KR950013436B1 - 반도체 장치 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
내용 없음.
Description
제 1 도는 종래 반도체 장치의 단면도.
제 2 도는 이 발명에 따른 반도체 장치의 단면도.
제 3(a) ~ (d)도는 이 발명에 따른 반도체 장치의 제조 공정도이다.
이 발명은 반도체 장치 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 서브마운트(submount)에 탑재되는 측면 방출형 레이저 다이오드(edge emitting laser diode ; 이하 EE-LD라 칭함)의 레이저 빔을 반사하는 반사막내에 포토 다이오드(photo diode ; 이하 PD라 칭함)를 형성하여 패키지 공정을 단순화하고, 원가를 절감할 수 있는 반도체 장치 및 그 제조방법에 관한 것이다.
최근 정보통신의 발달로 초고주파, 초고속 컴퓨터 및 광통신 등의 중요성이 증대하고 있다. 그러나, 기존의 Si을 이용한 반도체소자는 이러한 필요를 만족시키는데 한계가 있어 물질특성이 우수한 화합물 반도체에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다.
InGaP, GaAs 및 InP 등과 같은 화합물 반도체는 Si에 비해 포화이동도(saturated drift velosity)가 크며, 전자 이동도(electron mobility)가 크고, 반절연성(~107Ω·cm)을 가지며, 저소비전력인 등의 동작특성이 있다. 또한 상기 화합물반도체와 같이 직접천이형 에너지 밴드갭(direct transition energy bandgap)을 갖는 물질은 전도대의 전자가 비전도대의 정공과 재결합할 때 빛을 방출하며, 발광 영역에 주입된 전하의 수명이 수 ns 정도로 아주 짧아 발광강도가 세고, 전류변화에 대한 광응답이 고속이므로 고속변조를 필요로 하는 분야 즉, 광통신의 광원 등에 널리 사용되고 있다. 상기 화합물 반도체로 형성하는 광소자에는 발광 다이오드(Light Emitting Diode) 및 레이저 다이오드(Laser Diode ; 이하 LD라 칭함) 등이 있다.
상기 발광 다이오드는 자연방출에 의해 빛을 내며, LD는 유도방출에 의해 레이저 빔을 방출한다. 따라서 LD에서 방출되는 레이저 빔은 간섭성, 단광성 및 지향성 등의 특성을 갖는다. 또한, 상기 LD는 고체 레이저 및 개스 레이저 등과 같은 일반적인 레이저에 비해, 소형이며, 광효율이 우수하고, 레이저 빔의 직접변조가 가능한 등의 특성이 있어 광통신 및 광디스크 메모리 등 그 이용분야가 확대되고 있다.
일반적으로 반도체기판과 수직하게 광을 방출하는 LD를 표면 방출형 LD(surface emitting LD ; 이하 SE-LD라 칭함)라 한다. 상기 SE-LD는 레이저 빔을 표면 방출하므로 2차원 어레이가 가능하다. 또한 금속-반도체 전계효과 트랜지스터(metal semiconduction FET ; MSFET), 고전자 이동도 트랜지스터(high electron mobility transister ; HEMT) 및 이종접합 바이폴라 트랜지스터(hetrojunction bipolar transister ; HBT) 등의 로직소자와 동일한 반도체 기판에 광-전기 직접회로(opto-electronic IC)를 형성하여 고속신호전달이 용이하다. 상기 SE-LD는 LD 내에 반사층을 별도로 형성하여 PN 접합면과 수직방향으로 광을 방출하는 구조로서 활성층에서 발생된 광이 자기 흡수되어 손실되지 않고 방출되므로 고출력을 얻을 수 있어 광섬유를 통한 광통신 분야에서 광원으로 사용되고 있다. 그러나 상기의 SE-LD는 제조공정이 복잡하고, 소자의 제현성이 떨어지는 문제점이 있어, 통상의 EE-LD의 레이저 빔을 반사막이나 하프밀러(half mirror)로 반사시켜 반도체 기판에 수직하게 레이저 빔이 방출되도록 하여 사용하였다.
제 1 도는 종래 반도체 장치의 단면도로서, Si 재질의 하부기판(13)의 일측에 45°각도의 경사면이 형성되어 있고, 상기 경사면 상에 반사막(12)이 형성되어 있으며, 통상의 EE-LD(11)가 상기 하부기간(13)상의 타측에 도전성 에폭시(14) 등으로 장착되어 있다. 또한 상기 EE-LD(11)가 장착된 하부기판(13)은 공통단자로 쓰이는 금속기판(14)의 일측에 부착되어 있으며, 상기 EE-LD(11)의 레이저 빔을 감지하기 위한 감지용의 PIN형 PD(monitering PIN PD ; 15)가 상기 금속기판(15)의 타측에 장착되어 있다.
