KR101520029B1 - 고정세화 패턴을 갖는 광 변조기 - Google Patents

고정세화 패턴을 갖는 광 변조기 Download PDF

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Abstract

고정세화 패턴을 갖는 광 변조기가 개시된다. 개시된 광 변조기는, 광전효과를 이용하여 입력 광 이미지를 전류 신호로 변환하는 광전 변환 소자와, 광전 변환소자로부터 전달되는 전류 신호를 사용하여 발광하는 전광 변환소자를 포함한다. 광전 변환소자로부터 전광 변환소자로 전기적 신호 전달시, 픽셀간의 전기적 간섭을 차단하거나 줄이도록 광변조기의 적어도 일면으로부터 광변조기 내부의 적어도 일부 깊이까지 트렌치가 형성된다.

Description

고정세화 패턴을 갖는 광 변조기{Optical Modulator with Pixelization Patterns}
광 변조기에 관한 것으로, 고해상도의 이미지 변조를 얻을 수 있도록 고정세화 패턴을 갖는 광 변조기에 관한 것이다.
광 정보(이미지)를 받아들여 전기적 정보로 변환하고 이를 변조한 후 다시 광 정보(이미지)를 출력하는 이른바 광-전-광(Optical-Electric-Optical: 이하, O-E-O) 광변조기는 파장의 변환 기능, 광 증폭기능, 그리고 고속의 변조기능을 가질 수 있으므로 3차원 카메라(3D Camera), 레이저 레이다(LADAR: Laser Radar), 적외선 이미징(Infra Red imaging: IR imaging) 등에서 핵심 부품으로 활용되고 있다.
O-E-O 광변조기는 대부분 파장 800~1700nm IR 대역의 이미지를 받아들여 광전효과에 의해 전류를 발생시키고 이를 사인(Sine), 램프(Ramp), 스퀘어(Squire) 파형 등 원하는 함수로 증폭 또는 변조한 후 발광다이오드(LED) 등의 발광체에 그 전류를 주입하여 CCD 등의 촬상소자의 민감도가 높은 가시광선 파장 영역 (450~650nm)으로 입력 이미지에 비례하여 이미지를 출력하는 개략적인 메커니즘을 가진다.
O-E-O 광변조기를 적용한 대표적인 장치는 전자증폭시 멀티 채널 플레이트((Multi-Channel Plate: MCP)를 사용하는 이미지 증강장치(Image Intensifier)이다. 그런데, MCP는 글래스(Glass)에 수 um 지름의 구멍을 이미지의 픽셀 수만큼 성형가공하여 제조되며 또한 전자 증폭을 위해 MCP내의 진공 패키지(Package)가 필요하므로 가공이 어려워 가격이 비싸고 부피가 큰 단점이 있다.
이를 극복하고 소형화와 대량 생산을 위해 반도체를 기반으로 한 O-E-O 광 변조기가 최근에 많은 개발이 이루어져 왔으며 주로 GaAs 기판에서 O-E-O 광변조기를 구현하는 방법이 소개되고 있다.
반도체 기판 상에 O-E-O 광변조기를 구현할 때 생길 수 있는 해상도 열화를 극복하여 고해상도의 이미지 변조를 얻을 수 있는 고정세화 패턴을 갖는 반도체 기반 광 변조기를 제공한다.
본 발명의 실시예에 따른 고정세화 패턴을 갖는 광 변조기는, 광전효과를 이용하여 입력 광 이미지를 전류 신호로 변환하는 광전 변환 소자; 상기 광전 변환소자로부터 전달되는 전류 신호를 사용하여 발광하는 전광 변환소자; 상기 광전 변환소자로부터 상기 전광 변환소자로 전기적 신호 전달시, 픽셀간의 전기적 간섭을 차단하거나 줄이도록 광변조기의 적어도 일면으로부터 광변조기 내부의 적어도 일부 깊이까지 형성되는 트렌치를 포함한다.
상기 트렌치는, 상기 광전 변환소자로부터 상기 전광 변환소자 쪽으로 일부 깊이까지 형성되거나, 상기 전광 변환소자로부터 상기 광전 변환소자 쪽으로 일부 깊이까지 형성되고나, 광변조기의 양쪽에 모두 형성되도록, 상기 광전 변환소자로부터 상기 전광 변환소자 쪽으로 일부 깊이까지 형성되고, 상기 전광 변환소자로부터 상기 광전 변환소자 쪽으로 일부 깊이까지 형성될 수 있다.
또한, 상기 트렌치는 상기 광전 변환소자와 상기 전광 변환소자를 관통하도록 형성될 수 있다.
상기 트렌치는 그 깊이에 따라 단면의 폭 크기가 달라지는 테이퍼진 형태 또는 스텝형으로 형성될 수 있다.
