WO2014046465A1 - 포토믹서 및 그의 제조방법 - Google Patents

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박경현
김남제
고현성
이동훈
한상필
류한철
박정우
문기원
김대용
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    • G02F2203/00—Function characteristic
    • G02F2203/13—Function characteristic involving THZ radiation

Definitions

  • the present invention relates to a photomixer and a method for manufacturing the same, and more particularly, to a broadband photomixer and a method for manufacturing the same, which are the core of continuous frequency variable terahertz wave generation.
  • 0.1 to 10 THz (1 THz: 10 12 Hz) is defined as terahertz waves.
  • the 0.1 to 3 THz region is a region in which rotation resonance frequencies of a wide variety of molecules exist.
  • molecular detection and the like can be obtained by non-destructive, unopened, and non-contact methods.
  • the terahertz wave technology field it is possible to provide a new concept of future core technology, which has never been possible in medical, medicine, agricultural food, environmental measurement, bio, telecommunication, non-destructive investigation, and advanced material evaluation. This is an ongoing field.
  • terahertz wave technology Since terahertz wave technology has very low energy of several meV at terahertz wave band photons, there is little effect on human body, so it is recognized as a core technology for realizing human-oriented ubiquitous society, and demand is expected to increase rapidly. However, no technology has yet been developed to satisfy real-time, portable, low cost, and broadband. However, due to continuous technological advances, various proposals on the application of terahertz spectroscopy and imaging are being made. Unlike the terahertz imaging field, where the adoption of high power and high sensitivity array detectors is essential, terahertz spectroscopy is the core technology of the system.
  • the broadband terahertz system which is widely used until recently, is a THz-TDS (Time Domain Spectroscopy) that generates terahertz waves by irradiating a semiconductor having ultrafast response speed with a femto elementary ultra-short pulse laser as shown in FIG. 1.
  • the broadband terahertz spectroscopy system which consists of a femto-grade high-power pulse laser and a photonconductive antenna (PCA), is the first to be commercialized because it provides relatively high signal-to-noise ratio (SNR) and broadband characteristics.
  • SNR signal-to-noise ratio
  • BS beam splitter
  • pumptosecond optical pulse 10 from one femtosecond laser 22 reflected by a mirror M1.
  • BS beam splitter
  • one femtosecond optical pulse is reflected by the mirror M2 to excite the THz emitter 12
  • the other femtosecond optical pulse is the optical retarder DL and the mirrors M3 and M4.
  • Two off-axis parabolic mirrors 14 at the rear end of the THz emitter 12 focus the THz beam at the THz emitter 12 onto a sample 16 and the two non-axial axes
  • An off-axis parabolic mirror 20 collects the THz beams transmitted from the sample 16 and focuses them on the THz detector 18.
  • the maximum value of the terahertz signal can be measured at the point where the paths of the left and right laser beams exactly match.
  • the method of measuring the terahertz signal is to change the optical path of the laser beam on the right side by using the optical retarder (DL). It is measured by the sampling method using the optical path difference.
  • THz-TDS which is a pulse-type wideband terahertz wave generation method
  • THz-FDS frequency domain spectroscopy
  • the excitation light source is not a femtosecond laser but a very stable high power distributed feedback laser (DFB 1, DFB 2) (24, 26) of two wavelengths ( ⁇ 1, ⁇ 2). It takes advantage of the beats that) makes.
  • the method for generating terahertz waves is similar to the THz-TDS system of FIG. 1.
  • the PCA an ultra-high frequency photoelectric converter for THz-TDS, makes it possible to generate wideband terahertz waves easily with a rectangular micro-excitation area of several micrometers and a very simple dipole antenna due to the high peak value of the ultra-short pulsed laser.
  • a terahertz wave having a frequency corresponding to two wavelengths is generated, and thus is called a photomixer instead of PCA.
  • the development of the photomixer 30 for generating a non-pulse continuous wave uses an IDT (interdigitated) pattern as shown in FIG. do.
  • the IDT pattern makes it easy to saturate and depend on the polarization of incident light, but it is widely used because it can generate wideband terahertz waves with relatively low input light output.
  • Photomixer 30 a device for generating broadband tepahertz waves, is made of a very fast material having a reaction rate of pico (10 -12 ) seconds, and a photoconductive switch (PCS) through which current flows when light is irradiated. 32, and an antenna 34 for securing gain in one direction of the generated terahertz waves.
  • PCS photoconductive switch
  • Figure 4 it can be seen that the antenna 34 is formed on both sides with the photoconductive switch 32 of the photo mixer 30 in the center.
  • Korean Patent Publication No. 2011-0069453 discloses a technique for increasing the intensity of excitation light for generating terahertz waves and increasing the stability of the photomixer.
  • the present invention fundamentally overcomes the characteristic degradation due to the saturation of the input light by the injection of a high power excitation light source and the rapid temperature increase of the photomixer active layer by the excitation light injection in a broadband photomixer which is a continuous wave terahertz wave generator unlike the pulsed PCA. This is to realize the development of high efficiency photomixer. In particular, it is easy to utilize well-developed optical communication components, and it is possible to drastically improve the efficiency of generating very low broadband terahertz waves in the long wavelength band, and at the same time, develop a broadband photomixer technology having high efficiency and high reliability characteristics.
  • the present invention has been proposed to solve the above-described problems, and provides a photomixer and a method for manufacturing the same, which fundamentally solve existing limitations of the PCA and photomixer, which are the core components of the existing broadband terahertz spectroscopy system. It is aimed.
  • Each spectroscopic system utilizes various materials such as low-growth GaAs and InGaAs that meet the oscillation wavelength of the light source, but the results are still insufficient for industrialization due to the characteristics of the semiconductor.
  • MOCVD metal-organic chemical vapor deposition
  • a photomixer comprises: an active layer formed on an upper surface of a substrate but formed in a region where light is incident; And a heat conductive layer formed on an upper surface of the substrate and formed in the remaining region except for the region where the light is incident.
  • the active layer has a mesa-shaped cross section.
  • the thermal conductive layer may be formed of any one of InP, GaAs, Ge, Si, AlAs, and AlGaAs.
  • the active layer and the thermal conductive layer may be in close contact with each other.
  • An antireflective film may be additionally formed in a region where the light is incident, and the antireflective film may be formed on the active layer and the heat conductive layer.
  • a method of manufacturing a photomixer includes forming an active layer on an upper surface of a substrate and forming the active layer in a region where light is incident; And forming a heat conductive layer on an upper surface of the substrate, and forming the heat conductive layer in the remaining areas except for the light incident area.
  • the forming of the active layer comprises: growing a buffer layer vertically and horizontally on an upper surface of the substrate; Growing the active layer vertically and horizontally on an upper surface of the buffer layer; And etching the remaining areas of the grown active layer except for the light incident area.
  • Vertically and horizontally growing the active layer may be a low temperature growth of the active layer by MBE method.
  • the active layer may be formed to have a mesa-shaped cross section.
  • the thermally conductive layer may be regrown in a region except for the region where the light is incident by MOCVD to have a planarized surface.
  • the heat treatment process is performed simultaneously with the heat treatment process of the low-temperature growth semiconductor material and the high-quality semiconductor crystal growth, thereby enabling the development of high thermal conductivity and planar structure and high reliability. And high efficiency broadband photomixer.
  • the reliability of the photomixer device utilizing the low temperature growth substrate and the development of a high efficiency photomixer with high efficiency heat dissipation structure enables practical terahertz application system development and the ripple effect of future technology development.
  • THz-TDS time domain spectroscopy
  • FIG. 2 is a diagram for describing an outline of a typical frequency domain spectroscopy (THz-FDS) system.
