KR102420428B1 - 산화물 반도체 기반의 p-n 접합을 이용한 반도체 소자, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 광 검출기 - Google Patents

산화물 반도체 기반의 p-n 접합을 이용한 반도체 소자, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 광 검출기 Download PDF

Info

Publication number
KR102420428B1
KR102420428B1 KR1020210075424A KR20210075424A KR102420428B1 KR 102420428 B1 KR102420428 B1 KR 102420428B1 KR 1020210075424 A KR1020210075424 A KR 1020210075424A KR 20210075424 A KR20210075424 A KR 20210075424A KR 102420428 B1 KR102420428 B1 KR 102420428B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
oxide semiconductor
type
layer
semiconductor device
light
Prior art date
Application number
KR1020210075424A
Other languages
English (en)
Inventor
정재경
허홍위
한희성
장준혁
김태규
Original Assignee
한양대학교 산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한양대학교 산학협력단 filed Critical 한양대학교 산학협력단
Priority to KR1020210075424A priority Critical patent/KR102420428B1/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102420428B1 publication Critical patent/KR102420428B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/08—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors
    • H01L31/10—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors characterised by at least one potential-jump barrier or surface barrier, e.g. phototransistors
    • H01L31/101—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation
    • H01L31/112—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by field-effect operation, e.g. junction field-effect phototransistor
    • H01L31/113—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by field-effect operation, e.g. junction field-effect phototransistor being of the conductor-insulator-semiconductor type, e.g. metal-insulator-semiconductor field-effect transistor
    • H01L31/1136—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by field-effect operation, e.g. junction field-effect phototransistor being of the conductor-insulator-semiconductor type, e.g. metal-insulator-semiconductor field-effect transistor the device being a metal-insulator-semiconductor field-effect transistor
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/0248—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies
    • H01L31/0256—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies characterised by the material
    • H01L31/0264—Inorganic materials
    • H01L31/032—Inorganic materials including, apart from doping materials or other impurities, only compounds not provided for in groups H01L31/0272 - H01L31/0312
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/18—Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment of these devices or of parts thereof

Abstract

본 발명은 산화물 반도체 기반의 P-N 접합을 이용한 반도체 소자, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 광 검출기에 관한 것으로, 본 발명의 반도체 소자는 n형 산화물 반도체 및 p형 텔루륨 산화물 반도체를 이용하여 P-N 접합을 형성한다.
이에 따라, 본 발명의 반도체 소자는 저전력의 빛에도 반응이 가능하며, 광에 대한 반응성이 우수하다. 또한, p형 텔루륨 산화물 반도체에 의하여 가시광선 및 적외선과 같은 높은 파장의 빛에 대해서도 반응할 수 있다. 따라서, 본 발명의 반도체 소자를 이용하면 광 민감도가 우수하고 넓은 파장 대역의 빛을 검출할 수 있는 고성능의 광 검출기를 제조할 수 있다.

