KR100370822B1 - 낙타 등 다이오드와 결합된 양자구조를 가지는 장파장적외선 감지 소자와 그 소자의 구동 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 양자구조를 낙타 등 다이오드의 광 흡수 영역에 집적한 장파장 영역의 적외선 감지 소자와 그 소자를 구동시키기 위한 방법에 관한 것으로, 소스, 게이트 및 드레인층을 가지는 낙타 등 다이오드와, 흡수되는 빛에 의해 전위 장벽층의 전하를 감소시켜 광전류를 증폭시키도록 상기 낙타 등 다이오드의 광 흡수영역인 드레인층에 집적된 양자점 혹은 양자우물로 구성함으로써, 양자점 혹은 양자우물에서 장파장 적외선에 의해서 반송자가 부 밴드 천이를 하게 되고, 부 밴드 천이에 의해 여기된 반송자가 낙타 등 다이오드의 전위 장벽 마루나 골 부분에 모여 전위 장벽을 낮추어 결과적으로 전극에 유기되는 광전류가 증폭됨을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 적외선 감지 소자에 관한 것으로, 특히 양자구조를 낙타 등 다이오드의 광 흡수 영역에 집적한 장파장 영역의 적외선 감지 소자와 그 소자를 구동시키기 위한 방법에 관한 것이다.
현재 적외선 영상감지 기술은 군사용 혹은 상업적인 목적으로 활용될 수 있으나 현재까지는 매우 비용이 많이 드는 기술로 알려져 있으며 주로 군사기술에 사용되고 있다.
현재까지 주로 응용되고 있는 분야는 정찰 카메라, 야간 투시경, 미사일 추적장치, 소방, 구조 건물 감시, 공정 제어 및 의료장비 등을 들 수 있다. 최근에는이러한 적외선 감지의 기능을 적외선 감지소자 배열과 연결된 신호 처리 및 관련 광학부품으로 구성된 FPA(Focal Plance Array)의 형태로 발전하고 있다. 장파장 적외선 감지물질로서 가장 널리 사용되고 있는 물질은 MCT(Mercury Cadmium Telluride)이며 넓은 적외선 영역에 걸쳐 사용되고 있다. InSb(Indium Antimonide) FPA는 3∼5㎛ 대역에서 사용되고 있다. 이러한 물질들의 단점은 기판의 가격이 매우 높고, 사용할 수 있는 기판의 제약으로 실리콘으로 된 기존의 신호 처리 회로와 단일 칩 집적이 매우 어렵다는 것이며, 또한 기존의 소자들은 극저온에서 동작을 한다는 단점이 있다.
따라서 본 발명의 목적은 기판 선택을 자유롭게 하며, 특히 실리콘 신호 처리 회로와 단일 칩 집적이 가능하면서도 상온 동작이 가능한 장파장 적외선 감지 소자와 장파장 적외선 감지 소자를 구동시키기 위한 방법을 제공함에 있다.
도 1a와 1b는 본 발명의 실시예에 따른 낙타 등 다이오드(npn 형식 및 pnp 형식)와 집적된 양자점 혹은 양자우물 장파장 적외선 감지 소자의 동작 원리 개념도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따라 양자점이나 양자 우물에 갇힌 정공이 장파장 적외선에 의해서 부 밴드로 천이하고, 천이된 정공이 전자 장벽의 마루로 이동하는 것을 설명하기 위한 도면.
도 3은 본 발명의 실시예에 따라 양자점이나 양자 우물에 갇힌 전자가 장파장 적외선에 의해서 부 밴드 천이를 하고, 천이된 전자가 정공 장벽의 마루로 이동하는 개략도.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 도면으로서, 근적외선 빛을 노광하여 밴드와 밴드 사이 천이를 일으켜 양자점이나 양자 우물에 정공을 공급하는 방법을 설명하기 위한 도면.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 도면으로서, 근적외선 빛을 노광하여 밴드와 밴드 사이 천이를 일으켜 양자점이나 양자 우물에 전자를 공급하는 방법을 설명하기 위한 도면.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 도면으로서, 강한 전계에 의해서 양자점이나 양자 우물에서 밴드와 밴드 사이에 터널링으로 정공을 공급하는 방식을 설명하기 위한 도면.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 도면으로서, 강한 전계에 의해서 양자점이나 양자 우물에서 밴드와 밴드 사이 터널링으로 전자를 공급하는 방식을 설명하기 위한 도면.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 장파장 적외선 감지 소자에 있어서,
소스, 게이트 및 드레인층을 가지는 낙타 등 다이오드와,
흡수되는 빛에 의해 전위 장벽층의 전하를 감소시켜 광전류를 증폭시키도록 상기 낙타 등 다이오드의 광 흡수영역인 드레인층에 집적된 양자점들로 구성함을 특징으로 한다.
