KR100676733B1 - 엔아이피 구조를 갖는 자외선검지기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 근자외선을 검출하는 자외선검지기(UV detector)에 관한 것으로, 보다 상세하게는 포토디텍터(photodetector)의 구조를 PIN에서 NIP 형태로 바꿈으로써, 종래의 P층의 도핑 농도를 높일 수 없어 P층의 두께가 두꺼워지게 되어 결국 양자효율 및 동작속도가 떨어지는 문제점을 개선한 자외선검지기에 관한 것이다.

자외선검지기, 포토디텍터, 포토다이오드, UV detector, PIN, NIP

Description

엔아이피 구조를 갖는 자외선검지기{UV detector having NIP Structure}

도 1은 본 발명의 NIP 구조를 갖는 자외선검지기에 대한 제 1 실시예를 도시한 구조 단면도이다.

도 2는 본 발명의 NIP 구조를 갖는 자외선검지기에 대한 제 2 실시예를 도시한 구조 단면도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10 : 사파이어기판 20 : 버퍼층

30 : GaN 40 : P형 AlGaInN

50 : P^-형 AlGaInN 60 : N⁺형 AlGaInN

70 : N측 전극 80 : P측 전극

90 : N^-형 AlGaInN

본 발명은 근자외선을 검출하는 자외선검지기(Ultraviolet-rays detector : UV detector)에 관한 것으로, 보다 상세하게는 포토디텍터(photodetector)의 구조 를 NIP 형태로 바꿈으로써 양자효율 및 동작속도를 개선한 자외선검지기에 관한 것이다.

포토디텍터는 현재 그 종류도 다양하고 광통신, 인체 감지 등 여러 가지 분야에서 광범위하게 사용되고 있다. 그 중에서 반도체를 이용한 포토디텍터는 대량 생산으로 가격이 낮을 뿐 아니라 특성이 우수하여 가장 많이 사용되고 있다. 반도체를 이용한 포토디텍터는 그 형태에 따라서 PIN, avalanche, Schottky 등의 여러 가지 종류가 있으며 그 중에서 PIN 형태의 포토디텍터는 높은 응답과 낮은 잡음, 빠른 동작 속도 등으로 인해 현재 널리 이용되고 있다.

반도체를 이용한 포토디텍터는 일종의 포토다이오드(photodieode)로 PN 접합에 광 입사에 의해서 발생하는 전자정공쌍(electron-hole pairs)이 전계로 가속되어 광전류로 인출하는 빛을 전기적 신호로 바꾸어 주는 소자이다. 한편, 포토디텍터는 반도체 재료의 에너지밴드갭(E_g)에 대응하는 파장의 광이거나 그것 보다도 조금 짧은 파장의 광 밖에 검출할 수 없다. 그래서 광의 파장대에 따라서 다양한 재료의 포토디텍터가 사용되고 있다. 즉, Si는 에너지밴드갭이 1.1eV이므로 가시광에서 근적외선까지, Ge는 에너지밴드갭이 0.67eV이므로 1600nm 정도의 적외선까지의 광을 검출할 수 있고, 광통신용의 1.55um나 1.3um에는 InP 기판 위에 InGaAs층이 적층된 것을 이용하고 있다. 자색으로부터 근자외선의 광을 검출하려면 그 주변의 넓은 에너지밴드갭을 가지는 재료를 사용해야 하는데, 이를 위해 GaN와 ZnSe 등이 사용되고 있다.

그러나, 근자외선을 검출하기 위한 PIN 형태의 포토디텍터를 제조할 경우 질소계 화합물 반도체와 같은 에너지밴드갭이 큰 물질은 높은 도핑 농도의 P 층을 구현할 수 없는 문제점이 있다. 이런 이유 때문에 현재 질소계 화합물을 사용하는 자외선검지기는 Schottky 다이오드 형태를 주로 사용하고 있다. 이 Schottky 다이오드 형태의 자외선검지기도 단순한 구조로 인해서 제조의 편의성 등의 장점이 있지만, PIN 구조에 비해서 낮은 응답성과 신뢰성 그리고 높은 누설전류 등의 문제점을 가지고 있다.

