KR100788834B1 - 가시광 및 자외선 감지용 센서 - Google Patents

가시광 및 자외선 감지용 센서 Download PDF

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Abstract

본 발명은 가시광 및 자외선 감지용 센서에 관한 것으로, 종래에는 서로 다른 파장 영역을 검출하기 위해서 2개 이상의 칩을 사용하여야 했었는데, 본 발명은 기판 위에 서로 다른 밴드갭을 갖도록 광흡수층을 형성하고 그 위에 전극층을 형성한 센서로 역전압의 증가에 따라 하나의 센서에서 서로 다른 파장의 영역을 동시에 검출할 수 있도록 한 것인 바, 일 실시 예에서는 기판 위에 순차적으로 광흡수층 1, 광흡수층 2, 전극층으로 구성된 구조로 단일 소자에서 전극층의 바이어스 증가에 따라 서로 다른 파장 영역을 검출하는 반도체 수광 소자로; 상기 광흡수층 1은 AlxGa1 - xN (0≤x≤1) 층으로 구성되고, 상기 광흡수층 2는 AlyGa1 - yN (x≤y≤1) 층으로 구성되며, 이 광흡수층 2 위의 일부 영역에 전극층이 형성된다.
가시광, 자외선, 반도체, 센서, 광흡수층, 밴드갭, 역전압, 동시검출

Description

가시광 및 자외선 감지용 센서 {Sensor for both ultraviolet rays and visible rays}
도 1은 종래 쇼트키 접합 자외선 감지소자의 단면도,
도 2는 도 1에 도시된 자외선 감지소자의 평면도,
도 3은 고온 버퍼층 위에 제 2전극층을 형성한 자외선 감지소자의 단면도,
도 4는 도 3에 도시된 자외선 감지소자의 평면도,
도 5 및 도 6은 공핍층확장을 나타낸 종래 자외선 감지소자의 단면도,
도 7은 본 발명의 제1 실시 예에 의한 센서의 단면도,
도 8은 도 7에 도시된 센서의 평면도,
도 9는 본 발명의 제2 실시 예에 의한 센서의 단면도,
도 10은 도 9에 도시된 센서의 평면도,
도 11은 본 발명의 제3 실시 예에 의한 센서의 단면도,
도 12는 도 11에 도시된 센서의 평면도,
도 13은 본 발명의 제4 실시 예에 의한 센서의 단면도,
도 14는 도 13에 도시된 센서의 평면도,
도 15는 본 발명의 제5 실시 예에 의한 센서의 단면도,
도 16은 도 15에 도시된 센서의 평면도,
도 17은 본 발명의 제6 실시 예에 의한 센서의 단면도,
도 18은 도 17에 도시된 센서의 평면도,
도 19는 본 발명의 제7 실시 예에 의한 센서의 단면도,
도 20은 도 19에 도시된 센서의 평면도,
도 21은 본 발명의 제8 실시 예에 의한 센서의 단면도,
도 22는 본 발명의 도 21에 도시된 센서의 평면도,
도 23은 본 발명의 제9 실시 예에 의한 센서의 단면도,
도 24는 도 23에 도시된 센서의 평면도,
도 25는 본 발명의 제10 실시 예에 의한 센서의 단면도,
도 26은 도 25에 도시된 센서의 평면도,
도 27은 본 발명의 제11 실시 예에 의한 센서의 단면도,
도 28은 도 27에 도시된 센서의 평면도,
도 29는 본 발명의 제12실시 예에 의한 센서의 단면도,
도 30은 도 29에 도시된 센서의 평면도,
도 31은 본 발명의 제13 실시 예에 의한 센서의 단면도,
도 32는 도 31에 도시된 센서의 평면도,
도 33은 바이어스 인가에 따른 공핍층의 확장을 보여주는 개략도,
도 34,35,36,37는 서로 다른 밴드갭을 갖는 광 흡수층을 형성한 후 역바이어스 증가에 따라 UVA, UVB, UVC 파장 대역을 선정하여 검출할 수 있다는 것을 나타낸 반응도,
도 38은 광흡수층 1로 GaN를 사용하였고 광흡수층 2로 20 % Al의 AlGaN를 사용하여 역바이어스 증가에 따라 검출되는 파장 영역이 바뀌는 것은 나타낸 반응도 측정값이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10 : 기판 11 : 저온 버퍼층
12 : 고온 버퍼층 13 : 광흡수층 1
14 : 광흡수층 2 15 : 광흡수층 3
16 : 제 1 전극층 17 : 패드층
18 : 제 2 전극층 19 : 중간버퍼층
20 : 캡핑층 21 : 공핍층 영역 1
22 : 공핍층 영역 2 23 : 공핍층 영역 3
24 : 2차원 전자 가스층 25 : 2차원 전자 가스 농도 저하층
26 : p-타입 AlGaN층 27 : 진성층
본 발명은 가시광 및 자외선 감지용 센서에 관한 것으로, 특히 광흡수층이 서로 다른 밴드갭을 갖도록 형성한 구조로 역전압의 증가에 따라 하나의 소자에서 서로 다른 파장 영역을 동시에 검출할 수 있도록 한 가시광 및 자외선 감지용 센서 에 관한 것이다.
