KR20060093445A - Quantum structure infrared detection device - Google Patents
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Abstract
본 발명은 양자구조 적외선 수광소자에 관한 것으로서, 다이오드 형태의 양자구조 적외선 수광소자가 아닌, 양자우물이나 양자점과 헴트(HEMT ; High Electron Mobility Transistor)를 결합한 양자구조의 적외선 수광소자를 형성하여 높은 광전류를 가지고 CMOS 스위치 없이 수광소자 자체로 스위칭이 가능하며 수광소자 자체를 트랜지스터로서 ROIC(Read Out Integrated Circuit) 제작에 이용할 수 있도록 할 뿐만 아니라 게이트 금속 형태를 빗살 형태의 회절격자 형식으로 형성하여 적외선이 여러 방향으로 입사되도록 함으로써 양자 효율을 높일 수 있도록 한 것이다. The present invention relates to a quantum structure infrared light receiving device, which is not a quantum structure infrared light receiving device in the form of a diode, but forms a quantum well infrared light receiving device combining a quantum well or a quantum dot and a HEMT (HEMT) and a high photocurrent. It can be switched to the light-receiving element itself without a CMOS switch, and the light-receiving element itself can be used as a transistor for the production of ROIC (Read Out Integrated Circuit), and the gate metal is formed in the form of a comb-shaped diffraction grating. It is to increase the quantum efficiency by allowing the incident in the direction.
QWIP, QDIP, QSIP, FPAs, 적외선 센서, 적외선 영상, HEMT, 양자효율 QWIP, QDIP, QSIP, FPAs, Infrared Sensor, Infrared Imaging, HEMT, Quantum Efficiency
Description
도 1은 종래의 다이오드 형태의 양자구조 적외선 수광소자를 나타낸 도면이다.1 is a view showing a conventional quantum structured infrared light receiving device in the form of a diode.
도 2는 종래의 다이오드 형태의 양자구조 적외선 수광소자를 이용하여 제작한 FPA의 예시도이다. 2 is an exemplary diagram of an FPA fabricated using a conventional quantum structured infrared light receiving device of a diode type.
도 3은 종래의 AlGaAs/InGaAs/GaAs pHEMT의 구조를 나타낸 도면이다.3 is a view showing the structure of a conventional AlGaAs / InGaAs / GaAs pHEMT.
도 4는 종래의 AlGaAs/InGaAs/GaAs pHEMT의 에너지 밴드 다이어그램이다.4 is an energy band diagram of a conventional AlGaAs / InGaAs / GaAs pHEMT.
도 5는 본 발명의 실시예에 의한 AlGaAs/GaAs 양자우물을 이용한 적외선 수광소자의 구조를 나타낸 도면이다. 5 is a view showing the structure of an infrared light receiving device using AlGaAs / GaAs quantum wells according to an embodiment of the present invention.
도 6은 본 발명의 실시예에 의한 AlGaAs/GaAs 양자우물을 이용한 적외선 수광소자의 에너지 밴드 다이어그램이다.6 is an energy band diagram of an infrared light receiving device using AlGaAs / GaAs quantum wells according to an embodiment of the present invention.
도 7은 본 발명에 의한 광학적 회절격자 설계를 통한 게이트 전극의 구조를 갖는 적외선 수광소자의 구조도이다. 7 is a structural diagram of an infrared light receiving device having a structure of a gate electrode through an optical diffraction grating design according to the present invention.
도 8은 도 7의 구조를 갖는 적외선 수광소자를 위에서 바라보았을 때의 전극들을 나타낸 도면이다.FIG. 8 is a diagram illustrating electrodes when the infrared light receiving device having the structure of FIG. 7 is viewed from above. FIG.
도 9a는 본 발명에 의한 양자구조 적외선 수광소자의 실시예로써 양자구조층 이 채널 아래에 있는 형태를 나타낸 구조도이다. FIG. 9A is a diagram illustrating a structure in which a quantum structure layer is under a channel as an embodiment of a quantum structure infrared light receiving device according to the present invention.
도 9b는 도 9a에 의한 양자구조 적외선 수광소자의 에너지 밴드 다이어그램이다.FIG. 9B is an energy band diagram of the quantum structure infrared light receiving device of FIG. 9A.
