KR101573559B1 - 광전자 복사 검출기 및 다수의 검출 소자를 제조하기 위한 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 신호 발생을 위한 다수의 검출 소자(1, 2, 3)를 갖는 광전자 복사 검출기(100)에 관한 것으로, 상기 검출 소자는 각각의 스펙트럼 감도 분포를 가지며, 검출 소자(1)는 기본 검출 소자를 가지며, 상기 기본 검출 소자의 스펙트럼 감도 분포는 하부 한계 파장을 가지며, 다른 검출 소자(2, 3)는 적어도 하나의 필터 층(14, 15)을 포함하는 필터층 구조물(13)을 가지며, 다른 검출 소자(2, 3)의 스펙트럼 감도 분포는 최대 파장에서 최대값을 가지며, 상기 필터층 구조물은 최대 파장보다 작고 하부 한계 파장보다 큰 파장의 복사를 흡수한다. 또한, 본 발명은 다수의 검출 소자를 제조하기 위한 방법에 관한 것이다.
Description
본 발명은 광전자 복사 검출기 및 다수의 검출 소자를 제조하기 위한 방법에 관한 것이다.
사람 눈의 감도 분포에 따른 스펙트럼 감도 분포를 갖는 광전자 복사 검출기는 예를 들면 공개특허공보 WO 2005/096394 A1에 공지되어 있다.
본 발명의 목적은 제조하기 쉬운, 특히 제조하기 쉽고 여러 분야에서 사용가능한 복사 검출기를 제공하는 것이다.
상기 목적은 독립 청구항의 내용에 의해 해결된다. 바람직한 실시예들 및 개선예들은 종속 청구항의 내용이다.
적어도 하나의 실시예에 따르면 광전자 복사 검출기는 신호 발생을 위한 다수의 검출 소자를 갖는다. 상이한 검출 소자에서 발생한 신호들은 바람직하게 서로 분리되어 계측될 수 있다. 검출 소자들은 상이한 스펙트럼 감도 분포를 갖도록 형성될 수 있다. 검출 소자의 스펙트럼 감도 분포는 검출 소자에서 발생한 신호, 예를 들면 광전류(photocurrent)에 의해 또는 그 신호로부터 유도된 크기, 즉 검출 소자에 입사하는 복사의 파장에 의해 규정될 수 있다.
검출 소자는 바람직하게 각각의 스펙트럼 감도 분포를 갖는다. 바람직하게 상이한 검출 소자들은 상이한 스펙트럼 감도 분포를 갖는다. 두 개의 검출 소자가 특히 서로 다른 파장 영역의 복사를 검출하기 위해 형성될 수 있다.
바람직하게 개별 검출 소자의 스펙트럼 감도 분포는 상부 한계 파장 및/또는 하부 한계 파장을 갖는다.
상부 또는 하부 한계 파장이란, 개별 검출 소자가 큰 또는 작은 파장에 대해 유효 신호(significant signal)를 더 이상 전달하지 않는 영역, 예를 들면 주변 소음과 더 이상 구별될 수 없는 신호를 전달하는 영역의 파장을 말한다. 개별 검출 소자의 스펙트럼 감도 영역은 바람직하게 하부 한계 파장과 상부 한계 파장 간의 간격에 의해 규정된다. 또한, 검출 소자들은 상이한 스펙트럼 감도 영역을 가질 수 있다.
적어도 하나의 실시예에 따르면 제 1 검출 소자가 기본 검출 소자를 갖는다. 기본 검출 소자의 스펙트럼 감도 분포는 상부 한계 파장 및/또는 하부 한계 파장을 가질 수 있다. 기본 검출 소자는 바람직하게 복사 검출기의 적어도 하나 또는 다수의 검출 소자보다 큰 스펙트럼 감도 영역을 갖는다.
적어도 하나의 추가 실시예에 따르면 제 2 검출 소자가 적어도 하나의 필터층을 갖는 필터층 구조물을 갖는다. 필터층 구조물에 의해 검출 소자의 스펙트럼 감도 분포의 하부 한계 파장이 규정될 수 있다. 여기서 하부 한계 파장은 필터층의 밴드갭(band gap)에 상응할 수 있다. 필터층 구조물은 반도체 재료를 포함할 수 있다.
바람직하게 제 2 검출 소자 - 즉 기본 검출 소자를 갖는 제 1 검출 소자에 대해 추가로 제공되는 검출 소자 - 는 필터층 구조물을 갖는다.
적어도 하나의 추가 실시예에 따르면 제 1 검출 소자의 스펙트럼 감도 분포, 특히 제 2 검출 소자의 스펙트럼 감도 분포 및/또는 기본 검출 소자의 스펙트럼 감도 분포가 최대 파장에서 최대값, 예를 들면 전체적인 최대값을 갖는다. 특히 복사 검출기의 개별 검출 소자의 감도 분포는 개별 최대 파장에서 최대값을 가질 수 있다. 상이한 검출 소자는 상이한 최대 파장에서 각각의 최대값을 가질 수 있다.
적어도 하나의 추가 실시예에 따르면 제 2 검출 소자의 스펙트럼 감도 분포의 상부 한계 파장은 기본 검출 소자의 스펙트럼 감도 분포의 상부 한계 파장과 동일하다.
적어도 하나의 추가 실시예에 따르면 제 2 검출 소자의 필터층 구조물은 기본 검출 소자의 스펙트럼 감도 분포의 상부 한계 파장보다 작고 및/또는 하부 한계 파장보다 큰 파장의 복사를 흡수하도록 형성된다. 필터층 구조물에 의해 제 2 검출 소자의 감도 채널이 기본 검출 소자의 스펙트럼 감도 영역 내에 형성될 수 있다. 특히 제 2 검출 소자의 스펙트럼 감도 영역은 필터층 구조물에 의해 - 더 넓은 대역을 갖는 - 기본 검출 소자의 스펙트럼 감도 영역으로 형성될 수 있다.
적어도 하나의 추가 실시예에 따르면 제 2 검출 소자의 스펙트럼 감도 분포가 기본 검출 소자의 스펙트럼 감도 분포 내에 감도 채널을 형성한다.
적어도 하나의 추가 실시예에 따르면 기본 검출 소자의 스펙트럼 감도 분포가 제 2 검출 소자의 스펙트럼 감도 분포를 완전히 커버한다.
적어도 하나의 추가 실시예에 따르면 기본 검출 소자의 스펙트럼 감도 분포의 최대 파장이 제 2 검출 소자의 스펙트럼 감도 분포의 최대 파장보다 작다.
적어도 하나의 추가 실시예에 따르면 필터층 구조물은 제 2 검출 소자의 스펙트럼 감도 분포의 최대 파장보다 작고 바람직하게 기본 검출 소자의 스펙트럼 감도 분포의 하부 한계 파장보다 큰 파장의 복사를 흡수하도록 형성된다. 따라서 제 2 검출 소자의 스펙트럼 감도 영역 - 즉 스펙트럼 감도 분포의 상부 한계 파장과 하부 한계 파장 간의 간격 - 은 기본 검출 소자의 스펙트럼 감도 영역에 비해 좁게 형성될 수 있다. 특히 제 2 검출 소자의 스펙트럼 감도 영역은 기본 검출 소자의 스펙트럼 감도 영역 내에 놓일 수 있다.
적어도 하나의 추가 실시예에 따르면 검출 소자, 특히 제 2 검출 소자의 스펙트럼 감도 분포의 최대 파장이 기본 검출 소자의 스펙트럼 감도 분포의 상부 한계 파장보다 작다.
적어도 하나의 추가 실시예에 따르면 검출 소자, 특히 제 2 검출 소자의 스펙트럼 감도 분포의 최대 파장이 기본 검출 소자의 스펙트럼 감도 분포의 하부 한계 파장보다 크다.
적어도 하나의 추가 실시예에 따르면 복사 검출기의 스펙트럼 감도 분포는 개별 검출 소자의 스펙트럼 감도 분포에 의해 형성된다. 특히 복사 검출기의 스펙트럼 감도 분포는 기본 검출 소자의 스펙트럼 감도 분포 및 하나 또는 다수의 추가 검출 소자, 예를 들면 두 개 이상의 추가 검출 소자의 스펙트럼 감도 분포에 의해 형성될 수 있다.
적어도 하나의 추가 실시예에 따르면 제 1 검출 소자가 기본 검출 소자로 형성된다. 따라서 제 1 검출 소자는 기본 검출 소자의 스펙트럼 감도 분포에 따라 신호를 발생시킨다. 기본 검출 소자는 바람직하게 넓은 스펙트럼 감도 분포를 가질 수 있다.
적어도 하나의 추가 실시예에 따르면 기본 검출 소자의 스펙트럼 감도 영역이 가시광선, 적외선 및/또는 자외선 스펙트럼 영역 밖으로 연장된다. 복사 검출기 및/또는 기본 검출 소자는 자외선, 가시광선 및/또는 적외선 스펙트럼 영역에서 민감할 수 있다.
