KR100525169B1 - ＨｇＣｄＴｅ 광다이오드 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 HgCdTe 반도체를 사용한 광전압형 다이오드에 관한 것으로, 기판 위에 p형 HgCdTe 박막을 성장시킨 후, 대기중에 노출없이 연속적으로 상기 HgCdTe 박막 위에 CdTe 또는 Cd1-ZZnZTe (0<z<1) 에피텍시얼 층을 성장시키고, 상기 에피텍시얼 층을 국부적으로 식각하여 상기 HgCdTe 박막의 일부분에 오픈시키고, 상기 오픈된 부분을 ECR 플라즈마에 노출시켜 n형으로 변환시키고, 상기 p형 영역 및 n형 영역에 전극을 형성하는 단계를 포함하여 구성되는 HgCdTe 광다이오드 제조방법을 제공한다. 본 발명에 따르면, HgCdTe 성장 후 대기에의 노출이 없이 바로 CdTe를 형성할 뿐아니라 단결정의 CdTe가 형성됨으로 표면에서의 재결합 등에 의해 전기가 새어나가는 현상을 억제할 수 있다. 따라서 이러한 방법으로 만들어진 CdTe 보호막을 사용함으로 해서 적외선 광 다이오드의 성능을 크게 향상시킬 수 있다.
Description
본 발명은 HgCdTe 광 다이오드의 제작에서 HgCdTe 성장 후 연속적으로 에피박막의 CdTe를 성장하여 이를 HgCdTe 표면보호막으로 사용함으로 광 다이오드의 검출 특성을 향상시키기 위한 것이다.
도 1에 도시된 바와 같은 초점 배열면(forcal plane array) 적외선 검출기는 기판(1) 위에 p형 및 n형 반도체(2, 3)를 이중층으로 형성하고, 그 위에는 보호막(4)이 형성되며, 각각의 p형 및 n형 층에는 전극(5)이 연결된다. p형 및 n형 반도체로는 여러가지 물질이 사용될 수 있지만, 최근 광다이오드 물질로 HgCdTe 반도체가 사용되고 있다.
HgCdTe p-n 접합 적외선 광다이오드 제조방법은 기판 (CdZnTe, CdTe, GaAs 또는 Si) 위에 p 및 n형의 전도도를 갖는 이중층을 성장시고 에칭을 통하여 위층의 일부를 식각해낸 후 표면에 보호막을 형성하여 제작하는 메사(mesa) 구조 방식과 단층의 p-형 전도도(혹은 n형 전도도)를 갖는 HgCdTe층을 성장시키고 사진 식각공정으로 시료의 일부를 이온 주입(ion implantation) 방법으로 n-형 전도도(혹은 p형 전도도)를 갖도록 한 후 표면보호막을 증착하여 제작하는 평면구조 방식으로 구분된다.
도 2a 및 2b는 종래의 기술로 제작된 메사형 및 평면형 HgCdTe 광 다이오드의 단면을 각각 보여주고 있다.
도 2a는 메사형 광다이오드의 단면을 보여주는 것으로 소자는 Hg1-xCdxTe 반도체 재료로 되어 있다. 기판 (6)위에 n형 (혹은 p-형) 전도도를 갖는 HgCdTe(7)와 그 위에 p형 (혹은 n-형)전도도 특성을 갖는 HgCdTe(9) 두개의 층이 서로 접합되어 있다. 여기서 x는 Cd과 Hg의 혼합물에서 Cd의 분율을 의미한다. 접합된 두 개의 층은 각각 광 흡수 층(7)과 광 모자층(9)으로서 흡수 층 Hg1-xCdxTe의 조성 x는 광 다이오드가 감지할 적외선 파장대를 결정하게 된다. (여기서 모자층(cap layer)이란 n-p 혹은 p-n 접합을 형성하여 광다이오드를 만드는 경우 하부의 흡수층(p 혹은 n)과 다른 전도형(n 혹은 p)을 갖는 상부 박막층을 지칭한다.) 사진 식각 기술을 이용하여 HgCdTe 웨이퍼를 광 흡수층의 상부까지 식각하여 각각의 광 다이오드 소자를 인접한 소자로부터 분리한다. 즉, 식각에 의하여 메사 구조를 만든다. 식각 후 HgCdTe의 표면 보호층(8)을 형성시키고 광 다이오드 소자의 모자 층 위에 금/인듐 등으로 금속 접촉(10)을 만들어서 소자를 완성하게 된다.
도 2b에는 평면구조로 제작되는 광다이오드의 단면을 보여주고 있다. 먼저 n(혹은 p) 층 하나로 구성된 박막(12)위에 p-n 접합을 형성시키고자 하는 부분을 사진식각 공정으로 노출시키고 이온주입법으로 p(혹은 n) 층을 형성시킨다(14). 이후 HgCdTe에 표면보호막(13)을 형성시키고 금/인듐 등으로 전기적 접촉(15)을 형성 하는 구조로 이루어져 있다.
