KR102623012B1 - 복수 채널 가스 검출 장치 및 이의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

복수 채널 가스 검출 장치 및 이의 제조 방법이 제공된다. 실시예에 따른 가스 검출 장치는 적어도 제1 가스를 센싱하기 위한 가스 검출 장치로, 적외선 대역의 광을 출력하는 광원; 내부에 상기 제1 가스가 수용되며, 상기 광원에서 출력되는 광이 이동하는 광경로를 제공하는 챔버; 및 상기 광경로를 따라 이동한 상기 광을 입사 받아 상기 광의 세기에 따른 검출 신호를 출력하는 적외선 센서를 포함하되, 상기 적외선 센서는, 제1 검출 소자; 상기 제1 검출 소자와 이웃한 제2 검출 소자; 및 상기 제1 검출 소자에 대응하여 배치된 제1 광학 필터를 포함하고, 상기 제2 검출 소자는 제2 파장을 기준으로 분광 반응성이 감소되어 상기 제2 파장보다 긴 제3 파장에서 분광 반응성이 차단되며, 상기 제1 검출 소자는 상기 제1 광학 필터에 의해 상기 제2 파장보다 짧은 제1 파장을 기준으로 분광 반응성이 감소되어 상기 제2 파장에서 분광 반응성이 차단되고, 상기 제1 가스는 상기 제1 파장 내지 상기 제3 파장에서 광 흡수를 일으킨다.

Description

복수 채널 가스 검출 장치 및 이의 제조 방법{Multi-channel gas detection device and manufacturing method thereof}
본 발명은 복수 채널 가스 검출 장치 및 이의 제조 방법에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명은 서로 다른 파장 대역에서 광학 반응성이 컷오프 되도록 구성된 복수의 검출 소자를 통해 특정 파장 대역의 가스의 농도를 센싱, 검출할 수 있는 복수 채널 가스 검출 장치 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
이 부분에 기술된 내용은 단순히 본 실시예에 대한 배경 정보를 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것은 아니다.
가스 검출 장치는 가스의 검지 방식에 따라 광학식과 접촉식으로 분류된다. 일반적으로 광학식은 가스 분자가 특정 파장의 광을 흡수하는 특성을 이용하여 가스 분자의 농도에 대한 광 흡수율을 측정하는 방식이다. 광학식 가스 검출 장치는 경시 변화가 매우 적어 장시간 동안 측정 신뢰성을 유지할 수 있는 장점을 제공할 수 있다.
비분산 적외선(Non-dispersive infrared; NDIR) 방식에 따른 광학식 가스 검출 장치는 적외선 대역의 광을 방출하는 광원과 적외선 대역의 광이 센서로 전달되기 위한 필터(예를 들어, 밴드 패스 필터)를 적용하여, 분산 구조에 비해 개선된 측정 신뢰성을 제공할 수 있다.
다만, 종래의 비분산 적외선 방식에 따른 가스 검출 장치는 하나의 적외선 검출 소자, 하나의 채널만으로 센싱을 수행하여야 하였기에 측정 신뢰성에 한계가 발생할 수 있었다. 또한, 멀티 채널을 구성하는 경우, 검출 소자 및 필터의 수가 채널에 대응하여 구성되었어야 하였기에, 가스 검출 장치를 소형화하는 데 구조적인 한계가 존재하였다.
또한, 종래의 가스 검출 장치는 적외선 검출 소자와 필터를 각각 제조하여 연결하는 방식으로 제작되어야 하였기에, 제작 과정이 복잡해지는 비효율성이 발생할 수 있었으며, 이에 따라 제작 단가가 높아지고, 제조 수율이 저하되는 문제점이 존재하였다.
따라서, 멀티 채널로 구성되어 비분산 적외선 방식의 가스 검출 장치의 측정 신뢰성을 더욱 향상시키면서, 소형화된 구조를 제공할 수 있는 가스 검출 장치 및 종래의 제조 과정에서 비효율성을 보완할 수 있는 제조 방법이 요구되고 있는 실정이다.
본 발명의 목적은, 멀티 채널로 구성되어 비분산 적외선 방식의 가스 검출 장치의 측정 신뢰성을 더욱 향상시키면서, 소형화된 구조를 제공할 수 있는 가스 검출 장치를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은 밴드패스 및 숏패스 광학 필터 중 적어도 하나가 집적된 다채널 적외선 검출 센서를 포함하는 가스 검출 장치를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은, 가스 검출 장치를 더욱 효율적으로 제조할 수 있는 가스 검출 장치의 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있고, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 이해될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 복수 채널 가스 검출 장치는 적어도 제1 가스를 센싱하기 위한 가스 검출 장치로, 상기 가스 검출 장치는: 적외선 대역의 광을 출력하는 광원; 내부에 상기 제1 가스가 수용되며, 상기 광원에서 출력되는 광이 이동하는 광경로를 제공하는 챔버; 및 상기 광경로를 따라 이동한 상기 광을 입사 받아 상기 광의 세기에 따른 검출 신호를 출력하는 적외선 센서를 포함하되, 상기 적외선 센서는 제1 검출 소자; 상기 제1 검출 소자와 이웃한 제2 검출 소자; 및 상기 제1 검출 소자에 대응하여 배치된 제1 광학 필터를 포함하고, 상기 제2 검출 소자는 제2 파장을 기준으로 분광 반응성이 감소되어 상기 제2 파장보다 긴 제3 파장에서 분광 반응성이 차단되며, 상기 제1 검출 소자는 상기 제1 광학 필터에 의해 상기 제2 파장보다 짧은 제1 파장을 기준으로 분광 반응성이 감소되어 상기 제2 파장에서 분광 반응성이 차단되고, 상기 제1 가스는 상기 제2 파장과 제3 파장 사이에서 광 흡수를 일으킨다.
또한, 상기 제1 검출 소자는 제1 하부 컨택층, 상기 제1 하부 컨택층 상부에 형성된 제1 광흡수층 및 상기 제1 광흡수층 상부에 형성된 제1 상부 컨택층을 포함하며, 상기 제1 광학 필터는 상기 제1 상부 컨택층 상에 바로 배치되고, 상기 제2 검출 소자는, 제2 하부 컨택층, 상기 제2 하부 컨택층 상부에 형성된 제2 광흡수층 및 상기 제2 광흡수층 상부에 형성된 제2 상부 컨택층을 포함한다.
또한, 상기 제1 검출 소자에서 출력되는 제1 검출 신호와 상기 제2 검출 소자에서 출력되는 제2 검출 신호에 기초하여 상기 제1 가스의 농도를 판독하는 판독 소자를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 제1 검출 소자 및 상기 제2 검출 소자 중 적어도 하나와 이웃하는 제3 검출 소자를 더 포함하고, 상기 제3 검출 소자에 대응하여 배치된 제2 광학 필터를 더 포함하며, 상기 제3 검출 소자는 상기 제2 광학 필터에 의해, 상기 제2 파장 내지 상기 제3 파장에서 분광 반응성을 나타낼 수 있다.
또한, 상기 제1 가스는 이산화탄소(CO2), 메탄(CH4), 암모니아(NH3) 또는 벤젠(C6H6) 일 수 있다.
