KR102637109B1 - 메타 표면용 광학 박막 및 이를 포함하는 메타 광학 소자 - Google Patents

메타 표면용 광학 박막 및 이를 포함하는 메타 광학 소자 Download PDF

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Abstract

광학 박막은 지지층; 상기 지지층 상에 상기 지지층의 굴절률보다 높은 굴절률을 가지도록 형성된 것으로, 3족 원소 A, 5족 원소 D, A 또는 D보다 작은 원자량을 가지는 원소 X로 이루어진 화합물 ADX를 포함하는, 유전체층;을 포함한다. 이러한 광학 박막은 고굴절, 저흡수의 투광 성능을 나타낼 수 있다.

Description

메타 표면용 광학 박막 및 이를 포함하는 메타 광학 소자{Optical thin film for metasurface and meta optical device including the same}
개시된 실시예들은 메타 표면용 광학 박막 및 이를 포함하는 메타 광학 소자 에 대한 것이다.
메타 구조(meta structure)는 입사광의 파장보다 작은 수치가, 두께, 패턴, 또는 주기 등에 적용된 인공적인 구조로서, 회절현상의 물리적 제약을 넘어서는 광학적 특성을 나타낸다.
이러한 메타 구조 형성을 위해 원하는 파장 대역의 광에 대해 높은 굴절률(refractive index)과 낮은 흡수율(소멸 계수, extinction coefficient)을 가지는 물질이 선호되지만, 굴절률과 흡수율은 대체로 비례하는 경향이 있어, 이러한 두가지 요건에 모두 부합하는 물질을 확보하는데 어려움이 있다.
예를 들어, Si의 경우, 1550nm 파장 대역의 광에 대해 3.5의 굴절률, 1x10-3 이하의 소멸계수를 나타내는데, 가시광선 파장 대역의 광에 대해서는 흡수율이 대폭 증가하여 이를 광학 소자에 응용하기 어려워진다. 가시광선 파장 대역의 광에 대해 1x10-5 이하의 소멸 계수를 나타내는 TiO2의 경우 가시광선 파장 대역의 광에 대해 알려진 최대 굴절률이 2.45정도에 불과하다.
높은 굴절률과 낮은 흡수율을 가지는 광학 박막이 제공된다.
광학 박막을 활용한 메타 광학 소자가 제공된다.
일 유형에 따르면, 지지층; 상기 지지층 상에 상기 지지층의 굴절률보다 높은 굴절률을 가지도록 형성된 것으로, 3족 원소 A, 5족 원소 D, A 또는 D보다 작은 원자량을 가지는 원소 X로 이루어진 화합물 ADX를 포함하는, 유전체층;을 포함하는, 광학 박막이 제공된다.
상기 화합물은 GaPX 또는 AlAsX를 포함할 수 있다.
상기 X는 Al, N, P 또는 O일 수 있다.
상기 화합물은 GaNaP1-a(0<a<1) 또는 AlaGa1-aP(0<a<1)를 포함할 수 있다.
상기 화합물은 AlAs1-bYb(0<b<1)를 포함하며, Y는 P 또는 N일 수 있다.
상기 화합물은 GaPaOb(0<a<1, 0<b<1) 또는 AlAsaOb(0<a<1, 0<b<1)를 포함할 수 있다.
상기 화합물은 GaNaPbOc(0<a, b, c<1) 또는 AlGaaPbOc(0<a, b, c<1)를 포함할 수 있다.
상기 화합물은 AlAsaYbOc(0<a, b, c<1)를 포함하며, Y는 P 또는 N일 수 있다.
상기 화합물은 AlxGayNzPw(x+y=z+w, 0<x,y,z,w<1), GaxAsyNzPw(x=y+z+w, 0<x,y,z,w<1), AlxAsyNzPw(x=y+z+w, 0<x,y,z,w<1), AlxGayAszNw(x+y=z+w, 0<x,y,z,w<1), AlxGayAszPw(x+y=z+w, 0<x,y,z,w<1), 또는 AlxGayAszNwPv(x+y=z+w+v)를 포함할 수 있다.
상기 화합물은 AlxGayNzPwOv(0<x,y,z,w,v<1), GaxAsyNzPwOv (0<x,y,z,w,v<1), AlxAsyNzPwOv (0<x,y,z,w,v<1), AlxGayAszNwOv (0<x,y,z,w,v<1), AlxGayAszPwOv (0<x,y,z,w,v<1), 또는 AlxGayAszNwPvOu (0<x,y,z,w,v,u<1)를 포함할 수 있다.
상기 ADXa(0<a<1)의 3족 원소 A와 5족 원소 D로 이루어지는 화합물 AD는 가시광선 파장 대역의 광에 대해 굴절률이 3.3보다 큰 굴절률과 0.05보다 작은 흡수율을 갖도록, A, D가 설정될 수 있다.
상기 ADXa(0<a<1)는 가시광선 파장 대역의 광에 대해, 3보다 큰 굴절률과 3x10-3 보다 작은 흡수율을 가지도록, 상기 A, D, X, a 가 설정될 수 있다.
또한, 일 유형에 따르면, 지지층; 및 상기 지지층 상에 형성되어 입사광의 위상을 위치에 따라 소정 규칙으로 변화시키는 형상 분포를 형성하도록 배열된 것으로, 3족 원소 A, 5족 원소 D, A 또는 D보다 작은 원자량을 가지는 원소 X로 이루어진 화합물로 이루어지고, 상기 입사광의 파장보다 작은 형상 치수를 가지는 복수의 나노구조물;을 포함하는, 메타 광학 소자가 제공된다.
상기 화합물은 GaPX 또는 AlAsX를 포함할 수 있다.
상기 X는 Al, N, P 또는 O일 수 있다.
