KR20190041952A - 헬름홀츠 공진기를 가지는 광 검출기 - Google Patents
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Abstract
광 검출기(10)는 헬름홀츠 공진기 및 헬름홀츠 공진기의 일부를 형성하는 전계 집중 간격에 배치된 감광성 구조(4)를 포함한다. 이러한 광 검출기는 특히 이미지 응용 분야에 적합하다. 검출될 방사선의 파장은 감광성 구조의 검출 스펙트럼 간격 내에서 헬름홀츠 공진기의 치수에 의해 결정된다.
Description
본 발명은 광 검출기, 이러한 광 검출기의 제조 방법, 및 이미지 센서에 관한 것이다.
광 검출기는 디지털 사진 및 광통신과 같은 많은 응용 분야에서 핵심적인 광전자 구성 요소이다. 각 광 검출기는 전자기 방사선의 플럭스를 검출하고, 이러한 플럭스를 전자 회로에 의해 판독될 수 있는 전기량으로 변환하는 기능을 한다.
현재 가장 일반적으로 사용되는 광 검출기는 CMOS 기술로 제조된 광 다이오드이다. 그러나, 광 다이오드는 입사 전자기 방사선의 파장에 대해 충분한 선택도를 가지지 않는데, 이는 이러한 파장이 검출되는 방사선에 대해 사용되는 반도체의 밴드 갭보다 높은 광자 에너지에 대응하는 것으로 충분하기 때문이다. 또한, 광 다이오드는 전자기 방사선의 편광 상태에 대해서도 선택도를 가지지 않는다. 이러한 이유들 때문에, 상이한 컬러 또는 상이한 편광 상태들을 구별할 수 있는 방사선의 검출이 요구되는 경우, 각각의 광 다이오드는 스펙트럼 필터 또는 편광기와 결합되어야만 한다. 이러한 추가의 광학 구성 요소들은 추가 제조 비용을 발생시키며, 광 검출기에 대하여 특히 컬러 이미지 센서 내에 배치되어야 하므로 어셈블리 복잡도를 증가시킨다.
3-5μm(마이크론) 및 8-14μm 의 스펙트럼 창에서 효율적인 양자 광 검출기는 알려져 있지만, 전형적으로 77K(켈빈)보다 낮은 극저온으로 냉각되어야할 필요가 있다. 이러한 냉각 제약은 특히 일반 대중을 대상으로 한 장치에서 그 사용을 제한하거나 심지어는 방지하며, 실질적으로 그 원가를 증가시킨다.
1/4 파장 안테나 등과 같은, 예를 들어, 슬릿 또는 금속-절연체-금속 구조의 형태를 취하는 1/4 파장 안테나 같이, 0.3μm 내지 15μm의 스펙트럼 밴드에서 효과적인 다른 유형의 광 검출기 또한 알려져 있다. 그러나, 한편으로는 그들의 검출-민감도 레벨, 및 다른 한편으로는 그들의 검출 스펙트럼 간격의 폭 사이에 그들이 가지고 있는 특징들의 조합은 이미징과 같은 응용 분야에서는 적합하지 않다.
또한, 헬름홀츠 전자기장 공진기가 알려져 있다. 이러한 공진기는:
- 전기 절연 볼륨; 및
- 루프 경로의 2개의 인터럽션을 제외하고 절연 볼륨 주위에 루프를 형성하는 적어도 하나의 루프 경로를 따라 상기 절연 볼륨을 둘러싸는 금속 면을 포함하며,
상기 금속 면은, 전계 집중 갭이라고 불리며 루프 경로의 인터럽션을 포함하는 적어도 하나의 갭에 의해 서로 분리된 2개의 전극을 형성한다.
이러한 헬름홀츠 공진기에서, 전계 집중 갭은 두 전극 사이의 두께가 절연 볼륨의 두께보다 작은 두께를 가지며, 이러한 두께는 공통 방향에서 측정된다. 따라서, 전자기 방사선이 공진기 상에 입사할 때, 상기 공진기 내에서 이 방사선에 의해 생성된 전계는 절연 볼륨 내에서보다 전계 집중 갭에서 더 세다.
또한, 통상의 기술자는 전자기 방사선에 대해 요구되는 파장에서 전계 집중 갭에 전계의 공진을 생성하기 위해 공진기 등의 절연 볼륨 및 금속 면의 치수를 어떻게 선택하는지 알고 있다.
이러한 상황에서, 본 발명의 목적 중 하나는, 검출될 전자기 방사선의 편광에 대하여 자유롭게 고를 수 있는 검출 스펙트럼 간격 및 선택도를 가지는 새로운 광 검출기를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 특히 미세한 분해능의 이미지 센서가 생성될 수 있도록 넓은 검출 각도 필드, 및/또는 넓은 검출 단면, 및/또는 작은 치수를 가지는 광 검출기를 제공하는 것이다.
또 다른 목적은 저비용 또는 적당한 비용으로 제조될 수 있으며 작동하기 위해 냉각을 요구하지 않는 광 검출기를 제공하는 것이다.
이를 위해, 본 발명의 제1 양태는 0.3μm 내지 15μm인 파장을 가지는 적어도 하나의 전자기 방사선을 검출하는데 효율적인 헬름홀츠 공진기를 포함하는 광 검출기를 제안한다. 광 검출기는 방사선의 파장이 0.3μm 내지 15μm에서 변할 때 전계 집중 갭에서 전계의 공진을 생성하기에 적합한 치수를 가지는 절연 볼륨 및 금속 면을 가지는 헬름홀츠 공진기를 포함한다.
본 발명의 광 검출기는:
- 적어도 하나의 반도체 재료에 기초하며, 방사선을 흡수하고, 전계 집중 갭 내에 적어도 부분적으로 배치되며, 2개의 전극의 각각의 전극과 전기적으로 접촉하는, 적어도 하나의 감광성 구조; 및
- 상기 2개의 전극에 하나씩 전기적으로 연결되며, 헬름홀츠 공진기 상에 방사선이 입사될 때 상기 감광성 구조에서 발생된 검출 전기적 신호를 전송하는데 적합한, 2개의 출력 전기적 연결부를 더 포함한다.
더 나아가, 감광성 구조는 전계의 공진의 스펙트럼 간격을 포함하는 검출 스펙트럼 간격을 가진다. 음향 도메인과 유사하게, 후자의 조건은 감광성 구조를 공진기로 튜닝하는 조건으로 불릴 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 광 검출기에서, 헬름홀츠 공진기는 전자기 방사선에 의해 발생된 전계를 상승시키는 기능을 한다. 이러한 상승은 전계 집중 갭에서 생성된다. 따라서, 감광성 구조가 이러한 전계 집중 갭에 배치되기 때문에, 광 검출기는 높은 민감도를 가지고, 그러므로 낮거나 심지어는 매우 낮은 세기의 전자기 방사선도 검출할 수 있다.
또한, 헬름홀츠 공진기는 이 방사선의 파장에 대해 효과적으로 입사 전자기 방사선의 필터로서 작동하는 또 다른 기능을 한다. 따라서 헬름홀츠 공진기에 의해 형성된 필터는, 전자기 방사선에 대한 헬름홀츠 공진기의 Q-계수의 상대적으로 낮은 값 덕분에 많은 응용 분야에 대해서, 특히 이미징 응용 분야에서 충분한 공진의 스펙트럼 폭을 가진다.
