KR101871295B1 - 그래핀을 이용한 광 변조기 - Google Patents

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Abstract

그래핀을 이용한 광 변조기가 개시된다. 개시된 그래핀을 이용한 광 변조기는 반도체층의 상면 위에 위치한 제1 그래핀 과 제2 그래핀과, 상기 제1 그래핀 위에 위치한 제1 전극과, 상기 제2 그래핀 위에 위치한 제2 전극을 포함한다. 상기 제1 그래핀의 일 측과 상기 제2 그래핀의 일 측은 이격되게 위치한다. 상기 반도체층의 제1 리지부 와 상기 제2 그래핀 상에 위치한 제2 리지부는 광 도파로를 이루며, 상기 제1 그래핀 및 상기 제2 그래핀은 상기 광 도파로의 수직면 상에서 대략 중앙에 형성된다.

Description

그래핀을 이용한 광 변조기{Optical modulator using graphene}
그래핀을 이용하여 고속 동작이 가능한 전계 흡수 광 변조기에 관한 것이다.
광 변조기는 빛의 속성, 일 예로 광의 세기(light intensity) 또는 광의 위상(phase)을 변화시켜서 빛에 의한 정보 전송을 하는 장치이다. 광 변조기는 광이 통과하는 광 도파로(waveguide), 예컨대 반도체 물질의 광 도파로에 가해지는 전류 또는 전압에 의해 발생하는 전계굴절(electro-refraction) 또는 전계흡수(electro-absorption)의 변화를 이용할 수 있다. 　
전계흡수 광 변조기는 광 도파로에 바이어스 전압(bias voltage)을 가하여 Franz Keldysh effect에 의해 밴드갭 크기에 변화가 발생하여 광흡수도가 바뀌는 현상을 이용한다.
종래의 대부분의 광 변조기는 특정 파장의 광에서만 광의 특성이 변하므로 작동 범위(operation bandwidth)가 20 nm 이하로 좁다. 또한, RC (resistance-capacitance) 지연으로 인해 고속 변조기를 제조하기가 어렵다. 또한, 광 도파로 단위 길이당 변조가능한 광의 변화인 변조 깊이(modulation depth)가 작아서 충분한 변조를 위해서 크기가 커질 수 있다.
그래핀은 2차원 6각형 탄소 구조(2-dimensional hexagonal carbon structure)를 가지는 반도체를 대체할 수 있는 새로운 물질이다. 그래핀은 캐리어 이동도(mobility)가 상온에서 200,000 cm2V-1s-1로 기존 실리콘 대비 약 100배 정도 높아 고속동작 소자, 예컨대 광 변조기에 응용될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 그래핀을 이용한 광 변조기는 변조 깊이가 넓고, 소형이며 고속으로 동작하는 광 변조기를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀을 이용한 광 변조기는:
반도체층;
상기 반도체층의 상면 위에 위치한 제1 그래핀 과 제2 그래핀;
상기 제1 그래핀 위에 위치한 제1 전극; 및
상기 제2 그래핀 위에 위치한 제2 전극을 포함하며,
상기 제1 그래핀의 일 측과 상기 제2 그래핀의 일 측은 이격되게 위치한다.
상기 제1 그래핀 과 상기 제2 그래핀 중 적어도 하나는 상기 반도체층의 제1 리지부의 상면 및 일 측면을 덮을 수 있는 굽은 구조를 가질 수 있다.
상기 반도체층과 상기 제1 그래핀 사이에 위치한 제1 절연층을 포함할 수 있다.
상기 제1 절연층은 실리콘 옥사이드, 알루미늄 옥사이드, 실리콘 나이트라이드, 보론 나이트라이드, 및 육방정계 보론 나이트라이드로 이루어진 그룹으로부터 선택된 어느 하나로 이루어질 수 있다.
상기 제1 그래핀 과 상기 제2 그래핀 사이에 위치한 제2 절연층을 포함할 수 있다.
상기 제2 절연층은 1nm - 100nm 두께로 형성될 수 있다.
상기 반도체층은 제1 리지부를 포함하며,
상기 제2 그래핀 상에 위치한 제2 리지부는 상기 제1 리지부와 마주보게 형성될 수 있다.
상기 제2 그래핀과 상기 제2 리지부 사이에 위치한 제3 절연층을 포함할 수 있다.
상기 반도체층 및 상기 제2 리지부는 실리콘, 게르마늄, III-V족 반도체, 및 II-IV 족 반도체로 이루어진 그룹으로부터 선택된 어느 하나로 이루어질 수 있다.
상기 반도체층의 제1 리지부 와 상기 제2 그래핀 상에 위치한 제2 리지부는 광 도파로를 이루며, 상기 제1 그래핀 및 상기 제2 그래핀은 상기 광 도파로의 수직면 상에서 대략 중앙에 형성될 수 있다.
상기 제1 리지부는 에피성장 실리콘층일 수 있으며, 상기 제2 리지부는 폴리실리콘층 또는 비정질 실리콘층일 수 있다.
상기 제1 그래핀 및 상기 제2 그래핀은 각각 싱글 또는 이층의 그래핀층일 수 있다.
다른 실시예에 따른 그래핀을 이용한 광 변조기는:
반도체층;
상기 반도체층의 상면 위에 위치한 제1 그래핀 과 제2 그래핀;
상기 제1 그래핀 위에 위치한 제1 전극; 및
상기 제2 그래핀 위에 위치한 제2 전극을 포함하며,
상기 제1 그래핀 과 상기 제2 그래핀은 상기 반도체층의 바닥면과 평행한 평면 구조를 가지며,
상기 제1 그래핀의 일 측과 상기 제2 그래핀의 일 측은 이격되게 위치한다.
