KR100822703B1 - 쇼트키 포토다이오드 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 쇼트키(Schottky) 포토다이오드에 관한 것으로서, 반도체 에피층 상부의 일부 영역에만 금속박막을 쇼트키 접촉(Schottky Contact)하도록 증착시킨 구조의 쇼트키 포토다이오드를 제공하는 것을 특징으로 한다. 이와 같은 구조를 통해, 금속박막에서 흡수 및 손실되는 광은 최소화시키고, 반도체 에피층에 도달하는 광 에너지는 극대화시킬 수 있으므로, 반도체 에피층 상부 전면에 금속박막을 쇼트키 접촉하도록 증착시킨 종래의 구조에 비해서, 낮은 에너지를 갖는 광의 감지율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
쇼트키, 포토다이오드, 자외선, 감지기
Description
도 1은 종래기술에 따른 쇼트키 포토다이오드를 개략적으로 설명하기 위한 일부 단면도.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 쇼트키 포토다이오드의 일부 단면도.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 쇼트키 포토다이오드의 전체 평면도.
<도면의 주요부분에 대한 설명>
110. 반도체 기판 120. 제 1 전극
121, 151. 금(Au) 122. 니켈(Ni)
130. 반도체 에피층 140, 240. 쇼트키 접합된 금속박막
150. 제 2 전극 152. 티탄(Ti)
153. 전극 라인 160, 260. 무반사 코팅막
261, 262. 제 1, 제 2 무반사 코팅막
본 발명은 쇼트키(Schottky) 포토다이오드에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 낮은 에너지를 갖는 광을 보다 민감하고 정확하게 감지할 수 있는 쇼트키 포토다이오드의 구조에 관한 것이다.
반도체를 이용하여 광을 감지하는 소자는, 그 구조에 따라서 포토 컨덕터(Photoconductor), PIN 포토다이오드, 애벌런치(avalanche) 포토다이오드, 쇼트키 포토다이오드 등으로 구별할 수 있다.
상기한 종류들 중에서 쇼트키 포토다이오드는, 공정이 간단하고 쇼트키 접촉의 특성상 반응속도가 빠르다는 장점이 있다.
이하, 도면을 참조하여 종래기술에 따른 쇼트키 포토다이오드의 구조를 개략적으로 설명한다.
도 1은 종래기술에 따른 쇼트키 포토다이오드의 구조이다.
종래의 쇼트키 포토다이오드는, 일반적으로, 반도체 기판(110), 반도체 에피층(130), 제 1 전극(120), 쇼트키 접합된 금속박막(140), 제 2 전극(150)이, 도시된 바와 같이 증착되어 있고, 상기 제 2 전극(150)이 형성되어 있지 않은 영역에 무반사 코팅막(160)이 더 증착된 구조를 갖는다.
이러한 구조를 갖는 쇼트키 포토다이오드가 광을 감지하는 원리에 대해 개략적으로 설명하면 다음과 같다.
우선, 반도체 에피층(130) 표면에 형성된 금속박막(140)을 투과한 광은 반도체 에피층(130)까지 도달하게 된다.
그리고, 반도체 에피층(130)까지 도달된 광의 에너지가 반도체 에피층(130)의 에너지 밴드 갭 이상이 되면, 반도체 에피층(130)에 전자정공쌍이 생성되고, 생성된 전자정공쌍이 상기 제 1 전극(120)과 제 2 전극(150) 사이에 걸려 있는 전기장에 의해 가속되어 전류가 발생한다.
이때, 상기와 같이 발생되는 전류는 쇼트키 접촉의 특성인 정류작용에 따라 일 방향으로 발생되는 것이 특징이다.
또한, 이러한 전류의 검출을 통해 광을 감지할 수 있으며, 전류량의 검출을 통해 광의 세기를 알 수 있다.
그런데, 상기와 같은 종래의 쇼트키 포토다이오드는, 상기 금속박막(140)이 도시된 바와 같이, 반도체 에피층(130) 상부의 전체 영역에 걸쳐 쇼트키 접촉(Schottky Contact)되도록 형성되어 있기 때문에, 소자 상부에서 입사된 광의 40%정도가 상기 금속박막(140)에서 흡수 및 손실되고, 나머지 60%정도의 광만 반도체층에 도달하여 전자정공쌍을 생성한다.
여기서, 전자정공쌍의 생성 정도는 상기 제 1 전극(120)과 제 2 전극(150) 사이를 흐르게 되는 전류량과 비례하므로, 이러한 전류량은 상기 반도체 에피층(130)에 도달하는 광량에 따라 결정된다.
