JP2009283941A - 反射型光学センサ装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】発光領域が備えられた半導体光源および受光領域が備えられた光検出素子が単一チップ上に集積された反射型光学センサ装置を提供する。
【解決手段】基板上の一定領域に発光領域を備えて形成された半導体光源;および前記半導体光源が形成された基板と同一の基板上に集積されて前記半導体光源の外周面を囲む構造で形成され、受光領域を備える光検出素子;を含み、前記半導体光源から発光された光が外部のオブジェクトによって反射して戻ってくれば、前記光検出素子は、前記反射した光を検出して前記オブジェクトを感知する反射型光学センサ装置を含むことによって費用の節減および小型化が可能であり、光検出素子が半導体光源の外周面を囲むように構成されているため、より正確に光検出を行うことができる効果がある。
【選択図】図2a

Description

本発明は、反射型光学センサ装置に関し、より詳しくは、反射型光学センサ装置に用いられる半導体光源および光検出素子が単一チップ上に集積され、より正確に光検出を行うことができる反射型光学センサ装置に関する。
一般的に、反射型光学センサは、感知するためのオブジェクトの同一側面上に光放出器および光受信器があり、オブジェクトの存在は、光放出器から放出された光がオブジェクトの表面から反射して光受信器によって受信されるときに感知される。
従来の反射型光学センサは、空洞(Cavity)内に搭載された発光ダイオードおよび光受信器を含む。しかしながら、発光ダイオードの光は、低い強度および過剰な交差通信によって不正確な検出を招来する。
したがって、最近では、発光ダイオードの代わりに垂直共振器面発光レーザ(VCSEL)を用いた反射型光学センサが提供されている。
図1は、従来技術に係る反射型光学センサ装置を示す概念図である。図1に示したような反射型光学センサ装置を適用した従来の特許としては、韓国公開特許第2007−88573号(発明の名称:組み合わされたレーザ送信器および光検出器受信器パッケージ)がある。
図1を参照すれば、従来の反射型光学センサ装置100は、オブジェクト110の存在有無を感知するために第1空洞(Cavity)120および第2空洞(Cavity)130を有する反射型センサパッケージを含み、垂直共振器面発光レーザ(VCSEL)140が光放出を生成するために第1空洞(Cavity)120内に位置し、光受信器150が第2空洞(Cavity)130内に位置する。
このとき、光受信器150は、垂直共振器面発光レーザ(VCSEL)140から放出されてオブジェクト110から反射した光の少なくとも一部を受信するように構成され、前記反射した光が臨界強度を越えるときにオブジェクト110が存在するものとして決定する。
しかしながら、オブジェクトから反射した光は一方向に偏らないため、光受信器が一方向にのみ存在する従来の方式の場合には、不正確な検出を招来することがある。
また、光放出器と光受信器がそれぞれ付着している従来の方式では、反射型光学センサ装置が携帯電話などの超小型機器に搭載される場合に、体積が大きいために適用が不可能であるという短所がある。
本発明は、上述した問題点を解決するために案出されたものであって、発光領域が備えられた半導体光源および受光領域が備えられた光検出素子が単一チップ上に集積された反射型光学センサ装置を提供することを目的とする。
上述した目的を達成するために、本発明は、基板上の一定領域に発光領域を備えて形成された半導体光源;および前記半導体光源が形成された基板と同一の基板上に集積されて前記半導体光源の外周面を囲む構造で形成され、受光領域を備える光検出素子;を含み、前記半導体光源から発光された光が外部のオブジェクトによって反射して戻ってくれば、前記光検出素子は前記反射した光を検出して前記オブジェクトを感知する反射型光学センサ装置を提供することを特徴とする。
ここで、前記半導体光源の外周面および前記光検出素子の間の一定領域にブロッキング層(Blocking layer)がさらに形成されることが好ましい。
