KR101883176B1 - 할로겐화구리 컬러 광센서 구조 및 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 할로겐화구리 영역을 포함하여 광학특성이 개선된 광센서의 구조 및 그의 제조방법으로, 실리콘 반도체 기판 및 상기 실리콘 반도체 기판 상에 형성되는, 적어도 3개의 서로 반대의 극성을 갖는 영역의 접합들을 포함하여, 접합들은 실질적으로 서로간에 수직으로 정렬되어 배치되고, 상기 접합들 중 적어도 하나는 제1 극형의 할로겐화구리 영역과 제2 극형의 실리콘 영역의 접합을 포함한다. 이에 따라, 할로겐화구리의 광학적특성으로 양자 효율이 향상되어, 제조되는 광센서의 크기를 축소시키는 효과를 가질 수 있다.

Description

할로겐화구리 컬러 광센서 구조 및 제조방법 {STRUCTURE AND METHOD FOR COPPER HALIDE COLOR OPTICAL SENSOR}
본 발명은 할로겐화구리 광센서 구조 및 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세히 할로겐화구리 영역을 포함하여 광학특성이 개선된 광센서의 구조 및 그의 제조방법에 관한 것이다.
종래기술에 있어서, 복수 파장의 능동 화소 센서는 본 기술분야에 공지되어 있으며, 복수 파장의 능동 화소 센서 중 한 가지 유형은 반도체 기판에 또는 인접하여 수평으로 배치된 적색, 녹색, 및 청색의 센서를 이용하고 있다. 그러나 이러한 센서들은 평면내에 서로 결합되어 화소 당 면적을 비교적 많이 차지하는 단점이 있다. 또한, 광센서의 크기가 작아짐에 따라, 포토다이오드의 크기는 빛의 파장보다 작아져, 입사한 빛들이 캐리어를 생성할 확률이 줄어들어 양자효율이 급격히 떨어지게 된다.
이러한 문제를 해결하기 위해서, 도 1에 도시된 바와 같이, 수직 지향으로 배열된 복수 파장의 광센서가 개발되었으며, 청색, 녹색 및 적색 감광 pn접합의 광센서가 구성되는 3중-웰 광센서가 제공되었다.
그러나 실리콘반도체 기반에 형성되는 3중-웰 광센서는, 상층에 도달하는 빛의 강도가 약해져 광학효율을 개선한 광센서가 요구된다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 이와 같이, 광학효율이 개선된 광센서를 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제는, 할로겐화구리를 이용하여 광센서의 크기를 줄이는 것이다.
이러한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 예시적인 일 실시예들에 의한 컬러 광센서 구조는, 실리콘 반도체 기판 및 상기 실리콘 반도체 기판 상에 형성되는, 적어도 3개의 서로 반대의 극성을 갖는 영역의 접합들을 포함한다.
상기 접합들은 실질적으로 서로간에 수직으로 정렬되어 배치되며, 상기 접합들 중 적어도 하나는 제1 극형의 할로겐화구리 영역과 제2 극형의 실리콘 영역의 접합일 수 있다.
상기 실리콘 반도체 기판은 제1 극형 영역을 갖을 수 있다.
상기 실리콘 반도체 기판은, 상기 실리콘 반도체 기판에 형성된 제1 극형에 반대인 제2 극형이고, 상기 실리콘 반도체 기판에서 제1 광파장의 실리콘에서의 흡수길이인 깊이에서 형성되어 제1 광 다이오드를 정의하는 도핑영역, 상기 도핑영역에 형성된 제1 극형 영역으로, 상기 도핑 영역과의 사이의 접합은 상기 도핑영역에서 제2 광파장의 실리콘 또는 할로겐화구리에서의 광흡수길이의 깊이에서 형성되어 제2 광다이오드를 정의하는, 제1 할로겐화구리 영역 및 상기 제1 할로겐화구리 영역에 형성된 제 2 극형 영역이고, 제1 할로겐화구리 영역과의 사이의 접합은 제1 할로겐화구리 영역에서 제3 광파장의 실리콘 또는 할로겐화구리에서의 광흡수길이의 깊이에서 형성되어 제3 광다이오드를 정의하는, 제2 할로겐화구리 영역을 포함할 수 있다.
