KR101291319B1 - 테라헤르츠파 발생/검출기 및 그의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 생산성을 향상시킬 수 있는 테라헤르츠파 발생/검출기 및 그의 제조방법을 개시한다. 그 발생/검출기는, 기판; 상기 기판 상의 전면에 형성된 포토 컨덕티브 층; 상기 포토 컨덕티브 층 상에 형성되고, 소정 간극을 갖고 서로 이격되는 제 1 전극과 제 2 전극; 및 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 상에서 형성되고, 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극사이의 상기 간극 내부를 매립시키는 렌즈를 포함한다.
렌즈, 테라헤르츠(THz), 포토 컨덕티브(photo-conductive), 안테나(antenna)
Description
본 발명은 테라헤르츠파 발생/검출기 및 그의 제조방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로 저가의 값싼 렌즈를 채용하는 테라헤르츠파 발생/검출기 및 그의 제조방법에 관한 것이다.
전자기파 스펙트럼 대역에서 0.1 ~ 3 THz 영역의 테라헤르츠(THz)파 기술은 비금속 및 무극성 물질을 투과하는 특성과 함께 또한 매우 다양한 분자들의 공진주파수가 이 영역에 분포하고 있다는 특징을 가지고 있다. 이들 분자들의 비파괴, 미개봉, 비접촉법으로 실시간으로 식별함으로써 의료, 농업, 식품, 환경계측, 바이오, 안전, 첨단재료평가 등 매우 다양한 응용분야에서 지금까지 없었던 신개념의 분석기술 제공이 가능할 것으로 예측되고 있는 첨단 기술 분야이다. 또한, 테라헤르츠파 기술은 또한 수 meV 수준의 매우 낮은 에너지로 인하여 인체에의 영향이 거의 없기 때문에 인간중심의 유비쿼터스 사회 실현의 필수 핵심기술로 급부상하고 있으며 그 수요가 매우 빠른 속도로 증가하고 있다.
현재까지 활용 중에 있는 테라헤르츠(THz) 발생 방법으로는 주파수배가법, 후진파 발진기 (Backward wave Oscillator), 포토믹싱법 (Photomixing), CO2 pumped 가스레이저, 양자 폭포 레이저(Quantum cascade laser), 자유 전자 레이저(Free electron laser) 등 매우 다양한 기술 등이 있다. 테라헤르츠갭 영역이라고도 하는 0.1 ~ 10THz 주파수 대역에서 동작하는 테라헤르츠파원 개발에 많은 연구들이 진행되고 있으나, 상용화에 필수적인 포터블, 비냉각, 저가격 조건을 갖는 적절한 테라헤르츠 파원 기술이 현재까지는 성숙되지 못한 상황이다.
최근까지 가장 광범위하게 사용된 테라헤르츠파 발생/검출기는 펨토초급 초단 펄스레이저를 초고속 응답속도를 가지는 반도체에 조사시켜 테라헤르츠파를 발생시키는 타임 도메인 스펙트로스코피(Time Domain Spectroscopy : 이하 TDS라 칭함) 기반의 포토믹싱법이 활용되고 있다. 펨토초급의 고출력 펄스레이저 및 포토믹서로 구성된 테라헤르츠파 발생/검출기로 높은 잡음비(SNR)제공 등의 장점이 있으나, 펨토초급 고출력레이저 및 매우 정교한 광학계를 필수적으로 요구하고 있어 고가격 및 큰 시스템 크기 등으로 포터블 개념의 계측기로 발전하기에는 많은 제한이 따른다.
TDS 방식보다 늦게 발전되기 시작한 주파수 도메인 스펙트로스코피(Frequency Domain Spectroscopy: 이하 FDS라 칭함) 방식의 테라헤르츠파 발생/검출기는 값비싸고 크기가 큰 펨토초 고출력 레이저 대신 값싸고 크기가 작은 두 개의 연속발진 다이오드 레이저 (LD)를 여기 광원으로 사용함으로 좀 더 포터블 및 상용화에 가깝게 다가선 기술로 최근 주목 받고 있다. 그러나 이 FDS 방식 테파헤 르츠파 발생/검출기의 경우에도 여러 가지 비싼 부품들 및 정밀한 패키징 기술들이 사용됨으로 인하여 아직까지는 연구소 정도에서만 사용되고 있는 고가의 장치로 알려져 있는데 최근에는 dual-mode tunable LD를 여기 광원으로 사용하고자 하는 시도, 여기 광원과 포토믹서를 집적화하고자 하는 시도 등 여러 가지 상용화 기술들이 포터블 및 저가격화를 위하여 연구되고 있다.
본 발명이 이루고자 하는 일 기술적 과제는 값싼 부품을 채용하고, 패키징 기술들의 난이도를 감소시켜 생산성을 증대 또는 극대화할 수 있는 테라헤르츠파 발생/검출기 및 그의 제조방법을 제공하는 데 있다.
