KR102485133B1 - High efficiency nitride-based photo detector - Google Patents

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Abstract

본 발명은, AlGaN/GaN 이종 접합 박막 구조를 갖는 반도체 소자에 있어서, 게이트 전극에 인가되는 게이트 전압에 따라 광 여기 전류가 증가 또는 감소하는 광 검출기를 제공하는 것을 목적으로 한다. 본 발명은 기판; 상기 기판의 상부에 존재하는 AlyGa1-yN 채널층; 및 상기 채널층의 상부에 존재하는 n형 AlxGa1-xN 배리어층을 포함하며, 상기 n형 AlxGa1-xN 배리어층의 상부에는 게이트 전극, 소스 전극 및 드레인 전극이 형성되어 있으며, 상기 게이트 전극은 상기 소스 전극 및 상기 드레인 전극 사이에 배치되어 있고, 상기 x 및 y는 0≤y<x, 0<x<1 및 0≤y<1을 만족하며, 상기 게이트 전극에 인가되는 게이트 전압에 따라 광 여기 전류가 증가 또는 감소하는 것을 특징으로 하는 광 검출기를 제공한다.An object of the present invention is to provide a photodetector in which a photoexcitation current increases or decreases according to a gate voltage applied to a gate electrode in a semiconductor device having an AlGaN/GaN heterojunction thin film structure. The present invention is a substrate; an Al y Ga 1-y N channel layer present on top of the substrate; and an n-type Al x Ga 1-x N barrier layer present on top of the channel layer, and a gate electrode, a source electrode, and a drain electrode are formed on the n-type Al x Ga 1-x N barrier layer. The gate electrode is disposed between the source electrode and the drain electrode, and x and y satisfy 0≤y<x, 0<x<1 and 0≤y<1, and applied to the gate electrode Provided is a photodetector characterized in that a photoexcitation current increases or decreases according to a gate voltage.

Description

고효율 질화물계 광 검출기{HIGH EFFICIENCY NITRIDE-BASED PHOTO DETECTOR}High-efficiency nitride-based photodetector {HIGH EFFICIENCY NITRIDE-BASED PHOTO DETECTOR}

본 발명은 고효율 질화물계 광 검출기에 관한 것이다.The present invention relates to a highly efficient nitride-based photodetector.

최근, 질화물 반도체는 우수한 물리적, 화학적 특성으로 인해 반도체 광소자 뿐만 아니라, 고 이동도 트랜지스터, 전력 반도체 및 센서 등의 반도체 전자소자로서도 각광받고 있다. 그 중에서도 GaN 물질은 3.4eV의 밴드갭 에너지를 가지고 있어, 광 센서로 사용 시 약 365nm의 자외선 영역에서의 검출이 가능하다. 이러한 GaN 기반의 광 센서는 금속-질화물 반도체-금속 구조, 쇼트키 다이오드 구조, PN 접합 구조 등 다양한 구조로 제작되고 있다. 최근 4차 산업혁명이 도래함에 따라서 센서 산업이 확대되고 있으며, 여러 개의 소자를 조립한 one-chip 복합 센서가 제조되고 있다. 이에 하나의 Chip에 대한 빠른 반응 속도, 높은 민감도 특성이 요구되고 있으며, 도 1에 나타낸 바와 같은 AlGaN/GaN 이종 접합 구조의 광 센서에 대한 연구가 진행되고 있다.Recently, nitride semiconductors have been spotlighted not only as semiconductor optical devices but also semiconductor electronic devices such as high-mobility transistors, power semiconductors, and sensors due to their excellent physical and chemical properties. Among them, GaN material has a bandgap energy of 3.4eV, and when used as an optical sensor, detection in the ultraviolet region of about 365nm is possible. These GaN-based optical sensors are manufactured in various structures such as a metal-nitride semiconductor-metal structure, a Schottky diode structure, and a PN junction structure. Recently, with the arrival of the 4th industrial revolution, the sensor industry is expanding, and one-chip composite sensors in which several elements are assembled are being manufactured. Accordingly, fast response speed and high sensitivity characteristics for one chip are required, and research on an optical sensor having an AlGaN/GaN heterojunction structure as shown in FIG. 1 is being conducted.

일반적인 질화물 반도체 광 센서는 사파이어 기판 위에 고품질의 GaN 박막을 형성한 후, Ohmic contact을 만족하는 전극과 반도체 표면으로 구성된 M-S-M(금속-질화물-금속) 구조로 이루어진다. 따라서, 외부로부터 빛이 GaN 박막 부분에 주입될 때, 광전 효과에 의해 금속 표면에서 전자와 정공이 형성되며, 외부 광에 의해 생성된 전자에 의해 GaN 박막의 저항이 변화되어 작동된다. 주입되는 광에 의해 형성되는 전류를 향상시키기 위해, 전극의 구조를 변경시켜서 빛이 주입되는 면적을 확대시키거나, 광전 효과가 발생하는 GaN 박막의 구조를 변경시켜 빛이 주입되는 부분의 면적을 확대시킴으로써, 광 주입에 따라 형성되는 광 전류의 값, 광 민감도를 향상시킨다. A general nitride semiconductor optical sensor consists of an M-S-M (metal-nitride-metal) structure consisting of an electrode that satisfies an Ohmic contact and a semiconductor surface after forming a high-quality GaN thin film on a sapphire substrate. Therefore, when light is injected into the GaN thin film from the outside, electrons and holes are formed on the metal surface by the photoelectric effect, and the resistance of the GaN thin film is changed by the electrons generated by the external light to operate. In order to improve the current formed by the injected light, the area into which the light is injected is enlarged by changing the structure of the electrode or the area into which the light is injected is increased by changing the structure of the GaN thin film where the photoelectric effect occurs. By doing so, the value of the photocurrent formed by light injection and the photosensitivity are improved.

예를 들면, 도 2의 (a)에 나타낸 바와 같이, 먼저 전극의 구조를 깍지 낀 형태(Interdigitated structure)로 제작하면, 반응이 일어나는 GaN 박막 영역의 빛이 주입되는 면적을 확대됨으로써 광 반응도가 향상된다. 또한, 도 2의 (b)에 나타낸 바와 같이, 전극 사이에 1차원 박막 구조가 아닌 2차원 나노 구조체를 성장시켜, 반응이 일어나는 부분의 표면적을 넓게 제작하면 광 반응도가 향상된다. 하지만 이와 같은 구조 모두 단순한 박막 구조의 센서에 비해서는 높은 광 반응을 가지지만, 반응 시간에는 한계가 있다. 이에 최근 연구 그룹들은 GaN 박막과 AlGaN 박막의 이종 접합 구조를 이용하여 높은 전자 이동도 특성을 가지는 구조를 활용하는 광 센서 연구를 진행하고 있다. 이러한 GaN/AlGaN 이종 접합구조는 도 3의 (a)에 나타내었다. For example, as shown in (a) of FIG. 2, if the structure of the electrode is first manufactured in an interdigitated structure, the light reactivity is improved by expanding the area where light is injected in the GaN thin film region where the reaction occurs do. In addition, as shown in (b) of FIG. 2, the photoreactivity is improved by growing a two-dimensional nanostructure rather than a one-dimensional thin film structure between electrodes to widen the surface area of the portion where the reaction occurs. However, although all of these structures have a higher light response compared to sensors having a simple thin film structure, there is a limit to the response time. Accordingly, recent research groups are conducting optical sensor research using a structure having high electron mobility characteristics by using a heterojunction structure of a GaN thin film and an AlGaN thin film. This GaN/AlGaN heterojunction structure is shown in (a) of FIG.

