WO2021153831A1 - 마이크로 스트럭쳐를 이용한 광센서 - Google Patents

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WO2021153831A1
WO2021153831A1 PCT/KR2020/001516 KR2020001516W WO2021153831A1 WO 2021153831 A1 WO2021153831 A1 WO 2021153831A1 KR 2020001516 W KR2020001516 W KR 2020001516W WO 2021153831 A1 WO2021153831 A1 WO 2021153831A1
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WO
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silicon
wire
light
silicon wire
microstructure
Prior art date
Application number
PCT/KR2020/001516
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English (en)
French (fr)
Inventor
김상우
린밍지
전현빈
Original Assignee
주식회사 크레파스테크놀러지스
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Publication date
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J1/00—Photometry, e.g. photographic exposure meter
    • G01J1/02—Details
    • G01J1/04—Optical or mechanical part supplementary adjustable parts
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J1/00—Photometry, e.g. photographic exposure meter
    • G01J1/42—Photometry, e.g. photographic exposure meter using electric radiation detectors

Definitions

  • the present invention relates to an optical sensor using a microstructure, and to an optical sensor using a microstructure configured to detect light with high sensitivity.
  • the conventional optical sensor to which the microstructure is applied has a limit in showing superior sensitivity in terms of performance.
  • an object of the present invention is to solve the problems of the related art, and to provide an optical sensor using a microstructure capable of improving photoresponse sensitivity by collecting light particles at a high concentration.
  • a silicon substrate at least a portion of the silicon wire on the silicon substrate is configured to gradually increase the width of the cross-section; a light absorption layer including one or more layers and laminated on the silicon wire; a voltage applying unit for applying a voltage such that a current flows from the silicon wire to the silicon substrate during a photoreaction; It is achieved by a photosensor using a microstructure comprising a; a current measuring unit for measuring a current flowing through the silicon wire in response to light.
  • the silicon wire a first silicon layer provided on the silicon substrate, the width gradually decreases as the distance from the silicon substrate; and a second silicon layer extending from the first silicon layer and having a width gradually increasing as the distance from the first silicon layer increases.
  • the voltage applying unit may include: a first terminal formed on the silicon wire to which a voltage is applied; and a second terminal formed on the silicon substrate and generating a potential difference between the second terminal and the first terminal.
  • the voltage applying unit may apply a voltage such that a potential difference is formed in a thickness direction of the silicon wire.
  • the silicon wire has a shape in which a width gradually increases toward both ends around a central portion, and optical particles incident into the silicon wire may be trapped in the central portion.
  • At least a portion of the cross section of the silicon wire may have a curvature.
  • the light absorption layer is formed on the upper wall and the sidewall of the silicon wire, the first absorption layer made of silicon oxide (SiO x ); and a second absorption layer selectively formed only on the sidewall of the first absorption layer and made of silicon nitride (Si x N y ).
  • an optical sensor using a microstructure capable of sensing light with very high sensitivity.
  • the silicon wire have an inclined surface whose width gradually increases toward both ends centering on the central part, the probability of light particles flowing into the silicon wire by repeated reflection can be increased, thereby improving the photo-sensing sensitivity.
  • the light particles introduced into the silicon wire are repeatedly totally reflected at the interface due to the difference in refractive index between the silicon wire and the light absorption layer, so that the movement path is guided to the central part and the optical particles are concentrated in the central part, thereby reducing the resistance of the silicon wire and increasing the photoresponse sensitivity.
  • light sensitivity can be improved by increasing the light collecting effect by allowing the light particles to be concentrated in the central portion where the width is minimized by gradually decreasing the width.
  • FIG. 1 is a schematic perspective view of an optical sensor using a microstructure according to an embodiment of the present invention
  • Figure 2 is a cross-sectional view of the optical sensor using the microstructure of Figure 1,
  • Figure 3 schematically shows an example of the optical path of the optical particles incident on the optical sensor using the microstructure of Figure 1,
  • FIG. 4 shows an electric field formed when the photosensor using the microstructure of FIG. 1 responds to light
  • Figure 5 is a schematic perspective view of a modified example of the optical sensor using the microstructure of Figure 1,
  • FIG. 6 schematically shows an example of an optical path of light particles incident on a modified example of the optical sensor using the microstructure of FIG. 5 .
  • FIG. 1 is a schematic perspective view of an optical sensor using a microstructure according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of the optical sensor using the microstructure of FIG. 1 .
  • the optical sensor 100 using a microstructure uses a microstructure that generates an electrical signal in response to light with high sensitivity. It relates to a sensor for detecting , and includes a silicon substrate 110 , a silicon wire 120 , a light absorption layer 130 , a voltage applying unit 140 , and a current measuring unit 150 .
  • the silicon substrate 110 is a basic structure made of a silicon material on which a silicon wire 120 to be described later is formed.
  • the silicon substrate 110 is made of a single crystal or polycrystalline silicon substrate, and is not limited, and may be a substrate doped with p-type impurities or n-type impurities.
