KR20160038643A - 하이브리드 실리콘 레이저 - Google Patents

하이브리드 실리콘 레이저 Download PDF

Info

Publication number
KR20160038643A
KR20160038643A KR1020140132019A KR20140132019A KR20160038643A KR 20160038643 A KR20160038643 A KR 20160038643A KR 1020140132019 A KR1020140132019 A KR 1020140132019A KR 20140132019 A KR20140132019 A KR 20140132019A KR 20160038643 A KR20160038643 A KR 20160038643A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
layer
silicon
optical waveguide
light emitting
hybrid
Prior art date
Application number
KR1020140132019A
Other languages
English (en)
Other versions
KR102171268B1 (ko
Inventor
신동재
김동현
김성구
조인성
하경호
Original Assignee
삼성전자주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 삼성전자주식회사 filed Critical 삼성전자주식회사
Priority to KR1020140132019A priority Critical patent/KR102171268B1/ko
Priority to US14/833,406 priority patent/US20160094014A1/en
Publication of KR20160038643A publication Critical patent/KR20160038643A/ko
Priority to US16/431,344 priority patent/US10910792B2/en
Application granted granted Critical
Publication of KR102171268B1 publication Critical patent/KR102171268B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/20—Structure or shape of the semiconductor body to guide the optical wave ; Confining structures perpendicular to the optical axis, e.g. index or gain guiding, stripe geometry, broad area lasers, gain tailoring, transverse or lateral reflectors, special cladding structures, MQW barrier reflection layers
    • H01S5/2004—Confining in the direction perpendicular to the layer structure
    • H01S5/2018—Optical confinement, e.g. absorbing-, reflecting- or waveguide-layers
    • H01S5/2031—Optical confinement, e.g. absorbing-, reflecting- or waveguide-layers characterized by special waveguide layers, e.g. asymmetric waveguide layers or defined bandgap discontinuities
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
    • G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
    • H01S5/1028—Coupling to elements in the cavity, e.g. coupling to waveguides adjacent the active region, e.g. forward coupled [DFC] structures
    • H01S5/1032—Coupling to elements comprising an optical axis that is not aligned with the optical axis of the active region
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
    • G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
    • G02B2006/12035—Materials
    • G02B2006/12061—Silicon
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
    • G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
    • G02B2006/12083—Constructional arrangements
    • G02B2006/12121—Laser
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/02—Structural details or components not essential to laser action
    • H01S5/0206—Substrates, e.g. growth, shape, material, removal or bonding
    • H01S5/021—Silicon based substrates
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/02—Structural details or components not essential to laser action
    • H01S5/026—Monolithically integrated components, e.g. waveguides, monitoring photo-detectors, drivers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/04—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping, e.g. by electron beams
    • H01S5/042—Electrical excitation ; Circuits therefor
    • H01S5/0421—Electrical excitation ; Circuits therefor characterised by the semiconducting contacting layers
    • H01S5/0422—Electrical excitation ; Circuits therefor characterised by the semiconducting contacting layers with n- and p-contacts on the same side of the active layer
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
    • H01S5/14—External cavity lasers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
    • H01S5/14—External cavity lasers
    • H01S5/141—External cavity lasers using a wavelength selective device, e.g. a grating or etalon
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/20—Structure or shape of the semiconductor body to guide the optical wave ; Confining structures perpendicular to the optical axis, e.g. index or gain guiding, stripe geometry, broad area lasers, gain tailoring, transverse or lateral reflectors, special cladding structures, MQW barrier reflection layers
    • H01S5/22—Structure or shape of the semiconductor body to guide the optical wave ; Confining structures perpendicular to the optical axis, e.g. index or gain guiding, stripe geometry, broad area lasers, gain tailoring, transverse or lateral reflectors, special cladding structures, MQW barrier reflection layers having a ridge or stripe structure
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/20—Structure or shape of the semiconductor body to guide the optical wave ; Confining structures perpendicular to the optical axis, e.g. index or gain guiding, stripe geometry, broad area lasers, gain tailoring, transverse or lateral reflectors, special cladding structures, MQW barrier reflection layers
    • H01S5/22—Structure or shape of the semiconductor body to guide the optical wave ; Confining structures perpendicular to the optical axis, e.g. index or gain guiding, stripe geometry, broad area lasers, gain tailoring, transverse or lateral reflectors, special cladding structures, MQW barrier reflection layers having a ridge or stripe structure
    • H01S5/223—Buried stripe structure
    • H01S5/2232—Buried stripe structure with inner confining structure between the active layer and the lower electrode
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/20—Structure or shape of the semiconductor body to guide the optical wave ; Confining structures perpendicular to the optical axis, e.g. index or gain guiding, stripe geometry, broad area lasers, gain tailoring, transverse or lateral reflectors, special cladding structures, MQW barrier reflection layers
    • H01S5/22—Structure or shape of the semiconductor body to guide the optical wave ; Confining structures perpendicular to the optical axis, e.g. index or gain guiding, stripe geometry, broad area lasers, gain tailoring, transverse or lateral reflectors, special cladding structures, MQW barrier reflection layers having a ridge or stripe structure
    • H01S5/227—Buried mesa structure ; Striped active layer
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/30—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region
    • H01S5/34—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers
    • H01S5/343—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers in AIIIBV compounds, e.g. AlGaAs-laser, InP-based laser
    • H01S5/34306—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers in AIIIBV compounds, e.g. AlGaAs-laser, InP-based laser emitting light at a wavelength longer than 1000nm, e.g. InP based 1300 and 1500nm lasers

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Geometry (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Optical Integrated Circuits (AREA)
  • Semiconductor Lasers (AREA)

Abstract

본 발명의 하이브리드 실리콘 레이저는 벌크 실리콘 기판; 상기 벌크 실리콘 기판 상의 일부 영역에 형성된 국부 절연층(localized insulating layer); 상기 국부 절연층 상부에 형성되고 실리콘층으로 이루어진 광도파로를 포함하는 광도파로 구조물(optical guide structure); 및 상기 광도파로 구조물 상에 마련된 레이징 구조물(lasing structure)을 포함한다.

