KR100613194B1 - 마이크로렌즈가 집적된 광전소자 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 알루미늄을 함유한 화합물 반도체의 선택적 산화를 이용한 마이크로렌즈를 제작하고, 제작된 마이크로 렌즈를 광전소자 상에 집적하여 제조하기 위한 것으로, 이를 위한 본 발명은, 반도체 기판상에 하부 분산된 브래그 거울, 활성층, 알루미늄 산화물, p형 오믹 접촉층, 상부 분산된 브래그 거울을 순차적으로 적층하여 수직 공진 표면발광레이저를 형성하는 제1과정과, 형성된 수직 공진 표면발광레이저 상에 알루미늄의 함유율을 증가시키면서 성장시킨 화합물 반도체 산화 가능 층을 형성하고, 화합물 반도체 산화 가능 층상에 알루미늄을 함유하지 않는 화합물 반도체 층을 형성하며, 형성된 반도체 층 구조 위에 감광제 패턴을 형성하고, 패턴을 마스크로 식각하며, 감광제를 제거하고, 화합물 반도체 산화 가능 층을 습식 산화하여 제작된 마이크로 렌즈를 집적시키는 제2과정을 포함한다. 따라서, 초소형 고밀도의 마이크로렌즈 어레이의 제작이 가능하고, 마이크로렌즈가 광전소자와 자기정렬 구조로 집적할 수 있어 저가의 마이크로렌즈가 집적된 광전소자의 제작이 가능하며, 광통신, 광연결 시스템의 패키징 비용을 절감시키고 성능을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
Description
도 1은 종래 마이크로렌즈 제작방법을 위한 단면도이고,
도 2는 종래 마이크로렌즈가 집적되어 제작된 수직공진 표면발광레이저를 도시한 단면도이며,
도 3 내지 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 알루미늄을 함유하는 화합물 반도체의 산화를 이용한 마이크로렌즈의 공정 과정에 대하여 도시한 도면이며,
도 7은 본 발명에 따른 알루미늄을 점진적으로 증가시키면서 성장시킨 화합물 반도체 산화 가능 층을 도시한 도면이며,
도 8 및 도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 알루미늄을 함유하는 화합물 반도체 산화를 이용하여 제작한 마이크로렌즈를 광전소자에 집적 제조하는 방법에 대하여 도시한 도면이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10 : 반도체 기판 20 : 화합물 반도체 산화 가능 층
30 : 알루미늄을 함유하지 않는 화합물 반도체 층
100 : 반도체 기판 200, 700 : 브래그 거울
300 : 활성층 400 : 알루미늄 산화물
500 : p형 오믹 접촉층 600 : 상부전극
800 : 전류 주입구 900 : 하부전극
본 발명은 마이크로렌즈가 집적된 광전소자 제조방법에 관한 것으로, 특히 알루미늄을 함유한 화합물 반도체의 선택적 산화를 이용한 마이크로렌즈 및 마이크로렌즈가 집적된 광전소자를 제조할 수 있도록 하는 방법에 관한 것이다.
통상적으로, 마이크로렌즈는 수 밀리 정도 이하의 크기를 갖는 미세한 렌즈를 의미하고, 이 미세한 렌즈는 광학장치에 있어서 각종 광 시스템, 즉 광학소자, 혹은 광학부품 등과 조합하여 사용하는 것이다. 이러한 광 시스템은 점차적으로 그 크기가 작아지면서 광전소자 및 광소자의 집적은 필수가 되었으며, 이에 따라 마이크로렌즈의 필요성과 응용분야가 증가하고 있는 실정이다.
다시 말하여, 마이크로렌즈는 광통신시스템에서 광섬유와 광원의 결합효율을 증가시키기 위해 광원에 집적되어 전체적인 패키징 비용을 절감시키고, 광검출기에 집적되어 빛을 광검출기의 활성층에 모이게 함으로써 광검출기의 효율을 증가시키고, 이미지 센서의 칼라 필터 상부에 마이크로렌즈를 형성함으로써 이미지 센서의 광감도를 높여주는 역할을 한다.
