KR102276913B1 - 광 다이오드를 가지는 광전 변환 소자 및 광 신호 수신 유닛 - Google Patents

광 다이오드를 가지는 광전 변환 소자 및 광 신호 수신 유닛 Download PDF

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Abstract

광 신호를 전기 신호로 변환하는 과정에서 손실을 최소화하고, 소형화가 가능한 광 다이오드를 가지는 광전 변환 소자 및 광 신호 수신 유닛을 제공한다. 본 발명에 따른 광전 변환 소자는, 서로 반대되는 제1 면과 제2 면을 가지며 제1 면 및 제2 면 중 하나의 면이 광 입사면인 기판, 기판의 제1 면에 형성되는 광 다이오드, 기판의 제1 면 및 제2 면 중 광 입사면의 반대 면 상에 형성되는 반사층 및 기판의 광 입사면 상에 형성되는 마이크로 렌즈를 포함한다.

Description

광 다이오드를 가지는 광전 변환 소자 및 광 신호 수신 유닛{Photoelectric conversion device and optical signal receiving unit having photodiode}
본 발명은 광전 변환 소자 및 광 신호 수신 유닛에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 광 다이오드를 가지는 광전 변환 소자 및 광 신호 수신 유닛에 관한 것이다.
전자 산업의 비약적인 발전 및 사용자의 요구에 따라 전자기기는 더욱 더 고속화가 요구되고 있다. 이에 따라서 전자기기에 내부의 통신 또는 전자기기와 외부의 통신 속도에 대한 증가 필요성 또한 높아지고 있다. 이에 따라 광을 이용한 고속 통신이 도입되고 있으나, 광 신호를 전기 신호로 변환하는 과정에서 손실이 발생하거나, 상대적으로 큰 크기를 가지는 연결 장치를 필요로 하는 문제점이 있다.
본 발명의 기술적 과제는 상기 문제점을 해결하고자, 광 신호를 전기 신호로 변환하는 과정에서 손실을 최소화하고, 소형화가 가능한 광 다이오드를 가지는 광전 변환 소자 및 광 신호 수신 유닛을 제공하는 데 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은 다음과 같은 광 다이오드를 가지는 광전 변환 소자 및 광 신호 수신 유닛을 제공한다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 광전 변환 소자는, 서로 반대되는 제1 면과 제2 면을 가지며, 상기 제1 면 및 상기 제2 면 중 하나의 면이 광 입사면인 기판; 상기 기판의 상기 제1 면에 형성되는 광 다이오드; 상기 기판의 상기 제1 면 및 상기 제2 면 중, 상기 광 입사면의 반대 면 상에 형성되는 반사층; 및 상기 기판의 상기 광 입사면 상에 형성되는 마이크로 렌즈;를 포함한다.
상기 광 다이오드는, 제1 도전형 반도체층, 제2 도전형 반도체층 및 상기 제1 및 제2 도전형 반도체층 사이에 배치되는 광 흡수 반도체층으로 이루어질 수 있다.
상기 제1 도전형 반도체층, 상기 광 흡수 반도체층 및 제2 도전형 반도체층은 상기 제1 면으로부터 수직 방향으로 배열될 수 있다.
상기 제1 도전형 반도체층의 수평 면적은 상기 제2 도전형 반도체층의 수평 면적보다 작을 수 있다.
상기 광 흡수 반도체층의 수평 면적은 상기 제2 도전형 반도체층의 수평 면적보다 작을 수 있다.
상기 마이크로 렌즈의 수평 면적은 상기 광 흡수 반도체층의 수평 면적보다 클 수 있다.
상기 마이크로 렌즈의 중심은 상기 광 흡수 반도체층의 중심으로부터 옵셋(offset)될 수 있다.
상기 광 다이오드 상의 일부분을 덮는 반사 금속층을 더 포함할 수 있다.
상기 제1 도전형 반도체층, 상기 광 흡수 반도체층 및 제2 도전형 반도체층은 상기 제1 면에 대하여 평행한 방향으로 배열될 수 있다.
상기 제1 면에 형성되는 격자 커플러 및 상기 격자 커플러와 상기 광 다이오드 사이에 배치되는 도파관을 더 포함하며, 상기 마이크로 렌즈는 상기 격자 커플러 상에 형성될 수 있다.
상기 광 입사면은 상기 기판의 상기 제1 면일 수 있다.
상기 광 입사면은 상기 기판의 상기 제2 면이며, 상기 반사층은 상기 광 다이오드 상에 형성될 수 있다.
상기 기판과 상기 마이크로 렌즈 사이에 배치되는 반사 방지층을 더 포함할 수 있다.
상기 기판과 상기 마이크로 렌즈 사이에 배치되는 광 아이솔레이터층(optical isolator layer)을 더 포함할 수 있다.
상기 반사층은 상기 광 다이오드를 향하여 오목 형상을 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 광전 변환 소자는, 서로 반대되는 제1 면과 제2 면을 가지는 기판; 상기 기판의 상기 제1 면에 형성되는 광 다이오드; 상기 기판의 상기 제1 면 상에 형성되어 광이 입사되는 마이크로 렌즈; 및 상기 기판의 상기 제2 면 상에 형성되며, 상기 마이크로 렌즈를 통하여 입사된 광을 상기 광 다이오드를 향하여 반사시키는 반사층;을 포함한다.
상기 광 다이오드는, 제1 도전형 반도체층, 제2 도전형 반도체층 및 상기 제1 및 제2 도전형 반도체층 사이에 배치되는 광 흡수 반도체층이 상기 제1 면으로부터 수직 방향으로 배치되며, 상기 제2 도전형 반도체층의 수평 면적이 상기 제1 도전형 반도체층의 수평 면적보다 클 수 있다.
상기 마이크로 렌즈의 수평 면적은, 상기 제2 도전형 반도체층의 수평 면적보다 클 수 있다.
상기 마이크로 렌즈의 중심은 상기 광 흡수 반도체층의 중심으로부터 옵셋(offset)될 수 있다.
상기 기판의 상기 제1 면에 대하여 수직한 방향으로, 상기 광 흡수 반도체층의 적어도 일부분과 상기 마이크로 렌즈는 서로 중첩되지 않을 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 광 신호 수신 유닛은, 서로 반대되는 제1 면과 제2 면을 가지는 기판, 상기 기판의 상기 제1 면에 형성되는 광 다이오드, 상기 기판의 상기 제1 면 상에 형성되어 광 신호가 입사되는 마이크로 렌즈, 및 상기 마이크로 렌즈를 통하여 입사된 광 신호를 상기 광 다이오드를 향하여 반사시키도록 상기 기판의 상기 제2 면 상에 형성되는 반사층을 포함하는 광전 변환 소자; 및 상기 광 다이오드의 수평 면적보다 큰 단면적을 가지는 파이버 코어가 형성되는 광 케이블;을 포함하며, 상기 마이크로 렌즈에 대응되는 상기 광 케이블의 중심축은 상기 기판의 상기 제1 면의 법선에 대하여 기울기를 가진다.
상기 광 다이오드는, 제1 도전형 반도체층, 제2 도전형 반도체층 및 상기 제1 및 제2 도전형 반도체층 사이에 배치되는 광 흡수 반도체층으로 이루어지며, 상기 마이크로 렌즈의 중심은 상기 광 흡수 반도체층의 중심으로부터 옵셋(offset)될 수 있다.
상기 마이크로 렌즈의 중심과 상기 광 흡수 반도체층의 중심의 옵셋되는 거리는, 2ㅧtㅧtanθ(여기에서, t는 기판의 두께, θ는 상기 제1 면의 법선과 상기 광 케이블이 이루는 각도)일 수 있다.
상기 기판의 두께는, FLㅧcosθ/2(여기에서, FL은 상기 마이크로 렌즈의 초점 거리, θ는 상기 제1 면의 법선과 상기 광 케이블이 이루는 각도)일 수 있다.
상기 광 다이오드 상에 형성되는 반사 금속층을 더 포함할 수 있다.
상기 반사 금속층의 수평 면적은 상기 광 흡수 반도체층의 수평 면적보다 작을 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 광 신호 수신 유닛은, 서로 반대되는 제1 면과 제2 면을 가지는 기판, 상기 기판의 상기 제1 면에 형성되는 광 다이오드 및 신호 처리 반도체 소자, 상기 기판의 상기 제1 면 상에 형성되는 마이크로 렌즈, 및 상기 마이크로 렌즈를 통하여 입사된 광 신호를 상기 광 다이오드를 향하여 반사시키도록 상기 기판의 상기 제2 면 상에 형성되는 반사층을 포함하는 반도체 칩; 상기 기판의 상기 제1 면의 법선에 대하여 기울기를 가지도록 상기 마이크로 렌즈를 향하여 광 신호를 입사시키는 광 케이블; 및 상기 광 다이오드에서 광전 변환한 광 전류로부터 상기 신호 처리 반도체 소자가 신호 처리한 전기 신호를 출력하도록, 상기 신호 처리 반도체 소자와 전기적으로 연결되는 신호 단자부;를 포함한다.
상기 광 다이오드는, 제1 도전형 반도체층, 제2 도전형 반도체층 및 상기 제1 및 제2 도전형 반도체층 사이에 배치되는 광 흡수 반도체층으로 이루어지고, 상기 광 케이블은 상기 광 흡수 반도체층의 수평 면적보다 큰 단면적을 가지는 파이버 코어가 형성될 수 있다.
상기 제1 도전형 반도체층, 상기 광 흡수 반도체층, 및 상기 제2 도전형 반도체층 각각의 중심은 상기 제1 면에 대한 수직 방향을 따라서 정렬되며, 상기 마이크로 렌즈의 중심은 상기 광 흡수 반도체층의 중심에 대하여 상기 제1 면에 대한 수평 방향으로 옵셋될 수 있다.
상기 기판의 두께는, (FL/2)ㅧ0.95보다 크거나 같고, (FL/2)ㅧ1.05보다 작거나 같을 수 있다(여기에서, FL은 상기 마이크로 렌즈의 초점 거리).
본 발명에 따른 광 다이오드를 가지는 광전 변환 소자 및 광 신호 수신 유닛은, 광 다이오드에서 흡수되는 광 흡수 효율을 향상시킬 수 있어 손실의 최소화가 가능하다.
또한 본 발명에 따른 광 다이오드를 가지는 광전 변환 소자 및 광 신호 수신 유닛은, 광전 변환 소자에 입사되는 광에 대한 초점 거리 확보를 위한 두꺼운 투명 절연층을 형상하지 않아도 된다. 따라서 광전 변환 소자 및 광 신호 수신 유닛에 포함되는 신호 처리 반도체 소자를 하나의 반도체 칩으로 형성해도, 광전 변환 소자 및 신호 처리 반도체 소자 사이의 단차를 최소화할 수 있고, 신호 처리 반도체 소자의 성능이 저하되지 않는다. 따라서 본 발명에 따른 광 다이오드를 가지는 광전 변환 소자 및 광 신호 수신 유닛은 소형화가 가능하다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 광 신호 수신 유닛의 요부를 나타내는 구성도이다.
도 2a는 본 발명의 일 실시 예에 따른 광전 변환 소자의 요부를 나타내는 단면도이다.
도 2b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 광전 변환 소자의 요부의 배치를 나타내는 평면 배치도이다. 도 2b는 구체적으로, 도 2a에 보인 광전 변환 소자의 구성 중 광 다이오드와 마이크로 렌즈의 배치를 나타내는 평면 배치도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 광전 변환 소자의 요부를 나타내는 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 광전 변환 소자의 요부를 나타내는 단면도이다.