또한, 상기 제1 광학 필터는 DBR 또는 페브리 페로 필터로 구성될 수 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 가스 검출 장치의 제조 방법은 적외선 센서를 준비하는 단계; 제1 광원 및 챔버를 준비하는 단계로서, 상기 챔버는 내부에 상기 제1 가스가 수용되도록 구성되고, 상기 제1 광원에서 발생되는 제1 광이 이동하는 광 경로를 제공하는, 단계; 및 상기 적외선 센서, 상기 제1 광원 및 상기 챔버를 결합하는 단계를 포함하되, 상기 적외선 센서를 준비하는 단계는, 기판 상에 검출 소자 구조층을 형성하는 단계; 상기 검출 소자 구조층 상에 광학 필터층을 형성하는 단계; 상기 광학 필터층을 에칭하여 제1 검출 소자 영역에 대응되는 제1 광학 필터를 형성하는 단계; 및 상기 검출 소자 구조층을 에칭하여 검출 소자를 형성하는 단계를 포함하며, 상기 검출 소자를 형성하는 단계는, 상기 검출 소자 구조층을 에칭하여 상기 제1 검출 소자 영역에 대응하는 제1 검출 소자를 형성하고, 상기 검출 소자 구조층을 에칭하여 상기 제1 검출 소자 영역에 이웃하는 제2 검출 소자 영역에 대응하는 제2 검출 소자를 형성하는 단계를 포함한다.
또한, 상기 제2 검출 소자는 제2 파장을 기준으로 분광 반응성이 감소되어 상기 제2 파장보다 긴 제3 파장에서 분광 반응성이 차단되며, 상기 제1 검출 소자는 상기 제1 광학 필터에 의해 상기 제2 파장보다 짧은 제1 파장을 기준으로 분광 반응성이 감소되어 상기 제2 파장에서 분광 반응성이 차단될 수 있다.
또한, 상기 광학 필터층을 에칭하여 제1 검출 소자 영역에 대응되는 제1 광학 필터를 형성하는 단계는 상기 광학 필터층을 에칭하여 상기 제1 검출 소자 영역 및 상기 제2 검출 소자 영역 중 적어도 하나에 이웃하는 제3 검출 소자 영역에 대응하는 제2 광학 필터를 형성하는 단계를 포함하며, 상기 검출 소자를 형성하는 단계는 상기 검출 소자 구조층을 에칭하여 상기 제3 검출 소자 영역에 대응하는 제3 검출 소자를 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제3 검출 소자는 상기 제2 광학 필터에 의해, 상기 제1 파장 내지 상기 제3 파장에서 분광 반응성을 나타낼 수 있다.
본 발명의 몇몇 실시예에 따른 복수 채널 가스 검출 장치는 제1 검출 소자와 제2 검출 소자로 구성된 적외선 센서를 통해 복수 채널을 식별하도록 구성되어 더욱 정확한 가스 농도 검지 결과를 출력할 수 있다.
또한, 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 복수 채널 가스 검출 장치의 제1 검출 소자와 제2 검출 소자는 서로 다른 파장에서 분광 반응성이 차단되도록 구성될 수 있으며, 이에 따라 적외선 센서가 검지할 수 있는 적외선 파장 대역이 확장될 수 있다.
본 발명의 몇몇 실시예에 따른 가스 검출 장치의 제조 방법에서, 적외선 센서는 제조 과정에서 광학 필터가 검출 소자의 상부에 바로 형성될 수 있다. 이에 따라, 종래와 같이 별도의 필터가 요구되지 않으며 가스 검출 장치가 소형화될 수 있으며, 가스 검출 소자를 제조하는 과정에서 별도의 필터를 연결하는 과정이 불필요하게 되어 더욱 효율적으로 적외선 센서를 제작하는 것이 가능할 수 있다.
또한, 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 가스 검출 장치의 제조 방법에서, 적외선 센서는 복수의 검출 소자에 대한 제조 공정이 동시에 수행될 수 있으며, 멀티 채널을 센싱할 수 있는 적외선 센서가 제조될 수 있다. 즉, 종래와 같이 복수의 적외선 센서를 각각 구성하지 않더라도 멀티 채널을 구성할 수 있어 가스 검출 장치의 더욱 효율적인 제조가 가능할 수 있다.
상술한 내용과 더불어 본 발명의 구체적인 효과는 이하 발명을 실시하기 위한 구체적인 사항을 설명하면서 함께 기술한다.
도 1은 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 가스 검출 장치의 구조를 예시적으로 도시한다.
도 2는 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 적외선 센서의 평면도를 예시적으로 도시한다.
도 3은 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 적외선 센서의 단면도를 예시적으로 도시한다.
도 4는 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 적외선 센서의 검출 소자 구조를 예시적으로 도시한다.
도 5는 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 적외선 센서의 흡수 스펙트럼을 예시적으로 도시한다.
도 6은 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 적외선 센서의 평면도를 예시적으로 도시한다.
도 7은 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 적외선 센서의 단면도를 예시적으로 도시한다.
도 8은 도 6 및 도 7에 따른 적외선 센서의 흡수 스펙트럼을 예시적으로 도시한다.
도 9는 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 가스 검출 장치의 제조 방법의 순서도이다.
도 10 및 도 11은 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 적외선 센서를 제조하는 과정을 예시적으로 도시한다.
도 12 및 도 13은 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 적외선 센서를 제조하는 과정을 예시적으로 도시한다.
본 명세서 및 특허청구범위에서 사용된 용어나 단어는 일반적이거나 사전적인 의미로 한정하여 해석되어서는 아니된다. 발명자가 그 자신의 발명을 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어나 단어의 개념을 정의할 수 있다는 원칙에 따라, 본 발명의 기술적 사상과 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다. 또한, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명이 실현되는 하나의 실시예에 불과하고, 본 발명의 기술적 사상을 전부 대변하는 것이 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 및 응용 가능한 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
본 명세서 및 특허청구범위에서 사용된 제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. '및/또는' 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
본 명세서 및 특허청구범위에서 사용된 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서 “포함하다” 또는 “가지다” 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해서 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다.
일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
또한, 본 발명의 각 실시예에 포함된 각 구성, 과정, 공정 또는 방법 등은 기술적으로 상호 간 모순되지 않는 범위 내에서 공유될 수 있다.
이하에서, 도 1 내지 도 13을 참조하여 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 가스 검출 장치 및 이의 제조 방법에 대해 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 가스 검출 장치의 구조를 예시적으로 도시한다. 도 2는 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 적외선 센서의 평면도를 예시적으로 도시한다. 도 3은 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 적외선 센서의 단면도를 예시적으로 도시한다. 도 4는 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 적외선 센서의 검출 소자 구조를 예시적으로 도시한다. 도 5는 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 적외선 센서의 흡수 스펙트럼을 예시적으로 도시한다. 도 6은 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 적외선 센서의 평면도를 예시적으로 도시한다. 도 7은 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 적외선 센서의 단면도를 예시적으로 도시한다. 도 8은 도 6 및 도 7에 따른 적외선 센서의 흡수 스펙트럼을 예시적으로 도시한다. 도 9는 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 가스 검출 장치의 제조 방법의 순서도이다. 도 10 및 도 11은 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 적외선 센서를 제조하는 과정을 예시적으로 도시한다. 도 12 및 도 13은 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 적외선 센서를 제조하는 과정을 예시적으로 도시한다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 가스 검출 장치(10)는 적외선 센서(100), 광원(200), 챔버(300)를 포함한다.
본 발명의 실시예에 따른 가스 검출 장치(10)는 비 분산 적외선(Non-Dispersive Infrared, NDIR) 방식으로 구현될 수 있다.
