KR101967157B1 - Radiation sensor having schottky contact structure between metal-semiconductor - Google Patents

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Abstract

According to one embodiment of the present invention, a radiation sensor having a Schottky contact structure between an electrode and a semiconductor comprises: a radiation-sensitive semiconductor generating a charge by radiation; a first electrode disposed in a first region of the radiation-sensitive semiconductor to apply a voltage to the radiation-sensitive semiconductor; a second electrode disposed in a second region of the radiation-sensitive semiconductor to collect the charge generated from the radiation-sensitive semiconductor; and a plurality of nanostructures disposed on a surface of the second region of the radiation-sensitive semiconductor, wherein a Schottky barrier is formed between an interface between the second electrode and the radiation-sensitive semiconductor, and the plurality of nanostructures locally increase the height of the Schottky barrier in the interface between the second electrode and the radiation-sensitive semiconductor where the plurality of nanostructures are disposed. Accordingly, the charge collection efficiency is increased by enhancing a conductivity mechanism by tunneling, the loss of a specific element attributable to polarization can be locally compensated for and resolution can be increased by reducing leakage current.

Description

전극-반도체간 쇼트키 접촉 구조를 가진 방사선 센서{RADIATION SENSOR HAVING SCHOTTKY CONTACT STRUCTURE BETWEEN METAL-SEMICONDUCTOR}TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to a radiation sensor having a Schottky contact structure between an electrode and a semiconductor,

본 출원은, 전극-반도체간 쇼트키 접촉 구조를 가진 방사선 센서에 관한 것이다.The present application relates to a radiation sensor having an electrode-semiconductor to Schottky contact structure.

반도체형 방사선 센서의 전극구조는 크게 오믹 구조와 쇼트키 구조로 나눌 수 있다. 오믹 구조의 장점은 동작전압이 반도체 두께 1mm당 40V~60V로 낮으며 분극 현상이 발생하지 않고 고에너지 방사선 감지를 위하여 두껍게 만들 수 있다는 점이 있지만, 쇼트키 구조의 방사선 센서만큼 분해능이 좋지 못하다는 단점이 있다. The electrode structure of the semiconductor type radiation sensor can be largely divided into an ohmic structure and a Schottky structure. The advantage of the ohmic structure is that the operating voltage is as low as 40V to 60V per 1mm of semiconductor thickness and can be thickened for high-energy radiation detection without polarization, but the disadvantage is that the resolution is not as good as that of a radiation sensor of the Schottky structure .

반면, 쇼트키 구조의 방사선 센서는　1시간 이상의 동작시간 및 2mm 이상의 두께를 가지는 소자에 대하여 분극 현상이 발생함에도 불구하고, 낮은 누설전류 때문에 동작전압이 반도체 두께 1mm당 200V~700V도 가능하며, 에너지 분해능이 오믹 구조 소자보다 훨씬 우수하다. On the other hand, the radiation sensor of the Schottky structure can operate at a voltage of 200 V to 700 V per 1 mm of the semiconductor thickness due to low leakage current, even though polarization occurs for an operation time of 1 hour or more and a thickness of 2 mm or more, The resolution is much better than the ohmic structure element.

따라서, 방사선 센서의 응용분야에 따라 그에 적합한 오믹 또는 쇼트키 구조를 최적화할 수 있어야 한다. 예를 들어, 수십 keV 수준의 저선량 X선 또는 감마선 등의 응용분야(예: 우주 입자물리 분야)에서는 반드시 쇼트키 구조의 전극구조가 채용되어야 한다. Therefore, the application of the radiation sensor should be able to optimize the appropriate ohmic or schottky structure. For example, in applications such as low dose X-rays or gamma rays of several tens of keV (for example, space particle physics), a Schottky electrode structure must be employed.

방사선 센서 관련 기술로는, 예를 들면, 한국공개특허 제2016-0147144호(“직접 검출형 방사선 검출소자”, 공개일: 2016년12월22일)이 있다.For example, Korean Patent Laid-Open Publication No. 2016-0147144 (" Direct Detection Type Radiation Detection Device ", published on December 22, 2016) is a technology related to the radiation sensor.

한국공개특허 제2016-014714호(“직접 검출형 방사선 검출소자”, 공개일: 2016년12월22일)Korean Patent Laid-Open Publication No. 2016-014714 (" direct detection type radiation detecting element ", published on December 22, 2016)

본 발명의 일 실시 형태에 의하면, 터널링에 의한 전도 매커니즘을 향상시켜 전하수집효율을 개선할 수 있으며, 방사선 감응형 반도체 표면의 분극 현상에 의한 특정 원소의 손실을 국부적으로 보전함과 동시에 분해능을 개선할 수 있는 전극-반도체간 쇼트키 접촉 구조를 가진 방사선 센서를 제공하는 것이다.According to one embodiment of the present invention, it is possible to improve the charge collection efficiency by improving the conduction mechanism by tunneling and to improve the charge collection efficiency by locally preserving the loss of a specific element due to the polarization phenomenon of the radiation- The present invention provides a radiation sensor having an electrode-semiconductor intersecting Schottky contact structure.

본 발명의 일 실시 형태에 의하면, 방사선에 의해 전하를 생성하는 방사선 감응형 반도체; 상기 방사선 감응형 반도체의 제1 영역에 배치되어 상기 방사선 감응형 반도체에 전압을 인가하는 제1 전극; 상기 방사선 감응형 반도체의 제2 영역에 배치되어 상기 방사선 감응형 반도체에서 생성된 전하를 수집하는 제2 전극; 및 상기 방사선 감응형 반도체의 제2 영역의 표면에 배치된 다수의 나노 구조체를 포함하며, 상기 제2 전극과 상기 방사선 감응형 반도체의 계면 사이에는 쇼트키 장벽이 형성되며, 상기 다수의 나노 구조체는, 상기 다수의 나노 구조체가 배치된 상기 제2 전극과 상기 방사선 감응형 반도체의 계면 사이에서 쇼트키 장벽의 높이를 국부적으로 증가시키는 방사선 센서가 제공된다.According to one embodiment of the present invention, there is provided a semiconductor device comprising: a radiation-sensitive semiconductor which generates charges by radiation; A first electrode disposed in a first region of the radiation-sensitive semiconductor and applying a voltage to the radiation-sensitive semiconductor; A second electrode disposed in a second region of the radiation-sensitive semiconductor and collecting charges generated in the radiation-sensitive semiconductor; And a plurality of nanostructures disposed on a surface of the second region of the radiation-sensitive semiconductor, wherein a Schottky barrier is formed between the second electrode and the interface of the radiation-sensitive semiconductor, A radiation sensor is provided that locally increases the height of the Schottky barrier between the interface of the second electrode on which the plurality of nanostructures are disposed and the interface of the radiation-sensitive semiconductor.

