KR100809860B1 - 도파관 구조체, 파 변조 구조체 및 도파관 구조체의 제조 방법 - Google Patents

도파관 구조체, 파 변조 구조체 및 도파관 구조체의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

먼저 수용 버퍼층(26)을 실리콘 웨이퍼 상에 성장시킴으로써, 큰 실리콘 웨이퍼(22) 위에 고품질의 에피택셜층의 산화물이 성장할 수 있다. 수용 버퍼층은 실리콘 산화물의 비결정질 접촉층(24)에 의해서 실리콘 웨이퍼로부터 이격된 단결정 산화물의 층이다. 비결정질 중간층은 변형을 분산시키고 고품질의 단결정 산화물 수용 버퍼층의 성장을 허용한다. 수용 버퍼층과 하부 실리콘 기판 사이의 격자 부정합은 비결정질 중간층에 의해서 처리된다. 도파관(45)은 단결정 버퍼층 위에 고품질 단결정 재료로 형성될 수 있다. 도파관은 파를 변조하도록 적절하게 형성될 수 있다. Ⅲ-Ⅴ계 포토닉스(photonics) 및 Si 회로에 산화물계 전자-광학 장치의 모놀리식 집적이 완전히 실현된다.
도파관 구조체, 버퍼 수용층, 반도체 기판, 산화물층, 코어층, 클래딩층

Description

도파관 구조체, 파 변조 구조체 및 도파관 구조체의 제조 방법{Waveguide structure, wave modulation structure and process for fabricating the waveguide structure}
본 발명은 전자광학 구조체 및 장치와 그 제조 방법에 관한 것이며, 특히 개선된 전자광학 구조체와 이 구조체를 실리콘 장치 및 회로와 모놀리식으로 집적하기 위한 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 통신 시스템은 정보를 한 장소에서 다른 장소로 전송한다. 정보는 종종 주파수가 수 메가헤르츠(MHz)에서 수백 테라헤르츠(THz)로 변화될 수 있는 전자기 반송파(electromagnetic carrier wave)에 의해서 운반된다. 통상적으로, 광통신 시스템은 전자기 스펙트럼의 근적외선 영역 또는 가시 영역의 고반송 주파수(즉, 100THz)를 사용한다.
광파(lightwave) 및 다른 전자기파와 같은 파(wave)들의 방향을 제어하기 위하여 도파관(waveguide)들이 사용된다. 가장 단순한 형태에서, 도파관은 굴절율이 코어보다 낮은 클래딩(cladding)에 의해서 적어도 부분적으로 둘러싸인 코어를 포함한다. 파는 코어를 통해 진행하여, 클래딩에서 반사된다. 만약, 클래딩이 코어보다 큰 굴절율을 가진다면, 파는 클래딩으로 단지 흡수되고 코어를 통해서 진행하지 않을 것이다.
스트론튬 바륨 니오베이트(Strontium barium niobate;SBN)는 강한 광굴절 재료(photorefractive material)이고 최근에 전자 광학, 홀로그래픽 스토리지, 공간 광변조기(spatial light modulator), 초전 검출기, 표면 탄성파 장치 및 빔 스티어링에서 그 잠재적인 응용 가능성으로 인하여 많은 관심을 받고 있다. 스트론튬 바륨 니오베이트(SBN) 도파관은 집적 광학 시스템 및 다른 소형화 장치와 높은 호환성을 보인다.
대부분의 반도체 디스크리트 장치(semiconductor discrete device) 및 집적 회로들은 저렴하면서 고품질의 단결정 실리콘 기판의 유용성으로 인하여 적어도 부분적으로 실리콘으로 제조된다.
스트론튬 바륨 니오베이트(SBN)의 유용한 특성과 반도체 회로들을 조합하는 것도 바람직하다. 만약, 스트론튬 바륨 니오베이트(SBN) 도파막(waveguiding film)들이 실리콘 기판 상에 제조될 수 있다면, 집적 광학소자와 마이크로일렉트로닉스 사이의 간격을 메우는 데 도움을 줄 수 있다. 고품질의 단결정 재료의 도파막이 실리콘 웨이퍼와 같은 벌크 웨이퍼(bulk wafer) 상에 실현될 수 있다면, 실리콘과 도파 재료의 최상의 특성을 이용하는 집적 장치 구조체를 얻을 수 있다. 또한, 상기 조합은 새로운 전자 광학 및 마이크로전자 장치를 도출할 수 있고, 기존의 장치를 개선하며 그 제조 비용을 감소시킬 수 있다.
벌크 기판 상에 스트론튬 바륨 니오베이트(SBN) 막들을 집적하기 위하여 많은 시도가 제안되었다. 예를 들어, MgO(산화 마그네슘) 기판 상의 스트론튬 바륨 니오베이트(SBN) 막의 조합은 0.5의 굴절율 차이를 나타내는 MgO의 낮은 굴절율로 인하여 어떤 장점을 나타냈다. 그러나, 실리콘 기판쪽이 집적 목적을 위해서는 더욱 바람직하다.
