KR102100931B1 - 광전도 안테나 - Google Patents

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Abstract

광전도 안테나가 개시된다. 개시된 광전도 안테나는 반도체 기판과, 이 반도체 기판의 일면에 형성된 금속성 안테나와, 금속성 안테나와 같은 면에 형성되어 표면파나 후방 산란파를 억제하는 제1패턴 구조체를 포함한다.

Description

광전도 안테나{Photoconductive antenna}
광전도 안테나에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전자기파 손실을 줄일 수 있도록 된 광전도 안테나에 관한 것이다.
마이크로 주파수 대역과 광학 주파수 대역 사이에 있는 테라헤르츠(terahertz) 주파수 대역은 분자 광학, 생물리학(biophysics), 의학(medical), 분광학(spectroscopy), 영상(imaging) 또는 보안(security) 분야에서 매우 중요한 주파수 대역이다. 즉, 테라헤르츠 주파수 대역의 전자기파는 물질 특성에 따른 흡수특성 차이가 있으며 빛의 직진성과 전파의 투과성을 동시에 지니고 있는 바, 이러한 특성들을 활용하면 물질 분석, 보안 또는 의료 스캔 분야 등에 응용이 가능하다.
테라헤르츠(또는 밀리미터파) 전자파 발진 및 감지를 위해 광전도 안테나(Photoconductive antenna: PCA)가 사용될 수 있다. 예를 들어, 테라헤르츠 광전도 안테나는 GaAs와 같은 III-V 족 반도체 기판에 이극자 안테나 패턴을 형성한 구조를 가질 수 있다. 이 이극자 안테나 패턴에 예를 들어, 극초단 펄스 레이저광을 입사시키면, 이극자 안테나 패턴 부분에 전자와 같은 수송자들이 여기되고, 이극자 사이의 전기장에 의해 전자들이 이동하게 된다. 이때 극초단 펄스에 의해 만들어지는 전자들은 매우 빠른 속도로 발생되었다가 전극에서 소멸하게 되는데, 이런 현상은 주로 0.3 ∼ 3 THz 주파수 대역에서 발생하게 된다. 발생된 전자기파는 반도체 기판에 수직으로 통과하여 대기중으로 전파하게 된다.
여기서, 광전도 원리에 따르면, 반도체 기판의 밴드갭 에너지보다 큰 에너지의 레이저광이 입사되면, 전자들을 전도대로 여기시키고, 전자들이 다시 안정된 상태로 되돌아오게 되는데, 특히, 이때의 에너지 차이가 밀리미터파에서 테라헤르츠 대역의 전자기파 에너지에 해당하는 것을 테라헤르츠 광전도 현상이라고 한다.
일반적인 광전도 안테나에서는, 안테나 패턴에서 발생된 전자기파는 표면파로 진행하여 손실이 야기될 수 있으며, 또한 안테나 패턴이 형성된 일면에 반대되는 면에서 반사되어 되돌아온 전자기파가 안테나 패턴이 형성된 면에서 굴절되어 외부로 방출되어 손실이 야기될 수 있다.
전자기파 손실을 줄일 수 있도록 된 광전도 안테나를 제공한다.
본 발명의 실시예에 따른 광전도 안테나는, 반도체 기판과; 상기 반도체 기판의 일면에 형성된 금속성 안테나와; 상기 금속성 안테나와 같은 면에 형성되어 표면파나 후방 산란파를 억제하는 제1패턴 구조체;를 포함한다.
상기 제1패턴 구조체는, 프레넬 렌즈나 프레넬 존 플레이트 형상을 가지도록 형성될 수 있다.
상기 제1패턴 구조체는 네거티브 프레넬 렌즈로서 역할을 하도록 마련될 수 있다.
상기 반도체 기판의 반대면에 전자기파를 집광하거나 분산시키도록 형성된 제2패턴 구조체;를 더 포함할 수 있다.
상기 제2패턴 구조체는, 프레넬 렌즈나 프레넬 존 플레이트 형상을 가지도록 형성될 수 있다.
