KR20230055517A - 공간 광 변조기 및 이를 포함하는 라이다 장치 - Google Patents

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박정현
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정병길
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Abstract

공간 광 변조기 및 이를 포함하는 라이다 장치가 개시된다. 본 공간 광 변조기는, 제1 반사층, 반사층상에 배치된 공진층, 공진층 상에 이격 배치되는 복수 개의 격자 구조물을 포함하는 제2 반사층 및 복수 개의 격자 구조물 중 적어도 하나의 격자 구조물을 감싸면서 상기 공진층의 상부 표면과 접하고, 열전달계수가 100 mW/mK이하인 충진층(filling layer)을 포함한다.

Description

공간 광 변조기 및 이를 포함하는 라이다 장치{Spatial Light Modulator And LiDAR Apparatus Including The Spatial Light Modulator}
예시적인 실시예는 광의 출사 위상을 제어할 수 있는 공간 광 변조기, 이를 포함한 라이다 장치 및 그 제조방법에 관한 것이다.
다양한 기능의 운전자보조시스템(Advanced Driving Assistance System; ADAS)이 상용화되고 있다. 예를 들어, 다른 차량의 위치와 속도를 인식하여 충돌 위험이 있을 경우에는 속도를 줄이고 충돌 위험이 없을 경우에는 설정된 속도 범위 내에서 차량을 주행하는 자동감응식 순항제어(Adaptive Cruise Control; ACC)나 전방 차량을 인식하여 충돌 위험이 있지만 운전자가 이에 대한 대응을 하지 않거나 대응 방식이 적절하지 않는 경우에 자동으로 제동을 가하여 충돌을 방지하는 자율긴급제동시스템(Autonomous Emergency Braking System; AEB) 등과 같은 기능을 장착한 차량이 증가하고 있는 추세이다. 또한, 가까운 장래에 자율 주행(Autonomous Driving)이 가능한 자동차가 상용화될 것으로 기대되고 있다.
이에 따라, 차량 주변의 정보를 제공할 수 있는 광학 측정 장치에 대한 관심이 증가하고 있다. 예를 들어, 차량용 라이다(Light Detection And Ranging) 장치는 차량 주변의 선택된 영역에 레이저를 조사하고, 반사된 레이저를 감지하여 차량 주변에 있는 물체와의 거리, 상대 속도 및 방위각 등에 관한 정보를 제공할 수 있다. 이를 위해 차량용 라이다 장치는 원하는 영역에 빛을 스티어링할 수 있는 빔 스티어링 기술이 요구된다.
빔 스티어링 방법은 크게 기계식 방법과 비-기계식 방법이 있다. 예를 들어, 기계식 빔 스티어링 방법은 광원 자체를 회전시키는 방식, 또는 빛을 반사하는 거울을 회전시키는 방식, 구면 렌즈를 광축에 수직한 방향으로 이동시키는 방식 등이 있다. 또한, 비-기계식 빔 스티어링 방법은 반도체 소자를 이용하는 방식과 반사형 위상 배열을 이용하여 반사광의 각도를 전기적으로 제어하는 방식이 있다.
신뢰성 높은 공간 광 변조기 및 이를 포함하는 라이다 장치의 구조, 그 제조방법 및 이를 포함한 라이다 장치를 제공한다.
일 실시예에 따른 공간 광 변조기는, 제1 반사층; 상기 반사층상에 배치된 공진층; 상기 공진층 상에 이격 배치되는 복수 개의 격자 구조물을 포함하는 제2 반사층; 및 상기 복수 개의 격자 구조물 중 적어도 하나의 격자 구조물을 감싸면서 상기 공진층의 상부 표면과 접하고, 열전달계수가 100 mW/mK이하인 충진층(filling layer); 을 포함한다.
그리고, 상기 충진층은, 진공층일 수 있다.
또한, 상기 충진층은, 유체가 채워진 층일 수 있다.
그리고, 상기 유체는, 공기일 수 있다.
또한, 상기 충진층은, 상기 복수 개의 격자 구조물 중 적어도 하나의 격자 구조물의 상부 표면 및 측면 모두와 접할 수 있다.
그리고, 상기 복수 개의 격자 구조물은, 제1 전기적 신호가 인가되는 제1 그룹의 격자 구조물; 및 제2 전기적 신호가 인가되는 제2 그룹의 격자 구조물;을 포함하고, 상기 충진층은, 상기 제1 그룹의 격자 구조물과 상기 제2 그룹의 격자 구조물 중 적어도 하나를 감쌀 수 있다.
또한, 상기 충진층은, 상기 제1 그룹의 격자 구조물과 상기 제2 그룹의 격자 구조물 사이에 노출된 상기 공진층의 상부 표면과 접할 수 있다.
그리고, 상기 제1 그룹의 격자 구조물 중 이웃하는 격자 구조물들 사이에 배치되며, 열전달계수가 1000 mW/mK초과인 유전체층;을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 유전체층은, 실리콘 산화물 및 실리콘 질화물 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
그리고, 상기 충진층상에 배치되며, 상기 제2 반사층과 공간적으로 이격 배치되는 커버층;을 더 포함할 수 있다.
또한, 일단은 상기 공진층과 접하고 타단은 상기 커버층과 접하는 스페이서층;를 더 포함할 수 있다.
그리고, 상기 격자 구조물 중 적어도 하나는 PIN 구조, NIN 구조 및 PIP 구조 중 어느 하나일 수 있다.
또한, 상기 격자 구조물의 피치는, 상기 공간 광 변조기에 의해 변조되는 광의 파장보다 작을 수 있다.
그리고, 상기 제2 반사층의 반사율은 상기 제1 반사층의 반사율보다 낮을 수 있다.
또한, 상기 제1 반사층은 분산 브래그 반사층일 수 있다.
