KR20150066148A - Nitride semiconductor based optical integrated circuit and method for manufacturing the same - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to an optical integrated circuit. More specifically, the present invention relates to a nitride semiconductor-based optical integrated circuit and a manufacturing method thereof. In a nitride semiconductor based optical integrated circuit formed on the same substrate, the present invention may include a substrate; a light emitting part which is formed on one side of the substrate and includes nitride semiconductor; a light receiving part which is formed on the other side of the substrate; and a transmission part which connects the light emitting part and the light receiving part on the substrate and includes nitride semiconductor.

Description

질화물 반도체 기반의 광 집적회로 및 그 제조방법 {Nitride semiconductor based optical integrated circuit and method for manufacturing the same}[0001] The present invention relates to an optical integrated circuit based on a nitride semiconductor,

본 발명은 광 집적회로에 관한 것으로 특히, 질화물 반도체 기반의 광 집적회로 및 그 제조방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a light integrated circuit, and more particularly, to a light integrated circuit based on a nitride semiconductor and a method of manufacturing the same.

일반적으로 광 집적회로라 함은 능동소자와 수동소자, 능동소자와 능동소자 또는 수동소자와 수동소자와 같이 서로 다른 구성 및 기능을 갖는 여러 가지의 광 소자가 하나의 기판 내에 광학적으로 연결된 회로를 말한다. In general, an optical integrated circuit refers to a circuit in which various optical elements having different structures and functions, such as active elements and passive elements, active elements and active elements, or passive elements and passive elements, are optically connected in one substrate .

특히, 발광부 및 수광부와 같은 능동소자와 전송 및 기능성 소자로 이루어지는 수동소자를 동일 물질 기반으로 구현하는 것은 기술적으로 매우 제한적일 수밖에 없으므로, 이종의 물질 또는 이종의 웨이퍼로 제작된 칩 형태의 소자들을 기판에 정렬하여 집적화하거나, 일부 기능만 가지되 필요한 기능에 대해서는 광섬유 등을 통한 추가의 결합과정을 통해 구현되는 것이 일반적이다.Particularly, it is technically very limited to implement the active element such as the light emitting portion and the light receiving portion and the passive element including the transmission and functional elements based on the same material. Therefore, , Or it is generally implemented through an additional coupling process through an optical fiber or the like with respect to necessary functions having only some functions.

따라서, 이러한 추가의 광학적 정렬 및 결합과정이 수반되는 광 송수신 소자는 제조공정이 복잡하고, 부피가 커질 수밖에 없을 뿐 아니라, 큰 광학적 손실을 유발하게 된다.Therefore, the optical transmission and reception device accompanied by such additional optical alignment and coupling process is not only complicated in manufacturing process, has a large volume, but also causes a large optical loss.

한편, 능동소자와 수동소자로 동시에 사용할 수 있으면서, 반도체 공정을 사용하여 집적화가 가능한 대표적인 물질로는 인화인듐(InP: Indium Phosphide) 또는 갈륨비소(GaAs: Gallium Arsenide) 기반의 III-V족 화합물 반도체가 있다. Indium phosphide (InP) or gallium arsenide (GaAs) based III-V compound semiconductors can be used as active materials and passive devices, .

실제로 이러한 화합물 반도체 기반의 물질은 III-V족의 타 원소들과 조합되어, 광통신 대역인 근적외선 파장(850nm ~ 1600nm)의 빛을 방출할 수 있고, 높은 굴절률을 가지므로, 레이저 다이오드(LD: Laser Diode), 포토 다이오드(PD: Photo Diode) 등의 능동소자와 광 도파로 (Optical Waveguide) 기반의 수동소자가 전기배선과 함께 집적된 형태의 광 집적회로에 많이 이용되고 있다. In fact, such a compound semiconductor-based material can emit near-infrared light (850 nm to 1600 nm), which is an optical communication band, in combination with other elements of group III-V and has a high refractive index. Active devices such as photo diodes (PDs) and photo diodes (PDs) and passive devices based on optical waveguides are widely used in optical integrated circuits integrated with electric wiring.

하지만, 이들을 성장시킬 수 있는 기판의 가격이 비싸기 때문에 다양한 기능성 소자로서의 보급화가 쉽지 않은 단점이 있다.However, since the cost of the substrate for growing these substrates is high, it is difficult to popularize them as various functional devices.

질화갈륨(GaN)으로 대표되는 질화물계 화합물 반도체(Nitride Compound Semiconductor)는 높은 열적/화학적 안정성과 기계적 강도, 폭넓은 밴드갭 (0.8~6.2eV)을 가지고 있어, LED 및 LD를 포함한 발광소자로서의 상업화가 널리 이루어져 있을 뿐만 아니라, 자외선 또는 가시광선 영역의 수광소자로서도 적합하다.Nitride compound semiconductors typified by gallium nitride (GaN) have high thermal / chemical stability, mechanical strength, and wide bandgap (0.8 to 6.2 eV), and are commercialized as light emitting devices including LEDs and LDs But is also suitable as a light receiving element in the ultraviolet or visible light region.

뿐만 아니라, 사파이어 또는 실리콘 기판을 사용한 질화물 반도체 기반의 발광소자에 대한 연구와 기술의 발전이 급속도로 진행되어 기판의 가격이 상대적으로 저렴하고, 상당히 보급화가 이루어진 것이 큰 장점이라 할 수 있다. In addition, research and development of nitride semiconductor-based light emitting devices using sapphire or silicon substrates have progressed rapidly, and the cost of substrates has been relatively inexpensive and significantly increased.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 동일 기판 상에 구현될 수 있는 질화물 반도체 기반의 광 집적회로 및 그 제조방법을 제공하는 데 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention provides an optical integrated circuit based on a nitride semiconductor which can be implemented on the same substrate, and a manufacturing method thereof.

또한, 적어도 일부분에서 동일한 반도체 구조를 가지는 질화물 반도체 기반의 광 집적회로 및 그 제조방법을 제공하고자 한다.Also, a nitride semiconductor-based optical integrated circuit having at least a part of the same semiconductor structure and a manufacturing method thereof are provided.

상기 기술적 과제를 이루기 위한 제1관점으로서, 본 발명은, 동일 기판 상에 구현되는 질화물 반도체 기반의 광 집적회로에 있어서, 기판; 상기 기판 상의 일측에 구비되고, 질화물 반도체를 포함하는 발광부; 상기 기판 상의 타측에 구비되고, 질화물 반도체를 포함하는 수광부; 및 상기 기판 상에서 상기 발광부 및 수광부를 연결하여 구비되며, 질화물 반도체를 포함하는 전송부를 포함하여 구성될 수 있다.According to a first aspect of the present invention, there is provided an optical integrated circuit based on a nitride semiconductor implemented on the same substrate, comprising: a substrate; A light emitting portion provided on one side of the substrate and including a nitride semiconductor; A light receiving portion provided on the other side of the substrate and including a nitride semiconductor; And a transmitter including a light emitting portion and a light receiving portion connected to the substrate and including a nitride semiconductor.

여기서, 상기 발광부 및 수광부는 동일한 질화물 반도체 박막 구조를 가질 수 있다.Here, the light emitting portion and the light receiving portion may have the same nitride semiconductor thin film structure.

이때, 상기 발광부 및 수광부는, 상기 기판 상에 위치하는 버퍼층; 상기 버퍼층 상에 위치하는 제1전도성 반도체층; 상기 제1전도성 반도체층 상에 위치하는 활성층; 및 상기 활성층 상에 위치하는 제2전도성 반도체층을 포함할 수 있다.At this time, the light emitting unit and the light receiving unit include a buffer layer positioned on the substrate; A first conductive semiconductor layer located on the buffer layer; An active layer located on the first conductive semiconductor layer; And a second conductive semiconductor layer disposed on the active layer.

또한, 상기 제1전도성 반도체층 또는 제2전도성 반도체층은, 제1 GaN 층; 상기 제1 GaN 층 상에 위치하는 AlGaN 층; 및 상기 AlGaN 층 상에 위치하는 제2 GaN 층을 포함할 수 있다.The first conductive semiconductor layer or the second conductive semiconductor layer may include a first GaN layer; An AlGaN layer located on the first GaN layer; And a second GaN layer positioned on the AlGaN layer.

여기서, 상기 수광부 및 전송부는, 적어도 일부분에서 동일한 질화물 반도체 박막 구조를 가질 수 있다.Here, the light receiving unit and the transmitting unit may have the same nitride semiconductor thin film structure at least in part.

한편, 상기 전송부는, 링 공진기를 포함하는 센서부를 더 포함할 수 있다.The transmitting unit may further include a sensor unit including a ring resonator.

이때, 상기 광 집적회로는, 고분자 물질 기판의 유전체 덮개를 더 포함하고, 상기 유전체 덮개는 상기 센서부의 적어도 일부를 노출시키는 개구부를 포함할 수 있다.The optical integrated circuit may further include a dielectric cover of the polymer material substrate, and the dielectric cover may include an opening exposing at least a part of the sensor unit.

또한, 상기 링 공진기는 복수로 구비될 수 있다.The ring resonator may be provided in a plurality of rings.

