KR101001185B1 - 수발광 일체형 소자 - Google Patents

Abstract

본 발명은 수발광 일체형 소자에 관한 것으로, 보다 자세하게는 수광소자와 발광소자를 모노리틱(Monolithic)하게 형성하여 콤팩트한 모듈이 가능하며, 금속 그리드(Metal grid)의 형성으로 수광소자의 효율이 우수하고 발광소자에서 나온 광이 수광소자에 직접 입사되는 것을 방지하는 광분리층(Optical isolation layer)을 형성하여 수광소자와 발광소자 간의 크로스토크(Crosstalk)를 줄일 수 있는 수발광 일체형 소자에 관한 것이다.

본 발명의 수발광 일체형 소자는 기판, 상기 기판 하부에 형성되는 제1전극층, 상기 기판 상부에 형성되는 제1N형반도체층, 상기 제1N형반도체층 상부에 형성되는 제1P형반도체층, 상기 제1P형반도체층 상부에 형성되며 발광영역을 정의해주는 제2전극층, 상기 발광영역과 제2전극층이 존재하지 않는 영역에 존재하며 제1P형반도체층 상부에 형성되고 요부와 철부를 갖는 제2N형반도체층, 상기 제2N형반도체층의 철부에 형성되는 제2P형반도체층, 상기 제2N형반도체층의 요부에 형성되는 제3전극층 및 상기 제2P형반도체층 상부에 존재하며 제3전극층과 이격되어 존재하여 수광영역을 정의해주는 제4전극층을 포함함에 기술적 특징이 있다.

수발광, 일체, 모노리틱(monolithic), 크로스토그(crosstalk), 금속 그리드

Description

수발광 일체형 소자{Monolithic optical device for light receiving and radiating}

본 발명은 수발광 일체형 소자에 관한 것으로, 보다 자세하게는 수광소자와 발광소자를 모노리틱(Monolithic)하게 형성하여 콤팩트한 모듈이 가능하며, 금속 그리드(Metal grid)의 형성으로 수광소자의 효율이 우수하고 발광소자에서 나온 광이 수광소자에 직접 입사되는 것을 방지하는 광분리층(Optical isolation layer)을 형성하여 수광소자와 발광소자 간의 크로스토크(Crosstalk)를 줄일 수 있는 수발광 일체형 소자에 관한 것이다.

현재, 반도체 공정 기술의 비약적인 발전으로 반도체 소자의 선폭이 100㎚ 이하로 작아진 상황이며 조만간 실리콘 재료의 물리적인 한계에 다다를 것으로 전망됨에 따라 비실리콘계 반도체 기술 개발이 절실히 요구되고 있다.

비실리콘계 반도체, 특히 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체를 이용한 소자는 현재에도 정보통신 산업의 핵심 기술인 초고속 광통신 시스템, 개인 이동통신 및 위성통신 시스템, 초고속 컴퓨터 등의 IT 전반에 걸쳐 사용되고 있으며 정보표시장치, 의료 및 환경 감시 시스템 등의 핵심부품으로 사용되고 있다.

이는 화합물 반도체가 가지고 있는 초고속 동작 특성, 우수한 광 특성, 저 전력 특성 등의 우수한 물리적 특성에 기인한다.

광소자, 광전소자의 경우 화합물 반도체의 기본 물성인 직접천이형 밴드구조로 인해 실리콘 소자에 비해 광학적 특성이 월등히 좋은 소자 제작이 가능하다.

고속 동작 특성, 대용량 전송 등 IT 분야 전반에 걸쳐 다양한 형태의 고성능 광소자, 광전소자에 대한 수요가 급증하고 있으며 휴대용 정보기기의 발전과 함께 최근 매우 빠른 속도로 발전하고 있는 유비쿼터스(ubiquitous) 시스템, 홈네트워킹(home networking) 등의 관련 산업의 급속한 팽창으로 인한 수요 증가로 인해 초소형 수발광 일체형 소자 및 모듈, 시스템에 대한 요구가 지속적으로 증가하고 있다.

그러나, 종래의 수발광소자 집적 모듈은 수광소자와 발광소자를 개별적으로 형성하고 각각 동작시키는 방법을 사용하고 있다. 이와 같이, 수광소자와 발광소자를 개별적으로 제작하고 작동시키는 경우 시스템의 콤팩트화가 어려우며 어레이(array) 구조를 구현하기도 어려운 단점이 있다.

상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 본 발명은 수광소자와 발광소자를 모노리틱하게 형성함으로써 시스템의 콤팩트화가 가능한 수발광 일체형 소자를 제공함에 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 수광소자의 양전극 중 하나의 전극에 연결되는 금속 그리드를 형성하여 전압을 일정하게 함으로써 수광소자의 효율을 향상시킬 수 있는 수발광 일체형 소자를 제공함에 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 광분리층을 형성함으로써 발광소자에서 나온 광이 수광소자에 직접 입사되는 것을 방지하여 수광소자와 발광소자 간의 크로스토크를 방지할 숭 있는 수발광 일체형 소자를 제공함에 그 목적이 있다.

