KR100333482B1 - 초고속 반도체 광변조기 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 소자의 정전용량과 접촉저항이 동시에 감소하는 초고속 반도체 광변조기에 관한 것이다.
이러한 초고속 반도체 광변조기는, 기판 위에 n형 광도파로층과, 광흡수층, p형 광도파로층, p형 클래드층, 및 p형 옴접촉층이 순차적으로 적층되는 리지(ridge) 구조의 전계흡수형 광변조기에 있어서, 상기 광흡수층의 폭(W3)은 상기 옴접촉층의 폭(W1)보다 작게 형성된다.
본 발명에 의하면, 광변조기의 특성저하요소인 접촉저항과 정전용량을 동시에 저감시킬 수 있기 때문에 변조특성이 우수한 수십 기가급의 초고속 광변조가 가능해진다.

Description

초고속 반도체 광변조기 및 그 제조방법{ High speed semiconductor optical modulator and its fabrication method }
본 발명은 전계흡수형 반도체 광변조기에 관한 것으로서, 보다 상세하게 설명하면 소자의 정전용량과 접촉저항이 동시에 감소하는 초고속 반도체 광변조기 및 그 제조방법에 관한 것이다.
광통신용 광원으로는 주로 반도체 레이저가 사용된다. 즉, 반도체 레이저에 전류를 가하면 단색파장의 빛이 나오는데, 이 빛의 강도를 변조하여 광섬유를 통과시킴으로써 광신호를 전송한다. 반도체 레이저에서 방출되는 빛의 강도를 변조하는 방법으로서, 종래에는 주로 반도체 레이저에 가해지는 전류를 변조하는 방법을 사용하였다. 그러나, 이 방법은 'Chirping'이라는 '빛의 파장 이동현상'이 발생하여 2.5 Gb/s 이상의 고속신호의 장거리 전송의 장애가 되어 왔다.
이러한 문제에 대한 해결 방법으로서 반도체 레이저의 빛은 일정한 강도로 출력시키고 외부에서 다른 광소자를 이용하여 빛의 강도를 변조시키는 방법이 제시되었다. 이러한 역할을 하는 광소자를 광변조기라 하며, 그 종류로서 전계흡수형 광변조기가 있다.
이 전계흡수형 광변조기는 반도체 레이저에 전기장을 가하면 밴드갭이 줄어드는 현상을 이용한 광소자이다. 즉, 반도체 레이저에 전기장을 가하지 않을 때는 빛을 통과시키다가 전기장을 가하면 빛을 흡수하여 통과시키지 않는 현상을 이용하여, 광원으로부터 출력되는 일정한 세기의 빛을 변조시켜 광신호를 만드는 장치이다.
이러한 전계흡수형 광변조기는 반도체 레이저에서 방출되는 빛의 파장에 해당하는 에너지 크기의 밴드갭을 갖는 직접천이형 반도체 또는 다중양자우물구조(Multi-quantum well ; MQW)를 이용하여 도파로 형태로 제작되었다.
도 1은 종래기술에 따른 전계흡수형 광변조기의 구조도이다. 이는 기판(11) 위에 제1도전형 InGaAsP층(12), MQW 흡수층(13), 제2도전형 InGaAsP층(14), 제2도전형 InP층(15), 및 제2도전형 옴접촉층(16)을 순차적으로 성장한 후, 일정한 폭을 갖는 띠 모양만 남기고 기판(11)이 노출되도록 식각한다. 그 다음 그 주변에는 폴리이미드(17)를 형성하고, 상부와 하부에는 각각 금속전극(19, 20)을 형성한다.
이 구조에서 MQW 흡수층(13)은 주위보다 굴절률이 높으므로 MQW 흡수층(13)으로 입사된 광은 띠모양의 도파로를 따라 진행하면서 계속 흡수되거나 아니면 입사 반대 방향으로 투과하게 된다.
광변조기 상부와 하부에 형성된 p형 전극(19)과 n형 전극(20)에 역전압을 가하면, 즉 p형 전극(19)보다 n형 전극(20)에 높은 전압을 가하면 MQW 흡수층(13)에서 캐리어가 발생하여, 전자는 n형 전극(20)쪽으로, 정공은 p형 전극(19) 쪽으로 이동한다. 한편, 전압을 가하지 않으면 빛이 흡수되지 않아 빛은 MQW 흡수층(13)을 투과하게 된다. 이러한 전계흡수형 광변조기는 p형 전극(19)과 n형 전극(20)에 가해지는 전압을 변조함으로써 빛의 강도를 변조한다.
