KR20140086674A - 광 검출 소자 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 에너지 밴드갭이 서로 다른 다층 밴드갭 변화층을 적용함으로써, 버퍼층과 광흡수층의 급격한 에너지 밴드갭 변화에 따른 전류의 흐름 방지를 개선한 광 검출 소자에 관한 것으로, 본 발명의 일실시예는, 기판; 상기 기판 상에 형성되는 버퍼층; 상기 버퍼층 상의 일부 영역에 형성되는 제1 밴드갭 변화층; 상기 제1 밴드갭 변화층 상에 형성되는 광흡수층; 상기 광흡수층 상의 일부 영역에 형성되는 쇼트키층; 및 상기 쇼트키층 상의 일부 영역에 형성되는 제1전극층을 포함하는 광 검출 소자를 제공한다.

Description

광 검출 소자{Light detecting device}
본 발명은 광 검출 소자에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 에너지 밴드갭이 서로 다른 다층 밴드갭 변화층을 적용함으로써, 버퍼층과 광흡수층의 급격한 에너지 밴드갭 변화에 따른 전류의 흐름 방지를 개선한 광 검출 소자에 관한 것이다.
자외선은 태양광의 스펙트럼을 사진으로 찍었을 때, 가시광선의 단파장보다 바깥쪽에 나타나는 눈에 보이지 않는 빛으로, 1801년 독일의 화학자 J.W.리터가 처음 발견하였다.
여기서, 자외선은 약 397~10nm에 이르는 파장으로 된 넓은 범위의 전자기파의 총칭으로서, 극단적으로 파장이 짧은 자외선은 X선과 거의 구별되지 않는다. 또한, 자외선은 화학작용이 강하므로, 적외선을 열선이라 하는 것에 대응하여 화학선이라 하기도 한다.
파장이 400nm 이하인 자외선은 파장별로 여러 대역으로 나뉘는데, UV-A 영역은 320nm~400nm로서 태양광 중 지표면에 도달하는 98% 이상이 이 영역이며, 인체의 피부에 흑화현상이나 피부노화의 영향을 준다. UV-B 영역은 280nm~320nm로서 태양광 중 대략 2%만이 지표면에 도달하게 되는데, 인체에는 피부암이나 백내장, 홍반현상 등 매우 심각한 영향을 준다. UV-B는 오존층에 의해서 대부분 흡수되지만 최근 오존층의 파괴에 의해 지표면에 도달하는 양이 증가하고 그 지역이 증가하고 있어서 심각한 환경문제로 대두되고 있다. UV-C는 200nm~280nm로서 태양광에서 오는 것은 모두 대기중에 흡수되어 지표면에 거의 도달되지 않는다. 이 영역은 살균작용에 많이 이용되고 있다. 이러한 자외선의 인체에 미치는 영향을 정량화한 것 중에서 대표적인 것이 UV-B 입사량으로 정의된 자외선지수(UV index)이다.
자외선을 감지할 수 있는 소자는 PMT(PhotoMultiplier Tube)나 반도체 소자가 있는데, PMT보다 반도체 소자가 값싸고 크기가 작기 때문에 최근에는 대부분 반도체 소자를 많이 사용한다. 반도체 소자에서는 에너지 밴드 갭이 자외선 감지에 적당한 GaN(갈륨나이트라이드), SiC(실리콘카바이드) 등이 많이 이용되고 있다.
이중에 특히 GaN을 기반으로 하는 소자의 경우, 쇼트키(schottky) 접합 형태와 MSM(Metal-Semi conductor-Metal) 형태, 그리고 PIN 형태의 소자가 주로 사용되는데, 특히 쇼트키 접합 형태의 소자가 제조공정이 간단하여 선호되고 있다.
여기서, 쇼트키 접합 형태의 소자는, 이종 기판 위에 버퍼층, 광흡수층, 쇼트키 접합층이 차례로 적층되며, 제1전극이 버퍼층 또는 광흡수층 위에 형성되고, 제2전극이 쇼트키 접합층 위에 형성된다.
이때, 버퍼층은 GaN층으로 이루어지고 광흡수층은 AlGaN층으로 이루어질 수 있는데, GaN층과 AlGaN층의 격자 부정합과 열팽창 계수 차이로 인해, AlGaN층의 Al 함량이 15% 이상이고 두께가 0.1㎛ 이상인 경우에는 AlGaN층에 크랙이 발생하여 수율이 저하된다.
이를 해결하기 위해, GaN 버퍼층과 AlGaN 광흡수층 사이에 AlN 버퍼층을 사용하기도 하는데, 이처럼 AlN 버퍼층을 사용하는 경우, AlN층의 높은 에너지 밴드갭과 절연 특성으로 인해, 광 검출 반응도가 저하되는 문제가 있다.
또한, 광흡수층으로 AlGaN층을 사용할 때, Al 함량 15% 이상에서는 높은 저항 때문에 오믹접합을 AlGaN층에 바로 형성하기 어렵고, 쇼트키 접합장벽이 커서 균일한 쇼트키 접합 특성을 얻을 수 없게 되는 문제가 있다.
아울러, 크랙 방지를 위해 광흡수층의 두께를 0.1㎛ 이하로 하는 경우, 광흡수층의 얇은 두께로 인해 광흡수 효율이 저하되고, 그에 따른 반응도도 저하되는 문제가 있다.
본 발명은 상술한 바와 같은 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 일실시예는, 에너지 밴드갭이 서로 다른 다층 밴드갭 변화층을 적용함으로써, 버퍼층과 광흡수층의 급격한 에너지 밴드갭 변화에 따른 전류의 흐름 방지를 개선한 광 검출 소자의 제공을 목적으로 한다.
또한, 본 발명의 일실시예는, 특히 검출하고자 하는 광의 투과도 향상을 위해 쇼트키층에 ITO 등을 사용한 광 검출 소자의 제공을 다른 목적으로 한다.