Description

산화물 반도체 기반의 P-N 접합을 이용한 반도체 소자, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 광 검출기{Semiconductor Element Using P-N Junction Based on Oxide Semiconductor, Method for Manufacturing Same and Photodetector Comprising Same}
본 발명은 산화물 반도체 기반의 P-N 접합을 이용한 반도체 소자, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 광 검출기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 n형 산화물 반도체와 p형 텔루륨 산화물 반도체가 P-N 접합을 형성함으로써 광 민감도가 향상되고 넓은 파장 대역의 광을 검출할 수 있는 반도체 소자, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 광 검출기에 관한 것이다.
반도체 소자를 이용한 광 검출기는 입사광에 의해 전류가 흐르는 원리를 이용하여 작동된다. 광이 입사하면 반도체 내의 전자 및 정공이 분리되어 공핍 영역이 발생하고, 이로 인해 전자의 흐름이 발생하여 전류가 흐르게 된다.
종래, 반도체를 이용한 광 검출기에는 비정질 실리콘(a-Si)이 사용되었으나, 비정질 실리콘은 이동도(mobility)가 낮고 불안정한 특성으로 인하여 구동 성능이 좋지 않다는 문제가 있었다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 비정질 실리콘을 결정화시켜 폴리 실리콘(poly-Si)을 형성하는 기술이 개발되었으나, 폴리 실리콘의 결정화를 위해서는 고가의 장비가 필요하며 매우 높은 온도에서 공정이 수행되기 때문에 대면적 장치나 플렉서블 장치에 이용되기 어렵고, 균일도가 낮다는 단점이 있었다.
이와 같은 실리콘 반도체의 문제점을 해결하기 위하여, 산화물 반도체를 이용한 광 검출기의 개발이 이루어지고 있다. 산화물 반도체는 실리콘 반도체 대비 이동도가 높고 누설 전류가 낮은 장점이 있으므로, 산화물 반도체를 이용하면 고성능의 광 검출기를 제조할 수 있다. 또한 산화물 반도체는 균일도가 우수하고 증착 온도가 실리콘에 비해 상대적으로 낮기 때문에 공정이 용이하고, 디스플레이 장치, 플렉서블 장치 등 다양한 장치에 이용되는 광 검출기에 적용할 수 있다. 이와 같이 산화물 반도체는 다양한 장점을 가지고 있어 관련 기술이 다양하게 개발되고 있으며, 예를 들어 대한민국 등록특허공보 제10-1562609호에서는 산화물 반도체로 이루어지는 반도체 소자를 광 센서 등에 적용하는 기술이 기재되어 있다.
그런데, 일반적으로 산화물 반도체는 3eV 이상의 높은 밴드갭 에너지를 갖기 때문에, 산화물 반도체를 이용한 포토 트랜지스터는 높은 에너지를 갖는 자외선 영역의 빛, 또는 청색광과 같은 낮은 파장 대역의 가시광에 의해서만 동작 가능하고, 파장이 높은 가시광이나 적외선 영역에 빛에는 반응하지 않는다는 한계가 있었다.
이러한 문제를 해결하기 위하여, 산화물 반도체에 2차원 물질, 양자점, 유기물, 나노와이어 등의 다양한 물질을 추가 적용하여 넓은 파장 대역의 빛을 검출할 수 있는 포토 트랜지스터에 대한 연구가 이루어지고 있다. 일 예로서, 대한민국 등록특허공보 제10-2082697호에서는 산화물 반도체 박막 포토 트랜지스터로서 나노와이어 구조를 도입하여 결함의 수를 증가시킴으로써 가시광을 흡수할 수 있는 포토 트랜지스터를 개시하고 있다. 그러나, 상기 기술에 따르면 나노구조체 템플릿를 형성하고 산화물을 증착시킨 다음 템플릿을 제거하고 열처리한 후에 산화물 반도체층을 형성하는 바, 제조 공정이 매우 복잡하다는 문제가 있었다.
이와 같이, 추가적인 광 흡수층은 대면적 기판에 균일하게 증착하기 어렵거나 제조공정이 복잡하고, 산화물 반도체층과 호환성이 낮은 문제가 있다. 예를 들어, 산화물 반도체에 유기물 반도체를 접합하여 하이브리드 형태의 반도체 소자를 구성하는 경우, 접합 중 발생하는 트랩으로 인하여 저전력의 빛으로는 동작하지 않기 때문에 광 민감도가 우수한 고성능의 광 검출기를 제조하기 어렵다는 한계가 있었다.
이러한 상황에서, 본 발명의 발명자들은 복잡한 공정이나 고온 공정 없이 넓은 파장 대역의 광 검출이 가능하면서 저전력의 빛으로도 구동 가능한 광 검출기를 개발하기 위하여 예의 연구한 결과, n형 산화물 반도체 상에 p형 텔루륨 산화물 반도체를 증착하여 P-N 접합을 형성하고 이를 트랜지스터 구조에 적용함으로써, 자외선 뿐만 아니라 가시광 및 적외선 영역의 빛에도 반응할 수 있으면서 동시에 광에 대한 민감도와 반응성 또한 향상된 고성능의 광 검출기를 제조할 수 있음을 발견하고, 본 발명을 완성하였다.
본 발명의 목적은 광 민감도가 향상되고 넓은 파장 대역의 광을 검출할 수 있는 반도체 소자를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 반도체 소자의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 상기 반도체 소자를 포함하는 광 검출기를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 기판; n형 산화물 반도체층; 및 p형 텔루륨 산화물 반도체층을 포함하는 반도체 소자로서, 상기 p형 텔루륨 산화물 반도체가 TeOx로 표시되고, x는 0 < x < 2인, 반도체 소자를 제공한다.
본 발명에 있어서, 상기 n형 산화물 반도체는 인듐(In), 갈륨(Ga), 주석(Sn), 아연(Zn), 알루미늄(Al) 및 마그네슘(Mg)으로 구성된 군에서 선택되는 1종 이상의 금속 원소를 함유하는 금속 산화물일 수 있다.
본 발명에서, 상기 n형 산화물 반도체의 밴드갭은 2eV 이상인 것이 바람직하다.
본 발명에서, 상기 n형 산화물 반도체층의 두께는 5 내지 50nm인 것이 바람직하다.
본 발명에서, 상기 n형 산화물 반도체와 p형 텔루륨 산화물 반도체의 전자 친화도 차이는 2eV 이하인 것이 바람직하다.
본 발명에서, 상기 p형 텔루륨 산화물 반도체의 밴드갭은 2eV 미만인 것이 바람직하다.
본 발명에서, 상기 p형 텔루륨 산화물 반도체층의 두께는 1 내지 20nm인 것이 바람직하다.
본 발명은 또한, 상기 반도체 소자를 제조하는 방법을 제공한다.
본 발명에서, 상기 반도체 소자의 제조방법은 기판 상에 n형 산화물 반도체층을 형성하는 단계; 및 상기 n형 산화물 반도체층 상에 p형 텔루륨 산화물 반도체층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명에서, 상기 n형 산화물 반도체층 및 p형 텔루륨 산화물 반도체층의 형성은 각각 독립적으로 스퍼터링, 화학기상증착, 열진공 증착, 전자빔 증착 또는 원자층 증착에 의하여 수행될 수 있다.
본 발명에서, 상기 반도체 소자의 제조방법은 상기 n형 산화물 반도체층 형성 단계 이후, 100 내지 500℃로 열처리하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명에서, 상기 p형 텔루륨 산화물 반도체층의 형성은 2 내지 25%의 산소 분압 조건 하에서 수행될 수 있다.
본 발명에서, 상기 반도체 소자의 제조방법은 상기 p형 텔루륨 산화물 반도체층 형성 단계 이후, 100 내지 200℃로 열처리하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명은 또한, 상기 반도체 소자를 포함하는 광 검출기를 제공한다.
