KR102175478B1

KR102175478B1 - 광 검출 소자 및 이를 포함하는 광 검출 패키지

Info

Publication number: KR102175478B1
Application number: KR1020130006274A
Authority: KR
Inventors: 박기연; 김화목; 서대웅; 손영환
Original assignee: 서울바이오시스 주식회사
Priority date: 2013-01-21
Filing date: 2013-01-21
Publication date: 2020-11-06
Also published as: KR20140094080A

Abstract

본 발명은 기판 위에 서로 다른 복수의 광흡수층을 형성하여, 하나의 소자로 서로 다른 파장 영역의 광을 검출할 수 있는 광 검출 소자와 이를 포함하는 광 검출 패키지에 관한 것으로, 본 발명의 일실시예는 기판; 상기 기판 상에 형성되는 제1 광흡수층; 상기 제1 광흡수층 상의 일부 영역에 형성되는 제2 광흡수층; 및 상기 제1,제2 광흡수층 상에 각각 형성되는 제1 전극층을 포함하는 광 검출 소자 및 이를 이용한 광 검출 패키지를 제공한다.

Description

광 검출 소자 및 이를 포함하는 광 검출 패키지{Light detecting device and package having the same}

본 발명은 광 검출 소자에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 기판 위에 서로 다른 복수의 광흡수층을 형성하여, 하나의 소자로 서로 다른 파장 영역의 광을 검출할 수 있는 광 검출 소자와 이를 포함하는 광 검출 패키지에 관한 것이다.

빛은 파장별로 여러 대역으로 나뉘는데, 예를 들어 파장이 400nm 이하인 자외선의 경우 UV-A, UV-B, UV-C로 나눌 수 있다.

여기서, UV-A 영역은 320nm~400nm로서 태양광 중 지표면에 도달하는 98% 이상이 이 영역이며, 인체의 피부에 흑화현상이나 피부노화의 영향을 준다.

UV-B 영역은 280nm~320nm로서 태양광 중 대략 2%만이 지표면에 도달하게 되는데, 인체에는 피부암이나 백내장, 홍반현상 등 매우 심각한 영향을 준다. UV-B는 오존층에 의해서 대부분 흡수되지만 최근 오존층의 파괴에 의해 지표면에 도달하는 양이 증가하고 그 지역이 증가하고 있어서 심각한 환경문제로 대두되고 있다.

UV-C는 200nm~280nm로서 태양광에서 오는 것은 모두 대기중에 흡수되어 지표면에 거의 도달되지 않는다. 이 영역은 살균작용에 많이 이용되고 있다.

이러한 자외선의 인체에 미치는 영향을 정량화한 것 중에서 대표적인 것이 UV-B 입사량으로 정의된 자외선지수(UV index)이다.

특히 자외선을 검출할 수 있는 소자로는 PMT(PhotoMultiplier Tube)나 반도체 소자가 있는데, PMT보다 반도체 소자가 값싸고 크기가 작기 때문에 최근에는 대부분 반도체 소자를 많이 사용한다. 반도체 소자에서는 에너지 밴드 갭이 자외선 감지에 적당한 GaN(갈륨나이트라이드), SiC(실리콘카바이드) 등이 많이 이용되고 있다.

이중에 특히 GaN을 기반으로 하는 소자의 경우, 쇼트키(schottky) 접합 형태와 MSM(Metal-Semi conductor-Metal) 형태, 그리고 PIN 형태의 소자가 주로 사용되는데, 특히 쇼트키 접합 형태의 소자가 제조공정이 간단하여 선호되고 있다.

여기서, 쇼트키 접합 형태의 소자는, 이종 기판 위에 버퍼층, 광흡수층, 쇼트키 접합층이 차례로 적층되며, 제1전극이 버퍼층 또는 광흡수층 위에 형성되고, 제2전극이 쇼트키 접합층 위에 형성된다.

그런데, 종래의 쇼트키 접합 형태의 소자의 경우, 단일 파장만 검출하는 소자 특성을 보이며 따라서, 서로 다른 파장 영역을 검출하기 위해서는 2개 이상의 소자를 필요로 하였다.

이에 따라, 한국특허공개공보 제10-2007-0106214호(특허문헌 1)에서는, 기판 위에 순차적으로 제1 광흡수층, 제2 광흡수층, 전극층을 형성하여, 단일 소자에서 전극층의 바이어스 증가에 따라 서로 다른 파장 영역을 검출하는 반도체 수광 소자를 제시하고 있다.

그러나, 특허문헌 1의 경우, 0-바이어스에서 제1 광흡수층의 파장 영역을 검출한 후, 역바이어스가 인가되면서 제2 광흡수층의 파장 영역을 검출하게 되는데, 이때 역바이어스가 증가되면서 제1 광흡수층의 반응도 값도 증가하게 된다.

즉, 동일 영역을 검출하는 제1 광흡수층에서도 반응도 값이 역바이어스 값에 따라 변화하기 때문에 정확한 반응도 값을 인지하기 어렵고, 역바이어스가 더 증가하여 제1 광흡수층의 다른 파장 영역을 검출하게 될 때에도 반응도 값이 파장 대역별로 변화하게 된다.

따라서, 역바이어스 값에 따라 반응도 값이 수시로 변화되는 문제가 발생하고, 미세 전류의 변화로 반응도 값을 나타내기 때문에 그에 따라 제품의 신뢰성이 저하되는 문제가 있다.

KR

10-2007-0106214

A (2007.11.01 공개)

본 발명은 상술한 바와 같은 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 일실시예는, 하나의 소자에 서로 다른 파장 영역을 검출할 수 있는 복수의 광흡수층을 형성하고, 복수의 광흡수층 상에 각각 제1 전극층을 형성하여 개별 동작이 가능하도록 구성함으로써, 하나의 소자에서 2 영역 이상의 서로 다른 파장 영역을 검출할 수 있고, 파장에 따른 정확한 반응도 값을 얻을 수 있어 고신뢰성을 갖도록 한 광 검출 소자 및 이를 포함하는 광 검출 패키지의 제공을 목적으로 한다.

