KR19980047764A - Semiconductor laser diode with integrated optical amplifier and manufacturing method thereof - Google Patents

Abstract

본 발명은 1.3㎛ 파장대 광통신의 광원으로 사용되는 반도체 레이저의 신호 세기를 증가시켜 전송거리를 증대시킬 수 있도록 구성된, 광 증폭기가 집적된 반도체 레이저 다이오드 및 그의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른, 반도체 레이저 다이오드는, 분산 궤환형 반도체 레이저 다이오드와, 상기한 반도체 레이저 다이오드의 광신호를 증폭하기 위한 광 증폭기와, 상기한 반도체 레이저 다이오드와 광 증폭기를 전기적으로 절연시키기 위한 절연 도파로를, 동일한 하나의 반도체 웨이퍼 기판 상에 집적시켜 구성된 것을 특징으로 한다. 또한, 본 발명에 따른, 광 증폭기가 집적된 반도체 레이저 다이오드의 제조방법은, InP 기판 상에 분산 궤환을 일으키기 위한 회절격자 형성용의 InGaAs 또는 InGaAsP의 반도체층과 이를 보호하는 InP 캡층을 성장하는 단계와, 상기 단계에서 얻어진 기판 상에 감광막 격자를 형성하는 단계와, 상기 단계에서 형성된 감광막 격자를 식각 마스크로 사용하여 습식 식각 또는 건식 식각을 수행하여, 분산 궤환을 위한 InGaAs 또는 InGaAsP의 회절격자를 형성하는 단계와, 상기 단계에서 얻어진 기판의 감광막을 제거하고, 레이저 다이오드가 형성될 영역을 제외한 영역인 광 증폭기와 절연 도파로가 형성될 영역 위의 회절격자를 제거하는 단계와, 상기 단계에서 얻어진 기판 상에 반도체 레이저 다이오드와 광 증폭기의 활성층을 성장하는 단계와, 상기 단계에서 얻어진 기판 내부에 상기한 반도체 레이저 다이오드와 광 증폭기를 전기적으로 절연시키기 위한 절연 도파로를 형성하는 단계를 포함한다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor laser diode integrated with an optical amplifier, and to a method of manufacturing the same, configured to increase a transmission distance by increasing a signal intensity of a semiconductor laser used as a light source for optical communication in a 1.3 占 퐉 wavelength band. According to the present invention, a semiconductor laser diode includes a distributed feedback type semiconductor laser diode, an optical amplifier for amplifying an optical signal of the semiconductor laser diode, and an insulating waveguide for electrically insulating the semiconductor laser diode and the optical amplifier. It is characterized by being integrated on the same one semiconductor wafer substrate. In addition, according to the present invention, a method for manufacturing a semiconductor laser diode integrated with an optical amplifier, the step of growing a semiconductor layer of InGaAs or InGaAsP for diffraction grating formation to cause dispersion feedback on the InP substrate and the InP cap layer protecting the same And forming a photoresist lattice on the substrate obtained in the step, and performing wet etching or dry etching using the photoresist lattice formed in the step as an etching mask to form a diffraction grating of InGaAs or InGaAsP for dispersion feedback. And removing the photosensitive film of the substrate obtained in the step, removing the diffraction grating on the optical amplifier and the region where the insulating waveguide is to be formed, except for the region where the laser diode is to be formed, and on the substrate obtained in the step. Growing an active layer of a semiconductor laser diode and an optical amplifier in, and obtained in the step Forming an insulating waveguide for electrically insulating the semiconductor laser diode and the optical amplifier in the substrate.

Description

광 증폭기가 집적된 반도체 레이저 다이오드 및 그의 제조방법Semiconductor laser diode with integrated optical amplifier and manufacturing method thereof

본 발명은 광 증폭기가 집적된 반도체 레이저 다이오드 및 그의 제조방법에 관한 것으로, 특히 1.3㎛ 파장대 광통신의 광원으로 사용되는 반도체 레이저의 신호 세기를 증가시켜 전송거리를 증대시킬 수 있도록 구성된, 광 증폭기가 집적된 반도체 레이저 다이오드 및 그의 제조방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor laser diode integrated with an optical amplifier and a method of manufacturing the same. In particular, an optical amplifier integrated with an optical amplifier configured to increase a signal intensity of a semiconductor laser used as a light source for a wavelength of 1.3 占 퐉 is increased. The present invention relates to a semiconductor laser diode and a method of manufacturing the same.

장거리 광통신에 사용되는 광원으로는, 광섬유의 분산이 0(zero)이 되는 1.3㎛ 파장대의 반도체 레이저, 또는 광섬유의 손실이 최소가 되는 1.55㎛ 파장대의 반도체 레이저와 같이, 2가지 파장 영역의 반도체 레이저가 사용될 수 있다.As a light source used for long-distance optical communication, a semiconductor laser in two wavelength regions, such as a semiconductor laser in a 1.3 탆 wavelength band in which optical fiber dispersion is zero, or a semiconductor laser in a 1.55 탆 wavelength band in which loss of optical fibers is minimized. Can be used.

