KR20200122591A - 베타-산화 갈륨을 이용한 이종접합 애벌런치 포토 다이오드 - Google Patents
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Abstract
산화 전극과 환원 전극을 포함하는 베타-산화 갈륨(β-Ga2O3)을 이용한 이종접합 애벌런치 포토 다이오드에 있어서, 산화 전극 상부에서 산화 전극과 접촉하며, p+ 타입 질화 갈륨으로 도핑된 제 1 질화 갈륨층, 제 1 질화 갈륨층 상부에 위치하며, p타입 질화 갈륨으로 도핑된 제 2 질화 갈륨층, 제 2 질화 갈륨층 상부에서 제 2 질화 갈륨층과 PN 접합하는, n타입 베타-산화 갈륨으로 도핑된 제 1 산화 갈륨층, 제1산화 갈륨층 상부에 위치하며, n-타입 베타-산화 갈륨으로 도핑된 제 2 산화 갈륨층 및 제2산화 갈륨층 상단에 위치하며, n+타입 베타-산화 갈륨으로 도핑된 제 3 산화 갈륨층을 포함하는 포토 다이오드를 개시하고 있다.
Description
본 발명은 베타-산화 갈륨을 이용한 이종 접합 애벌런치 포토 다이오드에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 UV-C 영역의 자외선을 효과적으로 검출하기 위해 자연적으로 n-타입인 베타-산화 갈륨(β-Ga2O3)을 흡수층으로 하는 베타-산화 갈륨을 이용한 이종접합 애벌런치 포토 다이오드에 관한 것이다.
이 부분에 기술된 내용은 단순히 본 실시예에 대한 배경 정보를 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것은 아니다.
자외선(UV, ultraviolet)은 전자기파 스펙트럼에서 보라색 띠에 인접한, 사람의 육안에는 보이지 않는 영역으로 10nm에서 400nm의 파장(wave length) 영역을 가지며, 파장(wave length) 영역은 UV-C를 포함하여 다수의 영역으로 구분된다.
다수의 영역 중 하나의 UV-C 대역의 광자 에너지는 4.43eV ~ 12.4eV이고, UV-C 대역의 파장(wave length)은 100nm에서 280nm의 범위를 가진다.
UV-C 대역의 자외선을 감지하기 위해 다양한 물질을 이용하고 있으며, 특히, 와이드 밴드 갭(Wide Band Gap)물질의 일종인 산화갈륨(Ga2O3)은 자외선 센서, 태양전지, 전력반도체 응용 분야에서 주목받고 있다.
산화 갈륨(Ga2O3)은 다섯 가지의 동질이상 결정구조를 갖는 것으로 알려져 있으며, 그 중에서도 베타-폴리모프(β-polymorph)는 정상적인 조건에서 가장 안정적인 형태로 광범위하게 연구되고 있다.
베타-산화 갈륨(β-Ga2O3)은 질화 갈륨(GaN)보다 큰 에너지 밴드갭(~ 4.9eV)과 높은 항복전압(~ 8MV/cm)의 특성을 가지므로 상대적으로 고온, 고전압에서도 안정적으로 동작하는 소자를 구성하는 데 유리하다.
베타-산화 갈륨(β-Ga2O3)의 밴드갭(Band gap)은 ~4.9eV로서 반응할 수 있는 파장(wave length) 대역은 200nm~ 280nm로 자외선 중에서도 UV-C 영역에 해당한다.
UV-C 영역은 태양광이 오존층과 대기층에서 대부분 흡수되므로 솔라 블라인드 영역(Solar Blind Region)이라고도 하며 태양광의 영향을 받지 않고 감지할 수 있다.
특히, UV-C 영역의 자외선을 포함하여 빛을 감지함에 있어서 베타-산화 갈륨(β-Ga2O3)은 실리콘과 달리 직접 밴드갭 구조(Direct Band Gap)이므로 더욱 효율적으로 빛을 감지할 수 있다.
이러한 특성을 가진 베타-산화 갈륨(β-Ga2O3)은 화염 검출기, 미사일 탐지기, 오존 구멍 감지 등 많은 센서에 이용되고 있으며, 단파장(wave length)을 흡수하고, 검출하는 기능의 개선 및 다크 노이즈(Dark noise)를 줄일 수 있는 방안에 대한 필요성이 끊임없이 제기되고 있다.
본 발명의 기술적 과제는 이러한 점에서 착안된 것으로 본 발명의 일 측면에 의하면, 단파장(wave length)인 UV-C 영역의 자외선을 효과적으로 검출하기 위해 베타-산화 갈륨(β-Ga2O3)을 이용한 이종 접합 애벌런치 포토 다이오드(photo diode)를 제공하는 것이다.
