KR101001193B1

KR101001193B1 - Monolithic optical device for light receiving and radiating

Info

Publication number: KR101001193B1
Application number: KR20080094251A
Authority: KR
Inventors: 이준호; 한철구; 송홍주; 노정현; 김시종
Original assignee: 전자부품연구원
Priority date: 2008-09-25
Filing date: 2008-09-25
Publication date: 2010-12-15
Also published as: KR20100034987A

Abstract

본 발명은 수발광 일체형 소자에 관한 것으로, 보다 자세하게는 수광소자와 발광소자를 모노리틱(monolithic)하게 형성하여 콤팩트한 모듈이 가능하며, 특정 파장에 대한 선택도(selectivity)를 높일 수 있는 결합공동(coupled cavity) 구조의 수발광 일체형 소자, 이를 이용한 2D 어레이(array) 모듈 및 패키지에 관한 것이다.The present invention relates to a light-receiving integrated device, and more particularly, to form a light-receiving device and a light-emitting device monolithically, enabling a compact module, and a coupling cavity capable of increasing selectivity for a specific wavelength. A light emitting integrated device having a coupled cavity structure, and a 2D array module and a package using the same.

본 발명의 수발광 일체형 소자는 기판, 상기 기판 하부에 형성되는 제1DBR층, 상기 기판 상부에 형성되며 발광소자의 전극이 형성될 요부와 그 밖의 철부를 가지는 제1반도체층, 상기 제1반도체층의 요부에 형성되는 제1전극층, 상기 제1반도체층의 철부 중 제1전극층 사이의 영역에 형성되어 발광영역을 정의하는 제1반사전극층, 상기 제1반도체층의 철부 중 제1전극층과 제1반사전극층이 존재하지 않는 영역에 형성되는 제2DBR층, 상기 제2DBR층 상부에 형성되며 요부와 철부를 갖는 제2반도체층, 상기 제2반도체층의 요부에 형성되는 제2전극층 및 상기 제2반도체층의 철부에 형성되어 수광영역을 정의하는 제2반사전극층을 포함함에 기술적 특징이 있다.In one embodiment, a light emitting integrated device includes a substrate, a first DBR layer formed below the substrate, a first semiconductor layer formed on an upper portion of the substrate, and having recesses and other convex portions on which electrodes of a light emitting device are to be formed, and the first semiconductor layer. A first electrode layer formed in a recessed portion of the first semiconductor layer, a first reflective electrode layer formed in an area between the first electrode layers of the convex portions of the first semiconductor layer to define a light emitting region, and a first electrode layer and the first one of the convex portions of the first semiconductor layer A second DBR layer formed in a region where the reflective electrode layer does not exist, a second semiconductor layer formed on the second DBR layer and having recesses and convex portions, a second electrode layer formed on the recesses of the second semiconductor layer, and the second semiconductor layer; Technical features include a second reflective electrode layer formed on the convex portion of the layer to define a light receiving region.

수발광, 일체, 결합공동(coupled cavity), DBR(Distributed Bragg Reflector), 반사전극층, 플립칩 Light emitting, integrated, coupled cavity, Distributed Bragg Reflector, Reflective Electrode Layer, Flip Chip

Description

Monolithic optical device for light receiving and radiating

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.Currently, due to the rapid development of semiconductor process technology, the line width of semiconductor devices has been reduced to less than 100 nm, and as soon as they are expected to reach the physical limits of silicon materials, the development of non-silicon-based semiconductor technology is urgently required.

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.Devices using non-silicon semiconductors, especially group III-V compound semiconductors, are still used throughout IT such as high-speed optical communication systems, personal mobile and satellite communication systems, and high-speed computers, which are the core technologies of the information communication industry. It is used as a core component of environmental monitoring system.

이는 화합물 반도체가 가지고 있는 초고속 동작 특성, 우수한 광 특성, 저 전력 특성 등의 우수한 물리적 특성에 기인한다.This is due to the excellent physical properties such as ultra-fast operating characteristics, excellent optical characteristics, low power characteristics of the compound semiconductor.

광소자, 광전소자의 경우 화합물 반도체의 기본 물성인 직접천이형 밴드구조로 인해 실리콘 소자에 비해 광학적 특성이 월등히 좋은 소자 제작이 가능하다.In the case of an optical device and an optoelectronic device, due to the direct transition band structure, which is a basic property of a compound semiconductor, it is possible to fabricate a device having excellent optical characteristics compared to a silicon device.

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.The demand for various types of high-performance optical devices and photoelectric devices is increasing rapidly throughout the IT field such as high-speed operation characteristics and large-capacity transmission, and ubiquitous systems, homes, which are rapidly developing with the development of portable information devices, As demand increases due to the rapid expansion of related industries such as home networking, the demand for ultra-small light emitting integrated devices, modules, and systems is continuously increasing.

