KR101961237B1 - 게르마늄-실리콘 전계 흡수 모듈레이터 - Google Patents
게르마늄-실리콘 전계 흡수 모듈레이터 Download PDFInfo
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Abstract
실리콘 기판(112) 및 실리콘 기판 상에 배치된 산화막(114)을 포함하는 기판층(110), 산화막(114) 상에 형성된 최상층 실리콘(120), 여기서 도파층(112)이 최상층 실리콘 상에 형성되고, 제1 도핑 패널(132) 및 제2 도핑 패널(133)을 포함하는 도핑층, 여기서 제1 유형 광 도핑 영역(134)이 제1 도핑 패널(132) 상에 형성되고, 제2 유형 광 도핑 영역(135)이 제2 도핑 패널(133) 상에 형성되며, 제1 유형 광 도핑 영역(134), 도파층(122), 및 제2 유형 광 도핑 영역(135)은 PIN 접합을 형성하며, 도파층(122) 상에 배치되고 PIN 접합에 병렬로 연결된 변조층(140)을 포함하는 전계 흡수 모듈레이터(100)가 제공된다. 특정 파장의 입사 빔(beam)에 대해, 변조 전기 신호가 PIN 접합에 역으로 인가되는 때, 빔에 대한 변조층(140)의 광 흡수 계수는 변조 전기 신호에 따라 변화하며, 빔이 변조 영역을 통과한 후, 빔에 대해 전계-광(electro-optic) 변조가 구현될 수 있도록, 빔의 광 파워도 대응하여 변화한다.
Description
본 발명은 광 상호연결(optical interconnection) 분야에 관한 것으로, 특히 실리콘-게르마늄 전계 흡수 모듈레이터에 관한 것이다.
마이크로일렉트로닉스(microelectronics) 분야의 통상적인 재료로서, 실리콘 재료는 프로세싱 기술 및 제조 비용에 절대적인 이점을 갖는다. 그러나, 금속 와이어 및 유전체에 기초한 종래의 상호연결 솔루션은 지연, 전력 소비, 대역폭 등에 의해 제한되며, 미래의 칩(chip) 상의 매니-코어(many-core) 시스템의 글로벌 요구사항을 만족시키는 것은 어렵다. 전기적 상호연결에 비해, 광 상호연결은 높은 대역폭, 낮은 전력 소모, 및 짧은 지연과 같은 이점을 가지며, 전기적 상호연결에 직면한 현재의 문제를 포괄적으로 해결할 것으로 기대된다. 최근 몇 년간, 실리콘 기반 광 상호연결은 연구원들로부터 많은 관심을 받았으며, 빠르게 발전하고 있다. 실리콘 기반 모듈레이터는 실리콘 기반 광 상호연결 기술의 기본 구성 요소 중 하나이며, 최근 몇 년간 중요한 연구 주제이다. 일반적인 실리콘 기반 모듈레이터는 자유 캐리어 분산 효과 기반의 모듈레이터 및 전계 흡수 기반의 모듈레이터를 포함한다.
자유 캐리어 분산 효과 기반의 모듈레이터는 실리콘 변조 영역에 전압이인가되어 실리콘 내부의 캐리어의 분포 변화를 야기하는 것을 의미한다. 자유 캐리어 분산 효과로인해, 실리콘 내의 광의 굴절률도 변화하여, 광 신호가 변조된다. 현재, 자유 캐리어 분산 효과 기반의 모듈레이터는 주로 두 가지 유형, 더 높은 변조율(modulation rate) 및 더 높은 광 대역폭과 같은 장점 및 큰 크기, 큰 파워 소모, 및 요구되는 진행파와 같은 단점을 갖는 실리콘 마하-젠더 간섭계(MZI: Mach-Zehnder Interferometer) 모듈레이터, 및 작은 크기, 높은 변조율과 같은 장점 및 극도의 온도 민감도, 낮은 변조 대역폭, 작은 기술 허용 오차, 및 낮은 적용가능성과 같은 단점을 갖는 실리콘 마이크로링(microring) 모듈레이터로 분류된다.
전계 흡수 기반의 모듈레이터는 높은 변조 대역폭, 낮은 파워 소모, 실용적인 광 대역폭, 수용가능한 소광비(extinction ratio) 등의 장점을 갖는, 반도체 내의 전계-광 효과(Franz-Keldysh effect)를 사용하여 제조된 광 신호 변조 소자를 지칭한다. 그러나, 실리콘은 열악한 전계-광 효과를 가지므로, 개선을 위해 제2 재료가 실리콘에 도입되어 도핑되어야 한다. 게르마늄 재료는 C 대역(1550nm)에서 상당한 전계-광 효과를 가지며, 종래의 CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor) 기술과 완전히 호환가능하다. 따라서, 유망한 대안 중 하나는 게르마늄 또는 실리콘-게르마늄 전계 흡수 모듈레이터를 제조하기 위한 제2 재료로서 게르마늄을 사용하는 것이다.
게르마늄 또는 실리콘-게르마늄 모듈레이터는 작은 크기, 낮은 파워 소모, 및 높은 변조 속도와 같은 장점을 갖는다. 이러한 유형의 모듈레이터의 주요 화제는 게르마늄 또는 실리콘-게르마늄 변조 영역과 실리콘 기반 도파관 사이의 결합이다. 현재, 주로 두 가지 결합 방식이 있다. 하나의 방식은 게르마늄 또는 실리콘-게르마늄 변조 영역이 정렬에 의해 실리콘 기반 도파로에 직접 커플링되는 것이다. 그러나, 실리콘과 게르마늄은 상이한 굴절률을 갖기 때문에, 정렬에 의한 직접 결합의 방식은 결합 손실을 야기하는 단부면 반사(end surface reflection)를 갖는다. 또한, 현재의 제조 방법에서, PIN 접합은 게르마늄 변조 영역에 제조되고, 이는 도핑 영역에서 광 흡수를 야기하며, 흡수 손실을 야기한다.. 또한, 정렬에 의한 직접 결합의 방식은 복잡한 제조 기술을 가지며, 구현하기 어렵다. 다른 방식은 소멸파(evanescent wave)를 사용하여 결합을 수행하는 것이다. 이러한 유형의 결합 구조는 싱가포르에서 IME에 의해 제안된 수평 PIN 접합 구조와 중국과학원 반도체 연구소에 의해 제안된 수직 PIN 접합 구조를 포함한다. IME에 의해 제안된 수평 PIN 접합의 구조에 대해서, 모드 필드 안정성(mode field stability)에 요구되는 전파 길이가 고려되지 않기 때문에, 전파 손실이 크고, PIN 접합은 게르마늄 변조 영역 상에서 제조되기 때문에, 흡수 손실이 존재한다. 중국 과학원 반도체 연구소에 의해 제안된 수직 PIN 접합의 구조는 복잡한 제조 기술을 가지며, 여러 번의 성장, 에칭, 및 도핑과 같은 기술이 요구된다. 또한, n++ Si의 구조를 용이하게 제조하기 위해서, 실리콘-게르마늄 변조 영역은 넓고, 변조 영역은 통신 용량 및 전송 거리에 영향을 미치는 다중 모드를 갖는다.
