KR940008562B1 - 화합물 반도체 장치 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

화합물 반도체 장치 및 그 제조방법

제1도는 종래 화합물반도체장치의 단면도.

제2도는 이 발명에 따른 화합물 반도체 장치의 평면도.

제3도는 제2도의 측면도이다.

이 발명은 화합물 반도체 장치 및 그 제조방법에 관한 것으로, 특히 레이저다이오드와 포토다이오드를 동일 칩상에 형성한 화합물 반도체 장치 및 그 제조방법에 관한 것이다.

최근 정보통신사회로 급격히 발전해감에 따라 초고속 컴퓨터, 초고주파 및 광통신에 대한 필요성이 더욱 증가되고 있다. 그러나, 기존 Si를 이용한 소자로는 이러한 필요성을 만족시키는데 한계가 있기 때문에 물질 특성이 우수한 화합물 반도체에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다.

상기 화합물 반도체중 GaAs는 전자의 이동도가 8500㎠/V.S정도로 크며 저잡음특성이 우수하여 NESFET(Metal Semiconductor FET) 및 HEMT(High Electron Mobility Transistor) 등의 고속소자에 이용된다. 또한, GaAs는 상온에서 1.43eV의 에너지밴드갭(Energy Bandgap)을 가지므로 광의 파장이 적외선에 가까운 약 8800Å정도이도 직접 천이형이므로 레이저다이오드(LASER Diode ; 이하 LD라 칭함) 및 포토다이오드(Photo Diode ; 이하 PD라 칭함)등의 광소자에도 이용되고 있다.

상기 LD는 반도체 PN접합에서 주입되는 전자와 정공의 재결합에 의해 발생되는 빛을 유도방출하는 것으로, 방출된 빛은 간접성과 방향성을 갖는다. 또한, PD는 상기 LD와 동일한 구조를 갖으며 역방향바이어스(Peverse bias)를 인가하고 빛을 조사하면 전류가 흐르는 것이다. 따라서 상기 LD와 PD는 통신에서 송신용과 수신용소자로 각각 이용되고 있다. 또한 상기 LD를 송신소자로 이용할 때 방출되는 빛의 세기를 일정하게 하기 위하여 LD에서 방출되는 빛의 세기를 감지하여 외부회로를 통하여 LD에 인가되는 전압을 제어하는 감지용 PD(Monitoring PD ; 이하 MPD라 칭함)가 필요로 하게 한다. 따라서, 상기 LD와 MPD를 본딩(Bonding)과 도선에 의해 하이브리드(Hybrid)화 하였으나 가격이 비싸고 제조공정의 차이에 의해 LD에서 방출되는 빛의 파장과 같은 에너지 밴드갭을 가지는 MPD를 제조하기 어려우므로 비선형적인 수광특성에 의해 광검출능력이 낮았다. 따라서 LD와 MPD를 동일칩상에 형성하는 방법에 대해 연구되고 있다.

제1도는 종래의 화합물반도체장치의 단면도이다. 상기 화합물 반도체 장치는 LD와 MPD를 동일 칩에 형성한 것이다.

상기 화합물 반도체 장치는 LD가 형성되어 있는 영역(L)과 MPD가 형성되어 있는 영역(M)으로 나누어지며, 이 LD와 MPD는 동일한 구성을 갖는다. 상기 LD는 P형 GaAs의 반도체 기판(1)의 영역(L)상에 P형 AlxGa₁-yAs의 클래드층(3), P형 AlyGa₁-yAs의 활성층(5), N형 AlxGa₂-xAs의 클래드층(7) 및 N형 GaAs의 캡층(9)이 형성되어 있다. 상기 활성층(5)을 P형으로 형성하였으나 N형으로 형성할 수 있으며, 이 활성층(5)이 클래드층들(3), (7)보다 광의 굴절률을 크게 하기 위하여 1≥ x > y ≥ 0의 조성비 조건을 만족하여야 한다. 또한, 상기 캡층(9)의 상부에 N형 전극(11)이, 반도체기판(1)의 하부에 P형전극(13)이 각각 형성되어 있다. 그리고, 상기 반도체 기판(1)의 영역(M)상에 MPD가 상기 LD와 동일한 구성으로 형성되어 있다. 따라서, 상기 P형전극(13)은 공통전극이 된다. 상기 MPD는 LD의 타측의 발광면에서 방출되는 빛을 입사시키고 역바이어스를 인가하면 빛은 MPD의 활성층(5)에서 전자와 정공으로 분리되어 상기 N형 전극(11)과 P형전극(3)사이에 전류가 흐르게 된다.

