KR101634189B1 - 열 분류기를 포함하는 실리콘-온-절연체 소자, 광 인터커넥트 및 열 전달 방법 - Google Patents

열 분류기를 포함하는 실리콘-온-절연체 소자, 광 인터커넥트 및 열 전달 방법 Download PDF

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Abstract

열 분류기는 소자의 측벽으로부터의 열을 실리콘 기판으로 전달한다. 소자는 매립 산화물층을 포함하는 실리콘-온-절연체(SOI)에 연관된다. 열 분류기는 매립 산화물층을 통해 실리콘 기판까지 연장한다.

Description

열 분류기{THERMAL SHUNT}
본 발명은 열 분류기에 관한 것이다.
실리콘-온-절연체(SOI)는 소자의 작동 성능을 훼손시킬 수 있는 열을 발생할 수도 있다. 소자 크기/점유공간이 감소됨에 따라, 열의 발생은 소자의 작동 손상까지 급격하게 증가할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따라, 실리콘-온-절연체(SOI) 소자는, 상기 SOI가 실리콘 소자층과 실리콘 기판 사이에 위치된 매립 산화물층을 포함하고, 상기 SOI의 실리콘 소자층 상에 위치된 측벽; 및 상기 소자의 측벽과 접촉하고, 상기 실리콘 소자층 및 상기 매립 산화물층을 통해 상기 실리콘 기판까지 연장하여 상기 소자의 측벽으로부터의 열을 상기 실리콘 기판으로 전달하는 열 분류기를 포함하는 것을 특징으로 한다.
도 1은 본 발명의 예에 따른 실리콘-온-절연체(SOI) 소자의 투시도이다.
도 2는 본 발명의 예에 따른 실리콘-온-절연체(SOI) 소자의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 예에 따른 실리콘-온-절연체(SOI) 소자의 측단면도이다.
도 4는 본 발명의 예에 따른 실리콘-온-절연체(SOI) 소자의 측단면도이다.
도 5는 본 발명의 예에 따른 실리콘-온-절연체(SOI) 소자의 측단면도이다.
도 6은 본 발명의 예에 따른 광 인터커넥트(optical interconnect)의 평면도이다.
도 7의 (a) 내지 (e)는 본 발명의 예에 따른 실리콘-온-절연체(SOI) 소자 제조 과정의 측단면도이다.
도 8의 (a) 내지 (f)는 본 발명의 예에 따른 실리콘-온-절연체(SOI) 소자 제조 과정의 측단면도이다.
도 9는 본 발명의 예에 따른 실리콘-온-절연체(SOI) 소자로부터의 열을 전달하는 방법을 기반으로 하는 흐름도이다.
이하에서는 제공된 예를 첨부 도면을 참조하여 설명할 것이다. 도면에서, 유사한 도면 부호는 동일하거나 또는 기능적으로 유사한 요소를 나타낼 수 있다.
실리콘-온-절연체(SOI) 소자는 예컨대 광 인터커넥트에서의 레이저 광원을 위한 전자장치 및 포토닉스(photonics)에 사용될 수 있다. 이러한 소자는 열을 발생할 수 있으며, 이 열은 디바이스 대역폭을 훼손하고, 작동 임계치를 상승시키며, 열로 인해 더 높아진 작동 임계치를 극복하기 위해 소자로 하여금 더 많은 전력을 요구하도록 할 수 있다. 소자의 크기의 감소는 더 낮은 작동 임계치 파워 및 더 작은 점유공간(즉, 더 높은 집적 밀도)과 같은 작동 상의 이점에 연관될 수 있지만, 추가의 열 발생과도 연관될 수 있다. 매립 산화물층은 극히 낮은 열전도율로 인해 1차적인 열 장벽으로 작용할 수 있어서, 열이 기판을 통해 방열되는 것을 방지한다. 열 임피던스는 소자가 열을 방열/전달하는 방법에 따라 소자에 연관될 수 있다. 소자로부터의 열 전달을 향상시켜서, 열 임피던스를 감소시키고, 소자의 작동 특성을 향상시키기 위해, 열 분류기가 사용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 예에 따른 실리콘-온-절연체(SOI) 소자(100)의 투시도이다. 예시된 예에서, 소자(100)는 광소자(전기적으로 구동되는 하이브리드 실리콘 마이크로링 레이저)이고, SOI(110), SOI(110)에 접합된 마이크로링(102), 및 광 모드를 공진하도록 마이크로링(102)과 에바네센트 결합(evanescent coupling)하기 위해 SOI(110)에 정해진 도파관(120)을 포함한다. 마이크로링(102)은 외부 컨택(105) 및 내부 컨택(104)을 포함하며, 이들 컨택은 구동 전류를 수신할 수 있다. 마이크로링(102)은 또한 측벽(106)을 포함한다.