이러한 점에서, 본 발명의 목적은 실리콘-게르마늄 전계 흡수 모듈레이터(silicon-germanium electro-absorption modulator)를 제공하는 것이다. 선택적 에피택시(selective epitaxy)에 의해 변조층이 성장되고, 변조층과 PIN 접합 사이의 병렬 접속의 구조 설계가 사용되어, 기술적인 프로세스가 단순화되고 제조 난이도가 감소된다. 전계 흡수 모듈레이터는 작은 크기, 높은 3dB 대역폭, 낮은 파워 소비, 및 작은 삽입 손실(insertion loss)과 같은 장점을 갖는다.
제1 양태에 따르면, 실리콘 기판 및 실리콘 기판 상에 배치된 산화막을 포함하는 기판층, 최상층 실리콘 - 도파층(waveguide layer)이 최상층 실리콘 상에 형성됨 -, 최상층 실리콘 상에 형성되고, 제1 도핑 패널 및 제2 도핑 패널을 포함하는 도핑층 - 제1 유형 광 도핑 영역이 제1 도핑 패널 상에 형성되고, 제2 유형 광 도핑 영역이 제2 도핑 패널 상에 형성되며, 제1 유형 광 도핑 영역 및 제2 유형 광 도핑 영역은 도파층의 양측에 위치하고 도파층에 맞닿아 있으며, 제1 유형 광 도핑 영역, 도파층, 및 제2 유형 광 도핑 영역은 PIN 접합을 형성함 -, 그리고 도파층 상에 배치되고 PIN 접합에 병렬로 연결된 변조층을 포함하고, 특정 파장의 빔(beam)은 도파층을 따라 전파하고, 변조층과 도파층에 의해 형성된 변조 영역에 입사하며, 변조층과 도파층 사이를 진동 방식으로 전파하고, 변조 전기 신호가 제1 유형 광 도핑 영역 및 제2 유형 광 도핑 영역에 역으로 인가되는 때, 빔에 대한 변조층의 광 흡수 계수는 변조 전기 신호에 따라 변화하며, 빔이 변조 영역을 통과한 후, 빔에 대해 전계-광(electro-optic) 변조가 구현될 수 있도록, 빔의 광 파워도 대응하여 변화하는 전계 흡수(electro-absorption) 모듈레이터가 제공된다.
제1 양태의 첫 번째 가능한 구현 방식으로, 변조층의 크기가 빔이 도파층 및 변조층에서 전파하는 때 요구되는 모드 정합 요건을 만족시킬 수 있도록, 도파층 및 도핑층 상에 이산화실리콘층이 성장되어 형성되며, 이산화실리콘층 상에서 에칭(etching)에 의해 선택적 에피택셜 영역(selective epitaxial area)이 획득되고, 선택적 에피택셜 영역은 변조층을 성장시키는 데 사용되고, 선택적 에피택셜 영역의 제1 방향의 개구(opening) 폭이 선택되며, 성장된 변조층의 두께 및 형상이 제어된다.
제1 양태의 첫 번째 가능한 구현 방식을 참조하여, 두 번째 가능한 구현 방식으로, 선택적 에피택셜 영역의 제2 방향의 길이는 성장된 변조층의 길이이고, 빔이 변조 영역 내에서 전파하는 때, 광 파워는 변조층 및 도파층 사이에서 
의 진동 주기로 진동되고, 변조층의 길이는 진동 주기의 정수배이며, 
는 빔의 파장이고, 
는 변조층에서의 빔의 유효 굴절률이며, 
는 도파층에서의 빔의 유효 굴절율이다.
제1 양태의 두 번째 가능한 구현 방식을 참조하여, 세 번째 가능한 구현 방식으로, 제1 방향은 변조 전기 신호가 인가되는 방향이고, 제2 방향은 빔이 전파하는 방향이며, 제1 방향은 제2 방향에 대해 수직이다.
제1 양태의 네 번째 가능한 구현 방식으로, 도핑층은, 제1 도핑 패널 상에 형성된 제1 유형 헤비(heavy) 도핑 영역, 그리고 제2 도핑 패널 상에 형성된 제2 유형 헤비 도핑 영역을 포함하고,제1 유형 광 도핑 영역이 제1 유형 헤비 도핑 영역 및 도파층 사이에 위치하고, 제1 유형 헤비 도핑 영역의 도핑 밀도는 제1 유형 광 도핑 영역의 도핑 밀도 보다 더 크며, 제2 유형 광 도핑 영역은 제2 유형 헤비 도핑 영역 및 도파층 사이에 위치하고, 제2 유형 헤비 도핑 영역의 도핑 밀도는 제2 유형 광 도핑 영역의 도핑 밀도 보다 더 크다.
제1 양태의 네 번째 가능한 구현 방식을 참조하여, 다섯 번째 가능한 구현 방식으로, 제1 유형이 N형이고, 제2 유형이 P형인 경우, 변조 전기 신호가 제1 유형 광 도핑 영역 및 제2 유형 광 도핑 영역에 역으로 인가되는 것은 변조 전기 신호의 양극이 제1 유형 광 도핑 영역에 전기적으로 연결되고, 변조 전기 신호의 음극이 제2 유형 광 도핑 영역에 전기적으로 연결되는 것이거나, 또는 제1 유형이 P형이고, 제2 유형이 N형인 경우, 변조 전기 신호가 제1 유형 광 도핑 영역 및 제2 유형 광 도핑 영역에 역으로 인가되는 것은 변조 전기 신호의 음극이 제1 유형 광 도핑 영역에 전기적으로 연결되고, 변조 전기 신호의 양극이 제2 유형 광 도핑 영역에 전기적으로 연결되는 것이다.
