KR102660012B1 - 광 센서 패키지 및 어레이 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 광 센서 패키지 및 어레이 장치에 관한 것으로, 일측면으로부터 목표 파장 영역의 광을 수광하여 투과시키는 기판, 기판의 타측면 상에 배치되고, 목표 파장 영역의 광을 흡수하여 전류를 발생하는 광 흡수층, 및 공동 영역을 사이에 두고, 기판의 타측면과 대면 배치되고, 기판 및 광 흡수층을 투과한 목표 파장 영역의 광을 반사시키는 반사 기판을 포함하여 두께가 얇은 광 흡수층을 구비하는 고효율 광 센서 및 이미지 센서 등에 활용될 수 있다.
Description
본 발명은 광 센서 패키지 및 어레이 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 2차원 물질 또는 의도적으로 극히 얇은 흡수층을 갖는 물질을 기반으로 하는 광 센서 패키지의 유효 광 경로 길이를 증가시켜 광 검출 효율 및 감도를 향상시키고, 인접한 어레이 간의 크로스 토크를 감소시킬 수 있는 광 센서 패키지 및 어레이 장치에 관한 것이다.
광 센서는 인간의 눈으로 감지할 수 있는 가시광을 비롯하여 자외선, 적외선 등의 광 에너지를 전기 신호로 변환하여 검출하는 장치로서, 이미지 센싱, 통신 및 의료 기기 등 다양한 분야에 활용된다. 현재는 Si을 기반으로 하는 광 센서와 InGaAs 등 화합물 반도체를 기반으로 하는 광 센서가 각각 가시광선 영역과 근적외선 영역의 광 검출에 주로 이용되고 있다.
최근 반도체 소자는 점점 작아지고 있고, 두께도 얇아지고 있다. 특히, 두께가 거의 0에 근접하는 2차원 물질이 개발되어 전자 소자, 수광 소자, 발광 소자, 양자 컴퓨팅 소자 등에 적용되고 있다. 이 중 2차원 물질을 기반으로 하는 수광 소자, 예를 들어 광 센서는 광 도전 효과(photoconductive effect), 포토게이팅 효과(photogating effect), 광 기전 효과(photovoltaic effect) 등에 기반하여 광을 검출하며, UV-C 광부터 적외선 광까지 검출이 가능하다. 또한, 전하 이동도가 빠르고, 소모 전력이 낮은 장점이 있다.
그런데, 광 센서에 2차원 물질을 적용할 경우 2차원 물질의 두께가 너무 얇기 때문에 광 흡수 효율이 낮다. 이를 극복하기 위해 광 도파로(optical waveguide; 인용논문 1 참조)나 격자(grating) 구조(인용논문 2 참조) 등을 이용하여 광의 진행 경로를 진행 방향과 수직 방향으로 제어하는 기술이 도입되고 있다. 즉, 광의 진행 경로를 2차원 물질의 단축 방향이 아닌 장축 방향(수평 방향)으로 제어하여 광의 진행 경로를 증가시킴으로써 광 흡수 효율을 향상시키는 방식이다.
그러나, 광 도파로를 이용할 경우 유효 광의 입사 면적이 적고, 입사광과 광 도파로 간의 커플링 손실(coupling loss)이 크게 발생하여 오히려 효율이 더 낮아질 수 있고, 격자 구조를 이용할 경우 광 센서 어레이에서는 인접한 어레이 간에 크로스 토크(cross talk)가 유발되어 전체 성능을 저하시킬 수 있다. 또한, 이러한 방식은 수직 방향으로 입사하는 광을 수광해야 하는 광 센서, 예를 들어 라이다(Light Detection and Ranging; LiDAR)용 광 센서 등에는 적합하지 않다.
인용논문1: Flory N, Ma P, Salamin Y et al. Waveguide-integrated van der Waals heterostructure photodetector at telecom wavelengths with high speed and high responsivity. Nature Nanotechnology 15, 118-124 (2020). https://doi.org/10.1038/s41565-019-0602-zcall_made
인용논문2: Dmitrii N. Maksimov, Valeriy S. Gerasimov, Silvia Romano, and Sergey P. Polyutov, "Refractive index sensing with optical bound states in the continuum," Opt. Express 28, 38907-38916 (2020)
본 발명의 일 실시예는 2차원 물질 또는 의도적으로 극히 얇은 흡수층을 갖는 물질을 기반으로 하는 광 센서 패키지의 짧은 유효 광 경로 길이를 반사체 및 공진기를 이용하여 증가시키는 구조를 기반으로 광 검출 효율 및 감도를 향상시키고, 또한 인접한 어레이 간의 크로스 토크를 감소시킬 수 있는 광 센서 패키지 및 어레이 장치를 제공하고자 한다.
본 발명에 따른 광 센서 소자는, 목표 파장 영역의 광에 대해 투명한 기판; 상기 기판 아래에 위치되는 반사 기판; 및 상기 기판과 상기 반사 기판 사이에 위치되는 광 흡수층을 포함하고, 상기 반사 기판은 상기 기판과 상기 반사 기판 사이의 공동 영역보다 더 큰 굴절률을 가지고, 상기 광 흡수층은 상기 목표 파장 영역의 광을 흡수하는 것을 특징으로 한다.
상기 광 흡수층은 100nm 이하의 두께를 가질 수 있다.
상기 기판은 상기 기판의 타측면에 상기 광 흡수층을 가지며, 상기 기판의 일측면에 무반사층을 가질 수 있다.
상기 광 센서 소자는 상기 기판과 상기 광 흡수층 사이에 위치되는 무반사층을 더 포함하고, 상기 무반사층은 상기 목표 파장 영역에 대한 1/4의 배수인 두께로 형성되고, 상기 반사 기판과 함께 페브리-페로 공진기를 구성할 수 있다.
상기 광 센서 소자는 상기 광 흡수층과 상기 반사 기판 사이에 반사층을 더 포함하고, 상기 반사층은 금속물질로 형성될 수 있다.
상기 광 센서 소자는 상기 광 흡수층과 상기 반사 기판 사이에 분포 브래그 반사기를 더 포함할 수 있다.
상기 광 흡수층과 상기 반사기판은 상기 광 흡수층과 상기 반사기판 사이에서 목표 파장 영역에 대해 1/2의 배수인 거리를 가질 수 있다.
상기 광 흡수층과 상기 반사층은 상기 광 흡수층과 상기 반사층 사이에서 목표 파장 영역에 대해 1/2의 배수인 거리를 가질 수 있다.
상기 광 흡수층과 상기 분포 브래그 반사기는 상기 광 흡수층과 상기 분포 브래그 반사기 사이에서 목표 파장 영역에 대해 1/2의 배수인 거리를 가질 수 있다.
본 발명에 따른 광 센서 소자는, 일측면으로부터 목표 파장 영역의 광을 수광하여 투과시키는 기판; 상기 기판의 타측면 상에 배치되고, 상기 기판을 투과하는 상기 목표 파장 영역의 광을 흡수하여 전류를 발생하는 판 형상의 광 흡수층; 및 공동 영역을 사이에 두고, 상기 기판의 타측면과 대면 배치되고, 상기 기판 및 상기 광 흡수층을 투과한 상기 목표 파장 영역의 광을 반사시키는 반사 기판을 포함할 수 있다..
상기 광 흡수층은 상기 광흡수층을 수평으로 볼 때 상기 광흡수층의 윗 면과 상기 광 흡수층의 아래 면에서 상기 광 흡수층을 따라 동일한 길이를 가지고, 상기 기판과 접촉하거나 상기 기판으로부터 이격할 수 있다.
상기 광 흡수층은 이차원 물질층을 포함할 수 있다.
상기 이차원 물질층은 금속 칼코게나이드계 물질, 탄소 함유 물질 및 산화물 반도체 물질 중 적어도 어느 하나를 포함하고, 상기 금속 칼코게나이드계 물질은 Mo, W, Nb, V, Ta, Ti, Zr, Hf, Tc 및 Re 중 적어도 하나를 포함하는 전이 금속, 그리고 S, Se 및 Te 중 적어도 하나를 포함하는 칼코겐 물질로 이루어지고, 상기 탄소 함유 물질은 그래핀을 포함하고, 상기 산화물 반도체 물질은 Ga 산화물 반도체, Zn 산화물 반도체 또는 In 산화물 반도체를 포함할 수 있다.
상기 광 흡수층은 Ⅱ족, Ⅲ족, Ⅳ족, Ⅴ족, Ⅵ족, Ⅶ족 원소 및 이들의 화합물 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 광 흡수층은 물리 기상 증착법(PVD) 및 화학 기상 증착법(CVD) 중 적어도 하나에 의해 성장시 성장 방향에 대한 최소 단위 두께의 정수배로 형성되고, 상기 최소 단위 두께는 상기 광 흡수층을 구성하는 원소의 개수 및 결정 구조에 따라 설정된 두께일 수 있다.
상기 반사 기판은 상기 공동 영역의 굴절율보다 높은 굴절율을 가질 수 있다.
상기 반사 기판은 상기 광 흡수층에 대응하는 위치에 형성되고, 상기 목표 파장 영역의 광을 상기 광 흡수층으로 반사시키는 오목 렌즈 영역을 포함할 수 있다.
상기 반사 기판은 판독 집적 회로, 인터포저(interposer) 및 재배선층 중 적어도 어느 하나를 포함하는 기판일 수 있다.
상기 광 센서 패키지는 상기 반사 기판 상에 배치되고, 상기 목표 파장 영역의 광을 반사시키는 반사층을 더 포함할 수 있다.
상기 반사층은 금속 물질 및 분포 브래그 반사기 중 적어도 어느 하나로 형성되고, 상기 분포 브래그 반사기는 물리 기상 증착법(PVD) 및 화학 기상 증착법(CVD) 중 적어도 하나에 의해 성장시 성장 방향에 대한 최소 단위 두께의 정수배로 형성되고, 상기 최소 단위 두께는 상기 분포 브래그 반사기를 구성하는 원소의 개수 및 결정 구조에 따라 설정된 두께일 수 있다.
상기 광 센서 패키지는 상기 기판의 일측면 및 타측면 중 적어도 어느 하나에 배치되고, 상기 기판의 일측면 및 타측면 중 적어도 어느 하나에서 상기 목표 파장 영역의 광의 반사를 방지하여 투과시키는 무반사층을 더 포함할 수 있다.
상기 무반사층은 상기 목표 파장 영역에 대한 1/4의 두께로 형성되고, 상기 무반사층의 일측면의 반사광과 상기 무반사층의 타측면의 반사광의 상대 위상 편이를 180도로 조절하여 상기 무반사층의 반사광들을 상쇄시킬 수 있다.
상기 기판은 상기 목표 파장 영역의 광을 수광하는 일측면 및 상기 광 흡수층이 배치된 타측면을 포함하고, 상기 일측면의 상기 광 흡수층에 대응하는 영역에 형성되고, 상기 목표 파장 영역의 광을 상기 광 흡수층으로 집광시키는 볼록 렌즈 영역을 포함할 수 있다.
상기 기판의 일측면과 상기 반사 기판의 일측면은 페브리-페로 공진기를 형성하고, 상기 페브리-페로 공진기는 상기 기판의 일측면과 상기 반사 기판의 일측면 사이의 거리를 상기 목표 파장 영역에 대한 1/2의 정수배로 가질 수 있다.
상기 기판은 상기 목표 파장 영역에 대한 1/4의 홀수배의 두께로 형성될 수 있다.
