KR20030072881A - 복합소자 및 이를 채용한 광전송모듈 - Google Patents
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Abstract
발광소자, 수광소자 및 반도체 전자소자 중 두 가지 이상의 반도체 소자를 저가의 실리콘 기판에 일련의 반도체 제조공정을 통해 일체로 형성한 복합소자 및 이를 채용한 광전송모듈이 개시되어 있다.
개시된 복합소자는 실리콘 기판을 이용하고, 일련의 반도체 제조공정을 통해 두가지 이상의 반도체 소자가 형성되는 일체형이으로, 제조 공정이 간단하고 제조 단가가 저렴할 뿐 만 아니라, PCB와 같은 별도의 베이스가 불필요하여 저가로 단일 칩화가 가능하다. 또한, 개시된 복합소자를 송신기, 수신기 또는 송수신기로 적용하면, 저가의 광전송모듈을 실현할 수 있다.
Description
본 발명은 광소자를 비롯한 복수 종류의 반도체 소자가 단일 칩화된 복합소자 및 이를 채용한 광전송모듈에 관한 것이다.
일반적으로, 발광 다이오드(LED) 및 반도체 레이저 다이오드(Semiconductor laser diode)와 같은 발광소자는 직접 천이 밴드갭을 갖는 화합물반도체 기판에 형성하고, 전자소자(electronic device)는 저가격화를 고려하여 실리콘 기판에 형성한다. 이하에서는, 반도체 기판에 형성된 전자소자를 반도체 전자소자라 한다. 또한, 실리콘을 이용하면 예컨대, 가시광영역에서 충분한 감도로 광을 검출할 수 있기 때문에, 통상의 수광소자는 실리콘 기판에 형성한다.
따라서, 발광소자, 수광소자 및 반도체 전자소자 중 두 가지 이상을 모듈화하여 복합소자를 구성하려면, 별도의 반도체 기판에 각각 형성된 발광소자, 수광소자 및 반도체 전자소자 중 두 가지 이상을 베이스가 되는 기판에 다이 본딩(die bonding)이나 와이어 본딩(wire bonding) 등의 방법으로 연결시킨다.
이와 같이 종래의 발광소자는 주로 고가인 화합물반도체를 사용하여 제조되고, 종래의 수광소자 및 반도체 전자소자는 주로 저가인 실리콘을 사용하여 제조된다.
따라서, 발광소자, 수광소자 및 반도체 전자소자 중 두 가지 이상의 소자가 단일 칩화된 복합소자를 구성하려면, 별도로 제조된 두 가지 이상의 반도체 소자를베이스가 되는 기판에 각각 따로 부착하고, 상기 두 가지 이상의 반도체 소자와 베이스가 되는 기판 사이를 적절히 연결하거나, 두 가지 이상의 반도체 소자들 사이를 적절히 연결해주는 과정이 필요하여, 복합소자의 제조 공정이 복잡하고 고비용이 소요된다. 특히, 베이스가 되는 기판으로, 별도로 디자인된 PCB(printed circuit board)가 필요한 단점이 있다.
본 발명은 상기한 바와 같은 종래의 문제점을 개선하기 위하여 안출된 것으로, 발광소자, 수광소자 및 반도체 전자소자 중 두 가지 이상의 반도체 소자를 저가의 실리콘 기판에 일련의 반도체 제조공정을 통해 일체로 형성하여 단일 칩화가 가능한 저가형 복합소자 및 이를 채용한 광전송모듈을 제공하는데 그 목적이 있다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 복합소자의 구성을 개략적으로 보인 도면,
도 2는 본 발명에 따른 복합소자에 적용되는 실리콘 광소자의 구체적인 구성을 보인 단면도,
도 3a는 도 2의 실리콘 광소자에서 도핑 영역을 비평형 확산에 의해 극도로 얕은 깊이로 형성할 때, p-n 접합 부위의 구조를 보인 도면,
도 3b는 비평형 확산에 의해 도 3a에 보여진 p-n 접합 부위에 표면의 길이 방향(longitudinal), 측 방향(lateral)으로 형성되는 양자 우물(quantum well: QW)의 에너지 밴드를 보인 도면,
도 4는 도 2 및 도 3을 참조로 설명한 바와 같은 실리콘 광소자를 응용한 본 발명의 제1실시예에 따른 복합소자의 제1 및 제2실리콘 광소자 구조의 일 실시예를 보인 평면도,
도 5는 도 4의 Ⅴ-Ⅴ선 단면도,
도 6은 도 2 및 도 3을 참조로 설명한 바와 같은 실리콘 광소자를 응용한 본 발명의 제1실시예에 따른 복합소자의 제1 및 제2실리콘 광소자 구조의 다른 실시예를 보인 평면도,
도 7은 도 6의 Ⅶ-Ⅶ 선 단면도,
도 8은 본 발명의 제1실시예에 따른 광전송모듈을 개략적으로 보인 도면,
도 9는 본 발명의 제2실시예에 따른 복합소자의 구성을 개략적으로 보인 도면,
