KR0148597B1 - 왜곡 성장층을 이용한 금속/반도체 접합 쇼트키 다이오드 광소자 - Google Patents
왜곡 성장층을 이용한 금속/반도체 접합 쇼트키 다이오드 광소자Info
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Abstract
본 발명은 왜곡 성장층을 이용한 금속/반도체 접합 쇼트키 다이오드 광소자에 관한 것으로서 보다 상세하게는 화합물 반도체에서 전기광 흡수 효과를 갖는 다중양자우물(Multiple Quantum Well)구조를 금속/반도체접하 쇼트키 다이오드의 중간층으로 사용하는 광소자에 관한 것이다.
특징적인 구성으로는 반 절연성 갈륨비소기판 위에 갈륨비소거울층과 알미늄비소거울층이 다수 주기적으로 성장되어 있고 그 위에 다시 n+혹은 p+반도체층이 성장되고 상기의 반도체층위에 전극 및 거울역할을 위한 쇼트키금속층을 성장시키기 위해 갈륨비소완충층을 성장시킨 금속/반도체접합 다이오드소자에 있어서, 상기 반도체층과 접합시 쇼트키 특성을 갖는 금속막사이의 중간층에 전기광흡수특성을 갖는 다중양자우물구조를 두어 금속층/다중양자층/반도체층으로 다이오드를 구성한 다이오드 구조로 구성함에 있으며, 또한 상기 다이오드는 전극, 열전도 및 거울 역할을 하는 금속막과 다층 반도체막 거울 사이에 공명 및 비공명조건을 갖는 구조로 단결정기판을 광학적 투명층으로 하기 위해 반도체거울층 및 다이오드 구조층의 일부 혹은 전부를 왜곡층으로 성장함에 있으며, 다이오드층이 성장된 기판의 반대면은 광학적 무반사막으로 처리하여 구성함에 있다.
Description
제1도는 본 발명에서 제시하는 금속/n형(금속/p형) 반도체 접합 광소자 구조의 한 예를 보인 단면도.
제2도는 인가전압이 없을 때 금속/n형-반도체 쇼트키 접합의 블록도 및 다중양자우물구조.
제3도는 역방향 인가전압이 인가될 때의 금속/n형-반도체 쇼트키 접합의 블록도 및 다중양자우물구조.
제4도는 금속/n형 반도체 접합시 역방향 인가전압시 접합으로부터 거리에 따른 전계 및 전위도.
제5도는 본 발명의 한 실시예를 보인 것으로서 금속-갈륨비소/인듐갈륨비소-n전극 반도체 다이오드에서 95% 반사율의 반도체 금속 거울막에 대해 반도체 거울의 반사율(Rf) 및 양자우물 주기수에 따른 5V동작 전압에서의 신호차(ΔR) 및 신호비(CR)로서,
(a)는 RF 반사율이 0.15인 경우의 그래프,
(b)는 RF 반사율이 0.3인 경우의 그래프,
(c)는 RF 반사율이 0.5인 경우의 그래프.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 갈륨비소 기판 2 : 갈륨비소 거울층
3 : 알미늄비소 거울층 4 : 반도체층(n+ 혹은 p+)
5, 8 : 갈륨비소 완충층 6 : 비 도핑 양자 장벽층
7 : 비 도핑 양자우물층 9 : 쇼트키 전극 및 거울 금속층
10 : 무 반사층 L : 공명기 두께
1w : 양자우물층 두께 1b : 양자장벽층 두께
1b1, 1b2 : 완충층 두께
본 발명은 왜곡 성장층을 이용한 금속/반도체 접합 쇼트키 다이오드 광소자에 관한 것으로서 보다 상세하게는 화합물 반도체에서 전기광 흡수효과를 갖는 다중양자우물(Multiple Quantum Well)구조를 금속/반도체 접합 쇼트키 다이오드의 중간층으로 사용하는 광소자에 관한 것이다.
일반적으로 광 교환 및 통신 시스템을 위한 핵심적인 소자로서 이종 접합 화합물 반도체를 이용한 광소자 특히 비선형 전기광 흡수효과를 이용한 소자들은 소자의 수직방향에 광신호를 처리할 수 있으므로 광 신호의 병렬 처리 및 소자이 고밀도 집적화의 장점들을 가지고 있다.
종래 핀 다이오드에 다중양자우물구조를 중간층으로 구성한 광소자(특히 self electro-optic effect device)는 다이오드의 부저항 특성으로 대칭형으로 구성할 경우 광 논리기능을 위한 광 쌍안정 특성을 얻을 수 있다.
