KR20070044922A - 자외선 감지용 반도체 소자 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 자외선 감지용 반도체 소자에 관한 것으로, 기판 위에 형성된 InxGa1-xN (0≤x≤0.5)층을 광 흡수층으로 형성된 구조 또는 그 위에 광 흡수층보다 In 조성이 적고 매우 얇은 InyGa1 - yN (0≤y≤x) 층을 캡핑(capping)층으로 형성된 구조에서 그 위에 투과성의 쇼트키 접합 층을 형성하고 오믹접합층은 광 흡수층, 캡핑층 위 또는 고온 버퍼층 상에 형성하여 장파장 쪽의 컷-오프 파장이 375nm 보다 긴 파장을 갖는다.
자외선, 반도체, 소자, 오믹접합층, 컷-오프 파장, 광 흡수층

Description

자외선 감지용 반도체 소자 {Ultraviolet rays sensor}
도 1은 종래 자외선 감지용 반도체 소자의 단면도,
도 2는 도 1에 도시된 소자의 평면도,
도 3은 종래 자외선 감지용 반도체 소자의 단면도,
도 4는 도 3에 도시된 소자의 평면도,
도 5는 종래 반도체 소자의 감지영역을 나타낸 그래프,
도 6은 본 발명에 의한 반도체 소자의 감지영역을 나타낸 그래프,
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 의한 반도체 소자의 단면도,
도 8은 도 7에 도시된 반도체 소자의 평면도,
도 9는 본 발명의 제 2 실시 예에 의한 반도체 소자의 단면도,
도 10은 도 9에 도시된 반도체 소자의 평면도,
도 11은 본 발명의 제 3 실시 예에 의한 반도체 소자의 단면도,
도 12는 도 11에 도시된 반도체 소자의 평면도,
도 13은 본 발명의 제 4 실시 예에 의한 반도체 소자의 단면도,
도 14는 도 13에 도시된 반도체 소자의 평면도이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10 : 기판 11 : 저온 버퍼층
12 : 고온 버퍼층 13 : 광 흡수층
14 : 쇼트키 접합층 15 : 쇼트키 패드층
16 : 오믹접합층 17 : 캡핑층
본 발명은 자외선 감지용 반도체 소자에 관한 것으로 특히 광 흡수층을 InxGa1 -xN (0≤x≤0.5)층으로 하거나 또는 그 위에 광 흡수층보다 In 조성이 적고 매우 얇은 InyGa1 - yN (0≤y≤x) 층을 캡핑(capping) 층으로 하고 그 위에 쇼트키 접합층을 형성함으로서 종래의 AlGaN, GaN 물질을 광 흡수층으로 사용한 검출기보다 장파장 쪽의 컷-오프(cut-off) 파장이 큰, 즉 375nm 보다 긴 파장을 검출하기에 적당하도록 한 자외선 감지용 반도체 소자에 관한 것이다.
파장이 400nm 이하인 자외선은 파장별로 여러 대역으로 나뉘는데, UV-A영역은 320nm-400nm로서 태양광 중 지표면에 도달하는 98% 이상이 UV-A영역이다. UV-A는 인체의 피부에 흑화 현상이나 피부 노화에 영향을 준다. UV-B영역은 280nm-320nm로서 태양광 중 대략 2% 만이 지표면에 도달하게 되는데, 인체에는 피부암이나 백내장, 홍반 현상 등 매우 심각한 영향을 준다. UV-B는 오존층에 의해서 대부분 흡수되지만 최근에 오존층의 파괴에 의해 지표면에 도달하는 양이 증가하고 그 지역이 증가하고 있어서 심각한 환경 문제로 대두되고 있다. UV-C는 200nm-280nm로서 태양광에서 오는 것은 모두 대기중에 흡수되어 지표면에 거의 도달하지 않는다. 이 영역은 살균작용에 많이 이용되고 있다. 이러한 자외선이 인체에 미치는 영향을 정량화 한 것 중에 대표적인 것이 UV-B 입사량으로 정의된 자외선 지수(UV Index)이다.
