KR102664498B1 - UIM(Universal Impedance Matching) anti-reflection coating, UIM anti-reflection coating silicon photodetector that prevents reflection regardless of incident angle and polarization state in the visible and near-infrared wavelength bands and method for manufacturing the same - Google Patents

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Abstract

본 발명은 가시광선 및 근적외선의 파장대역에서 입사각도 및 편광상태에 관계없이 반사를 방지하는 무반사막, 무반사막 실리콘 광 검출기 및 이의 제조 방법을 개시한다. 본 발명에 따르면, PIN 접합을 통해 빛의 입사에 상응하는 광 전류를 발생시키는 실리콘 광 검출기로서, 금속층; 상기 금속층 상에 위치하며 고유한 결정질 실리콘으로 이루어진 진성 반도체층; 상기 진성 반도체층 상에 위치하며 n-type으로 도핑된 실리콘으로 이루어진 N형 반도체층; 상기 진성 반도체층 상에 위치하며 p-type으로 도핑된 실리콘으로 이루어진 P형 반도체층; 상기 N형 반도체층 상에 위치하는 음극; 상기 P형 반도체층 상에 위치하는 양극; 및 상기 P형 반도체층 상에 위치하는 무반사막을 포함하되, 상기 무반사막은, 상기 P형 반도체층 상에 위치하며 SiO2로 형성되는 제1 층, 상기 제1 층과 소정 거리만큼 이격되어 SiO2로 형성되는 제2 층, 상기 제1 층과 제2 층 사이에 배치되며 TiO2로 형성되는 이격층을 포함하고, 상기 무반사막은 상기 제1 층 및 제2 층이 상기 이격층과 함께 구조적 이중층을 이루어 메타물질로 형성되고, 입사된 빛에 대한 전자기파 반응의 비국소성(nonlocality)을 활용하여 상기 입사된 빛의 주파수 및 입사각도에 따라 유효굴절률(effective refractive index)이 변하는 시공간분산(spatiotemporal dispersion)을 구현하는 무반사막 실리콘 광 검출기가 제공된다. The present invention discloses an anti-reflective film that prevents reflection regardless of incident angle and polarization state in the visible and near-infrared wavelength bands, an anti-reflective film silicon photodetector, and a method of manufacturing the same. According to the present invention, there is provided a silicon photodetector that generates a photocurrent corresponding to the incidence of light through a PIN junction, comprising: a metal layer; an intrinsic semiconductor layer located on the metal layer and made of unique crystalline silicon; an N-type semiconductor layer located on the intrinsic semiconductor layer and made of n-type doped silicon; a P-type semiconductor layer located on the intrinsic semiconductor layer and made of p-type doped silicon; a cathode located on the N-type semiconductor layer; an anode located on the P-type semiconductor layer; and an anti-reflective film located on the P-type semiconductor layer, wherein the anti-reflective film includes a first layer located on the P-type semiconductor layer and formed of SiO 2 and SiO 2 spaced apart from the first layer by a predetermined distance. a second layer formed of, and a spacing layer disposed between the first layer and the second layer and formed of TiO 2 , wherein the anti-reflective film is a structural double layer where the first layer and the second layer together with the spacing layer It is formed of a metamaterial, and utilizes the nonlocality of the electromagnetic wave response to incident light to create spatiotemporal dispersion in which the effective refractive index changes depending on the frequency and angle of incidence of the incident light. An anti-reflective silicon photodetector that implements an anti-reflective film is provided.

Description

가시광선 및 근적외선의 파장대역에서 입사각도 및 편광상태에 관계없이 반사를 방지하는 무반사막, 무반사막 실리콘 광 검출기 및 이의 제조 방법{UIM(Universal Impedance Matching) anti-reflection coating, UIM anti-reflection coating silicon photodetector that prevents reflection regardless of incident angle and polarization state in the visible and near-infrared wavelength bands and method for manufacturing the same}Anti-reflection film, anti-reflection film silicon photodetector and manufacturing method thereof that prevent reflection regardless of incident angle and polarization state in the visible and near-infrared wavelength bands {UIM (Universal Impedance Matching) anti-reflection coating, UIM anti-reflection coating silicon photodetector that prevents reflection regardless of incident angle and polarization state in the visible and near-infrared wavelength bands and method for manufacturing the same}

본 발명은 가시광선 및 근적외선의 파장대역에서 입사각도 및 편광상태에 관계없이 반사를 방지하는 무반사막, 무반사막 실리콘 광 검출기 및 이의 제조 방법에 관한 것이다. The present invention relates to an anti-reflective film that prevents reflection regardless of incident angle and polarization state in the visible and near-infrared wavelength bands, an anti-reflective film silicon photodetector, and a method of manufacturing the same.

광 검출기(photodetector) 개발은 CIS, IoT 센서, 자율주행 센서, 태양광 센서, 산업용 로봇 등의 다양한 IT 산업 분야 및 광범위한 반도체 산업에서 많은 주목을 받고 있고, 많은 미래 산업 기술 분야에 핵심 부품으로 활용될 수 있다.The development of photodetectors is receiving a lot of attention in various IT industry fields such as CIS, IoT sensors, autonomous driving sensors, solar sensors, and industrial robots, as well as in the broader semiconductor industry, and will be used as a key component in many future industrial technology fields. You can.

특히, 이미지 센서의 최대 시장인 스마트폰 시장이 꾸준히 성장하고, 자동차 및 산업용 수요도 지속해서 증가하여 향후 시장 확대가 예상된다.In particular, the smartphone market, the largest market for image sensors, is growing steadily, and demand for automobiles and industrial applications is also expected to continue to increase, leading to market expansion in the future.

광 검출기는 전자소자가 빛에 따라 전기특성이 변하는 특성을 활용하는 장치로서, 소자의 수광부에 빛을 입사시켰을 때 내부에서 빛 에너지를 흡수하여 전기에너지로 변환하는 기능을 가진다. 여기서 광 흡수란, 빛에 의해 전자를 에너지 갭 이상의 상태로 여기하는 것인데, 반사로 인한 손실 없이 빛을 제어하는 광 검출기의 필요성이 대두되고 있다.A photodetector is a device that utilizes the characteristic of electronic devices that change their electrical characteristics depending on light. When light is incident on the light receiving part of the device, it has the function of absorbing light energy internally and converting it into electrical energy. Here, light absorption refers to exciting electrons to a state greater than the energy gap by light, and the need for a photodetector that controls light without loss due to reflection is emerging.

일반적으로 광 검출기는 기판 위에 PIN 접합을 만들고 접합계면에 빛을 입사시키면 광자 에너지를 흡수한 반송자를 생성한다. 이 반송자의 흐름이 전류를 발생시키고 외부회로와 상호작용에 의해 광 신호에 상응하는 전기적 신호인 광 전류가 발생한다.In general, a photodetector creates a PIN junction on a substrate and generates a carrier that absorbs photon energy when light is incident on the junction interface. The flow of this carrier generates a current, and through interaction with an external circuit, a photocurrent, an electrical signal corresponding to the optical signal, is generated.

생성된 광 전류를 측정하기 위해 회로기판과 금속패드를 연결하는 와이어본딩(wire bonding)을 진행한다.To measure the generated photocurrent, wire bonding is performed to connect the circuit board and metal pad.

구체적으로 설명하면, 반도체 광 검출기는 입사하는 빛의 광자 에너지가 반도체의 밴드갭(band gap) 에너지보다 크면 소자 내에서 광 흡수가 일어나 전자-정공쌍(electron-hole pair)을 만든다. 여기서, 역 바이어스(reverse bias)된 PIN 접합부에서 빛을 받으면 광 전류가 증가한다. 이때의 광 전류는 역 바이어스 전압에 의존하는 것이 아닌 빛의 양에 의존한다. 생성된 전류는 와이어본딩을 통해 만들어진 도선을 통해 외부로 전달되며, 측정된 광 전류를 바탕으로 소자의 성능을 확인한다.Specifically, in a semiconductor photodetector, when the photon energy of incident light is greater than the band gap energy of the semiconductor, light absorption occurs within the device to create an electron-hole pair. Here, when light is received from a reverse biased PIN junction, the photocurrent increases. At this time, the photo current does not depend on the reverse bias voltage but on the amount of light. The generated current is transmitted to the outside through a conductor made through wire bonding, and the performance of the device is confirmed based on the measured photocurrent.

한편, 광 검출기는 소자의 상단부 또는 표면에 구성되는 물질의 종류에 따라 전자기적 특성이 다르기 때문에 적용되는 분야마다 물질이 다르다.Meanwhile, photodetectors have different electromagnetic properties depending on the type of material made up of the top or surface of the device, so the materials are different for each field to which they are applied.

광 검출기는 일반적으로 CMOS 공정에 호환성이 좋은 실리콘(Silicon) 또는 질화규소(Si3N4)를 사용하여 제조하는데, 이는 센서 및 인공지능 분야에서는 각광을 받고 있는 물질이다.Photodetectors are generally manufactured using silicon or silicon nitride (Si 3 N 4 ), which are highly compatible with the CMOS process, and are materials that are attracting attention in the sensor and artificial intelligence fields.

실리콘 광 검출기는 입사각도 및 편광상태에 따라 반사가 제어되는 정도가 다르며, 빛의 파장을 변화시키면서 위 조건을 다르게 하여 빛을 입사하면 광 흡수율(absorption) 및 반응도(responsivity)가 떨어지는 성능 저하의 문제점이 발생한다.Silicon photodetectors have different degrees of reflection control depending on the angle of incidence and polarization state, and when light is incident under different conditions while changing the wavelength of light, performance deteriorates due to lower light absorption and responsivity. This happens.

일반적으로, 빛은 광학적 특성이 다른 두 물질 사이의 경계를 투과하여 진행할 경우, 임피던스(impedance) 또는 어드미턴스(admittance)의 부정합으로 인해 부분적으로 또는 완전히 반사될 수 있기에, 고성능의 광 검출기를 개발하기 위하여 광 검출기 수광부에 빛의 반사를 제어하는 무반사막을 설계하려는 노력이 지속적으로 이어져왔다.In general, when light passes through the boundary between two materials with different optical properties, it may be partially or completely reflected due to mismatch in impedance or admittance. Therefore, in order to develop a high-performance photo detector, Efforts to design an anti-reflective film that controls the reflection of light in the light receiving part of a photodetector have continued.