상기 일 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은 저가의 값싼 렌즈를 채용하는 테라헤르츠파 발생/검출기를 제공한다. 이 발생/검출기는 기판; 상기 기판 상의 전면에 형성된 포토 컨덕티브 층; 상기 포토 컨덕티브 층 상에 형성되고, 소정 간극을 갖고 서로 이격되는 제 1 전극과 제 2 전극; 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 상에서 형성되고, 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극사이의 상기 간극 내부를 매립시키는 렌즈; 및 상기 포토 컨덕티브 층 상에 형성된 에치 블록 층을 포함한다. 여기서, 상기 에치 블록 층은 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 사이의 간극 내에서 상기 포토 컨덕티브 층을 노출시키는 제 2 개구부를 가질 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 렌즈는 플라스틱 재질로 이루어진다. 여기서 렌즈는 저가의 값싼 플라스틱 재질로 구성됨에 따라 부품 단가가 낮추어질 수 있다. 플라스틱은 테라헤르츠파 영역(0.1~10THz)에서 1.3 내지 1.5 정도의 굴절률을 갖는다.
일 실시예에 따르면, 상기 렌즈는 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 상으로 돌출되는 돔 또는 종 모양이다. 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극사이의 간극 및 간극을 포함한 안테나 전체 또는 일부분에서 발생되는 테라헤르츠파가 렌즈의 내부에서 방사되고, 돔 또는 종 모양의 외곽에 공기와 접하면서 일방향으로 평행하게 또는 약간의 방사각을 지닌 상태로 진행될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 렌즈는 접착제에 의해 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 상에 접합된다. 접착제는 에폭시, 실리콘, 핫멜트, 고분자, PVAc를 포함한다.
일 실시예에 따르면, 상기 렌즈는 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극들을 합한 전체 길이보다 직경이 크다. 상기 렌즈는 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극사이에서 노출되는 상기 포토 컨덕티브층을 덮도록 형성될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 기판이 갈륨비소로 이루어질 경우, 상기 포토 컨덕티브 층은 저온 갈륨비소로 이루어질 수 있다. 상기 포토 컨덕티브 층은 상기 기판 상에서 동일 또는 유사한 격자 방향을 갖고 성장될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 기판이 인듐인으로 이루어질 경우, 상기 포토 컨덕티브 층은 저온 인듐갈륨비소 또는 이온주입 인듐갈륨비소로 이루어질 수 있다. 상기 포토 컨덕티브 층은 상기 기판 상에서 동일 또는 유사한 격자 방향을 갖고 성장될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 기판은 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 사이의 상기 간극과 중첩된 제 1 개구부를 포함한다. 상기 제 1 개구부를 통해 상기 포토 컨덕티브 층에 펄스 또는 맥놀이(beat) 광원이 입사될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 제 1 개구부는 상기 렌즈의 직경보다 작은 크기를 갖는다. 상기 제 1 개구부에 의해 노출되는 상기 포토 컨덕티브 층은 상기 렌즈의 하부에 지지되면서 찢겨지는 것이 방지될 수 있고, 상기 렌즈는 제 1 개구부의 외곽의 기판에 의해 지지될 수 있다.
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일 실시예에 따르면, 상기 제 2 개구부는 상기 렌즈의 직경보다 작은 크기를 갖는다. 상기 에치 블록 층은 상기 렌즈의 하부까지 연장되어 형성됨으로서 상기 렌즈에 의해 노출되는 상기 포토 컨덕티브 전면을 커버링 할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 기판 상의 상기 포토 컨덕티브 층 하부의 전면에 형성된 에치스토퍼 층을 더 한다. 상기 에치스토퍼 층은 상기 제 1 개구부의 형성 시에 상기 포토 컨덕티브 층을 보호할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 테라헤르츠파 발생/검출기의 제조방법은, 기판 상에 포토 컨덕티브 층을 형성하는 단계;상기 포토 컨덕티브 층 상에 에치 블록 층 또는 절연 층을 형성하는 단계; 상기 에치 블록 층 또는 상기 절연 층 상에 소정 거리로 이격되는 간극을 갖는 제 1 전극과 제 2 전극을 형성하는 단계; 상기 1 전극과 상기 제 2 전극 사이의 상기 간극 내부에 매립되면서 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 상부로 돌출되는 렌즈를 형성하는 단계; 및 상기 간극에 중첩되도록 상기 기판을 식각하여 상기 포토 컨덕티브 층이 노출되는 제 1 개구부를 형성하는 단계를 포함한다.
일 실시예에 따르면, 상기 렌즈는 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극사이의 간극 내부 및 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극의 상부에서 접착제로 접착된다. 상기 접착제는 상기 렌즈를 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 사이의 간극에서 노출되는 포토 컨덕티브 층에 접착시킬 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 기판과 상기 포토 컨덕티브 층 사이에 에치스토퍼 층을 형성하는 단계를 더 포함한다. 상기 기판을 식각하여 제 1 개구부를 형성하는 과정에서 상기 기판을 식각하는 식각액 또는 식각 가스로부터 상기 포토 컨덕티브 층을 보호하기 위해 상기 기판과 상기 포토 컨덕티브 층 사이에 에치스토퍼를 형성할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 제 1 개구부는 상기 기판이 갈륨비소로 이루어지면, 상기 기판을 구연산(citric acid) 식각액으로 제거하여 상기 에치스토퍼 층이 노출되도록 형성될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 제 1 전극 및 상기 제 2 전극과, 상기 포토 컨덕티브 층 사이에 에치 블록 층 또는 절연층을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 에치 블록 층 또는 상기 절연층은 상기 렌즈의 하부에서 상기 포토 컨덕티브 층을 노출시키는 제 2 개구부를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 제 1 개구부는 상기 기판이 저온 인듐갈륨비소로 이루어지고, 상기 포토 컨덕티브 층이 인듐인으로 이루어지면, 상기 포토 컨덕티브 층에 비해 상기 기판에 대하여 선택 식각성을 갖는 선택 식각액을 이용하여 상기 기판을 제거함에 의해 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예적 구성에 따르면, 저가의 플라스틱 재질의 렌즈를 채용하여 부품단가를 낮출 수 있기 때문에 생산성을 증대 또는 극대화할 수 있는 효과가 있다.