본 발명의 일 실시 형태에 의하면, 다수의 나노 구조체가 배치된 전극과 방사선 감응형 반도체의 계면 사이에서 쇼트키 장벽의 높이를 국부적으로 증가시킴으로써, 터널링에 의한 전도 매커니즘을 향상시켜 전하수집효율을 개선할 수 있다.According to one embodiment of the present invention, by locally increasing the height of the Schottky barrier between the interface between the electrode on which the plurality of nanostructures are disposed and the radiation-sensitive semiconductor, the conduction mechanism by tunneling is improved to improve the charge collection efficiency can do.

또한, 본 발명의 다른 실시 형태에 의하면, 나노 구조체에 포함된 원소에 의해 방사선 감응형 반도체 표면의 분극 현상에 의한 특정 원소의 손실을 국부적으로 보전함으로써 장시간 구동 안정성을 개선할 수 있으며, 계면 재결합 속도를 감소시킴으로써 누설 전류를 저감시켜 분해능을 개선할 수 있다.In addition, according to another embodiment of the present invention, the stability of driving for a long time can be improved by locally compensating the loss of a specific element due to the polarization of the surface of the radiation-sensitive semiconductor by the elements included in the nanostructure, The leakage current can be reduced and the resolution can be improved.

도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 전극-반도체간 쇼트키 접촉 구조를 가진 방사선 센서의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 전극-반도체간 쇼트키 접촉 구조를 가진 방사선 센서의 측단면도이다.
도 3a 내지 도 3b는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 나노입자 배열이 도입된 전극-반도체 계면의 밴드 다이어그램을 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 방사선 센서를 구비한 방사선 측정 시스템을 도시한 개략도이다.1 is a perspective view of a radiation sensor having an electrode-semiconductor Schottky contact structure according to an embodiment of the present invention.
2 is a side cross-sectional view of a radiation sensor having an electrode-semiconductor Schottky contact structure according to an embodiment of the present invention.
3A-3B illustrate a band diagram of an electrode-semiconductor interface incorporating a nanoparticle array according to an embodiment of the present invention.
4 is a schematic diagram illustrating a radiation measurement system with a radiation sensor according to another embodiment of the present invention.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태를 설명한다. 그러나 본 발명의 실시형태는 여러 가지의 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시형태로만 한정되는 것은 아니다. 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 더욱 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다.DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. However, the embodiments of the present invention can be modified into various other forms, and the scope of the present invention is not limited to the embodiments described below. The shape and size of the elements in the drawings may be exaggerated for clarity of description, and the elements denoted by the same reference numerals in the drawings are the same elements.

도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 전극-반도체간 쇼트키 접촉 구조를 가진 방사선 센서의 사시도이며, 도 2는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 전극-반도체간 쇼트키 접촉 구조를 가진 방사선 센서의 측단면도이다. 한편, 도 3a은 방사능 감응형 반도체가 P형 반도체인 경우 본 발명의 일 실시 형태에 따른 나노입자 배열이 도입된 전극-반도체 계면의 밴드 다이어그램을, 도 3b는 방사능 감응형 반도체가 N형 반도체인 경우 본 발명의 일 실시 형태에 따른 나노입자 배열이 도입된 전극-반도체 계면의 밴드 다이어그램을 도시한 것이다.FIG. 1 is a perspective view of a radiation sensor having an electrode-semiconductor Schottky contact structure according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a perspective view of a radiation sensor having an electrode-semiconductor to Schottky contact structure according to an embodiment of the present invention. Fig. 3A is a band diagram of an electrode-semiconductor interface in which a nanoparticle array according to an embodiment of the present invention is introduced when the radiation-sensitive semiconductor is a P-type semiconductor, and FIG. 3B is a band diagram of an electrode- FIG. 2 illustrates a band diagram of an electrode-semiconductor interface in which a nanoparticle array according to an embodiment of the present invention is introduced.

우선, 도 1 및 도 2를 참조하면, 본 실시예에 따른 방사선 센서(100)는, 방사능 감응형 반도체(110)와 방사능 감응형 반도체(110)의 대향하는 양면에 각각 배치된 제1 및 제2 전극(121,122)을 포함할 수 있다.1 and 2, a radiation sensor 100 according to an embodiment of the present invention includes a radiation sensitive semiconductor 110 and a radiation sensitive semiconductor 110, which are disposed on opposite sides of the radiation sensitive semiconductor 110, Two electrodes 121 and 122, respectively.

방사선 센서(100)는 MSM(금속전극-반도체-금속전극)형 쇼트키 장벽형 소자일 수 있다. 본 실시예에서는 제1 및 제2 전극(121,122)이 대향하는 양면에 각각 배치된 구조로 예시되어 있으나, MOSFET과 같은 다른 구조의 소자에서는 동일한 면에 배치될 수 있다. 도 1에서 제1 전극(121)이 배치되는 방사능 감응형 반도체(110)의 영역을 제1 영역, 제2 전극(122)이 배치되는 방사능 감응형 반도체(110)의 영역을 제2 영역이라 칭하기로 한다.The radiation sensor 100 may be an MSM (metal electrode-semiconductor-metal electrode) type Schottky barrier type device. In the present embodiment, the first and second electrodes 121 and 122 are illustrated as being arranged on opposite sides, respectively, but they may be arranged on the same plane in other elements such as MOSFETs. 1, the region of the radiation-sensitive semiconductor 110 in which the first electrode 121 is disposed is referred to as a first region, and the region of the radiation-sensitive semiconductor 110 in which the second electrode 122 is disposed is referred to as a second region .