더욱이, 상기 복수의 링 공진기와 결합되는 광 파워 분할기를 더 포함할 수 있다.Furthermore, it may further include an optical power splitter coupled with the plurality of ring resonators.

상기 기술적 과제를 이루기 위한 제2관점으로서, 본 발명은, 동일 기판 상에 구현되는 질화물 반도체 기반의 광 집적회로의 제조 방법에 있어서, 기판 상에 질화물 반도체로 형성되고 상기 기판 상에 위치하는 제1전도성 반도체층, 상기 제1전도성 반도체층 상에 위치하는 활성층 및 상기 활성층 상에 위치하는 제2전도성 반도체층을 포함하는 제1반도체 구조를 형성하는 단계; 제1영역 상에서 상기 제1반도체 구조 중 적어도 일부를 제거하여 제2반도체 구조를 형성하는 단계; 및 상기 제2반도체 구조 상에 도핑되지 않은 질화물 반도체층을 성장시켜 제3반도체 구조를 형성하는 단계를 포함하여 구성될 수 있다.According to a second aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing an optical integrated circuit based on a nitride semiconductor implemented on the same substrate, comprising the steps of: forming a first nitride semiconductor on a substrate, Forming a first semiconductor structure including a conductive semiconductor layer, an active layer located on the first conductive semiconductor layer, and a second conductive semiconductor layer located on the active layer; Removing at least a portion of the first semiconductor structure on the first region to form a second semiconductor structure; And growing a non-doped nitride semiconductor layer on the second semiconductor structure to form a third semiconductor structure.

여기서, 상기 제1반도체 구조는, 발광부 및 수광부로 이용되고, 상기 제1영역은 전송부를 이룰 수 있다.Here, the first semiconductor structure may be used as a light emitting portion and a light receiving portion, and the first region may be a transmitting portion.

여기서, 상기 제3반도체 구조의 도핑되지 않은 질화물 반도체층 상에 전도성 반도체층을 성장시키는 단계를 더 포함할 수 있다.The method may further include growing a conductive semiconductor layer on the undoped nitride semiconductor layer of the third semiconductor structure.

여기서, 상기 제1전도성 반도체층 또는 제2전도성 반도체층 중 적어도 일부는, 제1 GaN 층; 상기 제1 GaN 층 상에 위치하는 AlGaN 층; 및 상기 AlGaN 층 상에 위치하는 제2 GaN 층을 포함할 수 있다.At least a part of the first conductive semiconductor layer or the second conductive semiconductor layer may include a first GaN layer; An AlGaN layer located on the first GaN layer; And a second GaN layer positioned on the AlGaN layer.

여기서, 상기 제1반도체 구조 중 적어도 일부를 제거하여 제2반도체 구조를 형성하는 단계는, 적어도 상기 활성층을 포함하여 제거할 수 있다.Here, removing at least a part of the first semiconductor structure to form the second semiconductor structure may include removing at least the active layer.

여기서, 상기 제1반도체 구조 및 제3반도체 구조 중 적어도 일부 상에 고분자 물질 기판의 유전체 덮개를 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.The method may further include forming a dielectric cover of the polymer material substrate on at least a part of the first semiconductor structure and the third semiconductor structure.

본 발명은 다음과 같은 효과가 있는 것이다.The present invention has the following effects.

이와 같은 질화물 반도체 물질 기반의 광 집적회로는 자외선 및 가시광선 파장 영역의 빛을 사용하는 LD, LED 및 PD와 같은 능동소자와 광 도파로 기반의 기능성 수동소자를 집적시킴으로써, 개별 소자들에 대한 별도의 광 정렬 없이 일체의 공정을 통해 구현할 수 있기 때문에 공정 난이도 및 결합손실을 최소화할 수 있다.Such a nitride semiconductor material-based optical integrated circuit integrates active elements such as LDs, LEDs, and PDs using light in the ultraviolet and visible wavelength ranges, and optical passive-based functional passive elements, Since it can be realized through an integrated process without optical alignment, the process difficulty and coupling loss can be minimized.

또한, InP 또는 GaAs 등의 반도체 물질을 기반으로 하는 광 집적회로에 비해 기판 가격과 공정 비용이 저렴하기 때문에 광 집적회로 및 센서의 양산화 및 보급화에 유리하다.In addition, since the substrate cost and process cost are lower than those of optical integrated circuits based on semiconductor materials such as InP or GaAs, they are advantageous for mass production and diffusion of optical integrated circuits and sensors.

도 1은 질화물 반도체 기반의 광 집적회로의 일례를 나타내는 평면 개략도이다.
도 2는 광 집적회로의 다른 예를 나타내는 평면 개략도이다.
도 3은 발광부를 이루는 레이저 다이오드(LD)의 일례를 나타내는 단면도이다.
도 4는 발광부를 이루는 발광 다이오드(LED)의 일례를 나타내는 단면도이다.
도 5는 수광부를 이루는 포토 다이오드(PD)의 일례를 나타내는 단면도이다.
도 6은 수광부를 이루는 포토 다이오드(PD)의 다른 예를 나타내는 단면도이다.
도 7은 전송부를 이루는 광 도파로의 일례를 나타내는 단면도이다.
도 8은 전송부를 이루는 광 도파로의 다른 예를 나타내는 단면도이다.
도 9 내지 도 15는 선택 영역 성장 및 재성장법을 통한 질화물 반도체 기반의 일체형 광 집적회로의 반도체 구조를 형성하는 제조 방법의 예들을 나타내는 단면도로서,
도 9 내지 도 11는 발광부와 수광부가 동일한 반도체 구조를 가지는 예를 나타내는 단면도이다.
도 12 내지 도 15는 수광부와 전송부가 동일한 반도체 구조를 가지는 예를 나타내는 단면도이다.
1 is a schematic plan view showing an example of a nitride semiconductor-based optical integrated circuit.
2 is a schematic plan view showing another example of the optical integrated circuit.
3 is a sectional view showing an example of a laser diode (LD) constituting a light emitting portion.
4 is a cross-sectional view showing an example of a light emitting diode (LED) constituting a light emitting portion.
5 is a cross-sectional view showing an example of a photodiode PD constituting a light receiving portion.
6 is a cross-sectional view showing another example of the photodiode PD constituting the light receiving portion.
7 is a cross-sectional view showing an example of an optical waveguide constituting a transfer portion.
8 is a cross-sectional view showing another example of an optical waveguide constituting a transfer portion.
9 to 15 are cross-sectional views illustrating examples of a manufacturing method of forming a semiconductor structure of an integrated optical integrated circuit based on a nitride semiconductor through a selective growth and regrowth method,
9 to 11 are sectional views showing an example in which the light emitting portion and the light receiving portion have the same semiconductor structure.
12 to 15 are sectional views showing an example in which the light receiving unit and the transmitting unit have the same semiconductor structure.

이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 의한 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

본 발명이 여러 가지 수정 및 변형을 허용하면서도, 그 특정 실시예들이 도면들로 예시되어 나타내어지며, 이하에서 상세히 설명될 것이다. 그러나 본 발명을 개시된 특별한 형태로 한정하려는 의도는 아니며, 오히려 본 발명은 청구항들에 의해 정의된 본 발명의 사상과 합치되는 모든 수정, 균등 및 대용을 포함한다. While the invention is susceptible to various modifications and alternative forms, specific embodiments thereof are shown by way of example in the drawings and will herein be described in detail. Rather, the intention is not to limit the invention to the particular forms disclosed, but rather, the invention includes all modifications, equivalents and substitutions that are consistent with the spirit of the invention as defined by the claims.

층, 영역 또는 기판과 같은 요소가 다른 구성요소 "상(on)"에 존재하는 것으로 언급될 때, 이것은 직접적으로 다른 요소 상에 존재하거나 또는 그 사이에 중간 요소가 존재할 수도 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. It will be appreciated that when an element such as a layer, region or substrate is referred to as being present on another element "on," it may be directly on the other element or there may be an intermediate element in between .

비록 제1, 제2 등의 용어가 여러 가지 요소들, 성분들, 영역들, 층들 및/또는 지역들을 설명하기 위해 사용될 수 있지만, 이러한 요소들, 성분들, 영역들, 층들 및/또는 지역들은 이러한 용어에 의해 한정되어서는 안 된다는 것을 이해할 것이다.Although the terms first, second, etc. may be used to describe various elements, components, regions, layers and / or regions, such elements, components, regions, layers and / And should not be limited by these terms.

도 1은 질화물 반도체 기반의 광 집적회로의 일례를 나타내는 평면 개략도이다. 도 1은 광 집적회로의 일례로서 링 공진기(110)를 이용한 광 센서(100)를 도시하고 있다.1 is a schematic plan view showing an example of a nitride semiconductor-based optical integrated circuit. 1 shows an optical sensor 100 using a ring resonator 110 as an example of an optical integrated circuit.

이와 같은 본 발명의 일 실시예의 광 센서(100)는 동일 기판(140; 도 3 이하 참고) 상에 구현되는 질화물 반도체 기판의 반도체 구조를 포함한다.The optical sensor 100 of one embodiment of the present invention includes a semiconductor structure of a nitride semiconductor substrate implemented on the same substrate 140 (see FIG. 3).