도 3의 (b)에 나타낸 바와 같이, AlGaN와 GaN 박막은 접합 시에 두 물질의 압전 분극 및 격자 상수 차이에 의해서 페르미 에너지가 일치되면서, 접합부에서 강한 밴드의 휘어짐이 발생하게 되고, 이 영역에서 매우 높은 농도의 전자밀도를 가지게 된다. 이를 이차원 전자가스 채널 (two-dimensional electron gas, 2DEG) 라고 부른다. 이와 같이 AlGaN와 GaN 물질을 접합시킬 경우, 그 경계면에서 이차원 전자가스 채널이 발생하여, 일반적인 단일 GaN 박막에 비해서 매우 높은 전자 이동도 특성을 가지는 바, 이를 이용한 광 센서 구현 시 빠른 반응 시간을 가질 수 있다. 추가적으로 이러한 이종 접합의 경우, 외부에서 광 주입 시, GaN 박막에서 광 흡수가 일어나는 에너지 영역과 AlGaN 박막에서 광 흡수가 일어나는 에너지 영역이 상이하여 두 개의 에너지 영역에서의 광 흡수가 일어나므로, 듀얼 파장 광 센서로도 활용할 수 있다.As shown in (b) of FIG. 3, when the AlGaN and GaN thin films are bonded, the Fermi energy is matched by the difference in piezoelectric polarization and lattice constant of the two materials, and strong band bending occurs at the junction, and in this region It has a very high electron density. This is called a two-dimensional electron gas channel (2DEG). In this way, when AlGaN and GaN materials are bonded, a two-dimensional electron gas channel is generated at the interface, and has a very high electron mobility characteristic compared to a general single GaN thin film, so that a light sensor using this can have a fast response time. there is. Additionally, in the case of this heterojunction, when light is injected from the outside, the energy region in which light absorption occurs in the GaN thin film and the energy region in which light absorption occurs in the AlGaN thin film are different, so light absorption occurs in two energy regions, so dual wavelength light It can also be used as a sensor.

기존의 AlGaN/GaN 이종 접합 구조는 높은 전자 이동도 특성을 가지고 있어, 전력반도체, RF 소자 등에 널리 사용된다. 이 때 AlGaN 박막의 두께가 두꺼울수록 이차원 전자가스층이 강하게 형성되기 때문에, 두께 20nm 이상의 AlGaN 박막을 사용하면서 GaN 박막과의 격자상수 차이에 의한 효율 저하 특성에 초점이 맞추어진 고전자이동도 트랜지스터 연구가 진행되어 왔다. The existing AlGaN/GaN heterojunction structure has high electron mobility and is widely used in power semiconductors and RF devices. At this time, since the thicker the thickness of the AlGaN thin film, the stronger the two-dimensional electron gas layer is formed. Therefore, while using the AlGaN thin film with a thickness of 20 nm or more, research on the high electron mobility transistor focusing on the efficiency reduction characteristic due to the difference in lattice constant with the GaN thin film is being conducted. has been progressing

본 발명은, AlGaN/GaN 이종 접합 박막 구조를 갖는 반도체 소자에 있어서, 게이트 전극에 인가되는 게이트 전압에 따라 광 여기 전류가 증가 또는 감소하는 광 검출기를 제공하는 것을 목적으로 한다.An object of the present invention is to provide a photodetector in which a photoexcitation current increases or decreases according to a gate voltage applied to a gate electrode in a semiconductor device having an AlGaN/GaN heterojunction thin film structure.

본 발명은, 기판; 상기 기판의 상부에 존재하는 AlyGa1-yN 채널층; 및 상기 채널층의 상부에 존재하는 n형 AlxGa1-xN 배리어층을 포함하며, 상기 n형 AlxGa1-xN 배리어층의 상부에는 게이트 전극, 소스 전극 및 드레인 전극이 형성되어 있으며, 상기 게이트 전극은 상기 소스 전극 및 상기 드레인 전극 사이에 배치되어 있고, 상기 x 및 y는 0≤y<x, 0<x<1 및 0≤y<1을 만족하며, 상기 게이트 전극에 인가되는 게이트 전압에 따라 광 여기 전류가 증가 또는 감소하는 것을 특징으로 하는 광 검출기를 제공한다.The present invention, a substrate; an Al y Ga 1-y N channel layer present on top of the substrate; and an n-type Al x Ga 1-x N barrier layer present on top of the channel layer, and a gate electrode, a source electrode, and a drain electrode are formed on the n-type Al x Ga 1-x N barrier layer. The gate electrode is disposed between the source electrode and the drain electrode, and x and y satisfy 0≤y<x, 0<x<1 and 0≤y<1, and applied to the gate electrode Provided is a photodetector characterized in that a photoexcitation current increases or decreases according to a gate voltage.

상기 n형 AlxGa1-xN 배리어층의 두께는 15nm 이하일 수 있다.The n-type Al x Ga 1-x N barrier layer may have a thickness of 15 nm or less.

상기 인가되는 게이트 전압이 음의 전압인 경우, 광 여기 전류가 증가할 수 있다.When the applied gate voltage is a negative voltage, an optical excitation current may increase.

상기 광 검출기는 파장 280nm 이상 400nm 이하의 빛을 검출할 수 있다.The photodetector may detect light having a wavelength of 280 nm or more and 400 nm or less.

본 발명은, 기판; 상기 기판의 상부에 존재하는 AlyGa1-yN 채널층; 및 상기 채널층의 상부에 존재하는 p형 AlxGa1-xN 배리어층을 포함하며, AlxGa1-xN 배리어층의 상부에는 게이트 전극, 소스 전극 및 드레인 전극이 형성되어 있으며, 상기 게이트 전극은 상기 소스 전극 및 상기 드레인 전극 사이에 배치되어 있고, 상기 x 및 y는 0≤y<x, 0<x<1 및 0≤y<1을 만족하며, 상기 게이트 전극에 인가되는 게이트 전압에 따라 광 여기 전류가 증가 또는 감소하는 것을 특징으로 하는 광 검출기를 제공할 수 있다.The present invention, a substrate; an Al y Ga 1-y N channel layer present on top of the substrate; and a p-type Al x Ga 1-x N barrier layer present on top of the channel layer, wherein a gate electrode, a source electrode and a drain electrode are formed on the Al x Ga 1-x N barrier layer. A gate electrode is disposed between the source electrode and the drain electrode, x and y satisfy 0≤y<x, 0<x<1 and 0≤y<1, and a gate voltage applied to the gate electrode It is possible to provide a photodetector characterized in that the photoexcitation current increases or decreases according to.

상기 p형 AlxGa1-xN 배리어층의 두께는 15nm 이하일 수 있다.The p-type Al x Ga 1-x N barrier layer may have a thickness of 15 nm or less.

상기 인가되는 게이트 전압이 양의 전압인 경우, 광 여기 전류가 증가할 수 있다.When the applied gate voltage is a positive voltage, an optical excitation current may increase.

상기 광 검출기는 파장 280nm 이상 400nm 이하의 빛을 검출할 수 있다.The photodetector may detect light having a wavelength of 280 nm or more and 400 nm or less.

본 발명은, AlGaN/GaN 이종접합 박막 구조를 갖는 반도체 소자에 있어서, 게이트 전극에 인가되는 게이트 전압에 따라 광 여기 전류가 증가 또는 감소하는 광 검출기를 제공할 수 있다.According to the present invention, in a semiconductor device having an AlGaN/GaN heterojunction thin film structure, a photodetector in which a photoexcitation current increases or decreases according to a gate voltage applied to a gate electrode may be provided.

