KR20120026318A - 광전 소자 및 그를 구비한 마흐-젠더 광변조기 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 고속으로 변조할 수 있는 광전 소자 및 그를 구비한 마흐-젠더 광 변조기를 개시한다. 그의 소자는 기판 상의 슬랩과, 상기 슬랩 상에서 일방향으로 연장되는 메사와, 상기 메사 하부의 상기 슬랩을 포함하는 립 도파로와, 상기 메사의 일측의 상기 슬랩에 형성된 제 1 불순물 영역와, 상기 제 1 불순물 영역에 대향되는 상기 메사의 타측의 상기 슬랩에 형성된 제 3 불순물 영역와, 상기 제 1 불순물 영역 및 상기 제 3 불순물 영역 사이의 상기 립 도파로 내에 형성된 제 2 불순물 영역을 포함한다.
Description
본 발명은 광전 소자에 관한 것으로서, 보다 구체적으로 빛의 굴절률 또는 손실을 조절할 수 있는 광전 소자 및 그를 구비한 마흐-젠더 광 변조기에 관한 것이다.
반도체 산업이 발전함에 따라, 논리 소자 및 기억 소자등의 반도체 집적회로들은 점점 고속화 및 고집적화되고 있다. 반도체 집적회로의 고속화 및 고집적화에 따라, 반도체 집적회로들 사이의 통신 속도는 반도체 집적회로를 포함하는 전자기기의 성능과 직결된다. 통상적으로, 반도체 집적회로들은 데이터를 전기적으로 송수신하는 전기적 통신에 의하여 데이터를 주고 받고 있다. 예컨대, 반도체 집적회로들은 인쇄회로기판에 장착되고 인쇄회로기판에 내재된 배선들을 통하여 서로 전기적 통신을 수행할 수 있다.
소자의 집적화 및 고속화에 따라, 반도체 칩들 사이에 통신 속도를 높이는 방안으로 광 신호를 이용하는 방안이 연구되고 있다.
본 발명이 이루고자하는 일 기술적 과제는 동작 속도가 향상된 광전 소자 및 그를 구비한 마흐-젠더 광변조기를 제공하는 데 있다.
본 발명이 이루고자하는 다른 기술적 과제는 고효율에 최적화된 광전 소자 및 그를 구비한 마흐-젠더 광변조기를 제공하는 데 있다.
본 발명이 이루고자하는 또 다른 기술적 과제는 고집적화에 최적화된 광전 소자 및 그를 구비한 마흐-젠더 광변조기를 제공하는 데 있다.
본 발명이 이루고자하는 또 다른 기술적 과제는 저전력화에 최적화된 광전 소자 및 그를 구비한 마흐-젠더 광변조기를 제공하는데 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 광전 소자는 립 도파로에 형성된 횡방향 또는 종방향의 PNP 또는 NPN 구조를 갖는 불순물 영역들을 포함할 수 있다. 그의 소자는, 기판 상의 슬랩; 상기 슬랩 상에서 일방향으로 연장되는 메사와, 상기 메사 하부의 상기 슬랩을 포함하는 립 도파로; 상기 메사의 일측의 상기 슬랩에 형성된 제 1 불순물 영역; 상기 제 1 불순물 영역에 대향되는 상기 메사의 타측의 상기 슬랩에 형성된 제 3 불순물 영역; 및 상기 제 1 불순물 영역과 상기 제 3 불순물 영역 사이의 상기 립 도파로 내에 형성된 제 2 불순물 영역을 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제 1 불순물 영역과 상기 제 3 불순물 영역은 제 1 도전성 불순물로 도핑되고, 상기 제 2 불순물 영역은 상기 제 1 도전성 불순물과 반대되는 도전성을 갖는 제 2 도전성 불순물로 도핑될 수 있다. 상기 제 1 불순물 영역과, 상기 제 2 불순물 영역과, 상기 제 3 불순물 영역은 PNP 또는 NPN 구조로 배열될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 립 도파로는 상기 제 1 불순물 영역과 상기 제 2 불순물 영역사이의 제 1 PN접합과, 상기 제 2 불순물 영역과 상기 제 3 불순물 영역사이의 제 2 PN접합을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제 1 PN 접합은 상기 제 1 불순물 영역과 상기 제 2 불순물 영역 사이의 경계면으로부터 제 1 공핍 영역을 유도하고, 상기 제 2 PN 접합은 상기 제 2 불순물 영역과 상기 제 3 불순물 영역 사이의 경계면으로부터 제 2 공핍 영역을 유도할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제 1 불순물 영역 상에 형성된 제 1 전극과, 상기 제 3 불순물 영역 상에 형성된 제 2 전극을 더 포함할 수 있다. 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극사이에 전원전압이 인가되어, 상기 제 1 PN접합에 역방향 바이어스 전압이 인가되고, 상기 제 2 PN접합에 순방향 바이어스 전압이 인가될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제 1 공핍 영역은 상기 전원전압에 비례하여 상기 제 2 공핍 영역까지 폭이 증가될 수 있다. 상기 제 1 공핍 영역은 상기 립 도파로를 따라 진행되는 빛의 굴절률을 변화시킬 수 있다. 상기 제 1 공핍 영역은 상기 립 도파로를 따라 진행되는 빛의 손실을 변화시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제 1 불순물 영역과 상기 제 1 전극 사이에 형성된 제 1 오믹 콘택 층과, 상기 제 3 불순물 영역과 상기 제 2 전극 사이에 형성된 제 2 오믹 콘택 층을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제 1 불순물 영역과 상기 제 3 불순물 영역은 제 1 농도의 제 1 도전성 불순물로 도핑되고, 상기 제 2 불순물 영역은 상기 제 1 농도보다 낮은 제 2 농도의 상기 제 1 도전성 불순물로 도핑될 수 있다. 