이 중에서, 1.55㎛ 파장대를 이용하는 광통신에서는, 광원을 고속 변조할 때, 주입 전하밀도의 변화에 따른 광원 스펙트럼의 넓어짐이 존재하게 되고, 이러한 광원 스펙트럼의 넓어짐에 따른 색 분산 효과가 전송거리를 제한하는 요인으로 작용한다. 현재, 10Gbps의 전송속도로 변조된 직접 변조형 반도체 레이저의 전송거리는, 일반적인 단일모드 광섬유를 사용할 경우 10~15㎞ 정도에 불과하다.Among these, in the optical communication using the 1.55 占 퐉 wavelength band, when the light source is modulated at high speed, there is a widening of the light source spectrum due to the change of the injection charge density, and the color dispersion effect according to the widening of the light source spectrum limits the transmission distance. Act as a factor. Currently, the transmission distance of a directly modulated semiconductor laser modulated at a transmission rate of 10 Gbps is only about 10 to 15 km using a typical single mode optical fiber.

한편, 1.3㎛ 파장대에서는 색 분산이 없기 때문에, 10Gbps의 고속 변조된 직접 변조형 반도체 레이저의 전송거리는 광섬유에서의 손실에만 의존하게 되고, 본 발명자들에 의한 실험 결과, 55㎞ 이상을 전송할 수 있음이 확인되었다. 이러한 전송 거리는 시내망과 같은 근거리 전송망에서는 충분히 사용될 수 있을 것으로 여겨진다.On the other hand, since there is no color dispersion in the 1.3 占 퐉 wavelength band, the transmission distance of the 10 Gbps high-speed modulated direct modulation semiconductor laser depends only on the loss in the optical fiber, and as a result of experiments by the present inventors, it is possible to transmit more than 55 km. Confirmed. It is considered that such transmission distance can be sufficiently used in a local area network such as a local area network.

그러나, 전송 가능거리가 더욱 늘어나게 되면, 시스템 구성의 여유도가 늘어나게 되므로 최대한 전송 가능거리를 늘릴 필요가 있다. 1.3㎛ 파장대의 광 전송에서 전송의 제한요인이 광섬유에서의 광 손실이므로, 전송거리를 증가시키기 위해서는 광원에서 나오는 신호의 세기를 크게 하면 된다. 이와 같이, 광 신호의 세기를 증가시키기 위해서는, 반도체 레이저 다이오드에 더 큰 전류를 인가함으로써 쉽게 달성할 수 있다.However, when the transmission distance is further increased, the margin of system configuration increases, and thus the transmission distance needs to be increased as much as possible. Since the limiting factor of the transmission in optical transmission in the wavelength range of 1.3 탆 is optical loss in the optical fiber, the intensity of the signal from the light source may be increased to increase the transmission distance. As such, in order to increase the intensity of the optical signal, it can be easily achieved by applying a larger current to the semiconductor laser diode.

그러나, 10Gbps급의 고속 통신에 있어서, 큰 전류를 구동하기에는 어려움이 많고, 현재 상용화된 전자소자로는 수십 ㎃의 전류만을 구동할 수 있으므로, 광 신호의 세기를 크게 하기에는 많은 어려움이 있다.However, in the high-speed communication of the 10Gbps class, it is difficult to drive a large current, and since the current commercially available electronic device can drive only a few tens of electric current, there are many difficulties in increasing the intensity of the optical signal.

결국, 본 발명은 상기한 종래기술의 한계를 극복하기 위한 것으로, 본 발명의 주된 목적은, 1.3㎛ 파장대 광통신의 광원으로 사용되는 반도체 레이저의 신호 세기를 증가시켜 전송거리를 증대시킬 수 있도록 구성된, 반도체 레이저 다이오드를 제공함에 있다.After all, the present invention is to overcome the above limitations of the prior art, the main object of the present invention is configured to increase the transmission distance by increasing the signal strength of the semiconductor laser used as the light source of the optical communication in the 1.3㎛ wavelength band, In providing a semiconductor laser diode.

본 발명의 또 다른 목적은, 상기한 광 증폭기가 집적된 반도체 레이저 다이오드를 간단하고도 경제적으로 제조할 수 있는 방법을 제공함에 있다.It is still another object of the present invention to provide a method in which a semiconductor laser diode integrated with the above optical amplifier can be manufactured simply and economically.