또 다른 실시예에 따른 그래핀을 이용한 광 변조기는:
반도체층;
상기 반도체층의 상면 위에 위치한 제1 그래핀 과 제2 그래핀;
상기 제1 그래핀 위에 위치한 제1 전극; 및
상기 제2 그래핀 위에 위치한 제2 전극을 포함하며,
상기 제1 그래핀의 일 측과 상기 제2 그래핀의 일 측은 상기 반도체층의 바닥면과 수평방향으로 제1 갭만큼 이격되게 위치한다.
상기 제1 그래핀 과 상기 제2 그래핀 중 적어도 하나는 상기 반도체층의 제1 리지부의 상면 및 일 측면을 덮을 수 있는 굽은 구조를 가질 수 있다.
상기 제1갭은 1nm - 100nm 폭으로 형성될 수 있다.
또 다른 실시예에 따른 그래핀을 이용한 광 변조기는:
반도체층;
상기 반도체층의 상면 위에 위치한 제1 그래핀 과 제2 그래핀;
상기 제1 그래핀 위에 위치한 제1 전극; 및
상기 제2 그래핀 위에 위치한 제2 전극을 포함하며,
상기 제1 그래핀 과 상기 제2 그래핀은 상기 반도체층의 바닥면과 평행한 평면 구조를 가지고,
상기 제1 그래핀의 일 측과 상기 제2 그래핀의 일 측은 상기 반도체층의 바닥면과 수평방향으로 제1 갭만큼 이격되게 위치한다.
본 발명의 실시예에 따른 그래핀을 이용한 광 변조기는 광 도파로의 중앙에 전극과 연결된 두개의 그래핀을 배치하여 그래핀의 광흡수 작용을 크게 함으로써 변조 깊이를 증가시키며, 광 변조기의 크기를 감소시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광 변조기를 개괄적으로 보여주는 사시도이다.
도 2는 도 1의 Ⅱ-Ⅱ' 선단면도이다.
도 3은 도 1의 본 발명의 실시예에 따른 광 변조기에 전압을 인가시 광의 세기를 모사한 도면이다.
도 4는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 광 변조기를 개괄적으로 보여주는 단면도이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 광 변조기를 개괄적으로 보여주는 단면도이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 광 변조기(를 개괄적으로 보여주는 단면도이다.
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 변조기(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 제1 리지부(124)를 구비한 반도체층(120)이 형성된다. 기판(110)은 실리콘, 게르마늄, 실리콘-게르마늄, III-V족 반도체, II-VI족 반도체로 이루어질 수 있다. 도 1 및 도 2 에서 보는 바와 같이, 제1 리지부(124)는 바닥면(120a, 120b)으로 부터 돌출된 부분으로 바닥면(120a, 120b)과 평행한 상면(124a)과 측면들(124b, 124c)을 포함하는 구조를 가질 수 있다. 하지만 이는 일 예일 뿐이다. 일 예로 측면(124b, 124c)은 도 1 및 도 2에서와 달리 바닥면(120a, 120b)과 수직이 아닐 수 있으며, 또한 상면(124a)은 최종 사용 목적에 따라 평면 구조 이외의 변형된 형태를 가질 수 있다.
기판(110) 상의 산화물층(112)은 매립 산화물층일 수 있다. 기판(110) 및 반도체층(120)이 실리콘으로 이루어지고 산화물층(112)이 실리콘 옥사이드로 이루어진 매립산화물층이 경우, 이들 구조는 소이(SOI: silicon on insulator) 기판(110)에 리지부를 형성한 구조일 수 있다.
제1 리지부(124)를 구비한 반도체층(120)은 기판(110)과 동일한 물질로 형성될 수 있다.
제1 리지부(124)를 포함하는 반도체층(120) 상에는 제1절연층(131)이 형성된다. 제1절연층(131)은 실리콘 옥사이드, 알루미늄 옥사이드, 실리콘 나이트라이드, 보론 나이트라이드, 육방정계 보론 나이트라이드 등으로 대략 수 nm - 수백 nm 두께로 형성될 수 있다.
제1절연층(131) 상에는 제1 그래핀(141)이 형성된다. 제1 그래핀(141)은 CVD(chemical vapor deposition) 공정으로 제조된 그래핀을 제1절연층(131) 상에 전사하여 형성될 수 있다. 도 1 및 도 2에서와 같이, 제1 그래핀(141)은 굽은 구조일 수 있으며, 제1 리지부(124)의 상면(124a) 및 일측면(124b)과 일측면(124b)에서 연장된 바닥면(120a)에만 형성될 수 있다. 또한, 제1 그래핀(141)은 제1 리지부(124)의 상면(124a)에서 제1 리지부(124)의 우측 에지로부터 이격되게 형성된다. 바닥면(120a)에서 제1 리지부(124)와 이격되게 제1전극(161)이 형성된다.
제1 리지부(124)의 상면(124a)에서 제1 그래핀(141)을 덮는 제2절연층(132)이 형성된다. 제2절연층(132)은 제1 리지부(124)의 다른 측면(124c) 및 다른 바닥면(120b) 상으로 연장되면서 제1절연층(131)을 덮을 수도 있다. 제2절연층(132)은 실리콘 옥사이드, 알루미늄 옥사이드, 실리콘 나이트라이드, 보론 나이트라이드, 육방정계 보론 나이트라이드(hexagonal boron nitride) 등으로 대략 1 nm - 100 nm 두께로 형성될 수 있다. 제2절연층(132) 두께가 1 nm 보다 작으면 커패시턴스 증가로 RC 지연이 커져서 동작 속도가 감소할 수 있다. 제2절연층(132) 두께가 100 nm 보다 크면 구동전압이 증가할 수 있다.
