KR102086230B1 - 굴절률 및 스트레인의 주기적 동시변화를 이용한 공진기와 전하구속 구조 일체형 주기성 다리 구조 및 그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
굴절률 및 스트레인의 주기적 동시변화를 이용한 공진기와 전하구속 구조 일체형 주기성 다리 구조 및 그 제조 방법이 제시된다. 일 실시예에 따른 공진기와 전하구속 구조 일체형 주기성 다리 구조체는, 이종기판 위에 성장한 박막에 패터닝(Patterning)을 통해 구성된 주기성을 갖는 다리(Bridge) 구조의 공진기를 포함하고, 상기 이종기판에 반도체 박막을 성장시키고 열팽창 계수 차이 또는 기판간의 격자상수 차이에 따른 스트레인(Strain)을 인가한 후, 상기 공진기의 구조의 스트레인 주기성에 따른 전하구속 구조체가 형성될 수 있다.
Description
아래의 실시예들은 공진기와 전하구속 구조 일체형 주기성 다리 구조에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 굴절률 및 스트레인의 주기적 동시변화를 이용한 공진기와 전하구속 구조 일체형 주기성 다리 구조 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
기존 동선기반 소자로 동작하는 컴퓨터의 고질적인 문제점인 데이터 전송의 병목현상을 해결할 유일한 대안인 광 상호접속 기술은 1980년대 초부터 선진국들의 공진기 주도하에 연구가 시작되면서 광섬유 기반의 광통신기술, 광학을 이용한 컴퓨팅과 정보처리, 실리콘 기반 광집적회로 등의 기술들의 개발과 성숙을 통해 산업에 실질적으로 적용되는 수준까지 발달해왔다.
최근 광대역 통신 서비스의 보급으로 정보의 전송량은 지속적으로 증가해온 덕분에 향후 고성능 컴퓨팅에서는 데이터센터뿐 아니라 보드 내에서의 광 상호접속 기술을 필수적으로 요구할 것으로 전망된다. 보드 내에서의 칩과 칩 사이의 데이터 전송을 위한 광 상호접속 기술은 다양한 광 집적소자의 요소를 포함하게 되는데, 실리콘 기반의 광 집적소자의 주요 요소들은 그간 많은 발전을 이루어 왔으나, 유독 광원의 경우 많은 어려움을 겪어왔다.
가장 많이 사용되는 반도체 기반 광원은 III-V 족 화합물 반도체로써, 광통신 대역의 화합물 반도체 광원은 그 자체로써는 많은 발전을 거듭해왔으나, 실리콘 기판에 직접 성장하는 것이 어렵다는 단점으로 인해 실리콘 칩 기반 광 상호접속 기술에는 응용이 제한적이었다.
기존의 실리콘 기반 CMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor) 공정 친화적인 반도체 광원의 후보군으로 여전히 III-V 족 화합물 반도체가 가장 산업화에 가까운 발전을 이루었으나, 여전히 실리콘 기판에 직접 성장을 하지 못하는 문제로 인해 추가적인 웨이퍼 접합(Wafer Bonding) 공정이 필요하여 공정 비용의 상승과 수율의 하락을 야기한다.
이와 같은 문제를 해결하기 위해 스트레인(Strain)을 가한 게르마늄(Ge) 기반의 광원이 대체기술로 제시되었으나, 종래의 기술은 공진기를 외부에 설계함으로 인한 광학 공진 모드-이득 물질의 겹침(Overlap)이 적고, III-V 족 화학물 반도체에 사용하는 전하구속 구조를 사용하기 힘든 구조적 특성으로 인해 여전히 소자간 광 상호접속에 응용하기에는 한계가 있다.
한국공개특허 10-2009-0012472호는 이러한 실리콘 기판 상에 게르마늄 메사 구조를 형성하는 방법에 관한 것으로, 순수 게르마늄 또는 제어된 농도의 실리콘만을 함유하는 실리콘-게르마늄 메사 구조를 형성한 후 이를 이용하여 갈륨-비소 박막 등을 실리콘 기판 상에 형성할 수 있도록 해주는 게르마늄 메사 구조 형성 방법에 관한 기술을 기재하고 있다.
실시예들은 굴절률 및 스트레인의 주기적 동시변화를 이용한 공진기와 전하구속 구조 일체형 주기성 다리 구조 및 그 제조 방법에 관하여 기술하며, 보다 구체적으로 기존에 알려진 나노 다리(Nano Bridge) 구조에 주기성을 갖는 공진기와 스트레인에 따른 전하구속 구조를 동시에 결합하고, 스트레인으로 인한 전하구속 영역과 공진기의 공진 모드의 겹침이 일치하는 구조를 제작하여, 추가적인 웨이퍼 접합 공정이 필요 없는 실리콘 칩 기반의 고효율 광원을 제작하는 기술을 제공한다.
또한, 실시예들은 실리콘 칩뿐만 아니라 모든 이종 기판 에피택시에서 발생하는 반도체의 스트레인 구조에서 주기적인 너비의 변화를 갖는 인공 전하우물 구조 및 광결정 공진기의 결합을 통해 광결정의 모드 분포를 이득 영역에 일치시킴으로써 낮은 문턱의 레이저 발진 소자를 제작할 수 있는 굴절률 및 스트레인의 주기적 동시변화를 이용한 공진기와 전하구속 구조 일체형 주기성 다리 구조 및 그 제조 방법을 제공하는데 있다.
