KR100276697B1 - 핫-일렉트론 포토트랜지스터 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 핫-일렉트론 포토트랜지스터에 관한 것으로, 에미터의 전자 투사 전위 장벽층(electron injecting barrier)으로 다양한 크기의 양자점 또는 양자선 어레이 조합 및 넓은 스페이서층들과 블록킹 장벽층을 적용하여 넓은 영역의 적외선 탐지 기능을 부과하고, 탐지 적외선 파장의 해상도(resolution)도 증가시키며, 베이스층에 공진 터널링 양자 우물 구조를 도입하여 특정 적외선 주파수 선택, 증폭 및 처리 기능을 포함하고, 암류(dark current)의 감소를 유도하므로써 초고속 튜너블 적외선 신호 탐지기 및 증폭기, 초고속 스위칭 및 논리 장치, 새로운 기능의 고속 적외선 논리 장치, 논리 소자의 갯수를 줄일 수 있는 새로운 고속 적외선 논리 기능 소자 등에 응용할 수 있다.
Description
본 발명은 이질 접합 적외선 핫-일렉트론 전자 장치(HET)에 관한 것으로, 특히 에미터 전자 투사 전위 장벽층(에미터 장벽층)(electron injecting barrier)으로 다양한 크기의 양자점 또는 양자선 어레이(array) 조합을 적용하여 넓은 영역의 적외선 탐지 기능을 부가하고, 탐지 적외선 파장의 해상도(resolution)도 증가 시키며, 공진 터널링 양자 우물 구조를 이용하여 일정 적외선 주파수를 선택, 증폭 및 처리하고, 암류(dark current)의 감소를 유도하는 핫-일렉트론 포토트랜지스터(Hot-Electron Photo Transister; HEPT)에 관한 것이다.
최근 수년동안 분자빔 에피택시(MBE), 금속 유기 화합물 증착법(MOCVD) 등의 반도체 성장 기술이 발전함에 따라 이질 접합 구조를 사용하는 반도체 장치들이 활발히 개발되어 왔다. 반도체 이질 접합 구조의 에너지 밴드 정렬(band line-up)로 인해 GaSb/InAs, InAs/ZnTe, GaAs/Al(Ga)As, InGaAs/InAlAs/InP 등의 양자 우물, 양자선, 양자점 구조들에서 전자나 정공들의 양자 속박 준위(quantum-confined states)간 전자의 천이에 의해 적외선 영역의 빛을 흡수하거나 빛을 방출하는 현상과, 양자 속박 준위들을 통한 전자의 공진 터널링 효과(resonant tunneling effect), 그리고 이질 접합 구조에서 핫-일렉트론(hot-electron)의 대단히 빠른 전자의 이동 효과에 대해 활발한 연구가 진행되고 있다. 또한 트랜지스터 구조에서의 핫-일렉트론들의 대단히 짧은 천이 시간을 이용하는 초고속 전자의 이동 효과와, 전자의 인터서브밴드 천이(intersubband transition)를 이용하는 초고속 적외선 감지 기능(infrared photodetection) 및 생성 기능(generation)을 통합하는 연구가 진행되고 있다.
양자 공진 터널링 효과(quantum resonant tunneling)와 핫-일렉트론들의 대단히 짧은 전이 시간(transit time)의 이용은 소자의 테라급 작동을 가능하게 할 수 있다. 이러한 효과를 이용한 핫-일렉트론 트랜지스터(Hot-electron transistor ; HET), 공진 터널링 핫-일렉트론 트랜지스터(Resonant tunneling Hot-Electron Transistor; RHET), 공진 터널링 다이오드(Resonant tunneling diode; RTD) 등의 전자 장치들은 테라급 영역(원적외선 주파수 영역)에서 작동될 수 있는 소자이다. 이질 접합 양자 우물, 양자선, 양자점 구조를 이용하여 적외선 흡수 및 탐지, 생성 기능 등의 튜너블(tunable, voltage-controlled) 광탐지기(photodetector)와, 베이스 영역에서 핫-일렉트론들의 대단히 빠른 전이 시간을 이용하는 핫-일렉트론 포토트랜지스터에 대해 지대한 관심들이 집중되고 있다. 특히 초고속 특성을 갖는 양자속박 준위를 통한 전자의 공진 터널링 및 양자 속박 준위간의 전자의 천이 현상의 이용은 초고속 스위칭 장치(ultra-high speed swiching device), 논리 소자(logic device)로의 응용등 기술적 중요성을 가지고 있다.
