KR20000018855A - Implementing method of photosensitive device using quantum dot and photosensitive device and fabricating the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 광 디바이스에서 광 검출기에 관한 것으로 특히, 양자섬(Quantum dot)을 이용한 광 감지소자의 구현시 별도의 부대장비 없이 광 감지소자면에 대해 수직으로 입사되는 빛을 효율적으로 감지할 수 있으며 상온에서도 동작 가능하도록 하기 위한 양자섬을 이용한 광 감지 디바이스의 구현방법과 광 감지소자 및 그에 따른 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a light detector in an optical device, and in particular, when implementing a light sensing device using a quantum dot (quantum dot) can efficiently detect light incident perpendicularly to the surface of the light sensing device without additional equipment The present invention relates to a method of implementing a light sensing device using a quantum island to operate at room temperature, a light sensing device, and a method of manufacturing the same.
일반적으로, 빛의 파장 대역별 영역은 첨부한 도 1에 도시되어 있는 바와 같이 상당히 많은 갖가지 주파수 대역의 빛들이 혼재하여 있는데, 눈으로 확인 가능한 빛의 파장대는 약 0.4∼0.7㎛ 정도이다. 또한, 자외선 영역은 통상 0.01∼0.4㎛이며, 적외선 영역은 0.7∼1000㎛ 이다.In general, as shown in the accompanying FIG. 1, the wavelength bands of light are mixed with a considerable number of different frequency bands, and the visible light wavelength range is about 0.4 to 0.7 µm. In addition, an ultraviolet range is 0.01-0.4 micrometer normally, and an infrared region is 0.7-1000 micrometers.
상기 도 1에서는 분리된 수평축으로 광에너지를 표시하고 있는데, 각 광 파장별 에너지의 변환은 아래의 수학식 1에 따라 이루어진다.In FIG. 1, optical energy is displayed on a separate horizontal axis, and the conversion of energy for each light wavelength is performed according to Equation 1 below.
상기 수학식 1에서 c는 진공중에서 빛의 속도를 나타내며, ν는 빛의 진동수이고, h는 플랭크(Planck) 상수이며, hν는 eV단위로 표시된 광에너지이다. 따라서, 빛의 파장이 0.5㎛인 초록색 광의 광에너지는 2.48eV가 된다.In Equation 1, c denotes the speed of light in a vacuum, ν is the frequency of light, h is a Planck constant, and hν is the light energy expressed in units of eV. Therefore, the light energy of green light whose wavelength is 0.5 micrometer is 2.48 eV.
이러한 광의 검출 또는 특정광의 발생을 위한 광 디바이스는 통상적으로 광자(光子)와 전자(電子)간의 상호작용에 의해 얻어지는데, 고체내에서 광자와 전자간의 상호작용에는 흡수(吸收), 자연방출(自然放出), 유도방출(誘導放出)등 기본적인 세가지 과정이 있다.Optical devices for the detection of such light or for the generation of specific light are usually obtained by the interaction between photons and electrons. In the solid, the interaction between photons and electrons is absorbed and spontaneously emitted. There are three basic processes: 放出 and Induced Emission.
상술한 고체내에서 광자와 전자간의 상호작용을 이용한 광 디바이스라고 칭하는 소자들은 빛의 입자인 광자들에 의하여 동작되는 것으로, 그 종류에는 전기 에너지를 광에너지로 변환하는 발광 다이오드와 다이오드 레이저등의 소자들과, 전기적으로 광신호를 감지하는 광검출소자 그리고 광에너지를 전기적 에너지로 변환시키는 태양전지등의 소자들이 대표적이라 할 수 있다.The devices called optical devices using the interaction between photons and electrons in the above-mentioned solids are operated by photons, which are particles of light, which include light emitting diodes and diode lasers for converting electrical energy into optical energy. And a photodetecting device that electrically detects an optical signal, and a device such as a solar cell that converts light energy into electrical energy may be representative.
이하에서 설명하고 있는 광신호는 일반적인 가시광이 아니라 적외선임을 의미(일반 가시광에 대한 광검출소자는 기존의 소자또는 제법으로도 충분히 가능함)한다.The optical signal described below means infrared light, not general visible light (a photodetector device for general visible light may be sufficient as an existing device or a manufacturing method).
상기와 같이 다양한 광 디바이스들중 광검출소자는 빛의 유무에 따라 소자내부에서 변화하는 온도의 차를 전기적인 신호로 변환시키는 열형 광 감지소자인 파이루일렉트릭(pyroelectric) 소자와 입사하는 빛의 광자(photon)에 반응하는 광자형 광 감지소자로 구분할 수 있는데, 근래에는 양자효율이 높고 그 반응속도도 매우 빠른 장점을 갖는 광자형 광 감지소자가 주류를 이루고 있다.Among the various optical devices as described above, the photodetecting device is a pyroelectric device, which is a thermal photosensitive device that converts a difference in temperature depending on whether light is present into an electrical signal and photons of incident light. Photon-type photosensitive devices reacting to photon) can be classified. In recent years, photon-type photosensitive devices having a high quantum efficiency and a very fast response time have become mainstream.
상기와 같은 광자형 광 감지소자를 구현하기 위하여 사람들은 도 2a에 도시되어 있는 바와 같이 작은 밴드갭을 얻을 수 있는 반도체의 가전자대역과 전도대역 사이의 천이를 이용하거나, 도 2b에 도시되어 있는 바와 같이 비교적 큰 밴드갭을 갖고 있는 반도체와 더 큰 밴드갭을 갖고 있는 반도체를 서로 번갈아가며 생성하여 다중양자우물을 만들고 그 다중양자우물에서 얻어지는 전도대역 또는 가전자 대역 내의 부밴드들 간의 천이를 이용하였다. 그 한 예가 II-VI족 화합물인 MCT 감지소자이고 또 III-V족 화합물인 GaAs/AlGaAs 다중양자우물 감지소자이다.In order to implement such a photon-type photosensitive device, people use a transition between the valence band and the conduction band of a semiconductor that can obtain a small bandgap, as shown in FIG. 2A, or as shown in FIG. 2B. As described above, a semiconductor having a relatively large band gap and a semiconductor having a larger band gap are alternately generated to make a multi-quantum well, and use a transition between subbands in a conduction band or a valence band obtained from the multi-quantum well. It was. One example is an MCT sensing element which is a group II-VI compound and a GaAs / AlGaAs multi-quantum well sensing element which is a group III-V compound.
이때, MCT 감지소자에서와 같이 밴드갭이 작은 반도체를 사용하는 경우 밴드갭이 작은 물질은 다루기가 힘들고 또한 공정도 넓은 면적에 균일하지 않아 넓은 면적의 감지소자 배열을 만드는데 적합하지 않고 수율 또한 좋지 않다.In this case, when a semiconductor with a small bandgap is used as in the MCT sensing device, a material with a small bandgap is difficult to handle and the process is not uniform in a large area. .
