KR100544235B1 - 고감도 나노 포토디텍터의 구조 - Google Patents

고감도 나노 포토디텍터의 구조 Download PDF

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Abstract

본 발명은 활성화된 SOI(Silicon On Insulator,이하 SOI) 웨이퍼부에 형성된 채널; 상기의 채널을 감싸고 있는 게이트 절연막; 상기 채널의 캐리어의 흐름을 제어하기 위해 연결된 게이트; 상기 채널 영역의 양끝에 형성된 소오스와 드레인; 및 상기 게이트와 소오스 및 드레인부와 연결된 금속층을 포함하여 이루어진 SOI MOSFET(Metal-Oxide Semicondutor Field Effect Transistor, 이하 MOSFET)를 기본 구조로 하여, 나노 사이즈의 채널을 형성하는 구조 및 게이트와 채널의 중성영역인 바디가 전기적으로 연결된 구조로 이루어짐을 특징으로 하는 고감도 나노 포토디텍터에 관한 것이다.
본 발명의 포토디텍터는 플로우팅 게이트와 중성영역인 바디가 전기적으로 연결된 MOSFET형 구조를 가지는 동시에 나노 사이즈 레벨의 채널폭을 가짐으로써 기존의 구조에 비해 단위 면적당 광에 대한 감도가 매우 뛰어나고, 또한 SOI 구조의 기판위에 형성된 나노 사이즈의 채널을 통해 국부적인 전위방벽에 의한 암전류를 현저히 감소시키며 다이나믹 레인지가 넓어지는 장점이 있다.
따라서, 본 발명의 고감도 나노 포토디텍터는 입사하는 광량에 매우 민감하게 반응하는 고감도 포토디텍터를 제조 할 수 있는 장점이 있다.
고감도, 나노, 포토디텍터, SOI, MOSFET, 양자채널

