KR101172107B1 - 양자 점 기반 광전자 소자 및 이를 만드는 방법 - Google Patents

양자 점 기반 광전자 소자 및 이를 만드는 방법 Download PDF

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Abstract

실리콘 기판 상에 광학 활성 영역을 형성하는 방법은 실리콘 기판 상에 실리콘 버퍼 층을 에피택셜 성장시키는 단계 및 복수의 양자 점 배열이 배치된 SiGe 클래딩 층을 에피택셜 성장시키는 단계를 포함하고, 양자 점은 실리콘 버퍼 층과 격자 부정합을 갖는 화합물 반도체 재료로 형성된다. 광학 활성 영역은 발광 다이오드, 레이저 다이오드 및 광검출기와 같은 소자에 포함될 수 있다.
광학 활성 영역(optically active region), 에피택셜 성장(epitaxially growing), SiGe 클래딩 층(cladding layer), InGaAs, 양자 점(quantum dots)

Description

양자 점 기반 광전자 소자 및 이를 만드는 방법{QUANTUM DOT BASED OPTOELECTRONIC DEVICE AND METHOD OF MAKING SAME}
본 발명은 광전자 소자 및 이를 제작하는 방법에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 양자 점을 이용하여 형성된 예컨대, 레이저 다이오드, 발광 다이오드 및 광검출기와 같은 광전자 소자에 관한 것이다.
광전자 소자는 예컨대, 원거리 통신 산업과 같은 많은 산업에서 점차 중요해지고 있다. 광전자 기반 소자의 예로서 레이저 다이오드(laser diodes; LD), 발광 다이오드(light emitting diodes; LED) 및 광검출기(photodetector; PD)가 있다. 이러한 소자는, 기판 위에 위치하는 반도체 재료로서 이 기판과는 다른 격자 상수를 갖는 반도체 재료로 만들어진 광학 활성 영역으로 제조될 수 있다. 실리콘(Si)은 집적 회로 기술에 사용되는 공지의 기판 재료이고 집적 회로를 제조하는데 있어서의 사용에 관하여 기술적으로 매우 발전해 왔다. 아쉽게도, 실리콘은 빛을 발광할 수 없고 따라서 광 방사선(optical radiation)의 방출 또는 검출을 위한 광전자 소자의 "활성(active)" 부분으로 사용될 수 없다.
과거에 광학적으로 활성인 화합물 반도체 재료(예컨대, 이는 광 방사선을 방출함)를 실리콘과 집적하려는 노력이 있었지만 성공적이지 못했다. 실리콘에 화합물 반도체 재료를 집적하는데 있어 가장 주요한 문제는 실리콘 기판 상에 화합물 반도체 재료를 성장시킴으로써 발생되는 결정 결함(crystalline defects)이다. 이 결함은 서로 인접하는 화합물 반도체 재료 및 아래의 실리콘 기판 사이의 상대적으로 큰 격자 부정합(lattice mismatch)(즉, 다른 격자 상수)으로 인한 것이다. 예를 들어, InAs와 Si 간에는 약 11%의 격자 부정합이 있고, GaAs 및 Si 간에는 4%의 격자 부정합이 존재한다. InGaAs는 두 화합물 반도체 재료(InAs 및 GaAs)의 합금으로 0.8㎛ 에서 1.5㎛ 까지의 파장 - 현재 원거리 통신(예컨대, 인터넷, 다른 WAN)을 제공하는 대부분의 광섬유 네트워크를 위한 파장 - 의 빛을 방출한다.
InGaAs는 Si <001> 기판 상에 에피택셜 성장되는 경우, 10 옹스트롱 차수의 임계 층 두께를 갖는 것으로 알려져 있다. 따라서, Si 기판 상에 에피택셜 성장될 수 있는 InGaAs의 두께는 10 옹스트롱 보다 작다. 이와 대조적으로, InGaAs로 형성되는 일반적인 양자 우물 레이저(quantum well laser)의 두께는 2000 옹스트롱의 차수가 된다. 결과적으로, InGaAs에서의 전위(dislocation)는 불가피하다. 에피택셜 박막 이완(epitaxial film relaxation)으로 인한 전위는 예컨대 반도체 레이저를 비롯한 광전자 소자의 유효수명 및 성능을 심하게 제한한다.
