KR101944272B1 - 중적외선 광 위상 변조기 및 이의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 측면에 따른 중적외선 광 위상 변조기는, 기판; 상기 기판상에 위치하는 클래딩층; 저마늄(Ge)을 포함하며, 상기 클래딩층상에 직접 위치하는 제1층 및 중적외선 파장 대역의 광을 구속하도록 구성된 제2층을 포함하는 코어; 상기 코어상에 위치하는 반도체 화합물층; 및 상기 코어 및 상기 반도체 화합물층상에 각각 배치되는 전극들을 포함한다. 상기 광 위상 변조기에 의하면, 약 1.5 ㎛ 내지 15 ㎛의 넓은 파장 대역에서 투명한 저마늄(Ge)으로 구성된 반도체, 플루오르(F) 및 이트륨(Y) 계열의 유전체를 기반으로 하므로, 종래의 실리콘 기반의 광 변조기에 비해 넓은 파장 대역의 광에 적용할 수 있고, 유효 질량(effective mass)이 작은 인듐갈륨아세나이드(InGaAs) 또는 인듐아세나이드(InAs)와 같은 Ⅲ-Ⅴ 화합물을 포함한 반도체를 이용함으로써, FCEs(Free-carrier effects)로 인한 굴절률 변화(Δn)가 증가하여 광 변조 효율을 향상시킬 수 있다.

Description

중적외선 광 위상 변조기 및 이의 제조방법{MID-IR LIGHT PHASE MODULATOR AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은 중적외선 광 위상 변조기 및 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 중적외선 대역과 같은 장파장 대역의 광에 대해서 적용이 가능하여 광 변조 성능이 향상된 광 위상 변조기 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
기존의 광학 전자 집적 회로(OptoElectronic Integrated Circuit; OEIC) 연구는 전자 소자와 광 소자의 단순한 결합 및 공정 방법을 주로 다루고 있으며, 실리콘 포토닉스(Si photonics)라고 불리는 기술에서 사용되는 근적외선(Near-IR) 통신 파장에 특화된 경우가 많다. 종래의 OEIC는 실리콘-온-인슐레이터(Silicon-On-Insulator; SOI) 기반의 광 도파관을 이용하는 것이 대부분이다. 그러나, 실리콘은 중적외선에 해당하는 장파장 대역에서 광 손실이 큰 물질이므로, SOI 기반 광 도파관을 사용 가능한 파장 범위는 제한적이다.
이에 대한 대안으로서 칼코지나이드(chalcogenide) 글래스 등 다른 물질을 도파관으로 사용하는 기술도 일부 알려져 있으나, 이러한 물질은 현재의 실리콘 기반 제조 기술과는 괴리가 있으며 전자 소자와의 집적이 어려운 문제점이 있다.
한편, 광 위상 변조기(light phase modulator)는 광 캐리어를 아날로그 또는 디지털 신호로 변조하기 위해 이용되는데, 광 도파관에 인접한 MOS 커패시터의 중심에 전하의 축적을 유도하여 광 도파관의 굴절률을 변경함으로써 광 빔의 위상 변이(phase shift)를 야기하여 광을 변조시킨다.
종래의 MOS 커패시터 및 광 도파관은 주로 실리콘을 이용하여 제작되는데, 전술한 바와 같이, 실리콘은 중적외선에 해당하는 장파장 대역에서 광 손실이 큰 물질이므로 SOI 기반의 광 변조기를 사용 가능한 파장 범위는 제한적이다.
미국 등록특허공보 제8,901,576호 미국 등록특허공보 제7,599,584호
본 발명의 목적은, 중적외선 파장 대역에서 투명한 저마늄(Ge)과 같은 반도체와, 플루오르(F) 및 이트륨(Y) 계열의 유전체를 기반으로 한 적외선 광 도파관 및 유효질량이 작은 인듐갈륨아세나이드(InGaAs) 또는 인듐아세나이드(InAs)와 같은 Ⅲ-Ⅴ 화합물을 포함한 반도체를 이용함으로써, 장파장 대역에서도 적용 가능하며 종래의 광 위상 변조기보다 위상 변조율이 향상된 광 위상 변조기를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따른 중적외선 광 위상 변조기는, 기판; 상기 기판상에 위치하는 클래딩층; 저마늄(Ge)을 포함하며, 상기 클래딩층상에 직접 위치하는 제1층 및 중적외선 파장 대역의 광을 구속하도록 구성된 제2층을 포함하는 코어; 상기 코어상에 위치하는 반도체 화합물층; 및 상기 코어 및 상기 반도체 화합물층상에 각각 배치되는 전극들을 포함한다.