각각 상기 제1, 제2 및 제3 광다이오드에 걸쳐 제1, 제2 및 제3 광전류를 측정하기 위하여 접속된 광전류 센서를 포함할 수 있다.
상기 제1 광파장 길이를 갖는 광은 적색광이고, 상기 제2 광파장 길이를 갖는 광은 녹색광이며, 상기 제3 광파장 길이를 갖는 광은 청색광일 수 있다.
상기 할로겐화구리영역은 CuI, CuCl 또는 CuBr을 포함할 수 있다.
상기 제1 극형은 P형이고, 상기 제2 극형은 n형일 수 있다.
상기 제1 극형은 n형이고, 상기 제2 극형은 p형일 수 있다.
본 발명의 예시적인 다른 실시예들에 의한 컬러 광센서 제조방법은, 제1 극성의 실리콘 반도체 기판을 준비하는 단계, 상기 실리콘 반도체 기판에서 제1 광파장의 실리콘에서의 흡수길이인 깊이로 제1 영역을 제2 극성으로 도핑하는 단계, 상기 제1 영역에서 제2 광파장의 실리콘 또는 할로겐화구리에서의 광흡수 길이의 깊이로 제2 영역을 식각하는 단계, 상기 제2 영역에 할로겐화구리를 형성하는 단계 및 상기 제2 영역에서 제3 광파장의 실리콘 또는 할로겐화구리에서의 광흡수 길이의 깊이로 제2 극성으로 제3 영역을 도핑하는 단계를 포함한다.
본 발명에 의한 컬러 광센서 구조는 할로겐화구리의 광학적특성으로 양자 효율이 향상되며, 제조되는 광센서의 크기를 축소시키는 효과를 가질 수 있다.
도 1은 종래기술의 광센서 구조를 도시한 부분단면도이다.
도 2는 본 발명의 예시적인 일 실시예에 의한 컬러 광센서의 구조를 도시한 부분단면도이다.
도 3은 도 2의 컬러 광센서의 제조방법을 도시한 순서도이다.
도 4a 내지 도 4d는 도 2의 컬러 광센서의 제조방법을 도시한 단면도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안된다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성 요소는 제2 구성 요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성 요소도 제1 구성 요소로 명명될 수 있다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예들을 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명에서 막(또는 층) "위에 형성된다", "상에 형성된다"는 의미는 접촉되도록 직접 형성되는 것 이외에, 그 사이에 다른 막 또는 다른 층이 형성될 수도 있음을 의미하여, 막 또는 층 위에 "직접 형성된다"는 의미는 그 사이에 다른 층이 개재되지 못함을 의미한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다.
일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예들을 보다 상세하게 설명한다.
본 발명의 예시적인 실시예들에 의한 컬러 광센서는, 바람직하게, 실리콘 반도체 기판 및 실리콘 반도체 기판에 형성되는 적어도 3개의 서로 반대의 극성을 갖는 영역의 접합들을 포함한다. 또한, 상기 접합들은 실질적으로 서로간에 수직으로 층 배열하거나, 정렬되어 배치되며, 상기 접합들 중 적어도 하나는 제1 극성의 할로겐화구리 영역과 제2 극성의 실리콘 영역의 접합일 수 있다.
예를 들어, n형의 실리콘 반도체 기판을 베이스로 형성되는 컬러 광센서 구조에 있어서, 상기 컬러 광센서 구조는 n형의 할로겐화구리 영역과 p형의 실리콘 영역의 접합을 가질 수 있고, 한편 p형의 실리콘 반도체 기판을 베이스로 형성되는 컬러 광센서 구조에 있어서, 상기 컬러 광센서 구조는 p형의 할로겐화구리 영역과 n형의 실리콘 영역의 접합을 가질 수 있다.
도 2는 본 발명의 예시적인 일 실시예에 의한 컬러 광센서의 구조를 도시한 부분단면도이고, 도 3은 도 2의 컬러 광센서의 제조순서를 도시한 도면이다. 도 4a 내지 도 4c는 도 2의 컬러 광센서의 제조방법을 도시한 단면도이다.