그러나, 상기와 같이 금속박막(140)에서 발생되는 광 손실로 인해, 반도체 에피층(130)에 도달되는 광 에너지가 낮기 때문에 전자정공쌍이 생성될 확률이 낮아지며, 따라서, 낮은 에너지를 갖는 광을 감지하기에는 어려움이 있다는 문제점이 있다.
상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 쇼트키 포토다이오드는, 반도체 에피층 상부의 일부 영역에만 쇼트키 접촉된 금속박막을 형성시킨 구조를 갖도록 함으로써, 금속박막에서 흡수되어 손실되는 광을 최소화시키고, 반도체 에피층에 도달되는 광 에너지를 극대화시켜, 광 감지율을 향상시킬 수 있는 쇼트키 포토다이오드의 구조를 제공하는 것이 목적이다.
본 발명의 쇼트키 포토다이오드는, 반도체 기판; 상기 반도체 기판 하부에 형성되어 있는 제 1 전극; 상기 반도체 기판 상부에 형성되어 있는 반도체 에피층; 상기 반도체 에피층 상부의 일부 영역에만 쇼트키(Schottky) 접합되어 있는 금속박막; 및 상기 금속박막 상부에 형성되어 있는 제 2 전극;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 본 발명에 따르면, 상기 금속박막의 면적은, 상기 반도체 에피층 상부 면의 70% ~ 90% 영역에 형성되어진 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 따르면, 상기 금속박막의 재질은, 백금(Pt)인 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 따르면, 상기 금속박막의 두께는, 5nm ~ 10nm인 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 따르면, 상기 반도체 기판 및 반도체 에피층은, 실리콘 카바이드(SiC) 또는 갈륨 나이트라이드(GaN) 인 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 따르면, 상기 반도체 에피층 상부에서 상기 금속박막이 접합되어 있지 않은 나머지 영역에 형성되어 있는 무반사 코팅막을 더 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 따르면, 상기 무반사 코팅막의 재질은, 산화물(Oxide) 또는 질화물(Nitride)인 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 따르면, 상기 무반사 코팅막의 두께는, 50nm ~ 250nm 인 것이 바람직하다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 쇼트키 포토다이오드의 구조에 대해서 구체적으로 설명한다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 쇼트키 포토다이오드의 일부 단면도이다.
도시된 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 쇼트키 포토다이오드는, 반도체 기판(110); 상기 반도체 기판(110) 하부에 형성되어 있는 제 1 전 극(120); 상기 반도체 기판(110) 상부에 형성되어 있는 반도체 에피층(130); 상기 반도체 에피층(130) 상부의 일부 영역에만 쇼트키(Schottky) 접합되어 있는 금속박막(240); 및 상기 금속박막(240) 상부에 형성되어 있는 제 2 전극(150);을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 제 1 전극(120)은, 전기 전도성이 좋은 금(Au)(121)과 점착력(Adhesion) 향상을 위한 니켈(Ni)(122)로 구성되며, 오믹 접촉(Ohmic Contact) 되도록 증착되어지며, 일반적으로, 전기도금 또는 스퍼터링 증착법을 이용한다.
그리고, 도시된 바와 같이, 상기 금속박막(240)은 상기 반도체 에피층(130) 상부에 쇼트키 접촉(Schottky Contact)되도록 증착되어 있는데, 본 발명에 따른 금속박막(240)은, 상기 반도체 에피층(130) 상부 면적의 70% ~ 90% 영역에 형성되어진 것이 바람직하다.
바꾸어 말하면, 상기 금속박막(240)이 형성되어 있지 않고, 상기 반도체 에피층(130) 상부를 노출시키는 영역의 면적이, 상기 반도체 에피층(130) 상부 면의 10% ~ 30% 영역인 것이 바람직하다.
참고로, 광 감지율을 보다 향상시키기 위해, 상기 반도체 에피층 상부가 노출되는 영역이 반도체 에피층 상부의 전 영역에 걸쳐 고루 분포하도록 도 3에 도시된 전체 평면도의 A 영역과 같이, 복수개의 금속박막(240)들 사이사이를 노출시키는 것이 바람직하다.
