KR20060030039A - 자유 캐리어의 정상 상태 비평형 분포 및 이를 이용한 광자에너지 상승 변환 - Google Patents
자유 캐리어의 정상 상태 비평형 분포 및 이를 이용한 광자에너지 상승 변환 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 중시적 고전 구속 현상을 이용하여 자유 캐리어의 정상 상태 비평형 분포를 형성하는 방법 및 이를 위한 특수 매체에 관한 것이다. 특수 매체는 (예컨대, 결정질 규소, 비정질 규소, 이산화 규소와 같은) 규소계이며, 이산화 규소와 같은 광폭 밴드갭 재료가 매립된 중시적 크기의 입자로 형성된다. 이로부터 IR로부터 가시광으로의 영상 처리 시스템이 구현된다.
Description
본 출원은 2003년 6월 12일 출원된 미국 가특허 출원 제60/477,752호의 우선권을 주장한다.
본 발명은 중시적 고전 구속 현상(Mesoscopic Classical Confinement, 이하 "MCC"로 지칭)을 이용하여 자유 캐리어의 광 유도 정상 상태 비평형 전자 분포(Steady-State Non-equilibrium Electron Distribution, 이하 "SNED"로 지칭)를 생성하는 특수화된 매체 및 관련 방법에 관한 것이다. MCC를 이용한 자유 캐리어의 광 유도 SNED는 예컨대 적외선(IR) 검출 및 관련 영상 처리 시스템, 광 변조, 광 교환, 파장-분할 다중화, 광 증폭기, 레이저, 데이터 메모리 및 칼라 디스플레이 등과 같이 광범위한 기술 분야에 걸쳐 적용되고 있다.
최근, 재료 과학의 발달에 따라 반도체 및 절연체와 같은 유용한 재료의 다양한 구조적 복합물을 형성함으로써 특수한 물리적 특성을 갖는 가공 재료를 설계하는 능력이 크게 개선되었다. 넓은 유형의 반도체 재료에서 규소는 거의 모든 동시대적 극소 전자 공학의 토대를 이루고 있으며 앞으로도 당분간은 계속 이런 역할 을 계속할 것이다. 그러나, 규소의 간접적 밴드갭 특성은 광전기 및 광소자 장치와 같은 용도에서 이들 용도의 유용성을 크게 제한한다. 이런 용도에는 갈륨-비소(GaAs)와 같은 직접 밴드갭 재료가 주된 재료로 계속 사용되고 있다. 그 결과, 규소계 전자 장치와 비규소계 광소자의 통합은 주로 고가이고 제조하기 복잡한 복합 기술의 발전을 크게 필요로 하게 되었다.
무한한 상업적 용도로 인해 재료 과학자들은 끊임없이 "규소계" 광전기 장치를 얻고자 노력하고 있다. 바람직한 완전-규소 구성 요소로는 예컨대 레이저 및 그 밖의 광 에미터와, 변조기와, 광 검출기가 있다. 이들 요소는 적외선 영상 처리를 포함한 다양한 분야에 적용된다.
적외선 영상 처리는 전자기 스펙트럼의 특정 부위에 존재하는 에너지를 원격 감지하여 표시하는 것이다. 표시된 영상 강도의 변화는 상면을 가로질러 나타나는 뚜렷한 온도 변화를 나타낸다. 검출 방사선은 표적면으로부터 방출되는 것과 같이 보이지만, 실질적으로 자기 방출선, 반사 방사선 및 대기 광로 복사선으로 구성된다. 표적을 그 배경과 식별하기 위해 검출 방사선은 배경 복사와 차별화되어야 한다.
실제의 단일 요소 적외선 검출기는 2차 세계 대전 동안 납염 화합물(PbS)을 사용하여 개발되었다. 많이 개량되었지만 기본적 기술 접근법은 오늘날 여전히 사용되고 있다.
적어도 1970년대 이후, IR 영상 처리의 장래성으로 인해 많은 수단이 IR 검출 능력의 개선을 위해 (즉, 검출능 및 응답 시간이 개선된 IR 광 검출기를 생성하 기 위해) 집중적으로 사용하게 되었다. IR 영상 처리 시스템의 용도는 군사용 및 상업용 모두를 포함한다. 군사적 용도는 다른 용도 중에서 표적 포착, 발사 제어, 정찰 및 항법 제어를 포함한다. 상업적 용도는 토목, 환경, 산업 및 금융을 포함하는 광범위한 분야에 걸쳐 널려 있다.
종래의 적외선 영상 처리 시스템은 통상적으로 복수의 서브 시스템으로 구성된다. 도 1은 이와 같은 많은 서브 시스템을 도시한다. 표적면으로부터 방출된 적외선은 광학 서브 시스템 내의 하나 이상의 렌즈에 의해 수집된다. 영상 처리 시야를 가로질러 검출자의 순간 시야를 이동시키기 위해 기계적 스캐너 조립체가 광학 서브 시스템과 합체되는 경우도 있다. 주사 시스템에서, 단일한 검출기로부터의 출력은 상업용 텔레비젼과 아주 동일한 방식으로 점방식 주사선을 이용하여 영상 처리된 장면의 강도를 생성하기 위해 사용될 수 있다. 비주사 초점면 어레이(focal plane array, FPA)를 이용하는 경우, 스캐너가 없으며 어레이의 개별 검출기에서 생성된 출력은 장면 변화를 제공한다. 광학 서브 시스템에 결합된 광학 필터가 광의 임의의 파장을 선택적으로 통과시키거나 차단하기 위해 사용되는 경우가 있다.
광 검출기는 장면 방사를 측정 가능한(표시 가능한) 출력 신호로 변환하기 때문에 모든 적외선 영상 처리 시스템의 핵심이다. 종래에는, 진폭 및 신호 처리가 전자 영상을 형성하고, 이때 전압차는 시야의 대상물에 기인하는 적외선 강도차를 나타낸다.
비주사 어레이 또는 주사 검출기 계열의 시스템에서 각각의 검출기는 일반적 으로 자체적인 증폭기를 갖는다. 증폭기 출력은 서로 다중화되어 디지탈화된다. 서로 다중화된 채널의 수는 특수한 시스템 설계에 의존한다. 그러나, 종래의 시스템은 통상적으로 평행하게 작동하는 여러 개의 멀티플렉서와 아날로그-디지털(A/D) 변환기를 갖는다.
디지털 데이터를 조작하고 저장하는 것이 비교적 용이하기 때문에 신호들은 통상적으로 디지털화된다. 종래의 적외선 영상 처리 시스템은 이득/수준 표준화, 영상 개선 및 수사선 내삽 작업의 경우 소프트웨어에 많이 의존한다. 이들 사후 검출, 전자 회로의 모든 것이 도 1에 일반화되어 있다. 증폭, 디지털화, 영상 재구성 및 사후 재구성 처리에 뒤이어 검출된 적외선 영상에 대응하는 출력 신호가 제어, 점검, 측정 및/또는 표시 장치와 통신한다.
적외선(약어로서 "IR")이라 함은 많은 종래의 용도에 따라 다른 의미를 갖는다. 예컨대, 소위 적외선 필름은 일반적으로 약 0.85 ㎛의 파장까지 감지한다. 0.7 ㎛보다 큰 파장에 대한 분광 응답에 대해 시스템은 일반적으로 "적외선"으로 등급을 매기게 된다. 사실상, 적외선이라는 용어는 0.7 ㎛ 내지 1.0 ㎜ 범위에 해당하는 하나 이상의 전자기 스펙트럼 부분을 설명하기 위해 사용되었다.
본 발명의 내용에서, 적외선 및 IR이라는 용어는 0.7 ㎛에서 시작하는 근적외선 범위로부터 최고 약 100 ㎛에서 종료되는 극원적외선까지 범위에 해당하는 시스템 응답, 방사선 신호 및/또는 전자기 스펙트럼의 부분들을 광범위하게 설명하기 위해 교대로 사용된다. 적외선 및 IR이라는 용어는 특히 적어도 2.0 내지 7.0 ㎛의 중간-파장 적외선(MWIR) 대역과 7.0 내지 15.0 ㎛의 장-파장 적외선(LWIR) 대역 을 포함한다. 특히 주목할 점으로서, MWIR 대역은 3.0 내지 5.5 ㎛ 사이의 파장을 포함하는 제1 열적 영상 처리(thermal imaging) 대역을 포함하며, LWIR 대역은 8.0 내지 14.0 ㎛ 사이의 파장을 포함하는 제2 열적 영상 처리 대역을 포함한다. 이들 두 개의 열적 영상 처리 대역은 적외선의 효율적 전파에 유리한 공지된 대기 투과창에 하나씩 대응하여 연결된다. 대부분의 종래의 IR 적용은 이들 두 개의 영상 대역 중 하나 또는 이들 두 대역 내에서의 IR 파장의 검출에 의존한다.
사실상, 종래 IR 영상 처리 시스템의 대부분은 하나 이상의 피검출 소정 IR 파장에 의해 제1 또는 제2 열적 영상 처리 대역에 고정된다. 예컨대, Hg1-xCdxTe(x= 0.2) 양자 검출기, 나트륨 금속 증기 장치, ZnGeP2 또는 Ag3AsS3 비선형 결정계 시스템은 제2 열적 영상 처리 대역의 IR 파장을 검출한다. 대조적으로, InSb 광 검출기, 양자 계수기(CW 및 펄스식), 세슘 금속 증기 장치 또는 LiNbO3 비선형 결정계 시스템은 제1 열적 영상 처리 대역의 IR 파장을 검출한다. 제1 또는 제2 열적 영상 처리 대역에 고정된다는 것은 IR 검출을 가능하게 하는 실질적인 기술임에도 불구하고 종래의 IR 영상 처리 시스템의 성능을 제한하는 큰 역할을 한다. IR 시스템의 발전을 위하여는 다중-칼라 능력이 크게 요구된다. 독립된 IR 분광 대역에서 데이터를 수집하는 시스템은 장면에서 대상물의 절대 온도 및 특유한 기호 모두를 식별할 수 있다. 다중-대역 검출은 또한 첨단의 칼라 처리 알고리즘이 단일 칼라 장치 이상으로 감응도를 더 증진시킬 수 있도록 한다.
오늘날, 다중-분광 시스템은 단일한 FPA에 집중되는 영상을 분광적으로 식별 하기 위해 필터 휘일을 사용하거나 복수의 IR FPA를 가로질러 광학 신호를 분포시키는 번거러운 영상 처리 기술에 의존한다. 그 결과, 이러한 접근 방법은 크기, 복잡성 및 냉각 조건이라는 면에 있어 고가이다.
적외선 영상 처리 시스템은 온도계와 같이 실질적으로 온기와 냉기를 감지하지는 것은 아니다. 대신에, 이런 시스템은 사전 한정된 관심 대역의 전자기 방사를 감지한다. 이런 검출 대역의 상대적 광협 정도는 중요한 영상 처리 시스템 특징이다.
최광의적인 내용에 있어, 광 검출기 또는 광 감지기(photosensor)는 검출 대역의 입사선을 측정 가능한 또는 표시 가능한 전기 신호로 변환하는 임의의 장치이다. 광-검출 과정은 일반적으로 (1) 일부 장치 매개 변수(예컨대, 도전성, 전하 용량, 전압, 온도 등)에서 대응하는 변화를 일으키기 위해 입사 적외광을 흡수하는 단계와, (2) 변화된 매개 변수를 일부 측정 가능한 값(예컨대, 전압, 전류 등)으로 번역하는 두 단계를 포함하는 것으로 한정될 수 있다. IR 검출 기술에서의 개선은 주로 광자 검출기 종류에 포함되는 반도체 IR 검출기에 연결된다. 이런 종류의 검출기에서, 방사선은 전자들과의 상호 관계에 의해 재료 내에 흡수된다. 관찰된 전기적 출력 신호는 변화된 전자 에너지 분포에 기인한다. 광자 검출기는 단위 입사 방사 전력당 응답의 선택적 파장 의존성을 보여준다. 이들 검출기는 완전한 신호-대-소음 성능 및 고속 응답을 나타낸다. 그러나 이를 달성하기 위해 광자 검출기는 극저온 냉각을 필요로 한다. 냉각 조건은 이들 시스템을 대형화시키고 무겁게 하고 고가로 만들고 사용하기에 불편하게 만듦으로써 반도체 광 검출기에 기초한 IR 시스템의 확산에 주된 방해가 된다. 상호 작용 특성에 의존하는 광자 검출기의 종류는 계속해서 다양한 유형으로 분화된다. 가장 중요한 것으로는 내재적 검출기와, 외재적 검출기와, 광-방출형 (금속 규화물 쇼트키 장벽) 검출기와, 양자 우물 검출기가 있다.
두 번째 종류의 IR 검출기는 열 검출기로 구성된다. 열 검출기에서, 입사선은 흡수되어서 재료의 온도를 변화시키며 일부 물리적 특성의 최종 변화가 전기 출력을 생성하는 데 사용된다. 검출기 요소는 방열판에 연결된 외판 상에 현수된다. 열적 효과는 일반적으로 파장에 독립적이며, 신호는 방사 전력(또는 그 변화율)에 의존하지만 그 분광 성분에 의존하지 않는다. 초전 검출기에서는 내부의 동시적 편광 상태의 변화가 측정되는 반면, 볼로미터(bolometer)에서는 전기 저항의 변화가 측정된다. 광자 검출기에 비해, 열 검출기는 통상적으로 실온에서 작동한다. 이들 검출기는 일반적으로 적당한 감응도 및 느린 응답성을 특징으로 하지만 저렴하고 사용이 용이하다. IR 기술에서의 최대 용도는 볼로미터, 초전 검출기 및 서모파일에서 얻어진다. 90년대까지, 열 검출기는 광자 검출기에 비해 상업적 및 군사적 시스템에서 휠씬 적게 개발되었다. 이런 불균형의 이유는 대중적으로 열 검출기가 광자 검출기에 비해 더 느리고 감응도가 낮은 것으로 믿어졌기 때문이다. 그 결과, 세계적으로 열 검출기를 개발하고자 하는 시도는 광자 검출기에 비해 극히 작았다. 그러나, 지난 십여년간, TV의 프레임률에서 냉각되지 않고 작동하는 대형 열 검출기 어레이로부터 극히 양호한 형상이 얻어질 수 있음이 보여져 왔다. 열 검출기의 속도는 이차원(2D) 검출기를 구비한 비주사식 촬영 장치에 아주 적절 하다. 열 검출기의 적당한 감응도는 2차원 전기적 주사 어레이에서 아주 많은 수의 요소에 의해 보상될 수 있다.
열 IR 검출기를 구현하는 특수한 기술 사이에는 제조 및 작업적인 타협이 존재하지만, 복잡하지 않은 외부 냉각 시스템이 요구되는 실온 작업, 검출 감응도를 개선시키는 대형 포맷 실현 가능성, 비교적 낮은 전력 소비 및 용이 보존성, 경량 콤팩트 특성, 종래의 규소 및/또는 집적 회로 재료를 사용하고 종래의 처리 기술을 사용하는 높은 작업성(즉, 고수율) 및 저렴한 비용과 같은 일단의 공통적인 긍정적 특성을 일반적으로 공유한다.
상술한 것들 중에서 마지막 장점은 가장 현저할 것이다. 열 IR 검출기가 저렴하다는 특성은 이들 검출기가 하급의 상업적 용도에 널리 보급된 이유를 설명한다. 즉, 종래의 열 IR 검출기는 제조와 조작이 비교적 단순하며, 따라서 비용에 대한 고려가 성능에 대한 고려보다 월등한 하급 및 중간 범위 용도에 적절하다.
이런 현실은 열 IR 검출기에 관련된 공통적인 단점들인, 낮은 검출능(즉, 제한된 식별 범위), 낮은 공간 해상도, 낮은 응답 시간, 정밀한 조정 및 고가의 보정 전자 장치를 필요로 하는 낮은 감응도, 열 절연을 위한 진공 포장 조건 및 온도 안정화를 위해 일부 열-전기 냉각 형태를 위한 빈번한 추가적 조건을 고려할 때 명백하게 된다.
열 IR 검출기와 광자(또는 양자) IR 검출기 간의 비교는 인상적이다. 광자 검출기를 위한 종래의 설비는, 예컨대 규화물 쇼트키-장벽 장치(규화 플라티늄), InSb(안티몬화 인듐), HgCdTe(텔루루화 수은 카드뮴 또는 MCT), 밴드갭 설계식 준 준위(inter-subband) 광 검출기, 비소화 갈륨(Ga-As)계 양자 우물 적외선 광 검출기(QWIP), InSb/IsAs형 Ⅱ 초격자 및 양자 도트 적외선 광 검출기(QDIP)를 포함한다.
이들 각각의 기술은 광자의 실제 에너지에 반대되는 것으로 흡수된 많은 광자에 관련된 출력 신호를 나타내는 광자 IR 검출기를 제공한다. 일반적으로, 전류는 광자 흡수 과정에 의해 발생하는 에너지 상태 간의 전자/정공 천이와 관련하여 생성된다. 이하, 흡수된 많은 광자에 관련되어 변하는 신호를 출력하는 모든 IR 검출기를 "광자(양자) IR 검출기"로 지칭하기로 한다. 또한, 광자 IR 검출기를 구현하는 특별한 기술 사이에는 제조 및 작업적 타협이 존재하지만, 일반적으로 높은 공간 및 열적 해상도와, 긴 식별 범위를 가능하게 하는 높은 검출능과, 빠른 응답 특성과, 배경에서의 천연 대상물 및 인조 대상물 간의 식별을 가능하게 하는 편광 광의 검출을 포함하는 일단의 공통적인 긍정적 특성을 공유한다.
당연하게도, 종래의 광자 IR 검출기는 고급 상업적 및 군사적 용도에서 주도적으로 사용된다. 즉, 종래의 광자 IR 검출기는 뛰어난 성능을 제공하며, 따라서 성능에 대한 고려가 비용에 대한 고려보다 월등한 고급 용도에 널리 사용된다.
일반적으로 광자 IR 검출기에 관련된 단점들로는 이색적 재료의 필수적인 조합에 의한 균일성 문제와, 많은 단계들과 낮은 장치 수율을 포함하는 어려운 제조 과정과, 현재의 규소 처리 기술과 양립하지 않는 재료 및 처리 문제와, 일반적으로 극저온 온도까지 수행되는 냉각 조건과, 어려운 보수 문제 및 높은 전력 소비와, 고비용이 있다.
종래의 광자 IR 검출기에 관련된 많은 단점들은 현저하다. 사실상, 이들 단점들은 최고급이고 가장 고가의 용도에 사용된다는 점을 제외하고 광자 IR 검출기에 의해 제공되는 현저한 검출 성능을 완전히 무색하게 만든다.
