KR100772538B1 - Ｐｎ 다이오드를 이용한 광전 소자 및 그 광전 소자를포함한 실리콘 ｉｃ - Google Patents

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Abstract

본 발명은 반도체 칩 사이에서 효율적으로 다채널 신호전송을 위해 소형이고 저전력 특성을 가지며, 고속으로 동작할 수 있는 광전 소자 및 그 광전 소자를 포함하는 실리콘 IC를 제공한다. 그 광전 소자는 기판; 상기 기판 상에 PN 다이오드(diode)로 형성되고 상기 PN 다이오드의 접합 경계면이 광의 진행방향으로 형성된 광도파로; 및 상기 PN 다이오드에 역방향 전압을 인가하기 위한 전극;을 포함하고, 상기 PN 다이오드의 N형 반도체 및 P형 반도체는 고농도로 도핑되되, 상기 N형 반도체가 상기 P형 반도체보다 더 높게 도핑된다.
실리콘(silicon), 광변조기(optical modulator), 마하-젠더 광변조기 (Mach-Zhender Optical Modulator), PN 역바이어스 모드(PN reverse bias mode)

Description

ＰＮ 다이오드를 이용한 광전 소자 및 그 광전 소자를 포함한 실리콘 ＩＣ{Photoelectric device using PN diode and silicon integrated circuit(IC) comprising the same photoelectric device}
도 1은 마하-젠더(Mach-Zhender) 광 변조기에 대한 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 종방향 PN 다이오드를 이용한 마하-젠더(Mach-Zhender) 광 변조기에 대한 개략도이다.
도 3은 도 2의 A-A'에 대한 단면도이다.
도 4는 종방향 PN 다이오드를 이용한 광도파로의 도핑 농도에 따른 유효 굴절율 변화에 대한 그래프이다.
도 5는 종방향 PN 다이오드를 이용한 광도파로의 도핑 농도에 따른 광의 π 위상 변화를 일으키는 길이(Lπ)에 대한 그래프이다.
도 6는 종방향 PN 다이오드를 이용한 광도파로의 도핑 농도에 따른 전체 공핍 정전용량에 대한 그래프이다.
<도면의 주요부분에 대한 설명>
100: 제1 브랜치 110: 기판
120: 클래드 130: PN 다이오드로 형성된 광도 파로
132: 하부층 134: 상부층
136: PN 다이오드의 접합 경계면 140: 전극
142: 제1 전극 144: 제2 전극
200: 제2 브랜치 300: 입력 광도파로
350: 제1 분기점 400: 출력 광도파로
450: 제2 분기점
본 발명은 실리콘 반도체 기반 광통신 소자에 관한 것으로, 특히 실리콘 기반의 소형 및 저전력의 광전 소자 및 그 광전 소자를 포함한 실리콘 IC에 관한 것이다.
실리콘 반도체 기술의 눈부신 발전으로 인해 컴퓨터 중앙처리 장치, DRAM, SRAM등의 속도가 점점 빨라지고 있다. 이러한 반도체 칩의 속도가 증가하고 있지만 이들을 연결되어 각각의 반도체 칩들 간의 통신하는 속도는 정체되고 있다. 이러한 어려움을 극복하는 방안으로 칩들 간의 통신을 빛으로 하는 방안이 제시되었다.
그 첫 번째 단계로 화합물 반도체를 이용한 광소자를 사용하여 칩들 간의 연결을 하는 방식이 세계적으로 연구되고 있다. 그러나 고속으로 동작하는 화합물 반도체 광소자가 아직은 고가이고, 이들 화합물 반도체 광소자와 실리콘 반도체 칩의 패키징 등은 고도의 기술이 필요하고, 고비용이 드는 문제가 있다. 이러한 문제를 해결하는 방안으로 실리콘 광소자를 실리콘 반도체 칩에 집적하여 고난도, 고비용의 문제를 해결하는 방안이 있다. 이하에서는 이러한 실리콘 광소자군들 중에서 광변조기를 예를 들어 설명한다.
