KR100624415B1 - 광디바이스 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
광도파로와 광검출기가 일체형으로 결합된 광디바이스 및 그 제조 방법이 개시된다. 개시된 광디바이스는 기판과, 기판 상에 성장된 제 1 단결정 성장층과, 단결정 성장층 상에 형성된 클래드층과 코어층을 구비하는 광도파로 및 광도파로를 진행하는 소정 대역의 파장을 갖는 광을 흡수하기 위하여 클래드층이 노출된 코어층의 소정부분에 성장된 제 2 단결정 성장층을 포함한다. 따라서, 정렬 공정 및 플립-칩 본딩등의 부가공정이 불필요하게 되어 광디바이스의 제작 원가를 절감할 수 있는 효과가 있다. 또한, 광도파로와 광검출기가 단락되어 있지 않고, 광도파로의 코어부를 광검출기에 그대로 이용함으로써 제조 공정이 간단할 뿐만아니라, 광결합 효율을 향상시킬 수 있다.
Description
도 1은 종래의 하이브리드 집적화 방법으로 구현된 광도파로와 광검출기 결합 소자를 설명하기 위한 단면도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 제조된 광도파로와 광검출기가 일체형으로 결합된 광디바이스를 설명하기 위한 단면도이다.
도 3은 도 2에 도시된 광디바이스를 선분 A-A'를 따라서 절단한 단면도이다.
도 4a 내지 도 4h는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 광도파로와 광검출기가 일체형으로 결합된 광디바이스를 제조하는 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 5는 본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따라 형성된 광도파로와 광검출기가 일체형으로 결합된 광디바이스를 설명하기 위한 단면도이다.
도 6은 도 5에 도시된 광디바이스를 선분 B-B'를 따라서 절단한 단면도이다.
도 7a 및 도 7b는 광도파로와 광검출기가 일체형으로 결합된 광디바이스에서 도파로에서 광검출기로 흡수되는 광량의 정도를 나타내는 시뮬레이션 결과를 설명하기 위한 그래프들이다.
*도면의 주요 부분에 대한 부호설명*
100, 200: 광디바이스 102, 202: 실리콘 기판
104. 204: 제 1 실리콘 게르마늄층 106: 제 1 언도핑층
108, 208: 제 1 클래드층 110, 210: 코어층
112, 212: 제 2 클래드층 114, 214: 전기적 절연층
116, 216: n-전극 118, 218: p-전극
120: 제 2 언도핑층 220: 언도핑층
122, 222: 제 2 실리콘 게르마늄층
124, 128, 130: 제 1 내지 제 3 포토레지스트층
140, 240: 광도파로 150, 250: 광검출기
본 발명은 광디바이스에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 빛을 전달하는 광도파로와 그 빛을 감지하는 광검출기가 일체형으로 결합된 광디바이스 및 그 제조방법에 관한 것이다.
근래에 들어, 광통신망의 고속화를 위해 가입자 단말까지 광섬유를 연결하는 광통신망에 대한 연구가 도처에서 활발하게 진행되고 있으며, 또한 일부 지역에서는 광통신망의 보급화를 위해 광가입자 시험망을 구축하여 운영하고 있다.
이러한 광통신망을 구축하는데 있어서는, 디지털화된 전기적 신호를 임의의 파장대의 광신호로 변환하여 광섬유로 전송하고 광섬유를 통해 수신되는 임의의 파장대의 광신호를 검출하여 디지털화된 전기적 신호로 역변환하는 광 송수신기의 요 구가 필수적이라 할 수 있다.
도 1은 이러한 광 송수신기의 수신부를 구성하는 일부분인 수신기에 사용되는 하이브리드 집적화 방법으로 구현된 종래의 광도파로와 광검출기가 결합된 광디바이스를 설명하기 위한 단면도이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 종래의 광도파로와 광검출기가 결합된 광디바이스(10)는 실리콘 기판(12)과, 실리콘 기판(12)의 소정영역 상에 순차적으로 형성된 SiO2로 이루어진 제 1 클래딩층(14)와, SiO2:Ge으로 이루어진 코어층(16) 및 SiO2로 이루어진 제 2 클래드층(18)을 구비하는 광도파로(15) 및 InGaAs로 이루어진 광검출기(20)를 포함한다.
