KR20010096692A - 자외선 감지소자 및 그의 제조방법과 자외선 감지 시스템 - Google Patents

자외선 감지소자 및 그의 제조방법과 자외선 감지 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 자외선감지소자 및 이의 제조방법과 상기 자외선감지소자를 사용한 자외선 감지 시스템에 관한 것으로, 사파이어 또는 실리콘 재질을 포함하는 기판과; 상기 기판 상에 에피 성장된 갈륨나이트라이드(GaN)를 포함하는 광흡수층과; 상기 광흡수층의 일부영역에 쇼트키(Schottky)접합된, Au, Al, Ti/Al중 선택된 하나의 재질인 쇼트키층 및 상기 쇼트키층 상부의 도전성 박막층과; 상기 쇼트키층과 이격된 상태에서, 상기 광흡수층에 오믹(ohimc) 접합된 Au, Al, Ti/Al중 선택된 하나의 재질인 오믹접합층을 포함하는 자외선감지소자 및 이의 제조방법과, 상기 자외선감지소자를 포함하여 구성되는 자외선 감지 시스템을 제공하여, 보다 개선된 자외선의 감지를 가능하게 한다.

Description

자외선감지소자 및 그의 제조방법과 자외선 감지 시스템{ultraviolet sensing device and the manufacturing method and ultraviolet sensing system}
본 발명은 자외선감지소자 및 이의 제조방법과, 상기 자외선감지소자를 포함하는 자외선감지시스템에 관한 것으로, 좀 더 자세히는 갈륨나이트라이드(GaN)를 포함하며 쇼트키(Schottky) 접합을 가지는 자외선감지소자 및 이의 제조방법과, 상기 자외선감지소자를 포함하는 자외선감지시스템에 관한 것이다.
일반적으로 자외선감지소자란 열 감지용 센서나 화염감지용 센서 등의 상업적인 분야에서부터 살균감지 및 자외선 측정과 같은 의학분야와, 미사일 안내센서나 잠수함 탐지, 제트엔진 동작감지 등의 우주항공, 통신, 군사분야 등 다방면에 활용되는 것으로, 특히 핵발전소, 지구 오존층 감지 등과 같은 환경분야에도 응용이 가능하여 주목받고 있는 소자이다.
이러한 자외선감지소자로는 일반적으로 피엠티(PMT : Photomultiplier Tube)방식의 소자가 사용되어 온 바, 이는 신호의 증폭과 잡음이 적은 장점을 가지지만, 그 규모가 대형이기 때문에 넓은 설치면적(poot-print)을 필요로 하고, 내부 구조가 복잡하며, 고압이 인가됨에 따라 고온이 발생하여 이를 냉각하는 별도의 냉각 장치가 요구되는 등의 단점을 가지고 있어 응용분야가 제한되고 있다.
이에 소형을 가능하게 하는, 반도체 소자를 사용한 자외선감지소자가 개발되었는데, 이는 광대역 반도체(wide bandgap)로 조사되는 빛에너지를 통하여 상기 반도체 내의 자유전자와 정공을 여기시켜, 각각 내부전계(internal electric field)에 의해 반대극성을 따라 분리시킨 후, 외부전극으로 이들을 포집하는 과정에서 이루어지는 광전변환을 통하여 전기신호로 검출하는 것이다. 이때 통상 사용되는 반도체 물질로는 실리콘(Si), 실리콘카바이드(SiC), 셀렌(Se)등인데, 이러한 반도체 물질은 비교적 낮은 에너지 밴드값(indirect bandgap)을 가지므로, 양자효율이 낮고 자외선 이외의 가시광선에도 반응을 하는 현상이 빈번하며, 특히 열적, 화학적 안정성이 떨어지는 문제점을 가지고 있다.
따라서 보다 큰 에너지 밴드값을 가지는 갈륨나이트라이드(GaN) 반도체 물질을 사용한 자외선감지소자가 개발되었는데, 갈륨나이트라이드(GaN)는 에너지 밴드갭이 3.4eV정도의 매우 큰 값을 가지므로 가시광선 파장과 자외선 파장의 빛을 선택적으로 감지하는 것이 가능하며, 특히 열적, 화학적으로 매우 뛰어난 안정성을 가지고 있어, 열악한 환경에서도 사용이 가능하고, 또한 그 검출파장을 조절할 수 있는, AlxGaN1-xN (3.4∼6,2eV)와 같은 3원계 화합물로의 조성이 용이하여 새로운 자외선감지소자의 재질로 각광을 받고 있다. 이러한 갈륨나이트라이드(GaN)는 통상 청색 발광소자로 활용되는 물질인데, 특히 청색발광 뿐만 아니라 조성의 변화에 따라 자외선 영역에 이르는 광소자의 개발에 응용될 수 있는 특성을 가지고 있어, 질화물 반도체를 이용한 발광소자의 개발에 힘입어 전 세계적으로 활발히 연구, 개발되어 그 응용범위를 수광소자, 고온 전자소자 등까지 넓히고 있다.
그러나 이러한 일반적인 갈륨나이트라이드(GaN) 반도체 소자를 사용하는 기존의 자외선감지소자에 있어서, 여기에 조사된 자외선에 의하여 발생한 전자와 전공을 분리하기 위하여 내부전계를 제공할 수 있는 pn접합이나 쇼트키접합과 같은 에너지준위가 상이한 접합이 요구되는 바, pn 접합구조의 경우에, 일반적으로 광대역 반도체에서 p형 광흡수층의 성장 및 도핑이 어렵고, p형 갈륨나이트라이드(GaN)의 오믹(ohmic) 접합이 어려우며 접합저항이 큰 단점을 가지고 있다. 즉, 일반적으로 갈륨나이트라이드(GaN) 광대역 반도체에 억셉터(acceptor)를 도핑하면, p타입 반도체가 되지 않고 절연층이 형성되는 등 p형 광 흡수층의 형성이 용이하지 않아,p형 반도체를 형성하기 위해서는 별도의 열처리공정 및 처리공정이 요구되는 단점을 가지고 있다.
