KR20160019044A - 광변조기 및 그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 기술은 고속 동작을 구현할 수 있는 광변조기를 제공하기 위한 것으로, 본 기술에 따른 광변조기는 제1영역과 제1영역 상의 제2영역을 포함하는 리지-형상부를 포함하는 광도파로; 상기 리지-형상부의 제1영역에 접촉된 슬랩-형상부; 상기 리지-형상부의 제2영역에 정류성 접촉된 광도파로전극; 상기 슬랩-형상부와 광도파로전극에 각각 접촉하는 금속플러그; 및 각각의 상기 금속플러그에 연결된 금속패드를 포함할 수 있다.
Description
본 발명은 광소자에 관한 것으로, 상세하게는 광변조기에 관한 것이다.
최근 집적회로의 신호처리 속도가 빨라지면서, 반도체 칩간의 통신을 광신호를 이용하여 구현하는 연구들이 많이 진행되고 있다. 이러한 광신호를 처리하는 광집적회로(Optical integrated circuit)의 핵심 기술요소인 전광변조기(electro-optic modulator)는 외부/내부 광원에서 나온 일정한 세기의 빛을 전기신호로 변조하여 광신호를 만들어 내는 가장 핵심적인 기술요소이다.
광집적회로 내부의 광변조기는 전기신호를 광신호로 바꾸어주는 기능을 수행한다. 이러한 기능을 수행하기 위해서는 전기광학효과(electro-optic effect)를 이용하는데, 특히 실리콘과 같은 반도체물질은 외부의 전기장에 의해 변화되는 반도체 내부의 캐리어농도로 인한 유효굴절률이 변화될 수 있다. 이러한 플라즈마-분산 효과(plasma-dispersion effect)를 이용하여 광변조기 일부 영역의 굴절률을 전기신호로 변조하면, 고유의 구조를 갖는 광변조기는 광변조기에 입사된 빛에 대한 간섭효과를 통해 광신호를 생성할 수 있다. 광변조기 내부의 캐리어농도를 변화시키기 위한 방법으로 많이 사용되는 P-I-N 다이오드구조의 광변조기는 진성반도체영역(Intrinsic semiconductor region)을 빛이 통과하는 영역으로 하고, 이 영역에 접촉하는 도펀트로 도핑된 외인성 영역(extrinsic region)을 통해 외부 전기신호를 인가하여 진성반도체영역으로 캐리어를 공급/배출함으로써, 해당 영역의 유효굴절률을 변조한다.
도 1은 P-I-N 다이오드 구조의 광변조기에 대한 단면도이다.
P-I-N 다이오드 구조의 광변조기(100)는 빛이 통과하는 영역인 진성 반도체 영역(132)과 진성반도체영역(132)에 캐리어를 공급/배출하기 위한 N형 도핑영역(131)과 P형 도핑영역(133)으로 구성되어 있다. 진성반도체영역(132), N형 도핑영역(131) 및 P형 도핑영역(133) 상에 보호층(140)이 형성된다. 보호층(140)을 관통하여 N형 도핑영역(131) 및 P형 도핑영역(133)에 각각 플러그(151)가 연결된다. 플러그(151) 상에 각각 패드(161)이 형성된다.
P-I-N 다이오드 구조의 광변조기는 다음과 같은 문제점이 있다.
진성반도체 영역(132)의 부피가 상대적으로 크고, 진성반도체 영역(132)과 N형 도핑영역(131) 및 P형 도핑영역(132)이 접촉하는 면적이 상대적으로 작으므로, 캐리어가 공급/배출되는데 걸리는 시간이 오래 걸린다.
또한, P-I-N 다이오드 구조 자체의 스위칭 타입에 한계가 있다. 특히 진성반도체 영역(132)에 공급된 소수캐리어가 배출되는데 있어, 소수캐리어의 수명(life time)이 길기 때문에 배출에 시간이 걸린다.
본 발명의 실시예들은 고속 동작을 구현할 수 있는 광변조기 및 그 제조 방법을 제공한다.
본 실시예에 따른 광변조기는 제1영역과 제1영역 상의 제2영역을 포함하는 리지-형상부를 포함하는 광도파로; 상기 리지-형상부의 제1영역에 접촉된 슬랩-형상부; 상기 리지-형상부의 제2영역에 정류성 접촉된 광도파로전극; 상기 슬랩-형상부와 광도파로전극에 각각 접촉하는 금속플러그; 및 각각의 상기 금속플러그에 연결된 금속패드를 포함할 수 있다. 상기 광도파로전극은 투광성을 갖는 도전성 물질을 포함할 수 있다. 상기 광도파로전극은 인듐주석산화물을 포함할 수 있다. 상기 리지-형상부와 광도파로전극 간의 접촉면적은 상기 리지-형상부와 슬랩-형상부 간의 접촉면적보다 더 클 수 있다. 상기 광변조기는, 반도체기판; 상기 반도체기판 상의 절연층을 더 포함하고, 상기 절연층 상에 상기 광도파로가 위치할 수 있다. 상기 슬랩-형상부는, 상기 리지-형상부의 제1영역의 일측에 접촉된 제1슬랩-형상부; 및 상기 리지-형상부의 제1영역의 타측에 접촉된 제2슬랩-형상부를 포함할 수 있다. 상기 리지-형상부는 도펀트가 미도핑된 진성 실리콘층을 포함하고, 상기 슬랩-형상부는 N형 도펀트가 주입된 외인성 실리콘층을 포함할 수 있다. 상기 리지-형상부와 슬랩-형상부는 서로 다른 두께를 가지고 수평적으로 접촉할 수 있다. 상기 리지-형상부는 광의 유효파장보다 작은 크기를 가질 수 있다. 상기 슬랩-형상부와 리지-형상부의 제1영역은 두께가 동일하고, 상기 슬랩-형상부는 상기 리지-형상부의 제2영역보다 얇은 두께를 갖는다. 상기 반도체 기판과 광도파로는, 실리콘, Si-Ge 화합물 또는 화합물반도체를 포함할 수 있다. 상기 슬랩-형상부는 상기 리지-형상부의 제1영역의 일측에 접촉된 편측 구조일 수 있다.
본 실시예에 따른 광변조기는 진성 실리콘을 포함하는 리지-형상부, 상기 리지-형상부의 제1영역에 접촉된 외인성 실리콘을 포함하는 슬랩-형상부 및 상기 리지-형상부의 제2영역에 정류성 접촉된 인듐주석산화물을 포함하는 쇼트키 다이오드; 상기 슬랩-형상부와 광도파로전극에 각각 접촉하는 금속플러그; 및 각각의 상기 금속플러그에 연결된 금속패드를 포함할 수 있다. 상기 리지-형상부와 인듐주석산화물 간의 접촉면적은 상기 리지-형상부와 슬랩-형상부 간의 접촉면적보다 더 클 수 있다. 상기 슬랩-형상부는, 상기 리지-형상부의 제1영역의 일측에 접촉된 제1외인성실리콘을 포함하는 제1슬랩-형상부; 및 상기 리지-형상부의 제1영역의 타측에 접촉된 제2외인성실리콘을 포함하는 제2슬랩-형상부를 포함할 수 있다. 상기 리지-형상부의 제2영역은 상기 제1영역보다 더 큰 두께를 갖고, 상기 제1영역과 슬랩-형상부는 동일한 두께를 갖는다.