챔버(300)는 내부에 가스가 수용될 수 있다. 챔버(300)는 가스가 유입되고, 배출되기 위한 적어도 하나의 통로(301)를 포함할 수 있다. 도 1에 예시적으로, 통로(301)는 복수로 구성되어 있으나, 본 발명의 실시예가 이에 한정되는 것은 아니다.
챔버(300)에는 광원(200)과 적외선 센서(100)가 배치될 수 있다 도 1에 예시적으로 도시된 바와 같이, 챔버(300)는 일방향을 따라 연장된 구조일 수 있으며 챔버(300)의 일단에 광원(200)이 배치되고, 챔버(300)의 타단에 적외선 센서(100)가 배치될 수 있다. 챔버(300)의 연장 방향은 광원(200)에서 방출되는 광이 이동 경로, 광경로에 대응할 수 있다. 여기서, 도 1의 구조 및 형상은 예시적인 것으로 본 발명의 실시예가 이에 한정되는 것은 아니며, 몇몇 실시예에서, 챔버(300)는 벤딩된 구조이며, 벤딩된 상태에서 광 경로를 형성하기 위한 반사 거울과 같은 구성을 더 포함할 수도 있다.
광원(200)은 적외선 대역의 광을 방출하고, 적외선 센서(100)는 광원(200)에서 방출되는 광의 세기를 측정하게 된다. 광원(200)은 챔버(300)의 내부를 향해 적외선 대역의 광을 방출할 수 있다. 적외선 센서(100)는 챔버(300)의 광경로를 통과한 광을 수신하여, 광의 세기를 측정할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 광원(200)은 입력된 전류에 대응하여 파장의 적외선 광을 출력하도록 구성될 수 있다.
몇몇 실시예에서, 광원(200)은 2.4μm, 2.6μm 및 2.8μm 중 어느 한 대역의 적외선 광을 출력하도록 구성된 양자 우물층을 포함하는 다채널 적외선 다이오드일 수 있다. 광원(200)은 입력된 전류에 대응하여 해당 파장에 따른 적외선 광을 출력할 수 있다. 이러한 광원(200)에서 출력하는 광의 파장은 검지하려는 가스의 광 흡수 특성과 관련될 수 있다.
또한, 몇몇 실시예에서, 광원(200)은 특정 전류에 대응하여 서로 다른 적외선 대역의 광을 출력하는 복수의 양자 우물층을 포함하는 적외선 다이오드일 수 있다. 예시적으로, 광원(200)은 2.4μm 대역의 적외선 광을 출력하는 제1 양자 우물층, 2.6μm 대역의 적외선 광을 출력하는 제2 양자 우물층 및 2.8μm 대역의 적외선 광을 출력하는 제3 양자 우물층을 포함하는 적외선 발광 다이오드로 구성될 수 있다. 이러한 광원(200)에서 출력하는 광의 파장은 검지하려는 가스의 광 흡수 특성과 관련될 수 있으며, 특정 가스에 대한 정밀 검지 또는 복수의 가스에 대한 동시 검지가 수행되게 된다.
광원(200)에서 방출된 광은 챔버(300)의 광경로를 이동함에 따라 광의 세기가 감쇄될 수 있다. 가스 분자들은 적외선 대역 내에서 서로 다른 광 흡수 특성을 가질 수 있다. 따라서, 챔버(300)에 수용된 가스의 광학 특성에 따라 광경로를 이동하는 광의 세기의 감쇄, 감소 정도는 다르게 나타날 수 있다. 또한, 챔버(300)에 수용된 가스의 농도에 따라 광원(200)에서 방출된 적외선 광의 세기가 감소되게 된다.
적외선 센서(100)는 이러한 적외선 광의 세기를 측정하여 가스 농도를 검지할 수 있다. 적외선 광의 세기의 감소 정도는 가스 농도에 비례하게 되므로 가스가 없을 때의 적외선 광의 세기와 가스가 있을 때의 적외선 광의 세기를 비교함으로써 가스 농도를 검지할 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 적외선 센서(100)는 측정하려는 대상 가스의 흡수 스펙트럼을 고려하여 검출 소자의 광학 특성이 설계될 수 있다. 또한, 적외선 센서(100)는 복수의 검출 소자를 포함하도록 구성되어 각각 적외선 광에 따른 검출 신호를 출력할 수 있다. 즉, 적외선 센서(100)는 멀티 채널로 구성될 수 있으며, 하나의 채널은 레퍼런스로 동작될 수 있다. 적외선 센서(100)는 복수의 검출 소자에서 출력되는 검출 신호에 기초하여 챔버(300) 내부의 가스 농도를 검지, 더욱 정확한 결과 값을 출력할 수 있다.
도 2를 참조하면, 적외선 센서(100)는 제1 검출 소자(100A), 제2 검출 소자(100B)를 포함할 수 있다.
제1 검출 소자(100A), 제2 검출 소자(100B)는 동일한 소자 구조를 가지도록 구성되되, 제1 검출 소자(100A)는 제1 광학 필터(110A)를 더 포함할 수 있다. 제1 광학 필터(110A)가 배치됨에 따라 제1 검출 소자(100A)가 센싱하기 되는 파장 대역의 변화가 발생할 수 있다. 제1 검출 소자(100A)는 제1 광학 필터(110A)에 의해 제2 검출 소자(100B)와 상이한 광학 특성, 흡수 스펙트럼을 가질 수 있다. 제1 검출 소자(100A)와 제2 검출 소자(100B)는 서로 다른 대역에서 광학 활성을 나타내는 복수 채널을 구성하게 된다. 제1 검출 소자(100A)와 제2 검출 소자(100B)에서 각각 출력되는 검출 신호에 기초하여 적외선 센서(100)는 챔버(300) 내부의 가스 농도를 검지, 더욱 정확한 결과 값을 출력할 수 있게 된다.
도 2에서, 제1 검출 소자(100A)와 제2 검출 소자(100B)은 하나의 원을 이등분한 형태, 즉, 반원의 형태로 검출 영역이 각각 정의된 것을 알 수 있다. 이러한 제1 검출 소자(100A)와 제2 검출 소자(100B)의 형상은 예시적인 것이나, 소형화된 가스 검출 장치(10)의 구조에서 검출의 효율성을 극대화하기 위한 형상에 해당한다.
또한, 제1 검출 소자(100A)의 제1 상부 전극(170A)과 제2 검출 소자(100B)의 제2 상부 전극(170B)은 검출 영역에서 광을 수광하는 것에 제한이 발생되지 않도록 반원의 테두리의 일 부분에 패터닝된 것을 알 수 있다. 다만, 이러한 제1 상부 전극(170A)과 제2 상부 전극(170B)의 구조는 예시적인 것으로, 본 발명의 실시예가 이에 한정되는 것은 아니다.
도 3은 도 2의 적외선 센서(100)를 A-A'를 따라 절단한 단면도로, 적외선 센서(100)의 수직 구조를 예시적으로 도시한다.
도 3을 참조하면, 적외선 센서(100)는 기판(120)을 기준으로 에피택셜 성장 또는 여러 제조 공정을 통해 형성된 복수의 구성을 포함할 수 있다.
기판(120)은 적외선 센서(100)의 다른 구성들을 지지하는 베이스 기판일 수 있으며, 주요 구성들을 성장시키기 위한 시드 기판 또는 호스트 기판일 수 있다. 기판(120) 상에 에피택셜층(검출 소자 구조층)이 성장될 수 있다. 검출 소자 구조층은 하부 컨택층(140), 광흡수층(150), 상부 컨택층(160)을 포함할 수 있다. 이러한, 검출 소자 구조층은 각 층의 주요 기능 및 재료의 비율 등을 기준으로 분류한 것으로, 에피택셜층의 세부적인 구조는 도 4와 같이 구성될 수 있다.