대표적인 무반사 기술로, 1/4-파장 무반사막(quarter-wave anti-reflection coating), 다층 무반사막(multi-layer anti-reflection coating), 및 비균질 무반사막(inhomogeneous anti-reflection coating) 등이 광 검출기에 활용되어 왔다.Representative anti-reflection technologies include quarter-wave anti-reflection coating, multi-layer anti-reflection coating, and inhomogeneous anti-reflection coating for light detectors. has been used in

그러나, 질화규소를 활용하여 형성하는 1/4-파장 무반사막은 특정 파장대역에서만 반사가 제어되는 한계점을 가지고 있어, 광역 스펙트럼 범위의 고성능 광 검출기에 요구되는 임피던스 정합 및 공정 조건 등을 개선하는 것은 여전히 도전과제이다.However, the 1/4-wave antireflection film formed using silicon nitride has the limitation that reflection is controlled only in a specific wavelength band, so it is still difficult to improve the impedance matching and process conditions required for high-performance photodetectors in a wide spectral range. It's a challenge.

한편, 광역 스펙트럼 범위의 무반사를 이루기 위해 다층 무반사막 및 비균질 무반사막 등을 활용한 광 검출기가 개발되었지만, 여전히 입사각도 및 편광상태에 따라 낮은 흡수율을 보이고, 설계 조건하에서 광 반응도 등의 성능이 저하되는 등의 문제점이 있다.Meanwhile, photo detectors using multilayer anti-reflection films and non-homogeneous anti-reflection films have been developed to achieve anti-reflection in a wide spectral range, but they still show low absorption depending on the incident angle and polarization state, and performance such as light reactivity deteriorates under design conditions. There are problems such as

또한, 다층 무반사막 및 비균질 무반사막은 무반사막의 두께가 파장대비 두꺼워지고 무반사막을 이루는 구조의 복잡성이 늘어나는 단점이 발생하여 제조 과정의 복잡성 및 비용 증가의 문제가 있다.In addition, multilayer anti-reflective films and heterogeneous anti-reflective films have the disadvantage that the thickness of the anti-reflective film increases compared to the wavelength and the complexity of the structure forming the anti-reflective film increases, which increases the complexity of the manufacturing process and increases costs.

따라서, 고성능 광 검출기의 성능을 극대화시키기 위해, 파장대비 얇으면서도 입사하는 빛의 주파수, 입사각도, 및 편광상태에 무관하게 무반사를 이루는 무반사막이 형성된 실리콘 광 검출기의 설계 및 적용 기술이 제안될 필요성이 있다.Therefore, in order to maximize the performance of high-performance photodetectors, there is a need to propose a design and application technology for a silicon photodetector with an anti-reflection film that is thin compared to the wavelength and is non-reflective regardless of the frequency, angle of incidence, and polarization state of the incident light. There is.

한편, 만능 임피던스 정합(Universal Impedance Matching; UIM) 이론에 따르면, 입사하는 빛의 주파수, 입사각도, 및 편광상태에 무관하게 빛의 반사를 차단하기 위해선, 빛의 주파수 및 입사각에 따라 달라지는 매질변수(material parameter)가 무반사막에 요구되고, 이는 매질의 유효 매질 변수(effective material parameter)가 시공간분산(spatio-temporal dispersion)을 갖는 물질로 구현할 수 있다.Meanwhile, according to the Universal Impedance Matching (UIM) theory, in order to block the reflection of light regardless of the frequency, incident angle, and polarization state of the incident light, a medium variable (( A material parameter is required for an anti-reflective film, and this can be implemented with a material whose effective material parameter has spatio-temporal dispersion.

보다 구체적으로는, 굴절률이 다른 두 개의 매질 층을 활용하여 파장보다 얇은 두께로 이격시키는 구조적 이중층(structural double layer)의 메타물질(metamaterial)을 설계하면 시공간분산을 구현할 수 있다.More specifically, spatiotemporal dispersion can be realized by designing a structural double layer metamaterial that utilizes two media layers with different refractive indices to be spaced apart to a thickness smaller than the wavelength.

즉, 파장보다 얇은 구조로 형성되는 메타물질의 유효 매질 변수는 입사된 빛에 따라 비국소적인(non-local) 전자기 반응을 통해 빛의 주파수 및 입사각도에 따라 유효굴절률(effective refractive index)가 변하는 시공간분산을 가질 수 있다.In other words, the effective medium variable of a metamaterial formed with a structure thinner than the wavelength is that the effective refractive index changes depending on the frequency and angle of incidence of light through a non-local electromagnetic response depending on the incident light. It can have spatiotemporal distribution.

따라서, 메타물질의 시공간분산을 활용하여 가시광선에서 근적외선까지 광대한 파장대역에서 입사각도와 편광상태에 관계없이 빛의 반사를 제어하는 UIM 무반사막을 형성할 수 있고, UIM 무반사막을 활용한 실리콘 광 검출기의 설계 및 구현 기술이 제안될 필요성이 있다.Therefore, by utilizing the spatiotemporal dispersion of metamaterials, it is possible to form a UIM anti-reflective film that controls the reflection of light regardless of the incident angle and polarization state in a wide wavelength range from visible light to near-infrared, and a silicon photodetector using the UIM anti-reflective film can be formed. There is a need for design and implementation techniques to be proposed.

동시에, 가시광선 및 근적외선 파장의 빛의 반사 제어가 가능한 광 검출기는 많은 미래 산업 기술 분야에 핵심 부품으로 활용될 수 있으므로, 장치의 성능 및 효율성을 증가시키는 기술이 제안될 필요성이 대두되고 있다.At the same time, photodetectors capable of controlling the reflection of light in visible and near-infrared wavelengths can be used as key components in many future industrial technology fields, so there is a need to propose technologies that increase the performance and efficiency of the device.

KR 등록특허 10-2370709KR registered patent 10-2370709

상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해, 본 발명은 가시광선과 근적외선의 반사로 인한 에너지 손실을 입사각 변화와 편광상태에 관계없이 제어하여 에너지 전달성을 향상시킬 수 있는 가시광선 및 근적외선의 파장대역에서 입사각도 및 편광상태에 관계없이 반사를 방지하는 무반사막, 무반사막 실리콘 광 검출기 및 이의 제조 방법을 제안하고자 한다. In order to solve the problems of the above-mentioned prior art, the present invention is to control the energy loss due to reflection of visible light and near-infrared light regardless of the change in incident angle and polarization state in the wavelength band of visible light and near-infrared light, which can improve energy transferability. We would like to propose an anti-reflective film that prevents reflection regardless of incident angle and polarization state, an anti-reflective film silicon photodetector, and a method of manufacturing the same.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따르면, PIN 접합을 통해 빛의 입사에 상응하는 광 전류를 발생시키는 실리콘 광 검출기로서, 금속층; 상기 금속층 상에 위치하며 고유한 결정질 실리콘으로 이루어진 진성 반도체층; 상기 진성 반도체층 상에 위치하며 n-type으로 도핑된 실리콘으로 이루어진 N형 반도체층; 상기 진성 반도체층 상에 위치하며 p-type으로 도핑된 실리콘으로 이루어진 P형 반도체층; 상기 N형 반도체층 상에 위치하는 음극; 상기 P형 반도체층 상에 위치하는 양극; 및 상기 P형 반도체층 상에 위치하는 무반사막을 포함하되, 상기 무반사막은, 상기 P형 반도체층 상에 위치하며 SiO2로 형성되는 제1 층, 상기 제1 층과 소정 거리만큼 이격되어 SiO2로 형성되는 제2 층, 상기 제1 층과 제2 층 사이에 배치되며 TiO2로 형성되는 이격층을 포함하고, 상기 무반사막은 상기 제1 층 및 제2 층이 상기 이격층과 함께 구조적 이중층을 이루어 메타물질로 형성되고, 입사된 빛에 대한 전자기파 반응의 비국소성(nonlocality)을 활용하여 상기 입사된 빛의 주파수 및 입사각도에 따라 유효굴절률(effective refractive index)이 변하는 시공간분산(spatiotemporal dispersion)을 구현하는 무반사막 실리콘 광 검출기가 제공된다. In order to achieve the above-described object, according to one embodiment of the present invention, there is provided a silicon photodetector that generates a photocurrent corresponding to the incidence of light through a PIN junction, comprising: a metal layer; an intrinsic semiconductor layer located on the metal layer and made of unique crystalline silicon; an N-type semiconductor layer located on the intrinsic semiconductor layer and made of n-type doped silicon; a P-type semiconductor layer located on the intrinsic semiconductor layer and made of p-type doped silicon; a cathode located on the N-type semiconductor layer; an anode located on the P-type semiconductor layer; and an anti-reflective film located on the P-type semiconductor layer, wherein the anti-reflective film includes a first layer located on the P-type semiconductor layer and formed of SiO 2 and SiO 2 spaced apart from the first layer by a predetermined distance. a second layer formed of, and a spacing layer disposed between the first layer and the second layer and formed of TiO 2 , wherein the anti-reflective film is a structural double layer where the first layer and the second layer together with the spacing layer It is formed of a metamaterial, and utilizes the nonlocality of the electromagnetic wave response to incident light to create spatiotemporal dispersion in which the effective refractive index changes depending on the frequency and angle of incidence of the incident light. An anti-reflective silicon photodetector that implements an anti-reflective film is provided.

상기 제1층, 상기 제2층 및 상기 이격층의 총 두께는, 상기 입사된 빛의 파장보다 작은 두께를 가지며, 상기 제2 층은 상기 제1 층 두께의 7배 내지 9배의 두께로 형성되고, 상기 이격층은 제1 층 두께의 3배 내지 3.5배의 두께로 형성될 수 있다. The total thickness of the first layer, the second layer, and the spacing layer has a thickness smaller than the wavelength of the incident light, and the second layer has a thickness of 7 to 9 times the thickness of the first layer. And, the spacing layer may be formed to have a thickness of 3 to 3.5 times the thickness of the first layer.