상기 반사막(12)은 산화규소나 알루미나 등으로 형성된 것으로서, 상기 EE-LD(11)의 레이저 빔을 90°반사시켜 레이저 빔을 위쪽방향으로 향하도록 하였다. 또한 상기 하부기판(13)은 Si 기판으로서 상기 EE-LD(11)의 작동시 발생하는 열을 상기 금속기판(14)에 효과적으로 전달하는 방열의 효과가 있으며, 그 열팽창 계수가 상기 금속기판(14) 및 EE-LD(11)의 중간값인 물질로서 형성되어 있어 상기 금속기판(14) 및 EE-LD(11)간의 열팽창 계수의 차이에 의해 상기 EE-LD(11)가 떨어지거나 파괴되는 것을 방지한다.
상술한 종래의 반도체 장치는 EE-LD를 반사막이 형성되어 있는 하부기판에 장착하고, EE-LD의 뒷면에 PIN형 PD를 부착하여 레이저 빔을 위쪽으로 향하도록 한 것으로서, 패키지 공정시 EE-LD와 PIN형 PD를 각각 따로 본딩하여야 하므로 패키지 공정이 복잡하여 원가 상승의 문제점이 있다.
따라서 이 발명의 목적은 EE-LD를 서브 마운트의 반사면을 이용하여 레이저 빔을 수직으로 향하도록 하며, 상기 서브 마운트의 반사면을 수광소자로 이용하여 패키지 공정이 간단하여 제조단가를 낮출 수 있으며, EE-LD의 한쪽의 레이저 빔 방출면을 멀티 코팅하여 광출력을 향상시킬 수 있는 반도체 장치 및 그 제조방법을 제공함에 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 이 발명은 반도체 장치에 있어서 ; 제1도전형의 반도체 기판과, 상기 반도체 기판 상에 형성되어 있으며 상부면과 하부면 및 그 사이의 경사면으로 구성되어 있는 반도체층과, 상기 경사면의 반도체층에 제2도전형의 불순물로 형성되어 있는 확산영역을 구비하는 포토 다이오드와; 상기 경사면의 반도체층에 소정의 반사율을 갖도록 형성되어 있는 반사막과; 상기 반사막 상에 레이저 빔이 방출되도록 상기 반도체층 상에 장착되어 있는 측면방출형 레이저 다이오드를 구비하는 반도체 장치를 특징으로 한다.
또한 이 발명은 다른 목적을 달성하기 위하여 반도체 장치의 제조방법에 있어서; 제1도전형의 반도체기판 상에 반도체층을 형성한 후, 상기 반도체층의 일측을 소정두께 제거하여 경사면을 형성하고, 상기 경사면의 반도체층에 제2도전형의 불순물로 확산영역을 형성하여 상기 반도체 기판과 반도체층 및 확산영역을 포함하는 포토 다이오드를 형성하는 공정과; 상기 경사면의 표면에 소정의 반사율을 갖는 반사막을 형성하는 공정과; 상기 반도체층의 타측에 상기 반사면으로 레이저 빔이 입사되도록 측면방출형 레이저 다이오드를 부착하는 공정을 포함하는 반도체 장치의 제조방법을 특징으로 한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 이 발명에 따른 반도체 장치 및 그 제조방법을 상세히 설명한다.
제 2 도는 이 발명에 따른 반도체 장치의 단면도이다.
N+형 Si 반도체기판(21) 상에 불순물이 비교적 적게 포함된 N형 반도체층(22)이 Si로 200μm 정도 두께로 형성되어 있으며, 상기 N형 반도체층(22)의 일측이 150μm 정도 제거되어 45°의 각도로 경사면(23)이 형성되어 있고, 상기 경사면(23)의 N형 반도체층(22)에는 P+형의 불순물로 확산영역(24)이 10 ~ 20μm 정도의 깊이로 형성되어 있다. 이때 상기의 N+형 반도체기판(21), N형 반도체층(22) 및 P+형 확산영역(24)으로 PIN형 PD가 된다. 또한 상기 경사면(23)의 표면에는 반사율(reflexibility)이 90% 정도인 반사막(25)이 산화규소 또는 알루미나층이 여러층 적층되어 2000 ~ 5000Å 두께로 형성되어 있다. 또한 상기 경사면(23) 위쪽의 N형 반도체층(22)의 표면에는 산화규소 또는 질화규소로 절연층(26)이 형성되어 있으며, 상기 확산영역(24)상의 절연층(26)의 일부가 폭이 20 ~ 50μm 정도 제거되어 개구부(27)가 형성되어 있고, 상기 개구부(27)와 절연층(26) 상에는 PD 전극(28)이 형성되어 있다.