이러한 종래의 광디바이스(10)는 광검출기(20)를 플립-칩(flip-chip) 본딩기술(bonding technique)을 이용하여 광도파로(15)가 완성된 실리콘 기판(12)의 소정 위치에 정밀하게 접착하는 하이브리드 집적화 방법으로 제작된다.
그러나, 이러한 하이브리드 집적화 방법은 전체 제작공정을 복잡하게 만들며, 특히 광도파로의 코어층과 광검출기 사이의 오정렬(misalignment)에 기인한 생산 수율이 저하되는 문제가 발생된다.
또한, 결과적으로 이러한 문제를 부분적으로 해결하기 위한 정밀한 정렬에 많은 시간과 노력이 소요될 뿐만아니라 고가의 장비가 필요하게 되어 저가화에 한계가 있다.
더욱이, 별도로 제작되어지는 광검출기는 주로 사용되는 파장 대역에 적합한 화합물 반도체를 이용하여 만들어지는데 이에 사용되는 기판 자체가 고가일 뿐만아니라 대구경화를 통한 대량 생산에도 한계점을 드러내 제조단가를 낮추기가 불가능한 단점이 있다.
본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적인 과제는 광도파로와 광검출기가 일체형으로 결합된 광디바이스 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 한 유형에 따르면 기판과, 기판 상에 성장된 제 1 단결정 성장층과, 단결정 성장층 상에 형성된 클래드층과 코어층을 구비하는 광도파로 및 광도파로를 진행하는 소정 대역의 파장을 갖는 광을 흡수하기 위하여 클래드층이 노출된 코어층의 소정부분에 성장된 제 2 단결정 성장층을 포함하는 광디바이스가 제공된다.
본 발명의 다른 유형에 따르면, 소정의 파장 대역을 갖는 광신호를 검출하기 위한 광디바이스에 있어서, 광신호를 전달하기 위하여 클래딩층 및 코어층을 구비하는 광도파로와, 광신호를 검출하기 위하여 광흡수 영역을 포함하는 광검출기를 포함하되, 광검출기의 상기 광흡수 영역과 상기 광도파로의 상기 코어층이 인접하는 것을 특징으로 하는 광디바이스가 제공된다.
본 발명의 또 다른 유형에 따르면, 광신호를 검출하기 위한 광디바이스를 형성하는 방법에 있어서, 기판상에 제 1 단결정 성장층을 성장시키는 단계와, 제 1 단결정 성장층에 제 1 클래드층을 형성하는 단계와, 제 1 클래드층을 경사면을 갖도록 패터닝하는 단계와, 패터닝된 제 1 클래딩층 및 상기 노출된 단결정 성장층 상에 코어층을 형성하는 단계와, 코어층 상에 제 2 클래딩층을 형성하는 단계와, 제 2 클래딩층을 소정 형상으로 패터닝하여 상기 코어층의 소정영역을 노출시키는 단계 및 노출된 코어층 상에 제 2 단결정 성장층을 형성하는 단계:를 포함하는 것을 특징으로 하는 광디바이스를 제조하는 방법이 제공된다.
또한, 기판이 실리콘인 경우 상기 제 1 단결정 성장층 및 제 2 단결정 성장층이 실리콘 게르마늄층인 것이 바람직하다.
또한, 실리콘 게르마늄층은 실리콘-게르마늄 혼합물(SixGe1-x)로 이루어지며 기판에서 멀어질수록 x값이 1에서 0으로 점진적으로 감소하여 광도파로의 노출된 코어층과 인접하는 부분에서는 게르마늄의 비중이 상당히 높거나 순수 게르마늄(x=0, Ge)으로 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 게르마늄의 비중이 상당히 높거나 순수 게르마늄으로 구성되는 부분이 광흡수 영역인 것을 특징으로 한다.
또한, 기판이 InP으로 이루어진 경우에 단결정 성장층을 InxGa1-xAs로 구성하여 광흡수층을 형성할 수 있는 것을 특징으로 한다.
