KR20180116923A - 적외선 발광 다이오드 및 적외선 가스 센서 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 일 실시예에 따른 적외선 발광 다이오드 소자는, n+-도전형의 GaSb 기판; 상기 GaSb 기판 상에 배치된 n+-도전형의 GaSb 버퍼층; 상기 GaSb 버퍼층 상에 배치된 n-도전형의 AlGaAsSb 하부 크레딩층; 상기 AlGaAsSb 하부 크레딩층 상에 배치된 n-도전형의 AlGaAsSb 제1 장벽층 (barrier layer); 제1 두께를 가지고 상기 AlGaAsSb 제1 장벽층 상에 배치된 n-도전형의 InGaAsSb 제1 양자 우물층; 상기 제1 양자 우물층 상에 배치된 n-도전형의 AlGaAsSb 제2 장벽층 (barrier layer); 제2 두께를 가지고 상기 제2 장벽층 상에 배치된 n-도전형의 InGaAsSb 제2 양자 우물층; 상기 InGaAsSb 제2 양자 우물층 상에 배치된 n-도전형의 AlGaAsSb 제3 장벽층 (barrier layer); 상기 AlGaAsSb 제3 장벽층 상에 배치된 p-도전형의 AlGaAsSb 상부 크레딩층; 및 상기 AlGaAsSb 상부 크레딩층 상에 배치된 p-도전형의 GaSb 콘택층;을 포함한다.
Description
본 발명은 복수의 파장을 발광하는 적외선 발광 다이오드에 관한 것으로, 더 구체적으로 GaSb 기판 상에 적층된 다층 구조의 양자 우물층을 이용하여 복수의 파장에서 발진하는 적외선 발광 다이오드에 관한 것이다.
가스 센서는 가스의 검지 방식에 따라 광학식과 접촉식으로 분류된다. 일반적으로 광학식은 가스 분자가 특정 파장의 광을 흡수하는 특성을 이용하여 가스 분자의 농도에 대한 광 흡수율을 측정하는 방식이다. 광학식 가스 센서는 경시 변화가 매우 적어 장시간 동안 높은 측정 신뢰성을 유지할 수 있는 반면 가격이 비싼 단점이 있다. 광학식 가스 센서의 비분산 적외선 (Non-dispersive infrared; NDIR) 방식은 이용하여 높은 측정 신뢰성을 가질 뿐만 아니라, 기존에 사용되던 광원인 중파장 적외선 레이저 다이오드 또는 적외선 에미터를 중파장 적외선 LED로 대체함으로써 저가의 고성능 가스 센서를 제작 할 수 있다.
기존 상용화된 NDIR 센서는 1개의 LED 광원과 1개의 적외선 검출기 (photodiode)로 구성되어 있다. 2채널 NDIR 센서는 2개의 LED 광원과 1개의 적외선 검출기로 구성되어 있다. 2채널 NDIR 센서는 1채널 보다 안정적으로 측정을 할 수 있고, 교정 (calibration) 주기가 1채널에 비해 상대적으로 긴 장점을 가지고 있다.
본 발명의 해결하고자 하는 일 기술적 과제는 복수의 파장에서 발진하는 하나의 LED 광원을 이용하여 2채널 비분산 적외선 방식의 적외선 가스 센서를 제공하는 것이다.
