KR20140080206A - 광대역 광 흡수체를 포함하는 적외선 검출기 - Google Patents
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Abstract
광대역의 표면 플라즈몬 공진기를 이용하여 넓은 대역폭의 적외선 스펙트럼을 검출할 수 있는 적외선 검출기가 개시된다. 개시된 적외선 검출기는, 기판, 상기 기판에 이격되어 배치된 광 흡수체, 및 상기 광 흡수체를 기판으로부터 이격되도록 지지하는 한 쌍의 열상 다리를 포함할 수 있다. 여기서, 광 흡수체는 온도 변화에 따라 저항값이 변화하는 서미스터층, 및 상기 서미스터층의 상부 표면과 하부 표면 중 적어도 하나의 표면에 배치되는 적어도 2개의 공진기층을 포함할 수 있다.
Description
개시된 실시예들은 적외선 검출기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 다중 공진기층으로 이루어진 광대역 광 흡수체를 이용하여 넓은 대역폭의 적외선 스펙트럼을 검출할 수 있는 적외선 검출기에 관한 것이다.
흑체 복사의 원리에 따르면, 물체는 그 온도에 따라 특정 파장에서 최대치를 나타내는 넓은 대역의 전자기파를 방사한다. 예를 들어, 상온의 물체는 대략 10㎛의 파장 대역에서 최대치를 보이는 적외선을 방사하게 된다. 볼로미터(bolometer)는 이렇게 흑체 복사의 원리에 따라 방사된 적외선(또는 테라헤르츠) 대역의 파장을 갖는 전자기파를 흡수하여 열로 변환하고 열에 의한 온도 변화를 감지하여 주위에서 방사되는 복사 에너지를 측정하는 도구이다.
최근, MEMS(Micro Electro Mechanical System) 기술이 발달함에 따라, 다수의 마이크로 볼로미터를 2차원 어레이로 배열하여 열상 이미지(thermo image)를 획득할 수 있는 열상 카메라 등이 제작되고 있다. 고해상도의 높은 온도 정밀도를 갖는 열상 카메라를 구현하기 위해서는 화소의 크기를 소형화하는 것이 요구된다. 그러나, 그라운드 평판과 열 흡수체가 λ/4 간격(여기서, λ는 검출하고자 하는 적외선 파장 대역의 중심 파장)을 갖는 솔즈베리 스크린(Salisbury screen) 방식의 볼로미터를 사용하는 경우, 화소의 크기를 작게 하면 각 화소에 입사하는 에너지량이 감소하여 온도 변화량이 작아지게 되고, 신호 대 잡음비도 낮아지게 된다.
솔즈베리 스크린 방식의 볼로미터 대신, 국부 표면 플라즈몬 공명(localized surface plasmon resonance, LSPR)을 이용하는 볼로미터가 최근 제안되고 있다. 표면 플라즈몬은, 금속의 표면에서 일어나는 전자들의 집단적인 진동(charge density oscillation)에 의해 발생하는 일종의 전자기파이다. 플라즈모닉 흡수체(plasmonic absorber)를 이용하는 볼로미터는 국부 표면 플라즈몬 공명에 의해 낮은 흡수율과 낮은 신호 대 잡음비 문제를 개선시킬 수 있다.
그런데, 플라즈모닉 흡수체는 대역폭이 상대적으로 좁아서 열상 이미지를 얻는데 통상적으로 사용되는 8~14㎛의 전 영역을 효과적으로 흡수하기 어렵다. 이에 따라, 플라즈모닉 흡수체의 공진 대역폭을 증가시키기 위한 다양한 방안이 제안되고 있다. 예를 들어, 흡수체를 구성하는 물질을 대체하거나, 하나의 단위 화소 내에 서로 다른 크기를 갖는 다수의 공진기들을 배치할 수 있다.
넓은 대역폭의 적외선 스펙트럼을 검출할 수 있는 적외선 검출기를 제공한다.
본 발명의 일 유형에 따른 적외선 검출기는, 기판; 상기 기판에 이격되어 배치된 광 흡수체; 및 상기 광 흡수체를 기판으로부터 이격되도록 지지하는 한 쌍의 열상 다리;를 포함하며, 상기 광 흡수체는, 온도 변화에 따라 저항값이 변화하는 적어도 하나의 서미스터층, 상기 적어도 하나의 서미스터층의 상부 표면과 하부 표면 중 적어도 하나의 표면에 배치되는 적어도 2개의 공진기층, 및 각각의 서미스터층과 공진기층 사이에 각각 배치되는 절연층을 포함할 수 있다.
