도파로형 광 혼합기{WAVEGUIDE PHOTOMIXER}

본 발명은 도파로형 광 혼합기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 동작속도 및 응답도가 향상된 도파로형 광 혼합기에 관한 것이다.

광학적 신호인 빛을 받아 전기적 신호인 전자-정공 쌍을 생성하는 것이 주목적인 광 혼합기는 일반적으로 반도체로 제작된다. 널리 사용되는 단순 PIN (P-doped Intrinsic N-doped) 광 혼합기의 흡수층(Absorption Layer or Intrinsic Layer)은 P형으로 도핑된 층과 N형으로 도핑된 층이 아래 위에서 둘러싸도록 형성된다. 일반적인 표면입사형(Surface-Illuminated Type) PIN 광 혼합기는 P형으로 도핑된 층 또는 N형으로 도핑된 층에 외부로부터 빛을 받아들일 수 있는 개구부(Window Aperture)를 갖는다.

흡수된 빛은 흡수층에서 전자-정공 쌍으로 변환되는데 이 때, 역방향으로 인가된 전기장에 의하여 전자는 N형으로 도핑된 층을 통과하고, 정공은 P형으로 도핑된 층을 통과하여 N/P-전극으로 이동하게 된다. 광 혼합기는 전자와 정공의 이동으로 인해 발생된 전류를 이용하는 것을 목적으로 제작된다. 광 혼합기의 가장 중요한 성능항목은 응답도 및 동작속도이다. 위와 같은 표면입사형 PIN 광혼합기의 경우 응답도와 동작속도가 서로 상충되는 관계에 있어 응답도와 동작속도를 동시에 증가시키는 것에는 한계가 있다. 응답도는 빛이 흡수되는 영역의 면적 또는 길이와 관계가 있고, 동작속도는 생성된 전자-정공 쌍의 이동시간과 RC 시상수(Time Constant)에 의하여 제한된다. 따라서 응답속도를 높이기 위해서는 전자-정공 쌍의 이동거리를 줄이고, RC 시상수를 줄이는 것이 필요하다.

본 발명의 목적은 응답도가 향상되는 도파로형 광 혼합기를 제공하는 데 있다. 본 발명의 다른 목적은 동작속도가 향상되는 도파로형 광 혼합기를 제공하는 데 있다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 도파로형 광 혼합기는 기판 상에 형성되는 버퍼층, 상기 버퍼층 상에 형성되고, 상기 버퍼층의 상부 표면의 폭보다 작은 폭을 갖도록 형성되는 제1 클래드층, 상기 제1 클래드층 상에 형성되고, 상기 제1 클래드층의 상부 표면의 폭보다 작은 폭을 갖도록 형성되는 흡수층, 상기 흡수층 상에 형성되고, 상기 흡수층의 상부 표면의 폭보다 큰 폭을 갖도록 형성되는 제2 클래드층, 상기 제2 클래드층 상에 형성되는 접촉층, 상기 제1 클래드층이 형성되지 않은 버퍼층의 상에 형성되는 제1 전극부, 및 상기 접촉층의 상에 형성되는 제2 전극부를 포함한다.

실시 예로서, 상기 흡수층은 상기 제1 및 제2 클래드층의 면적에 비해 접합면적이 작다.

실시 예로서, 상기 버퍼층, 상기 제1 클래드층, 상기 흡수층, 상기 제2 클래드층 및 상기 접촉층은 순차적으로 적층되어 형성되고, 상기 접촉층, 상기 제2 클래드층, 상기 흡수층 및 상기 제1 클래드층은 중앙 영역을 중심으로 양쪽 측면이 식각되어 메사 구조를 형성한다.

실시 예로서, 상기 버퍼층은 N-버퍼층이고, 상기 제1 클래드층은 N형으로 도핑된 N-클래드층이고, 상기 제2 클래드층은 P형으로 도핑된 P-클래드층이고, 상기 접촉층은 P-접촉층이고, 상기 제1 전극부는 N-전극부이고, 상기 제2 전극부는 P-전극부이고, 상기 흡수층에 입사된 빛에 의하여 전자 및 정공이 발생하고, 상기 전자는 상기 N-전극부로 이동하고, 상기 정공은 상기 P-전극부로 이동한다.