또한, 코어층과 상기 클래드층의 굴절률 차이가 커서 작은 코어 단면적을 갖을 수 있는 것이 바람직하다.
또한, 코어층은 질화 실리콘으로 이루어지며, 클래드는 이산화 실리콘으로 이루어진 것이 바람직하다.
또한, 기판의 일측면에 n-형 전극을 형성하고 p-형 전극을 제 2 단결정층에 전기적으로 연결되도록 형성하는 것이 바람직하다.
또한, 제 1 단결정 성장층의 노출된 코어층과 인접하여 광검출기를 형성하는 부분의 아래에 절연층을 더 포함하는 것이 바람직하다.
이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 광도파로와 광검출기가 일체형으로 결합된 광디바이스 및 그 제조 방법의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 제조된 광도파로와 광검출기가 일체형으로 결합된 광디바이스를 설명하기 위한 단면도이며, 도 3은 도 2에 도시된 광디바이스를 선분 A-A'를 따라서 절단한 단면도이다.
도 2 및 도 3에 도시한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 광디바이스(100)는 제 1 및 제 2 클래드층(108, 112)과 코어층(110)을 구비하는 광도파로(140) 및 제 1 실리콘 게르마늄층(104), 제 1 언도핑층(106), 제 2 언도핑층(120)과 제 2 실리콘 게르마늄층(122)을 구비하는 광검출기(150)를 포함한다.
제 1 실리콘 게르마늄층(104)은 실리콘 기판(102)의 제 1 면의 소정영역 상에 형성되며, 제 1 언도핑층(106)은 제 1 실리콘 게르마늄층(104)상에 형성된다. 그리고, 제 1 및 제 2 클래드층(108, 112)에 의하여 둘러싸인 코어층(110)을 갖는 광도파로(140)가 제 1 언도핑층(106) 상에 형성된다. 또한, 광검출기(150)는 광도 파로(140)의 노출된 코어층(110)의 소정영역 상에 제 2 언도핑층(120) 및 제 2 실리콘 게르마늄층(122)을 순차적으로 형성함으로써 완성된다.
또한, 광디바이스(100)는 전기적으로 연결되도록 실리콘 기판(102)의 제 2 면의 소정 영역에 형성된 n-형 전극(116) 및 제 2 실리콘 게르마늄층(122)의 소정 영역에 형성되어 전기적으로 연결된 p-형 전극(118)을 더 포함한다.
본 발명의 바람직한 제 1 실시예에 따르면, 광 디바이스(100)는 외부에서 수신된 광신호를 광도파로(140)의 코어층(110)을 통해 전달하여 광검출기(140)의 제 2 언도핑층(120)에서 흡수시킴으로써 전자-정공쌍으로 변환한 후, 전극들(116, 118)을 통하여 전기 신호로 출력한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 광도파로(140)는 상대적으로 굴절률이 큰 중심부의 코어층(110)과 그 주위를 둘러싸는 상대적으로 굴절률이 작은 제 1 및 제 2 클래드층(108, 112)으로 구성되며 빛의 전반사 현상에 의해 코어층(110)으로 빛이 전파된다. 이때, 사용되는 파장의 빛 중 특정 조건을 만족하는 빛 만이 전파가 가능한데, 이러한 조건을 만족하는 빛을 모드(mode)라고 하며 외부에서 신호 전달용으로 단일 모드 광섬유를 주로 사용하므로 광도파로(140) 또한 단일 모드 전송이 가능하도록 설계하는 것이 바람직하다.
코어층(110)과 제 1 및 제 2 클래드층(108, 112) 사이의 굴절률 차이가 많이 나도록 광도파로(140)를 형성하는 것이 바람직한데, 이는 코어층(110)과 제 1 및 제 2 클래드층(108, 112) 사이의 굴절률 차가 클수록 모드의 크기가 작게되므로 작은 단면적을 가지는 코어층(110) 설계가 가능하고 또한 구부러진 영역에서의 손실 도 작아 벤딩 반경(bending radius)을 작게 만들 수 있어 결과적으로 소자의 크기를 작게할 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 코어층(110)은 굴절률 2 내외의 질화 실리콘(Si3N4)을 사용하고 제 1 및 제 2 클래드층(108, 112)는 굴절률 1.5 내외인 이산화 실리콘(SiO2)를 사용하였는데, 이 경우 굴절률 차가 30% 이상이 됨으로써 코어층(110)의 크기를 마이크론 이하로 구현하는 것이 가능하게 된다.