도 1은 본 발명에 따른 반도체 레이저 다이오드 제조공정에 있어서, 회절격자를 형성하기 위한 기판의 제조과정을 나타낸 단면도,1 is a cross-sectional view showing a manufacturing process of a substrate for forming a diffraction grating in the semiconductor laser diode manufacturing process according to the present invention,

도 2는 도 1의 기판 위에 감광막 격자 패턴을 형성한 상태를 나타낸 단면도,2 is a cross-sectional view illustrating a state in which a photosensitive film lattice pattern is formed on a substrate of FIG. 1;

도 3은 도 2의 감광막 격자를 이용하여 InGaAsP 격자를 형성한 상태를 나타낸 단면도,3 is a cross-sectional view illustrating a state in which an InGaAsP grating is formed using the photoresist grating of FIG. 2;

도 4는 도 3의 기판에 유전체 박막을 도포한 후, 일반적인 리소그래피 방법으로 반도체 레이저 다이오드가 제작될 부분을 제외한 영역의 유전체 박막을 제거한 상태를 나타낸 단면도,4 is a cross-sectional view illustrating a state in which a dielectric thin film is removed from a region excluding a portion where a semiconductor laser diode is to be manufactured by a general lithography method after applying the dielectric thin film to the substrate of FIG. 3;

도 5는 도 4의 기판을 InP에 대한 InGaAs 또는 InGaAsP의 선택 식각을 수행하여 반도체 레이저 이외 영역의 격자를 제거한 상태를 나타낸 단면도,5 is a cross-sectional view illustrating a state in which a lattice in a region other than a semiconductor laser is removed by performing selective etching of InGaAs or InGaAsP on InP with respect to the substrate of FIG. 4;

도 6은 도 5의 기판 상의 유전체 박막을 제거한 후 반도체 레이저 및 광 증폭기의 활성층 구조를 성장한 상태를 나타낸 단면도,6 is a cross-sectional view illustrating a state in which an active layer structure of a semiconductor laser and an optical amplifier is grown after removing the dielectric thin film on the substrate of FIG. 5;

도 7은 도 6의 기판 상에 유전체 박막의 패턴을 형성하고 불순물을 주입하는 과정을 나타낸 단면도,FIG. 7 is a cross-sectional view illustrating a process of forming a pattern of a dielectric thin film and implanting impurities on the substrate of FIG. 6;

도 8은 도 7의 유전체 박막 패턴을 이용하여 습식 또는 건식 식각을 통해 p-InP층을 제거한 상태를 나타낸 단면도.8 is a cross-sectional view illustrating a state in which a p-InP layer is removed by wet or dry etching using the dielectric thin film pattern of FIG. 7.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명** Description of the symbols for the main parts of the drawings *

1 : InP 기판1: InP substrate

2 : InGaAs 또는 InGaAsP의 격자용 에피층2: epitaxial layer for InGaAs or InGaAsP

2a : 회절격자3 : InP 캡층2a: diffraction grating 3: InP cap layer

4 : 감광막 격자5 : 유전체 박막4: photosensitive film lattice 5: dielectric thin film

6 : n-InGaAsP 에피층7 : 활성층6: n-InGaAsP epi layer 7: active layer

8 : p-InGaAsP 에피층9 : p-InP 클래드 에피층8: p-InGaAsP epi layer 9: p-InP clad epi layer

10 : 유전체 박막11 : 불순물 주입 전면10 dielectric thin film 11 impurity implantation front

상기한 목적을 달성하는, 본 발명에 따른, 반도체 레이저 다이오드는, 분산 궤환형(Distributed Feedback : DFB) 반도체 레이저 다이오드와, 상기한 반도체 레이저 다이오드의 광신호를 증폭하기 위한 광 증폭기와, 상기한 반도체 레이저 다이오드와 광 증폭기를 전기적으로 절연시키기 위한 절연 도파로(isolation waveguide)를, 동일한 하나의 반도체 웨이퍼 기판 상에 집적시켜 구성된 것을 특징으로 한다.A semiconductor laser diode according to the present invention, which achieves the above object, includes a distributed feedback (DFB) semiconductor laser diode, an optical amplifier for amplifying an optical signal of the semiconductor laser diode, and the semiconductor. An isolation waveguide for electrically isolating the laser diode and the optical amplifier is characterized by being integrated on the same single semiconductor wafer substrate.