또한 상기 갈륨나이트라이드(GaN) 반도체에 적합한 금속물질인 금(Au)이나 니켈(Ni) 또는 텅스텐(W)등을 접합하여 이루어지는 쇼트키(Schottky) 접합구조의 경우에는, 전술한 pn 접합에 비하여 비교적 그 구조나 제작공정이 간단한 반면 이들 금속에 의한 자외선의 흡수로 인한 광손실에 의해 전면조사방식을 사용할 수 없어 기판을 통하여 자외선을 조사시키는 배면 조사방식을 사용하게 된다.
한편 일반적인 갈륨나이트라이드(GaN) 반도체를 사용한 쇼트키 접합 자외선감지소자의 기판으로는 사파이어(sapphire)를 사용해 왔는데, 이러한 사파이어기판과 질화물반도체 간의 열팽창계수 차이를 극복하기 위해, 통상 사파이어 기판 위에 알루미늄나이트라이드(AlN) 혹은 갈륨나이트라이드(GaN) 등의 완충층(buffer layer)을 형성하고 그 위에 자외선 흡수를 위한 광흡수층인 갈륨나이트라이드(GaN) 혹은 GaxAl1-xN를 성장시키게 된다.
이를 도면을 통하여 설명하면, 도 1은 Khan 등에 의해 제안된 자외선감지소자의 개략구조도로서, 도시된 바와 같이 기판(1)과, 그 상부에 GaxAl1-xN 광흡수층(3)과의 열팽창계수의 부정합을 완충시키는 알루미늄 나이트라이드(AlN)등의 완충층(2)이 위치하고, 이러한 알루미늄 나이트라이드(AlN) 완충층(2) 위에 다시 GaxAl1-xN 광흡수층(3)을 2㎛정도의 두께로 성장시키게 된다. 이후 Au/TiW/Au을 100Å/1000Å/5000Å을 사용하여, 쇼트키층(4)을 접합하고, 이와 이격되도록 상기 광흡수층(3) 상에, 금(Au)을 사용하여 오믹(Ohmic)접합되는 오믹층(5)이 위치한다.
그러나, 이러한 구조를 가지는 일반적인 자외선감지소자에 있어서, 쇼트키접합층(4)의 재질로 Au/TiW/Au와 같은 금속을 사용하므로, 자외선 감지에 있어 전면 조사(front illuminztion)방식을 사용할 경우에 상기 금속들이 자외선을 흡수하여 정밀한 자외선감지가 불가능한 바, 이를 피하기 위해 기판을 통하여 자외선을 조사시키는 배면조사(back illumination)방식을 채택한다. 그러나 이와 같은 배면조사 방식 또한 자외선이 쇼트키접합층(4) 근처의 공핍층(depletion region)까지 도달하기 전에 광흡수층(3)에서 흡수되어 자외선 손실이 일어나게 된다.
즉, 갈륨나이트라이드(GaN) 광흡수층의 흡수계수(absorption coefficient)는 대략 1 x 105 cm-1 정도이므로, 예를 들어 0.1㎛두께의 광흡수층을 통과한다면 입사된 빛의 67%가 흡수되고, 0.2㎛ 두께인 경우에는 86%가 흡수되게 된다. 결국, 광흡수층의 두께가 1㎛ 이상인 경우에 실제 쇼트키접합층 근처의 공핍층(depletion region)에 도달하는 자외선량은 매우 작아져 효과적인 자외선 감지가 어렵다. 더욱이, 광여기된 전자와 정공이 외부전극에 포획되어 전기 신호로 변환될 수 있는 범위가 공핍층과 전자의 확산거리(diffusion length)의 합이라 하더라도, 갈륨나이트라이드(GaN)의 전자 확산거리가 0.2㎛정도 임을 감안하면 기존의 배면조사 방식은 광여기된 대부분의 자유전자와 정공이 외부전극에 의해 포획되기 전에 재결합(recombination)되므로 충분한 전기신호로 전환되지 못한다는 문제점을 갖는다.
또한 상기와 같은 구조를 갖는 자외선감지소자 칩을 패키징할 때는 마운트에 자외선이 통과할 수 있는 구멍을 형성시켜야 하므로, 제작공정이 복잡해지게 되고,특히, 자외선감지소자의 저가격화를 위해 사파이어기판(1) 대신 실리콘(Si)과 같은, 에너지 밴드갭이 3.0eV(파장(λ)=410nm)이하의 기판을 사용할 경우에는 특히 감지하고자 하는 자외선이 기판에서 대부분 흡수되어 자외선감지소자로서의 역할을 할 수 없는 현상이 빈번하게 관찰된다. 이에 다양한 구조의 자외선감지소자가 새로이 제안되고 있으나, Khan이 제안한 구조를 포함하여 종래의 자외선감지소자는 공통적으로 광흡수층의 고품위성장을 위한 완충층을 포함하고 있어 제작공정이 복잡하다는 단점을 가지고 있다.