도 10a는 본 발명에 의한 양자구조 적외선 수광소자의 다른 실시예로써 양자구조층이 채널 위에 있는 형태를 나타낸 구조도이다. 10A is a structural diagram illustrating a quantum structure layer on a channel as another embodiment of a quantum structure infrared light receiving device according to the present invention.
도 10b는 도 10a에 의한 양자구조 적외선 수광소자의 에너지 밴드 다이어그램이다.FIG. 10B is an energy band diagram of the quantum structure infrared light receiving device according to FIG. 10A.
도 11은 본 발명에 양자구조 적외선 수광소자를 이용하여 제작한 FPA 의 예시도이다. 11 is an exemplary view of an FPA fabricated using the quantum structure infrared light receiving device according to the present invention.
- 도면의 주요부분에 대한 설명 - Description of the main parts of the drawings
11: 양자우물 12: 양자점11: quantum well 12: quantum dots
13: 전자 14: 적외선13: electronic 14: infrared
16: 음극 17: 양극16: cathode 17: anode
211: 수광소자 221, 222: CMOS 스위치211:
231, 232: 쉬프트 레지스터 241: 증폭 회로231, 232: shift register 241: amplification circuit
411, 511, 711, 811: 소스전극411, 511, 711, 811: source electrode
412, 512, 712, 812: 드레인전극412, 512, 712, 812: drain electrode
413, 513, 713, 813: 게이트전극413, 513, 713, 813: gate electrode
121: 입력단자 311: n 도핑된 AlGaAs층121: input terminal 311: n-doped AlGaAs layer
312: 채널층 313: GaAs 기판312: channel layer 313: GaAs substrate
522, 611, 714: 양자우물층 523, 612, 715: 채널층522, 611, 714:
514, 716: 백게이트 전극 531: 누설전류514 and 716
613: 전자 721: 적외선613 electronic 721 infrared
911, 101: schottky 접합층 912, 914, 104: 스페이서층911, 101:
913, 105: 채널층 915, 102: 양자구조층913 and 105:
916, 103: 베리어층 917, 106: 기판916 and 103:
1101: 수광소자1101: light receiving element
본 발명은 양자구조 적외선 수광소자에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 다이오드 형태의 양자구조 적외선 수광소자가 아닌, 양자우물이나 양자점과 헴트(HEMT ; High Electron Mobility Transistor)를 결합한 양자구조의 적외선 수광소자를 형성하여 높은 광전류를 가지고 CMOS 스위치 없이 수광소자 자체로 스위칭이 가능하며 수광소자 자체를 트랜지스터로서 ROIC(Read Out Integrated Circuit) 제작에 이용할 수 있도록 할 뿐만 아니라 게이트 금속 형태를 빗살 형태의 회절격자 형식으로 형성하여 적외선이 여러 방향으로 입사되도록 함으로써 양자 효율을 높일 수 있도록 한 양자구조 적외선 수광소자에 관한 것이다. The present invention relates to a quantum structure infrared light receiving device, and more particularly, to a quantum structure infrared light receiving device that combines a quantum well or a quantum dot and a HEMT (HEMT; High Electron Mobility Transistor), rather than a diode type quantum structure infrared light receiving device. It can be switched to the light-receiving element itself without having a CMOS switch with high photocurrent, making it possible to use the light-receiving element itself as a transistor in the production of ROIC (Read Out Integrated Circuit) as well as forming the gate metal in the form of a comb-shaped diffraction grating. The present invention relates to a quantum structure infrared light receiving device capable of increasing quantum efficiency by allowing infrared rays to be incident in various directions.
현재, 의료 진단용 적외선 열 영상장비 및 국방, 보안 등의 정찰 카메라, 소방, 구조 건물 감시나 공정 제어 감시 등에 대한 수요증가로 보다 높은 감지도와 응답도를 가지는 적외선 수광소자와 이를 이용한 간단한 공정으로 제작이 가능한 초점면 배열(FPAs ; focal plane arrays) 개발이 요구 되고 있다.Currently, due to the increasing demand for infrared thermal imaging equipment for medical diagnosis and reconnaissance cameras such as defense and security, fire protection, rescue building monitoring, and process control monitoring, infrared light receiving devices with higher detection and response and simple processes using the same The development of possible focal plane arrays (FPAs) is required.