따라서 화합물 반도체 재료가 실리콘 기판 상에 적용되는 소자 및 방법이 필요하다. 바람직하게, 소자는 실리콘 기판 상에 광전자 소자의 광학 활성 영역을 에피택셜 성장시킴으로써 생성될 수 있다. 바람직하게, 소자는 매우 적은 또는 제한된 양의 광학 활성 재료로 형성될 수 있다.
본 발명은 광학 활성 영역을 갖는 광전자 소자를 실리콘 기판 위에 형성하는 방법과 관련된다. 본 발명의 일 실시예에서, 광학 활성 영역은, 화합물 반도체 재료로 형성된 에피택셜 성장(epitaxailly grown) 양자 점 배열을 이용하여 실리콘 기판 상에 형성된다. 예를 들어, 화합물 반도체 재료는 아래 위치하는 Si 기판과 격자 부정합을 가질 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에서, 광학 활성 재료(예컨대, InGaAs)의 양은 양자 점 형태로 존재할 때 최소화되면서도 좋은 성능을 유지한다. 예를 들어, InGaAs 양자 점은, 전위(dislocation) 없이 광학 게인(optical gain)을 갖도록 형성될 수 있다. 이것은, 광학 활성 레벨을 얻기 위해 더 많은 재료가 필요하고 결과적으로 화합물 반도체 재료 및 실리콘 간의 격자 부정합이 광전자 애플리케이션을 위해 충분한 두께의 층에 고밀도 전위를 가져오는 박막 기반 접근법과 대비된다.
본 발명의 일 특징으로, 광학 활성 영역을 실리콘 기판 상에 형성하는 방법은 실리콘 기판 상에 선택적(optional) 실리콘 버퍼 층을 에피택셜 성장시키는 단계, 및 복수의 양자점 배열이 배치된 클래딩 층을 에피택셜 성장시키는 단계를 포함하고, 양자 점은 실리콘 버퍼 층과 격자 부정합을 갖는 화합물 반도체 재료로 형성된다. 광학 활성 영역은 발광 다이오드, 레이저 다이오드, 및 광검출기와 같은 소자에 결합될 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징으로, 광학 활성 영역을 갖는 소자는 실리콘 기판과 이 실리콘 기판 위에 에피택셜 성장된 SiGe 클래딩 층을 포함하고, 이 SiGe 클래딩 층은 적어도 하나의 SiGe 공간 층에 의해 분리된 복수의 InGaAs 양자 점 배열을 포함한다.
본 발명의 또 다른 특징으로, 광학 활성 영역을 실리콘 기판 위에 형성하는 방법은 실리콘 기판 위에 SiGe 에칭 저지 층을 에피택셜 성장시키는 단계, 및 이 SiGe 에칭 저지 층 위에 실리콘 버퍼 층을 에피택셜 성장시키는 단계를 포함한다. 그 다음 에피택셜 성장된 InGaAs 양자 점 배열을 갖는 SiGe 클래딩 층이 에피택셜 성장된다. 그 후, 실리콘 기판의 뒷면은 SiGe 에칭 저지 층을 에칭하기 전에 에칭되어 실리콘 버퍼 층의 아래면을 노출시킨다. 위에서 설명된 광학 활성 영역이 수직 동공 표면 발광 레이저(vertical cavity surface emitting laser; VCSEL)를 형성하도록 두 1/4 파장 스택 사이에 배치될 수 있다.