도 1에 마이크로링 레이저로서 예시되어 있지만, 소자(100)는 분산 브래그 반사기(distributed Bragg reflector), 분산 피드백 레이저, 및/또는 튜닝 가능한 레이저와 같은 다른 소자를 포함할 수도 있다. 공진기 지오메트리를 갖는 레이저는 포토닉 데이터 링크(photonic data link)를 포함하는 포토닉 집적 회로(PIC)를 위한 온칩 광원으로서 이용될 수 있으며, 파장 분할 다중화(WDM), 가감 필터/라우터(add-drop filter/router), 스위치, 센서, 변조기, 버퍼, 및 온칩 광 인터커넥트 어플리케이션, 멀티플렉서 및 실리콘 변조기와 같은 패시브 콤포넌트, 및 전자-흡수 변조기(electro-absorption modulator)와 같은 액티브 콤포넌트용으로 이용될 수 있다.
감소된 소자 치수에 연관된 이점이 있다. 예컨대, 링 직경이 더 작아지면, 광공진기 캐비티의 길이가 단축되고 작동 임계 전류가 감소함으로써 성능이 증가될 수 있다. 더 작은 임계 전류 및 대응하는 전력 소비의 감소는, 소자 치수를 더 작게 하고 상이한 파장에서 더욱 효율적으로 레이저 동작 임계치(lasing threshold)에 도달하게 하는 것에 연관될 수 있다. 더욱이, 더 작은 소자 치수는 다중화를 위해 상이한 파장 신호를 함께 조합하는 것과 같은 어플리케이션에 대해서는 레이저 동작 파장(lasing wavelength)에 걸쳐 변조 속도 및 제어를 더 빠르게 할 수 있다. 감소된 소자 점유공간으로 집적 밀도 또한 증가할 수 있어서, 향상된 제조 효율 및 대응하는 단위 소자 비용 감소를 야기한다.
소자(100)의 동작, 예컨대 내부 컨택(104) 및 외부 컨택(105)을 임계 전류로 전기적으로 구동하는 것은, 작동 성능을 저하시킬 수도 있는 열을 발생할 수 있다. 예컨대 마이크로링(102)의 직경을 감소시키는 것과 같은 소자(100)의 물리적 치수를 감소시키는 것은 더 큰 치수의 소자에 비하여 열 발생을 증가시키는 것과 연관될 수 있다. 열은 마이크로링(102)의 대역폭 성능을 훼손시킬 수 있으며, 마이크로링(102)으로 하여금 열의 존재 시에 더 높은 레이저 동작 임계치를 갖도록 할 수도 있으며, 이에 의해 작동 임계치에 도달하기 위해 더 많은 전력을 필요로 하게 될 수 있다. 소자(100)는 소자 직렬 저항에 의해 결정되는 열 임피던스에 연관될 수 있다. 이 직렬 저항은 소자(100)의 방열 성능과 연관된 소자(100)의 치수에 직접 관련될 수 있다. 온도는 소자(100)가 활성 상태일 때에, 예컨대 연속파 전류(continuous-wave current)로 구동될 때에 소자(100)의 활성 영역에서 상승할 수 있으며, 소자 직경을 함수로 하여 2차식으로(quadratically) 증가할 수 있다. 일례에서, 소자 활성 영역에서의 온도 증가는 50 ㎛의 직경을 갖는 소자의 경우에는 2.5℃일 수도 있다. 또 다른 예에서, 15 ㎛의 상대적으로 작은 직경을 갖는 소자는 활성 영역에서의 온도 증가가 63℃일 수도 있다. 50 ㎛, 25 ㎛ 또는 15 ㎛ 직경의 소자에 대한 일례의 열 임피던스는 465.2 ℃/W, 1253.4 ℃/W, 또는 1782 ℃/W일 수도 있다. 과도한 열을 발생하는 소자는 작동 동안의 열에 의한 과도한 동작 저하를 방지하기 위해 소자로 하여금 펄스들 사이에서 냉각될 수 있도록 펄스 모드의 작동으로 제한될 수도 있다.
열은 표면 복사, 대류(기체 및/또는 유체 냉각), 및 예컨대 SOI(110)를 통한 확산을 통해 방열될 수 있다. 실리콘(예컨대, 실리콘 소자층(112) 및 실리콘 기판(116))이 열을 전달할 수 있지만, SOI(110)의 매립 산화물층(114)은 열 절연체로서 작용한다. 예컨대, 실리콘은 130 W/m/℃의 열전도율을 가질 수 있는 반면, 실리콘 산화물(SiO2일 수도 있는 매립 산화물층(114))은 단지 1.3 W/m/℃의 열전도율을 갖는다. 그러므로, SOI(110)를 통한 마이크로링(102)으로부터의 열의 확산은 매립 산화물층(114) 및 매립 산화물층의 낮은 열전도율에 의해 제한될 수 있다.