도 4를 참조하면, 기판(120)은 n+-도전형의 lnP 기판일 수 있다. 기판(120) 상에 형성된 하부 컨택층(140)은 복수의 버퍼층(141, 142)과 컨택층(143)를 포함할 수 있다. 복수의 버퍼층(141, 142)은 기판(120)과 광흡수층(150) 사이의 계면 스트레스를 감소하기 위한 버퍼 기능을 제공할 수 있다. 하부 버퍼층(141)은 기판(120)과 동일한 물질로 구성될 수 있으며, 상부 버퍼층(142)은 계면 스트레스를 광활성층(142)과 동일한 물질로 구성될 수 있다. 예시적으로, 하부 버퍼층(141)은 n+-lnP 버퍼로 구성될 수 있으며, 상부 버퍼층(142)은 n+-InAsxP1-x 버퍼로 구성될 수 있다.
특히, 상부 버퍼층(142)은 기판(120)과 광흡수층(150) 사이의 계면 스트레스를 순차적으로 감소시키기 위해 단계적으로 등급화된 버퍼(Graded buffer) 구조를 가질 수 있다. 상부 버퍼층(142)은 n+-InAsxP1-x 3원소 화합물 기반의 메타모픽 버퍼층(metamorphic buffer)으로, 격자 상수가 점차 증가되도록 구성될 수 있다. 즉, 상부 버퍼층(142)은 n+-InAsxP1-x의 As와 P의 조성 비율이 서서히 변화되도록 구성된 복수의 레이어를 포함할 수 있다. 도 4의 예시에서, 상부 버퍼층(142)은 n+-InAs0.40P0.60 버퍼로 구성된 제1 버퍼 레이어(142a), n+-InAs0.47P0.53 버퍼로 구성된 제2 버퍼 레이어(142b), n+-InAs0.54P0.46 버퍼로 구성된 제3 버퍼 레이어(142c), n+-InAs0.65P0.35 버퍼로 구성된 제4 버퍼 레이어(142d), n+-InAs0.68P0.32 버퍼로 구성된 제5 버퍼 레이어(142e) 및 n+-InAs0.65P0.35 버퍼로 구성된 제6 버퍼 레이어(142f)를 포함할 수 있다.
컨택층(143)은 제6 버퍼 레이어에 대응하는 비율의 화합물로 구성될 수 있다. 예시적으로, 컨택층(143)은 n+-InAs0.65P0.35 일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 컨택층(143)은 기판(120)까지 전계가 형성되는 것을 지원할 수 있으며, 기판(120)의 하부에 형성되는 하부 전극(130)에 전기적 신호를 제공되는 것을 지원할 수 있다.
광흡수층(150)은 검출 대상 가스에 대응하는 광학 특성을 가지기 위해 조성물이 설계될 수 있다. 실시예에서, 광흡수층(150)은 n--도전형의 InGaAs 3원소 화합물로 구성될 수 있다. 예시적으로, 광흡수층(150)은 2.8μm에서 광학 반응성(흡수)가 차단되는 광학 특성을 가지도록 n--In0.83Ga0.17As로 구성될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상부 컨택층(160)은 상부 전극(170)과의 전기적 연결을 위한 구성으로, p+-도전형의 컨택층(161)과 윈도우층(162)을 포함하도록 구성될 수 있다.
다시, 도 3을 참조하면, 적외선 센서(100)는 제1 검출 소자(100A)에 대응하는 제1 검출 영역(d1)과 제2 검출 소자(100B)에 대응하는 제2 검출 영역(d2)이 정의될 수 있으며, 상술한 에피택셜층은 각 검출 영역에 대응하여 패터닝되어, 각 검출 소자의 주요 구성을 구성한 상태에 해당한다.
하부 컨택층(140), 광흡수층(150), 상부 컨택층(160)은 제1 검출 영역(d1)에 대응하여 제1 하부 컨택층(140A), 제1 광흡수층(150A), 제1 상부 컨택층(160A)으로 패터닝되어 제1 검출 소자(100A)를 구성하며, 제2 검출 영역(d2)에 대응하여 제2 하부 컨택층(140B), 제2 광흡수층(150B), 제2 상부 컨택층(160B)으로 패터닝되어 제2 검출 소자(100B)를 구성하게 된다.
제1 검출 소자(100A)의 제1 상부 컨택층(160A)에는 제1 광학 필터(110A) 및 제1 상부 전극(170A)이 바로 배치될 수 있다. 제2 검출 소자(100B)의 제2 상부 컨택층(160B)에는 제1 상부 전극(170B)이 바로 배치될 수 있다. 하부 전극(130)은 기판(120)의 하부에 배치되게 된다.
또한, 제1 검출 소자(100A)과 제2 검출 소자(100B) 사이의 전기적 연결을 차단하고, 외부로부터 각 소자들을 보호하기 위한 보호층(180)이 증착될 수 있다. 보호층(180)은 실리콘 산화물(SiO2) 등으로 구성될 수 있으나, 본 발명의 실시예가 이에 한정되는 것은 아니다.
여기서, 제1 광학 필터(110A)는 복수 종류의 물질이 순서대로 교번된 DBR(distributed Bragg reflector)일 수 있다. 다만, 본 발명의 실시예가 이에 한정되는 것은 아니다.
제1 광학 필터(110A)가 제1 상부 컨택층(160A) 상부에 바로 배치됨에 따라, 제1 검출 소자(100A)의 광학 특성은 제2 검출 소자(100B)와 다르도록 조정될 수 있다. 실시예에서, 광흡수층(150)은 대상 가스의 흡수 특성을 고려하여 특정 파장에서 차단(컷오프, cut-off)되는 광학 특성을 가지도록 구성될 수도 있다. 제2 검출 소자(100A)는 설계된 광흡수층(150)에 따른 광학 특성을 가질 수 있으나, 제1 검출 소자(100A)는 제1 광학 필터(110A)에 의해 차단되는 파장이 조정, 쉬프트될 수 있다. 예시적으로, 제1 광학 필터(110A)는 실리콘과 실리콘 산화물이 교번하여 적층된 구조일 수 있으나, 2.7μm 높이로 구성되어, n--In0.83Ga0.17As로 구성된 광흡수층(150)의 광학 차단 특성이 나타나는 파장(2.8μm)보다 더 짧은 파장에서 발생하도록 쉬프트시킬 수 있다.
도 5를 참조하면, 제1 검출 소자(100A)의 제1 흡수 스펙트럼과 제2 검출 소자(100B)의 제2 흡수 스펙트럼을 도시한다. 제2 검출 소자(100B)는 제2 파장(W2)을 기준으로 제2 파장(W2)보다 긴 파장에 대한 분광 반응성(Spectral response)이 감소하는 광학 특성을 가진 것을 알 수 있다. 여기서, 분광 반응성은 해당 파장에서 검출 소자의 광 흡수성을 의미할 수 있다. 즉, 제2 파장(W2)을 기준으로 제2 검출 소자(100B)의 분광 반응성은 긴 파장으로 갈수록 감소되는 것을 알 수 있으며, 제3 파장(W3)에서 분광 반응성이 차단되는 것을 알 수 있다.
