KR20040101745A - 면굴절 입사형 수광소자 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 선택적 에피성장을 이용한 면굴절 입사형 수광소자 및 그 제조방법에 관한 것으로, 본 발명에 따른 수광소자는 반도체 기판과; 상기 반도체 기판 위에 형성된 광 흡수층과; 상기 광 흡수층 상부 전면에 형성된 제1 윈도우층과; 상기 제1 윈도우층 상부에 선택적으로 형성되고, 입사 광(light)이 상기 광 흡수층으로 굴절되어 입사되도록 적어도 광이 입사되는 단면이 임의의 각(θ)을 갖도록 비스듬하게 형성된 제2 윈도우층과; 상기 제2 윈도우층과 콘택되도록 형성된 제1 도전형의 제1 금속층 및 상기 반도체 기판 배면에 형성된 상기 제1 금속층과 다른 제2 도전형의 제2 금속층을 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

Description

면굴절 입사형 수광소자 및 그 제조방법{SIDE ILLUMINATED REFRACTING-FACET PHOTODETECTOR AND METHOD FOR FABRICATING THE SAME}
본 발명은 광원으로부터 발생된 광신호를 수신하여 전기신호로 변환하는 수광소자에 관한 것으로, 특히 면굴절 입사형 수광소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.
광결합의 목적은 레이저 다이오드, 광섬유(fiber), PLC(Planar Lightwave Circuit) 소자 등의 광원에서 방출된 광을 그 경로를 파악해서 최적으로 손실 없이 광 수신면에 도달하도록 함으로써 광신호를 전기신호로 전환시키는데 있다.
일반적으로, 수직입사형 포토다이오드(Vertical Photo Diode)의 경우 수평입사형(Waveguide Photo diode)에 비해 신뢰성이 많은 연구를 통해서 입증되어 있다. 그러나, 수직입사형 포토다이오드는 패키지(package) 구성 시 광결합이 대부분 3차원(3 dimension)적인 방법으로 이루어진다. 즉, 조립시 광소자의 수직위치까지 정렬해야 한다.
현재 개발되고 있는 초저가 모듈을 제조하기 위해서는 완전자동화, 즉 칩 마운팅(chip mounting) 방식으로 광모듈 제작이 이루어져야만 한다. 따라서, 레이저다이오드와 포토다이오드(LD to PD), 광섬유와 포토다이오드(Fiber to PD), PLC(Planar Light Circuit)와 포토다이오드(PLC to PD) 사이의 광결합 등 대부분의 분야에서 2차원(2 Dimension) 광결합이 필수적이다.
도 1은 종래 2차원 광결합을 위한 광검출기(photo detector)의 구조를 나타낸 단면도로써, 상기 광검출기는 소위 면 굴절 입사형(Edge-illuminated Refracting-Facet) 구조의 수광소자이다.
상기 면 굴절 입사형 광검출기는 InP 기판(1), 광 입사면(2), n-InP(3), 광 흡수층(photo-absorption part, 4), p-InP(5), p-전극(6) 및 n-전극(7)을 포함하며, 광(LIGHT)이 입사되는 기판(1)의 단면(2)을 습식식각(wet etching)하여 임의의 각(θ)을 갖도록 비스듬하게 형성함으로써 광이 광 흡수층(4)으로 굴절되어 입사되도록 하는 구조를 갖는다. 이와 같이 굴절된 광이 광 흡수층(4)에 입사될 때, 수직으로 입사되는 광에 비해 유효흡수길이(effective absorption length)가 증가하여 수신감도를 향상시킬 수 있다.
그러나, 상기 종래의 광검출기는 각이진 비스듬한 평면(angled facet)을 구현하기 위해 화학적 식각 공정을 수행해야 하므로 소자의 재현성과 균일성 면에서 불안정한 공정이 될 가능성이 높다.
더욱이, 비스듬하게 메사 식각(mesa etching)된 면에 광이 입사될 때 광의 반사를 줄이기 위해 무반사(Anti-Reflective coating)층을 증착할 경우, 상기 종래의 구조에서는 반드시 바(Bar)를 세우는 공정을 수반해야 하므로 공정의 난이도가 증가하게 되고, 이로 인해 생산수율이 저하되는 문제점을 안고 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 화학적 식각 공정을 수반하지 않고 흡수층으로 입사되는 광의 유효흡수길이(effective absorption length)를 증가시킬 수 있는 면굴절 입사형 수광소자 및 그 제조방법을 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 면굴절 입사형 수광소자는 반도체 기판과; 상기 반도체 기판 위에 형성된 광 흡수층과; 상기 광 흡수층 상부 전면에 형성된 제1 윈도우층과; 상기 제1 윈도우층 상부에 선택적으로 형성되고, 입사 광(light)이 상기 광 흡수층으로 굴절되어 입사되도록 적어도 광이 입사되는 단면이 임의의 각(θ)을 갖도록 비스듬하게 형성된 제2 윈도우층과; 상기 제2 윈도우층과 콘택되도록 형성된 제1 도전형의 제1 금속층 및 상기 반도체 기판 배면에 형성된 상기 제1 금속층과 다른 제2 도전형의 제2 금속층을 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 면굴절 입사형 수광소자는 적어도 상기 제2 윈도우층의 광 입사면에 형성된 반사방지층(Anti-Reflective coating)을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 제2 윈도우층은 측방 4면이 임의의 각(θ)을 갖도록 비스듬하게 형성된 메사 구조를 갖는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 제2 윈도우층은 선택적 에피 성장법에 의해 형성된 (111)면을 갖는 것을 특징으로 한다.