Description

하이브리드 실리콘 레이저{Hybrid silicon laser}
본 발명의 기술적 사상은 레이저에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 벌크 실리콘 기판 상에 구현된 하이브리드 실리콘 레이저에 관한 것이다.
광 집적회로 소자는 광원, 예컨대 레이저와 전기 소자를 단일 기판 상에 집적화화여 소형화한 소자이다. 광 집적회로는 전기 집적 회로 소자와 마찬가지로 실리콘 기판에 구현되는 것이 필요하다. 더욱이, 광 집적회로를 구성하는 광원, 예컨대 레이저는 열방출이 용이하고 가격이 저렴한 벌크 실리콘 기판 상에 구현되는 것이 필요하다.
본 발명의 기술적 사상이 해결하려는 과제는 벌크 실리콘 기판 상에 구현되어 전기 집적 회로와 용이하게 집적함과 아울러 열방출이 용이하고, 가격이 저렴한 하이브리드 실리콘 레이저를 제공하는 데 있다.
상술한 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 의한 하이브리드 실리콘 레이저는 벌크 실리콘 기판; 상기 벌크 실리콘 기판 상의 일부 영역에 형성된 국부 절연층(localized insulating layer); 상기 국부 절연층 상부에 형성되고 실리콘층으로 이루어진 광도파로를 포함하는 광도파로 조물(optical guide structure); 및 상기 광도파로 구조물 상에 마련된 레이징 구조물(lasing structure)을 포함한다.
본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 있어서, 상기 국부 절연층은 상기 벌크 실리콘 기판에 형성된 벌크 트랜치에 매립되어 있는 매립 절연층일 수 있다. 상기 실리콘층은 결정화된 실리콘층일 수 있다. 상기 광도파로의 중심점은 상기 국부 절연층의 중심점에서 벗어나 위치하도록 구성되어 있을 수 있다.
본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 있어서, 상기 레이징 구조물은 상기 광도파로 구조물과 결합된 반도체 III-V족 이득층을 포함할 수 있다. 상기 레이징 구조물은 상기 광도파로 구조물 상에 결정 성장된 반도체 III-V족 이득층 또는 반도체 III-V족 결정층을 포함할 수 있다. 상기 레이징 구조물은 메사형(mesa type) 구조물 또는 리지형(ridge type) 구조물일 수 있다.
본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 있어서, 상기 레이징 구조물은 발광 복합층 및 상기 발광 복합층 상에 형성된 클래드층을 포함할 수 있다. 상기 광도파로 구조물 상에는 결정 성장용 버퍼층이 형성되어 있을 수 있다. 상기 레이저 구조물과 상기 광도파로 구조물 사이에는 상기 레이저 구조물과 광도파로 구조물을 결합시키기 위한 결합 매개층이 형성되어 있을 수 있다.
본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 의한 하이브리드 실리콘 레이저는 벌크 실리콘 기판; 상기 벌크 실리콘 기판의 일부 영역에 형성된 국부 절연층(localized insulating layer); 상기 벌크 실리콘 기판 및 국부 절연층 상에 형성된 광도파로 구조물(optical guide structure); 및 상기 광도파로 구조물 상부에 마련된 레이징 구조물을 포함한다.
본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 있어서, 상기 광도파로 구조물은 상기 벌크 실리콘 기판 및 국부 절연층 상에 형성된 실리콘층, 상기 실리콘층 내에 형성된 광가이드층, 및 상기 광가이드층에 의해 한정된 광도파로를 포함할 수 있다. 상기 광가이드층은 상기 실리콘층 내에 상기 광도파로를 중심으로 양측에 형성된 트랜치 및 상기 트랜치 내에 마련되고 상기 실리콘층보다 굴절률이 낮은 물질층을 포함할 수 있다.
본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 있어서, 상기 레이징 구조물은 반도체 III-V족 이득층일 수 있다. 상기 레이징 구조물은 상기 광도파로 구조물 상부에 형성된 발광 복합층 및 상기 발광 복합층 상에 형성된 클래드층을 포함할 수 있다. 상기 발광 복합층은 광을 발광할 수 있는 발광층, 상기 광도파로 구조물과 상기 발광층 사이에 형성된 제1 개별 제한 헤테로 구조층 및 상기 발광층 상에 형성된 제2 개별 제한 헤테로 구조층을 포함할 수 있다.
본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 있어서, 상기 광도파로 구조물의 상부, 및 상기 발광 복합층과 상기 광도파로 구조물 사이에는 전기 접속층이 형성되어 있을 수 있다. 상기 광도파로 구조물과 상기 전기 접속층 사이에는 결정 성장을 위한 버퍼층이 형성되어 있을 수 있다. 상기 광도파로 구조물과 전기 접속층 사이에는 상기 레이저 구조물과 광도파로 구조물을 결합시키기 위한 결합 매개층이 형성되어 있을 수 있다.
본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 있어서, 상기 발광 복합층 및 클래드층에는 전류 주입을 제한하는 전류 제한 불순물 영역이 형성되어 있을 수 있다. 상기 발광 복합층에는 전류 주입을 제한하는 전류 제한층이 형성되어 있을 수 있다.
본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 의한 하이브리드 실리콘 레이저는 벌크 실리콘 기판; 상기 벌크 실리콘 기판의 일부 영역에 형성된 국부 절연층(localized insulating layer); 상기 벌크 실리콘 기판 및 국부 절연층 상에 형성된 실리콘층, 상기 실리콘층 내에 형성된 광가이드층, 및 상기 광가이드층에 의해 한정된 광도파로를 포함하는 광도파로 구조물(optical guide structure); 및 상기 광도파로 구조물 상에 형성된 제1 전기 접속층, 상기 제1 전기 접속층 상에 형성된 발광 복합층, 상기 발광 복합층 상에 형성된 클래드층을 포함하는 레이징 구조물을 포함한다.
본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 있어서, 상기 광가이드층은 상기 광도파로를 중심으로 상기 실리콘층 내에 형성된 트랜치에 형성된 가스층일 수 있다. 상기 발광 복합층은 퀀텀웰 또는 퀀텀 도트로 구성되는 발광층을 포함할 수 있다.
본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 있어서, 상기 레이징 구조물은 메사형 또는 리지형 구조물로 구성되고, 상기 메사형 또는 리지형 구조물의 양측벽에는 측벽 절연층이 형성되어 있을 수 있다. 상기 클래드층 상에는 제2 전기 접속층이 형성되어 있을 수 있다.
본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 전기 접속층 및 제2 전기 접속층에는 각각 제1 전기 단자 및 제2 전기 단자가 형성되어 있을 수 있다.
본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 의한 하이브리드 실리콘 레이저는 벌크 실리콘 기판; 상기 벌크 실리콘 기판의 표면 근방의 일부 영역에 형성된 국부 절연층(localized insulating layer); 상기 벌크 실리콘 기판 및 국부 절연층 상에 형성된 실리콘층; 상기 실리콘층의 표면 근방에 서로 떨어져 형성된 복수개의 광가이드층들; 상기 광가이드층들에 의해 한정되고 상기 국부 절연층의 상부에서 상기 실리콘층으로 이루어진 광도파로; 상기 실리콘층 및 광가이드층들 상에 형성된 제1 전기 접속층; 상기 제1 전기 접속층 상에 형성된 발광 복합층; 및 상기 발광 복합층 상에 형성된 클래드층을 포함한다.
본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 있어서, 상기 발광 복합층은 광을 발광할 수 있는 발광층, 상기 발광층의 하부 및 상부에 각각 형성된 제1 개별 제한 헤테로 구조층 및 제2 개별 제한 헤테로 구조층을 포함할 수 있다.
본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 있어서, 상기 클래드층 상에는 제2 전기 접속층이 형성되어 있고, 상기 제1 전기 접속층 및 제2 전기 접속층에는 각각 제1 전기 단자 및 제2 전기 단자가 형성되어 있을 수 있다.
본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 있어서, 상기 클래드층, 상기 제1 개별 제한 헤테로 구조층 및 상기 제2 개별 제한 헤테로 구조층에는 상기 발광층에 상기 발광층에 전류 주입을 제한하는 전류 제한 불순물 영역이 형성되어 있는 전류 주입을 제한하는 전류 제한 불순물 영역이 형성되어 있을 수 있다. 상기 발광층 상부에는 상기 발광층으로 전류 주입을 제한하는 전류 제한층이 형성되어 있을 수 있다. 상기 전류 제한층은 상기 발광층과 상기 제2 개별 제한 헤테로 구조층 사이에 형성되어 있을 수 있다.
본 발명의 기술적 사상의 하이브리드 실리콘 레이저는 벌크 실리콘 기판의 일부 영역에 형성된 국부 절연층 상부에 광도파로를 포함하는 광 도파로 구조물이 위치할 수 있다. 그리고, 본 발명의 기술적 사상의 하이브리드 실리콘 레이저는 광 도파로 구조물 상에 레이징 구조물이 위치할 수 있다.
이에 따라, 본 발명의 기술적 사상의 하이브리드 실리콘 레이저는 벌크 실리콘 기판에 구현하여 전기 집적 회로와 용이하게 집적할 수 있고 SOI 기판에 구현하는 것에 비하여 낮은 가격에 제조할 수 있다. 아울러서, 본 발명의 기술적 사상의 하이브리드 실리콘 레이저는 레이징 구조물에서 발생되는 열을 벌크 실리콘 기판으로 용이하게 배출할 수 있다.
도 1은 본 발명의 기술적 사상의 제1 그룹의 일 실시예에 의한 하이브리드 실리콘 레이저의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 기술적 사상의 제1 그룹의 일 실시예에 의한 하이브리드 실리콘 레이저의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 기술적 사상의 제2 그룹의 일 실시예에 의한 하이브리드 실리콘 레이저의 단면도이다.
도 4는 도 1 내지 도 3의 발광 복합층의 일 예를 설명하기 위한 단면도이다.
도 5는 도 1 내지 도 3의 발광 복합층의 일 예를 설명하기 위한 단면도이다.
도 6은 본 발명의 기술적 사상의 제2 그룹의 일 실시예에 의한 하이브리드 실리콘 레이저의 단면도이다.
도 7은 본 발명의 기술적 사상의 제2 그룹의 일 실시예에 의한 하이브리드 실리콘 레이저의 단면도이다.
도 8은 본 발명의 기술적 사상의 제2 그룹의 일 실시예에 의한 하이브리드 실리콘 레이저의 단면도이다.
도 9는 본 발명의 기술적 사상의 제2 그룹의 일 실시예에 의한 하이브리드 실리콘 레이저의 단면도이다.
도 10은 도 6 내지 도 9의 레이징 구조물의 일 예를 설명하기 위한 단면도이다.
도 11은 본 발명의 기술적 사상의 제3 그룹의 일 실시예에 의한 하이브리드 실리콘 레이저의 단면도이다.
도 12는 본 발명의 기술적 사상의 제3 그룹의 일 실시예에 의한 하이브리드 실리콘 레이저의 단면도이다.
도 13은 본 발명의 기술적 사상의 제3 그룹의 일 실시예에 의한 하이브리드 실리콘 레이저의 단면도이다.
도 14는 본 발명의 기술적 사상의 제3 그룹의 일 실시예에 의한 하이브리드 실리콘 레이저의 단면도이다.
도 15 내지 도 17은 본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 의한 하이브리드 실리콘 레이저의 광도파로 구조물의 단면도들이다.
도 18은 본 발명의 기술적 사상의 하이브리드 실리콘 레이저의 열 방출을 설명하기 위한 단면도이다.
도 19는 본 발명의 기술적 사상의 하이브리드 실리콘 레이저에 이용된 벌크 실리콘 기판의 열전도도를 설명하기 위한 도면이다.
도 20은 본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 의한 하이브리드 실리콘 레이저의 제조 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 21a 내지 도 21g는 도 20의 하이브리드 실리콘 레이저의 국부 절연층과 광도파로 구조물의 제조 단계를 설명하기 위한 단면도들이다.
도 22a 및 22b는 도 20의 하이브리드 실리콘 레이저의 레이징 구조물의 제조 단계를 설명하기 위한 단면도들이다.
도 23은 본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 의한 하이브리드 실리콘 레이저의 제조 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 24a 내지 도 24c는 도 23의 하이브리드 실리콘 레이저의 레이징 구조물의 제조 단계를 설명하기 위한 단면도들이다.
도 25는 본 발명의 기술적 사상의 하이브리드 실리콘 레이저를 이용한 광시스템의 일 실시예를 도시한 개략도이다.
도 26은 본 발명의 기술적 사상의 하이브리드 실리콘 레이저를 이용한 광시스템의 일 실시예를 도시한 개략도이다.
도 27은 본 발명의 기술적 사상의 하이브리드 실리콘 레이저를 이용한 광시스템의 일 실시예를 도시한 개략도이다.
도 28은 본 발명의 기술적 사상의 하이브리드 실리콘 레이저를 이용한 광시스템의 일 실시예를 도시한 개략도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려 이들 실시예들은 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다. 또한, 도면에서 각 층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장된 것이다.
명세서 전체에 걸쳐서, 막, 영역 또는 기판 등과 같은 하나의 구성요소가 다른 구성요소 "상에", "연결되어", 또는 "커플링되어" 위치한다고 언급할 때는, 상기 하나의 구성요소가 직접적으로 다른 구성요소 "상에", "연결되어", 또는 "커플링되어" 접촉하거나, 그 사이에 개재되는 또 다른 구성요소들이 존재할 수 있다고 해석될 수 있다. 반면에, 하나의 구성요소가 다른 구성요소 "직접적으로 상에", "직접 연결되어", 또는 "직접 커플링되어" 위치한다고 언급할 때는, 그 사이에 개재되는 다른 구성요소들이 존재하지 않는다고 해석된다. 동일한 부호는 동일한 요소를 지칭한다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "및/또는"은 해당 열거된 항목 중 어느 하나 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.
본 명세서에서 제1, 제2등의 용어가 다양한 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부분들을 설명하기 위하여 사용되지만, 이들 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부분들은 이들 용어에 의해 한정되어서는 안됨은 자명하다. 이들 용어는 하나의 부재, 부품, 영역, 층 또는 부분을 다른 영역, 층 또는 부분과 구별하기 위하여만 사용된다. 따라서, 이하 상술할 제1부재, 부품, 영역, 층 또는 부분은 본 발명의 가르침으로부터 벗어나지 않고서도 제2부재, 부품, 영역, 층 또는 부분을 지칭할 수 있다.
또한, "상의" 또는 "위의" 및 "하의" 또는 "아래의"와 같은 상대적인 용어들은 도면들에서 도해되는 것처럼 다른 요소들에 대한 어떤 요소들의 관계를 기술하기 위해 여기에서 사용될 수 있다. 상대적 용어들은 도면들에서 묘사되는 방향에 추가하여 소자의 다른 방향들을 포함하는 것을 의도한다고 이해될 수 있다. 예를 들어, 도면들에서 소자가 뒤집어 진다면(turned over), 다른 요소들의 상부의 면 상에 존재하는 것으로 묘사되는 요소들은 상기 다른 요소들의 하부의 면 상에 방향을 가지게 된다. 그러므로, 예로써 든 "상의"라는 용어는, 도면의 특정한 방향에 의존하여 "하의" 및 "상의" 방향 모두를 포함할 수 있다. 소자가 다른 방향으로 향한다면(다른 방향에 대하여 90도 회전), 본 명세서에 사용되는 상대적인 설명들은 이에 따라 해석될 수 있다.