자외선을 감지할 수 있는 소자는 PMT(photo multiplier tube)나 반도체 소자가 있는데, PMT보다 반도체 소자가 값싸고 크기가 작기 때문에 최근에는 대부분 반도체 소자를 많이 사용한다. 반도체 소자에서는 에너지 밴드갭이 자외선 감지에 적당한 GaN, SiC등과 에너지 밴드갭이 작지만 Si이 많이 이용되고 있다. 이 중에 특히 GaN를 기반으로 하는 소자의 경우 쇼트키 접합 형태와 MSM(metal-semi conductor-metal)형태 그리고 PIN 형태의 소자가 주로 사용되는데, 특히 쇼트키 접합 형태의 소자가 공정이 간단하여 선호되고 있다.
종래의 쇼트키 접합 자외선 감지소자의 구조가 도 1 및 도 2에 나타나 있다. 도 1 및 도 2에서 보듯이 종래의 쇼트키 접합 자외선 감지소자는 우선 기판(10) 위에 MOCVD나 MBE를 이용하여 GaN, SiC층을 성장한다. 사용하는 기판(10)은 GaN층 성장의 경우 사파이어가 가장 많이 사용되며, Si이나 GaAs, SiC 등도 사용되며, 드물게는 유리도 사용이 된다. 사파이어 기판의 경우 (0001)면에 성장을 하게 되는데, GaN와 사파이어 간의 격자상수 차이에 의해 바로 성장하면 크랙이 발생하여 층이 제대로 성장되지 않는다. 따라서 정상적인 성장온도보다 낮은 500~600℃의 온도에서 저온 버퍼층(11)을 성장하고 난 후 성장온도를 올려서 소자에 필요한 층을 성장 하게 된다. 저온 버퍼층은 GaN나 AlN를 주로 성장하며 두께는 0.1um 이하이다. 저온 버퍼층을 성장한 다음 그 위에 고온 버퍼층(12)을 성장하는데 주로 GaN층을 성장하며, 일반적으로 0.5~2 um정도를 성장해야 기판과 버퍼층에 기인한 결함의 영향을 줄여서 층의 결정특성이 양호해진다. 고온 버퍼층은 광 흡수층이 AlGaN층인 경우 AlGaN층을 성장하기도 한다. 고온 버퍼층은 층의 도핑농도를 n-타입으로 유지하기 위해 Si과 같은 도펀트로 인위적으로 도핑을 하기도 한다. 고온 버퍼층 성장후에 광 흡수층(13)을 성장하는데 흡수하고자 하는 광의 파장에 따라 UV-A 영역을 감지하기 위해 GaN층을 광 흡수층으로 사용한다. 그러나 UV-A의 파장 대역이 400nm~ 320nm이지만 GaN를 광 흡수층으로 할 경우 컷-오프 파장이 375nm로 정확한 UV-A 파장을 검출하지 못하는 단점이 있다. UV-B, UV-C 영역을 감지하기 위해서는 광 흡수층에 Al조성을 다르게 하여 성장하기도 하는데, 예를 들어 UV-B영역을 감지하고자 한다면, Al이 약 30% 함유된 AlGaN층을 성장하고, UV-C영역을 감지하고자 한다면 Al이 45%정도 함유된 AlGaN층을 성장한다. 고온 버퍼층이 GaN이고 광 흡수층이 AlGaN인 경우 Al조성이 높으면 격자상수 차이에 의해 성장 중이나 성장 후에 crack이 발생하여 소자동작을 하지 못하므로 고온 버퍼층과 광 흡수층 사이에 또 다른 중간 버퍼층을 삽입하기도 한다. 