도 1은 AlGaN/GaN 이종 접합 구조의 광 센서를 나타낸다.
도 2의 (a)는 전극의 구조를 깍지 낀 형태(Interdigitated structure)로 제작한 GaN 기반의 광 센서를 나타내며, 도 2의 (b)는 전극 사이에 2차원 나노 구조체를 성장시킨 광 센서를 나타낸다.
도 3의 (a)는 GaN/AlGaN 이종 접합 구조를 갖는 광 센서를 나타내며, 도 3의 (b)는 GaN과 AlGaN 이종 접합 시 접합부에서 형성되는 이차원 전자가스 채널을 나타낸다.
도 4의 (a) 내지 (c)는 각각 AlxGa1-xN 배리어층의 두께가 10, 20, 30nm인 AlGaN/GaN 이종 접합 구조의 광 검출기를 나타낸다.
도 5의 (a)는 AlxGa1-xN 배리어층의 두께에 따른 2DEG 밀도를 나타내고, 도 5의 (b)는 AlxGa1-xN 배리어층의 두께에 따른 전자 이동도를 나타낸다.
도 6의 (a)는 외부에서 자외선을 주입하기 전의 전압-전류 곡선을 나타내며, 도 6의 (b)는 외부에서 자외선을 주입한 후의 전압-전류 곡선을 나타낸다.
도 7은 인가 전압 3V일 때 AlxGa1-xN 배리어층의 두께가 10, 20, 30nm로 변화함에 따른 광 여기 전류값을 나타낸다.
도 8은 AlxGa1-xN 배리어층의 두께에 따라 이차원 전자가스 채널에 의해 형성되는 전자의 수를 나타낸다.
도 9는 10, 20, 30nm AlxGa1-xN 배리어층을 갖는 AlGaN/GaN 고 전자 이동도 트랜지스터 소자에 있어서, 파장에 따른 광 반응도 곡선을 나타낸다.
도 10의 (a) 내지 (c)는 각각, 10, 20, 30nm AlxGa1-xN 배리어층을 갖는 고전자 이동도 트랜지스터 소자에 있어서, 외부에서 빛이 주입되기 전 후의 게이트 전압에 따른 전압-전류 곡선을 나타낸다.
도 11의 (a)는 365nm의 자외선을 조사할 때 AlGaN 배리어층의 두께에 따른 광 전류를 나타내고, 도 11의 (b)는 365nm의 자외선을 조사할 때 게이트 인가 전압에 따른 광 전류를 나타낸다.
도 12는 365nm의 광을 주입했을 때, 10, 20, 30nm 두께의 AlGaN 배리어층을 갖는 AlGaN/GaN 포토 트랜지스터의 게이트 전압 및 시간에 따른 광 여기 전류 곡선을 나타냈다.
도 13은 280nm의 광을 주입했을 때, 10, 20, 30nm 두께의 AlGaN 배리어층을 갖는 AlGaN/GaN 포토 트랜지스터의 게이트 전압 및 시간에 따른 광 여기 전류 곡선을 나타냈다.
1 shows an AlGaN/GaN heterojunction optical sensor.
FIG. 2 (a) shows a GaN-based optical sensor manufactured in an interdigitated structure with an electrode structure, and FIG. 2 (b) shows an optical sensor in which a two-dimensional nanostructure is grown between electrodes. .
Figure 3 (a) shows an optical sensor having a GaN/AlGaN heterojunction structure, and Figure 3 (b) shows a two-dimensional electron gas channel formed at the junction when GaN and AlGaN heterojunction.
4 (a) to (c) show photodetectors of an AlGaN/GaN heterojunction structure in which the thickness of the Al x Ga 1-x N barrier layer is 10, 20, and 30 nm, respectively.
Figure 5 (a) shows the 2DEG density according to the thickness of the Al x Ga 1-x N barrier layer, Figure 5 (b) shows the electron mobility according to the thickness of the Al x Ga 1-x N barrier layer .
6(a) shows a voltage-current curve before externally injecting ultraviolet rays, and FIG. 6(b) shows a voltage-current curve after externally injecting ultraviolet rays.
FIG. 7 shows photoexcitation current values as the thickness of the Al x Ga 1-x N barrier layer is changed to 10, 20, and 30 nm when the applied voltage is 3V.
8 shows the number of electrons formed by the two-dimensional electron gas channel according to the thickness of the Al x Ga 1-x N barrier layer.
9 shows photoreactivity curves according to wavelength in AlGaN/GaN high electron mobility transistor devices having 10, 20, and 30 nm Al x Ga 1-x N barrier layers.
Figures 10 (a) to (c) are high electron mobility transistor devices having 10, 20, and 30 nm Al x Ga 1-x N barrier layers, respectively, according to the gate voltage before and after light is injected from the outside. A voltage-current curve is shown.
FIG. 11 (a) shows the photocurrent according to the thickness of the AlGaN barrier layer when irradiated with 365 nm ultraviolet rays, and FIG. 11 (b) shows the photocurrent according to the gate applied voltage when irradiated with 365 nm ultraviolet rays.
12 shows gate voltage and time-dependent photoexcitation current curves of AlGaN/GaN phototransistors having AlGaN barrier layers of 10, 20, and 30 nm thickness when 365 nm light was injected.
FIG. 13 shows gate voltage and time-dependent photoexcitation current curves of AlGaN/GaN phototransistors having AlGaN barrier layers of 10, 20, and 30 nm thickness when 280 nm light is injected.

본 발명의 광 검출기는 기판, 핵생성층(nucleation layer), 고 저항 GaN 층, AlyGa1-yN 채널층 및 AlxGa1-xN 배리어층을 포함하며, 상기 AlxGa1-xN 배리어층 상에는 소스 전극, 게이트 전극, 드레인 전극이 형성되어 있고, 상기 x 및 y는 0≤y<x, 0<x<1 및 0≤y<1을 만족한다.The photodetector of the present invention includes a substrate, a nucleation layer, a high resistance GaN layer, an Al y Ga 1-y N channel layer, and an Al x Ga 1-x N barrier layer, wherein the Al x Ga 1 -y N barrier layer is formed. A source electrode, a gate electrode, and a drain electrode are formed on the xN barrier layer, and x and y satisfy 0≤y<x, 0<x<1, and 0≤y<1.

상기 기판은 사파이어, 다이아몬드, InP, AlGaN, LiAlO2, InN, GaP, Ge, InAs, AlAs, SiO2, Si, SiC, GaN 및 GaAs 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.The substrate may include at least one of sapphire, diamond, InP, AlGaN, LiAlO 2 , InN, GaP, Ge, InAs, AlAs, SiO 2 , Si, SiC, GaN, and GaAs.

상기 핵생성층은 기판과 그 위에 성장되는 GaN 층 사이의 결정 격자의 부정합으로 인한 결함을 최소화하기 위한 층으로서, 갈륨(Ga) 또는 알루미늄(Al)을 포함할 수 있으며, 바람직하게는 GaN 또는 AlN을 포함할 수 있다.The nucleation layer is a layer for minimizing defects due to a crystal lattice mismatch between the substrate and the GaN layer grown thereon, and may include gallium (Ga) or aluminum (Al), preferably GaN or AlN. can include

상기 고 저항 GaN 층은 고농도로 도핑된 GaN 층이다. 고 저항 GaN 층은 탄소(C), 철(Fe) 또는 마그네슘(Mg)에 의해 도핑된 층이다. 금속-유기 화학적 기상 증착(Metal Organic Chemical Vapor Deposition; MOCVD), 분자 선 에피택시(Molecular Beam Epitaxy; MBE), 수소화물 기상 에피택시(Hydride Vapor Phase Epitaxy; HVPE), 플라즈마 화학 기상 증착(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition; PECVD), 스퍼터링(Sputtering) 및 원자층 증착(Atomic Layer Deposition; ALD) 중 어느 하나에 의해 형성될수 있다.The high resistance GaN layer is a heavily doped GaN layer. The high resistance GaN layer is a layer doped with carbon (C), iron (Fe) or magnesium (Mg). Metal Organic Chemical Vapor Deposition (MOCVD), Molecular Beam Epitaxy (MBE), Hydride Vapor Phase Epitaxy (HVPE), Plasma Enhanced Chemical It may be formed by any one of vapor deposition (PECVD), sputtering, and atomic layer deposition (ALD).

상기 AlyGa1-yN 채널층(0≤y<1)은 2DEG(2-dimension electron gas) 채널 또는 2DHG(2-dimensional hole gas) 채널을 포함할 수 있다. AlyGa1-yN 채널층은 금속-유기 화학적 기상 증착, 분자 선 에피택시, 수소화물 기상 에피택시, 플라즈마 화학 기상 증착, 스퍼터링 및 원자층 증착 중 어느 하나에 의해 형성될 수 있다. 본 명세서에서는, AlyGa1-yN 채널층을 단순히 GaN 채널층이라 명칭할 수 있다.The Al y Ga 1-y N channel layer (0≤y<1) may include a 2-dimension electron gas (2DEG) channel or a 2-dimensional hole gas (2DHG) channel. The Al y Ga 1-y N channel layer may be formed by any one of metal-organic chemical vapor deposition, molecular beam epitaxy, hydride vapor deposition, plasma chemical vapor deposition, sputtering, and atomic layer deposition. In this specification, the Al y Ga 1-y N channel layer may be simply referred to as a GaN channel layer.

