KR0164285B1 - 마이크로렌즈가 형성된 광집적 소자 및 그의 제조방법 - Google Patents

마이크로렌즈가 형성된 광집적 소자 및 그의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 마이크로렌즈가 형성된 광집적 소자 및 그의 제조방법에 관한 것이다. 좀 더 구체적으로 단거리 광통신에서의 광의 송신단이나 수신단, 각종 광표시소자, 고감도 광검출소자 및 고속 발광다이오드 프린터 등의 주요부분으로 사용할 수 있는 마이크로렌즈가 형성된 광집적 소자와 그의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명에 의하면 리지높이가 과도하게 높지 않으면서도 균일한 높이의 형성이 가능하여 다른 소자와 결합이 용이하면서도 배열화가 쉬운 마이크로렌즈를 갖는 광집적소자를 제조할 수 있으며, 본 발명의 광집적소자는 고속 발광다이오드 프린터, 단거리 광통신에서의 광 송수신단, 각종 광표시소자 및 고감도 광검출소자 등에 광범위하게 활용될 수 있다.

Description

마이크로렌즈가 형성된 광집적소자 및 그의 제조방법
제1도는 마이크로렌즈가 형성된 종래의 광집적소자의 개략도이다.
제2도는 본 발명의 일 실시예에 따른 광집적소자의 사시도이다.
제3도는 본 발명에 의한 광집적소자의 광통신 송수신단 다중접속의 배열방법 실시예이다.
제4도는 본 발명에 의한 광집적소자의 일차원배열의 실시예이다.
제5도는 제4도에 도시한 광집적 소자의 저면도이다.
제6도는 본 발명에 의한 광집적소자와 구동전기소자를 하나의 기판 위에 형성한 배열의 실시예이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 마이크로렌즈 2 : 전극
3 : 리지 높이 4 : 단결정기판
11 : 마이크로렌즈 12 : 기판측 전극
13 : 반도체기판 14 : 유전체박막
15 : 에피층측 전극 16 : 에피층
21 : 광집적소자의 일차원배열의 플립칩
22 : 솔더링범프 23 : 반사금속
24 : 실리콘 서브마운트 25 : 경사면
26 : 광섬유 27 : v-그로브
41 : 에피층측 전극 42 : 콘택트 패턴
51 : 금속막 52 : 구동전기소자의 전극
본 발명은 마이크로렌즈가 형성된 광집적소자 및 그의 제조방법에 관한 것이다. 좀 더 구체적으로, 단거리 광통신에서의 광의 송신단이나 수신단, 각종 광표시소자, 고감도 광검출소자 및 고속 발광다이오드 프린터 등의 주요부분으로 사용할 수 있는 마이크로렌즈가 형성된 광집적소자 및 그의 제조방법에 관한 것이다.
마이크로렌즈가 형성된 종래의 광집적소자에 대하여는 대한민국 특허공고 제92-6857에 개시되어 있으며, 이러한 종래 기술을 도면을 참조하여 좀 더 자세히 설명하면 아래와 같다:
전기한 종래의 광집적소자는 선택적 용액식각과 재결정성장을 이용하여 렌즈행태를 형성함으로써 제조되었다. 전기한 방법에 의해 제조된 광집적소자의 형태는 제1도에 도시된 바와 같다. 제1도의 광집속적소자는 단결정기판의 상단부에 용액식각 마스크를 형성하고 용액식각을 행한 다음, 재결정성장에 의해 박박층을 형성시켜 마이크로렌즈를 형성하고, 저항성접촉을 위해 전극을 증착하여 제조되었다.
그러나, 상기한 방법에 의해 제조된 광집적소자는 박막성장시에 발생하는 리지(ridge)의 높이가 10㎛ 내지 30㎛에 이르는 높은 리지높이를 지니고, 리지의 높이가 균일하지 못하다는 문제점이 존재하고 있었다. 또한, 노광작업 등의 후속공정에서 과도한 리지높이 및 리지높이의 불균일에 의해 다른 소자들과의 집적 및 광집적소자의 배열화가 용이하지 않다는 문제점을 지니고 있었다.
결국, 본 발명의 목적은 리지높이가 낮으면서도 균일한 높이의 형성이 가능하여 다른 소자와 결합 및 배열화가 용이한 마이크로렌즈가 형성된 광집적소자를 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 전기한 마이크로렌즈가 형성된 광집적소자를 간단한 공정에 의해 제조할 수 있는 방법을 제공함에 있다.
상기한 목적을 이루기 위하여, 본 발명의 마이크로렌즈가 형성된 광집적소자 의 제조방법은, 반도체 기판에 멀트벡 마스크를 형성하고 선택적 멜트벡 식각에 의해 반도체 기판에 반구형 식각면을 형성하는 공정; 반도체 기판의 하단부에 에피텍시공정에 의해 에피층을 성장시키고 전기한 에피층에 유전체박막을 형성하여 유전체박막에 콘텍트 패턴을 형성한 후 유체박막 상에 금속을 증착하여 에피층측 전극을 형성하는 공정; 전기 반도체 기판의 상단부를 식각하고 식각된 반도체 기판의 상단부에 금속을 증착하여 기판측 전극을 형성하는 공정; 전기한 반도체 기판 상단부에 형성된 기판측 전극에서 렌즈가 노출되는 위치의 금속을 제거한 후 선택적 용액식각에 의해 마이크로렌즈가 노출될 때까지 반도체 기판의 상단부를 식각하는 공정; 및, 전기한 공정에 의해 제조된 광집적소자를 급속가열하여 저항성 접촉을 형성하는 공정을 포함한다.
