KR20190009515A - 반도체 장치 - Google Patents

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KR20190009515A
KR20190009515A KR1020170091348A KR20170091348A KR20190009515A KR 20190009515 A KR20190009515 A KR 20190009515A KR 1020170091348 A KR1020170091348 A KR 1020170091348A KR 20170091348 A KR20170091348 A KR 20170091348A KR 20190009515 A KR20190009515 A KR 20190009515A
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지호철
조근영
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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 장치는, 제1 기판, 및 상기 제1 기판 상에 형성되는 도파로를 갖는 제1 소자, 및 제2 기판, 상기 제2 기판의 상면 일측에 배치되는 광 섬유, 상기 광 섬유의 일단에 인접하도록 상기 제2 기판의 상면에 형성되는 리플렉터, 상기 리플렉터의 하부에 위치하도록 상기 제2 기판의 하면에 형성되는 렌즈를 갖고, 상기 제1 소자의 상부에 배치되는 제2 소자를 포함한다.

Description

반도체 장치{SEMICONDUCTOR DEVICE}
본 발명은 반도체 장치에 관한 것이다.
전자 장치에서 대용량의 데이터에 대한 고속 송수신에 대한 요구가 점점 늘어나면서, 기존의 금속 배선을 통한 신호 전달을, 광 신호를 이용한 방식으로 대체하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 광 신호를 이용한 신호 전달 방식에서는 빛을 생성하는 광원과 빛의 진행 경로를 제공하는 도파로 및 서로 다른 장치들 사이에서 빛을 주고 받을 수 있는 광 섬유 등의 구성 요소들이 필요하다. 각 구성 요소들 사이에서 빛을 정확히 전달하기 위해, 구성 요소들을 정확히 정렬하고 정렬 상태를 효과적으로 테스트하기 위한 기술이 필요하다.
본 발명의 기술적 사상이 이루고자 하는 과제 중 하나는, 구성 요소들 간에 정확한 정렬이 가능하고, 효율적으로 테스트를 진행할 수 있는 반도체 장치를 제공하고자 하는 데에 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 장치는, 제1 기판, 상기 제1 기판의 내부에 배치되는 도파로를 갖는 제1 소자, 및 제2 기판, 상기 제2 기판의 상면 일측에 배치되는 광 섬유, 상기 광 섬유의 일단에 인접하도록 상기 제2 기판의 상면에 형성되는 리플렉터, 상기 리플렉터의 하부에 위치하도록 상기 제2 기판의 하면에 형성되는 렌즈를 갖고, 상기 제1 소자의 상부에 배치되는 제2 소자를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 장치는, 빛을 출력하는 광원, 광원이 출력하는 빛을 이용하여 광 신호를 생성하는 광 변조기, 상기 광 변조기에 연결되어 상기 광 신호의 진행 경로를 제공하는 도파로, 상기 광 신호를 출력하는 광 섬유, 및 상기 도파로를 따라 진행한 상기 광 신호를 반사시켜 상기 광 섬유에 입사시키는 리플렉터를 포함하며, 상기 광 변조기 및 상기 도파로는 제1 기판에 배치되고, 상기 광 섬유와 상기 리플렉터는 상기 제1 기판과 다른 제2 기판에 배치된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 장치는, 광 신호를 수신하는 광 섬유, 상기 광 섬유를 따라 진행한 상기 광 신호를 반사시키는 리플렉터, 상기 리플렉터가 반사시킨 상기 광 신호를 수신하며, 상기 광 신호의 진행 경로를 제공하는 도파로, 및 상기 도파로에 연결되며, 상기 광 신호를 전기 신호로 변환하는 광 검출기를 포함하며, 상기 광 검출기 및 상기 도파로는 제1 기판에 배치되고, 상기 광 섬유와 상기 리플렉터는 상기 제1 기판과 다른 제2 기판에 배치된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 광 신호 전달을 위한 반도체 장치에 있어서 광 섬유와 도파로를 서로 다른 기판에 배치하고, 광 섬유에 인접하도록 리플렉터를 형성할 수 있다. 따라서, 광 섬유와 도파로가 각각 형성된 기판을 정렬 구조체를 맞춰 결합하는 것만으로 광 섬유와 도파로를 커플링할 수 있으며, 정렬 및 테스트 공정의 비용을 절감할 수 있다. 또한, 반도체 장치에 다른 여러 구성 요소들을 용이하게 부가함으로써 확장성을 개선할 수 있다.
본 발명의 다양하면서도 유익한 장점과 효과는 상술한 내용에 한정되지 않으며, 본 발명의 구체적인 실시 형태를 설명하는 과정에서 보다 쉽게 이해될 수 있을 것이다.
도 1a 및 도 1b는 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 장치를 간단하게 나타낸 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 장치를 간단하게 나타낸 사시도이다.
도 3 내지 도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 장치를 나타낸 도면들이다.
도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 장치를 간단하게 나타낸 사시도이다.
도 17 내지 도 22는 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 장치를 나타낸 도면들이다.
도 23은 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 장치를 포함하는 전자 기기를 나타낸 블록도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 형태들을 다음과 같이 설명한다.
도 1a 및 도 1b는 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 장치를 간단하게 나타낸 블록도이다.
먼저 도 1a를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 장치(1A)는 빛을 반사시키는 리플렉터(2, 4)와 광 변조기(3), 및 광 섬유(5) 등을 포함할 수 있다. 빛이 리플렉터(2, 4)와 광 변조기(3)를 거쳐 광 섬유(5)에 전달되는 경로에는 도파로(waveguide)가 마련될 수 있다. 즉, 빛은 도파로를 통해 리플렉터(2, 4) 및 광 변조기(3)를 거쳐서 광 섬유(5)로 입사될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 리플렉터(2, 4) 및 광 섬유(5)는, 광 변조기(3)와 서로 다른 기판에 마련될 수 있다. 광 변조기(3)를 제1 기판에 형성하고, 제1 기판과 다른 제2 기판에 리플렉터(2, 4) 및 광 섬유(5)를 형성한 후, 제1 기판과 제2 기판 각각에 마련된 정렬 키(aligh key)를 이용하여 제1 기판과 제2 기판을 결합함으로써, 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 장치(1A)가 제조될 수 있다. 정렬 키를 이용하여 제1 기판과 제2 기판을 결합하는 과정에서 제1 기판과 제2 기판 각각에 형성된 빛의 진행 경로가 정렬될 수 있다.