방사선 감응형 반도체(110)는 방사선 입사에 의해 전하가 생성되는 단결정, 다결정 및 비정질 반도체일 수 있다. 높은 분해능을 위해서 큰 비저항을 갖는 반도체를 바람직하게 사용할 수 있다. 방사선 감응형 반도체(110)의 비저항은 108Ω㎝ 이상 1012Ω㎝ 이하, 바람직하게는, 109Ω㎝ 이상일 수 있다. 특히, 높은 원자번호를 갖는 원소로 구성된 화합물 반도체를 사용할 수 있다. 방사선 감응형 반도체(110)가 P 형 반도체인 예로, CdTe, CdMTe(여기서, M은 Zn 또는 Mn임), CdZnxTey1Sey2(x+(y1+y2)=1), TlBr, YI2(Y는 Hg 또는 Pb임), AlSb, PbSe 또는 PbO를 포함할 수 있다. The radiation-sensitive semiconductor 110 may be a single crystal, a polycrystalline semiconductor, or an amorphous semiconductor in which electric charges are generated by radiation incidence. A semiconductor having a large resistivity can be preferably used for high resolution. The resistivity of the radiation-sensitive semiconductor 110 may be 10 8 ? Cm or more and 10 12 ? Cm or less, preferably, 10 9 ? Cm or more. Particularly, a compound semiconductor composed of an element having a high atomic number can be used. (Where M is Zn or Mn), CdZnxTey1Sey2 (x + (y1 + y2) = 1), TlBr, YI2 (where Y is Hg or Pb ), AlSb, PbSe, or PbO.

방사선 감응형 반도체(110)로는 이에 한정되지 않으며, 다양한 종류의 N형 반도체도 사용될 수 있다. 다른 실시예에서, 방사선 감응형 반도체(110)는 Si, Ge와 같은 단원소 반도체뿐만 아니라, SiC와 같은 Ⅳ-Ⅳ족 화합물 반도체, AlN, GaAs, GaN과 같은 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체도 사용될 수 있다.The radiation-sensitive semiconductor 110 is not limited to this, and various kinds of N-type semiconductors may also be used. In another embodiment, the radiation-sensitive semiconductor 110 may be a IV-IV compound semiconductor such as SiC, a III-V compound semiconductor such as AlN, GaAs, or GaN, as well as a unit semiconductor such as Si or Ge have.

도 1에 도시된 바와 같이, 제1 전극(121)은 방사선 감응형 반도체(110)의 하면(제1 영역)에 배치되어 방사선 감응형 반도체(110)에 접지(Ground, GND) 역할을 할 수 있다. 제2 전극(122)은 방사선 감응형 반도체(110)의 상면(제2 영역)에 배치되어 전압 인가 및 방사선 입사에 의해 생성된 전하를 수집하는 역할을 한다.1, the first electrode 121 may be disposed on a lower surface (first region) of the radiation-sensitive semiconductor 110 to serve as a ground (GND) to the radiation-sensitive semiconductor 110 have. The second electrode 122 is disposed on the upper surface (second region) of the radiation-sensitive semiconductor 110 and serves to collect electric charges generated by voltage application and radiation incidence.

이와 같이, 방사선 센서(100)에 전압을 인가하기 위해서, 일측 전극은 접지되거나 낮은 전위에 연결되고, 타측 전극은 상대적으로 높은 전위에 연결되도록 구성될 수 있다. Thus, in order to apply a voltage to the radiation sensor 100, one electrode may be grounded or connected to a low potential, and the other electrode may be connected to a relatively high potential.

본 발명의 일 실시 형태에 의하면, 상술한 방사선 감응형 반도체(110)와 전극(121,122), 특히 제2 전극(122)과의 계면(도 3a 및 도 3b의 B 참조) 사이에는 쇼트키 장벽(도 3a 및 도 3b의 Φn2)이 형성됨으로써, 방사선 감응형 반도체(110)와 제2 전극(122)은 쇼트키 접촉을 이룰 수 있다. According to an embodiment of the present invention, a Schottky barrier (not shown) is formed between the above-described radiation-sensitive semiconductor 110 and the interface between the electrodes 121 and 122, particularly the second electrode 122 The radiation-sensitive semiconductor 110 and the second electrode 122 can achieve Schottky contact by forming? N2 in Figs. 3A and 3B.

이를 위해, 방사선 감응형 반도체(110)가 P형 반도체일 경우 제2 전극(122)의 일 함수는 방사선 감응형 반도체(110)의 일 함수보다 작을 수 있으며, 방사선 감응형 반도체(110)가 N형 반도체일 경우 제2 전극(122)의 일 함수는 방사선 감응형 반도체(110)의 일 함수보다 클 수 있다.For this, the work function of the second electrode 122 may be smaller than the work function of the radiation-sensitive semiconductor 110 when the radiation-sensitive semiconductor 110 is a P-type semiconductor, and the radiation- Type semiconductor, the work function of the second electrode 122 may be greater than the work function of the radiation-sensitive semiconductor 110.

한편, 본 실시예에서는, 전하수집을 위한 제2 전극(122)이 형성된 방사선 감응형 반도체(110)의 표면에는 다수의 나노 구조체(130)가 서로 이격되게 배열될 수 있다. 본 실시예에서는, 나노 구조체(130)의 배열은 방사선 감응형 반도체(110)와 제2 전극(122)의 계면에 위치하는 것만 예시되어 있으나, 다른 실시예에서는 방사선 감응형 반도체(110)와 제1 전극(121)의 계면에도 형성될 수 있다.Meanwhile, in the present embodiment, a plurality of nanostructures 130 may be spaced apart from each other on the surface of the radiation-sensitive semiconductor 110 in which the second electrode 122 for collecting charge is formed. In this embodiment, the arrangement of the nanostructures 130 is only located at the interface between the radiation-sensitive semiconductor 110 and the second electrode 122. However, in another embodiment, the radiation- 1 electrode 121, as shown in FIG.

일반적인 쇼트키 구조의 경우 고전압이 인가되면 방사선 감응형 반도체(110) 표면에 분극 현상이 일어날 수 있다.In the case of a general Schottky structure, polarization may occur on the surface of the radiation-sensitive semiconductor 110 when a high voltage is applied.