상기 제2패턴 구조체는 포지티브 프레넬 렌즈로서 역할을 하도록 마련될 수 있다.
상기 제1패턴 구조체의 단면 형상은, 직사각형, 삼각형 및 역삼각형 중 어느 한 구조의 반복 패턴으로 이루어질 수 있다.
상기 반도체 기판의 반대면에 전자기파를 집광하거나 분산시키도록 형성된 제2패턴 구조체;를 더 포함할 수 있다.
상기 제1패턴 구조체 및 제2패턴 구조체 중 적어도 어느 하나는 상기 반도체 기판에 리소그래피 공정에 의해 패터닝되거나, 별도로 제작한 후 상기 반도체 기판에 결합될 수 있다.
상기 제1패턴 구조체, 상기 금속성 안테나 및 제2패턴 구조체 그룹은 상기 반도체 기판에 다수의 어레이 형태로 배열될 수 있다.
상기 제1패턴 구조체 및 상기 금속성 안테나 그룹은 상기 반도체 기판에 다수의 어레이 형태로 배열될 수 있다.
상기 반도체 기판은 III-V족 반도체 물질을 포함할 수 있다.
상기 반도체 기판은 GaAs, GaP, InP 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 금속성 안테나는 광전도 현상을 이용하는 전자기파 안테나일 수 있다.
상기 금속성 안테나는 이극이나 다중 전극에 의해 작동하도록 마련될 수 있다.
상기한 바와 같은 본 발명의 실시예에 따른 광전도 안테나에 따르면, 금속성 안테나가 형성된 반도체 기판의 같은 면에 제1패턴 구조체를 구비함에 의해, 후방 산란파 및 표면파를 억제할 수 있어, 전자기파 손실을 줄일 수 있으며, 전자기파 방출 효율을 높일 수 있다.
또한, 반도체 기판의 반대면에 제2패턴 구조체를 더 구비함에 의해, 방출되는 전자기파의 발산 정도를 줄일 수 있으며, 콜리메이팅된 전자기파를 얻는 것도 가능하다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 광전도 안테나를 개략적으로 보여준다.
도 2는 도 1의 광전도 안테나에서의 금속성 안테나에서 발생된 전자기파의 광경로를 보여준다.
도 3은 비교예로서, 반도체 기판의 일면에 금속성 안테나만이 형성되고, 제1패턴 구조체를 가지지 않는 광전도 안테나에서의 금속성 안테나에서 발생된 전자기파의 광경로를 보여준다.
도 4 내지 도 12는 본 발명의 다른 실시예들에 따른 광전도 안테나를 개략적으로 보여준다.
도 13a는 반도체 기판의 상,하부면이 모두 플랫한 경우의 광전도 안테나의 3차원 이미지를 보여준다.
도 13b는 도 13a의 구조일 때의 전자기파 필드를 보여준다.
도 14a는 반도체 기판의 일면(상부면)에만 포지티브 프레넬 렌즈 형상의 제1패턴 구조체를 가지는 경우의 광전도 안테나의 3차원 이미지를 보여준다.
도 14b는 도 14a의 구조일 때의 전자기파 필드를 보여준다.
도 15a는 반도체 기판의 일면(상부면)에 포지티브 프레넬 렌즈 형상의 제1패턴 구조체, 반대면(하부면)에 포지티브 프레넬 렌즈 형상의 제2패턴 구조체를 가지는 경우의 광전도 안테나의 3차원 이미지를 보여준다.
도 15b는 도 15a의 구조일 때의 전자기파 필드를 보여준다.
도 16a는 반도체 기판의 일면(상부면)에만 네거티브 프레넬 렌즈 형상의 제1패턴 구조체를 가지는 경우의 광전도 안테나의 3차원 이미지를 보여준다.
도 16b는 도 16a의 구조일 때의 전자기파 필드를 보여준다.