본 실시예에 따른 광변조기는, 제1영역과 제1영역 상의 제2영역을 포함하는 리지-형상부를 포함하는 광도파로; 상기 리지-형상부의 제1영역에 접촉된 슬랩-형상부; 상기 리지-형상부의 제2영역의 상부면과 양측벽을 덮는 전극; 상기 전극과 제2영역 사이에 위치하는 인터-절연층; 상기 슬랩-형상부와 전극에 각각 접촉하는 금속플러그; 및 각각의 상기 금속플러그에 연결된 금속패드를 포함할 수 있다. 상기 전극은 인듐주석산화물을 포함할 수 있다. 상기 리지-형상부는 진성 실리콘을 포함하고, 상기 슬랩-형상부는 외인성 실리콘을 포함할 수 있다. 상기 전극의 일부는 상기 리지-형상부의 제1영역과 접촉될 수 있다.
본 기술은 금속과 반도체 간의 정류성 접촉을 이용한 쇼트키 다이오드 구조의 변조방식을 채용하므로써, 빠른 응답 특성을 가져 매우 높은 주파수를 갖는 전기신호를 효과적으로 광신호로 변조할 수 있다.
또한, 본 기술은 광학적으로 투명한 인듐주석산화물이 반도체층과 넓은 영역으로 접촉하고 있으므로, 캐리어가 빠른 속도로 공급/배출될 수 있어 고속동작에 유리하다.
또한, 본 기술은 고속 동작이 가능하면서도, 광학적으로 투명한 인듐 주석 산화물을 전도성 물질로 채택하고 있으므로, 광도파로에서의 광구속율에 적은 영향을 미치기 때문에, 결과적으로 광 변조기의 유효 굴절율 변화에 기여하고, 광 변조영역에서의 광손실률을 최소화할 수 있다.
결국, 본 기술은 금속-반도체 간의 정류성접촉(schottky contact)을 이용한 쇼트키 다이오드 타입의 변조방식을 채용하므로써, 쇼트키 다이오드의 빠른 응답특성, 낮은 저항, 동시에 투명한 금속 전극을 사용한 광구속율 개선에 의해, 광변조기의 성능을 개선시킬 수 있다.
도 1은 P-I-N 다이오드를 포함하는 광변조기를 도시한 도면이다.
도 2a는 제1실시예에 따른 광변조기를 도시한 사시도이다.
도 2b는 도 2a의 A-A'선에 따른 광변조기의 단면도이다.
도 3은 제2실시예에 따른 광변조기를 도시한 도면이다.
도 4는 제3실시예에 따른 광변조기를 도시한 도면이다.
도 5a는 마이크로링 변조기를 도시한 도면이다.
도 5b는 마흐-젠더 간섭계형 변조기의 평면도이다.
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도 5b는 마흐-젠더 간섭계형 변조기의 평면도이다.
본 명세서에서 기재하는 실시예들은 본 발명의 이상적인 개략도인 단면도, 평면도 및 블록도를 참고하여 설명될 것이다. 따라서, 제조 기술 및/또는 허용 오차 등에 의해 예시도의 형태가 변형될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예들은 도시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니라 제조 공정에 따라 생성되는 형태의 변화도 포함하는 것이다. 따라서, 도면에서 예시된 영역들은 개략적인 속성을 가지며, 도면에서 예시된 영역들의 모양은 소자의 영역의 특정 형태를 예시하기 위한 것이고, 발명의 범주를 제한하기 위한 것은 아니다.
광변조기의 특성은 광변조영역의 변조 효율과 변조 속도로 가늠할 수 있다. 변조효율은 낮은 동작전압과 적은 동작전류에서도 광변조영역의 캐리어농도를 크게 변화시키는 것을 의미하며, 일반적으로 비트당 소비 전력, 단위전압당 공명주파수 변동폭, 광변조영역의 단위길이당 공명주파수변동폭 등의 지표로 나타낼 수 있다. 변조속도는 광변조영역의 캐리어 농도 변화 속도에 의해 결정되며, 광변조기의 최대 동작 주파수를 결정한다.
이하, 실시예들에 따른 광변조기는 인듐주석산화물(Indium-Tin-Oxide; ITO)을 전극으로 사용하는 쇼트키다이오드 구조의 광변조기일 수 있다. 반도체 기판 위에 충분한 두께로 적층된 절연층, 절연층 상에 형성된 얇은 두께의 실리콘층에 광변조영역이 형성될 수 있다. 광변조영역은 중앙의 광도파로영역(두꺼운 실리콘 영역)과 광도파로영역 주변의 고농도 도핑영역(얇은 실리콘 영역)으로 구성될 수 있다. 광도파로영역은 진성반도체영역이다. 광도파로영역의 상부는 일정한 두께의 인듐주석산화물과 직접 접촉하고 있다. 따라서, 진성반도체영역과 인듐주석산화물은 정류성 접촉(schottky contact)을 형성하고 있다. 고동도 도핑영역과 인듐주석산화물 상부에는 각각 금속 플러그가 형성되고, 금속 플러그에 대응되는 금속 패드가 형성되어 있다. 각각의 금속 패드를 통해 적절한 전기신호가 인가될 수 있다. 상술한 광변조영역은 금속패드를 통해 인가된 전류의 흐름으로 인해 진성 반도체 영역의 내부에 캐리어를 공급/배출하는 방식으로 동작할 수 있다. 광변조영역은 SOI(Silicon-On-Insulator) 기판 또는 실리콘벌크기판 상부에 형성될 수 있다. SOI 기판의 경우, 상부 실리콘층에 광변조영역이 형성될 수 있다. 또한, 실리콘벌크 기판의 경우, 실리콘벌크 기판 상에 산화막을 형성하고, 산화막 위에 단결정실리콘층을 형성한다. 이러한 단결정실리콘층에 광변조영역이 형성될 수 있다. 단결정실리콘층은 산화막 위에 비정질실리콘 또는 폴리실리콘을 증착한 후, SPE(solid phase epitaxial) 또는 LEG(laser epitaxial growth) 공정을 사용하여 단결정화시켜 형성될 수 있다.
도 2a는 제1실시예에 따른 광변조기를 도시한 사시도이다. 도 2b는 도 2a의 A-A'선에 따른 광변조기의 단면도이다.
도 2a 및 도 2b를 참조하면, 본 실시예에 따른 광변조기(200)는 반도체기판(210) 상에 형성될 수 있다. 반도체기판(210)은 반도체 프로세싱에 적합한 물질을 포함할 수 있다. 반도체기판(210)은 실리콘을 함유할 수 있다. 예컨대, 반도체기판(210)은 실리콘 기판을 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 반도체기판(210)은 단결정 실리콘 기판을 포함할 수 있다. 반도체기판(310)은 SiGe 기판을 포함할 수 있다. 반도체기판(210)은 GaAs, InP 등의 화합물반도체를 포함할 수도 있다.
반도체기판(210) 상에 절연층(220)이 형성될 수 있다. 절연층(220)은 실리콘산화물(Silicon oxide)을 포함할 수 있다. 절연층(220)은 산화(oxidation) 또는 증착법(deposition)에 의해 형성될 수 있다. 절연층(220)은 반도체기판(210)과 광도파로(230)를 광학적으로 분리시키는 역할을 한다. 따라서, 절연층(220)은 일정 두께가 확보되어야 한다. 예컨대, 절연층(220)은 1μm 이상의 두께로 형성될 수 있다.