대규모의 포맷 어레이는 개별 광학 검출기의 낮은 수율과 빈번한 불균일 성질을 가정할 때 가장 얻기 어렵다. 이색적 조성 재료는 특별 주문 제조 라인과 고도로 특수화된 처리 기술을 필요로 한다. 복잡한 외부의 냉각 시스템을 제공하는 (재정, 보수 및 기술 상의) 엄청난 부담과 함께 지금까지 발달한 규소계 반도체 제조 분야와의 호환성 부족은 아주 고가이고 주로 대형인 IR 검출 시스템을 구현하는 결과를 가져온다.
상술한 기술을 가능하게 하는 예시적인 목록에 따르면 합리적 가격으로 구현될 수 있는 고성능 IR 검출기를 구현하기 위해 많은 시도가 이루어졌음이 명백하다. 최근, 마이크로-볼로미터의 개발과 함께 열 IR 검출기는 많은 개선이 이루어졌다. 예컨대, 1999년 4월 출간된 플로리다주 올랜도의 적외선 기술 및 응용에 대한 25차 SPIE 회의, SPIE 제3698권에 기재된 브래디(Brady) 등의 "비정질 실리콘 비냉각 IR 시스템의 개선(Advances in Amorphous Silicon Un-cooled IR System)" 참고. 그러나, 이들 장치는 여전히 구성 요소의 크기가 비교적 대규모이고 응답 속도가 늦다는 문제가 있다. 또한, 복잡한 MEMS(마이크로-전기기계) 과정 기술은 이들 장치의 제조에 밀접하게 관련되어 있다.
또한 최근 광자 IR 검출기는 IR 감지성이 있고 비교적 저렴한 비용으로 제조 가능한 개선된 QWIP 장치가 개발됨에 따라 개선되었다. QWIP 장치는 원적외선까지 확장되는 파장을 검출함으로써 IR 검출 범위를 크게 확장한다. 또한, QWIP 장치는 편광-감지 검출과 같은 새로운 기능적 특징을 제공한다. 그러나, 이들 장치는 최적의 성능을 달성하기 위해 암전류를 줄이도록 80˚K보다 훨씬 낮은 온도에서 작동되어야 한다. 낮은 작동 온도로 인해 Ⅲ-Ⅴ형 반도체 재료에 기반한 QWIP은 기능적으로 제한된다. 이는 이들 재료 내의 종방향 광학적 포논의 높은 강도로 인한 것으로, 이는 전자의 아주 강한 열적 여기를 가져온다. 따라서, 이런 구조는 암전류와 소음이 크다는 특징을 갖는다. QWIP의 또다른 단점은 이들 장치가 양자 우물 구조의 층면에 수직한 전기장 성분을 필요로 하는 "양자 기계적 편광 법칙" 때문에 수직 입사광을 검출할 수 없다는 사실에 있다. 이런 편광 법칙은 45도 면을 거쳐 구조물을 조사함으로써 충족될 수 있는데, 이는 단지 단일 요소 검출기나 선형 어레이에 대해 가능한 해법이다. 편광 법칙을 만족시키는 다른 방법은 2차원 검출기 어레이의 경우 실질적으로 중요한 회절 격자를 사용하는 것이다. 결국, QWIP는 양자 효율이 낮으며 적절한 검출능을 얻기 위해 신호에 대해 긴 적분 시간을 필요로 한다.
최근 개발된 QDIP는 낮은 암전류 및 수직 입사광에 대한 고유 감응도와 같은 많은 장점을 제공한다. QDIP는 또한 고온에서 작동한다. 그러나, 양자 도트 구조를 위한 성장 기술은 초기 연구 및 개발 단계에 있으며 양자 도트 기술은 충분히 발달되지 않았다. 처리 안정성 및 반복성 뿐만 아니라 도트 밀도, 크기 및 형상 균일화의 제어에 관련된 문제들이 여전히 심각한 도전을 내포하고 있다. 모든 상대적 전망에도 불구하고, QWIP와 같이 QDIP는 단지 단일한 방사 파장 또는 좁은 분 광 대역에만 응답한다.
따라서, 종래의 광자 IR 영상 처리 시스템은 계속 기본적 선택을 제공한다. 성능 조건이 광자 IR 검출기에 기초한 훨씬 고가의 영상 처리 시스템을 정당화할 정도로 충분히 높지만 않다면 비교적 낮은 성능 능력을 갖는 저렴한 열 IR 영상 처리 시스템이 선택될 수 있다. 즉, 예정 용도 및 예산과 관련하여 성능과 비용 간의 타협이 이루어진다. 종래의 시스템은 단일한 열적 영상 처리 대역으로 고정되며 주로 이 대역 내의 단일한 검출 주파수에 고정된다.
IR 영상 처리 시스템 분야에서 성능과 비용 간의 이러한 취사 선택은 단지 충분한 규소계 광전기 장치가 없다는 점에 기인한 결과이다. 이상적으로, 완전-규소 비냉각식 광자 IR 검출기가 존재할 수 있으며 기존의 반도체 전자 장치와 통합될 수 있다. 이런 비냉각식 광자 IR 검출기는 한 범위 또는 적어도 복수의 IR 주파수를 검출할 수 있다. 그러나, 규소계 기술은 광학 용도에 있어서 성능이 불량한 것으로 널리 인식되어 있다.
종래의 IR 영상 처리 시스템에 대한 상술한 논의는 낮은 성능, 규소 기술, 고가의 특수 재료 또는 두 개의 이와 같은 일반적인 기술의 복합에 의존하는 종래의 광학 요소 및 전자-광학 시스템에 고유한 많은 부적절한 타협, 결함 및 제한을 예시한 것이다.
따라서 새롭고 기본적으로 다른 접근법이 요구된다.
본 발명은 광학적 신호의 검출 및 처리에 대한 종래의 접근법을 특징짖는 결함을 극복한 것으로, 예컨대 광학적 에너지 상승 변환을 포함한다.
일 태양에서, 본 발명은 반도체, 절연체 또는 중합체와 같은 광폭 밴드갭 재료 또는 조성물에 매립된 중시적 크기의 영역을 포함하는 "복합 구조물" 내에 자유 캐리어(즉, 전자 및/또는 정공)의 소위 정상 상태 비평형 전자 분포(SNED)를 형성함으로써 상술한 결함 및 이들과 유사한 결함을 극복한다. 무기물 및 유기물은 잠재적 광폭 밴드갭 재료로서 고려된다.
본 발명의 일 태양에 따르면, 자유 캐리어의 SNED는 복합 구조물이 마련된 에너지 장벽과 관련하여 발생된다. 이들 에너지 장벽의 높이는 복합 구조물의 구성 성분의 전자 친화도의 차이 및 이들 성분 사이의 경계 상에서 표면 상태의 수에 따른다.
자유 캐리어의 SNED를 효과적으로 형성함으로써 종래의 광학적 신호 검출 및 처리 기술을 넘어서는 현저한 성능 개선이 이루어지고 반도체 장치 및 광전자 장치를 포함한 광범위한 분야에 적용된다. 광자 에너지 변환기(광 파장 변환기), 광 변조기, 광 교환기, 파장 분할-멀티플렉서, 광 증폭기, 레이저, 전자 및 광학계 데이터 메모리 및 칼라 디스플레이가 이런 현상에 기초하여 개선될 수 있는 장치 및 시스템의 용이한 예들이다.
따라서, 보다 특별한 태양에서, 본 발명은 광자 에너지 상승 변환에 대한 새로운 접근법을 제공한다. 이와 관련하여, 본 발명은 자유 캐리어의 광 유도 정상 상태 비평형 전자 분포(PISNED)가 중시적 고전 구속 현상(MCC)을 이용하여 얻어지는 방법을 제공한다. 적외선 내지 단파장 IR(short wavelength IR, WSIR) 또는 가시광학적 에너지 상승-변환은 자유 캐리어의 PISNED를 통합한 특수 용도의 일 예일 뿐이다.
광학적 에너지 상승 변환(또는 동시에 수행되는 광학적 에너지 하강 변환)에 대한 이런 접근법에서, 외부 에너지원 또는 여기 광원은 통상적으로 상승 변환을 달성하기 위해 요구되는 에너지를 제공한다. 본 발명에 따르는 상승 변환을 달성하는 전자-광학 장치 또는 "광 변환기"는 바람직하게는 여기 광원의 광자 에너지와 복합 구조물 내에서 중시적 크기의 영역 및 주변 광폭 밴드갭 재료 간의 에너지 장벽의 가정된 높이에 관련하여 조절 가능한 진입 IR선에 가변 분광 응답성을 제공하다.
다른 관련 태양에서, 본 발명에 따라 형성된 광 변환기와 종래의 규소계 광자 검출기 또는 CMOS 또는 CCD 장치와 같은 종래의 규호 영상 처리 회로의 통합은 전체적으로 규소계 재료로 형성되는 광학적 가변 분광 범위를 갖는 고성능 광자(양자) 비냉각식 IR 검출기를 제공한다.
상술한 바와 일관되게, 본 발명은 또한 개선된 광학적 신호 검출 및 처리를 구현하도록 구성된 특수화된 매체를 제공한다. 일반적으로, 이 매체는 반도체 또는 금속으로 형성된 중시적 크기의 입자로 형성되며 SiO2, Si3N4 또는 비정질 규소와 같은 광폭 밴드갭 반도체 또는 절연재로 형성되는 모재 내에 마련된다. 광학적 입력 신호와 광학적 여기 신호를 수용하도록 작동식으로 조립될 때, 특수화된 매체는 아주 효율적인 이광자-유도 광발광을 생성한다.
본 발명은 본 발명의 선택된 실시예에 대한 첨부 도면과 후술하는 상세한 설명으로부터 보다 완전히 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 종래의 IR 영상 처리 시스템의 블록 다이어그램이다.
도 2a, 도 2b, 도 3, 도 4a, 도 4b 및 도 4c는 중시적 영역 또는 입자가 복합 구조물을 제조하는 과정에 형성되는 예시적인 방법을 도시한다.
도 5a는 복합 구조물에 관련된 예시적인 여기원 구성을 도시한다.
도 5b는 복합 구조물에 관련된 예시적인 도파/여기원 구성을 도시한다.
도 6a, 도 6b 및 도 6c는 본 발명의 일 특정 적용에 따르는 예컨대 광학 영상 처리 시스템의 일부로서 광학적 상승 변환층을 형성하기 위한 방법을 도시한다.
도 7은 종래의 CMOS 영상 처리기와 도 6a 내지 도 6c의 상승 변환층의 조합을 추가로 도시한다.
도 8은 본 발명에 따르는 광학적 상승 변환층에 합체되도록 구성된 예시적인 IR 영상 처리 시스템을 도시한다.
도 9, 도 10, 도 12 및 도 13은 샘플 복합 구조물의 선택된 특징들을 도시하는 실험으로부터 얻어진 데이터의 그래프이다.
도 11은 도 9, 도 10, 도 12 및 도 13에 도시된 데이터를 얻기 위해 사용되는 실험적 설정을 형성하는 블록 다이어그램을 도시한다.
도 14a 내지 도 14e는 본 발명에 따르는 복합 구조물을 형성하는 다른 예시적인 방법을 도시한다.
도 15a, 도15b 및 도 15c는 본 발명에 따르는 복합 구조물을 형성하는 다른 예시적인 방법을 도시한다.
본 발명의 일 예시적인 실시예 내에서, 자유 캐리어의 정상 상태 비평형 전자 분포(SNED)는 이하 "복합 구조물"로 지칭되는 특수한 매체 내에서 형성된다. 추가적으로 또는 대안으로서, 복합 구조물 내에 유도된 자유 캐리어는 에너지 장벽에 의해 주변의 광폭 밴드갭 재료와 분리된 중시적 크기의 영역에 구속된다. 소위 에너지 장벽의 "높이"는 장벽을 극복하고 중시적 크기 영역으로부터 주변의 광폭 밴드갭 재료 내로 침투하기 위해 자유 캐리어에 요구되는 에너지의 크기이다. 높이는 복합 구조물을 형성하는 성분 사이의 전자 친화도의 차이와 이들 성분 간의 장벽 상의 표면 상태의 수에 의해 결정된다.
"자유 캐리어"는 재료의 원자 구조 내에 구속된 다른 캐리어에 비해 재료를 자유롭게 통과할 수 있는 대전된 캐리어이다. 자유 캐리어는 전자, 정공 및/또는 전자와 정공 모두의 형태를 취한다. 예컨대, 복합 구조물이 결정질 규소로 형성되고 중시적 크기의 입자들이 수소화된 비정질 규소의 주변층에 매립되어 광학적 에너지원에 의해 여기되는 경우, 최종적인 구속은 정공에 영향을 미치지만 전자에는 영향을 주지 않기 때문에 자유 정공의 광 유도 SNED가 형성된다.
자유 캐리어는 여러 가지 종래 기술들 중 어느 한 기술을 사용하는 적절한 복합 구조물의 중시적 크기 영역 내로 "도입"(즉, 형성 또는 유도)될 수 있다.
예컨대, 자유 캐리어는 중시적 크기 영역의 적절한 도핑 과정에 의해 도입될 수 있다. 중시적 크기의 영역을 증착 또는 성장시키는 동안, 선택된 불순물(즉, 도너 및/또는 억셉터)이 공지된 이온 주입 또는 확산 과정을 이용하여 투입될 수 있다. 도핑을 위해서, 바람직하게는 중시적 크기의 영역을 형성하는 재료의 밴드갭 내에 얕은 에너지 준위를 형성하는 불순물이 사용된다. "얕은"이라는 용어는 에너지 공간에서 전도/가전자대에 비교적 인접한 에너지 준위를 설명하기 위해 사용된다. 복합 구조물을 위한 작업 온도에서, 관련된 열 에너지는 불순물 원자의 이온화를 가져오기에 충분히 크다. 그 결과, 전도대 또는 가전자대 내에는 중시적 크기 영역의 재료 격자를 형성하는 원자들과 평형 상태에 있는 자유 캐리어가 있다.
대안으로서, 자유 캐리어는 중시적 크기의 영역에 근접해서 위치된 재료 영역 내로 불순물을 델타(δ) 도핑함으로써 도입될 수 있다. 델타 도핑은 HFET 트랜지스터, QWIP 또는 QDIP를 형성할 때 일반적으로 사용되는 기술이다. 근접 재료 영역에 델타 도핑을 함으로써, 자유 캐리어는 중시적 크기 영역 내에서 불순물 원자로부터 작은 에너지 상태 내로 관통(또는 "낙하")할 수 있다. 선행하는 예에서와 같이, 이들 자유 캐리어는 전도대 또는 가전자대 내의 중시적 크기 영역의 재료 격자를 형성하는 원자들과 평형 상태에 있다.
다른 대안예로서, 자유 캐리어는 중시적 크기 영역 내로 전기 주입된다. 이런 기술은 트랜지스터, 발광 다이오드 및 반도체 레이저에 일반적으로 사용된다. 전기 주입이 사용되는 경우, 자유 캐리어는 그 에너지 상태가 열 에너지 상태보다 클 경우 비평형 상태에 있을 수 있다. 벌크형 재료에서 이와 같이 높은 에너지의 자유 캐리어는 통상적으로 그 에너지를 아주 빠르게(예컨대 10-12초보다 작은 속도) 방산시키며 평형 상태의 자유 캐리어가 된다. [방산은 소위 서몰리제이션(thermolization) 과정 또는 자유 캐리어와 광학 포논(phonon) 간의 강한 상호 작용으로 인한 것이다.] 반면에 중시적 시스템에서는 후술하는 그 특수한 특성으로 인해 자유 캐리어가 오랜 기간 동안 높은 에너지 상태로 남아 있다.
또 다른 대안예로서, 자유 캐리어는 중시적 크기의 영역 내에서 광 유도될 수 있다. 즉, 자유 캐리어는 광학적 여기원에 의해 광자를 흡수한 결과로서 형성된다. 광자 에너지가 밴드갭 에너지보다 어느정도 큰 기본적인 흡수가 발생하는 경우, 자유 전자가 전도대에서 형성되고 자유 정공은 중시적 크기 영역의 가전자대에 형성된다. 외재적인 흡수가 발생하는 경우, 자유 캐리어는 깊은 불순물 준위로부터 여기될 수 있다. 광자 에너지가 밴드갭 에너지와 같은 경우 (또는 외재적 흡수가 발생하는 경우 광자 에너지가 깊은 준위 및 이에 대응하는 허용 대역 사이의 에너지 간극과 동일한 경우) 자유 캐리어는 평형 상태의 캐리어이며 그 정상 상태 분포는 정규 페르미 분포 또는 볼츠만 분포이다. 광자 에너지가 자유 캐리어의 중시적 크기의 영역을 형성하는 재료의 밴드갭 에너지보다 훨씬 큰 경우, 자유 캐리어는 "열적이거나" 강한 비평형 상태에 있으며 그 분포는 평형 상태의 분포와 크게 차이날 수 있다.
한편, 재료에 일반적으로 적용되는 상술한 자유 캐리어 도입 기술은 평형 상태의 자유 캐리어를 넓게 분포시키는 결과를 가져온다. 반대로, 본 발명은 중시적 크기의 영역에 자유 캐리어의 강한 비평형 분포를 제공한다. 또한, 본 발명은 장기간에 걸쳐(즉, 정상 상태 내에서) 비평형 분포를 유지한다.
원하는 비평형 분포(예컨대, "담배 형상"으로 지칭되는 아주 좁은 분포)를 형성하기 위해, 시스템 내의 자유 캐리어는 동일한 또는 아주 유사한 에너지 상태를 가져야 한다. 하나의 특별한 실시예에서, 본 발명은 "kT" 사이에서 광학적 여기 에너지를 조절함으로써 원하는 분포를 형성하기 위해 자유 캐리어의 에너지 상태를 조절하며, 이때 "k"는 볼츠만 상수(Joule/K˚)이고 "T"는 주변의 광폭 밴드갭 재료로부터 중시적 크기의 영역을 전기적으로 분리하는 에너지 장벽의 높이까지의 절대 온도(K˚)이다. 이런 배열은 에너지 장벽의 높이가 충돌 이온화 에너지보다 작은 경우에만 작용한다. 규소의 경우, 이런 에너지 값은 약 2.5 eV이다. 이런 방식으로, 본 발명은 광학적 가변 특성을 갖는 특수한 매체를 제조한다.
계속해서 광 유도 SNED의 예에서, 자유 캐리어의 바람직한 비평형 분포를 생성하기 위해서 중시적 크기 영역 내에 자유 캐리어를 구속하는 것이 필요하다. 즉, 중시적 크기의 영역을 형성하는 재료 내에서 자유 캐리어의 이동은 적절한 에너지 장벽에 의해 제한된다.
기본적으로, 복합 구조물의 구성 성분을 분리하는 경계 상에 존재하는 에너지 장벽은 자유 캐리어 구속 현상을 제공한다. 상술한 바와 같이, 에너지 장벽의 높이는 복합 구조물을 형성하는 이종 재료에 대한 전자의 상대적 친화도에 의해 결정된다. 예컨대, 반도체 재료가 복합 구조물을 형성하기 위해 사용되는 경우, 에너지 장벽은 가전자대 오프셋 또는 전도대 오프셋 중 어느 하나의 전자대 오프셋 (electron band offset)으로부터 발생한다. 공지된 바와 같이, "전자 친화도"는 전도대의 바닥에 있는 전자가 재료로부터 자유(분리)롭게 되도록 에너지 상태로부터 진공 에너지 상태로 전자를 여기시키기 위해 요구되는 에너지 값과 동일하다.
