KR100289982B1 - 양자섬을이용한광감지소자및그제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 양자섬(Quantum dot)을 이용한 광 감지소자의 구현시 별도의 부대장비 없이 광 감지소자면에 대해 수직으로 입사되는 빛을 효율적으로 감지할 수 있으며 상온에서도 동작 가능하도록 하기 위한 양자섬을 이용한 광 감지 디바이스의 구현방법과 광 감지소자 및 그에 따른 제조방법에 관한 것으로 특히, 이종의 물질간 접합이나 불순물 첨가에 의해 특정 방향으로 캐리어의 이송방향과 채널이 설정되고, 페르미 준위의 이동 제어에 의해 상기 채널의 형성여부가 결정될 수 있도록 구현되는 반도체 디바이스에 빛의 감지에 따른 흡수과정을 통해 그에 대응하는 전자를 방출하는 양자섬층을 채널의 주변 임의의 위치에 형성하되, 상기 양자섬층에서 빛 감지에 따른 방출전자가 상기 채널에 모이도록 구현하고, 상기 페르미 준위가 입사광이 없을 때 채널에 전자가 거의 없게 하는 에너지 레벨을 갖으면서 상기 양자섬층에 전자를 공급하여 가둘 수 있는 위치에 구비되도록 하는 구현방법과 그 방식에 의해 완성된 디바이스 및 해당 디바이스의 제조 방법을 제공하여 적외선 감지소자를 경제적으로 제조할 수 있다는 것이 확인되었다.
Description
본 발명은 광 디바이스에서 광 검출기에 관한 것으로 특히, 양자섬(Quantum dot)을 이용한 광 감지소자의 구현시 광 감지소자면에 대해 수직으로 입사되는 빛을 효율적으로 감지할 수 있는 양자섬을 이용한 광 감지소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로, 빛의 파장 대역별 영역은 첨부한 도 1에 도시되어 있는 바와 같이 상당히 많은 갖가지 주파수 대역의 빛들이 혼재하여 있는데, 눈으로 확인 가능한 빛의 파장대는 약 0.4∼0.7㎛ 정도이다. 또한, 자외선 영역은 통상 0.01∼0.4㎛이며, 적외선 영역은 0.7∼1000㎛ 이다.
상기 도 1에서는 분리된 수평축으로 광에너지를 표시하고 있는데, 각 광 파장별 에너지의 변환은 아래의 수학식 1에 따라 이루어진다.
상기 수학식 1에서 c는 진공중에서 빛의 속도를 나타내며, ν는 빛의 진동수이고, h는 플랭크(Planck) 상수이며, hν는 eV단위로 표시된 광에너지이다. 따라서, 빛의 파장이 0.5㎛인 초록색 광의 광에너지는 2.48eV가 된다.
이러한 광의 검출 또는 특정광의 발생을 위한 광 디바이스는 통상적으로 광자(光子)와 전자(電子)간의 상호작용에 의해 얻어지는데, 고체내에서 광자와 전자간의 상호작용에는 흡수(吸收), 자연방출(自然放出), 유도방출(誘導放出)등 기본적인 세가지 과정이 있다.
상술한 고체내에서 광자와 전자간의 상호작용을 이용한 광 디바이스라고 칭하는 소자들은 빛의 입자인 광자들에 의하여 동작되는 것으로, 그 종류에는 전기 에너지를 광에너지로 변환하는 발광 다이오드와 다이오드 레이저등의 소자들과, 전기적으로 광신호를 감지하는 광검출소자 그리고 광에너지를 전기적 에너지로 변환시키는 태양전지등의 소자들이 대표적이라 할 수 있다.
이하에서 설명하고 있는 광신호는 일반적인 가시광이 아니라 적외선임을 의미(일반 가시광에 대한 광검출소자는 기존의 소자또는 제법으로도 충분히 가능함)한다.
상기와 같이 다양한 광 디바이스들중 광검출소자는 빛의 유무에 따라 소자내부에서 변화하는 온도의 차를 전기적인 신호로 변환시키는 열형 광 감지소자인 파이로일렉트릭(pyroelectric) 소자와 입사하는 빛의 광자(photon)에 반응하는 광자형 광 감지소자로 구분할 수 있는데, 근래에는 양자효율이 높고 그 반응속도도 매우 빠른 장점을 갖는 광자형 광 감지소자가 주류를 이루고 있다.
상기와 같은 광자형 광 감지소자를 구현하기 위하여 사람들은 도 2a에 도시되어 있는 바와 같이 작은 밴드갭을 얻을 수 있는 반도체의 가전자대역과 전도대역 사이의 천이를 이용하거나, 도 2b에 도시되어 있는 바와 같이 비교적 큰 밴드갭을 갖고 있는 반도체와 더 큰 밴드갭을 갖고 있는 반도체를 서로 번갈아가며 생성하여 다중양자우물을 만들고 그 다중양자우물에서 얻어지는 전도대역 또는 가전자 대역 내의 부밴드들 간의 천이를 이용하였다. 그 한 예가 II-VI족 화합물인 MCT 감지소자이고 또 III-V족 화합물인 GaAs/AlGaAs 다중양자우물 감지소자이다.
이때, MCT 감지소자에서와 같이 밴드갭이 작은 반도체를 사용하는 경우 밴드갭이 작은 물질은 다루기가 힘들고 또한 공정도 넓은 면적에 균일하지 않아 넓은 면적의 감지소자 배열을 만드는데 적합하지 않고 수율 또한 좋지 않다.