따라서 본 발명은 다양한 장점을 가지는 갈륨나이트라이드(GaN)반도체 소자를 사용하여 자외선감지소자를 구현함에 있어서, 완충층을 포함하지 않아 전면조사가 가능하고 보다 신뢰성 있는 자외선의 감지 및 측정이 가능하며, 그 제작공정이 단순한, 보다 개선된 자외선감지소자및 이의 제조방법과 상기 자외선감지소자를 포함하는 자외선감지시스템을 제공하는 데 그 목적이 있다.
도 1은 일반적인 갈륨나이트라이드(GaN)를 이용한 자외선감지소자의 구조를 도시한 단면도
도 2a는 본 발명에 따른 자외선감지소자의 구조를 도시한 단면도
도 2b는 본 발명에 따른 자외선감지소자의 다른 구조를 도시한 단면도
도 3은 본 발명에 따른 자외선감지소자의 제조공정을 순서대로 도시한 순서도
도 4는 본 발명에 따른 자외선감지소자의 제조공정을 순서대로 도시한 공정단면도
도 5a, 도 5b는 각각 본 발명에 따른 자외선감지소자의 오믹접합층으로 Au을 사용하였을 때, 오믹 특성 및 접합저항을 측정한 결과를 도시한 그래프
도 6a, 도 6b는 각각 본 발명에 따른 자외선감지소자의 오믹접합층으로 Al을 사용하였을 때, 오믹 특성 및 접합저항을 측정한 결과를 도시한 그래프
도 7a, 도 7b는 각각 본 발명에 따른 자외선감지소자의 오믹접합층으로 Ti/Al을 사용하였을 때 오믹 특성 및 접합저항을 측정한 결과를 도시한 그래프
도 8은 본 발명에 따른 자외선감지소자의 쇼트키접합층으로 텅스텐(W)을 사용하였을 때 나타나는 암전류 특성을 도시한 그래프
도 9는 본 발명에 따른 자외선감지소자의 쇼트키 접합금속으로 인듐틴옥사이드(ITO)를 사용하였을 때 나타나는 암전류 특성을 도시한 그래프
도 10a, 도 10b는 각각 본 발명에 따른 자외선감지소자의 쇼트키 접합금속으로 니켈산화물(NiOx)을 사용하였을 때 나타나는 투과도와 암전류 특성을 각각 도시한 그래프
도 11은 본 발명에 따른 자외선 감지시스템의 구조를 도시한 블럭구조도
<도면의 주요부분에 대한 부호의 명칭>
21 : 기판 22 : 광흡수층
24 : 쇼트키 접합층 25 : 오믹접합층
26 : 전도성 박막층
본 발명은 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 안출한 것으로, 자외선감지소자로서, 사파이어 또는 실리콘 기판 중 선택된 하나의 재질로 이루어진 기판과; 상기 기판상에 에피 성장된, 1.5㎛ 내지 2.5㎛의 두께를 가지는 갈륨나이트라이드(GaN)를 포함하는 재질로 이루어진 광흡수층과; 상기 광 흡수층상의 일부영역에 오믹 접합되고, 950Å내지 1050Å의 두께를 가지는 금(Au), 알루미늄(Al), 타타늄/알루미늄 이중층(Ti/Al) 중 선택된 하나의 재질을 포함하는 오믹접합층과; 상기 광 흡수층 상에 상기 오믹접합층과 이격되어 쇼트키 접합되고, 150Å 내지 300Å의 두께를 가지는 텅스텐(W), 니켈(Ni), 인듐 틴 옥사이드(ITO) 중 선택된 하나의 재질을 포함하는 쇼트키접합층을 포함하는 자외선감지소자를 제공한다.
이때 상기 오믹접합층의 재질이 금(Au) 또는 알루미늄(Al) 중 선택된 하나의 재질로 이루어진 경우 각각 그 두께는 950 내지 1050Å이고, 티타늄/알루미늄 이중층(Ti/Al) 일 경우 상기 티타늄의 두께는 50 내지 150Å이고, 알루미늄의 두께는 850내지 950Å이며, 상기 쇼트키접합층의 재질이 텅스텐(W)일 경우 그 두께는 250 내지 350Å이고, 인듐틴옥사이드(ITO) 재질일 경우 그 두께는 200 내지 300Å인 것을 특징으로 하며, 상기 쇼트키접합층의 재질이 니켈(Ni) 일 경우에, 상기 광 흡수층 상에 250 내지 350Å의 두께를 가지는 니켈(Ni)를 증착하고, 상기 증착된 니켈(Ni)을 열처리 하여 니켈산화물(NiOx)로 구성하고, 그 상부에 직렬저장을 감소시키기 위한 인듐틴옥사이드(ITO) 직렬저항감소층을 더욱 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명은 기판과, 상기 기판상에 에피 성장된 광흡수층과, 상기 광 흡수층상의 일부영역에 오믹 접합되는 오믹접합층과, 상기 광 흡수층 상에 상기 오믹접합층과 이격되어 쇼트키 접합되는 쇼트키접합층을 포함하는 자외선감지소자의 제조방법으로서, 상기 기판을 세정하는 단계와; 상기 세정된 기판상에 광흡수층을 에피성장시키는 단계와; 상기 에피성장된 광흡수층의 일부에 금속을 오믹접합하는 단계와; 상기 광흡수층 상에 상기 오믹접합층과 이격되도록 쇼트키접합층을 쇼트키 접합하는 단계를 포함하는 자외선감지소자 제조방법을 제공한다.