또한, 본 발명에 따른, 광 증폭기가 집적된 반도체 레이저 다이오드의 제조방법은, InP 기판 상에 분산 궤환을 일으키기 위한 회절격자(grating) 형성용의 InGaAs 또는 InGaAsP의 반도체층과 이를 보호하는 InP 캡층(cap layer)을 성장하는 단계와, 상기 단계에서 얻어진 기판 상에 감광막(Photo Resist : PR) 격자를 형성하는 단계와, 상기 단계에서 형성된 감광막 격자를 식각 마스크로 사용하여 습식 식각 또는 건식 식각을 수행하여, 분산 궤환을 위한 InGaAs 또는 InGaAsP의 회절격자를 형성하는 단계와, 상기 단계에서 얻어진 기판의 감광막을 제거하고, 레이저 다이오드가 형성될 영역을 제외한 영역인 광 증폭기와 절연 도파로가 형성될 영역 위의 회절격자를 제거하는 단계와, 상기 단계에서 얻어진 기판 상에 반도체 레이저 다이오드와 광 증폭기의 활성층을 성장하는 단계와, 상기 단계에서 얻어진 기판 내부에 상기한 반도체 레이저 다이오드와 광 증폭기를 전기적으로 절연시키기 위한 절연 도파로를 형성하는 단계를 포함한다.In addition, according to the present invention, a method for fabricating a semiconductor laser diode integrated with an optical amplifier includes an InGaAs or InGaAsP semiconductor layer for forming a diffraction grating for causing dispersion feedback on an InP substrate, and an InP cap layer protecting the same. cap layer), forming a photoresist (PR) grating on the substrate obtained in the step, and performing wet etching or dry etching using the photoresist grating formed in the step as an etching mask. Forming a diffraction grating of InGaAs or InGaAsP for dispersion feedback, removing the photosensitive film of the substrate obtained in the step, and diffraction over the area where the optical amplifier and the insulating waveguide are to be formed except the area where the laser diode is to be formed. Removing the lattice, and growing the active layers of the semiconductor laser diode and the optical amplifier on the substrate obtained in the step System and, a step of forming the semiconductor on the substrate obtained in the above step the laser diode and the insulating waveguide for optical amplifier electrically insulated.

이때, 상기한 광 증폭기와 절연 도파로가 형성될 영역 위의 회절격자를 제거하는 단계는, 상기한 감광막이 제거된 기판 위에, SiNx 또는 SiOx의 유전체 박막을 피복하고, 통상적인 포토 리소그래피 방법을 이용하여 레이저 다이오드가 형성될 영역을 제외한 영역 위에 위치한 유전체 박막을 제거한 다음, InGaAs 또는 InGaAsP의 선택적 식각을 수행한 후, 상기한 유전체 박막을 제거하는 과정을 거쳐 수행하는 것이 바람직하다.At this time, the step of removing the diffraction grating on the region where the optical amplifier and the insulating waveguide are to be formed, the dielectric thin film of SiNx or SiOx is coated on the substrate on which the photosensitive film is removed, using a conventional photolithography method It is preferable to remove the dielectric thin film located above the region excluding the region where the laser diode is to be formed, to perform selective etching of InGaAs or InGaAsP, and then to remove the dielectric thin film.

또한, 상기한 절연 도파로 형성 단계는, 상기한 활성층이 성장된 기판을 SiNx 또는 SiOx의 유전체 박막으로 피복하고, 절연 도파로를 형성할 부분의 유전체 박막을 제거한 후, 유전체 박막이 제거된 부분에 아르곤(argon)을 주입(implantantion)하거나 아연(zinc)을 확산시켜 상기한 활성층에 결정 결함을 유발시키고, 이를 열처리하는 과정과, 상기한 유전체 박막을 마스크로 이용하여, 습식 식각 또는 건식 식각으로 반도체 레이저 다이오드와 광 증폭기 사이에 위치한 p-InP층을 제거하는 과정을 거쳐 수행하는 것이 바람직하다.In addition, the insulating waveguide forming step may include coating the substrate on which the active layer is grown with a dielectric thin film of SiNx or SiOx, removing the dielectric thin film of the portion to form the insulating waveguide, and then argon ( argon) implantation or diffusion of zinc to cause crystal defects in the active layer and heat treatment thereof, and using the dielectric thin film as a mask, using a wet etching or a dry etching semiconductor laser diode It is preferable to carry out the process of removing the p-InP layer located between and the optical amplifier.

이하, 본 발명에 따른 반도체 레이저 다이오드 및 그의 제조방법에 대한 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조하여 보다 상세히 설명한다.Hereinafter, a preferred embodiment of a semiconductor laser diode and a method of manufacturing the same according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

본 발명에서는, 일반적인 크기의 전류로 구동되는 반도체 레이저와 광 증폭기를 하나의 반도체 기판 상에 집적시켜 광 신호의 세기를 증가시키는 방법과, 이러한 구조의 소자를 제조함에 있어서, 광 도파로 및 광 증폭기가 형성될 영역의 회절격자를 제거하는 방법과, 반도체 레이저와 광 증폭기 사이를 연결하는 도파로를 형성하는 방법이 상세히 기술된다.In the present invention, a method of increasing the intensity of an optical signal by integrating a semiconductor laser and an optical amplifier driven by a current of a general magnitude on a semiconductor substrate, and in manufacturing a device having such a structure, an optical waveguide and an optical amplifier The method of removing the diffraction grating of the region to be formed and the method of forming the waveguide connecting between the semiconductor laser and the optical amplifier are described in detail.

