KR100232135B1 - 포토트랜지스터 제조방법 - Google Patents

포토트랜지스터 제조방법 Download PDF

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Abstract

저전압 동작이 가능한 포토트랜지스터 제조방법에 관한 것으로, 기판상에 n형 콜렉터층을 형성하고, n형 콜렉터층상에 도핑의 농도를 n형 에미터쪽으로 점차 높이면서 컨덕션 밴드의 오프셋이 일방향으로 기울어진 p형 베이스층을 형성하거나 또는 컨덕션 밴드의 오프셋이 일방향으로 기울어진 화합물질을 사용하여 p형 베이스층을 형성하며, p형 베이스층상에 n형 에미터층을 형성한 후, 기판 하측과 n형 에미터층상에 전극을 형성함으로써, 낮은 전압에서도 소자가 동작되어 전력의 소모가 작다.

Description

포토트랜지스터 제조방법
본 발명은 포토트랜지스터에 관한 것으로, 특히 저전압 동작이 가능한 포토트랜지스터 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 포토트랜지스터의 원리르 살펴보면, PN 접합에 빛을 조사하면 이 빛에너지에 의해서 생긴 전자와 호울이 외부회로에 흐른다. 미리 PN 접합에 역방향 전압을 걸어두면 입사광이 없을 때는 약간의 역전류만이 흐른다. 입사광에 의해서 전자와 호울이 생기면 이 역전류가 증가하여 입사광에 대응하는 출력 전류가 얻어진다. 이 출력 전류를 광전류라고 한다.
즉, 광전관과 같은 동작을 하는 반도체 소자로서, 사진 전송이나 토오키이의 재생, 천공 테이프의 판독 등에 널리 이용된다. PN 접합의 2극 소자에 의한 것과 PNP 또는 NPN 접합의 3극 소자에 의한 것 두 종류에 있는데 3극 소자쪽이 트랜지스터의 증폭 작용이 부가되므로 감도가 좋다. 2극 소자는 구조적으로 포토다이오드이지만 입사광의 작용을 에미터로 보고 역시 포토트랜지스터라고 부르는 경우가 많다.
포토트랜지스터는 광전관에 비해 외형을 매우 작게 할 수 있으므로 좁은 장소에 여러개 사용할 때 편리하다. 또한, 파장 감도 특성이 시감도 범위보다 적외선쪽으로 많이 뻗어있으므로 적외선 통신, 적외선 검출, 적외선 도청 경보기 등에도 사용된다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 종래 기술에 따른 포토트랜지스터를 설명하면 다음과 같다.
제1도는 종래 기술에 따른 포토트랜지스터를 보여주는 단면도이고, 제2(a)도는 제1도의 포토트랜지스터에 전압 인가전의 에너지 밴드 구조를 보여주는 도면이며, 제2(b)도는 제1도의 포토트랜지스터에 전압 인가후의 에너지 밴드 구조를 보여주는 도면이다.
제1도에 도시된 바와같이, 포토트랜지스터는 기판(1)과, 기판(1)상에 차례로 형성되는 n형 콜렉터층(2), p형 베이스층(3), n형 에미터층(4)과, n형 에미터층(4)상과 기판(1) 하측에 형성되는 전극(5)으로 구성된다.
이때, p형 베이스층(3)은 Si과 Si1-xGex를 교대로 적층하여 멀티 양자 우물(multi quantum well) 구조를 형성된다.
이와같은, 구조를 갖는 포토트랜지스터의 동작을 살펴보면, 제2(a)도에 도시된 바와같이, 전압을 인가하기 전에는 n형 콜렉터층과 n형 에미터층의 컨덕션 밴드(conduction band)(EC)와 밸런스 밴드(valance band)(EV)가 p형 베이스층의 컨덕션 밴드(EC) 및 밸런스 밴드(EV) 보다 더 낮은 에너지 레벨(energy level)를 갖는다.
이때, n형 에미터층에 인접한 p형 베이스층의 웰(well)(가부분)은 다른 부분의 웰보다 밴드 갭(band gap)이 더 작고, 폭을 더 크게 하였다. 그 이유는 후에 설명하기로 한다.
가부분의 웰 형성방법은 Ge의 몰(mole) 농도를 다른 부분보다 높게 함으로써, 얻을 수 있다.
그리고, 제2(b)도에 도시된 바와같이, 전압이 인가되면 n형 에미터층의 컨덕션 밴드(EC)와 밸런스 밴드(EV)는 에너지 레벨이 더 높아지고 상대적으로 n형 콜렉터층의 컨덕션 밴드(EC)와 밸런스 밴드(EV)는 더 낮아지게 된다.