더욱 바람직하게는, 상기 제 1 금속층은 상기 광이 입사되는 입사면을 제외한 전면에 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 면굴절 입사형 수광소자 제조방법은 반도체 기판에 광 흡수층, 제1 윈도우층을 형성하는 과정과; 입사 광(light)이 상기 광 흡수층으로 굴절되어 입사되도록 적어도 광이 입사되는 단면이 임의의 각(θ)을 갖도록 상기 제1 윈도우층 상부에 선택적으로 제2 윈도우층을 형성하는 과정과; 상기 제2 윈도우층과 콘택되도록 제1 도전형의 제1 금속층을 형성하는 과정과; 상기 반도체 기판 배면에 상기 제1 금속층과 다른 제2 도전형의 제2 금속층을 형성하는 과정을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 면굴절 입사형 수광소자 제조방법은 적어도 상기 제2 윈도우층의 광 입사면에 반사방지층(Anti-Reflective coating)을 형성하는 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
더욱 바람직하게는, 상기 제1 윈도우층 상부에 선택적으로 제2 윈도우층을 형성하는 과정은 상기 제1 윈도우층 상부에 [110] 또는 [10] 방향으로 선택적 에피 성장 마스크를 형성하는 단계와, 상기 에피 성장 마스크를 이용하여 노출된 상기 제1 윈도우층 상부에 에피층을 성장시켜 제2 윈도우층을 형성하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
도 1은 종래의 면 굴절 입사형 광검출기의 구조를 나타낸 단면도,
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 면굴절 입사형 수광소자의 구조를 나타낸 도면,
도 3은 도 2의 A-A'선에 따른 단면도,
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 포토다이오드 디텍터와 PLC를 광결합시킨 적용예를 나타낸 단면도,
도 5는 스넬의 법칙(Snell's Law)을 설명하기 위한 도면.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 도면에서 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 참조번호 및 부호로 나타내고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다.
먼저, 도 2 및 도 3을 통해 본 발명의 구조 및 제조방법을 설명하면 다음과 같다. 도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 면굴절 입사형 수광소자의 구조를 나타낸 도면이고, 도 3은 도 2의 A-A'선에 따른 단면도이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 면굴절 입사형 수광소자(100)는 제1 도전형의 반도체 기판(110)과, 상기 기판(110) 위에 형성된 광 흡수층(120)과, 상기광 흡수층(120) 위에 형성된 제2 도전형의 제1 윈도우층(130)과, 상기 제1 윈도우층(130) 일부에 선택적으로 형성되고, 입사 광(light)이 상기 광 흡수층으로 굴절되어 입사되도록 광이 입사되는 단면이 임의의 각(θ)을 갖도록 경사지겨 형성된 제2 윈도우층(140), 상부전극(160) 및 하부전극(170)을 포함하여 구성된다. 또한, 상기 제2 윈도우층(140)의 광 입사면에 형성된 무반사층(150)을 포함한다.
상기 제1 도전형의 반도체 기판(110)은 n-InP 등의 반도체 기판으로 InP 버퍼(buffer)층을 포함할 수 있다.
상기 광 흡수층(120)은 흡수하고자 하는 광신호의 파장에 따라 그 파장의 밴드갭(bandgap) 에너지보다 작은 물질로 구성하며, 일반적으로 u-InGaAs 물질을 사용하고 있다.
상기 제1 윈도우층(130)은 상기 광 흡수층(120)과는 반대로 흡수하고자하는 파장에 따라 그 파장의 에너지 밴드갭보다 큰 물질로 구성하며, 상기 반도체 기판(110)과 다른 도전형의 p-InP 물질을 사용할 수 있다.
상기 제2 윈도우층(140)은 상기 제1 윈도우층 상부에 선택적으로 형성되고, 입사 광(light)이 상기 광 흡수층으로 굴절되어 입사되도록 적어도 광이 입사되는 단면(f)이 임의의 각(θ)을 갖도록 메사구조를 갖는다. 이와 같이 광 입사면을 비스듬하게 형성함으로써 광이 흡수층(120)으로 굴절되어 입사되도록 하며, 이는 굴절된 광이 흡수층(120)에 입사될 때, 수직으로 입사되는 광에 비해 유효흡수길이(effective absorption length)가 증가하기 때문이다.
