[논문]습식 식각 공정을 이용하여 제작된 광양자테 소자의 특성 분석

김경보; 이종필; 김무진

doi:10.22156/cs4smb.2020.10.06.028

초록
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본 논문에서는 VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser) 레이저를 만드는 구조와 유사한 GaAs 웨이퍼상에 MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition) 장비로 GaAs와 AlGaAs 에피층을 형성시킨 구조를 사용한다. 3차원 공진현상에 의해 자연 발생되는 광양자테 (PQR: Photonic Quantum Ring) 소자를 건식 식각 방법인 CAIBE (Chemically Assisted Ion Beam Etching) 기술로 제작하였지만, 진공 분위기에서 진행해야 하는 문제점 때문에 저가격으로 쉽게 소자를 제작할 수 있는 방법이 연구되었고, 그 결과 인산, 과산화수소, 메탄올이 혼합된 용액의 습식식각 기술로 가능성을 확인하였으며, 이 방법을 적용하여 소자를 제작한 내용에 대해 논한다. 또한, 제작된 광소자의 스펙트럼을 측정하였고, 이 결과들을 이론적으로 해석하여 얻은 파장값과 비교한다. 광양자테 소자는 3차원 형상으로 세포를 모델링하거나, 디스플레이 분야로의 응용이 가능할 것으로 기대한다.

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A structure in which GaAs and AlGaAs epilayers are formed with a metal organic chemical vapor deposition equipment on a GaAs wafer similar to the structure of making a vertical cavity surface emitting laser is used. Photonic Quantum Ring (PQR) devices that are naturally generated by 3D resonance are...

A structure in which GaAs and AlGaAs epilayers are formed with a metal organic chemical vapor deposition equipment on a GaAs wafer similar to the structure of making a vertical cavity surface emitting laser is used. Photonic Quantum Ring (PQR) devices that are naturally generated by 3D resonance are manufactured by chemically assisted ion beam etching technology, which is a dry etching method. A new technology that can be fabricated has been studied, and as a result, the possibility of wet etching of a solution containing phosphoric acid, hydrogen peroxide and methanol was investigated, and the device fabrication by applying this method are also discussed. In addition, the spectrum of the fabricated optical device was measured, and the results were theoretically analyzed and compared with the wavelength value obtained by the measurement. It is expected that the PQR device will be able to model cells in a three-dimensional shape or be applied to the display field.

주제어

표/그림 (9)

그림 Fig. 3. Structure and oscillation characteristics of PQR devices.
그림 Fig. 1. (a) Structure and (b) mass production product of VCSEL device.
그림 Fig. 2. (a) Structure and (b) simulation results of microdisk lasers.
그림 Fig. 4. Experimental apparatus.
그림 Fig. 5. (a) Top and (b) side view of wet etched mesa using mixed solution (H3PO4:H2O2:CH3OH = 1:1:10).
그림 Fig. 6. (a) Top and (b) side view of wet etched mesa sing mixed solution (H3PO4:H2O2:CH3OH = 3:1:1).
그림 Fig. 8. Non-vertical Fabry-Perot conditions inside and outside the 3D resonator.
그림 Fig. 7. (a) Near field image of device with a diameter of 10 μm, when 4uA current was supplied. (b) Spectrum measured at 12 and 15 degrees by injecting 1 mA current into a same device.
$Fig. 9. (a) Measurement results at 12 degrees in the previous figure (Vertical lines are wavelengths by mode analysis.), (b) Measured mode wavelength (solid circle) and calculated emission wavelength (empty square), (c) Refractive index according to the mode obtained by substituting the values of the wavelength obtained from the measurement (solid circle) or the calculation (empty square) into the equation 1, (d) Emission angle for each mode calculated by substituting the value of the refractive index for the mode order into Equation 5.$ 그림 Fig. 9. (a) Measurement results at 12 degrees in the previous figure (Vertical lines are wavelengths by mode analysis.), (b) Measured mode wavelength (solid circle) and calculated emission wavelength (empty square), (c) Refractive index according to the mode obtained by substituting the values of the wavelength obtained from the measurement (solid circle) or the calculation (empty square) into the equation 1, (d) Emission angle for each mode calculated by substituting the value of the refractive index for the mode order into Equation 5.