양자구조 적외선 수광 소자에 대한 종래의 기술로는 양자우물이나 양자점과 같은 양자구조에서 반송자의 부 밴드 천이를 이용한 n-i-n, p-i-p , n-p-n, p-n-p 다이오드 형태의 수광 소자가 있다. Conventional techniques for quantum structure infrared light receiving devices include light receiving devices in the form of n-i-n, p-i-p, n-p-n, and p-n-p diodes using subband transitions of carriers in quantum structures such as quantum wells or quantum dots.
이러한 다이오드 형태의 양자 구조 적외선 수광소자를 이용한 FPAs 개발을 위해서는 실리콘 기판으로 된 기존의 신호처리 회로와의 집적이 매우 어려우며, 다이오드 구조의 특성에 의한 광전류 이득이 작다는 단점을 가지고 있다.In order to develop FPAs using the quantum structured infrared light receiving device of the diode type, integration with existing signal processing circuits made of silicon substrates is very difficult, and the photocurrent gain due to the characteristics of the diode structure is small.
도 1은 종래의 다이오드 형태의 양자구조 적외선 수광소자를 나타낸 도면이다.1 is a view showing a conventional quantum structured infrared light receiving device in the form of a diode.
여기에 도시된 다이오드 형태의 양자구조 적외선 수광소자는 n-i-n 다이오드 형태의 양자구조 적외선 수광소자로써 양자우물(11) 혹은 양자점(12)과 같은 양자구조물 내에 구속되어 있는 전자(13)들은 입사되는 적외선(14)에 의해 양자구조의 부밴드내에서 천이(15)를 일으키게 되고 천이된 전자들은 다이오드의 음극(16)과 양극(17)을 따라 흐르는 전류를 증가 시키게 된다. The quantum structure infrared light receiving element of the diode type shown here is a quantum structure infrared light receiving element of the nin diode type, and the electrons 13 constrained in the quantum structure such as the
이러한 다이오드 형태의 광전류와 입사된 광량과의 비를 나타내는 응답도(R)는 다음의 수식으로 표현 될 수 있다.The response rate R representing the ratio between the photocurrent of the diode type and the amount of incident light may be expressed by the following equation.
여기에서 η는 양자구조층의 양자효율이고, e는 전자의 전하량, hv는 광자의 에너지, g는 다이오드 구조에 의한 광전류 이득을 나타낸다. Where η is the quantum efficiency of the quantum structure layer, e is the charge amount of the electron, hv is the energy of photons, and g is the photocurrent gain due to the diode structure.
이때, 일반적으로 다이오드 형태의 양자구조 적외선 수광소자의 경우 광전류 이득 g는 8보다 작으며, 양자효율 η는 0.2보다 작다. In this case, in general, in the case of a diode-type quantum structure infrared light receiving device, the photocurrent gain g is less than 8, and the quantum efficiency η is smaller than 0.2.
다이오드 형태의 양자구조 적외선 수광소자에 대한 특성 및 동작은 Rogalski, Antoni에 의해 출간된 "Infrared Detectors" first edition p603에 개시되어 있다.The characteristics and operation of a quantum structured infrared light receiving device in the form of a diode is disclosed in "Infrared Detectors" first edition p603 published by Rogalski, Antoni.
그런데, 이와 같은 다이오드 형태의 적외선 수광소자는 다음의 문제점을 가지고 있다. However, such a diode type infrared light receiving device has the following problems.
