Ex-situ 확산 공정을 이용한 N형 Germanium의 광 특성 평가 및 Ge-on-Si 레이저 개발에의 응용

국문 초록 (Abstract)

최근, Ge-on-Si laser가 실리콘 웨이퍼에 단일 집적이 가능한 광원으로서 큰 기대를 받으며 광-인터커넥트를 구현하기 위한 마지막 열쇠로 많은 연구들이 진행되고 있다. Germanium (Ge)은 일반적으로 간접 밴드갭을 갖고 있는 반도체 재료로 알려져 있지만 간접 밴드갭을 이루는 L valley와 직접 밴드갭을 이루는 Γ valley와의 밴드 에너지 차가 매우 작은 의사-직접 밴드갭 (pseudo-direct bandgap)의 특징을 갖고 있어, 적당한 인장 변형과 n형 도핑을 통해 Ge의 밴드 구조를 변형시켜 광원에 적합한 재료로 탈바꿈할 수 있다. Ge의 가장 큰 장점은 Ge은 실리콘과 같은 IV 족 원소이며 실리콘 웨이퍼 위에 에피텍셜 성장 (epitaxial growth)이 가능하여, 상업 실리콘 반도체 공정 라인을 그대로 활용하여 실리콘 집적회로칩과 함께 집적될 수 있다는 것이다. 실리콘 웨이퍼에서 시작하는 공정으로 온-칩 광-인터커넥트 소자를 만들 수 있다는 사실은 기술적인 측면뿐 아니라 산업적인 측면에서도 매우 큰 장점을 가진다. 지금까지 개발된 Ge-on-Si laser는 매우 높은 문턱 전류밀도를 갖고 있어 III-V 족 화합물 반도체와 비교하여 수 백배 높다는 큰 단점을 갖고 있다. 본 논문에서는 이러한 견지를 바탕으로 높은 문턱 전류밀도를 줄이기 위한 방법으로 ex-situ 도핑 방법들을 이용하여 POCl3 확산 도핑, spin-on doping 그리고 sub-atmospheric chemical vapor deposition을 이용한 phosphosilicate glass (PSG)를 증착하였고 확산로를 이용한 확산 공정 진행하였다. 이와 더불어 광 손실을 최소한으로 줄이기 위한 방법으로 inverted-rib Ge 도파로 구조를 개발하여 기존의 전통적인 도파로 구조를 갖고 있는 Ge laser를 개선한 샘플을 제작하여 그 것의 광 펌핑 특성을 확인해 보았다. 그 결과 확산 도핑을 통해 격자의 결함이 없는 약 1×1019 cm-3의 P 농도를 갖는 n형 도핑에 성공하였으며 도핑되지 않은 Ge 샘플과 비교하여 최대 10배 이상 증가한 PL 세기를 보였다. 이러한 공정을 바탕으로 적용한 inverted-rib Ge 구조를 통해 기존에 발표된 광 펌핑 threshold power와 비교하여 획기적으로 낮추는 데 성공하였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Ge-on-Si laser is a candidate for monolithically integrated light emitter on a Si wafer. Germanium (Ge) has pseudo-direct bandgap structure, which enables Ge to emit photons by direct bandgap transition with high n-type doping and tensile-strain. However, the previously-reported Ge-on-Si laser showed a threshold current for lasing as much as 280 kA/cm2 and 510 kA/cm2 , which is much higher than III-V lasers. In this work, we suggest two ideas to reduce threshold current. First, we used inverted-rib Ge structure for effective light confinement. In this inverted-rib Ge structure, the mode will be positioned upward compared to the conventional channel waveguide. Therefore, the mode stays away from the Ge-Si interface where many dislocations are located and we can expect less optical loss due to scattering and the overall higher mode gain. For optical gain in Ge, it is also essential to highly dope germanium with phosphorus while avoiding lattice damage. Secondly, we developed a low-temperature phosphosilicate glass (PSG) pre-deposition process using sub-atmospheric chemical vapor deposition (SACVD) method and investigated photoluminescence characteristics of germanium film after subsequent drive-in diffusion. We obtained phosphorus doping concentration of ~1019 cm-3 in Ge and successfully enhanced photoluminescence (PL) intensity by more than 10 times over intrinsic Ge. This process also can conduct individual ex-situ doping process tailored for each different Ge devices. With these ideas, we successfully grew inverted-rib Ge structure and conducted P diffusion doping by sub-atmospheric chemical vapor deposition (SACVD). As a result, optically-pumped inverted-rib Ge showed a threshold-like behavior starting at 18 kW/cm2 and amplified spontaneous emission around 1570 nm.

목차 (Table of Contents)

• 목차∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ i
• List of figures ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ iii
• List of figures ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ vi
• 국문 요약 ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ v
• 1. Introduction ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ 1
• 1.1 Optical Interconnect ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ 4
• 1.2 Light Emitter for Integrated Si Photonics ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ 5
• 2. Basic Optical Material Properties of Germanium
• ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ 7
• 2.1 Ge band structure ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ 7
• 2.2 Ge emission ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ 12
• 2.3 Ge n-type doping ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ 14
• 3. N-type Doped Germanium Using POCl3 Diffusion Doping ∙ 18
• 3.1 POCl3 diffusion doping ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ 18
• 3.2 Experiments ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ 20
• 3.3 Results ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ 22
• 3.4 Conclusions ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ 26
• 4. N-type Doped Germanium using Spin-on doping and Sub-atmospheric Chemical Vapor Deposition ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ 27
• 4.1 PSG by Spin-on doping ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ 27
• 4.2 PSG by sub-atmospheric chemical vapor deposition∙ ∙ ∙ ∙ 28
• 4.3 Experiments ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ 31
• 4.4 Results ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ 33
• 4.5 Conclusions ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ 39
• 5. Optically Pumped Photoluminescence Characteristics of Inverted-Rib n+Ge Made By P Diffusion ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ 40
• 5.1 Inverted-rib Ge Structure ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ 40
• 5.2 Experiments ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ 43
• 5.3 Results ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ 45
• 5.4 Conclusions∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ 50
• 참고 문헌 ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ 52
• 영문 초록(Abstract) ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ 56
• 감사의 글 ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ 59