  • FIG. 3 is a block diagram of a general photo mixer.
  • FIG. 4 is a view showing an installation form of the photoconductive switch and antenna shown in FIG.
  • FIG. 5 is a diagram showing a terahertz wave generation photomixer equivalent circuit employed in the description of the present invention.
  • FIG. 6 is a structural diagram of a terahertz wave generation flat panel type photomixer employed in the description of the present invention.
  • FIG. 7 is a diagram illustrating a terahertz wave generation photomixer in which an antenna used in the description of the present invention is integrated.
  • FIG. 8 is a modification of FIG.
  • FIG. 9 is a structural diagram of a photo mixer according to a preferred embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a photomixer according to a preferred embodiment of the present invention.
  • the main characteristics of the pulsed wideband terahertz wave generation system or the continuous frequency variable terahertz wave generation system are determined by the characteristics of the excitation light source and the efficiency of the photoelectric converters PCA and photomixer. Unlike the pulse type, when designing the photomixer for continuous wave generation, the effect of thermal rise inside the photomixer due to very high input optical power must be considered.
  • the main heat sources include absorption of materials by light injection and Joule heating by currents by applying photomixer bias. Since the deterioration of the photoelectric efficiency characteristics due to premature saturation of incident light and increase of internal temperature due to the increase in the internal temperature of the photomixer proceeds rapidly, smooth heat dissipation is essential for securing high efficiency. In particular, it is the most important issue in continuous wave method. Consider the case of a long wavelength photomixer that exhibits the worst characteristics among various photoelectric converters.
  • the frequency variable terahertz wave source generated at this time is directly affected by the characteristics of the excitation light source. A lot of efforts are made to develop a stable excitation light source by affecting the terahertz wave generated from the stability, line width, polarization, and phase of the excitation light source.
  • the equivalent circuit method shown in FIG. 5 is widely used to analyze the terahertz wave output generated through the photomixer.
  • the main variables affecting the photomixer characteristics include an applied voltage V B , an antenna impedance R L , a photo mixer capacitance C, a photo mixer photoconductance G 0, and the like.
  • the photoconductance G 0 is given by Equation (1) below.
  • Equation (1) below e is the charge amount of the carrier, P 0 is the light output incident on the photomixer.
  • High-efficiency terahertz wave generation requires the adjustment of variables that directly affect the photoelectric conversion efficiency of the photomix with a high power light source. As can be seen from Equation (2), the high response speed, antenna resistance, and input light intensity of the photomix are affected. In PCA, a pulsed terahertz wave generator, the deterioration due to the excitation light is relatively less affected than the continuous wave. However, in the case of the photomixer for continuous wave generation, the junction temperature T j (Junction temperature) formed at the interface between the air and the semiconductor due to Joule heating by applying the bias and increasing the temperature of the active layer by continuous input light injection and absorption is Determining the maximum value of the incident light is an essential element to develop a high efficiency photomixer.
  • T j Joint temperature
  • Carrier extinction time of a typical semiconductor is several ns (10 -9 ) seconds, the time corresponding to 1THz is 1 pico (10 -12 ) seconds, so if the growth temperature is rapidly lowered during semiconductor crystal growth to secure broadband characteristics, Impurities are generated by occupying the Group 5 element at the position of the Group 3 element to secure the femto-element carrier disappearance time.
  • the GaAs material is used to absorb 800 nm light output, which is the central oscillation wavelength of the titanium sapphire (Ti: Sapphire) laser, which is the light source of the THz-TDS system.
  • InGaAs materials are mainly used. The differentiation of the present invention will be described by comparing the photomixer manufacturing method which is generally utilized and the method newly proposed in the present invention.
  • the photomixer comprises a photoconductive switch 32, which is a material that reacts at high speed to excitation light, and an antenna 34 for extracting the generated waves in any desired direction.
  • the antenna 34 may be a bowtie antenna, a dipole antenna, or the like, depending on the application. Broadband antennas are essential for terahertz spectroscopy systems, while high-efficiency resonant antennas are used for terahertz imaging systems.
  • FIG. 6 shows a simplest type photomixer in which only an antenna having a structure capable of applying a bias to a material having a carrier disappearance time is manufactured.
  • the photomixer of FIG. 6 includes a substrate 40, a buffer layer 42, an active layer 44, an insulator thin film 46, an electrode pattern 48, and an antireflective film 50.
  • the substrate 40 may be composed of semi-insulating GaAs or InGaAs to minimize the amount of terahertz waves are absorbed by the charges present on the substrate.
  • the substrate 40 may be grown to a predetermined thickness by using a molecular beam epitaxy (MBE) device.
  • MBE molecular beam epitaxy
  • the active layer 44 is formed vertically and horizontally on the top surface of the buffer layer 42.
  • the active layer 44 is grown by a low temperature growth method to secure a carrier life time.
  • the active layer 44 may be referred to as a core of the photomixer, and may also be called a photoconductive layer.
  • the active layer 44 may generate terahertz waves from photoconductive switching.
  • the semiconductor thin films used as the active layer 44 may be GaAs having a bulk type and InGaAs, InGaAsP, or the like, which have a band gap corresponding to the excitation light source wavelength, for the long wavelength region.
  • a multilayer thin film structure such as InGaAs / InAlAs may be adopted to smoothly capture electrons and holes generated by a long wavelength excitation light source.
  • the terahertz wave output is determined in proportion to the square of the applied voltage, and the formation of an electrode including an antenna for applying a bias to the photoconductive switch is essential.
  • the insulator thin film 46 and the electrode pattern 48 are sequentially formed on the upper surface of the active layer 44 through a series of lithography processes.
  • the electrode pattern 48 may be viewed as being connected to the antenna.
  • the photomixer chip is completed by sequentially forming the buffer layer 42, the active layer 44, the insulator thin film 46, and the metal electrode pattern 48 on the substrate 40.
  • the antireflective film 50 is for preventing the surface reflection fall by a semiconductor at last. First, the antireflection film layer is formed on the entire upper surface of the electrode pattern 48, and then the antireflection film 50 is formed only in a region where light is incident through a lithography process.
  • FIG. 7 is a diagram illustrating a terahertz wave generation photomixer having an integrated antenna.
  • two bow tie antennas 34 which are broadband antennas, are integrated.
  • One of the two bowtie antennas 334 may have a bias voltage applied and the other one may be grounded.
  • a plurality of electrode pads 36 are connected for each bow tie antenna 34 for packaging.
  • the electrode pad 36 may include a bias electrode pad and a ground electrode pad.
  • the photoconductive switch 32 which is the core of the photomixer, is formed in the dotted line (i.e., between the two bowtie antennas 34).
  • the photoconductive switch 32 may be formed of a material in the active layer 44 described above.
  • the InGaAs material may be formed by background charges. It is known to have n-type semiconductor characteristics. In order to offset these n-type charges, p-type beryllium (Be) is doped into the low-growth InGaAs. As a result of Hall measurement, the higher the heat treatment temperature, the more beryllium (Be) is activated to offset the n-type impurities. This means that as the heat treatment temperature is increased, low temperature grown InGaAs with high dark resistivity can be obtained.
  • the structure as shown in FIG. 8 can be considered in order to reduce the dark current which directly affects the photomixer characteristics.
  • the role of each layer of the photomixer is the same as that of FIG. 6, and has a structure in which the remaining regions are removed by etching while leaving only the region where light enters.
  • the active layer 52 has a mesa-shaped cross section. As such, when the active layer 52 has a mesa-shaped cross section, since there is no semiconductor region grown at low temperature except the region into which light is injected, there will be no generation of dark current due to the background charge concentration.
