KR101639779B1 - 반도체 광 검출 소자 - Google Patents

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Abstract

광 검출 소자 및 그 제조 방법이 개시된다. 본 발명의 광 검출 소자는, 기판, 상기 기판 상에 위치하는 제1 질화물층, 상기 제1 질화물층 상에 위치하며, 다층 구조층을 포함하는 저전류 차단층, 상기 저전류 차단층 상에 위치하는 광 흡수층, 및 상기 광 흡수층 상에 위치하는 쇼트키 접합층을 포함한다. 이에 따라, 광 검출 효율이 높은 광 검출 소자가 제공될 수 있다.

Description

반도체 광 검출 소자{SEMICONDUCTOR PHOTO-DETECTING DEVICE}
본 발명은 반도체 광 검출 소자에 관한 것으로, 특히, 특정 파장의 광에 대한 검출 효율이 뛰어난 반도체 광 검출 소자에 관한 것이다.
반도체 광 검출 소자는 광이 인가되면 전류가 흐르는 원리를 이용하여 작동하는 반도체 소자이다. 특히, 자외선 광을 검출하는 반도체 광 검출 소자는 상업, 의학, 군수, 통신 등 여러 분야에서 응용이 가능하여 그 중요도가 높다. 반도체를 이용한 광 검출 소자는 조사된 광에 의해 반도체 내의 전자와 정공의 분리에 의해 공핍 영역(depletion region)이 발생되고, 이로 인해 발생된 전자의 흐름에 따라 전류가 흐르는 원리를 이용한다.
종래에, 실리콘을 이용하여 제조된 반도체 광 검출 소자가 이용되었다. 그러나 실리콘을 이용하여 제조된 반도체 광 검출 소자는 구동을 위하여 높은 인가 전압이 요구되고, 검출 효율이 낮은 단점이 있다. 특히, 자외선 광을 검출하는 반도체 광 검출 소자를 실리콘을 이용하여 제조하는 경우, 자외선 광뿐만 아니라 가시광 및 적외선 광에 대해서도 높은 민감도를 갖는 실리콘의 특성으로 인하여 광 검출 효율이 떨어진다. 또한, 실리콘을 이용한 자외선 광 검출 소자는 열적, 화학적으로 불안정하다.
이에, 질화물계 반도체를 이용한 광 검출 소자가 제안되었다. 질화물계 반도체를 이용한 광 검출 소자는 실리콘 광 검출 소자에 비해 높은 반응도 및 반응 속도, 낮은 노이즈 레벨, 높은 열적, 화학적 안정성을 갖는다. 질화물계 반도체들 중, 특히, AlGaN을 광 흡수층으로 이용한 광 검출 소자는 자외선 광 검출 소자로서 우수한 특성을 보여준다.
이러한 질화물계 반도체 광 검출 소자는 다양한 구조로 제조되며, 예를 들어, 광전도체(photoconductor), 쇼트키 접합 광 검출 소자, p-i-n 형태의 광 검출 소자 등의 구조로 제조된다. 여러 형태의 질화물계 반도체 광 검출 소자들 중, 쇼트키 접합 광 검출 소자는 기판, 상기 기판 상에 위치하는 버퍼층, 상기 버퍼층 상에 위치하는 광 흡수층 및 상기 광 흡수층 상에 위치하는 쇼트키 접합층을 포함한다. 또한, 제1 전극과 제2 전극은 각각 쇼트키 접합층과 버퍼층 또는 광 흡수층 상에 형성된다. 상기 쇼트키 접합 광 검출 소자가 자외선 광 검출 소자로 이용되려면, 광 흡수층은 자외선 광을 흡수할 수 있는 밴드갭 에너지를 갖는 질화물계 반도체로 형성된다. 이에 따라, 상기 광 흡수층을 이루는 반도체 물질로서 주로 AlGaN이 이용된다. 한편, 버퍼층으로는 GaN층이 일반적으로 이용된다.
그런데, AlGaN 광 흡수층 및 GaN 버퍼층을 적용한 구조에서 AlGaN 광 흡수층의 Al 조성이 25% 이상이거나 두께가 0.1 ㎛이상인 경우에는 상기 광 흡수층에 크랙이 발생하여 수율이 저하되는 문제가 있다. 이러한 크랙 발생을 방지하기 위하여 GaN 버퍼층과 AlGaN 광 흡수층 사이에 AlN층을 삽입하는 기술이 이용된다. 그러나 이 경우에도 AlN층의 높은 에너지 밴드갭과 절연 특성으로 인해 광 검출 반응도가 저하된다. 구체적으로, AlN층을 약 100Å이하로 얇게 형성하면 광 검출 특성은 향상될 수 있으나 크랙을 완전히 방지하기 어렵고, AlN층이 약 100 Å이상인 경우에는 크랙 발생은 방지할 수 있으나 광 검출 특성이 저하되는 문제가 있다.
뿐만 아니라, 종래의 질화갈륨 반도체 광 검출 소자에서 광 흡수층으로 사용되는 GaN층, InGaN층 및 AlGaN층은 결함을 근본적으로 가지고 있고, 이러한 결함에 의해 자외선 광이 아닌 가시광에도 반응하여 소자에 전류가 흐르게 된다. 이러한 반도체 광 검출 소자의 반응도(Responsivity)특성에서는 자외선광 대비 가시광 반응 비율(UV-to-Visible rejection ratio)이 약 103정도로 낮게 측정된다. 즉, 상기 종래의 반도체 광 검출 소자는 자외선 광이 아닌 가시광에 의해서도 반응하여 저 전류를 흐르게 하므로, 검출 정확도가 떨어진다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 검출하고자 하는 파장대의 광, 구체적으로 자외선 광에 대해서 높은 광 검출 효율을 갖는 광 검출 소자를 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제는, 결정성이 우수한 광 흡수층을 가짐과 동시에, 자외선 광에 대해서 높은 광 검출 효율을 갖는 광 검출 소자를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 광 검출 소자는, 기판; 상기 기판 상에 위치하는 제1 질화물층; 상기 제1 질화물층 상에 위치하며, 다층 구조층을 포함하는 저전류 차단층; 상기 저전류 차단층 상에 위치하는 광 흡수층; 및 상기 광 흡수층 상에 위치하는 쇼트키 접합층을 포함한다.
