동축형 Time-of-Flight 센싱을 위한 GaAs VCSEL과 Si 포토다이오드의 단일칩 집적
Single-Chip Integration of a GaAs VCSELs on a Si Photodiodes for Coaxial Time-of-Flight Sensing
- 주제(키워드) Si , ToF , Sensor , GaAs , Photodiode , VCSEL , Heterogeneous Integration
- 발행기관 아주대학교 일반대학원
- 지도교수 허준석
- 발행년도 2026
- 학위수여년월 2026. 2
- 학위명 석사
- 학과 및 전공 일반대학원 지능형반도체공학과
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/ajou/000000035926
- 본문언어 한국어
- 저작권 아주대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
초록/요약
본 연구는 VCSEL(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser)과 실리콘 포토다이오드 (Silicon Photodiode)를 단일 기판 상에서 정밀하게 정렬·집적하여 동축(Coaxial) 기반 Time-of-Flight(ToF) 센서를 구현하는 것을 목표로 한다. 기존 Off-axis 구조의 ToF 센서는 송광 경로와 수광 경로가 분리되어 있어 광축 정렬 오차, 픽업 손실, Dead Zone 발생, 장거리 감쇠 등의 구조적 한계를 갖는다. 또한 패키징 기반 정렬 방식은 정렬 오차가 장비 성능에 의존하며, μm 수준 이하의 정밀도를 확보하는 것이 사실상 불가능하다. 이러한 제약을 해결하기 위해, 본 연구는 SOI 기반 포토다이오드 내부에 VCSEL 칩을 삽입하는 Coaxial 구조를 제안하고 이를 구현하기 위한 VCSEL 분리·정 렬·집적 전 공정을 체계적으로 개발하였다. 우선 GaAs 기반 VCSEL은 Chip Lift-Off(ELO) 공정을 통해 내장된 InGaP 식각정지 층을 활용하여 단일칩 형태로 분리하였고, 후면이 매우 낮은 표면 거칠기를 갖도록 평 탄화하였다. 이후 SOI 기판 상부에는 포토다이오드 활성층 형성, 트렌치 절연 구조 형 성, 금속 전극 형성, BCB 스핀코팅 기반 평탄화 공정이 연속적으로 수행되었다. 본 연구에서는 VCSEL 칩을 몰드 내부에 μm 수준 정확도로 정렬하기 위해 정렬 장비 가 필요 없는 유체 자가정렬(Fluidic Self-Assembly, FSA) 기술을 적용하였다. FSA는 칩의 표면 에너지·기하 구조·유체 흐름·몰드 형상 등 물리적 요소에 의해 칩이 자동적 으로 에너지 최소점으로 이동하는 방식이다. VCSEL 칩을 IPA 용액에 분산하여 스프 레이 방식으로 기판 전체에 도포하고, 스위핑바(sweeping bar)를 이용해 방향성 유체 흐름을 형성함으로써 칩을 몰드 방향으로 지속적으로 유도하였다. 평탄한 InGaP 후면 은 낮은 거칠기와 높은 표면 에너지를 가지므로 몰드 바닥(SiO₂)과 강한 van der Waals 결합을 형성하는 반면, 금속면은 낮은 접촉 안정성으로 인해 유체 흐름에 의해 쉽게 배출된다. 이로써 칩은 자연스럽게 올바른 방향(InGaP 아래)으로 정렬되고, 몰드 중심 부근에서 정렬 에너지 최소점을 향해 스스로 위치를 맞추게 된다. IPA 건조 이후 에는 칩–몰드 계면 간극이 수 nm 수준으로 감소하며 강한 vdW 결합이 비가역적으로 형성되어, 외부 압력이나 열처리 없이도 고정도가 확보되었다. 제작된 VCSEL은 연속파(CW) 동작에서 L–I–V 특성을 측정하였다. 