도1은 종래의 발광소자와 수광소자를 나타낸 단면도이다.1 is a cross-sectional view showing a conventional light emitting device and a light receiving device.

도1에 도시한 바와 같이, LED(Light Emitting Diode)와 같은 발광소자는 기판(100) 하부에 N-타입 전극층(102)이 있고, 기판 상부에는 N형반도체층(104)와 P형반도체층(106)이 P-N 접합을 형성하고 그 상부에 P-타입 전극층(108)이 형성되는 구조를 갖고 있다.As shown in FIG. 1, a light emitting device such as a light emitting diode (LED) has an N-type electrode layer 102 below the substrate 100, and an N-type semiconductor layer 104 and a P-type semiconductor layer above the substrate. 106 forms a PN junction and has a structure in which a P-type electrode layer 108 is formed thereon.

포토 다이오드와 같은 수광소자는 기판(100) 상부에는 N형반도체층(114)과 P형반도체층(116)이 형성되어 있고 N형반도체층과 접하는 N-타입 전극층(118)과 P형반도체층에 접하는 P-타입 전극층(120)으로 구성됨이 일반적이다.In a light receiving device such as a photodiode, an N-type semiconductor layer 114 and a P-type semiconductor layer 116 are formed on the substrate 100 and the N-type electrode layer 118 and the P-type semiconductor layer contacting the N-type semiconductor layer. It is generally composed of a P-type electrode layer 120 in contact with.

종래의 수발광소자를 집적시킨 모듈은 위와 같은 수광소자와 발광소자를 개 별적으로 형성하고 각각 동작시키는 방법을 사용하고 있다. 이와 같이, 수광소자와 발광소자를 개별적으로 제작하고 작동시키는 경우 시스템의 콤팩트화가 어려우며 어레이 구조를 구현하기도 어려운 단점이 있다.Conventional modules incorporating light-emitting devices use a method of separately forming and operating the light-receiving elements and the light-emitting elements as described above. As such, when the light receiving device and the light emitting device are manufactured and operated separately, it is difficult to compact the system and it is difficult to implement the array structure.

그리고, 특정파장을 공진시키기 위해서는 일정한 반사도를 갖는 반사막인 DBR(Distributed Bragg Reflector)층을 소자 내부에 형성해야 하는데 특정물질, 예를 들어 GaN 계통의 물질에서는 반사막을 형성하기 어려운 문제가 있다.In addition, in order to resonate a specific wavelength, a DBR (Distributed Bragg Reflector) layer, which is a reflective film having a certain reflectivity, must be formed inside the device, but a specific material, for example, a GaN-based material, has a problem in that it is difficult to form a reflective film.

또한, 원하는 반사율을 얻기 위해서는 통상 수십층을 적층해야 하는데 이는 공정시간, 비용이 상승하고 적층 이후에도 격자 간 mismatch 등에 의한 스트레인이 발생하여 DBR층에 추가적인 막형성을 어렵게 만든다.In addition, in order to obtain a desired reflectivity, several tens of layers are usually stacked, which increases the processing time and cost, and causes strain due to mismatch between lattices after lamination, making it difficult to form additional films in the DBR layer.

이러한 문제점을 피하기 위해 DBR층의 적층수를 줄이면 특정 파장에 대한 선택도가 떨어져 수광 및 발광소자의 효율이 저하되는 문제가 있다.In order to avoid such a problem, reducing the number of stacked DBR layers has a problem that the selectivity for a particular wavelength is lowered and the efficiency of light receiving and light emitting devices is lowered.

또한, 사파이어 기판을 사용하는 경우 사파이어 기판의 열전도도가 좋지 않아 기판을 통하지 않고 기판의 반대쪽으로 광을 추출하게 된다.In addition, when the sapphire substrate is used, the thermal conductivity of the sapphire substrate is not good, and light is extracted to the opposite side of the substrate without passing through the substrate.

상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 본 발명은 수광소자와 발광소자를 모노리틱하게 형성함으로써 시스템의 콤팩트화가 가능한 수발광 일체형 소자를 제공함에 그 목적이 있다.The present invention devised to solve the problems of the prior art as described above has an object of providing a light-emitting integrated device capable of compacting the system by monolithically forming the light receiving element and the light emitting element.

그리고, 본 발명은 특정 파장에 대한 선택도를 높일 수 있고 수광 및 발광 효율을 극대화할 수 있는 수발광 일체형 소자를 제공함에 그 목적이 있다.In addition, an object of the present invention is to provide a light emitting integrated device capable of increasing selectivity for a specific wavelength and maximizing light receiving and luminous efficiency.