그리고, 상기 공진층과 상기 충진층 사이에 배치되는 에칭 스탑층;을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 공간 광 변조기의 SMSR(Side Mode Suppression Ratio)은 5dB이상일 수 있다.
한편, 일 실시예에 따른 라이다 장치는, 광원; 상기 광원으로부터의 방출된 광의 진행 방향을 조절하여 물체에 광을 조사하는 공간 광 변조기; 및 상기 물체로부터 반사된 광을 감지하는 광검출기를 포함하고, 상기 공간 광 변조기는, 제1 반사층; 상기 제1 반사층상에 배치된 공진층; 상기 공진층 상에 이격 배치되며 복수 개의 격자 구조물을 포함하는 제2 반사층; 및 상기 복수 개의 격자 구조물 중 적어도 하나의 격자 구조물 을 덮으면서 상기 공진층의 상부 표면과 접하고, 열전달계수가 100 mW/mK이하인 충진층(filling layer)을 포함하는 제2 반사층;을 포함한다.
또한, 상기 충진층은, 유체가 없는 진공층이거나, 유체가 채워진 유체층일 수 있다.
그리고, 상기 유체는, 공기일 수 있다.
또한, 상기 충진층상에 배치되며, 상기 제2 반사층과 공간적으로 이격 배치되는 커버층; 및 일단은 상기 커버층과 접하고 타단은 공진층과 접하는 스페이서층;을 더 포함할 수 있다.
그리고, 상기 공진층과 상기 충진층 사이에 배치되는 에칭 스탑층;을 더 포함할 수 있다.
실시예에 따른 공간 광 변조기 및 라이다 장치에 포함된 격자 구조물 또는 픽셀들 간의 열 전달이 감소하여 광의 위상 변조 효율이 향상될 수 있다.
도 1는 일 실시예에 따른 공간 광 변조기를 개념적으로 도시한 단면도이다.
도 2는 도 1의 제1 반사층이 분산 브레그 반사부일 때의 반사율을 보여주는 반사 스펙트럼이다.
도 3a는 도 1의 제1 픽셀에 포함된 격자 구조물의 단면도이다.
도 3b는 격자 구조물을 다른 방향에서 자른 단면도이다.
도 4는 일 실시예에 따른 실리콘의 온도와 굴절률간의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 5는 비교예로서, 격자 구조물이 실리콘 산화물층에 의해 구분된 공간 광 변조기를 도시한 도면이다.
도 6a은 비교예의 공간 광 변조기의 지향성을 평가한 결과이다.
도 6b는 일 실시예에 따른 공간 광 변조기의 지향성을 평가한 결과이다.
도 7a 내지 도 7f는 일 실시예에 따른 공간 광 변조기의 제조방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 다른 실시예에 따른 공간 광 변조기를 도시한 도면이다.
도 9는 일 실시예에 따른 커버층 및 스페이서층을 포함하는 공간 광 변조기를 도시한 도면이다.
도 10은 일 실시예에 따른 에칭 스탑층을 포함하는 공간 광 변조기를 도시한 도면이다.
도 11은 일 실시예에 따른 라이다 장치의 구성을 개략적으로 보이는 블록도이다.
도 12는 다른 실시예에 따른 라이다 장치의 구성을 개략적으로 보이는 블록도이다.
도 13a 및 도 13b는 라이다 장치를 차량에 적용한 경우, 차량을 측방에서 바라본 도며이다.
도 13b는 라이다 장치를 차량에 적용한 경우, 차량을 위에서 바라본 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 다양한 실시예에 따른 공간 광 변조기 및 이를 포함한 라이다 장치에 대해 상세히 설명한다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다. 제 1, 제 2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
또한, 도면에서 각 구성요소의 크기나 두께는 설명의 명료성을 위하여 과장되어 있을 수 있다. 또한, 소정의 물질층이 기판이나 다른 층 상에 존재한다고 설명될 때, 그 물질층은 기판이나 다른 층에 직접 접하면서 존재할 수도 있고, 그 사이에 다른 제3의 층이 존재할 수도 있다. 그리고, 아래의 실시예에서 각 층을 이루는 물질은 예시적인 것이므로, 이외에 다른 물질이 사용될 수도 있다.
또한, 명세서에 기재된 “...부”, “모듈” 등의 용어는 하나 또는 복수의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
본 실시예에서 설명하는 특정 실행들은 예시들로서, 어떠한 방법으로도 기술적 범위를 한정하는 것은 아니다. 명세서의 간결함을 위하여, 종래 전자적인 구성들, 제어 시스템들, 소프트웨어, 시스템들의 다른 기능적인 측면들의 기재는 생략될 수 있다. 또한, 도면에 도시된 구성 요소들 간의 선들의 연결 또는 연결 부재들은 기능적인 연결 및/또는 물리적 또는 회로적 연결들을 예시적으로 나타낸 것으로서, 실제 장치에서는 대체 가능하거나 추가의 다양한 기능적인 연결, 물리적인 연결, 또는 회로 연결들로서 나타내어질 수 있다.
“상기”의 용어 및 이와 유사한 지시 용어의 사용은 단수 및 복수 모두에 해당하는 것일 수 있다.
방법을 구성하는 단계들은 설명된 순서대로 행하여야 한다는 명백한 언급이 없다면, 적당한 순서로 행해질 수 있다. 또한, 모든 예시적인 용어(예를 들어, 등등)의 사용은 단순히 기술적 사상을 상세히 설명하기 위한 것으로서 청구항에 의해 한정되지 않는 이상 이러한 용어로 인해 권리 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1는 일 실시예에 따른 공간 광 변조기(10)를 개념적으로 도시한 단면도이다.
