KR102366164B1 - 마흐-젠더 전기 광학 변조기 및 이의 제조 방법 - Google Patents

마흐-젠더 전기 광학 변조기 및 이의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

마흐-젠더 전기 광학 변조기의 제조 방법은 능동 영역 및 수동 영역을 구비하는 III-V족 화합물 반도체 기판 상에 III-V족 화합물 반도체를 포함하는 진성 반도체층을 형성하는 단계; 상기 능동 영역에 대응하는 진성 반도체층에 제1 불순물을 도핑하여, 상기 기판 상에 배치되고 상기 제1 불순물이 도핑되지 않은 코어층, 및 상기 코어층 상에 배치되고 상기 제1 불순물이 도핑된 영역을 포함하는 상부 클래드층을 형성하는 단계; 및 상기 코어층, 및 상기 상부 클래드층을 패터닝하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 코어층은 상기 능동 영역에 배치되는 능동 코어층, 및 상기 수동 영역에 배치되는 수동 코어층을 포함할 수 있다. 상기 상부 클래드층은 상기 능동 코어층 상에 배치되고 상기 제1 불순물이 도핑된 능동 상부 클래드층, 및 상기 수동 코어층 상에 배치되고 상기 제1 불순물이 도핑되지 않은 수동 상부 클래드층을 포함할 수 있다. 상기 능동 상부 클래드층 및 상기 수동 상부 클래드층은 동일한 두께를 가질 수 있다.

Description

마흐-젠더 전기 광학 변조기 및 이의 제조 방법{MACH-ZEHNDER ELECTRO-OPTIC MODULATOR AND FABRICATION METHOD OF THE SAME}
본 발명은 마흐-젠더 전기 광학 변조기 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
평면형 광 도파로 소자로는 도파로의 유효 굴절률을 조절함으로서 도파광의 위상을 제어할 수 있다.
상기 평면형 광 도파로 소자들 중에서, 전기 광학 효과를 이용한 광 도파로 소자는 광 도파로 사이에 전계를 형성하여 상기 광 도파로를 구성하는 코어층 및 클래드층의 굴절률의 변화를 이용하여 동작하는 소자이다. 상기 전기 광학 효과를 이용한 광 도파로 소자로는 마흐-젠더(Mach-Zehnder) 전기 광학 변조기가 알려져 있다.
상기 마흐-젠더 전기 광학 변조기에서, 상기 코어층 및 클래드층 각각의 두께가 균일하여야 광의 손실을 방지할 수 있다. 즉, 상기 코어층 및 클래드층 각각의 두께가 불균일한 경우, 두께가 불균일한 영역에서 광의 손실이 발생할 수 있다. 상기 코어층 및 클래드층에서, 상기 두께가 불균일한 영역이 복수 개 존재하면, 광의 손실이 다량 발생할 수 있다.
본 발명의 일 목적은 클래드층의 두께가 균일한 마흐-젠더 전기 광학 변조기를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 클래드층의 두께를 균일하게 할 수 있는 마흐-젠더 전기 광학 변조기의 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 목적을 달성하기 위한 마흐-젠더 전기 광학 변조기의 제조 방법은 능동 영역 및 수동 영역을 구비하는 III-V족 화합물 반도체 기판 상에 III-V족 화합물 반도체를 포함하는 진성 반도체층을 형성하는 단계; 상기 능동 영역에 대응하는 진성 반도체층에 제1 불순물을 도핑하여, 상기 기판 상에 배치되고 상기 제1 불순물이 도핑되지 않은 코어층, 및 상기 코어층 상에 배치되고 상기 제1 불순물이 도핑된 영역을 포함하는 상부 클래드층을 형성하는 단계; 및 상기 코어층, 및 상기 상부 클래드층을 패터닝하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 코어층은 상기 능동 영역에 배치되는 능동 코어층, 및 상기 수동 영역에 배치되는 수동 코어층을 포함할 수 있다. 상기 상부 클래드층은 상기 능동 코어층 상에 배치되고 상기 제1 불순물이 도핑된 능동 상부 클래드층, 및 상기 수동 코어층 상에 배치되고 상기 제1 불순물이 도핑되지 않은 수동 상부 클래드층을 포함할 수 있다. 상기 능동 상부 클래드층 및 상기 수동 상부 클래드층은 동일한 두께를 가질 수 있다.