상기 트렌치는, 픽셀을 정의하도록 픽셀 주변에 이산적으로 형성되어 한 픽셀이 네 지점에서 인접 픽셀들과 전기적으로 연결되는 이산형 트렌치 패턴 형태, 한 픽셀이 두 지점에서 인접 픽셀들과 전기적으로 연결되고 단일 연결 지점은 4개의 인접한 픽셀들이 서로 연결되는 십자형 트렌치 패턴 형태 및 한 픽셀이 두 지점에서 인접 픽셀들과 전기적으로 연결되고 단일 연결 지점은 픽셀을 정의하는 변의 중앙부에 위치하거나 모서리에 위치하는 가지형 트렌치 패턴 형태 중 어느 한 형태로 형성될 수 있다.
상기 광전 변환소자와 전광 변환소자 사이에 광전 변환소자로부터의 전류 신호를 전광 변환소자로 전달하는 소자를 더 구비할 수 있다.
상기 전달 소자는, 반도체 기판을 포함할 수 있다.
상기 트렌치는 상기 광변조기의 일면으로부터 상기 전달 소자의 일부 깊이까 지 형성될 수 있다.
상기 광변조기의 광 이미지 입사면에는 제1투명전극, 광변조기의 광 이미지 출사면에는 제2투명전극, 광전 변환소자와 전광 변환소자 사이에는 내부 전극이 마련될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 광변조기에 따르면, 광변조기의 픽셀간 전기적 간섭에 의한 해상도 열화 현상을 극복하여 해상도를 향상되도록 하면서도, 광변조기의 강성의 손해를 최소화하고 전기 배선의 용이성을 유지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 반도체 기반 광변조기를 개략적으로 보여준다.
도 1을 참조하면, 반도체 기반 광변조기는, 입사하는 적외선(IR) 이미지를 변조하여 투과시키는 디바이스로서, 광전효과를 이용하여 입력 광 이미지를 전류로 변환하는 광전(O-E) 변환 소자(20), 상기 광전 변환소자로부터 전달된 전류를 사용하여 발광하는 전광(E-O) 변환소자(30), 픽셀간의 전기적 간섭을 차단하거나 줄이도록 형성된 트렌치(50) 패턴을 포함한다. 상기 광변조기의 광 이미지 입사면(21)에는 제1투명 전극(41), 광변조기의 광 이미지 출사면(31)에는 제2투명 전극(45), 광전 변환소자(20)와 전광 변환소자(30) 사이에는 내부 전극(43)이 마련될 수 있다. 상기 광변조기는 상기 광전 변환소자(20)와 전광 변환소자(30) 사이에 광전 변환소자(20)로부터의 전류 신호를 전광 변환소자(30)로 전달하는 소자(E-E 전달소 자)(70)를 더 구비할 수 있다.
상기 광전 변환소자(20)는, 광전효과를 이용하여 입력 광 이미지를 전류로 변환하는 동시에 변환된 전류를 증폭 또는 사인(Sine), 램프(Ramp), 스퀘어(Squire) 파형 등 원하는 함수로 변조할 수 있다. 이 광전 변환소자(20)는 광흡수를 위한 수광소자에 해당하는 것으로, 예를 들어, p-type, n-type 혹은 진성(intrinsic) III-V 화합물 반도체(Al, Ga, In, As, P, N등의 물질을 포함하는 화합물) 및 Si, Ge 의 조합을 이용한 적층으로 구현될 수 있다.
전광 변환소자(30)는 전달된 전류를 사용하여 발광하는 소자로서, 예를 들어, p-type, n-type 혹은 intrinsic III-V 화합물 반도체 (Al, Ga, In, As, P, N등의 물질을 포함하는 화합물) 이거나 화합물 반도체로 이루어진 발광소자에 형광체 등이 결합된 형태로 구현될 수 있다.
전류 신호 전달을 위한 소자(이하, 전달 소자)는 예를 들어, p-type, n-type 혹은 진성 III-V 화합물 반도체 (Al, Ga, In, As, P, N등의 물질을 포함하는 화합물) 및 Si, Ge 의 조합을 이용한 적층으로 구현될 수 있다. 또한, 상기 전달소자(70)는 GaAs 등의 반도체 기판일 수 있다.
예를 들어, 단일 GaAs 기판에 양면 공정으로 포토다이오드와 발광 다이오드를 반도체 공정을 통하여 형성하여 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 기반 광변조기를 구성할 수 있다. 이 경우, 포토다이오드는 광전 변환소자(20), GaAs 기판은 전달소자(70), 발광 다이오드는 전광 변환소자(30)로서 사용될 수 있다. 다른 예로서, 상기 전달소자(70)는 반도체층의 적층으로 구현될 수도 있는데, 이 경우, 투명 기판 상에 전광 변환소자(30), 전달소자(70) 및 광전 변환소자(20)를 반도체 공정을 통해 형성할 수 있다.