  • the silicon wire 120 is formed on the above-described silicon substrate 110 and includes a first silicon layer 121 and a second silicon layer 122 .
  • the first silicon layer 121 constitutes a lower layer of the silicon wire 120 and protrudes upward from the silicon substrate 110 . Since the first silicon layer 121 and the silicon substrate 110 are processed from the same silicon material, they are formed as an integral structure.
  • the second silicon layer 122 constitutes the upper side of the silicon wire 120 and protrudes upward from the upper end of the first silicon layer 121 . That is, in the present embodiment, the first silicon layer 121 and the second silicon layer 122 are configured to be physically and integrally connected to each other. Accordingly, in the present embodiment, the first silicon layer 121 , the second silicon layer 122 , and the silicon substrate 110 are formed as an integral single structure.
  • the first silicon layer 121 preferably has a shape in which the width of the cross-section gradually decreases from the silicon substrate 110 to the upper side. That is, the width of the upper end of the first silicon layer 121 is preferably smaller than the width of the lower end.
  • the second silicon layer 122 is configured to have a shape in which the width of the cross-section gradually increases toward the upper side.
  • a region where the first silicon layer 121 and the second silicon layer 122 are connected that is, a region in which the inclination direction of the silicon wire 120 is changed is defined as the central portion 123 .
  • the first silicon layer 121 and the second silicon layer 122 are integrally connected to each other to have a structure in which the width decreases from both ends to the central part 123, so that the optical particles are formed in the central part 123.
  • the intensively trapped light collecting effect is greatly improved, and the photoresponse sensitivity can be improved therefrom. Details of the improvement of the light response sensitivity due to the light collecting effect of the present embodiment will be described later.
  • the light absorption layer 130 is formed on the silicon wire 120 and includes a first absorption layer 131 and a second absorption layer 132 .
  • the first absorption layer 131 surrounds the outer wall of the silicon wire 120 , specifically, the upper wall of the second silicon layer 122 and sidewalls of the first silicon layer 121 and the second silicon layer 122 . is formed to
  • the first absorption layer 131 is a layer composed of any one of the group consisting of various oxides, and specifically, aluminum oxide, silicon oxide, magnesium oxide, indium oxide, zinc oxide, tin oxide, titanium oxide, manganese oxide, tungsten oxide It is preferable to form any one of them.
  • the second absorption layer 132 is selectively formed only on the sidewall of the first absorption layer 131 . That is, the second absorption layer 132 is not formed on the upper wall of the first absorption layer 131 .
  • the second absorption layer 132 is preferably made of a nitride, preferably a silicon nitride (Si x N y ) material.
  • the voltage applying unit 140 applies a voltage to generate a potential difference to the silicon wire 120 , and includes a first terminal 141 and a second terminal 142 .
  • the first terminal 141 is a terminal formed on an upper structure of the silicon wire 120 , that is, an upper wall of the second silicon layer 122 . A voltage is applied to the first terminal 141 , and a potential difference is generated with the second terminal 142 , which will be described later.
  • the second terminal 142 is formed on the silicon substrate 110 and applies a predetermined voltage to generate a potential difference with the first terminal 141 .
  • a potential difference should be generated from the first terminal 141 to the second terminal 142 or in the opposite direction.
  • a current can flow in a direction parallel to the thickness direction of the silicon wire 120 .
  • the potential difference formed by the first terminal 141 and the second terminal 142 comprehensively considers numerical values such as the height, width, length, and width of the central portion 123 of the silicon wire 120, and the light It is desirable to form a potential difference to the extent that unnecessary current flow does not occur in the absence of an environment.
  • the current measuring unit 150 is for measuring the current flowing through the silicon wire 120 by responding to light.
  • a voltage is applied to the silicon wire 120 through the voltage applying unit 140 to generate a potential difference along the thickness direction.
  • a predetermined voltage is applied to the first terminal 141 and the second terminal 142 is connected to the ground GND to form a potential difference.
  • a potential difference is formed between the first terminal 141 and the second terminal 142, and a current flows in a direction parallel to the thickness direction of the silicon wire 120 (ie, up or down) during light sensing, not limited That is, a higher voltage may be applied to the second terminal 142 than the first terminal 141 .
  • the voltage applying unit 140 controls a voltage applied so that the silicon wire 120 functions as an insulator in an environment where light is not provided.
  • FIG. 3 schematically shows an example of an optical path of light particles incident on the optical sensor using the microstructure of FIG. , the light particles are absorbed into the light absorption layer 130 and then introduced into the silicon wire 120 .
  • the incident light particles are repeatedly totally reflected at the interface between the light absorption layer 130 and the silicon wire 120, and the width between the first silicon layer 121 and the second silicon layer 122 is the smallest region, that is, the central part ( 123) is concentrated.
  • the optical particles are repeatedly reflected without passing through the interface, so that the optical particles move along the inclined surface of the silicon wire to the central portion 123. concentrating on gathering.
