KR102432471B1 - 플래시 구조를 이용하는 비휘발성 광 위상 변조기 및 이의 제조방법 - Google Patents

플래시 구조를 이용하는 비휘발성 광 위상 변조기 및 이의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 비휘발성 광 위상 변조기는, 기판; 상기 기판 상에 위치하는 제1 반도체층; 상기 제1 반도체층 상에 위치하는 절연체층; 및 상기 절연체층 상에 위치하며 상기 제1 반도체층과 상이한 극성을 갖는 제2 반도체층을 포함하되, 상기 절연체층은 플래시 구조를 포함하여 상기 광 위상 변조기의 스위칭 후 위상변화(광 경로)가 기억되도록 구성된다. 플래시 구조는 밴드갭이 큰 물질로 구성된 절연막 사이에 밴드갭이 작은 물질로 구성된 절연막이 삽입되어 전자 및 홀을 트래핑(trapping) 시킬 수 있는 플래시 게이트 스택(flash gate stack) 구조일 수 있다. 실시예에 따르면 전원 없이도 스위칭 후의 광 경로를 기억할 수 있는 비휘발성 광 위상 변조기(즉, 광 메모리 소자)를 구현할 수 있다. 또한, 플래시 구조의 구성물질과 구조변수의 설계변경을 통해 초저전력 광 스위치 소자를 구현할 수 있다.

Description

플래시 구조를 이용하는 비휘발성 광 위상 변조기 및 이의 제조방법{NONVOLATILE OPTICAL PHASE SHIFTER USING FLASH STRUCTURE AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은 플래시 구조를 이용하는 비휘발성 광 위상 변조기 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 SIS(semiconductor-insulator-semiconductor) 구조를 갖는 광학소자의 절연체 부분에 플래시 게이트 스택(flash gate stack)을 도입하여 위상 변화를 기억할 수 있도록 구성된 비휘발성 광 위상 변조기 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
[국가지원 연구개발에 대한 설명]
본 연구는 한국과학기술연구원의 주관 하에 과학기술정보통신부의 혁신성장연계지능형반도체선도기술개발사업(R&D)(초저전력 이종접합/비휘발 광스위치 단위소자 개발, 과제고유번호: 1711097360)의 지원에 의하여 이루어진 것이다.
기존의 장거리용 광 통신용 회로는 화합물 반도체를 이용한 각각의 개별 소자(광 변조기, 레이저, 광 디텍터, 광 파이버 등)를 이용하여 구성되어 고집적, 저비용, 대량생산에는 불리한 구조였다. 최근, 실리콘 포토닉스(Si photonics)라고 불리는 기술이 개발되어, 개별 소자로 이루어져 있던 광 소자와 전자 소자를 통합한 광학 전자 집적 회로(Opto-Electronic Integrated Circuit; OEIC)의 연구가 활발하게 진행되고 있다. 이는 고집적, 저비용, 대량생산이 가능한 광 회로를 구현할 수 있는 기술로서, 데이터 센터의 데이터 전송, 광 센서, 집적회로를 위한 광 배선 기술 등 다양한 분야에 응용될 수 있다.
이러한 대규모 광 집적 회로를 위한 실리콘 포토닉스 기술에서는, 실리콘과 산화막(주로 SiO2) 사이의 큰 굴절률 차이를 이용하기 위해 실리콘-온-인슐레이터(Silicon-On-Insulator; SOI) 기반의 광 도파관을 기본 구성 요소로 하여 고성능의 수동 소자(passive device)를 이용한 광 회로를 구성한다. 하지만, 실리콘(Si)의 낮은 광전 변환 특성으로 인해 능동 소자(active device)의 성능이 낮아져 상용화가 어려웠다.
광 위상 변조기(optical phase shifter)는 전기 신호를 광 신호로 변조하기 위해 이용되는 소자이다. 기존의 실리콘 기반 광 위상 변조기는 실리콘의 낮은 광전 변환 특성으로 인해 구동 전압이 크고 소자의 크기가 커서 고성능, 고집적 소자를 제작하는데 어려움이 있었다. 최근에는 광 도파관에 인접한 MOS 커패시터의 중심에 전하의 축적을 유도하여 광 도파관의 굴절률을 변화시킴으로써 빛의 위상 변이(phase shift)를 야기하고 광을 변조시키는 기술이 제안되었다. 이에 따라 변조 효율을 향상시킬 수 있었으나 실리콘 기반 소자의 한계를 뛰어넘지는 못하였다.