도 1에서 도시하는 바와 같이, 광 센서(100)는 동일 기판(140) 상에 구비되는 것으로서, 질화물 반도체를 포함하는 발광부(101) 및 수광부(102)를 포함한다. 그리고 이러한 발광부(101) 및 수광부(102)를 연결하여 구비되며 질화물 반도체를 포함하는 전송부(103)를 포함하여 구성될 수 있다.As shown in FIG. 1, the optical sensor 100 is provided on the same substrate 140 and includes a light emitting portion 101 including a nitride semiconductor and a light receiving portion 102. And a transfer unit 103 connected to the light emitting unit 101 and the light receiving unit 102 and including a nitride semiconductor.

이러한 발광부(101), 수광부(102) 및 전송부(103)를 구성하는 질화물 반도체 구조는 적어도 일부에서 동일한 박막 구조를 가질 수 있다. 예를 들어, 발광부(101) 및 수광부(102)가 동일한 반도체 구조를 가질 수 있고, 경우에 따라, 수광부(102) 및 전송부(103)가 적어도 일부분에서 동일한 반도체 구조를 가질 수 있다. 이와 같은 반도체 구조에 대하여는 자세히 후술한다.The nitride semiconductor structure constituting the light emitting portion 101, the light receiving portion 102, and the transfer portion 103 may have the same thin film structure at least in part. For example, the light emitting portion 101 and the light receiving portion 102 may have the same semiconductor structure, and in some cases, the light receiving portion 102 and the transfer portion 103 may have the same semiconductor structure at least in part. Such a semiconductor structure will be described later in detail.

일례로서, 발광부(101)는 발광 다이오드(light emitting diode, LED) 또는 레이저 다이오드(laser diode, LD)로 구현될 수 있다.As an example, the light emitting portion 101 may be implemented by a light emitting diode (LED) or a laser diode (LD).

도 1에서는, 발광부(101)가 LD 및 광증폭기(SOA, Semiconductor Optical Amplifier; 200)로 구성된 예를 도시하고 있다.1, an example in which the light emitting unit 101 is composed of an LD and an SOA (Semiconductor Optical Amplifier) 200 is shown.

도 1에서 도시하는 이러한 LD 및 광 증폭기(200)에서, 제1전극(예를 들면, n-형 전극; 210)은 광증폭기의 전극을 나타낼 수 있고, 제2전극(예를 들면, p-형 전극; 220)은 LD의 전극을 나타낼 수 있다. 그러나 발광부(101)가 이러한 형상에 한정되는 것은 아니다. 이하, 편의상 발광부(101)는 하나의 LD(200)로 구성되는 것으로 설명한다.In this LD and optical amplifier 200 shown in Fig. 1, a first electrode (e.g., n-type electrode) 210 may represent an electrode of an optical amplifier, and a second electrode (e.g., p- Type electrode 220 may represent an electrode of the LD. However, the light emitting portion 101 is not limited to this shape. Hereinafter, it is assumed that the light emitting unit 101 is composed of one LD 200 for the sake of convenience.

이러한 발광부(101)는 도 1에서 도시되는 기판(140) 상의 일정 영역에 형성될 수 있다.The light emitting portion 101 may be formed in a predetermined region on the substrate 140 shown in FIG.

수광부(102)는 발광부(101)의 타측에 위치하여 기판(140) 상에 구성되고, 그 일례로서, 포토 다이오드(photo diode, PD; 300)가 이용될 수 있다. 도 1에서, PD(300)는 제1전극(예를 들면, n-형 전극; 310)과 제2전극(예를 들면, p-형 전극; 320)을 포함할 수 있다.The light receiving unit 102 is disposed on the substrate 140 on the other side of the light emitting unit 101. As an example thereof, a photo diode (PD) 300 may be used. 1, PD 300 may include a first electrode (e.g., n-type electrode) 310 and a second electrode (e.g., p-type electrode) 320.

이러한 발광부(101)와 수광부(102)를 연결하는 전송부(103)는, 그 일례로서 광 도파로(401)에 의하여 구현될 수 있다. 여기에 링 공진기(110)를 포함하는 센서부(400)가 더 구비될 수 있다.The transmitting unit 103 connecting the light emitting unit 101 and the light receiving unit 102 may be implemented by an optical waveguide 401 as an example. The sensor unit 400 including the ring resonator 110 may further be provided.

여기서, 센서부(400)는 광 도파로(401)의 클래드층(160; 도 5 내지 도 8 참고)에 고분자 물질 기반의 유전체 덮개(130)가 구성될 수 있으며, 링 공진기(110)를 포함하는 일부 영역에서는 이러한 유전체 덮개(130)를 제거함으로써 신호 감지를 위한 개구부(120)를 형성할 수 있다.5 to 8) of the optical waveguide 401 and may include a ring resonator 110. The ring resonator 110 may include a ring resonator 110, In some areas, opening 120 may be formed for signal sensing by removing such dielectric cover 130.

이와 같은 발광부(101)의 LD(200)에서 발생하는 빛은 전송부(103)를 이루는 광 도파로(401)로 입사될 수 있다. 이러한 광 도파로(401)는 단일 모드 도파로일 수 있다. 만일, 다중 모드 도파로가 이용되는 경우에는 모드 어댑터(도시되지 않음)를 통해 단일 모드화 하는 것이 유리하다.The light emitted from the LD 200 of the light emitting unit 101 may be incident on the optical waveguide 401 constituting the transfer unit 103. This optical waveguide 401 may be a single mode waveguide. If a multi-mode waveguide is used, it is advantageous to make a single mode through a mode adapter (not shown).

이러한 광 도파로(401)에 입사된 빛은 링 공진기(110)의 공진 파장에 해당되는 빛이 필터링(filtering) 되어 수광부(102)의 PD(300)로 입사하게 된다. The light incident on the optical waveguide 401 is filtered by the resonance wavelength of the ring resonator 110 and is incident on the PD 300 of the light receiving unit 102.

센서부(400)는 액체를 떨어뜨리거나, 가스와 반응할 수 있는 반응기를 형성함으로써 유전체 덮개(130)의 굴절률을 변화시킬 수 있게 된다. The sensor unit 400 can change the refractive index of the dielectric sheath 130 by dropping liquid or forming a reactor capable of reacting with the gas.

이에 따라 유전체 덮개(130)의 굴절률이 변화된 광 도파로(401)는 도파 모드의 유효굴절률이 변하게 되므로, 링 공진기(110)에 의한 공진 파장을 이동시켜 센서로서의 역할을 할 수 있게 된다. Accordingly, the optical waveguide 401 having the refractive index of the dielectric lid 130 changed, the effective refractive index of the waveguide mode is changed, so that the resonant wavelength of the ring resonator 110 is shifted to serve as a sensor.

도 2에서는 광 집적회로의 다른 예로서 다수의 링 공진기(110)를 이용한 광센서(100)를 도시하고 있다.2 shows an optical sensor 100 using a plurality of ring resonators 110 as another example of the optical integrated circuit.

이와 같이, 두 개 이상의 링 공진기(110)를 이용하는 경우에는 각 링 공진기(110)의 공진 파장을 다르게 구성할 수 있어, 센서(100)의 민감도 및 정확도를 향상시킬 수 있고, 사용 파장 범위를 확대시킬 수 있다. In this way, when two or more ring resonators 110 are used, the resonance wavelength of each ring resonator 110 can be made different, and the sensitivity and accuracy of the sensor 100 can be improved, .

이때, 복수 개의 링 공진기(110)에 균일한 세기의 빛을 입사시키기 위해서는 다중 모드 간섭(MMI, Multi-Mode Interference)을 이용한 광 파워 분할기(180)를 사용하여 빛을 분할할 수 있다.At this time, the light can be divided by using the optical power divider 180 using multi-mode interference (MMI) in order to inject light of uniform intensity into the plurality of ring resonators 110.

도 2에서, 발광부(101)는 하나의 LD(201)로 구성된 예를 나타내고 있고, 수광부(102)는 다수의 PD(301)로 구성된 예를 나타내고 있다. 여기서, PD(301)의 개수는 링 공진기(110)의 개수와 동일할 수 있다.2 shows an example in which the light emitting unit 101 is composed of one LD 201 and the light receiving unit 102 is composed of a plurality of PDs 301. [ Here, the number of the PDs 301 may be the same as the number of the ring resonators 110.

이때, 광 파워 분할기(180)와 다수의 PD(301)는 각각 도선에 의하여 연결될 수 있다.At this time, the optical power divider 180 and the plurality of PDs 301 may be connected to each other by a conductor.

그 외에 설명되지 않은 부분은 도 1의 예와 동일한 사항이 적용될 수 있다.The same elements as those of the example of Fig. 1 can be applied to the parts other than those described above.

이와 같은 질화물 반도체 물질 기반의 광 집적회로는 자외선 및 가시광선 파장 영역의 빛을 사용하는 LD, LED 및 PD와 같은 능동소자와 광 도파로 기반의 기능성 수동소자를 집적시킴으로써, 개별 소자들에 대한 별도의 광 정렬 없이 일체의 공정을 통해 구현할 수 있기 때문에 공정 난이도 및 결합손실을 최소화할 수 있다.Such a nitride semiconductor material-based optical integrated circuit integrates active elements such as LDs, LEDs, and PDs using light in the ultraviolet and visible wavelength ranges, and optical passive-based functional passive elements, Since it can be realized through an integrated process without optical alignment, the process difficulty and coupling loss can be minimized.