따라서, 본 발명의 실시 형태에 의하면, 상술한 나노 구조체(130)를 방사선 감응형 반도체(110) 표면에 도입하고, 나노 구조체(130)에 포함된 원소에 의해 방사선 감응형 반도체(110) 표면의 분극 현상에 의한 특정 원소의 손실을 국부적으로 보전할 수 있으며, 계면 재결합 속도를 감소시켜 누설 전류를 저감시킴으로써 방사선 센서의 분해능을 개선할 수 있다. 본 발명에 채용 가능한 나노 구조체(130)의 크기(d)는 100㎚ 이하, 바람직하게는 50㎚ 이하일 수 있다. 본 발명에 채용 가능한 나노 구조체(130)로는 금속과 같은 도전성 물질뿐만 아니라, 반도체 물질도 사용될 수 있다.Thus, according to the embodiment of the present invention, the above-described nanostructure 130 is introduced into the surface of the radiation-sensitive semiconductor 110, and the surface of the surface of the radiation-sensitive semiconductor 110 is covered with an element included in the nanostructure 130 The loss of a specific element due to the polarization phenomenon can be locally conserved and the resolution of the radiation sensor can be improved by reducing the rate of interfacial recombination to reduce the leakage current. The size (d) of the nanostructure 130 that can be employed in the present invention may be 100 nm or less, preferably 50 nm or less. As the nanostructure 130 that may be used in the present invention, not only a conductive material such as a metal but also a semiconductor material may be used.

이하 방사선 감응형 반도체(110)가 P형 반도체인 경우를 예로 들어 쇼트키 장벽의 높이를 국부적으로 증폭시키며, 분극 현상에 의한 특정 원소의 손실을 국부적으로 보전하고, 계면 재결합 속도를 감소시켜 누설 전류를 저감시킴으로써 방사선 센서(100)의 분해능을 개선하는 점에 대해 상세하게 설명한다.Hereinafter, when the radiation-sensitive semiconductor 110 is a P-type semiconductor, the height of the Schottky barrier is locally amplified, the loss of a specific element due to the polarization phenomenon is locally conserved, the interface recombination speed is reduced, To improve the resolution of the radiation sensor 100 will be described in detail.

구체적으로, 다수의 나노 구조체(130)는, 제2 전극(122)의 일 함수보다 상대적으로 낮은 일 함수를 가지는 제1 물질이거나, 계면 반응을 통해 방사선 감응형 반도체(110) 표면의 전하(정공) 농도를 높일 수 있는 제2 물질 또는 이들의 조합일 수 있다. The plurality of nanostructures 130 may be a first material having a work function that is relatively lower than the work function of the second electrode 122 or may be a charge or an electric charge of the surface of the radiation- ) Concentration, or a combination thereof.

제2 전극(122)이 금(Au), 알루미늄(Al) 또는 인듐(In)인 경우, 상술한 제1 물질은, 카드늄(Cd), 세륨(Ce), 유로퓸(Eu), 하프늄(Hf), 마그네슘(Mg), 바나듐(V), 아연(Zn), 지르코늄(Zr) 중 적어도 하나이거나, 산화물 반도체(예로 A2O3, AO2, AO, 여기서 A는 금속 원소)의 구성 금속보다 상대적으로 주기율표상 우측에 있는 단일 또는 복수의 금속 원소를 도핑한 물질일 수 있다. 필요에 따라서는 수소 이온을 함께 도핑할 수도 있다(예를 들면, Si, Al co-doped ZnO, H-doped ITO 등).When the second electrode 122 is made of gold (Au), aluminum (Al), or indium (In), the first material is at least one selected from the group consisting of cadmium (Cd), cerium (Ce), europium (Eu) , At least one of magnesium (Mg), vanadium (V), zinc (Zn) and zirconium (Zr) or at least one of oxide semiconductors (e.g., A 2 O 3 , AO 2 , AO, where A is a metal element) May be a material doped with a single or a plurality of metal elements on the right side of the periodic table. If necessary, hydrogen ions may be doped together (for example, Si, Al-doped ZnO, H-doped ITO, etc.).

이와 같은 제1 물질을 통해 제2 금속(122)측의 페르미 준위를 높여 국부적으로 제2 금속(122)측의 일함수를 낮춤으로써 나노 구조체(130)가 배열된 영역(도 3a 의 A 참조)에서 쇼트키 장벽의 높이를 국부적으로 높일 수 있다. By increasing the Fermi level on the side of the second metal 122 through the first material to locally lower the work function of the second metal 122 side, the region (see A in FIG. 3A) where the nanostructures 130 are arranged, The height of the Schottky barrier can be locally increased.

구체적으로, 도 3a에 도시된 바와 같이, 방사선 감응형 반도체(110)와 제2 전극(122)의 계면(B)에는 쇼트키 장벽(Φn2)이 형성되며, 나노 구조체(130)가 위치한 영역(A)은 나노 구조체(130)에 의한 영향으로 방사선 감응형 반도체(110)와 제2 전극(122)의 계면(A)에서 쇼트키 장벽(Φn1)을 국부적으로 높일 수 있다. 3A, a Schottky barrier PHI n2 is formed at the interface B between the radiation-sensitive semiconductor 110 and the second electrode 122, and a region where the nanostructure 130 is located A may locally increase the Schottky barrier PHI n1 at the interface A between the radiation-sensitive semiconductor 110 and the second electrode 122 by the influence of the nanostructure 130.

그 결과, 방사선 감응형 반도체(110)와 제2 전극(122)의 계면(A)에 형성된 쇼트키 장벽의 폭(도 3a의 W 참조)이 줄어드는 효과를 가져오므로 터널링(300)에 의한 전도 매커니즘을 향상시켜 전하수집효율을 개선할 수 있는 이점이 있다.As a result, the width of the Schottky barrier (see W in FIG. 3A) formed at the interface A between the radiation-sensitive semiconductor 110 and the second electrode 122 is reduced, so that the conduction caused by the tunneling 300 There is an advantage that the mechanism can be improved to improve the charge collection efficiency.