도 17a는 반도체 기판의 일면(상부면)에 네거티브 프레넬 렌즈 형상의 제1패턴 구조체, 반대면(하부면)에 포지티브 프레넬 렌즈 형상의 제2패턴 구조체를 가지는 경우의 광전도 안테나의 3차원 이미지를 보여준다.
도 17b는 도 17a의 구조일 때의 전자기파 필드를 보여준다.
도 18은 제1패턴 구조체, 금속성 안테나 및 제2패턴 구조체 그룹이 반도체 기판에 다수의 어레이 형태로 배열된 실시예를 보여준다.
도 19는 제1패턴 구조체 및 금속성 안테나 그룹이 반도체 기판에 다수의 어레이 형태로 배열된 실시예를 보여준다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하면서, 본 발명의 실시예에 따른 광전도 안테나를 상세히 설명한다. 도면에서 동일한 참조번호는 동일한 구성 요소를 지칭하며, 각 구성 요소의 크기나 두께는 설명의 편의를 위해 과장되어 있을 수 있다. 한편, 이하에 설명되는 실시예들은 단지 예시적인 것에 불과하며, 이러한 실시예들로부터 다양한 변형이 가능하다. 이하에서, 한 층이 기판이나 다른 층의 "위", "상부" 또는 "상"에 구비된다고 설명될 때, 그 층은 기판이나 다른 층에 직접 접하면서 위에 존재할 수도 있고, 그 사이에 또 다른 층이 존재할 수도 있다.
본 발명의 실시예에 따른 광전도 안테나는, 반도체 기판과, 이 반도체 기판의 일면에 형성된 금속성 안테나와, 금속성 안테나와 같은 면에 표면파나 후방 산란파를 억제하도록 형성된 제1패턴 구조체를 포함한다. 본 발명의 실시예에 따른 광전도 안테나는, 상기 반도체 기판의 반대면에 전자기파를 집광하거나 분산시키도록 형성된 제2패턴 구조체를 더 포함할 수 있다.
상기 제1패턴 구조체는, 프레넬 렌즈나 프레넬 존 플레이트 형상을 가지도록 형성되어, 표면파나 후방 산란파 억제뿐만 아니라, 전자기파를 집광하거나 분산시키는 기능도 하도록 마련될 수 있다. 또한, 상기 제1패턴 구조체의 단면 형상은, 표면파나 후방 산란파를 억제하도록, 직사각형, 삼각형 및 역삼각형 중 어느 한 구조의 반복 패턴으로 이루어질 수도 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 광전도 안테나를 개략적으로 보여준다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 광전도 안테나는 반도체 기판(10)과, 이 반도체 기판(10)의 일면에 형성된 금속성 안테나(20)와, 금속성 안테나(20)와 같은 면에 형성된 제1패턴 구조체(30)를 포함한다. 본 실시예의 광전도 안테나는 제1패턴 구조체(30)가, 직사각형 구조(31)의 반복 패턴으로 이루어져 표면파나 후방 산란파를 억제하도록 마련된 예를 보여준다.
상기 반도체 기판(10)은 III-V족 반도체 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 반도체 기판(10)은 GaAs, GaP, InP 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 금속성 안테나(20)는 광전도 현상을 이용하는 전자기파 안테나로서, 금속 물질로 형성될 수 있다. 상기 금속성 안테나(20)는 패치 형태로, 상기 반도체 기판(10)의 일면에 배치될 수 있으며, 전자기파 에너지를 방출하거나 흡수하도록 마련될 수 있다. 이를 위하여 상기 금속성 안테나(20)는 이극이나 다중 전극에 의해 작동하도록 마련될 수 있다.
상기 제1패턴 구조체(30)는, 상기 반도체 기판(10)에 리소그래피 공정 예컨대, 전자빔(e-beam) 리소그래피 공정에 의해 패터닝되거나, 별도로 제작한 후 상기 반도체 기판(10)에 결합될 수 있다.
상기와 같이, 반도체 기판(10)의 금속성 안테나(20)가 배치된 면과 동일 면에 제1패턴 구조체(30)를 가지는 광전도 안테나에 따르면, 도 2에서와 같이, 후방 산란파나 표면파를 억제할 수 있다.
