KR20200010637A - Resonator and photocarrrier well integrated periodic bridge structure using periodic simultaneous variation of refractive index and strain and manufacturing method thereof - Google Patents

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Abstract

Disclosed are a resonator and charge restriction structure integrated periodic bridge structure using periodic simultaneous variation of a refractive index and a strain and a method for manufacturing the same. The resonator and charge restriction structure integrated periodic bridge structure according to one embodiment comprises a resonator having a bridge structure with periodicity configured through patterning on a thin film grown on a substrate; and a charge restriction structure simultaneously coupled with the resonator, wherein a strain is applied to the charge restriction structure.

Description

굴절률 및 스트레인의 주기적 동시변화를 이용한 공진기와 전하구속 구조 일체형 주기성 다리 구조 및 그 제조 방법{RESONATOR AND PHOTOCARRRIER WELL INTEGRATED PERIODIC BRIDGE STRUCTURE USING PERIODIC SIMULTANEOUS VARIATION OF REFRACTIVE INDEX AND STRAIN AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}RESULATOR AND PHOTOCARRRIER WELL INTEGRATED PERIODIC BRIDGE STRUCTURE USING PERIODIC SIMULTANEOUS VARIATION OF REFRACTIVE INDEX AND STRAIN AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}

아래의 실시예들은 공진기와 전하구속 구조 일체형 주기성 다리 구조에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 굴절률 및 스트레인의 주기적 동시변화를 이용한 공진기와 전하구속 구조 일체형 주기성 다리 구조 및 그 제조 방법에 관한 것이다. The following embodiments relate to a resonator and charge binding structure integrated periodic bridge structure, and more particularly, to a resonator and charge binding structure integrated periodic bridge structure using a periodic simultaneous change of refractive index and strain and a method of manufacturing the same.

기존 동선기반 소자로 동작하는 컴퓨터의 고질적인 문제점인 데이터 전송의 병목현상을 해결할 유일한 대안인 광 상호접속 기술은 1980년대 초부터 선진국들의 공진기 주도하에 연구가 시작되면서 광섬유 기반의 광통신기술, 광학을 이용한 컴퓨팅과 정보처리, 실리콘 기반 광집적회로 등의 기술들의 개발과 성숙을 통해 산업에 실질적으로 적용되는 수준까지 발달해왔다.Optical interconnection technology, the only alternative to solve the bottleneck of data transmission, which is a chronic problem of computers operating with existing copper wire-based devices, has been developed under the initiative of resonators of advanced countries. Through the development and maturation of technologies such as computing, information processing and silicon-based optical integrated circuits, they have been developed to the practical level.

최근 광대역 통신 서비스의 보급으로 정보의 전송량은 지속적으로 증가해온 덕분에 향후 고성능 컴퓨팅에서는 데이터센터뿐 아니라 보드 내에서의 광 상호접속 기술을 필수적으로 요구할 것으로 전망된다. 보드 내에서의 칩과 칩 사이의 데이터 전송을 위한 광 상호접속 기술은 다양한 광 집적소자의 요소를 포함하게 되는데, 실리콘 기반의 광 집적소자의 주요 요소들은 그간 많은 발전을 이루어 왔으나, 유독 광원의 경우 많은 어려움을 겪어왔다.With the recent spread of broadband communications services, the volume of information has been continuously increasing, and it is expected that future high-performance computing will require not only data center but also on-board optical interconnect technology. Optical interconnect technology for data transfer between chips in a board includes elements of various optical integrated devices. While the main elements of silicon-based optical integrated devices have developed a lot, I have been through a lot of difficulties.

가장 많이 사용되는 반도체 기반 광원은 III-V 족 화합물 반도체로써, 광통신 대역의 화합물 반도체 광원은 그 자체로써는 많은 발전을 거듭해왔으나, 실리콘 기판에 직접 성장하는 것이 어렵다는 단점으로 인해 실리콘 칩 기반 광 상호접속 기술에는 응용이 제한적이었다. The most commonly used semiconductor-based light source is a group III-V compound semiconductor, and the compound semiconductor light source of the optical communication band has made great progress by itself, but it is difficult to grow directly on a silicon substrate, which is a silicon chip-based optical interconnection technology. The application was limited.

기존의 실리콘 기반 CMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor) 공정 친화적인 반도체 광원의 후보군으로 여전히 III-V 족 화합물 반도체가 가장 산업화에 가까운 발전을 이루었으나, 여전히 실리콘 기판에 직접 성장을 하지 못하는 문제로 인해 추가적인 웨이퍼 접합(Wafer Bonding) 공정이 필요하여 공정 비용의 상승과 수율의 하락을 야기한다.As a candidate for conventional silicon-based Complementary Metal-Oxide Semiconductor (CMOS) process-friendly semiconductor light sources, group III-V compound semiconductors are still the most industrially developed, but they are still unable to grow directly on silicon substrates. A wafer bonding process is required, leading to higher process costs and lower yields.

이와 같은 문제를 해결하기 위해 스트레인(Strain)을 가한 게르마늄(Ge) 기반의 광원이 대체기술로 제시되었으나, 종래의 기술은 공진기를 외부에 설계함으로 인한 광학 공진 모드-이득 물질의 겹침(Overlap)이 적고, III-V 족 화학물 반도체에 사용하는 전하구속 구조를 사용하기 힘든 구조적 특성으로 인해 여전히 소자간 광 상호접속에 응용하기에는 한계가 있다.In order to solve this problem, a strain-based germanium (Ge) -based light source has been proposed as an alternative technology. However, in the related art, the overlapping of the optical resonance mode-gain material due to the external design of the resonator The small, difficult-to-use structural features of the charge-constrained structures used in Group III-V chemical semiconductors still limit their application to optical interconnections between devices.

한국공개특허 10-2009-0012472호는 이러한 실리콘 기판 상에 게르마늄 메사 구조를 형성하는 방법에 관한 것으로, 순수 게르마늄 또는 제어된 농도의 실리콘만을 함유하는 실리콘-게르마늄 메사 구조를 형성한 후 이를 이용하여 갈륨-비소 박막 등을 실리콘 기판 상에 형성할 수 있도록 해주는 게르마늄 메사 구조 형성 방법에 관한 기술을 기재하고 있다.Korean Patent Laid-Open Publication No. 10-2009-0012472 relates to a method of forming a germanium mesa structure on a silicon substrate, and after forming a silicon-germanium mesa structure containing only pure germanium or a controlled concentration of silicon, the gallium is used therein. A technique for forming a germanium mesa structure for forming an arsenic thin film or the like on a silicon substrate is described.

한국공개특허 10-2009-0012472호Korean Patent Publication No. 10-2009-0012472

실시예들은 굴절률 및 스트레인의 주기적 동시변화를 이용한 공진기와 전하구속 구조 일체형 주기성 다리 구조 및 그 제조 방법에 관하여 기술하며, 보다 구체적으로 기존에 알려진 나노 다리(Nano Bridge) 구조에 주기성을 갖는 공진기와 스트레인에 따른 전하구속 구조를 동시에 결합하고, 스트레인으로 인한 전하구속 영역과 공진기의 공진 모드의 겹침이 일치하는 구조를 제작하여, 추가적인 웨이퍼 접합 공정이 필요 없는 실리콘 칩 기반의 고효율 광원을 제작하는 기술을 제공한다. Embodiments describe a resonator and charge-constrained structure-integrated periodic bridge structure using a simultaneous simultaneous change of refractive index and strain and a method of manufacturing the same. More specifically, a resonator and strain having a periodicity in a known nanobridge structure are described. By simultaneously combining the charge-constraining structure according to the structure, and fabricating a structure in which the overlapping of the charge-conducting region due to strain and the resonance mode of the resonator coincides, it provides a technology for producing a high-efficiency light source based on silicon chip that does not require additional wafer bonding process. do.

또한, 실시예들은 실리콘 칩뿐만 아니라 모든 이종 기판 에피택시에서 발생하는 반도체의 스트레인 구조에서 주기적인 너비의 변화를 갖는 인공 전하우물 구조 및 광결정 공진기의 결합을 통해 광결정의 모드 분포를 이득 영역에 일치시킴으로써 낮은 문턱의 레이저 발진 소자를 제작할 수 있는 굴절률 및 스트레인의 주기적 동시변화를 이용한 공진기와 전하구속 구조 일체형 주기성 다리 구조 및 그 제조 방법을 제공하는데 있다. In addition, the embodiments are made by matching the mode distribution of the photonic crystal to the gain region through a combination of a photonic crystal resonator and an artificial charge well structure having a periodic width change in the strain structure of the semiconductor not only in the silicon chip but also in all the heterogeneous substrate epitaxy. The present invention provides a resonator and charge confinement structure-integrated periodic bridge structure using a simultaneous simultaneous change of refractive index and strain capable of fabricating a low threshold laser oscillation element, and a method of manufacturing the same.

