KR101936466B1 - 수직 나노선 광검출기 및 이의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

비대칭 수직 나노선 광검출기 및 이의 제조방법을 제공한다. 가시광선 영역의 수직 나노선 광검출기는 비대칭 수직 구조를 가짐으로써, 빛의 흡수를 극대화시켜 외부 양자효율을 증대시키는 구조이며 동시에 나노선 직경 및 간격의 변화를 통해 최대 양자효율을 가지는 파장을 변화시킬 수 있으므로, 컬러 필터로의 적용도 훨씬 용이하게 되는 효과가 있다. 근적외선 영역의 수직 나노선 광검출기는 비대칭 수직 구조를 가짐으로써, 많은 양의 전자-정공 쌍을 흡수하는 효율이 높다. 또한, 반도체 기판에 수직으로 입사하는 빛의 경로를 사선 방향으로 변환하여 수직 나노선 내부에서의 빛의 투과 길이를 증가시키므로, 수직 나노선 및 기판 영역에서 더 많은 양의 빛을 흡수할 수 있다.

Description

수직 나노선 광검출기 및 이의 제조방법{Vertical Nano-structured Photodetector and Method of Forming the same}
본 발명은 수직 나노선 광검출기에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 수직 형상의 비대칭 수직 나노선 어레이 구조의 수직 나노선 광검출기에 관한 것이다.
광검출기(photodetector)는 검출 가능한 파장 영역에 따라 다양한 어플리케이션에 적용이 가능하다. 적외선 영역에서는 CCTV 카메라, 자동차의 물체 인식 센서, 광통신 등에 활용되고 있으며, 가시광선 영역에서는 핸드폰의 CMOS 이미지 센서, CCD 카메라, 컬러 필터 등에 활용되고 있다.
대한민국 등록 특허 제10-08350605(출원일 2007년 6월19일)에는 CMOS 이미지 센서의 컬러필터용 열경화성 수지 조성물로 자기경화성 공중합체 및 유기용매를 포함하여 사용하고, 이를 이용하여 특정 파장의 자외선의 흡광이 가능한 컬러필터용 열경화성 수지 조성물을 제공하고 있다. 이 조성물은 접착강도, 투명성, 피막강도, 내열성, 내산성, 내알카리성 및 장기보존 특성의 장점이 있다. 그러나, 이러한 장점에도 불구하고 가시광선 영역에서 사용되는 실리콘 CMOS 이미지 센서는 현재 유기 용매를 활용하여 컬러 필터를 사용하기 때문에 저비용 및 고효율 특성을 구현하기 힘들며, 컬러 필터 제작시에 유기 용매 축소화의 한계로 인해 픽셀(pixel) 크기를 줄이기 어려운 문제가 있다.
근적외선 영역의 광검출기는 실리콘 물질의 밴드갭 한계 때문에 근적외선 영역의 빛을 검출하는 데 어려움이 있어 저마늄(Ge), 인듐안티모니(InSb), 인듐갈륨아세나이드(InGaAs)와 같은 실리콘보다 작은 밴드갭을 가진 화합물질을 소자 개발에 이용하고 있다. 하지만 이들 화합물질은 재료 가격이 비싸고, 대량생산이 어려워 광검출기 개발에 사용할 경우, 소자의 경제성이 떨어지는 문제점이 있다.
대한민국 공개 특허 제 1020090048891(출원일 2009년 6월 3일)에서는 고온 공정에서 버퍼층을 이용한 산화아연계 나노 와이어를 제조하여 광검출기에 응용하는 것을 언급하고 있으나, 산화아연 나노와이어의 성장 균일성 문제 및 산화아연 나노와이어의 밀도 조절 문제로 인해 광검출기 기능을 구현하기 어려운 문제가 있고, 고비용 공정이라는 문제도 있다.
도 1은 종래 기술의 대칭 수직 나노선 광검출기의 기본 구조에 대한 투시도이다.
도 1을 참조하면, 기존 대칭 수직 나노선 광검출기는 수직 나노선 및 나노선보다 유전율이 작은 물질이 나노선을 둘러싸고 있는 형태로 이루어져 있다. 이때 두 물질 간의 유전율 차이에 의해 특정 파장의 빛만을 선택적으로 흡수하는 도파관 현상(Waveguide effect)이 발생한다. 그러나, 대칭 수직 나노선 광검출기는 수직으로 입사하는 빛의 경로를 바꾸기가 어렵기 때문에, 광검출기의 효율을 증대시키는 데 한계가 있다는 문제가 있다.
도 2는 종래 기술의 대칭 수직 나노선 광검출기의 나노선 직경 변화에 따른 파장별 외부 양자 효율(External quantum efficiency, EQE)을 도시하고 있는 그래프이다.
도 2를 참조하면, 광검출기의 광학적 특성은 3차원 finite-difference time-domain (FDTD) 전산모사 기법을 통하여 분석하였고 이때 빛의 세기(light intensity)는 0.2 W/cm2, 나노선들 사이의 간격(PNW)은 1 μm, 높이(HNW)는 2 μm, 나노선의 직경(DNW)은 일 예로 150, 200, 250, 300 nm인 조건을 사용하였다.
파장별 외부 양자 효율은 빛의 조사 전후의 단락 전류를 이용하여 추출하였으며 자세한 계산식은 아래와 같다.
Figure 112016094937317-pat00001
위 식에서 h는 플랑크 상수, c는 빛의 속도, q는 쿨롱 상수, λ는 빛의 파장이며, Rλ는 반응도로써 빛의 광력(light power)에 따른 단락 전류의 변화량 비를 나타낸다.
나노선 내부를 지나는 전기장(electric field)이 반대칭(anti-symmetry) 특성을 보임으로써 도파관 현상이 나타나기 때문에 외부 양자 효율 피크는 HE1m 모드에서 나타난다. 이때 m은 방사상의 모드 수(radial mode number)를 의미한다. 도 2를 참조하면, 나노선의 직경이 증가할수록 가시광선 영역에서의 외부 양자 효율의 HE1m 피크 개수가 늘어나며 피크가 점점 오른쪽으로 이동하고 있는 것을 볼 수 있다. 그러나, 수직 입사하는 광 이용률의 한계로 인해 외부 양자 효율을 증대시키는 데에는 한계가 있다는 문제가 있다.
최근 들어 실리콘 광검출기의 성능 향상을 위해서 기판위에 고집적화된 수직 나노선 어레이 구조를 적용하는 연구가 활발히 이루어졌지만, 컬러필터로 인한 소형화 한계 문제가 존재한다.
또한, 실리콘 광검출기의 화합물 광검출기 대비 떨어지는 양자 효율(quantum efficiency)특성으로 인해, 지금도 이를 극복하기 위한 성능 향상이 요구되고 있다.
한국특허공개 10-2009-0048891
본 발명이 이루고자 하는 제1 기술적 과제는 양자 효율이 최대가 되는 파장을 변화시킬 수 있는 고효율의 비대칭 수직 나노선 광검출기를 제공하는데 있다.
