KR20150006419A - 하이브리드 ｍｏｓ 광 변조기 - Google Patents

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Abstract

하이브리드 MOS 광 변조기. 광 변조기는 광 도파관과, 제 1 물질을 포함하고, 광 도파관 내에 형성된 캐소드와, 제 1 물질과 다른 제 2 물질을 포함하고, 광 도파관 내에 형성된 애노드를 포함하며, 이 애노드는 캐소드에 인접하여 있고, 애노드와 캐소드 사이에 커패시터가 형성된다.

Description

하이브리드 ＭＯＳ 광 변조기{HYBRID MOS OPTICAL MODULATOR}
본 발명은 하이브리드 MOS 광 변조기에 관한 것이다.
광 송신기에 있어서, 광 변조기는 광섬유를 통한 전송을 위한 아날로그 또는 디지털 신호로 광 캐리어(광 빔)를 변조시키는데 사용된다. 전형적인 파장 분할 다중화-기반 광 송신기는 상이한 파장에 각각 작용하는 일부의 레이저를 사용하여, 일부의 상이한 광 캐리어를 생성한다. 각 캐리어는 전송될 신호로 변조되는 그 자신의 광 변조기를 통과한다. 그 다음에, 변조된 캐리어는 광 합파기를 통해 전송을 위한 광섬유로 공급된다. 일부 매력적인 실리콘-기반 광 변조기 설계중 하나로서, 실리콘 MOS 커패시터가 실리콘 광 도파관에 인접하여 있다. 커패시터를 가로질러 적용된 신호는 커패시터의 중심 근처에 전하의 축적을 유도한다. 이 전하의 축적은 광 도파관의 굴절률뿐만 아니라 전파 손실(propagation loss)을 변경한다. 굴절률을 변경하는 것은 광 도파관을 통해 전파되는 광의 빔의 위상 변이(phase shift)를 야기하고, 이것에 의해, 광을 위상 변조시킨다. 위상 변이가 마하-젠더 간섭계(Mach-Zehnder interferometer; MZI), 링 공진기, 또는 패브리-페롯(FP) 공진기와 같은 광 도파관 구성요소에 활용될 경우, 광 도파관 구성요소는 광 위상 변이를 광파워 변화로 변환하여, 광세기 변조를 실행한다. 전기적 신호를 광신호로 코딩하는 대신에, 아날로그 또는 일정한 광파워 감소가 목적일 경우에, 광 변조기는 광 감쇠기로서 사용될 수 있다.
본 발명은 하이브리드 MOS 광 변조기를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 하이브리드 MOS 광 변조기는 광 변조기는 광 도파관과, 제 1 물질을 포함하고, 광 도파관 내에 형성된 캐소드, 및 제 1 물질과 다른 제 2 물질을 포함하고, 광 도파관 내에 형성된 애노드를 포함하며, 이 애노드는 캐소드에 인접하여 있고, 애노드와 캐소드 사이에 커패시터가 형성된다.
도면은 축적대로 도시되지 않았다. 이 도면은 예시에 의해 개시 내용을 도시한다.
도 1은 하이브리드 MOS 광 변조기의 일례의 평면도,
도 2는 도 1의 광 변조기의 2-2선을 따른 단면도,
도 3은 패브리-페롯 공진기를 포함하는 하이브리드 MOS 광 변조기의 일례의 평면도,
도 4는 마하-젠더 간섭계의 하이브리드 MOS 광 변조기의 일례의 평면도,
도 5는 하이브리드 MOS 링-공진기 광 변조기의 일례의 사시도,
도 6은 도 5에 도시된 변조기의 평면도,
도 7은 굴절률 Δｎeff(좌축)의 변화 및 흡수 손실 Δα(우축)의 변화에 대하여 나타낸 캐리어 농도(전자는 e-, 정공은 h+) 사이의 관계를 도시하는 그래프,
도 8은 인가된 파워의 영향 하에서 하이브리드 MOS 광 변조기의 캐리어 농도의 일례를 도시하는 도면,
도 9a 내지 도 9h는 하이브리드 MOS 광 변조기를 제작하는 일례의 단면도,
도 10a 내지 도 11은 하이브리드 MOS 광 변조기 상에 접점을 설치하는 일례의 단면도,
도 12는 링 공진기 하이브리드 MOS 변조기의 일례의 단면도.