일 실시예에 따른 공진기와 전하구속 구조 일체형 주기성 다리 구조체는, 기판 위에 성장한 박막에 패터닝(Patterning)을 통해 구성된 주기성을 갖는 다리(Bridge) 구조의 공진기; 및 상기 공진기와 동시 결합되는 스트레인(Strain)이 가해진 전하구속 구조체를 포함하여 이루어질 수 있다. In one embodiment, a resonator and a charge restraint structure integrated periodic bridge structure may include a resonator having a bridge structure having periodicity formed by patterning a thin film grown on a substrate; And a charge constraining structure to which a strain that is simultaneously coupled to the resonator is applied.

스트레인으로 인한 상기 전하구속 구조체와 상기 공진기의 공진 모드의 겹침(Overlap)이 일치하는 구조로 이루어질 수 있다. The overlap of the charge confinement structure and the resonance mode of the resonator due to the strain may be made to match.

굴절률 및 스트레인의 주기적 동시변화를 이용한 공진기와 전하구속 구조의 일체형 주기성 다리 구조로 이루어져 상기 기판에 수평 방향으로 전하 구속효과를 주고 광학 모드 분포를 일치시킬 수 있다. It is composed of an integral periodic bridge structure of a resonator and a charge restraint structure using periodic simultaneous change of refractive index and strain to impart a charge restraining effect on the substrate in the horizontal direction and match the optical mode distribution.

상기 공진기는, 상기 기판 위에 성장한 반도체 박막이 스트레인을 받는 박막에 패터닝(Patterning)을 통한 나노-마이크로 크기의 다리 구조로 이루어질 수 있다. The resonator may be formed of a bridge structure of nano-micro size through patterning on a thin film in which a semiconductor thin film grown on the substrate is subjected to strain.

상기 공진기는, 상기 기판이 실리콘 기판으로 이루어지며, 상기 실리콘 기판 상에 게르마늄 박막을 성장시킨 후 패터닝을 통해 다리 구조를 가질 수 있다. The resonator may be formed of a silicon substrate, and may have a bridge structure through patterning after growing a germanium thin film on the silicon substrate.

상기 전하구속 구조체는, 설계된 다리 구조의 상기 공진기의 넓은 영역과 좁은 영역의 스트레인 차이에 따라 III-V 족 화합물 반도체에서 사용하는 양자우물 구조와 유사한 형태의 주기적 전하구속 구조를 가질 수 있다.The charge confinement structure may have a periodic charge confinement structure similar to the quantum well structure used in the III-V compound semiconductor according to the strain difference between the wide region and the narrow region of the resonator of the designed bridge structure.

다른 실시예에 따른 공진기와 전하구속 구조 일체형 주기성 다리 구조 제조 방법은, 이종기판에 반도체 박막을 성장시키고 열팽창 계수 차이 혹은 기판간의 격자상수 차이에 따른 스트레인(Strain)을 인가하는 단계; 및 상기 박막에 패터닝(Patterning) 공정을 통해 다리(Bridge) 구조를 갖는 공진기와 전하구속 구조체를 동시에 형성하는 단계를 포함하여 이루어질 수 있다. According to another embodiment of the present invention, a method of manufacturing a periodic bridge structure integrated with a resonator and a charge restraint structure may include: growing a semiconductor thin film on a heterogeneous substrate and applying strain according to a difference in thermal expansion coefficient or a difference in lattice constant between the substrates; And simultaneously forming a resonator having a bridge structure and a charge confinement structure through a patterning process on the thin film.

ICP(Inductively Coupled Plasma) 혹은 RIE(Reactive Ion Etch), 또는 두 가지를 모두 사용하는 등의 건식 식각 방법을 이용하여 상기 기판 및 상기 박막에 패턴을 식각하는 단계; 및 상기 기판의 언더컷(undercut)을 수행하고, 상기 박막에 화학적인 기판층 습식 식각을 수행하는 단계를 더 포함할 수 있다. Etching a pattern on the substrate and the thin film using a dry etching method such as using inductively coupled plasma (ICP), reactive ion etching (RIE), or both; And performing an undercut of the substrate and performing a wet etching of the substrate layer on the thin film.

상기 공진기와 전하구속 구조체를 동시에 형성하는 단계는, 전산모사 방법론을 이용하여 공진기의 공진 파장을 찾아 그 파장을 소자의 스트레인 인가 영역에서의 발광파장과 일치시키는 단계, 그리고 해당 파장에서의 공진기 내부 전기장 분포가 스트레인 인가 영역과 일치하도록 설계하는 단계를 포함할 수 있다.The step of simultaneously forming the resonator and the charge confinement structure includes finding a resonant wavelength of the resonator using a computer simulation method and matching the wavelength with the light emission wavelength in the strain applying region of the device, and the electric field inside the resonator at the corresponding wavelength. Designing the distribution to match the strain application region.

상기 공진기의 구조는, 주기적인 전하구속 효과를 위해 격자상수, 두께, 다리의 너비 및 구멍의 크기 중 적어도 어느 하나 이상의 구조의 변수에 따라 바뀌는 밴드 구조를 조절하여 해당 구조의 첫 번째 밴드의 밴드 끝에서 첫 번째 낮은 굴절률 모드 밴드의 밴드에지(Band Edge)를 가지면서 공진 파장과 일치된 주파수를 갖도록 만들 수 있다. The structure of the resonator adjusts the band structure which is changed according to the variable of at least one of the lattice constant, the thickness, the width of the legs, and the size of the hole for the periodic charge restraining effect, thereby adjusting the band end of the first band of the corresponding structure. We can make the band edge of the first low index mode band at and have a frequency consistent with the resonant wavelength.

상기 공진기와 전하구속 구조체를 동시에 형성하는 단계는, 상기 전산모사 방법론을 이용한 설계 시 발광 특성 및 용도에 따른 특정 모드의 밴드갭을 사용하며, 상기 특정 모드의 밴드갭은 대상 물질의 발광 특성에 따라 TM 모드(Transverse Magnetic Mode) 또는 TE 모드(Transverse Electric Mode)일 수 있다. The simultaneous forming of the resonator and the charge confinement structure may use a bandgap of a specific mode according to light emission characteristics and uses when designing using the computer simulation methodology, and the bandgap of the specific mode may be determined according to light emission characteristics of a target material. It may be a TM mode (Transverse Magnetic Mode) or TE mode (Transverse Electric Mode).

상기 공진기와 전하구속 구조체를 동시에 형성하는 단계는, 광학적으로 설계된 상기 공진기의 구조에 상기 전산모사 방법론을 적용하여 스트레인 분포를 공진 파장 단계를 더 포함할 수 있다. The simultaneously forming the resonator and the charge confinement structure may further include applying a strain simulation method to the structure of the optically designed resonator to obtain strain distribution for resonant wavelength.

상기 공진기의 구조에 상기 전산모사 방법론을 적용하여 스트레인 분포를 계산하는 단계는, 공진기 역할을 하는 다리와 패드 부분의 너비 비율 혹은 다리 내의 주기성 구조의 형태에 따라 다리에 작용하는 스트레인의 크기를 조절할 수 있고, 광학적으로 설계된 공진기의 좁은 부분에 걸리는 스트레인에 따라 공진기의 전하구속 영역에서 발광파장이 달라질 수 있다. Computing the strain distribution by applying the computer simulation methodology to the structure of the resonator, it is possible to adjust the size of the strain acting on the bridge according to the width ratio of the leg and pad portion serving as the resonator or the shape of the periodic structure in the bridge. In addition, the light emission wavelength may vary in the charge confinement region of the resonator according to the strain applied to the narrow portion of the optically designed resonator.

설계된 다리 구조의 상기 공진기의 넓은 영역과 좁은 영역의 스트레인 차이에 따라 화합물 반도체에서 사용하는 양자우물 구조와 유사한 형태의 주기적 전하구속 구조를 가질 수 있다. 전하구속 구조의 밴드구조는 인가된 스트레인의 주기성과 일치하는 주기성을 가지게 된다.Depending on the strain difference between the wide and narrow regions of the resonator of the designed bridge structure may have a periodic charge confinement structure similar to the quantum well structure used in the compound semiconductor. The band structure of the charge confinement structure has a periodicity that matches the periodicity of the applied strain.

스트레인으로 인한 상기 전하구속 구조체와 상기 공진기의 공진 모드의 겹침(Overlap)이 일치하는 구조로 이루어질 수 있다. The overlap of the charge confinement structure and the resonance mode of the resonator due to the strain may be made to match.

