KR101771427B1 - 도파로 일체형 그래핀 광검출기 - Google Patents
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Abstract
도파로 일체형 그래핀 광검출기가 개시된다. 개시된 도파로 일체형 그래핀 광검출기는 기판 상에 도파로와 상기 도파로와 접촉되게 연결된 광검출부를 포함한다. 광검출부는 상기 도파로의 하부로부터 연장된 제1 리지부와, 그 위의 그래핀 및 제2 리지부와, 상기 그래핀과 전기적으로 연결된 제1전극 및 제2전극을 포함한다. 상기 제2 리지부는 상기 도파로의 상부와 접촉된다. 상기 광검출부는 상기 도파로와 실질적으로 동일한 수직 단면을 가진다.
Description
도파로와 직접 연결된 광검출부를 구비하며, 광검출부의 중앙부에 그래핀을 형성한 도파로 일체형 그래핀 광검출기에 관한 것이다.
광 검출기는 광의 세기(light intensity)를 검출하여 전기 신호를 발생하는 장치이다.
데이터 처리속도 증가에 따라 데이터를 전송하는 상호접속(interconnection) 의 대역폭(bandwidth)은 지속적으로 증가 하고 있다. 이에 따라 전기 접속(electrical interconnection) 보다 저전력으로 많은 데이터 전송할 수 있는 광학 접속(optical interconnection)에 대한 요구(needs)가 높아지고 있다.
광학 접속에서는 레이저를 고속 변조시켜 데이터를 전송하는 데 이를 다시 전기적 신호로 변환하는 광검출기의 고속 동작이 뒷받침되어야 한다.
현재 Ge 또는 III-V 족 화합물 반도체로 제작되는 광검출기는 전송 속도가 40~50 Gbps 로 제한되는 데, 이는 빛을 받아 발생된 캐리어를 전극으로 이동하는 속도에 제한이 있기 때문이다.
그래핀은 캐리어의 이동도가 매우 높아 이론적으로 1.5 THz 동작이 가능하다.
본 발명의 실시예에 따른 도파로 일체형 그래핀 광검출기는 도파로와 접촉되게 광검출기를 형성하며, 광검출기 내부에 그래핀을 형성하여, 그래핀으로 전자를 이동시켜서 고속동작이 가능한 광학 접속을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 도파로 일체형 그래핀 광검출기는:
기판 상의 도파로; 및
상기 도파로와 연결되어 상기 도파로로부터의 광이 통과하며, 상기 도파로와 실질적으로 동일한 단면을 가진 광검출부;를 구비하며, 상기 광검출부는:
상기 도파로의 하부로부터 연장된 제1 리지부;
적어도 상기 제1 리지부의 상면에 형성된 그래핀;
상기 그래핀 상에서 상기 제1 리지부와 마주보게 형성된 제2 리지부; 및
상기 제1 리지부와 서로 이격되며 상기 그래핀과 전기적으로 연결된 제1전극 및 제2전극;을 구비하며, 상기 제2 리지부는 상기 도파로의 상부와 접촉한다.
상기 제1 리지부 및 상기 제2 리지부는 실리콘, 게르마늄, III-V족 반도체, 및 II-IV 족 반도체로 이루어진 그룹으로부터 선택된 어느 하나로 이루어질 수 있다.
상기 제1 리지부와 상기 그래핀 사이에 위치한 제1 절연층을 포함할 수 있다.
상기 그래핀과 상기 제2 리지부 사이에 위치한 제2 절연층을 포함할 수 있다.
상기 제1 절연층 및 상기 제2절연층은 실리콘 옥사이드, 알루미늄 옥사이드, 실리콘 나이트라이드, 보론 나이트라이드, 및 육방정계 보론 나이트라이드로 이루어진 그룹으로부터 선택된 어느 하나로 이루어질 수 있다.
상기 제1절연층 및 제2절연층은 둘다 육방정계 보론 나이트라이드로 이루어질 수 있다.
상기 제1절연층 및 제2절연층은 각각 한층의 물질층 두께 내지 50nm 두께로 형성될 수 있다.
상기 그래핀은 상기 광 검출부의 수직면 상에서 대략 중앙에 형성될 수 있다.
상기 그래핀은 싱글 내지 6층의 그래핀층일 수 있다.
상기 제1 리지부는 에피성장 실리콘층이며, 상기 제2 리지부는 폴리실리콘층일 수 있다.
상기 제1전극 및 제2전극은 각각 상기 제1전극 및 제2전극으로부터 서로 대향하는 방향으로 연장된 복수의 제1핑거전극과 복수의 제2핑거전극을 구비하며, 상기 복수의 제1 핑거전극과 상기 복수의 핑거전극은 상기 그래핀 상에서 서로 교번적으로 배치될 수 있다.
본 발명의 일측면에 따르면, 상기 도파로와 상기 광검출부는 동일한 사각 단면을 가진다.
상기 제1 리지부의 하부에 산화물층이 배치되며, 상기 그래핀은 상기 제1리지부의 상면으로부터 연장되어서 상기 제1리지부의 측면과 상기 산화물층을 덮으며, 상기 그래핀 상에서 상기 제1전극 및 상기 제2전극 사이에 제1 절연층이 위치할 수 있다.
상기 그래핀 상에 제2 절연층이 배치되며, 상기 제2리지부는 상기 제2 절연층 상에서 상기 제1리지부의 측면을 덮도록 형성될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기 도파로와 상기 광검출부는 돌출된 리지를 포함하는 바닥면을 구비한 단면을 가진다.
상기 그래핀은 상기 제1리지부의 상면으로부터 연장되어서 상기 제1리지부의 측면 및 상기 바닥면을 덮으며, 상기 그래핀 상에서 상기 제1전극 및 상기 제2전극 사이에 제1 절연층이 위치할 수 있다.
