KR101944360B1 - 자외선 검출기 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 일 실시예는, 적어도 하나 이상의 전극을 구비하는 질화갈륨계 기반의 자외선 검출소자; 상기 전극과 전기적으로 연결되는 패드를 구비하며, 상기 자외선 검출소자의 출력 신호를 처리하기 위한 실리콘(Si) 기반의 집적회로부; 상기 집적회로부의 전면에 광 반응성을 갖지 않도록 광을 차단하는 광차단층; 상기 자외선 검출소자가 실장된 집적회로부를 수용하며, 상기 집적회로부의 패드와 전기적으로 연결되도록 복수의 전극이 구비된 하우징;을 포함하는 자외선 검출기를 제공한다.
Description
본 발명은 자외선 검출기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 자외선 검출소자에서만 자외선광이 검출되도록 한 자외선 검출기에 관한 것이다.
자외선을 감지할 수 있는 소자는 PMT(photo multiplier tube)나 반도체 소자가 있는데, PMT보다 반도체 소자가 값싸고 크기가 작기 때문에 최근에는 대부분 반도체 소자를 많이 사용한다.
반도체 소자에서는 에너지 밴드갭이 자외선 감지에 적당한 GaN(질화갈륨), SiC(실리콘카바이드) 등과 에너지 밴드갭이 작지만 Si(실리콘)이 많이 이용되고 있다.
이 중에 특히 GaN을 기반으로 하는 소자의 경우 쇼트키(schottky) 접합 형태와 MSM(Metal-Semiconductor-Metal) 형태, 그리고 PIN 형태의 소자가 주로 사용되는데, 특히 GaN 기반의 자외선 검출소자에서는 알루미늄(Al) 조성이 높은 p-타입 AlGaN층의 특성 확보가 어렵고, 재현성 확보가 되지 않은 반면 쇼트키 접합 형태의 경우 p-AlGaN층을 성장하지 않아도 되기 때문에 제조공정이 간단하여 선호되고 있다.
하지만, 쇼트키 접합 형태는 반도체층과 금속층과의 쇼트키 특성을 이용한 것으로 PIN 형태보다는 정전기(ESD)에 취약한 특성을 가지고 있다.
또한, 하나의 하우징에 별도의 아날로그-디지털 변환소자(ADC converter) 기능을 구비한 집적회로(Integrated circuit)소자를 구비하고 그 위에 자외선 검출소자를 접착하여 자외선 검출기를 구성하게 되면 하나의 하우징에서 직접 디지털 출력이 가능한데, 이때 자외선, 가시광선, 적외선 등이 집적회로에서 반응을 일으켜 자외선 검출소자에서의 출력 값에 집적회로에서 반응하는 출력 신호가 포함되므로 정확한 자외선 검출 신호를 얻지 못하는 한계를 가지고 있다. 이러한 부분은 태양광에서 일정 파장의 자외선을 검출하고자 할 때 그 문제점들이 더욱 명확해진다.
본 발명은 입사되는 모든 광이 집적회로에 영향을 발생하여 자외선 검출소자의 출력값에 기여하지 않도록 함으로써 자외선 영역의 검출 정확도를 높일 수 있도록 한 디지털 출력의 자외선 검출 가능한 자외선 검출기를 제공한다.
또한, 본 발명은 정전 방전(ESD)이 취약한 자외선 검출소자의 특성을 개선할 수 있도록 한 자외선 검출소자를 제공한다.
본 발명의 목적은 전술한 바에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있다.