실시예들에 따르면 공진기의 형상 자체가 반도체 내에 전하 구속효과를 주기 때문에 전하의 구속 영역과 공진기 모드의 분포영역의 일치로 인한 높은 전자-광자 상호작용을 유도할 수 있는 굴절률 및 스트레인의 주기적 동시변화를 이용한 공진기와 전하구속 구조 일체형 주기성 다리 구조 및 그 제조 방법을 제공할 수 있다. According to the embodiments, since the shape of the resonator itself has a charge restraining effect in the semiconductor, the periodic simultaneous change of refractive index and strain may induce high electron-photon interaction due to the coincidence of the charge confinement region and the distribution region of the resonator mode. It is possible to provide a resonator and a charge binding structure integrated periodic bridge structure and a method of manufacturing the same.

또한, 실시예들에 따르면 모든 이종 기판 에피택시를 통해 제작되는 광소자에서 이종 물질간에 인가되는 스트레인을 극대화하고 기판 수직방향이 아닌 수평 방향의 전하 구속효과를 주면서 동시에 광학 모드 분포를 일치시키기 때문에 LED나 반도체 레이저 소자 및 소자의 성능 향상 응용할 수 있다. In addition, according to embodiments, the optical device manufactured through all the heterogeneous substrate epitaxy maximizes the strain applied between the heterogeneous materials and simultaneously matches the optical mode distribution while giving charge restraining effect in the horizontal direction instead of the vertical direction of the substrate. It can be applied to the performance improvement of semiconductor laser devices and devices.

도 1은 일 실시예에 따른 공진기와 전하구속 구조 일체형 주기성 다리 구조의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 일 실시예에 따른 최종 게르마늄 다리 구조의 예를 나타내는 도면이다.
도 3은 일 실시예에 따른 공진기와 전하구속 구조 일체형 주기성 다리 구조의 제조 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 4는 일 실시예에 따른 반도체 다리 위에 공진기가 결합된 주기적 구조의 예를 설명하는 도면이다.
도 5는 일 실시예에 따른 공진기 구조와 결합된 다리에서의 전하구속을 위한 스트레인 분포도를 나타내는 도면이다.
1 is a view for explaining a method of manufacturing a resonator and a charge binding structure integrated periodic bridge structure according to an embodiment.
2 is a diagram illustrating an example of a final germanium bridge structure according to one embodiment.
3 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a resonator and a charge binding structure integrated periodic bridge structure, according to an exemplary embodiment.
4 illustrates an example of a periodic structure in which a resonator is coupled to a semiconductor bridge, according to an exemplary embodiment.
5 is a diagram illustrating a strain distribution diagram for charge confinement in a bridge coupled with a resonator structure according to an exemplary embodiment.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시예들을 설명한다. 그러나, 기술되는 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명되는 실시예들에 의하여 한정되는 것은 아니다. 또한, 여러 실시예들은 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 도면에서 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.Hereinafter, embodiments will be described with reference to the accompanying drawings. However, the described embodiments may be modified in many different forms, and the scope of the present invention is not limited to the embodiments described below. In addition, various embodiments are provided to more fully describe the present invention to those skilled in the art. Shapes and sizes of elements in the drawings may be exaggerated for clarity.

실리콘 기판 위에 성장한 반도체 박막이 열 팽창계수의 차이에 의해 스트레인(Strain)을 받는 경우, 박막에 패터닝(Patterning)을 통한 나노-마이크로 크기의 다리(Bridge) 구조를 제작하면 더욱 강한 스트레인을 인가할 수 있다. 이종 기판에 반도체 물질을 성장하는 경우, 두 물질의 다른 열팽창 계수로 인해 스트레인이 걸리게 되며, 이 스트레인을 다리 구조를 이용하여 국소적으로 증가하면 스트레인에 따른 밴드갭(Band Gap)의 변화를 통해 인위적인 이종접합구조를 모사하여 전하구속의 효과를 기대할 수 있다.When a semiconductor thin film grown on a silicon substrate is strained due to a difference in coefficient of thermal expansion, stronger strain can be applied by fabricating a nano-micro-sized bridge structure through patterning on the thin film. have. When a semiconductor material is grown on a dissimilar substrate, strain is caused by different coefficients of thermal expansion of the two materials, and when the strain is locally increased by using a bridge structure, the strain is artificially changed through a band gap due to strain. The effect of charge confinement can be expected by simulating heterojunction structure.

본 발명에서는 기존에 알려진 나노 다리(Nano Bridge) 구조에 주기성을 갖는 공진기와 스트레인에 따른 전하구속 구조를 동시에 결합하고, 스트레인으로 인한 인공 전하구속 구조와 공진기의 공진 모드의 겹침(Overlap)이 일치하는 구조를 제작하여, 추가적인 웨이퍼 접합 공정이 필요 없는 실리콘 칩 기반의 고효율 광원을 제작하는 것을 목적으로 한다.In the present invention, a resonator having a periodicity and a charge restraint structure according to strain are simultaneously coupled to a known nano bridge structure, and an overlap of an artificial charge restraint structure due to strain and a resonance mode of the resonator coincide. By fabricating the structure, an object is to produce a highly efficient light source based on a silicon chip that does not require an additional wafer bonding process.

또한, 실리콘 칩뿐만 아니라 모든 이종 기판 에피택시(Epitaxy)에서 발생하는 반도체의 스트레인 구조에서 주기적인 너비의 변화를 갖는 전하구속 구조 및 광학 공진기의 결합을 통해 공진기의 모드 분포를 이득 영역에 일치시킴으로써 낮은 문턱의 레이저 발진 소자를 제작할 수 있다.In addition, through the combination of charge resonant structure and optical resonator with periodic width change in the strain structure of semiconductors occurring not only in silicon chips but also in all heterogeneous substrate epitaxy, the mode distribution of the resonator is matched to the gain region by low The laser oscillation element of a threshold can be manufactured.

도 1은 일 실시예에 따른 공진기와 전하구속 구조의 일체형 주기성 다리 구조의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다. 1 is a view illustrating a method of manufacturing an integrated periodic bridge structure of a resonator and a charge confinement structure, according to an exemplary embodiment.

도 1에 도시된 바와 같이, 일 실시예에 따른 실리콘 기판 위에 게르마늄 다리를 제작하는 공정 모식도의 예를 나타내는 도면을 통해 공진기와 전하구속 일체형 주기성 다리 구조의 제조 방법을 설명할 수 있다. As illustrated in FIG. 1, a method of manufacturing a resonator and a charge binding integrated periodic bridge structure may be described through a view showing an example of a process diagram of manufacturing a germanium bridge on a silicon substrate according to an embodiment.

일 실시예에 따른 공진기와 전하구속 구조 일체형 주기성 다리 구조(체)는, 1) 기판에 이종 반도체 박막 성장 및 열팽창 계수 차이에 따른 스트레인 인가, 2) 박막에 패터닝 공정, 3) ICP-RIE(Inductively Coupled Plasma- Reactive Ion Etch)를 이용한 패턴 식각 공정, 및 4) 화학적인 기판층 습식 식각 공정과 반도체 형성 과정에 따라 제조될 수 있다. 즉, 일 실시예에 따른 공진기와 전하구속 구조 일체형 주기성 다리 구조는 상기 공정과 반도체 형성 과정에 따라 제조될 수 있다. According to one embodiment, a resonator and charge-constrained structure-integrated periodic bridge structure includes: 1) strain growth according to heterogeneous semiconductor thin film growth and thermal expansion coefficient difference, 2) patterning process on thin film, and 3) ICP-RIE (Inductively). Pattern etching process using Coupled Plasma-Reactive Ion Etch), and 4) chemical substrate layer wet etching process and semiconductor formation process. That is, the resonator and the charge confinement structure-integrated periodic bridge structure according to one embodiment may be manufactured according to the above process and semiconductor formation process.

위의 공정은 일반적으로 알려진 반도체 다리 구조 제조 방법과 거의 같으나, 본 실시예에서는 반도체 다리에 스트레인을 이용한 인위적인 전하구속 구조와 광학 공진기를 동시에 결합하기 위하여, 패터닝 공정의 패턴 제조에 있어서 고유의 구조를 설계할 수 있다.The above process is almost the same as the method for manufacturing a semiconductor bridge structure generally known, but in this embodiment, in order to combine an artificial resonant structure using an strain with an optical bridge and an optical resonator at the same time, a unique structure in the patterning of the patterning process is employed. Can be designed.

패터닝 공정에서 패턴의 구조 설계는 공진기와 인위적인 전하구속 구조의 동시 형성을 위해 다음과 같은 설계과정에 따라 제조될 수 있다. The pattern design of the pattern in the patterning process may be manufactured according to the following design process for simultaneous formation of the resonator and the artificial charge restraint structure.