본 발명의 바람직한 일실시예에 의하면, 기판; 상기 기판 상에 형성되는 제1 광흡수층; 상기 제1 광흡수층 상의 일부 영역에 형성되는 제2 광흡수층; 및 상기 제1,제2 광흡수층 상에 각각 형성되는 제1 전극층을 포함하는 광 검출 소자가 제공된다.

여기서, 상기 제1 광흡수층 상에 상기 제1 전극층과 이격하여 형성되는 제2 전극층을 더 포함할 수 있다.

다른 실시예로서, 상기 기판의 저면에 형성되는 제2 전극층을 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 제2 광흡수층 상의 일부 영역에 형성되는 제3 광흡수층을 더 포함할 수 있으며, 이때 상기 제1,제2,제3 광흡수층의 에너지 밴드갭은 서로 상이하다.

또한, 상기 기판과 상기 제1 광흡수층 사이에 버퍼층이 개재될 수 있다.

또한, 상기 제1 광흡수층 상에 상기 제2 광흡수층과 이격하여 제1 쇼트키층이 형성되고, 상기 제2 광흡수층 상에 상기 제3 광흡수층과 이격하여 제2 쇼트키층이 형성되며, 상기 제3 광흡수층 상의 일부 영역에 제3 쇼트키층이 형성된다.

이때, 상기 제1,제2,제3 쇼트키층 상의 일부 영역에 상기 제1 전극층이 각각 형성된다.

한편, 상기 제2 광흡수층과 상기 제3 광흡수층 사이에 제1 응력완화층이 개재될 수 있다.

또한, 상기 제1 광흡수층과 상기 제2 광흡수층 사이에 제2 응력완화층이 개재될 수 있다.

이때, 상기 버퍼층은 저온 GaN층으로 이루어지고, 상기 제1 광흡수층은 고온 GaN층으로 이루어질 수 있다.

또한, 상기 제2 광흡수층은 Al_xGa_1-xN(0<x<1)층으로 이루어지고, 상기 제3 광흡수층은 Al_yGa₁ _-yN(0<y<1)층으로 이루어질 수 있으며, 이때 상기 제2 광흡수층의 Al 조성과 상기 제3 광흡수층의 Al 조성은 서로 상이하다.

한편, 상기 제1 광흡수층과 상기 제2 광흡수층 및 상기 제3 광흡수층은, 각각 Al_xGa₁ _-xN(0<x<y)층, Al_yGa₁ _-yN(x<y<1)층, In_zGa₁ _-zN(0<z<1)층 중 서로 중복되지 않게 선택되는 어느 하나로 이루어지는 것도 가능하다.

이때, 상기 제1,제2,제3 쇼트키층은, ITO, APO, Pt, W, Ti, Pd, Ru, Cr, Au, Ni, Cr 중의 어느 하나로 이루어진다.

또한, 상기 제1 응력완화층은 Al_dIn₁ _-dN(0<d≤1)층으로 이루어지고, 상기 제2 응력완화층은 Al_fIn₁ _-fN(0<f≤1)층으로 이루어진다.

한편, 상측면에 함몰부가 형성되는 리드프레임; 상기 함몰부에 실장되고, 에너지 밴드갭이 서로 다른 복수의 광흡수층과, 상기 복수의 광흡수층 상에 각각 형성되는 제1 전극층을 포함하는 광 검출 소자; 및 상기 함몰부의 바닥면 일측에 서로 이격하여 형성되고, 본딩와이어에 의해 상기 제1 전극층과 각각 개별적으로 연결되는 복수의 제1 전극판을 포함하는 광 검출 패키지가 제공된다.

이때, 상기 복수의 광흡수층 중 최하층의 광흡수층 상에 상기 제1 전극층과 이격하여 제2 전극층이 형성되고, 상기 함몰부의 바닥면 타측에 형성되는 제2 전극판이 본딩 와이어에 의해 상기 제2 전극층과 전기적으로 연결된다.

이때, 상기 제1 전극판과 상기 제2 전극판 사이에, 상기 제1 전극판 및 상기 제2 전극판과 이격하여 소자 접촉판이 형성되고, 상기 광 검출 소자가 상기 소자 접촉판에 실장된다.

다른 예로서, 상기 광 검출 소자의 저면에 제2 전극층이 형성될 수 있다.

이때, 상기 함몰부의 바닥면 타측에 상기 제1 전극판과 이격하여 제2 전극판이 형성되고, 상기 광 검출 소자가 상기 제2 전극판에 실장된다.

아울러, 상기 리드프레임의 일측에는 상기 복수의 제1 전극판과 각각 전기적으로 연결되는 복수의 제1 리드선이 구비되고, 상기 리드프레임의 타측에는 상기 제2 전극판과 전기적으로 연결되는 제2 리드선이 구비된다.

이때, 상기 광 검출 소자는, 기판; 상기 기판 상에 형성되는 제1 광흡수층; 상기 제1 광흡수층 상의 일부 영역에 형성되는 제2 광흡수층; 상기 제2 광흡수층 상의 일부 영역에 형성되는 제3 광흡수층; 및 상기 제1,제2,제3 광흡수층 상에 각각 형성되는 제1 전극층을 포함한다.

또한, 상기 제2 광흡수층과 상기 제3 광흡수층 사이에 제1 응력완화층이 개재될 수 있다.

아울러, 상기 제1 광흡수층과 상기 제2 광흡수층 사이에 제2 응력완화층이 개재될 수 있다.

본 발명의 바람직한 일실시예에 의하면, 서로 다른 파장 영역을 검출할 수 있는 복수의 광흡수층 상에 각각 제1 전극층이 형성되어 개별적으로 동작 가능하므로, 하나의 소자에서 2 영역 이상의 서로 다른 파장 영역을 검출할 수 있는 효과가 있다.