즉, 광 다이오드의 경우 작은 광전류 이득으로 인해 FPA 제작 시, 광 다이오드의 출력을 증폭시킬 수 있는 회로가 필요하며, 광 다이오드를 이용하여 적외선 영상을 얻기 위해서는 도 2에 도시된 다이오드 형태의 양자구조 적외선 수광소자를 이용하여 제작한 FPA의 예시도에서와 같이 각각의 다이오드(211)에 CMOS 스위치(221, 222)들을 연결하여 각각의 다이오드(211)에 흐르는 광전류를 선택할 수 있도록 해 주어야 하며, 각각의 CMOS 스위치(221, 222)들은 쉬프트 레지스터(231, 232)를 통해 스위칭되며, 각각의 전류는 증폭회로(241)를 통해 출력되는 문제점이 있다. That is, in the case of the photodiode, a circuit capable of amplifying the output of the photodiode is required when fabricating an FPA due to a small photocurrent gain, and in order to obtain an infrared image using the photodiode, a quantum structure infrared ray of the diode type shown in FIG. As in the example of the FPA fabricated using the light receiving element, the
또한, 실리콘 웨이퍼 기판에서 제작된 스위치와 화합물반도체로 제작된 다이오드를 연결해 주기 위해서는 플립칩 본딩(flip-chip bonding)과 같은 공정이 추가적으로 필요한 문제점이 있다. In addition, there is a problem in that a process such as flip-chip bonding is additionally required to connect a switch manufactured on a silicon wafer substrate and a diode made of a compound semiconductor.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창작된 것으로서, 본 발명의 목적은 다이오드 형태의 양자구조 적외선 수광소자가 아닌, 양자우물이나 양자점과 헴트(HEMT ; High Electron Mobility Transistor)를 결합한 양자구조의 적외선 수광소자를 형성하여 높은 광전류를 가지고 CMOS 스위치 없이 수광소자 자체로 스위칭이 가능하며 수광소자 자체를 트랜지스터로서 ROIC(Read Out Integrated Circuit) 제작에 이용할 수 있도록 할 뿐만 아니라 게이트 금속 형태를 빗살 형태의 회절격자 형식으로 형성하여 적외선이 여러 방향으로 입사되도록 함으로써 양자 효율을 높일 수 있도록 한 양자구조 적외선 수광소자를 제공함에 있다. The present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is not a quantum structure infrared light receiving device in the form of diode, but a quantum well or a quantum dot and a quantum structure combined with a HEMT (HEMT). Infrared light-receiving elements can be formed to switch to the light-receiving element itself without having a CMOS switch and have a high photocurrent, and the light-receiving element itself can be used as a transistor in the manufacture of read-out integrated circuits (ROICs), and the gate metal form is comb-shaped diffraction. The present invention provides a quantum structured infrared light receiving device formed in a lattice form to allow infrared rays to be incident in various directions to increase quantum efficiency.
상기와 같은 목적을 실현하기 위한 본 발명은 양자구조와 헴트구조가 결합된 양자구조 적외선 수광소자에 있어서, 기판과, 기판 상에 형성되는 버퍼층과, 버퍼층상에 형성되는 양자구조층과, 양자구조층 상에 형성된 베리어층과, 베리어층상의 일정영역에 형성된 소스, 드레인, 게이트전극과, 양자구조층의 상하부 중 어느 한 위치에 형성된 채널층으로 이루어진 것을 특징으로 한다. The present invention for realizing the above object is a quantum structure infrared light receiving device in which a quantum structure and a hept structure are combined, a substrate, a buffer layer formed on the substrate, a quantum structure layer formed on the buffer layer, and a quantum structure The barrier layer formed on the layer, the source, the drain, the gate electrode formed in a predetermined region on the barrier layer, and the channel layer formed at any one of the upper and lower portions of the quantum structure layer.
이때, 본 발명에서 양자구조층은 30~80 Å 두께의 GaAs층과 100~600Å 두께의 AlxGa1-xAs (x=0.01~1) 층으로 구성된 1~50 주기의 양자 우물층이나 GaAs 기판 위에 성장된 InAs 양자점 층을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다. In this case, the quantum structure layer of the present invention is a quantum well layer or GaAs of 1 to 50 cycles composed of a GaAs layer of 30 ~ 80 ~ thickness and Al x Ga 1-x As (x = 0.01 ~ 1) layer of 100 ~ 600 Å thickness It characterized in that it comprises an InAs quantum dot layer grown on the substrate.
또한, 본 발명은 양자우물층과 상기 양자점층에는 전자를 공급해 주기 위한 도핑된 층이 삽입될 수 있다. In addition, in the present invention, a doped layer for supplying electrons may be inserted into the quantum well layer and the quantum dot layer.
또한, 본 발명에서 양자우물층은 AlxGa1-xAs/GaAs, InxGa1-XAs/InP, InxGa1-XAs/GaAs 중 어느 하나 이상으로 이루어지며, 양자점층은 InAs나 InxGa1-xAs 으로 이루어진 것을 특징으로 한다. In the present invention, the quantum well layer is made of any one or more of Al x Ga 1-x As / GaAs, In x Ga 1-X As / InP, In x Ga 1-X As / GaAs, and the quantum dot layer is InAs. Or In x Ga 1-x As.