반도체 레이저 다이오드의 발진 원리는 이미 잘 알려져 있으며, 진행파 반도체 광증폭(travelling wave semiconductor optical power amplification)의 원리 또한 널리 알려져 있으므로, 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.The oscillation principle of a semiconductor laser diode is well known, and the principle of traveling wave semiconductor optical power amplification is also well known, and thus a detailed description thereof will be omitted.

본 발명에 따른, 반도체 레이저 다이오드는, 분산 궤환형 반도체 레이저 다이오드와, 상기한 반도체 레이저 다이오드의 광신호를 증폭하기 위한 광 증폭기와, 상기한 반도체 레이저 다이오드와 광 증폭기를 전기적으로 절연시키기 위한 절연 도파로를, 동일한 하나의 반도체 웨이퍼 기판 상에 집적시켜 구성된다.According to the present invention, a semiconductor laser diode includes a distributed feedback type semiconductor laser diode, an optical amplifier for amplifying an optical signal of the semiconductor laser diode, and an insulating waveguide for electrically insulating the semiconductor laser diode and the optical amplifier. Is integrated on the same single semiconductor wafer substrate.

일반적으로, 고속 통신용의 반도체 레이저 다이오드는 단색성이 좋아야 하므로 분산 궤환형의 레이저로 제조되어야 하는 반면에, 광 증폭기에는 분산 궤환의 회절격자가 존재하면 안된다. 따라서, 반도체 기판 상에 회절격자가 존재하는 영역과 회절격자가 존재하지 않는 영역이 동시에 존재하여야 한다. 이러한 국부적인 회절격자의 제조는 전자선 리소그래피(E-beam lithography) 방법을 이용하여 획득될 수 있으나, 전자선 리소그래피 방식에 의한 회절격자의 제조는 레이저 홀로그래피(laser holography) 방식에 비하여 훨씬 많은 비용이 소요되며, 수율 또한 떨어지므로, 이하에서는, 레이저 홀로그래피 방식을 이용하여 국부적인 회절격자를 얻는 방법을 설명하겠다. 먼저, 도 1에 도시된 바와 같이, InP 기판(1) 위에 분산 궤환을 일으키기 위한 회절격자 형성용으로 사용되는 수십 nm 두께의 InGaAs 또는 InGaAsP의 격자용 에피층(2)과 이를 보호하기 위한 수십 nm 두께의 InP 캡층(3)을 성장시킨다.In general, semiconductor laser diodes for high-speed communication should have a good monochromatic property and should be manufactured with a distributed feedback type laser, whereas an optical amplifier should not have a distributed feedback diffraction grating. Therefore, a region in which the diffraction grating is present and a region in which the diffraction grating is not present should be simultaneously present on the semiconductor substrate. The manufacture of such local diffraction gratings can be obtained using electron beam lithography, but the production of diffraction gratings by electron beam lithography is much more expensive than laser holography. Since the yield is also low, a method of obtaining a local diffraction grating using a laser holography method will be described below. First, as shown in FIG. 1, a lattice epitaxial layer 2 of InGaAs or InGaAsP having a thickness of several tens nm used for forming a diffraction grating for causing dispersion feedback on an InP substrate 1, and several tens of nm for protecting it. A thick InP cap layer 3 is grown.

이렇게 제조된 기판 위에 감광막(PR : Photo Resist)을 도포한 후, 통상적인 간섭 노광방법을 이용하여, 도 2에 도시된 것과 같이, 주기가 약 200nm인 감광막 격자(4)를 형성한다.After applying a photoresist film (PR) on the substrate thus prepared, a photoresist grating 4 having a period of about 200 nm is formed using a conventional interference exposure method, as shown in FIG. 2.

이렇게 형성된 감광막 격자(4)를 식각 마스크로 이용하여 습식 식각 또는 건식 식각을 수행함으로써, 도 3과 같이, 분산 궤환을 위한 InGaAs 또는 InGaAsP의 회절격자를 형성한다.By performing wet etching or dry etching using the thus formed photoresist grating 4 as an etching mask, as shown in FIG. 3, a diffraction grating of InGaAs or InGaAsP for dispersion feedback is formed.

그 후, 상기한 기판상의 감광막을 제거하고, SiNx 또는 SiOx의 유전체 박막(5)으로 피복한 후, 도 4에 도시된 바와 같이, 통상적인 포토 리소그래피(photo-lithography) 방법을 이용하여 레이저 다이오드가 형성될 영역을 제외한 영역인 광 증폭기와 절연 도파로가 형성될 영역상에 위치한 유전체 박막을 제거한다.Thereafter, the photoresist film on the substrate is removed, coated with a dielectric thin film 5 of SiNx or SiOx, and then, as shown in FIG. 4, a laser diode is formed using a conventional photo-lithography method. The dielectric thin film located on the region where the optical amplifier and the insulating waveguide are to be formed except for the region to be formed is removed.