상기 적외선 검출기는 상기 기판의 표면 상에서 상기 광 흡수체와 대향하도록 배치되며 입사 전자기파를 반사하는 반사판을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 기판 상에 수직하게 돌출하여 배치된 한 쌍의 지지 부재를 더 포함하고, 상기 한 쌍의 열상 다리의 제 1 단부는 상기 한 쌍의 지지 부재의 상부에 캔틸레버 형태로 각각 연결되어 있으며, 상기 한 쌍의 열상 다리의 제 2 단부는 상기 광 흡수체에 연결될 수 있다.
상기 한 쌍의 열상 다리는 상기 광 흡수체의 양측에 각각 연결될 수 있다.
상기 서미스터층은 비정질 실리콘, 바나듐 산화물, 니켈 산화물 및 Si-Ge 반도체 재료 중에서 적어도 하나로 이루어질 수 있다.
상기 공진기층은 예를 들어, 금(Au), 은(Ag), 백금(Pt), 구리(Cu), 알루미늄(Al), 티타늄(Ti) 또는 이들의 합금을 포함하는 금속의 박막으로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 공진기층의 두께는 10nm 내지 100nm일 수 있다.
또한, 상기 적외선 검출기는 상기 서미스터층과 상기 공진기층 사이에 추가적으로 배치되는 유전체층을 더 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 유전체층의 두께는 50nm 내지 200nm일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 광 흡수체는, 하나의 서미스터층, 상기 서미스터층의 하부 표면에 배치된 제 1 공진기층, 상기 서미스터층의 상부 표면에 배치된 제 2 공진기층, 상기 제 1 공진기층과 서미스터층 사이에 배치된 제 1 절연층, 및 상기 제 2 공진기층과 서미스터층 사이에 배치된 제 2 절연층을 포함할 수 있다.
또한, 상기 광 흡수체는 상기 서미스터층과 상기 제 1 공진기층 사이에 더 배치되는 제 1 유전체층, 및 상기 서미스터층과 상기 제 2 공진기층 사이에 더 배치되는 제 2 유전체층을 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 서미스터층과 공진기층은 서로 동일한 형상을 가질 수 있다.
다른 실시예에서, 상기 서미스터층과 공진기층은 서로 상이한 형상을 가질 수 있다.
또한, 상기 광 흡수체는, 적어도 2개의 서미스터층, 및 상기 적어도 2개의 서미스터층과 서로 교대로 적층된 적어도 2개의 공진기층을 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 광 흡수체는, 제 1 공진기층, 상기 제 1 공진기층 위에 배치된 제 1 서미스터층, 상기 제 1 서미스터층 위에 배치된 제 2 공진기층, 상기 제 2 공진기층 위에 배치된 제 2 서미스터층, 상기 제 2 서미스터층 위에 배치된 제 3 공진기층, 상기 제 1 공진기층과 제 1 서미스터층 사이에 배치된 제 1 절연층, 상기 제 1 서미스터층과 제 2 공진기층 사이에 배치된 제 2 절연층, 상기 제 2 공진기층과 제 2 서미스터층 사이에 배치된 제 3 절연층, 상기 제 2 서미스터층과 제 3 공진기층 사이에 배치된 제 4 절연층을 포함할 수 있다.
또 다른 실시예에서, 상기 광 흡수체는, 하나의 서미스터층, 및 상기 서미스터층의 상부 표면 또는 하부 표면에 순차적으로 적층된 적어도 2개의 공진기층을 포함할 수 있다.
또한, 상기 광 흡수체는 상기 적어도 2개의 공진기층들 사이에 각각 배치된 적어도 하나의 유전체층을 더 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 광 흡수체는 상기 서미스터층의 상부 표면에 배치된 절연층, 상기 절연층의 상부 표면에 배치된 제 1 공진기층, 상기 제 1 공진기층 상에 배치된 제 1 유전체층, 상기 제 1 유전체층 상에 배치된 제 2 공진기층, 상기 제 2 공진기층 상에 배치된 제 2 유전체층, 및 상기 제 2 유전체층 상에 배치된 제 3 공진기층을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 적어도 2개의 공진기층은 서로 동일한 두께를 가질 수 있다.
다른 실시예에서, 상기 적어도 2개의 공진기층은 서로 다른 두께를 가질 수 있다.
또한, 상기 적어도 2개의 공진기층은 서로 동일한 형상을 가질 수 있다.
또한, 상기 적어도 2개의 공진기층은 서로 상이한 형상을 가질 수도 있다.