  • reference numeral 54 denotes an insulator thin film.
  • the photomixer of FIG. 8 since the active layer 52 is formed in a mesa shape, the photomixer of FIG. 8 also has an electrode pattern 48 on the active layer 52 having a similar shape. Accordingly, the electrode pattern 48 in FIG. 8 is not flat unlike the electrode pattern in FIG. 6. Thus, the photomixer of FIG. 8 brings inconsistency between the height of the active layer 52 and the antenna plane. Due to such inconsistency, there are difficulties in the process and most of the structures except the substrate are exposed to air, so it is difficult to expect high emission efficiency of heat generated during photoexcitation.
  • the photomixer having the structure as shown in FIG. 9 is presented.
  • the subsequent heat treatment process to secure mobility is essential for developing a broadband photomixer.
  • the photomixer of FIG. 9 includes a substrate 60, a buffer layer 62, an active layer 64, a thermal conductive layer 66, an insulator thin film 68, an electrode pattern 70, and an antireflective film 72.
  • the substrate 60, the buffer layer 62, and the active layer 64 have the same role as the substrate 40, the buffer layer 42, and the active layer 52 of FIG. 8.
  • the insulator thin film 68, the electrode pattern 70, and the antireflective film 72 have the same role as the insulator thin film 46, the electrode pattern 48, and the antireflective film 50 of FIG. 6.
  • the active layer 64 and the thermal conductive layer 66 are formed on the upper surface of the buffer layer 62, but the active layer 64 is formed in a region where light is incident, and the thermal conductive layer 66 is formed in a region other than the region where the light is incident. ) Is unique.
  • the thermal conductive layer 66 uses a material having a very high thermal conductivity. For heat dissipation, the active layer 64 and the heat conductive layer 66 are preferably in close contact with each other.
  • a heat treatment process and a planarization process of regrowing and planarizing a material having a very high thermal conductivity in a region other than a photoexcitation region (that is, a region into which light is incident) are made by using a MOCVD apparatus. Perform.
  • MOCVD equipment which is a semiconductor crystal growth equipment.
  • the experimental results confirmed that there was no sudden change of carrier life time up to a certain critical temperature.
  • MOCVD which is a conventional semiconductor crystal growth equipment
  • thermal conductivity As the regrowth material used for the thermal conductive layer 66, a wide variety of materials may be considered in consideration of lattice matching with various active layers and thermal conductivity of the regrowth material.
  • the possible material names can be given as follows. InP (0.68 Wcm -1 K -1 ), GaAS (0.45 Wcm -1 K -1 ), Ge (0.58 Wcm -1 K -1 ), Si (1.3 Wcm -1 K -1 ), AlAs (0.91 Wcm -1) K -1 ) is a material having a very high thermal conductivity, which enables the development of a thermally stable photomixer by filling a region other than the photoexcitation region. In fact, it is experimentally confirmed that the use of such a structure dramatically improves its characteristics.
  • an electric field E is formed in the active layer 64 by a bias voltage applied to the electrode pattern 70 connected to the antenna.
  • carriers electron-hole pairs
  • the carrier is accelerated by the electric field E formed in the active layer 64 and instantaneously moves to the antenna via the electrode pattern 70.
  • the photocurrent flowing during the carrier's lifetime (a few hundred femtoseconds) generates terahertz waves in the antenna.
  • heat generated during photoexcitation is quickly released to the outside through the heat conductive layer 66.
  • FIG. 10 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a photomixer according to a preferred embodiment of the present invention.
  • a buffer layer 62 is formed on the upper surface of the substrate 60 (S12).
  • the buffer layer 62 is grown to a predetermined thickness vertically and horizontally by the MBE equipment.
  • the active layer 64 is formed on the upper surface of the buffer layer 62 (S14).
  • the active layer 64 is grown vertically and horizontally on the upper surface of the buffer layer 62 by a low temperature growth method using MBE equipment.
  • the active layer 64 is grown vertically and horizontally on the top surface of the buffer layer 62 using MOCVD and then ion implantation is performed using ions such as, for example, F 2+ . May be performed.
  • the active layer 64 formed by growing vertically and horizontally by the low temperature growth method by the MBE device or by vertically and horizontally by performing the ion implantation, the region where light is incident (ie, The other areas except for the optical excitation area are removed by etching. Accordingly, the active layer 64 has a mesa-shaped cross section.
  • the thermal conductive layer 66 is regrown in the region excluding the region where light is incident to have a planarized surface (S16).
  • the surface of the active layer 64 as well as the thermal conductive layer 66 is substantially flattened.
  • an insulator thin film 68 is formed on the top surfaces of the active layer 64 and the thermal conductive layer 66 (S18).
  • an electrode pattern 70 connected to one surface of the active layer 64 and spaced apart from the thermal conductive layer 66 is formed (S20).
  • the present invention is not limited only to the above-described embodiment, but can be modified and modified within the scope not departing from the gist of the present invention, the technical idea to which such modifications and variations are also applied to the claims Must see

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Description

포토믹서 및 그의 제조방법
본 발명은 포토믹서 및 그의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 연속 주파수 가변형 테라헤르츠파 발생의 핵심인 광대역 포토믹서 및 그의 제조방법에 관한 것이다.
전자기파 스펙트럼 대역에서 0.1 ~ 10THz (1THz: 1012Hz) 영역을 테라헤르츠파로 정의하고 있다. 특히, 0.1 ~ 3THz 영역은 매우 다양한 분자들의 회전 공진주파수들이 존재하는 영역으로서, 이러한 분자들의 테라헤르츠파 대역 특성을 활용하여 분자 검출 등을 비파괴, 미개봉, 비접촉법으로 획득할 수 있다. 이와 같은 테라헤르츠파 기술 분야는 의료, 의학, 농업식품, 환경계측, 바이오, 통신, 비파괴 조사, 첨단재료평가 등에서 지금까지 없었던 신개념의 미래 핵심 기술 제공이 가능하여 관련 핵심기술 개발에 매우 치열한 경쟁이 진행되고 있는 분야이다.
테라헤르츠파 기술은 테라헤르츠파 대역 광자의 에너지가 수 meV수준으로 매우 낮으므로 인체에 영향이 거의 없어 인간중심의 유비쿼터스(ubiquitous) 사회 실현의 핵심기술로 인식되어 수요가 급격히 증가할 것으로 예상된다. 그러나, 실시간, 포터블, 저가격, 광대역 등을 동시에 만족할만한 기술이 아직까지 개발되지 못하였다. 하지만, 지속적인 기술력 향상으로 테라헤르츠 분광 및 영상 분야 활용에 관한 다양한 제시가 이루어지고 있는 상황이다. 고출력의 파원 및 고감도 어레이형 검출기 채택이 필수적인 테라헤르츠 영상분야와는 다르게, 테라헤르츠 분광에서는 광대역의 테라헤르츠 파원이 시스템의 핵심기술로 자리잡고 있다.