상기 기판은 제2 불순물이 도핑된 상태를 가지며, 상기 제2 불순물의 극성은 상기 능동 상부 클래드층의 극성과 반대일 수 있다. 상기 제2 불순물은 N형 불순물일 수 있다.
상기 기판 및 상기 진성 반도체층 사이에 배치되는 III-V족 화합물 반도체를 포함하는 하부 클래드층을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 제1 불순물의 극성은 상기 하부 클래드층의 극성과 반대일 수 있다.
상기 하부 클래드층은 N형 불순물이 도핑된 III-V족 화합물 반도체 물질을 포함하며, 상기 제1 불순물은 P형 불순물일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 마흐-젠더 전기 광학 변조기는 능동 영역 및 수동 영역을 구비하는 III-V족 화합물 반도체 기판 상에 배치되고, III-V족 화합물 반도체를 포함하는 능동 코어층 및 수동 코어층을 포함하는 코어층; 및 상기 코어층 상부에 배치되는 III-V족 화합물 반도체를 포함하는 상부 클래드층을 포함할 수 있다. 여기서, 상기 상부 클래드층은 상기 능동 코어층 상에 배치되고 제1 불순물이 도핑된 능동 상부 클래드층; 및 상기 수동 코어층 상에 배치되고 상기 제1 불순물이 도핑되지 않은 수동 상부 클래드층을 포함하며, 상기 능동 상부 클래드층 및 상기 수동 상부 클래드층은 동일한 두께를 가질 수 있다.
상술한 바와 같은 마흐-젠더 전기 광학 변조기의 제조 방법은 클래드층의 두께를 균일하게 할 수 있다. 특히, 상기 마흐-젠더 전기 광학 변조기의 제조 방법은 상부 클래드층에서 능동 영역 및 수동 영역의 두께를 균일하게 하여, 마흐-젠더 전기 광학 변조기에서 도파되는 광의 손실을 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 마흐-젠더 전기 광학 변조기를 설명하기 위한 평면도이다.
도 2는 도 1에 도시된 위상 쉬프터를 설명하기 위한 사시도이다.
도 3 내지 도 6은 도 1 및 도 2에 도시된 마흐-젠더 전기 광학 변조기의 제조 방법을 설명하기 위한 공정 사시도이다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 마흐-젠더 전기 광학 변조기를 설명하기 위한 평면도이다.
도 1을 참조하면, 마흐-젠더 전기 광학 변조기는 광 분할부(100), 위상 쉬프터(200), 및 광 결합부(300)를 포함할 수 있다.
상기 광 분할부(100)는 입력 광 도파로(100A)를 통하여 입력 광 신호를 수신할 수 있다. 또한, 상기 광 분할부(100)는 상기 입력 광 신호를 동일한 위상을 가지는 두 개의 분할 광 신호들로 분리할 수 있다.
상기 분할 광 신호들은 암 도파로들(200A)을 통하여 위상 쉬프터(200)로 입력될 수 있다. 여기서, 상기 암 도파로들(200A)은 능동 영역(200A-1) 및 수동 영역(200A-2)으로 구분될 수 있다.
상기 위상 쉬프터(200)는 상기 능동 영역(200A-1)에 배치될 수 있다. 또한, 상기 위상 쉬프터(200)는 상기 암 도파로들(200A)을 통해 전송되는 상기 분할 광 신호들의 위상을 쉬프트할 수 있다. 예를 들면, 상기 위상 쉬프터(200)는 상기 분할 광 신호들의 위상차가 π의 n(n은 자연수) 배가 되도록 제어할 수 있다.
상기 광 결합부(300)는 위상이 쉬프트된 상기 분할 광 신호들을 결합하여 출력 광 신호를 생성하고, 상기 출력 광 신호를 출력 광 도파로(300A)로 출력할 수 있다.