특히, 나노 구조체(130)로 산화물 반도체와 같은 금속 전극 대비 상대적으로 고저항을 가진 물질을 사용할 경우 계면에서 재결합속도를 감소시킴으로써 전하수집효율을 추가로 향상시킬 수 있다. Particularly, when the nanostructure 130 is made of a material having a relatively high resistance to a metal electrode such as an oxide semiconductor, the charge collection efficiency can be further improved by reducing the recombination speed at the interface.

본 발명의 또 다른 실시 형태에 의하면, 제2 전극(122)이 금(Au), 알루미늄(Al) 또는 인듐(In)인 경우, 제2 물질은 방사선 감응형 반도체(110)의 일부 구성 원소에 대한 고용도가 높은(예를 들면, 수 원자 퍼센트(atomic percent)) 물질일 수 있다.According to another embodiment of the present invention, when the second electrode 122 is gold (Au), aluminum (Al), or indium (In), the second material may be added to some constituent elements of the radiation- (For example, atomic percent) material having a high solubility in water.

이러한 제2 물질은, 방사선 감응형 반도체(110)가, 예를 들면 CdTe 반도체일 경우 Cd 원소에 대한 고용도(solid solubility)가 높은 물질일 수 있다. Such a second material may be a material having a high solid solubility with respect to the Cd element when the radiation-sensitive semiconductor 110 is, for example, a CdTe semiconductor.

따라서, 열처리 등을 통해 계면 반응을 유도하면, 방사선 감응형 반도체(110)로부터의 일부 Cd 원소 추출에 의한 의도적 점결함 생성에 의해 방사선 감응형 반도체(110) 계면의 전하(정공) 농도를 유효하게 증가시켜 나노 구조체(130)가 위치한 계면(A)에서 쇼트키 장벽(도 3a의 Φn1)을 국부적으로 높일 수 있다. Accordingly, if the interface reaction is induced through heat treatment or the like, intrinsic point defects are generated by the extraction of some Cd elements from the radiation-sensitive semiconductor 110 to effectively increase the charge (hole) concentration at the interface of the radiation- The Schottky barrier (? N1 in FIG. 3A) can be locally increased at the interface A where the nanostructure 130 is located.

그 결과, 방사선 감응형 반도체(110)와 제2 전극(122)의 계면(도 3a의 A)에 형성된 쇼트키 장벽의 폭(도 3a의 W 참조)이 줄어드는 효과를 가져오므로 터널링(300)에 의한 전도 매커니즘을 향상시켜 전하수집효율을 개선할 수 있는 이점이 있다.As a result, the Schottky barrier width (see W in FIG. 3A) formed at the interface (A in FIG. 3A) between the radiation-sensitive semiconductor 110 and the second electrode 122 is reduced, It is possible to improve the charge collection efficiency.

또한, 나노구조체(130)내에 소량의 특정 원소(Cd)을 첨가한다면, 고전압 장시간 구동환경에서 특정 원소(Cd)의 이온형태가 방사선 감응형 반도체(110)에서 전극쪽으로 이동하여 방사선 센서(100)에 분극 현상이 일어날 때 방사선 감응형 반도체(110)내의 나노구조체 인접 계면에서 특정 원소(Cd)의 손실을 국부적으로 보전함으로써, 분극현상을 저감할 수 있다.When a small amount of the specific element Cd is added to the nanostructure 130, the ionic form of the specific element Cd moves from the radiation sensitive semiconductor 110 to the electrode in the high voltage long time driving environment, The polarization phenomenon can be reduced by locally compensating the loss of the specific element Cd at the interface adjacent to the nanostructure in the radiation sensitive semiconductor 110. [

반면, 상술한 방사선 감응형 반도체(110)가 N형 반도체인 경우에는 다수의 나노 구조체(130)는, 제2 전극(122)의 일 함수보다 상대적으로 높은 일 함수를 가지는 제3 물질이거나, 계면 반응을 통해 방사선 감응형 반도체(110) 표면의 전하(전자) 농도를 높일 수 있는 제4 물질 또는 이들의 조합일 수 있다.In contrast, when the radiation-sensitive semiconductor 110 is an N-type semiconductor, the plurality of nanostructures 130 may be a third material having a relatively higher work function than the work function of the second electrode 122, A fourth material capable of increasing the charge (electron) concentration of the surface of the radiation-sensitive semiconductor 110 through a reaction, or a combination thereof.

구체적으로, 상술한 제3 물질은, 제2 전극(122)이 알루미늄(Al) 또는 인듐(In)인 경우, 은(Ag), 금(Au), 코발트(Co), 구리(Cu), 몰리브덴(Mo), 니켈(Ni), 팔라듐(Pd), 백금(Pt), 로듐(Rh) 중 적어도 하나이거나, 도핑되지 않은 경우(undoped) 대비 일함수가 더 큰(페르미 준위가 아래로 내려간 화합물), 예를 들면 구리가 도핑된 In2O3(CIO)(Cu-doped In2O3), 코발트가 도핑된(Co-doped) ZnO, ZnO:N(질소가 산소를 치환)일 수 있다.Specifically, when the second electrode 122 is made of aluminum (Al) or indium (In), the third material may be silver (Ag), gold (Au), cobalt (Co) At least one of Mo, Ni, Pd, Pt and Rh is doped or undoped and the work function is higher (Fermi level is lowered) It may be N (nitrogen is replaced with oxygen), for example, In 2 O 3, copper-doped (CIO) (Cu-doped In 2 O 3), cobalt-doped (Co-doped) ZnO, ZnO.

이와 같은 제3 물질을 통해 제2 금속(122) 측의 페르미 준위를 낮춰 제2 금속(122) 측의 일함수를 국부적으로 높임으로써 나노 구조체(130)가 배열된 영역(도 3b의 A)에서의 쇼트키 장벽의 높이를 국부적으로 높일 수 있다. By lowering the Fermi level on the side of the second metal 122 and locally increasing the work function on the side of the second metal 122 through the third material, it is possible to increase the work function in the region where the nanostructures 130 are arranged (A in FIG. The height of the Schottky barrier of the first embodiment can be locally increased.