好ましくは、前記半導体光源は、トップエミッション方式で前記基板の上部に発光することができる。
好ましくは、前記半導体光源は、前記基板側に背面発光することができる。
好ましくは、前記半導体光源の発光経路上にはマイクロレンズがさらに追加され、前記マイクロレンズは前記半導体光源の上面に集積されることができる。
好ましくは、前記半導体光源の発光経路上にはマイクロレンズがさらに追加され、前記マイクロレンズは前記半導体光源が形成された領域の基板下部に集積されることができる。
好ましくは、前記半導体光源は、前記基板から第1分散ブラッグ反射器、発光領域、および第2分散ブラッグ反射器を備え、前記光検出素子は、前記基板から第1分散ブラッグ反射器、受光領域、および第2分散ブラッグ反射器を備えることができる。
以上で説明したような本発明の反射型光学センサ装置によれば、発光領域が備えられた半導体光源および受光領域が備えられた光検出素子が単一チップ上に位置するようにして、反射型光学センサ装置の体積を最小化することができるという利点がある。
また、本発明によれば、光検出素子が半導体光源の外周面を囲むように形成され、より正確な光検出が可能であるという利点がある。
従来技術に係る反射型光学センサ装置を示す概念図である。 本発明の一実施形態に係る反射型光学センサ装置を説明するための平面図である。 図2aのI−I’を切断した断面図である。 本発明の他の実施形態に係る反射型光学センサ装置を説明するための平面図である。 図3aのII−II’を切断した断面図である。 本発明のさらに他の実施形態に係る反射型光学センサ装置を説明するための平面図である。 図4aのIII−III’を切断した断面図である。
以下、添付の図面を参照しながら、本発明の実施形態について詳細に説明する。しかしながら、次に例示する本発明の実施形態は多様な形態に変形することができ、本発明の範囲が後述する実施形態に限定されることはない。本発明の実施形態は、当業界において通常の知識を有する者に本発明をより完全に説明するために提供されるものである。
図2aは、本発明の一実施形態に係る反射型光学センサ装置を説明するための平面図である。図2bは、図2aのI−I’を切断した断面図である。
図2aを参照すれば、本発明の一実施形態に係る反射型光学センサ装置は、大きく、半導体光源210および光検出素子220を含む。
ここで、半導体光源210および光検出素子220は同一の基板上に形成され、光検出素子220が半導体光源210の外周面を囲む構造を有する。
このとき、半導体光源210の外周面および光検出素子220の間の一定空間には、半導体光源210からの自発放出する光を遮断するためのブロッキング層(Blocking layer)Bがさらに形成されることが好ましい。
すなわち、半導体光源210から放出される光は、自発放出する光(Spontaneous emission)と誘導放出する光(Stimulated emission)とがあり、半導体光源210としては、例えば半導体レーザなどが用いられる場合、大部分の光は誘導放出する光であるため垂直方向に進むが、自発放出する光もある程度存在するようになる。
このとき、自発光する光が光検出素子220の一定部分に入る場合、ノイズが発生するようになる。したがって、自発放出する光が光検出素子220に入らないようにする必要があるが、そうするためにブロッキング層(Blocking layer)Bを形成するようになる。
ここで、ブロッキング層(Blocking layer)Bは、例えば光を吸収することができる金属または透過性が極めて弱いポリマ(Polymer)などが用いられる。
一方、図2bを参照すれば、本発明の一実施形態に係る反射型光学センサ装置は、例えば基板230と、第1分散ブラッグ反射器(Distributed Bragg Reflector;DBR)240と、n型オーミック接触層250、250’と、活性層(すなわち、発光領域および受光領域)260、260’と、p型オーミック接触層270、270’と、第2分散ブラッグ反射器(DBR)280、280’とを含んでなされる。
また、発光の開口部および受光の開口部を露出させて前記形成された反射型光学センサ装置の全体構造を覆う形式として、例えば前記反射型光学センサ装置の全体構造にポリイミドなどの樹脂を塗布することによって形成されたポリマ層Pを含む。
