KR20180094819A - Optical waveguide for infrared range using germanium and method for manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
Description
실시예들은 저마늄(Ge)을 이용한 적외선 광 도파관 및 이의 제조 방법에 대한 것으로, 보다 구체적으로는 중적외선 대역과 같은 장파장 대역에서도 광학 플랫폼(platform)으로 사용 가능한 적외선 광 도파관 및 이의 제조 기술에 대한 것이다. Embodiments relate to an infrared optical waveguide using Ge and a manufacturing method thereof and more specifically to an infrared optical waveguide which can be used as an optical platform in a long wavelength band such as a mid infrared band and a manufacturing technology thereof will be.
기존의 광학 전자 집적 회로(OptoElectronic Integrated Circuit; OEIC) 연구는 전자 소자와 광 소자의 단순한 결합 및 공정 방법을 주로 다루고 있으며, 실리콘 포토닉스(Si photonics)라고 불리는 통신 파장에 특화된 경우가 많다. 종래의 OEIC는 실리콘-온-인슐레이터(Silicon-On-Insulator; SOI) 기반의 광 도파관을 이용하는 것이 대부분이다. 그러나, 실리콘은 중적외선에 해당하는 장파장 대역에서 광 손실이 큰 물질이므로, SOI 기반 광 도파관을 사용 가능한 파장 범위는 제한적이다. Conventional optoelectronic integrated circuit (OEIC) researches mainly deal with simple bonding and processing of electronic devices and optical devices, and are often specialized in communication wavelengths called Si photonics. Most of the conventional OEICs use a silicon-on-insulator (SOI) -based optical waveguide. However, since silicon has a large optical loss in a long wavelength band corresponding to the medium infrared ray, the wavelength range in which an SOI-based optical waveguide can be used is limited.
이에 대한 대안으로서 칼코지나이드(chalcogenide) 글래스 등 다른 물질을 도파관으로 사용하는 기술도 일부 알려져 있으나, 이러한 물질은 현재의 실리콘 기반 제조 기술과는 괴리가 있으며 전자 소자와의 집적이 어려운 문제점이 있다. As an alternative to this, some technologies for using waveguides such as chalcogenide glass are known, but these materials are different from current silicon-based manufacturing technology and have difficulties in integration with electronic devices.
본 발명의 일 측면에 따르면, 중적외선 파장 대역에서 투명한 저마늄(Ge), 플루오르(F) 및 이트륨(Y) 계열의 유전체를 기반으로 한 적외선 광 도파관과 이의 제조 방법을 제공할 수 있다. According to an aspect of the present invention, it is possible to provide an infrared light waveguide based on transparent dielectrics of Ge, F and Y in the medium-infrared wavelength band and a method of manufacturing the same.
일 실시예에 따른 적외선 광 도파관은, 기판; 상기 기판상에 위치하는 클래딩(cladding); 및 저마늄(Ge)을 포함하며, 상기 클래딩상에 직접 위치하는 제1 층 및 상기 제1 층에 비해 폭이 작고 적외선 파장 대역의 광을 구속하도록 구성된 제2 층을 포함하는 코어(core)를 포함한다.An infrared light waveguide according to an embodiment includes a substrate; A cladding located on the substrate; And a core comprising Ge (Ge), a first layer positioned directly on the cladding, and a second layer having a smaller width than the first layer and configured to constrain light in the infrared wavelength band, .
일 실시예에서, 상기 클래딩은 플루오르(F) 또는 이트륨(Y)을 포함한다. 예를 들어, 상기 클래딩은 칼슘 플루오라이드(CaF2)로 이루어질 수 있다. In one embodiment, the cladding comprises fluorine (F) or yttrium (Y). For example, the cladding may be made of calcium fluoride (CaF 2 ).
일 실시예에 따른 적외선 광 도파관의 제조 방법은, 제1 기판 및 상기 제1 기판상에 위치하는 희생층을 제공하는 단계; 상기 희생층상에 저마늄(Ge)을 포함하는 코어층을 형성하는 단계; 상기 코어층상에 클래딩층을 형성하는 단계; 상기 클래딩층을 제2 기판상에 접합하는 단계; 상기 클래딩층이 상기 제2 기판상에 접합된 상태에서, 상기 희생층을 제거함으로써 상기 제1 기판을 분리하는 단계; 및 상기 제1 기판이 분리된 후, 상기 코어층을 부분적으로 식각함으로써, 상기 클래딩층상에 직접 위치하는 제1 층 및 상기 제1 층에 비해 폭이 작고 적외선 파장 대역의 빛을 구속하도록 구성된 제2 층을 형성하는 단계를 포함한다.A method of manufacturing an infrared light waveguide according to an exemplary embodiment includes: providing a first substrate and a sacrificial layer located on the first substrate; Forming a core layer containing Ge on the sacrificial layer; Forming a cladding layer on the core layer; Bonding the cladding layer to a second substrate; Separating the first substrate by removing the sacrificial layer in a state where the cladding layer is bonded onto the second substrate; And a second layer positioned directly on the cladding layer by partially etching the core layer after the first substrate is separated and a second layer disposed directly on the cladding layer, the second layer being configured to constrain light of a smaller width and infrared wavelength band than the first layer, To form a layer.