또한, 본 발명의 일실시예는, 쇼트키층의 쇼트키 특성을 용이하게 하기 위해, Mg이 도핑된 p-InzGa1 -zN(0<z<1)으로 이루어지는 탑층이 쇼트키층 저면에 삽입된 광 검출 소자의 제공을 또 다른 목적으로 한다.
아울러, 본 발명의 일실시예는, 와이어 본딩시 응력에 의한 쇼트키층의 필링(peeling) 방지를 위해, 쇼트키 고정층에 의해 쇼트키층의 일부와 탑층의 일부가 동시에 접촉 고정되는 광 검출 소자의 제공을 또 다른 목적으로 한다.
본 발명의 바람직한 일실시예에 의하면, 기판; 상기 기판 상에 형성되는 버퍼층; 상기 버퍼층 상의 일부 영역에 형성되는 제1 밴드갭 변화층; 상기 제1 밴드갭 변화층 상에 형성되는 광흡수층; 상기 광흡수층 상의 일부 영역에 형성되는 쇼트키층; 및 상기 쇼트키층 상의 일부 영역에 형성되는 제1전극층을 포함하는 광 검출 소자가 제공된다.
여기서, 상기 광흡수층 상에 형성되는 탑층을 더 포함하고, 상기 쇼트키층은 상기 탑층 상의 일부 영역에 형성된다.
또한, 상기 쇼트키층 상에 형성되며, 상기 쇼트키층의 테두리를 따라 상기 탑층의 일부를 덮는 쇼트키 고정층을 더 포함할 수 있다.
아울러, 상기 버퍼층 상에 상기 제1 밴드갭 변화층과 이격하여 형성되며, 상기 버퍼층과 오믹접합하는 제2전극층을 더 포함할 수 있다.
이때, 상기 기판은, 사파이어 기판, SiC 기판, GaN 기판, AlN 기판, Si 기판 중 어느 하나인 것이 바람직하다.
또한, 상기 버퍼층은, 기판 상에 형성되는 저온 GaN층과, 상기 저온 GaN층 상에 형성되는 고온 GaN층을 포함한다.
이때, 상기 제1 밴드갭 변화층은, Al 함량이 서로 상이한 복수의 AlGaN층이 적층되어 이루어질 수 있다.
또한, 상기 제1 밴드갭 변화층은, Al 함량이 서로 상이한 복수의 AlGaN층과 GaN층이 교대로 적층되어 이루어지는 것도 가능하다.
이때, 상기 광흡수층의 에너지 밴드갭이 상기 버퍼층의 에너지 밴드갭보다 높으며, 상기 제1 밴드갭 변화층의 Al 함량이 상층으로 갈수록 증가한다.
이때, 상기 광흡수층은, AlxGa1 -xN(0<x<0.7)층으로 이루어진다.
한편, 상기 제1 밴드갭 변화층은, In 함량이 서로 상이한 복수의 InGaN층이 적층되어 이루어질 수 있다.
또한, 상기 제1 밴드갭 변화층은, In 함량이 서로 상이한 복수의 InGaN층과 GaN층이 교대로 적층되어 이루어지는 것도 가능하다.
이때, 상기 광흡수층의 에너지 밴드갭이 상기 버퍼층의 에너지 밴드갭보다 낮으며, 상기 제1 밴드갭 변화층의 In 함량이 상층으로 갈수록 증가한다.
이때, 상기 광흡수층은, InyGa1 -yN(0<y<0.5)층으로 이루어진다.
또한, 상기 광흡수층과 상기 탑층 사이에 형성되는 제2 밴드갭 변화층을 더 포함할 수 있다.
이때, 상기 제2 밴드갭 변화층은, Al 함량이 서로 상이한 복수의 AlGaN층이 적층되어 이루어질 수 있다.
또한, 상기 제2 밴드갭 변화층은, Al 함량이 서로 상이한 복수의 AlGaN층과 GaN층이 교대로 적층되어 이루어지는 것도 가능하다.
이때, 상기 탑층의 에너지 밴드갭이 상기 광흡수층의 에너지 밴드갭보다 낮으며, 상기 제2 밴드갭 변화층의 Al 함량이 상층으로 갈수록 감소한다.
이때, 상기 탑층은 Mg 도핑된 p-InzGa1 -zN(0<z<1)층으로 이루어지고, 상기 광흡수층은 AlxGa1 -xN(0<x<0.7)층으로 이루어진다.
한편, 상기 제2 밴드갭 변화층은, In 함량이 서로 상이한 복수의 InGaN층이 적층되어 이루어질 수 있다.
또한, 상기 제2 밴드갭 변화층은, In 함량이 서로 상이한 복수의 InGaN층과 GaN층이 교대로 적층되어 이루어지는 것도 가능하다.
이때, 상기 탑층의 에너지 밴드갭이 상기 광흡수층의 에너지 밴드갭보다 높으며, 상기 제2 밴드갭 변화층의 In 함량이 상층으로 갈수록 감소한다.
이때, 상기 탑층은 Mg 도핑된 p-InzGa1 -zN(0<z<1)층으로 이루어지고, 상기 광흡수층은 InyGa1 -yN(0<y<0.5)층으로 이루어진다.
한편, 상기 제1 밴드갭 변화층은, 0 초과 50nm 이하의 두께로 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 광흡수층은, 0.1㎛ 내지 0.5㎛의 두께로 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 제2 밴드갭 변화층은, 0 초과 20nm 이하의 두께로 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 탑층은, 0 초과 10nm 이하의 두께로 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 쇼트키층은, ITO, ATO, Pt, W, Ti, Pd, Ru, Cr, Au 중의 어느 하나로 이루어지는 것이 바람직하다.
아울러, 상기 쇼트키 고정층은, ITO, ATO, Pt, W, Ti, Pd, Ru, Cr, Au 중의 어느 하나로 이루어지는 것이 바람직하다.