따라서, 본 명세서에서의 예는 측벽(106)으로부터의 열을 매립 산화물층(114)을 통해 실리콘 기판(116)으로 전달하기 위해 열 분류기를 이용할 수 있다. 잠재적인 캐비티 온도 상승을 완화시키기 위해 열 분류기를 사용하는 것은 소자로 하여금, 고온을 발생하고 열 분류기를 갖지 않는 소자에 비하여, 매우 낮은 작동 전압 및 매우 낮은 전력 소비를 갖도록 할 수 있다.
마이크로링(102)은 열 분류기가 마이크로링(102)에 매우 근접하게 배치되어 마이크로링(102)의 핫스팟에 도달할 수 있도록 협폭의 도파관(120)과 함께 작동할 수 있다(예컨대, 소자 핫스팟에의 분류기의 밀접한 접근을 방지하는 광폭의 도파관 구조에 연관된 선형 레이저 또는 다른 광소자와는 반대로). 본 명세서에 설명된 예를 기반으로 하는 소자는 소자 핫스팟으로부터의 열을 측벽(106)을 통해 제거하기 위해 소자의 측벽(106)에 근접한 열 분류기의 배치를 가능하게 할 수 있다.
도 2는 본 발명의 예에 따른 열 분류기(230)를 포함하는 실리콘-온-절연체(SOI) 소자(200)의 단면도이다. 마이크로링(202)은 SOI(210)의 실리콘 소자층(212)에 결합된다. SOI(210)는 실리콘 소자층(212)과 실리콘 기판(216) 사이에 끼워져 위치된 매립 산화물(BOX)층(214)을 포함한다. 열 분류기(230)는 마이크로링(202)의 측벽(206)과 접촉될 수 있다. 마이크로링(202)은 내부 컨택(204), 외부 컨택(205), 컨택층(217), 및 소자(200)의 작동 동안 열("핫스팟")을 발생할 수 있는 활성층(208)을 포함한다.
도 2에서의 열 분류기(230)는 또한 유전체로서 작용할 수도 있는 알루미늄 산화물(예컨대, Al2O3)과 같은 비금속이어도 된다. 그러므로, 측벽(206)과 직접 접촉하는 금속 열 분류기와는 달리, 유전체 열 분류기(230)는 마이크로링(202)에서의 광손실을 초래하지 않으며, 측벽(206) 및 온도가 가능 높을 수도 있는 캐리어 재결합/활성 영역(208)과 접촉 상태로 배치되어, 소자(200)의 측벽(206)으로부터의 효과적인 열 추출을 제공할 수 있다.
열 분류기(230)의 유전체 재료는 폴리-실리콘 및 금속과 같은 다른 재료에 관련될 고온 어닐링, 미세 폴리싱, 낮은 공차 등과 같은 복잡한 가공 단계의 필요성을 회피할 수 있다. 알루미늄 산화물은 25∼40 W/m/℃의 열전도율을 가지며, 이것은 더 낮은 열전도율을 갖는 다른 재료(예컨대, 실리콘 산화물)와는 달리 열 분류기로서의 효과적인 작동을 제공할 수 있다. 따라서, 알루미늄 산화물은 알루미늄 산화물이 클래딩 재료(cladding material) 및 열 분류기 재료로서 동시에 작용할 수 있도록 하는 열적 특성 및 절연 특성(예컨대, 광학적, 전기적 등의 특성)을 갖는다. 예컨대, 열 분류기(230)는 표면 현수 결합 패시베이션(surface dangling bond passivation)을 위해 이용되어, 작동 효율을 향상시키고, 소자(200)의 표면 열화를 방지할 수 있다. 그러므로, 열 분류기(230)는 열 제거를 넘어서는 개선을 포함한 소자 성능을 향상시키기 위한 복수의 개선(예컨대, 패시베이션, 공진된 광학 모드의 조정 등)을 제공할 수 있다. 이에 부가하여, 열 분류기(230)는 무시 가능한 점유공간을 가져, 소자(200) 및 열 분류기(230)와 다른 소자/열 분류기의 조밀한 집적을 가능하게 한다. 열 분류기(230)가 엄격한 공차를 위한 폴리싱과 같은 어떠한 추가의 복잡한 제조 과정 없이 표면 리프트-오프 포토그래피 등과 유전체 침적 단계를 기반으로 제조될 수 있음에 따라, 그 제조가 간단하게 된다.
도 3은 본 발명의 예에 따른 실리콘-온-절연체(SOI) 소자(300)의 측단면도이다. 마이크로링(302)은 매립 산화물(BOX)층(314) 및 실리콘 기판(316)을 포함하는 SOI(310)의 실리콘 소자층(312)에 접합된다. 열 분류기(330)가 마이크로링(302)의 측벽(306)과 접촉되고, 또한 내부 컨택(304), 컨택층(317), 외부 컨택(305), 활성층(308) 및 마이크로링(302)의 내부 캐비티와도 접촉된다.