이때 상기 기판은 사파이어 또는 실리콘 중 선택된 하나의 재질이고, 상기 기판상에 에피성장되는 광흡수층은 1.5㎛ 내지 2.5㎛의 두께를 가지는 갈륨나이트라이드(GaN)를 포함하는 재질이며, 상기 광흡수층상에 접합되는 오믹접합층은 950Å내지 1050Å의 두께를 가지는 금(Au), 알루미늄(Al), 타타늄/알루미늄 이중층(Ti/Al) 중 선택된 하나의 재질이고, 상기 광흡수층 상에 상기 오믹접합층과 이격되도록 접합되는 쇼트키 접합층은 150Å 내지 300Å의 두께를 가지는 텅스텐(W), 니켈(Ni), 인듐 틴 옥사이드(ITO) 중 선택된 하나의 재질인 것을 특징으로 하며, 상기 쇼트키접합층의 재질이 니켈(Ni) 일 경우에, 상기 광 흡수층 상에 니켈(Ni)를 증착하고, 상기 증착된 니켈(Ni)을 열처리 하여 니켈산화물(NiOx)로 구성하고, 그 상부에 직렬저장을 감소시키기 위한 인듐틴옥사이드(ITO) 직렬저항감소층을 더욱 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명은 자외선 감지 시스템으로서, 기판과, 상기 기판상에 에피 성장된 광흡수층과, 상기 광 흡수층상의 일부영역에 오믹 접합되는 오믹접합층과, 상기 광 흡수층 상에 상기 오믹접합층과 이격되어 쇼트키 접합되는 쇼트키접합층을 포함하여, 조사되는 자외선을 감지하여 이의 세기에 따라 서로 다른 크기의 전류를 발생하는 자외선감지소자와; 상기 자외선감지소자에서 발생된 전류가 인가되어 서로 다른 크기의 전압으로 변환 증폭하는 변환부와; 상기 변환부에서 변환증폭된 전압을 통하여 메시지를 표시하는 표시부를 포함하는 자외선 감지 시스템을 제공하는바, 상기 표시부는 상기 변환부에서 인가되는 서로 다른 전압을 통하여 각각 발광하는, 서로 다른 색을 가지는 다수의 전기발광소자와; 상기 변환부에서 인가된 서로 다른 전압을 통하여 서로 다른 메세지를 표시하는 액정표시장치인 것을 특징으로 한다.
이하 본 발명이 올바른 실시예를 첨부된 도면을 통하여 상세히 설명한다.
본 발명은 금속접합물질을 이용하여 이를 쇼트키접합하고, 기존의 배면 조사방식에 있어서 갈륨나이트라이드(GaN)의 흡수계수가 큰 이유로 소자의 성능을 저하시키는 단점을 보완하기 위해서, 상기 금속접합물질을 산화시켜 금속산화물을 형성함으로써, 자외선의 투과도를 향상시켜 자외선의 전면조사가 가능한 자외선감지소자 및 이의 제조방법을 제공하는 바, 이러한 본 발명에 따른 자외선감지소자는 도 2a에 도시한 바와 같은 구성을 가지고 있다.
도 2a는 본 발명에 따른 자외선감지소자의 구도를 도시한 단면도로서, 이는 기판(21)과, 상기 기판(21)위에 에피 성장된 광흡수층(22)과, 상기 광흡수층(22) 상의 일부 영역에 쇼트키(Schottky)접합되는 쇼트키접합층(24) 및 그 상부의 전도성박막층(26)과, 상기 쇼트키접합층(24)과 이격된 상태에서, 상기 광흡수층(22) 상에 오믹(Ohmic) 접합되는 오믹접합층(25)을 포함하는 바, 이때 오믹층(25)은 도 2b에 도시한 바와 같이 그 사이에 쇼트키접합층(24)을 두고 서로 이격된 구조를 가질 수 있다.
이러한 본 발명에 따른 자외선감지소자는 쇼트키접합구조를 이용함에 따라 p형 갈륨나이트라이드(GaN) 방식을 사용하지 않으므로, p형 도핑과 p형 갈륨나이트라이드(GaN)의 오믹 콘택 문제를 피할 수 있어, 소자제작 공정을 단순화 할 수 있으며, 또한 전면조사 방식을 사용하므로 높은 양자효율을 가지는데, 특히 전도성 박막층을 쇼트키접합층의 산화물로 구성할 경우에 보다 공정을 단순화 할 수 있어 대량생산 시 더욱 유리한 장점을 가진다.
이하 도면을 통하여 이의 제조공정을 좀더 자세히 설명하면, 도 3은 본 발명에 따른 자외선감지소자의 제작순서를 나타내기 위한 순서도이고, 도 4는 도 3의 순서도에 따라 제작되는 본 발명에 따른 자외선 감지장치의 제작공정도로서, 이는 기판(21)을 구비하여 이를 세정 및 검사하는 단계와(S1), 상기 기판(21) 상에 갈륨나이트라이드(GaN) 광 흡수층(22)을 에피성장하는 단계(S2)와, 상기 갈륨나이트라이드(GaN) 광 흡수층(22) 상의 일부영역에 오믹접합층(25)을 형성하는 단계(S3)와, 이와 이격되도록 쇼트키접합층(24)을 형성하는 단계(S4)와, 이러한 쇼트키접합층(24)의 상부에 전도성 박막(26)을 형성하는 단계(S5)와, 패키징을 위한 금속 패드 형성 및 물리적 처리단계(S6)와, 패키지 단계(S7)로 구분되는 바, 이를 순서대로 설명한다.