본 발명의 실시예에 의한 자외선 검출기는, 적어도 하나 이상의 전극을 구비하는 질화갈륨계 기반의 자외선 검출소자; 상기 전극과 전기적으로 연결되는 적어도 하나 이상의 패드를 구비하여 상기 자외선 검출소자의 출력 신호를 처리하기 위한 실리콘(Si) 기반의 집적회로부; 상기 집적회로부의 일측 면에 형성되어 광 반응성 영역을 차단하는 광차단층; 상기 자외선 검출소자가 실장된 집적회로부를 수용하며, 상기 집적회로부의 패드와 전기적으로 연결되도록 복수의 전극이 구비된 하우징;을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 자외선 검출소자는 집적회로부 상에 본딩되며, 상기 자외선 검출소자는 집적회로부와의 절연을 위해 사파이어 기판 상에 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 광차단층은 복수의 적층된 메탈층을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 복수의 메탈층은 각각의 상측 또는 하측에 적층된 메탈층과 어긋난 위치에 배치될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 광차단층은 복수의 메탈층 사이에 개재되는 절연층을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 광차단층은 상기 자외선 검출소자에서 출력된 아날로그신호를 디지털신호로 변환하는 ADC(Analog Digital Converter) 블록 영역, 상기 자외선 검출소자의 전극 및 하우징의 전극과 전기적으로 연결되는 패드 주변 영역, 상기 집적회로부의 테두리 부분에 형성되는 실링(seal ring) 영역에 더 배치될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 집적회로부 내에 정전방지를 위해 구비되는 접지패드를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 하우징의 자외선 검출소자와 대응되는 면에는 투명 재질의 윈도우가 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 윈도우는 석영 재질로 이루어질 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 하우징의 내부 공간은 충진재로 충진될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 충진재는 자외선이 투과되는 투명한 실리콘 재질로 이루어질 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 하우징 내에 구비된 집적회로부 상에 자외선 검출소자가 접착되어 구비되고, 집적회로가 외부에서 입사되는 모든 광에 반응하지 않도록 하는 광차단층이 더 형성됨으로써, 입사되는 광 신호는 자외선 검출소자에 의한 신호 값으로만 출력이 되도록 하여 검출 정확도를 높일 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 자외선 검출소자의 접지 전극이 하우징의 접지 전극에 직접 연결되지 않도록 집적회로부에 정전 방전 차단할 수 있는 별도의 접지패드를 구비함으로써 자외선 검출소자의 정전 방전 특성을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 자외선 검출기의 평면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 자외선 검출기의 단면도이다.
도 3은 도 1의 자외선 검출기에 적용되는 자외선 검출소자의 평면도이다.
도 4는 도 1의 자외선 검출기에 적용되는 자외선 검출소자의 단면도이다.
도 5는 도 1의 자외선 검출기에 적용되는 집적회로의 광차단층의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 자외선 검출기의 단면도이다.
도 3은 도 1의 자외선 검출기에 적용되는 자외선 검출소자의 평면도이다.
도 4는 도 1의 자외선 검출기에 적용되는 자외선 검출소자의 단면도이다.
도 5는 도 1의 자외선 검출기에 적용되는 집적회로의 광차단층의 단면도이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 자외선 검출소자가 구비된 하우징의 평면도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 자외선 검출소자가 구비된 하우징의 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 의한 자외선 검출기(10)는 자외선 검출소자(100), 광차단층(400)이 형성된 집적회로부(200) 및 하우징(300)을 포함한다.
자외선 검출소자(100)는 질화갈륨(GaN)계 기반의 반도체 소자로서, 집적회로부(200)의 상면에 본딩된다. 자외선 검출소자(100)는 평면에서 봤을 때 대략 사각형으로 형성될 수 있다. 자외선 검출소자는 UVA, UVB, UVC의 자외선 영역과 대응되는 어느 하나의 센서일 수 있으며, 필요에 따라 UVA, UVB, UVC 중 2종 또는 3종 모두가 집적회로부에 본딩될 수 있다.
집적회로부(200)는 자외선 검출소자(100)에서 출력된 아날로그 신호를 디지털로 변환하여 그 출력 신호를 메모리부에 전달되어 프로그래밍 되어 있는 값으로 표현될 수 있도록 하여 최종적으로 디스플레이부에서 외부로 표현되도록 한다. 집적회로부(200)는 하우징(300)의 상면 중앙에 실장되며, 대략 사각형의 평면을 갖는 판형으로 형성될 수 있다.
집적회로부(200)는 실리콘 기반으로 제작될 수 있다. 예컨대, 집적회로부(200)의 실리콘 기판은 불순물이 첨가된 p형(또는 n형) 반도체로서, 통상 그 위에 n형(또는 p형)의 실리콘 박막층을 부착시켜 그곳에 p형(또는 n형) 영역을 형성시켜 이들 p형과 n형 반도체 영역의 조합으로 회로를 구성할 수 있다.
집적회로부(200)의 상면에는 자외선 검출소자(100)가 본딩되고, 집적회로부(200) 상에는 자외선 검출소자(100)와 근접하도록 복수의 패드(210)가 형성될 수 있다. 패드(210)는 제1도전성 와이어(230)를 매개로 자외선 검출소자(100)의 제1전극 및/또는 제2전극과 전기적으로 연결됨으로써 자외선 검출소자(100)의 출력된 아날로그 신호가 집적회로에 입력된다.
