KR102514710B1 - 초소형 온칩 광 센싱을 위한 광 검출 소자 및 goi 디바이스, 및 그의 제조 방법 - Google Patents

초소형 온칩 광 센싱을 위한 광 검출 소자 및 goi 디바이스, 및 그의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

다양한 실시예들은 초소형 온칩(on-chip) 광 센싱을 위한 광 검출 소자 및 GOI(Ge-on-insulator) 디바이스, 및 그의 제조 방법을 제공할 수 있다. 다양한 실시예들에 따르면, 광 검출 소자 및 GOI 디바이스는 저마늄(Ge) 층을 포함하는 GOI 구조체 상에 구현되며, GOI 디바이스가 광 검출 소자를 구비하도록 구현될 수 있다. 구체적으로, GOI 디바이스는 웨이브가이드 영역이 마련되는 GOI 구조체, 웨이브가이드 영역에 대해 광을 발생시키도록 구성되는 광원 소자, 및 웨이브가이드 영역으로부터 출력되는 광을 검출하도록 구성되는 적어도 하나의 광 검출 소자를 포함할 수 있다. 웨이브가이드 영역의 저마늄 층에는, 광원 소자로부터의 광이 모이도록 구성되는 적어도 하나의 슬롯이 마련될 수 있다. 광원 소자는 웨이브가이드 영역의 저마늄 층에 커플링되도록 광을 발생시킬 수 있다. 광 검출 소자는 저마늄 층에서 광이 진행됨에 따라 발생되는 열을 검출할 수 있다.

Description

초소형 온칩 광 센싱을 위한 광 검출 소자 및 GOI 디바이스, 및 그의 제조 방법{OPTICAL DETECTION ELEMENT AND GOI DEVICE FOR ULTRA-SMALL ON-CHIP OPTICAL SENSING, AND MENUFACTURING METHOD OF THE SAME}
다양한 실시예들은 초소형 온칩 광 센싱을 위한 광 검출 소자 및 GOI(Ge-on-insulator) 디바이스, 및 그의 제조 방법에 관한 것이다.
광 센싱이 다양한 센싱 분야들에 응용되고 있다. 최근, 중적외선을 이용하여, 가스 또는 바이오 물질(bio-material)을 검출하기 위한 연구가 진행되고 있다. 그러나, 기존의 센싱 장비들은 중적외선을 이용하기 위해 충분한 광 경로를 필요로 하기 때문에, 볼륨이 크고, 고가인 단점이 있다. 한편, 실리콘 기반 웨이브가이드를 갖는 온칩 광 센싱 디바이스가 사용되고 있으나, 이러한 광 센싱 디바이스는 비교적 낮은 필드 구속(field confinement) 성능으로 인해, 근적외선을 이용할 뿐, 중적외선 대역을 활용하는 측면에서는 상당한 제약이 따른다. 따라서, 다양한 요구 사항들을 모두 충족하는 광 센싱 디바이스가 요구되고 있다.
다양한 실시예들은, 초소형 온칩 광 센싱을 위한 광 검출 소자 및 GOI 디바이스, 및 그의 제조 방법을 제공한다.
다양한 실시예들은, 중적외선을 이용한 광 센싱을 위한 광 검출 소자 및 GOI 디바이스 및 그의 제조 방법을 제공한다.
다양한 실시예들에 따른 GOI 디바이스는, 저마늄(Ge) 층을 포함하는 웨이브가이드 영역이 마련되는 GOI 구조체, 상기 웨이브가이드 영역에 대해 광을 발생시키도록 구성되는 광원 소자, 및 상기 웨이브가이드 영역으로부터 출력되는 광을 검출하도록 구성되는 적어도 하나의 광 검출 소자를 포함할 수 있다.
다양한 실시예들에 따른 GOI 디바이스의 제조 방법은, 저마늄(Ge) 층을 포함하고, 웨이브가이드 영역이 마련되는 GOI 구조체를 제조하는 단계, 상기 GOI 구조체 상에, 상기 웨이브가이드 영역에 대해 광을 발생시키도록 구성되는 광원 소자를 실장하는 단계, 및 상기 GOI 구조체 상에, 상기 웨이브가이드 영역으로부터 출력되는 광을 검출하도록 구성되는 적어도 하나의 광 검출 소자를 실장하는 단계를 포함할 수 있다.
다양한 실시예들에 따르면, 상기 GOI 구조체를 제조하는 단계는, 하부 층 상에 상기 저마늄 층이 성장된 에피텍셜 웨이퍼를 준비하는 단계, 상기 저마늄 층 상에 산화물 층을 형성하는 단계, 상기 산화물층을 통해, 상기 에피텍셜 웨이퍼를 절연 기판 상에 접합시키는 단계, 및 상기 절연 기판 상에 상기 저마늄 층을 남기면서, 상기 하부 층을 제거하는 단계를 포함할 수 있다.
다양한 실시예들에 따른 광 검출 소자는, 외부로부터의 광이 진행되도록 구성되는 저마늄 층을 포함하는 GOI 구조체, 및 상기 GOI 구조체 상에 배치되고, 상기 GOI 구조체 상에 배치되고, 상기 저마늄 층에서 광이 진행됨에 따라 발생되는 열에 의해 저항 값이 변화되는 볼로미터 물질 층을 포함하고, 상기 변화된 저항 값을 검출하도록 구성될 수 있다.
다양한 실시예들에 따르면, 광 검출 소자 및 GOI 디바이스가 저마늄을 기반으로 하는 GOI 구조체 상에 구현됨에 따라, 광 검출 소자 및 GOI 디바이스가 초소형 온칩 구조로 구현되어 광 센싱에 이용될 수 있다. 이 때, GOI 구조체가 저마늄을 통해 비교적 높은 필드 구속 성능을 확보할 수 있으므로, 광 검출 소자 및 GOI 디바이스가 중적외선을 포함하는 넓은 대역에서의 광 센싱에 이용될 수 있다. 그리고, 광 검출 소자가 광으로부터 변환된 열을 검출하는 방식으로 광을 검출함으로써, 광 센싱의 확장성이 극대화될 수 있다.
도 1은 다양한 실시예들에 따르면 GOI 디바이스를 개략적으로 도시하는 사시도이다.