먼저, 유한차분시간영역법(Finite Difference Time Domain Method, FDTD), 유한요소법(Finite Elements Method, FEM), 유한차분법(Finite Difference Method, FDM) 등의 전산모사 방법론을 이용하여 소자의 동작 파장에 맞는 구조의 공진기를 설계할 수 있다. 공진기의 구조는 주기적인 전하구속 효과를 위해 구조의 변수 등에 따라서 바뀌는 밴드 구조를 조절하여 해당 구조의 첫 번째 밴드의 밴드 끝(k=0.5)에서 첫 번째 낮은 굴절률 모드 밴드의 밴드에지(Band Edge)를 가지면서 공진 파장과 일치된 주파수를 갖도록 만들 수 있다. 여기서, 구조의 변수는 예컨대 격자상수, 두께, 다리의 너비 및 구멍의 크기가 될 수 있다. 이 때, 낮은 굴절률 모드의 전기장 분포가 구조의 낮은 굴절률 부분(구조에서 너비가 좁아진 부분)에 정확히 일치됨을 확인할 수 있다.First, using the computer simulation methodology such as Finite Difference Time Domain Method (FDTD), Finite Elements Method (FEM), and Finite Difference Method (FDM), It is possible to design a resonator with a suitable structure. The structure of the resonator adjusts the band structure that changes according to the structure variables for periodic charge restraint effect, so that the band edge of the first low refractive index mode band at the band end (k = 0.5) of the first band of the structure. It can be made to have a frequency consistent with the resonant wavelength. Here, the parameters of the structure can be, for example, the lattice constant, the thickness, the width of the legs and the size of the holes. At this time, it can be seen that the electric field distribution of the low refractive index mode is exactly matched to the low refractive index portion of the structure (the narrowed portion of the structure).

그리고, 광학 전산모사를 이용한 설계 시 발광 특성 및 용도에 따른 특정 모드의 밴드갭을 사용하게 된다. 예컨대, 특정 모드의 밴드갭은 TM 모드(Transverse Magnetic Mode) 혹은 TE 모드(Transverse Electric Mode)가 될 수 있다. In the design using optical computer simulation, a bandgap of a specific mode according to light emission characteristics and uses is used. For example, the band gap of a specific mode may be a TM mode (Transverse Magnetic Mode) or TE mode (Transverse Electric Mode).

이후, 광학적으로 설계된 공진기의 구조에 그대로 유한요소법(Finite Element Method)을 적용하여 스트레인 분포를 계산할 수 있다. 공진기 역할을 하는 다리와 패드 부분의 너비 비율에 따라서 다리에 작용하는 스트레인의 크기를 조절할 수 있다. 광학적으로 설계된 공진기의 좁은 부분에 걸리는 스트레인에 따라 공진기의 전하구속 구조 영역에서 발광파장이 달라질 수 있다. Thereafter, the strain distribution may be calculated by applying a finite element method to the structure of the optically designed resonator. The size of the strain acting on the leg can be adjusted according to the width ratio between the leg and the pad portion serving as the resonator. Depending on the strain on the narrow part of the optically designed resonator, the light emission wavelength may be changed in the charge confinement structure region of the resonator.

이에 따라, 설계된 공진기의 넓은 영역과 좁은 영역의 스트레인 차이에 따라 III-V 족 화합물 반도체에서 사용하는 양자우물 구조와 유사한 형태의 주기적 전하구속 구조를 가지게 된다. 스트레인의 차이에 따른 전하 수송자의 구속효과는 일반적인 양자우물의 에너지 차이보다 크고, 전자 수송자의 구속 영역과 광학 모드의 분포 영역이 정확히 일치하게 된다.Accordingly, according to the strain difference between the wide region and the narrow region of the designed resonator, it has a periodic charge restraint structure similar to that of the quantum well structure used in the III-V compound semiconductor. The restraining effect of the charge transporter due to the difference in strain is greater than the energy difference of a general quantum well, and the confinement region of the electron transporter and the distribution region of the optical mode are exactly the same.

아래에서는 이종 기판을 대표하여 실리콘 기판(110)을 하나의 예로써 보다 구체적으로 설명한다.Hereinafter, the silicon substrate 110 will be described in more detail as an example on behalf of the heterogeneous substrate.

도 1의 (a)에 도시되어 있는 바와 같이, 먼저 준비된 실리콘 기판(110) 상에 박막(120)을 에피택시 성장 기법을 이용하여 성장시킬 수 있다. 여기서, 박막(120)의 예로써 게르마늄 박막을 기판 상에 성장시킬 수 있다. 또한, 박막(120)은 게르마늄 박막뿐 아니라 실리콘 기판(110) 위에 직접 성장하면서 다른 열팽창 계수를 갖는 Sn 혹은 GeSn, SiGe 등의 4족 원소 합금의 경우에도 같은 원리가 적용된다. As shown in FIG. 1A, the thin film 120 may be grown on the prepared silicon substrate 110 using an epitaxial growth technique. Here, the germanium thin film may be grown on the substrate as an example of the thin film 120. In addition, the same principle applies to the thin film 120 in the case of a Group 4 element alloy such as Sn, GeSn, SiGe, etc. having a different thermal expansion coefficient while directly growing on the silicon substrate 110 as well as the germanium thin film.

그리고 열팽창 계수 차이에 따른 스트레인 인가할 수 있다. 실리콘 기판(110) 위에 성장한 박막(120)이 열 팽창계수의 차이에 의해 스트레인(Strain)을 받는 경우, 박막(120)에 패터닝(Patterning)을 통한 나노-마이크로 크기의 다리(Bridge) 구조를 제작하면 더욱 강한 스트레인을 인가할 수 있다. And strain according to the difference in thermal expansion coefficient can be applied. When the thin film 120 grown on the silicon substrate 110 is strained due to a difference in thermal expansion coefficient, a nano-microscopic bridge structure is fabricated through patterning on the thin film 120. This can be applied even stronger strain.

이어서, 도 1의 (b)에 도시된 바와 같이, 박막(120)을 통상의 식각(etching) 공정을 이용하여 수행하며, 도 1의 (c)에 도시된 바와 같이, 식각된 박막(120) 위에 산화막(130)을 증착(Deposition)시킬 수 있다. 예컨대, 산화막(130)은 실리콘 산화막(SiO2)일 수 있다. Subsequently, as shown in FIG. 1B, the thin film 120 is performed using a conventional etching process, and as shown in FIG. 1C, the etched thin film 120 is illustrated. The oxide layer 130 may be deposited on the substrate. For example, the oxide film 130 may be a silicon oxide film SiO 2 .

다음으로, 도 1의 (d)에 도시된 바와 같이, 산화막(130)의 표면에 스핀 코팅(Spin Coating)(140)을 수행할 수 있으며, 예컨대 레지스트(Resist) 스핀 코팅을 수행할 수 있다. 그리고 도 1의 (e)에 도시된 바와 같이, E-빔(beam) 등을 이용하여 리소그래피(lithography) 공정을 통해 스핀 코팅(140)된 부분을 패터닝하며, 도 1의 (f)에 도시된 바와 같이, 패터닝된 스핀 코팅(140) 부분 위에 니켈(Ni)을 증착시켜 증착층(150)을 형성할 수 있다. 예컨대 50nm 두께의 니켈 증착층을 형성할 수 있다. Next, as shown in (d) of FIG. 1, spin coating 140 may be performed on the surface of the oxide film 130, for example, resist spin coating may be performed. As shown in (e) of FIG. 1, the portion of the spin coating 140 is patterned through a lithography process using an E-beam or the like, and is shown in FIG. As described above, the deposition layer 150 may be formed by depositing nickel (Ni) on the patterned spin coating 140. For example, a nickel deposition layer having a thickness of 50 nm can be formed.

이후, 도 1의 (g)에 도시된 바와 같이, 유기 용매를 사용하여 증착층(150)이 형성된 스핀 코팅(140) 부분을 리프트오프(lift-off)할 수 있으며, 여기서 유기 용매로는 아세톤(acetone) 등이 사용될 수 있다. 이어서 도 1의 (h)에 도시된 바와 같이, 리프트오프된 부분의 아래에 있는 산화막(130) 및 박막(120)을 패터닝하고, 실리콘 기판(110) 또한 패터닝할 수 있다. 예를 들어 ICP-RIE(Inductively Coupled Plasma- Reactive Ion Etch)를 이용하여 박막(120) 및 실리콘 기판(110)을 패턴 식각할 수 있다. Thereafter, as shown in FIG. 1G, an organic solvent may be used to lift off the portion of the spin coating 140 on which the deposition layer 150 is formed, where acetone is used as the organic solvent. (acetone) and the like can be used. Subsequently, as illustrated in FIG. 1H, the oxide film 130 and the thin film 120 under the lifted-off portion may be patterned, and the silicon substrate 110 may also be patterned. For example, the thin film 120 and the silicon substrate 110 may be pattern etched using inductively coupled plasma-active ion etching (ICP-RIE).