상기 광 결합부(300)에서 생성되는 상기 출력 광 신호는 보강 간섭 또는 소멸 간섭을 통해 상기 입력 광 신호에 비하여 위상 및 세기가 변조된 신호일 수 있다.
도 2는 도 1에 도시된 위상 쉬프터를 설명하기 위한 사시도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 마흐-젠더 전기 광학 변조기는 암도파로(200A)가 배치되는 영역에서, 기판(210) 상에 배치되는 도파로, 및 상기 도파로에 전계를 인가하여 상기 도파로의 굴절률을 변화시키는 위상 쉬프터(200)를 포함할 수 있다.
상기 도파로는 상기 기판(210) 상에 배치되는 하부 클래드층(220), 상기 하부 클래드층(220) 상에 배치되는 코어층(230), 및 상기 코어층(230) 상에 배치되는 상부 클래드층(240)을 포함할 수 있다.
상기 기판(210)은 능동 영역(200A-1) 및 수동 영역(200A-2)을 포함할 수 있다. 또한, 상기 기판(210)은 반도체 기판일 수 있다. 예를 들면, 상기 기판(210)은 InP 또는 GaAs를 포함하는 III-V 족 화합물 반도체를 포함하는 단결정 기판일 수 있다.
상기 하부 클래드층(220)은 상기 기판(210) 상에 배치될 수 있다. 상기 하부 클래드층(220)은 반도체 물질, 예를 들면, 상기 기판(210)과 동일한 물질을 포함할 수 있다. 또한, 상기 하부 클래드층(220)은 불순물, 예를 들면, N형 불순물이 도핑되어 소정의 전하 캐리어 농도를 가질 수 있다. 상기 N형 불순물은 실리콘(Si)일 수 있다.
한편, 상기 하부 클래드층(220)은 생략될 수 있다. 이 경우, 상기 기판(210)은 N형 불순물이 도핑된 N형 기판일 수 있다. 여기서, 상기 기판(210) 자체가 하부 클래드층(220)의 역할을 수행할 수 있다.
또한, 상기 기판(210) 및 상기 하부 클래드층(220) 사이에는 절연막(미도시)이 배치될 수도 있다.
상기 코어층(230)은 진성 반도체층일 수 있으며, 광이 전송되는 광 도파로일 수 있다. 상기 코어층(230)은 상기 능동 영역(200A-1)에 배치되는 능동 코어층(230A), 및 상기 수동 영역(200A-2)에 배치되는 수동 코어층(230B)를 구비할 수 있다.
상기 상부 클래드층(240)은 상기 능동 코어층(230A) 상에 배치되는 능동 상부 클래드층(240A), 및 상기 수동 코어층(230B) 상에 배치되는 수동 상부 클래드층(240B)을 포함할 수 있다. 여기서, 상기 능동 상부 클래드층(240A)은 P형 불순물, 예를 들면, 아연(Zn)이 도핑된 영역일 수 있다. 또한, 상기 수동 상부 클래드층(240B)은 상기 P형 불순물이 도핑되지 않은 진성 반도체 영역일 수 있다. 상기 능동 상부 클래드층(240A) 및 상기 수동 상부 클래드층(240B)은 동일한 두께를 가질 수 있다.
일반적으로 상기 능동 상부 클래드층(240A) 및 상기 수동 상부 클래드층(240B)은 서로 다른 공정을 통해 형성되어, 서로 다른 두께를 가질 수 있다. 따라서, 상기 능동 상부 클래드층(240A) 및 상기 수동 상부 클래드층(240B)의 경계에서 도파로의 두께 차이로 인해 광이 손실될 수 있다. 따라서, 상기 능동 상부 클래드층(240A) 및 상기 수동 상부 클래드층(240B)의 두께가 동일한 것이 바람직하다.
상기 위상 쉬프터(200)는 상기 하부 클래드층(220)에 접속하는 N형 전극(미도시) 및 상기 능동 상부 클래드층(240A)에 접속하는 P형 전극(250)을 포함할 수 있다. 상기 P형 전극(250)은 상기 능동 상부 클래드층(240A) 상에 배치될 수 있다.