다른 실시예에 따른 도파로 일체형 그래핀 광검출기는:
기판 상의 도파로; 및
상기 도파로와 연결되어 도파로로부터의 광이 통과하는 광검출부;를 구비하며,
상기 광검출부는: 상기 도파로가 연장된 제1 리지부;
상기 제1 리지부와 마주보게 형성된 제2 리지부;
상기 제1 리지부 및 상기 제2 리지부 사이의 그래핀; 및
상기 제1 리지부와 이격되게 상기 그래핀과 전기적으로 연결된 제1전극 및 제2전극;을 구비한다.
본 발명의 실시예에 따른 도파로 일체형 그래핀 광검출기는 도파로를 통과하는 광이 광검출부를 통과하면서 생성된 전자가 광검출부의 중앙부분에 형성된 그래핀을 통해서 검출되므로 검출속도가 향상된다.
또한, 광검출부 내의 그래핀은 광흡수율을 증가시켜서 광검출기의 감응도(responsivity)를 향상시킨다.
도 1은 일 실시예에 따른 광 변조기(100)를 개괄적으로 보여주는 사시도이다.
도 2는 도 1의 Ⅱ-Ⅱ' 선단면도이다.
도 3은 도 1의 광 검출기의 변형예를 도시한 평면도이다.
도 4는 도 1의 광 검출기의 또 다른 변형예를 도시한 단면도이다.
도 5는 다른 실시예에 따른 광 검출기의 사시도이다.
도 6은 도 5의 VI-VI' 선단면도이다.
도 7은 다른 실시예에 따른 광 검출기에 전압을 인가시 광검출부에서의 광의 세기를 모사한 도면이다.
도 8은 또 다른 실시예에 따른 광 검출기를 개괄적으로 보여주는 사시도이다.
도 9는 도 8의 IX-IX' 선단면도이다.
도 10은 또 다른 실시예에 따른 광 검출기에 전압을 인가시 광검출부에서의 광의 세기를 모사한 도면이다.
도 2는 도 1의 Ⅱ-Ⅱ' 선단면도이다.
도 3은 도 1의 광 검출기의 변형예를 도시한 평면도이다.
도 4는 도 1의 광 검출기의 또 다른 변형예를 도시한 단면도이다.
도 5는 다른 실시예에 따른 광 검출기의 사시도이다.
도 6은 도 5의 VI-VI' 선단면도이다.
도 7은 다른 실시예에 따른 광 검출기에 전압을 인가시 광검출부에서의 광의 세기를 모사한 도면이다.
도 8은 또 다른 실시예에 따른 광 검출기를 개괄적으로 보여주는 사시도이다.
도 9는 도 8의 IX-IX' 선단면도이다.
도 10은 또 다른 실시예에 따른 광 검출기에 전압을 인가시 광검출부에서의 광의 세기를 모사한 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 층이나 영역들의 두께는 명세서의 명확성을 위해 과장되게 도시된 것이다. 명세서를 통하여 실질적으로 동일한 구성요소에는 동일한 참조번호를 사용하고 상세한 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광 검출기(100)를 개괄적으로 보여주는 사시도이며, 도 2는 도 1의 Ⅱ-Ⅱ' 선단면도이다.
도 1 및 도 2를 함께 참조하면, 기판(110) 상에 산화물층(112)이 형성되고 산화물층(112) 상에 도파로(120)와, 도파로(120)와 직결된 광검출부(130)를 포함한다. 도파로(120)와 광검출부(130)는 대략 동일한 수직 단면인 돌출된 리지를 포함하는 단면을 가질 수 있다.
광검출부(130)는 도파로(120)의 하부(under part)로부터 연장된 제1 리지부(131)와 그 위에 순차적으로 적층된 제1절연층(132), 그래핀(133), 제2절연층(134), 및 제2 리지부(135)를 포함한다.
도파로(120), 제1 리지부(131), 제2 리지부(135) 및 기판(110)은 실리콘, 게르마늄, 실리콘-게르마늄, III-V족 반도체, II-VI족 반도체로 이루어질 수 있다.
기판(110) 상의 산화물층(112)은 매립 산화물층일 수 있다. 기판(110), 도파로(120) 및 제1 리지부(131)가 실리콘으로 이루어지고, 산화물층(112)이 실리콘 옥사이드로 이루어진 매립산화물층인 경우, 이들 구조는 소이(SOI: silicon on insulator) 기판에 리지부를 형성한 구조일 수 있다.
광검출부(130)는 도파로(120)와 접촉되게 연속적으로 형성된다. 광검출부(130)의 하부(under part)는 도파로(120)의 하부(under part)로부터 연장되어 일체형으로 형성되며, 광검출부(130)의 상부(upper part)는 광검출부(130)의 하부 위의 물질층이 제거된 후, 다시 형성된 부분일 수 있다. 도파로(120)를 통과한 광이 광검출부(130)와의 경계면에서 반사되어서 되돌아 가거나 외부로 반사되는 것을 방지하도록 광검출부(130)의 제2 리지부(135)는 도파로(120)의 굴절률과 유사한 굴절률을 가진 물질로 형성될 수 있다. 예컨대 제1 리지부(131)가 실리콘으로 형성된 경우, 제2 리지부(135)는 제1 리지부(131)와 굴절률이 대략 0.5 이내로 차이가 나도록 한다.