또한, 본 발명이 이루고자 하는 제2 기술적 과제는 비대칭 수직 나노선이 있는 실리콘 기판의 타측면에 고농도의 불순물인 도핑 물질이 주입된 제4 반도체층이 있는, 고효율의 비대칭 수직 나노선 광검출기를 제공하는데 있다.
또한, 본 발명이 이루고자 하는 제3 기술적 과제는 상기 제1 기술적 과제를 달성하기 위한 비대칭 수직 나노선 광검출기의 제조방법을 제공하는데 있다.
또한, 본 발명이 이루고자 하는 제4 기술적 과제는 상기 제2 기술적 과제를 달성하기 위한 비대칭 수직 나노선 광검출기의 제조방법을 제공하는데 있다.
상술한 제1 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명은, 반도체 기판, 상기 반도체 기판 상에 형성된 제1 반도체층, 상기 제1 반도체층 상에 형성되어 있고, 상기 제1 반도체층과 동일 재료이고, 패턴 구조로 형성된 도트층, 상기 제1 반도체층 상의 가장 자리에 배치된 제1 전극, 상기 도트층 상에 형성된 수직 비대칭 형상의 수직 나노선, 상기 수직 나노선 상에 형성된 제2 반도체층, 상기 수직 나노선 사이의 공간을 매립하고, 상기 도트층 상에 형성되어 있는 유전체층, 상기 유전체층 및 상기 제2 반도체층 상에 형성되어 있는 투명전극층 및 상기 투명전극층 상의 가장자리에 배치된 제2 전극을 포함하는 수직 나노선 광검출기인 것을 특징으로 한다.
상기 제1 반도체층 및 상기 제2 반도체층에는 서로 다른 타입의 도핑 물질이 주입되고, 상기 도핑 물질의 농도가 서로 다른 수직 나노선 광검출기인 것을 특징으로 한다.
상기 수직 나노선은 단축 방향으로 비대칭인 수직 나노선 광검출기인 것을 특징으로 한다.
상기 수직 나노선의 수평 단면 구조가 원형, 타원형, 삼각형, 사각형, 오각형, 육각형 및 사다리꼴이고 단축 방향 단면 구조가 사다리꼴 형상, 역사다리꼴 형상, 중앙부가 오목한 형상 및 중앙부가 볼록한 형상으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나를 가질 수 있다.
상기 도핑 물질은 n 타입이고, 상기 n 타입 도핑 물질은 P, As 및 Sb로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나를 가질 수 있다.
상기 도핑 물질은 p 타입이고, 상기 p 타입 도핑 물질은 B, BF2, Al 및 Ga로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나를 가질 수 있다.
상기 도핑 물질의 농도는 1015cm-3 내지 1021cm-3의 범위인 수직 나노선 광검출기인 것을 특징으로 한다.
상기 유전체층은 상기 수직 나노선 보다 유전율이 낮은 수직 나노선 광검출기인 것을 특징으로 한다.
상기 유전체층은 유기 특성의 감광성 물질, TiO2, ZrO2, SiOx 및 SiNx로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나를 가질 수 있다.
상술한 제2 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명은, 반도체 기판, 상기 반도체 기판을 패터닝하여 형성된 수직 비대칭 형상의 수직 나노선, 상기 수직 나노선 상에 배치되어 있고, 상기 반도체 기판 상에 형성되어 있는 제3 반도체층, 상기 제3 반도체층 상에 배치되어 있는 투명전극층, 상기 투명전극층 상에 배치되어 있고, 상기 반도체 기판의 가장 자리에 형성된 제3 전극, 상기 반도체 기판에서 수직 나노선이 형성될 면의 타면에 배치된 제4 반도체층 및 상기 제4 반도체층 상에 배치된 후면 전극을 포함하는 수직 나노선 광검출기인 것을 특징으로 한다.
상기 수직 나노선은 단축 방향으로 비대칭인 것을 특징으로 한다.
상기 수직 나노선의 수평 단면 구조가 원형, 타원형, 삼각형, 사각형, 오각형, 육각형 및 사다리꼴이고, 단축 방향 단면 구조가 사다리꼴 형상, 역사다리꼴 형상, 중앙부가 오목한 형상 및 중앙부가 볼록한 형상으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 한다.
상기 수직 나노선과 상기 제3 반도체층은 서로 다른 타입의 도핑 물질이 주입되고, 상기 도핑 물질의 농도가 서로 다른 수직 나노선 광검출기인 것을 특징으로 한다.
상기 도핑 물질은 n 타입이고, 상기 n 타입 도핑 물질은 P, As 및 Sb로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나를 가질 수 있다.
상기 도핑 물질은 p 타입이고, 상기 p 타입 도핑 물질은 B, BF2, Al 및 Ga로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나를 가질 수 있다.
상기 도핑 물질의 농도는 1015cm-3 내지 1021cm-3의 범위인 수직 나노선 광검출기인 것을 특징으로 한다.
상기 제4 반도체층은 상기 반도체 기판에서 상기 수직 나노선이 형성될 면의 타면에 고농도의 상기 도핑 물질을 주입하여 형성되고, p타입 실리콘인 수직 나노선 광검출기인 것을 특징으로 한다.
상기 제3 반도체층은 상기 수직 나노선 보다 높은 농도의 도핑 물질이 주입된 것을 특징으로 한다.
상기 투명전극층 상에 상기 투명전극층보다 유전율이 낮은 유전체층을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 유전체층은 유기 특성의 감광성 물질, TiO2, ZrO2, SiOx 및 SiNx로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나를 가질 수 있다.
상술한 제1 기술적 과제를 달성하기 위한 제3 기술적 과제는, 반도체 기판을 식각하여 비대칭 형상의 수직 나노선을 형성하는 단계, 상기 반도체 기판 및 상기 반도체 기판에 접한 상기 수직 나노선의 경계 영역에 도핑 물질을 주입하여 각각 제1 반도체층 및 도트층을 형성하는 단계, 상기 수직 나노선의 끝단에 도핑 물질을 주입하여 제2 반도체층을 형성하는 단계, 상기 수직 나노선 사이를 유전체 물질로 매립하여 유전체층을 형성하는 단계, 상기 제2 반도체층 및 상기 유전체층 상에 투명전극층을 형성하는 단계, 상기 투명전극층 상에 배치되고, 상기 제1 반도체층의 가장 자리에 제1 전극을 형성하는 단계 및 상기 투명전극층 상의 가장 자리에 제2 전극을 배치하는 단계를 포함하는 수직 나노선 광검출기 제조 방법을 제공하는 데 있다.
상술한 제2 기술적 과제를 달성하기 위한 제4 기술적 과제는, 반도체 기판에서 수직 나노선이 형성될 면의 타면에 도핑 물질을 주입하여 제4 반도체층을 형성하는 단계, 상기 반도체 기판을 식각하여 비대칭 형상의 수직 나노선을 형성하는 단계, 상기 반도체 기판 및 상기 수직 나노선 상에 제3 반도체층을 형성하는 단계, 상기 제3 반도체층 상에 투명전극층을 형성하는 단계, 상기 반도체 기판 상의 가장자리에 배치하고, 상기 투명전극층 상에 제3 전극을 형성하는 단계, 상기 제4 반도체층 상에 후면 전극을 형성하는 단계를 포함하는 수직 나노선 광검출기 제조 방법을 제공하는 데 있다.