일 실시예에서, 상기 코어는 저마늄-주석(Ge-Sn) 합금을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 클래딩층은 플루오르(F) 또는 이트륨(Y)을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 클래딩층은 칼슘플루오라이드(CaF2) 또는 이트륨옥사이드(Y2O3)를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 반도체 화합물층은 Ⅲ-Ⅴ 화합물을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 반도체 화합물층은 인듐아세나이드(InAs), 인듐갈륨아세나이드(InGaAs), 갈륨스티븀(GaSb), 인듐갈륨스티븀(InGaSb), 인듐아세나이드스티븀(InAsSb) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 중적외선 광 위상 변조기의 제조방법은, 제1 기판상에 클래딩층을 형성하는 단계; 상기 클래딩층상에 저마늄(Ge)을 포함하는 코어층을 형성하는 단계; 상기 코어층을 부분적으로 식각함으로써, 상기 클래딩층상에 직접 위치하는 제1층 및 중적외선 파장 대역의 광을 구속하도록 구성된 제2층을 형성하는 단계; 제2 기판 및 상기 제2 기판상에 희생층을 제공하는 단계; 상기 희생층상에 반도체 화합물층을 형성하는 단계; 상기 반도체 화합물층을 상기 코어층상에 접합하는 단계; 상기 반도체 화합물층이 상기 코어층상에 접합된 상태에서, 상기 희생층을 제거함으로써 상기 제2 기판을 분리하는 단계; 및 상기 코어층 및 상기 반도체 화합물층에 각각 전극들을 배치하는 단계를 포함한다.
일 실시예에서, 상기 코어층은 저마늄-주석(Ge-Sn) 합금을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 클래딩층은 플루오르(F) 또는 이트륨(Y)을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 클래딩층은 칼슘플루오라이드(CaF2) 또는 이트륨옥사이드(Y2O3)을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 반도체 화합물층은 Ⅲ-Ⅴ 화합물을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 반도체 화합물층은 인듐아세나이드(InAs), 인듐갈륨아세나이드(InGaAs), 갈륨스티븀(GaSb), 인듐갈륨스티븀(InGaSb), 인듐아세나이드스티븀(InAsSb) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 광 위상 변조기에 의하면, 약 1.5 ㎛ 내지 15 ㎛의 넓은 파장 대역에서 투명한 저마늄(Ge) 반도체, 플루오르(F) 및 이트륨(Y) 계열의 유전체를 기반으로 하므로, 종래의 실리콘 기반의 광 변조기에 비해 넓은 파장 대역의 광에 적용할 수 있다. 또한, 유효 질량(effective mass)이 작은 인듐갈륨아세나이드(InGaAs) 또는 인듐아세나이드(InAs)와 같은 Ⅲ-Ⅴ 화합물을 포함한 반도체를 이용하여, 굴절률 변화(Δn)가 증가하고 광 변조 효율이 향상된다.
도 1은 일 실시예에 따른 광 도파관의 구조를 나타내는 사시도이다.
도 2는 일 실시예에 따른 광 위상 변조기의 구조를 나타내는 단면도이다.
도 3은 일 실시예에 따른 광 위상 변조기의 구조를 나타내는 사시도이다.
도 4는 일 실시예에 따른 광 위상 변조기의 저마늄(Ge) 코어와 반도체층에 광이 구속된 것을 나타내는 단면도이다.
도 5는 광의 파장 대역의 변화에 따른 광 위상 변조기에 의한 굴절률 변화를 나타낸 그래프이다.
도 6는 일 실시예에 따른 광 위상 변조기의 반도체 화합물층에 포함될 수 있는 Ⅲ-Ⅴ 화합물을 나타낸 그래프이다.
도 7은 실리콘-인슐레이터-실리콘 구조의 광 위상 변조기와 인듐갈륨아세나이드(InGaAs)-인슐레이터-저마늄(Ge) 구조의 광 위상 변조기의 위상 변이를 비교한 그래프이다.