본 발명의 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 산화 전극과 환원 전극을 포함하는 베타-산화 갈륨(β-Ga2O3)을 이용한 이종접합 애벌런치 포토 다이오드(photo diode)에 있어서, 베타-산화 갈륨(β-Ga2O3)을 이용한 상기 산화 전극 상부에서 상기 산화 전극과 접촉하며, p+ 타입 질화 갈륨(GaN)으로 도핑된 제 1 질화 갈륨층; 상기 제 1 질화 갈륨층 상부에 위치하며, p타입 질화 갈륨(GaN)으로 도핑된 제 2 질화 갈륨층; 상기 제 2 산화 갈륨층 상부에서 위치하며, 상기 제 2 질화 갈륨층과 PN 접합(PN junction)하는, n타입 베타-산화 갈륨(β-Ga2O3)로 도핑된 제 1 산화 갈륨층; 상기 제 1 산화 갈륨층 상부에 위치하며, n-타입 베타-산화 갈륨(β-Ga2O3)으로 도핑된 제 2 산화 갈륨층; 및 상기 제 2 산화 갈륨층 상부에 위치하며, n+타입 베타-산화 갈륨(β-Ga2O3)으로 도핑된 제 3 산화 갈륨층;을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제 1 질화 갈륨층은, p+ 타입 질화 갈륨(GaN)의 도핑 농도가 4.0*1017cm-3일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제 1 질화 갈륨층은, 두께가 8nm일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제 2 질화 갈륨층은, p 타입 질화 갈륨(GaN)의 도핑 농도가 6.0*1015cm- 3 일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제 2 질화 갈륨층은, 두께가 2nm일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제 1 산화 갈륨층은, n 타입 베타-산화 갈륨(β-Ga2O3)의 도핑 농도가 4.0*1015cm- 3 일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제 1 산화 갈륨층은, 두께가 2nm일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제 2 산화 갈륨층은, n- 타입 베타-산화 갈륨(β-Ga2O3)의 도핑 농도가 3.8*1014cm- 3 일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제 2 산화 갈륨층은, 두께가 30nm일 수 있다.
일 실시예에서, 제 1 항에 있어서, 상기 제 3 산화 갈륨층은, n+ 타입 베타-산화 갈륨(β-Ga2O3)의 도핑 농도가 4.1*1016cm- 3 일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제 3 산화 갈륨층은, 두께가 10nm일 수 있다.
상술한 본 발명의 일 측면에 따르면, 본 발명의 베타-산화 갈륨(β-Ga2O3)을 이용한 이종 접합 애벌런치 포토 다이오드(photo diode)에 의해 제공되는 효과는, 첫 번째로 베타-산화 갈륨(β-Ga2O3)층이 표면에 가깝기 때문에 침투 깊이 얕은 짧은 파장(wave length)을 효과적으로 흡수할 수 있고, 두 번째로 베타-산화 갈륨(β-Ga2O3)을 흡수층으로 이용하므로 보다 짧은 파장(wave length)을 검출하는데 용이하며, 세 번째로, 전자(electron)에 의한 애벌런치 효과(Avalanche effect)가 거의 발생하지 않아 다크 노이즈(Dark Noise)가 적게 발생하는 유리한 효과가 있다.
본 발명의 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 베타-산화 갈륨(β-Ga2O3)을 이용한 이종접합 애벌런치 포토 다이오드의 단면도이다.
도 2는 캐리어(carrier)가 생성되는 과정을 간략하게 나타내는 도면이다.
도 3은 캐리어(carrier)가 재결합(recombination)되는 과정을 간략하게 나타내는 도면이다.
도 4는 PN 접합(PN junction)을 간략하게 나타내는 도면이다.
도 5는 p 영역과 n 영역에서 캐리어(carrier)의 확산 방향을 나타내는 도면이다.
도 6은 캐리어(carrier)의 확산 방향과 전기력의 방향을 나타내는 도면이다.
도 7은 PN 포토 다이오드(PN Photo diode)에 빛이 인가되었을 때의 변화를 나타내는 에너지 다이어그램(energy diagram)이다.
도 8은 실리콘에서의 파장(wave length)에 따른 침투 깊이를 나타낸 도면이다.
도 9는 일반적인 애벌런치 포토 다이오드(Avalanche photo diode)의 구조를 나타낸 도면이다.
도 10은 애벌런치 포토 다이오드(Avalanche photo diode)에서 빛에 의해 생성된 전자, 정공쌍(EHP, Electron Hole Pair)의 움직임을 나타내는 도면이다.
도 11은 베타-산화 갈륨(β-Ga2O3)의 파장에 따른 굴절률(refractive index)과 흡광 계수(coefficient of extinction)를 나타낸 그래프이다.
도 12는 굴절률(refractive index)과 흡광 계수(coefficient of extinction)를 수치화한 도면이다.
도 13a와 도 13b는 애벌런치 포토 다이오드(Avalanche photo diode)의 전류 특성을 나타내는 도면이다.
도 14a와 14b는 애벌런치 포토 다이오드(Avalanche photo diode)의 전계 특성을 나타내는 도면이다.