특히, 나노 구조체(130)로 산화물 반도체와 같은 금속 전극 대비 상대적으로 고저항을 가진 물질을 사용할 경우 계면에서 재결합속도를 감소시킴으로써 전하수집효율을 추가로 향상시킬 수 있다.Particularly, when the nanostructure 130 is made of a material having a relatively high resistance to a metal electrode such as an oxide semiconductor, the charge collection efficiency can be further improved by reducing the recombination speed at the interface.

본 발명의 또 다른 실시 형태에 의하면, 제4 물질은 방사선 감응형 반도체(110)의 일부 구성 원소에 대한 고용도가 높은(예를 들면, 수 원자 퍼센트(atomic percent)) 또는 반응성이 높은 물질일 수 있다.According to another embodiment of the present invention, the fourth material may be a material having a high solubility (for example, a few atomic percent) or a highly reactive substance for some constituent elements of the radiation- .

예를 들어, GaAs 또는 GaN과 같은 Ⅲ-Ⅴ족 화합물인 방사선 감응형 반도체(110)의 계면에 Ag-Ti를 포함하는 나노 구조체(130)를 도입하고 열처리하면, 계면에서 TiNx 화합물 나노구조체가 생성되면서 그 주위에 방사선 감응형 반도체(110)표면 내부에 질소 빈자리(N-vacancy)가 생겨 방사선 감응형 반도체(110)표면의 N 타입 특성을 강화시켜　에너지 준위상으로 전자농도를 상승(즉, 페르미 준위를 상승)시켜 일함수를 작게 함으로써, 나노 구조체(130)가 위치한 계면(A)에서 쇼트키 장벽(Φn1)을 국부적으로 높일 수 있다.For example, when a nanostructure 130 containing Ag-Ti is introduced and heat-treated at the interface of the radiation-sensitive semiconductor 110, which is a group III-V compound such as GaAs or GaN, a TiNx compound nanostructure is produced at the interface N-type vacancy occurs inside the surface of the radiation-sensitive semiconductor 110 to enhance the N-type property of the surface of the radiation-sensitive semiconductor 110 to increase the electron concentration to an energy sub-phase The Schottky barrier PHI n1 can be locally increased at the interface A where the nanostructure 130 is located.

또한, 나노구조체(130)내에 소량의 특정 원소(예를 들어 Ga)을 첨가한다면, 고전압 장시간 구동환경에서 특정 원소(Cd)의 이온형태가 방사선 감응형 반도체(110)에서 전극쪽으로 이동하여 방사선 센서(100)에 분극 현상이 일어날 때 방사선 감응형 반도체(110)내의 나노구조체 인접 계면에서 특정 원소(Ga)의 손실을 국부적으로 보전함으로써, 분극현상을 저감할 수 있다.If a small amount of a specific element (for example, Ga) is added to the nanostructure 130, the ionic form of the specific element Cd moves from the radiation sensitive semiconductor 110 to the electrode in the high voltage long time driving environment, The polarization phenomenon can be reduced by locally compensating the loss of the specific element Ga at the interface adjacent to the nano structure in the radiation-sensitive semiconductor 110 when the polarization phenomenon occurs in the semiconductor substrate 100. [

본 실시예에 채용된 나노 구조체(130)는 수 내지 수십 ㎚의 박막을 증착한 후에 후속 열처리 공정을 통하여 형성될 수 있다. 상술한 박막 증착은 열증착, 전자빔 증착, 스퍼터링, 펄스 레이저 증착 등에 의해 수행될 수 있으며, 후속 열처리는 급속 열처리(RTP), 레이저 열처리, 전자빔 조사, 이온빔 조사 등에 의해 수행될 수 있다.The nanostructure 130 employed in this embodiment can be formed through a subsequent heat treatment process after depositing a thin film of several to several tens of nanometers. The above-described thin film deposition can be performed by thermal deposition, electron beam deposition, sputtering, pulse laser deposition or the like, and the subsequent heat treatment can be performed by rapid thermal processing (RTP), laser heat treatment, electron beam irradiation, ion beam irradiation and the like.

특정 실시예에서는, 박막성장을 핵성장(nucleation) 후에 응집이 일어나기 전에 중단함으로써 원하는 나노 구조체를 형성할 수 있다. 예를 들어, 유효 두께가 10㎚ 이하로 박막을 성장시킬 경우에 이러한 나노 구조체를 얻을 수 있다. 또는 나노입자, 나노 기둥(nanorod) 등의 용액공정, electrospinning 등의 공정법을 이용하여 합성 후 스핀 도포 등의 방식으로 표면에 형성할 수도 있다.In certain embodiments, thin film growth can be achieved by nucleation followed by quenching before aggregation occurs to form the desired nanostructure. For example, such a nanostructure can be obtained when a thin film is grown with an effective thickness of 10 nm or less. Or may be formed on the surface by spin coating after synthesis using a solution process such as nanoparticles or nanorods, electrospinning or the like.

마지막으로, 도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 방사선 센서를 구비한 방사선 측정 시스템을 도시한 개략도이다. 도 4에 도시된 방사선 측정시스템은, 방사선 센서(100), 고전압 전원(140), 전치 증폭기(150), 주증폭기(160) 및 프로세서/표시부(170)를 포함할 수 있다. 미설명된 도면부호 R은 저항, C는 커패시터이다.Finally, FIG. 4 is a schematic diagram illustrating a radiation measurement system with a radiation sensor according to another embodiment of the present invention. The radiation measurement system shown in FIG. 4 may include a radiation sensor 100, a high voltage power supply 140, a preamplifier 150, a main amplifier 160 and a processor / display unit 170. R is a resistor, and C is a capacitor.