본 발명에서, 상기 광 검출기는 기판; 상기 기판 상에 위치하는 절연층; 상기 절연층 상에 위치하며 n형 산화물 반도체를 포함하는 채널층; 상기 채널층 상에 위치하며, p형 텔루륨 산화물 반도체를 포함하는 광반응층; 및 상기 채널층 상에 위치하며, 채널층의 양 단부에 상호 이격되어 배치되는 소스 전극 및 드레인 전극을 포함할 수 있으며, 상기 광반응층은 상기 소스 전극 및 드레인 전극 사이에 배치될 수 있다.
본 발명에서, 상기 광반응층은 상기 소스 전극 및 드레인 전극과 접하지 않도록 이격되어 배치될 수 있다.
본 발명에서, 상기 광 검출기는 상기 기판 및 절연층 사이에 위치하는 게이트 전극을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 반도체 소자는 n형 산화물 반도체와 p형 텔루륨 산화물 반도체를 이용하여 산화물 반도체 기반의 P-N 접합을 형성함으로써, 저전력의 빛에도 반응이 가능하며 광에 대한 반응성이 높은 효과를 나타낸다. 또한, 밴드갭이 낮은 p형 텔루륨 산화물 반도체를 이용함으로써 가시광선 및 적외선과 같은 높은 파장의 빛에 대해서도 반응할 수 있다. 뿐만 아니라, 고온에서의 열처리 없이도 전기적 특성이 우수한 반도체 소자를 제조할 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 반도체 소자를 트랜지스터에 적용하면, 광 민감도가 우수하고, 넓은 파장 대역의 빛을 검출할 수 있으며, 범용성이 우수한 고성능의 광 검출기를 제조할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 반도체 소자의 개념도를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 광 검출기의 TeOx 층에서 파장에 따른 흡광도를 나타낸 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 광 검출기에 대해 TeOx 증착 시 산소 분압 조건에 따른 동작 특성을 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 광 검출기에 대해 TeOx 층의 두께에 따른 동작 특성을 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 광 검출기에 대해 n형 산화물 반도체의 종류에 따른 동작 특성을 나타낸 것이다.
다른 식으로 정의되지 않는 한, 본 명세서에서 사용된 모든 기술적 및 과학적 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 숙련된 전문가에 의해서 통상적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다. 일반적으로, 본 명세서에서 사용된 명명법은 본 기술 분야에서 잘 알려져 있고 통상적으로 사용되는 것이다.
본 명세서에서, 기판 또는 층과 같은 구성 요소가 다른 구성 요소 "상에" 있다고 할 때, 이는 다른 구성 요소의 바로 위에 있는 경우 뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 구성요소가 존재하는 경우를 포함할 수 있다.
본 발명은 산화물 반도체 기반의 P-N 접합을 이용한 반도체 소자, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 광 검출기에 관한 것이다.
본 발명의 반도체 소자는 n형 산화물 반도체와 p형 텔루륨 산화물 반도체가 P-N 접합을 형성한 구조를 갖는다. 이와 같이 높은 이동도를 가진 산화물 반도체로만 P-N 접합을 형성함으로써 p형 텔루륨 산화물 반도체 내부에서 형성된 전자 정공 쌍이 내부 전계를 통하여 쉽게 분리되어, 저전력의 빛에도 반응 가능한 반도체 소자를 제조할 수 있다. 또한, n형 산화물 반도체와 p형 텔루륨 산화물 반도체의 전자 친화도의 유사성을 이용하여, p형 텔루륨 산화물 반도체에서 분리된 전자가 n형 산화물 반도체로 쉽게 이동하도록 구성할 수 있다. 이에 따라, 본 발명의 반도체 소자는 저전력의 빛에도 우수한 반응성을 나타낼 수 있으며, 밴드갭이 낮은 p형 텔루륨 산화물 반도체를 이용하기 때문에 가시광선 및 적외선에도 반응할 수 있다. 뿐만 아니라, 본 발명에 따르면 300℃ 이상의 고온 열처리 없이도 반도체 소자를 제조할 수 있다.
본 발명의 반도체 소자는 기판; n형 산화물 반도체층; 및 p형 텔루륨 산화물 반도체층을 포함한다.
본 발명의 반도체 소자는, 기판 상에 n형 산화물 반도체층을 형성하는 단계; 및 상기 n형 산화물 반도체층 상에 p형 텔루륨 산화물 반도체층을 형성하는 단계에 의해 제조될 수 있다.
이하, 본 발명에 따른 반도체 소자의 구성 및 제조방법에 대하여 상세하게 설명한다.
본 발명에서 사용되는 기판의 종류는 특별히 제한되지 않으며, 반도체 소자의 제조에 일반적으로 사용되는 베이스 기판일 수 있다. 예를 들어, 상기 기판으로는 실리콘(Si), 글라스, PEN(polyethylene naphthalate), PET(polyethylene terephthalate), PS(polystyrene), PC(polycarbonate), PI(polyimide), PVC(polyvinyl chloride), PVP(polyvinylpyrrolidone), PE(polyethylene) 등을 사용할 수 있다.
또는, 상기 기판은 베이스 기판 상에 형성된 절연층일 수 있다. 상기 절연층은 전기 전도도가 낮은 물질로서 일반적인 반도체 소자의 층간 절연막으로 사용되는 물질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 절연층은 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 하프늄 산화물, 알루미늄 산화물, 텅스텐 산화물, 탄탈륨 산화물, 티타늄 산화물, 루세늄 산화물 등으로 형성될 수 있고, 절연성 폴리머로 형성될 수도 있다. 예를 들어, 본 발명의 제조방법에서, 상기 기판은 실리콘 웨이퍼 표면에 형성된 실리콘 산화막일 수 있다.
상기 n형 산화물 반도체는 금속 산화물로서, 인듐(In), 갈륨(Ga), 주석(Sn), 아연(Zn), 알루미늄(Al) 및 마그네슘(Mg)으로부터 선택되는 1종 이상의 금속 원소를 함유할 수 있다. 예를 들어, In-Sn-Ga-Zn-O 산화물 반도체, In-Ga-Sn-O 산화물 반도체, In-Ga-Zn-O 산화물 반도체, In-Sn-Zn-O 산화물 반도체, In-Al-Zn-O 산화물 반도체, In-Zn-O 산화물 반도체, In-Ga-O 산화물 반도체, Sn-Zn-O 산화물 반도체, Al-Zn-O 산화물 반도체, Zn-Mg-O 산화물 반도체, Sn-Mg-O 산화물 반도체, In-Mg-O 산화물 반도체, Zn-O 산화물 반도체, In-O 산화물 반도체, Sn-O 산화물 반도체 등을 사용할 수 있다. 또한, 상기 n형 산화물 반도체는 이들 이외의 원소, 예를 들어 SiO2를 포함할 수도 있다.
바람직하게, 상기 n형 산화물 반도체는 In-Ga-Sn-O(indium-gallium-tin-oxide, IGTO)일 수 있다. IGTO는 전자 이동도가 높고 소자의 구동 신뢰성이 높으며, 전자 친화도가 약 4.5eV로서 후술하는 p형 텔루륨 산화물 반도체와 유사한 전자 친화도를 갖는다. 따라서, p형 텔루륨 산화물 반도체에 광이 입사하는 경우 전자가 IGTO로 쉽게 이동할 수 있으므로, 광 민감도 및 반응성이 우수한 광 검출기를 제조할 수 있다. 또한, IGTO는 증착 후 300℃ 이상의 고온에서 열처리가 필요하지 않으므로 공정 친화적인 방법으로 반도체 소자를 제조할 수 있고, 내열성이 낮은 기판 상에도 형성될 수 있으며 플렉서블 장치에도 적용될 수 있다.
본 발명에서, 상기 n형 산화물 반도체는 밴드갭이 2eV 이상인 것이 바람직하며, 2.5eV 이상인 것이 더 바람직하다. n형 산화물 반도체로서 밴드갭이 넓은 물질을 이용하는 경우, 전자의 터널링이 줄어들어 누설 전류가 낮고 전기적 안정성이 우수한 효과를 얻을 수 있다.