일 실시예에서, 상기 클래딩층은 플루오르(F) 또는 이트륨(Y)을 포함한다. 예를 들어, 상기 클래딩층은 칼슘 플루오라이드(CaF2)로 이루어질 수 있다. In one embodiment, the cladding layer comprises fluorine (F) or yttrium (Y). For example, the cladding layer may be made of calcium fluoride (CaF 2 ).
일 실시예에서, 상기 클래딩층을 형성하는 단계는, 상기 제1 기판을 30 내지 120℃의 온도로 가열하면서 상기 클래딩층을 증착하는 단계를 포함한다.In one embodiment, the step of forming the cladding layer includes depositing the cladding layer while heating the first substrate to a temperature of 30 to 120 캜.
일 실시예에서, 상기 제1 기판 및 상기 제1 기판상에 위치하는 희생층을 제공하는 단계는, 상기 제1 기판상에 에피택시 성장 방식으로 상기 희생층을 형성하는 단계; 및 상기 희생층상에 에피택시 성장 방식으로 에치스탑층을 형성하는 단계를 포함한다. In one embodiment, the step of providing the sacrificial layer located on the first substrate and the first substrate includes: forming the sacrificial layer on the first substrate in an epitaxial growth manner; And forming an etch stop layer on the sacrificial layer in an epitaxial growth manner.
일 실시예에서, 상기 제1 기판, 상기 희생층 및 상기 에치스탑층은 III-V족 화합물로 이루어진다. 예를 들어, 상기 제1 기판 및 상기 에치스탑층은 갈륨비소(GaAs)로 이루어지며, 상기 희생층인 알루미늄 갈륨 비소(Al(Ga)As)로 이루어질 수 있다.In one embodiment, the first substrate, the sacrificial layer, and the etch stop layer are comprised of Group III-V compounds. For example, the first substrate and the etch stop layer may be made of gallium arsenide (GaAs), and the sacrificial layer may be made of aluminum gallium arsenide (Al (Ga) As).
일 실시예에서, 상기 제1 기판은 실리콘(Si)으로 이루어지며, 상기 희생층은 상기 제1 기판에 매립된 산화물 층으로서 실리콘 산화물(SiO2)로 이루어진다.In one embodiment, the first substrate is made of silicon (Si), and the sacrificial layer is made of silicon oxide (SiO 2 ) as an oxide layer buried in the first substrate.
본 발명의 일 측면에 따른 적외선 광 도파관은, 약 1.5 내지 15㎛의 넓은 파장 대역에서 투명한 저마늄(Ge), 플루오르(F) 및 이트륨(Y) 계열의 유전체를 기반으로 하므로, 종래에 약 2 ㎛ 이하의 파장에 국한되어 있던 광학 전자 집적 회로(OptoElectronic Integrated Circuit; OEIC)의 커버리지(coverage)를 약 10 ㎛ 이상의 파장까지 확장할 수 있고, 중적외선 파장 대역의 광학 플랫폼(platform)으로 사용될 수 있다. An infrared light waveguide according to an aspect of the present invention is based on a transparent dielectric of Ge, F and Y series in a wide wavelength band of about 1.5 to 15 占 퐉, The coverage of an optoelectronic integrated circuit (OEIC) that is limited to a wavelength of less than or equal to 탆 can be extended to a wavelength of about 10 탆 or more and used as an optical platform of a medium-infrared wavelength band .
또한, 본 발명의 일 측면에 따른 적외선 광 도파관은 저마늄(Ge) 및 III-V족 화합물 반도체의 우수한 전자 수송(transport) 특성으로 인하여 광원, 수광 소자 등 다른 전자 소자의 집적이 용이하게 이루어질 수 있다.In addition, the infrared light waveguide according to an aspect of the present invention can easily integrate other electronic elements such as a light source and a light receiving element due to the excellent electron transporting properties of the Ge and III-V compound semiconductors have.
나아가, 본 발명의 일 측면에 따른 적외선 광 도파관은 실리콘(Si) 기판상에 형성됨으로써 기존의 실리콘(Si) 대상 설비를 이용하여 용이하게 제조될 수 있어 원가 절감이 가능하다. Further, since the infrared light waveguide according to one aspect of the present invention is formed on a silicon (Si) substrate, the infrared light waveguide can be easily manufactured using existing facilities for silicon (Si), and cost reduction is possible.
도 1은 여러 물질의 파장에 따른 광 흡수 특성을 나타낸 이미지이다.
도 2는 일 실시예에 따른 적외선 광 도파관의 구조를 나타내는 사시도이다.
도 3은 일 실시예에 따른 적외선 광 도파관에서 저마늄(Ge) 코어(core)에 구속된 도파 모드를 나타내는 이미지이다.