도 8a 내지 도 8i는 일 실시예에 따른 광 위상 변조기의 제조 방법을 나타낸 단면도이다.
후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예에 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다.
이하에서, 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들에 대하여 상세히 살펴본다.
도 1은 일 실시예에 따른 광 도파관(wave guide)의 구조를 나타내는 사시도이다. 도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 광 도파관은 기판(10), 기판(10)상에 위치하는 클래딩(cladding)층(20), 및 상기 클래딩층상에 위치하는 코어(30)로 구성되며, 상기 코어(30)는 클래딩층(20)상에 직접 위치하는 제1층(31) 및 중적외선 파장 대역의 광을 구속하도록 구성된 제2층(32)을 포함한다.
본 실시예에서 코어(30)는 저마늄(germanium; Ge)을 포함할 수 있는데, 기존의 광 전달 플랫폼에 주로 사용되는 반도체인 실리콘(silicon), 실리콘 산화물(silicon dioxide), 실리콘 질화물(silicon nitrode), 사파이어(sapphire) 등은 장파장 대역이 될수록 광 손실이 커서 중적외선 파장 대역에는 적합하지 않은 반면, 저마늄(Ge) 및 저마늄 주석 합금(germanium tin alloy)은 중적외선 대역을 포함하는 약 1.5 ㎛ 내지 15 ㎛의 넓은 파장 대역에서 투명한 특성을 가지므로 장파장 대역 광에 대한 코어의 구성물질로서 이용될 수 있다.
실시예에서, 광 도파관의 유효 굴절률은 제2층(32)의 폭(W)에 영향을 받으므로, 달성하고자 하는 유효 굴절률에 따라 상기 폭(W)을 적절히 조절할 필요가 있다. 구체적으로, 광의 파장이 일정할 때 폭(W)이 넓어질수록 유효 굴절률이 증가하지만, 일정 너비 이상에서는 상승률이 줄어들어 포화되는 양상을 나타낸다. 또 다른 실험에 의하면, 코어(30)층의 전체 두께(H) 및 제1층(31)의 두께(tslab)에 따른 유효 굴절률의 변화는 상대적으로 적으므로, 제조 과정에서 두께에 다소 편차가 존재하더라도 안정적인 광 특성을 얻을 수 있다.
도 2는 도 1의 광 도파관을 적용하여 제작된 일 실시예에 따른 광 위상 변조기의 구조를 나타내는 단면도이다. 도 2를 참조하면, 중적외선 광 위상 변조기는 광 도파관의 코어(30)상에 위치하는 반도체 화합물층(40) 및 상기 코어(30) 및 반도체 화합물층(40)상에 각각 배치되는 전극들(51, 52)을 더 포함한다.
일 실시예에서, 코어(30)는 양으로 도핑된 물질(예를 들어, p-Ge)을 포함하고, 반도체 화합물층(40)은 음으로 도핑된 물질(예를 들어, n-InGaAs)을 포함하며, 각각 배치된 전극들(51, 52)에 의해 캐리어(carrier)/홀(hole)을 주입함으로써 광의 굴절률을 변화시킨다.
도 3은 상기 광 위상 변조기의 구조를 나타내는 사시도이고, 도 4는 도 3의 A-A'에 따른 단면도로서, 광 위상 변조기의 저마늄(Ge) 코어와 반도체층에 광이 구속된 것을 나타낸다. 도 4를 참조하면, 코어(30)를 통해 홀(hole)이 모이고, 반도체 화합물층(40)을 통해 캐리어(carrier)가 모여서 중심에 구속된 광의 굴절률을 변화시킨다.
광 위상 변조기에 의한 굴절률 변화에 있어서, 드루드 모델(Drude model)에 따르면, 광의 파장이 클수록, 물질의 유효질량이 작을수록 자유전자 효과(free-carrier effects)로 인한 유효굴절률 변화(Δn)와 수율 변화(Δα)가 커진다. 이와 같은 변수 간의 상관관계는 아래 수학식에서 알 수 있다.
Figure 112017088882477-pat00001
도 5를 참조하면, 광의 파장 대역의 변화에 따른 광 위상 변조기에 의한 굴절률 변화를 알 수 있는데, 동일한 조건에서 인풋 광의 파장이 2 ㎛, 4 ㎛, 6 ㎛ 로 길어질수록 굴절률 변화가 상승한다는 것을 알 수 있다. 또한, 같은 물질에 대하여 파장이 길어질수록 밴드 필링 효과(band-filling effect)에 의한 영향은 무시될 수 있다.