엑스 엘 구어(X L Guo) 등에 의해서 제안된 다른 시도; "도파관 형태로 Si 웨이퍼 상의 SrxBa1-XNb2O6/MgO 이중막의 펄스형 레이저 증착" 제이. 피지스. 디(J. Phy. D): 애플. 피지스(Appl. Phys.) 29, 1996, PP. 1632-35에는 P형 실리콘 웨이퍼 상의 SBN/MgO 이중막의 제조 방법을 교시한다. 이중막(bilayered film)은 MgO 버퍼층의 고도의 배향 성장(highly textured growth) 및 SBN 막들의 다결정 성장을 나타낸다. 그러나, 엑스 엘 구오 등도 역시 결과적인 다결정 구조가 단결정 구조 만큼 바람직하지 못하며, 그에 따라서 SBN 막의 결정성을 개선하기 위한 노력이 추가되어야 한다는 사실을 인정한다.
따라서, 고품질의 단결정 특성을 가지는 전자 광학 구조체에 대한 필요성이 상존한다. 특히, 구조가 고품질의 단결정 재료인 실리콘계 회로에 단결정으로 집적되는 전자 광학 구조체에 대한 필요성이 존재한다.
삭제
본 발명은 예로서 설명된 것이며 첨부 도면에 한정되지 않는다. 도면에서 동일 참조 번호는 유사 요소를 나타낸다.
도 1, 도 3 및 도 5는 본 발명의 여러 실시예들에 따른 도파관 구조체들의 횡단면을 개략적으로 도시한 도면.
도 2는 주결정 및 성장한 결정 상부층 사이의 최대 달성가능한 막 두께와 격자 부정합 사이의 관계를 도시한 그래프.
도 4 내지 도 6은 본 발명의 여러 실시예에 따른 도파관 구조체의 횡단면을 개략적으로 도시한 도면.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 도파관 구조체(20) 부분의 횡단면을 개략적으로 도시한다. 구조체(20)는 단결정 기판(22)과, 수용 버퍼층(accomodating buffer layer; 24)을 포함하며, 상기 수용 버퍼층(24)은 단결정 재료와, 단결정 재료의 바닥 클래딩층(26)과, 단결정 재료의 코어(28) 및 단결정 재료의 상부 클래딩층(30)을 포함한다. 본원에서, 용어 "단결정(monocrystalline)"은 반도체 산업에서 일반적으로 사용되는 의미를 갖는 것으로 한다. 상기 용어는 단결정 또는 실질적인 단결정인 재료를 가리키며, 실리콘 또는 게르마늄 또는 실리콘 및 게르마늄의 혼합물의 기판들 및 반도체 산업에서 일반적으로 발견되는 이러한 재료의 에피택셜층(epitaxial layer)에서 일반적으로 발견되는 전위(dislocation) 등과 같은 결함이 상대적으로 작은 재료를 포함한다.
본 발명의 한 실시예에 따르면, 구조체(20)도 역시 단결정 기판(22)과 수용 버퍼층(24) 사이에 위치한 비결정질 중간층(32)을 포함한다. 비결정질 중간층은 수용 버퍼층에서 변형(strain)을 경감시키는 것을 보조하고 이렇게 함으로써 높은 결정 품질의 수용 버퍼층의 성장을 돕는다.
본 발명의 실시예에 따른 단결정 기판(22)은 양호하게는 큰 직경의 단결정 반도체 웨이퍼이다. 웨이퍼는 주기율표의 Ⅳ족으로부터의 재료, 그리고 양호하게는 ⅣA족으로부터의 재료일 수 있다. Ⅳ족 반도체 재료의 예들은 실리콘, 게르마늄, 혼합 실리콘 및 게르마늄, 혼합 실리콘 및 탄소, 혼합 실리콘, 게르마늄 및 탄소 등을 포함한다. 양호하게는, 단결정 기판(22)은 실리콘 또는 게르마늄 함유 웨이퍼 및 가장 양호하게는 약 200 내지 300mm의 직경을 가지는 반도체 산업에서 사용되는 고품질의 단결정 실리콘 웨이퍼이다.
수용 버퍼층(24)은 하부 기판(underlying substrate) 및 상부 화합물 반도체 재료와 결정 호환성을 위해서 선택되는 양호하게는 단결정 산화물 재료이다. 예를 들어, 상기 재료는 기판과 그 후에 적용되는 클래딩 재료와 거의 정합하는 격자 구조를 가지는 산화물일 수 있다. 수용 버퍼층에 대해서 적합한 재료들은 알카리 토류 금속 티탄산염과 같은 금속 산화물을 포함하고 통상적으로 적어도 두개의 다른 금속성 원소들을 포함할 수 있다. 일부 특정 응용들에서, 금속 산화물은 3개 이상의 다른 금속성 원소들을 포함할 수 있다.