도 1에 도시된 본 발명의 일 실시예 및 이하의 다른 실시예들에서는, 광전 변환소자(20)와 전광 변환소자(30) 사이에 전달소자(70)가 있는 경우를 예로 드는데, 본 발명의 실시예가 이에 한정되는 것은 아니다. 즉, 본 발명의 실시예에 따른 광변조기는 전달소자(70)가 없는 구조로 이루어질 수도 있다.
입력 광 이미지는 광전 변환소자(20) 상면의 제1투명 전극(41)을 투과하여 광전 변환소자(20)에 도달한다. 광전 변환소자(20)에는 Vmod의 변조신호에 해당하는 전압이 인가되어 이 전압과 입력 광 이미지에 비례하는 양의 전자-정공 쌍(electron-hole pair)이 발생한다. Vmod의 변조신호가 제1투명 전극(41)과 내부 전극(43)을 통하여 인가될 수 있다. 발생된 전자는 입력 광 이미지에 비례하는 전자 이미지(electron image)를 가진다. 광전 변환소자(20) 상면의 제1투명 전극(41)과 전광 변환소자(30) 하면의 제2투명 전극(45)에 인가된 바이어스 전압(Bias Voltage) 즉, Vtop과 Vbottom에 의해 형성된 전기장에 끌려 전자 이미지는 전광 변환소자(30)쪽으로 움직인다. 전자 이미지는 예를 들어, GaAs 등의 반도체 기판으로 구성된 E-E 전달 소자를 통과하여 전광 변환소자(30)에 도달하여 광을 발생시키며 결과적으로 O-E-O 광변조기 상면에 도달한 입력 광 이미지에 비례하는 출력 광 이미지를 하면에서 출력한다. 출력된 광 이미지는 릴레이 렌즈 세트(Relay Lens Set)를 통과하면서 배율이 적절히 조절되어 최 하단의 CCD 또는 CMOS 등의 이미지 센서에 포커싱되어 이미지가 촬상되게 된다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 반도체 기반 광변조기에 있어서, 트렌치(50) 패턴은, 픽셀 간의 전기적 간섭을 차단하거나 줄이도록 형성된다. 본 발명의 실시예에 따른 반도체 기반 광변조기는, 이러한 트렌치(50) 패턴에 부가하여, 후술하는 바와 같이, 광변조기의 상하면의 투명 전극 패턴을 적용하여 고해상도의 광변조 기능을 갖도록 마련될 수 있다.
기판 즉, E-E 전달소자(70) 내 전자 이미지의 전달 과정에서 의도된 수직 방향의 전달뿐만이 아니라 횡방향의 확산 (Diffusion)이 수반될 수 있는데, 이는 이미지의 픽셀별 밝기 차이에 의해서 발생된 전자의 밀도가 횡방향으로 불균일하며 따라서 횡방향으로 전자의 밀도차이가 존재하기 때문이다. 따라서, 상부 입력면의 이미지가 하부의 출력 이미지로 전달 되었을 때에는 결과적으로 이미지 흐림(Blur) 효과가 나타날 수 있다. 이러한 이미지 흐림은 통과되는 이미지의 해상도 저하를 야기하며 전체 이미지 시스템의 해상도를 떨어뜨리는 결정적인 원인으로 작용할 수 있다.
상기 트렌치(50) 패턴은 픽셀 간의 전기적 간섭을 제거 또는 감쇄시켜 이러한 이미지 흐림 효과를 적절히 감쇄시킬 수 있다.
도 2는 도 1의 트렌치(50) 패턴을 가지는 광 변조기에, 다크(Dark)와 브라이트(Bright) 픽셀이 순차적으로 배열된 이미지 패턴이 입사되는 경우의 전자의 전달 과정 및 출력 이미지를 보여준다. 도 3은 비교예로서 트렌치 패턴을 가지지 않는 광 변조기를 보여주며, 도 4는 도 3의 비교예의 트렌치 패턴을 가지지 않는 광 변 조기에, 다크(Dark)와 브라이트(Bright) 픽셀이 순차적으로 배열된 이미지 패턴이 입사되는 경우의 전자의 전달 과정 및 출력 이미지를 보여준다.
