KR20180062792A - 반도체 소자 - Google Patents
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Abstract
실시 예는, 제 1 도전형 반도체층; 상기 제 1 도전형 반도체층 상에 배치되는 활성층; 상기 활성층 상에 배치되고, 서로 이격된 제 1 영역과 제 2 영역을 포함하는 제 2 도전형 반도체층을 포함하는 반도체 구조물; 상기 제 1 영역 상에 배치되는 제 2-1 전극; 및 상기 제 2 영역 상에 배치되는 제 2-2 전극을 포함하고, 상기 제 2 도전형 반도체층은, 상기 제 1 영역과 제 2 영역 사이에 배치되는 제 3 영역을 더 포함하며, 상기 제 3 영역의 두께는 상기 제 1 영역 및 제 2 영역의 두께보다 얇고, 상기 제 3 영역 상에 배치되는 반사층을 더 포함하는 반도체 소자를 개시한다.
Description
실시 예는 반도체 소자에 관한 것이다.
GaN, AlGaN 등의 화합물을 포함하는 반도체 소자는 넓고 조정이 용이한 밴드 갭 에너지를 가지는 등의 많은 장점을 가져서 발광 소자, 수광 소자 및 각종 다이오드 등으로 다양하게 사용될 수 있다.
특히, 반도체의 3-5족 또는 2-6족 화합물 반도체 물질을 이용한 발광 다이오드(Light Emitting Diode)나 레이저 다이오드(Laser Diode)와 같은 발광소자는 박막 성장 기술 및 소자 재료의 개발로 적색, 녹색, 청색 및 자외선 등 다양한 색을 구현할 수 있으며, 형광 물질을 이용하거나 색을 조합함으로써 효율이 좋은 백색 광선도 구현이 가능하며, 형광등, 백열등 등 기존의 광원에 비해 저소비전력, 반영구적인 수명, 빠른 응답속도, 안전성, 환경 친화성의 장점을 가진다.
뿐만 아니라, 광검출기나 태양 전지와 같은 수광 소자도 반도체의 3-5족 또는 2-6족 화합물 반도체 물질을 이용하여 제작하는 경우 소자 재료의 개발로 다양한 파장 영역의 빛을 흡수하여 광 전류를 생성함으로써 감마선부터 라디오 파장 영역까지 다양한 파장 영역의 빛을 이용할 수 있다. 또한 빠른 응답속도, 안전성, 환경 친화성 및 소자 재료의 용이한 조절의 장점을 가져 전력 제어 또는 초고주파 회로나 통신용 모듈에도 용이하게 이용할 수 있다.
따라서, 반도체 소자는 광 통신 수단의 송신 모듈, LCD(Liquid Crystal Display) 표시 장치의 백라이트를 구성하는 냉음극관(CCFL: Cold Cathode Fluorescence Lamp)을 대체하는 발광 다이오드 백라이트, 형광등이나 백열 전구를 대체할 수 있는 백색 발광 다이오드 조명 장치, 자동차 헤드 라이트 및 신호등 및 Gas나 화재를 감지하는 센서 등에까지 응용이 확대되고 있다. 또한, 반도체 소자는 고주파 응용 회로나 기타 전력 제어 장치, 통신용 모듈에까지 응용이 확대될 수 있다.
광 통신 수단을 사용하는 반도체 소자는 레이저 다이오드의 단파장을 이용한 전계 흡수 변조기(EAM)가 대표적이다. 그러나, 레이저 다이오드는 제조가 어려울 뿐만 아니라, 협소한 빔에 의해 광변조기와 레이저 다이오드의 얼라인이 어려운 문제가 있다. 따라서, 광출력이 떨어지는 문제가 있다.
실시예는 광 출력이 향상된 반도체 소자를 제공한다.
실시예는 발광부와 광변조부의 얼라인이 향상된 반도체 소자를 제공한다.
실시예에서 해결하고자 하는 과제는 이에 한정되는 것은 아니며, 아래에서 설명하는 과제의 해결수단이나 실시 형태로부터 파악될 수 있는 목적이나 효과도 포함된다고 할 것이다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 반도체 소자는 제 1 도전형 반도체층; 상기 제 1 도전형 반도체층 상에 배치되는 활성층; 상기 활성층 상에 배치되고, 서로 이격된 제 1 영역과 제 2 영역을 포함하는 제 2 도전형 반도체층을 포함하는 반도체 구조물; 상기 제 1 영역 상에 배치되는 제 2-1 전극; 및 상기 제 2 영역 상에 배치되는 제 2-2 전극을 포함하고, 상기 제 2 도전형 반도체층은, 상기 제 1 영역과 제 2 영역 사이에 배치되는 제 3 영역을 더 포함하며, 상기 제 3 영역의 두께는 상기 제 1 영역 및 제 2 영역의 두께보다 얇고, 상기 제 3 영역 상에 배치되는 반사층을 더 포함할 수 있다.
실시예에 따르면, 반도체 소자의 광 출력이 향상될 수 있다.
실시예에 따르면, 반도체 소자의 발광부와 광변조부의 얼라인이 향상될 수 있다.
본 발명의 다양하면서도 유익한 장점과 효과는 상술한 내용에 한정되지 않으며, 본 발명의 구체적인 실시형태를 설명하는 과정에서 보다 쉽게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 광통신 시스템의 개념도이다.
도 2는 본 발명에 따른 반도체 소자에 의하여 광신호가 변조되는 과정을 보여주는 개념도이다.
도 3은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 반도체 소자의 사시도이다.
도 4는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 반도체 소자의 단면도이다.
도 5는 도 4의 A 부분 중 제 2 도전형 반도체층만을 도시한 것이다.
도 6은 도 4의 A 부분의 확대도이다.
도 7a는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 반도체 소자 중, 반사층의 제 1 변형예이다.
도 7b는 도 7a에 따른 반사층을 구성하여 SEM으로 관찰한 결과다.
도 8은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 반도체 소자 중, 반사층의 제 2 변형예이다.
도 9는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 반도체 소자 중, 도 4의 A 부분에 해당되는 영역의 확대도이다.
도 10은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 반도체 소자 중, 반사층의 파장별 반사율을 나타낸 것이다.
도 11은 스페이서 영역에서의 광의 손실 여부를 반사층의 유무에 따라 관찰한 것이다.
도 12는 본 발명에 따른 광송신 모듈의 개념도이다.
도 2는 본 발명에 따른 반도체 소자에 의하여 광신호가 변조되는 과정을 보여주는 개념도이다.
도 3은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 반도체 소자의 사시도이다.
도 4는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 반도체 소자의 단면도이다.
도 5는 도 4의 A 부분 중 제 2 도전형 반도체층만을 도시한 것이다.
도 6은 도 4의 A 부분의 확대도이다.
도 7a는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 반도체 소자 중, 반사층의 제 1 변형예이다.
도 7b는 도 7a에 따른 반사층을 구성하여 SEM으로 관찰한 결과다.
도 8은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 반도체 소자 중, 반사층의 제 2 변형예이다.
도 9는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 반도체 소자 중, 도 4의 A 부분에 해당되는 영역의 확대도이다.
도 10은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 반도체 소자 중, 반사층의 파장별 반사율을 나타낸 것이다.