본 발명의 일실시예에 따른 광 검출 소자에 의하면, 버퍼층과 광흡수층 사이에 에너지 밴드갭이 서로 다른 다층 밴드갭 변화층이 형성됨으로써, 버퍼층과 광흡수층의 급격한 에너지 밴드갭 변화에 따른 전류의 흐름 방지가 개선되고, 광흡수층의 결정 특성이 향상되며, 따라서 광 검출 소자의 신뢰성이 향상되는 효과가 있다.
또한, 광흡수층과 탑층 사이에 에너지 밴드갭이 서로 다른 다층 밴드갭 변화층이 형성됨으로써, 광흡수층과 탑층의 급격한 에너지 밴드갭 변화에 따른 전류의 흐름 방지가 개선되고, 탑층의 결정 특성이 향상되며, 따라서 광 검출 소자의 신뢰성이 향상되는 효과가 있다.
또한, 쇼트키층으로 종래의 Ni에 비해 광 투과도가 우수한 ITO 등을 적용함으로써, 광 검출 소자의 반응도가 향상되는 효과가 있다.
또한, p-InzGa1 -zN(0<z<1) 탑층이 쇼트키층의 저면에 형성됨으로써, 쇼트키층과 탑층의 쇼트키 접합 형성이 용이하고, 쇼트키 고정층에 의해 쇼트키층과 탑층의 일부가 동시에 접촉 고정됨으로써, 와이어 본딩에 의한 응력을 극복하여 쇼트키층의 필링(peeling) 현상을 방지할 수 있으며, 이에 따라 광 검출 소자의 생산 수율이 향상되는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 광 검출 소자의 단면도.
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 광 검출 소자의 평면도.
도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 광 검출 소자의 에너지 밴드 다이어그램.
도 4는 본 발명의 제2실시예에 따른 광 검출 소자의 단면도.
도 5는 본 발명의 제2실시예에 따른 광 검출 소자의 에너지 밴드 다이어그램.
도 6은 본 발명의 제3실시예에 따른 광 검출 소자의 단면도.
도 7은 본 발명의 제3실시예에 따른 광 검출 소자의 에너지 밴드 다이어그램.
도 8은 본 발명의 제4실시예에 따른 광 검출 소자의 단면도.
도 9는 본 발명의 제4실시예에 따른 광 검출 소자의 에너지 밴드 다이어그램.
도 10은 본 발명의 제5실시예에 따른 광 검출 소자의 단면도.
도 11은 본 발명의 제5실시예에 따른 광 검출 소자의 에너지 밴드 다이어그램.
도 12는 본 발명의 제6실시예에 따른 광 검출 소자의 단면도.
도 13은 본 발명의 제6실시예에 따른 광 검출 소자의 에너지 밴드 다이어그램.
이하, 본 발명의 일실시예에 따른 광 검출 소자의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다.
또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로, 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 하여 내려져야 할 것이다.
예를 들어, 본 명세서에서 층이 다른 층 또는 기판 "상"에 있다고 언급되는 경우, 그것은 다른 층 또는 기판 상에 직접 형성될 수 있거나, 또는 그들 사이에 제3의 층이 개재될 수도 있다. 또한, 본 명세서에서 위쪽, 상(부), 상측면 등의 방향적인 표현은 아래쪽, 하(부), 하측면 등의 의미로 이해될 수 있다. 즉, 공간적인 방향의 표현은 상대적인 방향으로 이해되어야 하며, 절대적인 방향을 의미하는 것처럼 한정적으로 이해되어서는 안 된다.
또한, 아래의 실시예는 본 발명의 권리범위를 한정하는 것이 아니라 본 발명의 청구범위에 제시된 구성요소의 예시적인 사항에 불과하며, 본 발명의 명세서 전반에 걸친 기술사상에 포함되고 청구범위의 구성요소에서 균등물로서 치환 가능한 구성요소를 포함하는 실시예는 본 발명의 권리범위에 포함될 수 있다.
아울러, 아래의 실시예는 특히 자외선 광의 검출과 관련하여 설명하고 있으나, 본 발명이 그 외에 다른 파장 영역의 광 검출에도 이용될 수 있음은 물론이다.
제1실시예
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 광 검출 소자의 단면도이고, 도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 광 검출 소자의 평면도이며, 도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 광 검출 소자의 에너지 밴드 다이어그램이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1실시예에 따른 광 검출 소자(1)는, 기판(11) 상에 버퍼층(12)이 형성되고, 버퍼층(12) 상의 일부 영역에 제1 밴드갭 변화층(13)이 형성되며, 제1 밴드갭 변화층(13) 상에 광흡수층(14)이 형성되고, 광흡수층(14) 상에 탑층(16)이 형성된다.
그리고, 탑층(16) 상의 일부 영역에 쇼트키층(17)이 형성되고, 쇼트키층(17) 상에는 쇼트키 고정층(18)이 형성된다. 이때, 쇼트키 고정층(18)은 도 1과 도 2에 도시된 바와 같이, 쇼트키층(17) 보다 넓은 폭으로 형성되어, 쇼트키층(17)의 테두리를 따라 쇼트키층(17) 외곽으로 노출된 탑층(16)의 일부를 덮게 된다.
또한, 쇼트키 고정층(18) 상의 일부 영역에 제1전극층(19)이 형성되며, 제2전극층(20)은 버퍼층(12) 상에 제1 밴드갭 변화층(13)과 이격하여 형성된다.
여기서, 기판(11)으로는 사파이어(sapphire), AlN, SiC, GaN, Si 등이 사용될 수 있으며, 버퍼층(12)은 기판(11) 상에 형성되는 저온 GaN층(12a)과, 저온 GaN층(12a) 상에 형성되는 고온 GaN층(12b)을 포함한다.
먼저, 유기금속화학기상증착(MOCVD) 장치 반응관의 서셉터에 기판(11)을 위치시키고 반응관 내부의 압력을 100torr 이하로 내려 반응관 내부의 불순가스를 제거한다.