개시된 실시예에 따른 적외선 검출기에 따르면, 광 흡수체가 다중 공진기층으로 이루어지기 때문에 충분한 세기의 다중 공진 모드로 동작할 수 있다. 따라서, 광 흡수체는 넓은 대역의 적외선 파장을 갖는 전자기파를 흡수할 수 있으며 흡수 효율도 향상될 수 있다. 또한, 광의 흡수 효율이 향상되기 때문에 공진기의 두께를 감소시킬 수 있다. 그 결과, 광 흡수체의 열 질량(thermal mass)를 감소시켜 적외선 검출기의 감도를 향상시킬 수 있다. 또한, 광 흡수체의 구조가 간단해질 수 있으므로, 적외선 검출기의 크기를 회절 한계까지 작게 구현할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 적외선 검출기의 하나의 단위 화소의 구조를 개략적으로 보이는 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 광 흡수체의 구조를 개략적으로 보이는 단면도이다.
도 3은 도 2에 도시된 광 흡수체가 다수의 공진주파수를 갖는 원리를 개략적으로 설명한다.
도 4는 다른 실시예에 따른 광 흡수체의 구조를 개략적으로 보이는 사시도이다.
도 5는 또 다른 실시예에 따른 광 흡수체의 구조를 개략적으로 보이는 사시도이다.
도 6은 다른 실시예에 따른 광 흡수체의 구조를 개략적으로 보이는 단면도이다.
도 7은 또 다른 실시예에 따른 광 흡수체의 구조를 개략적으로 보이는 단면도이다.
도 8은 또 다른 실시예에 따른 광 흡수체의 구조를 개략적으로 보이는 단면도이다.
도 9는 도 1에 도시된 적외선 검출기의 적외선 흡수 스펙트럼을 예시적으로 보이는 그래프이다.
도 2는 도 1에 도시된 광 흡수체의 구조를 개략적으로 보이는 단면도이다.
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도 4는 다른 실시예에 따른 광 흡수체의 구조를 개략적으로 보이는 사시도이다.
도 5는 또 다른 실시예에 따른 광 흡수체의 구조를 개략적으로 보이는 사시도이다.
도 6은 다른 실시예에 따른 광 흡수체의 구조를 개략적으로 보이는 단면도이다.
도 7은 또 다른 실시예에 따른 광 흡수체의 구조를 개략적으로 보이는 단면도이다.
도 8은 또 다른 실시예에 따른 광 흡수체의 구조를 개략적으로 보이는 단면도이다.
도 9는 도 1에 도시된 적외선 검출기의 적외선 흡수 스펙트럼을 예시적으로 보이는 그래프이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여, 광대역 광 흡수체를 포함하는 적외선 검출기에 대해 상세하게 설명한다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 적외선 검출기의 하나의 단위 화소의 구조를 개략적으로 보이는 사시도이다.
도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 적외선 검출기(10)는 기판(11), 상기 기판(11) 상에 돌출하여 배치된 한 쌍의 지지 부재(12a, 12b), 상기 기판(11)과 이격되어 현가되도록 지지 부재(12a, 12b)에 의해 지지되는 광 흡수체(20), 상기 지지 부재(12a, 12b)와 광 흡수체(20)를 연결하는 한 쌍의 열상 다리(thermal leg)(13a, 13b), 및 상기 기판(11)의 표면 상에 광 흡수체(20)와 대향하도록 배치되며 입사 전자기파를 반사하는 반사판(15)을 각각의 단위 화소마다 포함할 수 있다.
비록 도시되지는 않았지만, 적외선 검출기(10)의 동작을 제어하고 검출된 적외선을 세기를 읽기 위한 구동 회로, 영상 신호를 처리하기 위한 영상 신호 처리 회로, 및 다양한 도전성 배선들이 기판(11) 상에 더 배치될 수 있다.
지지 부재(12a, 12b)는 적외선 검출기(10)의 단위 화소 내에서, 예를 들어, 대각선 방향으로 각각 하나씩 기판(11) 상에 수직하게 돌출하도록 배치될 수 있다. 지지 부재(12a, 12b)의 상부에는 열상 다리(13a, 13b)의 일측 단부가 예를 들어 캔틸레버(cantilever)의 형태로 연결될 수 있다. 즉, 제 1 지지 부재(12a)에는 제 1 열상 다리(13a)가 기판(11)과 이격하여 연결되어 있으며, 제 2 지지 부재(12b)에는 제 2 열상 다리(13b)가 기판(11)과 이격하여 연결될 수 있다. 도시되지는 않았지만, 각각의 열상 다리(13a, 13b)는 도전성을 갖는 리드 선을 포함할 수 있다. 열상 다리(13a, 13b) 내의 리드 선은 지지 부재(12a, 12b)를 따라 기판(11) 상의 구동 회로(미도시)에 연결될 수 있다. 후술하겠지만, 상기 열상 다리(13a, 13b)는 광 흡수체(20)에서 발생하는 신호를 기판(11), 특히 기판(11)에 배치된 구동 회로에 전달하는 역할을 할 수 있다. 한편, 한 쌍의 열상 다리(13a, 13b)의 타측 단부에는 광 흡수체(20)가 연결될 수 있다. 따라서, 광 흡수체(20)는 상기 열상 다리(13a, 13b) 및 지지 부재(12a, 12b)를 통해 기판(11)에 대해 이격되도록 지지될 수 있다.