제1절연층(132)은 실리콘 옥사이드, 알루미늄 옥사이드, 실리콘 나이트라이드, 보론 나이트라이드, 육방정계 보론 나이트라이드 등으로 하나의 층 내지 50nm 두께로 형성될 수 있다. 제1절연층(132)은 제1 리지부(131)의 상면(131a)으로부터 연장되어서 제1 리지부(131)의 측면(131b)및 바닥면(131c)을 덮도록 형성될 수 있다. 도 1 및 도 2에서는 편의상 제1절연층(132)이 제1 리지부(131)의 상면(131a) 만 덮게 도시되었다.
그래핀(133)은 CVD 공정으로 제조된 그래핀을 제1절연층(132) 상에 전사하여 형성될 수 있다. 그래핀(133)은 제1 리지부(131)의 상면(131a) 및 측면(131b)과 바닥면(131c) 상방에 형성된다. 그래핀(133)은 1층 내지 6층의 그래핀층일 수 있다.
그래핀(133) 상에서 바닥면(131c) 상방으로 제1 리지부(131)와 이격되게 제1전극(141) 및 제2전극(142)이 형성된다. 제1전극(141) 및 제2전극(142)은 통상의 전극물질, 예컨대, 금, 구리, 백금, 몰리브덴, 팔라듐 등으로 형성될 수 있다.
제1전극(141) 및 제2전극(142)에는 전류측정기(144)가 연결된다. 그래핀(133)을 통과하는 전류는 전류측정기(144)에서 측정될 수 있다.
제1 리지부(131)의 상면(131a)에서 그래핀(133)을 덮는 제2절연층(134)이 형성된다. 제2절연층(134)은 실리콘 옥사이드, 알루미늄 옥사이드, 실리콘 나이트라이드, 보론 나이트라이드, 육방정계 보론 나이트라이드(hexagonal boron nitride) 등으로 대략 하나의 층 내지 50nm 두께로 형성될 수 있다.
제1절연층(132) 및 제2절연층(134)의 두께가 50nm 보다 크면 구동전압이 증가될 수 있으므로, 절연을 위해서 적어도 하나의 물질층으로 형성된다.
제1전극(141) 및 제2전극(142)은 각각 제1 리지부(131)의 측면(131b)로부터 대략 100nm ~ 수 ㎛ 이격되게 형성될 수 있다. 이는 제1전극(141) 및 제2전극(142)이 도파로(120)를 통과하는 광 투과를 방해하지 않도록 어느 정도 제1 리지부(131)로부터 이격되게 형성하는 것이다. 본 발명에서는 제1전극(141) 및 제2전극(142)과 연결된 그래핀(133)을 광의 통과영역에 배치하며, 그래핀(133)은 광 통과 영역에서 투명하다.
제2절연층(134) 상에는 제1 리지부(131)와 마주보게 제2 리지부(135)가 형성된다. 제2 리지부(135)의 높이는 제1 리지부(131)의 높이와 유사할 수 있다.
제1 리지부(131)와 제2 리지부(135) 및 그 사이의 층들은 도파로를 형성한다. 제2 리지부(135)의 굴절률과 제1 리지부(131)의 굴절률, 그리고 제1 리지부(131) 및 제2 리지부(135)의 높이에 따라서 광의 세기 분포의 중앙에 그래핀(133)이 배치되도록 조절될 수 있다.
그래핀(133)은 다른 물질과 접촉되는 경우 이동도가 저하되는 특성이 있다. 그러나, 제1절연층(132) 및 제2절연층(133)을 육방정계 보론 나이트라이드로 형성시 그래핀(133)에서의 이동도 특성 저하가 감소될 수 있다.
제2 리지부(135)는 제1 리지부(131)와 동일한 물질로 형성될 수 있다. 예컨대, 제1 리지부(131)는 에피성장된 반도체층일 수 있으며, 제2 리지부(135)는 증착된 반도체층일 수 있다. 예컨대, 제1 리지부(131)는 실리콘 에피층일 수 있으며, 제2 리지부(135)는 폴리 실리콘층일 수 있다.
이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 광검출기(100)의 작용을 도 1 및 도 2를 참조하여 상세하게 설명한다.
제1전극(141) 및 제2전극(142) 사이에 소정의 전압을 인가하면, 그래핀(133)의 페르미 레벨은 상대적으로 높은 전압이 인가된 전극에 연결된 부분의 그래핀(133)에서는 페르미 레벨이 증가하며, 상대적으로 낮은 전압이 인가된 다른 전극에 연결된 부분의 그래핀(133)에서는 페르미 레벨이 감소한다. 이에 따라서 광이 도파로(120)를 통과한 후, 광검출부(130)를 통과하는 과정에서 광이 광검출부(130)에 흡수되어서 캐리어인 전자를 생성한다. 생성된 전자는 페르미 레벨이 증가된 전극으로 모인다. 광량이 많을수록 전자 량이 증가하므로, 제1전극(141) 및 제2전극(142) 사이의 전류측정기(144)로부터 측정된 전기 세기로부터 광검출부(130)를 통과하는 광량이 측정될 수 있다.
한편, 광의 세기가 큰 광검출부(130)의 중앙부에 광흡수도가 높은 그래핀(133) 이 배치되어서 통과하는 광의 측정 감응도가 증가하며, 또한, 그래핀(133) 의 캐리어 이동도가 높으므로 고속으로 광량을 측정할 수 있다.
도 3은 광 검출기(100)의 변형예를 도시한 평면도이다. 도 3은 그래핀(133) 및 전극의 배치를 도시하였으며, 편의상 일부 구성요소를 생략하였다.
도 3을 참조하면, 두 전극(141, 142)은 각각 복수의 제1 핑거전극(141a) 및 제2 핑거전극(142b)을 포함하며, 제1 핑거전극(141a)과 제2 핑거전극(142a)은 제1 리지부(131)의 상면(131a) 상의 그래핀(133') 상에서 서로 교차되게 배치될 수 있다. 핑거 전극들(141a, 142a)은 해당 전극(141, 142)로부터 연장되어서 제1 리지부(131)의 상면(131a) 상방으로 형성된다. 이러한 핑거 전극들(141a, 142a)은 그래핀(133)에서 생성된 전자들이 전극(141, 142)으로 이동하는 시간을 줄여주므로, 광검출기(100)의 동작 속도를 증가시킬 수 있다.