도 11은 스페이서 영역에서의 광의 손실 여부를 반사층의 유무에 따라 관찰한 것이다.
도 12는 본 발명에 따른 광송신 모듈의 개념도이다.
본 실시 예들은 다른 형태로 변형되거나 여러 실시 예가 서로 조합될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 각각의 실시 예로 한정되는 것은 아니다.
특정 실시 예에서 설명된 사항이 다른 실시 예에서 설명되어 있지 않더라도, 다른 실시 예에서 그 사항과 반대되거나 모순되는 설명이 없는 한, 다른 실시 예에 관련된 설명으로 이해될 수 있다.
예를 들어, 특정 실시 예에서 구성 A에 대한 특징을 설명하고 다른 실시 예에서 구성 B에 대한 특징을 설명하였다면, 구성 A와 구성 B가 결합된 실시 예가 명시적으로 기재되지 않더라도 반대되거나 모순되는 설명이 없는 한, 본 발명의 권리범위에 속하는 것으로 이해되어야 한다.
실시 예의 설명에 있어서, 어느 한 element가 다른 element의 "상(위) 또는 하(아래)(on or under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, 상(위) 또는 하(아래)(on or under)는 두 개의 element가 서로 직접(directly)접촉되거나 하나 이상의 다른 element가 상기 두 element 사이에 배치되어(indirectly) 형성되는 것을 모두 포함한다. 또한 "상(위) 또는 하(아래)(on or under)"으로 표현되는 경우 하나의 element를 기준으로 위쪽 방향뿐만 아니라 아래쪽 방향의 의미도 포함할 수 있다.
반도체 소자는 발광소자, 수광 소자, 광변조기 등 각종 전자 소자를 포함할 수 있으며, 발광소자, 수광소자, 광변조기는 모두 제 1 도전형 반도체층과 활성층 및 제 2 도전형 반도체층을 포함할 수 있다.
본 실시예에 따른 반도체 소자는 발광소자 및 광변조기일 수 있다.
발광소자는 전자와 정공이 재결합함으로써 빛을 방출하게 되고, 이 빛의 파장은 물질 고유의 에너지 밴드갭에 의해서 결정된다. 따라서, 방출되는 빛은 상기 물질의 조성에 따라 다를 수 있다.
광변조기는 전계 흡수 변조기(EAM: Electro-Absorption Modulator)일 수 있다. 그러나 이것으로 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 전계 흡수 변조기는 저전압에서 구동이 가능하고, 소자를 소형화할 수 있다. 광변조기는 인가되는 전압에 따라 광흡수의 정도가 변할 수 있다. 즉, 광변조기는 인가되는 전압의 변화에 따라 입사되는 광을 외부로 방출하거나(on-state) 흡수함으로써(off-state) 변조된 광을 출력할 수 있다.
이하에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 광통신 시스템의 개념도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 광통신 시스템은 제 1 호스트(1)와 통신하는 제 1 광 트랜시버(3), 제 2 호스트(2)와 통신하는 제 2 광 트랜시버(4) 및 제 1 광 트랜시버(3)와 제 2 광 트랜시버(4) 사이에 연결된 채널을 포함한다.
제 1 호스트(1)와 제 2 호스트(2)는 통신 가능한 전자 디바이스이면 특별히 제한되지 않는다. 예시적으로 제 1 호스트(1)는 서버이고, 제 2 호스트(2)는 퍼스널 컴퓨터일 수 있다.
제 1 광 트랜시버(3)와 제 2 광 트랜시버(4)는 각각 광 송신 모듈(5)과 광 수신 모듈(6)을 포함하는 양방향 통신 모듈일 수 있으나, 본 발명의 실시 예는 반드시 이에 한정하지 않는다. 예시적으로 제 1 광 트랜시버(3)는 광 송신모듈일 수 있고 제 2 광 트랜시버(4)는 광 수신모듈일 수도 있다. 이하에서는 양방향 통신방법을 기준으로 설명한다.
제 1 광 트랜시버(3)의 광 송신 모듈(5)은 제 1 광섬유(8)에 의하여 제 2 광 트랜시버(4)의 광 수신 모듈(6)과 연결될 수 있다. 광 송신 모듈(5)은 호스트의 전기신호를 광신호로 변환할 수 있다. 제어부(7)는 호스트의 전기신호에 따라 광신호를 변조할 수 있다. 예시적으로 제어부(7)는 드라이버 IC를 포함할 수 있다.
제 1 광 트랜시버(3)의 광 수신 모듈(6)은 제 2 광섬유(9)에 의하여 제 2 광 트랜시버(4)의 광 송신 모듈(5)과 연결될 수 있다. 광 수신 모듈(6)은 광신호를 전기신호로 변환할 수 있다. 제어부(7)는 변환된 전기신호를 증폭(TIA)하거나, 전기신호에서 패킷 정보를 추출하여 호스트에 전송할 수 있다.
한편, 광 송신 모듈(5)은 본 발명에 따른 반도체 소자(100)를 포함할 수 있다.
도 2는 본 발명에 따른 반도체 소자에 의하여 광신호가 변조되는 과정을 보여주는 개념도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 반도체 소자(100)는 발광부(5a) 및 광변조부(5b)를 포함할 수 있다. 이러한 반도체 소자(100)는 도 1의 광 송신 모듈(5)의 구성 요소일 수 있다.
반도체 소자(100)는 전기신호(E1)를 이용하여 광신호(L1)를 변조할 수 있다. 즉, 발광부(5a)에서 출사된 광은 광변조부(5b)에 의해 변조될 수 있다. 여기서, 전기신호(E1)를 제공할 때를 “1 상태”, 전기적인 신호(E1)를 제공하지 않을 때를 “0 상태”라 할 수 있다. 전기신호(E1)는 역 바이어스 전압일 수 있다.
“1 상태”일 때, 반도체 소자(100)는 광신호(L1)를 방출할 수 있고(On-state), “0 상태”일 때 반도체 소자(100)는 광신호(L1)를 방출하지 않을 수 있다(Off-state). 이에 따라, 반도체 소자(100)는 주기를 가지며 광신호(L1)를 방출하거나 방출하지 않는 펄스 광신호(Pulsed light signal)를 출력할 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 반도체 소자(100)는 전계가 없을 경우 벤딩된 에너지 밴드갭 구조를 갖고, 역방향 전압이 제공되면 상대적으로 평탄한 에너지 밴드갭 구조를 가질 수 있다.
보다 구체적으로, 본 발명에 따른 반도체 소자(100)는 전계가 없는 경우 활성층에서 광을 흡수할 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 반도체 소자(100)는 질화물계 반도체를 포함하여 활성층의 에너지 밴드갭이 비대칭하게 형성된다. 이는 광흡수층 내부에 강한 압전 전기장(piezoelectric field)이 존재하기 때문이다. 이러한 압전 전기장은 다양한 원인에 의해 유발될 수 있다. 예시적으로 압전 자기장은 격자 상수 부정합에 의한 스트레인(strain)에 의해 유발될 수 있다.
그러나, 활성층에 역 바이어스 전압이 걸린 경우, 활성층은 광을 투과할 수 있다. 이는 역 바이어스 전압이 걸렸을 때 에너지 밴드가 상대적으로 평탄해지며 밴드갭이 커지기 때문이다.