상기 P형 전극(250) 및 상기 N형 전극에 전원이 인가되면, 상기 하부 클래드층(220) 및 상기 능동 상부 클래드층(240A) 사이의 상기 능동 코어층(230A)에 전계가 형성될 수 있다. 상기 전계는 상기 능동 코어층(230A)의 굴절률을 변화시켜, 상기 광의 위상을 변화시킬 수 있다.
상기 위상 쉬프터(200)는 상기 전계를 조절하여 상기 분할 광 신호들의 위상차가 π의 n(n은 자연수) 배가 되도록 제어할 수 있다.
도 3 내지 도 6은 도 1 및 도 2에 도시된 마흐-젠더 전기 광학 변조기의 제조 방법을 설명하기 위한 공정 사시도이다.
도 3을 참조하면, 능동 영역(200A-1) 및 수동 영역(200A-2)을 포함하는 기판(210)을 준비한다. 상기 기판(210)은 실리콘 기판, III-V 족 화합물 반도체 기판, 또는 유리 기판일 수 있다. 상기 기판(210)이 III-V 족 화합물 반도체 기판인 경우, 상기 기판(210)은 InP 또는 GaAs를 포함할 수 있다. 본 실시예에서는 상기 기판(210)이 III-V 족 화합물 반도체 기판인 경우를 예로서 설명한다.
상기 기판(210)을 준비한 후, 상기 기판(210) 상에 하부 클래드층(220)을 형성한다. 상기 하부 클래드층(220)은 유기 금속 기상 결정 성장법(Metal Organic Vapor Phase Epitaxy; MOVPE) 또는 분자선 결정 성장법(Molecular Beam Epitaxy; MBE)을 통하여 형성될 수 있다.
상기 하부 클래드층(220)은 III-V 족 화합물 반도체 물질, 예를 들면, 상기 기판(210)과 동일한 물질을 포함할 수 있다. 또한, 상기 하부 클래드층(220)은 불순물, 예를 들면, N형 불순물이 도핑되어 소정의 전하 캐리어 농도를 가질 수 있다. 여기서, 상기 N형 불순물은 실리콘(Si)일 수 있다. 또한, 상기 하부 클래드층(220)은 N형 전극(미도시)과 전기적으로 연결될 수 있다.
한편, 상기 기판(210)이 N형 불순물이 도핑된 N형 기판이면, 상기 하부 클래드층(220)은 생략될 수도 있다. 즉, 상기 기판(210) 자체가 하부 클래드층(220)의 역할을 수행할 수 있다. 또한, 상기 기판(210)은 상기 N형 전극과 전기적으로 연결될 수 있다.
상기 하부 클래드층(220)을 형성한 후, 상기 하부 클래드층(220) 상에 진성 반도체층(230')을 형성한다. 상기 진성 반도체층(230')은 상기 기판(210) 및 상기 하부 클래드층(220)과 동일한 물질을 포함할 수 있다. 즉, 상기 진성 반도체층(230')은 III-V 족 화합물 반도체 물질을 포함할 수 있다.
또한, 상기 진성 반도체층(230')은 상기 하부 클래드층(220)과 동일한 방법을 통하여 형성될 수 있다. 예를 들면, 상기 진성 반도체층(230')은 유기 금속 기상 결정 성장법(Metal Organic Vapor Phase Epitaxy; MOVPE) 또는 분자선 결정 성장법(Molecular Beam Epitaxy; MBE)을 통하여 형성될 수 있다.
도 4를 참조하면, 상기 진성 반도체층(230')을 형성한 후, 상기 능동 영역(200A-1) 대응하는 상기 진성 반도체층(230')에 불순물을 도핑한다. 여기서, 상기 불순물은 상기 N형 불순물과 반대 극성을 가지는 P형 불순물일 수 있다. 예를 들면, 상기 불순물은 아연(Zn)일 수 있다. 상기 P형 불순물의 도핑은 확산(diffusion) 또는 이온 주입(ion implantation)을 통하여 수행될 수 있다.