삽입되는 중간 버퍼층은 AlGaN이나 AlN층을 성장하는데 성장온도를 낮추거나 광 흡수층보다 Al조성이 큰 층을 얇게(<0.1um) 성장한다. 광 흡수층의 도핑농도는 n-타입으로 유지하면서 도핑농도가 낮아야 효율이 크므로 가능한 1E17cm- 3이하로 유지하는데 AlGaN층의 경우 1E18cm의 도핑농도를 갖기 도 한다. 광 흡수층의 두께는 0.1um에서 2um정도까지 소자의 구조에 따라 다양하게 성장한다. MOCVD성장이 끝난 웨이퍼는 우선 오믹접합층(16)을 형성하는데, 광 흡수층(13) 위에 바로 형성하기도 하고, 또는 광 흡수층을 식각해 내고 고온 버퍼층에 형성하기도 한다. 고온 버퍼층에 오믹 접합을 형성하는 경우는 고온 버퍼층이 광 흡수층보다 도핑농도가 높게 형성되어 오믹접합 특성이 좋을 경우와 광 흡수층이 AlGaN인 경우 오믹접합 특성 확보가 어려울 경우 고온 버퍼층에 GaN 또는 광 흡수층보다 Al조성이 낮은 AlGaN층을 형성하고 여기에 오믹 접합층을 형성하기도 한다. 오믹접합 형성을 위한 금속은 주로 Ti/Al, Cr/Ni/Au등이 사용된다. Ti/Al의 경우Ti(<500Å)/ Al(>3000Å) 두께를 형성하며, 금속을 증착한 후, 질소 또는 질소가 포함된 혼합가스 분위기에서 >400℃ 온도에서 적정 시간 동안 열처리하여 오믹접합층을 형성한다. 오믹접합층을 형성한 다음 쇼트키 접합층(14)을 광 흡수층 위에 형성하는데, 주로 사용하는 금속은 Ni, Pt, Ru, Au등이다. 쇼트키 접합 감지소자의 경우 쇼트키 접합층을 투과해서 광이 광 흡수층으로 입사되어야 하기 때문에 쇼트키 접합층의 자외선 투과도가 중요한 항목이다. 따라서 금속의 두께를 대부분 500Å 이하로 증착하여 형성한다. 또한 전기적인 특성과 신뢰성 특성 개선을 위해 금속 증착 후 열처리를 하여 산화물을 형성하는 경우도 있다. 즉 NiOx나 RuOx등의 개선된 특성이 많이 보고 되어 있다. 열처리 온도는 금속과 공정에 의해 다양하게 진행되는데 주로 300 ℃ 내외에서 진행이 된다.
쇼트키 접합층 위에 전기적인 특성을 개선하기 위하여 광 투과성의 전도층을 추가로 형성하기도 하는데 ITO가 주로 사용된다. 쇼트키 접합층을 형성한 후에 외부 전극과의 와이어 연결을 위해 쇼트키 접합층 위에 Au를 두껍게 증착하여 쇼트키 패드층(15)을 형성한다. 주로 Ni/Au나 Cr/Ni/Au를 사용하며, 오믹접합층 위에도 별도로 형성하기도 한다. 쇼트키 패드층이 형성된 영역은 광이 투과하지 못하여 쇼트키 접합층의 역할을 하지 못하므로 쇼트키 패드층의 영역은 본딩 와이어를 위한 최소한의 공간으로 줄여야 한다. 쇼트키 패드층 까지 형성이 끝나면 기판의 뒷 면을 랩핑/폴리싱하여 전체 두께를 100 um정도로 한 다음에 스크라이브/브레이크하여 개별 소자로 분리하게 된다. 분리된 개별소자는 TO-CAN 타입 패키지나 SMD 타입 패키지에 장착하여 감지소자로서 동작을 하게 된다.
