KR101638974B1 - 광 변조기와 그 제조 및 동작방법과 광 변조기를 포함하는 광학장치 - Google Patents
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Abstract
광 변조기와 그 제조 및 동작방법과 광 변조기를 포함하는 광학장치에 관해 개시되어 있다. 광 변조기는 게이팅(gating) 동작에서 게이트 온(ON)일 때, 광학-전기 변환소자에서 발생되는 전하와 전기-광학 변환소자에 잔류하는 전하가 상기 전기-광학 변환소자를 우회하여 흐를 수 있도록 구비된 게이트 트랜지스터를 포함한다.
Description
본 발명은 광 변조기와 그 제조 및 동작방법에 관한 것으로써, 보다 자세하게는 게이팅(gating) 기능을 갖는 광 변조기와 그 제조 및 게이팅 방법과 광 변조기를 포함하는 광학장치에 관한 것이다.
2차원 카메라(Camera)에서 피사체에 대한 거리 정보를 얻기 위해서는 부가적인 수단이 필요하다. 피사체에 대한 거리정보는 두대의 카메라를 이용한 양안 입체시(Stereo Vision) 방법이나 구조광(Structured Light)과 카메라를 이용한 삼각 측량법(Triangulation)을 이용하여 얻을 수 있다. 다만, 이러한 방법은 피사체의 거리가 멀어질수록 거리정보에 대한 정밀도가 급격히 저하되고, 또한 피사체의 표면상태에 의존적이어서 조밀한 거리 정보를 얻기 어렵다.
이러한 문제를 해결하기 광 비행 시간(Time-of-Flight)(TOF)법이 도입되었는데, TOF는 변조된 광, 곧 레이저 빔을 피사체에 조사한 후, 피사체로부터 반사되는 광이 수광부에 수신되기까지의 광 비행시간을 측정하는 방법이다.
TOE에는 직접 시간 측정 방법과 위상지연 측정방법과 상관법(correlation)이 있다.
직접 시간 측정 방법은 펄스광이 피사체에 조사되고, 피사체로부터 반사되어 돌아오는 시간을 타이머로 측정하는 방법이다.
위상지연 측정방법은 사인파 광을 피사체에 조사하고 피사체로부터 반사되어 돌아오는 반사광의 위상차를 감지하여 거리로 환산하는 방법이다.
상관법은 펄스광을 피사체에 조사하고, 수광부에서 조사광과 동기되는 게이팅(gating) 신호와 반사광 신호의 곱으로 주어지는 밝기정보로부터 거리를 측정하는 방법이다. 상관법에서 근거리에 있는 피사체의 영상은 수광량이 많아 밝게 보이는 반면, 원거리에 있는 피사체는 수광량이 적어 상대적으로 어둡게 보인다.
상기의 위상지연 측정이나 상관법을 이용한 TOF는 광 변조기를 통한 고속 게이팅을 이용하여 거리정보를 얻을 수 있다.
광 변조기의 하나인 영상 증폭기는 3단계의 승압과정을 통해서 미세한 광을 증폭하여 밝은 영상을 획득할 있으나, 고전압이 필요하고 장치의 부피가 큰 단점이 있다. 이러한 영상 증폭기에서 피사체에 대한 거리 정보를 획득하기 위해선 게이팅(gating)이 필요한데, 게이팅은 상기 영상 증폭기의 포토 캐소드(photocathode)에서 이루어질 수 있다. 상기 영상 증폭기에서 포토 캐소드 자체의 게이팅은 1~5ns 정도로 이루어질 수 있다. 그러나 상기 포토 캐소드의 게이팅이 오프된 후에도 상기 영상 증폭기의 포스퍼(phosphor)에는 잔류 전하가 존재한다. 따라서 상기 포스퍼에서 잔류 전하에 기인한 광이 오프될 때까지 상기 영상 증폭기의 게이팅은 완료 되지 않는다. 결과적으로, 상기 영상 증폭기의 게이팅 속도는 30Khz~수백Khz 정도이다.
결정광학에 기반을 둔 포켈(Pockel) 효과나 커(Kerr) 효과를 이용한 광 변조기는 전압에 따른 굴절율 변화를 이용한 것으로 수GHz로 게이팅이 가능하나, 제어 전압이 수KV로 높다.
또한, 다중 양자 우물(Multiple Quantum Well)을 이용하는 반도체 기반 광 변조기는 소형이고 저전압에서 구동이 가능하다. 그러나 반도체 기반 광 변조기는 광 이득 및 파장 변환 구조가 없고, ON/OFF 비율이 낮을 뿐 아니라 완전한 OFF 상태를 유지하기 어렵다. 또한, 대면적의 소자를 고속으로 게이팅을 위해서 화소화 과정과 구동을 위한 정교한 전극 설계가 필요하다.
광 이득을 지니는 반도체 기반 광 셔터(Shutter)는 수직으로 적층된 애벌란치 포토 다이오드(Avalanche photodiode)(APD)와 LED(Light Emitting Diode)를 포함한다. 이러한 광 셔터는 반도체 기판 상에서 적층되기 때문에 부피가 작다. 그러나 게이팅 시에 게이트를 통한 전류 루프가 형성되어 APD에서 생성된 전류가 LED와 게이트를 통해 분기되어 전류손실이 발생할 수 있다. 또한, 게이트 자체는 고속으로 ON/OFF가 가능하지만, LED가 오프되는데 시간이 걸리는 관계로 광 셔터의 게이팅 속도는 느려진다. 곧, 게이팅 온 상태에서 APD로부터 LED로 전하가 전달되지는 않지만, 그 전에 LED에 축적되어 있던 전하에 기인한 발광이 오프되는데 시간이 걸린다. 이러한 원인으로 광 꼬리(Optical Tail)가 발생된다.
부피가 작고 저가이며 저전압 구동이 가능하면서 게이팅 시간을 줄일 수 있는 광 변조기를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 의한 광 변조기는 게이팅 온(ON)에서 상기 광학-전기 변환소자에서 발생되는 전하와 상기 전기-광학 변환소자에 잔류하는 전하가 상기 전기-광학 변환소자를 우회하여 흐를 수 있도록 구비된 게이트 트랜지스터를 포함한다.
상기 광학-전기 변환소자, 상기 전기-광학 변환소자 및 상기 게이트 트랜지스터는 단위 화소(unit pixel)를 이루고, 상기 광 변조기는 상기 단위 화소들로 이루어진 어레이를 포함할 수 있다.
상기 어레이의 상기 게이트 트랜지스터들을 동시에 제어하기 위한 제어수단을 구비할 수 있다.
상기 게이트 트랜지스터와 상기 제어수단은 파워 트랜지스터로 연결될 수 있다.
상기 어레이는 복수의 블록으로 이루어지고, 각 블록은 적어도 2개의 단위 화소를 포함하며, 각 블록별로 게이트 트랜지스터가 제어 될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 의하면, 상기 광학-전기 변환소자와 상기 전기-광학 변환소자 사이에 전하 증폭수단이 더 구비될 수 있고, 상기 광학-전기 변환소자의 출력단은 상기 게이트 트랜지스터와 상기 전하 증폭수단에 공유되며, 상기 두 변환소자와 상기 전하 증폭수단과 상기 게이트 트랜지스터는 단위화소를 이룰 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 의하면, 상기 광학-전기 변환소자 및 상기 전기-광학 변환소자는 단위화소를 이루고 상기 두 변환소자는 게이트층을 공유하며, 상기 게이트 트랜지스터는 상기 게이트층에 연결되고 상기 단위화소 외부에 구비될 수 있다. 복수의 상기 단위화소들로 어레이를 이루고 상기 게이트 트랜지스터는 상기 어레이 외부에 구비될 수 있다. 상기 어레이는 복수의 블록을 포함하고, 각 블록은 적어도 2개의 상기 단위화소를 포함하며, 상기 어레이 외부에 상기 각 블록과 일대 일로 대응하는 게이트 트랜지스터들이 구비될 수 있다.
상기 각 블록과 대응하는 게이트 트랜지스터와 상기 각 블록에 포함된 단위화소들 사이에 각각 부하(load)가 구비될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 의하면, 상기 광학-전기 변환소자는 2-포트(prot)또는 3-포트를 갖는 HPT(Heterojunction PhotoTransistor)일 수 있다.
상기 광학-전기 변환소자가 2-포트를 가질 때, 상기 전기-광학 변환소자 상에 상기 HPT의 이미터, 베이스 및 컬렉터가 순차적으로 적층되어 있고, 상기 게이트 트랜지스터의 컬렉터는 상기 HPT의 이미터에 연결될 수 있다.
또한, 상기 광학-전기 변환소자가 2-포트를 가질 때, 상기 전기-광학 변환소자 상에 상기 HPT의 컬렉터, 베이스 및 이미터가 순차적으로 적층되어 있고, 상기 게이트 트랜지스터의 이미터는 상기 HPT의 컬렉터에 연결될 수 있다.
상기 광학-전기 변환소자가 3-포트를 가질 때, 상기 전기-광학 변환소자 상 에 상기 HPT의 이미터, 베이스 및 컬렉터가 순차적으로 적층되어 있고, 상기 게이트 트랜지스터는 상기 베이스에 연결될 수 있다.
상기 게이트 트랜지스터는 제1 HBT(Heterojunction Bipolar Transistor)이고, 상기 전하 증폭수단은 제2 HBT일 수 있다.
상기 광학-전기 변환소자는 APD일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 광 변조기의 동작방법은 게이팅 온(ON)에서 상기 광학-전기 변환소자에서 발생되는 전하와 상기 전기-광학 변환소자에 잔류하는 전하가 상기 전기-광학 변환소자를 우회하여 흐를 수 있도록 구비된 게이트 트랜지스터를 포함하는 광 변조기의 동작방법에서 상기 게이트 트랜지스터의 게이트에 게이팅 전압 신호를 인가할 수 있다.
상기 게이팅 전압 신호는 펄스파, 사인파 또는 삼각파일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 광학장치는 수직으로 적층된 전기-광학 변환소자 및 광학-전기 변환소자를 포함하고, 상기 광학-전기 변환소자에서 상기 전기-광학 변환소자로 전달되는 신호를 게이팅하고, 게이팅 온(ON)에서 상기 광학-전기 변환소자에서 발생되는 전하와 상기 전기-광학 변환소자에 잔류하는 전하가 상기 전기-광학 변환소자를 우회하여 흐를 수 있도록 구비된 게이트 트랜지스터를 포함하는 광 변조기를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 의한 광 변조기 제조방법은 광학-전기 변환소자 및 전기-광학 변환소자를 수직으로 적층하고, 상기 광학-전기 변환소자에서 상기 전기-광학 변환소자로 전달되는 신호를 게이팅(gating) 하기 위한 게이트 트랜지스터를 형성한다. 상기 게이트 트랜지스터는 게이팅 온(ON)에서 상기 광학-전기 변환소자에서 발생되는 전하와 상기 전기-광학 변환소자에 잔류하는 전하를 상기 전기-광학 변환소자를 우회하여 흐르게 한다.
이러한 제조 방법에서, 상기 광학-전기 변환소자 및 전기-광학 변환소자를 수직으로 적층하는 과정에서 상기 전기-광학 변환소자를 형성하고 상기 전기-광학 변환 소자 상에 상기 광학-전기 변환소자를 형성할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 의하면, 상기 광학-전기 변환소자 및 상기 전기-광학 변환소자를 수직으로 적층하는 과정에서 상기 광학-전기 변환소자를 형성하고, 상기 광학-전기 변환 소자 상에 상기 전기-광학 변환소자를 형성할 수 있다.
상기 제조 방법에서, 상기 광학-전기 변환소자에서 발생되는 전하를 증폭시키기 위한 전하 증폭수단을 더 형성하고, 상기 광학-전기 변환소자의 출력단이 상기 게이트 트랜지스터와 상기 전하 증폭수단에 공유되도록 형성할 수 있다.
상기 광학-전기 변환소자는 포토 다이오드 또는 애벌란치 포토 다이오드(Avalanche Photo Diode)일 수 있다.
상기 광학-전기 변환소자 및 상기 전기-광학 변환소자를 수직으로 적층하는 과정에서 상기 광학-전기 변환소자가 적어도 이미터층, 베이스층 및 컬렉터층을 포함하는 것일 때, 상기 컬렉터층이 광 입사면이 되도록 적층할 수 있다.
또한, 상기 광학-전기 변환소자 및 상기 전기-광학 변환소자를 수직으로 적층하는 과정에서 상기 광학-전기 변환소자가 적어도 이미터층, 베이스층 및 컬렉터층을 포함하는 것일 때, 상기 이미터층이 광 입사면이 되도록 적층할 수도 있다.
상기 광학-전기 변환소자와 상기 전기-광학 변환소자 사이에 게이트층을 더 형성하고, 상기 게이트 트랜지스터와 상기 게이트층을 연결할 수 있다.
상기 광학-전기 변환소자와 상기 전기-광학 변환소자와 상기 게이트 트랜지스터를 단위 화소 영역에 형성할 수 있다. 또는 상기 광학-전기 변환소자와 상기 전기-광학 변환소자를 단위 화소 영역에 형성할 수 있다.
또한, 상기 광학-전기 변환소자, 상기 전기-광학 변환소자, 상기 게이트 트랜지스터 및 상기 전하 증폭수단을 단위 화소 영역에 형성할 수 있다.
상기 광학-전기 변환소자와 상기 게이트 트랜지스터는 동시에 형성될 수 있다. 또한, 상기 광학-전기 변환소자, 상기 게이트 트랜지스터 및 상기 전하 증폭수단은 동시에 형성될 수 있다.
상기 광학-전기 변환소자는 2-포트(port) 또는 3-포트를 갖는 HPT일 수 있다.
상기 광학-전기 변환소자가 2-포트를 갖는 HPT일 때, 상기 광학-전기 변환소자의 이미터와 상기 게이트 트랜지스터의 컬렉터를 연결할 수 있다. 또한, 상기 광학-전기 변환소자가 2-포트를 갖는 HPT일 때, 상기 광학-전기 변환소자의 컬렉터와 상기 게이트 트랜지스터의 이미터를 연결할 수 있다.
상기 광학-전기 변환소자가 3-포트를 갖는 HPT일 때, 상기 광학-전기 변환소자의 베이스와 상기 게이트 트랜지스터의 컬렉터를 연결할 수 있다.
상기 광학-전기 변환소자, 상기 게이트 트랜지스터 및 상기 전하 증폭수단은 HPT이고, 상기 광학-전기 변환소자의 이미터는 상기 게이트 트랜지스터의 컬렉터 및 상기 전하 증폭수단의 베이스에 연결될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 광 변조기는 반도체 기판에 수직으로 적층하여 집적화 할 수 있으므로, 부피를 줄일 수 있고, 기존의 반도체 제조 공정을 그대로 이용할 수 있으므로 제조 비용도 줄일 수 있다. 무엇보다 게이팅 전압을 낮추면서 1~2ns 정도의 빠른 게이팅 속도를 얻을 수 있다. 이와 함께 2이상의 광 증폭비를 달성할 수가 있어 광 시간 비행법에 기반한 거리측정이 가능하다.
이에 따라 본 발명의 일 실시에에 의한 광 변조기는 종전의 고가이며 큰 부피를 차지하는 영상증폭장치를 대신해서 실생활에서 3차원 영상을 획득하는데 사용될 수 있고, 로봇의 3차원 환경인식분야, 레이저 레이다(Laser Radar), 3차원 디스플레이를 위한 입력 장치, 초고속 촬영분야 등 다양한 분야에도 활용될 수 있다.
또한, 현재의 3차원 거리측정 카메라는 변복조가 대부분 이미지 센서인 CCD(Charge Coupled Device) 소자 내부에서 이루어지기 때문에 해상도가 낮다. 해상도를 높이기 위해서는 단위소자 내에서 신호처리회로를 단위화소 주위에 배치해야 하는데, 이렇게 할 경우, 단위화소의 크기가 증가한다. 따라서 고해상도로 제작하기도 어렵다.
반면, 본 발명의 일 실시예에 의한 광 변조기를 포함하는 광학장치의 경우, 기존의 CCD나 CMOS를 그대로 사용할 수 있기 때문에, 고해상도 구현이 용이하다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 의한 광 변조기는 어레이(array) 구성이 가능하므로, 어레이 입력광을 변조한 후, 다시 여러 개의 송신광으로 보낼 수 있다. 따 라서 다양한 광 통신분야에도 이용될 수 있다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 광 변조기와 그 제조 및 동작 방법과 광 변조기를 포함하는 광학장치를 첨부된 도면들을 참조하여 상세하게 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 층이나 영역들의 두께는 명세서의 명확성을 위해 과장되게 도시된 것이다.
먼저, 본 발명의 일 실시예에 의한 광 변조기를 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 제1 광 변조기(100)의 회로를 보여준다. 제1 광 변조기(100)는 광 셔터기능과 함께 광 증폭기능 및 파장변환기능도 가질 수 있다. 따라서 제1 광 변조기(100)에 입사되는 광이, 예를 들면 근 적외선일 때, 출력되는 광은 일반 CCD 카메라에서 수광이 용이한 적색광이 될 수 있다.
도 1을 참조하면, 제1 광 변조기(100)는 포토 다이오드(10), 발광소자(20) 및 게이트 트랜지스터(30)를 포함할 수 있다. 포토 다이오드(10)는 입사광을 전기로 바꾸는, 광학-전기(optical-electric) 변환소자의 일 예일 수 있다. 따라서 포토 다이오드(10)는 광학-전기 변환기능을 갖는 다양한 다이오드로 대체될 수도 있다. 포토 다이오드(10)는, 예를 들면 애벌란치 포토 다이오드(APD)일 수 있다. 발광소자(20)는 포토 다이오드(10)로부터 입력되는 전하를 광으로 바꾸는, 전기-광학(electric-optical) 변환소자의 일 예일 수 있다. 발광소자(20)는 광 방출 다이오드(Light Emitting Diode)일 수 있다. 발광소자(20)의 광 방출 측에 구비된 전극은 접지되거나 전원전압보다 낮은 전위로 인가될 수 있다. 게이트 트랜지스터(30) 는 포토 다이오드(10)와 발광소자(20) 사이에 연결되어 있다. 게이트 트랜지스터(30)는 포토 다이오드(10)에서 발광소자(20)로 전달되는 신호를 게이팅(gating)할 수 있다. 게이트 트랜지스터(30)는, 예를 들면 바이폴라(bipolar) 트랜지스터일 수 있다. 이 경우, 게이트 트랜지스터(30)의 컬렉터(collector)(C)는 포토 다이오드(10)와 발광소자(20) 사이에 연결된다. 그리고 게이트 트랜지스터(30)의 이미터(emitter)(E)는 접지될 수 있고, 베이스(B)에는 게이팅 전압(Vg)이 인가될 수 있다. 포토 다이오드(10)와 발광소자(20)로 이루어지는 단위화소(pixel)의 양단에 전압(V+, V-)이 인가될 수 있다. 이 전압(V+, V-)은 포토 다이오드(10)에 대해서는 역방향 바이어스 전압이고, 발광소자(20)에 대해서는 순방향 바이어스 전압이 된다. 전압(V+, V-)이 인가된 상태에서 포토 다이오드(10)에 광이 입사되면, 광전효과에 의해 포토 다이오드(10)에서 포토 다이오드 전류(Ipd)가 발생된다. 포토 다이오드 전류(Ipd)는 증폭된 후, 발광소자(20)로 전달된다. Iled는 포토 다이오드(10)로부터 발광소자(20)로 전달된 전류를 나타낸다.
도 2는 도 1의 회로로 표현될 수 있는 제1 광 변조기의 구성의 일예를 보여주는 단면도이다.
도 2를 참조하면, 기판(40) 상에 제1 상부전극(42)이 구비되어 있다. 제1 상부전극(42) 상에 포토 다이오드(10)가 구비되어 있다. 제1 상부전극(42)은 기판(40)에 입사되는 입사광(L1)에 대해 투명한 전도층일 수 있다. 이러한 투명 전도층은, 예를 들면 ITO(Indium Tin Oxide)층, ZnO층 또는 AZO층일 수 있다. 제1 상부전극(42)은 포토 다이오드(10)의 밑면의 일부 또는 전부와 접촉될 수 있다. 기 판(40)은 입사광(L1)에 대해서 투명한 기판일 수 있다. 예를 들면 기판(40)은 GaAs기판, 유리기판 또는 사파이어 기판일 수 있다. 이외의 다른 투명한 기판이 사용될 수 있다. 포토 다이오드(10) 상에 게이트층(44)이 구비되어 있다. 게이트층(44)은 포토 다이오드(10)의 성분으로 포함될 수 있다. 또한, 게이트층(44)은 게이트층(44) 상에 구비된 발광소자(20)의 성분으로 포함될 수도 있다. 결과적으로, 게이트층(44)은 포토 다이오드(10)와 발광소자(20)에 공유될 수 있다. 게이트층(44)은 도 1의 게이트 트랜지스터(30)의 컬렉터(C)와 연결되어 게이팅에 사용된다. 이러한 게이트층(44)은 포토 다이오드(10)의 애노드(anode)층일 수 있다. 게이트층(44)은 P+형 GaAs층일 수 있으나, 입사광(L1)에 따라 다를 수도 있다. 게이트층(44)의 두께는, 예를 들면 200nm 정도일 수 있다. 게이트층(44)은 다른 층에 비해 도핑 농도를 높게 하여 오믹접촉을 용이하게 할 수 있다. 게이트층(44)의 도핑농도는, 예를 들면 4ⅹ1018cm-3보다 클 수 있다. 이러한 도핑농도는 다른 층에 대해서 상대적이므로, 다른 층의 도핑 농도에 따라 게이트층(44)의 도핑 농도는 달라질 수 있다.