본 발명의 해결하고자 하는 일 기술적 과제는 GaSb 기판 상에 적층된 다층 구조의 양자 우물층의 두께를 변경하여 복수의 파장에서 발진하는 적외선 발광 다이오드를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 적외선 발광 다이오드 소자는, n+-도전형의 GaSb 기판; 상기 GaSb 기판 상에 배치된 n+-도전형의 GaSb 버퍼층; 상기 GaSb 버퍼층 상에 배치된 n-도전형의 AlGaAsSb 하부 크레딩층; 상기 AlGaAsSb 하부 크레딩층 상에 배치된 n-도전형의 AlGaAsSb 제1 장벽층 (barrier layer); 제1 두께를 가지고 상기 AlGaAsSb 제1 장벽층 상에 배치된 n-도전형의 InGaAsSb 제1 양자 우물층; 상기 제1 양자 우물층 상에 배치된 n-도전형의 AlGaAsSb 제2 장벽층 (barrier layer); 제2 두께를 가지고 상기 제2 장벽층 상에 배치된 n-도전형의 InGaAsSb 제2 양자 우물층; 상기 InGaAsSb 제2 양자 우물층 상에 배치된 n-도전형의 AlGaAsSb 제3 장벽층 (barrier layer); 상기 AlGaAsSb 제3 장벽층 상에 배치된 p-도전형의 AlGaAsSb 상부 크레딩층; 및 상기 AlGaAsSb 상부 크레딩층 상에 배치된 p-도전형의 GaSb 콘택층;을 포함한다. 복수의 파장에서 발진한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 AlGaAsSb 하부 크레딩층의 조성비는 Al0.9Ga0.1As0.08Sb0.92 이고, 상기 AlGaAsSb 제1 장벽층의 조성비는 Al0.35Ga0.65As0.03Sb0.97 이고, 상기 AlGaAsSb 제2 장벽층의 조성비는 Al0.35Ga0.65As0.03Sb0.97 이고, 상기 AlGaAsSb 제3 장벽층의 조성비는 Al0.35Ga0.65As0.03Sb0.97 이고, 상기 InGaAsSb 제1 양자 우물층의 조성비는 In0.35Ga0.65As0.15Sb0.85 이고, 상기 InGaAsSb 제2 양자 우물층의 조성비는 In0.35Ga0.65As0.15Sb0.85 이고, 상기 AlGaAsSb 상부 크레딩층의 조성비는 Al0.9Ga0.1As0.08Sb0.92일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 InGaAsSb 제1 양자 우물층의 제1 두께는 5nm 내지 9 nm이고, 상기 InGaAsSb 제2 양자 우물층의 제2 두께는 10nm 내지 15 nm일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 GaSb 기판의 하부에 배치된 하부 전극 패턴을 더 포함할 수 있다. 상기 하부 전극 패턴은, 상기 GaSb 기판과 접촉하는 Ni 패턴; 상기 니켈 패턴 하부에 배치된 Ge 패턴; 및 상기 Ge 패턴 하부에 배치된 Au 패턴을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 GaSb 콘택층 상에 배치된 상부 전극 패턴을 더 포함할 수 있다. 상기 상부 전극 패턴은, 상기 GaSb 콘택층과 접촉하는 Ti 패턴; 상기 Ti 패턴 상에 배치된 Pt 패턴; 및 상기 Pt 패턴 상에 배치된 Au 패턴을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 적외선 가스 센서는, 가스가 흐를 수 있는 통로를 구비한 광 케비티; 상기 광 케비티의 일단에 배치되고 복수의 파장에서 발진하는 적외선 발광 다이오드 소자; 상기 광 케비티의 타단에 배치되고 감쇄된 광을 수신하는 복수의 수광 소자; 및 상기 수광 소자의 각각의 전단에 배치되고 상기 적외선 발광 다이오드 소자의 발광 파장을 각각 투과시키는 복수의 파장 선택 투과 필터를 포함한다. 상기 적외선 발광 다이오드 소자는, n+-도전형의 GaSb 기판; 상기 GaSb 기판 상에 배치된 n+-도전형의 GaSb 버퍼층; 상기 GaSb 버퍼층 상에 배치된 n-도전형의 AlGaAsSb 하부 크레딩층; 상기 AlGaAsSb 하부 크레딩층 상에 배치된 n-도전형의 AlGaAsSb 제1 장벽층 (barrier layer); 제1 두께를 가지고 상기 AlGaAsSb 제1 장벽층 상에 배치된 n-도전형의 InGaAsSb 제1 양자 우물층; 상기 제1 양자 우물층 상에 배치된 n-도전형의 AlGaAsSb 제2 장벽층 (barrier layer); 제2 두께를 가지고 상기 제2 장벽층 상에 배치된 n-도전형의 InGaAsSb 제2 양자 우물층; 상기 InGaAsSb 제2 양자 우물층 상에 배치된 n-도전형의 AlGaAsSb 제3 장벽층 (barrier layer); 상기 AlGaAsSb 제3 장벽층 상에 배치된 p-도전형의 AlGaAsSb 상부 크레딩층; 및 상기 AlGaAsSb 상부 크레딩층 상에 배치된 p-도전형의 GaSb 콘택층;을 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 적외선 가스 센서는,
가스가 흐를 수 있는 통로를 구비한 광 케비티; 상기 광 케비티의 일단에 배치되고 복수의 파장에서 발진하는 적외선 발광 다이오드 소자; 상기 광 케비티의 타단에 배치되고 감쇄된 광을 수신하는 수광 소자; 및 상기 수광 소자에 전단에 배치되고 상기 적외선 발광 다이오드 소자의 발광 파장 각각 투과시키는 복수의 파장 선택 투과 필터를 포함한다. 상기 파장 선택 투과 필터는 회전에 의하여 상기 수광 소자와 정렬한다. 상기 적외선 발광 다이오드 소자는, n+-도전형의 GaSb 기판; 상기 GaSb 기판 상에 배치된 n+-도전형의 GaSb 버퍼층; 상기 GaSb 버퍼층 상에 배치된 n-도전형의 AlGaAsSb 하부 크레딩층; 상기 AlGaAsSb 하부 크레딩층 상에 배치된 n-도전형의 AlGaAsSb 제1 장벽층 (barrier layer); 제1 두께를 가지고 상기 AlGaAsSb 제1 장벽층 상에 배치된 n-도전형의 InGaAsSb 제1 양자 우물층; 상기 제1 양자 우물층 상에 배치된 n-도전형의 AlGaAsSb 제2 장벽층 (barrier layer); 제2 두께를 가지고 상기 제2 장벽층 상에 배치된 n-도전형의 InGaAsSb 제2 양자 우물층; 상기 InGaAsSb 제2 양자 우물층 상에 배치된 n-도전형의 AlGaAsSb 제3 장벽층 (barrier layer); 상기 AlGaAsSb 제3 장벽층 상에 배치된 p-도전형의 AlGaAsSb 상부 크레딩층; 및 상기 AlGaAsSb 상부 크레딩층 상에 배치된 p-도전형의 GaSb 콘택층;을 포함한다.