상기 제 1 불순물 영역과, 상기 제 2 불순물 영역과, 상기 제 3 불순물 영역은 PP-P 또는 NN-N 구조로 배열될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 광전 소자는, 기판 상의 슬랩; 상기 슬랩 상에서 일방향으로 연장되는 메사와, 상기 메사 하부의 상기 슬랩을 포함하는 립 도파로; 상기 립 도파로의 상기 슬랩에 형성된 제 1 불순물 영역; 상기 제 1 불순물 영역과 이격되어 상기 립 도파로의 상기 메사 상단에 형성된 제 3 불순물 영역; 및 상기 제 1 불순물 영역과 상기 제 3 불순물 영역사이의 상기 메사 내에 형성된 적어도 하나의 제 2 불순물 영역을 포함한다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 제 1 불순물 영역과, 상기 제 2 불순물 영역과, 상기 제 3 불순물 영역은 PNP 구조 또는 NPN 구조로 배열될 수 있다. 또한, 상기 제 1 불순물 영역과, 상기 제 2 불순물 영역과, 상기 제 3 불순물 영역은 PP-P 구조 또는 NN-N 구조로 배열될 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 마흐-젠더 광변조기는, 기판; 상기 기판 상의 클래드; 상기 클래드 상의 전면에 형성된 슬랩; 상기 슬랩 상에서 돌출되어 일방향으로 연장되는 메사와 상기 메사 하부의 상기 슬랩을 포함하고, 상기 메사 및 상기 메사 하부의 슬랩을 따라 빛을 입출력시키는 입출력 도파로와, 상기 입출력 도파로 사이에 병렬로 연결된 제 1 브랜치 도파로와, 제 2 브랜치 도파로를 포함하는 립 도파로; 및 상기 제 1 브랜치 도파로 및 상기 제 2 브랜치 도파로 중 적어도 하나에서 상기 메사의 일측에 형성된 제 1 불순물 영역과, 상기 제 1 불순물 영역에 대향되는 상기 메사의 타측에 형성된 제 3 불순물 영역과, 상기 제 1 불순물 영역과 상기 제 3 불순물 영역 사이의 상기 립 도파로 내에 형성된 적어도 하나의 제 2 불순물 영역을 구비하는 광전 소자를 포함한다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 실시예적 구성에 따르면, 립 도파로에 횡방향 또는 종방향의 NPN 구조 또는 PNP 구조를 갖는 제 1 내지 제 3 불순물 영역들을 포함할 수 있다. NPN 구조 또는 PNP 구조의 제 1 내지 제 3 불순물 영역들은 일반적인 PN 다이오드보다 낮은 커패시턴스를 가질 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예들에 따른 광전 소자는 고속으로 동작될 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광전 소자를 나타내는 평면도.
도 2a 및 도 2b는 도 1의 I-I' 선상을 절취하여 나타낸 단면도들.
도 3은 NPN구조의 제 1 내지 제 3 불순물 영역들에서 에너지 밴드의 변화를 나타낸 그래프.
도 4는 NPN 구조의 제 1 내지 제 3 불순물 영역들에서 전압에 따른 전류를 나타낸 그래프.
도 5는 NPN구조의 제 1 및 제 3 불순물 영역들에 인가되는 신호 전압의 파형을 나타낸 그래프.
도 6은 도 5의 신호 전압에 따른 전류의 파형을 나타낸 그래프.
도 7은 본 발명과 일반적인 기술의 커패시턴스를 비교하여 나타내는 그래프들.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 광전 소자(100)를 나타내는 평면도.
도 9a 및 도 9b는 도 8의 Ⅱ-Ⅱ'선상을 절취하여 나타낸 단면도들.
도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 마흐-젠더 광변조기를 나타내는 평면도.
도 2a 및 도 2b는 도 1의 I-I' 선상을 절취하여 나타낸 단면도들.
도 3은 NPN구조의 제 1 내지 제 3 불순물 영역들에서 에너지 밴드의 변화를 나타낸 그래프.
도 4는 NPN 구조의 제 1 내지 제 3 불순물 영역들에서 전압에 따른 전류를 나타낸 그래프.
도 5는 NPN구조의 제 1 및 제 3 불순물 영역들에 인가되는 신호 전압의 파형을 나타낸 그래프.
도 6은 도 5의 신호 전압에 따른 전류의 파형을 나타낸 그래프.
도 7은 본 발명과 일반적인 기술의 커패시턴스를 비교하여 나타내는 그래프들.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 광전 소자(100)를 나타내는 평면도.
도 9a 및 도 9b는 도 8의 Ⅱ-Ⅱ'선상을 절취하여 나타낸 단면도들.
도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 마흐-젠더 광변조기를 나타내는 평면도.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면들과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전문에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprises)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다. 또한, 바람직한 실시예에 따른 것이기 때문에, 설명의 순서에 따라 제시되는 참조 부호는 그 순서에 반드시 한정되지는 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광전 소자를 나타내는 평면도이고, 도 2a 및 도 2b는 도 1의 I-I' 선상을 절취하여 나타낸 단면도들이고, 도 3은 NPN구조의 제 1 내지 제 3 불순물 영역들에서 에너지 밴드의 변화를 나타낸 그래프이고, 도 4는 NPN 구조의 제 1 내지 제 3 불순물 영역들에서 전압에 따른 전류를 나타낸 그래프이고, 도 5는 NPN구조의 제 1 및 제 3 불순물 영역들에 인가되는 신호 전압의 파형을 나타낸 그래프이고, 도 6은 도 5의 신호 전압에 따른 전류의 파형을 나타낸 그래프이고, 도 7은 본 발명과 종래 기술의 커패시턴스를 비교하여 나타내는 그래프들이다.