비교예로서, 도 3 및 도 4를 참조하면, 트렌치 패턴이 없는 광 변조기에, 다크(Dark)와 브라이트(Bright) 픽셀이 순차적으로 배열된 이미지 패턴이 입사되는 경우, Vtop과 Vbottom에 의해 형성된 전기장으로 야기된 수직 방향의 전자 전달 뿐만 아니라 횡방향의 전자 확산(Electron Diffusion)이 수반된다. 이는 이미지의 픽셀별 밝기 차이에 의해 발생된 전자의 밀도가 횡방향으로 불균일하여 발생된다.
이러한 횡방향의 전자 확산은 출력 이미지의 픽셀 간의 명암비(contrast)를 떨어지게 하며, 결과적으로 상부 입력면의 이미지가 하부의 출력 이미지로 전달되엉T을 때에는 이미지 흐림(Blur) 현상이 나타나게 된다. 이러한 픽셀간 전자의 간섭(cross talk)에 의한 이미지 흐림 현상이 인접한 픽셀을 구분하기 어려울 정도로 발생되는 경우, 통과되는 이미지의 해상도 저하를 야기하게 되며, 전체 이미지 시스템의 해상도를 떨어뜨리는 결정적인 원인으로 작용할 수 있다.
이에 반하여, 도 2를 참조하면, 횡방향으로의 전자 전달을 차단하거나 줄일 수 있는 트렌치(50) 패턴을 가지는 광 변조기에 다크(Dark)와 브라이트(Bright) 픽셀이 순차적으로 배열된 이미지 패턴이 입사되는 경우, 전기적 절연체인 트렌치(50)에 의해, 이미지의 픽셀별 밝기 차이에 의해 발생된 전자의 밀도가 횡방향으로 불균일하여 발생된 횡방향의 전자 확산(Electron Diffusion)에 기인한 횡방향으로의 전자의 전달이 물리적으로 차단되어, 상하 방향의 픽셀 대 픽셀간의 전자 전 달이 이루어질 수 있다. 결과적으로 출력 이미지는 입력 이미지와 같은 다크와 브라이트 픽셀이 순차적으로 배열된 이미지 패턴을 나타내게 된다. 이러한 광변조기에서의 해상도는 트렌치(50) 패턴으로 정의된 바닥면의 픽셀 개수로 정해질 수 있다.
다시 도 1을 참조하면, 트렌치(50) 패턴은 DRIE(Deep Reactive Ion Etching) 등의 반도체 식각 공정을 통해 형성될 수 있다. 트렌치(50) 깊이 대 폭 비율(세장비)를 예를 들어 20:1 이상으로 형성할 수 있다.
도 1에서의 트렌치(50)는 바닥면의 제2투명 전극(45)부터 식각되어 전광 변환소자(30), 전달 소자 순으로 식각되어 형성될 수 있다. 트렌치(50) 형성 후 트렌치(50) 내부는 기체 또는 SiO2 등의 전기적 절연체로 채워질 수 있다.
상기와 같이 트렌치(50)를 가지는 광변조기에 도 2에서와 같은 다크와 브라이트 픽셀이 순차적으로 배열된 이미지 패턴이 입력되는 경우, 발생된 전자는 전기적 절연체인 트렌치(50)에 의해 그 횡방향으로의 전달이 물리적으로 차단되어, 상하 방향의 픽셀 대 픽셀 같의 전자 전달이 이루어진다. 결과적으로 출력 이미지는 입력 이미지와 같은 다크와 브라이트 픽셀이 순차적으로 배열된 이미지 패턴을 나타낸다. 이때, 광변조기의 해상도는 트렌치(50) 패턴으로 정의된 바닥면의 픽셀 개수로 정해진다.
이하에서는, 트렌치(50) 형성 측면에서의 본 발명에 따른 광변조기의 다양한 실시예들을 살펴본다.
본 발명의 실시예에 따른 광변조기에서 트렌치(50)는, 도 1에서와 같이, 전광 변환소자(30)쪽에서부터 전달소자(70) 예컨대, 기판의 일부 깊이까지 형성될 수 있다. 즉, 제2투명 전극(45), 전광 변환소자(30) 및 전달소자(70)의 일부 깊이에 걸쳐 형성될 수 있다. 광 입사면 즉, 광 이미지 입사면(21)측을 상부, 광 출사면 즉, 광 이미지 출사면(31)측을 하부라 할 때, 도 1에서의 광변조기는 하부 트렌치(50)를 갖는 구조가 된다.
트렌치(50)는, 도 5에서와 같이, 광전 변환소자(20)쪽에서부터 전달소자(70) 예컨대, 기판의 일부 깊이까지 형성될 수 있다. 즉, 제1투명 전극(41), 광전 변환소자(20) 및 전달소자(70)의 일부 깊이에 걸쳐 형성될 수 있다. 광 입사면측을 상부, 광 출사면측을 하부라 할 때, 도 5에서의 광변조기는 상부 트렌치(50)를 갖는 구조가 된다.
