 상기한 단점을 해소할 수 있는 브레그 반사막 제작 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 실시간 레이져 빔 반사율 측정장치를 이용한 브래그 반사막 제작 방법에 있어서, 성장시키고자 하는 브래그 반사막의 반사파장과 동일한 파장을 갖는 레이져 빔을 사용하며 상기 브래그 반사막을 성장시키기 전에 버퍼층을 형성하는 것을 특징으로 하며, 상기 브래그 반사막은 상기 버퍼층 주기의 1/4 시간동안 성장된 것을 특징으로 한다.

제1도는 일반적인 반사율 측정 장치의 구성도.

제2도는 본 발명에 따른 브래그 반사막의 구조도.

제3도는 브래그 반사막의 레이져 반사율을 측정한 그래프도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 레이져 빔 2 : 광검출기

3 : 컴퓨터 4 : 기판

5 : 성장실 6 : 가스주입구

7A 및 7B : 유리창

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.

제1도는 일반적인 반사율 측정 장치의 구성도로서, 본 발명의 이해를 돕기 위해 간단히 나타내었다.

반도체 이종박막이 성장되어지는 성장실(5) 상부의 가스 주입구(6)를 통해 유입된 원료가스가 상기 성장실(5) 하부에 위치된 뜨거운 기판(4) 상에 도달되면 화학적 반응에 의해 고체 상태의 반도체 이종박막으로 성장된다. 이러한 통상적인 성장벙법을 "금속유기물화학증착(MOCVD)" 방법이라고 하는데, 실시간 반사율 측정장치는 상기의 성장실(5) 외부에 부착되어 성장되어지는 이종박막의 두께와 조정을 실시간으로 즉시 분석하는데 이용되어진다. 본 발명에 사용된 레이져 빔은 헬륨-네온(He-Ne) 레이져 빔과 다이오드 레이져 빔이며 각각 0.6328μm와 1.5μm의 파장을 갖는다. 상기 파장이 1.5μm인 레이져 빔는 파장이 1.5μm인 브래그 반사막의 반사파장과 동일한 파장에서 반사대를 형성하기 위해 선택한 레이져 빔이며 상기 파장이 0.6328μm인 레이져 빔은 상기 파장이 1.5μm인 레이져 빔를 이용한 성장 두께 제어시 오차없는 정확성을 주기 위한 보조수단으로 사용되어 진다. 만일 브래그 반사막의 반사파장대가 1.5μm가 아닌 다른 파장대이기를 원한다면 해당되는 동일한 파장의 레이져 빔을 사용하면 된다. 외부로부터 상기 두 레이져 빔이 상기 성장실(5)의 유리창(7A)을 통해 내부의 시편으로 조사된다. 그리고 반사된 레이져 빔은 반대편 유리창(7B)을 통해 광검출기(2)로 입사되어 컴퓨터(3)로 신호가 보내진다.

제2도는 본 발명에 따른 브래그 반사막의 구조도로서, 제3도를 참조하여 설명하기로 한다.

브래그 반사막은 원하는 파장대의 1/4에 해당되는 두께를 갖도록 설계되어진다. 그리고 표면방출 레이져 빔 또는 모듀레이터(modulator)에 기본이 되는 구조로 사용된다. 여기서 제3도는 성장실내에서 브래그 반사막의 구조가 성장되는 동안 레이져 빔 반사신호의 반사율 변화가 성장시간에 따라 변화되는 것을 도시하는데, 파장이 0.6328μm인 레이져 빔과 파장이 1.5μm인 레이져 빔에 의한 반사신호를 각각 나타내며 동시에 측정되었다.