집적회로부(200)에는 제너다이오드(Zener diode)와 같은 회로의 구성을 구비하여 정전 방전(ESD) 특성을 향상시킬 수 있다. 예컨대, 정전 방전이 취약한 자외선 검출소자의 전극이 하우징의 전극에 직접 연결되지 않도록 집적회로부(200)에 별도의 접지패드(220)를 더 포함할 수 있다.
접지패드(220)는 복수의 패드(210) 중 예컨대, 소스전극(VSS)과 연결된 패드와 근접하게 배치될 수 있다. 그리고 복수의 패드(210)는 제2도전성 와이어(240)를 매개로 하우징(300)의 전극(310)과 전기적으로 연결된다. 따라서 자외선 검출소자(100)의 전극(도 3 참고: 180, 190)과 하우징(300)의 전극(310)이 직접적으로 연결되지 않고 집적회로부(200)의 제너다이오드와 같이 정전 방전 방지 디바이스 회로가 구성된 패드(210)를 매개로 상호 연결됨으로써 도전성 와이어가 외부로 노출되지 않게 되고, 더불어 집적회로부(200)에 구비된 접지패드(220)에 의해 정전 방전에 의한 자외선 검출소자(100)를 보호할 수 있게 된다.
집적회로부(200)는 제작 시 실리콘이 노출된 부분이 발생할 수 있다. 집적회로부(200)가 태양광에 노출될 경우 자외선뿐만 아니라 가시광선 및 적외선 역시 집적회로부(200)에 유입될 수 있다. 이때, 집적회로부(200)가 노출된 광에 반응하여 전류를 형성할 수 있게 되는데 이러한 경우 자외선 검출소자(100)에서 검출된 자외선 신호에 추가되어 정확한 자외선 검출에 영향을 받게 된다.
따라서, 자외선 검출소자가 본딩되는 집적회로부의 일측 면에는 광차단층이 전체적으로 형성되어 광 반응성 영역을 차단한다.
한편, 집적회로부(200)에는 모든 광에 의해 반응 전류를 생성할 수 있는 영역 예컨대, 자외선 검출소자(100)에서 출력된 아날로그신호를 디지털신호로 변환하는 ADC(Analog Digital Converter) 블록 영역, 자외선 검출소자(100)의 전극 및 하우징(300)의 전극과 전기적으로 연결되는 패드(210) 주변 영역, 다이(die)와 스크라이브 라인(scribe line)과의 경계를 부여하도록 집적회로부(200)의 테두리 부분에 형성되는 실링(seal ring) 영역 등이 존재할 수 있다. 광차단층은 이와 같이 모든 광에 의해 반응 전류를 생성할 수 있는 영역에 더 배치됨으로써 광 반응성 영역을 확실하게 차단할 수 있다. 광차단층의 구조에 대해서는 이후 도 5를 참고하여 다시 설명하기로 한다.
하우징(300)은 자외선 검출소자(100) 및 집적회로부(200)를 수용하며, 평면에서 봤을 때 대략 사각형으로 형성될 수 있다.
하우징(300)의 상면 중앙에는 집적회로부(200)가 실장되고, 그 주위에는 복수의 전극 예컨대, 소스전극(VSS), 드레인전극(VDD), 통신전극, 접지전극(GND) 등이 배치된다. 전극 중 어느 하나 예컨대, 소스전극은 도전성 와이어를 매개로 집적회로부(200)의 패드(210) 중 어느 하나와 전기적으로 연결될 수 있다.
자외선 검출소자(100)는 집적회로부(200) 상에 접착되어 형성되며, 자외선 검출소자(100)와 대응되도록 하우징(300)의 상면에는 투명 재질의 윈도우(320)가 형성될 수 있다. 윈도우(320)는 예컨대, 석영 재질로 이루어질 수 있다.
또한, 윈도우를 형성하지 않고 자외선 검출소자(100), 집적회로부(200)를 밀봉할 수 있도록 하우징(300)의 내부 공간을 충진재로 충진하는 것도 가능하다. 이때 충진재로는 자외선이 투과되는 투명한 실리콘 재질이 사용될 수 있다. 실리콘 재질은 자외선 광의 세기가 약한 경우 사용이 가능하다. 예컨대, 자외선 광의 세기가 강하면 충진재에 황변과 같은 변화가 발생하여 오랜 기간 사용하지 못하게 된다.