상기 기판은, 상기 기판의 일측면의 반사광과 상기 기판의 타측면의 반사광의 상대 위상 편이를 180도로 조절하여 상기 기판의 반사광들을 상쇄시키도록, 상기 목표 파장 영역의 광을 상기 기판의 일측면 및 타측면에서 반사없이 투과시키는 무반사층일 수 있다.
상기 공동 영역은 상기 목표 파장 영역에 대한 1/4의 홀수배의 두께로 형성될 수 있다.
상기 광 센서 패카지는 상기 기판의 타측면 상에 배치되고, 상기 목표 파장 영역의 광을 투과시키는 절연층과, 상기 반사 기판 상에 반사층을 더 포함할 수 있다.
상기 절연층의 일측면과 상기 반사층의 일측면은 페브리-페로 공진기를 형성하고, 상기 페브리-페로 공진기는 상기 기판의 일측면과 상기 반사층의 일측면 사이의 거리를 상기 목표 파장 영역에 대한 1/2의 정수배로 가질 수 있다.
상기 절연층은 상기 목표 파장 영역에 대한 1/4의 홀수배의 두께로 형성되고, 상기 공동 영역은 상기 목표 파장 영역에 대한 1/4의 홀수배의 두께로 형성될 수 있다.
상기 광 센서 패키지는 상기 기판의 타측면 상에 배치되고, 상기 목표 파장 영역의 광을 투과시키는 제1 절연층; 및 상기 반사 기판의 일측면 상에 배치되고, 상기 목표 파장 영역의 광을 투과시키는 제2 절연층을 더 포함할 수 있다.
상기 제1 절연층의 일측면과 상기 제2 절연층의 일측면은 제1 페브리-페로 공진기를 형성하고, 상기 제1 절연층의 타측면과 상기 제2 절연층의 타측면은 제2 페브리-페로 공진기를 형성하고, 상기 제1 페브리-페로 공진기는 상기 제1 절연층의 일측면과 상기 제2 절연층의 일측면 사이의 거리를 상기 목표 파장 영역에 대한 1/2의 정수배로 가지고, 상기 제2 페브리-페로 공진기는 상기 제1 절연층의 타측면과 상기 제2 절연층의 타측면 사이의 거리를 상기 목표 파장 영역에 대한 1/2의 정수배로 가질 수 있다.
상기 제1 및 제2 절연층 각각은 상기 목표 파장 영역에 대한 1/4의 홀수배의 두께로 형성되고, 상기 공동 영역은 상기 목표 파장 영역에 대한 1/4의 홀수배의 두께로 형성될 수 있다.
상기 광 센서 패키지는 상기 광 흡수층 상에 배치된 양자점을 더 포함하고, 상기 양자점은 상기 목표 파장 영역의 광의 에너지에 해당하는 밴드 갭 에너지를 가질 수 있다.
본 발명에 따른 광 센서 어레이 장치는, 일측면으로부터 목표 파장 영역의 광을 수광하여 투과시키는 기판; 상기 기판의 타측면 상에 배치되고, 상기 기판을 투과하는 상기 목표 파장 영역의 광을 흡수하여 전류를 발생하는 복수의 광 흡수층; 공동 영역을 사이에 두고, 상기 기판의 타측면과 대면 배치되고, 상기 기판 및 상기 복수의 광 흡수층 각각을 투과한 상기 목표 파장 영역의 광을 반사시키는 반사 기판; 및 상기 복수의 광 흡수층 사이에서 상기 기판 및 상기 반사 기판 사이에 배치되는 몰드 도전층을 포함할 수 있다.
상기 개별 광 흡수층은 상기 개별 광흡수층을 수평으로 볼 때 상기 개별 광흡수층의 윗 면과 상기 개별 광 흡수층의 아래 면에서 상기 개별 광 흡수층을 따라 동일한 길이를 가지고, 상기 기판과 접촉하거나 상기 기판으로부터 이격할 수 있다.
상기 기판은 상기 몰드 도전층 상에 형성되고, 일정 각도로 경사진 측벽을 갖는 트렌치를 포함할 수 있다.
상기 광 센서 어레이 장치는 상기 몰드 도전층 상에 상기 기판과 수직한 방향으로 상기 기판에 개재되어 상기 목표 파장 영역의 광을 반사시키는 반사 격벽을 더 포함할 수 있다.
상기 광 센서 어레이 장치는 상기 기판의 일측면에서 상기 몰드 도전층과 수직으로 마주하게 배치되어 상기 목표 파장 영역의 광을 흡수하는 광 간섭 방지층을 더 포함할 수 있다.
상기 공동 영역은 진공 상태 및 불활성 가스가 충진된 상태 중 적어도 어느 하나일 수 있다.
상기 광 흡수층은 결정 구조의 차원수가 이차원으로 이루어지는 이차원 물질층을 포함할 수 있다.
상기 이차원 물질층은 금속 칼코게나이드계 물질, 탄소 함유 물질 및 산화물 반도체 물질 중 적어도 어느 하나를 포함하고, 상기 금속 칼코게나이드계 물질은 Mo, W, Nb, V, Ta, Ti, Zr, Hf, Tc 및 Re 중 적어도 하나를 포함하는 전이 금속, 그리고 S, Se 및 Te 중 적어도 하나를 포함하는 칼코겐 물질로 이루어지고, 상기 탄소 함유 물질은 그래핀을 포함하고, 상기 산화물 반도체 물질은 Ga 산화물 반도체, Zn 산화물 반도체 또는 In 산화물 반도체를 포함할 수 있다.
상기 반사 기판은 상기 공동 영역의 굴절율보다 높은 굴절율을 가질 수 있다.
상기 반사 기판은 판독 집적 회로, 인터포저(interposer) 및 재배선층 중 적어도 어느 하나를 포함하는 기판일 수 있다.
상기 광 센서 어레이 장치는 상기 기판의 타측면 상에서 상기 기판과 상기 복수의 광 흡수층 사이에 배치되고, 상기 목표 파장 영역의 광을 투과시키는 절연층과, 상기 반사 기판 상에 배치되고, 상기 목표 파장 영역의 광을 반사시키는 반사층을 더 포함할 수 있다.
상기 절연층의 일측면과 상기 반사층의 일측면은 페브리-페로 공진기를 형성하고, 상기 페브리-페로 공진기는, 상기 기판의 일측면과 상기 반사층의 일측면 사이의 거리를 상기 목표 파장 영역에 대한 1/2의 정수배로 가지고, 상기 절연층은 상기 목표 파장 영역에 대한 1/4의 홀수배의 두께로 형성되고, 상기 공동 영역은 상기 목표 파장 영역에 대한 1/4의 홀수배의 두께로 형성될 수 있다.
상기 반사층은 금속 물질 및 분포 브래그 반사기 중 적어도 어느 하나로 형성되고, 상기 분포 브래그 반사기는 물리 기상 증착법(PVD) 및 화학 기상 증착법(CVD) 중 적어도 하나에 의해 성장시 성장 방향에 대한 최소 단위 두께의 정수배로 형성되고, 상기 최소 단위 두께는 상기 분포 브래그 반사기를 구성하는 원소의 개수 및 결정 구조에 따라 설정된 두께일 수 있다.
상기 광 센서 어레이 장치는 상기 기판의 일측면의 상기 복수의 광 흡수층 사이의 영역을 제외한 영역 상에 배치되어 상기 목표 파장 영역의 광의 반사를 방지하여 투과시키는 무반사층을 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 관 센서 패키지는, 목표 파장 영역의 광에 대해 투명한 기판; 상기 기판 아래에 위치되는 반사 기판; 상기 기판과 상기 반사 기판 사이에 위치되는 광 흡수층; 및 상기 광 흡수층과 인접한 위치에 형광물질 층을 포함하고, 상기 반사 기판은 상기 기판과 상기 반사 기판 사이의 공동 영역보다 더 큰 굴절률을 가지고, 상기 광 흡수층은 상기 목표 파장 영역의 광을 흡수하고, 상기 형광물질 층은 목표 파장보다 높은 파장의 빛을 목표 파장의 빛으로 변환하는 기능을 가질 수 있는 것을 특징으로 한다.
상기 광 흡수층 및 형광물질 층은 각각 100nm 이하의 두께를 가질 수 있다.
상기 기판은 상기 기판의 타측면에 상기 광 흡수층 및 형광물질 층을 가지며, 상기 기판의 일측면에 무반사층을 가질 수 있다.
상기 광 센서 패키지는 상기 기판과 상기 광 흡수층 사이에 위치되는 무반사층을 더 포함하고, 상기 무반사층은 상기 목표 파장 영역에 대한 1/4의 배수인 두께로 형성되고, 상기 반사 기판과 함께 페브리-페로 공진기를 구성할 수 있다.
상기 광 센서 패키지는 상기 광 흡수층과 상기 반사 기판 사이에 반사층을 더 포함하고, 상기 반사층은 금속물질로 형성될 수 있다.
상기 광 센서 패키지는 상기 광 흡수층과 상기 반사 기판 사이에 분포 브래그 반사기를 더 포함할 수 있다.
상기 광 흡수층과 상기 반사기판은 상기 광 흡수층과 상기 반사기판 사이에서 목표 파장 영역에 대해 1/2의 배수인 거리를 가질 수 있다.
상기 광 흡수층과 상기 반사층은 상기 광 흡수층과 상기 반사층 사이에서 목표 파장 영역에 대해 1/2의 배수인 거리를 가질 수 있다.
상기 광 흡수층과 상기 분포 브래그 반사기는 상기 광 흡수층과 상기 분포 브래그 반사기 사이에서 목표 파장 영역에 대해 1/2의 배수인 거리를 가질 수 있다.
개시된 기술은 다음의 효과를 가질 수 있다. 다만, 특정 실시예가 다음의 효과를 전부 포함하여야 한다거나 다음의 효과만을 포함하여야 한다는 의미는 아니므로, 개시된 기술의 권리범위는 이에 의하여 제한되는 것으로 이해되어서는 아니 될 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 광 센서 패키지 및 어레이 장치는 2차원 물질 또는 의도적으로 극히 얇은 흡수층을 갖는 물질을 기반으로 하는 광 센서 패키지의 유효 광 경로 길이를 증가시켜 광 검출 효율 및 감도를 향상시키고, 인접한 어레이 간의 크로스 토크를 감소시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광 센서 패키지를 도시한 도면이다.
도 2 내지 도 15는 본 발명의 다른 실시예에 따른 광 센서 패키지를 도시한 도면이다.
도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 광 센서 어레이 장치를 도시한 도면이다.
도 17 내지 도 19는 본 발명의 다른 실시예에 따른 광 센서 어레이 장치를 도시한 도면이다.
도 2 내지 도 15는 본 발명의 다른 실시예에 따른 광 센서 패키지를 도시한 도면이다.
도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 광 센서 어레이 장치를 도시한 도면이다.
도 17 내지 도 19는 본 발명의 다른 실시예에 따른 광 센서 어레이 장치를 도시한 도면이다.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정되어 해석되지 말아야 하며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.
명세서 및 청구범위에서 용어 "포함하는"과 함께 사용될 때 단수 단어의 사용은 "하나"의 의미일 수도 있고, 또는 "하나 이상", "적어도 하나", 및 "하나 또는 하나보다 많은"의 의미일 수도 있다.