열 분류기(330)는 마이크로링(302)을 인캡슐레이션 및/또는 패시베이션하여, 실리콘 기판(316)으로의 효율적인 열전달을 보장하는 동시에 표면 복사 및 대류를 통해 열을 방열할 수 있도록 하면서 마이크로링(302)에 대한 보호를 제공할 수 있다. 그러므로, 열 분류기(330)는 소자(300)를 인캡슐레이션하고 보호하면서도 소자(300)의 전체에 대한 향상된 방열/열의 제거를 제공한다(예컨대, 표면 복사 및 대류를 통해 효율적인 방열을 저해할 수도 있는 다른 패시베이션 재료와는 달리). 열 분류기(330)는 광학적으로 및/또는 전기적으로 절연성의 것으로 될 수 있으며, 이에 의해 측벽(306)을 광학적 동작과의 간섭 없이 접촉하고, 내부 컨택(304) 및 외부 컨택(305)을 전기적 동작과의 간섭 없이 접촉한다. 열 분류기(330)를 통한 컨택과의 전기 접속을 제공하기 위해 비아 및/또는 트렌치가 제공될 수 있다. 열 분류기(330) 내에 유전체 분류기 부분(dielectric shunt portion)을 통합하여, 열 분류기(330)의 금속 부분을 금속의 접촉 및/또는 근접에 의해 영향을 받을 수도 있는 하부의 디바이스에 열적으로는 결합하고 전기적 및/또는 광학적으로는 격리시킴으로써, 금속 열 분류기(330)가 이용될 수도 있다.
도 4는 본 발명의 예에 따른 실리콘-온-절연체(SOI) 소자(400)의 측단면도이다. 마이크로링(402)은 매립 산화물(BOX)층(414) 및 실리콘 기판(416)을 포함하는 SOI(410)의 실리콘 소자층(412)에 결합된다. 열 분류기(430)가 마이크로링(402)의 측벽(406) 및 활성층(408)과 접촉하며, 내부 컨택(404), 컨택층(417), 외부 컨택(405), 및 마이크로링(402)의 내부 캐비티를 노출시킨다. 소자(400)는 또한 실리콘 소자층(412) 및 실리콘 기판(416)과 접촉하는 열 기판 분류기(thermal substrate shunt)(436)를 포함한다.
열 기판 분류기(436)는 마이크로링(402)의 아래에 위치되고 또한 마이크로링(402)의 측면 치수 이내에 위치될 수 있다. 열 기판 분류기(436)는 매립 산화물층(414)을 통해 에칭된 구멍을 충진하기 위해 알루미늄 산화물, 금, 또는 기타 금속이나 유전체 재료와 같은 높은 열전도율을 갖는 재료로 구성될 수 있다. 열 기판 분류기(436)는 실리콘 소자층(412)의 적어도 일부분과 접촉할 수 있으며, 이로써 실리콘 소자층(412)으로부터의 열이 실리콘 기판(416) 쪽으로 아래로 추출될 수 있다.
도 4에 도시된 바와 같이, 열 기판 분류기(436)는 실리콘 소자층(412)의 상면 아래의 레벨까지 수직으로 돌출할 수 있다. 이에 따라, 열 기판 분류기(436)의 충진율(fill rate)을 제어할 수 있고, SOI(410) 및 열 기판 분류기(436)의 상면을 폴리싱하지 않고서도 열 기판 분류기(436)를 침적할 수 있다.
도 5는 본 발명의 예에 따른 실리콘-온-절연체(SOI) 소자(500)의 측단면도이다. 마이크로링(502)은 매립 산화물(BOX)층(514) 및 실리콘 기판(516)을 포함하는 SOI(510)의 실리콘 소자층(512)에 결합된다. 열 분류기(530)는 금속이어도 되고, 마이크로링(502)의 측벽(506) 및 활성층(508)과 접촉하는 유전체 분류기(532)를 포함하여도 된다. 소자(500)는 내부 컨택(504), 컨택층(517) 및 외부 컨택(505)을 포함한다. 열 분류기(530)는 외부 컨택(505)과 접촉하며, 예컨대 단일체의(unitary) 접촉/분류 콤포넌트처럼 동일한 재료로 형성될 수도 있다. 소자(500)는 또한 열 실리콘 소자층(512) 및 실리콘 기판(516)과 접촉하는 기판 분류기(536)를 포함한다.