도 3은 도 1에 적용되는 자외선 검출소자의 일예를 도시한 평면도이며, 도 4는 도 1에 적용되는 자외선 검출소자의 일예를 도시한 단면도이다.
도 3 및 도 4를 참고하면, 자외선 검출소자(100)는 기판(110), 버퍼층(120), 저전류 차단층(130), 광흡수층(140), 캡핑층(150), 쇼트키층(160) 및 절연막층(170)을 포함한다. 더불어, 일 실시예에 의한 자외선 검출소자는 제1도전성 와이어(230)를 매개로 집적회로부(200)의 패드(210)와 전기적으로 연결되도록 제1전극(180) 및 제2전극(190)을 더 포함할 수 있다.
기판(110)은 반도체 단결정을 성장시키기 위한 것으로, 징크 옥사이드(ZnO), 갈륨나이트라이드(GaN), 실리콘 카바이드(SiC) 및 알루미늄 나이트라이드(AlN) 등이 이용될 수 있으나, 방위의 정도가 높고, 정밀한 폴리싱으로 흠이나 자국이 없는 사파이어(sapphire) 기판이 주로 이용될 수 있다. 자외선 검출소자에 사파이어 기판이 적용될 경우 자외선 검출소자(100)가 집적회로부(200)에 본딩되더라도 자외선 검출소자(100)와 집적회로부(200) 간에는 자연적으로 절연이 이루어질 수 있는 장점이 있다. 이때 자외선 검출소자(100)가 집적회로부(200)에 직접 본딩됨으로써 자외선 검출소자(10)의 제작이 용이한 이점이 있다.
버퍼층(120)은 기판(110) 상에 형성되는 저온 버퍼층(121)과, 저온 버퍼층(121) 상에 형성되는 고온 버퍼층(122)을 포함할 수 있다.
저온 버퍼층(121)은 예컨대, GaN층을 포함할 수 있다. 저온 버퍼층(121)은 유기금속화학기상증착(MOCVD) 장치 반응관의 서셉터에 기판(110)을 위치시키고 반응관 내부의 압력을 100torr 이하로 내려 반응관 내부의 불순가스를 제거하고, 반응관 내부 압력을 100torr로 유지하고 온도를 1100℃까지 올려 이종 기판(110)의 표면을 열적으로 세정한 후, 온도를 500℃∼600℃, 바람직하게는 550℃까지 내리고 Ga 소스(source)와 암모니아(NH3) 가스를 흘려줌으로써 성장될 수 있다. 이때 반응관의 전체적인 가스 흐름은 수소(H2) 가스에 의해 결정된다.
또한, 저온 버퍼층(121) 위에 성장되는 고온 버퍼층(122)의 결정성과 광학적, 전기적 특성 확보를 위해, 저온 버퍼층(121)은 적어도 25nm 이상의 두께로 형성될 수 있다.
저온 버퍼층(121)은 고온 버퍼층(122)의 결정성을 우수하게 하는 역할을 할 수 있고, 이에 따라 고온 버퍼층(122)의 광학적, 전기적 특성이 향상될 수 있다. 또한, 기판(110)이 사파이어 기판과 같은 이종 기판일 경우에, 저온 버퍼층(121)은 고온 버퍼층(122)이 성장될 수 있는 시드층 역할을 할 수도 있다.
고온 버퍼층(122)은 저온 버퍼층(121)의 성장 후, 저온 버퍼층에 비해 상대적으로 높은 온도에서 성장될 수 있다. 고온 버퍼층(122)은 예컨대, 서셉터의 온도를 1000℃∼1100℃, 바람직하게는 1050℃까지 올림으로써 성장될 수 있다. 이때, 온도가 1000℃ 미만이면 광학적, 전기적, 결정학적 특성이 저하되며, 온도가 1100℃를 초과하면 표면의 거칠기가 거칠어지고 결정성이 떨어질 수 있다.