비대칭 수직 나노선은 빛의 흡수를 극대화시켜 외부 양자효율을 증대시키는 구조이며 동시에 나노선 직경 및 간격의 변화를 통해 최대 양자효율을 가지는 파장을 변화시킬 수 있으므로, 컬러 필터로의 적용도 훨씬 용이하게 되는 효과가 있다.
또한, 이를 통해 수직 나노선은 CMOS 이미지 센서의 유기 촉매를 대체하여 픽셀의 크기를 획기적으로 감소시키는 효과가 있다.
또한, 수직 나노선은 입사광이 들어오는 상단부의 직경은 작을수록 빛의 반사율을 떨어뜨리는 효과가 있다.
또한, 수직 나노선의 하단부의 직경은 클수록 빛의 투과율을 떨어뜨려 나노선 구조의 흡수율을 증가시키고 구조적으로 안정적이기 때문에, 수직 나노선의 높이를 증가시켜 파장별 반응 효율 및 양자 효율을 증대할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래 기술의 대칭 수직 나노선 광검출기의 기본 구조에 대한 투시도이다.
도 2는 종래 기술의 대칭 수직 나노선 광검출기의 나노선 직경 변화에 따른 파장별 외부 양자 효율(External quantum efficiency, EQE)을 도시하고 있는 그래프이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 가시광선 영역 검출을 위한 상단보다 하단의 직경이 넓은 비대칭 수직 나노선 광검출기의 기본 구조에 대한 투시도이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 비대칭 수직 나노선 광검출기의 파장별 외부 양자 효율 특성을 도시하고 있는 그래프이다.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 대칭 수직 나노선 광검출기 및 상단부 대비 하단부의 직경이 큰 비대칭 수직 나노선 광검출기의 직경에 따른, 각 도파관 모드에서의 외부 양자 효율 최대값을 도시하고 있는 그래프다.
도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 비대칭 수직 나노선 어레이를 형성하는 단계를 설명하고 있는 각 공정 단계에서의 단면도 및 평면도이다.
도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 여러 가지 형상의 평면 형상을 가지고 있는 비대칭 수직 나노선의 평면도이다.
도 8은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 여러 가지 형상의 단면 형상을 가지고 있는 비대칭 수직 나노선의 단면도이다.
도 9는 도 8에 도시된 다양한 비대칭 수직 나노선들의 실제 제작된 전자현미경 사진이다.
도 10은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 비대칭 수직 나노선 어레이의 하단부 및 상단부에 불순물인 도핑 물질을 주입하는 단계를 설명하기 위한 단면도 및 평면도이다.
도 11은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 비대칭 수직 나노선 사이를 매립하고 있는 수직 나노선보다 유전율이 낮은 물질을 증착하는 단계를 설명하기 위한, 각 공정별 단면도 및 평면도이다.
도 12는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 비대칭 수직 나노선 상단에 투명전극 및 전극을 형성하는 단계를 설명하기 위한, 각 공정별 단면도 및 평면도이다.
도 13은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 근적외선 영역 비대칭 수직 나노선 광검출기의 기본 구조에 대한 투시도이다.
도 14는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 대칭 수직 나노선 광검출기 및 비대칭 수직 나노선 광검출기의 1000 nm 파장에서의 광생성률을 나타내고 있는 단면 형상이다.
도 15는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 수직 나노선이 형성될 실리콘 기판의 후면에 고농도 불순물인 도핑 물질이 주입된 실리콘층인 제4 반도체층을 형성하는 단계를 설명하기 위한 각 공정의 단면도 및 평면도이다.
도 16은 본 발명의 바람직한 실시예에 비대칭 수직 나노선 어레이를 형성하는 단계를 설명하기 위한 각 공정의 단면도 및 평면도이다.
도 17은 본 발명의 바람직한 실시예에 비대칭 수직 나노선이 형성된 실리콘 기판 상에 고농도 불순물인 도핑 물질이 주입된 실리콘층인 제3 반도체층을 형성하는 단계를 설명하기 위한 공정의 단면도 및 평면도이다.
도 18은 본 발명의 바람직한 실시예에 수직 나노선이 형성된 실리콘 기판 상에 투명전극 및 전극을 형성하는 단계를 설명하기 위한 각 공정의 단면도 및 평면도이다.
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. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
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 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
본 명세서에서 층이 다른 층 또는 기판 "상"에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 층 또는 기판 상에 직접 형성될 수 있거나, 그들 사이에 제3의 층이 개재될 수도 있다. 또한, 본 명세서에서 위쪽, 상(부), 상면 등의 방향적인 표현은 그 기준에 따라 아래쪽, 하(부), 하면 등의 의미로 이해될 수 있다. 즉, 공간적인 방향의 표현은 상대적인 방향으로 이해되어야 하며 절대적인 방향을 의미하는 것으로 한정 해석되어서는 안 된다.
도면들에 있어서, 층 및 영역들의 두께는 명확성을 기하기 위하여 과장 또는 생략된 것일 수 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예들을 상세히 설명한다. 본 발명에 의한 기술을 구체적으로 설명하기 위하여 가시광선 광검출기는 나노선의 상단부 지름이 하단부 지름보다 작은 비대칭 수직 나노선 광검출기를 예시하였으며, 근적외선 광검출기는 나노선의 상단부 지름이 하단부 지름보다 큰 비대칭 수직 나노선 광검출기를 예시하였다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시 예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수 있으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
수십 년간 반도체 산업에 대량으로 사용되어온 실리콘은 매장량이 풍부하여 다른 물질에 비해 단가가 저렴하여, 저비용, 대량생산이 가능하다. 또한 실리콘을 이용하여 CMOS 회로의 제작이 쉬워 모듈 제작 및 패키징(packaging)이 용이하다.
이러한 실리콘 소재를 이용하여 실리콘 나노선을 제작한다. 실리콘 나노선은 수 나노미터에서 수백 나노미터 단위의 직경을 가지는 원기둥 구조체로서, 높은 표면적 대 부피비(surface-to-volume ratio)를 통해 소자의 전기적, 광학적 성능을 향상시킬 수 있다.
또한 실리콘 나노선은 도파관 현상(waveguide effect)을 통해 특정 파장 영역의 빛만을 선택적으로 흡수하는 다양한 어플리케이션에 적용이 가능하다. 실리콘 나노선을 제작하는 방법은 탑다운(top-down)과 바텀업(bottom-up) 두 가지로 나눌 수 있다.
탑다운(top-down) 방식은 기존 CMOS 반도체 공정으로 제작하는 것으로 단위 소자의 균일성(uniformity)을 만족하고 대량생산을 가능하게 한다.