또한, 본 발명은 기판하부에 전압을 인가하기 위한 백게이트전극이 형성되는 것을 특징으로 한다. In addition, the present invention is characterized in that the back gate electrode for applying a voltage to the lower substrate.
또한, 본 발명에서 게이트전극은 0.5~2 ㎛ 폭을 가지고 3~15 ㎛의 간격을 가지는 주기적인 빗살 형태로 이루어진 것을 특징으로 한다. In addition, the gate electrode in the present invention is characterized in that it consists of a periodic comb teeth having a width of 0.5 ~ 2 ㎛ having a spacing of 3 ~ 15 ㎛.
이와 같이 본 발명은 적외선에 의해 양자구조층으로부터 탈출한 반송자들을 게이트 전극이나 백게이트 전극에 전기적 포텐셜을 이용하여 이동도가 높은 채널층으로 이동시키고, 증가된 채널의 전자농도를 드레인전극과 소스전극을 통해 검출하게 된다. As described above, the present invention moves carriers escaping from the quantum structure layer by infrared rays to the channel layer having high mobility by using electrical potential on the gate electrode or the back gate electrode, and increases the electron concentration of the channel to the drain electrode and the source. Detection through the electrode.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다. 또한 본 실시예는 본 발명의 권리범위를 한정하는 것은 아니고, 단지 예시로 제시된 것 이다. Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. In addition, this embodiment is not intended to limit the scope of the present invention, but is presented by way of example only.
본 발명은 양자우물과 양자점등의 양자구조를 흡수 층으로 사용 하는 적외선 수광소자에 모두 적용 할 수 있는 것으로, 이후에서는 양자우물을 흡수 층으로 하는 소자를 기준으로 설명한다. The present invention can be applied to both an infrared light receiving device using a quantum well and a quantum structure such as quantum dots as an absorbing layer, hereinafter will be described with reference to a device having a quantum well as an absorption layer.
본 발명은 또한 모든 HEMT 구조에 대해 적용할 수 있으나 아래에서는 일반적으로 사용되는 AlxGa1-xAs/InxGa1-xAs/GaAs pHEMT를 기준으로 설명한다.The present invention can also be applied to all HEMT structures but will be described below with reference to Al x Ga 1-x As / In x Ga 1-x As / GaAs pHEMT which is generally used.
도 3과 도 4는 일반적인 AlxGa1-xAs/InxGa1-xAs/GaAs pHEMT의 반도체 구조와 에너지 밴드 다이어그램으로, 게이트 전극(413)에 전압(Vgs)을 인가하여 n 도핑 된 AlxGa1-xAs 층(311)으로부터 기인된 InxGa1-xAs 채널(312)의 전자 농도를 제어할 수 있으며, 채널의 전자농도는 드레인전극(412)과 소스전극(411)을 흐르는 전류(Ids)의 양을 통해 감지된다. 3 and 4 are semiconductor structures and energy band diagrams of a general Al x Ga 1-x As / In x Ga 1-x As / GaAs pHEMT, and n-doped by applying a voltage (V gs ) to the
게이트 전극(413)에 양의 전압을 인가하는 경우, 채널의 농도는 증가하게 되어 드레인전극(412)과 소스전극(411)간 전류(Ids)는 증가하고, 반대로 게이트 전극(413)에 음의 전압을 인가하는 경우 드레인전극(412)과 소스전극(411)간 전류는 감소하게 된다.When a positive voltage is applied to the
도 5와 도 6은 본 발명 중 하나인 AlxGa1-xAs/InxGa1-xAs/GaAs pHEMT 구조를 가지는 양자구조 적외선 수광소자의 구조와 에너지 밴드 다이어그램을 나타낸 도면이다. 5 and 6 are diagrams illustrating a structure and an energy band diagram of a quantum infrared light receiving device having an Al x Ga 1-x As / In x Ga 1-x As / GaAs pHEMT structure according to the present invention.