설명되는 예 및 상세가 도면 및 이 명세서 내에 사용되지만, 다른 구성이 존재할 수도 있고, 저절로 연상될 수도 있다. 전압, 온도, 치수, 및 구성요소 값과 같은 파라미터는 근사값이다. 상향, 하향, 상부, 및 하부와 같은 배향의 용어는 구성요소의 서로에 대한 공간적 관계를 나타내도록, 단지 편의상 사용되고, 별도로 나타내는 것외에, 외부축에 대한 배향은 중요하지 않다. 명확성을 위해, 일부 알려진 방법 및 구조는 상세하게 설명되지 않았다. 특허청구범위에 의해 규정된 방법은 열거된 것 이외의 단계를 포함할 수도 있고, 특허청구범위 자체 내에 나타내진 것외에 단계는 주어진 단계와 다른 순서로 실행될 수도 있다. 따라서, 도면 또는 본 명세서에 의해서가 아닌, 특허청구범위에 의해서만 제한된다.
광 변조기는 광 캐리어를 변조하기 위해 폴리실리콘 MOS 커패시터를 사용한다. 폴리실리콘에서 상당한 물질 손실이 있다. 폴리실리콘이 저항을 감소시키기 위해 도핑된다면, 추가적인 자유 캐리어 광 손실이 도입된다. 폴리실리콘의 캐리어 이동도가 또한 낮아진다. 보다 효율적인 광 변조기에 대한 필요성이 있어 왔다.
도 1 및 도 2는 반도체 기판(100)(본 경우에 실리콘) 상에 형성된 하이브리드 MOS 광 변조기의 일례를 도시한다. 광 변조기는 광 도파관(102), 제 1 물질을 포함하고 광 도파관(102) 내에 형성된 캐소드(104), 및 제 1 재료와 다른 제 2 물질을 포함하고 광 도파관(102) 내에 형성된 애노드(106)를 포함한다. 애노드는 캐소드에 인접하여 있다. 커패시터가 애노드와 캐소드 사이에 형성된다.
일부 예에 있어서, 기판(100)은 하부층(108) 상에 성장된 산화물을 포함한다. 실리콘 장치층(110)은 기판(100) 상에 형성된다. 트렌치(112)는 장치층을 2개의 부분(114, 116)으로 분리한다. 제 1 부분(114)은 애노드(106)를 포함한다. 광 도파관(102)은 애노드(106) 내에 형성된다. 이 예에서는 Ⅲ-Ⅴ 물질의 층을 포함하는 캐소드(104)는 제 2 부분(116)에 통합된다. 캐소드(104)는 증착, 웨이퍼 본딩, 모놀리식 성장(monolithic growth), 또는 다른 제작 기술에 의해 형성될 수도 있다. MOS 커패시터가 캐소드(104)와 애노드(106) 사이에 형성된다.
얇은 유전체(thin dielectric)(118)가 캐소드(104)와 애노드(106) 사이에 형성된다. 유전체(118)는 캐소드 또는 애노드 또는 양자의 자연 산화물, 혹은 증착, 산화, 웨이퍼 본딩 또는 다른 유전체 코팅법에 의해 형성될 수 있는 하이-k(high-k) 유전체 또는 폴러머와 같은 외부 유전체 물질일 수 있다.
캐소드(104)는 음으로 도핑된 실리콘을 포함할 수도 있고, 애노드(106)는 양으로 도핑된 실리콘을 포함할 수도 있다. 전극(120)은 캐소드(104) 상에 있고, 전극(122)은 애노드(106) 상에 있다. 전압이 전극 사이에 인가될 경우, 캐리어 축적, 공핍(depletion), 반전(inversion)이 유전체(120) 주위에 발생할 수 있다. 커패시터 영역이 광 도파관과 중첩되기 때문에, 캐리어 농도 변화는 도파관 모드 굴절률 및 전파 손실의 변화를 야기한다. 광세기 변조 및 감쇠가 달성될 수 있다.