도 15a 내지 15d는 애벌런치 포토 다이오드(Avalanche photo diode)의 포토 전류 특성을 나타내는 도면이다.
도 16a 내지 도 16b는 애벌런치 포토 다이오드(Avalanche photo diode)의 포토 전류를 향상시키는 방법에 관한 도면이다.
도 17은 반사 방지막의 굴절률과 광 반응성(Photo responsivity)을 나타내는 도면이다.
도 18a 및 도 18b는 제 1 베타-산화 갈륨층 제 3 베타-산화 갈륨층의 도핑 농도에 따른 최대 광 반응성(Photo responsivity)의 변화를 나타내는 도면이다.
도 19는 n+-타입과 n-타입의 도핑 농도에 차이에 따른 포토 전류의 차이를 나타내는 도면이다.
도 20은 굴절률 2.1의 반사 방지막의 코팅 여부에 따른 포토 전류의 차이를 나타내는 도면이다.
도 21은 n+-타입과 n-타입의 도핑 농도에 차이에 따른 전류-전압 특성의 차이를 나타내는 도면이다.
도 22는 n+-타입과 n-타입의 도핑 농도에 차이에 따른 환원 전류(Cathode Current)의 차이를 나타내는 도면이다.
도 23은 n+-타입 도핑 농도를 4.1*1018cm-3, n-타입의 도핑 농도를 4.0*1017cm-3 로 도핑한 새로운 구조에서 항복 전압(Breakdown Voltage)을 나타내는 도면이다.
도 2는 캐리어(carrier)가 생성되는 과정을 간략하게 나타내는 도면이다.
도 3은 캐리어(carrier)가 재결합(recombination)되는 과정을 간략하게 나타내는 도면이다.
도 4는 PN 접합(PN junction)을 간략하게 나타내는 도면이다.
도 5는 p 영역과 n 영역에서 캐리어(carrier)의 확산 방향을 나타내는 도면이다.
도 6은 캐리어(carrier)의 확산 방향과 전기력의 방향을 나타내는 도면이다.
도 7은 PN 포토 다이오드(PN Photo diode)에 빛이 인가되었을 때의 변화를 나타내는 에너지 다이어그램(energy diagram)이다.
도 8은 실리콘에서의 파장(wave length)에 따른 침투 깊이를 나타낸 도면이다.
도 9는 일반적인 애벌런치 포토 다이오드(Avalanche photo diode)의 구조를 나타낸 도면이다.
도 10은 애벌런치 포토 다이오드(Avalanche photo diode)에서 빛에 의해 생성된 전자, 정공쌍(EHP, Electron Hole Pair)의 움직임을 나타내는 도면이다.
도 11은 베타-산화 갈륨(β-Ga2O3)의 파장에 따른 굴절률(refractive index)과 흡광 계수(coefficient of extinction)를 나타낸 그래프이다.
도 12는 굴절률(refractive index)과 흡광 계수(coefficient of extinction)를 수치화한 도면이다.
도 13a와 도 13b는 애벌런치 포토 다이오드(Avalanche photo diode)의 전류 특성을 나타내는 도면이다.
도 14a와 14b는 애벌런치 포토 다이오드(Avalanche photo diode)의 전계 특성을 나타내는 도면이다.
도 15a 내지 15d는 애벌런치 포토 다이오드(Avalanche photo diode)의 포토 전류 특성을 나타내는 도면이다.
도 16a 내지 도 16b는 애벌런치 포토 다이오드(Avalanche photo diode)의 포토 전류를 향상시키는 방법에 관한 도면이다.
도 17은 반사 방지막의 굴절률과 광 반응성(Photo responsivity)을 나타내는 도면이다.
도 18a 및 도 18b는 제 1 베타-산화 갈륨층 제 3 베타-산화 갈륨층의 도핑 농도에 따른 최대 광 반응성(Photo responsivity)의 변화를 나타내는 도면이다.
도 19는 n+-타입과 n-타입의 도핑 농도에 차이에 따른 포토 전류의 차이를 나타내는 도면이다.
도 20은 굴절률 2.1의 반사 방지막의 코팅 여부에 따른 포토 전류의 차이를 나타내는 도면이다.
도 21은 n+-타입과 n-타입의 도핑 농도에 차이에 따른 전류-전압 특성의 차이를 나타내는 도면이다.
도 22는 n+-타입과 n-타입의 도핑 농도에 차이에 따른 환원 전류(Cathode Current)의 차이를 나타내는 도면이다.
도 23은 n+-타입 도핑 농도를 4.1*1018cm-3, n-타입의 도핑 농도를 4.0*1017cm-3 로 도핑한 새로운 구조에서 항복 전압(Breakdown Voltage)을 나타내는 도면이다.
후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예와 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다.
도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다. 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다. 또한, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "아래에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 아래에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 아래에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다.
