KR102672685B1 - nBn구조를 이용한 중적외선 광검출소자 및 이의 제조방법 - Google Patents

nBn구조를 이용한 중적외선 광검출소자 및 이의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 nBn구조를 이용한 중적외선 광검출소자 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 nBn구조를 구현하기 위한 재료를 보다 다양한 폭에서 선택할 수 있고, 암전류를 효과적으로 억제하여 검출 성능을 향상시키는, nBn구조를 이용한 중적외선 광검출소자 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

Description

nBn구조를 이용한 중적외선 광검출소자 및 이의 제조방법{nBn structure based Mid-Infrared Photodetector, and Manufacturing Method thereof}
본 발명은 nBn구조를 이용한 중적외선 광검출소자 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 nBn구조를 구현하기 위한 재료를 보다 다양한 폭에서 선택할 수 있고, 암전류를 효과적으로 억제하여 검출 성능을 향상시키는, nBn구조를 이용한 중적외선 광검출소자 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
중적외선 광검출소자는 3 내지 5 마이크로미터의 중파장 적외선(Mid wavelength infrared; MWIR) 대역에서 작동하는 광검출기로서, 화재현장, 해저탐지, 및 전시상황 등과 같은 특수한 환경에서 사용될 수 있다. 대부분의 상기 중적외선 광검출소자는 확산전류, 및 생성-재결합에 의한 암전류 등과 같은 요인에 의하여 발생되는 암전류에 의하여 소자 성능이 저하될 수 있다.
이와 같은 암전류를 저감시키기 위하여, 비특허문헌 1은 중적외선 광검출소자의 흡수층의 일부에 특정 물질을 도핑하는 방안을 개시하였다. 이는 약 10%의 암전류를 저감시킬 수 있다. 다만, 암전류는 열에 의해서도 발생될 수 있어 이에 대한 대비도 요구된다.
비특허문헌 2는 두 개의 n흡수층 사이에 큰 밴드갭을 갖는 베리어층(Barrier layer)이 형성된 nBn구조를 갖는 중적외선 광검출소자를 개시하였다. 도 1은 종래의 nBn구조의 에너지 밴드를 개략적으로 도시한다. 도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 nBn구조는 n흡수층과 베리어층의 가전자대(Ev)가 서로 상응하는 에너지준위를 가지고, 베리어층의 전도대(Ec)가 n흡수층의 전도대 대비 비교적 높은 에너지준위를 가지는 에너지 밴드를 가질 수 있다. 이러한 중적외선 광검출소자에 역바이어스를 걸어주는 경우에, 정공은 가전자대에서 자유롭게 움직일 수 있는 반면, 전자는 베리어층에 의하여 움직임이 제한을 받을 수 있다. 즉, nBn구조를 갖는 중적외선 광검출소자는 확산전류 및 생성-재결합에 의한 암전류를 구조적으로 제거할 수 있다.
한편, nBn구조를 갖는 중적외선 광검출소자를 구현하기 위해서는, n흡수층과 베리어층을 형성하는 물질들의 격자상수와 가전자대 에너지준위를 모두 고려하는 것이 바람직하다. 도 2는 종래의 nBn구조를 구현할 수 있는 재료의 격자상수 및 에너지준위에 대한 사항을 개략적으로 도시한다. 구체적으로 도 2(a)는 종래의 nBn구조를 구현할 수 있는 재료의 격자상수 및 에너지준위를 개략적으로 도시하고, 도 2(b)는 각 반도체 물질의 격자상수 및 일함수와 밴드갭의 정렬표를 개략적으로 도시한다. 이와 같이, 종래의 nBn구조는 도 2에 도시된 바와 같이 비교적 한정된 물질만을 이용할 수 있어, nBn구조의 두께제어가 어렵고 비교적 낮은 실용성으로 인하여 우수한 소자성능에도 불구하고 상용화에 어려움을 겪고 있다.
즉, nBn구조를 구현하기 위한 재료를 보다 다양하게 선택할 수 있으면서도 검출성능이 우수한 소자에 대한 연구가 필요한 실정이다.
B. M. Nguyen1, D. Hoffman1, P. Y. Delaunay1, E. K. W. Huang1, M. Razeghi1, and J. Pellegrino, Appl. Phys. Lett. 93, 163502 (2008) S. Maimon and G. W. Wicks, Appl. Phys. Lett. 89, 151109 (2006)
본 발명은 nBn구조를 구현하기 위한 재료를 보다 다양한 폭에서 선택할 수 있고, 암전류를 효과적으로 억제하여 검출 성능을 향상시키는, nBn구조를 이용한 중적외선 광검출소자 및 이의 제조방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 일 실시예는, nBn구조를 이용한 중적외선 광검출소자의 제조방법으로서, 0.9eV 이하의 밴드갭을 갖는 제1물질로 제1n흡수층을 형성하는 단계; 상기 제1n흡수층의 상면에 상기 제1물질과 제2물질을 혼합하되, 상측으로 갈수록 상기 제1물질의 비율은 감소하고, 상기 제2물질의 비율은 증가하는 형태로 베리어층을 형성하는 단계; 및 상기 베리어층의 상면에 상기 제1물질로 제2n흡수층을 형성하는 단계;를 포함하는, 중적외선 광검출소자의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 몇 실시예에서는, 상기 제2물질의 격자상수와 상기 제1물질의 격자상수의 차이는 0.2Å 이내 일 수 있다.
본 발명의 몇 실시예에서는, 상기 제2물질의 전도대의 에너지준위는 상기 제2물질의 가전자대의 에너지준위보다 높을 수 있다.
본 발명의 몇 실시예에서는, 상기 제1물질이 InAs인 경우에는 상기 제2물질이 AlSb, InAlSb, AlAsSb, 및 InAlAsSb 중 어느 하나이고, 상기 제1물질이 InAsSb인 경우에는 상기 제2물질이 AlSb, InAlSb, AlAsSb, 및 InAlAsSb 중 어느 하나이고, 상기 제1물질이 InSb인 경우에는 상기 제2물질이 AlSb, InAlSb, AlAsSb, InAlAsSb, 및 GaAsSb 중 어느 하나일 수 있다.
본 발명의 몇 실시예에서는, 상기 베리어층을 형성하는 단계는, 분자빔에피택시 공정을 이용하여 상기 제1물질이 수용되는 제1이퓨전셀과 상기 제2물질이 수용되는 제2이퓨전셀 각각의 셔터를 완전히 개방한 상태에서, 상측으로 갈수록 상기 제1이퓨전셀의 히터온도는 감소 혹은 유지하고, 상기 제2이퓨전셀의 히터온도는 증가하는 형태로 상기 베리어층을 형성할 수 있다.