한편, 광검출기(150)의 경우 광도파로(140)에서 전송된 광은 가운데 제 1 언도핑층(106) 및 제 2 언도핑층(120)에 흡수되게 되는데, 이때 광흡수가 가능하기 위해서는 제 1 언도핑층(106) 및 제 2 언도핑층(120)의 밴드갭(bandgap)이 사용된 파장의 밴드갭보다 작아야 한다. 따라서, 사용될 수 있는 물질에 제한이 가해 진다.
보다 상세히 설명하면, 가령 광통신 대역에서 사용되는 1.3 ㎛ ~ 1.5 ㎛ 파장대역의 광을 흡수하기 위해서는 실리콘-게르마늄 혼합물(SixGe1-x)에서 게르마늄의 비중이 상당히 높거나 순수 게르마늄(x=0, Ge)으로 구성되어야 한다. 그러나, 순수 게르마늄의 경우 실리콘과의 격자 부정합(lattice mismatch)이 4% 이상으로 커서 실리콘층 위에 바로 게르마늄을 결정 성장할 경우 결함 밀도가 너무 높게되어 양질의 결정 성장이 불가능하다. 따라서, 실리콘 기판위에 실리콘-게르마늄 버퍼층(buffer layer)을 구비하는 것이 바람직하다.
일반적으로, 광도파로(140)와 광검출기(150)를 일체형으로 만드는데 있어서 가장 중요한 것은 간단한 구조로 높은 광결합 효율을 얻는 것이다. 즉, 광도파로(140)를 통해 전파된 광량을 손실을 최소화하여 광검출기(150)가 흡수하도록 만들어야 한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 광검출기(150) 부분에 광도파로(140)의 코어층(110) 부분을 그대로 이용함으로써 광도파로(140) 및 광검출기(150) 결합 부분에서의 반사 손실을 없앨 수 있을 뿐만 아니라, 광도파로(140)의 광을 별도로 광검출기(150)로 꺽거나 하는 부가적인 공정 또는 장치가 필요없게 되어 간단하게 높은 광결합 효율을 얻을 수 있게 된다.
도 4a 내지 도 4h는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 도파로와 광검출기가 일체형으로 결합된 광디바이스를 제조하는 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
먼저, 도 4a에 도시한 바와 같이, 실리콘 기판(102) 상에 불순물이 도핑된 제 1 실리콘 게르마늄층(104)을 결정 성장한다. 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 실리콘 기판(102)은 n-형으로 도핑된 실리콘 웨이퍼를 사용하였으며, 그에 따라 제 1 실리콘 게르마늄 층(104)에 도핑된 불순물 또한 동일한 n-형으로 도핑하여 사용하는 경우를 위주로 설명하겠지만, p-형으로 도핑된 실리콘 기판을 사용하는 경우에도 p와 n의 순서만 바뀔 뿐 기본 원리는 동일하다.
이때 이후의 제 1 언도핑층(106)으로 사용될 게르마늄 또는 게르마늄 성분이 많이 함유된 실리콘-게르마늄 혼합물의 성장을 용이하게 하기 위하여 게르마늄의 양을 서서히 증가시키면서, 즉 SixGe1-x의 값을 1에서 0으로 점진적으로 감소시키면 서 성장하는 것이 바람직하다.
이어서, 제 1 실리콘 게르마늄 층(104) 상에 연속하여 불순물이 도핑되지 않은 게르마늄 또는 게르마늄 성분이 많이 함유된 실리콘-게르마늄 혼합물로 된 제 1 언도핑층(106)을 성장한다.