  • the concentration of light particles is intensively increased in the central portion 123 to form an optical particle channel, and thereby the central portion 123 has very high conductivity in the thickness direction. increases, and accordingly, the change in the resistance to light of the silicon wire 120 itself increases, thereby improving the conductive properties.
  • the light absorption layer 130 absorbs the light particles and traps the light particles in the silicon wire 120 , so that the silicon wire 120 can react to more light particles, so that the overall light reaction characteristics of the present invention are greatly improved. it can be increased
  • the light particles incident once through the silicon wire 120 are repeatedly re-reflected by the inclined surface formed by the first silicon layer 121 and the second silicon layer 122, so that the light absorbing layer 150 is not lost to the outside. greatly increases the probability of being reabsorbed.
  • the relatively second silicon layer 122 has a shape in which the width gradually increases toward the upper side, the probability that once incident light particles are emitted to the outside is very low. That is, the light particles that are not directly incident into the silicon wire 120 are repeatedly re-reflected by the inclined surface of the structure, so that the possibility of being separated to the outside of the silicon wire 120 is very low.
  • the silicon wire 120 composed of the first silicon layer 121 and the second silicon layer 122 has an inclined surface that gradually increases in width toward both ends, thereby re-reflection probability of light particles. can be increased, and the photoresponse sensitivity is improved as a whole by allowing light particles to be trapped for a long time.
  • the conductivity in the thickness direction of the silicon wire 120 is very large due to the above-described light-converging effect, a current flow occurs from the second silicon layer 122 to the first silicon layer 121 side, and the current measuring unit 150 . Detects light by measuring it.
  • the first silicon layer 121 and the second silicon layer 122 are combined with each other to form an integrated structure, and the width gradually increases toward both ends with the central portion 123 as the center. .
  • the width of the central portion 123 where the first silicon layer 121 and the second silicon layer 122 are connected to each other is minimized, and the introduced optical particles are concentrated in the narrow central portion 123 . It is trapped by the polarizer and the escape is limited, so that a very large condensing effect can be exhibited.
  • FIG. 4 shows an electric field formed when the photosensor using the microstructure of FIG. 1 responds to light, and in FIG. 4, it can be seen that a strong electric field is formed in the central part 123 of the silicon wire 120 during the light reaction.
  • a high concentration of light particles is concentrated in the central part 123 of the photosensor 100 using the microstructure of this embodiment, and as the concentration increases, a highly conductive channel is formed, thereby reducing overall resistance, and consequently As a result, a large amount of current flows in response to even a small amount of light, which has the effect of greatly improving the photoresponse sensitivity.
  • a path is formed through which optical particles that are not introduced at once through the inclined surface structure of the first silicon layer 121 and the second silicon layer 122 can be absorbed into the silicon wire 120, and the silicon wire ( 120)
  • the light particles introduced into the interior can be minimized externally through repeated total reflection, and at the same time, the concentration of light particles in the central portion 123 region can be further increased.
  • FIG. 4 As shown in FIG. 4 , as the concentration of optical particles increases, a strong electric field may be formed.
  • FIG. 4 may be displayed from a red series to a blue series gradually from a strong electric field to a weak electric field, or from a dark color to a light color from a strong electric field to a weak electric field. In this case, portions marked with the same color may represent the same electric field.
  • the first silicon layer 121 and the second silicon layer 122 may be displayed in a blue series according to the concentration of the optical particles absorbed in the first silicon layer 121 and the second silicon layer 122, , the concentration of the light particles increases toward the central portion 123 , and may be displayed in a yellow series or a red color series.
  • the current flow occurs in the vertical direction of the silicon wire 120 , that is, along the thickness direction.
  • a voltage was applied to generate a potential difference along the length direction.
  • current flow in the thickness direction can be induced, so a device having a more compact structure can be manufactured. There is this.
  • FIG. 5 is a schematic perspective view of a modification of the optical sensor using the microstructure of FIG. 1
  • FIG. 6 schematically shows an example of an optical path of light particles incident on the modification of the optical sensor using the microstructure of FIG. will be.
  • a recessed space (n-well) is formed in the silicon substrate 110, and the silicon wire 120 is formed in the recessed space to protrude.
  • the wall protruding upward from the silicon substrate 110 and spaced apart from the silicon wire 120 repeatedly reflects the light particles and introduces them into the silicon wire 120, thereby reducing the loss of light particles. can have an effect.

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Abstract

본 발명은 마이크로 스트럭쳐를 이용한 광센서에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 마이크로 스트럭쳐를 이용한 광센서는 실리콘 기판; 상기 실리콘 기판 상에 적어도 일부가 횡단면의 폭이 점진적으로 증가하도록 구성되는 실리콘 와이어; 하나 이상의 층을 포함하며, 상기 실리콘 와이어에 적층되는 광흡수층; 광 반응시에 상기 실리콘 와이어로부터 상기 실리콘 기판 방향으로 전류가 흐르도록 전압을 인가하는 전압 인가부; 광에 반응하여 상기 실리콘 와이어에 흐르는 전류를 측정하는 전류 측정부;를 포함하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따르면, 고농도로 광입자를 포집하여 광 반응 감도를 향상시킬 수 있는 마이크로 스트럭쳐를 이용한 광센서가 제공된다.