상기 제1도에 도시된 실시간 측정장치를 이용하여 MOCVD 방법으로 상기 제2도에 도시된 바와 같은 브래그 구조의 에피층을 성장시키면 제3도에 도시된 바와 같이 레이져 빔의 반사 신호를 성장 시간에 따른 함수로 얻을 수 있다. 이때 설명의 편의상 성장되는 에피층의 재료를 InAlGaAs 및 InAlAs로 이루어진 브래그 반사막이라 하는데, 이는 상기 재료가 1.5μm에서 반사되도록 하는데 적당한 굴절율을 갖기 때문이다. 그리고 선택파장의 종류에 따라 GaAs 및 AlGaAs와 같은 단파장용 재료를 선택할 수 있는데, 이는 같은 원리이므로 본 발명에서는 광통신용으로 널리 쓰이는 1.5μm 반사 파장에 관심을 두어 설명하며 이를 다른 파장에 대해서도 똑같이 적용될 수 있다.

상기 제2도에서 브래그 구조 아래에 같은 재료의 버퍼층(buffer layer)를 성장시키는 이유는 재료의 성장주기를 미리 구하기 위함이다. 상기 제3도에 도시된 버퍼층의 주기적 반사신호의 주기를 T라고 하고 특정한 레이져 빔의 파장을 λ라고 하면 다음과 같은 관계식을 얻을 수 있다.

T=λ/(2nG)

여기서 n은 성장되는 에피층의 유효 굴절율(effective index of refraction)이며 G는 에피층의 성장속도를 나타낸다. 에피층이 성장될 때 레이져 빔은 성장되는 에피층의 표면에서 일부 반사되어 검출기로 입사되고 일부는 성장되는 에피층을 투과하여 기판에 도달된 뒤 다시 반사되어 검출기로 입사된다. 따라서 상기 에피층 표면에서 반사된 레이져 빔과 투과후 상기 기판의 표면에서 반사된 빔은 경로차(path difference)를 갖게 되어 파동법칙에 따라 위상차에 의한 간섭이 발생된다. 이때 상기 에피층의 두께가 증가하면서 두 빔의 위상차가 같은 지점에 도달되는 경우 두 빔의 보강간섭이 일어나 반사된 빔의 세기는 최대가 된다. 그리고 위상차가 정반대인 지점에서는 상쇄간섭이 일어나 반사신호의 세기는 최소가 된다. 결국 최대 및 최소가 반복되는 주기적 반사신호가 발생되는 것이다. 물론 제 2 및 제 3 의 반사 및 투과가 내부에서 다시 일어나므로 실제 검출기가 감지하는 신호는 훨씬 복잡하지만 어쨌든 간섭에 의한 반사신호는 주기적 경향을 나타낸다. 이때 제3도에 도시된 버퍼층 레이져 빔 반사신호의 한 주기는 브래그 반사파장의 반 파장에 해당되므로 1/4 파장은 레이져 빔 반사신호의 반 주기에 해당된다. 즉, 바꿔 말하면 버퍼층의 레이져 빔 반사신호의 반주기 시간은 브래그 반사파장의 1/4에 해당되는 두께의 에피층을 성장하는 데 소요되는 시간이 된다. 이때 λ는 사용한 레이져 빔의 반사파장이며 동시에 브래그 반사파장에 해당되므로 원하는 브래그 반사파장에 따라 레이져 빔의 파장도 그에 따라 자연히 달라진다. 다만 성장온도는 고온이고 이 온도에서 반주기를 측정하므로 상온에서 브래그 반사파장을 측정할 경우 온도차에 의한 굴절률의 차가 발생되므로 그에 따라 약간의 반사파장의 변화가 예상되나 실험결과 그 차이는 2% 미만으로 측정되었으며 이에 대한 보정은 사전에 실험적으로 구하면 된다. 상기 버퍼층의 성장이 끝나면 구한 반주기 시간을 성장시간으로 결정하여 계속하여 브래그 반사막을 성장할 수 있으며 상기 제3도와 같은 30 주기 전체 반사신호를 얻을 수 있었다. 또한 상기 제3도에서 브래그 반사막을 형성하는 재료의 성장이 반복될수록 전체 반사율이 점점 증가함을 알 수 있는데, 이는 브래그 반사막이 측정 레이져 빔과 동일하도록 설계되었으며 브래그 주기가 증가할수록 설계된 파장대의 반사신호가 증폭되기 때문이다. 따라서 브래그 반사막의 두께가 정확히 측정파장과 일치하는지 여부를 알 수 있다. 한편, 사전에 버퍼층을 성장하지 않고도 직접 브래그 반사막을 성장할 경우 최초 InAlGaAs의 성장시 파장이 1.5μm인 레이져 빔에 의한 반사신호가 최대점에 이르렀을 경우 최대점에 도달한 시간은 반사파장인 1.5μm의 1/4 파장에 해당되는 시점이므로 이 시점에서 InAlGaAs 에피층의 성장을 끝내고 연속해서 층을 바꾸어 InAlAs 에피층을 성장하게 된다. 상기 InAlAs 에피층은 InAlGaAs 에피층 보다 굴절율이 낮으므로 이때부터는 반사신호가 감소하기 시작하며 일정한 시간에 도달되면 반사신호가 최소점이 된다. 이 시점은 InAlAs 에피층의 두께가 1.5μm의 1/4 파장에 해당되는 시점이므로 상기 InAlAs 에피층의 성장을 끝내고 다시 연속해서 InAlGaAs 에피층을 성장시킨다. 이러한 일련의 반복성장을 통해서 결국 1.5μm에서 최대 반사율을 갖는 브래그 반사막을 성장할 수 있다. 이때 반사신호의 최대 및 최소가 되는 시점은 1.5μm에 대한 전체 반사율이 점점 증가하므로 미리 알 수 없기 때문에 다른 파장의 레이져 빔를 보조 수단으로 사용한다. 제3도에 도시된 바와 같이 반사파장인 1.5μm과 멀리 떨어져 있는 파장대인 0.6328μm 레이져 빔를 사용하여 반사신호를 측정하면 반사신호는 브래그 파장대에서 멀리 있으므로 전체 반사신호가 성장시간동안 거의 변하지 않으므로 1.5μm 레이져 빔의 반사율이 최대가 되는 시점에서 0.6328μm 레이져 빔의 반사율 주기를 측정한 후 계속해서 반사 성장이 될 때 0.6328μm 레이져 빔의 반사율 및 주기를 측정하여 동일한 값에 이르렀을 때 1.5μm 레이져 빔의 반사신호가 최대 및 최소가 되는 시점으로 판단한다.