최근까지 가장 광범위하게 사용되고 있는 광대역 테라헤르츠 시스템은 도 1에서 볼 수 있듯이 펨토초급 초단 펄스레이저를 초고속 응답속도를 가지는 반도체에 조사시켜 테라헤르츠파를 발생시키는 THz-TDS(Time Domain Spectroscopy)이다. 펨토초급의 고출력 펄스레이저 및 PCA(Photonconductive antenna)로 구성되는 광대역 테라헤르츠 분광시스템은 높은 신호대잡음비(Signal to Noise Ratio ; SNR), 광대역 특성 제공이 비교적 쉽게 구현 가능하여 가장 먼저 상용화된 시스템이다. 도 1의 THz-TDS시스템은 미러(M1)에 의해 반사된 1대의 펨토초 레이저(Femtosecond laser; 22)로부터의 펌토초 광펄스(10)를 빔 분할기(Beam Splitter; BS)로 2개의 펨토초 광펄스로 나눈다. 2개의 펨토초 광펄스중에서 하나의 펨토초 광펄스는 미러(M2)에 의해 반사되어 THz 에미터(12)를 여기 시키고, 나머지 하나의 펨토초 광펄스는 광 지연기(DL)와 미러(M3, M4)를 순차적으로 거쳐 THz 검출기(18)에게로 입력된다. THz 에미터(12) 후단의 두 개의 비정축 파라볼릭(off-axis parabolic) 미러(14)는 THz 에미터(12)에서의 THz빔을 시료(sample; 16)에 집속시키고, 두 개의 비정축 파라볼릭(off-axis parabolic) 미러(20)는 시료(16)에서 투과된 THz빔을 모아서 THz 검출기(18)에 집속시킨다. 좌우 레이저 빔의 경로가 정확하게 일치하는 지점에서 테라헤르츠 신호의 최대값을 측정할 수 있는데, 테라헤르츠 신호를 측정하는 방법은 광 지연기(DL)를 이용하여 오른쪽의 레이저 빔의 광로를 조금씩 변화시킴으로써 광로차를 이용한 샘플링 방식으로 측정하게 된다.
하지만, 상술한 THz-TDS시스템은 펨토초 레이저(22), 광 지연기(DL) 등을 포함한 정교하고 복잡한 광학계로 구성되어 매우 고가이고 시스템 크기가 크다. 특히, 도 1의 THz-TDS시스템은 시간영역 신호 측정 시 광지연 소요 시간과 측정된 시간 영역 신호의 FFT(Fast Fourier Transform) 신호 처리 시간에 따른 실시간 계측의 어려움이 있다. 이러한 문제들은 산업적 활용 극대화를 위해 해결하여야 할 요소들로 인식되고 있다.
최근 들어 펄스형의 광대역 테라헤르츠파 발생법인 THz-TDS 시스템 외에 도 2와 같은 연속파 발생의 THz-FDS(frequency domain spectroscopy) 시스템 개발에 많은 노력들이 진행 중에 있다. 연속파 방식에 따른 높은 주파수 분해능 제공이 가능하고, 두 대의 독립된 고출력 반도체 레이저를 활용함으로써 저가격, 광대역, 초소형 시스템 개발이 가능하여 현장 적용형으로 테라헤르츠 분광시스템 개발이 가능하여 관련 기술 개발을 많은 기관에서 경쟁적으로 진행 중에 있다. 하지만, 연속파 방식의 매우 열악한 광전 변환 효율로 구체적이고 실질적인 시스템 적용 사례를 보여 주지는 못하고 있다.
도 1에 제시된 펄스형 광대역 테라헤르츠파 발생시스템인 THz-TDS 시스템은 펨토초급 초단 펄스레이저인 티타늄 사파이어(Ti: Sapphire) 레이저가 일반적으로 활용되고 펨토초 광 여기에 의한 테라헤르츠파 발생기인 PCA 즉 초고주파 광전 변환기(optical-to-electrical converter)로 구성된다. 상용화된 티타늄 사파이어(Ti: Sapphire) 레이저의 중심 발진 파장이 800nm를 흡수하고 매우 짧은 캐리어 수명시간을 갖는 저온성장 GaAs를 PCA 활성물질로 활용한다. 테라헤르츠 분광 시스템 구성에서 여기 광원을 효율적으로 흡수하거나 광대역 특성에 필수적인 펨토초 수준의 캐리어 수명시간을 갖는 물질 채택은 필수적이다. 같은 방식이지만 도 1과 같은 펄스형 TDS 시스템과 달리 도2와 같은 연속파 발진 방식인 FDS 시스템이 개발되어 TDS시스템과 경쟁 중에 있다.
도 1과 비교하였을 때, 도 2의 차이는 여기 광원이 펨토초 레이저가 아닌 매우 안정적인 고출력의 분포 궤환형 레이저(Distributed Feedback Laser ; DFB 1, DFB 2)(24, 26)의 두 파장(λ1, λ2)이 만드는 비팅(beating)을 활용한다는 것이다. 광원 이외에는 테라헤르츠파를 발생시키기 위한 방식은 도 1의 THz-TDS시스템과 유사하다. THz-TDS용 초고주파 광전 변환기인 PCA 경우 초단 펄스레이저의 높은 피크 값으로 인해 수 마이크로미터 크기의 사각형 광 여기 영역과 매우 간단한 다이폴 안테나로 쉽게 광대역 테라헤르츠파 발생이 가능하다. 반면, 도 2의 THz-FDS용은 두 개의 파장차이에 해당하는 주파수를 갖는 테라헤르츠파가 발생한다고 하여 PCA대신에 일반적으로 포토믹서라 불린다. 펄스형이 아닌 연속파 발생을 위한 포토믹서(30) 개발에는 매우 높은 피크 값을 갖는 펨토초 레이저와 달리 연속적으로 발진하는 수십 mW 수준의 광원 활용으로 도 4와 같은 손가락 형태의 IDT(interdigitated) 패턴이 활용된다. IDT패턴 활용으로 쉽게 포화되고 입사광의 편광에 의존적이지만 비교적 낮은 입력 광출력으로도 광대역 테라헤르츠파 발생이 가능하여 많이 활용되고 있다.
도 3은 일반적인 포토믹서의 개요도이다. 광대역 테파헤르츠파를 발생시키는 장치인 포토믹서(30)는 반응속도가 피코(10-12)초 수준의 매우 빠른 물질로 구성되어 빛이 조사되었을 때 전류가 흐르는 광전도 스위치(photoconductive switch; PCS)(32), 및 발생된 테라헤르츠파의 한 방향으로의 이득을 확보하기 위한 안테나(34)로 구성된다. 한편, 도 4를 보면, 포토믹서(30)의 광전도 스위치(32)를 중앙에 두고 양쪽에 안테나(34)가 형성되었음을 알 수 있다.
대한민국 공개특허 2011-0069453호(포토믹서 모듈 및 그것의 테라헤르츠파 발생 방법)에는 테라헤르츠파를 발생하기 위한 여기광의 세기를 증가시키고 포토믹서의 안정성을 높이기 위한 기술이 개시되었다.
대한민국 공개특허 2011-0069453호에 개시된 포토믹서 모듈은 입사되는 레이저광을 증폭시키는 반도체 광증폭기, 및 증폭된 레이저광에 여기되어 연속 테라헤르츠파를 생성하는 포토믹서를 포함하되, 반도체 광증폭기와 포토믹서는 단일 모듈로 형성된다.
본 발명은 펄스형 PCA와 달리 연속파 테라헤르츠파 발생장치인 광대역 포토믹서에서 고출력의 여기 광원 주입에 의한 입력광의 포화 및 여기 광 주입에 의한 포토믹서 활성층의 급격한 온도 증가로 인한 특성 저하를 원천적으로 극복이 가능한 고효율 포토믹서 개발을 구현하는 것이다. 특히, 이미 잘 개발된 광통신용 부품 활용이 용이하여 장파장 대역에서의 매우 낮은 광대역 테라헤르츠파 발생 효율의 급격한 향상이 가능하고 동시에 고효율, 고신뢰성 특성을 갖는 광대역 포토믹서 기술 개발을 배경으로 한다.
본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 기존 광대역 테라헤르츠 분광시스템의 핵심부품인 PCA 및 포토믹서의 현존하는 제한적인 요소를 근본적으로 해결한 포토믹서 및 그의 제조방법을 제공함을 목적으로 하고 있다.