이러한 메사구조의 제2 윈도우층(140)은 선택적 에피 성장법에 의해 형성될수 있다. 우선, InP 기판(110)에 InP 버퍼층(미도시), u-InGaAs 광흡수층(120), InP 윈도우층(130)을 차례로 단결정 성장한 기판을 준비한다. 이어서, 상기 InP 윈도우층(130) 위에 SiNX, SiO2(180) 등의 절연층을 증착한 다음, 포토리소그래피 공정을 통해 상기 절연층이 [110] 또는 [10] 방향으로 정렬되도록 한다. 이때, [110] 또는 [10] 방향으로 정렬된 절연층은 선택적 에피 성장을 위한 마스크로 사용된다. 상기 선택적 에피 성장 마스크를 이용하여 노출된 상기 제1 윈도우층을 단결정 성장할 경우, 성장되는 측방면(facet)이 {111}B면 또는 {111}A면으로 형성된다. 이와 같이 선택적 에피 성장법으로 성장하여 형성된 (111)면은 {100}면에 대하여 약 54.4°의 기울기를 갖게 된다.
다시 도 2 및 도 3을 참조하면, 상기 반사방지층(Anti-Reflective coating, 150)은 상기 제2 윈도우층의 광 입사면에 형성되어, 레이저, 광섬유, PLC 등의 임의의 광원으로부터 입력되는 광신호(light signal)를 반사 없이 통과시키는 역할을 한다. 이때, 상기 반사방지층(150)은 필요에 따라 형성하지 않을 수도 있다. 반사방지층(150)이 없을 경우 파장에 따라 30 내지 35% 정도가 반사되고 나머지 광신호만 통과하게 된다. 따라서, 반사 즉, 광손실 정도와 공정의 편의성 및 광소자의 특성 등을 고려하여 반사방지층(150)의 적용여부를 결정한다. 예를 들면, 광신호의 모니터링 기능을 수행하는 MPD(Monitor Photo Diode)의 경우는 공정의 편의상 반사방지층을 형성하지 않는 것이 바람직하다.
상기 제1 금속층(160) 및 제2 금속층(170)은 광전 변환된 전기신호를 외부회로로 검출하는 전극으로 사용된다. 이때, 상기 광이 입사되는 입사면을 제외한 전면에 모두 금속을 증착할 경우 입사 광을 흡수층으로 반사시킴으로써 광결합시 커플링 공차(coupling tolerance)를 높여 주는 역할을 한다.
상기 구조를 갖는 면굴절 입사형 수광소자의 동작을 도 4 및 도 5를 통해 설명하면 다음과 같다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 포토다이오드 디텍터와 PLC 광원을 광결합시킨 적용예를 나타낸 단면도이고, 도 5는 스넬의 법칙(Snell's Law)을 설명하기 위한 도면이다. 도면에서 미설명부호 210은 상부 클래드, 220은 코어, 230은 하부 클래드, 300은 기판, 310은 실리콘기판, 320은 SiO2층, 330은 금속층을 각각 나타낸다.
도 4를 참조하면, PLC 광원(200)으로부터 입력되는 광신호(light signal)는 반사방지층(150)을 통해 제2 윈도우층(140)의 입사면(f)으로 입사된다. 예를 들어, 제2 윈도우층(140)의 입사면(f)이 {100}면에 대하여 약 54.4°의 기울기를 갖는 (111)면일 경우, {100}면과 평행하게 진행되는 광신호는 (111)면과 35.6°(90°-54.4°)의 각을 가지고 만나게 되어 굴절이 일어나게 된다. 이와 같이 입사광은 서로 다른 매질을 통과할 때마다 굴절하게 되는데, 이는 광이 성질이 다른 매질의 경계면을 통과할 때 광의 휨 정도를 정의한 스넬의 법칙(Snell's Law)에 의해 파악할 수 있다.
도 5를 참조하면, n1sinθ1= n2sinθ2( Snell's Law )
여기서, n1은 입사층의 굴절률, θ1은 입사계면의 수직에 대한 입사광의 각도, n2는 입사될 층의 굴절률, θ2는 입사계면의 수직에 대한 투과된 광의 각도를 각각 나타낸다.
굴절되어 입사된 빛이 흡수층으로 θ각을 가지고 입사될 때, 흡수층의 두께를 T라 하면, 실질적 흡수거리(effective absorption length)는 흡수층 두께/sinθ로 계산할 수 있다. 예를 들어, 흡수층의 두께가 1㎛이고, θ가 25°이면, 실질적인 흡수거리는 2.36㎛가 된다. 따라서, 얇은 흡수층을 적용함에도 불구하고 높은 응답특성(responsivity)을 확보할 수 있다.