공간적으로 상대적인 용어인 "아래(below)", "아래(beneath)", "하부(lower)", "위(above)", "상부(upper)" 등은 도면에 도시되어 있는 바와 같이 하나의 소자 또는 구성 요소들과 다른 소자 또는 구성 요소들과의 상관관계를 용이하게 기술하기 위해 사용될 수 있다. 공간적으로 상대적인 용어는 도면에 도시되어 있는 방향에 더하여 사용시 또는 동작시 소자의 서로 다른 방향을 포함하는 용어로 이해되어야 한다. 예를 들면, 도면에 도시되어 있는 소자를 뒤집을 경우, 다른 소자의 "아래(below)"또는 "아래(beneath)"로 기술된 소자는 다른 소자의 "위(above)"에 놓여질 수 있다. 따라서, 예시적인 용어인 "아래"는 아래와 위의 방향을 모두 포함할 수 있다. 소자는 다른 방향으로도 배향될 수 있고, 이에 따라 공간적으로 상대적인 용어들은 배향에 따라 해석될 수 있다.
본 명세서에서 어떤 부분이 다른 부분과 연결되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결되어있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 전기적으로 연결되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 포함한다고 할 때, 이는 특별히 그에 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본 명세서에서 제 1, 제 2, 제 3 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 이러한 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되는 것은 아니다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소들로부터 구별하는 목적으로 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위로부터 벗어나지 않고, 제 1 구성 요소가 제 2 또는 제 3 구성 요소 등으로 명명될 수 있으며, 유사하게 제 2 또는 제 3 구성 요소도 교호적으로 명명될 수 있다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않은 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
이하, 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 보다 상세하게 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 베타-산화 갈륨(β-Ga2O3)을 이용한 이종접합 애벌런치 포토 다이오드(photo diode)의 단면도이다.
도 1을 참조하면, 산화 전극(100)과 환원 전극(700)을 포함하는 베타-산화 갈륨(β-Ga2O3)을 이용한 이종접합 애벌런치 포토 다이오드(10, photo diode)는 제 1 질화 갈륨층(200), 제 2 질화 갈륨층(300), 제 1 산화 갈륨층(400), 제 2 산화 갈륨층(500) 및 제 3 산화 갈륨층(600)을 포함하는 것을 알 수 있다.
베타-산화 갈륨(β-Ga2O3)을 이용한 이종접합 애벌런치 포토 다이오드(10, photo diode)는 p-타입 기판에 자연적으로 n-타입인 베타-산화 갈륨(β-Ga2O3)을 쌓기 때문에 전자(electron)에 의한 애벌런치 효과(Avalanche effect)가 아닌 정공(hole)에 의한 애벌런치 효과(Avalanche effect)를 이용하는 역방향 타입(Reverse-type)이다.
제 1 질화 갈륨층(200)은 베타-산화 갈륨(β-Ga2O3)을 이용한 이종접합 애벌런치 포토 다이오드(10)의 최하부에 위치하며, 산화 전극(100, Anode)과 접촉(contact)하는 영역이다.
제 1 질화 갈륨층(200)은 p+-타입 질화 갈륨(GaN)으로 도핑되며, 도핑 농도(doping density)는 4.0*1017cm- 3 이며, 두께는 8nm이다.
제 2 질화 갈륨층(300)은 제 1 질화 갈륨층(200) 상부에 위치하며, p타입 질화 갈륨(GaN)으로 도핑되며, 도핑 농도(doping density)는 6.0*1015cm- 3 이며, 두께는 2nm이다.
제 1 산화 갈륨층(400)은 제 2 질화 갈륨층(300) 상부에 위치하며, 제 2 질화 갈륨층(300)과 PN 접합(PN junction)을 이루어 제 2 질화 갈륨층(300)과 함께 정공(hole)에 의한 애벌런치 효과(Avalanche effect)를 발생시키는 영역이다.
제 1 산화 갈륨층(400)은 n-타입 베타-산화 갈륨(β-Ga2O3)으로 도핑되며, 도핑 농도(doping density)는 4.0*1015cm- 3 이며, 두께는 2nm이다.
제 2 산화 갈륨층(500)은 상대적으로 낮은 농도로 인해 역방향 바이어스(Reverse Bias)에서 대부분의 전압이 걸려 공핍층(depletion layer)으로 형성되어 빛을 흡수하는 영역이다.
제 2 산화 갈륨층(500)은 n―-타입 베타-산화 갈륨(β-Ga2O3)으로 도핑되며, 도핑 농도(doping density)는 3.8*1014cm-3이며, 두께는 30nm이다.
제 3 산화 갈륨층(600)은 환원 전극(700, Cathode)과 오믹 접촉(Ohmic Contact)을 이루기 위해 상대적으로 높은 농도로 도핑된 영역이다.
제 3 산화 갈륨층(600)은 n+-타입 베타-산화 갈륨(β-Ga2O3)으로 도핑되며, 도핑농도는 4.1*1016cm-3이며, 두께는 10nm이다.