광 도파관의 패브리-페롯 공진기를 포함하는 광 변조기의 일례가 도 3에 도시된다. 광 도파관을 제외하고, 도 3에 도시된 광 변조기의 구성요소는 도 1 및 도 2에 도시되는 것과 유사하다. 이러한 구성요소는 동일한 참조 부호를 갖고, 추가로 설명되지 않을 것이다. 애노드(106) 및 캐소드(104)는 광 도파관(300)에 인접한다. 복수의 부분적인 리플렉터(302, 304)는 특정 거리를 갖고서 광 도파관(300) 내에 형성되어, 복수의 리플렉터 사이의 광 도파관 내의 패브리-페롯 공진기(306)를 형성한다. 동일한 개념은 종래의 면내 도파관 상황 이외에 웨이퍼 표면에 수직인 광 전파 방향(즉, 도파관 배향)에 적용할 수 있다.
마하-젠터 간섭계의 부분으로서 형성된 광 변조기의 일례가 도 4에 도시된다. 광 도파관을 제외하고, 도 4에 도시된 광 변조기의 구성요소는 도 1 및 도 2에 도시된 것과 유사하다. 이러한 구성요소는 동일한 참조 부호를 갖고, 추가로 설명되지 않을 것이다. 도 4에 도시된 광 변조기에 있어서, 애노드(104)는 캐소드의 대향 측부 상에 배치된 제 1 및 제 2 애노드(106A, 106B)를 포함한다. 이 예에 있어서, 캐소드는 제 1 및 제 2 섹션(104A, 104B)에 형성되지만, 다른 예에 있어서, 단일 캐소드만이 사용된다. 광 도파관(400)은 제 1 및 제 2 아암(402, 402)을 포함하고, 상술된 바와 같은 하이브리드 MOS 광 변조기는 도 4에 도시한 바와 같이 아암(404)에, 또는 바람직할 수 있는 바와 같이 양자의 아암에 형성될 수도 있다.
도 5 및 도 6은 링 공진기 광 변조기의 일례를 도시한다. 이미 서술된 예와 유사하게, 이 예는 기판(도시하지 않음) 상에 형성된다. 실리콘 장치층은 산화물 상에 형성된다. 환형 트렌치(500)는 실리콘 장치층을 제 1 및 제 2 부분으로 분할한다. 제 1 부분은 환형상 애노드(502)를 형성한다. 제 2 부분은 캐소드의 아래에 있고 원통 형상인 실리콘층(504)을 형성한다. 도파관(506)은 애노드(502)에 형성된다. 애노드와 다른 물질로 만들어진 캐소드(508)는 실리콘층(504)에 통합된다. MOS 커패시터는 캐소드와 애노드 사이의 경계부(510)를 가로질러서 형성된다. 애노드는 부분적으로 환형이고, 부분적으로는 캐소드를 둘러싼다.
이전의 예에서와 같이, 얇은 층의 산화물(512)은 캐소드와 애노드 사이의 경계부에 형성된다. 이러한 산화물은 MOS 커패시터의 유전층을 형성한다. 전극(514)은 캐소드 상에 있고, 전극(516)은 애노드 상에 있다.
도 7은 굴절률 Δｎeff(좌축)의 변화 및 흡수 손실 Δα(우축)의 변화에 대하여 나타낸 캐리어 농도(전자는 e-, 정공은 h+) 사이의 관계를 나타낸다.
도 8은 AC 신호원(802)과 직렬로 연결된 DC 전원(800)의 예를 도시한다. AC 신호원(802)은 광 도파관(102) 내의 광 빔이 변조되는 변조 신호를 제공한다. DC 신호원(800)은 캐소드 전극(120)에 연결된 음극 단자, 및 애노드 전극(122)에 AC 신호원(802)을 통해 연결된 양극 단자를 갖는다. 이것은 캐소드(104)로부터 도파관의 측부를 향하는 음전하의 이동과, 애노드(106)로부터 진성 실리콘의 도파관 부분(106)을 통해 도파관(102)의 대향 측부로의 양전하의 이동을 야기한다. 다른 예에 있어서, 소스원(800, 802)은 평행하게 연결될 수도 있거나, 또는 DC 전원의 극성은 반전될 수도 있거나, 또는 이 소스원중 하나가 생략될 수도 있다.