이러한 종래의 방법에서 도출되는 문제점으로는 식각, 이온주입, 표면보호막 형성 등의 공정이 HgCdTe 성장과는 별도로 진행되므로 HgCdTe의 표면이 대기중에 노출되어 산화물이 형성되거나, 불순물등에 의해 HgCdTe와 보호막간의 계면이 오염될 가능성이 크다는 것이다.
적외선 검출기에 사용되는 HgCdTe 반도체의 경우에는 에너지 밴드 갭이 작아서 표면 보호막이 제대로 형성되지 않으면 접합의 표면 부위에서 누설 전류가 크게 흘러서 검출기 소자가 제대로 작동하지 못하게 된다. 불행하게도 HgCdTe와 같이 에너지 밴드 갭이 작은 반도체는 보호막 형성 공정이 쉽지 않다. HgCdTe 반도체 접합 다이오드의 보호막 형성 물질로는 ZnS, SiO2, CdS, CdTe 등 여러 가지 재료가 사용된다. 이 중에서 CdTe는 HgCdTe 반도체와 화학적 성분이 유사하고 격자 상수가 거의 같기 때문에 최근에 들어서는 가장 많이 사용되고 있다. HgCdTe 위에 CdTe를 보호막 층으로 성장하기 위하여 열 증착법이나 MBE 또는 MOCVD 법 등이 사용되어 왔다.
그러나 종래 기술에서는 보호막 형성공정이 HgCdTe의 성장공정과 별도로 이루어기 때문에 HgCdTe 표면이 대기 중에 노출되는 문제점을 피할 수 없었다.
따라서 본 발명의 목적은 상기의 문제점을 해결한 것으로서 광다이오드 제조시 HgCdTe 표면을 대기 중에 노출시키지 않고 보호막을 형성하는데 있다. 또한, 상기 보호막이 HgCdTe 표면에서 결정형태로 성장하여 불순물 및 오염원의 발생을 억제하고, 광다이오드의 전기적인 특성을 더욱 향상시키는데 목적이 있다. 뿐만 아니라, 광다이오드 제조시 보호막 형성에 수반되는 부수적인 공정을 없애고, 전체적인 프로세스를 단순화시키는데 또 다른 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 기판 위에 p형 HgCdTe 막을 성장시킨 후, 연속적으로 CdTe 또는 Cd1-ZZnZTe (0<z<1) 모자층을 에피텍시얼 층으로 성장시키며, 사진식각 공정을 통하여 CdTe 모자층을 국부적으로 에칭하고 식각된 부분을 ECR(electron cyclotron resonance) 플라즈마에 노출시킴으로써 식각된 부분이 n형 전도도를 갖도록 하여 p-n HgCdTe 접합 광다이오드를 형성한다.
적외선 감지용 p-HgCdTe 기저물질 및 보호막으로 사용되는 CdTe 또는 Cd1-ZZnZTe 에피텍시얼 층은 금속 유기 화합물 화학 증착법(MOCVD), 분자선 박막결정 증착법 (MBE) 또는 액상결정 증착법(LPE) 등의 방법으로 성장시킨다.
본 발명에서는 p-형 HgCdTe 위에 에피텍시얼 층으로 성장된 CdTe 또는 Cd1-ZZnZTe 를 보호막으로 사용하여 광다이오드 제조공정의 단순화를 기할 수 있을 뿐만 아니라 보호막의 특성을 크게 개선시킨다.
p-형 HgCdTe 위에 성장된 CdTe 또는 Cd1-ZZnZTe 층에 부분적으로 구멍을 내고 ECR 플라즈마에 노출시키면 HgCdTe가 노출된 부분만 p-형에서 n-형으로 전도도 특성이 변하게 되어 p-n 접합이 형성된다. 따라서, HgCdTe 성장 후 에피텍시얼 성장된 CdTe 또는 Cd1-ZZnZTe 층을 그대로 보호막으로 사용할 수 있게 된다. 또한, p-n 접합을 위해서 각각 n, p로 도핑된 이중층을 성장시킬 필요가 없으며, 단일 p-HgCdTe 위에 메사 구조가 아닌 평면구조의 적외선 감지소자 어레이를 제작 할 수 있다.