적어도 하나의 추가 실시예에 따르면 제 2 검출 소자 - 즉 필터층 구조물을 갖는 검출 소자 - 도 기본 검출 소자를 갖는다. 바람직하게는 기본 검출 소자에 대해 추가로 필터층 구조물이 제공된다. 신호 발생 이전에 필터층 구조물 내에 복사가 흡수됨으로써 제 2 검출 소자의 스펙트럼 감도 영역이 필터층 구조물에 의해 기본 검출 소자의 스펙트럼 감도 영역으로부터 선택될 수 있다. 필터층 구조물은 바람직하게 제 2 검출 소자의 기본 검출 소자 앞에 배치된다.
적어도 하나의 추가 실시예에 따르면 광전자 복사 검출기는 다수의 별도의 검출 소자를 갖는다. 별도의 검출 소자를 제공함으로써 상이한 검출 소자 간의 크로스토크(crosstalk)를 감소시키거나 막을 수 있다.
적어도 하나의 추가 실시예에 따르면 복사 검출기는 복사 검출기 칩으로 형성된다. 복사 검출기 칩은 별도의 검출 소자를 개별적으로 제조하는 것보다 쉽게 제조될 수 있다. 복사 검출기는 모놀리식(monolithic) 방식으로 집적될 수 있다.
적어도 하나의 추가 실시예에 따르면 검출 소자는 서로 나란히 배치된다. 검출 소자들은 동일한 캐리어, 예를 들면 복사 검출기 칩의 기판에 나란히 배치되거나 형성될 수 있다. 이로 인해 복잡한 배열을 갖는 검출 소자에 비해 복사 검출기의 제조가 간소화된다.
적어도 하나의 추가 실시예에 따르면 검출 소자들은 신호 발생을 위해 제공된 활성 영역을 포함하는 각각의 반도체 바디를 갖는다. 반도체 바디가 배치되어 있는 캐리어는 예를 들면 에피택셜 성장 기판으로 형성되거나 제조될 수 있으며, 상기 에피택셜 성장 기판 위에 반도체 바디의 반도체층이 에피택셜하게 성장한다. 활성 영역에서 흡수된 복사는 흡수에 의해 생성된 전자-정공 쌍(electron-hole pair)에 의해 개별 검출 소자의 신호를 발생시킬 수 있다.
적어도 하나의 추가 실시예에 따르면 기본 검출 소자를 갖는 제 1 검출 소자 및 특히 필터층 구조물을 갖는 제 2 검출 소자가 동일한 활성 영역을 갖는다. 특히 복사 검출기의 다수의 검출 소자가 동일한 활성 영역을 가질 수 있다. 동일한 활성 영역은 동일한 재료들, 동일한 조성, 동일한 구조 및/또는 동일한 두께를 가질 수 있다. 기본 검출 소자 및 제 2 검출 소자는 동일한 활성 영역을 가질 수 있다.
적어도 하나의 추가 실시예에 따르면 제 2 검출 소자의 반도체 바디는 활성 영역에 대해 추가로 필터층 구조물을 갖는다.
적어도 하나의 추가 실시예에 따르면 개별 검출 소자의 활성 영역, 필터층 구조물 및/또는 반도체 바디가 에피택셜하게 성장한다. 필터층 구조물은 특히 개별 검출 소자의 반도체 바디 내에 예를 들면 모놀리식 방식으로 집적될 수 있다. 기본 검출 소자는 반도체 바디 내에 예를 들면 모놀리식 방식으로 집적될 수 있다. 기본 검출 소자는 하나 또는 다수의 검출 소자의 활성 영역을 포함할 수 있다.
적어도 하나의 추가 실시예에 따르면 검출 소자, 바람직하게 개별 검출 소자가 검출 표면을 갖는다. 검출 표면이란 검출 소자의 표면을 의미하며, 이 표면을 통해 복사가 검출 소자 내부로 이른다. 검출 표면은 예를 들면 개별 반도체 바디의 (부분) 표면에 의해 형성될 수 있다. 바람직하게 기본 검출 소자를 갖는 제 1 검출 소자의 검출 표면은 기본 검출 소자에 의해 형성된다. 필터층 구조물을 갖는 제 2 검출 소자의 검출 표면은 바람직하게 필터층 구조물에 의해 형성된다. 필터층 구조물은 특히 제 2 검출 소자의 활성 영역과 검출 표면 사이에 배치될 수 있다.
적어도 하나의 추가 실시예에 따르면 제 2 검출 소자의 일부, 즉 필터층 구조물을 갖는 검출 소자의 일부가 기본 검출 소자에 부합하는 형태를 지니며, 필터층 구조물이 특히 기본 검출 소자에 부합하는 형태를 지닌 제 2 검출 소자의 일부에 대해 추가로 제 2 검출 소자의 검출 표면과 제 2 검출 소자의 활성 영역 사이에 배치된다.
특히 바람직한 한 실시예에서 광전자 복사 검출기는 신호 발생을 위한 다수의 검출 소자를 갖는다. 검출 소자들은 각각의 스펙트럼 감도 분포를 가지며, 제 1 검출 소자는 기본 검출 소자를 갖는다. 기본 검출 소자의 스펙트럼 감도 분포는 하부 한계 파장을 가지며, 제 2 검출 소자는 적어도 하나의 필터층을 포함하는 필터층 구조물을 갖는다. 제 2 검출 소자의 스펙트럼 감도 분포는 최대 파장에서 최대값을 가지며, 필터층 구조물은 제 2 검출 소자의 스펙트럼 감도 분포의 최대 파장보다 작고 기본 검출 소자의 스펙트럼 감도 분포의 하부 한계 파장보다 큰 파장의 복사를 흡수하도록 형성된다.
이와 같은 복사 검출기는 제조하기 쉽고 특히 여러 분야에서 사용될 수 있다.
다수의 검출 소자를 제조하기 위한 방법에 대한 적어도 하나의 실시예에 따르면 우선 검출 소자를 위한 반도체층 구조물이 제공되고, 이때 반도체층 구조물은 적어도 하나의 필터층 및 특히 신호 발생을 위해 제공되는 활성 영역을 포함하는 필터층 구조물을 갖는다.
그런 다음 필터층이 제거되고, 특히 필터층 제거에 의해 제 1 검출 소자의 검출 표면이 노출될 수 있다. 이때 검출 표면은 필터층이 제거되기 전에 커버된 상태로 제공될 수 있다.
필터층은 제 2 검출 소자에 대해 부분적으로 반도체층 구조물 내에 남아서, 제 2 검출 소자의 검출 표면과 활성 영역 사이에 필터층이 배치된다. 또한, 필터층은 단지 부분적으로만 제거된다.
그런 다음 검출 소자들의 제조가 완성될 수 있다.
본 방법은 위에 기술한 복사 검출기, 특히 다수의 검출 소자를 갖는 복사 검출기 칩을 제조하기 위해 특히 적합하며, 복사 검출기와 관련하여 기술한 특징들이 본 방법에 적용되고, 본 방법에 관련한 특징들이 복사 검출기에 적용될 수 있다.
본 방법에 따르면 또한 특히 상이한 스펙트럼 감도 분포를 갖는 상이한 검출 소자를 포함하는 복사 검출기를 제조하기 위해 단 하나의 반도체층 구조물이 사용될 수 있다. 이때 필터층 구조물은 바람직하게 활성 영역에 의해 규정될 수 있는 스펙트럼 감도 분포로부터 제 2 검출 소자를 위한 스펙트럼 감도 영역을 잘라내도록 형성된다.
반도체층 구조물은 필터층 제거 이전 또는 그 이후에 특히 서로 분리된 다수의 반도체 바디로 분할될 수 있다. 이때 반도체층 구조물은 바람직하게 제 1 반도체 바디가 제 1 검출 소자의 검출 표면을 그리고 제 2 반도체 바디가 제 2 검출 소자의 검출 표면을 갖거나 및/또는 포함하도록 분할된다.
적어도 하나의 추가 실시예에 따르면 반도체층 구조물은 제공되기 전에 에피택셜 성장 기판 위에서 에피택셜하게 성장된다. 반도체층 구조물은 제공될 때 에피택셜 기판 위에 배치될 수 있다.
적어도 하나의 추가 실시예에 따르면 필터층이 에칭, 특히 습식 화학적(wet chemical) 에칭에 의해 제거된다. 필터층의 부분적인 제거를 위해 바람직하게는 적합하게 구조화된 마스크, 예를 들면 포토레지스트 마스크(photoresist mask)가 사용된다.
적어도 하나의 추가 실시예에 따르면 필터층 및 검출 소자의 검출 표면을 형성하기 위해 제공된 반도체층 구조물의 층이 선택적으로 에칭될 수 있다. 이때 에칭 수단이 필터층을 부식시켜서 제거하고 검출 표면에 제공된 층이 필터층과 달리 에칭 수단에 저항하도록 상기 층들이 서로 매칭되는 것이 바람직하다. 검출 표면에 제공된 층은 또한 에칭 정지층(etching stop layer)으로 형성될 수 있다.