또한, 마이크로렌즈는 광연결(optical interconnection) 시스템에서도 필요성을 갖는다. 즉, 수직공진 표면발광 레이저(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser, VCSEL)는 자체 구조의 장점들로 인하여 병렬 광연결 시스템의 이상적인 광원으로 각광받고 있다. 특히 산화막 전류 주입구를 갖는 표면발광 레이저는 작은 활성영역으로 인해 낮은 문턱전류, 높은 전광 변환효율, 단일모드 동작 등의 장점을 가지고 있다.
그러나, 산화막 전류 주입구를 갖는 표면발광 레이저는 표면으로부터 방출된 레이저빔의 퍼짐이 커 자유공간 광연결 시스템에 응용 시 채널간 크로스토크(crosstalk)를 증가시키고 광전송 거리와 광정렬 허용오차에 제약을 가한다. 또한, 광도파로를 빛의 전달 매질로 갖는 칩간 광연결 시스템에서 광원과 광도파로간의 결합효율도 레이저빔의 퍼짐 현상에 의해 제약을 받는다. 이에, 마이크로렌즈를 사용하여 레이저빔을 집속함으로써 이러한 제약을 감소시킬 수 있다. 특히 마이크로렌즈를 광전소자에 집적시킴으로써 시스템의 패키징 비용을 절감할 수 있는 요건을 만들어야 할 필요성이 있다.
도 1은 종래 마이크로렌즈 제작방법을 위한 단면도로서, 도 1a를 참조하면, 포토 리소그라피(Photo lithography)를 이용하여 반도체 기판(2)상에 고분자 물질의 원통형 패턴(1)을 형성하고, 이후, 이를 가열하여 리플로우(Reflow) 시켜, 도 1b에 도시된 바와 같이 고분자 물질의 표면장력에 의해 곡면의 표면을 갖는 고분자 물질 마이크로렌즈(1-1)를 형성하거나, 또는 도 1c에 도시된 바와 같이 형성된 고분자 물질 마이크로렌즈(1-1)를 건식 식각하여 렌즈 모양을 기판에 전달함으로써 기판이 렌즈 형태를 갖도록 마이크로렌즈를 제작한다. 그리고, 도 2는 도 1에 도시된 방법으로 제작된 마이크로렌즈가 집적된 수직공진 표면발광레이저를 도시한 단 면도로서, n형 반도체 기판(S201) 상에 하부 분산된 브래그 거울(S202), 활성층(S203), 전류 주입구(S205) 형성을 위한 알루미늄 산화물(S204), p형 오믹 접촉층(S206)이 순차적으로 적층되어 있으며, p형 오믹 접촉층(S206) 상에 p형 상부전극(S207)이 적층되어 있고, 기판(S201)의 후면에 n형 하부전극(S208) 및 무반사 코팅막(S209)이 형성되어 있어 있으면서, 출력 레이저빔의 출사각을 감소시킴으로써 부가적인 외부 렌즈 없이 광통신, 혹은 광연결 시스템에 응용할 수 있다.
한편, 마이크로렌즈 제조방법으로 공개된 기존 선행 기술로는 공개번호 특2002-016113으로 공개된 "마이크로렌즈 제조방법"과, 공개번호 특1996-0030448로 공개된 "마이크로렌즈가 형성된 광집적 소자 및 그의 제조방법"에 개시되어 있다.
즉, 특2002-016113으로 공개된 마이크로렌즈 제조방법은 실리콘 기판 위에 마이크로 단위의 미세구조를 지닌 예비 플라스틱 제품을 예비 성형하는 단계; 성형공정으로부터 플라스틱 제품의 예비성형이 완료되면 그 제품을 리플로우 방식에 의하여 곡률을 가지는 렌즈형상을 지닌 마스터로 제조하는 단계; 리플로우 공정을 통해 렌즈 형상을 지닌 마스터의 제조가 완료되면 그 윗면에 전기주조를 위한 전도체 형성용 시드 메탈층을 코팅하고 전기주조를 실행하는 단계; 전기 주조를 통하여 렌즈의 반대 형상을 지닌 몰드인서트를 제작하는 단계; 몰드인서트를 기초로 마이크로렌즈를 성형하는 단계를 거쳐 최종적으로 마이크로렌즈를 제작할 수 있는 기술적 특징을 갖는다.