본 발명의 상기 목적은 기판, 상기 기판 하부에 형성되는 제1전극층, 상기 기판 상부에 형성되는 제1N형반도체층, 상기 제1N형반도체층 상부에 형성되는 제1P형반도체층, 상기 제1P형반도체층 상부에 형성되며 발광영역을 정의해주는 제2전극층, 상기 발광영역과 제2전극층이 존재하지 않는 영역에 존재하며 제1P형반도체층 상부에 형성되고 요부와 철부를 갖는 제2N형반도체층, 상기 제2N형반도체층의 철부에 형성되는 제2P형반도체층, 상기 제2N형반도체층의 요부에 형성되는 제3전극층 및 상기 제2P형반도체층 상부에 제3전극층과 이격되어 존재하여 수광영역을 정 의해주는 제4전극층을 포함하는 수발광 일체형 소자에 의해 달성된다.

또한, 본 발명의 수발광 일체형 소자는 제1P형반도체층과 제2N형반도체층 사이에 에치스탑층을 더 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 수발광 일체형 소자는 제2P형반도체층 상부에 존재하며 제4전극층에 연결되는 금속 그리드를 더 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 수발광 일체형 소자는 제2전극층과 제4전극층 사이의 영역을 덮어 수광영역과 발광영역을 광학적으로 분리해주는 광분리층을 더 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 수발광 일체형 소자는 제1P형반도체층과 제2전극층 사이 또는 기판과 제1N형반도체층 사이에 DBR층을 더 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 수발광 일체형 소자는 제2P형반도체층과 제4전극층 사이에 DBR층을 더 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 제1전극층, 제2전극층, 제3전극층, 제4전극층 또는 금속 그리드는 Au, Ag, Al, Pt, Cu, Ni, Mo, W, Pd 또는 이들의 합금을 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명의 광분리층은 금속 또는 유전체로 이루어지는 것이 바람직하다.

따라서, 본 발명의 수발광 일체형 소자는 수광소자와 발광소자를 모노리틱하 게 형성함으로써 콤팩트한 모듈을 구성할 수 있으며, 금속 그리드의 형성에 의해 수광소자에 가해지는 전압을 균일하게 하여 수광소자의 효율이 우수하고 광분리층을 형성함으로써 수광소자와 발광소자 간의 크로스토크를 방지할 수 있는 효과가 있다.

본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명에 따른 수발광 일체형 소자의 단면도 및 평면도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 수발광 일체형 소자는 기판(200), 제1전극층(202), 제1N형반도체층(204), 제1P형반도체층(206), 제2전극층(208), 제2N형반도체층(212), 제3전극층(212), 제2P형반도체층(214) 및 제4전극층(218)을 포함하 여 이루어진다.

상기 기판(200)은 사파이어(Saphire) 기판, SiC 기판, GaAs 기판, GaN 기판, InP기판, ZnO 기판, Si 기판 등이 가능하나 그 제한이 있는 것은 아니다.

기판(200)의 하부에는 제1전극층(202)이 형성된다. 도1에는 기판의 하부 전체면에 제1전극층을 도시하였으나 소정의 형태로 패터닝된 형태가 가능함은 물론이다.

한편, 제1전극층과 후술할 제2전극층과의 사이에 전기장의 형성을 원활하기 위해 기판을 수㎛ 내로 얇게 식각 내지 폴리싱(Polishing)하는 것이 바람직하며 후술할 기판 상부의 여러 층들을 제작한 후에 제1전극층을 형성하는 것이 바람직하다.

상기 제1전극층(202)이 존재하는 기판의 반대면, 즉 상부면에는 제1N형반도체층(204)과 제1P형반도체층(206)이 차례로 형성되며, 도1에 도시하지 않았으나, 제1N형반도체층과 제1P형반도체층 사이에는 광을 발생시키는 활성층(Active layer)이 추가로 형성될 수 있다.

상기 제1N형반도체층, 제1P형반도체층 및 활성층은 MBE(Molecular Beam Epitaxy), MOCVD(Metal Oragnic Chemical Vapor Depotion) 공정을 통해 형성될 수 있다.

한편, 제1N형반도체층과 제1P형반도체층의 순서를 역으로 하여 형성하는 것도 가능하고 이 경우 가해지는 전압을 역으로 하면 된다.