도 1를 참조하면, 공간 광 변조기(10)는 제1 반사층(100), 제1 반사층(100)상에 배치되는 공진층(200) 및 공진층(200)상에 배치되는 제2 반사층(300)을 포함할 수 있다. 일 실시예에 따른 공간 광 변조기(10)의 SMSR(Side Mode Suppression Ratio)은 약 5dB 이상으로, 광의 지향성이 높을 수 있다.
공간 광 변조기(10)는 입사광(Li)의 위상을 변조하여 출력할 수 있다. 공간 광 변조기(10)는 복수 개의 픽셀을 포함할 수 있다. 복수 개의 픽셀을 예를 들어, 제1 픽셀(PX1)과 제2 픽셀(PX2)을 포함할 수 있다. 픽셀은 공간 광 변조기(10)에서 독립적으로 구동되는 가장 작은 단위 또는 광의 위상을 독립적으로 변조할 수 있는 기본 단위를 나타낼 수 있다. 픽셀은 제2 반사층(300)을 형성하는 격자 구조물(GS)을 하나 또는 복수 개 포함할 수 있다. 도 1은 2개의 픽셀을 포함하는 구조를 예를 들어 설명한다. 제1 및 제2 픽셀(PX1, PX2)의 한 변의 길이는 예를 들면 3 ㎛ 내지 300 ㎛ 일 수 있다.
공간 광 변조기(10)는 제1 반사층(100)을 지지하는 기판(SUB)을 더 포함할 수 있다. 기판(SUB)은 광을 투과시키는 투명 기판(, 예를 들면, 실리콘 기판 또는 유리 기판일 수 있다. 기판(SUB)은 선택적인 구성으로 필요에 따라 제거될 수 있다.
제1 반사층(100)은 분산 브레그 반사부(Distributed Bragg Reflector)일 수 있다. 예를 들어, 제1 반사층(100)은 서로 다른 굴절률을 가지는 제1 층(110)과 제2 층(120)을 포함할 수 있다. 제1 층(110)과 제2 층(120)은 교번하여 반복 적층될 수 있다. 제1 층(110)과 제2 층(120)의 굴절률의 차이로 인해 각 층의 계면에서 광이 반사되고 반사된 광들이 간섭(Interference)을 일으킬 수 있다. 제1 층(110) 또는 제2 층(120)은 실리콘(Si), 실리콘 질화물(Si3N4), 실리콘 산화물(SiO2), 티타늄 산화물(TiO2) 등을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1 층(110)은 실리콘(Si)으로 형성되고, 제2 층(120)층은 실리콘 산화물(SiO2 )로 형성될 수 있다. 제1 층(110) 및 제2 층(120)의 두께 및/또는 적층 횟수를 조절하여 제1 반사층(100)의 광 반사율을 설계할 수 있다.
제1 반사층(100)은 분산 브레그 반사부 외에 다른 구조일 수 있으며, 예를 들면, 일면이 금속인 금속 반사층를 포함할 수 있다.
도 2는 도 1의 제1 반사층(100)이 분산 브레그 반사부일 때의 반사율을 보여주는 반사 스펙트럼이다. 반사 스펙트럼은 즉, 광의 파장(가로축)에 따른 반사율(세로축)을 보여준다.
도 2의 스펙트럼은 제1 층(110)이 110 nm 두께의 실리콘(Si), 제2 층(120)이 265 nm 두께의 실리콘 산화물(SiO2)이고, 제1 및 제2 층(110, 120)이 교대로 3번씩 적층된 구조의 분산 브레그 반사부에서 측정된 것일 수 있다. 도 2를 참조하면, 제1 반사층(100)은 1400 nm ~ 1800 nm 구간에서 1에 가까운 높은 반사율을 나타낸다.
다시 도 1을 참조하면, 공진층(200)은 입사한 광이 공진하는 영역이며 제1 반사층(100)과 제2 반사층(300) 사이에 배치될 수 있다.
공진층(200)은 예를 들어, 실리콘 산화물(SiO2)을 포함할 수 있다. 공진층(200)의 두께에 따라 공진 파장이 결정될 수 있다. 공진층(200)의 두께가 두꺼울수록 광의 공진 파장이 길고, 공진층(200)의 두께가 얇을수록 광의 공진 파장이 짧을 수 있다.
제2 반사층(300)은 특정 파장 광을 반사시키는 반사 기능과 출사하는 광의 위상을 변조하는 위상 변조 기능을 적절히 수행하도록 설계될 수 있다.
제2 반사층(300)은 소정 간격으로 이격 배열된 복수의 격자 구조물(GS)을 포함할 수 있다. 격자 구조물(GS)의 두께, 폭, 피치는 공간 광 변조기(10)에 의해 변조되는 광의 파장보다 작을 수 있다. 격자 구조물(GS)의 두께, 폭, 피치 등을 조절하여 변조되는 광의 반사율을 높일 수 있다. 제2 반사층(300)의 반사율은 제1 반사층(100)의 반사율과 다를 수 있고, 제2 반사층(300)의 반사율이 제1 반사층(100)의 반사율보다 작을 수 있다.
공간 광 변조기(10)로 입사하는 광(Li)은 제2 반사층(300)을 투과하여 공진층(200)에 전파된 후 분산 브레그 반사부(300)에 의해 반사되고, 제1 반사층(100)과 제2 반사층(300)에 의해 공진층(200)에 갇혀 공진한 후 제2 반사층(300)를 통해 출사될 수 있다. 출사하는 광(Lo1, Lo2)은 특정 위상을 가질 수 있으며, 출사광(Lo1, Lo2)의 위상은 제2 반사층(300)의 굴절률에 의해 제어될 수 있다. 인접한 픽셀에서 출사하는 광의 위상 관계에 의해 광의 진행 방향이 결정될 수 있다. 예를 들어, 제1 픽셀(PX1)의 출사광(Lo1)과 제2 픽셀(PX2)의 출사광(Lo2)의 위상이 상이할 때, 출사광들(Lo1, Lo2) 상호 작용에 의해서 빛의 진행 방향이 결정될 수 있다.