본 발명의 목적은 화합물 반도체 재료로부터 형성된 광학 활성 영역을 갖는 Si 기반 광전자 소자를 제조하는 방법을 제공하는 것이다. 이러한 헤테로(hetero) 구조(예컨대, 격자 부정합)에 기초한 소자는 수명이 길고 좋은 성능 특성을 가질 것이다. 본 명세서에서 설명된 방법에 따라 제작될 수 있는 예시적 제품으로 Si 기반 광학 송수신기 칩, 레이저 다이오드, 발광 다이오드 및 광검출기 등이 있다.
추가적인 특징 및 장점들은 다음의 도면 및 실시예의 설명을 통해 보다 명확해질 것이다.
도 1a는 측면 발광 레이저(edge emitting laser)의 개략도를 도시한 도면.
도 1b는 표면 발광 레이저(surface emitting laser)의 개략도를 도시한 도면.
도 2는 Si 기반 표면 발광 레이저를 만드는 방법의 공정 흐름도를 도시한 도면.
도 1a는 측면 발광 레이저(edge emitting laser, 10)의 개략도를 도시한 도면이다. 측면 발광 레이저(10)는 p-형 실리콘 기판(12)을 포함한다. 광학적 활성 영역(14)은 p-형 실리콘 기판(12)의 윗면에 형성된다. 광학적 활성 영역(14)은 실리콘(Si) 또는 실리콘 게르마늄(SiGe) 클래딩 층(cladding layer, 16)을 포함하고, 이 클래딩 층에는 화합물 반도체 재료(compound semiconductor material)로 형성된 양자 점들(20)의 배열(18)이 있는 하나 이상의 층이 배치되어 있다. 양자 점(20)은 전자 또는 "홀(hole)"의 양자 역학 파장보다 작은 치수의 원자 집단(cluster)이다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, 양자 점(20)은 직접 에너지 밴드 갭(direct energy band gap)을 갖는 반도체 재료로 형성된다. 양자 점(20)을 위한 예시적인 반도체 재료는 InGaAs, InGaP, InGaSb, PbTe, CdTe 및 CdSe를 포함한다. 일 실시예에서, 양자 점(20)은 그 아래 위치하는 실리콘 버퍼 층과 격자 부정합(lattice mismatch)을 갖는(예컨대, 적어도 5%의 격자 부정합을 갖는) 화합물 반도체 재료로 형성된다. 도 1a에 나타난 바와 같이, 광학 활성 영역(14)의 측면은 에칭된 면(15)으로 이루어질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 개별적인 양자 점(20)의 배열(18)은 직접 에너지 밴드 갭을 갖는 반도체 재료의 섬(islands) 또는 점을 원하는 핵 생성 사이트(nucleation sites) 배열에 성장시켜 형성된다. 이러한 핵 생성 사이트는 예컨 대, SiGe와 같은 스트레인드 필름(strained film)을 에피택셜 성장(epitaxially growing)시키고 이를 전위(dislocation)를 통해 이완(relax)시켜 수직으로 지향된 전위 선(도시되지 않음) 열을 삽입함으로써 형성될 수 있다. 예를 들어, 미국 특허 제5,888,885호는 3차원 양자 점 배열을 만드는 방법을 개시하고 있다. 미국 특허 제5,888,885호는 본 명세서에서 전체가 참조 문서로 인용된다. SiGe로 만들어진 층과 같은 공간 층(spacing layer, 22)은 인접하는 양자 점 배열(18) 사이에 놓여질 수 있다.