유전체 분류기(532)는 열 분류기(530)의 일부분을 형성할 수 있으며, 마이크로링(502)의 반도체 재료와 열 분류기(530)의 금속(예컨대, 금, 알루미늄 및 구리) 사이의 유전체층을 형성할 수도 있다. 그러므로, 유전체 분류기(532)는 금속에 의해 광학적으로 흡수되거나 및/또는 열 분류기(530)에 근접하여 이루어지는, 마이크로링(502)에 연관된, 광학 모드를 방지할 수 있다. 열 분류기(530)는 내부 컨택(504) 및/또는 외부 컨택(505)과 동일한 재료(예컨대, 금, 알루미늄 및 구리)로 구성되어도 된다. 반도체와 SiO2 및/또는 Al2O3와 같은 유전체 간의 커다란 비굴절률차(refractive index contrast)로 인해, 금속 열 분류기(530)가 측벽(506)에 근접한 경우에도, 유전체 분류기(532)에 의해 반도체 내부에 광학 모드가 양호하게 정해질 수도 있다. 소자에서의 가장 고온의 지점에서부터 열 분류기(530)까지의 거리에 걸쳐 있는 유전체 분류기(532)의 두께는 따라서 금속 열 분류기(530)로부터의 추가의 광 흡수 손실 없이 300 nm만큼 얇게 될 수도 있다. 이러한 치수는 마이크로링(502)으로부터의 열 추출에 매우 바람직할 것이다. 유전체 분류기(532)는 공진하는 마이크로링(502)의 광학 특성에 대한 영향을 방지하기 위해 낮은 광손실을 갖는다. 유전체 분류기(532)는 또한 마이크로링(502)의 측벽(506)으로부터 금속 열 분류기(530) 및 실리콘 기판(516)으로의 신속하고 효율적인 열 전달을 가능하게 하기 위해 높은 열전도율을 갖는다.
실리콘 소자층(512)으로부터 실리콘 기판(516)으로 열을 전달하기 위해 SOI(510)에 열 기판 분류기(536)가 침적될 수도 있다. 열 기판 분류기(536)는 도 5의 예시된 예에 나타낸 바와 같이 마이크로링(502)의 내측 에지 쪽으로(예컨대, 공진기의 에지까지) 측방으로 연장하여, 더 높은 차수의 측방 광학 모드(higher order lateral optical mode)를 흡수, 감쇄(attenuate) 및/또는 억제할 수 있다. 이에 따라, 공진기는 단일 모드 공진기로서 효과적으로 작동할 수 있으며, 이로써 열 기판 분류기(536)의 위치설정이, 실리콘 소자층(512)으로부터의 열 제거를 향상시키는 것에 부가하여, 공진기 모드 작동을 기초로 소자 성능을 향상시킬 수 있다. 이에 부가하여, 소자(500) 및/또는 열 기판 분류기(530)의 치수, 구조 및/또는 기타 외형적 특징이 마이크로링(502) 및 관련 구조를 위한 구조적 지지 및 이격과의 유연성(flexibility)을 가능하게 함에 따라, 열 기판 분류기(536)는 컨택층(517)으로부터 이격될 수 있다.
도 6은 본 발명의 예에 따른 광 인터커넥트(600)의 평면도이다. 광 인터커넥트(600)는 복수의 마이크로링(602), 도파관(620), 및 SOI(610) 상에 배치된 광검출기(650)를 포함할 수 있다. 마이크로링(602)은 자신의 신호를 발생할 수 있으며, 하나의 링 레이저에 하나의 채널이 할당되고, 또 다른 링 레이저에 또 다른 채널이 할당되는 등의 방식으로 이루어질 수 있다. 마이크로링(602)은 내부 컨택(604), 외부 컨택(605), 및 마이크로링(602)의 측벽(606)과 접촉하는 열 분류기(630)를 포함한다. 도 6의 평면도에 나타낸 바와 같이, 열 분류기(630)는 마이크로링(602)을 둘러쌀 수 있으며, 측벽(606)으로부터 열을 추출하면서 마이크로링(602)의 일부분 및/또는 전체 둘레를 둘러쌀 수 있다.
마이크로링(602)은 도파관(620)을 공유할 수 있으며, 이에 의해 광 인터커넥트(600)에 사용될 다파장 레이저를 획득하기 위해 마이크로링(602)과 연관된 신호들을 함께 다중화할 수 있다. 도 6의 마이크로링 예를 기반으로 하는 멀티플렉서는, 도 6의 예에 비하여 더 많은 개수의 부품을 이용하면서 광손실 및 더 큰 점유공간을 보유하는 선형 레이저에 비하여 더 적은 부품을 가질 수 있다.
광검출기(650)는 도파관(620)과 일체화될 수도 있다. 일례에서, 대략 180 미크론의 길이를 갖는 테이퍼 형상의 광검출기는 광학 모드를 패시브 SOI 도파관(620)으로부터 낮은 결합 손실 및 작은 반사를 갖는 하이브리드 도파관 검출기(650)로 단열적으로(adiabatically) 변형할 수 있다.
광 인터커넥트(600)는 광 인터커넥트 시스템과 같은 전력-효율적이고 고속의 실리콘 기반 프로세서를 인에이블시킬 수 있다. 포토닉 데이터 링크를 포함하는 이러한 시스템은 대역폭을 증가시킬 수 있고, 종래의 금속 인터커넥트를 이용하는 예컨대 CMOS에 비하여 전력 소모를 감소시킬 수 있다.