본 발명의 일 실시예른 적외선 발광 다이오드는 양자 우물층의 두께 및 조성을 변경하여 다층 구조를 적층되어 복수의 파장에서 발진할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 적외선 발광다이오드의 단면도이다.
도 2는 도 1의 적외선 발광 다이오드 소자의 발광 스펙트럼을 측정한 결과이다.
도 3 및 도4는 본 발명의 다른 실시예들에 따른 적외선 가스 센서를 설명하는 개념도들이다.
도 2는 도 1의 적외선 발광 다이오드 소자의 발광 스펙트럼을 측정한 결과이다.
도 3 및 도4는 본 발명의 다른 실시예들에 따른 적외선 가스 센서를 설명하는 개념도들이다.
2채널 NDIR 센서에 필요한 2개의 LED 대신 1개의 LED에서 2개의 발광파장을 동시에 방출하면, 적외선 가스센서의 크기 또는 제작 가격 면에서 경쟁력을 가질 수 있다. 적외선 가스센서는 복수의 파장에서 동시 발진하므로 시간 지연 없이 가스 농도의 실시간 연속 모니터링을 제공할 수 있다.
통상적인 NDIR 가스센서에 적용된 적외선 LED는 안티모니 (Sb) 기반의 소재로 액상 에피탁시(Liquid Phase Epitaxy; LPE) 방식 또는 유기금속화학기상증착(Metalorganic vapour phase epitaxy; MOCVD) 방식이 주로 이용되어 왔다. LPE 법식의 경우, 성장 속도가 빨라 양자우물 (quantum well, QW)과 같은 얇은 두께를 조절하는데 어려움이 있으며, 특히 p-n 접합계면의 특성이 좋지 않은 단점이 있다.
MOCVD 방법을 이용한 에피탁시얼 층(epitaxial layer)은 InAs 기판을 사용하는 3 μm ~ 5 μm 파장대역에서는 좋은 특성을 보인다. 하지만, GaSb 기판을 사용하는 2 μm ~ 3 μm 파장대역의 경우, 분자선 에피탁시 (Molecular beam epitaxy; MBE)법을 이용한 에피탁시얼 층(epitaxial layer)가 좀 더 우수한 접합계면 특성을 보인다. 고품질의 GaSb와 InAs 기판 제조 기술과 MBE 및 MOCVD의 박막 성장 기술이 급속하게 발전함에 따라, 고품위의 안티모니 (Sb) 기반 화합물 반도체 적층 구조가 가능해졌다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 우리는 MBE 성장법을 이용하여 Sb 기반의 4원소 (quaternary) 화합물 적외선 LED 소자를 제작하고 발광특성을 확인하였다. 우리는 2채널 NDIR 가스센서에 활용될 수 있도록 한 소자에서 2개의 발광파장을 갖는 소자를 제작하였다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면들과 함께 상세하게 후술 되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
명세서 전문에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다. 따라서, 동일한 참조 부호 또는 유사한 참조 부호들은 해당 도면에서 언급 또는 설명되지 않았더라도, 다른 도면을 참조하여 설명될 수 있다. 또한, 참조 부호가 표시되지 않았더라도, 다른 도면들을 참조하여 설명될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 적외선 발광다이오드의 단면도이다.