본 발명의 몇 실시예에서는, 상기 베리어층을 형성하는 단계는, 분자빔에피택시 공정을 이용하여 상기 제1물질이 수용되는 제1이퓨전셀과 상기 제2물질이 수용되는 제2이퓨전셀 각각의 히터온도를 기설정된 온도로 설정한 상태에서, 상측으로 갈수록 상기 제1이퓨전셀의 셔터의 개구율은 감소하고, 상기 제2이퓨전셀의 셔터의 개구율은 증가하는 형태로 상기 베리어층을 형성할 수 있다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 일 실시예는, nBn구조를 이용한 중적외선 광검출소자의 제조방법으로서, 0.9eV 이하의 밴드갭을 갖는 제1물질로 제1n흡수층을 형성하는 단계; 상기 제1n흡수층의 상면에 제2물질과 제3물질을 혼합하되, 상측으로 갈수록 상기 제2물질의 비율은 감소하고, 상기 제3물질의 비율은 증가하는 형태로 베리어층을 형성하는 단계; 및 상기 베리어층의 상면에 상기 제1물질로 제2n흡수층을 형성하는 단계;를 포함하는, 중적외선 광검출소자의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 몇 실시예에서는, 상기 제2물질의 가전자대의 에너지준위와 상기 제1물질의 가전자대의 에너지준위의 차이는 2.0 eV 이내 일 수 있다.
본 발명의 몇 실시예에서는, 상기 제3물질의 격자상수와 상기 제1물질의 격자상수의 차이는 0.2Å 이내 일 수 있다.
본 발명의 몇 실시예에서는, 상기 제2물질의 전도대의 에너지준위는 상기 제2물질의 가전자대의 에너지준위보다 높고, 상기 제3물질의 전도대의 에너지준위는 상기 제3물질의 가전자대의 에너지준위보다 높을 수 있다.
본 발명의 몇 실시예에서는, 상기 제1물질이 InAs인 경우에는 상기 제2물질 및 상기 제3물질 각각이 AlSb, InAlSb, AlAsSb, 및 InAlAsSb 중 어느 하나이고, 상기 제1물질이 InAsSb인 경우에는 상기 제2물질 및 상기 제3물질 각각이 AlSb, InAlSb, AlAsSb, 및 InAlAsSb 중 어느 하나이고, 상기 제1물질이 InSb인 경우에는 상기 제2물질 및 상기 제3물질 각각이 AlSb, InAlSb, AlAsSb, InAlAsSb, 및 GaSb 중 어느 하나일 수 있다.
본 발명의 몇 실시예에서는, 상기 베리어층을 형성하는 단계는, 분자빔에피택시 공정을 이용하여 상기 제2물질이 수용되는 제2이퓨전셀과 상기 제3물질이 수용되는 제3이퓨전셀 각각의 셔터를 완전히 개방한 상태에서, 상측으로 갈수록 상기 제2이퓨전셀의 히터온도는 감소하고, 상기 제3이퓨전셀의 히터온도는 증가하는 형태로 상기 베리어층을 형성할 수 있다.
본 발명의 몇 실시예에서는, 상기 베리어층을 형성하는 단계는, 분자빔에피택시 공정을 이용하여 상기 제2물질이 수용되는 제2이퓨전셀과 상기 제3물질이 수용되는 제3이퓨전셀 각각의 히터온도를 기설정된 온도로 설정한 상태에서, 상측으로 갈수록 상기 제2이퓨전셀의 셔터의 개구율은 감소하고, 상기 제3이퓨전셀의 셔터의 개구율은 증가하는 형태로 상기 베리어층을 형성할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 보다 다양한 재료를 이용하여 nBn구조를 구현함으로써, 검출성능이 우수하면서도 상용화하기에 적합한 중적외선 광검출소자를 구현할 수 있는 효과를 발휘할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 특수한 방식으로 베리어층을 형성함으로써, 격자상수와 가전자대 에너지준위 모두를 고려하지 않더라도 베리어층을 n흡수층과 정합시킬 수 있고, n흡수층 및 베리어층을 형성하는 물질에 대한 선택자유도를 확장시킬 수 있는 효과를 발휘할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 베리어층을 포함하는 nBn구조에 의하여 암전류를 억제하여 신호 대 노이즈 비율을 향상시킬 수 있는 효과를 발휘할 수 있다.
도 1은 종래의 nBn구조의 에너지 밴드를 개략적으로 도시한다.
도 2는 종래의 nBn구조를 구현할 수 있는 재료의 격자상수 및 에너지준위에 대한 사항을 개략적으로 도시한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 중적외선 광검출소자의 제조방법을 개략적으로 도시한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 nBn구조를 개념적으로 도시한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 nBn구조를 개념적으로 도시한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 분자빔에피택시 공정을 수행하는 장비를 개략적으로 도시한다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 제1이퓨전셀 및 제2이퓨전셀의 히터온도와 시간과의 관계를 개략적으로 도시한다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 제1이퓨전셀 및 제2이퓨전셀의 셔터개구율과 시간과의 관계를 개략적으로 도시한다.
이하에서는, 다양한 실시예들 및/또는 양상들이 이제 도면들을 참조하여 개시된다. 하기 설명에서는 설명을 목적으로, 하나이상의 양상들의 전반적 이해를 돕기 위해 다수의 구체적인 세부사항들이 개시된다. 그러나, 이러한 양상(들)은 이러한 구체적인 세부사항들 없이도 실행될 수 있다는 점 또한 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 인식될 수 있을 것이다. 이후의 기재 및 첨부된 도면들은 하나 이상의 양상들의 특정한 예시적인 양상들을 상세하게 기술한다. 하지만, 이러한 양상들은 예시적인 것이고 다양한 양상들의 원리들에서의 다양한 방법들 중 일부가 이용될 수 있으며, 기술되는 설명들은 그러한 양상들 및 그들의 균등물들을 모두 포함하고자 하는 의도이다.
또한, 다양한 양상들 및 특징들이 다수의 디바이스들, 컴포넌트들 및/또는 모듈들 등을 포함할 수 있는 시스템에 의하여 제시될 것이다. 다양한 시스템들이, 추가적인 장치들, 컴포넌트들 및/또는 모듈들 등을 포함할 수 있다는 점 그리고/또는 도면들과 관련하여 논의된 장치들, 컴포넌트들, 모듈들 등 전부를 포함하지 않을 수도 있다는 점 또한 이해되고 인식되어야 한다.