도 4a 내지 4c는 일 실시예에 따른 적외선 광 도파관의 치수에 따른 유효 굴절률을 나타내는 그래프이다.
도 5는 실시예들에 따른 적외선 광 도파관의 파장별 투과율을 다른 플랫폼(platform)과 비교하여 나타낸 그래프이다.
도 6a 내지 6e는 일 실시예에 따른 적외선 광 도파관의 제조 방법을 나타내는 단면도이다.
도 7a 내지 7e는 또 다른 실시예에 따른 적외선 광 도파관의 제조 방법을 나타내는 단면도이다.
도 8a 및 8b는 일 실시예에 따른 적외선 광 도파관이 다른 소자와 집적된 예시적인 광학 전자 집적 회로(OptoElectronic Integrated Circuit; OEIC)의 형태를 나타내는 단면도이다.1 is an image showing light absorption characteristics according to wavelengths of various materials.
2 is a perspective view illustrating a structure of an infrared light pipe according to an embodiment.
3 is an image showing a waveguide mode confined to a Ge core in an infrared light waveguide according to an embodiment.
4A to 4C are graphs showing effective refractive indexes according to dimensions of an infrared light waveguide according to an embodiment.
FIG. 5 is a graph illustrating the transmittance of an infrared optical waveguide according to the embodiments, in comparison with other platforms.
6A to 6E are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing an infrared optical waveguide according to an embodiment.
7A to 7E are sectional views showing a method of manufacturing an infrared light waveguide according to still another embodiment.
8A and 8B are cross-sectional views illustrating the form of an exemplary optoelectronic integrated circuit (OEIC) in which an infrared light waveguide according to one embodiment is integrated with other elements.
이하에서, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들에 대하여 상세히 살펴본다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
도 1은 여러 물질의 파장에 따른 광 흡수 특성을 나타낸 이미지이다. 1 is an image showing light absorption characteristics according to wavelengths of various materials.
도 1에 도시되는 것과 같이, 기존의 광 전달 플랫폼(platform)에 주로 사용되는 실리콘(silicon), 실리콘 산화물(silicon dioxide), 실리콘 질화물(silicon nitrode), 사파이어(sapphire) 등은 장파장 대역이 될수록 광 손실이 커서, 중적외선 파장 대역에는 적합하지 않다. 반면, 저마늄(germanium; Ge) 및 저마늄 주석 합금(germanium tin alloy)은 중적외선 대역을 포함하는 약 1.5 내지 15㎛의 넓은 파장 대역에서 투명한 특성을 갖는다. 본 발명의 실시예들에서는, 이러한 특징을 이용하여 저마늄(Ge)을 포함하는 물질로 코어(core)를 구성한 적외선 광 도파관을 제공한다.As shown in FIG. 1, silicon, silicon dioxide, silicon nitride, sapphire, and the like, which are mainly used in conventional optical transmission platforms, The loss is large, and it is not suitable for the middle infrared wavelength band. On the other hand, germanium (Ge) and germanium tin alloys have a transparent characteristic in a wide wavelength band of about 1.5 to 15 탆 including a mid-infrared band. Embodiments of the present invention provide an infrared optical waveguide in which a core is made of a material containing germanium (Ge) using such a characteristic.
도 2는 일 실시예에 따른 적외선 광 도파관의 구조를 나타내는 사시도이다. 2 is a perspective view illustrating a structure of an infrared light pipe according to an embodiment.
도 2를 참조하면, 본 실시예에 따른 적외선 광 도파관은 기판(10), 기판(10)상에 위치하는 클래딩(cladding)(20) 및 제1 층(30)과 제2 층(40)으로 이루어진 코어(core)를 포함한다. 일 실시예에서, 기판(10)은 실리콘(Si)으로 이루어져, 기존의 실리콘(Si) 대상 설비를 이용하여 본 실시예에 따른 적외선 광 도파관을 제조할 수 있도록 구성된다.2, the infrared optical waveguide according to the present embodiment includes a
클래딩(20)은 광이 코어(30, 40)에 구속될 수 있도록 코어(30, 40)에 비해 굴절률이 큰 물질로 이루어진다. 일 실시예에서, 클래딩(20)은 저마늄(Ge)과 마찬가지로 중적외선 대역에서 투명한 특성을 가진 플루오르(fluorine; F) 또는 이트륨(yttrium; Y)을 포함하는 물질로 이루어진다. 예컨대, 클래딩(20)은 칼슘 플루오라이드(Calcium Fluoride; CaF2) 또는 이트륨 산화물(Yttrium Oxide; Y2O3)로 이루어질 수 있다.The
코어(30, 40)는 저마늄(Ge)으로 이루어지며, 클래딩(20)의 전면상에 위치하는 제1 층(30) 및 제1 층(30)상에 위치하며 제1 층(30)에 비해 폭(W)이 작은 제2 층(40)을 포함한다. 코어(30, 40)의 두께(H) 및 제2 층(40)의 폭(W)은 제2 층(40) 내에 광이 구속될 수 있도록 적절히 결정된다. 또한, 제1 층(30)의 두께(tslab)도 코어(30, 40)의 광 도파 특성에 영향을 미치며, 이에 대해서는 도 4a 내지 4c를 참조하여 상세히 후술한다. The
도 3은 일 실시예에 따라 적외선 광 도파관에서 저마늄(Ge) 코어(30, 40)의 높이(H)가 1 ㎛이며 폭(W)이 5 ㎛로 구성된 경우, 파장 5 ㎛의 중적외선 광이 코어(40)에 TE0 모드로 결합된 전기장 분포를 나타내는 이미지이다. 도시된 것과 같이, 본 실시예에 따른 적외선 광 도파관에 광이 강하게 구속된 것을 확인할 수 있다. FIG. 3 is a diagram illustrating an example in which when the height H of the Ge-
도 4a 내지 4c는 일 실시예에 따른 적외선 광 도파관의 치수에 따른 유효 굴절률을 나타내는 그래프이다.4A to 4C are graphs showing effective refractive indexes according to dimensions of an infrared light waveguide according to an embodiment.
