KR20100087017A - 자외선용 포토디텍터 및 그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
내구성이 우수하고, 박막 성장이 불필요하고, 저비용의 자외선용 포토디텍터를 제공하기 위해, 본 발명의 자외선용 포토디텍터는, 산화갈륨 단결정 기판과, 산화갈륨 단결정 기판의 표면에 형성되고, 수광면을 갖는 동시에 상기 산화갈륨 단결정 기판과 쇼트키 접촉을 이루는 제1 전극과, 산화갈륨 단결정 기판의 이면에 형성되고, 상기 산화갈륨 단결정 기판과 오믹 접촉을 이루고, 수광면에서 받는 자외선에 따라서 상기 제1 전극과의 사이에서 상기 산화갈륨 단결정 기판을 통해 전류가 흐르는 제2 전극을 구비한다.
Description
본 발명은, 태양광이 존재하는 한낮이나 옥외에 있어서도 태양광선에 영향을 받는 일 없이, 불꽃이나 유해 물질 등이 발하는 파장 280㎚ 이하의 자외선만을 고감도로 검지할 수 있는 자외선용 포토디텍터 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
태양광 블라인드 자외선 센서(자외선용 포토디텍터)는, 고체 소자형의 소형이며 간편한 화염 센서로서 응용이 기대되고, 화재 탐지기나 담배 탐지기의 센서 부분, 가정용 연소 기기 및 공업로의 연소 불꽃의 자동 제어용 센싱에 사용하는 것이 기대되고 있다.
또한, 차세대 초LSI(대규모 집적 회로)의 제작에 사용되는 자외선 노광 장치에 있어서의 자외선 모니터용의 센서로서의 응용도 생각할 수 있다.
종래, 파장 280㎚ 이하의 심자외선만을 검출하는 센서(자외선용 포토디텍터)로서 광전관이 알려져 있다. 이 광전관은 화염의 점멸을 검지하는 센서로서 이미 실용화되어, 주로 공업로 등 대형 연소 장치의 자동 제어용 화염 센서에 사용되고 있다. 그러나 광전관을 사용한 심자외선을 검출하는 센서는, 수명이 짧고 고비용이라고 하는 문제가 있었다.
이에 대해, 소형·간편한 화염 센서로서 기대되는 고체 소자형 센서로서, 와이드 밴드 갭 반도체인 GaN계 III족 질화물 반도체가 기대되고, AlGaN막의 응용이 연구되고 있다(예를 들어, 하기 비특허 문헌 1 참조). 또한, 다이아몬드 반도체를 이용한 자외선 센서도 검토되고 있다(예를 들어, 하기 비특허 문헌 2 참조).
그리고 이러한 자외선 센서의 전극에 있어서는, 산화갈륨 단결정을 사용하는 것을 생각할 수 있다.
산화갈륨 단결정은 무색 투명하고 밴드 갭이 4.8eV로 크기 때문에, 자외 영역의 광학 재료, LED나 LD 등의 발광 소자, 자외선 센서 등 수광 소자의 반도체용 기판 및 산화물 투명 도전체, 고온 산소 가스 센서, 전계 효과 트랜지스터(FET), FET의 게이트 재료 등 다양한 응용이 검토되고 있다.
이 산화갈륨 단결정을 디바이스로서 응용할 때, 그 전극의 구성이 필요해진다. Al, Pt, W 등 종래 일반적으로 검토되고 있는 전극 재료를 적용해도, 양호한 오믹 접촉이 얻어져 있지 않다. 한편, 예를 들어 하기 비특허 문헌 3 및 4에서는, Ga2O3에 대해 Au를 전극으로서 이용한 보고가 이루어져 있다. 또한, 하기 특허 문헌 1에는, 전극재로서 Au와 Ti 등의 조합이 언급되어 있다.
히라노 아키라 :「GaN계 수광 소자의 화염 센서에의 응용」 응용 물리 제68권 제7호(1999)pp.0805-0809
고이데 야스오 :「다이아몬드 자외선 센서」마테리아 제46권 제4호(2007)pp.272-277
N.Ueda et al,"Synthesis and control of conductivity of ultraviolet transmitting β-Ga2O3 single crystals", Appl.Phys. Lett.70(26),(1997)pp. 3561-3563.
E.g.Villora et al,"Infrared reflectance and electrical conductivity of β-Ga2O3", phys.stat.sol(a)193,(2002)pp.187-195.
그러나 상술한 비특허 문헌 1에 있어서의 센서는, 기판 상에 에피택셜 성장시킨 박막으로, GaN과 AlN의 혼정인 AlGaN은 고품질의 막 성장이 곤란한 상황에 있어 실용적인 제조 방법에 과제가 많이 남겨져 있다.
한편, 비특허 문헌 2에 있어서의 다이아몬드막에 대해서는, 다이아몬드 기판을 사용하여 호모 에피 성장시킨 경우는, 고품질의 다이아몬드막이 성장하지만, 이 경우, 기판이 고가이기 때문에 고비용이 된다고 하는 문제점이 있다. 또한, 살균 등에 사용되는 저압 수은등의 휘선 254㎚에 대한 감도가 작다고 하는 문제점도 있다.
그리고 산화갈륨의 전극 구조에 관한 상기 문헌에 있어서도, 디바이스화에 필요해지는 원하는 도전성을 얻는 데는 이르고 있지 않다.