더욱이, 헬름홀츠 공진기는 방사선의 입사 방향으로 여겨지는 넓은 각도 섹터(angular sector)에서의 입사 전자기 방사선에 민감하기 때문에, 본 발명의 광 검출기 자체는 넓은 검출 각도 필드를 가진다. 따라서, 확장된 방사선의 집광 영역을 가지는 광 검출기 상에 방사선을 포커싱하기 위해 큰 개구수의 렌즈와 연관될 수 있다.
또한, 헬름홀츠 공진기의 사용 덕분에, 광 검출기는 넓은 검출 교차 부분을 가진다.
마지막으로, 본 발명에 따른 광 검출기는 매우 작은 두께를 가질 수 있는데, 특히 검출된 방사선의 파장보다 작은 두께를 가질 수 있다. 이러한 매우 작은 두께는 이하의 추가적인 장점: 매우 낮은 암-전류 값, 감광성 구조에서 사용되는 방사 천이의 더 나은 제어, 드리프트 효과(drift effect)에 의해 지배되는 전기적 전송, 및 매우 짧은 광-지지(photo-support) 천이 시간을 달성할 수 있다.
본 발명에 따른 헬름홀츠 공진기를 포함하는 광 검출기의 제1 구성에서, 전기적 절연 볼륨은 제1 방향으로 직선형이고 길쭉할 수 있으며, 각각의 전계 집중 갭 또한 제1 방향으로 직선형이고 길쭉할 수 있다. 이러한 광 검출기는 전자기 방사선의 편광에 대하여 선택적이며, 주로 선형으로 편광된 방사선, 및 절연 볼륨과 전계 집중 갭의 긴 방향에 평행한 자기장에 민감하다.
본 발명에 따른 헬름홀츠 공진기를 포함하는 광 검출기의 제2 구성에서, 전기 절연 볼륨은 서로 수직인 2개의 직선형이고 길쭉한 브랜치를 가질 수 있다. 이 경우, 절연 볼륨의 각 브랜치에 대해, 바람직하게 각각의 전계 집중 갭은 이러한 브랜치에 직선으로 길쭉하게 평행하고 또한 감광성 구조의 세그먼트를 포함하는 간격 세그먼트를 포함할 수 있다. 이러한 제2 구성을 가지는 광 검출기는 전자기 방사선의 가능한 모든 편광 상태에 대해 동시에 유사한 정도로 민감하다. 따라서, 광 검출기는 모든 편광 상태에 걸쳐 합산된 방사선의 세기를 나타내는 검출 신호를 생성한다.
일반적으로, 헬름홀츠 공진기의 금속 면은, 한편으로는, 바닥면 및 바닥면의 서로 반대되는 양 측면으로부터 연속적으로 연장되는 2개의 측면을 가지는 큐벳을 형성할 수 있고, 또한 한편으로는, 상기 바닥면을 향하여 위치한 커버면을 형성할 수 있다. 이 때, 절연 볼륨은 상기 큐벳의 바닥면과 커버면 사이에 위치하고, 또한 동시에 상기 큐벳의 두 측면 사이에도 위치한다. 더 나아가, 각각의 전계 집중 갭은 커버면의 측면 에지와 상기 큐벳의 한 측면의 에지 사이에 위치하며, 상기 큐벳의 한 측면의 에지는 큐벳의 바닥면의 반대측에 있다. 바람직하게는, 큐벳의 양 측면은 평행하며, 0.05μm 내지 0.25μm의 폭을 포함하는 큐벳에 의해 분리될 수 있다. 동시에, 큐벳의 바닥면과 커버면은 평행하며, 0.03μm 내지 0.25μm의 두께를 포함하는 절연 볼륨에 의해 분리될 수 있다. 이를 위해, 절연 볼륨의 높이 방향은 큐벳의 폭 방향에 수직으로 측정된다.
또한 본 발명에서 일반적으로, 하나의 전극으로부터 다른 전극까지 측정될 때, 각 전계 집중 갭의 두께는 10nm 내지 100nm 일 수 있으며, 상기 각 전계 집중 갭은 해당하는 전계 집중 갭에서 적어도 하나의 전극에 평행하게 측정된 10nm 내지 50nm의 폭을 가진다.
다시 본 발명에서 일반적으로, 각각의 전극은 적어도 부분적으로 이하의 물질: 금, 은, 구리, 알루미늄, 또는 이들 금속 중 적어도 하나를 포함하는 합금 중 하나로 이루어질 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예에서, 각각의 감광성 구조는 PiN 접합, 반도체의 일부, 및 양자 우물 다층 스택 중 하나를 포함할 수 있다.
가능하게는, 광 검출기는 헬름홀츠 공진기에 대하여 고정되게 배치된 수렴 렌즈 구조를 더 포함할 수 있다. 이러한 렌즈 구조는 방사선이 렌즈 구조 상에 입사될 때 헬름홀츠 공진기 상에 상기 방사선을 포커스 할 수 있다. 이 경우, 광 검출기는 또한 방사선에 대해 투명한 물질의 층을 더 포함할 수 있으며, 상기 층은 헬름홀츠 공진기와 렌즈 구조 사이에 배치된다. 이 층은 헬름홀츠 공진기와 렌즈 구조 사이의 스페이서로서 행동한다. 따라서, 헬름홀츠 공진기, 각 감광성 구조, 상기 투명한 물질의 층, 및 렌즈 구조는 모두 단단한 블록 내에 튼튼하게 고정되어 있다. 따라서, 광 검출기의 취급 및 장치로의 그 조립은 용이해진다. 특히, 렌즈 구조는 헬름홀츠 공진기를 향하는 구멍을 구비하고, 또한 호이겐스 렌즈를 형성하기 위해 상기 구멍 둘레에 배치된 슬릿을 구비한, 금속 층을 포함할 수 있다.
본 발명의 제2 양태는 본 발명의 제1 양태에 따른 광 검출기를 제조하는 공정을 제안한다. 이 공정은 다음 단계:
/1/ 임시 지지부 상에 각각의 감광성 구조 및 전기적 절연 물질의 일부를 절연 볼륨으로서 형성한 다음, 상기 감광성 구조 및 절연 볼륨 위에 전극들 중 제1 전극을 형성하는 단계;
/2/ 상기 임시 지지부에 대향하는 제1 전극의 한 측 상에서 최종 지지부를 상기 제1 전극에 본딩하는 단계;
/3/ 상기 임시 지지부를 제거하는 단계; 및
/4/ 상기 최종 지지부에 대향하는 상기 감광성 구조 및 절연 물질의 일부의 측 상에 상기 전극들 중 제2 전극을 증착하는 단계를 포함한다.
마지막으로, 본 발명의 제3 양태는 이미지 센서를 제안하는데, 상기 이미지 센서는:
- 본 발명의 제1 양태에 따른 각 광 검출기의 메트릭스 어레이로서, 상기 광 검출기는 상기 메트릭스 어레이의 행과 열의 교차점에 배치되는, 메트릭스 어레이;
- 각각의 광 검출기를 개별적으로 선택하기에 적합한 어드레싱 시스템;
- 상기 광 검출기가 상기 어드레싱 시스템에 의해 선택될 때, 상기 광 검출기들 중 어느 하나의 2개의 출력 전기적 연결부에 의해 전송된 검출 전기적 신호를 판독하기에 적합한 판독 시스템을 포함한다.
이러한 이미지 센서는 각각의 광 검출기가 광 적외선 범위에 대응하는 0.8μm 내지 15μm의 파장을 포함하는 방사선을 검출하기에 효율적일 때, 2μm 내지 20μm인 행 또는 열 피치를 가질 수 있다.