제1 상부전극(42)은 포토 다이오드(10)의 캐소드(cathode)층(미도시)과 접촉될 수 있다. 제1 상부전극(42)과 상기 캐소드층 사이에 캡층이 더 구비될 수도 있다. 상기 캐소드층은 N+ InGaP층일 수 있다. 상기 캡층은 N+ 형 InGaAs층 또는 N+형 GaAs층일 수 있다. 포토 다이오드(10)는 제1 상부전극(42) 상에 순차적으로 적층된 흡수층(46a), 차지(charge)층(46b) 및 증배(multiplication)층(46c)을 포함할 수 있다. 상기 캐소드층 또는 상기 캡층과 상기 캐소드층은 제1 상부전극(42)과 흡 수층(46a) 사이에 구비된다. 흡수층(46a)은 입사광(L1)의 흡수를 위한 것으로, 입사광(L1)의 파장에 따라 흡수층(46a)을 구성하는 물질이 달라질 수 있다. 예를 들면, 입사광(L1)이 파장이 900nm 이상인 근적외선(Near infrared)일 때, 흡수층(46a)은 GaAs보다 에너지 밴드갭이 작고 도핑되지 않은 i-InGaAs층 또는 i-GaAs층일 수 있으나, 다른 물질층일 수도 있다. 입사광(L1)의 파장이 900nm보다 작을 때, 흡수층(46a)으로, 예를 들면 GaAs층이 사용될 수 있으나, 다른 물질층이 사용될 수도 있다. 증배층(46c)은 흡수층(46a)에서 발생되는 전자를 증배시키는 역할을 한다. 증배층(46c)은 소정 도핑 불순물이 도핑된 층으로써, 예를 들면 P형 GaAs층일 수 있고, 그 두께는 300-1000nm일 수 있다. 증배층(46c)의 두께가 얇으면, 구동전압을 낮출 수 있으나, 이득(gain)을 얻을 수 있는 전압의 범위가 제한될 수 있다.
여기서, 포토 다이오드(10)의 이득에 대해서 잠깐 살펴보면, 포토 다이오드(10)가 APD일 때, 포토 다이오드(10)는 포토 다이오드(10)에 인가되는 역방향 바이어스 전압의 크기에 따라서 이득이 증가한다. 상기 역방향 바이어스 전압이 10~30V일 때, 이득은 4~5정도이다. 상기 역방향 바이어스 전압이 100V일 때, 이득은 100정도가 되지만, 증폭과정에서 잡음도 동시에 증가될 수 있다. 포토 다이오드(10)에 인가되는 역방향 바이어스 전압이 40-60V일 때, 포토 다이오드(10)의 광 이득은 50정도가 될 수 있다. 이러한 포토 다이오드(10)의 광전 변환 효율이 20~30%이고, 발광소자(20)의 발광효율이 10~20%일 때, 포토 다이오드(10)의 이득이 50정도이면, 제1 광 변조기(100)의 광이득(출력광 에너지/입력광 에너지)은 1~ 3이 될 수 있다.
계속해서, 게이트층(44) 상에 발광소자(20)가 구비되어 있고, 발광소자(20)상에 하부전극(48)이 존재한다. 발광소자(20)는 발광층을 포함하는 발광 다이오드(LED)일 수 있다. 하부전극(48)은 발광소자(20)로부터 방출되는 광(L2)에 대해 투명한 전도층일 수 있다. 상기 투명 전도층은, 예를 들면 ITO층, ZnO층 또는 AZO층일 수 있다. 하부전극(48)은 발광소자(20)의 캐소드층과 접촉될 수 있다. 이때, 하부전극(48)은 캐소드층의 밑면 전체 또는 일부와 접촉될 수 있다. 발광소자(20)의 상기 캐소드층은, 예를 들면 N+ 형 GaP층일 수 있고, 두께는 2000nm 정도일 수 있다. 발광소자(20)는 게이트층(44) 상에서 하부전극(48) 방향으로 순차적으로 적층되는 반사층(50a), 제1 클래딩(cladding)층(50b), 활성층(50c) 및 제2 클래딩층(50d)을 포함할 수 있다.
반사층(50a)은 역방향으로 방출되는 광, 곧 활성층(50c)에서 포토 다이오드(10)로 방출되는 광을 활성층(50c)으로 반사하기 위한 층으로써, 예를 들면 DBR(Distributed Bragg Reflector)층일 수 있다. DBR층은 굴절률 및/또는 두께가 다른 두 층이 반복해서 교번 적층된 것이다. 반사층(50a)이 DBR층일 때, 교번 적층되는 두 층은 AlAs층과 Al0.3Ga0.7As층일 수 있다. 이때, 반사층(50a)의 두께는 1,200nm 이하일 수 있다. 제1 클래딩층(50b)은 p형 AlGaInP층일 수 있다. 활성층(50c)은 다중 양자 우물(Multi Quantum Well) 구조를 갖는 물질층으로써, 포토 다이오드(10)로부터 전달되는 전하들의 재결합에 의해 광을 방출시키는 물질층일 수 있다. 예를 들면 활성층(50c)은 무도핑 InGaP/AlGaInP층일 수 있다. 제2 클래딩층(50d)은 N형 AlGaInP층일 수 있다. 제1 및 제2 클래딩층(50b, 50d)은 두께가 다를 수 있다.
발광소자(20)로부터 방출되는 광(L2)은 가시광일 수 있다. 예를 들면 방출광(L2)은 파장이 600-700nm 정도인 적색광일 수 있다.
도 3은 도 1의 회로로 표현될 수 있는 제1 광 변조기의 구성의 다른 예를 나타낸 단면도이다.
도 3을 참조하면, 기판(110) 상에 포토 다이오드(88A)가 존재한다. 기판(110)은 입사광(L1)에 대해서 투명한 기판으로써, 화합물 반도체 기판일 수 있다. 입사광(L1)에 따라 기판(110)을 이루는 물질은 달라질 수 있다. 예를 들면, 입사광(L1)이 파장이 900nm 이상의 근적외선일 때, 기판(110)은 입사광(L1)에 대해 투명한 무도핑의 GaAs기판일 수 있다. 입사광(L1)의 파장이 달라질 때, 기판(110)은 GaAs외에 다른 화합물 반도체 기판일 수 있다. 포토 다이오드(88A)를 이루는 층들의 적층 순서는 도 2의 경우와 다를 수 있다. 예를 들면, 포토 다이오드(88A)는 기판(110) 상에 순차적으로 적층된 N형 화합물 반도체층, 광흡수층 및 P형 화합물 반도체층을 포함할 수 있다. 반면, 도 2의 포토 다이오드(10)의 경우, 적층 순서가 이와 반대일 수 있다. 기판(110)은 n형 GaAs 기판일 수 있다. 기판(110)과 포토 다이오드(88A) 사이에 포토 다이오드(88A)의 성장에 도움을 줄 수 있는 층, 예를 들면 격자 정합(lattice match) 등에 유리한 층을 더 구비할 수 있는데, 예를 들면 기판(110)과 포토 다이오드(88A) 사이에 순차적으로 적층된 버퍼층(미도시)과 접촉 층(미도시)을 더 구비할 수 있다. 이러한 버퍼층과 접촉층으로는 기판(110)과 동일하고 불순물이 도핑된 화합물 반도체층이 사용될 수 있다. 포토 다이오드(88A)는 확장된 영역(EA1)을 갖고 있다. 확장된 영역(EA1)은 다른 부분에 비해 두께가 얇다. 확장된 부분(EA1)은 상기한 바와 같이 기판(110) 상에 순차적으로 적층된 버퍼층과 접촉층일 수 있다. 곧, 확장된 부분(EA1)의 상부면은 상기 접촉층의 상부면일 수 있다. 확장된 부분(EA1) 상에 상부전극(90)이 구비되어 있다. 상부전극(90)은 포토 다이오드(88A)의 두께가 두꺼운 영역과 이격되어 있다. 상부전극(90)은 도 2의 상부전극(42)과 동일할 수 있다. 포토 다이오드(88A)의 두께가 두꺼운 영역 상에 게이트층(86)과 발광소자(84A)가 순차적으로 적층되어 있다. 게이트층(86) 상에는 발광소자(84A)와 함께 게이팅 전극(92)이 존재한다. 게이팅 전극(92)은 발광소자(84A)와 이격되어 있다. 발광소자(84A) 상에 하부전극(98)이 존재한다. 하부전극(98)은 도 2의 하부전극(48)과 동일할 수 있다.
다음은 제1 광 변조기의 제조 방법을 설명한다.
먼저, 도 2의 제1 광 변조기에 대한 제조 방법을 도 4 내지 도 9를 참조하여 설명한다.
도 4를 참조하면, 기판(80) 상에 분리층(82)을 형성한다. 기판(80)은 화합물 반도체 기판일 수 있다. 예를 들면 기판(80)은 GaAs 기판일 수 있다. 분리층(82)은 기판(80) 상에 발광소자와 포토 다이오드와 관련 요소들을 포함하는 화소를 형성한 후, 상기 화소로부터 기판(80)을 분리시키는데 사용된다. 따라서 분리층(82)은 희생층이라 할 수도 있다. 분리층(82)은, 예를 들면 n형 AlGaInP층으로 형성할 수 있 다. 기판(80)과 분리층(82) 사이에 버퍼층을 더 형성할 수 있다. 상기 버퍼층은, 예를 들면 n형 GaAs층으로 형성할 수 있다. 분리층(82) 상에 발광소자층(84)을 형성한다. 발광소자층(84)의 층 구성은 발광소자, 예를 들면 발광 다이오드(LED)와 동일할 수 있다. 방출광에 따른 LED의 내부 층 구성은 잘 알려져 있으므로, 발광소자층(84)의 층 구성에 대한 자세한 설명은 생략한다. 발광소자층(84)은 MOCVD(Metal Oragnic Chemical Vapor Deposition) 또는 MBE(Molecular Beam Epitaxy) 공정을 이용한 에피텍셜 성장법으로 형성할 수 있다. 게이트층(86) 아래에 반사기층이 형성될 수 있다. 상기 반사기층은 도 2의 설명에서 언급한 바와 동일할 수 있다.
발광소자층(84) 상에 게이트층(86)을 형성한다. 게이트층(86)은 게이트 트랜지스터로부터 게이팅 신호가 인가되는 층이다. 게이트층(86)은 후속공정에서 발광소자층(84)으로부터 형성되는 발광소자의 애노드로도 사용될 수 있다. 게이트층(86)은, 예를 들면 P+형 GaAs층일 수 있다. 게이트층(86) 역시 상기한 에피텍셜 성장법으로 형성할 수 있다. 게이트층(86) 상에 포토 다이오드층(88)을 형성한다. 포토 다이오드층(88)은 광학-전기 변환층의 일 예일 수 있다. 포토 다이오드층(88)은, 예를 들면 APD와 동일한 층 구성을 가질 수도 있고, 다른 포토 다이오드의 층 구성을 가질 수도 있다. 입사광에 따라서 포토 다이오드층(88)의 내부 층 구성은 달라질 수 있는데, 특히 광 흡수층이 그럴 수 있다. 이러한 포토 다이오드층(88)의 내부 층 구성의 예는 도 2에서 설명한 바 있다.
일반적으로 포토 다이오드에 대해서는 널리 알려져 있고, 입사광에 따른 포 토 다이오드의 내부 층 구성 또한 널리 알려져 있는 바, 포토 다이오드층(88)의 내부 층 구성에 대한 자세한 설명은 생략한다.
포토 다이오드층(88)을 이루는 층들은 상기 에피텍셜 성장법으로 형성할 수 있다. 포토 다이오드층(88)은 후속 공정에서 패터닝되어 포토 다이오드로 되는데, 게이트층(86)은 이러한 포토 다이오드의 애노드로 사용될 수도 있다.
계속해서, 포토 다이오드층(88) 상에 상부전극(90)을 형성한다. 상부전극(90)은 투명 전도층으로 형성할 수 있는데, 예를 들면 ITO층, ZnO층 또는 AZO층으로 형성할 수 있다. 포토 다이오드층(88) 상에 상부전극(90)을 덮고 그 둘레의 포토 다이오드층(88)의 일부 영역을 한정하는 마스크(90M)를 형성한다. 마스크(90M)는, 예를 들면 감광막 패턴일 수 있다. 마스크(90M)는 포토 다이오드층(88)에서 포토 다이오드로 사용될 영역을 한정한다. 마스크(90M)를 형성한 다음, 마스크(90M) 둘레의 포토 다이오드층(88)을 게이트층(86)이 노출될 때까지 식각한다. 이후, 마스크(90M)를 제거한다. 이러한 식각으로 도 5에 도시한 바와 같이 게이트층(86) 상에 포토 다이오드(88A)가 형성된다.
도 5를 참조하면, 게이트층(86)의 노출된 영역 상에 게이팅 전극(92)을 형성한다. 게이팅 전극(92)은 포토 다이오드(88A)와 이격되게 형성한다. 게이팅 전극(92)은 게이팅 전극(92)이 형성될 게이트층(86)의 소정 영역만을 노출시키는 감광막 패턴(미도시)을 형성한 다음, 상기 소정 영역에 게이팅 전극(92)을 형성한 다음, 상기 감광막 패턴을 제거하는 공정, 곧 리프트 오프(lift-off) 공정으로 형성할 수 있다. 이렇게 형성된 게이팅 전극(92)은 게이트 트랜지스터의 컬렉터와 연결 될 수 있다. 상기 게이트 트랜지스터로 사용되는 바이폴라 트랜지스터는 그 구성과 제조 방법이 잘 알려져 있다. 상기 게이트 트랜지스터는 별도의 공정으로 형성할 수 있다.
계속해서, 게이트층(86) 상에 포토 다이오드(88A)와 상부전극(90)과 게이팅 전극(92)을 덮는 마스크(86M)를 형성한다. 마스크(86M)은, 예를 들면 감광막 패턴일 수 있다. 마스크(86M)은 단위화소 영역을 한정한다. 마스크(86M) 둘레의 게이트층(86)과 발광소자층(84)을 순차적으로 식각한다. 이러한 식각은 분리층(82)이 노출될 때까지 혹은 기판(80)이 노출될 때까지 실시할 수 있다. 이러한 식각 후, 마스크(86M)를 제거한다. 이러한 식각으로 발광소자층(84)은 패터닝되고, 그 결과로 도 6에 도시한 바와 같이 분리층(82) 상에 발광소자(84A)가 형성된다.
도 6은 단위화소를 이루는 발광소자(84A), 게이트층(86), 포토 다이오드(88A) 및 관련전극들(90, 92)을 보여준다.
도 6에 도시한 단위화소들은 기판(80) 상에 동시에 형성될 수 있지만, 편의 상, 기판(80) 상에는 하나의 단위화소만을 형성하였다. 그러므로 기판(80) 상에 도 6의 단위화소들을 복수개 형성하여 어레이(array)를 형성할 수 있다. 상기 어레이를 형성하는 경우에도 도 6의 단위화소를 형성하는 공정이 그대로 적용될 수 있다.
다음, 도 7을 참조하면, 분리층(82) 상에 발광소자(84A)를 덮고 게이트층(86), 포토 다이오드(88A), 상부전극(90) 및 게이팅 전극(92)을 덮는 층간 절연층(94)을 형성한다. 상부전극(90)이 노출될 때까지 층간 절연층(94)의 상부면을 평탄화한다.
다음, 도 8을 참조하면, 층간 절연층(94) 상에 노출된 상부전극(90)을 덮는투명기판(96)을 본딩한다. 투명기판(96)은, 예를 들면 유리기판, GaAs 기판 또는 사파이어 기판일 수 있다. 투명기판(96)을 본딩한 다음, 그 결과물로부터 기판(80)을 제거한다. 기판(80)은 에피텍셜 리프트 오프(epitaxial lift-off)공정으로 제거할 수 있다. 상기 에피텍셜 리프트 오프 공정에서 기판(80)은 분리층(82)을 분해하거나 분리시켜 제거될 수 있다.
다음, 도 9를 참조하면, 기판(80)이 제거되어 노출된 발광소자(84A) 상에 하부전극(98)을 형성한다. 발광소자(84A)의 노출되는 면은 광이 방출되는 면으로 광 이미지 센서, 예를 들면 CCD 또는 CMOS와 마주하는 면이다. 하부전극(98)은 상부전극(90)과 동일한 물질로 형성할 수도 있다. 이후, 게이트 트랜지스터(도 1의 30)와 게이팅 전극(92)을 연결할 수 있다. 이러한 연결은 게이트 트랜지스터(30)의 형성 공정에 따라 게이팅 전극(92)의 형성과 동시에 이루어질 수도 있다. 예를 들면, 게이트 트랜지스터(30)는 발광소자층(84)을 형성할 때 형성될 수도 있고, 발광소자층(84) 형성 후, 포토 다이오드층(88) 형성 전에 형성할 수도 있고, 포토 다이오드층(88)을 형성할 때 형성할 수도 있으며, 포토 다이오드층(88)을 형성한 다음에 형성할 수도 있다.
다음에는 도 10 내지 도 13을 이용하여 제1 광 변조기의 제조 방법에 대한 본 발명의 다른 실시예를 설명한다. 이 과정에서 동일한 부재에 대해서는 동일한 참조번호와 용어를 그대로 사용한다. 또한, 각 부재의 성장법은 특별히 언급하지 않는 한, 도 4 내지 도 9에서 설명한 제조 방법과 동일할 수 있다.
도 10을 참조하면, 기판(110) 상에 포토 다이오드층(88)을 형성한다. 이때, 포토 다이오드층(88)을 이루는 층들의 적층 순서는 도 4와 다를 수 있다. 예를 들면, 기판(110) 상에는 N형 화합물 반도체층, 광흡수층 및 P형 화합물 반도체층 순으로 층들을 적층하여 포토 다이오드층(88)을 형성할 수 있다. 도 4에서는 이와 반대 순서로 적층할 수 있다. 기판(110)은 입사광에 대해 투명기판일 수 있는데, 예를 들면 800nm-900nm의 파장을 갖는 입사광에 대해 투명할 수 있다. 그러나 기판(110)은 다른 파장의 입사광에 대해서도 투명할 수 있다. 기판(110)은 화합물 반도체 기판일 수 있다. 예를 들면, 기판(110)은 n형 GaAs 기판일 수 있다. 기판(110)과 포토 다이오드층(88) 사이에 포토 다이오드층(88)의 성장에 도움을 줄 수 있는 층, 예를 들면 격자 정합(lattice match) 등에 유리한 층이 더 형성될 수 있다. 예를 들면, 기판(110)과 포토 다이오드층(88) 사이에 버퍼층과 접촉층이 순차적으로 더 형성될 수 있다. 이러한 버퍼층과 접촉층으로는 기판(110)과 동일하고 불순물이 도핑된 화합물 반도체층이 사용될 수 있다. 후속 식각 공정을 고려하면, 상기 접촉층 상에 식각 저지층이 더 형성될 수도 있다. 상기 식각 저지층은 포토 다이오드층(88)을 이루는 한 요소로 간주될 수 있다. 또한, 상기 접촉층의 일부도 포토 다이오드층(88)에 포함될 수 있다.
계속해서, 포토 다이오드층(88) 상에 게이트층(86)과 발광소자층(84)을 순차적으로 형성한다. 발광소자층(84)의 소정 영역 상에 하부전극(98)을 형성한다. 발광소자층(84)의 하부전극(98)이 형성된 면은 광 이미지 센서와 마주한다.
다음, 발광소자층(84) 상에 하부전극(98)을 덮고 발광소자층(84) 중 단위화 소에 포함될 발광소자로 사용될 영역을 덮는 마스크(98M)를 형성한다. 마스크(98M)는 감광막 패턴일 수 있다. 마스크(98M) 둘레의 발광소자층(84)을 식각한다. 이러한 식각은 게이트층(86)이 노출될 때까지 실시한다. 이러한 식각 후, 마스크(98M)를 제거한다. 이러한 식각으로 발광소자층(84)은 패터닝되고, 도 11에 도시한 바와 같이 게이트층(86) 상에 발광소자(84A)가 형성된다.
도 11을 참조하면, 게이트층(86)의 노출된 영역 상에 게이팅 전극(92)을 형성한다. 게이팅 전극(92)은 발광소자(84A)와 이격되게 형성한다. 게이팅 전극(92)은 상기한 바와 같이 감광막 패턴을 이용한 리프트 오프 공정으로 형성할 수 있다. 게이트층(86) 상에 게이팅 전극(92), 하부전극(98) 및 발광소자(84A)를 덮는 마스크(95)를 형성한다. 마스크(95)는, 예를 들면 감광막 패턴일 수 있다. 마스크(95) 둘레의 게이트층(86)을 식각한다. 이 식각은 도 12에 도시한 바와 같이 마스크(95) 둘레의 포토 다이오드층(88)이 소정 두께로 얇아질 될 때까지 실시할 수 있다. 이러한 식각 후, 마스크(95)를 제거한다. 게이트층(86)에 대한 상기 식각은 포토 다이오드층(88)의 주요 성분층이 순차적으로 식각된 후, 상기한 접촉층이 노출될 때까지 실시될 수도 있다.