이때, 빛이 조사되면 홀(hole)들이 빛에 의해 바운드(bound) 상태에서 컨티늄(continuum) 상태로 들뜨게 되고 인가된 전압에 의해 홀들이 에미터로 가는 도중에 가부분의 웰에서 잘 구속(confine)된다. 그러므로, 가부분에 홀들이 많아지므로 중성(neutrality)을 만족하기 위하여 많은 전자들이 가부분쪽으로 이동되고 이동된 전자들은 다시 콜렉터쪽으로 이동되면서 전류가 흐르게 되는 것이다.
종래 기술에 따른 포토트랜지스터에 있어서는 다음과 같은 문제점이 있었다.
전자들의 흐름을 원활히 하기 위해서는 에미터층의 밸런스 밴드와 컨덕션 밴드의 에너지 레벨을 높이고 콜렉터층의 밸런스 밴드와 컨덕션 밴드의 에너지 레벨을 낮추어야 한다. 이러한 에너지 레벨을 갖도록 하기 위해서는 포토트랜지스터에 일정 이상의 전압을 걸어주어야 하므로 전력 소모가 많아 저전압 동작이 요구되는 포토트랜지스터에는 적합하지 못하다.
본 발명은 이와같은 문제점을 해결하기 위해, 베이스층의 컨덕션 밴드 오프셋(offset)을 기울어지도록 하여 낮은 전압에서도 쉽게 동작하는 포토트랜지스터 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
제1도는 종래 기술에 따른 포토트랜지스터를 보여주는 단면도.
제2(a)도 내지 제2(b)도는 종래 기술에 따른 포토트랜지스터에 전압 인가전 및 전압 인가후의 에너지 밴드 구조를 보여주는 도면.
제3(a)도 내지 제3(b)도는 본 발명 제1실시예에 따른 포토트랜지스터에 전압 인가전 및 전압 인가후의 에너지 밴드 구조를 보여주는 도면.
제4(a)도 내지 제4(b)도는 본 발명 제2실시예에 따른 포토트랜지스터에 전압 인가전 및 전압 인가후의 에너지 밴드 구조를 보여주는 도면.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 기판 2 : 콜렉터층
3 : 베이스층 4 : 에미터층
5 : 전극
본 발명에 따른 포토트랜지스터 제조방법은 기판상에 n형 콜렉터층을 형성하고, n형 콜렉터층상에 도핑의 농도를 n형 에미터쪽으로 점차 높이면서 컨덕션 밴드의 오프셋이 일방향으로 기울어진 p형 베이스층을 형성하며, p형 베이스층상에 n형 에미터층을 형성한 후, 기판 하측과 n형 에미터층상에 전극을 형성함에 그 특징이 있다.
본 발명의 다른 특징은 n형 콜렉터층상에 AlXGa(1-X)As의 화합물질을 사용하여 n형 에미터쪽으로 Al의 농도를 점차 높이면서 다중양자우물구조를 갖는 p형 베이스층을 형성하는데 있다.
본 발명의 또 다른 특징은 컨덕션 밴드의 오프셋이 일방향으로 기울어진 화합물질을 사용하여 p형 베이스층을 형성하는데 있다.
본 발명의 또 다른 특징은 n형 에미터층은 n형 콜렉터층 및 p형 베이스층 보다 에너지 갭이 큰 물질로 형성하는데 있다.
상기와 같은 특징을 갖는 본 발명의 포토트랜지스터 제조방법을 첨부된 도면을 참조하여 실시예별로 설명하면 다음과 같다.
[제1실시예]
본 발명 제1실시예의 구조는 제1도와 동일하므로 설명은 생략하기로 한다.
그리고, 제1도를 참조하여 본 발명 제1실시에에 따른 포토트랜지스터 제조방법을 설명하면, 먼저, Si 또는 GaAs 등과 같은 기판(1)상에 n형 콜렉터(collector)층(2)을 형성하고, n형 콜렉터층(2)상에 Si과 Si(1-X)GeX를 교대로 적층하여 다중양자우물(multi quantum well) 구조를 갖는 p형 베이스(base)층(3)을 형성한다.
이때, 베이스층(3) 형성시, 도핑 농도를 순차적으로 높여 형성한다.
즉, 후 공정으로 형성될 에미터(emitter)층(4)쪽으로 갈수록 도핑농도가 높도록 에미터층쪽에는 도핑농도가 5×1018㎝-3의 최대치로 하고 콜렉터층쪽에는 1×1018㎝-3의 최소치로 하며 중간부분은 에미터쪽으로 갈수록 점점 증가하게 베이스층(3)을 형성한다.
이와같이, 도핑농도를 달리하는 이유는 베이스층(3)의 컨덕션 밴드와 밸런스 밴드의 오프셋(offset)을 일정 각도로 기울어지도록 하기 위해서이다.