상기 n형 산화물 반도체층의 형성은 당해 기술 분야에서 사용되는 다양한 증착 기술로 수행될 수 있다. 구체적으로, 스퍼터링(Sputtering), 화학기상증착(Chemical Vapor Deposition), 열진공 증착(Thermal Evaporation Deposition), 전자빔 증착(E-beam Evaporation Deposition), 원자층 증착(Atomic Layer Deposition) 등과 같은 공지된 증착 기술을 사용할 수 있다.
바람직하게, 상기 n형 산화물 반도체의 각 원소를 기반으로 하는 물질을 함유하는 타겟으로 스퍼터링하는 방법을 이용할 수 있다. 예를 들어, IGTO는 In, Ga, Sn 및 O 조성을 기반으로 하는 물질로 이루어진 반도체 타겟을 이용한 스퍼터링법에 의해 형성될 수 있다. 이 때 상기 반도체 타겟은 산화 인듐, 산화 갈륨 및 산화 주석으로 이루어질 수 있으며, In, Ga 및 Sn 각각은 In, Ga 및 Sn의 총 합에 대하여 60 내지 70원자%, 10 내지 25원자% 및 5 내지 30원자%의 비율로 포함될 수 있다.
상기 n형 산화물 반도체층의 두께는 5 내지 50nm, 바람직하게는 10 내지 30nm일 수 있다. 상기 범위에서, n형 산화물 반도체층에 채널이 완전하게 생성되면서 우수한 on/off 비율을 나타낼 수 있으므로 바람직하다. 상기 n형 산화물 반도체층의 두께가 너무 두꺼운 경우 캐리어 농도가 증가하고 off 전류가 상승할 수 있으며, 두께가 너무 얇은 경우 채널 형성이 어렵고 on 전류의 급격한 감소로 인하여 on/off 비율이 저하될 수 있다.
본 발명에서, 상기 n형 산화물 반도체층 형성 이후에, 열처리하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 열처리 과정에 의해, n형 산화물 반도체층의 트랩 밀도를 저감시키고, 전기적 특성을 향상시킬 수 있다.
상기 열처리는 30분 내지 2시간, 바람직하게는 50분 내지 90분 동안 수행될 수 있다. 열처리 온도는 n형 산화물 반도체의 종류에 따라 다를 수 있으며, 약 100 내지 500℃, 바람직하게는 100 내지 200℃, 더욱 바람직하게는 130 내지 170℃의 온도에서 수행될 수 있다. IGTO와 같이 열처리 온도가 낮은 n형 산화물 반도체를 이용하는 경우, 반도체층 하부에 위치하는 기판(절연층)의 특성을 변화시키지 않을 수 있고, 다양한 종류의 기판을 선택하여 사용할 수 있으며, 플렉서블 장치에도 이용할 수 있다.
상기 n형 산화물 반도체층 상에 p형 텔루륨 산화물 반도체층을 형성함으로써, P-N 접합을 형성한다.
반도체 간의 P-N 접합에서, p형 반도체로서 유기 반도체를 이용하여 하이브리드 결합을 형성하는 경우, 접합 중 생기는 트랩으로 인하여 저전력의 광에는 반응성이 낮다는 한계가 있다. 본 발명에서는 산소를 포함하여 높은 이동도를 가진 p형 텔루륨 산화물 반도체를 P-N 접합에 이용함으로써 p형 텔루륨 산화물 반도체 내부에서 형성된 전자 정공 쌍이 내부 전계를 통하여 쉽게 분리되도록 할 수 있다. 이에 따라 본 발명은 하이브리드 P-N 접합에서 나타나는 트랩 문제를 해결하여, 저전력의 빛에도 반응이 가능한 반도체 소자를 제조할 수 있다.
본 발명에서, 상기 p형 텔루륨 산화물 반도체는 밴드갭이 2eV 미만인 것이 바람직하며, 1.5eV 이하인 것이 더 바람직하다. p형 산화물 반도체로서 밴드갭이 좁은 물질을 이용하는 경우, n형 산화물 반도체의 넓은 밴드갭으로 인해 짧은 파장의 광만 검출 가능하다는 한계를 극복하여, 가시광선 영역의 빛, 나아가 적외선 영역의 빛까지 검출할 수 있다.
본 발명에서, n형 산화물 반도체와 p형 텔루륨 산화물 반도체의 전자 친화도 차이는 2eV 이하, 바람직하게는 1eV 이하일 수 있다. 이와 같이 n형 산화물 반도체와 p형 텔루륨 산화물 반도체의 전자 친화도가 유사하도록 구성함으로써, p형 텔루륨 산화물 반도체에서 분리된 전자가 배리어(barrier) 없이 n형 산화물 반도체에 쉽게 주입되도록 조절할 수 있다. 이에 따라, p형 텔루륨 산화물 반도체에 광이 입사하는 경우 n형 산화물 반도체에서 전자 농도의 증가가 쉽게 일어나므로, 광 민감도가 우수한 반도체 소자를 제조할 수 있다.
본 발명에서, 상기 p형 텔루륨 산화물 반도체는 TeOx로 나타낼 수 있으며, 상기 TeOx에서 x는 0 < x < 2일 수 있고, 바람직하게는 0.5 < x < 1.5일 수 있다. TeOx에서 x가 상기 범위 이내일 때 2eV 미만의 좁은 밴드갭을 가지면서 n형 산화물 반도체와 유사한 수준의 전자 친화도를 갖게 되는 바, 광 민감도가 우수하면서 넓은 파장 영역대의 다양한 광에 대해 반응할 수 있다.
상기 p형 텔루륨 산화물 반도체층의 형성은 당해 기술 분야에서 사용되는 다양한 증착 기술로 수행될 수 있다. 구체적으로, 스퍼터링(Sputtering), 화학기상증착(Chemical Vapor Deposition), 열진공 증착(Thermal Evaporation Deposition), 전자빔 증착(E-beam Evaporation Deposition), 원자층 증착(Atomic Layer Deposition) 등과 같은 공지된 증착 기술을 사용할 수 있으며, 이 중 스퍼터링이 가장 바람직하다. 예를 들어, 진공 챔버 내에서 텔루륨을 타겟으로 하고, 캐리어 가스인 아르곤 기체 및 반응성 가스인 산소 기체를 투입하는 반응성 스퍼터링을 사용하여 p형 텔루륨 산화물 반도체를 증착시킬 수 있다.
본 발명에서, 상기 p형 텔루륨 산화물 반도체의 증착은 산소 분압이 2 내지 25%, 바람직하게는 3 내지 20%, 더욱 바람직하게는 5 내지 18%, 가장 바람직하게는 10 내지 15%인 조건 하에서 수행될 수 있다. 상기 산소 분압은 증착 공정 시 주입된 전체 기체의 압력에 대한 산소 기체의 압력의 백분율로 정의된다. 본 발명에서, p형 텔루륨 산화물 반도체 증착 시 산소 분압이 너무 낮거나 높으면 광 민감도 및 반응성이 떨어지고, 게이트 전압에 따른 전류의 변화가 안정적이지 못한 결과가 나타날 수 있다. 본 발명의 실시예에서는 5 내지 18% 범위의 산소 분압 조건에서 텔루륨 산화물 반도체층을 형성하는 경우 낮은 광량의 빛에도 반응이 나타나고, 빛의 전력 변화에 따른 반응성이 우수하며, 빛이 입사되지 않는 경우 문턱 전압이 0V에 가까운 결과를 확인하였으며, 특히 10 내지 15%일 때 가장 우수한 효과를 보이는 것을 확인하였다.
본 발명에서, 상기 p형 산화물 반도체층의 두께는 1 내지 20nm일 수 있으며, 2 내지 10nm인 것이 바람직하고, 특히 3 내지 6nm인 것이 더욱 바람직하다. 본 발명의 P-N 접합 구조에서는 p형 텔루륨 산화물 반도체층의 경우 두께가 두꺼워짐에 따라 광 민감도가 개선되는 경향이 나타나고, 특히 특정 두께 범위에서 22μW 수준의 낮은 광량에도 반응이 가능한 효과가 나타난다. 구체적으로, p형 텔루륨 산화물 반도체층이 너무 두껍게 형성되면 소자의 소형화가 어렵고, 소비전력이 높아지며, 게이트 전압에 따른 드레인 전류 변화가 안정적이지 못한 결과가 나타날 수 있다. 본 발명의 실시예에서는, p형 텔루륨 산화물 반도체층의 두께가 2 내지 10nm일 때 광 민감도 및 반응성이 우수하고, 특히 3 내지 6nm일 때 광 민감도, 반응성 및 소비전력이 모두 우수함을 확인할 수 있었다.
본 발명에서, p형 텔루륨 산화물 반도체층을 형성한 후 열처리하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 열처리 과정에 의해, 반도체층의 전기적 특성을 향상시킬 수 있고, 막질을 개선할 수 있다.
상기 열처리는 대기, 산소, 또는 진공 분위기에서 약 100 내지 200℃, 더욱 바람직하게는 130 내지 170℃의 온도에서 수행될 수 있다. 상기 열처리는 약 30분 내지 2시간, 바람직하게는 약 50분 내지 90분 동안 수행될 수 있다. 종래에는 반도체층 형성 시 300℃ 이상의 고온에서 열처리를 진행하였으나, 본 발명에서는 종래 기술 대비 저온에서 열처리를 진행할 수 있으므로 바람직하다.