Description

마이크로 스트럭쳐를 이용한 광센서
본 발명은 마이크로 스트럭쳐를 이용한 광센서에 관한 것으로서, 고감도로 광을 감지할 수 있도록 구성되는 마이크로 스트럭쳐를 이용한 광센서에 관한 것이다.
마이크로 사이즈로 패터닝된 구조물에 대한 연구가 지속되어 왔다. 특히, 연구실 단위에서 벗어나 전자기기 등에 필수적으로 탑재되는 센서 등에 적용되고 그러한 전자기기의 소형화 경향이 높아짐에 따라, 전자기기 시장에서는 센서의 소형화 및 성능을 극대화하고자 하는데 관심이 크게 높아지고 있는 실정이다.
다만, 공정이 크게 개선됨에 따라 다양한 형태의 마이크로 또는 나노 단위의 구조물을 제작을 통하여 센서의 크기를 줄이는데는 어려움이 크지 않으나, 특성을 개선하는데는 여전히 어려움을 겪고 있다.
특히, 종래의 마이크로 구조물을 포함한 광 센서의 경우에는 특정 파장대의 광에만 반응하는 한계가 있다는 점에서, 단일 마이크로 구조물을 다양한 전자기기에 적용하기 어려워 활용성이 떨어지는 문제가 있었다.
또한, 종래의 마이크로 구조물이 적용된 광 센서는 성능 면에서도 월등하게 우수한 감도를 보여주는데도 한계가 있었다.
따라서, 본 발명의 목적은 이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 고농도로 광입자를 포집하여 광 반응 감도를 향상시킬 수 있는 마이크로 스트럭쳐를 이용한 광센서를 제공함에 있다.
상기 목적은, 본 발명에 따라, 실리콘 기판; 상기 실리콘 기판 상에 적어도 일부가 횡단면의 폭이 점진적으로 증가하도록 구성되는 실리콘 와이어; 하나 이상의 층을 포함하며, 상기 실리콘 와이어에 적층되는 광흡수층; 광 반응시에 상기 실리콘 와이어로부터 상기 실리콘 기판 방향으로 전류가 흐르도록 전압을 인가하는 전압 인가부; 광에 반응하여 상기 실리콘 와이어에 흐르는 전류를 측정하는 전류 측정부;를 포함하는 마이크로 스트럭쳐를 이용한 광센서에 의해 달성된다.
또한, 상기 실리콘 와이어는, 상기 실리콘 기판 상에 마련되며, 상기 실리콘 기판으로부터 멀어질수록 폭이 점진적으로 감소하는 제1 실리콘층; 상기 제1 실리콘층으로부터 연장되며, 상기 제1 실리콘층으로부터 멀어질수록 폭이 점진적으로 증가하는 제2 실리콘층;을 포함할 수 있다.
또한, 상기 전압 인가부는, 상기 실리콘 와이어에 형성되어 전압이 인가되는 제1 단자; 상기 실리콘 기판 상에 형성되며, 상기 제1 단자와의 사이에서 전위차를 발생시키는 제2 단자;를 포함할 수 있다.
또한, 상기 전압 인가부는 상기 실리콘 와이어의 두께 방향으로 전위차가 형성될 수 있도록 전압을 인가 할 수 있다.
또한, 상기 실리콘 와이어는 중앙부를 중심으로 양단부로 갈수록 폭이 점진적으로 증가하는 형상을 가지며, 상기 실리콘 와이어 내로 입사한 광입자는 상기 중앙부에 트랩될 수 있다.
또한, 상기 실리콘 와이어는 횡단면의 적어도 일부 구간은 곡률을 가질 수 있다.
또한, 상기 광흡수층은, 상기 실리콘 와이어의 상부벽 및 측벽 상에 형성되며, 실리콘 산화물(SiOx)로 구성되는 제1 흡수층; 상기 제1 흡수층의 측벽 상에만 선택적으로 형성되며, 실리콘 질화물(SixNy)로 구성되는 제2 흡수층;을 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 매우 높은 감도로 광을 감지할 수 있는 마이크로 스트럭쳐를 이용한 광센서가 제공된다.
또한, 실리콘 와이어가 폭이 중앙부를 중심으로 양단부로 갈수록 점진적으로 증가하는 형태의 경사면을 갖도록 하여, 반복적인 반사에 의하여 광입자가 실리콘 와이어 내부로 유입될 확률을 증가시킴으로써 광 감지 감도를 향상시킬 수 있다.
또한, 실리콘 와이어에 유입된 광입자는 실리콘 와이어와 광흡수층 간의 굴절률 차이에 의하여 경계면에서 반복적으로 전반사되어 이동 경로가 중앙부로 안내되어 중앙부에 광입자가 집중됨으로써 실리콘 와이어의 저항이 감소하여 광 반응 감도는 증가하는 효과가 있다.