도 12를 참조하면, 마스크(95)를 이용한 식각으로 마스크(95) 둘레의 포토 다이오드층(88)의 두께는 마스크(95)로 덮인 영역에 비해 얇아진다. 상기 식각에 의해 포토 다이오드층(88)의 두께가 얇아진 영역 상에 상부전극(90)을 형성한다. 이어서 단위화소 영역을 한정하는 마스크(97)를 형성한다. 마스크(97)는, 예를 들면 감광막 패턴일 수 있다. 포토 다이오드층(88)의 두께가 얇은 영역 중에서 마스 크(97) 바깥에 존재하는 영역은 식각한다. 이러한 식각은 기판(110)이 노출될 때까지 실시한다. 이러한 식각으로 도 13에 도시한 바와 같이 포토 다이오드(88A)가 형성되고 이웃한 단위화소들은 전기적으로 분리될 수 있다. 상기 식각 후, 마스크(97)를 제거한다.
도 13은 마스크(97)를 제거한 후의 결과물을 보여준다.
도 13에는 기판(110) 상에 하나의 단위화소가 형성된 경우를 보이지만, 기판(110) 상에는 도 13에 도시한 바와 같은 단위화소가 복수개 형성되어 어레이를 이룰 수 있다. 이때, 각 단위화소는 도 10 내지 도 12에서 설명한 바와 같은 공정으로 형성될 수 있다.
도 14는 제1 광변조기가 어레이를 이루는 복수의 단위화소를 포함하는 경우에 대한 일 예를 보여준다. 도 14에서 게이팅 전극(92)은 각 단위화소를 대신한다.
도 14를 참조하면, 어레이(130)는 복수의 블록(block)(120)을 포함한다. 각 블록(120)은 4개의 게이팅 전극(92)을 포함한다. 그러나 각 블록(120)에 포함된 게이팅 전극(92)의 수는 4개 보다 많거나 작을 수 있다.
한편, 어레이(130) 전체를 동시에 게이팅할 수도 있지만, 이렇게 할 경우, 게이팅에서 ON/OFF 동작에 대한 과도 응답(transient response)시간이 길어질 수 있다. 상기 과도 응답시간은 발광소자(84A)와 포토 다이오드(88A)의 시정수(time constant)와 관련이 있다. 발광소자(84A)와 포토 다이오드(88A)의 시정수는 PN 접합으로 이루어지는 면적의 축전용량(capacitance)과 저항의 곱으로 주어진다. 상기 축전용량은 PN 접합영역의 면적과 바이어스 전압에 비례하는 것으로 알려져 있다. 결과적으로 상기 과도 응답시간을 줄일 수 있는 한 방안은 발광소자(84A)와 포토 다이오드(88A)의 PN 접합 영역의 면적과 바이어스 전압을 줄이는 것이다.
도 14의 어레이(130)에서 단위 블록(120)에 포함된 게이팅 전극(92)이 많을 수록, 곧 단위화소의 수가 많을 수록 PN 접합영역의 면적이 증가하여 과도 응답시간이 길어질 것이므로, 적정 게이팅 시간을 고려하여 단위 블록(120)에 포함되는 게이팅 전극(92)의 수를 결정할 수 있다. 예를 들면, 게이팅 시간은 1-5ns일 수 있다. 따라서 단위화소의 축전용량을 고려하면, 상기 예를 든 게이팅 시간을 얻기 위해 단위블록(120)에 포함될 수 있는 단위화소의 수를 알 수 있다. 단위화소의 축전 용량은 포토 다이오드와 발광소자의 PN 접합면적, 포토 다이오드에 인가되는 바이어스 전압, 발광소자에 인가되는 순방향 전압, 각 소자의 구조 및 도핑농도와 관련이 있다.
한편, 도 14에서 어레이(130)에 인가되는 전원은 어레이(130)에 포함된 모든 단위화소들이 공유할 수도 있다. 또는 각 블록별로 독립된 전원을 구비할 수도 있다.
도 14에서 전원(V+, V-)을 어레이(130)에 연결한 것은 어레이(130)에 포함된 모든 단위화소들이 전원을 공유하는 경우를 예시한 것이고, 전원(V+, V-)을 단위 블록(120)에 연결한 것은 각 단위블록(120)이 독립된 전원을 갖는 경우를 예시한 것이다. 전원(V+, V-)에서 V+는 포토 다이오드(88A)에, V-는 발광소자(84)에 각각 연결된다.
도 14의 어레이(130) 전체를 동시에 게이팅할 경우, 축전용량을 고려하여 하 나의 파워 트랜지스터를 게이트 트랜지스터로 사용할 수도 있지만, 시정수에 따라 과도 응답시간이 지연되는 것을 고려하면, 어레이(130) 전체를 동시에 게이팅하는 것보다 각 단위 블록별로 게이팅이 이루어지는 것이 효율적일 수 있다. 따라서 각 단위 블록별로 하나씩 게이트 트랜지스터가 구비될 수 있다.
도 15는 각 단위 블록별로 게이팅을 위한 게이트 트랜지스터가 하나씩 구비된 경우에 대한 일예를 보여준다.
도 15를 참조하면, 단위 블록(120) 밖에 게이트 트랜지스터(122)가 구비되어 있다. 게이트 트랜지스터(122)는 바이폴라(bipolar) 트랜지스터일 수 있다. 단위 블록(120)의 축전용량을 고려하여 게이트 트랜지스터(122)는 파워 트랜지스터일 수도 있다. 게이트 트랜지스터(122)는 단위 블록(120) 안쪽에 형성할 수도 있다.
도 16은 도 15의 등가회로를 보여준다.
도 16을 참조하면, 단위블록(120)에 포함된 단위화소의 포토 다이오드(10)는 공통으로 전원(V+)이 인가되고, 발광소자(20)는 공통으로 접지되거나 전원(V+)보다 낮은 전압(V-)이 인가된다. 게이트 트랜지스터(122)의 컬렉터(C)는 단위 블록(120)에 포함된 단위 화소들의 게이팅 전극들(92)과 공통으로 연결된다. 게이트 트랜지스터(122)의 이미터(E)는 접지되어 있고, 베이스(B)에는 게이팅 전압(Vg)이 인가된다. 게이트 트랜지스터(122)와 각 단위화소의 게이팅 전극(92)은 부하(load)(124)를 통해서 연결되어 있다. 부하(124)는 게이팅 과정에서 단위화소들 사이에 간섭을 억제하기 위한 것이다.
다음에는 제1 광 변조기의 동작 방법에 대해 설명한다.
도 17은 단위화소에 대한 게이팅 동작을 보여준다.
도 17을 참조하면, 게이트 트랜지스터(30)의 베이스(B)에 게이팅 전압(Vg)을 인가한다. 게이팅 전압(Vg)은, 예를 들면 1.2V~1.4V일 수 있다. 게이트 트랜지스터(30)의 베이스(B)에 게이팅 전압(Vg)이 인가되면, 게이트 트랜지스터(30)는 ON 상태가 된다. 게이트 트랜지스터(30)가 ON 상태가 되면, 포토 다이오드(10)에서 발생된 전류(Ipd)는 임피던스(impedance)가 낮은 게이트 트랜지스터(30)를 통해 흐른다. 곧, 포토 다이오드(10)에 발생된 전류(Ipd)는 게이트 트랜지스터(30)가 ON 상태일 때는 발광소자(20)를 우회(bypass)하여 흐른다. 따라서 발광소자(20)는 오프 상태가 된다. 또한, 게이트 트랜지스터(30)가 ON 상태가 되면서 발광소자(20)에 잔류하는 전하들도 게이트 트랜지스터(30)를 통해 방전된다. 이에 따라 기존에 발광소자(20)의 오프된 직후에도 나타나던 광 꼬리가 사라진다. 그러므로 게이트 트랜지스터(122)를 이용한 게이팅을 통해서 발광 소자(20)의 오프시간을 줄일 수 있다.
도 16의 단위블록(120)은 복수의 단위화소들이 하나의 게이트 트랜지스터(122)를 공유하므로, 단위블록(120)에서 게이트 트랜지스터(122)를 이용한 각 단위화소의 게이팅 동작은 도 17에서 설명한 바와 동일하다. 따라서 단위블록(120)의 게이팅 동작 역시 도 17의 단위화소에 대한 게이팅 동작과 동일하게 설명될 수 있다.
도 18은 도 17에 도시한 게이팅 동작에서 게이트 트랜지스터(30)에 인가되는 게이팅 전압(Vg)과 포토 다이오드(10)에서 발광소자(20)로 공급되는 전류(ILED) 사이의 관계를 보여주는 타임차트(time chart)이다.
도 18의 (a)도를 참조하면, 게이트 트랜지스터(30)에 게이팅 전압(Vg)이 인가될 때, 발광소자(20)에 공급되는 전류(ILED)는 없고, 게이팅 전압(Vg)이 인가되지 않을 때, 곧 게이트 트랜지스터(30)가 오프 상태일 때, 발광소자(20)로 공급되는 전류(ILED)는 존재함을 알 수 있다.
도 18의 (a)는 게이팅 전압(Vg)의 ON/OFF가 펄스 형태로 인가되고, 그에 따라 발광소자(20)에 공급되는 전류(ILED) 또한 펄스 형태로 나타나는 논리 게이팅을 보여준다.
도 18의 (b)에 도시한 바와 같이, 게이트 트랜지스터(30)의 베이스(B)에 인가되는 게이팅 전압(Vg)을 사인(sine)파 형태로 발광소자(20)에 공급되는 전류(ILED) 또한 사인파 형태로 공급된다. 곧, 게이팅 전압(Vg)을 조절하면, 발광소자(20)로 공급되는 전류(ILED)와 게이트 트랜지스터(30)로 흐르는 전류를 조절할 수 있어 도 18의 (b)에 도시한 바와 같은 사인 게이팅(sine gating)이 가능하다. 게이팅 전압(Vg)으로 사인파 이외에 삼각파(triagular waveform)를 인가하거나 다른 파형을 인가할 수도 있다. 사인 게이팅을 이용하면 입력광이 일정한 경우 펄스 게이팅 보다 더욱 빠른 주파수로 출력광을 변조할 수 있다.
이와 같은 게이팅 동작을 하는 제1 광 변조기와 주변 전기장치를 이용하여 제1 광 변조기에 입력되는 광 이미지를 사인(sine)파, 램프(ramp)파, 스퀘어(square)파 등 원하는 함수로 변조하거나 셔터링할 수도 있다.
다음에는 본 발명의 다른 실시예에 의한 광 변조기(이하, 제2 광 변조기)에 대해 설명한다.
도 19는 제2 광 변조기의 단위화소에 대한 등가회로를 보여준다.
도 19를 참조하면, 제2 광 변조기(200)는 HPT(212), 발광소자(210) 및 HBT(214)를 포함할 수 있다. 제2 광 변조기(200)는 시정수 등을 고려하여 복수의 단위화소들로 이루어진 어레이 형태로 구비될 수 있다. 이때, 상기 어레이는 복수의 블록을 포함할 수 있고, 각 블록은 적어도 2개의 단위화소를 포함할 수 있다. 상기 어레이에 포함된 각 단위화소의 구성은 도 19에 도시한 바와 같을 수 있다. HPT(212)는 입사광을 전기로 변환하는 광학-전기 변환소자의 일예이다. HPT(212)외에 다른 광학-전기 변환소자가 사용될 수 있다. 발광소자(210)는 HPT(212)로부터 유입되는 전하들의 재결합 과정을 통해서 광을 방출하는 전기-광학 변환소자의 일예이다. 발광소자(210)는, 예를 들면 LED가 될 수 있다. 발광소자(210)는 도 1의 발광소자(20)와 동일할 수 있다. HBT(214)는 HPT(212)에서 발광소자(20)로 흐르는 전하를 게이팅하기 게이트 트랜지스터의 일예이다. HBT(214)외에 다른 게이팅 수단이 사용될 수도 있다. HPT(212)와 발광소자(210)는 직렬로 연결되어 있다. HBT(214)의 제2 컬렉터(C2)는 HPT(212)의 제1 이미터(E1)에 연결되어 있고, 제2 이미터(E2)는 접지되어 있다. 게이팅 동작에서 HBT(214)의 제2 베이스(B2)에는 게이팅 전압(Vg)이 인가된다. HPT(212)의 제1 컬렉터(C1)에 전원이 인가된다. 발광소자(210)는 접지되어 있다. 발광소자(210)와 HBT(214)의 제2 이미터(E2)는 동일 전위를 갖는다.
도 20A는 도 19의 회로로 표현될 수 있는 제2 광 변조기의 구성의 일 예를 보여주는 단면도이다.
도 20A를 참조하면, 투명기판(220) 상에 투명한 제1 전극(222)이 구비되어 있다. 투명기판(220)은, 예를 들면 방출광(L2)에 대해 투명한 유리기판 또는 사파이어 기판일 수 있다. 제1 전극(222)은 투명전극으로써, 예를 들면 ITO전극, ZnO전극 또는 AZO 전극일 수 있다. 제1 전극(222) 상에 발광소자(210)와 더미 패턴(224)이 존재한다. 발광소자(210)와 더미패턴(224)은 이격되어 있다. 더미패턴(224)의 구성은 발광소자(210)와 동일할 수 있다. 제1 전극(222)은 2개의 전극으로 분리될 수 있다. 이때, 상기 2개의 전극 중 하나는 발광소자(210)에 접촉되고, 나머지 하나는 더미패턴(224)에 접촉될 수 있다. 발광소자(210) 상에 HPT(212)가 존재한다. 발광소자(210)와 HPT(212) 사이에 터널 접합층(tunnel junction layer)(미도시)이 더 구비될 수 있다. 상기 터널 접합층은, 예를 들면 P++형 GaAs층과 N++형 GaAs층을 순차적으로 적층하여 형성할 수 있다. HPT(212)는 순차적으로 적층된 제1 이미터(E1), 제1 베이스(B1) 및 제1 컬렉터(C1)를 포함한다. 제1 이미터(E1)은 단일층일 수도 있고, 순차적으로 적층된 서브 이미터(subemitter)층과 메인 이미터층을 포함하는 복층일 수도 있다. 상기 서브 이미터층은, 예를 들면 N+형 GaAs층일 수 있다. 그리고 상기 메인 이미터층은, 예를 들면 N형 InGaP층일 수 있다. 제1 베이스(B1)는 제1 이미터(E1)의 주어진 영역 상에 형성되어 있다. 제1 이미터(E1) 상에 제2 전극(226)이 형성되어 있다. 제2 전극(226)은 제1 전극(222)과 동일 물질이거나 다른 물질일 수 있다. 제2 전극(226)과 제1 베이스(B1)는 서로 이격되어 있다. 제1 컬렉터(C1)는 단일층일 수도 있고, 순차적으로 적층된 메인 컬렉터층(미도시)과 서브 컬렉터층(미도시)을 포함하는 복층일 수도 있다. 입사광에 따라 구성 물질 이 다를 수 있으나, 상기 메인 컬렉터층은, 예를 들면 N-형 GaAs층일 수 있고, 상기 서브 컬렉터층은, 예를 들면 N+형 GaAs층 또는 N+형 InGaP층일 수 있다.
계속해서, 입사광(L1)이 입사되는 제1 컬렉터(C1)의 상부면 상에 제3 전극(228)이 존재한다. 제3 전극(228)은 제1 전극(222)과 동일 물질일 수 있다. 제3 전극(228)에 전압(V+)이 인가된다. 더미패턴(224) 상에 HBT(214)가 구비되어 있다. HBT(214)는 순차적으로 적층된 제2 이미터(E2), 제2 베이스(B2) 및 제2 컬렉터(C2)를 포함한다. 제2 이미터(E2) 및 제2 컬렉터(C2)는 HPT(212)의 제1 이미터(E1) 및 제1 컬렉터(C1)와 마찬가지로 단일층 또는 복층일 수 있다. 제2 이미터(E2) 상에는 제2 베이스(B2)와 함께 제4 전극(230)이 존재한다. 제4 전극(230)과 제2 베이스(B2)는 서로 이격되어 있다. 제4 전극(230)은 제2 전극(226)과 동일할 수 있다. 제4 전극(230)은 제1 전극(222)과 연결된다. 따라서 제4 전극(230)은 제1 전극(222)과 동일 전위가 된다. HBT(214)의 제2 베이스(B2) 상에는 제2 컬렉터(C2)와 함께 제5 전극(232)이 구비되어 있다. 제5 전극(232)과 제2 컬렉터(C2)는 서로 이격되어 있다. 제5 전극(232)에 게이트 라인(미도시)을 통해서 게이팅 전압(Vg)이 인가된다. 제2 컬렉터(C2)의 상부면에 제6 전극(234)이 구비되어 있다. 제6 전극(234)은 제3 전극(228)과 동일할 수도 있고, 다를 수도 있다. 제6 전극(234)은 제2 전극(226)과 연결되어 있다. 이렇게 해서 HPT(212)의 제1 이미터(E1)와 HBT(214)의 제2 컬렉터(C2)는 연결된다. 참조번호 L2는 발광소자(210)에서 발생되어 투명기판(220)을 통해 광 이미지 센서(미도시)로 방출되는 광을 나타낸다.
도 20B는 제2 광 변조기의 다른 구성예를 보여주는 단면도이다. 도 20A에 도 시한 부재이거나 동일한 역할을 하는 부재에 대해서는 동일한 참조번호를 사용한다.
도 20B를 참조하면, 투명기판(260)의 제1 영역(A1) 상에 HPT(212)의 제1 컬렉터(C1), 제1 베이스(B1) 및 제1 이미터(E1)가 순차적으로 적층되어 있다. 투명기판(260)은 입사광(L1)에 대해서 투명한 기판으로써, 입사광(L1)에 따라 그 재질은 달라질 수 있다. 예를 들면, 입사광(L1)이 900nm 이상의 파장을 갖는 광인 경우, 투명기판(260)은 GaAs 기판일 수 있다. 투명기판(260)의 광 입사면은 입사광(L1)이 반사되는 것을 방지하기 위해 반사 방지막으로 코팅될 수 있다. 제1 컬렉터(C1) 상에는 제1 베이스(B1)와 함께 제3 전극(228)이 구비되어 있다. 제3 전극(228)은 배선(L22)을 통해서 전원(V+)에 연결된다. 제1 이미터(E1) 상에는 제1 발광소자(248A)와 함께 제2 전극(226)이 존재한다. 제1 발광소자(248A)와 제2 전극(226)은 서로 이격되어 있다. 제1 발광소자(248A)의 광 방출면(S1) 상에 제1 하부전극(250)이 구비되어 있다. 제1 하부전극(250)은 제1 발광소자(248A)로부터 방출되는 광(L2)에 대해서 투명한 전극일 수 있다. 제1 하부전극(250)은, 예를 들면 ITO, ZnO 또는 AZO 전극일 수 있다. 제1 하부전극(250)은 광 방출면(S1)의 일부 영역 상에 구비될 수 있으나, 광 방출면(S1) 전체를 덮도록 구비될 수도 있다.
투명기판(260)의 제2 영역(A2) 상에는 HBT(214)의 제2 컬렉터(C2), 제2 베이스(B2) 및 제2 이미터(E2)가 순차적으로 적층되어 있다. 제2 컬렉터(C2), 제2 베이스(B2) 및 제2 이미터(E2)의 층 구성은 각각 제1 컬렉터(C1), 제1 베이스(B1) 및 제1 이미터(E1)의 층 구성과 동일할 수 있다. 제2 컬렉터(C2) 상에는 제2 베이 스(B2)와 함께 제6 전극(234)이 존재한다. 제6 전극(234)은 배선(L11)을 통해서 제2 전극(226)과 연결된다. 제2 베이스(B2) 상에는 제2 이미터(E2)와 함께 제5 전극(232)이 존재한다. 제5 전극(232)과 제2 이미터(E2)는 이격되어 있다. 게이팅 전압이 인가되는 제5 전극(232)은 배선(L33)을 통해서 게이팅 전압신호 공급원에 연결될 수 있다. 배선(L33)은 도 36의 게이트 라인(410)일 수 있다. 제2 이미터(E2) 상에는 더미패턴인 제2 발광소자(248B)와 함께 제6 전극(230)이 존재한다. 제6 전극(230)은 제1 하부전극(250)과 연결되고 접지되어 있다. 접지 대신에 제6 전극(230)과 제1 하부전극(250)에는 제3 전극(228)에 인가된 전원(V+)보다 낮은 전압(V-)이 인가될 수도 있다. 제2 발광소자(248B) 상에는 제2 하부전극(252)이 존재한다. 제2 하부전극(252)은 더미전극(dummy electrode)일 수 있다.
도 19의 회로로 표현되는 도 20A 및 도 20B의 제2 광 변조기는 HPT(212)의 제1 컬렉터(C1)가 제1 이미터(E1) 위에 구비된 컬렉터 업(Collector-up) 구조이다.
이와 같은 컬렉터 업 구조의 광 변조기는 입력광이 HPT(212)의 제1 컬렉터(C1)에서 주로 흡수하기 때문에, HPT(212)가 OFF되면 발광소자(210)로 광전류가 전달되지 않는다. 또한, 제2 광 변조기는 게이팅을 통해서 800nm~900nm의 근적외선을 일반 CCD 카메라에서 수광이 용이한 600~700nm의 파장을 갖는 광으로 변환시키는 업 컵버터(Up-converter) 기능을 갖는다.