제1 검출 소자(100A)는 이러한 차단 특성이 제1 광학 필터(110A)에 의해 더 짧은 파장에서 나타나도록 쉬프트될 수 있다. 제1 흡수 스펙트럼은 제1 파장(W1)을 기준으로 긴 파장으로 이동됨에 따라 분광 반응성(Spectral response)이 감소하며, 제2 파장(W2)에서 분광 반응성이 차단되는 특성을 나타낸다.
제1 검출 소자(100A)와 제2 검출 소자(100B)가 상기와 같은 흡수 스펙트럼을 구성함에 따라, 적외선 센서(100)는 제1 파장(W1) 부터 제3 파장(W3)까지 광 흡수 특성을 나타내는 제1 가스(G1)에 대한 검지가 가능할 수 있다. 적외선 센서(100)가 검지할 수 있는 적외선 파장 대역이 확장될 수 있으며, 더욱 정확한 검지 성능뿐만 아니라 더욱 다양한 가스에 대한 검지가 가능할 수 있다.
몇몇 실시예에서, 제1 가스는 이산화탄소(CO2), 메탄(CH4), 암모니아(NH3) 또는 벤젠(C6H6)일 수 있다. 몇몇 실시예에 따른 가스 검출 장치(10)는 제1 가스의 종류에 따라, 제1 파장(W1), 제2 파장(W2) 및 제3 파장(W3)이 설정될 수 있다. 이산화탄소(CO2), 메탄(CH4), 암모니아(NH3) 및 벤젠(C6H6)은 제1 파장(W1) 부터 제3 파장(W3)에서 광 흡수 대역을 나타낼 수 있으나, 광 흡수 대역에서 가장 광 흡수가 크게 발생하는 주요 흡수 파장이 상이할 수 있다. 주요 흡수 파장은 광 흡수 대역의 다른 파장보다 광 흡수가 상대적으로 크게 나타내는 파장을 의미할 수 있다.
몇몇 실시예에서, 제1 파장(W1), 제2 파장(W2) 및 제3 파장(W3)은 제1 가스의 주요 흡수 파장을 고려하여 결정될 수 있다. 예시적인 실시예에서, 제2 파장(W2)은 제1 가스의 주요 흡수 파장과 동일한 피크를 가지도록 설정되며, 제1 파장(W1)은 제2 파장(W2)보다 짧은 파장, 즉, 제1 가스의 흡수가 일어나지 않는 파장으로 설정되고, 제3 파장(W3)은 가스 흡수 밴드를 포함하는 제2 파장(W2)보다 긴 파장으로 설정될 수 있다.
예시적으로, 이산화탄소(CO2)는 2.65μm의 주요 흡수 파장을 가지며, 메탄(CH4)은 2.3μm의 주요 흡수 파장을 가지며, 암모니아(NH3)는 2.27μm의 주요 흡수 파장을 가지며, 벤젠(C6H6)은 2.45μm의 주요 흡수 파장을 가질 수 있다. 이러한, 제1 가스의 흡수 스펙트럼의 파장 특성, 구체적으로, 주요 흡수 파장을 고려하여, 제1 파장(W1), 제2 파장(W2) 및 제3 파장(W3)은 설정될 수 있다. 예시적으로, 제1 가스가 이산화탄소(CO2)인 경우, 제1 파장(W1)은 2.45μm, 제2 파장(W2)은 2.65μm 및 제3 파장(W3)은 2.85μm로 설정될 수 있다. 제1 가스가 메탄(CH4)인 경우, 제1 파장(W1)은 2.1μm, 제2 파장(W2)은 2.3μm 및 제3 파장(W3)은 2.5μm로 설정될 수 있다. 제1 가스가 암모니아(NH3)인 경우, 제1 파장(W1)은 2.07μm, 제2 파장(W2)은 2.27μm 및 제3 파장(W3)은 2.47μm로 설정될 수 있다. 제1 가스가 벤젠(C6H6)인 경우, 제1 파장(W1)은 2.25μm, 제2 파장(W2)은 2.45μm 및 제3 파장(W3)은 2.65μm로 설정될 수 있다.가스 검출 장치(10)는 검지하려는 가스에 대응하는 파장의 광을 방출하도록 광원(200)을 설정하고, 적외선 센서(100)를 통해 해당 가스의 농도를 검지할 수 있다.
몇몇 실시예에서, 적외선 센서(100)는 제1 검출 소자(100A)에서 출력되는 제1 검출 신호와 제2 검출 소자(100B)에서 출력되는 제2 검출 신호에 기초하여 제1 가스(G1)의 농도를 판독하는 판독 소자를 포함할 수 있다. 판독 소자는 하부 전극(130)과 제1 상부 전극(170A)과 연결되어 제1 검출 신호를 수신하고, 하부 전극(130)과 제2 상부 전극(170B)과 연결되어 제2 검출 신호를 수신하도록 구성될 수 있다. 제1 검출 소자(100A)와 제2 검출 소자(100B)에서 각각 출력되는 제1, 제2 검출 신호에 기초하여 판독 소자는 챔버(300) 내부의 가스 농도를 검지할 수 있으며, 단일 소자, 단일 채널로 구성된 다른 센서에 비하여 더욱 정확한 결과 값을 출력할 수 있게 된다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 가스 검출 장치(10)의 적외선 센서(100)는 제3 검출 소자(100C)를 더 포함하도록 구성될 수 있다.
도 6에 도시된 바와 같이, 제1 내지 제3 검출 소자(100A 내지 100C)는 하나의 원을 삼등분한 형태로 검출 영역이 정의된 것을 알 수 있다. 이러한, 제1 내지 제3 검출 소자(100A 내지 100C)의 형상은 예시적인 것이나, 소형화된 가스 검출 장치(10)의 구조에서 검출의 효율성을 극대화하기 위한 형상에 해당한다.
도 7은 도 6의 A-A', B-B', C-C'를 절단한 부분의 단면을 함께 도시한 단면도로, 제1 검출 소자(100A) 내지 제3 검출 소자(100C)의 수직 구조를 확인할 수 있다.
제3 검출 소자(100C)는 밴드 패스 필터로 구성된 제2 광학 필터(110C)를 포함하도록 구성될 수 있다. 예시적인 실시예에서, 제2 광학 필터(110C)는 복수의 필터 레이어가 캐비티를 사이에 두고 배치된 패브리 페로 필터로 구성될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 제2 광학 필터(110C)는 제3 검출 소자(100C)의 제3 상부 컨택층(160C) 상에 바로 형성될 수 있다. 제2 광학 필터(110C)는 특정 파장 대역에서 높은 분광 반응성을 나타내고, 나머지 파장 대역에서는 분광 반응성이 나타나지 않도록 제3 검출 소자(100C)의 광학 특성을 설정할 수 있다.
도 8에 예시적으로 도시된 바와 같이, 적외선 센서(100)의 제3 검출 소자(100C)는 제1 파장(W1) 부터 제3 파장(W3)에서 높은 분광 반응성을 나타내고, 나머지 파장 대역에서는 분광 반응성이 나타나지 않는 제3 흡수 스펙트럼을 가질 수 있다. 구체적으로, 제3 흡수 스펙트럼은 제1 파장(W1)부터 파장이 증가함에 따라 분광 반응성이 증가하는 경향을 나타내며, 제2 파장(W2)의 주변에서 가장 높은 분광 반응성을 나타내는 것을 알 수 있다. 제3 흡수 스펙트럼은 제2 파장(W2)에서 제3 파장(W3)까지 파장이 증가함에 따라 분광 반응성이 감소하는 경향을 나타내는 것을 알 수 있다.
