KR20090118904A - 고온 작동 온도 스플릿오프 밴드 적외선 검출기 - Google Patents

고온 작동 온도 스플릿오프 밴드 적외선 검출기 Download PDF

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KR20090118904A
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조지아 스테이트 유니버시티 리서치 파운데이션, 인크.
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Abstract

실온 및 실온에 근사한 온도의 적외선 검출을 위한 장치 및 방법이 개시되어 있다. 본 발명의 실시예는 고온 스플릿오프 밴드 적외선 검출기(high temperature split-off band infrared detector)를 포함한다. 특히, 일실시예는 사이에 이미터가 배치되는 제1 배리어와 제2 배리어를 포함하고, 이들 배리어는 각각 제1 반도체 재료로 이루어진 층이며, 이미터는 제2 반도체 재료로 이루어진 층이다.

Description

고온 작동 온도 스플릿오프 밴드 적외선 검출기{HIGH OPERATING TEMPERATURE SPLIT-OFF BAND INFRARED DETECTORS}
본 발명은 미국 국립 과학 재단에 의해 부여된 승인 번호 제NSF ECS 0140434호와 미국 국립 과학 재단에 의해 부여된 승인 번호 제NSF ECS 0553051호로서 정부 지원에 의해 이루어졌다. 정부는 본 발명에 대해 소정의 권리를 갖는다.
민간 분야, 산업 분야, 의료 분야, 천문학 및 군사 분야의 광범위한 용례에 있어서 실온이나 실온 근처의 적외선 검출이 중요해지고 있다. 적외선은 광자 검출기와 열검출기에 의해 검출될 수 있다. 그러나, 과량의 암전류(Dark current) 레벨은 적외선 검출기에 의한 신뢰성 있는 적외선 검출을 방해할 수 있다. 암전류는 광검출기에서의 열활성에 의해 생성되는 백그라운드 노이즈이다. 광검출기에서 사용되는 반도체 재료에서, 암전류는 통상적으로 온도와 함께 증가한다. 이 때문에, 암전류는 실온보다 훨씬 낮은 검출기에 대한 작동 온도 한계를 효과적으로 결정한다. 냉각 온도가 77 K이하인 것이 일반적이다. 이것은 검출기 온도를 필요한 레벨로 감소시키는 실체적인 냉각 시스템을 요구할 수 있다. 이에 따라, 실체적인 냉각 요건이 없는 실온 근처의 적외선 검출에 대한 필요성이 존재한다.
본 발명의 실시예는 고온 스플릿오프 밴드 적외선 검출기를 개시한다. 간략하게 말하자면, 특히 일실시예는 각기 제1 반도체 재료층인 제1 배리어와 제2 배리어를 포함한다. 상기 실시예는 이미터(emmiter)와 제1 배리어 사이, 그리고 이미터와 제2 배리어 사이의 각각의 인터페이스에 헤테로 접합부를 형성하도록 제1 배리어와 제2 배리어 사이에 배치되는 이미터를 더 포함하며, 이 이미터는 제1 반도체 재료와 상이한 제2 반도체 재료층이고, 광신호에 대한 스플릿오프 반응(split-off response)을 갖고 차단 파장(cutoff wavelength)을 더 갖는다.
본 개시물의 여러 가지 양태는 이하의 도면을 참고하면 보다 양호하게 이해될 것이다. 도면의 구성 요소는 실제 축적일 필요는 없으며, 대신에 본 개시물의 원리를 명확하게 예시하도록 강조된다. 더욱이, 도면에서 유사한 참조 부호는 복수 개의 도면에 걸쳐 대응하는 부품을 나타낸다.
도 1은 스플릿오프 적외선 광검출기(Split-off Infrared Photodetector; SPIP)를 도시한 도면이다.
도 2는 SPIP 검출기의 단일 주기 동안의 예시적인 p형 밴드 다이어그램의 도면이다.
도 3은 IR 검출 기구를 설명하는 데 사용되는 k-p 밴드 구조 다이어그램의 도면이다.
도 4a는 k-p 밴드 구조와 p형 밴드 다이어그램 상에 나타낸 자유 캐리어 흡수에 관한 도면이다.
도 4b는 k-p 밴드 구조 및 p형 밴드 다이어그램 상에 나타낸, L-H/H-H 밴드로의 스캐터링이 후속하는 스플릿오프 밴드로의 직접적인 광흡수를 도시한 도면이다.
도 4c는 k-p 밴드 구조 및 p형 밴드 다이어그램 상에 나타낸 스플릿오프 밴드로의 간접적인 광흡수를 도시한 도면이다.
도 4d는 k-p 밴드 구조 및 p형 밴드 다이어그램 상에 나타낸, L-H/H-H 밴드로의 스캐터링이 후속하는 스플릿오프 밴드로의 간접적인 광흡수를 도시한 도면이다.
도 5는 제1의 예시적인 SPIP 검출기의 측정 반응도와 예상 흡수 및 측정 흡수를 나타내는 플롯이다.
도 6은 제2의 예시적인 SPIP 검출기의 측정 전환 효율과 산출 흡수율을 나타내는 플롯이다.
도 7a 내지 도 7e는 1 × 1018 cm-3의 p 도핑된 GaAs, InP, AlP, AlN, 및 GaN층 각각에서의 S-O 밴드 흡수에 대한 산출 흡수율을 나타내는 플롯이다.
도 8은 스플릿오프 적외선 광검출기의 변형예를 도시한 도면이다.
도 9는 300 K의 온도에서 작동하는 SPIP 검출기의 반응도를 나타내는 플롯이다.
도 10은 다양한 작동 온도에서의 SPIP 검출기의 반응도를 나타내는 플롯이다.
도 11은 다양한 작동 온도에서의 SPIP 검출기의 반응도를 나타내는 플롯이다.
도 12는 300 K의 온도에서 작동하는 SPIP 검출기의 전환 효율을 나타내는 플롯이다.
도 13은 다양한 작동 온도에서의 SPIP 검출기의 검출능을 나타내는 플롯이다.
도 14는 다양한 OPD에 있어서 313 K의 온도에 대한 검출기의 반응도를 나타내는 플롯이다.
도 15는 다양한 OPD 속도에 있어서 313 K의 온도에 대한 검출기의 전환 효율을 나타내는 플롯이다.
도 16은 300 K의 온도에서 작동하는 직접적인 스플릿오프 한계값 범위 밖의 파장을 갖는 광에 대한 SPIP 검출기의 반응도를 나타내는 플롯이다.
도 17은 300 K의 온도에서 작동하는 직접적인 스플릿오프 한계값 범위 밖의 파장을 갖는 광에 대한 SPIP 검출기의 전환 효율을 나타내는 플롯이다.
본 개시물을 보다 상세히 설명하기에 앞서, 본 개시물은 물론 변동 가능한 설명되는 특정 실시예로 제한되지 않는다는 것을 이해해야 한다. 본 명세서에서 사용되는 용어는 단지 특정 실시예를 설명하기 위한 것이며, 본 개시물의 범위는 첨부된 청구 범위에 의해서만 제한될 것이기 때문에 상기 용어가 제한하고자 하는 것은 아니라는 것 역시 이해해야 한다.
값의 범위가 제공되는 경우, 이 범위의 상한과 하한 사이의 하한의 단위의 소수 첫째 자리(본문에서 이와 달리 명확하게 지시하지 않은 경우)까지 각각의 각각의 매개값(intervening value)과, 전술한 범위에서의 임의의 다른 지정값이나 매개값은 본 개시물 내에 포함된다. 이러한 보다 작은 범위의 상한과 하한은 독립적으로 보다 작은 범위에 포함될 수 있으며, 역시 본 개시물에 포함되며, 지정 범위에서 임의의 특별히 제외된 한계값을 갖는다. 지정 범위가 하나의 한계값 또는 한계값 모두를 포함하는 경우, 이들 포함된 한계값 중 어느 하나 또는 양자를 제외한 범위 역시 본 개시물에 포함된다.