도 5a는 본 발명의 일 실시 예에 따른 광전 변환 소자의 요부를 나타내는 단면도이다.
도 5b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 광전 변환 소자의 요부의 배치를 나타내는 평면 배치도이다. 도 5b는 구체적으로, 도 5a에 보인 광전 변환 소자의 구성 중 광 다이오드, 마이크로 렌즈 및 반사 금속층의 배치를 나타내는 평면 배치도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 광전 변환 소자의 요부를 나타내는 단면도이다.
도 7a는 본 발명의 일 실시 예에 따른 광전 변환 소자의 요부를 나타내는 단면도이다.
도 7b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 광전 변환 소자의 요부의 배치를 나타내는 평면 배치도이다. 도 7b는 구체적으로, 도 7a에 보인 광전 변환 소자의 구성 중 광 다이오드와 마이크로 렌즈의 배치를 나타내는 평면 배치도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 광전 변환 소자의 요부를 나타내는 단면도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 광전 변환 소자의 요부를 나타내는 단면도이다.
도 10a는 본 발명의 일 실시 예에 따른 광전 변환 소자의 요부를 나타내는 단면도이다.
도 10b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 광전 변환 소자의 요부의 배치를 나타내는 평면 배치도이다. 도 10b는 구체적으로, 도 10a에 보인 광전 변환 소자의 구성 중 광 다이오드, 마이크로 렌즈 및 반사 금속층의 배치를 나타내는 평면 배치도이다.
도 11은 본 발명의 일 실시 예에 따른 광전 변환 소자의 요부를 나타내는 단면도이다.
도 12는 본 발명의 일 실시 예에 따른 광전 변환 소자의 요부를 나타내는 단면도이다.
도 13은 본 발명의 일 실시 예에 따른 광전 변환 소자의 요부를 나타내는 단면도이다.
도 14a는 본 발명의 일 실시 예에 따른 광전 변환 소자의 요부를 나타내는 단면도이다.
도 14b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 광전 변환 소자의 요부의 배치를 나타내는 평면 배치도이다. 도 14b는 구체적으로, 도 14a에 보인 광전 변환 소자의 구성 중 광 다이오드와 마이크로 렌즈의 배치를 나타내는 평면 배치도이다.
도 15a는 본 발명의 일 실시 예에 따른 광전 변환 소자의 요부를 나타내는 단면도이다.
도 15b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 광전 변환 소자의 요부의 배치를 나타내는 평면 배치도이다. 도 15b는 구체적으로, 도 15a에 보인 광전 변환 소자의 구성 중 광 다이오드, 마이크로 렌즈 및 반사 금속층의 배치를 나타내는 평면 배치도이다.
도 16은 본 발명의 일 실시 예에 따른 광전 변환 소자의 요부를 나타내는 단면도이다.
도 17은 본 발명의 일 실시 예에 따른 광전 변환 소자의 요부를 나타내는 단면도이다.
도 18은 본 발명의 일 실시 예에 따른 광전 변환 소자의 요부를 나타내는 단면도이다.
도 19는 본 발명의 일 실시 예에 따른 광전 변환 소자의 요부를 나타내는 단면도이다.
도 20은 본 발명의 일 실시 예에 따른 광전 변환 소자의 요부를 나타내는 단면도이다.
도 21은 본 발명의 일 실시 예에 따른 광 신호 수신 유닛을 포함하는 시스템의 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 22는 본 발명의 일 실시 예에 따른 광 신호 수신 유닛을 통하여 연결되는 시스템 및 외부 장치를 개략적으로 나타내는 도면이다.
본 발명의 구성 및 효과를 충분히 이해하기 위하여, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예들을 설명한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라, 여러 가지 형태로 구현될 수 있고 다양한 변경을 가할 수 있다. 단지, 본 실시 예들에 대한 설명은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위하여 제공되는 것이다. 첨부된 도면에서 구성 요소들은 설명의 편의를 위하여 그 크기를 실제보다 확대하여 도시한 것이며, 각 구성 요소의 비율은 과장되거나 축소될 수 있다.
어떤 구성 요소가 다른 구성 요소에 "상에" 있다거나 "접하여" 있다고 기재된 경우, 다른 구성 요소에 상에 직접 맞닿아 있거나 또는 연결되어 있을 수 있지만, 중간에 또 다른 구성 요소가 존재할 수 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면, 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소의 "바로 위에" 있다거나 "직접 접하여" 있다고 기재된 경우에는, 중간에 또 다른 구성 요소가 존재하지 않는 것으로 이해될 수 있다. 구성 요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 예를 들면, "∼사이에"와 "직접 ∼사이에" 등도 마찬가지로 해석될 수 있다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 표현하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. "포함한다" 또는 "가진다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하기 위한 것으로, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들이 부가될 수 있는 것으로 해석될 수 있다.
본 발명의 실시 예들에서 사용되는 용어들은 다르게 정의되지 않는 한, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 통상적으로 알려진 의미로 해석될 수 있다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함으로써 본 발명을 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 광 신호 수신 유닛의 요부를 나타내는 구성도이다.
도 1은 참조하면, 광 신호 수신 유닛(1)은 반도체 칩(10) 및 광 케이블(20)을 포함한다.
광 신호 수신 유닛(1)은 예를 들면, 액티브 광 케이블(active optical cable)일 수 있다. 본 명세서에서, 광 신호 수신 유닛(1)은 광 신호를 수신하는 부분에 대해서설명되나, 광 신호를 송신할 수 있는 기능을 함께 수행할 수 있다.
반도체 칩(10)은 광전 변환 소자(100) 및 신호 처리 반도체 소자(200)를 포함할 수 있다. 본 명세서에서, 광전 변환 소자(100)는 광 신호를 전기 신호로 변환하는 작용에 대해서 설명되나, 전기 신호를 광 신호로 변환하는 작용을 함께 수행할 수 있다. 반도체 칩(10)은 반도체 웨이퍼에 복수개의 반도체 칩을 형성한 후, 백 랩(back-lap)을 통하여 반도체 웨이퍼를 얇게 만든 후, 다이 소잉(die sawing)을 통하여 개별 반도체 칩(10)으로 분리하여 형성할 수 있다. 후술하겠으나, 본 발명에 따른 광전 변환 소자(100)는 백 랩을 통하여 얇게 형성한 경우에도 광전 변환 소자(100)에 입사되는 광의 흡수율을 향상시킬 수 있다.
광전 변환 소자(100)는 광 신호를 입사받아 전기 신호인 광 전류로 변환하는 광전 변환을 할 수 있다. 광전 변환 소자(100)는 예를 들면, 하나 또는 복수의 광 다이오드를 포함할 수 있다. 이후에서는 하나의 광 다이오드를 위주로 설명하나, 본 발명은 이에 제한되지 않는다. 광전 변환 소자(100)는 예를 들면, PIN 다이오드를 포함할 수 있다.
신호 처리 반도체 소자(200)는 광전 변환 소자(100)에서 광전 변환한 광 전류에 대한 신호 처리를 수행할 수 있다. 신호 처리 반도체 소자(200)는 예를 들면, 디코딩, 인코딩, 증폭 등의 다양한 방식으로 신호 처리를 수행할 수 있다. 신호 처리 반도체 소자(200)가 신호 처리한 전기 신호는 신호 처리 반도체 소자(200)와 전기적으로 연결되는 신호 단자부(300)를 통하여 출력될 수 있다.
신호 처리 반도체 소자(200)와 신호 단자부(300)는 광 신호 수신 유닛(1)이 지원하는 통신 규격에 따라서 다양하게 구성될 수 있다. 예를 들면, 광 신호 수신 유닛(1)은 10 Gbit/s 이상의 데이터 전송 속도를 지원하도록 SFP+(enhanced small form-factor pluggable) 규격(specification)을 지원할 수 있으며, 이 경우, 신호 처리 반도체 소자(200)와 신호 단자부(300)는 SFP+ 규격을 지원하도록 구성될 수 있다.
광 케이블(20)은 예를 들면, 하나 또는 복수의 광 섬유(optical fibre)를 포함할 수 있다. 광 섬유는 신호를 담고 있는 광, 즉 광 신호가 전달되는 파이버 코어(22) 및 이를 감싸는 클래딩 물질로 이루어질 수 있다. 본 명세서에서는 예시적으로 광 케이블(20) 내부에 광 섬유를 이루는 하나의 파이버 코어(22)가 있는 것으로 도시하며, 이후에서는 하나의 파이버 코어(22)를 위주로 설명하나, 본 발명은 이에 제한되지 않는다.
본 명세서에서 광은 광의 물리적인 특징(예를 들면, 반사 등)을 설명할 때에 주로 사용되고, 광 신호는 데이터 통신을 위한 신호를 담고 있는 광을 설명할 때에 주로 사용되나, 본 명세서에서 광과 광 신호는 실질적으로는 동일한 개념을 가지는 용어로, 서로 혼용될 수 있다.
본 명세서에서, 광 또는 광 신호의 진행 방향 또는 입사 방향은, 파이버 코어(22)를 통하여 전달되는 광파 각각의 진행 방향을 의미하는 것이 아니고, 하나의 파이버 코어(22)를 통하여 전달되는 광파 전체의 진행 방향을 의미한다. 따라서 본 발명의 명세서에서 광 또는 광 신호의 진행 방향 또는 입사 방향은 파이버 코어(22)의 단면적에 대한 법선 방향을 의미한다. 또한 본 명세서에서, 광 케이블(20)이 이루는 각도라 함은, 광 케이블(20)의 일단에서 광전 변환 소자를 향하여 제공되는 광 또는 광 신호의 진행 방향 또는 입사 방향이 기준 방향(예를 들면, 제1 면에 대한 수직 방향), 또는 기준 선의 방향(예를 들면, 법선 방향)과 이루는 각도를 의미한다. 즉, 본 명세서에서, 광 케이블(20)이 이루는 각도라 함은, 광 또는 광 신호가 제공되는 광 케이블(20)의 일단에서의 파이버 코어(22)의 단면적에 대한 법석 방향, 즉 광 케이블(20)의 중심축이 기준 방향, 또는 기준 선의 방향과 이루는 각도를 의미한다.
도 2a는 본 발명의 일 실시 예에 따른 광전 변환 소자의 요부를 나타내는 단면도이다.
도 2b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 광전 변환 소자의 요부의 배치를 나타내는 평면 배치도이다. 도 2b는 구체적으로, 도 2a에 보인 광전 변환 소자의 구성 중 광 다이오드와 마이크로 렌즈의 배치를 나타내는 평면 배치도이다.
도 2a 및 도 2b를 함께 참조하면, 광전 변환 소자(100)는 기판(110), 광 다이오드(120), 반사층(130) 및 마이크로 렌즈(140)를 포함한다.
기판(110)은 서로 반대되는 제1 면(112)과 제2 면(114)을 가질 수 있으며, 광 다이오드(100)는 기판(110)의 제1 면(112)에 형성될 수 있다.
광 다이오드(120)는 제1 도전형 반도체층(122), 광 흡수 반도체 층(124) 및 제2 도전형 반도체층(126)을 포함하는 PIN 다이오드일 수 있다. 광 흡수 반도체 층(124)은 제1 도전형 반도체층(122)과 제2 도전형 반도체층(126) 사이에 배치될 수 있다. 제1 도전형 반도체층(122), 광 흡수 반도체층(124) 및 제2 도전형 반도체층(126)은 기판(110)의 제1 면(112)으로부터 수직 방향으로 배열될 수 있다.