상기 이격층은 상기 입사된 빛의 중심 파장인 750nm의 0.04 내지 0.06배로 형성될 수 있다. The spacing layer may be formed to be 0.04 to 0.06 times the central wavelength of 750 nm of the incident light.

상기 제1 층, 상기 제2 층 및 상기 이격층은 스퍼터링 공정을 통해 형성될 수 있다. The first layer, the second layer, and the spacing layer may be formed through a sputtering process.

본 발명의 다른 측면에 따르면, SiO2로 형성되는 제1 층; 상기 제1 층과 소정 거리만큼 이격되어 SiO2로 형성되는 제2 층; 및 상기 제1 층과 제2 층 사이에 배치되며 TiO2로 형성되는 이격층을 포함하되, 상기 이격층과 함께 구조적 이중층을 이루어 메타물질로 형성되고, 입사된 빛에 대한 전자기파 반응의 비국소성(nonlocality)을 활용하여 상기 입사된 빛의 주파수 및 입사각도에 따라 유효굴절률(effective refractive index)이 변하는 시공간분산(spatiotemporal dispersion)을 구현하는 무반사막이 제공된다. According to another aspect of the invention, a first layer formed of SiO 2 ; a second layer formed of SiO 2 and spaced apart from the first layer by a predetermined distance; and a spacing layer disposed between the first layer and the second layer and formed of TiO 2 , wherein the spacing layer forms a structural double layer together with the spacing layer and is formed of a metamaterial, and has nonlocality of the electromagnetic wave response to incident light. ) is provided to provide an anti-reflective film that implements spatiotemporal dispersion in which the effective refractive index changes depending on the frequency and angle of incidence of the incident light.

본 발명의 또 다른 측면에 따르면, PIN 접합을 통해 빛의 입사에 상응하는 광 전류를 발생시키는 실리콘 광 검출기 제조 방법으로서, 금속층 상에 고유한 결정질 실리콘으로 이루어진 진성 반도체층을 형성하는 단계; 상기 진성 반도체층 상에 n-type으로 도핑된 실리콘으로 이루어진 N형 반도체층을 형성하는 단계; 상기 진성 반도체층 상에 p-type으로 도핑된 실리콘으로 이루어진 P형 반도체층을 형성하는 단계; 상기 N형 반도체층 및 P형 반도체층 상에 음극 및 양극을 구성하는 금속패드를 형성하는 단계; 및 스퍼터를 이용하여 상기 P형 반도체층 상에 무반사막을 형성하는 단계를 포함하되, 상기 무반사막은, 상기 P형 반도체층 상에 위치하며 SiO2로 형성되는 제1 층, 상기 제1 층과 소정 거리만큼 이격되어 SiO2로 형성되는 제2 층, 상기 제1 층과 제2 층 사이에 배치되며 TiO2로 형성되는 이격층을 포함하고, 상기 무반사막은 상기 제1 층 및 제2 층이 상기 이격층과 함께 구조적 이중층을 이루어 메타물질로 형성되고, 입사된 빛에 대한 전자기파 반응의 비국소성(nonlocality)을 활용하여 상기 입사된 빛의 주파수 및 입사각도에 따라 유효굴절률(effective refractive index)이 변하는 시공간분산(spatiotemporal dispersion)을 구현하는 무반사막 실리콘 광 검출기 제조 방법이 제공된다. According to another aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a silicon photodetector that generates a photocurrent corresponding to incident light through a PIN junction, comprising: forming an intrinsic semiconductor layer made of intrinsic crystalline silicon on a metal layer; forming an n-type semiconductor layer made of n-type doped silicon on the intrinsic semiconductor layer; forming a p-type semiconductor layer made of p-type doped silicon on the intrinsic semiconductor layer; forming metal pads constituting a cathode and an anode on the N-type semiconductor layer and the P-type semiconductor layer; and forming an anti-reflective film on the P-type semiconductor layer using sputtering, wherein the anti-reflective film includes a first layer located on the P-type semiconductor layer and formed of SiO 2 , the first layer and a predetermined amount. It includes a second layer spaced apart by a distance and formed of SiO 2 , and a spacing layer disposed between the first layer and the second layer and formed of TiO 2 , wherein the anti-reflective film includes the first layer and the second layer. It is formed of a metamaterial as a structural double layer with a spacing layer, and utilizes the nonlocality of the electromagnetic wave response to incident light to change the effective refractive index according to the frequency and incident angle of the incident light. A method for manufacturing an anti-reflective silicon photodetector implementing spatiotemporal dispersion is provided.

본 발명에 따르면, 가시광선 및 근적외선 영역에서의 빛의 주파수와 입사각도, 편광상태에 관계없이 각 물질층의 임피던스 정합을 이루어 빛 또는 전자기파의 반사를 차단하는 무반사막 구조를 설계할 수 있다. According to the present invention, it is possible to design an anti-reflective film structure that blocks reflection of light or electromagnetic waves by matching the impedance of each material layer regardless of the frequency, incident angle, and polarization state of light in the visible and near-infrared regions.

또한, 본 발명에 따르면, 다층 무반사막과 같이 막의 두께가 파장대비 큰 무반사막에 대비하여 임의의 입사각도에서 빛의 반사를 제어할 수 있는 무반사막을 설계하여 광 검출기의 크기를 감소시킬 수 있다.In addition, according to the present invention, the size of the photo detector can be reduced by designing an anti-reflective film that can control the reflection of light at any angle of incidence compared to an anti-reflective film such as a multi-layer anti-reflective film with a large thickness compared to the wavelength.

나아가, 본 발명에 따르면, 빛의 주파수 및 입사각도에 따라 유효굴절률이 변하는 물질의 시공간분산(spatiotemporal dispersion)을 활용하여 빛의 반사를 제어하는 만능 임피던스 정합 이론에 기반한 무반사막을 실리콘 광 검출기와 결합하여 각종 센서 및 인공지능 분야 등의 미래 산업에서 활용되는 광복합 소자의 반사 손실을 줄이고 출력되는 광 반응도를 향상시킬 수 있다.Furthermore, according to the present invention, an anti-reflective film based on the universal impedance matching theory that controls the reflection of light by utilizing the spatiotemporal dispersion of a material whose effective refractive index changes depending on the frequency and angle of incidence of light is combined with a silicon photodetector. It can reduce the reflection loss of optical composite devices used in future industries such as various sensors and artificial intelligence fields and improve the output light response.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 무반사막 실리콘 광 검출기의 모식도이다.
도 2는 본 실시예에 따른 무반사막의 상세 구조도이다.
도 3은 서로 다른 실리콘 광 검출기의 빛 또는 전자기파의 광 흡수율을 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 무반사막 실리콘 광 검출기의 광학 현미경 및 주사 전자 현미경 이미지(SEM)를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 실시예에 따른 무반사막 실리콘 광 검출기와 무반사막이 결합되지 않은 실리콘 광 검출기의 가시광선 영역에서 광 흡수율(absorption) 및 광 반응도(responsivity)를 실제로 측정하여 비교한 데이터를 나타낸 도면이다.
도 6은 본 실시예에 따른 무반사막 실리콘 광 검출기와 무반사막이 결합되지 않은 일반 실리콘 광 검출기의 근적외선 영역에서 흡수율(absorption) 및 반응도(responsivity)를 측정하여 비교한 데이터를 그래프로 나타낸 도면이다.
도 7은 본 실시예에 따른 무반사막 실리콘 광 검출기와 무반사막이 결합되지 않은 일반 실리콘 광 검출기에 가시광선 및 근적외선 영역의 빛 또는 전자기파를 다양한 입사각도로 입사하였을 때의 광 흡수율(absorption) 및 반응도(responsivity)를 측정하여 비교한 데이터를 그래프로 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 무반사막이 증착된 실리콘 광 검출기 형성 과정의 흐름도를 도시한 도면이다.
1 is a schematic diagram of an anti-reflective silicon photodetector according to an embodiment of the present invention.
Figure 2 is a detailed structural diagram of an anti-reflective membrane according to this embodiment.
Figure 3 is a diagram showing the light absorption rate of light or electromagnetic waves of different silicon photodetectors.
Figure 4 is a view showing an optical microscope and a scanning electron microscope image (SEM) of an anti-reflective silicon photodetector according to an embodiment of the present invention.
Figure 5 is a diagram showing data compared by actually measuring light absorption and light responsivity in the visible light region of a silicon photodetector with an anti-reflection film according to this embodiment and a silicon photodetector without an anti-reflection film combined. .
FIG. 6 is a graph showing data compared by measuring absorption and responsivity in the near-infrared region of an anti-reflective silicon photodetector according to this embodiment and a general silicon photodetector not combined with an antireflective film.
Figure 7 shows the light absorption and reactivity when light or electromagnetic waves in the visible and near-infrared regions are incident at various angles of incidence on an anti-reflective silicon photodetector according to this embodiment and a general silicon photodetector without an antireflective film combined. This is a graph showing the data compared by measuring responsivity.
Figure 8 is a flowchart showing the process of forming a silicon photodetector on which an anti-reflective film of the present invention is deposited.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다.Since the present invention can make various changes and have various embodiments, specific embodiments will be illustrated in the drawings and described in detail.

그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. However, this is not intended to limit the present invention to specific embodiments, and should be understood to include all changes, equivalents, and substitutes included in the spirit and technical scope of the present invention.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 무반사막 실리콘 광 검출기의 모식도이고, 도 2는 본 실시예에 따른 무반사막의 상세 구조도이다. Figure 1 is a schematic diagram of an anti-reflective film silicon photodetector according to an embodiment of the present invention, and Figure 2 is a detailed structural diagram of an anti-reflective film according to this embodiment.

