Most efforts in this area of optolectronic Integrated circuits (OEICs) are actually aimed at optical communication OEICs are also expected to be useful for optical interconnection between boards and/or chips, and even within a chip. Recently vertical cavity surface-emitting laser diodes with high-reflectance stacked mirrors have drawn attention for various applications such as parallel optical signal processing and high-speed optical interconnections.
In this thesis, a new vertical OEIC structure is proposed and fabricated by the selective MOCVD technique. This vertical OEIC has a stacked planar layer with a surface-emitting LED and a vertical transistor. The embedded Schottky metal between the epitaxial GaAs layers is employed as a gate electrode of the vertical driver FET.
For the device process, the selective area growth of GaAs with semiconductor-metal-semiconductor (SMS) structures using pulsed-mode operation of MOCVD, which controls the flow of TMG at regular intervals, is studied experimentally. GaAs is selectively grown over 3μ -period tungsten gratings on (100) GaAs substrates. Tungsten gratings are masked with $SiO_2$ for the selective growth and it is possible to have good GaAs growth over tungsten gratings without keeping substrate temperature high and the growth rate low. The ideality factor and the barrier height of the W-GaAs Schottky diode in-situ annealed nuder the growth conditions show slight degradation with increased growth time. Using double crystal X-ray diffractometer and auger electron spectroscopy analysis, it is shown that the slight interdiffusion of tungsten W and GaAs and the out-diffusion of Ga takes place.
Two-dimensional numerical simulations of the vertical FET structure with PIECES-2B are performed in order to get more insight into the details of operation of this device. The characteristics of the FET are divided into a pentodelike region and a triodelike region depending on design parameters such as doping concentration and grating spacing. By proper stacking of a surface-emitting LED layers on top of vertical FET structures, GaAs vertical OEIC is easily fabricated. The close placement of an LED and an EFT makes it easy to control the light output. As the drain current of FET flows through the LED, th light output of LED is effectively controlled by the gate voltage of the driver FET. Therefore, this device operates as a three terminal optical device controlled by an electric input. If this devices as unit optoelectronic elements are densely packed in two-dimensional array, the development of high-speed and high-power OEICs will be realized. In conclusion, fabrication of new vertical OEIC using selective MOCVD are studied and proved to useful for optical interconnection.
광전집적회로는 고기능, 다기능 그리고 고신뢰성등의 장점을 가지고 있기 때문에 이를 구현하기 위해 많은 노력이 이루어져 왔다. 실제 광통신에 국한된 노력이 많이 이루어지고 보드상 혹은 칩간 광접속을 위한 광전집적회로에 대한 연구는 다소 뒤져 있었다. 최근 수직형 공진기를 갖는 표면 방출형 레이저 다이오드가 대두됨에 따라 병렬식 광신호처리 혹은 3차원, 초고속 광접속등에 대한 응용이 크게 관심을 끌게 되었다.
본 논문에서는 광접속을 위한 새로운 광전집적회로의 구조로서 GaAs 에피층에 W 격자구조를 갖는 반도체-금속-반도체 (SMS) 구조를 구동 트랜지스터에 적용하고 그 위에 광소자인 표면 방출형 LED층을 적층시킨 수직형 광전집적회로를 제안하고 제작하였다. 광전집적회로 제작의 핵심기술의 하나인 에피택시는 선택적 유기금속 화학 증착법 (MOCVD) 를 사용하였고 이때 SMS 구조는 W 격자구조 위에 GaAs 성장을 시켜야 하는데 (100) GaAs 기판일 때 [011] 방향에서 10 ~ 30˚ 정도 각도를 주면 lateral overgrowth 가 이루어져 W이 매몰된 구조를 쉽게 얻을 수가 있었다. 또한 $SiO_2$면 및 W 격자위에 poly-GaAs의 형성을 최대로 억제하기 위해서 Ga 소오스인 TMG를 펄스형태로 공급하여 $SiO_2$면 또는 W 면에 원자 혹은 분자형태의 GaAs 확산 정도를 높여 poly 형성을 어느정도 해결하였다. 형성된 SMS 구조를 소자에의 응용을 위해서 에피택시후에 전기적, 물리적 특성을 조사하였다. W의 구조변화를 보기 위해 X-ray 회절 분석을 한 결과, 650℃ 이상에서 β-W에서 α-W으로 변화함을 보았고, W/GaAs 접합면의 열화특성을 보기위해 Schottky diode 변수측정, AES 분석, DXRD 분석을 하였는데, 650℃에서 1.5시간 열처리 후 W의 interdiffusion과 Ga의 outdiffusion이 동시에 일어남을 보았고 이로 인해 약 $1×10^{-4}$ 정도의 격자부정합이 일어남을 알았다. Schottky diode 변수는 η가 1.16에서 1.43으로, φ_B는 0.65eV에서 0.54eV로 저하됨을 확인하였다. 이같은 구조를 광전집적회로에서 구동 트랜지스터의 게이트로 사용하게 되는데 소자면적에 비해 전류구동 능력이 뛰어나고 W 격자 주기감소 및 구조의 최적화에 따라 고주파에도 쉽게 적용할 수 있으리라 기대된다. 또한 전자소자와 광소자 간격을 에피택시조건에 의해 조절할 수 있으므로 소자매칭 및 광 커플링 효과증대로 인한 새로운 기능의 소자 구현도 예상된다.
수직형 전계효과 트랜지스터의 제작을 위해 PIECES-2B simulator로 simulation하여 보았다. 이 때 트랜지스터의 성능은 격자의 구조의 게이트 간격, 길이, 도우핑의 정도에 따라 크게 바뀌게 된다. Simulation한 트랜지스터의 격자주기가 3μm, 도우핑은 $1×10^15cm^{-3}$로 하고 격자간격을 1μm 혹은 1.5μm으로 조절하였다. 이때 트랜지스터의 동작원리가 주로 격자간격에 따라 종래의 전계효과 트랜지스터와 같거나 또는 정전유도 트랜지스터 (SIT) 와 같이 변함을 알수가 있었다. 실제 제작된 트랜지스터의 동작원리는 격자 간격이 1.5μm일때는 전계효과로 동작하였으며 격자간격이 1μm일때 정전유도로 동작하였다.
광전집적회로의 제작을 위해 구동 트랜지스터 위에 표면 방출형 발광소자를 적층시켜 제작하였는데 GaAs 에피층에 내재된 격자구조의 텅스텐 게이트 전극의 전압에 따라 LED의 광출력이 효과적으로 조절됨을 보였다. 또한 LED와 구동트랜지스터가 구조면에서 쉽게 매칭이 이루어져 제조공정이 비교적 간단하였다. 이러한 구조는 광전집적회로에서 어레이 형태의 응용에 하나의 pixel로서 사용되어 질 수 있으리라 기대된다.