제2 광 변조기에서 HPT(212)의 동작 원리는 다음과 같다.
HPT(212)에 광(L1)이 입사되면, 제1 컬렉터(C1)의 상기한 메인 컬렉터층에서 광자의 흡수가 일어나고, 그에 따라 발생되는 전자는 상기한 서브 컬렉터층으로 이 동한다. 그리고 상기 광자의 흡수에 따라 발생되는 정공(hole)은 HPT(212)의 제1 베이스(B1)로 이동하여 페르미(Fermi) 준위를 낮춘다. 이에 따라 제1 베이스(B1)와 제1 이미터(E1) 사이의 전기적 포텐셜 장벽(Potential Barrier)이 낮아져서 제1 이미터(E1)에서 제2 베이스(B2)로 전자가 확산되고, 이 결과 전류증폭이 일어난다. 증폭된 전류는 발광소자(210)로 주입된다.
HPT(212)의 이득은 입사광(L1)의 에너지 크기에 따라 증가하는데, 입사광(L1)의 에너지가 10~100nW정도일 때, 이득은 7~20 정도가 된다. 이득은 HPT(212)의 제1 베이스(B1) 도핑(doping)농도에 따라서 달라질 수 있다. 따라서 HPT(212)의 제1 베이스(B1)의 도핑농도는 HPT(212)의 전기적 특성과 광학적 이득을 최적화하는 농도일 수 있다. 예를 들면, 제1 이미터(E1)와 제1 컬렉터(C1)가 상기한 바와 같을 때, 그리고 제1 베이스(B1)가 P형 GaAs층일 때, 제1 베이스(B1)의 도핑농도는 4ｘ 1018cm-3일 수 있다. 제1 베이스(B1)의 도핑 농도는 이보다 클 수 있다.
제2 광 변조기에 인가되는 바이어스 전압이 4~5V이고, HPT(212)의 광전 변환 효율이 20~30%, 발광소자(210)의 발광효율이 10~20%일 때, 제2 광 변조기의 전체적인 광이득(출력광에너지/입력광에너지)은 1~2정도가 된다.
다음에는 도 20A에 도시한 제2 광 변조기에 대한 제조 방법을 도 21 내지 도 28을 참조하여 설명한다. 이 과정에서 도 20A에서 설명한 부재와 동일한 부재에 대해서는 동일한 참조번호를 사용한다.
도 21을 참조하면, 기판(240) 상에 분리층(242)을 형성한다. 기판(240)은 화 합물 반도체 기판일 수 있다. 예를 들면 기판(242)은 GaAs 기판일 수 있다. 분리층(242)은 도 4의 분리층(82)과 동일할 수 있다. 분리층(242)은 희생층으로써, 예를 들면 AlGaAs층 AlAs층 또는 InGaP층으로 형성할 수 있다. 분리층(242) 상에 트랜지스터를 이루는 물질층들을 포함하는 층(244)(이하, 트랜지스터층)를 형성한다. 트랜지스터층(244)은 제1 N형 화합물 반도체층, P형 화합물 반도체층 및 제2 N형 화합물 반도체층을 순차적으로 적층하여 형성할 수 있다. 이들 화합물 반도체층은 GaAs, InGaP 또는 AlGaAs를 베이스로 하는 도핑된 화합물 반도체층일 수 있으나, 입사광에 따라 사용되는 화합물 반도체는 달라질 수 있다. 상기 제1 N형 화합물 반도체층은 도핑 농도가 다른 복층일 수 있다. 그리고 상기 제2 N형 화합물 반도체층 역시 도핑농도가 다른 복층일 수 있다. 후속 패터닝 공정에서 트랜지스터층(244)은 광 트랜지스터, 예를 들면 HPT와 게이트 트랜지스터, 예를 들면, HBT로 패터닝된다. 따라서 트랜지스터층(244)의 층 구성은 도 20의 HPT(212)와 동일할 수 있다. 트랜지스터층(244)은 MOCVD 또는 MBE를 이용한 에피텍셜 성장법으로 형성할 수 있다. 트랜지스터층(244) 상에 터널 접합층(246)을 형성한다. 터널 접합층(246)은 도핑된 화합물 반도체층으로 형성할 수 있다. 예를 들면, 터널 접합층(246)은 N++ GaAs층과 P++GaAs층을 순차적으로 적층하여 형성할 수 있다. 터널 접합층(246)은 생략할 수도 있다. 터널 접합층(246) 상에 발광소자층(248)을 형성한다. 발광소자층(248)은 도 4의 발광소자(84)와 동일할 수 있다. 발광소자층(248) 상에 제1 및 제2 하부전극(250, 252)을 형성한다. 제1 및 제2 하부전극(250, 252)는 이격되게 형성한다. 터널 접합층(246)과 발광소자층(248)은 MOCVD 또는 MBE를 이용한 에피텍 셜 성장법으로 형성할 수 있다.
도 22를 참조하면, 발광소자층(248) 상에 제1 및 제2 하부전극(250, 252)을 덮는 절연층(254)을 형성한다. 절연층(254)의 상부면을 제1 및 제2 하부전극(250, 252)이 노출될 때까지 평탄화한다. 절연층(254) 상에 노출된 제1 및 제2 하부전극(250, 252)을 덮는 투명기판(220)을 형성한다. 투명기판(220)은 발광소자층(248)으로부터 방출되는 광에 대해 투명한 기판일 수 있다. 투명기판(220)은 도 20에서 설명한 바와 같다. 투명기판(220)을 형성한 다음, 그 결과물에서 기판(240)을 제거한다. 기판(240)은 에피텍셜 리프트 오프 공정으로 제거될 수 있다. 에피텍셜 리프트 오프 공정에서 기판(240)은 분리층(242)을 분해하거나 분리시켜 제거할 수 있다. 도 23은 분리층(242)을 이용하여 기판(240)을 제거한 후의 결과물을 보여준다. 이후의 공정은 도 23의 결과물의 상하를 반전시켜 진행할 수 있다. 이렇게 해서, 투명기판(220)은 아래쪽에, 게이트 트랜지스터층(244)은 위쪽에 각각 위치하게 된다.
도 24를 참조하면, 트랜지스터층(244)은 이미터층(E0), 베이스층(B0) 및 컬렉터층(C0)을 순차적으로 적층하여 형성된 것을 볼 수 있다. 이때, 각 층은 최종적으로 형성된 HPT의 광 이득을 고려하여 적정 농도로 도전성 불순물을 도핑할 수 있는데, 예를 들면 1016~1018cm-3 정도의 농도로 도핑할 수 있다. 이미터층(E0)은 상기한 제2 N형 화합물 반도체층으로 형성할 수 있다. 베이스층(B0)은 상기한 P형 화합물 반도체층으로 형성할 수 있다. 컬렉터층(C0)은 상기한 제1 N형 화합물 반도체층 으로 형성할 수 있다. 컬렉터층(C0)은 파장이 800nm 정도인 입사광을 흡수할 수 있는 화합물 반도체층, 예를 들면 GaAs층으로 형성할 수 있다. 이미터층(E0)은 서브 이미터층(미도시)과 메인 이미터층(미도시)을 순차적으로 적층하여 형성할 수 있다. 상기 서브 이미터층은 최종적으로 HPT 아래에 형성될 발광소자와 공유될 수도 있다. 상기 서브 이미터층은, 예를 들면 N+ 불순물이 도핑된 GaAs층일 수 있다. 컬렉터층(C0)은 메인 컬렉터층(미도시)과 서브 컬렉터층(미도시)을 순차적으로 적층하여 형성할 수 있다. 상기 서브 컬렉터층은, 예를 들면 N+ 불순물이 도핑된 GaAs, InGaP 또는 AlGaAs층일 수 있다. 이러한 트랜지스터층(244) 상에 제3 및 제6 전극(228, 234)을 형성한다. 제3 및 제6 전극(228, 234)은 주어진 간격으로 이격되게 형성할 수 있다. 제3 및 제6 전극(228, 234)은, 예를 들면 ITO, ZnO 또는 AZO로 형성할 수 있다. 제3 및 제6 전극(228, 234) 상부전극으로써, 반사에 따른 입사광 손실을 줄이기 위해 적어도 제3 전극(228)의 표면은 반사 방지막으로 코팅될 수 있다.
다음, 도 25를 참조하면, 트랜지스터층(244)에서 컬렉터층(C0)을 패터닝하여 이격된 제1 및 제2 컬렉터(C1, C2)를 형성한다. 제1 및 제2 컬렉터(C1, C2)는 도 20의 컬렉터(C1, C2)를 나타내지만, 편의 상 이하의 제조 방법의 설명에서 용어는 제1 및 제2 컬렉터를 계속 사용한다. 제1 및 제2 컬렉터(C1, C2)는 컬렉터층(C0) 상에 제1 및 제2 컬렉터(C1, C2)를 덮는 마스크(미도시)를 형성한 다음, 상기 마스크 둘레의 컬렉터층(C0)을 베이스층(B0)이 노출될 때까지 식각하고, 상기 마스크를 제거하여 형성할 수 있다. 제1 및 제2 컬렉터(C1, C2)를 형성할 때, 제1 컬렉 터(C1)의 면적을 제2 컬렉터(C2)보다 넓게 형성할 수 있다. 제3 전극(228)은 투명전극이므로, 제1 컬렉터(C1)의 상부면 전체에 형성될 수도 있다. 계속해서, 베이스층(B0)에서 제2 영역(A2)에 속하고, 제2 컬렉터(C2)에 인접한 영역 상에 제5 전극(232)을 형성한다. 제5 전극(232)는 게이팅 전극이다. 제2 영역(A2)은 후속 공정에서 게이트 트랜지스터인 HBT가 형성될 영역이다. 그리고 제1 영역(A1)은 광 트랜지스터인 HPT가 형성될 영역이다. 다음 공정으로 제1 컬렉터(C1)와 제3 전극(228)을 덮고, 또한 제2 컬렉터(C2)와 제6 전극(234)과 제5 전극(232)을 덮고, 제2 컬렉터(C2)와 제5 전극(232) 사이를 덮는 마스크(M1)를 형성한다. 마스크(M1) 둘레의 베이스층(B0)을 이미터층(E0)이 노출될 때까지 식각한다. 식각 후, 마스크(M1)를 제거한다. 이러한 식각으로 이미터층(E0) 상에는 도 26에 도시한 바와 같이 이격된 제1 및 제2 베이스(B1, B2)가 형성된다.
다음, 도 27을 참조하면, 이미터층(E0)의 노출된 상부면 상에 제2 및 제4 전극(226, 230)을 형성한다. 제2 전극(226)은 이미터층(E0)의 제1 영역(A1)에 속하는 상부면 상에 형성한다. 제1 전극(230)은 이미터층(E0)의 제2 영역(A2)에 속하는 상부면 상에 형성한다. 이미터층(E0) 상에 이미터층(E0)의 일부 영역을 노출시키고, 이미터층(E0) 상에 형성된 부재들을 덮는 마스크(M2)를 형성한다. 마스크(M2)는 감광막 패턴일 수 있다. 마스크(M2)는 제2 내지 제6 전극(226, 228, 230, 232, 234)을 덮고, 제1 및 제2 베이스(B1, B2)와 제1 및 제2 컬렉터(C1, C2)를 덮는다. 또한 마스크(M2)는 제2 전극(226)과 제1 컬렉터(C1) 사이를 덮고, 제4 전극(230)과 제2 베이스(B2) 사이를 덮고, 제5 전극(232)과 제2 컬렉터(C2) 사이를 덮는다. 마스 크(M2)는 제1 및 제2 영역(A1, A2)의 경계 영역에 해당하는 이미터층(E0)의 일부 영역을 노출시킨다. 마스크(M2)는 단위화소 영역을 한정하는 마스크일 수 있다. 복수의 단위화소를 포함하는 어레이를 형성할 경우, 마스크(M2)는 이웃한 단위화소 영역도 마스킹하게 된다. 따라서 마스크(M2)에 의해 이웃 단위화소와의 경계 영역에 해당하는 이미터층(E0)의 소정 영역(B1, B2)도 노출된다. 마스크(M2) 둘레의 이미터층(E0)을 식각한다. 식각은 절연층(254)이 노출될 때까지 실시할 수 있다. 식각 후, 마스크(M2)를 제거한다. 이러한 식각으로 이미터층(E0)은 도 28에 도시한 바와 같이 이격된 제1 및 제2 이미터(E1, E2)으로 나뉘어지고, 발광소자층(248)은 제1 발광소자(248A)와 제2 발광소자(248B)로 나뉘어진다. 제1 발광소자(248A)는 도 20의 발광소자(210)에 대응된다. 제2 발광소자(248B)는 도 20의 더미패턴(224)에 대응되는 것으로 발광소자 역할을 하지 않는다. 마스크(M2)를 이용한 식각 결과, 도 28에 도시한 바와 같이, 제1 영역(A1)에 제1 발광소자(248A)와 HPT(212)이 순차적으로 형성되고, 제2 영역(A2)에 더미패턴인 제2 발광소자(248B)와 게이트 트랜지스터인 HBT(214)가 순차적으로 형성된다. 이후의 공정에서 제1 및 제2 영역(A1, A2)을 덮는 층간 절연층(미도시)이 형성되고, 상기 층간 절연층에 제2 내지 제6 전극(226, 228, 230, 232, 234)이 노출되는 콘택홀들(미도시)이 형성된다. 그리고 상기 콘택홀들을 채우면서 제2 전극(226)과 제6 전극(234)을 연결하는 배선(L11)과, 제3 전극(228)을 전원에 연결하는 배선(L22)과, 제5 전극(232)과 게이팅 전압원을 연결하는 배선(L33)을 형성한다. 또한, 제1 하부전극(250)과 제4 전극(230)은 접지시킨다. 이렇게 해서, 도 20의 제2 광 변조기가 형성될 수 있다.
다음에는 도 20B에 도시한 제2 광 변조기에 대한 제조 방법을 도 29 내지 도 33을 참조하여 설명한다. 이 과정에서 도 20B에서 설명한 부재와 동일한 부재에 대해서는 동일한 참조번호를 사용한다
도 29를 참조하면, 기판(260) 상에 트랜지스터층(244)과 발광소자층(248)을 순차적으로 적층한다. 기판(260)은 입사광에 대해 투명한 기판으로써, 화합물 반도체 기판일 수 있다. 예를 들면, 기판(260)에 입사하는 광의 파장이 900nm 이상일 때, 기판(260)은 이러한 광에 대해 투명한 GaAs 기판일 수 있다. 도면에서 광은 기판(260)의 아래에서 기판(260)에 입사된다. 트랜지스터층(244)과 발광소자층(248) 사이에 터널 접합층을 더 형성할 수도 있다. 발광소자층(248) 상에 제1 및 제2 하부전극(250, 252)을 형성한다.
도 30을 참조하면, 마스킹 공정과 사진 및 식각 공정을 이용하여 발광소자층(248)을 이격된 제1 및 제2 발광소자(248A, 248B)로 패터닝한다. 이때, 제1 발광소자(248A)는 기판(260)의 제1 영역(A1)에 위치하고, 제2 발광소자(248B)는 제2 영역(A2)에 위치하도록 패터닝할 수 있다. 제1 발광소자(248A)의 광 방출면은 제2 발광소자(248B)보다 면적이 넓을 수 있다. 제1 하부전극(250)은 제1 발광소자(248A)의 상부면, 곧 광 이미지 센서와 마주하는 면 상에 형성된다. 제1 하부전극(250)은 투명전극이므로 제1 발광소자(248A)의 상부면 전체에 형성될 수도 있다. 트랜지스터층(244)은 에피텍셜 성장법을 이용하여 컬렉터층(C0), 베이스층(B0) 및 이미터층(E0)을 순차적으로 적층하여 형성할 수 있다. 제1 영역(A1)의 이미터층(E0) 상에 제2 전극(226)을 형성하고, 제2 영역(A2)의 이미터층(E0) 상에는 제4 전극(230)을 형성한다. 이미터층(E0) 상에 제1 및 제2 발광소자(248A, 248B)를 덮고, 제1 및 제2 하부전극(250, 252)을 덮고 제2 및 제4 전극(226, 230)을 덮는 마스크(M3)를 형성한다. 마스크(M3)는 감광막 패턴일 수 있다. 마스크(M3)는 제1 영역(A1)에서 제1 발광소자(248A), 제2 전극(226) 및 제1 하부전극(250)을 포함하도록 제1 영역(A1)에 속하는 이미터층(E0)의 소정 영역을 덮는다. 또한, 마스크(M3)는 제2 영역(A2)에서 제2 발광소자(248B), 제4 전극(230) 및 제2 하부전극(252)을 포함하도록 제2 영역(A2)에 속하는 이미터층(E0)의 소정 영역을 덮는다. 마스크(M3)에 의해 이미터층(E0)에서 HPT에 사용될 부분과 HBT에 사용될 부분이 한정된다. 계속해서, 마스크(M3) 둘레의 이미터층(E0)을 식각한 다음, 마스크(M3)를 제거한다. 이 결과, 이미터층(E0)으로부터 제1 및 제2 이미터(E1, E2)가 형성되고, 베이스층(B0)의 일부 영역이 노출된다(도 31).
도 31을 참조하면, 제2 영역(A2)에서 베이스층(B0)의 노출된 영역 상에 제5 전극(232)을 형성한다. 제5 전극(232)은 게이팅 전극으로써 게이팅 동작에서 게이팅 전압신호가 인가된다. 베이스층(B0) 상에 베이스층(B0)의 소정 영역을 한정하는 마스크(M4)를 형성한다. 마스크(M4)는 베이스층(B0)에서 HPT에 사용될 영역과 HBT에 사용될 영역을 한정한다. 마스크(M4)는 제1 이미터(E1)와 그 위에 형성된 부재들을 덮고, 제2 이미터(E2)와 그 위에 형성된 부재들과 제5 전극(232)을 덮는다. 마스크(M4) 둘레의 베이스층(B0)을 컬렉터층(C0)이 노출될 때까지 식각한다. 식각 후, 마스크(M4)를 제거한다.
도 32는 마스크(M4)를 이용한 식각 후의 결과를 보여준다.
도 32를 참조하면, 마스크(M4)를 이용한 식각에 의해 도 31의 베이스층(B0)으로부터 제1 및 제2 베이스(B1, B2)가 형성된다. 제1 베이스(B1) 상에는 제1 이미터(E1)가 존재한다. 제1 베이스(B1)는 HPT의 베이스로 사용된다. 그리고 제2 베이스(B2) 상에는 제2 이미터(E2)와 제5 전극(232)이 이격된 상태로 존재한다. 제2 베이스(B2)는 HBT의 베이스로 사용된다. 노출된 컬렉터층(C0) 상에 제3 및 제6 전극(228, 234)을 형성한다. 제3 전극(228)은 제1 영역(A1)에 위치하고, 제6 전극(234)은 제2 영역(A2)에 위치한다. 입사광이 입사되는 기판(260)을 위쪽이라고 하면, 제1 및 제2 하부전극(250, 252)에 대해 위치 상으로 제3 및 제6 전극(228, 234)은 상부전극 역할을 한다. 계속해서, 제3 및 제6 전극(228, 234)을 형성한 다음, 컬렉터층(C0) 상에 마스크(M5)를 형성한다. 마스크(M5)는 제1 영역(A1)에서 HPT에 사용될 영역을 한정하고, 제2 영역(A2)에서는 HBT에 사용될 영역을 한정한다. 제1 영역(A1)에서 마스크(M5)에 의해 한정된 영역에는 제1 베이스(B1)와 그 위에 형성된 부재들과 제3 전극(228)이 포함되어 있다. 또한 제2 영역(A2)에서 마스크(M5)에 의해 한정된 영역에는 제2 베이스(B2)와 그 위에 형성된 부재들과 제6 전극(234)이 포함되어 있다. 마스크(M5)를 형성한 다음, 그 둘레의 컬렉터층(C0)을 기판(260)이 노출될 때까지 식각한다. 식각 후, 마스크(M5)를 제거한다. 이러한 식각에 의해 컬렉터층(C0)은 도 33에 도시한 바와 같이 제1 및 제2 컬렉터(C1, C2)로 패터닝된다. 이렇게 해서, 도 33에 도시한 바와 같이 제1 영역(A1) 상에는 제1 컬렉터(C1), 제1 베이스(B1) 및 제1 이미터(E1)가 순차적으로 형성되어 HPT가 형성되고 HPT 상에는 제1 발광소자(248A)가 형성된다. 그리고 제2 영역(A2) 상에는 제2 컬렉터(C2), 제2 베이스(B2) 및 제2 이미터(E2)가 순차적으로 형성되어 HBT가 형성된다. HBT 상에는 더미패턴인 제2 발광소자(248B)가 형성된다. 이렇게 형성된 HPT, 제1 발광소자(248A) 및 HBT는 제2 광 변조기의 단위화소를 형성할 수 있다. 마스크(M5)를 이용한 식각 후, 기판(260) 상에 형성된 부재들을 덮는 층간 절연층(미도시)을 형성하고, 상기 층간 절연층에 제1 하부전극(250)과 제2 내지 제6 전극(226, 228, 230, 232, 234) 이 노출되는 콘택홀들(미도시)을 형성한 다음, 콘택홀들을 채우는 배선 형성 공정을 실시한다. 이렇게 해서, 제2 전극(226)과 제6 전극(234)을 연결하는 배선(L11), 제3 전극(228)은 바이어스 전원(V+)에 연결하는 배선(L22) 및 게이팅 전극인 제5 전극(232)을 게이팅 전압신호 공급원에 연결하는 배선(L33)이 형성된다. 또한, 제1 하부전극(250)과 HBT의 제2 이미터(E2) 상에 형성된 제4 전극(230)을 접지시키기 위한 배선을 형성할 수도 있다. 이러한 접지배선에는 제2 전극(228)에 인가되는 전압보다 낮은 전압(V-)이 인가될 수도 있다.