빛은 레이저 다이오드, LED 등의 광원에서 생성될 수 있으며, 리플렉터(2)에 의해 반사되어 광 변조기(3)로 입사될 수 있다. 광 변조기(3)는 소정의 전기 신호를 입력받아 전기 신호를 광 신호로 변환하는 소자로서, 빛의 외부로부터 전기 신호를 입력받기 위한 패드들과 연결될 수 있다. 상기 패드들을 통해 입력되는 전기 신호에 기초하여, 광 변조기(3)는 빛의 위상, 세기 등을 변경할 수 있다.
광 변조기(3)는 전계 흡수형 변조기, 또는 간섭형 변조기일 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서 광 변조기(3)는 리플렉터(2)를 통해 입력받은 빛을 2개의 경로로 분리하고 그 중 적어도 하나의 경로에서 빛의 위상을 변조하며, 위상이 변조된 빛과 위상이 그대로 유지된 빛 사이의 상쇄 및 보강 간섭을 이용하여 빛을 변조하는 마흐-젠더(Mach-Zehnder) 간섭계형 변조기일 수 있다. 물론, 본 발명의 다양한 실시예들에 따라, 광 변조기(3)가 다른 형태의 간섭형 변조기 또는 전계 흡수형 변조기로도 구현될 수 있음은 물론이다.
광 변조기(3)에 입력되는 전기 신호를 반영하여 변조된 빛은 리플렉터(4)에 의해 반사되어 광 섬유(5)로 입사될 수 있다. 광 섬유(5)로 입사된 빛은 반도체 장치(1A)의 외부로 출력될 수 있다. 즉, 도 1a에 도시한 일 실시예에 따른 반도체 장치(1A)는, 광 변조기(3)에 입력되는 전기 신호에 따라 빛을 변조하여 광 신호를 생성하고, 상기 광 신호를 광 섬유(5)를 통해 출력하는 광 신호 송신 장치일 수 있다.
다음으로 도 1b를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 장치(1B)는, 광 섬유(6)를 통해 입력되는 광 신호를 리플렉터(7)가 반사시켜 광 검출기(8)에 전달하는 광 신호 수신 장치일 수 있다. 일 실시예에서, 광 신호가 광 섬유(6)를 통해 입사된 후 리플렉터(7)를 거쳐 광 검출기(8)에 전달되는 경로에는 도파로가 마련될 수 있다.
또한, 일 실시예에서, 광 섬유(6) 및 리플렉터(7)는 광 검출기(8)와 서로 다른 기판에 마련될 수 있다. 일 실시예에서, 광 검출기(8)를 제1 기판에 형성하고, 제1 기판과 다른 제2 기판에 광 섬유(6) 및 리플렉터(7)를 형성한 후, 제1 기판과 제2 기판 각각에 마련된 정렬 키(aligh key)를 이용하여 제1 기판과 제2 기판을 결합함으로써, 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 장치(1B)가 제조될 수 있다. 정렬 키를 이용하여 제1 기판과 제2 기판을 결합하는 과정에서 제1 기판과 제2 기판 각각에 형성된 빛의 진행 경로가 정렬될 수 있다.
광 검출기(8)는 포토 디텍터(Photo Detector)와 같이 광 신호를 전기 신호로 변환하는 광전 소자를 적어도 하나 이상 포함할 수 있다. 한편, 광 검출기(8)는 광 신호를 변환하여 생성한 전기 신호를 출력할 수 있는 패드들에 연결될 수 있다. 일 실시예에서, 광 검출기(8)가 광 신호를 변환하여 생성한 전기 신호는, 광 변조기(3)에 입력되는 전기 신호에 대응하는 신호일 수 있다. 따라서, 도 1a에 도시한 일 실시예에 따른 반도체 장치(1A)를 전기 신호의 송신 측에 제공하고, 도 1b에 도시한 일 실시예에 따른 반도체 장치(1B)를 전기 신호의 수신 측에 제공함으로써, 송신 모듈과 수신 모듈 사이에서 광 배선을 이용한 통신을 구현할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 장치를 간단하게 나타낸 사시도이다.
도 2에 도시한 일 실시예에 따른 반도체 장치(10)는, 전기 신호를 광 신호로 변환하여 출력하는 광 신호 송신 장치일 수 있다. 도 2를 참조하면, 광 신호를 송신하는 반도체 장치(10)는 광원(11), 광 변조기(13), 파장 분할 다중(Wavelength Division Multiplexing, WDM) 소자(14), 및 광 섬유(15) 등을 포함할 수 있다. 광원(11), 광 변조기(13), 파장 분할 다중 소자(14) 및 광 섬유(15) 사이에는 빛의 진행 경로로서 도파로(12)가 제공될 수 있다. 일 실시예에서, 광원(11), 도파로(12), 광 변조기(13), 파장 분할 다중 소자(14) 및 광 섬유(15) 중 적어도 일부는 기판(16) 상에 형성되는 절연층에 의해 매립될 수 있다.
도 2를 참조하면, 광원(11)에서 생성된 빛은 도파로(12)를 통해 광 변조기(13)에 전달될 수 있다. 일 실시예에서, 광원(11)은 서로 다른 파장의 빛을 생성하는 복수의 광원들을 포함할 수 있다. 복수의 광원들 각각에서 생성된 빛은 서로 다른 도파로(12)를 통해 광 변조기(13)로 전달될 수 있다.
