KR20150066154A - GaAs 기판에 격자 정합되는 다중 양자 우물 구조를 포함하는 광학 소자, 이를 포함하는 깊이 영상 획득 장치 및 3차원 영상 획득 장치 - Google Patents

GaAs 기판에 격자 정합되는 다중 양자 우물 구조를 포함하는 광학 소자, 이를 포함하는 깊이 영상 획득 장치 및 3차원 영상 획득 장치 Download PDF

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Abstract

개시된 광학 소자는 GaAs 기판; 상기 GaAs 기판 상에 형성되고, 양자우물층과 양자 장벽층을 구비하는 다중 양자 우물 구조;를 포함하며, 상기 양자우물층은 상기 GaAs 기판보다 밴드갭 에너지가 낮고 상기 GaAs 기판으로부터 압축 응력을 받는 반도체 물질로 이루어지고,상기 양자 장벽층은 상기 GaAs 기판보다 밴드갭 에너지가 높고 상기 GaAs 기판으로부터 인장 응력을 받는 반도체 물질로 이루어진다.

Description

GaAs 기판에 격자 정합되는 다중 양자 우물 구조를 포함하는 광학 소자, 이를 포함하는 깊이 영상 획득 장치 및 3차원 영상 획득 장치{Optical device including multi-quantum well structure lattice matched to GaAs substrate, depth image acquisition apparatus and 3-dimensional image acquisition apparatus employing the optical device}
GaAs 기반의 투과형 광 변조기, 이를 포함하는 깊이 영상 획득 장치 및 3차원 영상 획득 장치에 대한 것이다.
3D 카메라는 일반적인 영상의 촬영 기능 이외에 피사체 표면 상의 다수의 점들로부터 3D 카메라까지의 거리를 측정하는 기능을 포함한다. 현재 피사체와 3D 카메라 사이의 거리를 측정하기 위한 다양한 알고리즘들이 제안되고 있는데, 통상적으로 광시간비행법(Time-of-Flight; TOF)이 주로 사용된다. TOF 방식은 조명광을 피사체에 조사한 후, 피사체로부터 반사되는 조명광이 수광부에서 수광되기까지 비행시간을 측정하는 방법이다. 조명광의 비행시간은 주로 조명광의 위상지연을 측정하여 얻을 수 있는데, 정확한 위상지연의 측정을 위해 고속 광변조기가 사용된다.
거리 정밀도가 높은 3D 영상을 얻기 위해서는 우수한 전기-광학적 응답 특성을 갖는 광변조기를 사용하는데, 최근에는 GaAs 기반의 반도체 광변조기가 주로 사용되고 있다. GaAs 기반의 반도체 광변조기는 P-전극과 N-전극 사이에 다중양자우물(multiple quantum well; MQW) 구조를 배치한 P-I-N 다이오드 구조를 갖는다. 이러한 구조에서, PN 양단에 역방향 바이어스 전압을 인가하면 다중양자우물 구조가 특정 파장 영역에서 엑시톤(exciton)을 형성하면서 빛을 흡수하게 된다. 다중양자우물 구조의 흡수 스펙트럼은 역바이어스 전압이 증가할수록 장파장 쪽으로 이동하는 특성이 있으며, 따라서 역바이어스 전압의 변화에 따라 특정 파장에서의 흡수도가 변화할 수 있다.
GaAs 기반의 광변조기를 제조하기 위해 GaAs 기판이 사용되며, 투과형 광변조기를 형성하기 위해서, 불투명한 GaAs 기판은 제거된다. GaAs 기판이 제거된 후, 나머지 구조물은 투명한 SiO2 기판에 전사될 수 있다. 그러나 웨이퍼 레벨(wafer level) 제조 공정에서 전극이 형성된 에피텍시 구조물의 기판을 제거하고 다른 기판인 SiO2로 전사하는 일련의 제조 공정은 복잡하여 안정적인 공정 수행이 어려울 수 있다. 최근에는 기존의 불투명 기판에서 광이 통과하는 부분을 제거하고, 850nm 파장의 광에 투명한 InGaP층을 에피텍시층에 추가하여 에피텍시 구조물를 지탱하는 지지대로 사용하는 투과형 광 변조기가 소개되었으나, 에피텍시 박막은 외부의 충격이나 기계적 변형에 취약할 수 있다.
투과형 광 변조기로서, GaAs 기판에 대해 투명한 대역의 광을 온/오프 할 수는 투과형 광 변조기, 이를 이용하는 깊이 영상 측정 장치 및 3차원 영상 획득 장치 를 제공한다.
일 유형에 따른 광학 소자는 GaAs 기판; 상기 GaAs 기판 상에 형성되고, 양자우물층과 양자 장벽층을 구비하는 다중 양자 우물 구조;를 포함하며, 상기 양자우물층은 상기 GaAs 기판보다 밴드갭 에너지가 낮고 상기 GaAs 기판으로부터 압축 응력을 받는 반도체 물질로 이루어지고,상기 양자 장벽층은 상기 GaAs 기판보다 밴드갭 에너지가 높고 상기 GaAs 기판으로부터 인장 응력을 받는 반도체 물질로 이루어진다.
상기 양자 우물층의 밴드갭 에너지는 1.43eV보다 작고, 격자 상수는 GaAs 기판의 격자 상수보다 클 수 있다.
상기 양자 우물층은 Inx1Ga1 -x1As(0<x1≤0.35) 또는 In1 -x1-y1Alx1Gay1As(0<x1≤0.44, 0≤y1≤0.98)를 포함할 수 있다.
상기 양자 장벽층의 밴드갭 에너지는 1.43eV보다 크고, 격자 상수는 GaAs 기판의 격자 상수보다 작을 수 있다.
상기 양자 장벽층은 GaAsx2P1 -x2(0.28≤x2≤1) 또는 Inx2Ga1 -x2P(0≤x2≤0.34) 또는Gax 2In1-x2Asy2P1- y2(0.5≤x2≤0.8, 0.4≤y2≤0.77)를 포함할 수 있다.
상기 다중 양자 우물 구조는 상기 GaAs 기판과 격자 정합을 이룰 수 있다.
상기 양자우물층은 In0 .15Ga0 .85As으로 이루어지고, 상기 양자장벽층은 GaAs0.699P0.301 또는 In0 .146Ga0 .854P로 이루어질 수 있다.
또는, 상기 양자우물층은 In0 .20Ga0 .80As으로 이루어지고, 상기 양자장벽층은 GaAs0.599P0.401 또는 In0 .194Ga0 .806P로 이루어질 수 있다.
상기 양자우물층은 In0 .35Ga0 .65As으로 이루어지고, 상기 양자장벽층은 GaAs0.298P0.702 또는 In0 .340Ga0 .660P로 이루어질 수 있다.
상기 다중 양자 우물 구조층의 상부 및 하부에는 각각 상부 반사층 및 하부 반사층이 더 구비될 수 있다.