제1 양태의 네 번째 가능한 구현 방식을 참조하여, 여섯 번째 가능한 구현 방식으로, 제1 유형 헤비 도핑 영역 상에 형성된 제1 금속 전극층 및 제2 유형 헤비 도핑 영역 상에 형성된 제2 금속 전극층을 포함하는 금속층을 더 포함한다.
제1 양태의 여섯 번째 가능한 구현 방식을 참조하여, 일곱 번째 가능한 구현 방식으로, 최상층 실리콘 상에 형성되고, 최상층 실리콘, 도핑층, 도파층, 및 변조층을 커버하는 커버층을 더 포함한다.
제1 양태의 일곱 번째 가능한 구현 방식을 참조하여, 여덟 번째 가능한 구현 방식으로, 커버층 상에 제1 비아 및 제2 비아가 배치되고, 변조 전기 신호가 제1 비아 및 제2 비아를 통해 제1 금속 전극층 및 제2 금속 전극층에 전달될 수 있도록, 제1 비아는 제1 금속 전극층과 연통되고, 제2 비아는 제2 금속 전극층과 연통된다.
제1 양태의 아홉 번째 가능한 구현 방식으로, 도파층은 리지(ridge) 도파로이고, 도파층은 실리콘으로 이루어진다.
제1 양태의 열 번째 가능한 구현 방식으로, 변조층은 미리 결정된 비율에 따라 게르마늄을 실리콘과 혼합하여 이루어진다.
제1 양태의 열한 번째 가능한 구현 방식으로, 도파층 및 변조층 사이에 배치된 변조 버퍼층을 더 포함한다.
제1 양태의 열두 번째 가능한 구현 방식으로, PIN 접합에 의해 야기된 내장(built-in) 전기장이 변조층 내에 존재하고, 변조 전기 신호가 PIN 접합에 역으로 인가되는 때, 변조층에서의 내장 전기장은 변조 전기 신호에 따라 변화하며, 변조 전기 신호가 강화되는 때, 내장 전기장이 증가하고, 변조층은 빔을 더 흡수하거나, 또는 변조 전기 신호가 약화되는 때, 내장 전기장이 감소하고, 변조층은 빔을 더 적게 흡수한다.
본 발명에서 제공된 전계 흡수 모듈레이터에 따르면, 설계에 의해 수평 PIN 접합이 형성되고, 변조층을 성장시키기 위해, 에칭에 의해 선택적 에피택셜 영역이 획득되며, 선택적 에피택셜 영역에 의해 변조층의 길이 및 두께가 결정되므로, 변조층의 길이 및 폭은 수평 단일 모드 및 수직 단일 모드의 두 가지 도파로 모드를 만족시킨다. 변조층은 PIN 접합에 병렬로 연결되며, 변조 전기 신호가 PIN 접합에 역으로인가되는 때, 변조 전기 신호에 의해 결정된 내장 전기장이 변조층에 존재한다. Franz-Keldysh 효과로 인해, 입사 빔에 대한 변조층의 광 흡수 계수가 내장 전기장에 따라 변화하므로, 입사 빔에 대해 전계-광 변조가 구현된다. 본 발명에서 제공되는 전계 흡수 모듈레이터는 간단한 기술적 프로세스, 낮은 제조 난이도, 작은 크기, 높은 3dB 대역폭, 낮은 파워 소비, 및 작은 삽입 손실과 같은 장점을 갖는다.
본 발명의 기술적 솔루션을 보다 명확하게 설명하기 위해, 구현 방식을 설명하기 위해 요구되는 첨부 도면을 간략하게 소개한다. 명백하게, 이하의 설명에서의 첨부된 도면은 본 발명의 일부 구현 방식만을 도시하고, 당업자는 창조적인 노력 없이도 이들 도면으로부터 다른 도면을 유도할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전계 흡수 모듈레이터의 개략적인 구조도이다.
도 2a 및 도 2b는 상이한 개구 폭을 갖는 변조층의 형상의 개략도이다.
도 3은 도 1에 도시된 전계 흡수 모듈레이터에 변조 전기 신호가 인가된 후 내장 전기장의 분포도이다.
도 4a는 "오프" 상태인 전계 흡수 모듈레이터의 광 강도 변화 도면이다.
도 4b는 "온" 상태의 전계 흡수 모듈레이터의 광 강도 변화 도면이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전계 흡수 모듈레이터의 개략적인 구조도이다.
도 2a 및 도 2b는 상이한 개구 폭을 갖는 변조층의 형상의 개략도이다.
도 3은 도 1에 도시된 전계 흡수 모듈레이터에 변조 전기 신호가 인가된 후 내장 전기장의 분포도이다.
도 4a는 "오프" 상태인 전계 흡수 모듈레이터의 광 강도 변화 도면이다.
도 4b는 "온" 상태의 전계 흡수 모듈레이터의 광 강도 변화 도면이다.
이하, 본 발명의 실시예에 있어서의 기술적 솔루션을, 본 발명의 실시예에 있어서의 첨부 도면을 참조하면서 명확하고 완전하게 설명한다. 명백하게, 기술된 실시예는 본 발명의 일부 실시예에 불과하지만 전부는 아니다. 창의적인 노력없이 본 발명의 실시예에 기초하여 당업자에 의해 획득된 다른 모든 실시예는 본 발명의 보호 범위 내에 있다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예는 전계 흡수 모듈레이터(100)를 제공한다. 전계 흡수 모듈레이터(100)는 기판층(110), 최상층 실리콘(120), 도핑층, 및 변조층(140)을 포함한다. 최상층 실리콘(120)은 기판층(110) 상에 위치하고, 도파층(122)은 최상층 실리콘(120) 상에 형성된다. 도핑층은 최상층 실리콘(120) 상에 형성되고, 도핑층은 제1 도핑 패널(132) 및 제2 도핑 패널(133)을 포함한다. 제1 도핑 패널(132) 및 제2 도핑 패널(133)은 각각 도파층(122)의 양측에 위치하고, 도파층(122)에 맞닿아 있다. 변조층(140)은 도파층(122) 상에 형성되고, 변조층(140) 및 도파층(122)은 변조 영역을 형성한다. 특정 파장을 갖는 빔은 도파층(122)에서 제2 방향(즉, 도 1에 도시된 y 방향)으로 전파하고, 변조 영역에 진입한 다음, 도파층(122)과 변조층(140) 사이에서 진동 방식으로 전파한다. 변조 전기 신호가 제1 방향(즉, 도 1에 도시된 x 방향)으로 제1 도핑 패널(132) 및 제2 도핑 패널(133)에 역으로 인가되는 때, 특정 파장의 빔에 대한 변조층(140)의 광 흡수 계수는 변조 전기 신호의 세기에 따라 변화하여, 빔의 광 세기(또는 광 파워)가 변조된다.
