KR20170011536A - 분광 센서, 이를 이용한 분광 장치 및 분광 방법 - Google Patents
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Abstract
입사되는 광에 따라 적어도 두 개 이상의 서로 다른 감광 곡선을 갖는 분광 센서와 상기 분광 센서에서 출력되는 신호를 디지털 신호처리하여 상기 입사되는 광의 스펙트럼 정보를 복구하는 디지털 처리부를 구비한 분광 장치 및 상기 분광 센서를 이용한 분광 방법이 개시된다. 분광 센서의 각 검출기는, 하나 이상의 반도체 층으로 이루어지며 입사된 빛을 흡수하여 전류를 발생시키도록 구성된 감지층을 포함하는 에피 구조체를 포함하고, 상기 에피 구조체는 상기 반도체 층 중 적어도 어느 하나에 수직방향으로 복수의 나노 구조체를 형성한 것일 수 있다. 상기 분광 센서는 광 필터부에 의한 입사 스펙트럼의 투과도 감소를 방지할 수 있고, 입사 스펙트럼의 투과도 감소에 따른 광 전류의 감소를 차단하여 신호대 잡음비를 향상시킬 수 있으며, 랜덤 잡음이 혼합되는 것을 차단하여 디지털 신호처리의 성능을 개선할 수 있는 장점이 있다.
Description
본 발명은 분광 센서, 이를 이용한 분광 장치 및 분광 방법에 관한 발명으로서, 더욱 상세하게는 입사되는 광에 따라 적어도 두 개 이상의 서로 다른 감광 곡선을 갖는 분광 센서와, 상기 분광 센서에서 출력되는 신호를 디지털 신호처리하여 상기 입사되는 광의 스펙트럼 정보를 복원하는 디지털 처리부를 구비한 분광 장치, 및 상기 분광 센서를 이용한 분광 방법에 관한 것이다.
분광 장치는 광학, 화학, 해양공학 등 다양한 산업 분야 전반에 걸쳐서 핵심 기구로 사용되고 있으며, 시료를 투과하거나 반사하는 스펙트럼의 세기를 측정하여 그 정보를 그래프 혹은 스펙트럼 형태로 나타낸다.
이러한 분광 장치가 물체의 정보를 정확하고 세밀하게 나타내는 정도를 해상도(resolution)라고 하며, 상기 해상도는 분광기의 성능을 평가하는 중요한 요소로서 평가된다.
분광 장치 중에서 소형(miniature) 분광 장치는, 기존의 분광계 중에서 공간부피를 많이 차지하는 프리즘이나 회절격자를 필터 장치를 사용하여 소형화하는데, 휴대용으로 편리하게 사용할 수 있으며, 상기한 필터 장치는 필터를 배열해서 한 곳에 집약하여 생산할 수 있다.
나노 공정을 이용한 필터 장치 기술은 분광 장치의 크기를 초소형화하고, 이에 따른 대량 생산으로 생산가격을 크게 절감시킬 수 있으며, 이러한 공정으로 생산된 소형 분광 장치는 실험실 밖 산업 현장에서 물질의 특성을 실시간으로 측정하는데 큰 도움이 된다.
또한, 컴퓨터 또는 다른 전자 기기와도 쉽게 접목하여 함께 사용할 수 있고, 이 밖에도 필터 장치 기반의 분광 장치는 광원의 스펙트럼 정보를 단시간에 측정할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 분광 센서의 구성을 나타낸 분해 사시도이고, 도 2는 종래 기술에 따른 분광 센서의 구조를 나타낸 단면도로서, 분광 센서(10)는 광 필터부(11)와 광 센서부(12)로 구성되고, 상기 분광 센서(10)로 입사하는 광 스펙트럼은 상기 광 필터부(11)로 입사되며, 상기 광 필터부(11)에 대응하는 광 센서부(12)에 도달하여 전기신호로 변환된다.
상기 분광 센서(10)를 더욱 상세하게 설명하면, 상기 광 센서부(12)는 PN-접합 반도체로서, 일측은 N형 반도체(12a)로 구성되고, 타측은 P형 반도체(12b)로 구성되어 상기 광 센서부(12)로 빛이 입사되면, 상기 PN-접합된 반도체의 내부에 입사광에 의한 전자-정공 쌍이 생성되며, 상기 생성된 전자-정공 쌍을 통해 상기 PN-접합 반도체에 연결된 상부 전극(12c)과 하부 전극(12d)에 전류가 발생하여 로드 저항(20)을 거쳐 전압이 발생된다.
그러나 이러한 종래의 분광 센서(10)는 광 필터부(11)에 의해 입사광의 스펙트럼 투과도가 감소하여 입사광에 비례한 전자-정공 쌍이 생성되는 광 센서부(12)의 광전류를 감소시켜 신호대 잡음비(S/R)가 감소하는 문제점이 있다.
또한, 도달할 수 있는 해상도의 한계는 광 필터부에서 필터의 개수에 의해 결정될 수 있기 때문에, 해상도를 증가시키기 위해서는 필터의 개수를 늘리는 것이 가능하지만, 물리적인 제약조건과 스펙트럼의 왜곡 등의 문제로 인하여 광 필터부의 필터 수를 늘리는 것은 현실적으로 어려운 문제가 있다.