또한, 폭이 점진적으로 감소하여 최소화되는 중앙부에 광입자가 집중되도록 하여 집광효과를 증가시킴으로써 광 감도를 향상시킬 수 있다.
또한, 중앙부로 갈수록 폭이 감소하는 형태의 실리콘 와이어 구조물을 이용함으로써 두께 방향으로의 전류 흐름을 유도할 수 있으므로 보다 컴팩트한 구조의 디바이스를 제작할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 마이크로 스트럭쳐를 이용한 광센서의 개략적인 사시도이고,
도 2는 도 1의 마이크로 스트럭쳐를 이용한 광센서의 단면도이고,
도 3은 도 1의 마이크로 스트럭쳐를 이용한 광센서에 입사하는 광입자의 광경로의 일례를 개략적으로 도시한 것이고,
도 4는 도 1의 마이크로 스트럭쳐를 이용한 광센서가 광에 반응하는 경우 형성되는 전기장을 도시한 것이고,
도 5는 도 1의 마이크로 스트럭쳐를 이용한 광센서의 변형례의 개략적인 사시도이고,
도 6은 도 5의 마이크로 스트럭쳐를 이용한 광센서의 변형례에 입사하는 광입자의 광경로의 일례를 개략적으로 도시한 것이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 마이크로 스트럭쳐를 이용한 광센서에 대하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 마이크로 스트럭쳐를 이용한 광센서의 개략적인 사시도이고, 도 2는 도 1의 마이크로 스트럭쳐를 이용한 광센서의 단면도이다.
도 1 및 도 2에 도시된 내용을 참조하여 설명하면, 본원발명의 일실시예에 따른 마이크로 스트럭쳐를 이용한 광센서(100)는 광에 반응하여 전기적 신호를 발생시키는 마이크로 구조물을 이용하여 고감도로 광을 감지하는 센서에 관한 것으로서, 실리콘 기판(110)과 실리콘 와이어(120)와 광흡수층(130)과 전압 인가부(140)와 전류 측정부(150)를 포함한다.
상기 실리콘 기판(110)은 후술하는 실리콘 와이어(120)가 형성되는 실리콘 소재의 기초 구조물이다. 제한되는 것은 아니나, 실리콘 기판(110)은 단결정 또는 다결정의 실리콘 기판으로 이루어지며, 제한되지 않고 p형 불순물 또는 n형 불순물이 도핑된 기판일 수 있다.
상기 실리콘 와이어(120)는 상술한 실리콘 기판(110) 상에 형성되는 것으로서, 제1 실리콘층(121)과 제2 실리콘층(122)을 포함하여 구성된다.
상기 제1 실리콘층(121)은 실리콘 와이어(120)의 하층을 구성하는 것으로서, 실리콘 기판(110)으로부터 상측으로 돌출된다. 제1 실리콘층(121)과 실리콘 기판(110)은 동일한 실리콘 소재로부터 가공되는 것이므로 일체의 구조물로 형성된다.
상기 제2 실리콘층(122)은 실리콘 와이어(120)의 상부 쪽을 구성하는 것으로서, 제1 실리콘층(121)의 상단부로부터 상측으로 돌출된다. 즉, 본 실시예에서의 제1 실리콘층(121)과 제2 실리콘층(122)은 상호 물리적으로 일체로 연결되는 구조로 구성된다. 따라서, 본 실시예에서 제1 실리콘층(121), 제2 실리콘층(122), 실리콘 기판(110)은 일체의 단일 구조물로 형성된다.
한편, 제1 실리콘층(121)은 실리콘 기판(110)으로부터 상측으로 갈수록 횡단면의 폭이 점진적으로 감소하는 형태를 갖는 것이 바람직하다. 즉, 제1 실리콘층(121)은 상단부의 폭이 하단부의 폭보다 작은 것이 바람직하다.
또한, 제2 실리콘층(122)은 상측으로 갈수록 횡단면의 폭이 점진적으로 증가하는 형상을 갖도록 구성된다.
이때, 본 실시예에서 제1 실리콘층(121)과 제2 실리콘층(122)이 연결되는 영역, 즉, 실리콘 와이어(120)의 경사 방향이 변경되는 영역을 중앙부(123)라 정의한다.
본 실시예에서, 제1 실리콘층(121)과 제2 실리콘층(122)이 일체형으로 연결되어 양단부에서부터 중앙부(123)로 향할수록 폭이 감소하는 구조로 구성됨으로써, 중앙부(123)에 광입자가 집중적으로 트랩되는 집광효과가 크게 향상되며 이로부터 광반응 감도가 개선될 수 있다. 본 실시예의 이러한 집광효과로 인한 광반응 감도 개선에 대한 상세한 내용은 후술한다.
상기 광흡수층(130)은 실리콘 와이어(120) 상에 형성되는 것으로서, 제1 흡수층(131)과 제2 흡수층(132)을 포함한다.