고온 버퍼층(122)은 저온 버퍼층과 유사한 물질을 포함할 수 있다. 고온 버퍼층은 예컨대, GaN층을 포함할 수 있다. 질화물계 반도체는 도핑을 하지 않아도 n형 특성을 보이기는 하지만, n형 효과를 위해 Si 도핑을 할 수도 있다. 고온 버퍼층(122)이 Si를 포함하여 n형 도핑된 경우, Si의 도핑농도는 1×108 이하일 수 있다. 고온 버퍼층(122)은 약 2.5㎛의 두께를 가질 수 있다.
또한, 고온 버퍼층(122)은 저온 버퍼층(121) 상에 임의 도핑이 되지 않은 GaN층을 1.5㎛ 성장하여 형성될 수 있고, 고온 버퍼층(122) 상에 제1전극 예컨대, n형 전극의 형성 시 오믹 형성을 위해 통상적으로 Si가 임의 도핑되지 않은 GaN층을 1㎛ 성장한 정전기 방지층(123)이 형성될 수도 있다. 즉, 쇼트키 접합 구조의 자외선 검출소자에 있어 쇼트키 접합 구조 특성상 PIN 구조보다 정전기(ESD) 특성이 낮은데, 이러한 쇼트키 접합구조에서 정전 방전(ESD) 향상을 위해 저전류 차단층(130) 성장 전에 Si가 임의 도핑되지 않은 정전 방전을 향상하기 위한 GaN층을 추가 성장할 수 있다. 이렇게 성장된 정전기 방지층(123)으로 인해 정전 방전 특성이 향상되는 효과를 얻을 수 있다.
저전류 차단층(130)은 광흡수층(140)보다 낮은 온도에서 고온 버퍼층(122) 상에 성장된다. 저전류 차단층(130)은 각각의 층마다 Al 함량이 서로 다른 다층 구조로 이루어질 수 있다. 예컨대, Al 함량이 서로 다른 복수의 AlGaN층이 적층되어 이루어질 수 있다. 또한, 저전류 차단층은 단일 AlGaN층으로 형성될 수도 있으며, 이때 Al의 함량은 광흡수층과 동일 조성일 수 있다.
저전류 차단층(130)에 적층되는 질화물 반도체층들은 광흡수층(140)의 질화물층의 조성에 따라 결정될 수 있다. 예를 들어, 광흡수층(140)이 Al 조성 20%의 AlGaN층을 포함하는 경우, 저전류 차단층은 AlGaN층/AlGaN층의 반복 적층 구조를 포함할 수 있다.
서로 다른 조성비를 갖는 질화물층들의 적층 구조는 각각의 질화물층들을 서로 다른 압력에서 성장시킴으로써 제공될 수 있다. 예를 들어, 저전류 차단층이 AlxGa1-xN층과 AlyGa1 - yN층이 반복 적층된 구조를 포함하는 다층 구조를 형성하는 경우, AlxGa1 - xN층은 약 100Torr의 압력에서 성장시키고, AlyGa1 - yN층은 약 400Torr의 압력에서 성장시킬 수 있다.
이때, 압력 외에 다른 성장 조건이 동일한 경우, 더 낮은 압력에서 성장된 AlxGa1-xN층은 더 높은 압력에서 성장된 AlyGa1 - yN층에 비해 높은 Al 조성비를 가질 수 있다.
이와 같이, 서로 다른 압력에서 성장된 질화물층들은 성장 압력의 차이로 인하여 서로 다른 성장률을 가질 수 있다. 질화물층들이 서로 다른 성장률을 가짐으로써, 반복 적층되는 층들의 조성비를 서로 다르게 하는 경우 격자 상수 차이에 의한 응력을 완화시킬 수 있기 때문에, 후속 공정에서 성장되는 다른 반도체층들의 결정성을 우수하게 할 수 있고, 크랙 등의 손상이 발생하는 것을 방지할 수 있다.
일 실시예에 의한 자외선 검출소자의 경우, 가시광에 의해 광흡수층(140)에 생성된 전자들이 저전류 차단층(130)에 의해 포획됨으로써, 가시광에 의해 소자가 구동하는 것을 최대한 방지할 수 있다. 상술한 바와 같이, 저전류 차단층(130)은 광흡수층(140)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(130)에 존재하는 결함만으로도 충분히 전자의 이동을 막을 수 있다. 즉, 저전류 차단층(130)은 광흡수층(140)보다 더 높은 결함 밀도를 가짐으로써, 가시광에 의해 생성된 전자의 이동을 방지할 수 있다.