트렌치(50)는 도 6에서와 같이, 광전 변환소자(20)쪽에서부터 전달소자(70) 예컨대, 기판의 일부 깊이까지 형성되고, 전광 변환소자(30)쪽에서부터 전달소자(70) 예컨대, 기판의 일부 깊이까지 형성되어, 양쪽에 트렌치(50)가 형성된 구조일 수도 있다. 즉, 트렌치(50)가, 제1투명 전극(41), 광전 변환소자(20) 및 전달소자(70)의 일부 깊이에 걸쳐 형성된 제1트렌치(50)와 제2투명 전극(45), 전광 변환소자(30) 및 전달소자(70)으 일부 깊이에걸쳐 형성된 제2트렌치(50)를 구비할 수 있다. 광 입사면측을 상부, 광 출사면측을 하부라 할 때, 도 6에서의 광변조기는 상,하부 트렌치(50)를 갖는 구조가 된다.
트렌치(50)는 도 7에서와 같이, 광변조기를 관통하도록 형성될 수도 있다. 도 7에서와 같이 트렌치(50)가 관통 구조로 형성된 경우, 광변조기는 구조적으로 안정성을 갖도록 형성될 필요가 있는데, 이에 대한 자세한 설명은 후술한다.
한편, 도 1, 도 5 내지 도 7에서는 트렌치(50)가 그 단면 폭이 일정하게 형성된 예를 보여주는데, 트렌치(50)는 깊이 방향으로의 위치에 따라 그 단면 폭이 달라지도록 형성될 수도 있다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 광 변조기를 보인 것으로, 트렌치(100)의 단면 폭을 깊은 곳에서는 좁게, 바깥쪽 즉, 입사면 또는 출사면에 가까운 쪽은 넓게 식각한 예를 보여준다. 도 8에서는 트렌치(100) 폭 변화가 스텝형으로 된 예를 보여준다. 이와 같이 깊이가 얕은 위치는 넓게, 깊이가 깊은 곳은 좁게 트렌치(100)를 형성하면, 단일한 단면 폭을 갖는 트렌치(50)에 비해 상대적으로 더욱 깊은 식각이 가능하다. 한편, 상기 트렌치(100)를 스텝형으로 형성하는 대신에, 트렌치(100)의 단면폭을 연속적으로 변환시킨 사다리꼴의 테이퍼(Taper) 형상, 즉, 깊이가 얕은 곳은 넓게 깊이가 깊은 곳은 좁게 또는 그 반대로도 형성이 가능하다. 여기서, 도 8에서와 같은 폭이 변화되는 트렌치(100)는 도 1, 도 5 내지 도 7에도 적용할 수 있다.
한편, 도 8에서와 같이, 해상도를 향상시키기 위해, 광변조기의 이미지 입력면에 광학적으로 고정세화(Pixelization)하기 위해, 옵티컬 리드(Optical Lid:110) 즉, 광학적 절연체를 형성할 수도 있다. 이와 같이 광학적으로 고정세화하는 옵티컬 리드(110)를 형성하면, 트렌치(100)로 구획된 픽셀에 입사되는 전자 이미지가 크기상 일대일로 대응하므로, 이를 통해 픽셀간 전기적 간섭을 최소화할 수 있다. 이러한 광학적으로 고정세화하는 옵티컬 리드(110)는 도 1, 도 5 내지 도 7에도 적용될 수 있다.
트렌치(50 또는 100) 형성시 만족되어야 할 조건은 상기에서 설명한 전달 소자(70) 예컨대, 기판 내에서의 횡방향 전자 확산을 차단하는 기본적인 역할 이외에 광변조기가 구초적으로 충분히 강하여 공정 및 사용 중 파손이 적어야 하며, 트렌치(50)와 함께 식각되는 투명 전극(41 또는 45)에 전압을 용이하게 공급할 수 있는 전극 구조를 가져야 하는 것이다.
이하에서는 이러한 조건을 충족하는 다양한 트렌치(50 또는 100) 패턴에 대해 설명한다.
도 9는 평면상에서 바라본 가장 단순한 격자 형태의 트렌치(200) 패턴으로서 5 ×5 픽셀(5-by-5 pixel)을 예시한다. 도 9에서와 같은 단순한 격자 형태로 트렌치(200) 패턴을 형성할 때, 이러한 트렌치(200) 패턴에 의해 각각의 픽셀은 구조적으로 완전히 분리가 되어 광변조기가 굽힘(bending) 등의 외력을 받을 때에 구조적으로 취약하며, 픽셀 각각의 전극(250)에 일일이 전기적 연결이 필요하다.