또한, 접착제를 이용하여 플라스틱 재질의 렌즈를 접착시킴에 따라 패키징 기술의 난이도를 감소시킬 수 있는 효과가 있다.
이상의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이 다.
본 명세서에서, 어떤 층이 다른 층 또는 기판 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 층 또는 기판 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 층이 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한, 도면들에 있어서, 층 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. 또한, 본 명세서의 다양한 실시예들에서 제 1, 제 2, 제 3 등의 용어가 다양한 영역, 층들 등을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 영역, 층들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 소정 영역 또는 층을 다른 영역 또는 층과 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 여기에 설명되고 예시되는 각 실시예는 그것의 상보적인 실시예도 포함한다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 테라헤르츠파 발생/검출기 및 그의 제조방법을 보다 자세하게 설명한다.
도 1은 테라헤르츠파 발생/검출기의 원리를 개략적으로 나타내는 다이아 그램으로서, 테라헤르츠파 발생/검출기는 포토 컨덕티브 층 상에서 심플 스퀘어(a) 또는 크로스 핑거(b) 형태의 간극(gap)을 갖고 서로 이격되는 제 1 및 제 2 안테나 전극들(32, 34) 사이에 직류전압이 인가되고 동시에 펄스 또는 맥놀이 광원(도 2의 50)이 상기 간극에 조사되면 상기 간극 및 간극을 포함하는 제 1 및 제 2 안테나 전극들(32, 34) 전체 또는 일부분에서 테라헤르츠파(도 2의 60)를 발생/검출 할 수 있다. 상기 제 1 및 제 2 안테나 전극들(32, 34)은 전기배선(electric line, 30)을 통해 전원(VB)으로 연결된다.
도 2는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 테라헤르츠파 발생/검출기를 나타내는 단면도이다.
도 2와 같이, 본 발명의 제 1 실시예에서는 테라헤르츠파 발생/검출기는 제 1 개구부가 형성된 기판(10) 상에 에치스토퍼 층(22) 및 포토 컨덕티브 층(20)이 형성되어 있고, 상기 제 1 개구부(12) 상부의 상기 포토 컨덕티브 층(20) 상에서 소정 간극을 갖고 서로 이격되는 제 1 및 제 2 안테나 전극들(32, 34)이 형성되어 있다. 또한, 제 1 및 제 2 안테나 전극들(32, 34)사이의 간극에 매립되면서 상기 제 1 및 제 2 안테나 전극들(32, 34) 상으로 돌출되는 렌즈(40)가 형성되어 있다. 렌즈(40)는 제 1 및 제 2 안테나 전극들(32, 34)사이의 간극 내에서 노출되는 포토 컨덕티브 층(20)의 표면과 상기 제 1 및 제 2 안테나 전극들(32, 34)의 표면에 접합되어 있다. 예를 들어, 렌즈(40)는 이들 표면에 에폭시, 실리콘, 핫멜트, 고분자, PVAc 들과 같은 석유화학 접착제에 의해 강하게 접착될 수 있다. 또한, 렌즈(40)는 하부의 바닥이 제 1 및 제 2 안테나 전극들(32, 34)사이의 간극으로 삽입되고 상부의 탑이 돔 모양 또는 종 모양으로 형성되어 있다. 이때, 렌즈(40)는 500㎛이상의 직경을 갖고, 직경의 0.5 ~ 1.5 배 정도의 높이로 형성될 수 있다. 렌즈(40)의 상부는 구면(spheric) 또는 비구면 (aspheric) 형태로 형성되어 있다.
렌즈(40)는 사출 성형된 플라스틱 재질의 부품으로서, 테라헤르츠파 영역(0.1~10THz)에서 1.3 내지 1.5정도의 굴절률을 갖고 있으며, 투명 또는 불투명한 열가소성 수지와 열경화성 수지를 포함한다. 열가소성 수지는 폴리염화비닐(PVC), 폴리에틸렌 (PE), 폴리스티렌(PS) 과 내충격성 폴리스티렌(SB), 폴리프로필렌(pp), 아크릴론니트닐*부타티엔*스티렌(ABS), 아크릴로니트릴*스티렌수지(ASTMWL:S-AN), 폴리메틸 메타크릴레이트(메타크릴수지PMMA), 폴리아미드(나일론:PA), 폴리아세탈(POM), 폴리카보네이트(PC), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET, PETP), 폴리브틸렌텔레프탈레이트(PBT:약호PBTP), 변성 폴리페닐렌에테르, 불소수지(테플론(Teflon) 또는 폴리테트라플루오르에틸렌(polytetrafluoroethylene; PTFE)), 충전 열 가소성 플라스틱을 포함한다. 또한, 열경화성 수지는 페놀(PF), 유레아(UF), 멜라민수지(MF), 불포화 폴리에스터(UP), 에폭시(EP), 폴리우레탄(PUR)을 포함한다. 따라서, 본 발명의 실시예에 따른 테라헤르츠파 발생/검출기는 포토 컨덕티브 층(20) 상에 위치된 제 1 및 제 2 안테나 전극들(32, 34)의 상부에서 사출 성형된 저가의 값싼 플라스틱 재질의 렌즈(40)가 접착제에 의해 접합됨에 따라 경제성이 높아질 수 있다.