실시 예로서, 상기 메사 구조의 빛이 입사되는 절개면의 반대쪽 절개면에 형성되고, 상기 흡수층을 통과한 빛을 다시 흡수층으로 반사시키는 고반사막을 더 포함한다.

실시 예로서, 상기 고반사막은 단일층의 금속 물질 또는 단일층의 유전체로 형성된다.

실시 예로서, 상기 고반사막은 상기 P-전극부와 동일한 재료로 형성되고, 상기 P-전극부와 동시에 형성된다.

실시 예로서, 상기 고반사막은 Ti/Au, Ti/Pt/Au, Ti/Pt/Au/Ni 중 하나로 형성된다.

실시 예로서, 상기 고반사막은 굴절률이 서로 다른 복수의 유전체들의 적층으로 형성된다.

실시 예로서, 상기 흡수층은 InGaAs 물질로 형성되고, 상기 제1 및 제2 클래드층은 InGaAsP 또는 InP 물질로 형성된다.

실시 예로서, 상기 제1 클래드층 및 제2 클래드층의 굴절률은 상기 흡수층의 굴절률보다 작다.

실시 예로서, 상기 메사구조의 측면 및 상기 버퍼층의 상부에 전류의 차단 및 소자간 전기적 분리를 위한 보호막이 형성된다..

본 발명에 따른 도파로형 광 혼합기는 응답도가 향상될 수 있고, 동작속도가 향상될 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 도파로형 광 혼합기의 절단면을 나타내는 도면이다.
도 2는 도 1의 도파로형 광 혼합기의 사시도면이다.
도 3은 본 발명의 다른 일 실시 예에 따른 도파로형 광 혼합기의 절단면을 나타내는 도면이다.
도 4는 도 3의 도파로형 광 혼합기의 사시도면이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 일 실시 예에 따른 도파로형 광 혼합기의 사시도면이다.
도 6은 도 5의 도파로형 광 혼합기를 II`절단면을 나타내는 도면이다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예들을 통해 설명될 것이다. 그러나 본 발명은 여기에서 설명되는 실시 예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 단지, 본 실시 예들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여 제공되는 것이다.

도면들에 있어서, 본 발명의 실시 예들은 도시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니며 명확성을 기하기 위하여 과장된 것이다. 본 명세서에서 특정한 용어들이 사용되었으나. 이는 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이며, 의미 한정이나 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 권리 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다.

이하, 도면들을 참조하여 본 발명의 실시 예에 대해 상세히 설명하기로 한다.

일반적인 표면입사형 PIN 광 혼합기와 달리 도파로형 광 혼합기는 표면 쪽이나 기판 쪽에서 빛이 수직으로 입사되는 것이 아니라 절개면으로부터 수평방향으로 입사된다는 점이다. 이러한 구조는 빛이 입사되는 수광면적을 넓히기 위하여 P/N접합부의 면적을 넓힐 필요가 없기 때문에, 일반적인 표면입사형 PIN 광 혼합기와 비교하여 접합 커패시턴스(Junction Capacitance)를 줄일 수 있는 장점이 있다. 접합 커패시턴스는 흡수층의 두께에 반비례하고, 접합면적에 비례한다. 따라서 접합 커패시턴스를 줄이기 위해서 접합면적을 줄이거나 흡수층의 두께를 증가시키는 두 가지 방법이 있다.

수직으로 빛이 입사되는 표면입사형 PIN 광 혼합기의 경우 빛이 입사되는 개구부의 크기를 줄임으로써 접합 커패시턴스를 줄일 수 있지만, 개구부의 크기를 줄이면 광 혼합기 내부로 흡수되는 빛의 양도 줄어든다. 그리고 흡수층의 두께를 증가시켜 접합 커패시턴스를 줄일 수 있지만, 흡수층의 두께가 일정 크기 이상으로 증가하게 되면 전자 및 정공의 이동 거리가 증가하기 때문에 광 혼합기의 동작속도 향상에 효과적이지 않다. 본 발명의 실시 예에 따른 도파로형 광 혼합기는 위와 같은 응답도와 동작속도의 상충관계를 극복할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 도파로형 광 혼합기의 절단면을 나타내는 도면이다. 도 1을 참조하면, 도파로형 광 혼합기(100)는 기판(101), 버퍼층(102), 제1 클래드층(107), 흡수층(110), 제2 클래드층(108), 접촉층(109), 제1 전극부(103) 및 제2 전극부(104)를 포함한다.