상기 화합물은 GaNaP1-a(0<a<1), AlaGa1-aP(0<a<1), AlAs1-bPb(0<b<1) 또는 AlAs1-bNb(0<b<1)를 포함할 수 있다.
상기 화합물은 GaPaOb(0<a<1, 0<b<1), AlAsaOb(0<a<1, 0<b<1), GaNaPbOc(0<a, b, c<1), AlGaaPbOc(0<a, b, c<1), AlAsaPbOc(0<a, b, c<1), AlAsaNbOc(0<a, b, c<1)를 포함할 수 있다.
상기 입사광의 파장은 300nm~1000nm일 수 있다.
상기 나노구조물은 원기둥 형상 또는 다각 기둥 형상 또는 스트라이프 형상을 가질 수 있다.
상기 메타 광학 소자는 상기 화합물의 굴절률보다 작은 재질로 이루어지며 상기 복수의 나노구조물을 덮도록 형성된 보호층;을 더 포함할 수 있다.
상기 복수의 나노구조물은 상기 지지층으로부터의 이격 거리가 다른 복수층으로 배열될 수 있다.
상기 메타 광학 소자는 오목 렌즈, 볼록 렌즈, 빔 디플렉터, 빔 스플리터, 공진기, 또는 컬러 필터로 기능하도록, 상기 복수의 나노구조물의 형상 분포가 설정될 수 있다.
상술한 광학 박막은 고굴절, 저손실의 광 투과 특성을 나타낼 수 있다.
상술한 광학 박막은 메타 표면으로 패터닝되어 메타 광학 소자에 적용될 수 있다.
상술한 메타 광학 소자는 원하는 파장 대역의 광에 대해 원하는 형태의 광 변조 성능을 구현하기에 유리하며 또한, 변조 범위를 넓히고 광 효율을 높이기 유리하다.
도 1은 실시예에 따른 광학 박막의 개략적인 구조를 보이는 단면도이다.
도 2a 내지 도 2d는 실시예에 따른 광학 박막의 제조방법을 설명하는 도면들이다.
도 3 및 도 4는 후열처리 온도에 따라 3-5족 화합물의 굴절률, 소멸 계수가 달라지는 것을 예시적으로 보이는 그래프이다.
도 5 내지 도 13은 다양한 실시예에 따른 메타 광학 소자의 개략적인 구조를 보이는 도면들이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 설명되는 실시예는 단지 예시적인 것에 불과하며, 이러한 실시예들로부터 다양한 변형이 가능하다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다.
이하에서, "상부" 나 "상"이라고 기재된 것은 접촉하여 바로 위에 있는 것뿐만 아니라 비접촉으로 위에 있는 것도 포함할 수 있다.
제 1, 제 2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 이러한 용어들은 구성 요소들의 물질 또는 구조가 다름을 한정하는 것이 아니다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
또한, 명세서에 기재된 “...부”, “모듈” 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
“상기”의 용어 및 이와 유사한 지시 용어의 사용은 단수 및 복수 모두에 해당하는 것일 수 있다.
방법을 구성하는 단계들은 설명된 순서대로 행하여야 한다는 명백한 언급이 없다면, 적당한 순서로 행해질 수 있다. 또한, 모든 예시적인 용어(예를 들어, 등등)의 사용은 단순히 기술적 사상을 상세히 설명하기 위한 것으로서 청구항에 의해 한정되지 않는 이상 이러한 용어로 인해 권리 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 실시예에 따른 광학 박막의 개략적인 구조를 보이는 단면도이다.
광학 박막(1000)은 지지층(SU) 및 지지층(SU) 상에 상기 지지층(SU)의 굴절률보다 높은 굴절률을 가지는 유전체층(100)을 포함한다.
지지층(SU)은 투명 기판일 수 있다. 지지층(SU)은 예를 들어, 글래스(glass) 기판, 산화실리콘(SiO2) 기판, 또는 PMMA(polymethyl methacrylate), PDMS(Polydimethylsiloxane)와 같은 폴리머 기판, 또는 실리콘(Si)일 수 있다.
유전체층(100)은 메타 표면(meatsurface)으로 패터닝되어 다양한 메타 광학 소자에 적용되는 것으로, 원하는 파장 대역의 광에 대해 적합한 굴절률과 흡수율을 가지는 물질로 구성된다.
메타 표면은 위치에 따라 정해지는 소정의 위상 변조(phase shift)를 행하도록 되며, 손실이 적은 광투과 성능을 갖기 위해, 적절한 굴절률과 흡수율을 가지는 재질로 형성된다. 여기서, 적절한 굴절률과 흡수율은 높은 굴절률과 낮은 흡수율을 의미하며, 예를 들어, 원하는, 변조 대상인 파장 대역의 광에 대해 3보다 큰 굴절률, 3x10-3 보다 작은 소멸 계수(extinction coefficient)(k)를 의미한다. 이하에서, 흡수율, 소멸계수, k의 표현은 혼용될 수 있다. 상기 파장 대역은 300nm~1000nm의 범위일 수 있다. 상기 파장 대역은 근적외선 대역인 750nm~1000nm의 범위일 수 있다. 또는, 상기 파장 대역은 가시광선 대역인, 400~750nm의 범위일 수 있다.
유전체층(100)은 Ⅲ-V족 화합물에 소정 원소가 도핑된 화합물을 포함할 수 있다. 이러한 화합물은 3족 원소 A, 5족 원소 D, A 또는 D보다 작은 원자량을 가지는 원소 X로 이루어진 ADX일 수 있다.
유전체층(100)을 이와 같이 구성하는 것은 일반적인 저손실(low loss)(k<10-3) 유전체 물질의 굴절률은 약 2.5 미만으로 낮고, 일반적인 Ⅲ-V족 화합물에서 나타나는, 약 3보다 큰 굴절률을 가지는 물질의 흡수율(k)는 3x10-3으로 높게 나타나는 한계를 극복하기 위한 것이다.