이후, 반응관 내부 압력을 100torr로 유지하고 온도를 1100℃까지 올려 이종 기판(11)의 표면을 열적으로 세정한 후, 온도를 550℃까지 내리고 Ga 소스(source)와 암모니아(NH3) 가스를 흘려주면서 저온 GaN층(12a)을 성장시키는데, 이때 반응관의 전체적인 가스 흐름은 수소(H2) 가스에 의해 결정된다.
또한, 저온 GaN층(12a) 위에 성장되는 고온 GaN층(12b)의 결정성과 광학적, 전기적 특성 확보를 위해, 저온 GaN층(12a)은 적어도 25nm 이상의 두께로 형성되는 것이 바람직하다.
저온 GaN층(12a)의 성장 후, 서셉터의 온도를 1000℃~1100℃ 바람직하게는 1050℃까지 올려 고온 GaN층(12b)을 성장시킨다. 이때, 온도가 1000℃ 미만이면 광학적, 전기적, 결정학적 특성이 저하되며, 온도가 1100℃를 넘으면 표면의 거칠기가 거칠어지고 결정성이 떨어진다.
고온 GaN층(12b)의 두께는 약 2㎛ 정도인 것이 바람직하며, 도핑을 하지 않아도 n-type 특성을 보이기는 하지만, n-type 효과를 위해 Si 도핑을 할 수도 있다.
고온 GaN층(12b) 상에 광흡수층(14)이 성장되는데, 광흡수층(14)을 자외선 B 영역 검출 흡수층으로 사용하기 위해서는 일반적으로 15% 이상의 Al 함량과 0.1㎛ 이상의 두께를 가져야 한다.
그런데, 위와 같은 조건으로 성장시, 광흡수층(14)과 고온 GaN층(12b) 간의 격자 부정합과 열팽창 계수 차이로 인해 크랙(crack)이 발생하고, 이에 따른 특성 저하 및 수율 저하의 문제가 발생하게 된다.
이에 따라, 1050℃ 내외의 고온 AlN 버퍼층을 고온 GaN층(12b)과 광흡수층(14) 사이에 형성하기도 하는데, 이처럼 고온 AlN 버퍼층을 사용하는 경우 크랙 발생은 억제할 수 있지만, AlN 버퍼층의 에너지 밴드갭이 약 6eV로 크기 때문에 절연층에 가깝고 고품질의 결정성을 얻기 어려울 뿐만 아니라, 절연특성 때문에 미세 전류의 흐름에 방해가 되기도 한다.
이러한 문제점을 해결하기 위해, 본 발명의 제1실시예에서는 고온 GaN층(12b)과 광흡수층(14) 사이에 제1 밴드갭 변화층(13)을 형성시키며 이때, 제1 밴드갭 변화층(13)은 고온 GaN층(12b)의 성장조건과 동일한 조건으로 성장하게 된다.
제1 밴드갭 변화층(13)은 각각의 층마다 Al 함량이 서로 다른 다층으로 이루어지는데, Al 함량이 서로 다른 복수의 AlGaN층이 적층되어 이루어지는 것도 가능하고, Al 함량이 서로 다른 복수의 AlGaN층과 GaN층이 교대로 적층되어 이루어지는 것도 가능하다. 도 1 내지 도 3에 도시된 본 발명의 제1실시예에 따른 광 검출 소자(1)의 경우, Al 함량이 서로 다른 복수의 AlGaN층이 적층되어 제1 밴드갭 변화층(13)을 형성하는 예를 도시하고 있다.
이때, 광흡수층(14)에서 흡수된 빛 에너지에 의한 전류 흐름의 감소를 최소화하기 위해, 제1 밴드갭 변화층(13)의 전체 두께는 50nm 이하인 것이 바람직하며, 제1 밴드갭 변화층(13)을 구성하는 복수의 층의 두께는 모두 동일한 것이 바람직하나, 서로 상이한 두께를 가질 수도 있으며, 각 층의 두께와 층의 개수는 필요에 따라 적절히 선택될 수 있다.
제1 밴드갭 변화층(13) 성장 후 AlxGa1 -xN(0<x<0.7)층으로 구성되는 광흡수층(14)이 성장하게 되는데, 고온 GaN층(12b) 성장조건에서 Al 소스의 공급에 의해 AlGaN층을 형성하여 광흡수층(14)으로 사용하게 된다.
이때, 광흡수층(14)은 0.1㎛~0.5㎛ 두께로 성장시키게 되는데, 크랙 등의 영향을 감안하여 0.2㎛ 내외의 두께로 성장시키는 것이 바람직하다.
또한, 광흡수층(14)의 에너지 밴드갭은 흡수하고자 하는 광의 파장 영역에 따라 다르며, Al 함량을 적절히 조절함으로써 원하는 에너지 밴드갭을 가진 광흡수층(14)을 선택적으로 성장시킬 수 있다.
본 발명의 제1실시예에 의하면, 도 3에 도시된 바와 같이 고온 GaN층(12b)의 에너지 밴드갭에 비해 AlxGa1 -xN(0<x<0.7)층인 광흡수층(14)의 에너지 밴드갭이 높으며, 제1 밴드갭 변화층(13)은 고온 GaN층(12b)과 인접하는 층일수록 에너지 밴드갭이 낮고, 광흡수층(14)과 인접하는 층일수록 에너지 밴드갭이 높게 구성된다.
즉, 제1 밴드갭 변화층(13)은 고온 GaN층(12b)과 인접하는 아래층으로부터 광흡수층(14)과 인접하는 위층으로 올라갈수록 각 층의 에너지 밴드갭이 더 높게 형성되며, 이를 위해 제1 밴드갭 변화층(13)을 구성하는 복수의 AlGaN층은 아래층의 Al 함량보다 위층의 Al 함량이 높게 조성되는 것이다.