이와 같이 박막을 사용한 디바이스화는, 성장시키는 박막은 기판에 영향을 받으므로, 박막을 사용하지 않고 디바이스화함으로써, 프로세스가 간편화되게 되는 동시에, 저렴하게 제조할 수 있게 되므로 이러한 센서(자외선용 포토디텍터)의 디바이스화가 요망되고 있다.
본 발명은, 내구성이 우수하고, 박막 성장이 불필요하고, 저비용의 자외선용 포토디텍터를 제공하는 것을 목적으로 하고 있다.
상술한 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 자외선용 포토디텍터는, 산화갈륨 단결정 기판과, 상기 산화갈륨 단결정 기판의 표면에 형성되고, 수광면을 갖는 동시에 상기 산화갈륨 단결정 기판과 쇼트키 접촉을 이루는 제1 전극과, 상기 산화갈륨 단결정 기판의 이면에 형성되고, 상기 산화갈륨 단결정 기판과 오믹 접촉을 이루고, 상기 수광면에서 받는 자외선에 따라서 상기 제1 전극과의 사이에서 상기 산화갈륨 단결정 기판을 통해 전류가 흐르는 제2 전극을 구비한다.
또한, 본 발명의 자외선용 포토디텍터는, 표면에 저캐리어 밀도의 층 또는 절연층이 형성된 산화갈륨 단결정 기판과, 상기 산화갈륨 단결정 기판의 상기 저캐리어 밀도의 층 또는 절연층 표면에 설치되고, 수광면을 갖는 제1 전극과, 상기 산화갈륨 단결정 기판의 상기 저캐리어 밀도의 층 또는 절연층 표면에 설치되고, 상기 수광면에서 받는 자외선에 따라서 상기 제1 전극과의 사이에서 상기 산화갈륨 단결정 기판을 통해 전류가 흐르는 제2 전극을 구비한다.
또한, 본 발명은, 산화갈륨 단결정 기판을 사용하여 제작되는 자외선용 포토디텍터의 제조 방법이며, 상기 산화갈륨 단결정 기판을 전처리하고, 상기 전처리를 종료한 상기 산화갈륨 단결정 기판면의 표면에 상기 산화갈륨 단결정 기판과 쇼트키 접촉을 이루는 제1 전극과, 상기 산화갈륨 단결정 기판의 이면에 상기 산화갈륨 단결정 기판과 오믹 접촉을 이루고, 상기 제1 전극과의 사이에서 상기 산화갈륨 단결정 기판을 통해 전류가 흐르는 제2 전극을 형성한다.
또한, 본 발명은, 산화갈륨 단결정 기판을 사용하여 제작되는 자외선용 포토디텍터의 제조 방법이며, 상기 산화갈륨 단결정 기판의 표면에 저캐리어 밀도의 층 또는 절연층을 형성하고, 상기 산화갈륨 단결정 기판의 저캐리어 밀도의 층 또는 절연층 표면에, 수광면을 갖는 제1 전극과, 상기 수광면에서 받는 자외선에 따라서 상기 제1 전극과의 사이에서 상기 산화갈륨 단결정 기판을 통해 전류가 흐르는 제2 전극을 형성한다.
또한, 본 발명의 자외선용 포토디텍터의 제조 방법은, 산화갈륨 단결정에 오믹 전극을 형성할 때, 표면에 플라즈마 조사한 후 Ti를 증착 후, Au 또는 Pt 또는 Al을 증착한 Au/Ti 구조 또는 Pt/Ti 구조 또는 Al/Ti 구조의 전극을 형성한다.
또한, 본 발명의 자외선용 포토디텍터의 제조 방법은, 산화갈륨 단결정에 오믹 전극을 형성할 때, 표면에 플라즈마 조사한 후 Ti를 증착 후, Au 또는 Pt 또는 Al을 증착한 Au/Ti 구조 또는 Pt/Ti 구조 또는 Al/Ti 구조의 전극을 형성함으로써 얻어진다.
도 1은 열처리 온도를 바꾸었을 때의 Ga2O3 단결정 기판 표면의 AFM상이다.
도 2는 3시간 열처리 후의 IV 특성을 나타내는 도면이다.
도 3은 6시간 열처리 후의 IV 특성을 나타내는 도면이다.
도 4는 Ga2O3 단결정을 사용한 종형 포토디텍터의 측면도이다.
도 5는 포토디텍터의 제작 공정을 도시하는 공정도이다.
도 6은 포토디텍터 전극 배치를 도시하는 도면이다.
도 7은 포토디텍터의 전류 전압 특성을 나타내는 도면이다.
도 8은 수광면에 조사되어 있는 각 파장의 전력을 나타내는 도면이다.
도 9는 분광 감도 특성을 나타내는 도면이다.
도 10은 분광 감도 특성을 나타내는 도면이다.
도 11은 제1 실시 형태의 동작을 도시하는 설명도이다.
도 12는 제2 실시 형태의 동작을 도시하는 설명도이다.
도 2는 3시간 열처리 후의 IV 특성을 나타내는 도면이다.
도 3은 6시간 열처리 후의 IV 특성을 나타내는 도면이다.
도 4는 Ga2O3 단결정을 사용한 종형 포토디텍터의 측면도이다.
도 5는 포토디텍터의 제작 공정을 도시하는 공정도이다.