광 변조기(13) 역시 서로 다른 파장의 빛을 변조하기 위한 복수의 광 변조기들을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 광원(11)에 포함되는 광원들의 개수는, 광 변조기(13)에 포함되는 광 변조기들의 개수와 같을 수 있다. 광 변조기들은 광 변조기(13)와 전기적으로 연결된 패드(13A)를 통해 입력되는 전기 신호에 기초하여, 광원(11)이 생성한 빛의 위상, 세기 등을 변경함으로써 광 신호를 생성할 수 있다. 광 변조기들 각각이 생성한 광 신호는 파장 분할 다중 소자(14)로 입력될 수 있다.
파장 분할 다중 소자(14)는 서로 다른 파장 대역의 광 신호들을 입력받아 하나의 출력 광 신호(OL)를 생성할 수 있다. 즉, 파장 분할 다중 소자(14)는 일종의 멀티플렉서로서 기능할 수 있다. 파장 분할 다중 소자(14)에 의해 생성된 출력 광 신호(OL)는, 광 섬유(15)를 통해 출력될 수 있다. 일 실시예에서 광 섬유(15)는, 기판(16)에 형성된 V자 형태의 홈(groove)에 결합된 형태로 제공될 수 있다.
도 3 내지 도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 장치를 나타낸 도면들이다.
우선 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 장치(100)는 광원(110), 리플렉터(121, 122), 광 변조기(150) 및 광 섬유(160) 등을 포함할 수 있다. 광원(110)과 리플렉터(121, 122), 광 변조기(150) 및 광 섬유(160) 사이에는 도파로(141-143)가 형성되어 빛의 진행 경로를 제공할 수 있다. 광원(110)은 서로 다른 파장의 빛을 내는 제1 내지 제4 광원들(111-114)을 포함할 수 있으며, 광 변조기(150)는 서로 다른 파장의 빛의 세기, 위상 등을 변경하여 광 신호를 생성하는 제1 내지 제4 광 변조기들(151-154)을 포함할 수 있다. 광원들(111-114)의 개수와 광 변조기들(151-154)의 개수는 실시예에 따라 다양하게 변형될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 제1 내지 제4 광원들(111-114) 각각에서 생성된 빛은 제1 내지 제4 광 변조기들(151-154) 각각이 광 신호를 생성하는 데에 이용될 수 있다. 제1 내지 제4 광 변조기들(151-154) 각각은 외부로부터 전기 신호를 수신하고, 상기 전기 신호에 기초하여 제1 내지 제4 광 신호들(OL1-OL4)을 생성할 수 있다. 제1 내지 제4 광 신호들(OL1-OL4)은 서로 다른 데이터, 정보 들을 전송할 수 있으며, 광 섬유(160)를 통해 외부로 출력될 수 있다. 광 섬유(160)는 병렬 배치되는 복수의 광 섬유들을 포함할 수 있으며, 제1 내지 제4 광 신호들(OL1-OL4)는 서로 간섭 및 중첩없이 복수의 광 섬유들을 통해 출력될 수 있다.
도 3에 도시한 실시예에서, 해칭으로 표시된 일부 구성 요소들(110, 142, 143, 160)은, 해칭으로 표시되지 않은 나머지 구성 요소들(131, 141, 150)과 서로 다른 기판에 형성될 수 있다. 일 실시예에서, 해칭으로 표시된 도파로(142, 143)가 제공하는 빛의 진행 경로는, 해칭으로 표시되지 않은 도파로(141)가 진행하는 빛의 진행 경로와 리플렉터(121, 122) 및 격자 커플러(131, 132)에 의해 커플링될 수 있다. 이하, 도 4를 함께 참조하여 설명하기로 한다.
도 4는 반도체 장치(100)의 수직 구조를 설명하기 위해 제공되는 도면일 수 있다. 일 실시예에서 도 4는, 제2 광원(112)와 제2 광 변조 소자(152)를 지나는 방향에서 반도체 장치(100)의 수직 구조를 나타낸 도면일 수 있다.
도 4를 참조하면, 반도체 장치(100)는 제1 소자(E1)와 제2 소자(E2)를 포함할 수 있으며, 제1 소자(E1)의 상부에 제2 소자(E2)가 배치될 수 있다. 제1 소자(E1)는 제1 기판(101) 및 제1 기판(101) 상에 형성되는 하부 도파로(141)를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 하부 도파로(141)는 절연층(105)에 매립될 수 있다. 하부 도파로(141)의 양단에는 제1 격자 커플러(131)와 및 제2 격자 커플러(132)가 마련될 수 있다.
제2 소자(E2)는 제2 기판(102), 제2 기판(102) 상에 형성되는 제2 광원(112)와 광 섬유(160), 및 광원(110)과 광 섬유(160)에 인접하여 형성되는 리플렉터(121, 122)를 포함할 수 있다. 제2 광원(112)는 플립칩 본딩 등의 방식으로 제2 기판(102)과 결합될 수 있다. 제2 광원(112)에서 생성된 빛은, 제1 상부 도파로(142)를 통해 제1 리플렉터(121)에서 반사되어 제1 격자 커플러(131)로 입사될 수 있다.
제1 리플렉터(121)는 제1 격자 커플러(131) 상부에 형성될 수 있다. 제1 리플렉터(121)는, 제2 기판(102) 내부에 상부 도파로(142, 143)를 형성하고, 제2 기판(102)의 상면으로부터 일부 영역을 V자 형태의 홈으로 제거함으로써 형성될 수 있다. 따라서 경우에 따라, 도 4에 도시한 바와 같이 제1 리플렉터(121)와 제2 리플렉터(122) 사이에도 상부 도파로가 잔존하여 존재할 수 있다.