도 1a에서, 측면 발광 레이저(10)의 경우, 클래딩 층(16)은 그 위에 배치된 n-형 실리콘 층(24)을 포함한다. n-형 실리콘 층(24)은 옴 접촉(ohmic contact)을 용이하게 하도록 n-형 불순물로 고농도로 도핑될 수 있다. 도 1a에 도시된 광학 활성 영역(14)의 장점은 재료가 양자 점(20)의 형태인 경우 아주 적은 양의 재료(예컨대, InGaAs)라도 원하는 광전자 기능을 위해서 충분하다는 점이다. 광학 활성 영역(14) 내의 스트레인 아래의 적은 양의 재료로 결정 결함(crystalline defects)에 대한 가능성이 감소되거나 완화된다. 광학 활성 영역(14)의 제2 장점은 전위 네트워크가 좀 더 조직화되고 균일한 양자 점(20) 구성을 가능하게 하는 것이다. 예를 들어, 매립된 전위 네트워크로부터 스트레인 필드(strain field)를 활용하는 나노미터 크기 패터닝은 좀 더 균일한 크기의 양자 점(20) 분포를 가져온다. 이는 공진 공동(resonant cavity)에 의해 단일 파장이 선택되는 LD의 경우 특히 유용하다. 양자 점(20)의 더 촘촘한 분포는 레이저 동작에 관여하는 더 많은 양자 점(20)을 가져오고, 따라서 필요한 광학 활성 화합물 반도체의 양을 줄인다.
도 1b는 표면 발광 레이저(30)의 일 실시예를 도시한 도면이다. 표면 발광 레이저(30)는 예컨대, 도 1b에 도시된 바와 같은 실리콘 기반 수직 공동 표면 발광 레이저(silicon-based vertical cavity surface emitting laser; VCSEL)가 될 수 있다. 표면 발광 레이저(30)는 p-형 실리콘 기판(32)을 포함하는데, 이 기판은 아래 표면이 에칭되어 1/4 파장 스택(quarter wave stack; QWS, 54)을 포함하는 공동(34)이 형성되어 있다. 1/4 파장 스택(54)은 1/4 파장 두께의, 예컨대 SiO2 및 TiO2와 같은 하이-로우 인덱스(high-low index) 재료 층들을 번갈아 가며 성막하여 형성된 유전 코팅이다. 1/4 파장 스택(54)은 레이저 동작 동안 양자 점에 의해 생성된 광학 방사(optical radiation)를 효율적으로 반사시킬 수 있다. p-형 실리콘 기판(32)의 아래 면은 금속 접촉(38)을 포함한다.
도 1b에 관하여, 도핑된 p-형 실리콘 버퍼 층(40)이 실리콘 기판(32) 위 및 1/4 파장 스택(36) 아래에 형성된다. 광학 활성 영역(42)이 p-형 실리콘 버퍼 층(40)의 윗면에 형성된다. 광학 활성 영역(42)은 실리콘(Si) 또는 실리콘 게르마늄(SiGe) 클래딩 층(44)을 포함하고, 이 클래딩 층에는 화합물 반도체 재료(compound semiconductor material)로 형성된 양자 점들(48)의 배열(46)이 있는 하나 이상의 층이 배치되어 있다. 일 특징으로, 양자 점(48)은 아래 위치하는 실리콘 버퍼 층과 격자 부정합을 갖는 화합물 반도체 재료로 형성된다. 이와 달리, 양자 점(48)은 격자 부정합이 필요하지 않도록 패터닝하여 형성될 수 있다. 예를 들어, 양자 점(48)은 InGaAs 로 형성될 수 있다. SiGe 로 형성된 층과 같은 공간 층(50)은 인접하는 양자 점 배열(46) 사이에 배치될 수 있다. 도핑된 n-형 실리콘 층이 상단 접촉 층(52)으로 형성된다. 제2 1/4 파장 스택(54)이 예컨대 스퍼터링(sputtering) 또는 증착(evaporation)에 의해 층(52) 위에 성막된다.
산화 차단 영역(SiO2, 56)이 광학 활성 영역(42)에 인접하여 형성된다. 표면 발광 레이저(30)는 예컨대, 패턴화된 레지스트(resist) 위에 금속을 성막하고 습식 용매 리프트-오프 공정(wet-solvent lift-off process)으로 순차적으로 제거하여 형성된 상단 금속 접촉 층(58)을 포함한다. 광학적 투명 층(도시안함)이 1/4 파장 스택(36) 위에 배치될 수 있다.
방사선이 표면 발광 레이저(30)로부터 발광되는 방향은 1/4 파장 스택(36, 54)의 각 반사율을 조정함으로써 제어될 수 있다.
