KR930000915B1 - 서브마운트를 겸한 수광다이오드 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

서브마운트를 겸한 수광다이오드

제1도는 본 발명에 의한 서브마운트를 겸한 수광다이오드의 제작과정 설명도.

제2도는 (a)(b)는 본 발명에 의한 서브마운트를 겸한 수광다이오드의 측면도 및 평면도.

제3도는 본 발명에 의한 서브마운트를 겸한 수광다이오드를 스탬에 조립한 상태의 구성도.

제4도는 동상의 요구 확대도.

제5도는 종래 수광다이오드의 제작과정 설명도.

제6도는 (a)(b)는 종래 수광다이오드의 구성 및 전위 분포(bias 상태)를 각각 보인 측면도 및 그래프.

제7도는 종래 서브마운트의 제작과정 설명도.

제8도 및 제9도는 종래 수광다이오드의 조립상태 측면도 및 정면도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : N⁺형 Si기판 1a : 단차부

2 : N^-형 에피택셜층 3 : 경사면

4 : P⁺확산층 4a : 경사면

5 : SiO₂층 5a : 개구부

6,7,8 : 전극 9 : 금속무늬

A : 수광다이오드부 B : 서브마운트부

본 발명은 수광다이오드에 관한 것으로, 특히 동일 기판에 수광다이오드 역할을 하는 수광다이오드부와 레이저 다이오드 방열판 역할을 하는 서브마운트 (Submount)부를 일체로 형성하여 레이저 다이오드의 조립성을 향상하도록한 서브마운트를 겸한 수광다이오드에 관한 것이다.

레이저 다이오드는 전류를 빛으로 변화시키는 반도체소자로서 정보처리나 광통신에 쓰여지고 있다.

전류를 빛으로 변화하는 반도체 재료로는 GaAs계의 화합물 반도체를 쓰고 있으며, 그것은 Si나 Ge이 간접천이형 에너지 구조를 가진데 비해 GaAs계의 화합물 반도체는 직접천이형 에너지 구조를 가져 발광효율이 높기 때문이다.

발광다이오드와는 달리 레이저 다이오드는 단일 위주의 파장을 얻어야 하므로 활성층이 얇게 되고 유도방출(반전분포)를 하기 위해서 고밀도 전류가 흐르게 된다. 이로 인해 레이저 다이오드는 열화되기 쉽고 온도에 따라 출력이 불안정하게 된다. 따라서 레이저 다이오드는 단일로서 사용하지 못하고 열을 흡수하기 위한 서브 마운트와 출력을 수광하여 안정하게 하는 수광다이오드가 함께 조립 되어지며 이로인해 조립공정이 복잡하게 된다.

종래의 수광다이오드는 제5도와 같이, N⁺형 Si기판(21)에 N^-형 절연층(22)을 성장시킨 후 P⁺형 확산층(23)을 확산하여 PIN 수광다이오드를 제작하고 있으며 이러한 PIN 수광다이오드는 PN 수광다이오드 보다 동작속도가 빠른 장점을 가지고 있다.

제5도에서 미설명 부호 24는 Si₃N₄반사방지막, 25는 n측 전극, 26은 p측 전극(Al)을 각각 보인 것이다.

상기한 바와같은 종래 수광다이오드는 제6도와 같이 상측 수광창으로 광이 입사하고 입사한 광은 P⁺형 확산층(23)을 지나 PN접합부(27) 경계면 근처의 공핍층(28)까지 도달하여 전자를 여기시켜 전도전류로 기여하게 된다. 또한 수광효율을 높이기 위해서 수광면적을 크게 하는데 보통 900×600(㎛²)정도의 크기가 되며 광의 흡수성을 증가시키기 위하여 반사방지막(Si₃N₄)(24)을 입히고 p측 전극 (Al)(26)을 작게 만들어 준다.

그리고 서브마운트는 제7도에 도시한 바와같이 N⁺형 Si기판(31)에 전극(32)이 접촉저항이 극히 낮도록 저항접촉을 하여 만들어지고, 크기는 레이저 다이오드의 2배인 600×600×150(㎛³)정도로 하고 있으며 두께는 수광다이오드의 위치에 따라 적절히 선택된다.