또한, 본 발명은 플립칩(flipchip) 본딩을 통해 시스템 패키지의 간소화가 가능하고 사파이어 기판을 사용하는 경우에도 열방출 효율이 우수한 수발광 일체형 소자를 제공함에 그 목적이 있다.In addition, an object of the present invention is to provide a light-emitting integrated device having excellent heat dissipation efficiency even when a sapphire substrate is used and a system package can be simplified through flip chip bonding.

본 발명의 상기 목적은 기판, 상기 기판 하부에 형성되는 제1DBR층, 상기 기판 상부에 형성되며 요부와 철부를 가지는 제1반도체층, 상기 제1반도체층의 요부에 형성되는 제1전극층, 상기 제1반도체층의 철부 중 제1전극층 사이의 영역에 형성되어 발광영역을 정의하는 제1반사전극층, 상기 제1반도체층의 철부 중 제1전극층과 제1반사전극층이 존재하지 않는 영역에 형성되는 제2DBR층, 상기 제2DBR층 상부에 형성되며 요부와 철부를 갖는 제2반도체층, 상기 제2반도체층의 요부에 형성되는 제2전극층 및 상기 제2반도체층의 철부에 형성되어 수광영역을 정의하는 제2반사전극층을 포함하는 수발광 일체형 소자에 의해 달성된다.The object of the present invention is a substrate, a first DBR layer formed under the substrate, a first semiconductor layer formed on the substrate and having recesses and convex portions, a first electrode layer formed on the recessed portion of the first semiconductor layer, A first reflective electrode layer formed in a region between the first electrode layers among the convex portions of the first semiconductor layer to define a light emitting region, and a first formed in a region where the first electrode layer and the first reflective electrode layer do not exist among the convex portions of the first semiconductor layer A 2DBR layer, a second semiconductor layer formed on the second DBR layer and having recesses and convex portions, a second electrode layer formed on the recesses of the second semiconductor layer, and a convex portion of the second semiconductor layer to define a light receiving area It is achieved by a light-emitting integrated element comprising a second reflective electrode layer.

또한, 상기 제1반도체층은 기판 상부에 형성되며 제1전극층이 형성되는 요부와 그 밖의 철부를 가지는 제1N형반도체층, 상기 제1N형반도체층의 철부에 형성되는 제1활성층 및 상기 제1활성층 상부에 형성되는 제1P형반도체층을 포함하는 것이 바람직하다.In addition, the first semiconductor layer may be formed on the substrate, the first N-type semiconductor layer having recesses and other convex portions on which the first electrode layer is formed, the first active layer formed on the convex portions of the first N-type semiconductor layer, and the first It is preferable to include the 1P type semiconductor layer formed on the active layer.

또한, 상기 제2반도체층은 제2DBR층 상부에 형성되며 제2전극층이 형성되는 요부와 그 밖의 철부를 갖는 제2N형반도체층, 상기 제2N형반도체층의 상부 중 철부에 형성되는 제2활성층 및 상기 제2활성층 상부에 형성되는 제2P형반도체층을 포함하는 것이 바람직하다.In addition, the second semiconductor layer is formed on top of the second DBR layer, the second N-type semiconductor layer having recesses and other convex portions on which the second electrode layer is formed, and the second active layer formed on the convex portions of the upper portion of the second N-type semiconductor layer. And a second P-type semiconductor layer formed on the second active layer.

또한, 본 발명의 수발광 일체형 소자는 제1전극층, 제2전극층, 제1반사전극층 및 제2반사전극층과 각각 연결되는 금속콘택층과 금속콘택층 사이를 메우는 절연층을 더 포함할 수 있다.In addition, the light emitting integrated device may further include an insulating layer filling the metal contact layer and the metal contact layer respectively connected to the first electrode layer, the second electrode layer, the first reflective electrode layer, and the second reflective electrode layer.

또한, 본 발명의 제1DBR층은 TiO₂, SiO₂, Nb₂O₅, ZrO₂, ZnO₂ 또는 Al₂O₃를 포함하는 것이 바람직하다.In addition, the first DBR layer of the present invention preferably comprises TiO ₂ , SiO ₂ , Nb ₂ O ₅ , ZrO ₂ , ZnO ₂ or Al ₂ O ₃ .

또한, 본 발명의 제2DBR층은 GaAs, AlGaAs, InGaAs, InP, GaN, AlGaN 또는 InGaN을 포함하는 것이 바람직하다.In addition, the second DBR layer of the present invention preferably contains GaAs, AlGaAs, InGaAs, InP, GaN, AlGaN or InGaN.