일 실시예에서, 제1 리플렉터(121)에서 반사된 빛이 제1 격자 커플러(131)에 효과적으로 입사될 수 있도록, 제2 기판(102)의 하면에는 렌즈(170)가 형성될 수 있다. 렌즈(170)는 볼록 렌즈일 수 있으며, 제1 리플렉터(121)와 제1 격자 커플러(131) 사이에 마련될 수 있다.
제1 격자 커플러(131)에 입사된 빛은 하부 도파로(141)를 통해 진행하여 제2 광 변조 소자(152)에 전달될 수 있다. 제2 광 변조 소자(152)는 빛의 위상, 세기 등을 변조하여 제2 광 신호(OL2)를 생성할 수 있다. 제2 광 신호(OL2)는 제2 격자 커플러(132)를 통해 하부 도파로(141)의 외부로 출력되며, 제2 리플렉터(122)에 의해 반사된 후 제2 상부 도파로(143)를 통해 광 섬유(160)로 입사될 수 있다. 제2 광 신호(OL2)의 진행 경로를 확보하기 위해, 제2 리플렉터(122)는 제2 격자 커플러(132)의 상부에 배치될 수 있다.
도 4를 참조하면, 제1 기판(101)의 상면에는 제1 정렬 구조체(101A)가 마련되며, 제2 기판(102)의 하면에는 제2 정렬 구조체(102A)가 마련될 수 있다. 제1 정렬 구조체(101A)와 제2 정렬 구조체(102A)를 정렬시킨 상태에서 제1 소자(E1)와 제2 소자(E2)를 결합함으로써, 제1 소자(E1)와 제2 소자(E2) 사이에서 빛의 전달 경로를 정확하게 정렬시킬 수 있다.
즉, 본 발명의 일 실시예에서는, 별도로 마련되는 제1 기판(101)과 제2 기판(102) 각각에, 광 전송 장치를 구현하는 데에 필요한 구성 요소들 일부를 나눠서 배치함으로써 제1 소자(E1)와 제2 소자(E2)를 형성하고, 제1 소자(E1)와 제2 소자(E2)를 결합하여 광 전송 장치를 제조할 수 있다. 제1 소자(E1)와 제2 소자(E2) 각각에 마련된 정렬 구조체들(101A, 102A)를 이용하여 정렬 공정을 진행함으로써, 정렬 공정에 필요한 시간/비용을 절감하고, 정렬 상태를 검사하는 테스트 공정을 간소화할 수 있다.
제1 기판(101)과 제2 기판(102)의 두께 및 렌즈(170)의 형상 등은, 제1 소자(E1)와 제2 소자(E2) 사이의 초점 거리에 따라 결정될 수 있다. 제1 기판(101)과 제2 기판(102)의 두께 및 렌즈(170)의 형상 조절만으로 정확한 초점 거리를 확보하기가 어려운 경우, 제1 소자(E1)와 제2 소자(E2) 사이에 별도의 소자를 추가로 삽입할 수 있다. 이하, 도 5를 참조하여 설명하기로 한다.
다음으로 도 5를 참조하면, 반도체 장치(100A)는 제1 소자(E1)와 제2 소자(E2) 사이에 배치되는 제3 소자(E3)를 더 포함할 수 있다. 제3 소자(E3)는 제1 소자(E1)와 제2 소자(E2) 사이에서 제공되는 초점 거리가 충분하지 않을 때에 추가로 배치되는 소자일 수 있다. 제3 소자(E3)는 제3 기판(103) 및 제3 기판(103)의 상면과 하면에 각각 형성되는 상부 렌즈(181)와 하부 렌즈(182) 등을 포함할 수 있다. 렌즈들(181, 182)은 제1 리플렉터(121)와 제1 격자 커플러(131) 사이 및 제2 리플렉터(122)와 제2 격자 커플러(132) 사이에 배치될 수 있다. 일 실시예에서, 제3 소자(E3)가 반도체 장치(100A)에 포함되는 경우, 제2 소자(E2)는 렌즈(170)를 포함하지 않을 수도 있다.
제3 기판(103)은 제1 기판(101) 및 제2 기판(102)과의 정렬에 필요한 제3 정렬 구조체들(103A1, 103A2)을 포함할 수 있다. 제3 정렬 구조체들(103A1, 103A2)은 제3 기판(103)의 상하면에 각각 형성되어 제1 정렬 구조체(101A) 및 제2 정렬 구조체(102A)와 정렬될 수 있다.
다음으로 도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 장치(200)는 광원(210), 리플렉터(221, 222), 광 분배기(245), 광 변조기(250), 및 광 섬유(260) 등을 포함할 수 있다. 상기 구성 요소들 사이에는 도파로(241-243)가 형성되어 빛의 진행 경로를 제공할 수 있다. 도 3 내지 도 5에 도시한 일 실시예에 따른 반도체 장치들(100, 100A)과 달리, 도 6에 도시한 일 실시예에 따른 반도체 장치(200)는 하나의 광원(210)을 포함할 수 있다. 광원(210)이 출력한 빛은 광 분배기(245)에 의해 서로 다른 파장을 갖는 빛으로 분배되어 제1 내지 제4 광 변조기들(251-254)에 전달될 수 있다.
도 6을 참조하면, 하부 도파로(241)가 제공하는 빛의 진행 경로가 광 분배기(245)를 기준으로 단수에서 복수로 바뀔 수 있다. 도 6에 도시한 일 실시예에서 광 분배기(245)는 광원(210)이 생성한 빛을 서로 다른 파장을 갖는 4 종류의 빛으로 분배할 수 있다. 광 분배기(245)가 출력한 서로 다른 파장을 갖는 빛은, 제1 내지 제4 광 변조기들(251, 254) 각각에 전달될 수 있다. 제1 내지 제4 광 변조기들(251-254) 각각은 입력받은 빛의 세기, 위상 등을 변경하여 제1 내지 제4 광 신호들(OL1-OL4)을 생성할 수 있다. 제1 내지 제4 광 신호들(OL1-OL4)는 서로 간섭 및 중첩없이 복수의 광 섬유들을 통해 출력될 수 있다.