도 4a는 일 실시예에 따라 적외선 광 도파관에서 코어(30, 40)의 두께(H)가 1 ㎛, 제1 층(30)의 두께(tslab)가 80 nm, 클래딩(20)의 두께가 1 ㎛로 구성된 경우, 파장 5 ㎛의 중적외선 광에 대한 적외선 광 도파관의 유효 굴절율(ηeff)을 제2 층(40)의 폭(W)에 따라 나타낸 것이다. 또한, 도 4b는 이상과 같이 구성된 적외선 광 도파관에서 제2 층(40)의 폭(W)을 5 ㎛로 고정하였을 경우 파장에 따른 적외선 광 도파관의 유효 굴절율(ηeff)을 나타낸 것이다. 도시되는 것과 같이, 적외선 광 도파관의 유효 굴절율(ηeff)은 제2 층(40)의 폭(W)에 의존하므로 광을 강하게 구속하기 위해서는 달성하고자 하는 유효 굴절율(ηeff)에 따라 제2 층(40)의 폭(W)을 적절히 조절할 필요가 있다.4A is a graph showing the relationship between the thickness H of the
한편, 도 4c는 이상과 같이 구성된 적외선 광 도파관에서 다른 치수를 고정하고 제1 층(30)의 두께(tslab)를 변화시킬 경우 파장에 따른 적외선 광 도파관의 유효 굴절율(ηeff)을 나타낸 것이다. 도시되는 것과 같이, 제1 층(30)의 두께(tslab)에 따른 유효 굴절율(ηeff)의 변화는 상대적으로 적고, 이는 본 실시예에 따른 적외선 광 도파관의 제조 과정에서 제1 층(30)의 두께(tslab)에 다소 편차가 존재하더라도 안정적인 광 특성을 얻을 수 있음을 의미한다. 4c shows the effective refractive index eta eff of the infrared light waveguide according to the wavelength when the thickness t slab of the
도 5는 실시예들에 따른 적외선 광 도파관의 파장별 투과율을 다른 플랫폼과 비교하여 나타낸 그래프이다.FIG. 5 is a graph illustrating transmittances of infrared light waveguides according to embodiments of the present invention in comparison with other platforms. FIG.
도 5를 참조하면, 각각의 그래프 중 Ge는 순수한 저마늄(Ge)의 파장별 투과율을 나타내고, SiO2/Ge는 저마늄(Ge) 코어와 실리콘 산화물(SiO2) 클래딩으로 구성된 적외선 광 도파관의 파장별 투과율을 나타낸다. 또한, CaF2/Ge는 일 실시예에 따라 저마늄(Ge) 코어와 칼슘 플루오라이드(CaF2) 클래딩으로 구성된 적외선 광 도파관의 파장별 투과율을 나타내며, 괄호 안은 클래딩의 증착 시 기판의 가열 온도(120℃ 또는 상온(R. T.))를 나타낸다. 나아가, Y2O3/Ge는 또 다른 실시예에 따라 저마늄(Ge) 코어와 이트륨 산화물(Y2O3) 클래딩으로 구성된 적외선 광 도파관의 파장별 투과율을 나타낸다. Referring to FIG. 5, in each graph, Ge represents the transmittance of pure germanium (Ge) by wavelength, and SiO 2 / Ge represents an infrared light waveguide composed of a germanium (Ge) core and a silicon oxide (SiO 2 ) cladding It shows the transmittance by wavelength. In addition, CaF 2 / Ge represents the transmittance of an infrared light waveguide composed of a germanium (Ge) core and a calcium fluoride (CaF 2 ) cladding according to an embodiment, and the parentheses indicate the
도시되는 것과 같이, 종래의 실리콘 산화물(SiO2)을 재료로 사용한 플랫폼이 장파장 대역에서 투과율이 감소하는 것과 달리, 실시예들에 따라 CaF2/Ge또는 Y2O3/Ge로 구성된 적외선 광 도파관은 중적외선 파장 대역에서 우수한 투과율을 나타내며, 특히 CaF2/Ge 구조의 경우 순수한 저마늄(Ge)과 유사할 정도의 높은 투과율을 나타내었다. 또한, 클래딩 증착 시 기판을 가열하는 것에 의하여 적외선 광 도파관의 투과율을 더욱 높일 수 있음을 확인할 수 있다.As shown, a platform using conventional silicon oxide (SiO 2 ) as material reduces the transmittance in the long wavelength band, and in accordance with the embodiments, an infrared optical waveguide composed of CaF 2 / Ge or Y 2 O 3 / Ge Exhibits a high transmittance in the mid-infrared wavelength range, and particularly in the CaF 2 / Ge structure, it has a high transmittance similar to that of pure germanium (Ge). Further, it can be confirmed that the transmittance of the infrared light waveguide can be further increased by heating the substrate during cladding deposition.