도 1 및 도 2a를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 광전 소자(100)는 기판(16) 상의 립 도파로(10)를 가로지르는 횡방향(lateral) NPN 구조 또는 횡방향 PNP 구조의 제 1 내지 제 3 불순물 영역들(40, 50, 60)을 포함할 수 있다.
립 도파로(10)는 슬랩(12) 상에서 일방향으로 연장되는 메사(14)와, 상기 메사(14) 하부의 상기 슬랩(12)을 포함할 수 있다. 슬랩(12)은 클래드(18)의 전면에 형성될 수 있다. 립 도파로(10)는 제 1 내지 제 3 불순물 영역들(40, 50, 60)의 배열 방향과 교차되는 방향으로 연장될 수 있다. 횡방향(lateral direction)은 기판(16) 상에서 립 도파로(10)와 교차되는 방향으로 정의될 수 있다. 제 1 불순물 영역(40)와 제 3 불순물 영역(60)은 상기 메사(14)의 마주보는 양측 측벽들에서 서로 이격하여 배치될 수 있다. 제 1 불순물 영역(40)와 제 3 불순물 영역(60)은 메사(14)의 측벽들 하부와, 메사(14) 외곽의 슬랩(12)에 배치될 수 있다. 립 도파로(10)는 제 1 불순물 영역(40) 및 제 2 불순물 영역(50)사이의 제 1 접합(42)을 포함할 수 있다. 립 도파로(10)는 제 2 불순물 영역(50) 및 제 3 불순물 영역(60)사이의 제 2 접합(52)을 포함할 수 있다. 제 1 접합(42)과 제 2 접합(52)는 평행할 수 있다. 제 1 접합(42)과 제 2 접합(52)은 PN 접합을 포함할 수 있다. 제 1 접합(42)은 제 1 불순물 영역(40)과 제 2 불순물 영역(50)사이의 경계면으로부터 제 1 공핍 영역(44)을 유도할 수 있다. 제 2 접합(52)은 제 2 불순물 영역(50)과 제 3 불순물 영역(60)사이의 경계면으로부터 제 2 공핍 영역(54)을 유도될 수 있다.
한편, 기판(16)의 전면에 하부 클래드(18)가 형성될 수 있다. 기판(16)은 단결정 실리콘을 포함할 수 있다. 하부 클래드(18)는 실리콘 산화막을 포함할 수 있다. 또한, 기판(16)과 하부 클래드(18)는 SOI(Silicon On Insulator)를 포함할 수 있다. 립 도파로(10)는 단결정 실리콘, 갈륨 아세나이드(GaAs), 또는 인듐인(InP) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 제 1 불순물 영역(40)과 제 3 불순물 영역(60)은 제 1 도전성 불순물로 도핑되고, 제 2 불순물 영역(50)은 상기 제 1 도전성 불순물과 반대되는 도전성을 갖는 제 2 도전성 불순물로 도핑될 수 있다. 제 1 도전성 불순물은 N타입의 도너(donor) 또는 P타입의 억셉터(acceptor) 중 하나를 포함할 수 있다. 예를 들어, 제 1 불순물 영역(40)과 제 3 불순물 영역(60)은 약 3X1018EA/cm3정도의 도너로 도핑될 수 있다. 제 2 불순물 영역은 1X1017EA/cm3정도의 억셉터로 도핑될 수 있다. 제 1 불순물 영역(40) 상에 제 1 오믹 콘택 영역(36)과, 제 1 전극(32)이 배치될 수 있다. 제 3 불순물 영역(60) 상에 제 2 오믹 콘택 영역(34)과, 제 2 전극(34)이 배치될 수 있다. 제 1 오믹 콘택 영역(36)과, 제 2 오믹 콘택 영역(38)은 제 1 및 제 3 불순물 영역(40, 60)보다 높은 제 1 도전성 불순물의 도핑농도를 가질 수 있다.
제 1 전극(32) 및 제 2 전극(34)에 소정의 전원전압이 인가될 경우, 제 1 접합(42) 및 제 2 접합(52) 중 하나는 역방향(reverse)바이어스 전압이 걸리고, 나머지 하나는 순방향(forward)바이어스 전압이 걸리게 된다. 예를 들어, 제 1 전극(32)과 제 2 전극(34)에 각각 음극과 양극의 전원전압이 인가되면, 제 1 접합(42)에 역방향바이어스 전압이 걸리고, 제 2 접합(52)에 순방향바이어스 전압이 걸릴 수 있다. 제 1 공핍 영역(44)은 제 2 공핍 영역(54)보다 큰 폭(width)을 가질 수 있다. 제 1 공핍 영역(44)은 전원전압의 크기에 비례하여 폭이 점진적으로 증가될 수 있다. 제 2 공핍 영역(54)은 전원전압의 크기에 상관없이 작은 폭을 가질 수 있다. 제 1 공핍 영역(44)과 제 2 공핍 영역(54)이 만날(matching) 때, 제 1 전극(32)과 제 2 전극(34)간에 전류가 흐를 수 있다.