도 2는 도 1의 GOI 구조체를 개략적으로 도시하는 사시도이다.
도 3은 도 1의 광원 소자를 예시적으로 도시하는 사시도이다.
도 4a 및 도 4b는 도 3의 광원 소자의 성능을 설명하기 위한 도면들이다.
도 5 및 도 6은 도 1의 웨이브가이드 영역의 성능을 설명하기 위한 도면들이다.
도 7은 도 1의 웨이브가이드 영역을 개략적으로 도시하는 사시도이다.
도 8 및 도 9는 도 7의 웨이브가이드 영역의 성능을 설명하기 위한 도면들이다.
도 10은 도 1의 광 검출 소자를 개략적으로 도시하는 사시도이다.
도 11은 도 10의 광 검출 소자의 성능을 설명하기 위한 도면이다.
도 12는 다양한 실시예들에 따른 GOI 디바이스의 제조 방법을 도시하는 순서도이다.
도 13a 내지 도 13g는 도 12의 GOI 구조체 제조 단계를 구체적으로 설명하기 위한 사시도들이다.
이하, 본 문서의 다양한 실시예들이 첨부된 도면을 참조하여 설명된다.
도 1은 다양한 실시예들에 따르면 GOI 디바이스(100)를 개략적으로 도시하는 사시도이다. 도 2는 도 1의 GOI 구조체(110)를 개략적으로 도시하는 사시도이다. 도 3은 도 1의 광원 소자(130)를 예시적으로 도시하는 사시도이다. 도 4a 및 도 4b는 도 3의 광원 소자(130)의 성능을 설명하기 위한 도면들이다. 도 5 및 도 6은 도 1의 웨이브가이드 영역(120)의 성능을 설명하기 위한 도면들이다. 도 7은 도 1의 웨이브가이드 영역(120)을 개략적으로 도시하는 사시도이다. 도 8 및 도 9는 도 7의 웨이브가이드 영역(120)의 성능을 설명하기 위한 도면들이다. 도 10은 도 1의 광 검출 소자(150)를 개략적으로 도시하는 사시도이다. 도 11은 도 10의 광 검출 소자(150)의 성능을 설명하기 위한 도면이다.
도 1을 참조하면, GOI 디바이스(100)는 초소형 온칩 광 센싱을 위한 것으로, GOI 구조체(110), 광원 소자(130), 분광 소자(140), 또는 적어도 하나의 광 검출 소자(150) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 이 때, GOI 디바이스(100)는 중적외선(mid-IR)에 대한 가스의 광 흡수 스펙트럼을 측정하여, 가스를 검출할 수 있다. 여기서, 중적외선은 3 ㎛ 내지 8 ㎛의 파장 대역, 및 38 THz 내지 100 THz의 주파수 대역의 적외선을 나타낼 수 있다.
GOI 구조체(110)는 초소형 온칩 광 센싱을 위한 플랫폼(platform)으로서 구성될 수 있다. GOI 구조체(110)는 광원 소자(130), 분광 소자(spectrometer)(140), 또는 광 검출 소자(150) 중 적어도 하나를 지지할 수 있다. 그리고, GOI 구조체(110)는 광원 소자(130)에서 발생되는 광이 진행되도록 구현될 수 있다. 이를 위해, GOI 구조체(110)에는, 웨이브가이드(waveguide) 영역(120)이 마련될 수 있다. 즉, GOI 구조체(110)의 일부 영역이 웨이브가이드 영역(120)으로 마련될 수 있다.
GOI 구조체(110)는, 도 2에 도시된 바와 같이 절연 기판(111) 및 저마늄(Ge) 층(115)을 포함할 수 있다. 절연 기판(111)은 저마늄 층(115)을 지지할 수 있다. 이 때, 절연 기판(111)은 베이스 층(112), 및 베이스 층(112) 상에 적층되는 산화물(oxide) 층(113)을 포함할 수 있다. 예를 들면, 베이스 층(112)은 실리콘(Si)으로 이루어질 수 있다. 저마늄 층(115)은 절연 기판(111), 구체적으로는 산화물 층(113) 상에 배치되며, 저마늄(Ge)으로 이루어질 수 있다.
광원 소자(130)는 웨이브가이드 영역(120)에 대해 광을 발생시키도록 구성될 수 있다. 이를 위해, 광원 소자(130)는 웨이브가이드 영역(120)의 일 측에 배치될 수 있다. 여기서, 광원 소자(130)는 GOI 구조체(110) 상에 장착되어, 웨이브가이드 영역(120)의 일 측에 배치될 수 있다. 이 때, 광원 소자(130)는 중적외선을 발생시킬 수 있다. 광원 소자(130)는 웨이브가이드 영역(120)의 저마늄 층(115)에 커플링되도록 광을 발생시킬 수 있다.
예를 들면, 광원 소자(130)는, 도 3에 도시된 바와 같은 양자 연쇄 반응 레이저(quantum cascade laser; QCL)를 포함할 수 있다. 양자 연쇄 반응 레이저는 수십 mW 내지 수백 mW의 출력 세기로 중적외선을 출력할 수 있다. 여기서, 양자 연쇄 반응 레이저에서 저마늄 층(115)으로의 중적외선의 파장에 따른 커플링 효율은, 도 4a에 도시된 바와 같이 대략 60 % 내지 80 %로 우수할 수 있다. 그리고, 양자 연쇄 반응 레이저에서 저마늄 층(115)으로 커플링되는 중적외선은 도 4b에 도시된 바와 같은 필드 분포를 나타낼 수 있다.
분광 소자(140)는 광원 소자(130)로부터의 광의 스펙트럼을 얻기 위해 구성될 수 있다. 이를 위해, 분광 소자(140)는 광원 소자(130)와 웨이브가이드 영역(120) 사이에 배치될 수 있다. 여기서, 분광 소자(140)는 GOI 구조체(110) 상에 장착되어, 광원 소자(130)와 웨이브가이드 영역(120) 사이에 배치될 수 있다. 그리고, 분광 소자(140)는 광원 소자(130)로부터의 광을 파장에 따라 분해하여, 웨이브가이드 영역(120)으로 진행시킬 수 있다.