상기 제1P형반도체층(206) 상부에는 제2전극층(208)이 형성되며 그 제2전극 층 사이의 공간은 발광영역(X)이 된다. 도1에서 제2전극층을 도넛형태로 나타내었으나 도넛형태 이외의 다양한 형태가 될 수 있음은 물론이다.

도1에는 제1P형반도체층(206) 상부 및 제2N형반도체층(212)의 하부에 에치스탑층(210, Etch stop layer)을 도시하였으나 에치스탑층은 존재하지 않을 수도 있다.

에치스탑층(210)은 제2전극층(208) 및 발광영역(X)이 존재하지 않는 영역에 형성되며 그 위로 수광소자가 형성되게 되며, 에치스탑층(210) 위에 적층된 제2N형반도체층(212) 등의 패턴형성시 그 하부로 더 이상 에칭되지 않도록 막아주는 역할을 한다.

상기 에치스탑층(210) 상부에는 제2N형반도체층(212) 및 제2P형반도체층(214)을 형성하고 그 제2N형반도체층(212)의 일부가 노출되도록 식각하여 요부(凹部)와 철부(凸部)를 만들고 제2N형반도체층의 요부에 제3전극층(216)을 형성한다.

한편, 제2N형반도체층과 제2P형반도체층의 순서를 역으로 하여 형성하는 것도 가능하고 이 경우 가해지는 전압을 역으로 하면 된다.

상기 제2P형반도체층(214) 상부면에는 제3전극층과 이격되어 소정의 형태로 제4전극층(218)이 형성되며 제3전극층과 제4전극층 사이의 수광영역(Y)으로 샘플에서 나오는 형광(Fluorescence)이 입사되게 된다.

한편, 제2N형반도체층(212)과 제3전극층(216) 사이에 N⁺층이 형성될 수 있으 며, 제2P형반도체층(214)과 제4전극층(218) 사이에 P⁺층이 형성될 수 있다.

상기 제1전극층, 제2전극층, 제3전극층 및 제4전극층은 진공증착, 스퍼터 등 통상의 반도체 공정을 사용하여 형성되며 그 재질에 제한이 있는 것은 아니다. 예를 들어, Au, Ag, Al, Pt, Cu, Ti, Ni, Mo, W, Pd 또는 이들의 합금은 물론 단일 금속 또는 합금을 복수회 반복하여 형성할 수도 있다.

도2는 수광소자가 동작하는 전압을 일정하게 유지하여 수광소자의 효율을 향상시키도록 금속 그리드(240)를 추가한 수발광 일체형 소자의 단면도 및 평면도이다.

도2에는 제4전극층(218)과 연결되며 수광영역을 가로질러 제3전극층 방향으로 방사형으로 뻗어 있는 금속 그리드(240)를 나타내었으나 이에 제한되는 것은 아니고 다양한 형태의 금속 그리드가 가능하다.

금속 그리드 또한 통상의 반도체 공정에서 사용되는 금속전극 재료를 사용하여 형성될 수 있으며 그 재질에 제한이 있는 것은 아니다. 예를 들어, Au, Ag, Al, Pt, Cu, Ti, Ni, Mo, W, Pd 또는 이들의 합금은 물론 단일 금속 또는 합금을 복수회 반복하여 형성할 수도 있다.

물론, 제4전극층과 동시에 형성되는 것이 공정상 편리하므로 제4전극층과 같은 재질의 금속물질이 바람직하다.

이와 같이 수광소자와 발광소자를 일체형으로 형성하는 경우 수광소자와 발광소자 간의 크로스토크가 발생하기 쉽고 이를 줄이는 것이 소자의 성능을 좌우하 게 된다.

이를 위해, 도3에 나타낸 바와 같이, 수광소자와 발광소자 사이에 광분리층(250)를 삽입하여 발광소자에서 나온 광이 수광소자로 직접 들어가는 것을 방지하여 크로스토크를 줄일 수 있다.

상기 광분리층은 반사율이 뛰어난 물질로서, 유전체, 금속 등이 모두 가능하다. 예를 들어, Ag, Al, Ti, Ni 등의 금속박막으로 이루어진 광분리층이 가능하다.

한편, 도3에 나타낸 금속 그리드(240)는 도2의 방사형 그리드에 제3전극층과 제4전극층과 나란히 형성되는 도넛형의 그리드를 추가적으로 형성한 것을 나타낸다. 이는 수광소자에 가해지는 전압을 보다 더 균일하게 하려는 목적이다.

본 발명은 반도체 공정기술을 이용하여 2차원 어레이(2D array) 구조의 수발광소자를 모노리틱하게 제작하여 모듈화가 가능하다.

본 발명에 따른 수발광 일체형 소자의 발광소자에 의해 펌핑된 샘플의 형광(Fluorescence)을 수광소자가 검출하여 시그널 프로세싱(Singnal processing)을 통하여 샘플의 형태를 이미지화한다.