또한, 본 발명의 마이크로렌즈가 형성된 광집적소자는, 반도체 기판; 전기 반도체 기판 위에 형성된 마이크로렌즈; 전기 반도체 기판의 상단부에 형성된 기판측 전극; 전기 반도체 기판의 하단부에 형성된 에피층; 전기 에피층의 하단부에 구성되며 콘택트 패턴이 형성된 유전체 박막; 및 전기 유전체 박막의 하단부에 형성된 에피층측 적극을 포함한다.
또한, 본 발명은 상기한 마이크로렌즈가 형성된 광집적소자의 광통신 송수신단 다중접송의 배열방법, 광집적소자의 일차원 배열방법, 광집적소자의 이차원 배열방법 및 광집적소자와 구동전기소자를 하나의 기판 상에 형성하는 배열방법을 제공한다.
이하, 본 발명의 광집적소자에 대한 구성 및 제조방법을 첨부도면을 참조하여 좀 더 구체적으로 설명한다.
제2도는 본 발명에 의한 마이크로렌즈가 형성된 광집적소자의 실시예를 나타낸 도면으로, 본 발명에 의한 광집적소자는 GaAs개열의 반도체기판(13)에 선택적 멜트벡(meltback) 식각을 행하여 반구형 식각면을 형성한 다음, SiO2또는 Si3N4등의 재질을 지닌 멜트벡 마스크(meltback mask)를 제거하고 반도체 기판(13)의 하단부에 AlGaAs 마이크로렌즈(11)와 발광소자, 수광소자 및 구동용 전자소자층을 목적에 따라 에피택시한다. 에피층(16)쪽에 전류제한구조를 위한 SiO2또한 Si3N4재질의 유전체박막(14)을 올리고 콘텍트 패턴(contact pattern)을 형성한 후 Au/AuZn/Au 및 CrAu 등의 P형 금속을 열증착기법으로 증착하여 에피층측 적극(15)을 형성한다. 광집적소자의 저항특성 향상을 위해 반도체 기판(13)의 상단부를 100㎛만 남겨 두고 전부 시작한다. 이 때 사용되는 식각용액은 NH4OH:H2O2:H2O=1:1:2인 혼합용액을 사용하였고 식각속도는 분당 2.5㎛이다. 식각된 기판 상단부에 열증착기법으로 AuGe/Ni/Au의 n형 금속을 증착하여 기판측 전극(12)을 형성한다. 상기한 과정에 의해 반도체 기판(13)의 상단부에형성된 기판측 전극(13)을 프론트 투 벡 사이드 얼라이닝(Front-to-back side aligning) 기법을 이용하여 마이크로렌즈(11)가 노출되어야 하는 위치의 전극층을 형성하는 n형 금속을 제거한 다음, 마이크로렌즈(11)가 나타날 때까지 GaAs 선택적 용액식각을 수행한다. 식각용액은 NH4OH:H2O2=1:30의 혼합용액이고 식각속도는 용액온도 40℃에서 분당 약 20㎛이다. 상기한 공정에 의해 완성된 단일소자 및 소자배열(제1도에 나타낸 단일 소자들의 1차원 혹은 2차원 배열)들을 전극의 저항성 접촉을 위해 급속열처리(rapid thermal annealing, RTA)로 온도 450℃에서 60초 동안 옴 알로이(ohmic alloy)한다.
제3도는 제2도에 도시한 마이크로렌즈가 형성된 광집적소자의 배열을 45°각도의 경사면을 갖도록 식각한 다음, 반사금속(23)을 증착한 실리콘 서브마운트(Si submount)(24)에 솔더링 범프(soldering bump)(22)를 이용하여 플립 칩(frip chip) 결합하여 광통신 송수신단의 다중접속으로 사용되는 본 발명에 따른 광집적소자배열의 일 실시예를 나타낸 것이다. 배열소자가 동작되면, 발광소자의 경우에는 소자의 아래쪽으로 빛이 방출되어 45°의 경사가 형성된 반사면(25)에 반사된 후 실리콘 서브마운트(24)에 평행하게 방사된다. 이때, 빔이 방사되는 위치에 광섬유(26) 배열을 가져다 놓으면 방사광을 광섬유(26) 배열 안에서 효율적으로 다중접속할 수 있다. 광섬유를 가이드하기 위한 V-그로브를 실리콘 서브마운트에 식각하여 광통신 송수신단 다중접속을 완성한다.
제2도에 나타낸 광집적소자를 광통신의 수신단에 사용되는 수광소자로 활용하는 경우에는 제3도에 도시된 것과 같은 형태의 배열로 구성되나, 빛의 진행방향은 발광소자의 경우와는 반대이다. 즉, 광섬유 배열을 통해 전달된 빔이 제3도의 광섬유의 오른쪽 단면을 통해 방출되어 45°반사면에서 반사되어 바로 위에 있는 마이크로렌즈를 갖는 수광소자 배열에 흡수된다.
제4도는 본 발명에 의한 광집적소자의 일차원 배열의 일 실시예이며, 제5도는 제4도의 저면을 나타낸 도면이다. 제5도에 도시된 바와 같이, 콘택트 패턴(42) 위에 형성된 에피층측 전극(41)에 각각 신호를 인가하여 각각의 광집적소자를 개별구동시킬 수 있으며, 콘택트 메탈을 이용하여 각각의 광집적소자를 연결시키면 연결된 각각의 광집적소자들을 동시에 구동시킬 수도 있다.
제6도는 하나의 기판상에 광집적소자와 구동전기소자를 동시에 집적한 기판의 저면을 나타낸 것으로, 광집적소자를 구동시키기 위한 구동전기소자의 전극(52)과 광집적소자의 전극(41)을 소자간의 상호접속을 위한 금속막(51)이 형성되어 있다.
상술한 바와 같은 본 발명에 의하면 리지높이가 과도하게 높지 않으면서도 균일한 높이의 형성이 가능하여 다른 소자와 결합이 용이하면서도 배열화가 쉬운 마이크로렌즈를 갖는 광집적소자를 제조할 수 있으므로, 고속 발광다이오드 프린터, 단거리 광통신에서의 광 송수신단, 각종 광표시소자 및 고감도 광검출소자 등에 광범위하게 활용될 수 있다.