또한, 해상도를 결정짓는 다른 요소로서 광필터의 투과율 함수(transmittance function)가 있는데, 실제로 저 비용의 나노 공정 필터 장치에 있어서, 광필터의 투과율 함수는 목적 파장에 대해 델타함수(delta-function)를 갖지 않는 비이상적(non-ideal)이기 때문에, 이들 비이상적 광 필터부는 광신호 본래의 스펙트럼 정보를 왜곡시키게 되어 광신호 본래의 스펙트럼 정보를 알아내기 위해서는, 입력신호의 스펙트럼 성분에 대하여 디지털 신호처리가 수행될 필요가 있다.
그러나 광 필터부와, 광 센서부를 이용한 디지털 신호처리 과정에서 광 필터부에 의한 랜덤 잡음과 광 센서부에 의한 랜덤 잡음이 혼합되어 디지털 신호처리의 성능을 감소시키는 문제점이 있다.
한편, 디지털 신호처리방법의 방법으로는, 공개특허공보 제10-2014-0011829호(발명의 명칭: 분광계의 광 신호 처리 방법 및 그 장치)가 소개된 바가 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 입사되는 광에 따라 적어도 두 개 이상의 서로 다른 감광 곡선을 갖는 분광 센서와 상기 분광 센서에서 출력되는 신호를 디지털 신호처리하여 상기 입사되는 광의 스펙트럼 정보를 복구하는 디지털 처리부를 구비한 분광 센서, 및 이를 이용한 분광 장치 및 분광 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 분광 센서는 복수 개의 검출기를 포함하되, 각 검출기는, 제1 전극; 제2 전극; 및 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 사이에 전기적으로 연결되며, 입사된 빛을 흡수하여 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 사이에 전류를 발생시키도록 구성된 감지층, 및 상기 감지층에 형성된 복수의 패턴부를 포함하는 에피 구조체를 포함한다. 이때, 상기 복수 개의 검출기의 상기 에피 구조체는 서로 상이한 구조를 갖는다.
일 실시예에 따른 분광 센서는, 상기 복수 개의 검출기는 상기 패턴부의 길이, 상기 패턴부의 지름, 상기 복수의 패턴부 사이의 간격 중 하나 이상이 서로 상이한 것을 특징으로 한다.
일 실시예에 따른 분광 센서는, 상기 복수 개의 검출기가 평면 상에 어레이 형태로 배열되는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에 따른 분광 센서는, 상기 감지층이 광전도성 물질로 이루어진 것을 특징으로 한다.
일 실시예에 따른 분광 센서는, 상기 감지층이 불순물을 도핑한 제 1 반도체 층; 및 상기 제 1 반도체 층의 불순물과 상이한 불순물로 도핑되며 상기 제1 반도체 층과 접합층을 형성하는 제 2 반도체 층을 포함하는 것을 특징으로 한다. 이때, 상기 제 1 및 제 2 반도체 층은 PN-접합 또는 PIN-접합 중 어느 하나를 형성할 수 있다.
또한, 일 실시예에 따른 분광 센서에서 상기 패턴부는 나노 막대, 나노 바늘, 나노 튜브, 나노 구멍 중 어느 하나인 것을 특징으로 한다.
또한, 일 실시예에 따른 분광 센서에서 상기 제 2 전극은 가시광 및 근적외선 파장에 적용할 수 있는 반도체 재료를 사용하는 경우 ITO(Indium Tin Oxide), IZO(Indium Zinc Oxide) 또는 ZnO(Zinc Oxide) 중 어느 하나에 주기율표상의 III족 금속 원소가 도핑된 재료를 포함하는 것을 특징으로 하고, 상기 III족 금속 원소는 Al, Ga, In, B 중 어느 하나의 양이온성 금속 원소인 것을 특징으로 한다.
또한, 일 실시예에 따른 분광 센서에서 상기 제 2 전극은 제 1 및 제 2 반도체 층의 재료와 상기 제 1 및 제 2 반도체 층에 입사되는 광의 파장 대역에 따라 임의의 투과 영역을 형성하는 투명 전극인 것을 특징으로 한다.
또한, 일 실시예에 따른 상기 분광 센서는 상기 복수의 패턴부 사이에 설치되어 상기 패턴부가 무너지는 것을 방지하는 유전체를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 일 실시예에 따른 분광 센서는 상기 패턴부의 길이(d1)가 1㎛ 내지 10㎛인 것을 특징으로 한다.
또한, 일 실시예에 따른 분광 센서는 상기 복수의 패턴부가 1㎛ 내지 10㎛ 의 주기로 배열된 것을 특징으로 한다.
또한, 일 실시예에 따른 분광 센서는 상기 패턴부의 지름(d2)과 상기 복수의 패턴부의 배열 주기의 비율은 0.05 내지 0.95 인 것을 특징으로 한다.
또한, 일 실시예에 따른 분광 센서에서 상기 에피 구조체는 입사광의 파장 대역에 따라 서로 다른 반도체 재료를 사용하는 결정질 실리콘의 경우에는 밴드갭이 0.1㎛ 내지 1.1㎛, Ge의 경우에는 밴드갭이 0.8㎛ 내지 1.8㎛, InGaAs의 경우에는 밴드갭이 0.7㎛ 내지 1.7㎛, InSb의 경우에는 밴드갭이 1.0㎛ 내지 5.5㎛, HgCdTe의 경우에는 밴드갭이 1.0㎛ 내지 16.0㎛, InAs의 경우에는 밴드갭이 1.0㎛ 내지 3.0㎛인 반도체 재료를 사용하는 것을 특징으로 한다.