이에 반해 다중 양자우물(quantum well) 형태의 감지소자는 종래의 실리콘(Si)또는 갈륨비소(GaAs) 기판을 그대로 이용할 수 있어서 성숙된 공정을 그대로 이용할 수 있으며 이로 인해 넓은 면적의 기판에 균일한 공정을 할 수 있고 또 열적 균일도도 좋아 넓은 면적의 광 감지소자 배열을 만들기에 적합(참조: R. Peopol et al, Appl. Phys. Lett. 61(9):1122(1992))하다.
그러나, 다중양자우물 광 감지소자는 다중양자우물의 성장방향과 일치하는 방향이 지닌 편광성분 즉, 다중양자우물 표면에대해 수직인 편광성분에 대해서만 민감하게 작용하는 특성(참조: C. L. Yang et al, J. Appl. Phys. 65:3253(1989))을 가지고 있으므로, 다중양자우물 표면에 대해 수평편광성분 만이 존재하는 다중양자우물의 표면으로 수직입사되는 빛은 효율적으로 감지할 수 없다는 단점을 지니고 있었다.
상기한 종래의 다중양자우물 광 감지소자의 문제점을 첨부도면을 참조하여 다중양자우물의 성장방향과 입사되는 빛의 편광성분과의 관계로부터 좀 더 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.
제 3도에 도시되어 있는 바와 같이, 다중양자우물을 이용한 종래의 광 감지소자는, 기판상에 다중양자우물을 형성하고 다중양자우물의 상.하면에 감지층 및 접지층을 형성하여 구성된다.
이때, 상기 다중양자우물의 특성상 다중양자우물의 성장방향과 일치하는 방향의 편광에 대해서만 민감하게 작용하기 때문에, 도 3에서 수직 입사광이라고 지칭되는 광 즉, 상기 다중양자우물의 측면에 수직입사된 빛의 편광성분()은 상기 다중양자우물의 성장 방향과 일치하기 때문에 효과적으로 탐지할 수 있는 반면, 상기 다중양자우물의 상면 또는 하면으로 수직입사된 빛 즉, 도 3에서 수평 입사광이라고 지칭되는 빛의 편광성분(,)은 상기 다중양자우물의 성장 방향과 직각인 관계로 감지효율이 매우 저하된다는 문제점을 지니고 있었다.
따라서, 다중양자우물 광 감지소자의 수직방향으로 입사되는 빛을 효율적으로 감지할 수 있는 광 감지소자를 제조하기 위한 다양한 시도가 행하여져 왔으며, 이러한 종래기술로는 아래에서 제시하고 있는 세가지 방식의 기술이 대표적이라 할 수 있으며, 그 각각의 기술에 대한 특징과 단점을 살펴보면 다음과 같다.
우선, 첫 번째 종래 기술로서, 다중양자우물의 측면을 비스듬히 구성하고, 빛을 그 비스듬한 면으로 입사시켜 발생되는 수직 편광성분 즉 다중양자우물의 성장방향과 일치하는 편광성분을 이용하여 빛을 감지하는 광 감지소자가 제안(J. S. Park et al., Appl. Phys. Lett. 61(6):681(1992))되었다.
그러나, 상술한 바와 같은 첫 번째 종래 기술에서는 경사진 다중양자우물의 측면을 형성하기 위하여 측면을 기계적인 방법으로 갈아 내거나 화학적인 방법으로 식각하거나 혹은 두 방법을 병행하여야 하므로 그 공정이 매우 불안하고 대량생산이 어려우며 2차원 이상의 행렬구조는 실현이 불가능한 문제점을 지니고 있었다.
상술한 첫 번째 종래 기술이 갖는 문제점을 해소하기 위해 제안되어진 두 번째 방식은 빛을 다중양자우물 광 감지소자의 후면으로 부터 수직입사시키고 다중양자우물 광 감지소자의 상면에 난반사기를 설치하여 난반사를 일으킨 다음, 난반사에 의해 발생된 수직 편광성분, 즉 다중양자우물의 성장방향과 일치하는 편광성분을 이용하여 빛을 감지하는 광 감지소자를 제시(G. Sarusi et al., Appl. Phys. Lett. 64(8):960(1993))하였다.
상기 두 번째 종래 방식에서도 역시 다중양자우물 광 감지소자와는 별도로 난반사기를 구성해야 하기 때문에, 제조공정이 복잡하고 제조경비가 증가하며, 난반사된 빛이 인접해 있는 다른 소자에 영향을 줄 수 있다는 문제점을 지니고 있었다.
마지막으로, 세 번째 종래 방식은 다중양자우물의 상면을 V자 형태로 식각하고 빛을 후면에서 입사시켜 V자 형태의 비스듬한 면을 맞고 반사된 빛의 수직 편광성분, 즉 다중양자우물의 성장방향과 일치하는 편광성분을 이용하여 빛을 감지하는 광 감지소자를 제시(C. J. Chen et al., Appl. Phys. Lett. 68(11):1446(1996))하였다.