이와 달리 정의되지 않은 경우, 본 명세서에서 사용되는 모든 기술 용어 및 과학 용어는 본 발명이 속하는 업계의 숙련자가 일반적으로 이해하는 것과 동일한 의미를 갖는다. 본 명세서에 설명하는 것과 유사하거나 동등한 임의의 방법 및 재료도 실무와 본 발명의 시험에 사용할 수 있지만, 이제 바람직한 방법과 재료를 설명한다.
본 명세서에 인용되는 모든 공보와 특허는 각 개별 공보나 특허가 특별히 그리고 개별적으로 참고에 의해 포함되도록 지시되는 것과 같이 참고에 의해 본 명세서에 포함되고, 공보에 인용되는 방법 및/또는 재료를 개시하고 설명하기 위해 참고에 의해 본 명세서에 포함된다. 임의의 공보의 인용은 출원일 이전의 그 개시물에 대한 것이고, 본 발명이 이전 개시물에 의해 그러한 공보보다 선행하는 자격을 갖는다는 것을 인정하는 것으로서 해석해서는 안된다. 또한, 제시된 공보의 날짜는 독립적으로 확인할 필요가 있을 수 있는 실제 공개일과 다를 수 있다.
본 개시물을 읽어보면 당업자에게 명백하겠지만, 본 명세서에서 설명하고 예시한 개별 실시예 각각은 본 발명의 범위 또는 사상으로부터 벗어나는 일 없이 다른 복수의 실시예 중 임의의 실시예의 특징과 용이하게 구분할 수 있거나 결합될 수 있는 개별 구성 요소와 특징을 갖는다. 설명하는 임의의 방법은 설명하는 이벤트의 순서로 실행될 수도 있고, 논리적으로 가능한 임의의 다른 순서로 실행될 수도 있다.
본 발명의 실시예는 달리 지시되지 않은 경우 당업계에 속하는 화학, 유기 화학, 액상 화학, 기상 화학, 생물학, 물리학, 양자 물리학 등의 기술을 채용할 것이다. 본문에서 그러한 기술을 충분히 설명한다.
당업자에게 본원에 개시되고 청구되는 방법을 실시하고 본원에 개시되고 청구되는 구성과 화합물을 사용하는 방법에 관해 완벽하게 개시하고 설명하도록 다음 예를 제시한다. 수치(예컨대, 양, 온도 등)에 관한 정확도를 보장하기 위해 노력해왔지만, 몇몇 에러와 편차를 해결해야 한다. 달리 지시되지 않은 경우, 비율은 중량부이고, 온도는 ℃이며, 압력은 대기압이다. 표준 온도와 표준 압력은 25℃와 1 대기압이다.
본 발명의 개시물을 상세히 설명하기에 앞서, 달리 지시되지 않은 경우 본 발명은 특정 재료, 시약, 반응재, 제조 공정 등으로 제한되지 않고, 이들은 변할 수 있다는 것을 이해해야 한다. 본 명세서에서 사용되는 용어는 단지 특정 실시예를 설명하기 위한 것이며, 제한하고자 하는 것이 아니라는 것 역시 이해해야 한다. 본 발명에서는 단계들을 논리적으로 가능한 상이한 순서로 실행할 수 있다는 것 역 시 가능하다.
명세서와 첨부된 청구 범위에서 사용되는 단수 형태는 본문에서 달리 명확하게 지시하지 않는 경우 복수의 대상도 포함한다는 점에 유념해야 한다. 이에 따라, 예컨대 "지지체"에 대한 언급은 복수 개의 지지체를 포함한다. 후속하는 본 명세서와 청구 범위에서는, 다른 의도가 명백하지 않다면 다음 의미를 갖도록 정의되는 복수 개의 용어를 참고할 것이다.
동종 접합 인터페이스 일함수 내부 광전자 방출(Homojunction Interfacial Workfunction Internal Photoemission; HIWTP) 검출기, 이종 접합 인터페이스 일함수 내부 광전자 방출(Heterojunction Interfacial Workfunction Internal Photoemission; HEIWIP) 검출기 및 양자 우물 적외선 광검출기(Quantum Well Infrared Photodetectors; QWIP)와 같은 광자 검출기는 중적외선(MIR) 범위와 원적외선(FIR) 범위에서 적외선을 검출할 수 있다. 일반적으로, MIR에 대한 파장(λ) 범위는 약 5 내지 30 ㎛이고, FIR에 대한 파장 범위(λ)는 30 ㎛보다 크다. HIWIP 및 HEIWIP 검출기는 연속 도핑된 이미터층과 도핑되지 않은 배리어층을 포함할 수 있다. MIR 범위와 FIR 범위에서는, 배리어를 통과하는 내부 광전자 방출과 수집이 후속하는 이미터층에서의 자유 캐리어 흡수에 의해 검출이 일어난다. 차단 파장은 인터페이스에서의 일함수에 의해 결정된다. 일함수는 이미터에서의 도핑에 의해 야기되는 밴드갭 협소화에 의해 영향을 받을 수 있다. 디바이스 파라메터(예컨대, 이미터 영역에서의 도핑 농도와 이미터와 배리어의 재료 조성)를 조절하는 것에 의해, 차단 파장을 소망하는 범위에 맞게 조정할 수 있다.
도 1에는 SPIP 검출기(100)가 도시되어 있다. SPIP 검출기에서, 이종 접합부는 2개의 상이한 전기 타입의, 각기 서로 다른 밴드갭을 갖는 2개의 화학적으로 상이한 재료에 의해 형성된다. 이종 접합부의 일례는 GaAs/Al(X)Ga(1-X)As 접합부이다. x는 0 < x < 1를 만족하는 수이다. 구성은 스플릿오프 밴드 반응에 대해 최적화된 HEIWIP 검출기와 유사하다. 그러나, 검출 기구는 HEIWIP 검출기에 사용되는 것과 상이하다. HEIWIP 검출기의 설명은 참고에 의해 본 명세서에 포함되는, 발명의 명칭 "Heterojunction Far Infrared Photodetector", 2008년 8월 7일자로 발행된 미국 특허 제7,253,432호에 제공된다.
일반적으로, HEIWIP 검출기는 제1 접촉층(130)과 제2 접촉층(140) 사이에 각각 개재된 복수의 이미터층(110)과 배리어층(120)을 가질 수 있다. 배리어층(120)의 총 개수는 N이며, N은 1보다 큰 정수이다. 도 1에 도시한 예시적인 실시예에서, 배리어(120)의 총 개수는 N = 4이다. 다른 실시예에서는 2개의 배리어 사이에 배치된 단일 이미터가 작동 가능하다는 점에 유념하라.
각각의 배리어(120)는 제1의 3족 원소(예컨대, Al, Ga, In, 및 이들의 조합), 제2의 3족 원소(예컨대, Al, Ga, In, 및 이들의 조합) 및 제1의 5족 원소(예컨대, N, P, As, Sb, 및 이들의 조합)로 이루어진 재료층이다. 배리어(120)는 밴드갭에 의해 더욱 특징 지워진다. 각 배리어(120)의 구성 파라메터는 제1의 3족 원소 및 제2의 3족 원소와 제1의 5족 원소의 화학적 동이성, 배리어층(120)의 두께, 제1의 3족 원소와 제2의 3족 원소의 상대 농도, 배리어(120)의 밴드갭 및 배리 어(120)의 총 개수(N)를 포함할 수 있지만, 이것으로 제한되지 않는다.