또한, 기판(11)의 표면 상에는 상기 광 흡수체(20)와 대향하도록 반사판(15)이 배치될 수 있다. 반사판(15)은 광 흡수체(20)에서 적외선 흡수를 증가시키기 위하여 적외선 검출기(10)의 단위 화소에 입사하는 적외선을 반사하는 역할을 한다. 이러한 반사판(15)은 기판(11)의 상부 표면 전체에 걸쳐 형성될 수 있다. 예를 들어, 반사판(15)은 금(Au), 은(Ag), 백금(Pt), 구리(Cu), 알루미늄(Al), 티타늄(Ti) 또는 이들의 합금으로 이루어진 금속 박막일 수 있다.
상기 광 흡수체(20)는 검출하고자 하는 적외선(또는 테라헤르츠) 대역의 파장을 갖는 전자기파를 흡수하여 열로 변환하는 역할을 한다. 도 2는 이러한 광 흡수체(20)의 예시적인 구조를 개략적으로 보이는 단면도이다. 도 2를 참조하면, 광 흡수체(20)는 온도 변화에 따라 저항값이 변화하는 서미스터층(21), 및 검출하고자 하는 적외선 대역의 공진 주파수를 갖는 적어도 2개의 공진기층(22, 23)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 2에 도시된 바와 같이, 광 흡수체(20)는 서미스터층(21)의 하부 표면에 배치된 제 1 공진기층(22)과 서미스터층(21)의 상부 표면에 배치된 제 2 공진기층(23)을 포함할 수 있다. 또한, 공진기층(22, 23)과 서미스터층(21)을 전기적으로 절연시키기 위하여 각각의 공진기층(22, 23)과 서미스터층(21)의 사이에는 절연층(27)이 각각 개재될 수 있다.
서미스터층(21)은 온도 변화에 따라 저항값이 변하는 서미스터 재료로 이루어질 수 있다. 예컨대, 서미스터층(21)은 비정질 실리콘(amorphous silicon), 바나듐 산화물(vanadium oxide), 니켈 산화물(nickel oxide), Si-Ge 반도체 재료 등으로 이루어질 수 있다. 한편, 열상 다리(13a, 13b)도 상기 서미스터층(21)과 동일한 재료로 이루어질 수 있다. 열상 다리(13a, 13b)가 서미스터층(21)과 동일한 재료로 이루어지는 경우, MEMS 방식으로 적외선 검출기(10)를 제조할 때 제조 공정을 용이하게 할 수 있다. 그러나, 열상 다리(13a, 13b)는, 예를 들어, 실리콘 질화물이나 실리콘 산화물과 같이 서미스터층(21)과 다른 절연성 유전체 재료로 이루어질 수도 있다.
공진기층(22, 23)은 검출하고자 하는 적외선 대역에서 표면 플라즈몬 공명을 일으키는 역할을 할 수 있다. 이를 위하여, 공진기층(22, 23)은 예를 들어 금(Au), 은(Ag), 백금(Pt), 구리(Cu), 알루미늄(Al), 티타늄(Ti) 또는 이들의 합금으로 이루어진 금속 박막일 수 있다. 검출하고자 하는 적외선 대역(예를 들어, 8~14㎛)에서 표면 플라즈몬 공명이 일어날 수 있도록 공진기층(22, 23)은 소정의 형태로 패터닝될 수 있다. 도 1에서는, 적외선 검출기(10)의 단위 화소 내에 배치되는 공진기층(22, 23)이 십자가 형태를 갖는 것으로 도시되어 있지만, 이에 한정되는 것은 아니며, 설계에 따라 다양한 형태의 공진기층(22, 23)이 가능하다.
예를 들어, 도 3에 도시된 바와 같이, 십자가 형태의 공진기는 적어도 4개의 공진부(R1~R4)들을 가질 수 있다. 여기서, 제 1 및 제 2 공진부(R1, R2)에서는 상대적으로 강한 공진이 일어나는 반면, 제 3 및 제 4 공진부(R3, R4)에서는 상대적으로 약한 공진이 일어난다. 이로 인해, 단지 하나의 공진기층만을 갖는 통상적인 광 흡수체에서는 제 3 및 제 4 공진부(R3, R4)에 의한 영향이 작으며, 제 1 및 제 2 공진부(R1, R2)에 의한 영향이 지배적이다. 그 결과, 종래의 광 흡수체에서는 제 1 및 제 2 공진부(R1, R2)의 공진 주파수에 해당하는 적외선 대역의 광이 주로 흡수될 수 있다.