도 1을 참조하면, 적외선 발광 다이오드 소자(100)는, n+-도전형의 GaSb 기판(110); 상기 GaSb 기판 상에 배치된 n+-도전형의 GaSb 버퍼층(120); 상기 GaSb 버퍼층 상에 배치된 n-도전형의 AlGaAsSb 하부 크레딩층(130); 상기 AlGaAsSb 하부 크레딩층 상에 배치된 n-도전형의 AlGaAsSb 제1 장벽층 (142); 제1 두께를 가지고 상기 AlGaAsSb 제1 장벽층 상에 배치된 n-도전형의 InGaAsSb 제1 양자 우물층(144); 상기 제1 양자 우물층 상에 배치된 n-도전형의 AlGaAsSb 제2 장벽층 (146); 제2 두께를 가지고 상기 제2 장벽층 상에 배치된 n-도전형의 InGaAsSb 제2 양자 우물층(148); 상기 InGaAsSb 제2 양자 우물층 상에 배치된 n-도전형의 AlGaAsSb 제3 장벽층 (149); 상기 AlGaAsSb 제3 장벽층 상에 배치된 p-도전형의 AlGaAsSb 상부 크레딩층(150); 및 상기 AlGaAsSb 상부 크레딩층 상에 배치된 p-도전형의 GaSb 콘택층(160);을 포함한다. 상기 적외선 발광 다이오드 소자(100)는 복수의 파장에서 발진한다.
n형 도전형 불순물은 Te이고, p형 도전형 불순물은 Be이다. n+는 고농도로 10^18 /cm3 이상의 도핑 농도일 수 있다. 고품위의 LED 에피탁시얼 성장을 위해서 각각의 층은 상기 GaSb 기판과 격자 상수가 같은 격자정합 (lattice match) 구조를 이루고 있다. 양자우물층(144,148)의 두께가 각각 5 및 10 nm 한 층씩 구성된 경우, 각 양자우물층(144,148)은 서로 다른 파장의 빛을 방출할 수 있다.
상기 GaSb 기판(110)은 고농도로 n+로 도핑되고, n형 도전형이다. 상기 GaSb 기판의 두께는 500 μm이다.
상기 GaSb 버퍼층(120)은 상기 GaSb 기판(110) 상에 배치되고, 고농도로 n+로 도핑되고, n형 도전형이다. 상기 GaSb 버퍼층(120)의 두께는 300nm이다. 상기 GaSb 버퍼층(120)은 분자빔 에피탁시 성장법을 통하여 성장된다.
상기 AlGaAsSb 하부 크레딩층(130)은 상기 GaSb 버퍼층(120) 상에 배치되고 상기 고농도로 n+로 도핑되고, n형 도전형이다. 상기 AlGaAsSb 하부 크레딩층(130)의 두께는 2μm이다. 상기 AlGaAsSb 하부 크레딩층(130)의 조성비는 Al0.9Ga0.1As0.08Sb0.92이다. 상기 AlGaAsSb 하부 크레딩층(130)은 분자빔 에피탁시 성장법을 통하여 성장된다. 상기 AlGaAsSb 하부 크레딩층(130)은 양자 우물층에서 발생된 빛을 굴절률 차이를 가지고 감금할 수 있다. 상기 AlGaAsSb 하부 크레딩층(130)은 분자빔 에피탁시 성장법을 통하여 성장된다.
상기 AlGaAsSb 제1 장벽층(142)은 상기 AlGaAsSb 하부 크레딩층(130) 상에 배치되고, n형 불순물로 도핑되고, n형 도전형이다. 상기 AlGaAsSb 제1 장벽층(142)의 도핑 농도는 10^17 /cm3 수준이다. 상기 AlGaAsSb 제1 장벽층(142)의 조성비는 Al0.35Ga0.65As0.03Sb0.97 이고, 상기 AlGaAsSb 제1 장벽층의 두께는 200 nm일 수 있다. 상기 AlGaAsSb 제1 장벽층(142)은 분자빔 에피탁시 성장법을 통하여 성장된다. 상기 AlGaAsSb 제1 장벽층(142)의 밴드갭은 양자 우물층의 밴드갭보다 클 수 있다.
상기 InGaAsSb 제1 양자 우물층(144)은 상기 상기 AlGaAsSb 제1 장벽층(142)에 배치되고, n형 불순물로 도핑되고, n형 도전형이다. 상기 InGaAsSb 제1 양자 우물층(144)의 조성비는 In0.35Ga0.65As0.15Sb0.85 이고, 상기 InGaAsSb 제1 양자 우물층(144)의 두께는 5nm일 수 있다. 상기 InGaAsSb 제1 양자 우물층(144)은 분자빔 에피탁시 성장법을 통하여 성장된다.