이를 통해, 웨이브가이드 영역(120)의 저마늄 층(115)은 광원 소자(130)로부터의 광을 구속하면서 진행시킬 수 있다. 이 때, 저마늄 층(115)의 재료적 성질로 인해, 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 기존의 실리콘 기반 웨이브가이드에 비해, 저마늄 층(115)을 갖는 웨이브가이드 영역(120)이 광 손실 측면에서 우수할 수 있다. 즉, 도 5에 도시된 바와 같이, 기존의 실리콘 기반 웨이브가이드에 비해, 저마늄 층(115)을 갖는 웨이브가이드 영역(120)이 재료적 성질에 따른 광 손실 측면에서 우수할 수 있다. 아울러, 도 6의 (a)에 도시된 바와 같은 그레인(grain)으로 인한 불균일한 측벽 형태를 고려할 때, 도 6의 (b)에 도시된 바와 같이, 기존의 실리콘 기반 웨이브가이드에 비해, 저마늄 층(115)을 갖는 웨이브가이드 영역(120)이 재료적 성질에 따른 광 손실 및 불균일한 측벽 형태에 따른 광 손실 측면에서 우수할 수 있다. 한편, 저마늄 층(115)은 높은 필드 구속(field confinement) 성능을 갖기 때문에, 기존의 실리콘 기반 웨이브가이드에 비해, 저마늄 층(115)을 갖는 웨이브가이드 영역(120)이 높은 필드 구속 성능으로 광을 구속할 수 있다. 어떤 실시예들에서, 웨이브가이드 영역(120)의 저마늄 층(115)에는, 도 7에 도시된 바와 같이 적어도 하나의 슬롯(slot)(121)이 마련될 수 있다. 슬롯(121)은 광원 소자(130)로부터의 광이 모여 진행하도록 구성될 수 있다. 이로 인해, 도 8 및 도 9에 도시된 바와 같이, 슬롯(121)이 마련되지 않은 저마늄 층(115)(도 8 및 도 9의 (a))에 비해, 슬롯(121)이 마련되는 저마늄 층(115)(도 8 및 도 9의 (b))이 높은 필드 구속 성능으로 광을 구속할 수 있다.
적어도 하나의 광 검출 소자(150)는 웨이브가이드 영역(120)으로부터 출력되는 광을 검출하도록 구성될 수 있다. 어떤 실시예들에서, 복수의 광 검출 소자(150)들이 어레이로 마련될 수 있다. 어떤 실시예들에서, 광 검출 소자(150)는 웨이브가이드 영역(120)으로부터의 광을 열로 변환하고, 변환된 열을 검출하도록 구성될 수 있다. 광 검출 소자(150)가 열을 검출하도록 구현되고, 이를 통해 광을 검출함에 따라, 광을 직접적으로 검출하는 기존의 광자(photon) 검출 소자에 비해, 파장 무의존성(wavelength independence) 및 상온 동작(room temperature operation)의 장점들이 용이하게 확보될 수 있으며, 나아가 광 센싱의 확장성이 극대화될 수 있다. 이를 위해, 광 검출 소자(150)는 웨이브가이드 영역(120)의 일 측, 즉 웨이브가이드 영역(120)을 사이에 두고 광원 소자(130)의 맞은편에 배치될 수 있다. 이 때, 광 검출 소자(150)는 GOI 구조체(110) 상에 장착되어, GOI 구조체(110)의 일부 영역과 함께 통합되도록 구현될 수 있다. 이를 통해, 광 검출 소자(150)는 GOI 구조체(110)의 고농도 도핑의 저마늄 층(115)에서 광이 진행됨에 따라 발생되는 열을 검출하고, 결과적으로 열을 기반으로 광을 검출할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 광 검출 소자(150)는 열을 검출하기 위한 열 검출기(thermal detector)의 한 종류인 볼로미터(bolometer)가 사용될 수 있으며, 특히 도파로 형태의 볼로미터(waveguide-based bolometer) 구조를 활용하여 구현될 수 있다. 예를 들면, 광 검출 소자(150)는, 도 10에 도시된 바와 같이 절연 층(151), 볼로미터 물질(bolometric material) 층(153), 및 적어도 하나의 전극(155)을 포함할 수 있다.
절연 층(151)은 고농도 도핑의 저마늄 층(115)과 볼로미터 물질 층(153) 사이의 전기적 결합을 차단할 수 있다. 이를 위해, 절연 층(151)은 웨이브가이드 영역(120)의 일 측에서, 절연 기판(111) 상의 고농도 도핑의 저마늄 층(115)을 덮도록 형성될 수 있다. 일 예로, 절연 층(151)은 산화물로 이루어질 수 있다.
고농도 도핑의 저마늄 층(115)은 웨이브가이드 영역(120)으로부터의 광을 열로 변환할 수 있다. 이 때, 고농도 도핑의 저마늄 층(115)은 자유 캐리어 흡수(free-carrier absorption; FCA) 효과에 따라 고농도 도핑의 저마늄 층(115)에서 진행되는 광을 흡수할 수 있으며, 이로써 고농도 도핑의 저마늄 층(115)에서 발생된 열이 볼로미터 물질 층(153)로 전달되어 볼로미터 물질 층(153)의 저항 값의 변화가 발생할 수 있다. 이를 위해, 볼로미터 물질(bolometric material) 층(153)은 절연 층(151) 상에 적층될 수 있다. 바꿔 말하면, 볼로미터 물질(bolometric material) 층(153)은 절연 층(151)을 사이에 두고 고농도 도핑의 저마늄 층(115) 상에 적층될 수 있다. 일 예로, 볼로미터 물질 층(153)은 바나듐 산화물(vanadium oxide), 티타늄 산화물(titanium oxide), 비결정성 실리콘(amorphous silicon), 실리콘 저마늄 산화물(silicon germanium oxide) 등과 같은 볼로미터 물질로 이루어질 수 있다. 여기서, 볼로미터 물질 층(153)은, 도 11에 도시된 바와 같은 열 발생 효율을 나타낼 수 있다. 일 예로, 웨이브가이드 영역(120)으로부터 도 11에 도시된 바와 같은 설계 변수의 광 검출 소자(150)의 고농도 도핑의 저마늄 층(115)으로 4.23 ㎛의 파장 및 10 mW의 세기로 광이 입사되는 경우, 볼로미터 물질 층(153)은 약 9.312 K/mW의 열 효율(thermal efficiency)로 열을 발생시킬 수 있다.