도 6에 도시한 실시예에서, 해칭으로 표시된 일부 구성 요소들(210, 221, 222, 242, 243, 260)은, 해칭으로 표시되지 않은 나머지 구성 요소들(231, 232, 241, 245, 250)과 서로 다른 기판에 형성될 수 있다. 이하, 도 7을 함께 참조하여 설명하기로 한다.
도 7은 반도체 장치(200)의 수직 구조를 설명하기 위해 제공되는 도면일 수 있다. 일 실시예에서 도 7는, 제1 광 신호(OL1)의 진행 경로를 따라 반도체 장치(200)의 수직 구조를 나타낸 도면일 수 있다.
도 7을 참조하면, 반도체 장치(200)는 제1 소자(E1)와 제2 소자(E2)를 포함할 수 있으며, 제1 소자(E1)의 상부에 제2 소자(E2)가 배치될 수 있다. 제1 소자(E1)는 제1 기판(201), 제1 기판(201) 상에 형성되는 하부 도파로(241) 및 하부 도파로(241)를 매립하는 절연층(205) 등을 포함할 수 있다. 하부 도파로(241)의 양단에는 제1 격자 커플러(231)와 및 제2 격자 커플러(232)가 마련될 수 있다.
제2 소자(E2)는 제2 기판(202), 제2 기판(202) 상에 형성되는 광원(210)과 광 섬유(160), 및 광원(210)과 광 섬유(260)에 인접하여 형성되는 리플렉터(221, 222)를 포함할 수 있다. 광원(210)에서 생성된 빛은, 제1 상부 도파로(242)로 진행한 후, 제1 리플렉터(221)에서 반사되어 제1 격자 커플러(231)를 통해 하부 도파로(241)에 입사될 수 있다. 일 실시예에서, 제2 기판(202)의 하면에는 제1 리플렉터(221)와 제1 격자 커플러(231) 사이에 배치되는 렌즈(270)가 형성될 수 있다.
하부 도파로(241)를 통해 진행한 빛은 광 분배기(245)에 의해 복수의 파장 대역으로 분배될 수 있다. 제1 광 변조 소자(251)는 제1 파장 대역으로 분배된 빛을 전달받아 제1 광 신호(OL1)를 생성할 수 있다. 제1 광 신호(OL1)는 제2 격자 커플러(232)를 통해 하부 도파로(241)의 외부로 출력되며, 제2 리플렉터(222)에 의해 반사되어 제2 상부 도파로(243)를 통해 광 섬유(260)로 입사될 수 있다.
도 7을 참조하면, 제1 기판(201)의 상면에는 제1 정렬 구조체(201A)가 마련되며, 제2 기판(202)의 하면에는 제2 정렬 구조체(202A)가 마련될 수 있다. 제1 정렬 구조체(201A)와 제2 정렬 구조체(202A)를 정렬시킨 상태에서 제1 소자(E1)와 제2 소자(E2)를 결합함으로써, 제1 소자(E1)와 제2 소자(E2) 사이에서 빛의 전달 경로를 정확하게 정렬시킬 수 있다.
다음으로 도 8을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 장치(300)는 광원(310), 리플렉터(321, 322), 광 변조기(250), 광 섬유(260), 및 파장 분할 다중 소자(380) 등을 포함할 수 있다. 상기 구성 요소들 사이에는 도파로(341-343)가 형성되어 빛의 진행 경로를 제공할 수 있다. 도 8에 도시한 일 실시예에 따른 반도체 장치(300)는 서로 다른 파장의 빛을 출력하는 복수의 광원들(311-314)을 포함할 수 있다. 일례로 광원(310)은 제1 내지 제4 광원들(311-314)을 포함할 수 있으며, 제1 내지 제4 광원들(311-314) 각각에서 생성된 빛은 제1 내지 제4 광 변조기들(251-254)에 전달될 수 있다.
제1 내지 제4 광 변조기들(251-254) 각각으로부터 생성된 제1 내지 제4 광 신호들(OL1-OL4)은 서로 다른 파장을 가질 수 있다. 파장 분할 다중 소자(380)는 제1 내지 제4 광 신호들(OL1-OL4)을 이용하여 출력 광 신호(OL)를 생성할 수 있다. 일 실시예에서, 파장 분할 다중 소자(380)는 일종의 멀티플렉서로서 기능할 수 있다.
도 9는 반도체 장치(300)의 수직 구조를 설명하기 위해 제공되는 도면일 수 있다. 일 실시예에서 도 9는, 제3 광 신호(OL3)의 진행 경로를 따라 반도체 장치(300)의 수직 구조를 나타낸 도면일 수 있다.
도 9를 참조하면, 반도체 장치(300)는 제1 소자(E1)와 제2 소자(E2)를 포함할 수 있으며, 제1 소자(E1)의 상부에 제2 소자(E2)가 배치될 수 있다. 제1 소자(E1)는 제1 기판(301), 제1 기판(301) 상에 형성되는 하부 도파로(341), 파장 분할 다중 소자(380), 및 절연층(305) 등을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 하부 도파로(341)와 파장 분할 다중 소자(380)는 절연층(305)에 매립될 수 있다.
도 9에 도시한 일 실시예에서, 제3 광원(313)가 생성한 빛은 제3 파장 대역의 빛일 수 있다. 상기 제3 파장 대역의 빛은 제3 광 변조 소자(353)에 의해 제3 광 신호(OL3)로 변조되며, 제3 광 신호(OL3)는 파장 분할 다중 소자(380)로 전달될 수 있다. 파장 분할 다중 소자(380)는 제3 광 신호(OL3)를 다른 광 신호들(OL1, OL2, OL4)과 결합하여 출력 광 신호(OL)를 생성할 수 있다. 출력 광 신호(OL)는 광 섬유(360)를 통해 외부로 출력될 수 있다.
