KR100676288B1 - Ultraviolet rays sensor - Google Patents
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Abstract
본 발명은 자외선 감지 반도체 소자에 관한 것으로, 쇼트키 접합 및 오믹 접합의 특성을 향상시키고 동시에 광 반응도 및 신뢰성을 향상시키는 것이 가능하도록 기판(10) 위에 형성된 AlxGa1 - xN (0≤x≤1)층을 광 흡수층(13)으로 하고 그 위에 광 흡수층(13)보다 알루미늄(Al) 조성이 적고 매우 얇은 AlyGa1 - yN (0≤y≤x)층을 캡핑(capping)층(17)으로 한 후 그 위에 투과성의 쇼트키 접합층(15)을 형성하고 오믹접합층(16)은 캡핑층(17) 위나 광 흡수층(13) 상에 형성한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an ultraviolet sensing semiconductor device, wherein Al x Ga 1 - x N (0≤x) formed on the substrate 10 to improve the characteristics of the Schottky junction and the ohmic junction and at the same time improve the optical reactivity and reliability. The layer ≤1) is used as the light absorbing layer 13, and a capping layer is formed on the Al y Ga 1 - y N (0≤y≤x) layer having a smaller aluminum (Al) composition than the light absorbing layer 13 and having a very thin layer. (17), a transparent Schottky bonding layer 15 is formed thereon, and the ohmic bonding layer 16 is formed on the capping layer 17 or on the light absorbing layer 13.
자외선, 반도체, 쇼트키, 캡핑, 광 반응도, 신뢰성, 수율 UV, Semiconductor, Schottky, Capping, Light Reactivity, Reliability, Yield
Description
도 1은 종래기술에 의한 자외선 감지 반도체 소자의 단면도,1 is a cross-sectional view of a ultraviolet sensing semiconductor device according to the prior art,
도 2는 도 1에 도시된 반도체 소자의 평면도,2 is a plan view of the semiconductor device illustrated in FIG. 1;
도 3은 종래 또 다른 기술에 의한 자외선 감지 반도체 소자의 단면도,3 is a cross-sectional view of an ultraviolet sensing semiconductor device according to another conventional technology;
도 4는 도 3에 도시된 반도체 소자의 평면도,4 is a plan view of the semiconductor device illustrated in FIG. 3;
도 5는 본 발명의 제1 실시 예를 도시한 단면도,5 is a cross-sectional view showing a first embodiment of the present invention;
도 6은 도 5에 도시된 반도체 소자의 평면도,6 is a plan view of the semiconductor device illustrated in FIG. 5;
도 7은 본 발명의 제2 실시 예를 도시한 단면도,7 is a cross-sectional view showing a second embodiment of the present invention;
도 8은 도 7에 도시된 반도체 소자의 평면도,8 is a plan view of the semiconductor device illustrated in FIG. 7;
도 9는 본 발명의 제3 실시 예를 도시한 단면도,9 is a cross-sectional view showing a third embodiment of the present invention;
도 10은 도 9에 도시된 반도체 소자의 평면도,10 is a plan view of the semiconductor device illustrated in FIG. 9;
도 11은 종래 발명과 본 발명에 의한 소자의 전류-전압특성 비교 그래프,11 is a graph comparing current-voltage characteristics of devices according to the related art and the present invention;
도 12는 종래 소자의 수율 그래프,12 is a yield graph of a conventional device,
도 13은 본 발명에 의한 소자의 수율 그래프이다.13 is a yield graph of the device according to the present invention.
10 : 기판 11 : 저온 버퍼층10
12 : 고온 버퍼층 13 : 광 흡수층12 high
14 : 쇼트키 접합층 15 : 쇼트키 패드층14: Schottky bonding layer 15: Schottky pad layer
16 : 오믹접합층 17 : 캡핑층16: ohmic bonding layer 17: capping layer
18 : 중간버퍼층18: middle buffer layer
본 발명은 자외선 감지 반도체 소자에 관한 것으로, 상세히는 광 흡수층인 AlxGa1-xN (0≤x≤1)층 위에 광 흡수층보다 Al 조성이 적고 매우 얇은 AlyGa1 - yN (0≤y≤x) 층을 캡핑(capping) 층으로 한 후 그 위에 쇼트키 접합층을 형성함으로서 쇼트키 접합 및 오믹 접합의 특성을 향상시키고 동시에 광 반응도 및 신뢰성을 향상시킬 수 있도록 한 자외선 감지 반도체 소자에 관한 것이다.The present invention relates to ultraviolet light-sensing semiconductor device, specifically less than the Al composition of the light absorption layer on the Al x Ga 1-x N ( 0≤x≤1) of the light absorption layer is very thin Al y Ga 1 - y N ( 0 An ultraviolet sensing semiconductor device capable of improving the characteristics of the Schottky junction and the ohmic junction and at the same time improving the optical reactivity and reliability by forming a Schottky junction layer on the ≤y≤x) layer and then forming a Schottky junction layer thereon. It is about.