먼저, 기판(21)을 구비하고, 상기 기판(21) 상에 갈륨나이트라이드(GaN)를 에피성장하는 단계로서(S2), 상기 기판(21)은 바람직하게는 사파이어 혹은 실리콘 재질로 이루어지며, 이러한 사파이어 또는 실리콘 기판(21) 상에 에피층 성장속도가 빠른 HVPE(Hydride Vapor Phase Epitaxy) 방법을 통하여, 바람직하게는 1000 내지 1100℃의 온도에서 약 5 내지 10분간 갈륨나이트라이드(GaN) 광흡수층(22)을 2㎛정도의 높이로 성장시킨다.
이후 이러한 갈륨나이트라이드(GaN) 광흡수층(22)의 상부 일부 영역에 오믹접합층(25)을 구성하게 되는데(S3), 이는 상기 갈륨나이트라이드(GaN) 광흡수층(22) 상에 소정의 두께를 가지는 포토레지스트를 도포하고, 이를 패터닝하여 형성된 포토레지스트 패턴을 따라 전자빔 증착기(e-beam evaporator) 또는 열증착기(thermal-evaporator)를 사용하여 금(Au), 알루미늄(Al), 티타늄 알루미늄(Ti/Al) 중 선택된 하나의 금속을 증착한 후 리프트 오프(lift-off) 법을 통하여 오믹접합층(25)을 구성할 수 있다. 이때 특히 열 증착기를 사용할 경우에는 기본압력(Based-pressure) 1.0×10-5torr, 실온(room temperature)의 환경에서 금(Au)의 경우 1000Å, 알류미늄(Al)은 1000Å, 티타늄/ 알류미늄 이중층(Ti/Al)은 각각 100Å/900Å 정도의 두께로 형성하는 것이 바람직하다.
도 5a, 5b와, 도 6a, 6b와, 도 7a, 7b는 각각 전술한 Au, Al 또는 Ti/Al 재질로 이루어지는 오믹접합층(25)의 오믹특성 및 접합저항의 검사결과를 도시한 그래프로서, 먼저 Au 의 오믹특성을 조사하기 위하여 상기 Au를 증착한 후 이의 열처리 온도를 변화시켜 가면서 오믹특성을 조사한 결과, 도 5a과 같이 갈륨나이트라이드(GaN)접합은 쇼트키 장벽층의 특성과 관련된 뚜렷한 정류특성의 I-V특성을 나타내고 있으며, 열처리 온도에 따라 전류-전압 특성이 선형으로 변화하는 것을 확인할 수 있다. 특히 575℃에서 10분간 열처리를 한 경우에는 GaAs기판상에 Au를 콘택 한 결과와 비슷한 양상을 나타내는 것이 관찰되며, 열처리 온도를 600℃로 고정하여 시간을 변화시켜 보았을 때, 시간이 1, 5, 10 분으로 증가함에 따라 Au의 I-V곡선은 다시 정류특성 경향을 나타냄을 알 수 있다.
그리고 Au 옴익접합층의 접합저항을 TML방법을 사용하여 측정한 결과를 도 5b에 도시하였는데, 이는 1.14×10-4Ω/cm2정도의 값을 나타내었다.
또한 도 6a와 도 6b는 각각 Al 오믹접합층의 오믹특성 및 접합저항의 검사결과를 도시한 그래프로서, Al은 낮은 온도에서 열처리를 수행하여도 오믹을 형성하기 쉽고 Au 에 비해 낮은 값의 콘택저항을 가지며, 갈륨나이트라이드(GaN)와 접착성이 좋아 리프트 오프(lift-off) 소자로 유용한 물질임은 주지된 바 있는데, 이에 따라 열처리 온도 430℃에서 가장 낮은 저항 값을 나타내었고, 이때의 접합저항 값은 3.45×10-3Ω/cm2을 나타내었다. 또한 온도를 더욱 높인 480℃에서는 430℃보다 높은 저항 값을 나타내고 430℃에서 10분간 열처리를 한 경우도 5분간 열처리를 한 경우보다 높은 저항 값을 나타내어 Au를 사용했을 경우와 비슷한 양상을 가짐을 확인할 수 있다.
또한 도 7a 및 도 7b는 각각 Ti/Al 오믹접합의 오믹특성 및 접합저항을 도시한 그래프로서 이러한 Ti/Al는 열처리 조건에 따라 접합 저항 값이 10-4∼10-7Ω/cm2정도의 낮은 값을 가지며 갈륨나이트라이드(GaN)와의 접합특성이 매우 뛰어난 물질이므로 도 8a와 같이 430℃와 530℃에서 5분간 열처리를 한 경우에 선형의 오믹특성을 나타내고 있고, 이때의 접합저항은 2.8×10-5Ω/cm2값을 나타내는 바, 이는 Au나 Al을 사용할 경우 보다 낮은 값임을 확인할 수 있다. 따라서 Ti/Al는 갈륨나이트라이드(GaN)과의 접합특성이 매우 뛰어나 리프트 오프(lift-off) 소자로 활용될 수 있다.
이후 이러한 기판(21) 상에 쇼트키 접합층(24)의 생성을 위하여 다시 포토레지스트패턴을 형성한 후, 스퍼터(sputter) 또는 전자빔 증착기를 사용하여 금속 또는 금속산화물을 접합하게 되는데(S4), 이때 특히 본 발명은 쇼트키 접합되는 금속 물질에 따라 몇가지 실시예로 구분되는 바 이를 각각 구분하여 설명하는 바, 본 발명에서는 높은 열적 안정성을 가지는 텅스텐(W)과, 투명하여 입사하는 빛을 크게 방해함이 없는 인듐틴옥사이드(ITO) 및 니켈산화물(NiOx)을 이용하였다.