대안으로, 각각의 광 검출기가 가시광 범위에 대응하는 0.3μm 내지 0.8μm의 파장을 포함하는 방사선을 검출하기에 효율적일 때, 행 또는 열 피치는 0.1μm 내지 2μm 일 수 있다.
본 발명의 다른 특징들 및 장점들은 첨부된 도면을 참조하여 제공되는 비-제한적이고 예시적인 실시예들의 후술하는 설명들로부터 명백해질 것이다.
- 도 1은 본 발명에 따른 광 검출기의 단면도이다.
- 도 2a 및 도 2b는 본 발명에 따른 2개의 상이한 구성을 가지는 2개의 광 검출기의 사시도이다.
- 도 3a는 본 발명에 따른 광 검출기의 감광성 구조에 대한 제1 실시예를 도시하며, 도 3b는 도 3a의 광 검출기에 대한 스펙트럼 반사율의 그래프이다.
- 도 4는 감광성 구조의 제2 실시예에 대하여 도 3b에 대응한다.
- 도 5a 및 도 5b는 감광성 구조의 제3 실시예에 대하여 각각 도 3a 및 도 3b에 대응한다.
- 도 6a 부터 도 6h는 본 발명에 따른 광 검출기의 어레이의 단면도로서, 생산하는 동안, 이러한 광 검출기를 제조하는 공정의 단계를 도시한다.
- 도 7은 렌즈 구조를 구비한 본 발명에 따른 광 검출기의 단면도이다.
- 도 8은 본 발명에 따른 이미지 센서의 사시도이다.
명료함을 위해, 이들 도면에 도시된 요소들의 치수는 실제 치수 또는 실제 치수의 비율에 대응되지 않는다. 또한, 다양한 도면에 표시된 동일한 참조 번호는 동일하거나 동일한 기능을 가지는 요소를 나타낸다.
- 도 2a 및 도 2b는 본 발명에 따른 2개의 상이한 구성을 가지는 2개의 광 검출기의 사시도이다.
- 도 3a는 본 발명에 따른 광 검출기의 감광성 구조에 대한 제1 실시예를 도시하며, 도 3b는 도 3a의 광 검출기에 대한 스펙트럼 반사율의 그래프이다.
- 도 4는 감광성 구조의 제2 실시예에 대하여 도 3b에 대응한다.
- 도 5a 및 도 5b는 감광성 구조의 제3 실시예에 대하여 각각 도 3a 및 도 3b에 대응한다.
- 도 6a 부터 도 6h는 본 발명에 따른 광 검출기의 어레이의 단면도로서, 생산하는 동안, 이러한 광 검출기를 제조하는 공정의 단계를 도시한다.
- 도 7은 렌즈 구조를 구비한 본 발명에 따른 광 검출기의 단면도이다.
- 도 8은 본 발명에 따른 이미지 센서의 사시도이다.
명료함을 위해, 이들 도면에 도시된 요소들의 치수는 실제 치수 또는 실제 치수의 비율에 대응되지 않는다. 또한, 다양한 도면에 표시된 동일한 참조 번호는 동일하거나 동일한 기능을 가지는 요소를 나타낸다.
도 1, 도 2a, 및 도 2b에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 광 검출기(10)는 평면 표면(S)을 가지는 베이스 층(2), 전기 절연 볼륨(1), 커버 부분(3), 및 중간 구조(4)를 가진다. 베이스 층(2)은 바람직하게는 전기 전도도가 높은 금속으로 만들어진다. 예를 들어, 베이스 층(2)은 금(Au) 또는 구리(Cu)로 만들어질 수 있다. 절연 볼륨(1)은 베이스 층(2)에 내장된 실리카(SiO2)와 같은 전기적 절연 물질의 일부로 구성될 수 있는데, 이는 이 부분의 주요 파트를 위함이다. 커버 부분(3)은 또한 금속으로 만들어질 수 있는데, 전기 전도도가 높은 금속으로 만들어지는 것이 바람직하고, 따라서 금으로도 만들어질 수 있다. 따라서, 베이스 층(2)은 서로 대향하는 두 측면(11, 12), 큐벳 바닥면(13), 및 커버 부분(3)의 바닥면(14)을 갖는 그의 표면(S)으로부터 평행 육면체 큐벳 형상을 가지며, 상기 바닥면(14)은 큐벳의 내부를 향해 있다.
중간 구조(4)에 대해서는 이하에서 자세하게 설명한다. 이는 절연 볼륨(1) 주위에서, 베이스 층(2)의 표면(S)과 커버 부분(3)의 바닥면(14) 사이에 위치한다. 이것은 한편으로는 베이스 층(2)과 전기적으로 접촉하고, 다른 한편으로는 커버 부분(3)과 전기적으로 접촉한다. 베이스 층(2)과 커버 부분(3)은 중간 구조(4)의 외부에서 서로 전기적으로 절연되어 있다. 달리 지시되지 않는 한, 그에 따라 중간 구조(4)는 절연 볼륨(1)의 주위에서 연속적이라고 가정될 수 있다. 그러나, 베이스 층(2)과 커버 부분(3)이 중간 구조(4)의 외부에서 서로 전기적으로 절연된다면, 이는 절연 볼륨(1) 주변의 하나 이상의 세그먼트로 제한될 수 있다.
절연 물질의 일부는 표면(S)과 커버 부분(3) 사이에 주변 공간을 형성하는 중간 구조(4)와 함께 베이스 층(2)에 형성된 큐벳을 채운다. 도 1에 나타난 표기는 다음과 같은 의미를 가진다.
wb
방향 D2에 평행한 측면(11)과 측면(12) 사이에서 측정된 절연 볼륨(1)의 폭
hb
방향 D3에 평행한 커버 부분(3)의 바닥면(14)과 큐벳 바닥면(13) 사이에서 측정된 절연 볼륨(1)의 두께
wf
방향 D3에 평행하게 측정된 중간 구조(4)의 두께
hf
방향 D2에 평행하게 측정된 중간 구조(4)의 폭
도 1에 표시된 루프(B)는 베이스 층(2) 및 커버 부분(3)에 포함되고, 상기 베이스(2)와 상기 커버 부분(3) 사이에 위치된 두 위치의 중간 구조(4)를 통과함으로써 절연 볼륨(1)을 둘러싼다. 중간 구조(4)에 포함되는 루프(B)의 각 세그먼트의 길이는 두께(wf)와 실질적으로 동일하다. 또한, 중간 구조(4)의 두께(wf)는 절연 볼륨(1)의 두께(hb) 보다 작고, 바람직하게는 매우 작다. 이러한 조건 하에서, 커버 부분(3)의 주변 에지를 향해 위치한 베이스 층(2)의 표면(S)의 일부는 이러한 커버 에지와 함께 전기 커패시터의 두 전극을 형성한다. 상기 두 커패시터 전극 사이의 중간인 공간은 ZC로 표기된다. 이는 절연 볼륨(1)의 양 측면 사이에 분포되며, 절연 볼륨(1) 내에 존재할 수 있는 전계 세기에 대해 전계가 집중되는 전계 집중 갭을 형성한다. 이러한 전계 집중의 효과는 본 발명의 설명의 일반적인 부분에서 상승으로 여겨진다. 이는 절연 볼륨(1)의 전계의 세기에 대한 상승 계수(G)에 의해 수량화되는데, 상기 상승 계수(G)는 집중 갭(ZC)에서의 전계 세기의 지수의 제곱과 동일하다. 이러한 상승 계수의 근사값은 식 
에 의해 주어지며, λ는 전자기 방사선(R)의 파장이고, εsc는 중간 구조(4)를 형성하는 물질의 진공에 대한 상대 유전율이다.