전극(155)은 볼로미터 물질 층(153)의 저항 값의 변화를 검출하는 데 이용될 수 있다. 이를 위해, 전극(155)은 볼로미터 물질 층(153)에 장착될 수 있다. 이 때, 검출되는 저항 값으로부터 열이 검출되고, 나아가 광이 검출될 수 있다.
다양한 실시예들에 따르면, GOI 디바이스(100)는 가스를 검출하는 데 이용될 수 있다. 예를 들면, GOI 디바이스(100)는 중적외선을 이용하여, 이산화탄소(CO2)를 검출할 수 있다. 이 때, GOI 디바이스(100)의 검출 한계(limit of detection; LoD)는 하기 [수학식 1]을 통해 산출될 수 있다. 즉, GOI 디바이스(100)의 검출 한계는 광 검출 소자(150)의 볼로미터 물질 층(153)에서의 열 민감도(noise equivalent temperature difference; NETD)와 커다란 상관 관계를 가질 수 있다. 따라서, 광 검출 소자(150)의 볼로미터 물질 층(153)에서의 열 민감도(NETD)가 개선됨에 따라, 광 검출 소자(150) 및 GOI 디바이스(100)의 성능이 보다 향상될 것이다.
Figure 112021052824862-pat00001
여기서, C는 가스의 농도(mol·L-1)를 나타내고, Cmin은 가스의 최소 농도(mol·L-1)를 나타내고, Pmin은 최소 감지 가능 세기(W)를 나타내고,
Figure 112021052824862-pat00002
는 구속 성능 팩터(%)를 나타내고,
Figure 112021052824862-pat00003
는 가스의 분자 흡수 계수(molar absorption coefficient)(mol·L-1·cm)를 나타내고, L은 광 경로의 길이(cm)를 나타내고, P0는 입력되는 광의 세기(W)를 나타내고, αprop는 광 손실(cm-1)을 나타낼 수 있다. 예를 들면,
Figure 112021052824862-pat00004
가 58.89 %이고, P0가 10 mW이고, αprop가 1.97 dB/cm(0.4536 cm-1)이고, L=이 1.396 cm이고,
Figure 112021052824862-pat00005
가 9200 mol·L-1·cm이고, SNR(signal-to-noise ratio)가 3이고, 열 효율이 9.312 K/mW이고, 열 민감도(NETD)가 11.64 mK인 경우, Cmin은 1.1507 × 10-7 mol/L이며, GOI 디바이스(100)의 검출 한계는 약 2.25 ppm일 것(배경온도가 20 °C로 가정됨)이다.
도 12는 다양한 실시예들에 따른 GOI 디바이스(100)의 제조 방법을 도시하는 순서도이다. 도 13a 내지 도 13g는 도 12의 GOI 구조체(110) 제조 단계를 구체적으로 설명하기 위한 사시도들이다.
도 12를 참조하면, 210 단계에서, GOI 구조체(110)가 제조될 수 있다. GOI 구조체(110)는 초소형 온칩 광 센싱을 위한 플랫폼으로서 구성될 수 있다. 이 때, GOI 구조체(110)는, 도 2에 도시된 바와 같이 절연 기판(111) 및 저마늄 층(115)을 포함할 수 있다. 여기서, 절연 기판(111)은 베이스 층(112), 및 베이스 층(112) 상에 적층되는 산화물 층(113)을 포함할 수 있다. 그리고, GOI 구조체(110)에는, 웨이브가이드 영역(120)이 마련될 수 있다. 즉, GOI 구조체(110)의 일부 영역이 웨이브가이드 영역(120)으로 마련될 수 있다. 이러한 GOI 구조체(110)의 제조 절차가 도 13a 내지 도 13g를 참조하여 보다 상세하게 후술될 것이다.
먼저, 도 13a에 도시된 바와 같이, 에피텍셜 웨이퍼(epitaxial wafer)(310)가 준비될 수 있다. 에피텍셜 웨이퍼(310)는 하부 층(311), 및 하부층(311) 상의 저마늄 층(115)을 포함할 수 있다. 즉, 하부 층(311) 상에 저마늄 층(115)이 성장됨에 따라, 에피텍셜 웨이퍼(310)가 준비될 수 있다. 예를 들면, 하부 층(311)은 지지 층(312), 스트레인-완화 층(strain-relaxed buffer layer)(313), 및 베이스 성장 층(314)을 포함할 수 있다. 지지 층(312)은 스트레인-완화 층(313) 및 베이스 성장 층(314)을 지지할 수 있다. 일 예로, 지지 층(312)은 실리콘으로 이루어질 수 있다. 스트레인-완화 층(313)은 지지 층(312) 상에 배치될 수 있다. 이 때, 스트레인-완화 층(313)은 저마늄 층(115)에 대해 격자 부정합(lattice mismatch)일 수 있다. 바꿔 말하면, 스트레인-완화 층(313)의 격자 상수는 저마늄 층(115)의 격자 상수와 다를 수 있다. 이로써, 스트레인-완화 층(313)을 통해, 저마늄 층(115)에 변형(strain)이 적용될 수 있다. 베이스 성장 층(314)은 스트레인-완화 층(313) 상에 배치될 수 있다. 일 예로, 베이스 성장 층(314)은 실리콘과 저마늄으로 이루어질 수 있다. 저마늄 층(115)은 베이스 성장 층(314)에 배치될 수 있다. 이 후, 도 13b에 도시된 바와 같이, 에피텍셜 웨이퍼(310) 상에, 산화물 층(113)이 형성될 수 있다. 이 때, 저마늄 층(115) 상에, 산화물 층(113)이 형성될 수 있다.
한편, 도 13c에 도시된 바와 같이, 절연 기판(111)이 준비될 수 있다. 이 때, 절연 기판(111)은 베이스 층(112), 및 베이스 층(112) 상에 적층되는 산화물 층(113)을 포함할 수 있다. 예를 들면, 베이스 층(112)은 실리콘으로 이루어질 수 있다.