ここで、基板230は半導体基板であり、n型半導体基板を用いることができるが、好ましくは、例えばGaAsまたはInP系列の化合物半導体が用いられる。
あれば、基板230の種類は特に限定せずに用いることができ、必要によっては、例えばガラス基板またはサファイア基板などの利用も可能である。
第1分散ブラッグ反射器(DBR)240, 第2分散ブラッグ反射器(DBR)280および280’は、互いに異なる屈折率を有する少なくとも2つの物質層、例えば高い屈折率を有する物質層と低い屈折率を有する物質層とがそれぞれ所定の厚さを有し、互いに順番に積層された構造を有するように形成されることができる。
このような第1および第2分散ブラッグ反射器(DBR)240、280、280’は、例えば反射特性を調節することにより、発光領域260で反射した光が第1および第2分散ブラッグ反射器(DBR)240、280、280’の上部dまたは下部に進むようにすることができる。
また、例えば、積層された層数を加減して反射率を調節することにより、前記上部または下部方向に放出される光の量を調節することもできる。
発光領域260は、陰極および陽極から供給されたそれぞれの電子と正孔の再結合がなされることによって発光が行われる領域であり、このような発光領域260は、例えばバルク型、半導体量子井戸、または量子ドットなどが可能である。
最後に、ポリマ層Pの一定領域には、選択的エッチング工程の後に金属蒸着およびパターニング工程などを介して形成されたn型電極295、295’と、p型電極296、296’と、ブロッキング層Bとがそれぞれ形成される。
一方、本発明の一実施形態に係る反射型光学センサ装置を製造するための方法の一例について、図2bを参照しながら詳細に説明する。
図2bを参照すれば、まず、第1分散ブラッグ反射器(DBR)240、n型オーミック接触層250、250’、活性層(すなわち、発光領域および受光領域)260、260’、p型オーミック接触層270、270’、および第2分散ブラッグ反射器(DBR)280、280’を順に積層して形成された基板230、例えばn型半導体基板を準備する。
この後、第2分散ブラッグ反射器(DBR)280、280’を上部から選択的にエッチングし、p型オーミック接触層270、270’および活性層260、260’を選択的にエッチングした後、n型オーミック接触層250、250’および第1分散ブラッグ反射器(DBR)240を選択的にエッチングする。
この後、上述のように製作された全体構造で発光の開口部および受光の開口部をそれぞれ露出させ、前記反射型光学センサ装置の全体構造を覆う方式、例えば前記反射型光学センサ装置の全体構造にポリイミド(Polyimide)などの樹脂を塗布することでポリマ層(Polymer layer)Pを形成する。
この後、ポリマ層Pの一定領域を選択的にエッチングした後、金属蒸着およびパターニング工程によってn型電極295、295’、p型電極296、296’、およびブロッキング層Bをそれぞれ形成するようになれば、本発明の一実施形態に係る反射型光学センサ装置を完成することができる。
このような本発明の一実施形態に係る反射型光学センサ装置は、半導体光源210および光検出素子220が単一チップで集積されており、従来技術(図1参照)とは違って半導体光源210および光検出素子220の間の空洞が存在しない。
また、光検出素子220が半導体光源210の外周面を囲んでいるため、オブジェクトによって反射した光をより効率的に検出することができる。
このとき、半導体光源210は、トップエミッション(Top emission)方式、すなわち基板230の上部を発光する方式で実現することもでき、基板230の下部で発光する方式で実現することもできる。
図3aは、本発明の他の実施形態に係る反射型光学センサ装置を説明するための平面図である。図3bは、図3aのII−II’を切断した断面図である。