이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 광 위상 변조기의 구성요소 및 광의 굴절률 변화를 크게 만들 수 있는 실시예를 설명하도록 한다.
다시 도 2를 참조하면, 기판(10)은 실리콘(Si)으로 이루어져 기존의 실리콘(Si) 대상 설비를 이용하여 본 실시예에 따른 적외선 광 도파관 및 광 위상 변조기를 제조할 수 있도록 구성된다.
클래딩(20)은 광이 코어(30)에 구속될 수 있도록 (구체적으로는, 코어의 제2층(32)에 구속되도록) 코어(30)에 비해 굴절률이 큰 물질로 이루어진다. 일 실시예에서, 클래딩(20)은 저마늄(Ge)과 마찬가지로 중적외선 대역에서 투명한 특성을 가진 플루오르(fluorine; F) 또는 이트륨(yttrium; Y)을 포함하는 물질로 이루어진다. 예컨대, 클래딩(20)은 칼슘플루오라이드(Calcium Fluoride; CaF2) 또는 이트륨옥사이드(Yttrium Oxide; Y2O3)로 이루어질 수 있다.
통신 파장대(예를 들어, 1.3 ㎛, 1.55 ㎛)에서 사용되는 종래의 플랫폼은 일반적으로 SiO2를 클래딩으로 사용하였는데, SiO2는 중적외선의 광을 흡수하므로 손실이 크다. 이에 비해, 칼슘플루오라이드(CaF2) 또는 이트륨옥사이드(Y2O3)의 경우, 중적외선 대역에서 투명하고 굴절률이 작아 광을 손실 없이 가둘 수 있다.
코어(30)는 클래딩(20)의 전면상에 위치하는 제1층(31)과, 제1층(31)상에 위치하며 중적외선 파장 대역의 광을 구속하도록 구성된 제2층(32)을 포함하도록 형성된다.
전술한 바와 같이 코어(30)는 저마늄(Ge)으로 구성될 수 있고, 본 실시예에 따르면, 종래의 실리콘 산화물(SiO2)을 재료로 사용한 플랫폼이 장파장 대역에서 투과율이 감소하는 것과 달리, 저마늄(Ge)은 중적외선 대역을 포함하는 약 1.5 ㎛ 내지 15 ㎛의 넓은 파장 대역에서 투명할 뿐만 아니라 유효질량(effective mass)이 작은 특성을 가지므로, 광 위상 변조기에 의한 광의 굴절률 변화를 대폭 상승시킬 수 있다.
일 실시예에서 반도체 화합물층(40)은 Ⅲ-Ⅴ 화합물을 포함할 수 있다. 예를 들어, 인듐아세나이드(InAs) 또는 인듐갈륨아세나이드(InGaAs)와 같이 1.5 ㎛ 내지 15 ㎛의 중적외선 파장 대역의 광에 대해 투명하면서, 유효질량이 작은 물질을 포함할 수 있다. 반도체 화합물층(40)을 구성하는 상기 물질들은 예시적인 것에 불과하며, 인듐(In), 갈륨(Ga), 비소(As), 스티븀(Sb)을 포함하는 임의의 화합물(InxGa1-xAsySb1-y)로 구성될 수 있다. 예를 들어, 상기 반도체 화합물층(40)은 갈륨스티븀(GaSb), 인듐갈륨스티븀(InGaSb), 인듐아세나이드스티븀(InAsSb) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 광 위상 변조기의 반도체 화합물층에 포함될 수 있는 Ⅲ-Ⅴ 화합물이 도시되어 있다. 그래프에 표시된 화합물 중 음영으로 표시된 영역 T에 포함되는 화합물들은, 유효질량이 충분히 작으면서 동시에 1.5 ㎛ 내지 15 ㎛의 중적외선 파장 대역의 광에 대해 투명한 특성을 갖는 물질이다. 하지만 도시된 Ge, InGaAs, InAs, GaSb, GaInSb, InSb 등은 예시적인 것에 불과하며 반도체 화합물층의 구성물질이 이에 한정되는 것은 아니다.