도 3a는 도 1의 제1 픽셀(PX1)에 포함된 격자 구조물(GS)의 단면도이고, 도 3b는 격자 구조물(GS)을 다른 방향에서 자른 단면도이다. 도 3a를 참조하면, 격자 구조물(GS)은 제1 도핑된 반도체층(310), 진성 반도체층(320) 및 제2 도핑된 반도체층(330)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1 도핑된 반도체층(310)은 n형 반도체층일 수 있고, 제2 도핑형 반도체층은 p형 반도체층일 수 있으며, 격자 구조물(GS)은 PIN 다이오드일 수 있다.
제1 도핑된 반도체층(310)은 5족 원소, 예를 들면, 인(P), 또는 비소(As)를 불순물로 포함하는 실리콘(Si) 층일 수 있다. 제1 도핑된 반도체층(310)에 포함된 불순물의 농도는 1015 내지 1021 cm-3 일 수 있다. 진성 반도체층(320)은 불순물을 포함하지 않는 실리콘(Si) 층일 수 있다. 제2 도핑된 반도체층(330)은 3족 원소, 예를 들면, 붕소(B)를 불순물로 포함하는 실리콘(Si) 층일 수 있다. 제2 도핑된 반도체층(330)에 포함된 불순물의 농도는 1015 내지 1021 cm-3 일 수 있다.
제1 도핑된 반도체층(310)과 제2 도핑된 반도체층(330) 사이에 전압을 인가하면, 제1 도핑된 반도체층(310)에서 제2 도핑된 반도체층(330) 방향으로 전류가 흐르게 되고, 전류에 의해 격자 구조물(GS)에서 열이 발생하며, 상기한 열에 의해 격자 구조물(GS)의 굴절률이 변경될 수 있다. 격자 구조물(GS)의 굴절률이 변경되면 픽셀(PX1, PX2)에서 출사되는 광의 위상이 변경될 수 있으므로, 픽셀(PX1, PX2) 마다 인가하는 전압(V)의 크기를 조절하여 공간 광 변조기(10)에서 출사하는 광의 진행 방향을 제어할 수 있다.
도 3b는 격자 구조물(GS)의 다른 방향(Y방향) 단면을 보이는 도면이다. 도 2b를 참조하면, 공간 광 변조기(10)는 격자 구조물(GS)에 전압을 인가하기 위한 제1 및 제2 전극(340, 350)을 포함할 수 있다. 제1 전극(340)은 제1 도핑된 반도체층(310)의 일단에 접촉될 수 있고, 제2 전극(350)은 제2 도핑된 반도체층(330)의 일단에 접촉될 수 있다. 제2 전극(350)은 제1 전극(340)이 접촉한 단부와 Y 방향으로 반대쪽에 배치된 단부에 접촉될 수 있다. 제1 전극(340)은 공진층(200) 상부에 배치될 수 있고, 공간 광 변조기(10)에 포함된 모든 픽셀에 공통 전압을 인가하는 공통 전극일 수 있다. 제2 전극(350)은 픽셀마다 서로 다른 전압을 인가할 수 있도록 설계된 픽셀 전극일 수 있다.
도 3a 및 도 3b에서는 PIN 구조의 격자 구조물(GS)을 설명하였으나, 이에 한정되지 않는다. 격자 구조물(GS)은 NIN 구조 또는 PIP 구조일 수 있다. 예를 들어, 제1 및 제2 도핑된 반도체층(310, 330)은 n형 반도체층이거나 p형 반도체층일 수도 있다.
한편, 일 실시예에 따른 공간 광 변조기(10)의 격자 구조물(GS)은 실리콘에 기반한다. 실리콘의 굴절률은 온도에 비례한다. 도 4는 일 실시예에 따른 실리콘의 온도 변화와 굴절률 변화간의 관계를 나타내는 그래프이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 실리콘의 온도 변화가 클수록 실리콘의 굴절률 변화도 커진다. 실리콘의 굴절률 변화는 실리콘의 온도 변화에 정비례하는 바, 온도 변화의 조절로 굴절률 변화의 조절이 용이할 수 있다. 그리하여, 실리콘에 인가되는 전기적 신호를 제어함으로써 격자 구조물(GS)의 굴절률을 용이하게 조절할 수 있다.
한편, 격자 구조물(GS)에서 발생된 열은 인접하는 다른 격자 구조물(GS)에 전달되어 크로스토크(cross-talk)가 커질 수 있으며, 공간 광 변조기(10)의 픽셀 구동이 어려울 수 있다.
일 실시예에 따른 공간 광 변조기(10)는 복수 개의 격자 구조물(GS) 중 적어도 하나의 격자 구조물(GS)을 감싸면서 공진층(200)의 상부 표면과 접하는 충진층(400)을 더 포함할 수 있다. 충진층(400)은 열전달 계수가 100 mW/mK이하일 수 있다. 충진층(400)의 열전달 계수는 100 mW/mK이하로 작기 때문에 격자 구조물(GS)간의 열 전달을 최소화할 수 있다.
충진층(400)은 진공층일 수 있다. 진공층의 열 전달 계수는 약 0 mW/mK이다.
또는, 충진층(400)은 유체가 채워진 층일 수 있다. 예를 들어, 충진층(400)은 공기가 채워진 층일 수 있다. 공기의 열 전달 계수는 약 25 mW/mK이다.
일 실시예에 따른 복수 개의 격자 구조물(GS)은 열전달 계수가 낮은 충진층(400)으로 구분되어 있기 때문에 격자 구조물(GS)에서 발생된 열이 다른 격자 구조물(GS)로 전달되는 것을 방지하여 격자 구조물(GS)간의 크로스토크를 줄일 수 있다.