또한, 역바이어스 값의 증가를 필요로 하지 않고, 파장에 따른 정확한 반응도 값을 얻을 수 있으므로, 제품의 신뢰성이 향상되는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 광 검출 소자의 적층 구조를 도시한 개략도.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 광 검출 소자의 적층 구조를 도시한 개략도.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 광 검출 소자의 단면도.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 광 검출 소자의 평면도.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 광 검출 패키지의 평면도.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 광 검출 패키지의 단면도.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 광 검출 패키지의 단면도.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 광 반응도를 측정한 그래프.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 광 검출 소자의 단면도.
도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 광 검출 소자의 평면도.
도 11은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 광 검출 패키지의 평면도.

이하, 본 발명인 광 검출 소자 및 이를 포함하는 광 검출 패키지의 바람직한 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다.

또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로, 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 하여 내려져야 할 것이다.

예를 들어, 본 명세서에서 층이 다른 층 또는 기판 "상"에 있다고 언급되는 경우, 그것은 다른 층 또는 기판 상에 직접 형성될 수 있거나, 또는 그들 사이에 제3의 층이 개재될 수도 있다. 또한, 본 명세서에서 위쪽, 상(부), 상측면 등의 방향적인 표현은 아래쪽, 하(부), 하측면 등의 의미로 이해될 수 있다. 즉, 공간적인 방향의 표현은 상대적인 방향으로 이해되어야 하며, 절대적인 방향을 의미하는 것처럼 한정적으로 이해되어서는 안 된다.

또한, 아래의 실시예들은 본 발명의 권리범위를 한정하는 것이 아니라 본 발명의 청구범위에 제시된 구성요소의 예시적인 사항에 불과하며, 본 발명의 명세서 전반에 걸친 기술사상에 포함되고 청구범위의 구성요소에서 균등물로서 치환 가능한 구성요소를 포함하는 실시예는 본 발명의 권리범위에 포함될 수 있다.

아울러, 아래의 실시예들은 특히 자외선 광의 검출과 관련하여 설명하고 있으나, 본 발명이 그 외에 다른 파장 영역의 광 검출에도 이용될 수 있음은 물론이다.

실시예

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 광 검출 소자의 적층 구조를 도시한 개략도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 광 검출 소자(10)의 제조를 위해, 기판(20) 상에 버퍼층(30), 제1 광흡수층(40), 제2 광흡수층(50), 제1 응력완화층(55), 제3 광흡수층(60)이 순차적으로 적층된다.

여기서, 기판(20)으로는 사파이어(sapphire), AlN, GaN, SiC, Si 등이 사용될 수 있으며, 전도성 기판에 따라 소자의 구조가 바뀔 수도 있다.

먼저, 유기금속화학기상증착(MOCVD) 장치 반응관의 서셉터에 기판(20)을 위치시키고 반응관 내부의 압력을 100torr 이하로 내려 반응관 내부의 불순가스를 제거한다.

이후, 반응관 내부 압력을 100torr로 유지하고 온도를 1100℃까지 올려 이종 기판(20)의 표면을 열적으로 세정한 후, 온도를 550℃까지 내리고 Ga 소스(source)와 암모니아(NH₃) 가스를 흘려주면서 버퍼층(30)인 저온 GaN층을 성장시키는데, 이때 반응관의 전체적인 가스 흐름은 수소(H₂) 가스에 의해 결정된다.

이때, 저온 GaN층인 버퍼층(30) 위에 성장되는 고온 GaN층인 제1 광흡수층(40)의 결정성과 광학적, 전기적 특성 확보를 위해, 버퍼층(30)은 적어도 25nm 내외의 두께로 형성되는 것이 바람직하며, 버퍼층(30)으로 저온 AlN층을 성장시킬 경우에는 600℃ 내외에서 25nm 내외의 두께로 성장시키는 것이 바람직하다.

버퍼층(30)의 성장 후, 서셉터의 온도를 1000℃~1100℃ 바람직하게는 1050℃까지 올려 고온 GaN층인 제1 광흡수층(40)을 성장시킨다. 이때, 온도가 1000℃ 미만이면 광학적, 전기적, 결정학적 특성이 저하되며, 온도가 1100℃를 넘으면 표면의 거칠기가 거칠어지고 결정성이 떨어지는 문제가 있다.

고온 GaN층인 제1 광흡수층(40)의 두께는 약 2㎛ 정도인 것이 바람직하며, 도핑을 하지 않아도 n-type 특성을 보이기는 하지만, n-type 효과를 위해 Si 도핑을 할 수도 있다.

이후, 제1 광흡수층(40) 상에 제2 광흡수층(50)을 성장시키게 되는데, 제1 광흡수층(40)과 유사한 성장조건에서 Al 소스를 공급하여 Al_xGa₁ _- _xN층(0<x<1)을 성장시킨다.

이때, 제2 광흡수층(50)의 성장에 있어서, 자외선 B 영역을 검출하는 광흡수층으로 사용하기 위해서는, 일반적으로 15% 이상의 Al 조성을 갖도록 하여야 하며, 광흡수 효율을 증대시키기 위해서는 두께가 0.1㎛~2㎛이어야 한다.

제2 광흡수층(50) 상에 제3 광흡수층(60)을 성장시키는데, 제1 광흡수층(40)과 유사한 성장조건에서 Al 소스를 공급하여 Al_yGa₁ _- _yN층(0<y<1)을 성장시킨다.

이때, 제3 광흡수층(60)의 성장에 있어서, 제3 광흡수층을 자외선 C 영역을 검출하는 광흡수층으로 사용하기 위해서는, Al 조성이 약 40% 이상을 갖도록 하여야 하며, 광흡수 효율을 증대시키기 위해서는 두께가 0.1㎛~2㎛이어야 한다.

또한, 제2 광흡수층(50)과 제3 광흡수층(60) 사이의 계면에서 발생될 수 있는 응력을 완화하기 위해, 제2 광흡수층(50)과 제3 광흡수층(60) 사이에 Al_dIn₁ _-dN(0<d≤1)층을 제1 응력완화층(55)으로 형성하는 것이 바람직하다.