또한, 일 실시예에 따른 분광 센서는 상기 에피 구조체로 상기에 언급한 반도체 재료에 Ni, Fe 등과 같은 금속을 첨가하여 밴드갭을 조절할 수 있는 재료를 사용할 수도 있다.
또한, 일 실시예에 따른 분광 센서는 상기 제 1 및 제 2 반도체 층은 PN-접합 또는 PIN-접합 중 어느 하나를 형성하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에 따른 분광 장치는, 입사광에 대한 감광 곡선이 서로 상이한 복수 개의 검출기를 포함하는 분광 센서; 및 상기 분광 센서의 출력 신호를 처리하여 상기 입사광의 스펙트럼 정보를 복원하도록 구성된 신호 처리부를 포함한다. 이때, 상기 각 검출기는, 제1 전극; 제2 전극; 및 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 사이에 전기적으로 연결되며, 입사된 빛을 흡수하여 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 사이에 전류를 발생시키도록 구성된 감지층, 및 상기 감지층에 형성된 복수의 패턴부를 포함하는 에피 구조체를 포함한다.
또한, 일 실시예에 따른 분광 장치에서 상기 신호 처리부는 DSP 칩으로 구현하는 것을 특징으로 한다.
또한, 일 실시예에 따른 분광 장치는 상기 신호 처리부에서 복원된 입사광의 스펙트럼 정보를 임의의 포맷으로 변환하여 출력하도록 구성된 분광 신호 출력부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에 따른 분광 방법은, 입사된 빛을 흡수하여 전류를 발생시키도록 구성된 감지층, 및 상기 감지층에 형성된 복수의 패턴부를 포함하는 에피 구조체를 갖는 복수 개의 검출기를 제공하는 단계로서, 상기 복수 개의 검출기의 상기 에피 구조체는 서로 상이한 구조를 갖는, 상기 복수 개의 검출기를 제공하는 단계; 상기 복수 개의 검출기에 입사광을 입사시키는 단계; 상기 복수 개의 검출기가 상기 입사광을 흡수하고 상기 에피 구조체에 전기적으로 연결된 전극을 통해 신호를 출력하는 단계로서, 상기 복수 개의 검출기는 적어도 부분적으로 서로 상이한 파장의 빛을 흡수하는, 상기 신호를 출력하는 단계; 및 출력된 상기 신호를 처리하여 상기 입사광의 스펙트럼 정보를 복원하는 단계를 포함한다.
일 실시예에 따른 분광 방법에서, 상기 전극을 통해 신호를 출력하는 단계는, 광전도성 물질로 이루어진 상기 감지층이 빛을 흡수함으로써 상기 전극에 전류를 발생시키는 단계를 포함한다.
또한, 일 실시예에 따른 분광 방법에서, 상기 전극을 통해 신호를 출력하는 단계는, PN-접합 또는 PIN-접합 중 어느 하나로 구성된 상기 감지층이 빛을 흡수함으로써 상기 전극에 전류를 발생시키는 단계를 포함한다.
본 발명의 일 측면은 광 필터부에 의한 입사 스펙트럼의 투과도 감소를 방지할 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 일 측면은 입사 스펙트럼의 투과도 감소에 따른 광 전류의 감소를 차단하여 신호대 잡음비를 향상시킬 수 있으며, 랜덤 잡음이 혼합되는 것을 차단하여 디지털 신호처리의 성능을 개선할 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 일 측면은 종래의 필터와 검출기를 일체와 할 수 있어서 제조 및 공정 비용을 감소시켜 저가의 소형 분광기를 제공할 수 있는 장점이 있다.
도 1 은 종래 기술에 따른 분광 센서의 구성을 나타낸 분해 사시도.
도 2 는 종래 기술에 따른 분광 센서의 구조를 나타낸 단면도.
도 3 은 본 발명의 일 실시예에 따른 분광 센서를 나타낸 사시도.
도 4 는 도 3에 따른 분광 센서의 구조를 나타낸 단면도.
도 5 는 본 발명의 일 실시예에 따른 분광 센서에 가시광선이 입사된 경우의 흡수율 변화를 산출한 그래프.
도 6 은 도 5에 따른 계산 결과 중 64개의 분광 센서 어레이를 통해 산출한 단일 피크 신호 스펙트럼에 대한 복원 결과를 나타낸 그래프.
도 7 은 도 5에 따른 계산 결과 중 64개의 분광 센서 어레이를 통해 산출한 다중 피크 신호 스펙트럼에 대한 복원 결과를 나타낸 그래프.
도 8 은 도 5에 따른 계산 결과 100개의 분광 센서 어레이를 통해 산출한 다중 피크 신호 스펙트럼에 대한 복원 결과를 나타낸 그래프.
도 9 는 본 발명의 일 실시예에 따른 분광 센서를 이용한 분광 장치를 나타낸 블록도.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 분광 방법의 순서도.
도 2 는 종래 기술에 따른 분광 센서의 구조를 나타낸 단면도.
도 3 은 본 발명의 일 실시예에 따른 분광 센서를 나타낸 사시도.
도 4 는 도 3에 따른 분광 센서의 구조를 나타낸 단면도.
도 5 는 본 발명의 일 실시예에 따른 분광 센서에 가시광선이 입사된 경우의 흡수율 변화를 산출한 그래프.
도 6 은 도 5에 따른 계산 결과 중 64개의 분광 센서 어레이를 통해 산출한 단일 피크 신호 스펙트럼에 대한 복원 결과를 나타낸 그래프.