본 발명의 실시예에서, 기판층(110)은 실리콘 기판(112) 및 산화막(114)을 포함한다. 산화막(114)은 실리콘 기판(112) 상에 형성되고, 실리콘 기판(112)은 실리콘으로 이루어질 수 있으며, 산화막(114)은 이산화실리콘으로 형성될 수 있다. 산화막(114) 상에 최상부층 실리콘(120)이 배치되어, 실리콘 기판(112), 산화막(114), 및 최상층 실리콘(120)이 SOI(Silicon-On-Insulator)를 형성한다.
본 발명의 실시예에서, 도파층(122) 및 도핑층은 최상층 실리콘(120) 상에 에칭 및 도핑을 수행하여 획득될 수 있다. 도파층(122)은 리지(ridge) 도파로일 수 있다. 바람직하게는, 도파층(122)은 단일 모드 조건을 만족시킨다. 도핑층의 제1 도핑 패널(132) 및 제2 도핑 패널(133)은 각각 도파층(122)의 양측에 위치하며, 도파층(122)에 맞닿아 있다. 바람직하게는, 도파층(122), 제1 도핑 패널(132), 및 제2 도핑 패널(133)의 상부는 평행을 유지하고 동일한 수평면 상에 있다.
본 발명의 실시예에서, 포토 에칭법(photoetching method)을 사용하여 제1 도핑된 패널(132) 상에 제1 광 이온 주입 영역이 형성되고, 포토 에칭법을 사용하여 제2 도핑 패널(133) 상에 제2 광 이온 주입 영역이 형성될 수 있다. 제1 광 이온 주입 영역 및 제2 광 이온 주입 영역은 도파층(122)의 양측에 위치하고, 도파층(122)에 맞닿아 있다. 인(phosphorus) 이온 및 비소(arsenic) 이온과 같은 N형 이온이 제1 광 이온 주입 영역에 주입되어, 제1 유형 광 도핑 영역(134)을 형성한다. 붕소(boron) 이온 및 갈륨(gallium) 이온과 같은 P형 이온이 제2 광 이온 주입 영역에 주입되어, 제2 유형 광 도핑 영역(135)을 형성한다. 이 경우, 제1 유형은 N형이며, 제2 유형은 P형이다. 이온 주입 농도는 실제 요구사항에 따라 선택될 수 있고, 예를 들어, 4×1017/cm3의 주입 농도가 선택될 수 있다. 제1 유형 광 도핑 영역(134), 도파층(122), 및 제2 유형 광 도핑 영역(135)은 PIN 접합을 형성한다. 도파층(122)과 제1 유형 광 도핑 영역(134)의 교차면에는 제1 공간 전하 영역이 형성된다. 제1 공간 전하 영역은 자유 전자를 포함한다. 도파층(122)과 제2 유형 광 도핑 영역(135)의 교차면에는 제2 공간 전하 영역이 형성된다. 제2 공간 전하 영역은 자유 전자 홀을 포함한다. 내장 전기장이 제1 공간 전하 영역과 제2 공간 전하 영역 사이에 형성된다. 내장 전기장의 전력선 방향은 제2 유형 광 도핑 영역(135)에서 시작하여, 제1 유형 광 도핑 영역(134)을 지향하고, 도파층(122)을 통과한다. 본 발명의 다른 실시예에서, 제1 유형 광 도핑 영역(134)을 형성하기 위해, 제1 광 이온 주입 영역으로 P형 이온이 주입될 수 있고, 제2 유형 광 도핑 영역(135)을 형성하기 위해, 제2 광 이온 주입 영역으로 N형 이온이 주입될 수 있다는 것이 이해될 수 있다. 이 경우, 제1 유형은 P형이고, 제2 유형은 N형이다. 내장 전기장의 전력선 방향은 제1 유형 광 도핑 영역(134)에서 시작하여, 제2 유형 광 도핑 영역(135)을 지향하고, 도파층(122)을 통과한다.