문턱전압, 문턱전 류, 출력 곡선 등은 설계 지표에 부합하였으며, 930 nm 중심파장을 갖는 방출 스펙트 럼이 안정적으로 확인되었다. 또한 SOI 기반 포토다이오드는 930 nm 파장에 대해 약 0.41 A/W의 responsivity를 보였으며, 다크 커런트는 nA 수준으로 낮게 유지되었다. 본 연구의 방식은 기존 플립칩 본딩, 웨이퍼 다이 본딩, 전통적 패키징 기반 정렬 방식 의 한계를 극복한다. 정렬 정확도가 외부 장비에 의존하지 않고, 칩 방향 및 광축 정렬 을 기판 전체에서 자동으로 맞출 수 있으며, 저온 공정만으로 집적이 가능하여 III–V 활성층 및 Si 포토다이오드 구조에 기계적·열적 스트레스를 최소화한다. 이러한 특성은 Coaxial 구조의 ToF 센서를 대면적·고정밀로 제조할 수 있는 가능성을 제시하며, 향후 고해상도 3D 센싱, AR/VR 모듈, 초소형 거리 센서, 그리고 집적형 광학 모듈의 상용 화 기술로 확장될 수 있다. 결과적으로 본 연구는 SOI 기반 포토다이오드와 VCSEL을 μm 정밀도로 집적하는 새 로운 Coaxial ToF 센서 제조 공정을 제시하였으며, FSA 기반 정렬 방식을 활용한 VCSEL–PD 정렬 재현성 확보와 단일 기판에서의 광송수신 기능 통합을 성공적으로 입증하였다. 이는 기존 Off-axis 기반 구조의 태생적 한계를 극복하는 동시에, 차세대 초소형 광학 센서 개발의 중요한 기술적 토대를 마련하였다.
more목차
제 1 장 연구 배경 1
제 1.1절 ToF(Time-of-Flight) 기반 거리 센싱 기술의 필요성 및 기존 Off-Axis 구조의 한계점 1
제 1.2절 동축형(Coaxial) ToF 센서 구조의 필요성 2
제 1.3절 Si – III-V 이종 집적 연구 동향 3
제 1.4절 연구 목표 4
제 2 장 ToF 센서 동작 원리 5
제 2.1절 ToF 센서의 구조 및 동작 원리 5
제 2.2절 기존 비동축 (Off-Axis) 구조의 한계 6
제 2.3절 동축(Coaxial) 구조의 장점 7
제 3 장 소자 설계 및 제작 공정 8
제 3.1 절 SOI 포토다이오드 제작 공정 9
제 3.1.1절 SOI 기판 사양 10
제 3.1.2절 PN 접합 및 오믹 컨택 형성 10
제 3.1.3절 트렌치 메사 형성 및 VCSEL 몰드 형성 11
제 3.2절 GaAs VCSEL 칩 제작 및 Chip Lift-Off 공정 12
제 3.2.1절 VCSEL 에피 구조 13
제 3.2.2절 GaAs VCSEL 칩 제작 공정 14
제 3.2.3절 선택적 식각 기반 Chip Lift Off 공정 개요 16
제 3.3절 유체 자가정렬(FSA) 기반 VCSEL–PD 집적 19
제 3.4절 BCB 평탄화 및 금속 패드 후속공정 22
제 3.4.1절 BCB 평탄화 22
제 3.4.2절 테이퍼드 비아 식각 및 금속 배선 공정 23
제 4 장 ToF 센서의 전기적&광학 특성 및 ToF 측정 25
제 4.1절 VCSEL의 L-I-V 특성 25
제 4.2절 ToF 센서 Si Photodiode의 930nm IV 특성 26
제 4.3절 ToF 센서 Si Photodiode의 Transient Response 27
제 4.4절 VCSEL–Si PD ToF 센서의 PCB 집적 및 전기적 인터페이싱 29
제 4.5절 Optical Alignment 기반 동축 ToF 실험 셋업 30
제 4.6절 Pulse 기반 ToF 신호 응답 및 시간 정합성 검증 31
제 4.7절 VCSEL 구동전압 변화에 따른 Si PD 수광 응답 검증 32
제 5 장. 결론 33
참고문헌 35