절연층(220) 상에 광도파로(230)가 형성될 수 있다. 광도파로(230)는 실리콘, SiGe 또는 화합물반도체 등의 반도체층을 포함할 수 있다. 광도파로(230)는 반도체층을 증착 또는 결정성장법으로 형성한 후, 반도체층을 리소그래피와 화학적식각 공정으로 패터닝하여 형성할 수 있다. 광도파로(230)는 리지-형상부(Ridge-shaped portion, 232)를 포함할 수 있다. 광신호는 리지-형상부(232)를 통과할 수 있다. 리지-형상부(232)는 리지-형상의 반도체 물질을 포함할 수 있다. 리지-형상부(232)는 진성 반도체층을 포함할 수 있다. 즉, 리지-형상부(232)는 도펀트가 미도핑된 반도체층, 즉 언도프드 반도체층을 포함할 수 있다. 리지-형상부(232)는 진성 실리콘층을 포함할 수 있다. 리지-형상부(232)는 다양한 외형(configuration)을 가질 수 있다. 예컨대, 리지-형상부(232)는 다양한 모양(shape), 폭 및 높이를 가질 수 있다. 리지-형상부(232)는 500nm의 폭(width)과 200nm의 높이(height)를 가질 수 있다. 리지-형상부(232)는 제1영역(232A)과 제2영역(232B)을 포함할 수 있다. 제1영역(232A)는 저부(Lower portion)라고 지칭될 수 있고, 제2영역(232B)은 상부(Upper portion)라고 지칭될 수 있다. 제1영역(232A)은 제2영역(232B)보다 폭이 더 클 수 있다. 제1영역(232A)은 제2영역(232B) 보다 높이가 낮을 수 있다. 즉, 제1영역(232A)은 제2영역(232B)보다 얇은 두께일 수 있다. 광신호의 손실을 방지하기 위해, 제2영역(232B)는 제1영역(232A)보다 좁은 폭을 가질 수 있다. 이 경우, 제2영역(232B)은 제1영역(232A)의 중앙부분에 위치할 수 있고, 따라서, 리지-형상부(232)는 '┻'와 같은 대칭형 구조가 될 수 있다. 리지-형상부(232)는 광의 유효파장보다 작은 크기를 가질 수 있다.
리지-형상부(232)의 제1영역(232A)의 측벽에는 슬랩-형상부(Slab-shaped portion)가 접촉될 수 있다. 리지-형상부(232)와 슬랩-형상부는 서로 다른 두께를 가지고 수평적으로 접촉할 수 있다. 예컨대, 리지-형상부(232)의 제1영역(232A)의 일측(one-side)은 제1슬랩-형상부(231A)에 접촉될 수 있고, 제1영역(232A)의 타측(other side)은 제2슬랩-형상부(231B)에 접촉될 수 있다. 여기서, 타측은 일측의 반대 측벽(opposite side)일 수 있다. 리지-형상부(232), 제1슬랩-형상부(231A) 및 제2슬랩-형상부(231B)는 반도체층의 부분 식각에 의해 동시에 형성될 수 있다. 제1슬랩-형상부(231A) 및 제2슬랩-형상부(231B)는 리지-형상부(232)와 동일 물질로 형성될 수 있다. 예컨대, 리지-형상부(232), 제1슬랩-형상부(231A) 및 제2슬랩-형상부(231B)는, 실리콘과 같은, 동일 물질로부터 비롯될 수 있다. 따라서, 리지-형상부(232)와 제1슬랩-형상부(231A) 사이에는 물리적 계면(physical interface)이 존재하지 않는다. 리지-형상부(232)와 제2슬랩-형상부(231B) 사이에도 물리적 계면이 존재하지 않는다. 제1슬랩-형상부(231A) 및 제2슬랩-형상부(231B)는 두께가 동일할 수 있다. 예컨대, 제1슬랩-형상부(231A) 및 제2슬랩-형상부(231B)의 두께는 50nm일 수 있다. 리지-형상부(232)의 제1영역(232A)은 제1슬랩-형상부(231A) 및 제2슬랩-형상부(231B)와 동일한 두께를 가질 수 있다. 제1슬랩-형상부(231A) 및 제2슬랩-형상부(231B)는 그 내부에 도펀트를 포함할 수 있다. 도펀트는 N형 도펀트 또는 P형 도펀트를 포함할 수 있다. 본 실시예에서, 도펀트는 인(Phosphorus)과 같은 N형 도펀트를 포함할 수 있다. 제1슬랩-형상부(231A) 및 제2슬랩-형상부(231B) 내에서 도펀트는 고농도를 가질 수 있다. 위와 같이, 도펀트를 포함하는 제1슬랩-형상부(231A) 및 제2슬랩-형상부(231B)는 도핑영역이라고 지칭될 수 있다. N형 도펀트를 포함하는 경우, 제1슬랩-형상부(231A) 및 제2슬랩-형상부(231B)는 고농도 N형 도핑영역이라고 지칭될 수 있다. 도펀트의 농도는 약 1018 atoms/cm3 이상일 수 있다. 다른 실시예에서, 제1슬랩-형상부(231A) 및 제2슬랩-형상부(231B)는 각각 저농도 도핑영역과 고농도 도핑영역으로 이루어질 수도 있다. 저농도 도핑영역은 리지-형상부(232)와 근접(proximate)하여 형성되고, 고농도 도핑영역은 리지-형상부(232)로부터 멀리(distal) 형성될 수 있다. 저농도 도핑영역은 도펀트 농도가 약 1016 atoms/cm3일 수 있다. 다른 실시예에서, 제1슬랩-형상부(231A) 및 제2슬랩-형상부(231B)는 서로 다른 도펀트를 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 제1슬랩-형상부(231A) 및 제2슬랩-형상부(231B)는 서로 다른 도펀트 농도를 가질 수 있다.
제1슬랩-형상부(231A) 및 제2슬랩-형상부(231B)로부터 리지-형상부(232)로 캐리어들이 유입될 수 있다. 또한, 리지-형상부(232)로부터 제1슬랩-형상부(231A) 및 제2슬랩-형상부(231B)로 캐리어들이 유출될 수 있다. 이와 같은, 캐리어들의 유출입에 의해 리지-형상부(232)의 유효굴절률이 변화될 수 있고, 이에 따라 광신호를 변조시키는 동작이 수행될 수 있다.
상술한 바와 같이, 리지-형상부(232)는 도펀트가 미도핑된 진성 영역일 수 있고, 제1슬랩-형상부(231A)와 제2슬랩-형상부(231B)는 고농도의 도펀트가 도핑된 외인성 영역일 수 있다. 본 실시예에서, 리지-형상부(232)는 도펀트가 미도핑된 진성 실리콘층일 수 있고, 제1슬랩-형상부(231A)와 제2슬랩-형상부(231B)는 고농도의 도펀트가 도핑된 외인성 실리콘층일 수 있다.
결국, 광변조영역은 광도파로(230)와 제1,2슬랩-형상부(231A, 231B)를 포함한다. 광변조영역은 얇은 두께의 제1,2슬랩-형상부(231A, 231B)과 두꺼운 리지-형상부(232)가 인접한 리지 형태로 제작될 수 있다. 선택적 화학적 식각의 식각시간 조절을 통해 리지 형태의 광변조영역을 얻을 수 있다. 제1슬랩-형상부(231A)와 제2슬랩-형상부(231B)는 이온주입공정 등과 같은 도핑공정에 의해 도전형의 도펀트가 고농도로 도핑될 수 있다. 도핑 공정은 플라즈마도핑법이 적용될 수도 있다. 리지-형상부(232)가 제1,2슬랩-형상부(231A, 231B)보다 두께가 두꺼우므로, 대부분의 광신호가 리지-형상부(232)에 집중될 수 있다. 광도파로(230)의 단면 크기는 광의 파장보다 작은 크기를 가질 수 있다. 이에 따라, 광변조기(200)의 크기를 줄여서 광변조기의 저항과 정전용량값을 감소시킬 경우, 전기적 상수의 값이 줄어들어 고속 동작에 유리하다. 광도파로(230)의 단면크기가 광의 파장보다 작은 특정한 값을 가질 경우, 광도파로(230)를 통과하는 광의 광학적 모드가 특정값으로 결정될 수 있고, 이는 광변조기(200)의 광학적 동작점을 제한하는 효과가 있어, 광변조기(200)의 동작특성을 개선할 수 있다.