층(26,28,30)들의 클래딩 및 코어 재료는 특수한 도파관 구조체에 필요한 것으로 선택될 수 있다. 전반사 또는 적어도 거의 전반사를 얻기 위하여, 코어(28)는 상부 클래딩층(30) 및 바닥 클래딩층(26)을 형성하는데 사용된 재료와 다른 굴절율을 가지는 재료로 형성된다. 특히, 코어(28)의 굴절율은 동일 재료로 적절하게 형성될 수 있는 상부 클래딩층(30) 및 바닥 클래딩층(26)의 굴절율보다 크다. 예시적인 실시예에 따라, 코어(28)에 대해서 선택된 재료는 n1의 굴절율을 가지고 상부 클래딩층(30) 및 바닥 클래딩층(26)에 대해서 선택된 재료는 각각 n2,n3의 굴절율을 가지며, 여기서 n1>n2 이고 n1>n3이다.
본 발명의 한 실시예에 따르면 코어층(28) 및 클래딩층(30,26)은 스트론튬 바륨 니오베이트(SBN)와 같은 높은 광반응성 재료(photoreactive material)이다. 각 스트론튬 바륨 니오베이트(SBN) 층의 두께는 투과된 에너지의 특정 파장에 의존한다. 일반적으로, 광도파관은 전자기 스펙트럼의 가시 영역 내지 근적외선 영역에서 작동한다. 본 실시예에서, 굴절율(n3)을 가지는 바닥 클래딩층(26)은 수용 버퍼층(24) 상에 증착된다. 바닥 클래딩층(26)은 SBN:60일 수 있고, 여기서 60은 스트론튬 대 바륨의 비율이고, 굴절율(n3)은 2.33과 같을 수 있다. 코어층(28)은 바닥 클래딩층(26) 상에 증착되고 양호하게는 굴절율(n3)보다 큰 굴절율(n1)을 가진다. 코어층(28)은 SBN:75일 수 있고 굴절율(n1)은 2.35와 같을 수 있다. 상부 클래딩층(30)은 그때 코어층(28) 위에 증착될 수 있다. 본 실시예의 특수한 한 형태에 있어서, 상부 클래딩층(30)은 바닥 클래딩층(26)[즉, SBN:60, 굴절율(n1) = 2.33]과 동일 재료이다. 그러나, 하기에 더욱 상세하게 기술하는 바와 같이, 만약, 주위 매체가 코어보다 낮은 굴절율을 가진다면[즉, 1과 동일한 굴절율을 가지는 공기라면], 코어 위에 추가 클래딩층을 증착할 필요가 없다.
본 발명의 다른 실시예에서, 클래딩층(30,26)은 [n2, n3이 1.78과 동일한] 1.78의 굴절율을 가지는 산화 마그네슘(MgO)이다. 코어층(28)은 SBN:50 내지 SBN:75이고 양호하게는 SBN:75의 더 높은 굴절율로 인하여 SBN:75가 될 수 있다. 그러나, SBN:50 내지 SBN:75가 상술한 실시예 뿐 아니라 본 실시예에 대하여 적당하다.
상술한 실시예 뿐 아니라 본 실시예도 클래딩층들이 코어 주위에서 대칭(symetric)인 대칭 구성에 대해서 기술한다. 그러나, 본 발명의 범주 내에는 대칭 및 비대칭(antisymetric)의 모든 구성들이 고려된다는 것을 이해해야 한다. 하기에 추가로 기술하는 바와 같이, 비대칭 구성들은 굴절율이 동일하지 않은 클래딩 재료들을 포함한다. 예를 들어, 바닥 클래딩층은 어떤 경우에는 상부 클래딩층보다 크거나 또는 작은 굴절율을 가질 수 있지만, 코어 굴절율은 일반적으로 클래딩층보다 높다.
본 발명의 한 실시예에 따르면, 비결정질 중간층(32)은 단결정 기판(22)과 성장 수용 버퍼층 사이의 경계면에서 단결정 기판(22) 상에 성장한다. 비결정질 중간층(32)은 양호하게는 단결정 기판(22)의 산화에 의해서 형성된 산화물이고 더욱 양호하게는 층(24)이 성장하는 동안 실리콘 산화물(SiOx)로 구성된다. 비결정질 중간층(32)의 두께는 단결정 기판(22)과 수용 버퍼층(24)의 격자 상수(lattice constant)[통상적으로 약 0.5 내지 5.0nm의 범위에 있음] 사이의 부정합(mismatch)에 기인하는 변형을 경감시키기에 충분하다. 사용된 바와 같이, 격자 상수는 표면의 평면에서 측정된 셀의 원자 사이의 거리를 가리킨다. 만약, 이러한 변형이 비결정질 중간층에 의해서 경감되지 않는다면, 상기 변형은 수용 버퍼층의 결정 구조에 결함을 유발할 수 있다. 또, 수용 버퍼층의 결정 구조의 결함들은 단결정층(26,28,30)에서 고품질의 결정 구조를 달성하기 어렵다.