도 1, 도 2a, 및 도 3을 참조하면, 제 1 전극(32)과 제 2 전극(34)사이에 약 3V정도의 높은 전압이 인가될 때, 제 1 불순물 영역(40)과 제 3 불순물 영역(60)사이에 전류가 흐를 수 있다. 제 3 불순물 영역(60)의 밸런스 밴드(Ev)보다 제 1 불순물 영역(40)의 컨덕션 밴드(Ec)가 낮아질 수 있다. 제 2 불순물 영역(50)은 전자와 같은 전하(charge)를 쉽게 통과시킬 수 있다.
제 1 전극(32)과 제 2 전극(34)사이에 0V 내지 1V정도의 낮은 전압에서 제 1 불순물 영역(40)과 제 3 불순물 영역(60)사이의 제 2 불순물 영역(50)의 전위 장벽(PB: Potential Barrier)이 존재하기 때문에 제 1 전극(32)과 제 2 전극(34)사이에 전류가 흐르지 않을 수 있다. 여기서, 전류는 제 2 불순물 영역(50)의 소수 캐리어의 농도를 높여 빛의 굴절률과 흡수율을 변화시킬 수 있다. 굴절률의 변화는 수학식 1과 같이 나타날 수 있다.
여기서, ΔN와, ΔP는 단위 입방체(㎤)당 각각 전자와, 정공(hole)의 변화량을 포함할 수 있다. 굴절률 변화는 전자와 정공의 변화량에 비례하여 증가될 수 있다. 빛(20)은 립 도파로(10)을 따라 진행(propagate)될 수 있다. 빛(20)의 굴절률은 제 1 내지 제 3 불순물 영역들(40, 50, 60) 내에서 전류가 흐를 때, 일정한 값을 가질 수 있다. 즉, 전류가 흐를 때, 제 1 내지 제 3 불순물 영역들(40, 50, 60) 내에서 유도되는 제 1 공핍 영역(44)과 제 2 공핍 영역(54)에 의해 빛(20)의 굴절률이 일정하게 변화될 수 있다. 또한, 제 1 공핍 영역(44)과 제 2 공핍 영역(54)의 폭은 제 1 내지 제 3 불순물 영역들(40, 50, 60) 내에서 전류가 흐를 때, 최대가 될 수 있다. 대부분의 빛(20)은 제 1 공핍 영역(44)과 제 2 공핍 영역(54)에 통과될 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시예에 따른 광전 소자(100)는 립 도파로(10)을 따라 진행되는 빛(20)의 굴절률을 변화시킬 수 있다.
도 1, 도 2a, 및 도 4를 참조하면, 일정 크기이상의 전압에서 상기 전압에 비례하여 전류가 증가될 수 있다. 1V이하의 전압이 인가되면, 제 1 불순물 영역(40)과 제 3 불순물 영역(60)간에 전류가 흐르지 않는다. 1V이상의 전압이 인가되면, 상기 전압에 비례하여 증가되는 전류가 흐를 수 있다. 제 1 전극(32) 및 제 2 전극(34)에 인가되는 전압이 조절되면, 제 1 불순물 영역(40)과 제 3 불순물 영역(60)사이에 흐르는 전류가 제어될 수 있다.
도 1, 도 5, 및 도 6을 참조하면, 횡방향 NPN 구조의 제 1 내지 제 3 불순물 영역들(40, 50, 60)은 제 1 전극(32)과 제 2 전극(34)에 인가되는 신호 전압(80)과 동일한 파형의 전류(90)를 흘릴 수 있다. 예를 들어, 사각파(squared wave)의 신호 전압(80)이 인가되면, 전류(90)는 제 1 내지 제 3 불순물 영역들(40, 50, 60)에서 상기 신호 전압(70)과 동일한 사각파로 흐를 수 있다. 신호 전압(80)과 전류(90)는 12.5Gbps정도의 동일한 속도로 변화될 수 있다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 광전 소자(100)는 고속 동작될 수 있다.
도 1 및 도 7을 참조하면, 본 발명의 NPN 접합(a)은 순방향 바이어스 PN 다이오드(b), 역방향 바이어스 PN 다이오드(c)보다 낮은 커패시턴스를 가질 수 있다. 광전 소자에서 변조 속도(v)는 주파수(f)와 커패시턴스(C)에 반비례할 수 있다(v∝1/fC).
순방향 바이어스 PN다이오드(b)는 약 1V 정도의 순방향 바이어스 전압이 인가되는 PN 접합을 포함할 수 있다. 순방향 바이어스 PN다이오드(b)는 주파수에 반비례하여 커패시턴스가 변화될 수 있다. 순방향 바이어스 PN다이오드(b)는 주파수의 변화에 따라 변조 속도가 가변될 수 있기 때문에 광전 소자로서 부적합할 수 있다. 역방향 바이어스 PN다이오드(c)는 약 1V 정도의 역방향 바이어스 전압이 인가되는 PN 접합을 포함할 수 있다. 역방향 바이어스 PN다이오드(c)는 주파수와 무관하게 일정한 약 2X10-16F/㎛정도의 커패시턴스를 가질 수 있다.
NPN 접합(a)은 본 발명의 일 실시예에 따른 광전 소자(100)로서, 제 1 전극(32)과 제 2 전극(34)사이에 약 1V정도의 전압이 인가되는 NPN 구조의 제 1 내지 제 3 불순물 영역들(40, 50, 60)을 포함할 수 있다. NPN 접합(a)은 약 1X10-16F/㎛정도의 커패시턴스를 가질 수 있다. NPN 접합(a)은 역방향 바이어스 PN다이오드(c)보다 1/2 낮은 커패시턴스를 가질 수 있다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 광전 소자(100)는 종래의 PN 다이오드들(b, c)보다 고속으로 동작될 수 있다.