일 실시예에 따른 공진기와 전하구속 구조 일체형 주기성 다리 구조체는, 이종기판 위에 성장한 박막에 패터닝(Patterning)을 통해 구성된 주기성을 갖는 다리(Bridge) 구조의 공진기를 포함하고, 상기 이종기판에 반도체 박막을 성장시키고 열팽창 계수 차이 또는 기판간의 격자상수 차이에 따른 스트레인(Strain)을 인가한 후, 상기 공진기의 구조의 스트레인 주기성에 따른 전하구속 구조체가 형성될 수 있다.
스트레인으로 인한 상기 전하구속 구조체와 상기 공진기의 공진 모드의 겹침(Overlap)이 일치하는 구조로 이루어질 수 있다.
굴절률 및 스트레인의 주기적 동시변화를 이용한 공진기와 전하구속 구조의 일체형 주기성 다리 구조로 이루어져 상기 기판에 수평 방향으로 전하 구속효과를 주고 광학 모드 분포를 일치시킬 수 있다.
상기 공진기는, 상기 기판 위에 성장한 반도체 박막이 스트레인을 받는 박막에 패터닝(Patterning)을 통한 나노-마이크로 크기의 다리 구조로 이루어질 수 있다.
상기 공진기는, 상기 기판이 실리콘 기판으로 이루어지며, 상기 실리콘 기판 상에 게르마늄 박막을 성장시킨 후 패터닝을 통해 다리 구조를 가질 수 있다.
상기 전하구속 구조체는, 설계된 다리 구조의 상기 공진기의 넓은 영역과 좁은 영역의 스트레인 차이에 따라 III-V 족 화합물 반도체에서 사용하는 양자우물 구조와 유사한 형태의 주기적 전하구속 구조를 가질 수 있다.
다른 실시예에 따른 공진기와 전하구속 구조 일체형 주기성 다리 구조 제조 방법은, 이종기판에 반도체 박막을 성장시키고 열팽창 계수 차이 혹은 기판간의 격자상수 차이에 따른 스트레인(Strain)을 인가하는 단계; 및 상기 박막에 패터닝(Patterning) 공정을 통해 다리(Bridge) 구조를 갖는 공진기와 전하구속 구조체를 동시에 형성하는 단계를 포함하여 이루어질 수 있다.
ICP(Inductively Coupled Plasma) 혹은 RIE(Reactive Ion Etch), 또는 두 가지를 모두 사용하는 등의 건식 식각 방법을 이용하여 상기 기판 및 상기 박막에 패턴을 식각하는 단계; 및 상기 기판의 언더컷(undercut)을 수행하고, 상기 박막에 화학적인 기판층 습식 식각을 수행하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 공진기와 전하구속 구조체를 동시에 형성하는 단계는, 전산모사 방법론을 이용하여 공진기의 공진 파장을 찾아 그 파장을 소자의 스트레인 인가 영역에서의 발광파장과 일치시키는 단계, 그리고 해당 파장에서의 공진기 내부 전기장 분포가 스트레인 인가 영역과 일치하도록 설계하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 공진기의 구조는, 주기적인 전하구속 효과를 위해 격자상수, 두께, 다리의 너비 및 구멍의 크기 중 적어도 어느 하나 이상의 구조의 변수에 따라 바뀌는 밴드 구조를 조절하여 해당 구조의 첫 번째 밴드의 밴드 끝에서 첫 번째 낮은 굴절률 모드 밴드의 밴드에지(Band Edge)를 가지면서 공진 파장과 일치된 주파수를 갖도록 만들 수 있다.
상기 공진기와 전하구속 구조체를 동시에 형성하는 단계는, 상기 전산모사 방법론을 이용한 설계 시 발광 특성 및 용도에 따른 특정 모드의 밴드갭을 사용하며, 상기 특정 모드의 밴드갭은 대상 물질의 발광 특성에 따라 TM 모드(Transverse Magnetic Mode) 또는 TE 모드(Transverse Electric Mode)일 수 있다.
상기 공진기와 전하구속 구조체를 동시에 형성하는 단계는, 광학적으로 설계된 상기 공진기의 구조에 상기 전산모사 방법론을 적용하여 스트레인 분포를 공진 파장 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 공진기의 구조에 상기 전산모사 방법론을 적용하여 스트레인 분포를 계산하는 단계는, 공진기 역할을 하는 다리와 패드 부분의 너비 비율 혹은 다리 내의 주기성 구조의 형태에 따라 다리에 작용하는 스트레인의 크기를 조절할 수 있고, 광학적으로 설계된 공진기의 좁은 부분에 걸리는 스트레인에 따라 공진기의 전하구속 영역에서 발광파장이 달라질 수 있다.
설계된 다리 구조의 상기 공진기의 넓은 영역과 좁은 영역의 스트레인 차이에 따라 화합물 반도체에서 사용하는 양자우물 구조와 유사한 형태의 주기적 전하구속 구조를 가질 수 있다. 전하구속 구조의 밴드구조는 인가된 스트레인의 주기성과 일치하는 주기성을 가지게 된다.
스트레인으로 인한 상기 전하구속 구조체와 상기 공진기의 공진 모드의 겹침(Overlap)이 일치하는 구조로 이루어질 수 있다.