그리고, 특1996-0030448로 공개된 마이크로렌즈가 형성된 광집적 소자 및 그의 제조방법은 GaAs 계열의 반도체 기판에 SiO2 또는 SiN4 재질의 멜트벡 마스크를 형성하고 선택적 멜트벡 식각에 의해 반도체 기판에 반구형 식각면을 형성하는 공정; 반도체 기판의 하단부에 에피텍시공정에 의해 에피층을 성장시키고 전기한 에피층에 유전체박막을 형성하여 유전체박막에 콘텍트 패턴을 형성한 후 유전체박막 상에 금속을 증착하여 에피층측 전극을 형성하는 공정; 전기 반도체 기판의 상단부를 NH4OH, H2O2 및 H2O를 포함하는 식각용액으로 식각하고 식각된 반도체 기판의 상단부에 AuGe/Ni/Au의 n형 금속을 열증착하여 기판측 전극을 형성하는 공정; 반도체 기판 상단부에 형성된 기판측 전극에서 프론트 투 백 사이드 얼라이닝 기법으로 렌즈가 노출되는 위치의 금속을 제거한 후 NH4OH 및 H2O2를 포함하는 식각용액으로 선택적 용액식각에 의해 마이크로렌즈가 노출될 때까지 반도체 기판의 상단부를 식각하는 공정; 상술한 공정에 의해 제조된 광집적소자를 급속가열하여 저항성 접촉을 형성하는 공정을 포함하는 기술적 특징을 갖는다.
그러나, 상술한 마이크로렌즈 제조방법으로 공개된 기존 선행 기술은 렌즈 사이의 거리가 짧을 경우, 렌즈들이 서로 접촉하게 되어 원하는 렌즈형태를 만들 수 없어 고밀도 마이크로렌즈 어레이의 제작이 불가능하다. 또한, 반도체 기판 쪽으로만 마이크로 렌즈의 형성이 가능하기 때문에 기판 밑면에서의 산란을 줄이기 위해 밑면을 연마해야 하고, 기판에서 파브리-페롯 (Fabry-Perot) 공진기 효과를 없애기 위해 무반사 막을 코팅한 후 렌즈를 형성해야 하고, 또한 리소그라피 시 광전소자와 렌즈를 정확히 정렬해야 하므로 집적 공정이 복잡하다는 문제점을 갖는다.
따라서, 본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 그 목적은 알루미늄을 함유한 화합물 반도체의 선택적 산화를 이용한 마이크로렌즈를 제작하고, 제작된 마이크로 렌즈를 광전소자 상에 집적하여 제조할 수 있도록 하는 마이크로렌즈가 집적된 광전소자 제조방법을 제공함에 있다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 관점에서의 마이크로렌즈 제조방법은 반도체 기판상에 알루미늄의 함유율을 증가시키면서 성장시킨 화합물 반도체 산화 가능 층을 형성하는 제1과정과, 화합물 반도체 산화 가능 층상에 알루미늄을 함유하지 않는 화합물 반도체 층을 형성하는 제2과정과, 형성된 반도체 층 구조 위에 감광제 패턴을 형성하고, 패턴을 마스크로 식각하는 제3과정과, 감광제를 제거하고, 화합물 반도체 산화 가능 층을 습식 산화하여 마이크로렌즈를 제작하는 제4과정을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 관점에서의 마이크로렌즈가 집적된 광전소자 제조방법은 반도체 기판상에 하부 분산된 브래그 거울, 활성층, 알루미늄 산화물, p형 오믹 접촉층, 상부 분산된 브래그 거울을 순차적으로 적층하여 수직 공진 표면발광레이저를 형성하는 제1과정과, 형성된 수직 공진 표면발광레이저 상에 알루미늄의 함유율을 증가시키면서 성장시킨 화합물 반도체 산화 가능 층을 형성하고, 화합물 반도체 산화 가능 층상에 알루미늄을 함유하지 않는 화합물 반도체 층을 형성하며, 형성된 반도체 층 구조 위에 감광제 패턴을 형성하고, 패턴을 마스크로 식각하며, 감광제를 제거하고, 화합물 반도체 산화 가능 층을 습식 산화하여 제작된 마이크로 렌즈를 집적시키는 제2과정을 포함하는 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명의 실시예는 다수개가 존재할 수 있으며, 이하에서 첨부한 도 면을 참조하여 바람직한 실시 예에 대하여 상세히 설명하기로 한다. 이 기술 분야의 숙련자라면 이 실시 예를 통해 본 발명의 목적, 특징 및 이점들을 잘 이해하게 될 것이다.