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 피부노화에 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 태양광에서 오는 것은 모두 오존층 및 대기중에 흡수되어 지표면에 거의 도달하지 않는다. 이 영역은 살균작용에 많이 이용되고 있다. 이러한 자외선이 인체에 미치는 영향을 정량화한 것 중에 대표적인 것이 UV-B 입사량으로 정의된 자외선 지수(UV Index)이다.
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 밴드갭이 자외선 감지에 적당한 GaN, SiC 등과 에너지 밴드갭이 작지만 Si이 많이 이용되고 있다. 이 중에 특히 GaN를 기반으로 하는 소자의 경우 쇼트키접합 형태와 MSM(metal-semiconductor-metal)형태 그리고 PIN형태의 소자가 주로 사용되는데, 특히 쇼트키접합 형태의 소자가 공정이 간단하여 선호되고 있다.
종래의 쇼트키 접합 자외선 감지소자의 구조가 도 1 및 도 2에 도시되어 있다. 도 1 및 도 2에서 파악되는 바와 같이 종래의 쇼트키 접합 자외선 감지소자는 우선 기판 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.
사파이어 기판의 경우 (0001)면에 성장을 하게 되는데, GaN와 사파이어간의 격자상수 차이에 의해 바로 성장하면 크랙이 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 버퍼층을 성장한 다음, 그 위에 고온 버퍼층(12)을 성장하는데 주로 GaN층을 성장하며, 일반적으로 0.5~2um정도를 성장해야 기판과 버퍼층에 기인한 결함의 영향을 줄여서 층의 결정특성이 양호해 진다. 이러한 고온 버퍼층(12)은 광흡수층으로 사용이 가능하며, 고온 버퍼층(12)은 층의 도핑농도를 n-타입으로 유지하기 위해 Si과 같은 도펀트로 인위적으로 도핑을 하기도 한다.
고온 버퍼층(12) 성장 후에 광 흡수층 1(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. 고온 버퍼층이 GaN이고 광 흡수 층이 AlGaN인 경우 Al조성이 높으면 격자상수 차이에 의해 성장 중이나 성장 후에 크랙이 발생하여 소자동작을 하지 못하므로 고온 버퍼층(12)과 광 흡수층 1(13)사이에 또 다른 중간 버퍼층(19)을 삽입하기도 한다. 삽입되는 중간 버퍼층(19)은 AlGaN이나 AlN층을 성장하는데 성장온도를 낮추거나 광 흡수층보다 Al조성이 큰 층을 얇게(<0.1um) 성장한다. 광 흡수층의 도핑농도는 n-타입으로 유지하면서 도핑농도가 낮아야 효율이 크므로 가능한 1E17cm- 3이하로 유지하는데 AlGaN층의 경우 1E18cm-3의 도핑농도를 갖기도 한다.