최근에는 이와 같은 문제점을 해결하기 위해, 실리콘 대신 광 특성이 우수한 III-V족 반도체와 SOI 기판의 절연막을 접합하여 SIS 커패시터를 구성한 하이브리드 SIS형 광 위상 변조기가 연구되고 있다. 이는 고효율, 저소비전력을 동시에 실현할 수 있는 기술로 주목 받고 있다. 그러나 이러한 연구는 주로 SIS 소자를 구성하는 반도체에 대해 집중적으로 이루어졌을 뿐, SIS 구조의 또 다른 구성요소인 절연체에 대해서는 스케일링 외에 기능성 부여와 같은 연구가 이루어지지 않았다.
대한민국 공개특허공보 제10-2015-0006419호
이에 본 발명은 SIS 구조를 갖는 광학소자의 절연체에 플래시 게이트 스택(flash gate stack) 구조를 도입하여, 전원 없이도 스위칭 후의 위상 변화를 기억할 수 있는 비휘발성 광 위상 변조기를 제공하는 것을 목적으로 한다. 본 발명의 또 다른 목적은 플래시 구조를 갖는 비휘발성 광 위상 변조기의 제조방법을 제공하는 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위한 바람직한 실시예들이 다음과 같이 제공될 수 있다.
일 실시예에 따른 플래시 구조를 이용하는 비휘발성 광 위상 변조기는 기판; 상기 기판 상에 위치하는 제1 반도체층; 상기 제1 반도체층 상에 위치하는 절연체층; 및 상기 절연체층 상에 위치하며 상기 제1 반도체층과 상이한 극성을 갖는 제2 반도체층을 포함하되, 상기 절연체층은 플래시 구조를 포함하여 상기 광 위상 변조기의 위상 변화가 기억되도록 구성될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 플래시 구조는, 밴드갭이 큰 물질로 구성된 절연막 사이에 밴드갭이 작은 물질로 구성된 절연막 또는 반도체층이 삽입되어 전자 및 홀을 트래핑(trapping) 시킬 수 있는 플래시 게이트 스택(flash gate stack) 구조일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 밴드갭이 큰 물질은 실리콘 옥사이드, 알루미늄 옥사이드 또는 폴리실리콘(poly-Si)을 포함하고, 상기 밴드갭이 작은 물질은 실리콘 나이트라이드 또는 하프늄 옥사이드를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제1 반도체층은 실리콘을 포함하는 물질로 구성되고, 상기 제2 반도체층은 III-V족 화합물 반도체를 포함하는 물질로 구성될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 광 위상 변조기의 동작 시, 플래시 구조에 전자가 주입되어 음극 반도체층에서 전자가 공핍되고 양극 반도체층에서 정공이 축적될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 광 위상 변조기의 동작 시, 플래시 구조에 정공이 주입되어 음극 반도체층에서 전자가 축적되고 양극 반도체층에서 정공이 공핍될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제1 반도체층 및 상기 제2 반도체층 상에 형성된 상부 클래딩 및 전극을 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 따른 플래시 구조를 이용하는 비휘발성 광 위상 변조기의 제조방법은, 기판 상에 형성된 제1 반도체층 및 상기 제1 반도체층과 상이한 극성을 갖는 제2 반도체층을 제공하는 단계; 상기 제1 반도체층을 가공하여 광 도파관을 형성하는 단계; 상기 제1 반도체층 및 제2 반도체층의 표면에 각각 절연체층의 일부를 형성하는 단계; 상기 제1 반도체층의 절연체층과 상기 제2 반도체층의 절연체층을 서로 접합하는 단계; 상기 제2 반도체층을 가공하여 상기 제1 반도체층의 광 도파관에서 제2 반도체층으로도 빛이 도달할 수 있는 테이퍼 및 광 도파관의 복합구조를 형성하는 단계; 및 상기 제1 반도제층 및 상기 제2 반도체층 상에 상부 클래딩 및 전극을 형성하는 단계를 포함하되, 상기 절연체층은 플래시 구조를 포함하여 상기 광 위상 변조기의 위상 변화가 기억되도록 구성될 수 있다.