파장이 400nm 이하인 자외선은 파장별로 여러 대역으로 나뉘는데, UV-A영역은 320nm-400nm로서 태양광 중 지표면에 도달하는 98% 이상이 UV-A영역이다. UV-A는 인체의 피부에 흑화현상이나 피부노화의 영향을 준다. UV-B영역은 280nm-320nm로서 태양광 중 대략 2%만이 지표면에 도달하게 되는데, 인체에는 피부암이나 백내장, 홍반현상 등 매우 심각한 영향을 준다. UV-B는 오존층에 의해서 대부분 흡수되지만 최근에 오존층의 파괴에 의해 지표면에 도달하는 양이 증가하고 그 지역이 증가하고 있어서 심각한 환경문제로 대두되고 있다. UV-C는 200nm-280nm로서 태양광 에서 오는 것은 모두 대기중에 흡수되어 지표면에 거의 도달하지 않는다. 이 영역은 살균작용에 많이 이용되고 있다. 이러한 자외선이 인체에 미치는 영향을 정량화 한 것 중에 대표적인 것이 UV-B 입사량으로 정의된 자외선 지수(UV Index)이다.Ultraviolet rays with a wavelength of 400 nm or less are divided into several bands for each wavelength. The UV-A region is 320 nm-400 nm, and more than 98% of the sunlight reaching the earth's surface is the UV-A region. UV-A has the effect of blackening or skin aging on human skin. The UV-B area is 280nm-320nm, and only about 2% of sunlight reaches the surface of the earth. It has a very serious effect on the human body such as skin cancer, cataracts and erythema. UV-B is mostly absorbed by the ozone layer, but recently, the amount reaching the surface of the earth due to the destruction of the ozone layer is increasing and the area is increasing, which is a serious environmental problem. UV-C is between 200nm and 280nm, and everything coming from sunlight is absorbed into the atmosphere and hardly reaches the earth's surface. This area is widely used for sterilization. One of the quantified effects of ultraviolet rays on the human body is the UV Index defined by the amount of UV-B incident.
자외선을 감지할 수 있는 소자는 PMT(photo multiplier tube)나 반도체 소자가 있는데, PMT보다 반도체 소자가 값싸고 크기가 작기 때문에 최근에는 대부분 반도체 소자를 많이 사용한다. 반도체 소자에서는 에너지 밴드 갭이 자외선 감지에 적당한 GaN, SiC등과 에너지 밴드 갭이 작지만 Si이 많이 이용되고 있다. 이 중에 특히 GaN를 기반으로 하는 소자의 경우 쇼트키 접합 형태와 MSM(metal-semiconductor-metal)형태 그리고 PIN형태의 소자가 주로 사용되는데, 특히 쇼트키 접합 형태의 소자가 공정이 간단하여 선호되고 있다.Ultraviolet rays can be detected by using a photo multiplier tube (PMT) or a semiconductor device. Since semiconductor devices are cheaper and smaller than PMT, most of them use a lot of semiconductor devices in recent years. In the semiconductor devices, GaN, SiC, etc., in which the energy band gap is suitable for ultraviolet detection, and the energy band gap are small, but Si is widely used. Among the devices based on GaN, Schottky junction type, MSM (metal-semiconductor-metal) type and PIN type devices are mainly used. Schottky junction type devices are preferred because of their simple process. .