실시예들에 따르면 공진기의 형상 자체가 반도체 내에 전하 구속효과를 주기 때문에 전하의 구속 영역과 공진기 모드의 분포영역의 일치로 인한 높은 전자-광자 상호작용을 유도할 수 있는 굴절률 및 스트레인의 주기적 동시변화를 이용한 공진기와 전하구속 구조 일체형 주기성 다리 구조 및 그 제조 방법을 제공할 수 있다.
또한, 실시예들에 따르면 모든 이종 기판 에피택시를 통해 제작되는 광소자에서 이종 물질간에 인가되는 스트레인을 극대화하고 기판 수직방향이 아닌 수평 방향의 전하 구속효과를 주면서 동시에 광학 모드 분포를 일치시키기 때문에 LED나 반도체 레이저 소자 및 소자의 성능 향상 응용할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 공진기와 전하구속 구조 일체형 주기성 다리 구조의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 일 실시예에 따른 최종 게르마늄 다리 구조의 예를 나타내는 도면이다.
도 3은 일 실시예에 따른 공진기와 전하구속 구조 일체형 주기성 다리 구조의 제조 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 4는 일 실시예에 따른 반도체 다리 위에 공진기가 결합된 주기적 구조의 예를 설명하는 도면이다.
도 5는 일 실시예에 따른 공진기 구조와 결합된 다리에서의 전하구속을 위한 스트레인 분포도를 나타내는 도면이다.
도 2는 일 실시예에 따른 최종 게르마늄 다리 구조의 예를 나타내는 도면이다.
도 3은 일 실시예에 따른 공진기와 전하구속 구조 일체형 주기성 다리 구조의 제조 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 4는 일 실시예에 따른 반도체 다리 위에 공진기가 결합된 주기적 구조의 예를 설명하는 도면이다.
도 5는 일 실시예에 따른 공진기 구조와 결합된 다리에서의 전하구속을 위한 스트레인 분포도를 나타내는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시예들을 설명한다. 그러나, 기술되는 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명되는 실시예들에 의하여 한정되는 것은 아니다. 또한, 여러 실시예들은 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 도면에서 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.
실리콘 기판 위에 성장한 반도체 박막이 열 팽창계수의 차이에 의해 스트레인(Strain)을 받는 경우, 박막에 패터닝(Patterning)을 통한 나노-마이크로 크기의 다리(Bridge) 구조를 제작하면 더욱 강한 스트레인을 인가할 수 있다. 이종 기판에 반도체 물질을 성장하는 경우, 두 물질의 다른 열팽창 계수로 인해 스트레인이 걸리게 되며, 이 스트레인을 다리 구조를 이용하여 국소적으로 증가하면 스트레인에 따른 밴드갭(Band Gap)의 변화를 통해 인위적인 이종접합구조를 모사하여 전하구속의 효과를 기대할 수 있다.
본 발명에서는 기존에 알려진 나노 다리(Nano Bridge) 구조에 주기성을 갖는 공진기와 스트레인에 따른 전하구속 구조를 동시에 결합하고, 스트레인으로 인한 인공 전하구속 구조와 공진기의 공진 모드의 겹침(Overlap)이 일치하는 구조를 제작하여, 추가적인 웨이퍼 접합 공정이 필요 없는 실리콘 칩 기반의 고효율 광원을 제작하는 것을 목적으로 한다.
또한, 실리콘 칩뿐만 아니라 모든 이종 기판 에피택시(Epitaxy)에서 발생하는 반도체의 스트레인 구조에서 주기적인 너비의 변화를 갖는 전하구속 구조 및 광학 공진기의 결합을 통해 공진기의 모드 분포를 이득 영역에 일치시킴으로써 낮은 문턱의 레이저 발진 소자를 제작할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 공진기와 전하구속 구조의 일체형 주기성 다리 구조의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 일 실시예에 따른 실리콘 기판 위에 게르마늄 다리를 제작하는 공정 모식도의 예를 나타내는 도면을 통해 공진기와 전하구속 일체형 주기성 다리 구조의 제조 방법을 설명할 수 있다.
일 실시예에 따른 공진기와 전하구속 구조 일체형 주기성 다리 구조(체)는, 1) 기판에 이종 반도체 박막 성장 및 열팽창 계수 차이에 따른 스트레인 인가, 2) 박막에 패터닝 공정, 3) ICP-RIE(Inductively Coupled Plasma- Reactive Ion Etch)를 이용한 패턴 식각 공정, 및 4) 화학적인 기판층 습식 식각 공정과 반도체 형성 과정에 따라 제조될 수 있다. 즉, 일 실시예에 따른 공진기와 전하구속 구조 일체형 주기성 다리 구조는 상기 공정과 반도체 형성 과정에 따라 제조될 수 있다.
위의 공정은 일반적으로 알려진 반도체 다리 구조 제조 방법과 거의 같으나, 본 실시예에서는 반도체 다리에 스트레인을 이용한 인위적인 전하구속 구조와 광학 공진기를 동시에 결합하기 위하여, 패터닝 공정의 패턴 제조에 있어서 고유의 구조를 설계할 수 있다.
패터닝 공정에서 패턴의 구조 설계는 공진기와 인위적인 전하구속 구조의 동시 형성을 위해 다음과 같은 설계과정에 따라 제조될 수 있다.