이후, 도 1의 (i)에 도시된 바와 같이, 실리콘 기판(110)의 언더컷(undercut)을 수행할 수 있으며, 예컨대 95 ℃에서 현상액 TMAH(Tetramethyl Ammounium Hydroxide)을 이용하여 식각을 수행할 수 있다. 그리고 도 1의 (j)에 도시된 바와 같이, 화학적인 기판층 습식 식각 공정을 수행할 수 있다. 즉, 실온에서 H2O2를 통해 박막(120)을 습식 식각할 수 있다. 다음으로, 도 1의 (k)에 도시된 바와 같이, 실온에서 HF 식각을 통해 산화막(130) 및 증착층(150)을 리프트오프 할 수 있다. Thereafter, as shown in FIG. 1I, an undercut of the silicon substrate 110 may be performed, and for example, etching may be performed using a developer tetramethyl ammounium hydroxide (TMAH) at 95 ° C. . As shown in FIG. 1J, a chemical substrate layer wet etching process may be performed. That is, the thin film 120 may be wet etched through H 2 O 2 at room temperature. Next, as shown in FIG. 1 (k), the oxide layer 130 and the deposition layer 150 may be lifted off through HF etching at room temperature.

도 2는 일 실시예에 따른 최종 게르마늄 다리 구조의 예를 나타내는 도면이다. 2 is a diagram illustrating an example of a final germanium bridge structure according to one embodiment.

도 2를 참조하면, 일 실시예에 따른 최종 게르마늄 다리 구조는 도 1에서 설명한 방법에 의해 제조될 수 있다. Referring to FIG. 2, the final germanium bridge structure according to one embodiment may be manufactured by the method described with reference to FIG. 1.

일 실시예에 따른 공진기와 전하구속 구조 일체형 주기성 다리 구조체는 기판 위에 성장한 박막에 패터닝(Patterning)을 통해 구성된 주기성을 갖는 다리(Bridge) 구조의 공진기 및 공진기와 동시 결합되는 스트레인(Strain)이 가해진 전하구속 구조체를 포함하여 이루어질 수 있으며, 스트레인으로 인한 전하구속 구조체와 공진기의 공진 모드의 겹침(Overlap)이 일치하는 구조로 이루어질 수 있다. The resonator and charge confinement structure integrated periodic bridge structure according to an embodiment is a strain applied charge coupled to the resonator and the resonator of the bridge structure having periodicity formed by patterning the thin film grown on the substrate It may be made including a restraint structure, it may be made of a structure in which the overlap of the resonance mode of the resonator and the charge confinement structure due to the strain.

이와 같이 굴절률 및 스트레인의 주기적 동시변화를 이용한 공진기와 전하구속 구조의 일체형 주기성 다리 구조로 이루어져 기판에 수평 방향으로 전하 구속효과를 주고 광학 모드 분포를 일치시킬 수 있다. In this way, the resonator using the periodic simultaneous change of the refractive index and the strain is composed of an integral periodic bridge structure of the charge restraint structure to give charge restraining effect to the substrate in the horizontal direction and to match the optical mode distribution.

공진기는 기판 위에 성장한 반도체 박막이 열 팽창계수의 차이에 의해 스트레인을 받는 박막에 패터닝(Patterning)을 통한 나노-마이크로 크기의 다리 구조로 이루어질 수 있다. 그리고 공진기는 기판이 실리콘 기판으로 이루어지며, 실리콘 기판 상에 게르마늄 박막을 성장시킨 후 패터닝을 통해 다리 구조를 가질 수 있다. The resonator may be formed of a nano-micro-sized bridge structure by patterning the semiconductor thin film grown on the substrate due to the difference in thermal expansion coefficient. The resonator may be formed of a silicon substrate, and may have a bridge structure through patterning after growing a germanium thin film on the silicon substrate.

전하구속 구조체는 설계된 다리 구조의 공진기의 넓은 영역과 좁은 영역의 스트레인 차이에 따라 III-V 족 화합물 반도체에서 사용하는 전하구속 구조와 유사한 형태의 주기적 전하구속 구조를 가질 수 있다.The charge restraint structure may have a periodic charge restraint structure similar to the charge restraint structure used in the III-V compound semiconductor according to the strain difference between the wide region and the narrow region of the designed bridge structure resonator.

광 공진기로써 역할을 하기 위해서는 반도체 다리의 주기성이 중요하다. 주기성은 다양한 형태로 설계될 수 있으나, 공진기의 유효굴절률 변화를 주기성을 통해 얻는 것이므로 공진기 형태의 기하학적 요소에 따라 공진기 형상뿐 아니라 공진 파장의 에너지와 공진기 품위까지 조절할 수 있다. 도 2의 (a) 와 (b)는 유효 굴절률의 주기적 변화를 이용하여 공진기와 스트레인 변화를 동시에 얻는 구조의 예시이다. 유효 굴절률의 주기적 변화를 가질 수 있는 모든 형태의 게르마늄 다리가 고려의 대상이 될 수 있다.In order to act as an optical resonator, the periodicity of the semiconductor bridge is important. The periodicity can be designed in various forms, but since the effective refractive index change of the resonator is obtained through the periodicity, the energy of the resonator wavelength and the resonator quality can be adjusted as well as the shape of the resonator according to the geometric elements of the resonator shape. 2 (a) and 2 (b) are examples of a structure in which a resonator and a strain change are simultaneously obtained using a periodic change in the effective refractive index. All types of germanium bridges that can have periodic changes in the effective refractive index can be considered.

도 3은 일 실시예에 따른 공진기와 전하구속 구조 일체형 주기성 다리 구조의 제조 방법을 나타내는 흐름도이다. 3 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a resonator and a charge binding structure integrated periodic bridge structure, according to an exemplary embodiment.

도 3을 참조하면, 일 실시예에 따른 공진기와 전하구속 구조 일체형 주기성 다리 구조 제조 방법은, 예컨대 공진기와 전하구속 구조 일체형 주기성 다리 구조의 제조 시스템(또는 장치)에 의해 수행될 수 있다. 일 실시예에 따른 공진기와 전하구속 구조 일체형 주기성 다리 구조 제조 방법은, 이종기판에 반도체 박막을 성장시키고 열팽창 계수 차이 또는 기판간의 격자상수 차이에 따른 스트레인(Strain)을 인가하는 단계(310), 및 박막에 패터닝(Patterning) 공정을 통해 다리(Bridge) 구조를 갖는 공진기와 전하구속 구조체를 동시에 형성하는 단계(320)를 포함하여 이루어질 수 있다. 여기서 단계(320)는, 박막에 E-빔 리소그래피(E-Beam Lithography) 혹은 포토리소그래피(Photolithography) 등의 리소그래피 기술을 이용할 수 있다. Referring to FIG. 3, a method of manufacturing a resonator and a charge binding structure integrated periodic bridge structure according to an embodiment may be performed by, for example, a manufacturing system (or apparatus) of the resonator and the charge binding structure integrated periodic bridge structure. In one embodiment, a method of manufacturing a resonator and an integrated charge bridge structured periodic bridge structure includes growing a semiconductor thin film on a dissimilar substrate and applying strain (310) according to a difference in thermal expansion coefficient or a lattice constant between the substrates, and And a step 320 of simultaneously forming a resonator having a bridge structure and a charge confinement structure through a patterning process on the thin film. In operation 320, lithography techniques such as E-Beam lithography or photolithography may be used for the thin film.

또한, 식각 공정을 이용하여 기판 및 박막에 패턴을 식각하는 단계(330), 및 박막에 기판층의 화학적 식각을 통해 기판에서 박막의 구조체와 연결된 부분을 제거하는 기판의 언더컷(undercut)을 수행하는 단계(340)를 더 포함할 수 있다. 특히, 단계(330)에서는 ICP-RIE(Inductively Coupled Plasma- Reactive Ion Etch)를 RIE(Reactive Ion Etch) 중 적어도 어느 하나 이상을 이용한 건식 식각 공정을 이용하여 기판 및 박막에 패턴을 식각할 수 있다. 또한, 단계(340)에서는 기판의 언더컷 수행 후, 박막에 기판층의 화학적인 습식 식각을 통해 식각을 수행할 수 있다. In addition, the step of etching the pattern on the substrate and the thin film using an etching process (330), and the undercut of the substrate to remove the portion connected to the structure of the thin film from the substrate through the chemical etching of the substrate layer to the thin film Step 340 may further include. In particular, in step 330, the pattern may be etched on the substrate and the thin film using an inductively coupled plasma-reactive ion etching (ICP-RIE) using a dry etching process using at least one of reactive ion etching (RIE). In operation 340, after performing the undercut of the substrate, etching may be performed through chemical wet etching of the substrate layer on the thin film.