이에 대해서는 표 1 내지 표 3를 참조하여 상세히 살펴보기로 한다.
다음 표 1은 Ⅲ-V족 화합물의 밴드갭 에너지와, 450nm 파장의 광에 대해 나타내는 굴절률(n), 흡수율(k)을 보인다.
상기 표에서 나타나는 바와 같이, 굴절률(n@450nm)과 흡수율(k@450nm)은 서로 비례하는 경향이 있다. 다시 말하면, 굴절률이 높은 재질의 흡수율도 높아 원하는 높은 굴절률과 낮은 흡수율이 만족되지 않는다.
실시예에 따른 유전체층(100)은 ADXa(0<a<1)를 구성함에 있어, 원하는 높은 굴절률과 낮은 흡수율을 나타내지 못하는 Ⅲ-V족 화합물 중, 기타 합금원소와의 alloy에 의해 굴절률 또는 흡수율을 원하는 범위 내로 조절할 수 있는 물질을 A, D로 선택하고 있다. 예를 들어, 3족 원소 A와 5족 원소 D로 이루어지는 화합물 AD는 가시광선 파장 대역의 광에 대해 굴절률이 3.3보다 큰 굴절률과 0.05보다 작은 흡수율을 갖도록, A, D가 설정될 수 있다. 이러한 화합물 AD는 표 1에 표시한 바와 같이, GaP, AlAs 일 수 있다.
위 표 1에 나타나는 바와 같이, GaP, AlAs의 굴절률은 적절한 범위이나, 흡수율은 다소 크게 나타나고 있다. 다만, 이러한 흡수율은 기타 합금원소와의 alloy에 의해 개선될 수 있으며, 이러한 합금원소는 원자량이 상대적으로 작은 원소일 수 있다. 예를 들어, GaP에 추가할 합금원소는 Ga 또는 P보다 원자량이 작은 원소, AlAs에 추가할 합금원소는 Al 또는 As보다 원자량이 작은 원소일 수 있다. 이러한 합금원소는 3족 또는 5족 원소일 수 있으며, 이들과 최외각 전자수가 유사한, 2족, 6족의 원소일 수도 있다. 이러한 합금원소는 예를 들어, Al, P, N, 또는 O일 수 있다. 다만, 이는 예시적인 것이고 이에 한정되지 않는다. 이러한 합금원소를 GaP, AlAs에 적절한 비율로 함유시킴으로써, 굴절률과 흡수율을 낮출 수 있다. 흡수율은 3x10-3 미만으로 감소될 수 있고, 감소된 굴절률도 3보다 큰 굴절률을 나타낼 수 있도록 GaP 또는 AlAs에 추가되는 합금원소와 함량이 정해질 수 잇다.
표 2 및 표 3은 다양한 Ⅲ-V족 화합물의 밴드갭 에너지와, 굴절률, 흡수율을 원자량이 증가되는 순서에 따라 보이고 있다.
표 2를 참조하면, Al과 결합하는 5족 원소의 원자량이 커질수록 굴절률(n)과 흡수율(k)이 높아지고 밴드갭 에너지는 낮아지는 경향을 갖는다. Ga과 결합하는 5족 원소, In과 결합하는 5족 원소에 대해서도 유사한 경향성이 나타난다.
표 3을 참조하면, N과 결합하는 3족 원소의 원자량이 커질수록 굴절률(n)과 흡수율(k)이 높아지고 밴드갭 에너지는 낮아지는 경향을 갖는다. P과 결합하는 3족 원소, As와 결합하는 3족 원소에 대해서도 유사한 경향성이 나타난다.
이러한 분석 결과로부터 용이하게 조절 가능한 범위의 굴절률과 흡수율을 가지는 화합물로 GaP 또는 AlAs를 선택하고, 여기에 alloy할 추가적인 합금원소, X로서, 원자량이 상대적으로 작은, Al, N, P 또는 O 등을 선택하고 있다. X의 함량은 효과적으로 흡수율을 감소시키고 굴절률의 감소는 적게 일어나도록 설정할 수 있다. 흡수율은 밴드갭 에너지와 반비례하는 경향이 있으므로, III-V 화합물의 조성비에 따른 밴드갭 에너지를 추정하는 알려진 식들을 참조할 수 있다.
유전체층(100)은 상술한 화합물로서, GaNaP1-a(0<a<1)를 포함할 수 있다. a의 범위는 0.1<a<0.9일 수 있다.
유전체층(100)은 AlaGa1-aP(0<a<1)를 포함할 수 있다. a의 범위는 0.1<a<0.9일 수 있다.
유전체층(100)은 AlAs1-bYb(0<b<1)를 포함할 수 있고, Y는 P 또는 N일 수 있다. b의 범위는 0.1<b<0.9일 수 있다.
유전체층(100)은 GaPaOb(0<a<1, 0<b<1) 또는 AlAsaOb(0<a<1, 0<b<1)를 포함할 수 있다. 산소 원소 O는 5족 원소인 P나 As에 비해 최외각 전자의 개수가 많으므로, a+b는 1보다 작도록 O의 함량비가 정해질 수 있다. a, b의 범위는 0.1<a<0.9, 0.1<b<0.9일 수 있다.
유전체층(100)은 GaNaPbOc(0<a, b, c<1) 또는 AlaGa1-aPbOc(0<a, b, c<1)를 포함할 수 있다.
유전체층(100)은 AlAsaPbOc(0<a, b, c<1) 또는 AlAsaNbOc(0<a, b, c<1)를 포함할 수 있다.
유전체층(100)은 AlxGayNzPw(x+y=z+w, 0<x,y,z,w<1), GaxAsyNzPw(x=y+z+w, 0<x,y,z,w<1), AlxAsyNzPw(x=y+z+w, 0<x,y,z,w<1), AlxGayAszNw(x+y=z+w, 0<x,y,z,w<1), AlxGayAszPw(x+y=z+w, 0<x,y,z,w<1), 또는 AlxGayAszNwPv(x+y=z+w+v)를 포함할 수 있다.