또한, 본 발명의 제1전극층, 제2전극층, 제1반사전극층 및 제2반사전극층은 Au, Ag, Al, Pt, Cu, Ni, Mo, W, Pd 또는 이들의 합금을 포함하는 것이 바람직하다.In addition, the first electrode layer, the second electrode layer, the first reflection electrode layer and the second reflection electrode layer of the present invention preferably contain Au, Ag, Al, Pt, Cu, Ni, Mo, W, Pd or alloys thereof. .

또한, 본 발명의 수발광 일체형 소자는 제1반도체층 또는 제2반도체층의 상 부, 하부 또는 그 내부에 상매칭층을 더 포함할 수 있다.In addition, the water-emissive integrated device of the present invention may further include an image matching layer on the upper portion, the lower portion, or the inside of the first semiconductor layer or the second semiconductor layer.

따라서, 본 발명의 수발광 일체형 소자는 수광소자와 발광소자를 모노리틱하게 형성함으로써 시스템의 간소화, 콤팩트화가 가능한 장점이 있다.Therefore, the light-emitting integrated device of the present invention has the advantage of simplifying and compacting the system by monolithically forming the light receiving device and the light emitting device.

또한, 결합공동 구조 및 상매칭층에 의해 특정 파장에 대한 선택도를 높일 수 있고 수광 및 발광 효율을 극대화할 수 있는 장점이 있다.In addition, the coupling cavity structure and the phase matching layer may increase the selectivity for a specific wavelength and have the advantage of maximizing the light receiving and luminous efficiency.

또한, 저저항 고반사율의 반사금속층에 의한 플립칩 본딩을 통해 시스템 패키지의 간소화가 가능하고 열방출 효율이 우수한 패키지를 제작할 수 있는 장점이 있다.In addition, the flip-chip bonding by the low-resistance, high-reflectance reflective metal layer enables the simplification of the system package and has the advantage of producing a package having excellent heat dissipation efficiency.

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.The terms or words used in this specification and claims are not to be construed as being limited to their ordinary or dictionary meanings, and the inventors may appropriately define the concept of terms in order to best describe their invention. It should be interpreted as meaning and concept corresponding to the technical idea of the present invention based on the principle that the present invention.

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.Therefore, the embodiments described in the specification and the drawings shown in the drawings are only the most preferred embodiment of the present invention and do not represent all of the technical idea of the present invention, various modifications that can be replaced at the time of the present application It should be understood that there may be equivalents and variations.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도2 및 도3은 본 발명에 따른 수발광 일체형 소자의 단면도이다.2 and 3 are cross-sectional views of a light emitting integrated device according to the present invention.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 수발광 일체형 소자는 기판(200), 기판(200) 하부에 형성되는 제1DBR층(210), 기판 상부에 형성되며 요부와 철부를 가지는 제1반도체층(220), 제1반도체층(220)의 요부에 형성되는 제1전극층(230), 제1반도체층(220)의 철부 중 제1전극층(230) 사이의 영역에 형성되어 발광영역을 정의하는 제1반사전극층(240), 제1반도체층의 철부 중 제1전극층과 제1반사전극층이 존재하지 않는 영역에 형성되는 제2DBR층(250), 제2DBR층 상부에 형성되며 요부와 철부를 갖는 제2반도체층(260), 제2반도체층의 요부에 형성되는 제2전극층(270) 및 제2반도체층의 철부에 형성되어 수광영역을 정의하는 제2반사전극층(280)을 포함하여 이루어진다.As shown in FIG. 2, the light emitting integrated device according to the present invention includes a substrate 200, a first DBR layer 210 formed below the substrate 200, a first semiconductor formed on the substrate and having recesses and convex portions. The light emitting area is defined by being formed in an area between the first electrode layer 230 and the first electrode layer 230 formed in the recessed portion of the layer 220, the first semiconductor layer 220, and the convex portions of the first semiconductor layer 220. The first reflective electrode layer 240 is formed on the second DBR layer 250 and the second DBR layer formed in the region where the first electrode layer and the first reflective electrode layer do not exist among the convex portions of the first semiconductor layer. A second semiconductor layer 260 having a second semiconductor layer 270 formed in a recess of the second semiconductor layer, and a second reflective electrode layer 280 formed at a convex portion of the second semiconductor layer to define a light receiving area. .

기판(200)은 사파이어(saphire) 기판, SiC 기판, GaAs 기판, GaN 기판, InP기판, ZnO 기판, Si 기판 등이 가능하나 그 제한이 있는 것은 아니다.The substrate 200 may be a sapphire substrate, a SiC substrate, a GaAs substrate, a GaN substrate, an InP substrate, a ZnO substrate, a Si substrate, but is not limited thereto.