본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 단수 형태는 문맥상 다른 경우를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 경우 "포함한다(comprise)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급한 형상들, 숫자, 단계, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재를 특정하는 것이며, 하나 이상의 다른 형상, 숫자, 동작, 부재, 요소 및/또는 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다.
이하, 본 발명의 실시예들은 본 발명의 이상적인 실시예들을 개략적으로 도시하는 도면들을 참조하여 설명한다. 도면들에 있어서, 예를 들면, 제조 기술 및/또는 공차(tolerance)에 따라, 도시된 형상의 변형들이 예상될 수 있다. 따라서, 본 발명 사상의 실시예는 본 명세서에 도시된 영역의 특정 형상에 제한된 것으로 해석되어서는 아니 되며, 예를 들면 제조상 초래되는 형상의 변화를 포함하여야 한다.
이하 실시예들은 하나 또는 복수개를 조합하여 구성할 수도 있다. 이하 실시예들은 편의상 제1 그룹 내지 제3 그룹으로 나누어 설명할 수 있다. 제1 그룹 내지 제3 그룹에 포함된 실시예들은 각 그룹 내에서 또는 다른 그룹에도 적용할 수 있다.
이하 설명하는 하이브리드 실리콘 레이저는 전기적 및 광학적으로 펌핑된 광을 제공할 수 있다. 하이브리드 실리콘 레이저에 의해 생산된 광은 전기 에너지 및/또는 광 에너지를 이용하여 펌핑될 수 있다. 하이브리드 실리콘 레이저는 벌크 실리콘 기판에 구현되며, 실리콘 기반의 CMOS(complementary metal-oxide semiconductor) 소자와 같이 함께 구현될 수 있다.
하이브리드 실리콘 레이저는 데이터가 인코딩 및 송신될 수 있는 광을 생산할 수 있다. 하이브리드 실리콘 레이저는 광자(photon)의 방출에 기초하여 광 증폭 프로세스를 통해 코히어런트 광을 생산할 수 있다. 하이브리드 실리콘 레이저에 의해 생산되는 광은 전자기 스펙트럼의 적외선, 가시광선, 자외선 또는 X선 영역의 전자기 복사일 수 있다. 이와 같은 하이브리드 실리콘 레이저의 구체적인 구성의 일 예를 아래에 설명한다. 본 명세서의 도면들의 스케일은 편의상 상세한 설명을 용이하게 설명하기 위하여 도시한 것으로, 본 발명이 도면 스케일에 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 기술적 사상의 제1 그룹의 일 실시예에 의한 하이브리드 실리콘 레이저의 단면도이다.
구체적으로, 하이브리드 실리콘 레이저(100)는 SOI(silicon on insulator) 기판이 아닌 벌크 실리콘 기판(102, bulk silicon substrate)에 구현될 수 있다. 벌크 실리콘 기판(102)은 단결정 실리콘 기판일 수 있다. 하이브리드 실리콘 레이저(100)는 실리콘 광도파로 구조물(10, silicon optical waveguide structure) 및 레이징 구조물(20, lasing structure)을 포함할 수 있다.
실리콘 광도파로 구조물(10)은 벌크 실리콘 기판(102)의 일부 영역에 형성된 국부 절연층(localized insulating layer, 104), 국부 절연층(104) 상부에 실리콘층(106)의 광도파로(110)를 포함하는 광도파로 구조물(optical guide structure, 12)을 포함할 수 있다. 레이징 구조물(20)은 광도파로 구조물(12) 상에 마련될 수 있다. 레이징 구조물(20)은 광을 발광(레이징)하는 발광층을 포함할 수 있다. 레이징 구조물(20)에서 발광된 광은 광도파로 구조물(12)의 광도파로(110)와 광학적으로 연결되어 외부로 광을 송신할 수 있다.
보다 상세히 설명하면, 하이브리드 실리콘 레이저(100)는 국부 절연층(104)이 형성된 벌크 실리콘 기판(102) 위에 마련될 수 있다. 국부 절연층(104)은 벌크 실리콘 기판(102)의 표면 근방의 일부 영역에 형성될 수 있다. 국부 절연층(104)은 상기 벌크 실리콘 기판(102)에 형성된 벌크 트랜치(103)에 매립되어 있는 매립 절연층일 수 있다. 국부 절연층(104)은 실리콘 산화층(SiO2), 실리콘 산질화층(SiON) 또는 실리콘 질화층(SiN)으로 형성할 수 있다.
광도파로 구조물(12)은 벌크 실리콘 기판(102) 및 국부 절연층(104) 상에 형성된 실리콘층(106), 실리콘층(106) 내에 형성된 광가이드층(108), 및 광가이드층(108)에 의해 한정된 광도파로(110)를 포함할 수 있다. 광가이드층(108)은 실리콘층(106)의 표면 근방에 서로 떨어져 복수개 형성될 수 있다. 광가이드층(108)은 레이징 구조물(20)의 외부 둘레까지 연장되어 형성되어 있다. 광가이드층(108)은 국부 절연층(104)의 양측벽보다 연장되어 형성되어 있다.
광도파로(110)는 실리콘층(106)으로 이루어질 수 있다. 실리콘층(106)은 국부 절연층(104) 상에 형성될 수 있다. 국부 절연층(104) 상부에는 광가이드층(108)에 의해 한정되는 광도파로(110)가 위치할 수 있다. 실리콘층(106)은 결정화된 실리콘층일 수 있다. 실리콘층(106)은 불순물이 도핑된 결정화된 실리콘층일 수 있다. 실리콘층(106)은 단결정 실리콘층일 수 있다.
실리콘층(106)은 후술하는 바와 같이 벌크 실리콘 기판(102) 및 국부 절연층(104) 상에 비정질 실리콘층을 형성한 후, 비정질 실리콘층을 결정화하여 형성할 수 있다. 비정질 실리콘층의 결정화는 후의 제조 방법에서 자세히 설명한다.
광도파로(110)는 광도파로(110)를 구성하는 물질, 예컨대 실리콘층의 굴절률보다 낮은 굴절률을 갖는 광가이드층들(108)이 양쪽에 형성되어 둘러싸일 수 있다. 도 1에 도시한 광도파로(110)는 립(rib) 도파로일 수 있다. 광도파로(110)는 스트라이프(stripe) 도파로 또는 원형 도파로로 구성될 수 있다.
광가이드층(108)은 광도파로(110)를 중심으로 실리콘층(106) 내에 형성된 트랜치(107)에 형성될 수 있다. 광가이드층(108)은 빈 공간으로 구성할 경우, 광가이드층(108)은 가스층일 수 있다. 가스층은 공기 등의 가스 또는 아르곤 또는 질소 등의 비활성 가스일 수 있다. 광가이드층(108)은 트랜치(107)내에 물질층을 채울 경우, 물질층은 실리콘 산화층, 실리콘 질화층, 실리콘 산질화층, 폴리머층, 또는 스핀온글래스(spin on glass)층일 수 있다.
레이징 구조물(20)은 광도파로 구조물(12)과 결합된 반도체 III-V족 이득층을 포함할 수 있다. 레이징 구조물(20)은 상기 광도파로 구조물(12) 상에 결정 성장된 반도체 III-V족 이득층 또는 반도체 III-V족 결정층을 포함할 수 있다. 레이징 구조물(20)은 메사형(mesa type) 구조물로 구성할 수 있다.
레이징 구조물(20)은 발광 복합층(114), 발광 복합층(114) 상에 형성된 클래드층(116) 및 클래드층(116) 상에 형성된 제2 전기 단자(122)를 포함할 수 있다. 발광 복합층(114)은 전기 에너지 입력에 응답하여 광을 발광할 수 있는 발광층(활성층)을 포함할 수 있다. 발광 복합층(114), 즉 발광층에서 발광된 광은 광도파로 구조물(12)의 광도파로(110)와 광학적으로 연결될 수 있다. 발광 복합층(114)의 구조에 대해서는 후에 자세히 설명한다.
광도파로 구조물(12) 상에 레이징 구조물(20)로 제1 전기 접속층(112)이 형성될 수 있다. 제1 전기 접속층(112)은 제1 전기 단자(120)를 발광 복합층(114)과 전기적으로 연결하는데 이용될 수 있다. 하이브리드 실리콘 레이저(100)는 제1 전기 단자(120) 및 제2 전기 단자(122)에 전류를 공급하는 구조일 수 있다. 제1 전기 단자(120)는 마이너스 단자로 구성되고, 제2 전기 단자(122)는 플러스 단자로 구성될 수 있다.
전류는 제2 전기 단자(122), 발광 복합층(114) 및 제1 전기 단자(120)로 흐를 수 있다. 제1 전기 접속층(112)은 n형 InP일 수 있다. N형 InP는 실리콘 도핑된 인듐 인화물일 수 있다. 제1 전기 접속층(112)의 다른 재료는 예컨대, 주기율표의 3족 및 5족의 원소를 포함하는 도핑층을 포함하는 것으로 형성될 수 있다. 제1 전기 단자 (120) 및 제2 전기 단자(122)는 금속, 예컨대, Au, Pt, Cu 및/또는 Al 등으로 구성될 수 있다.
클래드층(116)은 P형 인듐 인화물로 구성될 수 있고, 복수개의 물질층들로 구성될 수 있다. 클래드층(116)은 Zn 도핑된 인듐 인화물(InP)일 수 있다. 클래드층(116)의 폭은 발광 복합층(114)보다 작을 수 있다. 클래드층(116)의 양측벽 및 발광 복합층(114) 상에는 발광 복합층(114)과 제2 전기 단자(122) 사이에서 클래드층(116)을 통한 전류 경로를 제한하는 측벽 절연층(118)이 형성될 수 있다. 측벽 절연층(118)은 공기, 실리콘 산화층, 실리콘 산질화층, 실리콘 질화층 또는 폴리머층, 또는 스핀온글래스(spin on glass)층일 수 있다.
도 2는 본 발명의 기술적 사상의 제1 그룹의 일 실시예에 의한 하이브리드 실리콘 레이저의 단면도이다.
구체적으로, 도 2의 하이브리드 실리콘 레이저(100-1)는 국부 절연층(104a)의 형성 위치를 제외하고는 도 1의 하이브리드 실리콘 레이저(100)와 동일할 수 있다. 이에 따라, 도 1에서 설명된 내용과 동일한 내용은 편의상 생략하거나 간략하게 설명한다.
하이브리드 실리콘 레이저(100-1)는 벌크 실리콘 기판(102)의 벌크 트랜치(103) 내에 형성된 국부 절연층(104a)을 포함한다. 국부 절연층(104a)은 폭(W1)을 가질 수 있다. 국부 절연층(104a)은 광도파로(110)의 하부에 위치하면서 다양한 크기로 구성할 수 있다. 도 2의 국부 절연층(104a)의 폭(W1)은 도 1의 국부 절연층(104)의 폭보다 크게 구성할 수 있다.
벌크 실리콘 기판(102) 및 국부 절연층(104a) 상에 형성된 실리콘층(106), 실리콘층(106) 내에 형성된 광가이드층(108), 및 광가이드층(108)에 의해 한정된 광도파로(110)가 형성될 수 있다. 국부 절연층(104a) 상부에는 광가이드층(108)에 의해 한정되는 광도파로(110)가 위치할 수 있다.
광도파로(110)의 단면상의 중심점은 국부 절연층(104a)의 단면상의 중심점에서 W3만큼 벗어나게 위치될 수 있다. 이와 같이 구성할 경우, 실리콘층(106)의 제조 과정 중에 국부 절연층(104a)의 중심점 상부에 위치하는 실리콘층(106) 내에 발생할 수 있는 결정 결함을 피할 수 있다.
도 3은 본 발명의 기술적 사상의 제2 그룹의 일 실시예에 의한 하이브리드 실리콘 레이저의 단면도이다.
구체적으로, 도 3의 하이브리드 실리콘 레이저(100-2)는 광도파로 구조물(12) 상에 중간 매개층(124)이 형성된 것을 제외하고는 도 2의 하이브리드 실리콘 레이저(100-1)와 동일할 수 있다. 이에 따라, 도 1 및 도 2에서 설명된 내용과 동일한 내용은 편의상 생략하거나 간략하게 설명한다.
하이브리드 실리콘 레이저(100-2)는 광도파로 구조물(12) 상에 중간 매개층(124)이 형성될 수 있다. 중간 매개층(124)은 실리콘층(106) 및 광가이드층(108) 상에 형성될 수 있다. 중간 매개층(124)은 광도파로 구조물(12) 상에 결정 성장을 용이하게 하기 위한 결정 성장용 버퍼층일 수 있다. 또한, 중간 매개층(124)은 상기 레이징 구조물(20)과 상기 광도파로 구조물(12) 사이에 레이징 구조물(20)과 광도파로 구조물(12)을 결합시키기 위한 결합 매개층일 수 있다.
이와 같은 하이브리드 실리콘 레이저(100-2)는 광도파로 구조물(12) 상에 중간 매개층(124)을 구비할 경우, 광도파로 구조물(12) 상에 레이징 구조물(20)을 용이하게 형성할 수 있다.
도 4는 도 1 내지 도 3의 발광 복합층의 일 예를 설명하기 위한 단면도이다.
구체적으로, 발광 복합층(114)은 발광층(134), 발광층(134)의 상하부에 형성된 개별 제한 헤테로 구조(Separate Confinement Heterostructure, SCH, 132, 136)층을 포함할 수 있다. 개별 제한 헤테로 구조층(132, 136)은 제1 전기 접속층(112), 즉 광도파로 구조물(12)과 발광층(134) 사이에 형성된 제1 개별 제한 헤테로 구조층(132)을 포함할 수 있다. 개별 제한 헤테로 구조층(132, 136)은 발광층(134)의 상부 및 클래드층(116)의 하부에 형성된 제2 개별 제한 헤테로 구조층(136)을 포함할 수 있다.
발광층(134)은 AlGaInAs, InAlGaAs, GaAs/GaAlAs 및/또는 InGaAsP 등의 3-5족 반도체 물질(주기율표의 3A족 및 5A족 성분을 포함하는 물질)로 구성되는 다중 퀀텀 웰(MQW, multiple quantum well, 다중 양자 우물)로 구성될 수 있다. 퀀텀 웰은 더 넓은 밴드갭을 갖는 물질 사이에 더 낮은 밴드갭을 갖는 물질을 끼워 넣음으로써 형성될 수 있다. 예컨대, 퀀텀 웰은 2개의 AlAs층 사이의 하나의 GaAs층 또는 2개의 GaAlAs층 사이의 하나의 GaAs 층으로 구성될 수 있다. 퀀텀 웰은, 예컨대, 분자 빔 에피택시 또는 화학적 기상 증착 기술을 이용하여 형성될 수 있다.
개별 제한 헤테로 구조층(132, 136)은 퀀텀 웰로 구성된 발광층(134)보다 더 낮은 굴절률을 갖는 물질의 층이다. 개별 제한 헤테로 구조층(132, 136)은 AlGaInAs, InGaAsP 및/또는 GaAs 등의 3-5족 물질로 구성될 수 있다. 제1 개별 제한 헤테로 구조층(132)은 제2 개별 제한 헤테로 구조층(136)과 다른 물질로 구성될 수 있다. 개별 제한 헤테로 구조층(132, 136)은 P형 층 또는 N형 층일 수 있다.
발광 복합층(114)의 높이(ha)는 발광층(134)의 높이(두께, h1)와 개별 제한 헤테로 구조층(132, 136)의 높이(H2 및 H3)의 합일 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서, 개별 제한 헤테로 구조층(132, 136)의 굴절률은 3.2와 3.3 사이일 수 있고, 발광층(3134)의 굴절률은 3.5일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 3.2와 3.5사이의 굴절률을 갖는 발광 복합층(114)에 대해, 발광 복합층(114)의 높이(ha)는 40nm와 400nm 사이일 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서, 발광 복합층(114)의 높이(ha)는 50nm와 340nm 사이, 또는 70nm와 330nm 사이일 수 있다.
예컨대, 발광 복합층(114)의 굴절률이 3.34이면, 발광 복합층(114)의 두께는 400nm 미만이고, 발광 복합층(114)의 굴절률이 3.4이면, 발광 복합층(114)의 두께는 160nm 미만이며, 발광 복합층(114)의 굴절률이 3.5이면, 발광 복합층(114)의 두께는 80nm 미만일 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 발광층(134)의 높이(h1)는 7nm와 80nm 사이일 수 있다. 본 발명의 실시예에서, 개별 제한 헤테로 구조층(132, 136)의 높이(H2 및 H3)는 20nm와 200nm 사이일 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서, 개별 제한 헤테로 구조층(132, 136)의 높이(H2 및 H3)는 서로 같은 두께 또는 다른 두께를 가질 수 있다.