상기 AlxGa1-xN 배리어층(0<x<1)은 AlyGa1-yN 채널층에 2DEG 채널 또는 2DHG 채널이 형성되도록 하며, n 도핑된 n형 또는 p 도핑된 p형일 수 있다. AlxGa1-xN 배리어층은 금속-유기 화학적 기상 증착, 분자 선 에피택시, 수소화물 기상 에피택시, 플라즈마 화학 기상 증착, 스퍼터링 및 원자층 증착 중 어느 하나에 의해 형성될 수 있다. AlxGa1-xN 배리어층은 15nm 이하, 바람직하게는 10nm 이하, 보다 바람직하게는 5nm 이하일 수 있다. 본 명세서에서는, AlxGa1-xN 배리어층을 단순히 AlGaN 배리어층이라 명칭할 수 있다.The Al x Ga 1-x N barrier layer (0<x<1) allows a 2DEG channel or a 2DHG channel to be formed in the Al y Ga 1-y N channel layer, and may be n-doped n-type or p-doped p-type there is. The Al x Ga 1-x N barrier layer may be formed by any one of metal-organic chemical vapor deposition, molecular beam epitaxy, hydride vapor phase epitaxy, plasma chemical vapor deposition, sputtering, and atomic layer deposition. The Al x Ga 1-x N barrier layer may be 15 nm or less, preferably 10 nm or less, more preferably 5 nm or less. In this specification, the Al x Ga 1-x N barrier layer may simply be referred to as an AlGaN barrier layer.

상기 소스 전극, 게이트 전극 및 드레인 전극은 Co, Ir, Ta, Cr, Mn, Mo, Tc, W, Re, Fe, Sc, Ti, Sn, Ge, Sb, Al, Pt, Ni 및 Au 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 소스 전극, 게이트 전극 및 드레인 전극은 전자 빔 증착기에 의해 형성될 수 있다.The source electrode, gate electrode, and drain electrode may include at least one of Co, Ir, Ta, Cr, Mn, Mo, Tc, W, Re, Fe, Sc, Ti, Sn, Ge, Sb, Al, Pt, Ni, and Au can include The source electrode, gate electrode and drain electrode may be formed by an electron beam evaporator.

본 명세서에서 광 여기 전류란, 광전 효과에 의해 발생되는 전류를 의미하며, 빛을 인가한 후에 나타나는 소스 전극 및 드레인 전극 사이의 전류 값에서 빛을 인가하기 전에 나타나는 소스 전극 및 드레인 전극 사이의 전류 값의 차이로 나타낼 수 있다. 본 명세서에서는 광 여기 전류(photo excitation current)를 광전류(photo-current)로 나타내는 경우도 있다.In this specification, the photoexcitation current means a current generated by the photoelectric effect, and a current value between the source electrode and the drain electrode before applying light to a current value between the source electrode and the drain electrode appearing after applying light. can be expressed as a difference in In this specification, a photo excitation current is sometimes referred to as a photo-current.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

제조예 1Preparation Example 1

4인치 c-평면(0001) 사파이어 기판 상에 금속-유기 화학적 기상 증착에 의해 AlGaN/GaN 이종접합 구조를 형성하였다. 트리메틸갈륨, 트리메틸알루미늄이 3족 전구체로서 사용되고, 암모니아(NH3)가 질소의 공급원으로 사용되었다. 에피택셜 구조가 고저항 GaN 층, GaN 채널층, n형 AlGaN 배리어층을 이루고 있다. 기판 위에 480℃에서 30nm 두께의 GaN 핵생성층을 성장시킨 후, 1000℃에서 2.0㎛ 두께의 고저항 GaN 층을 성장시킨다. 탄소가 자유 캐리어의 보상에 기여하기 때문에, 고저항 GaN 층은 탄소 혼입에 의해 달성될 수 있다. 이어서, 2DEG 특성과 웨이퍼 균일성을 고려하여, 150nm 두께의 GaN 채널층을 높은 결정 수준으로 성장시켰다. 마지막으로, Al 조성비가 30몰%인 n형 AlGaN 배리어층을 GaN 채널층 상에 성장시켰다. AlGaN 배리어층의 두께에 따른 특성을 조사하기 위해, 10, 20 및 30nm 두께로 성장시켰다. 성장된 에피택셜 웨이퍼는 전기적 평가를 위해 홀 바(Hall bar) 구조 및 HEMT로 제작되었다. 모든 패턴은 광학 리소그래피로 형성하였고, 메사 분리(mesa isolation)는 BCl3/Cl2 기체 혼합물의 유도 결합 플라즈마에 의해 수행되었다. 소스 전극 및 드레인 전극은 전자 빔 증착에 의해 Ti/Al/Ni/Au(20/100/25/50nm)의 금속 스택으로 형성되고, 850℃의 N2 환경에서 열처리되었다. 소스 전극 및 드레인 전극의 간격이 8.0㎛이며, 길이 2.0㎛의 게이트 전극이 Ni/Au(30/270nm)의 금속 스택으로 형성되었다.An AlGaN/GaN heterojunction structure was formed by metal-organic chemical vapor deposition on a 4-inch c-plane (0001) sapphire substrate. Trimethylgallium and trimethylaluminum were used as Group 3 precursors, and ammonia (NH 3 ) was used as a source of nitrogen. The epitaxial structure is a high-resistance GaN layer, a GaN channel layer, and an n-type AlGaN barrier layer is formed. After growing a GaN nucleation layer with a thickness of 30 nm on the substrate at 480 ° C, a high resistance GaN layer with a thickness of 2.0 μm is grown at 1000 ° C. Since carbon contributes to the compensation of free carriers, a high-resistance GaN layer can be achieved by carbon incorporation. Then, considering the 2DEG characteristics and wafer uniformity, a 150 nm thick GaN channel layer was grown at a high crystalline level. Finally, the n-type with an Al composition ratio of 30 mol% An AlGaN barrier layer was grown on the GaN channel layer. In order to investigate the characteristics of the AlGaN barrier layer according to its thickness, it was grown to a thickness of 10, 20 and 30 nm. The grown epitaxial wafer was fabricated with a Hall bar structure and HEMT for electrical evaluation. All patterns were formed by optical lithography, and mesa isolation was performed by inductively coupled plasma of a BCl 3 /Cl 2 gas mixture. The source electrode and the drain electrode were formed of a metal stack of Ti/Al/Ni/Au (20/100/25/50 nm) by electron beam evaporation and heat treated in a N 2 environment at 850°C. The distance between the source electrode and the drain electrode was 8.0 μm, and the gate electrode having a length of 2.0 μm was formed of a Ni/Au (30/270 nm) metal stack.

실시예 1: AlxGa1-xN 배리어층의 두께에 따른 2DEG 밀도 및 전자 이동도 평가Example 1: Evaluation of 2DEG Density and Electron Mobility According to the Thickness of Al x Ga 1-x N Barrier Layer

광 반응성을 향상시키기 위해, 우선 AlxGa1-xN 배리어층의 두께에 따른 2DEG 밀도를 평가하였다. 평가를 위해, 도 4에 나타낸 바와 같이 AlxGa1-xN 배리어층의 두께가 10, 20, 30nm인 AlGaN/GaN 이종 접합 구조의 광 검출기를 제작하였다. 각 광 검출기에 대해, AlxGa1-xN 배리어층의 두께에 따른 2DEG 밀도 및 전자 이동도를 측정하여 도 5에 나타냈다.In order to improve photoreactivity, first, the 2DEG density according to the thickness of the Al x Ga 1-x N barrier layer was evaluated. For evaluation, as shown in FIG. 4 , an AlGaN/GaN heterojunction photodetector having an Al x Ga 1-x N barrier layer having a thickness of 10, 20, or 30 nm was fabricated. For each photodetector, 2DEG density and electron mobility according to the thickness of the Al x Ga 1-x N barrier layer were measured and shown in FIG. 5 .