광도파로(230)의 일부, 즉, 리지-형상부(232)의 상부 표면 상에 투광성을 갖는 도전성의 광도파로전극(240)이 형성될 수 있다. 광도파로전극(240)은 금속함유물질일 수 있다. 광도파로전극(240)은 도전성의 산화물로 형성될 수 있다. 예컨대, 광도파로전극(240)은 인듐주석산화물(ITO)로 형성된 투광성 금속전극일 수 있다. 광도파로전극(240)은 진성 영역인 리지-형상부(232)와 접촉하여 정류성 접촉을 형성할 수 있다. 따라서, 광도파로전극(240), 리지-형상부(232), 제1 및 제2슬랩-형상부(231A, 231B)는 쇼트키 다이오드(Schottky diode) 구조를 형성할 수 있다. 광도파로전극(240)과 리지-형상부(232) 간의 접촉면적은 제1슬랩-형상부(231A)와 리지-형상부(232) 간의 접촉면적보다 크다. 또한, 광도파로전극(240)과 리지-형상부(232) 간의 접촉면적은 제2슬랩-형상부(231B)와 리지-형상부(232) 간의 접촉면적보다 크다.
광도파로(230) 및 광도파로전극(240)은 보호층(250)에 의해 보호될 수 있다. 보호층(250)은 절연층(220)과 동일한 물질일 수 있다. 예컨대, 보호층(250)은 실리콘산화물로 형성될 수 있다. 리지-형상부(232)로 이동하는 광신호의 손실을 방지하기 위해, 보호층(250)은 얇은 두께로 형성될 수 있다.
제1슬랩-형상부(231A)에 접속되는 제1플러그(261A)가 형성될 수 있다. 제2슬랩-형상부(231B)에 접속되는 제2플러그(261B)가 형성될 수 있다. 제1플러그(261A)와 제2플러그(261B)는 각각 보호층(250)을 관통하여 형성될 수 있다. 예컨대, 보호층(250)을 선택적으로 식각하여 제1슬랩-형상부(231A)와 제2슬랩-형상부(231B)의 표면을 각각 노출시키는 오프닝(도면부호 생략)을 형성하고, 오프닝에 도전물질을 플러깅하여 제1플러그(261A)와 제2플러그(261B)를 동시에 형성할 수 있다. 제1플러그(261A)와 제2플러그(261B)는 금속함유물질로 형성될 수 있다. 따라서, 제1플러그(261A)와 제2플러그(261B)는 각각 금속플러그라고 지칭될 수 있다. 제1플러그(261A)와 제2플러그(261B)는 알루미늄, 텅스텐, 구리 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 제1플러그(261A)와 제2플러그(261B)와 동일 레벨에 제3플러그(261I)가 형성될 수 있다. 제3플러그(261I)는 광도파로전극(240)에 연결될 수 있다. 제1플러그(261A), 제2플러그(261B) 및 제3플러그(261I)는 동시에 형성될 수 있다.
제1플러그(261A)와 제2플러그(261B)에는 각각 독립적으로 전기신호를 인가할 수 있는 제1패드(271A) 및 제2패드(271B)가 연결될 수 있다. 제1패드(271A) 및 제2패드(271B)는 금속함유물질로 형성될 수 있다. 제1패드(271A)와 제2패드(271B)는 알루미늄, 구리, 텅스텐 등을 포함할 수 있다. 제1패드(271A) 및 제2패드(271B)와 동일 레벨에 제3패드(271I)가 형성될 수 있다. 제3패드(271I)는 제3플러그(261I)에 접속될 수 있다. 제1패드(271A), 제2패드(271B) 및 제3패드(271I)는 동시에 형성될 수 있다. 제1패드(271A), 제2패드(271B) 및 제3패드(271I)는 서로 다른 전기신호를 인가받을 수 있다. 제1패드(271A)와 제3패드(271I)에 인가된 전압이, 제1슬랩-형상부(231A)와 리지-형상부(232)간의 접촉과 리지-형상부(232)와 광도파로전극(240)간의 정류성 접촉간의 유효 저항을 변화시키고, 그 결과 리지-형상부(232) 내부의 캐리어 농도를 변화시킨다. 이와 동일하게, 제2패드(271B)와 제3패드(271I)에 인가된 전압이, 제2슬랩-형상부(231B)와 리지-형상부(232)간의 접촉과 리지-형상부(232)와 광도파로전극(240)간의 정류성 접촉간의 유효 저항을 변화시키고, 그 결과 리지-형상부(232) 내부의 캐리어 농도를 변화시킨다.
제1패드(271A), 제2패드(271B) 및 제3패드(271I)를 통해 인가된 전기신호는 쇼트키 다이오드 구조를 통해 진성 영역인 리지-형상부(232)로 캐리어를 공급하거나 또는 리지-형상부(232)의 캐리어를 배출할 수 있다. 이에 따라, 리지-형상부(232)의 유효굴절률을 변화시켜 변조기의 기능을 수행할 수 있다.
쇼트키 다이오드 구조의 광변조기(200)는 전류의 흐름이 2차원적이며, 특히 전도성 물질인 광도파로전극(240)과 리지-형상부(232)간의 접촉면적이 극대화된 구조이므로, 캐리어의 이동도를 빠르게 할 수 있다. 동시에 전체 광도파로(230)에 대한 광구속율을 크게 감소시키지 않으므로, 광변조기(200)의 변조효율을 유지하는 효과도 기대할 수 있다.
도 3은 제2실시예에 따른 광변조기를 도시한 도면이다.
본 실시예에 따른 광변조기(300)는 반도체기판(310) 상에 형성될 수 있다. 반도체기판(310)은 반도체 프로세싱에 적합한 물질을 포함할 수 있다. 반도체기판(310)은 실리콘을 함유할 수 있다. 예컨대, 반도체기판(310)은 실리콘 기판을 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 반도체기판(310)은 단결정 실리콘 기판을 포함할 수 있다. 반도체기판(310)은 Si-Ge 기판을 포함할 수 있다. 반도체기판(310)은 GaAs, InP 등의 화합물반도체를 포함할 수도 있다.
반도체기판(310) 상에 절연층(320)이 형성될 수 있다. 절연층(320)은 실리콘산화물(Silicon oxide)을 포함할 수 있다. 절연층(320)은 산화(oxidation) 또는 증착법(deposition)에 의해 형성될 수 있다. 절연층(320)은 반도체기판(310)과 광도파로(230)를 광학적으로 분리시키는 역할을 한다. 따라서, 절연층(320)은 일정 두께가 확보되어야 한다. 예컨대, 절연층(320)은 1μm 이상의 두께로 형성될 수 있다.