도 2을 참조하면, 상기 접합들은 실질적으로 서로 간에 수직으로 정렬되어 배치되며, 상기 접합들 중 적어도 하나는 제1 극형의 할로겐화구리 영역과 제2 극형의 실리콘 반도체 영역의 접합일 수 있다.
여기서 상기 제1 극형은 n형 또는 p형 일 수 있으며, 상기 제2 극형은 p형 또는 n형일 수 있다.
바람직하게, 도 3 및 도 4a을 참조하면, 본 발명의 예시적인 일 실시예에 의한 컬러 광센서 구조는 준비된 제1 극성을 띄는 실리콘 반도체 기판(100)에(S10) 형성된 제2 극성을 띄는 제1 영역(A')의 도핑영역(102)을 형성한다(S20). 예를 들어, 상기 도핑영역(102)은 상기 실리콘 반도체 기판(100)에서 제1 광파장의 실리콘에서의 흡수길이인 깊이에서 형성되어 제1 광 다이오드를 정의하도록 도핑공정을 통해 형성될 수 있다. 상기 도핑공정을 통해 불순물을 도핑하는 경우, p형 불순물은 산소(O), 황(S), 셀레늄(Se) 중 어느 하나로 구성될 수 있으며, n형 불순물은 아연(Zn), 마그네슘(Mg) 중 어느 하나로 구성될 수 있다.
한편, 상기 제1 광은 575~700nm의 파장을 갖는 적색광일 수 있다.
또한, 도 3 및 도 4b 내지 4c를 참조하면, 본 발명의 예시적인 일 실시예에 의한 컬러 광센서 구조는 제2 극성을 띄는 상기 도핑영역(102)에 제1 할로겐화구리 영역을 형성할 수 있다. 도 4b에 도시된 바와 같이, 상기 제1 할로겐화구리 영역은 상기 도핑영역(102)의 일부를 식각(S30)하고, 상기 식각된 영역에 할로겐화구리를 형성(S40)하여 제1 영역(A')보다 작은 제2 영역(A'')을 구비할 수 있다. 상기 식각된 영역에 할로겐화구리를 형성하는 방법은, 스퍼터(sputter) 방법 또는 MBE(molecular beam epitaxy), MOCVD(metal organic chemical vapor depsition), HVPE(hydride vapor phase epitaxy), ALE(atomic layer epitaxy) 및/또는 그 밖에 유사한 방법들을 통해 증착될 수 있다.
상기 제1 할로겐화구리영역(104)은 상기 실리콘 반도체 기판(100)에서 제2 광파장의 할로겐화구리 또는 실리콘에서의 흡수길이인 깊이에서 형성되어 제2 광 다이오드를 정의하도록 형성될 수 있다.
할로겐화구리 반도체들의 일부의 밴드갭 에너지들은 표 1에 나타나 있다.
격자상수(옹스트롬) 밴드갭 에너지 (eV)
Si 5.43 1.1 (indirect)
CuCl 5.42 3.399
CuBr 5.68 2.91
CuI 6.05 2.95
Si가 다이아몬드 구조를 갖는 것으로 알려져 있는 한편, 카퍼클로라이드(CuCl)은 다이아몬드 구조와 동등한 징크블렌드 구조를 갖는다. 특히, 실리콘(Si) 반도체 기판(100)의 (111) 면은, 카퍼클로라이드의 결정 구조에 적합할 수도 있으므로 할로겐화구리 영역을 형성하여 광센서를 제조하는데 용이할 수도 있다. 즉, 표 1과 같이, 할로겐화구리 반도체는 격자상수가 실리콘의 (111)면과 유사해 성장이 용이하다는 장점이 있다.