일실시예에서, 특히 제1의 3족 원소는 Al이고, 제2의 3족 원소는 Ga이며, 제1의 5족 원소는 As이다. 제1의 3족 원소, Al의 농도는 정규화값(x)에 의해 특징 지워지고, x는 0 내지 약 1, 약 0.05 내지 0.50, 및 약 0.16 내지 0.30의 범위이며, 제2의 3족 원소, Ga의 농도는 정규화값(1-x)에 의해 특징 지워진다. 도 1에서 db로 식별되는 각 배리어층(120)의 두께는 약 400 내지 4000 Å, 약 500 내지 1000 Å, 및 600 내지 800 Å의 범위일 수 있다.
광검출기(100)는 이미터층(110)을 더 포함하며, 이미터층의 총 개수는 N - 1이다. 도 1에 도시한 예시적인 실시예에서, 이미터(11)의 총 개수는 N - 1 = 3이다. 각각의 이미터(110)는 제3의 3족 원소(예컨대, Al, Ga, In, 및 이들의 조합)과 제2의 5족 원소(예컨대, N, P, As, Sb, 및 이들의 조합)으로 이루어진 재료층이다. 이미터(110)는 배리어(120)와는 다른 밴드갭에 의해 더욱 특징 지워지며, 각각의 이미터(110)는 이미터(110)와 배리어(120) 사이의 각각의 인터페이스(115)에 이종 접합부를 형성하도록 2개의 배리어(120) 사이에 배치된다. 더욱이, 각각의 이미터(110)는 2족 원소(예컨대, Be, Mg 및 이들의 조합) 및/또는 4족 원소(에컨대, C, Si, Ge, Sn 및 이들의 조합)을 포함- 이들로 제한되지 않음 -하는 도핑 원소를 첨가하는 것에 의해 도핑되어 이미터(110) 내에 자유 캐리어가 형성될 수 있다. 각각의 이미터(110)의 구성 파라메터는 제3의 3족 원소와, 제2의 5족 원소, 그리고 2족 원소, 4족 원소 또는 6족 원소로부터의 도핑 원소의 화학적 동이성, 이 미터층(110)의 두께, 도핑 원소의 도핑 농도, 이미터(110)의 밴드갭, 이미터(110)의 총 개수(N-1)를 포함할 수 있다.
일실시예에서, 특히 제3의 3족 원소는 Ga이고, 도핑 원소는 2족 원소 Be이며, 제2의 5족 원소는 As이다. 도 1에서 de로 식별되는 각 이미터층(110)의 두께는 약 150 내지 700 Å, 약 150 내지 400 Å, 및 약 150 내지 200 Å이다. 도핑 원소의 도핑 농도는 약 1 × 1017 내지 5 × 1019 cm-3, 약 3 × 1017 내지 1 × 1019 cm-3 및 약 1 × 1018 내지 1 × 1019 cm-3일 수 있다. 각각의 이미터(110)의 스플릿오프 밴드갭은 실질적으로 약 3 내지 800 meV, 약 19 내지 390 meV, 및 약 280 내지 390 meV의 일함수(ΔSO)에 의해 특징 지워진다. 각각의 배리어(120)와 각각의 이미터(110)의 인터페이스(115)는 실질적으로 약 15 내지 400 meV, 약 60 내지 400 meV, 및 약 200 내지 400 meV의 일함수(Δ)에 의해 특징 지워진다. 서로 유사한 이들 2개의 일함수를 갖는 것에 의해, 최적 작동 온도를 얻을 수 있다. 인접한 이미터의 일함수의 2배와 대략 동일한 인터페이스의 일함수(Δ)를 갖는 것에 의해, 광검출기(100)의 반응이 최대화될 수 있다.
추가적으로, 광검출기(100)는 인터페이스(125)에서 하나의 최외측 배리어(120)와 접촉하는 제1 접촉층(130)을 갖는다. 광검출기(100)는 또한 인터페이스(135)에서 반대측의 최외측 배리어(120)와 접촉하는 제2 접촉층(140)을 갖는다. 제1 접촉층(130)과 제2 접촉층(140)은 이미터(110)를 형성하는 재료와 실질적으로 동일한 재료로 형성된다. 옴 컨택트(ohmic contact)의 경우에 요구되는 도핑에 따라, 제1 접촉층(130)은 상부 이미터층으로서의 역할도 할 수 있다. 광검출기(100)는 인터페이스(145)에서 제2 접촉층(140)과 접촉하는 기판(150)을 더 포함한다. 기판(150)은 이미터(110) 및 배리어(120)를 형성하는 재료와 상용성인 재료로 형성되지만 도핑될 수도 있고 도핑되지 않을 수도 있다.
제1 접촉층(130)은 인터페이스(125) 반대측의 제1 면(132)과, 광신호(160)를 수신하도록 이 제1 면(132)에 형성된 개구(134)를 갖는다. 개구(134)는 제1 접촉층(130)의 제1 면(132)을 부분적으로 에칭하는 것에 의해 형성될 수 있다. 더욱이, 유입 광신호(160)에 대한 광검출기(100)의 반응을 측정하기 위해 제1 접촉층(130)과 제2 접촉층(140)에 각각 배치된 전도성 컨택트(170, 180)를 이용할 수 있다.
도 2는 SPIP 검출기의 단일 주기 동안의 예시적인 p형 밴드 다이어그램의 도면이다. 도 2에서 Δ로 나타내는 각 이미터(110)의 일함수는 이미터(110)의 3차원 페르미 준위(210)와 대응하는 배리어(120)의 전도대(conduction band)(220) 간의 차로서 규정된다. 일함수는 Δ = Δd + Δx로 주어지며, 이 식에서 Δd와 Δx는 이미터(110)의 도핑과, 이미터(110)와 배리어(120)의 제1의 3족 원소의 분율차(difference fraction)으로부터의 기여이다. AlXGa1-XAs로 이루어진 배리어와 GaAs로 이루어진 p-도핑된 이미터를 이용하는 예시적인 실시예에서, Δd는 이미터(110)의 도핑의 기여를 나타내고, Δx는 배리어(120)에서의 Al 분율(x)의 기여를 나타낸다. 배리어(120)의 Al 분율(x)이 감소되기 때문에, Δ는 Δd에 의해 제한될 것이다. Al이 제거되는 경우(즉, x = 0), 이미터(110)와 배리어(120) 사이의 인터페이스(115)(도 1 참고)는 동종 접합부이다. 점선(230)은 배리어(120) 재료가 GaAs 단독인 경우(예컨대, 동종 접합 검출기)의 가전자대 에지(valence-band edge)를 나타낸다. 배리어(120)의 제1의 3족 원소의 분율 및/또는 이미터(110)의 도핑을 조정하는 것에 의해, 일함수(Δ)를 조절하여 소망하는 밴드갭을 제공할 수 있다. 최종 구조는 암전류와 검출기 노이즈를 감소시키는 재료로 이루어진 층들 사이의 적절한 인터페이스를 갖는다.
이미터(110)는 캐리어(240)가 이미터(110)에서 3차원 분포를 이루고 검출이 자유 캐리어 흡수에 의해 이루어지도록 충분히 높은 수준으로 도핑된다. 배리어(120)의 제1의 3족 원소의 분율 및/또는 이미터(110)의 도핑 밀도를 조정하는 것에 의해, 검출 범위를 임의의 소망하는 파장까지 조절할 수 있다. 차단 파장은 검출기의 파장 검출 범위의 정수배나 비정수배로 조정될 수 있다(예컨대, 차단 파장은 파장 검출 범위의 하한의 4배, 3배, 2배 또는 1.3배일 수 있다). 일실시예에서, 특히 배리어(120)는 일함수(도 2의 Δ)가 FIR 파장에서의 동작을 허용할만큼 작도록 낮은 Al 분율(x)을 가질 수 있다. 이미터층(110)에서의 도핑을 증가시키는 것에 의해 이미터(110)에서의 흡수가 증가될 수 있지만, 이것은 검출기(100)의 암전류도 증가시킬 것이다. 이미터층(110)의 도핑은 암전류 효과와 이미터층(110)에서의 양자 흡수 효율의 균형을 맞춘다.