또한, InP 또는 GaAs 등의 반도체 물질을 기반으로 하는 광 집적회로에 비해 기판 가격과 공정 비용이 저렴하기 때문에 광 집적회로 및 센서의 양산화 및 보급화에 유리하다.In addition, since the substrate cost and process cost are lower than those of optical integrated circuits based on semiconductor materials such as InP or GaAs, they are advantageous for mass production and diffusion of optical integrated circuits and sensors.

도 3은 발광부를 이루는 레이저 다이오드(LD)의 일례를 나타내고 있다.3 shows an example of a laser diode (LD) constituting a light emitting portion.

이러한 발광부(101)를 이루는 LD(201)는 기판(140) 상에 형성되는 도시하는 바와 같은 반도체 구조(150)를 포함할 수 있다.The LD 201 constituting the light emitting portion 101 may include a semiconductor structure 150 formed on the substrate 140 as shown in FIG.

기판(140)은 사파이어(sapphire), 실리콘(silicon) 또는 탄화규소(silicon carbide; SiC) 등 이종 기판을 성장 기판(140)으로 이용할 수 있다. 이러한 기판(140) 상에는 질화물 반도체를 포함하는 반도체 구조(150)가 이루어질 수 있다.The substrate 140 can be formed using a heterogeneous substrate such as sapphire, silicon, or silicon carbide (SiC) as the growth substrate 140. On the substrate 140, a semiconductor structure 150 including a nitride semiconductor may be formed.

즉, 이러한 기판(140) 상에는 순서대로, 버퍼층(151), 제1전도성 반도체층(152, 153, 154), 활성층(155) 및 제2전도성 반도체층(156, 157, 158)을 포함하는 반도체 구조(150)가 위치할 수 있다.That is, on the substrate 140, a semiconductor layer including the buffer layer 151, the first conductive semiconductor layers 152, 153, and 154, the active layer 155, and the second conductive semiconductor layers 156, 157, Structure 150 may be located.

일례로서, 제1전도성 반도체층(152, 153, 154)은 n-형 질화물 반도체층일 수 있고, 제2전도성 반도체층(156, 157, 158)은 p-형 질화물 반도체층일 수 있다.For example, the first conductive semiconductor layer 152, 153, 154 may be an n-type nitride semiconductor layer, and the second conductive semiconductor layer 156, 157, 158 may be a p-type nitride semiconductor layer.

이때, 제1전도성 반도체층(152, 153, 154) 및 제2전도성 반도체층(156, 157, 158) 중 적어도 어느 하나는, 순서대로 위치하는 제1 질화갈륨(GaN)층, 알루미늄 질화갈륨(AlGaN)층 및 제2 질화갈륨(GaN)층을 포함할 수 있다.At least one of the first conductive semiconductor layer 152, 153, 154 and the second conductive semiconductor layer 156, 157, 158 may include a first gallium nitride (GaN) layer, an aluminum gallium nitride AlGaN) layer and a second gallium nitride (GaN) layer.

즉, 제1전도성 반도체층(152, 153, 154)은 제1 n-GaN층(152), n-AlGaN층(153) 및 제2 n-GaN층(154)을 포함할 수 있다. 또한, 제2전도성 반도체층(156, 157, 158)은 제1 p-GaN층(156), p-AlGaN층(157) 및 제2 p-GaN층(158)을 포함할 수 있다.That is, the first conductive semiconductor layers 152, 153, and 154 may include a first n-GaN layer 152, an n-AlGaN layer 153, and a second n-GaN layer 154. The second conductive semiconductor layers 156, 157 and 158 may include a first p-GaN layer 156, a p-AlGaN layer 157, and a second p-GaN layer 158.

이러한 반도체 구조(150)는 제1 n-GaN층(152)의 일면이 드러나도록 하는 메사(mesa) 구조를 가질 수 있다. 즉, 도 3과 같은 구조를 이루고, 코어가 되는 활성층(155) 상부 및 하부에 광 전파 모드를 발진시키기 위해 알루미늄(Al)이 혼합된 AlGaN층(153, 157)이 클래드층으로 이용될 수 있다.The semiconductor structure 150 may have a mesa structure in which one surface of the first n-GaN layer 152 is exposed. That is, the AlGaN layers 153 and 157 having the structure shown in FIG. 3 and mixed with aluminum (Al) may be used as the cladding layer in order to oscillate the light propagation mode in the upper and lower portions of the active layer 155, .

이와 같은 제1 n-GaN층(152)의 드러난 면에는 제1전극(일례로, n-형 전극; 210)이 구비될 수 있고, 제2 p-GaN층(158) 상에는 제2전극(일례로, p-형 전극; 220)이 구비될 수 있다.A first electrode (for example, an n-type electrode) 210 may be formed on the exposed surface of the first n-GaN layer 152 and a second electrode A p-type electrode 220 may be provided.

활성층(155)은 인듐(In) 또는 알루미늄(Al)이 혼합된 다중 양자 우물(multiple quantum wells, MQWs)층을 포함할 수 있다.The active layer 155 may include multiple quantum wells (MQWs) in which indium (In) or aluminum (Al) is mixed.

도 4는 발광부를 이루는 발광 다이오드(LED)의 일례를 나타내고 있다.FIG. 4 shows an example of a light emitting diode (LED) constituting a light emitting portion.

이러한 발광부(101)를 이루는 LED(200)는 도시하는 바와 같이, LD(201)보다 단순한 반도체 구조(150a)를 가질 수 있다.The LED 200 forming the light emitting unit 101 may have a semiconductor structure 150a that is simpler than the LD 201, as shown in the figure.

즉, LED(200)의 반도체 구조(150a)는 기판(140) 상에는 순서대로, 버퍼층(151), 제1전도성 반도체층(152), 활성층(155) 및 제2전도성 반도체층(158)을 포함하는 반도체 구조(150a)가 구비될 수 있다.That is, the semiconductor structure 150a of the LED 200 includes a buffer layer 151, a first conductive semiconductor layer 152, an active layer 155, and a second conductive semiconductor layer 158 in this order on a substrate 140 A semiconductor structure 150a may be provided.

일례로서, 제1전도성 반도체층(152)은 n-GaN층(152)을 포함할 수 있고, 제2전도성 반도체층(158)은 p-GaN층(158)을 포함할 수 있다.As an example, the first conductive semiconductor layer 152 may include an n-GaN layer 152 and the second conductive semiconductor layer 158 may include a p-GaN layer 158.

그 외에 설명되지 않은 부분은 도 3의 예를 들어 설명한 부분과 동일한 사항이 적용될 수 있다.The same elements as those described above with reference to the example of Fig.

도 5는 수광부를 이루는 포토 다이오드(PD)의 일례를 나타내고 있다.5 shows an example of a photodiode PD constituting a light receiving unit.

이와 같이, 수광부(102)로서 광 도파로 기반의 PD(300)를 사용할 수 있다. As described above, the PD 300 based on the optical waveguide can be used as the light receiving unit 102.

이러한 수광부(102)를 이루는 PD(300)는 기판(140) 상에 형성되는 도시하는 바와 같은 반도체 구조(150b)를 포함할 수 있다.The PD 300 constituting the light receiving unit 102 may include a semiconductor structure 150b formed on the substrate 140 as shown in FIG.

기판(140)은 사파이어(sapphire), 실리콘(silicon) 또는 탄화규소(silicon carbide; SiC) 등 이종 기판을 성장 기판(140)으로 이용할 수 있다. 이러한 기판(140)은 발광부(101)가 구현되는 기판(140)과 동일한 기판(140)일 수 있다.The substrate 140 can be formed using a heterogeneous substrate such as sapphire, silicon, or silicon carbide (SiC) as the growth substrate 140. The substrate 140 may be the same substrate 140 as the substrate 140 on which the light emitting unit 101 is implemented.

이러한 기판(140) 상에는 질화물 반도체를 포함하는 PD(300)를 이루는 반도체 구조(150b)가 이루어질 수 있다.On the substrate 140, a semiconductor structure 150b constituting the PD 300 including the nitride semiconductor may be formed.

이와 같은 반도체 구조(150b)는 기판(140) 상에는 순서대로, 버퍼층(151), 제1전도성 반도체층(152), 의도적으로 도핑되지 않은 무도핑 반도체층(159) 및 제2전도성 반도체층(158)이 위치할 수 있다.Such a semiconductor structure 150b includes a buffer layer 151, a first conductive semiconductor layer 152, an intentionally undoped undoped semiconductor layer 159 and a second conductive semiconductor layer 158 ) Can be located.

일례로서, 제1전도성 반도체층(152)은 n-GaN층을 포함할 수 있고, 제2전도성 반도체층(158)은 p-GaN층을 포함할 수 있다. 또한, 무도핑 반도체층(159)은 un-GaN층을 포함할 수 있다.As an example, the first conductive semiconductor layer 152 may include an n-GaN layer, and the second conductive semiconductor layer 158 may include a p-GaN layer. In addition, the undoped semiconductor layer 159 may include an un-GaN layer.