본 명세서에서 사용되는 "실시예", "예", "양상", "예시" 등은 기술되는 임의의 양상 또는 설계가 다른 양상 또는 설계들보다 양호하다거나, 이점이 있는 것으로 해석되지 않을 수도 있다.
더불어, 용어 "또는"은 배타적 "또는"이 아니라 내포적 "또는"을 의미하는 것으로 의도된다. 즉, 달리 특정되지 않거나 문맥상 명확하지 않은 경우에, "X는 A 또는 B를 이용한다"는 자연적인 내포적 치환 중 하나를 의미하는 것으로 의도된다. 즉, X가 A를 이용하거나; X가 B를 이용하거나; 또는 X가 A 및 B 모두를 이용하는 경우, "X는A 또는 B를 이용한다"가 이들 경우들 어느 것으로도 적용될 수 있다. 또한, 본 명세서에 사용된 "및/또는"이라는 용어는 열거된 관련 아이템들 중 하나 이상의 아이템의 가능한 모든 조합을 지칭하고 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
또한, "포함한다" 및/또는 "포함하는"이라는 용어는, 해당 특징 및/또는 구성요소가 존재함을 의미하지만, 하나이상의 다른 특징, 구성요소 및/또는 이들의 그룹의 존재 또는 추가를 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
또한, 본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 본 발명의 실시예들에서, 별도로 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명의 실시예에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 중적외선 광검출소자(1)의 제조방법을 개략적으로 도시한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 nBn구조를 이용한 중적외선 광검출소자(1)의 제조방법으로서, 0.9eV 이하의 밴드갭을 갖는 제1물질(100)로 제1n흡수층을 형성하는 단계(S100); 상기 제1n흡수층의 상면에 상기 제1물질(100)과 제2물질(200)을 혼합하되, 상측으로 갈수록 상기 제1물질(100)의 비율은 감소하고, 상기 제2물질(200)의 비율은 증가하는 형태로 베리어층을 형성하는 단계(S200); 및 상기 베리어층의 상면에 상기 제1물질(100)로 제2n흡수층을 형성하는 단계(S300);를 포함할 수 있다.
상기 제1n흡수층을 형성하는 단계(S100)에서는, 본 발명의 일 실시예에서, 0.9eV 이하의 밴드갭을 갖는 제1물질(100)로 제1n흡수층을 형성할 수 있다. 또한, 상기 제2n흡수층을 형성하는 단계(S300)에서는, 본 발명의 일 실시예에서, 상기 베리어층의 상면에 상기 제1물질(100)로 제2n흡수층을 형성할 수 있다.
상기 제1물질(100)은 0.9 eV이하, 바람직하게는 0.5 eV 이하의 밴드갭을 갖을 수 있다. 또한, 상기 제1물질(100)은 InAs, InAsSb, InSb 및 이들의 혼합체 중 어느 하나일 수 있다.
한편, 종래에는 nBn구조를 구현하는 n흡수층과 베리어층의 물질을 선정하는 경우에, 물질의 격자상수와 가전자대 에너지준위 모두를 고려하여 서로 차이가 거의 없는 물질들을 선정하였다. 다만, 격자상수가 서로 유사하면서 가전자대 에너지준위도 서로 유사한 물질의 수는 매우 한정적이어서, 종래의 nBn구조는 상기 n흡수층의 두께 제어가 어렵고 실용성이 비교적 낮은 문제점이 있다.
이를 해결하기 위하여, 본 발명에서는 상기 제1n흡수층의 상면에 특수한 형태로 베리어층을 형성하였다.
바람직하게는, 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 베리어층을 형성하는 단계(S200)에서는, 상기 제1n흡수층의 상면에 상기 제1물질(100)과 제2물질(200)을 혼합하되, 상측으로 갈수록 상기 제1물질(100)의 비율은 감소하고, 상기 제2물질(200)의 비율은 증가하는 형태로 상기 베리어층을 형성할 수 있다. 이때, 상기 제2물질(200)은 상기 제1물질(100)과 상이한 것이 바람직하다. 예를들어, 상기 베리어층은 상기 제1n흡수층과 접촉하는 지점에서의 상기 제1물질(100)의 비율이 100%로 이루어지고, 상기 제1n흡수층과 상기 제2n흡수층의 가운데 지점에서의 상기 제1물질(100)의 비율이 50%로 이루어지고 상기 제2물질(200)의 비율이 50%로 이루어지고, 상기 제2n흡수층과 접촉하는 지점에서의 상기 제2물질(200)의 비율이 100%로 이루어질 수 있다.
이와 같은 제조방법에 의하여, 상기 베리어층은 격자상수와 가전자대 에너지준위 모두를 고려하지 않더라도 상기 제1n흡수층과 격자정합을 형성할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서, 상기 베리어층을 형성하는 상기 제2물질(200)은 상기 제1n흡수층을 형성하는 상기 제1물질(100)과의 격자상수의 차이는 고려하면서 가전자대 에너지준위의 차이는 고려하지 않거나, 상기 제1물질(100)과의 격자상수의 차이 및 가전자대 에너지준위의 차이 모두를 고려하지 않을 수 있다.
바람직하게는, 본 발명의 일 실시예에서, 상기 제2물질(200)의 격자상수와 상기 제1물질(100)의 격자상수의 차이는 0.2Å 이내일 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 nBn구조를 이용한 중적외선 광검출소자(1)의 제조방법은, 상기 제1n흡수층의 상면에 상기 제2물질(200)과 제3물질(300)을 혼합하되, 상측으로 갈수록 상기 제2물질(200)의 비율은 감소하고, 상기 제3물질(300)의 비율은 증가하는 형태로 베리어층을 형성하는 단계(S200);를 포함할 수 있다. 이때, 상기 제2물질(200) 및 상기 제3물질(300)은 서로 상이한 것이 바람직하다. 예를들어, 상기 베리어층은 상기 제1n흡수층과 접촉하는 지점에서의 상기 제2물질(200)의 비율이 100%로 이루어지고, 상기 제1n흡수층과 상기 제2n흡수층의 가운데 지점에서의 상기 제2물질(200)의 비율이 50%로 이루어지고 상기 제3물질(300)의 비율이 50%로 이루어지고, 상기 제2n흡수층과 접촉하는 지점에서의 상기 제3물질(300)의 비율이 100%로 이루어질 수 있다.