그리고 나서, 제 1 언도핑층(106) 상에 제 1 클래드층(108)을 화학기상증착(CVD; chemical vapor deposition)등의 방법을 이용하여 소정 두께로 형성한다. 비록 본 발명의 바람직한 실시예에서, 실리콘 기판 상에 제 1 실리콘 게르마늄층(104) 및 제 1 언도핑층(106)을 결정성장하여 광검출기(150)를 형성하는데 이용하였지만, InP 또는 GaAs로 이루어진 기판 상에 단일(monolithic) 결정성장이 가능한 물질을 이용하여 광검출기를 형성하는데 이용하여 본 발명의 사상을 적용할 수 있음은 물론이다. InP로 기판을 형성한 경우에 InxGa1-xAs로 이루어진 단결정 성장층을 이용하여 본 발명의 사상을 적용할 수 있음은 물론이다.
다음으로, 도 4b 및 도 4c에 도시한 바와 같이, 제 1 클래드층(108) 상에 그레이 스케일 마스크(gray scale mask)를 이용한 포토리소그래피 공정등을 이용하여 경사를 갖는 불균일한 높이의 제 1 포토레지스트층(124)을 형성한 후, 건식 식각(dry etching)을 수행함으로써, 경사면을 갖는 제 1 클래드층(108)을 얻게 된다.
이어서, 도 4d에 도시한 바와 같이, 경사면을 갖는 제 1 클래드층(108) 및 제 1 클래드층(108)에 의하여 덮여있지 않은 부분의 제 1 언도핑층(106) 상에 코어 층(110)으로 쓰일 물질을 증착한 후 포토리소그래피 및 식각 공정을 거쳐 특정 단면적을 가지는 코어층(110)만을 남기고 나머지 부분은 모두 제거한다. 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 코어층(110)을 Si3N4로 증착하였으며, 이때 형성되는 코어층의 단면적은 폭과 높이가 각각 0.3 ㎛ 정도이다.
계속하여, 도 4e에 도시한 바와 같이, 포토리소그래피 방법을 이용하여 광검출기가 형성될 영역에만 제 2 포토레지스트층(128)을 형성한 후, 스퍼터링(sputtering) 등의 방법을 이용하여 제 2 클래드층(112)을 형성한다. 광검출기 영역의 제 2 포토레지스트층(128)을 제거한 후, 광도파로(140)의 코어층(110)을 제외한 제 1 언도핑층(106)의 표면을 화학 반응등을 이용하여 표면처리하여 이 후의 결정 성장을 용이하게 한다.
다음 단계로, 도 4f에 도시한 바와 같이, 광검출기 영역에 제 2 언도핑층(120)을 결정성장 시킨후, 연속하여 제 2 실리콘-게르마늄층(122)을 형성한다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, 제 2 언도핑층(120)은 제 1 언도핑층(106)과 동일한 물질로 형성하였으며, 제 2 실리콘-게르마늄층(122)은 p-형 불순물이 도핑된 실리콘-게르마늄으로 형성하였다.
이어지는 단계로, 도 4g에 도시한 바와 같이, 광검출기(150)의 전기적인 절연을 확보하기 위하여 광검출기의 테두리 부분을 제외한 전 영역에 제 3 포토레지스트층(130)을 보호층으로 형성한 후, 이온 주입을 이용하여 전기적 절연층(114)을 형성한다. 전기적 절연층(114)은 광도파로(140)의 코어층(110)을 통해 전달된 광 신호가 제 2 언도핑층(120)에서 흡수되어 전자-정공쌍으로 변환된 후, 광검출기(150) 영역에 한정되어 보다 효율적으로 광검출기(150)가 동작할 수 있도록 한다.
마지막 단계로, 도 4h에 도시한 바와 같이, 제 3 포토레지스트층(130)을 제거한 후, 제 2 실리콘-게르마늄층(122)의 소정 영역에 형성되어 전기적으로 연결된 p-형 전극(118) 및 실리콘 기판(102)의 제 2 면의 소정 영역에 형성되어 전기적으로 연결된 n-형 전극(116)을 형성한다.
외부에서 수신된 광신호는 광도파로(140)의 코어층(110)을 통해 전달되며, 광검출기(140)의 제 1 언도핑층(106) 및 제 2 언도핑층(120)에서 흡수되어 전자-정공쌍으로 변환된 후, 전극들(116, 118)을 통하여 전기 신호로 출력된다.