청구항들에서의 용어 "또는"의 사용은 본 개시 내용이 단지 선택가능한 것들 및 "및/또는"을 나타내는 정의를 지지하더라도, 선택가능한 것은 상호 배타적이거나 단지 선택가능한 것들을 나타내는 것으로 명백하게 표시되지 않는 한 "및/또는"을 의미하기 위해 사용된다.
본 발명의 특징 및 이점은 다음 상세한 설명으로부터 분명해질 것이다. 그러나, 본 발명의 사상 및 범위 내 다양한 변경들 및 변형들이 본 상세한 설명으로부터 해당 기술분야의 통상의 기술자들에게 분명해질 것이기 때문에, 상세한 설명 및 구체적인 예들은 본 발명의 구체적인 실시예들을 나타내지만, 단지 예로서 주어진다는 것이 이해되어야 한다.
본 발명의 다양한 예시적인 실시예들은 본 발명의 예시적인 실시예들이 도시되는, 첨부 도면들에 대하여 아래에서 상세하게 논의된다. 구체적인 구현예들이 논의되지만, 이는 단지 예시 목적들을 위해 행해진다. 관련 기술분야에서의 통상의 기술자는 다른 구성요소들 및 구성들이 본 발명의 사상 및 범위에서 벗어나지 않고 사용될 수 있다는 것을 인식할 것이다. 같은 번호들은 전체에 걸쳐 같은 요소들을 나타낸다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광 센서 패키지를 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 광 센서 패키지(100)는 기판(110), 광 흡수층(120) 및 반사 기판(130)을 포함할 수 있다. 기판(110)은 목표 파장 영역의 광(L1)을 투과시킨다. 여기에서, 기판(110)은 일측면으로부터 목표 파장 영역의 광(L1)을 수광하고, 타측면에서 광 흡수층(120)을 지지한다. 즉, 기판(110)은 광 흡수층(120)이 배치된 상면이 아닌 후면으로 목표 파장 영역의 광(L1)을 수광한다.
기판(110)은 공기보다 높은 굴절율을 갖고, 목표 파장 영역의 광(L1)을 거의 흡수하지 않는 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 광(L1)이 녹색 파장 영역인 경우 기판(110)은 녹색 파장 영역의 광(L1)을 거의 흡수하지 않는 GaN, 사파이어, 유리 등으로 형성할 수 있다. 기판(110)은 목표 파장 영역 보다 최소 10배의 두께, 예를 들어 50μm 이상의 두께로 형성될 수 있다.
광 흡수층(120)은 판 형상으로 이루어져 기판(110)의 타측면 상에 배치되고, 기판(110)을 투과하는 목표 파장 영역의 광(L1)을 흡수하여 전류를 생성한다. 구체적으로는, 상기 광 흡수층(120)은, 광흡수층(120)을 수평으로 볼 때 광흡수층(120)의 윗 면과 광 흡수층(120)의 아래 면에서 광 흡수층(120)을 따라 동일한 길이를 갖는다.
본 발명의 일 실시예에 따른 광 흡수층(120)은 이차원 물질층을 포함할 수 있다. 여기에서, 이차원 물질층은 결정 구조의 차원수가 이차원인 물질로 이루어진 층으로서, 금속 칼코게나이드계 물질(metal chalcogenide based material), 탄소 함유 물질 및 산화물 반도체 물질 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
금속 칼코게나이드계 물질은 전이 금속(transition metal)과 칼코겐(chalcogen) 물질을 포함하는 TMDC(transition metal dichalcogenide) 물질일 수 있다. 여기에서, 전이 금속은 Mo, W, Nb, V, Ta, Ti, Zr, Hf, Tc, Re 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있으며, 칼코겐 물질은 S, Se, Te 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
또한, 탄소 함유 물질은 그래핀(graphene) 등을 포함할 수 있고, 산화물 반도체 물질은 Ga 산화물 반도체, Zn 산화물 반도체, 또는 In 산화물 반도체를 포함하는 물질일 수 있다.
본 발명의 일 실시예는 이에 한정되지 않고, 광 흡수층(120)을 의도적으로 극히 얇은 물질로 형성할 수 있다. 예를 들어, 광 흡수층(120)을 Ⅱ족, Ⅲ족, Ⅳ족, Ⅴ족, Ⅵ족, Ⅶ족 원소 및 이들의 화합물 중 어느 하나로 형성하고, 이차원 물질층과 같이 얇은 두께, 예를 들어 약 100nm 이하의 최대 두께를 갖도록 형성할 수 있다.
이를 위해, 광 흡수층(120)을 본 발명자의 선출원 특허인 제10-2021-0005539(2021.01.14)호의 나노 스케일 박막 구조 및 이의 구현 방법에 개시된 박막층과 같이 양자화(quantization)된 두께로 형성할 수 있다. 즉, 광 흡수층(120)을 물리 기상 증착법(PVD; Physical Vapor Deposition) 및 화학 기상 증착법(CVD; Chemical Vaper Deposition) 중 적어도 어느 하나의 공정을 이용하여 성장 방향에 대한 최소 단위 두께의 정수배로 형성할 수 있다. 여기에서, 최소 단위 두께는 광 흡수층(120)을 구성하는 원소의 개수 및 결정 구조에 따라 설정될 수 있다.
예를 들어, 광 흡수층(120)을 단일 원소로 구성할 경우 최소 단위 두께는 성장 방향으로 기준 성장면에 대한 가장 인접한 원자와 기준 성장면 사이의 거리에 대응하여 설정될 수 있다. 여기에서, 기준 성장면은 성장 방향의 원점 위치에 대응하는 원자가 성장 방향과 수직하게 형성하는 평면에 해당할 수 있다.
또한, 광 흡수층(120)을 두 가지 종류 이상의 원소로 구성할 경우 최소 단위 두께는 기준 성장면과 단위 성장면 사이의 거리에 대응하여 설정될 수 있다. 여기에서, 단위 성장면은 성장 방향으로 기준 성장면에 가장 인접한 원자 및 해당 원자와 가장 인접한 다른 원자가 성장 방향과 수직하게 형성하는 평면에 해당할 수 있다. 이러한 방법으로 광 흡수층(120)을 이차원 물질층과 같이 나노 스케일의 얇은 두께로 형성하면 이차원 물질층보다 응답 속도가 더 빠른 장점이 있다. 이와 같이 형성된 광 흡수층(120)은 기판(110) 상에 직접 본딩될 수 있다.
반사 기판(130)은 공동 영역(cavity)(CR)을 사이에 두고, 기판(110)과 대면하여 배치될 수 있다. 반사 기판(130)은 기판(110) 및 광 흡수층(120)을 투과한 목표 파장 영역의 광(L1)을 반사시킨다. 여기에서, 반사 기판(130)은 공동 영역(CR)보다 높은 굴절율을 갖고, 목표 파장 영역의 광(L1)의 흡수가 거의 없는 물질로 형성될 수 있다.
또한, 반사 기판(130)은 광 흡수층(120)과 전기적으로 연결되어 광 흡수층(120)에서 생성된 전류를 검출하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 반사 기판(130)은 판독 집적 회로(Read Out Integrated Circuit; ROIC), 인터포저(interposer) 및 재배선층(Redistribution layer; RDL) 중 적어도 어느 하나를 포함하는 기판으로 구현될 수 있다.
상술한 구성을 갖는 광 센서 패키지(100)는 광 흡수층(120)이 배치된 기판(110)의 상면이 아닌 후면으로부터 목표 파장 영역의 광(L1)을 수광하고, 수광한 목표 파장 영역의 광(L1)을 반사 기판(130)을 통해 반사시켜 광 흡수층(120)에 재흡수될 수 있도록 한다.
이로 인해, 목표 파장 영역의 광(L1)이 수직 방향으로 입사하더라도 진행 경로를 수평 방향으로 변경할 필요없이 광 흡수층(120)을 투과하는 유효 광 경로 길이를 최소 2배 이상 증가시킴으로써 광 검출 효율 및 감도를 향상시킬 수 있다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 광 센서 패키지(100)는 두께가 얇은 광 흡수층(120)을 구비하는 고효율 광 센서 및 이미지 센서 등에 활용될 수 있다. 또한, 상기 광 흡수층(120)과 반사 기판(130)은 광 흡수층(120)과 반사 기판(130) 사이에서 목표 파장 영역에 대해 1/2의 배수인 거리를 가질 수 있다. 즉, 상기 광 흡수층(120)과 반사 기판(130)은 페브리-페로 공진기를 구성할 수 있다.
그런데, 목표 파장 영역의 광(L1)이 반사 기판(130)에 의해 반사될 때, 일부 광(L11)은 반사 기판(130)으로 투과될 수 있다. 또한, 목표 파장 영역의 광(L1)이 기판(110)으로 입사될 때, 기판(110)의 일측면에서 일부 광(L12)이 반사될 수 있다. 그리고, 목표 파장 영역의 광(L1)이 기판(110)을 투과할 때, 기판(110)의 타측면에서 일부 광(L13)이 반사될 수 있다. 또한, 목표 파장 영역의 광(L1)이 반사 기판(130)에 의해 반사될 때, 일부 광(L14)은 기판(110)으로 투과될 수 있다. 따라서, 이를 방지하기 위한 다른 실시예들을 설명한다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 광 센서 패키지를 도시한 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 광 센서 패키지(200)는 기판(210), 광 흡수층(220), 반사 기판(230) 및 반사층(240)을 포함할 수 있다. 여기에서, 기판(210), 광 흡수층(220) 및 반사 기판(230) 각각은 도 1에 도시된 기판(110), 광 흡수층(120) 및 반사 기판(130)과 동일하므로, 설명 상의 편의를 위해 자세한 설명은 생략한다.
반사층(240)은 반사 기판(230) 상에 배치되어 목표 파장 영역의 광(L1)을 반사시킨다. 반사층(240)은 목표 파장 영역에서 반사 기판(230) 보다 높은 반사율을 갖는 물질로 형성할 수 있다. 예를 들어, 반사층(240)은 금속 물질이나 분포 브래그 반사기(Distributed Bragg Reflector; DBR) 등으로 형성할 수 있다. 분포 브래그 반사기는 굴절율이 서로 다른 층들을 교대로 반복하여 적층함으로써 형성되며, 분포 브래그 반사기를 PVD 또는 CVD 공정을 이용하여 형성할 경우 분포 브래그 반사기를 상술한 광 흡수층(도 1의 120)과 같이, 성장 방향에 대한 최소 단위 두께의 정수배로 형성할 수 있다. 상기 최소 단위 두께는 분포 브래그 반사기를 구성하는 원소의 개수 및 결정 구조에 따라 설정된 두께이다. 즉, 반사층(240)을 나노 스케일의 양자화된 두께로 형성할 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 광 센서 패키지(200)는 반사 기판(230)보다 높은 반사율을 갖는 반사층(240)을 추가로 형성하여 목표 파장 영역의 광(L1)이 반사 기판(230)에 의해 반사될 때, 반사 기판(230)으로 투과되는 일부 광(도 1의 L11)의 발생을 감소시켜 광 검출 효율 및 감도를 더욱 향상시킬 수 있다. 한편, 상기 광 흡수층(220)과 반사층(240)은 광 흡수층(220)과 반사층(240) 사이에서 목표 파장 영역에 대해 1/2의 배수인 거리를 가질 수 있다. 즉, 상기 광 흡수층(220)과 반사층(240)은 페브리-페로 공진기를 구성할 수 있다. 이에 따라, 상기 페브리-페로 공진기에서, 반사층(240)은 금속 물질이나 분포 브래그 반사기(DBR)로 대체될 수 있다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 광 센서 패키지를 도시한 도면이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 광 센서 패키지(300)는 기판(310), 광 흡수층(320), 반사 기판(330), 반사층(340) 및 무반사층(anti-reflection layer)(350)을 포함할 수 있다. 여기에서, 기판(310), 광 흡수층(320), 반사 기판(330) 및 반사층(340) 각각은 도 2에 도시된 기판(210), 광 흡수층(220), 반사 기판(230) 및 반사층(240)과 동일하므로, 설명 상의 편의를 위해 자세한 설명은 생략한다.