상기 제1 흡수층(131)은 실리콘 와이어(120)의 외벽, 구체적으로는, 제2 실리콘층(122)의 상부벽 및 제1 실리콘층(121) 및 제2 실리콘층(122)의 측벽을 둘러싸도록 형성된다.
제1 흡수층(131)은 다양한 산화물으로 이루어지는 군 중 어느 하나로 구성되는 층으로서, 구체적으로는, 알루미늄 산화물, 실리콘 산화물, 마그네슘 산화물, 인듐 산화물, 아연 산화물, 주석 산화물, 티타늄 산화물, 망간 산화물, 텅스텐 산화물 중 어느 하나로 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 제2 흡수층(132)은 제1 흡수층(131)의 측벽에만 선택적으로 형성된다. 즉, 제2 흡수층(132)은 제1 흡수층(131)의 상부벽에는 형성되지 않는다. 한편, 제2 흡수층(132)은 질화물, 바람직하게는 실리콘 질화물(SixNy) 소재로 구성되는 것이 바람직하다.
상기 전압 인가부(140)는 실리콘 와이어(120)에 전위차가 발생하도록 전압을 인가하는 것으로서, 제1 단자(141)와 제2 단자(142)를 포함한다.
상기 제1 단자(141)는 실리콘 와이어(120)의 상부 쪽 구조물, 즉, 제2 실리콘층(122)의 상부벽에 형성되는 단자이다. 제1 단자(141)에는 전압이 인가되며, 후술하는 제2 단자(142)와의 사이에서 전위차가 발생시킨다.
상기 제2 단자(142)는 실리콘 기판(110) 상에 형성되며, 제1 단자(141)와의 사이에서 전위차를 발생시킬 수 있도록 소정의 전압을 인가한다. 본 실시예에서 제1 단자(141)로부터 제2 단자(142) 방향 또는 그 반대 방향으로 전위차가 발생되어야 한다. 다시 설명하면, 제1 단자(141)와 제2 단자(142)의 사이에 전위차를 형성함으로써, 실리콘 와이어(120)의 두께 방향과 나란한 방향으로 전류가 흐를 수 있도록 한다.
한편, 제1 단자(141) 및 제2 단자(142)에 의하여 형성되는 전위차는 실리콘 와이어(120)의 높이, 폭, 길이, 중앙부(123)의 폭 등의 수치를 종합적으로 고려하며, 광이 없는 환경에서 불필요한 전류 흐름이 발생하지 않을 정도의 전위차가 형성되도록 하는 것이 바람직하다.
상기 전류 측정부(150)는 광에 반응함으로써 실리콘 와이어(120)에 흐르는 전류를 측정하기 위한 것이다.
이하에서는, 본 발명의 일실시예에 따른 마이크로 스트럭쳐를 이용한 광센서(100)의 작동원리에 대하여 보다 상세히 설명한다.
먼저, 전압 인가부(140)를 통하여 실리콘 와이어(120)에 두께 방향을 따라서 전위차가 발생하도록 전압을 인가한다. 제한되는 것은 아니나, 본 실시예에서는 제1 단자(141)에 소정의 전압을 인가하고, 제2 단자(142)는 그라운드(GND)에 연결하여 전위차를 형성한다.
이때, 실리콘 와이어(120) 측으로 광이 조사되지 않는 환경에서, 즉, 광자극이 없는 환경에서는 실리콘 와이어(120)가 반응하여 전류가 흐르지 않도록 전압을 인가하는 것이 바람직하다.
한편, 제1 단자(141)와 제2 단자(142) 간 전위차가 형성되어, 광 감지시에 실리콘 와이어(120)의 두께 방향과 나란한 방향(즉, 위 또는 아래 방향)으로 전류가 흐르는 것이라면, 제한되지 않는다. 즉, 제1 단자(141)보다 제2 단자(142)에 보다 높은 전압이 인가될 수도 있는 것이다.
전압 인가부(140)는 광이 제공되지 않는 환경에서는 실리콘 와이어(120)가 부도체로 기능할 수 있게 인가되는 전압을 제어한다.
광이 실리콘 와이어(120) 측으로 조사되면, 실리콘 와이어(120)의 두께 방향으로 전류가 흐르고 전류 측정부(150)는 전류의 흐름을 감지하여 광을 감지하게 된다. 이하에서, 본 실시예에서의 광 감지 원리에 대하여 보다 상세히 설명한다.
도 3은 도 1의 마이크로 스트럭쳐를 이용한 광센서에 입사하는 광입자의 광경로의 일례를 개략적으로 도시한 것인데, 이를 참조하여 설명하면, 광원(10)으로부터 발생한 광이 실리콘 와이어(120) 측으로 조사되면, 광 입자는 광흡수층(130)에 흡수된 후 실리콘 와이어(120) 내부로 유입된다. 입사된 광입자는 광흡수층(130)과 실리콘 와이어(120)의 경계면에서 반복적으로 전반사되면서, 제1 실리콘층(121)과 제2 실리콘층(122) 사이의 폭이 최소인 영역, 즉, 중앙부(123)에 집중적으로 포집된다.