본 발명의 목적은 상기와 같은 문제점을 해결하고자 P 층의 도핑 농도를 높일 수 없는 반도체를 이용한 포토디텍터에 있어 그 구조를 종래의 PIN 형태에서 NIP 형태로 바꿈으로써 양자효율과 동작속도를 높이는데 있다. 또한 본 발명의 NIP 구조에서 I 층이 도핑 농도가 낮은 N 형이고 두께가 너무 두꺼우면 이 I 층이 충분히 공핍되지 않아 양자효율과 동작속도가 떨어지는 문제점이 있는데, 이를 해결하는 방법을 아울러 제공한다. 즉, 동작 전압에 맞추어 I 층의 두께와 도핑 농도를 최적화하거나, I 층을 도핑 농도가 낮은 N 형 층이 아닌 도핑 농도가 낮은 P 형 층으로 바꾸어 빛이 들어오는 표면 쪽의 I 층 영역이 먼저 공핍되도록 하여 상기 문제점을 해결한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 P형 반도체와 N형 반도체의 접합을 포함하는 자외선검지기에 있어서, 상기 P형 반도체는 기판 상부에 위치하 고, 상기 N형 반도체는 상기 P형 반도체와 N측 전극 사이에 위치하여, 상기 P형 반도체와 N형 반도체의 접합부분에 진성영역(I 영역)이 형성된 것을 특징으로 하는 NIP 구조를 갖는 자외선검지기를 제공한다.

본 발명은 자외선이 P층을 통해서 공핍층으로 진행하는 PIN 구조의 포토디텍터가 아닌 NIP 구조의 포토디텍터를 제시한다. 종래에는 P층을 자외선이 통과하면서 흡수되는 양을 줄여 양자효율을 높이기 위해서는 얇은 P층, 두꺼운 I층이 필요했었다. 그런데 P층이 얇아지면 쉽게 공핍되어 P층으로서의 역할을 하지 못하고 저항이 커서 동작속도를 낮추는 문제점 등이 나타났다. 이러한 문제를 해결하는 방법은 p층의 불순물 농도를 높이는 방법이 있지만, 질소계 화합물 반도체와 같은 에너지밴드갭이 큰 물질(예컨대, AlGaInN 등)은 높은 도핑 농도의 P층을 만들기 어렵다. P층을 두껍게 하는 방법이 있지만 P층을 두껍게 하면 감지하려는 자외선이 P 층에서 흡수되어 I층까지 도달하지 않아 양자효율이 나빠진다. 일반적으로 N층은 P층에 비하여 불순물 농도와 전도도를 높일 수 있기 때문에 PIN 구조가 아닌 NIP 구조의 포토디텍터를 사용하면 위에서 종래 PIN 구조의 문제점을 해결할 수 있다는 점을 이용한 것이 본 발명의 핵심적인 특징 중의 하나이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

우선, 도 1에 도시된 바와 같이, NIP 구조는 P층(40) 보다 N층(60)이 위에 위치한다. N층(60)은 높은 도핑 농도와 전기전도도를 얻을 수 있으므로 얇은 N층으로도 저항이 작아 고속으로 동작하는 포토디텍터를 만들 수 있다. 아울러, N층이 얇게 되면 이 N층에서 흡수되는 빛의 양이 줄어들어 양자효율도 높아진다. 또한, NIP 구조가 제대로 동작하려면 N층이 완전히 공핍되지 말아야 하므로 도핑 농도를 높인 고전도도의 층이 유리하다.

다음으로, I층(50, 90)은 진성영역으로 도핑 농도가 낮은 N형층(N^-층) 또는 도핑 농도가 낮은 P형층(P^-층)이 사용된다. 도 2와 같이, I층(90)으로 도핑 농도가 낮은 N형층(N^-층)을 사용할 경우 NIP 구조는 NN^-P 구조로서 공핍층이 N^-P 접합 경계면에서 위로 올라가면서 형성되기 때문에 동작 전압에 따라서는 I층에 해당하는 N^- 층이 다 공핍되지 않아 양자효율과 동작속도가 낮아지는 문제점이 나타나게 된다. 이러한 문제는 동작 전압에 맞추어 N^-층의 도핑 농도와 두께를 조절함으로써 해결할 수 있다. 그 구체적인 방법으로 공정시뮬레이션툴 등을 이용하여 동작 전압에 따른 적절한 N^-층의 도핑 농도와 두께를 결정할 수 있다.