본 발명의 한 실시예에 따르면, 수용 버퍼층(24)은 SrzBa1-zTiO3의 단결정층이고 여기서 z은 0 내지 1의 범위에 있고 비결정질 중간층(32)은 실리콘 기판과 수용 버퍼층 사이의 경계면에 형성된 실리콘 산화물(SiOx)의 층이다. z의 값은 차후에 형성되는 바닥 클래딩층(26)의 대응 격자 상수에 밀접하게 정합된 하나 이상의 격자 상수를 얻도록 선택될 수 있다. 수용 버퍼층은 수개의 모노층(monolayer)으로부터 수백 옹스트롱(100
Figure 112007077579040-pct00001
)의 두께를 가질 수 있다. 일반적으로, 원하는 전기 및 광학 특성을 얻기 위하여 기판으로부터 단결정 산화물층을 절연시키기에 충분히 두꺼운 수용 버퍼층을 가지는 것이 바람직하다. 100nm보다 두꺼운 층들은 일반적으로 비용을 불필요하게 증가시키면서 추가 장점은 거의 없다. 그러나, 더 두꺼운 층들은 필요하다면 제조될 수 있다. 본 실시예에서, 실리콘 산화물의 비결정질 중간층은 약 0.5 내지 5nm의 두께를 가질 수 있으며, 양호하게는 약 1.5 내지 2.5nm의 두께를 가질 수 있다.
단결정 기판(22)은 단결정 실리콘 기판과 같은 단결정 기판이다. 단결정 기판의 결정 구조는 격자 방위와 격자 상수에 의해서 특징지워 진다. 유사한 방식으로, 수용 버퍼층(24)은 단결정 재료이고 단결정 재료의 격자는 격자 상수 및 격자 방위에 의해서 특징지워 진다. 수용 버퍼층과 단결정 기판의 격자 상수들은 밀접하게 정합되거나 또는 다른 방안으로는 한 결정 방위가 다른 결정 방위에 대하여 회전할 때, 격자 상수들이 실질적으로 정합될 필요가 있다. 본원 명세서에서 용어 "거의 동일한"과 "거의 정합된"은 하부층 위에서 고품질의 결정층의 성장을 허용하기 위하여 격자 상수들 사이의 충분한 유사성이 있다는 것을 의미한다.
도 2는 주결정 및 성장 결정의 격자 상수들 사이의 부정합의 작용으로 높은 결정 품질의 성장 결정층의 달성가능한 두께의 관계를 그래프로 도시한다. 곡선(42)은 고결정 품질 재료의 경계를 나타낸다. 곡선(42) 우측의 영역은 많은 결함을 가지는 층들을 나타낸다. 격자 부정합이 없다면, 주결정 상의 무한 두께의 고품질 에피택셜층을 성장시키는 것이 이론적으로 가능하다. 격자 상수들의 부정합이 증가하면, 달성가능한 고품질의 결정층의 두께는 빠르게 감소한다. 기준점으로서 예를 들어, 주결정과 성장층 사이의 격자 상수들이 약 2% 이상 만큼 부정합이면, 약 20nm을 초과하는 단결정 에피택셜층들이 달성될 수 없다.
본 발명의 한 실시예에 따른, 단결정 기판(22)은 (100) 또는 (111)의 배향된 단결정 실리콘 웨이퍼이고 수용 버퍼층(24)은 스트론튬 바륨 티탄산염의 층이다. 상기 두 재료 사이의 격자 상수들의 실질적인 정합은 티탄산염 재료의 격자 방위를 실리콘 기판 웨이퍼의 결정 방위에 대해서 45도만큼 회전시킴으로써 달성된다. 비결정질 중간층(32)의 구조체의 함유물과, 상기 예의 실리콘 산화물층은 충분한 두께를 가진다면, 주 실리콘 웨이퍼 및 성장 티탄산염층의 격자 상수들에서 어떤 부정합으로부터 유발되는 티탄산염 단결정층의 변형을 감소시키도록 작용한다. 따라서, 본 발명의 실시예에 따라, 고품질의 두꺼운 단결정 티탄산염층을 얻을 수 있다.