기판(200)의 하부에 형성된 제1DBR층(210)은 반도체 다층박막에 의한 DBR층 또는 유전체(dielectric) 다층박막에 의한 DBR층이 모두 가능하나 유전체 다층박막이 바람직하다.The first DBR layer 210 formed under the substrate 200 may be a DBR layer made of a semiconductor multilayer thin film or a DBR layer made of a dielectric multilayer thin film, but a dielectric multilayer thin film is preferable.

왜냐하면, 유전체 다층박막으로 DBR층을 형성할 경우, 굴절율 차이가 큰 물질을 선택할 수 있고 적은 수의 적층구조로도 큰 반사율을 얻을 수 있기 때문이다.This is because when the DBR layer is formed of a dielectric multilayer thin film, a material having a large difference in refractive index can be selected, and a large reflectance can be obtained even with a small number of laminated structures.

예를 들어, TiO₂, SiO₂, Nb₂O₅, ZrO₂ , ZnO₂, Al₂O₃ 등의 유전물질 중에서 2이상을 선택하여 원하는 파장에 따라 다층박막으로 형성할 수 있다.For example, two or more dielectric materials such as TiO ₂ , SiO ₂ , Nb ₂ O ₅ , ZrO ₂ , ZnO ₂ , and Al ₂ O ₃ may be selected to form a multilayer thin film according to a desired wavelength.

한편, 제1DBR(210)층은 후술할 기판 상부의 층들을 형성한 후 기판을 폴리싱(polishing)한 뒤에 형성하는 것이 바람직하다.Meanwhile, the first DBR 210 layer is preferably formed after the substrates are polished after forming the layers on the substrate.

제1DBR층(210)이 존재하는 기판(200)의 반대면, 즉 상부면에는 제1반도체층(220)이 존재한다.The first semiconductor layer 220 is present on the opposite surface of the substrate 200 where the first DBR layer 210 is present, that is, the upper surface.

제1반도체층(220)은 발광소자의 전극이 형성될 요부와 그 밖의 철부를 갖는 제1N형반도체층(221), 제1N형반도체층의 철부에 형성되는 제1활성층(222), 제1활성층 상부에 형성되는 제1P형반도체층(223)을 포함하여 이루어진다.The first semiconductor layer 220 includes a first N-type semiconductor layer 221 having recesses and other convex portions on which electrodes of the light emitting device are to be formed, and first active layers 222 and first formed on the concave portions of the first N-type semiconductor layer. It includes a first P-type semiconductor layer 223 formed on the active layer.

본 발명에 따른 제1N형반도체층(221)과 제1P형반도체층(223)은 N-GaN(N type 갈륨나이트라이드), P-GaN(P type 갈륨나이트라이드)를 사용할 수 있으나 그 제한이 있는 것은 아니다.The first N-type semiconductor layer 221 and the first P-type semiconductor layer 223 according to the present invention may use N-GaN (N type gallium nitride) and P-GaN (P type gallium nitride), but the limitation thereof is limited. It is not there.

제1활성층(222)은 발광층으로서 원하는 파장에 따라 GaAs, InGaAs, InGaN 등의 Ⅲ-Ⅴ족 화합물반도체를 이용할 수 있다.As the light emitting layer, the first active layer 222 may use a group III-V compound semiconductor such as GaAs, InGaAs, InGaN, or the like according to a desired wavelength.

제1반사전극층(240)은 전극과 반사면의 역할을 겸하는 것으로서, 비저항이 낮고 반사율이 높은 물질을 사용한다. 예를 들어, Au, Ag, Al, Pt, Cu, Ti, Ni, Mo, W, Pd 또는 이들의 합금 등의 단층 또는 복층이 가능하다.The first reflective electrode layer 240 serves as an electrode and a reflective surface, and uses a material having low specific resistance and high reflectance. For example, a single layer or a plurality of layers such as Au, Ag, Al, Pt, Cu, Ti, Ni, Mo, W, Pd or alloys thereof are possible.

제1반사전극층(240)의 하부영역이 발광영역이 되며 제1DBR층(210) 과의 사이에서 공진효과를 일으켜 특정파장을 생성하게 된다.The lower region of the first reflective electrode layer 240 becomes a light emitting region and generates a specific wavelength by causing a resonance effect between the first DBR layer 210 and the first region.

제1N형반도체층(221), 활성층(222) 및 제1P형반도체층(223)은 MBE(Molecular Beam Epitaxy), MOCVD(Metal Oragnic Chemical Vapor Depotion) 등의 반도체 제조공정을 통해 형성될 수 있다.The first N-type semiconductor layer 221, the active layer 222, and the first P-type semiconductor layer 223 may be formed through a semiconductor manufacturing process, such as a molecular beam epitaxy (MBE), a metal oxide chemical vapor deposition (MOCVD), or the like.