이때, 1050℃ 내외에서 고온 AlN층을 제1 응력완화층(55)으로 형성하는 경우, AlN층의 에너지 밴드갭이 약 6eV로 크기 때문에 절연층에 가깝고, 고품질의 결정성을 얻기 어려우며, 또한 결정성 및 절연특성에 따른 미세전류의 흐름에 방해가 되기도 하므로, 그 두께는 50nm 이하로 얇게 하는 것이 바람직하다.

또한, Al_dIn₁ _-dN(0<d<1)층을 제1 응력완화층(55)으로 형성하는 경우, In이 함유된 층을 사용하기 위해서는 900℃ 이하의 온도에서 성장시켜야 In 조성을 갖는 층을 형성할 수 있으며 이때, 복수의 층이 반복되는 초격자(superlattice) 형태로 형성할 수도 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 의하면 제1 광흡수층(40)과 제2 광흡수층(50), 및 제3 광흡수층(60)의 에너지 밴드갭을 서로 상이하게 함으로써, 서로 다른 파장 대역의 광을 검출할 수 있으며, 다른 예로서 제1 광흡수층(40), 제2 광흡수층(50), 제3 광흡수층(60)을 각각 Al_xGa₁ _-xN(0<x<y)층, Al_yGa₁ _-yN(x<y<1)층, In_zGa_1-zN(0<z<1)층 중 서로 중복되지 않게 선택되는 어느 하나로 형성할 수 있다.

즉, Al_xGa₁ _-xN(0<x<y)층, Al_yIn₁ _-yN(x<y<1)층, In_zGa₁ _-zN(0<z<1)층으로 서로 다른 3개의 광흡수층을 형성할 수 있으며, 이때 각각의 층의 순서는 다양하게 선택될 수 있다.

도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 광 검출 소자의 적층 구조를 도시한 개략도이다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 광 검출 소자의 적층 구조는 도 1을 참고하여 전술한 실시예와 대동소이하며, 다만 제1 광흡수층(40)과 제2 광흡수층(50) 사이에 제2 응력완화층(45)이 형성된다는 점에서 차이가 있다.

따라서, 도 1을 참고하여 전술한 실시예와 동일한 구성에 대하여는 동일한 도면부호를 부여하고, 중복설명은 생략하기로 한다.

본 발명의 다른 실시예에 의하면, 제1 광흡수층(40)과 제2 광흡수층(50) 사이에 Al_fIn₁ _-fN(0<f≤1)층으로 이루어지는 제2 응력완화층(45)이 형성된다.

이는, 고온 GaN층으로 이루어지는 제1 광흡수층(40)과 Al_xGa₁ _- _xN층(0<x<1)으로 이루어지는 제2 광흡수층(50) 간의 격자 부정합과 열팽창 계수 차이로 인해 크랙(crack)이 발생하여, 이에 따른 특성 저하 및 수율 저하의 문제가 발생되는 것을 방지하기 위함이다.

이러한 크랙 발생 문제를 해결하기 위해, 제1 광흡수층(40)과 제2 광흡수층(50) 사이에 Al_fIn₁ _-fN(0<f≤1)층을 제2 응력완화층(45)으로 형성하는 것이 바람직하다.

이때, 1050℃ 내외에서 고온 AlN층을 제2 응력완화층(45)으로 형성하는 경우, AlN층의 에너지 밴드갭이 약 6eV로 크기 때문에 절연층에 가깝고, 고품질의 결정성을 얻기 어려우며, 또한 결정성 및 절연특성에 따른 미세전류의 흐름에 방해가 되기도 하므로, 그 두께는 50nm 이하로 얇게 하는 것이 바람직하다.

또한, Al_fIn₁ _-fN(0<f<1)층을 제2 응력완화층(45)으로 형성하는 경우, In이 함유된 층을 사용하기 위해서는 900℃ 이하의 온도에서 성장시켜야 In 조성을 갖는 층을 형성할 수 있으며 이때, 복수의 층이 반복되는 초격자(superlattice) 형태로 형성할 수도 있다.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 광 검출 소자의 단면도이고, 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 광 검출 소자의 평면도이다.

본 발명의 일실시예에 의하면, 하나의 소자에서 서로 다른 복수의 파장 대역을 검출할 수 있도록 광 검출 소자가 구성된다.

예를 들어, 종래에는 서로 다른 3종류의 파장 대역을 검출하기 위해 3종류의 광 검출 소자가 있어야 정밀한 반응도 검출이 가능하였지만, 본 발명의 일실시예에 의하면 서로 다른 3종류의 파장 대역을 하나의 광 검출 소자에서 검출할 수 있게 된다.

이하의 실시예에서는 3개의 서로 다른 파장 대역을 검출할 수 있는 광 검출 소자를 설명하고 있으나, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며, 광흡수층이 적층되는 개수에 따라 2개, 4개, 5개 등 다양한 개수의 서로 다른 파장 대역을 검출할 수 있다.

또한, 이하의 실시예에서는 도 1에 도시된 적층구조가 적용된 예를 설명하고 있으나, 이와 달리 도 2에 도시된 적층구조가 적용될 수 있음은 물론이다.

아울러, 제1 광흡수층(40), 제2 광흡수층(50), 제3 광흡수층(60)은 에너지 밴드갭이 서로 상이하도록 형성되는데, 일 예로서 제1 광흡수층(40)은 고온 GaN층, 제2 광흡수층(50)은 Al_xGa₁ _-xN(0<x<1)층, 제3 광흡수층(60)은 Al_yGa₁ _-yN(0<y<1)층으로 이루어질 수 있다.

또한, 다른 예로서, 제1 광흡수층(40), 제2 광흡수층(50), 제3 광흡수층(60)을 각각 Al_xGa₁ _-xN(0<x<y)층, Al_yGa₁ _-yN(x<y<1)층, In_zGa₁ _-zN(0<z<1)층 중 서로 중복되지 않게 선택되는 어느 하나로 형성할 수도 있다.