여기서 박막의 식각은 RIE만을 단독으로 이용할 수도 있고, ICP-RIE를 모두 이용할 수 있으며, 이는 박막의 물질 및 두께에 따라 다르게 선택될 수 있다. 기판의 언더컷은 실리콘의 경우 TMAH 혹은 KOH 용액을 이용한 습식 식각(Wet etching) 공정, XeF2를 이용한 가스 식각(Gas etching) 공정 등의 모든 화학적 식각 방법을 사용할 수 있으며, 이 경우 박막과의 선택적 식각이 가능한 용액 혹은 가스를 사용한다.In this case, the etching of the thin film may be used alone or the ICP-RIE alone, which may be selected differently according to the material and thickness of the thin film. For the undercut of the substrate, all chemical etching methods such as wet etching using TMAH or KOH solution and gas etching using XeF2 can be used. In this case, selective etching with a thin film may be performed. Use possible solutions or gases.

일 실시예에 따른 공진기와 전하구속 구조 일체형 주기성 다리 구조(체)는 스트레인으로 인한 전하구속 구조체와 공진기의 공진 모드의 겹침(Overlap)이 일치하는 구조로 이루어질 수 있다.The resonator and the charge confinement structure integrated periodic bridge structure (body) may be formed of a structure in which the overlap between the charge confinement structure due to strain and the resonance mode of the resonator coincides.

특히, 공진기와 전하구속 구조체를 동시에 형성하는 단계(320)는 유한차분시간영역법(Finite Difference Time Domain Method, FDTD), 유한요소법(Finite Elements Method, FEM) 및 유한차분법(Finite Difference Method, FDM) 중 적어도 어느 하나의 전산모사 방법론을 이용하여 소자의 동작 파장에 맞는 구조의 공진기를 설계하여 다른 전산모사 방법론을 이용해 도출한 구조의 스트레인과 상기 스트레인에 의한 인공 전하구속 구조의 발광파장을 일치시킬 수 있다. In particular, the step 320 of simultaneously forming the resonator and the charge confinement structure includes a finite difference time domain method (FDTD), finite elements method (FEM) and finite difference method (FDM). Design a resonator with a structure that matches the operating wavelength of the device using at least one of the computer simulation methodologies to match the light emission wavelength of the artificial charge-constrained structure by the strain. Can be.

이 때, 공진기의 구조는 주기적인 전하구속 효과를 위해 격자상수, 두께, 다리의 너비 및 구멍의 크기 중 적어도 어느 하나 이상의 구조의 변수에 따라 바뀌는 밴드 구조를 조절하여 해당 구조의 첫 번째 밴드의 밴드 끝에서 첫 번째 낮은 굴절률 모드 밴드의 밴드에지(Band Edge)를 가지면서 공진 파장과 일치된 주파수를 갖도록 만들 수 있다. 전산모사 방법론을 이용한 설계 시 발광 특성 및 용도에 따른 특정 모드의 밴드갭을 사용하며, 특정 모드의 밴드갭은 TM 모드(Transverse Magnetic Mode) 또는 TE 모드(Transverse Electric Mode)일 수 있다. At this time, the structure of the resonator adjusts the band structure which is changed according to the variable of at least one of the lattice constant, thickness, leg width and hole size for the periodic charge restraining effect, thereby adjusting the band of the first band of the structure. At the end, the band edge of the first low-index mode band can be made to have a frequency consistent with the resonant wavelength. When designing using a computer simulation methodology, a bandgap of a specific mode according to luminescence properties and uses is used, and the bandgap of the specific mode may be a TM mode (Transverse Magnetic Mode) or a TE mode (Transverse Electric Mode).

그리고, 단계(320)는 광학적으로 설계된 공진기의 구조에 전산모사 방법론을 적용하여 스트레인 분포를 계산하는 단계를 더 포함할 수 있다. In operation 320, the method may further include calculating a strain distribution by applying a computer simulation methodology to a structure of an optically designed resonator.

공진기 역할을 하는 다리와 패드 부분의 너비 비율에 따라 다리에 작용하는 스트레인의 크기를 조절할 수 있고, 광학적으로 설계된 공진기의 좁은 부분에 걸리는 스트레인에 따라 공진기의 전하구속 영역에서 발광파장이 달라질 수 있다. The size of the strain acting on the leg can be adjusted according to the width ratio of the leg and the pad portion serving as the resonator, and the light emission wavelength can be changed in the charge restraint region of the resonator according to the strain applied to the narrow portion of the optically designed resonator.

이와 같이 설계된 다리 구조의 공진기의 넓은 영역과 좁은 영역의 스트레인 차이에 따라 III-V 족 화합물 반도체에서 사용하는 양자우물 구조와 유사한 형태의 주기적 전하구속 구조를 가질 수 있다. According to the strain difference between the wide region and the narrow region of the bridge resonator designed as described above, it may have a periodic charge restraint structure similar to that of the quantum well structure used in the III-V compound semiconductor.

기존의 III-V 족 화합물 반도체 기반의 발광소자는 실리콘 기반에 직접 성장이 거의 불가능하거나, 성장할 경우 큰 구조상수의 차이와 격자 구조의 차이에 따른 큰 결함밀도로 인해 성능의 하락을 야기하게 되지만, 게르마늄 광소자는 실리콘 기반에 직접 성장이 가능하고, 상대적으로 낮은 결함밀도를 갖게 된다. 또한, 게르마늄뿐 아니라 실리콘 기판 위에 직접 성장하면서 다른 열팽창 계수를 갖는 Sn 혹은 GeSn, SiGe 등의 4족 원소 합금의 경우에도 같은 원리가 적용된다. Existing III-V compound semiconductor-based light emitting devices are almost impossible to grow directly on a silicon-based substrate, or when they grow, they cause performance deterioration due to a large defect density due to a large structural constant difference and a lattice structure. Germanium photovoltaic devices can be grown directly on silicon-based substrates and have relatively low defect densities. In addition, the same principle applies not only to germanium but also to Group 4 element alloys such as Sn, GeSn, and SiGe, which have a different coefficient of thermal expansion while directly growing on a silicon substrate.

기존의 게르마늄 혹은 게르마늄-주석 합금 광소자는 낮은 발광효율로 인해 레이저 발진이 어렵거나 높은 에너지 문턱을 가지고, 공진기의 효율이 떨어지거나 외부에 설계된 공진기로 인해 모드분포의 상당부분이 구조의 바깥에 위치함으로써 낮은 모드 겹침 정도를 가지므로 충분한 밀도 반전(Population Inversion)을 얻기 힘들었다. Conventional germanium or germanium-tin alloy optical devices have a low luminous efficiency, which makes laser oscillation difficult or has a high energy threshold, and due to a low resonator efficiency or an externally designed resonator, much of the mode distribution is located outside the structure. Because of the low mode overlap, it was difficult to obtain sufficient density inversion.

반면, 실시예들에 따른 구조는 공진기의 형상 자체가 반도체 내에 전하 구속효과를 주기 때문에 전하의 구속 영역과 공진기 모드의 분포영역의 일치로 인한 높은 전자-광자 상호작용을 유도할 수 있다.On the other hand, the structure according to the embodiments can induce a high electron-photon interaction due to the matching of the confinement region of the charge and the distribution region of the resonator mode because the shape of the resonator itself has a charge restraining effect in the semiconductor.

열팽창 계수가 다른 모든 이종 기판 에피택시를 통해 제작되는 광소자에서 열팽창에 의한 스트레인을 극대화하고 기판 수직방향이 아닌 수평 방향의 전하 구속효과를 주면서 동시에 광학 모드 분포를 일치시키기 때문에 LED나 화합물 반도체 레이저에 응용할 수 있다. In optical devices fabricated through heterogeneous substrate epitaxy with different thermal expansion coefficients, the strain due to thermal expansion is maximized, and the optical mode distribution is matched at the same time while giving a charge restraining effect in the horizontal direction instead of the vertical direction of the substrate. It can be applied.

도 4는 일 실시예에 따른 반도체 다리 위에 공진기가 결합된 주기적 구조의 예를 설명하는 도면이다. 4 illustrates an example of a periodic structure in which a resonator is coupled to a semiconductor bridge, according to an exemplary embodiment.

도 4를 참조하면, 일 실시예에 따른 반도체 다리 위에 공진기가 결합된 주기적 구조의 예를 나타내는 것으로, 그 구조에서의 광학적 밴드 구조, 전기장의 분포도, 전기장의 분포영역과 스트레인 분포 영역의 일치를 보여준다. 4 shows an example of a periodic structure in which a resonator is coupled on a semiconductor bridge according to an embodiment, and shows an optical band structure, an electric field distribution diagram, an agreement between an electric field distribution region and a strain distribution region in the structure. .