그러나, 본 실시예의 경우에는, 적어도 2개의 공진기층(22, 23)이 적층되어 있기 때문에, 제 3 및 제 4 공진부(R3, R4)에서의 공진도 충분히 유효한 세기를 가질 수 있다. 도 3에는 제 3 및 제 4 공진부(R3, R4)만이 예시적으로 도시되어 있지만, 다른 다양한 공진 모드들의 세기도 함께 증가하게 되면서 광 흡수에 영향을 줄 수 있다. 또한, 대향하여 배치된 적어도 2개의 공진기층(22, 23)들 사이의 상호 작용으로 인해, 공진기층(22, 23)들 사이의 영역에서도 다양한 공진 모드가 형성될 수 있다. 따라서, 적어도 2개의 공진기층(22, 23)을 포함하는 본 실시예에 따른 광 흡수체(20)에서는 다양한 공진 모드가 유효하게 형성될 수 있다. 그 결과, 본 실시예에 따른 적외선 검출기(10)는 넓은 적외선 대역에서 일정하게 높은 검출 특성을 얻을 수 있다.
도 1의 사시도에서는 2개의 공진기층(22, 23)과 서미스터층(21)이 모두 동일한 형태를 갖는 것으로 도시되어 있으나, 본 실시예가 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 공진과 직접적인 관련이 없는 서미스터층(21)은 어떠한 다른 형태도 가질 수 있다. 예를 들어, 도 4의 사시도에 도시된 바와 같이, 2개의 공진기층(22, 23)은 십자가 형태를 가지며, 서미스터층(21)은 공진기층(22, 23)과 달리 직사각형의 형태를 가질 수도 있다. 도 4에는 예시적으로 직사각형 형태의 서미스터층(21)이 도시되어 있으나, 서미스터층(21)은 사각형 이외의 다각형이나 원형의 형태를 가질 수도 있다. 또한, 광흡수체(20)의 검출 대역폭을 증가시키기 위하여 2개의 공진기층(22, 23)이 서로 다른 형태를 가질 수도 있다. 예를 들어, 도 5의 사시도에 도시된 바와 같이, 제 1 공진기층(22)은 직사각형 형태로 형성되고 제 2 공진기층(23)은 십자가 형태로 형성될 수도 있다. 도 5에는 단지 예시적으로 제 1 공진기층(22)이 직사각형인 것으로 도시되어 있으나, 광흡수체(20)의 검출 대역에 따라 다른 다양한 방식으로 제 1 공진기층(22)이 형성될 수 있다. 예를 들어, 제 1 공진기층(22)과 제 2 공진기층(23)은 서로 동일한 모양을 가지며, 서로에 대해 45도 회전되어 있는 방식으로 배치될 수도 있다.
한편, 도 2에는 2개의 공진기층(22, 23) 사이에 하나의 서미스터층(21)이 샌드위치된 구조의 광 흡수체(20)가 도시되어 있지만, 다른 다양한 구조의 광 흡수체들이 가능하다. 예를 들어, 도 6 내지 도 8에는 다양한 구조의 광 흡수체들의 단면도가 예시적으로 도시되어 있다.
도 6을 참조하면, 광 흡수체(30)는 공진기층(22, 23)과 서미스터층(21) 사이에 각각 개재된 유전체층(24)을 더 포함할 수 있다. 유전체층(24)은 예를 들어, 실리콘 산화물(SiO2)이나 실리콘 질화물(SiNx)과 같은 절연성 재료로 이루어질 수 있다. 여기서, 절연층(27)은 서미스터층(21)과 유전체층(24) 사이에 각각 배치될 수도 있고, 또는 유전체층(24)과 공진기층(22, 23) 사이에 각각 배치될 수도 있다. 절연층(27)은 서미스터층(21)과 공진기층(22, 23) 사이의 전기적 절연을 위한 층이고, 유전체층(24)은 서미스터층(21)과 공진기층(22, 23) 사이에 충분한 이격을 제공하기 위한 것이다. 이를 위해, 유전체층(24)은 약 50nm 내지 200nm의 두께를 가질 수 있다. 도 6에 도시된 바와 같이, 공진기층(22, 23)과 서미스터층(21)이 유전체층(24)에 의해 서로 떨어져 있는 경우, 두 공진기층(22, 23) 사이에서 광이 크게 집속될 수 있기 때문에, 공진기층(22, 23)의 두께를 얇게 하더라도 충분한 광흡수 효율을 얻을 수 있다. 예를 들어, 각각의 공진기층(22, 23)의 두께는 약 10nm 내지 100nm 수 있다. 도 6의 단면도에는, 두 공진기층(22, 23)의 두께가 서로 동일하게 도시되어 있지만, 요구되는 공진 특성에 따라 공진기층(22, 23)들의 두께를 서로 다르게 할 수도 있다. 이렇게 공진기층(22, 23)의 두께가 얇아지게 되면 열 질량(thermal mass)이 작아지게 되므로, 광 흡수체(30)(특히, 서미스터층(21))의 온도 변화량을 증가시킬 수 있다.