본 발명의 실시예에서, 도핑층에서 포토 에칭법을 사용하여, 제1 도핑 패널(132) 상에 제1 헤비 이온 주입 영역이 더 형성될 수 있고, 제2 도핑 패널(133) 상에 제2 헤비 이온 주입 영역이 더 형성될 수 있다. 제1 유형 헤비 도핑 영역(136)을 형성하기 위해, 제1 유형 광 도핑 영역(134)으로 주입된 것과 동일한 유형의 이온(예를 들면, 동일한 N형 이온 또는 동일한 P형 이온)이 제1 헤비 이온 주입 영역에 주입된다. 제1 유형 광 도핑 영역(134)은 제1 유형 헤비 도핑 영역(136)과 도파층(122) 사이에 위치한다. 제2 유형 헤비 도핑 영역(137)을 형성하기 위해, 제2 유형 광 도핑 영역(135)에 주입된 것과 동일한 유형의 이온(예를 들면, 동일한 P형 이온 또는 동일한 N형 이온)이 제2 헤비 이온 주입 영역에 주입된다. 제2 유형 광 도핑 영역(135)은 제2 유형 헤비 도핑 영역(137)과 도파층(122) 사이에 위치한다. 제1 유형 헤비 도핑 영역(136) 및 제2 유형 헤비 도핑 영역(137)의 이온 주입 농도는 실제 요구사항에 따라 선택될 수 있으며, 예를 들어, 1×1020/cm3일 수 있다. 이온 확산 효과로 인해, 제1 유형 헤비 도핑 영역(136)의 이온은 제1 유형 광 도핑 영역(134)으로 확산되고, 제2 유형 헤비 도핑 영역(137)의 이온은 제2 유형 광 도핑 영역(135)으로 확산된다. 따라서, 확산 영역에는 두 개의 중첩 영역이 생성된다. 중첩 영역의 이온 농도는 4×1017/cm3 내지 1×1020/cm3 사이이고, 제1 유형 헤비 도핑 영역으로부터 제1 유형 광 도핑 영역으로의 방향으로 또는 제2 유형 헤비 도핑 영역으로부터 제2 유형 광 도핑 영역으로의 방향으로 감소한다. 변조 전기 신호가 제1 유형 광 도핑 영역(134) 및 제2 유형 광 도핑 영역(135)에 인가될 수 있도록, 제1 유형 헤비 도핑 영역(136) 및 제2 유형 헤비 도핑 영역(137)은 변조 전기 신호를 인가하는 데 사용된다. 또한, 제1 유형 헤비 도핑 영역(136)과 제2 유형 헤비 도핑 영역(137)이 변조층(140)으로부터 이격되어 있기 때문에, 제1 유형 헤비 도핑 영역(136)과 제2 유형 헤비 도핑 영역(137)이 입사 빔을 흡수하는 때 생성된 손실은 무시될 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 전계 흡수 모듈레이터(100)는 금속층을 더 포함한다는 것을 유의해야 한다. 금속층은 제1 금속 전극층(138)과 제2 금속 전극층(139)을 포함한다. 제1 유형 헤비 도핑 영역(136) 상에 제1 금속 전극층(138)이 형성되고, 제2 유형 헤비 도핑 영역(137) 상에 제2 금속 전극층(139)이 형성된다. 변조 전기 신호의 양극 및 음극은 제1 금속 전극층(138)과 제2 금속 전극층(139)에 전기적으로 연결되어, 제1 유형 헤비 도핑 영역(136)과 제2 유형 헤비 도핑 영역(137)에 변조 전기 신호를 인가하고, 이는 인가하는 동안 접촉 저항을 감소시킨다.
도 2a 및 도 2b를 또한 참조하면, 본 발명의 실시예에서, 변조층(140)은 특정 비율에 따라 게르마늄을 실리콘과 혼합하여 제조될 수 있다. 변조층을 성장시키는 단계는 구체적으로 다음과 같다. 먼저, 요구되는 성장 재료를 획득하기 위해, 실제 요구사항에 따라 게르마늄 및 실리콘의 혼합 비율을 선택한다. 공통적인 구현 방식으로, 전계 흡수 모듈레이터(100)의 작업 윈도우는 일반적으로 C 대역 내에 있도록 선택되고, 즉, 입사 빔의 파장은 약 1550nm이다. 따라서, 변조층(140)의 전계 발광 광 흡수 계수가 크게 변화하는 대역(즉, 입사 빔의 파장이 전계 발광 광 흡수 계수(electroluminescent light absorption coefficient)가 크게 변화하는 대역에 있는 때, 변조층(140)의 광 흡수 계수는 변조 전기 신호의 작용 하에서 크게 변화함)은 약 1550nm가 되도록 이동되어야 한다. 게르마늄의 전계 발광 광 흡수 계수가 크게 변화하는 대역은 대략 1620nm 내지 1640nm이다. 게르마늄에 특정 비율의 실리콘을 도핑하여, 획득된 실리콘 게르마늄 혼합 재료(즉, 변조층(140))의 전계 발광 광 흡수 계수가 크게 변화하는 대역이 1540 nm 내지 1560 nm의 대역으로 이동될 수 있고, 이는 입사 빔의 최고 변조 효율을 보장한다. 본 발명의 다른 실시예에서, 게르마늄과 실리콘의 혼합 비율을 변화하여 다른 파장의 입사 빔이 변조될 수 있음을 알 수 있으며, 상세한 설명은 생략한다.
본 발명의 실시예에서, PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) 방법을 사용하여 도파층(122) 및 도핑층 상에서 이산화실리콘층이 성장될 수 있고, 포토 에칭법을 사용하여 이산화실리콘층을 에칭함으로써 선택적 에피택셜 영역이 획득된다. 바람직하게는, 선택적 에피택셜 영역의 y 방향의 길이는 도핑층의 y 방향의 길이와 동일하다. 다음으로, 선택적 에피택셜 영역의 x 방향의 개구 폭(w)이 선택된다. 변조층(140)의 성장 중에, 수평 성장 속도와 수직 성장 속도가 상이하기 때문에, 변조층(140)의 일 측면에 결정면{311}이 형성되고, 성장된 변조층(140)은 직육면체가 아니다. 변조층(140)의 형상은 개구 폭(w)에 의해 결정된다. 도 2a 및 도 2b는 서로 상이한 개구 폭(w)을 갖는 성장된 변조층(140)의 형상을 나타내며, 각도(Θ)는 결정면{311}과 결정면{100} 사이의 각도이다. w>2hcotΘ(h는 성장 두께)인 때, x-z 평면 상의 변조층(140)의 단면은 사다리꼴이다. w≤2hcotΘ인 때, x-z 평면 상의 변조층(140)의 단면은 삼각형이고, 변조층(140)의 두께는 h0 = w/(2cotΘ) ≤h이다. 따라서, 적절한 개구 폭(w)이 선택될 수 있고, 변조층(140)의 성장 두께가 제어되며, 성장된 변조층(140)의 길이 및 두께가 미리 결정된 요구사항을 만족시켜, 입력 및 출력 결합 손실이 최소이고, 변조 효율이 최고이며, 두 개의 도파관 모드, 수평 단일 모드와 수직 단일 모드가 만족된다.