다음에는 제2 광 변조기에 대한 동작 방법을 설명한다.
도 34는 제2 광 변조기에 대한 게이팅 동작 방법을 보여준다.
도 34를 참조하면, HPT(212)의 제1 컬렉터(C1)에 전압(V+)을 인가하고, 발광소자(210)를 접지하거나 제1 컬렉터(C1)보다 낮은 전압을 인가한다. 곧, HPT(212)의 제1 컬렉터(C1)와 발광소자의 광 방출면 사이에 전위차를 형성한다. 이 상태에서 HBT(214)의 제2 베이스(B2)에 게이팅 전압(Vg)을 인가한다. 상기 전위차 형성보다 게이팅 전압(Vg)을 먼저 인가할 수도 있다. HBT(214)의 제2 베이스(B2)에 게이팅 전압(Vg)이 인가되면 HBT(214)는 턴온되고, HBT(214)의 임피던스는 낮아진다. 이에 따라 HPT(212)에서 발생된 전하들은 발광소자(210)를 우회하여 HBT(214)를 통해 흐른다. 이에 따라 HPT(212)에서 발광소자(210)로 공급되는 전하는 없고, 발광소자(210)는 오프 상태가 된다. 이와 함께 HBT(214)의 턴온 직후에 발광소자(210)에서 재결합되지 않고 남은 전하들이 있다면, 남은 전하들 역시 임피던스가 낮은 HBT(214)를 통해 흐른다. 이에 따라 발광소자(210) 오프 후, 광 꼬리 등과 같은 불필요한 잔광이 나타나는 것을 방지할 수 있다.
이러한 게이팅 동작에서 HBT(214)의 제2 베이스(B2)에 게이팅 전압(Vg)을 인가하는 방식에 따라 발광소자(210)의 반응은 다를 수 있다. 달리 말하면, 게이팅 전압(Vg)을 인가하는 방식에 따라 HPT(212)에서 발광소자(210)로 공급되는 전류량은 달라질 수 있다.
도 35는 제2 광 변조기에서 게이팅 방식, 곧 게이팅 전압(Vg)의 인가 방식에 따른 발광소자(210)에 공급되는 전류 변화를 보여주는 타임차트이다.
도 35의 (a)도를 참조하면, HBT(214)의 제2 베이스(B2)에 인가되는 게이팅 전압(Vg)이 펄스 형태인 경우, 게이팅 전압(Vg)이 OFF일 때, HPT(212)에서 발광소자(210)로 증폭된 광 전류(Iled)가 흐르는 반면, 게이팅 전압(Vg)이 ON일 때는 전류(Iled)는 흐르지 않는 것을 알 수 있다.
도 35의 (b)도를 참조하면, HBT(214)의 제2 베이스(B2)에 인가되는 게이팅 전압(Vg)이 연속적이며 주기적으로 변화하는 경우, 사인파 게이팅이 가능함을 알 수 있다. 구체적으로, 제2 베이스(B2)에 인가되는 게이팅 전압(Vg)을 사인파 형태로 변화시킬 경우, 게이팅 전압(Vg)의 크기에 따라 HPT(212)로부터 발광소자(210) 로 공급되는 전류량은 조절된다. 이에 따라 HPT(212)로부터 발광소자(210)로 공급되는 전류량도 사인파 형태로 변하게 된다. 제2 베이스(B2)에 인가되는 게이팅 전압(Vg)은 사인파와 다른 형태, 예를 들면 삼각파 형태로 인가할 수 있다. 상술한 바와 같이 사인파 게이팅의 경우, 펄스파 보다 빠른 주파수로 게이팅이 가능하여 변조 주파수를 증가할 수 있다.
결과적으로 도 18과 도 35를 비교하면, 제2 광 변조기의 게이팅 동작과 제1 광 변조기의 게이팅 동작은 동일한 것을 알 수 있다.
한편, HPT(212)와 발광소자(210)의 면적을 크게하여 단위화소의 면적을 증가시킬 수 있지만, HPT(212)와 발광소자(210)의 면적이 증가할 경우, 제1 광 변조기에서 설명한 바와 같이 시정수의 커짐에 따라 과도 응답시간이 길어지는 문제가 발생될 수 있다. HPT(212)의 시정수는 제1 베이스(B1)에 잔류하는 전하량과 제1 베이스(B1)와 제1 컬렉터(C1) 사이의 축전용량에 비례한다. HPT(212)의 축전용량은 PN 접합 영역의 면적에 비례하고, 바이어스 전압의 크기에 비례한다. 발광소자(210)의 경우는 제1 광 변조기에서 설명한 바와 같다. 따라서 제2 광 변조기의 게이팅 동작에서 과도 응답시간을 줄이기 위한 하나의 방안으로 단위화소 면적을 크게 하기보다는 단위화소의 면적은 최소화하고, 면적이 최소화된 단위화소들로 2차원 어레이를 형성하는 것이다. 상기 2차원 어레이를 이루는 단위화소의 면적은, 예를 들면 10x10m2일 수 있다.
도 36은 복수의 단위화소들(400)를 포함하는 어레이(350)를 보여준다. 단위화소(400)의 면적은 10x10m2일 수 있다.
도 36을 참조하면, 복수의 단위화소들(400)은 행렬을 이룬다. 어레이(350)는 전원을 공유할 수 있다. 따라서 각 단위화소(400)의 동일한 바이어스 전압이 인가될 수 있다. 어레이(350)는 16개의 단위화소(400)를 포함하지만, 16개보다 작거나 16보다 많은 수의 단위화소를 포함할 수도 있다. 단위화소(400)는 상술한 제2 광 변조기의 단위화소이거나 하기될 제3 내지 제5 광 변조기 중 어느 한 광 변조기의 단위화소일 수 있다. 어레이(350)의 각 행에 포함된 단위화소들(400)은 개별적으로 게이트 트랜지스터인 HBT를 포함한다. 따라서 각 행의 단위화소들 사이에는 게이팅 동작 과정에서 전기적 간섭이 발생하지 않는다. 어레이(350)의 각 행에 포함된 단위화소들(400)은 동일 게이트 라인(410)으로 연결되어 있다. 각 행별로 할당된 게이트 라인(410)은 각 행의 각 단위화소(400)에 포함된 HBT의 베이스에 연결된다. 도 31에 도시된 4개의 게이트 라인들(410)은 스위칭 소자들(420)과 일대 일로 연결되어 있다. 스위칭 소자들(420)은, 예를 들면 전계 효과 트랜지스터일 수 있다. 스위칭 소자들(420)은 모두 아날로그 중합기(analog multiplexer)(430)에 연결되어 있다. 게이팅 전압신호는 아날로그 중합기(430)에 주어진다. 도면에 도시한 바와 같이 아날로그 중합기(430)에 게이팅 전압신호가 주어지면, 아날로그 중합기(430)는 스위칭 소자들(420)을 동시에 턴 온(turn ON)하거나 턴 오프(turn OFF)할 수 있다. 그리고 아날로그 중합기(430)는 상기 게이팅 전압신호에 따라 스위칭 소자들(420)의 턴 온과 턴 오프를 제어할 수 있다. 예를 들면, 상기 게이팅 전압신호가 펄스신호인 경우, 아날로그 중합기(430)는 상기 펄스신호에 맞춰서 스위칭 소자들(420)을 동시에 턴 온시키거나 턴 오프시켜 어레이(350)에 포함된 모든 단위화소 들(400)이 동시에 게이팅되도록 할 수 있다. 어레이(350)에 포함된 모든 단위화소들(400)을 동시에 게이팅하는데 따른 부하(load)가 클 경우, 각 행을 단위블록으로 설정하던가 혹은 적어도 2개의 행을 단위블록으로 설정하여 각 단위블록에 연결된 스위칭 소자(420)를 턴 온시키거나 턴 오프시켜 단위블록 별로 동시에 게이팅할 수도 있다. 상기 게이팅 전압신호가 사인파나 삼각파 등과 같은 연속적이며 주기적인 경우, 아날로그 중합기(430)는 스위칭 소자들(420)을 주어진 시간동안 턴 온상태로 유지할 수 있다. 스위칭 소자들(420)이 턴 온 상태로 유지되는 동안, 상기 연속적이며 주기적인 게이팅 전압신호가 각 단위화소의 게이트 트랜지스터에 인가되어 사인파 게이팅 등과 같은 주기적이면서 연속적인 게이팅이 이루어질 수 있다. 이와 같은 주기적이면서 연속적인 게이팅은 어레이(350)에 포함된 모든 단위화소(400)들에 대해 동시에 이루어 질 수 있으나, 부하가 클 경우, 상기한 바와 같이 각 단위블록 별로 이루어질 수도 있다.
한편, 도 36의 어레이(350)를 포함하는 광 변조기가 거리측정에 사용되는 경우, 어레이(350) 전체가 하나의 게이팅 전압신호에 따라 동시에 게이팅되는 것이 효율적이라면, 스위칭 소자들(420)은 용량이 큰 한 개의 파워 트랜지스터로 대체될 수도 있다. 또한, 어레이(350)는 복수의 단위화소들(400)로 이루어진 것인 바, 어레이(350)에 대한 게이팅 동작은 상술한 단위화소에 대한 게이팅 동작으로 설명될 수 있다.
다음, 본 발명의 다른 실시예에 의한 광 변조기(이하, 제3 광 변조기)를 설명한다.
도 37은 제3 광 변조기의 회로를 보여준다.
도 37을 참조하면, 제3 광 변조기는 HPT(312)와 HBT(314)와 발광소자(310A)를 포함한다. HPT(312)는 광전변환소자의 한 예에 불과하다. 따라서 HPT(312) 대신에 다른 광전변환소자가 사용될 수 있다. HBT(314)는 게이팅 동작을 하는 게이트 트랜지스터이다. HBT(314)는 게이팅 수단의 한 예에 불과하다. 따라서 HBT(314) 대신에 다른 게이팅 수단이 사용될 수도 있다. 발광소자(310)는, 예를 들면 발광 다이오드(LED)일 수 있다.
HPT(312)의 제3 컬렉터(C3)는 HBT(314)의 제4 이미터(E4) 및 발광소자(310A)의 일단과 연결되어 있다. HBT(314)의 제4 컬렉터(C4) 및 발광소자(310A)의 타단은 전원(V+)과 연결되어 있다. HPT(312)의 제3 이미터(E3)는 전원(V+)보다 낮은 전압이 인가되어 있다. HPT(312)의 제3 이미터(E3)는 접지될 수도 있다.
이렇게 해서, 게이팅 동작시에 HBT(314)가 오프 상태이면, HPT(312)의 제3 이미터(E3)와 발광소자(310A)의 타단 사이에 전위차가 형성되어 전류는 발광소자(310A)를 통과하는 제1 경로(P1)를 따라 흐르게 된다. 이에 따라 발광소자(310A)로부터 광이 방출된다. 게이팅 동작에서 HBT(314)의 제4 베이스(B4)에 게이팅 전압(Vg)이 인가되면, HBT(314)는 온 상태가 되고, 전위차는 HBT(314)의 제4 컬렉터(C4)와 HPT(312)의 제3 이미터(E3) 사이에 형성된다. 이 결과 전류는 HBT(314)를 통과하는 제2 경로(P2)를 따라 흐르게 되고 발광소자(310)는 오프된다. 이때, 발광소자(310A)에 잔류하는 전하들도 제2 경로(P2)를 따라 제거될 것이므로, 발광소자(310A)에서 광 꼬리 등과 같은 잔광을 신속히 제거할 수 있다. 상기 게이팅 동작 에서 HBT(314)의 제4 베이스(B4)에 인가되는 게이팅 전압(Vg) 혹은 게이팅 전압신호는 제2 광 변조기의 경우와 동일할 수 있다.
제3 광 변조기의 기본 게이팅 동작은 위의 설명으로 대신한다. 제3 광 변조기는 도 37에 도시한 단위화소를 복수개 포함하는 어레이를 포함할 수 있다. 상기 어레이는 전체가 동시에 게이팅되거나 복수의 단위화소를 포함하는 단위 블록으로 게이팅 될 수 있다. 그러나 이 경우에도 기본 게이팅 동작은 단위화소에 대한 게이팅 동작이므로, 상기 어레이나 단위 블록에 대한 게이팅 동작 또한 위의 설명과 다르지 않다. 다만, 상기 어레이 또는 상기 단위 블록 전체를 게이팅 할 때는 제2 광 변조기에서 설명한 바와 같이 시정수에 따른 과도 반응시간을 줄이는 것을 고려해야 한다. 이와 관련해서는 도 36을 참조하여 설명한 제2 광 변조기의 게이팅 동작을 그대로 준용할 수 있다. 곧, 도 36의 단위화소(400)는 도 37에 도시한 제3 광 변조기의 단위화소일 수 있다.
도 38은 도 37의 회로로 표현되는 제3 광 변조기의 구성의 일예를 보여주는 단면도이다.
도 38을 참조하면, 기판(300) 상에 이격된 제3 및 제4 하부전극(370A, 370B)이 구비되어 있다. 기판(300)은 발광소자(310A)로부터 방출되는 광(382)에 대해서 투명한 기판으로써, 예를 들면, 유리기판일 수 있다. 제3 및 제4 하부전극(370A, 370B)은, 예를 들면 ITO, ZnO 또는 AZO일 수 있다. 제3 하부전극(370A) 상에 발광소자(310A)와 HPT(312)가 순차적으로 적층되어 있다. 발광소자(310A)와 HPT(312) 사이에 터널 접합층이 더 구비될 수도 있다. 발광소자(310A)는 순차적으로 적층된 P형 화합물 반도체층, 활성층 및 N형 화합물 반도체층을 포함할 수 있다. 이때, 각 화합물 반도체층은 제1 및 제2 광 변조기의 발광소자에 포함된 화합물 반도체층과 동일할 수 있다. HPT(312)는 제3 컬렉터(C3), 제3 베이스(B3) 및 제3 이미터(E3)가 순차적으로 적층된 것이다. 제3 컬렉터(C3)는 단일층일 수도 있으나, 복층일 수도 있다. 예를 들면, 제3 컬렉터(C3)는 서브 컬렉터와 메인 컬렉터가 순차적으로 적층된 복층일 수 있다. 이때, 상기 서브 컬렉터는 발광소자(310A)와 공유될 수 있다. HPT(312)의 제3 이미터(E3) 상에 제3 상부전극(372)이 존재한다. 제3 상부전극(372)의 표면은 입사광(380)의 반사를 방지하기 위해 반사 방지막으로 코팅될 수 있다. 제3 상부전극(372)는 제3 하부전극(370A)과 동일할 수 있다. 제3 하부전극(370A)은 발광소자(310A)의 밑면 전체와 접촉된 것으로 도시되어 있으나, 제3 하부전극(370A)의 일부만이 발광소자(310A)의 밑면과 접촉되게 구비될 수도 있다. 또한, 제3 하부전극(370A)은 발광소자(310A)를 이루는 층 중 하나에 구비될 수도 있다. 예를 들면, 발광소자(310A)의 상기 P형 화합물 반도체층의 일부 영역 상에 제3 하부전극(370A)이 구비될 수도 있다. 이때는 발광소자(310A)의 상기 P형 화합물 반도체층이 기판(300)과 직접 접촉될 수 있다.
계속해서, 제4 하부전극(370B) 상에 더미패턴(310B)이 존재한다. 더미패턴(310B)은 발광소자(310A)와 동일한 구성을 가질 수 있다. 제4 하부전극(370B)도 일부만이 더미패턴(310B)과 접촉되게 구비될 수 있다. 더미패턴(310B) 상에 HBT(314)가 구비되어 있다. HBT(314)는 제4 컬렉터(C4), 제4 베이스(B4) 및 제4 이미터(E4)가 순차적으로 적층된 것이다. HBT(314)의 제4 컬렉터(C4), 제4 베이 스(B4) 및 제4 이미터(E4)는 N형 또는 P형 도전성 불순물이 도핑되어 있는데, 예를 들면 도핑 농도는 1016~1019cm-3 정도일 수 있다. HPT(312)의 각 층들의 도핑 농도 또는 이 정도일 수 있다. HBT(314) 상에 제4 상부전극(374)이 존재한다. 제4 상부전극(374)은 제3 상부전극(372)과 동일할 수 있다. HBT(314)의 제4 이미터(E4)는 제4 상부전극(374)을 통해서 HPT(312)의 제3 컬렉터(C3)와 연결되어 있다. 발광소자(310A)는 제3 하부전극(370A)을 통해서 전원(V+)에 연결되어 있고, HBT(314)의 제4 컬렉터(C4)도 전원(V+)에 연결되어 있다. 도면에는 도시하지 않았지만, HBT(314)의 제4 컬렉터(C4)는 배선을 통해서 제4 하부전극(370B)과 연결될 수 있고, 제4 하부전극(370B)을 통해서 전원(V+)에 연결될 수도 있다. HPT(312)의 제3 이미터(E3)에는 제3 상부전극(372)을 통해서 전원(V+)보다 낮은 전압(V-)이 인가된다.
도 38에 도시한 구성을 갖는 제3 광 변조기와 도 28에 도시한 제2 광 변조기의 구성을 비교하면, 도 38의 제3 광 변조기와 도 28의 제2 광 변조기에서 구조적으로 중요한 변화는 이미터와 컬렉터의 적층 위치가 반대인 것이다. 이미터와 컬렉터의 적층 위치를 반대로 하는 것은 제조 공정에서 이미터와 컬렉터의 형성순서를 바꾸는 것으로 간단히 이루어질 수 있다. 따라서 도 38의 제3 광 변조기는 도 21 내지 도 28에 도시한 제2 광 변조기의 제조 방법을 적용하여 형성할 수 있다. 따라서 도 38의 구성을 갖는 제3 광 변조기에 대한 제조 방법의 설명은 생략한다.
도 39는 도 37의 회로로 표현되는 제3 광 변조기의 다른 구성예를 보여주는 단면도이다.
하기 도 39의 설명에서 도 38에서 설명한 부재와 동일한 부재 혹은 동일한 역할을 하는 부재에 대해서는 동일한 참조번호를 사용한다.
도 39를 참조하면, 기판(330)의 제1 영역(A11) 상에 HPT(312)의 제3 이미터(E3), 제3 베이스(B3) 및 제3 컬렉터(C3)가 순차적으로 적층되어 있고, 제3 컬렉터(C3) 상에 발광소자(310A)가 적층되어 있다.
기판(330)은 도 30의 기판(260)과 동일할 수 있다. 기판(330)의 광 입사면은 반사 방지막(미도시)으로 코팅될 수 있다. 제3 이미터(E3) 상에는 제3 베이스(B3)와 함께 제3 상부전극(372)가 구비되어 있다. 제3 상부전극(372)과 제3 베이스(B3)는 이격되어 있다. 제3 상부전극(372)은 제3 배선(LL3)을 통해 전원(V+)보다 낮은 전원(V-)과 연결된다. 제3 컬렉터(C3) 상에는 발광소자(310A)와 함께 제7 전극(386)이 형성되어 있다. 제7 전극(386)과 발광소자(310A)는 이격되어 있다. 발광소자(310A)의 광 방출면 상에 제3 하부전극(370A)이 존재한다. 제3 하부전극(370A)은 투명전극이므로, 발광소자(310A)의 광 방출면 전체를 덮도록 구비될 수 있다. 기판(330)의 제2 영역(A22) 상에 HBT(314)의 제4 이미터(E4), 제4 베이스(B4) 및 제4 컬렉터(C4)가 순차적으로 적층되어 있고, 제4 컬렉터(C4) 상에 더미패턴(310B)이 존재한다. 제4 이미터(E4) 상에는 제4 베이스(B4)와 함께 제4 상부전극(374)이 존재하는데, 서로 이격되어 있다. 제4 상부전극(374)은 제1 배선(LL1)을 통해서 HPT(312)의 제3 컬렉터(C3) 상에 형성된 제7 전극(386)과 연결된다. 이렇게 해서 HPT(312)의 제3 컬렉터(C3)와 HBT(314)의 제4 이미터(E4)는 연결된다. 제4 베이 스(B4) 상에는 제4 컬렉터(C4)와 함께 게이팅 전극(390)이 존재하는데, 서로 이격되어 있다. 게이팅 전극(390)은 제4 배선(LL4)으로 단위화소 외부의 게이팅 전압신호 공급원과 연결될 수 있다. 제4 컬렉터(C4) 상에는 더미패턴(310B)과 함께 제8 전극(388)이 존재하는데, 서로 이격되어 있다. 제8 전극(388)은 제2 배선(LL2)을 통해서 제3 하부전극(370A)과 연결되고, 제2 배선(LL2)은 전원(V+)과 연결된다. 제3 하부전극(370A)과 제8 전극(388)은 개별적으로 동일한 전원(V+)에 연결될 수도 있다. 더미패턴(310B) 상에 제4 하부전극(370B)이 존재한다. 제조공정의 편의 상, 더미패턴(310B)과 제4 하부전극(370B)이 존재하지만, 더미패턴(310B)과 제4 하부전극(370B)은 없어도 무방할 수 있다.