제1 도전형 반도체층(122) 및 제2 도전형 반도체층(126)은 각각 p형 및 n형의 도전형을 가질 수 있다. 또는 제1 도전형 반도체층(122) 및 제2 도전형 반도체층(126)은 각각 n형 및 p형의 도전형을 가질 수 있다. 광 흡수 반도체층(124)은 인트린직(intrisic) 반도체 물질로 이루어지거나, 상대적으로 낮은 도핑 농도를 가질 수 있다. 제1 도전형 반도체층(122) 및 제2 도전형 반도체층(126)은 상대적으로 높은 도핑 농도를 가질 수 있다. 예를 들면, 제1 도전형 반도체층(122) 및 제2 도전형 반도체층(126)은 각각과 접촉하는 도전성 콘택 플러그와 오믹 콘택을 이루기에 충분한 도핑 농도를 가질 수 있다. 광 흡수 반도체층(124)은 제1 도전형 반도체층(122) 및 제2 도전형 반도체층(126)과 비교하여 실질적으로 인트린직 반도체에 가까울 정도로 낮은 도핑 농도를 가질 수 있다.
기판(110)은 예를 들면, 실리콘(Si, silicon)을 포함할 수 있다. 또는 기판(110)은 저머늄(Ge, germanium)과 같은 반도체 원소, 또는 SiC (silicon carbide), GaAs(gallium arsenide), InAs (indium arsenide), 및 InP (indium phosphide)와 같은 화합물 반도체를 포함할 수 있다. 또는 기판(110)은 SOI (silicon on insulator) 구조를 가질 수 있다. 예를 들면, 기판(110)은 BOX 층(buried oxide layer)을 포함할 수 있다. 기판(110)은 도전 영역, 예를 들면 불순물이 도핑된 웰 (well), 또는 불순물이 도핑된 구조물을 포함할 수 있다.
기판(110)은 반도체 기판 상에 형성된 층간 절연물질층을 포함할 수 있다. 광 흡수 반도체층(124)은 층간 절연물질층 또는 별도로 형성한 소자 분리 절연층에 의하여 그 주변과 전기적으로 절연될 수 있다.
예를 들면, 기판(110)은 광 다이오드(120) 하면에 대응되거나 인접하는 상면을 가지는 반도체 기판, 및 광 다이오드(120)의 측면의 적어도 일부분을 덮도록 상기 반도체 기판 상에 형성되는 층간 절연물질층을 포함할 수 있다. 예를 들면, 기판(110)은 광 흡수 반도체층(124)의 하면에 대응되거나 인접하는 상면을 가지는 반도체 기판, 및 제1 도전형 반도체층(122) 및 광 흡수 반도체층(124)의 측면의 적어도 일부분을 덮도록 상기 반도체 기판 상에 형성되는 층간 절연물질층을 포함할 수 있다. 예를 들면, 기판(110)은 제1 도전형 반도체층(122)의 하면에 대응되거나 인접하는 상면을 가지는 반도체 기판, 및 제1 도전형 반도체층(122)의 측면의 적어도 일부분을 덮도록 상기 반도체 기판 상에 형성되는 층간 절연물질층을 포함할 수 있다.
즉, 광 다이오드(120)는 반도체 기판 상에 제2 도전형 반도체층(126), 광 흡수 반도체층(124) 및 제1 도전형 반도체층(122)을 순차적으로 적층하여 형성할 수 있다. 또는 광 다이오드(120)는 반도체 기판 내에 제2 도전형 불순물을 주입하여 제2 도전형 반도체층(126)을 형성한 후, 광 흡수 반도체층(124) 및 제1 도전형 반도체층(122)을 순차적으로 적층하여 형성할 수 있다. 또는 광 다이오드(120)는 반도체 기판 내부에 제2 도전형 반도체층(126) 및 광 흡수 반도체층(124)을 형성하고, 이후에 제1 도전형 반도체층(122)을 적층하여 형성할 수 있다. 또는 광 다이오드(120)는 반도체 기판 내부에 제2 도전형 반도체층(126), 광 흡수 반도체층(124) 및 제1 도전형 반도체층(122)이 적층하도록 형성할 수 있다.
제1 도전형 반도체층(122) 및 제2 도전형 반도체층(126) 상에는, 광 다이오드(120)에서 생성된 광 전류를 광 다이오드(120)의 외부로 전달하기 위한 도전성 콘택 플러그가 각각 연결될 수 있다. 또한 광 다이오드(120) 상에는 도전성 콘택 플러그와 연결되는 도전성 배선이 형성되어, 도 1에 보인 신호 처리 반도체 소자(200)로 광 전류를 제공할 수 있다.
기판(110)의 제2 면(114) 상에는 반사층(130)이 형성될 수 있고, 기판(110)의 제1 면(112) 상에는 마이크로 렌즈(140)가 형성될 수 있다. 반사층(130)은 마이크로 렌즈(140)를 통하여 입사된 광을 광 다이오드(120)를 향하여 반사시킬 수 있다.
반사층(130)은 예를 들면, 금속성 물질 또는 다층 절연막으로 이루어질 수 있다. 반사층(130)은 예를 들면, 알루미늄(Al), 은(Ag), 이들의 합금, 은(Ag)계 산화물(Ag-O), APC 합금(Ag, Pd, Cu를 포함하는 합금), 로듐(Rh), 구리(Cu), 팔라듐(Pd), 니켈(Ni), 루테늄(Ru), 이리듐(Ir) 및 백금(Pt) 중의 적어도 어느 하나를 더 포함할 수 있다. 반사층(130)은 예를 들면, 분산 브래그 반사기(distributed Bragg reflector, DBR)일 수 있다. 반사층(130)은 예를 들면, "mλ/4n" 의 두께를 각각 가지고 교대로 적층된 복수의 층들로 구성될 수 있다. 여기에서, λ는 반사되는 광의 파장, n은 매질의 굴절률, m은 홀수이다. 반사층(130)은 예를 들면, 저굴절률층과 고굴절률층의 적층 구조가 연속적으로 반복되는 적층 구조를 가질 수 있다. 저굴절률층은, 예를 들어 실리콘 산화물(SiO2, 굴절률 1.4) 또는 알루미늄 산화물(Al2O3, 굴절률 1.6)을 포함할 수 있다. 고굴절률층은, 예를 들어, 실리콘 질화물(Si3N4, 굴절률 2.05~2.25) 티타늄 질화물(TiO2, 굴절률 2 이상), 또는 Si-H(굴절률 3 이상)를 포함할 수 있다.
마이크로 렌즈(140)는 예를 들면, TMR 계열의 수지 (Tokyo Ohka Kogyo, Co. 제품) 또는 MFR 계열의 수지 (Japan Synthetic Rubber Corporation 제품)으로 이루어질 수 있다. 마이크로 렌즈(140)는 광 다이오드(120), 특히 제1 도전형 반도체층(122) 상에 바로 형성된 것으로 도시되었으나, 마이크로 렌즈(140)와 제1 도전형 반도체층(122) 사이에는 투명 절연층이 더 형성될 수 있다.
광 케이블(도 1의 20)에 포함된 광 섬유의 파이버 코어(22)로부터 제공되는 광은 마이크로 렌즈(140)를 통하여, 기판(110)의 제1 면(112)으로 입사될 수 있다. 파이버 코어(22)로부터 입사되는 광의 입사 방향은 기판(110)의 제1 면(112)에 대하여 수직 방향일 수 있다. 기판(110)의 제1 면(112)은 광 입사면일 수 있다. 기판(110)으로 입사된 광은 광 다이오드(120)의 광 흡수 반도체층(124)에서 흡수되어, 광 다이오드(120)가 광 전류를 발생시킬 수 있다. 광 흡수 반도체층(124)에서 흡수되지 않은 광들은 광 입사면의 반대 면인 제2 면(114) 상에 형성된 반사층(130)에 의하여 반사되어 다시 광 다이오드(120)의 광 흡수 반도체층(124)에서 흡수될 수 있다.
제1 도전형 반도체층(122)의 수평 면적은 제2 도전형 반도체층(126)의 수평 면적보다 작을 수 있다. 광 흡수 반도체층(124)의 수평 면적은 제2 도전형 반도체층(126)의 수평 면적보다 작을 수 있다. 제2 도전형 반도체층(126)의 수평 면적은 제1 도전형 반도체층(122) 및 광 흡수 반도체층(124) 각각의 수평 면적보다 클 수 있다.
본 명세서에서 수평 면적이라 함은, 기판(110)의 제1 면(112) 또는 제2 면(114)에 대하여 수평 방향으로의 면적을 의미하며, 특별히 언급하지 않는 한, 면적은 수평 면적을 의미한다. 또한 본 명세서에서 광 다이오드(120)의 수평 면적이라 함은, 광 다이오드(120)를 구성하는 제1 도전형 반도체층(122), 광 흡수 반도체층(124) 및 제2 도전형 반도체층(126) 각각의 수평 면적 중 가장 큰 수평 면적을 의미할 수 있다.
제1 도전형 반도체층(122), 광 흡수 반도체층(124), 및 제2 도전형 반도체층(126) 각각의 중심은 기판(110)의 제1 면(112)에 대한 수직 방향을 따라서 정렬될 수 있다.
제1 면(112) 상에서 기판(110)을 바라보는 경우, 제2 도전형 반도체층(126)의 일부분은 제1 도전형 반도체층(122) 및 광 흡수 반도체층(124)에 의하여 덮히지 않을 수 있다. 제1 도전형 반도체층(122) 및 광 흡수 반도체층(124)에 의하여 덮히지 않는 제2 도전형 반도체층(126)의 일부분에는 제2 도전형 반도체층(126)과 전기적으로 연결되는 도전성 콘택 플러그가 형성될 수 있다. 제1 도전형 반도체층(122)의 상면에는 제1 도전형 반도체층(122)과 전기적으로 연결되는 도전성 콘택 플러그가 형성될 수 있다. 광 흡수 반도체층(124)은 제1 도전형 반도체층(122)과 제2 도전형 반도체층(126) 사이를 모두 채우도록 배치될 수 있다.
광 다이오드(120)를 이루는 제1 도전형 반도체층(122), 광 흡수 반도체층(124) 및 제2 도전형 반도체층(126)이 수직 적층한 경우, 하측에 위치하는 제2 도전형 반도체층(126)의 수평 면적을 상측에 위치하는 제1 도전형 반도체층(122) 및 광 흡수 반도체층(124) 각각의 수평 면적보다 크게 하여, 제1 도전형 반도체층(122) 및 제2 도전형 반도체층(126)과 전기적으로 연결되며, 기판(110)의 제1 면(112)에 대하여 수직 방향으로 연결되는 도전성 콘택 플러그를 형성할 수 있다.
마이크로 렌즈(140)의 수평 면적은 제1 도전형 반도체층(122), 광 흡수 반도체층(124) 및 제2 도전형 반도체층(126) 각각의 수평 면적보다 클 수 있다. 파이버 코어(22)의 단면적은 광 다이오드(120)의 수평 면적보다 클 수 있다. 파이버 코어(22)의 단면적은 광 흡수 반도체층(124)의 수평 면적보다 클 수 있다. 파이버 코어(22)의 단면적은, 광 케이블을 이루는 광 섬유의 종류에 따라서 결정될 수 있기 때문에, 파이버 코어(22)의 단면적은 대체로 일정하거나, 변경의 여지가 적다. 광 흡수 반도체층(124)의 직경은 광전 변환 소자(100)가 처리할 수 있는 광 신호의 대역폭(bandwitdh)에 반비례한다. 즉, 광 흡수 반도체층(124)의 직경이 작은 수록, 광전 변환 소자(100)는 고속 통신용 광 신호를 처리할 수 있다. 따라서 광전 변환 소자(100)가 고속 통신용일수록, 파이버 코어(22)의 단면적은 광 다이오드(120), 특히 광 흡수 반도체층(124)의 수평 면적에 비해서 커질 수 있다.