실리콘 광변조기를 구성하는 방법으로 몇 가지 방안이 있다. 첫 번째 방법으로 페브리-페롯 캐비티(Fabry-Perot Cavity)의 공진/반공진(resonance/anti-resonance)을 이용하는 방안이 있다. 이에 대한 내용은 Journal of Lightwave Technology, Vol. 21, No.4, pp. 1089-1098, 2003, "Low-Power Consumption Short-Length and High-Modulation-Depth Silicon Electrooptic Modulator"에 자세히 나와 있다. 이 방법은 페브리-페롯 캐비티의 두 거울 사이에 있는 물질, 예컨대 실리콘에 가하는 전류에 연동하여 페브리-페롯 캐비티를 통과하는 빛의 양을 조절하는 방식이다. 그러나 이러한 방법은 온도에 따라 그 특성이 변하는 단점이 있다.
좀더 상세히 설명하면, 실리콘 반도체 칩은 100 ℃ 정도의 온도 범위에서 정상적으로 작동해야 한다. 따라서 실리콘 광소자가 실리콘 반도체 칩에 집적되어 사용되려면 100 ℃ 정도의 온도 범위에서 정상적으로 작동해야 한다. 그러나 실리콘은 온도에 따라 굴절율이 변하고, 온도 변화에 의해 굴절율이 바뀌면 페브리-페롯 캐비티를 통해 나오는 빛의 양이 변화게 된다. 즉, 페브리-페롯 캐비티는 어떤 특정 온도에서 공진에 해당하는 전류량과 반공진에 해당하는 전류량이 정해져 있고, 이 두 전류량은 온도에 따라 변한다. 이와 같이 온도의 변화에 의해 두 전류량이 변하기 때문에, 정확한 공진 및 반공진 전류를 인가하기 위해서는 온도를 감지해서 두 전류량을 온도에 연동하여 바꾸어 줘야 하는 문제가 있다. 이러한 온도 문제를 해결하는 방안으로 마하-젠더 간섭계((Mach-Zehnder Interferometer)를 이용하는 방법이 있다.
도 1은 마하-젠더(Mach-Zhender) 광변조기에 대한 개략도이다.
도 1을 참조하면, 마하-젠더 광변조기는 입력 광도파로(1), 출력 광도파로(2) 및 입력 및 출력 광도파로(1,2) 사이에 연결된 두 개의 브랜치 (3, 4, branch)를 포함한다. 마하-젠더 광변조기의 작용을 간단히 설명하면, 입력 광도파로(1)로 입력된 광은 제1 분기점(5)에서 두 브랜치(3, 4)로 나뉘고 다시 제2 분기점(6)에서 합쳐져 출력 광도파로(2)로 출력된다. 이때 두 브랜치(3, 4)에 아무런 변화를 주지 않으면 제2 분기점(6)에서 합쳐지면서 보강간섭(constructive interference)이 일어나 원래 입사된 빛의 크기를 유지한다. 그러나 어느 한쪽 브랜치(3)에 전류나 전압이 인가되어 광도파로의 굴절률이 바뀌면, 두 브랜치(3, 4)를 통과한 빛은 위상차가 생겨 제2 분기점(6)에서 합쳐질 때, 상쇄간섭(destructive interference)을 일으킬 수 있다. 결과적으로 한쪽 브랜치에 전기 신호를 가하느냐 마느냐에 따라 보강간섭/상쇄간섭을 일으킬 수 있어, 빛을 변조시킬 수 있다.
이러한 방법은 온도가 변해도 두 브랜치의 굴절률은 온도에 따라 같이 변하기 때문에, 두 브랜치를 지나는 각각의 빛은 온도가 변해도 같은 위상변화를 일으킨다. 따라서, 한쪽 브랜치에 가해 주는 전기 신호에 의해서만 두 빛의 위상차를 줄 수 있고, 결과적으로 온도에 의해 보강간섭/상쇄간섭의 상태가 바뀌지 않는다.