도 6은 포토디텍터 전극 배치를 도시하는 도면이다.
도 7은 포토디텍터의 전류 전압 특성을 나타내는 도면이다.
도 8은 수광면에 조사되어 있는 각 파장의 전력을 나타내는 도면이다.
도 9는 분광 감도 특성을 나타내는 도면이다.
도 10은 분광 감도 특성을 나타내는 도면이다.
도 11은 제1 실시 형태의 동작을 도시하는 설명도이다.
도 12는 제2 실시 형태의 동작을 도시하는 설명도이다.
이하, 본 발명의 실시 형태를 도면을 이용하여 설명한다.
제1 실시 형태
이하, 본 발명의 실시 형태를 설명한다. 본 제1 실시 형태는, 산화갈륨(Ga2O3) 단결정에 대해 오믹 접촉을 취할 수 있거나 또는 접촉 저항의 저감을 도모할 수 있는 전극재로서 Au/Ti 증착막의 특성 향상을 목적으로, 증착 전의 단결정의 열처리 및 전처리 조건을 검토함으로써, 산소 분위기, 1100℃, 3시간 이상의 열처리와, 플라즈마 조사를 병용함으로써, Au/Ti 증착막의 IV 특성이 향상되는 것에 대해 설명한다.
Ga2O3 단결정과 오믹 접촉을 취할 수 있는 재료를 선택하기 위해서는, 일 함수가 산화갈륨과 동등하거나 혹은 그 이하일 필요가 있다. 산화갈륨의 일 함수는 6eV 정도이지만, Au, Ti는 4eV로 이보다 작다. 우선, 발명자는 결정 성장이나 그 밖의 응용을 위해, Ga2O3 표면을 원자 레벨로 평탄화시켰다. 이것은 단결정 육성 후의 Ga2O3에 대해 어닐링에 의해 얻는 것을 확인하였다.
Ga2O3 단결정에의 오믹 접촉으로서는, Au/Ti가 바람직하다. 구체적으로는, Ga2O3 단결정을 기판으로 하여, 이것에 우선 Ti를 30 내지 60㎚ 증착 후, 다음에 Au를 150 내지 250㎚ 증착하여 전극을 제작하였다. 전류-전압 특성을 측정한 결과, 오믹 특성이 얻어지는 것이 공지로 되어 있다. 어닐링 조건은, 산소 분위기 중 1100℃, 3시간 이상으로 한다. 이 처리에 의해 계단, 테라스 구조가 형성되어 원자 레벨로 평탄한 표면을 실현할 수 있었다.
여기서, 본 발명자는 또한 Ga2O3 표면의 저항치를 저감하여, 더욱 양호한 오믹 접촉을 얻기 위해, 단결정 육성 후의 Ga2O3을 어닐링하고, 다시 표면에 플라즈마 조사함으로써 결함을 생성시키고, 그 결과로서 발생하는 캐리어 전자에 의해 도전성을 향상시킬 수 있는 것을 발견하였다.
어닐링 조건으로서는, 산소 분위기 중, 1100℃, 3시간 이상으로 한다. 이 처리에 의해 표면에 계단, 테라스 구조가 형성되어 양호한 접촉을 실현할 수 있다.
도 1은 열처리 온도를 바꾸었을 때(600℃ 내지 1100℃)의 Ga2O3 단결정 기판 표면의 AFM(Atomic Force Microscopy)상을 도시한다. 분위기는 산소, 시간은 3hr로 하였다. 이에 앞서, 기판의 전처리로서, 유기 세정 후, HF5％ 15min과 H2SO4:H2O2:H2O＝4:1:1 혼합액 5min의 처리를 행하고 있다.
도 1의 결과로부터, 온도가 1100℃가 되면, 명료한 계단, 테라스 구조가 관찰되고 있다. 이러한 열처리를 행함으로써, 전극재의 증착시, 양호한 접촉을 실현할 수 있다고 생각된다. 여기서, 본 발명자는 Ga2O3 표면에 플라즈마를 조사함으로써 결함을 생성시키고, 그 결과 발생하는 결함 준위에 의해, 접촉 저항을 저감시켜, 보다 오믹 접촉다운 특성이 얻어지는 것을 발견하였다.
다음에, 열처리 후의 Ga2O3 단결정 기판에 대해, 증착 전의 처리로서 플라즈마 조사를 행하였다. 플라즈마 조사의 목적은, 강제적으로 결함을 생성시켜, 전기 전도성을 향상시키는 것이다.
구체적으로는, 잔류 가스에 의해 글로 방전을 이용한 플라즈마를 샘플 표면에 조사시킨다. 조사 시간은 30분. 이온 전류는 수백 ㎂이다.
이와 같이 하여, 단결정 육성 후의 Ga2O3을, 열처리한 후, 표면에 플라즈마 조사시킨 후, 전극을 장착하였다. 전극재로서, Ti를 30 내지 60㎚, 바람직하게는 약 50㎚ 증착 후, Au를 150 내지 250㎚, 바람직하게는 약 200㎚ 증착한다.
이하, 실시예에서 그 결과에 대해 설명한다.