다음으로 도 10 및 도 11을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 장치(400)는 광원(410), 리플렉터(421, 422), 광 변조기(450), 광 섬유(460), 및 파장 분할 다중 소자(480) 등을 포함할 수 있다. 상기 구성 요소들 사이에는 도파로(441-444)가 형성되어 빛의 진행 경로를 제공할 수 있다. 도 10 및 도 11에 도시한 일 실시예에 따른 반도체 장치(400)는 서로 다른 파장의 빛을 출력하는 복수의 광원들(411-414)을 포함할 수 있다. 일례로 광원(310)은 제1 내지 제4 광원들(411-414)을 포함할 수 있으며, 제1 내지 제4 광원들(411-414) 각각에서 생성된 빛은 제1 내지 제4 광 변조기들(451-454)에 전달될 수 있다.
제1 내지 제4 광 변조기들(451-454) 각각으로부터 생성된 제1 내지 제4 광 신호들(OL1-OL4)은 서로 다른 파장을 가질 수 있다. 파장 분할 다중 소자(480)는 제1 내지 제4 광 신호들(OL1-OL4)을 이용하여 출력 광 신호(OL)를 생성하는 멀티플렉서로 기능할 수 있다.
도 11은, 제1 광 신호(OL1)의 진행 경로를 따라 반도체 장치(400)의 수직 구조를 나타낸 도면일 수 있다. 도 11을 참조하면, 반도체 장치(400)는 제1 소자(E1)와 제2 소자(E2)를 포함할 수 있으며, 제1 소자(E1)의 상부에 제2 소자(E2)가 배치될 수 있다. 제1 소자(E1)는 제1 기판(301), 제1 기판(401) 상에 형성되는 하부 도파로(441), 및 절연층(405) 등을 포함할 수 있다.
도 11에 도시한 일 실시예에서, 파장 분할 다중 소자(380)는 제2 기판(402) 내에 형성될 수 있다. 제1 광 변조 소자(451)가 생성한 제1 광 신호(OL1)는, 제2 격자 커플러(432), 제2 리플렉터(422) 등을 거쳐서 파장 분할 다중 소자(380)로 전달될 수 있다. 파장 분할 다중 소자(380)는 제1 광 신호(OL1)를 다른 광 신호들(OL2-OL4)과 결합하여 출력 광 신호(OL)를 생성할 수 있다.
도 12 및 도 13을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 장치(500)는 광원(510), 리플렉터(521), 광 변조기(550), 광 섬유(560), 및 파장 분할 다중 소자(580) 등을 포함할 수 있다. 도 12 및 도 13에 도시한 일 실시예에서는, 파장 다중 분할 소자(580)와 광 섬유(560)를 제외한 광원(510), 광 변조기(550) 등의 구성 요소들이 모두 제1 소자(E1)에 포함될 수 있다.
광원(510)에 포함되는 제1 내지 제4 광원들(511-514)은 제1 격자 커플러(531)를 통해 하부 도파로(541)와 커플링될 수 있다. 반도체 장치(500)의 수직 구조를 나타낸 도 13을 참조하면, 제1 광원(511)와 하부 도파로(541)는 모두 제1 기판(501) 상에 형성된 절연층(505) 내에 매립될 수 있다. 한편, 도 13에 도시한 일 실시예와 달리, 제1 내지 제4 광원들(511-514)이 측면으로 빛을 출력하는 경우, 제1 내지 제4 광원들(511-514)은 하부 도파로(541)와 제1 격자 커플러(531) 없이 커플링될 수도 있다.
도 13 및 도 14를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 장치(600)는 광원(610), 리플렉터(621), 광 변조기(650), 광 섬유(660), 및 파장 분할 다중 소자(680) 등을 포함할 수 있다. 도 13 및 도 14에 도시한 일 실시예에서는, 광 섬유(660)와 일부 도파로(642)를 제외한 광원(610), 광 변조기(650), 파장 분할 다중 소자(680) 등의 구성 요소들이 모두 제1 소자(E1)에 포함될 수 있다. 도 14에 도시한 바와 같이, 제1 내지 제4 광원들(611-614)은 제1 격자 커플러(631)를 통해 하부 도파로(641)와 커플링될 수 있다. 한편, 도 14에 도시한 일 실시예와 달리, 제1 내지 제4 광원들(611-614)이 측면으로 빛을 출력하는 경우, 제1 내지 제4 광원들(611-614)은 하부 도파로(641)와 제1 격자 커플러(631) 없이 커플링될 수도 있다.
한편, 도 6 내지 도 15를 참조하여 설명한 실시예들에 따른 반도체 장치들(200-600)에도 도 5에 도시한 일 실시예에 따른 제3 소자(E3)가 적용될 수 있다. 즉, 도 6 내지 도 15에 도시한 실시예들에 따른 반도체 장치들(200-600)에서 초점 거리에 따른 광 신호 전달의 문제가 우려될 경우, 제1 소자(E1)와 제2 소자(E2) 사이에 제3 소자(E3)가 배치될 수 있다.
도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 장치를 간단하게 나타낸 사시도이다.
도 16에 도시한 일 실시예에 따른 반도체 장치(20)는, 광 신호를 수신하여 전기 신호로 변환하는 광 신호 수신 장치일 수 있다. 도 16을 도시한 일 실시예에 따른 반도체 장치(20)는 광 검출기(21), 파장 분할 다중 소자(23), 및 광 섬유(24) 등을 포함할 수 있다. 상기 구성 요소들 사이에는 빛의 진행 경로로서 도파로(22)가 제공될 수 있다. 일 실시예에서, 광 검출기(21), 도파로(22), 파장 분할 다중 소자(23) 및 광 섬유(24) 중 적어도 일부는 기판(25) 상에 형성되는 절연층에 의해 매립될 수 있다.