본 실시예에 따른 실리콘 광 검출기는 빛을 입사시켰을 때 광자 에너지를 흡수한 반송자를 생성하고, 반송자의 흐름이 전류를 발생시키고 외부회로와 상호작용에 의해 광 신호에 상응하는 전기적 신호인 광 전류를 발생시킨다. The silicon photodetector according to this embodiment generates a carrier that absorbs photon energy when light is incident, and the flow of the carrier generates a current and interacts with an external circuit to generate a photocurrent, which is an electrical signal corresponding to the optical signal. generates

도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 실리콘 광 검출기(110)는 금속층(111), 진성 반도체층(112), N형 반도체층(113), P형 반도체층(114), 절연층(115), 음극(116), 양극(117) 및 무반사막(120)을 포함할 수 있다. Referring to FIG. 1, the silicon photodetector 110 according to this embodiment includes a metal layer 111, an intrinsic semiconductor layer 112, an N-type semiconductor layer 113, a P-type semiconductor layer 114, and an insulating layer 115. ), a cathode 116, an anode 117, and an anti-reflective film 120.

금속층(110)은 광 검출기 자체의 전극을 형성하며 Au와 같은 금속 물질로 구성된다. The metal layer 110 forms the electrode of the photo detector itself and is made of a metal material such as Au.

PIN 접합을 위한 진성 반도체층(112)은 고유한(intrinsic) 결정질 실리콘 기판일 수 있다. The intrinsic semiconductor layer 112 for PIN junction may be an intrinsic crystalline silicon substrate.

N형 반도체층(113)은 ion implantation 공정을 통해 형성되는 n-type으로 도핑된 실리콘일 수 있고, P형 반도체층(114)은 p-type으로 도핑된 실리콘일 수 있다. The N-type semiconductor layer 113 may be n-type doped silicon formed through an ion implantation process, and the P-type semiconductor layer 114 may be p-type doped silicon.

절연층(115)은 이산화규소(SiO2)로 형성될 수 있다. The insulating layer 115 may be formed of silicon dioxide (SiO 2 ).

음극(cathode, 116)은 N형 반도체층(113) 상에 위치하며, 복수의 양극(anode, 예를 들어, 3개의 양극, 117)은 P형 반도체층(114) 상에 위치한다. A cathode (116) is located on the N-type semiconductor layer (113), and a plurality of anodes (for example, three anodes (117)) are located on the P-type semiconductor layer (114).

또한, 무반사막(120)은 P형 반도체층(114) 상에 위치한다. Additionally, the anti-reflection film 120 is located on the P-type semiconductor layer 114.

본 실시예에 따르면, 진성 반도체층(112)을 형성할 때, 소량의 n-type 도핑이 이루어지지만, 고유한 결정질 실리콘의 특성을 유지될 수 있도록 한다. According to this embodiment, when forming the intrinsic semiconductor layer 112, a small amount of n-type doping is performed, but the unique characteristics of crystalline silicon can be maintained.

따라서, N형 반도체층(113)과 P형 반도체층(114)은 진성 반도체층(112)을 사이에 두어 PIN 접합을 이룰 수 있고, N형 반도체층(113) 및 P형 반도체층(114) 상에 결합된 음극(116) 및 양극(117)을 통해 PIN 접합에서 형성된 광 전류를 측정하여 광 반응도를 측정할 수 있다.Therefore, the N-type semiconductor layer 113 and the P-type semiconductor layer 114 can form a PIN junction with the intrinsic semiconductor layer 112 between them, and the N-type semiconductor layer 113 and the P-type semiconductor layer 114 Photoresponsiveness can be measured by measuring the photocurrent formed at the PIN junction through the cathode 116 and anode 117 coupled thereto.

또한, 본 실시예에 따른 무반사막(120)은 가시광선 및 근적외선 파장대역의 주파수 또는 파장, 입사각도, 및 편광상태에 무관하게 반사를 제어하기 위해 실리콘 광 검출기(110)의 수광부에 위치할 수 있으며, 무반사막(120)은 종래의 만능 임피던스 정합(Universal Impedance Matching) 이론에 기반하여 형성할 수 있다.In addition, the anti-reflective film 120 according to this embodiment can be located in the light receiving part of the silicon photodetector 110 to control reflection regardless of the frequency or wavelength, incident angle, and polarization state of the visible and near-infrared wavelength bands. And, the anti-reflective film 120 can be formed based on the conventional universal impedance matching theory.

만능 임피던스 정합(Universal Impedance Matching) 이론에 의하면, 가시광선 및 근적외선 파장대역의 주파수 또는 파장, 입사각도, 및 편광상태에 무관하게 공기에서 기판으로 입사하는 빛(또는 전자기파)의 반사를 제어하는 무반사막은 공기와 기판 사이에서 만능 임피던스 정합 조건에 맞는 메타물질(metamaterial)로 형성할 수 있으며, 메타물질은 입사하는 빛의 파장보다 얇은 두께를 갖는 층으로 구성한 구조적 이중층(Structural double layer)으로 형성할 수 있고, 구조적 이중층은 실리콘 광 검출기의 수광부에 결합함으로써 빛 또는 전자기파의 반사로 인한 에너지 손실을 줄여 실리콘 광 검출기로의 에너지 전달성을 향상시킬 수 있다.According to the Universal Impedance Matching theory, an anti-reflective film that controls the reflection of light (or electromagnetic waves) incident from the air to the substrate regardless of the frequency or wavelength, incident angle, and polarization state of the visible and near-infrared wavelength bands. It can be formed as a metamaterial that meets the universal impedance matching conditions between air and the substrate, and the metamaterial can be formed as a structural double layer made up of a layer with a thickness thinner than the wavelength of the incident light. In addition, the structural double layer can reduce energy loss due to reflection of light or electromagnetic waves by combining with the light receiving part of the silicon photodetector, thereby improving energy transfer to the silicon photodetector.

본 실시예에 따른 무반사막은 상대 유전율(relative permittivity)과 상대 투자율(relative permeability)이 하기의 수학식 1을 만족하여 입사하는 빛의 주파수 또는 파장, 입사각, 및 편광상태에 무관하게 반사를 차단한다.The anti-reflective film according to this embodiment has a relative permittivity and relative permeability that satisfies Equation 1 below, blocking reflection regardless of the frequency or wavelength, incident angle, and polarization state of incident light. .

여기서,

Figure 112022053036689-pat00002
,
Figure 112022053036689-pat00003
는 상대 유전율이고,
Figure 112022053036689-pat00004
는 공기와 무반사막(120) 아래에 위치하는 기판을 형성하는 매질에 대한 빛의 기하 평균 어드미턴스(geometric mean admittance)이고,
Figure 112022053036689-pat00005
은 기하 평균 방향 코사인(geometric mean directional cosine), d는 무반사막의 두께이고,
Figure 112022053036689-pat00006
,
Figure 112022053036689-pat00007
는 상대 투자율, k는 파수(wave number)를 나타내며,
Figure 112022053036689-pat00008
는 빛의 각주파수이다. here,
Figure 112022053036689-pat00002
,
Figure 112022053036689-pat00003
is the relative permittivity,
Figure 112022053036689-pat00004
is the geometric mean admittance of light with respect to air and the medium forming the substrate located below the anti-reflective film 120,
Figure 112022053036689-pat00005
is the geometric mean directional cosine, d is the thickness of the anti-reflective film,
Figure 112022053036689-pat00006
,
Figure 112022053036689-pat00007
represents the relative permeability, k represents the wave number,
Figure 112022053036689-pat00008
is the angular frequency of light.

보다 구체적으로,

Figure 112022053036689-pat00009
Figure 112022053036689-pat00010
는 다음과 같이 표현될 수 있다. More specifically,
Figure 112022053036689-pat00009
and
Figure 112022053036689-pat00010
can be expressed as follows.

여기서, n은 매질의 종류이며, 각각 공기 또는 실리콘 기판을 포함하고,

Figure 112022053036689-pat00012
은 n번 매질에 수직으로 입사하는 빛의 어드미턴스,
Figure 112022053036689-pat00013
은 n번 매질에서의 방향코사인,
Figure 112022053036689-pat00014
은 n번 매질의 유전율이고,
Figure 112022053036689-pat00015
은 n번 매질의 투자율을 나타낸다. Here, n is the type of medium, including air or silicon substrate, respectively,
Figure 112022053036689-pat00012
is the admittance of light incident perpendicularly to n medium,
Figure 112022053036689-pat00013
is the direction cosine in medium n,
Figure 112022053036689-pat00014
is the permittivity of the nth medium,
Figure 112022053036689-pat00015
represents the permeability of nth medium.

도 2를 참조하면, 무반사막(120)은 기판(114) 상에 위치하는 제1 층(121), 제1 층(121)과 소정 거리만큼 이격되어 제2 층(123) 및 제1 층과 제2 층 사이에 배치되는 이격층(122)을 포함할 수 있다. Referring to FIG. 2, the anti-reflective film 120 is separated from the first layer 121 located on the substrate 114 by a predetermined distance and is separated from the second layer 123 and the first layer. It may include a spacing layer 122 disposed between the second layers.

본 실시예에 따른 무반사막(120)은 제1 층(121)과 제2 층(123) 및 그 사이에 배치된 이격층(122)을 포함하는 구조적 이중층을 통한 메타물질로 형성될 수 있다. The anti-reflective film 120 according to this embodiment may be formed of a metamaterial through a structural double layer including the first layer 121 and the second layer 123 and a spacing layer 122 disposed between them.

바람직하게, 제1 층(121)과 제2 층(123)은 굴절률이 1.40 내지 1.55의 범위를 갖는 이산화규소(SiO2)로 구성될 수 있다. Preferably, the first layer 121 and the second layer 123 may be made of silicon dioxide (SiO 2 ) having a refractive index in the range of 1.40 to 1.55.

이격층(122)은 제1 층(121)과 제2 층(123)보다 더 큰 굴절률을 갖는 결정질 실리콘(c-Si), 비균질 실리콘(a-Si) 및 폴리실리콘(poly-Si)로 구성될 수 있다. The spacing layer 122 is composed of crystalline silicon (c-Si), heterogeneous silicon (a-Si), and poly-silicon (poly-Si) having a greater refractive index than the first layer 121 and the second layer 123. It can be.