제1전극층(230) 및 제1반사전극층(240)이 존재하는 영역이 발광소자가 되고 그 밖의 영역에는 수광소자가 형성된다.A region in which the first electrode layer 230 and the first reflective electrode layer 240 exist is a light emitting element, and a light receiving element is formed in the other region.

제1반도체층(220) 상부 중 수광소자가 형성되는 철부에 제2DBR층(250)이 형성되는데, 제2DBR층(250) 위에 추가적으로 박막을 성장시켜야 하므로 막질이 우수하고 전류주입이 가능한 반도체 DBR층이 바람직하다.The second DBR layer 250 is formed on the convex portion in which the light receiving element is formed in the upper portion of the first semiconductor layer 220. Since the thin film must be additionally grown on the second DBR layer 250, the semiconductor DBR layer has excellent film quality and is capable of injecting current. This is preferred.

예를 들어, 수광하고자 하는 파장에 따라 GaAs, AlGaAS, InGaAs, InP, GaN, AlGaN, InGaN 등의 물질 중에서 선택하여 적층할 수 있다. 다만, 본 발명의 제2DBR층은 종래 기술과 달리 제2반사전극층 및 결합공동 구조에 공진 효율을 상승시키기 때문에 수십층 적층할 필요는 없고 수개의 적층만으로 충분하며 따라서 막질이 우수하고 박막의 스트레스가 적어 이후의 박막형성이 원활히 이루어진다.For example, depending on the wavelength to be received may be selected and stacked among materials such as GaAs, AlGaAS, InGaAs, InP, GaN, AlGaN, InGaN. However, since the second DBR layer of the present invention increases resonance efficiency in the second reflective electrode layer and the coupling cavity structure, unlike the prior art, it is not necessary to stack several tens of layers, and only several layers are sufficient, so the film quality is excellent and the stress of the thin film is high. At a minimum, the subsequent thin film formation is smoothly performed.

제2DBR층(250) 상부에는 특정 파장의 빛을 흡수하는 제2반도체층(260)이 형성되는데, 제2반도체층은 제2DBR층 상부에 형성되며 요부와 철부를 갖는 제2N형반도체층(261), 제2N형반도체층의 상부 중 철부에 형성되는 제2활성층(262), 제2활성층 상부에 형성되는 제2P형반도체층(263)을 포함하여 이루어진다.A second semiconductor layer 260 is formed on the second DBR layer 250 to absorb light having a specific wavelength. The second semiconductor layer is formed on the second DBR layer and has a second and second N-type semiconductor layer 261. ), A second active layer 262 formed on the convex portion of the upper portion of the second N-type semiconductor layer, and a second P-type semiconductor layer 263 formed on the second active layer.

제2N형반도체층(261)과 제2P형반도체층(263)의 일례로 N-GaN과 P-GaN을 들 수 있으나 그 제한이 있는 것은 아니다. 제2활성층(262)은 광을 흡수하는 광흡수층으로서 원하는 파장에 따라 GaAs, InGaAs, InGaN 등의 Ⅲ-Ⅴ족 화합물반도체를 이 용할 수 있다.Examples of the 2N type semiconductor layer 261 and the 2P type semiconductor layer 263 may include N-GaN and P-GaN, but the present invention is not limited thereto. The second active layer 262 may use a group III-V compound semiconductor such as GaAs, InGaAs, InGaN, etc. according to a desired wavelength as a light absorbing layer that absorbs light.

제2반사전극층(280)은 전극과 반사면의 역할을 겸하는 것으로서, 비저항이 낮고 반사율이 높은 물질이면 그 제한이 없다. 예를 들어, Au, Ag, Al, Pt, Cu, Ti, Ni, Mo, W, Pd 또는 이들의 합금 등의 단층 또는 복층이 가능하다.The second reflecting electrode layer 280 serves as an electrode and a reflecting surface, and there is no limitation as long as the material has a low specific resistance and a high reflectance. For example, a single layer or a plurality of layers such as Au, Ag, Al, Pt, Cu, Ti, Ni, Mo, W, Pd or alloys thereof are possible.

제1전극층(230) 및 제2전극층(270) 또한 그 재질에 제한이 있는 것은 아니다. 예를 들어, Au, Ag, Al, Pt, Cu, Ti, Ni, Mo, W, Pd 또는 이들의 합금 등의 단층 또는 복층이 가능하다.The first electrode layer 230 and the second electrode layer 270 are also not limited in material. For example, a single layer or a plurality of layers such as Au, Ag, Al, Pt, Cu, Ti, Ni, Mo, W, Pd or alloys thereof are possible.

