KR20150125784A - 수직형 광반도체 소자 및 그 제조방법 - Google Patents

수직형 광반도체 소자 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 기판 위에 하부 반사층과, 활성층을 갖는 캐비티층 및 상부 반사층이 순차적으로 적층되어 상부 반사층의 상부를 통해 광을 방사 또는 상부 반사층의 상부를 통해 광을 수신한 광을 전기 에너지로 출력할 수 있도록 된 수직형 광반도체 소자에 관한 것으로서, 하부 반사층은 비소(As)를 포함하여 형성된 제1층과, 게르마늄(Ge)로 형성된 제2층이 수직상으로 교대로 반복적층된 구조로 형성되어 있다. 이러한 수직형 광반도체 소자 및 그 제조방법에 의하면, 고반사율을 얻기 위해 요구되는 반사층의 반복 적층수를 줄일 수 있고, 1500nm 이상의 장파장의 광도 이용할 수 있는 장점을 제공한다.

Description

수직형 광반도체 소자 및 그 제조방법{vertical type optical semiconductor device and method of manufacturing the same}
본 발명은 수직형 광반도체 소자 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 상세하게는 반사율을 확보하기 위한 반사층의 적층수를 줄일 수 있는 수직형 광반도체 소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로, 반도체 레이저 다이오드는 모서리 발광 레이저 다이오드(edge emitting laser diode)와 수직 공진 표면 발광레이저 다이오드로 구분할 수 있다.
모서리 발광 레이저 다이오드는 소자의 적층면과 평행 방향의 공진 구조를 가지면서 적층면과 평행한 방향으로 레이저 빔을 발진시키는 방식이고, 수직 공진 표면 발광 레이저 다이오드는 소자의 적층면에 수직인 공진 구조를 가지면서 소자 적층면의 수직방향으로 레이저 빔을 발진시키는 방식이다.
수직 공진 표면 발광 레이저 다이오드(VCSEL)는 모서리 발광 레이저 다이오드에 비해 구동전류가 낮고, 발진 빔의 발산 정도가 작아서 광통신이나 광 정보 기록 및 홀로그래피 메모리 등에 널리 이용된다.
수직 공진 형 레이저 다이오드에서 활성층을 기준으로 수직상으로 상부 및 하부에 형성되어 광을 반사시키는 거울 역할을 하는 상부 및 하부 반사층은 DBR(Distributed Bragg Reflector) 구조물 방식으로 형성된다.
이러한 수직 공진 표면 발광 레이저 다이오드는 국내 등록특허 제10-0475846호 등 다양하게 게시되어 있다.
일반적으로, DBR 구조물은 서로 굴절률이 다른 두 물질을 교대로 적층하여 형성하는데 이 경우 고 반사율을 얻기 위해서는 두 물질 간의 굴절률 차이가 커야 한다.
DBR 구조물에 사용되는 대표적인 재료는 격자 정합성이 좋은 GaAs/AlAs을 적용하고 있으나, 굴절율 차이가 크지 않아 99% 이상의 높은 반사율을 얻기 위해 요구되는 반복 적층수가 30 내지 40주기로 매우 많아지는 단점이 있다. 또한, GaAs를 기반으로 DBR구조물을 갖게 제작된 수직 공진 표면 발광 레이저 다이오드는 1000nm 이하, 예를 들면 600 내지 1000nm의 단파장의 광을 출사하도록 형성되기 때문에 광섬유에서 손실이 적은 장파장 빔, 예를 들면 1500nm 이상용으로 제작하기 어려운 단점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하기 위하여 창안된 것으로서, 고반사율을 얻기 위한 반사층의 반복적층수를 줄일 수 있는 수직형 광반도체 소자 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 1500nm 이상 파장의 광도 이용할 수 있는 수직형 광반도체 소자 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 수직형 광반도체 소자는 기판 위에 하부 반사층과, 활성층을 갖는 캐비티층 및 상부 반사층이 순차적으로 적층되어 상기 상부 반사층의 상부를 통해 광을 방사 또는 상기 상부 반사층의 상부를 통해 광을 수신한 광을 전기 에너지로 출력할 수 있도록 된 수직형 광반도체 소자에 있어서, 상기 하부 반사층은 비소(As)를 포함하여 형성된 제1층과, 게르마늄(Ge)로 형성된 제2층이 수직상으로 교대로 반복적층된 구조로 형성되어 있다.