무반사층(350)은 기판(310)의 일측면 상에 배치되고, 기판(310)의 일측면에서 목표 파장 영역의 광(L1)의 반사를 방지한다. 무반사층(350)은 목표 파장 영역의 광(L1)에 대해 높은 투과율을 갖는 물질로 형성할 수 있다. 무반사층(350)은 일측면에서 반사된 반사광과 타측면에서 반사된 반사광 사이의 상대 위상 편이를 180°로 조절하여 반사광들을 상쇄시킴으로써 반사를 방지할 수 있다. 이를 위해, 무반사층(350)은 아래의 [수학식 1]을 만족하는 두께로 형성할 수 있다.
여기에서, n1은 무반사층(350)의 굴절율이고, d1은 무반사층(350)의 두께이며, λ는 광(L1)의 목표 파장이다. 즉, 본 발명의 다른 실시예에 따른 광 센서 패키지(300)는 목표 파장 영역의 광(L1)이 입사되는 기판(310)의 일측면에 무반사층(350)을 형성함으로써 기판(310)의 일측면에서 목표 파장 영역의 광(L1) 중 일부 광(도 1의 L12)의 반사를 감소시켜 투과율을 높일 수 있다. 이로 인해, 광 검출 효율 및 감도를 더욱 향상시킬 수 있다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 광 센서 패키지를 도시한 도면이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 광 센서 패키지(400)는 기판(410), 광 흡수층(420), 반사 기판(430), 반사층(440), 제1 및 제2 무반사층(450, 460)을 포함할 수 있다. 여기에서, 기판(410), 광 흡수층(420), 반사 기판(430), 반사층(440) 및 제1 무반사층(450) 각각은 도 3에 도시된 기판(310), 광 흡수층(320), 반사 기판(330), 반사층(340) 및 무반사층(350)과 동일하므로, 설명 상의 편의를 위해 자세한 설명은 생략한다.
제2 무반사층(460)은 기판(410)의 타측면 상에 배치되고, 기판(410)의 타측면에서 목표 파장 영역의 광(L1)의 반사를 방지한다. 제2 무반사층(460)은 목표 파장 영역의 광(L1)에 대해 높은 투과율을 갖는 물질로 형성할 수 있다. 제2 무반사층(460)은 아래의 [수학식 2]를 만족하는 두께로 형성할 수 있다.
여기에서, n2는 제2 무반사층(460)의 굴절율이고, d2는 제2 무반사층(460)의 두께이며, λ는 광(L1)의 목표 파장이다. 제2 무반사층(460)은 기판(310)의 타측면에서 목표 파장 영역의 광(L1) 중 일부 광(도 1의 L13)의 반사를 방지한다. 즉, 본 발명의 다른 실시예에 따른 광 센서 패키지(400)는 기판(410)의 일측면 및 타측면 각각에 제1 및 제2 무반사층(450, 460)을 배치함으로써 기판(410)에 대한 목표 파장 영역의 광(L1)의 투과율을 증가시킬 수 있다. 이로 인해, 광 검출 효율 및 감도를 더욱 향상시킬 수 있다. 한편, 상기 제2 무반사층(460)은 반사 기판(430) 및 반사층(440) 중 적어도 하나와 함께 페브리-페로 공진기를 구성할 수 있다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 광 센서 패키지를 도시한 도면이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 광 센서 패키지(500)는 기판(510), 광 흡수층(520), 반사 기판(530), 반사층(540), 제1 및 제2 무반사층(550, 560)을 포함할 수 있다. 여기에서, 광 흡수층(520), 반사 기판(530), 반사층(540) 및 제2 무반사층(560) 각각은 도 4에 도시된 광 흡수층(420), 반사 기판(430), 반사층(440) 및 제2 무반사층(460)과 동일하므로, 설명 상의 편의를 위해 자세한 설명은 생략한다.
기판(510)은 목표 파장 영역의 광(L1)을 투과시킨다. 기판(510)은 공기보다 높은 굴절율을 갖고, 목표 파장 영역의 광(L1)을 거의 흡수하지 않는 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 광(L1)이 녹색 파장 영역인 경우 기판(510)은 녹색 파장 영역의 광(L1)을 거의 흡수하지 않는 GaN, 사파이어, 유리 등으로 형성할 수 있다. 기판(510)은 목표 파장 영역 보다 최소 10배의 두께, 예를 들어 50μm 이상의 두께로 형성될 수 있다.
기판(510)은 일측면 상에 볼록 렌즈 영역(512)을 포함할 수 있다. 볼록 렌즈 영역(512)은 기판(510)의 일측면 중 광 흡수층(520)에 대응하는 중앙 영역에 형성될 수 있다. 볼록 렌즈 영역(512)은 광 흡수층(520)의 면적보다 더 넓은 폭으로 형성될 수 있다. 볼록 렌즈 영역(512)은 목표 파장 영역의 광(L1)을 광 흡수층(520)으로 집광시킬 수 있다.
제1 무반사층(550)은 기판(510)의 일측면 상에 형성되며, 기판(510)의 입사면을 따라 균일한 두께로 형성되므로 기판(510)과 동일한 형상으로 형성될 수 있다. 즉, 본 발명의 다른 실시예에 따른 광 센서 패키지(500)는 기판(510) 및 제1 무반사층(550)을 마이크로 볼록 렌즈의 형상으로 형성하여 목표 파장 영역의 광(L1)을 광 흡수층(520)으로 집광시킴으로써 광 검출 효율 및 감도를 더욱 향상시킬 수 있다. 또한, 적은 면적으로 구현이 가능하여 광 센서 패키지(500)의 집적도를 향상시킬 수 있다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 광 센서 패키지를 도시한 도면이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 광 센서 패키지(600)는 기판(610), 광 흡수층(620), 반사 기판(630), 반사층(640), 제1 및 제2 무반사층(650, 660)을 포함할 수 있다. 여기에서, 기판(610), 광 흡수층(620), 제1 및 제2 무반사층(650, 660) 각각은 도 4에 도시된 기판(410), 광 흡수층(420), 제1 및 제2 무반사층(450, 460)과 동일하므로, 설명 상의 편의를 위해 자세한 설명은 생략한다.
반사 기판(630)은 일부가 오목한 오목 렌즈 영역(632)을 포함할 수 있다. 오목 렌즈 영역(632)은 광 흡수층(620)에 대응하는 반사 기판(630)의 중앙 영역에 형성될 수 있다. 오목 렌즈 영역(632)은 광 흡수층(620)의 면적보다 더 넓은 폭으로 형성될 수 있다. 오목 렌즈 영역(632)은 기판(610) 및 광 흡수층(620)을 통과한 목표 파장 영역의 광(L1)을 광 흡수층(620)으로 반사시킬 수 있다.
반사층(640)은 반사 기판(630)의 반사면 상에 형성되며, 반사면을 따라 균일한 두께로 형성되므로 반사 기판(630)과 동일한 형상으로 형성될 수 있다. 즉, 본 발명의 다른 실시예에 따른 광 센서 패키지(600)는 반사 기판(630) 및 반사층(640)을 마이크로 오목 렌즈의 형상으로 형성하여 목표 파장 영역의 광(L1)을 광 흡수층(620)으로 반사시킴으로써 광 검출 효율 및 감도를 더욱 향상시킬 수 있다. 또한, 광 센서 패키지(600)를 적은 면적으로 구현이 가능하여 집적도를 향상시킬 수 있다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 광 센서 패키지를 도시한 도면이다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 광 센서 패키지(700)는 기판(710), 광 흡수층(720) 및 반사 기판(730)을 포함할 수 있다. 여기에서, 광 흡수층(720) 및 반사 기판(730)은 도 1에 도시된 광 흡수층(120) 및 반사 기판(130)과 동일하므로, 설명상의 편의를 위해 자세한 설명은 생략한다.
기판(710)은 목표 파장 영역의 광(L1)을 투과시킨다. 기판(710)은 공기보다 높은 굴절율을 갖고, 목표 파장 영역의 광(L1)을 거의 흡수하지 않는 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 광(L1)이 녹색 파장 영역인 경우 기판(710)은 녹색 파장 영역의 광(L1)을 거의 흡수하지 않는 GaN, 사파이어, 유리 등으로 형성할 수 있다.
기판(710)은 공동 영역(CR)을 사이에 두고, 반사 기판(730)과 대면하여 배치된다. 본 발명의 다른 실시예는 기판(710)을 무반사층 및 광 공진기 구조로 형성할 수 있다. 즉, 기판(710) 자체가 무반사층의 역할을 수행하여 일측면 및 타측면 각각에서 목표 파장 영역의 광(L1)을 반사 없이 투과시킬 수 있다. 또한, 기판(710)은 반사 기판(730)과 광 공진기 구조를 형성하여 반사 기판(730)에서 반사된 목표 파장 영역의 광(L1)을 일측면에서 반사 기판(730)으로 다시 반사시킬 수 있다.
기판(710)이 무반사층의 역할을 수행하기 위해서는 상기한 [수학식 1]과 같이, 광(L1)의 목표 파장에 대한 1/4의 정수배로 두께가 형성되야 한다. 또한, 광 공진기, 예를 들어 페브리-페로(Fabry-Perot) 공진기 구조를 구성하기 위해서는 공진기의 물리적 거리가 광(L1)의 목표 파장 영역에 대한 1/2의 정수배를 만족해야 한다. 이를 위해, 기판(710)의 두께(d3)를 아래의 [수학식 3]과 같이 형성할 수 있다.
여기에서, ns는 기판(710)의 굴절율이고, λ는 광(L1)의 목표 파장 영역이다. 그리고, l1은 차수로서, 0보다 크고, 600보다 작으며, 홀수인 정수일 수 있다. 즉, l1은 1, 3, 5, …, 599일 수 있고, 바람직하게, l1은 1일 수 있다.
광 공진기, 예를 들어 페브리-페로 공진기 구조는 두 개의 반사면을 일정 거리를 두고 서로 대면 배치하고, 두 반사면 사이에서 공진 파장에 해당하는 광을 왕복하게 하는 구조이며, 반사면 형성은 단순한 굴절률 차이로도 가능하다. 여기에서, 공진 파장은 왕복하는 광 사이에 보강 간섭을 일으키는 파장을 말한다. 즉, 페브리-페로 공진기는 아래의 [수학식 4]를 만족할 때 광이 공진한다.