상기 AlGaAsSb 제2 장벽층(146)은 상기 InGaAsSb 제1 양자 우물층(144) 상에 배치되고, n형 불순물로 도핑되고, n형 도전형이다. 상기 AlGaAsSb 제2 장벽층(146)의 조성비는 Al0.35Ga0.65As0.03Sb0.97 이고, 상기 AlGaAsSb 제2 장벽층(146)의 두께는 200nm이다. 상기 AlGaAsSb 제2 장벽층(146)은 분자빔 에피탁시 성장법을 통하여 성장된다.
상기 InGaAsSb 제2 양자 우물층(148)은 상기 AlGaAsSb 제2 장벽층(146) 상에 배치되고, n형 불순물로 도핑되고, n형 도전형이다. 상기 InGaAsSb 제2 양자 우물층(148)의 조성비는 In0.35Ga0.65As0.15Sb0.85 이고, 상기 InGaAsSb 제2 양자 우물층(148)의 두께는 10nm이다. 상기 InGaAsSb 제2 양자 우물층(148)은 분자빔 에피탁시 성장법을 통하여 성장된다.
상기 AlGaAsSb 제3 장벽층(149)은 상기 InGaAsSb 제2 양자 우물층(148) 상에 배치되고, n형 불순물로 도핑되고, n형 도전형이다. 상기 AlGaAsSb 제3 장벽층(149)의 조성비는 Al0.35Ga0.65As0.03Sb0.97 이고, 상기 AlGaAsSb 제3 장벽층(149)의 두께는 200nm이다. 상기 AlGaAsSb 제3 장벽층(149)은 분자빔 에피탁시 성장법을 통하여 성장된다.
상기 AlGaAsSb 상부 크레딩층(150)은 상기 AlGaAsSb 제3 장벽층(149) 상에 배치되고, 고농도로 p형 불순물로 도핑되고, p형 도전형이다. 상기 AlGaAsSb 상부 크레딩층(150)의 조성비는 Al0.9Ga0.1As0.08Sb0.92이고, 상기 AlGaAsSb 상부 크레딩층(150)의 두께는 2μm이다. 상기 AlGaAsSb 상부 크레딩층(150)은 분자빔 에피탁시 성장법을 통하여 성장된다.
상기 GaSb 콘택층(160)은 상기 AlGaAsSb 상부 크레딩층(150) 상에 배치되고, 고농도로 p형 불순물로 도핑되고, p형 도전형이다. 상기 GaSb 콘택층(160)의 두께는 500nm이다. 상기 GaSb 콘택층 분자빔 에피탁시 성장법을 통하여 성장된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, Sb 기반의 4원 화합물층은 각 물질의 조성 변화를 통해 GaSb 기판(110)과 격자 정합 구조를 설계할 수 있으며, InGaAsSb 양자 우물층(144,148)의 두께 및 조성 변화를 통해 발광 파장을 1μm ~ 3 μm 영역에서 조절할 수 있다. 또한, 양자우물층의 주기수를 증가함으로써 광출력 또한 향상시킬 수 있다.
하부 전극 패턴(180)은 상기GaSb 기판(110)의 하부에 배치될 수 있다. 상기 하부 전극 패턴(180)은, 상기 GaSb 기판과 접촉하는 5nm의 Ni 패턴(186); 상기 니켈 패턴 하부에 배치된 17 nm의 Ge 패턴(184); 및 상기 Ge 패턴 하부에 배치된 500nm의 Au 패턴(182)을 포함할 수 있다. 상기 하부 전극 패턴은 패터닝이 완료된 후, 섭씨 300도의 열처리를 통하여 오믹 접합(Ohmic Contact)을 형성할 수 있다.
상부 전극 패턴(170)은 상기 GaSb 콘택층(160) 상에 배치될 수 있다. 상기 상부 전극 패턴(170)은, 상기 GaSb 콘택층과 접촉하는 30nm의 Ti 패턴(172); 상기 Ti 패턴 상에 배치된 40nm의 Pt 패턴(174); 및 상기 Pt 패턴 상에 배치된 300nm의 Au 패턴(176)을 포함할 수 있다. 상기 상부 전극 패턴(170)은 패터닝이 완료된 후, 섭씨 300도의 열처리를 통하여 오믹 접합(Ohmic Contact)을 형성할 수 있다.
도 2는 도 1의 적외선 발광 다이오드 소자의 발광 스펙트럼을 측정한 결과이다.