그러나, 상술한 세 번째 방식에서도 역시 다중양자우물을 형성한 후 방향성 식각을 해야 하여야 한다는 점과, 효율을 높이기 위해 단위면적에 V자 모양으로 형성된 선(wire)의 개수를 많이 형성해야 한다는 점, 및 역 V자 모양의 뾰족한 끝 부분에 저항적 접촉을 만들어야 하는 등의 번거로움이 문제점으로 제시되었다.
더욱이, 근래까지 양자우물로 만들어진 광 감지소자는 암전류(dark current)가 큰 관계로 효율적인 광 감지를 위해서는 소자의 온도를 액체질소 온도 정도의 매우 낮은 온도로 유지시켜 주어야 하였으며, 상온에서는 그 동작이 불가능하였다. 따라서, 실제로 다중양자우물 광 감지소자를 동작시키기 위해서는 소자를 진공용기 안에 장착하고 냉각기를 이용하여 소자를 냉각시켜 주어야만 했다.
상술한 바와 같은 문제점을 해소하기 위한 본 발명의 목적은 양자섬(Quantum dot)을 이용한 광 감지소자의 구현시 별도의 부대장비 없이 광 감지소자면에 대해 수직으로 입사되는 빛을 효율적으로 감지할 수 있으며 상온에서도 동작 가능한 양자섬을 이용한 광 감지 소자 및 그 제조방법을 제공하는 데 있다.
도 1은 자외선에서 적외선까지의 전자기적 스펙트럼도
도 2a와 도 2b는 광응답으로 전자가 가전자대역에서 전도대역으로, 가전자대역 과 전도대역 내에서 낮은 에너지를 갖고 있는 부밴드에서 높은 에너지로의 부밴드로 천이하는 과정을 나타낸 예시도
도 3은 다중양자우물 구조에 대한 빛의 입사면과 빛의 편광성분을 도시한 개략도
도 4는 양자섬 구조에 대한 빛의 입사면과 빛의 편광성분을 도시한 개략도
도 5a내지 도 5d는 벌크, 양자선, 양자우물, 그리고 양자섬에 대한 에너지 밀도함수와 페르미-디락 에너지 분포함수, 그리고 그 두함수의 관계로 형성되는 반송자의 에너지에 대한 분포함수를 나타낸 그래프
도 6a와 도 6b는 일반적인 반도체 디바이스의 채널 형성 과정을 설명하기 위한 예시도
도 7a와 도 7b는 본 발명에서 양자섬을 이용한 광 검출기 설계 패턴을 설명하기 위한 채널 형성과정 예시도
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 양자섬 감지소자의 개략도
도 9는 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 양자섬 감지소자의 개략도
도 10a와 도 10b는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 양자섬 감지소자의 측정 그래프
도 11a와 도 11b는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 양자섬 감지소자의 에너지 밴드 다이어그램
도 12a와 도 12b는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 양자섬 감지소자에서 양자섬에 전자가 갇혀있는 상태를 설명하기 위한 실험 그래프
도 13은 본 발명의 또다른 일 실시예로서 조절전극을 여러개 두어 각 광반응 영역에서의 광 응답으로 형성된 전하를 순차적으로 검출전극으로 옳길 수 있도록 하는 소자의 개략도
〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉
101 : 반도체 기판 102 : 버퍼층
103 : 초격자 버퍼층 104 : 양자섬
105 : 광흡수층 106 : 전도 통로층
107 : 불순물 공급층 108 : 접촉층
109 : 검출전극 110 : 조절전극
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은불순물을 임의로 첨가시키지 않은 양자섬층과 그 양자섬층과는 밴드갭이 다른 물질을 번갈아가며 형성하여 상기 양자섬층이 적어도 하나 이상 포함되게 한 광흡수층과,
상기 광흡수층의 경계면에 위치하여 상기 광흡수층에서 여기된 캐리어가 모여서 수평방향의 전도가 일어날 수 있도록 하는 하나 이상의 전도통로층과,
상기 전도통로층과의 경계면에 위치하여 상기 광흡수층에는 캐리어를 공급하고 상기 전도통로층에는 캐리어가 공급되지 않도록 불순물의 양과 분포모양이 조절된 불순물 공급층과,
저항 접촉을 형성하기 위해 상기 불순물 공급층상에 형성되는 접촉층과,
상기 광흡수층에서 빛을 받아 여기된 캐리어가 상기 전도통로층에 모이면 이를 수평방향으로 전도시키고 그 신호를 감지하기 위해 상기 접촉층상에 증착되는 적어도 두 개 이상의 검출 전극을 포함함을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 부가적인 특징으로는 상기 빛은 0.77㎛에서 100㎛사이의 파장을 갖는 적외선인 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 특징은, 적어도 하나 이상의 불순물을 임의로 첨가시키지 않은 양자섬을 포함하는 양자섬층과, 전기 양자섬층과 그 양자섬층과는 밴드갭이 다른 물질을 번갈아가며 형성하여 전기 양자섬층이 적어도 하나 이상 포함되게 한 광흡수층과, 전기 광흡수층에 인접하여 광흡수층에서 여기된 캐리어가 모여서 수평방향의 전도가 일어날 수 있도록 하는 전도통로층과, 전기 광 흡수층에는 캐리어를 공급하고 전도통로층에는 캐리어가 거의 공급되지 아니하도록 조절된 불순물의 양과 분포모양을 갖는 불순물층을 포함하는 층, 및 전기 광흡수층에서 빛을 받아 여기된 캐리어가 상기 채널에 모이면 이를 수평방향으로 전도시키기 위해 형성된 적어도 두개 이상의 