절연층(320) 상에 광도파로(330)가 형성될 수 있다. 광도파로(330)는 실리콘, SiGe 또는 화합물반도체 등의 반도체층을 포함할 수 있다. 광도파로(330)는 반도체층을 증착 또는 결정성장법으로 형성한 후, 반도체층을 리소그래피와 화학적식각 공정으로 패터닝하여 형성할 수 있다. 광도파로(330)는 리지-형상부(Ridge-shaped portion, 332)를 포함할 수 있다. 광신호는 리지-형상부(332)를 통과할 수 있다. 리지-형상부(332)는 리지-형상의 반도체 물질을 포함할 수 있다. 리지-형상부(332)는 진성 반도체층을 포함할 수 있다. 즉, 리지-형상부(332)는 도펀트가 미도핑된 반도체층을 포함할 수 있다. 리지-형상부(332)는 진성 실리콘층을 포함할 수 있다. 리지-형상부(332)는 다양한 외형(configuration)을 가질 수 있다. 예컨대, 리지-형상부(332)는 다양한 모양(shape), 폭 및 높이를 가질 수 있다. 리지-형상부(332)는 500nm의 폭(width)과 200nm의 높이(height)를 가질 수 있다. 리지-형상부(332)는 제1영역(332A)과 제2영역(332B)을 포함할 수 있다. 제1영역(332A)는 저부(Lower portion)라고 지칭될 수 있고, 제2영역(332B)은 상부(Upper portion)라고 지칭될 수 있다. 제1영역(332A)은 제2영역(332B)보다 폭이 더 클 수 있다. 제1영역(332A)은 제2영역(332B) 보다 높이가 낮을 수 있다. 광신호의 손실을 방지하기 위해, 제2영역(332B)은 제1영역(332A)보다 좁은 폭을 가질 수 있다. 이 경우, 제2영역(332B)은 제1영역(232A)의 일측 상부에 위치할 수 있고, 따라서, 리지-형상부(332)는 '┗'와 같은 비대칭형 구조가 될 수 있다.
리지-형상부(332)의 제1영역(332A)의 측벽에는 슬랩-형상부(Slab-shaped portion)가 접촉될 수 있다. 예컨대, 리지-형상부(332)의 제1영역(332A)의 일측(one-side)에 슬랩-형상부(331)이 접촉될 수 있다. 제1영역(332A)의 타측(other side)에는 슬랩-형상부가 접촉하지 않는다. 이와 같이, 제2실시예는, 슬랩-형상부(331)가 리지-형상부의 제1영역(332A)의 일측에만 위치하는 편측 구조일 수 있다. 리지-형상부(332) 및 슬랩-형상부(331)는 반도체층의 부분 식각에 의해 동시에 형성될 수 있다. 슬랩-형상부(331)는 리지-형상부(332)와 동일 물질로 형성될 수 있다. 예컨대, 리지-형상부(332) 및 슬랩-형상부(331)는, 실리콘과 같은, 동일 물질로부터 비롯될 수 있다. 따라서, 리지-형상부(332)와 슬랩-형상부(331) 사이에는 물리적 계면(physical interface)이 존재하지 않는다. 슬랩-형상부(331)는 얇은 두께일 수 있다. 예컨대, 슬랩-형상부(331)의 두께는 50nm일 수 있다. 리지-형상부(332)의 제1영역(332A)은 슬랩-형상부(331)와 동일한 두께를 가질 수 있다. 슬랩-형상부(331)는 그 내부에 도펀트를 포함할 수 있다. 도펀트는 N형 도펀트 또는 P형 도펀트를 포함할 수 있다. 본 실시예에서, 도펀트는 인과 같은 N형 도펀트를 포함할 수 있다. 슬랩-형상부(331) 내에서 도펀트는 고농도를 가질 수 있다. 위와 같이, 도펀트를 포함하는 슬랩-형상부(331)는 도핑영역이라고 지칭될 수 있다. N형 도펀트를 포함하는 경우, 슬랩-형상부(331)는 고농도 N형 도핑영역이라고 지칭될 수 있다. 도펀트의 농도는 약 1018 atoms/cm3 이상일 수 있다. 다른 실시예에서, 슬랩-형상부(331)는 각각 저농도 도핑영역과 고농도 도핑영역으로 이루어질 수도 있다. 저농도 도핑영역은 리지-형상부(332)와 근접(proximate)하여 형성되고, 고농도 도핑영역은 리지-형상부(332)로부터 멀리(distal) 형성될 수 있다. 저농도 도핑영역은 도펀트 농도가 약 1016 atoms/cm3일 수 있다.
슬랩-형상부(331)로부터 리지-형상부(332)로 캐리어들이 유입될 수 있다. 또한, 리지-형상부(332)로부터 슬랩-형상부(331)로 캐리어들이 유출될 수 있다. 이와 같은, 캐리어들의 유출입에 의해 리지-형상부(332)의 유효굴절률이 변화될 수 있고, 이에 따라 광신호를 변조시키는 동작이 수행될 수 있다.
상술한 바와 같이, 리지-형상부(332)는 도펀트가 미도핑된 진성 영역일 수 있고, 슬랩-형상부(331)는 고농도의 도펀트가 도핑된 외인성 영역일 수 있다. 본 실시예에서, 리지-형상부(332)는 도펀트가 미도핑된 진성 실리콘층일 수 있고, 슬랩-형상부(331)는 고농도의 도펀트가 도핑된 외인성 실리콘층일 수 있다.
결국, 광도파로(330)는 얇은 두께의 슬랩-형상부(331)과 두꺼운 리지-형상부(332)가 인접한 리지 형태로 제작될 수 있다. 선택적 화학적 식각의 식각시간 조절을 통해 리지 형태의 광도파로(330)를 얻을 수 있다. 슬랩-형상부(331)는 이온주입공정 등과 같은 도핑공정에 의해 도전형의 도펀트가 고농도로 도핑될 수 있다. 도핑 공정은 플라즈마도핑법이 적용될 수도 있다.
광도파로(330)의 일부, 즉, 리지-형상부(332)의 상부 표면 상에 투광성을 갖는 도전성의 광도파로전극(340)이 형성될 수 있다. 광도파로전극(340)은 금속함유물질일 수 있다. 광도파로전극(340)은 도전성의 산화물로 형성될 수 있다. 예컨대, 광도파로전극(340)은 인듐주석산화물(ITO)로 형성된 금속전극일 수 있다. 광도파로전극(340)은 진성 영역인 리지-형상부(332)의 제2영역(332B)과 접촉하여 정류성 접촉을 형성할 수 있다. 따라서, 광도파로전극(340), 리지-형상부(332), 슬랩-형상부(331)는 쇼트키 다이오드(Schottky diode) 구조를 형성할 수 있다. 광도파로전극(340)과 리지-형상부(332) 간의 접촉면적은 슬랩-형상부(331)와 리지-형상부(332) 간의 접촉면적보다 크다.
광도파로(330) 및 광도파로전극(340)은 보호층(350)에 의해 보호될 수 있다. 보호층(350)은 절연층(320)과 동일한 물질일 수 있다. 예컨대, 보호층(350)은 실리콘산화물로 형성될 수 있다. 리지-형상부(332)로 이동하는 광신호의 손실을 방지하기 위해, 보호층(350)은 얇은 두께로 형성될 수 있다.
슬랩-형상부(331)에 접속되는 제1플러그(361)가 형성될 수 있다. 광도파로전극(340)에 접속되는 제2플러그(361I)가 형성될 수 있다. 제1플러그(361)와 제2플러그(361I)는 각각 보호층(350)을 관통하여 형성될 수 있다. 예컨대, 보호층(350)을 선택적으로 식각하여 슬랩-형상부(331) 및 광도파로전극(340)의 표면을 각각 노출시키는 오프닝(도면부호 생략)을 형성하고, 오프닝에 도전물질을 플러깅하여 제1플러그(361)와 제2플러그(361I)를 동시에 형성할 수 있다. 제1플러그(361)와 제2플러그(361I)는 금속함유물질로 형성될 수 있다. 따라서, 제1플러그(361)와 제2플러그(361I)는 각각 금속플러그라고 지칭될 수 있다. 제1플러그(361)와 제2플러그(361I)는 알루미늄, 텅스텐, 구리 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 제1플러그(361)와 제2플러그(361I)는 동일 레벨일 수 있다.