여기에서, n은 페브리-페로 공진기의 굴절율이고, d는 페브리-페로 공진기의 두께이며, k는 차수이다. 즉, 페브리-페로 공진기의 두께(d)가 광의 반파장(λ/2)의 정수배와 같을 때 광이 공진한다. 따라서, 본 발명의 다른 실시예는 기판(710)의 일측면을 페브리-페로 공진기의 제1 반사면으로 형성하고, 반사 기판(730)의 일측면을 페브리-페로 공진기의 제2 반사면으로 형성한다. 그리고, 기판(710)의 두께(d3)와 공동 영역(CR)의 두께(d4)의 합을 광(L1)의 목표 파장 영역에 대한 1/2의 정수배가 되도록 하여 페브리-페로 공진기 구조를 형성한다. 이때, 공동 영역(CR)의 두께(d4)는 아래의 [수학식 5]와 같다.
여기에서, nc는 공동 영역(CR)의 굴절율이고, λ는 광(L2)의 파장이다. 그리고, k는 차수로서, 0보다 크고, 200보다 작으며, 홀수인 정수일 수 있다. 즉, k는 1, 3, 5, …, 199일 수 있고, 바람직하게, k는 1일 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 광 센서 패키지(700)는 기판(710) 자체로 일측면 및 타측면에서 목표 파장 영역의 광(L1)을 반사 없이 투과시키고, 기판(710)의 일측면과 반사 기판(730) 사이에서 목표 파장 영역의 광(L1)을 공진시켜 유효 광 경로 길이를 최대 무한대로 증가시킬 수 있다. 따라서, 광 검출 효율 및 감도를 최대로 향상시킬 수 있다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 광 센서 패키지를 도시한 도면이다.
도 8을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 광 센서 패키지(800)는 기판(810), 광 흡수층(820), 반사 기판(830) 및 반사층(840)을 포함할 수 있다. 여기에서, 기판(810), 광 흡수층(820) 및 반사 기판(830) 각각은 도 6에 도시된 기판(710), 광 흡수층(720) 및 반사 기판(730)과 동일하므로, 설명 상의 편의를 위해 자세한 설명은 생략한다.
반사층(840)은 반사 기판(830) 상에 배치되고, 목표 파장 영역의 광(L1)을 기판(810)의 일측면으로 반사시킨다. 여기에서, 반사층(840)은 목표 파장 영역에서 반사 기판(830) 보다 높은 반사율을 갖는 물질로 형성할 수 있다. 예를 들어, 반사층(840)은 금속 물질이나 분포 브래그 반사기(Distributed Bragg Reflector; DBR) 등으로 형성할 수 있다. 여기에서, 반사층(840)을 분포 브래그 반사기로 형성할 경우 상술한 반사층(240)과 같이 성장 방향에 대한 최소 단위 두께의 정수배로 형성할 수 있다.
즉, 본 발명의 다른 실시예에 따른 광 센서 패키지(800)는 반사 기판(830) 상에 높은 반사율을 갖는 반사층(840)을 추가로 형성함으로써 목표 파장 영역의 광(L1)이 공진할 때 반사 기판(830)으로 일부 광이 투과되는 현상을 방지하고, 반사율을 증가시킬 수 있다. 따라서, 광 검출 효율 및 감도를 더욱 향상시킬 수 있다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 광 센서 패키지를 도시한 도면이다.
도 9를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 광 센서 패키지(900)는 기판(910), 절연층(920), 광 흡수층(930), 반사층(940) 및 반사 기판(950)을 포함할 수 있다. 여기에서, 광 흡수층(930), 반사 기판(950) 및 반사층(940) 각각은 도 8에 도시된 광 흡수층(820), 반사 기판(830) 및 반사층(840)과 동일하므로, 설명 상의 편의를 위해 자세한 설명은 생략한다.
기판(910)은 입사된 목표 파장 영역의 광(L1)을 투과시킨다. 기판(910)은 공기보다 높은 굴절율을 갖고, 목표 파장 영역의 광(L1)을 거의 흡수하지 않는 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 광(L1)이 녹색 파장 영역인 경우 기판(910)은 녹색 파장 영역의 광(L1)을 거의 흡수하지 않는 GaN, 사파이어, 유리 등으로 형성할 수 있다. 기판(910)은 목표 파장 영역 보다 최소 10배의 두께, 예를 들어 50μm 이상의 두께로 형성될 수 있다.
절연층(920)은 기판(910)의 타측면 상에 배치된다. 절연층(920)은 기판(910)과 광 흡수층(930) 사이를 전기적으로 절연시키고, 목표 파장 영역의 광(L1)을 반사없이 투과시킨다. 또한, 절연층(920)은 반사층(940)에서 반사된 목표 파장 영역의 광(L1)을 일측면에서 반사층(940)으로 반사시킨다. 여기에서, 절연층(920)은 목표 파장 영역의 광(L1)에 대해 높은 투과율을 갖는 절연 물질로 형성할 수 있다. 절연층(920)은 아래의 [수학식 6]을 만족하는 두께(d5)로 형성될 수 있다.
여기에서, ni는 절연층(920)의 굴절율이고, λ는 광(L1)의 목표 파장 영역이다. 그리고, l2는 차수로서, 0보다 크고, 200보다 작으며, 홀수인 정수일 수 있다. 즉, l2는 1, 3, 5, …, 199일 수 있고, 바람직하게, l2는 1일 수 있다. 이때, 공동 영역(CR)은 상기한 [수학식 5]를 만족하는 두께(d6)로 형성할 수 있다.
즉, 본 발명의 다른 실시예에 따른 광 센서 패키지(900)는 기판(910)을 얇은 두께로 형성하는 대신에 절연층(920)을 이용하여 무반사막 및 광 공진기 구조를 형성할 수 있다. 따라서, 목표 파장 영역의 광(L1)은 반사없이 절연층(920)을 투과하여 절연층(920)의 일측면과 반사층(940)의 일측면 사이에서 공진한다. 이로 인해, 광 검출 효율 및 감도를 더욱 향상시킬 수 있다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 광 센서 패키지를 도시한 도면이다.
도 10을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 광 센서 패키지(1000)는 기판(1010), 절연층(1020), 광 흡수층(1030), 반사층(1040), 반사 기판(1050) 및 무반사층(1060)을 포함할 수 있다. 여기에서, 기판(1010), 절연층(1020), 광 흡수층(1030), 반사층(1040) 및 반사 기판(1050) 각각은 도 9에 도시된 기판(910), 절연층(920), 광 흡수층(930), 반사층(940) 및 반사 기판(950)과 동일하므로, 설명 상의 편의를 위해 자세한 설명은 생략한다.
무반사층(1060)은 기판(1010)의 일측면 상에 형성되고, 목표 파장 영역의 광(L1)을 반사 없이 투과시킨다. 무반사층(1060)은 목표 파장 영역의 광(L1)에 대해 높은 투과율을 갖는 물질로 형성할 수 있다. 본 발명은 이에 한정되지 않고, 무반사층(1060)을 절연층(1020)과 동일한 물질로 형성할 수 있다. 그리고, 무반사층(1060)은 상기한 [수학식 1]과 같은 두께로 형성될 수 있다.
즉, 본 발명의 다른 실시예에 따른 광 센서 패키지(1000)는 기판(1010)의 일측면에는 무반사층(1060)을 형성하고, 타측면에는 무반사층 및 광 공진기 구조를 형성하는 절연층(1020)을 형성한다. 따라서, 목표 파장 영역의 광(L1)은 반사없이 기판(1010) 및 절연층(1020)을 투과하여 절연층(1020)의 일측면과 반사층(1040) 사이에서 공진한다. 이로 인해, 광 검출 효율 및 감도를 더욱 향상시킬 수 있다.
도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 광 센서 패키지를 도시한 도면이다.
도 11을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 광 센서 패키지(1100)는 기판(1110), 제1 절연층(1120), 광 흡수층(1130), 제2 절연층(1140), 반사 기판(1150) 및 무반사층(1160)을 포함할 수 있다. 여기에서, 기판(1110), 제1 절연층(1120), 광 흡수층(1130), 반사 기판(1150) 및 무반사층(1160) 각각은 도 10에 도시된 기판(1010), 절연층(1020), 광 흡수층(1030), 반사 기판(1050) 및 무반사층(1060)과 동일하므로, 설명 상의 편의를 위해 자세한 설명은 생략한다.
제2 절연층(1140)은 공동 영역(CR)을 사이에 두고, 제1 절연층(1120)과 대면하여 반사 기판(1150) 상에 배치된다. 제2 절연층(1140)은 목표 파장 영역의 광(L1)을 반사없이 투과시키고, 제1 절연층(1120)의 타측면에서 반사된 목표 파장 영역의 광(L1)을 타측면에서 제1 절연층(1120)의 타측면으로 반사시킨다. 여기에서, 제2 절연층(1140)은 목표 파장 영역의 광(L1)에 대해 높은 투과율을 갖는 절연 물질로 형성할 수 있다. 제2 절연층(1140)은 아래의 [수학식 7]을 만족하는 두께(d7)로 형성될 수 있다.
여기에서, ni2는 제2 절연층(1140)의 굴절율이고, λ는 광(L1)의 목표 파장 영역이다. 그리고, m는 차수로서, 0보다 크고, 200보다 작으며, 홀수인 정수일 수 있다. 즉, m은 1, 3, 5, …, 199일 수 있고, 바람직하게, m은 1일 수 있다.
즉, 본 발명의 다른 실시예에 따른 광 센서 패키지(1100)는 제1 절연층(1120)의 일측면과 제2 절연층(1140)의 일측면 사이에 제1 페브리-페로 공진기 구조를 형성하고, 제1 절연층(1120)의 타측면과 제2 절연층(1140)의 타측면 사이에 제2 페브리-페로 공진기 구조를 형성한다.
따라서, 기판(1110), 제1 절연층(1120) 및 광 흡수층(1130)을 통과한 목표 파장 영역의 광(L1)은 제1 절연층(1120)의 일측면과 제2 절연층(1140)의 일측면 사이에서 공진하고, 제1 절연층(1120)의 일측면에서 제2 절연층(1140)의 일측면으로 반사될 때, 제2 절연층(1140)을 투과한 일부 광(L1)은 제1 절연층(1120)의 타측면과 제2 절연층(1140)의 타측면 사이에서 공진한다. 즉, 제2 절연층(1140)을 이용하여 반사층과 같은 효과를 얻을 수 있다. 이에 따라, 이러한 구성을 함으로써 광 흡수층(1130)은 공진기 내에 형성되는 정상파의 가장 높은 에너지 밀도를 갖는 antinode position(예를 들면, 정상파에서 노드가 아닌 부분이 있는 위치)에 위치되어 광흡수를 촉진시킬 수 있다.
도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 광 센서 패키지를 도시한 도면이다.
도 12를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 광 센서 패키지(1200)는 기판(1210), 절연층(1220), 광 흡수층(1230), 반사층(1240), 반사 기판(1250), 무반사층(1260) 및 양자점(Quantum dot; QD)(1270)을 포함할 수 있다. 여기에서, 기판(1210), 절연층(1220), 광 흡수층(1230), 반사층(1240), 반사 기판(1250) 및 무반사층(1260) 각각은 도 10에 도시된 기판(1010), 절연층(1020), 광 흡수층(1030), 반사층(1040), 반사 기판(1050) 및 무반사층(1060)과 동일하므로, 설명 상의 편의를 위해 자세한 설명은 생략한다.
양자점(1270)은 광 흡수층(1230) 상에 형성되고, 목표 파장 영역의 광(L1)을 흡수한다. 여기에서, 양자점(1270)은 목표 파장 영역의 광(L1)의 에너지에 해당하는 밴드 갭 에너지를 갖도록 형성될 수 있다. 즉, 본 발명의 다른 실시예에 따른 광 센서 패키지(1200)는 광 흡수층(1230) 및 양자점(1270)을 통해 목표 파장 영역의 광(L1)을 더욱 강하게 흡수할 수 있다.