이러한 핀 다이오드 구조를 갖는 소자의 신호과에 의한 광전류의 충전/방전이 소자의 속도를 주로 결정하는 전자소자특성을 가지며 소자의 신호처리 성능은 동작신호 광세기에 의존하므로 따라서 고속신호처리를 위한 강한 광세기에 대하여 소자는 흡수포화효과 및 열적효과에 의하여 크게 영향을 받으며 특히 광 쌍안정 특성을 위한 소자의 경우 열적 문제에 의한 소자의 성능 감퇴는 매우 중요시된다.
또한 두꺼운 기판위에 성장된 다이오드층의 위로부터 신호광을 입력하는 핀 다이오드 구조에서는 소자성능에 치명적인 열상승에 의한 소자 성능 감퇴문제를 해결하기가 매우 어렵다.
즉, 다이오드 중간 활성층에서 발생하는 국부적인 열발생을 해소하기 위해서는 열원에 매우 근접한 거리(수 ㎛이내)근방에 열전도도가 우수한 열 해소막이 필요한데 기존 핀 구조는 상위 전극 층과 거울층에 의한 두께와 또한 신호광 입력을 위한 소자 상부층을 개방시켜야 하기 때문에 효율적인 열 해소법이 매우 어렵다.
이러한 문제를 해결하기 위해서는 소자에게 발생하는 국부적 온도상승을 해소하기 위한 소자도구나 냉각을 위한 장치가 필요하다.
그러나 종래의 핀 다이오드 갈륨비소/ALxGa1-xAs구조를 갖는 소자에서 이 문제를 해결하기 위해서는 입력 광에 의한 국부적인 열원에 대하여 열 해소층을 입혀야 하나 이것은 제조 공정상에 중요한 문제를 일으킨다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서 본 발명의 목적은 기존에 사용하는 갈륨비소기판위에 왜곡 InxGa1-xAs막으로 양자우물구조를 성장시켜 금속/반도체 쇼트키 다이오드를 형성하여 금속막에 의한 열해소 및 거울층 역할을 하며 갈륨비소기판은 동작파장에 대하여 투명층 역할을 하도록 하는 구조를 제작함으로써 고출력의 광신호 동작에서 열적인 손상없이 고속으로 동작하며 p층의 성장 및 공정단계를 제거함으로써 경제성 및 고성능의 광 논리소자를 구현할 수 있는 왜곡 성장층을 이용한 금속/반도체 접합 쇼트키 다이오드 광소자를 제공함에 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 왜곡 성장층을 이용한 금속/반도체 접합 쇼트키 다이오드 광소자의 특징은 반 절연성 갈륨비소기판 위에 갈륨비소 거울층과 알미늄비소 거울층을 주기적으로 성장하고 그 위에 다시 n+혹은 p+반도체층을 성장하고 상기의 반도체층 위에 전극 및 거울역할을 위한 쇼트키 금속층을 성장시키기 위해 갈륨비소 완충층을 성장시킨 금속/반도체접합 다이오드소자에게 있어서, 상기 반도체층과 접합시 쇼트키 특성을 갖는 금속층사이의 중간층에 양자장벽층과 양자우물층으로 구성되어 전기광 흡수특성을 갖는 다중양자우물구조를 두어 쇼트키 금속층/다중양자층/반도체층으로 다이오드를 구성함에 있으며, 또한 상기 다이오드는 전극, 열전도 및 거울 역할을 하는 금속층과 다층 반도체층의 거울 사이에 공명 및 비 공명조건을 갖는 구조로 단결정기판을 광학적 투명층으로 하기 우해 반도체 거울층 및 다이오드 구조층의 일부 혹은 전부를 왜곡 성장층으로 구성함에 있으며, 다이오드층이 성장된 기판의 반대면은 광학적 무반사막으로 처리하여 구성함에 있다.
이하, 본 발명에 따른 왜곡 성장층을 이용한 금속/반도체 접합 쇼트키 다이오드 광소자의 바람직한 하나의 실시예에 대하여 첨부 도면을 참고하여 상세히 설명한다.
제1도는 본 발명에서 제시하는 금속/반도체 접합 쇼트키 다이오드 구조의 한 실시예를 나타낸 것으로서, 도면에 도시된 바와 같이 반절연성의 갈륨비소기판(1) 위에 갈륨비소 거울층(2)과 알미늄비소 거울층(3)(혹은 왜곡 InxGa1-xAs/InyAl1-yAs)을 동작파장(λ:양자우물 구조에 의해 결정)의 λ/4nH와 λ/4nL(여기에서 nH 및 nL은 반도체 거울성장시 굴절율이 높은층의 굴절율을, nH, 굴절율이 낮은 층의 굴절율 값을 nL로 정의한다)의 두께로 성장시키고 이 갈륨비소거울층/알미늄비소거울층의 주기수는 공명구조 조건에 따라서 선택하여 반사율을 결정한다.