상기 다중 양자 우물 구조는 흡수 스펙트럼의 피크(peak) 위치가 상기 GaAs 기판에 대해 투명한 파장 대역 내에서, 인가 전압에 의해 이동되도록 구성될 수 있다.
상기 다중 양자 우물 구조는 상기 광학 소자의 공진 파장을 λ라고 할 때, 0.5nλ(n은 자연수)의 광학적 두께를 가질 수 있다.
상기 다중 양자 우물 구조는 상기 양자우물층과 상기 양자장벽층으로 이루어진 쌍을 10쌍 이상 포함할 수 있다.
상기 상부 반사층과 상기 하부 반사층 중에서 적어도 하나의 내부에 적어도 하나의 마이크로 캐비티층이 더 구비되며, 상기 광학 소자의 공진 파장을 λ라 할 때, 상기 마이크로 캐비티층은 λ/2의 정수배의 광학적 두께를 가질 수 있다.
상기 상부 반사층과 상기 하부 반사층은 광학적 두께가 각각 λ/4이고 굴절률이 서로 다른 제1굴절률층과 제2굴절률층이 교번 적층된 DBR 층일 수 있다.
상기 마이크로 캐비티층은 제1굴절률층과 제2굴절률층 중에서 어느 하나와 동일한 재료로 이루어질 수 있다.
또한, 일 유형에 따른 깊이 영상 획득 장치는 피사체에 880nm에서 1600nm사이의 파장 대역의 적외선 광을 조사하는 광원; 상기 피사체로부터 반사된 상기 적외선 광을 변조하는 것으로, 상술한 어느 하나의 광학 소자를 구비하는 투과형 광 변조기; 상기 투과형 광 변조기에 의해 변조된 광을 센싱하여 전기적 신호로 변환하는 제1 이미지센서; 및 상기 제1 이미지센서에서의 출력으로부터 깊이 정보를 산출하는 신호 처리부;를 포함한다.
상기 피사체로부터 반사된 상기 적외선 광을 상기 투과형 광 변조기에 집광하는 렌즈가 더 구비될 수 있다.
상기 렌즈부와 상기 투과형 광 변조기 사이에, 상기 광원에서 조사되는 파장 대역의 광만을 투과시키는 대역 투과 필터(bandpass filter)가 더 구비될 수 있다.
또한, 일 유형에 따른 3차원 영상 획득 장치는 피사체에 880nm에서 1600nm사이의 파장 대역의 적외선 광을 투사하는 광원, 상기 피사체로부터 반사된 상기 적외선 광을 변조하는 것으로, 상술한 어느 하나의 광학 소자를 구비하는 투과형 광 변조기; 상기 투과형 광 변조기에 의해 변조된 광을 센싱하여 전기적 신호로 변환하는 제1 이미지센서; 상기 피사체로부터 반사된 가시광을 포커싱하여 광학 상을 형성하는 촬영 렌즈; 상기 촬영 렌즈에 의해 형성된 광학 상을 전기적 신호로 변환하는 제2 이미지센서; 상기 제1 이미지센서 및 제2 이미지센서로부터 각각 출력되는 전기적 신호들로부터 깊이 정보 및 컬러 정보를 산출하여 상기 피사체의 3차원 영상을 생성하는 3차원 영상신호 처리부;를 포함한다.
피사체에서 반사된 광 중, 적외선광이 상기 제1 이미지센서를 향하고, 가시광이 제2 이미지센서를 향하도록 분기하는 빔스플리터가 더 구비될 수 있다.
상기 광학 소자는 GaAs 기판에 대해 투명한 파장 대역의 광을 셔터링 할 수 있도록 구성되어, 투과형 광 변조기로 적용될 수 있다.
상기 광학 소자는 유효 영역의 비율이 높으며, 따라서, 보다 작은 사이즈로 투과형 광 변조기를 구현할 수 있다.
상기 광학 소자는 GaAs 기판을 식각하는 공정이 불필요하며, 이에 따라, 식각 공정을 위한 식각정지층 형성 공정이 불필요하므로, 제조를 위한 공정 단계가 간단하다.
상기 광학 소자는 투과형 광 변조기로 적용될 수 있고, 3차원 센서, 깊이 영상 획득 장치, 3차원 영상 획득 장치로 응용될 수 있다.
도 1a 및 도 1b는 실시예에 따른 광학 소자의 개략적인 구조를 보인 단면도로서, GaAs 기판에 격자 정합되는 다중 양자 우물 구조층의 재질을 선택하는 원리를 설명하는 개념도이다.
도 2는 Ⅲ-Ⅴ화합물 반도체의 밴드갭 에너지와 격자 상수와의 관계를 보인 그래프이다.
도 3a 및 도 3b는 InGaAs/GaAsP 다중 양자 우물 구조층에 의해 광 셔터 기능이 구현되는 것을 보이는 전산모사 그래프로서, 각각 인가전압에 따른 흡수 스펙트럼과 투과도를 보인다.
도 4는 실시예에 따른 광학 소자의 개략적인 구조를 보인 단면도이다.
도 5는 비교예에 따른 광학 소자의 개략적인 구조를 보인 단면도이다.
도 6은 다른 실시예에 따른 광학 소자의 개략적인 구조를 보인 단면도이다.
도 7a는 도 6의 광학 소자의 다중 양자 우물 구조층에 대한 TEM 이미지를 보이며, 도 7b는 도 7a의 일부 영역의 IFFT 패턴의 확대도이다.
도 8은 도 6의 광학 소자의 PL(photo luminescence) 특성을 측정한 그래프를 보인다.
도 9는 도 6의 광학 소자에 전압 온, 오프시의 투과도와, 전압 온, 오프간의 투과도 차를 보인 그래프이다.
도 10은 태양광 스펙트럼을 보인다.
도 11은 실시예에 따른 깊이 영상 획득 장치의 개략적인 구성을 보인다.
도 12는 실시예에 따른 3차원 영상 획득 장치의 개략적인 구성을 보인다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 본 발명의 효과 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 다양한 형태로 구현될 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 하며, 도면을 참조하여 설명할 때 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
이하의 실시예에서, 제1, 제2 등의 용어는 한정적인 의미가 아니라 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하는 목적으로 사용되었다.
이하의 실시예에서, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
이하의 실시예에서, 포함하다 또는 가지다 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 또는 구성요소가 존재함을 의미하는 것이고, 하나 이상의 다른 특징들 또는 구성요소가 부가될 가능성을 미리 배제하는 것은 아니다.
이하의 실시예에서, 막, 영역, 구성 요소 등의 부분이 다른 부분 위에 또는 상에 있다고 할 때, 다른 부분의 바로 위에 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 막, 영역, 구성 요소 등이 개재되어 있는 경우도 포함한다.
도면에서는 설명의 편의를 위하여 구성 요소들이 그 크기가 과장 또는 축소될 수 있다. 예컨대, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다.