도 5는 도 1 내지 도 3의 발광 복합층의 일 예를 설명하기 위한 단면도이다.
구체적으로, 발광 복합층(114)은 GaAs, InAs 또는 InGaAs로 구성되는 퀀텀 도트(quantum dot, 양자점)를 포함하는 발광층(146)을 구비할 수 있다. 퀀텀 도트는 전자 및 정공에 대한 상태가 세 공간 치수의 제한을 통해 양자화되는 반도체 물질의 작은 결정이다. 퀀텀 도트의 전자적 특성은 퀀텀 도트 입자의 크기 및 형상과 관련된다. 퀀텀 도트는, 예컨대, 분자 빔 에피택시 기술 또는 금속-유기화학 기상 증착 기술을 통해 형성될 수 있다.
예컨대, 발광 복합층(114)은 제1 전기 접속층(112) 상에 AlGaAs 식각 정지층(140), GaAs P-클래드층(142, Be 도핑된 GaAs층), AlGaAs P-클래드층(144, Be 도핑된 AlGaAs층), GaAs 퀀텀 도트를 포함하는 발광층(146), N-AlGaAs층(148, Si 도핑된 AlGaAs층), N-GaAs층(150, Si 도핑된 GaAs층), AlGaAs/GaAs 초격자(superlattice)층(152, 154, 156, 158)을 가질 수 있다.
이와 같이 발광 복합층(114)은 퀀텀 도트를 포함하는 발광층(146)을 구비할 수 있다. 앞서 발광 복합층(114)의 구조는 예시적인 것일 수 있고 다양하게 변경할 수 있다.
이하, 본 발명의 기술적 사상의 제2 그룹에 의한 하이브리드 실리콘 레이저는 제1 그룹에 의한 하이브리드 실리콘 레이저와 비교할 때 전체적인 구성은 동일할 수 있으나 세부적인 구성은 다를 수 있다.
도 6은 본 발명의 기술적 사상의 제2 그룹의 일 실시예에 의한 하이브리드 실리콘 레이저의 단면도이다.
구체적으로, 하이브리드 실리콘 레이저(200)는 SOI(silicon on insulator) 기판이 아닌 벌크 실리콘 기판(202)에 구현될 수 있다. 벌크 실리콘 기판(202)은 단결정 실리콘 기판일 수 있다. 하이브리드 실리콘 레이저(200)는 실리콘 광도파로 구조물(30) 및 레이징 구조물(40)을 포함할 수 있다.
실리콘 광도파로 구조물(30)은 벌크 실리콘 기판(202)의 일부 영역에 형성된 국부 절연층(localized insulating layer, 204), 국부 절연층(204) 상부에 실리콘층(206)의 광도파로(210)를 포함하는 광도파로 구조물(32)을 포함할 수 있다. 레이징 구조물(30)은 광도파로 구조물(32) 상에 마련될 수 있다. 레이징 구조물(30)은 광을 발광(레이징)하는 발광층을 포함할 수 있다. 레이징 구조물(30)에서 발광된 광은 광도파로 구조물(32)의 광도파로(210)와 광학적으로 연결되어 외부로 광을 송신할 수 있다.
보다 상세히 설명하면, 하이브리드 실리콘 레이저(200)는 국부 절연층(204)이 형성된 벌크 실리콘 기판(202) 위에 마련될 수 있다. 국부 절연층(204)은 상기 벌크 실리콘 기판(202)에 형성된 벌크 트랜치(203)에 매립되어 있는 매립 절연층일 수 있다. 국부 절연층(204)은 벌크 실리콘 기판(202)의 표면 근방의 일부 영역에 형성될 수 있다. 국부 절연층(204)은 실리콘 산화층(SiO2), 실리콘 산질화층(SiON) 또는 실리콘 질화층(SiN)으로 형성할 수 있다.
광도파로 구조물(32)은 벌크 실리콘 기판(202) 및 국부 절연층(204) 상에 형성된 실리콘층(206), 실리콘층(206) 내에 형성된 광가이드층(208), 및 광가이드층(208)에 의해 한정된 광도파로(210)를 포함할 수 있다. 광가이드층(208)은 실리콘층(206)의 표면 근방에 서로 떨어져 복수개 형성될 수 있다. 광가이드층(208)은 레이징 구조물(40)의 내부에 형성될 수 있다. 광가이드층(208)은 국부 절연층(204) 상부에 형성되어 있고, 양측벽 외부로 연장되어 형성되어 있지 않다.
광도파로(210)는 실리콘층(206)으로 이루어질 수 있다. 실리콘층(206)은 국부 절연층(204) 상에 형성될 수 있다. 국부 절연층(204) 상부에는 광가이드층(208)에 의해 한정되는 광도파로(210)가 위치할 수 있다. 실리콘층(206)은 결정화된 실리콘층일 수 있다. 실리콘층(206)은 불순물이 도핑된 결정화된 실리콘층일 수 있다. 실리콘층(206)은 단결정 실리콘층일 수 있다.
실리콘층(206)은 후술하는 바와 같이 벌크 실리콘 기판(102) 및 국부 절연층(104) 상에 비정질 실리콘층을 형성한 후, 비정질 실리콘층을 결정화하여 형성할 수 있다. 비정질 실리콘층의 결정화는 후에 자세히 설명한다.
광도파로(210)는 광도파로(210)를 구성하는 물질, 예컨대 실리콘층의 굴절률보다 낮은 굴절률을 갖는 광가이드층들(208)로 양쪽에서 둘러싸일 수 있다. 도 6에 도시한 광도파로(210)는 립(rib) 도파로일 수 있다. 광도파로(210)는 스트라이프(stripe) 도파로 또는 원형 도파로로 구성될 수 있다.
광가이드층(208)은 광도파로(210)를 중심으로 실리콘층(206) 내에 형성된 트랜치(207)에 형성될 수 있다. 광가이드층(208)은 빈 공간으로 구성할 경우, 광가이드층(208)은 가스층일 수 있다. 가스층은 공기 등의 가스 또는 아르곤 또는 질소 등의 비활성 가스일 수 있다. 광가이드층(210)은 트랜치(207)내에 물질층을 채울 경우, 물질층은 실리콘 산화층, 실리콘 질화층, 실리콘 산질화층, 폴리머층, 또는 스핀온글래스(spin on glass)층일 수 있다.
레이징 구조물(40)은 광도파로 구조물(32)과 결합된 반도체 III-V족 이득층을 포함할 수 있다. 레이징 구조물(40)은 광도파로 구조물(32) 상에 결정 성장된 반도체 III-V족 이득층 또는 반도체 III-V족 결정층을 포함할 수 있다. 레이징 구조물(40)은 메사형(mesa type) 구조물로 구성할 수 있다.
레이징 구조물(40)은 발광 복합층(214), 발광 복합층(214) 상에 형성된 클래드층(216) 및 클래드층(216) 상에 형성된 제2 전기 단자(222)를 포함할 수 있다. 발광 복합층(214)은 전기 에너지 입력에 응답하여 광을 발광할 수 있는 발광층(활성층)을 포함할 수 있다. 발광 복합층(214), 즉 발광층에서 발광된 광은 광도파로 구조물(32)의 광도파로(210)와 광학적으로 연결될 수 있다. 발광 복합층(214)의 구조에 대해서는 후에 자세히 설명한다.
광도파로 구조물(32) 상에 레이징 구조물(40)로 제1 전기 접속층(212)이 형성될 수 있다. 제1 전기 접속층(212)은 제1 전기 단자(220)를 발광 복합층(214)과 전기적으로 연결하는데 이용될 수 있다. 하이브리드 실리콘 레이저(200)는 제1 전기 단자(220) 및 제2 전기 단자(222)에 전류를 공급하는 구조일 수 있다. 제1 전기 단자(220)는 측벽 절연층(218) 및 실리콘층(206) 상에 형성된 표면 절연층(226)에 의하여 절연될 수 있다. 제1 전기 단자(220)는 마이너스 단자로 구성되고, 제2 전기 단자(222)는 플러스 단자로 구성될 수 있다. 전류는 제2 전기 단자(222), 발광 복합층(214) 및 제1 전기 단자(220)로 흐를 수 있다.
제1 전기 접속층(212)은 N-InP일 수 있다. N-InP는 실리콘 도핑된 인듐 인화물일 수 있다. 제1 전기 접속층(212)의 다른 재료는 예컨대, 주기율표의 3족 및 5족의 원소를 포함하는 도핑층을 포함하는 것으로 형성될 수 있다. 제1 전기 단자 (220) 및 제2 전기 단자(222)는 금속, 예컨대, Au, Pt, Cu 및/또는 Al 등으로 구성될 수 있다.
클래드층(216)은 P형 인듐 인화물로 구성될 수 있고, 복수개의 물질층들로 구성될 수 있다. 클래드층(216)은 Zn 도핑된 인듐 인화물(InP)일 수 있다. 클래드층(216)의 양측벽에는 발광 복합층(214)과 제2 전기 단자(222) 사이에서 클래드층(216)을 통한 전류 경로를 제한하는 측벽 절연층(218)이 형성될 수 있다. 측벽 절연층(218)은 공기, 실리콘 산화층, 실리콘 산질화층, 실리콘 질화층 또는 폴리머층, 또는 스핀온글래스(spin on glass)층일 수 있다.
도 7은 본 발명의 기술적 사상의 제2 그룹의 일 실시예에 의한 하이브리드 실리콘 레이저의 단면도이다.
구체적으로, 도 7의 하이브리드 실리콘 레이저(200-1)는 국부 절연층(204a)의 형성 위치를 제외하고는 도 6의 하이브리드 실리콘 레이저(200)와 동일할 수 있다. 이에 따라, 도 6에서 설명된 내용과 동일한 내용은 편의상 생략하거나 간략하게 설명한다.
하이브리드 실리콘 레이저(200-1)는 벌크 실리콘 기판(202)의 벌크 트랜치(203) 내에 형성된 국부 절연층(204a)을 포함한다. 국부 절연층(204a)은 폭(W4)을 가질 수 있다. 국부 절연층(204a)은 광도파로(210)의 하부에 위치하면서 다양한 크기로 구성할 수 있다. 도 7의 국부 절연층(204a)의 폭(W4)은 도 6의 국부 절연층(204)의 폭과 동일하게 구성할 수 있다.
벌크 실리콘 기판(202) 및 국부 절연층(204a) 상에 형성된 실리콘층(206), 실리콘층(206) 내에 형성된 광가이드층(208), 및 광가이드층(208)에 의해 한정된 광도파로(210)가 형성될 수 있다. 국부 절연층(204a) 상부에는 광가이드층(208)에 의해 한정되는 광도파로(210)가 위치할 수 있다.
광도파로(210)의 단면상의 중심점은 국부 절연층(204a)의 단면상의 중심점에서 W6만큼 벗어나게 위치될 수 있다. 이와 같이 구성할 경우, 실리콘층(206)의 제조 과정 중에 국부 절연층(204a)의 중심점 상부에 위치하는 실리콘층(206) 내에 발생할 수 있는 결정 결함을 피할 수 있다.
도 8은 본 발명의 기술적 사상의 제2 그룹의 일 실시예에 의한 하이브리드 실리콘 레이저의 단면도이다.
구체적으로, 도 8의 하이브리드 실리콘 레이저(200-2)는 제1 전기 접속층 (212a)의 형성 위치를 제외하고는 도 6 및 도 7의 하이브리드 실리콘 레이저(200, 200-1)와 동일할 수 있다. 이에 따라, 도 6 및 도 7에서 설명된 내용과 동일한 내용은 편의상 생략하거나 간략하게 설명한다.
하이브리드 실리콘 레이저(200-2)는 실리콘층(206)을 포함하는 광도파로 구조물(32)을 포함할 수 있다. 실리콘층(206)은 불순물이 도핑된 결정화된 실리콘층일 수 있다.
하이브리드 실리콘 레이저(200-2)는 광도파로 구조물(32)의 상부 및 발광 복합층(214)의 하부에만 제1 전기 접속층(212a)이 형성될 수 있다. 제1 전기 접속층(212a)는 레이징 구조물(40) 외부의 실리콘층(206) 상에는 형성되지 않을 수 있다. 제1 전기 접속층(212a)은 발광 복합층(214) 및 클래드층(216)의 양측으로 연장되어 제1 전기 단자(220)와 연결되지 않을 수 있다. 제1 전기 단자(220)는 실리콘층(206) 상에 바로 형성될 수 있다. 이와 같이 구성되는 하이브리드 실리콘 레이저(200-2)는 구조적으로 보다 간략화시킬 수 있다.
도 9는 본 발명의 기술적 사상의 제2 그룹의 일 실시예에 의한 하이브리드 실리콘 레이저의 단면도이다.
구체적으로, 도 9의 하이브리드 실리콘 레이저(200-3)는 광도파로 구조물(32) 상에 중간 매개층(228)이 형성된 것을 제외하고는 도 6의 하이브리드 실리콘 레이저(200)와 동일할 수 있다. 이에 따라, 도 6에서 설명된 내용과 동일한 내용은 편의상 생략하거나 간략하게 설명한다.
하이브리드 실리콘 레이저(200-3)는 광도파로 구조물(32) 상에 중간 매개층(228)이 형성될 수 있다. 중간 매개층(228)은 실리콘층(206) 및 광가이드층(208) 상에 형성될 수 있다. 중간 매개층(228)은 광도파로 구조물(32) 상에 결정 성장을 용이하게 하기 위한 결정 성장용 버퍼층일 수 있다. 또한, 중간 매개층(228)은 상기 레이징 구조물(40)과 상기 광도파로 구조물(32) 사이에 레이징 구조물(40)과 광도파로 구조물(32)을 결합시키기 위한 결합 매개층일 수 있다.
이와 같은 하이브리드 실리콘 레이저(200-3)는 광도파로 구조물(32) 상에 중간 매개층(228)를 구비할 경우, 광도파로 구조물(32) 상에 레이징 구조물(40)을 용이하게 형성할 수 있다.
도 10은 도 6 내지 도 9의 레이징 구조물의 일 예를 설명하기 위한 단면도이다.
구체적으로, 레이징 구조물(40)은 제1 전기 접속층(212), 발광 복합층(214), 클래드층(216)을 포함할 수 있다. 클래드층(216) 상에는 제2 전기 접속층(250)이 형성될 수 있다. 제1 전기 접속층(212)은 n형 InP층일 수 있다.
발광 복합층(214)은 발광층(242), 개별 제한 헤테로 구조층(244, 246)을 포함할 수 있다. 발광층(242)은 AlGaInAs, InAlGaAs, GaAs/GaAlAs 및/또는 InGaAsP 등의 3-5족 반도체 물질(주기율표의 3A족 및 5A족 성분을 포함하는 물질)로 구성되는 다중 퀀텀 웰(MQW, multiple quantum well, 다중 양자 우물)로 구성될 수 있다.
개별 제한 헤테로 구조층(244, 246)은 퀀텀 웰로 구성된 발광층(242)보다 더 낮은 굴절률을 갖는 물질의 층이다. 개별 제한 헤테로 구조층(242, 246)은 AlGaInAs, InGaAsP 및/또는 GaAs 등의 3-5족 물질로 구성될 수 있다. 개별 제한 헤테로 구조층들(242, 246)은 동일한 물질 또는 다른 물질로 형성할 수 있다. 개별 제한 헤테로 구조층(242, 246)은 P형 층일 수 있다. 클래드층(216)은 p형 InP층일 수 있고, 제2 전기 접속층(250)은 p형 InGaAs층일 수 있다.
이하, 본 발명의 기술적 사상의 제3 그룹에 의한 하이브리드 실리콘 레이저는 제1 및 제2 그룹에 의한 하이브리드 실리콘 레이저와 비교할 때 전체적인 구성은 동일할 수 있으나 세부적인 구성은 다를 수 있다.
도 11은 본 발명의 기술적 사상의 제3 그룹의 일 실시예에 의한 하이브리드 실리콘 레이저의 단면도이다.
구체적으로, 하이브리드 실리콘 레이저(300)는 SOI(silicon on insulator) 기판이 아닌 벌크 실리콘 기판(302)에 구현될 수 있다. 벌크 실리콘 기판(102)은 단결정 실리콘 기판일 수 있다. 하이브리드 실리콘 레이저(300)는 실리콘 광도파로 구조물(50) 및 레이징 구조물(60)을 포함할 수 있다.
실리콘 광도파로 구조물(50)은 벌크 실리콘 기판(302)의 일부 영역에 형성된 국부 절연층(304), 국부 절연층(304) 상부에 실리콘층(306)의 광도파로(307)를 포함하는 광도파로 구조물(optical guide structure, 52)을 포함할 수 있다. 레이징 구조물(60)은 광도파로 구조물(52) 상에 마련될 수 있다. 레이징 구조물(60)은 광을 발광(레이징)하는 발광층을 포함할 수 있다. 레이징 구조물(60)에서 발광된 광은 광도파로 구조물(52)의 광도파로(307)와 광학적으로 연결되어 외부로 광을 송신할 수 있다.
보다 상세히 설명하면, 하이브리드 실리콘 레이저(300)는 국부 절연층(304)이 형성된 벌크 실리콘 기판(302) 위에 마련될 수 있다. 국부 절연층(304)은 벌크 실리콘 기판(302)에 형성된 벌크 트랜치(303)에 매립되어 있는 매립 절연층일 수 있다. 국부 절연층(304)은 벌크 실리콘 기판(302)의 표면 근방의 일부 영역에 형성될 수 있다. 국부 절연층(304)은 실리콘 산화층(SiO2), 실리콘 산질화층(SiON) 또는 실리콘 질화층(SiN)으로 형성할 수 있다.