제1플러그(361)와 제2플러그(361I)에는 각각 독립적으로 전기신호를 인가할 수 있는 제1패드(371) 및 제2패드(371I)가 연결될 수 있다. 제1패드(371) 및 제2패드(371I)는 금속함유물질로 형성될 수 있다. 제1패드(371)와 제2패드(371I)는 알루미늄, 구리, 텅스텐 등을 포함할 수 있다. 제1패드(371) 및 제2패드(371I)는 동일 레벨일 수 있다. 제1패드(371) 및 제2패드(371I)는 서로 다른 전기신호를 인가받을 수 있다.
제2실시예는, 공간상의 제약으로 인해 리지-형상부(332)의 양쪽에 슬랩-형상부(331)을 구비할 수 없는 경우에 해당되며, 동작원리는 제1실시예와 동일할 수 있다.
상술한 제1 및 제2실시예에 따른 광변조기(200, 300)는 쇼트키 다이오드 구조를 채용하므로써, 다음과 같은 개선된 효과를 갖는다.
P-I-N 다이오드 구조 대비하여 금속과 반도체간의 정류성 접촉을 이용한 쇼트키 다이오드 구조는 빠른 응답특성을 갖기 때문에, 결과적으로 매우 높은 주파수를 지니는 전기신호를 효과적으로 광신호로 변조할 수 있다.
광학적으로 투명한 인듐 주석 산화물이 반도체층과 넓은 영역으로 접촉하고 있는 구조적 특성상, 캐리어가 빠른 속도로 공급/배출될 수 있어 고속동작에 유리하다.
고속 동작이 가능하면서도, 광학적으로 투명한 인듐 주석 산화물을 전도성 물질로 채택하고 있으므로, 광도파로에서의 광구속율에 적은 영향을 미치기 때문에, 결과적으로 광 변조기의 유효 굴절율 변화에 기여하고, 광 변조영역에서의 광손실률을 최소화할 수 있다.
도 4는 제3실시예에 따른 광변조기를 도시한 도면이다.
제3실시예는 쇼트키 다이오드 구조의 광변조기가 아니라, 금속-절연체-반도체 캐패시터의 구조를 이용한 광변조기를 도시한다.
본 실시예에 따른 광변조기(400)는 반도체기판(410) 상에 형성될 수 있다. 반도체기판(410)은 반도체 프로세싱에 적합한 물질을 포함할 수 있다. 반도체기판(410)은 실리콘을 함유할 수 있다. 예컨대, 반도체기판(410)은 실리콘 기판을 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 반도체기판(410)은 단결정 실리콘 기판을 포함할 수 있다. 반도체기판(410)은 Si-Ge 기판을 포함할 수 있다. 반도체기판(410)은 GaAs, InP 등의 화합물반도체를 포함할 수도 있다.
반도체기판(410) 상에 절연층(420)이 형성될 수 있다. 절연층(420)은 실리콘산화물(Silicon oxide)을 포함할 수 있다. 절연층(420)은 산화(oxidation) 또는 증착법(deposition)에 의해 형성될 수 있다. 절연층(420)은 반도체기판(410)과 광도파로(430)를 광학적으로 분리시키는 역할을 한다. 따라서, 절연층(420)은 일정 두께가 확보되어야 한다. 예컨대, 절연층(420)은 1μm 이상의 두께로 형성될 수 있다.
절연층(420) 상에 광도파로(430)가 형성될 수 있다. 광도파로(430)는 실리콘, SiGe 또는 화합물반도체 등의 반도체층을 포함할 수 있다. 광도파로(430)는 반도체층을 증착 또는 결정성장법으로 형성한 후, 반도체층을 리소그래피와 화학적식각 공정으로 패터닝하여 형성할 수 있다. 광도파로(430)는 리지-형상부(Ridge-shaped portion, 432)를 포함할 수 있다. 광신호는 리지-형상부(432)를 통과할 수 있다. 리지-형상부(432)는 리지-형상의 반도체 물질을 포함할 수 있다. 리지-형상부(432)는 진성 반도체층을 포함할 수 있다. 즉, 리지-형상부(432)는 도펀트가 미도핑된 반도체층을 포함할 수 있다. 리지-형상부(432)는 진성 실리콘층을 포함할 수 있다. 리지-형상부(432)는 다양한 외형(configuration)을 가질 수 있다. 예컨대, 리지-형상부(432)는 다양한 모양(shape), 폭 및 높이를 가질 수 있다. 리지-형상부(432)는 500nm의 폭(width)과 200nm의 높이(height)를 가질 수 있다. 리지-형상부(432)는 제1영역(432A)과 제2영역(432B)을 포함할 수 있다. 제1영역(432A)는 저부(Lower portion)라고 지칭될 수 있고, 제2영역(432B)은 상부(Upper portion)라고 지칭될 수 있다. 제1영역(432A)은 제2영역(432B)보다 폭이 더 클 수 있다. 제1영역(432A)는 제2영역(432B) 보다 높이가 낮을 수 있다. 광신호의 손실을 방지하기 위해, 제2영역(432B)는 제1영역(432A)보다 좁은 폭을 가질 수 있다. 이 경우, 제2영역(432B)은 제1영역(432A)의 중앙부분에 위치할 수 있고, 따라서, 리지-형상부(432)는 '┻'와 같은 대칭형 구조가 될 수 있다.
리지-형상부(432)의 제1영역(432A)의 측벽에는 슬랩-형상부(Slab-shaped portion)가 접촉될 수 있다. 예컨대, 리지-형상부(432)의 제1영역(432A)의 일측(one-side)은 제1슬랩-형상부(431A)에 접촉될 수 있고, 제1영역(432A)의 타측(other side)은 제2슬랩-형상부(431B)에 접촉될 수 있다. 여기서, 타측은 일측의 반대 측벽(opposite side)일 수 있다. 리지-형상부(432), 제1슬랩-형상부(431A) 및 제2슬랩-형상부(431B)는 반도체층의 부분 식각에 의해 동시에 형성될 수 있다. 제1슬랩-형상부(431A) 및 제2슬랩-형상부(431B)는 리지-형상부(432)와 동일 물질로 형성될 수 있다. 예컨대, 리지-형상부(432), 제1슬랩-형상부(431A) 및 제2슬랩-형상부(431B)는, 실리콘과 같은, 동일 물질로부터 비롯될 수 있다. 따라서, 리지-형상부(432)와 제1슬랩-형상부(431A) 사이에는 물리적 계면(physical interface)이 존재하지 않는다. 리지-형상부(432)와 제2슬랩-형상부(431B) 사이에도 물리적 계면이 존재하지 않는다. 제1슬랩-형상부(431A) 및 제2슬랩-형상부(431B)는 두께가 동일할 수 있다. 예컨대, 제1슬랩-형상부(431A) 및 제2슬랩-형상부(431B)의 두께는 50nm일 수 있다. 리지-형상부(432)의 제1영역(432A)은 제1슬랩-형상부(431A) 및 제2슬랩-형상부(431B)와 동일한 두께를 가질 수 있다. 제1슬랩-형상부(431A) 및 제2슬랩-형상부(431B)는 그 내부에 도펀트를 포함할 수 있다. 도펀트는 N형 도펀트 또는 P형 도펀트를 포함할 수 있다. 본 실시예에서, 도펀트는 인과 같은 N형 도펀트를 포함할 수 있다. 제1슬랩-형상부(431A) 및 제2슬랩-형상부(431B) 내에서 도펀트는 고농도를 가질 수 있다. 위와 같이, 도펀트를 포함하는 제1슬랩-형상부(431A) 및 제2슬랩-형상부(431B)는 도핑영역이라고 지칭될 수 있다. N형 도펀트를 포함하는 경우, 제1슬랩-형상부(431A) 및 제2슬랩-형상부(431B)는 고농도 N형 도핑영역이라고 지칭될 수 있다. 도펀트의 농도는 약 1018 atoms/cm3 이상일 수 있다. 다른 실시예에서, 제1슬랩-형상부(431A) 및 제2슬랩-형상부(431B)는 각각 저농도 도핑영역과 고농도 도핑영역으로 이루어질 수도 있다. 저농도 도핑영역은 리지-형상부(432)와 근접(proximate)하여 형성되고, 고농도 도핑영역은 리지-형상부(432)로부터 멀리(distal) 형성될 수 있다. 저농도 도핑영역은 도펀트 농도가 약 1016 atoms/cm3일 수 있다.