검출전극을 포함하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 부가적인 특징으로 검출전극의 거리와 검출전극의 폭의 길이가 빛의 파장보다 긴 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 부가적인 특징으로 상기 불순물층을 포함하는 층에서 불순물의 분포 형태가 델타(delta) 함수 모양인 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 부가적인 특징으로 상기 불순물을 포함하는 층에서 불순물의 분포형태가 불순물층 전체에 균일하고 분순물층을 포함하는 층을 식각하여 양자섬에 공급되는 캐리어의 양을 조절하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 부가적인 특징으로 상기 불순물층을 포함하는 층이 상기 전도통로층위에 형성되고 상기 광흡수층이 상기 전도통로층의 아래에 위치하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 부가적인 특징으로 상기 불순물층을 포함하는 층이 상기 전도통로층의 아래에 위치하고 상기 광흡수층이 상기 전도통로층의 위에 위치하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 부가적인 특징으로 불순물층을 포함하는 층과 광흡수층이 서로 다른 밴드갭을 갖도록하여 이종접합되어지는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 부가적인 특징으로 광흡수층에 공급되는 캐리어의 양을 조절하기 위한 적어도 하나 이상의 조절 전극을 더 포함하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 부가적인 특징으로 하나 이상의 조절전극을 사용하고 인접한 조절전극에 서로 크기가 다른 전계를 순차적으로 가하여 조절전극 밑 채널에 모여있는 캐리어를 검출전극에서 순차적으로 감지할 수 있게 하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 부가적인 특징으로 상기 조절전극을 2층이상으로 만들고 각 층 사이는 저항이 큰 물질이 있도록 하고 각 조절전극의 위치가 다른 층의 조절 전극과 완전히 겹치지 않게 위치시키고 조절전극에 서로 크기가 다른 전계를 순차적으로 가하여 조절전극 밑 채널에 모여있는 전하를 검출전극에서 순차적으로 감지할 수 있게 하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 부가적인 특징으로 상기 조절전극의 누설전류를 줄이기 위하여 조절전극 아래에 상기 불순물층을 포함하는 층의 반대되는 타입의 불순물을 첨가하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 부가적인 특징으로 상기 조절전극의 누설전류를 줄이기 위하여 조절전극 아래에 고저항층을 첨가하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 특징은 양자섬을 이용한 광감지 소자의 제조방법에 있어서,
광흡수층을 성장하는 과정에서 자율형성 양자섬이 형성되도록 하는 광흡수층 성장 공정과,
상기 광흡수층 상,하부면중 어느 하나에 전도통로층을 형성하는 전도통로층 형성공정과,
상기 전도통로층과의 경계면에 위치하여 상기 광흡수층에는 캐리어를 공급하고 상기 전도통로층에는 캐리어가 공급되지 않도록 불순물의 양과 분포모양이 조절된 불순물 공급층을 형성하는 불순물 공급층 형성공정과,
상부면과 하부면에 각각 위치하는 층들 사이의 전기적 저항성분을 줄이도록 상기 불순물 공급층상에 접촉층을 형성하는 접촉층 형성공정과,
수평전도특성을 이용한 전기적 신호를 감지할 수 있도록 적어도 하나 이상의 검출전극을 상기 접촉층상에 형성하는 검출 전극 형성공정과,
인접한 검출 전극 사이의 전기적 결함을 방지하기 위해 상기 접촉층을 식각하는 공정과,
상기 불순물 공급층을 소정 깊이 식각하는 공정과,
상기 양자섬에 공급되는 캐리어의 양을 조절하기 위한 조절전극을 식각된 상기 캐리어 공급층에 증착하는 공정과,
상기 조절전극들 사이의 단락을 막기 위해 그 상부에 절연막을 형성하는 공정과,
원하는 전기 신호를 상기 절연막 밖으로 전달하기 위해 필요한 부분의 절연막을 식각하는 공정으로 이루어짐을 특징으로 한다.
우선, 본 발명에서 적용하고자 하는 기술적 사상에 대하여 살펴 보기로 한다. 본 발명에서는 양자우물이 갖는 특성과 제한적 기술요건 때문에 양자섬을 사용하고자 하는데, 양자섬은 첨부한 도 4에 도시되어 있는 바와 같이 특정의 물리층속에 섬과 같이 양자 덩어리가 존재하는 것을 칭하는 것이다.
상술한 바와 같은 개념에 따라 첨부한 도 4를 참조하여 양자섬을 이용한 광 감지소자의 동작 원리를 살펴보면, 양자섬은 그 제작 공정상의 이유-양자섬 형성을 위한 소재의 자체적인 응집력에 의해 그 성장 방향이 단 방향이 아니고 그 중심을 기준으로 방사형임-로 인해 표면에 수직으로 입사하는 빛의 수평편광 성분 즉, 감지소자의 표면과 수평한 편광성분에 대해서도 빛이 양자화 되기 때문이다.
따라서, 양자우물을 이용한 광 감지소자의 경우 양자우물의 표면과 수평한 편광성분에 대해서는 인식하지 못하는 문제점을 해소하기 위하여 필요하였던 난반사기나 V자 모양의 홈 같은 별도의 부가 장치나 부가 공정이 양자섬을 이용할 경우 필요없다는 것을 알 수 있다.