즉, Al_xGa₁ _-xN(0<x<y)층, Al_yGa₁ _-yN(x<y<1)층, In_zGa₁ _-zN(0<z<1)층으로 서로 다른 3개의 광흡수층을 형성할 수 있으며, 이때 각각의 층의 순서는 다양하게 선택될 수 있다.

먼저, 제3 광흡수층(60), 제1 응력완화층(55), 제2 광흡수층(50)을 드라이 에칭(dry etching)을 통해 식각하여, 제2 광흡수층(50)이 제1 광흡수층(40) 상의 일부 영역에 형성되도록 하고, 식각에 의해 노출된 제1 광흡수층(40)의 표면 일부 영역에 제1 쇼트키층(71)을 형성한다.

다음, 제3 광흡수층(60), 제1 응력완화층(55)을 드라이 에칭을 통해 식각하여, 제3 광흡수층(60)이 제2 광흡수층(50) 상의 일부 영역에 형성되도록 하고, 식각에 의해 노출된 제2 광흡수층(50)의 표면 일부 영역에 제2 쇼트키층(72)을 형성한다.

식각되고 남은 제3 광흡수층(60)의 표면 일부 영역에 제3 쇼트키층(73)을 형성하며, 제1,제2,제3 쇼트키층(71,72,73) 상의 일부 영역에 각각 제1 전극층(80)을 형성한다.

이때, 제1 전극층(80)은 제1 쇼트키층(71) 상의 일부 영역에 형성된 제1-1 전극층(81)과, 제2 쇼트키층(72) 상의 일부 영역에 형성된 제1-2 전극층(82)과, 제3 쇼트키층(73) 상의 일부 영역에 형성된 제1-3 전극층(83)을 포함한다.

또한, 제1,제2,제3 쇼트키층(71,72,73)은 각각 ITO, APO, Pt, W, Ti, Pd, Ru, Cr, Au, Ni, Cr 중의 어느 하나로 이루어질 수 있으며, 광 투과도 및 쇼트키 특성을 고려하여 각각 10nm 이하의 두께로 형성되는 것이 바람직하다.

한편, 제2 전극층(90)은 오믹 특성을 갖도록 구성되는데, 제1 광흡수층(40) 상에 제1 쇼트키층(71)과 이격하여 형성될 수 있으며, 제1 광흡수층(40)의 일부까지 식각한 후 제2 전극층(90)을 형성하는 것도 가능하다.

이때, 제2 전극층(90)은 제1 쇼트키층(71)의 일측에 이격하여 바(bar) 형태로 형성될 수 있으며, 바람직하게는 제2 광흡수층(50)과 제3 광흡수층(60)에서 발생되는 전류의 흐름을 원활히 할 수 있도록 날개 형태를 갖도록 구성되는데, 제1 쇼트키층(71)으로부터 이격하여 제1 광흡수층(40)의 코너부에 형성되는 몸체부(91)와, 몸체부(91)로부터 제1 광흡수층(40)의 테두리를 따라 각각 연장되는 한 쌍의 날개부(92)를 포함한다.

이처럼 제2 전극층(90)이 몸체부(91)와 한 쌍의 날개부(92)로 형성되는 경우, 와이어 본딩시 응력에 의한 제2 전극층(90)의 필링(peeling) 현상을 방지할 수 있는 효과도 있다.

한편, 제1 전극층(80)은 Ni/Au로 구성될 수 있으며, 200nm 이상의 두께로 형성되는 것이 바람직하다. 또한, 제2 전극층(90)은 Cr/Ni/Au로 구성될 수 있으며, 상측면이 제3 광흡수층(60)의 상측면과 대응될 정도의 높이로 형성되는데, 바람직하게는 400nm 이상의 두께로 형성된다.

이와 같이 형성된 광 검출 소자는, 각각의 광흡수층에서 서로 다른 파장 대역의 광을 검출할 수 있으며, 각각의 광흡수층이 개별 동작 가능하도록 구성되어 있다.

이하, 도 5와 도 6을 참고하여, 전술한 바와 같은 광 검출 소자(10)를 사용하여 광 검출 패키지를 구성하는 예를 설명하기로 한다.

도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 광 검출 패키지의 평면도이고, 도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 광 검출 패키지의 단면도이다.

도 5와 도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 광 검출 패키지(100)는, 상측면에 함몰부(210)가 형성되는 리드프레임(200)과, 함몰부(210)에 실장되는 광 검출 소자와, 함몰부(210)의 바닥면 일측에 서로 이격하여 형성되는 복수의 제1 전극판(300)을 포함한다.

이때, 리드프레임(200)의 함몰부(210)는, 함몰부(210)의 상측 테두리를 따라 안착되는 투명 재질의 윈도우(600)에 의해 폐쇄되어 내부의 광 검출 소자를 보호하게 되며, 윈도우(600)로는 석영, 사파이어, 수정 등이 사용될 수 있다.

또한, 함몰부(210)의 내주면은 광의 반사를 고려하여 경사지게 형성되는 것이 바람직하며, 이와 달리 직각으로 형성되는 것도 가능하다.

아울러, 리드프레임(200)의 함몰부(210)에 실장되는 광 검출 소자로는, 예컨대 도 3과 도 4를 참고하여 전술한 광 검출 소자(10)가 사용될 수 있으며, 이 광 검출 소자(10)는 에너지 밴드갭이 서로 다른 복수의 광흡수층이 순차적으로 단차 형성된 구조로서, 각각의 광흡수층 상에 제1 전극층(80)이 형성된다.

이때, 광흡수층 상의 일부 영역에 쇼트키층이 형성되고, 제1 전극층(80)은 각각의 쇼트키층 상의 일부 영역에 형성된다.