또한 본 발명은 소스, 게이트 및 드레인층을 가지는 낙타 등 다이오드와, 흡수되는 빛에 의해 전위 장벽층의 전하를 감소시켜 광전류를 증폭시키도록 상기 낙타 등 다이오드의 광 흡수영역인 드레인층에 양자구조가 집적되어 있는 장파장 적외선 감지 소자의 구동 방법에 있어서,
상기 양자구조에 갇힌 반송자의 부 밴드 천이를 위해 장파장 적외선을 노광하는 과정과,
상기 양자구조에 계속적으로 반송자를 공급하기 위해 상기 양자구조에서 밴드와 밴드 사이의 천이가 일어나도록 근적외선 빛을 노광하는 과정으로 이루어짐을 특징으로 한다.
이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
우선 도 1a와 도 1b는 본 발명의 실시예에 따른 낙타 등 다이오드(npn 형식 및 pnp 형식)와 집적된 양자점 혹은 양자우물 장파장 적외선 감지 소자의 동작 원리 개념도를 도시한 것이다. 상기 낙타 등 다이오드의 특성 및 동작은 Pallab Bhattacharya에 의해 출간된 "Semiconductor Optical Devices" second edition p405∼410에 개시되어 있다.
도 1a를 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 npn 형식 낙타 등 다이오드 원적외선 감지 소자의 구성 및 동작을 설명하면, 우선 npn 형식 낙타 등 다이오드 원적외선 감지 소자의 윈도우층을 소스층(source)(1), 아주 얇은 장벽층을 게이트층(gate)(2), 빛을 흡수하는 부분을 드레인층(drain)(3) 이라 표기하기로 한다. 그리고 소스층(1)과 드레인층(3)의 두께를 각각라 표기하기로 한다. 만약가 충분히(이상적으로는 debye screen length 보다 작은 상태) 작고 게이트층(2) 부분이 충분히 얇으면 어떠한 바이어스 조건에서도 소자 전체의 반송자가 궁핍(deplete)하게 된다. 특히 강하게 p형으로 도핑된 게이트층(2)에는 정공이 궁핍되어 전자(8)에 대한 장벽(4)을 가지게 된다. 이러한 소자는 드레인에 음(-)의 전압 V를 가하여 동작하며, 이러한 전위가 가해진 상태를 도시한 것이 바로 도 1a이다. 첨부 도면들에서 속이 빈 원은 정공을 나타낸 것이고, 검게 칠한 원은 전자를 나타낸 것이다.
한편 도 1a에 도시된 양자점(QD:5)이나 양자 우물(QW:6)에서 빛이 흡수되면 천이된 정공(7)이 생기고, 천이된 정공(7)은 장벽층(2)으로 이동(21)하여 장벽층인 게이트층(2)의 전하를 감소시켜 장벽(4)을 낮추는 역할을 한다. 이때 소스(1)에서 장벽층(2)을 넘어가는 전자(8)에 의한 전류는 하기 수학식 1과 같은 관계를 가짐에 따라, 빛을 흡수하여 천이된 정공(7) 보다 많은 수의 전자(8)가 장벽층(2)을 넘어 흐르게 되어 광전류를 증폭하게 되는 것이다.
상기 수학식 1에서는 리챠드슨(Richardson) 상수이고, T는 절대온도이며,는 열평형 상태에서 장벽의 높이이고,는 천이된 정공(7)에 의해 낮아진 장벽의 높이이고, k는 볼쯔만(Boltzmann)상수이며, q는 단위 전하량 그리고 a는비례상수이며, V는 드레인에 가해진 전압을 나타낸다.