광 섬유(24)를 통해 수신한 광 신호는 파장 분할 다중 소자(23)에 의해 서로 다른 파장을 갖는 복수의 광 신호들로 분배될 수 있다. 서로 다른 파장을 갖는 광 신호들은 서로 다른 도파로(22)를 통해 광 검출기(21)로 전달되며, 광 검출기(21)는 광 신호들 각각을 전기 신호로 변환할 수 있다. 광 검출기(21)가 생성한 전기 신호는 패드들(21A)를 통해 외부로 출력될 수 있다. 일 실시예에서, 패드들(21A)은 전기 신호를 수신하여 특정 동작을 수행하는 집적회로 칩 등과 연결될 수 있다.
도 17 내지 도 22는 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 장치를 나타낸 도면들이다.
우선 도 17을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 장치(700)는 광 검출기(710), 리플렉터(721), 및 광 섬유(760) 등을 포함할 수 있다. 광 검출기(710)와 리플렉터(721), 및 광 섬유(760) 사이에는 도파로(741, 742)가 형성되어 광 신호들(IL1-IL4)의 진행 경로를 제공할 수 있다. 광 검출기(710)는 서로 다른 파장을 갖는 제1 내지 제4 광 신호들(IL1-IL4) 각각을 수신하여 전기 신호로 변환하는 제1 내지 제4 광 검출기들(711-714)을 포함할 수 있다. 제1 내지 제4 광 검출기들(711-714)에 의해 생성되는 전기 신호는 서로 다를 수 있다.
도 18은 제1 광 신호(IL1)의 진행 경로를 따라 반도체 장치(700)의 수직 구조를 나타낸 도면일 수 있다. 도 18을 참조하면, 반도체 장치(700)는 제1 소자(E1) 및 제1 소자(E1)의 상부에 적층되는 제2 소자(E2)를 포함할 수 있다. 제1 소자(E1)는 제1 기판(701), 하부 도파로(741), 제1 광 검출기(711), 및 하부 도파로(741)와 제1 광 검출기(711)를 매립하는 절연층(705) 등을 포함할 수 있다. 하부 도파로(741)의 일측에는 격자 커플러(731)가 형성될 수 있다.
제2 소자(E2)는 제2 기판(702), 광 섬유(760) 및 리플렉터(722) 등을 포함할 수 있다. 광 섬유(760)가 수신한 제1 광 신호(IL1)는 리플렉터(722)에 의해 반사되어 격자 커플러(731)를 통해 하부 도파로(741)로 진행할 수 있다. 이때, 리플렉터(722)가 반사시킨 제1 광 신호(IL1)가 격자 커플러(731)에 집광될 수 있도록, 제2 기판(702)의 하면에는 렌즈(77)가 형성될 수 있다.
도 18을 참조하면, 제1 기판(701)의 상면에는 제1 정렬 구조체(701A)가 마련되며, 제2 기판(702)의 하면에는 제2 정렬 구조체(702A)가 마련될 수 있다. 제1 정렬 구조체(701A)와 제2 정렬 구조체(702A)를 정렬시킨 상태에서 제1 소자(E1)와 제2 소자(E2)를 결합함으로써, 제1 소자(E1)와 제2 소자(E2) 사이에서 광 신호들(IL1-IL4)의 전달 경로를 정확하게 정렬시킬 수 있다.
다음으로 도 19 및 도 20을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 장치(800)는 광 검출기(810), 리플렉터(821), 광 섬유(860), 및 파장 다중 분할 소자(880) 등을 포함할 수 있다. 파장 다중 분할 소자(880)는 광 섬유(860)를 통해 전달받은 수신 광 신호(IL)를 여러 파장의 광 신호들(IL1-IL4)로 분배하여 광 검출기들(811-814) 각각에 전달할 수 있다. 제1 내지 제4 광 검출기들(811-814)은 서로 다른 파장을 갖는 제1 내지 제4 광 신호들(IL1-IL4)을 파장 다중 분할 소자(880)로부터 수신하여 전기 신호를 생성할 수 있다.
파장 다중 분할 소자(880)는 제1 소자(E1)에 형성될 수 있으며, 절연층(805) 내에 매립될 수 있다. 파장 다중 분할 소자(880)는 도파로(841)의 일측에 마련된 격자 커플러(831)를 통해 수신 광 신호(IL)를 입력받을 수 있다. 수신 광 신호(IL)를 파장에 따라 분배하여 제1 내지 제4 광 신호들(IL1-IL4)을 생성하므로, 파장 다중 분할 소자(880)는 디멀티플렉서로 기능할 수 있다.
도 21 및 도 22를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 장치(900)는 광 검출기(910), 리플렉터(921), 광 섬유(960), 및 파장 다중 분할 소자(980) 등을 포함할 수 있다. 도 19 및 도 20에 도시한 일 실시예와 달리, 도 21 및 도 22에 도시한 일 실시예에서는 파장 다중 분할 소자(980)가 제2 소자(E2)에 형성될 수 있다. 도 21 및 도 22를 참조하면, 제1 소자(E1)에 광 검출기(910), 및 격자 커플러(931)를 갖는 하부 도파로(941)가 형성될 수 있으며, 제2 소자(E2)에는 광 섬유(960), 상부 도파로(942), 및 파장 다중 분할 소자(980)가 형성될 수 있다. 파장 다중 분할 소자(980)는 수신 광 신호(IL)를 서로 다른 파장을 갖는 제1 내지 제4 광 신호들(IL1-IL4)로 분배할 수 있으며, 디멀티플렉서로 기능할 수 있다.