도 2를 참조하면, 측정한 발광 스펙트럼으로 각각의 양자 우물층에서 발광된 1.97, 2.1 μm로 한 소자에서 2개의 발광 스펙트럼을 보인다. 10nm의 InGaAsSb 제2 양자 우물층은 2.1 μm의 파장을 발생시키며, 5nm의 InGaAsSb 제1 양자 우물층은 1.97 μm의 파장을 발생시킨다. 1.97 μm의 파장의 반치폭은 69nm이고, 2.1μm의 파장의 반치폭은 66nm이다.
Sb 기반의 4원 화합물은 각 물질의 조성 변화를 통해 GaSb 기판과 격자 정합 구조를 설계할 수 있으며, InGaAsSb 양자 우물층의 두께 및 조성 변화를 통해 발광 파장을 1μm ~ 3 μm 영역에서 조절할 수 있다. 또한, 양자 우물층의 주기수를 증가함으로써 광출력 또한 향상시킬 수 있다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 적외선 가스 센서를 설명하는 개념도이다.
도 3을 참조하면, 적외선 가스 센서(10)는, 가스가 흐를 수 있는 통로(21)를 구비한 광 케비티(20); 상기 광 케비티의 일단에 배치되고 복수의 파장에서 발진하는 적외선 발광 다이오드 소자(100); 상기 광 케비티(20)의 타단에 배치되고 감쇄된 광을 수신하는 수광 소자(22); 및 상기 수광 소자(22)에 전단에 배치되고 상기 적외선 발광 다이오드 소자의 발광 파장 각각 투과시키는 복수의 파장 선택 투과 필터(24a,24b)를 포함한다. 상기 파장 선택 투과 필터(24a,24)는 회전에 의하여 상기 수광 소자(22)와 정렬한다.
적외선 발광 다이오드 소자(100)는, n+-도전형의 GaSb 기판(110); 상기 GaSb 기판 상에 배치된 n+-도전형의 GaSb 버퍼층(120); 상기 GaSb 버퍼층 상에 배치된 n-도전형의 AlGaAsSb 하부 크레딩층(130); 상기 AlGaAsSb 하부 크레딩층 상에 배치된 n-도전형의 AlGaAsSb 제1 장벽층 (142); 제1 두께를 가지고 상기 AlGaAsSb 제1 장벽층 상에 배치된 n-도전형의 InGaAsSb 제1 양자 우물층(144); 상기 제1 양자 우물층 상에 배치된 n-도전형의 AlGaAsSb 제2 장벽층 (146); 제2 두께를 가지고 상기 제2 장벽층 상에 배치된 n-도전형의 InGaAsSb 제2 양자 우물층(148); 상기 InGaAsSb 제2 양자 우물층 상에 배치된 n-도전형의 AlGaAsSb 제3 장벽층 (149); 상기 AlGaAsSb 제3 장벽층 상에 배치된 p-도전형의 AlGaAsSb 상부 크레딩층(150); 및 상기 AlGaAsSb 상부 크레딩층 상에 배치된 p-도전형의 GaSb 콘택층(160);을 포함한다.
적외선 가스 검출 센서에서, 검출하고자 하는 가스가 메탄일 경우 2.3 μm에서 강한 흡수 스펙트럼을 보인다. 발광 다이오드의 제1 및 제2 양자 우물층은 1.9, 및 2.3 μm를 동시에 발광시킨다. 이때 1.9 μm 발광은 기준용 (reference) LED로 2.3 μm 발광은 측정용 (measurement) LED로 사용된다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 적외선 가스 센서를 설명하는 개념도이다.
도 4을 참조하면, 적외선 가스 센서(10a)는, 가스가 흐를 수 있는 통로(21)를 구비한 광 케비티(20); 상기 광 케비티의 일단에 배치되고 복수의 파장에서 발진하는 적외선 발광 다이오드 소자(100); 상기 광 케비티의 타단에 배치되고 감쇄된 광을 수신하는 복수의 수광 소자(22a,22b); 및 상기 수광 소자(22a,22b)의 각각의 전단에 배치되고 상기 적외선 발광 다이오드 소자의 발광 파장을 각각 투과시키는 복수의 파장 선택 투과 필터(24a,24b)를 포함한다. 적외선 발광 다이오드 소자(100)는, n+-도전형의 GaSb 기판(110); 상기 GaSb 기판 상에 배치된 n+-도전형의 GaSb 버퍼층(120); 상기 GaSb 버퍼층 상에 배치된 n-도전형의 AlGaAsSb 하부 크레딩층(130); 상기 AlGaAsSb 하부 크레딩층 상에 배치된 n-도전형의 AlGaAsSb 제1 장벽층 (142); 제1 두께를 가지고 상기 AlGaAsSb 제1 장벽층 상에 배치된 n-도전형의 InGaAsSb 제1 양자 우물층(144); 상기 제1 양자 우물층 상에 배치된 n-도전형의 AlGaAsSb 제2 장벽층 (146); 제2 두께를 가지고 상기 제2 장벽층 상에 배치된 n-도전형의 InGaAsSb 제2 양자 우물층(148); 상기 InGaAsSb 제2 양자 우물층 상에 배치된 n-도전형의 AlGaAsSb 제3 장벽층 (149); 상기 AlGaAsSb 제3 장벽층 상에 배치된 p-도전형의 AlGaAsSb 상부 크레딩층(150); 및 상기 AlGaAsSb 상부 크레딩층 상에 배치된 p-도전형의 GaSb 콘택층(160);을 포함한다.