본 발명에 따른 반도체 소자는 n형 산화물 반도체와 p형 텔루륨 산화물 반도체를 접합시켜 형성된 P-N 접합 구조를 갖는다. 본 발명에서는 이와 같이 높은 이동도를 가진 산화물 반도체로만 P-N 접합을 형성함으로써, 저전력의 빛에도 반응 가능한 반도체 소자를 제조할 수 있다.
구체적으로, 본 발명의 반도체 소자에서, 빛이 입사되면 p형 텔루륨 산화물 반도체에서 전자 정공 쌍이 쉽게 분리되고, 분리된 전자가 n형 산화물 반도체로 이동하여 전류를 형성한다. 이 때, n형 산화물 반도체와 p형 텔루륨 산화물 반도체의 유사한 전자 친화도로 인해 전자의 이동이 쉽게 일어날 수 있다. 전자가 이동하면 n형 산화물 반도체 내부에 전자 농도가 증가함으로써 문턱 전압이 음의 방향으로 이동되는데, 본 발명의 반도체 소자에서는 이와 같은 전자의 이동이 쉽게 일어나기 때문에 저전력의 빛에도 우수한 반응성을 나타낼 수 있다.
또한, n형 산화물 반도체에 비해 밴드갭이 낮은 p형 텔루륨 산화물 반도체를 접합함으로써, 자외선 뿐만 아니라 가시광선과 적외선에도 반응이 가능한 반도체 소자를 구성할 수 있다.
이에 따라, 본 발명의 반도체 소자를 이용하면 광 민감도가 우수하면서 넓은 파장 대역의 빛을 검출할 수 있는 고성능의 광 검출기를 제조할 수 있다.
본 발명은 또한, 상기 반도체 소자를 포함하는 광 검출기에 관한 것이다.
본 발명에서, 상기 광 검출기는 박막 트랜지스터 구조를 갖는 광 전계 효과 트랜지스터(photo field effect transistor)일 수 있다. 트랜지스터는 반도체로 이루어진 전자회로의 구성요소로, 전류의 흐름을 조절하는 역할을 한다. 트랜지스터의 주요 구성 요소는 기판, 게이트 전극, 게이트 절연막, 소스 전극, 드레인 전극, 반도체 채널을 형성하는 활성층, 및 보호막으로, 게이트 전극에 전압을 인가하여 반도체 채널을 통해 소스 전극에서 드레인 전극으로 전자를 이동시키는 원리로 구동된다. 본 발명에서, n형 산화물 반도체층이 채널층으로 사용될 수 있으며, p형 텔루륨 산화물 반도체층이 광반응층의 역할을 하여, 광 검출기를 구성할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 광 검출기의 개략도를 나타낸 것이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 광 검출기는 기판(10); 상기 기판(10) 상에 위치하는 절연층(20); 상기 절연층(20) 상에 위치하며, n형 산화물 반도체를 포함하는 채널층(30); 상기 채널층(30) 상에 위치하며, p형 텔루륨 산화물 반도체를 포함하는 광반응층(40); 및 상기 채널층(30) 상에 위치하며, 채널층(30)의 양 단부에 상호 이격되어 배치되는 소스 전극(50) 및 드레인 전극(60)을 포함할 수 있다. 이 때, 상기 광반응층(40)은 소스 전극(50) 및 드레인 전극(60) 사이에 배치될 수 있다. 또한, 상기 광반응층(40)의 길이가 채널층(30)의 채널 길이(즉, 소스 전극 및 드레인 전극 사이의 채널층의 길이)보다 짧도록 구성하여, 광반응층(40)이 소스 전극(50) 및 드레인 전극(60) 사이에 이격된 형태로 배치될 수 있다. 이러한 구조에 따라, p형 텔루륨 산화물 반도체가 소스 전극 및 드레인 전극에 영향을 주지 않도록 구성하여 고성능의 광 검출기를 제조할 수 있다.
상기 광 검출기에서, 기판은 실리콘(Si) 웨이퍼, 글라스, PEN(polyethylene naphthalate), PET(polyethylene terephthalate), PS(polystyrene), PC(polycarbonate), PI(polyimide), PVC(polyvinyl chloride), PVP(polyvinylpyrrolidone), PE(polyethylene) 등을 사용할 수 있다. 상기 기판은 게이트 전극으로 작용하거나, 기판 상에 게이트 전극을 별도로 구비할 수도 있다.
예를 들어, 상기 기판 상에는 게이트 전극(미도시)이 위치할 수 있다. 상기 게이트 전극은 반도체 채널 사이의 전류를 조절하는 역할을 하는 것으로, 기판 상에 일 방향으로 연장되어 형성된다. 게이트 전극으로서는 알루미늄, 크롬, 구리, 탄탈륨, 티타늄, 몰리브덴, 텅스텐 또는 이들의 합금과 같은 도전성 금속; 인듐아연산화물(IZO), 인듐주석산화물(ITO) 등의 금속 산화물 투명 전극; 또는 다결정 실리콘을 사용할 수 있다.
상기 기판 상에는 절연층이 위치한다. 상기 절연층은 게이트 전극과 반도체 채널을 분리하는 역할을 하며, 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 실리콘 산질화물, 알루미늄 산화물, 알루미늄 산질화물, 하프늄 산화물, 지르코늄 산화물 등으로 형성될 수 있고, 그 밖에 다른 물질로서 유전상수가 큰 고유전물질(high-k)로 형성될 수 있다.
상기 절연층 상에는 n형 산화물 반도체를 포함하는 채널층이 위치한다. 상기 채널층은 게이트 전극과 소스/드레인 전극 사이에서 채널 역할을 하며, 전하 농도가 높고 이동도가 우수한 물질로 형성하는 것이 바람직하다.
상기 채널층 상에는 p형 텔루륨 산화물 반도체를 포함하는 광반응층이 위치하여, n형 산화물 반도체를 포함하는 채널층과 P-N 접합을 형성하게 된다. 본 발명에서는 이와 같이 산화물 반도체 간 P-N 접합을 형성하여, p형 텔루륨 산화물 반도체 내부에서 형성된 전자 정공 쌍이 내부 전계를 통해 쉽게 분리되도록 구성할 수 있다. 광반응층에서 분리된 전자는 채널층으로 인가되어 전류 형성에 기여하며, 채널층 내부의 전자 농도를 증가시킴으로써 문턱 전압을 음의 방향으로 이동시킨다. 본 발명에 따라 산화물 반도체 기반의 P-N 접합을 이용한 반도체 소자를 트랜지스터 구조의 광 검출기에 적용하면, 낮은 광량에도 반응하여 우수한 광 민감도를 갖는 광 검출기를 제조할 수 있다. 또한, 광반응층에 밴드갭이 낮은 p형 텔루륨 산화물 반도체를 적용함으로써, 자외선 뿐만 아니라 가시광선 및 적외선에 이르는 넓은 파장 범위의 광을 검출할 수 있다.
본 발명에 따른 광 검출기에서, 채널층에 사용되는 n형 산화물 반도체 및 광반응층에 사용되는 p형 텔루륨 산화물 반도체에 대한 설명은 상기 반도체 소자에 대한 설명에서 상술한 바와 동일하므로, 자세한 설명은 생략한다.
상기 소스 전극은 전자를 공급하는 전극이며 상기 드레인 전극은 전자를 받는 전극으로서, 알루미늄, 네오디뮴, 은, 크롬, 티타늄, 탄탈륨, 몰리브덴 또는 이들의 합금과 같은 도전성 금속; 또는 인듐아연산화물(IZO), 인듐주석산화물(ITO) 등의 금속 산화물 투명 전극을 사용할 수 있다.
본 발명의 광 검출기는 3단자 소자인 전계 효과 트랜지스터와 2단자 소자인 P-N 접합 구조가 공존하는 트랜지스터로서, 채널층의 n형 산화물 반도체와 광반응층의 p형 텔루륨 산화물 반도체 사이에 P-N 접합이 형성된다. 본 발명에서 p형 반도체로서 산화물 반도체를 이용함으로써, 산소를 포함하여 이동도가 높은 산화물 반도체로만 P-N 접합을 구성할 수 있다. 따라서, P-N 접합 중 발생하는 트랩에 의한 결함을 감소시켜, 저전력의 빛에도 반응하는 광 검출기를 제조할 수 있다. 또한, n형 산화물 반도체보다 좁은 밴드 갭을 가진 p형 텔루륨 산화물 반도체를 사용함으로써 자외선 뿐만 아니라 가시광선 및 적외선에도 반응하는 광 검출기를 제조할 수 있다.