상기 주기적인 거울층위에 성장되는 N+(혹은 P+) 반도체층(4)은 진한 농도로 도핑된 알미늄갈륨비소(A10.1Ga0.9As층)(혹은 왜곡된 InxGa1+xAs, GaAs 등)로 형성하고 그 위에 n형 도펀트(dopant)의 확산을 막기 위한 도핑되지 않은 갈륨비소완충층(5)을 일정두께(Lb2)만큼 형성한다.
진성영역은 갈륨비소의 양자장벽층(6)과 인듐갈륨비소(InxGa1-xAs)의 양자우물층(7)으로 구성된 다중양자우물구조로 이루어져 있으며 그 위에 다시 도핑되지 않은 갈륨비소완충층(8)을 일정 두께(Lb1)로 형성하고 그 위에 쇼트키 전극층 및 거울층을 위해 금속층(9)을 형성하였다(상위 거울은 반도체 표면과 금속의 계면에 의한 약 95% 반사율을 갖는다).
이때 전체 공명기의 두께(금속면에서 반도체 거울면까지 두께, L)는 반사형 공명기가 동작파장(λ : GaAs/InxGa1-xAs 양자우물구조에 의해 결정)에서 공명조건을 만족하도록 조절한다.
또한 쇼트키 금속층(금, 니켈, 백금 등)과 반도체간이 전위(Vbi)는 갈륨비소에 대하여 약 0.8볼트, n-인듐갈륨비소에 대해서 약 0.2볼트, p-인듐갈륨비소에 대해서 약 0.6 볼트로서 광소자를 위한 다이오드 구성시 이 값이 큰 경우 유리한테 일례로 갈륨비소/InxGa1-xAs 양자우물구조를 사용한다면 갈륨비소완충층(Lb1+Lb2)과 장벽층 전체두께에 대한 우물층 전체 두께의 비를 조절하여 최적화할 수 있다.
그리고 선택된 양자우물구조에 대한 동작파장을 결정하면 이 파장에 대하여 기판 방향의 모든 층은 투명하여야 하기 때문에 기판 위에 층은 이 조건을 만족하기 위해 기판 구조에 대하여 장파장 밴드갭을 갖는 왜곡층 반도체를 형성하므로서 가능하다.
무반사층(10)은 기판 방향의 신호광 입력에 대하여 기판의 표면이 거울역할(공기/반도체 반사율은 보통 30%)을 하지 않도록 입혀진 무반사막으로 형성한다.
제2도는 진성영역에 MQW구조를 둔 금속/반도체 다이오드구조에서 외부 전압이 없을 때의 페르미 준위(Ef)에 대한 반도체 전도대역에서의 에너지준위(Ec)와 반도체 가전자대역에서의 에너지준위(Ev)를 나타낸 것이다.
중간(양자)층(Ⅱ)의 갈륨비소완충층과 GaAs/InxGa1-xAs 양자우물층은 백그라운딩 도핑농도가 1015㎤이하로 금속층(Ⅰ)과 전극(반도체)층(Ⅲ) 사이에 위치한다.
중간층(Ⅱ)에 존재하는 다중양자우물의 흡수변화는 소자동작에 의한 금속접합의 공핍층의 전계 변화에 의존하며, 금속/반도체 계면으로부터 전계의 크기는 반도체쪽으로 갈수록 선형적으로 감소하며, 인가 전압이 없을 때 흡수를 고려한 소자이 흡수율을 0으로 하기 위해서는 이 중간층에 공핍 영역의 조건들을 고려하여 설계한다.
일례로 GaAs/InxGa1-xAs 양자우물구조에서 λ=106.4nm 동작을 위한 5nm갈륨비소 장벽, 10nm 인듐갈륨비소 우물의 경우 전계 0.5×104V/cm에 대하여 α=5500/cm-1의 값을 가지며, 따라서 임피던스 정합 조건을 만족시키기 위해 금속층 반사율 95%, 반도체 거울 30%와 공명 두께를 가정하면 대략 110주기의 양자우물주기수로 소자의 오프 상태에서 반사율을 0으로 만들 수 있다.
제3도는 상기 제2도의 금속/반도체 접합 다이오드에서 역방향 전압을 인가할 때 밴드 모형을 도시하였다.