도 5에 나타낸 바와 같이, AlxGa1-xN 배리어층의 두께가 증가함에 따라 고밀도의 이차원 전자 가스 채널이 형성되어, 채널 내 더 많은 전자 수를 갖는 것을 확인했다. 특히, 20nm 이상에서 1.3×1013/cm2 이상의 매우 고밀도의 이차원 전자 가스 채널이 형성되는 것 확인하였다. 이는 AlGaN/GaN 계면에서 압전 현상으로 인한 밴드 휨에 의해, AlxGa1-xN 배리어층의 두께가 증가함에 따라 선형적으로 증가하는 것으로 보인다. 하지만, 전자 이동도는 전자 밀도 증가에 따른 전자 산란 현상에 기인하여 AlxGa1-xN 배리어층의 두께 증가에 따라 감소하는 것을 확인하였다. 이는 20nm 이상의 AlxGa1-xN 배리어층을 갖는 AlGaN/GaN 이종 접합 구조가 고 전자 이동도 트랜지스터로 사용 가능함을 나타내고 있다. As shown in FIG. 5, as the thickness of the Al x Ga 1-x N barrier layer increased, a high-density two-dimensional electron gas channel was formed, and it was confirmed that the number of electrons in the channel increased. In particular, it was confirmed that a very high-density two-dimensional electron gas channel of 1.3×10 13 /cm 2 or more was formed at 20 nm or more. This seems to increase linearly as the thickness of the Al x Ga 1-x N barrier layer increases due to the band bending due to the piezoelectric phenomenon at the AlGaN/GaN interface. However, it was confirmed that the electron mobility decreased with the increase in the thickness of the Al x Ga 1-x N barrier layer due to electron scattering caused by the increase in electron density. This indicates that the AlGaN/GaN heterojunction structure having an Al x Ga 1-x N barrier layer of 20 nm or more can be used as a high electron mobility transistor.

실시예 2: AlxGa1-xN 배리어층의 두께에 따른 광 흡수 분석Example 2: Analysis of light absorption according to the thickness of Al x Ga 1-x N barrier layer

AlGaN/GaN 이종 접합 구조에서, AlxGa1-xN 배리어층의 두께에 따른 외부에서 빛을 주입하는 경우와 주입하지 않는 경우에 소스 전극과 드레인 전극 내 전압-전류 곡선을 확인하였다. GaN 층의 경우, 약 3.4eV의 밴드갭 에너지를 가지고 있어, 약 365nm에서 광 흡수가 일어나며, AlGaN 박막의 경우, 약 4.42eV의 밴드갭 에너지를 가지고 있어 약 280nm에서 광 흡수가 일어나는 것으로 알려져 있다. 따라서 AlGaN 박막에서 발생되는 광 흡수와 GaN 박막에서 발생되는 광 흡수를 비교, 분석하기 위해서 두께 10, 20, 30nm의 AlxGa1-xN 배리어층에 있어서 280 및 365nm 자외선에 대한 광 전류를 확인하였다. 그 결과를 도 6에 나타낸다.In the AlGaN/GaN heterojunction structure, the voltage-current curves in the source and drain electrodes were confirmed with and without external light injection according to the thickness of the Al x Ga 1-x N barrier layer. It is known that the GaN layer has a bandgap energy of about 3.4eV and absorbs light at about 365nm, and the AlGaN thin film has a bandgap energy of about 4.42eV and absorbs light at about 280nm. Therefore, in order to compare and analyze the light absorption generated in the AlGaN thin film and the light absorption generated in the GaN thin film, the photocurrent for 280 and 365 nm ultraviolet rays was confirmed in the Al x Ga 1-x N barrier layer with a thickness of 10, 20, and 30 nm. did The results are shown in FIG. 6 .

도 6은 외부에서 자외선을 주입하기 전후의 전압-전류 곡선이다. x축은 게이트 전극 및 소스 전극 사이의 전압(VDrain-Source, VDS)를 나타내며, y축은 게이트 전극 및 소스 전극 사이의 전류(IDrain-Source, IDS)를 나타낸다. GaN 박막과 AlGaN 박막에서 흡수되어 형성되는 광 전류를 비교, 분석하기 위해서 약 280nm 및 365nm의 자외선을 주입하였다. 외부에서 자외선 주입되기 전의 전압-전류 특성은 그래프에서 비어 있는 삼각형, 원 및 사각형으로 나타냈으며, 외부에서 자외선을 주입한 이후는 그래프에서 내부가 채워져 있는 삼각형, 원 및 사각형으로 나타냈다. 먼저 외부에서 자외선을 주입하기 전의 그래프로부터, 10nm 두께의 AlxGa1-xN 배리어층을 갖는 AlGaN/GaN 소자는 매우 낮은 전압-전류 곡선을 나타내고 있으며, AlxGa1-xN 배리어층의 두께가 증가할수록 더 높은 전압-전류 곡선을 나타내고 있음을 확인하였다. 이는 AlxGa1-xN 배리어층의 두께가 증가함에 따라 AlGaN과 GaN의 압전 분극 특성이 더 강하게 나타나 더 높은 밀도의 이차원 전자가스 채널이 형성되어 더 높은 전압-전류 곡선을 나타내고 있는 것으로 보인다. 외부에서 280nm의 자외선을 주입하는 경우, 드레인 전극과 소스 전극 사이에 전류 상태가 포화되는 시점인 Pinch-off 전압 부근에서 전류의 값이 증가하는 것을 확인하였으나, 전압에 따라 증가되는 전류의 값이 거의 차이가 나지 않는 것을 확인하였다. 하지만, 365nm의 자외선을 주입하는 경우에는, 전압과 전류의 차이가 280nm의 자외선을 주입하는 경우보다 커지는 것을 확인할 수 있다. 즉, 280nm의 자외선을 주입하는 경우보다 365nm의 자외선을 주입하는 경우 광 여기 전류가 증가하는 것을 확인하였다. 280nm를 주입하는 경우와 마찬가지로 pinch-off 전압 부근에서 빛을 주입하기 이전에 비해서 더 높은 광 전류 값을 가지는 것을 확인하였으며, 특히 두께 10nm 두께의 AlGaN의 경우, 외부에서 365nm의 자외선을 주입할 때 광 여기 전류가 급격하게 증가하는 것을 확인하였다. 이는 10nm 이하의 얇은 AlxGa1-xN 배리어층을 갖는 AlGaN/GaN 이종구조의 이차원 전자 가스 채널이 GaN 층에서 여기되는 광 여기 캐리어 보다 적기 때문에 광 여기 전류가 크게 증가한 것으로 판단된다.6 is a voltage-current curve before and after externally injecting ultraviolet rays. The x-axis is the voltage between the gate electrode and the source electrode (V Drain-Source , V DS ), and the y-axis is the current between the gate electrode and the source electrode (I Drain-Source , I DS ). In order to compare and analyze the photocurrents absorbed and formed in the GaN thin film and the AlGaN thin film, ultraviolet rays of about 280 nm and 365 nm were injected. The voltage-current characteristics before UV injection from the outside are shown as empty triangles, circles, and squares in the graph, and after UV injection from the outside, the voltage-current characteristics are shown as filled triangles, circles, and squares in the graph. First, from the graph before injecting ultraviolet rays from the outside, the AlGaN/GaN device with a 10 nm thick Al x Ga 1-x N barrier layer shows a very low voltage-current curve, and the Al x Ga 1-x N barrier layer It was confirmed that as the thickness increased, a higher voltage-current curve was displayed. It seems that as the thickness of the Al x Ga 1-x N barrier layer increases, the piezoelectric polarization characteristics of AlGaN and GaN become stronger, resulting in a higher density two-dimensional electron gas channel, resulting in a higher voltage-current curve. When 280 nm UV light was injected from the outside, it was confirmed that the current value increased near the pinch-off voltage, which is the point at which the current state is saturated between the drain electrode and the source electrode. It was confirmed that there was no difference. However, it can be seen that when 365 nm UV light is injected, the difference between voltage and current becomes larger than when 280 nm UV light is injected. That is, it was confirmed that the photoexcitation current increased when 365 nm UV was injected compared to when 280 nm UV was injected. As in the case of injecting 280 nm, it was confirmed that it has a higher photocurrent value than before injecting light near the pinch-off voltage. In particular, in the case of 10 nm thick AlGaN, when injecting 365 nm UV light from the outside It was confirmed that the excitation current rapidly increased. It is judged that the photoexcitation current greatly increased because the two-dimensional electron gas channel of the AlGaN/GaN heterostructure having a thin Al x Ga 1-x N barrier layer of less than 10 nm is less than the photoexcitation carrier excited in the GaN layer.