반도체 방사선 센서(100)의 제1 전극(121)은 접지(GND)에 연결되고 제2 전극(122)은 고전압 전원(140)과 전치 증폭기(160)에 연결될 수 있다. 고전압 전원(140)에 의해 방사선 센서(100)에 바이어스 전압이 인가된다. 제1 전극에 인가되는 바이어스 전압의 크기는, 방사선 감응형 반도체(100)의 두께당 200V 내지 700V의 크기일 수 있다. 감마선과 같은 방사선이 방사선 센서(100)에 입사되면, 방사선 감응형 반도체(110) 내에서 전하가 생성될 수 있다. 이러한 전하는 바이어스 전압에 의해 제2 전극(122)을 통해서 수집되고, 입사된 방사선의 세기에 비례하는 신호를 전치 증폭기(160)로 출력한다. 여기서, 출력되는 신호는 전하량의 형태로 아날로그 신호이다. The first electrode 121 of the semiconductor radiation sensor 100 may be connected to the ground GND and the second electrode 122 may be connected to the high voltage power supply 140 and the preamplifier 160. A bias voltage is applied to the radiation sensor 100 by the high voltage power supply 140. The size of the bias voltage applied to the first electrode may be 200 V to 700 V per thickness of the radiation-sensitive semiconductor 100. When a radiation such as a gamma ray is incident on the radiation sensor 100, a charge can be generated in the radiation-sensitive semiconductor 110. These charges are collected through the second electrode 122 by the bias voltage, and output to the preamplifier 160 a signal proportional to the intensity of the incident radiation. Here, the output signal is an analog signal in the form of a charge amount.

본 실시예에 따른 방사선 센서(100)는 앞서 설명한 바와 같이, 방사선 감응형 반도체(110)와 제2 전극(122) 사이에 나노 구조체(130)의 배열을 도입함으로써 금속 전극-반도체 소재 계면의 특성을 변화시켜 전하수집효율을 크게 향상시킬 수 있다. As described above, the radiation sensor 100 according to the present embodiment introduces the arrangement of the nanostructures 130 between the radiation-sensitive semiconductor 110 and the second electrode 122 to improve the characteristics of the interface between the metal electrode and the semiconductor material The charge collection efficiency can be greatly improved.

전치 증폭기(160)는 방사선 센서(100)로부터 출력되는 전하량 형태의 아날로그 신호를 신호의 처리가 비교적 쉬운 전압 형태의 아날로그 신호로 변환하고 1차 증폭하고 주증폭기(160)로 출력한다. 주증폭기(160)는 출력된 신호를 펄스 성형 및 2차 증폭을 적용한 후에 프로세서/표시부(170)에 출력한다. The preamplifier 160 converts an analog signal in the form of a charge amount output from the radiation sensor 100 into an analog signal of a voltage type that is comparatively easy to process the signal, first amplifies the analog signal, and outputs the analog signal to the main amplifier 160. The main amplifier 160 applies the pulse shaping and the secondary amplification to the output signal, and then outputs it to the processor / display unit 170.

프로세서/표시부(170)는 수신된 신호를 디지털 신호로 변환하고 저장한 후에 디지털 신호를 분석하고 방사선 세기와 위치와 같은 정보를 디스플레이와 같은 표시수단을 통해 제공할 수 있다. ADC(Analog to Digital Converter)는 프로세서/표시부(170)에 포함되어 구성될 수 있으나, 필요에 따라 프로세서/표시부(170)의 전단에 위치할 수 있다.The processor / display unit 170 may convert the received signal into a digital signal and store it, and then analyze the digital signal and provide information such as the radiation intensity and the position through display means such as a display. The ADC (Analog to Digital Converter) may be included in the processor / display unit 170, but may be located at the front end of the processor / display unit 170 as needed.

상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시 형태에 의하면, 다수의 나노 구조체가 배치된 전극과 방사선 감응형 반도체의 계면 사이에서 쇼트키 장벽의 높이를 국부적으로 증가시킴으로써, 터널링에 의한 전도 매커니즘을 향상시켜 전하수집효율을 개선할 수 있다.As described above, according to one embodiment of the present invention, the height of the Schottky barrier is locally increased between the interface between the electrode on which the plurality of nanostructures are arranged and the radiation-sensitive semiconductor, thereby improving the conduction mechanism by tunneling The charge collection efficiency can be improved.

또한, 본 발명의 다른 실시 형태에 의하면, 나노 구조체에 포함된 원소에 의해 방사선 감응형 반도체 표면의 분극 현상에 의한 특정 원소의 손실을 국부적으로 보전할 수 있으며, 계면 재결합 속도를 감소시켜 누설 전류 저감을 통한 분해능을 개선할 수 있다.According to another embodiment of the present invention, loss of a specific element due to polarization of a surface of a radiation-sensitive semiconductor can be locally compensated by an element included in the nanostructure, and the rate of interfacial recombination can be reduced, The resolution can be improved.

본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되지 아니한다. 첨부된 청구범위에 의해 권리범위를 한정하고자 하며, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경할 수 있다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.The present invention is not limited to the above-described embodiments and the accompanying drawings. It will be understood by those skilled in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims. It will be self-evident.

100: 방사선 센서
110: 방사선 감응형 반도체
121: 제1 전극
122: 제2 전극
130: 나노 구조체
300: 터널링
140: 고전압 전원
150: 전치 증폭기
160: 주증폭기
170: 프로세서/표시부100: Radiation sensor
110: radiation-sensitive semiconductor
121: first electrode
122: second electrode
130: nanostructure
300: Tunneling
140: High voltage power source
150: Preamplifier
160: main amplifier
170: Processor / Display

Claims (10)