이러한 광변조기에서 중요한 파라미터로는 변조속도(Modulation Speed)와 소광비(Extinction Ratio)를 들 수 있다. 변조속도를 결정짓는 변수는 정전용량, 저항, 전하수송 등을 들 수 있으며 이는 광변조기의 구조와 관계가 있다. 정전용량을 작게 하기 위해서는 MQW 흡수층의 두께를 두껍게 하고 면적을 작게 하여야 한다. 수십 기가급의 초고속 광변조를 위해서는 정전용량이 0.1 pF 이하로 작아야 하므로 흡수층의 면적이 작아야 하며, 따라서 흡수층의 폭을 2 μm 이하로 제한하여야 한다. 물론, 이와 같이 MQW 흡수층의 두께를 두껍게 만들면 정전용량을 줄일 수는 있으나 동작전압이 커지고 전하수송이 느려지므로 고속동작에 장애가 되어 정전용량의 감소 효과를 상쇄시키게 된다.
이와 같이, 종래의 기술에 의한 광변조기는 MQW 흡수층의 폭이 작아짐으로 인해 전극과의 접촉면적도 작아지며, 이로 인해 접촉저항이 증가하였다. 접촉저항이 증가하면 광변조 속도가 느려지므로 초고속 광변조기를 제작하기 위해서는 정전용량과 접촉저항을 동시에 줄일 수 있는 새로운 구조가 필요하다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 그 목적은 초고속 동작에 장애가 되는 정전용량과 접촉저항을 동시에 감소시키기 위해 광흡수층의 폭은 작게 유지하면서 전극 접촉면적은 넓게 유지할 수 있는 전계흡수형 초고속 반도체 광변조기 및 그 제조방법을 제공하는 데 있다.
도 1은 종래기술에 따른 리지(ridge)형 전계흡수 광변조기의 구조도,
도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 초고속 반도체 광변조기의 구조도,
도 3a 내지 도 3h는 본 발명의 한 실시 예에 따른 초고속 반도체 광변조기의 제조공정을 도시한 흐름도이다.
※ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ※
21 : 기판 22 : n형 광도파로층
23 : 광흡수층 24 : p형 광도파로층
25 : p형 클래드층 26 : p형 옴접촉층
27 : 폴리이미드 28 : 유전체 표면보호막
29 : p형 전극 30 : n형 전극
31, 32 : 식각용 유전체박막
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따르면, 초고속 반도체 광변조기는,기판 위에 n형 광도파로층과, 광흡수층, p형 광도파로층, p형 클래드층, 및 p형 옴접촉층이 순차적으로 적층되는 리지(ridge) 구조의 전계흡수형 광변조기에 있어서, 상기 광흡수층의 폭(W3)은 상기 p형 옴접촉층의 폭(W1)보다 작게 형성된 것을 특징으로 한다.
양호하게는, 상기 n형 광도파로층과, p형 광도파로층 및 p형 클래드층의 폭(W2)은 모두 동일하고, 상기 폭(W2)은 상기 p형 옴접촉층의 폭(W1)보다 크거나 같도록 형성한다.
양호하게는, 상기 광흡수층의 폭(W3)은 1∼3 μm 이고, 상기 옴접촉층의 폭(W1)은 5∼10 μm 이다.
또한, 본 발명에 따른 초고속 반도체 광변조기 제조방법은, 기판 위에 n형 광도파로층과, 광흡수층, p형 광도파로층, p형 클래드층, 및 p형 옴접촉층을 차례로 적층하여 리지 구조를 형성하는 제 1 단계와; 상기 p형 옴접촉층이 W1의 폭을 가지도록 식각하는 제 2 단계; 상기 n형 광도파로층과 광흡수층과 p형 광도파로층과 p형 클래드층과 p형 옴접촉층이 W2의 폭으로 가지도록 수직 식각하는 제 3 단계; 및 상기 광흡수층이 상기 W1보다 작은 W3의 폭을 가지도록 측면 식각하는 제 4 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
양호하게는, 상기 초고속 반도체 광변조기 제조방법은, 상기 리지 구조의 측면에 폴리이미드와 같은 유전체 물질을 형성하는 제 5 단계와, 상기 p형 옴접촉층을 노출한 상태로 상기 p형 클래드층 위에 유전체박막을 형성하는 제 6 단계, 및 상기 p형 옴접촉층의 상부와 기판의 하부에 p형 전극과 n형 전극을 형성하는 제 7단계를 더 포함하여 이루어진다.