상기한 수광다이오드는 윗면의 평면을 통해 수광하고 레이저 다이오드는 접합면에 수직한 활성층을 통해 전, 후면으로 발광하므로 제8도와 같이 직각으로 조립되며, 레이저 다이오드(40)의 빛이 수광다이오드(20)에 입사하면서 동시에 반사광이 존재하는데 이 반사광이 출력광에 영향을 주게되므로 스템(50)의 수광다이오드 접합홈(51)을 12°정도로 경사지게 하여 출력광에 영향이 없도록 하고 있다.

서브마운트(30)는 레이저 다이오드(40)의 열을 흡수하도록 제8도와 같이 레이저 다이오드(20)의 밑면과 리드(52)사이에 접착되고, 이때 서브마운트(30)의 두께는 수광다이오드(20)에 입사하는 레이저 다이오드(40)의 광의 위치의 변수가 되므로 두께를 적절하게 조정한다.

그리고 각 리드(53)(54)에 와이어(55)를 본딩하여 전기적 연결을 해줌으로써 레이저 다이오드(40)에 전류를 인가할 수 있게 된다. 상기한 레이저 다이오드(40)의 전면부에서 발생한 광은 전류로 변환되고 리드(53)(52)를 통해 APC(Auto Power Control)회로등에 연결되어 레이저 다이오드(40)의 출력을 일정하게 유지시켜 주게 된다.

상기한 바와같은 종래의 소자는 서브마운트와 수광다이오드가 각각 필요하여 2개의 공정이 필요하므로 제조공정이 복잡하고 제조원가가 증가하는 문제점이 있었으며, 수광다이오드가 윗면의 수광창을 통하여 수광하므로 레이저 다이오드의 출력부와 수직위치가 되어 다이본딩이나 와이어 본딩 작업이 어렵고, 수광면에서 반사하는 광이 출력에 영향을 주지 않기 위해서 스템의 하부에 12°이상으로 경사진 홈이나 돌출부가 필요하게 된다.

본 발명은 상기한 바와같은 종래의 결함을 해소하기 위하여 창안한 것으로, 수광다이오드와 서브마운트를 각각 별도로 만들어 조립하던 것을 하나의 소자로 만들고 종래의 평면 수광에서 측면 수광을 이용한 서브마운트를 겸한 수광다이오드를 제작함으로써 생산성을 높이는 것을 목적으로 한다.

이러한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 서브마운트를 겸한 수광다이오드는 수광다이오드 역할을 하는 수광다이오드부와 레이저 다이오드의 방열 역할을 하는 서브마운트를 동일기판에 구비한 구성으로 되어 있다.

그리고, N⁺형 Si기판에 N^-형 에피택셜층을 형성하고 에칭깊이를 레이저 다이오드의 활성층 높이와 같에 가하여 측면 수광을 이용할 수 있도록 형성하고, 측면 수광의 효율을 증대시키기 위해 P⁺확산층을 PN 접합층에 대해 10°이상의 기울기로 형성하며, 조립성을 향상시키기 위하여 금속무늬를 요철형으로 형성한 구성으로 되어 있다.

이하, 이러한 본 발명을 첨부 도면에 의하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

제2도 (a)(b)는 본 발명에 의한 서브마운트를 겸한 수광소자의 구성을 보인 측면도 및 평면도를 보인것으로, 이에 도시한 바와같이, N⁺형 Si기판(1) 위에 일측부에는 N^-형에 피택셕층(2)이 형성되고, 타측부에는 단차부(1a)가 형성되어 있으며, N^-형 에피택셜층(2)과 단차부(1a)의 인접한 일측면은 소정경사각(α)으로 경사된 경사면(3)을 이루고 있다. 또한 N^-형 에피택셜층(2)에는 P⁺확산층(4)이 형성되고, 그 P⁺형 확산층 (4)의 저면은 소정경사각(θ)으로 경사된 경사면(4a)을 이루고 있다. 그리고 상기 N^-형 에피택셜층(2)의 일측부 상면에는 개구부(5a)를 가진 SiO₂층(5)이 형성되고 개구부(5a) 위에는 전극(6)이 형성되고, 상기 N⁺형 Si기판(1)의 단차부 (1a) 위에는 전극(7)이 형성되며, 상기 N⁺형 Si기판(1)의 하면에는 전극(8)이 형성되어 있다.

상기 N⁺형 Si기판(1)은 N⁺형(100) Si기판(1)을 사용하며, 이때 상기 경사면 (3) 의 경사각(α)은 35.3°가 되고, 상기 경사면(4a)의 경사각(θ)은 10°이상이 되도록 형성한다.