또 다른 실시예에 따른 플래시 구조를 이용하는 비휘발성 광 위상 변조기의 제조방법은, 기판 상에 제1 반도체층을 형성하는 단계; 상기 제1 반도체층을 가공하여 광 도파관을 형성하는 단계; 상기 제1 반도체층 상에 절연체층을 형성하는 단계; 상기 절연체층 상에 상기 제1 반도체층과 상이한 극성을 갖는 제2 반도체층을 형성하는 단계; 상기 제2 반도체층을 가공하여 상기 제1 반도체층의 광 도파관에서 제2 반도체층으로도 빛이 도달할 수 있는 테이퍼 및 광 도파관의 복합구조를 형성하는 단계; 및 상기 제1 반도체층 및 상기 제2 반도체층 상에 상부 클래딩 및 전극을 형성하는 단계를 포함하되, 상기 절연체층은 플래시 구조를 포함하여 상기 광 위상 변조기의 위상 변화가 기억되도록 구성될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제1 반도체층과 연결된 제1 전극을 형성하는 단계; 및 상기 제2 반도체층과 연결된 제2 전극을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, SIS 구조를 갖는 광학소자의 절연체층에 플래시 구조를 사용하여 전원 없이도 스위칭 후의 위상 변화를 기억할 수 있는 비휘발성 광 위상 변조기(즉, 광 메모리 소자)를 구현할 수 있다. 또한, 플래시 구조의 구성물질과 구조변수의 설계를 통해 초저전력 광 스위치 소자를 구현할 수 있다.
실시예에 따른 광학소자는 실리콘과 III-V족 반도체를 이용한 하이브리드 SIS 구조 혹은 하이브리드 레이저와 같은 능동소자의 설계에도 적용될 수 있어 실리콘과 III-V 반도체의 장점을 동시에 활용할 수 있다. 이에 따라, 실리콘 포토닉스의 성능을 획기적으로 개선하고 종래의 기술, 설비에 쉽게 전용 가능한 범용적인 플랫폼을 제시할 수 있을 것으로 기대된다.
도 1은 일 실시예에 따른 플래시 구조를 이용하는 비휘발성 광 위상 변조기의 단면도를 나타낸다.
도 2는 일 실시예에 따른 플래시 구조를 이용하는 비휘발성 광 위상 변조기의 단면을 촬영한 사진을 나타낸다.
도 3은 일 실시예에 따른 플래시 구조를 이용하는 비휘발성 광 스위치의 스위칭 동작 및 이에 따른 커패시턴스 변화를 나타낸 그래프이다.
도 4는 실시예에 따른 비휘발성 광 위상 변조기의 다양한 광학구조를 나타낸다.
도 5a는 일 실시예에 따른 플래시 구조를 이용하는 비휘발성 광 위상 변조기의 단면도와 설계변수를 나타낸다.
도 5b는 도 5a의 실시예에 따른 비휘발성 광 위상 변조기의 파장에 따른 투과율을 나타낸 그래프이다.
도 6은 실시예에 따른 비휘발성 광 위상 변조기의 다양한 구조를 도시한 단면도이다.
도 7a 내지 7e는 일 실시예에 따른 비휘발성 광 위상 변조기의 제조방법을 나타낸 도면들이다.
도 8a 및 8b는 또 다른 실시예에 따른 비휘발성 광 위상 변조기의 제조방법을 나타낸 도면들이다.
도 9는 일 실시예에 따른 비휘발성 광 위상 변조기의 테이퍼 및 광 도파관의 복합구조를 나타낸 도면이다.
이하 첨부 도면들 및 첨부 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 실시예를 상세하게 설명하지만, 청구하고자 하는 범위는 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
본 명세서에서 사용되는 용어는 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어를 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 관례 또는 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 명세서의 설명 부분에서 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 명세서에서 사용되는 용어는, 단순한 용어의 명칭이 아닌 그 용어가 가지는 실질적인 의미와 본 명세서의 전반에 걸친 내용을 토대로 해석되어야 함을 밝혀두고자 한다.
이하에서, 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들에 대하여 상세히 살펴본다.
도 1은 일 실시예에 따른 플래시 구조를 이용하는 비휘발성 광 위상 변조기의 단면도를 나타낸다.
광 위상 변조기(optical phase shifter)는 광 캐리어를 아날로그 또는 디지털 신호로 변조하기 위해 이용되는 광 변조기 또는 광 경로를 전환하기 위해 이용되는 광 스위치의 단위 소자이다. 광 위상 변조기는 광 도파관에 인접한 MOS 커패시터의 중심에 전하의 축적을 유도함으로써 광 도파관의 굴절률을 변화시키고 광 빔의 위상을 변조한다.