도 5는 본 발명의 바람직한 제 2 실시예에 따라 형성된 도파로와 광검출기가 일체형으로 결합된 광디바이스를 설명하기 위한 단면도이며, 도 6은 도 5에 도시된 광디바이스를 선분 B-B'를 따라서 절단한 단면도이다.
본 발명의 바람직한 제 2 실시예는 제 1 실시예와 달리, 제 1 실시예에서의 광검출기(140)의 제 1 언도핑층(106)이 없이 제 2 언도핑층(120) 만으로 구성되었다는 점에서 상이하다.
보다 상세히 기술하면, 광검출기(250)에서 광도파로(240)의 코어층(210)의 하부에는 광을 흡수하기 위한 언도핑층이 없으며, 광도파로(240)의 코어층(210)을 둘러싼 상부에만 언도핑층(220)이 결정성장된다.
본 발명의 바람직한 제 2 실시예에 따른 광디바이스(200)의 제조방법은 도 4a 내지 도 4h에 도시한 본 발명의 바람직한 제 1 실시예에서 제 1 언도핑층(106)을 결정성장하는 공정없이 광도파로(240)에서는 제 1 실리콘 게르마늄층(204) 상에 제 1 클래드층(208)이 형성되고 광검출기(250)에서는 제 1 실리콘 게르마늄층(204) 상에 바로 코어층(210)이 형성된다는 점을 제외하면 나머지는 거의 동일하다.
본 발명의 바람직한 제 1 실시예에서는 제 1 및 제 2 언도핑층(106, 112)이 광도파로(140)의 코어층(110) 상하에 구비되며 광도파로(140)의 코어층(110)으로 전달되는 거의 모든 광량을 흡수할 수 있는 장점이 있으나, 제 1 언도핑층(106)을 결정 성장 후 절연물 증착, 포토리소그래피 및 식각 공정이 끝난 후에 제 2 언도핑층(112)을 결정 성장함으로써 공정 중에 제 1 및 제 2 언도핑층(106, 112)에 불순물 개입등으로 인한 결함이 발생할 가능성이 있다.
따라서, 본 발명의 바람직한 제 2 실시예는 이러한 단점을 보완하기 위하여, 언도핑층(220)을 광도파로(240) 제작 공정이 끝난 이후에 광검출기(250)에만 결정성장함으로써, 언도핑층(220)에 불필요한 결함이 발생되는 것을 차단하는데 그 특징이 있다. 이러한 결과, 본 발명의 바람직한 제 1 실시예와 비교하여 본 발명의 바람직한 제 2 실시예는 언도핑층(220)이 결함없이 연속적으로 성장함으로써 광신호를 검출하는데 충분한 광량을 흡수하는 것이 가능함으로써, 광검출기(250)의 광전변환 성능이 향상되는 효과가 있다.
도 7a 및 도 7b는 본 발명의 바람직한 제 1 실시에에 따른 도파로와 광검출기가 일체형으로 결합된 광디바이스에서 도파로에서 광검출기로 흡수되는 광량의 정도를 나타내는 시뮬레이션 결과를 설명하기 위한 그래프들이다.
도 7a에 도시한 그래프에서, x축은 언도핑층의 두께를 나타내며, y축은 모니터 출력을 나타낸다. 또한, □는 제 2 언도핑층(120)으로 흡수되는 광량을 표시하며, ◇는 제 1 언도핑층(106)으로 흡수되는 광량을 나타내고 ○는 반사되는 량을 나타낸다. 그래프에서 알수 있는 바와 같이, 제 1 및 제 2 언도핑층의 두께가 0.2 ㎛ 이상이기만 하면 40% 이상의 광흡수가 각각 가능하게 되어 전체적으로 80% 이상의 광흡수가 가능하다는 것을 알 수가 있다.
도 7b에 도시한 그래프에서, x축은 언도핑층의 길이를 나타내며, y축은 모니터 출력을 나타낸다. 또한, □는 제 2 언도핑층(120)으로 흡수되는 광량을 표시하며, ◇는 제 1 언도핑층(106)으로 흡수되는 광량을 나타내고 ○는 반사되는 량을 나타낸다. 그래프에서 알수 있는 바와 같이, 제 1 및 제 2 언도핑층의 길이가 2 ㎛ 이상이기만 하면 각각 40% 이상의 광흡수가 가능하게 되어 전체적으로 80% 이상의 광흡수가 가능하다는 것을 알 수가 있다.