MOS 커패시터는 Ⅲ-Ⅴ 물질과 진성 실리콘의 하부 커패시터 부분 사이의 경계부에서 형성된다. 매우 얇은 층, 일부 예에 있어서, 수 나노미터 두께의 실리콘 및 Ⅲ-Ⅴ 산화물은 이 경계부에서 자연적으로 형성되고, 커패시터를 위한 유전체로서 역할을 한다. 일부 예에 있어서, 특별한 단계는 이러한 산화물의 형성을 촉진하도록 수행되지 않는다. 다른 예에 있어서, 예를 들면, 온도를 상승시키거나, 산소가 풍부한 분위기에 물질을 노출시키거나, 또는 다른 적합한 기술에 의해, 산화물 형성이 활발해질 수도 있다.
일부 예에 있어서, Ⅲ-Ⅴ 물질은 인화 인듐을 포함한다. 다른 예에 있어서, Ⅲ-Ⅴ 물질은 갈륨 비소, 또는 인듐, 갈륨, 인 및 비소의 다른 화합물을 포함한다. 보다 일반적으로, 캐소드 및 애노드는 Ⅱ-Ⅵ 반도체 화합물 또는 다른 물질을 포함할 수도 있는 상이한 물질로 형성된다. 금속이 사용될 수도 있다.
이전에 설명된 바와 같이, MOS 커패시터는 도파관 내측에 형성되고, 그에 따라 커패시터 유전체의 양측 상에 축적/공핍되는 전하 캐리어는 도파관의 굴절률 및 도파관 손실을 변화시키는 효과를 갖는다.
MOS 커패시터는 축적, 공핍 또는 반전 모드에서 작동될 수 있다. 상술된 바와 같이, 신호 변조기용 AC 전압 및 DC 전압중 하나 또는 양자는 애노드와 캐소드 사이에 인가되어, 얇은 전하층을 유전체의 양 측부 상에 축적, 공핍, 또는 반전시킬 수 있다. 결과적인 자유 캐리어 밀도의 변화는 캐소드 및 애노드중 하나 또는 양자의 굴절률(ｎ)의 변화를 야기하고, 광 모드의 유효 굴절률(Δｎeff)의 변화로서 나타난다. 커패시터의 단부에서의 광 위상 변이(Δψ)는 이 유도 전압의 크기(Δｎeff), 장치 길이(Ｌ) 및 광 파장(λ)에 의해 결정되고, Δψ=2πΔｎeffＬλ로 계산될 수 있다. 실리콘 및 Ⅲ-Ⅴ의 물질 손실은 또한 캐리어 밀도 변화로서 동시에 변화되고, 광 감쇠기로서 사용될 수 있다.
도 9a 내지 도 9h는 본 예에 따른 하이브리드 MOS 광 감쇠기를 제작하는 다양한 단계의 도면이다. 도 9a는 본 예에서 예를 들면 SiO2일 수도 있는 기판(902) 상의 프로세스 실리콘인 제 1 물질층(900)을 도시한다. 도 9b는 프로세스 실리콘 내에 에칭된 하나 이상의 분리 트렌치(본 예에서, 904 및 906)를 도시한다. 도 9c에 있어서, 마스크(908)는 프로세스 실리콘의 일부분 상에 위치되어 있고, 화살표(910)로 나타내는 바와 같이, 애노드가 될 다른 부분 상에 도핑이 실행된다. 도 9d는 도핑에 의해 프로세스 실리콘에 형성되는 애노드(912)를 도시하고, 마스크(908)는 제거된다. 도 9e는 프로세스 실리콘의 꼭대기에 산화물의 얇은 층(914)을 도시하고, 상술된 바와 같이 이 산화물 층은, 예를 들면 다음 단계 동안에 임의의 처리 단계 없이 자연적으로 발생할 수도 있거나, 또는 이것은 얇은 산화물 층을 성장시키기 위한 임의의 적합한 공정에 의해 형성될 수도 있다. 도 9f는 제 1 물질의 애노드(902) 상에, 본 예에서 Ⅲ-Ⅴ 화합물일 수도 있는, 제 1 물질과 다른 제 2 물질의 캐소드(916)를 도시하며, 제 1 물질층과 제 2 물질층 사이에 유전체(914)가 있다. 도 9g는 애노드 및 캐소드 위의 다른 물질의 층(918), 및 광 도파관(920)의 형성을 도시한다. 도 9h는 접점의 설치를 위해 애노드(902)의 일부분(922) 및 캐소드(916)의 일부분(924)을 노출하기 위한 물질의 제거를 도시한다.