도 13은 본 발명의 다른 실시예에 따른 광 센서 패키지를 도시한 도면이다.
도 13을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 광 센서 패키지(1292)는, 목표 파장 영역의 광에 대해 투명한 기판(1272), 기판(1272) 아래에 위치되는 반사 기판(1278), 기판(1272)과 반사 기판(1278) 사이에 위치되는 광 흡수층(1274), 및 광 흡수층(1274)과 인접한 위치에 형광물질 층(1276)을 포함한다.
상기 반사 기판(1278)은 기판(1272)과 반사 기판(1278) 사이의 공동 영역보다 더 큰 굴절률을 갖는다. 상기 광 흡수층1274)은 목표 파장 영역의 광(L1)을 흡수한다. 상기 형광물질 층(1276)은 목표 파장보다 높은 파장의 빛을 목표 파장의 빛으로 변환하는 기능을 갖는다.
여기서, 상기 기판(1272)과 광 흡수층(1274)과 반사 기판(1278)은 도 1에서 설명된다. 또한, 상기 광 흡수층(1274) 및 형광물질 층(1276)은 각각 100nm 이하의 두께를 갖는다. 형광물질 층(1276)은 양자점을 포함할 수 있다. 상기 광 흡수층(1274)이 목표 파장 흡수가 어려운 경우, 상기 형광물질 층(1276)은 양자점이 입사된 높은 에너지의 빛을 낮은 에너지의 빛으로 변환함으로써 광 흡수층(1274)이 목표로 하는 파장을 흡수할 수 있도록 해준다.
한편, 상기 광 흡수층(1274)과 반사 기판(1278)은 광 흡수층(1274)과 반사 기판(1278) 사이에서 목표 파장 영역에 대해 1/2의 배수인 거리를 갖는다.
도 14는 본 발명의 다른 실시예에 따른 광 센서 패키지를 도시한 도면이다.
도 14를 참조하면, 상기 광센서 패키지(1294)는 도 13의 광 센서 패키지(1292)와 유사한 구조를 갖는다. 그러나, 상기 광센서 패키지(1294)는 기판(1272) 주변에서 도 13의 광 센서 패키지(1292)와 다른 구조를 갖는다. 즉, 상기 광센서 패키지(1294)에서,
상기 기판(1272)은 기판(1272)의 타측면에 광 흡수층(1274) 및 형광물질 층(1276)을 가지며, 기판(1272)의 일측면에 무반사층(1283)을 갖는다.
도 15는 본 발명의 다른 실시예에 따른 광 센서 패키지를 도시한 도면이다.
도 15를 참조하면, 상기 광센서 패키지(1298)는 도 14의 광 센서 패키지(1294)와 유사한 구조를 갖는다. 그러나, 상기 광센서 패키지(1298)는 기판 주변에서 그리고 반사 기판(1278) 주변에서 도 14의 광 센서 패키지(1294)와 다른 구조를 갖는다. 즉, 상기 광센서 패키지(1298)는 기판(1272)과 광 흡수층(1274) 사이에 위치되는 무반사층(1289)을 더 포함한다. 상기 무반사층(1289)은 목표 파장 영역에 대한 1/4의 배수인 두께로 형성되고, 반사 기판(1278)과 함께 페브리-페로 공진기를 구성한다.
또한, 상기 광센서 패키지(1298)는 형광물질 층(1276)과 반사 기판(1278) 사이에 반사층(1286)을 더 포함한다. 상기 반사층(1286)은 금속물질 또는 분포 브래그 반사기일 수 있다. 상기 광 흡수층(1274)과 반사층(1286)은 광 흡수층(1274)과 반사층(1286) 사이에서 목표 파장 영역에 대해 1/2의 배수인 거리를 갖는다.
도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 광 센서 어레이 장치를 도시한 도면이다.
도 16을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 광 센서 어레이 장치(1300)는 기판(1310), 절연층(1320), 복수의 광 흡수층(1330), 반사층(1340), 반사 기판(1350), 무반사층(1360), 양자점(1370), 복수의 제1 전극(E1), 복수의 제2 전극(E2) 및 복수의 몰드 도전층(1380)을 포함할 수 있다. 광 센서 어레이 장치(1300)는 복수의 광 흡수층(1330)을 기준으로 하는 복수의 단위 광 센서 패키지(UC)가 2x2, 4x4, 8x8 어레이로 배열된 구조를 가질 수 있다. 본 발명의 일 실시예는 이에 한정되지 않고, 복수의 단위 광 센서 패키지(UC)가 FHD급(1920x1080)이나 4k급(3840x2160) 이상의 장치, 예를 들어 디지털 카메라 등에 대응하는 어레이를 가지도록 배열될 수 있다. 도 16에서는 도 12에 도시된 광 센서 패키지(1200)의 구성을 기준으로 도시 및 설명하나, 본 발명의 일 실시예는 이에 한정되지 않고, 상술한 나머지 광 센서 패키지의 구성으로 광 센서 어레이 장치(1300)가 구성될 수 있다.
여기에서, 단위 광 센서 패키지(UC)는 허메틱 웨이퍼 레벨 패키지(hermetic Wafer Level Package) 방식을 이용하여 형성될 수 있다. 즉, 단위 광 센서 패키지(UC)는 절연층(1320) 및 무반사층(1360)이 형성된 기판(1310)과 반사층(1340)이 형성된 반사 기판(1350)을 몰드 도전층(1380)을 통해 결합시켜 복수의 광 흡수층(1330)을 밀봉하는 방식으로 패키징될 수 있다.
그리고, 기판(1310), 절연층(1320), 광 흡수층(1330), 반사층(1340), 반사 기판(1350), 무반사층(1360) 및 양자점(1370) 각각은 도 12에 도시된 기판(1210), 절연층(1220), 광 흡수층(1230), 반사층(1240), 반사 기판(1250), 무반사층(1260) 및 양자점(1270)과 동일하므로, 설명 상의 편의를 위해 자세한 설명은 생략한다.
따라서, 상기 광 흡수층(1330)은 광흡수층(1330)을 수평으로 볼 때 광흡수층(1330)의 윗 면과 광 흡수층(1330)의 아래 면에서 광 흡수층(1330)을 따라 동일한 길이를 갖는다.
제1 및 제2 전극(E1, E2)은 광 흡수층(1330) 상에 배치된다. 제1 및 제2 전극(E1, E2) 각각은 투명 전극으로 형성될 수 있다. 제1 및 제2 전극(E1, E2) 각각은 목표 파장 영역의 광(L1)을 투과시키고, 전류가 흐를 수 있는 투명 전도성 물질을 포함할 수 있다.
몰드 도전층(1380)은 복수의 광 흡수층 사이에서 절연층(1320)과 반사 기판(1350) 사이에 배치된다. 몰드 도전층(1380)은 광 흡수층(1330)과 반사 기판(1350)을 전기적으로 연결한다. 여기에서, 몰드 도전층(1380)은 솔더 볼, 범프 볼 등을 포함할 수 있다. 몰드 도전층(1380)은 공동 영역(CR)의 두께에 대응하는 높이로 형성될 수 있다. 이때, 공동 영역(CR)은 소자 보호를 위해 진공 상태이거나 불활성 가스(inert gas) 등으로 내부가 충진된 상태일 수 있다.
상술한 구성을 갖는 광 센서 어레이 장치(1300)는 기판(1310)의 후면으로부터 목표 파장 영역의 광(L1)을 수광하고, 반사 기판(1350)을 이용하여 반사시키는 방식이므로 수직 방향으로 입사하는 광(L1)의 진행 경로를 수평 방향으로 변경하는 방식에 비해 인접한 단위 광 센서 패키지(UC) 간의 크로스 토크를 감소시킬 수 있다. 이에, 본 발명의 일 실시예에 따른 광 센서 어레이(1300)는 초점면 배열(focal plane array; FPA) 검출기에도 적용이 가능하다.
도 17은 본 발명의 다른 실시예에 따른 광 센서 어레이 장치를 도시한 도면이다.
도 17을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 광 센서 어레이 장치(1400)는 기판(1410), 절연층(1420), 복수의 광 흡수층(1430), 반사층(1440), 반사 기판(1450), 무반사층(1460), 양자점(1470), 복수의 제1 전극(E3), 복수의 제2 전극(E4) 및 복수의 몰드 도전층(1480)을 포함할 수 있다.
여기에서, 절연층(1420), 광 흡수층(1430), 반사층(1440), 반사 기판(1450), 양자점(1470), 제1 전극(E3), 제2 전극(E4) 및 몰드 도전층(1480) 각각은 도 16에 도시된 절연층(1320), 광 흡수층(1330), 반사층(1340), 반사 기판(1350), 양자점(1370), 제1 전극(E1), 제2 전극(E2) 및 몰드 도전층(1380)과 동일하므로, 설명 상의 편의를 위해 자세한 설명은 생략한다.
기판(1410)은 복수의 광 흡수층(1430) 사이의 영역에서 몰드 도전층(1480) 상에 형성되어 일정 깊이로 식각된 복수의 트렌치(1412)를 포함할 수 있다. 여기에서, 트렌치(1412)의 측벽은 일정 각도 경사를 갖도록 형성하는 것이 바람직하다. 즉, 기판(1410)은 복수의 광 흡수층(1430) 사이의 영역에 일정 각도 기울어진 경사면을 갖는다.
무반사층(1460)은 복수의 광 흡수층(1430) 사이의 영역을 제외한 기판(1410)의 일측면 상에 형성될 수 있다. 즉, 무반사층(1460)은 트렌치(1412)를 제외하고, 복수의 광 흡수층(1430) 각각에 대응하는 영역의 기판(1410)의 일측면 상에 형성될 수 있다.
따라서, 수직 방향으로 입사되지 않는 광(L1)이 반사층(1440)에서 반사될 때 기판(1410)을 투과하지 않고, 트렌치(1412)의 측벽 및 기판(1410)의 일측면 상에서 반사된다. 이로 인해, 수직 방향으로 입사되지 않는 광(L1)이 기판(1410)을 투과하여 인접한 단위 광 센서 패키지(UC)의 방향으로 반사되는 것을 방지하여 크로스 토크를 더욱 감소시킬 수 있다.
도 18은 본 발명의 다른 실시예에 따른 광 센서 어레이 장치를 도시한 도면이다.
도 18을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 광 센서 어레이 장치(1500)는 기판(1510), 절연층(1520), 복수의 광 흡수층(1530), 반사층(1540), 반사 기판(1550), 무반사층(1560), 양자점(1570), 복수의 제1 전극(E5), 복수의 제2 전극(E6), 복수의 몰드 도전층(1580) 및 복수의 반사 격벽(1590)을 포함할 수 있다.
여기에서, 기판(1510), 절연층(1520), 광 흡수층(1530), 반사층(1540), 반사 기판(1550), 양자점(1570), 제1 전극(E5), 제2 전극(E6) 및 몰드 도전층(1580) 각각은 도 16에 도시된 기판(1310), 절연층(1320), 광 흡수층(1330), 반사층(1340), 반사 기판(1350), 양자점(1370), 제1 전극(E1), 제2 전극(E2) 및 몰드 도전층(1380)과 동일하므로, 설명 상의 편의를 위해 자세한 설명은 생략한다.