상기 저전류 차단층은 광 흡수층보다 더 높은 결함 밀도를 가질 수 있다. 이에 따라, 검출하고자 하는 광이 아닌 다른 광에 의한 전류 발생을 방지할 수 있다.
상기 저전류 차단층은 상기 광 흡수층보다 30 내지 200℃ 더 낮은 온도에서 성장된 것일 수 있다.
상기 광 흡수층은 AlGaN층, InGaN층, AlInGaN층 및 GaN층 중 적어도 하나의 층을 포함할 수 있다.
나아가, 상기 다층 구조층은 (Al, In, Ga)N을 포함하는 2원 내지 4원계 질화물층을 포함할 수 있고, 상기 다층 구조층은 서로 다른 조성비를 갖는 적어도 2 이상의 상기 질화물층이 반복 적층된 것일 수 있다.
상기 광 흡수층의 두께는 0.1 내지 0.5㎛일 수 있다.
상기 저전류 차단층의 두께는 10 내지 100nm일 수 있다.
상기 광 검출 소자는 상기 기판과 상기 제1 질화물층 사이에 위치하는 제2 질화물층을 더 포함할 수 있고, 상기 제2 질화물층은 상기 제1 질화물층보다 낮은 온도에서 성장된 것일 수 있다.
상기 제1 질화물층은 GaN층을 포함할 수 있고, 상기 GaN층은 언도핑 또는 n형 도핑될 수 있다.
상기 광 검출 소자는 상기 광 흡수층과 상기 쇼트키 접합층 사이에 위치하는 캡층을 더 포함할 수 있고, 상기 캡층은 Mg 도핑된 질화물층을 포함할 수 있다.
상기 광 검출 소자는, 상기 쇼트키 접합층 상에 배치된 제1 전극; 및 상기 광 흡수층 및 상기 저전류 차단층이 부분적으로 제거되어 상기 제1 질화물층의 표면이 노출된 영역 상에 배치된 제2 전극을 더 포함할 수 있다.
상기 광 검출 소자는 자외선 대비 가시광선 반응 비율(UV-to-visible rejection ratio, 단, 가시광선의 피크 파장은 600nm)이 104 이상일 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 광 검출 소자 제조 방법은, 기판 상에 제1 질화물층을 형성하고; 상기 제1 질화물층 상에 다층 구조층을 포함하는 저전류 차단층을 형성하고; 상기 저전류 차단층 상에 광 흡수층을 형성하고; 상기 광 흡수층 상에 쇼트키 접합층을 형성하는 것을 포함하되, 상기 저전류 차단층은 상기 광 흡수층보다 낮은 온도에서 성장되어 형성된다.
상기 저전류 차단층은 상기 광 흡수층보다 30 내지 200℃ 더 낮은 온도에서 성장될 수 있다.
또한, 상기 광 흡수층은 AlGaN층, InGaN층, AlInGaN층 및 GaN층 중 적어도 하나의 층을 포함할 수 있다.
상기 다층 구조층은 (Al, In, Ga)N을 포함하는 2원 내지 4원계 질화물층을 포함할 수 있고, 상기 다층 구조층은 서로 다른 조성비를 갖는 적어도 2 이상의 상기 질화물층이 반복 적층 성장되어 형성될 수 있다.
나아가, 상기 적어도 2 이상의 질화물층은 각각 서로 다른 압력에서 성장될 수 있다.
상기 적어도 2 이상의 질화물층이 성장되는 동안, 온도 및 상기 적어도 2 이상의 질화물층을 형성하는 소스의 유입량이 일정하게 유지될 수 있다.
상기 제조 방법은, 상기 제1 질화물층을 형성하기 전에, 상기 기판 상에 제2 질화물층을 형성하는 것을 더 포함할 수 있고, 상기 제2 질화물층은 상기 제1 질화물층보다 낮은 온도에서 성장될 수 있다.
또한 상기 제조 방법은, 상기 쇼트키 접합층을 형성하기 전에, 상기 광 흡수층 상에 Mg 도핑된 질화물층을 포함하는 캡층을 형성하는 것을 더 포함할 수 있다.
다른 실시예들에서, 상기 쇼트키 접합층을 형성하기 전에, 상기 광 흡수층 및 상기 저전류 차단층을 부분적으로 제거하여 상기 제1 질화물층을 부분적으로 노출시키는 것을 더 포함할 수 있다.
덧붙여, 상기 제조 방법은, 상기 쇼트키 접합층 상에 배치되는 제1 전극 및 상기 제1 질화물층이 노출된 영역 상에 배치되는 제2 전극을 형성하는 것을 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 저전류 차단층을 포함하여 가시광에 대한 반응도가 낮은 광 검출 소자를 제공할 수 있다. 이에 따라, 상기 광 검출 소자는 높은 자외선 대비 가시광선 반응 비율을 가질 수 있고, 높은 광 검출 효율 및 신뢰성을 가질 수 있다.
또한, 본 발명의 광 검출 소자 제조 방법에 따르면, 광 흡수층의 결정질을 우수하게 함과 동시에 가시광에 반응하여 발생하는 미세 전류를 방지할 수 있는 광 검출 소자를 제공할 수 있다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 광 검출 소자는 설명하기 위한 단면도 및 평면도이다.