예컨대, 도 5에 도시된 바와 같이, 제1 광흡수층(40) 상의 일부 영역에 제1 쇼트키층(71)이 형성되고, 제1 쇼트키층(71) 상의 일부 영역에 제1-1 전극층(81)이 형성된다. 또한, 제2 광흡수층(50) 상의 일부 영역에 제2 쇼트키층(72)이 형성되고, 제2 쇼트키층(72) 상의 일부 영역에 제1-2 전극층(82)이 형성된다. 아울러, 제3 광흡수층(60) 상의 일부 영역에 제3 쇼트키층(73)이 형성되고, 제3 쇼트키층(73) 상의 일부 영역에 제1-3 전극층(83)이 형성된다.

제1 전극판(300)은 서로 이격하여 배치되는 제1-1 전극판(310)과 제1-2 전극판(320) 및 제1-3 전극판(330)을 포함하며, 이때 제1-1 전극판(310)은 예컨대 Au 재질의 본딩와이어(700)에 의해 제1-1 전극층(81)과 전기적으로 연결되고, 제1-2 전극판(320)은 본딩와이어(700)에 의해 제1-2 전극층(82)과 전기적으로 연결되며, 제1-3 전극판(330)은 본딩와이어(700)에 의해 제1-3 전극층(83)과 전기적으로 연결된다.

한편, 제1 광흡수층(40) 상에는 제1 쇼트키층(71)과 이격하여 날개 형태의 제2 전극층(90)이 형성되며, 이 제2 전극층(90)은 함몰부(210)의 바닥면 타측에 형성되는 제2 전극판(500)과 본딩와이어(700)에 의해 전기적으로 연결된다.

이때, 제1 전극판(300)과 제2 전극판(500) 사이에는 제1 전극판(300) 및 제2 전극판(500)과 이격하여 소자 접촉판(400)이 형성되며, 이 소자 접촉판(400) 위에 광 검출 소자(10)가 실장된다.

즉, 제1 전극판(300)과 제2 전극판(500) 및 소자 접촉판(400)은 서로 이격하도록 배치되고, 소자 접촉판(400)에 광 검출 소자(10)가 실장되며, 광 검출 소자(10)의 제1-1,제1-2,제1-3 전극층(81,82,83)은 각각 본딩와이어(700)에 의해 제1-1,제1-2,제1-3 전극판(310,320,330)과 전기적으로 연결되고, 광 검출 소자(10)의 제2 전극층(90)은 본딩와이어(700)에 의해 제2 전극판(500)과 전기적으로 연결되는 것이다.

이때, 리드프레임(200)의 일측에는 외부 전극선(미도시)과 연결되어 개별 동작할 수 있도록, 복수의 제1 전극판(300)과 각각 전기적으로 연결되는 복수의 제1 리드선(810)이 돌출 형성되고, 리드프레임(200)의 타측에는 제2 전극판(500)과 전기적으로 연결되는 제2 리드선(820)이 돌출 형성된다.

이때, 제1 리드선(810)은, 제1-1 전극판(310)과 전기적으로 연결되는 제1-1 리드선(811)과, 제1-2 전극판(320)과 전기적으로 연결되는 제1-2 리드선(812), 및 제1-3 전극판(330)과 전기적으로 연결되는 제1-3 리드선(813)을 포함하며, 제1-1,제1-2,제1-3 리드선(811,812,813)은 서로 이격하여 배치된다.

따라서, 각각의 제1 리드선(810)을 통해 선택적으로 전원을 공급함으로써, 각각의 광흡수층이 개별적으로 동작하게끔 할 수 있는 것이다.

도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 광 검출 패키지의 단면도로서, 도 5와 도 6을 참고하여 전술한 실시예의 윈도우 대신에, 함몰부(210)에 에폭시 수지를 충진하여 광 검출 소자(10)를 보호하는 예를 도시하고 있다.

따라서, 전술한 실시예와 동일한 구성에 대하여는 동일한 도면부호를 부여하고, 중복설명은 생략하기로 한다.

한편, 도 7(a)에 도시된 바와 같이, 광 검출 패키지(100a)의 함몰부(210)에 에폭시 수지를 평평하게 충진하여 보호층(600')을 형성하는 경우, 쇼트키층에 광이 약 120°의 각도로 흡수되며, 점선으로 도시된 바와 같이 보호층(600')이 오목하게 형성되는 경우에는 120°이상의 각도에서 흡수되는 광을 검출할 수 있다.

또한, 도 7(b)에 도시된 바와 같이, 광 검출 패키지(100b)의 함몰부(210)에 돔(dome) 형태의 보호층(600')을 형성하는 경우 120°이하의 각도에서 흡수되는 광을 검출할 수 있으며, 점선으로 도시된 바와 같은 사다리꼴 형상으로 보호층(600')을 형성할 수도 있다. 즉, 윈도우(600) 또는 보호층(600')의 형상에 따라 원하는 각도에서의 파장 검출이 가능하다.

도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 광 반응도를 측정한 그래프로서, 단일 소자에 각각 서로 다른 광흡수층을 가지고 있고, 각각의 광 흡수층 위에 각각의 쇼트키층을 형성한 구조에서, 광흡수층의 전극을 각각 별도로 연결하여 개별 동작하게 한 광 검출 소자(10)를 가지고 광 반응도를 측정한 그래프이다.

여기서, (A)의 반응도는 제3 광흡수층(60)에서 반응한 반응도이고, (B)의 반응도는 제2 광흡수층(50)에서 반응한 반응도이며, (C)의 반응도는 제1 광흡수층(40)에서 반응한 반응도이다.

즉, 본 발명의 일실시예에 따른 광 검출 소자(10)에 의하면, 각 광흡수층에서 검출하고자 하는 파장 대역을 순차적으로 할 필요가 없으며, 각각의 광흡수층의 흡수 파장을 결정하는 에너지 밴드갭이 순차적으로 증가하거나 감소하도록 구성하지 않아도 된다.

도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 광 검출 소자의 단면도이고, 도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 광 검출 소자의 평면도이다.