또한 InGaAsP, AlGaAs 또는 InP 등의 화합물 반도체로 형성된 통상의 EE-LD(31)의 양쪽의 레이저 방출면중의 한쪽면에 반사율이 99% 이상인 거울면(32)이 산화규소 또는 알루미나층이 일정한 두께로 적층되어 형성되어 있으며, 상기의 EE-LD(31)는 반사막(25)과 대응되도록 상기 N형 반도체층(22) 상에 부착되어 있다. 이때 상기 EE-LD(31)는 반사면(25)과 50 ~ 100μm 정도의 거리에 도전성 에폭시(33)나 금속층 등에 의해 부착되어 있으며, 상기 EE-LD(31)가 부착되어 있는 N+형 반도체 기판(21)은 금속기판(34) 상에 장착되어 패키지된다.
상기 반도체 장치의 동작을 살펴보면, 반사면(25)이 N+형 반도체 기판(21)과 45°의 각을 이루고 있으므로 EE-LD(31)에서 방출된 레이저 빔(30)은 반사면(25)에서 90%는 반사되어 N+형 반도체 기판(21)과 수직하게 방출되며, 나머지 10%의 레이저 빔(30)은 반사막(25)을 통하여 확산영역(24)으로 흡수된다. 이때 상기 확산영역(24), N형 반도체층(22) 및 N+형 반도체 기판(21)은 상기 EE-LD(31)의 레이저 빔(30)의 일부 흡수하여 레이저 빔의 세기를 감지하는 PIN형 PD이며, 동시에 EE-LD(31)가 장착되는 기판이다. 따라서, 별도의 감지용 PD를 구비하지 않아도 되며, 상기 N+형 반도체 기판(21)은 EE-LD(31)와 PIN형 PD의 공통전극이 되고, 상기 EE-LD(31)에서 발생되는 열을 효과적으로 방출시키는 히트 싱크이기도 하다. 또한 열 팽창 계수가 상기 EE-LD(31)와 금속기판(34)의 중간값으로 패키지 후에 금속기판(34)과의 열팽창 계수의 차이에 의해 EE-LD(31)가 떨어지거나 파괴되는 것을 방지한다.
상기와 같은 반도체 장치는 레이저 빔이 상기 N+형 반도체기판(21)과 수직하게 방출되고, 상기 EE-LD(31)와 PIN형 PD가 하나의 N+형 반도체기판(21)을 공통전극으로 사용하며, 서로의 어라인이 용이하므로 패키지 공정이 간단하다. 또한 상기 EE-LD(31)는 후면의 레이저 빔 방출면을 멀티 코팅하여 거울면(32)이 형성되어 있으므로 광효율이 높다.
제 3(a) ~ (d)도는 이 발명에 따른 반도체 장치의 제조 공정도이다.
제 3(a) 도를 참조하면, N형 불순물이 고농도로 포함되어 있는 N+형 Si 반도체 기판(41) 상에 통상의 에피택셜 방법으로 N형 불순물을 포함하는 N형 반도체층(42)을 200μm 정도 두께로 형성한다. 그 다음 상기 N형 반도체층(42)을 통상의 경사식각 방법으로 45°의 각도가 지도록 150μm 정도 제거하여 경사면(43)을 형성한 후, 상기 경사면(43)이 노출되도록 감광막패턴(44)을 형성한다.
제 3(b) 도를 참조하면, 상기 감광막패턴(44)에 의해 노출된 경사면(43)의 N형 반도체층(42)에 열확산이나 이온주입 등의 방법으로 P형 불순물을 침투시켜 P+형 확산영역(45)을 10 ~ 20μm 정도 깊이로 형성한 후, 상기 감광막패턴(44)을 제거한다. 이때 상기 N+형 반도체 기판(41)과 N형 반도체층(42) 및 P+형 확산 영역(45)은 EE-LD의 레이저 빔의 세기를 감지하는 PIN형 PD가 된다. 그 다음 상기 경사면(43) 상에 화학기상증착이나 물리기상증착의 방법으로 산화규소 또는 알루미나층을 여러겹으로 적층하여 반사율이 90%정도인 반사막(46)을 2000 ~ 5000Å 정도의 두께로 형성한다.
제 3(c) 도를 참조하면, 상기 경사면(46) 상부의 확산영역(45) 상에 20 ~ 50μm 정도의 개구부 (47)가 형성되도록 절연층(47)을 화학기상증착이나 물리기상증착의 방법으로 산화규소 또는 질화규소 등의 절연물질로 형성한 후, 상기 개구부(47)를 메우도록 PIN형 PD의 상부전극(49)을 형성한다. 그다음 InGaAsP, AlGaAs 또는 InP 등의 화합물 반도체로 형성된 통상의 EE-LD(50)를 상기 반사막(46)과 50 ~ 100μm 떨어진 위치의 반도체층(42) 상에 도전성 에폭시(52) 등으로 본딩한다. 이때 상기 EE-LD(50)의 한쪽 레이저 빔 방출면에는 멀티 코팅된 거울면(51)이 형성되어 있으며, 상기 거울면(51)은 LD바(bar) 상태에서 화학기상증착이나 물리기상증착의 방법으로 산화규소 또는 알루미나층을 적절한 두께로 여러겹으로 적층하여 반사율 99% 정도되게 형성한다.