MOCVD성장이 끝난 웨이퍼는 우선 제 2 전극층(18)을 형성하는데, 광흡수층 1(13) 위에 바로 형성하기도 하고, 또는 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이 광 흡수층 1(13)을 식각해내고 고온 버퍼층(12)에 형성하기도 한다. 고온 버퍼층(12)에 오믹 접합을 형성하는 경우는 고온 버퍼층(12)이 광 흡수층 1(13)보다 도핑농도가 높게 형성되어 오믹접합 특성이 좋을 경우와 광 흡수층이 AlGaN이면서 오믹접합 특성 확보가 어려울 경우 고온 버퍼층(12)에 GaN 또는 광 흡수층보다 Al조성이 낮은 AlGaN층을 형성하고 여기에 오믹 접합층을 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. 오믹접합층을 형성한 다음 제 1 전극층(16)을 광 흡수층 위에 형성하는데, 주로 사용하는 금속은 Ni, Pt, Ru, Au등이다. 쇼트키 접합 감지소자의 경우 쇼트키 접합층을 투과해서 광이 광 흡수층으로 입사되어야 하기 때문에 쇼트키 접합층의 자외선 투과도가 중요한 항목이다. 따라서 금속의 두께를 대부분 500Å 이하로 증착하여 형성한다. 또한 전기적인 특성과 신뢰성 특성 개선을 위해 금속 증착 후 열처리를 하여 산화물을 형성하는 경우도 있다. 즉 NiOx나 RuOx등의 개선된 특성이 많이 보고 되어 있다. 열처리 온도는 금속과 공정에 의해 다양하게 진행되는데 주로 300℃ 내외에서 진행이 된다. 쇼트키 접합층 위에 전기적인 특성을 개선하기 위하여 광 투과성의 전도층을 추가로 형성하기도 하는데 ITO가 주로 사용된다. 쇼트키 타입인 경우 쇼트키 접합층을 형성한 후에 외부 전극과의 와이어 연결을 위해 쇼트키 접합층 위에 금(Au)을 두껍게 증착하여 패드층(17)을 형성한다. 주로 Ni/Au나 Cr/Ni/Au를 사용한다. 쇼트키 패드층이 형성된 영역은 광이 투과하지 못하여 쇼트키 접합층의 역할을 하지 못하므로 쇼트키 패드층의 영역은 본딩 와이어를 위한 최소한의 공간으로 줄여야 한다.
쇼트키 패드층까지 형성이 끝나면 기판의 뒷 면을 lapping/polishing하여 전체 두께를 100um 정도로 한 다음에 scribe/brake하여 개별 소자로 분리하게 된다. 분리된 개별소자는 TO-CAN 타입 패키지나 SMD 타입 패키지에 장착하여 감지소자로서 동작을 하게 된다.
쇼트키접합 감지소자는 쇼트키 접합층에 의한 쇼트키 장벽효과로 쇼트키 접합층과 맞닿은 광 흡수층에 공핍층이 형성된다. 공핍층 내에서는 전하를 이동할 수 있는 전자나 정공이 없는데, 이때 빛에 의해 발생한 전자나 정공이 쇼트키 접합층 과 오믹접합층으로 이동하면서 전류가 흐르게 된다. 즉 감지소자가 자외선에 노출되면 자외선이 쇼트키 접합층을 투과하여 공핍층에 입사하게 되고 입사한 자외선은 전자/정공을 발생시키며 전자는 오믹 접합층으로 정공은 쇼트키 접합층으로 이동하게 되면서 전류가 흐르게 되고 이 전류를 감지하여 자외선의 입사 광량을 측정하게 된다. 광 흡수층의 도핑농도가 낮을수록 공핍층의 두께가 커지고 빛에 의한 전자/정공 발생량이 증가하므로 가능한 공핍층의 도핑농도를 낮게 하는 것이 좋다. 또한 쇼트키 접합층을 투과하여 자외선이 감지되므로 쇼트키 접합층의 투과율이 좋아야 하는데 금속의 두께를 얇게 하던가, 투과율이 좋은 금속을 사용해야 한다. 또한 쇼트키 접합에 의한 전위장벽이 높을수록 안정된 전기적 특성을 가지게 되므로 이러한 특성에 대한 전반적인 고려를 하여 쇼트키 접합층을 형성한다. 일반적으로 소자의 동작시에는 외부에서 바이어스를 따로 인가하지 않지만 광 변환효율을 높이기 위해서 역방향으로 바이어스를 인가하기도 한다. 역방향으로 바이어스를 인가하는 경우 공핍층의 두께가 증가하지만 이종 접합 구조인 GaN층과 AlGaN층 사이에 고농도의 도핑농도를 갖는 2차원 전자 가스층이 형성되어 있기 때문에 공핍층이 확장되지 않는 특성을 보인다.