도 5는 비교예로서, 격자 구조물(GS)이 실리콘 산화물층(500)에 의해 구분된 공간 광 변조기를 도시한 도면이다. 실리콘 산화물의 열 전달 계수는 약 1300mW/mK로서 일 실시예에 따른 충진층(400)의 열 전달 계수보다 약 13배이상 크다.
일 실시예의 공간 광 변조기(10) 및 비교예의 공간 광 변조기(10')는 제1 반사층(100)은 실리콘(Si) 과 실리콘 산화물(SiO2)의 물질을 각각 110nm, 265nm의 두께로 3쌍을 적층하였다. 제1 반사층(100)상에 실리콘 산화물(SiO2)로 공진층(200)을 형성하고, 격자 구조물(GS)의 PIN 구조로서, 100nm의 두께를 갖는 n형 반도체층, 300nm 두께를 갖는 진성 반도체층(320) 및 100nm 두께를 갖는 p형 반도체층을 적층하였다.
일 실시예에 따른 공간 광 변조기(10)의격자 구조물(GS)은 공기로 구분짓고, 비교예의 격자 구조물(GS)은 실리콘 산화물(SiO2)로 구분지었다. 도 6a은 비교예의 공간 광 변조기(10')의 지향성을 평가한 결과이고, 도 6b는 일 실시예에 따른 공간 광 변조기(10)의 지향성을 평가한 결과이다.
측 모드 억제율(Side Mode Suppression Ratio :SMSR)은 0차 빔 세기에 대한 1차 빔의 세기로 나타내며, 측 모드 억제율이 높을수록 광의 지향성이 높다. 실시예에 따른 공간 광 변조기(10)의 SMSR은 약 6.92dB인 반면, 비교예의 공간 광 변조기(10)의 SMSR은 거의 0dB임을 확인할 수 있다. 따라서, 격자 구조물(GS)이 공기로 구분된 일 실시예에 따른 공간 광 변조기(10)는 격자 구조물(GS)이 실리콘 산화물로 구분된 비교예의 공간 광 변조기(10')보다 SMSR이 향상되었음을 확인할 수 있다.
도 7a 내지 도 7f는 일 실시예에 따른 공간 광 변조기(10)의 제조방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 7a를 참조하면, 기판(SUB) 상에 제1 반사층(100)을 형성할 수 있다.
기판(SUB)은 광을 투과시키는 투명한 소재의 기판, 예를 들어, 실리콘 기판 또는 유리 기판일 수 있다.
제1 반사층(100)은 굴절률이 서로 다른 제1 및 제2 층(110, 120)이 적층된 분산 브래그 반사층일 수 있으며, 제1 층(110)은 예를 들면, 110 nm 두께의 실리콘(Si)이고, 제2 층(120)은 예를 들면, 265 nm 두께의 실리콘 산화물(SiO2)일 수 있다. 제1 및 제2 층(110, 120)을 반복 형성하여 제1 반사층(100)을 형성할 수 있다. 제1 및 제2층(110, 120)은 예를 들면, 화학적 기상 증착법(CVD)으로 형성할 수 있다.
도 7b를 참조하면, 제1 반사층(100) 상에 공진층(200)을 형성한다. 공진층(200)은 예를 들어, 실리콘 산화물(SiO2)을 포함할 수 있다. 공진층(200)의 두께는 300 ㎛ 내지 1500 ㎛일 수 있으며, 예를 들면, 화학적 기상 증착법으로 형성할 수 있다.
도 7c 내지 도 7e를 참조하면, 공진층(200) 상에 복수의 격자 구조물(GS)을 가지는 제2 반사층(300)을 형성할 수 있다.
도 7c를 참조하면, 공진층(200) 상에 제1 도핑된 반도체층(310), 진성 반도체층(320), 제2 도핑된 반도체층(330)을 순차적으로 형성한다. 제1 도핑된 반도체층(310), 진성 반도체층(320), 및 제2 도핑된 반도체층(330)은 화학적 기상 증착법으로 형성될 수 있다.
도 7d를 참조하면, 제1 도핑된 반도체층(310), 진성 반도체층(320), 제2 도핑된 반도체층(330)을 패터닝하여, 서로 이격 배열된 복수의 격자 구조물(GS)을 형성할 수 있다. 예를 들어, 포토리소그래피 공정 및 에칭 공정을 통해 소정의 폭과 피치를 갖는 복수 개의 격자 구조물(GS)을 형성할 수 있다.
도 7e를 참조하면, 격자 구조물(GS) 사이에 희생층(600)을 채울 수 있다. 희생층(600)은 실리콘 산화물을 포함할 수 있다. 그러나, 이에 한정되지 않는다. 희생층(600)은 격자 구조물(GS)과 구분되면서 에칭이 용이한 물질로 형성될 수 있다.
이후, 추가로 열처리 단계를 수행할 수 있다. 격자 구조물(GS)에 포함된 실리콘(Si)이 다결정 구조를 가지되, 다결정 구조의 일부 또는 전체 그레인의 높이가 격자 구조물(GS)의 두께(와 동일하도록 열처리할 수 있다. 즉, 열처리를 통해 격자 구조물(GS)의 결정 크기를 증가시켜, 그레인이 기둥 형태를 가지도록 할 수 있다. 상기한 희생층(600)은 열처리 중 격자 구조물(GS), 전극 등이 산화되는 것을 방지할 수 있다.
열처리는 고온으로 단시간 열처리하거나, 저온에서 장기간 열처리한 후 고온에서 추가적으로 열처리할 수 있다.
예를 들어, 격자 구조물(GS)에 대한 열처리는 저온에서 장시간 동안 진행될 수 있다. 예를 들어, 복수의 격자 구조물(GS)을 500 ℃ ~ 650 ℃ 온도에서 8 시간 ~ 12 시간 동안 가열할 수 있다. 이를 통해, 격자 구조물(GS)은 결정 크기가 큰 다결정 구조를 가질 수 있다.