물질의 복소 굴절률(complex refractive index)을 고려했을 때 빛의 감쇠를 나타내는 허수부인 감쇠계수(attenuation coefficient) 값이 입사하는 빛의 파장대역에서 0으로 수렴해야 무반사막 내부에서 흡수로 인한 손실이 존재하지 않고 광 검출기로 투과된다. Considering the complex refractive index of the material, the attenuation coefficient, an imaginary number representing the attenuation of light, must converge to 0 in the wavelength band of the incident light to prevent loss due to absorption inside the anti-reflective film. and is transmitted to the light detector.

상기한 결정질 실리콘, 비균질 실리콘, 폴리실리콘 등의 반도체 물질들은 감쇠계수(attenuation coefficient) 값이 가시광선 영역대에서 0보다 큰 값을 가지고 있어 빛이 입사되었을 때 무반사막 내에서 흡수가 발생한다. Semiconductor materials such as crystalline silicon, heterogeneous silicon, and polysilicon have an attenuation coefficient greater than 0 in the visible light range, so when light is incident, absorption occurs within the anti-reflective film.

이에, 본 실시예에 따르면, TiO2를 통해 이격층(122)을 형성하여 가시광선 및 근적외선의 넓은 파장대역에서 입사각도 및 편광상태에 관계없이 무반사막 내에서 흡수가 발생하지 않도록 하여 광 손실을 줄이고 소자 성능을 향상시킬 수 있다.Therefore, according to this embodiment, the spacing layer 122 is formed using TiO 2 to prevent absorption in the anti-reflective film regardless of the incident angle and polarization state in the wide wavelength range of visible light and near-infrared light, thereby reducing light loss. It can reduce and improve device performance.

본 실시예에 따르면, 제1 층(121), 이격층(122) 및 제2 층(123)의 총 두께는 입사하는 빛의 파장보다 작은 두께를 가질 수 있다. According to this embodiment, the total thickness of the first layer 121, the spacing layer 122, and the second layer 123 may have a thickness smaller than the wavelength of incident light.

보다 상세하게, 구조적 이중층을 이루는 물질의 굴절률에 따라 제2 층(123)은 제1 층(121) 두께의 7배 내지 9배의 두께로 형성될 수 있고, 이격층(122)은 제1 층(121) 두께의 3배 내지 3.5배의 두께로 형성될 수 있다. In more detail, depending on the refractive index of the material forming the structural double layer, the second layer 123 may be formed to have a thickness of 7 to 9 times the thickness of the first layer 121, and the spacing layer 122 may be formed with a thickness of 7 to 9 times the thickness of the first layer 121. (121) It can be formed to a thickness of 3 to 3.5 times the thickness.

또한, 이격층(122)은 입사하는 빛의 중심 파장인 750nm의 0.04배 내지 0.06배로 형성되며, 바람직하게는 0.056배로 형성될 수 있다. In addition, the spacing layer 122 may be formed to be 0.04 to 0.06 times the central wavelength of 750 nm, and preferably 0.056 times the wavelength of the incident light.

본 실시예에 따른 구조적 이중층은 입사하는 빛의 파장보다 얇은 두께로 형 성되어 입사하는 빛에 대한 전자기파 반응의 비국소성(nonlocality)을 이룰 수 있고, 이러한 비국소성을 활용하여 입사하는 빛의 주파수 및 입사각도에 따라 유효 매질 변수(effective material parameters)가 변하는 시공간분산(spatio-temporal dispersion)을 구현할 수 있다. The structural double layer according to this embodiment is formed to have a thickness thinner than the wavelength of the incident light, so that nonlocality of the electromagnetic wave response to the incident light can be achieved, and by utilizing this nonlocality, the frequency and incident angle of the incident light can be adjusted. It is possible to implement spatio-temporal dispersion in which effective material parameters change.

상기한 바와 같이, 구조적 이중층을 형성한 무반사막(120)은, 수학식 1 및 수학식 2에 대응하는 상대 유전율과 상대 투자율을 가질 수 있고, 가시광선 및 근적외선 파장대역의 주파수 또는 파장, 입사각도, 및 편광상태에 무관하게 반사를 제어할 수 있다. As described above, the anti-reflective film 120 forming a structural double layer may have a relative dielectric constant and relative permeability corresponding to Equation 1 and Equation 2, and the frequency or wavelength of the visible and near-infrared wavelength bands and the incident angle , and reflection can be controlled regardless of the polarization state.

도 3은 서로 다른 실리콘 광 검출기의 빛 또는 전자기파의 광 흡수율을 나타낸 도면이다. Figure 3 is a diagram showing the light absorption rate of light or electromagnetic waves of different silicon photodetectors.

도 3에서 가로축은 빛의 파장 또는 주파수를 나타내고, 세로축은 빛의 입사각도를 나타내며, 빛의 파장, 입사각도 및 편광상태에 따른 빛의 흡수율을 나타낸다. In Figure 3, the horizontal axis represents the wavelength or frequency of light, the vertical axis represents the angle of incidence of light, and the absorption rate of light according to the wavelength, angle of incidence, and polarization state of light.

보다 상세하게, 도 3의 그래프의 축은 파장이 400nm 내지 1100nm인 범위에서 75도 이하의 입사각도로 입사되는 빛에 대한 데이터를 나타낸 것이다. More specifically, the axis of the graph in FIG. 3 shows data on light incident at an incident angle of 75 degrees or less in a wavelength range of 400 nm to 1100 nm.

도 3a 내지 3b는 무반사막이 결합되지 않은 실리콘 광 검출기의 TE 편광상태에 따른 흡수율(1-reflection 또는 absorption)과 TM 편광상태에 따른 흡수율을 나타낸 도면이다. Figures 3a and 3b are diagrams showing the absorption rate (1-reflection or absorption) according to the TE polarization state and the absorption rate according to the TM polarization state of the silicon photodetector without an anti-reflection film attached.

또한, 도 3c 내지 3d는 질화규소(Si3N4)를 이용한 1/4-파장 무반사막이 결합된 실리콘 광 검출기의 TE 편광상태에 따른 흡수율과 TM 편광상태에 따른 흡수율을 나타낸 도면이다. In addition, Figures 3c to 3d are diagrams showing the absorption rate according to TE polarization state and the absorption rate according to TM polarization state of a silicon photodetector combined with a 1/4-wave antireflection film using silicon nitride (Si 3 N 4 ).

도 3c 내지 도 3d는 실리콘 기판 상에 종래기술에 따른 이상적인 1/4-파장 무반사막(Quarterwave Anti-Reflection, QAR)을 질화규소로 형성한 경우의 흡수율을 나타낸다. Figures 3c to 3d show the absorption rate when an ideal 1/4-wave anti-reflection (QAR) film according to the prior art is formed with silicon nitride on a silicon substrate.

여기서, 1/4-파장 무반사막 조건은 하기의 수학식 3을 참고하여 설명할 수 있다. Here, the 1/4-wavelength antireflection film condition can be explained with reference to Equation 3 below.

Figure 112022053036689-pat00016
Figure 112022053036689-pat00016

여기서, t는 두께, n은 질화규소의 굴절률,

Figure 112022053036689-pat00017
는 입사하는 빛의 파장이다.Here, t is the thickness, n is the refractive index of silicon nitride,
Figure 112022053036689-pat00017
is the wavelength of the incident light.

실리콘 광 검출기 및 질화규소(Si3N4) 실리콘 광 검출기의 경우, 가시광선 및 근적외선 영역에서의 효율적인 특성으로 인하여 현재까지도 센서 및 카메라, 실감미디어 등에 적용되는 광 검출기 물질로 많이 사용되기 때문에 만능 임피던스 정합 소자의 무반사막과 비교하기 좋은 물질군으로 파악되어 실험을 진행하였다. Silicon photodetector and silicon nitride (Si 3 N 4 ) Silicon photodetector is still widely used as a photodetector material applied to sensors, cameras, realistic media, etc. due to its efficient characteristics in the visible and near-infrared regions, so all-round impedance matching It was identified as a good material group for comparison with the anti-reflective film of the device, and experiments were conducted.

도 3e 내지 3f는 본 실시예에 따른 무반사막 실리콘 광 검출기의 TE 편광상태에 따른 흡수율과 TM 편광상태에 따른 흡수율을 나타낸 도면이다. Figures 3e to 3f are diagrams showing the absorption rate according to the TE polarization state and the absorption rate according to the TM polarization state of the anti-reflective silicon photodetector according to this embodiment.

도 3을 참조하면, 본 실시예에 따른 무반사막 실리콘 광 검출기의 경우 가시광선 및 근적외선을 포함한 넓은 파장대역에서 입사각도 및 편광상태에 관계없이 빛의 반사를 제어하기 때문에 높은 광 흡수율을 나타내는 것을 확인할 수 있다. Referring to FIG. 3, it can be seen that the non-reflective silicon photodetector according to this embodiment exhibits a high light absorption rate because it controls light reflection regardless of the incident angle and polarization state in a wide wavelength band including visible light and near-infrared light. You can.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 무반사막 실리콘 광 검출기의 광학 현미경 및 주사 전자 현미경 이미지(SEM)를 나타낸 도면이다. Figure 4 is a view showing an optical microscope and a scanning electron microscope image (SEM) of an anti-reflective silicon photodetector according to an embodiment of the present invention.

도 4a의 광학 현미경 이미지에 나타난 바와 같이, 실리콘 광 검출기 중앙에 무반사막이 증착되어 있으며, 양극(anode)와 음극(cathode)에 각각 와이어본딩이 되어 전기적인 신호를 출력하고 있음을 확인할 수 있다. As shown in the optical microscope image of FIG. 4A, it can be confirmed that an anti-reflective film is deposited in the center of the silicon photodetector, and wire bonding is performed on the anode and cathode, respectively, to output an electrical signal.