다음으로, 도 13d에 도시된 바와 같이, 에피텍셜 웨이퍼(310)가 산화물 층(113)을 통해, 절연 기판(111) 상에 접합될 수 있다. 이 때, 에피텍셜 웨이퍼(310)의 산화물 층(113)이 절연 기판(111)의 산화물 층(113)에 결합되어, 절연 기판(111)에 통합될 수 있다. 이를 통해, 절연 기판(111) 상에, 저마늄 층(115)이 배치될 수 있다. 이 후, 도 13e에 도시된 바와 같이, 하부층(311)이 제거될 수 있다. 이 때, 베이스 성장 층(314), 스트레인-완화 층(313), 및 지지 층(312)이 한꺼번에 제거되거나, 순차적으로 제거될 수 있다. 여기서, 하부층(311)은 화학적 기법 또는 기계적 기법 중 적어도 하나에 의해, 제거될 수 있다. 일 실시예에 따르면, 하부층(311)은, 수산화 테트라메틸암모늄(tetramethylammonium hydroxide; TMAH) 또는 SC1(예컨대, NH4OH + H2O2 + H2O 용액) 중 적어도 하나를 사용하여, 화학적 제거될 수 있다. 다른 실시예에 따르면, 하부층(311)은 그라인딩(grinding) 기법 또는 폴리싱(polishing) 기법 중 적어도 하나에 의해, 기계적으로 제거될 수 있다.
이를 통해, 도 13f에 도시된 바와 같이, 절연 기판(111) 상에, 저마늄 층(115)만이 남을 수 있다. 이 후, 도 13g에 도시된 바와 같이, 절연 기판(111) 상에서, 저마늄 층(115)이 가공될 수 있다. 이 때, 저마늄 층(115)의 일부가 제거될 수 있다. 이에 따라, GOI 구조체(110)가 제조될 수 있다. 어떤 실시예들에서, GOI 구조체(110)의 웨이브가이드 영역(120)에서, 저마늄 층(115)에 적어도 하나의 슬롯(121)이 추가적으로 생성될 수 있다.
다음으로, 220 단계에서, GOI 구조체(110) 상에, 적어도 하나의 소자(130, 140, 150)가 실장될 수 있다. 이 때, 소자(130, 140, 150)는 광원 소자(130), 분광 소자(140), 또는 적어도 하나의 광 검출 소자(150) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 이에 따라, 도 1에 도시된 바와 같은 GOI 디바이스(100)가 제조될 수 있다.
광원 소자(130)는 웨이브가이드 영역(120)에 대해 광을 발생시키도록 구성될 수 있다. 이를 위해, 광원 소자(130)는 웨이브가이드 영역(120)의 일 측에 배치될 수 있다. 여기서, 광원 소자(130)는 GOI 구조체(110) 상에 장착되어, 웨이브가이드 영역(120)의 일 측에 배치될 수 있다. 이 때, 광원 소자(130)는 중적외선을 발생시킬 수 있다. 광원 소자(130)는 웨이브가이드 영역(120)의 저마늄 층(115)에 커플링되도록 광을 발생시킬 수 있다.
분광 소자(140)는 광원 소자(130)로부터의 광의 스펙트럼을 얻기 위해 구성될 수 있다. 이를 위해, 분광 소자(140)는 광원 소자(130)와 웨이브가이드 영역(120) 사이에 배치될 수 있다. 여기서, 분광 소자(140)는 GOI 구조체(110) 상에 장착되어, 광원 소자(130)와 웨이브가이드 영역(120) 사이에 배치될 수 있다. 그리고, 분광 소자(140)는 광원 소자(130)로부터의 광을 파장에 따라 분해하여, 웨이브가이드 영역(120)으로 진행시킬 수 있다.
광 검출 소자(150)는 웨이브가이드 영역(120)으로부터 출력되는 광을 검출하도록 구성될 수 있다. 어떤 실시예들에서, 복수의 광 검출 소자(150)들이 어레이로 마련될 수 있다. 어떤 실시예들에서, 광 검출 소자(150)는 웨이브가이드 영역(120)으로부터의 광을 열로 변환하고, 변환된 열을 검출하도록 구성될 수 있다. 이를 위해, 광 검출 소자(150)는 웨이브가이드 영역(120)의 일 측, 즉 웨이브가이드 영역(120)을 사이에 두고 광원 소자(130)의 맞은편에 배치될 수 있다. 이 때, 광 검출 소자(150)는 GOI 구조체(110) 상에 장착되어, GOI 구조체(110)의 일부 영역과 함께 통합되도록 구현될 수 있다. 즉, 광 검출 소자(150)는 모놀리식 집적(monolithic integration)을 통해, GOI 구조체(110) 상에 구현될 수 있다. 이를 통해, 광 검출 소자(150)를 구현하는 데, 웨이브가이드 영역(120)으로부터의 광을 흡수하기 위한 별도의 구성, 예컨대 나노 구조체가 필요로 되지 않을 수 있다. 이를 통해, 광 검출 소자(150)는 GOI 구조체(110)의 저마늄(115) 층에서 광이 진행됨에 따라 발생되는 열을 검출하고, 결과적으로 열을 기반으로 광을 검출할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 광 검출 소자(150)는 열을 검출하기 위해 볼로미터로서 구현될 수 있다. 예를 들면, 광 검출 소자(150)는, 도 10에 도시된 바와 같이 절연 층(151), 볼로미터 물질 층(153), 및 적어도 하나의 전극(155)을 포함할 수 있다. 이러한 광 검출 소자(150)의 제조 절차는 다음과 같을 수 있다.
먼저, 웨이브가이드 영역(120)의 일 측에서, 절연 층(151)이 절연 기판(111) 상의 저마늄 층(115)을 덮도록 형성될 수 있다. 일 예로, 절연 층(151)은 산화물로 이루어질 수 있다. 이 후, 절연 층(151)에, 볼로미터 물질 층(153)이 적층될 수 있다. 바꿔 말하면, 볼로미터 물질 층(153)은 절연 층(151)을 사이에 두고 저마늄 층(115) 상에 적층될 수 있다. 일 예로, 볼로미터 물질 층(153)은 바나듐 산화물, 티타늄 산화물, 비결정성 실리콘, 실리콘 저마늄 산화물 등과 같은 볼로미터 물질로 이루어질 수 있다. 다음으로, 볼로미터 물질 층(153) 상에, 적어도 하나의 전극(155)이 형성될 수 있다.