광흡수층(14)의 성장 후, 광흡수층(14) 상에 Mg이 도핑된 p-InzGa1 -zN(0<z<1)의 탑층(16)을 성장시키게 되는데, 이는 후술하는 쇼트키층(17)의 쇼트키 접합이 용이하게 이루어지도록 하기 위함이다.
이때, 탑층(16)의 두께는 10nm 이하인 것이 바람직하며, 탑층(16)의 두께가 너무 두꺼우면 PN 특성과 쇼트키 특성을 동시에 보이는 현상이 발생하게 된다. 또한, 탑층(16)의 Mg 도핑 농도는 홀(Hall) 측정시 5×107/cm3 미만 정도이면 된다.
또한, p-InzGa1 -zN(0<z<1)층인 탑층(16)은 800℃ 내외에서 성장되는 것이 바람직하며, 이는 동일 In 소스를 공급하여도 성장 온도에 따라 In의 조성이 달라지는 경향이 있기 때문이다. 아울러, 탑층(16)이 p-GaN/InGaN의 초격자층으로 성장되는 것도 가능하다.
탑층(16) 성장 후, 탑층(16)과 광흡수층(14), 제1 밴드갭 변화층(13)을 드라이 에칭(dry etching)에 의해 식각하고, 식각에 의해 노출되는 고온 GaN층(12b) 상에 예컨대 Cr/Ni/Au를 증착하여 제2전극층(20)을 형성한다. 이때, 제2전극층(20)과 고온 GaN층(12b)은 오믹 특성을 갖도록 구성되며, 식각시 고온 GaN층(12b)의 일부까지 식각하는 것도 가능하다.
또한, 제2전극층(20)을 Cr/Ni/Au로 구성하는 경우, 각각의 두께에 따라 전극 특성이 달라지기는 하지만, 제2전극층(20)의 전체 두께가 400nm 이상이 되도록 하는 것이 바람직하다.
아울러, 제2전극층(20)은 제1 밴드갭 변화층(13)으로부터 이격하여 고온 GaN층(12b)의 코너부에 형성되는 몸체부(20a)와, 몸체부(20a)로부터 제1 밴드갭 변화층(13)의 테두리 방향을 따라 연장되는 한 쌍의 날개부(20b)를 포함하며, 이처럼 제2전극층(20)이 몸체부(20a)와 한 쌍의 날개부(20b)로 형성됨으로써, 와이어 본딩시 응력에 의한 제2전극층(20)의 필링(peeling) 현상을 방지할 수 있게 된다.
제2전극층(20) 형성 후 탑층(16) 상의 일부 영역에 쇼트키층(17)을 형성하여, 쇼트키층(17) 아래의 탑층(16)이 쇼트키층(17)의 테두리를 따라 그 외곽으로 일부 노출되도록 한다. 이때, 노출되는 탑층(16)의 일부는 후술하는 쇼트키 고정층(18)에 의해 덮여진다.
여기서, 쇼트키층(17)은 예컨대 ITO, ATO, Pt, W, Ti, Pd, Ru, Cr, Au 중의 어느 하나로 이루어질 수 있으며, 특히 자외선 광 투과도가 우수한 ITO로 쇼트키층(17)이 이루어지는 경우에는, 광 투과율과 쇼트키 특성 및 광 검출 소자의 반응도가 향상되는 효과가 있다.
또한, 자외선 광의 투과도 및 쇼트키 특성을 고려하면, 쇼트키층(17)의 두께는 10nm 이하인 것이 바람직하다.
쇼트키 고정층(18)은 쇼트키층(17) 상에 형성되며, 쇼트키층(17)의 테두리를 따라 그 외곽으로 노출되는 탑층(16)의 일부를 덮게 된다. 즉, 쇼트키 고정층(18)은 쇼트키층(17)과 탑층(16)의 일부에 동시 접촉하여 탑층(16) 상에 쇼트키층(17)을 고정하며, 이에 따라 와이어 본딩시 발생되는 응력에 의한 쇼트키층(17)의 필링(peeling) 현상을 방지하여 광 검출 소자(1)의 신뢰성 및 수율이 향상되는 효과가 있다.
이때, 쇼트키 고정층(18)은 예컨대 ITO, ATO, Pt, W, Ti, Pd, Ru, Cr, Au 중의 어느 하나로 이루어질 수 있다.
쇼트키 고정층(18) 상의 일부 영역에 제1전극층(19)이 형성된다. 이때, 제1전극층(19)으로는 예컨대 Ni/Au가 주로 사용된다.
또한, 쇼트키 고정층(18) 상에서 제1전극층(19)이 형성되는 영역은 광이 투과하지 못하여 쇼트키층(17)의 역할을 하지 못하므로, 제1전극층(19)은 와이어 본딩을 위한 최소한의 면적으로 형성되는 것이 바람직하며, 본 발명의 실시예에 따른 제1전극층(19)은 제2전극층(20)과 대각선 방향으로 대향하도록, 쇼트키 고정층(18)의 코너부에 인접하여 형성된다.
제2실시예
도 4는 본 발명의 제2실시예에 따른 광 검출 소자의 단면도이고, 도 5는 본 발명의 제2실시예에 따른 광 검출 소자의 에너지 밴드 다이어그램이다.
본 발명의 제2실시예에 따른 광 검출 소자(2)는, 전술한 제1실시예와 구성면에서 대동소이하며, 다만 광흡수층(14)과 탑층(16) 사이에 제2 밴드갭 변화층(15)이 형성된다는 점에서 차이가 있다.
따라서, 전술한 제1실시예와 동일한 구성에 대하여는 동일 도면부호를 부여하고 중복설명은 생략하기로 하며, 이하 차이점을 중심으로 설명하기로 한다.
본 발명의 제2실시예에 의하면, 광흡수층(14)과 탑층(16) 사이에 제2 밴드갭 변화층(15)이 형성된다.