도 2는 도 1b에 도시된 유형의 표면 발광 레이저(30)를 생성하기 위한 공정 흐름도를 도시한 도면이다. 단계(100)는 p-형 실리콘 기판(32)을 세척(clean)하는 단계이다. 예를 들어, 이 단계는 고농도로 도핑된 p-형 실리콘 기판(32)의 표면을 습식 화학 세척하는 것을 포함할 수 있다. 단계(105)에서, p-형 SiGe 에칭 저지(etch-stop) 층(도시되지 않음), 실리콘 버퍼 층(40), 및 광학 활성 영역(42)이 에피택셜 성장된다. 실리콘 버퍼 층(40)이 약 3000 옹스토롱(angstorm) 두께를 갖는 고농도로 도핑된 p-형 실리콘 버퍼 층(40)을 이용하여 p-형 SiGe 에칭 저지층(40)의 상단에 성장된다. 활성 영역(42)에 관하여, 도핑되지 않은 (5% Ge 함유) SiGe 클래딩 층(44)이 복수의(예컨대 3개) InGaAs 양자 점 배열(46)을 갖도록 형성 된다. 도 1b에 도시된 바와 같이, 클래딩 층(44)은 전체 두께가 1000 옹스트롱이 되는 SiGe 공간 층(50)을 포함할 수 있다. 활성 영역(42)은 약 200 옹스트롱의 두께를 갖는 도핑되지 않은 실리콘 캡 층(silicon cap layer)으로 마무리될 수 있다.
단계(110)에서, 광학 활성 영역(42)의 레이저 영역이 포토리소그래피(photolithography)를 이용하여 형성되거나 정의된다. 단계(115)에서, 산화 차단 영역(56)이 실리콘 버퍼 층(40)에 형성된다. 예를 들어, 다공성 실리콘이 실리콘 버퍼 층(40)의 전기화학 에칭과 같은 종래 기술을 이용하여 형성될 수 있다. 다공성 실리콘의 형성은 바람직하게 실리콘 버퍼 층(40)의 내부에서 멈춘다. 실리콘 기판(32) 및 이 기판에 형성된 구조는 그 다음 열 산화 과정을 거쳐 산화 차단 영역(56)을 형성한다. 이 산화 차단 영역은 두께가 대략 100 옹스트롱이 될 수 있다.
단계(120)에서, 상단 접촉 층(52)이 고농도로 도핑된 n-형 실리콘의 무차별적(non-selective) 에피택셜 성장에 의해 1000 옹스트롱 미만의 두께로 형성된다. 단계(125)에서, 제1 1/4 파장 스택(36)이 예컨대 스퍼터링 또는 증착에 의해 성막된다. 제1 1/4 파장 스택(36)의 상부 미러(mirror)가 종래의 포토리소그래피 기술을 이용하여 정의되고, 제1 1/4 파장 스택(36)은 QWS(36)을 형성하고 n-형 실리콘 상단 접촉 층(52)에서 멈추는 에칭 공정을 거친다.
단계(130)에서, 상단 금속 접촉 층(58)이 예컨대 패턴화된 레지스트 위에 금속을 증착하거나 스퍼터링한 다음 습식 용매 리프트 오프 공정에 의해 부분적으로 제거됨으로써 형성될 수 있다. 다음으로, 단계(135)에서, 실리콘 산화물 층이 실리콘 기판(32) 아랫면에 형성된다. 실리콘 산화물 층은 실리콘 기판(32)의 추후 에칭을 위한 산화 마스크를 형성한다.
단계(140)에서, 실리콘 기판(32)의 윗면(및 관련된 구성)은 예컨대, 왁스 또는 성막된 실리콘 이산화물을 이용하여 보호된다. 단계(145)에서, 실리콘 기판(32)의 아래면은 예컨대 KOH 용액에서 에칭된다. 바람직하게, 에칭은 단계(105)에서 성장된 SiGe 에칭 저지 층으로부터 수 마이크로미터에서 중단된다.