몇몇 실시예에서, 검지 가능한 제1 가스는 이산화탄소(CO2), 메탄(CH4), 암모니아(NH3) 또는 벤젠(C6H6)일 수 있다. 몇몇 실시예에 따른 가스 검출 장치(10)는 제1 가스의 종류에 따라, 제1 파장(W1), 제2 파장(W2) 및 제3 파장(W3)이 설정될 수 있다. 예시적으로, 제1 가스가 이산화탄소(CO2)인 경우, 제1 파장(W1)은 2.45μm, 제2 파장(W2)은 2.65μm 및 제3 파장(W3)은 2.85μm로 설정될 수 있다. 제1 가스가 메탄(CH4)인 경우, 제1 파장(W1)은 2.1μm, 제2 파장(W2)은 2.3μm 및 제3 파장(W3)은 2.5μm로 설정될 수 있다. 제1 가스가 암모니아(NH3)인 경우, 제1 파장(W1)은 2.07μm, 제2 파장(W2)은 2.27μm 및 제3 파장(W3)은 2.47μm로 설정될 수 있다. 제1 가스가 벤젠(C6H6)인 경우, 제1 파장(W1)은 2.25μm, 제2 파장(W2)은 2.45μm 및 제3 파장(W3)은 2.65μm로 설정될 수 있다.
제3 검출 소자(100C)는 챔버(300) 내에 충진된 가스 및 광원(200)의 적외선 광의 파장에 대응하여 제3 검출 신호를 출력할 수 있다. 적외선 센서(100)는 제1 검출 신호, 제2 검출 신호뿐만 아니라, 제3 검출 신호를 더 고려하여 제1 가스의 농도를 검지할 수 있으며, 이에 따라 더욱 정확한 검지 성능을 제공할 수 있다.
본 발명의 몇몇 실시예에 따른 가스 검출 장치의 제조 방법은 상술한 실시예에 따른 가스 검출 장치(10)를 제조하기 위한 방법일 수 있다. 따라서, 실시예에 따른 제조 방법에 대한 설명에, 도 1 내지 도 8 및 관련된 내용이 참조될 수 있다.
몇몇 실시예에 따른 가스 검출 장치를 제조 방법은 적외선 센서를 준비하는 단계(S100), 제1 광원 및 챔버를 준비하는 단계(S200), 상기 적외선 센서와 상기 챔버를 결합하는 단계(S300)를 포함할 수 있다.
단계(S100)에서 적외선 센서(100)가 준비되며, 단계(S200)에서 제1 광원(200) 및 챔버(300)가 각각 준비되고, 단계(S300)에서 준비된 구성들 사이의 결합, 연결을 통해 가스 검출 장치(10)가 제조될 수 있다.
여기서, 챔버(300)는 내부에 제1 가스가 수용되도록 구성되고, 제1 광원에서 발생되는 제1 광이 이동하는 광 경로를 제공할 수 있다.
단계(S300)에서, 적외선 센서(100), 제1 광원(200) 및 챔버(300)가 결합될 수 있다. 챔버(300)는 일방향을 따라 연장된 구조일 수 있으며, 제1 광원(200)은 챔버(300)의 일단에 배치되고, 적외선 센서(100)는 챔버(300)의 타단에 배치되어 결합될 수 있다. 광원(200)은 2.1μm 부터 2.9μm 파장 대역 중에서 가스 흡수 대역의 적외선 광을 출력하도록 구성된 다중 양자 우물층을 포함하는 적외선 다이오드일 수 있다. 적외선 센서(100)는 이러한 적외선 광의 세기를 측정하여 가스 농도를 검지할 수 있다. 적외선 광의 세기의 감소 정도는 가스 농도에 비례하게 되므로 가스가 없을 때의 적외선 광의 세기와 가스가 있을 때의 적외선 광의 세기를 비교함으로써 가스 농도를 검지할 수 있다.
도 9를 참조하면, 단계(S100)는 검출 소자 구조층(에피택셜층)을 형성하는 단계(S110), 검출 소자 구조층 상에 광학 필터층을 형성하는 단계(S120), 광학 필터층을 에칭하여 제1 검출 소자 영역에 대응되는 제1 광학 필터를 형성하는 단계(S130) 및 검출 소자 구조층을 에칭하여 검출 소자를 형성하는 단계(S140)를 포함한다.
단계(S110)에서, 기판(120)은 III/V 족 화합물 반도체 물질로 형성된 기판일 수 있다. 검출 소자 구조층은 Ga, Al, In 등 III 족 물질과 As, P, Sb V족 물질을 결합시킨 III/V 족 화합물 반도체 물질로 형성될 수 있다. 검출 소자 구조층은 갈륨아세나이드(GaAs), 인듐갈륨아세나이드(InGaAs) 및 인듐포스페이트(InP) 인듐안티모나이드(InSb), 제2형 초격자(Type II superlattice) 중 어느 하나를 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
단계(S110)에서, 검출 소자 구조층(에피택셜층)을 성장시키는 공정은 분자 빔 에피택시(MBE: Molecular Beam Epitaxy), 금속 유기 화학 증착(MOCVD: Metal-Organic Chemical Vapor Deposition) 또는 하이드라이드 증기 상 에피택시(HVPE: Hydride Vapor Phase Epitaxy) 등과 같은 공지된 반도체 제조 기술을 통해 수행될 수 있다.
도 10의 (a)는 기판(120) 상에 검출 소자 구조층(에피택셜층)이 형성된 예시적인 이미지를 도시한다. 즉, 기판(120) 상에 에피택셜 성장을 통해 하부 컨택층(140), 광흡수층(150), 상부 컨택층(160)이 구성된 것을 알 수 있다.
다음으로, 검출 소자 구조층 상에 광학 필터층을 형성한다(S120).
단계(S120)에서, 검출 소자 구조층 상에 광학 필터층(110)이 형성될 수 있다. 광학 필터층(110)은 DBR일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며 복수의 DBR이 캐비티를 사이에 두고 배치된 페브리 페로 필터로 구성될 수도 있다. 예시적으로, 광학 필터층(110)은 실리콘(Si)/실리콘 산화물(SiO2)가 교대로 적층된 DBR일 수 있으며, e-beam evaporator 등을 통한 증착 공정을 통해 형성될 수 있다. 예시적으로, 단계(S120)에서, 도 10의 (b)와 같은 광학 필터층(110)은 검출 소자 구조층 상에 바로 형성되게 된다.
단계(S130)에서, 광학 필터층(110)을 에칭하여 제1 검출 소자 영역에 대응되는 제1 광학 필터(110A)를 형성할 수 있다. 단계(S130)에서, 광학 필터층(110)의 에칭은 반응성 이온 에칭을 통해 패터닝될 수 있다. 예시적으로, 단계(S130)에서, 광학 필터층(110)은 패터닝될 수 있으며, 도 10의 (c)와 같은 제1 광학 필터(110A)가 구성되게 된다.
다음으로, 검출 소자 구조층을 에칭하여 검출 소자를 형성하는 단계(S140)가 수행될 수 있다.
단계(S140)에, 제1 검출 소자와 제2 검출 소자를 구분하기 위한 메사 에칭(Mesa etching)이 반응성 이온 식각 등을 통해 수행될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 단계(S140)는 고밀도 플라즈마(High density plasma, HDP)를 이용하는 ICP-반응성 이온 식각(ICP RIE etching)을 통해 수행될 수 있으나, 본 발명의 실시예가 이에 한정되는 것은 아니다.
도 11의 (a)를 참조하면, 검출 소자 구조층에 대한 에칭을 통해 제1 검출 소자와 제2 검출 소자가 구성된 것을 알 수 있다.
