In this thesis, a structure of high efficient InGaAsP/InP LED is proposed and shown to be fabricated. This LED consists of a monolithically integrated microlens and reflectors.
A method of fabricating monolithic InP microlens, using two-step dry-wet etching, is proposed. Dry etching is performed with reactive ion beam etching using $Ar/Cl_2$ gases. Wet etching with $HBr/H_3PO_4/(0.5M) K_2Cr_2O_7$ is used for successive wet etching. In the other fabrication methods of microlens, microlens structures are limited by the characteristics of photoresists, polymers or etchants. More suitable lens structure can be achieved by the proposed method.
A method of fabricating monolithic reflectors on a LED, using two-step dry-wet etching, is also proposed. At first, PECVD $SiO_2$ is deposited and shaped as stairs by dry etching. And then stair-shaped $SiO_2$ is transferred to InP and InGaAsP active layer. By successive wet etching, stair-shaped InP is smoothened to be shaped as concave reflectors.
Extraction efficiency and fiber-coupled efficiency of LED with microlens and reflector have been calculated by ray-tracing method. The variation of the efficiencies is investigated by altering the parameters of microlens and reflectors to find the optimum structure.
The temperature ramping technique during RPCVD $SiN_x$ deposition for InP/InGaAsP structure is proposed. Devices with InP-based material are degraded by PECVD $SiN_x$ passivation, mainly because InP and InGaAsP suffer the preferential etching of phosphorus by $NH_3$ plasma at the conventional deposition temperature. By the measurement of photoluminescence for $SiN_x$ -passivated InGaAsP and the reverse current of InGaAsP/InP p-n junction diodes, this technique of RPCVD $SiN_x$ passivation have been confirmed as a useful passivation method for InP-based devices.
A coupled power of 67 μW to 62.5 μm-core optical fiber and a total extracted power of 2 mW have been achieved at 60mA.The reverse dark current is decreased to about two order by using the temperature ramping silicon nitride deposition.
InGaAsP/InP LED란 InP 기판에 lattice matching이 되는 이종물질구조의 (hetero structure) p-n 접합 다이오드로 발광이 이루어지는 active layer가 InGaAsP인 LED를 말한다. InGaAsP 물질의 조성에 따라 발광 파장은 0.92~1.65μm 사이에서 조절할 수 있다. InGaAsP/InP LED의 주요 이용분야는 주로 광통신용이고, 1.4μm에서의 OH- 이온의 광 흡수를 이용한 습도 센서, 마찬가지로 1.65μm 파장의 빛을 흡수하는 CH4 가스의 센서 등에도 이용된다. 아울러 본 논문에서 제안된 구조를 구현하기 위한 dry etching, wet etching 기술은 가시광을 내는 GaAs-based LED에도 그대로 적용될 수 있으므로, 이 기술의 응용 분야는 그만큼 더 크다고 할 수 있다.
본 논문에서는 고효율을 위한 InGaAsP/InP LED의 구조를 그 application을 고려하여 제안하고 구현하였다. InP 기판을 직접 etching하여 LED나 PD와 같은 surface emitting 소자에 integration 할 수 있는 InP microlens의 제작 방법을 제시하고 구현하였다. 활성층에 reflector를 dry etching과 wet etching의 two-step etching의 방법으로 집적한 고효율 구조를 제안하고 구현하였다.
반사기와 마이크로렌즈가 집적된 LED의 효율을 ray-tracing 방법을 이용해서 방출 효율을 계산하였다. 광선이 반사기와 렌즈 등을 만나면 반사나 굴절에 의해 방향이 변화한다. 광선이 렌즈 또는 평평한 방출면에 도달했을 때에 입사각이 critical angle보다 작으면 빛은 방출되게 된다. 이 과정을 앞에서 제안한 여러 가지 구조에 대해 simulation 하여 효율 변화를 예상하였다.
대부분의 반도체 device를 만드는 공정에서는 전기적 절연이나 물리적 화학적 damage로부터의 보호를 위해 passivation을 하게 된다. Passivation은 surface state density를 줄이기 위해, 또는 적어도 추가적인 degradation을 막기 위해서도 필요하다. PECVD silicon nitride를 특히 InP기반의 소자에 증착 했을 경우 device가 degradation 되는 주된 이유는 암모니아 plasma에 의한 phosphorus의 loss이다. 본 논문에서는 temperature ramping deposition에 의한 PECVD silicon nitride passivation 공정 방법을 제안하고 그 효과를 확인하였다. 증착 초기에는 상온에서 증착을 하고, 그 후 온도를 올려 150° 이상의 고온에서 증착하는 방법이다. 초기에 상온에서 증착된 Silicon nitride층이 고온 증착을 할 때에 InGaAsP 표면을 보호하게 된다.
제작된 LED를 62.5 μm의 core 직경을 갖는 optical fiber에 coupling하여 60 mA에서 67 μW의 coupling 출력을 얻을 수 있었다. 또한 전체 광출력도 60mA에서 2mW로 향상시켰다.