이러한 반도체 구조(150b)는 제1전도성 반도체층(152)이 드러나도록 식각되어 도 5에서 도시하는 구조를 이룰 수 있다. 이러한 식각되어 드러나는 제1전도성 반도체층(152)의 면에는 제1전극(310)이 위치할 수 있다.The semiconductor structure 150b may be etched to expose the first conductive semiconductor layer 152 to achieve the structure shown in FIG. The first electrode 310 may be positioned on the exposed surface of the first conductive semiconductor layer 152.

또한, 이러한 식각된 부분, 즉, 제1전도성 반도체층(152)이 드러난 부분부터 제2전도성 반도체층(158)의 양 측면에는 유전체를 포함하는 클래드층(160)이 위치할 수 있다.In addition, the clad layer 160 including a dielectric may be located on both sides of the etched portion, that is, the portion where the first conductive semiconductor layer 152 is exposed.

한편, 제2전도성 반도체층(158)과 클래드층(160)의 상측에는 제2전극(320)이 위치할 수 있다.Meanwhile, the second electrode 320 may be disposed on the second conductive semiconductor layer 158 and the clad layer 160.

이상의 반도체 구조(150b)는, 발광부(101)를 이루는 반도체 구조(150, 150a)와 동일한 반도체층으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 동일한 도면 부호를 가지는 반도체층은 동일한 순서와 동일한 물질로 형성되는 반도체층일 수 있다.The semiconductor structure 150b may be formed of the same semiconductor layer as the semiconductor structures 150 and 150a forming the light emitting portion 101. [ For example, semiconductor layers having the same reference numerals may be semiconductor layers formed of the same material and in the same order.

도 6은 수광부를 이루는 포토 다이오드(PD)의 다른 예를 나타내고 있다.6 shows another example of the photodiode PD constituting the light receiving portion.

도 6에서 도시하는 예에서는, 무도핑 반도체층(159) 사이에 활성층(155)이 구비되는 반도체 구조(150c)를 도시하고 있다.In the example shown in Fig. 6, the semiconductor structure 150c in which the active layer 155 is provided between the undoped semiconductor layers 159 is shown.

이러한 활성층(155)은, 발광부(101)를 이루는 반도체 구조(150, 150b)와 같이, 인듐(In) 또는 알루미늄(Al)이 혼합된 다중 양자 우물(multiple quantum wells, MQWs)층을 포함할 수 있다.The active layer 155 may include a multiple quantum wells (MQWs) layer in which indium (In) or aluminum (Al) is mixed, such as the semiconductor structures 150 and 150b constituting the light emitting portion 101 .

그 외에 설명되지 않은 부분은 도 5의 예를 들어 설명한 부분과 동일한 사항이 적용될 수 있다.The same elements as those described above with reference to the example of Fig.

도 7은 전송부를 이루는 광 도파로의 일례를 나타내고 있다.Fig. 7 shows an example of an optical waveguide constituting a transfer section.

이와 같이, 전송부(103)를 이루는 광 도파로(401)는, 립 형(Rib-type) 광 도파로(401)로서, 기판(140) 상에 형성되는 도시하는 바와 같은 반도체 구조(150d)를 포함할 수 있다. 이러한 광 도파로(401)는 도 1을 참조하여 설명한 센서부(400)의 일부를 이룰 수 있다.As described above, the optical waveguide 401 constituting the transfer section 103 includes the semiconductor structure 150d as shown in FIG. 3 formed on the substrate 140 as the Rib-type optical waveguide 401 can do. The optical waveguide 401 may be a part of the sensor unit 400 described with reference to FIG.

위에서 언급한 바와 같이, 기판(140)은 사파이어(sapphire), 실리콘(Si) 또는 탄화규소(silicon carbide; SiC) 등 이종 기판을 성장 기판(140)으로 이용할 수 있다. 이러한 기판(140)은 발광부(101) 및/또는 수광부(102)가 구현되는 기판(140)과 동일한 기판(140)일 수 있다.As described above, the substrate 140 can use a heterogeneous substrate such as sapphire, silicon (Si), or silicon carbide (SiC) as the growth substrate 140. The substrate 140 may be the same substrate 140 as the substrate 140 on which the light emitting unit 101 and / or the light receiving unit 102 is implemented.

이러한 기판(140) 상에는 질화물 반도체를 포함하는 광 도파로(401)를 이루는 반도체 구조(150d)가 이루어진다.On the substrate 140, a semiconductor structure 150d constituting an optical waveguide 401 including a nitride semiconductor is formed.

이와 같은 반도체 구조(150d)는 기판(140) 상에는 순서대로, 버퍼층(151), 제1전도성 반도체층(152), 의도적으로 도핑되지 않은 무도핑 반도체층(159) 및 제2전도성 반도체층(158)이 위치할 수 있다.Such a semiconductor structure 150d includes a buffer layer 151, a first conductive semiconductor layer 152, an intentionally undoped undoped semiconductor layer 159 and a second conductive semiconductor layer 158 ) Can be located.

일례로서, 제1전도성 반도체층(152)은 n-GaN층을 포함할 수 있고, 제2전도성 반도체층(158)은 p-GaN층을 포함할 수 있다. 또한, 무도핑 반도체층(159)은 un-GaN층을 포함할 수 있다.As an example, the first conductive semiconductor layer 152 may include an n-GaN layer, and the second conductive semiconductor layer 158 may include a p-GaN layer. In addition, the undoped semiconductor layer 159 may include an un-GaN layer.

이와 같이, 전송부(103)는 광 도파로(401) 기반의 다양한 기능성 수동소자로 구성될 수 있다. 질화물 반도체 기반 소자와 관계된 자외선 및 가시광 파장의 빛은 물질흡수 및 광 도파로 표면의 거칠기에 따른 산란손실이 광통신 대역인 근적외선 파장의 빛에 비해 크다.In this way, the transfer unit 103 can be composed of various functional passive elements based on the optical waveguide 401. Light of ultraviolet and visible light related to nitride semiconductor based device is larger than light of near infrared wavelength which is optical communication band due to absorption of material and roughness of surface of optical waveguide.

따라서, 전송부(103)의 구조는 흡수가 적은 무도핑 반도체층(159, 일례로 un-GaN층)을 코어층으로 사용하되, 광 도파로(401) 구조를 도 7에서 도시하는 바와 같은 립 형(Rib-type)으로 구성되는 것이 유리하다. 이는, 도파 모드의 제어가 유리하고 전송 손실을 최소화할 수 있기 때문이다.Therefore, the structure of the transfer part 103 is a structure in which the undoped semiconductor layer 159 (e.g., an un-GaN layer) having a low absorption is used as the core layer and the structure of the optical waveguide 401 is a lid (Rib-type). This is because control of the waveguide mode is advantageous and transmission loss can be minimized.

이러한 반도체 구조(150b)는 광 도파로(401)의 형성을 위하여 식각되어 도 7에서 도시하는 구조를 이룰 수 있다. 즉, 제2전도성 반도체층(158)과 무도핑 반도체층(159)의 적어도 일부가 식각되어 광 도파로(401)를 형성할 수 있다.The semiconductor structure 150b may be etched to form the optical waveguide 401 to achieve the structure shown in FIG. That is, at least a part of the second conductive semiconductor layer 158 and the undoped semiconductor layer 159 may be etched to form the optical waveguide 401.

또한, 이러한 식각된 부분, 즉, 제2전도성 반도체층(158)과 무도핑 반도체층(159)의 적어도 일부의 양 측면에는 공기 또는 유전체를 포함하는 클래드층(160)이 위치할 수 있다.In addition, a clad layer 160 including air or a dielectric may be disposed on both sides of the etched portion, that is, at least a portion of the second conductive semiconductor layer 158 and the undoped semiconductor layer 159.

이상의 반도체 구조(150d)는, 발광부(101)를 이루는 반도체 구조(150, 150a) 및/또는 수광부(102)를 이루는 반도체 구조(150b, 150c)와 동일한 반도체층으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 동일한 도면 부호를 가지는 반도체층은 동일한 순서와 동일한 물질로 형성되는 반도체층일 수 있다.The semiconductor structure 150d may be formed of the same semiconductor layer as the semiconductor structures 150 and 150a forming the light emitting portion 101 and / or the semiconductor structures 150b and 150c forming the light receiving portion 102. [ For example, semiconductor layers having the same reference numerals may be semiconductor layers formed of the same material and in the same order.

도 8은 전송부를 이루는 광 도파로의 다른 예를 나타내고 있다.Fig. 8 shows another example of the optical waveguide constituting the transfer part.

도 8에서 도시하는 예에서는, 광 도파로(401)의 형성을 위하여, 제1전도성 반도체층(152)의 일부, 무도핑 반도체층(159) 및 제2전도성 반도체층(158)의 양면이 식각되어, 도시하는 바와 같은 반도체 구조(150e)를 이루고 있다.8, both surfaces of the first conductive semiconductor layer 152, the undoped semiconductor layer 159, and the second conductive semiconductor layer 158 are etched to form the optical waveguide 401 And a semiconductor structure 150e as shown in FIG.