바텀업(bottom-up) 방식은 촉매반응을 통해 나노선을 형성하는 방법으로 제작방법은 용이하나 나노선의 균일성이 떨어지고, 나노선 직경 및 길이의 정밀한 제어가 힘들다.
또한 소자 제작을 위해서는 합성된 나노선을 다른 기판으로 옮기는 과정이 필요하기 때문에 대량생산이 어려우며 CMOS 회로와의 호환성(compatibility)이 떨어진다. 그러므로, 광검출기의 경제성 확보를 위해서는 탑다운 방식을 이용한 실리콘 광검출기 개발이 필수적이다.
수직 나노선 중심부와 중심부를 둘러싸는 영역의 도핑 종류가 다른 core-shell 구조 광검출기는 평판 구조에 비해 우수한 표면적 대 부피비를 장점으로 하여 근적외선 빛에 의해 생성된 전자-전공쌍을 흡수할 수 있는 영역을 증가시켜 높은 파장별 반응 및 양자 효율을 얻을 수 있다.
상단부에서 하단부까지 직경이 일정하지 않은 비대칭 수직 나노선 구조를 적용할 경우, 대칭 수직 나노선에 비해 기판에 수직으로 입사하는 빛의 경로를 사선으로 바꾸어 소자 내부를 통과하는 빛의 투과 길이를 늘림으로써 흡수율을 극대화시킬 수 있다. 또한, 직경이 좁은 나노선 중심부에는 높은 전기장이 가해져 빛에 의해 생성된 전자-전공 쌍을 더욱 잘 수집하게 된다. 이러한 효과로 인해 비대칭 수직 나노선은 근적외선 파장 영역의 응답도와 양자효율이 극대화 된다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 가시광선 영역 비대칭 수직 나노선 광검출기의 기본 구조에 대한 투시도이다.
도 3을 참조하면, 가시광선 영역의 비대칭 수직 나노선 광검출기는 수직 나노선(280)의 상단부터 하단까지 직경이 증가하는 비대칭 구조의 수직 나노선(280)이고, 수직 나노선(280)을 둘러싸고 있는 유전체층(240)은 유전율이 수직 나노선(280) 대비해 낮은 유전율을 가지는 물질이다. 수직 나노선(280)의 제2 반도체층(290)은 투명 전극(250)과 전기적으로 연결되어 있고, 제1 전극(230)은 제1 반도체층(270)의 도트층(275)이 형성되어 있지 않은 영역에 형성되어 있다. 또한 제2 전극(260)은 수직 나노선(280)의 도트층(275)과 겹치지 않도록, 투명전극(250) 상의 가장자리에 배치되어 있다. 수직 나노선(280)의 상단은 제2 반도체층(290)은 p형으로 도핑된 실리콘이고, 수직 나노선(280)의 하단은 n형으로 고농도 도핑되어 있는 실리콘층인 제1 반도체층(270)이다. 제1 반도체층(270)이 p형으로 도핑된 실리콘층이고, 제2 반도체층(290)이 n형으로 도핑된 실리콘층이어도 상관없다. 수직 나노선(280)을 둘러싸고 있는 유전체층(240)의 물질은 실리콘보다 유전율이 작아야 한다. 비대칭 수직 나노선 광검출기는 종래의 광검출기와 달리 수직 나노선(280) 상단, 수직 나노선(280) 하단의 직경 차이를 조절하여 도파관 현상을 발생시킬 수 있기 때문에, 컬러 필터로의 적용이 훨씬 용이하게 된다. 이는 예측만으로 실행하기가 어렵고, 시뮬레이션을 통한 철저한 검증을 통해 시행 가능한 제안 발명이다.
추가적으로, 비대칭 수직 나노선(280)은 상단부 직경과 하단부의 직경을 조절함으로써 빛의 흡수율이 증가되어, 대칭 수직 나노선(180)에 비해 높은 파장별 반응 및 양자 효율을 가진다. 비대칭 수직 나노선(280)은 상기 수직 나노선(280)의 직경이 상단부터 하단까지 일정하지 않는 것을 특징으로 한다. 상술한 이상 및 하기의 ‘수직‘이라는 표현은 ’수직 형상의‘또는 ’수직 형태의‘이라는 의미로 생각하는 것이 타당하다.
평가예1
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 비대칭 수직 나노선 광검출기 및 대칭 수직 나노선 광검출기의 파장별 외부 양자 효율 특성을 도시하고 있는 그래프이다.
도 4의 (a) 및 (b)를 참조하면, 도 4의 (a)는 수직 나노선(280)의 직경이 200 nm와 250 nm인 대칭 수직 나노선(180) 광검출기 및 비대칭 수직 나노선(280) 광검출기의 파장별 외부 양자 효율을 나타내고, 도 4의 (b)는 수직 나노선(280)의 직경이 250 nm와 300 nm인 대칭 수직 나노선(180) 광검출기 및 비대칭 수직 나노선(280) 광검출기의 파장별 외부 양자 효율을 나타내고 있다.
도 4의 (a) 및 (b)를 참조하면, 비대칭 수직 나노선(280)은 상단부인 제2 반도체층(290) 직경을 Dt로 하단부인 제1 반도체층(270) 직경을 Db로 정의하였다. 수직 나노선(280)의 Dt가 Db보다 작으면, 상단부가 하단부보다 좁은 비대칭 수직 나노선 구조이며, Dt가 Db보다 크면 상단부가 하단부보다 넓은 비대칭 수직 나노선 구조이다.
대칭 수직 나노선 광검출기 및 비대칭 수직 나노선 광검출기는 모두 특정 파장에서 외부 양자 효율이 커지는 도파관 현상이 발생한다. 비대칭 수직 나노선 광검출기의 도파관 모드 HE1m는 비대칭 수직 나노선의 상단부 및 하단부 직경과 동일한 두 대칭 수직 나노선 광검출기들의 도파관 모드 HE1m 파장들 사이에 위치한다. 이 때, 하단부가 더 넓은 비대칭 수직 나노선(280) 광검출기의 도파관 모드 HE1m에서의 외부 양자 효율이 대칭 수직 나노선(180) 소자보다 더 크다.
상술한 바와 같은 현상은 프레넬 방정식(Fresnel equation)을 통해 설명이 가능하다. 실리콘으로 이루어진 수직 나노선(280)은 수직 나노선(280)을 둘러싸고 있는 물질보다 큰 유전율을 가지기 때문에, 수직 나노선(280)의 상단부가 클수록 수직 나노선(280) 상단부에서 반사되어 나가는 빛이 증가한다. 반대로, 수직 나노선(280)의 하단부가 클수록 수직 나노선(280) 내부로 들어가는 빛이 증가하여 수직 나노선(280)의 광흡수가 상승한다. 또한, 비대칭 수직 나노선(280) 광검출기의 높이가 증가할수록 전기장이 진행하는 나노선 영역은 증가하여 더 많은 전자-전공 쌍이 생성되므로 도파관 모드가 위치한 파장 영역의 외부 양자 효율은 증가하게 된다.