또한, 도 7에 도시된 바와 같이, 다른 실시예에 따른 광 흡수체(40)는 적어도 2개의 서미스터층(21a, 21b)과 적어도 2개의 공진기층(22, 23, 25)이 서로 교대로 적층된 구조를 가질 수 있다. 예를 들어, 광 흡수체(40)는 제 1 공진기층(22), 제 1 공진기층(22) 위에 배치된 제 1 서미스터층(21a), 제 1 서미스터층(21a) 위에 배치된 제 2 공진기층(23), 제 2 공진기층(23) 위에 배치된 제 2 서미스터층(21b), 및 제 2 서미스터층(21b) 위에 배치된 제 3 공진기층(25)을 포함할 수 있다. 그리고, 서미스터층(21a, 21b)들과 공진기층(22, 23, 25)들 사이에는 절연층(27)이 각각 배치될 수 있다. 또한, 도 7에 도시되지는 않았지만, 제 1 공진기층(22)과 제 1 서미스터층(21a) 사이, 제 1 서미스터층(21a)과 제 2 공진기층(23) 사이, 제 2 공진기층(23)과 제 2 서미스터층(21b) 사이, 및 제 2 서미스터층(21b)과 제 3 공진기층(25) 사이에는 각각 유전체층(24)이 더 배치될 수도 있다. 공진기층(22, 23, 25)의 증가에 따라 적외선 검출기(10)의 대역폭은 더욱 증가할 수 있다.
또한, 도 8에 도시된 바와 같이, 또 다른 실시예에 따른 광 흡수체(50)는 서미스터층(21)의 어느 한쪽 표면에 적어도 2개의 공진기층(23a, 23b, 23c)들이 순차적으로 적층된 구조를 가질 수 있다. 여기서, 상기 광 흡수체(50)는 적어도 2개의 공진기층(23a, 23b, 23c)들 사이에 각각 배치된 적어도 하나의 유전체층(24a, 24b)을 더 포함할 수도 있다. 예를 들어, 도 8을 참조하면, 광 흡수체(50)는 서미스터층(21)의 상부 표면에 배치된 절연층(27), 절연층(27)의 상부 표면에 배치된 제 1 공진기층(23a), 제 1 공진기층(23a) 상에 배치된 제 1 유전체층(24a), 제 1 유전체층(24a) 상에 배치된 제 2 공진기층(23b), 제 2 공진기층(23b) 상에 배치된 제 2 유전체층(24b), 및 제 2 유전체층(24b) 상에 배치된 제 3 공진기층(23c)을 포함할 수 있다. 도 2 및 도 6 내지 도 8에 예시적으로 도시된 광 흡수체(20, 30, 40, 50) 이외에도 적어도 2개의 공진기층들이 다양한 방식으로 적층될 수 있다.
이하, 도 1 및 도 2에 도시된 실시예를 참조하여, 상술한 구조를 갖는 적외선 검출기(10)의 동작에 대해 개략적으로 설명한다.
먼저, 검출하고자 하는 적외선 대역(예를 들어, 8~14㎛)의 전자기파가 적외선 검출기(10)에 입사하면, 전자기파의 에너지에 의해 광 흡수체(20) 내의 적어도 2개의 공진기층(22, 23)에서 표면 플라즈몬 공명이 일어나게 된다. 이로 인해, 전자기파의 에너지는 광 흡수체(20)에서 흡수된다. 흡수되지 않은 나머지 전자기파는 반사판(15)에 의해 반사되면서 다시 광 흡수체(20)에 입사하므로 흡수 효율이 증가할 수 있다. 공진기층(22, 23)에서 표면 플라즈몬 공명이 일어나게 되면 열이 발생하게 되는데, 이로 인해 상기 공진기층(22, 23)과 접촉하고 있는 서미스터층(21)의 온도가 상승할 수 있다. 이러한 온도 변화는 서미스터층(21)의 저항을 변화시키게 된다. 한편, 서미스터층(21)의 저항은 열상 다리(13a, 13b)를 통해 측정될 수 있다. 예를 들어, 두 열상 다리(13a, 13b) 사이에 전압을 인가하면, 서미스터층(21)의 저항에 따라 두 열상 다리(13a, 13b) 사이에 흐르는 전류가 변하게 된다. 따라서, 기판(11) 상의 구동 회로(미도시)가 두 열상 다리(13a, 13b) 사이에 흐르는 전류를 측정함으로써 적외선 검출기(10)에 입사하는 적외선의 세기를 측정할 수 있다.