도 2를 참조하면, 금속성 안테나(20)에서 전자기파(P1)가 발생되는 경우, 발생된 전자기파(P1)의 일부는 반대면(하부면)에서 반사되어, 상기 일면(상부면)으로 향하게 되는데, 상기 제1패턴 구조체(30)에 의해 상부면을 통한 이러한 후방 산란파의 방출을 억제시킬 수 있다. 또한, 상기 금속성 안테나(20)에서는 반도체 기판(10)의 일면을 따라 표면파(P2)가 발생하게 되는데, 상기 제1패턴 구조체(30)에 의해 이러한 표면파(P2)가 억제될 수 있다.
따라서, 상기와 같이 금속성 안테나(20)와 같은 면에 제1패턴 구조체(30)를 둠으로써, 반도체 기판(10)의 반대면(하부면)을 통한 전자기파(P)의 방출 효율이 증대될 수 있다.
비교예로서, 도 3은 반도체 기판(10')의 일면에 금속성 안테나(20')만이 형성되고, 제1패턴 구조체를 가지지 않는 경우를 보여준다. 도 3에서와 같이, 제1패턴 구조체가 없는 경우, 금속성 안테나(20')에서 발생된 전자기파(P1')의 일부가 후방 산란파(P1")로서 반도체 기판(10)의 일면을 통하여 손실되고, 표면파(P2')로서 손실이 이루어지므로, 반도체 기판(10)의 반대면(하부면)을 통한 전자기파(P')의 방출 효율이 저조하게 된다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 다른 실시예들에 따른 광전도 안테나를 개략적으로 보인 것으로, 도 4는 제1패턴 구조체(30)가, 삼각형 구조(32)의 반복 패턴으로 이루어진 예를 보여주며, 도 5는 제1패턴 구조체(30)가 역삼각형 구조(33)의 반복 패턴으로 이루어진 예를 보여준다.
도 4 및 도 5의 경우에도, 제1패턴 구조체(30)에 의해, 반도체 기판(10)의 일면(상부면)을 통한 후방 산란파의 방출이 억제되고 반도체 기판(10)의 일면을 따른 표면파가 억제될 수 있어, 반도체 기판(10)의 반대면(하부면)을 통한 전자기파의 방출 효율이 증대될 수 있다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 광전도 안테나를 보인 것으로, 제1패턴 구조체(30)가 프레넬 렌즈 형상 예컨대, 포지티브 프레넬 렌즈 형상(34)을 가지도록 된 예를 보여준다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 광전도 안테나를 보인 것으로, 제1패턴 구조체(30)가 프레넬 렌즈 형상 예컨대, 네거티브 프레넬 렌즈(35) 형상을 가지도록 형성된 경우를 보여준다.
도 6 및 도 7에서와 같은 포지티브 또는 네거티브 프레넬 렌즈(34 또는 35)) 형상의 제1패턴 구조체(30)에 의해서도, 후방 산란파 및 표면파를 억제하여 전자기파의 방출 효율을 증대할 수 있다.
여기서, 도 6 및 도 7에서는 제1패턴 구조체(30)가 프레넬 렌즈(34)(35) 형상을 가지도록 형성된 경우를 보여주는데, 이 대신에 제1패턴 구조체(30)는 프레넬 존 플레이트 형상을 가지도록 형성될 수도 있다.
도 8 내지 도 12는 각각 도 1, 도 4 내지 도 7에 대응하는 구조의 광전도 안테나로서, 반도체 기판(10)의 반대면(하부면)에 제2패턴 구조체(50)를 더 구비한 점에 차이가 있다.
도 8 내지 도 12를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 광전도 안테나는 반도체 기판(10)의 반대면(하부면)에 제2패턴 구조체(50)를 더 구비할 수 있다. 상기 제2패턴 구조체(50)는 예를 들어, 프레넬 렌즈 형상 예컨대, 포지티브 프레넬 렌즈(51) 형상을 가지도록 형성될 수 있다.
