KR920020697A - 화합물반도체장치 - Google Patents

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Abstract

내용 없음.

Description

화합물반도체 장치
제1도는 종래의 화합물 반도체장치의 단면도.
제2도는 이 발명에 따른 화합물 반도체장치의 단면도.
제3도는 제2도의 등가회로도.
제4도는 이 발명에 따른 다른 실시예의 화합물 반도체장치의 단면도.
이 발명은 화합물 반도체장치에 관한 것으로써, 특히 레이저 다이오드의 수직구조속에 이종접합 바이폴라 트랜지스터를 구성시켜 단일 칩(Chip)화한 화합물 반도체장치에 관한 것이다.
최근 정보통신사회로 급격히 발전해감에 따라 초고속 컴퓨터, 초고주파 및 광통신에 대한 필요성이 더욱 증가되고 있다. 그러나, 기준 Si를 이용한 소자로는 이러한 필요성을 만족시키는데 한계가 있기 때문에 물질특성이 우수한 화합물 반도체에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다.
상기 화합물 반도체중 GaAs는 고전자이동도(High Electron Mobility), 고전자 속도 및 반절연성등의 우수한 물성특성을 갖고 있으므로 Si에 비해 동작속도가 빠르고 소비전력이 작으므로 군사용이나 우주통신에 유리하다. 따라서, GaAs의 우수한 물질특성을 이용하여 여러종류의 소자들이 개발되고 있다.
상기 개별소자로는 레이저 다이오드(Laser Diode : 이하 LD라 칭함), 금속 반도체 전계효과 트랜지스터(Metal Semiconductor Field Effect Transistor : 이하 MESFET라 칭함), 이종접합 바이폴라 트랜지스터(Heterojunction Bipolar Transistor : 이하 HBT라 칭함) 및 델타도프드 전계효과 트랜지스터(Delta Doped Feild Effeet Transistor : 이하 δ-FET라 칭함)등이 있다.
상기 LD는 충분한 순방향전류를 흘려주면 PN접합으로 이루어진 이득매질에서 전자와 정공이 재결합되어 빛을 유도방출하는 것으로 접속된(Coherent)광의 특성과 작은 크기를 가지므로 광통신과 신호처리분야에서 광원(Light Source)으로 널리 이용되고 있다.
또한, HBT는 에너지 밴드 갭(Energy Band gap)이 큰 에미터(Emitter)와 에너지 밴드갭이 작은 베이스(Base)의 이종접합을 이용하는 것으로 베이스에서 에미터로 정공의 유출을 방지하고, 에미터에서 베이스로 전자의 유입을 쉽게하므로 에미터의 전자주입효율을 증가시켜 전류의 이동을 증가시킨다. 따라서, 상기 HBT는 LD의 구동소자로 이용될 수 있는데, 광신호를 발생시키기 위한 LD의 구동은 HBT의 위치에 따라 외부구동과 내부구동으로 구분된다. 상기 외부구동은 LD와 HBT를 접착(Bonding) 및 도선(Wiring)공정에 의해 하이브리드(Hybrid)화하여 동작시키는 것이고, 내부구동은 LD 와 HBT를 동일칩상에 집적하여 동작시키는 것이다.
상기 외부구동방법은 고속동작시 기생정전용량에 의한 노이즈(Noise)의 발생으로 소자들이 오동작하거나, 또는 고장나기 쉽고 개별 소자들을 하이브리드화에 따른 생산가격의 상승과 면적이 커지는 문제점이 있다. 따라서, LD와 HBT를 동일칩상에 집적하여 LD을 내부구동시키므로 상기와 같은 문제점들을 해결할 수 있는 OEIC(Optoelectronic Intergrated Circuit)의 연구가 활발히 진행되고 있다.
제1도는 종래의 화합물 반도체장치의 단면도로써, 이 화합물 반도체장치는 자기정합형 HBT와 LD를 집적화한 OEIC이다. 상기 화합물 반도체장치의 구조를 상세히 설명한다. 제1도를 참조하면, 상기 화합물 반도체장치는 HBT가 형성되는 영역(H)과 LD가 형성되는 영역(L)으로 나누어지며 반절연성 GaAs기판(1)은 공통기판이 된다. 상기 반절연성 GaAs기판(1)의 표면에 N+형 GaAs층(3)이 형성되어 있으며, 이 N+형 GaAs(3) 표면의 HBT 영역(H)에 콜렉터영역이 되는 N형 AlGaAs층(5), 베이스영역이 되는 P+형 GaAs층(7), 에미터영역이 되는 N형 AlGaAs층(9) 및 캡영역이 되는 N+형 GaAs층(11)이 각각 순차적으로 형성되어 있다.