상술한 바와 같이 본 발명에 의하면 브래그 반사막의 성장을 위해 일반적인 레이져 빔 반사율 측정장치를 이용하나 브래그 반사막의 파장과 동일한 레이져 빔을 사용하므로 굴절율을 미리 인식할 필요가 없다. 따라서 알려지지 않은 재료의 브래그 반사막을 사전 정보 없이 실시간으로 성장시킬 수 있으며, 또한 두 종류의 레이져 빔를 이용한 버퍼층의 성장없이 사전 정보가 없는 재료의 브래그 반사막을 실시간으로 성장시킬 수 있다. 그러므로 본 발명을 이용하면 사전에 전혀 알려지지 않은 반도체 재료를 이용하여 브래그 반사막을 균일한 두께로 성장시킬 수 있으며, 그 두께의 균일성도 높일 수 있다. 그리고 굴절율, 성장속도 등을 측정하지 않아도되므로 불필요한 과정이 생략되어 시간적, 경제적 이익을 얻을 수 있는 효과가 있다.

Claims (2)

1. 실시간 레이져 빔 반사율 측정장치를 이용한 브래그 반사막 제작 방법에 있어서, 성장시키고자 하는 브래그 반사막의 반사파장과 동일한 파장을 갖는 레이져 빔를 사용하며 상기브래그 반사막을 성장시키기 전에 버퍼층을 형성하는 것을 특징으로 하는 브래그 반사막 제작 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 브래그 반사막은 상기 버퍼층 주기의 1/4 시간동안 성장된 것을 특징으로 하는 브래그 반사막 제작 방법.