어떤 실시예가 달리 구현 가능한 경우에 특정한 공정 순서는 설명되는 순서와 다르게 수행될 수도 있다. 예를 들어, 연속하여 설명되는 두 공정이 실질적으로 동시에 수행될 수도 있고, 설명되는 순서와 반대의 순서로 진행될 수 있다.
도 1a 및 도 1b는 실시예에 따른 광학 소자의 개략적인 구조를 보인 단면도로서, GaAs 기판에 격자 정합되는 다중 양자 우물 구조층의 재질을 선택하는 원리를 설명하는 개념도이다.
광학 소자(1)는 GaAs 기판과, 양자우물층(QW)과 양자장벽층(QB)으로 이루어진 다중 양자 우물 구조(MQW)를 포함한다.
다중 양자 우물 구조(MQW)는 GaAs 기판에 투명한 파장 대역의 광을 온, 오프 할 수 있고, 또한, GaAs 기판과 격자 정합을 이룰 수 있도록 양자우물층(QW)과 양자장벽층(QB)의 재질이 선택된다. 이를 위하여, 양자장벽층(QB)은 GaAs 기판보다 밴드갭 에너지가 높고 GaAs 기판으로부터 인장 응력(tensile strain)을 받는 반도체 물질로 이루어지고, 양자우물층(QW)은 GaAs 기판보다 밴드갭 에너지가 낮고 GaAs 기판으로부터 압축 응력(compressive straint)을 받는 반도체 물질로 이루어지고, 이루어질 수 있다.
GaAs 기판 상에 형성되는 양자장벽층(QB)의 격자 상수(lattice constant)가 GaAs 기판보다 작을 때, GaAs 기판으로부터 인장 응력을 받게 되며, 즉, 도 1a에 도시된 바와 같이, 양자장벽층(QB)은 GaAs 기판보다 작은 격자 상수의 반도체 물질로 이루어질 수 있다. 그리고, GaAs 기판 상에 형성되는 양자우물층(QW)의 격자 상수(lattice constant)가 GaAs 기판보다 클 때, GaAs 기판으로부터 인장 응력을 받게 되며, 즉, 양자우물층(QW)은 GaAs 기판보다 작은 격자 상수의 반도체 물질로 이루어질 수 있다.
이와 같은 격자 상수 관계를 가지는 양자장벽층(QB)과 양자우물층(QW)은 도 1b와같이, 각각의 인장응력과 압축응력이 응력 이완(strain relaxation)되어, GaAs 기판과 격자 정합(lattice match)을 이룰 수 있다. 이를 위해, 앙자장벽층(QB), 양자우물층(QW)을 이루는 반도체 물질의 조성비가 적절히 설정되어야 한다.
도 2는 Ⅲ-Ⅴ화합물 반도체의 밴드갭 에너지와 격자 상수와의 관계를 보인 그래프이다.
그래프를 참조하면, 양자장벽층(QB)은 약, 1.43eV 보다 큰 밴드갭 에너지를 가지며, GaAs보다 격자 상수가 작은 물질로서, 예를 들어, GaAsP, GaInAsP 또는 InGaP로 이루어질 수 있다. 양자우물층(QW)은 약, 1.43eV 미만의 밴드갭 에너지를 가지며, GaAs보다 격자 상수가 큰 물질로서, 예를 들어, InGaAs 또는 InAlGaAs로 이루어질 수 있다.
양자우물층(QW)은 Inx1Ga1 -x1As(0<x1≤0.35) 또는 In1 -x1-y1Alx1Gay1As(0<x1≤0.44, 0≤y1≤0.98)으로 이루어질 수 있다.
양자우물층(QW)을 Inx1Ga1 -x1As로 형성할 때, x1 변화에 따른 밴드갭 에너지 Eg는 다음 식을 따른다.
Eg=1.424-1.616(x1)+0.54(x1)2
상기 식은 도 2의 그래프로부터 추출된 것이다. 상기 식과, Eg≤1.43 으로부터, x1의 범위를 약, 0<x1≤0.35로 정할 수 있다.
양자우물층(QW)을 In1 -x1- y1Alx1Gay1As로 형성할 때에도 도 2의 그래프로부터, x1, y1 값에 따른 밴드갭 에너지 Eg의 식이 추출되며, Eg < 1.43로부터 In1 -x1-y1Alx1Gay1As 의 x1, y1 범위를 약, 0<x1≤0.44, 0≤y1≤0.98로 정할 수 있다.
양자장벽층(QB)은 GaAsx2P1 -x2(0.28≤x2≤1) 또는 Inx2Ga1 -x2P(0≤x2≤0.34) 또는Gax2In1-x2Asy2P1- y2(0.5≤x2≤0.8, 0.4≤y2≤0.77)로 이루어질 수 있다.
양자장벽층(QB)을 GaAsx2P1 -x2로 형성할 때, x2 변화에 따른 밴드갭 에너지 Eg는 다음 식을 따른다.
Eg=2.775-1.459(x2)+0.108(x2)2
상기 식은 도 2의 그래프로 추출되며, 상기 식과, Eg > 1.43 으로부터, GaAsx2P1-x2의 x2 범위를 약, 0.28≤x2≤1로 정할 수 있다.
같은 방법으로, 양자장벽층(QB)을 Inx2Ga1 -x2P, Gax2In1 -x2Asy2P1- y2을 형성할 경우, 밴드갭 에너지가 1.43보다 크도록, Inx2Ga1 - x2P 의 x2 범위를 0≤x2≤0.34로, Gax2In1-x2Asy2P1-y2의 x2, y2 범위를 0.5≤x2≤0.8, 0.4≤y2≤0.77로 정할 수 있다.
양자장벽층(QB)과 양자우물층(QW)의 쌍은 상기 조성 범위 내에서 GaAs 기판과 격자 정합을 이룰 수 있도록 세부적으로 조절될 수 있다.
양자장벽층(QB), 양자우물층(QW)을 각각 Inx1Ga1 -x1As(0<x1≤0.35), GaAsx2P1 -x2(0.28≤x2≤1)로 형성하는 방법을 예시적으로 살펴보면, 다음과 같다.
x1에 따른 Inx1Ga1 -x1As의 격자 상수, a1은 도 2의 그래프로부터 다음과 같이 추출될 수 있다.
a1=5.6536+0.4054(x1)2
x2에 따른 GaAsx2P1 -x2의 격자 상수 a2는 도 2의 그래프로부터 다음과 같이 추출될 수 있다.
a2=2.775-1.459(x2)+0.108(x2)2
a1=a2의 조건과 0<x1≤0.44, 0.28≤x2≤1의 조건으로부터, 양자우물층(QW)은 In0.15Ga0.85As으로, 양자장벽층(QB)은 GaAs0 .699P0 . 301 로 정할 수 있다.
양자우물층(QW)을 Inx1Ga1 -x1As(0<x1≤0.35)로, 양자장벽층(QB)을 Inx2Ga1 -x2P(0≤x2≤0.34)로 쌍을 이루게 할 때는, 상기 방법에 따라, 양자우물층(QW)은 In0.15Ga0.85As으로, 양자장벽층(QB)은 In0 .146Ga0 .854P로 정할 수 있다.