이와 같은 비율로 반도체 에피층(130) 상부를 노출시키게 되면 반도체 에피층(130)으로 입사되는 광자의 개수가 많아지게 되고, 그에 따라 반도체 에피층에 생성되는 전자정공쌍의 개수 및 발생되는 전류량을 증가시킬 수 있게 되어, 쇼트키 포토다이오드의 광 감지율을 향상시킬 수 있게 된다.
특히, 실험적인 결과에 따르면, 반도체 에피층(130) 상부 면적의 20% ~ 25% 영역을 노출시킬 때(즉, 금속박막(240)이 반도체 에피층 상부 면의 75% ~ 80% 영역에 형성되어 있을 때), 쇼트키 포토다이오드의 광 감지율을 가장 극대화시킬 수 있다는 사실을 확인할 수 있다.
참고로, 상기 금속박막은 스퍼터링(Sputtering) 또는 증발(Evaporation)법을 이용하여 증착시키며, 금속박막(240)을 도시된 바와 같이, 반도체 에피층(130) 상부 면의 일부 영역에만 형성시키는 것은, 우선, 상기 반도체 에피층(130) 상부 면의 전체 영역에 상기 금속박막을 증착시키고, 상기 반도체 에피층(130) 상부에서 남겨두고자 하는 영역을 제외한 나머지 영역의 금속박막을 제거하는 공정을 통해 수행할 수 있다.
이때, 상기 금속박막을 제거하는 공정은, 반도체 에피층(130) 상부의 결함을 최소화시키기 위해서, 리소그래피(Lithography)를 이용한 리프트 오프(Lift Off) 공정을 통해 제거한다.
그리고, 상기 리프트 오프(Lift Off) 공정을 통해 제거되어지는 금속박막의 면적 비율은, 앞에서 언급한 바와 같이 반도체 에피층(130) 상부 면적의 10% ~ 30% 범위인 것이 바람직하다.
한편, 금속박막(240)의 재질은 백금(Pt)이고, 자외선 영역 광의 투과율을 향상시키기 위해서, 금속박막(240)의 두께는 5nm ~ 10nm로 증착되어진 것이 바람직하다.
또한, 자외선 영역의 광을 감지하기 위한 쇼트키 포토다이오드를 제작하기 위해서는, 상기 반도체 기판(110) 및 상기 반도체 에피층(130)을 이루는 재질이, 3eV 이상의 넓은 에너지 밴드 갭을 갖는 실리콘 카바이드(SiC), 갈륨 나이트라이드(GaN) 계열의 물질로 이루어진 것이 바람직하다.
한편, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 쇼트키 포토다이오드는, 상기 반도체 에피층(130) 상부에서 상기 금속박막(240)이 접합되어 있는 일부 영역을 제외한 나머지 영역, 즉, 상기 반도체 에피층(130) 상부를 노출시키기 위해 금속박막이 제거된 영역과 금속박막(240) 상부에, 무반사 코팅막(260)이 형성되어 있는 것이 바람직하다.
여기서, 상기 무반사 코팅막(260)으로는, 실리콘 옥사이드(SiO2) 또는 실리콘 나이트라이드(Si3N4)와 같은 산화물(Oxide) 또는 질화물(Nitride)을 일반적으로 사용한다.
그리고, 도면에서 무반사 코팅막(260)을 이루는 제 1 무반사 코팅막(261)은 반도체 에피층(130) 상부의 일부 영역에 쇼트키 접촉하는 금속박막(240)의 증착시 반도체 에피층(130) 상부를 보호하는 마스크(Mask) 역할을 하기 위해 사용된 것이며, 1000oC 이상의 온도에서 건식 또는 습식 산화법을 이용하여 증착되어진 것이 바람직하다.
반면에, 제 2 무반사 코팅막(262)은 플라즈마 화학기상증착(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition, PECVD) 방법을 이용하여 증착되어진 것이 바람직하며, 소자 상부를 보호하는 역할을 한다.
상기 무반사 코팅막(260)을 구성하는 상기 제 1 무반사 코팅막(261)과 제 2 무반사 코팅막(262)은 입사되는 광의 반사를 줄이고, 광 투과도를 향상시키는 역할을 한다.
특히, 자외선 영역의 광을 감지하기 위한 쇼트키 포토다이오드를 제작시에는, 상기 무반사 코팅막(260)의 두께(제 1 무반사 코팅막(261)과 제 2 무반사 코팅막(262) 두께의 합)가 자외선의 반사를 가장 낮출 수 있는 50nm ~ 250nm 범위로 증착되어진 것이 바람직하며, 실제로는 50nm, 100nm, 150nm, 200nm, 250nm 중 어느 하나의 두께를 선택한다.