각각의 분광시스템은 광원의 발진파장에 맞은 저온성장 GaAs, InGaAs 등의 다양한 물질을 활용하고 있으나, 반도체 특유의 특성으로 산업화하기에는 아직 그 결과들이 미약한 상태이다. 산업화가 가능한 수준의 테라헤르츠파 발생용 광전 변환기인 광대역 포토믹서 개발을 위한 난제들을 지금까지 제시하지 못한 MOCVD(metal-organic chemical vapor deposition ; 유기금속화학증착) 재성장법에 의한 매립형 구도의 포토믹서 개발로 해소하는 것이 본 발명의 구체적인 목적이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 바람직한 실시양태에 따른 포토믹서는, 기판의 상면에 형성되되 광이 입사되는 영역에 형성된 활성층; 및 상기 기판의 상면에 형성되되 상기 광이 입사되는 영역을 제외한 나머지 영역에 형성된 열전도층;을 포함한다.
바람직하게, 상기 활성층은 메사형 단면을 갖는 것이 좋다.
상기 활성층은 GaAs, InGaAs, InGaAsP, InGaAs/InAlAs 다층박막 구조 중에서 어느 하나로 형성될 수 있다.
상기 열전도층은 InP, GaAs, Ge, Si, AlAs, AlGaAs 중에서 어느 하나로 구성될 수 있다.
상기 활성층과 상기 열전도층은 서로 밀착되는 것이 좋다.
상기 활성층의 일면에 연결되고 상기 열전도층과는 이격된 전극 패턴을 추가로 포함하여도 된다.
상기 광이 입사되는 영역에 무반사막이 추가로 형성되되, 상기 무반사막은 상기 활성층 및 상기 열전도층의 상부에서 형성될 수 있다.
한편, 본 발명의 바람직한 실시양태에 따른 포토믹서의 제조방법은, 기판의 상면에 활성층을 형성하되, 광이 입사되는 영역에 상기 활성층을 형성하는 단계; 및 상기 기판의 상면에 열전도층을 형성하되, 상기 광이 입사되는 영역을 제외한 나머지 영역에 상기 열전도층을 형성하는 단계;를 포함한다.
바람직하게, 상기 활성층을 형성하는 단계는, 상기 기판의 상면에 버퍼층을 수직 및 수평하게 성장시키는 단계; 상기 버퍼층의 상면에 상기 활성층을 수직 및 수평하게 성장시키는 단계; 및 상기 성장된 활성층에서 상기 광이 입사되는 영역을 제외한 나머지 영역을 식각하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 활성층을 수직 및 수평하게 성장시키는 단계는 MBE법으로 상기 활성층을 저온성장시킬 수 있다.
상기 활성층은 메사형 단면을 갖도록 형성되어도 된다.
상기 열전도층을 형성하는 단계는, 상기 광이 입사되는 영역을 제외한 영역에 상기 열전도층을 MOCVD법으로 재성장시켜 평탄화된 표면을 갖게 할 수 있다.
상기 활성층의 일면에 연결되고 상기 열전도층과는 이격되는 전극 패턴을 형성하는 단계를 추가로 포함하여도 된다.
상기 광이 입사되는 영역에 무반사막을 형성하는 단계를 추가로 포함하여도 된다.
이러한 구성의 본 발명에 따르면, 열처리 과정을 반도체 결정성장 장비인 MOCVD 장비를 활용함으로써 저온성장 반도체 물질의 열처리 과정과 고품위의 반도체 결정성장이 동시에 이루어져 높은 열전도 특성 및 평탄형 구조 개발이 가능하여 높은 신뢰성 및 고효율의 광대역 포토믹서 개발이 가능하다.
저온성장 기판을 활용한 포토믹서 소자의 신뢰성을 확보함과 동시에 고효율의 방열 구조 특성을 갖는 고효율의 포토믹서 개발로 실질적인 테라헤르츠 응용시스템 개발이 가능하고 미래 기술 개발 파급효과가 매우 크게 된다.
도 1은 일반적인 THz-TDS(Time domain spectroscopy) 시스템의 개요를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 일반적인 THz-FDS(Frequency domain spectroscopy) 시스템의 개요를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 일반적인 포토믹서의 구성도이다.
도 4는 도 3에 도시된 광전도 스위치와 안테나와의 설치 형태를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명 설명에 채용되는 테라헤르츠파 발생용 포토믹서 등가회로를 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명 설명에 채용되는 테라헤르츠파 발생용 평판형 포토믹서의 구조도이다.
도 7은 본 발명 설명에 채용되는 안테나가 집적된 테라헤르츠파 발생용 포토믹서를 나타낸 도면이다.
도 8은 도 7의 변형예이다.
도 9는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 포토믹서의 구조도이다.
도 10은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 포토믹서를 제조하는 방법을 설명하는 플로우차트이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 포토믹서 및 그의 제조방법에 대하여 설명하면 다음과 같다. 본 발명의 상세한 설명에 앞서, 이하에서 설명되는 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니된다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
펄스형 광대역 테라헤르츠파 발생시스템이나 연속 주파수 가변형 테라헤르츠파 발생 시스템의 주요 특성은 여기 광원의 특성과, 앞서 언급한 광전 변환기인 PCA 및 포토믹서의 효율로 특성이 결정된다. 펄스형과 달리 연속파 발생용 포토믹서 설계시 매우 높은 입력 광파워에 의한 포토믹서 내부의 열상승 효과를 필수적으로 고려하여야 한다. 주요 열원으로는 광 주입에 따른 물질의 흡수와 포토믹서 바이어스 인가에 따른 전류에 의한 주울(Joule) 히팅 등이 있다. 포토믹서 내부 온도의 증가에 따른 입사광의 조기 포화 및 내부온도 증가로 인한 광전 효율 특성 저하가 급격히 진행되므로, 원활한 열 방출은 고효율 확보에 필수적이다. 특히, 연속파 방식에서는 무엇보다도 중요한 핵심 사안이다. 여러 가지 광전 변환기중 가장 열악한 특성을 보이는 장파장용 포토믹서 경우에 대해 고려해 보자.
연속 주파수 가변 테라헤르츠파 발생 주파수(f)는 여기광의 두 발진 주파수(f1=c/λ1 , f2=c/λ2)간의 차이인 비팅주파수(f = f1-f2)이다. λ=λ1 , Δλ=λ1 - λ2≪λ일 경우 f = f1-f2 = c/λ1 - c/λ2 = cΔλ/λ2 로 나타낼 수 있다.
이때 발생된 주파수 가변형 테라헤르츠파원 특성은 여기 광원의 특성에 직접적인 영향을 받는다. 여기 광원의 안정도, 선폭, 편광, 위상 모두가 발생하는 테라헤르츠파에 영향을 줌으로써 안정적인 여기 광원 개발에 많은 노력을 기울인다.
포토믹서를 통하여 발생된 테라헤르츠파 출력 해석을 위해 도 5와 같은 등가회로법이 많이 활용된다. 도 5에서 포토믹서 특성에 영향을 미치는 주요 변수들로는 인가전압 VB, 안테나 임피던스 RL, 포토믹서 캐피시턴스(Capacitance) C, 포토믹서 포토컨덕턴스(photoconductance) G0 등이 있다. 광이 입사되는 영역 Ap, 광투과도 T, 내부 양자효율 ηi, 플랑크(planck) 상수 h, 전하 이동도 μ, 주파수 ν, 캐리어 소멸시간 τ를 고려하고 광이 입사되는 영역에 아무런 금속패턴이 없는 간단한 스퀘어형 포토믹서를 가정하였을 때 포토컨덕턴스 G0는 아래 식(1)과 같이 주어진다. 아래 식 (1)에서, e는 캐리어의 전하량, P0는 포토믹서에 입사된 광출력이다.