예를 들면, 광 신호의 대역폭이 10Gbps 이상인 경우, 파이버 코어(22)의 직경은 50㎛ 또는 62.5㎛일 수 있고, 광 다이오드(120)의 직경, 특히 광 흡수 반도체층(122)의 직경은 5㎛ 내지 40㎛일 수 있다.
마이크로 렌즈(140)의 수평 면적은 파이버 코어(22)의 단면적에 대응되도록 형성될 수 있다. 예를 들면, 마이크로 렌즈(140)의 수평 면적은 파이버 코어(22)의 단면적과 동일하거나, 파이버 코어(22)의 단면적보다 클 수 있다. 파이버 코어(22)로부터 광전 변화 소자(100)로 입사되는 광은 거의 대부분이 마이크로 렌즈(140)로 도달할 수 있다. 마이크로 렌즈(140)가 볼록 렌즈인 경우, 마이크로 렌즈(140)를 통과하는 광은, 광이 광전 변화 소자(100) 내로 진행하면서 통과하는 면적, 즉 빔 사이즈(beam size)가 점차로 감소할 수 있다. 광 다이어드(120)가 기판(110)의 제1 면(112)에 형성되는 경우, 마이크로 렌즈(140)를 통과한 광은 일부분만이 광 흡수 반도체층(124)에 도달할 수 있다.
광 흡수 반도체층(124)에 도달하지 않거나, 광 흡수 반도체층(124)에 도달하나 광 흡수 반도체층(124)에서 흡수되지 않은 광은, 빔 사이즈가 점차로 감소하면서 반사층(130)에 도달하게 되며, 반사층(130)에서 반사되어, 다시 제2 면(114)에서 제1 면(112)을 향하여 진행하면서, 빔 사이즈는 계속 감소할 수 있다. 따라서, 반사층(130)에서 반사되어, 제2 면(114)에서 제1 면(112)을 향하여 진행되는 광의 대부분이, 광 흡수 반도체층(124)에 도달할 수 있다.
기판(110)의 두께(t1)에 비하여, 광 다이오드(120)의 두께와 면적이 작은 경우, 기판(110)의 두께(t1)는 대략 마이크로 렌즈(140)의 초점 거리(FL, Focal Length)의 절반일 수 있다. 이 경우, 반사층(130)에서 반사된 광은 거의 대부분이 광 다이오드(120), 특히 광 흡수 반도체층(124)에 도달할 수 있기 때문에, 광 다이오드(120)의 광 흡수 효율이 향상될 수 있다.
광 다이오드(120)의 두께, 마이크로 렌즈(140)의 DOF(Depth Of Focus), 광 다이오드(120)와 마이크로 렌즈(140) 사이에 형성될 수 있는 투명 절연층의 두께, 공정 오차 등을 고려할 때, 광 다이오드(120)의 광 흡수 효율을 향상시키기 위해, 기판(110)의 두께(t1)는 마이크로 렌즈(140)의 초점 거리의 절반의 ㅁ5% 범위 내로 형성할 수 있다.
예를 들면, 기판(110)의 두께(t1)는 수십 ㎛에서 수백 ㎛일 수 있고, 광 다이오드(120)의 두께는 수 ㎛ 또는 그 이하일 수 있고, 광 다이오드(120)의 직경은 수 ㎛ 내지 수십 ㎛일 수 있다.
광전 변환 소자(100)는 기판(110)을 제1 면(112)을 통과하여 광 다이오드(120), 특히 광 흡수 반도체층(124)에 직접 도달하는 광과, 제2 면(114)에 형성된 반사층(130)에 의하여 반사되어 광 흡수 반도체층(124)에 도달하는 광을 모두 흡수하여 광 전류를 생성할 수 있기 때문에, 광 흡수 효율이 향상될 수 있다.
광전 변환 소자(100)는 마이크로 렌즈(140)에 의하여, 광을 집중시킬 수 있기 때문에, 고속 통신용 광 신호를 처리할 수 있다.
도 1에 보인 것과 같이, 광전 변환 소자(100)를 별도의 반도체 칩으로 형성하지 않고, 신호 처리 반도체 소자(200)와 함께 하나의 반도체 칩(10)으로 형성하는 경우, 반도체 칩(10)을 형성하는 과정에서 백 랩 등에 의하여 기판(110)의 두께(t1)가 얇아지나, 반사층(130)에 의하여 입사된 광이 반사되어 광 다이오드(120)에 도달되는 경우, 광의 진행 거리는 기판(110)의 두께(t1)의 약 2배가 될 수 있다. 따라서 마이크로 렌즈(140)와 포토 다이오드(120)에 초점 거리 확보를 위한 두꺼운 투명 절연층을 형성하지 않아도, 마이크로 렌즈(140)의 초점 거리를 확보할 수 있어, 광전 변환 소자(100)에 입사된 광이 광 다이오드(120)에서 흡수되는 광 흡수 효율을 향상시킬 수 있다.
만일 초점 거리 확보를 위한 두꺼운 투명 절연층을 형성하고자 하는 경우, 광전 변환 소자(100)와 함께 하나의 반도체 칩(10)에 형성된 신호 처리 반도체 소자(200) 상에도 두꺼운 투명 절연층을 형성하거나, 또는 광전 변환 소자(100)와 신호 처리 반도체 소자(200) 사이에 큰 단차가 발생되어, 반도체 칩(10)이 파손되거나 신호 처리 반도체 소자(200)의 성능이 저하될 수 있으나, 본 발명에 따른 광전 변환 소자(100)는 초점 거리 확보를 위한 두꺼운 투명 절연층을 형성하지 않아도 초점 거리를 확보할 수 있기 때문에, 반도체 칩(10)이 파손되거나, 신호 처리 반도체 소자(200)의 성능이 저하되지 않도록 할 수 있다.
따라서 본 발명에 따른 광전 변환 소자(100) 및 광 신호 수신 유닛(1)은 손실의 최소화 및 소형화가 가능하다.
이후 도 3 내지 도 20에서 도시되는 광전 변환 소자들(100a, 100b, 100c, 100d, 101, 101a, 101b, 101c, 101d, 102, 103, 104, 104a, 104b, 105, 105a, 106, 106a) 또한 모두 도 1에 보인 광 수신 유닛(1)의 광전 변환 소자(100)에 해당될 수 있음은 자명하며, 먼저 설명된 내용과 중복되는 설명은 생략될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 광전 변환 소자의 요부를 나타내는 단면도이다.
도 3을 참조하면, 광전 변환 소자(100a)는 기판(110), 광 다이오드(120), 반사층(130), 마이크로 렌즈(140) 및 반사 방지층(150)을 포함한다.
반사 방지층(150)은 기판(110)의 제1 면(112) 상에 형성될 수 있다. 반사 방지층(150)은 기판(110)으로 입사되는 광의 반사를 감소시키는 기능을 할 수 있다. 반사 방지층(150)은 예를 들면, 울퉁불퉁한(roughened) 표면을 가질 수 있고, 규칙적인 패턴 또는 불규칙적 패턴일 수 있고, 또는 광결정(photonic crystal) 구조를 가질 수 있다. 반사 방지층(150)은 예를 들면, 투명한 절연물을 포함할 수 있고, 예를 들어 실리콘 산화물(SiO2), 다공질 SiO2, KH2PO4(KDP), NH4H2PO4, CaCO3, BaB2O4, NaF, 및 Al2O3 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 반사 방지층(150)은 단일막 또는 다층막으로 형성할 수 있다. 반사 방지층(150)은 예를 들면, 기판(110) 또는 광 다이오드(120)의 굴절률 값과 마이크로 렌즈(140)의 굴절률 값 사이의 굴절률 값을 가질 수 있다.
반사 방지층(150)은 마이크로 렌즈(140)의 면적에 대응되는 면적을 가지는 것으로 도시되었으나, 이에 한정되지 않으며, 마이크로 렌즈(140)의 면적과 같거나 더 큰 면적을 가질 수 있다. 즉, 반사 방지층(150)은 마이크로 렌즈(140)와 기판(110) 사이에 배치되도록 형성될 수 있으며, 마이크로 렌즈(140)와 기판(110) 사이 및 마이크로 렌즈(140)가 형성되지 않은 기판(110)의 제1 면(112) 상에도 형성될 수 있다.
반사 방지층(150)에 의하여, 파이버 코어(22)로부터 광전 변환 소자(100)로 입사되는 광 중 기판(110)의 제1 면(112)에서 반사되어 광전 변환 소자(100)로 입사되지 않는 광을 최소화할 수 있기 때문에, 광 다이오드(120)의 광 흡수 효율이 향상될 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 광전 변환 소자의 요부를 나타내는 단면도이다.
도 4를 참조하면, 광전 변환 소자(100b)는 기판(110), 광 다이오드(120), 반사층(130), 마이크로 렌즈(140) 및 광 아이솔레이터층(152, optical isolator layer)을 포함한다. 광 아이솔레이터층(152)은 예를 들면, 굴절률이 다른 적어도 2개의 물질층이 연속적으로 반복되는 적층 구조를 가질 수 있다.
광 아이솔레이터층(152)은 기판(110)의 외부로부터 기판(110)으로 입사되는 광에 대해서는 반사 방지층의 기능을 수행함과 동시에, 기판(110)의 내부로부터 기판(110)의 외부로 방출되는 광에 대해서는 반사층의 기능을 수행할 수 있다.
따라서 반사층(130)에 의하여 반사된 광 중, 광 다이오드(120)의 광 흡수 반도체층(124)에서 흡수되지 않은 광은 광 아이솔레이터층(152)에 의하여 반사된 후, 다시 광 흡수 반도체층(124)에 도달하여, 광 흡수 반도체층(124)에서 흡수될 수 있다. 따라서 광 다이오드(120)의 광 흡수 효율이 향상될 수 있다.
광 아이솔레이터층(152)은 마이크로 렌즈(140)의 면적에 대응되는 면적을 가지는 것으로 도시되었으나, 이에 한정되지 않으며, 마이크로 렌즈(140)의 면적과 같거나 더 큰 면적을 가질 수 있다. 즉, 광 아이솔레이터층(152)은 마이크로 렌즈(140)와 기판(110) 사이에 배치되도록 형성될 수 있으며, 마이크로 렌즈(140)와 기판(110) 사이 및 마이크로 렌즈(140)가 형성되지 않은 기판(110)의 제1 면(112) 상에도 형성될 수 있다.
광 아이솔레이터층(152)에 의하여, 파이버 코어(22)로부터 광전 변환 소자(100)로 입사되는 광 중 기판(110)의 제1 면(112)에서 반사되어 광전 변환 소자(100b)로 입사되지 않는 광을 최소화할 수 있고, 광 다이오드(120)에서 흡수되지 않은 광이 기판(110)의 제1 면(112)을 통하여 기판(110)의 외부로 방출되는 것을 방지할 수 있기 때문에, 광 다이오드(120)의 광 흡수 효율이 향상될 수 있다.
도 5a는 본 발명의 일 실시 예에 따른 광전 변환 소자의 요부를 나타내는 단면도이다.