쇼트키 특성에 의해서 역방향 전압에 대하여 공핍 영역이 넓어지며 중간층에 위치한 양자우물구조는 더욱 큰 전계를 받게 되어 광흡수 계수가 크게 감소하게 된다.
제2도의 일례인 GaAs/InxGa1-xAs의 동일한 경우에 대하여 4×104V/cm의 전계가 인가되면 양자우물의 흡수계수는 2700/cm-1로 크게 낮아진다.
즉 오프상태에서 5500/cm-1양자우물 110주기로 반사율 0으로 존재하던 소자의 상태는 전압인가에 따른 흡수율의 감소로 온(on)상태에서 큰 반사율(15% 이상)을 나타낸다.
제4도는 상기 제2도아 제3도에서 예시한 GaAs/InxGa1-xAs 양자우물을 본 발명의 구조에 결합하였을 경우 본 발명의 금속/반도체 접합에 의한 공핍 중간층의 전계 변화가 제2도 내지 제3도에서 예시한 크기로 양자우물에서 흡수를 변화시키는지 아래의 식을 이용하여 이론적으로 계산한 결과를 도시하였다.
여기서 W는 다이오드에 의한 공핍 두께이며 E(x)는 거리 x의 함수로서 전계의 크기를 나타내고, ψ(x)는 전기 포텐셜 에너지이며, εs는 반도체의 유전 상수(갈륨비소에 대하여 13×8.85×10E-14F/cm)이며, q는 전자의 전하량(1.6×10E-19C)이고, Vbi은 장벽전위, VR은 역방향 인가전압, ND는 도오핑 농도로서 일례의 계산으로 여기서는 1015/cm-3으로 하였으며, x는 접합계면으로부터 반도체까지의 거리, ΦBN은 접합 장벽 높이 에너지이다.
이 계산된 결과로부터 거리 x에 따른 전체의 크기는 선형적인 관계를 가지며 거리에 따라서 감소한다.
일반적으로 표준 전압인 5V 전압하에서 W의 공핍 두께는 2.5㎛이상으로 커지며, 또한 전계의 세기도 접합부에서 1.4×104V/cm의 큰 전계가 유도된다.
또한 외부 인가 전압 VR=0인 경우 내재 전위에 의해 x=0에서 1.4×104V/cm로 전계가 유도된다.
그러나 거리 x에 따른 전계의 크기가 선형적으로 감소하기 때문에 실제 다중양자우물의 흡수계수변화를 효율적으로 이용하기 위해서는 양자우물구조의 위치와 그 구간사이의 전계를 적분하여 설계하여야 한다.
일례로 보여진 GaAs/InxGa1-xAs의 경우에 약 10KV/cm이하에서 5500/cm-1이며, 4×104V/cm에서 2700/cm-1로 정상 오프 조건과 임피던스 정합혹은 임피던스 정합 조건을 위한 설계시 약 두께 2㎛이하의 중간층 구성으로 충분한 효과를 얻을 수 있으며, 이것은 본 발명의 금속(일례 : Au)/반도체 접합에 의한 공핍 두께에 충분하므로 효율적으로 동작이 가능함을 보여준다.
제5도는 위에서 예시한 금속/반도체 접합의 중간층에 일례인 GaAs/InxGa1-xAs 다중양자우물구조를 사용하여 비대칭 공명구조 설계시 금속막의 반사율을 95%로 할 때, 반도체 거울층의 반사율(Rf) 및 중간층의 양자우물주기수(Nqw)를 조절하였을 경우 온(OV)/오프(5V) 동작시 소자의 반사율차(ΔR) 및 반사율비(CR)의 계산 결과이다.
즉 반도체 거울층의 반사율(Rf)을 증가시킬 경우 신호광의 효율성 증대로 요구되는 양자우물수는 감소하지만 전체적인 신호차의 값은 감소한다.
그러나 반도체 거울의 반사율을 감소시키면 전체적인 신호차 값은 중가하지만 반면에 요구되는 양자우물수가 증가되어 더 큰 동작전압이 필요하게 된다.
한 예로서 95% 금속막과 15% 반도체 거울의 임피던스 정합 조건에 필요한 양자우물주기수는 150주기수 이상이므로 금속/반도체 접합의 전계를 도시한 제4도에 의하면 더 큰 전압이 필요하며, 이것은 다이오드의 항복현상을 유발시킨다.