도 7 은 도 5에 따른 계산 결과 중 64개의 분광 센서 어레이를 통해 산출한 다중 피크 신호 스펙트럼에 대한 복원 결과를 나타낸 그래프.
도 8 은 도 5에 따른 계산 결과 100개의 분광 센서 어레이를 통해 산출한 다중 피크 신호 스펙트럼에 대한 복원 결과를 나타낸 그래프.
도 9 는 본 발명의 일 실시예에 따른 분광 센서를 이용한 분광 장치를 나타낸 블록도.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 분광 방법의 순서도.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들에 따른 분광 센서 및 이를 이용한 분광 장치의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.
(분광 센서)
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 분광 센서를 나타낸 사시도이고, 도 4는 도 3에 따른 분광 센서의 구조를 나타낸 단면도이다.
도 3 및 도 4에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 분광 센서(100)는 입사광을 검출하기 위한 복수 개의 검출기(101)를 포함한다. 복수 개의 검출기(101)는 평면상에 어레이(array) 형태로 배열될 수도 있다.
복수 개의 검출기(101)는 입사광에 대한 감광 곡선이 서로 상이하다. 이는 각 검출기(101)에 의해 흡수되는 빛의 파장이 다른 검출기에 의해 흡수되는 빛의 파장과 적어도 부분적으로 불일치하는 것을 의미하며, 반드시 각 검출기(101)의 흡수 파장이 조금도 중복되지 않도록 배타적임을 의미하는 것은 아니다. 위와 같이 복수 개의 검출기(101)를 구성한 결과, 분광 센서(100)는 두 개 이상의 서로 다른 감광 곡선을 갖는 특성을 갖는다.
복수 개의 검출기(101) 각각은, 에피 구조체(110)와, 제 1 전극(120)과, 제 2 전극(130)과, 유전체(140)를 포함하여 구성된다.
또한, 상기 에피 구조체(110)는 감지층(111, 112) 및 상기 감지층에 형성된 복수의 패턴부(114)를 포함한다. 감지층(111, 112)은 입사된 빛을 흡수하여 전류를 발생시키기 위한 층으로서, 본 실시예의 감지층은 임의의 불순물을 도핑한 제 1 반도체 층(111)과 상기 제 1 반도체 층(111)의 상부에 상기 제 1 반도체 층(111)의 불순물과 상이한 불순물로 도핑한 제 2 반도체 층(112)을 포함하며, 제1 및 제2 반도체 층(111, 112)은 이들의 사이에 접합층(113)을 형성한다. 또한, 상기 제 1 및 제 2 반도체 층(111, 112) 중 적어도 어느 하나의 반도체 층에 패터닝을 통해 복수의 패턴부(114)가 형성된다. 각각의 패턴부(114)는 수직방향으로 일정 길이가 돌출되도록 형성될 수 있다. 이때, 복수 개의 검출기(101)에 포함된 에피 구조체(110)의 구조는 적어도 부분적으로 서로 상이하며, 그 결과 복수 개의 검출기(101)가 입사광에 대해 서로 상이한 감광 곡선을 갖는다. 각 검출기(101)에서 에피 구조체(110)의 구조를 변화시키는 것에 대해서는 상세히 후술한다.
상기 에피 구조체(110)를 형성하는 반도체 재료는 입사광의 파장 대역에 따라 다른 재료를 사용할 수 있는데, 자외선이나 가시광선, 그리고 근적외선 등을 입사광으로 사용하는 경우에는 밴드갭이 1.1㎛인 결정질 실리콘을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, Ge의 경우에는 밴드갭이 0.8㎛ 내지 1.8㎛, InGaAs의 경우에는 밴드갭이 0.7㎛ 내지 1.7㎛, InSb의 경우에는 밴드갭이 1.0㎛ 내지 5.5㎛, HgCdTe의 경우에는 밴드갭이 1.0㎛ 내지 16.0㎛, InAs의 경우에는 밴드갭이 1.0㎛ 내지 3.0㎛인 반도체 재료를 사용할 수 있다.
또한, 상기한 파장 영역 이외의 파장에서는 해당 파장에 동작 가능한 반도체 재료를 사용할 수 있다.
상기 제 1 반도체 층(111)은 N형(또는 P형) 반도체 층으로 이루어지고, 제 2 반도체 층(112)은 P형(또는 N형) 반도체 층으로 이루어지며, PN-접합 또는 PIN-접합 중 어느 하나의 구조로 이루어진다.
또한, 상기 제 1 및 제 2 반도체 층(111, 112)의 형성 방법은 예를 들면, N형 결정질 실리콘 기판상에 주기율표의 III족에 해당하는 P형 도핑 물질인 붕소(B)와 같은 물질을 스핀 코팅으로 성막한 다음, 열처리를 통해 기판 속으로 확산시켜 형성한다.
또한, P형으로 도핑된 실리콘 기판에 N형 도핑물질을 확산시켜 PN-접합 구조를 형성할 수도 있는데, 이때에는 P형 실리콘 기판에 주기율표의 V족 물질에 해당하는 인(P) 이온을 확산시켜 형성한다.
또한, 상기 PN-접합 구조는 상기한 스핀 코팅과 열처리를 이용한 방법을 통해 형성하는 것에 한정되지 않고, 이온 확산법 등 다양한 방법으로 PN-접합을 형성할 수 있다.
또한, PN-접합뿐만 아니라 PIN-접합에 의한 반도체 구조를 이용할 수도 있으며, 이러한 경우 N형 실리콘 기판이나 P형 실리콘 기판을 사용하지 않고 NI형 또는 PI형 기판을 사용하여 PIN-접합 구조를 형성할 수 있다.