종래의 쇼트키 접합 자외선 감지소자의 구조가 도 1 및 도 2에 나타나 있다. 도 1 및 도 2에서 보듯이 종래의 쇼트키 접합 자외선 감지소자는 우선 기판(10) 위에 MOCVD나 MBE를 이용하여 GaN, SiC층을 성장한다. 사용하는 기판(10)은 GaN층 성장의 경우 사파이어가 가장 많이 사용되고, Si이나 GaAs, SiC 등도 사용되며, 드물게는 유리도 사용이 된다.The structure of a conventional Schottky junction ultraviolet sensing element is shown in FIGS. 1 and 2. As shown in FIG. 1 and FIG. 2, the conventional Schottky junction UV sensing device first grows a GaN and SiC layer on the
사파이어 기판의 경우 (0001)면에 성장을 하게 되는데, GaN와 사파이어간의 격자상수 차이에 의해 바로 성장하면 크랙(crack)이 발생하여 층이 제대로 성장되지 않는다. 따라서 정상적인 성장온도보다 낮은 500~600℃ 온도에서 저온 버퍼층 (11)을 성장하고 난 후 성장온도를 올려서 소자에 필요한 층을 성장하게 된다. 저온 버퍼층(11)은 GaN나 AlN를 주로 성장하며 두께는 0.1um 이하이다. 저온 버퍼층(11)을 성장한 다음 그 위에 고온 버퍼층(12)을 성장하는데 주로 GaN층을 성장하며, 일반적으로 0.5~2um정도를 성장해야 기판(10)과 상기 저온 버퍼층(11)에 기인한 결함의 영향을 줄여서 층의 결정특성이 양호해 진다. 고온 버퍼층(12)은 광 흡수층이 AlGaN층인 경우 AlGaN층을 성장하기도 한다. 고온 버퍼층(12)은 층의 도핑농도를 n-타입으로 유지하기 위해 Si과 같은 도펀트로 인위적으로 도핑을 하기도 한다.In the case of a sapphire substrate is grown on the (0001) plane, if the growth immediately due to the lattice constant difference between GaN and sapphire cracks (crack) occurs, the layer does not grow properly. Therefore, the low
고온 버퍼층(12)의 성장 후에 광 흡수층(13)을 성장하는데 흡수하고자 하는 광의 파장에 따라 층의 조성을 다르게 하여 성장한다. 예를 들어 UV-B영역을 감지하고자 한다면, Al이 약 20% 함유된 AlGaN층을 성장하고, UV-C영역을 감지하고자 한다면 Al이 45%정도 함유된 AlGaN층을 성장한다. The growth of the
고온 버퍼층(12)이 GaN이고 광 흡수층(13)이 AlGaN인 경우 Al조성이 높으면 격자상수 차이에 의해 성장 중이나 성장 후에 크랙이 발생하여 소자동작을 하지 못하므로 고온 버퍼층(12)과 광 흡수층(13) 사이에 또 다른 중간 버퍼층(도시안됨)을 삽입하기도 한다. 삽입되는 중간 버퍼층은 AlGaN이나 AlN층을 성장하는데 성장온도를 낮추거나 광 흡수층(13)보다 Al조성이 큰 층을 얇게(<0.1um) 성장한다. 광 흡수층(13)의 도핑농도는 n-타입으로 유지하면서 도핑농도가 낮아야 효율이 크므로 가능한 1E17cm- 3이하로 유지하는데 AlGaN층의 경우 1E18cm-3의 도핑농도를 갖기도 한 다. 광 흡수층(13)의 두께는 0.1um에서 2um정도까지 소자의 구조에 따라 다양하게 성장한다. In the case where the high
MOCVD성장이 끝난 웨이퍼는 우선 오믹접합층(16)을 형성하는데, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 광 흡수층(13) 위에 바로 형성하기도 하거나, 또는 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이 광 흡수층(13)을 식각해내고 고온 버퍼층(12) 위에 형성하기도 한다. 고온 버퍼층(12)에 오믹 접합을 형성하는 경우는 고온 버퍼층(12)이 광 흡수층(13)보다 도핑농도가 높게 형성되어 오믹접합 특성이 좋을 경우와 광 흡수층(13)이 AlGaN인 경우 오믹접합 특성 확보가 어려울 경우 고온 버퍼층(12)에 GaN 또는 광 흡수층(13)보다 Al조성이 낮은 AlGaN층을 형성하고 여기에 오믹 접합층(16)을 형성하기도 한다. 오믹접합 형성을 위한 금속은 주로 Ti/Al, Cr/Ni/Au등이 사용된다. Ti/Al의 경우 Ti(<500Å)/Al(>3000Å)두께를 형성하며, 금속을 증착한 후, 질소 또 질소가 포함된 혼합가스 분위기에서 >400℃ 온도에서 적정 시간 동안 열처리하여 오믹접합을 형성한다. After the MOCVD growth, the wafer is first formed with an
오믹접합층(16)을 형성한 다음 쇼트키 접합층(14)을 광 흡수층(13) 위에 형성하는데, 주로 사용하는 금속은 Ni, Pt, Ru, Au 등이다.After the
쇼트키 접합 자외선 감지소자의 경우 쇼트키 접합층(14)을 투과해서 광이 광 흡수층(13)으로 입사되어야 하기 때문에 쇼트키 접합층(14)의 자외선 투과도가 중요한 항목이다. 따라서 금속의 두께를 대부분 500Å 이하로 증착하여 형성한다. 또한 전기적인 특성과 신뢰성 특성 개선을 위해 금속 증착 후 열처리를 하여 산화물 을 형성하는 경우도 있다. 즉 NiOx나 RuOx등의 개선된 특성이 많이 보고되어 있다. 열처리 온도는 금속과 공정에 의해 다양하게 진행되는데 주로 300℃ 내외에서 진행된다. In the case of the Schottky junction UV sensing element, since the light must pass through the Schottky