광도파로 구조물(52)은 벌크 실리콘 기판(302) 및 국부 절연층(304) 상에 형성된 실리콘층(306), 실리콘층(306) 내에 형성된 광가이드층(308), 및 광가이드층(308)에 의해 한정된 광도파로(307)를 포함할 수 있다. 광가이드층(308)은 실리콘층(306)의 표면 근방에 서로 떨어져 복수개 형성될 수 있다. 광가이드층(308)은 레이징 구조물(60)의 하부에 형성되어 있다.
광도파로(307)는 실리콘층(306)으로 이루어질 수 있다. 실리콘층(306)은 국부 절연층(304) 상에 형성될 수 있다. 국부 절연층(304) 상부에는 광가이드층(108)에 의해 한정되는 광도파로(307)가 위치할 수 있다. 광도파로(307)의 단면상의 중심점은 국부 절연층(304)의 단면상의 중심점에서 벗어나게 배치될 수 있다. 실리콘층(306)은 결정화된 실리콘층일 수 있다. 실리콘층(306)은 불순물이 도핑된 결정화된 실리콘층일 수 있다. 실리콘층(306)은 단결정 실리콘층일 수 있다.
실리콘층(306)은 벌크 실리콘 기판(302) 및 국부 절연층(304) 상에 비정질 실리콘층을 형성한 후, 비정질 실리콘층을 결정화하여 형성할 수 있다. 비정질 실리콘층의 결정화 방법은 후에 자세히 설명한다.
광도파로(307)는 광도파로(307)를 구성하는 물질, 예컨대 실리콘층의 굴절률보다 낮은 굴절률을 갖는 광가이드층들(308)이 양쪽에 형성되어 둘러싸일 수 있다. 도 11에 도시한 광도파로(307)는 립(rib) 도파로일 수 있다. 광도파로(307)는 스트라이프(stripe) 도파로 또는 원형 도파로로 구성될 수 있다.
광가이드층(308)은 광도파로(307)를 중심으로 실리콘층(306) 내에 형성된 트랜치(305)에 형성될 수 있다. 광가이드층(308)을 빈 공간으로 구성할 경우, 광가이드층(308)은 가스층일 수 있다. 가스층은 공기 등의 가스 또는 아르곤 또는 질소 등의 비활성 가스일 수 있다. 광가이드층(308)은 트랜치(305)내에 실리콘 산화층, 실리콘 질화층, 실리콘 산질화층, 폴리머층, 또는 스핀온글래스(spin on glass)층을 채워서 형성될 수 있다.
레이징 구조물(60)은 광도파로 구조물(52)과 결합된 반도체 III-V족 이득층을 포함할 수 있다. 레이징 구조물(60)은 상기 광도파로 구조물(52) 상에 결정 성장된 반도체 III-V족 이득층 또는 반도체 III-V족 결정층을 포함할 수 있다. 레이징 구조물(40)은 메사형(mesa type) 구조물로 구성할 수 있다.
레이징 구조물(60)은 제1 전기 접속층(310), 발광 복합층(317), 클래드층(318) 및 제2 전기 접속층(320)을 포함할 수 있다. 발광 복합층(317)은 전기 에너지 입력에 응답하여 광을 발광할 수 있다. 발광 복합층(317)에서 발광된 광은 광도파로 구조물(52)의 광도파로(307)와 광학적으로 연결될 수 있다.
발광 복합층(317)은 발광층(314) 및 발광층(314)의 상하부에 형성된 개별 제한 헤테로 구조층(312, 316)을 포함할 수 있다. 발광층(134)은 AlGaInAs, InAlGaAs, GaAs/GaAlAs 및/또는 InGaAsP 등의 3-5족 반도체 물질로 구성되는 다중 퀀텀 웰(MQW, multiple quantum well, 다중 양자 우물)로 구성될 수 있다. 발광층(134)은 GaAs, InAs 또는 InGaAs로 구성되는 퀀텀 도트(quantum dot, 양자점)일 수 있다.
개별 제한 헤테로 구조층(312, 316)은 발광층(314)보다 더 낮은 굴절률을 갖는 물질의 층이다. 개별 제한 헤테로 구조층(312, 316)은 AlGaInAs, InGaAsP 및/또는 GaAs 등의 3-5족 물질로 구성될 수 있다. 개별 제한 헤테로 구조층(312, 316)은 n형 층일 수 있다.
제1 전기 접속층(310)은 제1 전기 단자(326)를 발광 복합층(317)과 전기적으로 연결하는데 이용될 수 있다. 하이브리드 실리콘 레이저(300)는 제1 전기 단자(326) 및 제2 전기 단자(324)에 전류를 공급하는 구조일 수 있다. 제1 전기 단자(326)는 마이너스 단자로 구성되고, 제2 전기 단자(324)는 플러스 단자로 구성될 수 있다.
전류는 제2 전기 단자(324), 제2 전기 접속층(320), 클래드층(318), 발광 복합층(317) 및 제1 전기 단자(326)로 흐를 수 있다. 제2 전기 접속층(320)은 p형층, 예컨대 p형 InP층일 수 있다. 제1 전기 접속층(310)은 n형층, 예컨대 n형 InP층일 수 있다. 제1 전기 접속층(312) 및 제2 전기 접속층(320)은 주기율표의 3족 및 5족의 원소를 포함하는 도핑층을 포함하는 것으로 형성될 수 있다. 제1 전기 단자(326) 및 제2 전기 단자(324)는 금속, 예컨대, Au, Pt, Cu 및/또는 Al 등으로 구성될 수 있다.
클래드층(318)은 p형 인듐 인화물로 구성될 수 있고, 복수개의 물질층들로 구성될 수 있다. 발광 복합층(317) 및 클래드층(318)에는 전류 주입을 제한하는 전류 제한 불순물 영역(322)이 형성될 수 있다. 발광층(314) 상의 개별 제한 헤테로 구조층(316) 및 클래드층(318)에는 발광층(314)으로 유입되는 전류를 제한하는 전류 제한 불순물 영역(322)이 형성될 수 있다. 전류 제한 불순물 영역(322)은 양자(proton), 즉 전자나 중성자가 주입된 이온 주입 영역일 수 있다. 전류 제한 불순물 영역(322)으로 인하여 발광층(314)에서 광을 더 용이하게 발광시킬 수 있다.
도 12는 본 발명의 기술적 사상의 제3 그룹의 일 실시예에 의한 하이브리드 실리콘 레이저의 단면도이다.
구체적으로, 도 12의 하이브리드 실리콘 레이저(300-1)는 광도파로 구조물(52) 상에 중간 매개층(328)이 형성된 것을 제외하고는 도 11의 하이브리드 실리콘 레이저(300)와 동일할 수 있다. 이에 따라, 도 11에서 설명된 내용과 동일한 내용은 편의상 생략하거나 간략하게 설명한다.
하이브리드 실리콘 레이저(300-1)는 광도파로 구조물(52) 상에 중간 매개층(328)이 형성될 수 있다. 중간 매개층(328)은 실리콘층(306) 및 광가이드층(308) 상에 형성될 수 있다. 중간 매개층(328)은 광도파로 구조물(52) 상에 결정 성장을 용이하게 하기 위한 결정 성장용 버퍼층일 수 있다. 또한, 중간 매개층(328)은 상기 레이징 구조물(40)과 광도파로 구조물(52) 사이에 레이징 구조물(60)과 광도파로 구조물(52)을 결합시키기 위한 결합 매개층일 수 있다.
이와 같은 하이브리드 실리콘 레이저(300-1)는 광도파로 구조물(52) 상에 중간 매개층(328)을 구비할 경우, 광도파로 구조물(52) 상에 레이징 구조물(60)을 용이하게 형성할 수 있다.
도 13은 본 발명의 기술적 사상의 제3 그룹의 일 실시예에 의한 하이브리드 실리콘 레이저의 단면도이다.
구체적으로, 도 13의 하이브리드 실리콘 레이저(300-2)는 전류 제한층(334)이 형성된 것을 제외하고는 도 11의 하이브리드 실리콘 레이저(300)와 동일할 수 있다. 이에 따라, 도 11에서 설명된 내용과 동일한 내용은 편의상 생략하거나 간략하게 설명한다.
하이브리드 실리콘 레이저(300-2)는 발광 복합층(317) 내에 전류 제한층(334)이 형성되어 있다. 발광 복합층(317)을 구성하는 발광층(314)과 개별 제한 헤테로 구조층(316) 사이에 발광층(314)으로 유입되는 전류를 제한하는 전류 제한층(334)이 형성될 수 있다.
전류 제한층(334)은 금속층(313) 및 금속 산화층(315)을 포함할 수 있다. 금속층(313)은 알루미늄층일 수 있다. 금속 산화층(315)은 금속층(313), 예컨대 알루미늄층을 산화시킨 알루미늄 산화층일 수 있다. 하이브리드 실리콘 레이저(300-2)는 전류 제한층(334)으로 인하여 발광층(314)에서 광을 더 용이하게 발광시킬 수 있다.
도 14는 본 발명의 기술적 사상의 제3 그룹의 일 실시예에 의한 하이브리드 실리콘 레이저의 단면도이다.
구체적으로, 도 14의 하이브리드 실리콘 레이저(300-3)는 레이징 구조물(60)의 폭(W10)을 좁게 형성한 것을 제외하고는 도 11의 하이브리드 실리콘 레이저(300)와 동일할 수 있다. 이에 따라, 도 11에서 설명된 내용과 동일한 내용은 편의상 생략하거나 간략하게 설명한다.
하이브리드 실리콘 레이저(300-3)는 레이징 구조물(60)의 폭(W10)을 도 11 보다 좁게 구성한다. 하이브리드 실리콘 레이저(300-3)는 레이징 구조물(60)을 리지형(ridge type) 구조물(336)로 구성한다. 이와 같이 구성할 경우, 하이브리드 실리콘 레이저(300-3)는 리지형 구조물(336)로 인하여 발광층(314)에 전류가 제한되어 발광층(314)에서 광을 더 용이하게 발광시킬 수 있다.
도 15 내지 도 17은 본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 의한 하이브리드 실리콘 레이저의 광도파로 구조물의 단면도들이다.
구체적으로, 도 15 내지 도 17은 앞서 설명한 하이브리드 실리콘 레이저(도 1, 도 6, 도 11의 100, 200, 300)의 광도파로 구조물(12, 32, 52)에서 광이 방출되는 것을 설명하기 위하여 제시된 것이다. 도 15 내지 도 17은 대표적으로 광도파로 구조물의 참조번호를 400으로 표시한다. 도 15 내지 도 17의 광도파로 구조물(400)은 레이저 캐비티(또는 광 캐비티)로서 기능할 수 있다. 도 15 내지 도 17은 앞서 도 1, 6 및 11 등의 단면 구조를 90도 회전한 도면일 수 있다.
도 15 내지 도 17에 도시한 바와 같이, 벌크 실리콘 기판(402) 상에 국부 절연층(404)이 형성되어 있다. 벌크 실리콘 기판(402)은 도 1, 도 6 및 도 11의 참조번호 102, 202, 302에 해당할 수 있다. 국부 절연층(404)은 도 1, 도 6 및 도 11의 참조번호 104, 204, 304에 해당할 수 있다.
국부 절연층(404) 상에 광도파로(410)가 형성되어 있다. 광도파로(410)는 도 1, 도 6 및 도 11의 참조번호 110, 210, 307에 해당할 수 있다. 광도파로(410) 상에는 전기 접속층(412) 및 발광 복합층(414)이 형성되어 있다. 전기 접속층(412)은 도 1, 도 6 및 도 11의 참조번호 112, 211, 310에 해당할 수 있다. 발광 복합층(414)은 도 1, 도 6 및 도 11의 참조번호 114, 214, 317에 해당할 수 있다.
도 15에서는 광도파로(410)의 양측에 광이 반사되는 광 반사 영역(406, 412)을 가질 수 있다. 광 반사 영역(406, 412)은 광도파로(410)의 표면을 연마하여 형성할 수 있다. 광 반사 영역(406, 412)은 광도파로(410)의 표면에 광 반사 물질을 코팅함으로써 형성할 수 있다. 발광 복합층(414)은 광학적으로 광도파로(410)에 연결되어 발광 복합층(414)에서 생성된 광(416)은 광도파로(410)에 진입할 수 있다. 광도파로(410)에 진입한 광(416)은 화살표로 표시된 바와 같이 광 반사 영역(412)을 통하여 일부가 외부로 배출된다.
도 16에서는 도 15와 비교할 때 광 반사 영역(412)이 격자 구조(418)인 것을 제외하고는 동일하다. 마찬가지로, 도 17에서는 도 15와 비교할 때 광 반사 영역(406, 412)이 격자 주조(418, 420)인 것을 제외하고 동일할 수 있다.
도 18은 본 발명의 기술적 사상의 하이브리드 실리콘 레이저의 열 방출을 설명하기 위한 단면도이고, 도 19는 본 발명의 기술적 사상의 하이브리드 실리콘 레이저에 이용된 벌크 실리콘 기판의 열전도도를 설명하기 위한 도면이다.
구체적으로, 도 11의 하이브리드 실리콘 레이저(300)를 이용하여 열 방출을 설명한다. 하이브리드 실리콘 레이저(300)는 레이징 구조물(60)에서 열이 많이 발생할 수 있다. 이와 같이 발생한 열은 도 18의 화살표로 표시한 바와 같이 실리콘층(306) 및 벌크 실리콘 기판(302)을 통하여 전달됨으로써 외부로 배출될 수 있다.
도 11의 하이브리드 실리콘 레이저(300)는 벌크 실리콘 기판(302)의 전면 상에 절연층이 형성되어 있지 않고, 국부적으로 국부 절연층(304)이 형성되어 있다. 이에 따라, 도 11의 하이브리드 실리콘 레이저(300)는 실리콘층(306) 및 벌크 실리콘 기판(302)를 통하여 열을 용이하게 전달할 수 있다.
도 19에 도시한 바와 같이 벌크 실리콘 기판(302), 즉 언도프트 단결정 벌크(undoped single crystal bulk)의 열전도도가 매우 우수함을 알 수 있다. 또한, 도 19에 도시한 바와 같이 불순물 도핑되지 않은 단결정층(undoped single crystal layer) 및 불순물 도핑된 단결정층(doped single crystal layer)이 불순물 도핑되지 않은 다결정층(undoped polycrystal layer) 및 불순물 도핑된 다결정층(doped polycrystal layer)보다 열전도도가 우수함을 알 수 있다. 이에 따라, 실리콘층(306)을 단결정 실리콘층으로 구성할 경우 보다 더 열 방출을 용이하게 할 수 있음을 알 수 있다.
도 20은 본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 의한 하이브리드 실리콘 레이저의 제조 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
구체적으로, 하이브리드 실리콘 레이저 제조 방법은 크게 분류하여 벌크 실리콘 기판 상에 국부 절연층을 형성하는 단계(스텝 428), 국부 절연층 및 벌크 실리콘 기판 상에 광도파로 구조물을 형성하는 단계(스텝 430)를 포함할 수 있다.
또한, 하이브리드 실리콘 레이저 제조 방법은 상기 광도파로 구조물 상에 레이징 구조물을 형성하는 단계(스텝 432), 상기 레이징 구조물에 전류 주입 제한 영역을 형성하는 단계(스텝 434), 및 레이징 구조물에 전기 단자를 형성하는 단계(스텝 436)를 포함할 수 있다. 레이징 구조물에 전류 제한 영역을 형성하는 단계는 필요에 따라 생략할 수 있다. 이하에서는, 각 단계별로 자세히 설명한다.
도 21a 내지 도 21g는 도 20의 하이브리드 실리콘 레이저의 국부 절연층과 광도파로 구조물의 제조 단계를 설명하기 위한 단면도들이다.
도 21a를 참조하면, 벌크 실리콘 기판(440)을 준비한다. 벌크 실리콘 기판(440)은 벌크 실리콘 웨이퍼일 수 있다. 벌크 실리콘 기판(440)은 도 1, 도 6 및 도 11의 참조번호 102, 202, 302에 해당할 수 있다. 벌크 실리콘 기판(440)을 선택적으로 식각하여 벌크 실리콘 기판(440)의 일부분에 벌크 트랜치(442)를 형성한다. 벌크 트랜치(442)의 깊이는 레이저가 벌크 실리콘 기판(440)의 아래쪽으로 방출되지 않은 깊이로 형성할 수 있다.
도 21b를 참조하면, 벌크 트랜치(442)를 채우도록 국부 절연층(446)을 형성한다. 국부 절연층(446)은 도 1, 도 6 및 도 11의 참조번호 104, 204, 304에 해당할 수 있다. 국부 절연층(446)은 광도파로를 구성하는 실리콘층보다 굴절률이 낮은 물질층으로 형성할 수 있다. 국부 절연층(446)은 실리콘 산화층(SiO2), 실리콘 산질화층(SiON) 또는 실리콘 질화층(SiN)으로 형성할 수 있다. 국부 절연층(446)은 벌크 트랜치(442)를 채우면서 벌크 실리콘 기판(440)의 전면에 절연 물질층을 형성한 후 화학기계적연마하여 형성할 수 있다.
도 21c를 참조하면, 국부 절연층(446) 및 벌크 실리콘 기판(440)의 전면에 비정질 실리콘층(448)을 형성한다. 비정질 실리콘층(448)은 국부 절연층(446) 및 벌크 실리콘 기판(440) 상에 형성한다. 비정질 실리콘층(448)은 후에 결정화된 실리콘층으로 변경시켜 광도파로로 이용될 수 있다.