도 5b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 광전 변환 소자의 요부의 배치를 나타내는 평면 배치도이다. 도 5b는 구체적으로, 도 5a에 보인 광전 변환 소자의 구성 중 광 다이오드, 마이크로 렌즈 및 반사 금속층의 배치를 나타내는 평면 배치도이다.
도 5a 및 도 5b를 함께 참조하면, 광전 변환 소자(100c)는 기판(110), 광 다이오드(120), 반사층(130), 마이크로 렌즈(140), 반사 방지층(150) 및 반사 금속층(160)을 포함한다.
반사 방지층(150)은 기판(110)의 제1 면(112) 상에 형성될 수 있다. 반사 금속층(160)은 기판(110)의 제1 면(112) 상에 형성될 수 있다. 반사 금속층(160)은 마이크로 렌즈(140)와 반사 방지층(150) 사이에 형성된 것으로 도시되었으나, 기판(110)의 제1 면(112)과 반사 방지층(150) 사이에 형성하는 것 또한 가능하다. 반사 금속층(160)는 광 다이오드(120)의 양단, 즉 제1 도전형 반도체층(122) 및 제2 도전형 반도체층(126) 각각과 전기적으로 연결되는 도전성 배선과 함께 형성되는 더미 패턴일 수 있다. 이 경우, 반사 금속층(160)의 형성 위치는 상기 도전성 배선의 형성 위치에 따라서 결정될 수 있다.
반사 금속층(160)은 예를 들면, 상기 도전성 배선과 동일한 물질로 이루어질 수 있다. 반사 금속층(160)은 예를 들면, 예를 들면, 알루미늄(Al), 은(Ag), 이들의 합금, 은(Ag)계 산화물(Ag-O), APC 합금(Ag, Pd, Cu를 포함하는 합금), 로듐(Rh), 구리(Cu), 팔라듐(Pd), 니켈(Ni), 루테늄(Ru), 이리듐(Ir) 및 백금(Pt) 중의 적어도 어느 하나를 더 포함할 수 있다.
반사 금속층(160)의 수평 면적은 광 다이오드(120)의 수평 면적보다 작을 수 있다. 반사 금속층(160)의 수평 면적은 광 흡수 반도체층(124)의 수평 면적보다 작을 수 있다.
반사층(130)에서 반사된 광은 진행하면서 빔 사이즈가 감소될 수 있다. 반사층(130)에서 반사되어, 광 흡수 반도체층(124)에 도달한 광 중, 광 흡수 반도체 층(124)에서 흡수되지 않은 광은 기판(110)의 제1 면(112)을 향하여 계속 진행하며 빔 사이즈가 더 감소될 수 있다. 반사 금속층(160)은 반사층(130)에서 반사된 후 광 흡수 반도체 층(124)에서 흡수되지 않고 반사 금속층(160)에 도달하는 광의 빔 사이즈와 같거나 약간 큰 수평 면적을 가지도록 형성할 수 있다.
따라서 반사층(130)에 의하여 반사된 광 중, 광 다이오드(120)의 광 흡수 반도체층(124)에서 흡수되지 않은 광은 반사 금속층(160)에 의하여 반사된 후, 다시 광 흡수 반도체층(124)에 도달하여, 광 흡수 반도체층(124)에서 흡수될 수 있다. 따라서 광 다이오드(120)의 광 흡수 효율이 향상될 수 있다.
반사 금속층(160)의 수평 면적이 너무 클 경우, 파이버 코어(22)로부터 광전 변환 소자(100c)에 입사되는 광이 반사 금속층(160)에 의하여 반사되어, 광전 변환 소자(100c) 내로 입사되지 못할 수 있기 때문에, 반사 금속층(160)은 광 다이오드(120) 또는 광 흡수 반도체층(124)의 수평 면적보다 작은 수평 면적을 가지도록 형성하여, 광전 변환 소자(100c) 내로 입사하지 못하고 반사되는 광을 최소화할 수 있다.
반사 금속층(160)의 수평 면적은 반사 금속층(160)에 의하여 반사되어 광전 변환 소자(100c) 내로 입사하지 못하고 반사되는 광의 양과, 광 흡수 반도체층(124)에서 흡수되지 못하고 반사 금속층(160)에 도달하여 다시 광 흡수 반도체층(124)을 향하여 반사되는 광의 양을 고려하여 결정할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 광전 변환 소자의 요부를 나타내는 단면도이다.
도 6을 참조하면, 광전 변환 소자(100d)는 기판(110a), 광 다이오드(120), 반사층(130a) 및 마이크로 렌즈(140)를 포함한다.
기판(110a)은 제2 면(114)의 일부분에 돌출부(114a)가 형성될 수 있다. 반사층(130a)은 돌출부(114a)가 형성된 제2 면(114) 상을 따라서 코퍼멀(conformal)하게 형성될 수 있다. 따라서 반사층(130a)은 광 다이오드(120)를 향하여 오목 형상을 가질 수 있다. 반사층(130a)의 오목 형상은 광전 변환 소자(100d)로 입사한 광이 반사층(130a)에 도달하는 위치에 형성될 수 있고, 도달하는 면적과 동일하거나 크도록 형성될 수 있다. 따라서 반사층(130a)의 오목 형상은 오목 렌즈의 기능을 수행하여, 반사층(130a)에 도달한 광이 반사층(130a)에서 반사된 후에, 광의 빔 사이즈가 급격하게 감소할 수 있다. 볼록 렌즈인 마이크로 렌즈(140)와 오목 렌즈인 반사층(130a)이 구성하는 광학계의 초점 거리는 상대적으로 짧을 수 있다.
기판(110a)의 두께가 상대적으로 얇은 경우, 예를 들면, 도 1에 보인 반도체 칩(10)의 두께를 더 얇게 형성한 경우에도, 반사층(130a)에서 반사된 광의 대부분이, 광 흡수 반도체층(124)에 도달할 수 있어, 광 다이오드(120)의 광 흡수 효율이 향상될 수 있다.
도 7a는 본 발명의 일 실시 예에 따른 광전 변환 소자의 요부를 나타내는 단면도이다.
도 7b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 광전 변환 소자의 요부의 배치를 나타내는 평면 배치도이다. 도 7b는 구체적으로, 도 7a에 보인 광전 변환 소자의 구성 중 광 다이오드와 마이크로 렌즈의 배치를 나타내는 평면 배치도이다.
도 7a 및 도 7b를 함께 참조하면, 광전 변환 소자(101)는 기판(110), 광 다이오드(120), 반사층(130) 및 마이크로 렌즈(140)를 포함한다.
광 케이블에 포함된 광 섬유의 파이버 코어(22)로부터 입사되는 광은 마이크로 렌즈(140)를 통하여, 기판(110)의 제1 면(112)으로 입사될 수 있다. 파이버 코어(22)로부터 입사되는 광의 입사 방향은 기판(110)의 제1 면(112)의 법선에 대하여 기울기(θ)를 가질 수 있다. 즉, 파이버 코어(22)를 포함하는 광 케이블의 중심축은 기판(110)의 제1 면(112)의 법선에 대하여 기울기(θ)를 가지며, 마이크로 렌즈(140)에 대응될 수 있다.
예를 들면, 파이버 코어(22)로부터 입사되는 광의 입사 방향은 기판(110)의 제1 면(112)의 법선에 대하여 3ㅀ 내지 15ㅀ의 기울기를 가질 수 있다. 예를 들면, 파이버 코어(22)를 포함하는 광 케이블의 중심축은 기판(110)의 제1 면(112)의 법선에 대하여 3ㅀ 내지 15ㅀ의 기울기를 가지며, 마이크로 렌즈(140)에 대응될 수 있다.
파이버 코어(22)로부터 입사되는 광의 입사 방향이 기판(110)의 제1 면(112)의 법선에 대하여 기울기(θ)를 가지는 경우, 마이크로 렌즈(140)의 중심은 광 흡수 반도체층(124)의 중심으로부터 멀어지는 방향, 즉 제1 면(112)에 대한 수평 방향으로 옵셋(offset)될 수 있다.
마이크로 렌즈(140)의 중심과 광 흡수 반도체층(124)의 중심의 옵셋되는 거리(d1)는, 예를 들면, 2ㅧt2ㅧtanθ일 수 있으며, 여기에서, t2는 기판(110)의 두께일 수 있다. 광 다이오드(120)의 두께, 마이크로 렌즈(140)의 DOF(Depth Of Focus), 광 다이오드(120)와 마이크로 렌즈(140) 사이에 형성될 수 있는 투명 절연층의 두께, 공정 오차 등을 고려할 때, 마이크로 렌즈(140)의 중심과 광 흡수 반도체층(124)의 중심의 옵셋되는 거리(d1)는, 2ㅧt2ㅧtanθ의 ㅁ5% 범위 내로 결정할 수 있다.
마이크로 렌즈(140)의 중심과 광 흡수 반도체층(124)의 중심의 옵셋되는 거리(d1)에 따라서 기판(110)의 제1 면(112)에 대하여 수직한 방향으로, 광 흡수 반도체층(124)의 적어도 일부분과 마이크로 렌즈(140)는 서로 중첩되지 않을 수 있다. 마찬가지로, 기판(110)의 제1 면(112)에 대하여 수직한 방향으로, 제1 도전형 반도체층(122) 및 제2 도전형 반도체층(126) 각각의 적어도 일부분과 마이크로 렌즈(140)는 서로 중첩되지 않을 수 있다. 제1 도전형 반도체층(122) 및 제2 도전형 반도체층(126) 각각과 전기적으로 연결되는 도전성 배선은 마이크로 렌즈(140)와 중첩되지 않는 제1 도전형 반도체층(122) 및 제2 도전형 반도체층(126) 각각의 일부분 상으로부터 광 다이오드(120)로부터 멀어지는 방향으로 연장되도록 형성될 수 있다.
따라서 제1 도전형 반도체층(122) 및 제2 도전형 반도체층(126) 각각과 전기적으로 연결되는 도전성 배선에 의하여, 마이크로 렌즈(140)를 통하여 광전 변환 소자(101)로 입사되는 광이 흡수되거나 반사되는 것을 방지할 수 있어, 광 다이오드(120)의 광 흡수 효율이 향상될 수 있다.
기판(110)의 두께(t2)는 FLㅧcosθ/2일 수 있으며, 여기에서 FL은 마이크로 렌즈(140)의 초점 거리일 수 있다. 광 다이오드(120)의 두께, 마이크로 렌즈(140)의 DOF(Depth Of Focus), 광 다이오드(120)와 마이크로 렌즈(140) 사이에 형성될 수 있는 투명 절연층의 두께, 공정 오차 등을 고려할 때, 기판(110)의 두께(t2)는 FLㅧcosθ/2의 ㅁ5% 범위 내로 결정할 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 광전 변환 소자의 요부를 나타내는 단면도이다.
도 8을 참조하면, 광전 변환 소자(101a)는 기판(110), 광 다이오드(120), 반사층(130), 마이크로 렌즈(140) 및 반사 방지층(150)을 포함한다. 반사 방지층(150)은 기판(110)의 제1 면(112) 상에 형성될 수 있다. 반사 방지층(150)은 기판(110)으로 입사되는 광의 반사를 감소시키는 기능을 할 수 있다.
반사 방지층(150)은 마이크로 렌즈(140)와 기판(110) 사이에 배치되도록 형성할 수 있다. 따라서 반사 방지층(150)은 기판(110)의 제1 면(112)에 대하여 수직한 방향으로, 광 다이오드(120), 특히 광 흡수 반도체층(124)의 적어도 일부분과 서로 중첩되지 않을 수 있다. 따라서 광 흡수 반도체층(124)에서 흡수되지 않고 기판(110)의 제1 면(112)에 도달하는 광 중 일부분은, 반사 방지층(150)에 도달하지 않기 때문에, 기판(110)의 외부로 방출되는 광의 양을 최소화할 수 있어, 광 다이오드(120)의 광 흡수 효율이 향상될 수 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 광전 변환 소자의 요부를 나타내는 단면도이다.