이처럼, 본 발명에 따른 반도체 소자(100)는 발광부(5a)에서 광이 출사되고, 광변조부(5b)는 출사된 광을 전압의 변화에 따라 변조하여 광신호를 출력할 수 있다.
도 3은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 반도체 소자의 사시도이다. 도 4는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 반도체 소자의 단면도이다. 도 5는 도 4의 A 부분 중 제 2 도전형 반도체층만을 도시한 것이다. 도 6은 도 4의 A 부분의 확대도이다.
도 3 내지 도 6을 참조하면, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 반도체 소자(100)는 발광부(5a), 광변조부(5b) 및 발광부(5a)와 광변조부(5b) 사이에 배치된 스페이서 영역(5c)을 포함할 수 있다. 또한, 반도체 소자(100)는 기판(110), 반도체 구조물(120), 제 1 전극(161), 제 2 전극(162a, 162b) 및 반사층(170)을 포함한다.
본 발명에 따른 반도체 소자(100)는 발광부(5a) 및 광변조부(5b)가 기판(110) 상에 함께 배치될 수 있다. 즉, 발광부(5a)는 기판(110)의 일측에 배치되고, 광변조부(5b)는 기판(110)의 타측에 배치될 수 있다. 발광부(5a) 및 광변조부(5b)는 스페이서 영역(5c)에 의해 광이 진행하는 제 1 방향(X축 방향)으로 서로 분리될 수 있다.
스페이서 영역(5c)은 발광부(5a)와 광변조부(5b) 사이에 배치될 수 있다. 스페이서 영역(5c)에 대응되는 제 2 도전형 반도체층(140)의 일부 영역은 에칭되어 발광부(5a)와 광변조부(5b)를 서로 절연시킬 수 있다. 따라서, 스페이서 영역(5c)에 의하여 발광부(5a) 및 광변조부(5b)는 개별 구동될 수 있다. 예컨대, 발광부(5a)는 광을 발광하기 위해 일정한 직류구동될 수 있고, 광변조부(5b)는 광을 변조하기 위해 교류구동될 수 있다.
발광부(5a)의 발광층(활성층)에서 발광된 광은 발광층의 상부, 하부 및 측부와의 굴절률 차이로 인해 장축과 대응되는 제 1 방향으로 진행할 수 있다. 즉, 발광부(5a)는 X축 방향으로 광이 발광될 수 있다. 광변조부(5b)의 흡수층(활성층)은 발광부(5a)로부터 입사된 광을 제 1 방향(X축 방향)으로 흡수 또는 투과할 수 있다. 또한, 광변조부(5b)는 출력단으로 방출되는 광 신호를 변조할 수 있다. 여기서, 출력단은 광변조부(5b) 중 발광부(5a)의 반대편에 위치하는 끝단을 의미할 수 있다.
이와 같이, 본 발명에 따른 반도체 소자(100)는 발광부(5a)와 광변조부(5b)가 수평 타입으로 기판(110) 상에 함께 집적될 수 있다. 그리고 발광부(5a)와 광변조부(5b)는 스페이서 영역(5c)에 의하여 분리될 수 있다. 이 때, 발광부(5a), 스페이서 영역(5c) 및 광변조부(5b)는 제 1 방향(X축 방향)을 따라 연속적으로 형성될 수 있다. 즉, 발광부(5a), 스페이서 영역(5c) 및 광변조부(5b)는 동시에 제조될 수 있다.
발광부(5a)의 광 출사부(발광부 중 광변조부와 마주보는 끝단) 및 광변조부(5b)의 입력단(광변조부 중 발광부와 마주보는 끝단)은 제 1 방향(X축 방향)을 따라 서로 마주보도록 얼라인될 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 반도체 소자(100)는 발광부(5a)와 광변조부(5b)의 얼라인 불량을 방지할 수 있으며, 광 손실을 개선할 수 있다.
기판(110)은 투광성, 전도성 기판 또는 절연성 기판일 수 있다. 예컨대 기판(110)은 사파이어(Al2O3), SiC, Si, GaAs, GaN, ZnO, GaP, InP, Ge, 및 Ga2O3 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
기판(110)은 반도체 구조물(120)이 배치되는 제 1 면(111)을 포함한다. 여기서, 제 1 면(111)의 일측에는 발광부(5a)가 배치되고, 타측에는 광변조부(5b)가 배치될 수 있다. 제 1 면(111)에는 복수의 돌출부가 형성될 수 있으며, 복수의 돌출부 각각은 측 단면이, 반구형 형상, 다각형 형상, 타원 형상 중 적어도 하나를 포함하며 스트라이프 형태 또는 매트릭스 형태로 배열될 수 있다. 복수의 돌출부는 기판(110)으로 입사되는 광을 굴절시켜 활성층으로 입사되는 광 효율을 향상시킬 수 있다.
반도체 구조물(120)은 기판(110) 상에 배치될 수 있다. 반도체 구조물(120)은 제 1 도전형 반도체층(130), 제 2 도전형 반도체층(140) 및 제 1 도전형 반도체층(130)과 제 2 도전형 반도체층(140) 사이에 배치되는 활성층(150)을 포함할 수 있다.
제 1 도전형 반도체층(130)은 기판(110) 상에 배치될 수 있다. 제 1 도전형 반도체층(130)은 Ⅲ-Ⅴ족, Ⅱ-Ⅵ족의 화합물 반도체 중 적어도 하나로 구현될 수 있다. 제 1 도전형 반도체층(130)은 예컨대 InxAlyGa1-x-yN (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 갖는 반도체 재료로 형성될 수 있다. 제 1 도전형 반도체층(130)은 예를 들어 GaN, AlN, AlGaN, InGaN, InN, InAlGaN, AlInN 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다. 제 1 도전형 반도체층(130)은 Si, Ge, Sn, Se, Te 등의 n형 도펀트가 도핑된 n형 반도체층일 수 있다.
활성층(150)은 제 1 도전형 반도체층(130) 상에 배치될 수 있다. 활성층(150)은 제 1 도전형 반도체층(130)을 통해서 주입되는 전자(또는 정공)와 제 2 도전형 반도체층(140)을 통해서 주입되는 정공(또는 전자)이 만나는 층이다.
활성층(150)은 자발분극을 가져 밴드 갭이 벤딩된 물질 일 수 있다. 활성층(150)은 예로서 Ⅲ-Ⅴ족, Ⅱ-Ⅵ족의 화합물 반도체 중 적어도 하나로 구현될 수 있다. 활성층(150)이 다중 우물 구조로 구현된 경우, 활성층(150)은 교대로 배치된 복수의 우물층과 복수의 장벽층을 포함할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 활성층(150)은 InxAlyGa1-x-yN (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 갖는 반도체 재료로 형성될 수 있다. 활성층(150)은 InGaN/GaN, GaN/AlGaN, AlGaN/AlGaN, InGaN/AlGaN, InGaN/InGaN의 페어 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
한편, 발광부(5a)에 배치되는 활성층(150)은 발광층일 수 있다. 즉, 발광부(5a)의 활성층(150)은, 전자와 정공이 재결합함에 따라, 활성층(150)의 형성 물질에 따른 밴드 갭(Band Gap) 차이에 의해서 빛을 생성할 수 있다.