그러나, 전자 친화도는 재료의 표면(또는 모서리 경계)에 위치된 전자들에 비해 벌크형 재료 내에 위치되는 전자가 달라질 수 있다. 표면에서의 전자 친화도의 실제 크기는 경계에서 표면 상태의 양과 유형에 의존한다. 따라서, 원하는 자유 캐리어 분포를 효과적으로 발생하기 위한 복합 구조물의 설계는 복합 구조물의 구성 성분들 사이에 존재하는 에너지 장벽의 특성과 품질에 따라야 한다. 이런 에너지 장벽은 중시적 크기의 영역과 주변 광폭 밴드갭 재료를 형성하기 위해 선택되는 특별한 재료 뿐만 아니라 이들 두 재료의 계면(경계)의 품질의 결과물이다.
하나의 바람직한 실시예에서, 본 발명은 SiO2, Si3N4 또는 비정질 규소와 같은 광폭 밴드갭 재료로 매립된 결정질 규소의 중시적 크기 영역을 제공한다. 주변 모재 재료로서 광폭 밴드갭 재료를 선택함으로써, 자유 캐리어가 중시적 크기의 영역으로부터 주변 재료로 진입하는 것을 방지하는 효과적인 에너지 장벽이 생성된다. 그 결과, 자유 캐리어는 이들 캐리어가 에너지 장벽을 극복하는 경우에만 주변 재료 내로 침투하게 된다. 이는 예컨대 적외선 검출기의 범위 내에서의 자유 캐리어의 IR 광자 유도 여기와 같이 복합 구조물 외측에 에너지 형태의 일부 공급원을 적용하지 않고는 수행될 수 없다.
복합 구조물 내에 각각의 주변 영역마다 충분한 양의 자유 캐리어를 얻고 한 에너지 상태로부터 다른 에너지 상태로 자유 캐리어를 연속으로 변화시키기 위해 주변 영역의 물리적 크기는 설계 요소가 된다. 본 발명에서 주변 영역의 크기는 사실상 "양자적"일 수 없다. 양자 크기는 영역의 직경이 전자 파장과 동일한 정도인 것을 특징으로 하는 것이다. 즉, 영역 크기가 양자적인 경우, 전자의 에너지 스펙트럼은 불연속적일 것이다. 아주 적은(예컨대, 1에서 대략 4) 에너지 상태만이 양자 영역 내에 존재하기 때문에 이런 에너지 스펙트럼은 자유 캐리어의 에너지 상태의 필수적인 연속적 변화를 대부분 방지한다. 에너지 상태의 실제 수는 에너지 장벽의 높이에 의존하며, 높이가 낮을수록 양자 영역(또는 "우물") 내에는 적은 에너지 상태가 존재할 것이다.
이런 일련의 관련 조건은 파울리의 배타 원리의 내용에서 고려되어야 하는데, 이에 따르면 단일한 에너지 상태(또는 준위)는 스핀 방향이 서로 다른 두 개 이하의 전자 또는 정공(즉, 페르미논)에 의해 동시에 채워질 수 있다. 따라서, 복합 구조물 내에서 주변의 중시적 영역의 크기 "d"는 (후술하는) 관계식 λfc＜d에 의해 정의된다. 이런 정의는 주변의 영역이 연속적인 에너지 스펙트럼을 가로질러 분포하는 자유 캐리어의 고전적 행동을 분명히 보여준다. 이런 공간적 크기를 가짐으로써 개개의 중시적 크기 영역 내에는 충분하고 수많은 자유 캐리어가 이용 가능하다.
구체적으로, 중시적 공간 크기 d는 관계식 λfc＜ d ＜ le,h에 의해 정의되며, 이때 λfc는 자유 캐리어 파장이고 le,h는 자유 캐리어의 산란 자유 경로이다. 대부 분의 경우, λfc는 10-7 ㎝보다 작고 le,h는 약 10-5 ㎝일 것이다. λfc＜d인 d에 대한 제1 조건은 중시적 크기의 영역을 다중-캐리어 고전적 도트로 특징짖는다. d ＜ le,h인 d에 대한 제2 조건은 중시적 크기의 영역을 형성하는 원자들과 자유 캐리어 사이의 에너지 전달을 충분히 감소시킬 수 있게 한다. 즉, 자유 캐리어와 중시적 크기 영역의 원자 구조는 중시적 크기 영역을 형성하는 원자들과 자유 캐리어가 상당히 다른 열 에너지 상태로 유지될 수 있도록 열역학적으로 분리되거나 열적으로 고립된다. 따라서, "고온" 자유 캐리어와 포논 사이의 에너지 교환을 감소시킴으로써 서멀리제이션 시간을 상당히 연장시키고 자유 캐리어의 SNED를 제공하기 위해, 중시적 영역의 직경은 조건 d ＜ le,h을 만족해야만 한다.
이런 조건 하에서, 자유 캐리어는 광학 포논의 방출에 의한 에너지 방산을 할 수 없다. 대신에, 에너지 방산은 자유 캐리어가 중시적 크기 영역의 재료 경계와 작용할 때에만 발생할 수 있으며, 이런 과정은 아주 비효율적이다. 따라서, 비평형 상태의 자유 캐리어가 광학 포논의 산란을 위해 자유 캐리어의 자유 경로 캐리어 산란 자유 경로보다 작은 크기의 직경을 갖는 중시적 크기의 영역에 구속될 때, 자유 캐리어는 비교적 장기간에 걸쳐 고온 상태로 유지되며(에너지가 보존됨), 이 경우 이러한 "열 존속 기간"은 적어도 적외선 광자의 흡수에 필요한 기간만큼 길다.
자유 캐리어의 드브로이 파장인 λfc과 관련하여 일부 추가적인 설명을 하기 로 한다. 이 파장은 양자 매개 변수이다. 공지된 입자-파장 이중성 원리, 즉 드브로이 원리에 따르면, 자유 캐리어는 입자로서 뿐만 아니라 유한 파장(또는 주파수)를 특징으로 하는 파장으로도 행동할 수 있다. λfc＜d이 만족되는 경우, 자유 캐리어의 파장 특성은 무시될 수 있고 자유 캐리어는 고전적 입자로서 설명될 수 있다. 따라서, 이런 입자의 속도와 (구성 성분 재료 사이의 경계 뿐만 아니라) 복합 구조물의 구성 성분을 형성하는 원자들과의 상호 작용은 유용한 복합 구조물의 설계 내에서 적절히 고려될 수 있다.
또한, 중시적 크기 영역의 고전적 특징은 자유 캐리어의 에너지 상태가 양자화되지 않도록 보장한다. 즉, 다양한 에너지 상태 사이의 에너지 간극은 이런 관계와 관련된 열적 에너지 "kT"보다 훨씬 작다. 따라서, 단지 일부 불연속적 에너지 상태가 아닌 자유 캐리어 에너지 상태의 준(quasi)-연속 스펙트럼이 존재한다. 따라서, 중시적 크기 영역 내의 에너지 상태의 수는 아주 많으며 이 영역은 다중 캐리어 영역으로서 작용한다.
비교하자면, 종래의 양자 도트는 자유 캐리어(입자) 파장과 대략 동일한 크기와 단지 약간의 에너지 상태를 갖는 불연속적 에너지 스펙트럼을 갖는다. (그러나, 에너지 상태의 실제 수는 에너지 장벽의 높이 및 양자 우물의 깊이에 의존한다.) 따라서, 파울리의 원리에 따르면, 양자 도트에서 자유 캐리어의 수는 제한되며 대부분의 경우 도트당 단지 약간의 자유 캐리어를 포함한다.
구체적으로, 에너지 장벽 높이 ΔE는 ΔE = χsurround - χmesoscopic ± δ Einterfacestates로 표현될 수 있으며, 이때 χsurround는 주변 광폭 밴드갭 재료의 전자 친화도이고 χmesoscopic는 중시적 크기의 영역을 형성하는 재료의 전자 친화도이고 δEinterfacestates는 이들 두 재료 사이의 계면에서의 다양한 계면 상태로 인한 장벽 높이의 변화이다. 이런 관계로부터, 두 구성 재료 사이의 계면의 중요성을 명백히 알 수 있다. 정성적으로, δEinterfacestates = e·Δφs이며, 이때 e는 전자 전하량이고 Δφs는 계면 상태의 수(밀도)에 의존하고 표면 상에서의 전기적 준위와 관련된 벌크 재료의 전기적 준위 사이의 차로 표현되는 복잡한 함수이다. (현재, 경계 계면 상태의 영향을 정확하게 계산하는 허용 가능한 이론은 존재하지 않는다. 그 결과, 장벽 높이는 계산에 의해서가 아닌 실험에 의해 측정되어야 한다.) 그러나, QWIP 및 QDIP의 밴드갭 설계로부터 공지된 바와 같이, 복합 구조물을 형성하는 재료에 대한 상대적 전자 친화도는 재료의 신중한 선택에 의해 결정될 수 있다.
"자유 캐리어"의 특성과 자유 캐리어 및 중시적 크기 영역의 원자들의 상호 작용에 대해 일부 추가적인 설명을 하기로 한다. 고전적인 자유 캐리어가 본 발명의 내용에서 고려된다. 광학적으로 여기된 복합 구조물의 예시적인 내용에서, 자유 캐리어는 여기원에서 생성된 에너지 EP Ph를 갖는 광자의 영향 하에서 가열된다(즉, 뜨겁게 된다). ("고온" 자유 캐리어는 열 에너지 값 kT보다 훨씬 큰 에너지를 갖는 것이다.) 고온 자유 캐리어는 EP Ph - ESi g ＞＞ kT에 의해 정의되는 높은 동적 에너지를 갖는다. 이런 추가된 에너지의 영향 하에서, 고온 자유 캐리어는 이동하기 시작하고 중시적 크기의 영역을 형성하는 재료의 원자 격자와 충돌한다(즉, 원자 격자에 의해 산란된다). 충돌(즉, 산란 동작) 사이의 기간은 운동량 완화 시간 τP fc를 특징으로 한다. 각각의 충돌 동작 동안, 자유 캐리어는 에너지를 잃어 버리고 냉각된다. 한 번의 충돌 동안 자유 캐리어에서 격자 원자로 전달되는 에너지인 Δε(양자 역학 용어로서 "포논 방출"로 지칭됨)는 자유 캐리어의 질량 mfc가 격자 원자 MA의 질량에 비해 무시할 정도로 작기 때문에 아주 작다. 따라서, 이 경우는 Δε = Δε0√(mfc/MA)로서 표현될 수 있으며, 이때 ε0는 충돌전 자유 캐리어의 에너지이다(첫 번째 충돌전 ε0 = EP Ph - ESi g ).
이와 같은 충돌은 준-탄성적인 것으로서, 따라서 자유 캐리어의 속도 벡터는 재료가 그 절대값으로 크게 변하지 않는다면 변화된다. 따라서, 자유 캐리어와 격자 사이의 열적 평형 상태를 얻기 위해 고온 자유 캐리어를 격자 온도로 완전 냉각시키는 것은 시간-에너지 완화 기간 시간
동안 상당한 수의 충돌을 필요로 한다. 따라서, 에너지 완화 평균 자유 경로 
는 운동량 완화 자유 경로 
보다 휠씬 길며, 이때 
는 운동 에너지 ε를 갖는 자유 캐리어의 평균 속도이다.
따라서, 조건 d ＜ lP fc은 필수적으로 조건 d ＜ 
을 필요로 한다. 이들 관계식은 자유 캐리어의 수가 아주 크지 않은 경우 정확하다. 예컨대, 금속 또는 축퇴된 반도체에서, 주 에너지 완화 기구는 고온 캐리어와 차가운 캐리어 사이의 충돌이다. 이 경우, 에너지 전달은 질량에서의 상대적 균등성 때문에 아주 효율적이며, lP fc과 
는 같은 차수로 되어 있다. 따라서, 조건 d ＜ lP fc은 자유 캐리어가 표면 원자와의 충돌 전에는 그 에너지를 방산할 수 없다는 사실을 표현한다. 그러나, 표면에 근접한 자유 캐리어의 파장 함수는 에너지 장벽의 존재로 인해 작다. 동시에, 표면 원자의 수 Ns는 체적 내 원자의 수 Nb보다 작은 값으로 Ns:Ns/Nb = 1/d이며, 따라서 에너지 효율은 손실되고 표면 포논의 최종적인 방출은 작다. 따라서, 조건 d ＜ lP fc을 만족시키면, 예컨대 광폭 밴드갭 모재 재료에 의해 둘러싸인 중시적 규모 반도체 또는 금속 영역을 포함하는 복합 구조물에서 자유 캐리어 대 격자 원자간 상호 작용이 크기 감소된다.
상술한 바와 같이, 특별한 조건 하에서 중시적 크기의 영역을 형성하는 원자 구조와 중시적 크기 영역 내의 자유 캐리어는 열역학적으로 분리된다. 즉, 자유 캐리어가 중시적 크기 영역 내에서 존재하든지 또는 유도되든지 여부에 관계없이 중시적 크기의 영역을 형성하는 원자는 자유 캐리어로부터 열적으로 고립된 상태로 유지된다. 따라서, 자유 캐리어는 중시적 크기의 영역을 형성하는 원자의 열적 에너지 상태에 비해 아주 다른 열적 에너지 상태로 존재할 수 있다.
중시적 크기의 영역을 형성하는 원자 구조로부터 자유 캐리어를 최종적으로 열적 고립시키면 주변 재료 내에 매립된 중시적 크기 영역 내에 고온 자유 캐리어의 정상 상태 비평형 분포가 발생될 수 있게 된다.
일단 생성된 이와 같은 정상 상태 비평형 자유 캐리어 분포는 하나 이상의 광학 신호의 검출 및/또는 처리를 포함하는 많은 기술적 문제에 적용될 수 있다. 본 명세서에서 사용되는 용어인 "광학적"의 의미는 전자기적 스펙트럼 내의 임의의 곳에서 발생하는 방사되거나, 반사되거나, 방출되거나 회절된 에너지를 의미하며 특히 자외선 파장(10-8 ㎝)으로부터 레이더 파장(1 ㎝) 범위의 하나 이상의 파장을 갖는 에너지를 포함한다.
IR선의 상승 변환은 본 발명의 넓은 적용예의 하나의 특별한 예이다. 본 명세서에서는 본 발명의 제조 및 용도를 보다 구체적으로 설명하기 위해 IR 관련예에 대해 설명하기로 한다. 그러나, 이는 단지 하나의 예시적인 적용이다. 이러한 예시적인 용도를 구체적으로 설명하기에 앞서 약간의 전후 관계에 대한 논의가 유익할 것이다.
규소(Si)는 그 자체가 가시적 분광 범위 영상 센서를 위한 선택 재료로 입증되었다. 종래의 CCD 및 CMOS 영상 처리기는 비디오 및 디지털 카메라에 널리 이용되고 있으며 그 제조/처리 기술은 많이 발달되어 있고 비용 효율적이다. 그러나, 벌크형 Si의 자연 밴드갭(대략 1.1 eV)은 1.1 미크론보다 긴 파장에서 IR선에 대한 투명도를 보여준다. 따라서, Si는 MWIR 및 LWIR 분광 범위의 방사선을 감지하지 않는다.
기본적 제한이라는 점에 있어서 어느 정도 특수화된 매체가 요구된다. 이상적으로, 특수 매체는 종래의 규소계 집적 회로 제조 기술과 양립 가능할 수 있다. 실온에서 IR 광자속을 가시 광자속으로 효율적으로 변환하는 것이 가능할 수 있다. 또한, 종래의 CCD 또는 CMOS 영상 처리기와의 광학적 결합도 가능할 수 있다. 이런 특성으로 인해, 특수 매체는 신속하게 IR 영상 센서 또는 아주 많은 수의 상업적 및 군사적 용도에서의 선택 시스템이 될 수 있는 완전-규소 IR 영상 처리기를 구성할 수 있도록 허용한다.
종래의 Si계 양자 영상 처리 회로에 의한 후속 처리를 위해 입사 IR선을 가시광으로 변환함으로써 IR 영상 센서를 형성하는 첫번째 시도는 거의 30년전에 시작되었다. 1976년 미국 정부 연구에 기록된 바와 같이, "현상학에서의 기본적 이해를 제외하고, 매개 변수적인 상승 변환은 여러 가지 가능성 있는 용도를 갖는다. IR 파장이 가시 범위로 이동함으로써 냉각 또는 차폐를 필요로 하지 않고 낮은 소음, 진폭 능력을 갖는 편리한 검출기를 사용할 수 있게 된다"[1977년 첨단 레이저 공학(Advances in Laser Engineering)의 SPIE 제122권, 비선형 광학 상승 변환을 이용한 적외선 영상 처리(Infrared Imaging Using Nonlinear Optical Upconversion)에 인용된 것으로서, 1976년 캘리포니아주 멘롤 파크 스탠포드 연구소의 공군 항공 실험실 기술 보고서 AFAL-TR-76-82에 기재된 크리시난(Krishnan) 등의 "적외선 영상 처리 기술에 대한 평가(Evaluation of Technologies for Infrared Imaging)" 참조]
이 시기로부터, 실용적인 상승 변환 매체를 얻기 위해 다양한 기술적 시도가 이루어졌으나 대부분 실패로 종결되었다. 임의로 구분하자면 종래 기술은 두 범주, 즉 비반도체 및 반도체 기술로 구분될 수 있다. 이들 기술은 다음과 같이 요약된다.
a. 비선형 결정
비선형 결정에서의 적외선 상승 변환은 LiNbO3와 같은 임의의 결정의 굴절율에 의해 조절되는 것으로서 서로 다른 전기장 간의 상호 작용에 의존하는 간섭 현상이다. 본질적으로, 특별한 주파수를 갖는 여기광이 주파수들의 합을 형성하고 원하는 출력 신호를 생성하기 위해 적외광과 혼합되도록 선택된다. 비선형 결정에서의 상승 변환은 1960년대로부터 알려져서 연구되었지만 계속적인 관심 분야로 남아 있다. 1969년 저널 오브 어플라이드 피직스(Journal of Applied Physics) 제40면에 기재된 클레인만(Kleinman) 등의 "광학적 혼합에 의한 적외선 검출(Infrared Detection by Optical Mixing)"과 뉴 멕시코주 라스 크루즈(Las Crues)의 라센 인크(Lasen, Inc.)의 1993년 3월 16일 공고된 미국 특허 제5,195,104호를 비교하기 바란다.