도 10은 본 발명의 제2실시예에 따른 광전송모듈을 개략적으로 보인 구성도,
도 11은 본 발명의 제3실시예에 따른 복합소자를 개략적으로 보인 평면도이고,
도 12는 도 11의 ⅩⅡ-ⅩⅡ선 확대 단면도,
도 13은 도 11의 제1 및 제2실리콘 광소자 부분의 확대 평면도,
도 14는 본 발명의 제3실시예에 따른 광전송모듈을 개략적으로 보인 구성도.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
1,30,50...복합소자 1a,1b,10,31,50a,50b...실리콘 광소자
5,35...반도체 전자소자 7,56...트렌치(trench)
11...기판 13...제어막
14...p-n 접합 부위 15...도핑영역
17,57a,57b...제1전극 19,59a,59b...제2전극
21,61...제1송수신기 25,65...제2송수신기
23,43,63...도파로 41...송신기
45...수신기
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 복합소자는, n형 또는 p형의 실리콘에 기반을 둔 기판에 형성된 적어도 하나의 광소자 및 적어도 하나의 전자소자를 구비하며, 상기 광소자는, 상기 기판의 일면에 소정의 도판트에 의해 상기 기판과 반대형으로 극도로 얕게 도핑된 도핑 영역과; 상기 기판에 형성된 제1 및 제2전극;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 실리콘 광소자는, 발광소자로서 사용되는 제1실리콘 광소자와, 수광소자로서 사용되는 제2실리콘 광소자를 포함한다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하면서 본 발명에 따른 복합소자 및 이를 채용한 광전송모듈의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 복합소자의 구성을 개략적으로 보인 도면이다.
도면을 참조하면, 본 발명의 제1실시예에 따른 복합소자(1)는, 실리콘에 기반을 둔 기판(11)에 일체로 형성된 적어도 하나의 실리콘 광소자(1a)(1b) 및 적어도 하나의 반도체 전자소자(5)를 구비한다.
상기 기판(11)은 실리콘(Si)을 포함하는 소정의 반도체 물질 예컨대, Si, SiC 또는 다이아몬드로 이루어진 실리콘에 기반을 둔 반도체 기판으로서, n형 또는 p형으로 도핑되어 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 적어도 하나의 실리콘 광소자(1a)(1b)는 예를 들어, 발광소자로서 사용되는 제1실리콘 광소자(1a)와 수광소자로서 사용되는 제2실리콘 광소자(1b)로 이루어질 수 있다.
상기 제1 및 제2실리콘 광소자(1a)(1b)는 도 2 및 도 3을 참조로 후술하는 바와 같이, 상기 기판(11)의 일면에 상기 기판(11)과 반대형으로 극도로 얕게 도핑 형성된 도핑 영역(15)을 구비하며, 그 도핑 영역(15)의 p-n 접합 부위(14)에서 양자 구속효과에 의해 전자와 정공 쌍의 생성 및 소멸 결합이 일어나도록 되어 있다.
상기 적어도 하나의 반도체 전자소자(5)는 제1 및 제2실리콘 광소자(1a)(1b) 중 적어도 어느 하나를 구현하는데 적합하도록, 상기 제1 및 제2실리콘 광소자(1a)(1b)와 함께 상기 기판(11)에 일체로 형성된 단일 또는 복수의 반도체 전자소자 또는 그 복수의 반도체 전자소자로 이루어진 복합 회로를 포함한다. 본 발명에서, 상기 반도체 전자소자(5)는 특정한 소자로 한정되는 것은 아니며, 다양한 변형 및 응용 예가 가능하다.
상기 반도체 전자소자(5)는 실리콘 광소자를 구동, 제어 증폭 및 변조 중 적어도 어느 한 기능을 하도록 마련될 수 있다.
예를 들어, 상기 반도체 전자소자(5)는 상기 제1실리콘 광소자(1a)를 구동하여 광이 출력되도록 하는 구동회로가 될 수도 있으며, 상기 제2실리콘 광소자(1b)에서 광검출신호가 출력되도록 하는 증폭 회로가 될 수도 있고, 상기 제1 및 제2실리콘 광소자(1a)(1b)를 모두 구현하는데 적합한 복합 회로가 될 수도 있다.
상기와 같은 본 발명의 제1실시예에 따른 복합소자(1)를 이루는 반도체 전자소자(5), 제1 및 제2실리콘 광소자(1a)(1b)는 상기 기판(11)에 일련의 반도체 제조공정을 통해 일체로 형성되며, 단일 칩화될 수 있다.