본 발명의 광 검출기는 광반응이 필요한 다양한 장치 및 분야에 적용될 수 있으며, 예를 들어 사물인터넷(Internet of Things, IoT), 인공지능(Artificial Intelligence, AI), 광 센서 등에 적용되어, 광 민감도를 개선하면서 소비전력을 저감시키는 효과를 나타낼 수 있다. 또한, 본 발명의 반도체 소자는 제조 시 300℃ 이상의 고온에서 열처리하는 공정이 필요하지 않아, 플렉서블 장치의 제조에도 유용하게 이용될 수 있다.
실시예
이하 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다. 단, 이들 실시예는 본 발명을 예시적으로 설명하기 위하여 일부 실험방법과 조성을 나타낸 것으로, 본 발명의 범위가 이러한 실시예에 제한되는 것은 아니다.
제조예 1: 산화물 반도체 기반의 P-N 접합을 이용한 광 검출기 제조
n형 산화물 반도체 및 p형 텔루륨 산화물 반도체 간에 P-N 접합이 형성된 광 검출기를 제조하였다.
Si P++ 웨이퍼를 산화시켜, 1,000Å 두께의 SiO2 절연층을 성장시켰다. 상기 SiO2 절연층 상에 마그네트론 스퍼터링을 통해 15nm의 IGTO 채널층을 형성하였다. 스퍼터링은 상온에서 수행하였으며, 50W의 DC 파워를 주며 2mTorr 조건에서 Ar 유량을 10sccm으로 하여 230초 동안 증착을 수행하였다. 형성된 IGTO의 밴드갭은 약 3eV 이상이며, 전자 친화도는 약 4.5eV였다.
상기 IGTO 채널층 상에 새도우 마스크를 배치하고 Ar 분위기 하에서 전극 패턴을 증착하여, 상기 IGTO 박막의 양측 단부에 소스/드레인 전극으로서 ITO 전극을 형성하였다. 그 후, 150℃에서 60분 동안 열처리를 수행하였다.
IGTO 상의 ITO 전극 사이에 Te 타겟을 이용하여 마그네트론 스퍼터링 함으로써, 약 4nm 두께의 TeOx 층을 형성시켰다. 스퍼터링은 상온에서 수행하였으며, 26W의 DC 파워를 주며 2mTorr 조건에서 챔버 내에 반응가스인 산소(O2)와 캐리어 가스인 아르곤(Ar)을 공급하여 산소분압을 14%로 조절하고, 28초 동안 증착을 수행하였다.
이후, 150℃에서 60분 동안 열처리하여 트랜지스터 구조의 광 검출기를 제조하였다.
이 때, XRS 측정 결과 TeOx 층에서 Te와 O의 조성비는 Te0.48O0.52로 측정되었다. 형성된 TeOx의 밴드갭은 약 1eV였으며, 전자 친화도는 약 4eV였다.
제조된 광 검출기의 p형 텔루륨 산화물 반도체층에 대하여, 빛의 파장에 따른 흡광도를 측정한 결과를 도 2에 나타내었다. 도 2를 참고하면, 본 발명에 따른 p형 텔루륨 산화물 반도체는 밴드갭이 좁아 가시광 영역 뿐만 아니라 적외선 영역의 광도 검출 가능하다는 것을 확인할 수 있었다.
실험예 1: p형 TeO x 증착 시 산소 분압에 따른 광 검출기의 동작 특성 분석
제조예 1의 방법에 따르되, TeOx 층 증착 시 산소 분압을 0%, 7%, 14% 및 19%로 변화시켜 광 검출기를 제조하였다. 각 광 검출기에 광량을 0μW(dark), 22μW, 153μW, 0.76mW 및 1.3mW로 변화시키면서 533nm 파장의 광을 입사시키고, 게이트 전압에 따른 전류 그래프를 도 3에 나타내었다.
도 3을 참고하면, 산소 분압 0% 조건에서 증착시킨 경우 저전력의 빛(22μW)을 입사시켰을 때 반응이 일어나지 않으며, 전압에 따른 전류 변화가 안정적이지 않아 그래프가 일그러진 형상으로 나타났다.
산소 분압을 7%로 증가시킨 경우, 저전력의 빛에도 반응을 보였으며, 광량에 따른 문턱 전압 변화가 큰 결과가 나타났다. 이로부터 광 민감도 및 반응성이 향상되었음을 확인할 수 있었다. 다만, 전압-전류 그래프가 일그러진 형상을 갖는 결과를 보였다.
산소 분압 조건이 14%인 경우 저전력의 빛에도 반응성을 보이며, 광량의 증가에 따라 문턱 전압이 큰 폭으로 이동하고, 그래프가 안정적으로 나타나는 결과를 보였다. 이에 따라, 광 민감도 및 반응성이 매우 우수한 고성능의 광검출기를 제조할 수 있음을 확인할 수 있었다.
산소 분압 조건을 19%로 증가시킨 경우에도 광 민감도는 우수하게 나타났다. 다만, Dark 상태에서의 문턱 전압이 -10V 정도로 소비전력이 높아지고, 전력 변화에 따른 반응성 변화가 크지 않은 결과가 나타났다.
이러한 결과로부터, 텔루륨 산화물 반도체층 증착 시 산소 분압 조건이 2 내지 25%일 때 광 민감도가 향상되며, 5 내지 18%일 때 광 민감도, 반응성 및 소비전력이 모두 우수하고, 특히 10 내지 15%일 때 가장 우수한 효과를 보이는 것을 확인하였다.
실험예 2: p형 TeO x 두께에 따른 광 검출기의 동작 특성 분석
제조예 1의 방법에 따르되, TeOx 층의 두께를 0nm(미증착), 2nm, 4nm 및 7nm로 변화시켜 광 검출기를 제조하였다. 각 광 검출기에 광량을 0μW(dark), 22μW, 153μW, 0.76mW 및 1.3mW로 변화시키면서 533nm 파장의 광을 입사시키고, 게이트 전압에 따른 전류 그래프를 도 4에 나타내었다.
도 4를 참고하면, TeOx 층을 증착하지 않은 경우 광 민감도와 반응성이 낮은 반면, TeOx 층을 증착하면 광 민감도 및 반응성이 개선되고, 두께의 증가에 따라 이러한 효과가 향상되는 경향을 확인할 수 있었다.
특히, 두께가 4nm인 경우 저전력의 광에 대해 반응이 나타나는 결과를 통해 광 민감도가 우수하고, 광량에 따른 문턱 전압의 변화량이 매우 큰 결과를 통해 반응성이 우수한 것을 확인하였다.
두께가 7nm로 증가한 경우 광 민감도는 우수한 수준으로 나타났지만, 그래프가 안정적이지 않고 일그러진 형상을 나타내었다. 또한, Dark 상태에서의 문턱 전압이 0V에서 멀어지는 결과를 통해 소비 전력 면에서 성능이 저하되었음을 알 수 있었다.
이러한 결과로부터, TeOx 박막의 두께가 2 내지 10nm일 때 광 민감도 및 반응성이 우수하고, 특히 3 내지 6nm일 때 광 민감도, 반응성 및 소비전력이 모두 우수함을 확인할 수 있었다.
실험예 3: n형 산화물 반도체의 종류에 따른 광 검출기의 동작 특성 분석
n형 산화물 반도체로서 IGTO 또는 IGZO를 이용하고, TeOx 층의 증착 시 산소 분압/두께 조건을 각각 7%/4nm, 14%/4nm 및 14%/2nm로 조절하여 광 검출기를 제조하였다.
IGTO를 이용한 경우 제조예 1의 방법에 따르되 상기 TeOx 층의 증착 조건만 변경하였으며, IGZO를 이용한 경우 마그네트론 스퍼터링을 이용하되, 상온에서 50W의 RF 파워를 주며 2mTorr 조건에서 Ar 유량을 20sccm으로 하여 620초 동안 증착을 수행함으로써, 20nm의 IGZO 채널층을 형성하였다. 또한, 채널층으로 IGZO를 이용한 경우 ITO 증착 후 열처리 조건을 400℃, 60분으로 변경하였다.
각 광 검출기에 광량을 0μW(dark), 22μW, 153μW, 0.76mW 및 1.3mW로 변화시키면서 533nm 파장의 광을 입사시키고, 게이트 전압에 따른 전류 그래프를 도 5에 나타내었다.
도 5를 참고하면, p형 TeOx 층의 조건을 동일하게 설정했을 때 n형 산화물 반도체로서 IGTO를 이용한 경우 광량이 낮은 경우에도 문턱 전압이 변화하므로 광 민감도가 높고, 광량의 변화에 따른 반응성이 높지만, IGZO를 이용한 경우 광 민감도 및 반응성이 현저히 떨어지는 결과를 확인할 수 있다.
이에 따라, p형 TeOx 층과 접합하는 n형 산화물 반도체로서 IGTO를 사용하는 경우 p형 TeOx와 상용성이 우수하여, 광 민감도 및 반응성이 모두 뛰어난 광 검출기를 제조할 수 있음을 확인하였다.
이상으로 본 발명의 내용의 특정부분을 상세히 기술하였는 바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서, 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서, 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.
10: 기판 20: 절연층
30: 채널층 40: 광반응층
50: 소스 전극 60: 드레인 전극