이러한 광 도파로(401) 영역의 형성을 위하여 드러난 반도체층의 양 측면에는 공기 또는 유전체를 포함하는 클래드층(160)이 위치할 수 있다.In order to form the optical waveguide 401 region, air or a clad layer 160 including a dielectric material may be disposed on both sides of the exposed semiconductor layer.

그 외에 설명되지 않은 부분은 도 7의 예를 들어 설명한 부분과 동일한 사항이 적용될 수 있다.The same elements as those described above with reference to the example of Fig.

한편, 위에서 도 5 및 도 6을 참조하여 설명한 광 도파로 기반의 PD(300)의 구조는 크게 세 가지로 구성할 수 있다. The structure of the optical waveguide-based PD 300 described with reference to FIGS. 5 and 6 can be largely divided into three structures.

그 중 하나는, 도 5에서 도시하는 바와 같이, 전송부(103)의 반도체 구조(150d, 150e)와 동일한 구조를 가지는 경우이다. One of them has the same structure as the semiconductor structures 150d and 150e of the transfer section 103 as shown in Fig.

이는 선택 영역 성장법을 통한 재성장의 회수를 1회로 제한시킬 수 있고, 전송부(103)의 광 도파로(401)와의 결합손실을 최소화할 수 있는 장점이 있다.This is advantageous in that the number of regrowth through the selective area growth method can be limited to one and the coupling loss with the optical waveguide 401 of the transmission part 103 can be minimized.

그러나, 전송부(103)의 광 도파로(401)로 사용되어야 하는 u-GaN층(159)의 흡수율이 작을 수 있기 때문에 PD(300)의 성능이 다소 저하될 가능성이 있다.However, since the absorption rate of the u-GaN layer 159 to be used as the optical waveguide 401 of the transfer section 103 may be small, there is a possibility that the performance of the PD 300 may be somewhat deteriorated.

두 번째는, PD(300)의 반도체 구조가 발광부(101)를 이루는 LD 또는 LED의 반도체 구조(150, 150a)와 동일한 구조를 가지는 경우이다(도시되지 않음). The second case is that the semiconductor structure of the PD 300 has the same structure as the semiconductor structure 150 or 150a of the LD or the LED (not shown) constituting the light emitting portion 101.

이 역시, 선택 영역 성장법을 통한 재성장의 회수를 감소시킬 수 있어, 제조 공정이 비교적 간단하다는 장점이 있으나, LD 또는 LED와 동일한 활성층(155) 구조를 가지기 때문에 PD(300)의 성능이 저하될 수도 있다.However, since the active layer 155 has the same structure as the LD or the LED, the performance of the PD 300 deteriorates. In addition, the number of re-growth can be reduced by the selective growth method, It is possible.

마지막으로는, 도 6에서 도시하는 바와 같이, 무도핑 반도체층(159) 내부에 InGaN과 같은 물질로 이루어지는 흡수층(활성층, 155)을 포함하는 독립적인 반도체 구조(150c)로 구성되는 것이다. Finally, as shown in FIG. 6, the non-doped semiconductor layer 159 is composed of an independent semiconductor structure 150c including an absorption layer (active layer) 155 made of a material such as InGaN.

이는 PD(300)의 성능과 파장 선택성을 향상시킬 수 있는 장점이 있으나, 선택 영역 성장법을 통한 재성장의 회수가 많아질 수 있다.This has the advantage of improving the performance and wavelength selectivity of the PD 300, but the number of regrowth through selective growth can be increased.

따라서, 설계 상황에 적합하도록 PD(300)의 반도체 구조를 선택하여 구성할 수 있다.Therefore, the semiconductor structure of the PD 300 can be selected and configured to be suitable for the design situation.

위에서 언급한 바와 같이, 본 발명에 의한 질화물 반도체 기반의 일체형 광 집적회로는 크게 LD 또는 LED로 구성되는 발광부(101), PD로 구성되는 수광부(102) 및 광 도파로 기반의 기능성 수동소자로 구성되는 전송부(103)를 포함하여 구성된다.As described above, the integrated optical integrated circuit based on nitride semiconductor according to the present invention comprises a light emitting portion 101 composed of LD or LED, a light receiving portion 102 composed of PD, and a functional passive element based on optical waveguide And a transfer unit 103 for transferring the image data.

또한, 이러한 발광부(101), 수광부(102) 및 전송부(103) 중 적어도 일부분에서 동일한 질화물 반도체 기반의 기판(140)과 적어도 일부에서 동일한 반도체 공정을 통해 구현되도록 할 수 있다.Also, at least a part of the light emitting unit 101, the light receiving unit 102, and the transfer unit 103 can be realized through the same semiconductor process at least in part with the same nitride semiconductor-based substrate 140.

이를 위해서는 발광부(101), 수광부(102) 및 전송부(103)가 모두 동일한 반도체 구조를 가지는 것이 가장 간단한 구현 방법이다.For this purpose, it is the simplest implementation method that the light emitting portion 101, the light receiving portion 102, and the transfer portion 103 all have the same semiconductor structure.

그러나, 발광부(101) 및 수광부(102)의 활성층 영역에서의 광 흡수가 크기 때문에 이를 광 도파로로 활용하게 되면 큰 전송손실을 유발할 수 있다. However, since the absorption of light in the active layer region of the light emitting portion 101 and the light receiving portion 102 is large, if it is used as an optical waveguide, a large transmission loss can be caused.

따라서, 두 가지 또는 세 가지의 다른 반도체 구조를 이용할 수 있으며, 여기에 추가의 포토 리소그래피 및 식각 공정과 선택 영역 성장법을 이용하여 동일한 기판(140) 상에 발광부(101), 수광부(102) 및 전송부(103)를 구현할 수 있다.Therefore, two or three different semiconductor structures can be used, and the light emitting portion 101, the light receiving portion 102, and the light receiving portion 102 are formed on the same substrate 140 using the additional photolithography and etching process and the selective region growing method. And a transmission unit 103 can be implemented.

도 9 내지 도 15에서는 이와 같은 선택 영역 성장 및 재성장법을 통한 질화물 반도체 기반의 일체형 광 집적회로의 반도체 구조를 형성하는 제조 방법의 예들을 나타내고 있다.FIGS. 9 to 15 show examples of a manufacturing method of forming a semiconductor structure of an integrated optical integrated circuit based on a nitride semiconductor through the selective growth and regrowth method.

이 중에서, 도 9 내지 도 11에서는 발광부(101)와 수광부(102)가 동일한 반도체 구조를 가지는 예를 나타내고 있다.9 to 11 show examples in which the light emitting portion 101 and the light receiving portion 102 have the same semiconductor structure.

도 9에서 도시하는 바와 같이, 기판(140) 상에 버퍼층(151), 제1전도성 반도체층(152, 153, 154), 활성층(155) 및 제2전도성 반도체층(156, 157, 158)을 포함하는 반도체 구조(150, 제1반도체 구조)를 형성한다. The buffer layer 151, the first conductive semiconductor layers 152, 153 and 154, the active layer 155 and the second conductive semiconductor layers 156 and 157 and 158 are formed on the substrate 140 as shown in FIG. To form a semiconductor structure 150 (first semiconductor structure).

이와 같은 반도체 구조(150)는 유기금속 화학 기상 증착법(MOCVD, metal-organic chemical vapor deposition)을 이용하여 형성될 수 있다.The semiconductor structure 150 may be formed using metal-organic chemical vapor deposition (MOCVD).

여기서, 제1전도성 반도체층(152, 153, 154)은 제1 n-GaN층(152), n-AlGaN층(153) 및 제2 n-GaN층(154)을 포함할 수 있다. 또한, 제2전도성 반도체층(156, 157, 158)은 제1 p-GaN층(156), p-AlGaN층(157) 및 제2 p-GaN층(158)을 포함할 수 있다. 이하, 반도체 구조(150)가 이와 같은 적층구조를 가지는 예를 들어 설명한다.Here, the first conductive semiconductor layer 152, 153, 154 may include a first n-GaN layer 152, an n-AlGaN layer 153, and a second n-GaN layer 154. The second conductive semiconductor layers 156, 157 and 158 may include a first p-GaN layer 156, a p-AlGaN layer 157, and a second p-GaN layer 158. Hereinafter, an example in which the semiconductor structure 150 has such a laminated structure will be described.

언급한 바와 같이, 이러한 반도체 구조(150)는 발광부(101)와 수광부(102)가 동일하게 가지는 반도체 구조일 수 있다.As described above, the semiconductor structure 150 may be a semiconductor structure in which the light emitting portion 101 and the light receiving portion 102 are the same.

즉, 도 3을 참조하여 설명한 LD(201)의 예와 동일한 반도체 구조를 가진다. 그러나 도 5 및 도 6을 참조하여 설명한 PD(300)의 예와는 다른 반도체 구조일 수 있다. 이와 같이, 수광부(102)도 도 9에서 도시한 바와 같은 반도체 구조(150)를 가지는 경우이다.That is, it has the same semiconductor structure as that of the LD 201 explained with reference to FIG. However, it may be a semiconductor structure different from the example of the PD 300 described with reference to FIGS. Thus, the light receiving portion 102 also has the semiconductor structure 150 as shown in FIG.