Claims (2)

  1. (i) GaAs 계열의 반도체 기판에 SiO2또는 SiN4재질의 멜트벡 마스크를 형성하고 선택적 멜트벡 식각에 의해 반도체 기판에 반구형 식각면을 형성하는 공정;
    (ii) 반도체 기판의 하단부에 에피텍시공정에 의해 에피층을 성장시키고 전기한 에피층에 유전체박막을 형성하여 유전체박막에 콘텍트 패턴을 형성한 후 유전체박막 상에 금속을 증착하여 에피층측 전극을 형성하는 공정; (iii) 전기 반도체 기판의 상단부를 NH4OH, H2O2및 H2O를 포함하는 식각용액으로 식각하고 식각된 반도체 기판의 상단부에 AuGe/Ni/Au의 n형 금속을 열증착하여 기판측 전극을 형성하는 공정; (iv) 전기한 반도체 기판 상단부에 형성된 기판측 전극에서 프론트 투 백 사이드 얼라이닝 기법으로 렌즈가 노출되는 위치의 금속을 제거한 후 NH4OH 및 H2O2를 포함하는 식각용액으로 선택적 용액식각에 의해 마이크로렌즈가 노출될 때까지 반도체 기판의 상단부를 식각하는 공정; 및, (v) 전기한 공정에 의해 제조된 광집적소자를 급속가열하여 저항성 접촉을 형성하는 공정을 포함하는 마이크로렌즈가 형성된 광집적소자 의 제조방법.
  2. 반도체 기판, 전기반도체 기판 위에 형성된 마이크로렌즈, 전기 반도체 기판의 상단부에 형성된 기판측 전극, 전기 반도체 기판의 하단부에 형성된 에피층, 전기 에피층의 하단부에 구성되며 콘텍트 패턴이 형성된 유전체 박막, 및 전기 유전체 박막의 하단부에 형성된 에피층측 전극을 포함하는 마이크로렌즈가 형성된 광집적 소자에 있어서, 전기 마이크로렌즈는 성장시키고자하는 반도체 물성과 동일한 재료로 결정을 성장시켜 형성된 것을 특징으로 하는 마이크로렌즈가 형성된 광집적소자.
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