쇼트키 접합층(14) 위에 전기적인 특성을 개선하기 위하여 광 투과성의 전도층을 추가로 형성하기도 하는데 ITO가 주로 사용된다. 쇼트키 접합층(14)을 형성한 후에 외부 전극과의 와이어 연결을 위해 쇼트키 접합층(14) 위에 Au를 두껍게 증착하여 쇼트키 패드층(15)을 형성한다. ITO is mainly used to further form a light transmissive conductive layer on the
상기 쇼트키 패드층(15)은 주로 Ni/Au나 Cr/Ni/Au를 사용하며, 오믹접합층 (16) 위에도 별도로 형성하기도 한다. 쇼트키 패드층(15)이 형성된 영역은 광이 투과하지 못하여 쇼트키 접합층(14)의 역할을 하지 못하므로 쇼트키 패드층(15)의 영역은 본딩 와이어를 위한 최소한의 공간으로 줄여야 한다. 쇼트키 패드층(15) 까지 형성이 끝나면 기판(10)의 뒷 면을 랩핑/폴리싱하여 전체 두께를 100um정도로 한 다음에 스크라이브(scrlbe)/브레이크(brake)과정을 거쳐 개별 소자로 분리하게 된다. The
분리된 개별소자는 TO-CAN 타입 패키지나 SMD 타입 패키지에 장착하여 감지소자로서 동작을 하게 된다.The separated individual device is mounted in a TO-CAN type package or an SMD type package to operate as a sensing device.
종래의 쇼트키 접합 감지소자의 경우 자외선 투과도를 높이고 신뢰성을 개선하기 위해 열처리한 쇼트키 접합층을 형성한다. 즉, 금속을 증착한 후 산소가 포함된 분위기에서 열처리하여 산화물을 형성하면 단파장에서의 자외선 투과도가 증가 하고 신뢰성이 개선된다. 그러나 이러한 개선효과에도 불구하고 AlGaN의 광 흡수층 위에 바로 쇼트키 접합층을 형성할 경우 AlGaN의 높은 저항으로 인해 균일한 쇼트키 접합특성을 얻지 못하고 동시에 광 흡수층과 쇼트키 접합계면의 접합력이 약하여 시간이 지남에 따라 광 반응도 저하, 신뢰성 저하의 문제가 있다.In the case of the conventional Schottky junction sensing device, a Schottky junction layer is heat-treated to improve ultraviolet transmittance and improve reliability. In other words, when the metal is deposited and then heat-treated in an oxygen-containing atmosphere to form an oxide, UV transmittance at short wavelength is increased and reliability is improved. However, in spite of the improvement effect, when Schottky junction layer is formed directly on the AlGaN light absorbing layer, the high resistance of AlGaN does not provide uniform Schottky bonding characteristics, and at the same time the bonding force between the light absorbing layer and the Schottky junction interface is weak. Over time, there exists a problem of a photoreactivity fall and reliability fall.
본 발명은 상기한 종래 쇼트키 접합 자외선 감지 반도체 소자의 단점을 해소하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 광 흡수층인 AlxGa1 - xN (0≤x≤1)층 위에 광 흡수층보다 Al 조성이 적고 매우 얇은 AlyGa1 - yN (0≤y≤x) 층을 캡핑(capping) 층으로 한 후 그 위에 쇼트키 접합층을 형성함으로서 쇼트키 접합 및 오믹 접합의 특성을 향상시키고 동시에 광 반응도 및 신뢰성을 향상시키기에 적당하도록 한 자외선 감지 반도체 소자를 제공하는데 있다.The present invention has been made to solve the above-mentioned shortcomings of the conventional Schottky junction UV sensing semiconductor device, and an object of the present invention is to provide a light absorbing layer over an Al x Ga 1 - x N (0≤x≤1) layer. By using a thin Al y Ga 1 - y N (0≤y≤x) layer with a low Al composition as a capping layer, a Schottky junction layer is formed thereon, thereby improving the characteristics of the Schottky junction and the ohmic junction. At the same time, to provide an ultraviolet sensing semiconductor device suitable for improving the light reactivity and reliability.
이하에서는 본 발명을 한정하지 않는 바람직한 실시예를 첨부된 도면과 함께 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings, preferred embodiments that do not limit the present invention will be described in detail.