바람직하게는 상기 제1층은 갈륨비소(GaAs)로 형성되거나, 알루미늄비소(AlAs)로 형성된다.
또한, 상기 상부 반사층은 갈륨비소(GaAs)로 된 제3층과, 알루미늄비소(AlAs)로 된 제4층이 수직상으로 교대로 반복적층된 구조로 형성된다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 활성층은 게르마늄(Ge)소재로 형성된다.]
또한, 상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 수직형 광반도체 소자의 제조방법은 가. 기판에 비소(As)를 포함하여 형성된 제1층과, 게르마늄(Ge)로 형성된 제2층이 수직상으로 교대로 반복적층하여 하부 반사층을 형성하는 단계와; 나. 상기 하부 반사층 상부에 활성층을 포함한 캐비티층을 형성하는 단계와; 다. 상기 캐비티층 상부에 상부 반사층을 형성하는 단계;를 포함한다.
본 발명에 따른 수직형 광반도체 소자 및 그 제조방법에 의하면, 고반사율을 얻기 위해 요구되는 반사층의 반복 적층수를 줄일 수 있고, 1500nm 이상의 장파장의 광도 이용할 수 있는 장점을 제공한다.
도 1은 본 발명에 따른 수직형 광반도체 소자를 나타내 보인 단면도이고,
도 2는 하부 반사층의 적층수에 따른 반사율을 Ge/GaAs, Ge/AlAs, GaAs/AlAs에 대해 측정한 결과를 나타내 보인 그래프이고,
도 3은 Ge/GaAs층을 형성하는 과정을 설명하기 위한 온도 및 시간에 대한 공정 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 수직형 광반도체 소자 및 그 제조방법을 더욱 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 수직형 광반도체 소자를 나타내 보인 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 수직형 광반도체 소자(100)는 기판(110), 하부 반사층(120), 캐비티층(130), 상부 반사층(140)이 순차적으로 형성되어 있다.
기판(110)은 갈륨비소(GaAs) 소재로 된 것을 적용한다.
하부 반사층(120)은 비소(As)를 포함하여 형성된 제1층(121)과, 게르마늄(Ge)로 형성된 제2층(122)이 수직상으로 교대로 반복적층된 구조로 형성되어 있다.
즉, 하부 반사층(120)은 제1층(121)과 제2층(122)이 한 조로된 하부 단위층(123)이 수직상으로 반복 적층된 구조로 되어 있다.
제1층(121)은 갈륨비소(GaAs)로 형성되거나, 알루미늄비소(AlAs)로 형성되는 것이 바람직하다.
제2층(122)은 게르마늄(Ge)으로 형성된다.
제2층(122)에 적용되는 게르마늄(Ge)은 GaAs물질과는 달리 일종 동종원소이고, 굴절율이 GaAs물질보다 큰 값인 4 이상으로 GaAs/Ge 또는 AlAs/Ge로 반복적층되어 하부 반사층(120)을 형성하는 경우 종래의 GaAs/AlAs 보다 반복 적층 수를 적게 하면서도 같은 반사율을 얻을 수 있다.
캐비티(cavity)층(130)은 하부 클래드층(132), 활성층(131), 상부 클래드층(133), 전류 제한층(135)을 갖는 구조로 되어 있다.
하부 클래드층(132)은 하부 반사층(120) 위에 형성되어 있고, GaAs 또는 AlAs에 n형 도펀트가 첨가되어 형성될 수 있다.