전계 흡수 모듈레이터(140)는 변조 버퍼층(150)을 더 포함한다는 것을 유의해야 한다. 변조층(140)의 성장 과정에서, 실리콘으로부터 실리콘-게르마늄으로의 전이 중에, 상이한 재료 결정 격자 상수로 인한 전위(dislocation)를 방지하기 위해, 실리콘-게르마늄 농도는 점진적으로 증가되어야 한다. 재료 농도가 점진적으로 증가되는 때 변조 버퍼층(150)이 성장된다. 변조 버퍼층(150)은 후속하여 성장된 변조층(140)의 전위(dislocation)를 감소 시키는 데 사용될 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 전계 흡수 모듈레이터(100)는 커버층(160)을 더 포함한다는 것을 유의해야 한다. 커버층(160)은 이산화실리콘일 수 있으며, 외부 물체에 의한 오염, 외부 힘에 의한 손상 등으로부터 전계 흡수 모듈(100)을 보호하기 위해, 증착법을 이용하여 최상층 실리콘(120), 도핑층, 도파층(122), 및 변조층(140)을 덮는다. 커버층(160) 상에 제1 비아(via) 및 제2 비아가 더 배치되고, 변조 전기 신호가 제1 비아 및 제2 비아를 통해 제1 금속 전극층(138) 및 제2 금속 전극층(139)에 전달될 수 있도록, 제1 비아는 제1 금속 전극층(138)과 연통되고, 제2 비아는 제2 금속 전극층(139)과 연통된다. 변조층(140)의 두 측면 상의 영역에서 광 세기가 약하기 때문에, 바람직한 솔루션으로, 제1 비아 및 제2 비아는 변조층(140)의 두 측면 상의 영역에 배치되어야 하고, 작은 금속에 의한 광 흡수를 보장한다는 것을 유의해야 한다.
다음은 본 발명의 실시예에서 제공된 전계 흡수 모듈레이터(100)의 변조 원리 및 변조 과정을 설명한다.
도 3을 또한 참조하면, 본 발명의 실시예에서, 제1 유형이 N형이고, 제2 유형이 P형인 경우, 변조 전기 신호의 양극이 제1 비아 및 제1 금속 전극층(138)을 통해 제1 유형 헤비 도핑 영역(136)에 전기적으로 연결되고, 변조 전기 신호의 음극이 제2 비아 및 제2 금속 전극층(139)을 사용하여 제2 유형 헤비 도핑 영역(137)에 전기적으로 연결되어, 변조 전기 신호가 전계 흡수 모듈레이터(100)에 역으로 인가된다. 이 경우, 역 바이어스가 인가되기 때문에, 제1 유형 광 도핑 영역(134)에서 대부분의 캐리어(즉, 자유 전자)가 양극 쪽으로 이동하고, 제2 유형 광 도핑 영역(135)에서 대부분의 캐리어(즉, 자유 전자 홀)가 음극 쪽으로 이동한다. 따라서, 제1 공간 전하 영역과 제2 공간 전하 영역의 폭이 증가하고, 대응하여 제1 공간 전하 영역 및 제2 공간 전하 영역 사이에 형성된 내장 전기장도 증가한다. 내장 전기장의 방향은 제1 유형 헤비 도핑 영역(134)에서 시작하여, 제2 유형 광 도핑 영역(135)을 지향하고, 도파층(122)을 통과한다. 변조층(140)과 PIN 접합이 병렬로 연결되어 있기 때문에, 변조층(140)에도 내장 전기장이 존재한다. 이 경우, 내장 전기장의 작용 하에 변조층(140)에서 Franz-Keldysh 효과가 발생한다. Franz-Keldysh 효과는 주로 다음과 같다. (1) 변조층(140)의 물질 대역 갭 보다 낮은 입사 빔에 대해, 입사 빔에 대한 변조층(140)의 광 흡수 계수가 증가한다. (2) 변조층(140)의 물질 대역 갭보다 큰 입사 빔에 대해, 입사 빔에 대한 변조층(140)의 광 흡수 계수가 진동(oscillated)한다. 변조층(140)의 전계 발광 광 흡수 계수가 크게 변화하는 대역은 1550㎚ 부근 으로 이미 이동되어 있기 때문에(즉, 변조층(140)의 대역 갭이 입사 빔의 광자 에너지에 가까움), 변조 전기 신호가 추가로 인가되는 경우, 변조층(140)에서 입사 빔의 변조 효율이 높다.
본 발명의 실시예에서, 특정 파장(예를 들어, 파장 1550nm 부근)의 입사 빔이 y 방향으로 도파층(122)에 입사되고, 도파층(122) 및 변조층(140)에 의해 형성된 변조 영역으로 진입하며, 입사 빔은 진동 방식으로 도파층(122)과 변조층(140) 사이에서 전파한다. 제1 금속 전극층(138) 및 제2 금속 전극층(139)에 변조 전기 신호가 역으로 인가된 후, Franz-Keldysh 효과로 인해, 변조층(140)에서 전파하는 빔에 대한 변조층(140)의 광 흡수 계수는 증가한다. 입사 빔이 변조층(140)으로 진입할 때마다 입사 빔이 흡수되어, 광 출력이 감소된다. 입사 빔의 광 파워가 감소하는 정도는 변조 전기 신호의 장 강도(field strength)에 관련된다. 변조 전기 신호가 낮은 레벨(V1)인 때, 입사 빔에 대한 변조층(140)의 광 흡수 계수는 작고, 입사 빔의 대부분은 흡수되지 않으며, 변조 영역을 통과한 후 도파층(122)에서 y 방향으로 계속 전파한다. 이 경우, 전계 흡수 모듈레이터(100)는 "온" 상태에 있다. 변조 전기 신호가 높은 레벨(V2)인 때, 입사 빔에 대한 변조층(140)의 광 흡수 계수는 크고, 입사 빔의 대부분은 변조층(140)에 의해 흡수된다. 이 경우, 전계 흡수 모듈레이터(100)는 "오프" 상태에 있다. 입력 변조 전기 신호의 레벨 변화에 따라, 변조층(140)의 광 흡수 계수가 대응하여 변화하고, 출력 광 파워가 대응하여 변화하여, 전계-광 변조가 구현된다.