도 10 내지 도 13은 구조적인 안정성과 픽셀의 전극(250) 배선 문제를 개선한 트렌치(200) 패턴 형상의 다양한 실시예들을 보여준다.
도 10을 참조하면, 픽셀을 정의하는 트렌치(200)가 픽셀 주변에 이산적으로(Discrete) 형성되어, 픽셀간의 전자의 확산에 의한 크로스토크를 방지한다. 또한, 또한 픽셀들 사이가 구조적으로 연결이 되어 있어, 트렌치(200) 형성을 위한 식각 후 기판의 강성이 충분히 유지 될 수 있다. 도 8에서와 같이, 트렌치(200)가 광변조기를 관통하는 경우에는 도 10에서와 같은 픽셀간의 구조적 연결이 필수적이다. 트렌치(200) 형성시 투명 전극(250)도 식각되는데, 이때 픽셀 간에 서로 전기적으로 연결된 단일 전극 또는 소수의 분리된 전극 그룹을 형성하도록 하면, 하나 또는 소수의 상호 연결(interconnect)을 통해서 전 픽셀에 바이어스 전압을 용이하게 공급할 수 있게 된다.
한편, 픽셀간의 전자 확산에 의한 크로스토크를 최대한 방지하기 위해서는 픽셀간 연결 부분을 최소화 할 필요가 있다. 이를 위해, 도 10의 이산형 트렌치(200) 패턴 보다 픽셀간 연결 부분을 더 줄일 수 있도록 도 11 내지 도 13에서와 같이 트렌치(200) 패턴을 변형할 수 있다.
즉, 도 10에서는 이산형 트렌치(200) 패턴으로서, 한 픽셀은 4 지점에서 인접 픽셀들과 연결이 되어 있고 단일 연결 지점은 4개의 인접한 픽셀들이 서로 연결되어 있다. 도 11은 십자형 트렌치(200) 패턴으로서, 한 픽셀은 2 지점에서 인접 픽셀들과 연결이 되어 있고 단일 연결 지점은 4개의 인접한 픽셀들이 서로 연결되어 있다. 도 12는 가지형 트렌치(200) 패턴으로서 한 픽셀은 2 지점에서 인접 픽셀들과 연결이 되어 있고 단일 연결 지점은 인접한 2개의 픽셀 둘레의 중앙부에 위치한다. 도 13은 변형된 가지형 트렌치(200) 패턴으로서 한 픽셀은 2 지점에서 인접 픽셀들과 연결이 되어 있고 단일 연결 지점은 2개의 인접 픽셀 둘레의 모서리 부분에 위치한다.
본 발명의 실시예에 따른 광변조기의 트렌치(50 또는 100) 패턴으로 도 9 내지 도 13을 참조로 설명한 다양한 형태의 트렌치 패턴(200)이 적용될 수 있다.
도 14a 및 도 14b, 도 15a 및 도 15b는 트렌치(200) 패턴이 광변조기의 해상도 향상에 미치는 효과를 검증하기 위한 시뮬레이션 수행 결과를 보여준다. 도 14a 및 도 14b는 트렌치 패턴이 없는 광변조기의 GaAs 기판 내부의 전자 전달 시뮬레이션 결과를 보여준다. GaAs 기판은 n-도핑을 취하여 전자 전달이 이루어지도록 했다. 브라이트와 다크가 순차적으로 배열된 입력 광이미지를 광변조기 상단의 광 이미지 입사면(21)에 인가하고 상면과 하면에 설치된 제1 및 제2투명 전극(41)(45)에 전압을 인가하여 전기장을 형성한 후 전자 이미지의 흐름을 관찰하였다. 이미지 면에 인가한 입력 이미지의 픽셀간 명암비는 max/min=∞ 로서 이상치 (ideal value) 이고, 해상도를 정의하는 인자인 MTF=(max-min)/(max+min)은 최대치인 1이다. 트렌치 패턴이 없는 경우, 도 14a에서와 같이 전자는 수직으로 내려오면서 횡방향으로 확산되는 것을 확인할 수 있다. 결과적으로 도 14b에서와 같이 출력이미지는 픽셀 간의 명암비가 떨어짐을 알 수 있다. 이때 픽셀간 명암비는 max/min=1.511 이고 MTF는 약 0.202로서 해상도 저하가 심함을 알 수 있다.
도 15a 및 도 15b는 기판의 하단부에 트렌치 패턴이 있는 경우의 전자 흐름을 나타낸다. 도 14a에서와 동일한 입력 이미지 패턴을 인가할 때, 도 15a에서와 같이, 트렌치에 의해 횡방향의 전자 확산이 억제되고 발생된 전자가 하단의 브라이트 픽셀에 집중됨을 알 수 있다. 이에 따라, 도 15b에서와 같이 출력이미지는 픽셀간의 명암비가 개선됨을 알 수 있다. 이때 픽셀간 명암비는 max/min=22.727 이고 MTF는 약 0.915로서 해상도가 향상됨을 알 수 있다.