또 다르게는 하부 클래드층(132)은 게르마늄(Ge)에 n형 도펀트가 첨가되어 형성될 수 있다.
활성층(131)은 이용광의 대역에 따라 적절한 적용물질을 적용하여 형성한다.
활성층(131)은 일 예로서, 인듐(In), 갈륨(Ga), 알루미늄(Al), 비소(As), 인(P)에 대해 적어도 하나의 원소를 아래의 수학식1에 표기된 방식으로 첨가범위를 선택하여 원하는 밴드대역의 광을 이용할 수 있도록 형성할 수 있다.
Figure pat00001
또 다르게는 활성층(131)은 게르마늄(Ge)으로 형성될 수 있다.
게르마늄(Ge)으로 활성층(131)을 형성하는 경우 1200 내지 1770nm 대역의 파장대역에 대한 광을 활용할 수 있다.
활성층(131)은 양자우물 구조 또는 양자선, 또는 양자점으로 형성될 수 있음은 물론이다.
상부 클래드층(133)은 활성층(131) 상부에 형성되어 있고, GaAs 또는 AlAs에 p형 도펀트가 첨가되어 형성될 수 있다.
또 다르게는 상부 클래드층(133)은 게르마늄(Ge)에 p형 도펀트가 첨가되어 형성될 수 있다.
전류 제한층(135)은 하부 반사층(120)의 가장자리영역과 하부 클래드층(132) 사이와 상부 반사층(130)의 가장자리영역과 상부 클래드층(133) 사이에 각각 형성되어 있고, 산화물 예를 들면 Al2O3로 형성될 수 있다.
캐비티층(130)은 활성층(131)을 갖되 도시된 구조와 다른 공지된 수직 공진 구조를 갖게 형성될 수 있음은 물론이다.
상부 반사층(140)은 갈륨비소(GaAs)로 된 제3층(141)과, 알루미늄비소(AlAs)로 된 제4층(142)이 교번으로 수직상으로 반복적층된 구조로 되어 있다.
즉, 상부 반사층(140)은 제3층(141)과, 제3층 위에 형성된 제4층(142)이 상부 단위층(143)이 되어 수직상으로 다수회 반복 적층된 구조로 되어 있다.
이러한 광반도체 소자(100) 구조에 의하면 발광용으로 이용되는 경우 전극(미도시)을 통해 인가된 전력에 의해 활성층(131)에서 생성된 광이 상부 반사층(140)의 상부를 통해 출사되고, 광검출소자로 적용되는 경우 상부 반사층(140)을 통해 입사된 광이 활성층(131)을 통해 전기적 에너지로 변환되어 전극을 통해 출력될 수 있다.
이러한 수직형 광반도체 소자(100)는 기판(110)에 앞서 설명된 제1층(121)을 형성하고, 제1층(121) 위에 제2층(122)을 형성하고, 다시 제2층(122) 위에 제1층(121)을 형성하는 과정을 반복하여 제1층(121)과 제2층(122)이 수직상으로 교대로 반복적층된 하부 반사층(120)을 형성한다.
이와는 다르게 기판(110)에 제2층(122)을 먼저 형성하고, 제2층(122) 위에 제1층(121)을 적층하고, 다시 제1층(121) 위에 제2층(122)을 형성하는 과정을 반복하여 제2층(122)과 제1층(121)이 수직상으로 교대로 반복적층된 하부 반사층(120)을 형성할 수 있음은 물론이다.
다음은 하부 반사층(120) 상부에 활성층(131)을 포함한 캐비티층(130)을 형성하고, 캐비티층(130) 상부에 앞서 설명된 구조의 상부 반사층(140)을 형성한다.
한편, 하부 반사층(120)에 적층수에 따른 반사율을 종래 GaAs/AlAs와 비교하여 측정한 결과가 도 2에 도시되어 있다. 도 2를 통해 확인할 수 있는 바와 같이 종래 GaAs/AlAs와 비교하여 본 하부 반사층(120)은 적층수를 줄이면서도 동일한 반사율을 제공함을 알 수 있다.