상기와 같이된 소자에서 A부는 수광다이오드 역할을 하고, B부는 서브마운트 역할을 하며, 그 서브마운트(B)위에는 레이저 다이오드(10)가 접합된다.

상기에서 전극(6)(7)은 금속을 증착하여 형성하며 요철형상의 빗금무늬형 금속무늬(9)로 형성하며 조립성을 향상시킬 수 있도록 한다.

제3도는 본 발명에 의한 서브마운트를 겸한 수광다이오드를 수템(11)에 결합한 상태를 보인 것이고, 제4도는 동상의 요부 확대도로서 이에 도시한 바와같이, 스템(11)에는 리드(12)(13)(14)가 고정되고, 상기 제2도의 수광다이오드는 리드(13)에 n측 전극(8)이 고정되며, 리드(12)는 p측 전극(6)과 Au 와이어(15)로 연결되고 리드(14)는 전극(7)과 Au 와이어(15)로 연결된다.

이하, 본 발명에 의한 서브마운트를 겸한 수광다이오드의 제조방법을 설명하면 제1도와 같이, N⁺형(100) Si기판(1)에 N^-형 에피텍셜층(2)을 성장시키고 (b)에 도시한 바와같이 확산공정에 의하여 P⁺형 확산층(4)을 형성하고 이때 P⁺형 확산층(4)의 경사면(4a)는 경사각(θ)이 10°이상이 되게 형성한다. 다음에 포토에칭(photo etchi ng) 공정에 의하여 (c)와 같이 일부면을 에칭한다. 에칭은 습식의 경우 에칭액으로 HN O₃+6HF 및 KOH+H₂O등이 널리 쓰인다. 이때에는 다음과 같은 반응이 일어난다.

Si+HNO₃+6HF→H₂SiF₆+HNO₂+H₂+H₂O(100)기판을 쓰면 에칭경사각(α)은 수직면을 기준으로 35.3°가 되어진다.

다음에 (c)와 같이 SiO₂층(5)을 형성하고 그 SiO층(5)에 개구부(5a)를 형성한 후 금속을 증착하여 전극(6)(7)(8)을 형성하여 서브마운트를 겸한 수광다이오드를 만든다.

이와같이 하여 제2도(a)(b)와 같은 서브마운트를 겸한 수광다이오드가 제조되며 이러한 수광다이오드에서 제조된 서브마운트를 겸한 A부는 수광다이오드, B부는 서브마운트 역할을 담당하며 서브마운트 역할을 담당하는 B부는 레이저 다이오드의 2배인 400-600㎛정도의 길이로 되고 두께는 200-280㎛정도로 하면 된다. 그리고 수광다이오드 역할을 하는 A부의 가로는 600-700㎛정도, 세로 500-650㎛정도, 두께는 220-380㎛정도이면 된다. 에칭깊이는 레이저 다이오드의 활성층 높이로 하되 공차는 일반공차면 충분하게 된다. 기본적인 크기의 예는 600×1100×300(㎛³)이 되게 된다.

재질은 Si로서 열전도도가 300K에서 1.5W/Cm℃로 GaAs의 0.46W/Cm℃ 보다 3배이상 크므로 서브마운트(B)에서 흡수하는데 큰 무리가 없다. 제2도 (b)에서 금속무늬(9)는 레이저 다이오드의 기준 및 필요에 따라 Si 래진(Resin)등의 코팅기준이 되도록 하였을 뿐아니라 금속증착시 PN 접합부에 증착됨을 최대로 억제하도록 고려한 것이다. P⁺의 확산 형상은 접합면에 수평으로 하지 않고 기울기를 10°이상 되도록 함으로서 측면 수광의 효율을 증대시키도록 하였다.

상기한 바와같은 본 발명의 서브마운트를 겸한 수광다이오드는 리드(13)(14)를 통해 레이저 다이오드(10)에 전류를 인가하면 제2도와 같이 레이저 다이오드(10)의 활성층 전.후로 빛이 나오게 되고, 전면에서 나온 광온 캡(cap)의 투명유리를 통해 외부로 나오는 출력광이 된다. 후면의 광은 수광다이오드부(A)의 측면으로 입사되어 PN 접합부의 공핍층(16)에 에너지를 주어 전자를 여기시켜 전도전류로 기여한다. 이 전류는 제3도의 리드(12)(13)를 통해 APC(Auto Power Control) 회로등에 연결되어 리드 (13)(14)를 통해 전류를 증감하게 하여 레이저 다이오드(10)의 출력이 안정하게 하도록 모니터 하게 된다. 제2도에서는 a는 출력광, b는 모니터광을 표시한 것이다.