도 21d를 참조하면, 비정질 실리콘층(448)을 결정화하여 결정화된 실리콘층(450)을 형성한다. 결정화된 실리콘층(450)은 도 1, 도 6 및 도 11의 참조번호 106, 206, 306에 해당할 수 있다. 비정질 실리콘층(448)의 결정화는 LEG(laser epitaxial growth), SPE(solid phase epitaxy), ELO(epitaxial lateral overgrowth), SEG(selective epitaxial growth), 또는 SPC(solid phase crystallization) 방법으로 수행할 수 있다.
비정질 실리콘층(448)의 결정화 방법은, 비정질 실리콘층(448)에 에너지, 예컨대 열에너지나 레이저 에너지를 가하여 비정질 실리콘층(16)을 결정화된 실리콘층(450)으로 변경시킨다. 결정화된 실리콘층(450)은 국부 절연층(446) 및 벌크 실리콘 기판(440) 상에 형성된다. 결정화된 실리콘층(450)은 후에 선택적 식각을 통해 광도파로가 될 수 있다. 결정화된 실리콘층(450)에는 필요에 따라 불순물을 도핑시킬 수 있다.
도 21e를 참조하면, 결정화된 실리콘층(450) 상에 마스크 패턴(452)을 형성한다. 마스크 패턴(452)은 국부 절연층(446)의 상부 및 벌크 실리콘 기판(440)의 상부 일부분에 형성한다. 마스크 패턴(452)은 포토레지스트 패턴과 같은 소프트 마스크 패턴이나, 실리콘 산화층이나 실리콘 질화층과 같은 하드 마스크 패턴으로 형성한다. 마스크 패턴(452)으로 인해 결정화된 실리콘층(450)의 일부 표면이 노출된다.
도 21f 및 도 21g를 참조하면, 도 21f에 도시한 바와 같이 마스크 패턴(452)을 식각 마스크로 결정화된 실리콘층(450)을 선택적으로 식각하여 트랜치(456)를 형성한다. 이어서, 도 21g에 도시한 바와 같이 마스크 패턴(452)을 제거한다.
이렇게 되면, 도 21g에 도시한 바와 같이 트랜치(456)는 광가이드층(458)이 될 수 있다. 광가이드층(458)은 도 1, 도 6 및 도 11의 참조번호 108, 208, 308에 해당할 수 있다. 광가이드층(458)은 빈공간으로 구성할 경우 실리콘층보다 굴절률이 낮은 가스층, 예컨대 공기층이나 비활성 가스층일 수 있다. 또한, 광가이드층(458)에 의해 한정되는 광도파로(454)가 형성될 수 있다.
그리고, 필요에 따라서 트랜치(456) 내에 실리콘층보다 굴절률이 낮은 물질층, 예컨대 실리콘 산화층, 실리콘 질화층, 실리콘 산질화층, 폴리머층, 또는 스핀온글래스(spin on glass)층을 채워 광가이드층(458)으로 이용할 수 있다. 이와 같은 공정을 통하여 국부 절연층(446) 및 벌크 실리콘 기판(440) 상에 결정화된 실리콘층(450), 광도파로(454), 광가이드층(458)을 포함하는 광도파로 구조물(410)이 형성될 수 있다.
도 22a 및 22b는 도 20의 하이브리드 실리콘 레이저의 레이징 구조물의 제조 단계를 설명하기 위한 단면도들이다.
도 22a를 참조하면, 앞서 설명한 바와 같이 국부 절연층(446) 및 벌크 실리콘 기판(440) 상에 광도파로 구조물(410)을 형성할 수 있다. 광도파로 구조물(410)은 도 1, 도 6 및 도 11의 참조번호 12, 32, 52에 해당할 수 있다. 광도파로 구조물(410) 상에는 중간 매개층(460)을 형성한다. 중간 매개층(460)은 광도파로 구조물(410) 상에 결정 성장을 용이하게 하기 위한 결정 성장용 버퍼층일 수 있다.
이어서, 중간 매개층(460) 상에 전기 접속층(462), 발광 복합층(463), 클래드층(464)을 포함하는 예비 레이징 구조물(466)을 형성한다. 예비 레이징 구조물(466)은 중간 매개층(460) 상에 복수개의 물질층을 결정 성장하여 형성할 수 있다.
도 22b를 참조하면, 예비 레이징 구조물(466)을 식각하여 전기 접속층(462)의 일부 표면을 노출하는 레이징 구조물(468)을 형성할 수 있다. 레이징 구조물(468)은 도 1, 도 6 및 도 11의 참조번호 20, 40, 60에 해당할 수 있다. 이에 따라, 레이징 구조물(468)은 메사(mesa)형 레이징 구조물이 될 수 있다. 필요에 따라서, 레이징 구조물에 전류 제한 영역을 형성할 수 있다(스텝 434). 계속하여, 전기 접속층(462)에 전기 단자를 형성하여 하이브리드 실리콘 레이저를 완성할 수 있다.
도 23은 본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 의한 하이브리드 실리콘 레이저의 제조 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
구체적으로, 하이브리드 실리콘 레이저 제조 방법은 크게 분류하여 벌크 실리콘 기판 상에 국부 절연층을 형성하는 단계(스텝 428), 국부 절연층 및 벌크 실리콘 기판 상에 광도파로 구조물을 형성하는 단계(스텝 430)을 포함할 수 있다. 국부 절연층 형성 단계 및 광도파로 구조물 형성 단계는 도 21에서 설명한 바와 같으므로 생략한다.
하이브리드 실리콘 레이저 제조 방법은 반도체 기판, 예컨대 GaAS 기판 상에 예비 레이징 구조물을 형성하는 단계(스텝 472), 벌크 실리콘 기판 상에 형성된 광도파로 구조물과 상기 반도체 기판 상에 형성된 예비 레이징 구조물을 접합하는 단계(스텝 474), 상기 예비 레이징 구조물로부터 상기 반도체 기판을 분리하는 단계(스텝 476) 및 예비 레이징 구조물을 식각하여 레이징 구조물을 형성하는 단계(스텝 478)를 포함할 수 있다.
하이브리드 실리콘 레이저 제조 방법은 레이징 구조물에 전류 주입 제한 영역을 형성하는 단계(스텝 434), 및 레이징 구조물에 전기 단자를 형성하는 단계(스텝 436)를 포함할 수 있다. 레이징 구조물에 전류 제한 영역을 형성하는 단계는 필요에 따라 생략할 수 있다.
도 24a 내지 도 24c는 도 23의 하이브리드 실리콘 레이저의 레이징 구조물의 제조 단계를 설명하기 위한 단면도들이다.
도 24a를 참조하면, 앞서 제조 단계 472에서 설명한 바와 같이 반도체 기판(484) 상에 클래드층(486), 발광 복합층(487) 및 전기 접속층(486)을 포함하는 예비 레이징 구조물(490)을 형성한다. 예비 레이징 구조물(490)은 반도체 기판(484) 상에 복수개의 물질층을 결정 성장하여 형성할 수 있다.
앞서 설명한 바와 같이 국부 절연층(446) 및 벌크 실리콘 기판(440) 상에 광도파로 구조물(410)을 형성한다. 광도파로 구조물(410) 상에는 중간 매개층(482)을 형성한다. 중간 매개층(460)은 광도파로 구조물(410)과 후에 설명하는 레이징 구조물의 전기 접속층과 결합시키기 위한 결합 매개층일 수 있다. 필요에 따라서, 중간 매개층(460)은 형성하지 않을 수 있다.
도 24b를 참조하면, 앞서 제조 단계 474에서 설명한 바와 같이 반도체 기판(484) 상의 예비 레이징 구조물(490)과 벌크 실리콘 기판(440)의 광도파로 구조물(410)을 중간 매개층(482)을 이용하여 접합한다. 접합 공정은 반도체 기판(484)과 벌크 실리콘 기판(440)에 열을 가하여 예비 레이징 구조물(490)과 광도파로 구조물(410)을 접합하는 공정일 수 있다.
앞서 제조 단계 476에 설명한 바와 같이 예비 레이징 구조물(490)로부터 반도체 기판(484)을 분리한다. 이렇게 되면, 광도파로 구조물(410)이 형성된 벌크 실리콘 기판(440)에는 예비 레이징 구조물(490)만 남게 된다.
도 24c를 참조하면, 예비 레이징 구조물(490)을 식각하여 전기 접속층(488)의 일부 표면을 노출하는 레이징 구조물(492)을 형성한다. 이에 따라, 레이징 구조물(492)은 메사(mesa)형 레이징 구조물이 될 수 있다. 레이징 구조물(492) 은 도 1, 도 6 및 도 11의 참조번호 20, 40, 60에 해당할 수 있다.
필요에 따라서, 레이징 구조물(468)에 전류 제한 영역을 형성할 수 있다(스텝 434). 계속하여, 전기 접속층(462)에 전기 단자를 형성하여 하이브리드 실리콘 레이저를 완성할 수 있다.
이하에서는, 본 발명의 하이브리드 실리콘 레이저를 이용한 다양한 광시스템을 설명한다.
도 25는 본 발명의 기술적 사상의 하이브리드 실리콘 레이저를 이용한 광시스템의 일 실시예를 도시한 개략도이다.
구체적으로, 광 시스템(500)은 광학적으로 데이터를 송신하는 데 사용될 수 있다. 광 시스템(500)은 광 집적회로(505), 도파관(515, 530) 및 광 수신기(535)를 포함할 수 있다. 광 집적회로(505)는 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 실리콘 레이저(510)를 포함할 수 있다. 하이브리드 실리콘 레이저(510)는 도 1, 도 6 및 도 11의 참조번호 100, 200, 300에 해당할 수 있다. 광 집적회로(505)는 복수개의 하이브리드 실리콘 레이저(510)를 포함할 수 있다. 광 집적회로(505), 도파관(515, 530) 및 광수신기(535)의 전부 또는 일부는 하나의 기판에 집적될 수 있다.
하이브리드 실리콘 레이저(510)는 도파관(515)을 통하여 정보를 인코딩하는 광변조기(520)에 광학적으로 접속할 수 있다. 하이브리드 실리콘 레이저(510)로부터 출력된 광은 도파관(515)을 통하여 광학 변조기(520) 및 멀티플렉서(525)에 전달할 수 있다. 도파관(530)은 단일 파이버일 수 있다. 광 수신기(535)는 멀티 플렉서(525)를 거쳐 도파관(530)으로부터 출력된 광을 수신할 수 있다.
광 수신기(535)는 도파관(530)으로부터의 입력 광 신호를 정보를 운반하는 성분 파장으로 분할하는 디멀티플렉서(도시하지 않음), 디멀티플렉서에 광학적으로 연결된 복수의 도파관(도시하지 않음), 광수신기(535)의 도파관에 광학적으로 연결되고 그로부터의 광을 검출할 수 있는 복수의 검출기(도시하지 않음)로 구성될 수 있다.
도 26은 본 발명의 기술적 사상의 하이브리드 실리콘 레이저를 이용한 광시스템의 일 실시예를 도시한 개략도이다.
구체적으로, 광시스템(600)은 복수개의 광송신기들(601_1 내지 601_n), 멀티플렉서(605), 광도파관(603), 디멀티플렉서(604), 복수개의 광수신기들(602_1 내지 602_n)을 포함할 수 있다. 광도파관(603)은 광파이버나 광 공통 시리얼 버스(optical Universal Bus)일 수 있다.
광송신기(601_1 내지 601_n)에는 본 발명의 일 실시예에 의한 하이브리드 실리콘 레이저(606) 및 송신기(607, TX)를 포함할 수 있다. 하이브리드 실리콘 레이저(606)는 도 1, 도 6 및 도 11의 참조번호 100, 200, 300에 해당할 수 있다. 하이브리드 실리콘 레이저(606)는 송신기(607)와 광학적으로 연결될 수 있다. 송신기들(607, TX)은 멀티플렉서(605), 광도파관(603) 및 디멀티플렉서(604)를 경유하여 다른 파장의 광신호를 전송할 수 있다. 광신호의 파장은 900nm 또는 1260 내지 1380nm의 파장일 수 있다. 송신기(607)는 광변조기로 구성할 수 있다.
광수신기들(602_1 내지 602_n)은 수신기(609) 및 광전 변환기(608)를 포함할 수 있다. 수신기(609) 및 광전 변환기(608)는 광학적으로 연결될 수 있다. 수신기들(609, RX)은 광검출기로 구성될 수 있다. 디멀티플렉서(604)를 통하여 전송되는 광신호는 수신기(609)에서 수신하여 광전 변환기(608)를 통하여 전기 신호로 출력될 수 있다.
도 27은 본 발명의 기술적 사상의 하이브리드 실리콘 레이저를 이용한 광시스템의 일 실시예를 도시한 개략도이다.
구체적으로, 광 시스템(700)은 전광 변조 회로(750) 및 광 수신기(720)를 포함할 수 있다. 전광 변조 회로(750)는 전기 신호 생성기(730) 및 전광 변조기(710)를 포함할 수 있다. 전기 신호 생성기(730)는 인가 받은 송신 데이터(MI)를 기초로 하여 송신 전기 신호들(VD, VG)을 생성할 수 있다. 전광 변조 회로(750)는 본 발명의 일 실시예에 의한 하이브리드 실리콘 레이저(740)를 포함할 수 있다. 하이브리드 실리콘 레이저(740)는 도 1, 도 6 및 도 11의 참조번호 100, 200, 300에 해당할 수 있다.
전광 변조기(710)는 송신된 전기 신호들(VD, VG)에 따라 하이브리드 실리콘 레이저(740)로부터 수신된 광신호(LI)를 변조할 수 있다. 광수신기(720)는 광전 변조된 광신호(LM)에 응답하여 수신 데이터(MO)를 생성할 수 있다. 광 시스템(700)의 각 구성 요소들은 동일한 벌크 실리콘 기판 상에 집적될 수 있다.
도 28은 본 발명의 기술적 사상의 하이브리드 실리콘 레이저를 이용한 광시스템의 일 실시예를 도시한 개략도이다.
구체적으로, 광 시스템(800)은 복수의 전기 모듈들(860_1 내지 860_n, electrical module), 복수의 전광 변조 회로들(750_1 내지 750_n, electricoptic modulation circuit), 멀티플렉서(861, MUX), 입출력 회로들(862, 863), 및 복수의 광 수신기들(720_1 내지 720_n) 및 디멀티플렉서(864, DEMUX)를 포함할 수 있다.
복수의 전광 변조 회로들(750_1 내지 750_n)은 복수의 전기 모듈들(860_1 내지 860_n)로부터 입력 받은 송신 데이터들(MI_1 내지 MI_n)을 각각 기초로 하여 변조된 송신 광신호들(LT_1 내지 LT_n)을 각각 생성할 수 있다. 이때, 변조된 송신 광신호들(LT_1 내지 LT_n) 각각은 서로 다른 파장을 가지는 광신호일 수 있다. 전광 변조 회로들(750_1 내지 750_n)에 대해서는 도 27에서 설명한 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 의한 하이브리드 실리콘 레이저(도 1, 도 6 및 도 11의 참조번호 100, 200, 300)를 포함할 수 있다.
멀티플렉서(861)는 변조된 송신 광신호들(LT_1 내지 LT_n)을 이용하여 다중화된 광신호를 생성하고, 송신 입출력 회로(862)는 상기 다중화된 광신호를 외부 장치로 송신할 수 있다. 외부 장치는 광 시스템(800)과 동일한 기판 내에 집적될 수도 있고, 다른 기판에 집적되어 별도의 광통신 경로를 이용하여 광 시스템(800)과 광통신을 수행할 수 있다.
수신 입출력 회로(863)는 외부 장치로부터 송신된 다중화된 광신호를 수신하여 디멀티플렉서(864)에 제공할 수 있다. 디멀티플렉서(864)는 수신 입출력 회로(863)로부터 입력 받은 다중화된 광신호를 변조된 수신 광신호들(LR_1 내지 LR_n)로 역다중화할 수 있다. 이때, 변조된 수신 광신호들(LR_1 내지 LR_n) 각각은 서로 다른 파장을 가지는 광신호일 수 있다. 복수의 광수신기들(720_1 내지 20_n)은 변조된 수신 광신호들(LR_1 내지 LR_n)을 각각 기초로 하여 변조된 수신 데이터들(MO_1 내지 MO_n)을 각각 생성하여 복수의 전기 모듈들(860_1 내지 860_n)로 제공할 수 있다.
지금까지, 본 발명을 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명하였으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형, 치환 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
100, 200, 300: 하이브리드 실리콘 레이저, 102, 202, 302: 벌크 실리콘 기판, 10, 30, 50: 실리콘 광도파로 구조물, 12, 32, 52: 광도파로 구조물, 104, 204, 304: 국부 절연층, 106, 206: 실리콘층, 110, 210, 307: 광도파로, 108, 208, 308: 광가이드층, 20, 40, 60: 레이징 구조물, 112, 212: 전기 접속층, 114, 214, 317: 발광 복합층, 116, 216, 318: 클래드층, 120, 122, 220, 222, 324, 326: 전기 단자,