쇼트키 접합 감지소자는 쇼트키 접합층에 의한 쇼트키 장벽효과로 쇼트키 접합층과 맞닿은 광 흡수층에 공핍층이 형성된다. 공핍층 내에서는 전하를 이동할 수 있는 전자나 정공이 없는데, 이 때 빛에 의해 발생한 전자나 정공이 쇼트키 접합층과 오믹접합층으로 이동하면서 전류가 흐르게 된다. 즉 감지소자가 자외선에 노출되면 자외선이 쇼트키 접합층을 투과하여 공핍층에 입사하게 되고 입사한 자외선은 전자/정공을 발생시키며 전자는 쇼트키 접합층으로 정공은 오믹접합층으로 이동하게 되면서 전류가 흐르게 되고 이 전류를 감지하여 자외선의 입사 광량을 측정하게 된다. 광 흡수층의 도핑농도가 낮을수록 공핍층의 두께가 커지고 빛에 의한 전자/정공 발생량이 증가하므로 가능한 공핍층의 도핑농도를 낮게 하는 것이 좋다. 또한 쇼트키 접합층을 투과하여 자외선이 감지되므로 쇼트키 접합층의 투과율이 좋아야 하는데 금속의 두께를 얇게 하던가, 투과율이 좋은 금속을 사용해야 한다. 또한 쇼트키 접합에 의한 전위장벽이 높을수록 안정된 전기적 특성을 가지게 되므로 이러한 특성에 대한 전반적인 고려를 하여 쇼트키 접합층을 형성한다. 일반적으로 소자의 동작시에는 외부에서 바이어스를 따로 인가하지 않지만 광 변환효율을 높이기 위해서 역방향으로 바이어스를 인가하기도 한다. 즉 쇼트키 접합층에 부(-)의 바이어스를 주고 오믹접합층에 정(+)의 바이어스를 인가한다. 이 경우에 공핍층의 두께가 증가하여 광 변화효율이 증가한다. 감지소자를 TO-can 타입이나 SMD 타입으로 패키지 할 경우에 자외선을 투과하는 물질로 창을 구성해야 하는데 주로 석영(quartz)이 사용된다. 또는 Si계열의 인캡슐턴트(encapsultant)로 구성하기도 한다.
종래의 GaN 층을 광 흡수층으로 사용하여 UV-A 영역을 감지하기 위해 제작된 감지소자의 경우 도 5에 도시된 바와 같이 UV-A 반등도(A/W) 10%의 값에 해당하는 컷-오프 파장이 375nm로 순수한 UV-A(400nm~320nm) 영역을 검출하지 못하는 문제가 있으며, GaN를 광 흡수층으로 사용한 경우 컷-오프 파장 375nm 보다 긴 파장을 검출하지 못하는 단점이 있다. 한편, 컷-오프 파장 375 nm 보다 짧은 파장의 검출 소자는 AlxGa1-xN(0≤x≤1)층을 광흡수층으로 하고, 광흡수층의 Al 조성을 변화하면 컷 -오프 파장을 다양하게 조절 할 수 있다. 예를 들면 UV-B 컷 오프 파장 영역을 검출하기 위해 Al 조성이 약 30 % 함유된 Al0.3Ga0.7N 층을 광흡수층으로 사용하고, UV-C 컷 오프 파장 영역을 검출하기 위해서는 Al 조성이 약 45% 정도 함유된 AlGaN층을 광 흡수층으로 사용하면 된다.
본 발명은 상기한 종래의 제반 문제점을 해소하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 자외선 감지용 반도체 소자에 있어서, 특히 광 흡수층을InxGa1 - xN (0≤x≤0.5)층으로 하거나 또는 그 위에 광 흡수층보다 In 조성이 적고 매우 얇은 InyGa1 - yN (0≤y≤x) 층을 캡핑(capping) 층으로 하고 그 위에 쇼트키 접합층을 형성함으로서 종래의 AlGaN, GaN 물질을 광 흡수층으로 사용한 검출기 보다 장파장 쪽의 컷-오프 파장이 큰, 즉 375nm 보다 긴 파장을 검출하기에 적당한 자외선 감지용 반도체 소자를 제공하는데 있다.