도 5 및 도 6에 공핍층 확장에 대해 나타내었다. 도 5는 공핍층의 두께가 증가하여 단일 광 변화 효율이 증가되는 것에 대해 나타내었고, 도 6은 중간버퍼층(19)과 광흡수층(13) 사이에 격자 불일치에 의해 2차원 전자가스층(24)이 형성되고 이러한 2차원 전자 가스층(24)은 바이어스 인가에 따라 공핍층이 확장되지 못하도록 막는 역할을 한다. 따라서 쇼트키 접합층에 부(-)의 바이어스를 주고 오믹접합 층에 정(+)의 바이어스를 인가한 경우에 공핍층의 두께가 증가하여 단일 광 변화효율이 증가하는 정도이다. 이러한 감지소자는 TO-CAN 타입이나 SMD 타입으로 패키지 할 경우에 자외선을 투과하는 물질로 창을 구성해야 하는데 주로 석영(quartz)이 사용된다. 또는 Si계열의 encapsulrant로 구성하기도 한다.
종래의 쇼트키 접합 감지소자의 경우 이종접합 구조인 GaN층과 AlGaN층으로 형성한 경우 GaN층과 AlGaN층 사이, GaN층과 AlN층 사이 또는 AlN층과 AlGaN층 사이에 서로 다른 격자상수 차이에 의한 고농도의 2차원 전자 가스층이 형성되어 바이어스 인가에 따른 공핍층의 확장을 방해하는 역할을 하기 때문에 바이어스가 증가하여도 공핍층이 확장되지 않고 2차원 전자 가스층에 머물러 있기 때문에 단일 파장만 검출하는 소자 특성을 보인다.
본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해소하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 단일 소자에서 서로 다른 파장 영역을 동시에 검출할 수 있는 반도체 소자를 제공하는 것을 목적으로 한다.
이와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 기판 위에 서로 다른 밴드갭을 갖는 AlGaInN 층을 광흡수층으로 형성된 구조에서 기판부터 밴드갭이 증가하도록 광흡수층이 형성되며, 그 위에 전극층을 형성한 반도체 수광 소자로 역전압의 증가에 따라 하나의 소자에서 서로 다른 파장 영역을 검출할 수 있도록 한 가시광 및 자외선 감지용 센서를 제공한다.
이하, 본 발명을 한정하지 않는 바람직한 실시 예들을 첨부된 도면에 의하여 상세히 설명하기로 한다.
도 7 및 도 8에 본 발명의 제1 실시 예에 의한 센서가 도시되어 있는데, 이는 서로 다른 밴드갭을 갖도록 광흡수층(13,14,15)을 형성한 구조에서 역 바이어스가 증가하면서 초기에 형성된 공핍층이 서로 다른 밴드갭을 갖는 광흡수층으로 확장되면서 서로 다른 파장 영역을 검출하도록 되어 있다.
본 발명의 공정 기술을 보면 기판(10)은 주로 사파이어를 사용하지만 AlN, GaN, SiC, Si, GaAs, 유리 등도 사용이 가능하다. 직경이 2인치인 사파이어 기판의 경우 두께는 300~450um이며, 성장면으로 주로 (0001)면이 사용되는데 틸트(tilt)를 준 기판도 광 흡수층의 표면을 개선하기 위해 많이 사용된다.
상기 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 여기에는 GaN 또는 AlN를 성장한다. 이 저온 버퍼층(11)을 성장하는 이유는 기판(10)과 그 위에 성장하는 다른 층의 격자상수가 달라서 결정성장이 안되기 때문에 이를 해결하기 위한 것이다.
상기 저온 버퍼층(11)의 성장 이후 성장온도를 1,000 ~1200℃ 사이에서 광흡 수층 1(13)을 성장한다. 광흡수층 1(13)은 고온 버퍼층으로 사용이 가능하며 주로 GaN 또는 AlGaN층을 성장하며, 일반적으로 두께는 0.5~3um이고 인위적으로 도핑을 하거나 또는 도핑을 하지 않아도 n-타입으로 도핑이 된다. 도핑농도는 1E16 ~ 5E18 cm-3 정도로 유지한다.