이하 도 1b를 참조하여 pnp 형식 낙타 등 다이오드 원적외선 감지 소자의 동작을 설명하기로 한다. 우선 이 구조의 윈도층을 소스층(9), 아주 얇은 장벽층을 게이트층(10), 빛을 흡수하는 부분을 드레인층(11)이라 하고, 소스층(9)과 드레인층(11)의 두께를 각각라 정의하고,가 충분히 작고 게이트층(10) 부분이 충분히 얇으면 어떠한 바이어스 조건에서도 소자 전체의 반송자(carrier)가 궁핍하게 된다. 특히 강하게 n형으로 도핑된 게이트층(10)에는 전자가 궁핍되어 정공에 대한 장벽(12)을 가지게 된다. 이러한 소자는 드레인에 양(+)의 전압 V를 가하여 동작하며 이러한 전위가 가해진 상태가 도 1b에 도시되어 있다.
만약 드레인층(11)에 위치한 양자점(QD:5)이나 양자 우물(QW:6)에서 빛이 흡수되면 천이된 전자(13)가 생기고, 천이된 전자(13)는 장벽층인 게이트층(10)으로 이동(22)하여 게이트층(10)의 전하를 감소시켜 장벽(12)을 낮추는 역할을 한다. 이때 소스에서 장벽층(10)을 넘어 가는 정공(14)에 의한 전류는 상기 수학식 1과 같은 관계를 가지기 때문에, 빛을 흡수하여 천이된 전자(13) 보다 많은 수의 정공(14)이 장벽층(10)을 넘어 흐르게 되어 광전류를 증폭하게 되는 것이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 npn 형식 낙타 등 다이오드에서 드레인층(3)에 위치한 양자점(5)이나 양자 우물(6)에 갇힌 정공(7)이 장파장 적외선에 의해서 부 밴드로 천이하고, 천이된 정공(7)이 전자 장벽의 마루로 이동하는 것을 설명하기 위한 도면을 도시한 것이다. 도 2를 참조하면, 양자점(5)이나 양자 우물(6)에서 에너지 상태는 양자화되어 있으며, 양자화된 에너지 상태와가전자대(15)의 차이에 해당하는 장파장 적외선(16)이 입사되면, 양자점(5)이나 양자 우물(6)에 갇힌 정공(7)은 부 밴드 천이를 하게 된다. 이와 같이 천이된 정공(7)은 가전자대(15)의 골(17) 영역으로 이동하게 되어 쌓이게 된다. 이동된 정공은 게이트층(2)의 전하량을 감소시킴에 따라 전자에 대한 전위 장벽은 낮아지게 되는 것이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 pnp 형식 낙타 등 다이오드에서 드레인층(11)에 위치한 양자점(5)이나 양자 우물(6)에 갇힌 전자(13)가 장파장 적외선에 의해서 부 밴드 천이를 하고, 천이된 전자(13)가 정공 장벽의 마루로 이동하는 것을 설명하기 위한 도면을 도시한 것이다. 도 3을 참조하면, 우선 양자화된 에너지 상태와 전도대(18)의 차이에 해당하는 장파장 적외선(16)이 입사되면, 양자점(5)이나 양자 우물(6)에 갇힌 전자(13)는 부 밴드 천이를 하게 된다. 이렇게 천이된 전자는 전도 대역(18)의 골(19) 영역으로 이동하게 되어 쌓이게 되며, 골(19) 영역으로 이동된 정공은 게이트층(11)의 전하량을 감소시켜 정공에 대한 전위 장벽은 낮아지게 되는 것이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 도면으로서, npn 형식 낙타 등 다이오드의 드레인층(3)에 근적외선 빛을 노광하여 밴드와 밴드 사이 천이를 일으켜 양자점(5)이나 양자 우물(6)에 정공(7)을 공급하는 방법을 설명하기 위한 도면을 도시한 것이다. 도 4를 참조하면, 우선 장파장 적외선(16)을 흡수하여 정공이 계속적으로 부 밴드 천이를 하기 위해서는 양자점(5)이나 양자 우물(6)에 계속적으로 정공의 공급이 있어야 한다. 정공을 계속적으로 공급하기 위해서는 양자점(5)이나 양자우물(6)에서 밴드와 밴드 사이 천이(23)를 일으킬 수 있는 근적외선(20)을 노광하여야 한다. 이때 생성된 전자(24)는 드레인(3)으로 흘러가고 정공(7)은 양자점(5)이나 양자 우물(6)에 갇히게 된다. 이러한 근적외선(20)은 양자점(5)이나 양자 우물(6)에서 부 밴드 천이(21)를 일으키지 않아야 한다.