이에 반해 다중 양자우물(quantum well) 형태의 감지소자는 종래의 실리콘(Si)또는 갈륨비소(GaAs) 기판을 그대로 이용할 수 있어서 성숙된 공정을 그대로 이용할 수 있으며 이로 인해 넓은 면적의 기판에 균일한 공정을 할 수 있고 또 열적 균일도도 좋아 넓은 면적의 광 감지소자 배열을 만들기에 적합(참조: R. Peopol et al, Appl. Phys. Lett. 61(9):1122(1992))하다.In contrast, the sensing device in the form of a multi-quantum well can use a conventional silicon (Si) or gallium arsenide (GaAs) substrate as it is and thus can use a mature process as it is. It is also suitable for making large area photodetector arrays (see R. Peopol et al, Appl. Phys. Lett. 61 (9): 1122 (1992)).
그러나, 다중양자우물 광 감지소자는 다중양자우물의 성장방향과 일치하는 방향의 지닌 편광성분 즉, 다중양자우물 표면에대해 수직인 편광성분에 대해서만 민감하게 작용하는 특성(참조: C. L. Yang et al, J. Appl. Phys. 65:3253(1989))을 가지고 있으므로, 다중양자우물 표면에 대해 수평편광성분 만이 존재하는 다중양자우물의 표면으로 수직입사되는 빛은 효율적으로 감지할 수 없다는 단점을 지니고 있었다.However, the multi-quantum well photodetector is sensitive to polarization components having a direction consistent with the growth direction of the multi-quantum wells, that is, the polarization components perpendicular to the surface of the multi-quantum wells (see CL Yang et al, J. Appl. Phys. 65: 3253 (1989)) had the disadvantage of not being able to efficiently detect light incident vertically into the surface of a multi-quantum well, where only the horizontal polarization component exists with respect to the surface of the multi-quantum well. .
상기한 종래의 다중양자우물 광 감지소자의 문제점을 첨부도면을 참조하여 다중양자우물의 성장방향과 입사되는 빛의 편광성분과의 관계로부터 좀 더 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.The problem of the conventional multi-quantum well photodetector described above will be described in more detail from the relation between the growth direction of the multi-quantum well and the polarization component of incident light with reference to the accompanying drawings.
제 3도에 도시되어 있는 바와 같이, 다중양자우물을 이용한 종래의 광 감지소자는, 기판상에 다중양자우물을 형성하고 다중양자우물의 상.하면에 감지층 및 접지층을 형성하여 구성된다.As shown in FIG. 3, a conventional photosensitive device using a multi-quantum well is formed by forming a multi-quantum well on a substrate and forming a sensing layer and a ground layer on the upper and lower surfaces of the multi-quantum well.
이때, 상기 다중양자우물의 특성상 다중양자우물의 성장방향과 일치하는 방향의 편광에 대해서만 민감하게 작용하기 때문에, 도 3에서 수직 입사광이라고 지칭되는 광 즉, 상기 다중양자우물의 측면에 수직입사된 빛의 편광성분()은 상기 다중양자우물의 성장 방향과 일치하기 때문에 효과적으로 탐지할 수 있는 반면, 상기 다중양자우물의 상면 또는 하면으로 수직입사된 빛 즉, 도 3에서 수평 입사광이라고 지칭되는 빛의 편광성분(,)은 상기 다중양자우물의 성장 방향과 직각인 관계로 감지효율이 매우 저하된다는 문제점을 지니고 있었다.At this time, since the quantum well is sensitive to polarization in a direction coinciding with the growth direction of the multi-quantum well, light referred to as vertical incident light in FIG. 3, that is, light vertically incident on the side of the multi-quantum well Polarization component of ) Can be effectively detected because it coincides with the growth direction of the multi-quantum well, while the polarized component of light vertically incident on the upper or lower surface of the multi-quantum well, ie, horizontal incident light in FIG. , ) Has a problem in that the detection efficiency is very low because it is perpendicular to the growth direction of the multi-quantum well.
따라서, 다중양자우물 광 감지소자의 수직방향으로 입사되는 빛을 효율적으로 감지할 수 있는 광 감지소자를 제조하기 위한 다양한 시도가 행하여져 왔으며, 이러한 종래기술로는 아래에서 제시하고 있는 세가지 방식의 기술이 대표적이라 할 수 있으며, 그 각각의 기술에 대한 특징과 단점을 살펴보면 다음과 같다.Therefore, various attempts have been made to manufacture an optical sensing device capable of efficiently detecting light incident in the vertical direction of the multi-quantum well photodetecting device. Representative and the characteristics and disadvantages of each technology are as follows.
우선, 첫 번째 종래 기술로서, 다중양자우물의 측면을 비스듬히 구성하고, 빛을 그 비스듬한 면으로 입사시켜 발생되는 수직 편광성분 즉 다중양자우물의 성장방향과 일치하는 편광성분을 이용하여 빛을 감지하는 광 감지소자가 제안(J. S. Park et al., Appl. Phys. Lett. 61(6):681(1992))하였다.First, as the first conventional technology, the side of the multi-quantum well is formed obliquely, and the light is sensed using the vertically polarized component generated by incidence of light onto the oblique plane, that is, the polarization component that matches the growth direction of the multi-quantum well. An optical sensing device has been proposed (JS Park et al., Appl. Phys. Lett. 61 (6): 681 (1992)).
그러나, 상술한 바와 같은 첫 번째 종래 기술에서는 경사진 다중양자우물의 측면을 형성하기 위하여 측면을 기계적인 방법으로 갈아 내거나 화학적인 방법으로 식각하거나 혹은 두 방법을 병행하여야 하므로 그 공정이 매우 불안하고 대량생산이 어려우며 2차원 이상의 행렬구조는 실현이 불가능한 문제점을 지니고 있었다.However, in the first conventional technique as described above, the process is very unstable and bulky because the side has to be mechanically etched, chemically etched, or both in order to form the side of the inclined multi-quantum well. Production was difficult and the two-dimensional matrix structure had problems that could not be realized.
상술한 첫 번째 종래 기술이 갖는 문제점을 해소하기 위해 제안되어진 두 번째 방식은 빛을 다중양자우물 광 감지소자의 후면으로 부터 수직입사시키고 다중양자우물 광 감지소자의 상면에 난반사기를 설치하여 난반사를 일으킨 다음, 난반사에 의해 발생된 수직 편광성분, 즉 다중양자우물의 성장방향과 일치하는 편광성분을 이용하여 빛을 감지하는 광 감지소자를 제시(G. Sarusi et al., Appl. Phys. Lett. 64(8):960(1993))하였다.The second method proposed to solve the problems of the first conventional technique described above is to vertically emit light from the rear of the multi-quantum well photodetector and to produce diffuse reflection by installing a diffuse reflector on the upper surface of the multi-quantum well photodetector. Next, a light sensing device for detecting light using a vertical polarization component generated by diffuse reflection, that is, a polarization component coinciding with a growth direction of a multi-quantum well is presented (G. Sarusi et al., Appl. Phys. Lett. 64 (8): 960 (1993)).
상기 두 번째 종래 방식에서도 역시 다중양자우물 광 감지소자와는 별도로 난반사기를 구성해야 하기 때문에, 제조공정이 복잡하고 제조경비가 증가하며, 난반사된 빛이 인접해 있는 다른 소자에 영향을 줄 수 있다는 문제점을 지니고 있었다.In the second conventional method, since the diffuse reflector must be configured separately from the multi-quantum well photodetector, the manufacturing process is complicated, the manufacturing cost increases, and the diffusely reflected light may affect other adjacent devices. Had.