본 발명의 제1실시예에 따른 복합소자(1)에 제1 및 제2실리콘 광소자(1a)(1b)로 적용되는 실리콘 광소자(10)의 구체적인 구성은 도 2에 개시되어 있다. 도 2에서의 기판(11)은 도 1에서와 실질적으로 동일한 것이다.
도 2를 참조하면, 실리콘 광소자(10)는, 예컨대, n형으로 도핑된 실리콘에 기반을 둔 기판(11)의 일면에 형성된 도핑영역(15)과, 상기 도핑영역(15)에 전기적으로 연결 가능하게 상기 기판(11)에 형성된 제1 및 제2전극(17)(19)을 포함하여 구성된다. 또한, 상기 실리콘 광소자(10)는 도핑영역(15) 형성시 마스크로서 기능을 하며, 도핑영역(15)이 원하는 극도로 얕은(ultra-shallow) 두께로 형성되도록 하는 제어막(13)을 상기 기판(11)의 일면에 더 구비하는 것이 바람직하다. 이 제어막(13)은 상기 도핑영역(15)을 형성한 후에 선택적으로 제거될 수도 있다.
상기 도핑영역(15)은 소정의 도판트 예컨대, 붕소(boron) 또는 인(phosphorous)을 상기 제어막(13)의 개구를 통하여 상기 기판(11) 내로 비평형 확산 공정에 의해 주입시켜 상기 기판(11)과 반대형 예컨대, p+형으로 도핑 형성된 영역이다.
도핑시, 상기 도핑영역(15)의 상기 기판(11)과의 경계 부분 즉, p-n 접합 부위(14)에 양자 우물(quantum well), 양자 점(quantum dot) 및 양자 선(quantum wire) 중 적어도 어느 하나가 형성되어, 양자구속효과에 의해 높은 양자 효율로 광전 변환 효과 즉, 전자와 정공 쌍의 생성 이나 소멸 결합을 나타내도록, 상기 도핑영역(15)은 원하는 극도로 얕은 깊이로 도핑(ultra-shallow dopping) 형성된 것이 바람직하다.
여기서, 상기 p-n 접합 부위(14)에는 주로는 양자 우물이 형성되며, 양자 점이나 양자 선이 형성될 수도 있다. 또한, 상기 p-n 접합 부위(14)에는 상기 양자 우물, 양자 점, 양자 선 중 두 가지 이상이 복합되게 형성될 수 도 있다. 이하에서는, 표현의 간략화를 위해 상기 p-n 접합 부위(14)에 양자 우물이 형성된 것으로 설명한다. 이하에서 p-n 접합 부위(14)에 양자 우물이 형성된 것으로 설명한다 해도, 이는 양자 우물, 양자 점 및 양자 선 중 적어도 어느 하나를 의미한다.
도 3a는 도핑 영역(15)을 비평형 확산에 의해 극도로 얕은 깊이로 형성할 때, p-n 접합 부위(14)의 구조를 보여준다. 도 3b는 비평형 확산에 의해 도 3a에 보여진 p-n 접합 부위(14)에 표면의 길이 방향(longitudinal), 측 방향(lateral)으로 형성되는 양자 우물(quantum well: QW)의 에너지 밴드를 보여준다. 도 3b에서Ec는 전도대 에너지 준위, Ev는 가전자대 에너지 준위, Ef는 페르미 에너지 준위를 나타내며, 이러한 에너지 준위에 대해서는 반도체 관련 기술 분야에서는 잘 알려져 있이므로, 자세한 설명은 생략한다.
도 3a 및 도 3b에 보여진 바와 같이, p-n 접합 부위(14)는 다른 도핑층이 교대로 형성된 양자 우물구조를 가지는데, 우물과 barrier는 대략 2nm, 3nm 정도가 된다.
이와 같이 p-n 접합 부위(14)에 양자 우물을 형성하는 극도로 얕은 도핑은 상기 제어막(13)의 두께 및 확산 공정 조건 등을 최적으로 제어함으로써 형성될 수 있다.
확산 공정 중 적정한 확산 온도 및 기판(11) 표면의 변형된 포텐셜(deformed potential)에 의해 확산 프로파일(profile)의 두께가 예컨대, 10-20 nm로 조절될 수 있으며, 이와 같이 극도로 얕은 확산 프로파일에 의해 양자 우물 시스템이 생성되게 된다. 여기서, 기판(11) 표면의 포텐셜은 초기 제어막(13)의 두께와 표면전처리에 의해 변형되고 공정이 진행됨에 따라 심화된다.