방사선에 의해 전하를 생성하는 방사선 감응형 반도체;
상기 방사선 감응형 반도체의 제1 영역에 배치되어 상기 방사선 감응형 반도체에 전압을 인가하는 제1 전극;
상기 방사선 감응형 반도체의 제2 영역에 배치되어 상기 방사선 감응형 반도체에서 생성된 전하를 수집하는 제2 전극; 및
상기 방사선 감응형 반도체의 제2 영역의 표면에 배치된 다수의 나노 구조체를 포함하며,
상기 제2 전극과 상기 방사선 감응형 반도체의 계면 사이에는 쇼트키 장벽이 형성되며,
상기 다수의 나노 구조체는, 상기 다수의 나노 구조체가 배치된 상기 제2 전극과 상기 방사선 감응형 반도체의 계면 사이에서 상기 쇼트키 장벽의 높이를 국부적으로 증가시키는 방사선 센서.
A radiation sensitive semiconductor for generating charges by radiation;
A first electrode disposed in a first region of the radiation-sensitive semiconductor and applying a voltage to the radiation-sensitive semiconductor;
A second electrode disposed in a second region of the radiation-sensitive semiconductor and collecting charges generated in the radiation-sensitive semiconductor; And
And a plurality of nanostructures disposed on a surface of the second region of the radiation-sensitive semiconductor,
A Schottky barrier is formed between the second electrode and the interface of the radiation-sensitive semiconductor,
Wherein the plurality of nanostructures locally increase the height of the Schottky barrier between the interface of the second electrode on which the plurality of nanostructures are disposed and the interface of the radiation-sensitive semiconductor.
제1항에 있어서,
상기 방사선 감응형 반도체가 P형 반도체인 경우,
상기 다수의 나노 구조체는, 상기 제2 전극의 일 함수보다 상대적으로 낮은 일 함수를 가지는 제1 물질이거나, 계면 반응을 통해 상기 방사선 감응형 반도체 표면의 정공 농도를 높일 수 있는 제2 물질 또는 이들의 조합인 방사선 센서.
The method according to claim 1,
When the radiation-sensitive semiconductor is a P-type semiconductor,
The plurality of nanostructures may be a first material having a work function relatively lower than a work function of the second electrode or a second material capable of increasing the hole concentration of the surface of the radiation- Combination radiation sensor.
제2항에 있어서,
상기 제2 전극이 금(Au), 알루미늄(Al) 또는 인듐(In)인 경우,
상기 제1 물질은, 카드늄(Cd), 세륨(Ce), 유로퓸(Eu), 하프늄(Hf), 마그네슘(Mg), 바나듐(V), 아연(Zn), 지르코늄(Zr) 중 적어도 하나이거나, 산화물 반도체의 구성 금속보다 주기율표상 우측에 있는 단일 또는 복수의 금속 원소를 도핑한 물질을 포함하며,
상기 제2 물질은, 상기 방사선 감응형 반도체의 일부 구성 원소에 대한 고용도가 수 원자 퍼센트인 물질을 포함하는 방사선 센서.
3. The method of claim 2,
When the second electrode is gold (Au), aluminum (Al), or indium (In)
Wherein the first material is at least one of cadmium (Cd), cerium (Ce), europium (Eu), hafnium (Hf), magnesium (Mg), vanadium (V), zinc (Zn), and zirconium A material doped with a single or a plurality of metal elements on the right side of the periodic table than the constituent metals of the oxide semiconductor,
Wherein the second material comprises a material having a solubility in atomic percentages for some constituent elements of the radiation-sensitive semiconductor.
제3항에 있어서,
상기 제1 물질은, 상기 제2 전극의 저항 대비 상대적으로 고저항을 가진 산화물 반도체이거나, 또는
상기 나노 구조체에는, 상기 방사선 감응형 반도체를 구성하는 일부 구성 원소를 첨가되는 방사선 센서.
The method of claim 3,
The first material may be an oxide semiconductor having a relatively high resistance relative to a resistance of the second electrode,
Wherein the nanostructure is added with a constituent element constituting the radiation-sensitive semiconductor.
제1항에 있어서,
상기 방사선 감응형 반도체가 N형 반도체인 경우,
상기 다수의 나노 구조체는, 상기 제2 전극의 일 함수보다 상대적으로 높은 일 함수를 가지는 제3 물질이거나, 계면 반응을 통해 상기 방사선 감응형 반도체 표면의 전자 농도를 높일 수 있는 제4 물질 또는 이들의 조합인 방사선 센서.
The method according to claim 1,
When the radiation-sensitive semiconductor is an N-type semiconductor,
The plurality of nanostructures may be a third material having a work function relatively higher than the work function of the second electrode or a fourth material capable of increasing the electron concentration of the surface of the radiation- Combination radiation sensor.
제5항에 있어서,
상기 제2 전극이, 알루미늄(Al) 또는 인듐(In)인 경우,
상기 제3 물질은, 은(Ag), 금(Au), 코발트(Co), 구리(Cu), 몰리브덴(Mo), 니켈(Ni), 팔라듐(Pd), 백금(Pt), 로듐(Rh) 중 적어도 하나이거나, 도핑되지 않은 경우(undoped) 대비 일함수가 더 큰 물질을 포함하며,
상기 제4 물질은, 상기 방사선 감응형 반도체의 일부 구성 원소에 대한 고용도가 수 원자 퍼센트인 물질을 포함하는 방사선 센서.
6. The method of claim 5,
When the second electrode is aluminum (Al) or indium (In)
The third material may be at least one selected from the group consisting of Ag, Au, Co, Cu, Mo, Ni, Pd, Pt, Rh, Or undoped material having a larger work function,
Wherein the fourth material comprises a substance having a solubility in water atomic percent with respect to some constituent elements of the radiation-sensitive semiconductor.
제6항에 있어서,
상기 제3 물질은, 상기 제2 전극의 저항 대비 상대적으로 고저항을 가진 물질이거나, 또는
상기 나노 구조체에는, 상기 방사선 감응형 반도체를 구성하는 일부 구성 원소를 첨가되는 방사선 센서.
The method according to claim 6,
The third material may be a material having a relatively high resistance to the resistance of the second electrode,
Wherein the nanostructure is added with a constituent element constituting the radiation-sensitive semiconductor.
제1항에 있어서,
상기 방사선 감응형 반도체는,
109Ω 이상 1012Ω 이하의 비저항을 갖는 방사선 센서.
The method according to claim 1,
In the radiation-sensitive semiconductor,
A radiation sensor having a resistivity of 10 9 Ω or more and 10 12 Ω or less.
제1항에 있어서,
상기 나노 구조체는,
100nm 이하의 크기를 가지는 방사선 센서.
The method according to claim 1,
The nano-
A radiation sensor having a size of 100 nm or less.
제1항에 있어서,
상기 제1 전극에 인가되는 전압의 크기는,
상기 방사선 감응형 반도체의 두께당 200V 내지 700V의 크기를 가지는 방사선 센서.The method according to claim 1,
The magnitude of the voltage applied to the first electrode,
Wherein the radiation sensor has a size of 200V to 700V per thickness of the radiation-sensitive semiconductor.
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