MIR과 FIR 범위를 위해 구성된 HEIWIP 검출기는 근적외선(NIR) 반응 피크도 나타낸다. 일반적으로, NIR에 대한 파장(λ) 범위는 GaAs/AlGaAs계 검출기의 경우에 약 5 ㎛ 미만이다. 이러한 피크는 분할(Split-Off; S-O) 밴드 효과에 의해 형성되고, 자유 캐리지 반응 영역 상부에서 나타난다. 이러한 비교적 강한 S-O 반응은 130 K까지 볼 수 있는 한편, 자유 캐리어 반응은 40 K을 넘으면 사라졌다. S-O 밴드 IR 검출기는 각기 3개의 과정, 즉 i) 여기 캐리어를 생성하는 광흡수, ii) 캐리어의 탈출, 및 iii) 탈출한 캐리어의 스윕아웃(sweep out) 및 수집에 의존하는 4개의 검출 기구에 기초할 수 있다. 이미터 두께(de)와 유사한 스캐터링 길이를 갖도록 충분히 높은 도핑을 갖는 것에 의해, 캐리어는 파동 함수가 그 자체와 간섭할 수 있기전에 스캐터링될 것이고, 이에 따라 우물 내부에 이산된 양자 상태를 형성하지 않을 것이다. 이것은 이미터(110) 내에서 캐리어 분포가 여전히 구속된 상태의 3차원이 되게 한다.
도 3은 IR 검출 기구를 설명하는 데 사용되는 k-p 밴드 구조 다이어그램의 도면이다. 검출 기구를 설명하는 데 있어서, 3개의 밴드, 즉 k = 0일 때 소멸되는 경정공(Light Hole; L-H) 밴드(310) 및 중정공(Heavy Hole; H-H) 밴드와, 에너지(ESO)만큼 이들 밴드로부터 분리되는 스플릿오프 밴드(330)를 고려해야 할 것이다. 평형 조건하에서, p-도핑된 구역은 S-O 밴드(330)의 최대치 위에 있는 L-H 밴드(310)와 H-H 밴드(320)에서 각각 페르미 준위를 가질 것이다. 4개의 검출 기구는 예1 내지 3에서 제시한 것을 참고하여 설명한 동종 접합 검출기 및 이종 접함 검출기 모두에서 사용되는 표준 자유 캐리어 흡수를 포함한다. 표준 자유 캐리어 흡수는 구속 상태에서 구속된 스플릿오프 밴드 상태나 경정공 밴드, 중정공 밴드 및 스플릿오프 밴드의 혼합을 포함하는 연속 상태로의 이행을 이용하는 Si/SiGe 검출기에서의 반응과 상이한 자유 캐리어 이행을 수반한다. Si/SiGe 검출기는 구속-구속 모드 또는 구속-연속 모드에서 작동하는 QWIP 검출기이다. 다른 3개의 검출 기구는 p형 검출기의 경우에 발생할 수 있는 정공 밴드들 사이의 이행을 수반한다. 캐리어는 S-O 밴드에 있으면 직접 탈출할 수도 있고, L-H 밴드(310)와 H-H 밴드(320) 각각으로 다시 스캐터링된 후 탈출할 수도 있다.
도 4a는 k-p 밴드 구조 및 p형 밴드 다이어그램에 나타낸 자유 캐리어 흡수 도면이다. 이미터층(110)에서의 자유 캐리어 흡수의 경우, 캐리어는 L-H 밴드(310)와 H-H 밴드(320)에 남아 있는다. 그 후, 여기 캐리어가 이미터(110)와 배리어(120) 사이의 인터페이스(115)에서 내부 광전자 방출에 의해 이미터층(110)으로부터 탈출한다.
도 4b는 k-p 밴드 구조와 p형 밴드 다이어그램에 나타낸, L-H 밴드 및 H-H 밴드로의 스캐터링이 후속하는 스플릿오프 밴드로의 직접적인 광전자 방출을 도시한 도면이다. L-H 밴드(310) 및 H-H 밴드(320)와 S-O 밴드(330) 사이의 이행이 직접적인 경우, 여기 캐리어의 최종 에너지는 여기 캐리어가 이미터(110)에서 탈출하지 않고 S-O 밴드(330)에 남아 있게 할 것이다. 이것은 k < kf인 S-O 밴드(330)에서의 상태 에너지로 인한 것으로, kf는 S-O 밴드(330)에서의 배리어보다 높은 중정 공 밴드(320)에서의 페르미 준위에 대응한다. 캐리어는 여기 에너지에 의해 S-O 밴드(330) 밴드 바깥으로 L-H 밴드(310) 및 H-H 밴드(320)로 다시 스캐터링된 후, 표준 기구를 통해 소정 프로세스에 의해 탈출할 수 있을 것이다. L-H 밴드(310) 및 H-H 밴드(320)에서의 거주에 의해, 이러한 스캐터링 시간은 직접 완화 시간보다 빠를 수 있다.
도 4c는 k-p 밴드 구조 및 p형 밴드 다이어그램에 나타낸 스플릿오프 밴드로의 간접적인 광전자 방출을 도시한 도면이다. 간접 이행의 경우, 여기 캐리어는 k > kf를 가질 수 있고, 이에 의해 캐리어는 S-O 밴드(330)로부터 직접 빠져나기에 충분한 에너지를 가질 수 있다. 이 경우, 탈출 과정은 도 4a에 예시한 자유 캐리어 흡수의 탈출 과정과 유사할 것이다.
도 4d는 k-p 밴드 구조와 p형 밴드 다이어그램에 나타낸 L-H 밴드 및 H-H 밴드로의 스캐터링이 후속하는 스플릿오프 밴드로의 간접적인 광전자 방출을 도시한 도면이다. 캐리어가 탈출 콘에서 종료되지 않는 간접 이행의 경우, 탈출을 위해서 도 4b에서와 같은 스캐터링 과정을 여전히 겪을 수 있다. 여기에서, L-H 밴드(310) 및 H-H 밴드(320)로의 스캐터링 이벤트가 간접적인 광전자 방출에 후속한다. 그 후, L-H 밴드(310) 및 H-H 밴드(320)에서 내부 광전자 방출이 발생한다. 이것은 탈출 콘에 있지 않은 캐리어를 위한 간접적인 광전자 방출에 있어서의 추가의 탈출 경로를 제공할 뿐만 아니라 S-O 밴드(330)에서의 임의의 탈출 가능성을 갖지 않는 저에너지 광자의 흡수에 기인하는 캐리어를 허용한다. 여기에서 한계값은 페르미 에너지와 S-O 밴드 에지 간의 차에 의해 결정된다.
스플릿오프 밴드 흡수 효과를 연구하는 데 있어서 2개의 검출기를 사용하였다. 우선, 도 4에 도시한 것을 참고하여 설명한 바와 같은 약 20 ㎛의 한계값은 갖는 약 10 내지 15 ㎛ 범위를 위해 구성된 검출기를 사용하여 S-O 반응을 나타낸다. 검출기 HE0204 구성은 탄소와 1250 Å Al0.12Ga0.88As 배리어에 의해 1018 cm-3로 도핑된 p-도핑된 188 Å GaAs 이미터의 16회의 주기를 포함한다. 상부 컨택트와 저부 컨택트는 각각 두께가 0.2 ㎛ 및 0.7 ㎛인 1019 cm-3 p-도핑된 GaAS층이다. 이들 검출기에 사용된 도핑값의 경우, 스캐터링 길이는 약 200 Å으로, 이미터의 두께에 근접한다.