제 1 실시예
먼저 본 발명에 따른 쇼트키 접합에 사용되는 금속으로 텅스텐(W)을 사용하게 되는데, 이러한 텅스텐 쇼트키 접합층은 바람직하게는, 기본압력(Based-pressure)1.0×10-6torr, 공정압력(work-pressure) 2.0×10-3torr정도를 가지고, 실온정도의 온도환경을 가지는 스퍼터 장치를 사용하여, 300Å의 두께를 가지는 텅스텐 박막을 접합하게 된다. 이와 같은 텅스텐을 사용한 쇼트키 접합은 암전류 특성을 도시한 도 8와 같이 10-8정도의 작은 누설전류(leakage current)를 가짐을 확인 할 수 있다.
제 2 실시예
또한 본 발명은 쇼트키 접합 금속으로 전도성 산화박막인 인듐틴옥사이드(ITO)를 사용하는데, 이는 바람직하게는 기본압력 1.0×10-5torr과, 실온환경을 가지는 전자빔 증착기를 사용하여 250Å정도의 두께를 가지는 인듐틴옥사이드(ITO) 쇼트키 접합층을 구현하게 된다. 이때 상기 인듐틴옥사이드(ITO) 쇼트키접합층의 암전류 특성은 도 9에 도시한 바와 같이 10-3정도의 값을 나타낸다.
제 3 실시예
마지막으로 본 발명은, 쇼트키 접합 금속으로 금속 산화물인 NiOx을 사용하는데, 이때 NiOx 는 일반적인 전기로에서, 바람직하게는 430℃의 온도분위기에서 Ni를 5분간 노출시켜 얻을수 있으며, 이와 같은 과정을 통하여 얻어진 NiOx를 전술한 제 1 실시예에서 설명한 스퍼터 장치를 사용하여 동일압력하에서 온도를 각각 100℃, 150℃, 200℃ 로 제어하여 150Å, 250Å, 350Å의 두께로 형성한 후 이의 투과도 및 암전류 특성을 조사한 결과를 도 10a와 도 10b에 각각 도시하였다.
한편 양자효율을 높이기 위해 소자의 전면에서 빛을 조사하는 구조를 가지기 위해서는 증착된 쇼트키 접합 물질의 투과도가 중요한 요소가 되는 바, 전술한 서로 다른 두께로 증착된 니켈산화물(NiOx)의 투과도를 각각 측정한 도 10a 를 참조하면, 증착된 NiOx를 430℃에서 열처리를 한 후 투과도를 측정한 결과, 두께 300Å이하는 80%이상을 나타내었고 400Å 정도의 두께에서는 그 보다 낮은 투과도를 나타내며, 350nm를 기준으로 두께 400Å의 경우 약 60%의 투과도를 나타냄을 확인할 수 있었다. 또한 도 10b와 같이 I-V측정을 해 본 결과 pA정도의 낮은 암전류를 나타내어 소자제작에 적합함을 확인 할 수 있는데, 바람직하게는 투과도가 열처리를 한 경우 80%이상이고, 두께의 조절이 용이한 300Å의 두께를 가지는 NiOx를 사용하는 것이 유리하다.
이와 같은 각각의 실시예를 통하여 구성된 쇼트키 접합층(24)은 리프트 오프법을 통하여 패터닝하게 되는데, 특히 쇼트키 접합으로 사용한 NiOx 경우에 자체의 저항 값이 매우 높으므로 소자에 적용 시 직렬 저항 값이 매우 높아, 소자의 성능을 저하시키는 원인이 되므로 이의 보완을 위하여 전도성 박막(26)인 ITO를 NiOx상에 증착을 하게 되는데, 이는 전술한 전자빔증착기를 통하여 가능하게 된다.
이후 이러한 기판을 패키징 하게 되는데, 한편 전도성 박막(26)인 ITO의 경우에 후술하는 패키지 공정에서 이루어지는 Au 와이어(wire)와의 접합성이 떨어지기 때문에 도면에 도시되지 않았지만, ITO 전도성박막(26) 위에 Au를 증착시켜 이를 보완하는 것이 바람지하며, 이때 Al을 사용하는 것도 가능하나, Al 금속의 와이어본딩 특성은 Au보다 떨어지는 바, 바람직하게는 쇼트키 접합층(24)과 오믹접합층(25) 상에 Au를 증착한다. 특히 ITO 전도성 박막(26)의 경우에는 전술한 Au와의 접합을 보조하기 위하여 그 사이에 Cr 접합층을 더욱 포함하는 것이 유리한데, 이들 Au 또는 Cr 의 증착은 기본압력 1.0×10-5torr, 실온의 환경을 가지는 열증착기를 사용하여 Au는 1000Å, Al은 1000Å, Ti/Al은 각각 100Å/900Å정도의 두께가 되도록 증착한다.
이후 상기의 공정을 통해 제작된 자외선감지소자를 각각의 칩으로 분리하여 패키지 하기 위해서 물리적 가공공정을 거치게 되는데,(S6) 즉, 원하는 두께와 평활도를 구하고 잔 흠집(scratch)을 제거하여 후술하는 절단 공정시 소자에 발생 할 수 있는 크랙(crack)을 방지하는 램핑공정(lapping)과 결정된 칩의 크기에 따라 이를 개개의 소자로 분리하는 절단 공정이 이루어진다. 이때 래핑공정은 바람직하게는 340㎛정도의 두께를 가지는 사파이어 또는 실리콘 기판을 100㎛이하(90㎛정도)로 래핑하게 되는데, 먼저 다이아몬드 펠랫을 이용하여 110㎛이하까지 랩핑한 후 편심추를 이용하여 평활도를 조절하면서 소자에 무리가 가지 않도록 매 10분 단위로 두께와 평활도를 확인하면서 조절한다. 또한 이후 이어지는 절단공정에 있어서, 그 절단 속도는 0.5∼0.7 ㎜/sec 정도의 낮은 속도를 유지하면서 절단하는 것이 바람직하다.