이외에도, 다양한 방법으로 양자우물층(QW), 양자장벽층(QB)의 쌍을 형성할 수 있다. 예를 들어, 양자우물층(QW)을 In0 .20Ga0 .80As으로 형성하고, 양자장벽층(QB)은 GaAs0 .599P0 .401 또는 In0 .194Ga0 .806P로 형성할 수 있다. 또는, 양자우물층(QW)을 In0.35Ga0.65As으로 형성하고, 양자장벽층(QB)을 GaAs0 .298P0 .702 또는 In0 .340Ga0 .660P로 형성할 수 있다.
상기 제시한 구체적인 수치들은 예시적인 것이며, 상술한 방법에 따라 다양한 형태의 양자우물층(QW), 양자장벽층(QB)의 쌍을 형성하는 것이 가능하다.
도 3a 및 도 3b는 InGaAs/GaAsP 다중 양자 우물 구조층에 의해 광 셔터 기능이 구현되는 것을 보이는 전산모사 그래프로서, 각각 인가전압에 따른 흡수 스펙트럼과 투과 스펙트럼을 보인다.
도 3a를 참조하면, 전압이 인가 여부에 따라 흡수 스펙트럼의 형태가 달라지며, 구체적으로, 흡수스펙트럼의 피크와 피크값을 형성하는 파장 대역도 달라진다. 전압이 인가되지 않았을 때, 약 923nm의 파장에서 흡수 스펙트럼의 피크가 형성되고, 약 940nm의 파장에서 흡수 계수(absorption coefficient)는 거의 0이 된다. 전압 인가시에는 약 940nm의 파장에서 흡수 스펙트럼의 피크가 형성된다. 이러한 구조는 전압 인가 여부에 따라 약 940nm 파장의 광에 대한 흡수 계수가 크게 변하므로, 이러한 파장의 광에 대한 광 셔터의 기능을 수행할 수 있다.
도 3b를 참조하면, 전압 미인가시, 파장 940nm의 광의 투과도는 68.4%, 전압 인가시, 파장 940nm의 광의 투과도는 22.6%이다. 전압 온, 오프에 따른 투과도 차는 45.8%이다.
도 4는 실시예에 따른 광학 소자(100)의 개략적인 구조를 보인 단면도이다.
광학 소자(100)는 GaAs 기판(110), 하부 반사층(130), 다중양자 우물구조로 이루어진 활성층(150), 상부 반사층(170)을 포함한다.
광학 소자(100)는 투과형 광 변조기로 기능할 수 있도록, GaAs 기판(110)에 대해 투명한 파장 대역에 속하는 광을 인가 전압에 따라 온/오프 할 수 있도록 구성된다. 이를 위하여, 활성층(150)을 이루는 다중 양자 우물 구조는 흡수 스펙트럼의 피크(peak) 위치가 GaAs 기판(110)에 대해 투명한 파장 대역 내에서, 인가 전압에 의해 이동되도록 구성될 수 있다. 이러한 파장 대역은 약 880nm 에서 1600nm 사이의 파장 대역일 수 있으며, 실시예에 따른 광학 소자(100)는 상기 범위에 속하는 파장 대역의 광을 온/오프 변조할 수 있도록 구성된다.
활성층(150)은 양자장벽층(QB)과 양자우물층(QW)의 쌍을 복수개 포함하는 다중 양자 우물 구조로 이루어진다. 활성층(150)은 변조하고자 광의 흡수가 일어나는 흡수층으로서, 또한 패브리-페로(Fabry-Perot) 공진을 위한 메인 캐비티의 역할을 할 수 있다. 이를 위하여, 활성층(150)은 광학적 두께가 0.5nλ로 형성될 수 있다. 광학적 두께는 물리적 두께에 재질의 굴절률을 곱한 값을 의미한다. 상기 n은 자연수이고, 상기 λ는 광학 소자(100)의 공진 주파수로서, 이 파장은 GaAs 기판(110)에 대해 투명한 파장 대역에 포함된다. λ는 880nm에서 1600nm의 범위를 가질 수 있다. 광학적 두께는 물리적 두께에 재질의 굴절률을 곱한 값이다. 양자우물층(QW)과 양자장벽층(QB)으로 이루어진 쌍은 10쌍 이상일 수 있다.
양자장벽층(QB)은 GaAs 기판(110)보다 밴드갭 에너지가 높고 GaAs 기판(110)으로부터과 인장 응력을 갖는 재질로 이루어진다. 양자장벽층(QB)은 약, 1.43eV 보다 큰 밴드갭 에너지를 가지며, GaAs보다 격자 상수가 작은 물질로서, 예를 들어, GaAsP, GaInAsP 또는 InGaP로 이루어질 수 있다. 양자장벽층(QB)은 양자장벽층(QB)은 GaAsx2P1 -x2(0.28≤x2≤1) 또는 Inx2Ga1 -x2P(0≤x2≤0.34) 또는Gax2In1 -x2Asy2P1-y2(0.5≤x2≤0.8, 0.4≤y2≤0.77)로 이루어질 수 있다.
양자우물층(QW)은 GaAs 기판(110)보다 밴드갭 에너지가 낮고 GaAs 기판(110)으로부터 압축 응력을 갖는 재질로 이루어진다. 양자우물층(QW)은 약, 1.43eV 미만의 밴드갭 에너지를 가지며, GaAs보다 격자 상수가 큰 물질로서, 예를 들어, InGaAs 또는 InAlGaAs로 이루어질 수 있다. 양자우물층(QW)은 Inx1Ga1 -x1As(0<x1≤0.35) 또는 In1 -x1-y1Alx1Gay1As(0<x1≤0.44, 0≤y1≤0.98)으로 이루어질 수 있다.
투과형 광변조기는 입사광을 투과시키면서 전기적 신호에 따라 입사광의 일부를 활성층(150)에서 흡수하여 투사광의 세기를 변조하는 역할을 한다. 하부 반사층(130)과 상부 반사층(170)은 입사광의 일부를 투과시키며, 또한 메인 캐비티인 활성층(150)에서 공진이 일어날 수 있도록 빛을 반사하는 역할을 한다. 하부 반사층(130)과 상부 반사층(170)의 반사도가 대략 50% 정도일 수 있다.
상부 반사층(170)과 하부 반사층(130)은 반사층의 역할과 전기적 통로의 역할을 동시에 수행하도록 도핑될 수 있다. 예를 들어, 하부 반사층(130)은 n형으로 도핑된 반도체 물질로, 상부 반사층(170)은 p형으로 도핑된 반도체 물질로 형성될 수 있다. 있다. n형 도펀트로는 Si가, p형 도펀트로는 Mg, Be 등이 사용될 수 있다. 활성층(150)은 도핑되지 않는다. 이러한 점에서, 도시된 광학 소자(100)는 P-I-N 다이오드 구조를 갖는다.