이와 같은 제조방법에 의하여, 상기 베리어층은 격자상수와 가전자대 에너지준위 모두를 고려하지 않더라도 상기 제1n흡수층과 격자정합을 형성할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서, 상기 베리어층을 형성하는 상기 제2물질(200)은 상기 제1n흡수층을 형성하는 상기 제1물질(100)과의 격자상수의 차이는 고려하지 않으면서 가전자대 에너지준위의 차이를 고려하거나, 상기 제1물질(100)과의 격자상수의 차이 및 가전자대 에너지준위의 차이 모두를 고려하지 않을 수 있다.
바람직하게는, 본 발명의 일 실시예에서, 상기 제2물질(200)의 가전자대의 에너지준위와 상기 제1물질(100)의 가전자대의 에너지준위의 차이는 2.0 eV 이내일 수 있다. 이때, 상기 제1물질(100)은 InAs이고, 상기 제2물질(200)은 AlSb인 것이 바람직하다.
또한, 이와 같은 제조방법에 의하여, 상기 베리어층은 격자상수와 가전자대 에너지준위 모두를 고려하지 않더라도 상기 제2n흡수층과 격자정합을 형성할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서, 상기 베리어층을 형성하는 상기 제3물질(300)은 상기 제2n흡수층을 형성하는 상기 제1물질(100)과의 격자상수의 차이는 고려하면서 가전자대 에너지준위의 차이를 고려하지 않거나, 상기 제1물질(100)과의 격자상수의 차이 및 가전자대 에너지준위의 차이 모두를 고려하지 않을 수 있다.
바람직하게는, 본 발명의 일 실시예에서, 상기 제3물질(300)의 격자상수와 상기 제1물질(100)의 격자상수의 차이는 0.2Å 이내일 수 있다. 이때, 상기 제1물질(100)은 InAs이고, 상기 제3물질(300)은 AlSb인 것이 바람직하다.
상기와 같이, 본 발명의 일 실시예에서 특수한 방식으로 베리어층을 형성함으로써, 격자상수와 가전자대 에너지준위 모두를 고려하지 않더라도 상기 베리어층을 n흡수층과 정합시킬 수 있고, n흡수층 및 베리어층을 형성하는 물질에 대한 선택자유도를 확장시킬 수 있는 효과를 발휘할 수 있다.
바람직하게는, 본 발명의 일 실시예에서, 상기 제1물질(100)이 InAs인 경우에는 상기 제2물질(200)이 AlSb, InAlSb, AlAsSb, 및 InAlAsSb 중 어느 하나이고, 상기 제1물질(100)이 InAsSb인 경우에는 상기 제2물질(200)이 AlSb, InAlSb, AlAsSb, 및 InAlAsSb 중 어느 하나이고, 상기 제1물질(100)이 InSb인 경우에는 상기 제2물질(200)이 AlSb, InAlSb, AlAsSb, InAlAsSb, 및 GaAsSb 중 어느 하나일 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 일 실시예에서, 상기 제1물질(100)이 InAs인 경우에는 상기 제2물질(200) 및 상기 제3물질(300) 각각이 AlSb, InAlSb, AlAsSb, 및 InAlAsSb 중 어느 하나이고, 상기 제1물질(100)이 InAsSb인 경우에는 상기 제2물질(200) 및 상기 제3물질(300) 각각이 AlSb, InAlSb, AlAsSb, 및 InAlAsSb 중 어느 하나이고, 상기 제1물질(100)이 InSb인 경우에는 상기 제2물질(200) 및 상기 제3물질(300) 각각이 AlSb, InAlSb, AlAsSb, InAlAsSb, 및 GaSb 중 어느 하나일 수 있다. 본 발명의 다른 일 실시예에서, 상기 제1물질(100)이 InAs/InAsSb인 경우에는 상기 제2물질(200) 및 상기 제3물질(300) 각각이 AlSb, InAlSb, AlAsSb, InAlAsSb, 및 GaAsSb 중 어느 하나일 수 있다.
구체적으로, 상기 제1물질(100)과 상기 제2물질(200)은 일함수차이가 심한 두개의 반도체 물질로 선택한다. 선택 시, 전술한 도 2(b)에 도시된 각 반도체 물질의 격자상수 및 일함수와 밴드갭의 정렬표를 기준하여 선택한다. 예를들어, 상기 제1물질(100)의 선택은 InAs, InSb, GaSb, InGaAs, InGaAsP 및 이들의 혼합체를 선택할 수 있으며, 본 발명의 일 실시예에서는 상기 제1물질(100)은 InAs일 수 있다. 또한, 상기 제2물질(200)의 선택은, AlSb, AlAs, InGaSb, InGaAs, GaSb 및 이들의 혼합체를 선택할 수 있으며, 상기 제1물질(100)의 conduction band(전도대)보다 높은 에너지를 갖는 conduction band를 보유한 물질이면서 동시에, 상기 제1물질(100)의 valence band(가전자대)보다 높거나 같은 valence band를 보유한 물질을 선택한다. 본 발명의 일 실시예에서는 상기 제2물질(200)은 AlAsSb일 수 있다.
상기 제1n흡수층을 형성하는 단계(S100), 상기 베리어층을 형성하는 단계(S200), 및 상기 제2n흡수층을 형성하는 단계(S300)를 통해 nBn구조를 형성함으로써, 상기 nBn구조를 이용한 중적외선 광검출소자(1)를 구현할 수 있다.
바람직하게는, 상기 nBn구조를 이용한 중적외선 광검출소자(1)는, 0.9eV 이하의 밴드갭을 갖는 제1물질(100)로 형성된 제1n흡수층; 상기 제1n흡수층의 상면에 상기 제1물질(100)과 제2물질(200)을 혼합하되, 상측으로 갈수록 상기 제1물질(100)의 비율은 감소하고, 상기 제2물질(200)의 비율은 증가하는 형태로 형성된 베리어층; 및 상기 베리어층의 상면에 상기 제1물질(100)로 형성된 제2n흡수층;을 포함할 수 있다.
이와 같은 상기 nBn구조를 이용한 중적외선 광검출소자(1)는 역바이어스를 걸어주는 경우에 3 내지 5 마이크로미터의 중적외선 파장대역에서 작동하는 광검출기로 사용될 수 있다. 또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 중적외선 광검출소자(1)는 상기 베리어층을 포함하는 상기 nBn구조에 의하여 암전류를 효과적으로 억제하여 신호 대 노이즈 비율(S/N비율)을 향상시킬 수 있다.