도 6a 내지 6e는 일 실시예에 따른 적외선 광 도파관의 제조 방법을 나타내는 단면도이다. 본 실시예에 의하면, 격자 부정합이 없는 에피택시(epitaxy) 성장 구조를 이용한 웨이퍼 접합(wafer bonding) 및 에피택셜 리프트 오프(Epitaxial Lift-Off; ELO) 기법에 의하여 간단한 방법으로 적외선 광 도파관을 제조할 수 있다. 6A to 6E are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing an infrared optical waveguide according to an embodiment. According to this embodiment, an infrared light waveguide is manufactured by a simple method by wafer bonding and epitaxial lift-off (ELO) techniques using an epitaxy growth structure without lattice mismatch .
도 6a를 참조하면, 제1 기판(601)을 준비하고, 제1 기판(601)상에 희생층(602) 및 에치스톱(etch-stop)층(603)을 순차적으로 형성한다. 제1 기판(601), 희생층(602) 및 에치스톱층(603)은 전자 수송 특성이 우수한 III-V족 화합물로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 제1 기판(601) 및 에치스톱층(603)은 갈륨화 비소(GaAs)로 이루어지며, 희생층(602)은 알루미늄 갈륨 비소(Al(Ga)As)로 이루어질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. Referring to FIG. 6A, a
다음으로, 에치스톱층(603)상에 저마늄(Ge) 또는 저마늄(Ge)을 포함하는 합금 등의 물질로 이루어진 코어층(604)을 형성한다. 다음으로, 코어층(604)상에 클래딩층(605)을 형성한다. 클래딩층(605)은 플루오르(F) 또는 이트륨(Y)을 포함하는 물질로 이루어질 수 있다. 일 실시예에서는, 클래딩층(605)의 증착 시 제1 기판(601)을 30 내지 120℃의 온도로 가열하면서 증착을 수행한다. 그 결과, 도 5를 참조하여 전술한 것과 같이 적외선 광 도파관의 투과율을 더욱 높일 수 있다.Next, a
도 6b를 참조하면, 도 6a와 같이 준비된 구조물을 이용하여 클래딩층(605)을 제2 기판(610)에 접합한다. 제2 기판(610)은 실리콘(Si) 기반의 기판일 수 있다. 일 실시예에서는, 접합 전에 클래딩층(605) 및/또는 제2 기판(610)의 표면상에 형성된 자연 산화막을 제거하는 과정이 더 수행된다. 또한 일 실시예에서는, 접합 전에 클래딩층(605) 및/또는 제2 기판(610)의 표면을 플라즈마에 의해 처리함으로써 활성화한다.Referring to FIG. 6B, the
도 6c를 참조하면, 클래딩층(605)이 제2 기판(610)에 접합된 상태에서 희생층(602)을 식각한다. 희생층(602)의 식각에 사용되는 식각 용액은 불화수소(HF)를 포함하는 친수성 용액, 예를 들어, 불화수소(HF)와 탈이온수(deionized water; DIW)가 소정의 비율로 혼합된 용액일 수 있다. 또한, 일 실시예에서, 식각 용액은 기체 버블링(gas bubbling)을 억제하기 위한 이소프로필 알코올(isopropyl alcohol; IPA) 및/또는 아세톤(acetone)을 더 포함한다.Referring to FIG. 6C, the
희생층(602)이 모두 제거되고 나면 제1 기판(601)을 분리하며, 에치스톱층(603)을 제거함으로써 ELO 공정이 완료되고 도 6d에 도시된 것과 같은 구조물이 얻어진다. After the
마지막으로, 도 6e에 도시된 것과 같이 코어층(604)의 상부 표면 일부를 적절한 깊이로 식각함으로써 도 2에 도시된 것과 같은 적외선 광 도파관의 구조가 얻어진다. 즉, 도 6e의 코어층(604)은 도 2의 코어(30, 40)에 대응되며, 도 6e의 클래딩층(605)은 도 2의 클래딩(20)에 대응되고, 도 6e의 제2 기판(610)은 도 2의 기판(10)에 대응된다. Finally, the structure of the infrared light waveguide as shown in Fig. 2 is obtained by etching a part of the upper surface of the
도 7a 내지 7e는 또 다른 실시예에 따른 적외선 광 도파관의 제조 방법을 나타내는 단면도이다. 본 실시예에 의하면, 종래의 저마늄-온-인슐레이터(Germanium-On-Insulator; GOI) 기술 및 웨이퍼 접합 기법을 이용한 식각 기술에 의하여 간단한 방법으로 적외선 광 도파관을 제조할 수 있다. 7A to 7E are sectional views showing a method of manufacturing an infrared light waveguide according to still another embodiment. According to the present embodiment, an infrared light waveguide can be manufactured by a simple method by a conventional etching technique using a Germanium-On-Insulator (GOI) technology and a wafer bonding technique.