도 3 내지 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 알루미늄을 함유하는 화합물 반도체의 산화를 이용한 마이크로렌즈의 공정 과정에 대하여 도시한 도면이다.
도 3을 참조하면, 반도체 기판(10) 상에 도 7과 같이, 알루미늄을 점진적(예컨대, 공간적 점진)으로 증가시키면서 성장시킨 화합물 반도체 산화 가능 층(20)을 형성한다.
다음으로, 도 4에 도시된 바와 같이, 화합물 반도체 산화 가능 층(20)상에 알루미늄을 함유하지 않는 화합물 반도체 층(30)을 형성한다.
이후, 도 5를 참조하면, 도 3 및 도 4에 의해 형성된 화합물 반도체 층(30) 구조 위에 리소그라피(lithography) 공정을 통하여 원형의 감광제(Photo Resist, PR) 패턴(40)을 형성하고, 이 패턴(40)을 마스크(Mask)로 화합물 반도체 산화 가능 층(S20) 및 화합물 반도체 층(S30)이 노출 되도록 메사(mesa) 구조로 식각한다. 여기서, 메사 구조는 원형 메사 형태, 사각형 메사 형태로 이루어진다.
마지막으로, 도 6과 같이, PR을 제거하고, 측면이 드러난 화합물 반도체 산화 가능 층(S20)을 측면으로부터 고온에서 선택적으로 습식 산화하면, SS20 및 S50에 도시된 단면도와 같이, 알루미늄 함유율이 증가함에 따라 산화속도는 지수적으로 증가하고 알루미늄 산화물의 굴절율은 약 1.7정도로 작으므로 구면 렌즈 모양의 단면 구조을 갖는다. 여기서, 산화가능층(S20)의 알루미늄 함유율을 적절히 조절하 여 렌즈의 모양을 비구면 렌즈로 형성할 수도 있다.
한편, 도 7은 도 3에서 반도체 기판(10) 상에 알루미늄을 점진적으로 증가시키면서 성장시킨 화합물 반도체 산화 가능 층(20)을 보다 상세하게 도시한 도면으로서, 알루미늄 조성비를 정확하게 하고, 그리고 산화 시 수직 방향의 산화를 억제하여 구면 렌즈 모양을 얻기 위해 3원소, 혹은 4원소 화합물의 조성비를 2원소 화합물의 두께로서 조절하는 디지털 합금(Digital Alloy)으로 성장시킨다. 즉, 알루미늄 함유율을 점진적으로 순차 증가(20-1에서 20-n)시키며, 그 사이에 알루미늄을 함유하지 않는 화합물 반도체 층(30-1에서 30-n-1)을 성장시킨다.
도 8 및 도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 알루미늄을 함유하는 화합물 반도체의 산화를 이용하여 제작한 마이크로렌즈를 광전소자(예로, 반도체 레이저 다이오드, 발광 다이오드, 광 검출기, VCSEL 등)에 자기정렬 구조로 집적 제조하는 방법에 대하여 도시한 도면이다.
먼저, 도 8을 참조하면, 산화막 전류 주입구(800)를 갖는 VCSEL(S100)의 구조이다.
VCSEL(S100)의 구조에 대하여 보다 상세하게 설명하면, 즉 n형 반도체 기판(100) 상에 하부 분산된 브래그 거울(Distributed Bragg Mirror)(200), 활성층(300), 전류 주입구(800) 형성을 위한 알루미늄 산화물(400), p형 오믹(Ohmic) 접촉층(500), 상부 분산된 브래그 거울(700)이 순차적으로 적층되어 있으며, p형 오믹 접촉층(500) 상에 p형 상부전극(600)이 적층되어 있고, 기판(100)의 후면에 n형 하부전극(900)이 형성되어 있다.