마지막으로, 세 번째 종래 방식은 다중양자우물의 상면을 V자 형태로 식각하고 빛을 후면에서 입사시켜 V자 형태의 비스듬한 면을 맞고 반사된 빛의 수직 편광성분, 즉 다중양자우물의 성장방향과 일치하는 편광성분을 이용하여 빛을 감지하는 광 감지소자를 제시(C. J. Chen et al., Appl. Phys. Lett. 68(11):1446(1996))하였다.Finally, the third conventional method is to etch the upper surface of the multi-quantum well in a V-shape, and the light is incident from the rear to face the V-shaped oblique plane and to reflect the vertical polarization component of the reflected light, that is, the growth direction of the multi-quantum well. A light sensing device for detecting light using a matching polarization component is presented (CJ Chen et al., Appl. Phys. Lett. 68 (11): 1446 (1996)).
그러나, 상술한 세 번째 방식에서도 역시 다중양자우물을 형성한 후 방향성 식각을 해야 하여야 한다는 점과, 효율을 높이기 위해 단위면적에 V자 모양으로 형성된 선(wire)의 개수를 많이 형성해야 한다는 점, 및 역 V자 모양의 뾰족한 끝 부분에 저항적 접촉을 만들어야 하는 등의 번거로움이 문제점으로 제시되었다.However, in the third method described above, the directional etching must be performed after the formation of the multi-quantum well, and the number of wires having a V-shape in the unit area must be formed to increase the efficiency. And the hassle of making an ohmic contact with the pointed end of the inverted V shape has been presented as a problem.
더욱이, 근래까지 양자우물로 만들어진 광 감지소자는 암전류(dark current)가 큰 관계로 효율적인 광 감지를 위해서는 소자의 온도를 액체질소 온도 정도의 매우 낮은 온도로 유지시켜 주어야 하였으며, 상온에서는 그 동작이 불가능하였다. 따라서, 실제로 다중양자우물 광 감지소자를 동작시키기 위해서는 소자를 진공용기 안에 장착하고 냉각기를 이용하여 소자를 냉각시켜 주어야만 했다.Moreover, until recently, optical sensing devices made of quantum wells have a large dark current, so for efficient light sensing, the temperature of the devices has to be kept at a very low temperature, such as liquid nitrogen temperature. It was. Therefore, in order to actually operate the multi-quantum well photosensitive device, the device had to be mounted in a vacuum container and cooled by using a cooler.
상술한 바와 같은 문제점을 해소하기 위한 본 발명의 목적은 양자섬(Quantum dot)을 이용한 광 감지소자의 구현시 별도의 부대장비 없이 광 감지소자면에 대해 수직으로 입사되는 빛을 효율적으로 감지할 수 있으며 상온에서도 동작 가능하도록 하기 위한 양자섬을 이용한 광 감지 디바이스의 구현방법과 광 감지소자 및 그에 따른 제조방법을 제공하는 데 있다.An object of the present invention for solving the above problems is to efficiently detect light incident perpendicularly to the surface of the optical sensing element without additional equipment when implementing the optical sensing element using a quantum island (Quantum dot) The present invention also provides a method of implementing a photosensitive device using a quantum island, a photosensitive device, and a method of manufacturing the same.
도 1은 자외선에서 적외선까지의 전자기적 스펙트럼도1 is an electromagnetic spectrum diagram from ultraviolet to infrared
도 2a와 도 2b는 광응답으로 전자가 가전자대역에서 전도대역으로, 가전자대역 과 전도대역 내에서 낮은 에너지를 갖고 있는 부밴드에서 높은 에너지로의 부밴드로 천이하는 과정을 나타낸 예시도2A and 2B are exemplary diagrams illustrating a process in which electrons transition from the valence band to the conduction band and the subband from the low band to the high energy in the valence band and the conduction band in the light response.
도 3은 다중양자우물 구조에 대한 빛의 입사면과 빛의 편광성분을 도시한 개략도3 is a schematic diagram showing the plane of incidence and polarization of light for a multi-quantum well structure
도 4는 양자섬 구조에 대한 빛의 입사면과 빛의 편광성분을 도시한 개략도4 is a schematic diagram showing the plane of incidence of light and the polarization component of light with respect to the quantum island structure;
도 5a내지 도 5d는 벌크, 양자선, 양자우물, 그리고 양자섬에 대한 에너지 밀도함수와 페르미-디락 에너지 분포함수, 그리고 그 두함수의 관계로 형성되는 반송자의 에너지에 대한 분포함수를 나타낸 그래프5a to 5d are graphs showing the energy density function of the bulk, quantum wire, quantum well, and quantum island and the Fermi-Dirac energy distribution function, and the carrier energy distribution formed by the relationship between the two functions.
도 6a와 도 6b는 일반적인 반도체 디바이스의 채널 형성 과정을 설명하기 위한 예시도6A and 6B are exemplary diagrams for describing a channel forming process of a general semiconductor device.
도 7a와 도 7b는 본 발명에서 양자섬을 이용한 광 검출기 설계 패턴을 설명하기 위한 채널 형성과정 예시도7A and 7B are exemplary diagrams illustrating a channel formation process for explaining a photodetector design pattern using a quantum island according to the present invention.
도 8는 본 발명의 일 실시예에 따른 양자섬 감지소자의 개략도8 is a schematic diagram of a quantum island sensing device according to an embodiment of the present invention;
도 9은 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 양자섬 감지소자의 개략도9 is a schematic diagram of a quantum island sensing device according to another embodiment of the present invention;
도 10a와 도 10b는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 양자섬 감지소자의 측정 그래프10A and 10B are measurement graphs of a quantum island sensing device manufactured according to an embodiment of the present invention.
도 11a와 도 11b는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 양자섬 감지소자의 에너지 밴드 다이어그램11A and 11B are energy band diagrams of a quantum island sensing device manufactured according to an embodiment of the present invention.
도 12a와 도 12b는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 양자섬 감지소자에서 양자섬에 전자가 갇혀있는 상태를 설명하기 위한 실험 그래프12A and 12B are experimental graphs for explaining a state in which electrons are trapped in a quantum island in a quantum island sensing device manufactured according to an embodiment of the present invention.