일 실시예에 따른 광 위상 변조기의 동작에 있어서, 코어(30)는 양으로 도핑된 저마늄(p-Ge)을 포함하고, 반도체 화합물층(40)은 음으로 도핑된 Ⅲ-Ⅴ 화합물 (예를 들어, n-InAs 또는 n-InGaAs 등)을 포함하며, 각각 배치된 전극들(51, 52)에 의해 캐리어/홀을 주입함으로써 광의 굴절률을 변화시킨다. 도 4를 참조하면, 코어(30)를 통해 홀(hole)이 모이고, 반도체 화합물층(40)을 통해 캐리어(carrier)가 모여서 중심에 구속된 광의 굴절률을 변화시킨다.
도 7은 실리콘-인슐레이터-실리콘(SIS) 구조의 광 위상 변조기와 인듐갈륨아세나이드(InGaAs)-인슐레이터-저마늄(Ge) 구조의 광 위상 변조기의 위상 변이를 비교한 그래프이다.
도시된 바와 같이, 종래의 광 변조기 구조, 즉 음으로 도핑된 실리콘(n-Si)과 양으로 도핑된 실리콘(p-Si) 사이에 MOS 커패시터를 형성하여 광의 위상을 변조하는 구조에 비해서, 본 발명의 실시예에 따른 광 변조기의 구조, 즉 음으로 도핑된 반도체 화합물층(예를 들어, n-InGaAs)과 양으로 도핑된 저마늄층(p-Ge)을 이용하는 구조에서 광의 위상 변이(phase shift) 효율이 4배 이상 증가함을 알 수 있다.
상기 실험은, 광 도파관의 코어의 폭(W)은 2 ㎛이고, 두께(H)는 1 ㎛이며, 화합물층과 코어 사이의 산화물층 두께는 5 ㎚인 조건에서 수행되었으며, 이는 최적의 조건이 아닌 예시적인 값에 불과하다. 전술한 바와 같이 상기 조건의 변화에 따라 광의 굴절률이 달라지므로, 위상 변이가 최대가 되는 조건은 이용하고자 하는 광의 파장 및 광 변조기 구성 물질에 따라 달라질 수 있다.
이와 같이, 종래의 실리콘 산화물(SiO2)을 재료로 사용한 플랫폼이 장파장 대역에서 투과율이 감소하는 것과 달리, 저마늄(Ge) 및 인듐갈륨아세나이드(InGaAs)는 중적외선 대역을 포함하는 약 1.5 ㎛ 내지 15 ㎛의 넓은 파장 대역에서 투명할 뿐만 아니라 유효질량(effective mass)이 작은 특성을 가지므로, 광 변조 효율을 대폭 향상시킬 수 있다.
이하에서는 도 8a 내지 도 8i를 참조하여, 일 실시예에 따른 광 위상 변조기의 제조방법을 설명한다. 본 실시에에 의하면, 격자 부정합이 없는 에피택시(epitaxy) 성장 구조를 이용한 웨이퍼 접합(wafer bonding) 및 에피택셜 리프트 오프(Epitaxial Lift-Off; ELO) 기법에 의하여 광 위상 변조기를 제조할 수 있다.
도 8a 내지 도 8c를 참조하면, 에피택셜 리프트 오프(ELO) 기법을 이용한 광 도파관의 제작 공정이 도시되어 있다.
도 8a를 참조하면, 제1 기판(10) 및 제1 기판(10)상에 형성된 클래딩층(20)이 제공되고, 상기 클래딩층(20)상에 코어층(30)을 형성하기 위한 방법이 도시된다.
먼저, 기판(100)을 준비하고, 기판(100)상에 희생층(110), 코어층(30) 및 클래딩층(20)을 순차적으로 형성한다. 일 실시예에서, 희생층(100) 및 코어층(30) 사이에 에치스톱층이 더 형성될 수 있으며, 희생층(100) 및 에치스톱층은 전자 수송 특성이 우수한 Ⅲ-V족 화합물로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 기판(100) 및 에치스톱층은 갈륨아세나이드(GaAs)로 이루어지며, 희생층(110)은 알루미늄갈륨아세나이드(Al(Ga)As)로 이루어질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
코어층(30)은 저마늄(Ge) 또는 저마늄(Ge)을 포함하는 합금 등의 물질을 포함할 수 있고, 클래딩층(20)은 플루오르(F) 또는 이트륨(Y)을 포함하는 물질로 이루어질 수 있다. 일 실시예에서는, 클래딩층(20)의 증착 시 기판(100)을 30℃ 내지 120℃의 온도로 가열하면서 증착을 수행할 수 있고, 그 결과 적외선 광 도파관의 투과율을 더욱 높일 수 있다.