여기서 질화 갈륨(GaN)과 베타-산화 갈륨(β-Ga2O3)의 이종 접합(Hetero junction)을 이용했기 때문에 사각 효과(Dead space effect)에 의해 낮은 바이어스 전압에서도 정공(hole)에 의한 애벌런치 효과(Avalanche effect)가 효과적이다. 또한, 동종 접합 애벌런치 다이오드(Homo junction APD)의 잡음(noise)과 비교했을 때 사각 효과(Dead space effect)로 인해 더 적은 잡음(noise)이 발생하는 장점이 있다.
이하에서는 포토 다이오드의 동작과 관련하여 캐리어(carrier)를 생성(generation)하는 방법과 재결합(recombination)하는 방법에 대해 우선적으로 설명한다.
도 2는 캐리어(carrier)가 생성되는 과정을 간략하게 나타내는 도면이다.
포토 다이오드에서 캐리어(carrier)를 생성하는 방법은 세 가지가 있다.
도 2a을 참조하면, 캐리어(carrier)가 생성되는 첫 번째 방법으로, 대역에서 대역으로 이동하는 프로세스(Band-to-Band Process)를 알 수 있다.
대역에서 대역으로 이동하는 프로세스(Band-to-Band Process)는 열에너지나 빛 에너지에 의해 가전자대(Valence Band)에 있는 전자(electron)가 전도대(Conduction band)로 천이하는 현상을 뜻한다.
대역에서 대역으로 이동하는 프로세스(Band-to-Band Process)는 두 가지 밴드 갭(band gap)이 있는데 직접 밴드갭(direct band gap)과 간접 밴드갭(indirect band gap)으로 나뉜다.
직접 밴드갭(direct band gap)은 가전자대(Valence Band) 최댓값과 전도대(Conduction band)의 최솟값이 동일한 k축에 있어 전자(electron)의 운동량이 바뀌지 않고 직접 천이한다.
반면, 간접 밴드갭(indirect band gap)은 가전자대(Valence Band) 최댓값과 전도대(Conduction band)의 최솟값이 다른 k축에 있어 전자(electron)가 천이할 때 k값 차이만큼 운동량이 보존되어야 한다.
도 2b를 참조하면, 캐리어(carrier)가 생성되는 두 번째 방법으로, 재결합(recombination)-생성(Generation) 중심 프로세스(R-G Center Process)를 알 수 있다.
재결합-생성 중심 프로세스(R-G Center Process)는 열에너지에 의해 격자(Lattice)가 들뜨게(excite) 되면 금지대(Energy Band Gap) 영역에 트랩 에너지준위(trap energy level)가 생기기 때문에 밴드갭(band gap) 이하의 에너지에 의해서도 캐리어(carrier)가 생성될 수 있다.
도 2c를 참조하면, 캐리어(carrier)가 생성되는 세 번째 방법으로, 충돌 이온화 프로세스(Impact Ionization Process)를 알 수 있다.
충돌 이온화 프로세스(Impact Ionization Process)는 높은 전계(Electric Field)가 인가되었을 때 자유전자(electron)가 전계(Electric Field)에 의해 가속되어 큰 운동량을 가지게 되고, 자유전자(electron)가 격자(Lattice)에 부딪힘으로써 또 다른 캐리어(carrier)가 생성될 수 있다.
도 3은 캐리어(carrier)가 재결합(recombination)하는 과정을 간략하게 나타내는 도면이다.
포토 다이오드(photo diode)에서 캐리어(carrier)가 생성(generation)된 후 다시 캐리어(carrier)가 재결합(recombination)하는 방법은 세 가지가 있다.
도 3a를 참조하면, 캐리어(carrier)가 재결합(recombination)하는 첫 번째 방식으로, 직접 방식(Direct Process)을 알 수 있다.
직접 방식(Direct Process)은 캐리어(carrier)를 생성하는 과정과 비슷한 메커니즘(mechanism)으로 재결합(recombination)하며, 재결합(recombination)을 하는 과정에서 캐리어(carrier)가 가지고 있던 에너지를 빛 에너지로 방출한다.
도 3b를 참조하면, 캐리어(carrier)가 재결합(recombination)하는 두 번째 방식으로, 재결합-생성 중심(R-G Center)으로 에너지를 방출하기 위해 트랩 에너지(trap energy)를 통해 가전자대(Valence Band)로 천이해서 정공(hole)과 재결합(recombination)할 수 있고, 트랩에너지(trap energy)에서 전자(electron)와 정공(hole)이 만나 재결합(recombination)할 수 있다.
도 3c를 참조하면, 캐리어(carrier)가 재결합(recombination)하는 세 번째 방식으로, 오제 프로세스(Auger Process)를 알 수 있다.