그래핀(133')은 도 3에 도시된 것처럼, 제1전극(141) 및 제2전극(142)와 이격되게 제1 리지부(131)의 상면(131a)의 상방에만 형성될 수 있다.
도 4는 광 검출기(100)의 또 다른 실시예를 도시한 단면도이다. 도 1 및 도 2의 광 검출기(100)와 실질적으로 동일한 구성요소는 동일한 참조번호를 사용하고 상세한 설명은 생략한다.
도 4를 참조하면, 제2절연층(134')이 제1전극(141) 및 제2전극(142) 사이의 그래핀(133)을 덮는다. 즉, 제1 리지부(131)의 상면(131a)으로부터 연장되어서 제1 리지부(131)의 측면(131b)과 바닥면(131c)을 덮는다.
광 검출기(102)는 제2 리지부(135')가 제1 리지부(131)의 측면(131b) 상의 그래핀(133)을 내포하므로, 그래핀(133)에서 흡수되는 광의 분포를 측면(131b)으로 확장할 수 있으며, 따라서, 광검출기(102)의 광검출 효율이 향상될 수 있다.
도 5는 다른 실시예에 따른 광 검출기(200)의 사시도이며, 도 6은 도 5의 VI-VI' 선단면도이다. 도 1 및 도 2의 구조와 실질적으로 동일한 구성요소에는 동일한 참조번호를 사용하고 상세한 설명은 생략한다.
도 5 및 도 6을 함께 참조하면, 기판(210) 상에 산화물층(212)이 형성되고 산화물층(212) 상에 도파로(220)와, 도파로(220)와 직결된 광검출부(230)를 포함한다. 도파로(220)와 광검출부(230)는 대략 동일한 수직 단면, 예컨대 사각형상의 단면을 가질 수 있다.
광검출부(230)는 도파로(220)의 하부로부터 연장된 제1 리지부(231)와 그 위에 순차적으로 적층된 제1절연층(232), 그래핀(233), 제2절연층(234), 제2 리지부(235)를 포함한다.
도파로(220), 제1 리지부(231), 제2 리지부(235) 및 기판(210)은 실리콘, 게르마늄, 실리콘-게르마늄, III-V족 반도체, II-VI족 반도체로 이루어질 수 있다.
기판(210) 상의 산화물층(212)은 매립 산화물층일 수 있다. 기판(210), 도파로(220) 및 제1 리지부(231)가 실리콘으로 이루어지고, 산화물층(212)이 실리콘 옥사이드로 이루어진 매립산화물층인 경우, 이들 구조는 소이(SOI: silicon on insulator) 기판을 패터닝하여 형성한 구조일 수 있다.
광검출부(230)는 도파로(220)와 접촉되게 연속적으로 형성된다. 광검출부(230)의 하부는 도파로(220)의 하부로부터 연장되어 일체형으로 형성되며, 광검출부(230)의 상부는 광검출부(230)의 하부 위의 물질층이 제거된 후, 다시 형성된 부분일 수 있다. 도파로(220)를 통과한 광이 광검출부(230)와의 경계면에서 반사되어서 되돌아 가거나 외부로 반사되는 것을 방지하도록 광검출부(230)의 제2 리지부(235)는 도파로(220)의 굴절률과 유사한 굴절률로 가진 물질로 형성될 수 있다. 예컨대, 제1 리지부(231)가 실리콘으로 형성된 경우, 제2 리지부(235)는 제1 리지부(231)와 굴절률이 대략 0.5 이내로 차이가 나도록 한다.
제1절연층(232)은 실리콘 옥사이드, 알루미늄 옥사이드, 실리콘 나이트라이드, 보론 나이트라이드, 육방정계 보론 나이트라이드 등으로 하나의 층 내지 50nm 두께로 형성될 수 있다. 제1절연층(232)은 제1 리지부(231)의 상면(231a)으로부터 연장되어서 제1 리지부(231)의 측면(231b)과 제1 리지부(231) 및 전극(241, 242) 사이의 산화물층(212)을 덮도록 형성될 수 있다. 도 6에서는 편의상 제1절연층(232)이 제1 리지부(231)의 상면(231a) 및 측면(231b) 만 덮게 도시되었다.
그래핀(233)은 CVD 공정으로 제조된 그래핀을 제1절연층(232) 상에 전사하여 형성될 수 있다. 그래핀(233)은 산화물층(212) 상에서 제1절연층(232)을 덮도록 형성된다. 그래핀(233)은 1층 내지 6층의 그래핀층일 수 있다.
그래핀(233) 상에서 산화물층(212) 상방으로 제1 리지부(231)와 이격되게 제1전극(241) 및 제2전극(242)이 형성된다. 제1전극(241) 및 제2전극(242)은 통상의 전극물질, 예컨대, 금, 구리, 백금, 몰리브덴, 팔라듐 등으로 형성될 수 있다.
제1전극(241) 및 제2전극(242)에는 전류측정기(244)가 연결되어서 그래핀(233)을 통과하는 전류를 측정한다.
제1 리지부(231)의 상면(231a)에서 그래핀(233)을 덮는 제2절연층(234)이 형성된다. 제2절연층(234)은 실리콘 옥사이드, 알루미늄 옥사이드, 실리콘 나이트라이드, 보론 나이트라이드, 육방정계 보론 나이트라이드(hexagonal boron nitride) 등으로 대략 하나의 층 내지 50nm 두께로 형성될 수 있다.