단계(150)에서, SiGe 에칭 저지 층이 에칭되어 실리콘 층을 표면에 노출시킨다. 예를 들어, Si 및 Ge에 대해 선택적인(selective) 대체 용액이 에칭 저지 층을 제거하는데 사용될 수 있다. 단계(155)에서, 제2 1/4 파장 스택(54)이 실리콘 기판(32)의 아래면에 스퍼터링 또는 증착을 통해 형성된다. 제2 1/4 파장 스택(54)은 반응 이온 에칭(reactive ion etching; RIE) 전의 포토리소그래피에 의해 정의된다. 단계(160)에서 단계(135)에서 형성된 하단 실리콘 산화 마스크가 제거되고 하단 금속 접촉 층(38)이 형성된다. 하단 금속 접촉 층(38)은 패턴화된 레지스트 위에 금속을 우선 스퍼터링 또는 증착하고 습식 용매 리프트 오프 공정에 의해 추후 제거됨으로써 형성될 수 있다.
도 1b 및 도 2에서 예시된 공정이 표면 발광 레이저(30)와 관련하여 도시되었지만, 광검출기(photodetector; PD)에 대하여 동일하거나 유사한 구조가 사용될 수 있다. 본 발명의 일 특징으로, 광 발광기 및/또는 PD의 스펙트럼 응답(spectral response)은 양자 점(20, 48)의 크기를 제어함으로써 조정될 수 있다.
본 명세서에 설명된 방법 및 소자는 다양한 소자에서 광학 활성 영역을 만드는데 유용할 수 있다. 예를 들어, 광학 활성 영역은 실리콘 기반 구동 회로와 집적화된 LD 또는 LED 에 위치하여, 고 대역폭(high bandwidth) 광섬유 통신을 위한 집적화된 송수신기를 만들 수 있다.
본 발명의 실시예가 도시되고 설명되었지만, 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 한도에서 다양한 수정이 이루어질 수 있다. 따라서 본 발명은 제한적인 것이 아니고, 다음의 청구항에 따라 한정된다.

Claims (15)

  1. 광학 활성 소자(optically active device)를 형성하는 방법으로서,
    제1 표면 및 제2 표면을 갖는 실리콘 기판을 제공하는 단계;
    상기 실리콘 기판의 제1 표면 상에 실리콘 버퍼 층을 에피택셜 성장시키는 단계;
    복수의 양자 점들(quantum dots)의 배열이 배치된 SiGe 클래딩 층(cladding layer)을 에피택셜 성장시키는 단계 - 상기 양자 점들은 상기 실리콘 버퍼 층과의 격자 부정합(lattice mismatch)을 갖는 화합물 반도체 재료로 형성됨 -;
    상기 복수의 양자 점들의 배열이 배치된 상기 클래딩 층에 광학 활성 영역을 정의하는 단계;
    상기 광학 활성 영역에 인접하여 산화 차단 영역(oxide isolation region)들을 형성하는 단계;
    상기 광학 활성 영역 위에 제1 1/4 파장 스택을 형성하는 단계;
    상기 광학 활성 영역과의 전기 접촉을 위해 구성된 제1 금속 접촉을 형성하는 단계;
    상기 실리콘 기판의 제2 표면에 오목부(recess)를 형성하는 단계;
    상기 광학 활성 영역 아래의 오목부에 제2 1/4 파장 스택을 형성하는 단계; 및
    상기 실리콘 기판의 제2 표면 상에 제2 금속 접촉을 형성하는 단계
    를 포함하는 광학 활성 소자 형성 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 화합물 반도체 재료는 InGaAs, InGaP, InGaSb, CdTe, CdSe 및 PbTe 로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 광학 활성 소자 형성 방법.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    적어도 하나의 공간 층(spacing layer)이 인접하는 양자 점들의 배열들을 분리시키는 광학 활성 소자 형성 방법.
  6. 삭제
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