제 1 및 제 2 안테나 전극들(32, 34)은 렌즈(40)의 하부에 형성되어 있으며, 상기 렌즈(40) 하부의 외곽으로 전기 배선(30)이 연장되게 형성되어 있다. 예를 들어, 제 1 및 제 2 안테나 전극들(32, 34)은 모두 합해 약 500㎛ 정도의 크기를 갖도록 형성되어 있으며, 렌즈(40)는 상기 제 1 및 제 2 안테나 전극들(32, 34)보다 큰 직경을 갖도록 형성되어 있다. 따라서, 제 1 및 제 2 안테나 전극들(32, 34)은 렌즈(40)에 의해 커버링될 수 있다. 또한, 전기 배선(30)은 제 1 및 제 2 안테나 전극들(32, 34)와 동일 층에서 렌즈(40) 하부의 외곽에 형성될 수 있다.
포토 컨덕티브 층(20)은 외부에서 입사되는 펄스 또는 연속 광원(50)에 의해 전도도가 발생되는 물질을 포함한다. 예를 들어, 포토 컨덕티브 층(20)은 저온 성장된 갈륨비소(LT(Low Temperature)-GaAs)를 포함하며, 약 0.3㎛ 내지 3㎛ 정도의 두께로 형성될 수 있다.
포토 컨덕티브 층(20)의 상하부에는 각각 에치 블록 층(24)과, 에치스토퍼 층(22)이 형성되어 있다. 에치 블록 층(24) 및 에치스토퍼 층(22)은 기판(10)을 식각하여 제 1 개구부(12)를 형성하는 과정 중 식각액 또는 식각 가스로부터 포토 컨덕티브 층(20)의 손상을 방지하기 위한 보호 층으로서의 역할을 한다.
에치 블록 층(24)은 렌즈(40) 하부의 제 2 개구부(도 3a의 26)를 제외한 포토 컨덕티브 층(20)의 전면에 형성되어 있다. 또한, 에치 블록 층(24)은 전기 배선(30)과 제 1 및 제 2 안테나 전극들(32, 34)의 하부에 형성되어 있다. 이때, 에치 블록 층(24)은 렌즈(40)의 하부에서 제 1 및 제 2 안테나 전극들(32, 34) 사이의 간극 주변까지 연장될 수 있다. 에치 블록 층(24)은 제 1 및 제 2 안테나 전극들(32, 34) 사이의 간극보다 넓은 제 2 개구부(26)를 갖도록 형성될 수 있다. 이는, 제 1 및 제 2 전극들(32, 34)이 포토 컨덕티브 층(20)을 노출시키는 일정한 크기의 간극을 유지하면서 상기 포토 컨덕티브 층(20)에 전기적으로 콘택되어야 하기 때문이다. 따라서, 제 2 개구부(26)는 제 1 및 제 2 안테나 전극들(32, 34)사이의 간극보다 크고, 렌즈(40)의 직경보다 작게 형성될 수 있다. 또한, 에치 블록 층(24)은 제 1 및 제 2 안테나 전극들(32, 34)의 상부에 형성되어도 무방하다. 즉, 에치 블록 층(24)은 포토 컨덕티브 층(20) 상에 제 1 및 제 2 전극을 커버링하면서 렌즈(40)의 하부까지 형성될 수 있다. 예컨대, 에치 블록 층(24)은 산성 성분의 식각액(예를 들어, citric acid) 또는 식각 가스로부터 내식성이 우수한 무기 또는 유기 유전체를 포함한다.
마찬가지로, 에치스토퍼 층(22)은 갈륨비소로 이루어진 기판(10)을 식각 하는 식각액 또는 식각 가스로부터 내식성이 우수한 알루미늄 비소(undoped-AlAs)를 포함한다. 에치스토퍼 층(22)은 포토 컨덕티브 층(20)의 하부 전면에 형성되며 제 1 개구부(12)에 의해 기판(10)의 하부로 노출될 수 있다.
기판(10)은 포토 컨덕티브 층(20)을 에피택시얼 성장하기 위한 베이스 층으로서 갈륨 비소(GaAs)를 포함하여 이루어진다. 예를 들어, 기판(10)은 약 300㎛ 내지 500㎛ 정도의 두께를 갖는다. 기판(10)에 형성된 제 1 개구부(12)는 기판(10)을 관통하여 에치스토퍼 층(22)을 노출시킬 수 있다. 또한, 제 1 개구부(12)는 제 1 안테나 전극(32)과 제 2 안테나 전극(34) 사이의 간극에 중첩되어 형성되어 있다. 제 1 개구부(12)의 직경은 테라헤르츠파(60) 파장의 왜곡과, 포토 컨덕티브 층(20)의 변형을 고려할 때, 제 1 안테나 전극(32)과 제 2 안테나 전극(34)을 합한 크기의 1/2 보다는 커야 하고, 렌즈(40) 직경의 0.9배 보다 작을 수 있다. 따라서, 제 1 개구부(12)보다 1.1배 이상의 직경을 갖는 렌즈(40)가 기판(10) 상부의 제 1 안테나 전극(32) 및 제 2 안테나 전극(34)에 의해 지지될 수 있다. 또한, 렌즈(40)는 제 1 개구부(12) 상의 포토 컨덕티브 층(20)을 지지하면서 변형되거나 찢어지는 것을 방지할 수 있다.