도 4b는 물리기상증착법(physical vapor deposition, PVD)의 한 종류인 스퍼터(Sputter)를 활용하여 실리콘 기판 상에 이산화규소(SiO2) 및 이산화타이타늄(TiO2)를 증착한 소자의 단층 이미지를 보여준다.Figure 4b shows a single layer image of a device in which silicon dioxide (SiO 2 ) and titanium dioxide (TiO 2 ) were deposited on a silicon substrate using sputter, a type of physical vapor deposition (PVD). .

이때, 무반사막의 구조적 이중층(structural double layer)에서 이산화규소(SiO2)로 이루어진 제1 층(121)은 16nm의 두께로 형성되고, 제2 층(123)은 120nm의 두께로 형성되었으며, 이산화타이타늄(TiO2)로 이루어진 이격층은 42nm로 형성되었음을 보여준다. At this time, in the structural double layer of the anti-reflective film, the first layer 121 made of silicon dioxide (SiO 2 ) is formed with a thickness of 16 nm, and the second layer 123 is formed with a thickness of 120 nm. It shows that the spacing layer made of titanium (TiO 2 ) was formed at 42 nm.

한편, 스퍼터(Sputter)를 활용한 증착 방법은 빠르고 대면적으로 증착이 가능하며 낮은 비용으로 공정할 수 있어 경제성이 있다는 장점을 가질 수 있으며, 전체적인 공정 프로세스 면에서는 화학기상증착법(Chemical Vapor Deposition, CVD) 또는 물리기상증착법(Physical Vapor Deposition, PVD)를 활용한 단순한 공정과정을 통해 대면적으로 무반사막을 구현하여, 비용이나 대량생산 측면에서 이점을 획득할 수 있다. Meanwhile, the deposition method using sputter has the advantage of being economical as it can be deposited quickly and in a large area and can be processed at a low cost. In terms of the overall process, chemical vapor deposition (CVD) can be used. ) or through a simple process using Physical Vapor Deposition (PVD), an anti-reflective film can be implemented in a large area, gaining advantages in terms of cost and mass production.

또한, 본 실시예는 나방눈 구조 무반사막(moth-eye anti-reflection layer)과 같이 복잡한 구조로 인해 공정이 어려운 비균질 무반사막에 대비하여 화학기상증착 및 물리기상증착 방법을 활용한 단순한 매질층의 증착으로 무반사막의 생산성을 향상시킬 수 있다. In addition, this embodiment is a simple medium layer using chemical vapor deposition and physical vapor deposition methods in preparation for a non-homogeneous anti-reflection layer that is difficult to process due to a complex structure such as a moth-eye anti-reflection layer. Deposition can improve the productivity of anti-reflective films.

도 5a 내지 5f는 본 실시예에 따른 무반사막 실리콘 광 검출기와 무반사막이 결합되지 않은 실리콘 광 검출기의 가시광선 영역에서 광 흡수율(absorption) 및 광 반응도(responsivity)를 실제로 측정하여 비교한 데이터를 나타낸 도면이다. Figures 5a to 5f show data compared by actually measuring the light absorption and light responsivity in the visible light region of the anti-reflective film silicon photodetector according to this embodiment and the silicon photodetector not combined with the antireflective film. It is a drawing.

보다 구체적으로, 도 5a 내지 도 5f는 본 실시예에 따른 무반사막 실리콘 광 검출기와 일반 실리콘 광 검출기에 가시광선 대역인 480nm, 550nm, 650nm 파장의 임의의 입사각도 및 편광상태에 따른 광 흡수율 및 광 반응도를 출력하여 비교한 것이다. More specifically, Figures 5a to 5f show the light absorption rate and light according to arbitrary incident angles and polarization states of 480nm, 550nm, and 650nm wavelengths in the visible light band in an anti-reflective silicon photodetector and a general silicon photodetector according to this embodiment. The reactivity was printed and compared.

가로축은 입사각도를 나타내고, 왼쪽 세로축은 광 반응도를, 오른쪽 세로축은 광 흡수율을 나타낸다. The horizontal axis represents the angle of incidence, the left vertical axis represents light reactivity, and the right vertical axis represents light absorption.

또한, 왼쪽 세로축의 광 반응도는 출력되는 광 전류(current, 단위: ampere[A])를 입사하는 빛의 세기(power, 단위: watt[W])로 나눈 것이고, 다음과 같이 나타낼 수 있다. Additionally, the optical reactivity on the left vertical axis is the output photo current (current, unit: ampere [A]) divided by the intensity of incident light (power, unit: watt [W]), and can be expressed as follows.

도 5a 및 5b는 본 실시예에 따른 무반사막 실리콘 광 검출기 및 일반 실리콘 광 검출기에 480nm 파장의 빛을 입사시켰을 때, 입사각도에 따른 광 반응도(responsivity) 및 광 흡수율(absorption)을 편광상태에 따라 나타낸 것이다. Figures 5a and 5b show the light responsivity and light absorption according to the angle of incidence when light with a wavelength of 480 nm is incident on the non-reflective silicon photodetector and the general silicon photodetector according to this embodiment, depending on the polarization state. It is shown.

도 5c 및 5d는 본 실시예에 따른 무반사막 실리콘 광 검출기 및 일반 실리콘 광 검출기에 550nm 파장의 빛을 입사시켰을 때, 입사각도에 따른 광 반응도(responsivity) 및 광 흡수율(absorption)을 편광상태에 따라 나타낸 것이다. Figures 5c and 5d show the light responsivity and light absorption according to the angle of incidence when light with a wavelength of 550 nm is incident on the non-reflective silicon photodetector and the general silicon photodetector according to this embodiment, depending on the polarization state. It is shown.

도 5e 및 5f는 본 실시예에 따른 무반사막 실리콘 광 검출기 및 일반 실리콘 광 검출기에 650nm 파장의 빛을 입사시켰을 때, 입사각도에 따른 광 반응도(responsivity) 및 광 흡수율(absorption)을 편광상태에 따라 나타낸 것이다. Figures 5e and 5f show the light responsivity and light absorption according to the angle of incidence when light with a wavelength of 650 nm is incident on the non-reflective silicon photodetector and the general silicon photodetector according to this embodiment, depending on the polarization state. It is shown.

도 5a 내지 5f를 참고하면, 본 실시예에 따른 무반사막 실리콘 광 검출기의 광 전류(photocurrent) 및 광 반응도(responsivity)가 반사율 측정으로 확인한 흡수율과 유사한 경향성을 가지는 것을 확인할 수 있고, 일반 실리콘 광 검출기와 비교했을 때 가시광선 파장대역에서의 성능 지표가 더 우수하다는 것을 확인할 수 있다.Referring to FIGS. 5A to 5F, it can be seen that the photocurrent and photoresponsivity of the non-reflective silicon photodetector according to this embodiment have a similar tendency to the absorption rate confirmed by reflectance measurement, and that the photocurrent and photoresponsivity of the anti-reflective silicon photodetector according to this embodiment have a similar tendency to that of a general silicon photodetector. Compared to , it can be seen that the performance indicators in the visible light wavelength band are better.

즉, 본 실시예에 따른 무반사막 실리콘 광 검출기는 일반 실리콘 광 검출기와 비교하여 가시광선 영역대 파장의 빛을 입사하였을 때 75도 이하의 입사각 범위에서 편광상태에 관계없이 광 흡수율 및 광 반응도에서 효율적인 성능을 가지는 것을 확인할 수 있다.That is, compared to a general silicon photodetector, the non-reflective silicon photodetector according to this embodiment is efficient in light absorption and light reactivity regardless of polarization state in the incident angle range of 75 degrees or less when light with a wavelength in the visible light region is incident. You can check that it has performance.

도 6a 내지 6d는 본 실시예에 따른 무반사막 실리콘 광 검출기와 무반사막이 결합되지 않은 일반 실리콘 광 검출기의 근적외선 영역에서 흡수율(absorption) 및 반응도(responsivity)를 측정하여 비교한 데이터를 그래프로 나타낸 도면이다. Figures 6a to 6d are graphs showing data compared by measuring absorption and responsivity in the near-infrared region of an anti-reflective film silicon photodetector according to this embodiment and a general silicon photodetector without an antireflection film combined. am.

보다 구체적으로, 도 6a 내지 도 6f는 본 실시예에 따른 무반사막 실리콘 광 검출기와 일반 실리콘 광 검출기에 근적외선 대역인 800nm, 900nm 파장의 임의의 입사각도 및 편광상태에 따른 광 흡수율 및 광 반응도를 출력하여 비교하는 그래프를 나타낸 것이다. More specifically, FIGS. 6A to 6F show optical absorption and optical reactivity according to arbitrary incident angles and polarization states of 800 nm and 900 nm wavelengths in the near-infrared band to the non-reflective film silicon photodetector and the general silicon photodetector according to this embodiment. This shows a graph for comparison.

가로축은 입사각도를 나타내고, 왼쪽 세로축은 광 반응도를, 오른쪽 세로축은 광 흡수율을 나타낸다.The horizontal axis represents the angle of incidence, the left vertical axis represents light reactivity, and the right vertical axis represents light absorption.

도 6a 및 6b는 800nm 파장의 빛을 본 실시예에 따른 무반사막 실리콘 광 검출기 및 일반 실리콘 광 검출기에 입사시켰을 때, 입사각도에 따른 광 반응도(responsivity) 및 광 흡수율(absorption)을 편광상태에 따라 나타낸 것이다. Figures 6a and 6b show the light responsivity and light absorption according to the angle of incidence when light with a wavelength of 800 nm is incident on the non-reflective film silicon photodetector and the general silicon photodetector according to this embodiment, depending on the polarization state. It is shown.

도 6c 및 6d는 900nm 파장의 빛을 본 실시예에 따른 무반사막 실리콘 광 검출기 및 일반 실리콘 광 검출기에 입사시켰을 때, 입사각도에 따른 광 반응도(responsivity) 및 광 흡수율(absorption)을 편광상태에 따라 나타낸 것이다. Figures 6c and 6d show the light responsivity and light absorption according to the angle of incidence when light with a wavelength of 900 nm is incident on the non-reflective silicon photodetector and the general silicon photodetector according to this embodiment, depending on the polarization state. It is shown.