도 1을 참조하면, 일 실시예에 따른 광 위상 변조기는 기판(100) 및 이에 형성된 제1 반도체층(110), 상기 제1 반도체층(110) 상에 위치하며 플래시 구조를 포함하는 절연체층(120), 및 절연체층(120) 상에 위치하며 제1 반도체층(110)과 상이한 극성을 갖는 제2 반도체층(130)으로 구성된다. 추가적으로 제1 반도체층(110) 및 제2 반도체층(130) 상에 각각 형성된 제1 전극(141) 및 제2 전극(142)을 더 구비할 수 있다. 후술하는 바와 같이, 실시예에 따른 광 위상 변조기는 절연체층(120)에 플래시 게이트 스택을 도입하여 스위칭 후의 위상 변화(광 경로)를 기억할 수 있도록 구성된다. 이하에서는 광 위상 변조기를 구성하는 각각의 구성요소에 대해 설명한다.
기판(100)은 반도체층과 나머지 구성요소들을 지지하기 위한 구성요소이다. 기판의 구성물질은 한정하지 않으나 예를 들면 단결정질의 Si(silicon), Ge(germanium), SiGe(silicon germanium), GaAs(gallium arsenide), InAs(indium arsenide), 또는 InP(indium phosphide)와 같은 화합물 반도체로 이루어질 수 있다. 일 실시예에서, 기판(100)은 SOI(silicon on insulator) 구조를 가지거나 매몰산화막층(buried oxide layer)을 더 포함할 수 있다.
제1 반도체층(110)은 기판(100) 위에 형성된다. 제1 반도체층(110)의 구성물질은 한정되지 않으나, 예를 들면 단결정질의 실리콘(silicon), 저마늄(germanium), SiGe(silicon germanium), GaAs(gallium arsenide), InAs(indium arsenide), 또는 InP(indium phosphide)와 같은 화합물 반도체로 이루어질 수 있다.
제1 반도체층(110)에는 광이 구속되는 코어가 형성된다. 코어는 기존의 광 전달 플랫폼에 주로 사용되는 반도체인 실리콘(Si), 저마늄(Ge), 주석(Sn) 등의 IV족 반도체 혹은 그 화합물인 실리콘 저마늄 합금(SiGe), 저마늄 주석 합금(GeSn)이나 InP, InAs, GaAs, GaSb와 같은 2원계 화합물 반도체 및 그들의 화합물인 3원계 및 4원계 화합물 반도체 등으로 구성될 수 있다. 일 실시예에서, 상기 코어는 통신 파장 대역인 약 1.3 ㎛ 나 약 1.5 ㎛의 파장을 포함하는 1 ㎛ 내지 15 ㎛의 넓은 적외선 파장 대역에서 투명한 특성을 갖는 물질로 구성될 수 있다.
제2 반도체층(130)은 제1 반도체층(110)과 상이한 극성을 갖는데, 예를 들어 제1 반도체층은 양(+)으로 도핑되고 제2 반도체층은 음(-)으로 도핑될 수 있고, 그 반대로 설정될 수도 있다. 일 실시예에 따르면, 제1 반도체층(110)은 양(+)으로 도핑된 물질(예를 들어, p-Si)로, 제2 반도체층(130)은 음(-)으로 도핑된 물질(예를 들어, n-Si)로 구성될 수 있고, 각각의 반도체층에 배치된 전극들(141, 142)에 의해 전자(electron)나 정공(hole)과 같은 캐리어(carrier)을 주입함으로써 광의 굴절률을 변화시킬 수 있다.
제2 반도체층(130)의 구성물질은 한정되지 않으며, 제1 반도체 층의 구성물질과 같은 물질이거나 다른 물질일 수도 있다. 예를 들어, 제1 반도체층(110) 및 제2 반도체층(130)은 기본적으로는 실리콘(Si)을 사용할 수 있으나, 위상 변조율을 높이기 위해 실리콘보다 유효 질량이 작은 물질이나 III-V족 화합물 반도체를 이용할 수도 있다. 이와 같은 III-V/Si 이종접합으로 구성된 하이브리드 SIS형 광학소자는 CMOS와 호환 가능하며 실리콘 기반의 광학소자 대비 5배 이상 스위칭 성능이 향상되므로 이를 이용하여 초저전력 및 초고효율 칩간 광배선 플랫폼을 구현할 수 있다.
도 2는 일 실시예에 따른 플래시 구조를 이용하는 비휘발성 광 위상 변조기의 단면을 촬영한 사진을 나타낸다.
