초록 ▼

□ 연구의 목적 및 내용
본 연구에서는 광-인터커넥트 기술을 더욱 직접적으로 산업에 적용될 수 있도록 하기 위하여 SOI 웨이퍼 대신 실리콘 기판에 단일집적이 가능한 GeSi-on-Si 도파로 구조를 새로 설계하고 이와 더불어 실리콘 위에 집적 가능한 새로운 구조의 Ge-on-Si laser 설계하고 그 것의 광 펌핑 특성을 확인하였다.

□ 연구결과
Optical interconnect를 구현하기 위한 대표적인 기술인 Si photonics는 기존의 실리콘 반도체 칩에 사용이 되는 재료와 공정을 그대로 사용하

□ 연구의 목적 및 내용
본 연구에서는 광-인터커넥트 기술을 더욱 직접적으로 산업에 적용될 수 있도록 하기 위하여 SOI 웨이퍼 대신 실리콘 기판에 단일집적이 가능한 GeSi-on-Si 도파로 구조를 새로 설계하고 이와 더불어 실리콘 위에 집적 가능한 새로운 구조의 Ge-on-Si laser 설계하고 그 것의 광 펌핑 특성을 확인하였다.

□ 연구결과
Optical interconnect를 구현하기 위한 대표적인 기술인 Si photonics는 기존의 실리콘 반도체 칩에 사용이 되는 재료와 공정을 그대로 사용하여, 실리콘 집적전자회로와의 광소자의 융합을 이룩하고 이를 통하여 반도체 후공정의 금속배선기술의 한계를 광배선기술로 극복하는데 큰 목적이 있다.

본 연구에서 실리콘 웨이퍼상에 GeSi-Si 계면에서 광구속 (optical confinement)효과를 사용하여 GeSi-on-Si도파로 구조를 새로 설계하였고, 이에 기반하여 광배선시스템 구현에 필수적인 능동소자들과 도파로(waveguide) 수동소자를 설계하였다. 레이저, 광변조기, 광검출기등의 능동소자에서는 Ge의 직접밴드갭의 효과를 활용하기 위하여 Ge조성비를 매우 높게 쓰고, 광신호전달의 저에너지손실이 중요한 수동 도파로소자에서는 Ge조성비가 상대적으로 낮은 GeSi 에피박막을 설계하여 쓰도록 한다. 또한 수동도파로소자의 특정용도나 설계상 필요에 따라서는 칩 상위의 BEOL(Back-end-of-the-Line)에 구현하도록 하며, 이때 상위레벨상의 수동 bus 도파로와 하위 웨이퍼표면 레벨상에 위치한 능동소자 사이를 광 유효굴절률차이를 극복하여 광신호전달 연결이 가능토록하는 커플러를 설계하였고 ,전산모사실험에서 90%의 신호전달 효율을 이룩하였다.

실리콘반도체와 호환가능한 공정만을 사용하여 실현한 Ge-on-Si 레이저로 설계된 소자로부터의 광펌핑 발광의 실현은 수년전에 세계최초로 발표되었던 MIT의 소자에 이은 세계 두 번째 실현이며, 이전의 전통적 채널 도파로 구조의 형태에서 35kW/cm²의 광펌핑 문턱파워를 가졌던 것에 비교하여, 매우 혁신적인 Inverted-rib waveguide 구조 채택으로 절반에 가까운 18kW/cm²의 문턱파워 값을 갖는 매우 주목할 만한 결과를 얻었다.

□ 연구결과의 활용계획
주요 능동소자, 수동소자, 이러한 상이한 소자들간의 효율적 연결을 가능하게 하는 광커플러를 세계최초로 개발하였고, 이를 통해 SOI웨이퍼가 아닌 벌크 실리콘 기판에 구현 가능하게 하는 소자플랫폼 기술을 완성하고 이를 특허화하여 지적재산권을 확보하였다. 또 Ge-on-Si 레이저 소자 개발에 있어서는 이전 MIT의 광펌핑 발광소자 대비 많이 향상된 성능을 보여주는 매우 고무적인 가능성을 가지고 있으나, 현재 광펌핑에 의한 발광 구현을 넘어, electrical pumping에 의한 레이저 구현 연구가 절대적으로 반드시 이루어져야 하므로 실제 제작 및 테스트를 위해 후속 연구를 진행할 계획이다.

( 출처 : 요약문 4p )

Abstract ▼

□ Purpose&contents
As the degree of integration of semiconductor chips increases, there is a growing emphasis on the limitations of the back-end-of-the-line (BEOL) metal interconnect wires that they have difficulty in bolstering the continual increase of the microprocessor processing speed due to

□ Purpose&contents
As the degree of integration of semiconductor chips increases, there is a growing emphasis on the limitations of the back-end-of-the-line (BEOL) metal interconnect wires that they have difficulty in bolstering the continual increase of the microprocessor processing speed due to the bandwidth limit and power consumption.

Replacing metal wires with optical interconnect by using silicon photonics technologies may be a possible solution to resolve such inter connect issues

□ Result
An optical interconnection device including: a first element layer formed on a substrate; a second element layer disposed on the first element layer and receiving an optical signal; and a mode converter interposed between the first element layer and the second element layer, and eliminating a difference between an effective refractive index of the first element layer and an effective refractive index of the second element layer and match a mode profile, wherein the first element layer, the mode converter, and the second element layer are sequentially disposed on respective planes spaced apart from each other on the substrate, and one end of the mode converter overlaps a part of the second element layer, and the other end of the mode converter overlaps a part of the first element layer.

As Ge-on-Si laser research, inverted-rib structures are proposed for the Ith reduction, which can confine the light more efficiently in comparison with the conventional structures. The inverted-rib structures are formed applying an epitaxial lateral overgrowth (ELO) technique with thin SiO2 masks. Towards the local formation of heavily n-type region within a wafer, P diffusion is employed from a phosphosilicate glass (PSG) layer deposited on the Ge by a chemical vapor deposition technique. As a result, P-diffused n+-Ge inverted-rib structures first verify a clear threshold behavior of light emission at a low power density of optical pumping.

□ Expected Contribution
We completed the device platform technology that makes it possible to implement on bulk silicon substrate instead of SOI wafer, and patented it to secure intellectual property rights. In addition, in the development of Ge-on-Si laser devices, it is very encouraging to show a much improved performance compared to the previous MIT optical pumping light emitting device. We plan to carry out further research for actual production and testing.

( 출처 : SUMMARY 5p )

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 목차 ... 2
• 연구계획 요약문 ... 3
• 연구결과 요약문 ... 4
• 한글요약문 ... 4
• SUMMARY ... 5
• 연구내용 및 결과 ... 6
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 6
• 2. 국내외 기술개발 현황 ... 6
• 3. 연구수행 내용 및 결과 ... 7
• 4. 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 ... 15
• 5. 연구결과의 활용계획 ... 16
• 6. 연구과정에서 수집한 해외 과학기술정보 ... 16
• 7. 참고문헌 ... 16
• 8. 연구성과 ... 17
• 9. 국가과학기술지식정보서비스에 등록한 연구시설‧장비 현황 ... 20
• 10. 연구개발과제 수행에 따른 연구실 등의 안전조치 이행실적 ... 20
• 11. 기타사항 ... 20
• 끝페이지 ... 20