이상, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들에는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
110: GaSb 기판
120: GaSb 버퍼층
130: AlGaAsSb 하부 크레딩층
142: AlGaAsSb 제1 장벽층
144: InGaAsSb 제1 양자 우물층
146: AlGaAsSb 제2 장벽층
148: InGaAsSb 제2 양자 우물층
149: AlGaAsSb 제3 장벽층
150: AlGaAsSb 상부 크레딩층
160: GaSb 콘택층
120: GaSb 버퍼층
130: AlGaAsSb 하부 크레딩층
142: AlGaAsSb 제1 장벽층
144: InGaAsSb 제1 양자 우물층
146: AlGaAsSb 제2 장벽층
148: InGaAsSb 제2 양자 우물층
149: AlGaAsSb 제3 장벽층
150: AlGaAsSb 상부 크레딩층
160: GaSb 콘택층
Claims (7)
- n+-도전형의 GaSb 기판;
상기 GaSb 기판 상에 배치된 n+-도전형의 GaSb 버퍼층;
상기 GaSb 버퍼층 상에 배치된 n-도전형의 AlGaAsSb 하부 크레딩층;
상기 AlGaAsSb 하부 크레딩층 상에 배치된 n-도전형의 AlGaAsSb 제1 장벽층 (barrier layer);
제1 두께를 가지고 상기 AlGaAsSb 제1 장벽층 상에 배치된 n-도전형의 InGaAsSb 제1 양자 우물층;
상기 제1 양자 우물층 상에 배치된 n-도전형의 AlGaAsSb 제2 장벽층 (barrier layer);
제2 두께를 가지고 상기 제2 장벽층 상에 배치된 n-도전형의 InGaAsSb 제2 양자 우물층;
상기 InGaAsSb 제2 양자 우물층 상에 배치된 n-도전형의 AlGaAsSb 제3 장벽층 (barrier layer);
상기 AlGaAsSb 제3 장벽층 상에 배치된 p-도전형의 AlGaAsSb 상부 크레딩층; 및
상기 AlGaAsSb 상부 크레딩층 상에 배치된 p-도전형의 GaSb 콘택층;을 포함하고,
복수의 파장에서 발진하는 것을 특징으로 하는 적외선 발광 다이오드 소자. - 제1 항에 있어서,
상기 AlGaAsSb 하부 크레딩층의 조성비는 Al0.9Ga0.1As0.08Sb0.92 이고,
상기 AlGaAsSb 제1 장벽층의 조성비는 Al0.35Ga0.65As0.03Sb0.97 이고,
상기 AlGaAsSb 제2 장벽층의 조성비는 Al0.35Ga0.65As0.03Sb0.97 이고,
상기 AlGaAsSb 제3 장벽층의 조성비는 Al0.35Ga0.65As0.03Sb0.97 이고,
상기 InGaAsSb 제1 양자 우물층의 조성비는 In0.35Ga0.65As0.15Sb0.85 이고,
상기 InGaAsSb 제2 양자 우물층의 조성비는 In0.35Ga0.65As0.15Sb0.85 이고,
상기 AlGaAsSb 상부 크레딩층의 조성비는 Al0.9Ga0.1As0.08Sb0.92인 것을 특징으로 하는 적외선 발광 다이오드 소자. - 제2 항에 있어서,
상기 InGaAsSb 제1 양자 우물층의 제1 두께는 5nm 내지 9 nm이고,
상기 InGaAsSb 제2 양자 우물층의 제2 두께는 10nm 내지 15 nm인 것을 특징으로 적외선 발광 다이오드 소자. - 제1 항에 있어서,
상기 GaSb 기판의 하부에 배치된 하부 전극 패턴을 더 포함하고,
상기 하부 전극 패턴은:
상기 GaSb 기판과 접촉하는 Ni 패턴;
상기 니켈 패턴 하부에 배치된 Ge 패턴; 및
상기 Ge 패턴 하부에 배치된 Au 패턴을 포함하는 것을 특징으로 적외선 발광 다이오드 소자. - 제1 항에 있어서,
상기 GaSb 콘택층 상에 배치된 상부 전극 패턴을 더 포함하고,