도 10a 내지 도 10c는 전술된 종류의 하이브리드 MOS 광 변조기 상의 접점을 제작하기 위한 일례의 도면이다. 도 10a는 예를 들면, 도 9h의 개구부(922)와 같은 개구부를 통해서 애노드 상에 증착된 애노드 도체(1000), 및 예를 들면, 도 9h의 개구부(924)와 같은 개구부를 통해서 캐소드 상에 증착된 캐소드 도체(1002)를 도시한다. 도 10b는 도체 위의 절연 물질(1004)을 도시하고, 도 10c는 애노드 및 캐소드로부터 각각 물질(1004)를 통해 연장하는 외부 접점(1006, 1008)을 도시한다.
유사한 단계를 갖는 유사한 공정은 하나 또는 양자의 경로의 하이브리드 MOS 광 변조기를 갖는 마하-젠더 간섭계를 제작하기 위해 사용될 수도 있다. 도 12는 제 1 애노드(1200) 및 제 2 애노드(1202), 제 1 및 제 2 애노드 각각 상의 제 1 및 제 2 애노드 도체(1204, 1206), 및 제 1 및 제 2 외부 애노드 접점(1208, 1210)을 포함하는 이러한 장치의 일례를 도시한다. 제 1 및 제 2 캐소드(1212, 1214)는 제 1 및 제 2 애노드의 물질과 다른 물질로 형성된다. 일부 예에 있어서, 2개의 애노드 사이에서 대체로 중앙에 있는 하나의 캐소드만이 사용된다. 제 1 및 제 2 외부 접점(1216, 1218)은 제 1 및 제 2 캐소드와 각각 전기적 연결을 제공한다. 트렌치(1220)는 애노드로부터 캐소드를 분리시킨다. 앞의 예에서와 같이, 커패시터는 캐소드(1220)와 애노드(1200) 사이에 형성되고, 캐소드(1222)와 애노드(1202) 사이에 형성된다.
일부 예에 있어서, 캐소드 물질은 애노드와 웨이퍼 본딩된다. 이것은 예를 들면, 300℃ 또는 일부 다른 적합한 온도에서 어닐링(annealing)을 포함할 수도 있다. 다른 예에 있어서, 어닐링이 수행되지 않는다.
개시된 MOS 광 변조기는 다결정 실리콘 광 변조기보다 효율적이다. 다결정 실리콘보다 Ⅲ-Ⅴ 물질에서 캐리어 이동도가 높고, 저항성은 낮다. 동일한 도핑 레벨에서 물질 손실은 낮다. 제작 공정은 간단하고 비교적 저가이다. 변조기는 또한 광 감쇠기 및 이상기(phase shifter)와 같은 어플리케이션을 찾을 수도 있다. 변조기는 예를 들면, 하이브리드 실리콘 레이저와 같은 광원과 용이하게 통합될 수 있다.