상기 광흡수층 1(13) 위에 광 흡수층 2(14)를 성장하게 되는데, 이 광 흡수층 2(14)는 InGaN층이나 AlGaN층을 10nm ~ 500nm 사이의 두께로 성장을 하게 되며, 가능한 1E18cm-3이하의 도핑농도를 갖도록 성장한다. InGaN층을 광흡수층으로 사용한 경우에는 In 조성이 증가하면서 가시광 영역의 파장을 검출할 수 있다. 예를 들어 In 조성을 조절하여 400nm 파장을 갖는 InGaN층을 광흡수층으로 한 경우 400nm 파장에서부터 검출이 가능하다. 광 흡수층 2(14)가 AlGaN이면서 광흡수층 1(13)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 광흡수층 1(13)과 광 흡수층 2(14)사이에 중간 버퍼층(19)을 삽입하기도 하는데, 이는 도 11에 나타나 있다.
이 중간 버퍼층(19)으로는 주로 AlN나 AlGaN층을 성장하며 두께는 50 ~ 500Å두께로 형성한다. 성장온도는 500 ~ 600 ℃ 저온에서 하기도 하고, 900~1,100℃의 고온에서 하기도 한다. 광흡수층 1(13)과 광흡수층 2(14) 사이에 서로 다른 격자상수 차이에 의해 고농도의 2차원 전자 가스층의 농도가 높게 형성이 되면 공핍층 확장이 되지 않기 때문에 광흡수층 1(13) 또는 광흡수층 2(14) 내에 2차원 전자 가스 농도 저하층(25)을 형성하여야 한다. 이 2차원 전자 가스 농도 저하층(25)은 광흡수층 1(13)의 밴드갭에서 광흡수층 2(14)의 밴드갭까지 밴드갭이 서서히 증가하도록 하거나 광흡수층 1(13)과 광흡수층 2(14)의 계면의 도핑농도를 조절함으로써 2차원 전자 가스 농도 저하층(25)을 형성할 수 있다. 또는 광흡수층 1(13)과 광흡수층 2(14)의 계면에서 광흡수층 1(13)의 도핑 농도를 광흡수층 2(14)와 같거나 높게 함으로서 2차원 전자 가스 농도 저하층(25)을 형성할 수 있다. 광흡수층 2(14) 위에 AlGaN의 광흡수층 3(15)을 성장할 경우 계면에서도 2차원 전자 가스층 형성 억제를 위해 광흡수층 1(13)과 광흡수층 2(14) 계면과 동일하게 적용하여 2차원 전자 가스 농도 저하층(25)을 형성한다.
상기 광 흡수층 성장 후 광흡수층과 밴드갭이 같거나 큰 p-타입 도핑 농도를 갖는 AlGaN 층을 성장하게 되면 PIN 타입 수광소자가 된다. PIN 타입 수광 소자는 진성(Intrinsic)층(27) 내에 서로 다른 밴드갭을 갖도록 층을 형성하게 되면 역바이어스 증가에 따라 서로 다른 파장을 검출할 수 있다. 진성층(27) 위에 50 ~ 300nm 두께의 p-타입 도핑을 한 AlGaN층(26)을 형성을 하게 되는데, 이 때 p-타입 AlGaN층(26)의 밴드갭은 흡수되는 파장의 영향을 최소로 하기 위해 광흡수층과 같거나 크게 하여야 한다. 이러한 PIN 타입 수광소자에 대해서는 도 9 및 도 10에 나타내었다.
광 흡수층 또는 p-타입 AlGaN층(26) 성장 후 도 13 및 도 14의 실시 예에서와 같이 캡핑층(20)을 성장하기도 하는데, 이 캡핑층(20)은 1~10nm 사이이며, 광흡수층 또는 p-타입 AlGaN층 보다 밴드갭이 작은 층을 사용하여야 양호한 오믹 전극 층을 형성할 수 있다. 캡핑층(20)의 성장 온도는 700 ~ 1200℃ 사이에서 성장할 수 있다. 캡핑층(20)의 두께는 광흡수층에 형성되는 SCR(space charge region)영역의 두께보다 최소한 1/10보다 작게 형성을 해야 광흡수층에 의한 광반응도에 10% 이하의 영향을 주게 된다.