Description

고감도 나노 포토디텍터의 구조{High sensitive photodector with nano size channel width}
도 1은 본 발명에 의한 이빔 리소그래프에 의해 형성된 양자 채널을 가지는 SOI MOSFET의 구성도.
도 2는 본 발명에 의한 게이트를 MOSFET의 중성영역인 바디에 콘텍홀을 통해 전기적으로 연결시킨 SOI MOSFET의 구성도.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
1 : P형 기판 2 : 버퍼
3 : 게이트 절연막 10 : 소오스(N+)
11 : 드레인(N+) 12 : 게이트
13 : 콘텍홀 14 : P+
15 : 메탈 20 : 나노 사이즈의 채널
21 : 바디 22 : 콘텍홀과 중성영역 연결부
본 발명은 포토디텍터의 구조 제안에 관한 것으로, 보다 자세하게는 입사하는 광이 보다 민감하게 반응하는 포토디텍터(photodetector)를 구현하기 위해 부분 공핍형(partially depleted) SOI MOSFET에서 게이트와 바디를 묶어서 이를 풀로우팅(floating)시키고 동시에 나노 사이즈(nano size)의 채널폭을 가지는 고감도 나노 포토디텍터 구조 제안에 관한 것이다.
종래에는, 수직형 구조인 PIN 포토다이오드(Positive-Intrinsic-Negative Photodiode, 이하 PIN 포토다이오드)와 수평적 구조의 MSM(Metal-Semiconductor-Metal Photodiode, 이하 MSM 포토다이오드)이 사용되고 있는데, MSM 포토다이오드는 상용제품화하기 어려운 특성 때문에 주로 PIN 포토다이오드가 사용되고 있다. 역바이어스가 인가된 PIN 포토다이오드는 공핍영역에서 입사광에 의해 생성된 EHP(Electron-Hole Pair, 이하 EHP)들이 바이어스에 따라 전자는 N+영역으로 홀은 P영역으로 이동하게 된다. 이러한 원리에 의해 출력되는 광전류는 PN 접합면의 면적에 비례하게 된다.
그러나, 상기와 같은 종래의 포토디텍터의 동작원리상 출력 광전류가 입사광에 의해 생성된 EHP수 및 이들이 제결합 될 때까지의 평균 수명에 의존하고 추가적인 증폭기능이 없기 때문에 이론적인 양자 효율이 항상 1 이하이고 출력감도가 제한 되는 구조를 가지는 것이 문제점이다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위해서 MOSFET를 이용한 포토디텍터에 대한 접근이 이루어지고 있는데, 미국 특허(제6,043,508호)에는 평판 게이트를 이용한 MOSFET 포토디텍터에 대해 개시하고 있다. MOSFET 소자는 가격이 싸고 감도가 좋으며 집적화가 용이하다는 특성이 있어, 부품의 소형화, 절전화에 따라 포토디텍터로 이용될 경우 매우 유용한 소자로 이용될 수 있다.
그러나, 포토디텍터로서의 MOSFET은 일반적으로 빛으로 생성되는 전자-정공쌍과 상온에서 자연적으로 생성되는 전자-전공 쌍 간을 구분할 방법이 없어서 감도가 떨어지고 초기 암전류가 높은 단점을 지니고 있으며, 이에 대한 체계적인 연구가 이루어지지 않고 있다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 제반 단점과 문제점을 해결하기 위한 것으로, 활성화된 SOI 웨이퍼부에 형성된 채널; 상기의 채널을 감싸고 있는 게이트 절연막; 상기 채널의 캐리어의 흐름을 제어하기 위해 연결된 게이트; 상기 채널 영역의 양끝에 형성된 소오스와 드레인; 및 상기 게이트와 소오스 및 드레인부와 연결된 금속층을 포함하여 이루어진 SOI MOSFET 구조를 기본으로 하여 활성층 두께가 수백nm 내외인 부분 공핍형 SOI 기판에 게이트와 바디가 전기적으로 연결되고, 동시에 채널폭이 나노 사이즈인 나노 포토디텍터의 구조를 가짐으로써, 입사하는 광량에 매우 민감하게 반응하는 포토디텍터 구조를 제공함에 본 발명의 목적이 있다.
본 발명의 상기 목적은 활성화된 SOI 웨이퍼부에 형성된 채널; 상기의 채널을 감싸고 있는 게이트 절연막; 상기 채널의 캐리어의 흐름을 제어하기 위해 연결된 게이트; 상기 채널 영역의 양끝에 형성된 소오스와 드레인; 및 상기 게이트와 소오스 및 드레인부와 연결된 금속층을 포함하여 이루어진 SOI MOSFET를 기본 구조로 하여, 나노 사이즈의 채널을 형성하는 구조 및 게이트와 채널의 중성영역인 바디가 전기적으로 연결된 구조로 이루어짐을 특징으로 하는 고감도 나노 포토디텍터로 달성된다.
본 발명의 상기 목적과 기술적 구성 및 그에 따른 작용효과에 관한 자세한 사항은 본 발명의 도면을 참조한 이하 상세한 설명에 의해 보다 명확하게 이해될 것이다.
먼저, 도1은 메사 아이솔레이티드(MESA isolated) 부분 공핍형 SOI MOSFET 구조에 포토마스크를 사용하여 식각하는 방법을 포함한 이빔 리소그래피(E-beam lithgraphy)장비를 이용하여 나노 사이즈 레벨의 채널폭(20)을 형성시켜 국부적인 전위방벽을 형성된 포토디텍터의 구성도이다.
활성화된 SOI 웨이퍼부; 상기 활성화된 SOI 웨이퍼부 중앙에 형성된 양자채널(20); 상기의 양자채널을 감싸고 있는 게이트 절연막(3); 상기 양자채널에서의 캐리어의 흐름을 제어하기 위해 연결된 게이트(12); 상기 채널 영역의 양끝에 형성된 소오스(10)와 드레인(11); 및 상기 게이트와 소오스 및 드레인부와 연결된 금속층(15)을 포함하여 이루어져 있다.
이 때의 양자채널을 감싸고 있는 게이트 절연막은 SiO2를 포함한 산화물과 질화물로 이루어져 있으며, 그 두께는 1nm 내지 500nm 이내로 한다.
그리고, 소오스(10)와 드레인(11)은 채널의 극성과 반대로서 이를테면, 소오스와 드레인이 N+형일 때 채널 영역은 P+형이 되고, 반대로 소오스와 드레인이 P+형일 때에는 채널 영역이 N+형이 되는 것으로서, 전자에 해당되는 MOSFET을 N-P-N형 MOSFET이라고 하고, 후자에 해당되는 MOSFET은 P-N-P형 MOSFET이라 한다. 또 소오스와 드레인의 두께는 1000nm 이하로 한다.
게이트와 소오스 및 드레인부와 연결된 금속층은 Al, Ti, W, In, Co, Au, Ni 및 Cr 중의 어느 하나를 포함하는 순수 금속 또는 이들의 화합물로 한다.
이 때 상기 활성영역이 형성되는 단계에서는 활성 영역 마스크와 포토리소그래피 공정 및 식각 공정이 이용되고, 상기 양자채널이 형성되는 단계에서는 포토마스크를 사용하여 식각하는 방법을 포함한 이빔 리소그래피 기술을 이용한 것을 특징으로 한다.
다음, 도1은 본 발명에 의한 SOI MOSFET 포토디텍터를 위쪽에서 내려다본 평면도이다. 도1에서 양자채널은 하나인 것으로 나타내었지만, 양자채널의 개수는 적어도 하나 이상으로 한다.
또한, 양자채널의 폭 W는 1nm 내지 200nm 이내로 한다.
제안된 구조의 포토디텍터는 메사 아이솔레이티드 SOI 나노 스케일 NMOSFET구조를 가지므로 2D 사이드월 효과(sidewall effect)가 증대되어 문턱 전압이 낮아 지게 된다. 이때 외부에서 광이 입사하면 EHP가 생성되고 전자는 드레인(11)쪽으로 홀은 소오스(10)쪽 중성영역으로 이동하게 된다. 이렇게 중성영역에 축적된 홀에 의해 나노 채널부(20)의 전위 장벽이 쉽게 낮아지게 되고 인가된 드레인-소스 바이어스에 의해 광전류가 흐르게 된다.
다음, 도2는 도1에서 기술된 소자의 특성에 추가적인 감도를 높이기 위해 게이트(12)를 플로우팅시키고 이를 MOSFET의 중성영역인 바디(21)에 콘텍홀(13)을 통해 전기적으로 연결(22)시키므로써, 중성영역에서 흡수된 광량에 의해 발생한 EHP에서 전자들은 양의 바이어스가 인가된 드레인(11)쪽으로 흘러가게 하고 홀들은 소오스(10) 근처의 중성영역에 축적되어 바디 전위를 높이게 된다. 이때 게이트(12)는 콘텍홀(13)을 통해 바디(21)와 전기적으로 연결(22)되어 있으므로 전위가 높아지게 된다. 이것은 마치 외부에서 인위적인 양의 바이어스를 게이트(12)에 걸어주는 것과 동일하게 작용한다. 따라서 입사하는 미약한 광량에서도 드레인 전류가 추가적으로 증폭되어 많은 광전류를 흘러주게 된다.
상기 두가지 효과의 복합작용에 의한 광응답성이 개선되어 입사되는 광에 대한 감도가 현격히 개선되는 구조를 가지고 있다. 동시에 발명된 포토디텍터는 다크(dark)상태에서는 나노 채널의 전위 장벽에 의해 광전류가 흐르지 못하므로 암전류(dark current)가 매우 낮은 특성을 동시에 가지므로, 발명된 구조의 포토디텍터는 고감도와 큰 다이나믹 레인지(dynamic range)를 가진다.
따라서, 본 발명의 포토디텍터는 플로우팅 게이트(12)와 바디(21)가 전기적으로 연결(22)된 SOI MOSFET형 구조를 가지는 동시에 나노 사이즈 레벨의 채널폭(20)을 가지므로써 기존의 SOI MOSFET 구조에 비해 단위 면적당 광에 대한 감도가 매우 뛰어나고, 또한 SOI 구조의 기판위에 형성된 나노 사이즈의 채널을 통해 국부적인 전위방벽에 의한 암전류를 현저히 감소시키며 다이나믹 레인지가 넓어지는 장점이 있다.