선택적인 에칭, 특히 습식 화학적 에칭에 의해 검출 소자의 검출 표면에서 반도체층 구조물 내에 배치된 반도체층들이 간단한 방식으로 제거될 수 있다.
적어도 하나의 추가 실시예에 따르면 기본 검출 소자는 사람 눈의 감도 분포에 따른 스펙트럼 감도 분포를 갖는다. 또한, 기본 검출 소자는 사람 눈의 감도 분포에 따른 스펙트럼 감도 분포를 갖는 검출 소자로 형성될 수도 있다. 명순응(light-adapted) 또는 암순응(dark-adapted)된 사람 눈의 감도 분포에 대해 CIE 국제조명위원회(Commission Internationale de l'Eclairage)의 표준이 적용될 수 있다.
적어도 하나의 추가 실시예에 따르면 검출 소자, 특히 개별 검출 소자의 활성 영역이 상이한 밴드갭 및/또는 두께를 갖는 다수의 기능층을 갖는다. 이와 같이 활성 영역이 형성됨으로써 기본 검출 소자의 스펙트럼 감도 분포의 장파측이 사전 설정된 스펙트럼 감도 분포, 예를 들면 사람 눈의 감도 분포에 따라 형성될 수 있다. 이때 신호는 활성 영역에서 다수의 기능층에 의해 사전 설정된 스펙트럼 감도 분포에 따라 발생한다. 바람직하게 스펙트럼 감도 분포의 장파측에 매칭되는 필터가 필요 없다. 활성 영역은 바람직하게 기본 검출 소자의 스펙트럼 감도 분포의 최대 파장보다 큰 파장의 복사를 흡수한다.
적어도 하나의 추가 실시예에 따르면 기본 검출 소자가 특히 활성 영역에 대해 추가로 기본 필터층을 갖는다. 기본 필터층은 바람직하게 기본 검출 소자의 스펙트럼 감도 분포의 최대 파장보다 작은 파장의 복사를 흡수한다. 기본 필터층은 반도체 바디 내에 집적될 수 있다. 기본 필터층은 기본 검출 소자의 스펙트럼 감도 분포의 최대 파장보다 작은 파장의 복사를 흡수함으로써 사전 설정된 스펙트럼 감도 분포의 단파측을 형성할 수 있다.
기본 검출 소자가 예를 들면 사람 눈의 감도 분포에 따른 스펙트럼 감도 분포를 갖는 것과 관련하여 특허공개공보 WO 2005/096394 A1에 기술된 기본 검출 소자의 적합한 실시예가 적용되며, 그 전체 공개 내용이 본 특허 출원에 참조된다.
적어도 하나의 추가 실시예에 따르면 검출 소자는 필터층 구조물의 하나 또는 다수의 필터층의 잔여 부분을 가지며, 이때 검출 소자의 검출 표면은 하나 또는 다수의 필터층을 포함하지 않아서, 복사가 하나 또는 다수의 필터층에 의해 방해받지 않고 검출 소자 안으로 유입될 수 있다. 하나 또는 다수의 필터층을 포함하지 않는 검출 표면은 예를 들면 기본 검출 소자에 의해 형성될 수 있다. 바람직하게는 필터층 구조물 잔여 부분에 이러한 검출 소자의 전기적 결합부가 배치된다.
적어도 하나의 실시예에 따르면 필터층 구조물은 수동형(passive), 즉 신호 발생을 위해 적합하지 않게 제공되거나 형성된 필터층 구조물이다.
적어도 하나의 추가 실시예에 따르면 검출 소자의 반도체 바디, 바람직하게는 개별 검출 소자의 반도체 바디는 특히 활성 영역, 기본 필터층 및/또는 필터층 구조물, 화합물 반도체 재료, 특히 III-V족 반도체 재료를 포함한다. III-V족 반도체 재료들은 바람직하게 높은 양자효율(quantum efficiency)을 갖는 것을 특징으로 한다. 특히 III-V족 반도체 재료를 갖는 적합한 필터층이 구현될 수도 있다.
예를 들면 활성 영역은 InGaAlP를 포함한다. InGaAlP는 가시광선 및/또는 자외선 스펙트럼 영역에서 신호 발생을 위해 특히 적합하다. 이에 대한 대안으로서 또는 추가로 활성 영역은 (Al)GaAs를 포함할 수 있다. (Al)GaAs는 적외선 스펙트럼 영역에서 신호 발생을 위해 특히 적합하다.
필터층 구조물은 InGaAlP 및/또는 AlGaAs를 포함할 수 있다.
적어도 하나의 추가 실시예에 따르면 필터층 구조물은 다수의 필터층을 갖는다.
적어도 하나의 추가 실시예에 따르면 검출 소자의 반도체 바디, 바람직하게는 개별 검출 소자의 반도체 바디가 핀 다이오드 구조(pin diode structure)에 따라 형성된다. 이와 같은 핀 다이오드 구조는 바람직하게 낮은 응답 시간(response time)을 갖는 것을 특징으로 한다.
적어도 하나의 추가 실시예에 따르면 활성 영역, 특히 기능층이 진성으로(intrinsic), 즉 도핑되지 않은 방식으로(undoped)으로 형성된다.
적어도 하나의 추가 실시예에 따르면 필터층 구조물이 도핑된 방식으로 형성된다. 따라서 필터층 구조물 또는 필터층 구조물의 잔여 부분에 개별 검출 소자의 전기적 결합부가 간단하게 배치될 수 있다.
적어도 하나의 추가 실시예에 따르면 복사 검출기가 기본 검출 소자를 갖는 제 1 검출 소자 및 필터층 구조물을 갖는 제 2 검출 소자에 대해 추가로 제 3 검출 소자를 갖는다. 제 3 검출 소자는 바람직하게 적어도 하나의 필터층을 갖는 필터층 구조물을 갖는다. 제 3 검출 소자의 스펙트럼 감도 분포는 바람직하게 최대 파장에서 최대값을 갖는다. 제 3 검출 소자의 필터층 구조물은 바람직하게 제 3 검출 소자의 스펙트럼 감도 분포의 최대 파장보다 작고 및/또는 기본 검출 소자의 스펙트럼 감도 분포의 하부 한계 파장보다 큰 파장의 복사를 흡수하도록 형성된다.
바람직하게는 제 3 검출 소자의 필터층 구조물은 기본 검출 소자의 스펙트럼 감도 분포의 최대 파장보다 크고 및/또는 제 2 검출 소자의 스펙트럼 감도 분포의 최대 파장보다 큰 파장의 복사를 흡수한다.
적어도 하나의 추가 실시예에 따르면 제 3 검출 소자의 필터층 구조물이 다수의 필터층을 갖는다. 두 개의 필터층, 특히 두 개의 서로 인접한 필터층, 즉 제 3 검출 소자의 필터층 구조물은 바람직하게 선택적으로 에칭될 수 있으며, 특히 습식 화학적 에칭될 수 있도록 형성된다. 제 3 검출 소자의 필터층 구조물은 제 2 검출 소자의 필터층에 상응하는 필터층, 특히 동일한 조성 및/또는 두께의 필터층 및 추가의 필터층을 가질 수 있다.
제 3 검출 소자의 추가 필터층은 바람직하게 제 2 검출 소자의 스펙트럼 감도 분포의 최대 파장보다 크고 특히 바람직하게는 기본 검출 소자의 스펙트럼 감도 분포의 하부 한계 파장보다 작은 파장의 복사를 흡수한다.
제 3 검출 소자에 의해 기본 검출 소자의 스펙트럼 감도 분포로부터 추가의 스펙트럼 감도 영역이 획득될 수 있다.
제 3 검출 소자의 추가 필터층은 바람직하게 활성 영역 맞은편에 놓인 제 3 검출 소자의 필터층 측에 배치된다.
적어도 하나의 추가 실시예에 따르면 제 3 검출 소자는 추가 필터층의 제공에 의해 제 2 검출 소자에 따라 형성된다.
적어도 하나의 추가 실시예에 따르면 필터층 및 추가 필터층이 선택적으로 에칭되도록, 특히 선택적으로 습식 화학적 에칭되도록 형성된다.
적어도 하나의 추가 실시예에 따르면 필터층 및 기본 필터층이 선택적으로 에칭되도록, 특히 선택적으로 습식 화학적 에칭되도록 형성된다.
바람직하게 기본 필터층, 필터층 및/또는 추가 필터층을 갖는 필터층 시퀀스는 예를 들면 교대로 (Al)GaAs 포함 층과 InGaAlP 포함 층을 가질 수 있다. (Al)GaAs 또는 InGaAlP를 포함하는 반도체층은 InGaAlP 및/또는 (Al)GaAs를 포함하는 다른 반도체층, 즉 각각의 다른 재료를 갖는 층에 대해 선택적으로 에칭될 수 있다.
적어도 하나의 추가 실시예에 따르면 복사 검출기가 사람 눈의 스펙트럼 감도 분포에 따른 스펙트럼 감도 분포를 갖는 주변광 센서 그리고 세 가지 기본색의 검출 및/또는 구별을 위한 색 센서로서 동시에 작동할 수 있다. 색 센서로서 작동되는 예를 들면 세 가지 기본색을 검출하기 위한 개별 색상 채널들은 개별 검출 소자로부터 획득되는 신호들의 차이에 의해 획득될 수 있다.