도 1 및 도 2b를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 광전 소자(100)는 립 도파로(10)를 가로지르는 횡방향(lateral) NN-N 구조 또는 PP-P 구조의 제 1 내지 제 3 불순물 영역들(40, 50, 60)을 포함할 수 있다. 제 1 불순물 영역(40)과 제 3 불순물 영역(60)은 제 1 도전성 불순물 또는 제 2 도전성 불순물 중 어느 하나가 고농도로 도핑될 수 있다. 제 2 불순물 영역(50)은 제 1 불순물 영역(40)과 제 3 불순물 영역(60)에 도핑된 제 1 도전성 불순물 또는 제 2 도전성 불순물이 저농도로 도핑될 수 있다.
제 1 불순물 영역(40)과 제 2 불순물 영역(50)의 경계에 제 1 접합(42)이 제공될 수 있다. 제 2 불순물 영역(50)과 제 3 불순물 영역(60)의 경계에 제 2 접합(52)이 제공될 수 있다. 제 1 접합(42)과 제 2 접합(52)은 NN-접합 또는 PP-접합을 포함할 수 있다. NN-접합과 PP-접합은 PN 접합보다 낮은 전위장벽을 가질 수 있다. NN-접합과 PP-접합에 일정 크기의 전압이 인가되면, 전위장벽이 낮아짐에 따라 전류가 흐를 수 있다.
제 1 전극(32)과 제 2 전극(34)에 전압이 인가되면, 제 1 접합(42)에서 제 3 공핍 영역(46)이 유도되고, 제 2 접합(52)에서 제 4 공핍 영역(56)이 유도될 수 있다. 제 3 공핍 영역(46)과 제 4 공핍 영역(56)은 제 2 불순물 영역(50) 내에서 유도될 수 있다. 제 3 공핍 영역(46)과 제 4 공핍 영역(56)은 제 2 불순물 영역(50) 내에서 소수 캐리어의 농도가 바뀌는 구간일 수 있다. 제 3 공핍 영역(46)과 제 4 공핍 영역(56)은 동일한 폭을 가질 수 있다. 제 3 공핍 영역(46)과 제 4 공핍 영역(56)이 만날 경우, 제 1 내지 제 3 불순물 영역들(40, 50, 60) 내에서 전류가 흐를 수 있다. 제 3 공핍 영역(46)과 제 4 공핍 영역(56)은 립 도파로(10)에서 진행되는 빛의 굴절률 또는 손실을 변화시킬 수 있다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 광전 소자(100)는 립 도파로(10) 내에서 횡방향의 NPN, PNP, NN-N, PP-P 구조를 갖는 제 1 내지 제 3 불순물 영역들(40, 50, 60)을 포함할 수 있다.
(제 2 실시예)
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 광전 소자(100)를 나타내는 평면도이고, 도 9a 및 도 9b는 도 8의 Ⅱ-Ⅱ' 선상을 절취하여 나타낸 단면도들이다.
도 8 및 도 9a를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 광전 소자(100)는 립 도파로(100) 내에서 적층되는 종방향(vertical) NPN 구조 또는 종방향 PNP 구조의 제 1 내지 제 3 불순물 영역들(40, 50, 60)을 포함할 수 있다. 여기서, 본 발명의 일 실시예에서 이미 설명된 내용은 일부 생략될 수 있다.
립 도파로(10)는 일방향으로 연장되는 메사(14)와, 상기 메사(14) 하부의 슬랩(12)을 포함할 수 있다. 제 1 불순물 영역(40)은 메사(14) 하부의 슬랩(12)에 배치될 수 있다. 제 1 불순물 영역(40)은 메사(14)의 하부에 배치될 수 있다. 제 3 불순물 영역(60)은 메사(14)의 상부에 배치될 수 있다. 종방향(vertical direction)은 기판(16) 상에서 적층되는 방향으로 정의될 수 있다. 제 1 불순물 영역(40)과 제 3 불순물 영역(60)은 메사(14)의 상부와 하부에 이격되어 배치될 수 있다. 제 2 불순물 영역(50)은 제 1 불순물 영역(40)과 제 3 불순물 영역(60)사이의 상기 메사(14) 내에 배치될 수 있다. 메사(14)는 제 1 접합(42)과 제 2 접합(44)을 포함할 수 있다. 제 1 접합(42)은 제 1 불순물 영역(40) 및 제 2 불순물 영역(50)사이의 경계에 대응될 수 있다. 제 2 접합(52)은 제 2 불순물 영역(50) 및 제 3 불순물 영역(60)사이의 경계에 대응될 수 있다. 제 1 접합(42)과 제 2 접합(52)은 기판(16)에 평행할 수 있다. 제 1 접합(42)과 제 2 접합(52)은 PN 접합을 포함할 수 있다. 립 도파로(10)는 기판(16)에 평행한 복수개의 PN 접합들을 포함할 수 있다.