한편, 광흡수층(140)에 자외선 광이 조사되어 생성된 전자들은 가시광에 의해 생성된 전자들에 비해 그 수가 월등히 많으므로, 저전류 차단층(130)에 포획되지 않고 소자에 전류가 흐르도록 할 수 있다. 그러므로 본 발명의 일 실시예에 따른 자외선 검출소자는 가시광에 반응하는 정도가 매우 낮아, 일반적인 자외선 검출소자에 비해 높은 자외선 대비 가시광선 반응 비율을 가질 수 있다. 따라서 일 실시예에 따르면, 높은 검출 효율 및 신뢰성을 갖는 자외선 검출소자가 제공될 수 있다.
저전류 차단층(130)의 전체 두께는 광흡수층(140)에서 흡수된 자외선 광 이외의 빛 에너지에 의한 저전류 발생 전류의 흐름을 최소화하기 위해 100nm 이하로 형성될 수 있다. 저전류 차단층(130)이 복수의 층으로 형성될 경우, 저전류 차단층(130)을 구성하는 각각의 층은 모두 동일한 두께를 가지거나 서로 상이한 두께를 가질 수 있으며, 각 층의 두께와 층의 개수는 필요에 따라 적절히 선택될 수 있다.
저전류 차단층(130)은 광흡수층(140)에 비해 더 높은 결함 밀도를 가질 수 있다. 이는 저전류 차단층(130)을 광흡수층(140)에 비해 더 낮은 온도에서 성장시킴으로써 수득될 수 있다. 예를 들어, 광흡수층(140)을 약 1050℃에서 성장시키고, 저전류 차단층(130)은 이보다 30 내지 200℃ 더 낮은 온도에서 성장시켜 제조될 수 있다. 200℃ 초과의 더 낮은 온도에서 저전류 차단층(130)을 성장시키면, 저전류 차단층(130) 상에 형성되는 광흡수층(140)의 결정성이 급격히 저하되어 광흡수층(140)의 양자효율이 저하될 수 있으므로, 저전류 차단층(130)은 광흡수층(140)보다 200℃ 낮은 온도 이내에서 성장되는 것이 바람직하다. 저전류 차단층(130)이 광흡수층(140)에 비해 더 낮은 온도에서 성장되면, 광흡수층(140)에 비해 상대적으로 더 높은 밀도의 전위, 공공(vacancy) 등의 결함 밀도를 가질 수 있다.
광흡수층(140)은 저전류 차단층(130) 상에 성장된다. 예컨대, 저전류 차단층(130) 성장 후 AlxGa1 - xN(0<x<0.7)층으로 구성되는 광흡수층(140)이 성장될 수 있다.
광흡수층(140)은 0.05㎛∼0.5㎛ 두께로 성장될 수 있는데, 크랙 등의 영향을 감안하여 0.1㎛ 내외의 두께로 성장시키는 것이 바람직하다.
또한, 광흡수층(140)의 에너지 밴드갭은 흡수하고자 하는 광의 파장 영역에 따라 다르며, Al 함량을 적절히 조절함으로써 원하는 에너지 밴드갭을 가진 광흡수층(140)을 선택적으로 성장시킬 수 있다.
캡핑층(150)은 광흡수층(140) 상에 성장된다. 캡핑층(150)은 예컨대, 광흡수층(140)의 성장 후, 그 위에 Al 조성이 광흡수층보다 높은 AlGaN층으로 성장될 수 있다. 즉, 캡핑층(150)은 광흡수층(140)보다 Al 조성이 높은 AlGaN층을 성장함으로써 쇼트키 장벽을 극대화하여 쇼트키 특성을 얻는데 더 용이하게 된다.
캡핑층(150)은 1nm∼10nm의 두께를 가질 수 있으며, 캡핑층(150)의 두께가 너무 두꺼워지면 광흡수층의 특성을 보이는 현상이 발생될 수 있다.
쇼트키층(160)은 캡핑층(150)의 일부 영역 상에 형성된다. 쇼트키층(160)은 예컨대, ITO, Ni, ATO, Pt, W, Ti, Pd, Ru, Cr, Au 중의 어느 하나를 포함할 수 있다. 특히, 쇼트키층(160)이 자외선 광 투과도가 우수한 Ni로 형성된 경우 두께 증가에 따라 자외선 광 투과율이 저하되기 때문에 자외선 광 투과율이 우수하고 쇼트키 장벽 특성을 고려할 때 3nm∼10nm로 형성되는 것이 적절하다.