단계(S140)는 제1 검출 소자와 제2 검출 소자를 보호하기 위한 보호층(180)을 형성하는 단계, 상부 전극(170)을 패터닝하는 단계, 하부 전극(180)을 기판(120)의 하부에 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
도 11의 (b)를 참조하면, 제1 검출 소자와 제2 검출 소자의 노출된 측면을 보호하기 보호층(180)이 형성된 것을 알 수 있다. 보호층(180)은 실리콘 산화물(SiO2)일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
도 11의 (c)를 참조하면, 판독 소자와의 전기적 연결을 위한 상부 전극(170)이 상부 컨택층 상에 형성되는 것을 알 수 있다. 상부 전극(170)은 Pd, Ti, Cr 및 Au로 구성된 그룹에서 선택된 어느 하나 또는 선택된 복수의 금속 화합물로 구성될 수 있으나, 본 발명의 실시예가 이에 한정되는 것은 아니다.
도 11의 (d)를 참조하면, 판독 소자와의 전기적 연결을 위한 하부 전극(180)이 기판의 하부에 형성된 것을 알 수 있다. 하부 전극(180)은 Pd, Ge 및 Au로 구성된 그룹에서 선택된 어느 하나 또는 선택된 복수의 금속 화합물로 구성될 수 있으나, 본 발명의 실시예가 이에 한정되는 것은 아니다.
실시예에서, 상기 제2 검출 소자는 제2 파장을 기준으로 분광 반응성이 감소되어 상기 제2 파장보다 긴 제3 파장에서 분광 반응성이 차단되며, 상기 제1 검출 소자는 상기 제1 광학 필터에 의해 상기 제2 파장보다 짧은 제1 파장을 기준으로 분광 반응성이 감소되어 분광 반응성이 차단될 수 있다.
또한, 몇몇 실시예에서, 광학 필터층을 에칭하여 제1 검출 소자 영역에 대응되는 제1 광학 필터를 형성하는 단계(S130)는, 상기 광학 필터층을 에칭하여 상기 제1 검출 소자 영역 및 상기 제2 검출 소자 영역 중 적어도 하나에 이웃하는 제3 검출 소자 영역에 대응하는 제2 광학 필터를 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
도 12의 (a)를 참조하면, 제1 광학 필터층(111)은 실리콘(Si)/실리콘 산화물(SiO2)가 교대로 적층된 DBR일 수 있으며, e-beam evaporator 등을 통한 증착 공정을 통해 형성될 수 있다. 제1 광학 필터층(111)은 검출 소자 구조층, 구체적으로, 상부 컨택층(160)을 전체적으로 커버하도록 형성될 수 있다.
다음으로, 제1 광학 필터층(111)에 대한 부분 식각이 수행될 수 있다. 제1 광학 필터층(111)에 대한 부분 식각은 후술하는 제2 광학 필터층(112)를 형성하기 위한 검출 소자 구조층 상의 공간을 형성하기 위한 공정일 수 있다. 도 12의 (b)를 참조하면, 제1 광학 필터층(111)에 대한 부분 식각이 수행되고, 일정 높이와 일정 영역에 대응하는 제1 광학 필터층(111)이 잔존하게 되는 것을 알 수 있다. 여기서, 제1 광학 필터층(111)에 대한 에칭은 제1 검출 소자 영역에 대응하도록 수행될 수 있다. 이번 단계에서 수행되는 제1 광학 필터층(111)에 대한 에칭을 통해 제1 검출 소자 영역에 대응하는 제1 광학 필터(110A)가 형성, 정의되게 된다.
도 12의 (c)를 참조하면, 이와 같이 식각된 상태에서 제2 광학 필터층(112)이 전체적으로 커버하도록 형성되게 된다. 제2 광학 필터층(112)은 제1 광학 필터층(111)과 서로 다른 광학 특성을 제공하는 필터일 수 있으며, 서로 다른 구조 또는 서로 다른 물질로 구성될 수 있다. 예시적인 실시예에서, 제2 광학 필터층(112)은 복수의 필터층이 캐비티를 사이에 두고 배치된 패브리 페로 필터로 구성될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 단계에서, 제2 광학 필터층(112)은 제1 광학 필터층(111) 상부 및 검출 소자 구조층 상부에도 형성된 것을 알 수 있다.
다음으로, 제2 광학 필터층(112)에 대한 식각 공정이 수행될 수 있으며, 제2 광학 필터층(112)은 제3 검출 소자 영역에 대응하도록 식각될 수 있다. 즉, 도 12의 (d)에 도시된 바와 같이, 제3 검출 소자 영역에 대응하는 위치의 제2 광학 필터층(112)이 잔존하며, 나머지 영역에 대응하는 제2 광학 필터층(112)은 제거되게 된다. 여기서, 이번 단계에서 수행되는 제2 광학 필터층(112)에 대한 에칭을 통해 제3 검출 소자 영역에 대응하는 제2 광학 필터(110C)가 형성, 정의되게 된다.
다음으로, 후술하는 공정에서의 다른 구성을 형성하기 위한 공간을 형성하기 위해, 제1 광학 필터(110A)와 제2 광학 필터(110C)에 대한 패터닝이 도 12의 (e)와 같이 수행되게 된다.
광학 필터층(110)을 에칭하여 제1 검출 소자 영역에 대응되는 제1 광학 필터(110A)를 형성되고, 제3 검출 소자 영역에 대응하는 제2 광학 필터가 형성될 수 있다. 제2 검출 소자 영역에 대응하는 영역에는 광학 필터가 구성되지 않을 수 있다. 광학 필터층(110)의 에칭은 반응성 이온 에칭을 통해 패터닝될 수 있다. 제2 광학 필터(110C)는 제1 광학 필터(110A)와 다른 광학 특성을 가질 수 있도록 조절되어 패터닝이 수행될 수 있다.
또한, 검출 소자를 형성하는 단계(S140)는 상기 검출 소자 구조층을 에칭하여 상기 제3 검출 소자 영역에 대응하는 제3 검출 소자(100C)를 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
도 13의 (a)를 참조하면, 검출 소자 구조층에 대한 에칭을 통해 제1 검출 소자(100A), 제2 검출 소자(100B) 및 제3 검출 소자(100C)가 구성되게 된다. 도 13의 (b)를 참조하면, 제1 검출 소자(100A), 제2 검출 소자(100B) 및 제3 검출 소자(100C)의 노출된 측면을 보호하기 보호층(180)이 형성되게 된다. 보호층(180)은 실리콘 산화물(SiO2)일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 도 13의 (c)를 참조하면, 판독 소자와의 전기적 연결을 위한 상부 전극(170)이 상부 컨택층 상에 형성된다. 제1 검출 소자(100A)에 제1 상부 전극(170A), 제2 검출 소자(100B)에 제2 상부 전극(170B), 제3 검출 소자(100C)에 제3 상부 전극(170C)이 각각 패터닝될 수 있다. 다음으로, 도 13의 (d)에서 하부 전극(170)의 기판의 하부에 형성될 수 있다.
여기서, 제2 광학 필터(110C)는 밴드 패스 필터로 구성되어 제3 검출 소자(100C)는 특정 파장 대역에서 높은 분광 반응성을 나타내고, 나머지 파장 대역에서는 분광 반응성이 나타나지 않도록 광학 특성이 설정될 수 있다.