따라서, 본 발명은 에미터 전자 투사 장벽층으로 양자점 또는 양자선 어레이(array) 조합 및 스페이서층을 적용하여 넓은 범위의 적외선 탐지 기능을 갖고, 탐지 적외선 파장의 해상도(resolution)를 증가시키고, 베이스층에 공진 터널링 양자 우물 구조를 도입하여 베이스 전압에 의한 특정 적외선 주파수 신호의선택, 증폭 및 처리 기능을 포함하고, 암류(dark current)의 감소를 유도하는 개선된 광탐지기 및 증폭기, 스위칭 및 적외선 논리 장치로 응용할 수 있는 핫-일렉트론 포토트랜지스터를 제공하는데 그 목적이 있다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 기판 상부에 순차적으로 형성된 도전형 콜렉터층 및 콜렉터 장벽층과, 상기 콜렉터 장벽층 상부에 순차적으로 형성된 제 1 도전형 베이스층, 공진 터널링 양자 우물 구조 및 제 2 도전형 베이스층과, 상기 제 2 도전형 베이스층 상부에 제 1 비도전형 스페이서층, 블록킹 장벽층, 양자점 어레이 조합 구조 또는 양자선 어레이 조합 구조 및 제 2 비도전형 스페이서층이 순차적으로 적층되어 형성된 에미터 전자 투사 전위 장벽층과, 상기 에미터 전자 투사 전위 장벽층 상부에 형성된 도전형 에미터층을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
도 1(a)는 본 발명에 따른 핫-일렉트론 포토트랜지스터의 단면도.
도 1(b)는 본 발명에 따른 핫-일렉트론 포토트랜지스터의 에미터 전자 투사 전위 장벽 구조로 적용된 양자점 어레이 조합 구조 예의 수평 단면도 및 횡단면도.
도 1(c)는 본 발명에 따른 핫-일렉트론 포토트랜지스터의 에미터 전자 투사 전위 장벽 구조로 적용된 양자선 어레이 조합 구조 예의 수평 단면도 및 횡단면도.
도 2(a) 및 도 2(b)는 본 발명에 따른 핫-일렉트론 포토트랜지스터의 각 전압하에서 각 층들내의 도전 밴드(conduction band)를 나타내는 에너지 밴드.
<도면의 주요 부분에 대한 부호 설명>
1 : 기판 2, C : 도전형 콜렉터층
3 : 콜렉터 장벽층 4, B1 : 제 1 도전형 베이스층
5 : 제 1 양자 장벽층 6 : 양자 우물층
7 : 제 2 양자 장벽층 8, B2 : 제 2 도전형 베이스층
9 : 제 1 비도전형 스페이서층(버퍼층, 또는 전위 변화 흡수층)
10 : 블록킹 장벽층 11 : 양자점 어레이 조합 구조
11' : 양자선 어레이 조합 구조 12 : 제 2 비도전형 스페이서층
13, E : 도전형 에미터층 14 : 공진 터널링 양자 우물 구조
11a, 11'a : 양자 장벽 11b : 양자점
11'b : 양자선 11c, 11'c : 절연층
EF: 페르미 에너지 준위
EcI: 에미터 물질 도전 밴드 최소치
EQⅡ: 전자의 양자 우물층내 양자 속박 에너지 준위
VEB: 에미터-베이스 전압 VEC: 에미터-콜렉터 전압
QW-II : 베이스층의 공진 터널링 구조
첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.
도 1(a)는 본 발명에 따른 핫-일렉트론 포토트랜지스터의 단면도이다. 기판(1) 상부에 도전형 콜렉터층(2)이 형성되고, 그 상부에 콜렉터 장벽층(3)이 형성된다. 콜렉터 장벽층(3) 상부에 제 1 도전형 베이스층(4), 공진 터널링 양자 우물 구조(14) 및 제 2 도전형 베이스층(8)이 순차적으로 형성된다. 공진 터널링 양자 우물 구조(14)는 제 1 양자 장벽층(5), 양자 우물층(6) 및 제 2 양자 장벽층(7)이 순차적으로 적층되어 형성된다. 여기서, 공진 터널링 양자 우물 구조 대신에 2개 이상의 양자 우물 구조를 사용하거나 양자점 또는 양자선 어레이 구조를 사용할 수 있다. 제 2 도전형 베이스층(8) 상부에 제 1 비도전형 스페이서층(9), 블록킹 장벽층(10), 양자점 어레이 조합 구조(11) 및 제 2 비도전형 스페이서층(12)이 순차적으로 적층되어 에미터 전자 투사 전위 장벽층(에미터 장벽층)이 형성된다. 양자점 어레이 조합 구조(11) 대신에 양자선 어레이 조합 구조(11')가 사용될 수 있다. 에미터 전자 투사 전위 장벽층 상부에 도전형 에미터층(13)이 형성된다.