절연체층(120)은 플래시 구조를 포함하여 광 위상 변조기와 광 스위치에서 전원 없이도 위상 변화(광 경로)가 기억되도록 한다. 일 실시예에 따른 플래시 구조는, 밴드갭(bandgap)이 비교적 큰 물질로 구성된 절연막 사이에 밴드갭이 상대적으로 작은 물질로 구성된 절연막 또는 반도체층(Poly-Si 등)을 삽입하여 전자 및 홀을 트래핑(trapping) 시키는 플래시 게이트 스택(flash gate stack) 구조일 수 있다. 예를 들어, 밴드갭이 큰 물질은 실리콘 옥사이드 또는 알루미늄 옥사이드를 포함하는 유전체일 수 있고, 상기 밴드갭이 작은 물질은 실리콘 나이트라이드, 하프늄 옥사이드 및 폴리실리콘 중 적어도 하나를 포함하는 유전체일 수 있다.
구체적으로, 절연체층(120)은 도 2에 도시된 것처럼 Al2O3로 구성된 층 사이에 HfO2 로 구성된 층이 삽입된 구조일 수 있다. 또는, 일반적인 플래시 메모리 소자에 적용되는 SiO2/Si3N4/SiO2 구조(이른바, SONOS 구조) 혹은 Al2O3/Si3N4/SiO2 구조(이른바, TANOS 구조)를 이용할 수 있다. Si3N4를 사용하면 데이터를 읽고 쓰는데 큰 전압이 소요되므로, 다른 고유전율(high-k)을 갖는 물질을 적용한 플래시 게이트 구조가 사용될 수 있다.
도 3의 좌측은 일 실시예에 따른 플래시 구조를 이용하는 비휘발성 광 스위치의 스위칭 동작을 나타낸 것이고, 우측은 이에 따른 커패시턴스 변화를 나타낸 그래프이다. 도 3을 참조하면, 광 스위치가 광신호의 경로를 변경시킨 경우("1")와 경로를 유지시킨 경우("0") 각각의 게이트 전압(Vg) 대비 커패시턴스(C)가 우측 그래프와 같이 나타난다. 이와 같이 전원 없이도 광 경로가 기억될 수 있는(즉, 메모리 효과 갖는) 초저전력 광 스위치가 구현될 수 있다. 도 3의 그래프를 참조하면 실시예에 따른 광 스위치의 메모리 윈도우(memory window)는 약 1.84 V이다.
실시예에 따른 비휘발성 광 위상 변조기는, 스위칭 동작 시 플래시 구조(예를 들어, III-V 화합물로 구성된 제2 반도체층)로부터 전자가 주입되고 상기 제2 반도체층(음극 반도체)에서 전자가 공핍, 양극 반도체층에서 정공이 축적되어 굴절률이 변화한다. 또 다른 실시예에서는, 스위칭 동작 시 플래시 구조(예를 들어, 실리콘으로 구성된 제1 반도체층)로부터 정공이 주입되고 제2 반도체층(예를 들어, III-V 화합물로 구성된 음극 반도체층)에 전자가 축적, 양극 반도체층에서 정공이 공핍되어 굴절률이 변화한다. 따라서, 목적에 맞게 전자가 주입되거나 정공이 주입되도록 선택적으로 설계하여 굴절률의 변화를 조정할 수 있다.
도 4는 실시예에 따른 비휘발성 광 위상 변조기의 다양한 광학구조를 나타낸다. 도 4의 (A)는 실시예에 따른 비휘발성 광 위상 변조기의 구조를 나타낸다. 이 구조를 예로 들면, 제1 반도체층에는 양(+)으로 도핑된 실리콘(p-Si)이 사용될 수 있고, 제2 반도체층에는 음(-)으로 도핑된 III-V 화합물 또는 다결정 실리콘이 사용될 수 있으며, 반도체층 사이에는 플래시 구조를 갖는 절연체층(유전체층)이 삽입될 수 있다. 절연체층은 본딩(bonding) 또는 증착(deposition) 방식을 이용하여 반도체층 사이에 형성될 수 있다.
일 실시예에서, 상기한 광 위상 변환기를 구비하는 광 간섭계를 구현할 수 있다. 광 간섭계는 예를 들어 마하-젠더 간섭계(Mach-Zehnder interferometer), 링 공진기(ring resonator), 페브리-페롯(FP) 공진기와 같이 위상 변환기(phase shifter)를 구성요소로 갖는 광학 구조체를 포함한다. 도 4의 (B), (C), (D)는 각각 실시예에 따라 마하-젠더 간섭계(MZI), 마이크로-링(Micro-ring), 마이크로-디스크(Micro-disk) 형태로 구현된 광학 소자를 도시한다.