한편 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 도면으로서, pnp 형식 낙타 등 다이오드의 드레인층(11)에 위치한 양자점(5)이나 양자 우물(6)에 근적외선(20)을 노광하여 전자를 공급하는 방법을 설명하기 위한 도면을 도시한 것이다. 도 5를 참조하면, 우선 도 3에서와 같이 부 밴드 천이(22)를 한 후 양자점(5)이나 양자 우물(6)에 계속적인 전자(13)의 공급이 있어야 장파장 적외선(16)에 의해 부 밴드 천이(22)가 일어날 수 있다. 전자를 계속적으로 공급하기 위해서는 양자점(5)이나 양자 우물(6)에서 밴드와 밴드 사이의 천이(26)를 일으킬 수 있는 근적외선(20)의 노광이 필요하다. 근적외선(20)의 노광에 의해 생성된 정공(27)은 드레인(11)으로 흘러가고, 전자(13)는 양자점(5)이나 양자 우물(6)에 갇히게 되어 장파장 적외선(16)에 의해 부 밴드 천이(22)가 계속적으로 일어날 수 있게 되는 것이다. 한편 상기 근적외선(20)은 양자점(5)이나 양자 우물(6)에서 부 밴드 천이(22)를 일으키지 않아야 한다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 도면으로서, npn 형식 낙타 등 다이오드에서 양자점(5)이나 양자 우물(6)에 정공을 공급하는 방식을 설명하기 위한 도면을 도시한 것이다.
도 6을 참조하면, 우선 드레인에 강한 전압 V를 가하여 임계치 이상의 전계가 양자점(5)이나 양자 우물(6)에 인가되면, 양자점(5)이나 양자 우물(6)에서 밴드와 밴드 사이에 터널링(29)하게 된다. 이때 정공(7)은 양자점(5)이나 양자 우물(6)에 갇히게 되고, 전자(31)는 드레인으로 흘러간다. 이러한 경우 가해준 전압은 양자점(5)이나 양자 우물(6)에서 터널링(29)을 일으키는 임계 전계 보다는 커야 함은 물론 드레인층(3)에서는 터널링이 일어나지 않는 크기여야 한다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 도면으로서, pnp 형식 낙타 등 다이오드에서 강한 전계에 의해 양자점(5)이나 양자 우물(6)에 전자를 공급하는 방식을 설명하기 위한 도면을 도시한 것이다.
도 7을 참조하면, 우선 드레인에 강한 전압 V를 가하여 임계치 이상의 전계가 양자점(5)이나 양자 우물(6)에 인가되면, 양자점(5)이나 양자 우물(6)에서 밴드와 밴드 사이에 터널링(32)하게 된다. 이때 전자(13)는 양자점(5)이나 양자 우물(6)에 갇히게 되고 정공(34)은 드레인으로 흘러가게 된다. 이러한 경우 가해준 전압은 양자점(5)이나 양자 우물(6)에서 터널링(32)을 일으키는 임계 전계 보다는 커야 함은 물론 드레인층(3)에서는 터널링이 일어나지 않는 크기여야 한다.
이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명은 양자점 혹은 양자우물의 양자구조에서 장파장 적외선에 의해서 반송자가 부 밴드 천이를 하게 되고, 부 밴드 천이에 의해 여기된 반송자가 낙타 등 다이오드의 전위 장벽 마루나 골 부분에 모여 전위 장벽을 낮춤으로써 결과적으로 전극에 유기되는 광전류가 증폭된다.
한편 전계에 의한 밴드와 밴드 사이의 터널링이나 근적외선을 이용하여 밴드와 밴드 사이의 광 천이를 유발시킴으로써 양자구조에 전자 혹은 정공을 계속적으로 주입함에 따라 장파장 적외선 감지 소자는 정상적으로 구동할 수 있게 된다.