비선형 결정 계열의 IR 검출기를 구현하기 위한 계속되는 연구는 원하는 상승-변환기를 위한 새로운 개념적 그리고 시스템적 해법을 제시하기에 이른다. 예 컨대, 그 당시 결정계 시스템에 의해 제공되는 한 해법은 실온에서 합-주파수 생성(SFG)을 할 수 있는 비선형 결정을 제공한다. [2002년 4월 20일 출간된 어플라이드 옵틱스(Applied Optics) 제41권 제12호 제2251면 내지 2262면에 기재된 씨.디. 브루어(C.D. Brewer) 등의 "주기적으로 극화된 LiNbO3를 합체한 단상태 멀티어퍼러쳐 적외선 영상 상승 변환 레이더 수용기의 공간 대역폭 생산 개선(Space-bandwidth Product Enhancement of a Monostatic, Multiaperature Infrared Image Upconversion Ladar Receiver Incorporating Periodically Poled LiNbO3) 참조] SFG를 통해서, 여기장은 수신된 (IR) 신호장과 함께 비선형 결정 내로 결합된다. 최종적인 주파수 합은 수신된 IR 신호에 대응하는 가시 스펙트럼에서 주파수 변경된 출력 신호를 생성한다. 가시 출력 신호는 뒤어어 "실리콘 CCD 어레이"에 의해 포획될 수 있다(2252에 있는 Id 참조).
b. 두 개의 광자 주파수 상승 전환 장치
광고조파 생성 또는 비선형 광학 효과에 기초한 합 주파수 혼합과 같은 그 밖의 간섭 주파수 상승 변환 기술에 비해, 상승 변환 레이저 해법은 위상 일치 기술을 필요로 하지 않으며 여기원과 같은 반도체 레이저를 사용하게 되며 파장 구성을 취할 수 있도록 한다. 초기에 이광자 여기(Two photon pumped, TPP) 레이저 장치는 많은 다양한 비선형 결정에 여기원을 결합시킨다. 그러나, 이들 시스템을 위한 낮은 작동 온도(10 내지 260˚K) 조건은 설계와 이들 시스템을 더욱 구별짖게 만든다. [예컨대 1983년 Proc.SPIE-Int.Soc. Optical Engineering 제322권 제37면 내지 제43면에 기재된 고아(Goa) 등의 논문과 1993년 어플라이드 피직스 레터즈(Applied Physics Letters) 제62권 제1071면 내지 제1073면에 기재된 양(Yang) 등의 논문 참조]
실온 TPP 레이저 기술은 금속 증기 또는 그 밖의 가스에 기반한 상승 변환 매체를 이용하여 달성되었다. [1980년 어플라이드 피직스 레터즈 제24권 제427면 내지 제428면에 기재된 윌렌버그(Willenberg) 등의 논문과, 1991년 레이저 포커스 월드(Laser Focus World) 제27권 제27면 내지 제29면에 기재된 골드스톤(Goldstone) 등의 논문 참조] 마찬가지로, 실온 상승 변환 레이저 기술은 희토류 이온으로 도핑된 매체에서 성공적으로 달성되었다. [1989년 발간 어플라이드 피직스 레터즈 제54권 제2301면 내지 제2302면에 기재된 맥팔렌(MacFarlane) 등의 논문과, 1990년 발간 옵티컬 커뮤니케이션(Optical Communication) 제78권 제187면 내지 제194면에 기재된 한나(Hanna) 등의 논문 참조]
이광자 여기 레이저 기술 및 보다 최근의 삼광자 여기는 또한 유기 염료 용액으로 도핑된 매체(예컨대, 다공성 유리)에서 달성되었다. 이와 같은 작업은 1970년대로 거슬러 올라가지만 아직까지 중요한 연구 투자 분야로 남아 있다. [예컨대, 2002년 6월 11일 공고된 뉴욕 주립대 연구 재단의 미국 특허 제6,402,037호와, 2002년 2월 14일 발간 네이쳐(Nature) 제415권 제767면 내지 제770면에 기재된 헤(He) 등의 "직접 삼광자 여기에 의한 유도 방출 관찰(Observation of Stimulated Emission by Direct Three Photon Excitation)" 참조]
이와 같이 서로 다른 양식으로 IR 상승 변환을 달성하는 것에 관련되어 발간 된 연구와 분명한 지적 재산 투자의 양은 아주 많다. 이들 기술에 관련된 상업적 성공도 현저하게 부족하며, 또한 IR 상승 변환에 대한 비선형 결정, 금속 증기, 희토류 도핑 매체 및 유기 염료 계열의 해법은 원하는 규소 계열의 기술과 아주 다르다.
높은 효율의 IR-가시광 상승 변환층을 얻기 위해 규소 광자에 관련된 두 가지 아주 기본적인 문제가 해결되어야 한다. 첫째로, IR선을 효율적으로 흡수하는 규소를 어떻게 얻을 것인가에 대한 질문이 해결되어야 한다. 다음으로, 규소계 구조에서 어떻게 효율적인 가시 발광을 달성할 것인가에 대한 질문이 해결되어야 한다.
IR 흡수에 대한 첫번째 질문과 관련하여, 종래에 벌크형 규소만으로는 IR 검출에 부적절한 재료로 간주되고 있음을 이미 설명하였다. Si 밴드갭 에너지 보자 낮은 에너지를 갖는 IR 광자의 기본적인 흡수는 무시할만한 정도로 미미하다. 소위 "외재적 Si" 광-레즈시터에서, Si는 밴드갭에 전자 상태를 형성하는 특별한 불순물(예컨대, Ga, As, In, Sb 등)과 도핑된다. 이들 광 검출기는 불순물-유도 전위와 전도대 또는 가전자대 사이에서의 전자 천이를 이용하며 밴드갭보다 훨씬 작은 에너지를 갖는 광자를 감지하기 위해 사용될 수 있다. 외재적 Si 광 검출기는 수 ㎛ 내지 300 ㎛까지 미치는 넓은 범위의 IR 스펙트럼에서 사용된다. 이들 검출기는 λ≥ 20 ㎛ 범위에서 작동하는 주 검출기이다. 고도로 발전된 규소 MOS 기술의 유용성은 판독 및 신호 처리를 위한 전하 전달 장치와 대형의 검출기 어레이의 통합을 용이하게 하며, 제대로 설립된 기술 또한 균일한 검출기 어레이의 제조 및 낮은 소음 접촉의 형성을 돕는다. 비록 현세적 적용을 위한 대형의 외재적 규소 FPA의 잠재성이 실험되어 왔지만, 그 관심은 보다 편리한 작동 온도를 갖는 고유 대역 대 대역 검출기(HgCdTe와 InSb)에 대한 선호로 인해 줄어들고 있다. 외재적 Si 광 검출기는 낮은 양자 효율과 검출능을 특징으로 한다. 이들 매개 변수를 최대화하기 위해 도핑 수위는 가능한 높아야 한다. 도핑 농가가 증가할수록 암전류 및 소음은 증가하고 반응 시간은 느려지고 아주 낮은 작동 온도(예컨대, 대략적으로 액체 헬륨의 온도 또는 약 4˚K)가 요구된다. 이와 같은 낮은 작동 온도는 불순물 준위로부터 캐리어가 열적으로 여기하는 것, 따라서 열적 소음을 방지하기 위해 요구된다. 따라서, 이런 검출기의 용도는 특히 낮은 배경 선속에서 그리고 조성 제어가 HgCdTe에 대해 어려운 13 내지 20 ㎛의 파장에서 우주 및 지구 천문학 응용을 위한 고정식 시스템에 대부분 제한된다.
IR 흡수의 문제에 관련된 다른 해법은 IR 감응 준준위 Si계 QWIP 또는 QDIP를 형성하기 위해 밴드갭 설계 개념 및 관련된 양자 크기 효과를 사용한다. 불행하게도, Si에서 전자의 유효 질량은 자유 전자 질량보다 단지 조금 작은 정도로 크기 때문에, 단지 아주 작은 나노미터 크기의 양자 우물 또는 도트는 IR 광자 준준위 흡수에 유용하다. 이런 치수를 갖는 우물 및/또는 도트의 제조는 기술적으로 큰 도전을 내포한다. 또한, SiO2와 같이 고품질의 Si 계면을 제공하는 공지된 모재 재료는 검출능을 크게 감소시키고 아주 높은 바이어스 전압의 인가를 필요로 하는 대규모의 전도대 오프셋(Si와 SiO2 사이의 ~ 3.7 eV 전도대 오프셋)을 특징으로 한 다. Si계 준준위 QDIP의 형성을 위한 다른 접근법에서 규소 모재에는 게르마늄 도트가 형성된다. 그러나, 이런 접근법에는 에피텍셜 성장 기술이 사용되는데, 이 기술은 문제가 있으며 종래의 Si계 IC 제조 기술와 양립하지 않는다.
Si계 구조물에서의 가시 발광과 관련된 두 번째 문제에 있어서, 규소의 발광 효율은 300˚K에서 약 10-4 양자 효율 정도로 아주 작다. 이런 낮은 효율은 Si 밴드갭의 간접적 특성에 의해 설명된다. 전자-정공 복사 재결합 과정은 운동량이 보존되는 경우에만 발생할 수 있다. 간접 재료에서 운동량 보존은 포논으로의 운동량 전달에 의해 발생한다. 이와 같은 삼체(three-body) 과정은 직접 간극 재결합에 비해 아주 비효율적이다. 그 주된 이유는 규소가 열악한 광발광체이기 때문이다.
규소에서의 아주 작은 발광을 완화하기 위해 많은 아주 다양한 접근법이 제안되었고 실제로 탐구되었다. 본 발명은 이와 같이 대부분 실패한 시도를 배경으로 하여 가장 잘 이해된다. 일부의 경우, 이와 같은 Sil-x Gex 양자 우물 또는 Si/Ge 초격자 구조는 대역 구조 설계에 의존한다. 다른 경우, 이와 같은 양자 도트 또는 다공성 규소(π-Si)는 저차원 구조물에서의 양자 구속 효과에 의존한다. 또한, 등전자성 치환 또는 희토류 이온의 첨가로 인한 불순물 매개 발광에 의존한다. 이들 배경 접근법을 이해하고 본 발명의 장점을 쉽게 구별하기 위해, 결정질 규소에 관련된 광학 발광 문제를 검토하는 것이 적절하다.
(1) 예컨대, 구속 및/또는 대역 구조물 설계를 통한 전자 및 정공 파동 함수 의 중첩을 증가시킴으로써 발광 효율을 증가시키고, (2) 특수 합금 및 분자를 형성함으로써 발광 파장을 가변시키고, 그리고/또는 (3) 불순물 중심에서의 재결합을 유도하는 여러 가지 시도가 수행되었다. 본 내용과 관련하여, 불순물의 도입은 광발광 파장을 그 만큼 대응하여 증가시킴을 주목해야 한다. 불순물은 Si 밴드갭 내에 전자 상태를 형성한다. 불순물에 관련된 전자 천이는 밴드갭의 에너지보다 낮은 에너지를 특징으로 한다. 따라서, 방출된 광의 대응 파장은 Si 흡수 스펙트럼(~ 1.1 미크론)의 장차단(long cut-off) 파장보다 길며, 결과적으로 Si 검출기에 의해 검출될 수 없다.
따라서, 서로 다른 종류의 불순물을 직접 사용하는 것은 CMOS 영상 처리기에 광학적으로 결합된 상승 변환층을 형성하는 문제에 적절한 접근법이 아니다. 결합 효율을 개선하기 위해, 광발광 피크를 단파장으로 이동시키는 것이 바람직하다. 이런 방식으로, Si 흡수 및 광발광 스펙트럼 사이의 중첩은 증가하며, 따라서 결합 효율도 증가된다.
바람직하게는, 방출된(광발광) 광의 파장은 여기 광학적 에너지의 파장보다 길어 질 수 있다. 또한, CMOS 영상 처리기는 예컨대 광학 필터에 의해 광학적 여기 에너지로부터 차폐될 수 있다. 이러한 선택은 광학적 여기 에너지와 광발광 광 사이의 각각의 파장이 충분히 분리될 것을 제안한다.
밴드갭 에너지보다 훨씬 큰 에너지를 갖는 광자의 방출은 불가능하다. 고에너지 광자에 의한 광-여기의 경우에도, 비평형 상태의 전자는 통상적으로 10-12초의 아주 짧은 기간 내에 광학적 포논 상에서 산란시킴으로써 그 에너지를 소모한다. 따라서, 주된 복사 재결합이 전도대의 바닥과 가전자대의 상부에 의해 한정된 상태 사이에 유지된다. 최종적인 방출은 밴드갭 에너지에서의 광자 에너지를 특징으로 한다.
Si에 양자 구속 방법을 적용함으로써 광자 효율이 개선되고 광학적 갭은 1.1 eV의 벌크 값으로부터 증가될 수 있다. 이 경우, Si 구속 구조 내에서 양자 구속에 의해 유도된 불연속적인 에너지 준위 사이에는 대역간 복사 재결합이 발생할 수 있다. 규소와 관련된 간접적 밴드갭 제한을 극복하기 위한 가능한 접근법으로서 다양한 양자 구속 기술이 연구되고 있다. 관련 발광 연구는 π-Si를 포함하는 Si계 나노구조의 효과와 양자 장치(와이어 및 도트)를 고려하였다. 규소 나노 구조에 대한 관심은 재료의 결정 직경이 벌크형 결정질 규소에서 4.3 ㎚의 자유 엑시톤 보어 반경의 크기보다 작을 때 캐리어 파동 함수 상의 구속의 방출 효과에 대한 인식에 기인한다. (후술하는 바와 같이, 대부분의 작업 근거가 되었던 이런 "인식"은 연구의 초점을 완전히 나노 구조로 향하게 하였다.) 이 지점에서 이해되는 바와 같이, 양자 구속은 전자/정공 파동 함수 중첩을 증가시킴으로써 발광 효율을 증가시키고 방출 피크를 보다 높은 에너지 상태로 이동시킨다.
다공성 규소(π-Si)는 그 잠재성으로 인해 발광 규소재로서 광범위하게 연구되었다. 다공성 규소는 불소화수소산 계열의 전해액에 규소를 전기 화학적으로 용해시킴으로써 형성된다. 불소화수소산은 단결정 Si를 단지 아주 느리게 부식시킨다. 그러나, 산성 전해액과 Si 사이에 전류를 통과시키면 과정의 속도를 크게 증 가시킴으로써, 깊고 좁은 기공이 Si 표면에 일반적으로 수직하게 발생하게 된다. 이런 기공의 폭은 단지 나노미터 단위지만 깊이는 마이크로미터 단위이다.
Si 양자 와이어는 기공들의 상향 연결에 의해 π-Si에 형성됨으로써, 단지 나노미터 단위의 폭에는 물결 모양의 자유 직립식 결정질 규소 기둥으로 이루어진 불규칙한 어레이가 남게 된다. 엄밀한 제어 조건 하에서 적절하게 에칭되는 경우, 이와 같은 π-Si 구조는 실온에서 가시 광발광을 방출할 수 있다. 사실상, 근적외선에서 적-황색을 거쳐 청색까지 이어지는 범위의 광을 방출하는 π-Si 구조가 형성되었다.
다양한 연구에 의해 명백히 밝혀진 바와 같이, π-Si에서의 광발광은 π-Si 생산의 화학 작용 및 관련 처리에 아주 민감하다. 결정질 Si 와이어, 스페라이트(spherite) 및 비정질 규소(a-Si) 재료는 어떤 조합에서도 주어진 π-Si 샘플에서 형성될 수 있다. 이렇게 형성된 다공성 Si층은 균일하지 않다. 또한, 양자 효율 및 전력 방산의 개선이 이들 기술을 실제로 적용하기 위해 요구된다.
최종적으로, 현재의 π-Si 연구에 따르면 광학적 흡수 에너지 갭(및 대응하는 광발광 피크 에너지)과 π-Si 재료의 기공 직경 사이에 강한 상관 관계가 존재한다는 결과가 얻어진다. 페닝톤(Pennington)에 소재한 일렉트로케미컬 소사이어티(Eelectrochemical Society)(1996) 어드밴스드 루미네슨트 머티리얼(Advanced Luminescent Material) 제166면 내지 제172면에 기재된 록우드(Lockwood) 등의 "양자 구속으로 인한 π-Si에서의 광발광(Photoluminescence in π-Si due to quantum confinement)" 참조. 본 연구에 따르면, 나노입자 크기는 "충분한" 양자 효과(또 는 광학적 이득)를 얻기 위해 5.5 ㎚보다 작게 제한되어야 한다.
관련 접근법에서, 나노미터 크기의 규소 결정자는 에칭에 의해 형성되는 대신 기상으로부터 직접 성장되거나 모재 내에서 재결정화에 의해 간접적으로 성장된다. 사실상, 아주 작은 Si 결정자에서 광발광학적 에너지의 나노입자 크기 의존성은 π-Si에서의 유사한 발견보다 앞서 있다. 한 예시적인 연구에서는 광발광 피크 에너지는 Si 나노 입자의 직경에 따라 변화됨을 발견하였으며 양자 구속 효과는 3 내지 5 ㎚ 사이의 나노 입자 직경에서 최대화된다는 결론을 얻었다. 1990년 어플라이드 피직스 레터즈 제56권 제2379면 내지 제2380면에 기재된 타카기(Takagi) 등의 논문 "극미세 Si 입자에서의 광발광에 대한 양자 크기 효과(Quantum size effects on photoluminescence in ultra-fine Si particles)" 참조. 그러나, π-Si와 마찬가지로 방출된 광학적 에너지는 에너지 갭에 대한 이론적 계산으로부터 기대되는 것보다 훨씬 아래로 떨어진다. 또한, π-Si에서와 마찬가지로, Si 나노 클러스터의 형성은 변화되며 이에 따라 표면 화학 작용 효과 뿐만 아니라 입자 크기, 입자 밀도 및 분포가 변하는 문제를 겪는다.
사실상, 나노 결정 계면의 예측 불능한 변화와 복잡성 및 광발광에 대한 그 효과는 연구자들이 이런 구조에서 발광을 설명하는 실제 기구에 동의할 수 없을 정도로 꺽이는 것으로 증명되었다. 효과를 근접 표면 상태로 귀속시킨 어플라이드 피직스 레터즈 제69권 제596면 내지 제598면에 기재된 통(Tong) 등의 논문 "플라즈마 증대식 화학 기상 증착에 의해 마련되는 Si막의 나노 결정자로부터의 가시 전계 발광 효과(Visible electroluminescence from nanocrystallite of Si film prepared by plasma enhanced chemical vapor deposition)"와, 그 효과를 양자 크기 효과로 귀속시킨 어플라이드 피직스 레터즈 제69권 제1261면 내지 제1263면에 기재된 토야마(Toyama) 등의 논문 "전기 화학적으로 형성된 나노 결정 Si 박막으로부터의 가시 광 및 전계 발광 효과(Visible photo and electroluminescence from electrochemically formed nanocrystalline Si thin film)"을 비교하시오 .