제2절연층(132) 상에는 제2 그래핀(142)이 형성된다. 제2 그래핀(142)의 일측면은 제1 그래핀(141)의 일 측과 바닥면(120a, 120b)에 수직되는 방향으로 이격되게 나란하게 형성될 수 있다. 제2 그래핀(142)은 CVD 공정으로 제조된 그래핀을 제2절연층(132) 상에 전사하여 형성될 수 있다. 도 1 및 도 2에서 보는 바와 같이, 제2 그래핀(142)도 굽은 구조를 가질 수 있으며, 제1 리지부(124)의 상방으로부터 제1 리지부(124)의 다른 측면(124c) 및 다른 바닥면(120b) 상으로 연장되어 형성될 수 있다.
제1 그래핀(141) 및 제2 그래핀(142)은 싱글 또는 이층의 그래핀층일 수 있다.
제2 그래핀(142) 상에서 제1 리지부(124)와 이격되게 다른 바닥면(120b) 상으로 제2전극(162)이 형성된다. 제1전극(161) 및 제2전극(162)은 통상의 전극물질, 예컨대, 금, 구리, 백금, 몰리브덴, 팔라듐 등으로 형성될 수 있다.
제1전극(161) 및 제2전극(162)은 각각 제1 리지부(124)로부터 대략 100nm ~ 수 ㎛ 이격되게 형성된다. 이는 아래의 도 3에서 보듯이 광 도파로를 통과하는 광의 영역이 광 도파로 보다 크므로, 제1전극(161) 및 제2전극(162)이 광 투과를 방해하지 않도록 어느 정도 제1 리지부(124)로부터 이격되게 형성하는 것이다. 본 발명에서는 제1전극(161)과 연결된 제1 그래핀(141)과 제2전극(162)과 연결된 제2 그래핀(142)을 광의 영역에 배치하며, 제1 그래핀(141) 및 제2 그래핀(142)은 광 영역에서 투명하다.
제2 그래핀(142) 상에서 제1 리지부(124)의 상면(124a)에 제3절연층(133)이 형성된다. 제3절연층(133)은 제1절연층(131)과 동일한 물질로 대략 수 nm - 수백 nm 두께로 형성될 수 있다.
제3절연층(133) 상에는 제1 리지부(124)와 마주보게 제2 리지부(150)가 형성된다. 제2 리지부(150)의 높이는 제1 리지부(124)의 높이와 유사할 수 있다. 제1 리지부(124)와 제2 리지부(150) 및 그 사이의 층들은 광 도파로를 형성한다. 제1 리지부(124)와 제2 리지부(150)가 유사한 높이로 형성되면, 제1 그래핀(141) 및 제2 그래핀(142)은 광 도파로의 수직면상에서 대략 광 도파로의 중앙에 위치할 수 있다.
제1절연층(131) 내지 제3절연층(133)은 보론 나이트라이트 또는 육방정계 보론 나이트라이드로 형성시 제1 그래핀(141) 및 제2 그래핀(142)에서의 이동도 특성 저하가 감소된다.
제2 리지부(150)는 제1 리지부(124)와 굴절률이 유사한 물질로 형성될 수 있다. 예컨대 제2 리지부(150)는 제1 리지부(124)와 동일한 물질로 형성될 수 있다. 제1 리지부(124)는 에피성장된 반도체층일 수 있으며, 제2 리지부(150)는 증착된 반도체층일 수 있다. 예컨대, 제1 리지부(124)는 실리콘 에피층일 수 있으며, 제2 리지부(150)는 폴리 실리콘층 또는 비정질 실리콘층일 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 광 변조기(100)에 전압을 인가시 광의 세기를 모사한 도면이다.
도 3을 참조하면, 제1전극(161) 및 제2전극(162) 사이에 소정의 전압을 인가하면, 제1 그래핀(141)과 제2 그래핀(142)의 페르미 레벨이 한 쪽은 감소하고 다른 쪽은 증가한다. 이에 따라서 광이 제1 그래핀(141) 및 제2 그래핀(142)에 흡수될 수 있는 캐리어 양이 감소하여 결국 광 흡수가 감소하며 따라서 광도파로를 통과하는 광량이 증가하게 된다. 결과로서 광 변조기에 입력된 광이 광 도파로를 통과하는 광의 세기가 증가된다. 이러한 작용을 이용하면 광의 통과를 조절할 수 있다.
한편, 광의 세기가 큰 광 도파로의 중앙부에, 제1 그래핀(141) 및 제2 그래핀(142)이 배치되어서 제1 그래핀(141) 및 제2 그래핀(142)의 광흡수도가 증가되므로 변조 깊이가 증가된다. 이에 따라, 광도파로의 길이(도 1의 L)가 감소될 수 있으며, 이에 따라 광 변조기(100)의 크기가 감소될 수 있다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 광 변조기(200)를 개괄적으로 보여주는 단면도이다. 도 1 및 도 2의 구조와 실질적으로 동일한 구성요소에는 동일한 참조번호를 사용하고 상세한 설명은 생략한다.
도 4를 참조하면, 기판(210) 상에 산화물층(212)이 형성되고 산화물층(212) 상에 제1 리지부(224)를 구비한 반도체층(220)이 형성된다. 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) 및 반도체층(220)이 실리콘으로 이루어지고 산화물층(212)이 실리콘 옥사이드로 이루어진 매립산화물층이 경우, 이들 구조는 소이(SOI: silicon on insulator) 기판(210)에 리지부를 형성한 구조일 수 있다.