이러한 마하-젠더 방식의 실리콘 광변조기 중에서 현재까지 가장 앞서 있는 특성을 보여주는 결과가 Optics Express, vol. 13, No.8, pp.3129-3135, 2005, "High speed silicon Mach-Zhender modulator와 Nature, Vol.427, No.12, pp.615-618, 2004, "A High speed silicon modulator based on Metal-Oxide-Semiconductor Capacitor"에 나타나 있다. 이 방식에서는 마하-젠더 간섭계의 두 팔이 MOS(Metal-Oxide-Semiconductor) 구조를 이루고 있다. 이 구조는 전압을 가하여 옥사이드(oxide)층 양편에 전하를 쌓이게 하고, 이 쌓인 전하를 통해 실리콘의 굴절율을 바꾸는 방식을 이용하고 있다. 이때, 굴절율의 변화(Δn)는 입력파장이 1.55mm일 때, 아래의 식에 의해 변한다.
Δn=-[8.8 X 10-22 × ΔN + 8.5 × 10-18×(ΔP)0.8 ] .............식(1)
여기서, ΔN, ΔP 는 각각 cm-3의 단위를 갖는 전자와 홀의 농도 변화량이다. 식에서 보듯이 전자와 홀의 변화량이 커야 굴절율 변화도 크다. 그러나 실리콘은 가해지는 전류에 따른 굴절율 변화가 화합물 반도체에 비해 작기 때문에, 가해지는 전류의 변화량이 커야 하는 단점이 있다. 이와 함께 전자와 홀의 변화가 있는 부분의 영역도 넓어야 한다. 실제로 광도파로 구조를 통과하는 빛이 큰 굴절율 변화를 느끼기 위해서는 구속율(confinement factor:Γ)이 커야 한다. 여기서 구속율(Γ)은 전체 빛의 세기에 대한 굴절률 변화가 일어나는 부분에 걸쳐 있는 빛의 세기로 정의된다.
실제로 빛이 느끼는 유효 굴절율 변화는 Δneff=Γ×Δn이 된다. 그러나 MOS 구조에서는 구속율(Γ)이 작다. 결과적으로 유효 굴절율 변화가 작다. 이러한 점은 전류량에 따른 실리콘의 작은 굴절율 변화(Δn) 특성과 함께, 효율적인 마하-젠더 광변조기를 구성하는데 어려움을 준다.
이를 더 부연 설명하면 다음과 같다. MOS구조에 전압을 가하면 생성되는 전하량은 다음 식과 같다.
ΔN=ΔP=ε0 × εr × (V-VFB)/(tox × t) .......................(2)
여기서, ε0 는 진공상태에서의 유전율(permittivity)이고 εr는 게이트 옥사이드(oxide)의 유전상수(dielectric constant), VFB는 MOS구조의 플랫 밴드(flat band)전압, tox는 게이트 옥사이드의 두께, t는 전하들이 모여있는 부분의 두께이다. 여기서 tox는 대략 5nm이고, t는 10nm의 두께를 가진다. 각 물질 상수들과 이 수치들을 넣고 계산하면 ΔN=ΔP=~4×1018×(V-VFB) cm-3가 된다. 여기에 (V-VFB)가 대략 2V정도 이므로 ΔN=ΔP는 대략 1019 cm-3가 된다. 그러나 이때 구속률(Γ)이 수 %정도밖에 안되므로 유효 굴절율 변화(Δneff)는 크지 않다. 결과적으로 MOS구조에서는 구속률이 작아 효율적인 굴절율 변화를 주기 어렵고, 결과적으로 큰 위상 변화를 주기 어렵다. 그렇기 때문에 마하-젠더 변조기의 팔(arm)이 길어질 수밖에 없다. 이러한 이유로 앞서 언급된 논문에서 마하-젠더 변조기의 팔(arm)의 길이는 수 mm에 이른다. 수 mm에 이르는 긴 길이는 부가적으로 정전용량(capacitance)의 크기 를 크게 하여 고속의 변조를 어렵게 한다. 또한, MOS구조에서 게이트 부분은 일반적으로 폴리 실리콘(poly-silicon)을 쓰는데, 이 폴리 실리콘은 빛을 잘 흡수하여 진행되는 빛의 손실을 가져오는 문제점도 있다.