도 5는 제1의 예시적인 SPIP 검출기의 측정 반응도와 예상 및 측정 흡수를 나타낸 플롯이다. 도 5에는 79 내지 130 K에서 검출기 HE0204에 대한 1.2 내지 5 ㎛ S-O 범위에서의 측정 반응도가 도시되어 있다. 2.0 ㎛에 있어서 105 K에서 0.45 A/W의 피크 반응을 측정하였다. 온도가 105 K에서 130 K로 증가할 수록, 반응은 감소하였다. 온도에 관한 증가는 여기 캐리어의 탈출율에 대한 광자 효과와 관련이 있을 것이다. 광전류를 입사 광자 비율로 나누는 것에 의해 결정되는 전환 효율은 약 27이었으며, 1.8 ㎛에 있어서 90 K에서 2.2 × 107 존스의 비검출능(specific detectivity)(D*)을 얻었다. 이러한 검출기의 구성은 훨씬 낮은 온도에서 작동하기 위한 것이기 때문에, 이 값은 작다. 최적화된 검출기에 있는 증가 된 배리어는 암전류를 감소시켜야 하고, 이에 따라 비검출능을 향상시켜야 한다. 약 2.8 ㎛와 3.4 ㎛에서의 반응에 나타난 2개 단계는 도 4b, 도 4c 및 도 4d에 도시한 스플릿오프 흡수에 대한 한계값에 의해 야기될 수 있다. 이것은 높은 도핑의 사용이 바람직한 해결책일 수 있음을 나타낸다. 약 3.7 ㎛에서 작은 시그너처를 확인할 수 있으며, 이 시그너처는 구속된 S-O 이행에 대한 구속된 중정공의 시그너처일 수 있다.
다른 실험 결과와 열전자 전류(thermionic current) 계산에 기초하여, 암전류는 결함 보조 터널링(defect assisted tunneling)이 우위를 차지할 때까지 도핑이 증가하기 때문에 현저히 증가해서는 안된다. 도핑이 이러한 높은 값 미만으로 유지되는 경우, 흡수는 증가하고, 이에 따라 반응과 배경 제한 성능(Background Limited Performancek; BLIP) 온도는 증가해야 한다.
도 6은 제2의 예시적인 SPIP 검출기의 측정 반응도와 산출 흡수율을 나타낸 플롯이다. 약 3.6 × 1018 cm-3 및 약 1.2 × 1018 cm-3 Be-도핑된 상부 컨택트와 이미터를 각각 지닌 대안의 검출기는 16회의 주기를 포함할 수 있다. 도 6에는 약 50 K에서의 대안의 검출기의 전환 효율과 약 3kV/cm의 바이어스 필드가 도시되어 있다. 약 5 내지 15 ㎛로부터의 폭넓은 반응은 자유 캐리어 흡수로 인한 것이고, 약 2 내지 4 ㎛의 예리한 피크는 S-O 반응으로 인한 것이다. 이러한 증가된 전환 효율은 S-O 영역에서의 증가된 흡수/방출로 인한 것이다. 자유 캐리어와 간접 흡수 반응, 즉 도 4a, 도 4c 및 도 4d에 예시한 검출 기구의 경우, 모멘텀을 유지하기 위해서 흡수에 있어서 광자 또는 불순물 스캐터링 이벤트가 요구되는 한변, 도 4b에 예시한 직접 흡수 반응에 있어서도 스캐터링 이벤트가 요구된다. 도 4d에 예시한 검출 기구는 2개의 가외의 입자를 요구하기 때문에 다른 3개의 검출 기구보다 느려야 한다. 도 4c에 예시한 간접 흡수 반응에 대한 한계값은 S-O 구역에 있는 배리어 통과 요건으로 인해 도 4b 및 도 4d에 예시한 검출 기구보다 짧을 것이다. S-O 반응에 있어서의 2개의 한계값과 폭에 기초하여, 직접 흡수와 간접 흡수 모두 S-O 반응에서 일어날 것이다.
S-O 밴드를 이용하여 관찰되는 강한 반응을 이해하기 위해서, 자유 캐리어와 S-O 반응에 대한 상대 흡수를 결정하는 계산을 수행하였다. 제1 단계는 L-H, H-H 및 S-O 정공 에너지 밴드를 계산하기 위해서 양자점 분석 및 양자 우물 분석에 사용되는 것과 유사한 k-p 모델을 사용하는 것이었다. 그 후, 밴드의 에너지 상태로부터의 광자 에너지의 함수로서 흡수율(hω)을 계산하였다. 상기 계산은 약 1 ×1018 cm-3까지 p-도핑된 1 ㎛ 두께의 GaAS층에 대해 수행하였다. S-O 밴드에 의한 흡수는 이 범위에서의 S-O 기구의 상대적인 개선을 나타내는 도 6의 삽입도에 도시한 바와 같이 L-H 밴드와 H-H 밴드에서의 자유 캐리어 흡수의 경우보다 큰 자릿수를 넘는다. 이와 유사하게, 분리 영역에서 측정된 흡수는 도 5의 삽입도에 도시한 바와 같은 예상 자유 캐리어 흡수에 비해 증가된다. 실험에 입각된 전환 효율은 (증가된 실험에 입각한 흡수를 고려하는 경우에도) 산출 전환 효율보다 크다. 이러한 차이는 GaAS에 대한 큰 분할 에너지(약 340 meV)에 기인하는 게인에 의해 야 기될 수 있다. 스플릿오프 밴드로 여기된 캐리어에 대한 고에너지는 캐리어가 충돌 효과에 의해 추가의 캐리어를 여기하기에 충분한 에너지를 가져, 검출기에 높은 게인 팩터가 도입될 것이라는 것을 의미한다. 약 3.4 ㎛에서의 반응에 나타낸 단계는 도 6의 삽입도에 도시한 산출 결과와 양호하게 일치한다. 그러나, 약 2.9 ㎛에서 발생하는 산출된 저하에 대해서는 약간의 불일치가 존재한다. 실험 단계는 (가능하게는 광전자 방출 과정 효과로 인해) 약 0.15 ㎛의 범위에 걸쳐 이루어지고, 한계값은 도 5에서 나타난 값보다 길 수 있다.
한계값이 약 20 ㎛ 범위인 실험된 디바이스는 최대 작동 온도가 약 130 K이었다. 한계값을 약 5 ㎛로 감소시키는 것에 의해, D*가 최대 5 × 109 존스인 경우 작동 온도는 약 300 K으로 증가될 수 있다. 반응은 증가된 흡수를 얻기 위해 층의 개수를 증가시키는 것에 의해 그리고 검출기에 성막된 금속제 나노입자에서의 표면 플라즈몬 공명(surface plasmon resonance)을 이용하는 것에 의해 조정될 수 있다. 실온 이상에서 작동하도록 구성된 디바이스는 현재 이용 가능한 비냉각형 검출기에 필적할 수 있다. GaAs/AlGaAs 이외의 재료가 약 3 내지 5 ㎛ 범위의 향상된 적용 범위를 형성할 수 있다. 인산염 재료에 있어서의 S-O 밴드로의 직접 이행은 약 11 내지 18 ㎛ 범위의 한계값을 제공하는 한편, 질화물 재료는 S-O 모드에서 약 60 내지 410 ㎛ 범위로 작동 가능할 수 있다. 표 1에 S-O 밴드 오프셋 에너지와 전위 한계값 파장을 나타낸다. 추가적으로, 도 7a 내지 도 7e는 1 × 1018 cm-3 p-도핑된 GaAs, InP, AlP, AlN, 및 GaN 이미터층 각각에서의 S-O 밴드 흡수에 대한 산출 흡 수율을 예시하는 플롯이다.