또한, 광변조부(5b)에 배치되는 활성층(150)은 광흡수층일 수 있다. 즉, 광변조부(5b)의 활성층(150)은, 전자와 정공이 재결합함에 따라, 활성층(150)의 형성 물질에 따른 밴드 갭(Band Gap) 차이에 의해서 광을 흡수 또는 투과시킬 수 있다. 광변조부(5b)의 활성층(150)이 광을 흡수하는 경우, 출력단에서 출력되는 광의 세기가 약할 수 있다. 광변조부(5b)의 활성층(150)이 광을 투과하는 경우, 출력단에서 출력되는 광의 세기가 충분할 수 있다. 광변조부(5b)의 활성층(150)은 발광부(5a)의 활성층(150)으로부터 입력되는 광신호가 출력단에서 변조될 수 있도록 광을 흡수 또는 투과하는 역할을 할 수 있다.
이처럼, 본 발명에 따른 반도체 소자(100)에서, 활성층(150)은 광 도파로일 수 있다. 즉, 발광부(5a)의 활성층(150)에서는 광이 생성되고, 광변조부(5b)의 활성층(150)에서는 광이 변조된다. 광은 발광부(5a)의 활성층(150)으로부터 광변조부(5b)의 활성층(150)을 따라 제 1 방향(X축 방향)으로 이동할 수 있다.
한편, 활성층(150)은, 상부에서 바라봤을 때, 제 1 도전형 반도체층(130)보다 작은 면적을 가질 수 있다. 일반적으로 활성층(150)의 면적이 커질수록 커패시턴스가 커질 수 있다. 또한, 커패시턴스 값이 작아질수록 반도체 소자(100)의 고속 동작을 구현할 수 있다. 따라서, 활성층(150)은 제 1 도전형 반도체층(130) 상의 일부 영역에만 배치될 수 있다.
도 3에서는 활성층(150)의 장축 길이(X축 방향)와 제 1 도전형 반도체층(130)의 장축 길이가 동일하고, 활성층(150)의 단축 길이(Y축 방향)가 제 1 도전형 반도체층(130)의 단축 길이보다 짧게 형성된 것을 도시하였다. 그러나 이것으로 본 발명을 한정하는 것은 아니다.
제 2 도전형 반도체층(140)은 활성층(150) 상에 배치될 수 있다. 제 2 도전형 반도체층(140)은 Ⅲ-Ⅴ족, Ⅱ-Ⅵ족 등의 화합물 반도체 중 적어도 하나로 구현될 수 있다. 제 2 도전형 반도체층(140)은 예컨대 InxAlyGa1-x-yN (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 갖는 반도체 재료로 형성될 수 있다. 제 2 도전형 반도체층(140)은 예를 들어 GaN, AlN, AlGaN, InGaN, InN, InAlGaN, AlInN 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다. 제 2 도전형 반도체층(140)은 Mg, Zn, Ca, Sr, Ba 등의 p형 도펀트가 도핑된 p형 반도체층일 수 있다.
특히, 도 5를 참조하면, 제 2 도전형 반도체층(140)은, 발광부(5a)와 대응되는 제 1 영역(140a), 광변조부(5b)와 대응되는 제 2 영역(140b), 스페이서 영역(5c)과 대응되는 제 3 영역(140c)을 포함할 수 있다.
한편, 제 2 도전형 반도체층(140)은 활성층(150)과 접하는 제 1 면(140-1) 및 제 1 면(140-1)과 마주보는 제 2 면(140-2)을 포함할 수 있다. 스페이서 영역(5c)에는 제 2 도전형 반도체층(140)의 제 2 면(140-2)으로부터 일정 깊이를 갖는 홈(H)이 형성될 수 있다. 즉, 스페이서 영역(5c)은 에칭에 의하여 일정 깊이의 홈(H)이 형성된 영역일 수 있다. 또한, 스페이서 영역(5c)은 에칭이 이루어진 홈(H)의 일측 끝단과 타측 끝단 사이의 영역을 의미할 수 있다.
본 발명에 따른 반도체 소자(100)는 발광부(5a)와 광변조부(5b)가 기판(110) 상에 일체형으로 형성될 수 있다. 즉, 발광부(5a)와 광변조부(5b)의 광 도파로(활성층, 150)가 연속적으로 형성되므로 둘 사이의 간섭을 최소화하기 위한 구조가 필요할 수 있다. 따라서, 제 2 도전형 반도체층(140)의 일부는 발광부(5a)와 광변조부(5b)의 분리를 위하여 에칭될 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 반도체 소자(100)는, 발광부(5a) 및 광변조부(5b) 사이의 제 2 도전형 반도체층(140)의 일부를 에칭하여 스페이서 영역(5c)을 구성할 수 있다.
제 3 영역(140c)의 두께는 제 1, 2 영역(140a, 140b)의 두께보다 얇게 형성될 수 있다. 즉, 제 3 영역(140c)은 제 2 도전형 반도체층(140) 중 에칭되어 두께가 상대적으로 얇은 부분을 총칭할 수 있다. 따라서, 에칭된 제 3 영역(140c)의 최소 두께는 에칭되지 않은 제 1, 2 영역(140a, 140b)의 두께보다 얇을 수 있다.
제 3 영역(140c)이 제 1, 2 영역(140a, 140b)에 비하여 두께가 얇게 형성됨에 따라, 제 3 영역(140c)에서의 전기적 저항이 증가할 수 있다. 즉, 제 3 영역(140c)의 전류의 흐름이 최소화되고, 제 1, 2 영역(140a, 140b)이 전기적으로 절연될 수 있다. 따라서, 스페이서 영역(5c)에 의하여 제 1 방향으로의 전류의 흐름을 억제하고, 발광부(5a)과 광변조부(5b) 사이의 전기적 간섭을 최소화할 수 있다.
한편, 도 6에서는 제 3 영역(140c)과 제 1, 2 영역(140a, 140b)의 연결면이 경사면으로 도시되었다. 이는, 스페이서 영역(5c)의 제 2 도전형 반도체층(140)이 에칭될 때 중심부에서 에칭이 더 활발하게 이루어지기 때문일 수 있다. 그러나, 이것으로 본 발명을 한정하는 것은 아니며, 제 3 영역(140c)은 에칭 후 다양한 형태를 가질 수 있다.
제 2 도전형 반도체층(140)의 최소 두께(T2)는 최대 두께(T1)의 0.1 내지 0.5배일 수 있다. 여기서, 제 2 도전형 반도체층(140)의 최대 두께(T1)는 제 1 영역(140a) 또는 제 2 영역(140b)의 두께(최대 두께)일 수 있다. 또한, 제 2 도전형 반도체층(140)의 최소 두께(T2)는 제 3 영역(140c)의 최소 두께일 수 있다. 따라서, 제 2 도전형 반도체층(140)의 식각되는 최대 깊이(T3)는 최대 두께(T1)의 0.5 내지 0.9배일 수 있다.
