KR20130062969A - 웨이퍼 본딩을 사용한 수직 공진형 표면 방출 레이저 구조 및 제작 방법 - Google Patents

웨이퍼 본딩을 사용한 수직 공진형 표면 방출 레이저 구조 및 제작 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 웨이퍼 본딩을 사용한 수직 공진형 표면 방출 레이저 구조 및 제작 방법에 관한 것이다. 고효율 저비용 광집적회로와 이를 구동하는 실리콘 전자소자와의 광전집적을 위해서는 실리콘 기판을 기반으로 한 레이저 광원의 집적화가 필수적인 요소이다. 그러나 실리콘과 같은 간접 밴드갭(indirect bandgap) 물질은 광생성 효율이 낮아 실리콘만으로 이루어진 광원 구현이 어렵다는 문제점이 있어왔다. 이를 개선하기 위하여, 본 발명에서는 전도성 본딩 계면을 제공하는 웨이퍼 본딩 공정을 사용하여 광생성 효율이 높은 물질의 박막 층을 광집적회로 기판에 이전 후, 반도체 공정을 통하여 구현된 수직 공진형 표면 방출 레이저구조와 제작 방법을 제안한다. 제안된 레이저 구조는 전도성 본딩 계면을 통하여 하부 전극층이 실리콘 기판위에 형성되어 전자소자와의 집적을 보다 용이하게 하며 소자의 열적, 전기적 저항을 감소시켜 효율을 증대하는 효과를 제공한다.

Description

웨이퍼 본딩을 사용한 수직 공진형 표면 방출 레이저 구조 및 제작 방법{Vertical cavity surface emitting laser using wafer bonding process and method of fabricating the same}
본 발명은 웨이퍼 본딩을 사용한 수직 공진형 표면 방출 레이저 구조 및 제작 방법 (Vertical cavity surface emitting laser using wafer bonding process and method of fabricating the same)에 관한 내용이다.
고효율 저비용 광집적회로과 이를 구동하는 실리콘 전자소자와의 광전집적을 위해서는 실리콘 기판을 기반으로 한 레이저 광원의 집적화가 필수적인 요소이다. 그러나 실리콘과 같은 간접 밴드갭 (indirect bandgap) 물질은 광생성 효율이 낮아 실리콘만으로 이루어진 광원 구현이 어렵다는 문제점이 있어왔다. 이로 인해 실리콘 기판 위 광원 집적을 위해서는 광생성 효율이 뛰어난 직접 밴드갭 (direct bandgap) 물질을 가지는 기판 위에 제작된 개별 레이저 광원 칩 (chip)을 실리콘 기판위에 부착하는 플립칩 (flip chip) 방법이 주로 쓰여 왔다. 하지만 이 경우 레이저 광원 칩을 정렬하고 본딩하는 공정의 단위 시간당 처리량 (throughput)이 느려 저비용 고효율 광집적회로 제작을 위해서는 양산성이 떨어진다는 단점이 있다. 또한 플립칩 본딩 후 개별 광원 칩과 실리콘 기판의 높이 차는 (100μm 이상) 전기적 배선등을 포함한 패키징 공정에 부가적인 어려움을 더한다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 전도성 본딩 계면을 제공하는 웨이퍼 본딩 공정을 사용하여 직접밴드갭 박막층을 광집적회로에 이전하고 이 박막위에 레이저 광원을 집적함으로써, 기존 플립칩 기술을 이용한 개별 광원칩의 실장 방법이 가지는 양산성 문제를 해결하고자 한다. 또한 전도성 본딩 계면을 통하여 실리콘 기판이 레이저 광원과 전기적으로 연결되는 구조를 구현하여, 산화막 또는 비전도성 본딩 계면을 가지는 구조에 비해, 보다 효율적인 열적, 전기적 저항을 특성을 얻고자 한다.
본 발명의 실시 예에 따른 레이저는, 실리콘 기판위에 형성된 수직 공진형 표면 방출 레이저; 웨이퍼 본딩을 사용하여 다른 기판으로부터 이전된 박막으로부터 광학적 공진 구조와 광생성 층을 형성한다. 상기상부 전극층은 레이저 박막 상단에, 하부 전극층은 실리콘 기판 위에 형성된 전기적 구조를 가질 수 있다.
본 발명은 웨이퍼 본딩 기술을 사용하여 이전한 레이저용 박막상에 본딩 공정 후 진행되는 반도체 공정을 통하여 레이저 구조가 형성됨으로써, 다수의 레이저들을 집적하는데 용이한 방법을 제공한다. 또한 레이저 구조와 실리콘 기판간의 높이 차를 5μm내로 구현 가능할 수 있어 전기적 배선을 포함한 패키징 공정의 효율화, 간략화가 가능해진다. 따라서 위에서 열거한 본 발명의 특징들은 기존의 패키징 기술보다 높은 양산성과 저비용 공정을 제공할 수 있다.
또한 제안된 레이저 구조는 전도성 본딩 계면을 가지고 있어 실리콘 기판이 소자의 전기적 구조의 일부분이 되는 특징을 가진다. 이러한 구조적 특성은, 비전도성 계면을 제공하는 웨이퍼 본딩 공정으로 구현된 레이저 구조와 비교하여, 실리콘 전자소자와의 집적 용이성을 비롯하여 소자의 열적, 전기적 저항의 감소로 인한 소자 효율 향상의 효과를 제공할 수 있다.
도 1: 본 발명의 실시예 1 (대표도)
도 2: 본 발명의 실시예 2
도 3: 본 발명의 실시예 3
도 4: 본 발명의 실시예 4
도 5: 본 발명의 구현을 위한 제작 공정도
도1은 상기한 기술적 과제를 이루기 위하여 제안된 수직 공진형 표면 방출 레이저 구조의 한 예를 보여준다. 도1에 나타난 예는 III-V 화합물 기반의 레이저 박막이 실리콘 기판위에 본딩되어 메사(Mesa) 형태로 식각되고 상하부 전극들이 구현된 수직 공진형 표면 방출 레이저 구조를 보여준다. 실리콘 기판은 레이저 박막 표면 층의 도핑 타입에 맞추어 도핑이 되어있다. 이 구조에서 전류는 메사의 상부 전극층으로부터 전도성을 띠는 본딩 계면을 지나 실리콘 기판을 통하여 하부 전극층으로 흐르게 된다. 메사의 광생성층 또는 그 상하부에 형성된 부가적인 산화막 또는 언더 컷(undercut)된 구조를 통하여 전류가 레이저 메사의 중심부로 흐르도록 제어한다. 전도성 본딩 계면은 표면 활성화 본딩 (Surface activated bonding) 방법이나 소수성 직접 본딩 (Hydrophobic direct bonding) 방식을 통하여 구현할 수 있다. 전류 펌핑에 의하여 생성된 빛은 메사 구조의 상하부 반사기를 통해 공진되어, 광신호가 표면의 수직 방향으로 출력되게 된다. 도2는 실리콘 기판 위의 도핑 구조를 변형하여 레이저에 흐르는 전류의 분포와 방향을 제어할 수 있는 구조를 보여 준다. 예시된 구조에서는 레이저 메사의 중심부에 배치되는 실리콘 계면에 상대적으로 농도가 높은 도핑 지역을 배치하여, 전기적 저항을 감소시킴으로써 전류가 중심부를 통하여 흐르도록 제어하는 구조이다. 도3은 전류 제어 구조가 레이저 메사와 실리콘 기판위에 동시에 존재하는 구조를 보여준다. 도4는 도1의 변형된 형태의 실시예를 보여준다. 웨이퍼 본딩을 위하여 금속 컨택층을 이용한 예로서 본딩 공정 전 실리콘과 III-V 박막 표면에 금속 컨택층을 형성하여 이 층을 본딩 계면으로 활용하는 구조이다. 이 구조에서 전류는 메사로부터 금속 본딩 계면을 지나 실리콘 기판으로 진행하게 된다. 또한 이 구조는 도 2와 3에 예시된 전류 제어 구조와 결합 할 수 있다.
도5는 본 발명에서 제안된 수직 출력 광원 구조를 제작하기 위한 공정도의 한 예를 보여준다. 실리콘 기판상 도핑 공정을 포함한 집적 공정이 완료된 후, 레이저 구현에 필요한 반도체 박막 구조를 웨이퍼 본딩을 통해 이전한다. 웨이퍼 본딩 공정은 표면 산화막 제거 후, 표면 활성화 본딩 방법이나 소수성 직접 본딩 방법, 또는 금속 박막을 이용할 수 있다. 본딩 공정이 완료된 후 레이저 박막이 증착되어 있던 기판을 제거하여 실리콘 기판상에 레이저 공정을 위한 박막만을 남기게 된다. 이후 일반적인 반도체 공정인 리소그래피, 건식/습식 식각, 전극 도포 공정들을 통하여 레이저 구조를 형성한다.
Top mirror: 상부 반사기
Active region: 광생성층
Bottom mirror: 하부 반사기