다양한 실시예들에 따르면, 광 검출 소자(150) 및 GOI 디바이스(100)가 저마늄을 기반으로 하는 GOI 구조체(110) 상에 구현됨에 따라, 광 검출 소자(150) 및 GOI 디바이스(100)가 초소형 온칩 구조로 구현되어 광 센싱에 이용될 수 있다. 이 때, GOI 구조체(110)가 저마늄을 통해 비교적 높은 필드 구속 성능을 확보할 수 있으므로, 광 검출 소자(150) 및 GOI 디바이스(100)가 중적외선을 포함하는 넓은 대역에서의 광 센싱에 이용될 수 있다. 그리고, 광 검출 소자(150)가 광으로부터 변환된 열을 검출하는 방식으로 광을 검출함으로써, 광 센싱의 확장성이 극대화될 수 있다.
다양한 실시예들은 초소형 온칩 광 센싱을 위한 광 검출 소자(150) 및 GOI 디바이스(100), 및 그의 제조 방법을 제공할 수 있다.
다양한 실시예들에 따른 GOI 디바이스(100)는, 저마늄 층(115)을 포함하는 웨이브가이드 영역(120)이 마련되는 GOI 구조체(110), 웨이브가이드 영역(120)에 대해 광을 발생시키도록 구성되는 광원 소자(130), 및 웨이브가이드 영역(120)으로부터 출력되는 광을 검출하도록 구성되는 적어도 하나의 광 검출 소자(150)를 포함할 수 있다.
다양한 실시예들에 따르면, 광원 소자(130)에서 발생되는 광은 중적외선 또는 원적외선일 수 있다.
다양한 실시예들에 따르면, 웨이브가이드 영역(120)의 저마늄 층(115)에는, 광원 소자(130)로부터의 광이 모이도록 구성되는 적어도 하나의 슬롯(121)이 마련될 수 있다.
다양한 실시예들에 따르면, 광원 소자(130)는 웨이브가이드 영역(120)의 저마늄 층에 커플링되도록 광을 발생시킬 수 있다.
다양한 실시예들에 따르면, 광 검출 소자(150)는 웨이브가이드 영역(120)으로부터의 광을 열로 변환하고, 변환된 열을 검출하도록 구성될 수 있다.
다양한 실시예들에 따르면, GOI 구조체(110)는, 절연 기판(111), 및 절연 기판(111) 상에 장착되는 저마늄 층(115)을 포함하고, GOI 구조체(110)의 일부 영역이 웨이브가이드 영역(120)으로 마련될 수 있다.
다양한 실시예들에 따르면, 광 검출 소자(150)는, GOI 구조체(110) 상에서 웨이브가이드 영역(120)의 일 측에 장착되고, 절연 기판(111) 상의 저마늄 층(115)을 덮도록 형성되는 절연 층(151), 절연 층(151) 상에 적층되고, 저마늄 층(115)에서 광이 진행됨에 따라 발생되는 열에 의해 저항 값이 변화되는 볼로미터 물질 층(153), 및 볼로미터 물질 층(153)에 장착되고, 변화된 저항 값을 검출하는 데 이용되는 적어도 하나의 전극(155)을 포함할 수 있다.
다양한 실시예들에 따르면, GOI 디바이스(100)는, 광원 소자(130)와 웨이브가이드 영역(120) 사이에 배치되고, 광원 소자(130)로부터의 광을 파장에 따라 분해하여 웨이브가이드 영역(120)으로 진행시키도록 구성되는 분광 소자(140)를 더 포함할 수 있다.
다양한 실시예들에 따른 GOI 디바이스(100)의 제조 방법은, 저마늄(Ge) 층(115)을 포함하고, 웨이브가이드 영역(120)이 마련되는 GOI 구조체(110)를 제조하는 단계(210 단계), GOI 구조체(110) 상에, 웨이브가이드 영역(120)에 대해 광을 발생시키도록 구성되는 광원 소자(130)를 실장하는 단계(220 단계), 및 GOI 구조체(110) 상에, 웨이브가이드 영역(120)으로부터 출력되는 광을 검출하도록 구성되는 적어도 하나의 광 검출 소자(150)를 실장하는 단계(220 단계)를 포함할 수 있다.
다양한 실시예들에 따르면, GOI 구조체(110)를 제조하는 단계(210 단계)는, 하부 층(311) 상에 저마늄 층(115)이 성장된 에피텍셜 웨이퍼(310)를 준비하는 단계, 저마늄 층(115) 상에 산화물 층(113)을 형성하는 단계, 산화물 층(113)을 통해, 에피텍셜 웨이퍼(310)를 절연 기판(111) 상에 접합시키는 단계, 및 절연 기판(111) 상에 저마늄 층(115)을 남기면서, 하부 층(311)을 제거하는 단계를 포함할 수 있다.
다양한 실시예들에 따르면, GOI 구조체(110)를 제조하는 단계(210 단계)는, 절연 기판(111) 상에서 저마늄 층(115)을 가공하는 단계를 더 포함할 수 있다.
다양한 실시예들에 따르면, GOI 구조체(110)를 제조하는 단계(210 단계)는, 베이스 층(112), 및 베이스 층(112) 상의 산화물 층(113)을 포함하는 절연 기판(111)을 준비하는 단계를 더 포함할 수 있다.
다양한 실시예들에 따르면, 에피텍셜 웨이퍼(310)를 절연 기판(111) 상에 접합시키는 단계는, 저마늄 층(115) 상의 산화물 층(113)을 절연 기판(111)의 산화물 층(113)에 통합시키는 단계를 포함할 수 있다.
다양한 실시예들에 따르면, 웨이브가이드 영역(120)의 저마늄 층(115)에는, 광원 소자(130)로부터의 광이 모이도록 구성되는 적어도 하나의 슬롯(121)이 마련될 수 있다.
다양한 실시예들에 따르면, 광원 소자(130)는, 웨이브가이드 영역(120)의 저마늄 층(115)에 커플링되도록 광을 발생시킬 수 있다.