상술한 바와 같이 본 발명은 낙타 등 다이오드의 광 흡수영역에 양자구조를 집적하여 광 전류를 증폭시킴으로써 적외선 감지 소자의 민감도를 높일 수 있는 장점이 있다. 또한 본 발명은 다양한 기판으로 된 장파장 적외선 감지 소자를 제공할 수 있기 때문에 상온 동작이 가능하여 가격이 매우 저렴한 장파장 적외선 감지 소자를 제작할 수 있는 이점도 있다.
Claims (8)
- 장파장 적외선 감지 소자에 있어서,소스, 게이트 및 드레인층을 가지는 낙타 등 다이오드와,흡수되는 빛에 의해 전위 장벽층의 전하를 감소시켜 광전류를 증폭시키도록 상기 낙타 등 다이오드의 광 흡수영역인 드레인층에 집적된 양자점들로 구성함을 특징으로 하는 장파장 적외선 감지 소자.
- 제1항에 있어서, 원적외선에 의해 상기 양자점에서 부 밴드 천이에 의해 여기된 정공이 npn형식의 낙타 등 다이오드의 전위 장벽 마루에 모여 전위 장벽을 낮춤으로서 전극에 유기되는 전자 전류를 증가시킴을 특징으로 하는 장파장 적외선 감지 소자.
- 제1항에 있어서, 원적외선에 의해 상기 양자점에서 부 밴드 천이에 의해 여기된 전자가 pnp형식의 낙타 등 다이오드의 전위 장벽 골 부분에 모여 전위 장벽을 낮춤으로서 전극에 유기되는 정공 전류를 증가시킴을 특징으로 하는 장파장 적외선 감지 소자.
- 장파장 적외선 감지 소자에 있어서,소스, 게이트 및 드레인층을 가지는 낙타 등 다이오드와,흡수되는 빛에 의해 전위 장벽층의 전하를 감소시켜 광전류를 증폭시키도록 상기 낙타 등 다이오드의 광 흡수영역인 드레인층에 집적된 양자우물들로 구성함을 특징으로 하는 장파장 적외선 감지 소자.
- 제4항에 있어서, 원적외선에 의해 상기 양자우물에서 부 밴드 천이에 의해 여기된 정공이 npn형식의 낙타 등 다이오드의 전위 장벽 마루에 모여 전위 장벽을 낮춤으로서 전극에 유기되는 전자 전류를 증가시킴을 특징으로 하는 장파장 적외선 감지 소자.
- 제4항에 있어서, 원적외선에 의해 상기 양자우물에서 부 밴드 천이에 의해 여기된 전자가 pnp형식의 낙타 등 다이오드의 전위 장벽 골 부분에 모여 전위 장벽을 낮춤으로서 전극에 유기되는 정공 전류를 증가시킴을 특징으로 하는 장파장 적외선 감지 소자.
- 소스, 게이트 및 드레인층을 가지는 낙타 등 다이오드와, 흡수되는 빛에 의해 전위 장벽층의 전하를 감소시켜 광전류를 증폭시키도록 상기 낙타 등 다이오드의 광 흡수영역인 드레인층에 양자구조가 집적되어 있는 장파장 적외선 감지 소자의 구동 방법에 있어서,상기 양자구조에 갇힌 반송자의 부 밴드 천이를 위해 장파장 적외선을 노광하는 과정과,상기 양자구조에 계속적으로 반송자를 공급하기 위해 상기 양자구조에서 밴드와 밴드 사이의 천이가 일어나도록 근적외선 빛을 노광하는 과정으로 이루어짐을 특징으로 하는 장파장 적외선 감지 소자의 구동 방법.
- 소스, 게이트 및 드레인층을 가지는 낙타 등 다이오드와, 흡수되는 빛에 의해 전위 장벽층의 전하를 감소시켜 광전류를 증폭시키도록 상기 낙타 등 다이오드의 광 흡수영역인 드레인층에 양자구조가 집적되어 있는 장파장 적외선 감지 소자의 구동 방법에 있어서,상기 양자구조에 갇힌 반송자의 부 밴드 천이를 위해 장파장 적외선을 노광하는 과정과,상기 양자구조에 계속적으로 반송자를 공급하기 위해 상기 양자구조에서 터널링을 일으키는 임계 전압 이상의 전압을 상기 드레인에 인가해 주는 과정으로 이루어짐을 특징으로 하는 장파장 적외선 감지 소자의 구동 방법.
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