Claims (20)

  1. 벌크 실리콘 기판;
    상기 벌크 실리콘 기판 상의 일부 영역에 형성된 국부 절연층(localized insulating layer);
    상기 국부 절연층 상부에 형성되고 실리콘층으로 이루어진 광도파로를 포함하는 광도파로 구조물(optical guide structure); 및
    상기 광도파로 구조물 상에 마련된 레이징 구조물(lasing structure)을 포함하는 것을 특징하는 하이브리드 실리콘 레이저.
  2. 제1항에 있어서, 상기 국부 절연층은 상기 벌크 실리콘 기판에 형성된 벌크 트랜치에 매립되어 있는 매립 절연층인 것을 특징으로 하는 하이브리드 실리콘 레이저.
  3. 제1항에 있어서, 상기 실리콘층은 결정화된 실리콘층인 것을 특징으로 하는 하이브리드 실리콘 레이저.
  4. 제1항에 있어서, 상기 광도파로의 중심점은 상기 국부 절연층의 중심점에서 벗어나 위치하도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 하이브리드 실리콘 레이저.
  5. 제1항에 있어서, 상기 레이징 구조물은 상기 광도파로 구조물과 결합된 반도체 III-V족 이득층이거나, 상기 레이징 구조물은 상기 광도파로 구조물 상에 결정 성장된 반도체 III-V족 이득층인 것을 특징으로 하는 하이브리드 실리콘 레이저.
  6. 제1항에 있어서, 상기 레이징 구조물은 메사형(mesa type) 구조물 또는 리지형(ridge type) 구조물인 것을 특징으로 하는 하이브리드 실리콘 레이저.
  7. 제1항에 있어서, 상기 레이징 구조물은 발광 복합층 및 상기 발광 복합층 상에 형성된 클래드층을 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 실리콘 레이저.
  8. 제1항에 있어서, 상기 광도파로 구조물 상에는 결정 성장용 버퍼층 또는 상기 레이저 구조물과 광도파로 구조물을 결합시키기 위한 결합 매개층이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 하이브리드 실리콘 레이저.
  9. 벌크 실리콘 기판;
    상기 벌크 실리콘 기판의 일부 영역에 형성된 국부 절연층(localized insulating layer);
    상기 벌크 실리콘 기판 및 국부 절연층 상에 형성된 광도파로 구조물(optical guide structure); 및
    상기 광도파로 구조물 상부에 마련된 레이징 구조물을 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 실리콘 레이저.
  10. 제9항에 있어서, 상기 광도파로 구조물은 상기 벌크 실리콘 기판 및 국부 절연층 상에 형성된 실리콘층, 상기 실리콘층 내에 형성된 광가이드층, 및 상기 광가이드층에 의해 한정된 광도파로를 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 실리콘 레이저.
  11. 제9항에 있어서, 상기 레이징 구조물은 상기 광도파로 구조물 상부에 형성된 발광 복합층 및 상기 발광 복합층 상에 형성된 클래드층을 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 실리콘 레이저.
  12. 제11항에 있어서, 상기 발광 복합층은 광을 발광할 수 있는 발광층, 상기 광도파로 구조물과 상기 발광층 사이에 형성된 제1 개별 제한 헤테로 구조층 및 상기 발광층 상에 형성된 제2 개별 제한 헤테로 구조층을 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 실리콘 레이저.
  13. 제11항에 있어서, 상기 광도파로 구조물의 상부, 및 상기 발광 복합층과 상기 광도파로 구조물 사이에는 전기 접속층이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 하이브리드 실리콘 레이저.
  14. 제11항에 있어서, 상기 발광 복합층 및 클래드층에는 전류 주입을 제한하는 전류 제한 불순물 영역이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 하이브리드 실리콘 레이저.
  15. 제11항에 있어서, 상기 발광 복합층에는 전류 주입을 제한하는 전류 제한층이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 하이브리드 실리콘 레이저.
  16. 벌크 실리콘 기판;
    상기 벌크 실리콘 기판의 일부 영역에 형성된 국부 절연층(localized insulating layer);
    상기 벌크 실리콘 기판 및 국부 절연층 상에 형성된 실리콘층, 상기 실리콘층 내에 형성된 광가이드층, 및 상기 광가이드층에 의해 한정된 광도파로를 포함하는 광도파로 구조물(optical guide structure); 및
    상기 광도파로 구조물 상에 형성된 제1 전기 접속층, 상기 제1 전기 접속층 상에 형성된 발광 복합층, 상기 발광 복합층 상에 형성된 클래드층을 포함하는 레이징 구조물을 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 실리콘 레이저.
  17. 제16항에 있어서, 상기 발광 복합층은 퀀텀웰 또는 퀀텀 도트로 구성되는 발광층을 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 실리콘 레이저.
  18. 벌크 실리콘 기판;
    상기 벌크 실리콘 기판의 표면 근방의 일부 영역에 형성된 국부 절연층(localized insulating layer);
    상기 벌크 실리콘 기판 및 국부 절연층 상에 형성된 실리콘층;
    상기 실리콘층의 표면 근방에 서로 떨어져 형성된 복수개의 광가이드층들;
    상기 광가이드층들에 의해 한정되고 상기 국부 절연층의 상부에서 상기 실리콘층으로 이루어진 광도파로;
    상기 실리콘층 및 광가이드층들 상에 형성된 제1 전기 접속층;
    상기 제1 전기 접속층 상에 형성된 발광 복합층; 및
    상기 발광 복합층 상에 형성된 클래드층을 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 실리콘 레이저.
  19. 제18항에 있어서, 상기 발광 복합층은 광을 발광할 수 있는 발광층, 상기 발광층의 하부 및 상부에 각각 형성된 제1 개별 제한 헤테로 구조층 및 제2 개별 제한 헤테로 구조층을 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 실리콘 레이저.
  20. 제18항에 있어서, 상기 클래드층 상에는 제2 전기 접속층이 형성되어 있고, 상기 제1 전기 접속층 및 제2 전기 접속층에는 각각 제1 전기 단자 및 제2 전기 단자가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 하이브리드 실리콘 레이저.
KR1020140132019A 2014-09-30 2014-09-30 하이브리드 실리콘 레이저 제조 방법 KR102171268B1 (ko)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020140132019A KR102171268B1 (ko) 2014-09-30 2014-09-30 하이브리드 실리콘 레이저 제조 방법
US14/833,406 US20160094014A1 (en) 2014-09-30 2015-08-24 Hybrid Silicon Lasers on Bulk Silicon Substrates
US16/431,344 US10910792B2 (en) 2014-09-30 2019-06-04 Hybrid silicon lasers on bulk silicon substrates