상기 제어막(13)은 도핑영역(15)이 극도로 얕은 도핑 깊이로 형성되도록 하는 적정 두께를 갖는 실리콘 산화막(SiO2)인 것이 바람직하다. 이 제어막(13)은 예를 들어, 기판(11)의 일면 상에 실리콘 산화막을 형성한 다음, 확산 공정을 위한 개구 부분을 포토리소그라피 공정을 이용하여 식각해냄으로써 마스크 구조로 형성된다.
확산 기술 분야에서 알려진 바에 의하면, 실리콘 산화막의 두께가 적정두께(수천 Å)보다 두껍거나 저온이면, vacancy(빈자리)가 주로 확산에 영향을 미쳐 확산이 깊이 일어나게 되며, 실리콘 산화막의 두께가 적정 두께보다 얇거나 고온이면 Si self-interstitial(자기 틈새)이 주로 확산에 영향을 미쳐 확산이 깊이 일어나게 된다. 따라서, 실리콘 산화막을 Si self-interstitial 및 vacancy가 유사한 비율로 발생되는 적정 두께로 형성하면, Si self-interstitial과 vacancy가 서로 결합되어 도판트의 확산을 촉진하지 않게 되므로, 극도로 얕은 도핑이 가능해진다. 여기서, vacancy 및 self-interstitial과 관련한 물리적인 성질은 확산과 관련한 기술분야에서는 잘 알려져 있으므로, 보다 자세한 설명은 생략한다.
여기서, 상기 기판(11)이 p형으로 도핑되면, 상기 도핑영역(15)은 n+형으로 도핑된다.
상기 제1전극(17)은 도핑영역(15)이 형성된 기판(11)의 일면에 형성되고, 상기 제2전극(19)은 상기 기판(11)의 반대면에 형성된다. 도 2는 상기 제1전극(17)을 불투명 금속 재질로 도핑영역(15)의 외측 일부분에 컨택되도록 형성한 예를 보여준다. 상기 제1전극(17)은 ITO(Indium Tin Oxide)와 같은 투명 전극 재질을 사용하여 도핑영역(15)상에 전체적으로 형성될 수도 있다.
여기서, 기판(11) 저면에 제2전극(19)을 형성하는 대신에, 상기 제1 및 제2전극(17)(19)을 모두 도핑 영역(15)이 형성된 면쪽에 형성할 수도 있다.
예를 들어, 상기 실리콘 광소자(10)는 도핑 영역(15)을 포함하는 부분이 메사 구조를 이루도록 형성될 수도 있다. 이때, 상기 제1전극(17)은 도핑 영역(15)이 형성된 기판(11)의 일면에 형성되고, 상기 제2전극(19)은 메사 구조 주변의 계단부에 형성될 수 있다.
상기와 같은 실리콘 광소자(10)는 상기 도핑영역(15)의 기판(11)과의 p-n 접합 부위(14)에 전자와 정공 쌍의 생성 및 소멸 결합이 일어날 수 있는 양자 우물이 형성되어 있으므로, 발광소자 또는 수광소자로서 사용될 수 있다.
즉, 상기 실리콘 광소자(10)는 다음과 같이 발광소자로서 기능을 한다. 예를 들어, 상기 제1 및 제2전극을 통해 DC 전압(또는 전류)이 가해지면, 캐리어들 즉, 전자와 정공은 상기 p-n 접합 부위의 양자 우물에 주입되고, 양자 우물내의 부 밴드 에너지(subband energy) 레벨을 통해 재결합(소멸 결합)된다. 이때, 이때, 캐리어들이 결합되는 상태에 따라 다양한 파장의 전장 발광(electroluminescence:EL)이 발생한다.
또한, 상기 실리콘 광소자(10)는 다음과 같이 수광소자로서 기능을 한다. 광이 입사되어 양자 우물 구조인 p-n 접합 부위(14)에서 광자가 흡수되면, 전자와 정공은 그 p-n 접합 부위(14)에 형성된 양자 우물(31)내의 부 밴드 에너지 레벨(subband energy level)로 각각 여기된다. 따라서, 외부 회로 예컨대, 부하 저항(18)이 연결되어 있으면 조사된 광량에 비례하는 전류가 출력된다.
이때, 실리콘 광소자(10)에서의 흡수 또는 발광 파장은 기판(11) 표면 (실제로는, 도핑 영역(14) 표면)에 형성되는 극소 결함(micro-defect)에 기인한 극소 캐버티(micro-cavity)에 의해 정해진다. 따라서, 제작 공정에 의해 극소 캐버티의 크기를 조절하면, 원하는 흡수 및 발광 파장대역의 실리콘 광소자(10)를 얻을 수 있다.