한편, 상기 패턴부(114)는 PN-접합된 제 2 반도체 층(112)을 부분적으로 제거함으로써 형성될 수 있다. 예를 들면, 제2 반도체 층(112) 상에 ER(Electron-beam resist)을 도포시킨 다음, 전자빔 식각(Electron-beam lithography) 장치를 이용하여 미세 패턴을 형성한다.
다음으로, 현상(Developing) 과정을 통해 상기 미세 패턴을 제거하며, 여기에 알루미늄(Al)과 같은 금속 박막을 증착시킨 다음, 리프트-오프(Lift-Off) 공정을 이용하여 나머지 ER 부분을 제거함으로써, 상기 알루미늄 미세 패턴만 남고, 나머지는 실리콘이 노출되며, 여기에 선택적 에칭을 통해 일정 길이로 돌출된 패턴부(114)가 형성되도록 한다.
상기 에칭은 ICP-RIE와 같은 장치를 이용하는 건식 에칭법을 이용할 수 있고, 알루미늄으로 덮인 미세 패턴부분과 도핑된 결정질 실리콘으로 되어 있는 나머지 부분 사이에 화학 반응이 다른 에칭액을 이용하여 선택적 에칭을 수행하는 습식 에칭법을 사용할 수도 있다.
그 외에 결정질 실리콘과 같은 재료를 이용하지 않고, 스퍼터링이나 E-beam, 또는 MBE 등과 같은 장치로 반도체 재료를 성막하는 경우에는 나노 임플란트와 같은 다른 나노 구조 제조 공정을 통해 패턴부(114)를 제작할 수도 있으며, 상기 패턴부(114)는 나노 막대, 나노 바늘, 나노 튜브, 나노 구멍 등의 다양한 형상으로 제조할 수 있다.
또한, 상기 패턴부(114)는 에칭을 통해 제 2 반도체 층(112)에만 형성할 수도 있고, 제 1 반도체 층(111)까지 에칭할 수도 있다. 상기 패턴부(114)는 길이(d1)가 1㎛ 내지 10㎛가 되도록 형성할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 상기 복수의 패턴부(114)는 이들의 배열 주기(d2 + d3)가 1㎛ 내지 10㎛ 간격으로 형성되도록 하고, 상기 패턴부(114)의 지름(d2)은 상기 복수의 패턴부(114)의 주기(d2 + d3)에 대한 비율이 0.05 내지 0.95 사이가 되도록 형성될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
일 실시예에서는, 상기 패턴부(114)는 높은 종횡비(Aspect ratio)로 인해 그 구조가 무너질 가능성이 있으므로, 이를 방지하기 위해 상기 복수의 패턴부(114)의 사이에 유전체(140) 물질을 삽입할 수 있다.
상기 유전체(140)는 사용하고자 하는 파장 범위내에서 투명하고, 전도성이 없는 성질만 있으면, 어떠한 유전체 물질도 사용할 수 있으며, 공정이나 반도체 재료에 맞는 여러 가지 유전체 물질을 사용해도 무방하다.
상기 제 1 전극(120)은 제 1 반도체 층(111)에 전기적으로 연결되도록 설치되고, 상기 제 2 전극(130)은 제 2 반도체 층(112)에 전기적으로 연결되도록 설치된다. 각각의 검출기(101)가 제1 및 제2 전극(120, 130)을 포함하는 것으로 설명하였으나, 복수의 검출기(101)는 하나의 전극 층을 공유할 수도 있으며, 이때 제1 및 제2 전극(120, 130)이란 각 검출기(101)를 구성하는 상기 전극 층의 일부 영역을 지칭하는 것일 수도 있다.
일 실시예에서, 상기 제 2 전극(130)은 실린더 형상의 패턴부(114) 전체를 연결하도록 설치되고, 상기 패턴부(114)의 내부까지 입사광을 투과시킬 수 있도록 투명성을 유지한 투명 전극으로 이루어진다.
일 실시예에서, 상기 제 2 전극(130)은 ITO(Indium Tin Oxide), IZO(Indium Zinc Oxide), ZnO(Zinc Oxide)에 주기율표상의 III족 금속 원소가 도핑된 재료로서, Al, Ga, In, B 등의 III족 양이온성 금속 원소가 도핑된 재료를 사용해도 무방하다.
또한, 상기 제 2 전극(130)은 적용 파장이 중적외선 등의 파장범위인 경우에는 사용 파장에 맞는 투명 도전막을 사용해도 무방하다.
분광 센서(100)의 각 검출기(101)의 에피 구조체(110)에서 입사광을 흡수함으로써 제1 및 제2 전극(120, 130) 사이에 전류가 발생되며, 발생된 전류는 제1 및 제2 전극(120, 130)을 통해 출력되는 신호의 형태로 분광 센서(100)로부터 출력된다. 이때, 복수의 검출기(101)는 서로 상이한 감광 곡선을 가지므로, 각각의 검출기(101)에서 출력되는 출력 신호는 서로 상이한 파장의 입사광에 대응된다.