도 9를 참조하면, 광전 변환 소자(101b)는 기판(110), 광 다이오드(120), 반사층(130), 마이크로 렌즈(140) 및 광 아이솔레이터층(152, optical isolator layer)을 포함한다.
광 아이솔레이터층(152)은 기판(110)의 외부로부터 기판(110)으로 입사되는 광에 대해서는 반사 방지층의 기능을 수행함과 동시에, 기판(110)의 내부로부터 기판(110)의 외부로 방출되는 광에 대해서는 반사층의 기능을 수행할 수 있다.
따라서 반사층(130)에 의하여 반사된 광 중, 광 다이오드(120)의 광 흡수 반도체층(124)에서 흡수되지 않은 광은 광 아이솔레이터층(152)에 의하여 반사된 후, 다시 광 흡수 반도체층(124)에 도달하여, 광 흡수 반도체층(124)에서 흡수될 수 있다. 따라서 광 다이오드(120)의 광 흡수 효율이 향상될 수 있다.
광 아이솔레이터층(152)은 마이크로 렌즈(140)의 면적에 대응되는 면적을 가지는 것으로 도시되었으나, 이에 한정되지 않으며, 마이크로 렌즈(140)의 면적과 같거나 더 큰 면적을 가질 수 있다. 즉, 광 아이솔레이터층(152)은 마이크로 렌즈(140)와 기판(110) 사이에 배치되도록 형성될 수 있으며, 마이크로 렌즈(140)와 기판(110) 사이 및 마이크로 렌즈(140)가 형성되지 않은 기판(110)의 제1 면(112) 상에도 형성될 수 있다.
광 아이솔레이터층(152)에 의하여, 파이버 코어(22)로부터 광전 변환 소자(100)로 입사되는 광 중 기판(110)의 제1 면(112)에서 반사되어 광전 변환 소자(101b)로 입사되지 않는 광을 최소화할 수 있고, 광 다이오드(120)에서 흡수되지 않은 광이 기판(110)의 제1 면(112)을 통하여 기판(110)의 외부로 방출되는 것을 방지할 수 있기 때문에, 광 다이오드(120)의 광 흡수 효율이 향상될 수 있다.
도 10a는 본 발명의 일 실시 예에 따른 광전 변환 소자의 요부를 나타내는 단면도이다.
도 10b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 광전 변환 소자의 요부의 배치를 나타내는 평면 배치도이다. 도 10b는 구체적으로, 도 10a에 보인 광전 변환 소자의 구성 중 광 다이오드, 마이크로 렌즈 및 반사 금속층의 배치를 나타내는 평면 배치도이다.
도 10a 및 도 10b를 함께 참조하면, 광전 변환 소자(101c)는 기판(110), 광 다이오드(120), 반사층(130), 마이크로 렌즈(140), 반사 방지층(150) 및 반사 금속층(160)을 포함한다.
반사 방지층(150)은 기판(110)의 제1 면(112) 상에 형성될 수 있다. 반사 금속층(160)은 기판(110)의 제1 면(112) 상에 형성될 수 있다.
반사 금속층(160)의 수평 면적은 광 다이오드(120)의 수평 면적보다 작을 수 있다. 반사 금속층(160)의 수평 면적은 광 흡수 반도체층(124)의 수평 면적보다 작을 수 있다.
반사층(130)에 의하여 반사된 광 중, 광 다이오드(120)의 광 흡수 반도체층(124)에서 흡수되지 않은 광은 반사 금속층(160)에 의하여 반사된 후, 다시 광 흡수 반도체층(124)에 도달하여, 광 흡수 반도체층(124)에서 흡수될 수 있다. 따라서 광 다이오드(120)의 광 흡수 효율이 향상될 수 있다.
도 11은 본 발명의 일 실시 예에 따른 광전 변환 소자의 요부를 나타내는 단면도이다.
도 11을 참조하면, 광전 변환 소자(101d)는 기판(110a), 광 다이오드(120), 반사층(130a) 및 마이크로 렌즈(140)를 포함한다.
기판(110a)은 제2 면(114)의 일부분에 돌출부(114a)가 형성될 수 있다. 반사층(130a)은 돌출부(114a)가 형성된 제2 면(114) 상을 따라서 코퍼멀(conformal)하게 형성될 수 있다. 따라서 반사층(130a)은 광 다이오드(120)를 향하여 오목 형상을 가질 수 있다. 반사층(130a)의 오목 형상은 오목 렌즈의 기능을 수행하여, 반사층(130a)에 도달한 광이 반사층(130a)에서 반사된 후에, 광의 빔 사이즈가 급격하게 감소할 수 있다. 볼록 렌즈인 마이크로 렌즈(140)와 오목 렌즈인 반사층(130a)이 구성하는 광학계의 초점 거리는 상대적으로 짧을 수 있다.
기판(110a)의 두께가 상대적으로 얇은 경우, 예를 들면, 도 1에 보인 반도체 칩(10)의 두께를 더 얇게 형성한 경우에도, 반사층(130)에서 반사된 광의 대부분이, 광 흡수 반도체층(124)에 도달할 수 있어, 광 다이오드(120)의 광 흡수 효율이 향상될 수 있다.
도 12는 본 발명의 일 실시 예에 따른 광전 변환 소자의 요부를 나타내는 단면도이다.
도 12를 참조하면, 광전 변환 소자(102)는 기판(110), 광 다이오드(120a), 반사층(130) 및 마이크로 렌즈(140)를 포함한다.
파이버 코어(22)로부터 광전 변환 소자(102)로 입사되는 광의 입사 방향은 기판(110)의 제1 면(112)에 대하여 수직 방향일 수 있다.
광 다이오드(120a)는 제1 도전형 반도체층(122a), 광 흡수 반도체 층(124a) 및 제2 도전형 반도체층(126a)을 포함하는 PIN 다이오드일 수 있다. 광 흡수 반도체 층(124a)은 제1 도전형 반도체층(122a)과 제2 도전형 반도체층(126a) 사이에 배치될 수 있다. 제1 도전형 반도체층(122a), 광 흡수 반도체층(124a) 및 제2 도전형 반도체층(126a)은 기판(110)의 제1 면(112)에 대하여 평행한 방향으로 배열될 수 있다.
도 12에는 각각 1개의 제1 도전형 반도체층(122a) 및 제2 도전형 반도체층(126a) 사이에 1개의 광 흡수 반도체층(124a)이 배치된 것으로 도시되었으나, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 예를 들면, 광 다이오드(120a)는 교번적으로 배치되는 복수개의 제1 및 제2 도전형 반도체층(122a, 126a) 사이에 각각 배치되는 복수개의 광 흡수 반도체층(124a)을 포함할 수 있다.
도 13은 본 발명의 일 실시 예에 따른 광전 변환 소자의 요부를 나타내는 단면도이다.
도 13을 참조하면, 광전 변환 소자(103)는 기판(110), 광 다이오드(120a), 반사층(130) 및 마이크로 렌즈(140)를 포함한다.
파이버 코어(22)로부터 광전 변환 소자(103)로 입사되는 광의 입사 방향은 기판(110)의 제1 면(112)의 법선에 대하여 기울기(θ)를 가질 수 있다. 즉, 파이버 코어(22)를 포함하는 광 케이블의 중심축은 기판(110)의 제1 면(112)의 법선에 대하여 기울기(θ)를 가지며, 마이크로 렌즈(140)에 대응될 수 있다.
광 다이오드(120a)는 제1 도전형 반도체층(122a), 광 흡수 반도체 층(124a) 및 제2 도전형 반도체층(126a)을 포함하는 PIN 다이오드일 수 있다. 광 흡수 반도체 층(124a)은 제1 도전형 반도체층(122a)과 제2 도전형 반도체층(126a) 사이에 배치될 수 있다. 제1 도전형 반도체층(122a), 광 흡수 반도체층(124a) 및 제2 도전형 반도체층(126a)은 기판(110)의 제1 면(112)에 대하여 평행한 방향으로 배열될 수 있다.
별도로 도시하지는 않았으나, 도 12 및 도 13에 보인 광전 변환 소자(102, 103)에도, 도 3 및 도 8에 보인 반사 방지층(150), 도 4 및 도 9에 보인 광 아이솔레이터층(152), 도 5a, 도 5b, 도 10a 및 도 10b에 보인 반사 방지층(150) 및 반사 금속층(160)을 더 포함하도록 하는 것 또한 가능하다. 또한 도 12 및 도 13에 보인 광전 변환 소자(102, 103)의 반사층(130)을 도 6 및 도 11에 보인 오목 형상을 가지는 반사층(130a)으로 치환하는 것 또한 가능하다.
이후 도 14a 내지 도 20에서 도시되는 광전 변환 소자들(1104, 104a, 104b, 105, 105a, 106, 106a)의 광 다이오드(120) 도 12 및 도 13에 광 다이오드(120a)로 치환하는 것 또한 가능하다.
도 14a는 본 발명의 일 실시 예에 따른 광전 변환 소자의 요부를 나타내는 단면도이다.
도 14b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 광전 변환 소자의 요부의 배치를 나타내는 평면 배치도이다. 도 14b는 구체적으로, 도 14a에 보인 광전 변환 소자의 구성 중 광 다이오드와 마이크로 렌즈의 배치를 나타내는 평면 배치도이다.
도 14a 및 도 14b를 함께 참조하면, 광전 변환 소자(104)는 기판(110), 광 다이오드(120), 반사층(130) 및 마이크로 렌즈(140), 격자 커플러(172) 및 도파관(174)을 포함한다. 마이크로 렌즈(140)는 격자 커플러(172) 상에 형성될 수 있다.
파이버 코어(22)로부터 광전 변환 소자(104)로 입사되는 광의 입사 방향은 기판(110)의 제1 면(112)의 법선에 대하여 기울기(θ)를 가질 수 있다. 즉, 파이버 코어(22)를 포함하는 광 케이블의 중심축은 기판(110)의 제1 면(112)의 법선에 대하여 기울기(θ)를 가지며, 마이크로 렌즈(140)에 대응될 수 있다.
격자 커플러(172) 및 도파관(174)은 기판(110)의 제1 면(112)에 형성될 수 있다. 격자 커플러(172)는 홈에 의해 분리된 라인과 같은 대략 평행한 일련의 라인으로 구성될 수 있다. 격자 커플러(172)는 기판(110)보다 높은 굴절률을 갖는 재료로 이루어질 수 있고, 이 경우, 기판(110)은 격자 커플러(172)를 위한 하부 클래딩층(cladding layer)의 기능을 할 수 있다. 격자 커플러(172)는 예를 들면, 실리콘(Si) 또는 게르마늄(Ge)과 같은 단일 원소 반도체로 이루어질 수 있거나, III-V족 화합물 반도체, II-VI족 화합물 반도체와 같은 화합물 반도체로 이루어질 수 있다. 또는 격자 커플러(172)는 예를 들면, 비반도체 재료 또는 폴리머로 이루어질 수 있다.
예를 들면, 격자 커플러(172)는 라인들 사이에 홈을 형성하기 위해 나노임프린트 리소그래피 또는 반응성 이온 에칭과 같은 다양한 리소그래피 기술 및/또는 에칭 기술을 이용할 수 있다.