여기서, 극소 캐버티는 도핑 영역(14) 표면에 형성된 미소 결함에 의한 변형된 포텐셜(deformed potential) 때문에 생긴다. 따라서, 변형된 포텐셜을 조절함으로써 양자 우물의 변형이 가능하며, 이에 따라 극소 캐버티가 정해진다.
이상에서 설명한 바와 같이 실리콘 광소자(10)는 극도로 얕게 도핑된 도핑 영역(15)의 p-n 접합 부위(14)에서 전하분포 포텐셜의 국부적인 변화로 인하여 양자 구속 효과가 발생하며, 양자 우물내에 부밴드 에너지(subband energy) 레벨이 형성되어 있어, 높은 양자효율을 가진다.
여기서, 발광소자 및 수광소자로서 기능을 하는 실리콘 광소자(10)에 대해서는 본 출원인에 의해 출원된 대한민국 특허출원 제02-1431호(발명의 명칭:실리콘 광소자 및 이를 적용한 발광디바이스장치) 및 대한민국 특허출원 제02-7707호(발명의 명칭:실리콘 수광소자)에 자세히 기재되어 있다. 따라서, 본 발명은 상기 특허출원들에 기재된 내용을 인용하는 것으로 하고, 실리콘 광소자(10)에 대한 보다 자세한 설명은 생략한다.
도 4는 도 2 및 도 3을 참조로 설명한 바와 같은 실리콘 광소자(10)를 응용한 본 발명의 제1실시예에 따른 복합소자(1)의 제1 및 제2실리콘 광소자(1a)(1b) 구조의 일 실시예를 보인 평면도이고, 도 5는 도 4의 Ⅴ-Ⅴ선 단면도이다. 도 4 및 도 5는 도시의 간략화를 위해, 제어막(도 2의 13)이 제거된 상태의 제1 및 제2실리콘 광소자(1a)(1b)를 보여준다. 상기 제1 및 제2실리콘 광소자(1a)(1b)는 앞서 설명한 바와 같은 제어막(13)을 더 구비할 수도 있다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 제1 및 제2실리콘 광소자(1a)(1b) 각각은기판(11)의 일면에 형성된 도핑영역(15)과, 이 도핑영역(15)에 전기적으로 연결되게 기판(11)의 도핑영역(15)이 형성된 면쪽에 형성된 제1전극(17)과, 기판(11)의 저면에 형성된 제2전극(19)을 구비한다. 여기서, 기판(11), 도핑영역, 제1 및 제2전극(17)(19)은 실질적으로 도 2 및 도 3에서와 동일한 것이므로, 도 2 및 도 3에서와 동일 참조 부호로 표시하고, 기판(11), 도핑영역(15), 제1 및 제2전극(17)(19)에 대한 자세한 설명은 생략한다.
본 발명의 제1실시예에 따른 복합소자(1)에서, 제1 및 제2전극(17)(19)은 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 제1 및 제2실리콘 광소자(1a)(1b)에 적합하게 패터닝된다. 즉, 상기 제1전극(17)은 기판(11)의 도핑영역(15)이 형성된 면쪽에 제1 및 제2실리콘 광소자(1a)(1b)의 광이 입,출사되기 위한 윈도우 외주에 형성된다. 제2전극(19)은 제1 및 제2실리콘 광소자(1a)(1b)를 서로 전기적으로 독립되게 구동 및/또는 제어할 수 있도록 기판(11) 저면에 패터닝된다.
한편, 본 발명의 제1실시예에 따른 복합소자(1)는 제1실리콘 광소자(1a)와 제2실리콘 광소자(1b) 사이, 제1 및 제2실리콘 광소자(1a)(1b)와 그 주변 사이가 서로 전기적으로 독립될 수 있도록 전기적인 격벽을 더 구비하는 것이 바람직하다. 이 전기적인 격벽은 기판(11)을 소정 깊이로 식각하여 트렌치(trench:7)를 형성함으로써 실현될 수 있다. 이 트렌치(7)에는 부가적으로 절연물질을 더 적층하거나, 절연물질을 채울 수도 있다.
도 6은 도 2 및 도 3을 참조로 설명한 바와 같은 실리콘 광소자(10)를 응용한 본 발명의 제1실시예에 따른 복합소자(1)의 제1 및 제2실리콘 광소자(1a)(1b)구조의 다른 실시예를 보인 평면도이고, 도 7은 도 6의 Ⅶ-Ⅶ 선 단면도이다. 여기서, 도 4 및 도 5에서와 동일 참조부호는 동일 기능을 하는 동일 부재를 나타낸다. 도 6 및 도 7은, 도 4 및 도 5의 경우와 마찬가지로 도시의 간략화를 위해, 제어막(13)이 제거된 상태의 제1 및 제2실리콘 광소자(1a)(1b)를 보여준다. 여기서도, 상기 제1 및 제2실리콘 광소자(1a)(1b)는 앞서 설명한 바와 같은 제어막(13)을 더 구비할 수도 있다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 상기 제1 및 제2실리콘 광소자(1a)(1b)는 그 도핑 영역(15)을 포함하는 부분이 메사 구조를 이루도록 형성될 수도 있다. 이때, 제1전극(17)은 도핑 영역(15)이 형성된 기판(11)의 일면에 형성되고, 상기 제2전극(19)은 제1 및 제2실리콘 광소자(1a)(1b)의 메사 구조 주변의 계단부에 형성될 수 있다.