언급된 광발광 기구에도 불구하고, 종래 기술에서는 단지 나노 크기의 Si 입자만이 연구 가치가 있는 것으로 보았고 그리고/또는 성공적인 발광을 가져올 것으로 여겨졌다. "나노 크기"라는 용어는 1 ㎚ 내지 최대 100 ㎚보다 작은 범위의 직경을 갖는 입자를 지칭한다. 예컨대, 2.0 내지 2.5 ㎚ 범위의 직경을 갖는 나노 입자에 대해 최고의 에너지 피크를 발견한 1999년 저널 오브 루미네슨스 제80권 제257면 재니 제 261면에 기재된 샤베트(Charvet) 등의 "마그네트론 동시 스퍼터링에 의해 얻어진 광발광 Si/SiO2 시스템에 대한 엘리포메트릭 스펙트로스코피 연구(Ellipometric Spectroscopy Study of Photoluminescenct Si/SiO2 Systems Obtained by Magnetron Co-Sputtering), 단지 3 ㎚ 정도의 나노 입자를 확인한 (2000년 11월 23일) 네이쳐 제408권 제440면 내지 제444면에 기재된 파베시(Pavesi) 등의 "실리콘 나노 결정에서의 광학적 이득(Optical Gain in Silicon Nanocrystals)", 2 내지 9 ㎚ 범위 크기의 규소 나노 입자를 설명하는 2002년 저널 오브 어플라이드 피직스 제92권 제8호 제4695면 내지 제4698면에 기재된 주(Zhu) 등의 "고온-와이어 화학 증기 증착에 의한 Si3N4 및 SiO2 박막에 대한 고밀도 Si 나 노 입자의 성장(Growth of High Density Si Nanoparticle on Si3N4 및 SiO2 Thin Films by Hot-Wire Chemical Vapor Deposition)", 열적 증발 과정에 의해 형성되는 3 내지 80 ㎚ 크기 범위의 규소 나노 입자를 설명하는 2001년 머티리얼 피직스 제4권 제62면 내지 제66면에 기재된 첸(Chen) 등의 "Si 나노 입자의 광발광에 대하여(On the Photoluminescence of Si Nanoparticles)" 및 직경이 5 ㎚보다 큰 클러스터를 갖지 않는 Si 클러스터의 두 재료 샘플을 설명하는 1995년 어플라이드 피직스 레터즈 제66권 제1977면 내지 제1979면에 기재된 장(Zhang) 등의 논문 "SiO2 모재에 함유된 Si 나노클러스터의 국부 구조 및 청색 광발광 현상(Blue photoluminescence and local structure of Si nanocluster embedded in SiO2 matrices)" 참조.
밴드갭보다 큰 광자 에너지를 이용한 발광에 대한 다른 접근법은 적절한 계면 복사 상태에서 Si/광폭 밴드갭 재료 헤테로-계면(예컨대 광폭 밴드갭 재료, 초격자, 양자 우물 또는 양자 와이어에 함유된 Si 도트)의 형성을 가정한다. 예컨대 Si/SiO2 헤테로-계면은 이런 상태를 포함한다는 것이 상세히 기록되어 있다. 이런 상황에서, 재료 계면에서는 복사 재결합이 발생한다. 역사적으로, 계면 상태에 대한 제어는 아주 도전적인 작업이다. 밀도 및 에너지 모두는 실제로는 제어할 수 없을 정도로 제조 과정에서의 예측 불가능한 변화에 극단적으로 민감하다. 또한, 계면에 항상 존재하는 많은 수의 비복사 상태는 복사 재결합 확률을 크게 감소시킨다.
대안으로서, 예컨대 직접 갭 GaAs가 Si와 연결되는 복합 재료가 발생되었다. 한 접근법에서, Si와 게르마늄(Ge)의 합금은 에너지 간극이 합금 조성과 관련하여 달라질 수 있는 전자 대역 구조의 설계를 가능하게 한다. 불행하게도, 이와 같은 합금은 이들 혼합물로부터 형성된 증착층이 어느 정도의 임계값보다 얇게 유지되어야만 하도록 이종 구조 안정성 한계의 문제를 겪는다. 그 결과, 이런 합금으로부터 형성되는 광 검출기의 흡수 영역은 필연적으로 작다. 또한, 이들 혼합물의 밴드갭은 사실상 간접 상태로 유지된다.
규소계 광기술에 관련된 두 가지 기본적인 문제점, 즉 IR선에 대한 비감지성 및 약한 발광성은 본 발명에 의해 해결된다. 본 발명의 일 태양에 따르면, 소위 자유 캐리어의 정상 상태 비평형 분포(SNED)인 신규한 물리적 현상이 중시적 고전 구속 현상(MCC)을 이용하여 구현된다. 이와 같은 분포와 후술하는 결과 상의 장점은 특수한 활성 매체를 이용하여 구현될 수 있다.
광 유도 SNED 설계는 광폭 밴드갭 반도체 또는 절연재에 함유된 중시적 크기의 반도체 또는 금속 영역(또는 대안으로서 "입자")의 전도대 또는 가전자대에서 준-연속 스펙트럼의 광 유도 자유 캐리어의 분포를 예상한다. 광-전자의 특수한 분포는 MCC가 발생하는 경우(즉, 비평형 상태 전자의 냉각 시간이 이하 "MCC 천이 시간"으로 정의된 중시적 입자 및 모재 재료 사이의 계면에 도달하기 위해 전자에 요구되는 시간보다 긴 경우)에만 여기 광원에 의해 유도될 수 있다.
MCC 천이 시간은 (1) 열전자의 속도(또는 운동 에너지), (2) 중시적 입자의 크기 및 (3) 확산 및 탄도 운동 사이의 운동과 같은 열전자 운동 유형에 의해서만 결정된다. 냉각 시간은 자유 캐리어 대 포논 또는 자유 캐리어 대 자유 캐리어 상 호 작용을 통해 그 에너지를 방산하기 위해 열전자에 의해서 요구되는 시간으로서 정의된다.
광폭 밴드갭 모재 재료에 의해 둘러싸인 중시적 크기의 입자로 구성되는 특수화된 매체 또는 복합 구조물에서, 냉각 시간은 벌크 재료의 냉각 시간보다 훨씬 길다. 이와 같이 긴 냉각 시간은 "포논 병목(phonon bottleneck)" 및 입자들과 모재 재료의 각 음향 임피던스 간의 차이로 인한 결과이다. 냉각 시간과 MCC 천이 시간 사이의 비율이 충분히 크면 열전자의 특별한 정상 상태 분포를 유지할 수 있게 된다. 분포 최대값에서의 에너지는 여기광 광자 에너지를 변경함으로써 설계되는 반면, 분포의 형태는 중시적 입자의 크기와 복합 구조물을 형성하는 재료 사이의 계면의 품질에 의해 설계된다.
이상적 상황에서 자유 캐리어의 분포는 아주 좁게 된다. 기본적으로, 활성 매체 내에 한정된 에너지 장벽의 특성과 함께 이런 접근법은 아주 바람직한 동적 가변형 광학 특성을 갖는 인공 매체를 형성하기 위한 새로운 기회를 열어준다. 예컨대, 사전 한정된 에너지를 갖는 광을 여기시킴으로써(제1 광자 흡수) 형성된 정상 상태 비평형 자유 캐리어의 구속된 고밀도 플라즈마를 함유하는 인공 매체가 광자를 흡수함으로써 외부 표적에 의해 발광(제2 광자 흡수)하도록 제조될 수 있다. 중시적 입자와 주변 모재 재료에 대한 적절한 선택을 거쳐 시스템 내로 인과적인 전위 장벽을 도입함으로써 가변 차단 파장을 특징으로 하는 새로운 유형의 광 검출기가 얻어진다.
여기광의 에너지에 의해 정의되는 것으로서 에너지 장벽 높이의 에너지 이상 의 에너지를 갖는 표적으로부터 도달하는 IR 광자는 QWIP 구조물에서와 같이 복합 구조물을 가로질러 횡단 바이어스 전압을 인가함으로써 전기적으로 검출될 수 있다. 이와 같은 IR 광자는 복합 구조물을 형성하는 재료 사이의 계면 상에서 또는 중시적 크기의 영역을 둘러싸는 모재 재료의 벌크 내에 자유 캐리어의 복사 재결합을 강재함으로써 광학적으로 교호하며 검출될 수 있다. 전기적 또는 광학적 단계의 어느 한 단계 다음에는 통상적으로 종래 수단을 이용한 최종 발광을 검출하는 단계가 이어진다.
본 발명의 일 실시예에서는 SiO2, Si3N4, Al2O3 또는 비정질 Si와 같은 광폭 밴드갭 반도체 또는 절연재에 의해 둘러싸인 중시적 크기의 규소 입자로 구성되는 완전히 새로운 규소계 (따라서 종래의 집적 회로 제조 기술과 양립하는) 활성 매체를 제공한다. 본 활성 매체(특수한 복합 구조물)는 IR 대 가시광 또는 IR 대 근적외광(NIR)으로부터 효율적인 상승 전환층으로 사용될 수 있는 아주 효율적인 이광자 유도 광/전계 발광을 특징으로 한다.
본 발명의 복합 구조물의 또다른 특유의 특징은 실온에서 IR 대 근적외광(또는 NIR)의 높은 수율이다. 전자와 중시적 영역 격자 원자 사이의 비효율적 에너지 교환으로 인해, 전자 및 원자 시스템은 열역학적으로 서로 독립적이며 열적 자유 캐리어의 온도는 격자의 온도보다 훨씬 높을 수 있다. 과열된 비평형 자유 캐리어의 에너지에 대한 비교적 작은 격자 열 에너지 변동의 효과는 무시할만 하며, 이로써 아주 효율적인 실온 작업을 허용한다. 추가로 종래 기술과 크게 대비되는 것으 로서, 본 발명에 의해 마련되는 광학적 상승 전환 과정은 열적으로 소음이 발생하지 않는다.
본 발명에 따라 형성된 상승 전환 복합 구조물과 종래의 CMOS 영상 처리기를 광학적으로 결합함으로써 양자 비냉각 고성능 완전 광학적 파장 동역학적 가변 IR 영상 센서가 산출된다. 규소로부터의 순수 발광이라는 상세히 기록된 문제에도 불구하고 중시적 크기의 영역을 둘러싸는 모재 재료 내로 복사 재결합 중심을 도입함으로써 효과적인 발광이 가능하게 된다. 이런 새로운 접근법의 한 예시적 적용으로서, 이하에서는 규소계 양자 비냉각 파장 가변형 IR 영상 센서에 대해 제시하기로 한다.
본 발명은 단지 나노 크기 입자들만이 내부에 형성된 모재가 규소계 재료의 열악한 발광이라는 문제에 대한 잠재적 해결책이라는 종래의 가정을 기본적으로 배제한다. 이와는 반대로, 본 발명은 나노 크기 입자에서 발생하는 양자 구속 효과는 단지 입자당 약간의 광전자를 갖는다는 결론을 얻었다. 따라서, 충분한 광자 흡수 또는 광 여기 및 이에 따른 광발광 효율은 아주 많은 수의 나노 크기 입자에 의해서만 달성될 수 있다. 즉, 나노 크기 입자의 밀도(단위 면적당 수)는 아주 높아야만 한다.
상술한 바와 같이, 종래 형태의 나노 크기 입자층은 균일성 문제를 겪는다. 보다 중요하게는, 나노 크기 입자에 대해 요구되는 밀도가 높아지면 인접 입자 간의 평균 이격 거리가 짧아지는 결과가 된다. 이와 같이 짧은 이격 거리는 인접 입자 간의 복잡한 양자 상호 작용을 허용하고 나노 크기 입자에 관련된 전자의 분포 및 에너지 상태의 변화를 초래한다.
이와 달리, 이 지점에서 본 발명의 바람직한 일 실시예는 SiO2, Si3N4, AlAs, GaSb, CdTe, ZnS, 등과 같은 광폭 밴드갭 반도체 또는 절연재의 모재 내에 매립된 중시적 크기의 규소, InAs, HgTe, Ge 등과 같은 협폭 밴드갭 반도체 재료 또는 Al, Cu 등과 같은 금속 입자를 포함한다.
"중시적"이란 용어는 평균 직경 크기가 10 ㎚(10-6 ㎝)보다 크지만 1 미크론(10-4 ㎝)보다 작은 입자(또는 영역)을 지칭하며, 보다 구체적으로는 50 ㎚ 내지 500 ㎚ 범위를 포함한다.
중시적 입자는 예컨대 입자당 106 내지 109 원자 범위의 아주 많은 수의 원자를 포함하며, 따라서 아주 많은 수의 가전자를 포함한다. 중시적 입자에서 전자/정공 에너지 스펙트럼은 벌크 재료의 전자/정공 에너지 스펙트럼과 유사하다. 이는 양자 크기 효과에 의해 정의되는 것으로서 나노 입자에 고유한 불연속적 에너지 준위, 즉 불연속적 에너지 상태 밀도 대신, 중시적 입자는 큰 준-연속적(즉, 에너지 상태 사이의 거리가 열적 에너지-kT 보다 작은) 에너지 상태 밀도를 특징으로 함을 의미한다. 이런 입자들을 광폭 밴드갭 반도체 재료 내에 매립하면 자연적인 전도대 △EC 또는 가전자대 △EV에 의해 정의되는 깊이를 갖는 광폭(즉, 양자 크기 효과는 연관되지 않음) 전위 우물이 형성된다.
규소 밴드갭 에너지 ESi g보다 크지만 최대값(ESi g + △EC, ESi g + △EV)보다 작은 에너지 EP Ph를 갖고 외부 여기원으로부터 입사되는 광자속의 영향을 받으며, 중시적 규모의 전위 우물은 많은 수의 광-여기 자유 캐리어의 중시적 고전 공간 구속을 유도한다. 이런 정상 상태, 비평형 자유 캐리어의 수 △nmes ph는 여기 광량의 변화로 인해 아주 클 수 있다.
이런 점으로 인해, 중시적 크기 입자는 복수의 캐리어 입자인 반면에 나노 입자는 여러 개의 불연속적 준위 상에 단지 약간의 광-여기 캐리어만을 가질 수 있다. 따라서, 중시적 크기 입자에 대한 흡수율은 나노 크기의 입자에 관련된 흡수율에 비해 몇 차수가 크다. 자유 캐리어의 발생에 대한 이와 같이 크게 확장된 영향을 가정할 때, 매립된 중시적 입자의 밀도는 인접 입자 간의 바람직하지 않은 상호 작용이 제거되는 지점까지 저감될 수 있다. 결국, 나노 크기 입자가 매립된 재료와 달리, 중시적 입자의 밀도, 분포 및 크기의 변동은 최종 복합 구조물의 전기적 및 광학적 성질에 단지 미미한 영향만을 갖는다. 따라서, 나노 크기 입자의 크기, 밀도 및 구조적 형태에 대한 정밀한 제어에 관련된 제조 상의 많은 문제점은 본 발명에 의해 제거된다.
상술한 바와 같이, 나노 크기 입자에 관련된 양자 구속 효과는 일련의 아주 제한된 에너지 상태를 갖는 비평형 전자의 분포를 나타낸다. 즉, 전자의 대응하는 에너지 스펙트럼은 사실상 아주 불연속적이다. 이와 같은 일련의 불연속적인 에너 지 상태를 차지하는 전자들은 에너지 스펙트럼에 "데드-존(dead-zone)"을 매개함으로써 그들 각각의 상태 내에서 분리된다. 이와 같이 고정되고 유한하고 데드-존으로 분리된 일련의 에너지 상태로 인해 전자는 불연속적 에너지 스펙트럼 내에서 단지 제한된 수의 가능한 상태 천이만을 할 수 있게 된다. 따라서, IR 검출의 경우, 나노 크기는 광 유도된 경계-대-경계 또는 경계-대-연속체 IR 흡수에 기초한 QDIP로서 사용될 수 있다. 이와 같은 흡수는 입자당 단지 약간의 비평형 전자만이 불연속적인 에너지 준위 내에서 여기되고 따라서 검출 과정에 참여하는 데 이용될 수 있기 때문에 약하다.
대조적으로, 중시적 크기 입자는 충분히 큰 흡수율 및 준-연속 에너지 상태 밀도와 관련된다. MCC는 가전자대로부터 전도대의 복수 개의 에너지 상태에 걸쳐 외부의 광학적 여기원에 의한 거의 연속 전자 여기를 허용한다. 여기 광원에 의해 생성된 약 EP Ph - ESi g의 에너지를 갖는 △nmes ph개의 광 유도 전자로 구성되는 정상 상태 전자 플라즈마가 표현식 hυIR ≥ ESi g + △EC - EP Ph에 의해 정의되는 광자 에너지에 대한 IR선 검출 과정에 사용될 수 있다. 두 개의 광자 EP Ph과 hυIR(h는 플랑크 상수이고 υ는 IR광의 주파수)를 성공적으로 흡수한 전자는 에너지 장벽 ESi g + △EC - EP Ph을 극복할 수 있고 이들 광자들이 복사 재결합 중심에 의해 포획될 수 있 는 주변 모재 재료에 도달할 수 있다. 이와 같은 포획은 종래의 규소 광 검출기에 의해 검출될 수 있는 발광을 수반한다.
이것은 본 발명의 일 태양에 의해 제안된 혁신적인 유형의 IR 검출이다. 전자를 전위 장벽 이상으로 올리기에 충분한 비평형 전자 플라즈마에 의해 흡수된 IR 광자의 최소 에너지는 이와 같은 IR 검출기의 장차단 파장을 한정한다. 차단 파장은 여기광 파장의 선택에 의해 가변된다.
상술한 바와 같이, 종래의 재료 설계와 규소계 구속 효과 설계에 대한 전체적인 신뢰는 자연스럽게 발생하는 간접 밴드갭 재료로부터 직접 밴드갭 또는 직접 밴드갭 형태의 재료를 형성한다. 따라서, 종래 기술은 최종적으로 간접 밴드갭 재료와 관련된 전자 상태의 자연 스펙트럼을 변경한다. 이런 변경에 의해, 종래의 나노 크기 입자 내에서 전자/정공 재결합 확률은 상승된다.
그러나, 본 발명의 내용에서, 규소 중시적 입자 내에서의 전자/정공 재결합으로 인한 광자 발광은 바람직하지 않은데, 이는 이런 광자 누출이 IR 광자 흡수에 유용한 여기된 (열)전자의 수를 실질적으로 감소시키기 때문이다. 따라서, 본 발명은 규소 중시적 입자 내측의 에너지 상태의 스펙트럼을 변경하는 것을 방지한다. 따라서, 중시적 크기 입자 재료는 그 간접 밴드갭 특성을 보유하며 입자 내측의 복사 전자/정공 재결합의 전체 확률이 작은 상태로 유지된다.
본 발명에서, 규소로부터의 비효율적인 발광 문제는 또다른 관련 태양에서 주변 모재 재료 내로 복사 재결합 중심을 도입함으로써 추가로 해결된다. 고유한 직접 밴드갭 특성을 갖는 모재 재료의 비정질 특성은 엄청나게 많은 이런 중심의 삽입을 허용하고 강한 발광을 제공한다. 이런 불순물 도핑의 유익한 효과는 예컨대 종래 기술에 따라 에르븀과 같은 희토류 원자에 의해 도핑된 발광 광 섬유를 형성하는 경우 잘 이해된다.