또한, 하부 반사층(120)으로서 Ge/GaAs층을 형성하는 경우 MOVPE(metal-organic vapor phase epitaxy) 또는 MBE(molecular beam epitaxy) 등에 의해 형성할 수 있으며, Ge와 같은 단일 원소로 이루어진 물질은 GaAs 또는 및 AlAs와 같은 이종원소 위에 성장이 용이하지만, Ge와 같은 단일원소 위에 이종 이상의 화합물 물질이 성장할 경우, 일반적으로 위상결함이 생긴다. 따라서, Ge 위에 이종화합물을 성장하는 경우 위상결함이 발생하지 않도록 하기 위한 성장법으로서 도 3에 도시된 바와 같이 450℃정도에서 GaAs 시드층을 25 내지 50분 동안 형성하고, 500 내지 550℃ 정도로 온도를 올려 열처리한 후 GaAs층을 650℃ 내지 750℃에서 성장두께만큼 형성한다.
이러한 수직형 광반도체 소자 및 그 제조방법에 의하면, 고반사율을 얻기 위해 요구되는 반사층의 반복 적층수를 줄일 수 있고, 1500nm 이상의 장파장의 광도 이용할 수 있는 장점을 제공한다.
110: 기판 120: 하부 반사층
130: 캐비티층 140: 상부 반사층

Claims (10)

  1. 기판 위에 하부 반사층과, 활성층을 갖는 캐비티층 및 상부 반사층이 순차적으로 적층되어 상기 상부 반사층의 상부를 통해 광을 방사 또는 상기 상부 반사층의 상부를 통해 광을 수신한 광을 전기 에너지로 출력할 수 있도록 된 수직형 광반도체 소자에 있어서,
    상기 하부 반사층은 비소(As)를 포함하여 형성된 제1층과, 게르마늄(Ge)로 형성된 제2층이 수직상으로 교대로 반복적층된 구조로 형성된 것을 특징으로 하는 수직형 광반도체 소자.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1층은 갈륨비소(GaAs)로 형성된 것을 특징으로 하는 수직형 광반도체.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제1층은 알루미늄비소(AlAs)으로 형성된 것을 특징으로 하는 수직형 광반도체.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 상부 반사층은
    갈륨비소(GaAs)로 된 제3층과, 알루미늄비소(AlAs)로 된 제4층이 수직상으로 교대로 반복적층된 구조로 형성된 것을 특징으로 하는 수직형 광반도체.
  5. 제4항에 있어서, 상기 활성층은
    게르마늄(Ge)소재로 형성된 것을 특징으로 하는 수직형 광반도체.
  6. 수직형 광반도체 소자의 제조방법에 있어서,
    가. 기판에 비소(As)를 포함하여 형성된 제1층과, 게르마늄(Ge)로 형성된 제2층이 수직상으로 교대로 반복적층하여 하부 반사층을 형성하는 단계와;
    나. 상기 하부 반사층 상부에 활성층을 포함한 캐비티층을 형성하는 단계와;
    다. 상기 캐비티층 상부에 상부 반사층을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 수직형 광반도체 소자의 제조방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 제1층은 갈륨비소(GaAs)로 형성된 것을 특징으로 하는 수직형 광반도체의 제조방법.
  8. 제6항에 있어서, 상기 제1층은 알루미늄비소(AlAs)로 형성된 것을 특징으로 하는 수직형 광반도체의 제조방법.
  9. 제7항 또는 제8항에 있어서, 상기 상부 반사층은
    갈륨비소(GaAs)로 형성된 제3층과, 알루미늄비소(AlAs)로 된 제4층이 수직상으로 교대로 반복적층된 구조로 형성된 것을 특징으로 하는 수직형 광반도체의 제조방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 활성층은
    게르마늄(Ge)소재로 형성하는 것을 특징으로 하는 수직형 광반도체의 제조방법.
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