Claims (9)

  1. 실리콘 기판위에 형성된 수직 공진형 표면 방출 레이저; 웨이퍼 본딩을 사용하여 다른 기판으로부터 이전된 박막으로부터 광학적 공진 구조와 광생성 층을 형성하는 레이저 구조; 상부 전극층은 레이저 박막 상단에, 하부 전극층은 실리콘 기판 위에 형성된 전기적 구조를 가지는 레이저 구조
  2. 청구항 1에 있어서, 웨이퍼 본딩 계면이 전도성을 띠는 구조
  3. 청구항 1에 있어서, 웨이퍼 본딩 계면에 인접하는 실리콘 기판의 도핑 종류 및 농도를 국부적으로 변화시켜 전류의 흐름을 제어하는 구조
  4. 청구항 1에 있어서, 전류의 흐름을 제어하기 위하여 전류 조리개 (Current aperture)를 레이저 메사 지역에 포함하는 구조
  5. 청구항 1에 있어서, 하부 전극층이 금속 배선이 아닌 도핑된 실리콘 계면을 통하여 전자소자로 연결되는 구조
  6. 청구항 1에 있어서, 웨이퍼 본딩 계면이 금속 박막을 포함하는 구조
  7. 청구항 6에 있어서, 웨이퍼 본딩 계면에 포함된 금속 박막이 광학적 공진기의 일부가 되어 반사기의 역할을 하는 구조
  8. 청구항 1에 있어서, 레이저용 박막이 III-V 또는 II-VI 화합물을 포함하는 구조
  9. 청구항 1의 장치를 사용하여 구성된 일차원 (1D) 또는 이차원 (2D) 레이저 어레이 (Array) 구조.
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