버퍼층(102)은 기판(101) 상에 형성된다. 버퍼층은 기판과 버퍼층 상에 적층될 다른 층들과의 경계 역할을 한다. 버퍼층(102) 상에는 제1 클래드층(107) 및 제1 전극부(103)가 적층될 수 있고, 버퍼층(103)의 하부는 기판과 접속되어 있다.

제1 클래드층(107)은 버퍼층(102) 상에 형성된다. 제1 클래드층(107)의 폭은 버퍼층(102)의 상부 표면의 폭보다 작게 형성된다. 흡수층(110)에 흡수된 빛에 의하여 생성된 전자 또는 정공 중 어느 하나는, 제1 전극부(103) 및 제2 전극부(104)를 통해서 인가된 전기장에 의하여, 제1 클래드 층(107)을 통과하여 제1 전극부(103)로 이동한다.

흡수층(110)은 제1 클래드층(107) 상에 형성된다. 흡수층(110)의 폭은 제1 클래드층(107)의 상부 표면의 폭보다 작게 형성된다. 흡수층(110)은 제1 클래드층(107) 및 제2 클래드층(108) 사이에 형성되고, 흡수층(110)의 일부를 선택적 식각으로 제거하여 형성되기 때문에, 제1 클래드층(107) 및 제2 클래드층(108)에 비해 접합면적이 작은 것을 특징으로 한다. 접합 커패시턴스는 흡수층의 두께에 반비례하고, 접합면적에 비례한다. 따라서 본 발명의 일 실시 예에 따른 도파로형 광 혼합기(100)에 포함된 흡수층과 같이 접합면적을 작게 형성하면 접합 커패시턴스가 작아지게 된다. 결국 광 혼합기의 동작속도를 결정하는 RC 시상수가 작아지게 되어 광 혼합기의 동작속도가 향상된다.

제2 클래드층(108)은 흡수층(110) 상에 형성된다. 제2 클래드층(108)의 폭은 흡수층(110)의 상부 표면의 폭보다 크게 형성된다. 흡수층(110)에 흡수된 빛에 의하여 생성된 전자 또는 정공 중 어느 하나는, 제 전극부(103) 및 제2 전극부(104)를 통해서 인가된 전기장에 의하여, 제2 클래드 층(108)을 통과하여 제2 전극부(104)로 이동한다.

접촉층(109)은 제2 클래드층(108) 상에 형성된다. 제2 전극부(104)와 제2 클래드층(108) 사이에 위치하여 경계역할을 한다. 제2 클래드층(108)을 통과한 전자 또는 전공 중 어느 하나가 제2 전극부(104)로 이동하는 과정에서 접촉층(109)을 통과한다.