다양한 실시예들에 따르면, 광 검출 소자(150)는, 웨이브가이드 영역(120)으로부터의 광을 열로 변환하고, 변환된 열을 검출하도록 구성될 수 있다.
다양한 실시예들에 따르면, 광 검출 소자(150)를 실장하는 단계(220 단계)는, 웨이브가이드 영역(120)의 일 측에서 저마늄 층(115)을 덮도록 절연 층(151)을 형성하는 단계, 절연 층(151)에 저마늄 층(115)에서 광이 진행됨에 따라 발생되는 열에 의해 저항 값이 변화되는 볼로미터 물질 층(153)을 적층하는 단계, 및 볼로미터 물질 층(153) 상에 변화된 저항 값을 검출하는 데 이용되는 적어도 하나의 전극(155)을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
다양한 실시예들에 따르면, GOI 디바이스(100)의 제조 방법은, GOI 구조체(110) 상의 광원 소자(130)와 웨이브가이드 영역(120) 사이에, 광원 소자(130)로부터의 광을 파장에 따라 분해하여 웨이브가이드 영역(120)으로 진행시키도록 구성되는 분광 소자(140)를 실장하는 단계를 더 포함할 수 있다.
다양한 실시예들에 따른 광 검출 소자(150)는, 외부로부터의 광이 진행되도록 구성되는 저마늄 층(115)을 포함하는 GOI 구조체(110), 및 GOI 구조체(110) 상에 배치되고, 저마늄 층(115)에서 광이 진행됨에 따라 발생되는 열에 의해 저항 값이 변화되는 볼로미터 물질 층(153)을 포함하고, 변화된 저항 값을 검출하도록 구성될 수 있다.
다양한 실시예들에 따르면, 광은 중적외선 또는 원적외선일 수 있다.
다양한 실시예들에 따르면, 광 검출 소자(150)는, 저마늄 층(115)과 볼로미터 물질 층(153) 사이에 배치되고, 저마늄 층(115)을 덮도록 형성되는 절연 층(151), 또는 볼로미터 물질 층(153)에 장착되고, 변환된 열을 검출하는 데 이용되는 적어도 하나의 전극(155) 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다.
본 문서의 다양한 실시예들 및 이에 사용된 용어들은 본 문서에 기재된 기술을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 해당 실시 예의 다양한 변경, 균등물, 및/또는 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 도면의 설명과 관련하여, 유사한 구성요소에 대해서는 유사한 참조 부호가 사용될 수 있다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함할 수 있다. 본 문서에서, "A 또는 B", "A 및/또는 B 중 적어도 하나", "A, B 또는 C" 또는 "A, B 및/또는 C 중 적어도 하나" 등의 표현은 함께 나열된 항목들의 모든 가능한 조합을 포함할 수 있다. "제 1", "제 2", "첫째" 또는 "둘째" 등의 표현들은 해당 구성요소들을, 순서 또는 중요도에 상관없이 수식할 수 있고, 한 구성요소를 다른 구성요소와 구분하기 위해 사용될 뿐 해당 구성요소들을 한정하지 않는다. 어떤(예: 제 1) 구성요소가 다른(예: 제 2) 구성요소에 "(물리적으로 또는 기능적으로) 연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 상기 어떤 구성요소가 상기 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나, 다른 구성요소(예: 제 3 구성요소)를 통하여 연결될 수 있다.
다양한 실시예들에 따르면, 기술한 구성요소들의 각각의 구성요소는 단수 또는 복수의 개체를 포함할 수 있다. 다양한 실시예들에 따르면, 전술한 해당 구성요소들 중 하나 이상의 구성요소들 또는 동작들이 생략되거나, 또는 하나 이상의 다른 구성요소들 또는 동작들이 추가될 수 있다. 대체적으로 또는 추가적으로, 복수의 구성요소들은 하나의 구성요소로 통합될 수 있다. 이런 경우, 통합된 구성요소는 복수의 구성요소들 각각의 구성요소의 하나 이상의 기능들을 통합 이전에 복수의 구성요소들 중 해당 구성요소에 의해 수행되는 것과 동일 또는 유사하게 수행할 수 있다. 다양한 실시예들에 따르면, 모듈, 프로그램 또는 다른 구성요소에 의해 수행되는 동작들은 순차적으로, 병렬적으로, 반복적으로, 또는 휴리스틱하게 실행되거나, 동작들 중 하나 이상이 다른 순서로 실행되거나, 생략되거나, 또는 하나 이상의 다른 동작들이 추가될 수 있다.

Claims (20)

  1. 초소형 온칩 광 센싱을 위한 GOI(Ge-on-insulator) 디바이스에 있어서,
    저마늄(Ge) 층을 포함하는 웨이브가이드 영역이 마련되는 GOI 구조체;
    상기 웨이브가이드 영역에 대해 광을 발생시키도록 구성되는 광원 소자; 및
    상기 웨이브가이드 영역으로부터 출력되는 광을 검출하도록 구성되는 적어도 하나의 광 검출 소자
    를 포함하고,
    상기 GOI 구조체는,
    하부 층 상에 상기 저마늄 층이 성장된 에피텍셜 웨이퍼를 준비하고,
    상기 저마늄 층 상에 산화물 층을 형성하고,
    상기 산화물 층을 통해, 상기 에피텍셜 웨이퍼를 절연 기판 상에 접합시키고,
    상기 절연 기판 상에 상기 저마늄 층을 남기면서, 상기 하부 층을 제거하는 것에 의해,
    제조되는,
    GOI 디바이스.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 광원 소자에서 발생되는 광은,
    중적외선 또는 원적외선인,
    GOI 디바이스.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 웨이브가이드 영역의 상기 저마늄 층에는,
    상기 광원 소자로부터의 광이 모이도록 구성되는 적어도 하나의 슬롯(slot)이 마련되는,
    GOI 디바이스.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 광원 소자는,
    상기 웨이브가이드 영역의 상기 저마늄 층에 커플링되도록 광을 발생시키는,
    GOI 디바이스.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 광 검출 소자는,
    상기 웨이브가이드 영역으로부터의 광을 열로 변환하고, 상기 변환된 열을 검출하도록 구성되는,
    GOI 디바이스.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 GOI 구조체의 일부 영역이 상기 웨이브가이드 영역으로 마련되는,
    GOI 디바이스.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 광 검출 소자는,
    상기 GOI 구조체 상에서 상기 웨이브가이드 영역의 일 측에 장착되고,
    상기 절연 기판 상의 상기 저마늄 층을 덮도록 형성되는 절연 층;
    상기 절연 층 상에 적층되고, 상기 저마늄 층에서 광이 진행됨에 따라 발생되는 열에 의해 저항 값이 변화되는 볼로미터 물질 층; 및
    상기 볼로미터 물질 층에 장착되고, 상기 저항 값을 검출하는 데 이용되는 적어도 하나의 전극
    을 포함하는,
    GOI 디바이스.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 광원 소자와 상기 웨이브가이드 영역 사이에 배치되고, 상기 광원 소자로부터의 광을 파장에 따라 분해하여 상기 웨이브가이드 영역으로 진행시키도록 구성되는 분광 소자
    를 더 포함하는,
    GOI 디바이스.