이상에서 설명한 실시예에 따른 분광 센서에서, 각 검출기(101)의 에피 구조체(110)는 감지층으로서 PN-접합 또는 PIN 접합을 형성하는 제1 및 제2 반도체 층(111, 112)을 포함하였다. 한편 다른 실시예에서, 각 검출기(101)의 에피 구조체(110)의 감지층은 광전도도(photoconductivity)에 의해 광을 검출하는 광전도성 물질로 이루어진 단일층일 수도 있다. 이러한 경우에 PN-접합, 혹은 PIN-접합에 의한 다이오드로 구성된 감지층에 비하여 광 감도는 감소하지만 제작이 단순해지는 이점이 있다. 광전도성 물질로 이루어진 감지층의 재료로는 제1 및 제2 반도체 층(111, 112)의 재료로서 전술한 반도체 재료 중 임의의 물질이 사용될 수 있다.
도 5 내지 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 분광 센서에 입사된 가시광선의 흡수율 변화와, 검출기 어레이를 통해 산출되는 신호 스펙트럼에 대한 복원 결과를 나타낸 그래프이다.
실험을 위해 적용된 입사광의 파장은 380㎚ 내지 760㎚의 가시광 영역이고, 분광 센서(100)의 검출기(101)에 형성된 패턴부(114)의 높이는 3㎛이며, 상기 패턴부(114) 사이의 거리(d3; 도 4)는 1㎛인 상태에서, 각 검출기(101)별로 원통형 패턴부(114)의 지름을 100㎚ 내지 500㎚의 범위에서 4㎚씩 증가시켜가면서 100 가지의 서로 상이한 감광 곡선을 갖는 검출기(101)를 가정하고 결과를 산출했다.
또한, 계산의 편의를 위해 에피 구조체(110)에 설치된 유전체(140)는 굴절률을 '1'로 설정하였고, N형 실리콘과 P형 실리콘 재료의 광학 상수는 동일하게 설정했으며, 계산에 사용된 전산모사는 엄밀한 결합 파동 해석(Rigorous Coupled-Wave Analysis: RCWA) 방식을 사용했다.
도 5에 도시된 바와 같이, 지름을 달리하는 나노 막대 형태의 에피 구조체에서 각기 다른 스펙트럼 흡수 분포를 갖는 것을 알 수 있다. 위에서는 패턴부(114)의 지름에 의하여 각 검출기(101)에서 에피 구조체(110)의 구조를 상이하게 하는 것으로 설명하였다. 그러나 이는 예시적인 것으로서, 다른 실시예에서는 패턴부(114) 사이의 간격, 패턴부(114)의 길이, 또는 다른 상이한 구조적인 특징을 이용하여 각 검출기(101)에서 에피 구조체(110)의 구조가 상이하게 함으로써 각 검출기(101)가 상이한 감광 곡선을 갖도록 할 수도 있다.
한편, 상기 나노 막대 구조를 형성한 에피 구조체에서 흡수한 모든 에너지가 PN-접합 구조 내에서 전자-정공 쌍을 생성하는데 사용되며, 이러한 전자-정공 쌍은 다른 손실 없이 모두 전기신호로 변환된다고 가정하고 이를 64개(8x8), 100개(10x10)의 어레이 검출기 쌍으로 복원한 결과를 도 6 내지 도 8에 도시하였다.
도 6은 단일 피크의 광 스펙트럼 신호가 입사된 경우 64개의 검출기 어레이를 포함하는 분광 센서를 이용한 신호 복원으로써, 64개의 검출기 어레이를 이용할 경우 신호가 충분히 복원된 것을 알 수 있다.
또한, 도 7은 다중 피크 신호 스펙트럼 신호가 입사된 경우 64개의 검출기 어레이를 포함하는 분광 센서를 이용한 신호 복원으로써, 입력 신호 스펙트럼이 복잡할 경우 64개의 검출기 어레이를 이용한 신호 복원은 원래 신호 대비 일정 값의 에러율이 발생하였고, 이러한 에러율은 100개의 검출기 어레이를 이용하면, 도 8과 같이 신호의 에러율이 감소하는 것을 알 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시예들에 따라 적어도 두 개 이상의 서로 다른 감광 곡선을 갖는 분광 센서를 구성함으로써, 종래의 분광 센서에서와 같이 광 필터부에 의한 입사 스펙트럼의 투과도 감소가 발생하는 것을 방지할 수 있고, 입사 스펙트럼의 투과도 감소에 따른 광 전류의 감소를 차단하여 신호대 잡음비를 향상시킬 수 있게 된다.
(분광 장치)
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 분광 장치를 나타낸 블록도로서, 도 3, 도 4 및 도 9를 참조하여 본 실시예에 따른 분광 장치를 설명한다.
우선 분광 센서(100)와 관련한 동일한 구성요소에 대한 반복적인 설명은 생략하고, 동일한 구성요소에 대하여 동일한 도면부호를 사용한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 분광 장치는, 서로 상이한 감광 곡선을 갖는 복수 개의 검출기(101)를 포함하는 분광 센서(100) 및 신호 처리부(200)를 포함하여 구성된다. 각각의 검출기(101)는, 입사된 빛을 흡수하여 전류를 발생시키도록 구성된 감지층 및 상기 감지층에 형성된 복수의 패턴부를 포함하는 에피 구조체(110), 및 상기 에피 구조체(110)에서 흡수한 입사광을 전기신호로 변환하여 출력하기 위한 제1 및 제2 전극(120, 130)을 포함한다.