도 8에는 SPIP 검출기(800)의 변형예가 도시되어 있다. 검출기(800)는 제1 접촉층(830)과 제2 접촉층(840) 사이에 각각 개재된 복수의 이미터층(810)과 배리어층(820)을 가질 수 있다. 검출기는 적외선 범위의 파장을 갖는 광을 검출하도록 구성되고 비냉각식 작동 조건으로도 기능한다. 즉, 검출기(800)는 실온(에컨대, 약 300 K)까지, 그리고 실온을 초과하는 작동 온도 조건에서 그러한 광에 대한 반응을 제공하고 그러한 광을 검출할 수 있다. 도시한 검출기(800)는 두께가 약 188 Å인, GaAs를 포함하는 이미터층(810)을 포함한다. 이미터층(810)은 약 3 × 1018 cm-3의 도펀트 농도로 더 p-도핑된다. 검출기(800)는 두께가 약 600 Å인, 도핑되지 않은 Al0.57Ga0.43As를 포함하는 배리어층을 포함한다. 이미터층과 배리어층을 구성하는 원소의 분율 관계는 동일하거나 유사한 결과를 얻도록 조정될 수 있다는 것을 이해해야 한다. 그러나, 검출기(800) 층을 구성하는 전술한 원소의 분율 관계는 적어도 비냉각식 작동 조건에서 적외선 범위의 파장을 갖는 광을 검출하도록 구성된다. 도 8의 도면은 단지 예시적인 목적을 위한 것이고 모든 배리어층(820)이나 모든 이미터층(810)을 개시하지는 않는다는 것을 이해해야 한다. 배리어층(820)의 총 개수는 N이고, 여기서 N은 31이다. 이에 따라, 도 8에 예시한 예시적인 실시예에서 배리어층(820)의 총 개수는 31개이다.
각각의 배리어(820)는 알루미늄, 갈륨 및 비소로 이루어진 재료층이다. 도시한 검출기(800)의 배리어(820)를 구성하는 재료는 약 28.5 %의 알루미늄, 21.5 % 의 갈륨 및 50 %의 비소를 포함한다. 그러한 재료는 Al0.57Ga0.43As로 표현할 수 있다는 것을 이해해야 한다. 배리어(820)를 구성하는 원소의 분율 관계는 동일하거나 유사한 도시한 검출기(800)의 결과를 얻도록 조정 또는 변동될 수 있다는 것도 이해해야 한다. 예컨대, 3족 원소 "In"는 배리어(820)의 Al을 대체할 수도 있고, 대안으로서 3족 원소의 조합의 동일하거나 유사한 결과를 얻도록 Al이나 Ga를 대체할 수도 있다는 것을 이해해야 한다. 또한, Sb와 같은 5족 원소 또는 이들의 조합이 동일하거나 유사한 결과를 얻도록 As를 대체할 수 있다.
배리어(820)는 밴드갭에 의해 더욱 특징 지워진다. 각각의 배리어(820)의 구성 파라메터는 배리어(820)를 구성하는 원소의 분율 관계나 상대 농도, 배리어층(820)의 두께, 배리어(820)의 밴드갭 및 배리어(820)의 총 개수(N)를 포함할 수 있으며, 이들로 제한되지 않는다. 전술한 바와 같이, 도시한 검출기에 있는 배리어(820)의 총 개수(N)는 31개이다. 그러나, 배리어(820)의 개수(N)는 개시믈에 따라 변할 수 있다.
검출기(800)는 이미터층(810)을 더 포함할 수 있으며, 이미터층의 총 개수는 N - 1이다. 도 8에 예시한 예시적인 실시예에서, 이미터(810)의 총 개수는 N - 1 = 30개이다. 이미터(810)의 개수는 동일하거나 유사한 결과를 얻도록 개시물에 따라 변할 수 있다는 것을 이해해야 한다. 접촉층(830, 840)은 이미터(810)와 화학적으로 유사하게 구성될 수 있기 때문에 도시한 검출기(800) 구성에서 이미터로서의 역할을 할 수도 있다는 것도 이해해야 한다. 도시한 검출기(800)에서, 각각의 이미터(810)는 이미터(810)에서 자유 캐리어를 야기하도록 Be로 도핑된 GaAs로 형성된 재료층이다. 이미터(810)는 2족 원소 및/또는 4족 원소를 포함- 이것으로 제한되지 않음 -하는 Be 이외의 도핑 원소를 추가하는 것에 의해 도핑될 수 있다. 그러나, 이미터(810)는 3족 원소(예컨대, Al, Ga, In, 및 이들의 조합)와 5족 원소(예컨대, N, P, As, Sb, 및 이들의 조합)를 포함할 수도 있다는 것을 더 이해해야 한다. 또한, 도펀트 원소와 이 도펀트 원소의 농도는 동일하거나 유사한 결과를 얻도록 개시물에 따라 변할 수 있다. 예컨대, 상이한 도핑 및 상이한 재료의 사용은 검출기(800)의 스플릿오프 반응을 보다 긴 파장까지 확대할 수 있다.
검출기(800)의 이미터층과 배리어층에 대한 다른 대안의 구성으로서, InGaAsP는 이미터층의 분리 에너지를 감소시키는 데 이용될 수 있는 대안의 재료이다. 도펀트 농도가 약 3 × 1018 cm-3이고 두께가 약 200 Å인, In0.294Ga0.706As0.4P0.6을 이용하여 구성된 이미터는 5.1 ㎛에 근사한 스플릿오프 한계값을 초래해야 한다. 이 대안의 구성에서는 두께가 약 400 Å인, Al0.30Ga0.70As0.4를 이용하여 구성된 배리어층도 사용할 수 있다. 본 발명에 따른 그러한 대안의 구성은 검출기(800)의 광 파장 반응을 조정하도록 작동할 것이라는 것을 이해해야 한다. 예컨대, 상기 대안의 구성에서 검출기는 파장이 약 3 내지 약 5 ㎛ 범위인 광을 검출할 것이다.
이미터(810)는 배리어(820)의 밴드갭과는 상이한 밴드갭에 의해 더욱 특징 지워지는데, 각각의 이미터(810)는 2개의 배리어(820) 사이에 배치되어 이미 터(810)와 배리어(820) 사이의 각각의 인터페이스(815)에 이종 접합부가 형성된다. 각각의 이미터(810)의 구성 파라메터는 3족 원소, 4족 원소 및 2족이나 4족 원소로부터의 도핑 원소의 화학적 동이성과, 이미터층(810)의 두께와, 도핑 원소의 도핑 농도와, 이미터(810)의 밴드갭, 그리고 이미터(810)의 총 개수(N-1)을 포함할 수 있다.
검출기(800)는 인터페이스(825)에서 하나의 최외측 배리어(820)와 접촉하는 제1 접촉층(830)을 갖는다. 검출기(800)는 인터페이스(835)에서 반대측의 최외측 배리어(820)와 접촉하는 제2 접촉층(840)도 갖는다. 제1 접촉층(830)과 제2 접촉층(840)은 1 × 1019 cm-3 p-도핑된 GaAs층으로 형성된다. 제1 접촉층(830)의 두께는 약 0.2 ㎛이고, 제2 접촉층(840)의 두께는 약 0.7 ㎛이다. 이하에서 논의하는 옴 컨택트에 대해서 요구되는 도핑에 따라, 제1 접촉층(830)은 상부 이미터층으로서의 역할을 할 수도 있다. 검출기(800)는 인터페이스(845)에서 제2 접촉층(840)과 접촉하는 기판(850)을 더 갖는다. 기판(850)은 이미터(810)와 배리어(820)를 형성하는 재료와 상용성이지만 도핑되지 않을 수도 있고 도핑될 수도 있는 재료로 형성된다. 도시한 실시예에서, 기판(850)은 도핑되지 않은 GaAs로 형성된다.