이러한 구조는, 집중 갭(ZC) 내 전계의 세기를 이러한 전체의 구조 상에 입사하는 전자기 방사선(R)의 파장의 함수로 공진하는 것을 나타내는 헬름홀츠 공진기를 형성한다. 공진의 중간 파장은 통상의 기술자에게 공지된 식: 
에 의해 주어진다. 방금 주어진 G와 λr에 대한 식에서, 도 1의 평면에 수직인, 즉 방향 D1에 평행한 절연 볼륨(1) 및 중간 구조(4)의 길이는 wb, hb, wf,및 hf보다 훨씬 길다고 가정된다. 즉, 절연 볼륨(1)과 중간 구조(4)는 긴 방향이라고 불리는 방향(D1)과 평행하게 길다.
예를 들어, 베이스 층(2)과 커버 부분(3)은 금(Au)으로 만들어지고, 절연 볼륨(1)은 실리카(SiO2)로 만들어지며, 중간 구조(4)의 평균 굴절률은 약 3.5인 경우, 다음의 치수들이 헬름홀츠 공진기에 사용될 수 있다: wb = 0.11μm (마이크론), hb = 0.10μm, wf = 15nm (나노미터), 및 hf = 30nm. 이러한 조건 하에서, 전자기 방사선의 자기장이 긴 방향(D1)에 평행하도록 전자기 방사선이 선형 편광을 가질 때, 공진 파장(λr)은 약 3.25μm와 동일하고, 이러한 파장에 대한 상승 계수(G)는 100보다 크며, 헬름홀츠 공진기의 품질 계수(Q)는 단지 약 10이다. 헬름홀츠 공진기의 이러한 낮은 품질 계수(Q) 값은 광 검출기(10)가 많은 응용 분야, 특히 이미징 응용 분야에 대해 충분한 검출 스펙트럼 폭을 갖게 한다. 또한, λr, G, 및 Q에 대한 이러한 수치는 표면(S)에 수직인 방향(D3)에 대해서 0°(도) 내지 40°사이에서 변화하는 방사선(R)의 입사 방향의 기울기에 대해서는 크게 수정되지 않는다. 이러한 이유들 때문에, 광 검출기(10)는 높은 개구값을 가지는 집광 렌즈와 효율적으로 결합될 수 있다. 따라서, 전자기 방사선(R)의 검출은 확대된 방사선의 집광 영역에서 효과적이다.
전술한 바와 같이, 헬름홀츠 공진기의 효율은, 집중 갭(ZC)에서 방사선(R)의 전계를 상승시킬 때가 상기 방사선이 그의 자기장이 절연 볼륨(1)의 긴 방향과 평행하도록 직선 편광을 소유할 때보다 더 높다. 따라서, 도 2a의 광 검출기(10)는 상기 방사선이 그의 자기장이 방향(D1)에 평행하도록 직선 편광을 가질 때 방사선(R)에 대해 더 높은 민감도를 갖는다.
도 2b의 광 검출기(10)에서, 절연 볼륨(1)은 2개의 브랜치(B1, B2)를 가지는데, 상기 브랜치는 직선형이고 길쭉하며 서로에 대해 직각이고, 각각 방향 D1과 D2에 대해 평행하다. 따라서 방사선의 자기장이 방향(D1)에 평행하도록 상기 방사선이 직선 편광을 가질 때, 브랜치(B1)는 전자기 방사선(R)의 전계를 상승시키는 더 높은 용량을 가진다. 동시에, 방사선의 자기장이 방향(D2)에 평행하도록 상기 방사선이 직선 편광을 가질 때, 브랜치(B2)는 전자기 방사선(R)의 전계를 상승시키는 더 높은 용량을 가진다. 조합에 의해, 광 검출기(10)는 방사선(R)이 편광에 상관없이 상승되도록 하며, 따라서 자연 편광을 가지는 방사선을 검출하는데 특히 적합하다. 바람직하게는, 전계 집중 갭(ZC)은 각 암(B1, B2)의 적어도 한 부분을 따라 연장되고, 따라서 방향 D1 및 D2에 각각 평행하게 직선으로 길쭉한 적어도 2개의 간격 세그먼트를 포함한다.
본 발명에 따라, 적어도 부분적으로 전계 집중 갭(ZC)에 위치된 중간 구조(4)는 감광성이며 한편으로는 베이스 층(2)과 전기적으로 접촉하고, 다른 한편으로는 커버 부분(3)과 전기적으로 접촉한다. 도 2a와 도 2b의 표기(C1, C2)는 2개의 출력 전기적 접촉부를 나타내며, C1은 베이스 층(2), C2는 커버 부분(3)으로 이어진다. 이러한 출력 전기적 접촉부(C1, C2)는 감광성 구조(4)에서 방사선(R)에 의해 생성되는 전기적 접압 또는 전류를, 예를 들어, 판독 회로로 전송하기 위한 것이다. 발명의 설명의 일반적인 부분에서, 베이스 층(2)과 커버 부분(3)은 그 위에 출력 전기적 접촉부(C1, C2)의 배치를 참조하여 전극이라고 불린다.
집중 갭(ZC)에서의 방사선(R) 전계의 상승 효과 덕분에, 감광성 구조(4)에 대하여, 검출 효율은 더 낮지만 더 작은 치수 및/또는 제조하기에 더 간단하고 값싼 실시예를 사용하는 것이 가능하다.
가능한 제1 실시예에서, 본 발명에 따른 광 검출기(10)에 대해, 감광성 구조(4)는 PiN 접합일 수 있으며, 상기 PiN은 하나는 양(positive)으로 도핑되고, 다른 하나는 음(negative)으로 도핑되며, 중간 영역은 고유한(intrinsic) 전기 전도도를 가지는 3개의 구역을 의미하는 약자(acronym)이다. 도 3a에 도시된 바와 같이, 이러한 PiN 접합은 인듐(In), 갈륨(Ga), 및 비소(As)의 합금의 3 개의 층의 스택에 의해 형성될 수 있으며, 상기 스택은 방향 D3를 따라 적층되고, 예를 들어 대략 In0.53Ga0.47As의 화학량론을 가진다. 암전류의 확산 성분을 감소시키기 위해, PiN 접합에 사용되는 합금의 밴드갭보다 더 넓은 밴드갭을 가지는 물질의 2 개의 층, 예를 들어 인듐(In)과 인(P)의 합금의 2개의 층을 추가하는 것이 유리할 수 있다. 구체적으로, 합금 Inq0.53Ga0.47As과 InP의 밴드갭은 각각 0.74 eV (전자 볼트), 1.27 eV이다. 이 때, 감광성 구조(4)는 도 3a에 도시된 구성을 가지는데, 여기서 (P)는 양으로 도핑된 층을 나타내고, (N)은 음으로 도핑된 층을 나타낸다. 도 3a는 또한 나노미터(nm)로 표현되고 방향(D3)을 따라 측정된 두께를 나타내는데, 상기 두께는 감광성 구조(4)의 각 층에 대해 가능한 두께이며, 총 두께는 약 80nm에 대응되고, 이는 위에서 정의된 두께 wf와 동일하다.