본 발명의 구성은 종래의 광 흡수층 위에 쇼트키 접합층을 형성한 구조에서 AlxGa1-xN (0≤x≤1) 광 흡수층 위에 이 광 흡수층보다 Al조성이 적은 AlyGa1 - yN (0≤y≤x)층을 캡핑(capping) 층으로 한 후 그 위에 쇼트키 접합층을 형성하여 쇼트키 접합 및 오믹 접합의 특성을 향상시키면서 동시에 광 반응도, 신뢰성을 향상시키도록 구조를 개선한 것이다.In the structure of the present invention, Al y Ga 1 - y having a lower Al composition than the light absorbing layer on the Al x Ga 1-x N (0 ≦ x ≦ 1) light absorbing layer in a structure in which a Schottky bonding layer is formed on the conventional light absorbing layer. The N (0≤y≤x) layer is used as a capping layer, and a Schottky junction layer is formed thereon, thereby improving the structure of the Schottky junction and the ohmic junction while improving the optical reactivity and reliability. It is.
도 5 및 도 6은 본 발명의 제 1 실시 예에 의한 자외선 감지 반도체 소자가 도시되어 있다. 도면 중 인용부호는 종래기술의 도면에서 사용된 것과 동일 구성요소 또는 동일 부분에 대하여는 동일한 부호를 사용하였다.5 and 6 illustrate an ultraviolet sensing semiconductor device according to a first embodiment of the present invention. Reference numerals in the drawings used the same reference numerals for the same components or parts as those used in the prior art drawings.
제 1 실시예에 의한 반도체 소자는 도 1 내지 도 4에 도시된 종래의 자외선 감지 반도체 소자와 거의 같지만, 광 흡수층(13) 위에 쇼트키 접합층(14)을 형성하는 종래의 구조와 달리 광 흡수층(13) 위에 캡핑층(17)을 형성한 후, 이 캡핑층(17) 위에 쇼트키 접합층(14)이 형성된 차이점이 있다.The semiconductor device according to the first embodiment is almost the same as the conventional ultraviolet sensing semiconductor device shown in Figs. 1 to 4, but unlike the conventional structure in which the
공정 기술을 보면 기판(10)은 주로 사파이어를 사용하지만 SiC, Si, GaAs, 유리 등도 사용이 가능하다. 직경이 2인치인 사파이어 기판의 경우 두께는 300~450um 이며 성장면으로 주로 (0001)면이 사용되는데 틸트(tilt)를 준 기판도 광 흡수층의 표면을 개선하기 위해 많이 사용된다. 기판(10) 위에 성장을 위한 장치로는 주로 MOCVD, MBE, HVPE등이 사용된다. MOCVD의 경우 기판(10)을 장착한 후 온도를 1,000℃ 이상으로 올려서 기판(10) 표면의 불순물을 제거하는 열적 세정 공정을 한 다음 성장을 하게 되는데, 먼저 저온 버퍼층(11)을 성장한다. 즉 MOCVD의 성장온도를 500~600℃로 낮춘 다음, 200~500Å 두께로 저온 버퍼층(11)을 성장하는데 GaN 또는 AlN를 성장한다. 저온 버퍼층(11)을 성장하는 이유는 기판(10)과 성장하는 층의 격자상수가 달라서 결정성장이 안되기 때문에 이를 해결하기 위한 것이다. 저온 버퍼층(11) 성장 이후 성장온도를 1,000℃ 이상으로 올리고 고온 버퍼층 (12)을 성장한다. 고온 버퍼층(12)은 주로 GaN층을 성장하며, 일반적으로 두께는 0.5~3um이고 인위적으로 도핑을 하든 하지 않든 n-타입으로 도핑이 된다. 도핑농도는 mid. E16 ~ low E18 cm-3 정도로 유지한다. 고온 버퍼층(12)위에 자외선을 흡수하여 전류를 발생하는 광 흡수층(13)을 성장한다. 광 흡수층(13)은 GaN나 AlGaN층을 0.1~2um정도 두께로 성장을 하는데 가능한 낮은 도핑농도를 갖도록 성장한다.In view of the process technology, the