도 6a 내지 6d를 참고하면, 본 실시예에 따른 무반사막 실리콘 광 검출기의 광전류(photocurrent) 및 광 반응도(responsivity)가 반사율 측정으로 확인한 흡수율과 유사한 경향성을 가지는 것을 확인할 수 있고, 일반 실리콘 광 검출기와 비교했을 때 근적외선 파장대역에서의 성능 지표가 더 우수하다는 것을 확인할 수 있다.Referring to FIGS. 6A to 6D, it can be seen that the photocurrent and photoresponsivity of the anti-reflective silicon photodetector according to this embodiment have a similar tendency to the absorption rate confirmed by reflectance measurement, and are similar to those of a general silicon photodetector. When compared, it can be seen that the performance indicators in the near-infrared wavelength band are superior.

즉, 도 6a 내지 6d의 그래프 분석 결과, 기존의 사용되던 일반적인 실리콘 광 검출기에 본 실시예에 따른 무반사막을 증착하여 75도 이하의 입사각도 및 가시광선 및 근적외선 영역의 긴 주파수 영역대에서 편광상태에 관계없이 빛의 반사를 방지할 수 있다. 이를 통해 본 실시예에 따른 광 검출기는 인공지능 센서, IoT 센서, 자율주행 센서 등의 광 센서 및 AR, VR, XR 등의 실감미디어 등의 미래 산업에 적용할 수 있다.That is, as a result of graph analysis of FIGS. 6A to 6D, by depositing an anti-reflective film according to this embodiment on a conventional silicon photodetector, polarization is achieved at an incident angle of 75 degrees or less and in a long frequency range of visible light and near-infrared region. Regardless, reflection of light can be prevented. Through this, the optical detector according to this embodiment can be applied to future industries such as optical sensors such as artificial intelligence sensors, IoT sensors, and autonomous driving sensors, and realistic media such as AR, VR, and XR.

도 7a 내지 도 7f는 본 실시예에 따른 무반사막 실리콘 광 검출기와 무반사막이 결합되지 않은 일반 실리콘 광 검출기에 가시광선 및 근적외선 영역의 빛 또는 전자기파를 다양한 입사각도로 입사하였을 때의 광 흡수율(absorption) 및 반응도(responsivity)를 측정하여 비교한 데이터를 그래프로 나타낸 도면이다. FIGS. 7A to 7F show light absorption rates when light or electromagnetic waves in the visible and near-infrared regions are incident at various incident angles on an anti-reflective silicon photodetector according to this embodiment and a general silicon photodetector without an antireflective film combined. This is a graph showing the data compared by measuring the responsiveness.

보다 상세하게, 도 7a 내지 도 7f는 본 실시예에 따른 무반사막 실리콘 광 검출기와 일반 실리콘 광 검출기에 가시광선 및 근적외선 대역의 주파수 또는 파장의 빛을 입사각도 0도, 25도, 50도로 각각 다르게 하여 데이터를 출력한 도면이다.In more detail, Figures 7a to 7f show light with frequencies or wavelengths in the visible and near-infrared bands being applied to an anti-reflective film silicon photodetector and a general silicon photodetector according to this embodiment at different incident angles of 0 degrees, 25 degrees, and 50 degrees, respectively. This is a drawing where the data was output.

도 7a 및 도 7b는 가시광선 및 근적외선 파장대역의 빛을 0도의 입사각도에서 편광상태에 관계없이 무반사막이 결합된 실리콘 광 검출기와 일반 실리콘 광 검출기에 입사하여 측정한 광 흡수율(absorption) 및 반응도(responsivity)를 그래프로 나타낸 것이다. Figures 7a and 7b show the light absorption and reactivity measured when light in the visible and near-infrared wavelength bands is incident on a silicon photodetector combined with an antireflection film and a general silicon photodetector regardless of polarization state at an incident angle of 0 degrees. (responsivity) is shown graphically.

도 7c 및 도 7d는 가시광선 및 근적외선 파장대역의 빛을 25도의 입사각도에서 편광상태에 관계없이 본 실시예에 따른 무반사막 실리콘 광 검출기와 일반 실리콘 광 검출기에 입사하여 측정한 광 흡수율(absorption) 및 반응도(responsivity)를 그래프로 나타낸 것이다. Figures 7c and 7d show light absorption measured by incident light in the visible and near-infrared wavelength bands on an anti-reflective film silicon photodetector and a general silicon photodetector according to this embodiment, regardless of polarization state, at an incident angle of 25 degrees. And the responsivity is shown graphically.

도 7e 및 도 7f는 가시광선 및 근적외선 파장대역의 빛을 50도의 입사각도에서 편광상태에 관계없이 본 실시예에 따른 무반사막 실리콘 광 검출기와 일반 실리콘 광 검출기에 입사하여 측정한 광 흡수율(absorption) 및 반응도(responsivity)를 그래프로 나타낸 것이다. Figures 7e and 7f show light absorption measured when light in the visible and near-infrared wavelength bands is incident on an anti-reflective film silicon photodetector and a general silicon photodetector according to this embodiment regardless of polarization state at an incident angle of 50 degrees. And the responsiveness is shown graphically.

도 7a 내지 7f를 참고하면, 본 실시예에 따른 무반사막 실리콘 광 검출기는 일반 실리콘 광 검출기 대비, 400nm에서 1000nm에서의 파장대역에서 0, 25, 50도의 입사각도로 설정하였을 때의 TE, TM 편광 상태에 대한 광 반응도(responsivity) 및 광 흡수율(absorption)에서 효율적인 성능을 확인할 수 있다. Referring to FIGS. 7A to 7F, compared to a general silicon photodetector, the non-reflective silicon photodetector according to this embodiment shows the TE and TM polarization states when the incident angle is set to 0, 25, and 50 degrees in the wavelength range from 400 nm to 1000 nm. Efficient performance can be confirmed in terms of light responsivity and light absorption.

도 8은 본 발명의 무반사막이 증착된 실리콘 광 검출기 형성 과정의 흐름도를 도시한 도면이다.Figure 8 is a flowchart showing the process of forming a silicon photodetector on which an anti-reflective film of the present invention is deposited.

도 8을 참조하면, Au로 구성된 금속층(111) 상에 고유한(intrinsic) 결정질 실리콘(c-Si) 기판을 형성한다(단계 800). 이때, 상기 형성된 기판은 n-type으로 소량의 도핑이 이루어질 수 있지만, 고유한 결정질 실리콘의 특성을 유지될 수 있도록 한다.Referring to FIG. 8, an intrinsic crystalline silicon (c-Si) substrate is formed on the metal layer 111 made of Au (step 800). At this time, the formed substrate may be doped with a small amount of n-type, but the unique characteristics of crystalline silicon can be maintained.

금속층(111)은 물리기상증착법(physical vapor deposition, PVD)의 하나인 스퍼터를 활용하여 형성한다. The metal layer 111 is formed using sputtering, a method of physical vapor deposition (PVD).

다음으로, ion implantation 공정을 통해 n-type 및 p-type으로 도핑된 N형 및 P형 반도체 층을 절연층을 사이에 두고 고유한 결정질 실리콘(c-Si) 기판 상에 형성하여 PIN 접합을 형성한다(단계 802). PIN 접합을 형성함으로써, 광자 에너지를 흡수한 반송자를 생성하고 반송자로 인한 흐름이 전류를 발생시키는데, 외부회로와 상호 작용에 의해 광 신호에 상응하는 전기적 신호인 광 전류가 발생한다.Next, through an ion implantation process, N-type and P-type semiconductor layers doped with n-type and p-type are formed on a unique crystalline silicon (c-Si) substrate with an insulating layer in between to form a PIN junction. (step 802). By forming a PIN junction, a carrier that absorbs photon energy is created, and the flow caused by the carrier generates a current. By interacting with an external circuit, a photocurrent, an electrical signal corresponding to an optical signal, is generated.

PIN 접합이 형성된 곳에 알루미늄(Aluminum)으로 3개의 양극(anode)과 1개의 음극(cathode) 금속패드를 형성한다(단계 804).Three anode and one cathode metal pads are formed from aluminum where the PIN joint is formed (step 804).

금속패드 상에 1.455의 굴절률을 갖는 이산화규소(SiO2)를 사용하여 무반사막의 제1 층(121)을 형성한다(단계 806).A first layer 121 of an anti-reflective film is formed on a metal pad using silicon dioxide (SiO 2 ) having a refractive index of 1.455 (step 806).

다음으로, 2.4 내지 2.9의 굴절률을 갖는 이산화타이타늄(TiO2)을 사용하여 이격층을 형성한다(단계 808).Next, a separation layer is formed using titanium dioxide (TiO 2 ) having a refractive index of 2.4 to 2.9 (step 808).

이후, 1.455의 굴절률을 갖는 이산화규소(SiO2)를 사용하여 제2 층(123)을 형성한다(단계 810).Thereafter, the second layer 123 is formed using silicon dioxide (SiO 2 ) having a refractive index of 1.455 (step 810).

단계 806 내지 810에서, 물리기상증착법(physical vapor deposition, PVD)의 하나인 스퍼터를 이용하여 제1 층(121), 이격층(122) 및 제2 층(123)을 형성한다. In steps 806 to 810, the first layer 121, the spacing layer 122, and the second layer 123 are formed using sputtering, which is a physical vapor deposition (PVD) method.

무반사막의 각 층을 증착하는 스퍼터링 과정은 빠르고 대면적으로 증착이 가능하며 낮은 비용으로 공정할 수 있어 경제성이 있다는 장점이 있어 공정이 효율적이고 안정적으로 진행될 수 있다.The sputtering process of depositing each layer of the anti-reflective film has the advantage of being economical as it can be deposited quickly, over a large area, and at a low cost, allowing the process to proceed efficiently and stably.