이어, p형 베이스층(3)상에 n형 에미터(emitter)층(4)을 형성한다.
이때, 에미터층(4)은 콜렉터층(2) 및 베이스층(3)은 보다 에너지 갭(energy gap)이 큰 물질로 형성하며 예로서, 콜렉터층(2)은 SixGe(1-x)(단 ×≥0.7)을, 에미터층(4)은 SixGe(1-x)(단 ×≥0.85)을 사용한다.
그리고, 기판(1) 하측과 에미터층(4)상에 전극(5)을 형성하는 포토트랜지스터를 완성한다.
이와같이, 형성된 포토트랜지스터의 동작은 다음과 같다.
제3(a)도는 본 발명 제1실시예에 따른 포토트랜지스터에 전압 인가전의 에너지 밴드 구조를 보여주는 도면이며, 제3(b)도는 본 발명 제1실시예에 따른 포토트랜지스터에 전압 인가후의 에너지 밴드 구조를 보여주는 도면이다.
제3(a)도에 도시된 바와같이, 전압을 인가하기 전에는 n형 콜렉터층과 n형 에미터층의 컨덕션 밴드(conduction band)(EC)와 밸런스 밴드(valance band)(EV)가 p형 베이스층의 컨덕션 밴드(EC) 및 밸런스 밴드(EV)보다 더 낮은 에너지 레벨(energy level)를 갖는다.
이때, 베이스층은 도핑농도의 차이로 인하여 컨덕션 밴드(EC)와 밸런스 밴드(EV)가 콜렉터층쪽으로 일정 각도 기울어져 있게 된다.
상기와 같은 에너지 밴드 오프셋을 갖는 포토트랜지스터에 전압이 인가되면 제3(b)도에 도시된 바와같이, n형 에미터층의 컨덕션 밴드(EC)와 밸런스 밴드(EV)는 에너지 레벨이 더 높아지고 상대적으로 n형 콜렉터층의 컨덕션 밴드(EC)와 밸런스 밴드(EV)는 더 낮아지게 된다.
이때, 빛이 조사되면 홀(hole)들이 빛에 의해 바운드(bound) 상태에서 컨티늄(continuum) 상태로 들뜨게 되고 인가된 전압에 의해 홀들이 에미터로 가는 도중에 베이스의 다중양자우물에서 구속(confine)되어 중성(neutrality)을 만족하기 이하여 많은 전자들이 콜렉터쪽으로 이동되면서 전류가 흐르게 된다.
즉, 베이스층의 컨덕션 밴드(EC) 및 밸런스 밴드(EV)가 전압 인가전에 이미 콜렉터층쪽으로 기울어져 있으므로 낮은 전압으로도 전자들의 이동이 원활하다.
[제2실시예]
본 발명 제2실시예에 따른 포토트랜지스터 제조방법은 본 발명 제1실시에와 동일하므로 전체적인 설명은 생략하기로 하고 본 발명 제1실시예의 제조방법과 차이가 있는 베이스층에 대해서만 설명하기로 한다.
제2실시예에서는 베이스층의 물질 자체를 컨덕션 밴드 오프셋이 일정 각도로 기울어진 화합물질을 사용한다는 것이 요지이다.
즉, Si과 AlxGa(1-x)As를 교대로 적층하여 베이스층을 형성한다.
그리고, 콜렉터층은 AlxGa(1-x)(×≥0.7)을, 에미터층은 AlxGa(1-x)As(x≥0.85)을 사용한다.
이때, AlxGa(1-x)As의 Al농도는 에미터층으로 갈수록 높게 한다.
예로서, 콜렉터층쪽은 Al농도가 1×1018㎝-3로 되게 하고 이하 접점 도핑농도를 증가시켜 에미터층쪽에는 5×1018㎝-3이 되게한다.
이러한 베이스층이 형성된 포토트랜지스터의 에너지 밴드 오프셋은 제4(a)도에 도시된 바와같이, 베이스층의 컨덕션 밴드(EC)는 콜렉터층쪽으로 일정각도 기울어져 있게 되고 콜렉터층과 에미터층의 컨덕션 밴드(EC)와 밸런스 밴드(EV)는 베이스층의 컨덕션 밴드(EC) 및 밸런스 밴드(EV)보다 더 낮은 에너지 레벨을 갖는다.
이와같은 에너지 밴드 오프셋을 갖는 포토트랜지스터에 전압을 인가하면 제4(b)도에 도시된 바와같이, 베이스층의 컨덕션 밴드(EC)는 더 기울어지고 에미터층의 컨덕션 밴드(EC)와 밸런스 밴드(EV)는 에너지 레벨이 더 높아지고 상대적으로 콜렉터층의 컨덕션 밴드(EC)와 밸런스 밴드(EV)는 더 낮아지게 되어 전자들이 이동하게 된다.
즉, 컨덕션 밴드(EC)의 기울기로 인해 낮은 전압이 인가되어도 전자의 흐름은 매우 원활히 이루어지게 된다.
본 발명에 따른 포토트랜지스터 제조방법에 있어서는 다음과 같은 효과가 있다.
베이스층의 컨덕션 밴드 오프셋을 기울어지도록 형성함으로써, 낮은 전압에서도 소자가 동작되어 전력의 소모가 작다.