도 13는 본 발명의 또다른 일 실시예로서 조절전극을 여러개 두어 각 광반응 영역에서의 광 응답으로 형성된 전하를 순차적으로 검출전극으로 옳길 수 있도록 하는 소자의 개략도FIG. 13 is a schematic diagram of a device in which a plurality of control electrodes are provided so that charges formed by optical responses in each photoreaction region can be sequentially corrected as detection electrodes in another embodiment of the present invention
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for main parts of the drawings>
101 : 반도체 기판 102 : 버퍼층101 semiconductor substrate 102 buffer layer
103 : 초격자 버퍼층 104 : 양자섬103: superlattice buffer layer 104: quantum island
105 : 공간층 106 : 수평방향 전기 전도 통로105: space layer 106: horizontal electric conduction passage
107 : 불순물 공급층 108 : 접촉층107 impurity supply layer 108 contact layer
109 : 검출전극 110 : 조절전극109 detection electrode 110 control electrode
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징은, 이종의 물질간 접합이나 불순물 도우핑에 의해 수평 방향으로 캐리어의 이송방향과 채널이 설정되고, 페르미 준위의 제어에 의해 상기 채널에 흐르는 전류의 크기가 결정될 수 있도록 구현되는 반도체 소자를 이용한 광 감지 소자의 구현 방법에 있어서, 빛의 감지에 따른 흡수과정을 통해 그에 대응하는 캐리어를 방출하는 양자섬층을 채널의 주변 임의의 위치에 형성하되, 상기 양자섬층에서 빛 감지에 따른 방출 캐리어가 상기 채널에 모이도록 구현하는 제 1 과정과, 상기 페르미 준위를 기 설정되어 있는 채널에는 캐리어 수를 제한하여 광이 입사되지 않은 상태에서는 전류를 최소화 하면서 상기 양자섬층에는 캐리어를 가두어 활성화시킬 수 있는 위치에 구비시키는 제 2 과정을 포함하는 데 있다.A characteristic of the present invention for achieving the above object is that the transport direction and the channel of the carrier are set in the horizontal direction by heterogeneous bonding between materials or doping impurities, and the magnitude of the current flowing through the channel is controlled by the Fermi level control. In the method of implementing a photo-sensing device using a semiconductor device that can be determined, by forming a quantum island layer to emit a corresponding carrier through the absorption process according to the detection of light at any position around the channel, the quantum island layer In the first process to implement the emission carriers in accordance with the light sensing in the channel, and the channel is set to the Fermi level to limit the number of carriers to minimize the current in the state where no light is incident to the quantum island layer And a second step of providing the carrier in a position capable of being locked and activated.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 부가적인 특징으로는 상기 빛은 0.77㎛에서 100㎛사이의 파장을 갖는 적외선인 데 있다.An additional feature of the present invention for achieving the above object is that the light is an infrared ray having a wavelength between 0.77㎛ 100㎛.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 특징은, 적어도 하나 이상의 불순물을 임의로 첨가시키지 않은 양자섬을 포함하는 양자섬층과, 전기 양자섬층과 그 양자섬층과는 밴드갭이 다른 물질을 번갈아가며 형성하여 전기 양자섬층이 적어도 하나 이상 포함되게 한 광흡수층과, 전기 광흡수층에 인접하여 광흡수층에서 여기된 캐리어가 모여서 수평방향의 전도가 일어날 수 있도록 하는 전도통로층과, 전기 광 흡수층에는 캐리어를 공급하고 전도통로층에는 캐리어가 거의 공급되지 아니하도록 조절된 불순물의 양과 분포모양을 갖는 불순물층을 포함하는 층, 및 전기 광흡수층에서 빛을 받아 여기된 캐리어가 상기 채널에 모이면 이를 수평방향으로 전도시키기 위해 형성된 적어도 두개 이상의 검출전극을 포함하는 데 있다.Another feature of the present invention for achieving the above object is to form a quantum island layer including a quantum island is not optionally added at least one or more impurities, alternating formation of a material having a different band gap between the electric quantum island layer and the quantum island layer A light absorption layer including at least one electric quantum island layer, a conduction passage layer adjacent to the light absorption layer to collect carriers excited in the light absorption layer, and a horizontal conduction; The conductive passage layer includes a layer including an impurity layer having an amount and distribution of impurities controlled to supply little carriers, and conducts horizontally when excited carriers collect in the channel by receiving light from the electric light absorbing layer. It includes at least two detection electrodes formed for.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 부가적인 특징으로 검출전극의 거리와 검출전극의 폭의 길이가 빛의 파장보다 긴 데 있다.An additional feature of the present invention for achieving the above object is that the length of the distance of the detection electrode and the width of the detection electrode is longer than the wavelength of light.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 부가적인 특징으로 상기 불순물층을 포함하는 층에서 불순물의 분포 형태가 델타(delta) 함수 모양인 데 있다.An additional feature of the present invention for achieving the above object is that the impurity distribution in the layer including the impurity layer has a delta function shape.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 부가적인 특징으로 상기 불순물을 포함하는 층에서 불순물의 분포형태가 불순물층 전체에 균일하고 분순물층을 포함하는 층을 식각하여 양자섬에 공급되는 캐리어의 양을 조절하는 데 있다.As an additional feature of the present invention for achieving the above object, the distribution of impurities in the impurity-containing layer is uniform throughout the impurity layer, and the amount of carriers supplied to the quantum island is etched by etching the layer including the impurity layer. It's in control.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 부가적인 특징으로 상기 불순물층을 포함하는 층이 상기 전도통로층위에 형성되고 상기 광흡수층이 상기 전도통로층의 아래에 위치하는 데 있다.An additional feature of the present invention for achieving the above object is that a layer including the impurity layer is formed on the conductive passage layer and the light absorbing layer is located below the conductive passage layer.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 부가적인 특징으로 상기 불순물층을 포함하는 층이 상기 전도통로층의 아래에 위치하고 상기 광흡수층이 상기 전도통로층의 위에 위치하는 데 있다.An additional feature of the present invention for achieving the above object is that the layer including the impurity layer is located under the conductive passage layer and the light absorption layer is located above the conductive passage layer.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 부가적인 특징으로 불순물층을 포함하는 층과 광흡수층이 서로 다른 밴드갭을 갖도록하여 이종접합되어지는 데 있다.An additional feature of the present invention for achieving the above object is that the layer including the impurity layer and the light absorbing layer are heterojunction by having a different band gap.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 부가적인 특징으로 광흡수층에 공급되는 캐리어의 양을 조절하기 위한 적어도 하나 이상의 조절 전극을 더 포함하는 데 있다.An additional feature of the present invention for achieving the above object is to further include at least one or more control electrodes for adjusting the amount of carrier supplied to the light absorbing layer.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 부가적인 특징으로 하나 이상의 조절전극을 사용하고 인접한 조절전극에 서로 크기가 다른 전계를 순차적으로 가하여 조절전극 밑 채널에 모여있는 캐리어를 검출전극에서 순차적으로 감지할 수 있게 하는 데 있다.As an additional feature of the present invention for achieving the above object, by using one or more control electrodes and sequentially applying different electric fields to adjacent control electrodes, carriers gathered in the channel under the control electrode can be sequentially detected by the detection electrode. To be there.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 부가적인 특징으로 상기 조절전극을 2층이상으로 만들고 각 층 사이는 저항이 큰 물질이 있도록 하고 각 조절전극의 위치가 다른 층의 조절 전극과 완전히 겹치지 않게 위치시키고 조절전극에 서로 크기가 다른 전계를 순차적으로 가하여 조절전극 밑 채널에 모여있는 전하를 검출전극에서 순차적으로 감지할 수 있게 하는 데 있다.As an additional feature of the present invention for achieving the above object, the control electrode is made of two or more layers, and there is a material having a high resistance between each layer, and the position of each control electrode does not completely overlap with the control electrode of the other layer. By sequentially applying different electric fields to the control electrode, the charges collected in the channel under the control electrode can be sequentially detected by the detection electrode.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 부가적인 특징으로 상기 조절전극의 누설전류를 줄이기 위하여 조절전극 아래에 상기 불순물층을 포함하는 층의 반대되는 타입의 불순물을 첨가하는 데 있다.An additional feature of the present invention for achieving the above object is to add impurities of the opposite type of the layer including the impurity layer under the control electrode to reduce the leakage current of the control electrode.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 부가적인 특징으로 상기 조절전극의 누설전류를 줄이기 위하여 조절전극 아래에 고저항층을 첨가하는 데 있다.An additional feature of the present invention for achieving the above object is to add a high resistance layer under the control electrode to reduce the leakage current of the control electrode.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 특징으로, 광흡수층을 성장하는 과정에서 자연스럽게 양자섬이 형성되도록 하는 광흡수층 성장 공정과, 수평전도 특성이 나타날 수 있도록 적어도 하나 이상의 전극을 접촉층에 증착하는 공정과, 전기 전극과 접촉층 사이의 저항을 줄이는 공정과, 인접한 다른 소자와의 전기적 결합을 줄이기 위해 필요한 소자의 주위를 식각하는 공정과, 양자섬에 공급되는 캐리어의 양을 조절하기 위해 필요한 깊이 만큼만을 식각해 내는 공정과, 양자섬에 공급되는 캐리어의 양을 조절하기 위한 전극을 증착하는 공정과, 만들어진 전극 사이의 이상 단락을 막기 위해 절연막을 증착하는 공정, 및 원하는 전기 신호를 절연막 밖으로 전달하기 위해 필요한 부분의 절연막을 식각하는 공정을 포함하는 데 잇다.In another aspect of the present invention for achieving the above object, a light absorption layer growth process for forming a quantum island naturally in the process of growing the light absorption layer, and depositing at least one electrode on the contact layer so that the horizontal conductivity Process for reducing the resistance between the electrical electrode and the contact layer, etching the element around to reduce the electrical coupling with other adjacent elements, and controlling the amount of carriers supplied to the quantum islands. Etching only the depth, depositing an electrode to control the amount of carriers supplied to the quantum islands, depositing an insulating film to prevent abnormal short circuits between the electrodes, and removing a desired electrical signal out of the insulating film. And etching the insulating film of the portion necessary for the transfer.