도 1(b)는 에미터 전자 투사 전위 장벽층으로 사용된 양자점 어레이 조합 구조(11)의 수평 단면도 및 횡단면도이다. 수평 단면도는 양자점 어레이 조합 구조(11)가 절연층(11c)과 여러가지 크기의 양자점(11b)들의 조합되어 있는 것을 보여 준다. 또한, 횡단면도는 양자점 어레이 조합 구조(11)가 절연층(11c) 사이에 양자점(11b), 양자 장벽(11c) 및 양자점(11b)의 조합 구조로 되어 있음을 보여 준다.
도 1(c)는 에미터 전자 투사 전위 장벽층으로 사용된 양자선 어레이 조합 구조(11')의 수평 단면도 및 횡단면도이다. 수평 단면도는 양자선 어레이 조합 구조(11')가 절연층(11'c)과 여러가지 선폭의 양자선(11'b)들의 조합되어 있는 것을 보여 준다. 또한, 횡단면도는 양자선 조합 구조(11')가 절연층(11'c) 사이에 양자선(11'b), 양자 장벽(11'c) 및 양자선(11'b)의 조합 구조로 되어 있음을 보여 준다.
본 발명에 따른 핫-일렉트론 트랜지스터에서 전자의 양자점이나 양자선의 속박 에너지 준위들은 양자점의 크기나 양자선의 폭에 의하여 컨트롤되며, 이에 의하여 적외선 흡수 파장 및 이에 따른 핫-일렉트론의 투사 에너지가 결정된다. 여기서 여러가지 크기의 양자점 또는 양자선 어레이 조합을 구성하므로써 다양한 양자 속박 준위들이 생겨 흡수 적외선 영역의 조절 및 선택의 자유도가 증가하고, 넓은 범위의 적외선 영역의 흡수가 가능하게 된다. 특히 양자점들 내에서 뚜렷하게 형성되는 양자 속박 준위(quantum confined states) 간의 천이에 의해, 흡수 적외선의 파장에 대한 해상도가 증가하게 된다. 베이스층에 투사된 핫-일렉트론들의 대단히 짧은 천이 시간의 이용 및 베이스층에 도입된 공진 터널링 양자 우물 구조에 의해 증폭, 처리될 적외선 주파수의 컨트롤이 가능하여, 초고속 튜너블 적외선 신호 탐지 및 증폭기, 스위칭 및 논리 장치로 응용할 수 있다. 도전형의 에미터층과 콜렉터층, 에미터 전자 투사 전위 장벽층 구조로 다양한 크기의 양자점 또는 양자선 어레이 조합 구조와, 전자의 블록킹 장벽, 넓은 스페이서층(버퍼층, 또는 전위변화 흡수층)들을 적용한다. 에미터 전자 투사 전위 장벽층과 콜렉터 장벽층사이에 도전형 베이스층에 공진 터널링 양자 우물 구조(제 1 양자 장벽층, 양자 우물층, 제 2 양자 장벽층)을 도입하고, 베이스와 콜렉터 사이에 콜렉터 장벽층으로 구성된다. 외부 전압 적용시, 에미터쪽에서 양자점 어레이 조합 또는 양자선 조합 안으로 전자의 터널링이 일어나고, 적외선에 의해 양자 속박 준위들의 사이의 전자의 천이가 일어나게 된다. 적외선의 흡수에 의해 여기된 전자가 다시 에미터 콜렉터 전위차에 의하여 장벽층과 버퍼층을 통해 핫-일렉트론의 투사가 베이스 영역으로 일어난다. 적외선 탐지(흡수) 기능의 에미터 전자 투사 전위 장벽 구조에서, 스타크 쉬프트(stark shift)에 의한 준위들의 에너지 변화 및 이에 따른 빛의 흡수 주파수의 변화는 전위 변화 흡수층(스페이서층)의 넓이에 의해 조절될 수 있다. 즉, 넓은 스페이서층의 도입은 외부 전압에 의한 양자점 구조 내의 전압 강하를 감소시켜, 뚜렷하게 흡수 주파수를 유지할 수 있게 한다. 여기서 적외선 흡수층 다음의 블록킹 장벽층의 포함은 특정 주파수의 컷오프(cutoff)나 암류(dark current)의 방지 효과로 작용된다. 베이스층으로 투사된 전자들은 베이스 전압에 따라, 베이스층의 공진 터널링 양자 우물의 양자 속박 준위에 의하여 선택되어 콜렉터층에 이르게 되거나, 베이스 전류로 빠져 나가게 된다. 즉 양자 속박 준위와 외부 전압에 의하여 특정 적외선 주파수에 의하여 여기된 전자들이 선택되어 걸러지게 되어 콜렉터 전류를 제어한다.