이 경우, 금속성 안테나(20)에서 발생된 전자기파는 상기 제2패턴 구조체(50)에 의해 집속되어 콜리메이팅될 수 있다.
여기서, 도 8 내지 도 12에서는 제2패턴 구조체(50)가 프레넬 렌즈 형상을 가지도록 형성된 경우를 보여주는데, 이 대신에 제2패턴 구조체(50)는 프레넬 존 플레이트 형상을 가지도록 형성될 수도 있다.
이하에서는, 일반적인 광전도 안테나와 본 발명의 다양한 실시예에 따른 광전도 안테나에서의 전자기파 필드(E-field)를 비교하여 보여준다.
도 13a는 반도체 기판의 상,하부면이 모두 플랫한 경우의 광전도 안테나의 3차원 이미지를 보여주며, 도 13b는 도 13a의 구조일 때의 전자기파 필드를 보여준다.
도 13a 및 도 13b로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 광전도 안테나에서의 제1패턴 구조체 및 제2패턴 구조체가 없는 경우, 반도체 기판의 금속성 안테나가 배치된 일면(상부면)을 통해서도 상당량의 전자기파가 방출되어 손실되며, 반도체 기판의 반대면(하부면)을 통해 방출되는 전자기파는 크게 발산되는 것을 알 수 있다.
도 14a는 반도체 기판의 일면(상부면)에만 포지티브 프레넬 렌즈 형상의 제1패턴 구조체를 가지는 경우의 광전도 안테나의 3차원 이미지를 보여주며, 도 14b는 도 14a의 구조일 때의 전자기파 필드를 보여준다.
도 14a 및 도 14b로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 광전도 안테나에서의 제1패턴 구조체로서 포지티브 프레넬 렌즈를 적용하는 경우, 반도체 기판의 금속성 안테나가 배치된 일면(상부면)을 통한 전자기파가 방출이 억제되며, 반도체 기판의 반대면(하부면)을 통해 방출되는 전자기파의 발산 정도도 감소하는 것을 알 수 있다.
도 15a는 반도체 기판의 일면(상부면)에 포지티브 프레넬 렌즈 형상의 제1패턴 구조체, 반대면(하부면)에 포지티브 프레넬 렌즈 형상의 제2패턴 구조체를 가지는 경우의 광전도 안테나의 3차원 이미지를 보여주며, 도 15b는 도 15a의 구조일 때의 전자기파 필드를 보여준다.
도 15a 및 도 15b로부터 알 수 있는 바와 같이, 포지티브 프레넬 렌즈로 된 제1패턴 구조체, 포지티브 프레넬 렌즈로 된 제2패턴 구조체를 구비하는 경우, 반도체 기판의 금속성 안테나가 배치된 일면(상부면)을 통한 전자기파가 방출이 억제되며, 반도체 기판의 반대면(하부면)을 통해 방출되는 전자기파의 발산 정도도 도 14a 및 도 14b에서와 같이 제2패턴 구조체가 없는 경우에 비해 감소하는 것을 알 수 있다.
도 16a는 반도체 기판의 일면(상부면)에만 네거티브 프레넬 렌즈 형상의 제1패턴 구조체를 가지는 경우의 광전도 안테나의 3차원 이미지를 보여주며, 도 16b는 도 16a의 구조일 때의 전자기파 필드를 보여준다.
도 16a 및 도 16b로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 광전도 안테나에서의 제1패턴 구조체로서 네거티브 프레넬 렌즈를 적용하는 경우, 도 14a 및 도 14b에서와 같이 제1패턴 구조체로서 포지티브 프레넬 렌즈를 적용하는 경우에 비해, 반도체 기판의 금속성 안테나가 배치된 일면(상부면)을 통한 전자기파가 방출이 크게 억제되며, 반도체 기판의 반대면(하부면)을 통해 방출되는 전자기파의 발산 정도도 감소하는 것을 알 수 있다.