광 흡수층(13)이 AlGaN이면서 고온 버퍼층(12)이 GaN인 경우 격자상수 차이에 의해 두께가 두꺼우면 크랙이 발생하기 때문에 AlGaN층의 두께에 제한이 있다.예를 들어 Al조성이 20%인 AlGaN층의 경우 0.1um 이상 성장하게 되면 크랙이 발생한다. 따라서 이를 방지하기 위해서는 고온 버퍼층(12)과 광 흡수층(13) 사이에 중간 버퍼층(18)을 삽입하기도 하는데 이는 도 9의 제 3 실시 예에 나타나 있다. 중간 버퍼층(18)으로는 주로 AlN나 AlGaN층을 성장하며 두께는 500Å이하 정도로 형성한다. 성장온도는 500~600℃의 저온에서 하기도 하고 900~1,100℃의 고온에서 하기도 한다. 광 흡수층(13)성장 후 캡핑층(17)을 성장하게 된다. 캡핑층으로 10nm 이하의 AlyGa1-yN (0≤y≤x)층을 사용할 수 있다. 캡핑층(17)은 광 흡수층(13)보다 Al 조성이 적은 층으로 되어 있으며, 캡핑층(17)의 성장 온도는 500 ~ 1200 ℃ 사이에서 성장할 수 있다. 캡핑층(17)의 두께는 광 흡수층(13)에 형성되는 SCR(space charge region)영역의 두께보다 최소한 1/10보다 작게 형성을 해야 광 흡수층(13)에 의한 광 반응도에 10% 이하의 영향을 주게 된다. 또한 도핑농도도 광 흡수층(13)과 같거나 낮게 도핑을 형성해야 한다. 캡핑층(17)까지 성장이 끝나면 성장된 시료를 성장 장치에서 꺼내어 HF용액으로 세정한 다음 바로 칩(chip)제조 공정을 진행한다. 먼저 캡핑층(17) 상에 포토레지스터로 패턴을 형성하고 전자 빔(e-beam)이나 열 증착기(thermal evaporator)를 이용하여 Ti/Al금속 등을 증착한 다음 포토레지스터를 제거하여 오믹접합층(16)을 형성한다. N-타입 GaN나 AlGaN층에 오믹 접합을 형성하기 위해 주로 사용되는 금속은 Ti/Al, Cr/Ni/Au등이 있으며 증착두께는 Ti/Al의 경우 Ti(100~500Å)정도 Al(5,000~10,000Å)정도를 증착한다. 증착된 오믹접합층(16)은 오믹접합 특성을 확보하기 위해 열처리 공정을 진행하는데, 일반적으로 500℃ 내외의 온도에서 질소 또는 일반 공기 분위기에서 수분간 열처리 진행한다. Cr/Ni/Au와 같이 열처리를 하지 않아도 오믹접합 특성이 확보되는 금속도 있다. 오믹접합층(16)은 도 5 및 도 6에 도시된 실시 예에서와 같이 캡핑층(17) 상에 형성하기도 하지만 오믹접합 특성을 캡핑층에서 얻기 어려울 때는 도 7 및 도 8의 제 2 실시 예에서와 같이 캡핑층(17)과 광 흡수층(13)을 식각해 내고 고온 버퍼층(12)상에 형성하기도 한다. 식각은 주로 유도결합형 플라즈마 발생장치(ICP)를 이용한 건식 식각방법을 사용한다.In the case where the
오믹접합층(16)의 형성 이후 쇼트키 접합층(14)이 형성될 영역을 포토레지스터로 패턴을 형성하고 전자빔(e-beam)이나 열 증착기(thermal evaporator)를 이용하여 Ni, Pt, Pd, Au등을 얇게 증착한 다음 포토레지스터를 제거하여 쇼트키 접합층(14)을 형성한다. 증착하는 쇼트키 금속의 두께는 투과도를 고려하여 100Å 이하로 한다. 쇼트키 금속을 증착한 다음 열처리를 진행하는데 오믹접합층(16) 형성시 진행한 온도보다 낮은 온도로 진행한다. Ni을 증착한 경우에 산소 분위기에서 열처리를 하면 NiOx가 형성이 되며, 이렇게 형성된 쇼트키 접합은 열처리 하지 않은 Ni보다 단파장에서의 투과율이 개선되고 소자의 신뢰성 개선효과를 갖는다. 쇼트키 접합층(14) 형성 이후에 쇼트키 패드층(15) 형성을 위해 포토레지스터로 패턴을 형성하고 전자빔이나 열 증착기를 이용하여 Ni/Au, Pt/Au등을 증착한 다음 포토레지스터를 제거하여 쇼트키 패드층(15)을 형성한다. 증착두께는 Ni, Pt(<500Å), Au(>5,000Å)정도로 하며 별도의 열처리는 하지 않는다. 쇼트키 패드층(15)까지 형성이 되면 입사되는 자외선의 반사를 막기 위해 SiO2 등으로 파장에 맞는 두께를 증착하기도 한다. 이후 웨이퍼 상태에서 소자의 특성을 검사하여 양호한 소자와 불량 소자를 잉크 마크(ink mark)로 구별한 다음 기판(10)의 뒷 면을 그라인딩/랩핑/폴리싱하여 전체 두께를 100um정도로 형성한 다음 스크라이브(scribe)/브레이크(brake)공정으로 개별 칩으로 분리하여 패키지 공정을 진행한다. After the
패키지 공정에서는 TO-CAN 타입이나 SMD 타입의 패키지에 제작한 칩을 다이 본딩하고 쇼트키 패드층(15)과 오믹접합층(16)을 각각 패키지의 애노우드(anode)와 캐소우드(cathode)전극과 Au나 Al 와이어를 이용하여 와이어 본딩한다. 이후 칩과 외부환경과 완전히 분리하기 위한 인캡슐탄트(encapsultant)나 유리로 최종 조립을 하게 된다. In the packaging process, die-bonding chips manufactured in a TO-CAN type or SMD type package are used, and the