Claims (8)

  1. 기판상에 제1도전형 콜렉터층을 형성하는 스텝; 상기 제1도전형 콜렉터층상에 도핑의 농도를 순차적으로 높이면서 다중양자우물구조를 갖는 제2도전형 베이스층을 형성하는 스텝; 상기 제2도전형 베이스층상에 제1도전형 에미터층을 형성하는 스텝; 그리고 상기 기판 하측과 제1도전형 에미터층상에 전극을 형성하는 스텝으로 이루어짐을 특징으로 하는 포토트랜지스터 제조방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제2도전형 베이스층의 도핑농도는 제1도전형 에미터층으로 갈수록 높아짐을 특징으로 하는 포토트랜지스터 제조방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제2도전형 베이스층은 Si과 Si(1-x)Gex를 교대로 적층하여 형성함을 특징으로 하는 포토트랜지스터 제조방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 제1도전형 에미터층은 제1도전형 콜렉터층 및 제2도전형 베이스층 보다 에너지 갭이 큰 물질로 형성함을 특징으로 하는 포토트랜지스터 제조방법.
  5. 기판상에 제1도전형 콜렉터층을 형성하는 스텝; 상기 제1도전형 콜렉터층상에 컨덕션 밴드의 오프셋이 일방향으로 기울어진 화합물질을 사용하여 다중양자우물구조를 갖는 제2도전형 베이스층상에 제1도전형 에미터층을 형성하는 스텝; 그리고 상기 기판 하측과 제1도전형 에미터층상에 전극을 형성하는 스텝으로 이루어짐을 특징으로 하는 포토트랜지스터 제조방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 제2도전형 베이스층은 Si과 AlxGa(1-x)As를 교대로 적층하여 형성함을 특징으로 하는 포토트랜지스터 제조방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 AlxGa(1-x)As의 Al농도는 제1도전형 에미터층으로 갈수록 높아짐을 특징으로 하는 포토트랜지스터 제조방법.
  8. 제5항에 있어서, 상기 제1도전형 에미터층은 제1도전형 콜렉터층 및 제2도전형 베이스층 보다 에너지 갭이 큰 물질로 형성함을 특징으로 하는 포토트랜지스터 제조방법.
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