도 7a를 참조하면, 제1 기판(701) 및 제1 기판(701)상에 위치하는 희생층(702)을 포함하는 구조물을 준비할 수 있다. 이때, 제1 기판(701)은 실리콘(Si)으로 이루어지며, 희생층(702)은 실리콘 산화물(SiO2)로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 희생층(702)은 실리콘(Si) 기판(701)의 표면에 형성된 매립된 산화물 층(Buried Oxide Layer; BOX)일 수 있다. Referring to FIG. 7A, a structure including a
다음으로, 희생층(702)상에 저마늄(Ge) 또는 저마늄(Ge)을 포함하는 합금 등의 물질로 이루어진 코어층(703)을 형성한다. 다음으로, 코어층(703)상에 클래딩층(704)을 형성한다. 클래딩층(704)은 플루오르(F) 또는 이트륨(Y)을 포함하는 물질로 이루어질 수 있다. 일 실시예에서는, 클래딩층(704)의 증착 시 제1 기판(701)을 30 내지 120℃의 온도로 가열하면서 증착을 수행한다. 그 결과, 도 5를 참조하여 전술한 것과 같이 적외선 광 도파관의 투과율을 더욱 높일 수 있다.Next, a
도 7b를 참조하면, 도 7a와 같이 준비된 구조물을 이용하여 클래딩층(704)을 제2 기판(710)에 접합한다. 제2 기판(710)은 실리콘(Si) 기반의 기판일 수 있다. 일 실시예에서는, 접합 전에 클래딩층(704) 및/또는 제2 기판(710)의 표면상에 형성된 자연 산화막을 제거하는 과정이 더 수행된다. 또한 일 실시예에서는, 접합 전에 클래딩층(704) 및/또는 제2 기판(710)의 표면을 플라즈마에 의해 처리함으로써 활성화한다.Referring to FIG. 7B, the
도 7c를 참조하면, 클래딩층(704)이 제2 기판(710)에 접합된 상태에서 희생층(702)을 식각한다. 식각은 희생층(702)의 실리콘 산화물(SiO2)을 식각하면서 코어층(703)의 저마늄(Ge)을 식각하지 않도록 식각 용액의 선택성(selectivity)을 조절하면서 이루어진다. 희생층(702)이 모두 제거되고 나면 제1 기판(701)을 분리함으로써 도 7d에 도시된 것과 같은 구조물이 얻어진다. Referring to FIG. 7C, the
마지막으로, 도 7e에 도시된 것과 같이 코어층(703)의 상부 표면 일부를 적절한 깊이로 식각함으로써 도 2에 도시된 것과 같은 적외선 광 도파관의 구조가 얻어진다. 즉, 도 7e의 코어층(703)은 도 2의 코어(30, 40)에 대응되며, 도 7e의 클래딩층(704)은 도 2의 클래딩(20)에 대응되고, 도 7e의 제2 기판(710)은 도 2의 기판(10)에 대응된다. Finally, the structure of the infrared light waveguide as shown in Fig. 2 is obtained by etching a part of the upper surface of the
도 8a 및 8b는 일 실시예에 따른 적외선 광 도파관이 다른 소자와 집적된 예시적인 광학 전자 집적 회로(OptoElectronic Integrated Circuit; OEIC)의 형태를 나타내는 단면도이다.8A and 8B are cross-sectional views illustrating the form of an exemplary optoelectronic integrated circuit (OEIC) in which an infrared light waveguide according to one embodiment is integrated with other elements.