평가예2
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 대칭 구조의 수직 나노선 광검출기 및 상단부 대비 하단부의 직경이 큰 비대칭 구조의 수직 나노선 광검출기의 직경에 따른, 각 도파관 모드에서의 외부 양자 효율 최대값을 도시하고 있는 그래프다.
도 5를 참조하면, 모든 도파관 모드(HE12, HE13, HE14)에서 상기 비대칭 수직 나노선(280) 광검출기의 외부 양자 효율이 대칭 수직 나노선(180) 광검출기보다 우수하며, 도파관 모드의 파장은 최소 405 nm 에서 755 nm 까지 다양하게 형성된다.
제조예1
도 6는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 비대칭 구조의 수직 나노선 어레이를 형성하는 단계를 설명하고 있는 각 공정 단계에서의 단면도 및 평면도이다.
도 6을 참조하면, 단계 S1에서, 반도체 기판(220) 상에 마스크(320)를 형성하고, 리쏘그라피 방식을 이용하여 감광제층(330) 패턴을 진행한다. 실리콘 재질인 반도체 기판(220)은 기판 자체를 그대로 사용할 수도 있으며 폴리 또는 아몰포스(amorphous) 상태의 실리콘 층을 증착한 후, 사용할 수도 있다. 마스크 물질은 SiO2, SiNx 등의 절연막 외에도 Cr, Ni, Al 등의 금속일 수 있다.
단계 S2에서, 마스크층(320)을 식각하여 반도체 기판(220)을 노출되도록 한다. 노출된 반도체 기판(220)을 식각하여, 단계 S3에서 보는 바와 같이 수직 나노선(280)을 형성한다.
반도체 기판(220)의 식각을 위해, 반도체 기판(220) 상에 패턴 형성하는 마스크는 2층 구조로 패턴을 형성하여 사용을 한다. 기존의 감광제층(330)만을 식각마스크로 사용할 경우 제작하는 나노선의 길이는 식각 선택비 때문에 제한된다. 하지만 감광제층(330)과 마스크(320)를 이용하여 반도체 기판(220)을 패턴닝하면, 종횡비(aspect ratio)가 큰 수직 나노선(280)을 제작할 수 있다.
수직 나노선(280) 패턴 형성은 전자빔 리소그래피, 나노 임프린트, 이온빔 리소그래피, X-선 리소그래피, 극자외선 리소그래피, 포토 리소그래피 (스테퍼, 스캐너, 컨택 얼라이너 등) 또는 무작위로 뿌려진 나노 입자 중 어느 하나의 공정을 이용할 수 있다.
도 7는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 여러 가지 형상의 평면 형상을 가지고 있는 비대칭 구조의 수직 나노선의 평면도이다.
도 7의 (a), (b), (c), (d) 및 (e)를 참조하면, 수직 나노선(320)의 평면상에 형성되는 형상은 기본적으로 원형인 경우가 많으나, 빛의 반사 및 흡수 특성의 변화를 위하여 원형, 타원형, 삼각형, 사각형, 오각형, 육각형 및 사다리꼴로 이루어진 군에서 어느 하나 일 수 있다.
도 8는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 여러 가지 형상의 단면 형상을 가지고 있는 비대칭 구조의 수직 나노선의 단면도이고, 도 9는 도 8에 도시된 다양한 비대칭 수직 나노선들의 실제 제작된 전자현미경 사진이다.
도 8 및 도 9를 참조하면, 수직 나노선(280)의 파장에 따른 외부 양자 효율이 최대가 되도록 비대칭 수직 나노선(280)의 단면 형상은 여러 가지 설계가 가능하다. 수직 나노선(280) 상단의 직경이 하단의 직경보다 작거나, 수직 나노선(280) 상단의 직경이 하단의 직경보다 크거나, 수직 나노선(280) 중앙 부분의 직경이 상단 및 하단보다 크거나 좁은 형상을 가질 수 있다.
비대칭 수직 나노선 광검출기의 요구 스펙에 맞추어 수직 나노선(280)의 설계가 가능하다.
도 10은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 비대칭 수직 나노선 어레이의 하단부 및 상단부에 불순물인 도핑 물질을 주입하는 단계를 설명하기 위한 단면도 및 평면도이다.
도 10을 참조하면, S1에서 수직 나노선(280) 상에 김광제층(360)이 형성되도록 한다.
이어서 단계 S2에서 불순물인 도핑 물질을 주입하여 노출된 반도체 기판(220) 상에 제1 반도체층(270) 및 도트층(275)이 형성되도록 한다.
단계 S3에서 감광제층(360)을 제거하고, 수직 나노선(280)이 노출되도록 한다.
단계 S4에서 제1 반도체층(270) 및 수직 나노선(280) 상에 마스크(320)를 형성하고, 수직 나노선(280)의 상단부가 노출되도록 한다.
단계 S5에서 노출된 수직 나노선(280)의 상단부에 불순물인 도핑 물질을 주입하여 제2 반도체층(290)을 형성한다.
단계 S6에서 마스크를 제거하여 제1 반도체층(270), 수직 나노선(280) 및 제2 반도체층(290)을 노출되도록 한다.
비대칭 수직 나노선(280) 상단부에 불순물인 도핑 물질을 주입하여 제2 반도체층(290)을 만들고, 비대칭 수직 나노선(280) 하단부 영역에 불순물인 도핑 물질을 주입하여 제1 반도체층(270)을 만들어 전기전도도를 높이고, 수직 나노선(280)의 중간영역에 공핍층이 형성되도록 한다.
공핍영역에서 빛에 의해 생성된 전자-정공 쌍은 재결합이 거의 일어나지 않고 광전류에 기여할 수 있기 때문에, 수직 나노선(280)의 중간영역은 제1 반도체층(270) 및 제2 반도체층(290) 보다 낮은 불순물인 도핑 물질 농도를 가지도록 만들어 공핍영역이 넓게 형성될 수 있도록 한다. 제1 반도체층(270) 및 제2 반도체층(290)에 주입된 불순물인 도핑 물질은 p 타입 또는 n 타입 반도체를 형성할 수 있는 물질이고, 예를 들어 P, As, Sb, B, BF2, Al 및 Ga로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나 일 수 있다.
불순물인 도핑 물질이 주입된 제1 반도체층(270) 및 제2 반도체층(290)은 금속 전극이 형성될 때, 오믹 접촉을 형성할 수 있도록 고농도의 불순물인 도핑 물질을 주입하는 것이 좋다. 하지만 너무 높은 농도를 주입할 경우, 빛의 의해 생성된 전자-정공 쌍의 재결합 확률이 증가할 수 있다. 제1 반도체층(270) 및 제2 반도체층(290)은 각각 n 타입 - p 타입, p 타입 - n 타입, n+ 타입 - n 타입, p+ 타입 - p 타입, n 타입 - n+ 타입, p 타입 - p+ 타입으로 구성할 수 있다.
도 11은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 비대칭 구조의 수직 나노선 사이를 매립하고 있는 수직 나노선보다 유전율이 낮은 물질을 증착하는 단계를 설명하기 위한, 각 공정별 단면도 및 평면도이다.