적어도 하나의 추가 실시예에 따르면 복사 검출기가 사람 눈의 감도 분포에 따른 스펙트럼 감도 분포를 갖는 주변광 센서로서 그리고 특히 세 가지 기본 색의 검출 및/또는 구별을 위한 색 센서로서 동시에 작동할 수 있다.
추가의 특징들, 장점들 및 유용성은 도면과 관련하여 기술되는 아래의 실시예에 의해 설명된다.
도 1a 내지 도 1c는 광전자 복사 검출기의 한 실시예에 따른 개략적인 단면도이고, 도 1d는 광전자 복사 검출기의 검출 소자의 일부를 보여주는 개략적인 단면도이다.
도 2a는 검출 소자의 스펙트럼 감도 분포를 도시하고, 도 2b는 검출 소자의 스펙트럼 감도 분포로부터 획득된 색상 채널들을 도시한다.
도 3은 복사 검출기의 또 다른 실시예에 따른 개략적인 평면도이다.
도 4a 내지 도 4e는 복사 검출기의 제조 방법에 대한 한 실시예에 따른 중간 단계들을 도시한 단면도들이다.
도 2a는 검출 소자의 스펙트럼 감도 분포를 도시하고, 도 2b는 검출 소자의 스펙트럼 감도 분포로부터 획득된 색상 채널들을 도시한다.
도 3은 복사 검출기의 또 다른 실시예에 따른 개략적인 평면도이다.
도 4a 내지 도 4e는 복사 검출기의 제조 방법에 대한 한 실시예에 따른 중간 단계들을 도시한 단면도들이다.
동일한, 동일한 종류의 그리고 동일한 기능을 가진 요소들은 도면에서 동일한 도면부호를 갖는다.
도 1a 내지 도 1c는 광전자 복사 검출기의 한 실시예에 따른 개략적인 단면도이다. 도 1d는 광전자 복사 검출기의 한 검출 소자의 일부를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 1c는 복사 검출기의 개략적인 평면도를 도시하고, 도 1a는 도 1c의 선 A-A를 따라 자른 개략적인 단면도이며, 도 1b는 도 1c의 선 B-B를 따라 자른 단면도이다.
복사 검출기(100)는 다수의 검출 소자(1, 2, 3)를 갖는다. 본 실시예에서 복사 검출기는 세 개의 검출 소자를 포함한다. 그러나 대안적으로 두 개 또는 세 개 이상, 예를 들면 4개 또는 5개 이상의 검출 소자가 제공될 수도 있다. 검출 소자들은 복사 검출기의 캐리어(4) 상에 나란히 배치된다. 검출 소자(1, 2, 3)는 캐리어(4)의 동일한 표면에 배치된다.
검출 소자(1, 2, 3)는 각각의 반도체 바디(5)를 갖는다. 반도체 바디(5)는 각각 에피택셜하게 성장할 수 있다. 특히 캐리어(4)는 반도체 바디의 에피택셜 성장층을 위한 에피택셜 성장 기판으로 형성될 수 있다.
복사 검출기(100)는 전체적으로 복사 검출기 칩으로 형성될 수 있다. 검출 소자들은 특히 모놀리식 방식으로 집적된다. 특히 복사 검출기는 간단한 방식으로 제조될 수 있다. 복사 검출기는 그룹 형태로 제조될 수 있는데, 다시 말해 다수의 복사 검출기가 동시에 제조될 수 있다. 이때 개별 복사 검출기는 그룹 형태에서 따로 분리되어 형성된다.
검출 소자(1, 2, 3)는 각각의 검출 표면(6, 7, 8)을 갖는다. 개별 검출 소자의 검출 표면은 바람직하게 캐리어(4) 맞은편에 놓여있다. 또한, 검출 표면은 복사 검출기(100)로부터 검출되는 복사를 개별 검출 소자 내부로 유입시키기 위해 제공된다. 개별 검출 표면(6, 7, 8)은 개별 검출 소자의 반도체 바디(5)의 표면, 특히 캐리어 맞은편에 놓인 개별 반도체 바디 표면에 의해 형성된다. 검출 소자(1, 2, 3)는 각각 신호 발생을 위해 제공되는 활성 영역(9)을 갖는다. 활성 영역(9)은 반도체 바디(5) 내에 제공될 수 있다. 활성 영역(9)은 바람직하게는 진성으로, 특히 도핑되지 않은 방식으로 형성된다. 또한, 개별 반도체 바디는 바람직하게 두 개의 반도체 영역(10, 11)을 갖는다. 반도체 영역(10, 11)은 특히 상이한 도전형(n-형 또는 p-형)으로 도핑되도록 형성된다. 반도체 영역(10)은 예를 들면 p-형으로 그리고 반도체 영역(11)은 n-형으로 형성된다. 개별 반도체 영역(10 및/또는 11)은 하나 또는 다수의 반도체층을 가질 수 있다.
또한, 개별 검출 소자의 반도체 바디(5)는 핀 다이오드 구조를 가질 수 있다. 이러한 핀 다이오드 구조는 바람직하게 응답 시간이 짧다는 것을 특징으로 한다.
검출 표면(6, 7, 8)에 의해 개별 검출 소자(1, 2 및/또는 3)의 반도체 바디(5) 내부로 유입되는 복사는 개별 검출 소자의 활성 영역(9)으로 이르러서 거기서 흡수되어, 전자-정공 쌍을 생성할 수 있다. 활성 영역에서 생성된 전하 캐리어는 개별 검출 소자의 신호 발생을 위해 사용될 수 있다.
이때 검출 소자(1, 2, 3)의 활성 영역(9)은 동일한 종류, 특히 동일한 형태로 제공될 수 있다. 활성 영역(9)은 하나의 에피택셜 성장층 또는 층 구조물로 형성될 수 있다.
또한, 검출 소자는 각각의 기본 검출 소자(12)를 가질 수 있다. 기본 검출 소자(12)는 개별 반도체 바디 내에 집적될 수 있다. 검출 소자는 특히 상이한 스펙트럼 감도 영역의 복사를 검출하기 위해 형성된다. 기본 검출 소자는 특히 넓은 스펙트럼 감도 영역을 갖는다. 기본 검출 소자의 스펙트럼 감도 영역은 가시광선 스펙트럼 영역 밖으로, 예를 들면 410nm 이상 680nm 이하의 영역까지 연장될 수 있다.
기본 검출 소자의 스펙트럼 감도 영역으로 검출 소자의 상이한 스펙트럼 감도 영역을 형성하기 위해 검출 소자의 활성 영역 앞에 필터층이 배치될 수 있으며, 상기 필터층은 입사하는 복사를 흡수한다. 이에 상응하여 필터층에 의해 흡수되는 파장 영역, 즉 활성 영역에서는 복사가 감소하거나 전자-정공 쌍이 생성되지 않으며, 따라서 유효 신호가 발생하지 않는다.
필터층 구조물은 개별 검출 소자(1, 2 및/또는 3)의 반도체 바디(5) 내에 집적될 수 있다.
하나 또는 다수의 필터층을 갖는 필터층 구조물은 특히 개별 검출 소자의 검출 표면과 활성 영역 사이에 배치될 수 있다. 본 실시예에서 검출 소자(3)는 두 개의 필터층(14, 15)을 포함하는 필터층 구조물(13)을 갖는다. 검출 소자(2)는 필터층(14)을 포함하는 필터층 구조물(13)을 갖는다. 이때 검출 소자(2 및 3)의 필터층(14)은 동일하게 형성될 수 있다. 특히 필터층(14)은 하나의 에피택셜 성장층으로 형성될 수 있다. 개별 검출 소자(2 및/또는 3)의 검출 표면(7, 8)은 활성 영역 맞은편에 놓인 필터층 구조물(13) 표면에 의해 형성될 수 있다. 검출 소자(1)의 검출 표면(6)과 활성 영역(9) 사이에는 필터층 구조물이 배치되지 않는다. 검출 표면(6)은 기본 검출 소자에 의해 형성된다. 따라서 검출 소자(1)의 스펙트럼 감도 분포는 기본 검출 소자의 스펙트럼 감도 분포와 동일할 수 있다.
개별 필터층 구조물(13)은 바람직하게 기본 검출 소자의 스펙트럼 감도 분포의 상부 한계 파장보다 작은 파장의 복사를 흡수한다. 이때 필터층(15)은 바람직하게 필터층(14)보다 큰 파장의 복사를 흡수하기 위해 형성된다. 특히 필터층(14)은 필터층(15)보다 큰 밴드갭을 가질 수 있다.
개별 필터층에서 흡수되는 파장은 이 필터층의 밴드갭에 의해 조절될 수 있다.
필터층 구조물(13)에 의해 특히 감도 채널들이 기본 검출 소자의 스펙트럼 감도 분포 내에 형성될 수 있다. 필터층 구조물은 바람직하게 신호 발생을 위해 사용되지 않고 특히 수동형 필터층 구조물로 형성된다.