한편, 상기 제1n흡수층 및 상기 제2n흡수층을 형성하는 물질의 종류는 InAs, InSb, GaSb, InGaAs, InGaAsP 및 이들의 혼합체를 선택할 수 있으며, 구체적으로 InAs를 예를 들수 있다. InAs, InSb, GaSb, InGaAs, InGaAsP 및 이들의 혼합체를 상기 제1n흡수층 및 상기 제2n흡수층으로 형성할 때, 상기 베리어층을 형성할 수 있는 물질의 종류는 AlSb, AlAs, InGaSb, InGaAs, GaSb 및 이들의 혼합체를 선택할 수 있으며, 상기 제1물질(100)의 conduction band(전도대)보다 높은 에너지의 conduction band를 보유한 물질이면서 동시에, 상기 제1물질(100)의 valence band(가전자대)보다 높거나 같은 valence band를 보유한 물질을 선택한다. 구체적으로 AlAsSb를 예로 들수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 nBn구조를 개념적으로 도시한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 상기 중적외선 광검출소자(1)는 도 4에 도시된 nBn구조를 포함할 수 있다. 도 4는 상기 제1물질(100)로 형성되는 상기 제1n흡수층의 상면에 상기 제1물질(100)과 제2물질(200)을 혼합하되, 상측으로 갈수록 상기 제1물질(100)의 비율은 감소하고, 상기 제2물질(200)의 비율은 증가하는 형태로 형성된 상기 베리어층을 포함하고, 상기 제1물질(100)과 상기 제2물질(200)은 격자상수의 차이(0.2 Å 이내)는 고려하면서 가전자대 에너지준위의 차이는 고려하지 않은 nBn구조의 실시예에 해당한다.
이 경우, 도 4에 도시된 지점 I에서는 상기 제1물질(100)의 비율이 100%로 이루어져 있어, 상기 제1물질(100)의 격자상수 및 가전자대 에너지준위에 상응하는 격자상수 및 가전자대 에너지준위를 가질 수 있다.
도 4에 도시된 지점 II에서는 상기 제2물질(200)의 비율이 100%로 이루어질 수 있고, 상기 제1물질(100)과의 격자상수의 차이가 0.2 Å이내인 격자상수를 가질 수 있다. 이때, 도 4에서는 상기 제1물질(100)과 상기 제2물질(200)의 가전자대 에너지준위의 차이를 고려하지 않아, 지점 II에서의 상기 제2물질(200)의 가전자대 에너지준위와 상기 제1물질(100)의 가전자대 에너지준위의 차이가 비교적 크게 발생될 수 있다.
바람직하게는, 상기 제1n흡수층 및 상기 제2n흡수층을 형성하는 상기 제1물질(100)의 전도대의 에너지준위는 상기 제1n흡수층 및 상기 제2n흡수층을 형성하는 상기 제1물질(100)의 가전자대의 에너지준위보다 높고, 상기 베리어층을 형성하는 상기 제2물질(200)의 전도대의 에너지준위는 상기 베리어층을 형성하는 상기 제2물질(200)의 가전자대의 에너지준위보다 높고, 지점 I에서 상기 베리어층을 형성하는 제1물질(100)의 전도대 및 가전자대의 에너지준위 각각은 상기 제1n흡수층을 형성하는 상기 제1물질(100)의 전도대 및 가전자대의 에너지준위 각각에 상응하고, 지점 II에서 상기 베리어층을 형성하는 제2물질(200)의 전도대의 에너지준위는 상기 제2n흡수층을 형성하는 상기 제1물질(100)의 전도대의 에너지준위보다 높고, 지점 II에서 상기 베리어층을 형성하는 상기 제2물질(200)의 가전자대의 에너지준위는 상기 제2n흡수층을 형성하는 상기 제1물질(100)의 가전자대의 에너지준위보다 낮다. 또한, 상기 베리어층을 형성하는 상기 제2물질(200)의 전도대의 에너지준위는 지점 I에서 지점 II로 갈수록 증가하고, 가전자대의 에너지준위는 지점 I에서 지점 II로 갈수록 감소할 수 있다.
이와 같은 구조에 의하여, 상기 중적외선 광검출소자(1)에 역바이어스를 걸어주는 경우에, 정공은 가전자대에서 자유롭게 움직일 수 있으나 전자는 상기 베리어층에 의하여 움직임을 제한받아, 암전류를 억제할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 nBn구조를 개념적으로 도시한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 상기 중적외선 광검출소자(1)는 도 5에 도시된 nBn구조를 포함할 수도 있다. 도 5는 상기 제1물질(100)로 형성되는 상기 제1n흡수층의 상면에 상기 제2물질(200)과 제3물질(300)을 혼합하되, 상측으로 갈수록 상기 제2물질(200)의 비율은 감소하고, 상기 제3물질(300)의 비율은 증가하는 형태로 형성된 상기 베리어층을 포함하고, 상기 제1물질(100)과 상기 제2물질(200)의 격자상수의 차이는 고려하지 않으면서 가전자대 에너지준위의 차이(2.0eV 이내)는 고려하고, 상기 제1물질(100)과 상기 제3물질(300)의 격자상수의 차이(0.2 Å 이내)는 고려하면서 가전자대 에너지준위의 차이는 고려하지 않은 nBn구조의 실시예에 해당한다.
이 경우, 도 5에 도시된 지점 I에서는 상기 제1물질(100)의 비율이 100%로 이루어져 있고, 지점 II에서는 상기 제2물질(200)의 비율이 100%로 이루어져 있어, 상기 제1물질(100)과 가전자대 에너지준위의 차이가 2.0eV 이내인 가전자대 에너지준위를 가질 수 있다. 이때, 지점 II에서는 상기 제1물질(100)과 상기 제2물질(200)의 격자상수의 차이를 고려하지 않아, 상기 제2물질(200)의 격자상수와 상기 제1물질(100)의 격자상수의 차이가 비교적 크게 발생될 수 있다.
반면, 지점 III에서는 상기 제1물질(100)과 상기 제3물질(300)의 격자상수의 차이가 0.2 Å 이내인 격자상수를 가질 수 있다. 이때, 지점 III에서는 상기 제1물질(100)과 상기 제3물질(300)의 가전자대 에너지준위의 차이를 고려하지 않아, 상기 제3물질(300)의 가전자대 에너지준위와 상기 제1물질(100)의 가전자대 에너지준위의 차이가 비교적 크게 발생될 수 있다.