이러한 하부 및 상부 반사층(130, 170)은, 예를 들어, 굴절률이 상대적으로 낮은 저굴절률층(LR)과 굴절률이 상대적으로 높은 고굴절률층(HR)을 반복적으로 교호하여 적층한 DBR(distributed Bragg reflector)일 수 있다. 이러한 구조에서, 굴절률이 다른 고굴절률층(HR)과 저굴절률층(LR) 간의 계면에서 반사가 일어나는데, 반사되는 모든 광들의 위상차를 동일하게 함으로써 높은 반사율을 얻을 수 있다. 또한, 고굴절률층(HR)과 저굴절률층(LR)의 쌍들의 적층 개수에 따라 반사율을 원하는대로 조절하는 것이 가능하다. 이를 위하여, 하부 반사층(130) 및 상부 반사층(170) 내의 각각의 고굴절률층(HR)과 저굴절률층(LR)의 광학적 두께(즉, 물리적 두께에 층 재료의 굴절률을 곱한 값)를 각각 대략 λ/4(λ는 반사형 광변조기(100)의 공진 파장)의 홀수 배로 형성할 수 있다.
도 5는 비교예에 따른 광학 소자(101)의 개략적인 구조를 보인 단면도이다.
비교예에 따른 광학 소자(101)는 GaAs 기판(110) 상에 형성된 하부 반사층(130), 활성층(160), 상부 반사층(170)을 포함하며, GaAs 기판(110)과 하부 반사층(130) 사이에는 식각 정지층(ES)이 더 형성되어 있고, 상부 반사층(170)의 상부에는 글래스 리드(glass-lid)(GL)가 더 형성되어 있다.
이러한 광학 소자(101)는 GaAs 기판(110)에 대해 투명하지 않은 파장 대역의 광을 변조하는 투과형 광변조기로서, 예를 들어, 약 850nm의 광에 대한 광 셔터의 기능을 하도록 활성층(160)이 구성되어 있다. 따라서, 활성층(160)으로 광이 입사될 수 있도록, 활성층(160)에 대응하는 위치의 GaAs 기판(110) 영역이 식각되어 있다.
도면에서 각 층의 두께는 과장되게 도시된 것으로, 하부 반사층(130), 활성층(160), 상부 반사층(170)이 차지하는 두께는 약 400um 두께의 GaAs 기판(110)의 1/10 보다 작다. 따라서, GaAs 기판(110)을 식각하기 위해, 이러한 얇은 두께의 하부 반사층(130), 활성층(160), 상부 반사층(170)으로 이루어진 구조를 지지하기 위해, 상부 반사층(170)의 상부에 글래스 리드(GL)가 더 형성된다. 또한, GaAs 기판(110)을 식각할 때, 하부 반사층(130)이 손상되지 않도록 식각 정지층(ES)이 더 구비된다.
비교예에 따른 광학 소자(100)의 이러한 구조는 실시예에 따른 도 4의 광학 소자(100)의 구조에 비해, 제조 공정 상의 단계가 더 많을 뿐 아니라, 소자의 크기도 더 크다. 즉, 동일한 크기로 광학 소자(100)(101)를 구현하는 경우, 비교예(101)의 경우, 더 작은 유효 영역을 갖게 된다.
실시예에 따른 광학 소자(100)는 GaAs 기판(110)에 투명한 파장 대역의 광을 사용하고, 이러한 광을 변조할 수 있도록 활성층(150)을 구성함으로써, 공정 단계가 감소되고, 넓은 유효 영역을 가지는 광학 소자를 구현하고 있다.
도 6은 다른 실시예에 따른 광학 소자(200)의 개략적인 구조를 보인 단면도이다.
본 실시예의 광학 소자(200)는 GaAs 기판(210), 하부 반사층(230), 활성층(250), 상부 반사층(270)을 포함한다. 활성층(250)은 양자장벽층(QB)과 양자우물층(QW)의 다수 쌍을 포함하는 다중 양자 우물 구조로 형성되어 있으며, GaAs 기판(210)에 대해 투명한 파장 대역의 광을 변조할 수 있도록, 도 4에서 설명한 활성층(150)과 실질적으로 동일한 구조로 형성되어 있다.
하부 반사층(230) 내에 제 1 마이크로 캐비티층(232)이, 및 상부 반사층(270) 내에 제 2 마이크로 캐비티층(272)이 형성되어 있다. 활성층(250)은 패브리-페로 공진을 위한 메인 캐비티이며, 제 1 및 제 2 마이크로 캐비티층(232)(272)은 패브리-페로 공진을 위한 부가적인 캐비티의 역할을 한다. 이를 위해, 제1 및 제2 마이크로 캐비티층(232)(272)의 광학적 두께는 λ/2의 정수 배와 같도록 형성될 수 있다. 제1 마이크로 캐비티층(232), 제2 마이크로 캐비티층(272)은 하부 반사층(230)이나 상부 반사층(270)의 고굴절률층(HR), 저굴절률층(LR) 중 어느 하나와 같은 재질로 이루어질 수 있다. 도면에서는 하부 반사층(230)과 상부 반사층(270) 내에 각각 제1 마이크로 캐비티층(232), 제2 마이크로 캐비티층(272)이 배치되 것으로 도시되어 있지만, 이는 예시적인 것이고, 이 중 어느 하나는 생략될 수도 있다.
GaAs 기판(210)의 하면에는 반사방지층(AR)이 더 형성될 수 있다.
도 7a는 도 6의 광학 소자(200)의 다중 양자 우물 구조층에 대한 TEM 이미지를 보이며, 도 7b는 도 7a의 일부 영역의 IFFT(Inverse Fast Fourier Transform) 패턴의 확대도이다.
TEM 이미지를 얻기 위해 제조된 도 6의 광학 소자(200)는 InGaAs/GaAsP로 이루어진 양자우물층, 양자장벽층의 쌍을 7λ두께로 형성하였고, 하부 반사층(230), 상부 반사층(270)은 AlGaAs/AlGaAs의 DBR 적층 구조로 형성하였다.
도 7a 및 도 7b를 참조하면, 다중 양자 우물 구조의 GaAs 기판과의 격자 정합이 잘 이루어진 것을 알 수 있다. 격자 정합이 잘 되지 않은 경우, IFFT 패턴에서 나타나는 선형 무늬가 연속적이지 않고 끊긴 형태를 갖게 된다.
도 8은 도 6의 광학 소자의 PL(photoluminescence) 스펙트럼을 측정한 그래프를 보인다.
그래프를 참조하면, 약 925.4nm에서 발광의 피크를 형성하고 있으며, 도 3a의 전산모사 그래프에서 예측한 것과 유사한 값의 공진 파장이 형성됨을 알 수 있다.
도 9는 도 6의 광학 소자에 전압 온, 오프시의 투과도와, 전압 온, 오프간의 투과도 차를 보인 그래프이다.