이와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 종래의 UV-A(320nm~400nm) 파장을 검출하기 위해 사용된 GaN 광 흡수층 대신 정확한 UV-A (320nm~400nm) 파장을 검출하기 위해 광 흡수층으로 InxGa1 - xN (0≤x≤0.5) 층을 사용하여 형성된 구조 또는 그 위에 광 흡수층(13)보다 In 조성이 적고 매우 얇은 InyGa1 - yN (0≤y≤x) 층을 캡핑(capping)층으로 형성한 구조로 그 위에 투과성의 쇼트키 접합층을 형성하고 오믹접합층은 광 흡수층 위 또는 캡핑층 위나 고온 버퍼층 상에 형성한 반도체 수광소자로 정확한 UV-A(320nm~400nm) 파장을 검출하거나 GaN을 광 흡수층으로 한 경우 컷-오프 파장인 375nm 보다 긴 파장을 검출하기 위한 구조로 형성된 자외선 감지용 반도체 소자를 제공한다.
이하, 본 발명을 한정하지 않는 바람직한 실시 예 들을 첨부된 도면에 의하여 상세히 설명하기로 한다.
도 7,8 및 도 9,10은 각각 본 발명의 제 1실시 예와 제 2실시 예에 의한 자외선 감지용 반도체 소자를 도시한 것으로, 도 1 내지 도 4에 도시된 바와 같이 종래의 기술에서는 UV-A(400nm~320nm)를 검출하기 위해 GaN 층을 광 흡수층(13)으로 사용하였지만 본 실시 예 들에서는 종래의 구조와 달리 두꺼운 InxGa1 - xN (0≤x≤0.5) 층을 광 흡수층(13)으로 구성된 구조 또는 그 위에 광 흡수층보다 In 조성이 적고 매우 얇은 InyGa1 - yN (0≤y≤x) 층이 캡핑층(17)으로 구성되어 있다.
공정 기술을 보면 기판(10)은 주로 사파이어를 사용하지만 SiC, Si, GaAs, 유리 등도 사용이 가능하다. 직경이 2인치인 사파이어 기판의 경우 두께는 300~450um 이며 성장면으로 주로 (0001)면이 사용되는데 틸트(tilt)를 준 기판도 광 흡수층의 표면을 개선하기 위해 많이 사용된다. 기판(10) 위에 성장을 위한 장치로는 주로 MOCVD, MBE, HVPE등이 사용된다. MOCVD의 경우 기판(10)을 장착한 후 온도를 1,000℃ 이상으로 올려서 기판(10) 표면의 불순물을 제거하는 열적 세정 공정을 한 다음 성장을 하게 되는데, 먼저 저온 버퍼층을 성장한다. 즉 MOCVD의 성장온도를 500~600℃로 낮춘 다음, 200~500Å 두께로 저온 버퍼층(11)을 성장하는데 GaN 또는 AlN를 성장한다. 저온 버퍼층을 성장하는 이유는 기판과 성장하는 층의 격자상수가 달라서 결정성장이 안되기 때문에 이를 해결하기 위한 것이다. 저온 버 퍼층(11) 성장 이후 성장온도를 1,000℃ 이상으로 올리고 고온 버퍼층(12)을 성장한다. 고온 버퍼층(12)은 주로 GaN층을 성장하며, 일반적으로 두께는 0.5~3um이고 인위적으로 도핑을 하든 하지 않든 n-타입으로 도핑이 된다. 도핑농도는 mid. E16 ~ low E18 cm-3 정도로 유지한다. 고온 버퍼층(12) 위에 자외선을 흡수하여 전류를 발생하는 광 흡수층(13)을 성장한다. 