図3aおよび図3bを参照すれば、本発明の他の実施形態に係る反射型光学センサ装置は、基板230、例えばn型半導体基板上に第1分散ブラッグ反射器(DBR)240と、n型オーミック接触層250、250’と、活性層(すなわち、発光領域および受光領域)260、260’と、p型オーミック接触層270、270’と、第2分散ブラッグ反射器(DBR)280、280’と、n型電極295、295’と、p型電極296、296’と、ブロッキング層Bとを含んでなされる。
また、発光の開口部および受光の開口部を露出させて反射型光学センサ装置の全体構造を覆う形式、例えば前記反射型光学センサ装置の全体構造にポリイミドなどの樹脂を塗布することによって形成されたポリマ層Pを含む。
このような本発明の他の実施形態に係る反射型光学センサ装置は、上述した図2aおよび2bの反射型光学センサ装置との差異点を中心として説明すれば、図3aおよび図3bに示すように、半導体光源210の上部にマイクロレンズLが共に集積されている構造を有する。
このとき、マイクロレンズLは、半導体光源210の上部に選別的に集積されることが可能であり、これは反射型光学センサの製作段階において容易になすことができる。さらに、その製作方法は特に限定されず、多様な方式での製作が可能である。
例えば、本発明の同発明者によって出願された韓国公開特許第2006−43912号(発明の名称:マイクロレンズが集積された光電素子の製造方法)または第2007−55764号(発明の名称:化合物半導体の選択的エッチングを用いたマイクロレンズおよびマイクロレンズが集積された光電素子の製造方法)に開示された方式などを用いた製作が可能である。
一方、マイクロレンズLを製作する方法の一例として、上述した韓国公開特許第2006−43912号(発明の名称:マイクロレンズが集積された光電素子の製造方法)に開示された方式を参照しながら説明すれば、図3bのように、基板230、例えばn型半導体基板上に第1分散ブラッグ反射器(DBR)240、n型オーミック接触層250、250’、活性層(すなわち、発光領域および受光領域)260、260’、p型オーミック接触層270、270’、および第2分散ブラッグ反射器(DBR)280、280’を順に積層する。
この後、マイクロレンズLを製造するために、例えばアルミニウムの比率を徐々に増加させながら化合物半導体酸化可能層310を形成する。
この後、高温で酸化をさせれば、アルミニウム比率が高い部分320は酸化物となって屈折率が低くなり、アルミニウム比率が低い部分330は本来の化合物半導体状態として残るようになって、高い屈折率を有するようになることで、レンズの役割をするようになり、マイクロレンズLを形成できるようになる。
このとき、マイクロレンズLの焦点距離は、例えば酸化時間、温度、および酸化可能層の成長条件などを調節して変化させることができる。
図4aは、本発明のさらに他の実施形態に係る反射型光学センサ装置を説明するための平面図である。図4bは、図4aのIII−III’を切断した断面図である。
図4aおよび図4bを参照すれば、本発明のさらに他の実施形態に係る反射型光学センサ装置は、基板230、例えばn型半導体基板上に第1分散ブラッグ反射器(DBR)240と、n型オーミック接触層250、250’と、活性層(すなわち、発光領域および受光領域)260、260’と、p型オーミック接触層270、270’と、第2分散ブラッグ反射器(DBR)280、280’と、n型電極295、295’と、p型電極296、296’と、ブロッキング層Bとを含んでなされる。
また、発光の開口部および受光の開口部を露出しながら反射型光学センサ装置の全体構造を覆う形式として、例えばポリイミドなどの樹脂を塗布することによって形成されたポリマ層Pを含む。
このような本発明のさらに他の実施形態に係る反射型光学センサ装置は、図2aおよび2bの反射型光学センサ装置との差異点を中心として説明すれば、図4aおよび図4bに示すように、基板230の下部にマイクロレンズLが共に集積されている構造を有する。
また、このような構造は、上述した図3aおよび図3bの反射型光学センサ装置と比較したときにも互いに異なる構造を有する。
すなわち、図3aおよび図3bでは半導体光源210の上部にマイクロレンズLが形成される反面、図4aおよび図4bでは基板230の下部、すなわち半導体光源210が形成された領域の基板230下部にマイクロレンズLが形成される構造を有する。