컴팩트한 마이크로링 설계를 기반으로 하는 광 인터커넥트(600)는, 대략 40배(a factor of 40)의 면적(및 비용)의 감소와 대략 4배의 비트당 소비 에너지(energy dissipated per bit)의 감소 및 데이터 레이트의 2배의 향상을 제공하면서 Intel LightPeak™ II 시스템과 같은 다른 광시스템에서의 레이저, 변조기 및 멀티플렉서를 대체할 수 있다. 예컨대, Intel LightPeak™ II 시스템에서와 같이 별도의 레이저 소스, 변조기 및 멀티플렉서를 사용하지 않고, 도 6을 기반으로 하는 시스템은 광을 생성하고, 복수의 마이크로링(광원)을 함께 묶는 파장 분할 다중화(WDM)를 수행하고, 복수의 마이크로링을 매우 높은 속도로 직접 변조할 수 있다. 그러므로, 도 6의 광 인터커넥트(600)는 다른 시스템에 비하여 감소된 전력 및 크기/소자 점유공간 특징을 이용하여 신호를 직접 인코딩할 수 있다.
도 7의 (a) 내지 (e)는 본 발명의 예에 따른 실리콘-온-절연체(SOI) 소자 제조 과정의 측단면도이다. 도 7의 (a) 내지 (e)에 도시된 일례의 소자는 전자 소자 구조(예컨대, 트랜지스터) 및/또는 SOI 도파관 포토닉 소자 구조(예컨대, 직선형 광공진기, 굽어진 광공진기, 링 광공진기 등)이어도 되며, 도파관 구조를 포함할 수 있는 전자 및 포토닉 소자를 포함한 기판 상에 형성된 논-하이브리드 구조이어도 된다.
도 7의 (a)는 실리콘 소자층(712), 매립 산화물층(714), 및 실리콘 기판(716)을 포함하는 SOI(710)를 도시한다. 도 7의 (b)는 메사(mesa)(748)를 제공하기 위한 실리콘 소자층(712)의 일부분의 제거를 도시하고 있다. 도 7의 (c)는 트렌치(740)를 형성하기 위한 실리콘 소자층(712), 매립 산화물층(714) 및 실리콘 기판(716)의 일부분의 제거를 도시하고 있다. 도 7의 (d)는 열 분류기(730)의 침적을 도시하고 있다. 열 분류기(730)는 광학적으로 저손실의 높은 열전도성 재료(예컨대, 기타 유전체를 포함한 다이아몬드, 알루미늄 산화물 등)이어도 된다. 열 분류기(730)는 또한 전기적으로 절연성의 것이어도 된다. 열 분류기는 메사(748)의 측벽(706)과 접촉할 수 있고, 측벽(706)과 접촉하여 열을 측벽(706)으로부터 실리콘 기판(716)에 전달하기 위해 실리콘 소자층(712) 및 매립 산화물층(714)을 통해 연장할 수 있다. 도 7의 (e)는 열 분류기(730)에의 트렌치의 에칭 및 내부 컨택(704)과 외부 컨택(705)의 침적을 도시하고 있다. 내부 컨택(704) 및 외부 컨택(705)은 예컨대 금과 같은 전기 도전성 금속으로 이루어져도 된다.
도 8의 (a) 내지 (f)는 본 발명의 예에 따른 실리콘-온-절연체(SOI) 소자 제조 과정의 측단면도이다. 도 8의 (a)는 실리콘 소자층(812), 매립 산화물층(814), 및 실리콘 기판(816)을 포함하는 SOI(810)를 도시한다. SOI(810)의 층들은 열 기판 분류기(836)가 SOI(810)에 침적될 수 있도록 선택적으로 제거(예컨대, 패터닝, 에칭, 리프트오프 등)될 수 있다. 열 기판 분류기(836)는 소자층(812)으로부터의 열을 매립 산화물층(814)을 통해 실리콘 기판(816)으로 전달하기 위해 소자층(812)과 접촉할 수 있다. 도 8의 (a) 내지 (f)는 기판에 접합될 수 있는 Ⅲ-Ⅴ 재료의 구조를 포함할 수 있는 소자(802)를 포함하는 하이브리드 구조를 도시하고 있다(예컨대, 단일체의 기판으로 형성될 수 있는 도 7의 (a) 내지 (e)에 도시된 논-하이브리드 소자와는 반대로, 하이브리드 소자를 형성하기 위해 SOI(810)에 결합된 소자(802)).