MOS구조와 함께 p-i-n구조를 사용하여 전류를 주입하는 방식도 있다. 이에 대해서는 US patent 5,908,305에 자세히 나와 있다. 이 방법을 실리콘에서 사용할 때 단점은 변조속도가 제한된다는 점이다. p-i-n구조에 전류를 주입하다가 주입을 멈추면 이미 주입된 전하는 재결합(recombination)에 의해 없어진다. 이때 재결합되기까지 걸리는 평균시간이 실리콘의 경우 매우 크다. 그렇기 때문에 원래 상태로 회복하는데, 시간이 오래 걸린다. 결과적으로 변조속도에 한계가 있다. 이러한 점 때문에 실리콘 광변조기의 동작속도가 1GHz를 넘지 못해 왔다.
위에서 언급한 MOS 구조 또는 p-i-n구조의 문제점을 극복하고자 하는 방안으로, 위상(phase)변화를 주는 부분을 PN 역방향 바이어스 모드로 동작시키는 방안이 제시되었다. 이러한 방식의 한 예가 미국 특허 US2006/0008223 A1에 나타나 있다. 이 특허에서는 실리콘 횡방향(lateral) PN 다이오드를 립(rib) 광도파로에 형성하여, PN 역방향 바이어스 모드에서 동작시켜, 마하-젠더 광모듈레이터를 구성하는 것을 내용으로 하고 있다. 그러나 횡방향 PN 다이오드를 통과하는 빛의 중심을, 횡방향 PN 접합의 중심과 일치시키는 것은 쉽지 않으며, 그에 따라 구속율의 향상에 있어서도 일정 한계를 가지고 있다.
따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 반도체 칩 사이에서 효율적 으로 다채널 신호전송을 위해 소형이고 저전력 특성을 가지며, 고속으로 동작할 수 있는 광전 소자 및 그 광전 소자를 포함하는 실리콘 IC를 제공하는 데에 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은 기판; 상기 기판 상에 PN 다이오드(diode)로 형성되고 상기 PN 다이오드의 접합 경계면이 광의 진행방향으로 형성된 광도파로; 및 상기 PN 다이오드에 역방향 전압을 인가하기 위한 전극;을 포함하고, 상기 PN 다이오드의 N형 반도체 및 P형 반도체는 고농도로 도핑되되 상기 N형 반도체가 상기 P형 반도체보다 더 높게 도핑된 광전 소자(photoelectric device)를 제공한다.
본 발명에 있어서, 상기 N형 반도체 및 P형 반도체의 도핑 농도는 1018 cm-3 이상이며, 바람직하게는 상기 N형 반도체의 도핑 농도는 1020 cm- 3 이고, 상기 P형 반도체의 도핑 농도는 1019 cm-3 일 수 있다.
상기 광전 소자는 마하-젠더(Mach-Zhender) 광변조기일 수 있고, 상기 마하-젠더 광변조기의 한쪽 팔(arm)에는 순방향(forward) 직류 전압이 인가되고, 다른 한쪽 팔에는 상기 전극을 통해 신호 변조용 역방향(reverse) 전압이 인가될 수 있다. 한편, 상기 직류 전압은 상기 PN 다이오드의 빌트-인(built-in) 전압과 같거나 더 작을 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 광전 소자는 상기 전극으로 인가되는 역방향 전압의 변조에 의해 상기 광도파로로 통과되는 광의 특성이 변화될 수 있는데, 이러한 광 의 특성은 광구속율, 광의 위상 변화, 또는 광의 인텐서티 등이 될 수 있다. 예컨대, 상기 역방향 전압의 변조에 의해 PN 다이오드의 공핍층의 두께 변화, 상기 광도파로의 유효 굴절율 변화, 상기 광의 흡수율 변화, 및 상기 광의 인텐서티 변화 중 적어도 하나의 특성이 변화될 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 광전 소자의 기판은 상기 광도파로 형성을 위해 SOI(Silicon On Insulator) 기판으로 형성되거나, 상기 광도파로 형성을 위해 실리콘 벌크(bulk) 기판으로 형성될 수 있는데, 벌크 기판의 경우 상기 광도파로가 될 부분에 옥사이드(Oxide)가 선택적으로 주입될 수 있다.