특히, 소스 및 드레인 사이의 인가 전압 3V일 때 AlxGa1-xN 배리어층의 두께가 10, 20, 30nm로 변화함에 따른 광 전류값을 도 7에 나타냈다. 왼쪽 Y축에는 365nm의 자외선을 인가하는 경우의 생성되는 광 전류 값이며, 오른쪽 Y축에는 280nm의 자외선을 인가하는 경우에 형성되는 광 전류의 값을 나타냈다. 광 여기 전류는 빛을 인가한 후에 나타나는 전류 값에서 빛을 인가하기 전에 나타나는 전류 값의 차 (Iphoto-Idark)의 값으로 나타냈다. 외부에서 280nm의 자외선을 주입하는 경우, AlxGa1-xN 배리어층 두께가 10nm에서 30nm로 증가함에 따라서 0.07A/mm에서 0.14A/mm로 광 여기 전류의 값이 증가하였으나, 365nm의 광을 주입하는 경우, AlxGa1-xN 배리어층의 두께가 10nm에서 30nm로 증가함에 따라서 0.93A/mm에서 0.14A/mm 로 광 여기 전류의 값이 감소하였다. 특히, 365nm의 자외선을 인가하는 경우, AlxGa1-xN 배리어층 두께가 30nm에서 10nm로 감소함에 따라서 광 여기 전류의 값은 약 13.3배 더 높은 것을 확인하였다. 즉, 두께 10nm 이하의 AlxGa1-xN 배리어층을 갖는 AlGaN/GaN 이종 접합 구조의 광 검출기는 280nm 이상 400nm 이하, 바람직하게는 280nm 초과 365nm 이하, 보다 바람직하게는 300nm 이상 365nm 이하, 특히 365nm의 광을 검출하기에 바람직한 것을 알 수 있다. In particular, when the voltage applied between the source and the drain is 3V, the photocurrent values according to the thickness of the Al x Ga 1- xN barrier layer are changed to 10, 20, and 30 nm are shown in FIG. 7 . The left Y-axis represents the photocurrent value generated when 365 nm UV light is applied, and the right Y-axis represents the photocurrent value generated when 280 nm UV light is applied. The photoexcitation current was expressed as the value of the difference (I photo -I dark ) between the current value after light was applied and the current value before light was applied. When 280 nm UV light was injected from the outside, the value of the photoexcitation current increased from 0.07 A/mm to 0.14 A/mm as the thickness of the Al x Ga 1-x N barrier layer increased from 10 nm to 30 nm. , the photoexcitation current decreased from 0.93 A/mm to 0.14 A/mm as the thickness of the Al x Ga 1-x N barrier layer increased from 10 nm to 30 nm. In particular, when 365 nm ultraviolet light was applied, it was confirmed that the value of the photoexcitation current was about 13.3 times higher as the thickness of the Al x Ga 1-x N barrier layer decreased from 30 nm to 10 nm. That is, the photodetector of the AlGaN/GaN heterojunction structure having an Al x Ga 1-x N barrier layer having a thickness of 10 nm or less is 280 nm or more and 400 nm or less, preferably more than 280 nm and 365 nm or less, more preferably 300 nm or more and 365 nm or less, particularly It can be seen that it is preferable to detect light of 365 nm.

이차원 전자 가스 채널의 전자와 외부에서 주입되는 광에 의해 형성되는 광 여기 캐리어와의 관계를 분석하기 위해 외부에서 주입되는 빛에 의해 형성되는 광 전자 수와 AlxGa1-xN 배리어층의 두께에 따라서 형성되는 이차원 전자 가스 채널 내 전자 수를 계산하여 도 8에 나타냈다. To analyze the relationship between electrons in the two-dimensional electron gas channel and photoexcited carriers formed by externally injected light, the number of photoelectrons formed by externally injected light and the thickness of Al x Ga 1-x N barrier layer The number of electrons in the two-dimensional electron gas channel formed according to the method is calculated and shown in FIG. 8 .

도 8는 AlxGa1-xN 배리어층의 두께 10, 20, 30nm에 따라 이차원 전자가스 채널에 의해 형성되는 전자의 수를 나타냈으며, 외부에서 280μW의 세기로 광을 주입할 때, 형성되는 전자의 수를 점선으로 나타냈다. AlxGa1-xN 배리어층의 두께가 증가함에 따라 강한 이차원 전자가스 채널이 형성되어, 더 많은 전자 수를 나타내는 것으로 보인다. 외부에서 280μW의 세기로 광을 주입하는 경우, 형성되는 전자 수는 약 1.3 × 1017 개를 가진다. 이는 AlxGa1-xN 배리어층의 두께가 약 15nm 일 때, AlGaN과 GaN 계면에서 형성되는 이차원 전자가스 채널의 전자수와 유사한 것을 확인할 수 있다. 따라서 AlGaN의 두께가 너무 두꺼운 경우, 외부에서 빛이 주입될 때 형성되는 광 전자에 비해서 이차원 전자가스 채널 내 전자 수가 더 많기 때문에 광 반응도가 적으나, AlGaN의 두께가 15nm 이하일 때, 특히 AlGaN의 두께가 10nm일 때, 이차원 전자가스 채널 내 전자 수에 비해서 외부에서 주입되는 광에 의해 형성되는 광 여기 전자수의 수가 더 크기 때문에 더 높은 광 반응도 특성을 나타내는 것으로 보인다. 8 shows the number of electrons formed by the two-dimensional electron gas channel according to the thickness of the Al x Ga 1-x N barrier layer of 10, 20, and 30 nm, and when light is injected from the outside at an intensity of 280 μW, The number of electrons is indicated by a dotted line. As the thickness of the Al x Ga 1-x N barrier layer increases, a strong two-dimensional electron gas channel is formed, indicating a larger number of electrons. When light is injected from the outside at an intensity of 280 μW, the number of electrons formed is about 1.3 × 10 17 . It can be confirmed that this is similar to the number of electrons in the two-dimensional electron gas channel formed at the interface between AlGaN and GaN when the thickness of the Al x Ga 1-x N barrier layer is about 15 nm. Therefore, if the thickness of AlGaN is too thick, the photoreactivity is small because the number of electrons in the two-dimensional electron gas channel is greater than the number of photoelectrons formed when light is injected from the outside, but when the thickness of AlGaN is less than 15 nm, especially the thickness of AlGaN When is 10 nm, since the number of photo-excited electrons formed by light injected from the outside is greater than the number of electrons in the two-dimensional electron gas channel, it seems to exhibit higher photoreactivity characteristics.

실시예 3: 주입되는 광의 파장에 따른 광 반응도 평가Example 3: Evaluation of light reactivity according to the wavelength of injected light

특정 흡수 파장 이외에 다른 파장에서의 광 흡수율을 확인하기 위해서 파장에 따른 광 반응도를 평가하여 도 9에 나타냈다. In order to confirm the light absorption at other wavelengths in addition to the specific absorption wavelength, the light reactivity according to the wavelength was evaluated and shown in FIG.