이러한 홀름헬츠 공진기의 치수는 상기 공진기가 감광성 구조(4)에 튜닝되도록 선택된다: 공진 파장(λr)에 대응하는 광자 에너지는 kB·T/2를 더한 PiN 접합에 사용된 합금의 밴드갭보다 높고, 여기서 kB는 볼츠만 상수를 나타내고, T는 광 검출기(10)의 동작 온도를 나타내며, 예를 들어 상온에서 사용되는 때에는 300K(켈빈)과 동일하다. 이러한 조건 하에서, 방사선(R)의 자기장이 헬름홀츠 공진기의 긴 방향과 평행할 때, 광 검출기(10)의 최대 민감도에 대응하는 파장은 따라서 얻어지며, 이는 대략 1.650μm와 동일하고, 이러한 파장에 대한 상승 계수(G)는 약 140이다. 상기 헬름홀츠 공진기의 치수는 다음과 같다: wb = 0.080μm, hb = 0.075μm, wf = 80nm, 및 hf = 25nm. 상기 치수들을 가지는 복수의 광 검출기들(10) 사이의 오프셋 피치(p)는 방향 D1 또는 D2로 오프셋되는 동안 표면(S)에 나란히 놓이고, 도 2a 및 도 2b에 따르며, 1.1μm 일 수 있다. 도 3b는 수직 입사의 방사선(R)에 대해 얻어진 광 검출기의 어레이의 반사율의 그래프를 복제한다. 수평축은 마이크론 단위로 표현된 파장 λ의 값을 나타내고, 수직축은 반사로 표기되고 퍼센트 단위로 표현된 반사율의 값을 나타낸다. 방사선(R)의 검출을 허용하는 흡수 공진은 1.65μm의 파장 값에 대응한다.
본 발명 이전에 공지된 다른 광 검출기와 비교하면, 본 발명에서 각 광 검출기의 개별적인 검출 효율은 더 낮을 수 있다. 그러나, 본 발명에서 표면(S)에 평행한 각 광 검출기의 치수는 더 작으며, 이는 이전 광 검출기에서 얻어진 단위 면적 당 검출 효율값보다 더 높은 단위 면적 당 검출 효율값을 허용한다.
감광성 구조(4)의 측면 한계 부근에서 발생하는 기생 전류로 인한 효율 손실을 감소시키기 위해, 감광성 구조(4)는 절연 볼륨(1)과 커버 부분(3) 사이에서 연속적일 수 있고, 및/또는 커버 부분(3)의 측면 에지를 넘어 측 방향으로 돌출될 수 있다.
본 발명에 따른 광 검출기(10)에서 또한 가능한 제2 실시예에서, 감광성 구조(4)는 반도체의 부분일 수 있다. 이 부분은 한편으로는 베이스 층(2)과 접촉하고, 다른 한편으로는 커버 부분(3)과 접촉하며, 따라서 금속-반도체-금속 스택을 형성한다. 이러한 스택에서, 반도체 부분의 기능은 상승된 전계의 에너지를 흡수하고, 두 금속-반도체 인터페이스는 2개의 쇼트키 다이오드를 형성한다. 이러한 감광성 구조(4)의 반도체는 다시 InGaAs의 합금이 될 수 있고, 다음의 치수:wb = 0.060μm, hb = 0.050μm, wf = 30nm, 및 hf = 20nm는 헬름홀츠 공진기의 공진 파장 λr에 대해 다시 얻어지는 1.650μm의 값으로 이어진다. 이 때, 상승 계수(G)는 1.650nm의 공진 파장에서 약 350과 동일하다. 이러한 계수(G)의 값은, 중간 구조(4)의 두께 wf의 작은 값 때문에, 상술한 제1 실시예의 계수(G)의 값보다 높다. 표면(S)에 나란히 놓인 여러 광 검출기의 오프셋 피치(p)에 대해 1.1μm 값이 다시 채택될 수 있다. 도 4는 이러한 조건 하에서 얻어진 반사율 스펙트럼을 도시한다.
이러한 제2 실시예는 각각의 광 검출기(10)에 대해 개별적으로 전술한 제1 실시예보다 낮은 검출 효율 값을 생성할 수 있다. 그러나, 이러한 더 낮은 개별적인 검출 효율값은, 오프셋 피치(p)에 대한 더 작은 값에 대응하는 표면(S)의 광 검출기의 고밀도에 의해 보상될 수 있다.
가능하게는, 이러한 제2 실시예에 따른 광 검출기(10)는 2 개의 축퇴 광자(degenerate photon), 즉 동일한 파장의 2 개의 광자를 포함하는 비선형 흡수 메커니즘을 사용하여 전자기 방사선을 검출하는데 사용될 수 있다. 이 경우, 두 광자의 각각의 에너지는 감광성 구조(4)의 반도체의 밴드갭 폭과 이러한 밴드갭 폭의 절반 사이에 포함된다. 예를 들어, 3μm의 파장에 대응하며 0.41eV과 동일한 광자 에너지는, 반도체 합금 InGaAs가 사용되는 경우에는 그 밴드갭이 약 0.74eV이기 때문에 두 광자의 흡수를 통한 검출을 허용한다. 이 때 헬름홀츠 공진기는 광자의 파장, 즉 현재의 예시에서는 3μm의 파장에서 공진을 생성하도록 치수화되어야한다. 이하의 치수: wb = 0.150μm, hb = 0.135μm, wf = 30nm, 및 hf = 20nm에서, 상승 계수(G)는 3μm의 파장에 대해 약 1950과 같다. 그 다음, 2.0μm의 오프셋 피치(p)는 표면(S) 위에 나란히 놓인 광 검출기(10)들 사이에서 사용될 수 있다. 상승 계수(G)의 제곱은 2개의 축퇴 광자를 포함하는 흡수 메커니즘을 통한 방사선(R) 검출 효율의 계수이고, 본 발명의 제2 실시예에 따르고 2개의 축퇴 광자를 포함하는 이러한 흡수 메커니즘을 구현하는 광 검출기(10)는 특히 더 긴 파장 값의 방사선을 검출하는데 적합할 수 있다.
본 발명에 따른 광 검출기(10)에서 또한 가능한 제3 실시예에서, 감광성 구조(4)는 약어 QWIP(Quantun-well infrared photodetector, 양자 우물 적외선 광 검출기)로 알려진 양자 우물 구조일 수 있다. 전자기 방사선을 검출하기 위한 이러한 양자 우물 구조의 동작 원리는 잘 알려진 것으로 가정되므로, 여기서 반복할 필요는 없다. 만약 필요하다면, 독자는 풍부하고 광범위하게 이용 가능한 관련 과학 문헌을 참조할 수 있다. 이러한 제3 실시예에서, 전기적 바이어스 전압은 출력 전기적 접촉부 C1 및 C2 사이에 인가되어야만 한다는 것이 간단하게 나타난다. 도 5a는 이러한 감광성 구조의 예시를 도시한다. 10nm 두께의 인듐-인 합금 층은 음극을 형성하고, 6nm 두께의 인듐-갈륨-인 합금의 중간층은 양자 우물을 형성하며, 30nm 두께의 인듐-인 합금의 나머지 층은 QWIP 구조의 양극을 형성한다. 이러한 조건 하에서, 상기 감광성 구조(4)는 약 9μm의 파장을 갖는 전자기 방사선을 검출하는데 효율적이다. 헬름홀츠 공진기를 이러한 검출 파장 값으로 튜닝하는데 이하의 치수가 사용될 수 있다: wb = 0.500μm, hb = 0.620μm, wf = 46nm, 및 hf = 20nm. 표면(S)에 나란히 놓이는 이러한 광 검출기들 사이의 오프셋 피치(p)는 6.0μm일 수 있다. 이러한 조건 하에서, 상승 계수(G)는 9μm의 파장에 대해 양자 우물에서 약 3710과 동일하고, 상기 우물의 볼륨에서 방사선(R)의 광자의 흡수 효율은 약 60%이다. 이러한 흡수 효율 값은 관련 문헌에서 보고된 바와 같은 다수의 양자 우물을 포함하는 구조에 의해 생성된 다른 흡수 효율 값보다는 낮지만, 전술한 바와 같이 QWIP 감광성 구조(4)의 작은 영역은 암전류를 매우 크게 감소할 수 있게 한다. 또한, 이러한 제3 실시예는 각 광 검출기의 매우 작은 치수 덕분에, 표면(S)에서 고밀도의 광 검출기를 얻을 수 있게 한다. 도 5b는 제3 실시예에 따르고 방금 언급된 치수값들을 가지는 나란히 놓인 이러한 광 검출기를 포함하는 영역의 흡수 공진을 도시한다.