먼저, 유한차분시간영역법(Finite Difference Time Domain Method, FDTD), 유한요소법(Finite Elements Method, FEM), 유한차분법(Finite Difference Method, FDM) 등의 전산모사 방법론을 이용하여 소자의 동작 파장에 맞는 구조의 공진기를 설계할 수 있다. 공진기의 구조는 주기적인 전하구속 효과를 위해 구조의 변수 등에 따라서 바뀌는 밴드 구조를 조절하여 해당 구조의 첫 번째 밴드의 밴드 끝(k=0.5)에서 첫 번째 낮은 굴절률 모드 밴드의 밴드에지(Band Edge)를 가지면서 공진 파장과 일치된 주파수를 갖도록 만들 수 있다. 여기서, 구조의 변수는 예컨대 격자상수, 두께, 다리의 너비 및 구멍의 크기가 될 수 있다. 이 때, 낮은 굴절률 모드의 전기장 분포가 구조의 낮은 굴절률 부분(구조에서 너비가 좁아진 부분)에 정확히 일치됨을 확인할 수 있다.
그리고, 광학 전산모사를 이용한 설계 시 발광 특성 및 용도에 따른 특정 모드의 밴드갭을 사용하게 된다. 예컨대, 특정 모드의 밴드갭은 TM 모드(Transverse Magnetic Mode) 혹은 TE 모드(Transverse Electric Mode)가 될 수 있다.
이후, 광학적으로 설계된 공진기의 구조에 그대로 유한요소법(Finite Element Method)을 적용하여 스트레인 분포를 계산할 수 있다. 공진기 역할을 하는 다리와 패드 부분의 너비 비율에 따라서 다리에 작용하는 스트레인의 크기를 조절할 수 있다. 광학적으로 설계된 공진기의 좁은 부분에 걸리는 스트레인에 따라 공진기의 전하구속 구조 영역에서 발광파장이 달라질 수 있다.
이에 따라, 설계된 공진기의 넓은 영역과 좁은 영역의 스트레인 차이에 따라 III-V 족 화합물 반도체에서 사용하는 양자우물 구조와 유사한 형태의 주기적 전하구속 구조를 가지게 된다. 스트레인의 차이에 따른 전하 수송자의 구속효과는 일반적인 양자우물의 에너지 차이보다 크고, 전자 수송자의 구속 영역과 광학 모드의 분포 영역이 정확히 일치하게 된다.
아래에서는 이종 기판을 대표하여 실리콘 기판(110)을 하나의 예로써 보다 구체적으로 설명한다.
도 1의 (a)에 도시되어 있는 바와 같이, 먼저 준비된 실리콘 기판(110) 상에 박막(120)을 에피택시 성장 기법을 이용하여 성장시킬 수 있다. 여기서, 박막(120)의 예로써 게르마늄 박막을 기판 상에 성장시킬 수 있다. 또한, 박막(120)은 게르마늄 박막뿐 아니라 실리콘 기판(110) 위에 직접 성장하면서 다른 열팽창 계수를 갖는 Sn 혹은 GeSn, SiGe 등의 4족 원소 합금의 경우에도 같은 원리가 적용된다.
그리고 열팽창 계수 차이에 따른 스트레인 인가할 수 있다. 실리콘 기판(110) 위에 성장한 박막(120)이 열 팽창계수의 차이에 의해 스트레인(Strain)을 받는 경우, 박막(120)에 패터닝(Patterning)을 통한 나노-마이크로 크기의 다리(Bridge) 구조를 제작하면 더욱 강한 스트레인을 인가할 수 있다.
이어서, 도 1의 (b)에 도시된 바와 같이, 박막(120)을 통상의 식각(etching) 공정을 이용하여 수행하며, 도 1의 (c)에 도시된 바와 같이, 식각된 박막(120) 위에 산화막(130)을 증착(Deposition)시킬 수 있다. 예컨대, 산화막(130)은 실리콘 산화막(SiO2)일 수 있다.
다음으로, 도 1의 (d)에 도시된 바와 같이, 산화막(130)의 표면에 스핀 코팅(Spin Coating)(140)을 수행할 수 있으며, 예컨대 레지스트(Resist) 스핀 코팅을 수행할 수 있다. 그리고 도 1의 (e)에 도시된 바와 같이, E-빔(beam) 등을 이용하여 리소그래피(lithography) 공정을 통해 스핀 코팅(140)된 부분을 패터닝하며, 도 1의 (f)에 도시된 바와 같이, 패터닝된 스핀 코팅(140) 부분 위에 니켈(Ni)을 증착시켜 증착층(150)을 형성할 수 있다. 예컨대 50nm 두께의 니켈 증착층을 형성할 수 있다.
이후, 도 1의 (g)에 도시된 바와 같이, 유기 용매를 사용하여 증착층(150)이 형성된 스핀 코팅(140) 부분을 리프트오프(lift-off)할 수 있으며, 여기서 유기 용매로는 아세톤(acetone) 등이 사용될 수 있다. 이어서 도 1의 (h)에 도시된 바와 같이, 리프트오프된 부분의 아래에 있는 산화막(130) 및 박막(120)을 패터닝하고, 실리콘 기판(110) 또한 패터닝할 수 있다. 예를 들어 ICP-RIE(Inductively Coupled Plasma- Reactive Ion Etch)를 이용하여 박막(120) 및 실리콘 기판(110)을 패턴 식각할 수 있다.