본 실시예에 따르면, 광 흡수체(20)가 다양한 공진 주파수를 갖도록 구성되기 때문에, 적외선 검출기(10)는 넓은 적외선 대역에서 일정하게 높은 검출 특성을 얻을 수 있다. 예를 들어, 도 9은 도 2에 도시된 형태의 광 흡수체(20)에서의 흡수 스펙트럼을 시뮬레이션한 결과를 예시적으로 보이고 있다. 도 9에서, 실선으로 표시된 그래프는 단지 하나의 공진기층만을 갖는 종래의 광 흡수체의 흡수 스펙트럼을 나타내며, 점선으로 표시된 그래프는 본 실시예에 따라 2개의 공진기층(22, 23)을 갖는 광 흡수체(20)의 흡수 스펙트럼을 나타내고 있다. 또한, 공진기층(22, 23)은 티타늄(Ti)으로 이루어진 것으로 가정하였다. 도 9을 참조하면, 단지 하나의 공진기층을 갖는 경우에 비하여, 본 발명에 따른 광 흡수체(20)는 8~14㎛의 대역 내에서 흡수율이 전반적으로 향상된다는 것을 알 수 있다. 따라서, 본 실시예에 따르면, 적외선 검출기(10)는 8~14㎛의 대역 내의 모든 적외선을 높은 효율로 검출할 수 있다.
상술한 적외선 검출기(10)는 다수의 단위 화소들을 2차원 어레이로 배열한 적외선 열상 카메라에 이용될 수 있으며, 또는 단지 하나의 단위 화소 구조만으로 이루어진 적외선 감지 센서 또는 열상 센서 등에 이용될 수도 있다.
지금까지, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 광대역 광 흡수체를 포함하는 적외선 검출기에 대한 예시적인 실시예가 설명되고 첨부된 도면에 도시되었다. 그러나, 이러한 실시예는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이고 이를 제한하지 않는다는 점이 이해되어야 할 것이다. 그리고 본 발명은 도시되고 설명된 설명에 국한되지 않는다는 점이 이해되어야 할 것이다. 이는 다양한 다른 변형이 본 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 일어날 수 있기 때문이다.
10.....적외선 검출기 11.....기판
12a, 12b.....지지 부재 13a, 13b.....열상 다리
15.....반사판 20, 30, 40, 50.....광 흡수체
21.....서미스터층 22, 23, 25.....공진기층
24.....유전체층 27.....절연층
12a, 12b.....지지 부재 13a, 13b.....열상 다리
15.....반사판 20, 30, 40, 50.....광 흡수체
21.....서미스터층 22, 23, 25.....공진기층
24.....유전체층 27.....절연층
Claims (22)
- 기판;
상기 기판에 이격되어 배치된 광 흡수체; 및
상기 광 흡수체를 기판으로부터 이격되도록 지지하는 한 쌍의 열상 다리;를 포함하며,
상기 광 흡수체는, 온도 변화에 따라 저항값이 변화하는 적어도 하나의 서미스터층, 상기 적어도 하나의 서미스터층의 상부 표면과 하부 표면 중 적어도 하나의 표면에 배치되는 적어도 2개의 공진기층, 및 각각의 서미스터층과 공진기층 사이에 각각 배치되는 절연층을 포함하는 적외선 검출기. - 제 1 항에 있어서,
상기 기판의 표면 상에서 상기 광 흡수체와 대향하도록 배치되며 입사 전자기파를 반사하는 반사판을 더 포함하는 적외선 검출기. - 제 1 항에 있어서,
상기 기판 상에 수직하게 돌출하여 배치된 한 쌍의 지지 부재를 더 포함하고, 상기 한 쌍의 열상 다리의 제 1 단부는 상기 한 쌍의 지지 부재의 상부에 캔틸레버 형태로 각각 연결되어 있으며, 상기 한 쌍의 열상 다리의 제 2 단부는 상기 광 흡수체에 연결되어 있는 적외선 검출기. - 제 3 항에 있어서,
상기 한 쌍의 열상 다리는 상기 광 흡수체의 양측에 각각 연결되어 있는 적외선 검출기. - 제 1 항에 있어서,