유전체층(100)은 AlxGayNzPwOv(0<x,y,z,w,v<1), GaxAsyNzPwOv ( 0<x,y,z,w,v<1), AlxAsyNzPwOv ( 0<x,y,z,w,v<1), AlxGayAszNwOv ( 0<x,y,z,w,v<1), AlxGayAszPwOv ( 0<x,y,z,w,v<1), 또는 AlxGayAszNwPvOu ( 0<x,y,z,w,v,u<1)
상술한 예시 외에도, 유전체층(100)은 III-V 화합물인 AD에 추가하여 굴절률 감소를 최소화하면서 흡수율을 효과적으로 낮출 수 있는 합금원소 X를 포함하는 다른 형태의 화합물을 포함할 수 있다.
도 2a 내지 도 2d는 실시예에 따른 광학 박막을 제조하는 방법을 개략적으로 설명하는 도면들이고, 도 3 및 도 4는 GaP층에 대한 후열처리 온도에 따른 굴절률의 변화 및 소멸 계수의 변화를 예시적으로 보여준다.
도 2a를 참조하면, 지지층(SU)을 준비하고, 지지층(SU) 상에 유전체층(101)을 형성한다. 지지층(SU)은 투명 기판일 수 있고 예를 들어, 글래스(glass) 기판, 산화실리콘(SiO2) 기판, 또는 PMMA(polymethyl methacrylate), PDMS(Polydimethylsiloxane)와 같은 폴리머 기판, 또는 실리콘(Si)일 수 있다.
유전체층(101)은 전술한 바와 같은 고굴절, 저흡수의 유전체층(100)으로 구현될 화합물층으로 Ⅲ-Ⅴ족 화합물에 원자량이 작은 합금원소 X가 혼합된 화합물일 수 있다. 유전체층(101)의 형성을 위해, 스퍼터링(sputtering) 공정에 의한 비에피텍셜 증착(non-epitaxial deposition) 공정을 사용할 수 있다. 유전체층(101)의 형성을 위해 금속-유기 화학적 기상 증착법(MOCVD)을 사용할 수도 있으나, 이 경우 에피택셜 성장을 위한 버퍼층을 추가적으로 형성해야 하는 점, MOCVD는 비교적 고온 공정이어서 표면 조도(RMS)를 낮추기 어려운 점 등의 이유로, 스퍼터링 공정이 선호될 수 있다.
스퍼터링 파워, 스퍼터링 압력, Ar 유량, 동작 시간 등은 유전체층(101)을 이루는 화합물의 구체적인 조성 및 형성할 두께등을 고려하여 적절히 설정될 수 있다.
이와 같이 형성된 유전체층(101)은 결정화되지 않은 상태이므로 도 2b와 같이, 후열처리(post annealing)에 의한 결정화 공정을 이용할 수 있다.
결정화 공정에서 유전체층(101)의 산화를 방지하기 위하여, 도 2b에 도시된 바와 같이 결정화 공정 전에 유전체층(101) 상에 산화 방지층(120)을 형성할 수 있다. 산화 방지층(120)은 예를 들어 SiO2, Si3N4, TiO2, ITO 등으로 형성할 수 있다. 산화 방지층(120)이 너무 얇으면 산화 방지 기능이 구현되지 않는다. 산화 방지층(120)이 너무 두꺼우면 공정 중에 산화 방지층(120)에 축적되는 스트레스로 인하여 기판(300), 나노 물질층(310), 및 산화 방지층(120)을 포함하는 공정 웨이퍼가 손상될 가능성이 있다. 따라서, 산화 방지층(120)의 두께는 예를 들어 50nm~1㎛ 정도일 수 있다. 산화 방지층(120)을 형성하는 공정은 특별히 제한되지 않으며, 예를 들어 SiO2층은 플라즈마 화학 기상 증착법(PECVD: Plasma-enhanced chemical vapor deposition)에 의하여 형성될 수 있다.
결정화 공정은 비활성 기체 분위기, 예를 들어 아르곤 분위기에서 유전체층(101)을 후열처리함으로써 수행될 수 있다. 후열처리 온도는 유전체층(101)을 구성하는 Ⅲ-Ⅴ족 화합물의 결정화 온도를 고려하여 결정될 수 있다. 또한, Ⅲ-Ⅴ족 화합물에 추가적으로 함유되는 합금원소 물질에 의한 굴절률 변화와 소멸 계수 변화를 고려하여 결정될 수 있다. 소멸 계수는 후열처리 온도가 높을수록 작아지는 경향이 있다. 굴절률은 후열처리 온도가 높을수록 근소하게 작아지는 경향이 있다. 후열처리 온도의 하한은 소망하는 소멸 계수와 굴절률을 얻을 수 있도록 결정된다.
예를 들어, 도 3을 참조하면, GaP는 열처리 온도가 올라갈수록 400~1000nm의 파장 대역에서 굴절률이 미미하게 감소한다.
또한, 도 4를 참조하면, GaP는 열처리 온도가 올라갈수록 400~1000nm의 파장 대역에서, 특히, 가시광선 파장 대역에서 소멸 계수는 비교적 급격히 감소한다.
이러한 경향으로부터, Ⅲ-Ⅴ족 화합물에 합금원소 X가 혼합된 유전체층(101)을 후열처리하여, 굴절률 감소를 가능한 적게 하고 흡수율 감소는 가능한 크게 하여 원하는 굴절률, 흡수율 조건을 달성할 수 있음을 알 수 있다.