(실시예)
산화갈륨 단결정(무첨가)은, FZ(Floating Zone)법을 이용하여 육성하였다. 분위기 가스로서 산소 농도 10％(유량비), 성장 속도 7.5㎜/hr, 1기압의 조건으로 성장시켰다. 이 (100)면을 잘라내고, 화학 기계 연마로 표면을 경면 연마하여, 두께 0.4㎜ 정도의 웨이퍼 형상으로 가공하였다.
기판의 전처리로서, 유기 세정 후, HF5％ 15min과 H2SO4:H2O2:H2O＝4:1:1 혼합액 5min의 처리를 행하였다.
이 샘플에 대해, 산소 분위기 중에서, 1100℃, 3시간 및 6시간의 열처리를 행하였다.
다음에, 전극재를 증착하는 전처리로서, 플라즈마 조사를 행하였다. 비교예로서, 아무것도 하지 않는 경우와 다이아몬드 시트로 10㎛ 연마하였을 때의 처리를 행하였다. 플라즈마 조사는, 잔류 가스(산소 질소)로부터 발생시킨 플라즈마를 샘플에 조사시킴으로써 행해진다.
이들 처리 후, Ti를 50㎚ 증착 후, Au를 100㎚ 증착하여 전극을 제작하였다. 이 경우의 전극 사이즈는, 직경 1㎜ 정도의 원이다. 그리고 그들의 단자 사이(AuTi 사이)의 몇 개소에 대해, 전류 전압 특성을 측정하였다.
도 2는, AuTi 전극 사이의 전류 전압 특성을 나타낸다. 열처리 시간은 3hr이고, 이 열처리 후, 전극재의 증착 전처리로서, (a) 처리 없음, (b) 다이아몬드 시트로 10㎛ 연마, (c) 산소 질소 플라즈마 조사 30min의 처리를 행하였을 때의 결과이다.
도 3은, 열처리 시간이 6hr인 경우의 동일한 결과를 나타낸다. 미처리인 것(a)은, 전류가 ㎁ 오더로 흐르고 있지만, 전극으로서는 사용할 수 없다. 10㎛ 연마하면, 때때로 전류가 흐르는 경우가 있지만 거의 ㎂ 오더까지밖에 흐르지 않는다(b). 플라즈마 조사를 행하면, 모든 전극에서 mA 오더의 전류가 흐르게 된다(c).
IV 특성은 직선적이지 않으므로, 완전한 오믹이라고는 할 수 없지만, 플라즈마 조사한 경우에 가장 전류가 흐르기 쉬워져, 효과를 확인할 수 있었던 것을 알 수 있다.
제2 실시 형태
이하, 상술한 산화갈륨의 단결정에 대해 오믹 접속을 행할 수 있는 것에 기초하여, 산화갈륨을 사용한 자외선용 포토디텍터에 대해 설명한다.
고품질의 벌크 산화갈륨(Ga2O3) 단결정은 밴드 갭이 약 4.8eV(약 260㎚)이고, 파장 280㎚ 이하의 자외선을 선택적으로 검지할 수 있는 특성이 있다. 또한 도전성이 있으므로, Ga2O3 단결정에 그대로 전극을 취할 수 있다. 또한 산화물이기 때문에, 상기 다른 반도체와 같이 산화에 의한 열화의 우려도 없고, 내구성, 안정성도 우수하다고 생각된다. 본 실시 형태는, 고품질의 벌크 산화갈륨(Ga2O3) 단결정의 육성 방법에 대해 성공한 본 발명자들에 의해, 이러한 특성을 이용한 자외선 센서(자외선용 포토디텍터) 및 그 제조 방법에 대해 예의 검토한 결과에 있어서 이루어진 것이다.
재료가 되는 Ga2O3 단결정은, 본 발명자들이 이미 발명한 방법에 의해 결정 품질이 우수한 단결정을 제조하는 것이 가능하다. 이 방법은, 순도 4N의 Ga2O3 분말을 원료로 하여 고무 튜브에 봉입하고, 고무 프레스로 성형, 전기로에서 1500℃, 10시간 소결한 소결체를 원료 막대로 하여, FZ(Floating Zone)법으로 단결정을 육성한다고 하는 것이다. 단결정 성장 조건으로서는, 성장 속도는 5 내지 10㎜/h, 분위기는 드라이 에어, 압력은 1기압의 조건으로 행한다.
이와 같이 하여 제작한 단결정을, 벽개성이 가장 강한 (100)면에 평행한 면을 와이어 소어로 슬라이스하고, 이 (100)면을 화학 기계 연마법(CMP:Chemical Mechanical Polishing)으로 경면 연마하여 두께 0.4 내지 0.5㎜의 웨이퍼 형상으로 가공한다.
이와 같이 하여 제작한 Ga2O3 단결정은, 비저항은 1 내지 5×10-1Ω㎝, 캐리어 밀도는 1017 내지 1018㎝-3으로 전기적으로 도전성이 된다. 이것을 기판에 이용하여 자외선 센서를 제작한다.
제2 실시 형태에 있어서는, 종형 구조의 자외선용 포토디텍터(센서)에 대해 설명한다. 도 4는 센서 구조를 도시하는 측면도이다. 도 4에 도시되는 센서(자외선용 포토디텍터)는, 산화갈륨 단결정 기판(10)의 표면과 이면에 전극(7, 5)을 부여하여, 종형의 쇼트키 다이오드를 제작한다. 표면에는 쇼트키 전극, 이면에는 오믹 전극을 제작한다. 이때 표면의 전극(7) 하부 바로 아래에는, 공핍층(3a)이 형성되고 그 아래에 도전층(3b)이 형성된다.