제 2 도전형 반도체층(140)의 최소 두께(T2)가 최대 두께(T1)의 0.1배보다 얇을 경우, 광의 통로가 충분히 확보되지 못할 수 있다. 구체적으로, 광은 활성층(150)뿐만 아니라, 활성층(150)과 인접한 제 1, 2 도전형 반도체층(130, 140)의 일부 영역에도 퍼질 수 있다. 이는 광이 확산성을 갖기 때문일 수 있다. 즉, 광은 활성층(150) 및 이와 인접한 제 1, 2 도전형 반도체층(130, 140)의 일부 영역을 따라 이동하게 된다. 따라서, 제 3 영역(140c)의 두께가 너무 얇을 경우, 광의 통로가 너무 작아져 광 손실이 발생할 수 있다. 또한, 제 3 영역(140c)의 두께가 너무 얇아져 그 하부의 활성층(150)의 손상이 발생할 수 있다.
제 2 도전형 반도체층(140)의 최소 두께(T2)가 최대 두께(T1)의 0.5배보다 두꺼울 경우, 발광부(5a)와 광변조부(5b)의 절연이 이루어지지 않을 수 있다. 즉, 제 3 영역(140c)이 발광부(5a)와 광변조부(5b)의 간섭을 방지할 정도의 저항값을 갖지 못할 수 있다.
제 3 영역(140c)의 너비(D1)는 5 내지 50㎛일 수 있다. 여기서, 제 3 영역(140c)의 너비(D1)는 스페이서 영역(5c)의 너비(D1)일 수 있다. 즉, 제 3 영역(140c)의 너비(D1)은 발광부(5a)와 광변조부(5b) 사이의 이격 거리일 수 있다.
제 3 영역(140c)의 너비(D1)가 5㎛보다 작은 경우, 발광부(5a)와 광변조부(5b) 사이의 절연이 이루어지지 않을 수 있다. 즉, 발광부(5a)와 광변조부(5b)의 거리가 너무 가까워 둘 사이에 전기적 간섭이 발생할 수 있다.
제 3 영역(140c)의 너비(D1)가 50㎛보다 큰 경우, 발광부(5a)와 광변조부(5b) 사이의 광의 손실이 발생할 수 있다. 즉, 발광부(5a)와 광변조부(5b)의 거리가 너무 멀어 광 손실이 발생할 수 있다.
제 1 전극(161)은 제 1 도전형 반도체층(130) 상에 배치될 수 있다. 구체적으로, 제 1 전극(161)은, 제 1 도전형 반도체층(130) 중 활성층(150) 및 제 2 도전형 반도체층(140)이 배치되지 않은 영역에 배치될 수 있다. 제 1 전극(161)은 제 1 도전형 반도체층(130)과 전기적으로 연결될 수 있다. 제 1 전극(161)은 Ti, Ru, Rh, Ir, Mg, Zn, Al, In, Ta, Pd, Co, Ni, Si, Ge, Ag 및 Au와 이들의 선택적인 합금 중에서 선택될 수 있다.
제 2 전극(162a, 162b)은 반도체 구조물(120) 상에 배치될 수 있다. 제 2 전극(162a, 162b)은 제 1 전극(161)과 동일한 재질로 형성될 수 있다.
제 2 전극(162a, 162b)은 제 2-1 전극(162a) 및 제 2-2 전극(162b)을 포함할 수 있다. 여기서, 제 2-1 전극(162a)은 발광부(5a)에 배치되고, 제 2-2 전극(162b)은 광변조부(5b)에 배치될 수 있다. 즉, 제 2-1 전극(162a)은 제 2 도전형 반도체층(140)의 제 1 영역(140a)에 배치되고, 제 2-2 전극(162b)은 제 2 도전형 반도체층(140)의 제 2 영역(140b)에 배치될 수 있다. 제 2-1 전극(162a)과 제 2-2 전극(162b)은 서로 이격될 수 있다.
제 2-1 전극(162a) 및 제 2-2 전극(162b)은 제 2 도전형 반도체층(140)의 서로 이격된 영역에 각각 배치되어 서로 전기적으로 절연될 수 있다. 즉, 발광부(5a) 및 광변조부(5b)의 제 2 도전형 반도체층(140a, 140b)과 전기적으로 연결된 제 2 전극(162a, 162b)들은 스페이서 영역(5c)에 의하여 독립적으로 구동될 수 있다. 반면, 제 1 도전형 반도체층(130)과 전기적으로 연결된 제 1 전극(161)은 발광부(5a) 및 광변조부(5b)의 공통 전극으로 작용할 수 있다.
반사층(170)은 발광부(5a)와 광변조부(5b) 사이에 배치되는 제 2 도전형 반도체층(140) 상에 배치될 수 있다. 반사층(170)은 스페이서 영역(5c)의 제 3 영역(140c) 상에 배치될 수 있다. 즉, 반사층(170)은 제 2 도전형 반도체층(140)의 에칭된 영역 상에 배치될 수 있다. 또한, 반사층(170)은 제 3 영역(140c)뿐 아니라, 제 3 영역(140c)과 인접한 제 1, 2 영역(140a, 140b)의 일부에도 배치될 수 있다.
반사층(170)이 제 3 영역(140c)에 배치됨으로써, 두께가 상대적으로 얇은 제 3 영역(140c)에서의 광 손실이 최소화될 수 있다. 구체적으로, 광은 활성층(150)뿐만 아니라 그 주변의 일부 영역까지 확산되어 이동할 수 있다. 이 때, 스페이서 영역(5c)을 통과하는 광은, 발광부(5a)와 광변조부(5b) 사이의 구조 및 굴절율의 불연속성으로 인하여 산란되어 외부로 손실될 수 있다. 또한, 스페이서 영역(5c)에 배치되는 제 3 영역(140c)의 두께가 상대적으로 얇으므로, 광이 외부로 산란되어 손실될 수도 있다. 따라서, 스페이서 영역(5c)에 반사층(170)을 배치함으로써, 외부로 산란되는 광을 최소화할 수 있다.
이처럼, 본 발명에 따른 반도체 소자(100)는 반사층(170)을 통해 광이 내부로 반사되도록 함으로써, 광 손실을 최소화할 수 있다. 또한, 광출력을 향상시킴으로써 소모 전력을 줄이고, 발광부의 수명을 개선시킬 수 있다.
한편, 반도체 소자(100) 중 전극(161, 162a, 162b) 및 반사층(170)이 배치되지 않은 영역에는 절연층(미도시)이 배치되어 외부와의 전기적 절연이 이루어질 수도 있다.
도 7a는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 반도체 소자 중, 반사층의 제 1 변형예이다. 도 7b는 도 7a에 따른 반사층을 구성하여 SEM으로 관찰한 결과다.
도 7a를 참조하면, 제 1 변형예에 따른 반사층(170-1)은 복수의 제 1-1 층(171-1) 및 제 2-1 층(172-1)을 포함할 수 있다. 이 때, 제 1-1 층(171-1) 상에 제 2-1 층(172-1)이 배치될 수 있다. 제 1-1 층(171-1) 및 제 2-1 층(172-1)은 굴절률이 서로 다른 절연층일 수 있다. 반사층(170-1)은 서로 다른 굴절률을 갖는 제 1-1 층(171-1) 및 제 2-1 층(172-1)이 1회 이상 교대로 적층된 DBR(Distribute Bragg Reflector)일 수 있다.
