In InP-based high electron mobility transistor (HEMT) structure, there has always been large bandgap material buffer for good confinement of 2 dimensional electron gas (2DEG) in quantum well and maintaining low gate leakage current level when gate fingers are contacted with the buffer. So, with this reason, the monolithic integration of a HEMT and a metal semiconductor metal photodiode (MSM PD) on a same plane of a substrate with a single epitaxial growth for a photo-receiver application in optical communication system has not much attention like monolithic integration of heterojunction bipolar transistor (HBT) and p-i-n PD integration using single epitaxial structure for the HBT. But their high planarity and simple fabrication process which is shared between HEMT and MSM PD make the scheme still attractive to low cost photo-receiver market like the fiber to the home
In this paper, a new HEMT structure with $In_{0.72}Ga_{0.28}As_{0.6}P_{0.4}$ $\lambda_g=1.3\mum)$ buffer and process steps for integration of a HEMT and a MSM PD on a same plane of a substrate with a single epitaxial growth are introduced. With a cost of spectral bandwidth limitation, this structure holds layers for a HEMT and a MSM PD and enjoys the advantages such as good planarity and reduced fabrication process steps by evaporating the gate metal for the HEMT and the Shottky metal for the MSM PD simultaneously on the same InP/InAlAs barrier layers.
The problems related to the narrow bandgap buffer are also considered. Through the simulation about the effects on a HEMT performance with $In_{1-x}Ga_xAs_yP_{1-y}(x=0.47\cdoty)$ quaternary material buffers, it was estimated that the HEMT has negligible performance degradation when the $In_{1-x}Ga_xAs_yP_{1-y}(x=0.47\cdoty)$ quaternary material buffers with y<0.7 are used. And the experimental comparison between the $In_{0.72}Ga_{0.28}As_{0.6}P_{0.4}$ $(\lambda_g=1.3\mum)$ buffer HEMT and InP buffer HEMT proves the estimation. By the way, critical weakness was in the MSM PD characteristics. Large dark current and existence gain mechanism of the MSM PD make the device noisy and slow and make the idea of this integration scheme meaningless. From the observation of the device characteristics, it was found that these inherent characteristics of the MSM PD were originated from the InAlAs barrier layers and 2DEG in the InGaAs channel. After this, 2 step mesa etching process was developed to remove the InAlAs barrier layers in the MSM PD. And the device fabricated using this process has no internal gain mechanism and low dark current level which is comparable to the p-i-n PD.
The fabricated HEMTs have $f_t$ and $f_{max}$ of 27GHz and 66GHz respectively for 1 μm gate length device and $f_t$ and $f_{max}$ of 53 GHz and 86 GHz respectively for 0.5 μm gate length. And the fabricated MSM PD has dark current of 12nA @ 3V and 3dB bandwidth of 1.9 GHz for the device has 40 μm × 20 μm active areas, 1 μm-wide Shottky electrodes, and 3 μm spacing
HEMT 구조에서 버퍼는 전도 대역의 전위차를 이용하여 양자우물에 전자를 가두는 역할을 하기 때문에, 주로 밴드 갭이 큰 물질을 사용한다. 그러나 HEMT에서 대부분의 전자는 양자우물의 첫 번째 여기 상태까지에 만 몰려있기 때문에 버퍼와 양자우물의 전도 대역 에너지 차이는 첫 번째 여기 상태 에너지 보다 크기만 하면 된다. 그러면 생각을 바꾸어서 광통신에 쓰이는 1.55 ㎛ 또는 1.3 ㎛ 파장의 빛을 흡수할 수 있을 정도로 밴드 갭이 작은 물질을 HEMT의 버퍼로 사용하고, 버퍼와 양자우물 층의 전도 대역 에너지 차이가 양자우물의 첫 번째 여기 상태 에너지보다 크다라면, HEMT 특성을 크게 바꾸지 않으면서 광통신 대역의 빛을 흡수할 수 있는 구조를 만들 수 있을 것이다. 또한, 버퍼의 작은 밴드갭으로 특정 파장의 빛을 흡수할 수 있는 이러한 구조에서 HEMT와 함께 광 검출기 소자로 MSM PD를 모놀리식 집적할 경우, 두 소자의 제작 공정이 유사하여 공정을 단순화 할 수 있으며, 두 소자 모두 제작 공정 시의 평탄도가 다른 모놀리식 집적방법에 비해 공정 수율과 신뢰성 측면에 우월성을 가질 수 있다.