상기 전류의 양은 LD의 일측의 발광면에서 방출되는 빛의 세기에 비례하므로 이 전류의 양에 따라 외부회로를 통하여 LD의 빛의 세기를 조절한다. 상기에서 LD와 MPD의 활성층(5)들은 동일한 에너지밴드갭을 가지며 위상이 같으므로 결합효율이 높다. 또한, LD에서 방출된 빛이 MPD의 수광면의 표면에 반사되어 LD에 다시 입사되면 이 LD의 SN비(Signl-to-Noise rate) 특성을 나쁘게 하므로 MPD의 수광면을 반도체기판(1)에 대하여 경사지도록 형성되어 있다. 따라서 상기 LD의 발광면들을 형성하기 위해 반도체기판(1)에 수직으로 식각하고, 재차 MPD의 수광면이 소정각도를 갖도록 경사식각한다.

상기의 화합물반도체장치는 통신시스템에서 송신용으로 사용되는데 수신용 PD(Receiving PD ; 이하 RPD)와 하이브리드화하여 송수신장치로 사용할 수 있다.

그러나 상술한 종래의 화합물반도체장치는 MPD의 수광면을 형성하기 위하여 2번의 식각공정을 하므로 제조공정이 복잡한 문제점이 있었다. 또한, 상기 화합물 반도체 장치를 통신시스템에 사용할 때 RPD와 하이브리드화 하므로써 전력소모가 크고 고집적화가 어려우며 제조원가가 상승하는 문제점이 있었다. 따라서 이 발명은 MPD의 수광면을 반도체기판과 수직이되게 하여 제조공정이 간단한 화합물 반도체 장치를 제공함에 있다. 이 발명의 다른 목적은 LD와 RPD를 동일 칩상에 형성한 화합물 반도체 장치를 제공함에 있다. 또한, 이 발명의 다른 목적은 상기 화합물 반도체 장치의 제조방법을 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 이 발명은 레이저다이오드와 이 레이저다이오드에서 방출되는 빛을 감지하여 외부회로를 통해 상기 빛의 세기를 조절하는 감지용 포토다이오드가 동일한 반도체기판에 구비된 화합물 반도체 장치에 있어서, 상기 감지용 포토다이오드는 레이저다이오드에서 방출되는 빛이 입사되는 면이 상기 반도체기판과 수직이고 상기 레이저다이오드의 빛을 방출하는 면과 소정각도로 대향되도록 형성됨을 특징으로 한다.

상기 다른 목적을 달성하기 위하여 이 발명은 사각 기둥형태의 레이저다이오드와, 상기 레이저다이오드에서 방출되는 빛이 입사되는 일측면이 반도체기판과 수직이고 이일측 면에서 반사되는 빛이 상기레이저다이오드의 빛이 방출되는 면을 통해 재입사되지 않도록 소정각도로 대향되어 있으며 타측면도 상기 소정각도와 다른 각도를 가지는 삼각기둥형태의 감지용포토다이오드와, 상기 감지용포토다이오드와 대칭된 삼각기둥형태의 수신용포토다이오드가 동일한 반도체기판에 구비됨을 특징으로 한다.