절연막층(170)은 캡핑층 상에 쇼트키층(160)을 밀봉하도록 형성될 수 있다. 예컨대, 절연막층(170)은 쇼트키층(160)을 덮도록 형성되며, 쇼트키층(160)의 테두리를 따라 그 외곽으로 노출되는 캡핑층(150)의 일부를 덮도록 형성될 수 있다. 즉, 절연막층(170)은 쇼트키층(160)과 캡핑층(150)의 일부에 동시 접촉하여 캡핑층(150) 상에 쇼트키층(160)을 고정하며, 이에 따라 와이어 본딩시 발생하는 응력에 의한 쇼트키층(160)의 필링(peeling) 현상을 방지하여 자외선 검출소자(1)의 신뢰성 및 수율이 향상시키는 효과가 있다. 또한 절연막층(170)은 외부 정전기에 대한 보호막으로 사용될 수 있다. 절연막층(170)은 SiNx, SiOx 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예는 쇼트키층(160) 상에 배치되는 제1전극(180) 및 버퍼층(120)의 노출된 영역 상에 배치도는 제2전극(190)을 더 포함할 수 있다.
제1전극(180)은 쇼트키층(160) 상의 일부 영역에 형성될 수 있다. 제1전극(180)은 금속을 포함할 수 있으며, 복수층으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 제1전극(180)은 Ni층/Au층이 적층된 구조를 포함할 수 있다.
쇼트키층(160) 상에서 제1전극(180)이 형성되는 영역은 광이 투과하지 못하여 쇼트키층(160)의 역할을 하지 못하므로, 제1전극(180)은 와이어 본딩을 위한 최소한의 면적으로 형성되는 것이 바람직하며, 일 실시예에 따른 제1전극(180)은 제2전극(190)과 좌우 방향으로 대향하도록, 쇼트키층(160)의 측면부에 인접하여 형성된다. 제1전극(180)은 쇼트키층의 전류를 균일하게 흐르게 하기 위해 몸체부(181), 몸체부(181)의 양 방향으로 분기되는 한 쌍의 가지부(182)를 가지고 있다. 같은 크기의 소자에서도 쇼트키층의 최적 넓이에 따라 자외선 광에 의한 반응 전류 값의 변화가 크기 때문에 쇼트키층의 넓이를 최대화하는 것이 유리하다.
제2전극(190)은 버퍼층(120)과 오믹 접촉을 형성할 수 있으며, 금속을 포함하는 복수층으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 제2전극(190)은 Ni층/Au층이 적층된 구조를 포함할 수 있다.
제2전극(190)은 캡핑층(150)과 광흡수층(140), 저전류 차단층(130), 정전기 방지층(123)을 드라이 에칭(dry etching) 등의 방법으로 식각하고, 식각에 의해 노출된 고온 버퍼층(122) 상에 형성될 수 있다. 이때, 제2전극(190)과 고온 버퍼층(122)은 오믹 특성을 갖도록 구성되며, 식각시 고온 버퍼층(122)의 일부까지 식각하는 것도 가능하다.
제2전극(190)은 제1전극(180)으로부터 이격되어 고온 버퍼층(122)의 일부에 형성되고, 전류의 흐름을 균일하게 하기 위해 중심부의 안쪽까지 전극의 일부가 형성될 수 있으며, 그 형상은 본 발명의 일 실시예에 제한될 필요는 없다.
도 5는 도 1에 적용되는 광차단층의 단면도이다.
도 5를 참고하면, 광차단층(400)은 집적회로부(200)의 전면에 설치되며, 실리콘이 노출된 영역이나 외부 광 차단이 되지 않은 ADC 블록 영역, 패드 주위 영역, 실링(seal ring) 영역과 같이 외부 광에 쉽게 반응하는 영역에 더 배치될 수 있다.
광차단층(400)은 예컨대, 400 nm 이하의 자외선, 약 400nm-800nm의 가시광선, 파장이 약 800nm-1100nm의 적외선이 집적회로부(200)에 유입되어 반응 전류를 발생하는 것을 차단한다.