또한, 제1반도체층(220) 또는 제2반도체층(260)의 상부, 하부 또는 내부 등에 상매칭층(phase matching layer)를 삽입하여 DBR층 사이의 막 두께를 조절함으로써 공진되는 파장에 대한 튜닝효과도 나타낼 수 있다.Also, a phase matching layer is inserted into the top, bottom, or inside of the first semiconductor layer 220 or the second semiconductor layer 260 to tune the resonant wavelength by adjusting the film thickness between the DBR layers. It can also be effective.

도4는 플립칩 수발광 일체형 소자를 이용한 칩을 구현하기 위해 플립칩 본딩을 사용한 패키지 구조의 단면도이다.4 is a cross-sectional view of a package structure using flip chip bonding to implement a chip using a flip chip light emitting integrated device.

도4에 도시된 바와 같이, 산화물 등의 절연층(292)으로 소정의 패턴이 형성된 기판의 상부면을 메우고 제1전극층, 제2전극층, 제1반사전극층 및 제2반사전극층과 각각 연결되는 금속콘택층(290)을 형성함으로써 콤팩트한 패키지를 제작할 수 있다.As shown in Fig. 4, a metal is formed by filling an upper surface of a substrate on which a predetermined pattern is formed with an insulating layer 292, such as an oxide, and connecting the first electrode layer, the second electrode layer, the first reflective electrode layer, and the second reflective electrode layer, respectively. By forming the contact layer 290, a compact package can be produced.

이러한 플립칩 본딩을 통해 전극을 PCB(Printed Circuit Board)에 패키징하고 금속콘택층(290)을 PCB 보드에 부착함으로써 열방출 효율을 개선할 수 있다. 특히, 열전도도가 좋지 않은 사파이어 기판에 있어서 열방출 효율이 크게 개선될 수 있다.Through flip chip bonding, the electrode may be packaged on a printed circuit board (PCB) and the metal contact layer 290 may be attached to the PCB board to improve heat dissipation efficiency. In particular, in a sapphire substrate having poor thermal conductivity, heat dissipation efficiency may be greatly improved.

도5는 본 발명의 수발광소자를 사용한 공진효과를 나타낸 도면이다. x축은 공진시키고자 하는 빛의 파장(또는 주파수)이고 y축은 임의의 단위(arbitrary unit)로 나타낸 광출력(optical power)이다.5 is a view showing a resonance effect using the light emitting device of the present invention. The x-axis is the wavelength (or frequency) of the light to be resonated and the y-axis is the optical power expressed in arbitrary units.

도5에 도시한 바와 같이, 종래기술에 의한 광출력(도면상 맨 아래 곡선)에 본 발명에 따른 수발광 일체형 소자의 특정 파장의 광출력(도면상 맨 위 곡선)이 우수함을 알 수 있다.As shown in Fig. 5, it can be seen that the light output (the top curve on the drawing) of a specific wavelength of the light emitting integrated device according to the present invention is excellent in the light output according to the prior art (the bottom curve on the drawing).

본 발명은 반도체 공정기술을 이용하여 2차원 어레이(2D array) 구조의 수발광소자를 모노리틱하게 제작하여 모듈화가 가능하며 콤팩트하고 열방출 효율이 우수하며 무엇보다 수광소자와 발광소자의 특정 파장에 대한 선택도가 우수한 광소자 및 이를 이용한 패키지의 제작이 가능하다.The present invention is a monolithically fabricated 2D array structured light emitting device using a semiconductor process technology, can be modularized, compact and excellent heat dissipation efficiency, and above all at a specific wavelength of the light receiving device and the light emitting device It is possible to manufacture an optical device having excellent selectivity and a package using the same.

본 발명에 따른 수발광 일체형 소자의 발광소자에 의해 펌핑된 샘플의 형광(fluorescence)을 수광소자가 검출하여 시그널 프로세싱(Singnal processing)을 통하여 샘플의 형태를 이미지화한다.The fluorescence of the sample pumped by the light emitting device of the light emitting integrated device according to the present invention detects the fluorescence of the sample and images the shape of the sample through signal processing.

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.Although the present invention has been shown and described with reference to the preferred embodiments as described above, it is not limited to the above embodiments and those skilled in the art without departing from the spirit of the present invention. Various changes and modifications will be possible.