반도체 다리 위에 공진기를 형성하기 위해서는 포토닉 밴드갭을 가질 수 있는 구조를 형성해야 하며, 밴드갭의 에너지와 공진기의 품위 값은 반도체 다리의 주기적 형상에 따라 결정된다. 공진기는 주기성 구조의 유효 굴절률 변화에 따라 포토닉 밴드갭을 가지며 이는 다양한 형태로 구현할 수 있다. In order to form a resonator on the semiconductor bridge, a structure capable of having a photonic bandgap must be formed. The energy of the bandgap and the quality of the resonator are determined according to the periodic shape of the semiconductor bridge. The resonator has a photonic band gap according to the change of the effective refractive index of the periodic structure, which can be implemented in various forms.

상술한 도 2의 (b) 구조에 대한 예시에서 전산모사를 할 경우, 공진기 광결정의 첫 번째 밴드는 도 4의 (a) 처럼, 두 번째 밴드는 (b) 처럼 주어지게 되는데, 두 번째 밴드의 경우 후술할 도 5에서 제시한 해당 구조에서의 스트레인 집속 영역과 일치하는 전기장 분포를 가지게 되고, 이는 도 2의 (a)와 (b)뿐 아니라 유사한 형태로 유효 굴절률의 주기적 변화를 갖는 모든 구조의 TM 모드에서 같은 형태로 주어진다. In the above example of the structure of FIG. 2 (b), when performing computer simulation, the first band of the resonator photonic crystal is given as shown in (a) of FIG. 4 and the second band is shown as (b). In this case, the electric field distribution coincides with the strain focusing region in the corresponding structure shown in FIG. 5 to be described later, which is similar to that of all structures having periodic variations in effective refractive index as well as (a) and (b) of FIG. 2. It is given in the same form in TM mode.

인장력에 의해 밴드갭의 감소를 가지는 모든 반도체 물질(예: 게르마늄, 게르마늄-주석 합금, 여타 화합물 반도체)의 경우에 주기적인 인장력의 변화를 줄 경우 밴드구조의 변화에 따라 인장력의 변화주기와 같은 밴드구조상의 우물을 가지게 된다. 이에 따라 인장력이 강하게 걸린 밴드구조상의 우물 영역에 전자가 모이는 효과를 얻을 수 있다. 이러한 주기적인 인장력의 변화는 다리 구조의 넓이에 주기적인 변화를 줌으로써 얻을 수 있는데, 이러한 구조는 광학적으로는 광결정의 구조와 매우 유사하다. 공진 모드의 전기장 분포가 인장력의 집속 영역과 일치할 경우, 전하 수송자가 인장력에 의해 형성된 전하 우물 내에 고립될 확률이 높아지고, 더 높은 밀도의 전하 수송자와 전기장이 상호작용을 하게 되어 레이저의 발진 가능성을 높여준다.In the case of all semiconductor materials (eg, germanium, germanium-tin alloys, and other compound semiconductors) which have a band gap reduction due to the tensile force, if the periodic tensile force is changed, the band equals the period of change of the tensile force according to the change of the band structure. You have a structural well. As a result, electrons can be collected in the well region of the band structure in which the tensile force is strongly applied. This change in the periodic tensile force can be obtained by giving a periodic change in the width of the bridge structure, which is optically very similar to the structure of the photonic crystal. If the electric field distribution in the resonant mode coincides with the focusing region of the tensile force, there is a high probability that the charge carriers will be isolated within the charge wells formed by the tensile force, and the higher density of the charge carriers and the electric field will interact, causing the laser to oscillate. Increase

그리고 도 5는 일 실시예에 따른 공진기 구조와 결합된 다리에서의 스트레인 분포도를 나타내는 도면이다. And FIG. 5 is a diagram illustrating a strain distribution diagram in a leg coupled with a resonator structure according to one embodiment.

실시예들에 따르면 이종 기판 에피택시에서 스트레인을 이용한 주기적 전하구속 구조와 공진기를 동시에 제조할 수 있으며, 기판과의 열팽창 계수 차이로 인한 스트레인 인가 시에 주기적 구조를 이용하여 스트레인에 의한 인공적인 주기적 전하구속 구조를 만들 수 있다. 그리고 반도체 주기적 구조를 이용한 인공 전하구속 구조를 공진기의 광학 모드 분포와 일치함으로써 반도체 전하구속 구조의 전하 구속 영역을 일치시킬 수 있다. According to embodiments, a periodic charge restraint structure using a strain and a resonator may be fabricated simultaneously in a heterogeneous substrate epitaxy, and an artificial periodic charge due to strain using a periodic structure when strain is applied due to a difference in thermal expansion coefficient with the substrate. You can create constraint structures. The artificial charge confinement structure using the semiconductor periodic structure coincides with the optical mode distribution of the resonator to match the charge confining region of the semiconductor charge confinement structure.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.When a component is said to be "connected" or "connected" to another component, it may be directly connected to or connected to that other component, but it may be understood that another component may be present in the middle. Should be. On the other hand, when a component is said to be "directly connected" or "directly connected" to another component, it should be understood that there is no other component in between.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terminology used herein is for the purpose of describing particular embodiments only and is not intended to be limiting of the invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly indicates otherwise. In this specification, terms such as "comprise" or "have" are intended to indicate that there is a feature, number, step, operation, component, part, or combination thereof described in the specification, and one or more other features. It is to be understood that the present invention does not exclude the possibility of the presence or the addition of numbers, steps, operations, components, components, or a combination thereof.

제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.Terms such as first and second may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms. The terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another.

또한, 명세서에 기재된 "…부", "…모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.In addition, the terms “… unit”, “… module”, etc. described in the specification mean a unit that processes at least one function or operation, which may be implemented by hardware or software or a combination of hardware and software.

또한, 각 도면을 참조하여 설명하는 실시예의 구성 요소가 해당 실시예에만 제한적으로 적용되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상이 유지되는 범위 내에서 다른 실시예에 포함되도록 구현될 수 있으며, 또한 별도의 설명이 생략될지라도 복수의 실시예가 통합된 하나의 실시예로 다시 구현될 수도 있음은 당연하다.In addition, the components of the embodiments described with reference to the drawings are not limited to the corresponding embodiments, and may be implemented to be included in other embodiments within the scope of the technical idea of the present invention. Although the description is omitted, it is obvious that a plurality of embodiments may be reimplemented into one integrated embodiment.

또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일하거나 관련된 참조 부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. In addition, in the description with reference to the accompanying drawings, the same components regardless of reference numerals will be given the same or related reference numerals and redundant description thereof will be omitted. In the following description of the present invention, when it is determined that the detailed description of the related known technology may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention, the detailed description thereof will be omitted.

이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.Although the embodiments have been described by the limited embodiments and the drawings as described above, various modifications and variations are possible to those skilled in the art from the above description. For example, the described techniques may be performed in a different order than the described method, and / or components of the described systems, structures, devices, circuits, etc. may be combined or combined in a different form than the described method, or other components. Or, even if replaced or substituted by equivalents, an appropriate result can be achieved.

그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다. Therefore, other implementations, other embodiments, and equivalents to the claims are within the scope of the claims that follow.

Claims (15)