우선, 본 발명에서 적용하고자 하는 기술적 사상에 대하여 살펴 보기로 한다. 본 발명에서는 양자우물이 갖는 특성과 제한적 기술요건 때문에 양자섬을 사용하고자 하는데, 양자섬은 첨부한 도 4에 도시되어 있는 바와 같이 특정의 물리층속에 섬과 같이 양자 덩어리가 존재하는 것을 칭하는 것이다.First, the technical idea to be applied in the present invention will be described. In the present invention, quantum islands are used due to the characteristics and limited technical requirements of quantum wells, and as shown in FIG. 4, quantum islands refer to the presence of quantum masses as islands in a specific physical layer.
상술한 바와 같은 개념에 따라 첨부한 도 4를 참조하여 양자섬을 이용한 광 감지소자의 동작 원리를 살펴보면, 양자섬은 그 제작 공정상의 이유-양자섬 형성을 위한 소재의 자체적인 응집력에 의해 그 성장 방향이 단 방향이 아니고 그 중심을 기준으로 방사형임-로 인해 표면에 수직으로 입사하는 빛의 수평편광 성분 즉, 감지소자의 표면과 수평한 편광성분에 대해서도 빛이 양자화 되기 때문이다.Referring to the operation principle of the optical sensing device using the quantum island according to the concept as described above with reference to FIG. 4, the quantum island is grown due to its own cohesion force of the material for forming the quantum island. This is because the light is quantized for the horizontal polarization component of the light incident perpendicularly to the surface, ie, the polarization component parallel to the surface of the sensing element because the direction is not unidirectional and is radial from the center.
따라서, 양자우물을 이용한 광 감지소자의 경우 양자우물의 표면과 수평한 편광성분에 대해서는 인식하지 못하는 문제점을 해소하기 위하여 필요하였던 난반사기나 V자 모양의 홈 같은 별도의 부가 장치나 부가 공정이 양자섬을 이용할 경우 필요없다는 것을 알 수 있다.Therefore, in the case of the photo-sensing device using the quantum well, a separate additional device or additional process such as a diffuse reflector or a V-shaped groove is needed to solve the problem of not recognizing the polarization component that is horizontal to the surface of the quantum well. It can be seen that it is not necessary when using.
더욱이, 양자섬은 그 자체적으로 감지소자의 표면에 수직으로 입사하는 빛에 대해 민감하는 소자를 만들 수 있을 뿐만 아니라 별도의 냉각기 없이 상온에서도 동작이 가능한 광 감지소자를 만들 수 있다.In addition, the quantum island may not only make a device that is sensitive to light incident perpendicularly to the surface of the sensing device, but also may make an optical sensing device that can operate at room temperature without a separate cooler.
그러므로, 이러한 양자섬을 이용한 광 감지소자가 별도의 부가 장치나 부가 공정 없이 감지소자의 표면에 수직으로 입사하는 빛에 민감하게 반응하는 이유는, 첨부한 도 4에 도시되어 있는 바와 같이 전도대역의 부밴드간의 천이를 이용한 광 감지소자는 천이의 선택방식(selection rule)에 따라 양자화되어 있는 방향의 편광 성분만을 흡수 할 수 있기 때문이다.Therefore, the reason why the photosensitive device using the quantum island is sensitive to light incident perpendicularly to the surface of the sensing device without any additional device or additional process is as shown in FIG. 4. This is because the photosensitive device using the transition between the subbands can absorb only the polarization component in the quantized direction according to the selection rule of the transition.
더욱이, 양자섬을 이용한 광 감지소자가 별도의 냉각기 없이 상온에서도 동작이 가능한 이유는, 도 5d에 도시된 바와 같이, 양자섬의 에너지 밀도 함수는 에너지에 따라 그 밀도가 델타함수(delta function)의 모양을 취하게 되는데 이때 그 에너지 간격(E1-E0)을 광진동자(optical phonon)의 에너지(~ 36 meV)보다 크게 만들 수 있으므로 그 광진동자에 의한 에너지 천이를 막을 수 있다. 이것이 암전류를 급격히 줄이는 이유가 되어 상온에서도 동작할 수 있는 것이다.In addition, the reason why the photo-sensing device using the quantum island can operate at room temperature without a separate cooler is that as shown in FIG. 5D, the energy density function of the quantum island depends on the energy and the density of the delta function The energy interval (E1-E0) can be made larger than the energy of the optical phonon (~ 36 meV), thereby preventing the energy transition by the optical vibrator. This is the reason for drastically reducing the dark current can operate at room temperature.
이때, 도 5a 내지 도 5d는 벌크, 양자선, 양자우물, 그리고 양자섬에 대한 에너지 밀도함수와 페르미-디락 에너지 분포함수, 그리고 그 두함수의 관계로 형성되는 반송자의 에너지에 대한 분포함수를 나타낸 그래프로서, 세부적으로는 도 5a는 벌크에 대한 에너지 밀도함수이고, 도 5b는 양자선에 대한 에너지 밀도함수이며, 도 5c는 순차적으로 양자우물에 대한 에너지 밀도함수와 페르미-디락 에너지 분포함수, 그리고 그 두함수의 관계로 형성되는 반송자의 에너지에 대한 분포함수를 나타낸 그래프이다.5A to 5D show an energy density function and a Fermi-Dirac energy distribution function for the bulk, the quantum line, the quantum well, and the quantum island, and the distribution function for the carrier energy formed by the relationship between the two functions. As a graph, in detail, FIG. 5A is an energy density function for bulk, FIG. 5B is an energy density function for quantum lines, and FIG. 5C is an energy density function and a Fermi-Dirac energy distribution function for quantum wells sequentially, and It is a graph showing a distribution function of energy of a carrier formed by the relationship between the two functions.