도 3 내지 도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 광 검출 소자 제조 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 9는 본 발명의 일 실험예에 따른 광 검출 소자의 특성을 설명하기 위한 그래프이다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명한다. 다음에 소개되는 실시예들은 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 기술자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 그리고 도면들에 있어서, 구성요소의 폭, 길이, 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수도 있다. 또한, 하나의 구성요소가 다른 구성요소의 "상부에" 또는 "상에" 있다고 기재된 경우 각 부분이 다른 부분의 "바로 상부" 또는 "바로 상에" 있는 경우뿐만 아니라 각 구성요소와 다른 구성요소 사이에 또 다른 구성요소가 있는 경우도 포함한다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
이하 설명되는 반도체층들에 대한 각 조성비, 성장 방법, 성장 조건, 두께 등은 예시에 해당하며, 하기 설명들이 본 발명을 제한하는 것은 아니다. 예를 들어, AlGaN로 표기되는 경우, Al과 Ga의 조성비는 통상의 기술자의 필요에 따라 다양하게 적용될 수 있다. 또한, 이하 설명되는 반도체층들은 이 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자(이하, "통상의 기술자")에게 일반적으로 알려진 다양한 방법을 이용하여 성장될 수 있으며, 예를 들어, MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition), MBE(Molecular Beam Epitaxy) 또는 HVPE(Hydride Vapor Phase Epitaxy) 등의 기술을 이용하여 성장될 수 있다. 다만, 이하 설명되는 실시예에서는, 반도체층들은 MOCVD를 이용하여 동일한 챔버 내에서 성장된 것으로 설명되고, 챔버 내에 유입되는 소스 가스들은 조성비에 따라 통상의 기술자에게 알려진 소스 가스들을 이용할 수 있으며, 이에 본 발명이 제한되는 것은 아니다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 광 검출 소자는 설명하기 위한 단면도 및 평면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 상기 광 검출 소자는 기판(110), 제1 질화물층(130), 저전류 차단층(140), 광 흡수층(150) 및 쇼트키 접합층(160)을 포함한다. 나아가, 상기 광 검출 소자는 제2 질화물층(120), 제1 전극(171) 및 제2 전극(173)을 더 포함할 수 있다.
기판(110)은 소자의 저부에 위치하며, 반도체층들을 성장시킬 수 있는 기판이면 제한되지 않는다. 예를 들어, 기판(110)은 사파이어 기판, SiC 기판, ZnO 기판, GaN 기판 또는 AlN 기판과 같은 질화물계 기판을 포함할 수 있다. 본 실시예에 있어서, 상기 기판(110)은 사파이어 기판일 수 있다.
제1 질화물층(130)은 기판(110) 상에 위치할 수 있다. 제1 질화물층(130)은 질화물계 반도체층을 포함할 수 있으며, 예를 들어, GaN층을 포함할 수 있다. 제1 질화물층(130)은 Si와 같은 불순물을 더 포함하여 n형으로 도핑되거나 또는 언도핑될(undpoed) 수 있다. 질화물계 반도체는 언도핑된 상태에서도 n형의 특성을 가질 수 있으므로, 필요에 따라 도핑의 여부를 결정할 수 있다. 제1 질화물층(130)이 Si를 포함하여 n형 도핑된 경우, 상기 Si의 도핑농도는 1×108 이하일 수 있다. 한편, 제1 질화물층(130)은 약 2㎛의 두께를 가질 수 있다.
한편, 제1 질화물층(130)과 기판(110) 사이에는 제2 질화물층(120)이 더 위치될 수 있다. 제2 질화물층(120)은 제1 질화물층(130)과 유사한 물질을 포함할 수 있고, 예를 들어 GaN층을 포함할 수 있다. 제2 질화물층(120)은 약 25nm의 두께를 가질 수 있고, 제1 질화물층(130)에 비해 상대적으로 낮은 온도(예를 들어, 500 내지 600℃)에서 성장된 것일 수 있다. 제2 질화물층(120)은 제1 질화물층(130)의 결정성을 우수하게 하는 역할을 할 수 있고, 이에 따라, 제2 질화물층(120)이 더 형성됨으로써 제1 질화물층(130)의 광학적, 전기적 특성이 향상될 수 있다. 또한, 기판(110)이 사파이어 기판과 같은 이종 기판일 경우에, 제2 질화물층(120)은 제1 질화물층(130)이 성장될 수 있는 시드층 역할을 할 수도 있다.
저전류 차단층(140)은 제1 질화물층(130) 상에 위치하며, 다층 구조층을 포함할 수 있다.
상기 다층 구조층은 (Al, In, Ga)N을 포함하는 2원 내지 4원계 질화물 반도체층을 포함할 수 있고, 나아가, 상기 다층 구조층은 서로 다른 조성비를 갖는 적어도 2 이상의 질화물층들이 반복 적층된 구조를 가질 수 있다. 이때, 각각의 질화물층은 5 내지 10nm의 두께를 가질 수 있다. 또한, 상기 다층 구조층은 한 쌍의 서로 다른 조성비를 갖는 질화물층이 3 내지 10쌍 적층된 구조를 포함할 수 있다.
상기 다층 구조층에 적층되는 질화물 반도체층들은 광 흡수층(150)의 질화물층의 조성에 따라 결정될 수 있다. 예를 들어, 상기 광 흡수층(150)이 AlGaN층을 포함하는 경우, 상기 다층 구조층은 AlN층/AlGaN층 또는 AlGaN층/AlGaN층의 반복 적층 구조를 포함할 수 있다. 또한, 광 흡수층(150)이 InGaN을 포함하는 경우 상기 다층 구조층은 InGaN층/InGaN층, GaN층/InGaN층, 또는 AlInGaN층/AlInGaN층의 반복 적층 구조를 포함할 수 있으며, 광 흡수층(150)이 GaN층을 포함하는 경우 GaN층/InGaN층, InGaN층/InGaN층 또는 GaN층/GaN층의 반복 적층 구조를 포함할 수 있다.