한편, 상기 금속박막(240) 상부에는 외부 회로와 와이어 본딩(Wire Bonding) 또는 플립칩 본딩(Flip Chip Bonding) 시키기 위한 제 2 전극(150)이 전기도금 또는 스퍼터링을 이용하여 형성되어 있다.
여기서, 상기 제 2 전극(150)은, 전기 전도성이 좋은 금(Au)(151)과 점착력(Adhesion) 향상을 위한 티탄(Ti)(152)으로 구성된다.
참고로, 제 2 전극(150)은 얇은 두께로 형성하기 때문에 전기 저항이 큰데, 이를 보강하기 위해서, 도 3에 도시된 바와 같이, 열이나 횡 또는 격자 형태의 전극 라인(153)을 구비하도록 하여, 복수 개의 금속박막(240)들 상부를 전기적으로 연결시키는 구조를 갖도록 하는 것이 바람직하다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 쇼트키 포토다이오드의 전체 평 면도이다.
앞에서 설명하였듯이, 반도체 에피층 상부를 노출시키는 영역이 반도체 에피층 상부의 전 영역에 걸쳐 고루 분포시켜 광 감지율을 보다 향상시키기 위해서, 도시된 바와 같이, 복수개의 금속박막(240)들 사이사이 영역인 A 부분이 노출되도록 하는 구조인 것이 바람직하다.
이때, 반도체 에피층 상부 면에서 노출되는 영역은 10% ~ 30% 인 것이 바람직하며, 이와 같이 반도체 에피층 상부가 노출시킨 본 발명에 따른 쇼트키 포토다이오드의 경우, 광 감지율이 종래에 비해 대략 30% 정도 향상되는 효과가 있다.
그리고, 얇은 두께로 인해 전기 저항이 큰 제 2 전극(150)의 단점을 보강하기 위해서, 도시된 바와 같이, 열이나 횡 또는 격자 형태의 전극 라인(153)을 구비하도록 하여, 복수 개의 금속박막(240)들 상부를 전기적으로 연결시키는 구조를 갖도록 하는 것이 바람직하다.
참고로, 본 발명에 따른 쇼트키 포토다이오드에서 무반사 코팅막에 해당되는 부분은 여기에 도시하지 않았다.
이상, 본 발명의 실시 예에 따른 발명의 구성을 상세히 설명하였지만, 본 발명은 반드시 이러한 실시 예로 국한되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 변형 실시될 수 있다.
상기와 같은 본 발명의 쇼트키 포토다이오드 구조에 따르면, 반도체 에피층 상부의 일부 영역에만 쇼트키 접촉된 금속박막을 형성시킨 구조를 갖도록 함으로써, 금속박막에서 흡수되어 손실되는 광을 최소화시키고, 반도체 에피층에 도달되는 광 에너지를 극대화시킬 수 있으므로, 에너지가 낮은 광의 감지율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
Claims (8)
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- 반도체 기판;상기 반도체 기판 하부에 형성되어 있는 제 1 전극;상기 반도체 기판 상부에 형성되어 있는 반도체 에피층;상기 반도체 에피층 상부의 일부 영역에만 쇼트키(Schottky) 접합되어 있는 금속박막; 및상기 금속박막 상부에 형성되어 있는 제 2 전극;을 포함하고,상기 금속박막은, 상기 반도체 에피층 상부 면의 75% ~ 80% 영역에 형성되어진 것을 특징으로 하는 쇼트키 포토다이오드.
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- 반도체 기판;상기 반도체 기판 하부에 형성되어 있는 제 1 전극;상기 반도체 기판 상부에 형성되어 있는 반도체 에피층;상기 반도체 에피층 상부의 일부 영역에만 쇼트키(Schottky) 접합되어 있는 금속박막; 및상기 금속박막 상부에 형성되어 있는 제 2 전극;을 포함하고,상기 반도체 에피층 상부에서 상기 금속박막이 접합되어 있지 않은 나머지 영역에 형성되어 있는 무반사 코팅막;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 쇼트키 포토다이오드.
- 제 6항에 있어서,상기 무반사 코팅막의 재질은,산화물(Oxide) 또는 질화물(Nitride)인 것을 특징으로 하는 쇼트키 포토다이오드.
- 제 6항에 있어서,상기 무반사 코팅막의 두께는,50nm ~ 250nm 인 것을 특징으로 하는 쇼트키 포토다이오드.
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