레이저 다이오드의 재질은 GaAs의 굴절율이 약 3.7, 공기의 굴절율은 1, Si의 굴절율은 약 3.5로서 굴절율차에 의한 반사및 프레넬(Frenel) 회절등이 있게 된다. 그러므로 Si와 GaAs 사이에 R1604, JCR등의 Si 투명래진을 써서 흡수효율 및 신뢰성을 향상시킬 수 있다. 또 측면에서 반사된 광은 측면의 경사각(α)의 35.3°이어서 출력광과 다른 방향으로 반사되므로 반사광의 문제는 해결 가능하다.

레이저 다이오드(10)에서 발생된 열은 서브마운트(B)에서 흡수하게 되어 제3도의 리드(13)에 전달되어진다. 제3도의 리드(12)는 기존의 길이보다 길게하면 수광다이오드부(A) 와 와이어 본딩을 용이하게 할 수 있다.

레이저 다이오드(10)의 모니터광이 수광다이오드(A)의 경사면 (3)에 입사하여 PN 공핍층(16)에 보다 많이 도달하게 하기 위하여 기존의 일직선 방식에서 경사각(θ)을 10°이상되도록 하였으며, 이로서 측면 수광효율이 증대되었다.

이상에서 설명한 바와같은 본 발명을 실시함에 있어서는 제2도와 같은 소자를 서브마운트부(B)를 제거하고 직접측면 수광기능만을 이용할 수 있다. 그리고 서브마운트부(B)의 윗면 전극을 직접 리드(13)와 연결하여 접촉 저항을 감소시킬 수 있고, 서브마운트(B)에 Si-GaAs-Al GaAs의 에피택셜 성장을 통해 레이저 다이오드를 직접 형성함으로써 소자를 간소화할 수 있으며, 수광부 측면에 반사 방지막을 증착하거나 레이저 다이오드 본딩후 투명 에폭시로 코팅하여 광효율을 향상할 수 있다. 또한, 금속무늬(9)의 패턴을 용도에 맞도록 여러가지 형상으로 변환시킬 수 있고 서브마운트부(B)의 C부분에 홈을 파서 절연효과를 확실하게 할 수 있다.

Claims (4)

1. 하나의 N⁺형 Si기판(1)의 일측에는 그 저면이 외측으로 상향경사지게 경사면 (4a)으로 형성된 P⁺확산층(4)과 이 P⁺확산층(4)의 상면에 형성된 SiO₂(5)을 포함하는 수광다이오드부(A)를 구비하고, 타측에는 모니터광 ″b″이 수광다이오드부(A)의 측면을 향하며 출력광 ″a″이 외측을 향하는 레이저 다이오드부(B)를 구비하여서 됨을 특징으로 하는 서브마운트를 겸한 수광다이오드.
2. 제1항에 있어서, 상기 P⁺확산층(4)은 기판(1)의 일측부에 형성된 N^-형 에피텍셜층(2)내에 형성되며, 이 에피텍셜층(2)의 레이저 다이오드부(B)를 향하는 측면이 경사면(3)으로 되고, 상기 Sio₂층(5)에는 개구부(5a)가 형성되며, 상기 레이저 다이오드부 (B)는 N⁺Si기판(1)의 타측부에 형성되는 단차부(1a)위에 형성되는 전극 (7)위에 설치되고, 상기 Sio₂층(5)의 개구부(5a)위와 상기 N⁺형 Si기판(1)의 하면에는 전극(6)(8)이 형성되는 것을 특징으로 하는 서브마운트를 겸한 수광다이오드.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 N⁺형 Si기판(1)에는 N⁺형(100) Si기판이 사용되며, 상기 경사면(3)의 경사각(α)은 35.3°이고, 상기 경사면(4a)의 경사각(θ)은 10°이상인 것을 특징으로 하는 서브마운트를 겸한 수광다이오드.
4. 제2항에 있어서, 상기 전극(6)(7)(8)은 요철형상의 빗금무늬형 금속무늬(9)로 형성되는 것을 특징으로 하는 서브마운트를 겸한 수광다이오드.

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