기판(210) 상에 제1 리지부(224)를 구비한 반도체층(220) 상으로 절연층(228)이 형성된다. 절연층(228)은 제1 리지부(224)와 동일한 상부면을 가지도록 형성된다.
제1 리지부(224)의 상부면에 제1절연층(231)이 형성된다. 제1절연층(231)은 제1 리지부(224)의 일측의 절연층(228) 상으로 연장되어 형성될 수 있다. 제1절연층(231)은 실리콘 옥사이드, 알루미늄 옥사이드, 실리콘 나이트라이드, 보론 나이트라이드, 육방정계 보론 나이트라이드 등으로 대략 수 nm - 수백 nm 두께로 형성될 수 있다. 제1절연층(231) 상에는 제1 그래핀(241)이 형성된다. 제1 그래핀(241)은 제1 리지부(224)의 상면(224a)과 제1 리지부(224)의 일측의 절연층(228)을 덮도록 형성된다. 제1 그래핀(241)은 CVD 공정으로 제조된 그래핀을 제1절연층(231) 상에 전사하여 형성될 수 있다. 제1 그래핀(241) 상에서 제1 리지부(224)와 이격되게 제1전극(261)이 형성된다.
제1 그래핀(241) 상에서 제1 리지부(224) 상면(224a) 상에 제2절연층(232)이 형성된다. 제2절연층(232)은 제1 리지부(224)의 타측의 절연층(228) 상으로 연장되어 형성될 수 있다. 제2절연층(232)은 실리콘 옥사이드, 알루미늄 옥사이드, 실리콘 나이트라이드, 보론 나이트라이드, 육방정계 보론 나이트라이드 등으로 대략 1 nm - 100 nm 두께로 형성될 수 있다.
제2절연층(232) 상에서 제1 리지부(224)의 상면(224a)으로부터 제1 리지부(224)의 타측의 절연층(228) 상으로 연장된 제2 그래핀(242)이 형성된다. 제2 그래핀(242)의 일 측은 제1 그래핀(241)의 일 측과 반도체층(220)의 바닥면(220a)과 수직되는 방향으로 이격되게 나란히 형성될 수 있다. 제2 그래핀(242)은 CVD 공정으로 제조된 그래핀을 제2절연층(232) 상에 전사하여 형성될 수 있다. 도 3 에서의 제1 그래핀(241)과 제2 그래핀(242)은 도 1 및 도 2에서와 달리 굽은 구조가 아닌 평면 구조를 가진다.
제1 그래핀(241) 및 제2 그래핀(242)은 싱글 또는 이층의 그래핀층일 수 있다.
제2 그래핀(242) 상에서 제1 리지부(224)의 상면(224a) 상에는 제3절연층(233)이 형성된다. 제3절연층(233)은 제1절연층(231)과 동일한 물질로 대략 수 nm - 수백 nm 두께로 형성될 수 있다.
제3절연층(233) 상에는 제1 리지부(224)와 마주보게 제2 리지부(250)가 형성된다. 제2 리지부(250)의 높이는 제1 리지부(224)의 높이와 유사할 수 있다. 제1 리지부(224)와 제2 리지부(250) 및 그 사이의 층들은 광 도파로를 형성한다. 제1 리지부(224)와 제2 리지부(250)가 유사한 높이로 형성되므로, 제1 그래핀(241) 및 제2 그래핀(242)은 수직면상에서 대략 광 도파로의 중앙에 위치할 수 있다.
제1절연층(231) 내지 제3절연층(233)은 보론 나이트라이드 또는 육방정계 보론 나이트라이드로 형성시, 제1 그래핀(241) 및 제2 그래핀(242)에서의 이동도 특성 저하가 감소된다.
제2 리지부(250)는 제1 리지부(224)와 굴절률이 유사한 물질 또는 동일한 물질로 형성될 수 있다. 제1 리지부(224)는 에피성장된 반도체층일 수 있으며, 제2 리지부(250)는 증착된 반도체층일 수 있다. 예컨대, 제1 리지부(224)는 실리콘 에피층일 수 있으며, 제2 리지부(250)는 폴리 실리콘층 또는 비정질 실리콘층일 수 있다.
제2 그래핀(242) 상에서 제1 리지부(224)와 이격되게 제2전극(262)이 형성된다. 제1전극(261) 및 제2전극(262)은 통상의 전극물질, 예컨대, 금, 구리, 백금, 몰리브덴, 팔라듐 등으로 형성될 수 있다.
다른 실시예에 따른 광 변조기(200)는 리지부의 양측에 리지부와 동일한 평면을 가지는 절연층(228)을 형성하므로, 제1 리지부(124) 위에 그래핀층 및 절연층들의 형성이 용이할 수 있다. 광 변조기(200)의 다른 작용은 광 변조기(100)와 실질적으로 동일하므로 상세한 설명은 생략한다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 광 변조기(300)를 개괄적으로 보여주는 단면도이다.
도 5를 함께 참조하면, 기판(310) 상에 산화물층(312)이 형성되고 산화물층(312) 상에 제1 리지부(324)를 구비한 반도체층(320)이 형성된다. 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) 및 반도체층(320)이 실리콘으로 이루어지고 산화물층(312)이 실리콘 옥사이드로 이루어진 매립산화물층이 경우, 이들 구조는 소이(SOI: silicon on insulator) 기판에 리지부를 형성한 구조일 수 있다.
제1 리지부(324)를 구비한 반도체층(320)은 기판(310)과 동일한 물질로 형성될 수 있다.