제 1 불순물 영역(40)과 제 3 불순물 영역(60)은 제 1 도전성 불순물로 도핑되고, 제 2 불순물 영역(50)은 상기 제 1 도전성 불순물과 반대되는 도전성을 갖는 제 2 도전성 불순물로 도핑될 수 있다. 제 1 불순물 영역(40)과 제 3 불순물 영역(60)은 서로 다른 농도의 제 1 도전성 불순물에 도핑될 수 있다. 제 1 오믹 콘택 영역(36)과, 제 2 오믹 콘택 영역(38)은 제 1 불순물 영역(40)보다 높은 제 1 도전성 불순물의 도핑농도를 가질 수 있다. 제 1 도전성 불순물은 N타입의 도너(donor) 또는 P타입의 억셉터(acceptor) 중 하나를 포함할 수 있다.
제 1 전극(32)은 슬랩(12) 상에 배치되고, 제 2 전극(34)은 메사(14) 상에 배치될 수 있다. 제 1 전극(32) 및 제 2 전극(34)에 소정의 전원전압이 인가될 경우, 제 1 접합(42)에서 제 1 공핍 영역(44)이 유도되고, 제 2 접합(52)에서 제 2 공핍 영역(54)이 유도될 수 있다. 제 1 접합(42) 및 제 2 접합(52) 중 하나는 역(reverse)바이어스 전압이 걸리고, 나머지 하나는 순(forward)바이어스 전압이 걸리게 된다. 예를 들어, 제 1 전극(32)과 제 2 전극(34)에 각각 음극과 양극의 전원전압이 인가되면, 제 1 접합(42)에 역바이어스 전압이 걸리고, 제 2 접합(52)에 순바이어스 전압이 걸릴 수 있다. 제 1 공핍 영역(44)의 폭은 제 2 공핍 영역(54)의 폭보다 클 수 있다.
제 1 공핍 영역(44)의 폭은 전원전압의 크기에 비례하여 점진적으로 증가될 수 있다. 제 2 공핍 영역(54)은 전원전압의 크기에 상관없이 작은 폭을 가질 수 있다. 제 1 공핍 영역(44)과 제 2 공핍 영역(54)이 만날(matching) 때, 제 1 전극(32)과 제 2 전극(34)간에 전류가 흐를 수 있다. 제 1 공핍 영역(44)과 제 2 공핍 영역(54)의 폭은 제 1 내지 제 3 불순물 영역들(40, 50, 60)에서 전류가 흐를 때, 최대가 될 수 있다. 제 1 공핍 영역(44)은 슬랩(12)의 바닥까지 확장될 수 있다. 또한, 제 1 공핍 영역(44)은 슬랩(12) 내에서 메사(14)를 중심으로 라운드지게 유도될 수 있다.
립 도파로(10)을 따라 진행되는 대부분의 빛(20)은 제 1 공핍 영역(44)과 제 2 공핍 영역(54)에 통과될 수 있다. 제 1 공핍 영역(44)과, 제 2 공핍 영역(54)은 수학식 1에 따라 빛(20)의 굴절률 또는 손실을 변화시킬 수 있다.
따라서, 본 발명의 다른 실시예에 따른 광전 소자(100)는 립 도파로(10)에서 종방향 NPN 또는 PNP구조의 제 1 내지 제 3 불순물 영역들(50, 60, 70)로부터 빛(20)의 굴절률 또는 손실을 변화시킬 수 있다.
도 8 및 도 9b를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 광전 소자(100)는 립 도파로(10) 내에서 적층되는 종방향의 NN-N 구조 또는 종방향의 PP-P 구조의 제 1 내지 제 3 불순물 영역들(40, 50, 60)을 포함할 수 있다. 제 1 불순물 영역(40)과 제 3 불순물 영역(60)은 제 1 도전성 불순물 또는 제 2 도전성 불순물 중 어느 하나가 고농도로 도핑될 수 있다. 제 2 불순물 영역(50)은 제 1 불순물 영역(40)과 제 3 불순물 영역(60)에 도핑된 제 1 도전성 불순물 또는 제 2 도전성 불순물이 저농도로 도핑될 수 있다.
제 1 불순물 영역(40)과 제 2 불순물 영역(50)의 경계에 제 1 접합(42)이 배치될 수 있다. 제 2 불순물 영역(50)과 제 3 불순물 영역(60)의 경계에 제 2 접합(52)이 배치될 수 있다. 제 1 접합(42)과 제 2 접합(52)은 NN-접합 또는 PP-접합을 포함할 수 있다.
제 1 전극(32)과 제 2 전극(34)에 전압이 인가되면, 제 1 접합(42)에서 제 3 공핍 영역(46)이 유도되고, 제 2 접합(52)에서 제 4 공핍 영역(56)이 유도될 수 있다. 제 3 공핍 영역(46)과 제 4 공핍 영역(56)은 제 2 불순물 영역(50) 내에서 유도될 수 있다. 제 3 공핍 영역(46)과 제 4 공핍 영역(56)은 동일한 폭을 가질 수 있다. 제 3 공핍 영역(46)과 제 4 공핍 영역(56)이 만날 경우, 제 1 내지 제 3 불순물 영역들(40, 50, 60) 내에서 전류가 흐를 수 있다. 제 3 공핍 영역(46)과 제 4 공핍 영역(56)은 립 도파로(10)에서 진행되는 빛의 굴절률 또는 손실을 변화시킬 수 있다.
따라서, 본 발명의 다른 실시예에 따른 광전 소자(100)는 립 도파로(10) 내에서 종방향의 NPN, PNP, NN-N, PP-P 구조를 갖는 제 1 내지 제 3 불순물 영역들(40, 50, 60)을 포함할 수 있다.
도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 마흐-젠더 광변조기를 나타내는 평면도이다.