또한, 도 5d는 전술한 양자섬을 이용한 광 감지소자가 상온에서도 동작이 가능한 이유를 설명하는데 필요한 그래프로서, 순차적으로 양자섬에 대한 에너지 밀도함수와 페르미-디락 에너지 분포함수, 그리고 그 두함수의 관계로 형성되는 반송자의 에너지에 대한 분포함수를 나타낸 그래프이다.In addition, FIG. 5D is a graph required to explain why the above-described photosensitive device using the quantum island can operate at room temperature. FIG. 5D sequentially illustrates the energy density function, the Fermi-Dirak energy distribution function, and the two functions of the quantum island. It is a graph showing a distribution function of energy of a carrier formed in a relationship.
상술한 바와 같이 광 감지소자를 제조하는데 있어 양자섬은 상당한 매력을 가지는 방식이기 때문에 종래에도 양자섬을 이용한 광 감지소자를 제조하려는 몇 몇 시도가 행하여져 왔으나, 이러한 시도들은 양자섬의 광학 특성을 확인하는 정도로 미비한 상태이고 아직까지 양자섬을 이용한 광 감지소자가 개발되지는 못하였으며 특히 상온에서의 감지소자는 아직 보고되지 못 하였다..As mentioned above, since the quantum island is a method of manufacturing a photosensitive device having a considerable appeal, several attempts have been made to manufacture a photosensitive device using a quantum island. However, these attempts have confirmed the optical characteristics of the quantum island. The optical sensing device using the quantum island has not been developed yet, and the sensing device at room temperature has not been reported yet.
본 발명을 설명하기에 앞서 현재까지 진행되고 있는 양자섬을 이용한 광 감지소자의 개발기술에 대해 대표적인 몇가지 기술에 대해 그 장단점을 살펴보기로 한다.Before explaining the present invention, the advantages and disadvantages of several representative technologies for the development technology of the photosensitive device using the quantum island, which are being carried out up to now, will be described.
그 첫 번째 방안으로 30번 반복하여 n 형의 델타도핑(delta doping)층을 포함하는 공간층과 양자섬층을 번갈아가며 형성하였다. 그리고 다중경로 광도파관 모양의 형태 즉, 다중양자우물 광 감지소자에서 사용된 첫 번째 방식(J. S. Park 등의 제안방식)을 적용하여, 소자의 측면을 비스듬하게 형성시킨 후 해당 구조를 이용하여 소자의 상면에 수평인 편광성분과 수직인 편광성분의 광 흡수를 확인(S. Sauvage et al, Appl. Phys. Lett. 71(19):2785(1997))하였다.The first method was repeated 30 times, alternately forming a space layer and a quantum island layer including an n-type delta doping layer. In addition, by applying the multipath optical waveguide shape, that is, the first method used in the multi-quantum well optical sensing device (JS Park et al.), The side surface of the device is obliquely formed and then the structure of the device is The light absorption of the polarization component perpendicular to the horizontal plane and the polarization component perpendicular to the upper surface was confirmed (S. Sauvage et al, Appl. Phys. Lett. 71 (19): 2785 (1997)).
그러나, 상술한 첫 번째 방안은 소자의 측면을 비스듬하게 형성하기 위하여 측면을 기계적인 방법으로 갈아 내거나 화학적인 방법으로 식각하거나 혹은 두 방법을 병행하여야 하므로 그 공정이 매우 불안하고 대량생산이 어려우며 2차원 이상의 행렬구조는 실현이 불가능한 문제점을 지니고 있었다(종래, 양자 우물을 사용한 광 감지기 형성의 경우와 동일).However, in the first method described above, in order to form the side surface of the device obliquely, the side must be changed by a mechanical method or etched by a chemical method, or the two methods must be performed in parallel, so the process is very unstable, mass production is difficult, and two-dimensional. The above matrix structure has a problem that cannot be realized (as in the case of conventional photodetector formation using a quantum well).
상술한 첫 번째 방안과 달리, 두 번째 방안은 10번 반복하여, 직접 도핑된 양자섬층과 공간층을 번갈아가며 성장하고 이렇게 형성된 광흡수층의 상부와 하부에 수직방향 전계를 가하였다. 이때 소자 상면의 금속층은 가운데가 비어있게 형성함으로써 빈 금속층 공간을 통해 빛을 입사시켜 이때 여기된 전자가 수직방향의 전계에 의해 전도되는 것을 이용하여 광을 감지(J. Phillips et al, Appl. Phys. Lett. 72(16):2020(1998))하였다.Unlike the first scheme described above, the second scheme was repeated 10 times, alternately growing directly doped quantum island layer and the space layer, and applied vertical electric fields to the upper and lower portions of the light absorbing layer thus formed. At this time, the metal layer on the upper surface of the device is formed to be empty in the center, thereby injecting light through the empty metal layer space, and detecting light by using excited electrons conducted by a vertical electric field (J. Phillips et al, Appl. Phys. Lett. 72 (16): 2020 (1998).
그러나, 제이. 필립스(J. Phillips)가 제시한 두 번째 방안도 소자의 상면에 수직인 방향으로의 전도를 이용하기 때문에 양자섬층과 불순물층이 전기 전도에 큰 영향을 미치므로 잡음이 크며 수직방향 다이오드 구조의 결정 결함에 의한 누설전류가 흐를 확률이 매우 크다. 따라서 아직 상온에서의 광응답이 보고되고 있지 않다.However, Jay. The second method proposed by J. Phillips also uses conduction in the direction perpendicular to the top surface of the device, so that the quantum island layer and the impurity layer have a great influence on the electrical conduction. The probability of leakage current due to a defect is very high. Therefore, photoresponse at room temperature has not been reported yet.
마지막으로, 알람(J, Allam)등은 다중양자우물 위에 전극을 사용하여 국부적으로 공핍된 영역과 공핍되지 않은 영역을 만들어 양자섬을 형성(J. Allam and M. Wagner, UK patent 9125727:1991, US patent 5291034:1994)하였으나, 수평방향의 양자화를 얻기 위해서는 전극의 간격이 매우 좁아져야 하는데 이렇게 작은 간격의 전극을 제조하는데 어려움이 있었고 또한 공핍영역의 경계가 정확하게 정의되지 않는 문제점을 지니고 있었다.Finally, alarms (J, Allam), etc. form quantum islands by using electrodes on multiple quantum wells to form locally depleted and non-depleted regions (J. Allam and M. Wagner, UK patent 9125727: 1991, However, in order to obtain horizontal quantization, the spacing of electrodes must be very narrow. However, it is difficult to produce electrodes with such small spacing, and the boundary of the depletion region is not accurately defined.