또한, 광자의 반도체의 흡수계수는 광자의 에너지와 밴드갭 에너지에 따라 크게 변한다. 표 1에 나타난 바와 같이, 할로겐화구리의 밴드갭은 에너지는 실리콘 반도체의 밴드갭 에너지에 비해 크며, 이에 따라 광학적 특성이 더 뛰어나다는 것을 알 수 있다. 즉, 할로겐화구리 반도체들을 이용한다면, 더 많은 광자들을 활성층에서 모을 수 있으며, 이에 따라 입사한 빛들을 통해 캐리어를 더욱 많이 생성할 수 있게 된다.
즉, 할로겐화구리 반도체를 이용함으로써, 광센서의 양자 효율은 증가하며 이에 따라 광센서의 크기 또한 종래의 광센서 크기에 비해 작아질 수 있다.
한편, 상기 제2 광은 490~575nm의 파장을 갖는 녹색광일 수 있다.
상기 제1 할로겐화구리영역(104)에는 다시, 제2 극성을 가지는 제2 할로겐화구리 영역이 형성된다.
도 3 및 도 4c를 참조하면, 상기 제2 할로겐화구리영역(106)은, 상기 제1 할로겐화구리 영역에 제2 영역(A'')보다 작은 제3 영역(A''')에 제2 극성의 불순물을 도핑함으로써 형성된다(S50). 예를 들어, 상기 제1 할로겐화구리 영역과의 사이의 접합은 제1 할로겐화구리 영역에서 제3 광파장의 실리콘 또는 할로겐화구리에서의 광흡수길이의 깊이에서 형성되어 제3 광다이오드를 정의하도록 도핑공정을 통해 형성될 수 있다.
상기 도핑공정을 통해 불순물을 도핑하는 경우, p형 불순물은 산소(O), 황(S), 셀레늄(Se) 중 어느 하나로 구성될 수 있으며, n형 불순물은 아연(Zn), 마그네슘(Mg) 중 어느 하나로 구성될 수 있다.
한편, 상기 제3 광은 400-490nm의 파장을 갖는 청색광일 수 있다.
한편, 본 발명의 예시적인 일 실시예에서, 할로겐화구리 반도체는 일반적으로 p타입으로 동작하므로, 할로겐화구리 반도체가 p타입일 경우, n타입의 불순물을 제3 영역(A''')에만 도핑함으로써, 제2 할로겐화구리영역(106)을 형성하는 것을 예로 들었으나, 상기 실리콘 반도체 기판(100)이 n타입일 경우, 상기 제1 할로겐화영역은 n형 불순물을 더 포함하여, n타입으로 형성될 수도 있다.
상기 도핑공정을 통해 불순물을 도핑하는 경우, p형 불순물은 산소(O), 황(S), 셀레늄(Se) 중 어느 하나로 구성될 수 있으며, n형 불순물은 아연(Zn), 마그네슘(Mg) 중 어느 하나로 구성될 수 있다.
당업자들은 상기 제1 내지 제3 광 다이오드의 민감한 공핍영역(sensitive depletion region)은 접합깊이를 다소 초과 및 그 미만으로 확장한다는 점을 이해할 수 있다. 또한 전술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 컬러 광센서 구조가 N실리콘 기판의 깊은 P 도핑된 영역, 깊은 P도핑된 영역에서 N도핑된 영역 및 N도핑된 영역에서 얕은 P 도핑된 영역을 이용하여 실행될 수 있으며, 이와 반대의 극성을 갖도록 영역들이 형성될 수도 있다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 컬러 광센서는 세 개의 광다이오드에 걸쳐, 각각 적색, 녹색 및 청색 광전류를 측정하기 위하여 적색, 녹색, 및 청색 광다이오드에 접속된 센싱 메커니즘(108)을 포함할 수 있다. 바람직하게 센싱 메커니즘(108)은 적색 광전류ir를 측정하기 위하여 적색 광다이오드에 걸쳐 접속된 제1 전류계(110)를 포함하고, 녹색 광전류 ig를측정하기 위하여 제2 전류계(112)를 포함하고, 청색 광전류 ib를 측정하기 위하여 제3 전류계(114)를 포함할 수 잇다.