도 1에 있어서, 바닥 클래딩층(26)은 에피택셜로 성장한 단결정 재료의 층이고 이 결정 재료는 결정 격자 상수 및 결정 방위에 의해서 특징지워 진다. 본 발명의 한 실시예에 따르면, 바닥 클래딩층(26)의 격자 상수는 단결정 기판(22)의 격자 상수와 상이하다. 상기 에피택셜 성장된 단결정층(26)에서 높은 품질의 결정을 달성하기 위하여, 수용 버퍼층(24)은 고결정 품질의 것이어야 한다. 또한, 바닥 클래딩층(26)에서 고결정 품질을 달성하기 위하여, 주결정, 이 경우는 단결정 수용 버퍼층 및 성장 결정의 결정 격자 상수 사이의 실질적인 정합이 바람직하다. 적절하게 선택된 재료로서, 격자 상수들의 상기 실질적인 정합이 주결정의 방위에 대한 성장 결정의 결정 방위의 회전의 결과로 달성된다. 하기 예는 도 1에 도시된 구조체와 같은 도파관 구조체를 제조하기 위한 본 발명의 한 실시예에 따른 공정을 설명한다. 상기 공정은 실리콘 또는 게르마늄을 포함하는 단결정 반도체 기판을 제공함으로써 개시된다. 본 발명의 양호한 실시예에 따른, 반도체 기판은 (100) 방위를 가지는 실리콘 웨이퍼이다. 기판은 양호하게는 축선에서 배향되거나 또는 최대로 약 0.5도 축선으로부터 벗어나 배향된다. 반도체 기판의 적어도 일부는 비록, 상기 기판의 다른 부분이 하기 기술한 바와 같이, 다른 구조체들을 포함할 수 있어도, 베어 표면(bare surface)을 가진다. 본 명세서에서 상기 용어 "베어(bare)"는 기판의 일부 표면이 어떤 산화물, 오염물질 또는 다른 이물질을 제거하도록 세척되었다는 것을 의미한다. 잘 알려져 있는 바와 같이, 베어 실리콘(bare silicon)은 고반응성이고 용이하게 자연 산화물(native oxide)을 형성한다. 용어 "베어(bare)"는 이와 같은 자연 산화물을 포함하는 것으로 의도된다. 얇은 실리콘 산화물은 또한 비록 상기 성장 산화물이 본 발명에 따른 공정에 필수적이지 않지만, 반도체 기판 상에서 의도적으로 성장될 수 있다. 단결정 기판 위에 단결정 산화물층을 에피택셜로 성장시키기 위하여, 자연 산화물층은 하부 기판의 결정 구조를 노출시키도록 먼저 제거되어야 한다. 다음 공정은 양호하게는 비록, 다른 에피택셜 공정이 본 발명에 따라서 사용될 수 있지만, 분자 빔 에피택시(molecular beam epitaxy;MBE)에 의해서 실행된다. 자연 산화물은 MBE(molecular beam epitaxy) 장치에서 스트론튬, 바륨, 스트론튬 및 바륨의 조합물 또는 다른 알카리 토류 금속들 또는 알카리 토류 금속들의 조합물의 박층을 먼저 열적으로 증착시킴으로써 제거될 수 있다. 스트론튬이 사용되는 경우에는, 기판은 그때 약 750℃의 온도로 가열되어서 스트론튬이 천연 실리콘 산화물층과 반응하게 한다. 스트론튬은 실리콘 산화물을 환원시켜 실리콘 산화물이 없는 표면을 남기도록 작용한다. 규칙적인(ordered) 2 ×1 구조를 나타내는 결과적으로 얻어진 표면은 스트론튬, 산소 및 실리콘을 포함한다. 규칙적인 2 ×1 구조는 상부의 단결정 산화물층의 규칙적인 성장을 위한 템플릿(template)을 형성한다. 템플릿은 상부층의 결정 성장의 핵을 이루는 데 필요한 화학적 및 물리적 특성을 제공한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른, 천연 실리콘 산화물은 변환될 수 있으며 기판 표면은 스트론튬 산화물, 스트론튬 바륨 산화물 또는 바륨 산화물과 같은 알카리 토류 금속 산화물을 저온에서 MBE(molecular beam epitaxy)에 의하여 기판 표면 상으로 증착시키고 그리고 차후에 약 750℃의 온도에서 구조체를 가열함으로써, 단결정 산화물층의 성장을 위하여 준비될 수 있다. 상기 온도에서, 고체 상태 반응이 스트론튬 산화물과 천연 실리콘 산화물 사이에서 발생하여서 천연 실리콘 산화물을 환원시키고 기판 표면 상에 스트론튬, 산소 및 실리콘이 잔존하는 규칙적인 2 ×1 구조를 남긴다. 다시, 이것은 규칙적인 단결정 산화물층의 차후 성장을 위한 템플릿을 형성한다.