서로 다른 조성비를 갖는 질화물층들의 적층 구조는 각각의 질화물층들을 서로 다른 압력에서 성장시킴으로써 제공될 수 있다. 예를 들어, AlxGa(1-x)N층과 AlyGa(1-y)N층이 반복 적층된 구조를 포함하는 다층 구조층을 형성하는 경우, AlxGa(1-x)N층은 약 100Torr의 압력에서 성장시키고, AlyGa(1-y)N층은 약 400Torr의 압력에서 성장시킨다. 이때, 압력 외에 다른 성장 조건이 동일한 경우, 더 낮은 압력에서 성장된 AlxGa(1-x)N층은 더 높은 압력에서 성장된 AlyGa(1-y)N층에 비해 높은 Al 조성비를 가질 수 있다.
이와 같이, 서로 다른 압력에서 성장된 질화물층들은 성장 압력의 차이로 인하여 서로 다른 성장률을 가질 수 있다. 상기 질화물층들이 서로 다른 성장률을 가짐으로써, 성장 과정에서 전위가 전파되는 것을 차단하거나 또는 전위의 전파 경로를 변화시킬 수 있어서, 후속 공정에서 성장되는 다른 반도체층들의 전위 밀도를 감소시킬 수 있다. 나아가, 반복 적층되는 층들의 서로 조성비를 다르게 하는 경우, 격자 상수 차이에 의한 응력을 완화시킬 수 있어서, 후속 공정에서 성장되는 다른 반도체층들의 결정성을 우수하게 할 수 있고, 크랙 등의 손상이 발생하는 것을 방지할 수 있다. 특히, Al비율이 15%이상인 AlGaN층을 저전류 차단층(140) 상에 성장시키는 경우, AlGaN층에 크랙이 발생하는 것을 효과적으로 방지할 수 있어서, 종래에 AlN층 또는 GaN층 상에 AlGaN층을 형성할 때의 크랙 발생 문제를 해결할 수 있다. 본 실시예에 따르면, 광 흡수층(150) 아래에 다층 구조층을 포함하는 저전류 차단층(140)이 형성됨으로써, 광 흡수층(150)의 결정성을 우수하게 하고 광 흡수층(150)에 크랙이 발생하는 것을 방지할 수 있다. 광 흡수층(150)이 우수한 결정을 가지게 되면, 상기 광 검출 소자의 양자 효율이 향상될 수 있다.
한편, 저전류 차단층(140)은 광 흡수층(150)에 비해 더 높은 결함 밀도를 가질 수 있다. 이는 저전류 차단층(140)을 광 흡수층(150)에 비해 더 낮은 온도에서 성장시킴으로써 수득될 수 있으며, 예를 들어, 광 흡수층(150)을 약 1050℃에서 성장시키고, 저전류 차단층(140)은 이보다 30 내지 200℃ 더 낮은 온도에서 성장시켜 제조될 수 있다. 200℃ 초과의 더 낮은 온도에서 저전류 차단층(140)을 성장시키면, 저전류 차단층(140) 상에 형성되는 광 흡수층(150)의 결정성이 급격히 저하되어 광 흡수층(150)의 양자효율이 저하될 수 있으므로, 저전류 차단층(140)은 광 흡수층(150)보다 200℃ 낮은 온도 이내에서 성장되는 것이 바람직하다. 저전류 차단층(140)이 광 흡수층(150)에 비해 더 낮은 온도에서 성장되면, 광 흡수층(150)에 비해 상대적으로 더 높은 밀도의 전위, 공공(vacancy) 등의 결함으로 포함할 수 있다. 저전류 차단층(140)의 저전류 차단 역할에 관해서는 후술하여 상세하게 설명한다.
다시 도 1을 참조하면, 광 흡수층(150)은 저전류 차단층(140) 상에 위치한다.
광 흡수층(150)은 질화물 반도체를 포함할 수 있으며, 예를 들어, GaN층 InGaN층, AlInGaN층 및 AlGaN층 중 적어도 하나의 층을 포함할 수 있다. 질화물 반도체층은 함유하는 3족 원소의 종류에 따라 에너지 밴드갭의 크기가 결정되므로, 광 검출 소자에서 검출하고자 하는 광의 파장을 고려하여 광 흡수층(150)의 질화물 반도체 물질이 결정될 수 있다. 예를 들어, UVA 영역의 자외선 광을 검출하는 광 검출 소자는 GaN층 또는 InGaN층을 갖는 광 흡수층(150)을 포함할 수 있고, UVB 영역의 자외선 광을 검출하는 광 검출 소자는 28% 이하의 Al 조성비를 갖는 AlGaN층을 포함하는 광 흡수층(150)을 포함할 수 있으며, UVC 영역의 자외선 광을 검출하는 광 검출 소자는 28%~50%의 Al 조성비를 갖는 AlGaN층을 포함하는 광 흡수층(150)을 포함할 수 있다. 다만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
광 흡수층(150)은 약 0.1 내지 0.5㎛를 가질 수 있고, 광 검출 효율의 향상을 위해서 0.1㎛ 이상의 두께를 갖도록 형성될 수 있다. 종래의 경우, AlN층이나 GaN층 상에 광 흡수층(150)을 형성하므로, Al 조성비가 15%인 AlGaN층을 포함하는 광 흡수층(150)을 0.1㎛이상의 두께로 형성하면 크랙이 쉽게 발생하는 문제가 있었다. 따라서, 종래에는 광 흡수층(150)의 두께가 0.1㎛ 이하로 얇아 소자 제조 수율 및 광 검출 효율이 낮았다. 반면, 본 발명은 다층 구조층을 포함하는 저전류 차단층(140) 상에 광 흡수층(150)을 형성하므로, 광 흡수층(150)에 크랙이 발생하는 것을 방지하여 0.1㎛ 이상의 두께를 갖는 광 흡수층(150)을 제조할 수 있다. 따라서 본 발명의 광 검출 소자는 높은 광 검출 효율을 갖는다.
쇼트키 접합층(160)은 광 흡수층(150) 상에 위치한다. 쇼트키 접합층(160)과 광 흡수층(150)은 서로 쇼트키 접촉을 형성할 수 있으며, 상기 쇼트키 접합층(160)은 ITO, Ni, Co, Pt, W, Ti, Pd, Ru, Cr, 및 Au 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 쇼트키 접합층(160)의 두께는 광 투과도 및 쇼트키 특성을 고려하여 조절될 수 있으며, 예를 들어, 10nm이하의 두께로 형성될 수 있다.