구체적으로는, 광흡수층(130)과 실리콘 와이어(120) 간의 굴절률 차이로 인하여, 광 입자는 그 경계면을 통과하지 않고 반복적으로 반사됨으로써, 광입자는 실리콘 와이어의 경사면을 따라 이동하여 중앙부(123)에 집중적으로 모이는 것이다.
즉, 광경로의 이동 경로가 실리콘 와이어(120)의 경사면에 의하여 안내됨으로써 중앙부(123)에 광입자 농도가 집중적으로 증가하여 광입자 채널이 형성되고, 그로 인하여 중앙부(123)에 두께 방향으로 전도성이 매우 높아지며, 이에 따라 실리콘 와이어(120) 자체의 광에 대한 저항의 변화가 커져 전도 특성이 우수해지는 것이다.
다시 설명하면, 광흡수층(130)은 광입자를 흡수하여 실리콘 와이어(120) 내에 광입자를 트랩함으로써, 실리콘 와이어(120)가 보다 많은 광 입자에 반응할 수 있도록 함으로써 전체적으로 본 발명의 광 반응 특성이 크게 증가될 수 있는 것이다.
뿐만 아니라, 실리콘 와이어(120)로 한번 입사한 광입자는 제1 실리콘층(121)과 제2 실리콘층(122)이 이루는 경사면에 의하여 반복적으로 재반사 됨으로써, 외부로 유실되지 않고 광흡수층(150)으로 재흡수될 확률이 크게 증가한다.
특히, 상대적으로 제2 실리콘층(122)은 상부측으로 갈수록 폭이 점진적으로 증가하는 형상을 가지므로 한번 입사된 광입자기 외부로 방출될 확률은 매우 낮다. 즉, 실리콘 와이어(120) 내로 바로 입사하지 못한 광입자는 구조물의 경사면에 의하여 반복적으로 재반사 됨으로써 실리콘 와이어(120)의 외부로 이탈될 가능성이 매우 낮아지는 효과가 있는 것이다.
따라서, 본 발명에 따르면, 제1 실리콘층(121)과 제2 실리콘층(122)으로 구성되는 실리콘 와이어(120)은 양단으로 갈수록 폭이 점점 증가하는 형태의 경사면을 가짐으로써 광입자의 재반사 확률을 증가시킬 수 있고, 광입자를 장시간 트랩할 수 있도록 하여 전체적으로는 광 반응 감도가 향상되는 것이다.
상술한 집광 효과에 의하여 실리콘 와이어(120)의 두께 방향으로의 전도성이 매우 커지고, 제2 실리콘층(122)으로부터 제1 실리콘층(121) 측으로의 전류흐름이 발생하고, 전류 측정부(150)는 이를 측정하는 방식으로 광을 감지한다.
한편, 본 발명에서는 제1 실리콘층(121)과 제2 실리콘층(122)이 서로 결합되어 일체형 구조물로 형성되고, 중앙부(123)를 중심으로 양단부로 갈수록 폭이 점진적으로 증가하는 형태로 구성된다. 이러한 구조에 의하면, 제1 실리콘층(121)과 제2 실리콘층(122)이 서로 연결되는 부위인 중앙부(123)의 폭이 최소가 되며, 유입된 광입자는 폭이 좁은 중앙부(123)에 집중적으로 트랩되어 이탈이 제한됨으로써, 매우 큰 집광효과를 나타낼 수 있게 된다.
도 4는 도 1의 마이크로 스트럭쳐를 이용한 광센서가 광에 반응하는 경우 형성되는 전기장을 도시한 것이며, 도 4에서는 광 반응시 실리콘 와이어(120)의 중앙부(123)에 강한 전기장이 형성되는 것을 볼 수 있다.
즉, 도 4에서와 같이, 본 실시예의 마이크로 스트럭쳐를 이용한 광센서(100)의 중앙부(123)에는 고농도의 광입자가 집중되고, 농도가 증가할수록 고전도성 채널이 형성됨으로써 전체적으로 저항은 감소하며, 결과적으로는 미세한 광에도 반응하여많은 전류가 흐르게 됨으로써, 광 반응 감도가 크게 개선되는 효과를 갖게 되는 것이다.
또한, 본 실시예에서는 제1 실리콘층(121)과 제2 실리콘층(122)의 경사면 구조를 통하여 한번에 유입되지 못한 광입자가 실리콘 와이어(120)로 흡수될 수 있는 경로를 형성하며, 실리콘 와이어(120) 내부에 유입된 광입자는 반복적인 전반사를 통하여 외부 이탈을 최소화하는 동시에 중앙부(123) 영역으로의 광입자 집중도는 더욱 증가될 수 있다.
