GaAs 광도파로(waveguide)의 제작 및 특성 연구

Abstract

In this thesis, a semiconductor waveguide was fabricated using GaAs, one of the Ⅲ-V compound material, and its characteristics were measured. The GaAs Schottky rib waveguide was fabricated as follows. GaAs epi layer was grown using MOCVD(Meta1 Organic Chemical Vapor Deposition) technique on an n^(+)-type (100) GaAs substrate doped with 10^(18)cm^(-3) doping concentration. The grown GaAs epi layer was about 3pm thick with 106^(16)cm^(-3) carrier concentration. Two waveguides having a direction of [011] (7㎛ width, 0.7㎛ depth and 8.45mm length each) were fabricated on the GaAs epi layer using mesa etching method (ref. fig.4.6) with a spacing of 3㎛. Two Al electrodes were delineated on the each mesa pattern with 25㎛ midway gap and the A1 electrodes act as a Schottky metal. AuGe/Au was evaporated onto the bottom of the substrate for ohmic contact. In this experiment, we need 4 bias schemes, 2 for the parallel bias applied voltage (uniform Δβ) and 2 for the cross bias applied voltage (reversed Δβ). Carenco, Menigaux and Delpech (1979)[1] reported that the coupling length is 7.9mm for the complete coupling and the coupling length varies with the applied bias voltage (0∼-30v) for the waveguide structure simillar to our experiment. The coupling characteristics for the 4 bias schemes in our experiment agreed more or less with those of Carenco et al. at the bias voltage of o to -5 volts. The GaAs epi layer in our experiment has more defects and a carrier concentration about ten times that of Carenco et al. These difference may explain the higher minimum voltage of about -5 volts which can be applied to the electrodes without the reverse breakdown of the Schottky diode. At the minimum bias voltage of -5 volts the coupling was about 70%. The fabrication of the GaAs waveguide is the first time in Korea and we plan to continue improving the fabrication of the semiconductor waveguide.;본 논물에서는 Ⅲ - Ⅴ족 화합물 반도체인 GaAs를 사용하여 광도파로(waveguide)를 제작하여 그 특성을 관측, 고찰하였다. 매질의 굴절율( refractive index) 차이에 의해 도파로 내에 제한(confine)된 빛은 그 자체의 전자기적 성질(electromagnetic property)에 따라 도파로 내로 진행하게 되는데, 이때 도파로 바깥쪽으로 지수적 감소(exponential decay)를 이루는 소멸파(evanescent wave)의 영향으로 인접한 도파로와 coupling이 이루어진다. 이렇게 한쪽 도파로로 입사하여 또 다른 인접한 도파로로 coupling 되는 빛은 의부에서 전기장을 걸어줄때 전기광학 효과(electrooptic effect)에 의해 그 전파 특성이 바뀌게 된다. 이상과 같은 원리에 의해 GaAs를 사용하여 Schottky rib광도파로를 제작하였다. 우선 (100) 방향의 n￣- type GaAs ( n∼10＾(18)㎝＾(-3) ) 기판 위에 MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition)방법을 이용하여 기판과 동일한 결정방향을 갖도록 3㎛ 정도의 n - type GaAs (n∼10＾(16)cm＾(-3) )를 적층성장(epitaxy)하였다. 그 위에 3 ㎛ 간격으로 2개의 도파로 (폭 7㎛, 높이 0.7㎛, 길이 8.45㎜)를 [01Ⅰ] 방향이 되도록 mesa etching했다(그림 4.6참조) . 그리고 Al- Schottky contact을 사용하여 각 도파로에 2개씩(25㎛ gap)의 전극을 만들었다. 도파로 기판의 밑면에는 AuGe/Au를 증착하여 ohmic contact 시켰다. 이렇게 제작된 GaAs 광도파로는 빛이 입사하는 input guide와 이와 나란한 coupled guide에 각각 2개씩 총 4개의 전극을 갖게 된다. 빛의 도파 및 coupling 특성을 측정하기 위하여 input guide와 coupled guide 각각의 전극에 전압을 가하는 uniform Δβ 형식과 각 guide 의 전극에 엇갈려 전압을 가하는 reversed Δβ 형식의 4가지 바이어스 형태에 따라 광도파를 측정하였다. A. Carence, L. Menigaux 와 Ph. Delpech ＾(1)) (1979년)는 위와같은 도파로에서 완전한 coupling이 일어나게 되는 coupling length가 7.9㎜이고 그 길이는 가해주는 바이어스 크기 ( 0 ∼ -30 V)에 따라 변조될 수 있음을 발견하였다. 본 논문에서 제작된 GaAs 광도파로는 epi층의 불순물 농도(carrier concentration)가 위 실험에서보다 약 10배이고 결함(defect)이 많아 각 전극에 걸어줄 수 있는 바이어스 크기가 - 5 V 정도로 너무 작았다. 따라서 본 실험에서 얻은 최대 coupling은 70 % 정도로 완벽한 coupling을 보기는 힘들었으나 - 5 V까지의 결과는 위의 실험과 잘 일치하였으며 특히 국내 최초의 GaAs waveguiding 실험이라는 점이 본 논문의 의의라 하겠다.