본 발명은 종래의 방법에서 적외선 감지 소자용 HgCdTe 박막의 성장 공정과 표면보호막의 형성 공정이 서로 독립적으로 이루어짐으로 인한 표면 산화물, 불순물 등의 영향을 없앤 것으로, HgCdTe 성장 후 성장실에서 바로 CdTe 보호막을 에피 박막의 형태로 성장함시킴으로써 HgCdTe 층과 CdTe 층과의 계면에서 결함이 없는 상태로 결정이 연속된다. 보호막층은 전자와 정공에 대해서 반사 장벽으로서 작용하게 되고 보호막을 HgCdTe 성장공정과 독립적으로 형성 시킬 때 생기는 보호막과 HgCdTe 계면을 불순물 및 결정 결함의 형성 가능성을 없애주며, 따라서 표면 누설전류를 억제할 수 있으며 궁극적으로 HgCdTe 광 다이오드 소자의 성능을 향상시킨다.
도 3a 내지 3e에는 본 발명에 의해서 고안된 HgCdTe 접합 다이오드 어레이의 제작 방법이 순서대로 설명되어 있다.
도 3a는 단결정 기판(16)위에 p-HgCdTe 광 흡수층(17)을 성장 시키고 그 위에 CdTe 모자 층(18)을 성장한 이중층 구조를 보여 준다. 여기서 광흡수 층의 두께는 10~20㎛이며 모자층 CdTe의 두께는 0.3~2㎛ 이다. 이러한 이중층의 성장 공정은 하나의 성장실에서 순차적으로 이루어지도록 하여 대기중 노출을 없앤다. HgCdTe의 전도형은 HgCdTe 박막내 높은 Hg-빈자리(Vacancy) 농도로 인하여 성장 후 별도로 Hg-포화 상태에서 Hg-빈자리를 채우기 위한 열처리를 행하지 않은 갓 성장 상태에서는 p-형 전도 특성을 보인다. 이러한 구조의 이중층의 성장은 MOVPE, MBE, LPE 법등의 통상적인 방법으로 가능하며 또한 기판으로는 GaAs 외에 CdZnTe, Si등도 사용되고 있음으로 본 발명이 여기에도 적용될 수 있음을 밝혀 둔다.
도 3b는 도 3a의 시료 표면에 사진 식각 공정을 통하여 부분적으로 CdTe 일부를 제거하고 HgCdTe가 드러난 부분을 ECR 플라즈마 (22)에 노출 시킨 시료를 보여 주고 있다. CdTe의 식각은 통상적인 사진 식각 공정에 의한 습식방법으로 행한다. ECR 플라즈마의 가스 원으로는 아르곤, 질소 혼합가스가 사용된다. p-형 HgCdTe는 ECR 플라즈마에 노출되면 HgCdTe층이 식각되어, 식각으로 인하여 Hg가 HgCdTe 내로 확산되어 p-형 HgCdTe의 전도도가 n형으로 변하게 된다.
도 3c는 도 3b 공정에 의해서 p-형 HgCdTe가 부분적으로 n-형으로 전도형이 변화된 부분(26)을 보여주고 있다. 여기서 n-형으로 전도된 깊이의 조절은 ECR 플라즈마 파워 및 가속전압 노출시간에 의해 결정된다. ECR 플라즈마에 의해서 p-형 HgCdTe는 수직의 깊이 방향 뿐만 아니라 참조번호 27로 나타난 부분과 같이 수평 방향으로도 그 전도도가 변화하게 된다. 따라서 p-형 광흡수층 (24)과 접합을 이루는 n-형의 경계면은 모두 시편의 외부에 드러나지 않고 내부에 존재하는 구조로 형성 할 수 있다.
도 3d는 도 3c의 각각의 광다이오드의 위 표면이 절연층(28)을 입힌 모양을 보여준다.
도 3e는 사진 식각을 이용하여 n-HgCdTe 및 p-HgCdTe에 금속 접촉(29,30)을 형성하고 완성한 광 다이오드 어레이의 단면을 보여주고 있다.
실시예
HgCdTe 반도체의 p/n 접합 광 다이오드를 다음과 같이 실제로 제조하고 그 특성을 조사하였다.
MOCVD 방법으로 GaAs 기판 위에 13 ㎛ 두께의 x 조성이 0.3인 Hg1-xCdxTe를 성장시키고, 연속해서 그 위에 CdTe를 1㎛두께로 성장시켰다.
CdTe 층을 0.5% 브롬-메탄올 용액으로 에칭하여 CdTe 층의 일부를 제거한 후, 성장된 Hg1-xCdxTe 박막의 전기적 특성을 알아 보기 위해서 Hall 효과를 통하여 전기적 특성을 측정한 결과 77K에서 p-형 전도도 특성을 보였으며, 운반자 농도는 ~1×1016/cm3, 이동도는 400cm2/V.Sec의 값을 보였다.