상기 또 다른 목적을 달성하기 위하여 이 발명은 제1도전형의 반도체기판상에 제1도전형의 제1클래드층과 제1도전형 또는 제2도전형의 활성층과 제2도전형의 제2클래드층과 제2도전형의 캡층을 순차적으로 에피성장시키는 공정과, 상기 반도체 기판의 하부 및 캡층의 상부에 제1도전형 전극과 제2도전형 전극을 각각 형성하는 공정과, 상기 반도체기판의 소정깊이까지 한번의 이방성 식각하여 사각기둥형태의 레이저다이오드와 서로 대칭하는 삼각기둥형태의 감지용 및 수신용 포토다이오드를 형성함을 특징으로 한다.

이하, 이 발명을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

제2도는 이 발명의 일실시예에 따른 화합물 반도체 장치의 평면도이고, 제3도는 이 화합물 반도체 장치를 (A)방향에서 바라본 측면도이다. 상기 화합물 반도체 장치는 동일 칩상에 LD, MPD 및 RPD가 형성된 것으로 영역(L)에는 LD가, 영역(M)에는 MPD가, 영역(R)에는 RPD가 형성되어 있다. 상기 LD, MPD 및 RPD는 P형 GaAs의 반도체 기판(21)상에, P형 AlxGa₁-xAs의 제1클래드층(23), P형 AlyGa₁-yAs의 활성층(25), N형 AlxGa₁-xAs의 제2클래드층(27), N형 GaAs의 캡층(29) 및 Au/Ge/Ni의 N형전극(31)이 적층되어 소자분리공간(35)들에 각각 분리되어 있으며, 이 반도체기판(31)의 하부표면에는 Au/Zn의 P형 전극(33)이 공통 전극으로 형성되어 있다.

상기 활성층(25)을 P형으로 형성하였으나 N형으로 형성할 수 있으며, 또한 상기 활성층(25)이 제1 및 제2클래드층들(23), (27)보다 광의 굴절률을 크게 하기 위하여 조성비를 1≥ x > y으로 한다. 그리고 상기 LD는 사각형으로, MPD와 RPD는 서로 대칭되는 삼각형으로 각각 이루어지며 반도체기판(21)과 수직을 이루는 소자분리공간(35)들에 의해 분리되어 있다. 상기 MPD를 (A)방향에서 바라본 면의 내부각도를 θ₁및 θ₂라 하면, 상기 (A)방향의 반대면의 RPD의 내부각도가 θ₁및 θ₂가 된다. 상기 LD의 폭을 W₁, 길이를이라 하면 상기 화합물 반도체장치의 총길이 _T

가 된다.

상기에서 W₂는 각 소자들 사이의 소자분리공간(35)의 폭이다.

상기 식에서 각각의 소자가 서로 영향을 주지 않는 최소한의 각 θ₁과 θ₂를 구하면,

이 된다.

상기 θ₂를 구하는 식에서 nd는 각 소자들의 활성층(25)들의 굴절률이고, ns는 소자분리공간(35)의 굴절률이다. 따라서, θ₁은 LD의 폭(W₁)와 소자분리공간(35)의 폭(W₂)에 의하며, θ₂는 소자들의 활성층(25)들 및 소자분리공간(35)들의 굴절률들과 θ₁에 의해 각각 한정되며, θ₁과 θ₂는 π/2보다 작은 라디안(Radian)각이다. 상기 θ₁과 θ₂를 조절하여 반도체장치의 동작시 오동작을 방지할 수 있다. 즉, 상기 LD 구동식 일측의 발광면을 통해 송신하기 위한 빛(a)와, 타측의 발광면을 통해 MPD에 의해 빛의 세기가 감지되어 상기 빛(a)의 세기를 조절하기 위한 빛(b)이 각각 방출된다. 상기 MPD의 일측면에서 반사되거나 배출된 빛은 상기 LD에 다시 입사되어 SN비 특성을 저하시키지 않도록하여야 한다. 상기에서 θ₁을 60°라 가정하면 상기 타측의 발광면에서 방출되는 빛(b)이 MPD의 일측면에 60°로 입사된다. 따라서 상기 일측면에서 반사되는 빛 (d)도 일측면과 60°의 각도를 이루며 재입사 되지 않는다.