본 발명의 한 실시예에 따라, 기판의 표면에서 실리콘 산화물을 제거한 다음에는, 기판이 약 200 내지 800℃ 범위의 온도로 냉각되고 스트론튬 티탄산염의 층은 분자 빔 에피택시에 의해서 템플릿 층 상에서 성장한다. MBE(molecular beam epitaxy) 공정은 스트론튬, 티탄산염 및 산소 소스를 노출시키기 위하여 MBE(molecular beam epitaxy) 장치에서 셔터들을 개방시킴으로써 개시된다. 스트론튬 및 티탄산염의 비율은 약 1:1이다. 산소의 부분 압력은 분당 약 0.3 내지 0.5nm의 성장 속도에서 화학량론적 스트론튬 티탄산염을 성장시키기 위하여 처음에는 최소값으로 설정된다. 스트론튬 티탄산염의 성장을 개시시킨 이후에는, 산소의 부분 압력은 초기 최소값 이상으로 증가한다. 산소의 과도한 압력은 하부 기판과 성장 스트론튬 티탄산염층 사이의 경계면에서 비결정질 실리콘 산화물의 성장을 유발한다. 실리콘 산화물층의 성장은 산소가 하부 기판의 표면에서 실리콘과 반응하는 경계면까지의 성장 스트론튬 티탄산염층을 통한 산소의 확산에 기인한다. 스트론튬 티탄산염은 하부 기판의 규칙적인 2 ×1 구조에 대해서 45도 만큼 회전한 결정 방위를 갖는 규칙적인 단결정으로서 성장한다. 실리콘 기판과 성장 결정 사이의 격자 상수에서의 작은 부정합으로 인하여 스트론튬 티탄산염에 존재할 수 있는 변형이 비결정질 실리콘 산화물의 중간층에서 감소된다.
스트론튬 티탄산염층이 원하는 두께로 성장한 이후에는, 단결정 스트론튬 티탄산염은 원하는 클래딩 재료의 에피택셜층의 후속 성장에 기여하는 템플릿층에 의해서 덮혀진다. SBN의 층의 후속 성장을 위하여, 스트론튬 티탄산염 단결정층의 MBE(molecular beam epitaxy) 성장은 Sr-O 결합을 형성하기 위하여 재료의 1 내지 2 원자층을 증착시킴으로써 성장을 종결하여 완성될 수 있다. 다른 방법으로, 만약 수용 버퍼층이 바륨 티탄산염이라면, Ba-O 결합이 형성될 수 있다.
일단, 단결정 수용 버퍼층(24)이 형성되면, 단결정 도파관이 형성될 수 있다. 한 실시예에서, SBN:60의 층은 금속 유기 화학적 기상 증착(metal organic chemical vapor deposition; MOCVD)에 의해서 수용 버퍼층(24) 상에 증착되며 양호하게는 격자 정합을 위해서 축배향된다. 양호하게는 SBN:75의 코어층(28)은 동일 공정에 의해서 바닥 클래딩층(26) 상에 증착된다. 대칭 구성으로, 코어는 동일 클래딩 재료에 의해서 둘러싸이고, 이 경우 SBN:60의 클래딩층(30)은 코어층 상에 증착될 수 있다. 코어와 클래딩층 두께는 도파관(코어) 안으로 도입된 광파장에 따라 변화된다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 도파관 구조체(40)의 일부 단면을 도시한다. 구조체(40)는 상부 클래딩층이 생략된 것을 제외하고는, 상술한 도파관 구조체(20)와 유사하다. 상술한 바와 같이, 코어를 이 코어보다 낮은 굴절율을 가지는 재료 또는 물질로 둘러싸는 것이 양호하다. 구조체(40)는 굴절율(n1)을 가지는 코어(28)와, 굴절율(n3)을 가지는 바닥 클래딩층(26)을 포함하며, 여기서 굴절율(n1) > 굴절율(n3)이다. 비대칭 시스템에서, 상부 및 바닥 클래딩층은 가변 굴절율들을 가지거나 또는 다른 방안으로는, 클래딩층들중 하나를 전체적으로 생략할 수 있다. 파, 즉, 광파는 둘러싸는 클래딩 또는 매체가 코어보다 낮은 굴절율을 가지는 한 거의 손실없이 코어를 통해서 계속해서 횡단한다.
본 발명의 한 형태에서, 바닥 클래딩층(26)은 굴절율(n3)을 가지며, 코어층(28)은 굴절율(n1)을 가지고, 공기는 코어층(28)과 접하며, 여기서 공기는 일반적으로 1과 동일한 굴절율을 가지며 1 < 굴절율(n1) > 굴절율(n3)이다.