도 7 및 도 8의 제 2 실시 예에서는 오믹 접합층(16)을 캡핑층(17)상에 형성하지 않고 고온 버퍼층(12)상에 형성하는 경우를 보여주고 있다. 이 경우는 캡핑층 (17)의 밴드갭이 높거나 다른 이유로 오믹접합 특성을 얻기 어려울 경우에 형성한다.7 and 8 illustrate a case in which the
도 9 및 도 10의 제 3 실시 예에서는 고온 버퍼층(12)과 광 흡수층(13)사이에 중간 버퍼층(18)이 형성된 것으로, 광 흡수층(13)이 AlGaN로 형성될 경우 고온 버퍼층(12)인 GaN와 격자상수가 커서 바로 성장할 경우에 크랙이 발생하는 문제가 있는데, 이를 해결하기 위하여 AlN나 AlGaN층 또는 조성이 다른 2개의 물질을 교대로 성장한 초격자층을 중간 버퍼층(18)으로 삽입한다. 초격자층으로 구성할 경우 GaN/AlN, GaN/AlGaN, AlGaN/AlN등으로 구성하며 두께는 각각의 층이 200Å을 넘지 않도록 한다.9 and 10, the
이와 같이 구성된 본 발명의 자외선 감지 반도체 소자는 개별 칩으로 분리되어 TO-CAN타입이나 SMD 타입으로 패키지되어 동작하게 된다. 애노우드 전극과 캐소우드 전극 간에 바이어스를 역방향으로 주던가 또는 제로 바이어스를 주면 입사된 자외선이 쇼트키 접합층(14)을 투과하여 캡핍층(17)과 광 흡수층(13)에 형성된 공핍층 내에서 흡수되어 전자, 정공을 발생시키고 이들이 각각 캐소우드와 애노우드 전극으로 이동하여 전류가 흐르므로 입사된 광량을 감지하게 된다. 광 흡수층(13)의 조성을 변화시키면 감지하는 자외선의 파장을 조절할 수 있다. 즉 Al조성이 20%인 AlGaN층을 광 흡수층(13)으로 형성하면 밴드갭에 의해 320nm 이하의 파장만 흡수가 되어 UV-B, UV-C영역만을 감지할 수 있으며, Al조성이 40~50%정도로 형성하면 280nm이하의 파장만 흡수가 되어 UV-C영역만 감지할 수 있다. 또한 패키지에 사용 되는 유리에 필터기능을 갖는 코팅을 할 경우 다양한 파장조절 기능을 가질 수 있다. 즉, 광 흡수층(13)이 GaN로 형성이 된 경우 370nm이하의 파장을 모두 감지하지만 유리를 280-320nm만 투과하게 한다면 광 흡수층(13)이 GaN로 형성이 되더라도 UV-B영역만 감지할 수 있다.The ultraviolet-sensing semiconductor device of the present invention configured as described above is separated into individual chips to be packaged and operated in TO-CAN type or SMD type. When the bias is reversed or zero biased between the anode and cathode electrodes, the incident ultraviolet rays penetrate the
도 11은 도 1 내지 도 4에 도시된 종래 발명과 본 발명에 의한 소자의 전류-전압특성을 비교한 그래프로서, 종래의 소자는 오믹 접합이 AlGaN층에 형성됨에 따라 턴-온(turn-on) 전압이 높고 저항이 커서 전류흐름에 제한이 있지만, 본 발명에 의한 소자는 광 흡수층보다 알루미늄 조성이 적고 매우 얇은 AlyGa1-yN (0≤y≤x)층을 캡핑층으로 한 후 그 위에 쇼트키 접합층을 형성하고 오믹 접합층은 캡핑층 위나 광 흡수층 상에 형성함으로써 전류흐름이 많이 개선되었음을 보여주고 있다.FIG. 11 is a graph comparing the current-voltage characteristics of the device according to the present invention shown in FIGS. 1 to 4 with the present invention. The conventional device is turned on as an ohmic junction is formed in an AlGaN layer. ) The current flow is limited due to high voltage and large resistance, but the device according to the present invention has a thin aluminum composition and a very thin Al y Ga 1-y N (0≤y≤x) layer than the light absorbing layer. The Schottky bonding layer is formed thereon, and the ohmic bonding layer is formed on the capping layer or on the light absorbing layer, which shows that the current flow is greatly improved.