Claims (8)

  1. 활성화된 SOI 웨이퍼부에 형성된 채널; 상기의 채널을 감싸고 있는 게이트 절연막; 상기 채널의 캐리어의 흐름을 제어하기 위해 연결된 게이트; 상기 채널 영역의 양끝에 형성된 소오스와 드레인; 및 상기 게이트, 소오스 및 드레인부와 연결된 금속층을 포함하여 이루어진 SOI MOSFET를 이용한 포토디텍터의 구조에 있어서,
    나노 사이즈의 양자채널이 형성된 구조; 및
    채널의 중성영역인 바디는 게이트와 전기적으로 연결된 구조
    를 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 고감도 나노 포토디텍터.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기의 양자채널을 감싸고 있는 게이트 절연막은 SiO2를 포함한 산화물이나 질화물로 이루어져 있음을 특징으로 하는 고감도 나노 포토디텍터.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기의 양자채널을 감싸고 있는 게이트 절연막의 두께는 1nm 내지 500nm 이내임을 특징으로 하는 고감도 나노 포토디텍터.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 소오스 및 드레인부와 연결된 금속층은 Al, Ti, W, In, Co, Au, Ni 및 Cr 중의 어느 하나를 포함하는 순수 금속이나, 상기 금속들 중 임의의 둘 이상를 포함하는 금속합금으로 이루어진 것을 특징으로 하는 고감도 나노 포토디텍터.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 MOSFET은 N-P-N형 MOSFET 또는 P-N-P형 MOSFET임을 특징으로 하는 고감도 나노 포토디텍터.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 나노 사이즈의 양자채널을 형성하는 구조는 포토마스크를 사용하여 식각하는 방법을 포함한 이빔 리소그래피를 이용하여 형성됨을 특징으로 하는 고감도 나노 포토디텍터.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 양자채널의 폭은 1nm 내지 200nm 이내임을 특징으로 하는 고감도 나노 포토디텍터.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 채널의 중성영역인 바디와 게이트는 콘텍홀을 통하여 전기적으로 연결하는 것을 특징으로 하는 고감도 나노 포토디텍터.
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