도 17 내지 도 22를 참조하여 설명한 반도체 장치들(700-900) 각각은 제1 소자(E1) 및 제2 소자(E2)를 포함하는 것으로 설명되었으나, 반드시 이와 같은 형태로 한정되는 것은 아니다. 즉, 도 17 내지 도 22에 도시한 실시예들에 따른 반도체 장치들(700-900)에서 초점 거리에 따른 광 신호(IL) 전달의 문제가 발생할 우려가 있는 경우, 제1 소자(E1)와 제2 소자(E2) 사이에 제3 소자가 추가될 수 있다. 이때, 제1 소자(E1)와 제2 소자(E2) 사이에 추가되는 제3 소자는 도 5에 도시한 일 실시예와 같이 렌즈를 포함할 수 있다.
도 23은 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 장치를 포함하는 전자 기기를 나타낸 블록도이다.
도 23을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전자 기기(1000)는, 디스플레이(1010), 메모리(1020), 통신 모듈(1030), 센서 모듈(1040), 및 프로세서(1050) 등을 포함할 수 있다. 전자 기기(1000)는 스마트폰, 태블릿 PC, 랩톱 컴퓨터 등의 모바일 기기 외에, 텔레비전, 데스크톱 컴퓨터 등을 포함할 수 있다. 디스플레이(1010), 메모리(1020), 통신 모듈(1030), 센서 모듈(1040) 및 프로세서(1050) 등의 구성 요소는 버스(1060)를 통해 서로 통신할 수 있다.
도 23에 도시한 일 실시예에 따른 전자 기기(1000)에 포함되는 구성 요소들은, 광 신호를 주고받음으로써 서로 통신할 수 있다. 이를 위해, 디스플레이(1010)의 구동 장치, 메모리(1020), 통신 모듈(1030), 센서 모듈(1040), 및 프로세서(1050) 각각에는 본 발명의 다양한 실시예들에 따른 반도체 장치들(10, 20, 100-900)이 포함될 수 있다.
본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니며 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 한다. 따라서, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능할 것이며, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다고 할 것이다.
10, 20, 100-900: 반도체 장치
110, 210, 310, 410, 510, 610: 광원
710, 810, 910: 광 검출기
141, 241, 341, 441, 541, 641, 741, 841, 941: 하부 도파로
150, 250, 350, 450, 550, 650: 광 변조기
160, 260, 360, 460, 560, 660, 760, 860, 960: 광 섬유
170, 270, 370, 470, 570, 670, 770, 870, 970: 렌즈
380, 480, 580, 680, 880, 980: 파장 다중 분할 소자
E1: 제1 소자
E2: 제2 소자

Claims (10)

  1. 제1 기판, 및 상기 제1 기판 상에 형성되는 도파로를 갖는 제1 소자; 및
    제2 기판, 상기 제2 기판의 상면 일측에 배치되는 광 섬유, 상기 광 섬유의 일단에 인접하도록 상기 제2 기판의 상면에 형성되는 리플렉터, 상기 리플렉터의 하부에 위치하도록 상기 제2 기판의 하면에 형성되는 렌즈를 갖고, 상기 제1 소자의 상부에 배치되는 제2 소자; 를 포함하는 반도체 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 소자 및 상기 제2 소자 중 적어도 하나는 광전(optoelectronic) 소자를 포함하는 반도체 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 소자는 서로 다른 파장 대역의 광 신호들에 대한 전송 경로를 제공하는 복수의 도파로들을 포함하는 반도체 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1 소자 및 상기 제2 소자 중 적어도 하나는, 상기 복수의 도파로들과 상기 광 섬유 사이에 연결되는 파장 다중 분할(Wavelength Division Multiplexing) 소자를 포함하는 반도체 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 광 섬유의 개수는, 상기 복수의 도파로들의 개수보다 적은 반도체 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 소자와 상기 제2 소자 사이에 배치되며, 제3 기판, 상기 제3 기판의 상면에 형성되는 상부 렌즈, 및 상기 제3 기판의 하면에 형성되는 하부 렌즈를 갖는 제3 소자; 를 더 포함하는 반도체 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 도파로는 상기 리플렉터의 하부에 위치하는 격자 커플러를 포함하는 반도체 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제1 소자는 상기 제1 기판의 상면에 형성되는 제1 정렬 구조체를 포함하며, 상기 제2 소자는 상기 제1 정렬 구조체에 대응하도록 상기 제2 기판의 하면에 형성되는 제2 정렬 구조체를 포함하는 반도체 장치.
  9. 빛을 출력하는 광원;
    광원이 출력하는 빛을 이용하여 광 신호를 생성하는 광 변조기;
    상기 광 변조기에 연결되어 상기 광 신호의 진행 경로를 제공하는 도파로;
    상기 광 신호를 출력하는 광 섬유; 및
    상기 도파로를 따라 진행한 상기 광 신호를 반사시켜 상기 광 섬유에 입사시키는 리플렉터; 를 포함하며,
    상기 광 변조기 및 상기 도파로는 제1 기판에 배치되고, 상기 광 섬유와 상기 리플렉터는 상기 제1 기판과 다른 제2 기판에 배치되는 반도체 장치.
  10. 광 신호를 수신하는 광 섬유;
    상기 광 섬유를 따라 진행한 상기 광 신호를 반사시키는 리플렉터;
    상기 리플렉터가 반사시킨 상기 광 신호를 수신하며, 상기 광 신호의 진행 경로를 제공하는 도파로; 및
    상기 도파로에 연결되며, 상기 광 신호를 전기 신호로 변환하는 광 검출기; 를 포함하며,
    상기 광 검출기 및 상기 도파로는 제1 기판에 배치되고, 상기 광 섬유와 상기 리플렉터는 상기 제1 기판과 다른 제2 기판에 배치되는 반도체 장치
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