Claims (15)

  1. 기판; n형 산화물 반도체층; 및 p형 텔루륨 산화물 반도체층을 포함하는 반도체 소자로서,
    상기 p형 텔루륨 산화물 반도체가 TeOx로 표시되고, x가 0.5 < x < 1.5이며,
    상기 n형 산화물 반도체와 p형 텔루륨 산화물 반도체가 접하는 구조를 갖는, 반도체 소자.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 n형 산화물 반도체가 인듐(In), 갈륨(Ga), 주석(Sn), 아연(Zn), 알루미늄(Al) 및 마그네슘(Mg)으로 구성된 군에서 선택되는 1종 이상의 금속 원소를 함유하는 금속 산화물인, 반도체 소자.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 n형 산화물 반도체의 밴드갭이 2eV 이상인, 반도체 소자.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 n형 산화물 반도체층의 두께가 5 내지 50nm인, 반도체 소자.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 n형 산화물 반도체와 p형 텔루륨 산화물 반도체의 전자 친화도 차이가 2eV 이하인, 반도체 소자.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 p형 텔루륨 산화물 반도체의 밴드갭이 2eV 미만인, 반도체 소자.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 p형 텔루륨 산화물 반도체층의 두께가 1 내지 20nm인, 반도체 소자.
  8. 기판 상에 n형 산화물 반도체층을 형성하는 단계; 및
    상기 n형 산화물 반도체층 상에 p형 텔루륨 산화물 반도체층을 형성하는 단계
    를 포함하는, 반도체 소자의 제조방법으로서,
    상기 p형 텔루륨 산화물 반도체가 TeOx로 표시되고, x가 0.5 < x < 1.5이며,
    상기 n형 산화물 반도체와 p형 텔루륨 산화물 반도체가 접하는 구조를 갖는, 반도체 소자의 제조방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 n형 산화물 반도체층 및 p형 텔루륨 산화물 반도체층의 형성이 각각 독립적으로 스퍼터링, 화학기상증착, 열진공 증착, 전자빔 증착 또는 원자층 증착에 의하여 수행되는, 반도체 소자의 제조방법.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 n형 산화물 반도체층 형성 단계 이후,
    100 내지 500℃로 열처리하는 단계를 더 포함하는, 반도체 소자의 제조방법.
  11. 제 8 항에 있어서,
    상기 p형 텔루륨 산화물 반도체층의 형성이 2 내지 25%의 산소 분압 조건 하에서 수행되는, 반도체 소자의 제조방법.
  12. 제 8 항에 있어서,
    상기 p형 텔루륨 산화물 반도체층 형성 단계 이후,
    100 내지 200℃로 열처리하는 단계를 더 포함하는, 반도체 소자의 제조방법.
  13. 기판;
    상기 기판 상에 위치하는 절연층;
    상기 절연층 상에 위치하며 n형 산화물 반도체를 포함하는 채널층;
    상기 채널층 상에 위치하며, p형 텔루륨 산화물 반도체를 포함하는 광반응층; 및
    상기 채널층 상에 위치하며, 채널층의 양 단부에 상호 이격되어 배치되는 소스 전극 및 드레인 전극을 포함하고,
    상기 광반응층이 상기 소스 전극 및 드레인 전극 사이에 배치되며,
    상기 p형 텔루륨 산화물 반도체가 TeOx로 표시되고, x가 0.5 < x < 1.5이며,
    상기 n형 산화물 반도체와 p형 텔루륨 산화물 반도체가 접하는 구조를 갖는, 광 검출기.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 광반응층이 상기 소스 전극 및 드레인 전극과 접하지 않도록 이격되어 배치되는, 광 검출기.
  15. 제 13 항에 있어서,
    상기 광 검출기가 상기 기판 및 절연층 사이에 위치하는 게이트 전극을 더 포함하는, 광 검출기.
KR1020210075424A 2021-06-10 2021-06-10 산화물 반도체 기반의 p-n 접합을 이용한 반도체 소자, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 광 검출기 KR102420428B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020210075424A KR102420428B1 (ko) 2021-06-10 2021-06-10 산화물 반도체 기반의 p-n 접합을 이용한 반도체 소자, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 광 검출기