상기 진성 반도체층(230')에서 상기 불순물이 도핑되는 깊이는 상기 진성 반도체층(230')의 두께보다 작을 수 있다. 예를 들면, 상기 진성 반도체층(230')에서 상기 불순물이 도핑되는 깊이는 상기 진성 반도체층(230') 두께의 1/2일 수 있다.
상기 불순물 도핑에 의하여, 상기 진성 반도체층(230')은 상기 하부 클래드층(220) 상에 배치되고 불순물이 주입되지 않은 코어층(230), 및 상기 코어층(230) 상에 배치되는 상부 클래드층(240)으로 구분될 수 있다.
상기 코어층(230)은 상기 능동 영역(200A-1)에 대응하는 능동 코어층(230A), 및 상기 수동 영역(200A-2)에 대응하는 수동 코어층(230B)를 포함할 수 있다.
상기 상부 클래드층(240)은 상기 능동 영역(200A-1)에 배치되고 상기 불순물이 도핑된 영역인 능동 상부 클래드층(240A), 및 상기 수동 영역(200A-2)에 배치되고 불순물이 도핑되지 않은 영역인 수동 상부 클래드층(240B)을 포함할 수 있다. 여기서, 상기 능동 상부 클래드층(240A) 및 상기 수동 상부 클래드층(240B)은 상기 불순물의 도핑에 의해 형성되므로, 균일한 표면을 가질 수 있다.
도 5를 참조하면, 상기 불순물을 도핑한 후, 상기 하부 클래드층(220)의 일부, 상기 코어층(230) 및 상기 상부 클래드층(240)을 동시에 패터닝한다. 상기 패터닝은 습식 식각 또는 건식 식각 공정을 통해 수행될 수 있다.
또한, 상기 패터닝에 의해, 상기 코어층(230)은 상기 능동 영역(200A-1)에 대응하는 능동 코어층(230A), 및 상기 수동 영역(200A-2)에 대응하는 수동 코어층(230B)를 포함할 수 있다.
도 6을 참조하면, 상기 패터닝 공정을 수행한 후, 상기 능동 상부 클래드층(240A) 상에 P형 전극(250)을 형성한다.
상술한 바와 같이, 상기 능동 상부 클래드층(240A) 및 상기 수동 상부 클래드층(240B)은 동일한 두께를 가질 수 있다. 이는 상기 능동 상부 클래드층(240A) 및 상기 수동 상부 클래드층(240B)이 서로 다른 공정을 통하여 형성되지 않고, 불순물 도핑 공정에서 상기 능동 상부 클래드층(240A) 및 상기 수동 상부 클래드층(240B)으로 구분되기 때문이다. 따라서, 상기 능동 상부 클래드층(240A) 및 상기 수동 상부 클래드층(240B)을 구비하는 마흐-젠더 전기 광학 변조기는 상기 상부 클래드층(240)의 두께 불균일에 의한 광의 손실을 방지할 수 있다.
또한, 상기 능동 상부 클래드층(240A) 및 상기 수동 상부 클래드층(240B)을 형성하기 위하여 별도의 공정이 추가되지 않아, 상기 마흐-젠더 전기 광학 변조기의 제조 단가가 저하될 수 있다.
이상의 상세한 설명은 본 발명을 예시하고 설명하는 것이다. 또한, 전술한 내용은 본 발명의 바람직한 실시 형태를 나타내고 설명하는 것에 불과하며, 전술한 바와 같이 본 발명은 다양한 다른 조합, 변경 및 환경에서 사용할 수 있으며, 본 명세서에 개시된 발명의 개념의 범위, 저술한 개시 내용과 균등한 범위 및/또는 당업계의 기술 또는 지식의 범위 내에서 변경 또는 수정이 가능하다. 따라서, 이상의 발명의 상세한 설명은 개시된 실시 상태로 본 발명을 제한하려는 의도가 아니다. 또한, 첨부된 청구범위는 다른 실시 상태도 포함하는 것으로 해석되어야 한다.