본 발명은 또한 상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 상기 광전 소자가 전자소자 및 광소자 중 적어도 하나와 함께 동일 기판 상에 제작되어 형성된 실리콘 IC(Integrated Circuit)을 제공한다.
본 발명에 있어서, 상기 전자 소자는 CMOS, 바이폴라 트랜지스터, P-I-N, 및 다이오드 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있고, 한편, 상기 광소자는 파장다중 멀티플렉서(multiplexor) 및 포토 다이오드(Photo Diode:PD) 중 적어도 하나일 수 있다.
본 발명에 따른 광전 소자는 종방향 PN 다이오드를 이용하고 PN 다이오드의 P형 및 N형 반도체 내에 고농도의 도핑을 적절히 함으로써, 소형이면서 저전력 소비를 가지는 고속 동작의 광전 소자, 예컨대 광변조기를 구현시킬 수 있다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 이하의 설명에서 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소의 상부에 존재한다고 기술될 때, 이는 다른 구성 요소의 바로 위에 존재할 수도 있고, 그 사이에 제3의 구성 요소가 개재될 수도 있다. 또한, 도면에서 각 구성 요소의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되었고, 설명과 관계없는 부분은 생략되었다. 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다. 한편, 사용되는 용어들은 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 종방향(vertical) PN 다이오드를 이용한 마하-젠더(Mach-Zhender) 광변조기에 대한 개략도로서, 전체적인 구조는 종래의 마하-젠더와 거의 유사하다. 즉, 마하-젠더 광변조기는 입력 및 출력 광도파로(300, 400), 제1 및 제2 브랜치(100, 200)로 구성되고, 입력 광도파로(300)의 제1 분기점(350)에서 광이 분기되고 출력 광도파로(400)의 제2 분기점(450)에서 분리되었던 광이 다시 합쳐진다. 그러나 본 실시예의 마하-젠더 광변조기는 종래와 달리 변조를 위한 제1 브랜치(100)의 광도파로가 종래와 다른 구조 및 재질로 형성된다. 이하, 도 3을 참조하여 좀더 상세히 설명한다.
도 3은 도 2의 A-A'에 대한 단면도로서, 광신호 변조를 위한 제1 브랜치(100)의 광도파로 구조를 좀더 상세하게 도시하고 있다.
도 3을 참조하면, 제1 브랜치(100)는 기판(110), 기판(110) 상부로 형성된 클래드(120), PN 다이오드로 형성된 광도파로(130), 및 상기 PN 다이오드로 전류 또는 전압을 인가하기 위한 전극(140)을 포함한다.
기판(110)은 상기 광도파로(130) 형성을 위해서 SOI(Silicon On Insulator) 기판 또는, 실리콘 벌크(bulk) 기판을 이용하여 형성될 수 있다. 기판(110)이 실리콘 벌크 기판으로 형성된 경우, 광도파로가 형성될 부분으로 옥사이드(oxide)가 선택적으로 주입되게 된다.
광도파로(130)는 PN 다이오드 구조로 형성되게 되는데, 접합 경계면(136)이 광이 통과하는 방향으로 형성된 종방향(vertical) PN 다이오드 구조로 형성된다. 여기서 PN 다이오드는 상부층(134)이 P형이 되고 하부층(132)이 N형이 될 수 있으나, 그 반대로 형성되어도 무방하다. 전극(140)은 PN 다이오드에 역방향(reverse) 전압을 인가할 수 있도록 상부층(134) 상부로 제1 전극(142) 및 하부층(132) 상부로 제2 전극(144)을 포함한다. 이러한 역방향 전압의 인가를 통해 통과되는 광의 특성이 변화되어 광신호가 변조되게 된다. 변화되는 광의 특성은 광구속율, 광의 위상, 광 흡수율 또는 광 인텐서티(intensity) 등이 될 수 있다.