도 8a를 참조하면, 본 실시예에 따른 적외선 광 도파관(800)의 실리콘 기판, 칼슘 플로라이드(CaF2) 클래딩 및 저마늄(Ge) 코어와 연속되는 각 물질층을 이용하여 저마늄(Ge) 기반 전자 장치(810) 및/또는 III-V족 화합물 기반의 전자 장치(예컨대, 포토다이오드)(820)가 구현되고, 본 실시예에 따른 적외선 광 도파관(800)과 집적화될 수 있다. 또한, 본 실시예에 따른 적외선 광 도파관(800)에서 저마늄(Ge) 코어의 제1 층은 반도체 특성을 갖도록 도핑될 수 있다. 예를 들어, 저마늄(Ge) 코어의 제2 층 양쪽에 위치하는 제1 층 영역(801, 802)이 서로 상이한 도핑 특성을 갖도록 도핑됨으로써, 적외선 광 도파관(800)을 이용한 광 변조기가 구현될 수 있다. Referring to FIG. 8A, a silicon substrate, a calcium fluoride (CaF 2 ) clad, and a germanium (Ge) core of an infrared
또한, 도 8b에 도시된 것과 같이 적외선 광 도파관(800)을 포함하는 구조물상에 하나 이상의 칼슘 플로라이드(CaF2)층(830) 및/또는 하나 이상의 저마늄(Ge)층(840)이 추가적으로 증착됨으로써 3차원적으로 집적된 OEIC가 구현될 수도 있다. In addition, one or more layers of calcium fluoride (CaF 2 ) 830 and / or one or more germanium (Ge) layers 840 may be additionally provided on the structure comprising the infrared
도 8a 및 8b에서는 클래딩이 칼슘 플로라이드(CaF2)로 이루어진 실시예를 기반으로 하여 적외선 광 도파관이 집적된 OEIC를 설명하였으나, 다른 실시예에 따라 상이한 물질로 클래딩이 이루어진 적외선 광 도파관이 집적되어 OEIC를 구성할 수도 있다는 점이 통상의 기술자에게 용이하게 이해될 것이다. 8A and 8B illustrate an OEIC in which an infrared optical waveguide is integrated based on an embodiment in which the cladding is made of calcium fluoride (CaF 2 ). However, according to another embodiment, an infrared optical waveguide cladded with a different material is integrated It will be readily appreciated by those of ordinary skill in the art that an OEIC may be constructed.
이상에서 설명한 실시예들에 따른 적외선 광 도파관은, 종래에 약 2 ㎛ 이하의 파장에 국한되어 있던 OEIC의 커버리지(coverage)를 약 10 ㎛ 이상의 파장까지 확장할 수 있어 중적외선 파장 대역에서도 광학 플랫폼(platform)으로 사용될 수 있으며, 저마늄(Ge) 및 III-V족 화합물 반도체의 우수한 전자 수송(transport) 특성으로 인하여 광원, 수광 소자 등 다른 전자 소자의 집적이 용이하게 이루어질 수 있고, 실리콘(Si) 기판상에 형성됨으로써 기존의 실리콘(Si) 대상 설비를 이용하여 용이하게 제조될 수 있어 원가 절감이 가능한 이점이 있다. 실시예들에 따른 적외선 광 도파관은 가스 센서(gas sensor) 및 헬스케어(health-care)에 필요한 바이오 센서 등의 기초 기반이 되는 것으로서, 사물 인터넷(Internet of Things; IOT) 시대에 그 수요가 폭발적으로 증가할 것으로 예상된다. The infrared optical waveguide according to the embodiments described above can extend the coverage of the OEIC, which was conventionally limited to a wavelength of about 2 占 퐉 or less, to a wavelength of about 10 占 퐉 or more so that the optical platform and other electronic devices such as a light source and a light receiving device can be easily collected due to the excellent electron transporting properties of the germanium (Ge) and the group III-V compound semiconductors, It can be easily manufactured by using existing facilities for silicon (Si), which is advantageous in cost reduction. The infrared optical waveguide according to the embodiments is based on a biosensor required for a gas sensor and a health-care, and the demand is explosively increased in the Internet of Things (IOT) Of the total.
이상에서 살펴본 본 발명은 도면에 도시된 실시예들을 참고로 하여 설명하였으나 이는 예시적인 것에 불과하며 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 실시예의 변형이 가능하다는 점을 이해할 것이다. 그러나, 이와 같은 변형은 본 발명의 기술적 보호범위 내에 있다고 보아야 한다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해서 정해져야 할 것이다.While the invention has been shown and described with reference to certain embodiments thereof, it will be understood by those skilled in the art that various changes and modifications may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims. However, it should be understood that such modifications are within the technical scope of the present invention. Accordingly, the true scope of the present invention should be determined by the technical idea of the appended claims.
Claims (10)
상기 기판상에 위치하는 클래딩; 및
중적외선 파장 대역에서 투명한 특성을 갖는 단결정 저마늄(Ge)을 포함하며, 상기 클래딩상에 직접 위치하는 제1 층 및 상기 제1 층에 비해 폭이 작고 적외선 파장 대역의 광을 구속하도록 구성된 제2 층을 포함하는 코어를 포함하는 적외선 광 도파관.
Board;
A cladding disposed on the substrate; And
(Ge) having a transparent characteristic in a medium-infrared wavelength band, the first layer being directly located on the cladding layer, and the second layer being formed on the cladding layer so as to have a width smaller than that of the first layer and configured to constrain light in an infrared wavelength band Layer comprising a core.