일 실시예에서, 감지층은 불순물을 도핑한 제 1 반도체 층(111)과 상기 제 1 반도체 층(111)의 상부에 상기 제 1 반도체 층(111)의 불순물과 상이한 불순물로 도핑한 제 2 반도체 층(112)이 접합층(113)을 형성하도록 구성될 수 있으며, 이때 상기 제 1 및 제 2 반도체 층(111, 112) 중 적어도 어느 하나에 수직방향으로 복수의 패턴부(114)가 형성될 수 있다. 그러나 이는 예시적인 것으로서, 다른 실시예에서 감지층은 광전도성 물질로 이루어진 단일층일 수도 있다.
일 실시예에서, 분광 장치는 분광 신호 출력부(300)를 더 포함하여 구성된다.
상기 분광 센서(100)는 복수의 검출기(101)가 예를 들면, 64개(8x8), 100개(10x10) 등의 어레이로 배열된 형태를 가질 수 있다.
상기 신호 처리부(200)는 분광 센서(100)의 제 1 및 제 2 전극(120, 130)과 전기적으로 연결되어, 상기 분광 센서(100)에서 출력되는 신호를 처리하여 상기 입사광의 스펙트럼 정보가 복원되도록 하는 구성이다. 예를 들어, 상기 신호 처리부(200)는 디지털 신호처리를 위한 DSP(Digital Signal Processor) 칩으로 구현될 수 있다.
상기 분광 신호 출력부(300)는 신호 처리부(200)에서 복원된 입사광의 스펙트럼 정보를 임의의 그래프 및 분석 정보를 포함한 포맷으로 변환하여 출력하는 구성이다. 예를 들어, 분광 신호 출력부(300)는 상기 스펙트럼 정보를 분석하여 제공하는 분석 프로그램을 설치한 마이크로 프로세서 또는 컴퓨터일 수 있다.
따라서 분광 센서(100)에 임의의 파장을 갖는 빛이 입사하면 각각 스펙트럼 반응 곡선을 달리하는 개별 검출기(101)에서 광 에너지를 흡수하여 PN-접합 구조 내에서 스펙트럼별 입사광량에 따른 전자-정공의 생성을 유도하여 이를 전기에너지로 변환시켜 신호 처리부(200)에서 분해능을 향상시켜 본래의 입사 스펙트럼 신호를 복원할 수 있게 한다.
또한, 복원된 입사광의 스펙트럼 정보를 임의의 그래프 및 분석 정보를 포함한 포맷으로 변환하여 출력함으로써, 용이하게 확인할 수 있게 된다.
(분광 방법)
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 분광 방법의 순서도로서, 도 3, 도 4 및 도 10을 참조하여 본 실시예에 따른 분광 방법을 설명한다.
먼저 감지층 및 패턴부(114)를 포함하는 에피 구조체(110)를 갖는 복수 개의 검출기(101)를 제공한다(S1). 감지층은 PN-접합 또는 PIN-접합 중 어느 하나를 형성하는 제1 및 제2 반도체 층(111, 112)을 포함할 수 있다. 또는, 감지층은 광전도성 물질로 된 단일층으로 구성될 수도 있다. 또한, 복수 개의 검출기(101)는 서로 상이한 에피 구조체(110)의 구조를 가져, 입사광에 대한 감광 곡선이 서로 상이하도록 구성된다.
위와 같이 구성된 복수 개의 검출기(101)에 입사광을 입사시킨다(S2). 입사광은 검출기(101)의 에피 구조체(110)에 의해 흡수되어 감지층의 내부에 입사광에 의한 전자-정공 쌍이 생성되며, 이에 의하여 에피 구조체(110)에 전기적으로 연결된 제1 및 제2 전극(120, 130)을 통해 흐르는 전류 형태인 출력 신호가 생성된다(S3). 이때, 복수 개의 검출기(101)의 감광 곡선은 서로 상이하므로 각 검출기(101)는 다른 검출기와 적어도 부분적으로 상이한 파장의 입사광을 흡수하여 출력 신호를 생성한다.
일 실시예에서는, 복수 개의 검출기(101)에 의한 출력 신호를 처리하여 입사광의 스펙트럼 정보를 복원한다(S4). 예를 들어, 디지털 신호처리를 위한 DSP(Digital Signal Processor) 칩 등을 이용하여 출력 신호를 처리할 수 있다. 또한, 입사광의 스펙트럼 정보를 임의의 그래프 및 분석 정보를 포함한 포맷으로 변환하여 출력할 수도 있다.
상기와 같이, 본 발명의 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술 분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
또한, 본 발명의 실시예를 설명하는 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있으며, 상술된 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있으므로, 이러한 용어들에 대한 해석은 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
100 : 분광 센서
101 : 검출기
110 : 에피 구조체
111 : 제 1 반도체 층
112 : 제 2 반도체 층
112a : 나노 막대
113 : 접합층
120 : 제 1 전극
130 : 제 2 전극
140 : 유전체
200 : 신호 처리부
300 : 분광 신호 출력부
101 : 검출기
110 : 에피 구조체
111 : 제 1 반도체 층
112 : 제 2 반도체 층
112a : 나노 막대
113 : 접합층
120 : 제 1 전극
130 : 제 2 전극
140 : 유전체
200 : 신호 처리부
300 : 분광 신호 출력부
Claims (21)
- 복수 개의 검출기를 포함하되,
상기 각 검출기는,
제1 전극;
제2 전극; 및
상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 사이에 전기적으로 연결되며, 입사된 빛을 흡수하여 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 사이에 전류를 발생시키도록 구성된 감지층, 및 상기 감지층에 형성된 복수의 패턴부를 포함하는 에피 구조체를 포함하고,
상기 복수 개의 검출기의 상기 에피 구조체는 서로 상이한 구조를 갖는 분광 센서.