Claims (15)

  1. 하이브리드 MOS 광 변조기에 있어서,
    광 도파관,
    제 1 물질을 포함하고, 상기 광 도파관 내에 형성된 캐소드, 및
    상기 제 1 물질과 다른 제 2 물질을 포함하고, 상기 광 도파관 내에 형성된 애노드를 포함하며,
    상기 애노드는 상기 캐소드에 인접하여 있고, 상기 애노드와 상기 캐소드 사이에 커패시터가 형성되는
    하이브리드 MOS 광 변조기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 애노드와 상기 캐소드 사이의 유전체를 추가로 포함하는
    하이브리드 MOS 광 변조기.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 유전체는 상기 제 1 물질 및 제 2 물질중 적어도 하나의 자연 산화물을 포함하는
    하이브리드 MOS 광 변조기.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 물질은 반도체를 포함하고, 상기 제 2 물질은 반도체를 포함하는
    하이브리드 MOS 광 변조기.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 물질은 Ⅲ-Ⅴ 화합물을 포함하고, 상기 제 2 물질은 실리콘을 포함하는
    하이브리드 MOS 광 변조기.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 커패시터는 상기 광 도파관과 인접한 분리 트렌치에 의해 경계지어지는
    하이브리드 MOS 광 변조기.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 광 변조기는 마이크로링(microring) 형상을 형성하는
    하이브리드 MOS 광 변조기.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 커패시터는 대체로 원형이고,
    상기 캐소드 및 애노드중 하나는 대체로 원형이고, 다른 하나는 부분적으로 환형이고, 부분적으로 상기 하나를 둘러싸는
    하이브리드 MOS 광 변조기.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 광 도파관 내에 형성되고 패브리-페롯 공진기를 사이에 형성하는 복수의 부분적인 리플렉터를 추가로 포함하고, 상기 패브리-페롯 공진기는 상기 커패시터를 적어도 부분적으로 둘러싸는
    하이브리드 MOS 광 변조기.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 애노드는 상기 캐소드의 대향 측부 상에 배치된 제 1 및 제 2 애노드를 포함하고, 상기 제 1 애노드는 상기 캐소드와의 사이에 제 1 채널을 형성하고, 상기 제 2 애노드는 상기 캐소드와의 사이에 제 2 채널을 형성하며,
    상기 광 도파관은 상기 커패시터에 인접한 상기 제 1 채널 내에 배치된 제 1 브랜치, 및 상기 제 2 채널 내에 배치된 제 2 브랜치를 포함하고, 상기 광 변조기는 마하-젠더 구조물을 포함하는
    하이브리드 MOS 광 변조기.
  11. 제 항에 있어서,
    상기 캐소드 및 상기 애노드중 적어도 하나와 다른 물질을 포함하는 적어도 하나의 추가의 전극을 포함하고, 제 3 전극은 상기 광 도파관 내에 형성되고, 상기 캐소드 및 상기 애노드중 적어도 하나와 함께 다른 커패시터를 형성하는
    하이브리드 MOS 광 변조기.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 캐소드 및 애노드는 웨이퍼 본딩 및 모놀리식 성장중 적어도 하나에 의해 통합되는
    하이브리드 MOS 광 변조기.
  13. 광 변조기를 제작하는 방법에 있어서,
    기판에 의해 지지된 제 1 반도체층 내에 분리 트렌치를 형성하는 단계,
    상기 제 1 반도체층의 일부분 내에 이온을 주입하는 단계,
    상기 제 1 반도체층 상에 제 2 반도체층을 형성하는 단계로서, 상기 제 2 반도체는 상기 제 1 반도체와 다르고, 상기 제 1 반도체층과 상기 제 2 반도체층 사이에 커패시터가 형성되는, 상기 제 2 반도체층을 형성하는 단계,
    상기 제 1 및 제 2 반도체층 내에 광 도파관을 형성하는 단계,
    상기 제 2 반도체층의 일부분을 제거하여, 상기 제 1 반도체층의 일부분을 노출하는 단계,
    상기 제 1 반도체층의 노출된 부분 상에 전극을 형성하는 단계, 및
    상기 제 2 반도체층 상에 전극을 형성하는 단계를 포함하는
    광 변조기 제작 방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 제 1 반도체층과 상기 제 2 반도체층 사이에 유전체를 형성하는 단계를 추가로 포함하는
    광 변조기 제작 방법.
  15. 제 13 항에 있어서,
    상기 유전체를 형성하는 단계는, 상기 제 2 반도체층을 상기 제 1 반도체층에 웨이퍼 본딩하는 단계, 상기 제 1 반도체층 상에 유전체를 증착시키는 단계, 상기 제 1 및 제 2 반도체층중 적어도 하나의 산화를 유도하는 단계, 및 스피닝(spinning)하는 단계중 적어도 하나를 포함하는
    광 변조기 제작 방법.
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