열 기판 분류기(836)의 상면은 실리콘 소자층(812)의 상면으로부터 수직으로 오프셋될 수 있다. 더욱이, 열 기판 분류기(836)의 상면은 엄격한 공차(결합이 수반되는 다른 하이브리드 소자에 연관될 수도 있는)로 폴리싱될 필요가 없다. 열 기판 분류기(836)에 대해, 실리콘 소자층(812)의 열은 실리콘 소자층(812)에 도달하는 열 기판 분류기(836)의 침적된 재료(예컨대, 알루미늄 산화물)에 기초하여 실리콘 기판(816)에 효율적으로 추출될 수 있다. 그러므로, 열 기판 분류기(816)는 완화된 공차 범위 내에서 침적되어도 된다. 그러므로, SOI(810)의 상면에 관한 도 8a에 도시된 단계에서는 미세한 폴리싱 단계가 요구되지 않으므로, 제조 복잡도를 감소시킨다. 더욱이, 열 기판 분류기(836)는 SOI(810)의 상면에 결합될 소자(802)에 대한 구조적 지지를 제공하지 않도록 위치될 수도 있다. 그러므로, 열 기판 분류기(836)의 정부(top)와 실리콘 소자층(812)의 정부 간의 수직 오프셋에 대한 공차가 더 커지게 된다. 열 기판 분류기(836)에 관하여 내부 구멍 리프트오프(inner hole liftoff)가 이용될 수 있다.
도 8의 (b)는 마이크로링(802)을 실리콘 소자층(812)에 결합하는 것을 도시하고 있다. 실리콘 소자층(812)에 작용하는 전자빔 리소그래피 및/또는 건식 에칭에 기초하여 실리콘 소자층(812)에 버스 도파관(820)이 구성될 수 있다. 소자(802)(예컨대, 마이크로링)는 고품위 웨이퍼 본딩을 통해 SOI(810)에 전달될 수 있는 Ⅲ-Ⅴ 이득 에피택셜층을 포함할 수 있다. 소자(802)를 위한 일례의 Ⅲ-Ⅴ 에피택셜 구조는, 110 nm 두께의 n-도핑된 InP 컨택층과 p-도핑된 1.5 ㎛ 두께의 InP 클래딩층 사이에 있는 p-도핑된 50 nm 두께의 InAlGaAs 분리 제한 이형구조(separate confinement heterostructure, SCH)층을 더한 InAlGaAs계 양자 우물의 주기를 포함할 수 있다. 이 구조는 SOI(810)의 정부 상에서 350 nm 두께의 실리콘 소자층(812)에 결합될 수 있다. 소자(802)가 구조적 지지를 위해 열 기판 분류기(836)에 의존하지 않으며, 열 기판 분류기(836)의 상면이 실리콘 소자층(812)의 상면과 동평면을 이루지 않는 경우에도 열이 열 기판 분류기(836)에 의해 실리콘 기판(816)에 전달될 수 있음에 따라, 열 기판 분류기(836)와 디바이스(802) 사이에 캐비티가 존재할 수도 있다.
도 8의 (c)는 매립 산화물층(814)을 통한 패터닝 및 건식 에칭을 도시하고 있다. 예컨대, 매립 산화물(BOX) 트렌치(840)는 열 분류기의 침적을 위해 매립 산화물층(814)까지 에칭될 수 있다.
도 8의 (d)는 열 분류기(830)의 리프트오프, 및 소자(802)의 내부 캐비티를 위한 패터닝을 도시하고 있다. 열 분류기(830)는 유전체(예컨대, 알루미늄 산화물)로 구성될 수도 있으며, 유전체 분류기(832)를 포함한 금속으로 구성될 수도 있다. 매립 산화물 트렌치(840)는 매립 산화물층(814)을 통해 실리콘 기판(816) 내로 연장한다.
도 8의 (e)는 건식 에칭, 패시베이션, 및 미세 가공된 양자 우물(MQW) 습식 에칭을 도시하고 있다. 내부 소자 트렌치(842)는 소자(802)에 형성되고, 매립 산화물 트렌치(840)가 효율적인 열 전달을 허용하도록 연장된다. 소자(802) 및 다양한 콤포넌트를 보호하기 위해 예컨대 에칭된 반도체 표면과 같은 외부 표면에 패시베이션(844)이 가해진다.
도 8의 (f)는 내부 컨택(804) 및 외부 컨택(805)의 리프트오프를 도시한다. 최종의 프로브패드 리소그래피가 가해진다. 그러므로, 열을 소자(802)의 측벽(806)으로 매립 산화물층(814)을 통해 실리콘 기판(816)으로 전달하기 위해 열 분류기(830)를 포함한 소자(802)가 제조된다.
도 9는 본 발명의 예에 따른 실리콘-온-절연체(SOI) 소자로부터의 열을 전달하는 방법을 기반으로 하는 흐름도이다. 단계 910에서는, 열 분류기 재료를 이용하여 소자의 측벽이 패시베이션된다. 소자는 SOI의 실리콘 소자층 상에 침적된다. 단계 920에서는, 열 분류기 재료가 SOI의 실리콘 소자층 및 매립 산화물층을 통해 SOI의 실리콘 기판으로 연장되어, 소자의 측벽으로부터의 열을 실리콘 기판에 전달한다. 그러므로, 열 분류기가 패시베이션 및 소자의 측벽으로부터의 효율적인 열 전달을 제공할 수 있다.