개별 검출 소자(1, 2, 3)에서 발생한 신호를 검출하기 위해 검출 소자들은 각각의 접촉부(16, 17 및/또는 18)를 갖는다. 개별 접촉부는 금속화물 또는 합금으로 형성될 수 있다. 개별 접촉부는 캐리어(4) 맞은편에 놓인 검출 소자 측에 배치될 수 있다. 바람직하게 개별 접촉부는 상응하는 검출 소자의 활성 영역(9)과 전기 절연적 결합을 한다. 전기 절연적 결합은 예를 들면 필터층 구조물(13)을 관통하여 이루어질 수 있다.
필터층 구조물(13) 및 특히 필터층(14 및/또는 15)은 활성 영역(9)의 전기적 접촉을 위해 도핑된 방식으로, 예를 들면 p-형으로 도핑된 방식으로 형성될 수 있다. 필터층(14 및/또는 15)의 두께는 0.8㎛ 이상, 특히 1.0㎛ 이상, 특히 바람직하게는 1.5㎛ 이상 또는 2㎛ 이상일 수 있다.
검출 표면이 필터층 또는 필터층 구조물이 없는 영역에 있는 제 1 검출 소자도 제 2 검출 소자의 필터층 또는 필터층 구조물의 잔여 부분을 가질 수 있다. 필터층(구조물) 잔여 부분은 검출 표면 외부에 제공될 수 있다. 검출 소자(2)는 필터층(14)에 대해 추가로 필터층(14)의 필터층 잔여 부분(15')을 갖는다. 검출 소자(1)는 필터층(14 및/또는 15)의 필터층 구조물 잔여 부분(14' 및 15')을 갖는다(도 1a 참조). 각각의 필터층 잔여 부분(14', 15')은 검출 소자(1 및/또는 2)의 접촉부와 활성 영역 사이에 배치된다. 개별 필터층에 의한 필터링이 요구되지 않는 검출 소자 내에도 필터층(구조물) 잔여 부분이 제공됨으로써 접촉부(16, 17, 18)가 반도체 바디 위에 동일한 높이로 제공될 수 있다는 장점이 있다. 이로 인해 복사 검출기의 제조가 간소화된다.
검출 소자(1, 2, 3)는 개별 접촉부(16, 17 및/또는 18)에 부합하는 공동의 대응 접촉부(19)를 가질 수 있다. 대응 접촉부는 예를 들면 캐리어(4) 맞은편에 놓인 검출 소자 측에 배치될 수 있다.
활성 영역(9), 반도체 영역(10, 11), 필터층(14 및/또는 15)은 화합물 반도체 재료, 특히 III-V족 화합물 반도체 재료를 포함할 수 있다. 반도체 바디는 화합물 반도체로 이루어질 수 있다.
화합물 반도체 재료로는 인화물-화합물 반도체에 기반한 반도체 재료 및/또는 비화물-화합물 반도체 재료에 기반한 반도체 재료가 특히 적합하다. 이때 활성 영역을 위한 재료로서, 특히 자외선 및/또는 가시광선 스펙트럼 영역의 복사 검출을 위해서는 인화물-화합물 반도체가 그리고 가시광선 및/또는 적외선 스펙트럼 영역의 복사 검출을 위해서는 비화물-화합물 반도체가 적합하다. 적합한 밴드갭을 갖는 필터층은 비화물 기반 및 인화물 기반으로 구현될 수 있다. 이때 특히 필터층(14 및 15)을 위한 재료 및 경우에 따라서는 활성 영역 측에서 필터층 구조물에 접해 있는 층을 위한 재료로서 상이한 시스템으로 이루어진 재료가 선택될 수 있다. 특히 상이한 시스템으로 이루어진 재료들이 교대로 제공될 수 있다. 교대로 제공되는 층의 재료 시스템은 바람직하게 선택적으로 에칭될 수 있다. 이로 인해 복사 검출기의 제조가 간소화된다.
여기서 "인화물-화합물 반도체에 기반한다"는 말은 반도체 바디, 특히 활성 영역이 바람직하게 AlnGamIn1 -n- mP(이때 0≤n≤1, 0≤m≤1 및 n+m≤1이고, 특히 n≠0, m≠0, n≠1 및/또는 m≠1임)를 포함한다는 것을 의미한다. 이때 이러한 재료는 반드시 위의 공식에 따른 수학적 조성을 가질 필요는 없으며, 오히려 하나 또는 다수의 이상의 도핑 재료 그리고 - 재료의 물리적 특성에 변화를 가져오지 않는 한 - 추가 성분을 가질 수 있다. 그러나 명료함을 위해 위의 공식은 단지 결정격자(Al, Ga, In, P)의 본질적인 성분들 만을 포함하며, 이 성분들은 부분적으로 소량의 추가 재료에 의해 대체될 수도 있다.
여기서 "비화물-화합물 반도체에 기반한다"는 말은 반도체 바디, 특히 활성 영역이 바람직하게 AlnGamIn1 -n- mAs(이때 0≤n≤1, 0≤m≤1 및 n+m≤1, 특히 n≠0, m≠0, n≠1 및/또는 m≠1임)를 포함한다는 것을 의미한다. 이때 이러한 재료는 반드시 위의 공식에 따른 수학적 조성을 가질 필요는 없으며, 오히려 하나 또는 다수의 이상의 도핑 재료 그리고 - 재료의 물리적 특성에 변화를 가져오지 않는 한 - 추가 성분을 가질 수 있다. 그러나 명료함을 위해 위의 공식은 단지 결정격자(Al, Ga, In, As)의 본질적인 성분들 만을 포함하며, 이 성분들은 부분적으로 소량의 추가 재료에 의해 대체될 수도 있다.
인화물-화합물 반도체 재료를 갖는 반도체층 및 비화물-화합물 반도체 재료를 갖는 반도체층은 바람직하게 공동의 기판 상에, 특히 차례로 에피택셜하게 성장될 수 있다. 특히 하부 재료 시스템 In0 .5(Ga1 - xAlx)0.5P 및 AlxGa1 -xAs(이때 각각 0≤x≤1, 특히 x≠0 및/또는 x≠1임)으로 이루어진 재료들이 사용되는 것이 바람직하다. 왜냐하면, 이러한 재료들은 격자 상수(lattice constant)에 대해 서로 잘 매칭되기 때문이다. 에피택셜 성장 기판으로는 예를 들면 GaAs가 적합하다.
A1 함량에 의해 밴드갭 그리고 개별 층에서 흡수되는 복사가 조절될 수 있다. 인화물-화합물 반도체 재료에서는 A1 함량의 증가에 의해 밴드갭이 상승한다. 따라서 흡수가능한 파장이 A1 함량의 증가에 의해 감소한다. 이와 동일한 과정이 비화물-화합물 반도체 재료에서도 적용되는데, 여기서도 밴드갭이 A1 함량의 증가에 의해 상승한다.
또한, 복사 검출기(100)는 여러 분야에서 사용될 수 있다. 한편으로 검출 소자(1)에서는 기본 검출 소자(12)에 따른 신호가 추출될 수 있다. 검출 소자(2 및/또는 3)에서는 기본 검출 소자의 스펙트럼 감도 영역 내에 개별 감도 채널에 상응하여 신호가 추출될 수 있다. 이 경우, 획득되는 신호의 처리를 위한 적합한 방법에 관한 상이한 적용예들이 구현될 수 있다.
도 1d는 도 1a, 1b 및 1c에 도시된 기본 검출 소자(12)의 한 실시예에 따른 개략적인 단면도이다.
기본 검출 소자(12)는 활성 영역(9)을 포함한다. 활성 영역(9)은 다수의 기능층(9a, 9b, 9c, 9d)을 갖는다. 기능층은 바람직하게 상이한 밴드갭 및/또는 두께를 갖는다. 활성 영역 내에 있는 다수의 기능층에 의해 기본 검출 소자의 스펙트럼 감도 분포의 장파측이 형성될 수 있다. 활성 영역(9) 앞에 복사 유입 측으로 기본 필터층(20)이 배치된다. 기본 필터층(20)에 의해 특히 기본 검출 소자의 스펙트럼 감도 분포의 단파측이 형성될 수 있다. 이러한 스펙트럼 감도 분포는 바람직하게 사전 설정된 최대 파장에서 최대값을 갖는다. 이때 기본 필터층(20)은 최대 파장보다 작은 파장의 복사를 흡수할 수 있다. 하나 또는 다수의 기능층은 최대 파장보다 큰 파장의 복사를 흡수할 수 있다.
기본 필터층(20)은 바람직하게 기본 필터층에 접할 수 있는 필터층(14)의 재료에 대해 선택적으로 에칭될 수 있는 재료를 포함한다. 예를 들면 기본 필터층은 AlGaAs를 포함한다. 필터층(14)은 InGaAlP를 포함할 수 있다. 필터층(15)은 재차 AlGaAs를 포함할 수 있다.