제1슬랩-형상부(431A) 및 제2슬랩-형상부(431B)로부터 리지-형상부(432)로 캐리어들이 유입될 수 있다. 또한, 리지-형상부(432)로부터 제1슬랩-형상부(431A) 및 제2슬랩-형상부(431B)로 캐리어들이 유출될 수 있다. 이와 같은, 캐리어들의 유출입에 의해 리지-형상부(432)의 유효굴절률이 변화될 수 있고, 이에 따라 광신호를 변조시키는 동작이 수행될 수 있다.
상술한 바와 같이, 리지-형상부(432)는 도펀트가 미도핑된 진성 영역일 수 있고, 제1슬랩-형상부(431A)와 제2슬랩-형상부(431B)는 고농도의 도펀트가 도핑된 외인성 영역일 수 있다. 본 실시예에서, 리지-형상부(432)는 도펀트가 미도핑된 진성 실리콘층일 수 있고, 제1슬랩-형상부(431A)와 제2슬랩-형상부(431B)는 고농도의 도펀트가 도핑된 외인성 실리콘층일 수 있다.
결국, 광도파로(430)는 얇은 두께의 제1,2슬랩-형상부(431A, 431B)과 두꺼운 리지-형상부(432)가 인접한 리지 형태로 제작될 수 있다. 선택적 화학적 식각의 식각시간 조절을 통해 리지 형태의 광도파로(430)를 얻을 수 있다. 제1슬랩-형상부(431A)와 제2슬랩-형상부(431B)는 이온주입공정 등과 같은 도핑공정에 의해 도전형의 도펀트가 고농도로 도핑될 수 있다. 도핑 공정은 플라즈마도핑법이 적용될 수도 있다.
광도파로(430)의 일부, 즉, 리지-형상부(432)의 상부 및 양측벽을 덮는 투광성을 갖는 도전성의 전극(450)이 형성될 수 있다. 전극(450)은 금속함유물질일 수 있다. 전극(450)은 도전성의 산화물로 형성될 수 있다. 예컨대, 전극(450)은 인듐주석산화물(ITO)로 형성된 금속전극일 수 있다. 전극(450)은 진성 영역인 리지-형상부(432)와 비-접촉될 수 있다.
광도파로(430)의 일부, 즉, 리지-형상부(432)의 제2영역(432B)의 양측벽과 상부면을 덮는 인터-절연층(440)이 형성될 수 있다. 인터-절연층(440)은 제2영역(432B)과 전극(450) 사이에 위치할 수 있다. 인터-절연층(440)은 산화물로 형성될 수 있다. 예컨대, 인터-절연층(440)은 제2영역(432B)의 표면을 산화시켜 형성할 수 있다. 다른 실시예에서, 인터-절연층(440)은 제2영역(432B) 상에 산화물을 증착하여 형성할 수 있다. 인터-절연층(440)은 10nm 미만의 두께를 가질 수 있다. 인터-절연층(440)은 제2영역(432B)의 양측벽과 상부면을 덮고, 리지-형상부(432)의 제1영역(432A)의 표면을 노출시킨다. 이에 따라, 전극(450)의 일부는 제1 및 제2슬랩-형상부(431A, 431B)와 접촉될 수 있다.
인터-절연층(440)에 의해 전극(450)은 게이트전극의 역할을 수행할 수 있다. 전극(450)에 일정 전압이 인가될 경우, 제2영역(432B)에 공핍영역이 형성되며, 이로써 캐리어 농도를 조절할 수 있다. 비교예로서, 전극(450)으로서 고농도로 도펀트가 도핑된 폴리실리콘이 사용될 수 있다. 그러나, 폴리실리콘은 광구속율을 현저히 감소시킨다. 인듐주석산화물은 상대적으로 차이가 많은 굴절율을 가지므로 광도파로(430)에 인접하더라도 광구속율을 매우 적게 감소시킨다. 결과적으로, 인듐주석산화물을 게이트로 갖는 MOS 캐패시터 구조의 광변조기(400)는 고속동작을 보장하면서도 광구속율 감소를 방지할 수 있다.
광도파로(430) 및 전극(450)은 보호층(461)에 의해 보호될 수 있다. 보호층(461)은 절연층(420)과 동일한 물질일 수 있다. 예컨대, 보호층(461)은 실리콘산화물로 형성될 수 있다. 리지-형상부(432)로 이동하는 광신호의 손실을 방지하기 위해, 보호층(461)은 얇은 두께로 형성될 수 있다.
제1슬랩-형상부(431A)에 접속되는 제1플러그(471A)가 형성될 수 있다. 제2슬랩-형상부(431B)에 접속되는 제2플러그(471B)가 형성될 수 있다. 제1플러그(471A)와 제2플러그(471B)는 각각 보호층(461)을 관통하여 형성될 수 있다. 예컨대, 보호층(461)을 선택적으로 식각하여 제1슬랩-형상부(431A)와 제2슬랩-형상부(431B)의 표면을 노출시키는 오프닝(도면부호 생략)을 형성하고, 오프닝에 도전물질을 플러깅하여 제1플러그(471A)와 제2플러그(471B)를 동시에 형성할 수 있다. 제1플러그(471A)와 제2플러그(471B)는 금속함유물질로 형성될 수 있다. 따라서, 제1플러그(471A)와 제2플러그(471B)는 각각 금속플러그라고 지칭될 수 있다. 제1플러그(471A)와 제2플러그(471B)는 알루미늄, 텅스텐, 구리 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 제1플러그(471A)와 제2플러그(471B)와 동일 레벨에 제3플러그(471I)가 형성될 수 있다. 제3플러그(471I)는 광도파로전극(450)에 연결될 수 있다. 제1플러그(471A), 제2플러그(471B) 및 제3플러그(471I)는 동시에 형성될 수 있다.
제1플러그(471A)와 제2플러그(471B)에는 각각 독립적으로 전기신호를 인가할 수 있는 제1패드(481A) 및 제2패드(481B)가 연결될 수 있다. 제1패드(481A) 및 제2패드(481B)는 금속함유물질로 형성될 수 있다. 제1패드(481A)와 제2패드(481B)는 알루미늄, 구리, 텅스텐 등을 포함할 수 있다. 제1패드(481A) 및 제2패드(481B)와 동일 레벨에 제3패드(481I)가 형성될 수 있다. 제3패드(481I)는 제3플러그(471I)에 접속될 수 있다. 제1패드(481A), 제2패드(481B) 및 제3패드(481I)는 동시에 형성될 수 있다. 제1패드(481A), 제2패드(481B) 및 제3패드(481I)는 서로 다른 전기신호를 인가받을 수 있다.