도 9와 도 10에 도시된 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 광 검출 소자(10')는, 도 3과 도 4를 참고하여 전술한 실시예와 대동소이하며, 다만 제2 전극층(90')이 GaN, ZnO, SiC, GaAs 등과 같은 전도성 기판(20')의 저면에 형성된다는 점에서 차이가 있다.

따라서, 도 3과 도 4에 도시된 구성과 동일한 구성에 대하여는 동일한 도면부호를 부여하고, 중복설명은 생략하기로 한다.

이하, 도 11을 참고하여, 도 9와 도 10에 도시된 바와 같은 광 검출 소자(10')를 사용하여 광 검출 패키지를 구성하는 예를 설명하기로 한다.

도 11은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 광 검출 패키지의 평면도이다.

도 11에 도시된 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 광 검출 패키지(100')는, 도 5를 참고하여 전술한 실시예와 대동소이하며, 다만 광 검출 소자(10')의 저면에 제2 전극층(90')이 형성됨에 따라, 광 검출 소자(10')가 별도의 소자 접촉판(400, 도 5 참조) 없이 제2 전극판(500')에 직접 실장된다는 점에서 차이가 있다.

따라서, 도 5에 도시된 구성과 동일한 구성에 대하여는 동일한 도면부호를 부여하고 중복설명은 생략하기로 한다.

리드프레임(200)의 함몰부(210) 바닥면 일측에는 서로 이격하는 복수의 제1 전극판(300)이 형성되고, 함몰부(210) 바닥면 타측에는 복수의 제1 전극판(300)과 이격하여 제2 전극판(500')이 형성되며, 도 9와 도 10에 도시된 바와 같이 광 검출 소자(10')의 저면 즉, 전도성 기판(20')의 저면에 제2 전극층(90')이 형성된 광 검출 소자(10')가 제2 전극판(500')에 실장된다.

이때, 광 검출 소자(10')의 제1-1,제1-2,제1-3 전극층(81,82,83)은 각각 본딩와이어(700)에 의해 제1-1,제1-2,제1-3 전극판(310,320,330)과 전기적으로 연결되고, 광 검출 소자(10')의 제2 전극층(90)은 접촉에 의해 제2 전극판(500')과 전기적으로 연결된다.

또한, 리드프레임(200)의 일측에는 외부 전극선과 연결되어 개별 동작할 수 있도록 제1-1,제1-2,제1-3 리드선(811,812,813)을 포함하는 복수의 제1 리드선(810)이 구비되며, 리드프레임(200)의 타측에는 제2 리드선(820)이 돌출 형성된다.

이때, 제1-1 리드선(811)은 제1-1 전극판(310)과 전기적으로 연결되고, 제1-2 리드선(812)은 제1-2 전극판(320)과 전기적으로 연결되며, 제1-3 리드선(813)은 제1-3 전극판(330)과 전기적으로 연결되고, 제2 리드선(820)은 제2 전극판(500')과 전기적으로 연결된다.

따라서, 각각의 제1 리드선(810)을 통해 선택적으로 전원을 공급함으로써, 각각의 광흡수층이 개별적으로 동작하게끔 할 수 있다.

10,10' : 광 검출 소자 20,20' : 기판
30 : 버퍼층 40 : 제1 광흡수층
45 : 제2 응력완화층 50 : 제2 광흡수층
55 : 제1 응력완화층 60 : 제3 광흡수층
71 : 제1 쇼트키층 72 : 제2 쇼트키층
73 : 제3 쇼트키층 80 : 제1 전극층
90,90' : 제2 전극층
100,100' : 광 검출 패키지 200 : 리드프레임
300 : 제1 전극판 400 : 소자 접촉판
500,500' : 제2 전극판 600 : 윈도우
600' : 보호층 700 : 본딩와이어
810 : 제1 리드선 820 : 제2 리드선