종래의 규소 구속 구조는 또한 터널 현상에 의해 열전자를 소실한다. 비평형 전자는 함유된 입자와 모재 재료 사이의 전위 장벽 아래를 통과하여 계면 상태에서 재결합할 수 있다. 이런 현상을 방지하기 위해, 중간 계면 상태가 존재하지 않는 날카롭고 깨끗한 계면이 요구된다. 예컨대, SiO2 모재 재료에 결정질 규소(Si) 중시적 입자가 매립되는 경우, Si/SiO2 계면은 계면 모서리 사이에 중간 또는 천이성 SiOx 재료를 두지 않고 아주 날카롭고 깨끗해야 한다. 동일한 원리가 임의의 다른 유형의 오염물에도 그대로 적용된다. 중시적 입자로부터 계면 상태를 거쳐 열전자가 바람직하지 않게 통과하는 것은 계면 상태를 전혀 갖지 않은 날카롭고 깨끗한 계면에 의해 대부분 방지된다.
따라서, 종래의 나노 크기 입자로부터 형성되는 규소 구속 구조물과 중시적 크기 입자에 의해 형성되는 구조 사이의 몇 가지 차이점으로는 모재 재료 내에서 입자의 입자 크기, 밀도, 매립된 입자의 분포 및 밀도에 대한 전체 설계의 민감도, 매립된 입자 내에서 발생하는 전자/정공 재결합 확률의 수(또는 밀도), 매립된 입자와 주변 모재 사이의 계면의 특성, 모재 재료 내로 제어 가능한 방식으로 도입되는 많은 수의 복사 재결합 중심을 포함한다.
광폭 밴드갭 모재 내에 중시적 입자를 형성하는 것은 도 2a, 도 2b, 도 3, 도 4a 내지 도 4c에 도시된 몇 가지 예시적인 실시예에서 설명되어 있다. 도 2a에서, 작업 기판 또는 절연체(10)는 하나 이상의 모재 재료층(12)과, 그 위에 형성된 하나 이상의 입자 재료층(14)을 수용한다. 입자 재료(14)는 바람직하게는 비정질 규소(a-Si)지만, 중시적 입자를 나중에 형성하기에 적절한 임의의 다른 재료일 수 있다. 모재 재료는 바람직하게는 SiO2이지만 임의의 유사한 산화물 또는 질화물 재료일 수 있다.
일반적으로 생산된 포토리소그래피 마스크(15)를 이용하여 공지된 리소그래피 기술(19)을 임의의 수만큼 적용하여 입자 재료(14)의 섬 형상이 현상된다. 현상 및 에칭 과정에 뒤이어, 입자 재료 섬 형상(17)이 형성된다. 상술한 과정에는 종래의 습식 및 건식 에칭 과정이 적절하게 사용된다. 그 후, 도 2b에 도시된 바와 같이, 제2 모재 재료층(16)이 입자(17) 위에 증착됨으로써 입자들을 봉함(또는 매립)한다. 이런 과정을 여러번 반복하여 수행함으로써 매립 입자층의 적층물을 산출한다. 마지막으로, 전체 개재물이 열처리되며, a-Si의 경우 결정질 Si 입자(17)가 생성된다.
대안으로서, 입자 재료층은 모재 재료층 사이에 적층되어서 신속하게 열처리됨으로써 입자 재료층은 사실상 중시적 크기의 결정질 입자로 균열되어 전환된다. 입자 분포와 입자 크기를 변경하기 위한 본 발명의 공차는 이와 같은 단순한 열처리 방법을 실용화시킨다. 열처리 온도, 압력 및 (열처리 가스를 포함하는) 분위기는 입자 및 재료층(들)의 정확한 두께 및 조성과 관련하여 변경된다.
마찬가지로, a-Si층은 레이저 유도 재결정화에 의해 결정질 규소 입자에 의해 허용 가능한 분포로 전환될 수 있다. 입자의 크기와 밀도는 레이저 광 파장과, 처리 온도, 압력 및 분위기의 함수이다.
중시적 규모의 Si 입자는 마그네트론 스퍼터링, 플라즈마 화학 기상 증착 또는 전자총을 이용하여 SiO2 모재 내에 매립되며 뒤이어 열처리 단계가 수행될 수 있다. 사실상, 많은 종래의 반도체 과정, 특히 종래의 리소그래피 기술은 나노 크기의 입자를 형성하는 것보다 본 발명의 중시적 입자를 형성하는 데 더 적합하다.
그러나, 도 3에는 모재 재료 내에 중시적 입자를 형성하기 위한 다른 예시적인 방법이 도시된다. 본 도면에서, 종래의 액체 포토리지스트(20) 및 적절한 크기와 형상을 갖는 금속 입자(21)를 이용하여 포토리지스트 슬러리가 제조된다. 알루미늄 또는 알루미늄 산화물이 금속으로서 사용될 수 있다. 금속 입자(21)는 재료층(41) 위에 도포(스핀 피복 또는 경화)된 액체 포토리지스트(20)에 균일하게 분포된다. 그 후, 재료층(14)은 종래의 기술에 의해 현상되고 에칭될 수 있다.
대안으로서, 도 4a, 도 4b 및 도 4c에 도시된 바와 같이, 금속 함유 포토리지스트 슬러리(20, 21)가 a-Si층(14)을 덮는 희생 SiO2층 위에 스핀 피복될 수 있다. 종래의 에칭 방법을 사용함으로써, 금속 입자(21) 하부에 형성되는 소정의 섬 형상(22)을 제외한 SiO2층(12)의 벌크 부분이 제거된다. 섬 형상(22)을 형성한 후, a-Si층(14)의 선택적으로 노광된 부분이 종래 수단을 이용하여 현상된다. 따라서, 일단 a-Si층(14)의 잔여물이 제거된 후 중시적 크기 입자(24)가 얻어질 수 있다.
나노 크기의 입자에 의존하는 Si 구속 구조에서와 같이, 본 발명에 따라 매립된 중시적 입자를 갖는 광폭 밴드갭 재료는 상당한 발광을 생성하기 위해 여기 광학적 에너지원을 필요로 한다. 도 5a에 도시된 바와 같이, 표면 광학적 여기원(33)은 상승 변환층(30)의 표면에 광학적 에너지를 직접 인가할 수 있다. 대안으로서 또는 표면 여기원(33)과 함께, 기판 여기원(32)이 투명 지지층(37)을 통해 광학적 에너지를 인가할 수 있다.
다른 용도에서, 상승 변환층(30) 이외의 다른 곳에 인가되는 (하나 이상의 불연속적인 파장의) 광학적 여기 에너지를 갖는 것은 아주 바람직하지 않다. 이 경우, 상승 변환층(30)에 여기 에너지를 전달하고 상승 변환층 위 및/또는 아래의 반도체 층을 광학적으로 고립시키기 위해 도파 구조(예컨대, 브래그 반사체)가 사용될 수 있다. 이런 접근법이 도 5b에 도시되어 있으며, 본 도면에서 광학적 여기 에너지는 상승 변환층(30)을 개재한 층(36)들에 의해 형성되는 도파 구조로 종래의 커플러를 이용하여 측방 도입된다. 예컨대 질화 규소-이산화 규소 다층 개재물과 같은 적절한 도파 재료의 선택은 파장 분리 조건과 상승 변환층(30)에 인접한 반도체층의 특성의 함수이다.
본 발명의 바람직한 실시예에서는 지금까지 재료의 Si/SiO2 조합에 대해 언급하였으며 이하에서도 언급하기로 하지만, 본 발명은 이와 같은 재료의 특별한 조합에 제한되지 않는다.
그러나, Si/SiO2 조합은 좋은 이유로 인해 선호된다. 즉, 많은 유용한 상업 적 용도가 이들 재료의 조합으로 형성된 개선된 광전기 장치에 쉽게 도입된다. 적외선 영상 처리 시스템은 이런 용도의 뛰어난 예이다.
본 발명은 후속 영상 처리가 종래의 가시광 영상 처리 회로에 의해 달성될 수 있도록 주로 상승 변환으로 지칭되는 적외선의 주파수 이동을 수행하기 위한 장치 및 방법을 설명하고 소개한다. 이런 범위 내에서, 본 발명에 따르는 매립된 중시적 입자들을 갖는 광폭 재료를 이하 "상승 변환"층으로 지칭하기로 한다.
상술한 바와 같이, 많은 뛰어난 가시광 영상 처리 회로는 종래의 CMOS 기술을 이용하여 저렴하게 구현된다. 오늘날, 이와 같은 CMOS 회로는 오직 비교적 고가의 난해한 복합 기술을 거쳐서만 고성능 광 검출기와 결합된다.
대조적으로, 본 발명에 따르는 상승 변환층은 집적 회로 산업의 핵심 제조 기술을 이용하여 종래 CMOS 영상 처리 회로에 용이하고 저렴하게 합체될 수 있다. 이와 같은 합체의 일 예가 도 6a, 도 6b 및 도 6c에 도시되어 있다.
도 6a에서, 반도체 기판(40)은 표면에 형성된 종래의 CMOS 가시광 영상 처리 소자(41)를 갖는다. 일단 형성되면, 본 CMOS 영상 처리기(45)가 상승 변환층(42)에 의해 덮힌다. 이런 상승 변환층은 상술한 방법 중 어느 한 방법을 이용하여 형성될 수 있다.
그러나, 도 6a에 도시된 바와 같이, 모재 재료층(12)이 CMOS 영상 처리기(45) 상에 형성되며 입자층(14)이 모재 재료층(12) 상에 형성된다. 도 6b에서, 중시적 결정질 규소 입자(17)가 입자층(14)으로부터 형성된다. 일단 층(12, 16) 사이에 완전히 매립된 중시적 결정질 규소 입자는 상승 변환층(42)에 인가되는 광학 적 여기 에너지를 이용하여 입사 IR선을 가시광으로 쉽게 상승 변환시킨다.
도 7은 CMOS 영상 처리기(45)와 상승 변환층(42)의 조합을 추가로 도시한다. 입사 IR선(52)은 (광학적으로 마련되는) 제1 광학 필터(53)(예컨대, 밴드 패스, 밴드 스톱, 하이 또는 로우 패스)를 거쳐 상승 변환층(42)에 충돌한다. 제1 광학 필터(53)는 사실상 종래의 것일 수 있으며, 예컨대 영상 처리되는 IR 주파수의 범위를 선택하기 위해 사용될 수 있다. [필터(53)에 관련된 또는 관련되지 않은] 제2 광학 필터(55)가 CMOS 영상 처리기(45)로부터 상승 변환층(42)을 광학적으로 격리시킥 위해 광학적으로 마련될 수 있다. 예컨대, 제2 광학 필터(55)는 광학적 여기 파장이 CMOS 영상 처리기(45)와 충돌하는 것을 방지할 수 있다. 대안으로서 그리고/또는 이와 같은 파장 선택 여과와 함께, 제1 및 제2 필터(53, 55)는 상승 변환층(42)을 여과하기 위한 도파 구조를 구현하는 협동 반사층일 수 있다.
도 8은 본 발명에 적합한 예시적인 IR 영상 처리 시스템을 도시한다. 종래의 광학 서브 시스템(60) 및 조리개(61)는 선택된 시야로부터 적외선을 수집하여 집속시킨다. IR선은 도 6a 내지 도 6c에 설명된 예에 따라 형성된 초점 평면 배열(FPA)(63)에 충돌하기 전에 (도시 안된) 파장 선택 필터를 거쳐 통과될 수 있다. 광학적 여기원(62)은 FPA(63)에 광학적 여기 에너지를 제공한다. IR선이 충돌한 FPA(63)는 여기원(62)에 의해 마련되는 광학적 에너지를 이용하여 구성 요소로서의 상승 변환층에 의해 IR 파장으로부터 가시광 파장으로 전환(및 광학적으로 증대)된다. 최종적인 가시광 방출은 종래의 CMOS 영상 처리 회로, 전하 결합 소자(CCD) 영상 처리기, 규소 광다오드 또는 광 컨덕터의 이차원 어레이 또는 규소 판독 칩( 이하, 총칭하여 "종래의 가시광 영상 처리 회로"로 지칭함)을 이용하여 영상 처리된다. 따라서, 본 발명의 일 태양에 따르면, FPA는 광폭 밴드갭 재료의 모재에 매립된 중시적 입자에 의해 형성되는 상승 변환층과 종래의 가시광 영상 처리 회로의 일체형 조합으로 인식될 수 있다.
FPA(63)의 가시광 영상 처리 회로로부터의 가시 영상 신호는 증폭기(들)(64), 아날로그-디지털 변환기(들)(65) 및 디지털 프로세서(66)를 순차적으로 통과하게 된다. 예컨대 종래의 RS(170) 비디오 신호는 이런 IR 영상 처리 시스템으로부터의 출력 신호로서 쉽게 얻어질 수 있다. 필요에 따라, 종래의 어레어 어드레스 생성기 및 어레이 바이어스 회로(도시 안됨)가 도 8의 IR 영상 처리 시스템 내에 합체될 수 있다.
본 발명은 넓은 범위의 주파수에 걸친 진정 광학 가변 능력을 허용한다. 이런 능력은 부분적으로 본 발명에 따라 형성되는 상승 변환층 내에 생성된 특유하고 연속적인 특성의 여기 전자 스펙트럼에 기인한다. 상술한 바와 같이, 종래의 나노 크기의 입자 구조물에 의해 정의된 것으로서 여기 전자에 대한 제한된 불연속적인 수의 에너지 상태는 이와 같은 종래 시스템이 하나 이상의 아주 좁은 검출 주파수로 제한되도록 한다. 그러나, 본 발명에 의해 생성되는 여기 전자에 대한 거의 연속적인 스펙트럼의 에너지 상태는 IR 주파수 범위 전반에 걸친 넓은 광학적 가변을 허용한다.
예컨대, 가변 레이저 또는 레이저 다이오드가 광학적 에너지 여기원으로서 사용될 수 있다. 레이저가 그 광학적 범위에 걸쳐 가변됨으로써, 여기 에너지의 변동 파장은 본 발명에 따라 형성된 FPA 상에 집속되는 다른 IR선 파장의 스펙트럼과 다른 IR선 파장(또는 비교적 좁은 주파수 대역)을 "선택"한다. 대안으로서, 광폭 광학적 여기원과 가변 필터/광학 매체의 조합이 상승 변환층에 대해 균일한 여기 조명을 인가하기 위해 사용될 수 있다. 복수의 불연속적 광원이 영상 처리를 위한 특수 IR 주파수를 각각 선택하기 위해 작동될 수 있다.
광학적 여기원과 IR 영상 처리 시스템 내에서 그 배열에 대한 선택은 설계 선택 사항이며 영상 처리되는 IR 주파수의 수와 범위에 의존한다. 그러나, 종래의 IR 영상 처리 시스템과 달리, 본 발명은 하나 또는 두 개의 불연속적 IR 주파수에 고정되지 않는다. 대신에, 모든 제1 및 제2 열적 영상 대역은 완전한 일련의 IR 영상 처리 데이터를 얻기 위해 가변적인 광학적 여기원에 의해 편향될 수 있다. 대안으로서, IR 주파수의 "기호"에 대한 선택은 임의의 유형의 표적을 식별하기 위해 하나 이상의 광학적 여기원에 의해 신속하게 주사될 수 있다.
상기에서는 비교적 간단한 예를 들어 본 발명의 장점, 용도 및 제조 방법에 대해 설명하였다. 비록 이들 예는 개시 내용을 실현하기에 충분하지만, 기술 분야의 당업자라면 본 발명의 범위 내에서 다양한 변형 및 개조가 가능함을 알 수 있을 것이다. 예컨대, 전자/정공의 복사 재결합 양태의 더 높은 효율은 상승 변환층의 모재 재료 내로 불순물을 제어되게 도입함으로써 달성될 수 있다. 이와 같은 불순물의 도입은 전자와 정공을 유익하게 국부화시킨다. 예컨대, 희토류 불순물, 탄소 복합물 및 황-산소 복합물은 전자/정공 재결합의 국부화 중심으로서 작용할 수 있다. 규소에서의 외재적 발광은 다양한 공급원으로부터 발생할 수 있지만, 여기에 서는 등전자 및 희토류 외부 중심이 바람직하다.
등전자 중심은 등원자가 원소인 C, Ge 및 Sn과 같은 전기적 중성 불순물 또는 부유 결합이 없는 다중-원자 복합물과 함께 Si를 도핑함으로써 형성된다. 등전자 불순물은 입자의 공간 구속으로 인한 전자/정공 재결합 확률을 증가시킬 수 있는 Si 내의 자유 엑시톤을 구속한다.
고체에서 희토류 이온의 광학적 성질은 아주 상세히 연구되어 있으며 충분히 이해된다. 에르븀 이온의 여기는 Si 내에서 전자/정공을 생성하는 제1 단계와, 엑시톤을 형성하는 후속 단계와, 에르븀을 여기시키는 최종 단계를 포함하는 복잡한 과정이다. 그 후 여기 상태 완화가 광자 방출을 거쳐 발생한다. 산소 코-도펀트(co-dopant)의 도입에 의해 개선된 성능이 얻어질 수 있다.
본 발명의 다른 태양에 따르면, 열전자의 균일한 분포(또는 스펙트럼)를 생성하기 위한 신규한 방법을 알 수 있다. 광학적 여기 에너지의 영향 하에서, 매립 중시적 입자는 광폭 밴드갭 재료 내에 열전자의 안정적인(또는 정상 상태의) 비평형 분포를 형성한다. 이런 분포는 가변적인 광학적 에너지 여기원에 관련되어 형성되는 열전자의 좁게 집중된 원주상 분포 또는 델타형으로 관찰될 수 있다. 바람직하게는 이산화 규소 모재 내에 매립된 규소 입자에 의해 달성되지만, 이들 특수한 재료에 제한되지 않는다. 그보다는, 본 발명은 이러한 열전자의 분포를 생성할 수 있는 재료의 어떠한 조합에 대해서도 적용될 수 있다.
이하, 또다른 실시예로서 본 발명의 여러 추가적인 예들을 설명하기로 한다. 제1 예는 적외선 및 근적외선 광학 신호의 광자 에너지 상승 변환에서의 본 발명의 적용에 대한 것이다. 보다 상세하게는, 광 유도 자유 캐리어 IR 흡수 및 IR 유도 근적외선 발광은 수소화 비정질 규소(α-Si:H)의 층 내에 매립된 중시적 크기의 결정질 규소 입자들로부터 형성된 복합 구조물을 이용하여 달성된다.