광을 전자 정공쌍으로 변환하여 검출하기 위해서는, 전극에 끼워 넣어진 고저항층을 제작할 필요가 있다. 이것은, 저저항층이면 전류가 간단히 흘러 버리므로, 광전류를 분리할 수 없기 때문이다.
이 고저항층의 제작에는 고저항의 박막, 혹은 쇼트키 접촉이나, pn 접합에 의한 공핍층을 이용하는 방법이 있지만, 공핍층을 이용하는 방법은 증폭 작용이 있고 고감도이므로 고저항층의 제작에는 보다 바람직하다. 또한, 공핍층의 제작에는, Ga2O3의 경우, n형만이 얻어지므로, pn 접합이 아닌 쇼트키 접촉에 의한 공핍층을 이용하는 것이 바람직하다. 그 결과, 디텍터의 구조는 Metal-Semiconductor-Metal(MSM)형이 된다.
MSM형 중에는, 횡형과 종형이 있다. 횡형의 경우, 포토리소그래피를 이용하거나 하여 빗살형 전극을 형성할 필요가 있다. 이 빗살형 전극은 대면적화가 곤란하여, 공핍층이 전극의 바로 아래에밖에 형성되지 않으므로, Ga2O3의 이용 효율은 낮아진다.
이에 대해, 종형은 도 4에 도시하는 바와 같이, 센서부는 표면에 수광면(7a)이 형성된 얇은 반투명(또는 투명)의 전극(쇼트키 전극:제1 전극)(7), 이면에 전극(오믹 전극:제2 전극)(5)을 형성하는 것만으로 구성되는 단순한 구조가 된다. 횡형과는 달리 투명 전극 하부로 확대되는 공핍층(3a) 전체면에 수광할 수 있으므로 Ga2O3 단결정의 이용 효율이 높고, 또한 빗살형 전극의 제작이 불필요하기 때문에 구조가 단순하고 프로세스도 간편해지는 특징이 있다.
이하, Ga2O3 단결정을 사용한 종형 구조의 디바이스 제작 방법에 대해, 프로세스마다 상세하게 설명한다. 디바이스 제작의 프로세스 전체를 도 5에 도시한다.
(S1:단결정의 어닐링)
우선, 기판을 불산, 황산, 아세톤, 에탄올, 순수로 세정하고, 열처리를 행한다. 열처리는 결정 성장 후의 Ga2O3 단결정에는 결함 등이 잔류하고 있으므로, 이것을 회복시킬 목적으로 행한다. 열처리는 산소 분위기 중에서 1100℃, 3 내지 24시간 행한다. 3시간보다 짧은 시간에서는 결정성의 회복이 불충분해지고, 24시간보다도 긴 처리 시간을 들여도 거의 포화되어 특성에 변화는 없다. 산소를 사용하는 것은, Ga2O3 단결정 육성시에 발생한 산소 결손을 보충하기 위함이다.
(S2:표면에의 보호막의 형성)
이면에 플라즈마 조사를 하기 위해, 조사 전에 표면의 손상을 피하기 위해 보호막(4)을 도포한다. 보호막(4)에는, 예를 들어 분석 샘플의 고정용으로 사용하는 마운팅 왁스 등을 사용한다. 100℃ 부근으로부터 녹기 시작하므로, 그것을 슬라이드 글래스에 도포하고, Ga2O3 기판의 표면을 압박하여 냉각시키면 표면에 이온이 조사되는 것을 방지할 수 있다.
(S3:이면에의 플라즈마 조사)
이면에 오믹 접촉을 취하기 위해, 또한 도전성의 개선, 저저항화를 도모할 목적으로 플라즈마 조사를 행한다. 이것은, 강제적으로 결함을 생성시켜, 캐리어 전자의 발생에 의한 전기 도전성을 향상시키기 위함이다. 플라즈마는, 잔류 가스를 이용한 저압 글로 방전을 이용하고 있고, 샘플 이면에 조사하였다.
이온 전류는 수백 ㎂이고, 장치 전체의 전류가 5 내지 10㎃이다. 조사 시간은 20 내지 40min, 바람직하게는 30min으로 한다. 20min보다 짧은 경우에는 효과가 적고, 40min보다 긴 시간 조사해도 효과는 거의 동일해지기 때문이다.
(S4:표면의 보호막의 제거)
이면에 플라즈마 조사 후, 보호막(4)을 제거한다. 마운팅 왁스를 다시 가열하여 Ga2O3 기판을 박리하고, 마운팅 왁스를 제거하고, 기판을 아세톤으로 세정한다.
(S5:이면에 오믹 전극의 형성)
Ti(5a, 6a)를 30 내지 70㎚, 바람직하게는 30 내지 50㎚ 증착 후, Au(5b, 6b)를 80 내지 150㎚, 바람직하게는 80 내지 100㎚ 증착하고, Au/Ti의 오믹 전극(5, 6)을 형성한다. 전극 사이즈는 1 내지 5㎜φ, 바람직하게는 3 내지 4㎜φ로 한다. 또한 사이즈가 커질수록 접촉 저항이 작다.