제1 리지부(324)를 포함하는 반도체층(320) 상에는 제1절연층(331)이 형성된다. 제1절연층(331)은 실리콘 옥사이드, 알루미늄 옥사이드, 실리콘 나이트라이드, 보론 나이트라이드, 육방정계 보론 나이트라이드 등으로 대략 수 nm - 수백 nm 두께로 형성될 수 있다.
제1절연층(331) 상에는 제1 리지부(324)의 상면(324a)으로부터 각각 연장되어서 반도체층(320)의 바닥면(320a, 320b)까지 연장된 제1 그래핀(341) 및 제2 그래핀(342)이 형성된다. 제1 그래핀(341) 및 제2 그래핀(342)은 CVD 공정으로 제조된 그래핀을 제1절연층(331) 상에 전사하여 형성될 수 있다. 제1 그래핀(341) 및 제2 그래핀(342)은 싱글 또는 이층의 그래핀층일 수 있으며, 도 1 및 도 2에서와 같이 굽은 구조를 가질 수 있다.
제1절연층(331) 상에서 제1 그래핀(341)의 일 측과 제2 그래핀(342)의 일 측은 제1 리지부(324)의 상면(324a)에서 제1갭을 가지고 바닥면(320a, 320b)과 수평방향으로 이격되게 형성될 수 있다. 제1갭은 제1 리지부(324)의 상면 상에서 중앙에 배치되도록 제1 그래핀(341) 및 제2 그래핀(342)이 배치된다. 제1갭은 1nm 100nm일 수 있다. 제1갭이 1 nm 보다 작으면 커패시턴스 증가로 RC 지연이 커져서 동작 속도가 감소할 수 있다. 제1갭이 100 nm 보다 크면 구동전압이 증가할 수 있다.
반도체층(320)의 바닥면(320a)에서 제1 리지부(324)와 이격되게 제1전극(361)이 형성된다. 반도체층(320)의 다른 바닥면(320b)에서 제1 리지부(324)와 이격되게 제2전극(362)이 형성된다.
제1전극(361) 및 제2전극(362)은 통상의 전극물질, 예컨대, 금, 구리, 백금, 몰리브덴, 팔라듐 등으로 형성될 수 있다.
제1 절연층 상에는 제1 그래핀(341) 및 제2 그래핀(342)을 덮는 제2절연층(332)이 형성된다. 제2절연층(332)은 제1절연층(331)과 동일한 물질로 대략 수 nm - 수백 nm 두께로 형성될 수 있다.
제2절연층(332) 상에는 제1 리지부(324)와 마주보게 제2 리지부(350)가 형성된다. 제2 리지부(350)의 높이는 제1 리지부(324)의 높이와 유사할 수 있다. 제1 리지부(324)와 제2 리지부(350) 및 그 사이의 층들은 광 도파로를 형성한다. 제1 리지부(324)와 제2 리지부(350)가 유사한 높이로 형성되므로, 제1 그래핀(341) 및 제2 그래핀(342)은 수직면상에서 대략 광 도파로의 중앙에 위치할 수 있다.
제1절연층(331) 및 제2절연층(332)은 보론 나이트라이드 또는 육방정계 보론 나이트라이드로 형성시 제1 그래핀(341) 및 제2 그래핀(342)에서의 이동도 특성 저하가 감소된다.
제2 리지부(350)는 제1 리지부(324)와 굴절률이 유사한 물질 또는 동일한 물질로 형성될 수 있다. 제1 리지부(324)는 에피성장된 반도체층(320)일 수 있으며, 제2 리지부(350)는 증착된 반도체층일 수 있다. 예컨대, 제1 리지부(324)는 실리콘 에피층일 수 있으며, 제2 리지부(350)는 폴리 실리콘층 또는 비정질 실리콘층일 수 있다.
다른 실시예에 따른 광 변조기(300)는 광 변조기(100)와 비교하여 구조가 간단하여 제조공정이 용이하며, 그 작용은 광 변조기(100)와 실질적으로 동일하므로 상세한 설명은 생략한다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 광 변조기(400)를 개괄적으로 보여주는 단면도이다. 도 5의 구조와 실질적으로 동일한 구성요소에는 동일한 참조번호를 사용하고 상세한 설명은 생략한다.
도 6을 참조하면, 기판(410) 상에 산화물층(412)이 형성되고 산화물층(412) 상에 제1 리지부(424)를 구비한 반도체층(420)이 형성된다. 기판(410)은 실리콘, 게르마늄, 실리콘-게르마늄, III-V족 반도체, II-VI족 반도체로 이루어질 수 있다.
기판(410) 상의 산화물층(412)은 매립 산화물층일 수 있다. 기판(410) 및 반도체층(420)이 실리콘으로 이루어지고 산화물층(412)이 실리콘 옥사이드로 이루어진 매립산화물층이 경우, 이들 구조는 소이(SOI: silicon on insulator) 기판(410)에 리지부를 형성한 구조일 수 있다.
기판(410) 상에 제1 리지부(424)를 구비한 반도체층(420) 상으로 절연층(428)이 형성된다. 절연층(428)은 제1 리지부(424)와 동일한 상부면을 가지도록 형성된다.
제1 리지부(424)의 상면에 제1절연층(431)이 형성된다. 제1절연층(431)은 절연층(428) 상으로 연장되어 형성될 수 있다. 제1절연층(431)은 실리콘 옥사이드, 알루미늄 옥사이드, 실리콘 나이트라이드, 보론 나이트라드, 육방정계 보론 나이트라이드 등으로 대략 수 nm - 수백 nm 두께로 형성될 수 있다. 제1절연층(431) 상에서 제1 리지부(424) 상면(424a) 상으로부터 각각 상기 절연층(428) 상으로 연장되게 제1 그래핀(441) 및 제2 그래핀(442)이 형성된다. 제1 그래핀(441) 및 제2 그래핀(442)은 CVD 공정으로 제조된 그래핀을 제1절연층(431) 상에 전사하여 형성될 수 있다. 제1 그래핀(441) 및 제2 그래핀(442)은 싱글 또는 이층의 그래핀층일 수 있다.