100: 광 분할부 100A: 입력 광 도파로
200: 위상 쉬프터 200A: 암 도파로
210; 기판 220; 하부 클래드층
230; 코어층 240; 상부 클래드층
300: 광 결합부 300A; 출력광 도파로

Claims (12)

  1. 능동 영역 및 수동 영역을 구비하는 III-V족 화합물 반도체의 기판 상에 III-V족 화합물 반도체를 포함하는 진성 반도체층을 형성하는 단계;
    상기 능동 영역에 대응하는 진성 반도체층에 제1 불순물을 도핑하여, 상기 기판 상에 배치되고 상기 제1 불순물이 도핑되지 않은 코어층, 및 상기 코어층 상에 배치되고 상기 제1 불순물이 도핑된 영역을 포함하는 상부 클래드층을 형성하는 단계; 및
    상기 코어층, 및 상기 상부 클래드층을 패터닝하는 단계를 포함하며,
    상기 코어층은 상기 능동 영역에 배치되는 능동 코어층, 및 상기 수동 영역에 배치되는 수동 코어층을 포함하고,
    상기 상부 클래드층은 상기 능동 코어층 상에 배치되고 상기 제1 불순물이 도핑된 능동 상부 클래드층, 및 상기 수동 코어층 상에 배치되고 상기 제1 불순물이 도핑되지 않은 수동 상부 클래드층을 포함하며,
    상기 능동 상부 클래드층 및 상기 수동 상부 클래드층은 동일한 두께를 가지고,
    상기 기판 및 상기 진성 반도체층 사이에 배치되는 III-V족 화합물 반도체를 포함하는 하부 클래드층을 형성하는 단계를 더 포함하는 마흐-젠더 전기 광학 변조기의 제조 방법.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 기판은 제2 불순물이 도핑된 상태를 가지며, 상기 제2 불순물의 극성은 상기 능동 상부 클래드층의 극성과 반대인 마흐-젠더 전기 광학 변조기의 제조 방법.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 제2 불순물은 N형 불순물인 마흐-젠더 전기 광학 변조기의 제조 방법.
  4. 삭제
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 불순물의 극성은 상기 하부 클래드층의 극성과 반대인 마흐-젠더 전기 광학 변조기의 제조 방법.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 하부 클래드층은 N형 불순물이 도핑된 III-V족 화합물 반도체 물질을 더 포함하며, 상기 제1 불순물은 P형 불순물인 마흐-젠더 전기 광학 변조기의 제조 방법.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 제1 불순물은 Zn을 포함하는 마흐-젠더 전기 광학 변조기의 제조 방법.
  8. 능동 영역 및 수동 영역을 구비하는 III-V족 화합물 반도체의 기판 상에 배치되고, III-V족 화합물 반도체를 포함하는 능동 코어층 및 수동 코어층을 포함하는 코어층; 및
    상기 코어층 상부에 배치되는 III-V족 화합물 반도체를 포함하는 상부 클래드층을 포함하며,
    상기 상부 클래드층은
    상기 능동 코어층 상에 배치되고 제1 불순물이 도핑된 능동 상부 클래드층; 및
    상기 수동 코어층 상에 배치되고 상기 제1 불순물이 도핑되지 않은 수동 상부 클래드층을 포함하며,
    상기 능동 상부 클래드층 및 상기 수동 상부 클래드층은 동일한 두께를 가지고,
    상기 기판 및 상기 코어층 사이에 배치되는 III-V족 화합물 반도체를 포함하는 하부 클래드층을 더 포함하는 마흐-젠더 전기 광학 변조기.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 기판은 상기 제1 불순물의 극성과 다른 극성을 가지는 제2 불순물이 도핑된 마흐-젠더 전기 광학 변조기.
  10. 삭제
  11. 제8 항에 있어서,
    상기 제1 불순물은 상기 하부 클래드층의 극성과 반대 극성을 가지는 불순물인 마흐-젠더 전기 광학 변조기.
  12. 제11 항에 있어서,
    상기 하부 클래드층은 N형 불순물이 도핑된 반도체 물질을 더 포함하며, 상기 제1 불순물은 P형 불순물인 마흐-젠더 전기 광학 변조기.
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