바람직하게는, 상기 제1n흡수층 및 상기 제2n흡수층을 형성하는 상기 제1물질(100)의 전도대의 에너지준위는 상기 제1n흡수층 및 상기 제2n흡수층을 형성하는 상기 제1물질(100)의 가전자대의 에너지준위보다 높고, 상기 베리어층을 형성하는 상기 제2물질(200)의 전도대의 에너지준위는 상기 베리어층을 형성하는 상기 제2물질(200)의 가전자대의 에너지준위보다 높고, 상기 베리어층을 형성하는 상기 제3물질(300)의 전도대의 에너지준위는 상기 베리어층을 형성하는 상기 제3물질(300)의 가전자대의 에너지준위보다 높고, 지점 II에서 상기 베리어층을 형성하는 상기 제2물질(200)의 가전자대의 에너지준위는 상기 제1n흡수층을 형성하는 상기 제1물질(100)의 가전자대의 에너지준위에 상응하나 상기 베리어층을 형성하는 상기 제2물질(200)의 전도대의 에너지준위는 상기 제1n흡수층을 형성하는 상기 제1물질(100)의 전도대의 에너지준위보다 높고, 지점 III에서 상기 베리어층을 형성하는 제3물질(300)의 전도대의 에너지준위는 상기 제2n흡수층을 형성하는 상기 제1물질(100)의 전도대의 에너지준위보다 높으나 상기 베리어층을 형성하는 상기 제3물질(300)의 가전자대의 에너지준위는 상기 제2n흡수층을 형성하는 상기 제1물질(100)의 가전자대의 에너지준위보다 낮다. 또한, 상기 베리어층을 형성하는 상기 제2물질(200) 및 상기 제3물질(300)의 전도대의 에너지준위는 지점 II에서 지점 III로 갈수록 유지되거나 증가하고, 가전자대의 에너지준위는 지점 II에서 지점 III로 갈수록 감소할 수 있다.
이와 같은 구조에 의하여, 상기 중적외선 광검출소자(1)에 역바이어스를 걸어주는 경우에, 정공은 가전자대에서 자유롭게 움직일 수 있으나 전자는 상기 베리어층에 의하여 움직임을 제한받아, 암전류를 억제할 수 있다. 또한, nBn구조를 구현하기 위한 재료를 선택할 수 있는 폭을 비교적 넓힐 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 분자빔에피택시 공정을 수행하는 장비를 개략적으로 도시한다.
상기 장비는 분자빔에피택시(Molecular beam epitaxy; MBE) 장비에 해당하고, 고진공 상태인 챔버 내에서 기판에 원자 또는 분자빔을 충돌시켜 박막을 성장시키는 분자빔에피택시공정을 수행할 수 있다. 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 장비는 상기 기판에 성장되는 상기 박막의 재료를 내부에 수용하는 이퓨전셀(Effusion cell)을 포함할 수 있다. 또한, 상기 장비는 상기 이퓨전셀의 일부에 히터를 작동시켜 상기 이퓨전셀의 내부에 수용된 물질을 가열하거나, 상기 이퓨전셀의 셔터를 제어하면서 작동할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 nBn구조를 이용한 중적외선 광검출소자(1)는 분자빔에피택시 공정으로 제조될 수 있다. 또한, 본 발명의 일 실시예에서, 상기 장비는 상기 제1n흡수층 및 상기 제2n흡수층을 형성하는 상기 제1물질(100)을 내부에 수용하는 제1이퓨전셀; 및 상기 베리어층을 형성하는 상기 제2물질(200)을 내부에 수용하는 제2이퓨전셀;을 포함할 수 있고, 상기 제1이퓨전셀 및 상기 제2이퓨전셀의 셔터 또는 히터의 작동을 제어하여 상기 제1n흡수층, 상기 베리어층, 및 상기 제2n흡수층을 형성할 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 일 실시예에서, 상기 장비는 제1n흡수층 및 상기 제2n흡수층을 형성하는 상기 제1물질(100)을 내부에 수용하는 제1이퓨전셀; 상기 베리어층을 형성하는 상기 제2물질(200)을 내부에 수용하는 제2이퓨전셀; 및 상기 베리어층을 형성하는 상기 제3물질(300)을 내부에 수용하는 제3이퓨전셀;을 포함할 수 있고, 상기 제1이퓨전셀, 상기 제2이퓨전셀, 및 상기 제3이퓨전셀의 셔터 또는 히터의 작동을 제어하여 상기 제1n흡수층, 상기 베리어층, 및 상기 제2n흡수층을 형성할 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 제1이퓨전셀 및 제2이퓨전셀의 히터온도와 시간과의 관계를 개략적으로 도시한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 상기 베리어층을 형성하는 단계(S200)는, 분자빔에피택시 공정을 이용하여 상기 제1물질(100)이 수용되는 제1이퓨전셀과 상기 제2물질(200)이 수용되는 제2이퓨전셀 각각의 셔터를 완전히 개방한 상태에서, 상측으로 갈수록 상기 제1이퓨전셀의 히터온도는 감소 혹은 유지하고, 상기 제2이퓨전셀의 히터온도는 증가하는 형태로 상기 베리어층을 형성할 수 있다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에서 상기 제1이퓨전셀 및 상기 제2이퓨전셀의 셔터 또는 히터의 작동을 제어하여 상기 제1n흡수층, 상기 베리어층, 및 상기 제2n흡수층을 형성할 수 있다. 도 7은 상기 베리어층을 형성하는 단계에서, 상기 제1이퓨전셀의 셔터와 상기 제2이퓨전셀의 셔터를 완전히 개방한 상태에서 상기 제1이퓨전셀 및 상기 제2이퓨전셀의 히터의 작동을 제어하는 실시예에 해당한다.
즉, 본 발명의 일 실시예에서, 상기 제1이퓨전셀과 상기 제2이퓨전셀의 셔터를 완전히 개방한 상태에서 상기 제1이퓨전셀의 히터온도를 감소시키고 상기 제2이퓨전셀의 히터온도를 증가시킴으로써, 상측으로 갈수록 상기 제1이퓨전셀의 내부에 수용된 상기 제1물질(100)의 비율은 감소하고, 상기 제2이퓨전셀의 내부에 수용된 상기 제2물질(200)의 비율은 증가하는 형태로 상기 베리어층을 형성할 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 일 실시예에서, 상기 제1이퓨전셀, 상기 제2이퓨전셀, 및 상기 제3이퓨전셀의 셔터 또는 히터의 작동을 제어하여 상기 제1n흡수층, 상기 베리어층, 및 상기 제2n흡수층을 형성할 수 있다.