상기와 같은 본 발명의 제1실시예에 따른 복합소자(1)는 광전송모듈에서 광신호 송수신기(transceiver)로 사용될 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같은 본 발명의 제1실시예에 따른 복합소자(1)는 다수의 실리콘 광소자가 어레이로 배치된 구조일 수도 있다. 이때, 발광소자로서 사용되는 실리콘 광소자와 수광소자로서 사용되는 실리콘 광소자의 배치 구조는 다양하게 변형될 수 있다. 예를 들어, 발광소자로서 사용되는 실리콘 광소자와 수광소자로서 사용되는 실리콘 광소자는 교대로 위치되거나 각각이 일렬로 배치될 수 있다.
도 8은 본 발명의 제1실시예에 따른 광전송모듈을 개략적으로 보인 도면이다.
도 8을 참조하면, 본 발명의 제1실시예에 따른 광전송모듈은, 광신호를 출력하고 입력되는 광신호를 수신하도록, 서로 대응되게 배치된 제1 및 제2송수신기(transceiver:21,25)를 구비한다.
상기 제1 및 제2송수신기(21)(25)로는 각각 앞서 설명한 바와 같은 본 발명의 제1실시예에 따른 복합소자(1)를 구비한다. 이때, 상기 제1 및 제2송수신기(21)(25)는, 그 제1송수신기(21)의 발광소자로서 사용되는 제1실리콘 광소자(1a)가 제2송수신기(25)의 수광소자로서 사용되는 제2실리콘 광소자(1b)와 대응되고, 제1송수신기(21)의 수광소자로서 사용되는 제2실리콘 광소자(1b)가 제2송수신기(25)의 발광소자로서 사용되는 제1실리콘 광소자(1a)와 대응되게 배치된다.
한편, 본 발명의 제1실시예에 따른 광전송모듈은, 상기 제1 및 제2송수신기(21)(25) 사이에 광신호를 전송하기 위한 광도파로(23) 예컨대, 광섬유를 더 구비할 수 있다. 이때, 상기 광도파로(23)의 수는 제1 또는 제2송수신기(21)(25)의 실리콘 광소자의 개수에 대응된다.
예를 들어, 상기 제1 및 제2송수신기(21)(25)가 각각 도 1에 도시된 본 발명의 제1실시예에 따른 복합소자(1)와 같이, 발광소자 및 수광소자로 사용되는 한쌍의 실리콘 광소자를 구비한다면, 상기 광도파로(23)는 한 쌍이 구비된다.
여기서, 본 발명의 제1실시예에 따른 광전송모듈은, 광도파로(23) 없이 자유 공간을 통한 광신호 송,수신에 사용할 수도 있다. 본 발명의 제1실시예 및 후술하는 다른 실시예들에 따른 광전송모듈은, 예를 들어, 회로 기판(11)과 회로기판(11) 사이의 광 인터커넥션(optical interconnection) 등에 적용될 수 있다.
도 8을 참조로 설명한 본 발명의 제1실시예에 따른 광전송모듈은 양방향 광통신에 적용되는 것으로, 이러한 광전송모듈 복수개를 어레이로 구비하면, 복수 채널의 양방향 광통신을 수행할 수 있다.
도 9는 본 발명의 제2실시예에 따른 복합소자(30)의 구성을 개략적으로 보인 도면이다. 본 발명의 제2실시예에 따른 복합소자(30)는, 수광소자 또는 발광소자로서 사용되는 단일 실리콘 광소자(31)와 적어도 하나의 반도체 전자소자(35)를 구비한다. 상기 실리콘 광소자(31)와 반도체 전자소자(35)는 전술한 본 발명의 제1실시예에 따른 복합소자(1)에서의 제1 및 제2실리콘 광소자(1a)(1b) 및 반도체 전자소자(5)와 마찬가지로, 실리콘에 기반을 둔 기판(11)에 일련의 반도체 제조 공정을 통해 일체로 형성되며, 단일 칩화될 수 있다.
상기와 같은 본 발명의 제2실시예에 따른 복합소자(30)는 예를 들어, 광전송모듈에서 광신호 송신기 또는 광신호 수신기로 사용될 수 있다.