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020140132019A KR102171268B1 (ko) 2014-09-30 2014-09-30 하이브리드 실리콘 레이저 제조 방법

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20160038643A true KR20160038643A (ko) 2016-04-07
KR102171268B1 KR102171268B1 (ko) 2020-11-06

Family

ID=55585471

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020140132019A KR102171268B1 (ko) 2014-09-30 2014-09-30 하이브리드 실리콘 레이저 제조 방법

Country Status (2)

Country Link
US (2) US20160094014A1 (ko)
KR (1) KR102171268B1 (ko)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20190088803A (ko) * 2018-01-19 2019-07-29 삼성전자주식회사 반도체 레이저 장치 및 그 제조 방법
KR20200046298A (ko) * 2018-10-24 2020-05-07 삼성전자주식회사 반도체 레이저 장치

Families Citing this family (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2016018288A1 (en) * 2014-07-30 2016-02-04 Hewlett-Packard Development Company, L.P. Hybrid multilayer device
US10658177B2 (en) 2015-09-03 2020-05-19 Hewlett Packard Enterprise Development Lp Defect-free heterogeneous substrates
WO2017123245A1 (en) 2016-01-15 2017-07-20 Hewlett Packard Enterprise Development Lp Multilayer device
US11088244B2 (en) 2016-03-30 2021-08-10 Hewlett Packard Enterprise Development Lp Devices having substrates with selective airgap regions
FR3053538B1 (fr) * 2016-06-30 2018-08-17 Commissariat Energie Atomique Source laser a semi-conducteur
EP3340403B1 (en) * 2016-12-23 2023-06-28 IMEC vzw Improvements in or relating to laser devices
FR3061961B1 (fr) * 2017-01-19 2019-04-19 Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives Dispositif photonique comportant un laser optiquement connecte a un guide d'onde silicium et procede de fabrication d'un tel dispositif photonique
US10283931B2 (en) * 2017-05-05 2019-05-07 International Business Machines Corporation Electro-optical device with III-V gain materials and integrated heat sink
US10511143B2 (en) * 2017-08-31 2019-12-17 Globalfoundries Inc. III-V lasers with on-chip integration
US10381801B1 (en) 2018-04-26 2019-08-13 Hewlett Packard Enterprise Development Lp Device including structure over airgap
US10833481B2 (en) * 2018-12-28 2020-11-10 Intel Corporation Laser device with a stepped graded index separate confinement heterostructure
JP7071646B2 (ja) * 2019-02-01 2022-05-19 日本電信電話株式会社 波長可変レーザ
JP7277825B2 (ja) * 2019-07-09 2023-05-19 日本電信電話株式会社 半導体光素子

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100331441B1 (ko) * 1995-11-21 2002-10-31 삼성전자 주식회사 수직 공진기 면발광 레이저 다이오드
US20100040102A1 (en) * 2008-08-14 2010-02-18 University Of Seoul Industry Cooperation Foundation Optoelectronic devices
US20110133063A1 (en) * 2009-12-03 2011-06-09 Samsung Electronics Co., Ltd. Optical waveguide and coupler apparatus and method of manufacturing the same
KR20130102528A (ko) * 2010-06-30 2013-09-17 더 리전츠 오브 더 유니버시티 오브 캘리포니아 손실 변조 실리콘 소멸파 레이저
KR20140006078A (ko) * 2011-05-27 2014-01-15 인텔 코포레이션 하이브리드 레이저

Family Cites Families (19)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3885860B2 (ja) * 2000-01-14 2007-02-28 セイコーエプソン株式会社 半導体記憶装置およびその製造方法
US6392257B1 (en) * 2000-02-10 2002-05-21 Motorola Inc. Semiconductor structure, semiconductor device, communicating device, integrated circuit, and process for fabricating the same
US6288426B1 (en) 2000-02-28 2001-09-11 International Business Machines Corp. Thermal conductivity enhanced semiconductor structures and fabrication processes
JP2002026456A (ja) * 2000-06-30 2002-01-25 Toshiba Corp 半導体装置、半導体レーザ及びその製造方法並びにエッチング方法
US6717175B2 (en) * 2001-09-27 2004-04-06 The Furukawa Electric Co., Ltd. Semiconductor laser device and method for manufacturing the same
US6897498B2 (en) 2003-03-31 2005-05-24 Sioptical, Inc. Polycrystalline germanium-based waveguide detector integrated on a thin silicon-on-insulator (SOI) platform
JP2005223111A (ja) 2004-02-05 2005-08-18 Yokogawa Electric Corp 波長可変レーザー
US8110823B2 (en) 2006-01-20 2012-02-07 The Regents Of The University Of California III-V photonic integration on silicon
US20080002929A1 (en) * 2006-06-30 2008-01-03 Bowers John E Electrically pumped semiconductor evanescent laser
KR101344477B1 (ko) * 2007-01-18 2014-02-17 삼성전자주식회사 반도체 광소자 및 그 제조 방법
US8098968B2 (en) 2007-09-04 2012-01-17 International Business Machines Corporation Silicide thermal heaters for silicon-on-insulator nanophotonic devices
US7639719B2 (en) 2007-12-31 2009-12-29 Intel Corporation Thermal shunt for active devices on silicon-on-insulator wafers
KR101192230B1 (ko) 2008-12-05 2012-10-16 한국전자통신연구원 광도파로 형성 방법
WO2010100738A1 (ja) * 2009-03-05 2010-09-10 富士通株式会社 半導体レーザ、シリコン導波路基板、集積素子
US8150223B2 (en) 2009-03-31 2012-04-03 Oracle America, Inc. Thermal tuning of an optical device
US8842942B2 (en) 2010-02-08 2014-09-23 Samsung Electronics Co., Ltd. Optical modulator formed on bulk-silicon substrate
US8787417B2 (en) * 2010-02-24 2014-07-22 Universiteit Gent Laser light coupling into SOI CMOS photonic integrated circuit
US8971674B2 (en) 2010-03-24 2015-03-03 Oracle International Corporation Optical device with high thermal tuning efficiency
US9178085B2 (en) 2010-12-22 2015-11-03 Bing Li Waveguide photodetector and forming method thereof

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100331441B1 (ko) * 1995-11-21 2002-10-31 삼성전자 주식회사 수직 공진기 면발광 레이저 다이오드
US20100040102A1 (en) * 2008-08-14 2010-02-18 University Of Seoul Industry Cooperation Foundation Optoelectronic devices
US20110133063A1 (en) * 2009-12-03 2011-06-09 Samsung Electronics Co., Ltd. Optical waveguide and coupler apparatus and method of manufacturing the same
KR20130102528A (ko) * 2010-06-30 2013-09-17 더 리전츠 오브 더 유니버시티 오브 캘리포니아 손실 변조 실리콘 소멸파 레이저
KR20140006078A (ko) * 2011-05-27 2014-01-15 인텔 코포레이션 하이브리드 레이저

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20190088803A (ko) * 2018-01-19 2019-07-29 삼성전자주식회사 반도체 레이저 장치 및 그 제조 방법
KR20200046298A (ko) * 2018-10-24 2020-05-07 삼성전자주식회사 반도체 레이저 장치

Also Published As

Publication number Publication date
KR102171268B1 (ko) 2020-11-06
US20190288485A1 (en) 2019-09-19
US20160094014A1 (en) 2016-03-31
US10910792B2 (en) 2021-02-02

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR102171268B1 (ko) 하이브리드 실리콘 레이저 제조 방법
KR101594467B1 (ko) 하이브리드 레이저
JP6300240B2 (ja) 半導体デバイス
US7593445B2 (en) Semiconductor optical device and optical transmission module
US9823414B2 (en) Method for fabricating a semiconductor device for use in an optical application
US8774571B2 (en) Optical device, optical module, and method for manufacturing optical device
CN113396486B (zh) 具有电介质dbr的磷化铟vcsel
Shang et al. Low-threshold epitaxially grown 1.3-μm InAs quantum dot lasers on patterned (001) Si
Arakawa et al. Quantum dot lasers for silicon photonics
US11695254B2 (en) Quantum dot slab-coupled optical waveguide emitters
US11888290B2 (en) Supermode filtering waveguide emitters
WO2012002045A1 (ja) 半導体装置およびその製造方法、集積基板、光モジュール、光通信装置
JP6206498B2 (ja) 光半導体装置及びその製造方法
US20230352910A1 (en) Light emitting element, light emitting element unit, electronic device, light emitting device, sensing device, and communication device
GB2507513A (en) Semiconductor device with epitaxially grown active layer adjacent an optically passive region
JP2017054859A (ja) 半導体発光デバイス
WO2020096950A1 (en) Heterogeneously integrated indium gallium nitride on silicon photonic integrated circuits
Fujii et al. Heterogeneously integrated lasers using epitaxially grown III-V active layer on directly bonded InP/SiO 2/Si substrate
Fujii et al. Evaluation of device parameters for membrane lasers on Si fabricated with active-layer bonding followed by epitaxial growth
JPH11112096A (ja) 半導体レーザ装置およびこれを用いた光通信システム
Fujii et al. Heterogeneously Integrated III-V Lasers Fabricated Using Epitaxial Growth on an InP/SiO 2/Si Substrate
De Groote et al. Broadband III-V on silicon hybrid superluminescent LEDs by quantum well intermixing and multiple die bonding

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right