본 발명의 실시예에서, 변조층(140)과 도파층(122)이 위치하는 변조 영역 내에서 입사 빔이 전파하는 때, 도파 모드의 두 가지 전도 모드(즉, 변조층(140)에서의 전도 모드 및 도파층(122)에서의 전도 모드)가 존재하는 것을 유의해야 한다. 두 개의 전도 모드 사이의 간섭으로 인해, 변조층(140) 및 변조층(140) 아래의 도파층(122) 사이에서 입사 빔의 광 파워가 진동한다. 진동 주기 T는 
와 동일하고, 여기서 
는 빔의 파장이며, 
는 변조층(140)에서의 빔의 유효 굴절률이고, 
는 도파층(122)에서의 빔의 유효 굴절률이다. "온" 상태에서 작은 삽입 손실을 보장하기 위해, 변조층(140)의 y 방향으로의 길이는 발진 주기 T의 정수배여야 하므로, 입사 빔은 변조 영역을 벗어난 후 도파층(122)에 바로 라우팅된다. 변조층(140)의 y 방향의 길이가 발진 주기 T의 정수배가 아닌 경우, 변조 영역을 벗어난 후 진동 방식으로 변조층(140)에 입사 빔이 커플링되면, 빔은 "온" 상태 또는 "오프" 상태에 상관없이 산란된다. 결과적으로, 극단적으로 큰 삽입 손실이 존재하고, 소광비가 심지어 0에 가까우며, 전계-광 변조가 구현될 수 없다.
도 4a 및 도 4b를 또한 참조하면, 도 4a는 본 발명의 실시예에 따라 오프 상태인 전계 흡수 모듈레이터(100)의 광 세기 변화 도면이고, 도 4b는 본 발명의 실시예에 따라 온 상태인 전계 흡수 모듈레이터(100)의 광 세기 변화 도면이다.도 4a에 도시된 바와 같이, 빔이 변조 영역을 통과하는 때, 두 개의 전도 모드 간의 간섭으로 인해, 변조층(140) 및 변조층(140) 아래의 도파층(122) 사이에서 빔이 진동한다. 인가된 변조 전기 신호가 강하거나 또는 변조 전기 신호가 높은 레벨인 때, 변조층(140)의 광 흡수 계수가 증가한다. 빔이 진동 방식으로 변조층(140)을 통과할 때마다 빔은 부분적으로 흡수되며, 입사 빔은 변조 영역을 통과할 때까지 기본적으로 완전히 흡수된다. 이 경우, 전계 흡수 모듈레이터(100)는 "오프" 상태에 있다. 도 4b에 도시된 바와 같이, 전계 흡수 모듈레이터(100)에 변조 전기 신호가 인가되지 않거나, 또는 인가된 변조 전기 신호가 약하거나 변조 전기 신호의 로우 레벨인 때, 입사 빔은 변조 영역 내에서 상하로 진동하지만, 변조층(140)은 입사광을 더 적게 흡수한다. 빔이 변조 영역을 통과한 후, 변조층(140)의 y 방향으로의 길이는 설계에 의해 진동 주기 T의 정수배이므로, 입사 빔은 도파층(122)에 완전히 커플링된다. 대부분의 빔이 여전히 변조 영역을 통과할 수 있기 때문에, 전계 흡수 모듈레이터(100)는 "온" 상태이다. 시뮬레이션 및 계산 결과는 본 발명의 실시예에 제공된 전계 흡수 모듈레이터(100)의 소광비(ER)가 약 8dB이고, 3dB 대역폭이 50GHz 보다 크며, 삽입 손실(IL)이 약 3.2Db인 것으로 나타났고, 이는 좋은 효과를 달성한다.
결론적으로, 본 발명의 실시예에서 제공되는 전계 흡수 모듈레이터에 따르면, 설계에 의해 수평 PIN 접합이 형성되고, 변조층(140)을 성장시키기 위해, 에칭에 의해 선택적 에피택셜 영역이 획득되며, 선택적 에피택셜 영역에 의해 변조층(140)의 길이 및 두께가 결정되므로, 변조층(140)의 길이 및 폭은 수평 단일 모드 및 수직 단일 모드의 두 가지 도파 모드를 만족시킨다. 변조층(140)은 PIN 접합에 병렬로 연결되며, PIN 접합에 변조 전기 신호가 역으로 인가되는 때, 변조층(140)에 변조 전기 신호에 의해 결정된 내장 전기장이 존재한다. Franz-Keldysh 효과로 인해, 입사 빔에 대한 변조층(140)의 광 흡수 계수는 내장 전기장에 따라 변화하여, 입사 빔에 대한 전계-광 변조가 구현된다. 본 발명에서 제공된 전계 흡수 모듈레이터(100)는 간단한 기술적 공정, 낮은 제조 난이도, 작은 크기, 높은 3dB 대역폭, 낮은 전력 소비, 및 작은 삽입 손실과 같은 장점을 갖는다.
전술한 설명은 본 발명의 예시적인 구현 방식이다. 당업자는 본 발명의 원리를 벗어나지 않으면서 특정 개선 및 연마(polishing)를 할 수 있으며, 개선 및 연마는 본 발명의 보호 범위에 속해야 함을 유의해야 한다.