제1절연층(431)의 제1 리지부(424)의 상면(424a) 영역에서 제1 그래핀(441)의 일 측과 제2그래핀(442)의 일 측은 제1갭(G)을 가지고 바닥면(420a)과 수평방향으로 이격되게 형성된다. 제1갭(G)은 1nm - 100nm일 수 있다. 제1갭(G)은 제1 리지부(424)의 중앙에 위치할 수 있다.
제1 그래핀(441) 상에서 제1 리지부(424) 영역과 이격되게 절연층(428) 상으로 제1전극(461)이 형성된다. 제2 그래핀(442) 상에서 제1 리지부(424) 영역과 이격되게 절연층(428) 상으로 제2전극(462)이 형성된다. 제1전극(461) 및 제2전극(462)은 통상의 전극물질, 예컨대, 금, 구리, 백금, 몰리브덴, 팔라듐 등으로 형성될 수 있다.
제1절연층(431) 상에 제1 그래핀(441) 및 제2 그래핀(442)을 덮는 제2절연층(432)이 형성된다. 제2절연층(432)은 실리콘 옥사이드, 알루미늄 옥사이드, 실리콘 나이트라이드, 보론 나이트라이드, 육방정계 보론 나이트라이드 등으로 대략 수 nm - 수백 nm 두께로 형성될 수 있다.
제2절연층(432) 상에는 제1 리지부(424)와 마주보게 제2 리지부(450)가 형성된다. 제2 리지부(450)의 높이는 제1 리지부(424)의 높이와 유사할 수 있다. 제1 리지부(424)와 제2 리지부(450) 및 그 사이의 층들은 광 도파로를 형성한다. 제1 리지부(424)와 제2 리지부(450)가 유사한 높이로 형성되므로, 제1 그래핀(441) 및 제2 그래핀(442)은 수직면상에서 대략 광 도파로의 중앙에 위치할 수 있다.
제2 리지부(450)는 제1 리지부(424)와 유사한 굴절률을 가진 물질 또는 동일한 물질로 형성될 수 있다. 제1 리지부(424)는 에피성장된 반도체층일 수 있으며, 제2 리지부(450)는 증착된 반도체층일 수 있다. 예컨대, 제1 리지부(424)는 실리콘 에피층일 수 있으며, 제2 리지부(450)는 폴리 실리콘층 또는 비정질 실리콘층일 수 있다.
또 다른 실시예에 따른 광 변조기(400)는 제1 리지부(424)의 양측에 제1 리지부(424)와 동일한 상부면을 가지는 절연층(428)을 형성하므로, 제1 리지부(424) 위에 그래핀층 및 절연층들의 형성이 용이할 수 있다. 광 변조기(400)의 다른 작용은 광 변조기(100)와 실질적으로 동일하므로 상세한 설명은 생략한다.
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 변조기 110: 기판
112: 산화물층 120: 반도체층
124: 제1 리지부 131~133: 절연층
141: 제1 그래핀 142: 제2 그래핀
150: 제2 리지부 161, 162: 전극

Claims (50)

  1. 반도체층;
    상기 반도체층의 상면 위에 위치한 제1 그래핀 과 제2 그래핀;
    상기 제1 그래핀 위에 위치한 제1 전극; 및
    상기 제2 그래핀 위에 위치한 제2 전극을 포함하며,
    상기 제1 그래핀의 일 측과 상기 제2 그래핀의 일 측은 이격되게 위치하며,
    상기 반도체층은 제1 리지부를 포함하며,
    상기 제1 그래핀 과 상기 제2 그래핀 중 적어도 하나는 상기 반도체층의 상기 제1 리지부의 상면 및 일 측을 덮을 수 있는 굽은 구조를 갖는 그래핀을 이용한 광 변조기.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 반도체층과 상기 제1 그래핀 사이에 위치한 제1 절연층을 포함하는 그래핀을 이용한 광 변조기.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제1 절연층은 실리콘 옥사이드, 알루미늄 옥사이드, 실리콘 나이트라이드, 보론 나이트라이드, 및 육방정계 보론 나이트라이드로 이루어진 그룹으로부터 선택된 어느 하나로 이루어진 그래핀을 이용한 광 변조기.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 그래핀 과 상기 제2 그래핀 사이에 위치한 제2 절연층을 포함하는 그래핀을 이용한 광 변조기.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제2 절연층은 1nm - 100nm 두께로 형성된 그래핀을 이용한 광 변조기.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 제2 절연층은 실리콘 옥사이드, 알루미늄 옥사이드, 실리콘 나이트라이드, 보론 나이트라이드, 및 육방정계 보론 나이트라이드로 이루어진 그룹으로부터 선택된 어느 하나로 이루어진 그래핀을 이용한 광 변조기.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 제2 그래핀 상에서 상기 제1 리지부와 마주보게 형성된 제2 리지부를 포함하는 그래핀을 이용한 광 변조기.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 제2 그래핀과 상기 제2 리지부 사이에 위치한 제3 절연층을 포함하는 그래핀을 이용한 광 변조기.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 제3 절연층은 실리콘 옥사이드, 알루미늄 옥사이드, 실리콘 나이트라이드, 보론 나이트라이드, 및 육방정계 보론 나이트라이드로 이루어진 그룹으로부터 선택된 어느 하나로 이루어진 그래핀을 이용한 광 변조기.