기판 위에 성장한 박막에 패터닝(Patterning)을 통해 구성된 주기성을 갖는 다리(Bridge) 구조의 공진기; 및
상기 공진기와 동시 결합되는 스트레인(Strain)이 가해진 전하구속 구조체
를 포함하는, 공진기와 전하구속 구조 일체형 주기성 다리 구조체.
A resonator having a bridge structure having a periodicity formed by patterning the thin film grown on the substrate; And
Strain applied charge strain structure coupled to the resonator at the same time
A resonator and charge restraining structure integrated periodic bridge structure comprising a.
제1항에 있어서,
스트레인으로 인한 상기 전하구속 구조체와 상기 공진기의 공진 모드의 겹침(Overlap)이 일치하는 구조로 이루어지는 것
을 특징으로 하는, 공진기와 전하구속 구조 일체형 주기성 다리 구조체.
The method of claim 1,
Consisting of a structure in which the overlap between the charge confinement structure due to strain and the resonance mode of the resonator is coincident
And a resonator and charge confinement structure integrated periodic bridge structure.
제1항에 있어서,
굴절률 및 스트레인의 주기적 동시변화를 이용한 공진기와 전하구속 구조의 일체형 주기성 다리 구조로 이루어져 상기 기판에 수평 방향으로 전하 구속효과를 주고 광학 모드 분포를 일치시키는 것
을 특징으로 하는, 공진기와 전하구속 구조 일체형 주기성 다리 구조체.
The method of claim 1,
Comprising an integral periodic bridge structure of resonator and charge restraint structure using periodic simultaneous change of refractive index and strain to give charge restraining effect to the substrate in the horizontal direction and to match the optical mode distribution
And a resonator and charge confinement structure integrated periodic bridge structure.
제1항에 있어서,
상기 공진기는,
상기 기판 위에 성장한 반도체 박막이 열 팽창계수의 차이에 의해 스트레인을 받는, 박막에 패터닝(Patterning)을 통한 나노-마이크로 크기의 다리 구조로 이루어지는 것
을 특징으로 하는, 공진기와 전하구속 구조 일체형 주기성 다리 구조체.
The method of claim 1,
The resonator,
The semiconductor thin film grown on the substrate is made of nano-micro-sized bridge structure through patterning on the thin film, which is strained by the difference in thermal expansion coefficient.
And a resonator and charge confinement structure integrated periodic bridge structure.
제1항에 있어서,
상기 공진기는,
상기 기판이 실리콘 기판으로 이루어지며, 상기 실리콘 기판 상에 게르마늄 박막을 성장시킨 후 패터닝을 통해 다리 구조를 갖는 것
을 특징으로 하는, 공진기와 전하구속 구조 일체형 주기성 다리 구조체.
The method of claim 1,
The resonator,
The substrate is made of a silicon substrate, having a bridge structure by patterning after growing a germanium thin film on the silicon substrate
And a resonator and charge confinement structure integrated periodic bridge structure.
제1항에 있어서,
상기 전하구속 구조체는,
설계된 다리 구조의 상기 공진기의 넓은 영역과 좁은 영역의 스트레인 차이에 따라 III-V 족 화합물 반도체에서 사용하는 전하구속 구조와 유사한 형태의 주기적 전하구속 구조를 갖는 것
을 특징으로 하는, 공진기와 전하구속 구조 일체형 주기성 다리 구조체.
The method of claim 1,
The charge confinement structure,
Having a periodic charge restraint structure similar to the charge restraint structure used in group III-V compound semiconductors according to the strain difference between a wide region and a narrow region of the resonator of the designed bridge structure
And a resonator and charge confinement structure integrated periodic bridge structure.
이종기판에 반도체 박막을 성장시키고 열팽창 계수 차이 또는 기판간의 격자상수 차이에 따른 스트레인(Strain)을 인가하는 단계; 및
상기 박막에 패터닝(Patterning) 공정을 통해 다리(Bridge) 구조를 갖는 공진기와 전하구속 구조체를 동시에 형성하는 단계
를 포함하는, 공진기와 전하구속 구조 일체형 주기성 다리 구조 제조 방법.
Growing a semiconductor thin film on a heterogeneous substrate and applying strain according to a difference in coefficient of thermal expansion or a difference in lattice constant between the substrates; And
Simultaneously forming a resonator having a bridge structure and a charge restraint structure through a patterning process on the thin film;
A method of manufacturing a resonator and charge confinement structure integrated periodic bridge structure comprising a.
제7항에 있어서,
식각 공정을 이용하여 상기 기판 및 상기 박막에 패턴을 식각하는 단계; 및
상기 박막에 기판층의 화학적 식각을 통해 상기 기판에서 상기 박막의 구조체와 연결된 부분을 제거하는 상기 기판의 언더컷(undercut)을 수행하는 단계
를 더 포함하는, 공진기와 전하구속 구조 일체형 주기성 다리 구조 제조 방법.
The method of claim 7, wherein
Etching a pattern on the substrate and the thin film using an etching process; And
Performing an undercut of the substrate to remove a portion connected to the structure of the thin film from the substrate through chemical etching of the substrate layer on the thin film
Further comprising a resonator and charge-constraining structure integrated periodic bridge structure manufacturing method.
제7항에 있어서,
상기 공진기와 전하구속 구조체를 동시에 형성하는 단계는,
전산모사 방법론을 이용하여 소자의 동작 파장에 맞는 구조의 상기 공진기를 설계하여, 다른 전산모사 방법론을 이용해 도출한 구조의 스트레인과 상기 스트레인에 의한 인공 전하구속 구조의 발광파장을 일치시키는 단계
를 포함하는, 공진기와 전하구속 구조 일체형 주기성 다리 구조 제조 방법.
The method of claim 7, wherein
Simultaneously forming the resonator and the charge confinement structure,
Designing the resonator having a structure suitable for the operating wavelength of the device by using a computer simulation methodology, and matching the strain of the structure derived using another computer simulation methodology with the emission wavelength of the artificial charge-constrained structure by the strain.
A method of manufacturing a resonator and charge confinement structure integrated periodic bridge structure comprising a.
제9항에 있어서,
상기 공진기의 구조는,
주기적인 전하구속 효과를 위해 격자상수, 두께, 다리의 너비 및 구멍의 크기 중 적어도 어느 하나 이상의 구조의 변수에 따라 바뀌는 밴드 구조를 조절하여 해당 구조의 첫 번째 밴드의 밴드 끝에서 첫 번째 낮은 굴절률 모드 밴드의 밴드에지(Band Edge)를 가지면서 공진 파장과 일치된 주파수를 갖도록 만드는 것
을 특징으로 하는, 공진기와 전하구속 구조 일체형 주기성 다리 구조 제조 방법.
The method of claim 9,
The structure of the resonator,
The first low refractive index mode at the end of the band of the first band of the structure is adjusted by adjusting the band structure, which is dependent on a variable of at least one of the lattice constant, thickness, leg width, and hole size for periodic charge confinement effects. To have a band edge of the band and a frequency consistent with the resonant wavelength
A resonator and a charge restraining structure-integrated periodic bridge structure manufacturing method.
제9항에 있어서,
상기 공진기와 전하구속 구조체를 동시에 형성하는 단계는,
상기 전산모사 방법론을 이용한 설계 시 발광 특성 및 용도에 따른 특정 모드의 밴드갭을 사용하며, 상기 특정 모드의 밴드갭은 대상 물질의 발광 특성에 따라 TM 모드(Transverse Magnetic Mode) 또는 TE 모드(Transverse Electric Mode)인 것
을 특징으로 하는, 공진기와 전하구속 구조 일체형 주기성 다리 구조 제조 방법.
The method of claim 9,
Simultaneously forming the resonator and the charge confinement structure,
When designing using the computer simulation methodology, a bandgap of a specific mode according to light emission characteristics and uses is used, and the bandgap of the specific mode is TM mode (Transverse Magnetic Mode) or TE mode (Transverse Electric) according to the light emission characteristics of the target material. Being Mode)
A resonator and a charge restraining structure-integrated periodic bridge structure manufacturing method.
제9항에 있어서,
상기 공진기와 전하구속 구조체를 동시에 형성하는 단계는,
광학적으로 설계된 상기 공진기의 구조에 상기 전산모사 방법론을 적용하여 스트레인 분포를 계산하는 단계
를 더 포함하는, 공진기와 전하구속 구조 일체형 주기성 다리 구조 제조 방법.
The method of claim 9,
Simultaneously forming the resonator and the charge confinement structure,
Calculating strain distribution by applying the computer simulation methodology to the structure of the optically designed resonator
Further comprising a resonator and charge-constraining structure integrated periodic bridge structure manufacturing method.
제12항에 있어서,
상기 공진기의 구조에 상기 전산모사 방법론을 적용하여 스트레인 분포를 계산하는 단계는,
공진기 역할을 하는 다리와 패드 부분의 너비 비율에 따라 다리에 작용하는 스트레인의 크기를 조절할 수 있고, 광학적으로 설계된 공진기의 좁은 부분에 걸리는 스트레인에 따라 공진기의 전하구속 영역에서 발광파장이 달라지는 것
을 특징으로 하는, 공진기와 전하구속 구조 일체형 주기성 다리 구조 제조 방법.
The method of claim 12,
Computing the strain distribution by applying the computer simulation methodology to the structure of the resonator,
The size of the strain acting on the leg can be adjusted according to the width ratio of the leg and pad part serving as the resonator, and the light emission wavelength is changed in the charge restraint region of the resonator according to the strain applied to the narrow part of the optically designed resonator.
A resonator and a charge restraining structure-integrated periodic bridge structure manufacturing method.
제7항에 있어서,
설계된 다리 구조의 상기 공진기의 넓은 영역과 좁은 영역의 스트레인 차이에 따라 통상의 화합물 반도체에서 사용하는 양자우물 구조와 유사한 형태의 주기적 전하구속 구조를 갖는 것
을 특징으로 하는, 공진기와 전하구속 구조 일체형 주기성 다리 구조 제조 방법.
The method of claim 7, wherein
Having a periodic charge confinement structure similar to the quantum well structure used in conventional compound semiconductors according to the strain difference between the wide and narrow regions of the resonator of the designed bridge structure
A resonator and a charge restraining structure-integrated periodic bridge structure manufacturing method.
제7항에 있어서,
스트레인으로 인한 상기 전하구속 구조체와 상기 공진기의 공진 모드의 겹침(Overlap)이 일치하는 구조로 이루어지는 것
을 특징으로 하는, 공진기와 전하구속 구조 일체형 주기성 다리 구조 제조 방법.
The method of claim 7, wherein
Consisting of a structure in which the overlap between the charge confinement structure due to strain and the resonance mode of the resonator is coincident
A resonator and a charge restraining structure-integrated periodic bridge structure manufacturing method.
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