도 9는 10, 20, 30nm AlxGa1-xN 배리어층을 갖는 AlGaN/GaN 고전자 이동도 트랜지스터 소자에 있어서, 파장 240nm에서 420nm까지의 빛에 대한 광 반응도 곡선이다. AlxGa1-xN 배리어층의 두께 10, 20, 30nm에 대해 모두 주입 파장 약 360nm에서 급격하게 광 반응도가 떨어지며, 300nm 부근에서는 큰 변화가 나타나지 않았다. 380nm 이전의 주입 파장대에서 AlxGa1-xN 배리어층의 두께가 10, 20, 30nm로 증가함에 따라서 광 반응도는 감소하였다. 특히 AlxGa1-xN 배리어층의 두께가 10nm인 경우 광 반응도 약 1.44 × 106A/W의 매우 높은 값을 가지는 것을 확인하였다. GaN 박막의 밴드갭인 약 3.4eV, 즉 약 360nm에서 AlxGa1-xN 배리어층의 두께 10, 20, 30nm에 대해서 모두 광 반응이 급격하게 떨어진 것으로 보아 대부분의 광 흡수가 GaN 채널층에서 나타나고 있음을 나타내고 있다.9 is a light response curve for light from 240 nm to 420 nm in AlGaN/GaN high electron mobility transistor devices having 10, 20, and 30 nm Al x Ga 1-x N barrier layers. For the thicknesses of 10, 20, and 30 nm of the Al x Ga 1-x N barrier layer, the light responsivity rapidly dropped at an injection wavelength of about 360 nm, and no significant change was observed around 300 nm. In the injection wavelength range before 380 nm, the photoreactivity decreased as the thickness of the Al x Ga 1-x N barrier layer increased to 10, 20, and 30 nm. In particular, when the thickness of the Al x Ga 1-x N barrier layer was 10 nm, it was confirmed that the light response had a very high value of about 1.44 x 10 6 A/W. At the band gap of GaN thin film of about 3.4 eV, that is, about 360 nm, the photoresponse dropped sharply for the thicknesses of 10, 20, and 30 nm of the Al x Ga 1-x N barrier layer, and most of the light absorption was in the GaN channel layer. indicates that it is present.

실시예 4: 게이트 전압에 따른 전압-전류 곡선Example 4: Voltage-current curve according to gate voltage

앞서 우리는 AlGaN/GaN 포토 트랜지스터 구조에서 AlxGa1-xN 배리어 층의 두께에 따른 광 반응도의 변화를 확인하였다. 결과적으로 배리어의 두께가 얇은 10nm에서 광 반응이 가장 큰 것을 확인하였으며, 이는 AlGaN/GaN 계면에서 형성되는 이차원 전자가스 채널의 밀도가 외부에서 주입되는 광에 의해 형성되는 광 여기 전류에 비해 적기 때문인 것으로 판단된다. 이에 우리는 AlGaN/GaN 포토 트랜지스터 구조에서 AlxGa1-xN 배리어층의 두께에 따라서 형성되는 이차원 전자가스 채널을 게이트 전극을 이용하여 광 반응도의 변화를 확인하였다. 이에 외부에서 게이트 전극에 -1.0V에서 +1.0V까지 인가하면서 광 반응도가 큰 365nm의 자외선 파장을 주입했을 때의 전압-전류 곡선을 확인하여 도 10에 나타냈다. 도 10의 (a) 내지 (c)에서, 내부가 비어 있는 선으로 나타낸 그래프는 외부에서 빛이 주입되기 전의 결과를 나타낸 것이며, 내부가 채워져 있는 선으로 나타낸 그래프는 외부에서 빛이 주입된 후의 결과를 나타낸 것이다. 외부에서 빛이 주입되기 전의 경우, AlGaN 배리어층의 두께와 무관하게 외부에서 주입되는 게이트 전압이 -1.0V에서 +1.0V로 증가함에 따라서 소스 전극과 드레인 전극 사이에 전류(IDrain-Source, IDS)가 증가하는 것을 확인하였다. 이는 게이트 전압이 증가되면서 외부에서 인가되는 전하량이 증가하여, 소스와 드레인 전극 사이에 전류의 값도 향상되는 일반적인 트랜지스터의 거동을 나타내고 있다. 이 소자에 365nm의 자외선을 조사함에 따라 AlGaN 배리어층의 두께와 무관하게 모두 더 높은 전류 값을 나타냈다. 특히, 자외선 조사에 따라 증가된 광 여기에 의한 광 전류는 10nm 두께의 AlGaN 배리어층에서 가장 높은 광 여기 전류 특성을 나타남을 확인하였다.Previously, we confirmed the change in light responsivity according to the thickness of the Al x Ga 1-x N barrier layer in the AlGaN/GaN phototransistor structure. As a result, it was confirmed that the photoresponse was greatest at the thin barrier thickness of 10nm, which is because the density of the two-dimensional electron gas channel formed at the AlGaN/GaN interface is less than the photoexcitation current formed by light injected from the outside. judged Accordingly, we confirmed the change in photoreactivity by using the gate electrode of the two-dimensional electron gas channel formed according to the thickness of the Al x Ga 1-x N barrier layer in the AlGaN/GaN phototransistor structure. Accordingly, a voltage-current curve was confirmed and shown in FIG. 10 when an ultraviolet wavelength of 365 nm having a high light reactivity was injected while externally applying from -1.0V to +1.0V to the gate electrode. In (a) to (c) of FIG. 10 , the graphs indicated by empty lines show results before light is injected from the outside, and the graphs indicated by filled lines show results after light is injected from the outside. is shown. Before light is injected from the outside, as the externally injected gate voltage increases from -1.0V to +1.0V regardless of the thickness of the AlGaN barrier layer, the current between the source and drain electrodes (I Drain-Source , I DS ) was confirmed to increase. This shows the behavior of a general transistor in which the amount of charge applied from the outside increases as the gate voltage increases, and the value of the current between the source and drain electrodes also improves. As this device was irradiated with 365 nm UV light, all of them showed higher current values regardless of the thickness of the AlGaN barrier layer. In particular, it was confirmed that the photocurrent due to photoexcitation increased by UV irradiation exhibited the highest photoexcitation current characteristic in the AlGaN barrier layer having a thickness of 10 nm.

도 11은 365nm 자외선을 조사할 때, AlGaN 배리어층의 두께에 따른 광 전류 곡선 (a) 및 게이트 인가 전압에 따른 광 전류 곡선(b)을 나타냈다. 두 곡선으로부터, 인가되는 게이트 전압이 낮아질수록, 그리고 AlGaN 배리어층의 두께가 얇을수록 더 높은 광 여기 전류 특성을 나타냄을 확인하였다. 이는 외부에서 인가되는 전압이 낮을수록, 특히 음의 인가 전압에 의해 채널 내의 캐리어를 감소시켜 포토 트랜지스터의 흐르는 전류 수준이 감소함에 의해, 외부에서 자외선을 주입하여 형성되는 광 여기 캐리어가 채널의 전류를 제어할 수 있을 정도로 더 높게 형성되었기 때문으로 보인다. 이에 따라서 AlGaN/GaN 이종 접합 구조의 포토 트랜지스터에서 AlGaN 장벽층의 두께가 감소할수록 더 높은 광 여기 전류를 얻을 수 있었으며, 게이트 전압을 음의 값으로 낮게 함에 따라 광 여기 전류를 증가시킬 수 있었다. 11 shows a photocurrent curve (a) according to the AlGaN barrier layer thickness and a photocurrent curve (b) according to the gate applied voltage when irradiated with 365 nm ultraviolet rays. From the two curves, it was confirmed that the lower the applied gate voltage and the thinner the thickness of the AlGaN barrier layer, the higher the photoexcitation current characteristics. This is because the lower the externally applied voltage, especially the negative applied voltage, reduces the carriers in the channel and the current level of the phototransistor decreases, so that the photo-excited carriers formed by externally injecting ultraviolet light increase the current in the channel. It seems to be because it was formed higher enough to be able to control. Accordingly, in the AlGaN/GaN heterojunction structure phototransistor, as the thickness of the AlGaN barrier layer decreased, a higher photoexcitation current could be obtained, and as the gate voltage was lowered to a negative value, the photoexcitation current could be increased.