- 제 1 항에 있어서,
상기 복수 개의 검출기는 상기 패턴부의 길이, 상기 패턴부의 지름, 상기 복수의 패턴부 사이의 간격 중 하나 이상이 서로 상이한 것을 특징으로 하는 분광 센서.
- 제 1 항에 있어서,
상기 복수 개의 검출기는 평면 상에 어레이 형태로 배열되는 것을 특징으로 하는 분광 센서.
- 제 1 항에 있어서,
상기 감지층은 광전도성 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 분광 센서.
- 제 1 항에 있어서,
상기 감지층은,
불순물을 도핑한 제 1 반도체 층; 및
상기 제 1 반도체 층의 불순물과 상이한 불순물로 도핑되며 상기 제1 반도체 층과 접합층을 형성하는 제 2 반도체 층을 포함하는 분광 센서.
- 제 5 항에 있어서,
상기 제 1 및 제 2 반도체 층은 PN-접합 또는 PIN-접합 중 어느 하나를 형성하는 것을 특징으로 하는 분광 센서.
- 제 1 항에 있어서,
상기 패턴부는 나노 막대, 나노 바늘, 나노 튜브, 나노 구멍 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 분광 센서.
- 제 1 항에 있어서,
상기 제 2 전극은 ITO(Indium Tin Oxide) 또는 IZO(Indium Zinc Oxide), ZnO(Zinc Oxide)에 주기율표상의 III족 금속 원소가 도핑된 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는 분광 센서.
- 제 8 항에 있어서,
상기 III족 금속 원소는 Al, Ga, In, B 중 어느 하나의 양이온성 금속 원소인 것을 특징으로 하는 분광 센서.
- 제 1 항에 있어서,
상기 제 2 전극은 제 1 및 제 2 반도체 층의 재료와 상기 제 1 및 제 2 반도체 층에 입사되는 광의 파장 대역에 따라 임의의 투과 영역을 형성하는 투명 전극인 것을 특징으로 하는 분광 센서.
- 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 에피 구조체는 상기 복수의 패턴부 사이에 설치되어 상기 패턴부가 무너지는 것을 방지하는 유전체를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 분광 센서.
- 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 패턴부의 길이는 1㎛ 내지 10㎛인 것을 특징으로 하는 분광 센서.
- 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 복수의 패턴부는 1㎛ 내지 10㎛ 의 주기로 배열된 것을 특징으로 하는 분광 센서.
- 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 패턴부의 지름과 상기 복수의 패턴부의 배열 주기의 비율은 0.05 내지 0.95 인 것을 특징으로 하는 분광 센서.
- 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 에피 구조체는 입사광의 파장 대역에 따라 결정질 실리콘, Ge, InGaAs, PbS, PbSe, InSb, InAs, HgCdTe, 혹은 상기 반도체 재료 중 어느 하나에 금속을 첨가한 재료로 이루어지는 것을 특징으로 하는 분광 센서.
- 입사광에 대한 감광 곡선이 서로 상이한 복수 개의 검출기를 포함하는 분광 센서; 및
상기 분광 센서의 출력 신호를 처리하여 상기 입사광의 스펙트럼 정보를 복원하도록 구성된 신호 처리부를 포함하되,
상기 각 검출기는,
제1 전극;
제2 전극; 및
상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 사이에 전기적으로 연결되며, 입사된 빛을 흡수하여 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 사이에 전류를 발생시키도록 구성된 감지층, 및 상기 감지층에 형성된 복수의 패턴부를 포함하는 에피 구조체를 포함하는 분광 장치.
- 제 16 항에 있어서,
상기 신호 처리부는 DSP 칩으로 구현하는 것을 특징으로 하는 분광 장치.
- 제 16 항 또는 제 17 항에 있어서,
상기 신호 처리부에서 복원된 입사광의 스펙트럼 정보를 임의의 포맷으로 변환하여 출력하는 분광 신호 출력부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 분광 장치.
- 입사된 빛을 흡수하여 전류를 발생시키도록 구성된 감지층, 및 상기 감지층에 형성된 복수의 패턴부를 포함하는 에피 구조체를 갖는 복수 개의 검출기를 제공하는 단계로서, 상기 복수 개의 검출기의 상기 에피 구조체는 서로 상이한 구조를 갖는, 상기 복수 개의 검출기를 제공하는 단계;
상기 복수 개의 검출기에 입사광을 입사시키는 단계;
상기 복수 개의 검출기가 상기 입사광을 흡수하고 상기 에피 구조체에 전기적으로 연결된 전극을 통해 신호를 출력하는 단계로서, 상기 복수 개의 검출기는 적어도 부분적으로 서로 상이한 파장의 빛을 흡수하는, 상기 신호를 출력하는 단계; 및
출력된 상기 신호를 처리하여 상기 입사광의 스펙트럼 정보를 복원하는 단계를 포함하는 분광 방법.
- 제 19항에 있어서,
상기 전극을 통해 신호를 출력하는 단계는, 광전도성 물질로 이루어진 상기 감지층이 빛을 흡수함으로써 상기 전극에 전류를 발생시키는 단계를 포함하는 분광 방법.
- 제 19항에 있어서,
상기 전극을 통해 신호를 출력하는 단계는, PN-접합 또는 PIN-접합 중 어느 하나로 구성된 상기 감지층이 빛을 흡수함으로써 상기 전극에 전류를 발생시키는 단계를 포함하는 분광 방법.
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