가능하게는, 이러한 제3 실시예에 따른 광 검출기(10)는 복수의 축퇴 광자들을 포함하는 비선형 흡수 메카니즘을 사용하여 전자기 방사선을 검출하는데 사용될 수 있다. 이러한 방식으로, 더 긴 파장, 특히 8-12μm 스펙트럼 밴드 내의 파장을 가지는 방사선을 검출하는 것이 가능하고, 심지어 더 낮은 암전류 값을 얻는 것이 가능하다.
도 6a 내지 도 6h를 참조하여, 본 발명에 따른 나란히 놓인 광 검출기(10)를 제조하기 위해 가능한 공정이 이하에서 서술될 것이다.
도 6a에 도시된 제1 단계에서, 감광성 구조(4)는 임시 지지부(21)의 표면, 예를 들어 단결정 실리콘의 웨이퍼 상에 생성되어 임시 지지부(21)를 연속적으로 덮는다. 감광성 구조(4)는, 이 구조의 실시예에 기반하여 적절한 중첩된 연속적인 층에 단일의 물질 또는 복수의 물질을 증착함으로써 생성되는데, 상기 실시예는 특히 전술한 세 실시예들 중 하나이다. 가능하게는, 에피텍셜 증착 공정이 사용될 수 있다.
금속 분리부(2a), 예를 들어, 금으로 만들어진 금속 분리부(2a)는 감광성 구조(4)(도 6b)의 상부에, 금 증착 및 리프트 오프(lift-off) 단계 이후에 예를 들어, e-빔 리소그래피 공정을 사용하여 생성된다. 이러한 분리부(2a)는 표면(S)에서 인접한 광 검출기(10)의 2개의 헬름홀츠 공진기 사이에 중간인 베이스 층(2)의 부분을 형성하기 위한 것이다.
그 다음 감광성 구조(4)는 구조(4)의 하나 이상의 물질에 대해 적합한 에칭 공정을 사용하여 분리부(2a)(도 6c) 사이에서 선택적으로 제거된다. 특히, 이러한 공정은 적합한 에칭제의 용액을 시행하는 습식 공정일 수 있다. 그러나, 분리부(2a) 사이의 감광성 구조(4)를 제거하는 이 단계는 커버부(3) 아래에서 감광성 구조(4)의 연속적 연장을 유지하기 위해 생략될 수 있다.
감광성 구조(4)의 잔여 부분 및 분리부(2a)에 의해 형성된 각각의 인접한 스택 사이에서 회수된 빈 볼륨은 절연 레지스트로 채워질 수 있다(도 6d). 이러한 레지스트는 절연 볼륨(1)의 물질을 형성한다.
이어서, 분리부(2a) 및 절연 볼륨(1)을 연속적으로 덮는 추가의 층(2b)을 형성하기 위해, 금속의 추가적인 증착, 특히 금의 추가적인 증착이 수행된다(도 6e). 분리부(2a) 및 추가의 층(2b)은 각각의 광 검출기(10)에 대해 본 명세서에서 소개된 베이스 층(2)을 형성하며, 또한 이는 제1 전극이라고도 불린다.
절연 물질, 예를 들어 실리콘 카바이드(silicon carbide)로 만들어진 최종 지지부(20), 또는 미리 생성된 전기적 연결부를 포함하는 최종 지지부(20)는 추가의 층(2b)의 상부에 끈끈하게 결합된다. 그 후 임시 지지부(21)는, 예를 들어 연마 후 습식 에칭에 의해 제거된다. 플링핑(flipping) 이후에, 도 6f의 구성이 얻어진다. 최종 지지부(20)가 초기에 전기적 연결부를 포함하는 경우, 이러한 단부는 제조되는 광 검출기(10)에 대한 출력 전기적 연결부(C1)를 형성할 수 있다.
이어서, 제2 전극이라고도 불리는 커버 부분(3)은, 예를 들어 금속 증착의 단계, 본 경우에는 금을 증착하는 단계에 이어서 마스킹 단계를 사용하여 형성된다(도 6g).
마지막으로, 감광성 구조(4)는 베이스 층(2)에 커버 부분(3) 사이로 에칭된다(도 6h).
이러한 제조 공정의 예에서, 베이스 층(2)은 동시에 제조된 광 검출기(10)에 공통인 제1 전극을 형성하고, 각각의 커버 부분(3)은 개별적으로 하나의 광 검출기(10) 전용인 별도의 제2 전극을 형성한다. 대안적인 실시예에서, 베이스 층(2)은 인접한 2개의 광 검출기(10) 사이에서 중간 전기 절연체로 인터럽트 될 수 있다. 그리고, 커버 부분(2)은 이러한 광 검출기에 공통인 제2 전극을 형성하기 위해 인접한 두 광 검출기(10) 사이에서 연속적일 수 있다.
도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 광 검출기(10)는 수렴 렌즈 구조(7)와 연관될 수 있다. 렌즈 구조(7)는 유리하게는 검출된 방사선(R)에 투명한 물질의 중간 층(6)과 함께 광 검출기(10)에 견고하게 고정된다. 층(6)은 방향 D3을 따라 측정된, 렌즈 구조(7)의 초점 길이(F)와 대략적으로 동일한 두께를 소유한다. 따라서, 이러한 층의 단면을 따라 렌즈 구조(7)는 광 검출기(10) 상에 방사선(R)을 포커싱한다. 한편으로는 광 검출기(10)에 층(6)을 고정시키고, 다른 한편으로는 층(6)에 렌즈 구조(7)를 고정시키는 다수의 조립 방법들은 통상의 기술자에게 널리 알려져있다.
수렴 렌즈 구조(7)는 평블록 마이크로 렌즈(plano-convex microlens) 또는 프레넬(Fresnel) 구조일 수 있다. 그러나, 바람직하게는, 렌즈 구조(7)는 또한 통상의 기술자에게 알려진 호이겐스 렌즈일 수 있다. 이러한 호이겐스 렌즈는, 투명한 물질의 층(6)에 의해 지탱되고 주변 슬릿이 있는 중심 구멍을 가지는 금속 층에 의해 형성될 수 있다. 이것은 방향 D3을 따라 배치된 상태로 광 검출기(10)를 향하게 위치된다. 중심 구멍과 주변 슬릿은 방사선(R)에 대해 포커싱 기능을 생성하는 광 전달 패턴을 형성한다. 특히, 중심 구멍은 광 검출기(10)에 대해 중심에 위치될 수 있고, 원형일 수 있다. 파장 λ를 가지는 방사선(R)의 스펙트럼 구성 요소에 효과적인 호이겐스 렌즈의 초점 길이(F)는 F = D0 2/(3·λ)라는 공식에 의해 주어지며, D0는 중심 구멍의 직경이다. 본 발명의 경우, 방향(D3)에 따른 층(6)의 두께는 공진 파장(λr)에 대한 초점 길이(F)와 대략적으로 대응되어야만 한다.