제1절연층(232) 및 제2절연층(234)의 두께가 50nm 보다 크면 광검출기(200)의 구동전압이 증가될 수 있으므로, 절연을 위해서 적어도 하나의 물질층으로 형성된다.
제1전극(241) 및 제2전극(242)은 각각 제1 리지부(231)의 측면(231b)로부터 대략 100nm ~ 수 ㎛ 이격되게 형성될 수 있다. 이는 제1전극(241) 및 제2전극(242)이 도파로(220)를 통과하는 광 투과를 방해하지 않도록 어느 정도 제1 리지부(231)로부터 이격되게 형성하는 것이다. 본 발명에서는 제1전극(241) 및 제2전극(242)과 연결된 그래핀(233)을 광의 통과영역에 배치하며, 그래핀(233)은 광 통과 영역에서 투명하다.
제2절연층(234) 상에는 제1 리지부(231)와 마주보게 제2 리지부(235)가 형성된다. 제2 리지부(235)의 높이는 제1 리지부(231)의 높이와 유사할 수 있다.
제1 리지부(231)와 제2 리지부(235) 및 그 사이의 층들은 도파로를 형성한다. 제2 리지부(235)의 굴절률과 제1 리지부(231)의 굴절률, 그리고 제1 리지부(231) 및 제2 리지부(235)의 높이에 따라서 광의 세기의 중앙에 그래핀(233)이 배치되도록 조절될 수 있다.
그래핀(233)은 다른 물질과 접촉되는 경우 이동도가 저하되는 특성이 있다. 그러나, 제1절연층(232) 및 제2절연층(233)을 육방정계 보론 나이트라이드로 형성시 그래핀(233)에서의 이동도 특성 저하가 감소될 수 있다.
제2 리지부(235)는 제1 리지부(231)와 동일한 물질로 형성될 수 있다. 예컨대, 제1 리지부(231)는 에피성장된 반도체층일 수 있으며, 제2 리지부(235)는 증착된 반도체층일 수 있다. 예컨대, 제1 리지부(231)는 실리콘 에피층일 수 있으며, 제2 리지부(235)는 폴리 실리콘층일 수 있다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 광 검출기(200)에 전압을 인가시 광검출부에서의 광의 세기를 모사한 도면이다. 도 7을 참조하면, 그래핀(233)이 광투과영역에서 수직면 상에서 대략 중앙에 위치하는 것을 알 수 있다. 즉, 가장 광의 세기가 강한 영역에 배치된다.
도 5 및 도 6의 실시예의 광검출기(200)는 도 1 및 도 2의 광검출기(100)에 비해서 광의 리크가 감소하여 그래핀과 광의 커플링 효율이 증대될 수 있다. 즉, 광검출 효율이 증가될 수 있다.
광검출기(200)의 작용은 광검출기(100)의 작용과 실질적으로 동일하므로 상세한 설명은 생략된다.
한편, 광검출기(200)에서도 도 3의 핑거전극들이 형성된 제1전극 및 제2전극을 포함할 수 있으며, 이 경우, 그래핀(233)은 제1 리지부(231)의 상면(231a) 상으로만 형성될 수도 있다. 상세한 설명은 생략한다.
또한, 광검출기(200)에서도 도 4의 제2 절연층 및 제2 리지부를 포함할 수 있으며, 상세한 설명은 생략한다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 광 검출기(300)를 개괄적으로 보여주는 사시도이며, 도 9는 도 8의 IX-IX' 선단면도이다.
도 8 및 도 9를 함께 참조하면, 기판(310) 상에 산화물층(312)이 형성되고 산화물층(312) 상에 도파로(320)가 형성되어 있다. 도파로(320)는 사각 형상 단면을 가진다. 도파로(320)는 도 1의 제1 리지부(120)과 같이 돌출된 리지형상 단면을 가질 수도 있다.
도파로(320)의 광출구 영역 상에는 광검출부(330)가 배치된다. 광검출부(330)는 도파로(320)로부터 연장된 제1 리지부(331)와 그 위에 순차적으로 적층된 제1절연층(332), 그래핀(333), 제2절연층(334), 제2 리지부(335)를 포함한다. 도파로(320) 및 제1 리지부(331)는 실질적으로 동일한 단면을 가질 수 있다.
도파로(320), 제1 리지부(331), 제2 리지부(335) 및 기판(310)은 실리콘, 게르마늄, 실리콘-게르마늄, III-V족 반도체, II-VI족 반도체로 이루어질 수 있다.
기판(310) 상의 산화물층(312)은 매립 산화물층일 수 있다. 기판(310), 도파로(320) 및 제1 리지부(331)가 실리콘으로 이루어지고, 산화물층(312)이 실리콘 옥사이드로 이루어진 매립산화물층인 경우, 이들 구조는 소이(SOI: silicon on insulator) 기판을 패터닝한 구조일 수 있다.
제1절연층(332)은 실리콘 옥사이드, 알루미늄 옥사이드, 실리콘 나이트라이드, 보론 나이트라이드, 육방정계 보론 나이트라이드 등으로 하나의 물질층 내지 50nm 두께로 형성될 수 있다. 제1절연층(332)은 제1 리지부(331)의 상면(331a)으로부터 연장되어서 제1 리지부(331)의 측면(331b)을 덮도록 형성될 수 있다. 제1절연층(332)은 제1 리지부(331)와 전극(341, 342) 사이의 산화물층(312) 상으로도 연장되어 형성될 수 있다.
그래핀(333)은 CVD 공정으로 제조된 그래핀을 제1절연층(332) 상에 전사하여 형성될 수 있다. 그래핀(333)은 산화물층(312) 상에서 제1절연층(332)을 덮도록 형성된다. 그래핀(333)은 1층 내지 6층의 그래핀층일 수 있다.