여기서, 상기 실리콘 광소자(31)는 본 발명의 제1실시예에 따른 복합소자(1)에서의 제1 또는 제2실리콘 광소자(1b)와 그 구조 및 기능면에서 유사 또는 동일하고, 상기 반도체 전자소자(35)는 본 발명의 제1실시예에 따른 복합소자(1)에서의 반도체 전자소자(5)와 그 구조 및 기능면에서 유사 또는 동일하다. 따라서, 상기 실리콘 광소자(31) 및 반도체 전자소자(35)에 대해서는 본 발명의 제1실시예에 따른 복합소자(1)에 대한 설명을 참조하는 것으로 하고, 보다 자세한 설명은 생략한다.
도 10은, 본 발명의 제2실시예에 따른 광전송모듈을 개략적으로 보인 구성도이다.
도 10을 참조하면, 본 발명의 제2실시예에 따른 광전송모듈은, 광신호를 출력하는 송신기(transmitter:41)와, 상기 송신기(41)로부터 전달된 광신호를 수신하는 수신기(receiver:45)를 구비한다. 또한, 상기 송신기(41)와 수신기(45) 사이에 광신호를 전송하기 위한 광도파로(43) 예컨대, 광섬유를 더 구비할 수도 있다.
상기 송신기 및 수신기(41)(45)로는 각각 도 9를 참조로 설명한 본 발명의 제2실시예에 따른 복합소자(30)를 구비할 수 있다. 이때, 복합소자(30)가 송신기(41)로 적용되는 경우, 그 실리콘 광소자(31)는 발광소자로 사용되고, 그 반도체 전자소자(35)는 실리콘 광소자(31)의 구동 회로로서 기능을 한다. 또한, 복합소자(30)가 수신기(45)로 적용되는 경우, 그 실리콘 광소자(31)는 수광소자로 사용되고, 그 반도체 전자소자(35)는 부하 저항이 될 수 있다.
도 10에 도시된 바와 같은 본 발명의 제2실시예에 따른 광전송모듈은 단방향 광통신에 적용되는 것으로, 이러한 광전송모듈 복수개를 어레이로 구비하면, 복수 채널의 단방향 또는 양방향 광통신을 수행할 수도 있다.
도 11은 본 발명의 제3실시예에 따른 복합소자(50)를 개략적으로 보인 평면도이고, 도 12는 도 11의 ⅩⅡ-ⅩⅡ선 확대 단면도, 도 13은 도 11의 제1 및 제2실리콘 광소자(50a)(50b) 부분의 확대 평면도이다.
도 11 내지 도 13을 참조하면, 본 발명의 제3실시예에 따른 복합소자(50)는 제1 및 제2실리콘 광소자(50a)(50b)를 구비한다. 또한, 본 발명의 제3실시예에 따른 복합소자(50)는 기판(11)에 상기 제1 및 제2실리콘 광소자(50a)(50b)와 일체로 형성된 적어도 하나의 반도체 전자소자(5)를 더 포함할 수 있다. 여기서, 앞선 실시예에서와 동일 참조부호는 그 기능, 물질 구성 및 구조면에서 유사 또는 동일 기능을 하는 부재를 나타낸다. 상기 제1 및 제2실리콘 광소자(50a)(50b)는 도 2를 참조로 설명한 실리콘 광소자(10)와 실리적으로 동일한 물질 구성을 가진다.
도 11 내지 도 13에 예시한 바와 같이, 본 발명의 제3실시예에 따른 복합소자(50)를 이루는 부재들은 일련의 반도체 제조 공정을 통해 단일 기판(11)에 일체로 형성되며, 단일 칩화될 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 제1실리콘 광소자(50a) 및 제2실리콘 광소자(50b)는 각각 발광소자 및 수광소자로 사용되고, 제2실리콘 광소자(50b)는 제1실리콘 광소자(50a)의 적어도 일부를 감싸도록 형성되어 있다.
도 11 내지 도 13은 상기 제2실리콘 광소자(50b)가 제1실리콘 광소자(50a)를 둘러싸는 고리형 구조로 형성된 예를 보여준다. 이때, 제1 및 제2전극(57a/57b)(59a/59b)은 제1 및 제2실리콘 광소자(50a)(50b)의 형상에 대응되게 패터닝된다. 즉, 제2실리콘 광소자(50b)를 위한 고리형 제1전극(57b)은 제1실리콘 광소자(50a)를 위한 고리형 제1전극(57a)을 둘러싸는 구조로 형성된다. 또한, 제2실리콘 광소자(50b)를 위한 고리형 제2전극(59b)은 제1실리콘 광소자(50a)를 위한 제2전극(59a)을 둘러싸는 구조로 형성된다.