상기한 바와 같이 구성된 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 광도파로와 광검출기를 일체형을 구비함으로써, 정렬 공정 및 플립-칩 본딩등의 부가공정이 불필요하게 되어 광디바이스의 제작 원가를 절감할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 광도파로와 광검출기가 단락되어 있지 않고, 광도파로의 코어부를 광검출기에 그대로 이용함으로써 제조 공정이 간단할 뿐만아니라, 광결합 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 저가의 실리콘 계열의 단일 물 질 및 기존의 대구경 실리콘 양산 공정을 이용할 수 있기 때문에 결과적으로 광송수신 소자의 혁신적인 저가화가 가능해지는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 제조 방법은 추가적인 광디바이스 결합에 용이하게 확장 적용 가능하기 때문에, 이를 활용하면 광디바이스의 단일 결합(monolithic integration)을 이용한 복합 소자 제조를 저가에 구현할 수 있는 효과가 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불구하며, 당해 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 상세한 설명의 범위 내로 정해지는 것이 아니라 첨부된 특허청구범위로 정해져야 할 것이다.
Claims (23)
- 기판;상기 기판 상에 성장된 제 1 단결정 성장층;상기 제 1 단결정 성장층 상에 형성된 클래드층과 코어층을 구비하는 광도파로;상기 광도파로를 진행하는 소정 대역의 파장을 갖는 광을 흡수하기 위하여 상기 클래드층의 일부가 제거된 상기 코어층의 소정부분에 형성된 언도핑층;상기 언도핑층 상에 성장된 제 2 단결정 성장층:상기 기판의 일측면에 형성된 n-형 전극; 및상기 제 2 단결정층에 전기적으로 연결된 p-형 전극:을 포함하는 것을 특징으로 하는 광디바이스.
- 제 1 항에 있어서,상기 기판이 실리콘인 경우 상기 제 1 단결정 성장층 및 상기 제 2 단결정 성장층이 실리콘 게르마늄층인 것을 특징으로 하는 광디바이스.
- 제 2 항에 있어서,상기 실리콘 게르마늄층은 실리콘-게르마늄 혼합물(SixGe1-x)로 이루어지며 상기 기판에서 멀어질수록 x값이 1에서 0으로 점진적으로 감소하여 상기 광도파로의 노출된 상기 코어층과 인접하는 부분에서는 게르마늄의 비중이 상당히 높거나 순수 게르마늄(x=0, Ge)으로 구성되는 것을 특징으로 하는 광디바이스.
- 제 3 항에 있어서,상기 언도핑층은 게르마늄의 비중이 상당히 높거나 순수 게르마늄으로 구성되는 것을 특징으로 하는 광디바이스.
- 제 1 항에 있어서,상기 기판이 InP으로 이루어진 경우에 상기 단결정 성장층이 InxGa1-xAs로 이 루어진 것을 특징으로 하는 광디바이스.
- 제 1 항에 있어서,상기 코어층과 상기 클래드층의 굴절률 차이가 커서 작은 코어 단면적을 갖을 수 있는 것을 특징으로 하는 광디바이스.
- 제 6 항에 있어서,상기 코어층은 질화 실리콘으로 이루어지며, 상기 클래드층은 이산화 실리콘으로 이루어진 것을 특징으로 하는 광디바이스.
- 삭제
- 제 1 항에 있어서,상기 제 1 단결정 성장층의 노출된 상기 코어층과 인접하여 광검출기를 형성하는 부분의 아래에 절연층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광디바이스.
- 삭제
- 소정의 파장 대역을 갖는 광신호를 검출하기 위한 광디바이스에 있어서,실리콘 기판;상기 광신호를 전달하기 위하여 클래딩층 및 코어층을 구비하는 광도파로;상기 광신호를 검출하기 위하여 광흡수 영역을 포함하는 광검출기:상기 기판의 일측면에 형성된 n-형 전극; 및상기 광검출기에 전기적으로 연결된 p-형 전극:을 포함하며,상기 광도파로의 상기 코어층이 상기 광검출기에 접하여 형성되고,상기 광흡수 영역이 단결정 성장층으로서 실리콘 게르마늄층인 것을 특징으로 하는 광디바이스.