도 5a는 일 실시예에 따른 플래시 구조를 이용하는 비휘발성 광 위상 변조기(마이크로-디스크 형태)의 설계변수를 나타낸 것이고, 도 5b는 도 5a의 실시예에 따른 비휘발성 광 위상 변조기의 파장에 따른 투과율을 나타낸 그래프이다.
도 6은 실시예에 따른 광 위상 변조기의 다양한 구조를 나타낸 도면이다. 도 6의 (A), (B), (C)는 공통적으로 제1반도체층, 플래시 구조의 절연체층, 제2반도체층이 적층된 구조(즉, SIS 구조)를 나타낸다. 절연체층을 구성하는 물질의 종류, 각 절연막의 두께 및 공정 순서는 소자의 이용 목적에 따라 상이하게 설정될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 플래시 구조를 포함하는 비휘발성 광 위상 변조기를 통해 광 경로를 저장하는 메모리 효과는 물론 근적외선 파장대역(특히 1.55, 1.3 um 대역) 및 중적외선 파장대역에서의 스위칭 성능향상 및 저전력화를 효과를 얻을 수 있다. 이에 따라, 종래의 실리콘 포토닉스의 성능을 획기적으로 개선할 수 있으며 범용적인 플랫폼을 제시할 수 있다.
이하에서는, 도면들을 참조하여 실시예에 따른 광 위상 변조기의 제조방법에 대해 설명하도록 한다.
일 실시예로서 웨이퍼 본딩을 이용한 SIS형 광 위상 변조기의 제조공정을 설명한다. 도 7a 내지 7e에 도시된 것처럼 서로 다른 극성의 반도체층(110, 130) 상에 각각 절연체층의 일부(120', 120'')를 형성한 후, 이를 접합면으로 이용하여 두 반도체를 접합시킴으로써 SIS형 커패시터를 형성할 수 있다. 이 방법에 따르면 III-V족 반도체와 같이 PDE가 큰 반도체를 집적할 수 있어 광 위상 변환기의 효율이 향상된다. 구체적인 제조 공정은 다음과 같다.
도 7a에 도시된 것처럼, 먼저 기판(100) 상에 제1 반도체층(110)을 형성한다.
도 7b에 도시된 것처럼, 제1 반도체층(110)을 가공하여 광 도파관(111)을 형성한다.
도 7c에 도시된 것처럼, 제1 반도체층(110) 및 상이한 극성을 갖는 제2 반도체층(130) 상에 각각 플래시 게이트 스택 구조의 일부 또는 전부를 포함하는 절연체층(120', 120'')을 형성한다.
도 7d에 도시된 것처럼, 제1 반도체층(110)의 절연체층(120')과 제2 반도체층(130)의 절연체층(120'')을 접합면으로 하여 서로 접합한다.
도 7e에 도시된 것처럼, 제2 반도체층(130)을 가공하여 상기 제1 반도체층(110)의 광 도파관(111)에서 제2 반도체층(130)으로도 빛이 도달할 수 있는 테이퍼(taper) 및 광 도파관의 복합구조를 형성한다. 이후 각각의 반도체층에 상부 클래딩 및 전극(141, 142)을 형성하여 광 위상 변조기를 제조할 수 있다.
도시되지는 않았지만, 추가적으로 도 7e의 공정 이후에 커패시터를 전극(141, 142)에 연결하는 단계 및 상기 커패시터를 충전하기 위한 회로를 연결하는 단계가 더 수행될 수 있다.
도 9는 제1 반도체층의 광 도파관에서 제2 반도체층으로도 빛이 도달할 수 있는 테이퍼(taper) 구조를 도시한다. 이에 따르면 제1층에만 있던 광을 제2층으로도 보낼 수 있다. 도 9에서 광은 A로부터 B 또는 B로부터 A에 도달할 수 있으며, 이는 빛의 진행방향에 따라 가역적으로 변환되는 구조이다.
또 다른 실시예로서 다결정 실리콘 전극을 이용하는 SIS(silicon-insulator-silicon) 구조를 설명한다. 이에 따르면, 도 8a, 8b에 도시된 것처럼 SOI(silicon-on-insulator) 기판 위에 플래시 게이트 구조를 포함하는 절연체층(유전체층)을 형성한 후 다결정 실리콘을 올려서 최종 구조를 형성하게 된다.