그래프를 참조하면, 940nm 파장의 광에 대한, 전압 미인가시의 투과도는 66.7%, 전압 인가시의 투과도는 36.7%로 나타나고 있다. 투과도 차는 30%로 나타난다. 이와 같은 결과는 투과도 차가 다소 낮게 나타나고 있으나, 도 3b의 전산모사에서 예측한 것과 유사하며, 제조된 광학 소자가 940nm 파장의 광에 대한 광 셔터 기능을 수행할 수 있음을 알 수 있다.
도 10은 태양광 스펙트럼을 보인다.
도 10을 참조하면, 940nm 파장의 태양광은 850nm 파장의 태양광에 비해 작은에너지를 가진다. 비교예에 따른 도 5의 광학 소자(101)가 약 850nm 파장의 광에 대한 광 셔터 기능을 함을 고려할 때, 약 940nm 파장의 광에 대한 광 셔터 기능을 하는 실시예들에 따른 광학 소자(100, 200)는 태양광에 의한 잡음이 적을 것으로 예상된다.
이상 설명한 바와 같이, 상술한 광학 소자(100)(200)는 GaAs 기판에 대해 투명한 파장 대역의 광에 대한 광 셔터로 기능할 수 있고, 이 때, 유효 영역의 효율이 높고, 외광에 의한 잡음 등이 적어 광 변조 성능이 우수하다.
상술한 광학 소자(100)(200)는 광시간 비행법을 이용하여 피사체의 위치를 센싱하는 3차원 센서, 피사체의 깊이 영상을 획득하는 깊이 영상 획득 장치, 깊이 영상과 2차원 영상을 결합하여 3차원 영상을 획득하는 3차원 영상 획득 장치 등으로 응용될 수 있다.
도 11은 실시예에 따른 깊이 영상 획득 장치(500)의 개략적인 구성을 보인다.
깊이 영상 획득 장치(500)는 광시간비행법(TOF)을 이용하여 피사체의 깊이 정보를 추출할 수 있도록 구성되며, 전술한 광학 소자(100)(200)를 투과형 광 변조기로 채용할 수 있다.
깊이 영상 획득 장치(500)는 피사체(OBJ)에 소정 파장 대역의 광을 조사하는 광원(505), 피사체(OBJ)에서 반사된 광을 변조하는 투과형 광 변조기(510), 투과형 광 변조기(510)에 의해 변조된 광을 센싱하여 전기적 신호로 변환하는 제1 이미지센서(515), 제1 이미지센서(515)에서의 출력으로부터 깊이 영상 정보를 산출하는 신호 처리부(530)를 포함한다. 또한, 광원(505), 투과형 광 변조기(510), 제1 이미지센서(515), 신호 처리부(530)의 동작을 제어하기 위한 제어부(555)를 포함할 수 있다.
또한, 깊이 영상 획득 장치(500)는 피사체(OBJ)로부터 반사된 적외선 광을 투과형 광 변조기(510)에 집광하는 렌즈(540)를 더 포함할 수 있다. 그리고 렌즈(540)와 투과형 광 변조기(510) 사이에는 피사체(OBJ)로부터 반사된 광 중 소정 파장 대역의 광만을 투과시키는 대역 투과 필터(bandpass filter)(545)가 더 구비될 수 있다. 예를 들어, 대역 투과 필터(545)는 광원에서 조사되는 파장 대역의 광만을 투과시킬 수 있다. 렌즈(540)와 대역 투과 필터(545)의 배치 순서는 뒤바뀔 수도 있다. 투과형 광 변조기(510)와 제1 이미지센서(515) 사이에는 투과형 광 변조기(510)에서 변조된 광을 제1 이미지센서(515)에 집광하는 렌즈(550)가 더 구비될 수 있다.
광원(505)은 80nm에서 1600nm사이의 파장 대역의 적외선 광을 조사하도록 구성될 수 있다. 광원(505)으로, 발광 다이오드(LED) 또는 레이저 다이오드(LD)가 사용될 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다.
광원(505)은 제어부(555)로부터 수신된 제어 신호에 따라 제어되며, 크기 변조(Amplitude Modulation)된 광을 피사체(OBJ)에 투사할 수 있다. 이에 따라, 광원(101)으로부터 피사체(200)로 투사되는 투사광은 소정의 주기(Te)를 갖는 주기적인 연속 함수의 형태를 가질 수 있다. 예를 들어, 투사광은 사인파, 램프파, 사각파 등과 같이 특수하게 정의된 파형을 가질 수도 있지만, 정의되지 않은 일반적인 형태의 파형을 가질 수도 있다. 또한, 광원(505)은 제어부(555)의 제어하에 주기적으로 일정 시간동안만 광을 피사체(OBJ)에 집중 투사할 수 있다.
투과형 광 변조기(510)는 피사체(OBJ)로부터 반사된 광을 변조하는 것으로, 전술한 도 4, 도 6의 광학 소자(100)(200)가 채용될 수 있다. 투과형 광 변조기(510)는 제어부(555)의 제어에 따라 피사체(OBJ)로부터 반사된 광을 변조한다. 투과형 광 변조기(510)는 소정의 파형을 갖는 광변조 신호에 따라 이득을 변화시켜 투과광의 크기를 변조시킬 수 있다. 이를 위해, 투과형 광변조기(510)는 가변 이득을 가질 수 있다. 투과형 광 변조기(510)는 거리에 따른 빛의 위상차 또는 이동 시간을 식별하기 위해 수십~수백 MHz의 높은 변조 속도로 동작할 수 있다.
제1 이미지센서(515)는 투과형 광 변조기(510)에 의해 변조된 광을 제어부(555)의 제어에 따라 검출하여 서브 영상을 생성하는 역할을 한다. 만약 피사체(OBJ)의 어느 한 점까지의 거리만을 측정하고자 하는 경우, 제1 이미지센서(515)는 예를 들어 포토다이오드나 적분기와 같은 하나의 단일한 광센서를 사용할 수도 있다. 그러나 피사체(OBJ) 상의 다수의 점들까지의 거리들을 동시에 측정하고자 하는 경우, 제1 이미지센서(515)는 다수의 포토다이오드 또는 다른 광검출기들의 2차원 또는 1차원 어레이를 가질 수도 있다. 예를 들어, 상기 제1 이미지센서(515)는 2차원 어레이를 갖는 CCD 이미지 센서 또는 CMOS 이미지 센서일 수도 있다. 제1 이미지센서(515)는 반사광 별로 하나의 서브 영상을 생성할 수 있다.
신호 처리부(530)는 제1 이미지센서(515)의 출력을 기초로, 깊이 정보를 산출하고, 깊이 정보가 포함된 영상을 생성한다. 신호 처리부(530)는 예를 들어 전용의 집적회로(IC)로 구현될 수도 있으며, 또는 깊이 영상 획득 장치(500) 내에 설치된 소프트웨어로도 구현될 수 있다. 소프트웨어로 구현되는 경우, 신호 처리부(530)는 별도의 이동 가능한 저장 매체에 저장될 수도 있다.