한편, 도 1과 같이, I층(50)을 도핑 농도가 낮은 P형층(P^-층)으로 하였을 경우에는 NP^-P 구조로 되어 공핍층이 빛이 들어오는 위쪽의 NP^- 접합 경계면에서 아래로 내려가면서 형성되기 때문에 상기 NN^-P 구조에서 발생하였던 문제는 아예 발생되지 아니한다. 다만, 공핍층이 아닌 영역에서 생성된 캐리어의 확산 때문에 속도가 느려지는 문제점은 줄어들기는 하지만 완전히 해결되지는 않는다.

그리고, NIP 구조에서 N층은 I층보다 더 큰 에너지밴드갭을 가질 수 있고, N 층의 두께가 얇기 때문에 흡수가 거의 일어나지 않아 I층과 같은 에너지밴드갭을 가지는 물질을 사용할 수도 있다. 나아가, 저항접촉(ohmic contact)의 면적이 도핑 농도가 높은 N층 보다 도핑 농도가 낮은 P층에 더 넓어 접촉저항도 작아지는 효과를 얻을 수 있음으로써, 결국 소자의 신뢰성을 좋아지게 할 수 있다.

보다 구체적인 NIP 구조를 갖는 자외선검지기는, 도 1 또는 도 2에 도시된 바와 같이, GaN 단결정 기판은 만들 수 없기 때문에 기판(10)으로 사파이어를 사용하고 그 위에 버퍼층(20)을 형성한 다음 GaN층(30)을 형성하여, 그 상부에 P형 AlGaInN(40)과 P^-형 AlGaInN(50), 그리고 N⁺형 AlGaInN(60)을 순차적으로 적층하거나, 또는 P형 AlGaInN(40)과 N^-형 AlGaInN(90), 그리고 N⁺형 AlGaInN(60)을 순차적으로 적층한다. 여기서 버퍼층(20) 상부에 GaN층(30)을 형성시킬 경우 N형으로 하는 것이 보다 효과적이다. 이 후, N⁺형 AlGaInN(60) 상부 일측에 N측 전극(70)을 P형 AlGaInN(40) 상부 일측에 P측 전극(80)을 각각 형성함으로써 NIP 구조를 갖는 자외선검지기를 제조할 수 있다.

본 발명은 포토디텍터로 종래 사용되어 왔던 PIN 구조가 아닌 NIP 구조를 사용함으로써, P층의 높은 도핑이 어려운 물질에 대해서도 높은 응답성을 가질 수 있도록 하였으며, 게다가 가장 상위층 물질에 I층과 같은 에너지밴드갭을 갖는 물질을 사용할 수 있게 되었다. 나아가, P층의 저항접촉(ohmic contact) 면적이 넓게 되므로 저항도 작아져서 포토디텍터의 신뢰성도 향상시키게 되었다.

Claims (5)

1. 삭제
2. 기판의 상부에 순차적으로 형성된 버퍼층 및 GaN층;

   상기 GaN층의 상부에 형성되며 P형 AlGaInN로 이루어진 P형 반도체;

   상기 P형 반도체 상부의 일정영역에 형성되며 도핑 농도가 낮은 P^-형 AlGaInN로 이루어진 진성영역의 I층;

   상기 진성영역의 I층 상부에 형성되며 N⁺형 AlGaInN로 이루어진 N형 반도체;

   상기 N형 반도체의 상부 일측에 형성된 N측 전극; 및

   상기 P형 반도체의 상부 일측에 형성된 P층 전극을 포함하는 NIP 구조를 갖는 자외선검지기.
3. 기판의 상부에 순차적으로 형성된 버퍼층 및 GaN층;

   상기 GaN층의 상부에 형성되며 P형 AlGaInN로 이루어진 P형 반도체;

   상기 P형 반도체 상부의 일정영역에 형성되며 도핑 농도가 낮은 N^-형 AlGaInN로 이루어진 진성영역의 I층;

   상기 진성영역의 I층 상부에 형성되며 N⁺형 AlGaInN로 이루어진 N형 반도체;

   상기 N형 반도체의 상부 일측에 형성된 N측 전극; 및

   상기 P형 반도체의 상부 일측에 형성된 P층 전극을 포함하되,

   상기 진성영역의 I층의 두께와 도핑농도는 동작전압에 따라 결정되는 것을 특징으로 하는 NIP 구조를 갖는 자외선검지기.
4. 삭제
5. 삭제

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