도 11을 참조하면, 단계 S1에서 수직 나노선(280) 사이를 유전체로 매립하고, 제1 반도체층(270) 및 도트층(280) 상에 유전체층(240)을 형성한다.
단계 S2에서 제2 반도체층(290)이 노출될 수 있도록 유전체층(240) 상부에 패턴을 형성하지 않고 플라즈마 식각 공정을 이용하여 유전체층(240) 식각을 수행한다.
단계 S3에서 유전체층(240)을 식각하여 노출된 제2 반도체층(290)을 볼 수 있다.
수직 나노선(280)들 사이에 실리콘 재료보다 유전율이 작은 유전체 물질이 채워지고, 제2 반도체층(290)은 노출되어 있다. 수직 나노선(280)들 사이에 채워지는 물질은 실리콘보다 유전율이 작으며, 예를 들어 감광제, SiO2, SiNx 및 Al2O3 로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나일 수 있다.
도 12는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 비대칭 구조의 수직 나노선 상단에 투명전극 및 전극을 형성하는 단계를 설명하기 위한, 각 공정별 단면도 및 평면도이다.
역전압 조건에서 광전류를 수집하기 위해서 제2 반도체층(290) 상에 투명전극층(250)이 형성되고, 동시에 투명전극층(250) 상에 제2 전극(260)및 제1 반도체층(270) 상에 제1 전극(230)이 형성되도록 한다.
도 12를 참조하면, 단계 S1에서 유전체층(240) 및 제2 반도체층(290) 상에 투명전극층(250)을 형성한다.
단계 S2에서 투명전극층(250) 상에 마스크(410)를 형성하고, 리쏘스라피 방법으로 패턴닝하여 반도체 기판(220)의 도트층(275)이 없는 영역의 투명전극층(400) 및 유전체층(240)을 식각하여 제1 반도체층(270)이 노출되도록 한다.
이어서, 단계 S3에서 제1 반도체층(270)이 노출되어 있는 것을 확인 할 수 있다.
단계 S4에서 마스크(410)를 제거하면, 투명전극층(250)이 노출된다.
단계 S5에서 노출된 제1 반도체층(270) 및 투명전극층(250)의 가장자리에 리프트 오프(lift-off) 공정을 이용하여 제1 전극(230) 및 제2 전극(260)을 형성한다.
도 13은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 근적외선 영역 비대칭 구조의 수직 나노선 광검출기의 기본 구조에 대한 투시도이다.
도 13을 참조하면, 근적외선 영역의 비대칭 수직 나노선 광검출기는 수직 나노선의 상단부터 하단까지 직경이 감소하는 p형 비대칭 수직 나노선(510), p형 비대칭 수직 나노선(510)을 둘러싸고 있으며 n형으로 고농도 도핑된 제3 반도체층(520), 투명전극층(530) 및 제3 전극(540)을 포함한다.
p형 비대칭 수직 나노선(510)과 p형 비대칭 수직 나노선(510)을 둘러싸고 있는 제3 반도체층(520)이 서로 다른 도핑 상태인 코어쉘(core-shell) 구조로 이루어져 있어서, 표면적이 큰 특성을 가진다. 따라서 나노선 중심부에는 높은 전기장이 가해져 근적외선 빛에 의해 생성된 전자-전공 쌍을 더욱 잘 수집하게 된다. 이로 인해 파장별 반응 및 양자 효율이 증가한다. 추가적으로, p형 비대칭 수직 나노선(510) 구조는 입사하는 빛의 경로를 사선으로 바꾸어 대칭 수직 나노선(180) 구조와 비교하여 분석을 하면, p형 비대칭 수직 나노선(510) 구조는 내부를 통과하는 빛의 투과 길이를 늘림으로써 흡수율을 극대화시킬 수 있다. 이러한 효과로 인해 비대칭 수직 나노선(510)은 근적외선 파장 영역의 응답도와 양자효율은 극대화된다.
근적외선 영역의 비대칭 수직 나노선 광검출기의 구조는, 실리콘인 반도체 기판(560), 반도체 기판(560)의 표면에 패턴 형상으로 형성된 비대칭 수직 나노선(510), 비대칭 수직 나노선(510)을 둘러싸고 있고, 상기 반도체 기판(560) 상에 형성되어 있는 제3 반도체층(520), 상기 제3 반도체층(520) 상에 형성되어 있는 투명전극층(530), 패턴된 수직 나노선(510)이 없는 영역의 투명전극층(530) 상에 형성되어 있는 제3 전극(540), 상기 반도체 기판(560)의 타측에 형성된 제4 반도체층(550) 및 제4 반도체층(550) 상에 형성된 후면 전극(570)을 포함하고 있다. 또한, 투명전극층(530) 상에는 투명전극층(530)보다 유전율이 낮은 유전체층을 더 포함할 수 있다. 유전체층은 투명전극층(530)상에 얇게 형성되거나, 비대칭 수직 나노선(510) 사이 전체를 채우도록 형성될 수 있다.
평가예3
도 14는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 대칭 구조의 수직 나노선 광검출기 및 비대칭 구조의 수직 나노선 광검출기의 1000 nm 파장에서의 광생성률을 나타내고 있는 단면 형상이다.
도 14의 (a), (b), (c) 및 (d)를 참조하면, 도 14의 (d)에서의 광 생성률(optical generation rate)은 전체적으로 고른 상태를 보여준다. 즉, 대칭적인 수직 나노선에서는 특별히 높은 광생성률을 보여주는 영역이 없는 것이다.
도 14의 (a), (b) 및 (c)처럼, 나노선 가운데 부분이 오목하거나 나노선 하단부가 상단부에 비해 더 좁거나 넓은(사다리꼴 또는 역 사다리꼴 형태) 비대칭 수직 나노선이 대칭 수직 나노선보다 더 높은 광생성률을 보인다. 비대칭 수직 나노선은 수직으로 입사하는 빛의 경로를 사선으로 바꾸어 소자 내부를 통과하는 빛의 투과 길이를 늘림으로써, 나노선 및 기판 영역에서 더 많은 양의 빛을 흡수한다.
또한, 비대칭 수직 나노선에 수직으로 입사하는 빛의 반사율과 투과율을 감소시켜 흡수율이 증가한다.
수직으로 입사하는 빛은 비대칭 수직 나노선 중앙 부분이 오목한 경우와 역사다리꼴인 경우에는 내부에서 반사된 빛이 나노선에 재흡수되어 나노선 중앙부분 또는 나노선 하단부에 흡수되는 빛이 집중되어 흡수율이 증가한다. 또한 사다리꼴에서는 나노선의 광흡수면적이 증가하므로 전체 빛흡수율이 증가한다. 수직 나노선(510)의 빛의 흡수율을 최적화시키기 위해 비대칭 수직 나노선(510)의 단면 형상은 사다리꼴, 역사다리꼴, 수직 나노선(510) 중앙 부분의 직경이 상단 및 하단보다 좁거나 넓은 형상을 가지는 것 외에도 여러 가지 설계가 가능하다.