이때, 제2 밴드갭 변화층(15)은 탑층(16)과 광흡수층(14) 사이의 급격한 에너지 밴드갭에 의해 밴드 우물이 발생되는 것을 방지하여 전류의 흐름을 용이하게 하고, 결정 결함을 감소시켜 탑층(16)의 결정성 특성을 향상시키는 효과를 낳게 된다.
제2 밴드갭 변화층(15)은 고온 GaN층(12b)과 동일 성장조건에서 성장하며, Al 소스의 함량 변화에 따라 에너지 밴드갭이 서로 상이한 복수의 층으로 성장하게 된다.
즉, 제2 밴드갭 변화층(15)은 각각의 층마다 Al 함량이 서로 다른 다층으로 이루어지는데, Al 함량이 서로 다른 복수의 AlGaN층이 적층되어 이루어지는 것도 가능하고, Al 함량이 서로 다른 복수의 AlGaN층과 GaN층이 교대로 적층되어 이루어지는 것도 가능하다.
도 4와 도 5에 도시된 본 발명의 제2실시예에 따른 광 검출 소자(2)의 경우, Al 함량이 서로 다른 복수의 AlGaN층이 적층되어 제2 밴드갭 변화층(15)을 형성하는 예를 도시하고 있다.
이때, 제2 밴드갭 변화층(15)의 두께가 너무 두꺼우면 쇼트키에 의해 형성된 공핍층(depletion layer) 내부에 포함되어 별도의 광흡수층으로 영향을 주게 되며, 따라서 제2 밴드갭 변화층(15)의 두께는 얇은 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는, 제2 밴드갭 변화층(15)의 전체 두께가 20nm 이하가 되도록 한다.
또한, 제2 밴드갭 변화층(15)을 구성하는 복수의 층의 두께는 모두 동일한 것이 바람직하나, 서로 상이한 두께를 가질 수도 있으며, 각 층의 두께와 층의 개수는 필요에 따라 적절히 선택될 수 있다.
본 발명의 제2실시예에 의하면, 도 5에 도시된 바와 같이 AlxGa1 -xN(0<x<0.7)층인 광흡수층(14)의 에너지 밴드갭에 비해 p-InzGa1 -zN(0<z<1)층인 탑층(16)의 에너지 밴드갭이 낮으며, 제2 밴드갭 변화층(15)은 광흡수층(14)과 인접하는 층일수록 에너지 밴드갭이 높고, 탑층(16)과 인접하는 층일수록 에너지 밴드갭이 낮게 구성된다.
즉, 제2 밴드갭 변화층(15)은 광흡수층(14)과 인접하는 아래층으로부터 탑층(16)과 인접하는 위층으로 올라갈수록 각 층의 에너지 밴드갭이 더 낮게 형성되며, 이를 위해 제2 밴드갭 변화층(15)을 구성하는 복수의 AlGaN층은 아래층의 Al 함량보다 위층의 Al 함량이 낮게 조성되는 것이다.
제3실시예
도 6은 본 발명의 제3실시예에 따른 광 검출 소자의 단면도이고, 도 7은 본 발명의 제3실시예에 따른 광 검출 소자의 에너지 밴드 다이어그램이다.
본 발명의 제3실시예에 따른 광 검출 소자(3)는, 전술한 제2실시예와 구성면에서 대동소이하며 다만, 제1 밴드갭 변화층(131)과 제2 밴드갭 변화층(151)이 AlGaN/GaN층으로 구성된다는 점에서 차이가 있다.
따라서, 전술한 제2실시예와 동일한 구성에 대하여는 동일 도면부호를 부여하고 중복설명은 생략하기로 하며, 이하 차이점을 중심으로 설명하기로 한다.
본 발명의 제3실시예에 의하면, Al 함량이 서로 다른 복수의 AlGaN층과 GaN층이 교대로 적층되어 제1 밴드갭 변화층(131)과 제2 밴드갭 변화층(151)을 구성한다. 즉, 제1 밴드갭 변화층(131)과 제2 밴드갭 변화층(151)은 AlGaN층과 GaN층이 번갈아 적층된 형태이다.
이때, GaN층과 함께 제1 밴드갭 변화층(131)을 구성하는 복수의 AlGaN층은, 고온 GaN층(12b)과 인접하는 아래층에서 광흡수층(14)과 인접하는 위층으로 갈수록 Al 함량이 더 높게 조성된다.
또한, GaN층과 함께 제2 밴드갭 변화층(151)을 구성하는 복수의 AlGaN층은, 광흡수층(14)과 인접하는 아래층에서 탑층(16)과 인접하는 위층으로 갈수록 Al 함량이 더 낮게 조성된다.
제4실시예
도 8은 본 발명의 제4실시예에 따른 광 검출 소자의 단면도이고, 도 9는 본 발명의 제4실시예에 따른 광 검출 소자의 에너지 밴드 다이어그램이다.
본 발명의 제4실시예에 따른 광 검출 소자(4)는, 전술한 제1실시예와 구성면에서 대동소이하며 다만, 광흡수층(141)이 InyGa1 -yN(0<x<0.5)층으로 구성되어 고온 GaN층(12b)과 탑층(16)의 에너지 밴드갭에 비해 광흡수층(141)의 에너지 밴드갭이 낮다는 점에서 차이가 있다.
또한, 제1 밴드갭 변화층(132)은 InGaN층으로 구성되며, 제1 밴드갭 변화층(132)에서 고온 GaN층(12b)과 인접하는 층일수록 에너지 밴드갭이 높고, 광흡수층(141)과 인접하는 층일수록 에너지 밴드갭이 높게 형성된다는 점에서 차이가 있다.
이하, 전술한 제1실시예와 동일한 구성에 대하여는 동일 도면부호를 부여하고 중복설명은 생략하기로 하며, 제1실시예와 구별되는 제4실시예의 차이점을 중심으로 설명하기로 한다.