반사층(170-1)의 굴절률은, 제 1-1 층(171-1)과 제 2-1 층(172-1)의 굴절률 차이가 클수록 상승할 수 있다. 따라서, 제 1-1 층(171-1)과 제 2-1 층(172-1)의 굴절률 차이가 클수록 반사층(170-1)을 이루는 층의 개수가 적더라도 반사율이 효과적으로 상승할 수 있다.
제 1-1, 2-1 층(171-1, 172-1)은 AxBy의 조성식을 가질 수 있다. 여기서, A는 Si, Ti, Al, Hf, Zr, Mg 중 선택된 어느 하나일 수 있고, B는 O, N, F 중 선택된 어느 하나일 수 있다. 또한, x는 1 내지 3 중 선택된 어느 하나일 수 있고, y는 1 내지 5 중 선택된 어느 하나일 수 있다.
제 1-1, 2-1 층(171-1, 172-1)의 각각의 두께는 λ/4n로 계산될 수 있다. 여기서, λ는 광 도파로(활성층, 150)를 통과하는 광의 파장을 의미하고, n은 반사층을 이루는 물질의 굴절률을 의미한다. 즉, 제 1-1 층(171-1) 및 제 2-1 층(172-1) 각각의 두께는 반도체 소자(100)에 적용되는 파장 및 각 층이 이루는 물질의 굴절률에 따라 변경될 수 있다.
반사층(170-1)의 전체 두께는 50nm 내지 3㎛일 수 있다. 반사층(170-1)의 두께가 50nm보다 작을 경우, 반사 성능이 저하되어 광 손실이 발생할 수 있다. 반사층(170-1)의 두께가 3㎛보다 클 경우, 반사 효율이 거의 상승하지 않으며, 공정 시간 및 공정 복잡성이 증가하여 공정의 효율성이 떨어질 수 있다.
특히, 도 7b를 참조하면, 제 1 변형예에 따라 반사층을 구성하고, 이를 SEM(Scanning Electron Microscope)으로 관찰한 결과를 확인할 수 있다. 관찰 결과, 반사층은 2개의 층이 교대로 4회 적층된 것을 확인할 수 있다. 여기서, 반사층은 SiO2/TiO2의 구조가 4회 적층된 것으로 구성되었다. 그러나, 이것으로 본 발명을 한정하는 것은 아니며, 상기에 개시된 AxBy 조성에 따라 다양한 구조의 반사층이 구성될 수 있다.
도 8은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 반도체 소자 중, 반사층의 제 2 변형예이다.
도 8을 참조하면, 제 2 변형예에 따른 반사층(170-2)은 제 1-2 층(171-2) 및 제 2-2 층(172-2)을 포함할 수 있다. 이 때, 제 1-2 층(171-2) 상에 제 2-2 층(172-2)이 배치될 수 있다.
제 1-2 층(171-2)은 SiO2, TiO2, Al2O3 중 선택된 어느 하나를 포함하는 유전층일 수 있다. 제 2-2층(172-2)은 Ag, Al 중 선택된 어느 하나를 포함하는 금속층일 수 있다. 즉, 반사층(170-2)은 굴절률이 상대적으로 낮은 제 1-2 층(171-2)과 굴절률이 상대적으로 높은 제 2-2 층(172-2)이 하나씩 적층된 OBR(Omni-directional Reflector)일 수 있다.
제 1-2 층(171-2) 및 제 2-2 층(172-2)의 두께는 앞서 설명한 바와 동일하게 λ/4n로 계산될 수 있다. 즉, 제 1-2 층(171-2) 및 제 2-2 층(172-2) 각각의 두께는 반도체 소자(100)에 적용되는 파장값 및 각각의 층이 이루는 물질의 굴절률에 따라 변경될 수 있다.
반사층(170-2)의 전체 두께는 50nm 내지 3㎛일 수 있다. 반사층(170-2)의 두께가 50nm보다 작을 경우, 반사 성능이 저하되어 광 손실이 발생할 수 있다. 반사층(170-2)의 두께가 3㎛보다 클 경우, 반사 효율이 거의 상승하지 않으며, 공정 시간 및 공정 복잡성이 증가하여 공정의 효율성이 떨어질 수 있다.
또한, 반사층(170-2) 중 제 2-2 층(172-2)의 두께는 10nm 내지 1㎛일 수 있다. 제 2-2 층(172-2)의 두께가 10nm보다 작을 경우, 반사 성능이 저하되어 광 손실이 발생할 수 있다. 제 2-2 층(172-2)의 두께가 1㎛보다 클 경우, 전기적 쇼트가 발생할 수 있다. 즉, 제 2-2 층(172-2)은 금속층으로 구성되므로, 두께가 너무 두꺼울 경우 절연을 위하여 형성되는 스페이서 영역(3c)에 배치하기에 적합하지 않을 수 있다.
한편, 앞선 제 1 변형예의 경우, 반사층(170-1)이 모두 절연층들로 구성될 수 있다. 반면, 제 2 변형예의 반사층(170-2)은 금속층을 포함할 수 있다. 즉, 반사층(170-2) 중 제 2-2 층(172-2)은 금속층으로 이루어질 수 있다. 따라서, 스페이서 영역(3c)의 절연을 위하여 제 2-2 층(172-2)의 두께를 적절히 제어할 필요가 있다.
도 9는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 반도체 소자 중, 도 4의 A 부분에 해당되는 영역의 확대도이다.
도 9를 참조하면, 제 2 도전형 반도체층(140)은, 발광부(5a)와 대응되는 제 1 영역(140a), 광변조부(5b)와 대응되는 제 2 영역(140b) 및 스페이서 영역(5c)과 대응되는 제 3 영역(140c)을 포함한다. 또한, 제 3 영역(140c) 상에는 절연부(245)가 배치될 수 있다. 더불어, 절연부(245) 상에는 반사층(170)이 배치될 수 있다.
즉, 본 발명의 제 2 실시예에 따른 반도체 소자는, 스페이서 영역(5c)에 절연부(245)가 형성되는 구성을 제외하고는 앞선 실시예와 동일하게 구성될 수 있다. 또한, 본 발명의 제 2 실시예에 따른 반도체 소자는, 앞서 설명한 도 7a 또는 도 8의 반사층의 구조가 적용될 수 있다.
제 2 도전형 반도체층(140)은 활성층(150)과 접하는 제 1 면(140-1) 및 제 1 면(140-1)과 마주보는 제 2 면(140-2)을 포함할 수 있다. 절연부(245)는 제 2 도전형 반도체층(140)의 제 2 면(140-2)으로부터 일정 깊이를 갖도록 형성될 수 있다. 즉, 절연부(245)는 제 2 도전형 반도체층(140)의 일부 영역(스페이서 영역에 배치된 영역)에 이온을 주입하여 일정 깊이를 갖도록 형성될 수 있다.
다시 말해서, 제 1 실시예서는 제 2 도전형 반도체층의 일부를 에칭하여 스페이서 영역(5c)을 형성하였으나, 제 2 실시예에서는 제 2 도전형 반도체층의 일부에 이온을 주입하여 스페이서 영역(5c)을 형성할 수 있다.