다음에, 반도체 구조(150) 상에서 전송부(103)를 형성할 영역(B)을 제외한 영역(A)에 마스크층(170)을 형성한다. 이러한 영역 A의 적어도 일부에는 발광부(101) 및 수광부(102)가 위치할 수 있다.Next, a mask layer 170 is formed on the semiconductor structure 150 in the region A except for the region B where the transfer portion 103 is to be formed. The light emitting portion 101 and the light receiving portion 102 may be located in at least a part of the region A. [

이러한 마스크층(170)은 화학 기상 증착법(CVD, chemical vapor deposition) 등을 통해 형성된 실리콘 질화물(SixNy) 또는 실리콘 산화물(SiO2)을 포함할 수 있다.The mask layer 170 may include silicon nitride (Si x N y ) or silicon oxide (SiO 2 ) formed through chemical vapor deposition (CVD) or the like.

이후, 이러한 마스크층(170)을 마스크로 이용하여, 도 10에서 도시하는 바와 같이, 전송부(103)를 형성할 영역(B)을 식각하여 개구 영역(171)을 형성함으로써 중간 단계의 반도체 구조(150f, 제2반도체 구조)를 형성한다. 이때, 식각은 건식 식각의 방법으로 이루어질 수 있다. 또한, 식각 과정에서 활성층(155)을 포함하는 반도체층이 제거될 수 있다.10, an opening region 171 is formed by etching the region B where the transfer section 103 is to be formed, by using the mask layer 170 as a mask, (150f, second semiconductor structure). At this time, the etching can be performed by a dry etching method. In addition, the semiconductor layer including the active layer 155 may be removed during the etching process.

즉, 중간 단계의 반도체 구조(150f)는, 기판(140) 상에, 버퍼층(151), 제1 n-GaN층(152) 및 n-AlGaN층(153)의 일부가 차례로 위치하는 구조를 가진다.That is, the intermediate semiconductor structure 150f has a structure in which a portion of the buffer layer 151, the first n-GaN layer 152, and the n-AlGaN layer 153 are sequentially disposed on the substrate 140 .

다음, 이 반도체 구조(150f) 상에, 즉, n-AlGaN층(153) 상에 무도핑 반도체층(일례로, un-GaN; 159)을 형성하여 전송부(103)의 광 도파로(401)를 이루는 반도체 구조(150g, 제3반도체 구조)를 형성할 수 있다.Next, a non-doped semiconductor layer (for example, un-GaN) 159 is formed on the semiconductor structure 150f, that is, on the n-AlGaN layer 153 to form the optical waveguide 401 of the transfer section 103, (150g, third semiconductor structure) can be formed.

이후에 이루어지는 전극 형성 등의 공정은 설명을 생략한다.Description of the subsequent steps of forming electrodes and the like is omitted.

한편, 제1반도체 구조(150) 및 제3반도체 구조(150g) 중 적어도 일부 상에 고분자 물질 기판의 유전체 덮개를 형성하는 과정이 이루어질 수 있다.Meanwhile, a process of forming the dielectric cover of the polymer material substrate on at least a part of the first semiconductor structure 150 and the third semiconductor structure 150g may be performed.

도 12 내지 도 15에서는 수광부(102)와 전송부(103)가 동일한 반도체 구조를 가지는 예를 나타내고 있다.12 to 15 show an example in which the light receiving section 102 and the transfer section 103 have the same semiconductor structure.

도 12에서 도시하는 바와 같이, 기판(140) 상에 버퍼층(151), 제1전도성 반도체층(152, 153, 154), 활성층(155) 및 제2전도성 반도체층(156)을 포함하는 반도체 구조(150h, 제1반도체 구조)를 형성한다. 이와 같은 반도체 구조(150h)는 유기금속 화학 기상 증착법(MOCVD, metal-organic chemical vapor deposition)을 이용하여 형성될 수 있다.A semiconductor structure including a buffer layer 151, first conductive semiconductor layers 152, 153 and 154, an active layer 155 and a second conductive semiconductor layer 156 is formed on a substrate 140, (150h, first semiconductor structure). The semiconductor structure 150h may be formed using metal-organic chemical vapor deposition (MOCVD).

여기서, 제1전도성 반도체층(152, 153, 154)은 제1 n-GaN층(152), n-AlGaN층(153) 및 제2 n-GaN층(154)을 포함할 수 있다. 또한, 제2전도성 반도체층(156)은 제1 p-GaN층(156)을 포함할 수 있다. 이하, 반도체 구조(150h)가 이와 같은 적층구조를 가지는 예를 들어 설명한다.Here, the first conductive semiconductor layer 152, 153, 154 may include a first n-GaN layer 152, an n-AlGaN layer 153, and a second n-GaN layer 154. In addition, the second conductive semiconductor layer 156 may include a first p-GaN layer 156. Hereinafter, an example in which the semiconductor structure 150h has such a laminated structure will be described.

다음에, 반도체 구조(150h) 상에서 전송부(103)를 형성할 영역(D)을 제외한 영역(C)에 마스크층(173)을 형성한다. 이러한 영역 C의 적어도 일부에는 발광부(101) 및 수광부(102)가 위치할 수 있다.Next, a mask layer 173 is formed in the region C excluding the region D where the transfer portion 103 is to be formed on the semiconductor structure 150h. The light emitting portion 101 and the light receiving portion 102 may be located in at least a part of the region C.

이러한 마스크층(173)은 화학 기상 증착법(CVD, chemical vapor deposition) 등을 통해 형성된 실리콘 질화물(SixNy) 또는 실리콘 산화물(SiO2)을 포함할 수 있다.The mask layer 173 may include silicon nitride (Si x N y ) or silicon oxide (SiO 2 ) formed through chemical vapor deposition (CVD) or the like.

이후, 이러한 마스크층(173)을 마스크로 이용하여, 도 13에서 도시하는 바와 같이, 전송부(103)를 형성할 영역(D)을 식각하여 개구 영역(172)을 형성함으로써 중간 단계의 반도체 구조(150f, 제2반도체 구조)를 형성한다. 이때, 식각은 건식 식각의 방법으로 이루어질 수 있다. 또한, 식각 과정에서 활성층(155)을 포함하는 반도체층이 제거될 수 있다.13, an opening region 172 is formed by etching the region D in which the transfer section 103 is to be formed, by using the mask layer 173 as a mask, (150f, second semiconductor structure). At this time, the etching can be performed by a dry etching method. In addition, the semiconductor layer including the active layer 155 may be removed during the etching process.

즉, 중간 단계의 반도체 구조(150f)는, 기판(140) 상에, 버퍼층(151), 제1 n-GaN층(152) 및 n-AlGaN층(153)의 일부가 차례로 위치하는 구조를 가진다.That is, the intermediate semiconductor structure 150f has a structure in which a portion of the buffer layer 151, the first n-GaN layer 152, and the n-AlGaN layer 153 are sequentially disposed on the substrate 140 .

다음, 도 14에서와 같이, 이 반도체 구조(150f) 상에, 즉, n-AlGaN층(153) 상에 무도핑 반도체층(일례로, un-GaN; 159)을 형성하여 전송부(103)의 광 도파로(400)를 이루는 반도체 구조(150g, 제3반도체 구조)를 형성할 수 있다.14, a non-doped semiconductor layer (for example, un-GaN) 159 is formed on the semiconductor structure 150f, that is, on the n-AlGaN layer 153, The semiconductor structure 150g (the third semiconductor structure) constituting the optical waveguide 400 of FIG.

이후에, 영역 C 및 영역 D 중 일부를 포함하는 영역에서 제2전도성 반도체층의 일부를 2차 성장시킨다. 이러한 제2반도체층은 일례로, p-AlGaN층(157) 및 제2 p-GaN층(158)을 포함할 수 있다.Then, a part of the second conductive semiconductor layer is secondarily grown in a region including a part of the area C and the area D. The second semiconductor layer may include, for example, a p-AlGaN layer 157 and a second p-GaN layer 158.

도 15에서 도시하는 바와 같이, 영역 C에서 2차 성장된 상태로 발광부(101)가 이루어질 수 있다. 또한, 영역 D 중 수광부(102)를 구성하기 위한 부분에서만 선택적으로 2차 성장이 이루어져서 이 영역에서 형성된 반도체 구조(150k)는 수광부(102)로 이용될 수 있다.As shown in Fig. 15, the light emitting portion 101 can be formed in the state of being secondarily grown in the region C. In addition, the semiconductor structure 150k formed in this region can be used as the light-receiving unit 102, since secondary growth is selectively performed only in a region for constituting the light-receiving unit 102 in the area D.

이러한 과정에서, 전송부(103) 및 수광부(102)는 적어도 일부에서 공통적인 반도체 구조(150g)를 가질 수 있다.In this process, the transfer section 103 and the light receiving section 102 may have a semiconductor structure 150g common to at least a part thereof.

이후 이루어지는 전극 형성 등의 공정은 설명을 생략한다.Description of the subsequent steps of forming electrodes and the like is omitted.

한편, 제1반도체 구조(150) 및 제3반도체 구조(150g) 중 적어도 일부 상에 고분자 물질 기판의 유전체 덮개를 형성하는 과정이 이루어질 수 있다.Meanwhile, a process of forming the dielectric cover of the polymer material substrate on at least a part of the first semiconductor structure 150 and the third semiconductor structure 150g may be performed.