상기한 과정을 거쳐 제조된 기판을 InP에 대한 InGaAs 또는 InGaAsP의 선택 식각을 수행하여, 도 5에 도시된 바와 같이, 광 증폭기와 절연 도파로가 형성될 영역 위의 회절격자를 제거한다.Selective etching of InGaAs or InGaAsP with respect to InP is performed on the substrate manufactured through the above process, and as shown in FIG. 5, the diffraction grating on the region where the optical amplifier and the insulating waveguide are to be formed is removed.

상기한 과정에서 형성된 기판상의 유전체 박막(5)을 제거하고, 도 6에 도시된 바와 같이, 기판(1)상에, 약 150nm 두께의 n-InGaAsP 에피층(6), 약 100nm 두께의 활성층(7), 약 150nm 두께의 p-InGaAsP 에피층(8), 약 300nm 두께의 p-InP 클래드 에피층(9)을 순차적으로 적층하여, 반도체 레이저 다이오드와 광 증폭기의 활성층을 성장한다. 이때, 도 6에서, 도면 부호 2a는 반도체 레이저 다이오드 영역에 형성된 회절격자를 나타낸다.The dielectric thin film 5 on the substrate formed in the above process is removed, and as shown in FIG. 6, the n-InGaAsP epi layer 6 having a thickness of about 150 nm and the active layer having a thickness of about 100 nm are formed on the substrate 1. 7), a p-InGaAsP epi layer 8 having a thickness of about 150 nm and a p-InP clad epi layer 9 having a thickness of about 300 nm are sequentially stacked to grow an active layer of a semiconductor laser diode and an optical amplifier. 6, reference numeral 2a denotes a diffraction grating formed in the semiconductor laser diode region.

일반적으로, 반도체 레이저 다이오드는 고속 변조를 수행하게 되므로 AC 전류가 흐르게 되는 반면에, 광 증폭기는 DC 바이어스(bias)를 가해야 하므로, 이들 두 소자 사이를 전기적으로 절연시켜 주어야 한다. 이러한 전기적 절연은 반도체 레이저와 광 증폭기 사이의 p-도핑(doping) InP층을 길이 방향으로 약 50㎛ 정도 제거함으로써 달성할 수 있다. 그러나, 이러한 절연 지역은 전기적으로 활성화되지 않는 지역이며, 이 지역의 밴드갭이 반도체 레이저에서 발진되어 방사되는 신호광의 에너지와 같으므로, 신호광이 이 지역에서 흡수되는 문제가 발생한다. 이를 방지하기 위해서는, 절연 지역의 활성층을 모두 제거하고 밴드갭이 큰 물질로 이루어지는 광 도파로층을 성장시킴으로써, 전기적 절연과 도파로에서의 광 흡수 차단과 같은 소기의 목적을 달성할 수 있다. 그러나, 광 도파로를 재성장 방식으로 성장시키는 것은 필수적으로 비평면 기판에서의 에피 성장을 필요로 한다. 이러한 비평면에서의 에피 성장은 접합 부분에서의 불균일한 에피 성장 특성 때문에, 반도체 레이저와 도파로, 도파로와 광 증폭기 사이의 광 결합시에 산란 손실을 유발하게 된다.In general, semiconductor laser diodes perform high-speed modulation, so AC current flows, while optical amplifiers must apply DC bias, so they must be electrically isolated between these two devices. This electrical isolation can be achieved by removing about 50 μm in the longitudinal direction of the p-doped InP layer between the semiconductor laser and the optical amplifier. However, such an insulating area is an area that is not electrically activated, and the band gap in this area is equal to the energy of the signal light emitted and emitted by the semiconductor laser, so that a problem arises in that the signal light is absorbed in this area. In order to prevent this, by removing all active layers in the insulating region and growing an optical waveguide layer made of a material having a large band gap, a desired purpose such as electrical insulation and light absorption blocking in the waveguide can be achieved. However, growing the optical waveguide in a regrowth manner necessarily requires epitaxial growth on a non-planar substrate. This non-planar epi growth causes scattering losses during optical coupling between the semiconductor laser and the waveguide, the waveguide and the optical amplifier because of the non-uniform epi growth characteristics at the junction.

이러한 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명에서는, 다음과 같은 공정을 착안하였다. 즉, 반도체 레이저와 광 증폭기의 활성층 구조는 광 이득(gain)을 크게 하기 위하여, 압축응력 또는 인장응력을 받는 양자우물(quantum well) 구조를 가지게 된다. 이와 같이, 활성층이 응력을 받고 있는 양자우물로 구성되어 있을 때, 양자우물은 벌크(bulk) 상태에 비하여 열적으로 안정성이 떨어지게 된다.In order to solve this problem, the following process was devised in the present invention. That is, the active layer structure of the semiconductor laser and the optical amplifier has a quantum well structure that is subjected to compressive or tensile stress in order to increase the optical gain. As such, when the active layer is composed of quantum wells under stress, the quantum wells are less thermally stable than the bulk state.