저온 열처리 단계 이후에, 고온에서 단시간 동안 가열하는 고온 열처리 단계를 더 포함할 수 있다. 고온의 열처리는 750 ℃ 이상에서 10분 이내로 진행될 수 있다. 고온의 열처리는 900 ℃ 이하이며, 1분 이상 진행될 수 있다. 고온 열처리에 의해, 격자 구조물(GS) 내부에 남아 있는 결점을 제거할 수 있으며, 격자 구조물(GS)의 결정화도를 보다 향상시킬 수 있다.
도 7f를 참조하면, 희생층(600)을 제거할 수 있다. 제거된 희생층(600)의 공간에는 공기로 채워질 수 있다. 상기한 공기층이 일 실시예에 따른 충진층(400)이 될 수 있다. 희생층(600)의 제거 과정에서 격자 구조물(GS)의 상부에 희생층(600)의 물질이 잔류되어 있을 수 있다. 공기 이외에도 열전달계수가 100 mW/mK이하인 유체에 의해 채워질 수도 있다. 또는, 이후 공기 등을 제거하여 격자 구조물(GS) 사이의 공간은 진공 상태일 수도 있다.
격자 구조물(GS) 사이를 열전도율이 낮은 유체로 채우거나 진공상태를 유짐하으로써 격자 구조물(GS)간의 열적 크로스토크를 줄여, 광의 스티어링 효율을 향상시킬 수 있다.
도 8은 다른 실시예에 따른 공간 광 변조기(10a)를 도시한 도면이다. 도 8을 참조하면, 격자 구조물(GS)은 픽셀 단위로 그룹핑되고, 그룹핑된 격자 구조물(GS)은 유전체층에 의해 둘러싸일 수 있다.
복수 개의 격자 구조물(GS)은 제1 그룹의 격자 구조물(PX1), 제2 그룹의 격자 구조물(PX2) 및 제3 그룹의 격자 구조물(PX3)을 포함할 수 있다. 제1 그룹의 격자 구조물(PX1)에는 제1 전기적 신호(예를 들어, 전류)가 인가되고, 제2 그룹의 격자 구조물(PX2)에는 제2 전기적 신호가 인가되며, 제3 그룹의 격자 구조물(PX3)에는 제3 전기적 신호가 인가될 수 있다. 그리하여, 제1 내지 제3 그룹의 격자 구조물(PX1, PX2, PX3) 각각은 픽셀이 될 수 있다. 격자 구조물(GS)에는 그룹 단위로 동일한 전기적 신호가 인가되는 바, 동일 그룹 내의 격자 구조물은 열 분포가 동일한 것이 바람직하다. 그룹 단위의 격자 구조물에는 열전달 계수가 큰 유전체층(700)이 그룹핑된 격자 구조물을 서로 연결시킬 수 있다. 상기한 유전체층(700)은 약 1000 mW/mK이상의 열전달 계수를 가질 수 있다. 예를 들어, 상기한 유전체층(700)은 실리콘 산화물 및 실리콘 질화물 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
그리고, 그룹핑된 격자 구조물(PX1, PX2, PX3)각각은 열전달 계수가 100 mW/mK이하인 충진충(400a)에 의해 감싸질 수 있다. 상기한 충진층(400a)은 그룹핑된 격자 구조물((PX1, PX2, PX3)) 사이에 노출된 공진층(200)의 상부 표면과 접할 수 있다.
도 9는 일 실시예에 따른 커버층(800) 및 스페이서층(850)을 포함하는 공간 광 변조기(10b)를 도시한 도면이다. 도 1과 도 9를 비교하면, 도 9의 공간 광 변조기(10b)는 충진층(400)상에 배치되며 격자 구조물(GS)과 공간적으로 이격된 커버층(800) 및 일단은 공진층(200)과 접하고 타단은 커버층(800)과 접하는 스페이서층(850)을 더 포함할 수 있다. 커버층(800) 및 스페이서층(850) 모두 광 투과성의 물질로 형성될 수 잇다. 커버층(800)은 격자 구조물(GS)이 외부로 노출되어 오염되는 것을 방지할 수 있다. 그리고, 스페이서층(850)은 커버층(800)의 격자 구조물(GS)과 공간적으로 이격되도록 지지할 수 있다. 스페이서층(850)은 커버층(800)이 격자 구조물(GS)과 접하게 되는 것을 방지하여 격자 구조물(GS) 또는 픽셀간의 열적 크로스토크의 발생을 방지할 수 있다. 스페이서층(850)의 두께는 격자 구조물(GS)의 두께보다 클 수 있다.
도 10은 일 실시예에 따른 에칭 스탑층(900)을 포함하는 공간 광 변조기(10c)를 도시한 도면이다. 도 1과 도 10을 비교하면, 도 10의 공간 광 변조기(10c)는 공진층(200)의 상부 표면상에 에칭 스탑층(900)을 더 포함할 수 있다. 에칭 스탑층(900)은 격자 구조물(GS)의 형성 과정 및 희생층(600)의 제거 과정 중 에칭 공정에 의해 공진층(200)이 손상되는 것을 방지할 수 잇다. 도면에는 공진층(200)의 상부 표면 전체에 에칭 스탑층(900)이 배치되어 있는 것으로 도시되어 있다. 그러나, 이에 한정되지 않는다. 에칭 스탑층(900)은 공진층(200)의 상부 표면 중 격자 구조물(GS)과 중첩되지 않은 영역상에 배치될 수도 있다. 에칭 스탑층(900)은 공진층(200)과 다른 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 에칭 스탑층(900)은 실리콘 질화물을 포함할 수 있다.