더욱이, 양자섬은 그 자체적으로 감지소자의 표면에 수직으로 입사하는 빛에 대해 민감히 반응하는 소자를 만들 수 있을 뿐만 아니라 별도의 냉각기 없이 상온에서도 동작이 가능한 광 감지소자를 만들 수 있다.
그러므로, 이러한 양자섬을 이용한 광 감지소자가 별도의 부가 장치나 부가 공정 없이 감지소자의 표면에 수직으로 입사하는 빛에 민감하게 반응하는 이유는, 첨부한 도 4에 도시되어 있는 바와 같이 전도대역의 부밴드간의 천이를 이용한 광 감지소자는 천이의 선택방식(selection rule)에 따라 양자화되어 있는 방향의 편광 성분만을 흡수 할 수 있기 때문이다.
더욱이, 양자섬을 이용한 광 감지소자가 별도의 냉각기 없이 상온에서도 동작이 가능한 이유는, 도 5d에 도시된 바와 같이, 양자섬의 에너지 밀도 함수는 에너지에 따라 그 밀도가 델타함수(delta function)의 모양을 취하게 되는데 이때 그 에너지 간격(E1-E0)을 광진동자(optical phonon)의 에너지(~ 36 meV)보다 크게 만들 수 있으므로 그 광진동자에 의한 에너지 천이를 막을 수 있다. 이것이 암전류를 급격히 줄이는 이유가 되어 상온에서도 동작할 수 있는 것이다.
이때, 도 5a 내지 도 5d는 벌크, 양자선, 양자우물, 그리고 양자섬에 대한 에너지 밀도함수와 페르미-디락 에너지 분포함수, 그리고 그 두함수의 관계로 형성되는 반송자의 에너지에 대한 분포함수를 나타낸 그래프로서, 세부적으로는 도 5a는 벌크에 대한 에너지 밀도함수이고, 도 5b는 양자선에 대한 에너지 밀도함수이며, 도 5c는 순차적으로 양자우물에 대한 에너지 밀도함수와 페르미-디락 에너지 분포함수, 그리고 그 두함수의 관계로 형성되는 반송자의 에너지에 대한 분포함수를 나타낸 그래프이다.
또한, 도 5d는 전술한 양자섬을 이용한 광 감지소자가 상온에서도 동작이 가능한 이유를 설명하는데 필요한 그래프로서, 순차적으로 양자섬에 대한 에너지 밀도함수와 페르미-디락 에너지 분포함수, 그리고 그 두함수의 관계로 형성되는 반송자의 에너지에 대한 분포함수를 나타낸 그래프이다.
상술한 바와 같이 광 감지소자를 제조하는데 있어 양자섬은 상당한 매력을 가지는 방식이기 때문에 종래에도 양자섬을 이용한 광 감지소자를 제조하려는 몇 몇 시도가 행하여져 왔으나, 이러한 시도들은 양자섬의 광학 특성을 확인하는 정도로 미비한 상태이고 아직까지 양자섬을 이용한 광 감지소자가 개발되지는 못하였으며 특히 상온에서의 감지소자는 아직 보고되지 못 하였다..
본 발명을 설명하기에 앞서 현재까지 진행되고 있는 양자섬을 이용한 광 감지소자의 개발기술에 대해 대표적인 몇가지 기술에 대해 그 장단점을 살펴보기로 한다.
그 첫 번째 방안으로 30번 반복하여 n 형의 델타도핑(delta doping)층을 포함하는 공간층과 양자섬층을 번갈아가며 형성하였다. 그리고 다중경로 광도파관 모양의 형태 즉, 다중양자우물 광 감지소자에서 사용된 첫 번째 방식(J. S. Park 등의 제안방식)을 적용하여, 소자의 측면을 비스듬하게 형성시킨 후 해당 구조를 이용하여 소자의 상면에 수평인 편광성분과 수직인 편광성분의 광 흡수를 확인(S. Sauvage et al, Appl. Phys. Lett. 71(19):2785(1997))하였다.
그러나, 상술한 첫 번째 방안은 소자의 측면을 비스듬하게 형성하기 위하여 측면을 기계적인 방법으로 갈아 내거나 화학적인 방법으로 식각하거나 혹은 두 방법을 병행하여야 하므로 그 공정이 매우 불안하고 대량생산이 어려우며 2차원 이상의 행렬구조는 실현이 불가능한 문제점을 지니고 있었다(종래, 양자 우물을 사용한 광 감지기 형성의 경우와 동일).
상술한 첫 번째 방안과 달리, 두 번째 방안은 10번 반복하여, 직접 도핑된 양자섬층과 공간층을 번갈아가며 성장하고 이렇게 형성된 광흡수층의 상부와 하부에 수직방향 전계를 가하였다. 이때 소자 상면의 금속층은 가운데가 비어있게 형성함으로써 빈 금속층 공간을 통해 빛을 입사시켜 이때 여기된 전자가 수직방향의 전계에 의해 전도되는 것을 이용하여 광을 감지(J. Phillips et al, Appl. Phys. Lett. 72(16):2020(1998))하였다.
그러나, 제이. 필립스(J. Phillips)가 제시한 두 번째 방안도 소자의 상면에 수직인 방향으로의 전도를 이용하기 때문에 양자섬층과 불순물층이 전기 전도에 큰 영향을 미치므로 잡음이 크며 수직방향 다이오드 구조의 결정 결함에 의한 누설전류가 흐를 확률이 매우 크다. 따라서 아직 상온에서의 광응답이 보고되고 있지 않다.