また、上述した図2a〜図3bは、半導体光源210から放出された光が基板230の上部に発光する場合を示しており、図4aおよび図4bは、半導体光源210から放出された光が基板230を貫通してその下面に発光する場合を示している。
したがって、図4aおよび図4bでは半導体光源210が基板230の下面に発光するので、図2a〜図3bとは異なる構造上の差異点を有するようになる。
例えば、第1分散ブラッグ反射器(DBR)240および第2分散ブラッグ反射器(DBR)280、280’の機能が発光領域260で発光された光を基板230の下部に進めることができるように各反射特性が調節される。
一方、基板230の下部にマイクロレンズLを形成する方法としては、例えばリフロー(Reflow)方法などを用いることができる。
このようなリフロー(Reflow)方法によって基板230の下部にマイクロレンズLを形成するためには、まず、基板230の下部に、例えばフォトリソグラフィ(Photo lithography)方法などを用いて所望する大きさのフォトレジスト(Photo−resist)円筒形パターンを形成する。
この後、これを加熱してリフロー(Reflow)させれば、表面張力によって円筒形のフォトレジストが中心軸からエッジ領域に次第に薄くなるようにすることにより、ふくらんだ形態の曲率半径を有するレンズ形態に変わるようになる。
この後、このようなレンズ形態のフォトレジストをマスクで用いて、例えば乾式エッチングなどの方法によってエッチングするようになれば、基板230の下部の一定領域、すなわち半導体光源210が形成された領域の基板230の下部にマイクロレンズLが形成されるようになる。
このように形成されたマイクロレンズLは、半導体光源210の発光領域260で発光された光が開口部を介して放出されるときにマイクロレンズLを通過して進むようにすることにより、ビーム広がり(Beam divergence)が減少するようにする。
上述した本発明に係る反射型光学センサ装置の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、特許請求の範囲と発明の詳細な説明、および添付の図面の範囲内で多様に変形して実施することが可能であり、これもまた本発明に属する。

Claims (7)

  1. 基板上の一定領域に発光領域を備えて形成された半導体光源と、
    前記半導体光源が形成された基板と同一の基板上に集積されて前記半導体光源の外周面を囲む構造で形成され、受光領域を有する光検出素子とを備え、
    前記半導体光源から発光された光が外部の対象によって反射して戻ってくれば、前記光検出素子は、前記反射した光を検出して前記対象を感知することを特徴とする反射型光学センサ装置。
  2. 前記半導体光源の外周面および前記光検出素子の間の一定領域にブロッキング層がさらに形成されることを特徴とする、請求項1に記載の反射型光学センサ装置。
  3. 前記半導体光源は、トップエミッション方式で前記基板の上部に発光することを特徴とする、請求項1に記載の反射型光学センサ装置。
  4. 前記半導体光源は、前記基板側に背面発光することを特徴とする、請求項1に記載の反射型光学センサ装置。
  5. 前記半導体光源の発光経路上にはマイクロレンズがさらに追加され、前記マイクロレンズは、前記半導体光源の上部に集積されることを特徴とする、請求項1に記載の反射型光学センサ装置。
  6. 前記半導体光源の発光経路上にはマイクロレンズがさらに追加され、前記マイクロレンズは、前記半導体光源が形成された領域の基板下部に集積されることを特徴とする、請求項1に記載の反射型光学センサ装置。
  7. 前記半導体光源は、前記基板から第1分散ブラッグ反射器、発光領域、および第2分散ブラッグ反射器を含み、前記光検出素子は、前記基板から第1分散ブラッグ反射器、受光領域、および第2分散ブラッグ反射器を含むことを特徴とする、請求項1に記載の反射型光学センサ装置。
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