한편, 후열처리 온도가 너무 높으면 Ⅲ-Ⅴ족 화합물의 구성 원소가 열해리(thermal dissociation)될 수 있다. 따라서, 후열처리 온도의 상한은 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체의 열해리 온도(thermal dissociation temperature)를 넘지 않도록 결정된다. 전술한 조건을 감안하여, 후열처리 온도는 예를 들어, 400~850℃ 정도일 수 있다.
이러한 단계에 따라, 도 2c에 도시한 바와 같이, 원하는 굴절률, 흡수율 조건이 만족되는 유전체층(100)이 얻어질 수 있다. 유전체층(100)의 표면 조도는 약 3nm 이하일 수 있고, 또는, 후열처리 조건을 조절하여 좀 더 낮은, 예를 들어, 1nm 이하의 표면 조도를 가질 수도 있다.
다음으로, 산화 방지층(120)을 제거한다. 예를 들어, 이 공정은 습식 식각 공정에 의하여 수행될 수 있다. 이러한 과정에 따라, 도 2d에 도시된 바와 같이 지지층(SU) 상에, 결정화되고, 원하는 굴절률, 흡수율을 나타낼 수 있으며 표면 조도가 양호한 유전체층(100)이 형성된 광학 박막(1000)을 얻을 수 있다.
유전체층(100)은 원하는 다양한 형상의 나노구조물(미도시)로 패터닝될 수 있고 이러한 나노구조물은 후술할 다양한 메타 광학 소자에 적용될 수 있다. 패터닝 공정은 특별히 제한되지 않으며, 예를 들어 e- 빔 리소그래피(e-beam lithography) 공정에 의하여 수행될 수 있다.
이하, 상술한 유전체층(100)을 활용한 메타 광학 소자들에 대해 살펴보기로 한다.
도 5 내지 도 13은 다양한 실시예에 따른 메타 광학 소자의 개략적인 구조를 보이는 도면들이다.
도 5는 실시예에 따른 메타 광학 소자(2000)의 개략적인 구조를 보이는 단면도이다.
메타 광학 소자(2000)는 입사광의 위상을 위치에 따라 소정 규칙으로 변화시키는 형상 분포를 형성하도록 배열된 것으로, 서브 파장의 형상 치수를 가지는 복수의 나노구조물(NS)을 포함한다. 서브 파장은 위상 변조 대상인 입사광의 파장보다 작은 파장을 의미한다. '형상 치수'는 나노구조물(NS)의 형상을 정의하는 폭(D), 두께(t)등의 치수를 의미하며, 메타 광학 소자(2000)는 이러한 형상 치수 중 적어도 어느 하나가 서브 파장일 수 있다. 인접하는 나노구조물(NS)의 중심간의 거리는 피치(P)로 나타낼 수 있고, 이러한 피치(P)도 서브 파장일 수 있다.
복수의 나노구조물(NS)의 폭(D), 두께(t), 피치(P)는 위치에 따라 정해진 소정의 규칙으로 배열되며, 이러한 나노구조물 어레이(NSA)는 원하는 파장 대역의 광에 대해 소정의 원하는 위상 변조 형태에 맞게 정해진다. 이러한 파장 대역은 300nm~1000nm의 범위일 수 있고, 또는 400nm~750nm의 범위, 700nm~1000nm의 범위일 수도 있다.
나노구조물(NS)은 지지층(SU) 상에 형성될 수 있다. 지지층(SU)은 나노구조물(NS)의 굴절률보다 작은 굴절률의 재질로 이루어질 수 있다. 나노구조물(NS)은 전술한 유전체층(100)의 재질로 이루어질 수 있다. 즉, 나노구조물(NS)은 3족 원소 A, 5족 원소 D, A 또는 D보다 작은 원자량을 가지는 원소 X로 이루어진 화합물로 이루어질 수 있다. 이러한 화합물은 GaPX 또는 AlAsX로 표현될 수 있고, X는 Al, N, P 또는 O일 수 있다. 이러한 화합물은 도 1의 설명에서 예시한 바와 같이, 다양한 3원계, 4원계, 5원계, 6원계 화합물로 구현될 수 있다.
지지층(SU) 상에는 복수의 나노구조물(NS)을 덮는 보호층(210)이 더 형성될 수 있다. 보호층(210)은 나노구조물(NS)의 굴절률보다 작은 굴절률의 재질로 형성될 수 있다. 보호층(210)은 지지층(SU)과 같은 굴절률의 재질로 이루어질 수도 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니다. 보호층(210)은 SiO2, Si3N4, SOG(spin on glass), 글래스(glass) 등으로 형성될 수 있다. 보호층(210)은 생략될 수도 있다.
나노구조물(NS)을 이루는 전술한 유전체 물질은 높은 굴절률을 나타내면서도 저손실의 물질이다. 높은 굴절률은 나노구조물(NS)의 입사광을 변조하는 변조 효율을 높일 수 있다. 다시 말하면, 나노구조물 어레이(NSA)의 형상, 분포, 배열등을 조절하여 위상 변조의 범위를 넓히기에 유리하다. 이러한 위상 변조는 투과 위상의 형태로 나타나며 따라서 손실이 높은(흡수율이 높은), 즉 소멸 계수 k가 큰 경우, 변조광을 사용할 수 있는 광효율이 낮아지게 된다. 실시예의 나노구조물(NS)을 이루는 유전체 물질은 높은 굴절률, 저흡수율을 나타내므로, 변조 범위를 넓히고 광 효율을 높일 수 있어 원하는 다양한 형태로 광을 변조할 수 있다.
이하, 다양한 실시예들에 따른 메타 광학 소자들을 살펴보기로 한다.
도 6은 다른 실시예에 따른 메타 광학 소자의 개략적인 구조를 보이는 사시도이다.
도시된 바와 같이, 나노구조물(NS)은 원기둥 형상을 가질 수 있고, 다양한 직경의 원기둥이 적절한 위치에 배열되어 나노구조물 어레이(NSA)를 형성할 수 있다.