CdTe 층의 일부가 제거되어 표면이 드러난 Hg1-xCdxTe 박막을 파워 140W, 가속전압 -15V의 조건에서 ECR 플라즈마에 3분간 노출시킨 후, Hall 효과 측정을 통하여 나타난 전기적 특성을 조사하여 도 4에 나타내었다. p-형 전도도를 갖던 HgCdTe는 n-형의 전도도 특성을 보였으며, 운반자 농도 및 이동도는 77K에서 각각 2×1016/cm3, 20,000cm2/V.sec의 값을 보였다. 이 조건에서 n-형 전도도로 변환 된 깊이는 약 1㎛였으며, 이는 시료를 0.5% 브롬-메탄올 용액으로 에칭하면서 Hall 효과를 측정함으로써 확인하였다.
도 5는 본 발명에서 제안한 방법에 의해서 제작된 HgCdTe 광다이오드(31) 및 종래의 방법으로 제작된 메사 형식 광다이오드(32)의 77K에서의 전류-전압 특성을 보여 주고 있다. 도 5에서 보듯이 본 발명에서 제안된 방법에 의해서는 역 바이어스에서 암전류(dark current)가 매우 작을 뿐 아니라 역 바이어스에서 터널링에 의한 전류도 작음을 알 수 있다.
한편, 본 발명에 따라 제작된 총 64개의 광소자에 대하여 광소자의 특성을 좌우하는 0 V 전압에서 저항-면적 곱(RoA)을 측정한 결과, 대부분이 ~103 Ω-cm2 정도로 매우 균일한 특성을 보였다.
본 발명에 의해 제안된 HgCdTe 광 다이오드 제작 기술은 HgCdTe의 표면과 CdTe 보호막의 계면이 결정형태로 성장되어 있고 HgCdTe 표면이 대기중에 노출이 되지 않은 상태에서 보호막이 형성되었기 때문에, HgCdTe 접합 다이오드의 성능에서 적외선에 의해 생성된 전자-정공 쌍이 표면에서 재결합되어 소멸되는 요인을 크게 줄일 수 있다. 따라서 소자의 누설전류를 크게 줄일 수 있으므로 HgCdTe 접합 다이오드의 성능을 크게 향상시킬 수 있을 것이다.
또한, 평면 구조의 광다이오드 제작에 수반되는 이온공정 주입, 열처리 공정 등이 필요치 않기 때문에 공정의 단순화를 가져 올 수 있다. 이에 따라서 최종적으로 완성된 적외선 검출기의 가시거리와 해상도를 크게 높일 수 있을 것이다.
도 1은 평면 형식의 광전압형 어레이 적외선 검출기의 단면도.
도 2a 및 2b는 종래의 방법에 의해 제작되는 메사형 및 평면형 적외선 검출기의 단면도.
도 3a 내지 3e는 본 발명에 의한 제작되는 HgCdTe 적외선 검출기 제작 공정도.
도 4는 본 발명에서 HgCdTe를 ECR 플라즈마에 노출 시켰을 때 p-형 HgCdTe가 n-형 HgCdTe로 전도도가 변화된 것을 Hall 효과로 측정한 결과를 보여주는 그래프.
도 5는 본 발명에서 고안된 방법에 의해 제작된 광 다이오드 및 종래의 방법에 의한 메사형 다이오드의 전류-전압 특성을 보여주는 그래프.
Claims (6)
- 기판 위에 p형 HgCdTe 박막을 성장시킨 후, 대기중에 노출없이 연속적으로 상기 HgCdTe 박막 위에 CdTe 또는 Cd1-ZZnZTe (0<z<1) 에피텍시얼 층을 성장시키고,상기 에피텍시얼 층을 국부적으로 식각하여 상기 HgCdTe 박막의 일부분에 오픈시키고,상기 오픈된 부분을 ECR 플라즈마에 노출시켜 n형으로 변환시키고,상기 p형 영역 및 n형 영역에 전극을 형성하는 단계를 포함하여 구성되는HgCdTe 광다이오드 제조방법.
- 제1항에 있어서, 상기 CdTe 또는 Cd1-ZZnZTe 에피텍시얼 층은 광다이오드의 보호막인 것을 특징으로 하는 HgCdTe 광다이오드 제조방법.
- 제1항에 있어서, n형 영역을 형성한 후, 절연층을 형성하는 단계를 추가적으로 포함하는 HgCdTe 광다이오드 제조방법.
- 제1항에 있어서, HgCdTe 박막 및 에피텍시얼 층은 분자선 박막결정 증착법 (MBE), 금속유기 화합물 기상 증착법 (MOVPE), 또는 액상 결정 성장법(LPE) 법으로 성장시키는 HgCdTe 광다이오드 제조방법.
- 제1항에 있어서, HgCdTe 박막의 두께는 10 ~ 20㎛ 범위이며, 에피텍시얼 층의 두께는 0.3 ~ 2㎛ 인 HgCdTe 광다이오드 제조방법.
- 제1항에 있어서, 상기 기판은 CdZnTe, GaAs 또는 Si 인 HgCdTe 광다이오드 제조방법.
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