VCSEL(S100)의 구조에 대하여 보다 상세하게 설명하면, 즉 n형 반도체 기판(100) 상에 하부 분산된 브래그 거울(Distributed Bragg Mirror)(200), 활성층(300), 전류 주입구(800) 형성을 위한 알루미늄 산화물(400), p형 오믹(Ohmic) 접촉층(500), 상부 분산된 브래그 거울(700)이 순차적으로 적층되어 있으며, p형 오믹 접촉층(500) 상에 p형 상부전극(600)이 적층되어 있고, 기판(100)의 후면에 n형 하부전극(900)이 형성되어 있다.
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상술한 바와 같이, 형성된 VCSEL(S100)의 구조상에 도 3 내지 도 6에 의해 제작된 알루미늄 함유율을 점진적으로 증가시키면서 성장시킨 화합물 반도체의 산화를 이용한 마이크로렌즈를 도 9에 도시된 바와 같이 VCSEL(S100)상에 집적시켜 제작할 수 있다.
여기서, 알루미늄을 함유하는 산화 가능 층(SS20)의 산화속도는 알루미늄 함유율을 조절함으로써 조절이 가능하기 때문에 전류제한을 위한 산화 가능층의 성장 시 알루미늄 함유율을 조절하여 소자제작 시 한번의 산화 공정으로 전류 주입구(800)를 위한 알루미늄 산화물 형성과 마이크로렌즈를 위한 알루미늄 산화물 형성이 동시에 이루어지게 할 수 있다.
따라서, 알루미늄을 함유한 화합물 반도체의 선택적 산화를 이용한 마이크로렌즈를 제작하고, 제작된 마이크로 렌즈를 광전소자 상에 집적하여 제조함으로써, 초소형 고밀도의 마이크로렌즈 어레이의 제작이 가능하고, 마이크로렌즈가 광전소자와 자기정렬 구조로 집적될 수 있어 저가의 마이크로렌즈가 집적된 광전소자의 제작이 가능하며, 광통신, 광연결 시스템의 패키징 비용을 절감시키고 성능을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 사상 및 특허청구범위 내에서 권리로서 개시하고 있으므로, 본원 발명은 일반적인 원리들을 이용한 임의의 변형, 이용 및/또는 개작을 포함할 수도 있으며, 본 명세서의 설명으로부터 벗어나는 사항으로서 본 발명이 속하는 업계에서 공지 또는 관습적 실시의 범위에 해당하고 또한 첨부된 특허청구범위의 제한 범위내에 포함되는 모든 사항을 포함한다.
상기와 같이 설명한 본 발명은 알루미늄을 함유한 화합물 반도체의 선택적 산화를 이용한 마이크로렌즈를 제작하고, 제작된 마이크로 렌즈를 광전소자 상에 집적하여 제조함으로써, 초소형 고밀도의 마이크로렌즈 어레이의 제작이 가능하고, 마이크로렌즈가 광전소자와 자기정렬 구조로 집적될 수 있어 저가의 마이크로렌즈가 집적된 광전소자의 제작이 가능하며, 광통신, 광연결 시스템의 패키징 비용을 절감시키고 성능을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
Claims (15)
- 마이크로렌즈 제작방법으로서,반도체 기판상에 알루미늄의 함유율을 증가시키면서 성장시킨 화합물 반도체 산화 가능 층을 형성하는 제1과정과,상기 화합물 반도체 산화 가능 층상에 알루미늄을 함유하지 않는 화합물 반도체 층을 형성하는 제2과정과,상기 형성된 반도체 층 구조 위에 감광제 패턴을 형성하고, 상기 패턴을 마스크로 식각하는 제3과정과,상기 감광제를 제거하고, 상기 화합물 반도체 산화 가능 층을 습식 산화하여 마이크로렌즈를 제작하는 제4과정을 포함하는 마이크로렌즈 제작방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 제1과정의 화합물 반도체 산화 가능 층은, 알루미늄 함유율을 순차 성장시키며, 상기 순차 성장되는 사이에 알루미늄을 함유하지 않는 화합물 반도체 층을 성장시켜 형성하는 것을 특징으로 하는 마이크로렌즈 제작방법.