절연부(245)는 고저항 영역일 수 있다. 즉, 스페이서 영역(5c)과 대응되는 제 2 도전형 반도체층에 이온을 주입함으로써, 고저항 영역인 절연부(245)가 형성될 수 있다. 절연부(245)에 의하여 스페이서 영역(5c)에서의 전류의 흐름이 최소화될 수 있다. 또한, 절연부(245)에 의하여 발광부(5a)와 광변조부(5b) 사이의 전기적 간섭이 최소화될 수 있다. 주입되는 이온으로는, 대표적으로 수소 이온(H+)이 이용될 수 있으나, 이것으로 본 발명을 한정하지는 않는다.
스페이서 영역(5c)은 절연부(245)의 일측 끝단과 타측 끝단 사이의 영역을 의미할 수 있다. 스페이서 영역(5c)은 발광부(5a)와 광변조부(5b)를 분리할 수 있다. 한편, 제 3 영역(140c)은 스페이서 영역(5c)의 제 2 도전형 반도체층(140) 중, 이온 주입이 이루어지지 않은 영역일 수 있다.
스페이서 영역(5c)에 배치된 제 2 도전형 반도체층의 일부에 절연부(245)가 형성됨으로써, 제 3 영역(140c)의 두께는 제 1, 2 영역(140a, 140b)의 두께보다 얇게 구성될 수 있다. 이 때, 앞선 실시예와 마찬가지로, 제 3 영역(140c)의 최소 두께(T2)는 제 1, 2 영역(140a, 140b)의 두께(T1, 최대 두께)의 0.1 내지 0.5배일 수 있다. 따라서, 절연부(245)의 최대 두께(T3)는 제 1, 2 영역(140a, 140b)의 두께(T1)의 0.5 내지 0.9배일 수 있다. 여기서, 제 1, 2 영역(140a, 140b)의 두께는 제 2 도전형 반도체층(140)의 최대 두께를 의미할 수 있다.
절연부(245)의 최대 두께(T3)가 제 2 도전형 반도체층(140)의 최대 두께(T1)의 0.5배보다 작을 경우, 발광부(5a)와 광변조부(5b)의 절연이 이루어지지 않을 수 있다. 절연부(245)의 최대 두께(T3)가 제 2 도전형 반도체층(140)의 최대 두께(T1)의 0.9배보다 클 경우, 제 3 영역(140c)의 두께가 너무 얇아져 그 하부의 활성층(150)이 손상될 수 있다.
제 3 영역(140c)의 너비(D1)는, 앞선 실시예와 마찬가지로 5 내지 50㎛일 수 있다. 여기서, 제 3 영역(140c)의 너비(D1)는 스페이서 영역(5c)의 너비(D1)일 수 있다. 또한, 제 3 영역(140c)의 너비(D1)는 절연부(245)의 너비(D1)일 수 있다.
절연부(245)의 너비(D1)가 5㎛보다 작은 경우, 발광부(5a)와 광변조부(5b) 사이의 절연이 이루어지지 않을 수 있다. 절연부(245)의 너비(D1)가 50㎛보다 큰 경우, 발광부(5a)와 광변조부(5b) 사이의 광의 손실이 발생할 수 있다.
반사층(170)은 발광부(5a)와 광변조부(5b) 사이에 배치되는 스페이서 영역(5c)에 배치될 수 있다. 반사층(170)은 스페이서 영역(5c)의 제 3 영역(140c) 상에 배치될 수 있다. 반사층(170)은 절연부(245) 상에 배치될 수 있다. 즉, 절연부(245)는 제 3 영역(140c)과 반사층(170) 사이에 배치될 수 있다. 또한, 반사층(170)은 절연부(245)뿐 아니라, 절연부(245)와 인접한 제 1, 2 영역(140a, 140b)의 일부에도 배치될 수 있다.
반사층(170)이 절연부(245)에 배치됨으로써, 스페이서 영역(5c)에서의 광 손실이 최소화될 수 있다. 즉, 스페이서 영역(5c)을 통과하는 광은, 발광부(5a)와 광변조부(5b) 사이의 구조 및 굴절율의 불연속성으로 인하여 산란되어 외부로 손실될 수 있다. 따라서, 스페이서 영역(5c)에 반사층(170)을 배치함으로써, 외부로 산란되는 광을 최소화할 수 있다.
이처럼, 본 발명에 따른 반도체 소자(100)는 반사층(170)을 통해 광이 내부로 반사되도록 함으로써, 광 손실을 최소화할 수 있다. 또한, 광출력을 향상시킴으로써 소모 전력을 줄이고, 발광부의 수명을 개선시킬 수 있다.
<실험예>
본 발명에 따른 반도체 소자를 직접 구성하여 반사율 및 광 손실 여부를 관찰하였다. 이 때, 반도체 소자에는 앞서 설명한 도 6의 구조가 적용되었으며, 반사층에는 앞서 설명한 도 7a의 구조가 적용되었다.
표 1은 반사층의 구조를 나타낸 것이다. 도 10은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 반도체 소자 중, 반사층의 파장별 반사율을 나타낸 것이다. 도 11은 스페이서 영역에서의 광의 손실 여부를 반사층의 유무에 따라 관찰한 것이다.
실험예의 반도체 소자의 발광부에서 생성되는 광의 파장은 450nm일 수 있다. 즉, 아래의 실험 결과는 450nm의 파장을 기준으로 진행되었다. 그러나, 이것으로 본 발명을 한정하는 것은 아니며, 발광부는 이외의 다양한 파장의 광을 생성할 수 있다.
| 재질 | 굴절률 | 적층 횟수 | 두께(nm) | |
| 제 1 층 | TiO2 | 2.4 | 3 | 46.88 |
| 제 2 층 | SiO2 | 1.45 | 3 | 77.59 |
표 1에 개시된 바와 같이, 반사층은 TiO2/SiO2의 구조가 3회 적층되도록 구성되었다. 즉, 반사층은 “TiO2/SiO2/TiO2/SiO2/TiO2/SiO2”의 구조를 가질 수 있다. 또한, TiO2의 통상적인 굴절률은 2.4이고, SiO2의 통상적인 굴절률은 1.45이다. 따라서, 상기에서 개시한 바와 같이 λ/4n로부터 각각의 층의 두께가 계산될 수 있다.
표 1과 같이 구성된 반사층의 파장별 반사율을 도 10에 도시하였다. 특히, 450nm에서의 반사율은 거의 90% 수준인 것을 확인할 수 있다. 따라서, 스페이서 영역에 이러한 반사층을 배치하였을 경우, 광 손실이 감소하고 광 출력이 향상될 것임을 예상할 수 있다.
도 11을 참조하면, (a)의 경우, 스페이서 영역에 반사층을 배치하지 않고 광 손실 여부를 관찰한 것이고, (b)의 경우, 스페이서 영역에 반사층을 배치하여 광 손실 여부를 관찰한 것이다. 여기서, 반사층은 표 1에 따른 반사층일 수 있다.