도 16a 및 도 16b는 기판 하단부에 도 8에 보여진 스텝형 트렌치 패턴과 이 미지면 상단부에 옵티컬 리드가 있는 경우의 전자 흐름을 나타낸다. 이때 도 14a 및 도 15a에서와 동일한 입력 이미지 패턴을 인가하였다. 도 16a에서와 같이 트렌치에 의해 횡방향의 전자 확산이 억제되고 픽셀 간의 전자의 간섭이 도 15에 비해 더욱 방지될 수 있어 발생된 전자가 하단의 브라이트 픽셀에 집중될 수 있다. 또한, 도 16b에서와 같이 출력이미지는 픽셀 간의 명암비가 개선됨을 알 수 있다. 이때 픽셀간 명암비는 max/min=12500 이고 MTF는 0.999로서 해상도가 극대화됨을 알 수 있다.
픽셀간 전자의 크로스 토크를 방지하는 측면에서는 도 13의 변형된 가지 형태의 트렌치 패턴이 가장 우수하며, 다음으로 도 12의 가지 형태의 트렌치 패턴, 도 11의 십자 형태의 트렌치 패턴, 도 10의 이산 형태의 트렌치 패턴 순으로 우수할 수 있다. 반면에, 구조적인 강도는 그 역순으로 기본형 트렌치 패턴인 도 10의 이산 형태의 트렌치 패턴이 가장 우수할 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예에 따른 광 변조기는 개별 소자 설계의 특성에 따라 최적의 트렌치 패턴 또는 여러 형태의 트렌치 패턴 조합을 적용하여 형성될 수 있다.
이상에서와 같이, 트렌치(50 또는 100)를 형성함으로써, 인접 픽셀간 전자 신호의 간섭(cross talk)이 효과적으로 제거되거나 감소되어, 광변조기의 출력 이미지가 원하는 해상도를 갖도록 고정세화 될 수 있다.
트렌치(50 또는 100) 패턴을 다양하게 설계함으로써, 광변조기의 픽셀간 전기적 간섭에 의한 해상도 열화 현상을 극복하여 해상도를 향상되도록 하면서도, 광변조기의 강성의 손해를 최소화하고 전기 배선의 용이성을 유지할 수 있다.
일반적으로 생각할 수 있는 고정세화(pixelization)을 위한 트렌치(50 또는 100) 패턴의 경우, 픽셀을 인접 픽셀과 완전히 분리하므로 구조적 강성이 약해지고 후공정에서 각각의 픽셀을 전기적으로 연결해야 하는 등 전기배선이 복잡해질 수 있다. 반면에, 본 발명의 실시예에 따른 광변조기에서는 도 10 내지 도 13에 예시적으로 보인 바와 같이, 픽셀을 인접 픽셀과 적어도 두 지점에서 연결되도록 트렌치(50 또는 100) 패턴을 형성함으로써, 구조적 강성 약화를 방지할 수 있으며, 아울러 후공정에서 각각의 픽셀을 전기적으로 연결하는데 있어서의 전기배선을 간략화할 수 있다.
또한, 이러한 본 발명의 실시예에 따른 광변조기를 3차원 카메라(3D Camera), 레이저 레이다(LADAR: Laser Radar), 적외선 이미징(Infra Red imaging: IR imaging) 등의 장치에 적용할 때, 고정세화되어 있는 픽셀 개수만큼 해상도를 높일 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 기반 광변조기를 개략적으로 보여준다.
도 2는 도 1의 트렌치 패턴을 가지는 광 변조기에, 다크(Dark)와 브라이트(Bright) 픽셀이 순차적으로 배열된 이미지 패턴이 입사되는 경우의 전자의 전달 과정 및 출력 이미지를 보여준다.
도 3은 비교예로서 트렌치 패턴을 가지지 않는 광 변조기를 보여주나.
도 4는 도 3의 비교예의 트렌치 패턴을 가지지 않는 광 변조기에, 다크(Dark)와 브라이트(Bright) 픽셀이 순차적으로 배열된 이미지 패턴이 입사되는 경우의 전자의 전달 과정 및 출력 이미지를 보여준다.
도 5 내지 도 8은 본 발명의 다른 실시예들에 따른 반도체 기반 광변조기를 개략적으로 보여준다.
도 9는 평면상에서 바라본 가장 단순한 격자 형태의 트렌치 패턴으로서 5 ×5 픽셀(5-by-5 pixel)을 예시한다.