무반사층(1560)은 복수의 광 흡수층(1530) 사이의 영역을 제외한 기판(1550)의 일측면 상에 형성될 수 있다. 즉, 무반사층(1560)은 복수의 광 흡수층(1530) 각각에 대응하는 기판(1550)의 일측면 상에 형성될 수 있다.
반사 격벽(1590)은 몰드 도전층(1580) 상에 기판(1510)과 수직한 방향으로 기판(1510) 사이에 개재될 수 있다. 여기에서, 반사 격벽(1590)은 복수의 광 흡수층(1530) 사이의 기판(1510) 및 절연층(1520)을 식각하여 트렌치(1592)를 형성하고, 트렌치(1592) 내에 금속 물질을 증착하여 형성할 수 있다.
따라서, 수직 방향으로 입사되지 않는 광(L1)이 반사층(1540)에서 반사될 때 기판(1550)을 투과하지 않고, 반사 격벽(1590) 및 기판(1450)의 일측면 상에서 반사된다. 이로 인해, 수직 방향으로 입사되지 않는 광(L1)이 기판(1550)을 투과하여 인접한 단위 광 센서 패키지(UC)의 방향으로 반사되는 것을 방지하여 크로스 토크를 더욱 감소시킬 수 있다.
도 19는 본 발명의 다른 실시예에 따른 광 센서 어레이 장치를 도시한 도면이다.
도 19를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 광 센서 어레이 장치(1600)는 기판(1610), 절연층(1620), 복수의 광 흡수층(1630), 반사층(1640), 반사 기판(1650), 무반사층(1660), 양자점(1670), 복수의 제1 전극(E7), 복수의 제2 전극(E8), 복수의 몰드 도전층(1680) 및 복수의 광 간섭 방지층(1690)을 포함할 수 있다.
여기에서, 기판(1610), 절연층(1620), 광 흡수층(1630), 반사층(1640), 반사 기판(1650), 양자점(1670), 제1 전극(E7), 제2 전극(E8) 및 몰드 도전층(1680) 각각은 도 16에 도시된 기판(1310), 절연층(1320), 광 흡수층(1330), 반사층(1340), 반사 기판(1350), 양자점(1370), 제1 전극(E1), 제2 전극(E2) 및 몰드 도전층(1380)과 동일하므로, 설명 상의 편의를 위해 자세한 설명은 생략한다.
무반사층(1660)은 복수의 광 흡수층(1630) 사이의 영역을 제외한 기판(1650)의 일측면 상에 형성될 수 있다. 즉, 무반사층(1660)은 복수의 광 흡수층(1630) 각각에 대응하는 기판(1650)의 일측면 상에 형성될 수 있다.
광 간섭 방지층(1690)은 기판(1650)의 일측면에서 몰드 도전층(1680)과 수직으로 마주하게 배치된다. 광 간섭 방지층(1690)은 무반사층(1660)과 일정 간격 이격되어 배치될 수 있다. 광 간섭 방지층(1690)은 반사층(1640)에 의해 반사되어 절연층(1620) 및 기판(1610)을 투과한 광(L1)을 흡수한다. 여기에서, 광 간섭 방지층(1690)은 목표 파장 영역의 광(L1)을 흡수할 수 있는 물질로 형성될 수 있다.
따라서, 수직 방향으로 입사되지 않는 광(L1)이 반사층(1540)에서 반사될 때 절연층(1620) 및 기판(1610)을 투과하더라도 광 간섭 방지층(1690)이 흡수함으로써 인접한 단위 광 센서 패키지(UC)의 방향으로 반사되는 것을 방지하여 크로스 토크를 더욱 감소시킬 수 있다.
100: 광 센서 패키지, 110: 기판
120: 광 흡수층, 130: 반사 기판
CR; 공동 영역, L1; 목표 파장 영역의 광
L11, L12, L13, L14; L1의 일부광
120: 광 흡수층, 130: 반사 기판
CR; 공동 영역, L1; 목표 파장 영역의 광
L11, L12, L13, L14; L1의 일부광
Claims (57)
- 목표 파장 영역의 광에 대해 투명한 기판;
상기 기판 아래에 위치되는 반사 기판; 및
상기 기판과 상기 반사 기판 사이에 위치되는 광 흡수층을 포함하고,
상기 반사 기판은
상기 기판과 상기 반사 기판 사이의 공동 영역보다 더 큰 굴절률을 가지고,
상기 광 흡수층은
상기 목표 파장 영역의 광을 흡수하고,
상기 기판과 상기 반사 기판은,
상기 기판과 상기 반사 기판 사이에서 상기 목표 파장 영역에 대해 1/2의 배수인 거리로 두 개의 반사면을 이격시켜 형성되는 페브리-페로 공진기를 가지는, 광 센서 소자. - 제1 항에 있어서,
상기 광 흡수층은 100nm 이하의 두께를 가지는, 광 센서 소자. - 제1 항에 있어서,
상기 기판은
상기 기판의 타측면에 상기 광 흡수층을 가지며,
상기 기판의 일측면에 무반사층을 가지는, 광 센서 소자. - 제1 항에 있어서,
상기 기판과 상기 광 흡수층 사이에 위치되는 무반사층을 더 포함하고,
상기 무반사층은
상기 목표 파장 영역에 대한 1/4의 배수인 두께로 형성되고,
상기 반사 기판과 함께 페브리-페로 공진기를 구성하는, 광 센서 소자. - 제1 항에 있어서,
상기 광 흡수층과 상기 반사 기판 사이에 반사층을 더 포함하고,
상기 반사층은
금속물질로 형성되는, 광 센서 소자. - 제1 항에 있어서,
상기 광 흡수층과 상기 반사 기판 사이에 분포 브래그 반사기를 더 포함하는, 광 센서 소자. - 제1 항 또는 제3 항에 있어서,
상기 광 흡수층과 상기 반사기판은
상기 광 흡수층과 상기 반사기판 사이에서 목표 파장 영역에 대해 1/2의 배수인 거리를 가지는, 광 센서 소자. - 제5 항에 있어서,
상기 광 흡수층과 상기 반사층은
상기 광 흡수층과 상기 반사층 사이에서 목표 파장 영역에 대해 1/2의 배수인 거리를 가지는, 광 센서 소자. - 제6 항에 있어서,
상기 광 흡수층과 상기 분포 브래그 반사기는
상기 광 흡수층과 상기 분포 브래그 반사기 사이에서 목표 파장 영역에 대해 1/2의 배수인 거리를 가지는, 광 센서 소자. - 일측면으로부터 목표 파장 영역의 광을 수광하여 투과시키는 기판;
상기 기판의 타측면 상에 배치되고, 상기 기판을 투과하는 상기 목표 파장 영역의 광을 흡수하여 전류를 발생하는 판 형상의 광 흡수층; 및
공동 영역을 사이에 두고, 상기 기판의 타측면과 대면 배치되는 일측면을 가지고, 상기 기판 및 상기 광 흡수층을 투과한 상기 목표 파장 영역의 광을 반사시키는 반사 기판을 포함하고,
상기 기판과 상기 반사 기판은,
상기 기판의 일측면과 상기 반사 기판의 일측면 사이에서 상기 목표 파장 영역에 대해 1/2의 배수인 거리로 두 개의 반사면을 이격시켜 형성되는 페브리-페로 공진기를 적어도 하나 가지는 광 센서 패키지. - 제10항에 있어서,
상기 광 흡수층은
상기 광흡수층을 수평으로 볼 때 상기 광흡수층의 윗 면과 상기 광 흡수층의 아래 면에서 상기 광 흡수층을 따라 동일한 길이를 가지고,
상기 기판과 접촉하거나 상기 기판으로부터 이격하는 광 센서 패키지. - 제10항에 있어서, 상기 광 흡수층은
이차원 물질층을 포함하는 광 센서 패키지. - 제12항에 있어서, 상기 이차원 물질층은
금속 칼코게나이드계 물질, 탄소 함유 물질 및 산화물 반도체 물질 중 적어도 어느 하나를 포함하고,
상기 금속 칼코게나이드계 물질은
Mo, W, Nb, V, Ta, Ti, Zr, Hf, Tc 및 Re 중 적어도 하나를 포함하는 전이 금속, 그리고 S, Se 및 Te 중 적어도 하나를 포함하는 칼코겐 물질로 이루어지고,
상기 탄소 함유 물질은
그래핀을 포함하고,
상기 산화물 반도체 물질은
Ga 산화물 반도체, Zn 산화물 반도체 또는 In 산화물 반도체를 포함하는 광 센서 패키지. - 제10항에 있어서, 상기 광 흡수층은
Ⅱ족, Ⅲ족, Ⅳ족, Ⅴ족, Ⅵ족, Ⅶ족 원소 및 이들의 화합물 중 어느 하나를 포함하는 광 센서 패키지. - 제14항에 있어서, 상기 광 흡수층은
물리 기상 증착법(PVD) 및 화학 기상 증착법(CVD) 중 적어도 하나에 의해 성장시 성장 방향에 대한 최소 단위 두께의 정수배로 형성되고,
상기 최소 단위 두께는
상기 광 흡수층을 구성하는 원소의 개수 및 결정 구조에 따라 설정된 두께인 광 센서 패키지. - 제10항에 있어서, 상기 반사 기판은
상기 공동 영역의 굴절율보다 높은 굴절율을 갖는 광 센서 패키지. - 제10항에 있어서, 상기 반사 기판은
상기 광 흡수층에 대응하는 위치에 형성되고, 상기 목표 파장 영역의 광을 상기 광 흡수층으로 반사시키는 오목 렌즈 영역을 포함하는 광 센서 패키지. - 제10항에 있어서, 상기 반사 기판은
판독 집적 회로, 인터포저(interposer) 및 재배선층 중 적어도 어느 하나를 포함하는 기판인 광 센서 패키지. - 제10항에 있어서,
상기 반사 기판 상에 배치되고, 상기 목표 파장 영역의 광을 반사시키는 반사층을 더 포함하는 광 센서 패키지. - 제19항에 있어서, 상기 반사층은
금속 물질 및 분포 브래그 반사기 중 적어도 어느 하나로 형성되고,
상기 분포 브래그 반사기는
물리 기상 증착법(PVD) 및 화학 기상 증착법(CVD) 중 적어도 하나에 의해 성장시 성장 방향에 대한 최소 단위 두께의 정수배로 형성되고,
상기 최소 단위 두께는
상기 분포 브래그 반사기를 구성하는 원소의 개수 및 결정 구조에 따라 설정된 두께인 광 센서 패키지. - 제10항에 있어서,
상기 기판의 일측면 및 타측면 중 적어도 어느 하나에 배치되고, 상기 기판의 일측면 및 타측면 중 적어도 어느 하나에서 상기 목표 파장 영역의 광의 반사를 방지하여 투과시키는 무반사층을 더 포함하는 광 센서 패키지. - 제21항에 있어서, 상기 무반사층은
상기 목표 파장 영역에 대한 1/4의 두께로 형성되고,
상기 무반사층의 일측면의 반사광과 상기 무반사층의 타측면의 반사광의 상대 위상 편이를 180도로 조절하여 상기 무반사층의 반사광들을 상쇄시키는 광 센서 패키지. - 삭제
- 제10항에 있어서,