도 2(a) 및 도 2(b)는 본 발명에 따른 핫-일렉트론 포토트랜지스터의 각 전압하에서 각 층들내의 도전 밴드(conduction band)를 나타내는 에너지 밴드이다.
도 2(a)는 무전압시(열평형 상태)에서 핫-일렉트론 포토트랜지스터 구성층들의 에너지 밴드이고, 도 2(b)는 소자의 동작 상태의 예로서 에미터-베이스 전압(VEB), 에미터-콜렉터 전압(VEC)의 조합 적용시 에너지 밴드이다. 에미터-콜렉터 전압에 의해 에미터층 전자들이 양자점 어레이내로 공진 터널링에 의해 이동하고, 양자점 어레이내에 저장된 전자들이 적외선 흡수에 의해 뚜렷하게 여기(excited) 준위로 천이된다. 이때, 여기 준위로 천이된 전자들이 제 1 비도전형 스페이서층(버퍼층)을 통과하여 베이스층에 핫-일렉트론으로 투사된다. 베이스층에 도달한 전자들중 베이스층의 공진 터널링 구조(QW-Ⅱ)의 양자 속박 준위(EQⅡ)를 통해 공진 터널링할 수 있는 전자들이 선택되어 콜렉터층에 이르게 되고, 나머지 전자들은 베이스층으로 빠지게 된다. 즉, 베이스 전압 및 베이스층의 공진 터널링 구조(QW-Ⅱ)에 의하여, 특정 적외선 주파수에 의하여 여기된 전자들만을 통과시키게 되어 콜렉터 전류에 기여한다.
다양한 크기의 양자점 선택 및 조합의 자유도로 인하여, 넓고 다양한 영역의 적외선 신호의 선택 및 처리가 가능해 진다. 여기서 양자점의 어레이 조합 구조 대신에 여러가지 선폭을 갖는 양자선의 조합 구조로 대치되어도, 유사한 효과를 낼수 있다. 또한 비도전형(도우핑이 안된) 전위 변화 흡수층은 적외선 탐지 양자점 조합, 양자선 구조에서의 전압에 의한 전위 변화를 줄여주는 역할을 할 수 있다. 그리고 스페이서층 및 블록킹 장벽층의 넓이는 자유도로 활용 할 수 있어, 적외선 탐지 양자 우물 구조내에서 스타크 쉬프트(stark shift)에 의한 준위들의 에너지 변화 및 이에 따른 빛의 흡수 주파수의 변화의 조절도로서 작용할 수 있다. 기존의 대칭적 이중 장벽 공진 터널링 구조에 비하여 블록킹 장벽층의 도입으로 인한 비대칭적 구조는 선택 주파수 이하의 적외선에 의해 여기된 전자나 암류(dark current)의 뚜렷한 감소 효과를 유도한다. 완충층의 위치는 에미터 장벽층의 터널링 이중 장벽 구조의 전 또는 후에 각각 놓일 수 있다. 그리고 적외선 주파수 선택기능의 베이스층의 이중 장벽 공진 터널링 구조 대신 양자점 이나 양자선 어레이를 사용할 수도 있으며, 이에 따라서 다양성이 제공된다.