기본 필터층(20)의 Al 함량은 바람직하게 필터층(15)의 Al 함량보다 크며, 이는 특히 상기 두 층이 AlGaAs를 포함하거나 또는 AlGaAs로 이루어질 경우이다.
기본 검출 소자의 활성 영역(9)은 바람직하게 두 개의 클래딩층(cladding layer)(21, 22) 사이에 배치되며, 상기 클래딩층(21, 22)은 상이한 도전형으로 도핑될 수 있다.
기본 검출 소자(12)는 바람직하게 사람 눈의 감도 분포에 따른 스펙트럼 감도 분포를 갖는 주변광 센서로 형성된다.
기본 검출 소자의 층들이 주변광 센서로 특히 적합하게 형성되는 예가 아래의 표에서 제시된다.
| 층 | 조성 | 두께(nm) |
| 기본 필터층(20) | Al0 .80Ga0 .20As | 400 |
| 기능층(9a) | (Al0 .5Ga0 .5)0.5In0 .5P | 600 |
| 기능층(9b) | (Al0 .4Ga0 .6)0.5In0 .5P | 600 |
| 기능층(9c) | (Al0 .3Ga0 .7)0.5In0 .5P | 400 |
| 기능층(9d) | (Al0 .1Ga0 .9)0.5In0 .5P | 100 |
| 클래딩층(21) | AlInP | 300 |
| 클래딩층(22) | AlInP | 300 |
도 2a는 복사 검출기의 검출 소자(1, 2 및/또는 3)의 스펙트럼 감도 분포(Ri)(i=1, 2, 3)를 보여준다. 입사하는 복사의 파장에 대해 입사하는 방사 전력(와트)에 따라 발생한 신호 전류가 도시되어 있다. 이러한 스펙트럼 감도 분포는 시뮬레이션에 의해 획득되었다. 또한, 도 2a에는 CIE 표준에 따른 명순응한 사람 눈의 감도 분포(V(λ))가 도시되어 있다. 복사 검출기는 도 1과 관련하여 기술된 실시예에 따라 형성될 수 있다.
검출 소자(1)는 주변광 센서로 형성되고 V(λ)에 따른 스펙트럼 감도 분포(R1)를 갖는다. 검출 소자(1)의 검출 표면을 형성하는 기본 검출 소자(12)는 도 1d와 관련하여 기술된 실시예와 같이 형성될 수 있다.
검출 소자(2)는 기본 검출 소자(12)에 대해 추가로 필터층(14)을 갖는다. 이 필터층은 InGaAlP, 특히 In0 .5(Ga0 .3Al0 .7)0.5P 또는 In0 .5(Ga0 .2al0 .8)0.5P를 포함하거나 또는 이 재료들로 이루어질 수 있다. 필터층(14)은 1㎛ 또는 2㎛의 두께를 가질 수 있다. 이때 In0 .5(Ga0 .3Al0 .7)0.5P-필터층(14)은 1㎛의 두께를 그리고 In0.5(Ga0.2al0.8)0.5P-필터층(14)은 2㎛의 두께를 갖는 것이 바람직하다.
검출 소자(2)에 대해 추가로 검출 소자(3)를 갖는 필터층(15)은 AlGaAs, 특히 Al0 .5Ga0 .5As를 포함하거나 또는 이 재료로 이루어질 수 있다. 필터층(15)은 2㎛의 두께를 가질 수 있다.
필터층(14)은 청색 스펙트럼 영역에서 복사를 흡수한다. 따라서 검출 소자(2)는 검출 소자(1)에 비해 청색 스펙트럼 영역에서 민감하지 않고 경우에 따라서는 청색 스펙트럼 영역에서 어떠한 유효 신호도 발생시킬 수 없다. 그러나 검출 소자(2)는 녹색 및 적색 스펙트럼 영역에서는 매우 민감하다.
검출 소자(2)에 대해 필터층(15)이 추가로 녹색 및 오렌지색 스펙트럼 영역에서 복사를 흡수하기 때문에, 검출 소자(3)는 단지 적색 스펙트럼 영역에서만 유효 신호를 전달할 수 있다.
대략 625nm보다 큰 파장의 장파측에서 검출 소자의 스펙트럼 감도 분포(Ri)는 각각 사람 눈(V(λ))의 감도 분포에 따른다. 특히 장파측에서 스펙트럼 감도 분포는 일정하다. 스펙트럼 감도 분포(R2)의 단파측은 필터층(14)에 의해 규정된다. 스펙트럼 감도 분포(R3)의 단파측은 필터층(14 및 15)에 의해 규정된다. 스펙트럼 감도 분포(R1)의 단파측은 기본 필터층(20)에 의해 규정된다.
기본 검출 소자에 의해 형성되는 검출 소자(1)의 스펙트럼 감도 분포(R1)는 하부 한계 파장(λu,1)을 갖는다. 하부 한계 파장(λu,1)은 대략 430nm에 놓인다. 또한, 기본 검출 소자의 스펙트럼 감도 분포는 상부 한계 파장(λ0,1)을 갖는다. 상부 한계 파장(λ0,1)은 예를 들면 대략 660nm에 놓인다. 또한, 기본 검출 소자의 스펙트럼 감도 분포는 λmax ,1에서 최대값을 갖는다. 이러한 파장이 명순응된 눈에 대해서는 대략 555nm에 놓인다.
이에 상응하여 검출 소자(2)의 스펙트럼 감도 분포(R2)는 하부 한계 파장(λu,2) 및 상부 한계 파장(λ0,2)을 가지며, 특히 λmax ,2에서 최대값을 갖는다. 하부 한계 파장(λu,2)은 대략 500nm에 놓이고, 상부 한계 파장(λ0,2)은 특히 제 1 검출 소자의 상부 한계 파장과 동일하다. 최대 파장(λmax ,2)은 특히 기본 검출 소자의 최대 파장보다 크고 예를 들면 대략 560nm이다.
이에 상응하여 검출 소자(3)의 스펙트럼 감도 분포(R3)는 하부 한계 파장(λu,3) 및 상부 한계 파장(λ0,3)을 가지며, 특히 λmax ,3에서 최대값을 갖는다. 하부 한계 파장(λu,3)은 대략 565nm에 놓인다. 상부 한계 파장(λ0,3)은 바람직하게 다른 두 개의 검출 소자의 상부 한계 파장과 동일하다. 최대 파장(λmax ,3)은 대략 610nm에 놓인다.
λmax,i(i=1, 2, 3)는 필터층 개수의 증가와 함께 상승할 수 있다(λmax ,1<λmax,2<λmax ,3).
개별 감도 채널 - 즉 스펙트럼 감도 분포(R2 및/또는 R3) -의 하부 한계 파장은 필터층(14 및/또는 15)의 밴드갭에 의해 규정될 수 있고, 특히 이 밴드갭에 상응할 수 있다.
필터층(14)은 바람직하게 λmax ,2보다 작고 특히 λu,1보다 큰 파장의 복사를 흡수한다. 필터층(15)은 바람직하게 λmax ,3보다 작고 특히 λu,1보다 큰 파장의 복사를 흡수한다. 필터층(15)은 λu,2보다 큰 파장의 복사를 흡수할 수 있다. 이때 특히 λu,1<λu,2<λu,3이 적용된다.
또한, 검출 소자(2 및 3)의 스펙트럼 감도 분포는 기본 검출 소자의 스펙트럼 감도 분포 내에 감도 채널을 형성할 수 있다. 이때 스펙트럼 감도 분포(R2)는 스펙트럼 감도 분포(R3)를 완전히 커버할 수 있다. 스펙트럼 감도 분포(R1)는 스펙트럼 감도 분포(R2)를 완전히 커버할 수 있다.
개별 검출 소자에서 발생하여 분리되어 추출될 수 있는 신호들로부터, 검출되는 복사에 포함되어 있는 색, 특히 색 부분, 예를 들면 세 개의 기본색인 적색, 녹색, 청색에 대한 정보가 획득될 수 있다. 입사하는 복사에 포함되어 있는 색에 대한 정보를 획득하기 위해 개별 검출 소자에서 발생한 신호들에서 차이가 형성될 수 있다.
도 2b는 검출되는 복사에 포함되어 있는 기본색인 적색, 녹색 및 청색에 대한 부분을 판독하기 위해 적합한 스펙트럼 감도 분포의 차이를 보여준다. 곡선(R)은 스펙트럼 감도 분포(R3)에 상응하고 적색에 대해 제공된다. 곡선(G)은 스펙트럼 감도 분포(R2 및/또는 R3)의 차이로부터 획득되며 녹색에 대해 제공된다. 곡선(B)은 차이(R1-R2-R3)에 상응하며 청색에 대해 제공된다.
개별 검출 소자로부터 나온 신호들의 차이로부터 입사하는 복사에 포함되어 있는 색 부분에 대한 정보가 획득될 수 있다. 이와 동시에 색 부분과 상관없이 검출 소자(1)의 기본 검출 소자의 신호가 검출될 수도 있다. 따라서 복사 검출기(100)는 색 센서 및 주변광 센서로 동시에 작동할 수 있다.