오제 프로세스(Auger Process)에서 전도대(Conduction band)의 전자(electron)는 가전자대(Valence Band)의 정공(hole)과 재결합(recombination)을 할 수 있고, 재결합(recombination)을 하면서 가지고 있던 에너지를 방출하게 된다.
도 4는 PN 접합(PN junction)을 간략하게 나타내는 도면이다.
도 4를 참조하면, PN 접합(PN junction)의 기본구조는 p-타입과 n-타입이 접합되는 간단한 형태임을 알 수 있다.
이때, PN 접합(PN junction)은 p-타입 기판의 특정 부분에 n-타입 도펀트(Dopant)를 주입해서 형성한다.
도 5는 p 영역과 n 영역에서 캐리어(carrier)의 확산 방향을 나타내는 도면이다.
도 5를 참조하면, p-타입과 n-타입이 접합(junction)되는 지점을 중심으로 각 영역이 매우 큰 농도 차이를 가지는 것을 알 수 있다.
이 때, p 영역에서 정공(hole)이 n 영역으로 강한 확산이 일어나고 n 영역에서는 반대로 전자(electron)가 p 영역으로 강한 확산이 일어난다.
도 6은 캐리어(carrier)의 확산 방향과 전기력의 방향을 나타내는 도면이다.
도 6을 참조하면, 상술하는 확산 과정에서 각 영역에서는 전자(electron)와 정공(hole)이 확산함으로써 양(+)으로 대전된 도너 원자(donor atom)와 음(-)으로 대전된 억셉터 원자(acceptor atom)가 남게 된다.
이 전하로 인해 접합 부분에서 n 영역에서 p 영역으로 전계(Electric Field)가 형성되고 이 영역을 공간전하영역(space charge region)이라고 한다. 이때 형성된 전기력은 캐리어(carrier)가 확산하는 방향과 반대이므로 정상 상태에서 서로 평형을 이루게 된다.
도 7은 PN 포토 다이오드(PN Photo diode)에 빛이 인가되었을 때의 변화를 나타내는 에너지 다이어그램(energy diagram)이다.
도 7을 참조하면, 에너지 밴드갭(energy band gap) 이상의 에너지를 가진 빛이 입사하게 되면 가전자대(Valence band)에 있던 전자(electron)가 전도대(Conduction band)로 천이하면서 전자, 정공쌍(EHP, Electron Hole Pair)이 생성된다.
이때 내부에 있는 전계(Electric Field)에 의해 과잉 캐리어(Excess Carrier) 중에서 전자(electron)는 N 영역, 정공(hole)은 P 영역으로 가속한다.
각 영역에서 전자(electron)와 정공(hole)이 축적되고 P 영역은 양(+) 전위, N 영역은 음(-) 전위가 형성되어 기전력(electromotive force)이 발생한다. 이때의 기전력(electromotive force)을 광기전력(photovoltaic)이라고 하며 이를 이용해서 빛을 검출한다.
도 8은 실리콘에서의 파장(wave length)에 따른 침투 깊이를 나타낸 도면이다.
도 8을 참조하면, 파장(wave length)이 짧을수록 매질을 지나갈 때 원자와 상호 작용이 많이 일어나서 침투 깊이가 얕아지는 것을 알 수 있다.
파장(wave length)이 1100nm이상에서는 흡수계수(Absorption coefficient)가 0으로 수렴하는데 이것은 실리콘의 밴드갭(band gap) 이하의 에너지를 가진 빛이 입사했기 때문에 흡수되지 않고 그대로 통과한다.
PN 접합(PN junction)이란 반도체 소자의 가장 기초적인 단위로 p-타입 반도체와 n-타입 반도체를 접합하여 형성되며, 주로 태양전지, LED, 광 검출기 등으로 쓰인다.
애벌런치 포토 다이오드(Avalanche photo diode)는 PN 포토 다이오드(photo diode)를 개량한 소자로 애벌런치 효과(Avalanche effect)를 이용하여 빛을 검출한다.
애벌런치 효과(Avalanche effect)는 PN 접합(PN junction)의 공간 전하 영역(space charge region)을 통과해서 움직이는 전자(electron)나 정공(hole)이 강한 전계(Electric Field)에 의해 충분히 가속하게 되어 공간전하영역(space charge region)의 격자(Lattice)와 충돌한다.
이로 인해 새로운 전자, 정공쌍(EHP, Electron Hole Pair)이 생성되고 새롭게 생성된 전자(electron)나 정공(hole)은 다른 원자를 이온화시켜 또 다른 전자, 정공쌍(EHP, Electron Hole Pair)을 생성해서 캐리어(carrier)가 눈사태(Avalanche)처럼 증가하는 현상을 말한다. 따라서 비교적 빛의 세기가 작아도 전자(electron), 정공(hole)의 양을 증폭하여 빛을 검출할 수 있다.
도 9는 일반적인 애벌런치 포토 다이오드(Avalanche photo diode)의 구조를 나타낸 도면이다.