상술한 화합물 반도체 장치의 동작을 설명한다.

먼저, LD를 구동시켜 송신할 때 상기 LD의 N형 및 P형 전극들(31),(33)에 전압을 인가하면 활성층(25)에서 주입되는 전자와 정공이 재결합하여 빛을 발생한다. 상기 발생된 빛은 발진되어 상기 LD의 발광면들을 통해 빛들 (a), (b)로 방출된다. 상기 일측의 발광면에서 방출되는 빛(a)은 송신하기 위한 것이고, 타측의 발광면에서 방출되는 빛(b)은 상기 MPD에 입사되어 상기 송신하기 위한 빛(a)의 세기를 감지하기 위한 것이다. 상기 빛(b)이 MPD에 입사되면 상기 활성층(25)의 굴절률(nd)에 의해 빛(C)이 굴절되며, N 및 P형전극들(31), (33)에 역바이어스를 인가하면 상기 MPD의 활성층(25)에서 전자와 정공으로 분리되어 전류가 흐르게 된다. 상기 전류의 양은 MPD에 입사되는 빛(b)의 세기에 비례하므로 외부회로를 통하여 LD에서 송신하는 빛(a)의 세기를 조절할 수 있다. 또한, 상기 빛(b)이 상기 MPD의 일측면으로 입사될 때 소정량의 빛(C)이 반사된다. 상기 MPD의 일측면이 상기 반도체기판(21)과 수직이나 상기 LD의 타측의 발광면과 90°-θ₁만큼 기울어져 있으므로 상기 빛(C)는 LD의 타측의 발광면을 통해 재입사되지 않는다.

또한, 상기 MPD에서 빛(d) 중 미량의 분리되지 않는 것은 방출되어 빛(e)로 RPD에 입사되는데 상기 소자분리영역(35)의 굴절률(ns)와 RPD의 활성층(25)의 굴절률에 의해 전반사되어 RPD로 입사되지 않고 빛(f)와 같이 공기중으로 반사된다.

한편, 상기 RPDFMF 구동시켜 수신할 때 빛(g)이 입사되고 역바이러스를 인가하면 상기 활성층(25)에서 전자와 정공으로 분리되어 N형과 P형전극들(31), (33) 사이에 전류가 흐르게 된다. 이 때, 상기 빛(g)이 모두 흡수되지 않고 미량의 빛(h)을 반사시키며, 또한 상기 활성층(25)에서 흡수된 빛(i)이 완전히 전자와 정공으로 분리되지 않고 MPD로 빛(j)를 방출한다. 상기 빛(j)은 상기 MPD의 일측면과 기울기가 작으며, 또한 소자분리공간(35)의 굴절률(ns)과 MPD의 활성층(25)의 굴절률(nd)에 의해 MPD에 입사되지 않고 전반시킨다.

상기 화합물 반도체장치는 동일한 반도체기판상에 LD, MPD 및 RPD를 형성하였으나 LD 및 MPD만을 형성할 수도 있다.

상술한 화합물 반도체 장치의 제조방법을 설명한다.

P형 GaAs의 반도체 기판(21)상에, P형 AlxGa₁-xAs의 제1클래드층(23), P형 또는 N형 AlyGa₁-yAs의 활성층(25), N형 AlxGa₁-xAs의 제1클래드층(27) 및 N형 GaAs의 캡층(29) 및 LPE(Liquid Phase Epitaxy), MBE(Molecular Beam Epitaxy) 또는 NOCVD(Metal Organic Chemical Vappor Deposition) 방법에 의해 순차적으로 형성한다. 그 다음, 상기 캡층(29)의 상부 Au/Ge/Ni의 N형전극(31)을, 기판(21)의 하부에 Au/Zn의 P형 전극(33)을 형성한다. 계속해서 상기 N형전극(31)의 표면에 포토마스크패턴을 형성한 후 반도체 기판(21)과 수직을 이루도록 이온빔에칭(Ion Beam Etching) 등과 같은 이방성 에칭방법으로 상기 반도체 기판(21)의 소정두께까지 제거하여 LD, MPD 및 RPD를 한정하는 소자 분리공간(35)을 형성하고 포토마스크패턴을 제거한다. 상기에서 한번의 에칭공정에 의해 LD는 사각형으로, MPD 및 RPD는 삼각형으로 형성되며, 상기 MPD와 RPD는 대칭을 이룬다.