본 발명은 이질 접합 적외선 핫-일렉트론 전자 장치(HET) 구조에서 에미터의 전자 투사 전위 장벽층(electron injecting barrier)으로 다양한 크기의 양자점 또는 양자선 어레이 조합 및 넓은 스페이서층들과 블록킹 장벽층을 적용하여 넓은 영역의 적외선 탐지 기능을 부과하고, 탐지 적외선 파장의 해상도(resolution)도 증가시키며, 베이스층에 공진 터널링 양자 우물 구조를 도입하여 특정 적외선 주파수 선택, 증폭 및 처리 기능을 포함하고, 암류(dark current)의 감소를 유도하므로써 초고속 튜너블 적외선 신호 탐지기 및 증폭기, 초고속 스위칭 및 논리 장치, 새로운 기능의 고속 적외선 논리 장치, 논리 소자의 갯수를 줄일 수 있는 새로운 고속 적외선 논리 기능 소자 등에 응용할 수 있다.
Claims (10)
- 기판 상부에 순차적으로 형성된 도전형 콜렉터층 및 콜렉터 장벽층과,상기 콜렉터 장벽층 상부에 순차적으로 형성된 제 1 도전형 베이스층, 공진 터널링 양자 우물 구조 및 제 2 도전형 베이스층과,상기 제 2 도전형 베이스층 상부에 제 1 비도전형 스페이서층, 블록킹 장벽층, 양자점 어레이 조합 구조 및 제 2 비도전형 스페이서층이 순차적으로 적층되어 형성된 에미터 전자 투사 전위 장벽층과,상기 에미터 전자 투사 전위 장벽층 상부에 형성된 도전형 에미터층을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 핫-일렉트론 포토트랜지스터.
- 제 1 항에 있어서, 상기 공진 터널링 양자 우물 구조는 양자 장벽층, 양자 우물층 및 양자 장벽층이 순차적으로 적층되어 형성된 것을 특징으로 하는 핫-일렉트론 포토트랜지스터.
- 제 1 항에 있어서, 상기 양자점 어레이 조합 구조는 절연층 사이에 여러 가지 크기의 양자점, 양자 장벽 및 상기 양자점이 조합되어 형성된 것을 특징으로 하는 핫-일렉트론 포토트랜지스터.
- 제 1 항에 있어서, 상기 공진 터널링 양자 우물 구조 대신에 2개 이상의 양자 우물 구조를 사용하는 것을 특징으로 하는 핫-일렉트론 포토트랜지스터.
- 제 1 항에 있어서, 상기 공진 터널링 양자 우물 구조 대신에 양자점 또는 양자선 어레이 조합 구조를 사용하는 것을 특징으로 하는 핫-일렉트론 포토트랜지스터.
- 기판 상부에 순차적으로 형성된 도전형 콜렉터층 및 콜렉터 장벽층과,상기 콜렉터 장벽층 상부에 순차적으로 형성된 제 1 도전형 베이스층, 공진 터널링 양자 우물 구조 및 제 2 도전형 베이스층과,상기 제 2 도전형 베이스층 상부에 제 1 비도전형 스페이서층, 블록킹 장벽층, 양자선 어레이 조합 구조 및 제 2 비도전형 스페이서층이 순차적으로 적층되어 형성된 에미터 전자 투사 전위 장벽층과,상기 에미터 전자 투사 전위 장벽층 상부에 형성된 도전형 에미터층을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 핫-일렉트론 포토트랜지스터.
- 제 6 항에 있어서, 상기 공진 터널링 양자 우물 구조는 양자 장벽층, 양자 우물층 및 양자 장벽층이 순차적으로 적층되어 형성된 것을 특징으로 하는 핫-일렉트론 포토트랜지스터.
- 제 6 항에 있어서, 상기 양자선 어레이 조합 구조는 절연층 사이에 여러 가지 선폭의 양자선, 양자 장벽 및 상기 양자선이 조합되어 형성된 것을 특징으로 하는 핫-일렉트론 포토트랜지스터.
- 제 6 항에 있어서, 상기 공진 터널링 양자 우물 구조 대신에 2개 이상의 양자 우물 구조를 사용하는 것을 특징으로 하는 핫-일렉트론 포토트랜지스터.
- 제 6 항에 있어서, 상기 공진 터널링 양자 우물 구조 대신에 양자점 또는 양자선 어레이 조합 구조를 사용하는 것을 특징으로 하는 핫-일렉트론 포토트랜지스터.
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