(S6:표면에 쇼트키 전극 형성)
쇼트키 전극 재료(7)로서, n형 반도체이므로, 일 함수가 크다고 하는 금속인 Au, Pt 등이 사용된다. Ni(7a)를 2 내지 5㎚, 바람직하게는 2㎚ 증착 후, Au 또는 Pt(7b)를 6 내지 10㎚ 증착하여, Au/Ni 또는 Pt/Ti의 반투명(또는 투명)한 전극을 제작한다. 또한, 금속에는 Ni층을 삽입하지 않는 Au, Pt, 또한 Au, Pt 외에, Al, Co, Ge, Sn, In, W, Mo, Cr, Cu 등도 사용할 수 있다.
Ni를 증착하는 것은, Au 또는 Pt 단체에서는, 기판과의 밀착성이 좋지 않으므로, 얇은 Ni층을 삽입하여 밀착성을 개선하기 위함이다. 이것이 수광면이 되고, 이 경우의 전극 사이즈는 1 내지 5㎜φ, 바람직하게는 3 내지 4㎜φ. 사이즈가 커질수록 수광면 확대로 이어진다.
(S7:패드 전극의 형성)
이 전극(7) 중에 배선용의 패드 전극(8)을 제작한다. 패드 전극(8)의 사이즈는 0.05 내지 1.5㎜φ, Ni(8a)를 3 내지 10㎚, 바람직하게는 4 내지 6㎚, Au 또는 Pt(8b)를 80 내지 150㎚, 바람직하게는 100㎚ 이하, 반투명한 수광면[전극(7)] 중에 증착한다. 또한 이때 동시에 오믹 전극(6)에 대응하는 바이어스용의 오믹 전극(9)(9a:Ni, 9b:Au 또는 Pt)을 작성한다.
이상과 같은 프로세스로 제작한 디바이스에 대해, 디바이스 특성을 평가하기 위해, 실제로 광을 조사하여 분광 감도 특성 등의 성능을 조사하였다. 이하, 실시예에서 그 상세를 서술한다.
(실시예)
산화갈륨 분말(순도 4N)을 고무 튜브에 봉입하고 이것을 정수압 프레스 성형하여, 대기 중 1500℃, 10시간 소결하였다. 이 소결체를 원료 막대로 하여 광 FZ 장치를 사용하여 단결정 육성을 행하였다. 성장 속도는 7.5㎜/hr로 하고, 분위기 가스로서 산소 80％-질소 20％(유량비)를 이용하였다.
얻어진 단결정의 (100)면을 잘라내고, CMP로 두께 0.4㎜까지 연마 가공하고, 표면은 평균 거칠기 0.2㎚ 이하의 경면으로 하여 웨이퍼 형상의 기판으로 하였다. 기판 사이즈는 약 7㎜×8㎜이다.
이 Ga2O3 단결정에 대해, Hall 측정한 결과, 비저항은 1.2×10-1Ω㎝, 캐리어 밀도는 1.3×1018㎝-3, 이동도는 39㎠/Vs의 전기적 도전성을 나타냈다. 이 기판을 불산, 황산, 아세톤, 에탄올, 순수로 세정 후, 산소 분위기 중에서 1100℃, 6시간의 열처리를 행하였다.
다음에, 도 5에 도시하는 상술한 공정에 따라서, 전극의 제작을 행하였다.
이때의 전극 배치는 도 6의 (a), 도 6의 (b)에 도시하는 바와 같이, 7㎜×8㎜의 Ga2O3 기판 사이즈에 대해, 전극 사이즈는 4㎜φ이다. 이면의 오믹 전극은 Ti 50㎚ 증착 후, Au 100㎚ 증착하였다. 또한, 도 6의 (a)는 도 4에 도시한 센서를 상방으로부터 본 도면, 도 6의 (b)는 도 1에 도시한 센서를 하방으로부터 본 도면이다.
한편, 표면의 쇼트키 전극은 Ni를 2㎚ 증착 후, Au를 8㎚ 증착하였다. 배선용의 패드 전극은 1㎜φ로 하고, Ni를 5㎚ 증착 후, Au를 100㎚ 증착하였다. 이때, 수광부는 4㎜φ의 반투명 전극 부분으로부터 패드 전극 1㎜φ를 제외한 부분이 된다. 전극 제작 후의 실제의 포토디텍터를 도 6의 (c)의 사진으로 나타낸다.
이상과 같이 하여 제작한 디바이스에 대해, 광 조사를 행하여, 전류 전압 특성, 분광 감도 특성을 평가하였다. 이때의 광원에는, 중수소 램프(하마마쯔 포토닉스제 150W L1314, 수냉식)를 사용하였다. 200㎚로부터 350㎚까지 10㎚씩 분광한 광을 조사하였다. 또한, 도 11은 본 실시 형태에 있어서의 종형 구조의 포토디텍터의 동작을 도시하는 개략도이다.
(전류 전압 특성)
상부 전극과 하부 전극의 광 조사시와 비조사시의 전류 전압(IV) 특성, 즉 포토디텍터 본체의 IV 특성을 도 7의 (a)에 나타낸다. ＋는 패드 전극, －는 큰 쪽의 Au/Ti 전극(투명 전극과 대향한 전극)이 된다. 이 결과로부터, 상부 전극이 쇼트키 접촉인 것은 확인할 수 있었다.