도 10 내지 도 13은 구조적인 안정성과 픽셀의 전극 배선 문제를 개선한 트렌치 패턴 형상의 다양한 실시예들을 보여준다.
도 14a 및 도 14b는 트렌치 패턴이 없는 광변조기의 GaAs 기판 내부의 전자 전달 시뮬레이션 결과를 보여준다.
도 15a 및 도 15b는 전달소자 예컨대, 기판의 하단부에 트렌치 패턴이 있는 경우의 전자 흐름을 나타낸다.
도 16a 및 도 16b는 전달소자 예컨대, 기판 하단부에 도 8에 보여진 스텝형 트렌치 패턴과 이미지면 상단부에 옵티컬 리드가 있는 경우의 전자 흐름을 나타낸다.

Claims (15)

  1. 광전효과를 이용하여 입력 광 이미지를 전류 신호로 변환하는 광전 변환 소자;
    상기 광전 변환소자로부터 전달되는 전류 신호를 사용하여 발광하는 전광 변환소자;
    상기 광전 변환소자로부터 상기 전광 변환소자로 전기적 신호 전달시, 픽셀간의 전기적 간섭을 차단하거나 줄이도록 광변조기의 적어도 일면으로부터 광변조기 내부의 적어도 일부 깊이까지 형성되는 트렌치;를 포함하며,
    상기 트렌치는,
    픽셀을 정의하도록 픽셀 주변에 이산적으로 형성되어 한 픽셀이 네 지점에서 인접 픽셀들과 전기적으로 연결되는 이산형 트렌치 패턴 형태, 한 픽셀이 두 지점에서 인접 픽셀들과 전기적으로 연결되고 단일 연결 지점은 4개의 인접한 픽셀들이 서로 연결되는 십자형 트렌치 패턴 형태 및 한 픽셀이 두 지점에서 인접 픽셀들과 전기적으로 연결되고 단일 연결 지점은 픽셀을 정의하는 변의 중앙부에 위치하거나 모서리에 위치하는 가지형 트렌치 패턴 형태 중 어느 한 형태로 형성된 광변조기.
  2. 제1항에 있어서, 상기 트렌치는
    상기 광전 변환소자로부터 상기 전광 변환소자 쪽으로 일부 깊이까지 형성된 광변조기.
  3. 제1항에 있어서, 상기 트렌치는
    상기 전광 변환소자로부터 상기 광전 변환소자 쪽으로 일부 깊이까지 형성된 광변조기.
  4. 제1항에 있어서, 상기 트렌치는
    광변조기의 양쪽에 모두 형성되도록, 상기 광전 변환소자로부터 상기 전광 변환소자 쪽으로 일부 깊이까지 형성되고, 상기 전광 변환소자로부터 상기 광전 변환소자 쪽으로 일부 깊이까지 형성된 광변조기.
  5. 제1항에 있어서, 상기 트렌치는 상기 광전 변환소자와 상기 전광 변환소자를 관통하도록 형성된 광변조기.
  6. 제1항에 있어서, 상기 트렌치는 그 깊이에 따라 단면의 폭 크기가 달라지는 테이퍼진 형태 또는 스텝형으로 형성된 광변조기.
  7. 삭제
  8. 제1항에 있어서, 상기 광전 변환소자와 전광 변환소자 사이에 광전 변환소자로부터의 전류 신호를 전광 변환소자로 전달하는 소자를 더 구비하는 광변조기.
  9. 제8항에 있어서, 상기 전달 소자는, 반도체 기판을 포함하는 광변조기.
  10. 제8항에 있어서, 상기 트렌치는 상기 광변조기의 일면으로부터 상기 전달 소자의 일부 깊이까지 형성되는 광변조기.
  11. 제8항에 있어서, 상기 광변조기의 광 이미지 입사면에는 제1투명 전극, 광변조기의 광 이미지 출사면에는 제2투명전극, 광전 변환소자와 전광 변환소자 사이에는 내부 전극이 마련된 광변조기.
  12. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 광전 변환소자와 전광 변환소자 사이에 광전 변환소자로부터의 전류 신호를 전광 변환소자로 전달하는 소자를 더 구비하는 광변조기.
  13. 제12항에 있어서, 상기 전달 소자는, 반도체 기판을 포함하는 광변조기.
  14. 제12항에 있어서, 상기 트렌치는 상기 광변조기의 일면으로부터 상기 전달 소자의 일부 깊이까지 형성되는 광변조기.
  15. 제12항에 있어서, 상기 광변조기의 광 이미지 입사면에는 제1투명전극, 광변조기의 광 이미지 출사면에는 제2투명전극, 광전 변환소자와 전광 변환소자 사이에 는 내부 전극이 마련된 광변조기.
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