광차단층(400)은 복수의 메탈층(410)을 포함할 수 있다. 복수의 메탈층(410)은 소정의 위상차를 두고 이격 적층되며, 모든 입사되는 광, 특히 가시광선, 적외선이 투과되지 못하도록 각각의 상측 또는 하측에 적층된 메탈층(410)과 어긋난 위치에 배치될 수 있다. 또한, 동일 위상에 복수의 메탈층이 배치될 수도 있으며, 이때 메탈층(410)들 사이에는 집적회로부(200)의 주변 회로들과의 쇼트를 방지할 수 있도록 개구부(430)가 형성될 수 있다. 메탈층(410)의 재질은 특히, 가시광 및 적외선광의 유입을 차단할 수 있다면 특별히 한정될 필요는 없다.
적층된 복수의 메탈층(410) 사이에는 상호 간에 전기적으로 연결되지 않도록 절연층(420)이 개재될 수 있다. 절연층(420)의 재질은 예컨대, 실리콘, 에폭시 등이 적용될 수 있다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
즉, 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
따라서, 본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
10; 자외선 검출기
100; 자외선 검출소자 200; 집적회로부
210; 패드 220; 접지패드
230, 240; 도전성 와이어 300; 하우징
310; 전극단자 400; 광차단층
410; 메탈층 420; 절연층
100; 자외선 검출소자 200; 집적회로부
210; 패드 220; 접지패드
230, 240; 도전성 와이어 300; 하우징
310; 전극단자 400; 광차단층
410; 메탈층 420; 절연층
Claims (11)
- 적어도 하나 이상의 전극을 구비하는 질화갈륨계 기반의 자외선 검출소자;
상기 전극과 전기적으로 연결되는 적어도 하나 이상의 패드를 구비하여 상기 자외선 검출소자에서 출력된 아날로그신호를 디지털 신호로 변환하는 회로를 포함하는 실리콘(Si) 기반의 집적회로부;
상기 집적회로부의 광 반응성 영역을 차단하는 광차단층;
상기 자외선 검출소자가 실장된 집적회로부를 수용하며, 상기 집적회로부의 패드와 전기적으로 연결되도록 복수의 전극이 구비된 하우징을 포함하고,
상기 자외선 검출소자는 상기 집적회로부 상에 위치하며,
상기 광차단층은 상기 자외선 검출소자의 상면보다 낮은 위치에서 상기 집적회로부의 일측 면에 형성되며, 상기 자외선 검출소자의 전극 및 하우징의 전극과 전기적으로 연결되는 패드 주변 영역에 형성되는 자외선 검출기.
- 제1항에 있어서,
상기 자외선 검출소자는 집적회로부 상에 본딩되며, 상기 자외선 검출소자는 집적회로부와의 절연을 위해 사파이어 기판 상에 형성되는 것을 특징으로 하는 자외선 검출기.
- 제1항에 있어서,
상기 광차단층은 복수의 적층된 메탈층을 포함하는 것을 특징으로 하는 자외선 검출기.
- 제3항에 있어서,
상기 복수의 메탈층은 각각의 상측 또는 하측에 적층된 메탈층과 어긋난 위치에 배치되는 것을 특징으로 하는 자외선 검출기.
- 제3항에 있어서,
상기 광차단층은 복수의 메탈층 사이에 개재되는 절연층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자외선 검출기.
- 제1항에 있어서,
상기 광차단층은 상기 자외선 검출소자에서 출력된 아날로그신호를 디지털신호로 변환하는 ADC(Analog Digital Converter) 블록 영역, 상기 집적회로부의 테두리 부분에 형성되는 실링(seal ring) 영역에 더 배치되는 것을 특징으로 하는 자외선 검출기.
- 제1항에 있어서,
상기 집적회로부 내에 정전방지를 위해 구비되는 접지패드를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자외선 검출기.
- 제1항에 있어서,
상기 하우징의 자외선 검출소자와 대응되는 면에는 투명 재질의 윈도우가 형성되는 것을 특징으로 하는 자외선 검출기.
- 제8항에 있어서,
상기 윈도우는 석영 재질로 이루어진 것을 특징으로 하는 자외선 검출기.
- 제1항에 있어서,
상기 하우징의 내부 공간은 충진재로 충진되는 것을 특징으로 하는 자외선 검출기.
- 제10항에 있어서,
상기 충진재는 자외선이 투과되는 투명한 실리콘 재질로 이루어진 것을 특징으로 하는 자외선 검출기.
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