특히 각 단계에 있어서, 기판의 유기물 세정 공정이 더욱 포함되는 것이 파티클에 의한 소자의 오염을 줄일 수 있어 유리한 바, 바람직하게는 갈륨나이트라이드(GaN) 반도체 층만이 형성된 기판은 100oC에서 TCE, ACE, MeOH로 각각 5분간, 초순수 세정용매(DI water)와 BOE(buffered oxide etcher) 10분간 세정한 후 N2가스로 건조(blowing) 하며, 또한 옴익접합층 형성과 쇼트키접합층 형성을 위한 리소그라피(lithography) 공정(T2)에서는 HMDS를 사용하지 않고, PR 코팅을 400RPM정도의 회전하에 5초간, 3500RPM정도의 회전하에 35초간 각각 노출하여 실시하고, 이를110oC에서 30분간 베이킹(soft baking)한 후, 12mW정도의 강도를 가지는 빛을 12sec 초 노출하여 원액에 20sec 초간 현상함으로써 가능하게 된다.
이때 이러한 본 발명에 따른 자외선감지소자의 전기적 특성을 조사한 결과를 각각 도 12에 도시하였는데, 누설전류가10-12암페어 정도의 낮은 값을 나타냄을 확인 할 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 자외선감지소자는 약 365nm의 파장대에서 컷-오프(cut-off)되어 가시광선에는 반응을 하지 않고 자외선에만 반응을 함을 알 수 있으며, 소자의 양자효율은 0.04A/W 정도의 값을 나타내고, 또한 역방향으로 -40V정도에서도 항복전압이 나타나지 않으며, 특히 ITO를 사용할 경우에 누설전류가 10-3정도의 높은 값을 가지는 반면 NiOx의 경우 10-11정도의 아주 낮은 값을 얻을 수 있음을 확인할 수 있다.
또한 본 발명은 전술한 제조방법을 통하여 구성되는 자외선감지소자를 포함하는 자외선 감지 시스템을 제공하는데, 이는 특히 휴대가 가능한 소형의 사이즈로 단순한 구성을 가지는 것을 특징으로 한다.
즉, 이는 도 12에 도시한 바와 같이, 자외선이 인가되어 이를 광 전류로 변환하는 자외선감지소자(52)와, 상기 자외선감지소자에서 발생된 광 전류를 증폭하여 전압으로 변환하는 변환부(convertor)(54)와, 상기 변환부(54)에서 증폭된 전압이 인가되어 사용자에게 정해진 메시지를 출력하는 표시부(56)를 포함하고 있다.
이러한 구성을 가지는 본 발명에 따른 자외선 감지 시스템(50)은 자외선감지소자(52)에 가시광선을 포함하는 자외선이 인가되면서 구동되는데, 이와 같은 빛이 인가되면 자외선감지소자(52)는 가시광선에 의하여 나노 암페어 이하의 전류가 발생하다가 자외선이 감지되면 마이크로 암페어 정도의 전류발생하여 변환부(54)에 인가된다. 이때 변환부(54)는 미리 정해진 값인 일정정도 이상 즉, 수 마이크로 암페어 이상의 전류만을 선택적으로 감지하여 이를 정해진 전압으로 변환 증폭하여 디스플레이부(56)로 인가하고, 디스플레이부는 이와 같이 일정한 값으로 증폭된 전압에 의하여 사용자에게 메시지를 표시하게 된다. 이때 바람직하게는 디스플레이부(56)는 LCD(liquid cristal display)(56a) 와 전기발광소자인 LED(56b)를 같이 사용하고, 특히 LED(56b)는 녹색, 노란색, 빨간색의 삼색을 사용하여 현재 자외선의 세기 정도를 쉽게 인지할 수 있도록 하도록 하며, 또한 혹시 너무 밝은 곳에서 사용자의 눈에 잘 보이지 않을 수도 있는 LED(56b)의 문제를 해결하기 위하여 문자표시기능이 있는 LCD(56a)를 장착하는 것이 유리하다.
본 발명에 따른 금속산화물 박막을 이용한 갈륨나이트라이드(GaN) 자외선감지소자는 기존의 감지소자에 비하여 그 제조 공정이 월등히 단순화 되고, 그 성능이 우수하여 경쟁력이 뛰어난 장점을 가지고 있다.
또한 그 설치면적이 작고 최적의 양자효율을 갖는 소자의 구조를 가지고 있어 보다 신뢰성 있는 자외선의 감지가 가능한 개선된 소자이다. 특히 본 발명은 갈륨나이트라이드(GaN) 박막성장기술 및 접합공정 기술을 제공하여 이를 이용한 다양한 전자소자의 개발에 간접 활용되는 장점을 가지고 있으며, 특히 오믹 특성기술은 갈륨나이트라이드(GaN) 광소자의 P형 오믹접합 형성 공정개발에 응용될 수 있을 것이다. 특히 본 발명은 현재 전량 수입에 의존하고 있는 자외선 센서를 개발함으로써 수입대체 효과 및 수출증대효과를 동시에 만족할 수 있는 장점을 아울러 가지며, 완충층을 포함하지 않고서도 자외선감지성능이 우수한 자외선감지소자를 제공하여, 종래의 쇼트키접합을 위해 금속을 사용하던 것과 달리 광투과성이 우수한 특징으로 가지고 있어, 배면조사 뿐 아니라 전면조사가 가능한 자외선감지소자를 제공한다.