도 7의 (a)를 로그 표시한 것이 도 7의 (b)이다. 우선, 암전류에 주목하면, ＋5V와 －5V의 전류가 각각, 4.50×10-3A, 1.06×10-9A이므로, 정류비는 106이다. 다음에 광을 조사하였을 때에는, 역방향으로 광전류가 흐르고 있어, 3자리수 정도의 차이가 있다.
(분광 감도 특성)
도 7의 (b)의 포토디텍터 디바이스에, 200㎚로부터 350㎚까지 10㎚씩 분광한 광을 조사하였을 때, 수광면에 조사된 각 파장의 파워는 도 8과 같이 되었다. 240 내지 250㎚ 부근에 중심 파장이 있는 것을 알 수 있다.
10V 역방향 바이어스시의 분광 감도 특성은 도 9와 같이 되었다. 파장 280㎚ 미만으로 감도를 갖는 태양광 블라인드로 되어 있는 것을 알 수 있다. 이것을 조사 파워로 나눈 바, 도 10과 같이 되었다. 감도비는 약 3자리수이다.
도 10에 외부 양자 효율(η)을 기입하였지만, 100％를 초과하고 있으므로, 증배율로 정의를 바꿀 수도 있다. 또한, η은 I, P, λ를 각각 광전류, 입사 파워, 파장으로 하여 이하의 식으로 계산할 수 있다.
η＝(I/P)*(1240/λ)
제3 실시 형태
제2 실시 형태에 있어서는, 종형 구조의 센서에 대해 설명하였지만, 본 발명은 횡형 구조의 센서에 대해서도 적용할 수 있는 것은 물론이다.
도 12는, 횡형 구조의 센서에 대해 설명하는 동작 설명도이다. 도 12에 있어서, 상기 센서는 산화갈륨 단결정 기판(10)의 표면에 저캐리어 밀도의 층 또는 절연층(10a)을 설치하고, 상기 저캐리어 밀도의 층 또는 절연층 표면에 수광면(11a)을 갖는 제1 전극(11)과, 제1 전극(11)의 수광면(11a)에서 받는 자외선에 따라서 제1 전극과의 사이에서 Ga2O3 기판을 통해 전류가 흐르는 제2 전극(12)을 구비한다.
본 실시 형태에 있어서는, S1에 있어서 나타낸 열처리에 있어서, 장시간에 걸친 열산화를 행하여, 광의 흡수 거리보다도 깊은 위치까지 저캐리어 밀도의 층 또는 절연층을 형성한다. 그리고 열산화된 저캐리어 밀도의 층 또는 절연층 표면에 제1 전극(쇼트키 전극에 대응)(11)으로서 Au/Ni 구조 또는 Pt/Ni 구조를 갖는 빗살형 전극을 형성하고, 그 근방에 제2 전극(12)으로서의 오믹 전극을 형성한다. 각 전극의 형성 방법에 대해서는, 제1 실시 형태에 설명한 것에 대응하고 있다.
이와 같이 하여, 빗살형 전극에 있어서 수광면을 형성하고, 그 전극 하방의 저캐리어 밀도의 층 또는 절연층에서 광전류를 발생시켜, 제1 전극(11)과 제2 전극(12) 사이의 전류를 검출함으로써 자외선을 검출하는 구성으로 한다.
종형 구조는, 상술한 바와 같이, 대면적을 필요로 하는 빗살형 전극이 불필요하고, Ga2O3의 이용 효율이 높고, 또한 제조 프로세스도 간단하다고 하는 특징을 갖지만, 형성된 공핍층에 효율적으로 바이어스를 인가할 수 있다고 하는 점에 있어서는, 횡형 구조 센서의 쪽이 더 우수하다고 생각된다. 또한, 장시간 열처리를 행하므로, 전극 부근은 거의 절연체라고 간주할 수 있어, 금속 전극(쇼트키 전극에 대응)과 절연체의 접촉에 있어서의 높은 배리어를 형성하는 것이 용이해지고, 암전류가 작은 센서를 만들기 쉬워, 고감도의 것이 얻어지기 쉽다고 하는 효과가 있다.
본 발명에 따르면, 박막 성장이 불필요하기 때문에, 도전성의 산화갈륨(Ga2O3) 단결정 기판을 사용하고 있으므로 내구성이 우수하고, 또한 박막 성장에 소비하고 있었던 비용을 저감시킬 수 있다고 하는 효과를 발휘한다.
Claims (13)
- 산화갈륨 단결정 기판과,
상기 산화갈륨 단결정 기판의 표면에 형성되고, 수광면을 갖는 동시에 상기 산화갈륨 단결정 기판과 쇼트키 접촉을 이루는 제1 전극과,
상기 산화갈륨 단결정 기판의 이면에 형성되고, 상기 산화갈륨 단결정 기판과 오믹 접촉을 이루고, 상기 수광면에서 받는 자외선에 따라서 상기 제1 전극과의 사이에서 상기 산화갈륨 단결정 기판을 통해 전류가 흐르는 제2 전극을 구비하는, 자외선용 포토디텍터. - 제1항에 있어서, 상기 제1 전극은, Au 또는 Pt로 이루어지고,
상기 제2 전극은, Au 또는 Al로 이루어지는, 자외선용 포토디텍터. - 제1항에 있어서, 상기 제1 전극은, Au 또는 Pt와 상기 산화갈륨 단결정 기판 사이에 Ni층을 삽입하여 이루어지는 Au/Ni 또는 Pt/Ni 구조를 갖고,
상기 제2 전극은, Au 또는 Al과 상기 산화갈륨 단결정 기판 사이에 Ti층을 기초층으로서 형성하여 이루어지는 Au/Ti 또는 Al/Ti 구조를 갖는, 자외선용 포토디텍터. - 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 산화갈륨 단결정 기판은, 비저항이 1 내지 5×10-1Ω㎝, 캐리어 밀도가 1017 내지 1018㎝-3의 전기적 도전성을 갖고, 그 (100)면을 이용하는, 자외선용 포토디텍터.