도 9를 참조하면, 애벌런치 포토 다이오드(Avalanche photo diode)는 크게 애벌런치 효과(Avalanche effect)를 일으키는 PN 접합(PN junction)과 빛을 흡수하는 공핍층(π층, depletion layer)으로 구성되는 것을 알 수 있다.
도 10은 애벌런치 포토 다이오드(Avalanche photo diode)에서 빛에 의해 생성된 전자, 정공쌍(EHP, Electron Hole Pair)의 움직임을 나타내는 도면이다.
도 10을 참조하면, 포토 다이오드(photo diode)에는 강한 역방향 바이어스(Reverse Bias)가 인가되고 공핍층(depletion layer)에서 빛을 흡수하여 전자, 정공쌍(EHP, Electron Hole Pair)이 생성된다.
정공(hole)은 산화 전극(100, Anode)으로 확산을 하고 전자(electron)는 환원 전극(700, Cathode)로 확산을 한다.
이때 애벌런치(Avalanche) 영역에서의 강한 전계(Electric Field)에 의해 애벌런치 효과(Avalanche effect)가 발생하고 전자(electron)와 정공(hole)의 수가 눈사태(Avalanche)처럼 급격하게 증대되어 빛을 검출하게 된다.
PN 포토 다이오드(PN photo diode)는 PN 접합(PN junction)을 이용하여 빛의 유무를 검출하는 소자로 에너지 밴드갭(energy band gap)에 따라 감지할 수 있는 빛의 파장(wave length)이 달라진다.
예를 들어 실리콘(Si)의 밴드갭(band gap)은 1.12eV 로 한계파장(wave length)은 대략 1100nm이고 질화갈륨(GaN)의 밴드갭(band gap)은 3.4eV 로 한계파장(wave length)은 대략 364nm이다.
한계파장(wave length)보다 긴 파장(wave length)의 빛이 들어오면 이상적인 다이오드(diode)에서는 전자(electron)가 전도대(Conduction band)로 천이할 수 없으므로 한계파장(wave length)보다 짧은 파장(wave length)의 빛만 검출할 수 있다.
도 11은 베타-산화 갈륨(β-Ga2O3)의 파장에 따른 굴절률(refractive index)과 흡광 계수(coefficient of extinction)를 나타낸 그래프이다.
도 11을 참조하면, 애벌런치 포토 다이오드(Avalanche photo diode)의 포토 전류를 계산하기 위해 필요한 계수로 한계파장 근처인 200nm내지 250nm구간에서 굴절률(refractive index)과 흡광 계수(coefficient of extinction) 모두 피크 값을 보여주고 있다.
도 12는 굴절률(refractive index)과 흡광 계수(coefficient of extinction)를 수치화한 도면이다.
도 12를 참조하면, 도 11의 굴절률(refractive index)과 흡광계수(coefficient of extinction)의 그래프를 통해서 추출한 값의 일부 값의 정확한 수치를 알 수 있다.
흡광 계수(coefficient of extinction)는 210nm에서 피크 값을 가지고, 굴절률(refractive index)은 대략 250nm에서 피크 값을 가지는 것을 알 수 있다.
도 13a와 도 13b는 애벌런치 포토 다이오드(Avalanche photo diode)의 전류 특성을 나타내는 도면이다.
도 13a를 참조하면 애벌런치 포토 다이오드(Avalanche photo diode)의 전류-전압 특성을 알 수 있다.
다이오드의 턴 온 전압(Turn on Voltage)은 질화 갈륨(GaN)과 베타-산화 갈륨(β-Ga2O3)의 광대역 갭(Wide Band Gap) 특성에 의해 실리콘보다 큰 3.0V를 나타내고 있다.
또한, 이종 접합(Hetero junction)을 이용했기 때문에 동종 접합(Homo junction)에서의 전류 메커니즘(Mechanism)인 소수 캐리어(minor carrier)의 확산이 아닌 다수 캐리어(major carrier)의 열 전자 방출의 메커니즘(Mechanism)에 따라 전류가 흐르게 되고 이는 쇼트키 다이오드(Schottky diode)와 유사하다.
이종 접합(Hetero junction)의 전류에 관한 식은 아래 수학식 1과 같다.
[수학식 1]
여기서 Ew는 유효 장벽높이로 도핑농도에 관한 함수이다.
동종 접합(Homo junction)과 이종 접합(Hetero junction)의 큰 차이는 전자와 정공이 느끼는 전위장벽이 다르다는 것으로 일반적으로 한 가지 종류의 캐리어(carrier)에 의해 전류가 정해진다.
도 13b를 참조하면, 다이오드의 역 바이어스(Reverse Bias)에 따른 환원 전극(700, Cathode) 전류를 알 수 있다. 역 포화전류(Reverse Saturation Current)가 지수적(Exponential)으로 증가하는데 이는 전압에 의해 더욱 큰 전계(electric field)가 걸려 애벌런치 효과(Avalanche effect)가 증가하기 때문이다.