도 7에 도시된 것과 같은 렌즈 구조(7)가 구비된 광 검출기(10)는 이미지 센서(100)의 픽셀을 형성하는데 특히 적합하다. 이러한 픽셀들은 도 8에 도시된 바와 같은 메트릭스 어레이로 행과 열로 배치된다. 이 도면의 명료함을 위해, 모든 광 검출기(10)를 연속적으로 덮는 투명 물질의 층(6)은 도시되지 않았으며, 광 검출기(10)에 하나씩 전용된 수렴 렌즈 구조(7) 또한 도시되지 않았다. 도시된 이미지 센서의 예시에서, 모든 광 검출기(10)는 모든 커버 부분(3)을 형성하는 동일한 금속 층을 공유한다. 이 층은 방사선(R)이 전계 집중 갭(ZC)에 도달하게 하기 위해 정사각형 셀이 있는 격자를 형성하도록 패턴화된다. 이어서, 이 층은 이미지 센서(100)의 모든 광 검출기(10)에 공통적인 전극을 형성한다. 이 경우, 베이스 층(2)은 서로 전기적으로 절연된 부분들로 분할되고, 광 검출기(10)에 하나씩 전용된다. 도면 부호(5)는 실리카와 같은 전기적 절연 물질로부터 형성되며 베이스 층(2)의 부분을 서로 전기적으로 절연시키는 격자를 나타낸다.
도면 부호(20')는 베이스 층(2)의 부분과 지지부(20)의 베이스 부분(20") 사이에 위치된 층의 한 세트를 나타낸다. 상기 층의 한 세트(20')는 어드레싱 회로(30)에 연결된 출력 전기적 연결부(C1)을 포함한다. 이러한 어드레싱 회로(30)는 또한 출력 연결부(C2)를 통해 커버 부분(3)에 입력으로 연결되고, 판독 회로(40)에 출력으로 연결되어서, 센서(100)에 의해 캡쳐된 이미지 각각에 대응하는 이미지 데이터를 전달한다. 이미지 센서용으로 설계된 이러한 어드레싱 회로 및 판독 회로는 이미 잘 알려져 있으므로 여기에 다시 설명할 필요는 없다.
이미지 센서(100)의 메트릭스 어레이 내의 픽셀의 행 및 열의 오프셋 피치(p)는 검출된 하나 이상의 방사선의 하나 이상의 파장에 기반하여 선택될 수 있다. 상기 오프셋 피치(p)는, 방향 D1 및 D2에서, 사용되는 헬름홀츠 공진기의 브랜치 B1 및 B2의 길이에 특히 의존한다.
마지막으로, 이미지 센서(100)의 메트릭스 어레이에서, 본 발명에 따르나 각각의 최대 민감도로 상이한 파장의 전자기 방사선을 검출하도록 설계된 광 검출기(10)를 교대로 배치하는 것이 가능하다. 따라서, 컬러 이미지 센서 또는 멀티 스펙트럼 이미지 센서가 얻어진다. 본 발명에 따르며 원하는 파장에 대한 전자기 방사선을 검출하도록 설계된 광 검출기는, 감광성 구조는 이러한 파장에서 충분한 흡수를 가지도록 설계되며, 헬름홀츠 공진기는 상기와 동일한 파장에서 공진을 갖도록 치수화된다는 것을 의미한다는 것을 기억해야 할 것이다.
본 발명은 상세히 설명된 예시적인 실시예들에 대한 그의 2차 양태들을 수정하면서 언급된 장점들 중 적어도 일부를 유지하며 재생될 수 있다고 이해될 것이다. 이러한 장점들 가운데 주요한 장점들은 이하에서 다시 상기될 것이다:
- 높은 검출 효율을 허용하는 전계의 높은 상승;
- 파브리-페로(Fabry-Perot) 공진기와 같은 다른 공진기의 사용과는 대조되게 고조파 공진이 없음;
- 헬름홀츠 공진기에 대한 Q-계수 값은 매우 낮아서, 광 검출기가 상당히 넓은 검출 스펙트럼 간격, 특히 이미징 응용 분야에 적합할 수 있는 스펙트럼 폭에서 효율적이 되도록 함;
- 검출될 전자기 방사선의 입사 방향의 기울기에 대한 높은 공차로 광 검출기가 높은 차수의 개구수의 집광 렌즈와 연관되도록 함;
- 헬름홀츠 공진기의 형상을 통하여, 검출될 전자기 방사선의 편광에 대하여 광 검출기의 선택도를 고르거나, 또는 이러한 편광에 대하여 선택적이지 않은 광 검출기를 생성하는 가능성이 있음;
- 각 광 검출기의 작은 치수; 및
- 광 검출기는 집적 회로 제조를 위한 기술을 포함하여 이미 잘 알려진 기술 및 공지된 기술로 생성될 수 있음.
특히, 표면(S)에 평행한 평면의 투영에서, 감광성 구조(4)를 절연 볼륨(1)의 둘레의 제한된 파트에만 위치시키는 것이 가능하다. 그 후, 커버 부분(3)은 방향 D3을 따라 바람직하게는 매우 얇을 수 있는, 특히 상기 감광성 구조(4)보다 얇은 절연 물질의 층의 일부에 의해 감광성 구조(4)의 외부의 베이스 층(2)으로부터 전기적으로 절연된다. 따라서, 감광 구조(4)를 포함하는 집중 구역(ZC)에서의 전계의 상승은 더 높아진다.