따라서, 본 발명에서는 전술한 본 발명의 목적에서와 같이 별도의 부대장치 필요 없이 광 감지소자면에 대해 수직입사되는 빛을 효율적이고 감도높게 감지할 수 있을 뿐만 아니라 별도의 냉각기 없이도 동작할 수 있는 수평전도 특성을 갖는 양자섬 수직입사 광 감지소자를 제공함과 아울러 단일형 또는 다차원 행렬 구조를 갖는 광자형 수직입사 광 감지소자를 경제적으로 제조할 수 있도록 하기 위해 첨부한 도 6a 내지 도 7b에 도시되어 있는 바와 같은 개념을 도입한 것이다.Therefore, in the present invention, as described in the above-described object of the present invention, not only a separate device may be efficiently and sensitively sensed light incident vertically to the photosensitive device surface, but also a horizontal that can operate without a separate cooler. In order to provide a quantum island vertical incident light sensing device having conduction characteristics and to economically manufacture a photonic vertical incident light sensing device having a single or multi-dimensional matrix structure, as shown in FIGS. 6A to 7B. The same concept is introduced.
도 6a와 도 6b에는 일반적인 반도체 소자의 채널 형성 과정을 설명하기 위한 예시도로서, 점선으로 도시되는 페르미 준위를 전도통로 측으로 이동시키면 해당 소자는 채널 온동작되어 전기적인 도통현상이 발생되고 그로인해 외부에서 대응 소자가 동작하는 특정 조건속에서 어느 정도의 조건을 만족시켰는지를 인식할 수 있게 된다.6A and 6B are exemplary diagrams for explaining a channel formation process of a general semiconductor device. When the Fermi level shown by a dotted line is moved toward the conduction path, the device is turned on and an electrical conduction phenomenon is generated. It is possible to recognize how much condition is satisfied in the specific condition under which the corresponding element operates.
따라서, 본 발명에서는 첨부한 도 7a와 도 7b에 도시되어 있는 바와 같이, 상기 도 6a와 도 6b에 도시되어 있는 종래 반도체 소자에 양자섬층을 형성하고 광이 입사되지 않은 상태에서는 채널 형성 구역에는 캐리어가 거의 없도록 하면서도 양자섬층에는 다량의 캐리어가 존재하게 한 후, 광자에 의해 양자섬층이 이를 인식 즉, 흡수하여 내부의 캐리어를 방출하게 되면 상기 양자섬측에서 방출되는 캐리어가 전도통로측에 모이게되고 그에따라 상기 도 7a와 도 7b에 도시되어 있는 소자는 턴온동작을 수행할 수 있게 된다.Therefore, in the present invention, as shown in FIGS. 7A and 7B, a carrier is formed in the channel formation region in a state in which a quantum island layer is formed in the conventional semiconductor device shown in FIGS. 6A and 6B and no light is incident. After having a large amount of carriers in the quantum island layer while having almost no, when the quantum island layer recognizes, ie, absorbs and releases the carriers inside by the photons, the carriers emitted from the quantum island side are collected on the conduction path side. Accordingly, the device illustrated in FIGS. 7A and 7B may perform a turn on operation.
이때, 상기 양자섬층에서 인식하는 빛의 변화에 따라 상기 전도통로측에 모이게되는 캐리어의 양이 변화하게 되는데, 이러한 변화를 외부에서 전기적으로 인식함으로써 빛의 변화를 인식할 수 있게 되는 것이다.At this time, the amount of carriers collected on the conduction path side is changed according to the change of light recognized by the quantum island layer, and the change of light can be recognized by electrically recognizing the change from the outside.
상술한 본 발명에 따른 광 감지소자 구현 방식에 따라 구현되어진 광 검출 소자를 예로 들어 살펴보기로 한다.An optical detection device implemented according to the optical sensing device implementation method according to the present invention described above will be described as an example.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 양자섬 광 감지소자의 개략도로서, 참조번호 101은 성장방향 001로 정확하게 성장된 갈륨아세나이드(GaAs) 반도체 기판이며, 참조번호 102는 갈륨아세나이드(GaAs)로 이루어진 버퍼층이고 참조번호 103은 갈륨아세나이드(GaAs)/알루미늄 갈륨 아세나이드(AlGaAs)로 이루어진 수퍼 격자 버퍼층으로서 상기 참조번호 102와 참조번호 103은 기판으로 누설전류가 흐르는 것을 방지하기 위한 것이다.8 is a schematic diagram of a quantum island photosensitive device according to an exemplary embodiment of the present invention, wherein reference numeral 101 is a gallium arsenide (GaAs) semiconductor substrate accurately grown in a growth direction 001, and reference numeral 102 is gallium arsenide (GaAs). The reference numeral 103 denotes a super lattice buffer layer composed of gallium arsenide (GaAs) / aluminum gallium arsenide (AlGaAs), and the reference numeral 102 and 103 are for preventing leakage current from flowing to the substrate.
또한, 참조번호 104는 "Stranski-Krastanow"성장모드로 성장된 인듐 아세나이드(InAs) 양자섬이고, 참조번호 105는 참조번호 104로 지칭되는 양자섬 사이에 포텐셜 베리어(potential barrier) 역활을 하는 갈륨아세나이드(GaAs)로 이루어진 공간층으로 상기 참조번호 104와 105는 번갈라가며 쌓여진 것으로 참조번호 104가 5개층이라면 참조번호 105는 4개의 층을 갖는다.Further, reference numeral 104 is an indium arsenide (InAs) quantum island grown in the "Stranski-Krastanow" growth mode, and reference numeral 105 is a gallium which serves as a potential barrier between the quantum islands referred to as reference 104. Reference numerals 104 and 105 are alternately stacked as a spacer layer made of arsenide (GaAs). If reference numeral 104 is five layers, reference numeral 105 has four layers.
또한, 참조번호 106은 갈륨아세나이드(GaAs)로 이루어진 전도통로층이고, 참조번호 107은 n+로 불균일하게 도핑된 알루미늄 갈륨 아세나이드(AlGaAs)층이며, 참조번호 108은 저항 접촉을 형성하기 위해 형성된 n+ 갈륨아세나이드(GaAs) 오믹(ohmic) 접촉층이다.Further, reference numeral 106 denotes a conductive passage layer made of gallium arsenide (GaAs), reference numeral 107 denotes an aluminum gallium arsenide (AlGaAs) layer uniformly doped with n +, and reference numeral 108 is formed to form an ohmic contact. n + gallium arsenide (GaAs) ohmic contact layer.
이외에 참조번호 109는 드레인 또는 소스 단자의 역활을 수행하기 위한 검출전극이며, 참조번호 110은 페르미 준위의 조정을 위한 조절전극이다.In addition, reference numeral 109 denotes a detection electrode for performing a role of a drain or source terminal, and reference numeral 110 denotes a control electrode for adjusting a Fermi level.
상술한 바와 같이 구성되는 양자섬 광 감지소자는 수평 방향으로 전달되는 신호를 검출하기 위한 두 전극(109)이 있고 그 사이에 적외선 흡수층에 공급되는 캐리어를 조절하기 위한 전극이 있도록 제조되어 암전류를 줄이고 소자의 상면 혹은 하면으로부터 입사되는 적외선을 감지할 수 있는 구조로 형성된다.The quantum island photosensitive device configured as described above is manufactured to have two electrodes 109 for detecting a signal transmitted in a horizontal direction and an electrode for adjusting a carrier supplied to an infrared absorbing layer therebetween to reduce dark current. It is formed in a structure that can detect the infrared light incident from the upper or lower surface of the device.