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문은 광양자테 소자를 용액 공정을 이용한 습식 식각 방법을 이용하여 제작하고 소자의 광특성을 분석한 내용에 대한 것이다. 2000년 초반에 이루어진 연구를 토대로, 최근에 광양자테 소자의 센서와 바이오 관련 분야에의 공동 연구 요청 건 및 양산 가능성을 고려한 신개념 소자 개발의 절실한 요구[12]가 있어 재현성 평가 및 빠른 연구 진행을 위해 과거의 연구 중 저가로 광양자테를 제작할 수 있는 실험을 발굴하여 진행하였다.
본 논문은 광양자테 소자를 용액 공정을 이용한 습식 식각 방법을 이용하여 제작하고 소자의 광특성을 분석한 내용에 대한 것이다. 2000년 초반에 이루어진 연구를 토대로, 최근에 광양자테 소자의 센서와 바이오 관련 분야에의 공동 연구 요청 건 및 양산 가능성을 고려한 신개념 소자 개발의 절실한 요구[12]가 있어 재현성 평가 및 빠른 연구 진행을 위해 과거의 연구 중 저가로 광양자테를 제작할 수 있는 실험을 발굴하여 진행하였다.
본 절에서는 습식 식각으로 제작된 소자의 결과들을 해석하고자 한다. 3차원 공진기 내부의 광양자테 모드들은 2가지로 나누어 모델화할 수 있다.

가설 설정

(a) Near field image of device with a diameter of 10 µm, when 4uA current was supplied. (b) Spectrum measured at 12 and 15 degrees by injecting 1 mA current into a same device. In individual PQR modes, the intensity changes when the angle is different, but the oscillation wavelength does not change.

제안 방법

금속 유기를 원료로 사용하여 기판 상에 막을 증착시키는 유기금속화학증착 (MOCVD: Metal Organic Chemical Vapor Deposition) 장비를 이용하여 고농도 n형으로 도핑된 GaAs 기판상에 GaAs와 AlGaAs가 반복된 n형 DBR (Distributted Bragg Reflector), 활성층, p형 DBR을 형성(Fig. 3 참조)한다. 메사를 형성하기 위하여 산용액인 인산(H₃PO₄), 과산화수소(H₂O₂), 메탄올(CH₃OH)을 혼합한 식각용액을 사용하며, 탈이온수를 담근 수조에 식각용액이 담긴 비커를 넣고, 물의 온도를 공정 온도로 정하였으며, 식각이 전체적으로 고르게 되도록 하기 위해 stirrer를 이용하여 용액을 저어준다.
자세한 습식 공정 및 각 용액들의 역할은 참고문헌 13에 자세히 설명되어 있다. 다음으로 메사 보호를 하고, 또한, 후속 공정시 식각 stop 층으로 사용하기 위해 실리콘 질화막 1000Å을 플라즈마를 이용한 화학기상증착 장치를 이용하여 증착하고, 후속 공정인 전극을 형성하기 위해 폴리이미드로 소자를 포함한 전체 영역을 평탄화한다. 이후 RIE(Reactive Ion Etching) 장비로 메사 표면에 덮혀있는 실리콘 질화막이 드러날 때까지 산소플라즈마를 이용하여 식각하고, 동일한 장비에 식각 가스 CF₄를 공급하여 1000Å의 실리콘 질화막을 제거한다.
3 참조)한다. 메사를 형성하기 위하여 산용액인 인산(H₃PO₄), 과산화수소(H₂O₂), 메탄올(CH₃OH)을 혼합한 식각용액을 사용하며, 탈이온수를 담근 수조에 식각용액이 담긴 비커를 넣고, 물의 온도를 공정 온도로 정하였으며, 식각이 전체적으로 고르게 되도록 하기 위해 stirrer를 이용하여 용액을 저어준다. 전제 공정 장치도는 Fig.

성능/효과

기존 건식식각 기술로 제작한 광양자테 소자를 비진공 방법인 습식식각으로 구현하였으며, 사용된 용액들은 인산, 과산화수소, 메탄올을 3:1:1로 혼합하여 40도의 온도에서 20분 공정을 진행하였을 때 활성층 옆면이 수직에 가깝고, 옆면이 매끄러운 원통형 메사를 얻을 수 있었다.
이 소자의 광특성 중 스펙트럼을 분석하기 위하여 OSA (Optical Spectrum Analyzer) 장비로 소자 외부로 방출되는 모드들을 소자의 수직방향에서 12도와 15도 기울인 각도에서 측정하였고, 특히 12도에서 관찰된 peak들은 DBR 위아래 지그재그 방향으로 진행되는 파와 2차원 마이크로디스크에서 가장자리를 따라 발진하는 파로 나누어 이론적으로 해석된 파장들과 거의 일치하였다.이로부터 광양자테 소자 내부의 모드들은 활성층내에서 가장자리로부터 일정한 폭(Rayleigh-band)내에서 3차원 공진으로 형성된다고 설명할 수 있다는 이론을 뒷받침한다.

참고문헌 (16)

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