캡핑층(20)까지 끝나면 성장된 시료를 성장 장치에서 꺼내어 HF용액으로 세정한 다음 바로 칩 제조 공정을 진행한다. 먼저, 캡핑층(20) 상에 포토레지스터로 패턴을 형성한다. 캡핑층(20)이 없는 경우에는 광흡수층 위에 포토레지스터로 패턴을 형성할 수도 있다. e-beam 이나 thermal evaporator를 이용하여 Ti/Al금속 등을 증착한 다음 포토레지스터를 제거하여 제 2 전극층(18)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 제 2 전극층(18)의 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.
제 2 전극층(18)은 도 13 내지 도 16의 실시 예에서와 같이 캡핑층(20) 상에 형성하기도 하지만 오믹접합 특성을 캡핑층(20)에서 얻기 어려울 때는 도 7의 제 1실시 예에서와 같이 광 흡수층 2(14), 광흡수층 3(15)을 식각해 내고 광흡수층 1(13) 상에 형성하기도 한다. 식각은 주로 ICP를 이용한 건식 식각방법을 사용한다.
도 11은 도 7과 같은 구조에서 광흡수층 1(13)과 광흡수층 2(14) 사이에 중간 버퍼층(19)이 삽입된 경우이다. 제 2 전극층(18) 형성 이후 포토레지스터로 패턴을 형성하기 위해 e-beam 이나 thermal evaporator를 이용하여 Ni, Pt, Pd, Au 등을 광흡수층 위, 캡핑층(20) 위, 또는 p-타입 AlGaN층(26) 위에 얇게 증착한 다음 포토레지스터를 제거하여 제 1 전극층(16)을 형성한다. PIN 타입인 경우에는 p-타입 층 위에 오믹 특성이 확보되도록 형성한다. 예를 들어 Ni metal인 경우 n-GaN 위에는 오믹 특성을 얻기 어려우나 p-GaN 위에는 오믹 특성을 얻기 쉬운 금속으로 알려져 있다. 이 때 증착되는 금속의 두께는 투과도를 고려하여 100Å 이하로 한다. 쇼트키 또는 p-층 오믹접합을 위한 제 1 전극층을 증착한 후 열처리를 진행한다. 제 1 전극층을 증착한 다음 열처리를 하는 경우 제 2 전극층(18) 형성 시 진행한 온도보다 낮은 온도로 진행한다. 쇼트기 타입에서 Ni을 증착한 경우에 산소 분위기에서 열처리를 하면 NiOx를 형성하기도 하고 Ni을 열처리하지 않고 사용할 수도 있다. 쇼트키 금속이나 p-층 오믹 금속을 형성한 이후에 패드층을 형성을 위해 포토레지스터로 패턴을 형성하고 e-beam 이나 thermal evaporator를 이용하여 Ni/Au, Pt/Au등을 증착한 다음 포토레지스터를 제거하여 패드층을 형성한다. 증착두께는 Ni, Pt(<500Å), Au(>5,000Å)정도로 하며 별도의 열처리는 하지 않는다. 패드층까지 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 마크로 구별한 다음 기판(10)의 뒷 면을 그라인딩/랩핑/폴리싱하여 전체 두께를 100um정도로 형성한 다음 scribe & break공정으로 개별 칩으로 분리하여 패키지 공정을 진행한다. 패키지 공정에서는 TO-CAN 타입이나 SMD 타입의 패키지에 제작한 칩을 다이 본딩하고 패드층(17)과 제 2 전극층(18)을 각각 패키지의 애노우드와 캐소우드 전극과 Au나 Al 와이어를 이용하여 와이어 본딩한다. 이후 칩과 외부환경과 완전히 분리하기 위한 인캡슐런트나 유리로 최종 조립을 하게 된다.
도 13 및 도 14는 광흡수층 1(13), 광흡수층 2(14), 광흡수층 3(15)으로 구성된 구조로 된 쇼트키 타입으로 캡핑층(20) 위에 제 1전극층(16)은 쇼트키 접합이 되고, 제 2 전극층(18)은 오믹접합이 되도록 한 경우이다.