마지막으로, 알람(J, Allam)등은 다중양자우물 위에 전극을 사용하여 국부적으로 공핍된 영역과 공핍되지 않은 영역을 만들어 양자섬을 형성(J. Allam and M. Wagner, UK patent 9125727:1991, US patent 5291034:1994)하였으나, 수평방향의 양자화를 얻기 위해서는 전극의 간격이 매우 좁아져야 하는데 이렇게 작은 간격의 전극을 제조하는데 어려움이 있었고 또한 공핍영역의 경계가 정확하게 정의되지 않는 문제점을 지니고 있었다.
따라서, 본 발명에서는 전술한 본 발명의 목적에서와 같이 별도의 부대장치 필요 없이 광 감지소자면에 대해 수직입사되는 빛을 효율적이고 감도높게 감지할 수 있을 뿐만 아니라 별도의 냉각기 없이도 동작할 수 있는 수평전도 특성을 갖는 양자섬 수직입사 광 감지소자를 제공함과 아울러 단일형 또는 다차원 행렬 구조를 갖는 광자형 수직입사 광 감지소자를 경제적으로 제조할 수 있도록 하기 위해 첨부한 도 6a 내지 도 7b에 도시되어 있는 바와 같은 개념을 도입한 것이다.
도 6a와 도 6b에는 일반적인 반도체 소자의 채널 형성 과정을 설명하기 위한 예시도로서, 점선으로 도시되는 페르미 준위를 전도통로 측으로 이동시키면 해당 소자는 채널 온동작되어 전기적인 도통현상이 발생되고 그로인해 외부에서 대응 소자가 동작하는 특정 조건속에서 어느 정도의 조건을 만족시켰는지를 인식할 수 있게 된다.
따라서, 본 발명에서는 첨부한 도 7a와 도 7b에 도시되어 있는 바와 같이, 상기 도 6a와 도 6b에 도시되어 있는 종래 반도체 소자에 양자섬층을 형성하고 광이 입사되지 않은 상태에서는 채널 형성 구역에는 캐리어가 거의 없도록 하면서도 양자섬층에는 다량의 캐리어가 존재하게 한 후, 광자에 의해 양자섬층이 이를 인식 즉, 흡수하여 내부의 캐리어를 방출하게 되면 상기 양자섬측에서 방출되는 캐리어가 전도통로측에 모이게되고 그에따라 상기 도 7a와 도 7b에 도시되어 있는 소자는 턴온동작을 수행할 수 있게 된다.
이때, 상기 양자섬층에서 인식하는 빛의 변화에 따라 상기 전도통로측에 모이게되는 캐리어의 양이 변화하게 되는데, 이러한 변화를 외부에서 전기적으로 인식함으로써 빛의 변화를 인식할 수 있게 되는 것이다.
상술한 본 발명에 따른 광 감지소자 구현 방식에 따라 구현되어진 광 검출 소자를 예로 들어 살펴보기로 한다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 양자섬 광 감지소자의 개략도로서, 참조번호 101은 성장방향 001로 정확하게 성장된 갈륨아세나이드(GaAs) 반도체 기판이며, 참조번호 102는 갈륨아세나이드(GaAs)로 이루어진 버퍼층이고 참조번호 103은 갈륨아세나이드(GaAs)/알루미늄 갈륨 아세나이드(AlGaAs)로 이루어진 수퍼 격자 버퍼층으로서 상기 참조번호 102와 참조번호 103은 기판으로 누설전류가 흐르는 것을 방지하기 위한 것이다.
또한, 참조번호 104는 ″Stranski-Krastanow″성장모드로 성장된 인듐 아세나이드(InAs) 양자섬이고, 참조번호 105는 참조번호 104로 지칭되는 양자섬 사이에 포텐셜 베리어(potential barrier) 역활을 하는 갈륨아세나이드(GaAs)로 이루어진 공간층으로 상기 참조번호 104와 105는 번갈아가며 적층되어져 광흡수층을 구성한다. 참조번호 104가 5개층이라면 참조번호 105는 4개의 층을 갖는다.
또한, 참조번호 106은 갈륨아세나이드(GaAs)로 이루어진 전도통로층이고, 참조번호 107은 n+로 불균일하게 도핑된 알루미늄 갈륨 아세나이드(AlGaAs)로 이루어진 불순물 공급층이며, 참조번호 108은 저항 접촉을 형성하기 위해 형성된 n+ 갈륨아세나이드(GaAs) 오믹(ohmic) 접촉층이다.
이외에 참조번호 109는 드레인 또는 소스 단자의 역활을 수행하기 위한 검출전극이며, 참조번호 110은 페르미 준위의 조정을 위한 조절전극이다.
상술한 바와 같이 구성되는 양자섬 광 감지소자는 수평 방향으로 전달되는 신호를 검출하기 위한 두 개의 검출 전극(109)이 있고 그 사이에 광흡수층(105)에 공급되는 캐리어를 조절하기 위한 전극이 있도록 제조되어 암전류를 줄이고 소자의 상면 혹은 하면으로부터 입사되는 적외선을 감지할 수 있는 구조로 형성된다.