본 발명의 제4실시예에 따른 광 검출 소자(4)는 광흡수층(141)이 InyGa1 -yN(0<x<0.5)층으로 구성되며, 제1 밴드갭 변화층(132)은 In 함량이 서로 다른 복수의 InGaN층이 적층되어 이루어진다.
이때, 고온 GaN층(12b)에 비해 광흡수층(141)의 에너지 밴드갭이 낮으며, 제1 밴드갭 변화층(132)을 구성하는 복수의 InGaN층은, 고온 GaN층(12b)과 인접하는 아래층의 In 함량보다 광흡수층(141)과 인접하는 위층의 In 함량이 더 높게 조성된다.
제5실시예
도 10은 본 발명의 제5실시예에 따른 광 검출 소자의 단면도이고, 도 11은 본 발명의 제5실시예에 따른 광 검출 소자의 에너지 밴드 다이어그램이다.
본 발명의 제5실시예에 따른 광 검출 소자(5)는, 전술한 제4실시예와 구성면에서 대동소이하며 다만, 광흡수층(141)과 탑층(16) 사이에 제2 밴드갭 변화층(152)이 형성된다는 점에서 차이가 있다.
따라서, 전술한 제4실시예와 동일한 구성에 대하여는 동일 도면부호를 부여하고 중복설명은 생략하기로 하며, 이하 차이점을 중심으로 설명하기로 한다.
본 발명의 제5실시예에 의하면, 광흡수층(141)과 탑층(16) 사이에 복수의 InGaN층을 포함하는 제2 밴드갭 변화층(152)이 형성된다.
이때, 제2 밴드갭 변화층(152)은 탑층(16)과 광흡수층(141) 사이의 급격한 에너지 밴드갭에 의해 밴드 우물이 발생되는 것을 방지하여 전류의 흐름을 용이하게 하고, 결정 결함을 감소시켜 탑층(16)의 결정성 특성을 향상시키는 효과를 낳게 된다.
제2 밴드갭 변화층(152)은 고온 GaN층(12b)과 동일 성장조건에서 성장하며, In 소스의 함량 변화에 따라 에너지 밴드갭이 서로 상이한 복수의 층으로 성장하게 되는데, 도 10과 도 11에 도시된 본 발명의 제5실시예에 따른 광 검출 소자(5)의 경우, In 함량이 서로 다른 복수의 InGaN층이 적층되어 제2 밴드갭 변화층(152)을 형성하는 예를 도시하고 있다.
이때, 본 발명의 제5실시예에 의하면, 도 11에 도시된 바와 같이 InyGa1 -yN(0<x<0.5)층인 광흡수층(141)에 비해 p-InzGa1 -zN(0<z<1)층인 탑층(16)의 에너지 밴드갭이 높다.
따라서, 제2 밴드갭 변화층(152)은 광흡수층(141)과 인접하는 아래층으로부터 탑층(16)과 인접하는 위층으로 갈수록 각 층의 에너지 밴드갭이 더 높게 형성되며, 이를 위해 제2 밴드갭 변화층(152)을 구성하는 복수의 InGaN층은 아래층의 In 함량보다 위층의 In 함량이 더 낮게 조성된다.
제6실시예
도 12는 본 발명의 제6실시예에 따른 광 검출 소자의 단면도이고, 도 13은 본 발명의 제6실시예에 따른 광 검출 소자의 에너지 밴드 다이어그램이다.
본 발명의 제6실시예에 따른 광 검출 소자(6)는, 전술한 제5실시예와 구성면에서 대동소이하며 다만, 제1 밴드갭 변화층(133)과 제2 밴드갭 변화층(153)이 InGaN/GaN층으로 구성된다는 점에서 차이가 있다.
따라서, 전술한 제5실시예와 동일한 구성에 대하여는 동일 도면부호를 부여하고 중복설명은 생략하기로 하며, 이하 차이점을 중심으로 설명하기로 한다.
본 발명의 제6실시예에 의하면, In 함량이 서로 다른 복수의 InGaN층과 GaN층이 교대로 적층되어 제1 밴드갭 변화층(133)과 제2 밴드갭 변화층(153)을 구성한다. 즉, 제1 밴드갭 변화층(133)과 제2 밴드갭 변화층(153)은 InGaN층과 GaN층이 번갈아 적층된 형태이다.
이때, GaN층과 함께 제1 밴드갭 변화층(133)을 구성하는 복수의 InGaN층은, 고온 GaN층(12b)과 인접하는 아래층에서 광흡수층(141)과 인접하는 위층 방향으로 갈수록 In 함량이 더 높게 조성된다.
또한, GaN층과 함께 제2 밴드갭 변화층(153)을 구성하는 복수의 InGaN층은, 광흡수층(141)과 인접하는 아래층에서 탑층(16)과 인접하는 위층 방향으로 갈수록 In 함량이 더 낮게 조성된다.
1,2,3,4,5,6 : 광 검출 소자
11 : 기판
12 : 버퍼층
12a : 저온 GaN층
12b : 고온 GaN층
13,131,132,133 : 제1 밴드갭 변화층
14,141 : 광흡수층
15,151,152,153 : 제2 밴드갭 변화층
16 : 탑층
17 : 쇼트키층
18 : 쇼트키 고정층
19 : 제1전극층
20 : 제2전극층
20a : 몸체부
20b : 날개부

Claims (29)

  1. 기판;
    상기 기판 상에 형성되는 버퍼층;
    상기 버퍼층 상의 일부 영역에 형성되는 제1 밴드갭 변화층;
    상기 제1 밴드갭 변화층 상에 형성되는 광흡수층;
    상기 광흡수층 상의 일부 영역에 형성되는 쇼트키층; 및
    상기 쇼트키층 상의 일부 영역에 형성되는 제1전극층을 포함하는 광 검출 소자.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 광흡수층 상에 형성되는 탑층을 더 포함하고, 상기 쇼트키층은 상기 탑층 상의 일부 영역에 형성되는 것을 특징으로 하는 광 검출 소자.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 쇼트키층 상에 형성되며, 상기 쇼트키층의 테두리를 따라 상기 탑층의 일부를 덮는 쇼트키 고정층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광 검출 소자.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 버퍼층 상에 상기 제1 밴드갭 변화층과 이격하여 형성되며, 상기 버퍼층과 오믹접합하는 제2전극층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광 검출 소자.