예를 들어, 도 4에 도시한 바와 같이 광입자의 농도가 증가함에 따라, 강한 전기장을 형성할 수 있다. 또한, 도 4는 강한 전기장에서 약한 전기장으로 갈수록 붉은색계열에서 점차 파란색계열로 표시할 수 있고, 또는 강한 전기장에서 약한 전기장으로 갈수록 명도가 진한것에서 점차 연한것으로 표시할 수 있다. 이때, 동일한 색으로 표신된 부분은 동일한 전기장을 나타낼 수 있다.
본 실시예에서는 제1 실리콘층(121)과 제2 실리콘층(122)에 흡수된 광입자의 농도에 따라서 제1 실리콘층(121) 및 제2 실리콘층(122)은 파란색계열로 표시될 수 있고, 중앙부(123)로 갈수록 광입자의 집중도는 증가되어 노란색계열 또는 붉은색계열로 표시될 수 있다.
또한, 본 발명에서는 중앙부(123)를 중심으로 상하측 일부 영역에 광입자가 집중되는 분포를 가지므로, 실리콘 와이어(120)의 수직방향, 즉, 두께방향을 따라서 전류 흐름이 발생한다. 종래의 일반적인 반도체 특성을 갖는 실리콘 구조물의 경우에는 길이 방향을 따라 전위차가 발생하도록 전압을 인가하였으나, 본 발명에서는 두께 방향으로의 전류 흐름을 유도할 수 있으므로 보다 컴팩트한 구조의 디바이스를 제작할 수 있는 장점이 있다.
도 5는 도 1의 마이크로 스트럭쳐를 이용한 광센서의 변형례의 개략적인 사시도이고, 도 6은 도 5의 마이크로 스트럭쳐를 이용한 광센서의 변형례에 입사하는 광입자의 광경로의 일례를 개략적으로 도시한 것이다.
한편, 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 본 실시예의 변형례는 실리콘 기판(110)에 함몰 공간(n-well)이 형성되고, 함몰공간 내에 실리콘 와이어(120)가 돌출되는 형태로 형성될 수도 있다.
이러한 본 실시예의 변형례에 의하면, 실리콘 기판(110)의 상측으로 돌출되어 실리콘 와이어(120)와 이격하는 벽이 광입자를 반복적으로 반사시켜 실리콘 와이어(120) 내로 유입시킴으로써, 광입자가 유실되는 것을 줄일 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되는 것이 아니라 첨부된 특허청구범위 내에서 다양한 형태의 실시예로 구현될 수 있다. 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 변형 가능한 다양한 범위까지 본 발명의 청구범위 기재의 범위 내에 있는 것으로 본다.

Claims (7)

  1. 실리콘 기판;
    상기 실리콘 기판 상에 적어도 일부가 횡단면의 폭이 점진적으로 증가하도록 구성되는 실리콘 와이어;
    하나 이상의 층을 포함하며, 상기 실리콘 와이어에 적층되는 광흡수층;
    광 반응시에 상기 실리콘 와이어로부터 상기 실리콘 기판 방향으로 전류가 흐르도록 전압을 인가하는 전압 인가부;
    광에 반응하여 상기 실리콘 와이어에 흐르는 전류를 측정하는 전류 측정부;를 포함하는 마이크로 스트럭쳐를 이용한 광센서.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 실리콘 와이어는,
    상기 실리콘 기판 상에 마련되며, 상기 실리콘 기판으로부터 멀어질수록 폭이 점진적으로 감소하는 제1 실리콘층; 상기 제1 실리콘층으로부터 연장되며, 상기 제1 실리콘층으로부터 멀어질수록 폭이 점진적으로 증가하는 제2 실리콘층;을 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 스트럭쳐를 이용한 광센서.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 전압 인가부는,
    상기 실리콘 와이어에 형성되어 전압이 인가되는 제1 단자; 상기 실리콘 기판 상에 형성되며, 상기 제1 단자와의 사이에서 전위차를 발생시키는 제2 단자;를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 스트럭쳐를 이용한 광센서.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 전압 인가부는 상기 실리콘 와이어의 두께 방향으로 전위차가 형성될 수 있도록 전압을 인가하는 것을 특징으로 하는 마이크로 스트럭쳐를 이용한 광센서.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 실리콘 와이어는 중앙부를 중심으로 양단부로 갈수록 폭이 점진적으로 증가하는 형상을 가지며,
    상기 실리콘 와이어 내로 입사한 광입자는 상기 중앙부에 트랩되는 것을 특징으로 하는 마이크로 스트럭쳐를 이용한 광센서.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 실리콘 와이어는 횡단면의 적어도 일부 구간은 곡률을 갖는 것을 특징으로 하는 마이크로 스트럭쳐를 이용한 광센서.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 광흡수층은,
    상기 실리콘 와이어의 상부벽 및 측벽 상에 형성되며, 실리콘 산화물(SiOx)로 구성되는 제1 흡수층; 상기 제1 흡수층의 측벽 상에만 선택적으로 형성되며, 실리콘 질화물(SixNy)로 구성되는 제2 흡수층;을 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 스트럭쳐를 이용한 광센서.
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