도 2a 및 도 10을 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 마흐-젠더 광변조기(70)는 입력 도파로(72)와 출력 도파로(78)사이에 병렬로 연결된 제 1 브랜치 도파로(74) 및 제 2 브랜치 도파로(76) 중 어느 하나에 형성된 광전 소자(100)를 포함할 수 있다.
광전 소자(100)는 제 1 브랜치 도파로(74) 및 제 2 브랜치 도파로(76) 중 어느 하나의 굴절률을 변화시킬 수 있다. 예를 들어, 광전 소자(100)는 제 1 브랜치 도파로(74)에서 진행하는 빛(20)의 위상을 변화시키는 위상 천이기(phase shifter)를 포함할 수 있다. 굴절률은 제 1 브랜치 도파로(74)에서 진행되는 빛(20)의 위상을 변화시킬 수 있다. 광전 소자(100)는 제 1 브랜치 도파로(74)에 제공된 NPN, PNP, NN-N, PP-P, 구조의 제 1 내지 제 3 불순물 영역들(40, 50, 60)을 포함할 수 있다. 입력 도파로(72), 제 1 브랜치 도파로(74), 제 2 브랜치 도파로(76), 및 출력 도파로(78)는 메사(14) 및 상기 메사(14)하부의 슬랩(12)를 포함하는 립 도파로(10)일 수 있다. 립 도파로(10)는 기판(16)과 하부 클래드(18)상에 배치될 수 있다.
입력 도파로(72)에서 전달되는 빛(20)은 제 1 브랜치 도파로(74)과 제 2 브랜치 도파로(76)에 나누어질 수 있다. 또한, 1 브랜치 도파로(74) 및 제 2 브랜치 도파로(76)에서 진행되는 빛(20)은 출력 도파로(78)에서 합쳐질 수 있다. 출력 도파로(78)에서 제 1 브랜치 도파로(74)과 제 2 브랜치 도파로(76)으로부터 진행되는 빛(20)의 보강간섭과 상쇄간섭이 나타날 수 있다. 제 1 브랜치 도파로(74)과 제 2 브랜치 도파로(76)에서 각각 진행되는 빛(20)의 위상차가 없거나 2π일 경우, 출력 도파로(78)에서 빛(20)은 보강간섭될 수 있다. 제 1 브랜치 도파로(74)과 제 2 브랜치 도파로(76)에서 각각 진행되는 빛(20)의 위상차가 π 또는 -π일 경우, 출력 도파로(78)에서 빛(20)은 상쇄간섭될 수 있다.
광전 소자(100)는 제 1 브랜치 도파로(74)에 교차되는 횡방향 NPN 구조 또는 PNP 구조를 갖는 제 1 내지 제 3 불순물 영역들(40, 50, 60)을 포함할 수 있다. 광전 소자(100)는 제 1 전극(32)과 제 2 전극(34)에 인가되는 신호 전압에 따라 제 1 브랜치 도파로(74)에서 진행되는 빛(20)의 위상을 0 및 2π, 또는 π 및 -π로 변화시킬 수 있다. 따라서, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 마흐-젠더 광변조기는 빛(20)을 고속으로 변조할 수 있다.
도 11은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 마흐-젠더 광변조기를 나타내는 평면도이다.
도 9a 및 도 10을 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 마흐-젠더 광변조기(70)는 입력 도파로(72) 및 출력 도파로(78)사이에 병렬로 연결된 제 1 브랜치 도파로(74) 및 제 2 브랜치 도파로(76) 중 하나에 형성된 종방향 NPN 구조 또는 PNP 구조의 제 1 내지 제 3 불순물 영역들(40, 50, 60)를 갖는 광전 소자(100)을 포함할 수 있다. 광전 소자(100)는 제 1 브랜치 도파로(74) 및 제 2 브랜치 도파로(76) 중의 하나에서 진행되는 빛(20)의 위상을 가변시킬 수 있다.
이상, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들에는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
10: 립 도파로 20: 빛
40: 제 1 불순물 영역 50: 제 2 불순물 영역
60: 제 3 불순물 영역 70: 마흐-젠더 광변조기
100: 광전 소자
40: 제 1 불순물 영역 50: 제 2 불순물 영역
60: 제 3 불순물 영역 70: 마흐-젠더 광변조기
100: 광전 소자
Claims (20)
- 기판 상의 슬랩;
상기 슬랩 상에서 일방향으로 연장되는 메사와, 상기 메사 하부의 상기 슬랩을 포함하는 립 도파로;
상기 메사의 일측의 상기 슬랩에 형성된 제 1 불순물 영역;
상기 제 1 불순물 영역에 대향되는 상기 메사의 타측의 상기 슬랩에 형성된 제 3 불순물 영역; 및
상기 제 1 불순물 영역과 상기 제 3 불순물 영역 사이의 상기 립 도파로 내에 형성된 제 2 불순물 영역을 포함하는 광전 소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 불순물 영역과 상기 제 3 불순물 영역은 제 1 도전성 불순물로 도핑되고, 상기 제 2 불순물 영역은 상기 제 1 도전성 불순물과 반대되는 도전성을 갖는 제 2 도전성 불순물로 도핑된 광전 소자. - 제 2 항에 있어서,