도 8a를 참조하면, 기판(100) 상에 제1 반도체층(110)을 형성하고, 이를 가공하여 광 도파관(111)을 형성한다. 이어, 상기 제1 반도체층 상에 플래시 게이트 스택 을 차례로 쌓아 플래시 구조의 절연체층(120)을 형성한다. 이어서, 도 8b와 같이 절연체층(120) 상에 제1 반도체층과 상이한 극성을 갖는 제2 반도체층(130)을 형성한다.
다음 단계는 도 7e에서 설명한 공정과 유사한 방식으로, 제2 반도체층(130)을 가공하여 상기 제1 반도체층(110)의 광 도파관(111)에서 제2 반도체층(130)으로도 빛이 도달할 수 있는 테이퍼 및 광 도파관의 복합구조를 형성하고, 상기 제1 반도제층 및 상기 제2 반도체층 상에 상부 클래딩 및 전극(141, 142)을 형성함으로써 비휘발성 광 위상 변조기를 제조한다.
전술한 것처럼, 절연체층을 구성하는 물질의 종류와 절연막의 두께는 인가 전압에 따른 축적 전하의 양을 결정할 수 있다. 상기 제조방법은 본 발명의 광 위상 변조기 또는 광 메모리 소자의 공통적인 구조를 구축하기 위한 예시적인 공정을 나타내는 것이며, 목적에 따라 구조 변수가 변경되거나 공정이 추가 또는 제외될 수 있음은 전술한 바와 같다.
이상에서 설명한 실시예들에 따른 비휘발성 광 위상 변조기를 활용하면, 전원 없이도 스위칭 후의 위상 변화(광 경로)를 기억할 수 있는 광 메모리 소자를 구현할 수 있다. 또한, 플래시 구조를 갖는 절연체의 구성물질과 구조변수의 설계변경을 통해 초저전력 광 스위치 소자를 구현할 수 있다.
또한, 실시예의 광학소자는 실리콘과 III-V족 반도체를 이용한 하이브리드 SIS 구조 혹은 하이브리드 레이저와 같은 능동소자의 설계에도 적용될 수 있어 실리콘과 III-V 반도체의 장점을 동시에 활용할 수 있다. 이에 따라, 실리콘 포토닉스의 성능을 획기적으로 개선하고 종래의 기술, 설비에 쉽게 전용 가능한 범용적인 플랫폼을 제시할 수 있을 것으로 기대된다.
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.
100: 기판
110: 제1 반도체층
120: 절연체층
130: 제2 반도체층
141, 142: 전극

Claims (15)

  1. 플래시 구조를 이용하는 비휘발성 광 위상 변조기로서,
    기판;
    상기 기판 상에 위치하는 제1 반도체층;
    상기 제1 반도체층 상에 위치하는 절연체층; 및
    상기 절연체층 상에 위치하며 상기 제1 반도체층과 상이한 극성을 갖는 제2 반도체층을 포함하되,
    상기 절연체층은 플래시 구조를 포함하여 상기 광 위상 변조기의 위상 변화가 기억되도록 구성되며,
    상기 플래시 구조는, 알루미늄 옥사이드(Al2O3)로 구성된 절연막 사이에 하프늄 옥사이드(HfO2)로 구성된 절연막이 삽입되어 전자 및 홀을 트래핑(trapping) 시킬 수 있는 플래시 게이트 스택(flash gate stack) 구조인 것을 특징으로 하는, 플래시 구조를 이용하는 비휘발성 광 위상 변조기.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 반도체층은 실리콘을 포함하는 물질로 구성되고,
    상기 제2 반도체층은 III-V족 화합물 반도체를 포함하는 물질로 구성되는 것을 특징으로 하는, 플래시 구조를 이용하는 비휘발성 광 위상 변조기.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 광 위상 변조기의 동작 시, 플래시 구조에 전자가 주입되어 음극 반도체층에서 전자가 공핍되고 양극 반도체층에서 정공이 축적되는 것을 특징으로 하는, 플래시 구조를 이용하는 비휘발성 광 위상 변조기.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 광 위상 변조기의 동작 시, 플래시 구조에 정공이 주입되어 음극 반도체층에서 전자가 축적되고 양극 반도체층에서 정공이 공핍되는 것을 특징으로 하는, 플래시 구조를 이용하는 비휘발성 광 위상 변조기.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1 반도체층 및 상기 제2 반도체층 상에 형성된 상부 클래딩 및 전극을 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 비휘발성 광 위상 변조기.