도 39에 도시한 구성을 갖는 제3 광 변조기와 도 33에 도시한 제2 광 변조기의 구성을 비교하면, 도 39의 제3 광 변조기와 도 33의 제2 광 변조기는 구조적으로 이미터와 컬렉터의 적층 위치만 반대인 것을 알 수 있다. 이미터와 컬렉터의 적층 위치를 반대로 하는 것은 제조 공정에서 이미터와 컬렉터의 형성순서를 바꾸는 것으로 간단히 이루어질 수 있다. 따라서 도 39의 제3 광 변조기는 도 29 내지 도 33에 도시한 제2 광 변조기의 제조 방법에서 단순히 이미터와 컬렉터의 형성 순서를 바꾸는 방법으로 형성할 수 있다. 따라서 도 39의 구성을 갖는 제3 광 변조기에 대한 제조 방법은 도 29 내지 도 33에 도시한 제2 광 변조기의 제조 방법으로 대신할 수 있는 바, 여기서는 그 자세한 설명을 생략한다.
또한, 도 38 및 도 39에 도시한 제3 광 변조기의 HPT(312)는 제3 이미터(E3)가 제3 컬렉터(C3)보다 광 입사면에 가깝게 위치하는 이미터 업(emitter-up) 구조 이다. 이와 같은 이미터 업 구조의 HPT의 제조 방법은 일반적인 HBT의 제조 방법과 동일하기 때문에 그 제작이 용이한 이점이 있다.
다음에는 본 발명의 다른 실시예에 의한 광 변조기(이하, 제4 광 변조기)와그 제조 및 동작 방법에 대해 설명한다. 이 과정에서 상술한 부재와 동일한 부재에 대해서는 동일한 참조번호를 사용하고, 그에 대한 설명은 생략한다.
도 40은 제4 광 변조기의 회로를 보여준다.
도 40을 참조하면, 제4 광 변조기(500)는 HPT(512), HBT(514) 및 발광소자(510)을 포함한다. HPT(512)는 광학-전기 변환소자의 일 예이며, 다른 광학-전기변환소자가 사용될 수도 있다. 제2 광 변조기의 HPT(212)는 광 전류가 제1 베이스(B1)로 입력되어 에미터(E1)로 출력되는 2-포트(port) 구조인 반면, 제5 광 변조기(500)의 HPT(512)는 제1 베이스(B1)에 전류를 인가할 수도 있는 3-포트(port) 구조이다. HBT(514)는 게이팅 트랜지스터로써, 게이팅 수단의 일 예이다. 따라서 HBT(514) 대신에 다른 게이팅 수단이 사용될 수도 있다. HBT(514)의 구성은 제2 광 변조기의 HBT(214)와 동일할 수 있다. 발광소자(510)의 구성과 역할은 제2 광 변조기의 발광소자(248A)와 동일할 수 있다. HPT(512)에서 제1 컬렉터(C1)는 전원(V+)에 연결되고, 제1 이미터(E1)는 발광소자(510)에 연결되며, 제1 베이스(B1)는 HBT(514)의 제2 컬렉터(C2)에 연결된다. HBT(514)의 제2 이미터(E2)와 발광소자(510)의 광 방출면은 전원(V+)보다 낮은 전압(V-)이 인가되거나 접지될 수 있다. HPT(512)는 상기한 바와 같이 3-포트 구조이므로 제4 광 변조기(500)의 응답속도는 다른 광 변조기, 예를 들면 2-포트 구조의 HPT(212)를 포함하는 제2 광 변조기에 비해 빠를 수 있다.
도 41은 도 40의 회로로 표현될 수 있는 제4 광 변조기의 구성의 일 예를 보여주는 단면도이다.
도 41을 참조하면, 투명기판(220) 상에 이격된 제1 및 제2 하부전극(222A, 222B)이 구비되어 있다. 제1 하부전극(222A) 상에 발광소자(210)와 HPT(512)가 순차적으로 적층되어 있다. HPT(512)는 순차적으로 적층된 제1 이미터(E1), 제1 베이스(B1) 및 제1 컬렉터(C1)를 포함한다. 제1 컬렉터(C1)에 입사광(L1)이 입사된다. 제1 컬렉터(C1)는 도 20A에서 설명한 바와 같이 단일층 또는 복층일 수 있다. 제1 베이스(B1) 상에는 제1 컬렉터(C1)와 함께 제9 전극(526)이 구비되어 있다. 제1 컬렉터(C1)와 제9 전극(526)은 이격되어 있다. 제1 컬렉터(C1) 상에 제3 전극(228)이 존재한다. 제2 하부전극(222B) 상에는 발광소자(210)와 구성이 동일할 수 있는 더미패턴(224)과 HBT(514)가 순차적으로 적층되어 있다. HBT(514)는 순차적으로 적층된 제2 이미터(E2), 제2 베이스(B2) 및 제2 컬렉터(C2)를 포함한다. 제2 이미터(E2) 상에는 제2 베이스(B2)와 함께 제4 전극(230)이 존재한다. 제4 전극(230)은 제2 베이스(B2)와 이격되어 있다. 제2 베이스(B2) 상에는 게이팅 전압(Vg)이 인가되는 제5 전극(232)도 존재한다. 제2 컬렉터(C2) 상에는 제6 전극(234)이 존재한다. 제6 전극(234)은 제9 전극(526)과 연결되어 있다. 이렇게 해서 HPT(512)의 제1 베이스(B1)와 HBT(514)의 제2 컬렉터(C2)는 전기적으로 연결된다. 제1 하부전극(222A)은 접지되거나 전원(V+)보다 낮은 전압(V-)이 인가될 수 있다. 제4 전극(230)은 제1 하부전극(222A)과 동일 전위가 되도록 구비될 수 있다.
도 42는 도 40의 회로로 표현될 수 있는 제4 광 변조기의 다른 구성 예를 보여준다.
도 42를 참조하면, 제1 영역(A1) 상에 형성된 HPT의 제1 베이스(B1) 상에 제1 이미터(E1)와 함께 제9 전극(526)이 구비되어 있다. 제1 이미터(E1)와 제9 전극(526)은 이격되어 있다. 제9 전극(526)은 기판(260)의 제2 영역(A2) 상에 형성된 HBT의 제2 컬렉터(C2) 상에 형성된 제6 전극(234)과 배선(L11)으로 연결되어 있다. 곧, HPT의 제1 베이스(B1)는 HBT의 제2 컬렉터(C2)와 연결되어 있다. HPT의 제1 이미터(E1) 상에는 제1 발광소자(210)만 형성되어 있다.
한편, 이와 같은 도 42의 제4 광 변조기와 도 20B의 제2 광 변조기를 비교하면, 도 20B의 제2 광 변조기는 HBT의 제2 컬렉터(C2)가 HPT의 제1 이미터(E1)에 연결된 반면, 도 42의 제4 광 변조기는 상기한 바와 같이 HBT의 제2 컬렉터(C2)가 HPT의 제1 베이스(B1)에 연결된 것만 다를 뿐, 양쪽 광 변조기의 나머지 구성은 동일한 것을 알 수 있다. 따라서 도 42의 제4 광 변조기의 구성에 대한 나머지 설명은 도 20B의 제2 광 변조기의 설명으로 대신한다.
또한, 제4 광 변조기 역시 도 36에 도시한 바와 같은 어레이를 포함할 수 있다.
제4 광 변조기와 제2 광 변조기의 구성의 유사성으로 인해, 도 42의 제4 광 변조기는 도 20B의 제2 광 변조기의 제조 방법에서 HPT의 제1 이미터(E1) 상에 형성된 제2 전극(226)을 제1 베이스(B1) 상에 제9 전극(526)으로 형성함으로써 도 20B의 제2 광 변조기에 대한 제조 방법(도 29 ~ 도 33 참조)은 도 42의 제4 광 변 조기에 대한 제조 방법이 될 수 있다. 그리고 제2 전극(226)을 제9 전극(526)으로 다른 위치에 형성하는 작업은 단순히 한 전극의 형성순서와 위치를 조정하는 것인 바, 어려운 작업이 아니다.
이에 따라 도 42의 제4 광 변조기는 도 20B의 제2 광 변조기에 대한 제조 방법을 보여주는 도 29 ~ 도 33을 준용하여 형성할 수 있는 바, 도 42의 제4 광 변조기에 대한 제조 방법의 자세한 설명은 생략한다.
유사한 이유로 도 41의 제4 광 변조기 또한 도 20A의 제2 광 변조기에 대한 제조 방법을 보여주는 도 21 내지 도 28을 준용하여 형성할 수 있는 바, 도 41의 제4 광 변조기에 대한 제조 방법의 자세한 설명은 생략한다.
다음, 제4 광 변조기의 동작 방법을 도 40과 도 41 또는 도 42를 참조하여 설명한다. 하기 동작 방법에서는 HPT(512)의 제1 컬렉터(C1)는 메인 컬렉터와 서브 컬렉터를 포함하는 경우에 대해서 설명한다. 상기 서브 컬렉터와 상기 메인 컬렉터는 광 이미지 센서를 향해 순차적으로 적층되고, 상기 메인 컬렉터가 제1 베이스(B1)와 접촉된다.
HPT(512)의 제1 컬렉터(C1)에 전원(V+)이 인가되고, HBT(514)의 제2 이미터(E2)와 발광소자(510)에 전원(V+)보다 낮은 전압(V-)을 인가한다. HBT(514)의 제2 이미터(E2)와 발광소자(510)는 접지될 수도 있다. 이와 같은 상태에서 HBT(514)의 제2 베이스(B2)에 게이팅 전압이 인가되지 않는 경우, 곧 HBT(514)가 오프인 경우, HPT(512)에 입사광이 입사되면, 예를 들면 도 42의 기판(260)의 제1 영역(A1)에 입사광(L1)이 입사되면, 광전효과에 의해 제1 컬렉터(C1)의 상기 메인 컬렉터에 서 광 전자가 발생되고, 발생된 광 전자는 상기 서브 컬렉터로 이동된다. 그리고 정공은 제1 베이스(B1)로 이동되고, 제1 베이스(B1)에서 페르미 준위가 낮아진다. 이렇게 해서 제1 베이스(B1)와 제1 이미터(E1) 사이의 전기적 포텐셜 장벽이 낮아지고 제1 이미터(E1)에서 제1 베이스(B1)로 전류 확산이 일어나서 전류증폭이 일어난다. 이러한 결과에 의해서 증폭된 전하가 발광소자(510)로 유입되고, 전기-광학 변환에 의해 발광소자(510)로부터 광이 방출된다.
한편, 상기한 바와 같이 HPT(512), 발광소자(510) 및 HBT(514)에 전압이 인가된 상태에서 HBT(514)의 제2 베이스(B2)에 게이팅 전압(Vg)이 인가되면, 상기 정공은 HPT(512)의 제1 베이스(B1)로부터 HBT(514)를 통해 흐른다. 이에 따라 제1 베이스(B1)의 페르미 준위가 높아지는 바, HPT(512)의 제1 이미터(E1)로부터의 전자의 흐름은 어렵게 된다. 이 결과, 발광소자(510)의 동작은 오프된다. HBT(514)의 제2 베이스(B2)에 인가되는 게이팅 전압의 형태에 따라 도 35에 도시한 바와 같은 논리 게이팅 결과나 사인파 게이팅 결과를 얻을 수 있다.
다음에는 본 발명의 다른 실시예에 의한 광 변조기(이하, 제5 광 변조기)와 그 제조 및 동작방법에 대해 설명한다. 하기 설명에서 앞에서 설명한 부재한 동일한 부재에 대해서는 동일 참조번호를 사용하고 그에 대한 설명은 생략한다.
도 43은 제5 광 변조기의 회로를 보여준다.
도 43을 참조하면, 제5 광 변조기(600)는 HPT(212)와 HBT(214)와 제2 HBT(616)와 발광소자(210)를 포함한다. HPT(212)와 HBT(214)의 연결은 제2 광 변조기의 경우와 동일할 수 있다. 제2 HBT(616)는 HPT(212)의 이득을 증폭시키기 위해 구비된 증폭수단의 일 예이다. 제2 HBT(616)의 제5 베이스(B5)는 HPT(212)의 제1 이미터(E1)와 HBT(214)의 제2 컬렉터(C2)에 연결되어 있다. 이와 같이 제2 HBT(616)가 구비됨으로써, 제5 광 변조기(600)는 HPT(212)의 이득을 100~1,000배까지 증가시킬 수 있는 포토-달링톤(photo-darlington) 회로를 구성할 수 있다. 제2 HBT(616)의 제5 이미터(E5)는 발광소자(210)에 연결된다. 제2 HBT(616)의 제5 컬렉터(C5) 및 HPT(212)의 제1 컬렉터(C1)는 전원(V+)에 연결되어 동일 전위를 갖는다. HBT(214)의 제2 이미터(E2)와 발광소자(210)의 광 방출면은 전원(V+)보다 낮은 전압(V-)으로 인가되어 동일 전위를 갖는다. HBT(214)의 제2 이미터(E2)와 발광소자(210)의 광 방출면은 접지될 수도 있다.
이러한 제5 광 변조기의 게이팅 동작을 살펴본다.
도 43에 도시한 바와 같이 HPT(212)와 제2 HBT(616)와 발광소자(210)에 전압이 인가된 상태에서, 게이트 트랜지스터인 HBT(214)의 제2 베이스(B2)에 게이팅 전압(Vg)이 인가되어 HBT(214)가 온 상태가 되면, HPT(212)에서 발생된 전하는 제2 HBT(616)를 거치지 않고, 제3 경로(P3)를 따라서 임피던스가 낮은 HBT(214)로 흐른다. 이에 따라 발광소자(210)는 동작하지 않는다.
한편, 게이팅 전압(Vg)이 인가되지 않으면, HBT(214)는 오프 상태가 되고, HPT(212)에서 발생된 전하는 제4 경로(P4)를 따라서 제2 HBT(616)로 흐른다. 제2 HBT(616)로 유입된 전하는 증폭되고, 증폭된 전하들은 발광소자(210)로 유입되고, 발광소자(210)는 구동하게 된다. 게이팅 전압의 인가 방식에 따라 논리 게이팅 또는 사인파 게이팅이 가능하다.
제5 광 변조기(600)는 HPT(212)에서 광전변환 이득을 얻을 수 있을 뿐만 아니라 제2 HBT(616)에서 전류이득도 얻을 수 있어 이득 측면에서 제4 광 변조기(500)보다 우수할 수 있다. 반면, 제4 광 변조기(500)는 제5 광 변조기(600)에 비해 게이팅 신호의 전달에 있어 시간지연이 적고 우수할 수 있다. 그렇지만, 이득과 대역폭(bandwidth)의 곱을 고려하면, 제5 광 변조기(600)의 오프 응답 특성이 제4 광 변조기(500)보다 더 우수할 수 있다.
이와 같은 광 신호증폭 및 게이팅 기능으로 인해, 제5 광 변조기(600)는 게이팅된 이미지 증강장치(Gated Image Intensifier)로 사용될 수도 있다. 곧, 제5 광 변조기(600)는 세기가 미약한 입사광을 증폭하여 고속으로 게이팅할 수 있다. 그러므로 제5 광 변조기(600)를 사용하면, CCD 카메라에서 광량 누적 횟수를 줄이고, 많은 영상을 획득할 수 있어 거리 측정 정밀도를 향상시킬 수 있다.
도 44는 도 43의 회로로 표현될 수 있는 제5 광 변조기의 구성의 일예를 보여주는 단면도이다.
도 44를 참조하면, 투명기판(220) 상에 서로 이격된 제1 내지 제3 하부전극(222A, 222B, 222C)이 존재한다. 제1 내지 제3 하부전극(222A, 222B, 222C)은, 예를 들면 ITO, ZnO 또는 AZO 전극일 수 있다. 제1 하부전극(222A) 상에 제1 더미 발광소자(224A)가 구비되어 있다. 제1 더미 발광소자(224A)의 구성은 제3 하부전극(222C) 상에 형성된 발광소자(210)와 동일할 수도 있고 다를 수도 있다. 제1 하부전극(222A)은 제1 더미 발광소자(224A)의 밑면의 일부에만 접촉되게 구비될 수 있다. 이때, 제1 더미패턴(224A)의 밑면 나머지 부분은 투명기판(220)과 직접 접촉 될 수 있다. 제1 하부전극(222A)은 구비되지 않을 수도 있다. 제1 더미 발광소자(224A) 상에 제1 이미터(E1), 제1 베이스(B1) 및 제1 컬렉터(C1)가 순차적으로 적층되어 있다. 제1 컬렉터(C1)은 단일층 또는 복층일 수 있다. 제1 이미터(E1)도 단일층 또는 복층일 수 있다. 제1 이미터(E1), 제1 베이스(B1) 및 제1 컬렉터(C1)는 HPT(212)를 형성한다. 제1 이미터(E1) 상에는 제1 베이스(B1)와 함께 제2 전극(226)이 존재한다. 제2 전극(226)은 제1 베이스(B1)와 이격되어 있다. 제1 컬렉터(C1) 상에 제3 전극(228)이 존재한다. 제3 전극(228)은 상부전극일 수 있다. 제3 전극(228)은 제1 컬렉터(C1)의 상부면 전체를 덮을 수도 있고, 상부면의 일부 영역 상에만 존재할 수 있다. 입사광(L1)은 제1 컬렉터(C1)의 상부면으로 입사된다. 제2 하부전극(222B) 상에 제2 더미 발광소자(224B)가 존재한다. 제2 더미 발광소자(224B)의 구성은 제1 더미 발광소자(222A)와 동일할 수 있다. 제2 하부전극(222B)은 제2 더미 발광소자(224B)의 밑면의 일부에만 접촉되게 구비될 수 있다. 제2 하부전극(222B)은 구비되지 않을 수도 있다. 제2 더미 발광소자(224B) 상에 제2 이미터(E2), 제2 베이스(B2) 및 제2 컬렉터(C2)가 순차적으로 적층되어 있다. 제2 이미터(E2), 제2 베이스(B2) 및 제2 컬렉터(C2)의 각각의 층 구성은 제1 이미터(E1), 제1 베이스(B1) 및 제1 이미터(E1)와 동일할 수 있다. 제2 이미터(E2), 제2 베이스(B2) 및 제2 컬렉터(C2)는 HBT(214)를 형성한다. 제2 이미터(E2) 상에는 제2 베이스(B2)와 함께 제4 전극(230)이 존재한다. 제4 전극(230)은 접지되거나 전원(V+)보다 낮은 전압(V-)으로 인가될 수 있다. 제2 베이스(B2) 상에는 제2 컬렉터(C2)와 함께 제5 전극(232)이 존재한다. 제5 전극(232)에 게이팅 전압(Vg)이 인 가된다. 제2 컬렉터(C2) 상에 제6 전극(234)이 존재한다. 제6 전극(234)은 상부전극일 수 있다. 제6 전극(234)은 제2 전극(226)과 연결되어 있다. 제3 하부전극(222C) 상에 발광소자(210)이 존재한다. 발광소자(210)에서 방출된 광(L2)은 기판(220)을 통해 방출된다. 제3 하부전극(222C)이 발광소자(210)의 밑면 전부와 접촉된 것으로 도시되어 있지만, 제3 하부전극(222C)은 발광소자(210)의 밑면 일부에만 접촉될 수 있다. 제3 하부전극(222C)는 제4 전극(230)과 동일 전위이다. 도면에 도시하지 않았지만, 제3 하부전극(222C)은 배선으로 제4 전극(230)과 연결될 수 있다. 발광소자(210) 상에 제2 HBT(616)가 구비되어 있다. 제2 HBT(616)는 순차적으로 적층된 제5 이미터(E5), 제5 베이스(B5) 및 제5 컬렉터(C5)를 포함한다. 제5 이미터(E5), 제5 베이스(B5) 및 제5 컬렉터(C5)의 각각의 층 구성은 제1 이미터(E1), 제1 베이스(B1) 및 제1 컬렉터(C1)와 동일할 수 있다. 제5 베이스(B5) 상에는 제5 컬렉터(C5)와 함께 제10 전극(620)이 존재한다. 제10 전극(620)은 제5 컬렉터(C5)와 이격되어 있다. 제10 전극(620)은 제2 전극(226)과 동일한
도 45는 도 43의 회로로 표현될 수 있는 제5 광 변조기의 다른 구성예를 보여주는 단면도이다.