이후, 도 1의 (i)에 도시된 바와 같이, 실리콘 기판(110)의 언더컷(undercut)을 수행할 수 있으며, 예컨대 95 ℃에서 현상액 TMAH(Tetramethyl Ammounium Hydroxide)을 이용하여 식각을 수행할 수 있다. 그리고 도 1의 (j)에 도시된 바와 같이, 화학적인 기판층 습식 식각 공정을 수행할 수 있다. 즉, 실온에서 H2O2를 통해 박막(120)을 습식 식각할 수 있다. 다음으로, 도 1의 (k)에 도시된 바와 같이, 실온에서 HF 식각을 통해 산화막(130) 및 증착층(150)을 리프트오프 할 수 있다.
도 2는 일 실시예에 따른 최종 게르마늄 다리 구조의 예를 나타내는 도면이다.
도 2를 참조하면, 일 실시예에 따른 최종 게르마늄 다리 구조는 도 1에서 설명한 방법에 의해 제조될 수 있다.
일 실시예에 따른 공진기와 전하구속 구조 일체형 주기성 다리 구조체는 이종기판 위에 성장한 박막에 패터닝(Patterning)을 통해 구성된 주기성을 갖는 다리(Bridge) 구조의 공진기(210)를 포함하고, 이종기판에 반도체 박막을 성장시키고 열팽창 계수 차이 또는 기판간의 격자상수 차이에 따른 스트레인(Strain)을 인가한 후, 공진기(210)의 구조의 스트레인 주기성에 따른 전하구속 구조체가 형성될 수 있다. 이 때, 스트레인으로 인한 전하구속 구조체와 공진기(210)의 공진 모드의 겹침(Overlap)이 일치하는 구조로 이루어질 수 있다. 이종기판에 반도체 박막을 성장시키면 기판과 박막 사이의 열팽창 계수 또는 격자상수 차이에 따라 스트레인(Strain)이 인가된다. 여기에 넓이의 주기적인 변화를 가지는(211, 212) 다리 구조의 공진기(210)를 형성함으로써 스트레인의 주기적인 변화를 가할 수 있고, 이를 통해 전하구속 구조체를 제작할 수 있다.
이와 같이 굴절률 및 스트레인의 주기적 동시변화를 이용한 공진기와 전하구속 구조의 일체형 주기성 다리 구조로 이루어져 기판에 수평 방향으로 전하 구속효과를 주고 광학 모드 분포를 일치시킬 수 있다.
공진기(210)는 기판 위에 성장한 반도체 박막이 열 팽창계수의 차이에 의해 스트레인을 받는 박막에 패터닝(Patterning)을 통한 나노-마이크로 크기의 다리 구조로 이루어질 수 있다. 그리고 공진기(210)는 기판이 실리콘 기판으로 이루어지며, 실리콘 기판 상에 게르마늄 박막을 성장시킨 후 패터닝을 통해 다리 구조를 가질 수 있다.
전하구속 구조체는 설계된 다리 구조의 공진기(210)의 넓은 영역(211)과 좁은 영역(212)의 스트레인 차이에 따라 III-V 족 화합물 반도체에서 사용하는 전하구속 구조와 유사한 형태의 주기적 전하구속 구조를 가질 수 있다. 이러한 전하구속 구조체는 다리 구조의 공진기(210)의 넓은 영역(211)과 좁은 영역(212)의 스트레인 차이에 따라 양자우물 구조와 유사한 형태의 주기적 전하구속 구조를 가질 수 있으며, 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 좁은 영역(212)에 걸리는 스트레인에 따라 공진기(210)의 전하구속 영역에서 발광파장이 달라질 수 있다.
광 공진기로써 역할을 하기 위해서는 반도체 다리의 주기성이 중요하다. 주기성은 다양한 형태로 설계될 수 있으나, 공진기의 유효굴절률 변화를 주기성을 통해 얻는 것이므로 공진기 형태의 기하학적 요소에 따라 공진기 형상뿐 아니라 공진 파장의 에너지와 공진기 품위까지 조절할 수 있다. 도 2의 (a) 와 (b)는 유효 굴절률의 주기적 변화를 이용하여 공진기와 스트레인 변화를 동시에 얻는 구조의 예시이다. 유효 굴절률의 주기적 변화를 가질 수 있는 모든 형태의 게르마늄 다리가 고려의 대상이 될 수 있다.
도 3은 일 실시예에 따른 공진기와 전하구속 구조 일체형 주기성 다리 구조의 제조 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 3을 참조하면, 일 실시예에 따른 공진기와 전하구속 구조 일체형 주기성 다리 구조 제조 방법은, 예컨대 공진기와 전하구속 구조 일체형 주기성 다리 구조의 제조 시스템(또는 장치)에 의해 수행될 수 있다. 일 실시예에 따른 공진기와 전하구속 구조 일체형 주기성 다리 구조 제조 방법은, 이종기판에 반도체 박막을 성장시키고 열팽창 계수 차이 또는 기판간의 격자상수 차이에 따른 스트레인(Strain)을 인가하는 단계(310), 및 박막에 패터닝(Patterning) 공정을 통해 다리(Bridge) 구조를 갖는 공진기와 전하구속 구조체를 동시에 형성하는 단계(320)를 포함하여 이루어질 수 있다. 여기서 단계(320)는, 박막에 E-빔 리소그래피(E-Beam Lithography) 혹은 포토리소그래피(Photolithography) 등의 리소그래피 기술을 이용할 수 있다.