이어, 상기 기판(100)상에 증착된 클래딩층(20)과 제1 기판(10)상에 증착된 클래딩층(20)을 서로 접합한다. 실시예에서, 접합 전에 클래딩층(20)의 표면상에 형성된 자연 산화막을 제거하는 과정이 더 수행될 수 있고, 표면을 플라즈마에 의해 처리함으로써 활성화할 수 있다.
도 8b를 참조하면, 상기 클래딩층(20)이 접합된 상태에서 희생층(110)을 식각함으로써 기판(100)을 분리하는 과정이 수행된다. 희생층(110)의 식각에 사용되는 식각 용액은 불화수소(HF)를 포함하는 친수성 용액, 예를 들어, 불화수소(HF)와 탈이온수(deionized water; DIW)가 소정의 비율로 혼합된 용액일 수 있다. 또한, 일 실시예에서, 식각 용액은 기체 버블링(gas bubbling)을 억제하기 위한 이소프로필 알코올(isopropyl alcohol; IPA) 및/또는 아세톤(acetone)을 더 포함한다. 실시예에 따라 에치스톱(etch-stop)층이 더 포함되는 경우, 상기 에치스톱층은 희생층(110)이 식각되는 동안 코어층(30)이 식각되지 않도록 할 수 있다.
도 8c를 참조하면, 상기 코어층(30)의 상부 표면 일부를 적절한 깊이로 식각함으로써 광 도파관을 형성하는 단계가 수행된다. 도시된 바와 같이, 식각된 코어층(30)은 클래딩층상에 직접 위치하는 제1층(31) 및 중적외선 파장 대역의 광을 구속하도록 구성된 제2층(32)으로 나뉠 수 있다. 전술한 바와 같이. 광 도파관의 유효 굴절률은 제2층(32)의 폭(W)에 영향을 받으므로, 달성하고자 하는 유효 굴절률에 따라 상기 폭(W)을 적절히 조절할 필요가 있다.
도 8d 내지 도 8f를 참조하면, 저온 조건 하에서 에피택시(epitaxy) 성장을 이용하여 광 도파관이 제조되는 예시적인 공정이 도시되어 있다.
도 8d를 참조하면, 제1 기판(10') 및 제1 기판(10')상에 형성된 클래딩층(20')이 제공된다.
이어, 도 8e와 같이 클래딩층(20')상에 코어층(30')을 형성하게 되는데, 예를 들어 CVD(Chemical Vapor Deposition) 증착 기법을 이용할 수 있고, 기판을 30℃ 내지 120℃의 온도로 가열하면서 증착을 수행할 수 있다.
도 8f를 참조하면, 상기 코어층(30')의 상부 표면 일부를 적절한 깊이로 식각함으로써 광 도파관을 형성하는 단계가 수행된다. 도시된 바와 같이, 식각된 코어층(30')은 클래딩층상에 직접 위치하는 제1층(31') 및 중적외선 파장 대역의 광을 구속하도록 구성된 제2층(32')으로 나뉠 수 있다. 광 도파관의 유효 굴절률에 영향을 미칠 수 있는 제2층(32')의 폭(W)은 필요에 따라 적절하게 선택될 수 있다.
이어서, 상기 광 도파관을 이용하여 광 위상 변조기를 생성하기 위한 나머지 과정이 수행된다.
도 8g를 참조하면, 제2 기판(200), 및 상기 제2 기판(200)상에 증착된 희생층(210), 상기 희생층(210)상에 증착된 반도체 화합물층(40)이 제공된다. 이어, 상기 반도체 화합물층(40)을 상기 광 도파관의 식각된 코어층(30)상에 접합하는 단계가 수행된다. 기판(200), 희생층(210)의 구성 물질과 증착 방법은 도 8a 내지 도 8c를 참조하여 설명한 바와 같다.