그래핀(333) 상에서 바닥면(331c) 상방으로 제1 리지부(331)와 이격되게 제1전극(341) 및 제2전극(342)이 형성된다. 제1전극(341) 및 제2전극(342)은 통상의 전극물질, 예컨대, 금, 구리, 백금, 몰리브덴, 팔라듐 등으로 형성될 수 있다.
제1전극(341) 및 제2전극(342)에는 전류측정기(344)가 연결되어서 그래핀(333)을 통과하는 전류를 측정할 수 있다.
제1 리지부(331)의 상면(331a)에서 그래핀(333)을 덮는 제2절연층(334)이 형성된다. 제2절연층(334)은 실리콘 옥사이드, 알루미늄 옥사이드, 실리콘 나이트라이드, 보론 나이트라이드, 육방정계 보론 나이트라이드(hexagonal boron nitride) 등으로 대략 하나의 층 내지 50nm 두께로 형성될 수 있다.
제1절연층(332) 및 제2절연층(334)의 두께가 50nm 보다 크면 구동전압이 증가될 수 있으므로, 절연을 위해서 적어도 하나의 물질층으로 형성된다.
제1전극(341) 및 제2전극(342)은 각각 제1 리지부(331)의 측면(331b)로부터 대략 100nm ~ 수 ㎛ 이격되게 형성될 수 있다. 이는 제1전극(341) 및 제2전극(342)이 도파로(320)를 통과하는 광 투과를 방해하지 않도록 어느 정도 제1 리지부(331)로부터 이격되게 형성하는 것이다. 본 발명에서는 제1전극(341) 및 제2전극(342)과 연결된 그래핀(333)을 광의 통과영역에 배치하며, 그래핀(333)은 광 통과 영역에서 투명하다.
제2절연층(334) 상에는 제1 리지부(331)와 마주보게 제2 리지부(335)가 형성된다. 제2 리지부(335)의 높이는 제1 리지부(331)의 높이와 유사할 수 있다.
제1 리지부(331)와 제2 리지부(335) 및 그 사이의 층들은 도파로를 형성한다. 그래핀(333)은 광검출부(330)의 수직면상에서 대략 중앙에 위치할 수 있도록 제1 리지부(331)와 제2 리지부(335)가 유사한 높이로 형성될 수 있다. 제2 리지부(335)의 굴절률과 제1 리지부(331)의 굴절률, 그리고 제1 리지부(331) 및 제2 리지부(335)의 높이에 따라서 광의 세기의 중앙에 그래핀(333)이 배치되도록 조절될 수 있다.
그래핀(333)은 다른 물질과 접촉되는 경우 이동도가 저하되는 특성이 있다. 그러나, 제1절연층(332) 및 제2절연층(333)을 육방정계 보론 나이트라이드로 형성시 그래핀(333)에서의 이동도 특성 저하가 감소될 수 있다.
제2 리지부(335)는 제1 리지부(331)와 굴절률이 유사한 물질로 형성될 수 있다. 제1 리지부(331)가 실리콘으로 형성된 경우, 제2 리지부(335)는 제1 리지부(331)와 굴절률이 대략 0.5 이내로 차이가 나도록 한다. 예컨대 제1 리지부(331)는 에피성장된 반도체층일 수 있으며, 제2 리지부(335)는 증착된 반도체층일 수 있다. 일 예로, 제1 리지부(331)는 실리콘 에피층일 수 있으며, 제2 리지부(335)는 폴리 실리콘층일 수 있다.
도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 광 검출기(300)에 전압을 인가시 광검출부에서의 광의 세기를 모사한 도면이다. 도 9를 참조하면, 그래핀(333)이 광투과영역에서 수직면 상에서 대략 중앙에 위치하는 것을 알 수 있다. 또한, 가장 광의 세기가 강한 영역에 가깝게 배치된다.
이하에서는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 광검출기(300)의 작용을 도 8 내지 도 10을 참조하여 상세하게 설명한다.
제1전극(341) 및 제2전극(342) 사이에 소정의 전압을 인가하면, 그래핀(333)의 페르미 레벨은 상대적으로 높은 전압이 인가된 전극에 연결된 부분의 그래핀(333)에서는 페르미 레벨이 증가하며, 상대적으로 낮은 전압이 인가된 다른 전극에 연결된 부분의 그래핀(333)에서는 페르미 레벨이 감소한다. 광이 도파로(320)를 통과한 후, 광검출부(330)를 통과하는 과정에서 광의 일부가 제2 리지부(335)로 분기되어 통과한다. 광검출부(330)를 통과하는 과정에서 광이 광검출부(330)에 흡수되어 캐리어인 전자를 생성한다. 생성된 전자는 페르미 레벨이 증가된 전극으로 모인다. 광량이 많을수록 생성되는 전자 량이 증가하므로, 제1전극(341) 및 제2전극(342) 사이의 전류측정기(344)로부터 측정된 전기 세기로부터 광검출부(330)를 통과하는 광량이 측정될 수 있다.
한편, 광의 세기가 큰 광검출부(330)의 중앙부에 광흡수도가 높은 그래핀(333) 이 배치되어서 통과하는 광의 측정 감응도가 증가하며, 또한, 그래핀(333)의 캐리어 이동도가 높으므로 고속으로 광량을 측정할 수 있다.
한편, 광검출기(300)에서도 도 3의 핑거전극들이 형성된 제1전극 및 제2전극을 포함할 수 있으며, 상세한 설명은 생략한다.
또한, 광검출기(200)에서도 도 4의 제2 절연층 및 제2 리지부를 포함할 수 있으며, 상세한 설명은 생략한다.