나아가, 상기 광 검출 소자는, 쇼트키 접합층(160)과 광 흡수층(150) 사이에 위치하는 캡층(미도시)을 더 포함할 수 있다. 캡층은 Mg과 같은 불순물을 포함하여 p형 도핑된 질화물 반도체층일 수 있다. 캡층은 100nm이하의 두께를 가질 수 있으며, 바람직하게는 5nm이하의 두께를 가질 수 있다. 캡층은 소자의 쇼트키 특성을 향상시킬 수 있다.
다시 도 1을 참조하면, 광 검출 소자는 광 흡수층(150) 및 저전류 차단층(140)이 부분적으로 제거되어, 제1 질화물층(130)의 표면이 노출된 영역을 포함할 수 있다. 상기 제1 질화물층(130)이 노출된 영역 상에 제2 전극(173)이 배치될 수 있으며, 제1 전극(171)은 쇼트키 접합층(160) 상에 배치될 수 있다.
제1 전극(171)은 금속을 포함할 수 있으며, 다중층으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 제1 전극(171)은 Ni층/Au층이 적층된 구조를 포함할 수 있다. 제2 전극(173)은 제1 질화물층(130)과 오믹 접촉을 형성할 수 있으며, 금속을 포함하는 다중층으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 제2 전극(173)은 Cr층/Ni층/Au층이 적층된 구조를 포함할 수 있다. 다만, 본 발명이 상술한 예시들에 한정되는 것은 아니다.
이하, 상기 광 검출 소자의 구동 원리에 따른 저전류 차단층(140)의 역할에 대해 구체적으로 설명한다.
상기 광 검출 소자의 제1 전극(171) 및 제2 전극(173)에 외부 전원이 연결되어, 전압을 인가하지 않거나 역전압이 인가된 상태로 광 검출 소자가 준비된다. 상기 준비된 광 검출 소자에 광이 조사되면, 광 흡수층(150)은 광 검출 소자에 조사되는 광을 흡수한다. 광 흡수층(150) 상에 쇼트키 접합층(160)을 형성하게 되면, 계면 사이에 전자-정공 분리 영역, 즉, 공핍 영역이 형성된다. 상기 조사된 광에 의해 형성된 전자에 의해 전류가 발생하고, 상기 발생된 전류를 측정함으로써 광 검출의 기능을 수행할 수 있다.
예를 들어, 상기 광 검출 소자가 자외선 광 검출 소자인 경우, 이상적인 자외선 광 검출 소자는 자외선 대비 가시광선 반응 비율(UV-to-visible rejection ratio)는 무한대값을 갖는다. 그런데, 종래의 자외선 광 검출 소자에 있어서, 광 흡수층이 갖는 결함으로 인하여 가시광에 의해서도 광 흡수층이 반응하여 전류가 발생한다. 따라서, 종래의 광 검출 소자는 자외선 대비 가시광선 반응 비율이 103 이하로 측정되며, 이는 광 측정의 오류를 발생시킨다.
반면, 본 발명의 광 검출 소자의 경우, 가시광에 의해 광 흡수층(150)에 생성된 전자들이 저전류 차단층(140)에 의해 포획됨으로써, 가시광에 의해 소자가 구동하는 것을 최대한 방지할 수 있다. 상술한 바와 같이, 저전류 차단층(140)은 광 흡수층(150)에 비해 낮은 온도에서 성장되어, 더 높은 결함 밀도를 갖는다. 가시광에 의해 생성된 전자는 자외선에 의해 생성되는 전자에 비해 매우 적은 양이고, 따라서, 저전류 차단층(140)에 존재하는 결함만으로도 충분히 전자의 이동을 막을 수 있다. 즉, 저전류 차단층(140)은 광 흡수층(150)보다 더 높은 결함 밀도를 가짐으로써, 가시광에 의해 생성된 전자의 이동은 방지할 수 있다. 한편, 광 흡수층(150)에 자외선 광이 조사되어 생성된 전자들은 가시광에 의해 생성된 전자들에 비해 그 수가 월등히 많으므로, 저전류 차단층(140)에 포획되지 않고 소자에 전류가 흐르도록 할 수 있다. 그러므로, 본 발명의 광 검출 소자는 가시광에 반응하는 정도가 매우 낮아, 종래의 자외선 광 검출 소자에 비해 높은 자외선 대비 가시광선 반응 비율을 가질 수 있다. 특히, 본 발명의 광 검출 소자는 104 이상의 자외선 대비 가시광선 반응 비율을 갖는다. 따라서 본 발명에 따르면, 높은 검출 효율 및 신뢰성을 갖는 광 검출 소자가 제공될 수 있다.
도 3 내지 도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 광 검출 소자 제조 방법을 설명하기 위한 단면도들이다. 본 실시예에 있어서, 도 1 및 도 2를 참조하여 설명한 구성들과 동일한 구성에 대해서는 상세한 설명을 생략한다.
먼저, 도 3을 참조하면, 기판(110) 상에 제2 질화물층(120)을 형성할 수 있다.
제2 질화물층(120)은 질화물 반도체를 포함할 수 있고, MOCVD를 이용하여 성장될 수 있다. 예를 들어, 약 550℃ 온도 및 100Torr의 압력 내의 챔버에 Ga 소스와 N 소스를 주입하여 성장시킬 수 있다. 이에 따라, 제2 질화물층(120)은 저온 성장된 GaN층을 포함할 수 있다. 제2 질화물층(120)은 약 25nm의 두께로 성장될 수 있으며, 제2 질화물층(120)을 저온에서 얇은 두께로 성장시킴으로써, 후술하는 공정에서 제1 질화물층(120)의 결정성, 광학적 및 전기적 특성을 우수하게 할 수 있다.