도 5에 도시된 바와 같이 도핑된 양자우물층(522)내의 전자들은 상온에서 열에너지에 의해 채널층(523)의 전자 농도를 증가시키며, 채널층(523)의 전자농도는 드레인전극(512)과 소스전극(511)간 전류를 통해 감지된다. As shown in FIG. 5, the electrons in the doped
이때, 양자구조층으로써 30~80ㅕ 두께의 GaAs층과 100~600Å 두께의 AlxGa1-xAs (x=0.01~1) 층으로 구성된 1~50 주기의 양자우물층(522)으로 구성할 수 있으며, GaAs 기판 위에 성장된 InAs 양자점층으로 구성할 수도 있다. In this case, the quantum structure layer is composed of a
또한, 양자우물층(522)으로 사용되는 물질은 AlxGa1-xAs/GaAs, InxGa1-XAs/InP, InxGa1-XAs/GaAs 등이 있으며, 양자점층으로 사용되는 물질은 GaAs 기판 위에 성장된 InAs 및 InxGa1-xAs 등이 있다. In addition, materials used as the
이와 같이 구성된 수광소자를 냉각시킴으로써, 양자우물층(522) 내 전자들이 열에너지가 아닌 광에너지를 통해 양자우물층(522) 내에 구속되어 있는 상태의 전자들(613)은 상위 에너지 상태로의 천이(621)가 일어나게 되고, 천이된 전자들은 채널층(612)으로 이동하여 채널의 전자농도를 증가시키게 되며 이는 드레인전극(512)과 소스전극(511)간의 전류 (Ids) 증가로 감지된다.By cooling the light-receiving element configured as described above, the
연속적으로 입사하는 1~20㎛의 파장을 갖는 적외선에 의해 양자우물층(522) 내 전자가 계속적으로 천이되기 위해서는 전자가 양자우물층(522)에 계속적으로 공급되어야 한다. 그러면 양자우물층(522)에 공급되는 전자는 채널층(523)을 통해 흐르는 드레인전극(512)과 소스전극(511)간 전류의 양자우물층(522)을 통해 흐르는 누설전류(531)에 의해 이루어지게 되며, 이러한 누설전류는 도 5에 도시된 바와 같이 반도체 기판에 제작된 백게이트 전극(514)에 양의 전압(Vbs)을 인가하여 조절이 가능하며, 누설 전류에 의해 양자우물층(522)에 공급되는 전자의 양이 적외선에 의해 탈출된 광전자의 수보다 작도록 해주면, 적외선이 양자우물층(522)에 입사시 양자우물(611)은 플러스의 전하량을 가지게 되며, 이는 일반적인 AlxGa1-xAs/InxGa1-xAs/GaAs pHEMT의 게이트전극(513)에 양의 전압이 인가된 것과 같은 효과를 가지므로, 채널(612)의 전자 농도를 증가시키게 된다.The electrons must be continuously supplied to the
위에서 백게이트 전극(514)에 전압을 인가함으로써 양자우물층(522)에 공급되는 전자들의 양을 조절하여 적외선 입사시 양자우물층(522)내 전기적으로 중성이 되지 않도록 한다. By applying a voltage to the
일반적인 pHEMT에서 게이트 전압의 증가분에 따른 드레인과 소스간 전류의 증가분을 pHEMT의 전류 이득이라 부르며 본 발명에 의한 pHEMT 구조를 가지는 양자우물 적외선 수광소자의 광전류는 pHEMT의 전류이득을 가지게 된다.In general pHEMT, the increase of the current between the drain and the source according to the increase of the gate voltage is called the current gain of the pHEMT. The photocurrent of the quantum well infrared light receiving device having the pHEMT structure according to the present invention has the current gain of the pHEMT.