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020210075424A KR102420428B1 (ko) 2021-06-10 2021-06-10 산화물 반도체 기반의 p-n 접합을 이용한 반도체 소자, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 광 검출기

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR102420428B1 true KR102420428B1 (ko) 2022-07-13

Family

ID=82401657

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020210075424A KR102420428B1 (ko) 2021-06-10 2021-06-10 산화물 반도체 기반의 p-n 접합을 이용한 반도체 소자, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 광 검출기

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102420428B1 (ko)

Non-Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Khadijeh Miarabbas Kiani. Thulium-doped tellurium oxide waveguide amplifier with 7.6 dB net gain on a silicon nitride chip, 2019. 공개 *
Khalef W. K., Aljubouri A. A., Faisal A. D., . 2020 Photo detector fabrication based ZnO nanostructure on silicon substrate, 2020.공개 *
S. Imura et al. Low-voltage-operation avalanche photodiode based on n-gallium oxide/p-crystalline selenium heterojunction, 2014 공개 *
Zhengrong Yao et al. Synthesis and properties of tellurium-nitrogen co-doped ZnO micro-/nano-rods, 2019 공개 *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Park et al. 42.3: Transparent ZnO thin film transistor for the application of high aperture ratio bottom emission AM‐OLED display
Park et al. Transparent and photo‐stable ZnO thin‐film transistors to drive an active matrix organic‐light‐emitting‐diode display panel
Li et al. Fabrication conditions for solution-processed high-mobility ZnO thin-film transistors
EP2068368B1 (en) Method for manufacturing n-type and p-type chalcogenide thin film transistor
KR102325523B1 (ko) 금속 칼코게나이드 소자 및 그 제조 방법
US7915101B2 (en) Thin film transistor and organic light emitting display using the same
JP2010518619A (ja) 銅ニッケル及びガリウム−スズ−亜鉛−銅−チタンのｐ型及びｎ型酸化物に基づく電子半導体デバイス、周辺機器及びその製造工程
Liang et al. Recent progress of deep ultraviolet photodetectors using amorphous gallium oxide thin films
Huang et al. A self-powered ultraviolet photodiode using an amorphous InGaZnO/p-silicon nanowire heterojunction
Li et al. Progress in semiconducting oxide-based thin-film transistors for displays
CN111373563B (zh) 具有改善的可见光吸收率的氧化物半导体光电晶体管及其制造方法
KR20200048037A (ko) 페로브스카이트 태양전지 및 그 제조방법
Hasan et al. Solution processed high performance perovskite quantum dots/ZnO phototransistors
US9070779B2 (en) Metal oxide TFT with improved temperature stability
KR102420428B1 (ko) 산화물 반도체 기반의 p-n 접합을 이용한 반도체 소자, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 광 검출기
CN115210850A (zh) 碲氧化物和包括作为沟道层的碲氧化物的薄膜晶体管
US11600796B2 (en) Quantum dot light-emitting diode and method of fabricating the same
Kim et al. Photofield effect and photoresponse properties of the transparent oxide-based BaInZnO thin-film transistors
KR101139134B1 (ko) 산화물 반도체 박막의 형성 방법, 산화물 반도체 트렌지스터, 및 산화물 반도체 트렌지스터의 형성 방법
CN110660865A (zh) 一种可靠的双极性SnO薄膜晶体管及其制备方法
Djeffal et al. Enhanced photoresponse of ultraviolet photodetector via RF sputtered ZnO/a-SiC heterostructure
KR102395180B1 (ko) 박막 트랜지스터 광 센서 및 이의 제조방법
KR101041866B1 (ko) 반도체 소자 제조 방법
KR102628292B1 (ko) 텔루륨계 반도체 소자의 제조방법, 이에 의해 제조된 텔루륨계 반도체 소자 및 박막 트랜지스터
Yang et al. Optical and photo-electrical properties of zinc tin oxide thin-film phototransistor

Legal Events

Date Code Title Description
GRNT Written decision to grant