상기 제1 및 제2실리콘 광소자(50a)(50b) 사이, 제2실리콘 광소자(50b)와 그 주변 사이에는 서로 전기적으로 독립될 수 있도록 전기적인 격벽이 형성된 것이 바람직하다. 이 전기적인 격벽은 앞선 실시예에서와 마찬가지로, 기판(11)을 소정 깊이로 식각하여 트렌치(trench:56)를 형성함으로써 실현될 수 있다.
여기서, 상기 제1 및 제2실리콘 광소자(50a)(50b) 중 적어도 하나는 그 도핑 영역이 형성된 부분이 돌출된 메사 구조로 형성되고, 그 실리콘 광소자를 위한 제2전극(59a/59b)이 메사 구조 주변의 계단부에 패터닝될 수도 있다.
상기한 바와 같이, 수광소자로서 사용되는 제2실리콘 광소자(50b)가 발광소자로서 사용되는 제1실리콘 광소자(50a)의 적어도 일부를 감싸도록 된 본 발명의 제3실시예에 따른 복합소자(50)는 양방향 광전송모듈에 광신호 송수신기(transceiver)로 사용될 수 있다.
이때, 본 발명의 제3실시예에 따른 복합소자(50)를 이용하면, 동일 경로를 통한 양방향 광통신이 가능하다.
도 14는, 본 발명의 제3실시예에 따른 광전송모듈을 개략적으로 보인 구성도이다.
도 14를 참조하면, 본 발명의 제3실시예에 따른 광전송모듈은, 광신호를 출력 및 수신하는 제1 및 제2송수신기(transceiver:61,65)를 구비한다. 또한, 상기 제1 및 제2송수신기(61)(65) 사이에 광신호를 전송하기 위한 광도파로(63) 예컨대, 광섬유를 더 구비할 수 있다.
상기 제1 및 제2송수신기(61)(65)로는 각각 도 11 내지 도 13을 참조로 설명한 본 발명의 제3실시예에 따른 복합소자(50)를 구비할 수 있다.
도 14에 도시된 바와 같은 본 발명의 제3실시예에 따른 광전송모듈은 동일경로를 통한 양방향 광통신에 적용되는 것으로, 이러한 광전송모듈 복수개를 어레이로 구비하면, 각각의 광신호 송,수신이 동일 경로를 통해 이루어지는 복수 채널의 양방향 광통신을 수행할 수 있다.
본 발명은 이상에서 도면들을 참조로 설명한 복합소자 및 이를 채용한 광전송모듈에 한정되는 것은 아니다. 즉, 본 발명에 따른 복합소자 및 이를 채용한 광전송모듈은 본 발명의 기술적 사상의 범위내에서 다양하게 변형될 수 있다.
상기한 바와 같은 본 발명에 따른 복합소자에 따르면, 발광소자, 수광소자 및 반도체 전자소자 중 두 가지 이상의 반도체 소자를 저가의 실리콘 기판에 일련의 반도체 제조공정을 통해 일체로 형성할 수 있으므로, 제조 공정이 간단하고 제조 단가가 저렴할 뿐 만 아니라, PCB와 같은 별도의 베이스가 불필요하여 저가로 단일 칩화가 가능하다.
또한, 본 발명에 따른 복합소자를 송신기, 수신기 또는 송수신기로 적용하면, 저가의 광전송모듈을 실현할 수 있다.
Claims (5)
- n형 또는 p형의 실리콘에 기반을 둔 기판에 형성된 적어도 하나의 광소자 및 적어도 하나의 전자소자를 구비하며,상기 광소자는,상기 기판의 일면에 소정의 도판트에 의해 상기 기판과 반대형으로 극도로얕게 도핑된 도핑 영역과; 상기 기판에 형성된 제1 및 제2전극;을 포함하는 것을 특징으로 하는 복합소자.
- 제1항에 있어서, 상기 광소자는,발광소자로서 사용되는 제1실리콘 광소자와,수광소자로서 사용되는 제2실리콘 광소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합소자.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 광소자는 상기 도핑 영역 형성시 마스크로서 기능을 하며, 상기 도핑 영역이 극도로 얕은 도핑 깊이로 형성되도록 하는 제어막;을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 복합소자.
- 제2항에 있어서, 상기 제1 및 제2실리콘 광소자 사이에는 서로 전기적으로 독립될 수 있도록 전기적인 격벽이 형성된 것을 특징으로 하는 복합소자.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 광소자는 상기 도핑 영역을 포함하는 부분이 메사 구조를 이루고, 상기 제1전극은 상기 도핑 영역이 형성된 상기 기판의 일면에 형성되고, 상기 제2전극은 상기 메사 구조 주변의 계단부에 형성된 것을 특징으로 하는 복합소자.
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