반도체 화합물층(40)은 Ⅲ-Ⅴ 화합물을 포함할 수 있다. 예를 들어, 인듐아세나이드(InAs) 또는 인듐갈륨아세나이드(InGaAs)와 같이 1.5 ㎛ 내지 15 ㎛의 중적외선 파장 대역의 광에 대해 투명하면서, 유효질량이 작은 물질을 포함할 수 있다. 반도체 화합물층(40)을 구성하는 상기 물질들은 예시적인 것에 불과하며, 인듐(In), 갈륨(Ga), 비소(As), 스티븀(Sb)을 포함하는 임의의 화합물(InxGa1 - xAsySb1 -y)로 구성될 수 있음은 전술한 바와 같다.
도 8h를 참조하면, 상기 반도체 화합물층(40)이 코어층(30)상에 접합된 상태에서 희생층(210)을 식각함으로써 제2 기판(200)을 분리하는 과정이 수행된다. 희생층(210)의 식각 방법은 도 8b를 참조하여 설명한 바와 같으며, 실시예에 따라 에치스톱(etch-stop)층이 더 포함되는 경우, 상기 에치스톱층은 희생층(210)이 식각되는 동안 반도체 화합물층(40)이 식각되지 않도록 할 수 있다.
마지막으로, 도 8i를 참조하면, 상기 코어층(30) 및 상기 반도체 화합물층(40)에 각각 전극들(51, 52)을 배치하여 광 위상 변조기를 제조한다. 코어(30)는 양으로 도핑된 저마늄(p-Ge)을 포함하고, 반도체 화합물층(40)은 음으로 도핑된 Ⅲ-Ⅴ 화합물(예를 들어, n-InAs 또는 n-InGaAs 등)을 포함하며, 배치된 전극들(51, 52)에 의해 캐리어/홀을 주입함으로써 광의 굴절률을 변화시킨다.
상기 제조방법에 따라 제조된 광 위상 변조기에 의하면, 1.5 ㎛ 내지 15 ㎛의 넓은 파장 대역에서 투명한 저마늄(Ge), 플루오르(F) 및 이트륨(Y) 계열의 유전체를 기반으로 하므로, 종래에 약 2 ㎛ 이하의 파장에 국한되어 있던 광학 전자 집적 회로(OptoElectronic Integrated Circuit; OEIC)의 커버리지(coverage)를 약 10 ㎛ 이상의 파장까지 확장할 수 있고, 유효 질량(effective mass)이 작은 인듐갈륨아세나이드(InGaAs) 또는 인듐아세나이드(InAs)와 같은 Ⅲ-Ⅴ 화합물을 포함한 반도체를 이용함으로써, FCEs(Free-carrier effects)로 인한 굴절률 변화(Δn)가 증가하여 광 위상 변조 효율이 향상된다.
실시예들에 따른 중적외선 광 위상 변조기는 가스 센서(gas sensor) 및 헬스케어(health-care)에 필요한 바이오 센서 등의 기초 기반이 되는 것으로서, 사물 인터넷(Internet of Things; IOT) 시대에 그 수요가 폭발적으로 증가할 것으로 예상된다.
이상에서 살펴본 본 발명은 도면에 도시된 실시예들을 참고로 하여 설명하였으나 이는 예시적인 것에 불과하며 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 실시예의 변형이 가능하다는 점을 이해할 것이다. 그러나, 이와 같은 변형은 본 발명의 기술적 보호범위 내에 있다고 보아야 한다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해서 정해져야 할 것이다.