- 제 11 항에 있어서,상기 실리콘 게르마늄층은 실리콘-게르마늄 혼합물(SixGe1-x)로 이루어지며 상기 코어층에서 멀어질수록 x값이 0에서 1으로 점진적으로 증가하여 상기 코어층과 인접하는 부분에서는 게르마늄의 비중이 상당히 높거나 순수 게르마늄(x=0, Ge)으로 구성되는 것을 특징으로 하는 광디바이스.
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 소정의 파장 대역을 갖는 광신호를 검출하기 위한 광디바이스에 있어서,실리콘 기판;상기 광신호를 전달하기 위하여 클래딩층 및 코어층을 구비하는 광도파로;상기 광신호를 검출하기 위하여 광흡수 영역을 포함하는 광검출기:상기 기판의 일측면에 형성된 n-형 전극; 및상기 광검출기에 전기적으로 연결된 p-형 전극:을 포함하며,상기 광도파로의 상기 코어층이 상기 광검출기에 접하여 형성되고,상기 광검출기가 형성되는 부분의 둘레의 아래에 절연층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광디바이스.
- 제 11항에 있어서,상기 광흡수영역이 상기 코어층의 상부와 하부에 각각 접하여 형성되는 것을 특징으로 하는 광디바이스.
- 광신호를 검출하기 위한 광디바이스를 형성하는 방법에 있어서,기판상에 제 1 단결정 성장층을 성장시키는 단계;상기 제 1 단결정 성장층에 제 1 클래드층을 형성하는 단계;상기 제 1 클래드층을 경사면을 갖도록 패터닝하는 단계;상기 패터닝된 제 1 클래딩층 및 상기 노출된 단결정 성장층 상에 코어층을 형성하는 단계;상기 코어층 상에 제 2 클래딩층을 형성하는 단계;상기 제 2 클래딩층을 소정 형상으로 패터닝하여 상기 코어층의 소정영역을 노출시키는 단계; 및상기 노출된 코어층 상에 제 2 단결정 성장층을 형성하는 단계:를 포함하는 것을 특징으로 하는 광디바이스를 제조하는 방법.
- 제 18 항에 있어서,상기 기판의 일측면에 n-형 전극을 형성하는 단계; 및상기 제 2 단결정 성장층에 p-형 전극을 형성하는 단계:를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광디바이스를 제조하는 방법.
- 제 18 항에 있어서,상기 제 2 단결정 성장층의 둘레의 아래에 위치하는 상기 제 1 단결정 성장층 안으로 이온 주입을 실시하여 절연층을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징 으로 하는 광디바이스를 제조하는 방법.
- 제 18 항에 있어서,상기 제 1 단결정 성장층을 실리콘-게르마늄 혼합물(SixGe1-x)로 이루어지며 상기 기판에서 멀어질수록 x값이 1에서 0으로 점진적으로 감소하는 것을 특징으로 하는 광디바이스를 제조하는 방법.
- 제 21 항에 있어서,상기 제 1 단결정 성장층이 상기 실리콘-게르마늄 혼합물(SixGe1-x)로 이루어진 층의 상부에 게르마늄의 비중이 상당히 높거나 순수 게르마늄(x=0, Ge)으로 구성되는 층을 더 형성하는 것을 특징으로 하는 광디바이스를 제조하는 방법.
- 제 21 또는 22 항에 있어서,상기 제 2 단결정 성장층은상기 코어층과 인접하는 부분에서는 게르마늄의 비중이 상당히 높거나 순수 게르마늄(x=0, Ge)으로 구성하는 단계; 및상기 코어층에서 멀어질수록 x값이 0에서 1로 점진적으로 증가하는 실리콘-게르마늄 혼합물(SixGe1-x)로 구성하는 단계:를 포함하는 것을 특징으로 하는 광디바이스를 제조하는 방법.
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