바람직하게는, 상기 베리어층을 형성하는 단계(S200)는, 분자빔에피택시 공정을 이용하여 상기 제2물질(200)이 수용되는 제2이퓨전셀과 상기 제3물질(300)이 수용되는 제3이퓨전셀 각각의 셔터를 완전히 개방한 상태에서, 상측으로 갈수록 상기 제2이퓨전셀의 히터온도는 감소하고, 상기 제3이퓨전셀의 히터온도는 증가하는 형태로 상기 베리어층을 형성할 수 있다. 즉, 상기 제1이퓨전셀, 상기 제2이퓨전셀, 및 상기 제3이퓨전셀의 셔터를 완전히 개방한 상태에서 상기 제2이퓨전셀의 히터온도를 감소시키고 상기 제3이퓨전셀의 히터온도를 증가시킴으로써, 상측으로 갈수록 상기 제2이퓨전셀의 내부에 수용된 상기 제2물질(200)의 비율은 감소하고, 상기 제3이퓨전셀의 내부에 수용된 상기 제3물질(300)의 비율은 증가하는 형태로 상기 베리어층을 형성할 수 있다.
이와 같은 방식으로 상기 베리어층을 형성함으로써, 격자상수와 가전자대 에너지준위 모두를 고려하지 않더라도 상기 베리어층을 상기 제1n흡수층 및 상기 제2n흡수층과 정합시킬 수 있고, 이에 따라 nBn구조를 구현하기 위한 재료를 선택할 수 있는 폭을 보다 확장시킬 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 제1이퓨전셀 및 제2이퓨전셀의 셔터개구율과 시간과의 관계를 개략적으로 도시한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 상기 베리어층을 형성하는 단계(S200)는, 분자빔에피택시 공정을 이용하여 상기 제1물질(100)이 수용되는 제1이퓨전셀과 상기 제2물질(200)이 수용되는 제2이퓨전셀 각각의 히터온도를 기설정된 온도로 설정한 상태에서, 상측으로 갈수록 상기 제1이퓨전셀의 셔터의 개구율은 감소하고, 상기 제2이퓨전셀의 셔터의 개구율은 증가하는 형태로 상기 베리어층을 형성할 수 있다.
이때, 상기 셔터의 개구율은 개구의 면적을 조절할 수도 있고, 상기 셔터의 유효 개구율, 즉 일정한 셔터 변경 회수내에 열린 시간과 닫힌 시간의 비율인 duty ratio를 변경할 수 있다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에서 상기 제1이퓨전셀 및 상기 제2이퓨전셀의 셔터 또는 히터의 작동을 제어하여 상기 제1n흡수층, 상기 베리어층, 및 상기 제2n흡수층을 형성할 수 있다. 도 8은 상기 제1이퓨전셀의 히터온도와 상기 제2이퓨전셀의 히터온도를 기설정된 온도로 설정한 상태에서, 상기 제1이퓨전셀 및 상기 제2이퓨전셀의 셔터의 작동을 제어하는 실시예에 해당한다.
즉, 본 발명의 일 실시예에서, 상기 제1이퓨전셀과 상기 제2이퓨전셀의 히터온도를 기설정된 온도로 설정한 상태에서 상기 제1이퓨전셀의 셔터의 개구율을 감소시키고 상기 제2이퓨전셀의 셔터의 개구율을 증가시킴으로써, 상측으로 갈수록 상기 제1이퓨전셀의 내부에 수용된 상기 제1물질(100)의 비율은 감소하고, 상기 제2이퓨전셀의 내부에 수용된 상기 제2물질(200)의 비율은 증가하는 형태로 상기 베리어층을 형성할 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 일 실시예에서, 상기 제1이퓨전셀, 상기 제2이퓨전셀, 및 상기 제3이퓨전셀의 셔터 또는 히터의 작동을 제어하여 상기 제1n흡수층, 상기 베리어층, 및 상기 제2n흡수층을 형성할 수 있다. 이때, 상기 셔터의 개구율은 개구의 면적을 조절할 수도 있고, 상기 셔터의 유효 개구율, 즉 일정한 셔터 변경 회수내에 열린 시간과 닫힌 시간의 비율인 duty ratio를 변경할 수 있다.
바람직하게는, 상기 베리어층을 형성하는 단계(S200)는, 분자빔에피택시 공정을 이용하여 상기 제2물질(200)이 수용되는 제2이퓨전셀과 상기 제3물질(300)이 수용되는 제3이퓨전셀 각각의 히터온도를 기설정된 온도로 설정한 상태에서, 상측으로 갈수록 상기 제2이퓨전셀의 셔터의 개구율은 감소하고, 상기 제3이퓨전셀의 셔터의 개구율은 증가하는 형태로 상기 베리어층을 형성할 수 있다. 즉, 상기 제1이퓨전셀, 상기 제2이퓨전셀, 및 상기 제3이퓨전셀의 히터온도를 기설정된 온도로 설정한 상태에서 상기 제2이퓨전셀의 셔터의 개구율을 감소시키고 상기 제3이퓨전셀의 셔터의 개구율을 증가시킴으로써, 상측으로 갈수록 상기 제2이퓨전셀의 내부에 수용된 상기 제2물질(200)의 비율은 감소하고, 상기 제3이퓨전셀의 내부에 수용된 상기 제3물질(300)의 비율은 증가하는 형태로 상기 베리어층을 형성할 수 있다.
이와 같은 방식으로 상기 베리어층을 형성함으로써, 격자상수와 가전자대 에너지준위 모두를 고려하지 않더라도 상기 베리어층을 상기 제1n흡수층 및 상기 제2n흡수층과 정합시킬 수 있고, 이에 따라 nBn구조를 구현하기 위한 재료를 선택할 수 있는 폭을 보다 확장시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 보다 다양한 재료를 이용하여 nBn구조를 구현함으로써, 검출성능이 우수하면서도 상용화하기에 적합한 중적외선 광검출소자를 구현할 수 있는 효과를 발휘할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 특수한 방식으로 베리어층을 형성함으로써, 격자상수와 가전자대 에너지준위 모두를 고려하지 않더라도 베리어층을 n흡수층과 정합시킬 수 있고, n흡수층 및 베리어층을 형성하는 물질에 대한 선택자유도를 확장시킬 수 있는 효과를 발휘할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 베리어층을 포함하는 nBn구조에 의하여 암전류를 억제하여 신호 대 노이즈 비율을 향상시킬 수 있는 효과를 발휘할 수 있다.