상술한 유효굴절률 변조 구조는 여러가지 형태의 광변조기에 사용할 수 있다. 예를 들어 도파관과 인접한 마이크로링의 구조를 가지는 링 변조기에서 마이크로링의 굴절률을 변조시키거나, 마흐-젠더 간섭계형 변조기에서의 위상변조부에 적용될 수 있다.
광변조영역을 제외한 광변조기의 다른 구성 요소는 일반적인 기술과 다를바 없으므로, 본 실시예에서는 이에 대해 따로 언급하지 않는다.
도 5a는 마이크로링 변조기를 도시한 도면이다. 도 5b는 마흐-젠더 간섭계형 변조기의 평면도에서 광변조영역을 도시한 것이다. 광변조영역, 즉 광도파로(230)의 단면도는 앞서 기술한 광변조기의 단면도에서의 구조와 일치할 수 있다.
상술한 실시예들에서 명시한 반도체기판은 다른 반도체 기판으로 대체할 수 있으며, 또한 상기 구성방법으로 형성한 광 결합장치는 유연한 기판을 포함한 다른 기판으로 이식되어 사용될 수 있다.
상술한 실시예들은 아래의 경우를 포함한 모든 종류의 광집적회로에 공통적으로 적용될 수 있다. 예컨대, 광신호 변조를 이용한 집적회로간의 통신기능을 포함한 SoC(System On Chip), 광신호 처리를 통한 연산 기능을 갖는 나노포토닉스 칩(Nano-photonics chip), 유연한 기판에 적용된 광신호 전달/처리 기능을 갖는 광집적회로, 외부 환경의 변화를 광신호로 변조하는 화학적/물리적/생물학적 센서에 적용될 수 있다.
전술한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
210 : 반도체기판 220 : 절연층
231A : 제1슬랩-형상부 231B : 제2슬랩-형상부
232 : 리지-형상부 240 : 광도파로전극
250 : 보호층 261A : 제1플러그
261B : 제2플러그 261I : 제3플러그
271A : 제1패드 271B : 제2패드
271I : 제3패드
231A : 제1슬랩-형상부 231B : 제2슬랩-형상부
232 : 리지-형상부 240 : 광도파로전극
250 : 보호층 261A : 제1플러그
261B : 제2플러그 261I : 제3플러그
271A : 제1패드 271B : 제2패드
271I : 제3패드
Claims (20)
- 제1영역과 제1영역 상의 제2영역을 포함하는 리지-형상부를 포함하는 광도파로;
상기 리지-형상부의 제1영역에 접촉된 슬랩-형상부;
상기 리지-형상부의 제2영역에 정류성 접촉된 광도파로전극;
상기 슬랩-형상부와 광도파로전극에 각각 접촉하는 금속플러그; 및
각각의 상기 금속플러그에 연결된 금속패드
를 포함하는 광변조기.
- 제1항에 있어서,
상기 광도파로전극은 투광성을 갖는 도전성 물질을 포함하는 광변조기.
- 제1항에 있어서,
상기 광도파로전극은 인듐주석산화물을 포함하는 광변조기.
- 제1항에 있어서,
상기 리지-형상부와 광도파로전극 간의 접촉면적은 상기 리지-형상부와 슬랩-형상부 간의 접촉면적보다 더 큰 광변조기.
- 제1항에 있어서,
반도체기판;
상기 반도체기판 상의 절연층을 더 포함하고,
상기 절연층 상에 상기 광도파로 및 슬랩-형상부가 위치하는 광변조기.
- 제1항에 있어서,
상기 슬랩-형상부는,
상기 리지-형상부의 제1영역의 일측에 접촉된 제1슬랩-형상부; 및
상기 리지-형상부의 제1영역의 타측에 접촉된 제2슬랩-형상부
를 포함하는 광변조기.
- 제1항에 있어서,
상기 리지-형상부는 도펀트가 미도핑된 진성 실리콘층을 포함하고, 상기 슬랩-형상부는 N형 도펀트가 주입된 외인성 실리콘층을 포함하는 광변조기. - 제1항에 있어서,
상기 리지-형상부와 슬랩-형상부는 서로 다른 두께를 가지고 수평적으로 접촉하는 광변조기.
- 제1항에 있어서,
상기 광도파로의 단면크기는 상기 광도파로를 통과하는 빛의 유효파장보다 작은 크기를 갖는 광변조기.
- 제1항에 있어서,
상기 슬랩-형상부와 리지-형상부의 제1영역은 두께가 동일하고, 상기 슬랩-형상부는 상기 리지-형상부의 제2영역보다 얇은 두께를 갖는 광변조기.
- 제1항에 있어서,
상기 반도체 기판, 광도파로 및 슬랩-형상부는, 실리콘, SiGe 또는 화합물반도체를 포함하는 광변조기.
- 제1항에 있어서,
상기 슬랩-형상부는 상기 리지-형상부의 제1영역의 일측에 접촉된 편측 구조인 광변조기.
- 진성 실리콘을 포함하는 리지-형상부, 상기 리지-형상부의 제1영역에 접촉된 외인성 실리콘을 포함하는 슬랩-형상부 및 상기 리지-형상부의 제2영역에 정류성 접촉된 인듐주석산화물을 포함하는 쇼트키 다이오드;
상기 슬랩-형상부와 광도파로전극에 각각 접촉하는 금속플러그; 및
각각의 상기 금속플러그에 연결된 금속패드
를 포함하는 광변조기.
- 제13항에 있어서,
상기 리지-형상부와 인듐주석산화물 간의 접촉면적은 상기 리지-형상부와 슬랩-형상부 간의 접촉면적보다 더 큰 광변조기.
- 제13항에 있어서,
상기 슬랩-형상부는,
상기 리지-형상부의 제1영역의 일측에 접촉된 제1외인성실리콘을 포함하는 제1슬랩-형상부; 및
상기 리지-형상부의 제1영역의 타측에 접촉된 제2외인성실리콘을 포함하는 제2슬랩-형상부
를 포함하는 광변조기.
- 제13항에 있어서,
상기 리지-형상부의 제2영역은 상기 제1영역보다 더 큰 두께를 갖고, 상기 제1영역과 슬랩-형상부는 동일한 두께를 갖는 광변조기.
- 제1영역과 제1영역 상의 제2영역을 포함하는 리지-형상부를 포함하는 광도파로;
상기 리지-형상부의 제1영역에 접촉된 슬랩-형상부;
상기 리지-형상부의 제2영역의 상부면과 양측벽을 덮는 전극;
상기 전극과 제2영역 사이에 위치하는 인터-절연층;
상기 슬랩-형상부와 전극에 각각 접촉하는 금속플러그; 및
각각의 상기 금속플러그에 연결된 금속패드
를 포함하는 광변조기.
- 제17항에 있어서,
상기 전극은 인듐주석산화물을 포함하는 광변조기.
- 제17항에 있어서,
상기 리지-형상부는 진성 실리콘을 포함하고, 상기 슬랩-형상부는 외인성 실리콘을 포함하는 광변조기.
- 제17항에 있어서,
상기 전극의 일부는 상기 리지-형상부의 제1영역과 접촉되는 광변조기.
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