Figure PCTKR2013008415-appb-I000001
포토컨덕턴스 G0를 갖는 포토믹서에서 출력되는 테라헤르츠파 특성은 아래 식(2)와 같다. RA는 안테나의 방사저항, C 및 τ는 포토믹서의 정전용량 및 캐리어 소멸시간을 나타낸다.
식 (2)에서, ω는 비팅주파수 f의 각주파수이다. ω = 2πf = 2π(f1-f2) = 2π(c/λ1 - c/λ2)이다.
고효율의 테라헤르츠파 발생을 위해서는 고출력 광원과 함께 포토믹스의 광전 변환 효율에 직접적인 영향을 미치는 변수들을 조절하여야 한다. 식(2)에서 볼 수 있듯이 포토믹스의 높은 응답속도, 안테나 저항, 및 입력광 세기 등에 영향을 받는다. 펄스형 테라헤르츠파 발생기인 PCA에서는 여기 광에 의한 특성 저하는 연속파에 비해 비교적 적은 영향을 받는다. 그러나, 연속파 발생용 포토믹서의 경우 연속적인 입력 광 주입과 흡수에 의한 활성층의 온도 증가 및 바이어스 인가에 의한 주울(joule) 히팅 등에 의한 공기와 반도체 계면에서 형성되는 정션 온도 Tj(Junction temperature)는 입사광의 최대값을 결정함으로 고효율 포토믹서 개발에는 필수적으로 해결하여야 요소이다.
상기의 식(1), 식(2)에서 볼 수 있듯이, 광대역 포토믹서 특성은 매우 짧은 캐리어 소멸시간, 포토믹서 정전용량 특성에 많은 영향을 받는다. 이중 테라헤르츠 분광기에서 광대역 특성에 직접적인 영향을 끼치는 캐리어 소멸시간 확보는 필수적이다. 캐리어 소멸시간 확보를 위해 반도체 단결정 특성을 보유한 채 매우 짧은 캐리어 소멸시간을 갖는 반도체 물질을 성장하기 위해 일반적으로 MBE(molecular beam epitaxy) 장비를 이용한다. 일반적인 반도체의 캐리어 소멸시간은 수 ns(10-9)초 수준인데, 1THz에 해당되는 시간은 1피코(10-12)초 수준이므로 광대역 특성 확보를 위해 반도체 결정성장시 성장온도를 급격히 낮추면 물질내 3족 원소 위치에 5족 원소 점유에 의한 불순물이 생성되어 펨토초급 캐리어 소멸시간을 확보할 수 있다.
앞서 언급하였지만, THz-TDS시스템의 광원인 티타늄 사파이어(Ti: Sapphire) 레이저의 중심 발진 파장인 800nm광 출력을 흡수하기 위해 GaAs 물질을 활용하거나, 연속파 발진에 활용되고 있는 장파장 비팅 광원의 흡수를 위해 InGaAs 물질이 주로 사용되고 있다. 일반적으로 활용되고 있는 포토믹서 제작법과 본 발명에서 새롭게 제안하고 있는 방법에 대해 비교함으로써 본 발명의 차별화를 설명하고자 한다.
도 3 ~ 도 5에서 볼 수 있듯이, 포토믹서는 여기 광에 고속으로 반응하는 물질인 광전도 스위치(32) 및 발생된 파를 임의의 원하는 방향으로 추출하기 위한 안테나(34)를 포함한다. 여기서, 안테나(34)는 용도에 따라 보우타이(bowtie) 안테나, 다이폴(diopole) 안테나 등이 채택될 수 있다. 테라헤르츠 분광 시스템을 위해서는 광대역 안테나 사용이 필수적이고, 테라헤르츠 영상 시스템을 위해서는 고효율의 공진형 안테나가 활용되고 있다.
캐리어 소멸시간이 확보된 물질에 바이어스 인가가 가능한 구조의 안테나만 제작된 가장 간단한 형태의 포토믹서를 도 6에 도시하였다.
도 6의 포토믹서는 기판(40), 버퍼층(42), 활성층(44), 절연체 박막(46), 전극 패턴(48), 및 무반사막(50)을 포함한다.
기판(40)은 테라헤르츠파가 해당 기판상에 존재하는 전하들에 의해 흡수되는 양을 최소화하기 위해 반 절연(semi-insulating)의 GaAs 또는 InGaAs 등으로 구성될 수 있다. MBE(molecular beam epitaxy; 분자빔 에피택시) 장비를 활용하여 기판(40)을 소정 두께로 성장시킬 수 있다.
버퍼층(42)은 기판(40)의 상면에 형성된다. 버퍼층(42)은 기판(40)에 정상적인 반도체 박막 성장을 위한 것이다. 버퍼층(42)의 성장을 위해 예를 들어 AlGaAs, InAlAs, GaAs, InP 등이 활용될 수 있다. MBE 장비를 활용하여 버퍼층(42)을 소정 두께로 성장시킬 수 있다.
활성층(44)은 버퍼층(42)의 상면에 수직 및 수평하게 형성된다. 활성층(44)은 캐리어 수명시간 확보를 위해 저온성장법으로 성장시킨다. 활성층(44)은 포토믹서 제작의 핵심이라고 할 수 있으며, 광전도층(photoconductive layer)이라고 부를 수도 있다. 활성층(44)은 포토컨덕티브 스위칭으로부터 테라헤르츠파를 발생시킬 수 있다. 활성층(44)으로 활용되는 반도체 박막들로는 벌크형으로 800nm대역의 GaAs와 장파장 영역용으로는 밴드갭이 여기 광원 파장과 일치하는 물질인 InGaAs, InGaAsP 등이 있을 수 있다. 벌크형 활성층 이외에 장파장 여기 광원에 의해 발생된 전자, 정공의 원활한 포획을 위해 InGaAs/InAlAs등과 같은 다층박막 구조를 채택할 수도 있다.
식(2)에서 볼 수 있듯이, 인가 전압의 제곱에 비례하여 테라헤르츠파 출력이 결정되고 광전도 스위치에 바이어스 인가를 위한 안테나를 포함한 전극 형성은 필수적이다. 그에 따라, 절연체 박막(46) 및 전극 패턴(48)이 일련의 리소그라피(lithography) 과정을 거쳐 활성층(44)의 상면에 순차적으로 형성된다. 여기서, 전극 패턴(48)은 안테나에 연결되는 것으로 보아도 무방하다. 이와 같이 기판(40)상에 버퍼층(42), 활성층(44), 절연체 박막(46), 및 금속의 전극 패턴(48)을 순차적으로 형성시킴에 따라 포토믹서 칩이 완성된다고 볼 수 있다.
무반사막(50)은 최종적으로 반도체에 의한 표면 반사 저하를 막기 위한 것이다. 일단, 전극 패턴(48)의 상면 전체에 무반사막층을 형성시킨 후 리소그라피 과정을 거쳐 광이 입사되는 영역에만 무반사막(50)을 형성시킨다.
도 7은 안테나가 집적된 테라헤르츠파 발생용 포토믹서를 나타낸 도면이다. 도 7에서는 광대역 안테나인 보우타이 안테나(34) 2개가 집적되었다. 2개의 보우타이 안테나(334)중에서 하나는 바이어스 전압이 인가되고, 나머지 하나는 접지될 수 있다. 또한, 도 7에는 보우타이 안테나(34)마다 다수의 전극 패드(36)가 패키징을 위해 연결된다. 전극 패드(36)는 바이어스용 전극 패드와 접지용 전극 패드를 포함할 수 있다. 그리고, 포토믹서의 핵심인 광전도 스위치(32)가 점선 안(즉, 두 개의 보우타이 안테나(34) 사이)에 형성된다.