이어서, 도 4를 참조하면, 제2 질화물층(120) 상에 MOCVD를 이용하여 제1 질화물층(130)을 형성한다.
제1 질화물층(130)은 질화물 반도체를 포함할 수 있고, MOCVD를 이용하여 성장될 수 있다. 예를 들어, 약 1050℃의 온도 및 100 Torr의 압력 내의 챔버에 Ga 소스와 N 소스를 주입하여 성장시킬 수 있고, 이에 따라, 제1 질화물층(130)은 고온 성장된 GaN층을 포함할 수 있다. 또한, 제1 질화물층(130)은 성장시 Si 소스를 추가로 주입하여 n형 도핑된 GaN층을 포함할 수 있고, 이와 달리, 언도핑된 GaN층을 포함할 수도 있다. 제1 질화물층(130)은 약 2㎛ 두께로 성장될 수 있다.
도 5를 참조하면, 제1 질화물층(130) 상에 저전류 차단층(140)을 형성한다.
저전류 차단층(140)은 다층 구조층을 포함할 수 있고, 상기 다층 구조층은 (Al, In, Ga)N을 포함하는 2원 내지 4원계 질화물층을 반복 적층함으로써 형성될 수 있다. 상기 다층 구조층은 서로 다른 조성비를 갖는 적어도 2 이상의 질화물층일 수 있다. 상기 다층 구조층에 적층되는 질화물층들은 광 흡수층(150)의 질화물층의 조성에 따라 결정될 수 있다. 예를 들어, 상기 광 흡수층(150)이 AlGaN층을 포함하는 경우, 상기 다층 구조층은 AlN층/AlGaN층 또는 AlGaN층/AlGaN층의 반복 적층 구조를 포함할 수 있다. 또한, 광 흡수층(150)이 InGaN을 포함하는 경우 상기 다층 구조층은 InGaN층/InGaN층, GaN층/InGaN층, 또는 AlInGaN층/AlInGaN층의 반복 적층 구조를 포함할 수 있으며, 광 흡수층(150)이 GaN층을 포함하는 경우 GaN층/InGaN층, InGaN층/InGaN층 또는 GaN층/GaN층의 반복 적층 구조를 포함할 수 있다. 상기 반복 적층 구조들은 3 내지 10 쌍이 적층되어 형성될 수 있으며, 저전류 차단층의 두께는 10 내지 100nm가 되도록 형성될 수 있다.
상기 서로 다른 조성비를 갖는 적어도 2 이상의 질화물층 각각은 5 내지 10nm의 두께로 성장될 수 있고, 소스 가스를 유입량을 조절하여 서로 다른 조성비를 갖도록 성장될 수 있다. 이와 달리, 소스 가스 유입량을 비롯한 다른 조건은 일정하게 유지하되, 챔버 내의 압력을 달리하여 질화물층을 적층함으로써, 서로 다른 조성비를 갖는 적어도 2 이상의 질화물층을 형성할 수도 있다.
예를 들어, AlxGa(1-x)N층과 AlyGa(1-y)N층이 반복 적층된 구조를 포함하는 다층 구조층을 형성하는 경우, AlxGa(1-x)N층은 약 100Torr의 압력에서 성장시키고, AlyGa(1-y)N층은 약 400Torr의 압력에서 성장시킨다. 이때, 압력 외에 다른 성장 조건이 동일한 경우, 더 낮은 압력에서 성장된 AlxGa(1-x)N층은 더 높은 압력에서 성장된 AlyGa(1-y)N층에 비해 높은 Al 조성비를 가질 수 있다. 이와 같이, 서로 다른 압력에서 성장되어 형성된 다층 구조층을 포함하는 저전류 차단층(140)은, 성장 과정에서 전위의 생성 및 전파를 방지하여 저전류 차단층(140) 상에 형성되는 광 흡수층(150)의 결정질을 향상시킬 수 있다. 또한, 서로 다른 압력에 성장되어 서로 다른 조성비를 갖는 질화물층이 반복 적층 됨으로써, 격자 상수 차이에 기인한 응력을 완화시켜 광 흡수층(150)에 크랙이 발생하는 것을 방지할 수 있다. 또한, 소스 가스의 유입량은 일정하게 유지하면서, 압력만 변화시켜 질화물층을 성장시키므로, 저전류 차단층(140) 형성 공정이 용이하다.
한편, 저전류 차단층(140)의 다층 구조층은 850 내지 1020℃의 온도에서 성장될 수 있다. 상기 다층 구조층의 성장온도는 광 흡수층(150)의 성장 온도보다 30 내지 200℃ 낮은 온도로, 이에 따라 저전류 차단층(140)은 광 흡수층(150)보다 높은 결함 밀도를 가질 수 있다. 저전류 차단층(140)이 광 흡수층(150)보다 상대적으로 높은 결함 밀도를 가짐으로써, 광 흡수층(150)이 가시광에 반응하여 생성된 전자들의 흐름을 방지할 수 있다.
도 6을 참조하면, 저전류 차단층(140) 상에 광 흡수층(150)을 형성한다.
광 흡수층(150)은 질화물 반도체를 포함할 수 있으며, 광 검출 소자에서 검출하고자 하는 광의 파장에 따라 질화물 반도체의 원소 및 조성을 선택적으로 적용하여 성장시킬 수 있다. 예를 들어, UVA 영역의 자외선 광을 검출하는 광 검출 소자를 제조하는 경우, GaN층 또는 InGaN층을 갖는 광 흡수층(150)을 성장시킬 수 있고, UVB 영역의 자외선 광을 검출하는 광 검출 소자를 제조하는 경우 28% 이하의 Al 조성비를 갖는 AlGaN층을 포함하는 광 흡수층(150)을 성장시킬 수 있으며, UVC 영역의 자외선 광을 검출하는 광 검출 소자를 제조하는 경우 28%~50%의 Al 조성비를 갖는 AlGaN층을 포함하는 광 흡수층(150)을 성장시킬 수 있다. 다만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
광 흡수층(150)은 0.1㎛ 이상의 두께를 갖도록 성장될 수 있고, 이에 따라, 제조된 광 검출 소자는 높은 광 검출 효율을 가질 수 있다.