실리콘 광변조기가 구성되기 위해 가장 유효한 현상은 앞서 언급한 식(1)에 나타난 것처럼, 캐리어(carrier) 농도의 변화를 주는 것이다. 캐리어 농도의 변화를 주는 방법은 앞서 언급했듯이 MOS 방식, p-i-n 순방향 방식, PN 역방향 방식 등이 있다. 광도파로에 전류나 전압을 가하면 광도파로의 일부나 전부에 분포되어 있는 캐리어의 농도가 변화가 생기고, 이 농도변화는 앞서 언급한 식(1)에 의해 굴절율 변화를 준다. 이 굴절율 변화는 빛의 위상을 변화시키고, 이 변화된 위상을 이용하여 광변조기를 구현한다.
이 중에서 본 실시예에 적용되는 PN 역방향 방식은 PN 다이오드에 역방향 바이어스를 변화시켜, 공핍층(depletion region)의 두께를 바꾸는 방식이다. 즉, 캐 리어가 공핍되는 정도에 따라 도파되는 빛의 위상을 바꾸는 방식이다. 빛의 위상이 바뀌는 정도가 커야 작은 크기의 광변조기 구현할 수 있다.
이하에서는 본 실시예의 마하-젠더 광변조기에서, 빛의 위상 변화를 크게 하기 위하여, PN 역방향 방식의 최적 조건을 설명한다.
PN 다이오드에 역방향 바이어스를 걸면 N형 쪽의 공핍층 두께 Wn과 P형 쪽의 공핍층 두께 Wp는 각각 식(3), 식(4)에 의해 표시된다.
Figure 112006090239520-pat00001
....................식(3)
Figure 112006090239520-pat00002
...................식(4)
식(3)과 식(4)에서 ε는 실리콘의 유전율, Vbuilt - in은 PN 접합의 빌트 인(built-in) 전압, Vreverse는 인가되는 역방향 전압크기, Na는 P형 쪽의 억셉터(acceptor) 농도, Nd는 N형 쪽의 도너(donor) 농도이고 q는 전자의 전하량을 나타낸다.
마하-젠더 변조기의 한쪽 브랜치 즉, 도 2의 제2 브랜치(200)에는 순방향의 전압을 걸어주되 Vbuilt -in 전압과 동일 크기의 직류 전류(DC)를 걸어주고, 나머지 한쪽 브랜치 즉, 제1 브랜치(100)에는 신호변조를 위한 역방향 전압 Vreverse를 걸어주는 경우, 이때, 두 브랜치의 유효 굴절율 차이는 아래와 같은 식 (5)로 주어진다. 한편, 제2 브랜치(200)로 인가되는 순방향 전압은 정전용량의 측면에서 Vbuilt -in 보 다는 작은 것이 유리하다.
Δneff=-[8.8×10-22×Wn(Nd,Na)×Nd×Γ + 8.5× 10-18×(Na)0.8 ×Wp(Nd,Na)×Γ]
................(5)
여기서, Γ는 단위 공핍층 폭에 구속(confine) 되어 있는 빛의 양을 나타낸다.
위의 식(5)에서 보면 유료 굴절율 변화(Δneff)는 도핑농도의 함수임을 알 수 있다.
도 4는 종방향 PN 다이오드를 이용한 광도파로의 도핑 농도에 따른 유효 굴절율 변화에 대한 그래프로서, 도시된 바와 같이 P형 및 N형 쪽 모두의 도핑농도가 높을수록 대체적으로 유료 굴절율 변화가 증가함을 알 수 있다.
도 5는 종방향 PN 다이오드를 이용한 광도파로의 도핑 농도에 따른 Lπ에 대한 그래프이다. 여기서, Lπ는 광이 지나면서 위상이 π만큼 변하는 광도파로의 길이를 의미한다.
마하-젠더 광변조기에서 Lπ는 식(6)으로 주어진다. 여기서 λ는 동작 파장이다.
Lπ = λ/2Δneff ................ 식(6)
식(6)을 통해 알 수 있듯이, 유효 굴절율 변화가 커지면 Lπ가 작아진다.
도 4를 참조하면, 도핑농도가 높을수록 유효 굴절율 변화가 커짐을 알 수 있고, 결과적으로 도핑농도가 높을수록 작은 사이즈의 광변조기를 구성할 수 있음을 알 수 있다.