또한, 식각 공정을 이용하여 기판 및 박막에 패턴을 식각하는 단계(330), 및 박막에 기판층의 화학적 식각을 통해 기판에서 박막의 구조체와 연결된 부분을 제거하는 기판의 언더컷(undercut)을 수행하는 단계(340)를 더 포함할 수 있다. 특히, 단계(330)에서는 ICP-RIE(Inductively Coupled Plasma- Reactive Ion Etch)를 RIE(Reactive Ion Etch) 중 적어도 어느 하나 이상을 이용한 건식 식각 공정을 이용하여 기판 및 박막에 패턴을 식각할 수 있다. 또한, 단계(340)에서는 기판의 언더컷 수행 후, 박막에 기판층의 화학적인 습식 식각을 통해 식각을 수행할 수 있다.
여기서 박막의 식각은 RIE만을 단독으로 이용할 수도 있고, ICP-RIE를 모두 이용할 수 있으며, 이는 박막의 물질 및 두께에 따라 다르게 선택될 수 있다. 기판의 언더컷은 실리콘의 경우 TMAH 혹은 KOH 용액을 이용한 습식 식각(Wet etching) 공정, XeF2를 이용한 가스 식각(Gas etching) 공정 등의 모든 화학적 식각 방법을 사용할 수 있으며, 이 경우 박막과의 선택적 식각이 가능한 용액 혹은 가스를 사용한다.
일 실시예에 따른 공진기와 전하구속 구조 일체형 주기성 다리 구조(체)는 스트레인으로 인한 전하구속 구조체와 공진기의 공진 모드의 겹침(Overlap)이 일치하는 구조로 이루어질 수 있다.
특히, 공진기와 전하구속 구조체를 동시에 형성하는 단계(320)는 유한차분시간영역법(Finite Difference Time Domain Method, FDTD), 유한요소법(Finite Elements Method, FEM) 및 유한차분법(Finite Difference Method, FDM) 중 적어도 어느 하나의 전산모사 방법론을 이용하여 소자의 동작 파장에 맞는 구조의 공진기를 설계하여 다른 전산모사 방법론을 이용해 도출한 구조의 스트레인과 상기 스트레인에 의한 인공 전하구속 구조의 발광파장을 일치시킬 수 있다.
이 때, 공진기의 구조는 주기적인 전하구속 효과를 위해 격자상수, 두께, 다리의 너비 및 구멍의 크기 중 적어도 어느 하나 이상의 구조의 변수에 따라 바뀌는 밴드 구조를 조절하여 해당 구조의 첫 번째 밴드의 밴드 끝에서 첫 번째 낮은 굴절률 모드 밴드의 밴드에지(Band Edge)를 가지면서 공진 파장과 일치된 주파수를 갖도록 만들 수 있다. 전산모사 방법론을 이용한 설계 시 발광 특성 및 용도에 따른 특정 모드의 밴드갭을 사용하며, 특정 모드의 밴드갭은 TM 모드(Transverse Magnetic Mode) 또는 TE 모드(Transverse Electric Mode)일 수 있다.
그리고, 단계(320)는 광학적으로 설계된 공진기의 구조에 전산모사 방법론을 적용하여 스트레인 분포를 계산하는 단계를 더 포함할 수 있다.
공진기 역할을 하는 다리와 패드 부분의 너비 비율에 따라 다리에 작용하는 스트레인의 크기를 조절할 수 있고, 광학적으로 설계된 공진기의 좁은 부분에 걸리는 스트레인에 따라 공진기의 전하구속 영역에서 발광파장이 달라질 수 있다.
이와 같이 설계된 다리 구조의 공진기의 넓은 영역과 좁은 영역의 스트레인 차이에 따라 III-V 족 화합물 반도체에서 사용하는 양자우물 구조와 유사한 형태의 주기적 전하구속 구조를 가질 수 있다.
기존의 III-V 족 화합물 반도체 기반의 발광소자는 실리콘 기반에 직접 성장이 거의 불가능하거나, 성장할 경우 큰 구조상수의 차이와 격자 구조의 차이에 따른 큰 결함밀도로 인해 성능의 하락을 야기하게 되지만, 게르마늄 광소자는 실리콘 기반에 직접 성장이 가능하고, 상대적으로 낮은 결함밀도를 갖게 된다. 또한, 게르마늄뿐 아니라 실리콘 기판 위에 직접 성장하면서 다른 열팽창 계수를 갖는 Sn 혹은 GeSn, SiGe 등의 4족 원소 합금의 경우에도 같은 원리가 적용된다.
기존의 게르마늄 혹은 게르마늄-주석 합금 광소자는 낮은 발광효율로 인해 레이저 발진이 어렵거나 높은 에너지 문턱을 가지고, 공진기의 효율이 떨어지거나 외부에 설계된 공진기로 인해 모드분포의 상당부분이 구조의 바깥에 위치함으로써 낮은 모드 겹침 정도를 가지므로 충분한 밀도 반전(Population Inversion)을 얻기 힘들었다.
반면, 실시예들에 따른 구조는 공진기의 형상 자체가 반도체 내에 전하 구속효과를 주기 때문에 전하의 구속 영역과 공진기 모드의 분포영역의 일치로 인한 높은 전자-광자 상호작용을 유도할 수 있다.