(a)를 참조하면, 반사층이 없을 경우, 발광부(5a)와 광변조부(5b) 사이의 스페이서 영역(5c)에서 빛샘 현상이 관찰되었다. 즉, 반사층이 존재하지 않음으로써, 발광부(5a)에서 생성된 광이 광 도파로를 따라 광변조부(5b)로 이동하는 중 스페이서 영역(5c)에서 손실되는 것을 알 수 있다.
반면, (b)를 참조하면, 스페이서 영역(5c)에서 빛샘 현상이 거의 관찰되지 않았다. 즉, 반사층이 형성됨에 따라, 스페이서 영역(5c)의 광 도파로에서 외부로 향하는 광이 반사층에 의하여 내부로 반사됨으로써, 광 손실이 최소화되는 것을 알 수 있다.
이처럼, 본 발명에 따른 반도체 소자는 스페이서 영역에 반사층을 형성함으로써 광 손실을 최소화하고, 광 출력을 향상시킬 수 있다.
한편, 본 발명의 반사층은 실험예에 개시된 것만으로 한정되지는 않는다. 즉, 상기의 도 6 내지 도 9를 통해 설명된 다양한 구조의 반사층이 적용될 수 있다. 또한, 파장 별 반사율 값에 따라 원하는 파장과 반사율에 맞는 반사층이 선택될 수도 있다.
도 12는 본 발명에 따른 광송신 모듈의 개념도이다.
도 12를 참조하면, 본 발명에 따른 광 송신 모듈(5)은 반도체 소자(100), 렌즈 모듈(13) 및 출력 도파로(15)를 포함할 수 있다.
반도체 소자(100)는 앞서 설명한 구조를 포함할 수 있다.
렌즈 모듈(13)은 반도체 소자(100)와 출력 도파로(15) 사이에 배치될 수 있다. 렌즈 모듈(13)은 반도체 소자(100)로부터 제공되는 광 신호를 출력 도파로(15)에 제공하는 기능을 포함할 수 있다.
출력 도파로(15)는 렌즈 모듈(13)을 통해서 제공되는 광 신호를 외부로 출력할 수 있다. 출력 도파로(15)는 클래드와 코어를 포함할 수 있고, 렌즈 모듈(13) 및 반도체 소자(100)와 수직방향으로 나란하게 배치될 수 있다.
광 송신 모듈(5)은 제 1 커버부, 제 2 커버부 및 제 3 커버부(11A, 11B, 11C)를 포함할 수 있다. 제 1, 2, 3 커버부(11A, 11B, 11C)는 반도체 소자(100), 렌즈 모듈(13) 및 출력 도파로(15)를 각각 커버할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명에 따른 반도체 소자는 100m 이하의 10Gbps 고속 광통신으로 예컨대 홈 네트워크, 자동차 등의 근거리 고속 광통신용으로 사용될 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 반도체 소자는 일반적인 레이저 다이오드(발광부)의 제조비용 및 레이저 다이오드와 광변조기(광변조부)의 얼라인 신뢰성 문제를 개선할 수 있다.
이상에서 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100; 반도체 소자
5a; 발광부
5b; 광변조부 5c; 스페이서 영역
110; 기판 120; 반도체 구조물
130; 제 1 도전형 반도체층 140; 제 2 도전형 반도체층
140a, 140b, 140c; 제 1, 2, 3 영역 150; 활성층
161; 제 1 전극 162; 제 2 전극
170; 반사층 245; 절연부
5b; 광변조부 5c; 스페이서 영역
110; 기판 120; 반도체 구조물
130; 제 1 도전형 반도체층 140; 제 2 도전형 반도체층
140a, 140b, 140c; 제 1, 2, 3 영역 150; 활성층
161; 제 1 전극 162; 제 2 전극
170; 반사층 245; 절연부
Claims (18)
- 제 1 도전형 반도체층; 상기 제 1 도전형 반도체층 상에 배치되는 활성층; 상기 활성층 상에 배치되고, 서로 이격된 제 1 영역과 제 2 영역을 포함하는 제 2 도전형 반도체층을 포함하는 반도체 구조물;
상기 제 1 영역 상에 배치되는 제 2-1 전극; 및
상기 제 2 영역 상에 배치되는 제 2-2 전극을 포함하고,
상기 제 2 도전형 반도체층은, 상기 제 1 영역과 제 2 영역 사이에 배치되는 제 3 영역을 더 포함하며,
상기 제 3 영역의 두께는 상기 제 1 영역 및 제 2 영역의 두께보다 얇고,
상기 제 3 영역 상에 배치되는 반사층을 더 포함하는 반도체 소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 반도체 소자는, 발광부; 상기 발광부와 이격된 광변조부; 및 상기 발광부와 광변조부 사이의 스페이서 영역을 포함하고,
상기 발광부는 상기 제 1 영역을 포함하고, 상기 광변조부는 상기 제 2 영역을 포함하며, 상기 스페이서 영역은 상기 제 3 영역을 포함하는 반도체 소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 영역, 제 2 영역 및 제 3 영역은 제 1 방향을 따라 연속적으로 배치되는 반도체 소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 활성층은 상기 제 1 도전형 반도체층 상의 일부 영역에 배치되는 반도체 소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 3 영역의 최소 두께는 상기 제 1 영역 또는 제 2 영역의 두께의 0.1 내지 0.5배인 반도체 소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 3 영역의 너비는 5 내지 50㎛인 반도체 소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 3 영역은, 상기 제 1 영역 및 제 2 영역 사이에 배치되는 제 2 도전형 반도체층의 일부 영역을 에칭함으로써 형성되는 반도체 소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 영역 및 제 2 영역 사이에 배치되는 절연부를 더 포함하는 반도체 소자. - 제 8 항에 있어서,
상기 제 2 도전형 반도체층은, 상기 활성층 상에 배치되는 제 1 면; 및 상기 제 1 면과 마주보는 제 2 면을 포함하고,
상기 절연부는 상기 제 2 면으로부터 일정 깊이를 갖도록 배치되는 반도체 소자. - 제 8 항에 있어서,
상기 절연부는 상기 제 3 영역 및 반사층 사이에 배치되는 반도체 소자. - 제 8 항에 있어서,
상기 절연부의 최대 두께는 상기 제 1 영역 또는 제 2 영역의 두께의 0.5 내지 0.9배인 반도체 소자. - 제 8 항에 있어서,
상기 절연부는, 상기 제 1 영역 및 제 2 영역 사이에 배치되는 제 2 도전형 반도체층의 일부 영역에 이온을 주입함으로써 형성되는 반도체 소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 반사층은, 제 1 층; 및 상기 제 1 층 상에 배치되는 제 2 층을 포함하고,
상기 제 1 층과 제 2 층의 굴절률은 서로 상이한 반도체 소자. - 제 13 항에 있어서,
상기 반사층은, 상기 제 1 층 및 제 2 층이 적어도 1회 이상 교대로 배치되는 반도체 소자. - 제 13 항에 있어서,
상기 제 1 층 및 제 2 층은 절연층인 반도체 소자. - 제 13 항에 있어서,
상기 제 1 층은 유전층이고, 상기 제 2 층은 금속층인 반도체 소자. - 제 13 항에 있어서,
상기 반사층의 두께는 50nm 내지 3㎛인 반도체 소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 도전형 반도체층과 전기적으로 연결되는 제 1 전극을 더 포함하는 반도체 소자.
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