KR20010095985A - 양자 효율이 향상된 양자점 적외선 탐지기 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 양자점을 이용한 적외선 탐지기에 관한 것으로, 특히 금속 회절격자(metal grating)와 Al(Ga)As/GaAs 초격자 광가이딩 구조를 채용한 양자점 적외선 탐지기(Quantum dot infrared photodetector(QDIP) using metal grating and Al(Ga)As/GaAs superlattices waveguide)를 기재한다. 본 발명에 따른 양자점 적외선 탐지기는 입사하는 빛을 회절시키기 위하여 전극에 빗살(comb) 모양의 메탈 회절격자(metal grating) 구조를 형성하고 또한 수직으로 입사되어 진행하는 빛을 반사시키기 위하여 GaAs 기판 위에 Al(Ga)As/GaAs 초격자 구조를 적층하여 피라미드 모양의 양자점에 보다 많은 빛을 조사하여 광 흡수를 높인다.
Description
본 발명은 양자점을 이용한 적외선 탐지기에 관한 것으로, 특히 금속 회절격자(metal grating)와 Al(Ga)As/GaAs 초격자 광가이딩 구조를 채용한 양자점 적외선 탐지기(Quantum dot infrared photodetector(QDIP) using metal grating and Al(Ga)As/GaAs superlattices waveguide)에 관한 것이다.
도 1은 종래의 양자점을 이용한 적외선 탐지기의 수직 단면도이다. 도시된 바와 같이, 회절격자가 없는 기존의 양자점 적외선 탐지기는 GaAs 혹은 Si 기판(1) 상에 GaAs 버퍼층(2), Ga(Al)As/GaAs층(3), GaAs버퍼층(4), InAs/GaAs 양자점(dots)층(5), GaAs채널층(6), AlGaAs 스페이서(7), AlGaAs 채널층(8) 및 GaAs 오믹 콘택(ohmic contact)층(9)을 구비하고 있다.
양자점은 수직으로 입사되는 광에 대하여 반응을 하지만 모양이 렌즈형이라흡수가 적게 일어나 양자효률이 낮다. 따라서 탐지도는 양자 효률에 비례하는 관계에 있으므로 도 1의 탐지기의 탐지도도 낮아지게 마련이다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하기 위하여 창안한 것으로, 손가락(finger) 모양의 금속 회절격자(metal grating)를 갖는 전극을 채용하여 수직으로 입사하는 빛을 회절시키고 기판 위에 Al(Ga)As/GaAs 초격자 구조를 채용하여 입사되는 빛을 반사시켜 피라미드 모양의 양자점에 많은 빛을 조사하여 광 흡수를 높이는 양자점 적외선 탐지기를 제공하는데 그 목적이 있다.
도 1은 종래의 양자점을 이용한 적외선 탐지기의 수직 단면도,
도 2는 본 발명에 따른 회절격자 구조와 광가이딩 구조를 채용한 양자점 적외선 탐지기의 수직 단면도,
도 3은 도 2의 양자점 적외선 탐지기의 평면도,
도 4는 회절격자가 없는 도 1의 기존의 양자점을 이용한 적외선 탐지기에서 얻은 반응도를 나타내는 그래프,
그리고 도 5는 도 2의 회절격자 구조를 채용한 양자점 적외선 탐지기에서 얻은 반응도를 나타내는 그래프이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
1. GaAs 혹은 Si 기판 2. GaAs 버퍼층
3. Ga(Al)As/GaAs층 4. GaAs버퍼층
5. InAs/GaAs 양자점(dots)층 6. GaAs채널층
7. AlGaAs 스페이서 8. AlGaAs 채널층
9. GaAs 오믹 콘택(ohmic contact)층 10. Si 혹은 GaAs 기판
20. Al(Ga)As/GaAs 초격자 광도파(superlattice waveguide)층
25. 버퍼층
30. 적외선 검출을 위한 InAs/GaAs 양자점(quantum dot)
40. AlGaAs 채널층
51'. 소스측 회절격자
52'. 드레인측 회절격자
51. 소스
52. 드레인
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 양자점 적외선 탐지기는, 반도체 기판; 입사광을 반사시키기 위하여 상기 반도체 기판 상에 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체로 적층된 초격자 광도파층; 상기 입사광 및 상기 초격자 도파층에 의해 반사된 광을 흡수하여 적외선을 검출하기 위하여 상기 초격자 광도파층 상에 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체로 적층된 양자점; 상기 양자점에서 검출된 광전변환된 캐리어에 의해 채널을 형성하도록 상기 양자점 상에 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체로 적층된 트랜지스터 채널층; 및 입사되는 광을 회절시키고 상기 초격자 광도파층에서 반사된 광을 반사시키도록 상기 채널 상에 각각 빗살 모양의 금속 회절격자가 결합된 소스 및 드레인 전극;을 구비한 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 반도체 기판은 GaAs 혹은 Si 기판이고, 상기 초격자 광도파층은 AlAs/GaAs의 반복 적층 혹은 AlGaAs/GaAs의 반복 적층으로 이루어지며,상기 양자점은 InAs/GaAs의 반복 적층으로 이루어지며, 상기 트랜지스터 채널층은 AlGaAs 고 전자이동도 트랜지스터 채널로 이루어진 것이 바람직하다.