10: 제1기판
20: 클래딩
30: 코어
31: 코어 제1층
32: 코어 제2층
40: 반도체 화합물층
51, 52: 전극
100, 200: 기판
110, 210: 희생층

Claims (13)

  1. 기판;
    상기 기판상에 위치하는 중적외선에 투명한 클래딩층;
    저마늄(Ge) 또는 실리콘(Si)을 포함하며, 상기 클래딩층상에 직접 위치하는 제1층 및 중적외선 파장 대역의 광을 구속하도록 구성된 제2층을 포함하는 코어층;
    상기 코어층상에 위치하며, 저마늄(Ge) 또는 실리콘(Si)보다 유효질량이 작은 물질로 구성되는 화합물 반도체층;
    상기 코어층과 상기 화합물 반도체층 사이에 형성되는 중적외선에 투명한 절연체층; 및
    상기 코어층 및 상기 화합물 반도체층상에 각각 배치되는 전극들을 포함하는, 중적외선 광 위상 변조기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 코어는, 저마늄-주석(Ge-Sn) 합금을 포함하는 것을 특징으로 하는, 중적외선 광 위상 변조기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 클래딩층은 플루오르(F) 또는 이트륨(Y)을 포함하는 것을 특징으로 하는, 중적외선 광 위상 변조기.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 클래딩층은 칼슘플루오라이드(CaF2) 또는 이트륨옥사이드(Y2O3)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 중적외선 광 위상 변조기.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 화합물 반도체층은 Ⅲ-Ⅴ 화합물을 포함하는 것을 특징으로 하는, 중적외선 광 위상 변조기.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 화합물 반도체층은 인듐아세나이드(InAs), 갈륨안티모니(GaSb) 및 인듐갈륨아세나이드(InGaAs) 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는, 중적외선 광 위상 변조기.
  7. 제1 기판상에 중적외선에 투명한 클래딩층을 형성하는 단계;
    상기 클래딩층상에 저마늄(Ge) 또는 실리콘(Si)을 포함하는 코어층을 형성하는 단계;
    상기 코어층을 부분적으로 식각함으로써, 상기 클래딩층상에 직접 위치하는 제1층 및 중적외선 파장 대역의 광을 구속하도록 구성된 제2층을 형성하는 단계;
    제2 기판 및 상기 제2 기판상에 희생층을 제공하는 단계;
    상기 희생층상에 저마늄(Ge) 또는 실리콘(Si)보다 유효질량이 작은 물질로 구성되는 화합물 반도체층을 형성하는 단계;
    상기 화합물 반도체층 및 상기 코어층상에 각각 중적외선에 투명한 절연체층을 형성하는 단계;
    상기 화합물 반도체층 및 상기 코어층상에 각각 형성된 절연체층을 서로 접합하는 단계;
    상기 화합물 반도체층이 상기 코어층상에 접합된 상태에서, 상기 희생층을 제거함으로써 상기 제2 기판을 분리하는 단계; 및
    상기 코어층 및 상기 화합물 반도체층에 각각 전극들을 배치하는 단계를 포함하는, 중적외선 광 위상 변조기의 제조방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 코어층은, 저마늄-주석(Ge-Sn) 합금을 포함하는 것을 특징으로 하는, 중적외선 광 위상 변조기의 제조 방법.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 클래딩층은 플루오르(F) 또는 이트륨(Y)을 포함하는 것을 특징으로 하는, 중적외선 광 위상 변조기의 제조방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 클래딩층은 칼슘플루오라이드(CaF2) 또는 이트륨옥사이드(Y2O3)을 포함하는 것을 특징으로 하는, 중적외선 광 위상 변조기의 제조방법.
  11. 제7항에 있어서,
    상기 화합물 반도체층은 Ⅲ-Ⅴ 화합물을 포함하는 것을 특징으로 하는, 중적외선 광 위상 변조기의 제조방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 화합물 반도체층은 인듐아세나이드(InAs), 갈륨안티모니(GaSb) 및 인듐갈륨아세나이드(InGaAs) 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는, 중적외선 광 위상 변조기의 제조방법.
  13. 기판;
    상기 기판상에 위치하는 중적외선에 투명한 클래딩층;
    저마늄(Ge) 또는 실리콘(Si)을 포함하며, 상기 클래딩층상에 직접 위치하는 제1층 및 중적외선 파장 대역의 광을 구속하도록 구성된 제2층을 포함하는 코어층;
    상기 코어층상에 위치하는 화합물 반도체층;
    상기 코어층과 상기 화합물 반도체층 사이에 형성되는 중적외선에 투명한 절연체층; 및
    상기 코어층 및 상기 화합물 반도체층상에 각각 배치되는 전극들을 포함하되,
    상기 화합물 반도체층은, 인듐(In), 갈륨(Ga), 비소(As), 인(P) 및 안티모니(Sb)를 포함하는 그룹에서 둘 이상의 조합으로 구성되며, 저마늄(Ge) 또는 실리콘(Si)보다 작은 유효 질량(effective mass)을 가지고, 중적외선 파장대역의 광에 대하여 투명한 것을 특징으로 하는, 중적외선 광 위상 변조기.
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