도파관(174)은 예를 들면, 리지 도파관(ridge waveguide) 또는 스트립 로디드 도파관(strip loaded waveguide)일 수 있다.
마이크로 렌즈(140)를 통하여 입사된 광은 격자 커플러(172)에 의하여 기판(110)의 제1 면(112)에 대하여 평행한 방향으로 진행하도록 진행 방향이 바뀔 수 있고, 도파관(174)은 격자 커플러(172)에 의하여 진행 방향이 바뀐 광을 광 다이오드(120)로 전달할 수 있다.
광전 변환 소자(104)는 격자 커플러(172) 및 도파관(174)에 의하여 마이크로 렌즈(140)를 통하여 입사된 광을 광 다이오드(120)에 전달하므로, 마이크로 렌즈(140)의 중심과 광 흡수 반도체층(124)의 중심의 옵셋되는 거리(d2)는 격자 커플러(172) 및 도파관(174)를 형성하지 않은 경우에 비하여 상대적으로 큰 값을 가질 수 있다.
반사층(130)은 격자 커플러(172)에 의하여 진행 방향이 바뀌지 않거나, 제1 면(112)에 대하여 평행한 방향으로 진행 방향이 바뀌지 않아서, 제2 면(114)에 도달한 광을 광 다이오드(120)를 향하여 반사시킬 수 있다.
광전 변환 소자(104)는 격자 커플러(172) 및 도파관(172)에 의하여 입사된 광을 제1 면(112)에 대하여 평행한 방향으로 광 다이오드(120)로 전달하여, 기판(110) 내에서 광의 흡수 등에 의한 광 손실을 최소화하고, 격자 커플러(172)에 의하여 진행 방향이 바뀌지 않거나 제1 면(112)에 대하여 평행한 방향으로 진행 방향이 바뀌지 않아서 제2 면(114)에 도달한 광은 반사층(130)에 의하여 광 다이오드(120)를 향하여 반사시킬 수 있어, 광 흡수 효율이 향상될 수 있다.
도 15a는 본 발명의 일 실시 예에 따른 광전 변환 소자의 요부를 나타내는 단면도이다.
도 15b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 광전 변환 소자의 요부의 배치를 나타내는 평면 배치도이다. 도 15b는 구체적으로, 도 15a에 보인 광전 변환 소자의 구성 중 광 다이오드, 마이크로 렌즈 및 반사 금속층의 배치를 나타내는 평면 배치도이다.
도 15a 및 도 15b를 참조하면, 광전 변환 소자(104a)는 기판(110), 광 다이오드(120), 반사층(130) 및 마이크로 렌즈(140), 반사 방지층(150), 반사 금속층(160), 격자 커플러(172) 및 도파관(174)을 포함한다.
반사 방지층(150)은 기판(110)의 제1 면(112) 상에 형성될 수 있다. 반사 방지층(150)은 마이크로 렌즈(140)의 면적에 대응되는 면적을 가지는 것으로 도시되었으나, 이에 한정되지 않으며, 마이크로 렌즈(140)의 면적과 같거나 더 큰 면적을 가질 수 있다. 즉, 반사 방지층(150)은 마이크로 렌즈(140)와 기판(110) 사이에 배치되도록 형성될 수 있으며, 마이크로 렌즈(140)와 기판(110) 사이 및 마이크로 렌즈(140)가 형성되지 않은 기판(110)의 제1 면(112) 상에도 형성될 수 있다.
반사 금속층(160)은 기판(110)의 제1 면(112) 상에 형성될 수 있다. 반사 금속층(160)의 수평 면적은 광 다이오드(120)의 수평 면적보다 작을 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 광전 변환 소자(104a)는 격자 커플러(172) 및 도파관(174)을 포함하고, 마이크로 렌즈(140)가 격자 커플러(172) 상에 형성되므로, 광이 기판(110)에 입사되는 위치가 광 다이오드(120)가 형성된 위치로부터 이격될 수 있다. 따라서 반사 금속층(160)을 광 다이오드(120) 상에 형성하는 경우, 기판(110)에 입사되지 않고 반사 금속층(160)에 의하여 반사되는 광은 발생하지 않을 수 있다.
따라서 반사 방지층(150)에 의하여 기판(110)으로 입사되는 광의 양이 증가하고, 반사 금속층(160)에 의하여 기판(110)에 입사되지 않고 반사 금속층(160)에 의하여 반사되는 광은 발생하지 않기 때문에, 광 흡수 효율이 향상될 수 있다.
도 16은 본 발명의 일 실시 예에 따른 광전 변환 소자의 요부를 나타내는 단면도이다.
도 16을 참조하면, 광전 변환 소자(104b)는 기판(110a), 광 다이오드(120), 반사층(130a) 및 마이크로 렌즈(140), 반사 방지층(150), 반사 금속층(160), 격자 커플러(172) 및 도파관(174)을 포함한다.
파이버 코어(22)로부터 광전 변환 소자(102)로 입사되는 광의 입사 방향은 기판(110)의 제2 면(112)에 대하여 수직 방향일 수 있다.
기판(110a)은 제2 면(114)의 일부분에 돌출부(114a)가 형성될 수 있다. 반사층(130a)은 광 다이오드(120)를 향하여 오목 형상을 가질 수 있다. 반사층(130a)의 오목 형상은 오목 렌즈의 기능을 수행하여, 반사층(130a)에 도달한 광이 반사층(130a)에서 반사된 후에, 광의 빔 사이즈가 급격하게 감소할 수 있다. 볼록 렌즈인 마이크로 렌즈(140)와 오목 렌즈인 반사층(130a)이 구성하는 광학계의 초점 거리는 상대적으로 짧을 수 있다.
기판(110a)의 두께가 상대적으로 얇은 경우, 예를 들면, 도 1에 보인 반도체 칩(10)의 두께를 더 얇게 형성한 경우에도, 반사층(130a)에서 반사된 광의 대부분이, 광 흡수 반도체층(124)에 도달할 수 있어, 광 다이오드(120)의 광 흡수 효율이 향상될 수 있다.
도 17은 본 발명의 일 실시 예에 따른 광전 변환 소자의 요부를 나타내는 단면도이다.
도 17을 참조하면, 광전 변환 소자(105)는 기판(110), 광 다이오드(120), 마이크로 렌즈(140) 및 반사 금속층(160)을 포함한다.
기판(110)은 서로 반대되는 제1 면(112)과 제2 면(114)을 가질 수 있으며, 광 다이오드(100)는 기판(110)의 제1 면(112)에 형성될 수 있다.
기판(110)의 제2 면(114) 상에는 마이크로 렌즈(140)가 형성될 수 있고, 기판(110)의 제1 면(112) 상에는 반사 금속층(160)이 형성될 수 있다. 기판(110)의 제2 면(114)은 광 입사면일 수 있다.
마이크로 렌즈(140)가 볼록 렌즈인 경우, 마이크로 렌즈(140)를 통과하는 광은, 광이 광전 변화 소자(105) 내로 진행하면서, 빔 사이즈가 점차로 감소할 수 있다. 기판(110)의 두께(t3)에 비하여, 광 다이오드(120)의 두께와 면적이 작은 경우, 기판(110)의 두께(t3)는 대략 마이크로 렌즈(140)의 초점 거리(FL, Focal Length)일 수 있다. 이 경우, 반사층(130)에서 반사된 광의 대부분이 광 다이오드(120), 특히 광 흡수 반도체층(124)에 도달할 수 있기 때문에, 광 다이오드(120)의 광 흡수 효율이 향상될 수 있다.
광 다이오드(120)의 두께, 마이크로 렌즈(140)의 DOF(Depth Of Focus), 광 다이오드(120)와 마이크로 렌즈(140) 사이에 형성될 수 있는 투명 절연층의 두께, 공정 오차 등을 고려할 때, 광 다이오드(120)의 광 흡수 효율을 향상시키기 위해, 기판(110)의 두께(t3)는 마이크로 렌즈(140)의 초점 거리의 ㅁ5% 범위 내로 형성할 수 있다.
반사 금속층(160)은 마이크로 렌즈(140)를 통하여 입사된 광 중 광 흡수 반도체 층(124)에서 흡수되지 않은 광을 다시 광 다이오드(120)의 광 흡수 반도체층(124)을 향하여 반사시킬 수 있다. 즉, 반사 금속층(160)은 예를 들면, 도 2a 및 도 2b에 보인 반사층(130)의 기능을 수행할 수 있다.
반사 금속층(160)의 수평 면적은 광 다이오드(120)의 수평 면적보다 작을 수 있다. 반사 금속층(160)의 수평 면적은 광 흡수 반도체층(124)의 수평 면적보다 작을 수 있다.
또는 반사 금속층(160)은 기판(110)의 제1 면(112)을 모두 덮거나, 광 다이오드(120)의 수평 면적보다 크도록 형성할 수 있다. 기판(110)의 두께(t3)에 비하여, 광 다이오드(120)의 두께, 특히 제1 도전형 반도체층(122)의 두께는 상대적으로 얇기 때문에, 반사 금속층(160)에 도달하는 광의 면적에 비하여, 반사 금속층(160)에서 반사되어 광 흡수 반도체층(124)에 도달하는 광의 면적은 크게 감소되지는 않을 수 있다. 따라서 반사 금속층(160)의 수평 면적을 광 다이오드(120)의 수평 면적보다 상대적으로 조금만 크게 형성하는 경우에도, 반사 금속층(160)은 도 2a 및 도 2b에 보인 반사층(130)의 기능을 충분히 수행할 수 있다.
따라서 마이크로 렌즈(140)를 통하여 기판(110)에 입사된 광 중, 광 다이오드(120)의 광 흡수 반도체층(124)에서 흡수되지 않은 광은 반사 금속층(160)에 의하여 반사된 후, 다시 광 흡수 반도체층(124)에 도달하여, 광 흡수 반도체층(124)에서 흡수될 수 있다. 따라서 광 다이오드(120)의 광 흡수 효율이 향상될 수 있다.
도 18은 본 발명의 일 실시 예에 따른 광전 변환 소자의 요부를 나타내는 단면도이다.
도 18을 참조하면, 광전 변환 소자(105a)는 기판(110), 광 다이오드(120), 마이크로 렌즈(140), 반사 방지층(150) 및 반사 금속층(160)을 포함한다.
반사 방지층(150)은 기판(110)의 제2 면(114) 상에 형성될 수 있다. 반사 방지층(150)은 기판(110)으로 입사되는 광의 반사를 감소시키는 기능을 할 수 있다.
반사 방지층(150)은 마이크로 렌즈(140)의 면적에 대응되는 면적을 가지는 것으로 도시되었으나, 이에 한정되지 않으며, 마이크로 렌즈(140)의 면적과 같거나 더 큰 면적을 가질 수 있다. 즉, 반사 방지층(150)은 마이크로 렌즈(140)와 기판(110) 사이에 배치되도록 형성될 수 있으며, 마이크로 렌즈(140)와 기판(110) 사이 및 마이크로 렌즈(140)가 형성되지 않은 기판(110)의 제2 면(114) 상에도 형성될 수 있다.
반사 방지층(150)에 의하여, 파이버 코어(22)로부터 광전 변환 소자(100)로 입사되는 광 중 기판(110)의 제2 면(114)에서 반사되어 광전 변환 소자(100)로 입사되지 않는 광을 최소화할 수 있기 때문에, 광 다이오드(120)의 광 흡수 효율이 향상될 수 있다.
도 19는 본 발명의 일 실시 예에 따른 광전 변환 소자의 요부를 나타내는 단면도이다.