  11. 제 8 항에 있어서,
    상기 반도체층 및 상기 제2 리지부는 실리콘, 게르마늄, III-V족 반도체, 및 II-IV 족 반도체로 이루어진 그룹으로부터 선택된 어느 하나로 이루어진 그래핀을 이용한 광 변조기.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 반도체층의 상기 제1 리지부 와 상기 제2 그래핀 상에 위치한 제2 리지부는 광 도파로를 이루며,
    상기 제1 그래핀 및 상기 제2 그래핀은 상기 광 도파로의 수직면 상에서 중앙에 형성된 그래핀을 이용한 광 변조기.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 제1 리지부는 에피성장 실리콘층이며, 상기 제2 리지부는 폴리실리콘층 또는 비정질 실리콘층인 그래핀을 이용한 광 변조기.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 그래핀 및 상기 제2 그래핀은 각각 싱글 또는 이층의 그래핀층인 그래핀을 이용한 광 변조기.
  15. 반도체층;
    상기 반도체층의 상면 위에 위치한 제1 그래핀 과 제2 그래핀;
    상기 제1 그래핀 위에 위치한 제1 전극; 및
    상기 제2 그래핀 위에 위치한 제2 전극을 포함하며,
    상기 제1 그래핀 과 상기 제2 그래핀은 상기 반도체층의 바닥면과 평행한 평면 구조를 가지며,
    상기 제1 그래핀의 일 측과 상기 제2 그래핀의 일 측은 이격되게 위치하며,
    상기 반도체층은 제1 리지부와, 상기 제2 그래핀 상에서 상기 제1 리지부와 마주보게 형성된 제2 리지부를 포함하는 그래핀을 이용한 광 변조기.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 반도체층과 상기 제1 그래핀 사이에 위치한 제1 절연층을 포함하는 그래핀을 이용한 광 변조기.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 제1절연층은 실리콘 옥사이드, 알루미늄 옥사이드, 실리콘 나이트라이드, 보론 나이트라이드, 및 육방정계 보론 나이트라이드로 이루어진 그룹으로부터 선택된 어느 하나로 이루어진 그래핀을 이용한 광 변조기.
  18. 제 15 항에 있어서,
    상기 제1 그래핀과 상기 제2 그래핀 사이에 위치한 제2 절연층을 포함하는 그래핀을 이용한 광 변조기.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 제2 절연층은 1nm - 100nm 두께로 형성된 그래핀을 이용한 광 변조기.
  20. 제 18 항에 있어서,
    상기 제2절연층은 실리콘 옥사이드, 알루미늄 옥사이드, 실리콘 나이트라이드, 보론 나이트라이드, 및 육방정계 보론 나이트라이드로 이루어진 그룹으로부터 선택된 어느 하나로 이루어진 그래핀을 이용한 광 변조기.
  21. 삭제
  22. 제 15 항에 있어서,
    상기 제2 그래핀 과 상기 제2 리지부 사이에 위치한 제3 절연층을 포함하는 그래핀을 이용한 광 변조기.
  23. 제 22 항에 있어서,
    상기 제3 절연층은 실리콘 옥사이드, 알루미늄 옥사이드, 실리콘 나이트라이드, 보론 나이트라이드, 및 육방정계 보론 나이트라이드로 이루어진 그룹으로부터 선택된 어느 하나로 이루어진 그래핀을 이용한 광 변조기.
  24. 제 15 항에 있어서,
    상기 반도체층 및 상기 제2 리지부는 실리콘, 게르마늄, III-V족 반도체, 및 II-IV 족 반도체로 이루어진 그룹으로부터 선택된 어느 하나로 이루어진 그래핀을 이용한 광 변조기.
  25. 제 15 항에 있어서,
    상기 반도체층의 제1 리지부 와 상기 제2 그래핀 상에 위치한 상기 제2 리지부는 광 도파로를 이루며,
    상기 제1 그래핀 및 상기 제2 그래핀은 상기 광 도파로의 수직면 상에서 중앙에 형성된 그래핀을 이용한 광 변조기.
  26. 제 25 항에 있어서,
    상기 제1 리지부는 에피성장 실리콘층이며, 상기 제2 리지부는 폴리실리콘층 또는 비정질 실리콘층인 그래핀을 이용한 광 변조기.
  27. 제 15 항에 있어서,
    상기 제1 그래핀 및 상기 제2 그래핀은 각각 싱글 또는 이층의 그래핀층인 그래핀을 이용한 광 변조기.
  28. 반도체층;
    상기 반도체층의 상면 위에 위치한 제1 그래핀 과 제2 그래핀;
    상기 제1 그래핀 위에 위치한 제1 전극; 및
    상기 제2 그래핀 위에 위치한 제2 전극을 포함하며,
    상기 제1 그래핀의 일 측과 상기 제2 그래핀의 일 측은 상기 반도체층의 바닥면과 수평방향으로 제1 갭만큼 이격되게 위치하며,
    상기 반도체층은 제1 리지부를 포함하며,
    상기 제1 그래핀 과 상기 제2 그래핀 중 적어도 하나는 상기 반도체층의 제1 리지부의 상면 및 일 측면을 덮을 수 있는 굽은 구조를 갖는 그래핀을 이용한 광 변조기.
  29. 삭제
  30. 제 28 항에 있어서,
    상기 반도체층 과 상기 제1 그래핀 및 상기 제2 그래핀 사이에 위치한 제1 절연층을 포함하는 그래핀을 이용한 광 변조기.