이하 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 양자점 적외선 탐지기를 상세하게 설명한다.
본 발명에 따른 양자점(quantum dot)을 이용한 적외선 탐지기는 입사하는 빛을 회절시키기 위하여 전극에 빗살(comb) 모양의 메탈 회절격자(metal grating) 구조를 형성하고 또한 수직으로 입사되어 진행하는 빛을 반사시키기 위하여 반도체 기판 위에 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체로 초격자 구조를 적층하여 피라미드 모양의 양자점에 보다 많은 빛을 조사하여 광 흡수를 높이는 것을 특징으로 한다. 또한, 트랜지스터 채널층은 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체로 고 전자 이동도 트랜지스터(HEMT) 채널을 형성한다.
도 2는 본 발명에 따른 양자점을 이용한 적외선 탐지기 실시예의 개략적 구조를 보여주는 사시도이다. 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 양자점 적외선 탐지기는 Si 혹은 GaAs 기판(10) 상에 Al(Ga)As/GaAs 초격자 광도파(superlattice waveguide)층(20), 버퍼층(25), 적외선 검출을 위한 InAs/GaAs 양자점(quantum dot)(30), AlGaAs 채널층(40)과 각각 빗살 모양의 회절격자(51', 52')가 형성된 소스(51) 및 드레인(52) 전극으로 구성된 고 전자이동도 트랜지스터(HEMT)로 구성된다. 특히, 고 전자이동도 트랜지스터에서 수광면이 되는 게이트 영역에 소스 및 드레인 전극에 연결된 빗살 모양의 금속 회절격자가 각각 맞물리도록 형성되어 수직으로 입사하는 광을 회절시킨다. 적외선 검출은 위한 양자점은 반도체로 형성되고,초격자 광도파층은 회절되어 입사된 광을 반사시켜 주는 역할을 한다. 그리고 전극용 금속 회절격자는 빛을 회절시키는 동시에 반사시켜준다.
이상과 같은 구조의 양자점 적외선 검출기의 동작 원리는 다음과 같다.
먼저, 본 발명의 실시예는 양자점을 이용한 적외선 탐지기 구조에서 양자 효률을 높이기 위하여 금속 회절격자(grating)를 사용한 구조이다. 빛의 굴절과 회절을 이용하여 주어진 면적에서 최대한 많은 빛을 흡수하여 많은 광전류를 형성함으로써 신호에 기여하게 하는 방식으로 HEMT의 소스 및 드레인 전극에 빗살 모양의 그레이팅을 결합시켜 수직으로 입사하는 광을 회절시키도록 한 것이다. 이 실시예에서 높은 광전도이득을 얻기 위해서는 전달 시간이 짧아야하며 이를 위해서는 드레인(drain) 소스(source)사이에 큰 전기장이 걸려야 한다. 같은 전압에서 높은 전기장을 얻기 위해서는 소스와 드레인 사이의 거리가 짧아야 한다. 하지만 거리를 줄이면 수광면적도 줄어들므로 검출률을 높이기 위해 한쪽으로 긴 띠모양을 만들어 면적을 넓히는 방법을 생각할 수 있다. 적외선 검출률은 양자효률에 비례하므로 충분한 수광 면적을 가지면서 광 효률을 높이는 그레이팅 구조를 도입하면 효과를 높일 수 있다. 이를 위하여 도 3에 도시된 바와 같이 소스와 드레인에 빗살 모양의 회절격자를 형성하여 결합시킴으로써 상기와 같은 목적을 달성하고 있다.