본 발명은 수광소자와 발광소자를 모노리틱하게 형성하여 콤팩트한 모듈이 가능하며, 반사금속층 및 결합공동 구조에 의해 수광소자와 발광소자의 효율이 우수한 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.The present invention relates to a light-receiving integrated device having a high efficiency of the light-receiving device and the light-emitting device by the reflective metal layer and the coupling cavity structure, by forming a light-receiving device and the light emitting device monolithically, the optical communication, optical PCB In addition, it can be applied to various parts required in the future ubiquitous society such as non-destructive detection of bio, bio and environmental materials through integrated or laser induced fluorescence (LIF) technique.

도1은 종래기술에 따른 수광소자와 발광소자의 단면도이다.1 is a cross-sectional view of a light receiving element and a light emitting element according to the prior art.

도2는 본 발명에 따른 수발광 일체형 소자의 단면을 개략적으로 나타낸 도면이다.2 is a schematic cross-sectional view of a light-emitting integrated device according to the present invention.

도3은 본 발명에 따른 수발광 일체형 소자의 단면도이다.3 is a cross-sectional view of a light emitting integrated device according to the present invention.

도4는 본 발명에 따른 수발광 일체형 소자의 패키지 구조를 도시한 도면이다.4 is a view showing a package structure of a light emitting integrated device according to the present invention.

도5는 본 발명에 따른 수발광 일체형 소자의 공진효과를 나타낸 도면이다.5 is a view showing the resonance effect of the light-emitting integrated device according to the present invention.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>

200 : 기판 210 : 제1DBR층200 substrate 210 first DBR layer

220 : 제1반도체층 221 : 제1N형반도체층220: first semiconductor layer 221: 1N-type semiconductor layer

222 : 제1활성층 223 : 제1P형반도체층222: first active layer 223: 1P type semiconductor layer

230 : 제1전극층 240 : 제1반사전극층230: first electrode layer 240: first reflective electrode layer

250 : 제2DBR층 260 : 제2반도체층250: 2DBR layer 260: 2nd semiconductor layer

261 : 제2N형반도체층 262 : 제2활성층261: 2N type semiconductor layer 262: second active layer

263 : 제2P형반도체층 270 : 제2전극층263: 2P type semiconductor layer 270: second electrode layer

280 : 제2반사전극층 290 : 절연층280: second reflective electrode layer 290: insulating layer

292 : 금속 콘택292: metal contacts

Claims

delete

Board;

A first DBR layer formed under the substrate;

A first semiconductor layer formed on the substrate and having recesses and convex portions;

A first electrode layer formed on the recessed portion of the first semiconductor layer;

A first reflective electrode layer formed in a region between the first electrode layers of the convex portions of the first semiconductor layer to define a light emitting region;

A second DBR layer formed in a region where the first electrode layer and the first reflective electrode layer do not exist among the convex portions of the first semiconductor layer;

A second semiconductor layer formed on the second DBR layer and having recesses and convex portions;

A second electrode layer formed on the recessed portion of the second semiconductor layer; And

And a second reflection layer formed on the convex portion of the second semiconductor layer to define a light receiving area, wherein the first semiconductor layer is

A first N-type semiconductor layer formed on the substrate and having recesses and other convex portions on which the first electrode layer is formed, a first active layer formed on the concave portions of the first N-type semiconductor layer, and a first P-type formed on the first active layer. A light emitting integrated device comprising a semiconductor layer.

The method of claim 2,

The second semiconductor layer is formed on top of the second DBR layer, the second N-type semiconductor layer having recesses and other convex portions on which the second electrode layer is formed, the second active layer formed on the concave portion of the upper portion of the second N-type semiconductor layer, and the A light emitting integrated device comprising a 2P type semiconductor layer formed on the second active layer.

The method according to any one of claims 2 to 3,

And an insulating layer filling the metal contact layer and the metal contact layer respectively connected to the first electrode layer, the second electrode layer, the first reflection electrode layer, and the second reflection electrode layer.

The method according to any one of claims 2 to 3,

The first DBR layer is TiO ₂ , SiO ₂ , Nb ₂ O ₅ , ZrO ₂ , ZnO ₂ or Al ₂ O _{3 It} includes a light-emitting integrated device.

The method according to any one of claims 2 to 3,

The second DBR layer may include GaAs, AlGaAs, InGaAs, InP, GaN, AlGaN, or InGaN.

The method according to any one of claims 2 to 3,

The first electrode layer, the second electrode layer, the first reflective electrode layer and the second reflective electrode layer is a light emitting integrated device comprising Au, Ag, Al, Pt, Cu, Ni, Mo, W, Pd or alloys thereof.

The method according to any one of claims 2 to 3,

The light emitting integrated device of claim 1, further comprising an upper matching layer on the upper, lower, or inside of the first semiconductor layer or the second semiconductor layer.