도 7에서, 광전도 스위치(32)는 앞서 설명한 활성층(44)에서의 물질로 구성될 수 있는데, 저온 성장된 물질중 밴드갭이 큰 물질인 GaAs의 경우와 달리 InGaAs물질은 background 전하들에 의해 n 형 반도체 특성을 갖는 것으로 알려져 있다. 이러한 n형 전하들을 상쇄하기 위하여 저온 성장된 InGaAs에 p형인 베릴륨(Be)을 도핑한다. Hall 측정결과 열처리온도가 높을수록 베릴륨(Be)이 활성화되어 n형 불순물을 잘 상쇄한다. 이는 열처리온도를 높일수록 암 저항률(dark resistivity)이 높은 저온성장된 InGaAs를 얻을 수 있다는 것을 뜻한다.
도 6과 같은 경우 광이 주입되는 영역 이외에도 저온 성장된 반도체 영역이 여전히 남아있어 background 전하농도에 의해 암 전류가 발생한다. 일반적으로 GaAs PCA의 경우 이를 무시할 수 있어 높은 바이어스 전압 활용이 가능한 이유이기도 하다. 그러나, 장파장 포토믹서 경우 특성 저하의 주요 요인으로 background 전하농도 저하를 들 수 있다. 이런 이유로 저온 성장된 반도체 물질은 매우 낮은 이동도(mobility) 특성을 갖는다. 테라헤르츠파 출력에 결정적인 영향을 미치는 이동도 향상을 위해 성장 후 열처리 과정이 필수적으로 진행된다. 예를 들면, As-grown InGaAs 샘플의 Hall 이동도 값이 InGaAs의 경우 600 cm2/Vsec 수준에서 열처리 과정을 거친 후 값이 1,450 cm2/Vsec 수준으로 큰 값으로 증가되고 열처리 온도의 증가에 따른 정상상태의 물질로 복원하는 특성을 보여, 적절한 열처리 온도는 고효율 포토믹서 제작에 필수적이다.
그에 따라, 포토믹서 특성에 직접적인 영향을 미치는 암 전류를 저하시키기 위해 도 8과 같은 구조를 생각할 수 있다. 도 8에서, 포토믹서 각 층의 역할은 도 6과 동일하고, 광이 입사하는 영역만을 남겨 놓은 채 나머지 영역을 식각으로 제거한 구조이다. 도 8에서는 활성층(52)이 메사(mesa)형 단면을 갖는다. 이와 같이 활성층(52)이 메사형 단면을 갖게 되면 광이 주입되는 영역 이외에는 저온 성장된 반도체 영역이 없으므로 background 전하농도에 의한 암 전류의 발생이 없게 될 것이다. 도 8에서, 미설명 부호 54는 절연체 박막이다.
포토믹서 특성 향상을 위해, 도 6에서 광 여기 부분인 활성층(44) 및 도 8에서 광 여기 부분인 활성층(52)의 이동도 확보를 위한 열처리 과정은 필수적이다. 여기서의 열처리 과정은 저온성장 장비인 MBE장비를 활용하여 성장이 끝난 직후 곧바로 MBE 챔버내에서 실시되는 인-시튜 어닐링(In-situ annealing) 또는 RTA 챔버(rapid thermal annealing chamber)안에서 진행되는 엑스-시튜 어닐링(Ex-situ annealing)을 한다. 이러한 인-시튜(In-situ) 열처리 또는 엑스-시튜 열처리 과정을 거친 시료의 표면은 거칠어 포토믹서 공정 및 특성에 상당한 문제를 야기시킴을 실험적으로 확인하였다.
한편, 도 8의 포토믹서는 활성층(52)이 메사(mesa)형으로 형성되므로, 활성층(52) 위의 전극 패턴(48)도 그와 유사한 형태로 형성된다. 그에 따라, 도 8에서의 전극 패턴(48)은 도 6의 전극 패턴과는 달리 평탄하지 않다. 그래서, 도 8의 포토믹서는 활성층(52)의 높이와 안테나 면의 불일치를 가져온다. 이와 같은 불일치로 인해 공정의 어려움이 존재하고 기판을 제외한 대부분이 공기에 노출되어 있는 구조로 광여기시 발생된 열의 높은 방출 효율을 기대하기 힘들다.
그에 따라, 도 9와 같은 구조의 포토믹서를 제시한다. 앞서 언급하였듯이 광대역 특성 확보를 위한 저온성장 과정에서 이동도 확보를 위한 후속 열처리 과정은 광대역 포토믹서 개발에 필수적이다.
도 9의 포토믹서는 기판(60), 버퍼층(62), 활성층(64), 열전도층(66), 절연체 박막(68), 전극 패턴(70), 및 무반사막(72)을 포함한다. 여기서, 기판(60)과 버퍼층(62) 및 활성층(64)은 도 8의 기판(40)과 버퍼층(42) 및 활성층(52)의 역할과 동일하다. 절연체 박막(68)과 전극 패턴(70) 및 무반사막(72)은 도 6의 절연체 박막(46)과 전극 패턴(48) 및 무반사막(50)의 역할과 동일하다.
도 9에서는 버퍼층(62)의 상면에 활성층(64)과 열전도층(66)을 형성시키되, 광이 입사되는 영역에는 활성층(64)을 형성시키고 광이 입사되는 영역 이외의 영역에는 열전도층(66)을 형성시켰다는 점이 특이하다. 열전도층(66)은 열전도(thermal conductivity)가 매우 높은 물질을 사용한다. 열방출을 위해, 활성층(64)과 열전도층(66)은 서로 밀착됨이 바람직하다.
도 9의 구조에서 볼 수 있듯이, 열전도도가 매우 높은 물질을 MOCVD장비를 활용하여 광 여기 영역(즉, 광이 입사되는 영역이 해당됨) 이외의 영역에 재성장하여 평탄화하는 열처리 과정 및 평탄화 과정을 동시에 수행한다. 지금까지 제시되지 못한 방법으로 열처리로 인한 표면 문제, 포토믹서 특성 저하 문제들을 동시에 해결하여 매우 개선된 특성 향상을 실험적으로 확인하였다. 즉, 본 발명의 실시 예에서는 반도체 결정성장 장비인 MOCVD 장비를 활용하여 As 분위기에서 열처리를 진행하였다. 실험결과는 어느 임계 온도까지는 캐리어 수명시간의 급격한 변화가 발생하지 않음을 확인하였다. 그리고, 무엇보다도 기존 반도체 결정성장 장비인 MOCVD로 As 분위기에서 열처리를 수행하였을 때 타 방법과 비교하였을 때 비교할 수 없는 우수한 표면 특성과 캐리어 수명시간을 확보할 수 있음을 실험적으로 확인할 수 있었다.
열전도층(66)에 사용되는 재성장 물질로는 다양한 활성층과의 격자정합 및 재성장 물질의 열전도도 등을 고려하여 매우 다양한 물질들을 고려할 수 있다. 가능한 물질명(열전도도)을 다음과 같이 제시해 볼 수 있다. InP(0.68 Wcm-1K-1), GaAS(0.45 Wcm-1K-1), Ge(0.58 Wcm-1K-1), Si(1.3 Wcm-1K-1), AlAs(0.91 Wcm-1K-1)는 열전도도가 매우 높은 물질로서 광 여기 영역 이외의 영역을 매립함으로써 열적으로 매우 안정적인 포토믹서 개발을 가능하게 한다. 실제 이런 구조를 활용하게 되면 그 특성이 급격히 개선됨을 실험적으로 확인하였다.