도 5는 이러한 도핑 농도에 따른 Lπ 를 보여주는데, P형 및 N형 모두의 도핑 농도가 높을 때, Lπ 가 감소되고 있음을 확인할 수 있다. 그래프 상 P형 및 N형 모두가 거의 1020 cm-3 정도로 고농도 도핑되는 경우 Lπ가 거의 400 ㎛ 정도까지 줄어들 수 있음을 보여준다.
광변조기의 중요 요소 중의 하나가 동작 속도이다. PN 역방향 모드의 광변조기에서 동작속도를 좌우하는 것은 공핍 정전용량(depletion capacitance)으로, 공핍 정전용량이 적을수록 광변조기의 동작 속도가 빨라진다. 단위면적당 공핍 정전용량(Cperarea)은 식(7)에 의해 주어진다.
Figure 112006090239520-pat00003
..............식(7)
식 (7)에 다이오드 면적 Lπ×W를 곱하면 전체 공핍 정전용량이 계산되고, 이것은 식(8)과 같은 관계식이 된다. 여기서 W는 PN 다이오드의 폭, 즉 도 3에서 접합 경계면(136)으로 도시된 점선의 길이이다.
Figure 112006090239520-pat00004
...........식(8)
도 6은 종방향 PN 다이오드를 이용한 광도파로의 도핑 농도에 따른 전체 공핍 정전용량에 대한 그래프로서, 식(8)을 그래프로 표시한 것이다.
도 6에서 알 수 있듯이, P형의 억셉터의 농도가 낮을수록 작은 정전용량을 갖는 광변조기를 구현할 수 있음을 알 수 있다. 그러나 억셉터의 농도가 낮으면 Lπ가 길어지므로 작은 크기의 광변조를 구현할 수 없는 문제점을 갖는다.
따라서, 위의 내용들을 종합해보면, 광변조기는 N형 쪽과 P형 쪽의 도핑 농도가 높을수록 작은 크기의 광변조기를 구현할 수 있으며, P형 쪽의 농도가 작을수록 빠른 동작속도를 갖는다. 결국, N형 쪽의 도핑농도는 최대한 높이고, P형 쪽의 도핑농도는 N형 쪽 농도보다 작게 하는 것이 유리하다. 예컨대, 상기 N형 반도체 및 P형 반도체의 도핑 농도는 1018 cm-3 이상일 수 있고, 바람직하게는 상기 N형 반도체의 도핑 농도는 1020 cm-3이고, 상기 P형 반도체의 도핑 농도는 1019 cm-3일 수 있다.
본 발명의 PN 다이오드 구조를 이용한 광변조기는 도핑 농도를 적절히 조절함으로써, 사이즈를 최소화하면서도, 저전력의 고속 동작 특성을 가질 수 있다.
지금까지, 마하-젠더 광변조기를 예를 들어 설명하였으나, 본 실시예의 종방향 PN 다이오드에 역방향 전압을 인가하는 방식은 광변조기뿐만 아니라 모든 종류의 광전 소자에 이용될 수 있음은 물론이다. 한편, 이러한 PN 다이오드 구조를 이용하는 광전 소자들은 동일 실리콘 기판으로 전자 소자나 광소자 등과 함께 집적되어 소형의 실리콘 IC(Integrated Circuit)를 제작가능하게 한다.
예컨대, CMOS, 바이폴라 트랜지스터, P-I-N, 또는 다이오드 등의 전자 소자를 상기 광변조기와 함께 실리콘 기판에 함께 집적할 수 있고, 멀티플렉서(multiplexor) 또는 포토 다이오드 등의 광소자를 상기 광변조기와 함께 실리콘 기판에 집적할 수 있다. 또한, 이러한 전자 소자나 광소자 모두를 본 발명의 광전 소자와 함께 실리콘 기판으로 집적할 수도 있다. 이와 같이 하나의 실리콘 기판으로 집적된 실리콘 IC는 본 발명의 광전 소자의 소형, 저전력 및 고속 동작 특성에 기인하여 역시, 소형, 저전력 및 고속 동작을 특성을 가질 수 있다.