상기 구조를 기준으로 그 동작원리를 간략히 살펴보면, 적외선이 입사되지 않을때는 참조번호 107로 지칭되는 층에서 공급된 캐리어가 전도 통로층(106)에는 거의 모여있지 않고 참조번호 104로 지칭되는 양자섬내에 갇혀있게 된다. 이과정의 설명은 추후 도 12a와 도 12b를 설명하면서 상세히 설명하기로 한다.The operation principle based on the above structure is briefly described. In the case where infrared rays are not incident, carriers supplied from the layer indicated by reference numeral 107 are hardly collected in the conductive passage layer 106 and within the quantum island indicated by reference numeral 104. You are trapped. This process will be described in detail later with reference to FIGS. 12A and 12B.
이때, 적외선이 입사되면 그 광자의 에너지를 받아 104로 지칭되는 양자섬내에 갇혀 있던 캐리어가 양자섬의 포텐셜 베리어 에지 근처로 여기(excitation)되어지는데, 참조번호 107로 지칭되는 알루미늄 갈륨 아세나이드(AlGaAs)층의 n+로 불균일하게 도핑에 의해 포텐셜이 휘어 내부적으로 형성된 전계에 의해 그 캐리어가 채널에 모이게 된다(첨부한 도 7a와 도 7b참조).At this time, when the infrared rays are incident, carriers trapped in the quantum island called 104 are excited by the photon's energy near the potential barrier edge of the quantum island, and aluminum gallium arsenide (AlGaAs) referred to as 107 is used. The carriers are collected in the channel by an internally formed electric field due to the uneven doping of the layer n + by the doping unevenly (see FIGS. 7A and 7B attached).
상술한 바와 같이 채널에 캐리어가 모이게된 상태에서 참조번호 109로 지칭되는 전극에 일정 전계를 가해주면 채널에 모인 그 캐리어가 전계의 방향에 따라 소스단자 또는 드레인 단자에서 검출된다.As described above, when a certain electric field is applied to an electrode referred to by reference numeral 109 in a state where carriers are collected in a channel, the carrier collected in the channel is detected at the source terminal or the drain terminal in the direction of the electric field.
이때, 채널은 양자섬 사이의 참조번호 105로 지칭되는 공간층에도 형성되지만 대부분의 2D 가스(gas)가 참조번호 106으로 지칭되는 전도통로층에 모여있게 된다.At this time, the channel is also formed in the space layer, which is referred to as reference numeral 105 between the quantum islands, but most of the 2D gas (gas) is collected in the conductive passage layer referred to by the reference number 106.
따라서, 본 실시 예에서는 적외선으로 여기된 캐리어를 수평방향으로 전도를 일으켜 그 신호를 검출하기 위한 전극을 일정한 간격을 두고 증착한 후 다른 소자와의 전기적 결합을 줄이기 위해 전기적 저항이 큰 층까지 식각하고 적외선 흡수층에 공급되는 캐리어를 1차 조절하기 위해 그 전극 사이를 다시 필요한 깊이까지 식각한 후 적외선 흡수층에 공급되는 캐리어의 양을 외부에서 전기신호를 이용하여 조절할 수 있도록 다시 그 위에 전극을 증착함으로써 소자의 상면 혹은 하면으로부터 입사된 적외선을 감지할 수 있게 된다.Therefore, in the present embodiment, the carrier excited by infrared rays is conducted in a horizontal direction, and electrodes for detecting the signal are deposited at regular intervals and then etched up to a layer having a high electrical resistance to reduce electrical coupling with other devices. By first etching between the electrodes to the required depth to first control the carrier supplied to the infrared absorber layer, and then depositing the electrode thereon so that the amount of carrier supplied to the infrared absorber layer can be controlled by an external electric signal. The infrared rays incident from the upper or lower surface of the can be detected.
도 9는 본 발명의 또다른 실시 예로서 제 8도에서 보인 일 실시 예로 든 소자의 조절전극(110)을 생략한 예로서 양자섬에 캐리어를 공급할 불순물층의 농도와 오목층의 깊이를 적절히 조절하여 상면으로 입사되는 적외선의 반응 영역을 극대화 시킨 구조이다.FIG. 9 is a view for omitting the control electrode 110 of the exemplary embodiment shown in FIG. 8 as another embodiment of the present invention, and appropriately adjusting the concentration of the impurity layer and the depth of the concave layer to supply carriers to the quantum islands. It maximizes the response area of the infrared rays incident on the upper surface.
도 10a와 도 10b는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 양자섬 광 감지소자의 측정 그래프로서, 검출전극 사이의 간격은 7
이렇게 해서 측정된 수치는 감지도(detectivity)가 상온에서 3x107cmHz1/2/W이고 80 K에서 6x1010cmHz1/2/W 이었다.The measured values were 3x10 7 cmHz 1/2 / W at room temperature and 6x10 10 cmHz 1/2 / W at 80 K.
또한, 도 11a와 도 11b에서는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 양자섬 광 감지소자의 에너지밴드 다이어그램을 나타낸 것으로, 실제로는 상기 도 7b에 도시되어 있는 바와 같이 양자섬층이 존재하지만 양자섬층을 생략한 경우이며, 도 12a와 도 12b에서는 양자섬에 전자가 갇혀있는 상태를 설명하기 위한 그래프이다.11A and 11B illustrate an energy band diagram of a quantum island photosensitive device manufactured according to an exemplary embodiment of the present invention. In reality, although the quantum island layer exists as shown in FIG. 12A and 12B are graphs for explaining a state in which electrons are trapped in the quantum islands.
또한, 도 13은 본 발명의 또다른 실시 예로서 두 개의 검지전극 사이에 하나 이상의 조절 전극을 형성하고 인접한 두 개의 조절전극간에 크기가 서로 다른 전계를 순차적으로 인가하여 조절전극 하부에 적외선 반응으로 형성된 전하를 순차적으로 검지전극으로 전달하도록 하는 소자이다.In addition, FIG. 13 illustrates one or more control electrodes formed between two detection electrodes as another embodiment of the present invention, and sequentially applies an electric field having a different size between two adjacent control electrodes to form an infrared reaction under the control electrode. It is a device to sequentially transfer charges to the detection electrode.
이상에서 상세히 설명하였듯이, 본 발명에 의한 양자섬 적외선 감지소자는 별도의 부대장치 없이 적외선 감지소자 혹은 그 행렬의 면에 대해 수직입사되는 빛을 효율적이고 감도 높게 감지할 수 있고 상온에서도 잘 동작할 수 있으며 이차원 배열을 만들기가 용이할 뿐만 아니라 순차적 전하 전달을 이용하여 적외선 반응으로 생성된 캐리어를 검지전극에서 순차적으로 감지할 수 있는 구조를 제공함으로써 본 발명에 의해 적외선 감지소자를 경제적으로 제조할 수 있다.As described in detail above, the quantum island infrared sensing device according to the present invention can efficiently and sensitively detect light incident vertically with respect to the infrared sensing device or the surface of the matrix without a separate auxiliary device, and can operate well at room temperature. In addition, the infrared sensing device can be economically manufactured by the present invention by providing a structure capable of easily detecting a two-dimensional array and sequentially detecting a carrier generated by an infrared reaction using a sequential charge transfer at a detection electrode. .
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