양호하게는, 상기 제 4 단계는, 폭 W2와 폭 W3의 차이만큼의 폭을 갖는 테스트패턴을 완전히 식각시키는 시간을 계산하여, 그 시간만큼만 선택적 측면 식각한다. 또한, 상기 폭 W2는 상기 p형 옴접촉층의 폭 W1보다 크거나 같게 형성한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 한 실시 예에 따른 '초고속 반도체 광변조기 및 그 제조방법'을 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 2는 본 발명의 한 실시 예에 따른 초고속 반도체 광변조기를 도시한 구조도이다. 이는 기판(21) 위에 n형 광도파로층(22)과, 광흡수층(23), p형 광도파로층(24), p형 클래드층(25), p형 옴접촉층(26)이 순차적으로 적층되어 구성된다. 옴접촉층(26)은 p+형으로 도핑된 InGaAs로서, W1의 폭을 갖는다. p형 클래드층(25)은 p형으로 도핑된 InP로서, W2의 폭을 갖는다. p형 광도파로층(24)은 p형으로 도핑된 InGaAsP로서, W2의 폭을 갖는다. 광흡수층(23)은 도핑하지 않은 InGaAsP 또는 MQW(Multi-quantum well)로서, W3의 폭을 갖는다. n형 광도파로층(22)은 n형으로 도핑된 InGaAsP으로서, W2의 폭을 갖는다. 여기서, 'W3 ＜ W1 ≤ W2'이다.
도 3a 내지 도 3h은 본 발명의 한 실시 예에 따른 초고속 반도체 광변조기의 제작과정을 순차적으로 도시한 흐름도이다.
도 3a를 참조하면, 기판(21) 위에 n형 광도파로층(22)과 광흡수층(23), p형 광도파로층(24), p형 클래드층(25), 및 p형 옴접촉층(26)을 차례로 성장한다.
다음, 도 3b와 같이 폭 W1을 갖는 스트라이프 패턴의 유전체박막(31)을 형성하여 p형 옴접촉층(26)을 식각한다. 이로써, 옴접촉층(26)은 W1의 폭을 갖는다.
다음, 도 3c와 같이 폭 W2(여기서, W2 ≥W1)을 갖는 스트라이프 패턴의 유전체 박막(32)을 형성한다. 그리고, 도 3d와 같이 이 유전체 박막(32)을 식각마스크로 하여 기판(21)이 노출될 때까지 건식식각방법을 이용하여 수직으로 식각한다.
다음, 도 3e와 같이 광흡수층(23)에 황산-과산화수소 수용액이나 인산-과산화수소 수용액을 이용하여 선택적 측면식각을 수행한다. 이로써, 광흡수층(23)은 W3(여기서, W3＜W1)의 폭을 가지고, 광도파로층들(22,24)과 p형 클래드층(25)은 W2의 폭을 갖는다.
다음, 도 3f와 같이 폴리이미드(27)와 같은 유전체 물질을 리지(ridge)의 측면에 형성하고, p형 옴접촉층(26)이 노출되도록 유전체박막(32)을 제거한다. 그 위에 도 3g와 같이 p형 옴접촉층(26) 이외의 부분을 표면보호를 위해 유전체박막(28)을 형성한다.
다음, 도 3h와 같이 p형 옴접촉층(26)의 상부와 기판(21)의 하부에 p형 전극(29)과 n형 전극(30)을 각각 형성한다.
이와 같은 구성에서 선택적 측면식각은 (W2-W3)/2만큼 측면에서 선택적으로 식각하면 된다. 'W1≤W2'로 구성하는 것은 선택적 측면식각 시에 p형 옴접촉층이 같이 식각되는 것을 막기 위해서이다. 또한, 상기 구조에서 선택적 측면식각을 쉽게 형성하기 위해 다음과 같은 방법을 사용할 수 있다. 즉, W3 = 2 μm, W2 = 7 μm라 하자. 그러면 W2가 5 μm인 테스트 패턴을 웨이퍼 상에 동시에 형성하고 선택적 측면식각을 수행하면 이 테스트 패턴의 W2가 0 이 되는 시간, 즉, 테스트패턴이 떨어져 나가는 시간에 식각을 중지하면 W3를 정확하게 2 μm로 만들 수 있다.