상기 N+형 GaAs층(3)은 HBT 영역(H)에서 부콜렉터영역이 된다. 그리고, 상기 캡영역으로 이용되는 N+형 GaAs층(11) 상부의 소정부분에 T자형의 에미터전극(17)이 형성되어 있고, 이 에미터전극(17)을 이온주입 마스크로 이용하여 상기 N형 AlGaAs층(5)과 소정두께 겹쳐 형성된 N+영역(13)이 형성되어 있다.
상기 P+영역(13)의 표면에 베이스전극(18)이 형성되어 있으며, N+형 GaAs층(3)이 노출된 부분의 일측에 H2등의 이온이 주입된 소자분리영역(15)이 형성되어 있다. 또한 N+형 GaAs층(3)의 LD영역(L)상에 N형 클래드영역이 되는 N형 AlGaAs층(5), 활성영역이 되는 P형 또는 N형 GaAs층(23), P형 클래드영역이 되는 P형 AlGaAs층(25) 및 캡영역이 되는 P+형 GaAs층(26)이 각각 적층되어 있다.
상기에서 N형 GaAs층(3)은 버퍼영역 된다. 상기 P+형 GaAs층(26)상에 소정부분을 제외하고 절연막(28)이 형성되어 있으며, 상기 절연막(28)의 하부에 상기 N형 AlGaAs층(5)과 겹치는 고저항영역(27)이 형성되어 있다.
그리고, 상기 절연막(28)의 상부에 소정부분에 P+형 GaAs층(26)과 접촉되는 P형 전극(29)이 형성되어 있으며, 상기 HBT 영역(H)과 LD영역(L)의 사이에 상기 N+형 GaAs층(3)이 노출되도록 형성된 홈(21)의 바닥상에 HBT의 콜렉터전극과 LD의 N형 전극으로 이용되는 공통전극(19)이 형성되어 있다.
상술한 자기정합형 HBT와 LD를 OEIC화한 화합물 반도체장치는 광통신등의 시스템에 사용된다. 상기 화합물 반도체장치에서 LD는 광을 출력하고 HBT는 고출력 증폭하여 이 LD의 구동을 용이하게 하는 것으로 동일 칩상에 형성하므로 고속동작시 정전기생용량을 최소화하여 오동작 및 고장을 방지하며, 생산비의 절감과 면적이 축소된다. 그러나, 상기 화합물 반도체 장치는 HBT는 LD를 각각의 영역에 형성되어 있으므로 칩의 면적이 커지는 문제점이 있었다. 또한 상기 화합물 반도체 장치는 구조가 복잡하고 토폴로지(Topology)가 나쁜 문제점이 있었다.
따라서, 이 발명의 목적은 HBT의 면적은 배제하여 칩의 면적을 최소화할 수 있는 화합물 반도체장치를 제공함에 있다.
이 발명의 다른 목적은 양호한 토폴로지를 가지는 화합물 반도체장치를 제공함에 있다.
이 발명의 또다른 목적은 낮은 드레쉬홀드 전류를 가지는 화합물 반도체장치를 제공함에 있다.
상기 목적들을 달성하기 위한 이 발명에 따른 화합물 반도체장치의 특징은, 제1도전형의 화합물 반도체 기판과, 상기 화합물 반도체기판의 상부에 형성되며 하부 클래드 층이 되는 제1도전형의 제1화합물 반도체층과, 상기 제1화합물 반도체층의 상부에 형성되며 빛을 발생하는 제2화합물 반도체층과, 상기 제2화합물 반도체층의 상부에 형성되며 상부 클래드층이 되는 제2도전형의 제3화합물 반도체층 및 상기 화합물 반도체기판의 하부에 형성된 제3전극이 구비된 레이저 다이오드부와 ; 상기 제3화합물 반도체층의 상부에 형성되며 베이스영역이 되는 제1도전형의 제4화합물 반도체층과 상기 제4화합물 반도체층의 상부에 형성되며 에미터 영역이 되는 제2도전형의 제5화합물 반도체층과, 상기 제5화합물 반도체층 상부의 소정부분에 형성되는 제2도전형의 제1전극과, 상기 제5화합물 반도체층상의 상기 제1전극의 양측에 형성되는 제1도전형의 제2전극들과, 상기 제2전극들의 하부에 상기 제3화합물 반도체층과 소정두께가 겹치도록 형성되어 상기 제4화합물 반도체층과 전기적으로 연결시키는 고농도의 제1도전형 영역과, 상기 레이저다이오드부와 공유하며 콜렉터 영역이 되는 제3화합물 반도체층이 구비된 이종접합 바이폴라 트랜지스터부를 동일 칩상에 집적시킨 점에 있다.