도 15 및 도 16에 도시된 실시 예는 도 13 및 도 14에 도시된 실시 예의 센서와 비슷하나 광흡수층 1(13)과 광흡수층 2(14) 사이에 중간버퍼층(19)이 삽입된 경우이다.
도 17 및 도 18은 광흡수층 1(13)과 광흡수층 2(14)로 구성된 구조에서 제 1전극층(16)이 쇼트키 접합되도록 하여 광흡수층 2(14) 위에 형성되고, 제 2 전극층(18)으로 오믹 접합되도록 광흡수층 1(13) 위에 형성된 구조이다.
도 19 및 도 20은 도 17 및 도 18에 도시된 실시 예와 비슷하나 광흡수층 1(13)과 광흡수층 2(14)사이에 중간버퍼층(19)이 삽입된 경우이다.
도 21 및 도 22는 광흡수층 1(13)과 광흡수층 2(14) 또는 캡핑층(20)으로 형성된 구조에서 캡핑층(20) 위에 제 1 전극층(16)이 쇼트키 접합되고, 제 2 전극층(18)이 오믹 접합이 되도록 형성된 구조이다.
도 23 및 도 24는 도 21 및 도 22의 실시 예와 비슷하나 광흡수층 1(13)과 광흡수층 2(14) 사이에 중간 버퍼층(19)이 삽입된 경우이다.
도 25 및 도 26은 광흡수층 1(13)과 광흡수층 3(15)으로 형성된 구조에서 제 1 전극층(16이 쇼트키 접합되도록 하여 광흡수층 3(15) 위에 형성되고 제 2 전극층(18)이 오믹 접합되도록 하여 광흡수층 1(13) 위에 형성된 경우이다.
도 27 및 도 28은 도 25 및 도 26의 실시 예와 비슷하나 광흡수층 1(13)과 광흡수층 3(15) 사이에 중간 버퍼층(19)이 삽입된 경우이다.
도 29 및 도 30에 도시된 실시 예는 광흡수층 1(13)과 광흡수층 3(15) 위에 캡핑층(20)이 형성된 구조에서 제 1 전극층(16)은 쇼트키 접합되도록 하고 제 2 전극층(18)은 오믹접합되도록 하여 캡핑층(20) 위에 형성된 경우이다.
도 31 및 도 32는 도 29 및 도 30에 도시된 실시 예와 비슷하나 광흡수층 1(13)과 광흡수층 3(15) 사이에 중간 버퍼층(19)이 삽입된 경우이다.
도 33은 본 발명의 센서에서 바이어스 인가에 따른 공핍층의 확장을 보여주는 개략도이다. 초기에 형성된 공핍층 영역(21)이 역바이어스 증가에 따라 2차원 전자 가스 농도 저하층(25)을 지나 서로 다른 밴드갭을 갖는 광흡수층(14,13)으로 확장됨으로써 다른 파장 영역의 검출이 가능하다는 것을 나타내었다. 광흡수층으로 공핍층이 확장될 수 있는 것은 광흡수층 2(14)와 광흡수층 1(13) 사이에 2차원 전자 가스 농도 저하층(25)이 형성된 구조에서 가능하다.
도 34 내지 도 37은 본 발명에서 서로 다른 밴드갭을 갖는 광 흡수층을 형성한 후 역바이어스 증가에 따라 UVA, UVB, UVC 파장 대역을 선정하여 검출할 수 있다는 것을 나타낸 반응도이다. 그 외 가시광 영역을 밴드갭을 갖는 InGaN층을 광흡수층으로 사용하면 검출영역을 가시광까지 확장할 수도 있다.
도 34는 서로 다른 밴드갭의 광흡수층(13,14,15)으로 형성한 후 0V에서는 UVC 파장 영역이 검출되고 -2V에서는 UVB 파장 영역까지 확장이 되며, -4V에서는 UVA 파장 영역까지 확장되는 반응도 값을 나타낸 것이다. 도 35는 서로 다른 밴드갭의 광흡수층 (13,14)을 형성한 후 0V에서는 UVB 파장 영역이 검출되고 -2V에서는 UVA 파장 영역까지 확장되는 것을 나타낸 반응도이다. 도 36은 서로 다른 밴드갭의 광흡수층(14,15)을 형성한 후 0V에서는 UVC 파장 영역을 검출하고, -2V에서는 UVB 파장 영역을 검출하는 것을 보여주는 반응도이다. 도 37은 서로 다른 밴드갭의 광흡수층(13,15)을 형성한 후 0V에서는 UVC 파장 영역을 검출하고, -2V에서는 UVA 파장 영역을 검출하는 것을 보여주는 반응도이다.