또한, 광검출기(300)의 도파로(320)와 광검출부(330)는 사각 단면 형상이지만, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니다. 예컨대, 광검출기(100)의 도파로(120) 및 광검출부(130)와 같이 돌출된 리지를 포함하는 단면을 가질 수 있다. 이 경우, 제1절연층(332)은 제1 리지부(331)의 바닥면을 덮도록 형성되며, 상기 바닥면 상에 제1전극 및 제2전극이 형성된다. 다른 상세한 설명은 생략한다.
본 발명의 실시예에 따른 도파로 일체형 그래핀 광검출기는 도파로를 통과하는 광이 광검출기를 통과하면서 생성된 전자가 광검출기의 중앙부분에 형성된 그래핀을 통해서 검출되므로 검출속도가 향상된다.
또한, 광검출부 내의 그래핀은 광흡수율을 증가시켜서 광검출기의 감응도(responsivity)를 향상시킨다.
이상에서 첨부된 도면을 참조하여 설명된 본 발명의 실시예들은 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.
100: 광 검출기 110: 기판
112: 산화물층 120: 도파로
130: 광검출부 131: 제1 리지부
132, 134: 절연층 133: 그래핀
135: 제2 리지부 141, 142: 전극
144: 전류측정기
112: 산화물층 120: 도파로
130: 광검출부 131: 제1 리지부
132, 134: 절연층 133: 그래핀
135: 제2 리지부 141, 142: 전극
144: 전류측정기
Claims (36)
- 기판 상의 도파로; 및
상기 도파로와 연결되어 상기 도파로로부터의 광이 통과하는 광검출부;를 구비하며, 상기 광검출부는:
상기 도파로의 하부로부터 연장된 제1 리지부;
적어도 상기 제1 리지부의 상면에 형성된 그래핀;
상기 그래핀 상에서 상기 제1 리지부와 마주보게 형성된 제2 리지부; 및
상기 제1 리지부와 서로 이격되며 상기 그래핀과 전기적으로 연결된 제1전극 및 제2전극;을 구비하며, 상기 제2 리지부는 상기 도파로의 상부와 접촉되는 도파로 일체형 그래핀 광검출기. - 제 1 항에 있어서,
상기 제1 리지부 및 상기 제2 리지부는 실리콘, 게르마늄, III-V족 반도체, 및 II-IV 족 반도체로 이루어진 그룹으로부터 선택된 어느 하나로 이루어진 도파로 일체형 그래핀 광검출기. - 제 1 항에 있어서,
상기 제1 리지부와 상기 그래핀 사이에 위치한 제1 절연층을 포함하는 도파로 일체형 그래핀 광검출기. - 제 3 항에 있어서,
상기 제1절연층은 실리콘 옥사이드, 알루미늄 옥사이드, 실리콘 나이트라이드, 보론 나이트라이드, 및 육방정계 보론 나이트라이드로 이루어진 그룹으로부터 선택된 어느 하나로 이루어진 도파로 일체형 그래핀 광검출기. - 제 3 항에 있어서,
상기 그래핀과 상기 제2 리지부 사이에 위치한 제2 절연층을 포함하는 도파로 일체형 그래핀 광검출기. - 제 5 항에 있어서,
상기 제2절연층은 실리콘 옥사이드, 알루미늄 옥사이드, 실리콘 나이트라이드, 보론 나이트라이드, 및 육방정계 보론 나이트라이드로 이루어진 그룹으로부터 선택된 어느 하나로 이루어진 도파로 일체형 그래핀 광검출기. - 제 6 항에 있어서,
상기 제1절연층 및 제2절연층은 육방정계 보론 나이트라이드로 이루어진 도파로 일체형 그래핀 광검출기. - 제 6 항에 있어서,
상기 제1절연층 및 제2절연층은 각각 한층의 물질층 두께 내지 50nm 두께로 형성된 도파로 일체형 그래핀 광검출기. - 제 1 항에 있어서,
상기 그래핀은 상기 광 검출부의 수직면 상에서 중앙에 형성된 도파로 일체형 그래핀 광검출기. - 제 1 항에 있어서,
상기 그래핀은 싱글 내지 6층의 그래핀층인 도파로 일체형 그래핀 광검출기. - 제 1 항에 있어서,
상기 제1 리지부는 에피성장 실리콘층이며, 상기 제2 리지부는 폴리실리콘층인 도파로 일체형 그래핀 광검출기. - 제 1 항에 있어서,
상기 제1전극 및 제2전극은 각각 상기 제1전극 및 제2전극으로부터 서로 대향하는 방향으로 연장된 복수의 제1핑거전극과 복수의 제2핑거전극을 구비하며, 상기 복수의 제1 핑거전극과 상기 복수의 핑거전극은 상기 그래핀 상에서 서로 교번적으로 배치된 도파로 일체형 그래핀 광검출기. - 제 1 항에 있어서,
상기 도파로와 상기 광검출부는 동일한 사각 단면을 가진 도파로 일체형 그래핀 광 검출기. - 제 13 항에 있어서,
상기 제1 리지부의 하부에 산화물층이 배치되며, 상기 그래핀은 상기 제1리지부의 상면으로부터 연장되어서 상기 제1리지부의 측면과 상기 산화물층을 덮으며, 상기 그래핀 상에서 상기 제1전극 및 상기 제2전극 사이에 제1 절연층이 위치한 도파로 일체형 그래핀 광검출기. - 제 14 항에 있어서,
상기 그래핀 상에 제2 절연층이 배치되며, 상기 제2리지부는 상기 제2 절연층 상에서 상기 제1리지부의 측면을 덮도록 형성된 도파로 일체형 그래핀 광검출기. - 제 1 항에 있어서,