이하, 이 발명에 따른 화합물 반도체 장치의 하나의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
제2도는 이 발명에 따른 화합물 반도체 장치의 하나의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 제2도는 이 발명에 따른 화화물 반도체 장치의 단면도이다. 상기 화합물 반도체 장치는 구동소자인 HBT와 광소자인 LD를 동일칩상에 형성한 OEIC이다. 제2도를 참조하면, Ge 또는 Zn등의 불순물이 IE17∼IE18이온/cm2정도가 도핑되고 <100>의 방향성을 가지는 P+형 GaAs의 화합물 반도체기판(31)이 있다. 상기 화합물 반도체기판(31)의 상부에 P형 AlxGa1-xAs으로 이루어진 제1반도체층(35), N형 AlxGa1-xAs으로 이루어진 제3화합물 반도체층(37), P+형 GaAs으로 이루어진 제4화합물 반도체층(39) 및 N형 AlxGa1-xAs으로 이루어진 제5화합물 반도체층(41)이 적층되어 있다.
상기 제5화합물 반도체층(41)의 소정부분상에 Ge/Mo/W로 이루어진 제1전극(45)이 형성되어 있으며, 이 제1전극(45)이 양측에 Au/Mn으로 이루어진 제2전극(47)들이 형성되어 있다. 상기 제2전극(47)들의 하부에 제3화합물 반도체층(37)과 소정두께가 겹치는 P+형 영역(43)이 있다. 또한, 상기 화합물 반도체기판(31)의 하부 표면에는 Au/Zn으로 이루어진 제3전극(49)이 형성되어 있다.
상기 제1 및 제2전극들(45)(47)은 HBT의 에미터 및 베이스 전극들이고, 제3전극(49)은 LD의 P형 전극이다. 또한, 상기 제2화합물 반도체층(35)은 전자와 정공의 재결합에 의해 빛을 발생하는 LD의 활성영역이고, 제1 및 제3화합물 반도체층(33)(37)은 상기 발생된 빛의 도파로로 이용되는 P형 및 N형 클래드 영역으로 이용되는 것으로 이 제1 및 제3화합물 반도체층(33)(37)이 제2화합물 반도체층(35)보다 에너지 밴드 갭이 커야 한다.
따라서, 상기 제1 및 제3화합물 반도체층(33)(37)이 제2화합물 반도체층(35)보다 Al이 더 많이 함유되어야 하므로 1≥X＞ Y≥0의 조건을 만족시켜야 한다. 또한 상기 제3화합물 반도체층(37)은 HBT의 콜렉터 영역으로도 이용되며, 제4화합물 반도체층(39)은 베이스영역이고, 제5화합물 반도체층(41)은 에미터영역이다.
상기에서 제4화합물 반도체층(39)에서 제5화합물 반도체층(41)으로 정공이 유입되는 것을 방지하고, 제5화합물 반도체층(41)에서 제4화합물 반도체층(39)으로 전자의 유입을 쉽게하기 위하여 이 제5화합물 반도체층(41)의 Al의 함유량을 많게한다.
따라서, 상기 제5화합물 반도체층(41)의 Al함유량을 나타내는 Z(0＜Z＜1)는 클수록 좋으나 상기 제3화합물 반도체층(37)의 X와 거의 비슷한 크기를 갖는다. 또한, 상기 제4화합물 반도체층(39)은 정공의 흐름을 빠르게 하기 위해 얇게 형성된다.
상술한 화합물 반도체 장치는 LD의 수직구조속에 HBT를 집적시키므로 칩의 면적을 대폭 줄일수 있으며, 또한 제1 및 제2전극들(45)(47)이 제5화합물 반도체층(41)상에 형성되므로 토포그래피를 개선할 수 있다.
제3도는 제2도의 등가회로도이다. 제3도를 참조하여 제2도의 화합물 반도체장치의 동작을 설명한다. 상기 제1전극(45)과 제2전극(47)의 사이에 순방향 바이어스(forward bias)를, 제1전극(45)과 제3전극(49)의 사이에 역방향 바이어스(reverse bias)를 각각 인가한다.
따라서, 정공들이 상기 제2전극(47)으로 주입되어 P형 영역(43)를 통해 상기 제4화합물 반도체층(39)으로 흐르고, 전자들이 제1전극(45)으로 주입되어 제5화합물 반도체층(41)으로 이동된다. 이때, 상기 전자들이 다수 캐리어이고, 정공들이 소수 캐리어가 된다. 그러므로 상기 제4화합물 반도체층(39)의 정공들은 제5화합물 반도체층(41)의 전자들의 일부와 재결합하여 전류통로를 형성한다.
그리고, 상기 재결합되지 않고 남은 전자들이 상기 제3화합물 반도체층(37)으로 이동되어 상기 제3전극(49)을 통해 주입되는 정공들과 제2화합물 반도체층(35)에서 재결합하여 빛을 발생한다. 이때, 상기 발생된 빛은 에너지 밴드 갭의 차이에 의해 상기 제2화합물 반도체층(35)에 한정되며 제2전극(47)을 통해 주입되는 정공들의 수에 빛의 세기가 비례한다. 따라서, HBT에 의해 LD의 빛의 세기를 조절할 수 있다.