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 기판은,
    사파이어 기판, SiC 기판, GaN 기판, AlN 기판, Si 기판 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 광 검출 소자.
  6. 청구항 1에 있어서, 상기 버퍼층은,
    기판 상에 형성되는 저온 GaN층과, 상기 저온 GaN층 상에 형성되는 고온 GaN층을 포함하는 것을 특징으로 하는 광 검출 소자.
  7. 청구항 1에 있어서, 상기 제1 밴드갭 변화층은,
    Al 함량이 서로 상이한 복수의 AlGaN층이 적층되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 광 검출 소자.
  8. 청구항 1에 있어서, 상기 제1 밴드갭 변화층은,
    Al 함량이 서로 상이한 복수의 AlGaN층과 GaN층이 교대로 적층되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 광 검출 소자.
  9. 청구항 7 또는 청구항 8에 있어서,
    상기 광흡수층의 에너지 밴드갭이 상기 버퍼층의 에너지 밴드갭보다 높으며, 상기 제1 밴드갭 변화층의 Al 함량이 상층으로 갈수록 증가하는 것을 특징으로 하는 광 검출 소자.
  10. 청구항 9에 있어서, 상기 광흡수층은,
    AlxGa1 -xN(0<x<0.7)층으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 광 검출 소자.
  11. 청구항 1에 있어서, 상기 제1 밴드갭 변화층은,
    In 함량이 서로 상이한 복수의 InGaN층이 적층되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 광 검출 소자.
  12. 청구항 1에 있어서, 상기 제1 밴드갭 변화층은,
    In 함량이 서로 상이한 복수의 InGaN층과 GaN층이 교대로 적층되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 광 검출 소자.
  13. 청구항 11 또는 청구항 12에 있어서,
    상기 광흡수층의 에너지 밴드갭이 상기 버퍼층의 에너지 밴드갭보다 낮으며, 상기 제1 밴드갭 변화층의 In 함량이 상층으로 갈수록 증가하는 것을 특징으로 하는 광 검출 소자.
  14. 청구항 13에 있어서, 상기 광흡수층은,
    InyGa1 -yN(0<y<0.5)층으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 광 검출 소자.
  15. 청구항 2에 있어서,
    상기 광흡수층과 상기 탑층 사이에 형성되는 제2 밴드갭 변화층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광 검출 소자.
  16. 청구항 15에 있어서, 상기 제2 밴드갭 변화층은,
    Al 함량이 서로 상이한 복수의 AlGaN층이 적층되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 광 검출 소자.
  17. 청구항 15에 있어서, 상기 제2 밴드갭 변화층은,
    Al 함량이 서로 상이한 복수의 AlGaN층과 GaN층이 교대로 적층되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 광 검출 소자.
  18. 청구항 16 또는 청구항 17에 있어서,
    상기 탑층의 에너지 밴드갭이 상기 광흡수층의 에너지 밴드갭보다 낮으며, 상기 제2 밴드갭 변화층의 Al 함량이 상층으로 갈수록 감소하는 것을 특징으로 하는 광 검출 소자.
  19. 청구항 18에 있어서,
    상기 탑층은 Mg 도핑된 p-InzGa1 -zN(0<z<1)층으로 이루어지고, 상기 광흡수층은 AlxGa1 -xN(0<x<0.7)층으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 광 검출 소자.
  20. 청구항 15에 있어서, 상기 제2 밴드갭 변화층은,
    In 함량이 서로 상이한 복수의 InGaN층이 적층되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 광 검출 소자.
  21. 청구항 15에 있어서, 상기 제2 밴드갭 변화층은,
    In 함량이 서로 상이한 복수의 InGaN층과 GaN층이 교대로 적층되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 광 검출 소자.
  22. 청구항 20 또는 청구항 21에 있어서,
    상기 탑층의 에너지 밴드갭이 상기 광흡수층의 에너지 밴드갭보다 높으며, 상기 제2 밴드갭 변화층의 In 함량이 상층으로 갈수록 감소하는 것을 특징으로 하는 광 검출 소자.
  23. 청구항 22에 있어서,
    상기 탑층은 Mg 도핑된 p-InzGa1 -zN(0<z<1)층으로 이루어지고, 상기 광흡수층은 InyGa1 -yN(0<y<0.5)층으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 광 검출 소자.
  24. 청구항 1에 있어서, 상기 제1 밴드갭 변화층은,
    0 초과 50nm 이하의 두께로 형성되는 것을 특징으로 하는 광 검출 소자.
  25. 청구항 1에 있어서, 상기 광흡수층은,
    0.1㎛ 내지 0.5㎛의 두께로 형성되는 것을 특징으로 하는 광 검출 소자.
  26. 청구항 15에 있어서, 상기 제2 밴드갭 변화층은,
    0 초과 20nm 이하의 두께로 형성되는 것을 특징으로 하는 광 검출 소자.
  27. 청구항 2에 있어서, 상기 탑층은,
    0 초과 10nm 이하의 두께로 형성되는 것을 특징으로 하는 광 검출 소자.
  28. 청구항 1에 있어서, 상기 쇼트키층은,
    ITO, ATO, Pt, W, Ti, Pd, Ru, Cr, Au 중의 어느 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 광 검출 소자.
  29. 청구항 3에 있어서, 상기 쇼트키 고정층은,
    ITO, ATO, Pt, W, Ti, Pd, Ru, Cr, Au 중의 어느 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 광 검출 소자.
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