상기 클래딩은 중적외선 파장 대역에서 투명한 특성을 갖는 플루오르(F) 또는 이트륨(Y)을 포함하는 적외선 광 도파관.
The method according to claim 1,
Wherein the cladding comprises fluorine (F) or yttrium (Y) having transparency characteristics in the medium to infrared wavelength band.
상기 클래딩은 칼슘 플루오라이드(CaF2)로 이루어지는 적외선 광 도파관.
3. The method of claim 2,
Wherein the cladding is made of calcium fluoride (CaF 2 ).
상기 희생층상에 중적외선 파장 대역에서 투명한 특성을 갖는 단결정 저마늄(Ge)을 포함하는 코어층을 형성하는 단계;
상기 코어층상에 클래딩층을 형성하는 단계;
상기 클래딩층을 제2 기판상에 접합하는 단계;
상기 클래딩층이 상기 제2 기판상에 접합된 상태에서, 상기 희생층을 제거함으로써 상기 제1 기판을 분리하는 단계; 및
상기 제1 기판이 분리된 후, 상기 코어층을 부분적으로 식각함으로써, 상기 클래딩층상에 직접 위치하는 제1 층 및 상기 제1 층에 비해 폭이 작고 적외선 파장 대역의 빛을 구속하도록 구성된 제2 층을 형성하는 단계를 포함하는 적외선 광 도파관의 제조 방법.
Providing a first substrate and a sacrificial layer located on the first substrate;
Forming a core layer on the sacrificial layer, the core layer including single-crystal germanium (Ge) having a transparent characteristic in a medium-infrared wavelength band;
Forming a cladding layer on the core layer;
Bonding the cladding layer to a second substrate;
Separating the first substrate by removing the sacrificial layer in a state where the cladding layer is bonded onto the second substrate; And
A first layer positioned directly on the cladding layer by partially etching the core layer after the first substrate is separated, and a second layer disposed on the cladding layer, the second layer being configured to constrain light in the infrared wavelength band, And forming an infrared optical waveguide.
상기 클래딩층은 중적외선 파장 대역에서 투명한 특성을 갖는 플루오르(F) 또는 이트륨(Y)을 포함하는 적외선 광 도파관의 제조 방법.
5. The method of claim 4,
Wherein the cladding layer comprises fluorine (F) or yttrium (Y) having a transparent characteristic in a medium-infrared wavelength band.
상기 클래딩층은 칼슘 플루오라이드(CaF2)로 이루어지는 적외선 광 도파관의 제조 방법.
6. The method of claim 5,
Wherein the cladding layer is made of calcium fluoride (CaF 2 ).
상기 클래딩층을 형성하는 단계는, 상기 클래딩층의 밀도를 높이고 중적외선 파장 대역을 흡수하는 수분의 함유량을 감소시키기 위해, 상기 제1 기판을 100℃ 이상의 온도로 가열하면서 상기 클래딩층을 증착하는 단계를 포함하는 적외선 광 도파관의 제조 방법.
5. The method of claim 4,
The step of forming the cladding layer may include a step of depositing the cladding layer while heating the first substrate to a temperature of 100 ° C or more in order to increase the density of the cladding layer and decrease the content of moisture absorbing the mid- Wherein the optical waveguide is made of a metal.
상기 제1 기판 및 상기 제1 기판상에 위치하는 희생층을 제공하는 단계는,
상기 제1 기판상에 에피택시 성장 방식으로 상기 희생층을 형성하는 단계; 및
상기 희생층상에 에피택시 성장 방식으로 에치스탑층을 형성하는 단계를 포함하며,
상기 제1 기판, 상기 희생층 및 상기 에치스탑층은 III-V족 화합물로 이루어지는 적외선 광 도파관의 제조 방법.
5. The method of claim 4,
Wherein providing the sacrificial layer located on the first substrate and the first substrate comprises:
Forming the sacrificial layer on the first substrate in an epitaxial growth manner; And
Forming an etch stop layer on the sacrificial layer in an epitaxial growth manner,
Wherein the first substrate, the sacrificial layer, and the etch stop layer are made of a group III-V compound.
상기 제1 기판 및 상기 에치스탑층은 갈륨비소(GaAs)로 이루어지며,
상기 희생층인 알루미늄 갈륨 비소(Al(Ga)As)로 이루어지는 적외선 광 도파관의 제조 방법.
9. The method of claim 8,
Wherein the first substrate and the etch stop layer are made of gallium arsenide (GaAs)
(Al (Ga) As) as the sacrificial layer.
상기 제1 기판은 실리콘(Si)으로 이루어지며,
상기 희생층은 상기 제1 기판에 매립된 산화물 층으로서 실리콘 산화물(SiO2)로 이루어지는 적외선 광 도파관의 제조 방법.5. The method of claim 4,
Wherein the first substrate is made of silicon (Si)
The sacrificial layer is produced in the infrared optical waveguide made of a silicon oxide (SiO 2) as an oxide layer buried in the first substrate.
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