Claims (14)
- 헬름홀츠 공진기(Helmholtz resonator)를 포함하는 광 검출기(10)로서,
상기 광 검출기(10)는 0.3μm 내지 15μm인 파장을 가지는 적어도 하나의 전자기 방사선(R)을 검출하는데 효율적이며, 상기 헬름홀츠 공진기는:
- 전기 절연 볼륨(1); 및
- 루프 경로의 2개의 인터럽션을 제외하고 절연 볼륨 주위에 루프를 형성하는 적어도 하나의 루프 경로를 따라 상기 절연 볼륨(1)을 둘러싸는 금속 면(11-14)
을 포함하며,
상기 금속 면은 전계 집중 갭(ZC)이라고 불리며 상기 루프 경로의 인터럽션을 포함하는 적어도 하나의 갭에 의해 서로 분리된 2개의 전극을 형성하고,
상기 전계 집중 갭(ZC)은 공통 방향(D3)을 따라 측정된 상기 절연 볼륨(1)의 두께보다 작은 양 전극 사이의 두께를 가져서, 방사선(R)이 공진기 상에 입사할 때 상기 공진기 내에서 상기 방사선에 의해 생성된 전계는 절연 볼륨 내에서보다 상기 전계 집중 갭에서 더 강하며,
상기 절연 볼륨(1) 및 상기 금속 면(11-14)은 상기 방사선(R)의 파장이 0.3μm 내지 15μm에서 변할 때 상기 전계 집중 갭(ZC)에서 전계의 공진을 생성하기에 적합한 치수를 가지고, 상기 광 검출기(10)는:
- 적어도 하나의 반도체에 기초하며, 상기 방사선(R)을 흡수하고, 상기 전계 집중 갭(ZC) 내에 적어도 부분적으로 배치되며, 상기 2개의 전극의 각각의 전극과 전기적으로 접촉하는, 적어도 하나의 감광성 구조(4); 및
- 상기 2개의 전극에 하나씩 전기적으로 연결되며, 상기 헬름홀츠 공진기 상에 방사선(R)이 입사될 때 상기 감광성 구조(4)에서 발생된 검출 전기적 신호를 전송하는데 적합한, 2개의 출력 전기적 연결부(C1, C2)
를 더 포함하며,
상기 감광성 구조(4)는 상기 전계의 공진의 스펙트럼 간격을 포함하는 검출 스펙트럼 간격을 가지는,
헬름홀츠 공진기를 포함하는 광 검출기(10). - 제1항에 있어서,
상기 전기 절연 볼륨(1)은 제1 방향(D1)으로 직선형이고 길쭉하며, 상기 각각의 전계 집중 갭(ZC) 또한 제1 방향으로 직선형이고 길쭉한,
헬름홀츠 공진기를 포함하는 광 검출기(10). - 제1항에 있어서,
상기 전기 절연 볼륨(1)은 서로 수직인 2개의 직선형이고 길쭉한 브랜치(B1, B2)를 가지며,
상기 각각의 전계 집중 갭(ZC)은, 상기 절연 볼륨의 각 브랜치에 대해 상기 브랜치에 직선으로 길쭉하게 평행하고 상기 감광성 구조(4)의 세그먼트를 포함하는 갭 세그먼트를 포함하는,
헬름홀츠 공진기를 포함하는 광 검출기(10). - 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 금속 면(11-14)은 한편으로는 바닥면(13), 및 바닥면의 서로 반대되는 양 측면으로부터 연속적으로 연장되는 2개의 측면(11, 12)을 가지는 큐벳을 형성하고, 또한 한편으로는 상기 바닥면을 향하여 위치한 커버면(14)을 형성함으로서, 상기 절연 볼륨(1)은 상기 큐벳의 바닥면과 커버면 사이에 위치함과 동시에 상기 큐벳의 2개의 측면 사이에도 위치하며,
상기 각각의 전계 집중 갭(ZC)은 커버면의 측면 에지와 상기 큐벳의 한 측면의 에지 사이에 위치하며, 상기 큐벳의 한 측면의 에지는 큐벳의 바닥면의 반대측에 있는,
헬름홀츠 공진기를 포함하는 광 검출기(10). - 제4항에 있어서,
상기 큐벳의 양 측면(11, 12)은 평행하고, 0.05μm 내지 0.25μm의 폭(wb)을 포함하는 큐벳에 의해 분리되며,
상기 큐벳의 바닥면(13)과 커버면(14)은 평행하며, 0.03μm 내지 0.25μm의 두께(hb)를 포함하는 절연 볼륨(1)에 의해 분리되는,
헬름홀츠 공진기를 포함하는 광 검출기(10). - 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 하나의 전극으로부터 다른 전극까지 측정될 때 상기 각각의 전계 집중 갭(ZC)의 두께(wf)는 10nm 내지 100nm이며,
상기 각각의 전계 집중 갭은 상기 전계 집중 갭에서 적어도 하나의 전극에 평행하게 측정된 10nm 내지 50nm의 폭(hf)을 가지는,
헬름홀츠 공진기를 포함하는 광 검출기(10). - 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 각각의 전극은 금, 은, 구리, 알루미늄, 또는 이들 금속 중 적어도 하나를 포함하는 합금 중 하나로 적어도 부분적으로 이루어지는,
헬름홀츠 공진기를 포함하는 광 검출기(10). - 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 각각의 감광성 구조(4)는 PiN 접합, 반도체 물질의 일부, 및 양자 우물 다층 스택 중 하나를 포함하는,
헬름홀츠 공진기를 포함하는 광 검출기(10). - 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 방사선(R)이 렌즈 구조 상에 입사될 때, 상기 헬름홀츠 공진기 상에 상기 방사선을 포커스 할 수 있도록 상기 헬름홀츠 공진기에 대하여 고정되게 배치된 수렴 렌즈 구조(7)를 더 포함하는,
헬름홀츠 공진기를 포함하는 광 검출기(10). - 제9항에 있어서,
상기 방사선(R)에 대해 투명한 물질의 층(6)을 더 포함하고,
상기 층은 상기 헬름홀츠 공진기와 상기 렌즈 구조(7) 사이에 배치되어 상기 헬름홀츠 공진기, 각 감광성 구조(4), 상기 투명한 물질의 층, 및 렌즈 구조는 모두 단단한 블록 내에 튼튼하게 고정된,
헬름홀츠 공진기를 포함하는 광 검출기(10). - 제9항 또는 제10항에 있어서,
상기 렌즈 구조(7)는, 상기 헬름홀츠 공진기를 향하는 구멍을 구비하고, 호이겐스 렌즈를 형성하기 위해 상기 구멍 둘레에 배치된 슬릿을 더 구비한, 금속 층을 포함하는,
헬름홀츠 공진기를 포함하는 광 검출기(10). - 광 검출기(10)를 제조하는 방법으로서, 상기 광 검출기는 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따른 것이며, 상기 방법은:
/1/ 임시 지지부(21) 상에 적어도 하나의 감광성 구조(4) 및 전기적 절연 물질의 일부를 절연 볼륨(1)으로서 형성한 다음, 상기 감광성 구조 및 상기 절연 볼륨 위에 전극들 중 제1 전극을 형성하는 단계;
/2/ 상기 임시 지지부(21)에 대향하는 제1 전극의 한 측 상에서 최종 지지부(20)를 상기 제1 전극에 본딩하는 단계;
/3/ 상기 임시 지지부(21)를 제거하는 단계; 및
/4/ 상기 최종 지지부(20)에 대향하는 상기 감광성 구조 및 상기 절연 물질의 일부의 측 상에 상기 감광성 구조(4) 상의 전극들 중 제2 전극 및 절연 물질의 일부를 증착하는 단계
를 포함하는, 광 검출기(10)를 제조하는 방법. - 광 검출기(10)의 메트릭스 어레이를 포함하는 이미지 센서(100)로서,
각각의 광 검출기는 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따른 것이며, 상기 광 검출기는 상기 메트릭스 어레이의 행과 열의 교차점에 배치되며,
상기 이미지 센서는
- 각각의 광 검출기를 개별적으로 선택하기에 적합한 어드레싱 시스템(30); 및
- 상기 광 검출기가 상기 어드레싱 시스템에 의해 선택될 때, 상기 광 검출기들 중 어느 하나의 2개의 출력 전기적 연결부(C1, C2)에 의해 전송된 검출 전기적 신호를 판독하기에 적합한 판독 시스템(40)
을 포함하는, 이미지 센서(100). - 제13항에 있어서,
상기 각각의 광 검출기(10)가 0.8μm 내지 15μm의 파장을 포함하는 방사선(R)을 검출하기에 효율적일 때 2μm 내지 20μm인 행 또는 열 피치를 가지거나, 또는
상기 각각의 광 검출기가 0.3μm 내지 0.8μm의 파장을 포함하는 방사선을 검출하기에 효율적일 때 0.1μm 내지 2μm인 행 또는 열 피치를 가지는,
이미지 센서(100).
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