본 발명에 의한 pHEMT 구조를 가지는 양자우물 적외선 수광소자의 게이트 전극(513)에 충분한 큰 음의 전압을 인가하면 채널층(523)과 양자우물층(522)내의 전자들이 모두 공핍되며, 전류는 드레인전극(512)과 소스전극(511)를 사이를 흐르지 못하게 된다. 따라서, 수광소자의 백게이트 전극(514)에 인가되는 전압(Vbs)을 통하여 광전류를 스위칭할 수 있게 된다.When a large enough negative voltage is applied to the
수광소자에서 적외선은 게이트 영역으로 웨이퍼 표면에 수직으로 입사되며, 적외선 입사시 소스와 드레인을 통해 흐르는 전류가 증가하게 된다. 양자우물은 전자를 2차원적으로, 양자점은 전자를 3차원적으로 구속 하며, 적외선을 양자구조층에 여러 방향으로 입사시켜주면 양자구조층과 적외선의 커플링 효율을 높일 수 있게 되며, 이는 수광소자의 양자 효율을 높이게 된다. In the light-receiving device, the infrared rays are incident perpendicularly to the wafer surface in the gate region, and when the infrared rays are incident, the current flowing through the source and the drain increases. Quantum wells confine electrons two-dimensionally and quantum dots confine electrons three-dimensionally, and when infrared rays are incident on the quantum structure layers in various directions, the coupling efficiency between the quantum structure layers and the infrared rays can be increased. This increases the quantum efficiency of the device.
즉, 적외선이 입사되는 영역은 도7의 드레인전극(712)과 소스전극(711)간 간격으로 게이트 전극(713) 영역으로 게이트 금속 형태를 빗살 형태의 회절격자 형식으로 되도록 한다.That is, in the region where the infrared ray is incident, the gate metal form the comb-tooth-shaped diffraction grating in the region of the
또한, 도 8은 도7의 구조를 위에서 본 도면으로써 게이트 전극(813)은 0.5~2㎛의 넓이를 가지는 전극이 3~15㎛ 간격으로 주기적으로 형성되도록 광 회절 격자 구조(713, 813)로 하여 게이트 전극(713, 813)에 수직으로 입사하는 적외선이 양자우물에 여러 방향으로 입사되어 소자의 양자효율을 높일 수 있도록 한다. FIG. 8 is a view of the structure of FIG. 7 from above. The
도 9a, 도 9b, 도 10a, 도 10b 는 본 발명에 의한 양자구조 적외선 수광소자의 구조와 에너지 밴드 다이어그램들이다. 도 9a와 도 9b는 양자구조체 층이 채널 아래에 존재하는 구조이고, 도 10a와 도 10b는 양자구조체 층이 채널 위에 존재하는 구조이다. 9A, 9B, 10A, and 10B are structure and energy band diagrams of a quantum structure infrared light receiving device according to the present invention. 9A and 9B illustrate a structure in which a quantum structure layer exists below a channel, and FIGS. 10A and 10B illustrate a structure in which a quantum structure layer exists above a channel.
도 9a와 도 9b에 도시된 바와 같이 양자구조체 층이 채널 아래에 존재하는 구조는 GaAs 반도체 기판(917)에 성장된 게이트 형성을 위한 schottky 전극이 형성되어지는 AlxGa1-xAs schottky 접합 층(911)과 GaAs층으로 구성되는 스페이서층(912), InxGa1-xAs 로 성장된 채널 층(913)과 GaAs 혹은 AlxGa1-xAs 층으로 형성되는 스페이서층(914)으로 구성되며, 양자 구조체 층은 1~50 주기로 성장된 AlxGa1-xAs(916)/ GaAs(915) 양자 우물 혹은 InxGa1-xAs 양자점 (915)과 GaAs (916)층으로 구성이 된다.As shown in FIGS. 9A and 9B, a structure in which a quantum structure layer is present under a channel is formed of an Al x Ga 1-x As schottky junction layer in which a schottky electrode for forming a gate grown on a
도 10a와 도 10b에 도시된 바와 같이 양자구조체 층이 채널 위에 존재하는 구조는 GaAs 반도체 기판(106)에 성장된 게이트 형성을 위한 schottky 전극이 형성되는 AlxGa1-xAs schottky 접합층(101)과 1~50 주기로 성장된 AlxGa1-xAs(103)/ GaAs(102) 양자 우물 혹은 InxGa1-xAs 양자점(102)과 GaAs (103)층, 스페이서층(104), InxGa1-xAs 로 구성되는 채널층(105)으로 구성된다.As shown in FIGS. 10A and 10B, a structure in which a quantum structure layer is present on a channel includes an Al x Ga 1-x As
본 발명에 의한 양자구조 적외선 수광소자를 이용하여 FPA를 제작하는 경우, 도 2의 다이오드 형태의 양자구조 적외선 수광소자와는 달리 각각의 소자의 전류를 선택해주기 위한 스위치를 사용하지 않고 게이트에 인가되는 전압을 통하여 소자의 전류를 선택하여 줄 수 있다. When manufacturing the FPA using the quantum structure infrared light receiving device according to the present invention, unlike the quantum structure infrared light receiving device of the diode type of Figure 2 is applied to the gate without using a switch for selecting the current of each device The current of the device can be selected through the voltage.