작은 밴드갭을 갖는 물질을 사용할 경우에 HEMT 소자의 특성에 가장 영향을 주는 요소는 버퍼로 흐르는 누설전류와 캐리어 농도이다. 이러한 경향을 알아보기 위하여 버퍼물질을 4원소 화합물인 $In_{1-x}Ga_xAs_yP_{1-y}(x=0.47 \cdot y)$ 로 정하고, y = 0인 InP부터 y = 1인 InGaAs까지 변화시켜가면서 캐리어 농도와 캐리어 분포를 모의실험을 통해 관찰하였고, y < 0.7인 $In_{1-x}Ga_xAs_yP_{1-y}(x=0.47 \cdot y)$ 를 버퍼 물질로 사용할 경우에는 HEMT의 채널에 유기되는 2DEG 농도는 InP를 버퍼로 하는 경우에 비해 다소 감소하지만 크지 않으며, 버퍼 쪽으로 넘치는 캐리어 분포 역시 작아서 일반적인 HEMT 소자에 대비하여 그 특성이 크게 열화 되지 않는 소자를 제작할 수 있을 것을 예측하였다. 이로부터 단거리 통신망이나 radio on fiber link에서 사용하는 1.3 ㎛ 파장 대역의 광수신기 용 소자 개발을 목적으로 하여 버퍼물질을 $In_{0.72}Ga_{0.28}As_{0.6}P_{0.4}$ (λg = 1.3 ㎛)를 결정하고, InP를 버퍼로 하는 HEMT소자와의 실험적 비교를 통하여 모의실험을 통해 예측한 결과를 검증하였다.
이 연구에서 제안하는 HEMT와 집적된 MSM PD는 HEMT를 위한 쇼트키 접촉 층에 MSM PD의 쇼트키 전극을 HEMT의 게이트 전극과 동시에 증착 함으로써, 제작 공정을 단순화 할 수 있다. 그러나 쇼트키 장벽 층과 채널 층 그리고 버퍼 층으로 이어지는 밴드 구조의 불연속 점들로 인하여 MSM PD의 특성은 InAlAs 장벽 층에 고밀도의 전계 밀집에 의해 암 전류가 크고, InAlAs 장벽 층에서의 hole accumulation에 의한 photovoltaic gain을 가지고 있어 고속 동작이 어려운 핵심적인 단점을 가지고 있다. 이러한 단점은 고속으로 동작하는 HEMT 소자와의 집적이 무의미하도록 만든다. 이를 해결하기 위해, InAlAs 장벽 층을 제거하는 공정을 개발하였고, 개발한 공정을 이용하여 광전변환 이득이 없어 고속 동작이 가능하고, 암전류도 p-i-n PD에 버금가는 정도를 갖는 MSM PD소자를 제작하였다.
소자 제작에 사용한 모든 박막들은 MOCVD를 이용하여 직접 성장하였으며, 고속 동작이 가능한 HEMT소자 개발을 위하여 성장 중단 및 planar 도핑과 차등 V/III 비 사용과 같은 기법을 도입하였다. $In_{0.72}Ga_{0.28}As_{0.6}P_{0.4}$ (λg = 1.3 ㎛)를 버퍼로 갖는 HEMT용 박막을 이용하여 제작한 HEMT는 게이트 길이 LG = 1 ㎛를 갖는 소자에서 성능지수인 $f_t$ 와 $f_{max}$ 값으로 27GHz와 66GHz를 얻었고, stepper를 이용하여 제작한 게이트 길이 LG = 0.5 ㎛를 갖는 소자는 $f_t$ 와 $f_{max}$ 값으로 53 GHz와 86 GHz를 갖는 특성을 보였다. HEMT와 동시에 제작한 MSM PD는 소자의 크기가 40 ㎛ × 20 ㎛이고, 쇼트키 전극의 폭 1 ㎛, 전극 간 거리는 3 ㎛를 가지며, 인가 전압 3V에서 12nA의 암전류 특성을 보이고, 1.9GHz의 주파수 대역폭을 갖는 것을 확인 하였다. HEMT 소자 역시 λ = 1.3 ㎛파장에서 광응답 특성을 가지고 있으며, 게이트 전압에 따라 광전변환 이득이 photovoltaic gain 에서 photoconductive gain 특성 바뀌는 것을 확인하였다.
$In_{0.72}Ga_{0.28}As_{0.6}P_{0.4}$ (λg = 1.3 ㎛)를 버퍼를 이용하여 모놀리식 집적하는 HEMT 및 MSM PD는 제작 공정이 간단하기 때문에 저가형 광수신기 모듈 구현에 유용하게 쓰일 수 있으며, HEMT의 게이트 전극 길이와 MSM PD의 전극과 전극 간 거리를 보다 고급의 lithography공정을 이용하여 축소한다면, 보다 고속으로 동작하는 광수신기 회로를 모놀리식 집적할 수 있을 것이다. 또한 HEMT의 광응답 특성을 이용하면, MSM PD없이도 1.3 ㎛ 파장을 이용하는 radio on fiber channel과 같은 응용에서 가장 간단한 형태의 수신 모듈을 구현할 수 있을 것으로 보인다.