상기 구조를 기준으로 그 동작원리를 간략히 살펴보면, 적외선이 입사되지 않을때는 참조번호 107로 지칭되는 불순물 공급층에서 공급된 캐리어가 전도 통로층(106)에는 거의 모여있지 않고 참조번호 104로 지칭되는 양자섬내에 갇혀있게 된다. 이과정의 설명은 추후 도 12a와 도 12b를 설명하면서 상세히 설명하기로 한다.
이때, 적외선이 입사되면 그 광자의 에너지를 받아 104로 지칭되는 양자섬내에 갇혀 있던 캐리어가 양자섬의 포텐셜 베리어 에지 근처로 여기(excitation)되어지는데, 참조번호 107로 지칭되는 알루미늄 갈륨 아세나이드(AlGaAs) 불순물 공급층의 n+로 불균일하게 도핑에 의해 포텐셜이 휘어 내부적으로 형성된 전계에 의해 그 캐리어가 채널에 모이게 된다(첨부한 도 7a와 도 7b참조).
상술한 바와 같이 채널에 캐리어가 모이게된 상태에서 참조번호 109로 지칭되는 검출 전극에 일정 전계를 가해주면 채널에 모인 그 캐리어가 전계의 방향에 따라 소스단자 또는 드레인 단자에서 검출된다.
이때, 채널은 양자섬 사이의 참조번호 105로 지칭되는 공간층에도 형성되지만 대부분의 2D 가스(gas)가 참조번호 106으로 지칭되는 전도통로층에 모여있게 된다.
따라서, 본 실시 예에서는 적외선으로 여기된 캐리어를 수평방향으로 전도를 일으켜 그 신호를 검출하기 위한 전극을 일정한 간격을 두고 증착한 후 다른 소자와의 전기적 결합을 줄이기 위해 전기적 저항이 큰 층까지 식각하고 광흡수층에 공급되는 캐리어를 1차 조절하기 위해 그 전극 사이를 다시 필요한 깊이까지 식각한 후 광흡수층에 공급되는 캐리어의 양을 외부에서 전기신호를 이용하여 조절할 수 있도록 다시 그 위에 전극을 증착함으로써 소자의 상면 혹은 하면으로부터 입사된 적외선을 감지할 수 있게 된다.
도 9는 본 발명의 또다른 실시 예로서 제 8도에서 보인 일 실시 예로 든 소자의 조절전극(110)을 생략한 예로서 양자섬에 캐리어를 공급할 불순물 공급층의 농도와 식각의 깊이를 적절히 조절하여 상면으로 입사되는 적외선의 반응 영역을 극대화 시킨 구조이다.
도 10a와 도 10b는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 양자섬 광 감지소자의 측정 그래프로서, 검출전극 사이의 간격은 7 μ m이었고 폭은 200 μ m이었다. 불순물층의 농도는 1x1018/cm3이었고 식각의 깊이는 양자섬에는 캐리어를 공급하면서 이종접합으로 형성된 의사 2차원 전도 통로에는 캐리어를 거의 공급하지 않아 상온에서의 암전류가 수 nA이하가 되도록 조절하였다.
이렇게 해서 측정된 수치는 감지도(detectivity)가 상온에서 3x107cmHz1/2/W이고 80 K에서 6x1010cmHz1/2/W 이었다.
또한, 도 11a와 도 11b에서는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 양자섬 광 감지소자의 에너지밴드 다이어그램을 나타낸 것으로, 실제로는 상기 도 7b에 도시되어 있는 바와 같이 양자섬층이 존재하지만 양자섬층을 생략한 경우이며, 도 12a와 도 12b에서는 양자섬에 전자가 갇혀있는 상태를 설명하기 위한 그래프이다.
또한, 도 13은 본 발명의 또다른 실시 예로서 두 개의 검지전극 사이에 하나 이상의 조절 전극을 형성하고 인접한 두 개의 조절전극간에 크기가 서로 다른 전계를 순차적으로 인가하여 조절전극 하부에 적외선 반응으로 형성된 전하를 순차적으로 검지전극으로 전달하도록 하는 소자이다.
이상에서 상세히 설명하였듯이, 본 발명에 의한 양자섬 광 감지소자는 별도의 부대장치 없이 광(적외선) 감지소자 혹은 그 행렬의 면에 대해 수직입사되는 빛을 효율적이고 감도 높게 감지할 수 있고 상온에서도 잘 동작할 수 있으며 이차원 배열을 만들기가 용이할 뿐만 아니라 순차적 전하 전달을 이용하여 적외선 반응으로 생성된 캐리어를 검지전극에서 순차적으로 감지할 수 있는 구조를 제공함으로써 본 발명에 의해 적외선 감지소자를 경제적으로 제조할 수 있다.
Claims (13)
- 불순물을 임의로 첨가시키지 않은 양자섬층과 그 양자섬층과는 밴드갭이 다른 물질을 번갈아가며 형성하여 상기 양자섬층이 적어도 하나 이상 포함되게 한 광흡수층과,상기 광흡수층에 경계면에 위치하여 상기 광흡수층에서 여기된 캐리어가 모여서 수평방향의 전도가 일어날 수 있도록 하는 하나 이상의 전도통로층과,상기 전도통로층과의경계면에 위치하여 상기 광흡수층에는 캐리어를 공급하고 상기 전도통로층에는 캐리어가 공급되지 않도록 불순물의 양과 분포모양이 조절돈 불순물 공급층과,저항 접촉을 형성하기 위해 상기 불순물 공급층상에 형성되는 접촉층과,상기 광흡수층에서 빛을 받아 여기된 캐리어가 상기 전도통로층에 모이면 이를 수평방향으로 전도시키고 그 신호를 감지하기 위해 상기 접촉층상에 증착되는 적어도 두 개 이상의 검출 전극을 포함함을 특징으로 하는 양자섬을 이용한 광 감지 소자.