제1 전극부(103)는 제1 클래드층(107)이 형성되지 않은 버퍼층(102) 상에 형성된다. 제2 전극부(104)는 접촉층(109) 상에 형성된다. 제1 전극부(103) 및 제2 전극부(104)를 통해서, 흡수층(110)을 샌드위칭하는 제1 클래드층(107) 및 제2 클래드층(108)에 역방향 전압을 인가할 수 있다. 인해서 빛에 의하여 생성된 전자 또는 정공 중 어느 하나는, 인가된 전기장에 의하여, 제1 클래드층(107)을 통하여 제1 전극부(103)로 이동하고, 나머지 다른 하나는 제2 클래드층(108)을 통하여 제2 전극부(104)로 이동한다. 위와 같은 전자 또는 정공의 이동으로 광 생성전류가 발생되고, 발생된 광 생성전류를 부하저항을 이용하여 외부에서 사용할 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 도파로형 광 혼합기(100)는 흡수층(110)의 일부를 선택적 식각으로 제거하여 제1 클래드층(107) 및 제2 클래드층(108)에 비하여 접합면적이 작은 것을 특징으로 한다. 흡수층의 접합면적이 작기 때문에, 일반적인 도파로형 광 혼합기에 비하여 접합 커패시턴스가 작다. 그 결과 광 혼합기의 동작속도를 결정하는 RC 시상수가 작아지게 되고 동작속도가 향상된다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 도파로형 광 혼합기(100)에 포함되는 버퍼층(102), 제1 클래드층(107), 흡수층(110), 제2 클래드층(108) 및 접촉층(109)은 순차적으로 적층되어 형성될 수 있다. 그리고 접촉층(109), 제2 클래드층(108), 흡수층(110) 및 제1 클래드층(107)은 중앙 영역을 중심으로 양쪽 측면이 식각되어 메사 구조를 형성할 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 도파로형 광 혼합기(100)에 포함되는 버퍼층(102)은 N-버퍼층일 수 있고, 제1 클래드층(107)은 N형으로 도핑된 N-클래드층일 수 있고, 제2 클래드층(108)은 P형으로 도핑된 P-클래드층일 수 있고, 접촉층(109)은 P-접촉층일 수 있다. 이러한 실시 예에서 제1 전극부(103)는 N-전극부가 되고, 제2 전극부(104)는 P-전극부가 된다. 즉, 흡수층(110)에 흡수된 빛에 의하여 생성된 전자 또는 정공 중 전자는 N형으로 도핑된 N-클래드층을 통과하여 N-전극부로 이동하고, 정공은 P형으로 도핑된 P-클래드층을 통과하여 P-전극부로 이동한다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 도파로 형 광 혼합기(100)에 포함되는 흡수층(110)은 InGaAs 물질로 형성될 수 있고, 제1 클래드층(107) 및 제2 클래드층(108)은 InGaAsP 또는 InP 물질로 형성될 수 있다. 또한, 제1 클래드층(107) 및 제2 클래드층(108)의 굴절률은 흡수층(110)의 굴절률보다 작도록 물질을 선택할 수 있다.

도 2는 도 1의 도파로형 광 혼합기의 사시도면이다. 도 2를 참조하면, 도파로형 광 혼합기(100)는 기판(101), 버퍼층(102), 제1 클래드층(107), 흡수층(110), 제2 클래드층(108), 접촉층(109), 제1 전극부(103) 및 제2 전극부(104)를 포함한다.

도 2의 기판(101), 버퍼층(102), 제1 클래드층(107), 흡수층(110), 제2 클래드층(108), 접촉층(109), 제1 전극부(103) 및 제2 전극부(104)는 앞서 도 1에서 상세히 설명된 바와 동일하므로 자세한 설명은 이곳에서 생략한다.

도 3은 본 발명의 다른 일 실시 예에 따른 도파로형 광 혼합기의 절단면을 나타내는 도면이다. 도 3을 참조하면, 도파로형 광 혼합기(200)는 기판(201), 버퍼층(202), 제1 클래드층(207), 흡수층(210), 제2 클래드층(208), 접촉층(209), 제1 전극부(203), 제2 전극부(204) 및 보호막(205, 206)을 포함한다. 도 3에 도시된 기판(201), 버퍼층(202), 제1 클래드층(207), 흡수층(210), 제2 클래드층(208), 접촉층(209), 제1 전극부(203) 및 제2 전극부(204)는 앞서 도 1에서 상세히 설명된 바와 동일하므로 자세한 설명은 이곳에서 생략한다.

도 3의 도파로형 광 혼합기(200)는 메사 구조의 측벽 및 버퍼층(202)의 상부에 전류차단 및 소자간 전기적 분리를 위한 보호막(205, 206)을 포함한다. InP 물질이 세미-인슐레이팅(semi-insulating) 특성을 갖도록 하는 보호막(205, 206)은 폴리이미드(Polyimide) 또는 BCB (Benzo-Cyclo-Butene) 등의 유전율이 낮은 중합체(polymer)를 사용하여 형성될 수 있다.

도 4는 도 3의 도파로형 광 혼합기의 사시도면이다. 도 4를 참조하면, 도파로형 광 혼합기(200)는 기판(201), 버퍼층(202), 제1 클래드층(207), 흡수층(210), 제2 클래드층(208), 접촉층(209), 제1 전극부(203), 제2 전극부(204) 및 보호막(205, 206)을 포함한다. 도 4의 기판(201), 버퍼층(202), 제1 클래드층(207), 흡수층(210), 제2 클래드층(208), 접촉층(209), 제1 전극부(203), 제2 전극부(204) 및 보호막(205, 206)은 앞서 도 1 및 도 3에서 상세히 설명된 바와 동일하므로 자세한 설명은 이곳에서 생략한다.