광원(505)으로부터 방출된 투사광은 피사체(OBJ)의 표면에서 반사되어, 렌즈(540)로 입사한다. 일반적으로 실제의 피사체(OBJ)는 깊이 영상 획득 장치(100)의 촬영면까지의 거리, 즉 깊이(depth)가 서로 다른 다수의 표면들이 2차원 어레이를 이룰 것이지만, 도면에는 설명의 단순화를 위하여 깊이(depth)가 서로 다른 5개의 표면(P1~P5)을 갖는 피사체(OBJ)가 예시적으로 도시되어 있다. 투사광이 각각의 표면(P1~P5)에서 반사되면서, 상이하게 시간 지연된(즉, 위상이 상이한) 5개의 반사광이 발생한다. 이 때, 깊이 영상 획득 장치(500)로부터의 거리가 가장 먼 표면(P1)에서 반사된 반사광은 TOF1 만큼의 시간 지연 후 렌즈(540)에 도달하고, 깊이 영상 획득 장치(500)로부터의 거리가 가장 가까운 표면(P5)에서 반사된 반사광은 TOF1보다 작은 TOF5 만큼의 시간 지연 후 렌즈(540에 도달할 것이다.
이러한 반사광은 투과형 광 변조기(510)에 입사되며, 대역 투과 필터(545)에 의해, 광원(505)에서 조사된 파장 대역 이외의 배경광이나 잡광은 제거된다.
위상 지연의 정도가 다른 반사광들은 투과형 광 변조기(510)에 의해 크기가 변조되고, 렌즈(540)를 통과하면서 배율 조정 및 재포커싱된 후 제1 이미지센서(515)에 도달한다. 제1 이미지센서(515)는 상기 변조된 광을 수광하여 이를 전기적 신호로 변환한다. 제1 이미지센서(515)의 출력 신호(I1~I5)는 서로 다른 깊이 정보를 담고 있으며, 신호 처리부(530)는 이를 기초로, 피사체의 각각의 표면(P1~P5)에 대응하는 깊이(Depth1~Depth5) 정보를 산출하고, 깊이 정보가 포함된 영상을 생성한다.
도 12는 실시예에 따른 3차원 영상 획득 장치(600)의 개략적인 구성을 보인다.
3차원 영상 획득 장치(600)는 2차원의 컬러 영상을 촬영하는 구성과 함께, 광시간비행법(TOF)을 이용하여 피사체의 깊이 정보를 추출하는 구성이 채용되어, 3차원 영상을 획득하는 장치로서, 도 4, 도 6에서 예시한 광학 소자(100)(200)가 깊이 정보 추출을 위한 투과형 광 변조기로 채용된다. 3차원 영상 획득 장치(600)에서 피사체의 깊이 정보를 획득하는 동작은 도 11에서 설명한 것과 동일하므로, 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.
3차원 영상 획득 장치(600)는 피사체(OBJ)에 880nm에서 1600nm사이의 파장 대역의 적외선 광을 투사하는 광원(505), 피사체(OBJ)로부터 반사된 상기 적외선 광을 변조하는 투과형 광 변조기(610), 투과형 광 변조기(610)에 의해 변조된 광을 센싱하여 전기적 신호로 변환하는 제1 이미지센서(615), 피사체로부터 반사된 가시광(R,G,B)을 포커싱하여 광학 상을 형성하는 촬영 렌즈(610), 촬영 렌즈(610)에 의해 형성된 광학 상을 전기적 신호로 변환하는 제2 이미지센서(626), 제1 이미지센서(615) 및 제2 이미지센서(625)로부터 각각 출력되는 전기적 신호들로부터 깊이 정보 및 컬러 정보를 산출하여 피사체의 3차원 영상을 생성하는 3차원 영상신호 처리부(630)를 포함한다. 또한, 광원(605), 투과형 광 변조기(610), 제1 이미지센서(615), 제2 이미지센서(626), 3차원 영상 신호 처리부(630)의 동작을 제어하기 위한 제어부(655)를 포함할 수 있다.
또한, 3차원 영상 획득 장치(600)는 피사체에서 반사된 광 중, 적외선광이 상기 제1 이미지센서를 향하고, 가시광이 제2 이미지센서를 향하도록 분기하는 빔스플리터(635)를 더 포함할 수 있다.
빔스플리터(635)와 투과형 광 변조기(610) 사이에, 빔스플리터(635)로부터 분기된 적외선 광(IR)을 투과형 광 변조기(610)에 집광하는 렌즈(640)가 더 구비될 수 있고, 피사체(OBJ)로부터 반사된 광 중 소정 파장 대역의 광만을 투과시키는 대역 투과 필터(bandpass filter)(645)가 더 구비될 수 있다. 예를 들어, 대역 투과 필터(645)는 광원에서 조사되는 파장 대역의 광만을 투과시킬 수 있다. 렌즈(640)와 대역 투과 필터(645)의 배치 순서는 뒤바뀔 수도 있다. 그리고 투과형 광 변조기(610)와 제1 이미지센서(615) 사이에는 투과형 광 변조기(610)에서 변조된 광을 제1 이미지센서(615)에 집광하는 렌즈(650)가 더 구비될 수 있다.
도면에서는 피사체(OBJ)로부터 반사된 적외선 광(IR)과 가시광(R,G,B)이 촬영 렌즈(620)를 공통적으로 경유하고 있으나, 가시광(IR)만이 촬영 렌즈(620)를 경유하고, 적외선광(IR)은 촬영 렌즈(620)를 경유하지 않는 경로로 투과형 광 변조기(610)에 입사되는 광학적 배치로 변경될 수 도 있다.
투과형 광 변조기(610)는 피사체(OBJ)로부터 반사된 광을 변조하는 것으로, 전술한 도 4, 도 6의 광학 소자(100)(200)가 채용될 수 있다. 투과형 광 변조기(610)는 제어부(655)의 제어에 따라 피사체(OBJ)로부터 반사된 광을 변조한다. 투과형 광 변조기(610)는 소정의 파형을 갖는 광변조 신호에 따라 이득을 변화시켜 투과광의 크기를 변조시킬 수 있다. 변조된 광은 제1 이미지센서(615)에서 센싱되고, 제1 이미지센서(615)에서 피사체(OBJ)의 깊이 정보를 담은 신호가 출력된다.
또한, 제2 이미지센서(625)에서 피사체(OBJ)의 컬러 정보를 담은 신호가 출력된다.
3차원 영상 신호 처리부(630)는 제1 이미지센서(615) 및 제2 이미지센서(625)에서의 출력으로부터 3차원 영상 신호를 생성한다.
이상, 본 발명인 투과형 광 변조기, 이를 이용한 깊이 영상 획득 장치 및 3차원 영상 획득 장치는 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.