도 19를 참조하면, 광전 변환 소자(106)는 기판(110), 광 다이오드(120), 마이크로 렌즈(140) 및 반사 금속층(160)을 포함한다.
파이버 코어(22)로부터 광전 변환 소자(103)로 입사되는 광의 입사 방향은 기판(110)의 제2 면(114)의 법선에 대하여 기울기(θ)를 가질 수 있다. 즉, 파이버 코어(22)를 포함하는 광 케이블의 중심축은 기판(110)의 제2 면(114)의 법선에 대하여 기울기(θ)를 가지며, 마이크로 렌즈(140)에 대응될 수 있다.
도 20은 본 발명의 일 실시 예에 따른 광전 변환 소자의 요부를 나타내는 단면도이다.
도 20을 참조하면, 광전 변환 소자(106a)는 기판(110), 광 다이오드(120), 마이크로 렌즈(140), 반사 방지층(150) 및 반사 금속층(160)을 포함한다.
반사 방지층(150)은 기판(110)의 제2 면(114) 상에 형성될 수 있다. 반사 방지층(150)은 기판(110)으로 입사되는 광의 반사를 감소시키는 기능을 할 수 있다.
반사 방지층(150)은 마이크로 렌즈(140)의 면적에 대응되는 면적을 가지는 것으로 도시되었으나, 이에 한정되지 않으며, 마이크로 렌즈(140)의 면적과 같거나 더 큰 면적을 가질 수 있다. 즉, 반사 방지층(150)은 마이크로 렌즈(140)와 기판(110) 사이에 배치되도록 형성될 수 있으며, 마이크로 렌즈(140)와 기판(110) 사이 및 마이크로 렌즈(140)가 형성되지 않은 기판(110)의 제2 면(114) 상에도 형성될 수 있다.
반사 방지층(150)에 의하여, 파이버 코어(22)로부터 광전 변환 소자(100)로 입사되는 광 중 기판(110)의 제2 면(114)에서 반사되어 광전 변환 소자(100)로 입사되지 않는 광을 최소화할 수 있기 때문에, 광 다이오드(120)의 광 흡수 효율이 향상될 수 있다.
도 21은 본 발명의 일 실시 예에 따른 광 신호 수신 유닛을 포함하는 시스템의 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 21을 참조하면, 시스템(1100)은 제어기(1110), 기억 장치(1120), 디스플레이(1130) 및 인터페이스(1140)를 포함한다. 시스템(1100)은 모바일 시스템 또는 정보를 전송하거나 전송받는 시스템일 수 있다.
제어기(1110)는 시스템(1100)에서의 실행 프로그램을 제어하기 위한 것으로, 마이크로프로세서 (microprocessor), 디지털 신호 처리기 (digital signal processor), 마이크로콘트롤러 (microcontroller), 또는 이와 유사한 장치로 이루어질 수 있다.
기억 장치(1120)는 제어기(1110)의 동작을 위한 코드 및/또는 데이터를 저장하거나, 제어기(1110)에서 처리된 데이터를 저장할 수 있다. 기억 장치(1120)는 예를 들면, 휘발성/비휘발성 메모리, 하드 디스크 또는 SSD(Solid State Drive)일 수 있다.
디스플레이(1130)는 시스템(1100)에서 처리된 결과를 보여주는 디스플레이 장치 및 이를 구동하기 위한 디스플레이 소자를 포함할 수 있다.
인터페이스(1140)는 시스템(1100)과 외부의 다른 장치 사이의 데이터 전송 통로일 수 있다.
제어기(1110)는 기억 장치(1120), 디스플레이(1130) 및 인터페이스(1240)와 각각 통신 채널(1152, 1154, 1156)을 통하여 서로 통신할 수 있다. 예를 들면, 통신 채널(1152, 1154, 1156) 중 적어도 일부는 도 1에 보인 광 신호 수신 유닛(1)일 수 있으며, 광 신호 수신 유닛(1)의 광전 변환 소자(100)는 도 2a 내지 도 20에서 보인 에서 광전 변환 소자들(100, 100a, 100b, 100c, 100d, 101, 101a, 101b, 101c, 101d, 102, 103, 104, 104a, 104b, 105, 105a, 106, 106a) 각각에 대응될 수 있다.
시스템(1100)은 입/출력 장치를 더 포함할 수 있다. 상기 입/출력 장치는 시스템(1100)의 데이터를 입력 또는 출력하는데 이용될 수 있다. 시스템(1100)은 상기입/출력 장치를 이용하여 데이터를 입력받거나 출력할 수 있다. 상기 입/출력 장치는, 예를 들면 키패드, 키보드, 마우스, 프린터 등일 수 있다.
시스템(1100)에 포함되는 통신 채널(1152, 1154, 1156)은 광 효율이 향상되는 광전 변환 소자를 이용하여 고속 통신용 광 신호를 처리할 수 있기 때문에, 고용량 및 고성능을 처리할 수 있다.
도 22는 본 발명의 일 실시 예에 따른 광 신호 수신 유닛을 통하여 연결되는 시스템 및 외부 장치를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 22를 참조하면, 인터페이스(1140)를 포함하는 시스템(1100)은 통신 케이블(1300)을 통하여 외부 장치(1200)와 연결되어, 네트워크망(2000)을 구성할 수 있다. 외부 장치(1200)는 예를 들면, 외부의 시스템, 외부의 저장 장치 등일 수 있다. 통신 케이블(1300)은 예를 들면, 액티브 광 케이블일 수 있다. 통신 케이블(1300)은 도 1에 보인 광 신호 수신 유닛(1)일 수 있으며, 광 신호 수신 유닛(1)의 광전 변환 소자(100)는 도 2a 내지 도 20에서 보인 에서 광전 변환 소자들(100, 100a, 100b, 100c, 100d, 101, 101a, 101b, 101c, 101d, 102, 103, 104, 104a, 104b, 105, 105a, 106, 106a) 각각에 대응될 수 있다.
통신 케이블(1300)은 광 효율이 향상되는 광전 변환 소자를 이용하여 고속 통신용 광 신호를 처리할 수 있기 때문에, 시스템(1100)이 고용량의 데이터를 고속으로 외부 장치(1200)와 통신할 수 있다.
이상, 본 발명을 바람직한 실시 예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상 및 범위 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러가지 변형 및 변경이 가능하다.
1 : 광 신호 수신 유닛, 10 : 반도체 칩, 20 : 광 케이블, 22 : 파이어 코어, 100, 100a, 100b, 100c, 100d, 101, 101a, 101b, 101c, 101d, 102, 103, 104, 104a, 104b, 105, 105a, 106, 106a : 광전 변환 소자, 110, 110a : 기판, 120, 120a : 광 다이오드, 122, 122a : 제1 도전형 반도체층, 124, 124a : 광 흡수 반도체층, 126, 126a : 제2 도전형 반도체층, 130 : 반사층, 140 : 마이크로 렌즈, 150 : 반사 방지층, 152 : 광 아이솔레이터층, 160 : 반사 금속층, 200 : 신호 처리 반도체 소자, 300 : 신호 단자부

Claims (20)

  1. 서로 반대되는 제1 면과 제2 면을 가지며, 상기 제1 면이 광 입사면인 기판;
    상기 제1 면으로부터 수직 방향으로 배열되는 제1 도전형 반도체층, 제2 도전형 반도체층 및 상기 제1 및 제2 도전형 반도체층 사이에 배치되는 광 흡수 반도체층으로 이루어지며, 상기 기판의 상기 제1 면에 형성되는 광 다이오드;
    상기 기판의 상기 제2 면 상에 형성되는 반사층; 및
    상기 기판의 상기 제1 면 상에 형성되는 마이크로 렌즈;를 포함하며,
    상기 제1 도전형 반도체층의 수평 면적 및 상기 광 흡수 반도체층의 수평 면적 각각은 상기 제2 도전형 반도체층의 수평 면적보다 작고,
    상기 기판의 상기 제1 면으로 입사된 광 중 일부는 상기 반사층에 의하여 반사되지 않고 상기 광 흡수 반도체층에 도달하여 상기 광 흡수 반도체층에서 흡수되고, 상기 기판의 상기 제1 면으로 입사된 광 중 다른 일부는 상기 광 흡수 반도체층에 도달하지 않고 상기 반사층에 도달하여 상기 반사층에 의하여 반사된 후 상기 광 흡수 반도체층에 도달하여 상기 광 흡수 반도체층에서 흡수되는 광전 변환 소자.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 기판과 상기 마이크로 렌즈 사이에 배치되는 광 아이솔레이터층(optical isolator layer)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광전 변환 소자.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 마이크로 렌즈의 수평 면적은 상기 광 흡수 반도체층의 수평 면적보다 큰 것을 특징으로 하는 광전 변환 소자.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 마이크로 렌즈의 중심은 상기 광 흡수 반도체층의 중심으로부터 옵셋(offset)되어 있는 것을 특징으로 하는 광전 변환 소자.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 광 다이오드 상의 일부분을 덮는 반사 금속층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광전 변환 소자.
  6. 서로 반대되는 제1 면과 제2 면을 가지며, 상기 제1 면이 광 입사면인 기판;
    상기 제1 면으로부터 수직 방향으로 배열되는 제1 도전형 반도체층, 제2 도전형 반도체층 및 상기 제1 및 제2 도전형 반도체층 사이에 배치되는 광 흡수 반도체층으로 이루어지며, 상기 기판의 상기 제1 면에 형성되는 광 다이오드;
    상기 기판의 상기 제2 면 상에 형성되는 반사층;
    상기 제1 면에 형성되는 격자 커플러;
    상기 격자 커플러 상에 형성되는 마이크로 렌즈; 및
    상기 제1 면에 형성되며, 상기 격자 커플러와 상기 광 다이오드 사이에 배치되는 도파관;을 포함하며,
    상기 기판의 상기 제1 면으로 입사된 광 중 일부는 상기 격자 커플러에 의하여 상기 기판의 상기 제1 면에 대하여 평행한 방향으로 진행 방향이 바뀌어서 상기 도파관에 의하여 상기 광 흡수 반도체층에 도달하여 상기 광 흡수 반도체층에서 흡수되고, 상기 기판의 상기 제1 면으로 입사된 광 중 다른 일부는 상기 격자 커플러에 의하여 상기 기판의 상기 제1 면에 대하여 평행한 방향으로 진행 방향이 바뀌지 않고 상기 반사층에 도달하여 상기 반사층에 의하여 반사된 후 상기 광 흡수 반도체층에 도달하여 상기 광 흡수 반도체층에서 흡수되는 것을 특징으로 하는 광전 변환 소자.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 마이크로 렌즈의 중심은 상기 광 흡수 반도체층의 중심으로부터 옵셋(offset)되어 있는 것을 특징으로 하는 광전 변환 소자.
  8. 제6 항에 있어서,
    상기 반사층은 상기 광 다이오드를 향하여 오목 형상을 가지는 것을 특징으로 하는 광전 변환 소자.
  9. 제6 항에 있어서,
    상기 제1 도전형 반도체층의 수평 면적 및 상기 광 흡수 반도체층의 수평 면적 각각은 상기 제2 도전형 반도체층의 수평 면적보다 작은 것을 특징으로 하는 광전 변환 소자.
  10. 제6 항에 있어서,
    상기 마이크로 렌즈의 수평 면적은 상기 광 흡수 반도체층의 수평 면적보다 크고,
    상기 마이크로 렌즈의 중심은 상기 광 흡수 반도체층의 중심으로부터 옵셋(offset)되어 있는 것을 특징으로 하는 광전 변환 소자.
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