In this thesis, high-speed InP/InGaAs HBTs with the crystallographically defined emitter contact were fabricated and their performances were characterized. The consistent and desired undercut profile was reproducibly achieved by the crystallographically defined shape of the emitter contact and adjustment of the thickness of the InP dummy emitter layer. InP/InGaAs HBT's demonstrated good current-voltage characteristics, having low offset voltage of 64 mV, low knee voltage less than 0.5 V, and high current gain of 50. High-frequency characteristics of $f_T = 94 GHz$ and $f_{max}$ = 124 GHz and the power performances with power density of 1.41 mW/$\mum^2$ and gain of 13.05 dB at 10 GHz were obtained from the fabricated devices with a 1 x 20 $\mum^2$ emitter area. These results indicate that newly developed InP/InGaAs HBT's are promising for fabricating submicron emitter size HBT and obtaining high-frequency characteristics and high microwave power performances.
New self-alignment technologies employing InGaAs CDC technology are successfully developed for high-speed InP/InGaAs HBTs. InGaAs CDC technology utilizes the anisotropic etching characteristics of InGaAs. The fabricated InP/InGaAs HBTs with a 1 x 20 $\mum^2$ emitter area exhibited frequency performances of $f_T$ = 112 GHZ and $f_{max} = 307 GHZ. The good overall performance of the fabricated HBTs demonstrates the effectiveness of the new CDC technology, characterized by reproducible self-alignment of the emitter and base contacts with the damage-free etched surface. Newly developed CDC technology is promising for fabricating the self-aligned submicron emitter InP/InGaAs HBT and obtaining high-speed performance characteristics for IC applications.
The monolithically integrated InP-based HBT and p-i-n photodiode using stack-shared layer scheme have been proposed and the photodiode with new structure has been successfully demonstrated. The 20-μm-diameter device exhibited a dark current of 1.5 nA under 3 V reverse bias, with a responsivity of 0.3 A/W under 5 V reverse bias, corresponding to an external quantum efficiency of 24 %. The impulse response of 30-μm-diameter photodiode was measured and the full-width at half-maximum (FWHM) of the device was measured to be of 32 ps at 2 V bias by a 50 GHz sampling oscilloscope. The 3-dB bandwidth of the 30-μm-diameter and 50-μm-diameter devices was measured to be 13.2 GHz and 5.6 GHz, respectively, while the frequency performance of the other devices with the diameter of less than 30 μm was limited by a dynamic range of the measurement equipment. Newly developed layer design is promising for fabrication of a photoreceiver by an independent device optimization with further facilitation of device fabrication due to moderate nonplanarity.
본 논문은 두 가지 소자분야를 다루고 있다. 하나는 InP와 InGaAs의 비등방성 식각 특성을 이용한 crystallographically defined emitter contact (CDC) technology 을 InP/InGaAs HBT소자 제작의 자기정렬기술로 적용한 결과에 관한 내용이고 다른 하나는 새로운 집적기술인 적층-공유 구조를 사용하여 광검출기를 제작한 결과이다. 이 두 소자는 광수신단 응용분야에서 매우 전망이 밝은 소자들이며 이들을 이용하여 우수한 성능의 광수신단을 제작할 수 있을 것으로 예상한다.
InP/InGaAs HBT는 기존의 다른 물질보다 많은 장점을 가지고 있어 우수한 주파수 특성을 가지는 소자로서 알려져 있다. 본 연구에서는 새로운 자기정렬 기술을 제안하고 개발하였다. 습식 식각을 사용하는 기존의 자기정렬 기술은 과도한 에미터 메사 식각을 피할 수 없으며, 또한 건식 식각 기술을 적용한 소자 제작 기술에서는 에미터 및 베이스의 플라즈마 손상을 초래하게 된다. 이러한 단점을 보완하면서 추가적인 래소그래피 공정이 필요 없는 새로운 자기정렬 기술인 CDC 기술을 적용하여 InP/InGaAs HBT 소자를 제작하였다.
본 연구에서는 두 가지 서로 다른 CDC 기술을 제안하였다. 첫 번째 기술은 InP의 비등방성 식각 특성을 이용하였다. 본 기술을 적용하여 제작된 에미터 전극은 InP의 결정학적으로 정의된 모양을 형성하게 된다. 에미터 전극의 모양으로 과도한 식각 없이 자기정렬이 가능하게 된다. 제작된 소자는 $V_{CE,offset}$ = 64 mV, $V_{knee}$ < 0.5 V @ $J_c$ = 1 × $10^5$ A/㎠ 이였으며, 전류이득이 50으로 우수한 전류-전압 특성을 보여주었다. 소자 면적 1 × 20 μ㎡ 에서 주파수 특성이 $f_T$ = 94 GHz 와 $f_{max}$ = 124 GHz 이였다. 이러한 측정 결과들은 새로이 제안된 자기정렬기술이 우수한 성능의 HBT 소자를 얻는데 효과적이라는 것을 증명한다.
두 번째 제안된 자기정렬기술은 InGaAs의 비등방성 식각 특성을 사용하였다. 첫 번째 자기정렬기술은 에미터 메사 식각 과정에서 문제가 발생할 여지가 있다. 이를 해결하기 위해서 InP 대신 InGaAs층을 적층 하였다. 제작된 소자의 주파수 성능을 살펴보면 $f_T$ = 112 GHz 와 $f_{max}$ = 307 GHz 이였다. 본 실험에서는 베이스-컬렉터 사이의 기생 커패시터를 효과적으로 제거함으로써 우수한 주파수 특성을 얻을 수 있었다.
HBT와 광검출기를 한 기판 위에 집적하기 위한 여러 연구들이 진행되어 왔다. 본 연구에서는 새로운 집적기술인 적층-공유 구조를 적용하여 광검출기를 제작하였다. 기존의 공유 구조의 광검출기와의 성능비교에서 암전류는 10배 정도 향상되었으며 동일한 면적의 소자에서는 더 높은 3-dB 주파수 특성을 얻을 수 있었다.