제4도는 이 발명에 따른 다른 실시예의 화합물 반도체 장치의 단면도이다. 제4도를 참조하면, 상기 실시예에 따른 화합물 반도체장치는 제2도와 같은 화합물 반도체장치에다 화합물 반도체 기판(31)과 제1화합물 반도체층(33)사이에 드레쉬홀드 전류(Threshold Current)를 낮게하기 위한 제6화합물 반도체층(51)을 더 구비한 것이다. 상기 제6화합물 반도체층(51)은 N형 GaAs로 이루어지며 상기 제1전극(45)의 수직축과 대응하는 부분에 상기 화합물 반도체기판(31)의 소정깊이까지 이루어진 스트라이트(Stripe)형태로 형성되어 있다. 상기 제6화합물 반도체층(51)은 소정깊이까지 이루어진 V채널이 스트라이프(Stripe)형태로 형성되어 있다. 상기 제6화합물 반도체층(51)은 상기 제3전극(49)을 통해 주입되는 정공의 흐름을 방지하여 상기 V채널을 통해서만 흐르게 하므로 드레쉬홀드 전류를 낮출수 있게 된다. 또한, 상기 화합물 반도체 장치의 등가회로는 제3도와 같게 된다.
상술한 바와같이 상기 화합물 반도체장치는 LD의 수직구조속에 HBT를 형성시켜 여러층들을 서로 공유하도록 함으로써 토포그래피가 평탄해지고 HBT에 의해 LD를 고속으로 구동시키며, 또한, LD에서 정공의 흐름을 방지하는 층을 더 구비하여 소정부분으로만 정공이 흐르도록 한다.
따라서, 이 발명은 화합물 반도체장치의 면적을 대폭 축소할 수 있으며 평탄한 토포그래피를 얻을 수 있는 이점이 있다. 또한, 이 발명은 LD에서 정공의 흐름을 제한함으로써 드레쉬홀드전류를 낮출 수 있는 이점이 있다.

Claims (7)

  1. 제1도전형의 화합물 반도체기판과, 상기 화합물 반도체기판의 상부에 형성되며 하부 클래드 층이 되는 제1도전형의 제1화합물 반도체층과, 상기 제1화합물 반도체층의 상부에 형성되며 빛을 발생하는 제2화합물 반도체층과, 상기 제2화합물 반도체층의 상부에 형성되며 상부 클래드층이 되는 제2도전형의 제3화합물 반도체층과, 상기 화합물반도체기판의 하부에 형성된 제3전극이 구비된 레이저다이오드부; 상기 제3화합물반도체층의 상부에 형성되며 베이스영역이 되는 제1도전형의 제4화합물반도체층과, 상기 제4화합물반도체층의 상부에 형성되며 에미터 영역이 되는 제2도전형의 제5화합물반도체층과, 상기 제5화합물반도체층 상부에 소정부분에 형성되는 제2도전형의 제1전극과, 상기 제5화합물반도체층상부의 상기 제1전극의 양측에 형성되는 제1도전형의 제2전극들과, 상기 제2전극들의 하부에 상기 제3화합물반도체층과 소정두께가 겹치도록 형성되어 상기 제4화합물반도체층과 전기적으로 연결시키는 고농도의 제1도전형 영역과, 상기 레이저 다이오드부와 공유하며 콜렉터영역이 되는 제3화합물반도체층이 구비된 이종접합 바이폴라 트랜지스터부를 동일 칩상에 집적시킨 화합물반도체장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 이종접합 바이폴라 트랜지스터부를 레이저 다이오드부와 수직구조로 형성함을 특징으로 하는 화합물 반도체 장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 이종접합 바이폴라 트랜지스터부가 레이저 다이오드부를 구동시키는 것을 특징으로 하는 화합물 반도체장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 제4화합물 반도체층에 주입되는 소수 캐리어의 양에 빛의 세기가 비례함을 특징으로 하는 화합물 반도체장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 제5화합물 반도체층의 에너지 밴드갭과 제3화합물 반도체층의 에너지 밴드갭을 거의 비슷하게 함을 특징으로 하는 화합물 반도체장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 화합물 반도체기판과 제1화합물 반도체층사이에 V채널을 신장시켜 상기 화합물 반도체기판을 노출시킴으로써 형성된 제2도전형의 제6화합물 반도체층을 구비함을 특징으로 하는 화합물 반도체장치.
  7. 제6항에 있어서, 상기 V채널이 상기 제1전극의 수직축과 대응되어 형성됨을 특징으로 하는 화합물 반도체장치.
    ※ 참고사항 : 최초출원 내용에 의하여 공개되는 것임.
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