이들 예시적인 복합 구조물의 샘플들은 350 ℃에서 양면 연마된 규소 기판 상에 500 Å 두께의 고유 α-Si:H의 층을 증착함으로써 형성되었다. 그 후, 기판에는 H2:SiH4가 3대 1인 수소 희석비와 50 sccm의 유속을 이용하여 PECVD 처리가 수행되었다. 증착실 압력은 50 mTorr에서 유지되었고 150 W의 고주파 전력이 인가되었다. 후술하는 제2 및 제3 예는 중시적 입자를 주변 재료 내에 형성하는 방법 단계들을 보다 구체적으로 설명하고 있다.
그러나, 제1 예의 내용에 따르면, 중시적 입자의 크기와 이에 대응하는 규소 체적비는 예시적인 복합 구조물로부터 얻어진 라만 스펙트럼의 시험에 의해 결정되었다. 최종적인 라만 스펙트럼은 도 9에 그래프 형태로 도시된다. 도 9의 라만 스펙트럼은 두 개의 대역, 즉 (1) 520 ㎝-1로 보이고 규소의 중시적 입자에 기여하는 좁은 결정질 대역과, (2) 480 ㎝-1에서 피크가 되고 비정질 규소에 기여하는 광폭 밴드 직교 광학(Transverse optical, TO) 모드로 구성된다.
결정질 규소 중시적 입자의 평균 크기는 단결정 규소에 고유한 피크에 대해 520 ㎝-1의 좁은 결정질 대역에 관련된 피크의 라만 변동의 의존성을 설명하는 경험적 조정 곡선으로부터 추론되었다. 입자들의 평균 직경은 약 14 ㎚로 결정되었다. 비정질 규소층에서 결정질 규소의 체적 분율 XC는 다음 관계식에 따라 평가되었다.
XC = IC/(IC + IA)
이때, IC와 IA는 각각 결정질 피크 및 비정질 피크의 적분 강도이다. 연구된 제1 샘플에서, XC는 단지 약 10 %인 것으로 결정되었다. 따라서, 제1 샘플의 복합 구조물은 아주 낮은 밀도를 갖는 비교적 작은 크기의 결정질 입자를 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 바람직한 중시적 입자 크기는 50 내지 200 ㎚의 범위에 있고 결정질 규소의 바람직한 체적 분율은 50 내지 60 % 범위에 있다. 그럼에도 불구하고, 중시적 범위의 하한에 근접한 입자 크기와 체적 분율 범위의 하한에 근접한 체적 분율을 갖더라도, 최종 복합 구조물은 광 변환기로 시험될 때 양호한 결과를 산출했다. 관찰된 광학적 상승 변환 능력에 비해 더 주목할 점은 제1 샘플 복합 구조물은 그 행동이 사실상 고전적이라고 당연히 불릴 수 있을 정도로 무시할만한 양자 크기 효과를 보인다는 것이다.
제1 샘플 복합 구조물에 대한 IR 투과 스펙트럼은 표준 고속 주사 모드에서 작동하는 브루커 이퀴녹스(등록 상표)(Equinox®)50FTIR 분광계를 이용하여 측정되었다. 제1 샘플 복합 구조물에 대해 측정된 투과 스펙트럼이 도 10의 실선으로 도시되어 있으며, 비정질 규소에 대한 기대 투과 스펙트럼을 보이는 점선과 비교된다.
비정질 규소층과 함께 규소 기판의 투명도에 대한 측정값으로서 공기 투과도 가 얻어졌다. 수소화 비정질 규소층의 고유 투과도를 얻기 위해, 측정된 스펙트럼은 규소 기판의 투과 스펙트럼에 의해 분할되어서 공기의 투과도에 대해 측정되었다. 이로부터, 제1 샘플 복합 구조물에는 존재한다 하더라도 아주 적게 측정 가능한 흡수만이 1 내지 16 ㎛의 광학적 IR 파장 범위에 걸쳐 발생한다는 것이 명백하다.
광 유도 흡수(PIA) 및 IR 유도 광발광 측정값이 제1 샘플 복합 구조물에 대해 얻어졌다. 결정질 규소 밴드갭 ESi g = 1.12 eV보다 크지만 α-Si:H 밴드갭 Eα-Si:H g = 1.75 eV보다 작은 광자의 에너지 EP Ph = 1.6 eV(λP = 775 ㎚)를 갖는 여기광이 이들 영역 내에 자유 정공의 광 유도 SNED를 제공하는 복합 구조물(여기에서는, 층)의 중시적 크기의 영역에 흡수된다. 여기광이 없을 시 IR 파장에 대해 일반적으로 거의 100 % 투명한 결정질 규소 영역은 여기광의 인가로 인해 보다 불투명(덜 투명)하게 되며 자유 정공의 광 유도 SNED이 달성된다.
IR선의 여기광 유도 흡수(PIA)는 복합체 층의 일체형(즉, 결합된 중시적 크기의 영역에 주변 α-Si:H의 합) 투과도의 감소를 가져온다. 투과도의 절대 감소 ΔT는 PIA의 측정값이다. PIA의 존재는 자유 캐리어(즉, 작업 예에서 정공)의 광 유도 SNED의 존재를 직접 증명한다.
흡수된 IR 광자의 에너지가 결정질 규소 중시적 영역과 주변 비정질 규소 모재 사이의 에너지 장벽보다 높은 광 유도 SNED로부터 이들 열적 자유 캐리어를 생 성하기에 충분히 큰 경우, 정공은 장벽을 극복하여 주변 모재를 통과해서 복사 재결합한다. IR 유도 발광은 근적외 분광 영역에서 특수 파장 λLUM IR 가까이 투과도를 증가시킴에 따라 관찰된다. 이런 특수 파장은 λLUM IR ≒ hc/(Eα-Si:H c - ERRC)로 정의되며, 이때 h는 플랑크 상수, c는 빛의 속도, Eα-Si:H c는 α-Si:H 전도대의 바닥, ERRC는 주변 비정질 규소 모재에서 복사 재결합 중심의 에너지이다. 이런 분광 영역 내에서 투과도의 양의 변화는 IR 유도 발광으로서 해석된다.
사실상, 본 명세서에서 설명된 실험적 설정의 구성을 가정할 때, 복합 구조물의 투과도는 항상 측정된다. 탐침 IR 광원은 연구된 복합 구조물을 조사하고, IR 냉각 MCT 검출기가 샘플 뒤에 배치되어 IR 투과도를 결정하기 위해 샘플을 통과하는 IR 광의 광량을 측정한다. 검출기의 신호는 볼트 단위의 광-전압이며, 이때 투과도가 클수록 출력 신호 전압은 크다. 여기원의 강도는 한정된 주파수에 따라 기계적으로 변조(개/폐)된다. MCT 검출기의 출력부에 연결된 록-인 증폭기는 투과도의 변화 ΔT = Tpump - T0(펌프 개방 - 펌프 폐쇄)를 측정했으며 변조기의 주파수에서 신호한다. PIA는 투과도의 음의 값 변화(ΔT < 0)를 특징으로 하며 IR 유도 발광은 양의 값 변화(ΔT > 0)를 특징으로 한다.
도 11에 도시된 실험적 설정은 이러한 측정을 하기 위해 사용되었다. 보다 구체적으로, Ti-사파이어 레이저(70)[775 ㎚에서 10 mM인 코히런트-899 링 레이저 (COHERENT-899 RING laser)]가 제1 샘플 복합 구조물의 중시적 크기 결정질 규소 입자 내에 비평형 자유 캐리어를 생성하기 위해 광학적 여기원으로서 사용되었다. Ti-사파이어 레이저(70)는 아르곤 이온 레이저(71)[488 ㎚에서 (70 ÷ 400) mM인 코히런트-이노바(COHERENT-INNOVA)]에 의해 종료되었다. 광학적 투과 성능의 변화는 브루커 이퀴녹스(Bruke Equinox) 55 단계 주사(Step-Scan) FTIR 분광계(72)와 SR830 록-인(LOCK-IN) 증폭기(73)를 이용하여 측정되었다. 0.65 ㎛ 내지 0.16 ㎛ 범위에 걸친 파장 범위는 액체 질소에 의해 냉각되는 HgCdTe 광기전 검출기(74)를 사용하여 보고되었다.
실험은 펌프 및 탐침 접근법을 사용하여 수행되었다. 775 ㎚ 파장에서의 Ti 사파이어 레이저가 주변 비정질 규소층이 아닌 중시적 크기 결정질 규소 입자 내의 광 캐리어의 여기를 위해 여기 광원으로서 선택되었다. 관련 전압은 ESi g(1.1 eV) ≤ EPh(1.6 eV) ≤ Eα-Si:H g (1.75 eV)로서 표현된다. 레이저 광은 제어되는 쵸퍼(75)를 사용하여 기계적으로 변조되었으며 광 유도 흡수(PIA) 신호는 쵸퍼 주파수에서 인용된 록-인 증폭기(73)에 의해 측정되었다. 단계 주사 모드로 작동하는 FTIR에서의 IR 광은 제1 샘플 복합 구조물에 대한 탐침으로 사용되었다. 측정은 실온에서 수행되었다.
도 12에는 도 11의 펌프-탐침 실험의 결과가 도시되어 있다. 도 12에 도시된 수직축은 복합 구조물의 투과도의 상대적 변화치 ΔT/T0 = (Tpump - T0)/T0를 반영 하며, 중소적 영역의 직경 d 투과도로 표준화된다. 이것은 중시적 크기 영역의 흡수율보다 정확히 더 큰 조사된 복합 구조물의 흡수율인 α = -(1/d)(ΔT/T0)[㎝-1]을 제공하기 때문에 실험 결과의 간편한 표현식이다. 도 12에 도시된 그래프의 수평축은 여기원이 파장 λPump = 775 ㎚를 갖는 단색성 Ti-사파이어 레이저인 탐침 IR원의 파장 λIR_probe를 나타낸다.
(1/d)(ΔT/T0)가 음의 값인 파장 범위에서, 흡수율 α는 PIA-광폭 분광 대역 2 ㎛ ÷16 ㎛으로 0보다 크다. 즉, 장파장 차단은 특수한 MCT 검출기를 가정하면 실험적 설정에서 감응도의 한계값에 의해 정의된다. 2 ㎛에 근접한 대역에서 시작하여 최대 대략적으로 6 내지 7 ㎛까지는 다음의 함수 α = -(1/d)(ΔT/T0) = f(λIR_probe) ∼λIR_probe)β에 의해 그래프에 일치될 수 있다. 최적의 일치는 1.5 < β < 2.5 사이의 범위에 해당하는 상수값 β에 대해 달성된다. 흡수율의 이와 같은 전력 지수 의존도는 소위 자유 캐리어 흡수의 경우 통상적이다. 따라서, 관찰된 결과는 광 유도 SNED로부터 자유 캐리어에 의한 IR선의 흡수를 실험적으로 확인한 것이다.
0.7 ㎛ 내지 최대 2 ㎛ 범위의 근적외 분광 범위에서, ΔT/T0 = (Tpump - T0)/T0의 분광 의존도는 양의 값이며 α는 음의 값이다. 음의 흡수율은 레이저 매체에서 광학적 이득 및 관련된 여기 방출을 위한 조건으로서 레이저 분야에서 일반 적으로 처리된다. 본 건의 경우, 음의 흡수율은 IR 유도 발광의 동시적 복사 재결합과 관련된다.
발광 대역이 IR 유도인지 아니면 레이저 여기로 인한 광발광 효과인지를 결정하기 위해, Ti/사파이어 레이저가 CW 모드에서 작동되는 동안 변조된 IR 공급원을 이용하여 측정이 수행되었다. IR 유도 발광의 스펙트럼은 양 경우에 동일하였다. 이러한 특수 구성(즉, 복합 구조물 기판을 거쳐)에서 측정된 IR 유도 발광의 스펙트럼은 규소 기판의 투과에 의해 단파장(1.12 ㎛)으로부터 제한된다. 제1 샘플 복합 구조물에서 광발광의 직접 측정은 1.2 eV의 광자 에너지에 대응하는 1 ㎛의 피크값을 보여준다.
도 13에는 (1) 기준 규소 웨이퍼 투과도, (2) 기준 α-Si:H층 발광 및 (3) IR 유도 발광에 대한 각각의 스펙트럼이 함께 도시되어 있다.
IR 유도 발광의 존재는 중시적 크기 결정질 규소 입자가 아닌 복합 구조물의 α-Si:H 모재 내에서 재결합이 발생함을 제시한다. IR 여기 자유 캐리어(비정질 규소의 경우 실질적으로 전자가 아닌 정공)가 계면 상에서 재결합되지 않고 α-Si:H 내로 침투한다. 비교를 위해 단결정 규소 샘플에 대해 동일한 측정이 수행되었다. 단결정 규소에 대한 PIA 신호 측정은 천배 정도로 약했으며, IR 유도 발광이 관찰되지 않았다. PIA에 대한 파장 의존성(도시 안됨)은 β = 1.8에서 전력 지수 법칙(power exponent law)에 따른다. 결정질 규소 입자가 없는 샘플 α-Si:H에서의 광발광은 아르곤-이온 레이저 여기원이 α-Si:H 밴드갭보다 에너지가 높을 때 , 즉(EPh (2.54 eV) > (Eα-Si:H g (1.75 eV))일 때에만 관찰되었다. 이 경우, 1 ㎛ 내지 4 ㎛ 사이의 분광 범위의 아주 약한 PIA(제1 샘플 복합 구조물에 관련된 값보다 100배 정도 작은 값)가 관찰되었다. 이와 같이 좁은 대역 형태의 PIA는 수소화된 비정질 규소 밴드갭에서 발생하는 국부화된 상태에 의해 포획되는 광-여기 자유 캐리어에 관련된다.
본 발명에 따라 제조된 제1 샘플 복합 구조물의 상술한 실험으로부터 여러 가지 중요한 사실이 드러난다. 첫째로, 열적 자유 캐리어의 정상 상태 비평형 분포가 α-Si:H 주변층에 매립된 중시적 크기의 규소 입자 내에 형성된다.
둘째로, 이들 자유 캐리어는 효율적으로 흡수된 IR선(α∼ 104 ㎝-1인 엄청난 흡수율)에 적합하며 뒤어어 근-IR광을 방출한다.
셋째로, IR 흡수대의 단파장 개시는 자유 캐리어 흡수를 위한 전력 지수 법칙에 의해 정의되며 여기 광원의 에너지와 강도에 따라 동적으로 결정될 수 있다.
넷째로, IR 광자를 흡수하는 중시적 크기의 규소 입자 내에서 생성되는 자유 정공은 열적 배출로 인한 에너지의 손실을 입지 않고도 전위 에너지 장벽을 극복해서 복사 재결합을 위해 주변 모재 재료로 침투할 수 있다.
다섯째로, 전환 효율의 대략적인 평가는 약 1 %이다. 이런 전환 효율값은 복수의 복합 구조물 층의 조합과, 상당히 추가되는 수의 잠재적 복사 재결합 중심의 주변 층 내에서의 형성에 의해 규소 입자의 크기 및 밀도를 증가시킴으로써 크게 개선될 수 있다. 이는 Yb와 같은 희토류 원자로 주변 재료를 도핑함으로써 달 성될 수 있다.
여섯째로, 적어도 결정화된 수수화 비정질 규소 복합 구조물에 적용되는 것으로서 본 발명은 IR에서 근적외/가시광 전환층을 형성하기 위해 사용될 수 있다.
"입자"라는 용어는 중시적 크기의 영역과 하나 이상의 협폭 밴드갭 재료의 섬들을 설명하기 위해 복합 구조물에 대한 상술한 논의에서 사용되었다. 규소는 협폭 밴드갭 재료의 일 예로서 사용되었지만, InAs, HgTe, Ge과 같은 그 밖의 반도체 재료 또는 Al 및 Cu와 같은 금속도 사용될 수 있다. "입자"라는 용어는 다양한 형상을 갖는 영역 및 구조물을 설명하는 것으로 광의적으로 해석되어야 한다. 사실상, 중시적 크기의 입자를 형성하는 데 적절한 다양한 제조 과정은 다양한 크기와 구성의 입자들을 고유하고 형성할 수 있다. 또한, "매립"이란 용어는 중시적 크기의 입자와 주변 광폭 밴드갭 재료(이런 재료가 "층" 형상이든 다른 형상이든 관계없이) 사이의 관계를 설명하기 위해 사용된다. 이산화 규소는 상기 에에서 종래의 주변 재료로서 설명되었지만, SiO2, Si3N4, AlAs, GaSb, CdTe 및/또는 ZnS와 같은 광폭 밴드갭 재료 또는 절연재로 된 적절한 모재가 사용될 수 있다. "매립"이란 용어는 또한 상당한 표면 접촉부를 갖는 협폭 밴드갭 재료 및 광폭 밴드갭 재료의 임의의 배열을 포괄하도록 광의적으로 인식되어야 한다. 비록 바람직하기는 하지만, 복합 구조물 내의 광폭 밴드갭 재료에 의해 중시적 크기의 입자의 완전한 "주변"은 요구되지 않는다.
도 14a 내지 도 14e를 참조하여, 적절한 복합 구조물을 형성하는 데 적절한 예시적인 과정에 대해 설명하기로 한다. 즉, 본 발명에 따르는 광 변환기 층(특별한 복합 구조물)은 실리콘-온-인슐레이터(Silicon-On-Insulator, SOI) 웨이퍼에 적용되는 종래의 기술을 이용하여 쉽게 형성될 수 있다.
우선, 예컨대 SiGen 코포레이션에서 구입한 6 인치 SOI 웨이퍼로서, 0.1 미크론의 편평도와 0.06 나노미터의 거칠기를 갖는 SOI 웨이퍼가 선택된다. 웨이퍼의 표면을 세척하기 위해 다양한 종래 과정이 적용될 수 있다. 예컨대, 웨이퍼는 우선 디클로로메탄, 아세톤, 메탄올 및 탈이온수로 처리될 수 있다. 그 후, 웨이퍼는 수성 암모니아, 과산화수소 및 물의 SCI 혼합물로 처리된다. 탈이온수에서의 세정후, 웨이퍼는 희석 또는 완충 HF산으로 에칭된다.
도 14a에는 규소층(102)으로부터 SiO2 층간층(101)에 의해 분리된 규소 기판(100)으로서 세척된 SOI 웨이퍼가 도시되어 있다. 산화로에서 박막의 보호 SiO2층(바람직하게는 1000 Å 두께)을 형성한 후, 패턴화된 폴리머층(103)이 나노 각인 리소그래피 기술을 이용하여 규소층(102) 위에 형성된다.
도 14b 및 도 14c에 도시된 바와 같이, 최종 구조물의 표면 위에 크롬층(104)이 증착된다. 그 후, 정밀하게 형성된 크롬 마스크가 종래의 리프트-오프 과정에 의해 규소층(102) 상에 제조된다.