열팽창 계수가 다른 모든 이종 기판 에피택시를 통해 제작되는 광소자에서 열팽창에 의한 스트레인을 극대화하고 기판 수직방향이 아닌 수평 방향의 전하 구속효과를 주면서 동시에 광학 모드 분포를 일치시키기 때문에 LED나 화합물 반도체 레이저에 응용할 수 있다.
도 4는 일 실시예에 따른 반도체 다리 위에 공진기가 결합된 주기적 구조의 예를 설명하는 도면이다.
도 4를 참조하면, 일 실시예에 따른 반도체 다리 위에 공진기가 결합된 주기적 구조의 예를 나타내는 것으로, 그 구조에서의 광학적 밴드 구조, 전기장의 분포도, 전기장의 분포영역과 스트레인 분포 영역의 일치를 보여준다.
반도체 다리 위에 공진기를 형성하기 위해서는 포토닉 밴드갭을 가질 수 있는 구조를 형성해야 하며, 밴드갭의 에너지와 공진기의 품위 값은 반도체 다리의 주기적 형상에 따라 결정된다. 공진기는 주기성 구조의 유효 굴절률 변화에 따라 포토닉 밴드갭을 가지며 이는 다양한 형태로 구현할 수 있다.
상술한 도 2의 (b) 구조에 대한 예시에서 전산모사를 할 경우, 공진기 광결정의 첫 번째 밴드는 도 4의 (a) 처럼, 두 번째 밴드는 (b) 처럼 주어지게 되는데, 두 번째 밴드의 경우 후술할 도 5에서 제시한 해당 구조에서의 스트레인 집속 영역과 일치하는 전기장 분포를 가지게 되고, 이는 도 2의 (a)와 (b)뿐 아니라 유사한 형태로 유효 굴절률의 주기적 변화를 갖는 모든 구조의 TM 모드에서 같은 형태로 주어진다.
인장력에 의해 밴드갭의 감소를 가지는 모든 반도체 물질(예: 게르마늄, 게르마늄-주석 합금, 여타 화합물 반도체)의 경우에 주기적인 인장력의 변화를 줄 경우 밴드구조의 변화에 따라 인장력의 변화주기와 같은 밴드구조상의 우물을 가지게 된다. 이에 따라 인장력이 강하게 걸린 밴드구조상의 우물 영역에 전자가 모이는 효과를 얻을 수 있다. 이러한 주기적인 인장력의 변화는 다리 구조의 넓이에 주기적인 변화를 줌으로써 얻을 수 있는데, 이러한 구조는 광학적으로는 광결정의 구조와 매우 유사하다. 공진 모드의 전기장 분포가 인장력의 집속 영역과 일치할 경우, 전하 수송자가 인장력에 의해 형성된 전하 우물 내에 고립될 확률이 높아지고, 더 높은 밀도의 전하 수송자와 전기장이 상호작용을 하게 되어 레이저의 발진 가능성을 높여준다.
그리고 도 5는 일 실시예에 따른 공진기 구조와 결합된 다리에서의 스트레인 분포도를 나타내는 도면이다.
실시예들에 따르면 이종 기판 에피택시에서 스트레인을 이용한 주기적 전하구속 구조와 공진기를 동시에 제조할 수 있으며, 기판과의 열팽창 계수 차이로 인한 스트레인 인가 시에 주기적 구조를 이용하여 스트레인에 의한 인공적인 주기적 전하구속 구조를 만들 수 있다. 그리고 반도체 주기적 구조를 이용한 인공 전하구속 구조를 공진기의 광학 모드 분포와 일치함으로써 반도체 전하구속 구조의 전하 구속 영역을 일치시킬 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
또한, 명세서에 기재된 "…부", "…모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
또한, 각 도면을 참조하여 설명하는 실시예의 구성 요소가 해당 실시예에만 제한적으로 적용되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상이 유지되는 범위 내에서 다른 실시예에 포함되도록 구현될 수 있으며, 또한 별도의 설명이 생략될지라도 복수의 실시예가 통합된 하나의 실시예로 다시 구현될 수도 있음은 당연하다.
또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일하거나 관련된 참조 부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.