이어서, 도 7을 참조하면, 광 흡수층(150) 및 저전류 차단층(140)을 부분적으로 제거하여 제1 질화물층(130)을 부분적으로 노출시킬 수 있다. 나아가, 상기 노출된 부분 아래의 제1 질화물층(130)의 일부를 두께 방향으로 더 제거할 수 있다.
상기 광 흡수층(150) 및 저전류 차단층(140)을 부분적으로 제거하는 것은 사진 및 식각 공정을 통해 수행될 수 있으며, 예를 들어, 건식 식각을 이용할 수 있다.
다음, 도 8을 참조하면, 광 흡수층(150) 상에 쇼트키 접합층(160)을 형성한다. 쇼트키 접합층(160)은 ITO, Ni, Co, Pt, W, Ti, Pd, Ru, Cr, 및 Au 중 적어도 하나를 포함하는 물질을 증착 공정 등을 통해 형성할 수 있다. 쇼트키 접합층(160)의 두께는 광 투과도 및 쇼트키 특성을 고려하여 조절될 수 있으며, 예를 들어, 10nm이하의 두께로 형성될 수 있다.
나아가, 상기 제조 방법은, 쇼트키 접합층(160)과 광 흡수층(150) 사이에 위치하는 캡층(미도시)을 형성하는 것을 더 포함할 수 있다. 캡층은 Mg과 같은 불순물을 포함하는 p형 도핑된 질화물 반도체층을 성장시켜 형성할 수 있다. 캡층은 100nm이하의 두께를 가질 수 있으며, 바람직하게는 5nm이하의 두께를 가질 수 있다. 캡층은 소자의 쇼트키 특성을 향상시킬 수 있다.
이어서, 쇼트키 접합층(160) 및 제1 질화물층(130)이 노출된 영역 상에 각각 제1 전극(171) 및 제2 전극(173)을 형성하면, 도 1에 도시된 바와 같은 광 검출 소자가 제공된다.
제1 및 제2 전극(171, 173)은 금속물질의 증착 및 리프트 오프 공정을 이용하여 형성될 수 있으며, 다중층으로 형성될 수도 있다. 예를 들어, 제1 전극(171)은 Ni층/Au층을 적층하여 형성할 수 있고, 제2 전극(173)은 Cr층/Ni층/Au층을 적층하여 형성할 수 있다.
도 9는 본 발명의 일 실험예에 따른 광 검출 소자의 특성을 설명하기 위한 그래프로, 상기 광 검출 소자의 파장 대비 반응도를 나타내는 그래프이다. 도 9에서 이용된 광 검출 소자들은 본 발명의 구성들을 포함한다. UVA 광 검출 소자는 광 흡수층으로 GaN층을 이용하고, UVB 광 검출 소자는 광 흡수층으로 28%의 Al 조성비를 갖는 AlGaN층을 이용하며, UVC 광 검출 소자는 광 흡수층으로 50%의 Al 조성비를 갖는 AlGaN층을 이용한다.
각각의 광 검출 소자들은 도 9에 도시된 바와 같은 높은 반응도를 갖는다. 또한, 각각의 광 검출 소자들을 600nm의 피크파장을 갖는 백색 LED를 조사하여 얻은 반응도를 측정하여, 자외선 대비 가시광선 반응 비율을 계산한 결과 세 가지 모든 광 검출 소자들에 대해서 104 이상을 얻었다.
이상에서, 본 발명의 다양한 실시예들 및 실험예에 대하여 설명하였지만, 상술한 다양한 실시예들 및 특징들에 본 발명이 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 특허청구범위에 의한 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변형과 변경이 가능하다.

Claims (22)

  1. 기판;
    상기 기판 상에 위치하는 제1 질화물층;
    상기 제1 질화물층 상에 위치하며, 다층 구조층을 포함하는 저전류 차단층;
    상기 저전류 차단층 상에 위치하는 광 흡수층; 및
    상기 광 흡수층 상에 위치하는 쇼트키 접합층을 포함하고,
    가시광에 의해 상기 광 흡수층에 생성된 전자들은 상기 저전류 차단층에 의해 포획되며,
    자외선 대비 가시광선 반응 비율(UV-to-visible rejection ratio, 단, 가시광선의 피크 파장은 600nm)이 104 이상인 광 검출 소자.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 저전류 차단층은 광 흡수층보다 더 높은 결함 밀도를 갖는 광 검출 소자.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 저전류 차단층은 상기 광 흡수층보다 30 내지 200℃ 더 낮은 온도에서 성장된 광 검출 소자.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 광 흡수층은 AlGaN층, InGaN층, AlInGaN층 및 GaN층 중 적어도 하나의 층을 포함하는 광 검출 소자.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 다층 구조층은 (Al, In, Ga)N을 포함하는 2원 내지 4원계 질화물층을 포함하고,
    상기 다층 구조층은 서로 다른 조성비를 갖는 적어도 2 이상의 상기 질화물층이 반복 적층된 광 검출 소자.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 광 흡수층의 두께는 0.1 내지 0.5㎛인 광 검출 소자.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 저전류 차단층의 두께는 10 내지 100nm인 광 검출 소자.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 기판과 상기 제1 질화물층 사이에 위치하는 제2 질화물층을 더 포함하고,
    상기 제2 질화물층은 상기 제1 질화물층보다 낮은 온도에서 성장된 것인 광 검출 소자.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 질화물층은 GaN층을 포함하고,
    상기 GaN층은 언도핑 또는 n형 도핑된 광 검출 소자.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 광 흡수층과 상기 쇼트키 접합층 사이에 위치하는 캡층을 더 포함하고,
    상기 캡층은 Mg 도핑된 질화물층을 포함하는 광 검출 소자.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 쇼트키 접합층 상에 배치된 제1 전극; 및
    상기 광 흡수층 및 상기 저전류 차단층이 부분적으로 제거되어 상기 제1 질화물층의 표면이 노출된 영역 상에 배치된 제2 전극을 더 포함하는 광 검출 소자.