- 표면에 저캐리어 밀도의 층이 형성된 산화갈륨 단결정 기판과,
상기 산화갈륨 단결정 기판의 상기 저캐리어 밀도의 층 표면에 설치되고, 수광면을 갖는 제1 전극과,
상기 산화갈륨 단결정 기판의 상기 저캐리어 밀도의 층 표면에 설치되고, 상기 수광면에서 받는 자외선에 따라서 상기 제1 전극과의 사이에서 상기 산화갈륨 단결정 기판을 통해 전류가 흐르는 제2 전극을 구비하는, 자외선용 포토디텍터. - 산화갈륨 단결정 기판을 사용하여 제작되는 자외선용 포토디텍터의 제조 방법이며,
상기 산화갈륨 단결정 기판을 전처리하고,
상기 전처리를 종료한 상기 산화갈륨 단결정 기판면의 표면에 상기 산화갈륨 단결정 기판과 쇼트키 접촉을 이루는 제1 전극과, 상기 산화갈륨 단결정 기판의 이면에 상기 산화갈륨 단결정 기판과 오믹 접촉을 이루고, 상기 제1 전극과의 사이에서 상기 산화갈륨 단결정 기판을 통해 전류가 흐르는 제2 전극을 형성하는, 자외선용 포토디텍터의 제조 방법. - 제6항에 있어서, 상기 전처리는, 상기 산화갈륨 단결정 기판의 이면에 상기 제2 전극이 오믹 접촉을 행하기 위한 플라즈마 조사를 행하는 공정을 포함하고,
상기 제1 전극은, 상기 산화갈륨 단결정 기판의 표면에 Au 또는 Pt를 증착함으로써 형성되고, 상기 제2 전극은, 상기 플라즈마 조사가 행해진 상기 산화갈륨 단결정 기판의 이면에 Au 또는 Pt를 증착함으로써 형성되는, 자외선용 포토디텍터의 제조 방법. - 제6항에 있어서, 상기 전처리는, 상기 산화갈륨 단결정 기판의 이면에 상기 제2 전극이 오믹 접촉을 행하기 위한 플라즈마 조사를 행하는 공정을 포함하고,
상기 제1 전극은, 상기 산화갈륨 단결정 기판의 표면에 Ni를 증착하고, 상기 Ni 상에 Au 또는 Pt를 증착함으로써 형성되고, 상기 제2 전극은, 상기 플라즈마 조사가 행해진 상기 산화갈륨 단결정 기판의 이면에 Ti를 증착하고, 상기 Ti 상에 Au 또는 Pt를 증착함으로써 형성되는, 자외선용 포토디텍터의 제조 방법. - 산화갈륨 단결정 기판을 사용하여 제작되는 자외선용 포토디텍터의 제조 방법이며,
상기 산화갈륨 단결정 기판의 표면에 저캐리어 밀도의 층 또는 절연층을 형성하고,
상기 산화갈륨 단결정 기판의 상기 저캐리어 밀도의 층 또는 절연층 표면에, 수광면을 갖는 제1 전극과, 상기 수광면에서 받는 자외선에 따라서 상기 제1 전극과의 사이에서 상기 산화갈륨 단결정 기판을 통해 전류가 흐르는 제2 전극을 형성하는, 자외선용 포토디텍터의 제조 방법. - 제6항에 있어서, 산화갈륨 단결정에 오믹 전극을 형성할 때, 표면에 플라즈마 조사한 후 Ti를 증착 후, Au 또는 Pt 또는 Al을 증착한 Au/Ti 구조 또는 Pt/Ti 구조 또는 Al/Ti 구조의 전극을 형성하는, 자외선용 포토디텍터의 제조 방법.
- 제10항에 있어서, 플라즈마 조사는, 산소 질소를 포함한 잔류 가스 또는 수소 가스로부터 생성된 플라즈마를 조사하는, 자외선용 포토디텍터의 제조 방법.
- 제10항에 있어서, 산화갈륨 기판에 플라즈마 조사하는 것에 앞서, 산화갈륨 기판을 1100℃, 3시간 이상, 산소 분위기에서 열처리하는, 자외선용 포토디텍터의 제조 방법.
- 제6항에 있어서, 산화갈륨에 오믹 접촉하는 전극재에 있어서, 상기 Au/Ti 구조를 갖는 경우, 전극재 Au/Ti의 막 두께가 산화갈륨 기판측으로부터 Ti가 30 내지 60㎚, Au가 80 내지 150㎚이고, 이들 전극재를 증착, 스퍼터링 혹은 이온 플레이팅법에 의해 형성하는, 자외선용 포토디텍터의 제조 방법.
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