  31. 제 30 항에 있어서,
    상기 제1 절연층은 실리콘 옥사이드, 알루미늄 옥사이드, 실리콘 나이트라이드, 보론 나이트라이드, 및 육방정계 보론 나이트라이드로 이루어진 그룹으로부터 선택된 어느 하나로 이루어진 그래핀을 이용한 광 변조기.
  32. 제 28 항에 있어서,
    상기 제1 그래핀 및 제2 그래핀 상에서 상기 제1 리지부와 마주보게 형성된 제2 리지부를 포함하는 그래핀을 이용한 광 변조기.
  33. 제 32 항에 있어서,
    상기 제1 그래핀 및 제2 그래핀과 상기 제2 리지부 사이에 위치한 제2 절연층을 포함하는 그래핀을 이용한 광 변조기.
  34. 제 33 항에 있어서,
    상기 제2 절연층은 실리콘 옥사이드, 알루미늄 옥사이드, 실리콘 나이트라이드, 보론 나이트라이드, 및 육방정계 보론 나이트라이드로 이루어진 그룹으로부터 선택된 어느 하나로 이루어진 그래핀을 이용한 광 변조기.
  35. 제 32 항에 있어서,
    상기 반도체층 및 상기 제2 리지부는 실리콘, 게르마늄, III-V족 반도체, 및 II-IV 족 반도체로 이루어진 그룹으로부터 선택된 어느 하나로 이루어진 그래핀을 이용한 광 변조기.
  36. 제 28 항에 있어서,
    상기 제1갭은 1nm - 100nm 폭으로 형성된 그래핀을 이용한 광 변조기.
  37. 제 28 항에 있어서,
    상기 반도체층의 상기 제1 리지부 와 상기 제1 그래핀 및 상기 제2 그래핀 상에 위치한 제2 리지부는 광 도파로를 이루며,
    상기 제1 그래핀 및 상기 제2 그래핀은 상기 광 도파로의 수직면 상에서 중앙에 형성된 그래핀을 이용한 광 변조기.
  38. 제 37 항에 있어서,
    상기 제1 리지부는 에피성장 실리콘층이며, 제2 리지부는 폴리실리콘층 또는 비정질 실리콘층인 그래핀을 이용한 광 변조기.
  39. 제 28 항에 있어서,
    상기 제1 그래핀 및 상기 제2 그래핀은 각각 싱글 또는 이층의 그래핀층인 그래핀을 이용한 광 변조기.
  40. 반도체층;
    상기 반도체층의 상면 위에 위치한 제1 그래핀 과 제2 그래핀;
    상기 제1 그래핀 위에 위치한 제1 전극; 및
    상기 제2 그래핀 위에 위치한 제2 전극을 포함하며,
    상기 제1 그래핀 과 상기 제2 그래핀은 상기 반도체층의 바닥면과 평행한 평면 구조를 가지고,
    상기 제1 그래핀의 일 측과 상기 제2 그래핀의 일 측은 상기 반도체층의 바닥면과 수평방향으로 제1 갭만큼 이격되게 위치하며,
    상기 반도체층은 제1 리지부를 포함 하며,
    상기 제1 그래핀 및 상기 제2 그래핀 상에서 상기 제1 리지부와 마주보게 형성된 제2 리지부를 포함하는 그래핀을 이용한 광 변조기.
  41. 제 40 항에 있어서,
    상기 반도체층 과 상기 제1 그래핀 및 제2 그래핀 사이에 위치한 제1 절연층을 포함하는 그래핀을 이용한 광 변조기.
  42. 제 41 항에 있어서,
    상기 제1 절연층은 실리콘 옥사이드, 알루미늄 옥사이드, 실리콘 나이트라이드, 보론 나이트라이드, 및 육방정계 보론 나이트라이드로 이루어진 그룹으로부터 선택된 어느 하나로 이루어진 그래핀을 이용한 광 변조기.
  43. 삭제
  44. 제 40 항에 있어서,
    상기 제1 그래핀 및 제2 그래핀과 상기 제2 리지부 사이에 위치한 제2 절연층을 포함하는 그래핀을 이용한 광 변조기.
  45. 제 44 항에 있어서,
    상기 제2 절연층은 실리콘 옥사이드, 알루미늄 옥사이드, 실리콘 나이트라이드, 보론 나이트라이드, 및 육방정계 보론 나이트라이드로 이루어진 그룹으로부터 선택된 어느 하나로 이루어진 그래핀을 이용한 광 변조기.
  46. 제 40 항에 있어서,
    상기 반도체층 및 상기 제2 리지부는 실리콘, 게르마늄, III-V족 반도체, 및 II-IV 족 반도체로 이루어진 그룹으로부터 선택된 어느 하나로 이루어진 그래핀을 이용한 광 변조기.
  47. 제 40 항에 있어서,
    상기 제1 갭은 1nm - 100nm 폭으로 형성된 그래핀을 이용한 광 변조기.
  48. 제 40 항에 있어서,
    상기 반도체층의 제1 리지부 와 상기 제1 그래핀 및 상기 제2 그래핀 상에 위치한 상기 제2 리지부는 광 도파로를 이루며,
    상기 제1 그래핀 및 상기 제2 그래핀은 상기 광 도파로의 수직면 상에서 중앙에 형성된 그래핀을 이용한 광 변조기.
  49. 제 48 항에 있어서,
    상기 제1 리지부는 에피성장 실리콘층이며, 상기 제2 리지부는 폴리실리콘층 또는 비정질 실리콘층인 그래핀을 이용한 광 변조기.
  50. 제 40 항에 있어서,
    상기 제1 그래핀 및 상기 제2 그래핀은 각각 싱글 또는 이층의 그래핀층인 그래핀을 이용한 광 변조기.
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