이상과 같이 실시 예들이 비록 한정된 실시 예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등 물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다. 그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.
1: 중적외선 광검출소자
S100: 제1n흡수층을 형성하는 단계
100: 제1물질
S200: 베리어층을 형성하는 단계
200: 제2물질 300: 제3물질
S300: 제2n흡수층을 형성하는 단계

Claims (13)

  1. nBn구조를 이용한 중적외선 광검출소자의 제조방법으로서,
    0.9eV 이하의 밴드갭을 갖는 제1물질로 제1n흡수층을 형성하는 단계;
    상기 제1n흡수층의 상면에 상기 제1물질과 제2물질을 혼합하되, 상측으로 갈수록 상기 제1물질의 비율은 감소하고, 상기 제2물질의 비율은 증가하는 형태로 베리어층을 형성하는 단계; 및
    상기 베리어층의 상면에 상기 제1물질로 제2n흡수층을 형성하는 단계;를 포함하고,
    상기 제1물질이 InAs인 경우에는 상기 제2물질이 AlSb, InAlSb, AlAsSb, 및 InAlAsSb 중 어느 하나이고,
    상기 제1물질이 InAsSb인 경우에는 상기 제2물질이 AlSb, InAlSb, AlAsSb, 및 InAlAsSb 중 어느 하나이고,
    상기 제1물질이 InSb인 경우에는 상기 제2물질이 AlSb, InAlSb, AlAsSb, InAlAsSb, 및 GaAsSb 중 어느 하나인, 중적외선 광검출소자의 제조방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2물질의 격자상수와 상기 제1물질의 격자상수의 차이는 0.2Å 이내인, 중적외선 광검출소자의 제조방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2물질의 전도대의 에너지준위는 상기 제2물질의 가전자대의 에너지준위보다 높은, 중적외선 광검출소자의 제조방법.
  4. 삭제
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 베리어층을 형성하는 단계는,
    분자빔에피택시 공정을 이용하여 상기 제1물질이 수용되는 제1이퓨전셀과 상기 제2물질이 수용되는 제2이퓨전셀 각각의 셔터를 완전히 개방한 상태에서, 상측으로 갈수록 상기 제1이퓨전셀의 히터온도는 감소 혹은 유지하고, 상기 제2이퓨전셀의 히터온도는 증가하는 형태로 상기 베리어층을 형성하는, 중적외선 광검출소자의 제조방법.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 베리어층을 형성하는 단계는,
    분자빔에피택시 공정을 이용하여 상기 제1물질이 수용되는 제1이퓨전셀과 상기 제2물질이 수용되는 제2이퓨전셀 각각의 히터온도를 기설정된 온도로 설정한 상태에서, 상측으로 갈수록 상기 제1이퓨전셀의 셔터의 개구율은 감소하고, 상기 제2이퓨전셀의 셔터의 개구율은 증가하는 형태로 상기 베리어층을 형성하는, 중적외선 광검출소자의 제조방법.
  7. nBn구조를 이용한 중적외선 광검출소자의 제조방법으로서,
    0.9eV 이하의 밴드갭을 갖는 제1물질로 제1n흡수층을 형성하는 단계;
    상기 제1n흡수층의 상면에 제2물질과 제3물질을 혼합하되, 상측으로 갈수록 상기 제2물질의 비율은 감소하고, 상기 제3물질의 비율은 증가하는 형태로 베리어층을 형성하는 단계; 및
    상기 베리어층의 상면에 상기 제1물질로 제2n흡수층을 형성하는 단계;를 포함하고,
    상기 제1물질이 InAs인 경우에는 상기 제2물질 및 상기 제3물질 각각이 AlSb, InAlSb, AlAsSb, 및 InAlAsSb 중 어느 하나이고,
    상기 제1물질이 InAsSb인 경우에는 상기 제2물질 및 상기 제3물질 각각이 AlSb, InAlSb, AlAsSb, 및 InAlAsSb 중 어느 하나이고,
    상기 제1물질이 InSb인 경우에는 상기 제2물질 및 상기 제3물질 각각이 AlSb, InAlSb, AlAsSb, InAlAsSb, 및 GaSb 중 어느 하나인, 중적외선 광검출소자의 제조방법.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 제2물질의 가전자대의 에너지준위와 상기 제1물질의 가전자대의 에너지준위의 차이는 2.0 eV 이내인, 중적외선 광검출소자의 제조방법.
  9. 청구항 7에 있어서,
    상기 제3물질의 격자상수와 상기 제1물질의 격자상수의 차이는 0.2Å 이내인, 중적외선 광검출소자의 제조방법.
  10. 청구항 7에 있어서,
    상기 제2물질의 전도대의 에너지준위는 상기 제2물질의 가전자대의 에너지준위보다 높고,
    상기 제3물질의 전도대의 에너지준위는 상기 제3물질의 가전자대의 에너지준위보다 높고, 중적외선 광검출소자의 제조방법.
  11. 삭제
  12. 청구항 7에 있어서,
    상기 베리어층을 형성하는 단계는,
    분자빔에피택시 공정을 이용하여 상기 제2물질이 수용되는 제2이퓨전셀과 상기 제3물질이 수용되는 제3이퓨전셀 각각의 셔터를 완전히 개방한 상태에서, 상측으로 갈수록 상기 제2이퓨전셀의 히터온도는 감소하고, 상기 제3이퓨전셀의 히터온도는 증가하는 형태로 상기 베리어층을 형성하는, 중적외선 광검출소자의 제조방법.
  13. 청구항 7에 있어서,
    상기 베리어층을 형성하는 단계는,
    분자빔에피택시 공정을 이용하여 상기 제2물질이 수용되는 제2이퓨전셀과 상기 제3물질이 수용되는 제3이퓨전셀 각각의 히터온도를 기설정된 온도로 설정한 상태에서, 상측으로 갈수록 상기 제2이퓨전셀의 셔터의 개구율은 감소하고, 상기 제3이퓨전셀의 셔터의 개구율은 증가하는 형태로 상기 베리어층을 형성하는, 중적외선 광검출소자의 제조방법.
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FR2983351B1 (fr) * 2011-11-28 2014-01-24 Commissariat Energie Atomique Diode p/n a heterostructure controlee autopositionnee sur hgcdte pour imageurs infrarouges
FR2985373B1 (fr) * 2012-01-04 2014-01-24 Commissariat Energie Atomique Structure semiconductrice, dispositif comportant une telle structure et procede de fabrication d'une structure semiconductrice

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