Claims (8)

  1. 자외선감지소자로서,
    사파이어 또는 실리콘 기판 중 선택된 하나의 재질로 이루어진 기판과;
    상기 기판상에 에피 성장된, 1.5㎛ 내지 2.5㎛의 두께를 가지는 갈륨나이트라이드(GaN)를 포함하는 재질로 이루어진 광흡수층과;
    상기 광 흡수층상의 일부영역에 오믹 접합되고, 950Å내지 1050Å의 두께를 가지는 금(Au), 알루미늄(Al), 타타늄/알루미늄 이중층(Ti/Al) 중 선택된 하나의 재질을 포함하는 오믹접합층과;
    상기 광 흡수층 상에 상기 오믹접합층과 이격되어 쇼트키 접합되고, 150Å 내지 300Å의 두께를 가지는 텅스텐(W), 니켈(Ni), 인듐 틴 옥사이드(ITO) 중 선택된 하나의 재질을 포함하는 쇼트키접합층
    을 포함하는 자외선감지소자.
  2. 청구항 1항에 있어서,
    상기 오믹접합층의 재질이 금(Au) 또는 알루미늄(Al) 중 선택된 하나의 재질로 이루어진 경우 각각 그 두께는 950 내지 1050Å이고, 티타늄/알루미늄 이중층(Ti/Al) 일 경우 상기 티타늄의 두께는 50 내지 150Å이고, 알루미늄의 두께는 850내지 950Å이며, 상기 쇼트키접합층의 재질이 텅스텐(W)일 경우 그 두께는250 내지 350Å이고, 인듐틴옥사이드(ITO) 재질일 경우 그 두께는 200 내지 300Å인 자외선 감지소자
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 쇼트키접합층의 재질이 니켈(Ni) 일 경우에, 상기 광 흡수층 상에 250 내지 350Å의 두께를 가지는 니켈(Ni)를 증착하고, 상기 증착된 니켈(Ni)을 열처리 하여 니켈산화물(NiOx)로 구성하고, 그 상부에 직렬저장을 감소시키기 위한 인듐틴옥사이드(ITO) 직렬저항감소층을 더욱 포함하는 자외선감지소자
  4. 기판과, 상기 기판상에 에피 성장된 광흡수층과, 상기 광 흡수층상의 일부영역에 오믹 접합되는 오믹접합층과, 상기 광 흡수층 상에 상기 오믹접합층과 이격되어 쇼트키 접합되는 쇼트키접합층을 포함하는 자외선감지소자의 제조방법으로서,
    상기 기판을 세정하는 단계와;
    상기 세정된 기판상에 광흡수층을 에피성장시키는 단계와;
    상기 에피성장된 광흡수층의 일부에 금속을 오믹접합하는 단계와;
    상기 광흡수층 상에 상기 오믹접합층과 이격되도록 쇼트키접합층을 쇼트키 접합하는 단계
    를 포함하는 자외선감지소자 제조방법
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 기판은 사파이어 또는 실리콘 중 선택된 하나의 재질이고, 상기 기판상에 에피성장되는 광흡수층은 1.5㎛ 내지 2.5㎛의 두께를 가지는 갈륨나이트라이드(GaN)를 포함하는 재질이며, 상기 광흡수층상에 접합되는 오믹접합층은 950Å내지 1050Å의 두께를 가지는 금(Au), 알루미늄(Al), 타타늄/알루미늄 이중층(Ti/Al) 중 선택된 하나의 재질이고, 상기 광흡수층 상에 상기 오믹접합층과 이격되도록 접합되는 쇼트키 접합층은 150Å 내지 300Å의 두께를 가지는 텅스텐(W), 니켈(Ni), 인듐 틴 옥사이드(ITO) 중 선택된 하나의 재질인 자외선감지소자 제조방법
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 쇼트키접합층의 재질이 니켈(Ni) 일 경우에, 상기 광 흡수층 상에 니켈(Ni)를 증착하고, 상기 증착된 니켈(Ni)을 열처리 하여 니켈산화물(NiOx)로 구성하고, 그 상부에 직렬저장을 감소시키기 위한 인듐틴옥사이드(ITO) 직렬저항감소층을 더욱 포함하는 자외선 감지소자제조방법
  7. 자외선 감지 시스템으로서,
    기판과, 상기 기판상에 에피 성장된 광흡수층과, 상기 광 흡수층상의 일부영역에 오믹 접합되는 오믹접합층과, 상기 광 흡수층 상에 상기 오믹접합층과 이격되어 쇼트키 접합되는 쇼트키접합층을 포함하여, 조사되는 자외선을 감지하여 이의 세기에 따라 서로 다른 크기의 전류를 발생하는 자외선감지소자와;
    상기 자외선감지소자에서 발생된 전류가 인가되어 서로 다른 크기의 전압으로 변환 증폭하는 변환부와;
    상기 변환부에서 변환증폭된 전압을 통하여 메시지를 표시하는 표시부
    를 포함하는 자외선 감지 시스템
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 표시부는 상기 변환부에서 인가되는 서로 다른 전압을 통하여 각각 발광하는, 서로 다른 색을 가지는 다수의 전기발광소자와;
    상기 변환부에서 인가된 서로 다른 전압을 통하여 서로 다른 메세지를 표시하는 액정표시장치인 자외선 감지 시스템
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