또한 수발광 소자 간의 크로스토크를 줄이고 특정 파장만을 생성하는 발광구조와 수광소자의 특성을 갖기 위해서 RC(Resonant Cavity) 구조의 수광 발광소자의 구조를 가질 수 있다.

RC 구조를 갖기 위해서 제1P형반도체층(206)의 상부 및/또는 제1N형반도체층(204)의 하부에 반사층을 형성할 수 있다. 상기 반사층으로는 DBR(Distributed Bragg Reflector)층이 바람직하며, 원하는 파장에 따라 GaAs, AlGaAs, InGaAs, InP, GaN, AlGaN, InGaN, AlAs 등의 물질을 이용할 수 있다. 예를 들어, AlGaAs와 AlAs를 교대로 적층하는 방법이 있다.

마찬가지로, 제2P형반도체층(214)의 상부 등에 상기와 같은 DBR층을 형성하여 RC 구조의 수광소자의 제작이 가능하며, 위에서 설명한 위치 외의 다른 위치에도 DBR층의 형성이 가능하다.

또한, 특정파장의 공진효과를 얻기 위해서는 막두께의 조절이 필요한데, 이러한 막두께를 조절하여 특정파장의 선택도(selectivity)를 높이기 위한 상매칭층(Phase matching layer)를 제1N형반도체층, 제1P형반도체층, 제2N형반도체층 또는 제2P형반도체층의 상부, 하부 또는 그 내부에 형성할 수 있다.

본 발명은 이상에서 살펴본 바와 같이 바람직한 실시예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.

본 발명은 수광소자와 발광소자를 모노리틱하게 형성하여 콤팩트한 모듈이 가능하며, 수광소자의 효율이 우수하고 수광소자와 발광소자 간의 크로스토크를 줄일 수 있는 수발광 일체형 소자에 관한 것으로서, 광통신, 광 PCB는 물론 집적 혹은 laser induced fluorescence (LIF) 기법 등을 통한 생체·바이오·환경물질 등의 비파괴 검측 등 미래 유비쿼터스 사회에서 요구되는 다양한 부품에 응용될 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 수발광 일체형 소자의 단면도 및 평면도이다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 수발광 일체형 소자의 단면도 및 평면도이다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 수발광 일체형 소자의 단면도 및 평면도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

200 : 기판 202 : 제1전극층

204 : 제1N형반도체층 206 : 제1P형반도체층

208 : 제2전극층 210 : 에치스탑층

212 : 제2N형반도체층 214 : 제2P형반도체층

216 : 제3전극층 218 : 제4전극층

240 : 금속 그리드 250 : 광분리층

Claims (8)

1. 삭제
2. 기판;

   상기 기판 하부에 형성되는 제1전극층;

   상기 기판 상부에 형성되는 제1N형반도체층;

   상기 제1N형반도체층 상부에 형성되는 제1P형반도체층;

   상기 제1P형반도체층 상부에 형성되며 발광영역을 정의해주는 제2전극층;

   상기 발광영역과 제2전극층이 존재하지 않는 영역에 존재하며 제1P형반도체층 상부에 형성되고 요부와 철부를 갖는 제2N형반도체층;

   상기 제2N형반도체층의 철부에 형성되는 제2P형반도체층;

   상기 제2N형반도체층의 요부에 형성되는 제3전극층; 및

   상기 제2P형반도체층 상부에 제3전극층과 이격되어 존재하여 수광영역을 정의해주는 제4전극층을 포함하되,

   상기 제1P형반도체층과 제2N형반도체층 사이에 에치스탑층을 더 포함하는 수발광 일체형 소자.
3. 제2항에 있어서,

   상기 제2P형반도체층 상부에 존재하며 제4전극층에 연결되는 금속 그리드를 더 포함하는 수발광 일체형 소자.
4. 제2항에 있어서,

   상기 제2전극층과 제4전극층 사이의 영역을 덮어 수광영역과 발광영역을 광학적으로 분리해주는 광분리층을 더 포함하는 수발광 일체형 소자.
5. 제2항에 있어서,

   상기 제1P형반도체층의 상부 또는 제1N형반도체층의 하부에 DBR층을 더 포함하는 수발광 일체형 소자.
6. 제2항에 있어서,

   상기 제2P형반도체층의 상부에 DBR층을 더 포함하는 수발광 일체형 소자.
7. 제2항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 제1전극층, 제2전극층, 제3전극층, 제4전극층 또는 금속 그리드는 Au, Ag, Al, Pt, Cu, Ni, Mo, W, Pd 또는 이들의 합금을 포함하는 수발광 일체형 소자.
8. 제4항에 있어서,

   상기 광분리층은 금속 또는 유전체로 이루어진 수발광 일체형 소자.

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