이때 검출 소자가 세 개로만 제한되지 않고 더 많은 수의 검출 소자가 제공될 수 있다는 사실에 특히 주의해야 한다. 이러한 다수의 검출 소자는 특히 상이한 감도 영역에서의 검출을 위해 사용된다. 특히 기본 검출 소자는 주변광 센서로 형성될 필요가 없다. 오히려 기본 검출 소자는 자외선, 가시광선 및/또는 적외선 스펙트럼 영역에서도 - 활성 영역과 경우에 따라서는 필터층 구조물의 적합한 변형시 - 형성될 수 있다. 또한, 감도 채널은 적합한 필터링에 의해 기본 검출 소자의 스펙트럼 감도 분포로부터 획득될 수 있다.
이때 다수의 필터층은 복사 검출기의 검출 소자 내에서 바람직하게는 기본 검출 소자의 스펙트럼 감도 분포로 형성되는 채널들의 수에 상응한다.
도 1과 관련하여 기술된 복사 검출기(100)는 스트립(strip) 형태로 연장하여 캐리어(4) 상에 나란히 배치된 검출 소자들 및 특히 반도체 바디(5)를 갖는다. 상이한 스펙트럼 감도 영역을 갖는 검출 소자는 캐리어 상에서 비교적 강하게 국소화된다. 따라서 복사가 예를 들면 바람직하지 않은 입사각(incidence angle)에 의해 - 비록 이 복사가 다른 검출 소자에서도 신호를 발생할 수 있을지라도 - 단지 하나의 검출 소자에만 입사하고 거기서 신호를 발생할 위험이 있다. 따라서 신호의 평가가 변조된 결과를 전달할 수도 있다. 이러한 위험을 낮추기 위해 하나 또는 다수의 검출 소자가 캐리어 상에 넓게 분포될 수 있다. 예를 들면 검출 소자들은 캐리어의 평면도에서 볼 때 꺾여진 형태의, 즉 대략 L 형태를 가질 수 있다. 검출 소자들은 캐리어(4) 상에 넓게 연장될 수 있다. 검출 소자들은 서로 결합하여, 한 검출 소자의 두 개의 부분 영역 사이에 다른 검출 소자의 부분 영역이 배치된다.
검출 소자가 캐리어 상에서 비국소적으로(delocalized) 그리고 특히 넓게 분포하는 것을 도 3에서 볼 수 있으며, 도 3은 복사 검출기(100)의 상응하는 한 실시예에 따른 개략적인 평면도를 도시한다. 검출 소자(1, 2, 3)는 도 1에 따라 형성될 수 있다. 개관의 용이함을 위해 접촉부, 필터층 및 검출 표면에 대해서는 자세히 도시되지 않았다.
이에 대한 대안 또는 보충으로서 하나 또는 다수의 검출 소자가 별도의 다수의 부분 검출 소자로 분할될 수 있다(명확하게 도시되지 않음). 부분 검출 소자에서 발생한 신호들은 서로 분리되어 추출되거나 전기적으로 결합할 수 있다. 신호들이 전기적으로 결합한 경우, 검출 소자의 부분 검출 소자들은 바람직하게 서로 전기 절연적 결합을 한다. 신호들이 서로 분리되어 추출될 경우, 부분 검출 소자는 바람직하게 별도의 접촉부를 갖는다.
도 4a 내지 4e는 복사 검출기, 특히 앞선 도면들과 관련하여 기술된 실시예들에 따른 복사 검출기를 제조하기 위한 방법의 실시예를 개략적으로 도시한 중간 단면도들이다.
우선 도 4a에서 반도체층 구조물(50)이 제공된다. 반도체층 구조물(50)은 캐리어(4) 위에 배치된다. 바람직하게 캐리어(4)는 반도체층 구조물(50)을 기계적으로 고정한다. 캐리어(4)는 반도체층 구조물이 에피택셜하게 성장된 에피택셜 성장 기판으로 형성될 수 있다. 이때 반도체층 구조물(50)의 구조는 도 1에 따른 검출 소자(3)의 구조에 상응한다. 특히 반도체층 구조물은 활성 영역(9), 반도체 영역(10, 11) 및 기본 필터층(20)을 포함하는 기본 검출 소자(12)를 갖는다. 또한, 반도체층 구조물은 필터층(14 및 15)을 갖는다. 또한, 반도체층 구조물은 두 개의 필터층(14 및 15)을 포함하는 필터층 구조물(13)을 가질 수 있다.
그런 다음 도 4b에서 필터층(15)의 부분 영역이 제거된다. 이때 예를 들면 필터층(15) 맞은편에 놓인 반도체층 구조물 측에 마스크(23)가 제공된다. 예를 들면 반도체층 구조물 위에 마스크 재료가 제공될 수 있고, 이 마스크 재료는 필터층(15)이 제거될 수 있는 영역에서 다시 제거될 수 있다. 이때 마스크(23)로는 포토레지스트 층이 적합하며, 상기 포토레지스트 층은 노출(exposure) 및 이후 현상(development)에 의해 적합하게 구조화될 수 있다. 그런 다음 마스크(23)에 의해 커버되지 않은 반도체층 구조물 영역이 제거될 수 있다.
여기서 예를 들면 에칭, 특히 습식 화학적 에칭이 적합하다. 에칭 수단은 도 4b에서 화살표로 표시된다.
이때 사용된 에칭 수단은 필터층(15)의 재료를 부분적으로 제거할 수 있다. 바람직하게 필터층(15)과 활성 영역(9) 사이에 배치된 필터층(14)의 재료는 필터층(15)에 비해 사용된 에칭 수단에 대해 덜 민감하다. 필터층(14)은 특히 에칭 정지층으로 형성될 수 있다. 이때 필터층(14 및 15)은 바람직하게 상이한 반도체층 재료 시스템을 기반으로 한다. 예를 들면 필터층(15)은 비화물-화합물 반도체 재료를 그리고 필터층(14)은 인화물-화합물 반도체 재료를 기반으로 한다. 필터층(15)은 AlGaAs를 포함하거나 이 재료로 이루어지고, 필터층(14)은 InGaAlP를 포함하거나 이 재료로 이루어질 수 있다.
AlGaAs 포함 필터층을 InGaAlP 포함 필터층에 대해 선택적으로 에칭하기 위해 예를 들면 H2SO4:H2O2:H2O 또는 이와 유사한 에칭 수단이 적합하다. 이때 AlGaAs 재료는 InGaAlP 재료보다 더 강력하게 부식된다.
마스크에 의해 커버된 필터층(15) 영역은 반도체층 구조물 내에 검출 소자(3)의 검출 표면을 위해 남는다. 그런 다음 마스크(23)가 다시 제거될 수 있다.
그런 다음 도 4c에서 추가 마스크(24), 예를 들면 포토레지스트 마스크가 남아있는 반도체층 구조물 위에 형성될 수 있다. 추가 마스크(24)는 바람직하게 반도체층 구조물 내에 남은 필터층(15) 영역 및 필터층(14)의 부분 영역을 커버한다. 마스크(24)에 의해 커버된 부분 영역은 도 1에 따른 검출 소자(2 및 3)의 검출 표면을 형성하기 위해 제공될 수 있다.
마스크(24)에 의해 커버되지 않은 필터층(14)의 부분 영역은 적합한 에칭 수단을 사용하여 예를 들면 습식 화학적 에칭에 의해 제거될 수 있다. 이때 기본 필터층(20)은 에칭 정지층으로 사용될 수 있다. 기본 필터층(20)은 바람직하게 AlGaAs를 포함한다. 그런 다음 마스크(24)가 제거될 수 있다.
InGaAlP 포함 필터층을 AlGaAs 포함 필터층에 대해 선택적으로 에칭하기 위해 예를 들면 HCl이 적합하다. 이때 InGaAlP 재료는 AlGaAs 재료보다 더 강력하게 부식된다.
필터층(14)을 포함하지 않는 반도체층 구조물(50)의 부분 영역은 도 1에 따른 검출 소자(1)의 검출 표면을 형성하기 위해 제공될 수 있다.
그런 다음 도 4d에서 추가 마스크(25), 예를 들면 포토레지스트 마스크가 제공될 수 있다. 마스크(25)는 바람직하게 복사 검출기의 검출 소자를 형성하기 위해 제공되는 영역들이 마스크 재료에 의해 커버되도록 구조화된다. 그런 다음 노출된 영역이 제거될 수 있다. 이때 재차 예를 들면 에칭, 예를 들면 습식 화학적 에칭이 사용되는 것이 적합하다. 여기서 경우에 따라서는 반도체층 구조물 내에서 필터층(14, 15) 및 기본 필터층(20) 및 경우에 따라서는 또 다른 재료들을 균일하게 부식시키는 에칭 수단이 사용될 수 있다.
이를 통해 도 4e에서 반도체층 구조물(50)이 서로 분리된 반도체 바디(5)로 분할된다. 반도체 바디(5)는 각각 도 1에 따른 검출 소자(1, 2 및/또는 3)에 상응한다. 이에 대한 대안으로서 필터층(14, 15) 중 하나를 부분적으로 제거하기 전에도 분할이 실행될 수 있다.