상기 제 1 불순물 영역과, 상기 제 2 불순물 영역과, 상기 제 3 불순물 영역은 PNP 또는 NPN 구조로 배열되는 광전 소자. - 제 2 항에 있어서,
상기 립 도파로는 상기 제 1 불순물 영역과 상기 제 2 불순물 영역사이의 제 1 PN접합과, 상기 제 2 불순물 영역과 상기 제 3 불순물 영역사이의 제 2 PN접합을 포함하는 광전 소자. - 제 4 항에 있어서,
상기 제 1 PN 접합은 상기 제 1 불순물 영역과 상기 제 2 불순물 영역 사이의 경계면으로부터 제 1 공핍 영역을 유도하고, 상기 제 2 PN 접합은 상기 제 2 불순물 영역과 상기 제 3 불순물 영역 사이의 경계면으로부터 제 2 공핍 영역을 유도하는 광전 소자. - 제 5 항에 있어서,
상기 제 1 불순물 영역 상에 형성된 제 1 전극과, 상기 제 3 불순물 영역 상에 형성된 제 2 전극을 더 포함하는 광전 소자. - 제 6 항에 있어서,
상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극사이에 전원전압이 인가되어, 상기 제 1 PN접합에 역방향 바이어스 전압이 인가되고, 상기 제 2 PN접합에 순방향 바이어스 전압이 인가되는 광전 소자. - 제 7 항에 있어서,
상기 제 1 공핍 영역은 상기 전원전압에 비례하여 상기 제 2 공핍 영역까지 폭이 증가되는 광전 소자. - 제 8 항에 있어서,
상기 제 1 공핍 영역은 상기 립 도파로를 따라 진행되는 빛의 굴절률을 변화시키는 광전 소자. - 제 8 항에 있어서,
상기 제 1 공핍 영역은 상기 립 도파로를 따라 진행되는 빛의 손실을 변화시키는 광전 소자. - 제 6 항에 있어서,
상기 제 1 불순물 영역과 상기 제 1 전극 사이에 형성된 제 1 오믹 콘택 층과, 상기 제 3 불순물 영역과 상기 제 2 전극 사이에 형성된 제 2 오믹 콘택 층을 더 포함하는 광전 소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 불순물 영역과 상기 제 3 불순물 영역은 제 1 농도의 제 1 도전성 불순물로 도핑되고, 상기 제 2 불순물 영역은 상기 제 1 농도보다 낮은 제 2 농도의 상기 제 1 도전성 불순물로 도핑된 광전 소자. - 제 12 항에 있어서,
상기 제 1 불순물 영역과, 상기 제 2 불순물 영역과, 상기 제 3 불순물 영역은 PP-P 구조 또는 NN-N 구조로 배열되는 광전 소자. - 기판 상의 슬랩;
상기 슬랩 상에서 일방향으로 연장되는 메사와, 상기 메사 하부의 상기 슬랩을 포함하는 립 도파로;
상기 립 도파로의 상기 슬랩에 형성된 제 1 불순물 영역;
상기 제 1 불순물 영역과 이격되어 상기 립 도파로의 상기 메사 상단에 형성된 제 3 불순물 영역; 및
상기 제 1 불순물 영역과 상기 제 3 불순물 영역사이의 상기 메사 내에 형성된 적어도 하나의 제 2 불순물 영역을 포함하는 광전 소자. - 제 14 항 에 있어서,
상기 제 1 불순물 영역과 상기 제 3 불순물 영역은 제 1 도전성 불순물로 도핑되고, 상기 제 2 불순물 영역은 상기 제 1 도전성 불순물과 반대되는 도전성을 갖는 제 2 도전성 불순물로 도핑된 광전 소자. - 제 15 항에 있어서,
상기 제 1 불순물 영역과, 상기 제 2 불순물 영역과, 상기 제 3 불순물 영역은 PNP 구조 또는 NPN 구조로 배열되는 광전 소자. - 제 16 항에 있어서,
상기 립 도파로는 제 1 불순물 영역과 상기 제 2 불순물 영역사이의 제 1 PN 접합과, 상기 제 2 불순물 영역과 상기 제 3 불순물 영역사이의 제 2 PN 접합을 포함하는 광전 소자. - 제 14 항에 있어서,
상기 제 1 불순물 영역과 상기 제 3 불순물 영역은 제 1 농도의 제 1 도전성 불순물로 도핑되고, 상기 제 2 불순물 영역은 상기 제 1 농도보다 낮은 제 2 농도의 상기 제 1 도전성 불순물로 도핑된 광전 소자. - 제 18 항에 있어서,
상기 제 1 불순물 영역과, 상기 제 2 불순물 영역과, 상기 제 3 불순물 영역은 PP-P 구조 또는 NN-N 구조로 배열되는 광전 소자. - 기판;
상기 기판 상의 클래드;
상기 클래드 상의 전면에 형성된 슬랩;
상기 슬랩 상에서 돌출되어 일방향으로 연장되는 메사와 상기 메사 하부의 상기 슬랩을 포함하고, 상기 메사 및 상기 메사 하부의 슬랩을 따라 빛을 입출력시키는 입출력 도파로와, 상기 입출력 도파로 사이에 병렬로 연결된 제 1 브랜치 도파로와, 제 2 브랜치 도파로를 포함하는 립 도파로; 및
상기 제 1 브랜치 도파로 및 상기 제 2 브랜치 도파로 중 적어도 하나에서 상기 메사의 일측에 형성된 제 1 불순물 영역과, 상기 제 1 불순물 영역에 대향되는 상기 메사의 타측에 형성된 제 3 불순물 영역과, 상기 제 1 불순물 영역과 상기 제 3 불순물 영역 사이의 상기 립 도파로 내에 형성된 적어도 하나의 제 2 불순물 영역을 구비하는 광전 소자를 포함하는 마흐-젠더 광변조기.
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