상기 기판의 일측면과 상기 반사 기판의 일측면은 페브리-페로 공진기를 형성하고,
상기 페브리-페로 공진기는
상기 기판의 일측면과 상기 반사 기판의 일측면 사이의 거리를 상기 목표 파장 영역에 대한 1/2의 정수배로 가지는 광 센서 패키지. - 제24항에 있어서, 상기 기판은
상기 목표 파장 영역에 대한 1/4의 홀수배의 두께로 형성되는 광 센서 패키지. - 제25항에 있어서, 상기 기판은,
상기 기판의 일측면의 반사광과 상기 기판의 타측면의 반사광의
상대 위상 편이를 180도로 조절하여 상기 기판의 반사광들을 상쇄시키도록,
상기 목표 파장 영역의 광을 상기 기판의 일측면 및 타측면에서 반사없이 투과시키는 무반사층인 광 센서 패키지. - 제25항에 있어서, 상기 공동 영역은
상기 목표 파장 영역에 대한 1/4의 홀수배의 두께로 형성되는 광 센서 패키지. - 제10항에 있어서,
상기 기판의 타측면 상에 배치되고, 상기 목표 파장 영역의 광을 투과시키는 절연층과,
상기 반사 기판 상에 반사층을 더 포함하는 광 센서 패키지. - 제28항에 있어서,
상기 절연층의 일측면과 상기 반사층의 일측면은 페브리-페로 공진기를 형성하고,
상기 페브리-페로 공진기는
상기 기판의 일측면과 상기 반사층의 일측면 사이의 거리를 상기 목표 파장 영역에 대한 1/2의 정수배로 가지는 광 센서 패키지. - 제29항에 있어서, 상기 절연층은
상기 목표 파장 영역에 대한 1/4의 홀수배의 두께로 형성되고,
상기 공동 영역은
상기 목표 파장 영역에 대한 1/4의 홀수배의 두께로 형성되는 광 센서 패키지. - 제10항에 있어서,
상기 기판의 타측면 상에 배치되고, 상기 목표 파장 영역의 광을 투과시키는 제1 절연층; 및
상기 반사 기판의 일측면 상에 배치되고, 상기 목표 파장 영역의 광을 투과시키는 제2 절연층을 더 포함하는 광 센서 패키지. - 제31항에 있어서,
상기 제1 절연층의 일측면과 상기 제2 절연층의 일측면은 제1 페브리-페로 공진기를 형성하고, 상기 제1 절연층의 타측면과 상기 제2 절연층의 타측면은 제2 페브리-페로 공진기를 형성하고,
상기 제1 페브리-페로 공진기는
상기 제1 절연층의 일측면과 상기 제2 절연층의 일측면 사이의 거리를 상기 목표 파장 영역에 대한 1/2의 정수배로 가지고,
상기 제2 페브리-페로 공진기는
상기 제1 절연층의 타측면과 상기 제2 절연층의 타측면 사이의 거리를 상기 목표 파장 영역에 대한 1/2의 정수배로 가지는 광 센서 패키지. - 제32항에 있어서, 상기 제1 및 제2 절연층 각각은
상기 목표 파장 영역에 대한 1/4의 홀수배의 두께로 형성되고,
상기 공동 영역은
상기 목표 파장 영역에 대한 1/4의 홀수배의 두께로 형성되는 광 센서 패키지. - 제30항에 있어서,
상기 광 흡수층 상에 배치된 양자점을 더 포함하고,
상기 양자점은 상기 목표 파장 영역의 광의 에너지에 해당하는 밴드 갭 에너지를 갖는 광 센서 패키지. - 일측면으로부터 목표 파장 영역의 광을 수광하여 투과시키는 기판;
상기 기판의 타측면 상에 배치되고, 상기 기판을 투과하는 상기 목표 파장 영역의 광을 흡수하여 전류를 발생하는 복수의 광 흡수층;
공동 영역을 사이에 두고, 상기 기판의 타측면과 대면 배치되는 일측면을 가지고, 상기 기판 및 상기 복수의 광 흡수층 각각을 투과한 상기 목표 파장 영역의 광을 반사시키는 반사 기판; 및
상기 복수의 광 흡수층 사이에서 상기 기판 및 상기 반사 기판 사이에 배치되는 몰드 도전층을 포함하고,
상기 기판과 상기 반사 기판은,
상기 기판의 일측면과 상기 반사 기판의 일측면 사이에서 상기 목표 파장 영역에 대해 1/2의 배수인 거리로 두 개의 반사면을 이격시켜 형성되는 페브리-페로 공진기를 가지는 광 센서 어레이 장치. - 제35항에 있어서,
상기 개별 광 흡수층은
상기 개별 광흡수층을 수평으로 볼 때 상기 개별 광흡수층의 윗 면과 상기 개별 광 흡수층의 아래 면에서 상기 개별 광 흡수층을 따라 동일한 길이를 가지고,
상기 기판과 접촉하거나 상기 기판으로부터 이격하는 광 센서 어레이 장치. - 제35항에 있어서, 상기 기판은
상기 몰드 도전층 상에 형성되고, 일정 각도로 경사진 측벽을 갖는 트렌치를 포함하는 광 센서 어레이 장치. - 제35항에 있어서,
상기 몰드 도전층 상에 상기 기판과 수직한 방향으로 상기 기판에 개재되어 상기 목표 파장 영역의 광을 반사시키는 반사 격벽을 더 포함하는 광 센서 어레이 장치. - 제35항에 있어서,
상기 기판의 일측면에서 상기 몰드 도전층과 수직으로 마주하게 배치되어 상기 목표 파장 영역의 광을 흡수하는 광 간섭 방지층을 더 포함하는 광 센서 어레이 장치. - 제35항에 있어서,
상기 공동 영역은 진공 상태 및 불활성 가스가 충진된 상태 중 적어도 어느 하나인 광 센서 어레이 장치. - 제35항에 있어서, 상기 광 흡수층은
결정 구조의 차원수가 이차원으로 이루어지는 이차원 물질층을 포함하는 광 센서 어레이 장치. - 제41항에 있어서, 상기 이차원 물질층은
금속 칼코게나이드계 물질, 탄소 함유 물질 및 산화물 반도체 물질 중 적어도 어느 하나를 포함하고,
상기 금속 칼코게나이드계 물질은
Mo, W, Nb, V, Ta, Ti, Zr, Hf, Tc 및 Re 중 적어도 하나를 포함하는 전이 금속, 그리고 S, Se 및 Te 중 적어도 하나를 포함하는 칼코겐 물질로 이루어지고,
상기 탄소 함유 물질은
그래핀을 포함하고,
상기 산화물 반도체 물질은
Ga 산화물 반도체, Zn 산화물 반도체 또는 In 산화물 반도체를 포함하는 광 센서 어레이 장치. - 제35항에 있어서, 상기 반사 기판은
상기 공동 영역의 굴절율보다 높은 굴절율을 갖는 광 센서 어레이 장치. - 제35항에 있어서, 상기 반사 기판은
판독 집적 회로, 인터포저(interposer) 및 재배선층 중 적어도 어느 하나를 포함하는 기판인 광 센서 어레이 장치. - 제35항에 있어서,
상기 기판의 타측면 상에서 상기 기판과 상기 복수의 광 흡수층 사이에 배치되고, 상기 목표 파장 영역의 광을 투과시키는 절연층과,
상기 반사 기판 상에 배치되고, 상기 목표 파장 영역의 광을 반사시키는 반사층을 더 포함하는 광 센서 어레이 장치. - 제45항에 있어서,
상기 절연층의 일측면과 상기 반사층의 일측면은 페브리-페로 공진기를 형성하고,
상기 페브리-페로 공진기는,
상기 기판의 일측면과 상기 반사층의 일측면 사이의 거리를 상기 목표 파장 영역에 대한 1/2의 정수배로 가지고,
상기 절연층은
상기 목표 파장 영역에 대한 1/4의 홀수배의 두께로 형성되고,
상기 공동 영역은
상기 목표 파장 영역에 대한 1/4의 홀수배의 두께로 형성되는 광 센서 어레이 장치. - 제45항에 있어서, 상기 반사층은
금속 물질 및 분포 브래그 반사기 중 적어도 어느 하나로 형성되고,
상기 분포 브래그 반사기는
물리 기상 증착법(PVD) 및 화학 기상 증착법(CVD) 중 적어도 하나에 의해 성장시 성장 방향에 대한 최소 단위 두께의 정수배로 형성되고,
상기 최소 단위 두께는
상기 분포 브래그 반사기를 구성하는 원소의 개수 및 결정 구조에 따라 설정된 두께인 광 센서 어레이 장치. - 제35항에 있어서,
상기 기판의 일측면의 상기 복수의 광 흡수층 사이의 영역을 제외한 영역 상에 배치되어 상기 목표 파장 영역의 광의 반사를 방지하여 투과시키는 무반사층을 더 포함하는 광 센서 어레이 장치. - 목표 파장 영역의 광에 대해 투명한 기판;
상기 기판 아래에 위치되는 반사 기판;
상기 기판과 상기 반사 기판 사이에 위치되는 광 흡수층; 및
상기 광 흡수층과 인접한 위치에 형광물질 층을 포함하고
상기 반사 기판은
상기 기판과 상기 반사 기판 사이의 공동 영역보다 더 큰 굴절률을 가지고,
상기 광 흡수층은
상기 목표 파장 영역의 광을 흡수하고,
상기 형광물질 층은 목표 파장보다 높은 파장의 빛을 목표 파장의 빛으로 변환하는 기능을 가지고,
상기 기판과 상기 반사 기판은,
상기 기판과 상기 반사 기판 사이에서 상기 목표 파장 영역에 대해 1/2의 배수인 거리로 두 개의 반사면을 이격시켜 형성되는 페브리-페로 공진기를 가지는, 광 센서 소자. - 제49 항에 있어서,
상기 광 흡수층 및 형광물질 층은 각각 100nm 이하의 두께를 가지는, 광 센서 소자. - 제49 항에 있어서,
상기 기판은
상기 기판의 타측면에 상기 광 흡수층 및 형광물질 층을 가지며,
상기 기판의 일측면에 무반사층을 가지는, 광 센서 소자. - 제49 항에 있어서,
상기 기판과 상기 광 흡수층 사이에 위치되는 무반사층을 더 포함하고,
상기 무반사층은
상기 목표 파장 영역에 대한 1/4의 배수인 두께로 형성되고,
상기 반사 기판과 함께 페브리-페로 공진기를 구성하는, 광 센서 소자. - 제49 항에 있어서,
상기 광 흡수층과 상기 반사 기판 사이에 반사층을 더 포함하고,
상기 반사층은
금속물질로 형성되는, 광 센서 소자. - 제49 항에 있어서,
상기 광 흡수층과 상기 반사 기판 사이에 분포 브래그 반사기를 더 포함하는, 광 센서 소자. - 제49 항 또는 제51 항에 있어서,
상기 광 흡수층과 상기 반사기판은
상기 광 흡수층과 상기 반사기판 사이에서 목표 파장 영역에 대해 1/2의 배수인 거리를 가지는, 광 센서 소자. - 제53 항에 있어서,
상기 광 흡수층과 상기 반사층은
상기 광 흡수층과 상기 반사층 사이에서 목표 파장 영역에 대해 1/2의 배수인 거리를 가지는, 광 센서 소자. - 제54 항에 있어서,
상기 광 흡수층과 상기 분포 브래그 반사기는
상기 광 흡수층과 상기 분포 브래그 반사기 사이에서 목표 파장 영역에 대해 1/2의 배수인 거리를 가지는, 광 센서 소자.
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