광 흡수층(13)은 InxGa1 - xN (0≤x≤0.5) 층을 1 um 두께 이하로 성장을 하는데 가능한 낮은 도핑농도를 갖도록 성장한다. 광 흡수층(13)을 InxGa1 - xN (0≤x≤0.5) 층으로 성장하는 경우 InxGa1 - xN (0≤x≤0.5)층은 온도에 따라 In 조성의 큰 차이를 나타낸다. 온도가 850℃ 보다 높은 경우 In 유량이 증가하여도 많은 양의 In 조성을 갖는 광 흡수층인 InxGa1 - xN (0≤x≤0.5)층을 얻지 못하기 때문에 온도가 850℃ 이하에서 성장되어야 한다. 또한 InxGa1 - xN (0≤x≤0.5) 광 흡수층의 두께가 0.1um 이하가 되면 낮은 광 반응도(A/W)를 갖기 때문에 광 반응도(A/W)가 높은 광 흡수층을 얻기 위해서는 0.1um 이상이 되는 광 흡수층이 효과적이다. 광 흡수층(13)의 성장 후 캡핑층(17)을 성장하게 된다. 캡핑층으로 20nm 이하의 InyGa1 - yN (0≤y≤x)층을 사용할 수 있다. 캡핑층은 광 흡수층보다 In 조성이 적은 층으로 되어 있으며, 캡핑층의 성장 온도는 600~1200℃ 사이에서 성장할 수 있다. 캡핑층의 두께는 광 흡수층에 형성되는 SCR(space charge region)영역의 두께보다 최소한 1/10보다 작게 형성을 해야 광 흡수층에 의한 광반응도에 10% 이하의 영향을 주게 된다. 또한 도핑농도도 광 흡수층과 같거나 낮게 도핑을 형성해야 한다. 캡핑층까지 끝나면 성장된 시료를 성장 장치에서 꺼내어 HF용액으로 세정한 다음 바로 칩 제조공정을 진행한다. 먼저 캡핑층(17) 상에 포토레지스터로 패턴을 형성하고 전자빔이나 열 증착기를 이용하여 Ti/Al금속 등을 증착한 다음 포토레지스터를 제거하여 오믹접합층(16)을 형성한다. N-타입 GaN층에 오믹접합을 형성하기 위해 주로 사용되는 금속은 Ti/Al, Cr/Ni/Au등이 있으며 증착두께는 Ti/Al의 경우 Ti(100~500Å)정도 Al(5,000~10,000Å)정도를 증착한다. 증착된 오믹접합층(16)은 오믹접합 특성을 확보하기 위해 열처리 공정을 진행하는데, 일반적으로 500℃내외의 온도에서 질소 또는 일반 공기 분위기에서 수분간 열처리 진행한다.
Cr/Ni/Au와 같이 열처리를 하지 않아도 오믹접합 특성이 확보되는 금속도 있다. 오믹접합층(16)은 광 흡수층(13), 캡핑층(17) 상에 형성하기도 하지만 오믹접합 특성을 광 흡수층, 캡핑층에서 얻기 어려울 때는 도 10 내지 도 14에서와 같이 캡핑층(17)과 광 흡수층(13)을 식각해내고 고온 버퍼층(12) 상에 형성하기도 한다. 식각은 주로 유도결합형 플라즈마 발생장치(ICP)를 이용한 건식 식각방법을 사용한다. 오믹접합층(16) 형성 이후 쇼트키 접합층(14)이 형성될 영역을 포토레지스터로 패턴을 형성하고 전자빔(e-beam) 이나 열 증착기(thermal evaporator)를 이용하여 Ni, Ru, ITO(Indium-Tin-Oxide), Pt, Pd, Au 등을 얇게 증착한 다음 포토레지스터를 제거하여 쇼트키 접합층(14)을 형성한다.