따라서, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 테라헤르츠파 발생/검출기는 접착제로 접착된 저가의 값싼 플라스틱 재질의 렌즈(40)를 채용하여 종래의 실리콘 재질 렌즈에 비해 부품 단가 및 패키징 비용를 현저하게 낮출 수 있다.
이때, 기판(10)의 하면에서 제 1 개구부(12)로 노출되는 에치스토퍼 층(22)으로 펄스 또는 맥놀이 광원(50)이 공급되면, 포토 컨덕티브 층(20)에서 광전 및 포토믹싱 효과에 의해 교류 성분의 전류가 발생되면서 제 1 및 제 2 안테나 전극들(32, 34)사이의 간극 및 간극을 포함하는 안테나 전체 또는 일부분에서 테라헤르츠파(60)가 발생될 수 있다. 테라헤르츠 파는 플라스틱 렌즈(40) 내부에서 펄스 또는 맥놀이 광원(50)의 진행방향으로 방사되고, 구면 처리된 렌즈(40)의 표면에서 굴절되어 공기 중에서 일방향으로 평행하게 또는 약간의 방사각을 지닌 상태로 방출될 수 있다.
이와 같이 구성된 본 발명의 제 1 실시예에 따른 테라헤르츠파 발생/검출기의 제조방법은 다음과 같다.
도 3a 내지 도 3d는 도 2의 제 1 실시예에 따른 테라헤르츠파 발생/검출기의 제조방법을 순차적으로 나타낸 공정 단면도들이다.
도 3a에 도시된 바와 같이, 기판(10) 상에 에치스토퍼 층(22), 포토 컨덕티브 층(20), 에치 블록 층(24)을 형성한다. 여기서, 포토 컨덕티브 층(20)은 형성방법에 따라 전기적 또는 광학적 특성이 높아지는 격자의 성장 방향이 결정될 수 있다. 주로 애피택시얼 방법에 의해 형성되는 포토 컨덕티브 층(20)은 기판(10)과 동일 또는 유사한 방향의 격자를 갖고 형성될 수 있다. 예를 들어, 포토 컨덕티브 층(20)으로 저온 성장된 갈륨비소(LT-GaAs)이 채택되면 기판(10)은 도전성 불순물이 도핑되지 않은 갈륨비소로(undoped GaAs)로 이루어질 수 있다. 이때, 기판(10)과 포토 컨덕티브 층(20) 사이의 에치스토퍼 층(22)은 후속에서 기판(10)의 식각으 로부터 포토 컨덕티브 층(20)을 보호하기 위한 것으로서, 상기 기판(10)과 포토 컨덕티브 층(20)의 구성 물질 중 적어도 하나 이상의 동일한 원소를 포함할 수 있다. 이는 포토 컨덕티브 층(20)과 기판(10)의 격자 방향의 불일치를 최소화할 수 있기 때문이다.
포토 컨덕티브 층(20) 상에 형성되는 에치 블록 층(24)은 포토리소그래피 공정을 통해 상기 포토 컨덕티브 층(20)을 소정부분 노출시키는 제 2 개구부(26)가 형성될 수 있다.
도 3b와 같이, 에치 블록 층(24) 상에 제 1 및 제 2 안테나 전극(32, 34)과, 전기 배선(30)을 형성한다. 제 1 안테나 전극(32) 및 제 2 안테나 전극(34)은 제 2 개구부(26)에 의해 노출되는 포토 컨덕티브 층(20)의 내부에서 소정 크기의 간극을 갖고 상기 제 2 개구부(26)의 외곽으로 걸쳐질 수 있도록 패터닝될 수 있다. 또한, 전기 배선(30)은 에치 블록 층(24) 상에서 제 1 및 제 2 안테나 전극들(32, 34)과 함께 연결되면서 패터닝될 수 있다.
도 3c와 같이, 제 1 안테나 전극(32) 및 제 2 안테나 전극(34) 상에 플라스틱으로 사출 성형된 렌즈(40)를 접합한다. 렌즈(40)는 플라스틱 물질로 이루어진 상기 렌즈(40)와 동일 또는 유사한 굴절률을 갖는 에폭시, 실리콘, 핫멜트, 고분자, PVAc 들과 같은 석유화학 접착제에 의해 접합될 수 있다. 이때, 렌즈(40)는 기판(10) 상부에서 노출되는 제 1 안테나 전극(32)과 제 2 안테나 전극(34) 사이의 포토 컨덕티브 층(20) 표면에서 기포의 발생이 억제되기 위해 외부의 압력에 의해 기판(10)에 압착 고정될 수도 있다.
도 3d에 도시된 바와 같이, 렌즈(40)가 형성된 기판(10)의 하면을 식각하여 에치스토퍼 층(22)이 노출되는 제 1 개구부(12)를 형성한다. 제 1 개구부(12)는 기판(10)의 하면을 노출시키는 포토레지스트 층(도시되지 않음)을 식각 마스크로 사용하여 GaAs 기판의 경우 구연산(citric acid) 식각액으로 상기 기판(10)을 습식 제거함으로서 형성될 수 있다.