따라서 이 경우에 양자우물주기수를 임피던스 정합 조건의 하나인 100주기를 선택한다면 중간층의 두께는 1.5㎛로써 다이오드 동작에 적당하며, ΔR=20%, CR=5의 값을 얻을 수 있다.
동일하게 ΔR, CR 및 동작 전압, 반도체 거울 반사율등을 조절하므로서 용도에 적당한 다양한 소자 특성을 얻을 수 있으며, 이 값은 특히 동작광에서도 금속막의 열전도 효과로 유지될 수 있어, 종래의 핀구조에 비하여 고속 동작을 위한 강한 레이저광의 사용등에는 훨씬 우수한 성능을 발휘할 수 있는 장점을 가지고 있다.
이상에서와 같이 본 발명에 따른 금속/n형(혹은 p형) 반도체접합 쇼트키 다이오드를 이용한 광 논리 소자는 1)기존의 PIN 구조에서 p-type(혹은 n-type)전극층 및 상위 거울층을 제외하고 대신에 얇은 도우핑 중간층과 쇼트키 접합을 형성하는 금속막을 입힌 구조로, 상위의 금속막을 높은 반사율 거울로 하고 기존 PIN구조의 하위 거울에 해당하는 반도체 다층막을 낮은 반사 거울로 하며, 갈륨비소기판 바닥을 무반사 처리하여 신호광을 기판쪽에서 입력시키는 구조로 한다.
2)광신호를 기판쪽에서 입력하는 광 논리소자 구조를 구현하기 위해 갈륨비소보다 장파장 영역의 화합물 반도체를 이용한 다중양자우물구조 및 중간층내에서 위치를 최적화함으로써 광 논리구조 및 전극층을 형성하였으며(일례, GaAs/InxGa1-xAs 등), 이 물질을 갈륨비소기판 위에서 왜곡층으로 형성하였다.
3)금속/n형(금속/p형)반도체간의 내재전위 및 외부전압의 인가로 중간층에 존재하는 다중양자우물구조에서 전기광 흡수 효과를 양자우물주기수 및 중간층내에서 위치를 최적화 함으로써 광 논리 구조 및 광 변조구조를 구현할 수 있으며, -5V 전압에서 적절하게 동작할 수 있다.
4)기존의 광 소자구조에서 p형 반도체(n형 반도체) 및 상위 거울층의 성장공정을 생략함으로써 성장 단계를 단순화 하였으며, 또한 소자 제작공정을 줄일 수 있어 경제적 장점을 가지고 있다.
5)금속막층을 쇼트키 다이오드 중간층과 직접 접합시킴으로써 광소자의 고속동작을 위하여 필요한 큰 입력광에서 발생하는 광전류 유기 국부적 온도 상승에 의한 소자이 성능 감퇴 문제를 열전도도가 우수한 금속막을 중간층과 밀착시킨 구조를 구현함으로써 우수한 열손상 해소 효과를 얻을 수 있어, 소자의 성능을 소자가 갖는 물리적, 전기 회로적 한계에 근접시킴으로써 기존 구조에 비해 우수한 소자 성능을 얻을 수 있다.
Claims (3)
- 발절연성 갈륨비소기판 위에 갈륨비소거울층과 알미늄비소거울층이 다수 주기적으로 성장되어 있고 그 위에 다시 n+혹은 p+반도체층에 성장되고 상기의 반도체층 위에 전극 및 거울 역할을 위한 쇼트키 금속층을 성장시키기 위해 갈륨비소완충층을 성장시킨 금속/반도체 접합 다이오드소자에 있어서, 상기 반도체층과 쇼트키 금속막 사이의 중간층에 전기광흡수특성을 갖는 다중양자우물구조를 두어 상기 쇼트키 금속층/다중양자층/반도체층으로 다이오드를 구성함을 특징으로 하는 왜곡 성장층을 이용한 금속/반도체 접합 쇼트키 다이오드 광소자.
- 제1항에 있어서, 상기 다이오드는 전극, 열전도 및 거울 역할을 하는 금속막과 다층 반도체막 거울 사이에 공명 및 비공명조건을 갖는 구조로 단결정기판을 광학적 투명층으로 하기 위해 반도체거울층 및 다이오드 구조층의 일부 혹은 전부를 왜곡층으로 성장함을 특징으로 하는 왜곡 성장층을 이용한 금속/반도체 접합 쇼트키 다이오드 광소자.
- 제1항에 있어서, 상기 다이오드는 상기 다이오드층이 성장딘 기판의 반대면은 광학적 무반사층으로 처리함을 특징으로 하는 왜곡 성장층을 이용한 금속/반도체 접합 쇼트키 다이오드 광소자.
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