제조예2
도 15는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 근적외선 광 검출기 제작을 위해 실리콘 기판 후면에 고농도 불순물인 도핑 물질을 주입하는 단계를 설명하기 위한 각 공정의 단면도 및 평면도이다.
도 15를 참조하면, 단계 S1 및 단계 S2에서 실리콘 기판(560)의 후면의 전기전도도를 높이고, 금속전극 증착시 오믹 접촉을 형성하기 위해, 실리콘인 반도체 기판(560)의 타측면인 후면에 고농도의 불순물인 도핑 물질을 주입하여 제4 반도체층(550)을 형성한다. 이때 사용하는 반도체 기판(560)은 n 타입 또는 p 타입 중 하나가 될 수 있으며, 반도체 기판(560)의 후면에 주입되는 불순물인 도핑 물질은 반도체 기판(560)과 같은 타입을 형성하도록 한다. 제4 반도체층(550)을 p 타입으로 형성할 경우에는 B, BF2, Al 및 Ga중의 적어도 어느 하나를 사용하고, n 타입을 형성할 경우는 P, As 및 Sb중의 적어도 어느 하나의 불순물인 도핑 물질을 사용한다.
도 16은 본 발명의 바람직한 실시예에 근적외선 광 검출기 제작을 위해 비대칭 구조의 수직 나노선 어레이를 형성하는 단계를 설명하기 위한 각 공정의 단면도 및 평면도이다.
도 16을 참조하면, 단계 S3에서 반도체 기판(560) 상에 마스크층(575)을 형성하고, 리쏘그라피 방식을 이용하여 감광제층(577) 패턴을 진행한다. 반도체 기판(560)은 기판 자체를 그대로 사용할 수도 있으며, 반도체 기판(560) 상에 폴리(poly) 상태 또는 아몰포스(amorphous) 상태의 실리콘 층을 증착한 후 사용할 수도 있다. 마스크 물질은 SiO2, SiNx 등의 절연막 외에도 Cr, Ni, Al 등의 금속일 수 있다.
단계 S4에서 마스크층(575)을 식각하여 반도체 기판(560)을 노출되도록 한다. 노출된 반도체 기판(560)을 식각하여 단계 S6에서 보는 바와 같이 비대칭 수직 나노선(510)을 형성한다.
상기 식각 마스크층(575)을 형성 후, 리소그라피 공정을 이용하여 나노선을 패터닝하고 식각 공정을 통하여 비대칭 수직 나노선(510)을 형성한다. 나노선 패턴 형성은 전자빔 리소그래피, 나노 임프린트, 이온빔 리소그래피, X-선 리소그래피, 극자외선 리소그래피, 포토 리소그래피 (스테퍼, 스캐너, 컨택 얼라이너 등) 또는 무작위로 뿌려진 나노 입자 중 어느 하나의 공정을 이용하는 것을 특징으로 한다.
단계 S5에서 실리콘 기판(560)의 식각을 위해 마스크는 2층 구조로 패턴하여 사용을 한다. 기존의 감광제층(577)만을 식각 마스크로 사용할 경우 제작하는 나노선의 길이는 식각 선택비 때문에 제한된다. 하지만 감광제층(577)과 마스크층(575)을 이용하여 반도체 기판(560)을 패터닝하면, 종횡비가 큰 수직 나노선(510)을 제작할 수 있다.
단계 S6에서 반도체 기판(560)상에 수직 나노선(510)이 형성되고, 반도체 기판(560)의 후면인 타측에 제4 반도체층(550)이 형성되어 있다.
수직 나노선(510)의 형성되는 패턴의 모양은 평면도를 기준으로 봤을 때, 원형으로 이루어질 수 있으나 빛의 반사 및 흡수 특성 변화를 위하여, 도 7과 같이 나노선의 평면 형상을 삼각형, 사각형, 오각형, 육각형 또는 사다리꼴 등 다양한 형태로도 제작할 수 있다.
수직 나노선(510)에 수직으로 입사하는 빛의 소자 내부에서의 투과 길이를 변화시킴으로써 흡수되는 빛의 양은 변화한다. 따라서 비대칭 수직 나노선(510)의 빛 투과 길이를 극대화하기 위해서 측면 모습은 도 8을 참조하면, 나노선의 상단의 직경이 하단의 직경보다 작거나, 상단의 직경이 하단의 직경보다 크거나, 가운데 부분이 상단 및 하단보다 뚱뚱하거나 좁은 형태를 가질 수도 있다.
도 17은 본 발명의 바람직한 실시예에 비대칭 구조의 수직 나노선 상에 고농도 불순물인 도핑 물질이 주입된 실리콘층인 제3 반도체층을 형성하는 단계를 설명하기 위한 공정의 단면도 및 평면도이다.
도 17을 참조하면, 단계 S7에서 비대칭 수직 나노선(510)의 표면에 실리콘인 반도체 기판(560)과 반대되는 타입의 고농도 불순물인 도핑 물질이 주입된 실리콘 층인 제3 반도체층(520)을 형성한다. 불순물인 도핑 물질 주입은 화학증기증착 공정 또는 이온주입공정을 이용하여 형성할 수 있다. 이때, 불순물인 도핑 물질이 주입되는 실리콘은 결정질 실리콘층, 폴리 실리콘층 또는 아모포스 실리콘층일 수 있다.
도 18은 본 발명의 바람직한 실시예에 수직 나노선(510)이 형성된 실리콘 기판 상에 투명전극층, 제1 전극 및 제2 전극을 형성하는 단계를 설명하기 위한 각 공정의 단면도 및 평면도이다.
도 18을 참조하면, 단계 S8에서 제3 반도체층(520) 상에 스퍼터링 증착 또는 열증착을 이용하여 투명전극층(530)을 형성한다.
제작된 소자에 전계를 가해주며 광전류를 수집하기 위해서 비대칭 수직 나노선(510)들 상단부에 투명전극층(530)을 형성한다.
단계 S9에서 실리콘 기판(560)의 수직 나노선(510) 패턴이 형성되지 않은 영역의 투명전극층(530) 상에 제3 전극(540)을 형성한다.
투명전극층(530) 상부에 형성되는 제3 전극(540)은 비대칭 수직 나노선(510)에 입사되는 빛의 반사를 막기 위해 특정 영역에만 리프트 오프 공정을 통해 패터닝하여 형성한다.
추가적으로 빛의 반사를 최소화시키기 위해서 투명전극층(530)을 증착 전에 실리콘과 투명전극의 유전율 대비 중간값을 가지는 박막 물질을 증착하거나 투명전극 증착 후 투명전극보다 유전율이 작은 박막 물질을 증착하는 단계를 더 포함할 수 있다. 이때 리소그래피 공정과 식각공정을 이용하여 제3 전극(540)이 비대칭 수직 나노선을 둘러싸고 있는 제3 반도체층(520)과 전기적으로 접촉되도록 한다.
단계 S10에서 반도체 기판(560)의 타측면의 제4 반도체층(550) 상에 후면 전극(570)을 형성한다.