제 3(d) 도를 참조하면, 상기 반도체층(42) 상에 상기 EE-LD(50)가 부착된 상기 N+형 반도체 기판(41)을 금속기판(55) 상에 도전성 에폭시 등으로 접착한다.
상술한 바와같이 이 발명은 측면 방출형 레이저 다이오드의 레이저 빔을 반사막으로 반사시키는 반도체 장치 및 그 제조방법에서, 반도체 기판 상에 소정두께의 반도체층을 형성한 후, 상기 반도체층을 45°기울기의 경사면이 형성되도록 식각하고, 상기 경사면의 반도체층에 확산영역을 형성하여 LD의 레이저 빔의 세기를 감지하는 PIN형 PD를 형성하였다. 그다음 상기 경사면 상에 소정의 반사율을 갖는 반사막을 형성하고, 레이저 빔 방출면 중 일측에 멀티 코팅으로 거울면이 형성되어 있는 통상의 측면 방출형 레이저 다이오드를 상기 반사막과 대응되도록 반도체층 상에 장착하였다.
따라서 제조공정이 간단한 통상의 측면 방출형 레이저 다이오드와, 반사막을 구비하는 하부기판을 사용하여 상기 측면방출형 레이저 다이오드의 레이저 빔의 세기를 감지하는 포토 다이오드를 형성하여 반사막을 투과하는 레이저 빔을 이용하므로 패키지 공정이 간단한 이점이 있다. 또한 상기 측면 방출형 레이저 다이오드의 레이저 방출면 중 후부면에 멀티코팅하여 반사율을 높여 광효율을 향상시킬 수 있는 이점이 있다.
Claims (9)
- 반도체 장치에 있어서; 제1도전형의 반도체 기판과, 상기 반도체 기판 상에 형성되어 있으며 상부면과 하부면 및 그 사이의 경사면으로 구성되어 있는 반도체층과, 상기 경사면의 반도체층에 제2도전형의 불순물로 형성되어 있는 확산영역을 구비하는 포토 다이오드와; 상기 경사면의 반도체층에 소정의 반사율을 갖도록 형성되어 있는 반사막과; 상기 반사막 상에 레이저 빔이 방출되도록 상기 반도체층 상에 장착되어 있는 측면방출형 레이저 다이오드를 구비하는 반도체 장치.
- 제 1 항에 있어서, 상기 반도체 기판 및 반도체층이 Si, GaAs 및 InP로 이루어지는 군에서 임의로 선택되는 하나의 반도체로 이루어지는 반도체 장치.
- 제 1 항에 있어서, 상기 반사막이 상기 측면 방출형 레이저 다이오드의 레이저 빔과 45°의 각을 이루는 반도체 장치.
- 제 1 항에 있어서, 상기 반사막이 90% 이상의 반사율을 갖는 반도체 장치.
- 제 1 항에 있어서, 상기 반사막이 산화규소 또는 알루미나로 이루어지는 군에서 임의로 선택되는 하나 또는 두개의 물질을 적층하여 형성되는 반도체 장치.
- 제 1 항에 있어서, 상기 측면 방출형 레이저 다이오드의 레이저 빔 방출면이 상기 반사막과 50 ~ 100μm 거리에 장착되어 있는 반도체 장치.
- 제 1 항에 있어서, 상기 측면방출형 레이저 다이오드의 레이저 빔 방출면 중 상기 반사막과 면하지 않은 방출면에 반사율이 99% 이상이 거울면이 형성되어 있는 반도체 장치.
- 제 7 항에 있어서, 상기 거울면이 산화규소 또는 알루미나로 이루어지는 군에서 임의로 선택되는 하나 또는 두개의 물질을 적층하여 형성되는 반도체 장치.
- 반도체 장치의제조방법에 있어서; 제1도전형의 반도체 기판 상에 반도체층을 형성한 후, 상기 반도체층의 일측을 소정두께 제거하여 경사면을 형성하고, 상기 경사면의 반도체층에 제2도전형의 불순물로 확산영역을 형성하여 상기 반도체 기판과 반도체층 및 확산영역을 포함하는 포토 다이오드를 형성하는 공정과; 상기 경사면의 표면에 소정의 반사율을 갖는 반사막을 형성하는 공정과; 상기 반도체층의 타측에 상기 반사면으로 레이저 빔이 입사되도록 측면방출형 레이저 다이오드를 부착하는 공정을 포함하는 반도체 장치의 제조방법.
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| KR940003062A (ko) | 1994-02-19 |
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