나노구조물 어레이(NSA)는 주기적인(periodic) 배열, 유사 주기적(quasi-periodic)인 배열, 랜덤한(random) 배열 또는 유사 랜덤한(quasi-random) 배열을 가질 수 있다. 나노구조물(NS)은 원기둥으로 도시되었으나 이에 한정되지 않고, 타원 기둥 또는 다양한 다각 기둥 형상을 가질 수 있다.
도 7은 다른 실시예에 따른 메타 광학 소자의 개략적인 구조를 보이는 사시도이다.
본 실시예에서 메타 광학 소자(2002)는 스트라이프 형상의 나노구조물(NS)이 일차원적으로 배열된 나노구조물 어레이(NSA)를 포함한다. 스트라이프 형상의 폭(D)은 일정하게 도시되고 있으나, 위치에 따라 다를 수도 있다.
도 8은 다른 실시예에 따른 메타 광학 소자의 개략적인 구조를 보이는 사시도이다.
본 실시예의 메타 광학 소자(2003)는 나노구조물(NS)은 원기둥 형상이 음각된 형태를 갖는 점에서 전술한 메타 광학 소자(2000)(2001)(2002)와 차이가 있다. 즉, 전술한 실시예들에서 나노구조물(NS)은 양각 형태로 구현되어 있으나, 나노구조물은 음각 형태, 즉, 나노 홀(nano-hole) 구조로 구현될 수도 있다.
지지층(SU) 상에, 도 1에서 설명한 유전체층(100)의 재질로 나노구조 형성층(30)이 형성될 수 있다. 나노구조 형성층(30)에 복수의 음각된 오목부(31)가 형성되어 나노구조물(NS)을 이룰 수 있다. 오목부(31)는 원기둥 형상으로 도시되었으나 이는 예시적인 것이다. 오목부(31)는 타원 기둥 형상, 다각기둥 형상 또는 스트라이프 형상일 수도 있다. 이하의 다른 실시예들에서 설명할 나노구조물들은 모두, 도 8과 같은 음각 형태로 변형될 수도 있다.
도 9는 다른 실시예에 따른 메타 광학 소자의 개략적인 구조를 보이는 단면도이다.
메타 광학 소자(2004)는 지지층(SU) 상에 형성되어 제1층(LA1)을 이루는 복수의 제1 나노구조물(NS), 제1층(LA1)과 이격되어 제2층(LA2)을 이루는 복수의 제2 나노구조물(NS)을 포함한다.
복수의 제1 나노구조물(NS1)들이 제1층(LA1)을 이루고, 복수의 제1 나노구조물(NS1)을 덮는 보호층(210)이 구비되며, 보호층(210) 상에 복수의 제2 나노구조물(NS2)들이 배열되어 제2층(LA2)을 이룰 수 있다. 제2 나노구조물(NS2) 상에는 제2 나노구조물(NS2)보다 작은 굴절률의 재질로 이루어져 복수의 제2 나노구조물(NS2)를 덮는 보호층(230)이 더 구비될 수 있다. 보호층(230)은 생략될 수도 있다.
복수의 제1 나노구조물(NS)이 배열된 제1층(LA1)과 복수의 제2나노구조물(NS)이 배열된 제2층(LA2)은 각각 리플렉터(reflector)로 작용할 수 있고, 메타 광학 소자(2004)는 소정 거리로 이격된 두 개의 리플렉터를 구비하는 구조로서 특정 파장의 광에 대한 공진 구조를 형성하여 광학 필터로 기능할 수 있다.
제1 나노구조물(NS1), 제2 나노구조물(NS2)이 도 7에 도시된 바와 같은 스트라이프 형상인 경우, 메타 광학 소자(2004)는 길이 방향의 편광을 가지는 광에 작용하는, 즉, 편광 의존형(polarization dependent) 광학 필터가 될 수 있다.
또는, 제1 나노구조물(NS1), 제2 나노구조물(NS2)이 원기둥이나 정다각기둥 형상을 가지는 경우, 모든 편광의 광에 대해 작용하는, 즉, 편광에 의존하지 않는(polarization independent) 광학 필터가 될 수 있다.
제1 나노구조물(NS1), 제2나노구조물(NS2)은 모두 같은 폭과 간격으로 도시되었으나 이는 예시적인 것이며, 다르게 변경될 수 있다.
제1 나노구조물(NS1), 제2나노구조물(NS2)는 전술한 유전체층(100)의 재질로 형성될 수 있다. 또한, 제1층(LA1), 제2층(LA2)에 동일한 재질이 적용될 수도 있다. 그러나, 이에 한정되지 않고, 제1층(LA1), 제2층(LA2)은 전술한 유전체층(100)의 범주로서, 서로 다른 재질이 사용될 수도 있다.
도 10은 다른 실시예에 따른 메타 광학 소자의 개략적인 구조를 보이는 단면도이다.
본 실시예의 메타 광학 소자(2005)는 볼록 렌즈로 기능하도록 나노구조물(NS)이 배열된 나노구조물 어레이(NSA)를 포함한다.
나노구조물 어레이(NSA)는 중심에서 주변부로 갈수록 나노구조물(NS)의 폭(D)이 점차적으로 작아지는 배열 형태를 갖는다. 이러한 형태는 중심부에서 주변부를 향해서 복수회 반복될 수 있다. 폭(D)이 변하는 추세, 복수회 반복되는 영역의 개수 등을 조절하여 볼록한 정도(양의 굴절력)가 조절될 수 있다.
도 11은 다른 실시예에 따른 메타 광학 소자의 개략적인 구조를 보이는 단면도이다.
본 실시예의 메타 광학 소자(2006)는 오목 렌즈로 기능하도록 나노구조물(NS)이 배열된 나노구조물 어레이(NSA)를 포함한다.