도 9에서, 활성층(64)은 저온성장 GaAs, InGaAs, InGaAsP, InGaAS/InAlAs 다층박막 등 광 여기에 따른 포토믹서 활성층 모두를 대상으로 한다. MOCVD장비를 활용하여 재성장한 열전도층(66)은 열전도도가 매우 높은 InP, AlAs, AlGaAs 등의 벌크형 반도체를 재성장하는 것을 원칙으로 한다. 그러나, 소자 구조상 도핑이 다른 p형 또는 n형 반도체를 재성장할 수 있고, 또한 p형 및 n형을 교대로 성장시킨 정션 구조를 활용할 수 있다. 도 9와 같은 매립형 포토믹서를 활용하였을 때 매우 안정적이고 고효율 특성 제공이 가능한 광전 변환기의 개발이 가능하여 지금까지 제시되지 못한 테라헤르츠 응용 시스템 확대가 기대된다.
도 9의 포토믹서의 경우, 안테나에 연결되는 전극 패턴(70)에 인가되는 바이어스 전압에 의해서 활성층(64)에는 전계(E)가 형성된다. 이러한 바이어스 상태에서 여기광이 입사되면, 광흡수에 의해서 활성층(64)에서는 캐리어(전자-정공 쌍)가 생성된다. 캐리어는 활성층(64)에 형성된 전계(E)에 의해서 가속되고 순간적으로 전극 패턴(70)을 통해 안테나에게로 이동한다. 캐리어의 수명(약, 수백 펨토초) 동안 흐르는 광전류에 의해서 안테나에서는 테라헤르츠파를 발생시킨다. 그리고, 광여기시 발생되는 열은 열전도층(66)을 통해 신속하게 외부로 방출된다.
도 10은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 포토믹서를 제조하는 방법을 설명하는 플로우차트이다.
우선, MBE 장비를 활용하여 소정 두께로 성장된 기판(60)을 준비한다(S10).
기판(60)의 상면에 버퍼층(62)을 형성한다(S12). 여기서, 버퍼층(62)은 MBE 장비에 의해 수직 및 수평하게 소정 두께로 성장된다.
버퍼층(62)의 상면에 활성층(64)을 형성한다(S14). 활성층(64)을 형성시킴에 있어서, 우선 버퍼층(62)의 상면에 활성층(64)을 MBE 장비에 의한 저온성장법으로 수직 및 수평하게 성장시킨다. 다르게는, 버퍼층(62)의 상면에 활성층(64)을 MOCVD법을 이용하여 수직 및 수평하게 성장시킨 후 그 위에 예를 들어 F2+ 등과 같은 이온을 이용하여 이온 임플란테이션(ion-implantation)을 수행하여도 된다.
이와 같이 MBE 장비에 의한 저온성장법으로 수직 및 수평하게 성장시키거나, MOCVD법으로 수직 및 수평하게 성장시키고 이온 임플란테이션을 수행하여 형성한 활성층(64)에서, 광이 입사되는 영역(즉, 광 여기 영역)을 제외한 나머지 영역을 식각으로 제거한다. 그에 따라, 활성층(64)은 메사(mesa)형 단면을 가지게 된다.
이후, 광이 입사되는 영역을 제외한 영역에 열전도층(66)을 MOCVD법으로 재성장시켜 평탄화된 표면을 갖게 한다(S16). 여기서, MDCVD법에 의한 열처리 과정 및 평탄화 과정이 수행되면 실질적으로 열전도층(66) 뿐만 아니라 활성층(64)의 표면도 평탄하게 된다.
리소그라피 과정을 거쳐 활성층(64) 및 열전도층(66)의 상면에 절연체 박막(68)을 형성한다(S18).
그리고, 활성층(64)의 일면에 연결되고 열전도층(66)과는 이격되는 전극 패턴(70)을 형성한다(S20).
최종적으로, 전극 패턴(70)의 상면 전체에 무반사막층을 형성시킨 후 리소그라피 과정을 거쳐 광이 입사되는 영역에만 무반사막(72)을 형성시킨다(S22).
한편, 본 발명은 상술한 실시예로만 한정되는 것이 아니라 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위내에서 수정 및 변형하여 실시할 수 있고, 그러한 수정 및 변형이 가해진 기술사상 역시 이하의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 한다.

Claims (16)

  1. 기판의 상면에 형성되되 광이 입사되는 영역에 형성된 활성층; 및
    상기 기판의 상면에 형성되고 상기 광이 입사되는 영역을 제외한 나머지 영역에 형성된 열전도층;을 포함하는 것을 특징으로 하는 포토믹서.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 활성층은 메사형 단면을 갖는 것을 특징으로 하는 포토믹서.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 활성층은 GaAs, InGaAs, InGaAsP, InGaAs/InAlAs 다층박막 구조 중에서 어느 하나로 형성되는 것을 특징으로 하는 포토믹서.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 열전도층은 InP, GaAs, Ge, Si, AlAs, AlGaAs 중에서 어느 하나로 구성되는 것을 특징으로 하는 포토믹서.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 활성층과 상기 열전도층은 서로 밀착된 것을 특징으로 하는 포토믹서.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 활성층의 일면에 연결되고 상기 열전도층과는 이격된 전극 패턴을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 포토믹서.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 광이 입사되는 영역에 무반사막이 추가로 형성되되, 상기 무반사막은 상기 활성층의 상부에서 형성된 것을 특징으로 하는 포토믹서.
  8. 기판의 상면에 활성층을 형성하되, 광이 입사되는 영역에 상기 활성층을 형성하는 단계; 및
    상기 기판의 상면에 열전도층을 형성하되, 상기 광이 입사되는 영역을 제외한 나머지 영역에 상기 열전도층을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 포토믹서의 제조방법.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 활성층을 형성하는 단계는,
    상기 기판의 상면에 버퍼층을 수직 및 수평하게 성장시키는 단계;
    상기 버퍼층의 상면에 상기 활성층을 수직 및 수평하게 성장시키는 단계; 및
    상기 성장된 활성층에서 상기 광이 입사되는 영역을 제외한 나머지 영역을 식각하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 포토믹서의 제조방법.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 활성층을 수직 및 수평하게 성장시키는 단계는 MBE법으로 상기 활성층을 저온성장시키는 것을 특징으로 하는 포토믹서의 제조방법.
  11. 청구항 9에 있어서,
    상기 활성층을 수직 및 수평하게 성장시키는 단계는 MOCVD법으로 상기 활성층을 성장시키고 그 위에 이온 임플란테이션을 실시하는 것을 특징으로 하는 포토믹서의 제조방법.
  12. 청구항 8에 있어서,
    상기 활성층은 메사형 단면을 갖도록 형성되는 것을 특징으로 하는 포토믹서의 제조방법.
  13. 청구항 8에 있어서,
    상기 열전도층을 형성하는 단계는, 상기 광이 입사되는 영역을 제외한 영역에 상기 열전도층을 MOCVD법으로 재성장시켜 평탄화된 표면을 갖게 하는 것을 특징으로 하는 포토믹서의 제조방법.
  14. 청구항 8에 있어서,
    상기 열전도층은 InP, GaAs, Ge, Si, AlAs, AlGaAs 중에서 어느 하나로 구성되는 것을 특징으로 하는 포토믹서의 제조방법.
  15. 청구항 8에 있어서,
    상기 활성층의 일면에 연결되고 상기 열전도층과는 이격되는 전극 패턴을 형성하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 포토믹서의 제조방법.
  16. 청구항 8에 있어서,
    상기 광이 입사되는 영역에 무반사막을 형성하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 포토믹서의 제조방법.
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