도 38은 광흡수층 1(13)로 GaN를 사용하였고 광흡수층 2(14)로 20 % Al의 AlGaN를 사용하여 역바이어스 증가에 따라 검출되는 파장 영역이 바뀌는 것은 나타낸 반응도 측정값이다. 0-바이어스에서는 UVB 파장 영역을 검출하다가 역바이어스가 증가되면서 UVA 파장 영역을 검출하는 반응도 특성을 보이고 있다.
이처럼 본 발명은 종래의 동작과 마찬가지로 제작되고 개별 칩으로 분리되어 TO-CAN나 SMD 타입으로 패키지되어 동작하게 된다. Anode전극과 cathode전극간에 초기 제로 바이어스에서 입사된 자외선이 제 1전극층(16) 아래에 있는 광흡수층에 형성 된 공핍층 내에 흡수되어 전자, 정공을 발생시키고 이들이 각각 cathode와 anode전극으로 이동하여 전류가 흐르므로 입사된 광량을 감지하게 됨으로써 1차 파장 영역을 검출하게 되고, 역바이어스가 증가되면서 광흡수층 내에 2차원 전자 가스 농도 저하층(25)을 지나 공핍층이 확장이 됨으로써 2차 파장 영역을 검출할 수 있게 되는 것이다.
이상 설명한 바와 같이 본 발명은 단일 소자 내에 광흡수층으로 서로 다른 밴드갭을 갖도록 함으로써 역바이어스 증가에 따라 서로 다른 파장 영역을 동시에 검출할 수 있으므로 하나의 센서가 여러 개의 센서의 기능을 발휘할 수 있는 효과를 갖는다.

Claims (16)

  1. 기판 위에 순차적으로 광흡수층 1, 광흡수층 2, 전극층으로 구성된 구조로 단일 소자에서 전극층의 바이어스 증가에 따라 서로 다른 파장 영역을 검출하는 반도체 수광 소자로, 상기 광흡수층 1은 AlxGa1-xN (0≤x≤1) 층으로 구성되고, 상기 광흡수층 2는 AlyGa1-yN (x≤y≤1) 층으로 구성되며, 이 광흡수층 2 위의 일부 영역에 전극층이 형성된 것에 있어서;
    상기 광흡수층 1과 광흡수층 2가 접하는 경계면에서부터 전극층 방향으로 광흡수층 2의 Al조성이 증가하도록 구성된 것을 특징으로 하는 가시광 및 자외선 감지용 센서.
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  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 광흡수층 2의 두께가 10 nm ~ 500 nm로 이루어진 것을 특징으로 하는 가시광 및 자외선 감지용 센서.
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  8. 기판 위에 순차적으로 버퍼층, 광흡수층 1, 이 광흡수층 1보다 에너지 밴드갭이 큰 광흡수층 2, 전극층으로 구성된 구조로 단일 소자에서 전극층의 바이어스 증가에 따라 서로 다른 파장 영역을 검출하는 반도체 수광 소자로, 상기 버퍼층은 AlGaInN층으로 구성되고, 상기 광흡수층 1은 AlGaInN층으로 구성되며, 상기 광흡수층 2는 AlGaInN층으로 구성되고, 상기 광흡수층 2 위의 일부 영역에 전극층이 구성되는 것에 있어서;
    상기 광흡수층 1과 광흡수층 2가 접하는 경계면에서부터 전극층 방향으로 광흡수층 2의 에너지 밴드갭이 증가하도록 구성된 것을 특징으로 하는 가시광 및 자외선 감지용 센서.
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  14. 청구항 8에 있어서,
    상기 광흡수층 2의 두께가 10 nm ~ 500 nm로 형성된 것을 특징으로 하는 가시광 및 자외선 감지용 센서.
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