실시예 5: 시간에 따른 광 여기 전류 평가Example 5: Evaluation of photoexcitation current over time

도 12는 365nm의 광을 주입했을 때, 10, 20, 30nm 두께의 AlGaN 배리어층을 갖는 AlGaN/GaN 포토 트랜지스터의 게이트 전압 및 시간에 따른 광 여기 전류 곡선을 나타냈다. 0초부터 120초까지 게이트 전압 -1.0V, 120초부터 240초까지 게이트 전압 0V, 240초부터 360초까지 게이트 전압 +1.0V 인가했을 때의 광 반응을 나타냈다. 세 샘플 모두 시간에 따라 자외선에 대한 반응이 잘 나타남을 알 수 있다. 하지만, AlGaN 배리어층의 두께가 얇을수록 더 빠른 자외선 반응 속도 및 더 높은 광 여기 전류를 나타내었다. 또한, AlGaN 배리어층의 두께가 10nm일 때, 게이트 전압을 -로 인가 시 광 여기 전류가 증가하였으며, + 인가시 광 여기 전류가 감소하였다. 즉, AlGaN 배리어층의 두께가 10nm일 때, 게이트 전압 인가에 따라 광 여기 전류를 증폭 또는 감소시킬 수 있음을 나타내고 있다. 12 shows gate voltage and time-dependent photoexcitation current curves of AlGaN/GaN phototransistors having AlGaN barrier layers of 10, 20, and 30 nm thickness when 365 nm light was injected. The photoresponse was shown when a gate voltage of -1.0V was applied from 0 seconds to 120 seconds, a gate voltage of 0V was applied from 120 seconds to 240 seconds, and a gate voltage +1.0V was applied from 240 seconds to 360 seconds. It can be seen that all three samples show good response to UV light over time. However, the thinner the AlGaN barrier layer, the faster the UV response rate and the higher photoexcitation current. In addition, when the thickness of the AlGaN barrier layer was 10 nm, the photoexcitation current increased when a gate voltage of - was applied, and the photoexcitation current decreased when + was applied. That is, when the thickness of the AlGaN barrier layer is 10 nm, the photoexcitation current can be amplified or reduced according to the application of the gate voltage.

한편, 도 13에는 280nm의 광을 주입했을 때, 10, 20, 30nm 두께의 AlGaN 배리어층을 갖는 AlGaN/GaN 포토 트랜지스터의 게이트 전압 및 시간에 따른 광 여기 전류 곡선을 나타냈다. AlGaN 배리어층의 두께가 10nm일 때, 게이트 전압에 따라 광 여기 전류가 크게 변하지 않는 것을 확인할 수 있었다.Meanwhile, FIG. 13 shows gate voltage and time-dependent photoexcitation current curves of AlGaN/GaN phototransistors having 10, 20, and 30 nm thick AlGaN barrier layers when 280 nm light is injected. When the thickness of the AlGaN barrier layer was 10 nm, it was confirmed that the photoexcitation current did not change significantly depending on the gate voltage.

즉, 도 12 및 13으로부터, 주입되는 광의 파장이 365nm이고, AlGaN 배리어층의 두께가 10nm 일 때, 게이트 전압 인가에 따라 광 여기 전류를 증폭 또는 감소시킬 수 있음을 확인했다.That is, it was confirmed from FIGS. 12 and 13 that when the wavelength of the injected light is 365 nm and the thickness of the AlGaN barrier layer is 10 nm, the photoexcitation current can be amplified or reduced according to the application of the gate voltage.

n형 AlGaN 배리어층을 사용한 광 검출기에 관한 상기 실시예 1 내지 5의 결과로부터, p형 AlGaN 배리어층을 사용한 광 검출기의 경우, 인가되는 게이트 전압이 양의 전압일 때, 광 여기 전류가 증가하는 것임을 알 수 있다.From the results of Examples 1 to 5 regarding the photodetector using the n-type AlGaN barrier layer, in the case of the photodetector using the p-type AlGaN barrier layer, when the applied gate voltage is a positive voltage, the photoexcitation current increases. it can be seen that

Claims (8)

기판;
상기 기판의 상부에 존재하는 AlyGa1-yN 채널층; 및
상기 채널층의 상부에 존재하는 n형 AlxGa1-xN 배리어층을 포함하며,
상기 n형 AlxGa1-xN 배리어층의 상부에는 게이트 전극, 소스 전극 및 드레인 전극이 형성되어 있으며, 상기 게이트 전극은 상기 소스 전극 및 상기 드레인 전극 사이에 배치되어 있고,
상기 AlyGa1-yN 채널층의 y 및 상기 n형 AlxGa1-xN 배리어층의 x는, 0≤y<x, 0<x<1 및 0≤y<1을 만족하며,
상기 게이트 전극에 인가되는 게이트 전압에 따라 광 여기 전류가 증가 또는 감소하며,
상기 인가되는 게이트 전압이 음의 전압인 경우, 광 여기 전류가 증가하며,
상기 n형 AlxGa1-xN 배리어층의 두께는 15nm 이하로서 파장 365nm의 빛을 검출하는 것을 특징으로 하는 광 검출기.
Board;
an Al y Ga 1-y N channel layer present on top of the substrate; and
An n-type Al x Ga 1-x N barrier layer present on top of the channel layer,
A gate electrode, a source electrode, and a drain electrode are formed on the n-type Al x Ga 1-x N barrier layer, and the gate electrode is disposed between the source electrode and the drain electrode,
y of the Al y Ga 1-y N channel layer and x of the n-type Al x Ga 1-x N barrier layer satisfy 0≤y<x, 0<x<1 and 0≤y<1,
An optical excitation current increases or decreases according to a gate voltage applied to the gate electrode;
When the applied gate voltage is a negative voltage, the photoexcitation current increases;
The n-type Al x Ga 1-x N barrier layer has a thickness of 15 nm or less and detects light having a wavelength of 365 nm.
삭제delete 삭제delete 삭제delete 기판;
상기 기판의 상부에 존재하는 AlyGa1-yN 채널층; 및
상기 채널층의 상부에 존재하는 p형 AlxGa1-xN 배리어층을 포함하며,
상기 p형 AlxGa1-xN 배리어층의 상부에는 게이트 전극, 소스 전극 및 드레인 전극이 형성되어 있으며, 상기 게이트 전극은 상기 소스 전극 및 상기 드레인 전극 사이에 배치되어 있고,
상기 AlyGa1-yN 채널층의 y 및 상기 p형 AlxGa1-xN 배리어층의 x는, 0≤y<x, 0<x<1 및 0≤y<1을 만족하며,
상기 게이트 전극에 인가되는 게이트 전압에 따라 광 여기 전류가 증가 또는 감소하며,
상기 인가되는 게이트 전압이 양의 전압인 경우, 광 여기 전류가 증가하며,
상기 p형 AlxGa1-xN 배리어층의 두께는 15nm 이하로서 파장 365nm의 빛을 검출하는 것을 특징으로 하는 광 검출기.



Board;
an Al y Ga 1-y N channel layer present on top of the substrate; and
A p-type Al x Ga 1-x N barrier layer present on top of the channel layer,
A gate electrode, a source electrode, and a drain electrode are formed on the p-type Al x Ga 1-x N barrier layer, and the gate electrode is disposed between the source electrode and the drain electrode,
y of the Al y Ga 1-y N channel layer and x of the p-type Al x Ga 1-x N barrier layer satisfy 0≤y<x, 0<x<1 and 0≤y<1,
An optical excitation current increases or decreases according to a gate voltage applied to the gate electrode;
When the applied gate voltage is a positive voltage, the photoexcitation current increases;
The p-type Al x Ga 1-x N barrier layer has a thickness of 15 nm or less and detects light having a wavelength of 365 nm.



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