마지막으로, 알루미늄 금속패드와 회로기판 사이에 와이어본딩을 진행하여 생성된 전류를 측정할 수 있는 시스템을 형성한다(단계 812). Finally, wire bonding is performed between the aluminum metal pad and the circuit board to form a system that can measure the generated current (step 812).

여기서, 와이어본딩은 단계 804에서 생성한 양극(anode)과 음극(cathode)에 와이어를 붙이고 회로기판의 금속패드와 연결하여 광 전류를 측정하는 것이 목적이다.Here, the purpose of wire bonding is to attach wires to the anode and cathode created in step 804 and connect them to the metal pad of the circuit board to measure photocurrent.

상기한 본 발명의 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것이고, 본 발명에 대한 통상의 지식을 가지는 당업자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 및 부가는 하기의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.The above-described embodiments of the present invention have been disclosed for illustrative purposes, and those skilled in the art will be able to make various modifications, changes, and additions within the spirit and scope of the present invention, and such modifications, changes, and additions will be possible. should be regarded as falling within the scope of the patent claims below.

Claims (7)

PIN 접합을 통해 빛의 입사에 상응하는 광 전류를 발생시키는 실리콘 광 검출기로서,
금속층;
상기 금속층 상에 위치하며 고유한 결정질 실리콘으로 이루어진 진성 반도체층;
상기 진성 반도체층 상에 위치하며 n-type으로 도핑된 실리콘으로 이루어진 N형 반도체층;
상기 진성 반도체층 상에 위치하며 p-type으로 도핑된 실리콘으로 이루어진 P형 반도체층;
상기 N형 반도체층 상에 위치하는 음극;
상기 P형 반도체층 상에 위치하는 양극; 및
상기 P형 반도체층 상에 위치하는 무반사막을 포함하되,
상기 무반사막은 상기 P형 반도체층 상에 위치하며 SiO2로 형성되는 제1 층, 상기 제1 층과 소정 거리만큼 이격되어 SiO2로 형성되는 제2 층, 상기 제1 층과 제2 층 사이에 배치되며 TiO2로 형성되는 이격층을 포함하고,
상기 무반사막은 상기 제1 층 및 제2 층이 상기 이격층과 함께 구조적 이중층을 이루어 메타물질로 형성되고, 입사된 빛에 대한 전자기파 반응의 비국소성(nonlocality)을 활용하여 상기 입사된 빛의 주파수 및 입사각도에 따라 유효굴절률(effective refractive index)이 변하는 시공간분산(spatiotemporal dispersion)을 구현하며,
상기 제1 층, 상기 제2 층 및 상기 이격층의 총 두께는, 상기 입사된 빛의 파장보다 작은 두께를 가지며,
상기 제2 층은 상기 제1 층 두께의 7배 내지 9배의 두께로 112 내지 144nm 범위에서 형성되고, 상기 이격층은 30nm 내지 45nm 범위에서 형성되는 무반사막 실리콘 광 검출기.
A silicon photodetector that generates a photocurrent corresponding to the incidence of light through a PIN junction, comprising:
metal layer;
an intrinsic semiconductor layer located on the metal layer and made of unique crystalline silicon;
an N-type semiconductor layer located on the intrinsic semiconductor layer and made of n-type doped silicon;
a P-type semiconductor layer located on the intrinsic semiconductor layer and made of p-type doped silicon;
a cathode located on the N-type semiconductor layer;
an anode located on the P-type semiconductor layer; and
Includes an anti-reflective film located on the P-type semiconductor layer,
The anti-reflective film is located on the P-type semiconductor layer and includes a first layer formed of SiO 2 , a second layer spaced apart from the first layer by a predetermined distance and formed of SiO 2 , and between the first layer and the second layer. It is disposed in and includes a spacing layer formed of TiO 2 ,
The anti-reflective film is formed of a metamaterial in which the first layer and the second layer form a structural double layer with the spacing layer, and utilizes the nonlocality of the electromagnetic wave response to the incident light to determine the frequency and frequency of the incident light. Implements spatiotemporal dispersion in which the effective refractive index changes depending on the angle of incidence.
The total thickness of the first layer, the second layer, and the spacing layer has a thickness smaller than the wavelength of the incident light,
The second layer is formed in the range of 112 to 144 nm with a thickness of 7 to 9 times the thickness of the first layer, and the spacing layer is formed in the range of 30 nm to 45 nm.
삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서,
상기 제1 층, 상기 제2 층 및 상기 이격층은 스퍼터링 공정을 통해 형성되는 무반사막 실리콘 광 검출기.
According to paragraph 1,
The first layer, the second layer, and the spacing layer are an anti-reflective silicon photodetector formed through a sputtering process.
SiO2로 형성되는 제1 층;
상기 제1 층과 소정 거리만큼 이격되어 SiO2로 형성되는 제2 층; 및
상기 제1 층과 제2 층 사이에 배치되며 TiO2로 형성되는 이격층을 포함하되,
상기 제1 층 및 제2 층은 상기 이격층과 함께 구조적 이중층을 이루어 메타물질로 형성되고, 입사된 빛에 대한 전자기파 반응의 비국소성(nonlocality)을 활용하여 상기 입사된 빛의 주파수 및 입사각도에 따라 유효굴절률(effective refractive index)이 변하는 시공간분산(spatiotemporal dispersion)을 구현하며,
상기 제1 층, 상기 제2 층 및 상기 이격층의 총 두께는, 상기 입사된 빛의 파장보다 작은 두께를 가지며,
상기 제2 층은 상기 제1 층 두께의 7배 내지 9배의 두께로 112 내지 144nm 범위에서 형성되고, 상기 이격층은 30nm 내지 45nm 범위에서 형성되는 무반사막.
a first layer formed of SiO 2 ;
a second layer formed of SiO 2 and spaced apart from the first layer by a predetermined distance; and
It is disposed between the first layer and the second layer and includes a spacing layer formed of TiO 2 ,
The first layer and the second layer are formed of a metamaterial by forming a structural double layer together with the spacing layer, and utilize the nonlocality of the electromagnetic wave response to the incident light according to the frequency and angle of incidence of the incident light. Implements spatiotemporal dispersion where the effective refractive index changes,
The total thickness of the first layer, the second layer, and the spacing layer has a thickness smaller than the wavelength of the incident light,
The second layer is formed in a range of 112 to 144 nm with a thickness of 7 to 9 times the thickness of the first layer, and the spacing layer is formed in a range of 30 nm to 45 nm.
삭제delete PIN 접합을 통해 빛의 입사에 상응하는 광 전류를 발생시키는 실리콘 광 검출기 제조 방법으로서,
금속층 상에 고유한 결정질 실리콘으로 이루어진 진성 반도체층을 형성하는 단계;
상기 진성 반도체층 상에 n-type으로 도핑된 실리콘으로 이루어진 N형 반도체층을 형성하는 단계;
상기 진성 반도체층 상에 p-type으로 도핑된 실리콘으로 이루어진 P형 반도체층을 형성하는 단계;
상기 N형 반도체층 및 P형 반도체층 상에 음극 및 양극을 구성하는 금속패드를 형성하는 단계; 및
스퍼터를 이용하여 상기 P형 반도체층 상에 무반사막을 형성하는 단계를 포함하되,
상기 무반사막은, 상기 P형 반도체층 상에 위치하며 SiO2로 형성되는 제1 층, 상기 제1 층과 소정 거리만큼 이격되어 SiO2로 형성되는 제2 층, 상기 제1 층과 제2 층 사이에 배치되며 TiO2로 형성되는 이격층을 포함하고,
상기 무반사막은 상기 제1 층 및 제2 층이 상기 이격층과 함께 구조적 이중층을 이루어 메타물질로 형성되고, 입사된 빛에 대한 전자기파 반응의 비국소성(nonlocality)을 활용하여 상기 입사된 빛의 주파수 및 입사각도에 따라 유효굴절률(effective refractive index)이 변하는 시공간분산(spatiotemporal dispersion)을 구현하며,
상기 제1 층, 상기 제2 층 및 상기 이격층의 총 두께는, 상기 입사된 빛의 파장보다 작은 두께를 가지며,
상기 제2 층은 상기 제1 층 두께의 7배 내지 9배의 두께로 형성되고, 상기 이격층은 제1 층 두께의 3배 내지 3.5배의 두께로 형성되고,
상기 이격층은 상기 입사된 빛의 중심 파장인 750nm의 0.04 내지 0.06배로 형성되는 무반사막 실리콘 광 검출기 제조 방법.
A method of manufacturing a silicon photodetector that generates a photocurrent corresponding to incident light through a PIN junction, comprising:
forming an intrinsic semiconductor layer made of intrinsic crystalline silicon on the metal layer;
forming an n-type semiconductor layer made of n-type doped silicon on the intrinsic semiconductor layer;
forming a p-type semiconductor layer made of p-type doped silicon on the intrinsic semiconductor layer;
forming metal pads constituting a cathode and an anode on the N-type semiconductor layer and the P-type semiconductor layer; and
Comprising the step of forming an anti-reflective film on the P-type semiconductor layer using sputtering,
The antireflection film includes a first layer located on the P-type semiconductor layer and formed of SiO 2 , a second layer spaced apart from the first layer by a predetermined distance and formed of SiO 2 , and the first layer and the second layer. It is disposed between and includes a spacing layer formed of TiO 2 ,
The anti-reflective film is formed of a metamaterial in which the first layer and the second layer form a structural double layer with the spacing layer, and utilizes the nonlocality of the electromagnetic wave response to the incident light to determine the frequency and frequency of the incident light. Implements spatiotemporal dispersion in which the effective refractive index changes depending on the angle of incidence.
The total thickness of the first layer, the second layer, and the spacing layer has a thickness smaller than the wavelength of the incident light,
The second layer is formed to have a thickness of 7 to 9 times the thickness of the first layer, and the spacing layer is formed to have a thickness of 3 to 3.5 times the thickness of the first layer,
A method of manufacturing an anti-reflective silicon photodetector wherein the spacing layer is formed at 0.04 to 0.06 times the central wavelength of 750 nm of the incident light.
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