  8. 플래시 구조를 이용하는 비휘발성 광 위상 변조기의 제조방법으로서,
    기판 상에 형성된 제1 반도체층 및 상기 제1 반도체층과 상이한 극성을 갖는 제2 반도체층을 제공하는 단계;
    상기 제1 반도체층을 가공하여 광 도파관을 형성하는 단계;
    상기 제1 반도체층 및 제2 반도체층의 표면에 각각 절연체층의 일부를 형성하는 단계;
    상기 제1 반도체층의 절연체층과 상기 제2 반도체층의 절연체층을 서로 접합하는 단계;
    상기 제2 반도체층을 가공하여 상기 제1 반도체층의 광 도파관에서 제2 반도체층으로도 빛이 도달할 수 있는 테이퍼 및 광 도파관의 복합구조를 형성하는 단계; 및
    상기 제1 반도체층 및 상기 제2 반도체층 상에 상부 클래딩 및 전극을 형성하는 단계를 포함하되,
    상기 절연체층은 플래시 구조를 포함하여 상기 광 위상 변조기의 위상 변화가 기억되도록 구성되며,
    상기 플래시 구조는, 밴드갭이 큰 물질로 구성된 절연막 사이에 밴드갭이 작은 물질로 구성된 절연막이 삽입되어 전자 및 홀을 트래핑(trapping) 시킬 수 있는 플래시 게이트 스택(flash gate stack) 구조인 것을 특징으로 하는, 플래시 구조를 이용하는 비휘발성 광 위상 변조기의 제조방법.
  9. 플래시 구조를 이용하는 비휘발성 광 위상 변조기의 제조방법으로서,
    기판 상에 제1 반도체층을 형성하는 단계;
    상기 제1 반도체층을 가공하여 광 도파관을 형성하는 단계;
    상기 제1 반도체층 상에 절연체층을 형성하는 단계;
    상기 절연체층 상에 상기 제1 반도체층과 상이한 극성을 갖는 제2 반도체층을 형성하는 단계;
    상기 제2 반도체층을 가공하여 상기 제1 반도체층의 광 도파관에서 제2 반도체층으로도 빛이 도달할 수 있는 테이퍼 및 광 도파관의 복합구조를 형성하는 단계; 및
    상기 제1 반도체층 및 상기 제2 반도체층 상에 상부 클래딩 및 전극을 형성하는 단계를 포함하되,
    상기 절연체층은 플래시 구조를 포함하여 상기 광 위상 변조기의 위상 변화가 기억되도록 구성되며,
    상기 플래시 구조는, 알루미늄 옥사이드(Al2O3)로 구성된 절연막 사이에 하프늄 옥사이드(HfO2)로 구성된 절연막이 삽입되어 전자 및 홀을 트래핑(trapping) 시킬 수 있는 플래시 게이트 스택(flash gate stack) 구조인 것을 특징으로 하는, 플래시 구조를 이용하는 비휘발성 광 위상 변조기의 제조방법.
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 제8항 또는 제9항에 있어서,
    상기 제1 반도체층은 실리콘을 포함하는 물질로 구성되고,
    상기 제2 반도체층은 III-V족 화합물 반도체를 포함하는 물질로 구성되는 것을 특징으로 하는, 플래시 구조를 이용하는 비휘발성 광 위상 변조기의 제조방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 광 위상 변조기의 동작 시, 플래시 구조에 전자가 주입되어 음극 반도체층에서 전자가 공핍되고 양극 반도체층에서 정공이 축적되는 것을 특징으로 하는, 플래시 구조를 이용하는 비휘발성 광 위상 변조기의 제조방법.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 광 위상 변조기의 동작 시, 플래시 구조에 정공이 주입되어 음극 반도체층에서 전자가 축적되고 양극 반도체층에서 정공이 공핍되는 것을 특징으로 하는, 플래시 구조를 이용하는 비휘발성 광 위상 변조기의 제조방법.
  15. 제8항 또는 제9항에 있어서,
    상기 제1 반도체층과 연결된 제1 전극을 형성하는 단계; 및
    상기 제2 반도체층과 연결된 제2 전극을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 플래시 구조를 이용하는 비휘발성 광 위상 변조기의 제조방법.
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