증착하는 쇼트키 금속의 두께는 투과도를 고려하여 100Å 이하로 한다. 쇼트키 금속을 증착한 다음 열처리를 진행하는데 오믹접합층(16) 형성시 진행한 온도보다 낮은 온도로 진행한다. Ni을 증착한 경우에 산소 분위기에서 열처리를 하면 NiOx가 형성이 된다. 또한 Ni을 열처리하지 않고 쇼트키 접합층으로 형성하기도 한다. 쇼트키 접합층(14) 형성 이후에 쇼트키 패드층(15) 형성을 위해 포토레지스터로 패턴을 형성하고 전자빔이나 열 증착기를 이용하여 Ni/Au, Pt/Au 등을 증착한 다음 포토레지스터를 제거하여 쇼트키 패드층(15)을 형성한다. 증착 두께는 Ni, Pt(<500Å), Au(>5,000Å)정도로 하며 별도의 열처리는 하지 않는다. 쇼트키 패드층(15)까지 형성이 되면 입사되는 자외선의 반사를 막기 위해 SiO2 등으로 파장에 맞는 두께를 증착하기도 한다. 이후 웨이퍼 상태에서 소자의 특성을 검사하여 양호한 소자와 불량 소자를 잉크 마크로 구별한 다음 기판(10)의 뒷 면을 ㄱ그그라인딩/랩핑/폴리싱하여 전체 두께를 100um정도로 형성한 다음 스크라이브 및 브레이크 공정에 의해 개별 칩으로 분리하여 패키지 공정을 진행한다. 패키지 공정에서는 TO-CAN 타입이나 SMD 타입의 패키지에 제작한 칩을 다이 본딩하고 쇼트키 패드층(15)과 오믹접합층(16)을 각각 패키지의 양극 및 음극에 Au나 Al 와이어를 이용하여 와이어 본딩한다. 이후 칩과 외부환경과 완전히 분리하기 위한 인캡슐턴트나 유리로 최종 조립을 하게 된다. 도 9, 10 및 도 13, 14는 본 발명에서 오믹접합층(16)이 캡핑층(17) 상에 형성되지 않고 고온 버퍼층(12) 상에 형성된 예를 보여주고 있다. 이 경우는 캡핑층(17)의 밴드갭이 높거나 다른 이유로 오믹접합 특성을 얻기 어려울 경우에 형성한다.
종래의 동작과 마찬가지로 제작된 칩은 개별 칩으로 분리되어 TO-CAN나 SMD 타입으로 패키지되어 동작하게 된다. 양극과 음극간에 바이어스를 역방향으로 주던 가 또는 제로 바이어스를 주면 입사된 자외선이 쇼트키 접합층(14)을 투과하여 캡핍층(17)과 광 흡수층(13)에 형성된 공핍층 내에서 흡수되어 전자, 정공을 발생시키고 이들이 각각 음극과 양극으로 이동하여 전류가 흐르므로 입사된 광량을 감지하게 된다. InxGa1 - xN (0≤x≤0.5)의 광 흡수층에서 In 조성을 변화시키면 감지하는 자외선의 파장을 조절할 수 있다. 즉 도 6의 그래프에서 알 수 있는 바와 같이 In 조성이 15%인 InGaN층을 광 흡수층(13)으로 형성하면 밴드갭에 의해 400nm 이하의 파장만 흡수가 되어 정확한 UV-A 영역을 감지할 수 있으며, In 조성을 30%정도로 형성하면 450nm이하의 파장을 흡수하여 UV-A 파장보다 긴 파장에서도 검출이 가능하게 된다.