도 7에 도시된 바와 같이, 절연 영역을 제외한 반도체 레이저 다이오드와 광 증폭기 부분을 유전체 박막(10)으로 피복하여 보호한 상태에서, 불순물 주입 전면(front)(11)으로 아르곤을 주입하거나 아연을 확산시킨 후 이를 열처리하면, 불순물에 의한 격자 결함이 양자우물을 구성하고 있는 우물(well)층과 장벽(barrier)층의 원자들의 혼합을 조장한다. 따라서, 양자우물 구조는 사라지고, 우물층과 장벽층의 혼합물의 밴드갭(band gap)을 가지는 물질층으로 변화하게 된다. 이러한 현상으로 얻어지는 밴드갭 천이는 약 100nm에 이를 수 있다. 즉, 아르곤을 주입한 영역의 밴드갭이 반도체 레이저와 광 증폭기에 비해 100nm 정도 청색 변이(blue shift)함으로써, 반도체 레이저에서 발진되는 신호광이 절연 영역을 통과하여도, 흡수 손실이 발생되지 않는다. 이러한 방법을 이용하면, 절연 영역의 도파로를 재성장 방식으로 성장하는 것에 비해, 에피 성장횟수를 줄일 수 있을 뿐만 아니라, 재성장 경계면에서 발생되는 산란 손실 또한 없앨 수 있은 장점이 있다.As shown in FIG. 7, argon is implanted into the impurity implantation front 11 or zinc is diffused while the semiconductor laser diode and the optical amplifier except the insulation region are covered and protected by the dielectric thin film 10. After the heat treatment, the lattice defect caused by the impurities promotes the mixing of the atoms of the well layer and the barrier layer constituting the quantum well. Accordingly, the quantum well structure disappears and is changed into a material layer having a band gap of a mixture of the well layer and the barrier layer. The band gap transition resulting from this phenomenon can reach about 100 nm. That is, since the bandgap of the region in which argon is injected is blue shifted by about 100 nm compared with the semiconductor laser and the optical amplifier, absorption loss does not occur even when the signal light oscillated by the semiconductor laser passes through the insulating region. Using this method, the number of epitaxial growths can be reduced, as well as the scattering loss generated at the regrowth interface, compared to the growth of the waveguide in the insulating region by the regrowth method.

상기와 같이 처리된 기판상의 유전체 박막(10)를 마스크로 그대로 이용하여, 도 8에 도시된 바와 같이, 습식 식각 또는 건식 식각에 의해 최상부의 p-InP층(9)을 제거함으로써, 본 발명의 반도체 레이저 다이오드가 완성되는 한편, 손쉽게 절연 효과도 얻을 수 있다.By using the dielectric thin film 10 on the substrate treated as above as a mask and removing the uppermost p-InP layer 9 by wet etching or dry etching, as shown in FIG. While the semiconductor laser diode is completed, the insulation effect can be easily obtained.

상기한 본 발명에 따르면, 반도체 기판 위에 집적된 광 증폭기를 통해 반도체 레이저의 광신호를 증폭시킬 수 있어 전송거리를 대폭적으로 증가시킬 수 있고, 광 증폭기가 집적된 반도체 레이저 다이오드의 제조에 있어서, 국부적으로 존재하는 회절격자의 형성을 용이하게 되며, 반도체와 광 증폭기 사이의 절연 도파로 형성을 용이하게 수행할 수 있으므로, 전체 소자의 생산 단가를 저감시킬 수 있음은 물론, 수율을 증대시킬 수 있는 효과가 있다.According to the present invention described above, it is possible to amplify the optical signal of the semiconductor laser through the optical amplifier integrated on the semiconductor substrate can significantly increase the transmission distance, and in the manufacture of a semiconductor laser diode integrated optical amplifier, It is easy to form the diffraction grating present, and since it is possible to easily form the insulating waveguide between the semiconductor and the optical amplifier, it is possible to reduce the production cost of the entire device, as well as to increase the yield have.