본 발명의 몇몇 실시예에 따른 복수 채널 가스 검출 장치는 제1 검출 소자와 제2 검출 소자로 구성된 적외선 센서를 통해 복수 채널을 식별하도록 구성되어 더욱 정확한 가스 농도 검지 결과를 출력할 수 있다.
본 발명의 몇몇 실시예에 따른 가스 검출 장치의 제조 방법에서, 적외선 센서는 제조 과정에서 광학 필터가 검출 소자의 상부에 바로 형성될 수 있다. 이에 따라, 종래와 같이 별도의 필터가 요구되지 않으며 가스 검출 장치가 소형화될 수 있으며, 가스 검출 소자를 제조하는 과정에서 별도의 필터를 연결하는 과정이 불필요하게 되어 더욱 효율적으로 적외선 센서를 제작하는 것이 가능할 수 있다.
또한, 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 가스 검출 장치의 제조 방법에서, 적외선 센서는 복수의 검출 소자에 대한 제조 공정이 동시에 수행될 수 있으며, 멀티 채널을 센싱할 수 있는 적외선 센서가 제조될 수 있다. 즉, 종래와 같이 복수의 적외선 센서를 각각 구성하지 않더라도 멀티 채널을 구성할 수 있어 가스 검출 장치의 더욱 효율적인 제조가 가능할 수 있다.
이상의 설명은 본 실시예의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 실시예들은 본 실시예의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 실시예의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 실시예의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 실시예의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (10)

  1. 적어도 제1 가스를 센싱하기 위한 가스 검출 장치로, 상기 가스 검출 장치는:
    적외선 대역의 광을 출력하는 광원;
    내부에 상기 제1 가스가 수용되며, 상기 광원에서 출력되는 광이 이동하는 광경로를 제공하는 챔버; 및
    상기 광경로를 따라 이동한 상기 광을 입사 받아 상기 광의 세기에 따른 검출 신호를 출력하는 적외선 센서를 포함하되,
    상기 적외선 센서는,
    제1 검출 소자;
    상기 제1 검출 소자와 이웃한 제2 검출 소자; 및
    상기 제1 검출 소자에 대응하여 배치된 제1 광학 필터를 포함하고,
    상기 제1 검출 소자는 제1 하부 컨택층, 상기 제1 하부 컨택층 상부에 형성된 제1 광흡수층 및 상기 제1 광흡수층 상부에 형성된 제1 상부 컨택층을 포함하며,
    상기 제1 광학 필터는 상기 제1 상부 컨택층 상에 바로 배치되고,
    상기 제2 검출 소자는, 제2 하부 컨택층, 상기 제2 하부 컨택층 상부에 형성된 제2 광흡수층 및 상기 제2 광흡수층 상부에 형성된 제2 상부 컨택층을 포함하며,
    상기 제2 검출 소자의 상기 제2 광흡수층은 제2 파장을 기준으로 분광 반응성이 감소되어 상기 제2 파장보다 긴 제3 파장에서 분광 반응성이 차단되는 광학 특성을 가지며,
    상기 제1 검출 소자의 상기 제1 광흡수층은 상기 제1 광학 필터에 의해 광학 차단 특성이 나타나는 파장이 쉬프트되어 상기 제2 파장보다 짧은 제1 파장을 기준으로 분광 반응성이 감소되어 분광 반응성이 차단되고,
    상기 제1 가스는 상기 제2 파장 내지 상기 제3 파장에서 광 흡수를 일으키고,
    상기 제1 광학 필터는 DBR(distributed Bragg reflector)로 구성되는,
    가스 검출 장치.
  2. 삭제
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 검출 소자에서 출력되는 제1 검출 신호와 상기 제2 검출 소자에서 출력되는 제2 검출 신호에 기초하여 상기 제1 가스의 농도를 판독하는 판독 소자를 더 포함하는,
    가스 검출 장치.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 검출 소자 및 상기 제2 검출 소자 중 적어도 하나와 이웃하는 제3 검출 소자를 더 포함하고,
    상기 제3 검출 소자에 대응하여 배치된 제2 광학 필터를 더 포함하며,
    상기 제3 검출 소자는 상기 제2 광학 필터에 의해, 상기 제1 파장 내지 상기 제3 파장에서 분광 반응성을 나타내는,
    가스 검출 장치.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 가스는 이산화탄소(CO2), 메탄(CH4), 암모니아(NH3) 또는 벤젠(C6H6)인 것을 특징으로 하는,
    가스 검출 장치.
  6. 삭제
  7. 적외선 센서를 준비하는 단계;
    제1 광원 및 챔버를 준비하는 단계로서, 상기 챔버는 내부에 제1 가스가 수용되도록 구성되고, 상기 제1 광원에서 발생되는 제1 광이 이동하는 광 경로를 제공하는, 단계; 및
    상기 적외선 센서, 상기 제1 광원 및 상기 챔버를 결합하는 단계를 포함하되,
    상기 적외선 센서를 준비하는 단계는,
    기판 상에 검출 소자 구조층을 형성하는 단계;
    상기 검출 소자 구조층 상에 증착 공정을 통해 광학 필터층을 형성하는 단계;
    상기 광학 필터층을 에칭하여 제1 검출 소자 영역에 대응되는 제1 광학 필터를 형성하는 단계; 및
    상기 검출 소자 구조층을 에칭하여 검출 소자를 형성하는 단계를 포함하되,
    상기 검출 소자를 형성하는 단계는,
    상기 검출 소자 구조층을 에칭하여 상기 제1 검출 소자 영역에 대응하는 제1 검출 소자를 형성하고, 상기 검출 소자 구조층을 에칭하여 상기 제1 검출 소자 영역에 이웃하는 제2 검출 소자 영역에 대응하는 제2 검출 소자를 형성하는 단계를 포함하는,
    가스 검출 장치의 제조 방법.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 제2 검출 소자는 제2 파장을 기준으로 분광 반응성이 감소되어 상기 제2 파장보다 긴 제3 파장에서 분광 반응성이 차단되며,
    상기 제1 검출 소자는 상기 제1 광학 필터에 의해 상기 제2 파장보다 짧은 제1 파장을 기준으로 분광 반응성이 감소되어 분광 반응성이 차단되는,
    가스 검출 장치의 제조 방법.
  9. 제7 항에 있어서,
    상기 광학 필터층을 에칭하여 제1 검출 소자 영역에 대응되는 제1 광학 필터를 형성하는 단계는, 상기 광학 필터층을 에칭하여 상기 제1 검출 소자 영역 및 상기 제2 검출 소자 영역 중 적어도 하나에 이웃하는 제3 검출 소자 영역에 대응하는 제2 광학 필터를 형성하는 단계를 더 포함하며,
    상기 검출 소자를 형성하는 단계는 상기 검출 소자 구조층을 에칭하여 상기 제3 검출 소자 영역에 대응하는 제3 검출 소자를 형성하는 단계를 더 포함하는,
    가스 검출 장치의 제조 방법.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 제2 검출 소자는 제2 파장을 기준으로 분광 반응성이 감소되어 상기 제2 파장보다 긴 제3 파장에서 분광 반응성이 차단되며,
    상기 제1 검출 소자는 상기 제1 광학 필터에 의해 상기 제2 파장보다 짧은 제1 파장을 기준으로 분광 반응성이 감소되어 분광 반응성이 차단되고,
    상기 제3 검출 소자는 상기 제2 광학 필터에 의해, 상기 제1 파장 내지 상기 제3 파장에서 분광 반응성을 나타내는 것을 특징으로 하는,
    가스 검출 장치의 제조 방법.
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