나노구조물 어레이(NSA)는 중심에서 주변부로 갈수록 나노구조물(NS)의 폭(D)이 점차적으로 커지는 배열 형태를 갖는다. 이러한 형태는 중심부에서 주변부를 향해서 복수회 반복될 수 있다. 폭(D)이 변하는 추세, 복수회 반복되는 영역의 개수 등을 조절하여 오목한 정도(음의 굴절력)가 조절될 수 있다.
도 12은 다른 실시예에 따른 메타 광학 소자의 개략적인 구조를 보이는 단면도이다.
본 실시예의 메타 광학 소자(2007)는 빔 디플렉터(beam deflector)로 기능하도록 나노구조물(NS)이 배열된 나노구조물 어레이(NSA)를 포함한다.
나노구조물 어레이(NSA)는 일방향을 따라서 나노구조물(NS)의 폭(D)이 점차적으로 작아지는 배열 형태를 갖는다. 폭(D)이 변하는 추세를 조절하여 입사광이 편향되는 각도가 조절될 수 있다.
도 13은 다른 실시예에 따른 메타 광학 소자의 개략적인 구조를 보이는 단면도이다.
본 실시예의 메타 광학 소자(2008)는 나노구조물(NS1)(NS2)들이 지지층(SU)으로부터의 이격 거리가 다른 복수층으로 배열된 나노구조물 어레이(NSA)를 포함한다.
복수의 제1 나노구조물(NS1)들이 제1층(LA1)을 이루고, 복수의 제1 나노구조물(NS1)을 덮는 보호층(210)이 구비되며, 보호층(210) 상에 복수의 제2 나노구조물(NS2)들이 배열되어 제2층(LA2)을 이룰 수 있다. 제2 나노구조물(NS2) 상에는 복수의 제2 나노구조물(NS2)를 덮는 보호층(230)이 더 구비될 수 있다. 보호층(230)은 생략될 수도 있다. 제1 나노구조물(NS1), 제2 나노구조물(NS2)의 배열로 정의되는 나노구조물 어레이(NSA)를 소정의 광학 기능에 알맞은 분포를 가질 수 있다. 메타 광학 소자(2008)는 전술한 실시예들과 같이, 오목 렌즈, 볼록 렌즈, 빔 디플렉터 등으로 작용하도록 제1층(LA1)의 제1 나노구조물(NS1) 배열과 제2층(LA2)의 제2 나노구조물(NS2) 배열이 정해질 수 있다. 복수층으로 배열함으로써 보다 섬세한 성능 조절이 가능하다. 복수층은 두 층으로 예시되었으나 3층 이상이 될 수도 있다. 제1층(LA1)과 제2층(LA2)은 동일한 형상, 배열 형태로 예시되었으나 이는 도시의 편의에 의한 것이며 다른 형태의 형상, 배열로 변경될 수 있다.
또한, 제1 나노구조물(NS1), 제2나노구조물(NS2)는 전술한 유전체층(100)의 재질로 형성될 수 있고, 제1층(LA1), 제2층(LA2)에 동일한 재질이 적용될 수도 있다. 그러나, 이에 한정되지 않고, 제1층(LA1), 제2층(LA2)에는 전술한 유전체층(100)의 범주에 포함되는, 서로 다른 재질이 사용될 수도 있다.
실시예들과 함께 설명한 바와 같이, 나노구조물 어레이(NSA)를 구성하는 형태에 따라, 광학 필터, 오목 렌즈, 볼록 렌즈, 빔 디플렉터가 얇고 평탄하게(flat) 구현될 수 있다. 이외에도, 볼록 거울, 오목 거울, 빔 스플리터, 컬러 필터, 스펙트로미터(spectrometer)등으로 기능하도록 나노구조물 어레이(NSA)가 구성될 수 있다. 또한, 비대칭 형상의 나노구조물을 활용한 나노구조물 어레이(NSA)로 편광 분리형 광 변조가 가능할 수 있다.
전술한 메타 광학 소자들은 얇고 평탄한(thin-flat) 형태를 가지며 고굴절, 저흡수의 유전체 물질을 사용하여 원하는 광 변조 형태의 구현이 가능하므로 다양한 광학 장치, 전자 장치에 채용될 수 있다. 예를 들어, 광원, 이미지 센서, 촬상 장치, 객체 인식 장치 등에 채용될 수 있다.
상술한 메타 표면용 광학 박막, 이를 활용한 메타 광학 소자는 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 상기한 설명에서 많은 사항이 구체적으로 기재되어 있으나, 그들은 발명의 범위를 한정하는 것이라기보다, 구체적인 실시예의 예시로서 해석되어야 한다. 본 발명의 범위는 따라서 설명된 실시예에 의하여 정하여 질 것이 아니고 특허 청구범위에 기재된 기술적 사상에 의해 정하여져야 한다.
1000 - 광학 박막
100, 101 - 유전체층
210, 230 - 보호층
2000, 2001, 2002, 2003, 2004, 2005, 2006, 2007, 2008 - 메타 광학 소자
SU - 지지층
NS, NS1, NS2 - 나노구조물
NSA - 나노구조물 어레이

Claims (24)

  1. 지지층;
    상기 지지층 상에 상기 지지층의 굴절률보다 높은 굴절률을 가지도록 형성된 것으로, 3족 원소 A, 5족 원소 D, A 또는 D보다 작은 원자량을 가지는 원소 X로 이루어진 화합물 ADX를 포함하는, 유전체층;을 포함하며,
    상기 화합물은 GaNaP1-a(0<a<1) 또는 AlaGa1-aP(0<a<1)를 포함하는, 광학 박막.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 지지층;
    상기 지지층 상에 상기 지지층의 굴절률보다 높은 굴절률을 가지도록 형성된 것으로, 3족 원소 A, 5족 원소 D, A 또는 D보다 작은 원자량을 가지는 원소 X로 이루어진 화합물 ADX를 포함하는, 유전체층;을 포함하며,
    상기 화합물은 AlAs1-bYb(0<b<1)를 포함하며, Y는 P 또는 N인, 광학 박막.