Claims (4)

분산 궤환형 반도체 레이저 다이오드와,A distributed feedback semiconductor laser diode, 상기한 반도체 레이저 다이오드의 광신호를 증폭하기 위한 광 증폭기와,An optical amplifier for amplifying the optical signal of the semiconductor laser diode; 상기한 반도체 레이저 다이오드와 광 증폭기를 전기적으로 절연시키기 위한 절연 도파로를,An insulating waveguide for electrically insulating the semiconductor laser diode and the optical amplifier, 동일한 하나의 반도체 웨이퍼 기판상에 집적시켜 구성된 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 다이오드.A semiconductor laser diode characterized by being integrated on the same single semiconductor wafer substrate. InP 기판상에 분산 궤환을 일으키기 위한 회절격자 형성용의 InGaAs 또는 InGaAsP의 반도체층과 이를 보호하는 InP 캡층을 성장하는 단계와,Growing a semiconductor layer of InGaAs or InGaAsP for diffraction grating formation to cause dispersion feedback on the InP substrate and an InP cap layer protecting the same; 상기 단계에서 얻어진 기판상에 감광막 격자를 형성하는 단계와,Forming a photoresist grating on the substrate obtained in the step; 상기 단계에서 형성된 감광막 격자를 식각 마스크로 사용하여 습식 식각 또는 건식 식각을 수행하여, 분산 궤환을 위한 InGaAs 또는 InGaAsP의 회절격자를 형성하는 단계와,Performing wet etching or dry etching using the photoresist grating formed in the above step as an etching mask to form a diffraction grating of InGaAs or InGaAsP for dispersion feedback; 상기 단계에서 얻어진 기판의 감광막을 제거하고, 레이저 다이오드가 형성될 영역을 제외한 영역인 광 증폭기와 절연 도파로가 형성될 영역 위의 회절격자를 제거하는 단계와,Removing the photosensitive film of the substrate obtained in the above step, removing the diffraction grating on the optical amplifier and the region where the insulating waveguide is to be formed, except for the region where the laser diode is to be formed; 상기 단계에서 얻어진 기판상에 반도체 레이저 다이오드와 광 증폭기의 활성층을 성장하는 단계와,Growing an active layer of a semiconductor laser diode and an optical amplifier on the substrate obtained in the step; 상기 단계에서 얻어진 기판 내부에 상기한 반도체 레이저 다이오드와 광 증폭기를 전기적으로 절연시키기 위한 절연 도파로를 형성하는 단계를 포함하는, 광 증폭기가 집적된 반도체 레이저 다이오드의 제조방법.And forming an insulating waveguide for electrically insulating the semiconductor laser diode and the optical amplifier in the substrate obtained in the step. 제 2 항에 있어서,The method of claim 2, 상기한 광 증폭기와 절연 도파로가 형성될 영역 위의 회절격자를 제거하는 단계는,Removing the diffraction grating on the region where the optical amplifier and the insulating waveguide are to be formed, 상기한 감광막이 제거된 기판 위에, SiNx 또는 SiOx의 유전체 박막을 피복하고, 통상적인 포토 리소그래피 방법을 이용하여 레이저 다이오드가 형성될 영역을 제외한 영역 위에 위치한 유전체 박막을 제거한 다음, InGaAs 또는 InGaAsP의 선택적 식각을 수행한 후, 상기한 유전체 박막을 제거하는 과정을 거쳐 수행하는 것을 특징으로 하는,On the substrate from which the photoresist film was removed, the dielectric thin film of SiNx or SiOx was coated, and the dielectric thin film located on the area except the region where the laser diode is to be formed was removed using a conventional photolithography method, and then selective etching of InGaAs or InGaAsP was performed. After performing, characterized in that to perform through the process of removing the dielectric thin film, 광 증폭기가 집적된 반도체 레이저 다이오드의 제조방법.A method for manufacturing a semiconductor laser diode in which an optical amplifier is integrated. 제 2 항에 있어서,The method of claim 2, 상기한 절연 도파로 형성 단계는,The insulating waveguide forming step, 상기한 활성층이 성장된 기판을 SiNx 또는 SiOx의 유전체 박막으로 피복하고, 절연 도파로를 형성할 부분의 유전체 박막을 제거한 후, 유전체 박막이 제거된 부분에 아르곤을 주입하거나 아연을 확신시켜 상기한 활성층에 결정 결함을 유발시키고, 이를 열처리하는 과정과,The substrate on which the active layer is grown is coated with a dielectric thin film of SiNx or SiOx, the dielectric thin film of the portion to form the insulating waveguide is removed, and then argon is injected into the portion from which the dielectric thin film is removed or zinc is assured to the active layer. Causing crystal defects and heat-treating them, 상기한 유전체 박막을 마스크로 이용하여, 습식 식각 또는 건식 식각으로 반도체 레이저 다이오드와 광 증폭기 사이에 위치한 p-InP층을 제거하는 과정을 거쳐 수행하는 것을 특징으로 하는,By using the above dielectric thin film as a mask, by performing a process of removing the p-InP layer located between the semiconductor laser diode and the optical amplifier by wet etching or dry etching, 광 증폭기가 집적된 반도체 레이저 다이오드의 제조방법.A method for manufacturing a semiconductor laser diode in which an optical amplifier is integrated.