또한, 입사광은 회절된 다음 양자점을 통과하면서 흡수되고 양자점을 통과한 광은 광도파 초격자에 의해 반사되어 재차 양자점에 흡수 된다. 이 회절 격자는 방향성과 주기성 때문에 편광기와 같은 역할을 할 수 있다. 그러므로 회절 격자는 편광효과를 얻을 수 있다.
또한, 광전류를 검출하기 위한 HEMT구조에서 수광면인 게이트에 회절격자를 만들 경우 소스와 드레인과의 방향에 따른 다른 반응성을 보일 수 있다. 전체적인 포텐셜 그래프을 그려봤을 때 회절격자가 있는 부분과 없는 부분에서의 전자의 운동이 달라지게 만드는 역할을 한다. 주기적인 회절격자 아래 부분의 포텐셜은 마치 규칙적인 장벽구조와 흡사하므로 여기를 지나는 전자는 산란되거나 튕겨나거나 하는 등의 영향을 받게 된다. 이러한 영향을 이용하여 전자가 이동하는 방향과 같은 방향으로 회절격자를 만들어 주면 전자는 이 회절격자(grating)를 따라 마치 홈을 따라 가듯이 지나갈 것이므로 반응성은 향상될 것이다. 반면에 소스와 드레인 사이에서 전자가 움직이는 방향과 수직으로 회절격자를 만들어 놓으면, 전자는 포텐셜의 주기적인 변화를 겪을 것이고 빛의 반응성도 따라서 떨어질 것이다. 따라서 회절격자의 제작도 전하 전달층과 평행하게 해 주어야 한다.
<실시예>
도 4는 회절격자가 없는 도 1에 도시된 바와 같은 기존의 양자점 적외선 탐지기의 광 반응도를 측정한 결과를 나타내는 그래프이고, 도 5는 도 3에 도시된 바와 같은 회절격자를 채용한 본 발명에 따른 양자점 적외선 탐지기의 광 반응도를 측정한 결과를 나타내는 그래프이다. 두 그래프에서 알 수 있듯이 회절격자를 사용하였을 때 양자효률이 약 10배 정도 증가하였다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 양자점 적외선 탐지기는 입사하는 빛을 회절시키기 위하여 전극에 빗살(comb) 모양의 메탈 회절격자(metal grating)구조를 형성하고 또한 수직으로 입사되어 진행하는 빛을 반사시키기 위하여 GaAs 기판 위에 Al(Ga)As/GaAs 초격자 구조를 적층하여 피라미드 모양의 양자점에 보다 많은 빛을 조사하여 광 흡수를 높인다.
Claims (6)
- 반도체 기판;입사광을 반사시키기 위하여 상기 반도체 기판 상에 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체로 적층된 초격자 광도파층;상기 입사광 및 상기 초격자 도파층에 의해 반사된 광을 흡수하여 적외선을 검출하기 위하여 상기 초격자 광도파층 상에 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체로 적층된 양자점;상기 양자점에서 검출된 광전변환된 캐리어에 의해 채널을 형성하도록 상기 양자점 상에 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체로 적층된 트랜지스터 채널층; 및입사되는 광을 회절시키고 상기 초격자 광도파층에서 반사된 광을 반사시키도록 상기 채널 상에 각각 빗살 모양의 금속 회절격자가 결합된 소스 및 드레인 전극;을 구비한 것을 특징으로 하는 양자점 적외선 탐지기.
- 제1항에 있어서,상기 반도체 기판은 GaAs 혹은 Si 기판인 것을 특징으로 하는 양자점 적외선 탐지기.
- 제1항에 있어서,상기 초격자 광도파층은 AlAs/GaAs의 반복 적층 혹은 AlGaAs/GaAs의 반복 적층으로 이루어진 것을 특징으로 하는 양자점 적외선 탐지기.
- 제1항에 있어서,상기 양자점은 InAs/GaAs의 반복 적층으로 이루어진 것을 특징으로 하는 양자점 적외선 탐지기.
- 제1항에 있어서,상기 트랜지스터 채널층은 고 전자이동도 트랜지스터 채널로 이루어진 것을 특징으로 하는 양자점 적외선 탐지기.
- 제1항 또는 제5항에 있어서,상기 트랜지스터 채널층은 AlGaAs로 이루어진 것을 특징으로 하는 양자점 적외선 탐지기.
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