상기 서미스터층은 비정질 실리콘, 바나듐 산화물, 니켈 산화물 및 Si-Ge 반도체 재료 중에서 적어도 하나로 이루어지는 적외선 검출기. - 제 1 항에 있어서,
상기 공진기층은 금(Au), 은(Ag), 백금(Pt), 구리(Cu), 알루미늄(Al), 티타늄(Ti) 또는 이들의 합금을 포함하는 금속의 박막으로 이루어지는 적외선 검출기. - 제 1 항에 있어서,
상기 공진기층의 두께는 10nm 내지 100nm의 범위에 있는 적외선 검출기. - 제 1 항에 있어서,
상기 서미스터층과 상기 공진기층 사이에 추가적으로 배치되는 유전체층을 더 포함하는 적외선 검출기. - 제 8 항에 있어서,
상기 유전체층의 두께는 50nm 내지 200nm인 적외선 검출기. - 제 1 항에 있어서,
상기 광 흡수체는, 하나의 서미스터층, 상기 서미스터층의 하부 표면에 배치된 제 1 공진기층, 상기 서미스터층의 상부 표면에 배치된 제 2 공진기층, 상기 제 1 공진기층과 서미스터층 사이에 배치된 제 1 절연층, 및 상기 제 2 공진기층과 서미스터층 사이에 배치된 제 2 절연층을 포함하는 적외선 검출기. - 제 10 항에 있어서,
상기 광 흡수체는 상기 서미스터층과 상기 제 1 공진기층 사이에 더 배치되는 제 1 유전체층, 및 상기 서미스터층과 상기 제 2 공진기층 사이에 더 배치되는 제 2 유전체층을 더 포함하는 적외선 검출기. - 제 1 항에 있어서,
상기 서미스터층과 공진기층은 서로 동일한 형상을 갖는 적외선 검출기. - 제 1 항에 있어서,
상기 서미스터층과 공진기층은 서로 상이한 형상을 갖는 적외선 검출기. - 제 1 항에 있어서,
상기 광 흡수체는, 적어도 2개의 서미스터층, 및 상기 적어도 2개의 서미스터층과 서로 교대로 적층된 적어도 2개의 공진기층을 포함하는 적외선 검출기. - 제 14 항에 있어서,
상기 광 흡수체는, 제 1 공진기층, 상기 제 1 공진기층 위에 배치된 제 1 서미스터층, 상기 제 1 서미스터층 위에 배치된 제 2 공진기층, 상기 제 2 공진기층 위에 배치된 제 2 서미스터층, 상기 제 2 서미스터층 위에 배치된 제 3 공진기층, 상기 제 1 공진기층과 제 1 서미스터층 사이에 배치된 제 1 절연층, 상기 제 1 서미스터층과 제 2 공진기층 사이에 배치된 제 2 절연층, 상기 제 2 공진기층과 제 2 서미스터층 사이에 배치된 제 3 절연층, 상기 제 2 서미스터층과 제 3 공진기층 사이에 배치된 제 4 절연층을 포함하는 적외선 검출기. - 제 1 항에 있어서,
상기 광 흡수체는, 하나의 서미스터층, 및 상기 서미스터층의 상부 표면 또는 하부 표면에 순차적으로 적층된 적어도 2개의 공진기층을 포함하는 적외선 검출기. - 제 16 항에 있어서,
상기 광 흡수체는 상기 적어도 2개의 공진기층들 사이에 각각 배치된 적어도 하나의 유전체층을 더 포함하는 적외선 검출기. - 제 17 항에 있어서,
상기 광 흡수체는 상기 서미스터층의 상부 표면에 배치된 절연층, 상기 절연층의 상부 표면에 배치된 제 1 공진기층, 상기 제 1 공진기층 상에 배치된 제 1 유전체층, 상기 제 1 유전체층 상에 배치된 제 2 공진기층, 상기 제 2 공진기층 상에 배치된 제 2 유전체층, 및 상기 제 2 유전체층 상에 배치된 제 3 공진기층을 포함하는 적외선 검출기. - 제 1 항에 있어서,
상기 적어도 2개의 공진기층은 서로 동일한 두께를 갖는 적외선 검출기. - 제 1 항에 있어서,
상기 적어도 2개의 공진기층은 서로 다른 두께를 갖는 적외선 검출기. - 제 1 항에 있어서,
상기 적어도 2개의 공진기층은 서로 동일한 형상을 갖는 적외선 검출기. - 제 1 항에 있어서,
상기 적어도 2개의 공진기층은 서로 상이한 형상을 갖는 적외선 검출기.
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