즉, 도 11에 도시된 바와 같이 본 발명에 의한 양자구조 적외선 수광소자를 이용하여 제작한 FPA에서는 수광소자(1101)의 게이트 전압에 인가되는 전압을 통해 광전류를 선택하게 된다.That is, as shown in FIG. 11, in the FPA manufactured using the quantum structure infrared light receiving device according to the present invention, the photocurrent is selected through a voltage applied to the gate voltage of the
위와 같이 적외선에 의해 양자구조층에서 전자가 탈출한 후, 양자구조층에 공급되는 전자의 수를 충분하지 않도록 게이트와 백게이트 전압을 인가하여, 빛이 입사하였을 때 양자구조층의 전하량이 플러스가 되도록 하여 마치 게이트에 플러스 의 전기신호가 인가 된 것과 같은 효과를 가지도록 하여, 다이오드 형태의 양자구조 적외선 수광소자보다 매우 큰 광전류 이득을 가지며, 게이트 전압을 이용하여 광전류를 스위칭 할 수 있으므로, 다이오드 형태의 양자구조 적외선 수광소자에 비해 간단한 공정을 통해 FPAs를 구현할 수 있으며, 광 회절 격자 구조로 게이트 전극을 제작하여 양자구조에 빛을 효율적으로 결합시켜 양자효율을 높일 수 있게 된다.After the electrons escape from the quantum structure layer by infrared rays as above, the gate and backgate voltages are applied so that the number of electrons supplied to the quantum structure layer is not sufficient. As a positive electric signal is applied to the gate, it has a much larger photocurrent gain than a quantum infrared receiver in the form of a diode, and the photocurrent can be switched using a gate voltage. FPAs can be implemented through a simple process compared to the infrared light receiving device of the quantum structure, and the gate electrode is made of an optical diffraction grating structure to efficiently combine light to the quantum structure to increase the quantum efficiency.
상기한 바와 같이 본 발명은 다이오드 형태의 양자구조 적외선 수광소자가 아닌, 양자우물이나 양자점과 헴트(HEMT ; High Electron Mobility Transistor)를 결합한 양자구조의 적외선 수광소자를 형성하여 높은 광전류를 가지고 CMOS 스위치 없이 수광소자 자체로 스위칭이 가능하며 수광소자 자체를 트랜지스터로서 ROIC(Read Out Integrated Circuit) 제작에 이용할 수 있는 이점이 있다. As described above, the present invention is not a quantum structure infrared light receiving device of the diode type, but forms a quantum well or a quantum dot infrared light receiving device that combines a quantum dot and a HEMT (HEMT; High Electron Mobility Transistor) to have a high photocurrent without a CMOS switch Switching is possible with the light-receiving element itself, and there is an advantage that the light-receiving element itself can be used as a transistor for manufacturing a read out integrated circuit (ROIC).
또한, 수광소자 자체의 트랜지스터에 의해 광전류가 트랜지스터의 전류 이득을 통해 증폭되므로 광전류를 증폭시키기 위한 추가적인 증폭회로가 필요로 하지 않는 이점이 있다. In addition, since the photocurrent is amplified by the current gain of the transistor by the transistor of the light receiving element itself, there is an advantage that does not require an additional amplifier circuit for amplifying the photocurrent.
또한, 수광소자의 게이트 금속 형태를 빗살 형태의 회절격자 형식으로 형성하여 적외선이 여러 방향으로 입사되도록 함으로써 입사되는 빛의 효율을 높여 전체적인 수광소자의 양자 효율을 높일 수 있는 이점이 있다.In addition, by forming a gate metal form of the light receiving element in the form of a comb-tooth diffraction grating form, the infrared ray is incident in various directions to increase the efficiency of the incident light, thereby improving the overall quantum efficiency of the light receiving element.
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| KR100937587B1 (en) * | 2007-12-13 | 2010-01-20 | 한국전자통신연구원 | Photo-detecting devices and methods of forming the same |
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