이용 가능한 종래의 등방성 건식 에칭 기술 중 임의의 기술을 이용하여 바람직하게는 직경이 50 내지 200 ㎚까지 범위이고 이에 대응하여 피치가 100 내지 300 ㎚ 범위인 중시적 크기의 규소 기둥(112)을 형성하기 위해 규소층(102)의 비마스크 영역이 SiO2층까지 에칭되었다. 도 14d 참조. 모든 기둥의 높이는 바람직하게는 기둥의 직경과 동일한 규소층(102)의 두께에 의해 한정된다. 예컨대, 규소층(102)의 비마스크 영역은 CF4 또는 SF4 플라즈마를 이용하는 RIE 과정을 이용하여 중시적 크기의 규소 기둥을 형성하도록 에칭될 수 있다. 일단 규소 기둥(112)이 형성되면, 크롬 마스크가 제거되고, 보호 SiO2층은 C2F6:CHF3의 플라즈마를 이용하여 에칭된다.
다른 표면 세척을 수행한 후, 고품질의 계면(Si/SiO2)층(114)이 열 산화 과정에 의해 (바람직하게는 100 Å보다 작은 두께로) 형성된다. 즉, 이 지점에서 바람직하게는, 질소가 풍부한 대기에서 20 내지 30 Å 두께의 산화 규소층이 중시적 크기의 규소 기둥의 노출된 표면 위에 형성된다. 통상의 산화 시간은 20분 내지 30분 사이에서 운행된다. 이런 게이트 품질의 SiO2층은 웨이퍼를 가로질러 2.5 내지 3 %까지 균일하게 되어야 한다. 도 14e에 도시된 바와 같이, 고품질의 Si/SiO2 계면층을 형성한 후, 도핑된 SiO2층(115)이 형성됨으로써 부동태화된 규소 기둥(112/114)을 덮는다. 이 층은, 예컨대 SiO2/Yb2O3 표적과 함께 Ar 플라즈마를 이용하여 수행되는 스퍼터링 처리에 의해 형성될 수 있다. 1.5 내지 2 미크론 두께의 Yb-도핑 SiO2층이 바람직하다. 다른 기술이 적절한 복합 구조물을 형성하기 위해 사용될 수 있다.
복합 구조물을 형성하는 데 적절한 제2의 예시적 방법이 도 15a 내지 도 15c에 도시되어 있다. 본 예에서, α-Si:H의 모재 내에 매립된 중시적 크기의 결정질 규소 입자에 의해 형성되어 비교적 얇은 이테르븀 도핑 이산화 규소층으로 피복된다. 바람직하게는, 50 내지 200 ㎚ 범위의 크기와 이에 대응하여 100 내지 300 ㎚ 범위의 피치를 갖는 결정질 규소 입자가 형성될 수 있다. 크기는 후술하는 열처리 시간을 조절함으로써 제어될 수 있다.
도 15a 내지 도 15c를 참조하면, 예시적인 제조 과정이 0.1 미크론의 편평도와 0.06 나노미터의 거칠기를 갖는 규소 웨이퍼(120)에서 시작된다. 웨이퍼는 상술한 바와 같이 세척된다. 그 후, 종래의 열 산화 과정에 의해 1000 Å 두께의 SiO2층(121)이 형성된다.
뒤이어, HWCVD 또는 PECVD 처리에 의해 100 내지 200 ㎚ 두께의 α-Si:H층(125)이 증착된다. 바람직한 PECVD 증착 처리는 100 내지 500 mTorr 범위의 압력과 200 내지 350 ℃ 범위의 기판 온도와 0.02 W/㎠ 고주파 전력으로 H2/SiH4(H2 0 내지 20 %)를 사용하여 수행된다.
α-Si:H층(125) 위에는 다른 SiO2층(126)(바람직하게는 50 내지 100 ㎚의 두께)이 예컨대 CVD 처리에 의해 증착된다. 바람직한 처리에서, 200 내지 350 ℃ 범위의 온도에 유지된 기판에는 150 내지 200 W 사이의 고주파 전력이 N2O/SiH4(최대 1:5)가 50 내지 100 mTorr 범위의 압력으로 인가된다. 대안으로서, SiO2층(126)이 e-비임 증발 과정을 이용하여 α-Si:H층(125) 위에 증착될 수 있다.
SiO2층(126)은 최종적으로 패터닝 막으로 사용되어서 이를 통해 수소 처리가 α-Si:H층(125)에 적용된다. SiO2층(126)을 적절한 패터닝 막으로 형성하기 위해, SiO2층(126) 위에는 중합체 층(127)이 형성된 후, 각인 리소그래피 기술을 이용하여 패터닝된다. 패터닝된 중합체 층(127)을 이용하여, SiO2층(126)이 예컨대 RIE 과정[예컨대, C2F6:CHF3(1:1)의 플라즈마]에 의해 에칭된다. 그 후, 패터닝된 중합체 층(127)이 산소 플라즈마 에칭을 이용하여 제거된다. 도 15b 참조.
H2SO4:H2O2(4:1) + NH4OH 또는 SC1 및 완충 HF를 이용하여 최종 구조물을 표면 세척한 후, α-Si:H층(125)에 결정질 규소 입자(130)가 형성된다. 여기에는, α-Si:H층(125)이 300 K의 기판 온도와 10 내지 50 mTorr의 압력과 20 내지 50 V의 플라즈마 유도 DC 바이어스로 15 내지 30분 동안 RIE/ECR 시스템을 이용하여 수소 플라즈마에 노출되는 핵생성 과정이 바람직하다. 그 후, 20 내지 50분 동안 최대 600 ℃의 온도에서 N2 대기에서 최종 구조물에 대해 저온 열처리를 수행함으로써 결정질 수소 입자가 플라즈마 처리된 여역의 핵으로부터 선택적으로 성장된다.
중시적 크기의 입자가 형성된 후, 패터닝된 SiO2층(126)은 희석된 불산 용액을 이용하여 제거된다.
마지막으로, 도 15c에 도시된 바와 같이, 결정질 규소 입자(130)를 포함하는 α-Si:H층(125) 위에는 상술한 바와 같이 Yb-도핑된 α-Si:H층(130)이 형성된다.
관련 태양에서, 상술한 예시적 복합 구조물들 중 어느 하나의 상부면 위에 간섭 필터가 적층될 수 있다. 이런 유형의 필터 또는 유사한 구조물은 복합 구조물이 CMOS 영상 처리기와 결합된 IR광 내지 근적외광 또는 가시광 변환기 내에서 사용되는 경우 통상적으로 요구된다. 다르게는, 복합 구조물에 적용되는 여기광은 CMOS 영상 처리기로 침투하게 된다.
간섭 필터는 예컨대 종래 기술에 의해 형성되는 교호하는 SiO2/Si3N4층에 의해 형성될 수 있다. 이 경우, (λvis/4) ≒ 250 ㎚의 폭을 갖는 셋 내지 다섯 개의 교호층이 바람직하다.
상기에서는 본 발명을 선택된 실시예와 관련하여 설명하였다. 선택된 용도 내에서 그 용도 뿐만 아니라 특수화된 매체의 조성과 제조 방법에는 상당한 제조 상의 변경 및 개조가 이루어질 수 있다. 상술한 예들은 본 발명의 제조 방법 및 용도를 가르치기 위해 사용되었지만 본 발명의 범위를 한정하지 않으며, 본 발명의 범위는 첨부된 청구범위에 정해져 있다.
Claims (56)
- 자유 캐리어의 정상 상태 비평형 분포를 형성하는 방법에 있어서,광폭 밴드갭 재료 내에 매립된 중시적 크기의 영역으로부터 형성되는 복합 구조물을 제공하는 단계와,복합 구조물 내에 자유 캐리어를 도입하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제1항에 있어서, 중시적 크기의 영역은 결정질 규소 입자이고 광폭 밴드갭 재료는 이산화 규소인 것을 특징으로 하는 방법.
- 제1항에 있어서, 자유 캐리어의 도입은 광학적 여기 에너지를 이용하여 복합 구조물을 조사함으로써 달성되는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제4항에 있어서, 광학적 여기 에너지는 파장 범위에 걸쳐 변조 가능한 것을 특징으로 하는 방법.
- 제3항에 있어서, 복합 구조물을 조사하는 단계는 광학적 여기 에너지가 복합 구조물의 표면에 직접 인가되도록 광학적 여기 에너지를 위한 공급원을 제공하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제3항에 있어서, 복합 구조물을 조사하는 단계는 광학적 여기 에너지가 투명한 지지층을 가로질러 복합 구조물의 표면에 인가되도록 광학적 여기 에너지를 위한 공급원을 제공하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제3항에 있어서, 복합 구조물을 조사하는 단계는,복합 구조물을 거쳐 광학적 여기 에너지를 반사시키도록 구성된 도파 구조를 형성하는 단계와,상기 도파 구조에 광학적 여기 에너지를 위한 공급원을 광학적으로 결합하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제7항에 있어서, 상기 도파 구조는 가시광 스펙트럼, IR 스펙트럼 및 근적외 스펙트럼에 대응하는 전자기 스펙트럼의 광학적 파장을 통과시키는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제7항에 있어서, 도파 구조를 형성하는 단계는,복합 구조물 아래에 제1 반사층을 형성하는 단계와,복합 구조물 위에 제2 반사층을 형성하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 복합 구조물을 형성하는 방법에 있어서,제1 광폭 밴드갭 재료층을 형성하는 단계와,제1 층 상에 제2 입자 재료층을 형성하는 단계와,제2 층으로부터 중시적 입자를 형성하는 단계와,중시적 입자가 광폭 밴드갭 재료 내에 매립되도록 제3 광폭 밴드갭 재료층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제10항에 있어서, 광폭 밴드갭 재료는 이산화 규소이고 입자 재료는 비정질 규소이며, 중시적 입자 형성 단계는 비정질 규소로부터 결정질 규소 입자를 형성하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 복합 구조물을 형성하는 방법에 있어서,적어도 부분적으로 광폭 밴드갭 재료의 모재를 형성하는 단계와,광폭 밴드갭 재료의 모재 내에 중시적 입자를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제12항에 있어서, 중시적 입자 형성 단계는 포토리소그래피 과정을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제12항에 있어서, 중시적 입자 형성 단계는 레이저 재결정 과정을 추가로 포 함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제12항에 있어서, 중시적 입자 형성 단계는 마그네트론 스퍼터링 과정을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제12항에 있어서, 중시적 입자 형성 단계는 촉진형 화학 증기 증착(enhanced chemical vapor deposition) 과정을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제12항에 있어서, 광폭 밴드갭 재료는 이산화 규소이고, 중시적 입자 형성 단계는,광폭 밴드갭 재료 상에 규소계 층을 형성하는 단계와,중시적 크기의 영역을 형성하기 위해 규소계 층을 에칭하는 단계와,중시적 규소 입자를 형성하기 위해 최종 구조물을 열처리하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제17항에 있어서, 규소계 층 에칭 단계는 규소계 층을 에칭하기 전에 금속 입자를 함유한 포토리지스트로 규소계 층을 피복시키는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제18항에 있어서, 적어도 하나의 규소계 층과 광폭 밴드갭 재료는 비정질 규 소, 결정질 규소, 산화 규소, 질화 규소 및 규소 세라믹으로 구성된 그룹에서 선택되는 재료인 것을 특징으로 하는 방법.
- 복합 구조물을 형성하는 방법에 있어서,규소계 층을 형성하는 단계와,규소계 층 위에 희생층을 형성하는 단계와,금속 입자를 함유한 액체 포토리지스트로 희생층을 피복시키는 단계와,금속 입자 아래에 희생층의 보호 섬 형상을 형성하기 위해 희생층을 에칭하는 단계와,중시적 입자를 형성하기 위해 규소계 층을 현상하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 적외선을 가시광으로 상승 변환시키는 방법에 있어서,광폭 밴드갭 재료의 모재 내에 매립된 중시적 입자로부터 형성되는 복합 구조물의 제1 표면 상에 적외선의 선택 대역을 집중시키는 단계와,광학적 여기 에너지로 복합 구조물을 조사하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제21항에 있어서, 적외선의 선택된 대역을 형성하기 위해 주변 적외선을 여과하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제21항에 있어서, 제1 표면에 대향하는 복합 구조물의 제2 표면으로부터 가시광 영상 처리 회로까지 가시광을 통과시키는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제23항에 있어서, 광학적 여기 에너지로부터 가시광 영상 처리 회로를 광학적으로 고립시키는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제23항에 있어서, 광학적 여기 에너지로 복합 구조물을 조사하는 단계는 복합 구조물의 표면에 광학적 여기 에너지를 직접 인가하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제23항에 있어서, 광학적 여기 에너지로 복합 구조물을 조사하는 단계는 투명층을 거쳐 복합 구조물의 제2 표면에 광학적 여기 에너지를 인가하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제23항에 있어서, 복합 구조물을 조사하는 단계는,복합 구조물을 거쳐 광학적 여기 에너지를 반사시키도록 구성된 도파 구조를 형성하는 단계와,도파 구조에 광학적 여기 에너지를 위한 공급원을 광학적으로 결합하는 단계 를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제27항에 있어서, 도파 구조는 가시광 스펙트럼의 적어도 일부를 통과시키는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제27항에 있어서, 도파 구조는 적외광 스펙트럼의 적어도 일부를 통과시키는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제21항에 있어서, 광학적 여기 에너지로 복합 구조물을 조사하는 단계는,파장 가변형 광학적 여기 에너지로 복합 구조물을 가변적으로 조사하도록 구성되는 광학적 에너지원을 마련하는 단계와,둘 이상의 광학적 여기 에너지 파장 사이에서 광학적 에너지원을 가변시키는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 적외선을 가시광으로 상승 변환시키는 방법에 있어서,광폭 밴드갭 재료의 모재 내에 매립된 중시적 입자로부터 형성되는 복합 구조물의 제1 표면 상에 적외선을 수광하는 단계와,복합 구조물에 인가되는 광학적 여기 에너지의 파장을 변경시켜서 가시광에 대해 출력 파장을 선택적으로 가변시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제31항에 있어서, 복합 구조물의 제1 표면에 적외선을 수광하기 전에 적외선 및 가시광 스펙트럼 중 적어도 하나를 선택적으로 여과시키는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제31항에 있어서, 가시광에 대해 출력 파장을 선택적으로 가변시키는 단계는 가변 레이저를 변경시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제31항에 있어서, 가시광에 대해 출력 파장을 선택적으로 가변시키는 단계는 복합 구조물에 광학적 여기 에너지를 인가하기 전에 광대역 여기 레이저의 출력을 선택적으로 여과시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 중시적 크기의 입자가 매립된 광폭 밴드갭 재료의 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 구조물.
- 제35항에 있어서, 중시적 크기의 입자는 결정질 규소 입자이고 광폭 밴드갭 재료는 이산화 규소층인 것을 특징으로 하는 복합 구조물.
- 제35항에 있어서, 복합 구조물 아래에 형성되는 제1 반사층 및 복합 구조물 위에 형성되는 제2 반사층을 추가로 포함하며, 제1 및 제2 반사층은 복합 구조물 둘레에 도파 구조를 형성하도록 상호 작용하는 것을 특징으로 하는 복합 구조물.
- 제37항에 있어서, 도파 구조는 가시광 스펙트럼의 적어도 일부를 통과시키는 것을 특징으로 하는 복합 구조물.
- 제37항에 있어서, 도파 구조는 적외광 스펙트럼의 적어도 일부를 통과시키는 것을 특징으로 하는 복합 구조물.
- 제37항에 있어서, 도파 구조는 복합 구조물에 광학적 에너지를 결합시키도록 구성되는 것을 특징으로 하는 복합 구조물.
- 제35항에 있어서, 중시적 크기의 입자와 광폭 밴드갭 재료 사이의 계면 상태는 깨끗하게 형성되며 어떠한 매개적인 채워지지 않은 계면 상태도 사실상 갖지 않는 것을 특징으로 하는 복합 구조물.
- 제36항에 있어서, 중시적 크기의 입자와 이산화 규소층 사이의 계면 상태는 깨끗하게 형성되며 사실상 매개적인 천이 이산화 규소 물질을 갖지 않는 것을 특징으로 하는 복합 구조물.
- 제35항에 있어서, 중시적 입자는 규소계 물질층으로부터 형성되는 것을 특징 으로 하는 복합 구조물.
- 제43항에 있어서, 규소계 물질층은 등원자가 원소로 도핑되는 것을 특징으로 하는 복합 구조물.
- 제43항에 있어서, 규소계 물질층은 희토류 원소로 도핑되는 것을 특징으로 하는 복합 구조물.
- 자유 캐리어의 정상 상태 비평형 분포를 형성하는 방법에 있어서,광폭 밴드갭 재료의 모재 내에 매립된 규소계 중시적 입자로부터 형성되는 복합 구조물을 제공하는 단계와,광학적 여기 에너지로 복합 구조물을 조사하는 단계를 포함하며,규소계 중시적 입자는 등원자가 원소와 희토류 원소 중 적어도 하나로 도핑되는 것을 특징으로 하는 방법.
- 중시적 크기의 입자가 매립된 광폭 밴드갭 재료의 층으로부터 형성된 복합 구조물의 제1 표면 상에 IR선을 집중시키는 광학 서브 시스템과,복합 구조물에 광학적 여기 에너지를 인가하는 광학적 여기원과,복합 구조물의 제2 표면으로부터 가시광을 수광하는 가시광 영상 처리 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 적외선 영상 처리 시스템.
- 제47항에 있어서, 중시적 크기의 입자는 결정질 규소 입자이고 광폭 밴드갭 재료는 SiO2, Si3N4 또는 비정질 규소로 구성된 그룹으로부터 선택되는 재료인 것을 특징으로 하는 적외선 영상 처리 시스템.
- 제47항에 있어서, 복합 구조물의 제1 표면으로 적외선 스펙트럼의 적어도 일부를 선택적으로 통과시키는 제1 광학 필터를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 적외선 영상 처리 시스템.
- 제49항에 있어서, 광학적 여기 에너지로부터 가시광 영상 처리 회로를 고립시키는 제2 광학 필터를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 적외선 영상 처리 시스템.
- 제50항에 있어서, 광학적 여기원은 광학적 여기 에너지로 복합 구조물의 제1 표면을 조사하는 것을 특징으로 하는 적외선 영상 처리 시스템.
- 제50항에 있어서, 광학적 여기원은 복합 구조물의 제2 표면을 조사하는 것을 특징으로 하는 적외선 영상 처리 시스템.
- 제50항에 있어서, 복합 구조물 둘레에 형성된 도파 구조를 추가로 포함하며, 광학적 여기원은 도파 구조를 통해 복합 구조물에 광학적으로 결합되는 것을 특징으로 하는 적외선 영상 처리 시스템.
- 제53항에 있어서, 도파 구조는 가시광 스펙트럼의 적어도 일부를 통과시키는 것을 특징으로 하는 적외선 영상 처리 시스템.
- 제53항에 있어서, 도파 구조는 적외광 스펙트럼의 적어도 일부를 통과시키는 것을 특징으로 하는 적외선 영상 처리 시스템.
- 제47항에 있어서, 광학적 여기원은 파장 가변 광학적 여기 에너지를 이용하여 복합 구조물을 조사하도록 구성된 가변 광학적 에너지원인 것을 특징으로 하는 적외선 영상 처리 시스템.
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