도 45를 참조하면, 투명기판(260)의 제1 영역(A1) 상에 HPT와 제1 더미 발광소자(224A)가 순차적으로 적층되어 있다. 제1 컬렉터(C1) 상에 제1 베이스(B1)와 함께 제3 전극(228)이 존재한다. 제1 이미터(E1) 상에는 제1 더미 발광소자(224A)와 함께 제2 전극(226)이 존재한다. 제2 전극(226)은 제1 더미 발광소자(224A)와 이격되어 있다. 제1 더미 발광소자(224A)의 상부면 상에 제1 하부전극(222A)이 존 재한다. 투명기판(260)의 제2 영역(A2) 상에 HBT(214)와 제2 더미 발광소자(224B)가 순차적으로 적층되어 있다. HBT(214)는 순차적으로 적층된 제2 컬렉터(C2), 제2 베이스(B2) 및 제2 이미터(E2)를 포함한다. 제2 컬렉터(C2) 상에는 제2 베이스(B2)와 함께 제6 전극(234)이 존재하고 서로 이격되어 있다. 제2 베이스(B2) 상에는 제2 이미터(E2)와 함께 제5 전극(232)이 존재하고 서로 이격되어 있다. 제2 이미터(E2) 상에는 제2 더미 발광소자(222B)와 함께 제4 전극(230)이 존재하고 서로 이격되어 있다. 투명기판(260)의 제3 영역(A3) 상에 제2 HBT(616)와 발광소자(210)이 순차적으로 적층되어 있다. 제2 HBT(616)는 순차적으로 적층된 제5 컬렉터(C5), 제5 베이스(B5) 및 제5 이미터(E5)를 포함한다. 제5 컬렉터(C5) 상에는 제5 베이스(B5)와 함께 제11 전극(624)이 존재하고 서로 이격되어 있다. 제5 베이스(B5) 상에는 제5 이미터(E5)와 함께 제10 전극(620)이 존재하고 서로 이격되어 있다. 발광소자(210)는 제5 이미터(E5) 상에 존재한다. 발광소자(210)의 광 방출면 상에는 제3 하부전극(222C)이 존재한다. 제4 전극(230), 제5 전극(232), 제3 전극(228), 제11 전극(624) 및 제3 하부전극(224C)에 대한 전압인가 상태는 도 44와 동일하다. 또한, 각 전극들 사이의 연결관계도 도 44와 동일할 수 있다. 투명기판(260)과 투명기판(260)의 제1 내지 제3 영역(A1-A3) 상에 형성된 HPT, HBT(214), 제2 HBT(616) 및 발광소자(210)는 단위화소를 형성한다. 이러한 단위화소가 복수개 모여 도 36에 도시한 바와 같은 어레이(350)를 이룰 수 있다. 입사광(L1)은 투명기판(260)의 제1 영역(A1)으로 입사된다. 그리고 발광소자(210)로부터 광(L2)이 방출된다. 광(L2)은 게이팅 과정을 거쳐 방출된 것이다.
다음에는 제5 광 변조기의 제조 방법을 설명한다.
먼저, 도 44에 도시한 구성을 갖는 제5 광 변조기의 제조 방법을 도 46 내지 도 53을 참조하여 설명한다. 이 과정에서 동일한 부재 혹은 동일한 역할을 하는 부재에 대해서는 동일한 참조번호를 사용하고, 그에 대한 설명은 생략한다.
도 46을 참조하면, 기판(240) 상에 분리층(242)을 형성한다. 분리층(242) 상에 이질 접합 트랜지스터층(640)과 발광소자층(642)을 순차적으로 형성한다. 이질 접합 트랜지스터층(640)은 컬렉터층(C0), 베이스층(B0) 및 이미터층(E0)을 순차적으로 적층하여 형성한다. 이때, 컬렉터층(C0)은 단일층으로 형성할 수도 있으나 서브 컬렉터층(미도시)과 메인 컬렉터층(미도시)을 순차적으로 적층하여 형성할 수도 있다. 이미터층(E0) 또한 컬렉터층(C0)과 유사하게 단일층 또는 복층으로 형성할 수 있다. 발광소자층(642)은 도 21의 발광소자층(248)과 동일할 수 있다. 이질 접합 트랜지스터층(640)과 발광소자층(642) 사이에 터널 접합층(미도시)을 더 형성할 수도 있다. 발광소자층(642) 상에 제1 내지 제3 하부전극(222A-222C)을 서로 이격되게 형성한다. 발광소자층(642) 상에 제1 내지 제3 하부전극(222A-222C)을 덮는 투명 절연층(254)을 형성한다. 투명 절연층(254)의 상부면을 제1 내지 제3 하부전극(222A-222C)이 노출될 때까지 평탄화한다. 평탄화된 투명 절연층(254) 상에 노출된 제1 내지 제3 하부전극(222A-222C)과 접촉되도록 투명기판(220)을 본딩한다.
한편, 제1 내지 제3 하부전극(222A-222C)은 발광소자층(642)에 매립된 형태로 구비될 수도 있다. 예를 들면, 발광소자층(642)이 이미터층(E0) 상에 P형 화합물 반도체층, 활성층 및 N형 화합물 반도체층을 순차적으로 적층하여 형성되는 경 우, 제1 내지 제3 하부전극(222A-222C)은 한 면을 제외한 모든 면이 상기 N형 화합물 반도체층에 매립된 형태로 형성될 수도 있다. 이때, 투명기판(220)은 제1 내지 제3 하부전극(222A-222C)과 접촉되도록 상기 N형 화합물 반도체에 직접 본딩될 수 있다.
다음, 도 47에 도시한 바와 같이, 투명기판(220)이 본딩된 결과물에서 분리층(242)을 이용하여 기판(240)을 제거한다. 이후, 기판(240)이 제거된 결과물을 뒤집어 투명기판(220)이 아래쪽에 위치하도록 한다.
다음, 도 48을 참조하면, 투명기판(220)에서 제1 내지 제3 영역(220A, 220B, 220C)을 한정한다. 트랜지스터층(640)의 컬렉터층(C0) 상에 제3 전극(228), 제6 전극(234) 및 제11 전극(624)을 서로 이격되게 형성한다. 제3 전극(228)은 투명기판(220)의 제1 영역(220A) 위에 형성된다. 제6 전극(234)은 투명기판(220)의 제2 영역(220B) 위에 형성된다. 그리고 제11 전극(624)은 투명기판(220)의 제3 영역(220C) 위에 형성된다. 컬렉터층(C0) 상에 컬렉터층(C0)의 서로 이격된 세 영역들을 덮고 상기 세 영역들 사이는 노출시키는 마스크(M5)를 형성한다. 마스크(M5)로 덮인 컬렉터층(C0)의 상기 세 영역들은 각각 제1 내지 제3 영역(220A, 220B, 220C) 위에 존재한다. 제3 전극(228), 제6 전극(234) 및 제11 전극(624)은 각각 마스크(M5)로 덮인 컬렉터층(C0)의 상기 세 영역 상에 존재한다. 결과적으로, 마스크(M5)는 제3 전극(228), 제6 전극(234) 및 제11 전극(624)을 덮고 각 전극 둘레의 컬렉터층(C0)의 일부도 덮는다. 이러한 마스크(M5)에 의해 컬렉터층(C0)에서 제5 광 변조기의 HPT에 포함될 영역과 게이트 트랜지스터인 HBT에 포함될 영역과 증폭 트랜지스터인 제2 HBT에 포함될 영역이 한정된다. 이와 같이 마스크(M5)를 형성한 다음, 마스크(M5) 둘레의 컬렉터층(C0)을 베이스층(B0)이 노출될 때까지 식각한다. 이렇게 해서, 컬렉터층(C0)은 도 49에 도시한 바와 같이, 제1 컬렉터(C1), 제2 컬렉터(C2) 및 제5 컬렉터(C5)로 나뉘어진다.
도 49를 참조하면, 제1 컬렉터(C1), 제2 컬렉터(C2) 및 제5 컬렉터(C5)가 형성된 후, 마스크(M5)를 제거한다. 이어서 투명기판(220)의 제2 영역(220B)에 대응하는 베이스층(B0)의 소정 영역 상에 제5 전극(232)을 형성한다. 제5 전극(232)은 제2 컬렉터(C2)와 인격되게 형성한다. 그리고 제3 영역(220C)에 대응하는 베이스층(B0)의 소정 영역 상에 제10 전극(620)을 형성한다. 제10 전극(620)은 제5 컬렉터(C5)와 이격되게 형성한다. 제5 전극(232)과 제10 전극(620)은 해당 전극이 형성될 영역만 노출시키는 마스크(미도시), 예컨대 감광막 패턴을 베이스층(B0) 상에 형성하고, 베이스층(B0)의 상기 노출된 영역 상에 전극물질을 형성한 다음, 상기 감광막 패턴을 제거하는 공정, 곧 리프트 오프 공정으로 형성할 수 있다.
다음, 도 50을 참조하면, 베이스층(B0) 상에 마스크(M6)를 형성한다. 마스크(M6)는 감광막 패턴일 수 있다. 마스크(M6)는 제1 영역(220A)에 대응되는 베이스층(B0)의 소정 영역에서 제2 전극(228)과 제1 컬렉터(C1)를 덮고 나머지 영역은 노출시킨다. 또한, 마스크(M6)는 제2 영역(220B)에 대응되는 베이스층(B0)의 소정 영역에서 제5 및 제6 전극(234, 234)과 제2 컬렉터(C2)를 덮고, 제5 전극(232)과 제2 컬렉터(C2) 사이를 덮고 나머지 영역은 노출시킨다. 또한, 마스크(M6)는 투명기판(220)의 제3 영역(220C)에 대응하는 베이스층(B0)의 소정 영역에서 제10 및 제11 전극(620, 624)과 제5 컬렉터(C5)를 덮고, 제10 전극(620)과 제5 컬렉터(C5) 사이를 덮고, 나머지 영역은 노출시킨다. 이러한 마스크(M6)를 형성한 다음, 마스크(M6) 둘레의 베이스층(B0)을 이미터층(E0)이 노출될 때까지 식각한다. 이후, 마스크(M6)를 제거한다. 이러한 식각으로 베이스층(B0)은 도 51에 도시한 바와 같이 서로 이격된 제1, 제2 및 제5 베이스(B1, B2, B5)로 나뉘어진다.
도 51를 참조하면, 상기 식각에서 노출된 이미터층(E0)의 주어진 영역 상에 4 전극(230)과 제2 전극(226)을 형성한다. 제4 전극(230)은 이미터층(E0)의 제2 영역(220B)에 대응하는 영역 상에 형성한다. 이때, 제4 전극(230)은 제2 베이스(B2)와 이격되게 형성한다. 제2 전극(226)은 이미터층(E0)의 제1 영역(220A)에 대응하는 영역 상에 형성한다. 이때, 제2 전극(226)은 제1 베이스(B1)와 이격되게 형성한다. 이러한 제2 및 제4 전극(226, 230)은 상기한 리프트 오프 공정으로 형성할 수 있다.
다음, 도 52를 참조하면, 이미터층(E0) 상에 형성된 부재들을 덮는 마스크(M7)를 이미터층(E0) 상에 형성한다. 마스크(M7)는, 예를 들면 감광막 패턴일 수 있다. 마스크(M7)는 제1 영역(220A)에 대응하는 이미터층(E0)의 영역에서 제2 및 제3 전극(226, 228)과 제1 컬렉터(C1)와 제1 베이스(B1)를 덮고, 제2 전극(226)과 제1 베이스(B1) 사이를 덮고, 나머지 영역은 노출시킨다. 또한, 마스크(M7)는 제2 영역(220B)에 대응하는 이미터층(E0)의 영역에서 제4 내지 제6 전극(230, 232, 234)과 제2 컬렉터(C2)와 제2 베이스(B2)를 덮고, 제4 전극(230)과 제2 베이스(B2) 사이를 덮고 나머지 영역은 노출시킨다. 또한, 마스크(M7)는 제3 영역(220C)에 대 응하는 이미터층(E0)의 영역에서 제10 및 제11 전극(620, 624)과 제5 컬렉터(C5)와 제5 베이스(B5)를 덮고, 나머지 영역은 노출시킨다. 이러한 마스크(M7)를 형성한 후, 마스크(M7) 둘레를 식각하는데, 투명기판(220)이 노출될 때까지 순차적으로 식각한다. 이후, 마스크(M7)를 제거한다. 이러한 식각에 의해 이미터층(E0)는 도 53에 도시한 바와 같이 제1, 제2 및 제5 이미터(E1, E2, E5)로 나뉘어진다.
도 53을 참조하면, 또한 발광소자층(642)은 제1 내지 제3 발광소자(642A, 642B, 642C)로 나뉘어진다. 제1 및 제2 발광소자(642A, 642B)는 각각 도 44의 제1 및 제2 더미 발광소자(224A, 224B)에 해당한다. 제3 발광소자(642C)는 도 44의 발광소자(210)에 해당한다. 마스크(M7)를 이용한 식각으로, 투명기판(220)의 제1 영역(220A) 상에 HPT(212)가 형성되고, 제2 영역(220B) 상에 게이트 트랜지스터인 HBT(214)가 형성된다. 그리고 투명기판(220)의 제3 영역(220C) 상에 제2 HBT(616)가 형성된다. 이후, 도 44에 도시한 바와 같이 각 전극들을 연결하기 위한 배선형성 공정을 실시할 수 있다. 배선형성 공정은 통상의 방법에 따라 진행할 수 있다.
다음에는 도 45의 구성을 갖는 제5 광 변조기의 제조 방법을 도 54 내지 도 63을 참조하여 설명한다. 이 과정에서 동일한 부재 혹은 동일한 역할을 하는 부재에 대해서는 동일한 참조번호를 사용하고, 그에 대한 설명은 생략한다.
도 54를 참조하면, 투명기판(260) 상에 컬렉터층(C0), 베이스층(B0) 및 이미터층(E0)을 순차적으로 형성한다. 이미터층(E0) 상에 발광소자층(642)을 형성한다. 발광소자층(642) 상에 서로 이격되도록 제1 내지 제3 하부전극(222A-222C)을 형성한다. 제1 및 제2 하부전극(222A, 222B)은 형성하지 않을 수도 있다. 제1 내지 제3 하부전극(222A-222C)은 각각 투명기판(260)의 제1 내지 제3 영역(A1-A3)에 대응하는 발광소자층(642)의 영역 상에 형성한다. 제1 내지 제3 하부전극(222A-222C)에 대한 설명은 도 46에서 설명한 바와 동일할 수 있다. 발광소자층(642) 상에 마스크(M8)를 형성한다. 마스크(M8)는, 예를 들면 감광막 패턴일 수 있다. 마스크(M8)는 투명기판(260)의 제1 영역(A1)에서 제1 하부전극(222A)과 그 둘레의 발광소자층(642)의 일부 영역을 덮고 나머지 영역은 노출시킨다. 그리고 마스크(M8)는 투명기판(260)의 제2 영역(A2)에서 제2 하부전극(222B)과 그 둘레의 발광소자층(642)의 일부 영역을 덮고 나머지 영역은 노출시킨다. 또한, 마스크(M8)는 제3 영역(A3)에서 제3 하부전극(222C)과 그 둘레의 발광소자층(642)의 일부 영역을 덮고 나머지 영역은 노출시킨다. 계속해서, 마스크(M8) 둘레의 발광소자층(642)을 이미터층(E0)이 노출될 때까지 식각한다. 이러한 식각으로 발광소자층(642)은 도 55에 도시한 바와 같이 제1 내지 제3 발광소자(642A, 642B, 642C)로 나뉘어진다. 제1 및 제2 발광소자(642A, 642B)는 각각 제1 및 제2 더미 발광소자(224A, 224B)에 대응되고, 제3 발광소자(642C)는 발광소자(210)에 대응된다. 이러한 식각 후, 마스크(M8)를 제거한다.
도 56을 참조하면, 이미터층(E0) 상에 제2 전극(226) 및 제4 전극(230)을 형성한다. 제2 전극(226)은 투명기판(260)의 제1 영역(A1)에 대응하는 이미터층(E0)의 영역 상에 형성하고, 제1 발광소자(642A)와 이격되게 형성한다. 제4 전극(230)은 투명기판(260)의 제2 영역(A2)에 대응하는 이미터층(E0)의 영역 상에 형성하고, 제2 발광소자(642B)와 이격되게 형성한다. 제2 전극(226) 및 제4 전극(230)은 상기 한 리프터 오프 방법으로 형성할 수 있다.
다음, 도 57을 참조하면, 이미터층(E0) 상에 형성된 부재들을 덮는 마스크(M9)를 이미터층(E0) 상에 형성한다. 마스크(M9)는, 예를 들면 감광막 패턴일 수 있다. 마스크(M9)는 투명기판(260)의 제1 내지 제3 영역(A1-A3)에 대응하는 이미터층(E0)의 세 영역 상에 나뉘어 형성되어 있다. 마스크(M9)는 제1 영역(A1)에서 제1 발광소자(642A), 제1 하부전극(222A) 및 제2 전극(226)을 덮고, 제2 전극(226)과 제1 발광소자(642A) 사이를 덮는다. 또한, 마스크(M9)는 제2 영역(A2)에서 제2 발광소자(642B), 제2 하부전극(222B) 및 제4 전극(230)을 덮고, 제4 전극(230)과 제2 발광소자(642B) 사이를 덮는다. 또한, 마스크(M9)는 제3 영역(A3)에서 제3 발광소자(642C)와 제3 하부전극(222C)을 덮는다. 이러한 마스크(M9)를 형성한 다음, 마스크(M9) 둘레의 이미터층(E0)을 베이스층(B0)이 노출될 때까지 식각한다. 이 식각 후, 마스크(M9)를 제거한다. 이러한 식각에 의해 이미터층(E0)은 도 58에 도시한 바와 같이 제1, 제2 및 제5 이미터층(E1, E2, E5)으로 나뉘어진다.
도 58을 참조하면, 베이스층(B0)의 노출된 영역 상에 제5 전극(232) 및 제10 전극(620)을 형성한다. 제5 전극(232)은 투명기판(260)의 제1 영역(A1) 위에 형성하고 제2 이미터(E2)와 이격되게 형성한다. 제10 전극(620)은 제3 영역(A3) 위에 형성하고, 제5 이미터(E5)와 이격되게 형성한다. 제5 전극(232) 및 제10 전극(620)은 상기한 리프트 오프 공정으로 형성할 수 있다.
다음, 도 59를 참조하면, 베이스층(B0) 상에 마스크(M10)를 형성한다. 투명기판(260)의 제1 영역(A1)에 대응하는 베이스층(B0)의 영역에서 마스크(M10)는 제1 이미터(E)와 함께 제1 이미터(E1) 상에 형성된 부재들을 덮고 나머지 영역은 노출시킨다. 제2 영역(A2)에 대응하는 베이스층(B0)의 영역에서 마스크(M10)는 제2 이미터(E2)와 함께 제2 이미터(E2) 상에 형성된 부재들을 덮고, 제5 전극(232)를 덮고, 제5 전극(232)과 제2 이미터(E) 사이를 덮고, 나머지 영역은 노출시킨다. 또한 마스크(M10)는 제3 영역(A2)에서 제5 이미터(E5)와 제5 이미터(E5) 상에 형성된 부재들과 제10 전극(620)을 덮고, 제10 전극(620)과 제5 이미터(E5) 사이를 덮고, 나머지 영역은 노출시킨다. 이러한 마스크(M10)를 형성한 다음, 마스크(M10) 둘레의 베이스층(B0)을 컬렉터층(C0)이 노출될 때까지 식각한다. 이러한 식각으로 베이스층(B0)은 도 60에 도시한 바와 같이 제1, 제2 및 제5 베이스(B1, B2, B5)로 나뉘어진다. 이러한 식각 후, 마스크(M10)를 제거한다.
다음, 도 61을 참조하면, 컬렉터층(C0)의 노출된 영역 상에 제3 전극(228), 제6 전극(234) 및 제11 전극(624)을 형성한다. 제3 전극(234)은 제1 영역(A1) 위에 형성하고, 제1 베이스(B1)와 이격되게 형성한다. 제6 전극(234)은 제2 영역(A2) 위에 형성하고, 제2 베이스(B2)와 이격되게 형성한다. 제11 전극(624)은 제3 영역(A3) 위에 형성하고, 제5 베이스(B5)와 이격되게 형성한다. 컬렉터층(C0) 상에 마스크(M11)를 형성한다. 컬렉터층(C0)의 제1 영역(A1)에 대응하는 영역에서 마스크(M11)는 제1 베이스(B1)와 그 위에 형성된 부재들을 덮고, 제3 전극(228)을 덮고, 제3 전극28)과 제1 베이스(B1) 사이를 덮고, 나머지 영역은 노출시킨다. 마스크(M11)는 또한 제2 영역(A2)에 대응하는 컬렉터층(C0)의 영역에서 제2 베이스(B2)와 제2 베이스(B2) 상에 형성된 부재들을 덮고, 제6 전극(234)을 덮고, 제6 전 극(234)과 제2 베이스(B2) 사이를 덮고, 나머지 영역은 노출시킨다. 또한, 마스크(M11)는 제3 영역(A3)에 대응하는 컬렉터층(C0)의 영역에서 제5 베이스(B5)와 제5 베이스(B5) 상에 형성된 부재들을 덮고, 제11 전극(624)을 덮고, 제5 베이스(B5)와 제11 전극(624) 사이를 덮고, 나머지 영역은 노출시킨다. 이러한 마스크(M11) 둘레의 컬렉터층(C0)를 투명기판(260)이 노출될 때까지 식각한다. 이러한 식각 후, 마스크(M11)를 제거한다. 이러한 식각으로 컬렉터층(C0)은 도 62에 도시한 바와 같이 제1, 제2 및 제5 컬렉터(C1, C2, C5)로 나뉘어진다.
도 62를 참조하면, 마스크(M11)를 이용한 식각으로 투명기판(260)의 제1 영역(A1) 상에 제1 컬렉터(C1), 제1 베이스(B1) 및 제1 이미터(E1)를 포함하는 HPT(212)가 형성되고, 제2 영역(A2) 상에 제2 컬렉터(C2), 제2 베이스(B2) 및 제2 이미터(E2)를 포함하는 HBT(214)가 형성된다. 그리고 제3 영역(A3) 상에 제5 컬렉터(C5), 제5 베이스(B5) 및 제5 이미터(E5)를 포함하는 제2 HBT(616)와 함께 발광소자(642C)가 순차적으로 형성된다.