이상에서 설명한 반도체 구조를 가지는 발광부(101), 수광부(102) 및 전송부(103)는 도 1 및 도 2를 참조하여 설명한 광 집적회로에 그대로 적용될 수 있음은 물론이다.It is needless to say that the light emitting unit 101, the light receiving unit 102, and the transfer unit 103 having the semiconductor structure described above can be directly applied to the optical integrated circuit described with reference to FIG. 1 and FIG.

이와 같은 질화물 반도체 물질 기반의 반도체 구조를 가지는 광 집적회로는 자외선 및 가시광선 파장 영역의 빛을 사용하는 LD, LED 및 PD와 같은 능동소자와 광 도파로 기반의 기능성 수동소자를 최적의 공정으로 형성할 수 있다.Such an optical integrated circuit having a semiconductor structure based on a nitride semiconductor material can form an optimal process for an active element such as an LD, an LED and a PD, and an optical waveguide-based functional passive element using light in a wavelength region of ultraviolet and visible light .

또한, 개별 소자들에 대한 별도의 광 정렬 없이 일체의 공정을 통해 구현할 수 있기 때문에 공정 난이도 및 결합손실을 최소화할 수 있다.In addition, since it can be realized through a single process without separate optical alignment for individual elements, the process difficulty and coupling loss can be minimized.

한편, 본 명세서와 도면에 개시된 본 발명의 실시 예들은 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시 예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형 예들이 실시 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.It should be noted that the embodiments of the present invention disclosed in the present specification and drawings are only illustrative of specific examples for the purpose of understanding and are not intended to limit the scope of the present invention. It will be apparent to those skilled in the art that other modifications based on the technical idea of the present invention are possible in addition to the embodiments disclosed herein.

100: 광 센서 101: 발광부
102: 수광부 103: 전송부
110: 링 공진기 120: 개구부
130: 유전체 덮개 140: 기판
150: 반도체 구조 200, 201: LD(LED)
300: PD 400: 센서부
401: 광 도파로
100: optical sensor 101:
102: light receiving unit 103:
110: ring resonator 120: opening
130: dielectric cover 140: substrate
150: semiconductor structure 200, 201: LD (LED)
300: PD 400:
401: optical waveguide

Claims (15)

동일 기판 상에 구현되는 질화물 반도체 기반의 광 집적회로에 있어서,
기판;
상기 기판 상의 일측에 구비되고, 질화물 반도체를 포함하는 발광부;
상기 기판 상의 타측에 구비되고, 질화물 반도체를 포함하는 수광부; 및
상기 기판 상에서 상기 발광부 및 수광부를 연결하여 구비되며, 질화물 반도체를 포함하는 전송부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 기반의 광 집적회로.
In a nitride semiconductor-based optical integrated circuit implemented on the same substrate,
Board;
A light emitting portion provided on one side of the substrate and including a nitride semiconductor;
A light receiving portion provided on the other side of the substrate and including a nitride semiconductor; And
And a transmitter including a light emitting portion and a light receiving portion connected to the substrate and including a nitride semiconductor.
제1항에 있어서, 상기 발광부 및 수광부는 동일한 질화물 반도체 박막 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 기반의 광 집적회로.The optical integrated circuit according to claim 1, wherein the light emitting portion and the light receiving portion have the same nitride semiconductor thin film structure. 제2항에 있어서, 상기 발광부 및 수광부는,
상기 기판 상에 위치하는 버퍼층;
상기 버퍼층 상에 위치하는 제1전도성 반도체층;
상기 제1전도성 반도체층 상에 위치하는 활성층; 및
상기 활성층 상에 위치하는 제2전도성 반도체층을 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 기반의 광 집적회로.
The light-emitting device according to claim 2, wherein the light-
A buffer layer located on the substrate;
A first conductive semiconductor layer located on the buffer layer;
An active layer located on the first conductive semiconductor layer; And
And a second conductive semiconductor layer located on the active layer.
제3항에 있어서, 상기 제1전도성 반도체층 또는 제2전도성 반도체층은,
제1 GaN 층;
상기 제1 GaN 층 상에 위치하는 AlGaN 층; 및
상기 AlGaN 층 상에 위치하는 제2 GaN 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 기반의 광 집적회로.
The semiconductor light emitting device of claim 3, wherein the first conductive semiconductor layer or the second conductive semiconductor layer comprises:
A first GaN layer;
An AlGaN layer located on the first GaN layer; And
And a second GaN layer located on the AlGaN layer.
제1항에 있어서, 상기 수광부 및 전송부는, 적어도 일부분에서 동일한 질화물 반도체 박막 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 기반의 광 집적회로.The optical integrated circuit according to claim 1, wherein the light receiving unit and the transmitting unit have the same nitride semiconductor thin film structure at least in part. 제1항에 있어서, 상기 전송부는, 링 공진기를 포함하는 센서부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 기반의 광 집적회로.The optical integrated circuit according to claim 1, wherein the transmission unit further comprises a sensor unit including a ring resonator. 제6항에 있어서, 상기 광 집적회로는, 고분자 물질 기판의 유전체 덮개를 더 포함하고, 상기 유전체 덮개는 상기 센서부의 적어도 일부를 노출시키는 개구부를 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 기반의 광 집적회로.7. The optical integrated circuit of claim 6, wherein the optical integrated circuit further comprises a dielectric cover of a polymeric material substrate, the dielectric cover including an opening exposing at least a portion of the sensor portion. . 제6항에 있어서, 상기 링 공진기는 복수로 구비되는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 기반의 광 집적회로.The optical integrated circuit according to claim 6, wherein the ring resonator is provided in plurality. 제8항에 있어서, 상기 복수의 링 공진기와 결합되는 광 파워 분할기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 기반의 광 집적회로.The optical integrated circuit according to claim 8, further comprising an optical power divider coupled with the plurality of ring resonators. 동일 기판 상에 구현되는 질화물 반도체 기반의 광 집적회로의 제조 방법에 있어서,
기판 상에 질화물 반도체로 형성되고 상기 기판 상에 위치하는 제1전도성 반도체층, 상기 제1전도성 반도체층 상에 위치하는 활성층 및 상기 활성층 상에 위치하는 제2전도성 반도체층을 포함하는 제1반도체 구조를 형성하는 단계;
제1영역 상에서 상기 제1반도체 구조 중 적어도 일부를 제거하여 제2반도체 구조를 형성하는 단계; 및
상기 제2반도체 구조 상에 도핑되지 않은 질화물 반도체층을 성장시켜 제3반도체 구조를 형성하는 단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 기반의 광 집적회로의 제조 방법.
A method of manufacturing an optical integrated circuit based on a nitride semiconductor implemented on the same substrate,
A first semiconductor structure including a first conductive semiconductor layer formed of a nitride semiconductor on a substrate and positioned on the substrate, an active layer located on the first conductive semiconductor layer, and a second conductive semiconductor layer located on the active layer, ;
Removing at least a portion of the first semiconductor structure on the first region to form a second semiconductor structure; And
And forming a third semiconductor structure by growing an undoped nitride semiconductor layer on the second semiconductor structure. ≪ RTI ID = 0.0 > 31. < / RTI >
제10항에 있어서, 상기 제1반도체 구조는, 발광부 및 수광부로 이용되고, 상기 제1영역은 전송부를 이루는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 기반의 광 집적회로의 제조 방법.11. The method of claim 10, wherein the first semiconductor structure is used as a light emitting portion and a light receiving portion, and the first region is a transfer portion. 제10항에 있어서, 상기 제3반도체 구조의 도핑되지 않은 질화물 반도체층 상에 전도성 반도체층을 성장시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 기반의 광 집적회로의 제조 방법.11. The method of claim 10, further comprising growing a conductive semiconductor layer on the undoped nitride semiconductor layer of the third semiconductor structure. 제10항에 있어서, 상기 제1전도성 반도체층 또는 제2전도성 반도체층 중 적어도 일부는,
제1 GaN 층;
상기 제1 GaN 층 상에 위치하는 AlGaN 층; 및
상기 AlGaN 층 상에 위치하는 제2 GaN 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 기반의 광 집적회로의 제조 방법.
The method of claim 10, wherein at least a portion of the first conductive semiconductor layer or the second conductive semiconductor layer
A first GaN layer;
An AlGaN layer located on the first GaN layer; And
And a second GaN layer located on the AlGaN layer. ≪ Desc / Clms Page number 19 >
제10항에 있어서, 상기 제1반도체 구조 중 적어도 일부를 제거하여 제2반도체 구조를 형성하는 단계는, 적어도 상기 활성층을 포함하여 제거하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 기반의 광 집적회로의 제조 방법.11. The method of claim 10, wherein removing at least a portion of the first semiconductor structure to form a second semiconductor structure includes removing at least the active layer. 제10항에 있어서, 상기 제1반도체 구조 및 제3반도체 구조 중 적어도 일부 상에 고분자 물질 기판의 유전체 덮개를 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 기반의 광 집적회로의 제조 방법.11. The method of claim 10, further comprising forming a dielectric lid of a polymeric material substrate on at least a portion of the first semiconductor structure and the third semiconductor structure.
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