제1 접촉층(830)은 광신호(860)를 수신하는 표면(834)을 갖는다. 더욱이, 유입되는 광신호(860)에 대한 검출기(800)의 반응을 측정하기 위해서 제1 접촉층(830)과 제2 접촉층(840)에 각각 배치되는 옴 컨택트(870, 880)를 사용할 수 있다. 옴 컨택트(870, 880)는 Ti, Pt 및 Au를 포함- 이것으로 제한되지 않음 -하는 전도성 재료로 형성될 수 있다. 검출기(800)의 반응을 측정하는 능력을 제공하기 위해서 컨택트(870, 880)를 위해 많은 전도성 원소 및/또는 화합물을 사용할 수 있다는 것을 이해해야 한다.
도 9는 300 K에서의 예시적인 검출기(800)의 반응을 나타낸다. 이 온도는 실온 환경을 나타내지만 검출기(800)는 실온까지, 그리고 실온을 초과하는 작동 환경에서 반응을 제공할 수 있다는 것을 이해해야 한다. 앞서 명기한 바와 같이, 검출기(800)의 작동은 3가지 과정, 즉 (i) 여기 캐리어를 생성하는 광신호로부터 인가된 바이어스의 방향에 따라 층(810)과 830이나 840 중 어느 하나에서의 광흡수, (ii) 캐리어의 탈출, 및 (iii) 탈출 캐리어의 스윕아웃과 수집에 좌우된다. 300 K의 작동 온도에서, 3.4 ㎛(도 4d에 예시한 과정으로 인함)에서보다 2.9 ㎛(도 4b에 예시한 과정으로 인함)에서 더 큰 단으로 볼 수 있는 바와 같이 도 4b에 도시한 과정이 우세해진다. 이들 결과와 표면(834) 상에서의 광 또는 광신호의 부재시에 검출기(800)에서 측정할 수 있는 암전류에 기초하여, 검출기(800)의 비검출능(D*)이 109 존스인 것으로 추정할 수 있다는 것을 이해해야 한다.
도 10은 검출기(800)에 의해 수신된 광신호의 파장에 따라 변하는 작동 온도에서의 검출기(800)의 스플릿오프 반응을 나타낸다. 스플릿오프 반응은 온도가 약 100 K에서 240 K까지 증가될수록 증가하며, 약 250 K에서 피크 반응을 갖는다. 그러나, 도 10은 약 300 K의 작동 온도에서 파장이 약 2.0 ㎛인 광신호에 대한 약 0.24 A/W의 반응을 보여준다. 자유 캐리어 반응에 대한 한계값은 페르미 준위보다 높은 캐리어의 개수의 증가로 인해 온도에 대해 약간 증가하였으며, 이로 인해 보다 긴 파장에서의 반응이 이루어질 수 있다. 약 240 K에서의 증가된 반응도와 감소된 암전류는 약 3 × 109 존스의 비검출능(D*)를 부여한다. 도 11에는 약 100 K 내지 300 K의 범위에 이르는 온도에 있어서 약 2.5 ㎛에서의 검출기(800)의 측정 반응도를 예시한다. 검출기(800)의 피크 반응도는 약 240 K의 작동 온도에 존재하지만, 검출기(800)는 실온 이상에서 반응을 제공한다는 것을 이해해야 한다.
약 300 K에서 파장이 약 2 ㎛ 내지 3.5 ㎛이고 검출기(300)에 인가된 전압 바이어스가 약 4 V(Vb)인 검출기에 의해 수신된 광신호에 대한 검출기(800)의 전환 효율이 도 12에 예시되어 있다. 그래프에서 약 3.4 ㎛와 2.9 ㎛ 에서의 단은 도 4b 및 도 4d 각각에 예시한 과정에 대한 한계값에 대응한다. 이러한 증가된 전환 효율은 분리 구역에서 증가된 흡수/방출로 인한 것이다. 도 13은 온도 변화에 대한 검출능을 보여준다. 검출기(800)의 검출능은 측정 반응도 및 노이즈 전류를 사용하여 산출될 수 있다. 검출기(800)의 비검출능(D*)은 300 K에서 약 1 × 109 존스이며, 낮은 작동 온도에서 증가한다. 그러나, 검출기(800)는 설명한 바와 같이 실온 이상에서 작동 가능하다.
도 14는 실온보다 높은 313 K의 온도에서 측정 속도에 대한 반응 변화를 보여준다. 보다 낮은 측정 속도에 대응하는 보다 낮은 광로차(Optical Path Difference; OPD) 속도는 비교적 느린 광자 보조 반응 기구로 인해 보다 높은 반응도 값을 나타낸다. 반응이 OPD 속도에 대하여 큰 변화를 보일지라도, 반응 기구는 광자 검출이며, 복사형(bolometric type)의 것이 아니다. 도 15는 상이한 OPD 속도에 대한 검출기(800)의 전환 효율을 예시한다. 보다 낮은 OPD는 보다 높은 전환 효율을 초래하는데, 그 이유는 보다 많은 광생성 캐리어가 측정 시간 기간 내에 탈출하기 때문이다. 313 K에서 0.05 cm/s의 OPD 속도에 대하여 80 %까지의 전환 효율이 관찰된다.
개시한 검출기는 보다 높은 작동 온도(예컨대, 240 K을 초과하는 온도)에서 직접적인 분리 적외선 범위 외의 파장을 갖는 광신호에 대한 반응을 나타내기도 한다. 도 16은 300 K의 작동 온도에서 직접적인 분리 적외선 범위 외의 파장에 있어서의 검출기의 반응도를 예시한다. 이와 유사하게, 도 17은 직접적인 분리 적외선 범위 외의 파장에 있어서의 전환 효율을 예시한다.
전술한 본 발명의 실시예는 단지 가능한 구현예일뿐이며, 본 발명의 원리에 대한 명백한 이해를 위해 설명한 것일뿐이라는 것을 강조해야 한다. 예컨대, 개시한 검출기와 그 변형예는 실온 이상의 온도의 작동 환경에서 반응을 제공할 수 있다. 이에 따라, 실질적으로 본 명세서에 개시한 원리와 사상에서 벗어나는 일 없이 전술한 본 발명의 실시예를 다양하게 변형 및 수정할 수 있다. 그러한 모든 변형 및 수정은 본 발명의 범위 내에 포함되는 것으로 의도된다. 특히, 표 1에 나타낸 상이한 재료 조합은 3 내지 60 미크론의 범위의 파장을 위한 검출기에서 반응을 생성하는 데 사용될 수 있다.
비율, 농도, 양 및 다른 수치 데이터는 본 명세서에서 범위 형식으로 표현될 수 있다는 것에 유념해야 한다. 그러한 범위 형식은 편리성과 간결성을 위해 사용 되며, 이에 따라 범위의 한계로서 명시적으로 인용되는 수치값을 포함할 뿐만 아니라, 각각의 수치값과 하위 범위가 명시적으로 인용되는 것처럼 범위 내에 포함되는 하위 범위나 개별 수치값 모두를 포함하도록 유연하게 해석되어야 함을 이해해야 한다. 예를 들어 설명하자면, "약 0.1 % 내지 약 5 %"의 농도 범위는 명시적으로 인용된 약 0.1 중량% 내지 약 5 중량%의 농도를 포함할뿐만 아니라, 예시한 범위 내의 개별 농도(예컨대, 1 %, 2 %, 3 % 및 4 %)와 하위 범위(예컨대, 0.05 %, 1.1 %, 2.2 %, 3.3 % 및 4.4 %)를 포함하는 것으로 해석해야 한다. 추가적으로, "약 'x' 내지'y'"라는 구문은 "약 'x' 내지'y'"를 포함한다.