따라서, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 테라헤르츠파 발생/검출기의 제조방법은 플라스틱 재질의 렌즈(40)가 접착제에 의해 접합되고, 상기 렌즈(40) 하부의 기판(10)이 습식으로 제거됨에 따라 정밀한 패키지 기술이 요구되지 않기 때문에 생산성을 향상시킬 수 있다.
도 4는 본 발명의 제 2 실시에에 따른 테라헤르츠파 발생/검출기를 나타내는 단면도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제 2 실시예에 따른 테라헤르츠파 발생/검출기는 제 1 개구부(12)가 형성된 기판(10) 상에 포토 컨덕티브 층(20)과, 절연층(44)이 적층되어 있고, 상기 제 1 개구부(12) 상의 상기 포토 컨덕티브 층(20)에 콘택되면서 소정 간극을 갖고 서로 이격되는 제 1 및 제 2 안테나 전극들(32, 34)이 형성되어 있다. 또한, 제 1 및 제 2 안테나 전극들(32, 34) 사이에서 노출되는 포토 컨덕티브 층(20)상에 렌즈(40)가 형성되어 있다.
상술한 바와 같이, 렌즈(40)는 플라스틱 재질로 이루어져 있으며, 포토 컨덕티브 층(20)와 제 1 및 제 2 안테나 전극들(32, 34) 상에 접착제에 의해 접합되어 있다. 렌즈(40)는 구면체, 타원체, 원기둥과 같은 다양한 모양으로 부품화 되어 기판(10) 상에 접합될 수 있다. 기판(10) 상에 접합된 렌즈(40)의 상부는 구면(spheric) 또는 비구면 (aspheric) 형태로 형성되는 것이 이상적이다. 따라서, 본 발명의 제 2 실시예에 따른 테라헤르츠파 발생/검출기는 접착제로 접착된 저가의 값싼 플라스틱 재질의 렌즈(40)를 채용하여 경제성을 향상시킬 수 있다.
제 1 및 제 2 안테나 전극들(32, 34)은 렌즈(40)의 하부에 형성되어 있으며, 상기 렌즈(40) 하부의 외곽으로 전기 배선(30)이 연장되게 형성되어 있다. 따라서, 렌즈(40)는 상기 제 1 및 제 2 안테나 전극들(32, 34)보다 큰 직경을 갖도록 형성되어 있다.
포토 컨덕티브 층(20)은 외부에서 입사되는 펄스 또는 맥놀이 광원(50)에 의해 전류를 발생되는 물질을 포함한다. 예를 들어, 포토 컨덕티브 층(20)은 저온 인듐갈륨비소(LT-InGaAs) 또는 이온주입 인듐갈륨비소(Ion-implanted InGaAs)를 포함하며, 약 0.3㎛ 내지 3㎛ 정도의 두께로 형성될 수 있다.
절연층(44)은 포토 컨덕티브 층(20)과 전기 배선(30)을 전기적으로 절연시키고, 제 1 및 제 2 안테나 전극들(32, 34)의 일부를 상기 포토 컨덕티브 층(20)으로부터 절연시키도록 형성되어 있다. 따라서, 절연층(44)은 제 1 및 제 2 안테나 전극들(32, 34)이 상기 절연층(44)하부의 포토 컨덕티브 층(20)과 접촉되는 부분의 제 2 개구부(도 5a의 46)를 갖도록 형성되어 있다. 포토 컨덕티브 층(20)의 구성 물질인 저온 인듐갈륨비소는 저온 갈륨비소에 비해 저항이 낮기 때문에 제 1 및 제 2 안테나 전극들(32, 34)과 접촉되는 면적이 증가되면 암전류(dark current)가 증가될 수 있다. 따라서, 절연층(44)는 제 1 개구부(12) 상에 중첩되는 제 2 개구 부(46)를 통해 포토 컨덕티브 층(20)을 노출시키도록 형성되어 있다. 즉, 제 2 개구부(46)는 포토 컨덕티브 층(20)과 제 1 및 제 2 안테나 전극(32, 34)이 접촉되는 면적이 조절되는 역할을 할 수 있다.
기판(10)은 포토 컨덕티브 층(20)을 에피택시얼 성장하기 위한 베이스 층일 뿐만 아니라, 상기 기판(10)이 식각되는 식각 액 또는 식각 가스로부터 상기 포토 컨덕티브 층(20)과 식각 선택비를 갖는 재질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 기판(10)은 인듐갈륨비소에 대해 선택식각비를 갖는 선택 식각액(염산+인산)으로부터 쉽게 제거될 수 있는 인듐인(InP)을 포함하여 이루어지며, 약 300㎛ 내지 500㎛ 정도의 두께로 형성될 수 있다. 기판(10)에 형성된 제 1 개구부(12)는 기판(10)을 관통하여 포토 컨덕티브 층(20)이 노출될 수 있다. 상술한 바와 같이, 제 1 개구부(12)의 직경은 제 1 안테나 전극(32) 및 제 2 안테나 전극(34) 크기의 1/2 보다는 커야 하고, 렌즈(40) 직경의 0.9배 보다 작을 수 있다.