도 17a는 반도체 기판의 일면(상부면)에 네거티브 프레넬 렌즈 형상의 제1패턴 구조체, 반대면(하부면)에 포지티브 프레넬 렌즈 형상의 제2패턴 구조체를 가지는 경우의 광전도 안테나의 3차원 이미지를 보여주며, 도 17b는 도 17a의 구조일 때의 전자기파 필드를 보여준다.
도 17a 및 도 17b로부터 알 수 있는 바와 같이, 네거티브 프레넬 렌즈로 된 제1패턴 구조체, 포지티브 프레넬 렌즈로 된 제2패턴 구조체를 구비하는 경우, 반도체 기판의 금속성 안테나가 배치된 일면(상부면)을 통한 전자기파가 방출이 크게 억제되며, 반도체 기판의 반대면(하부면)을 통해 방출되는 전자기파의 발산 정도도 크게 감소하는 것을 알 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 광전도 안테나에 따르면, 제1패턴 구조체(30)에 의해, 후방 산란파 및 표면파를 억제하여 전자기파의 방출 효율을 증대할 수 있을 뿐만 아니라, 제2패턴 구조체(50)에 의해 방출되는 전자기파의 발산 정도를 줄여 콜리메이팅할 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 광전도 안테나는 반도체 기판(10)에 도 18 및 도 19에서와 같이, 다수의 어레이 형태로 배열될 수 있다. 도 18은 제1패턴 구조체(30), 금속성 안테나(20) 및 제2패턴 구조체(50) 그룹이 반도체 기판(10)에 다수의 어레이 형태로 배열된 실시예를 보여준다. 도 19는 제1패턴 구조체(30) 및 금속성 안테나(20) 그룹이 반도체 기판(10)에 다수의 어레이 형태로 배열된 실시예를 보여준다.

Claims (20)

  1. 서로 마주하는 제1 면 및 제2 면을 포함하는 반도체 기판과;
    상기 반도체 기판의 상기 제1 면 상에 형성되어, 상기 제2 면을 향해 전자기파를 방출하는 금속성 안테나와;
    상기 반도체 기판의 상기 제1 면 상에 형성되어 상기 제1 면을 따라 발생하는 표면파나 후방 산란파를 억제하는 제1패턴 구조체; 및
    상기 반도체 기판의 상기 제2 면 상에 형성되어, 상기 전자기파를 집광하거나 분산시키도록 형성된 제2패턴 구조체; 를 포함하며,
    상기 제1패턴 구조체 및 상기 제2패턴 구조체는, 프레넬 렌즈나 프레넬 존 플레이트 형상을 가지도록 형성되고,
    상기 제1패턴 구조체는 상기 제1 면을 통한 상기 후방 산란파의 방출을 억제하는 네거티브 프레넬 렌즈로서 역할을 하도록 마련되며,
    상기 제2패턴 구조체는 상기 전자기파를 집속하여 콜리메이팅하는 포지티브 프레넬 렌즈로서 역할을 하도록 마련된,광전도 안테나.
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  14. 제1항에 있어서, 상기 제1패턴 구조체 및 제2패턴 구조체 중 적어도 어느 하나는 상기 반도체 기판에 리소그래피 공정에 의해 패터닝되거나, 별도로 제작한 후 상기 반도체 기판에 결합되는 광전도 안테나.
  15. 제1항에 있어서, 상기 제1패턴 구조체, 상기 금속성 안테나 및 제2패턴 구조체 그룹은 상기 반도체 기판에 다수의 어레이 형태로 배열된 광전도 안테나.
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  18. 제1항에 있어서, 상기 반도체 기판은 III-V족 반도체 물질을 포함하는 광전도 안테나.
  19. 제18항에 있어서, 상기 반도체 기판은 GaAs, GaP, InP 중 어느 하나를 포함하는 광전도 안테나.
  20. 제1항에 있어서, 상기 금속성 안테나는
    전도 현상을 이용하며, 이극이나 다중 전극에 의해 작동하도록 된 광전도 안테나.
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