  12. 삭제
  13. 기판 상에 제1 질화물층을 형성하고;
    상기 제1 질화물층 상에 다층 구조층을 포함하는 저전류 차단층을 형성하고;
    상기 저전류 차단층 상에 광 흡수층을 형성하고;
    상기 광 흡수층 상에 쇼트키 접합층을 형성하는 것을 포함하되,
    상기 저전류 차단층은 상기 광 흡수층보다 낮은 온도에서 성장되어 형성되는 광 검출 소자 제조 방법.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 저전류 차단층은 상기 광 흡수층보다 30 내지 200℃ 더 낮은 온도에서 성장되는 광 검출 소자 제조 방법.
  15. 청구항 13에 있어서,
    상기 광 흡수층은 AlGaN층, InGaN층, AlInGaN층 및 GaN층 중 적어도 하나의 층을 포함하는 광 검출 소자 제조 방법.
  16. 청구항 15에 있어서,
    상기 다층 구조층은 (Al, In, Ga)N을 포함하는 2원 내지 4원계 질화물층을 포함하고,
    상기 다층 구조층은 서로 다른 조성비를 갖는 적어도 2 이상의 상기 질화물층이 반복 적층 성장되어 형성되는 광 검출 소자 제조 방법.
  17. 청구항 16에 있어서,
    상기 적어도 2 이상의 질화물층은 각각 서로 다른 압력에서 성장되는 광 검출 소자 제조 방법.
  18. 청구항 17에 있어서,
    상기 적어도 2 이상의 질화물층이 성장되는 동안, 온도 및 상기 적어도 2 이상의 질화물층을 형성하는 소스의 유입량이 일정하게 유지되는 광 검출 소자 제조 방법.
  19. 청구항 13에 있어서,
    상기 제1 질화물층을 형성하기 전에, 상기 기판 상에 제2 질화물층을 형성하는 것을 더 포함하고,
    상기 제2 질화물층은 상기 제1 질화물층보다 낮은 온도에서 성장되는 광 검출 소자 제조 방법.
  20. 청구항 13에 있어서,
    상기 쇼트키 접합층을 형성하기 전에, 상기 광 흡수층 상에 Mg 도핑된 질화물층을 포함하는 캡층을 형성하는 것을 더 포함하는 광 검출 소자 제조 방법.
  21. 청구항 13에 있어서,
    상기 쇼트키 접합층을 형성하기 전에, 상기 광 흡수층 및 상기 저전류 차단층을 부분적으로 제거하여 상기 제1 질화물층을 부분적으로 노출시키는 것을 더 포함하는 광 검출 소자 제조 방법.
  22. 청구항 21에 있어서,
    상기 쇼트키 접합층 상에 배치되는 제1 전극 및 상기 제1 질화물층이 노출된 영역 상에 배치되는 제2 전극을 형성하는 것을 더 포함하는 광 검출 소자 제조 방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9786805B2 (en) * 2013-09-25 2017-10-10 Seoul Viosys Co., Ltd. Semiconductor ultraviolet (UV)photo-detecting device
KR102473352B1 (ko) * 2015-07-20 2022-12-05 서울바이오시스 주식회사 광 검출 소자
KR102483764B1 (ko) * 2015-05-18 2023-01-03 서울바이오시스 주식회사 광 검출 소자
WO2017107552A1 (zh) * 2015-12-24 2017-06-29 厦门市三安光电科技有限公司 一种具有电子阻挡与空穴调整层的外延结构及其制备方法
WO2017126887A1 (ko) * 2016-01-18 2017-07-27 서울바이오시스주식회사 자외선 검출소자
CN108574020A (zh) * 2017-03-14 2018-09-25 孙月静 一种pin结构紫外光电探测器及其制备方法
CN109713060A (zh) * 2019-01-18 2019-05-03 西安电子科技大学 基于GaN段落生长层的光电转换结构及制备方法
JP7130128B2 (ja) * 2019-05-27 2022-09-02 三菱電機株式会社 光半導体装置
CN110676344B (zh) * 2019-09-16 2021-02-19 深圳第三代半导体研究院 一种双响应GaN紫外探测器及其制备方法
CN113224193B (zh) * 2021-04-12 2022-06-14 华南理工大学 结合嵌入电极与钝化层结构的InGaN/GaN多量子阱蓝光探测器及其制备方法与应用
WO2024072325A1 (en) * 2022-09-26 2024-04-04 National University Of Singapore Ultra-low voltage ultraviolet photodetector

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010109326A (ja) 2008-09-30 2010-05-13 Ngk Insulators Ltd 受光素子および受光素子の作製方法

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100676288B1 (ko) * 2005-04-27 2007-01-30 (주)제니컴 자외선 감지 반도체 소자
US7498645B2 (en) * 2006-10-04 2009-03-03 Iii-N Technology, Inc. Extreme ultraviolet (EUV) detectors based upon aluminum nitride (ALN) wide bandgap semiconductors
KR100925164B1 (ko) * 2007-12-13 2009-11-05 서울옵토디바이스주식회사 ｐ형 질화물 반도체층 형성 방법 및 그것을 갖는 발광 소자
KR20100104997A (ko) * 2009-03-20 2010-09-29 주식회사 실트론 전위 차단층을 구비하는 질화물 반도체 기판 및 그 제조 방법
CN101710600A (zh) * 2009-07-06 2010-05-19 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 一种实现高光谱选择性光电探测器的方法
CN104995751B (zh) * 2012-12-27 2017-07-14 首尔伟傲世有限公司 光检测设备、包括该光检测设备的光检测封装、以及包括该光检测封装的便携设备

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010109326A (ja) 2008-09-30 2010-05-13 Ngk Insulators Ltd 受光素子および受光素子の作製方法

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