다음, 도 63을 참조하면, 제2 전극(226)과 제10 전극(620)과 제6 전극(234)을 연결하는 배선(W1)을 형성한다. 그리고 제3 전극(228)과 제11 전극(624)을 연결하는 배선(W2)을 형성한다. 배선(W2)에 전원(V+)이 연결된다. 또한, 제5 전극(232)을 게이팅 전압(Vg)을 인가하기 위한 배선(W3)을 형성한다. 또한, 제4 전극(230)과 제3 하부전극(222C)을 접지하거나 전원(V+)보다 낮은 전압(V-)을 인가하기 위한 배선(W4)을 형성한다. 이러한 배선들은 층간 절연층(미도시)으로 기판(260) 상에 형성된 부재들을 덮고, 상기 층간 절연층에 상기 배선들이 연결되는 전극들이 노출되 는 콘택홀을 형성한 다음, 상기 층간 절연층 상에 상기 콘택홀을 채우는 도전층을 형성하고, 상기 도전층을 소정의 배선 형태로 패터닝함으로써 형성할 수 있다.
다음에는 상술한 광 변조기를 포함하는 광학장치를 설명한다.
도 64는 본 발명의 실시예에 의한 광학장치(이하, 본 발명의 광학장치)의 시스템 구성과 동작 과정을 보여준다. 도 64는 거리측정용 카메라 시스템의 구성일 수 있다.
도 64를 참조하면, 본 발명의 광학장치는 광원(710), 광원 드라이버(720), 카메라 컨트롤러(730), 광 이미지 센서(750), 제1 및 제2 렌즈(LZ1, LZ2), 필터(780), 광 변조기(770)를 포함할 수 있다. 제1 렌즈(LZ1), 필터(780), 광 변조기(770), 제2 렌즈(LZ2) 및 광 이미지 센서(750)은 일렬로 배열되어 있고, 동일 광축 상에 있을 수 있다. 광원(710)으로부터 피사체(700)에 조사되는 조사광(TL)이 방출된다. 이때, 조사광(TL)은 소정의 파장을 갖는 광, 예를 들면 적외선일 수 있다. 조사광(TL)은 펄스파 또는 사인파 형태로 조사될 수 있다. 광원(710)은 광원 드라이버(720)에 의해 제어된다. 광원 드라이버(720)의 동작은 카메라 컨트롤러(730)에 의해 제어된다. 카메라 컨트롤러(730)는 광 변조기(770)와 광 이미지 센서(750)의 동작을 제어한다. 광 이미지 센서(750)은, 예를 들면 CCD나 CMOS일 수 있다. 제1 렌즈(LZ1)는 피사체(700)로부터 반사되어 오는 반사광(RL)을 필터(780)에 입사되기에 적합하게 모아준다. 필터(780)는 반사광(RL) 중에서 조사광(TL)을 제외한 잡광을 제거하기 위한 대역필터로써, 예를 들면 IR 대역 필터일 수 있다. 제2 렌즈(LZ2)는 광 변조기(770)로부터 방출되는 광을 광 이미지 센서(750)로 집광 시키는 역할을 한다. 광 변조기(770)는 상술한 제1 내지 제5 광 변조기 중 어느 하나일 수 있다.
광 변조기(770)은 입사되는 입사광(L1)을 전기적 게이트 신호에 따라 ON/OFF하는 논리 게이팅(Logic gating) 방식으로 게이팅 될 수 있다. 또한, 광 변조기(770)는 이득을 사인 함수로 게이팅 할 수도 있다. 상기 논리 게이팅 방식은 상관법에 의한 거리 측정을 가능하게 한다. 그리고 상기 이득 게이팅의 경우, 자기 믹싱(Self-mixing) 방법에 의해 조사광(TL)과 입사광(L1) 사이의 위상지연을 측정할 수 있는 바, 위상지연 측정방법을 통한 거리측정이 가능할 수 있다.
광 변조기(770)를 거친 광(L2)은 제2 렌즈(LZ2)를 거쳐 광 이미지 센서(750)에 입사된다. 광 이미지 센서(750)가 CCD일 때, 광 이미지 센서(750)는 카메라 컨트롤러(730)의 제어하에서 고속으로 게이팅된 누적 광량을 일정 주기 동안 적분하여 누적된 밝기 영상을 컴퓨터로 출력하게 된다. 이러한 광 변조기(770)를 이용한 거리 측정방법은 기존의 2차원 광 이미지 센서인 CCD와 CMOS를 활용할 수 있기 때문에, 고해상도의 거리 영상을 획득하는데 유리할 수 있다.
상기한 설명에서 많은 사항이 구체적으로 기재되어 있으나, 그들은 본 발명의 범위를 한정하는 것이라기보다, 바람직한 실시예의 예시로서 해석되어야 한다. 때문에 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 의하여 정하여 질 것이 아니고 특허 청구범위에 기재된 기술적 사상에 의해 정하여져야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 광 변조기의 회로이다.
도 2는 도 1의 회로로 표현될 수 있는 광 변조기의 일 예를 보여주는 단면도이다.
도 3은 도 1의 회로로 표현될 수 있는 광 변조기의 다른 예를 보여주는 단면도이다.
도 4 내지 도 9는 도 2에 도시한 광 변조기의 제조 방법을 단계별로 나타낸 단면도들이다.
도 10 내지 도 13은 도 3에 도시한 광 변조기의 제조 방법을 단계별로 나타낸 단면도들이다.
도 14는 도 1의 단위화소가 복수개 포함된 어레이의 일예를 나타낸 평면도이다.
도 15는 도 14의 어레이에서 선택된 한 블록과 이에 대응하는 게이트 트랜지스터 사이의 연결관계를 나타낸 평면도이다.
도 16은 4개의 단위화소를 포함하는 블록과 게이트 트랜지스터 사이의 연결관계를 나타낸 회로이다.
도 17은 도 1에 도시한 광 변조기의 게이팅 방법을 설명하기 위한 회로이다.
도 18은 도 1의 광 변조기의 게이팅 동작에서 게이트 트랜지스터에 인가되는게이팅 전압 신호에 따른 발광소자에 공급되는 전류의 변화를 나타낸 시계열 도표(time series chart)이다.
도 19는 본 발명의 다른 실시예에 의한 광 변조기의 회로이다.
도 20A는 도 19의 회로로 표현될 수 있는 광 변조기의 일 예를 나타낸 단면도이다.
도 20B는 도 19의 회로로 표현될 수 있는 광 변조기의 다른 예를 나타낸 단면도이다.
도 21 내지 도 28은 도 20A에 도시한 광 변조기의 제조 방법을 단계별로 나타낸 단면도들이다.
도 29 내지 도 33은 도 20B에 도시한 광 변조기의 제조 방법을 단계별로 나타낸 단면도들이다.
도 34는 도 19에 도시한 광 변조기의 게이팅 방법을 설명하기 위한 회로이다.
도 35는 도 19에 도시한 광 변조기에 대한 게이팅 동작에서 게이트 트랜지스터에 인가되는 게이팅 전압 신호에 따른 발광소자에 공급되는 전류의 변화를 나타낸 시계열 도표이다.
도 36은 단위화소가 도 19의 구성을 갖는, 복수의 단위화소를 포함하는 어레이를 개략적으로 나타낸 평면도이다.
도 37은 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 광 변조기의 회로이다.
도 38은 도 37의 회로로 표현될 수 있는 광 변조기의 일 예를 나타낸 단면도이다.
도 39는 도 37의 회로로 표현될 수 있는 광 변조기의 다른 예를 나타낸 단면 도이다.
도 40은 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 광 변조기의 회로이다.
도 41은 도 40의 회로로 표현될 수 있는 광 변조기의 일 예를 나타낸 단면도이다.
도 42는 도 40의 회로로 표현될 수 있는 광 변조기의 다른 예를 나타낸 단면도이다.
도 43은 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 광 변조기의 회로이면서 광 변조기의 게이팅 동작을 설명하기 위한 회로이다.
도 44는 도 43의 회로로 표현될 수 있는 광 변조기의 일 예를 나타낸 단면도이다.
도 45는 도 43의 회로로 표현될 수 있는 광 변조기의 다른 예를 나타낸 단면도이다.
도 46 내지 도 53은 도 44에 도시한 광 변조기의 제조 방법을 단계별로 나타낸 단면도들이다.
도 54 내지 도 63은 도 45에 도시한 광 변조기의 제조 방법을 단계별로 나타낸 단면도들이다.
도 64는 본 발명의 일 실시예에 의한 광학장치의 구성을 개략적으로 보여주는 구성도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호설명>
10, 88A:포토 다이오드 20, 84A, 210, 310A, 510:발광소자
30, 122:게이트 트랜지스터 40, 80, 110, 240,300, 330:기판
42, 90:상부전극 44:게이트층
48, 98:하부전극 46a:흡수층
46b:차지(charge)층 46c:증배(multiplication)층
50a:반사층 50b, 50d:제1 및 제2 클래딩층
50c:활성층 86:게이트층
82, 242:분리층 84, 248:발광소자층
86M, 90M, 95, 97, 98M, M1-M11:마스크
88:포토 다이오드층 92:게이팅 전극
94:층간 절연층 96, 220, 260:투명기판
100, 200:제1 및 제2 광 변조기 120:단위블록(block)
124:부하(load) 130, 350:어레이
212, 312, 512:HPT 214, 314, 514:HBT
220A, 220B, 220C:제1 내지 제3 영역
222, 226, 228, 230, 232, 234, 386, 388, 526, 620, 624:제1 내지 제11 전극
224:더미 패턴 224A:제1 더미 발광소자
224B:제2 더미 발광소자 244:트랜지스터층
246:터널 접합층
248A, 248B, 248C:제1 내지 제3 발광소자
250, 252, 370A, 370B:제1 내지 제4 하부전극
254:절연층 410:게이트 라인
310B:더미패턴 372, 374:제3 및 제4 상부전극
380, L1:입사광 382, L2:방출광
390:게이팅 전극 400:단위화소
420:스위칭 소자
430:아날로그 중합기(analog multiplexer)
500:제4 광 변조기 600:제5 광 변조기
616:제2 HBT 640:이질 접합 트랜지스터층
642:발광소자층
642A, 642B, 642C:제1 내지 제3 발광소자
700:피사체 710:광원
720:광원 드라이버 730:카메라 컨트롤러
750:광 이미지 센서 770:광 변조기
780:필터
A1, A2, A3:제1 내지 제3 영역 B1-B4:제1 내지 제4 베이스
B:베이스 B0:베이스층
C1-C4:제1 내지 제4 컬렉터 C0:컬렉터층
C:컬렉터 E:이미터
E0:이미터층 EA1:확장된 영역
E1-E4:제1 내지 제4 이미터 LL1-LL4:제1 내지 제4 배선
L11, L22, L33, W1-W3:배선 LZ1, LZ2:제1 및 제2 렌즈
P1-P4:제1 내지 제4 경로 RL:반사광
S1:광 방출면 TL:조사광
Vg:게이팅 전압
Claims (38)
- 수직으로 적층된 전기-광학 변환소자 및 광학-전기 변환소자를 포함하는 광 변조기에 있어서,상기 광학-전기 변환소자에서 상기 전기-광학 변환소자로 전달되는 신호를 게이팅하고,게이팅 온(ON)에서 상기 광학-전기 변환소자에서 발생되는 전하와 상기 전기-광학 변환소자에 잔류하는 전하가 상기 전기-광학 변환소자를 우회하여 흐를 수 있도록 구비된 게이트 트랜지스터를 포함하는 광 변조기.
- 제 1 항에 있어서,상기 광학-전기 변환소자, 상기 전기-광학 변환소자 및 상기 게이트 트랜지스터는 단위화소를 이루고, 상기 단위 화소들로 이루어진 어레이를 포함하는 광 변조기.
- 제 2 항에 있어서,상기 어레이의 상기 게이트 트랜지스터들을 동시에 제어하기 위한 제어수단이 구비된 광 변조기.
- 제 3 항에 있어서,상기 게이트 트랜지스터와 상기 제어수단은 파워 트랜지스터로 연결되어 있는 광 변조기.
- 제 2 항에 있어서,상기 어레이는 복수의 블록으로 이루어지고, 각 블록은 적어도 2개의 단위 화소를 포함하며, 각 블록별로 게이트 트랜지스터가 제어되는 광 변조기.
- 제 1 항에 있어서,상기 광학-전기 변환소자와 상기 전기-광학 변환소자 사이에 전하 증폭수단이 더 구비되어 있고,상기 광학-전기 변환소자의 출력단은 상기 게이트 트랜지스터와 상기 전하 증폭수단에 공유되며,상기 두 변환소자와 상기 전하 증폭수단과 상기 게이트 트랜지스터는 단위화소를 이루는 광 변조기.
- 제 1 항에 있어서,상기 광학-전기 변환소자 및 상기 전기-광학 변환소자는 단위화소를 이루고,상기 두 변환소자는 게이트층(Anode층)을 공유하며,상기 게이트 트랜지스터는 상기 게이트층에 연결되고 상기 단위화소 외부에 구비된 광 변조기.
- 제 7 항에 있어서,복수의 상기 단위화소들로 어레이를 이루고 상기 게이트 트랜지스터는 상기 어레이 외부에 구비된 광 변조기.
- 제 8 항에 있어서,상기 어레이는 복수의 블록을 포함하고, 각 블록은 적어도 2개의 상기 단위화소를 포함하며, 상기 어레이 외부에 상기 각 블록과 일대 일로 대응하는 게이트 트랜지스터들이 구비된 광 변조기.
- 제 9 항에 있어서,상기 각 블록과 대응하는 게이트 트랜지스터와 상기 각 블록에 포함된 단위화소들 사이에 각각 부하(load)가 구비되어 있는 광 변조기.
- 제 1 항에 있어서,상기 광학-전기 변환소자는 2-포트(port)를 갖는 HPT인 광 변조기.
- 제 1 항에 있어서,상기 광학-전기 변환소자는 3-포트를 갖는 HPT인 광 변조기.
- 제 11 항에 있어서,상기 전기-광학 변환소자 상에 상기 HPT의 이미터, 베이스 및 컬렉터가 순차적으로 적층되어 있고, 상기 게이트 트랜지스터의 컬렉터는 상기 HPT의 이미터에 연결된 광 변조기.
- 제 11 항에 있어서,상기 전기-광학 변환소자 상에 상기 HPT의 컬렉터, 베이스 및 이미터가 순차적으로 적층되어 있고, 상기 게이트 트랜지스터의 이미터는 상기 HPT의 컬렉터에 연결된 광 변조기.
- 제 12 항에 있어서,상기 전기-광학 변환소자 상에 상기 HPT의 이미터, 베이스 및 컬렉터가 순차적으로 적층되어 있고, 상기 게이트 트랜지스터의 컬렉터는 상기 베이스에 연결된 광 변조기.
- 제 6 항에 있어서,상기 게이트 트랜지스터는 제1 HBT이고, 상기 전하 증폭수단은 제2 HBT인 광 변조기.
- 제 7 항에 있어서,상기 광학-전기 변환소자는 APD인 광 변조기
- 광 변조기의 게이팅 방법에 있어서,상기 광 변조기는 청구항 1에 기재된 광 변조기이고,상기 게이트 트랜지스터의 게이트에 게이팅 전압 신호를 인가하는 광 변조기의 게이팅 방법.
- 제 18 항에 있어서,상기 게이팅 전압 신호는 펄스파, 사인파 또는 삼각파인 광 변조기의 게이팅 방법.
- 광 변조기를 포함하는 광학장치에 있어서,상기 광 변조기는,수직으로 적층된 전기-광학 변환소자 및 광학-전기 변환소자를 포함하고,상기 광학-전기 변환소자에서 상기 전기-광학 변환소자로 전달되는 신호를 게이팅하고, 게이팅 온(ON)에서 상기 광학-전기 변환소자에서 발생되는 전하와 상기 전기-광학 변환소자에 잔류하는 전하가 상기 전기-광학 변환소자를 우회하여 흐를 수 있도록 구비된 게이트 트랜지스터를 포함하는 광학장치.
- 광학-전기 변환소자 및 전기-광학 변환소자를 수직으로 적층하는 단계; 및상기 광학-전기 변환소자에서 상기 전기-광학 변환소자로 전달되는 신호를 게이팅(gating) 하기 위한 게이트 트랜지스터를 형성하는 단계를 포함하고,상기 게이트 트랜지스터는 게이팅 온(ON)에서 상기 광학-전기 변환소자에서 발생되는 전하와 상기 전기-광학 변환소자에 잔류하는 전하를 상기 전기-광학 변환소자를 우회하여 흐르게 하는 광 변조기 제조방법.
- 제 21 항에 있어서, 상기 광학-전기 변환소자 및 전기-광학 변환소자를 수직으로 적층하는 단계는,상기 전기-광학 변환소자를 형성하는 단계; 및상기 전기-광학 변환 소자 상에 상기 광학-전기 변환소자를 형성하는 단계;를 더 포함하는 광 변조기 제조방법.
- 제 21 항에 있어서, 상기 광학-전기 변환소자 및 상기 전기-광학 변환소자를 수직으로 적층하는 단계는,상기 광학-전기 변환소자를 형성하는 단계; 및상기 광학-전기 변환 소자 상에 상기 전기-광학 변환소자를 형성하는 단계;를 더 포함하는 광 변조기 제조방법.
- 제 21 항에 있어서, 상기 광학-전기 변환소자에서 발생되는 전하를 증폭시키기 위한 전하 증폭수단을 더 형성하고, 상기 광학-전기 변환소자의 출력단이 상기 게이트 트랜지스터와 상기 전하 증폭수단에 공유되도록 형성하는 광 변조기 제조방 법.
- 제 21 항 또는 제 24 항에 있어서, 상기 광학-전기 변환소자 및 상기 전기-광학 변환소자를 수직으로 적층하는 단계에서,상기 광학-전기 변환소자가 적어도 이미터층, 베이스층 및 컬렉터층을 포함하는 것일 때, 상기 컬렉터층이 광 입사면이 되도록 적층하는 광 변조기 제조방법.
- 제 21 항 또는 제 24 항에 있어서, 상기 광학-전기 변환소자 및 상기 전기-광학 변환소자를 수직으로 적층하는 단계에서,상기 광학-전기 변환소자가 적어도 이미터층, 베이스층 및 컬렉터층을 포함하는 것일 때, 상기 이미터층이 광 입사면이 되도록 적층하는 광 변조기 제조방법.
- 제 22항 또는 제 23항에 있어서, 상기 광학-전기 변환소자와 상기 전기-광학 변환소자 사이에 게이트층을 더 형성하고, 상기 게이트 트랜지스터와 상기 게이트층을 연결하는 광 변조기 제조방법.
- 제 21 항에 있어서, 상기 광학-전기 변환소자와 상기 전기-광학 변환소자와 상기 게이트 트랜지스터를 단위 화소 영역에 형성하는 광 변조기 제조방법.
- 제 21 항에 있어서, 상기 광학-전기 변환소자와 상기 전기-광학 변환소자는 단위 화소 영역에 형성하는 광 변조기 제조방법.
- 제 24 항에 있어서, 상기 광학-전기 변환소자, 상기 전기-광학 변환소자, 상기 게이트 트랜지스터 및 상기 전하 증폭수단은 단위 화소 영역에 형성하는 광 변조기 제조방법.
- 제 21 항에 있어서, 상기 광학-전기 변환소자와 상기 게이트 트랜지스터는 동시에 형성되는 광 변조기 제조방법.
- 제 24 항에 있어서, 상기 광학-전기 변환소자, 상기 게이트 트랜지스터 및 상기 전하 증폭수단은 동시에 형성되는 광 변조기 제조방법.
- 제 21 항에 있어서, 상기 광학-전기 변환소자는 2-포트(port) 또는 3-포트를 갖는 HPT인 광 변조기 제조방법.
- 제 33 항에 있어서, 상기 광학-전기 변환소자가 2-포트를 갖는 HPT일 때, 상기 광학-전기 변환소자의 이미터와 상기 게이트 트랜지스터의 컬렉터를 연결하는 광 변조기 제조방법.
- 제 33 항에 있어서, 상기 광학-전기 변환소자가 2-포트를 갖는 HPT일 때, 상 기 광학-전기 변환소자의 컬렉터와 상기 게이트 트랜지스터의 이미터를 연결하는 광 변조기 제조방법.
- 제 33 항에 있어서, 상기 광학-전기 변환소자가 3-포트를 갖는 HPT일 때, 상기 광학-전기 변환소자의 베이스와 상기 게이트 트랜지스터의 컬렉터를 연결하는 광 변조기 제조방법.
- 제 24 항에 있어서, 상기 광학-전기 변환소자, 상기 게이트 트랜지스터 및 상기 전하 증폭수단은 HPT이고, 상기 광학-전기 변환소자의 이미터는 상기 게이트 트랜지스터의 컬렉터 및 상기 전하 증폭수단의 베이스에 연결하는 광 변조기 제조방법.
- 제 21 항에 있어서, 상기 광학-전기 변환소자는 포토 다이오드 또는 애벌란치 포토 다이오드(Avalanche Photo Diode)인 광 변조기의 제조방법.
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