Claims (13)
- 실리콘 기판 및 상기 실리콘 기판 상에 배치된 산화막을 포함하는 기판층,
최상층 실리콘 - 도파층(waveguide layer)이 상기 최상층 실리콘 상에 형성됨 -,
상기 최상층 실리콘 상에 형성되고, 제1 도핑 패널 및 제2 도핑 패널을 포함하는 도핑층 - 제1 유형 광 도핑 영역이 상기 제1 도핑 패널 상에 형성되고, 제2 유형 광 도핑 영역이 상기 제2 도핑 패널 상에 형성되며, 상기 제1 유형 광 도핑 영역 및 제2 유형 광 도핑 영역은 상기 도파층의 양측에 위치하고 상기 도파층에 맞닿아 있으며, 상기 제1 유형 광 도핑 영역, 상기 도파층, 및 상기 제2 유형 광 도핑 영역은 PIN 접합을 형성함 -, 그리고
상기 도파층 상에 배치되고 상기 PIN 접합에 병렬로 연결된 변조층
을 포함하고,
특정 파장의 빔(beam)은 상기 도파층을 따라 전파하고, 상기 변조층과 상기 도파층에 의해 형성된 변조 영역에 입사하며, 상기 변조층과 상기 도파층 사이를 진동 방식으로 전파하고, 변조 전기 신호가 상기 제1 유형 광 도핑 영역 및 상기 제2 유형 광 도핑 영역에 역으로 인가되는 때, 상기 빔에 대한 상기 변조층의 광 흡수 계수는 상기 변조 전기 신호에 따라 변화하며, 상기 빔이 상기 변조 영역을 통과한 후, 상기 빔에 대해 전계-광(electro-optic) 변조가 구현될 수 있도록, 상기 빔의 광 파워도 대응하여 변화하고,
상기 빔이 전파하는 방향인 제2 방향에 수직인 단면은 삼각형인,
전계 흡수(electro-absorption) 모듈레이터. - 제1항에 있어서,
상기 변조층의 크기가 상기 빔이 상기 도파층 및 상기 변조층에서 전파하는 때 요구되는 모드 정합 요건을 만족시킬 수 있도록, 상기 도파층 및 상기 도핑층 상에 이산화실리콘층이 성장되어 형성되며, 상기 이산화실리콘층 상에서 에칭(etching)에 의해 선택적 에피택셜 영역(selective epitaxial area)이 획득되고, 상기 선택적 에피택셜 영역은 상기 변조층을 성장시키는 데 사용되고, 상기 선택적 에피택셜 영역의 제1 방향의 개구(opening) 폭이 선택되며, 상기 성장된 변조층의 두께 및 형상이 제어되는,
전계 흡수 모듈레이터. - 제2항에 있어서,
상기 선택적 에피택셜 영역의 제2 방향의 길이는 상기 성장된 변조층의 길이이고, 상기 빔이 상기 변조 영역 내에서 전파하는 때, 상기 광 파워는 상기 변조층 및 상기 도파층 사이에서의 진동 주기로 진동되고, 상기 변조층의 길이는 상기 진동 주기의 정수배이며,
는 상기 빔의 파장이고,
는 상기 변조층에서의 상기 빔의 유효 굴절률이며,
는 상기 도파층에서의 상기 빔의 유효 굴절율인,
전계 흡수 모듈레이터. - 제3항에 있어서,
상기 제1 방향은 상기 변조 전기 신호가 인가되는 방향이고, 상기 제2 방향은 상기 빔이 전파하는 방향이며, 상기 제1 방향은 상기 제2 방향에 대해 수직인,
전계 흡수 모듈레이터. - 제1항에 있어서,
상기 도핑층은,
상기 제1 도핑 패널 상에 형성된 제1 유형 헤비(heavy) 도핑 영역, 그리고
상기 제2 도핑 패널 상에 형성된 제2 유형 헤비 도핑 영역을 포함하고,
상기 제1 유형 광 도핑 영역이 상기 제1 유형 헤비 도핑 영역 및 상기 도파층 사이에 위치하고, 상기 제1 유형 헤비 도핑 영역의 도핑 밀도는 상기 제1 유형 광 도핑 영역의 도핑 밀도 보다 더 크며, 상기 제2 유형 광 도핑 영역은 상기 제2 유형 헤비 도핑 영역 및 상기 도파층 사이에 위치하고, 상기 제2 유형 헤비 도핑 영역의 도핑 밀도는 상기 제2 유형 광 도핑 영역의 도핑 밀도 보다 더 큰,
전계 흡수 모듈레이터. - 제5항에 있어서,
상기 제1 유형이 N형이고, 상기 제2 유형이 P형인 경우, 변조 전기 신호가 상기 제1 유형 광 도핑 영역 및 상기 제2 유형 광 도핑 영역에 역으로 인가되는 것은 상기 변조 전기 신호의 양극이 상기 제1 유형 광 도핑 영역에 전기적으로 연결되고, 상기 변조 전기 신호의 음극이 상기 제2 유형 광 도핑 영역에 전기적으로 연결되는 것이거나, 또는
상기 제1 유형이 P형이고, 상기 제2 유형이 N형인 경우, 변조 전기 신호가 상기 제1 유형 광 도핑 영역 및 상기 제2 유형 광 도핑 영역에 역으로 인가되는 것은 상기 변조 전기 신호의 음극이 상기 제1 유형 광 도핑 영역에 전기적으로 연결되고, 상기 변조 전기 신호의 양극이 상기 제2 유형 광 도핑 영역에 전기적으로 연결되는 것인,
전계 흡수 모듈레이터. - 제5항에 있어서,
상기 제1 유형 헤비 도핑 영역 상에 형성된 제1 금속 전극층 및 상기 제2 유형 헤비 도핑 영역 상에 형성된 제2 금속 전극층을 포함하는 금속층
을 더 포함하는 전계 흡수 모듈레이터. - 제7항에 있어서,
상기 최상층 실리콘 상에 형성되고, 상기 최상층 실리콘, 상기 도핑층, 상기 도파층, 및 상기 변조층을 커버하는 커버층
을 더 포함하는 전계 흡수 모듈레이터. - 제8항에 있어서,
상기 커버층 상에 제1 비아 및 제2 비아가 배치되고, 상기 변조 전기 신호가 상기 제1 비아 및 상기 제2 비아를 통해 상기 제1 금속 전극층 및 상기 제2 금속 전극층에 전달될 수 있도록, 상기 제1 비아는 상기 제1 금속 전극층과 연통되고, 상기 제2 비아는 상기 제2 금속 전극층과 연통되는,
전계 흡수 모듈레이터. - 제1항에 있어서,
상기 도파층은 리지(ridge) 도파로이고, 상기 도파층은 실리콘으로 이루어지는,
전계 흡수 모듈레이터. - 제1항에 있어서,
상기 변조층은 미리 결정된 비율에 따라 게르마늄을 실리콘과 혼합하여 이루어지는,
전계 흡수 모듈레이터. - 제1항에 있어서,
상기 도파층 및 상기 변조층 사이에 배치된 변조 버퍼층
을 더 포함하는 전계 흡수 모듈레이터. - 제1항에 있어서,
상기 PIN 접합에 의해 야기된 내장(built-in) 전기장이 상기 변조층 내에 존재하고, 변조 전기 신호가 상기 PIN 접합에 역으로 인가되는 때, 상기 변조층에서의 상기 내장 전기장은 상기 변조 전기 신호에 따라 변화하며, 상기 변조 전기 신호가 강화되는 때, 상기 내장 전기장이 증가하고, 상기 변조층은 상기 빔을 더 흡수하거나, 또는 상기 변조 전기 신호가 약화되는 때, 상기 내장 전기장이 감소하고, 상기 변조층은 상기 빔을 더 적게 흡수하는,
전계 흡수 모듈레이터.
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