  9. 초소형 온칩 광 센싱을 위한 GOI 디바이스의 제조 방법에 있어서,
    저마늄(Ge) 층을 포함하고, 웨이브가이드 영역이 마련되는 GOI 구조체를 제조하는 단계;
    상기 GOI 구조체 상에, 상기 웨이브가이드 영역에 대해 광을 발생시키도록 구성되는 광원 소자를 실장하는 단계; 및
    상기 GOI 구조체 상에, 상기 웨이브가이드 영역으로부터 출력되는 광을 검출하도록 구성되는 적어도 하나의 광 검출 소자를 실장하는 단계
    를 포함하고,
    상기 GOI 구조체를 제조하는 단계는,
    하부 층 상에 상기 저마늄 층이 성장된 에피텍셜 웨이퍼를 준비하는 단계;
    상기 저마늄 층 상에 산화물 층을 형성하는 단계;
    상기 산화물 층을 통해, 상기 에피텍셜 웨이퍼를 절연 기판 상에 접합시키는 단계; 및
    상기 절연 기판 상에 상기 저마늄 층을 남기면서, 상기 하부 층을 제거하는 단계
    를 포함하는,
    GOI 디바이스의 제조 방법.
  10. 삭제
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 GOI 구조체를 제조하는 단계는,
    상기 절연 기판 상에서 상기 저마늄 층을 가공하는 단계
    를 더 포함하는,
    GOI 디바이스의 제조 방법.
  12. 제 9 항에 있어서,
    상기 GOI 구조체를 제조하는 단계는,
    베이스 층, 및 상기 베이스 층 상의 산화물 층을 포함하는 절연 기판을 준비하는 단계
    를 더 포함하고,
    상기 에피텍셜 웨이퍼를 상기 절연 기판 상에 접합시키는 단계는,
    상기 저마늄 층 상의 산화물 층을 상기 절연 기판의 산화물 층에 통합시키는 단계
    를 포함하는,
    GOI 디바이스의 제조 방법.
  13. 제 9 항에 있어서,
    상기 웨이브가이드 영역의 저마늄 층에는,
    상기 광원 소자로부터의 광이 모이도록 구성되는 적어도 하나의 슬롯이 마련되는,
    GOI 디바이스의 제조 방법.
  14. 제 9 항에 있어서,
    상기 광원 소자는,
    상기 웨이브가이드 영역의 저마늄 층에 커플링되도록 광을 발생시키는,
    GOI 디바이스의 제조 방법.
  15. 제 9 항에 있어서,
    상기 광 검출 소자는,
    상기 웨이브가이드 영역으로부터의 광을 열로 변환하고, 상기 변환된 열을 검출하도록 구성되는,
    GOI 디바이스의 제조 방법.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 광 검출 소자를 실장하는 단계는,
    상기 웨이브가이드 영역의 일 측에서 상기 저마늄 층을 덮도록 절연 층을 형성하는 단계;
    상기 절연 층에 상기 저마늄 층에서 광이 진행됨에 따라 발생되는 열에 의해 저항 값이 변화되는 볼로미터 물질 층을 적층하는 단계; 및
    상기 볼로미터 물질 층 상에 상기 변화된 저항 값을 검출하는 데 이용되는 적어도 하나의 전극을 형성하는 단계
    를 포함하는,
    GOI 디바이스의 제조 방법.
  17. 제 9 항에 있어서,
    상기 GOI 구조체 상의 상기 광원 소자와 상기 웨이브가이드 영역 사이에, 상기 광원 소자로부터의 광을 파장에 따라 분해하여 상기 웨이브가이드 영역으로 진행시키도록 구성되는 분광 소자를 실장하는 단계
    를 더 포함하는,
    GOI 디바이스의 제조 방법.
  18. 초소형 온칩 광 센싱을 위한 광 검출 소자에 있어서,
    외부로부터의 광이 진행되도록 구성되는 저마늄 층을 포함하는 GOI 구조체; 및
    상기 GOI 구조체 상에 배치되고, 상기 저마늄 층에서 광이 진행됨에 따라 발생되는 열에 의해 저항 값이 변화되는 볼로미터 물질 층
    을 포함하고,
    상기 변화된 저항 값을 검출하도록 구성되고,
    상기 GOI 구조체는,
    하부 층 상에 상기 저마늄 층이 성장된 에피텍셜 웨이퍼를 준비하고,
    상기 저마늄 층 상에 산화물 층을 형성하고,
    상기 산화물 층을 통해, 상기 에피텍셜 웨이퍼를 절연 기판 상에 접합시키고,
    상기 절연 기판 상에 상기 저마늄 층을 남기면서, 상기 하부 층을 제거하는 것에 의해,
    제조되는,
    광 검출 소자.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 광은,
    중적외선 또는 원적외선인,
    광 검출 소자.
  20. 제 18 항에 있어서,
    상기 저마늄 층과 상기 볼로미터 물질 층 사이에 배치되고, 상기 저마늄 층을 덮도록 형성되는 절연 층; 또는
    상기 볼로미터 물질 층에 장착되고, 상기 저항 값을 검출하는 데 이용되는 적어도 하나의 전극
    중 적어도 하나를 더 포함하는,
    광 검출 소자.
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