이와 같이 선택적 측면식각방법을 도입하면 p형 옴접촉층의 폭을 광흡수층의 폭에 비해 넓게 구성할 수 있고, 따라서 소자의 접촉저항과 정전용량을 동시에 줄일 수 있기 때문에 초고속 동작이 가능하게 된다.
위에서 양호한 실시 예에 근거하여 이 발명을 설명하였지만, 이러한 실시 예는 이 발명을 제한하려는 것이 아니라 예시하려는 것이다. 이 발명이 속하는 분야의 숙련자에게는 이 발명의 기술사상을 벗어남이 없이 위의 실시 예에 대한 다양한 변화나 변경 또는 조절이 가능함이 자명할 것이다. 그러므로, 이 발명의 보호범위는 첨부된 청구범위에 의해서만 한정될 것이며, 위와 같은 변화 예나 변경 예 또는 조절 예를 모두 포함하는 것으로 해석되어야 할 것이다.
이상과 같이 본 발명에 의하면, 광변조기의 특성저하요소인 접촉저항과 정전용량을 동시에 저감시킬 수 있기 때문에 변조특성이 우수한 수십 기가급의 초고속 광변조를 가능하게 하는 효과가 있다.

Claims (10)

  1. 기판 위에 n형 광도파로층과, 광흡수층, p형 광도파로층, p형 클래드층, 및 p형 옴접촉층을 순차적으로 적층하여 구성된 리지(ridge) 구조의 전계흡수형 광변조기에 있어서,
    상기 광흡수층의 폭 W3은 상기 p형 옴접촉층의 폭 W1보다 작게 형성된 것을 특징으로 하는 초고속 반도체 광변조기.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 n형 광도파로층과, p형 광도파로층 및 p형 클래드층의 폭 W2는 모두 동일하고, 상기 폭 W2는 상기 p형 옴접촉층의 폭 W1보다 크거나 같은 것을 특징으로 하는 초고속 반도체 광변조기.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 p형 옴접촉층의 폭 W1은 5∼10 μm 인 것을 특징으로 하는 초고속 반도체 광변조기.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 광흡수층의 폭 W3은 1∼3 μm 인 것을 특징으로 하는 초고속 반도체 광변조기.
  5. 기판 위에 n형 광도파로층과, 광흡수층, p형 광도파로층, p형 클래드층, 및 p형 옴접촉층을 차례로 적층하여 리지 구조를 형성하는 제 1 단계와;
    상기 p형 옴접촉층이 W1의 폭을 가지도록 식각하는 제 2 단계;
    상기 n형 광도파로층과 광흡수층과 p형 광도파로층과 p형 클래드층과 p형 옴접촉층이 W2의 폭으로 가지도록 수직 식각하는 제 3 단계; 및
    상기 광흡수층이 상기 W1보다 작은 W3의 폭을 가지도록 측면 식각하는 제 4 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 초고속 반도체 광변조기 제조방법.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 리지 구조의 측면에 유전체 물질을 형성하는 제 5 단계와,
    상기 p형 옴접촉층을 노출한 상태로 상기 p형 클래드층 위에 유전체박막을 형성하는 제 6 단계, 및
    상기 p형 옴접촉층의 상부와 기판의 하부에 p형 전극과 n형 전극을 형성하는 제 7 단계를 더 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 초고속 반도체 광변조기 제조방법.
  7. 제 5 항에 있어서, 상기 제 4 단계는, 폭 W2와 폭 W3의 차이만큼의 폭을 갖는 테스트패턴을 완전히 식각시키는 시간을 계산하여, 그 시간만큼만 선택적 측면 식각하는 것을 특징으로 하는 초고속 반도체 광변조기 제조방법.
  8. 제 5 항에 있어서, 상기 폭 W2는 상기 p형 옴접촉층의 폭 W1보다 크거나 같은 것을 특징으로 하는 초고속 반도체 광변조기 제조방법.
  9. 제 5 항에 있어서, 상기 광흡수층의 폭 W3은 1∼3 μm 인 것을 특징으로 하는 초고속 반도체 광변조기 제조방법.
  10. 제 5 항에 있어서, 상기 p형 옴접촉층의 폭 W1은 5∼10 μm 인 것을 특징으로 하는 초고속 반도체 광변조기 제조방법.
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