기판(10)의 하면에서 제 1 개구부(12)로 노출되는 포토 컨덕티브 층(20)으로 펄스 또는 맥놀이 광원(50)이 공급되면, 상기 포토 컨덕티브 층(20)에서 광전 및 포토믹싱 효과에 의해 교류 성분의 전류가 발생되면서 제 1 및 제 2 안테나 전극들(32, 34)사이의 간극 및 간극을 포함하는 안테나 전체 또는 일부분에서 테라헤르츠파(60)가 발생될 수 있다. 테라헤르츠 파는 플라스틱 렌즈(40) 내부에서 펄스 또는 맥놀이 광원(50)의 진행방향으로 방사되고, 구면 처리된 렌즈(40)의 표면에서 굴절되어 공기 중에서 일방향으로 평행하게 또는 약간의 방사각을 지닌 상태로 방출될 수 있다.
이와 같이 구성된 본 발명의 제 2 실시예에 따른 테라헤르츠파 발생/검출기의 제조방법은 다음과 같다.
도 5a 내지 도 5d는 도 4의 제 2 실시예에 따른 테라헤르츠파 발생/검출기의 제조방법을 순차적으로 나타낸 공정 단면도들이다.
도 5a에 도시된 바와 같이, 기판(10) 상에 포토 컨덕티브 층(20)과, 절연층(44)을 형성한다.
포토 컨덕티브 층(20)은 에피텍셜 방법으로 기판(10)의 전면에 형성될 수 있다. 포토 컨덕티브 층(20)은 기판(10)과 유사한 격자 방향으로 형성되는 재질로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 기판(10)은 인듐인으로 이루어지고, 포토 컨덕티브 층(20)은 저온 인듐갈륨비소 또는 이온주입 인듐갈륨비소를 포함하여 이루어진다. 절연층(44)은 저항이 매우 큰 무기 또는 유기 유전체로 구성되며 포토 컨덕티브 층(20)을 노출시키는 제 2 개구부(46)를 갖도록 패터닝될 수 있다.
도 5b와 같이, 제 2 개구부(46)와 절연층(44) 상에 제 1 및 제 2 안테나 전극(32, 34)과, 전기 배선(30)을 형성한다. 제 1 안테나 전극(32) 및 제 2 안테나 전극(34)은 제 2 개구부(46)에 의해 노출되는 포토 컨덕티브 층(20)의 내부에서 소정 크기의 간극을 갖고 상기 제 2 개구부(46)의 외곽으로 걸쳐질 수 있도록 패터닝될 수 있다. 상술한 바와 같이, 제 2 개구부(46)은 제 1 및 제 2 안테나 전극들(32, 34)이 포토 컨덕티브 층(20)과 접촉되는 부분의 면적이 조절되도록 형성될 수 있다. 또한, 전기 배선(30)은 절연층(44) 상에서 제 1 및 제 2 안테나 전극들(32, 34)과 함께 연결되면서 패터닝될 수 있다.
도 5c와 같이, 제 1 안테나 전극(32) 및 제 2 안테나 전극(34) 상에 플라스틱으로 사출 성형된 렌즈(40)를 접합한다. 렌즈(40)는 플라스틱으로 이루어진 상기 렌즈(40)와 동일 또는 유사한 굴절률을 갖는 에폭시, 실리콘, 핫멜트, 고분자, PVAc 들과 같은 석유화학 접착제에 의해 접합될 수 있다. 이때, 렌즈(40)은 절연층(44)과 제 2 개구부(46)에 의해 노출된 포토 컨덕티브 층(20)과, 전기 배선(30)의 상부에 접착제로 접합될 수 있다.
따라서, 본 발명의 제 2 실시예에 따른 테라헤르츠파 발생/검출기의 제조방법은 값싼 플라스틱 재질의 렌즈(40)을 제 1 및 제 2 안테나 전극들(32, 34) 상에 접착제로 쉽게 접합시킬 수 있기 때문에 경제성을 향상시킬 수 있다.
도 5d에 도시된 바와 같이, 렌즈(40)가 형성된 기판(10)의 하면을 식각하여 포토 컨덕티브 층(20)이 노출되는 제 1 개구부(12)를 형성한다. 제 1 개구부(12)는 기판(10)의 하면을 노출시키는 포토레지스트 층(도시되지 않음)을 식각 마스크로 사용하여 선택 식각액(염산+인산)으로 상기 기판(10)을 습식 제거함으로서 형성될 수 있다. 선택 식각액(염산+인산)은 인듐갈륨비소로 이루어진 포토 컨덕티브 층(20)을 손상시키지 않고, 인듐인으로 이루어진 기판(10)을 선택적으로 제거시킬 수 있다.
따라서, 본 발명의 제 2 실시예에 따른 테라헤르츠파 발생/검출기의 제조방법은 선택 식각액(염산+인산)을 이용하여 렌즈(40) 하부의 포토 컨덕티브 층(20)을 손상시키지 않고 기판(10)을 선택적으로 쉽게 제거시킬 수 있음에 따라 정밀한 패키지 기술이 요구되지 않기 때문에 생산성을 향상시킬 수 있다.
결국, 본 발명의 실시예들에 따른 테라헤르츠파 발생/검출기 및 그의 제조방법은 상술한 것처럼 부품 단가를 낮출 뿐만 아니라 제조공정의 난이도를 감소시킬 수 있다. 이 분야에 종사하는 통상의 지식을 가진 자라면, 상술한 본 발명의 기술적 사상에 기초하여 용이하게 이러한 변형된 실시예를 구현할 수 있을 것이다.
도 1은 테라헤르츠파 발생/검출기의 원리를 개략적으로 나타내는 다이아 그램.
도 2는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 테라헤르츠파 발생/검출기를 나타내는 단면도.