도 5는 본 발명의 또 다른 일 실시 예에 따른 도파로형 광 혼합기의 사시도면이다. 도 5를 참조하면, 도파로형 광 혼합기(300)는 기판(301), 버퍼층(302), 제1 클래드층(307), 흡수층(310), 제2 클래드층(308), 접촉층(309), 제1 전극부(303), 제2 전극부(304), 보호막(305, 306, 311) 및 고반사막(320)을 포함한다. 도 5의 기판(301), 버퍼층(302), 제1 클래드층(307), 흡수층(310), 제2 클래드층(308), 접촉층(309), 제1 전극부(303), 제2 전극부(304) 및 보호막(305, 306)은 앞서 도 1 및 도 3에서 상세히 설명된 바와 같으므로 자세한 설명은 이곳에서 생략한다.

도 6은 도 5의 도파로형 광 홉합기를 II`절단면을 나타내는 도면이다.

본 발명의 또 다른 일 실시 예에 따른 도파로형 광 혼합기(300)는 일반적인 도파로형 광 혼합기들과 비교하여 흡수층의 일부를 선택적 식각으로 제거하여 제1 클래드층 및 제2 클래드층에 비해 접합면적이 작은 것을 특징으로 한다. 그로 인해서 접합 커패시턴스를 작게할 수 있고, 결국 RC 시상수를 작게할 수 있게 되어 광 혼합기의 동작속도가 향샹된다. 그러나 흡수층의 일부가 선택적 식각으로 제거되기 때문에 흡수층의 길이가 짧아질 수 있고, 결국 흡수되는 빛의 양이 충분하지 않을 수 있다.

흡수되는 빛의 양이 충분하지 않은 경우에는 광 혼합기의 응답도(Responsivity)가 감소될 수 있다. 그러나 도 5의 도파로형 광 혼합기(300)는 메사 구조의 빛이 입사되는 면의 반대면에 형성되어 흡수층을 통과한 빛을 다시 흡수층으로 반사시키는 고반사막(320)울 더 포함하여 응답도의 감소를 억제할 수 있다.

고반사막(320)은 흡수층을 통과하면서 충분히 흡수되지 못한 빛을 반사시킨다. 반사된 빛은 흡수층에서 재흡수 되어 전자 및 정공의 생성에 재사용될 수 있다. 결국 응답도의 감소를 억제할 수 있고, 동시에 동작속도를 향상시킬 수 있게 된다.

고반사막(320)은 단일층의 금속 물질 또는 단일층의 유전체로 형성될 수 있다. 그리고 반사효율을 증가시키기 위해서, 고반사막(320)은 굴절률이 서도 다른 복수의 유전체들의 적층으로 형성될 수 있다. 그리고 고반사막(320)은 제2 전극부(304)가 될 수 있는 P-전극부와 동일한 재료로 형성될 수 있고, 그 경우 P-전극부의 형성과 동시에 고반사막(320)도 형성될 수 있다. 고반사막(320)은 Ti/Au, Ti/Pt/Au, Ti/Pt/Au/Ni 중 하나로 형성될 수 있다.

보호막(311)은 고반사막(320)과 인접한 소자들(제2 전극부(304), 제1 전극부(303) 및 버퍼층(302)) 사이의 전류차단 및 소자간 전기적 분리를 위해서 형성된다.

이상에서, 본 발명은 구체적인 실시 예를 통해 설명되고 있으나, 본 발명은 그 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지로 변형할 수 있음은 잘 이해될 것이다. 그러므로, 본 발명의 범위는 상술한 실시 예에 국한되어 정해져서는 안되며, 후술하는 특허청구범위 및 이와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다. 상술한 내용을 고려하여 볼 때, 만약 본 발명의 수정 및 변경이 아래의 청구항들 및 동등물의 범주 내에 속한다면, 본 발명이 이 발명의 변경 및 수정을 포함하는 것으로 여겨진다.