Claims

기판;
상기 기판 상에 형성되는 제1 광흡수층;
상기 제1 광흡수층 상의 일부 영역에 형성되는 제2 광흡수층;
상기 제1 광흡수층, 제2 광흡수층 상에 각각 형성되는 제1 전극층; 및
상기 제1 전극층과 이격하여 형성된 제2 전극층;을 포함하고,
상기 제1 전극층은 상기 제1 광흡수층 상에 형성된 제1-1 전극층 및 상기 제2 광흡수층 상에 형성된 제 1-2 전극층을 포함하며,
상기 제1-1 전극층 및 상기 제1-2 전극층은 서로 전기적으로 분리되어 있고,
전원이 상기 제1-1 전극층과 상기 제1-2 전극층 중에서 선택적으로 공급되어, 상기 제1 광흡수층 및 상기 제2 광흡수층이 개별적으로 동작하는 광 검출 소자.
청구항 1에 있어서,
상기 제2 전극층은 상기 제1 광흡수층 상에 형성된 것을 특징으로 하는 광 검출 소자.
청구항 1에 있어서,
상기 제2 전극층은 상기 기판의 저면에 형성된 것을 특징으로 하는 광 검출 소자.
청구항 1에 있어서,
상기 제2 광흡수층 상의 일부 영역에 형성되는 제3 광흡수층을 더 포함하며, 상기 제1,제2,제3 광흡수층의 에너지 밴드갭이 서로 상이한 것을 특징으로 하는 광 검출 소자.
청구항 1에 있어서,
상기 기판과 상기 제1 광흡수층 사이에 버퍼층이 개재되는 것을 특징으로 하는 광 검출 소자.
청구항 4에 있어서,
상기 제1 광흡수층 상에 상기 제2 광흡수층과 이격하여 제1 쇼트키층이 형성되고, 상기 제2 광흡수층 상에 상기 제3 광흡수층과 이격하여 제2 쇼트키층이 형성되며, 상기 제3 광흡수층 상의 일부 영역에 제3 쇼트키층이 형성되는 것을 특징으로 하는 광 검출 소자.
청구항 6에 있어서,
상기 제1,제2,제3 쇼트키층 상의 일부 영역에 상기 제1 전극층이 각각 형성되는 것을 특징으로 하는 광 검출 소자.
청구항 4에 있어서,
상기 제2 광흡수층과 상기 제3 광흡수층 사이에 제1 응력완화층이 개재되는 것을 특징으로 하는 광 검출 소자.
청구항 8에 있어서,
상기 제1 광흡수층과 상기 제2 광흡수층 사이에 제2 응력완화층이 개재되는 것을 특징으로 하는 광 검출 소자.
청구항 4에 있어서,
상기 기판과 상기 제1 광흡수층 사이에 버퍼층이 개재되며,
상기 버퍼층은 저온 GaN층으로 이루어지고, 상기 제1 광흡수층은 고온 GaN층으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 광 검출 소자.
청구항 10에 있어서,
상기 제2 광흡수층은 Al_xGa₁ _-xN(0<x<1)층으로 이루어지고, 상기 제3 광흡수층은 Al_yGa₁ _-yN(0<y<1)층으로 이루어지며, 상기 제2 광흡수층의 Al 조성과 상기 제3 광흡수층의 Al 조성이 서로 상이한 것을 특징으로 하는 광 검출 소자.
청구항 4에 있어서,
상기 제1 광흡수층과 상기 제2 광흡수층 및 상기 제3 광흡수층은, 각각 Al_xGa_1-xN(0<x<y)층, Al_yGa₁ _-yN(x<y<1)층, In_zGa₁ _-zN(0<z<1)층 중 서로 중복되지 않게 선택되는 어느 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 광 검출 소자.
청구항 6에 있어서, 상기 제1,제2,제3 쇼트키층은,
ITO, APO, Pt, W, Ti, Pd, Ru, Cr, Au, Ni, Cr 중의 어느 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 광 검출 소자.
청구항 9에 있어서,
상기 제1 응력완화층은 Al_dIn₁ _-dN(0<d≤1)층으로 이루어지고, 상기 제2 응력완화층은 Al_fIn₁ _-fN(0<f≤1)층으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 광 검출 소자.
상측면에 함몰부가 형성되는 리드프레임;
상기 함몰부에 실장되고, 에너지 밴드갭이 서로 다른 복수의 광흡수층, 상기 복수의 광흡수층 상에 각각 형성되는 복수의 제1 전극층 및 상기 복수의 제1 전극층과 이격하여 형성된 제2 전극층을 포함하는 광 검출 소자; 및
상기 함몰부의 바닥면 일측에 서로 이격하여 형성되고, 본딩와이어에 의해 상기 복수의 제1 전극층과 각각 개별적으로 연결되는 복수의 제1 전극판을 포함하고,
상기 복수의 제1 전극층은 서로 전기적으로 분리되어 있으며,
전원이 상기 복수의 제1 전극판 중에서 하나의 제1 전극판에 선택적으로 공급되면, 상기 복수의 광흡수층 중 하나의 광흡수층이 개별적으로 동작하는 광 검출 패키지.
청구항 15에 있어서,
상기 제2 전극층은 상기 복수의 광흡수층 중 최하층의 광흡수층 상에 형성되고, 상기 함몰부의 바닥면 타측에 형성되는 제2 전극판이 본딩 와이어에 의해 상기 제2 전극층과 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 광 검출 패키지.
청구항 16에 있어서,
상기 제1 전극판과 상기 제2 전극판 사이에, 상기 제1 전극판 및 상기 제2 전극판과 이격하여 소자 접촉판이 형성되고, 상기 광 검출 소자가 상기 소자 접촉판에 실장되는 것을 특징으로 하는 광 검출 패키지.
청구항 15에 있어서,
상기 제2 전극층은 상기 광 검출 소자의 저면에 형성되는 것을 특징으로 하는 광 검출 패키지.
청구항 18에 있어서,
상기 함몰부의 바닥면 타측에 상기 제1 전극판과 이격하여 제2 전극판이 형성되고, 상기 광 검출 소자가 상기 제2 전극판에 실장되는 것을 특징으로 하는 광 검출 패키지.
청구항 16 또는 청구항 19에 있어서,
상기 리드프레임의 일측에는 상기 복수의 제1 전극판과 각각 전기적으로 연결되는 복수의 제1 리드선이 구비되고, 상기 리드프레임의 타측에는 상기 제2 전극판과 전기적으로 연결되는 제2 리드선이 구비되는 것을 특징으로 하는 광 검출 패키지.
청구항 15에 있어서, 상기 광 검출 소자는,
기판;
상기 기판 상에 형성되는 제1 광흡수층;
상기 제1 광흡수층 상의 일부 영역에 형성되는 제2 광흡수층;
상기 제2 광흡수층 상의 일부 영역에 형성되는 제3 광흡수층; 및
상기 제1,제2,제3 광흡수층 상에 각각 형성되는 제1 전극층을 포함하는 것을 특징으로 하는 광 검출 패키지.
청구항 21에 있어서,
상기 제1 광흡수층 상에 상기 제2 광흡수층과 이격하여 제1 쇼트키층이 형성되고, 상기 제2 광흡수층 상에 상기 제3 광흡수층과 이격하여 제2 쇼트키층이 형성되며, 상기 제3 광흡수층 상의 일부 영역에 제3 쇼트키층이 형성되는 것을 특징으로 하는 광 검출 패키지.
청구항 22에 있어서,
상기 제1,제2,제3 쇼트키층 상의 일부 영역에 상기 제1 전극층이 각각 형성되는 것을 특징으로 하는 광 검출 패키지.
청구항 21에 있어서,
상기 기판과 상기 제1 광흡수층 사이에 버퍼층이 개재되는 것을 특징으로 하는 광 검출 패키지.
청구항 21에 있어서,
상기 제2 광흡수층과 상기 제3 광흡수층 사이에 제1 응력완화층이 개재되는 것을 특징으로 하는 광 검출 패키지.
청구항 25에 있어서,
상기 제1 광흡수층과 상기 제2 광흡수층 사이에 제2 응력완화층이 개재되는 것을 특징으로 하는 광 검출 패키지.