지금까지 설명한 공간 광 변조기(10, 10a, 10b, 10c)는 예를 들어, 라이다 장치와 같은 3차원 센서 또는 3차원 카메라에서 사용되는 깊이 센서 등의 빔 스티어링 장치에 채용되어 정밀도를 높일 수 있다. 라이다 장치는 자율 주행 자동차, 드론(drone) 등의 이동 물체, 모바일(mobile) 기기, 소형 보행 수단(예컨대, 자전거, 오토바이, 유모차, 보드 등), 로봇류, 사람/동물의 보조 수단(예컨대, 지팡이, 헬멧, 장신구, 의류, 시계, 가방 등), IoT(Internet of Things) 장치/시스템, 보안 장치/시스템 등에 적용될 수 있다.
또한, 공간 광 변조기(10, 10a, 10b, 10c)는 라이다 장치 이외에 다양한 시스템에 적용될 수 있다. 예컨대, 공간 광 변조기(10, 10a, 10b, 10c)를 이용하면 스캐닝을 통해 공간 및 피사체의 3차원적인 정보를 획득할 수 있기 때문에, 3차원 이미지 획득 장치나 3차원 카메라 등에 적용될 수 있다. 또한, 공간 광 변조기(10, 10a, 10b, 10c)는 홀로그래픽(holographic) 디스플레이 장치 및 구조광(structured light) 발생 장치에도 적용될 수 있다. 또한, 공간 광 변조기(10, 10a, 10b, 10c)는 홀로그램(hologram) 생성 장치, 광 결합 장치, 가변 초점 렌즈, 깊이 센서(depth sensor) 등 다양한 광학 장치에 적용될 수 있다. 또한, 공간 광 변조기(10, 10a, 10b, 10c)는 메타 표면 또는 메타 구조가 이용되는 다양한 분야에 적용될 수 있다. 그 밖에도 본원의 실시예에 따른 공간 광 변조기(10, 10a, 10b, 10c) 및 이를 포함한 라이다 장치는 다양한 광학 및 전자기기 분야에 여러 가지 용도로 적용될 수 있다.
도 11은 일 실시예에 따른 라이다 장치(1000)의 구성을 개략적으로 보이는 블록도이다.
도 11을 참조하면, 일 실시예에 따른 라이다 장치(1000)는 광을 조사하는 광원(1110), 광원(1110)으로부터 입사한 광의 진행 방향을 조절하는 공간 광 변조기(1100), 공간 광 변조기(1100)에서 방출되어 물체(Object)로부터 반사된 광을 감지하는 광검출기(1120), 및 공간 광 변조기(1100)를 제어하는 제어기(1130)를 포함할 수 있다.
광원(1110)은, 예를 들어, 가시광선을 방출하는 광원 또는 약 800 nm 내지 약 1700 nm 대역의 근적외선을 방출하는 레이저 다이오드(laser diode; LD) 또는 발광 다이오드(LED; light emitting diode)를 포함할 수 있다.
공간 광 변조기(1100)는 도 1a의 공간 광 변조기(10, 10a, 10b, 10c)을 포함할 수 있다. 공간 광 변조기(1100)가 각 픽셀 별로 위상을 변조하여 광의 진행 방향을 컨트롤할 수 있다. 공간 광 변조기(1100)는 넓은 시야각을 가지고 광을 스캐닝할 수 있다.
제어기(1130)은 공간 광 변조기(1100), 광원(1110), 및 광검출기(1120)의 동작을 제어할 수 있다. 예를 들어, 제어기(1130)은 광원(1110) 및 광검출기(1120)의 온/오프 동작, 공간 광 변조기(1100)의 빔 스캐닝 동작을 제어할 수 있다. 또한, 제어기(1130)는 광검출기(1120)의 측정 결과를 기초로 물체(Object)에 대한 정보를 계산할 수 있다.
라이다 장치(1000)는 주변의 복수의 위치에 있는 물체들에 대한 정보를 얻기 위해 공간 광 변조기(1100)를 이용하여 주변의 여러 영역에 대해 광을 주기적으로 조사할 수 있다.
도 12는 다른 실시예에 따른 라이다 장치의 구성을 개략적으로 보이는 블록도이다.
도 12는 참조하면, 라이다 장치(2000)는 공간 광 변조기(2100)와, 공간 광 변조기(2100)에 의해 광의 진행 방향이 조절된 광이 물체에 의해 반사된 광을 검출하기 위한 광검출기(2300)를 포함할 수 있다. 라이다 장치(2000)는 공간 광 변조기(2100) 및/또는 광검출기(2300)에 연결된 회로부(2200)를 더 포함할 수 있다. 회로부(2200)는 데이터를 획득하여 연산하는 연산부를 포함할 수 있고, 구동부 및 제어기 등을 더 포함할 수 있다. 또한, 회로부(2200)는 전원부 및 메모리 등을 더 포함할 수 있다.
도 12의 라이다 장치(2000)는 하나의 장치 내에 공간 광 변조기(2100) 및 광검출기(2300)를 포함하는 경우를 도시하지만, 공간 광 변조기(2100) 및 광검출기(2300)는 하나의 장치로 구비되지 않고, 별도의 장치에 분리되어 구비될 수도 있다. 또한, 회로부(2200)는 공간 광 변조기(2100)나 광검출기(2300)에 유선으로 연결되지 않고, 무선 통신으로 연결될 수 있다.
앞선 라이다 장치들은 위상 시프트(Phase-Shift) 방식 또는 TOF(time-of-flight) 방식의 장치일 수 있다.
도 13a 및 도 13b는 라이다 장치를 차량에 적용한 경우를 보여주는 개념도이다. 도 13a은 측방에서 바라본 도면이고, 도 13b는 위에서 바라본 도면이다.