도 12는 도 1 내지 도 4에 도시된 종래의 자외선 감지 반도체 소자의 수율을 나타낸 그래프로서, 암전류(ld)와 광전류(lph)의 웨이퍼 내의 분포도를 보여주고 있는데, 종래의 소자는 암전류(ld)에 의한 수율감소는 미미하나 광전류(lph)에 의한 수율감소가 커서 14%의 수율을 기록하는데, 이는 금속 접착이 좋지 않아서 쇼트키 접합에 의한 공핍영역이 제대로 형성되지 않았기 때문이다. 반면, 도 13의 그래프에서 알 수 있는 바와 같이 본 발명에 의한 자외선 감지 반도체 소자의 수율은 이러한 단점을 해결함으로써 수율이 67% 정도로 개선된 결과를 보여주고 있다.12 is a graph showing the yield of the conventional ultraviolet sensing semiconductor device shown in FIGS. 1 to 4, and shows a distribution diagram in the wafer of the dark current ld and the photocurrent lph, and the conventional device is a dark current ld. Yield decrease by, but the yield decrease by the photocurrent (lph) is so large that the 14% yield is recorded because the depletion region due to Schottky junction is not properly formed due to poor metal adhesion. On the other hand, as can be seen in the graph of Figure 13, the yield of the ultraviolet-sensing semiconductor device according to the present invention has been shown to improve the yield to 67% by solving this disadvantage.
이상 설명한 바와 같이 종래의 기술은 광 흡수층 위에 쇼트키 접합으로 이루어져 있는데 광 흡수층으로 AlGaN층이 사용될 경우 Al 조성 15%이상에서는 높은 저항 때문에 오믹접합을 AlGaN층에 바로 형성하기 어렵고, 쇼트키 접합장벽이 커져 균일한 쇼트키 특성을 얻기 어렵다. 또한 광 흡수층과 쇼트키 접합층과의 접착력이 약해 떨어지는 문제도 발생한다. 따라서 본 발명에서는 광 흡수층이 AlxGa1 - xN (0≤x≤1)인 경우 광 흡수층보다 Al 조성이 작은 AlyGa1 - yN (0≤y≤x) 캡핑층을 적용하므로서 캡핑층 위에 오믹접합과 쇼트키 접합이 동시에 가능하기도 하고, 캡핑층 위에 형성된 쇼트키 접합층에서 균일한 쇼트키 접합 특성을 얻을 수 있다. 또한 Al조성이 높은 AlGaN층이 금속과 접착력이 좋지 않은데 이러한 원인으로 인한 칩 제조 수율 감소나 신뢰성 저하를 일으키는데, Al조성이 낮은 캡핑층을 추가하므로써 금속과의 접착력을 좋게 하여 쇼트키 접합층 공정시의 수율을 개선하고 신뢰성을 개선시킬 수 있는 유용한 효과를 갖는다.As described above, the conventional technique consists of a Schottky junction on the light absorbing layer. When the AlGaN layer is used as the light absorbing layer, it is difficult to form an ohmic junction directly on the AlGaN layer because of high resistance at an Al composition of 15% or more. It becomes difficult to obtain uniform Schottky characteristics. In addition, a problem arises in that the adhesion between the light absorbing layer and the Schottky bonding layer is weak. Therefore, in the present invention, when the light absorbing layer is Al x Ga 1 - x N (0≤x≤1), the cap is applied by applying the Al y Ga 1 - y N (0≤y≤x) capping layer having a smaller Al composition than the light absorbing layer. Omic bonding and Schottky bonding can be simultaneously performed on the ping layer, and uniform Schottky bonding characteristics can be obtained from the Schottky bonding layer formed on the capping layer. In addition, AlGaN layer with high Al composition does not have good adhesion with metal, which causes chip manufacturing yield or reliability to be reduced due to this reason. It has a useful effect to improve the yield and improve the reliability.
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Legal Events
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