  6. 지지층;
    상기 지지층 상에 상기 지지층의 굴절률보다 높은 굴절률을 가지도록 형성된 것으로, 3족 원소 A, 5족 원소 D, A 또는 D보다 작은 원자량을 가지는 원소 X로 이루어진 화합물 ADX를 포함하는, 유전체층;을 포함하며,
    상기 화합물은 GaPaOb(0<a<1, 0<b<1)를 포함하는, 광학 박막.
  7. 지지층;
    상기 지지층 상에 상기 지지층의 굴절률보다 높은 굴절률을 가지도록 형성된 것으로, 3족 원소 A, 5족 원소 D, A 또는 D보다 작은 원자량을 가지는 원소 X로 이루어진 화합물 ADX를 포함하는, 유전체층;을 포함하며,
    상기 화합물은 GaNaPbOc(0<a, b, c<1) 또는 AlaGa1-aPbOc(0<a, b, c<1)를 포함하는, 광학 박막.
  8. 지지층;
    상기 지지층 상에 상기 지지층의 굴절률보다 높은 굴절률을 가지도록 형성된 것으로, 3족 원소 A, 5족 원소 D, A 또는 D보다 작은 원자량을 가지는 원소 X로 이루어진 화합물 ADX를 포함하는, 유전체층;을 포함하며,
    상기 화합물은 AlAs1-bYb(0<b<1)를 포함하며, Y는 P 또는 N인, 광학 박막.
  9. 지지층;
    상기 지지층 상에 상기 지지층의 굴절률보다 높은 굴절률을 가지도록 형성된 것으로, 3족 원소 A, 5족 원소 D, A 또는 D보다 작은 원자량을 가지는 원소 X로 이루어진 화합물 ADX를 포함하는, 유전체층;을 포함하며,
    상기 화합물은 AlAsaYbOc(0<a, b, c<1)를 포함하며, Y는 P 또는 N인, 광학 박막.
  10. 지지층;
    상기 지지층 상에 상기 지지층의 굴절률보다 높은 굴절률을 가지도록 형성된 것으로, 3족 원소 A, 5족 원소 D, A 또는 D보다 작은 원자량을 가지는 원소 X로 이루어진 화합물 ADX를 포함하는, 유전체층;을 포함하며,
    상기 화합물은
    AlxGayNzPw(x+y=z+w, 0<x,y,z,w<1), GaxAsyNzPw(x=y+z+w, 0<x,y,z,w<1), AlxAsyNzPw(x=y+z+w, 0<x,y,z,w<1), AlxGayAszNw(x+y=z+w, 0<x,y,z,w<1), AlxGayAszPw(x+y=z+w, 0<x,y,z,w<1), 또는 AlxGayAszNwPv(x+y=z+w+v)를 포함하는, 광학 박막.
  11. 지지층;
    상기 지지층 상에 상기 지지층의 굴절률보다 높은 굴절률을 가지도록 형성된 것으로, 3족 원소 A, 5족 원소 D, A 또는 D보다 작은 원자량을 가지는 원소 X로 이루어진 화합물 ADX를 포함하는, 유전체층;을 포함하며,
    상기 화합물은
    AlxGayNzPwOv(0<x,y,z,w,v<1), GaxAsyNzPwOv (0<x,y,z,w,v<1), AlxAsyNzPwOv (0<x,y,z,w,v<1), AlxGayAszNwOv (0<x,y,z,w,v<1), AlxGayAszPwOv ( 0<x,y,z,w,v<1), 또는 AlxGayAszNwPvOu (0<x,y,z,w,v,u<1)를 포함하는, 광학 박막.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 ADXa(0<a<1)의 3족 원소 A와 5족 원소 D로 이루어지는 화합물 AD는 가시광선 파장 대역의 광에 대해 굴절률이 3.3보다 큰 굴절률과 0.05보다 작은 흡수율을 갖도록, A, D가 설정되는, 광학 박막.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 ADXa(0<a<1)는 가시광선 파장 대역의 광에 대해, 3보다 큰 굴절률과 3x10-3 보다 작은 흡수율을 가지도록, 상기 A, D, X, a 가 설정되는, 광학 박막.
  14. 제1항, 제5항 내지 제13항 중 어느 한 항의 광학 박막;을 포함하며,
    상기 광학 박막은
    입사광의 위상을 위치에 따라 소정 규칙으로 변화시키는 형상 분포를 형성하도록 배열되고 상기 입사광의 파장보다 작은 형상 치수를 가지는 복수의 나노구조물을 구비하는 형상으로 패턴된, 메타 광학 소자.
  15. 삭제
  16. 삭제
  17. 삭제
  18. 삭제
  19. 제14항에 있어서,
    상기 입사광의 파장은 300nm~1000nm인 메타 광학 소자.
  20. 제14항에 있어서,
    상기 나노구조물은 원기둥 형상 또는 다각 기둥 형상 또는 스트라이프 형상을 가지는, 메타 광학 소자
  21. 제14항에 있어서,
    상기 화합물의 굴절률보다 작은 재질로 이루어지며 상기 복수의 나노구조물을 덮도록 형성된 보호층;을 더 포함하는, 메타 광학 소자.
  22. 제14항에 있어서,
    상기 복수의 나노구조물은 상기 지지층으로부터의 이격 거리가 다른 복수층으로 배열되는, 메타 광학 소자.
  23. 제14항에 있어서,
    상기 복수의 나노구조물은
    렌즈, 빔 디플렉터, 빔 스플리터, 공진기, 또는 컬러 필터로 기능하도록, 상기 복수의 나노구조물의 형상 분포가 설정된, 메타 광학 소자.
  24. 제14항의 메타 광학 소자;를 포함하는 전자 장치.
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