Claims (15)
- 이종기판 위에 성장한 박막에 패터닝(Patterning)을 통해 구성된 주기성을 갖는 다리(Bridge) 구조의 공진기
를 포함하고,
상기 이종기판에 반도체 박막을 성장시키고 열팽창 계수 차이 또는 기판간의 격자상수 차이에 따른 스트레인(Strain)을 인가한 후, 상기 공진기의 구조의 스트레인 주기성에 따른 전하구속 구조체가 형성되는 것
을 특징으로 하는, 공진기와 전하구속 구조 일체형 주기성 다리 구조체. - 제1항에 있어서,
스트레인으로 인한 상기 전하구속 구조체와 상기 공진기의 공진 모드의 겹침(Overlap)이 일치하는 구조로 이루어지는 것
을 특징으로 하는, 공진기와 전하구속 구조 일체형 주기성 다리 구조체. - 제1항에 있어서,
굴절률 및 스트레인의 주기적 동시변화를 이용한 공진기와 전하구속 구조의 일체형 주기성 다리 구조로 이루어져 상기 기판에 수평 방향으로 전하 구속효과를 주고 광학 모드 분포를 일치시키는 것
을 특징으로 하는, 공진기와 전하구속 구조 일체형 주기성 다리 구조체. - 제1항에 있어서,
상기 공진기는,
상기 기판 위에 성장한 반도체 박막이 열 팽창계수의 차이에 의해 스트레인을 받는, 박막에 패터닝(Patterning)을 통한 나노-마이크로 크기의 다리 구조로 이루어지는 것
을 특징으로 하는, 공진기와 전하구속 구조 일체형 주기성 다리 구조체. - 제1항에 있어서,
상기 공진기는,
상기 기판이 실리콘 기판으로 이루어지며, 상기 실리콘 기판 상에 게르마늄 박막을 성장시킨 후 패터닝을 통해 다리 구조를 갖는 것
을 특징으로 하는, 공진기와 전하구속 구조 일체형 주기성 다리 구조체. - 제1항에 있어서,
상기 전하구속 구조체는,
설계된 다리 구조의 상기 공진기의 넓은 영역과 좁은 영역의 스트레인 차이에 따라 III-V 족 화합물 반도체에서 사용하는 전하구속 구조와 유사한 형태의 주기적 전하구속 구조를 갖는 것
을 특징으로 하는, 공진기와 전하구속 구조 일체형 주기성 다리 구조체. - 이종기판에 반도체 박막을 성장시키고 열팽창 계수 차이 또는 기판간의 격자상수 차이에 따른 스트레인(Strain)을 인가하는 단계; 및
상기 박막에 패터닝(Patterning) 공정을 통해 다리(Bridge) 구조를 갖는 공진기와 전하구속 구조체를 동시에 형성하는 단계
를 포함하는, 공진기와 전하구속 구조 일체형 주기성 다리 구조 제조 방법. - 제7항에 있어서,
식각 공정을 이용하여 상기 기판 및 상기 박막에 패턴을 식각하는 단계; 및
상기 박막에 기판층의 화학적 식각을 통해 상기 기판에서 상기 박막의 구조체와 연결된 부분을 제거하는 상기 기판의 언더컷(undercut)을 수행하는 단계
를 더 포함하는, 공진기와 전하구속 구조 일체형 주기성 다리 구조 제조 방법. - 제7항에 있어서,
상기 공진기와 전하구속 구조체를 동시에 형성하는 단계는,
전산모사 방법론을 이용하여 소자의 동작 파장에 맞는 구조의 상기 공진기를 설계하여, 다른 전산모사 방법론을 이용해 도출한 구조의 스트레인과 상기 스트레인에 의한 인공 전하구속 구조의 발광파장을 일치시키는 단계
를 포함하는, 공진기와 전하구속 구조 일체형 주기성 다리 구조 제조 방법. - 제9항에 있어서,
상기 공진기의 구조는,
주기적인 전하구속 효과를 위해 격자상수, 두께, 다리의 너비 및 구멍의 크기 중 적어도 어느 하나 이상의 구조의 변수에 따라 바뀌는 밴드 구조를 조절하여 해당 구조의 첫 번째 밴드의 밴드 끝에서 첫 번째 낮은 굴절률 모드 밴드의 밴드에지(Band Edge)를 가지면서 공진 파장과 일치된 주파수를 갖도록 만드는 것
을 특징으로 하는, 공진기와 전하구속 구조 일체형 주기성 다리 구조 제조 방법. - 제9항에 있어서,
상기 공진기와 전하구속 구조체를 동시에 형성하는 단계는,
상기 전산모사 방법론을 이용한 설계 시 발광 특성 및 용도에 따른 특정 모드의 밴드갭을 사용하며, 상기 특정 모드의 밴드갭은 대상 물질의 발광 특성에 따라 TM 모드(Transverse Magnetic Mode) 또는 TE 모드(Transverse Electric Mode)인 것
을 특징으로 하는, 공진기와 전하구속 구조 일체형 주기성 다리 구조 제조 방법. - 제9항에 있어서,
상기 공진기와 전하구속 구조체를 동시에 형성하는 단계는,
광학적으로 설계된 상기 공진기의 구조에 상기 전산모사 방법론을 적용하여 스트레인 분포를 계산하는 단계
를 더 포함하는, 공진기와 전하구속 구조 일체형 주기성 다리 구조 제조 방법. - 제12항에 있어서,
상기 공진기의 구조에 상기 전산모사 방법론을 적용하여 스트레인 분포를 계산하는 단계는,
공진기 역할을 하는 다리와 패드 부분의 너비 비율에 따라 다리에 작용하는 스트레인의 크기를 조절할 수 있고, 광학적으로 설계된 공진기의 좁은 부분에 걸리는 스트레인에 따라 공진기의 전하구속 영역에서 발광파장이 달라지는 것
을 특징으로 하는, 공진기와 전하구속 구조 일체형 주기성 다리 구조 제조 방법. - 제7항에 있어서,
설계된 다리 구조의 상기 공진기의 넓은 영역과 좁은 영역의 스트레인 차이에 따라 통상의 화합물 반도체에서 사용하는 양자우물 구조와 유사한 형태의 주기적 전하구속 구조를 갖는 것
을 특징으로 하는, 공진기와 전하구속 구조 일체형 주기성 다리 구조 제조 방법. - 제7항에 있어서,
스트레인으로 인한 상기 전하구속 구조체와 상기 공진기의 공진 모드의 겹침(Overlap)이 일치하는 구조로 이루어지는 것
을 특징으로 하는, 공진기와 전하구속 구조 일체형 주기성 다리 구조 제조 방법.
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