도 3a 내지 도 3d는 도 2의 제 1 실시예에 따른 테라헤르츠파 발생/검출기의 제조방법을 순차적으로 나타낸 공정 단면도들.
도 4는 본 발명의 제 2 실시에에 따른 테라헤르츠파 발생/검출기를 나타내는 단면도.
도 5a 내지 도 5d는 도 4의 제 2 실시예에 따른 테라헤르츠파 발생/검출기의 제조방법을 순차적으로 나타낸 공정 단면도들.
Claims (20)
- 기판;상기 기판 상의 전면에 형성된 포토 컨덕티브 층;상기 포토 컨덕티브 층 상에 형성되고, 소정 간극을 갖고 서로 이격되는 제 1 전극과 제 2 전극;상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 상에 형성되고, 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 사이의 상기 간극 내부를 매립시키는 렌즈; 및상기 포토 컨덕티브 층 상에 형성된 에치 블록 층을 포함하되,상기 에치 블록 층은 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 사이의 간극 내에서 상기 포토 컨덕티브 층을 노출시키는 제 2 개구부를 갖는 것을 특징으로 하는 테라헤르츠파 발생/검출기.
- 제 1 항에 있어서,상기 렌즈는 플라스틱 재질로 이루어짐을 특징으로 하는 테라헤르츠파 발생/검출기.
- 제 2 항에 있어서,상기 렌즈는 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 상으로 돌출되는 돔 또는 종 모양임을 특징으로 하는 테라헤르츠파 발생/검출기.
- 제 3 항에 있어서,상기 렌즈는 접착제에 의해 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 상에 접합된 것을 특징으로 하는 테라헤르츠파 발생/검출기.
- 제 3 항에 있어서,상기 렌즈는 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극들을 합한 전체 길이 보다 직경이 큰 것을 특징으로 하는 테라헤르츠파 발생/검출기.
- 제 1 항에 있어서,상기 기판이 갈륨비소로 이루어질 경우, 상기 포토 컨덕티브 층은 저온 갈륨비소로 이루어지는 것을 특징으로 하는 테라헤르츠파 발생/검출기.
- 제 6 항에 있어서,상기 기판이 인듐인으로 이루어질 경우, 상기 포토 컨덕티브 층은 저온 인듐갈륨비소 또는 이온주입 인듐갈륨비소로 이루어지는 것을 특징으로 하는 테라헤르츠파 발생/검출기.
- 제 1 항에 있어서,상기 기판은 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 사이의 상기 간극과 중첩된 제 1 개구부를 포함하는 것을 특징으로 하는 테라헤르츠파 발생/검출기.
- 제 8 항에 있어서,상기 제 1 개구부는 상기 렌즈의 직경보다 작은 크기를 갖는 것을 특징으로 하는 테라헤르츠파 발생/검출기.
- 삭제
- 삭제
- 제 1 항에 있어서,상기 제 2 개구부는 상기 렌즈의 직경보다 작은 크기를 갖는 것을 특징으로 하는 테라헤르츠파 발생/검출기.
- 제 1 항에 있어서,상기 기판 상의 상기 포토 컨덕티브 층 하부의 전면에 형성된 에치스토퍼 층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 테라헤르츠파 발생/검출기.
- 기판 상에 포토 컨덕티브 층을 형성하는 단계;상기 포토 컨덕티브 층 상에 에치 블록 층 또는 절연 층을 형성하는 단계;상기 에치 블록 층 또는 상기 절연 층 상에 소정 거리로 이격되는 간극을 갖는 제 1 전극과 제 2 전극을 형성하는 단계;상기 1 전극과 상기 제 2 전극사이의 상기 간극 내부에 매립되면서 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 상부로 돌출되는 렌즈를 형성하는 단계; 및상기 간극에 중첩되도록 상기 기판을 식각하여 상기 포토 컨덕티브 층이 노출되는 제 1 개구부를 형성하는 단계를 포함하는 테라헤르츠파 발생/검출기의 제조방법.
- 제 14 항에 있어서,상기 렌즈는 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극사이의 간극 내부 및 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극의 상에 접착제로 접합되는 것을 특징으로 하는 테라헤르츠파 발생/검출기의 제조방법.
- 제 14 항에 있어서,상기 기판과 상기 포토 컨덕티브 층 사이에 에치스토퍼 층을 형성하는 단계를 더 포함함을 특징으로 하는 테라헤르츠파 발생/검출기의 제조방법.
- 제 16 항에 있어서,상기 제 1 개구부는 상기 기판이 갈륨비소로 이루어지면, 상기 기판을 구연 산(citric acid) 식각액으로 제거하여 상기 에치스토퍼 층이 노출되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 테라헤르츠파 발생/검출기의 제조방법.
- 삭제
- 제 14 항에 있어서,상기 에치 블록 층 또는 상기 절연층은 상기 렌즈의 하부에서 상기 포토 컨덕티브 층을 노출시키는 제 2 개구부를 포함하는 것을 특징으로 하는 테라헤르츠파 발생/검출기의 제조방법.
- 제 14 항에 있어서,제 1 개구부는 상기 기판이 저온 인듐갈륨비소로 이루어지고, 상기 포토 컨덕티브 층이 인듐인으로 이루어지면, 상기 포토 컨덕티브 층에 비해 상기 기판에 대하여 선택 식각성을 갖는 선택 식각액을 이용하여 상기 기판을 제거함에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 테라헤르츠파 발생/검출기의 제조방법.
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