평가예4
제조예2에서 제작된 수직 나노선에 대한 근적외선 평가를 한다. 평가예3에서와 유사한 평가 결과를 보았다. 비대칭 수직 나노선에서의 광생성률이 대칭 수직 나노선의 광생성률에 대비하여 높은 것을 볼 수 있었다.
본 발명의 기술적 효과들은 이상에서 언급한 것들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
180 대칭 수직 나노선 220 실리콘 기판
230 제1 전극 240 유전체층
250 투명전극층 260 제2 전극
270 제1 반도체층 280 수직 나노선
290 제2 반도체층 320, 575 마스크층
330, 360, 577 감광제층 400 투명전극층
410 마스크 420 제2 전극
430 제1 전극 510 수직 나노선
520 제3 반도체층 530 투명전극층
540 제2 전극 550 제4 반도체층
560 실리콘 기판 570 후면 전극

Claims (22)

  1. 반도체 기판;
    상기 반도체 기판 상에 형성된 제1 반도체층;
    상기 제1 반도체층 상에 형성되어 있고, 상기 제1 반도체층과 동일 재료이고, 패턴 구조로 형성된 도트층;
    상기 제1 반도체층 상의 가장 자리에 배치된 제1 전극;
    상기 도트층 상에 형성된 수직 비대칭 형상의 수직 나노선;
    상기 수직 나노선 상에 형성된 제2 반도체층;
    상기 수직 나노선 사이의 공간을 매립하고, 상기 도트층 상에 형성되어 있는 유전체층;
    상기 유전체층 및 상기 제2 반도체층 상에 형성되어 있는 투명전극층; 및
    상기 투명전극층 상의 가장자리에 배치된 제2 전극을 포함하고,
    상기 수직 나노선의 단면 형상이 사다리꼴 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 수직 나노선 광검출기.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 반도체층 및 상기 제2 반도체층에는 서로 다른 타입의 도핑 물질이 주입되고, 상기 도핑 물질의 농도가 서로 다른 것을 특징으로 하는 수직 나노선 광검출기.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 도핑 물질은 n 타입이고, 상기 n 타입 도핑 물질은 P, As 및 Sb로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는 수직 나노선 광검출기.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 도핑 물질은 p 타입이고, 상기 p 타입 도핑 물질은 B, BF2, Al 및 Ga로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는 수직 나노선 광검출기.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 도핑 물질의 농도는 1015cm-3 내지 1021cm-3의 범위인 것을 특징으로 하는 수직 나노선 광검출기.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 유전체층은 상기 수직 나노선 보다 유전율이 낮은 것을 특징으로 하는 수직 나노선 광검출기.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 유전체층은 유기 특성의 감광성 물질, TiO2, ZrO2, SiOx 및 SiNx로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는 수직 나노선 광검출기.
  10. 반도체 기판;
    상기 반도체 기판을 패터닝하여 형성된 수직 비대칭 형상의 수직 나노선;
    상기 수직 나노선 상에 배치되어 있고, 상기 반도체 기판 상에 형성되어 있는 제3 반도체층;
    상기 제3 반도체층 상에 배치되어 있는 투명전극층;
    상기 투명전극층 상에 배치되어 있고, 상기 반도체 기판의 가장 자리에 형성된 제3 전극;
    상기 반도체 기판에서 상기 수직 나노선이 형성될 면의 타면에 배치된 제4 반도체층; 및
    상기 제4 반도체층 상에 배치된 후면 전극을 포함하고,
    상기 수직 나노선의 단면 형상이 사다리꼴 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 수직 나노선 광검출기.
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 제10항에 있어서,
    상기 수직 나노선과 상기 제3 반도체층은 서로 다른 타입의 도핑 물질이 주입되고, 상기 도핑 물질의 농도가 서로 다른 것을 특징으로 하는 수직 나노선 광검출기.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 도핑 물질은 n 타입이고, 상기 n 타입 도핑 물질은 P, As 및 Sb로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는 수직 나노선 광검출기.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 도핑 물질은 p 타입이고, 상기 p 타입 도핑 물질은 B, BF2, Al 및 Ga로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는 수직 나노선 광검출기.
  16. 제13항에 있어서,
    상기 도핑 물질의 농도는 1015cm-3 내지 1021cm-3의 범위인 것을 특징으로 하는 수직 나노선 광검출기.
  17. 제10항에 있어서,
    상기 제4 반도체층은 상기 반도체 기판에서 상기 수직 나노선이 형성될 면의 타면에 고농도의 도핑 물질을 주입하여 형성되고, 기판과 같은 도핑 타입인 실리콘인 것을 특징으로 하는 수직 나노선 광검출기.
  18. 제10항에 있어서,
    상기 제3 반도체층은 상기 수직 나노선 보다 높은 농도의 도핑 물질이 주입된 것을 특징으로 하는 수직 나노선 광검출기.
  19. 제10항에 있어서,
    상기 투명전극층 상에 상기 투명전극층보다 유전율이 낮은 유전체층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수직 나노선 광검출기.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 유전체층은 유기 특성의 감광성 물질, TiO2, ZrO2, SiOx 및 SiNx로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는 수직 나노선 광검출기.
  21. 반도체 기판을 식각하여 비대칭 형상의 수직 나노선을 형성하는 단계;
    상기 반도체 기판 및 상기 반도체 기판에 접한 상기 수직 나노선의 경계 영역에 도핑 물질을 주입하여 각각 제1 반도체층 및 도트층을 형성하는 단계;
    상기 수직 나노선의 끝단에 도핑 물질을 주입하여 제2 반도체층을 형성하는 단계;
    상기 수직 나노선 사이를 유전체 물질로 매립하여 유전체층을 형성하는 단계;
    상기 제2 반도체층 및 상기 유전체층 상에 투명전극층을 형성하는 단계;
    상기 투명전극층 상에 배치되고, 상기 제1 반도체층의 가장 자리에 제1 전극을 형성하는 단계; 및
    상기 투명전극층 상의 가장 자리에 제2 전극을 배치하는 단계를 포함하고,
    상기 수직 나노선의 단면 형상이 사다리꼴 구조를 가지는 수직 나노선 광검출기 제조 방법.
  22. 반도체 기판에서 수직 나노선이 형성될 면의 타면에 도핑 물질을 주입하여 제4 반도체층을 형성하는 단계;
    상기 반도체 기판을 식각하여 비대칭 형상의 수직 나노선을 형성하는 단계;
    상기 반도체 기판 및 상기 수직 나노선 상에 제3 반도체층을 형성하는 단계;
    상기 제3 반도체층 상에 투명전극층을 형성하는 단계;
    상기 반도체 기판 상의 가장자리에 배치하고, 상기 투명전극층 상에 제3 전극을 형성하는 단계; 및
    상기 제4 반도체층 상에 후면 전극을 형성하는 단계를 포함하고,
    상기 수직 나노선의 단면 형상이 사다리꼴 구조를 가지는 수직 나노선 광검출기 제조방법.
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