상술한 바와 같이 동일한 반도체 기판상에 LPE 방법으로 각층들을 적층하고 한 차례의 이방성 에칭방법으로 사각형의 LD와, 서로 대칭된 삼각형을 가지는 MPD와 RPD를 θ₁과 θ₂를 조절하여 형성한다.

따라서, 이 발명의 LD, MPD 및 RPD를 동일한 반도체 기판의 상부에 형성하므로 고집적화가 쉬우며 소비전력 및 제조원가를 절감하는 있고, 또한 한번의 식각공정에 의해 반도체 기판과 수직이고 레이저다이오드의 발광면과 소정각도를 가지는 포토다이오들을 형성하므로 제조공정이 간단한 잇점이 있다. 또한, 이 발명의 실시예를 GaAs로 보였으나 InP등과 같은 것에도 적용할 수 있다.

Claims (6)

1. 레이저다이오드와 이 레이저다이오드에서 방출되는 빛을 감지하여 외부회로를 통해 상기 빛의 세기를 조절하는 감지용 포토다이오드가 동일한 반도체 기판에 구비된 화합물 반도체 장치에 있어서, 상기 감지용 포토다이오드는 레이저다이오드에서 방출되는 빛이 입사되는 면이 상기 반도체 기판과 수직이고 상기 레이저 다이오드의 빛을 방출하는 면과 90°-θ₁의 각도로 대향되도록 형성된 화합물 반도체 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 소정각도는 π/2보다 작고 레이저 다이오드에서 방출된 빛이 감지용 포토다이오드에서 반사되어 레이저다이오드에 재입사되지 않을 최소각보다 크도록 화합물 반도체 장치.
3. 사각기둥 형태의 레이저다이오드와, 상기 레이저다이오드에서 방출되는 빛이 입사되는 일측면이 반도체 기판과 수직이고 이 일측면에서 반사되는 빛이 상기 레이저다이오드의 빛이 방출되는 면을 통해 재입사되지 않도록 90°-θ₁각도로 대향되어 있으며 타측면도 상기 각도와 다른 θ₂각도를 가지는 삼각기둥 형태의 감지용 포토다이오드와, 상기 감지용 포토다이오드와 대칭된 삼각기둥 형태의 수신용 포토다이오드가 동일한 반도체 기판에 구비된 화합물 반도체 장치.
4. 제1도전형의 반도체 기판상에 제1도전형의 제1클래드층과 제1도전형 또는 제2도전형의 활성층과 제2도전형의 제2클래드층과 제2도전형의 캡층을 순차적으로 에피성장시키는 공정과, 상기 반도체 기판의 하부 및 캡층의 상부에 제1도전형전극과 제2도전형전극을 각각 형성하는 공정과, 상기 반도체 기판의 소정깊이까지 한번의 이방성식각하여 사각기둥 형태의 레이저다이오드와 90°-θ₁의 각도로 서로 대칭하는 삼각기둥 형태의 감지용 포토다이오드 및 수신용 포토다이오드를 각각 형성하는 화합물 반도체 장치의 제조방법.
5. 제4항에 있어서, 상기 에피성장은 LPE, MBE 또는 MOCVD중 어느 하나의 방법을 이용하는 화합물 반도체 장치의 제조방법.
6. 제4항에 있어서, 상기 이방성식각은 반응성이온식각인 화합물 반도체 장치의 제조방법.