- 제 2 항에 있어서,상기 화합물 반도체 산화 가능 층은, 3원소 혹은 4원소 화합물의 조성비를 2원소 화합물의 두께로서 조절하는 디지털 합금으로 성장하는 것을 특징으로 하는 마이크로렌즈 제작방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 제3과정에서의 식각은, 상기 화합물 반도체 산화 가능 층 및 화합물 반도체 층이 노출 되도록 하는 메사(mesa) 구조인 것을 특징으로 하는 마이크로렌즈 제작방법.
- 제 4 항에 있어서,상기 메사 구조는, 원형 메사 형태 및 사각형 메사 형태인 것을 특징으로 하는 마이크로렌즈 제작방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 렌즈는, 구면 렌즈 모양인 것을 특징으로 하는 마이크로렌즈 제작방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 렌즈는, 비구면 렌즈 모양인 것을 특징으로 하는 마이크로렌즈 제작방법.
- 마이크로렌즈가 집적된 광전소자 제조방법으로서,반도체 기판상에 하부 분산된 브래그 거울, 활성층, 알루미늄 산화물, p형 오믹 접촉층, 상부 분산된 브래그 거울을 순차적으로 적층하여 수직 공진 표면발광레이저를 형성하는 제1과정과,상기 형성된 수직 공진 표면발광레이저 상에 알루미늄의 함유율을 증가시키면서 성장시킨 화합물 반도체 산화 가능 층을 형성하고, 상기 화합물 반도체 산화 가능 층상에 알루미늄을 함유하지 않는 화합물 반도체 층을 형성하며, 상기 형성된 반도체 층 구조 위에 감광제 패턴을 형성하고, 상기 패턴을 마스크로 식각하며, 상기 감광제를 제거하고, 상기 화합물 반도체 산화 가능 층을 습식 산화하여 제작된 마이크로 렌즈를 집적시키는 제2과정을 포함하는 마이크로렌즈가 집적된 광전소자 제조방법.
- 삭제
- 제 8 항에 있어서,상기 제2과정의 화합물 반도체 산화 가능 층은, 알루미늄 함유율을 순차 성장시키며, 상기 순차 성장되는 사이에 알루미늄을 함유하지 않는 화합물 반도체 층을 성장시켜 형성하는 것을 특징으로 하는 마이크로렌즈가 집적된 광전소자 제조방법.
- 제 10 항에 있어서,상기 화합물 반도체 산화 가능 층은, 3원소 혹은 4원소 화합물의 조성비를 2원소 화합물의 두께로서 조절하는 디지털 합금으로 성장하는 것을 특징으로 하는 마이크로렌즈가 집적된 광전소자 제조방법.
- 제 8 항에 있어서,상기 제2과정에서의 식각은, 상기 화합물 반도체 산화 가능 층 및 화합물 반도체 층이 노출 되도록 하는 메사 구조인 것을 특징으로 하는 마이크로렌즈가 집적된 광전소자 제조방법.
- 제 12 항에 있어서,상기 메사 구조는, 원형 메사 형태 및 사각형 메사 형태인 것을 특징으로 하는 마이크로렌즈가 집적된 광전소자 제조방법.
- 제 8 항에 있어서,상기 마이크로렌즈는, 구면 렌즈 모양인 것을 특징으로 하는 마이크로렌즈가 집적된 광전소자 제조방법.
- 제 8 항에 있어서,상기 마이크로렌즈는, 비구면 렌즈 모양인 것을 특징으로 하는 마이크로렌즈가 집적된 광전소자 제조방법.
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KR100821359B1 (ko) | 2006-09-14 | 2008-04-11 | 주식회사 와이텔포토닉스 | 광 조향 센서장치 및 이를 이용하는 광모듈 |
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- 2004-11-10 KR KR1020040091224A patent/KR100613194B1/ko not_active IP Right Cessation
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