본 발명의 사상 및 범위는 전술한 예들의 어떠한 것에 의해서도 제한되지 않고, 이하의 청구범위 및 그 등가 구성에 따라 정해져야 한다.

Claims (15)

  1. 실리콘-온-절연체(SOI) 소자에 있어서,
    상기 SOI가 실리콘 소자층과 실리콘 기판 사이에 위치된 매립 산화물층을 포함하고, 상기 SOI의 실리콘 소자층 상에 위치된 측벽;
    상기 소자의 측벽과 접촉하고, 상기 실리콘 소자층 및 상기 매립 산화물층을 통해 상기 실리콘 기판까지 연장하여 상기 소자의 측벽으로부터의 열을 상기 실리콘 기판으로 전달하며, 전기 절연성을 나타내는 열 분류기(thermal shunt); 및
    상기 열 분류기로부터 측방으로 변위되어, 상기 실리콘 소자층으로부터의 열을 상기 매립 산화물층을 통해 상기 실리콘 기판으로 전달하기 위해 상기 매립 산화물층을 통해 연장하는 열 기판 분류기(thermal substrate shunt)
    를 포함하는,
    실리콘-온-절연체 소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 열 분류기는 표면 현수 결합 패시베이션(surface dangling bond passivation)을 위해 상기 소자를 접촉하기 위한 유전체로 구성되는, 실리콘-온-절연체 소자.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 열 기판 분류기의 상면이 상기 실리콘 소자층의 상면 아래에 오프셋되어 있는, 실리콘-온-절연체 소자.
  6. 광 인터커넥트(optical interconnect)에 있어서,
    광학 모드를 공진시키기 위해 실리콘-온-절연체(SOI)의 실리콘 소자층에 결합되는 포톤 발생기;
    상기 실리콘 소자층과 실리콘 기판 사이에 위치된 매립 산화물층;
    상기 포톤 발생기에서부터 상기 실리콘 소자층 및 상기 매립 산화물층을 통해 상기 실리콘 기판으로 연장하며, 상기 포톤 발생기의 측벽에 근접하여 상기 측벽으로부터의 열을 전달하고, 공진된 광학 모드를 포톤 발생기 내에 제한하고, 전기 절연성을 나타내는 열 분류기; 및
    상기 열 분류기로부터 측방으로 변위되어, 상기 실리콘 소자층으로부터의 열을 상기 매립 산화물층을 통해 상기 실리콘 기판으로 전달하기 위해 상기 매립 산화물층을 통해 연장하는 열 기판 분류기
    를 포함하는,
    광 인터커넥트.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 열 분류기는 열전도성이고, 공진된 광학 모드를 상기 포톤 발생기 내에 제한하기 위해 광손실을 감소시키는, 광 인터커넥트.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 열 분류기는 다이아몬드인, 광 인터커넥트.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 열 분류기는 알루미늄 산화물인, 광 인터커넥트.
  10. 제6항에 있어서,
    광학 모드를 공진시키기 위해 도파관을 더 포함하는, 광 인터커넥트.
  11. 실리콘-온-절연체(SOI) 소자로부터 열을 전달하는 방법에 있어서,
    열 분류기의 재료를 이용하여, 실리콘-온-절연체(SOI)의 실리콘 소자층 상에 배치된 소자의 에칭된 측벽을 패시베이션하는 단계;
    상기 열 분류기의 재료를 상기 SOI의 상기 실리콘 소자층 및 매립 산화물층을 통해 상기 SOI의 실리콘 기판까지 연장시켜, 상기 소자의 측벽으로부터의 열을 상기 실리콘 기판으로 전달하는 단계; 및
    열 기판 분류기를 상기 실리콘 소자층 및 상기 매립 산화물층을 통해 연장시켜, 상기 실리콘 소자층으로부터의 열을 상기 매립 산화물층을 통해 상기 실리콘 기판으로 전달하는 단계
    를 포함하며,
    상기 열 분류기는 전기 절연성을 나타내는,
    실리콘-온-절연체 소자로부터 열을 전달하는 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 소자를 이용하여 포톤을 생성하는 단계를 더 포함하는, 실리콘-온-절연체 소자로부터 열을 전달하는 방법.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 열 분류기의 재료를 이용하여 상기 소자의 측벽을 전기적으로 절연하는 단계를 더 포함하는, 실리콘-온-절연체 소자로부터 열을 전달하는 방법.
  14. 삭제
  15. 제13항에 있어서,
    소자의 고차모드(higher order mode)를 감쇄(attenuate)시키기 위해 상기 측벽에 관련하여 열 기판 분류기를 측방으로 오프셋하는 단계를 더 포함하는, 실리콘-온-절연체 소자로부터 열을 전달하는 방법.
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