한편, 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 아니 되며 후술하는 특허청구의 범위뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
상술한 바와 같이 본 발명에 의하면 수광소자의 광 입사면이 비스듬하게 형성된 구조를 갖도록 함으로써 흡수층으로 입사되는 광의 유효흡수길이(effective absorption length)를 증가시킨다. 따라서, 입사면이 수직인 구조에 비해 흡수층의 두께를 크게 줄일 수 있으며, 또한 캐리어의 천이시간(transit time)을 줄일 수 있어 수광소자의 동작속도를 증대시키는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 수광소자 제조방법에 의하면 선택적 에피 성장법에 의해 수광소자의 광입사면을 경사지게 형성할 수 있다. 따라서, 기존의 경사진 입사면(angled facet)을 구현하기 위한 화학적 식각 공정을 수행하지 않아도 되므로 공정의 재현성과 균일성을 크게 향상시킬 수 있다.

Claims (11)

  1. 반도체 기판과;
    상기 반도체 기판 위에 형성된 광 흡수층과;
    상기 광 흡수층 상부 전면에 형성된 제1 윈도우층과;
    상기 제1 윈도우층 상부에 선택적으로 형성되고, 입사 광(light)이 상기 광 흡수층으로 굴절되어 입사되도록 적어도 광이 입사되는 단면이 임의의 각(θ)을 갖도록 비스듬하게 형성된 제2 윈도우층과;
    상기 제2 윈도우층과 콘택되도록 형성된 제1 도전형의 제1 금속층 및
    상기 반도체 기판 배면에 형성된 상기 제1 금속층과 다른 제2 도전형의 제2 금속층을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 면굴절 입사형 수광소자.
  2. 제 1 항에 있어서, 적어도 상기 제2 윈도우층의 광 입사면에 형성된 반사방지층(Anti-Reflective coating)을 더 포함하는 것을 특징으로 면굴절 입사형 수광소자.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 제2 윈도우층은
    측방 4면이 임의의 각(θ)을 갖도록 비스듬하게 형성된 메사 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 면굴절 입사형 수광소자.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 제2 윈도우층은
    선택적 에피 성장법에 의해 형성된 (111)면을 갖는 것을 특징으로 하는 면굴절 입사형 수광소자.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 제1 금속층은
    상기 광이 입사되는 입사면을 제외한 전면에 형성되는 것을 특징으로 하는 면굴절 입사형 수광소자.
  6. 반도체 기판에 광 흡수층, 제1 윈도우층을 형성하는 과정과;
    입사 광(light)이 상기 광 흡수층으로 굴절되어 입사되도록 적어도 광이 입사되는 단면이 임의의 각(θ)을 갖도록 상기 제1 윈도우층 상부에 선택적으로 제2 윈도우층을 형성하는 과정과;
    상기 제2 윈도우층과 콘택되도록 제1 도전형의 제1 금속층을 형성하는 과정과;
    상기 반도체 기판 배면에 상기 제1 금속층과 다른 제2 도전형의 제2 금속층을 형성하는 과정을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 면굴절 입사형 수광소자 제조방법.
  7. 제 6 항에 있어서, 적어도 상기 제2 윈도우층의 광 입사면에 반사방지층(Anti-Reflective coating)을 형성하는 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 면굴절 입사형 수광소자 제조방법.
  8. 제 6 항에 있어서, 상기 제1 윈도우층 상부에 선택적으로 제2 윈도우층을 형성하는 과정은
    상기 제1 윈도우층 상부에 [110] 또는 [10] 방향으로 선택적 에피 성장 마스크를 형성하는 단계와,
    상기 에피 성장 마스크를 이용하여 노출된 상기 제1 윈도우층 상부에 에피층을 성장시켜 제2 윈도우층을 형성하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 면굴절 입사형 수광소자 제조방법.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 제1 윈도우층 상부에 선택적 에피 성장 마스크를 형성하는 단계는
    포토리소그래피 공정을 통해 이루어지는 것을 특징으로 하는 면굴절 입사형 수광소자 제조방법.
  10. 제 6 항에 있어서, 상기 제2 윈도우층은
    선택적 에피 성장법에 의해 형성된 (111)면을 갖는 것을 특징으로 하는 면굴절 입사형 수광소자 제조방법.
  11. 제 6 항에 있어서, 상기 제2 윈도우층과 콘택되도록 제1 도전형의 제1 금속층을 형성하는 과정은
    제1 도전형의 금속물질을 상기 광이 입사되는 입사면을 제외한 전면에 증착함으로써 이루어지는 것을 특징으로 하는 면굴절 입사형 수광소자 제조방법.
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