하기 구조체들 뿐 아니라, 상술한 구조체(20,40)들은 패터닝되거나 에칭될 수 있다는 것을 이해해야 한다. 특히, 도파관 구조체의 코어 및/또는 클래딩층들은 반도체 산업에서 널리 알려진 방식으로 패터닝 및 에칭될 수 있다. 특히, 구조체들의 대상 층들은 파 진행(wave travel)을 강화하고 파의 입력 및 출력등을 한정하도록 패터닝 및 에칭될 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 도파관 구조체(45)의 상부 부분의 단면을 개략적으로 도시한다. 도파관 구조체(45)는 이 도파관 구조체(45)가 변조기를 형성하기 위한 추가 요소를 포함하는 것을 제외하고는, 상술한 구조체(20,40)와 유사하다. 특히, 구조체(45)는 코어 및 클래딩층과 전극(들)(47)을 포함하는 구조체(46)를 포함한다.
외부 변조기는 통상적으로 코어의 영역에 전하 또는 전기장을 도입함으로써, 진행 파의 특성을 변화시킨다. 예를 들어, 전극(47)에 전압이 공급될 때, 제어된 전기장이 생긴다. 이 예에서, 광파(lightwave;
Figure 112007077579040-pct00002
으로 도시됨)는 주위 클래딩 또는 공기로부터의 내부 반사에 의해서 코어를 통해 진행할 수 있다. 전극(들)(47)에 공급된 전압은 진행 파의 경로에서 어떤 전기장 또는 전하를 발생시킨다. 파 특성은 전기 효과가 존재하면 변화(변조)되므로, (
Figure 112007077579040-pct00003
에 도시됨) 진행 파의 진행 패턴, 위상(phase) 등을 변화시킨다.
본 발명의 한 형태에 있어서, 점선(48)으로 개략적으로 표시된 전기 부품은 반도체 산업에서 일반적으로 사용되는 종래 실리콘 디바이스 처리 기술을 사용하여 실리콘 기판의 적어도 일부에 형성된다. 전기 부품(48)은 일반적으로 라인(49)으로 표시된 바와 같이, 전극(들)(47)에 전기적으로 접속된다. 전기 부품(48)은 전극(들)(47)에 전기 신호를 제공하도록 적당하게 구성된 능동 반도체 부품(active semiconductor component), 예를 들어, CMOS 집적 회로와 같은 집적 회로일 수 있다. 부품(48)은 추가로 또는 다른 방안으로, 하나 이상의 수동 부품(passive component)들을 포함한다. 적당한 절연 재료의 층(도시생략)은 전기 단락 등을 방지하기 위하여 전기 부품(48)을 덮을 수 있다.
도 5는 본 발명의 추가 실시예에 따른 도파관 구조체(50)의 일부 단면을 개략적으로 도시한다. 구조체(50)는 상술한 구조체(20,40)와 유사하다. 구조체(50)는 파 진행에 적당한 코어(54)를 포함한다. 도시한 바와 같이, 구조체(50)는 양호하게는 코어(54)의 굴절율보다 낮은 굴절율의 상부 클래딩층을 포함한다. 그러나, 상부 클래딩층이 (도 3에 도시된 바와 같이) 생략될 수 있으며 코어(54)보다 낮은 굴절율을 갖는 공기와 같은 적당한 매체가 코어와 접할 수 있다는 것을 이해해야 한다.
구조체(50)는 유전체 재료(52)의 층 위에 하나 이상의 전극(들)을 더 포함한다. 본 실시예의 한 형태에 있어서, 구조체(50)는 구조체(20,40,45)에 대해서 상술한 것과 같이 형성될 수 있다. 그리고 나서, 구조체(50)를 형성하는 층들은 여러 영역에서 기판을 노출시키기 위하여 에칭될 수 있다. 예를 들어, 구조체(50)는 층들 중에서도, 코어 및 클래딩층들 사이에 "메이서(mesa)"를 형성하기 위해서 에칭될 수 있다. 유전체 물질(52)은 그때 잔여 메이서에 인접한 영역들에서 증착될 수 있다. 적당한 유전체는 SiO2 및 SiN3와 같은 재료를 포함한다. 전극(들)(56)은 그때 유전체 층(들)(52) 위에 배치될 수 있으며 메이서에 전기적으로 접속된다. 본 실시예의 다른 형태에서, 전기 부품(58)은 전하 또는 전기장을 제공하기 위하여 전극(들)(56)에 전기적으로 접속된다. 따라서, 실리콘 회로를 갖는 산화물계 전자 광학 장치의 모놀리식 집적이 충분히 실현된다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 도파관 구조체(60)의 상부 단면을 개략적으로 도시한다. 구조체(60)는 상술한 방법들중 어떤 방법으로 제조되고 마흐- 젠더(Mach-Zehnder) 등의 구성으로 추가로 제조된다. 마흐-젠더 광학 간섭계 디자인(62)은 진행 파 (
Figure 112007077579040-pct00004
으로 도시된)를 분할하고 두개의 동일하지만 이격된 경로들을 연속으로 진행하게 하는 두 아암을 포함한다. 외부 전압이 없을 때, 마흐-젠더 광학 간섭계의 두 아암에서의 광학 필드는 동일한 위상 이동하고(phase shift) 보강간섭을 일으킨다. 광학 간섭계의 한 아암에서, 대응 파(일반적으로 "변조된" 광파
Figure 112007077579040-pct00005
으로 도시됨)를 위상 이동시킬 수 있는 하나 이상의 전극(들)(64)에 전압이 제공될 수 있다. 추가 위상 이동은 간섭계의 보강 간섭을 파괴하고 전달 강도를 감소시킬 수 있다. 특히, 상기 경우에 발생하는 상쇄 간섭으로 인하여 두 아암 사이의 위상차(phase difference)가 π(파이)와 동일할 때, 빛이 전달되지 않을 수 있다. 그 결과, 변조기의 전기 "스위칭(switching)" 특성은 광의 양(amount) 또는 부족(lack)을 제어할 수 있다. 구조체(60)의 기판(즉, 실리콘 반도체 기판)에서 적어도 부분적으로 형성된 전기 부품(66)은 변조에 필요한 전기 신호를 제공하기 위하여 전극(들)(64)에 적절하게 결합될 수 있다.