앞서 설명한 본 발명의 상세한 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자 또는 해당 기술분야에 통상의 지식을 갖는 자라면 후술될 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 기술 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
100: 실리콘 반도체 기판 102: 도핑영역
104: 제1 할로겐화구리영역 106: 제2 할로겐화구리영역
110: 제1 전류계 112: 제2 전류계
114: 제3 전류계

Claims (12)

  1. 실리콘 반도체 기판; 및
    상기 실리콘 반도체 기판에 형성되는, 적어도 3개의 서로 반대의 극형을 갖는 영역의 접합들을 포함하며,
    상기 접합들은 서로간에 일렬로 정렬되어 배치되며, 상기 접합들 중 적어도 하나는 제1 극형의 할로겐화구리 영역과 제2 극형의 실리콘 영역의 접합이고,
    상기 실리콘 반도체 기판은 제1 극형 영역을 갖으며,
    상기 실리콘 반도체 기판은,
    상기 실리콘 반도체 기판에 형성된 제1 극형에 반대인 제2 극형이고, 상기 실리콘 반도체 기판에서 제1 광파장의 실리콘에서의 흡수길이인 깊이에서 형성되어 제1 광 다이오드를 정의하는 도핑영역;
    상기 도핑영역에 형성된 제1 극형 영역으로, 상기 도핑 영역과의 사이의 접합은 상기 도핑영역에서 제2 광파장의 실리콘 또는 할로겐화구리에서의 광흡수길이의 깊이에서 형성되어 제2 광다이오드를 정의하는, 제1 할로겐화구리 영역; 및
    상기 제1 할로겐화구리 영역에 형성된 제 2 극형 영역이고, 제1 할로겐화구리 영역과의 사이의 접합은 제1 할로겐화구리 영역에서 제3 광파장의 실리콘 또는 할로겐화구리에서의 광흡수길이의 깊이에서 형성되어 제3 광다이오드를 정의하는, 제2 할로겐화구리 영역을 포함하는 것을 특징으로 하는 컬러 광센싱 구조.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 광파장 길이를 갖는 광은 적색광이고, 상기 제2 광파장 길이를 갖는 광은 녹색광이며, 상기 제3 광파장 길이를 갖는 광은 청색광인 것을 특징으로 하는 컬러 광센싱 구조.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 할로겐화구리영역은 CuI, CuCl 또는 CuBr을 포함하는 것을 특징으로 하는 컬러 광센싱 구조.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 극형은 P형이고, 상기 제2 극형은 n형인 것을 특징으로 하는 컬러 광센싱 구조.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1 극형은 n형이고, 상기 제2 극형은 p형인 것을 특징으로 하는 컬러 광센싱 구조.
  8. 제1 극형의 실리콘 반도체 기판을 준비하는 단계;
    상기 실리콘 반도체 기판에서 제1 광파장의 실리콘에서의 흡수길이인 깊이로 제1 영역을 제2 극형으로 도핑하는 단계;
    상기 제1 영역에서 제2 광파장의 실리콘 또는 할로겐화구리에서의 광흡수 길이의 깊이로 제2 영역을 식각하는 단계;
    상기 제2 영역에 할로겐화구리를 형성하는 단계;
    상기 제2 영역에서 제3 광파장의 실리콘 또는 할로겐화구리에서의 광흡수 길이의 깊이로 제2 극형으로 제3 영역을 도핑하는 단계를 포함하는 컬러 광센싱 구조 제조방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제1 광파장 길이를 갖는 광은 적색광이고, 상기 제2 광파장 길이를 갖는 광은 녹색광이며, 상기 제3 광파장 길이를 갖는 광은 청색광인 것을 특징으로 하는 컬러 광센싱 구조 제조방법.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 할로겐화구리는 CuI, CuCl 또는 CuBr을 포함하는 것을 특징으로 하는 컬러 광센싱 구조 제조방법.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 제1 극형은 P형이고, 상기 제2 극형은 n형인 것을 특징으로 하는 컬러 광센싱 구조 제조방법.
  12. 제8항에 있어서,
    상기 제1 극형은 n형이고, 상기 제2 극형은 p형인 것을 특징으로 하는 컬러 광센싱 구조 제조방법.

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