지금까지, 본 발명을 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명하였으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
이상에서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 PN 다이오드 구조를 이용한 광전 소자는 역방향 바이어스를 걸어 공핍층의 두께를 변화시키고, 또한 PN 다 이오드의 P형 및 N형의 도핑 농도를 적절히 조정, 예컨대 P형 및 N형을 고농도 도핑하되, P형의 도핑 농도를 N형보다 낮춤으로써, 소형이면서 저전력 소비를 가지고 고속 동작 특성을 갖는 광전 소자, 예컨대 광 변조기를 구현가능케 한다.
또한, 이러한 광전 소자를 전자 소자나 광소자와 함께 동일 기판에 집적함으로써, 역시 소형이면서 저전력 소비를 가지고 고속 동작 특성을 갖는 실리콘 IC를 구현할 수 있다.

Claims (13)

  1. 기판;
    상기 기판 상에 PN 다이오드(diode)로 형성되고 상기 PN 다이오드의 접합 경계면이 광의 진행방향으로 형성된 광도파로; 및
    상기 PN 다이오드에 역방향 전압을 인가하기 위한 전극;을 포함하고,
    상기 PN 다이오드의 N형 반도체 및 P형 반도체는 고농도로 도핑되되, 상기 N형 반도체가 상기 P형 반도체보다 더 높게 도핑된 광전 소자(photoelectric device).
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 N형 반도체 및 P형 반도체의 도핑 농도는 1018 cm-3 이상인 것을 특징으로 하는 광전 소자.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 N형 반도체의 도핑 농도는 1020 cm-3이고, 상기 P형 반도체의 도핑 농도는 1019 cm-3인 것을 특징으로 하는 광전 소자.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 광전 소자는 마하-젠더(Mach-Zhender) 광변조기이고,
    상기 마하-젠더 광변조기의 한쪽 팔(arm)에는 순방향(forward) 직류 전압이 인가되고, 다른 한쪽 팔에는 상기 전극을 통해 신호 변조용 역방향(reverse) 전압이 인가되는 것을 특징으로 하는 광전 소자.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 직류 전압은 상기 PN 다이오드의 빌트-인(built-in) 전압과 같거나 더 작은 것을 특징으로 하는 광전 소자.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 전극으로 인가되는 역방향 전압의 변조에 의해 상기 광도파로로 통과되는 광의 특성이 변화되는 것을 특징으로 하는 광전 소자.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 광의 특성은 광구속율, 광의 위상, 광 흡수율 또는 광 인텐서티(intensity)인 것을 특징으로 하는 광전 소자.
  8. 제6 항에 있어서,
    상기 역방향 전압의 변조에 의해 PN 다이오드의 공핍층의 두께 변화, 상기 광도파로의 유효 굴절율 변화, 상기 광의 흡수율 변화, 및 상기 광의 인텐서티 변 화 중 적어도 하나의 특성이 변화되는 것을 특징으로 하는 광전 소자.
  9. 제1 항에 있어서,
    상기 기판은 상기 광도파로 형성을 위해 SOI(Silicon On Insulator) 기판으로 형성된 것을 특징으로 하는 광전 소자.
  10. 제1 항에 있어서,
    상기 기판은 상기 광도파로 형성을 위해 실리콘 벌크(bulk) 기판으로 형성되고,
    상기 벌크 기판은 상기 광도파로가 될 부분에 옥사이드(Oxide)가 선택적으로 주입된 것을 특징으로 하는 광전 소자.
  11. 제1 항의 광전 소자가 전자소자 및 광소자 중 적어도 하나와 함께 동일 기판 상에 제작되어 형성된 실리콘 IC(Integrated Circuit).
  12. 제11 항에 있어서,
    상기 전자 소자는 CMOS, 바이폴라 트랜지스터, P-I-N, 및 다이오드 중에서 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 실리콘 IC(Integrated Circuit).
  13. 제11 항에 있어서,
    상기 광소자는 파장다중 멀티플렉서(multiplexor) 및 포토 다이오드(Photo Diode:PD) 중 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 IC(Integrated Circuit).
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