상술한 공정은 실리콘 기판, 상부 산화물층 및 단결정 코어를 포함하는 도파관 구조체를 형성하기 위한 공정을 설명하며, 클래딩층은 MBE(molecular beam epitaxy) 및 MOCVD(metal organic chemical vapor deposition) 공정으로 편리하게 설명된다. 그러나, 상기 상세하게 기술한 공정들 중 어떤 공정은 화학적 기상 증착(chemical vapor deposition; CVD), 물리적 기상 증착(physical vapor deposition; PVD), 펄스 레이저 증착(pulsed laser deposition; PLD) 등에 의해서 실행될 수 있다는 것을 이해해야 한다.
상세한 설명에서, 본 발명은 특정 실시예에 대해서 기술되었다. 그러나, 당업자는 하기 기술된 청구범위에 기재된 바와 같이, 본 발명의 범주 내에서 다양하게 변화 및 변형시킬 수 있다는 것을 이해한다. 따라서, 상세한 설명과 도면은 제한적인 의미라기보다는 이해적인 의미로 간주되어야 하고, 이러한 모든 변형도 본 발명의 범주 내에 포함되는 것으로 의도되었다.
이점, 기타 장점 및 문제점에 대한 해결방안도 특정 실시예에 대해서 기술되었다. 그러나, 이점, 장점들과 문제점에 대한 해결방안 및 어떤 요소(들)이 발생할 수 있거나 또는 더욱 명확해질 수 있으며 이것은 중요하고 필요한 또는 필수적인 형태 또는 어떤 또는 모든 청구범위의 요소들로 해석되지 말아야 한다. 본원에서 사용된, 용어 "포함하다", "포함하는" 또는 어떤 다른 파생어는 비배타적 포함을 포함하도록 의도되었으므로, 요소들의 목록을 포함하는 공정, 방법, 품목 또는 장치는 상기 요소들을 포함할 뿐 아니라, 상기 공정, 방법, 물품 또는 장치에 본질적이거나 또는 목록에 기재되지 않은 다른 요소들도 포함할 수 있다.

Claims (45)

  1. 도파관 구조체에 있어서,
    단결정 반도체 기판과;
    기판 위에 형성된 단결정 산화물층과;
    산화물층 위에 형성된 코어층과;
    상기 코어층에 인접하게 형성된 클래딩층을 포함하는, 도파관 구조체.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 코어층은 단결정 스트론튬 바륨 니오베이트(SBN)를 포함하는, 도파관 구조체.
  6. 삭제
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 클래딩층은 단결정 스트론튬 바륨 니오베이트(SBN)를 포함하는, 도파관 구조체.
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 삭제
  15. 삭제
  16. 삭제
  17. 파 변조 구조체(wave modulation structure)에 있어서,
    단결정 반도체 기판과;
    기판 위에 형성된 단결정 산화물층과;
    산화물층 위에 형성된 단결정 코어층과;
    상기 코어층에 인접하게 형성된 단결정 클래딩층과;
    코어와 전기 통신하는 전극을 포함하는, 파 변조 구조체.
  18. 삭제
  19. 삭제
  20. 삭제
  21. 삭제
  22. 삭제
  23. 삭제
  24. 삭제
  25. 삭제
  26. 삭제
  27. 도파관 구조체의 제조 방법에 있어서,
    단결정 반도체 기판을 제공하는 단계와;
    기판 위에 단결정 산화물층을 형성하는 단계와;
    상기 산화물층 위에 코어층을 형성하는 단계와;
    상기 코어층 주위에 부분적으로 또는 전체적으로 클래딩층을 형성하는 단계를 포함하는, 도파관 구조체의 제조 방법.
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