또한, 반도체층 구조물이 반도체 바디로 분할되기 이전 또는 그 이후 반도체 재료 맞은편에 놓인 캐리어(4) 측에 대응 접촉부(19)가 제공될 수 있다. 이 대응 접촉부(19)는 예를 들면 금속화물 또는 합금을 포함할 수 있다. 검출 표면(6, 7, 8)은 기본 필터층(20)과 필터층(14 및/또는 필터층15)에 의해 형성될 수 있다. 그런 다음 캐리어(4) 맞은편에 놓인 반도체층 구조물 또는 반도체 바디의 반도체 재료 측에 적합한 시점에 추가의 접촉부(16, 17, 18)가 제공될 수 있다(명확하게 도시되지 않음, 도 1a 참조).
바람직하게는 필터층(14 및 경우에 따라서는 15)을 포함하는 필터층 구조물의 부분 영역은 검출 표면이 개별 필터층으로부터 자유로운 검출 소자의 경우에도 남는다(명확하게 도시되지 않음, 도 1a 참조). 캐리어 상에 동일한 높이로 접촉부들을 제공하는 것은 - 검출 소자(1 및 2)의 개별 필터층(들)을 완전히 제거할 때 요구될 수도 있는 - 접촉부를 계단식으로 형성하는 것에 비해 간소하다.
하나의 반도체층 구조물로부터 상이한 감도 영역을 갖는 검출 소자들이 선택적 에칭에 의해 간소하게 제조될 수 있다.
본 특허 출원은 2008년 3월 28일자 독일 특허 출원 10 2008 016 100.4의 우선권을 청구하며, 그 전체 공개 내용이 본 출원에 참조된다.
본 발명은 실시예에 의거한 설명에만 제한되지 않는다. 오히려 본 발명은 각각의 새로운 특징 및 그 특징들의 조합, 특히 특허청구범위에 기술된 특징들의 조합을 포함하며, 비록 이러한 특징들 또는 이러한 조합이 그 자체로 명백하게 특허청구범위나 실시예에 기술되지 않더라도 그러하다.
Claims (15)
- 신호 발생을 위한 복수의 검출 소자(1, 2, 3)들을 갖는 광전자 복사 검출기에 있어서,
상기 검출 소자들 각각은 스펙트럼 감도 분포(R1, R2, R3)를 가지고,
검출 소자(1)는 기본 검출 소자(12)를 가지며,
상기 기본 검출 소자(12)의 스펙트럼 감도 분포(R1)가 하부 한계 파장(λu,1)을 가지고, 상기 검출 소자(1)는 상기 하부 한계 파장(λu,1)보다 작은 파장에 대해서 유효 신호(15)를 더 이상 제공하지 않으며,
다른 검출 소자(2, 3)가 적어도 하나의 필터층(14, 15)을 포함하는 필터층 구조물(13)을 가지며,
상기 다른 검출 소자(2, 3)의 스펙트럼 감도 분포(R2, R3)는 최대 파장(λmax,2, λmax,3)에서 최대값을 갖고, 상기 기본 검출 소자(12)의 스펙트럼 감도 분포(R1)는 상기 다른 검출 소자(2, 3)의 스펙트럼 감도 분포(R2, R3)를 완전히 커버하며,
상기 필터층 구조물은, 상기 필터층 구조물이 최대 파장(λmax,2, λmax,3)보다 작고 상기 하부 한계 파장(λu,1)보다 큰 파장의 복사를 흡수하도록 형성되며,
상기 검출 소자(1, 2, 3)들 각각은 신호 발생을 위해 제공된 활성 영역(9)을 포함하는 반도체 바디(5)를 갖고, 상기 기본 검출 소자(12)와 상기 다른 검출 소자(2, 3)가 동일한 활성 영역(9)을 갖고, 상기 검출 소자들(1, 2, 3)은 공통 캐리어 상에 나란히 배치되는 것인 광전자 복사 검출기. - 제1항에 있어서,
상기 다른 검출 소자(2, 3)의 스펙트럼 감도 분포(R2, R3)가 상부 한계 파장(λ0,2,λ0,3)을 가지며, 상기 상부 한계 파장(λ0,1)은 상기 기본 검출 소자(12)의 스펙트럼 감도 분포(R1)의 상부 한계 파장과 동일한 것인 광전자 복사 검출기. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 복사 검출기의 각 검출 소자(1, 2, 3)의 상기 활성 영역(9), 상기 필터층 구조물(13), 상기 반도체 바디(5) 중 하나 이상 또는 모든 요소가 에피택셜하게 성장하는 것인 광전자 복사 검출기. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 필터층 구조물(13)은 상기 다른 검출 소자(2, 3)의 반도체 바디(5) 내에 통합된 것인 광전자 복사 검출기. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 기본 검출 소자(12)는 상기 다른 검출 소자(2, 3)의 상기 반도체 바디(5) 내에 통합된 것인 광전자 복사 검출기. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 다른 검출 소자(2, 3)의 일부가 상기 기본 검출 소자(12)에 부합하는 형태를 가지며, 상기 기본 검출 소자에 부합하는 형태를 지닌 상기 다른 검출 소자의 일부에 대해 추가로 상기 필터층 구조물(13)이 상기 다른 검출 소자(2, 3)의 검출 표면(7, 8)과 상기 다른 검출 소자(2, 3)의 활성 영역(9) 사이에 배치되는 것인 광전자 복사 검출기. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 검출 소자(1)는 상기 다른 검출 소자(2, 3)의 필터층 구조물의 하나 또는 복수의 필터층(14, 15)의 잔여 부분을 가지며, 상기 검출 소자(1)의 검출 표면(6)은 상기 하나 또는 복수의 필터층을 포함하지 않아서, 복사가 상기 하나 또는 복수의 필터층에 의해 방해받지 않고 상기 검출 소자 안으로 유입될 수 있는 것인 광전자 복사 검출기. - 제7항에 있어서, 상기 검출 소자들(1, 2, 3) 각각은 접촉부(16, 17, 18)를 갖고, 상기 필터층(14, 15)의 잔여 부분은 상기 접촉부(16)와 캐리어(4) 사이에 배치되어, 상기 검출 소자(1)의 접촉부(16)와 상기 다른 검출 소자(2, 3)의 접촉부(17, 18)는 동일한 높이에서 상기 캐리어 위에 탑재되는 것인 광전자 복사 검출기.
- 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 활성 영역(9), 상기 필터층 구조물(13), 또는 상기 활성 영역(9) 및 상기 필터층 구조물(13)은 III-V족 반도체 재료를 포함하는 것인 광전자 복사 검출기. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
사람 눈의 스펙트럼 감도 분포에 따른 스펙트럼 감도 분포를 갖는 주변광 검출기 및 색 센서로 동시에 동작할 수 있는 것인 광전자 복사 검출기. - 복수의 검출 소자들(1, 2, 3)을 제조하기 위한 방법에 있어서,
a) 상기 검출 소자들을 위한 반도체층 구조물(50) - 상기 반도체층 구조물(50)은 적어도 하나의 필터층(14, 15)을 구비한 필터층 구조물(13) 및 활성 영역(9)을 갖고, 상기 반도체층 구조물(50)은 캐리어(4) 상에 배치됨 - 을 제공하는 단계;
b) 상기 필터층(14, 15)을 제거하고 검출 소자(1)의 검출 표면(6)을 노출시키는 단계로서, 상기 필터층(14, 15)은 다른 검출 소자(2, 3)를 위해 부분적으로 상기 반도체층 구조물(50) 내에 남아서, 상기 필터층이 상기 다른 검출 소자의 검출 표면(7, 8)과 상기 활성 영역 사이에 배치되는 것인, 상기 검출 표면(6)을 노출시키는 단계;
c) 상기 반도체 층 구조물(50)을 상기 캐리어(4) 상에 서로 측면으로 나란히 배치된 별개의 검출 소자들(1, 2, 3)로 분할하는 단계; 및
d) 상기 캐리어(4)를 등지는 상기 검출 소자들(1, 2, 3)의 측에 접촉부(16, 17, 18)를 마련하고 상기 캐리어(4)에 대응 접촉부(19)를 마련하여, 상기 검출 소자들을 완성하는 단계
를 포함하는 복수의 검출 소자들을 제조하기 위한 방법. - 제11항에 있어서,
상기 반도체층 구조물(50)이 b) 단계 이전 또는 이후에 복수의 반도체 바디(5)로 분할되고, 반도체 바디는 상기 검출 소자(1)의 검출 표면(6)을 포함하고, 다른 반도체 바디는 상기 다른 검출 소자의 검출 표면(7, 8)을 포함하는 복수의 검출 소자들을 제조하기 위한 방법. - 제11항 또는 제12항에 있어서,
상기 필터층(14, 15)과, 상기 검출 소자(1)의 검출 표면(6)을 형성하기 위해 제공된 반도체층 구조물(50)의 층이 선택적으로 에칭될 수 있는 것인 복수의 검출 소자들을 제조하기 위한 방법. - 삭제
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