1, 100, 200... 광학 소자 110, 210...GaAs 기판
130, 230 ... 하부 반사층 170, 270... 상부 반사층
150, 250... 활성층 232...제1 마이크로캐비티층
272...제2 마이크로캐비티층 500...깊이 영상 획득 장치
505, 605...광원 510, 610 ... 투과형 광 변조기
600...3차원 영상 획득 장치 515, 615... 제1 이미지센서
625...제2 이미지센서 545, 645...밴드 패스 필터

Claims (24)

  1. GaAs 기판;
    상기 GaAs 기판 상에 형성되고, 양자우물층과 양자장벽층을 구비하는 다중 양자 우물 구조;를 포함하며,
    상기 양자우물층은 상기 GaAs 기판보다 밴드갭 에너지가 낮고 상기 GaAs 기판으로부터 압축 응력을 받는 반도체 물질로 이루어지고,
    상기 양자장벽층은 상기 GaAs 기판보다 밴드갭 에너지가 높고 상기 GaAs 기판으로부터 인장 응력을 받는 반도체 물질로 이루어진 광학 소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 양자우물층의 밴드갭 에너지는 1.43eV보다 작고, 격자 상수는 GaAs 기판의 격자 상수보다 큰 광학 소자.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 양자우물층은 Inx1Ga1 -x1As(0<x1≤0.35) 또는 In1 -x1-y1Alx1Gay1As(0<x1≤0.44, 0≤y1≤0.98)를 포함하는 광학 소자.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 양자장벽층의 밴드갭 에너지는 1.43eV보다 크고, 격자 상수는 GaAs 기판의 격자 상수보다 작은 광학 소자.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 양자장벽층은 GaAsx2P1 -x2(0.28≤x2≤1) 또는 Inx2Ga1 -x2P(0≤x2≤0.34) 또는Gax2In1-x2Asy2P1- y2(0.5≤x2≤0.8, 0.4≤y2≤0.77)를 포함하는 광학 소자.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 다중 양자 우물 구조는 상기 GaAs 기판과 격자 정합을 이루는 광학 소자.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 양자우물층은 In0 .15Ga0 .85As으로 이루어지고, 상기 양자장벽층은 GaAs0.699P0.301 또는 In0 .146Ga0 .854P로 이루어진 광학 소자.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 양자우물층은 In0 .20Ga0 .80As으로 이루어지고, 상기 양자장벽층은 GaAs0.599P0.401 또는 In0 .194Ga0 .806P로 이루어진 광학 소자.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 양자우물층은 In0 .35Ga0 .65As으로 이루어지고, 상기 양자장벽층은 GaAs0.298P0.702 또는 In0 .340Ga0 .660P로 이루어진 광학 소자.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 다중 양자 우물 구조층의 상부 및 하부에는 각각 상부 반사층 및 하부 반사층이 더 구비된 광학 소자.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 다중 양자 우물 구조는 흡수 스펙트럼의 피크(peak) 위치가 상기 GaAs 기판에 대해 투명한 파장 대역 내에서, 인가 전압에 의해 이동되도록 구성된 광학 소자.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 다중 양자 우물 구조는 상기 광학 소자의 공진 파장을 λ라고 할 때, 0.5nλ(n은 자연수)의 광학적 두께를 가지는 광학 소자.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 다중 양자 우물 구조는 상기 양자우물층과 상기 양자장벽층으로 이루어진 쌍을 10쌍 이상 포함하는 광학 소자.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 양자우물층은 Inx1Ga1 -x1As(0<x1≤0.35) 또는 In1 -x1-y1Alx1Gay1As(0<x1≤0.44, 0≤y1≤0.98)를 포함하는 광학 소자.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 양자장벽층은 GaAsx2P1 -x2(0.28≤x2≤1) 또는 Inx2Ga1 -x2P(0≤x2≤0.34) 또는Gax2In1-x2Asy2P1- y2(0.5≤x2≤0.8, 0.4≤y2≤0.77)를 포함하는 광학 소자.
  16. 제10항에 있어서,
    상기 상부 반사층과 상기 하부 반사층 중에서 적어도 하나의 내부에 적어도 하나의 마이크로 캐비티층이 더 구비되며,
    상기 광학 소자의 공진 파장을 λ라 할 때, 상기 마이크로 캐비티층은 λ/2의 정수배의 광학적 두께를 갖는 광학 소자.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 상부 반사층과 상기 하부 반사층은 광학적 두께가 각각 λ/4이고 굴절률이 서로 다른 제1굴절률층과 제2굴절률층이 교번 적층된 DBR 층인 광학 소자.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 마이크로 캐비티층은 제1굴절률층과 제2굴절률층 중에서 어느 하나와 동일한 재료로 이루어지는 광학 소자.
  19. 피사체에 880nm에서 1600nm사이의 파장 대역의 적외선 광을 조사하는 광원;
    상기 피사체로부터 반사된 상기 적외선 광을 변조하는 것으로, 상기 제10항 내지 제18항 중 어느 한 항의 광학 소자를 구비하는 투과형 광 변조기;
    상기 투과형 광 변조기에 의해 변조된 광을 센싱하여 전기적 신호로 변환하는 제1 이미지센서; 및
    상기 제1 이미지센서에서의 출력으로부터 깊이 정보를 산출하는 신호 처리부;를 포함하는 깊이 영상 획득 장치.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 피사체로부터 반사된 상기 적외선 광을 상기 투과형 광 변조기에 집광하는 렌즈가 더 구비된 깊이 영상 획득 장치.
  21. 제19항에 있어서,
    상기 렌즈부와 상기 투과형 광 변조기 사이에, 상기 광원에서 조사되는 파장 대역의 광만을 투과시키는 대역 투과필터(bandpass filter)가 더 구비되는 깊이 영상 획득 장치.
  22. 피사체에 880nm에서 1600nm사이의 파장 대역의 적외선 광을 투사하는 광원;
    상기 피사체로부터 반사된 상기 적외선 광을 변조하는 것으로, 상기 제10항 내지 제18항 중 어느 한 항의 광학 소자를 구비하는 투과형 광 변조기;
    상기 투과형 광 변조기에 의해 변조된 광을 센싱하여 전기적 신호로 변환하는 제1 이미지센서;
    상기 피사체로부터 반사된 가시광을 포커싱하여 광학 상을 형성하는 촬영 렌즈;
    상기 촬영 렌즈에 의해 형성된 광학 상을 전기적 신호로 변환하는 제2 이미지센서;
    상기 제1 이미지센서 및 제2 이미지센서로부터 각각 출력되는 전기적 신호들로부터 깊이 정보 및 컬러 정보를 산출하여 상기 피사체의 3차원 영상을 생성하는 3차원 영상신호 처리부;를 포함하는 3차원 영상 획득 장치.
  23. 제19항에 있어서,
    피사체에서 반사된 광 중, 적외선광이 상기 제1 이미지센서를 향하고, 가시광이 제2 이미지센서를 향하도록 분기하는 빔스플리터가 더 구비된 3차원 영상 획득 장치.
  24. 제23항에 있어서,
    상기 빔스플리터와 상기 투과형 광 변조기 사이에, 상기 빔스플리터로부터 분기된 적외선 광을 상기 투과형 광 변조기에 집광하는 렌즈가 더 구비된 3차원 영상 획득 장치.
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