도 13a을 참조하면, 차량(3000)에 라이다 장치(3100)를 적용할 수 있고, 이를 이용해서 피사체(3200)에 대한 정보를 획득할 수 있다. 차량(3000)은 자율 주행 기능을 갖는 자동차일 수 있다. 라이다 장치(3100)를 이용해서, 차량(3000)이 진행하는 방향에 있는 물체나 사람, 즉, 피사체(3200)를 탐지할 수 있다. 또한, 송신 신호와 검출 신호 사이의 시간 차이 등의 정보를 이용해서, 피사체(3200)까지의 거리를 측정할 수 있다. 또한, 도 13b에 도시된 바와 같이, 스캔 범위 내에 있는 가까운 피사체(3200)와 멀리 있는 피사체(3300)에 대한 정보를 획득할 수 있다.
앞선 실시예들은 예시적인 것에 불과한 것으로, 당해 기술분야의 통상을 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다. 따라서, 예시적인 실시예에 따른 진정한 기술적 보호범위는 하기의 특허청구범위에 기재된 발명의 기술적 사상에 의해 정해져야만 할 것이다.
10, 10a, 10b, 10c:공간 광 변조기
100: 제1 반사층
200: 공진층
300: 제2 반사층
310: 제1 도핑된 반도체층
320: 진성 반도체층
330: 제2 도핑된 반도체층
400: 충진층

Claims (22)

  1. 제1 반사층;
    상기 반사층상에 배치된 공진층;
    상기 공진층 상에 이격 배치되는 복수 개의 격자 구조물을 포함하는 제2 반사층; 및
    상기 복수 개의 격자 구조물 중 적어도 하나의 격자 구조물을 감싸면서 상기 공진층의 상부 표면과 접하고, 열전달계수가 100 mW/mK이하인 충진층(filling layer); 을 포함하는 공간 광 변조기.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 충진층은,
    진공층인 공간 광 변조기
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 충진층은,
    유체가 채워진 층인 공간 광 변조기.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 유체는,
    공기인 공간 광 변조기.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 충진층은,
    상기 복수 개의 격자 구조물 중 적어도 하나의 격자 구조물의 상부 표면 및 측면 모두와 접하는 공간 광 변조기.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 복수 개의 격자 구조물은,
    제1 전기적 신호가 인가되는 제1 그룹의 격자 구조물; 및
    제2 전기적 신호가 인가되는 제2 그룹의 격자 구조물;을 포함하고,
    상기 충진층은,
    상기 제1 그룹의 격자 구조물과 상기 제2 그룹의 격자 구조물 중 적어도 하나를 감싸는 공간 광 변조기.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 충진층은,
    상기 제1 그룹의 격자 구조물과 상기 제2 그룹의 격자 구조물 사이에 노출된 상기 공진층의 상부 표면과 접하는 공간 광 변조기.
  8. 제 6항에 있어서,
    상기 제1 그룹의 격자 구조물 중 이웃하는 격자 구조물들 사이에 배치되며, 열전달계수가 1000 mW/mK초과인 유전체층;을 더 포함하는 공간 광 변조기.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 유전체층은,
    실리콘 산화물 및 실리콘 질화물 중 적어도 하나를 포함하는 공간 광 변조기.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 충진층상에 배치되며, 상기 제2 반사층과 공간적으로 이격 배치되는 커버층;을 더 포함하는 공간 광 변조기.
  11. 제 10항에 있어서,
    일단은 상기 공진층과 접하고 타단은 상기 커버층과 접하는 스페이서층;를 더 포함하는 공간 광 변조기.
  12. 제 1항에 있어서,
    상기 격자 구조물 중 적어도 하나는
    PIN 구조, NIN 구조 및 PIP 구조 중 어느 하나인 공간 광 변조기.
  13. 제 1항에 있어서,
    상기 격자 구조물의 피치는,
    상기 공간 광 변조기에 의해 변조되는 광의 파장보다 작은 공간 광 변조기.
  14. 제 1항에 있어서,
    상기 제2 반사층의 반사율은 상기 제1 반사층의 반사율보다 낮은 공간 광 변조기.
  15. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 반사층은 분산 브래그 반사층인 공간 광 변조기.
  16. 제 1항에 있어서,
    상기 공진층과 상기 충진층 사이에 배치되는 에칭 스탑층;을 더 포함하는 공간 광 변조기.
  17. 제 1항에 있어서,
    상기 공간 광 변조기의 SMSR(Side Mode Suppression Ratio)은 5dB이상인 공간 광 변조기.
  18. 광원;
    상기 광원으로부터의 방출된 광의 진행 방향을 조절하여 물체에 광을 조사하는 공간 광 변조기; 및
    상기 물체로부터 반사된 광을 감지하는 광검출기를 포함하고,
    상기 공간 광 변조기는,
    제1 반사층;
    상기 제1 반사층상에 배치된 공진층;
    상기 공진층 상에 이격 배치되며 복수 개의 격자 구조물을 포함하는 제2 반사층; 및
    상기 복수 개의 격자 구조물 중 적어도 하나의 격자 구조물 을 덮으면서 상기 공진층의 상부 표면과 접하고, 열전달계수가 100 mW/mK이하인 충진층(filling layer)을 포함하는 제2 반사층;을 포함하는 라이다 장치.
  19. 제 18항에 있어서,
    상기 충진층은,
    유체가 없는 진공층이거나, 유체가 채워진 유체층인 라이다 장치.
  20. 제 19항에 있어서,
    상기 유체는,
    공기인 라이다 장치.
  21. 제 18항에 있어서,
    상기 충진층상에 배치되며, 상기 제2 반사층과 공간적으로 이격 배치되는 커버층; 및
    일단은 상기 커버층과 접하고 타단은 공진층과 접하는 스페이서층;을 더 포함하는 라이다 장치.
  22. 제 18항에 있어서,
    상기 공진층과 상기 충진층 사이에 배치되는 에칭 스탑층;을 더 포함하는 라이다 장치.
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