- 제 1 항에 있어서, 상기 빛은 0.77㎛에서 100㎛ 사이의 파장을 갖는 적외선임을 특징으로 하는 양자섬을 이용한 광 감지 소자.
- 제1항에 있어서, 상기 불순물 공급층에서 불순물의 분포 형태가 델타(delta) 함수 모양인 것을 특징으로 하는 양자섬을 이용한 광 감지 소자.
- 제 1 항에 있어서, 상기 불순물을 공급층에서 불순물의 분포형태가 불순물 공급층 전체에 균일할 경우 분순물 공급층을 식각하여 양자섬에 공급되는 캐리어의 양을 조절하는 것을 특징으로 양자섬을 이용한 광 감지 소자.
- 제 1 항에 있어서, 상기 불순물 공급층이상기 전도통로층 위에 위치하고 상기 광흡수층이 상기 전도통로층 아래에 위치하는 것을 특징으로 하는 양자섬을 이용한 광 감지 소자.
- 제 1 항에 있어서, 상기 불순물 공급층이 상기 전도통로층의 아래에 위치하고 상기 광흡수층이 상기 전도통로층 위에 위치하는 것을 특징으로 하는 양자섬을 이용한 광 감지 소자.
- 제 1 항에 있어서, 상기 불순물 공급층과 광흡수층이 서로 다른 밴드갭을 갖도록 하여 이종접합됨을 특징으로 하는 양자섬을 이용한 광 감지 소자.
- 제 1 항에 있어서, 상기 광흡수층에 공급되는 캐리어의 양을 조절하기 위한 적어도 하나 이상의 조절 전극을 식각된 상기 불순물 공급층에 증착함을 특징으로 하는 양자섬을 이용한 광 감지 소자.
- 제 8 항에 있어서,하나 이상의 조절전극을 사용하고 인접한 조절전극에 서로 크기가 다른 전계를 순차적으로 가하여 조절전극 밑 채널에 모여있는 캐리어를 상기 검출전극에서 순차적으로 감지할 수 있게 하는 것을 특징으로 하는 양자섬을 이용한 광 감지 소자.
- 제 8 항에 있어서, 상기 조절전극을 2층이상으로 만들고 각 층 사이는 저항이 큰 물질이 있도록 하고 각 조절전극의 위치가 다른 층의 조절 전극과 완전히 겹치지 않게 위치시키고 조절전극에 서로 크기가 다른 전계를 순차적으로 가하여 조절전극 밑 채널에 모여있는 전하를 상기 검출전극에서 순차적으로 감지할 수 있게 하는 것을 특징으로 하는 양자섬을 이용한 광 감지 소자.
- 제 8항 내지 제 10 항중 어느 한 항에 있어서,상기 조절전극의 누설전류를 줄이기 위하여 조절전극 아래에 상기 불순물 공급층의 반대되는 타입의 불순물을 첨가한 것을 특징으로 하는 양자섬을 이용한 광 감지 소자.
- 제 8항 내지 제 10항중 어느 한 항에 있어서,상기 조절전극의 누설전류를 줄이기 위하여 조절전극 아래에 고저항층을 첨가한 것을 특징으로 하는 양자섬을 이용한 광 감지 소자.
- 양자섬을 이용한 광 감지 소자의 제조방법에 있어서,광흡수층을 성장하는 과정에서 자율형성 양저섬이 형성되도록 하는 광흡수층 성장 공정과,상기 광흡수층 상,하부면중 어느 하나에 전도통로층을 형성하는 전도통로층 형성공정과,상기 전도통로층과의 경계면에 위치하여 상기 광흡수층에는 캐리어를 공급하고 상기 전도통로층에는 캐리어가 공급되지 않도록 불순물의 양과 분포모양이 주절된 불순물 공급층을 형성하는 불순물 공급층 형성공정과,상부면과 하부면에 각각 위치하는 층들 사이의 전기적 저항성분을 줄이도록 상기 불순물 공급층상에 접촉층을 형성하는 접촉층 형성공정과,수평전도특성을 이용한 전기적 신호를 감지할 수 있도록 적어도 하나 이상의 검출전극을 상기 접촉층상에 형성하는 검출 전극 형성공정과,인접한 검출 전극 사이의 전기적 결합을 방지하기 위해 상기 접촉층을 식각하는 공정과,상기 불순물 공급층을 소정 깊이 식각하는 공정과,상기 양자섬에 공급되는 캐리어의 양을 조절하기 위한 조절전극을 식각된 상기 캐리어 공급층에 증착하는 공정과,상기 조절전극들 사이의 단락을 막기 위해 그 상부에 절연막을 형성하는 공정과,원하는 전기 신호를 상기 절연막 밖으로 전달하기 위해 필요한 부분의 절연막을 식각하는 공정으로 이루어짐을 특징으로 하는 양자섬을 이용한 광 감지 소자 제조방법.
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