종래의 기술은 UV-A(400nm~320nm) 파장을 검출하기 위해 컷-오프 파장이 375nm가 되는 GaN 층을 광 흡수층으로 사용하였다. GaN 층을 광 흡수층으로 할 경우 정확한 UV-A 컷-오프 파장을 얻지 못하며, 375nm 보다 긴 컷-오프 파장을 갖는 검출소자를 만들지 못한다. 본 기술에서 광 흡수층으로 InxGa1 - xN (0≤x≤0.5)층이 사용될 경우 In 조성이 15% 정도에서는 컷-오프 파장이 400nm 가 되며, 30% 정도에서는 450nm 컷-오프 파장을 갖는 검출기 소자의 제작이 가능하다. 또한 In 조성 차이에 의해 발생되는 불균일한 쇼트키 특성을 균일하게 개선하기 위해 광 흡수층인 InxGa1 - xN (0≤x≤0.5)층 위에 InyGa1-yN (0≤y≤x) 층을 캡핑(capping)층으로 사용 하였다. 따라서 본 발명에서는 InxGa1 - xN (0≤x≤0.5)을 광 흡수층으로 하여 정확한 UV-A(400nm~320nm)파장 검출 소자를 만들고 또한 GaN를 광 흡수층으로 하여 얻는 375nm 보다 긴 파장의 검출 소자 제작이 가능하다.

Claims (11)

  1. 기판 위에 버퍼층, 광 흡수층, 쇼트키 접합층, 오믹접합층으로 구성된 구조를 갖는 자외선 감지용 반도체 수광 소자에 있어서,
    상기 버퍼층은 AlxGa1 - xN(0≤x≤1) 층으로 구성되고, 상기 광 흡수층은 InxGa1-xN (0<x≤0.5) 층으로 구성되며, 상기 버퍼층이나 광 흡수층 상의 일부 영역에 오믹접합층이 형성되고, 상기 광 흡수층 상에 쇼트키 접합층이 형성되는 것을 특징으로 하는 자외선 감지용 반도체 소자.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 기판은 사파이어, SiC, Si, GaAs, 유리를 포함하는 군으로부터 택일되는 것을 특징으로 하는 자외선 감지용 반도체 소자.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 광 흡수층의 두께가 1um 이하로 이루어진 것을 특징으로 하는 자외선 감지용 반도체 소자.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 오믹접합층으로 Au나 Al을 포함하는 금속으로 이루어지는 것을 특징으 로 하는 자외선 감지용 반도체 소자.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 쇼트키 접합층은 Au, Ru, ITO(Indium-Tin-Oxide), Ni, Pt, Pd을 포함하는 전도성 산화물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 자외선 감지용 반도체 소자.
  6. 기판 위에 버퍼층, 광 흡수층, 캡핑층, 쇼트키 접합층, 오믹접합층으로 구성된 구조를 갖는 자외선 감지용 반도체 수광 소자에 있어서,
    상기 버퍼층은 AlxGa1 - xN(0≤x≤1) 층으로 이루어지고, 상기 광 흡수층은 InxGa1-xN (0<x≤0.5) 층으로 이루어지며, 상기 캡핍층은 InyGa1 - yN (0≤y≤x) 층으로 이루어지고, 상기 버퍼층이나 캡핍층 상의 일부 영역에 오믹접합층이 형성되고, 상기 캡핑층 상에 쇼트키접합층이 형성된 것을 특징으로 하는 자외선 감지용 반도체 소자.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 기판이 사파이어, SiC, Si, GaAs, 유리를 포함하는 군으로부터 택일되는 것을 특징으로 하는 자외선 감지용 반도체 소자.
  8. 청구항 6에 있어서,
    상기 광 흡수층의 두께는 1um 이하로 이루어진 것을 특징으로 하는 자외선 감지용 반도체 소자.
  9. 청구항 6에 있어서,
    상기 캡핑층의 두께가 20nm 이하로 이루어진 것을 특징으로 하는 자외선 감지용 반도체 소자.
  10. 청구항 6에 있어서,
    상기 오믹접합층으로 Au나 Al을 포함하는 금속으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 자외선 감지용 반도체 소자.
  11. 청구항 6에 있어서,
    상기 쇼트키 접합층으로 Au, Ru, ITO(Indium-Tin-Oxide), Ni, Pt, Pd를 포함하는 전도성 산화물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 자외선 감지용 반도체 소자.
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