상기 도파로와 상기 광검출부는 돌출된 리지를 포함하는 바닥면을 구비한 단면을 가진 도파로 일체형 그래핀 광검출기. - 제 16 항에 있어서,
상기 그래핀은 상기 제1리지부의 상면으로부터 연장되어서 상기 제1리지부의 측면 및 상기 바닥면을 덮으며, 상기 그래핀 상에서 상기 제1전극 및 상기 제2전극 사이에 제1 절연층이 위치한 도파로 일체형 그래핀 광검출기. - 제 17 항에 있어서,
상기 그래핀 상에 제2 절연층이 배치되며, 상기 제2리지부는 상기 제2 절연층 상에서 상기 제1리지부의 측면을 덮도록 형성된 도파로 일체형 그래핀 광검출기. - 기판 상의 도파로; 및
상기 도파로와 연결되어 상기 도파로로부터의 광이 통과하는 광검출부;를 구비하며,
상기 광검출부는:
상기 도파로가 연장된 제1 리지부;
상기 제1 리지부와 마주보게 형성된 제2 리지부;
상기 제1 리지부와 상기 제2 리지부 사이에 위치한 그래핀; 및
상기 제1 리지부와 이격되게 상기 그래핀과 전기적으로 연결된 제1전극 및 제2전극;을 구비하는 도파로 일체형 그래핀 광검출기. - 제 19 항에 있어서,
상기 제1 리지부 및 상기 제2 리지부는 실리콘, 게르마늄, III-V족 반도체, 및 II-IV 족 반도체로 이루어진 그룹으로부터 선택된 어느 하나로 이루어진 도파로 일체형 그래핀 광검출기. - 제 19 항에 있어서,
상기 제1 리지부와 상기 그래핀 사이에 위치한 제1 절연층을 포함하는 도파로 일체형 그래핀 광검출기. - 제 21 항에 있어서,
상기 제1절연층은 실리콘 옥사이드, 알루미늄 옥사이드, 실리콘 나이트라이드, 보론 나이트라이드, 및 육방정계 보론 나이트라이드로 이루어진 그룹으로부터 선택된 어느 하나로 이루어진 도파로 일체형 그래핀 광검출기. - 제 21 항에 있어서,
상기 그래핀과 상기 제2 리지부 사이에 위치한 제2 절연층을 포함하는 도파로 일체형 그래핀 광검출기. - 제 23 항에 있어서,
상기 제2절연층은 실리콘 옥사이드, 알루미늄 옥사이드, 실리콘 나이트라이드, 보론 나이트라이드, 및 육방정계 보론 나이트라이드로 이루어진 그룹으로부터 선택된 어느 하나로 이루어진 도파로 일체형 그래핀 광검출기. - 제 23 항에 있어서,
상기 제1절연층 및 제2절연층은 육방정계 보론 나이트라이드로 이루어진 도파로 일체형 그래핀 광검출기. - 제 23 항에 있어서,
상기 제1절연층 및 제2절연층은 각각 한층의 물질층 두께 내지 50nm 두께로 형성된 도파로 일체형 그래핀 광검출기. - 제 19 항에 있어서,
상기 그래핀은 상기 광 검출부의 수직면 상에서 중앙에 형성된 도파로 일체형 그래핀 광검출기. - 제 19 항에 있어서,
상기 그래핀은 싱글 내지 6층의 그래핀층인 도파로 일체형 그래핀 광검출기. - 제 19 항에 있어서,
상기 제1 리지부는 에피성장 실리콘층이며, 상기 제2 리지부는 폴리실리콘층인 도파로 일체형 그래핀 광검출기. - 제 19 항에 있어서,
상기 제1전극 및 제2전극은 각각 상기 제1전극 및 제2전극으로부터 서로 대향하는 방향으로 연장된 복수의 제1핑거전극과 복수의 제2핑거전극을 구비하며, 상기 복수의 제1 핑거전극과 상기 복수의 핑거전극은 상기 그래핀 상에서 서로 교번적으로 배치된 도파로 일체형 그래핀 광검출기. - 제 19 항에 있어서,
상기 도파로와 상기 제1 리지부는 동일한 사각단면을 가진 도파로 일체형 그래핀 광검출기. - 제 31 항에 있어서,
상기 제1 리지부의 하부에 산화물층이 배치되며, 상기 그래핀은 상기 제1리지부의 상면으로부터 연장되어서 상기 제1리지부의 측면과 상기 산화물층을 덮으며, 상기 그래핀 상에서 상기 제1전극 및 상기 제2전극 사이에 제1 절연층이 위치한 도파로 일체형 그래핀 광검출기. - 제 32 항에 있어서,
상기 그래핀 상에 제2 절연층이 배치되며, 상기 제2리지부는 상기 제2 절연층 상에서 상기 제1리지부의 측면을 덮도록 형성된 도파로 일체형 그래핀 광검출기. - 제 19 항에 있어서,
상기 도파로와 상기 광검출부는 돌출된 리지를 포함하는 바닥면을 구비한 단면을 가진 도파로 일체형 그래핀 광검출기. - 제 34 항에 있어서,
상기 그래핀은 상기 제1리지부의 상면으로부터 연장되어서 상기 제1리지부의 측면 및 상기 바닥면을 덮으며, 상기 그래핀 상에서 상기 제1전극 및 상기 제2전극 사이에 제1 절연층이 위치한 도파로 일체형 그래핀 광검출기. - 제 35 항에 있어서,
상기 그래핀 상에 제2 절연층이 배치되며, 상기 제2리지부는 상기 제2 절연층 상에서 상기 제1리지부의 측면을 덮도록 형성된 도파로 일체형 그래핀 광검출기.
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| GRNT | Written decision to grant |