상기 상부 전극 패턴은:
상기 GaSb 콘택층과 접촉하는 Ti 패턴;
상기 Ti 패턴 상에 배치된 Pt 패턴; 및
상기 Pt 패턴 상에 배치된 Au 패턴을 포함하는 것을 특징으로 적외선 발광 다이오드 소자. - 가스가 흐를 수 있는 통로를 구비한 광 케비티;
상기 광 케비티의 일단에 배치되고 복수의 파장에서 발진하는 적외선 발광 다이오드 소자;
상기 광 케비티의 타단에 배치되고 감쇄된 광을 수신하는 복수의 수광 소자; 및
상기 수광 소자의 각각의 전단에 배치되고 상기 적외선 발광 다이오드 소자의 발광 파장을 각각 투과시키는 복수의 파장 선택 투과 필터를 포함하고,
상기 적외선 발광 다이오드 소자는:
n+-도전형의 GaSb 기판;
상기 GaSb 기판 상에 배치된 n+-도전형의 GaSb 버퍼층;
상기 GaSb 버퍼층 상에 배치된 n-도전형의 AlGaAsSb 하부 크레딩층;
상기 AlGaAsSb 하부 크레딩층 상에 배치된 n-도전형의 AlGaAsSb 제1 장벽층 (barrier layer);
제1 두께를 가지고 상기 AlGaAsSb 제1 장벽층 상에 배치된 n-도전형의 InGaAsSb 제1 양자 우물층;
상기 제1 양자 우물층 상에 배치된 n-도전형의 AlGaAsSb 제2 장벽층 (barrier layer);
제2 두께를 가지고 상기 제2 장벽층 상에 배치된 n-도전형의 InGaAsSb 제2 양자 우물층;
상기 InGaAsSb 제2 양자 우물층 상에 배치된 n-도전형의 AlGaAsSb 제3 장벽층 (barrier layer);
상기 AlGaAsSb 제3 장벽층 상에 배치된 p-도전형의 AlGaAsSb 상부 크레딩층; 및
상기 AlGaAsSb 상부 크레딩층 상에 배치된 p-도전형의 GaSb 콘택층;을 포함하는 것을 특징으로 하는 적외선 가스 센서. - 가스가 흐를 수 있는 통로를 구비한 광 케비티;
상기 광 케비티의 일단에 배치되고 복수의 파장에서 발진하는 적외선 발광 다이오드 소자;
상기 광 케비티의 타단에 배치되고 감쇄된 광을 수신하는 수광 소자; 및
상기 수광 소자에 전단에 배치되고 상기 적외선 발광 다이오드 소자의 발광 파장 각각 투과시키는 복수의 파장 선택 투과 필터를 포함하고,
상기 파장 선택 투과 필터는 회전에 의하여 상기 수광 소자와 정렬하고,
상기 적외선 발광 다이오드 소자는:
n+-도전형의 GaSb 기판;
상기 GaSb 기판 상에 배치된 n+-도전형의 GaSb 버퍼층;
상기 GaSb 버퍼층 상에 배치된 n-도전형의 AlGaAsSb 하부 크레딩층;
상기 AlGaAsSb 하부 크레딩층 상에 배치된 n-도전형의 AlGaAsSb 제1 장벽층 (barrier layer);
제1 두께를 가지고 상기 AlGaAsSb 제1 장벽층 상에 배치된 n-도전형의 InGaAsSb 제1 양자 우물층;
상기 제1 양자 우물층 상에 배치된 n-도전형의 AlGaAsSb 제2 장벽층 (barrier layer);
제2 두께를 가지고 상기 제2 장벽층 상에 배치된 n-도전형의 InGaAsSb 제2 양자 우물층;
상기 InGaAsSb 제2 양자 우물층 상에 배치된 n-도전형의 AlGaAsSb 제3 장벽층 (barrier layer);
상기 AlGaAsSb 제3 장벽층 상에 배치된 p-도전형의 AlGaAsSb 상부 크레딩층; 및
상기 AlGaAsSb 상부 크레딩층 상에 배치된 p-도전형의 GaSb 콘택층;을 포함하는 것을 특징으로 하는 적외선 가스 센서.
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| AMND | Amendment | ||
| X701 | Decision to grant (after re-examination) | ||
| GRNT | Written decision to grant |