전술한 실시예를 다양하게 변형 및 수정할 수 있다. 그러한 모든 변형 및 수정은 본 발명의 범위 내에 포함되고 후속하는 청구 범위에 의해 보호되도록 의도된다.
[표 1]
재료 ΔSO(meV) ΔSO(㎛)
InN GaN AlN 3 20 19 410 62 65
InP GaP AlP 108 80 70 11 16 18
InAs GaAs AlAs 390 340 280 3.2 3.6 4.4

Claims (24)

  1. 각기 제1의 3족 원소와 제2의 3족 원소를 포함하는 제1 반도체 재료로 이루어진 층인 제1 배리어 및 제2 배리어와,
    이미터(emitter)와 제1 배리어 및 제2 배리어 사이의 인터페이스에 이종 접합부를 형성하도록 제1 배리어와 제2 배리어 사이에 배치되는 이미터
    를 포함하며, 각각의 배리어는 상당량의 3족 원소를 포함하고, 제1의 3족 원소의 비율(X)은 약 0.12 내지 0.70의 범위이며, 제2의 3족 원소의 비율은 1 - X이고, 이미터는 제1 반도체 재료와는 상이한 제2 반도체 재료로 이루어진 층이고 광신호에 대한 스플릿오프 반응(split-off response)을 가지며, 차단 파장(cutoff wavelength)을 더 갖는 것인 광검출기.
  2. 제1항에 있어서, 상기 스플릿오프 반응은 소정 파장 범위에 걸쳐 일어나고, 상기 범위는 상한을 갖는 것인 광검출기.
  3. 제2항에 있어서, 상기 차단 파장은 상한의 1배 이내인 것인 광검출기.
  4. 제2항에 있어서, 상기 차단 파장은 상한의 2배 이내인 것인 광검출기.
  5. 제2항에 있어서, 상기 차단 파장은 상한의 4배 이내인 것인 광검출기.
  6. 제1항에 있어서, 상기 제1 반도체 재료는 제1의 5족 원소를 더 포함하는 것인 광검출기.
  7. 제6항에 있어서, 상기 제1의 3족 원소는 Al, Ga, In 및 이들의 조합으로부터 선택되고,
    상기 제2의 3족 원소는 Al, Ga, In 및 이들의 조합으로부터 선택되며,
    상기 제1의 5족 원소는 N, P, As, Sb 및 이들의 조합으로부터 선택되는 것인 광검출기.
  8. 제6항에 있어서, 상기 제1의 3족 원소는 Al이고, 상기 제2의 3족 원소는 Ga이며, 상기 제1의 5족 원소는 As인 것인 광검출기.
  9. 제1항에 있어서, 상기 제1 반도체 재료는 Al0.57Ga0.43As로 구성되는 것인 광검출기.
  10. 제1항에 있어서, 상기 제2 반도체 재료는 제3의 3족 원소와 제2의 5족 원소를 포함하는 것인 광검출기.
  11. 제10항에 있어서, 상기 제3의 3족 원소는 Al, Ga, In 및 이들의 조합으로 이루어진 그룹으로부터 선택되고,
    상기 제2의 5족 원소는 N, P, As, Sb 및 이들의 조합으로부터 선택되는 것인 광검출기.
  12. 제10항에 있어서, 상기 제2 반도체 재료는 2족 원소, 4족 원소 및 이들의 조합으로부터 선택된 적어도 하나의 도핑 원소로 도핑되는 것인 광검출기.
  13. 제12항에 있어서, 상기 2족 원소는 Be, Mg 및이들의 조합으로부터 선택되고 상기 4족 원소는 C인 것인 광검출기.
  14. 제1항에 있어서, 상기 제2 반도체 재료는 GaAs로 구성되는 것인 광검출기.
  15. 제14항에 있어서, 상기 스플릿오프 반응은 소정 파장 범위에 걸쳐 일어나고, 상기 범위는 약 3.6 ㎛의 상한을 갖는 것인 광검출기.
  16. 제15항에 있어서, 상기 차단 파장은 4 ㎛ 내지 8 ㎛의 범위인 것인 광검출기.
  17. 제1항에 있어서, 작동 온도는 실온을 초과하는 것인 광검출기.
  18. 각기 제1의 3족 원소와 제2의 3족 원소를 포함하는 제1 반도체 재료로 이루어진 층인 복수 개의 배리어로서, 상기 제1 반도체 재료는 상당량의 3족 원소를 포함하고, 상기 제1의 3족 원소의 비율(X)은 약 0.12 내지 0.70의 범위이고, 상기 제2의 3족 원소의 비율은 1 - X인 것인 복수 개의 배리어와,
    각기 상기 제1 반도체 재료와 상이한 제2 반도체 재료로 이루어진 층이고, 광신호에 대한 스플릿오프 반응을 가지며, 차단 파장을 더 갖는 것인 복수 개의 이미터
    를 포함하고, 상기 복수 개의 배리어 각각은 이들 복수 개의 배리어 각각과 복수 개의 이미터 중 적어도 하나 사이의 각각의 인터페이스에 이종 접합부를 형성하도록 복수 개의 이미터 중 적어도 하나의 이미터에 인접 배치되는 것인 광검출기.
  19. 제18항에 있어서, 상기 복수 개의 배리어는 적어도 31개의 층을 포함하고, 상기 복수 개의 이미터는 적어도 30개의 이미터를 포함하는 것인 광검출기.
  20. 제18항에 있어서, 상기 제1 반도채 재료는 제1의 5족 원소를 더 포함하는 것인 광검출기.
  21. 제18항에 있어서, 상기 제2 반도체 재료는 제3의 3족 원소와 제2의 5족 원소 를 포함하는 것인 광검출기.
  22. 제21항에 있어서, 상기 제2 반도체 재료는 p-도펀트를 더 포함하는 것인 광검출기.
  23. 제22항에 있어서, 상기 p-도펀트는 약 3 × 1018 cm-3의 농도를 갖는 것인 광검출기.
  24. 제1 반도체 재료로 이루어진 층인 이미터 베이스층을 마련하는 단계와,
    상기 이미터 베이스층 상에 제2 반도체 재료로 이루어진 층인 제1 배리어를 배치하는 단계로서, 상기 제2 반도체 재료는 제1의 3족 원소와 제2의 3족 원소를 포함하고, 상기 제2 반도체 재료는 상당량의 3족 원소를 포함하며, 상기 제1의 3족 원소의 비율(X)은 약 0.12 내지 0.70의 범위이고, 상기 제2의 3족 원소의 비율은 1 - X인 것인 단계와,
    상기 이미터 베이스층과 제1 배리어 사이의 제1 인터페이스에 이종 접합부를 형성하도록 제1 배리어 상에 이미터 베이스층을 배치하는 단계로서, 상기 이미터 베이스층은 제1 반도체 재료로 이루어진 층이고, 상기 제1 반도체 재료는 제2 반도체 재료와는 상이한 반도체이며, 광신호에 대한 스플릿오프 반응을 갖고, 차단 파장을 더 갖는 것인 단계, 그리고
    상기 이미터 베이스층과 제2 반도체 재료로 이루어진 층인 제2 배리어 사이의 제2 인터페이스에 이종 접합부를 형성하도록 이미터 상에 제2 배리어를 배치하는 단계
    를 포함하는 광검출기 제조 방법.
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