항복(Breakdown)은 대략 -145V에서 일어나는 것을 확인할 수 있고, 항복 전압(Breakdown Voltage)를 통해서 포토 다이오드(photo diode)로 사용할 때의 동작범위를 정할 수 있다.
도 14a와 14b는 애벌런치 포토 다이오드(Avalanche photo diode)의 전계 특성을 나타내는 도면이다.
도 14a을 참조하면, 애벌런치 포토 다이오드(Avalanche photo diode)에 제로 바이어스(Zero Bias)를 인가했을 때의 전계 특성을 알 수 있다.
최대 전계(Electric Field)는 8.5*1004 V/cm이다. 기본적인 포토 다이오드(photo diode)와 다르게 전극이 2 um씩 대각선방향으로 있어 전계가 환원 전극(700, Cathode)쪽에 몰려있다.
도 14b를 참조하면, 애벌런치 포토 다이오드(Avalanche photo diode)의 100V의 역 바이어스(Reverse Bias)에서 전계 특성을 알 수 있다.
환원 전극(700, Cathode)에 100V의 전압을 인가했으며 제로 바이어스(Zero Bias)보다 전계(Electric Field)가 좁게(Narrow) 몰려있고 최대 전계(Electric Field)는 1.19*1006 V/cm이다.
도 15a 내지 15d는 애벌런치 포토 다이오드(Avalanche photo diode)의 포토 전류 특성을 나타내는 도면이다.
도 15a를 참조하면, 애벌런치 포토 다이오드(Avalanche photo diode)의 파장별 포토 전류의 크기를 알 수 있다.
피크 전류는 대략적으로 UV-C 파장 영역인 220nm에서 나타나며, 254nm이상의 빛에서도 다이오드가 반응하는데 이것은 베타-산화 갈륨(β-Ga2O3)에서 반응하지 않은 빛이 질화 갈륨(GaN)에서 반응했기 때문이다.
또한, 대략 350nm에서 포토 전류가 급격하게 낮아지는 것을 관찰할 수 있는데 이것은 질화 갈륨(GaN)의 한계 파장인 364nm에 도달하여 빛을 거의 흡수하지 않기 때문이다.
도 15b를 참조하면, 애벌런치 포토 다이오드(Avalanche photo diode)에 빛을 인가하지 않았을 때의 환원 전류(Cathode Current)와 220nm의 빛을 인가했을 때의 환원 전류(Cathode Current)를 알 수 있다.
빛을 인가하지 않았을 때의 환원 전류(Cathode Current)는 대략 -17 차수를 나타내고, 220nm의 빛을 인가했을 때의 환원 전류(Cathode Current)는 대략 -9 차수를 보여주며, 양자는 8 차수의 차이로 높은 신호 대 잡음비(SNR, Signal to Noise Ratio)를 나타내고 있다.
도 15c를 참조하면, 애벌런치 포토 다이오드(Avalanche photo diode)의 파장에 따른 광 반응성(Photo responsivity)을 알 수 있다.
광 반응성(Photo responsivity)은 입사광 파워당 발생하는 광 전류(Photo current)를 광학 파워(Optical power)로 나눠서 계산하며 포토 다이오드(photo diode)의 양자 효율을 나타내는 척도이다.
본원 발명에서 광학 파워(Optical power)는 1W를 사용하였고, 입사광 면적은 12*10-12m2를 사용하였다. 여기서 광 반응성(Photo responsivity)의 최댓값은 파장이 220nm에서 대략 320A/W 를 보인다.
도 15d를 참조하면, 애벌런치 포토 다이오드(Avalanche photo diode)의 220nm의 빛과 제로 바이어스(Zero Bias)를 인가했을 때의 환원 전류(Cathode Current)와 220nm의 빛과 100V의 역 바이어스(Reverse Bias)를 인가했을 때의 환원 전류(Cathode Current)를 알 수 있다.
전압을 인가하지 않았을 때의 포토 전류의 피크 값에 비해 -100V의 전압을 걸었을 때의 포토 전류의 피크 값이 대략 6.6% 향상되었다.
이러한 차이는 전압으로 인해 애벌런치(Avalanche) 영역에서 전계(Electric Field)가 강해져서 애벌런치 효과(Avalanche effect)가 증가했기 때문이다.
도 16a 내지 도 16b는 애벌런치 포토 다이오드(Avalanche photo diode)의 포토 전류를 향상시키는 방법에 관한 도면이다.
도 16a를 참조하면, 애벌런치 포토 다이오드(Avalanche photo diode)의 포토 전류를 향상시키는 첫 번째 방법으로 반사 방지막을 코팅해서 입사광의 반사를 줄여 빛의 세기를 향상하는 방법을 알 수 있다.
도 16b를 참조하면, 애벌런치 포토 다이오드(Avalanche photo diode)의 포토 전류를 향상시키는 두 번째 방법으로 도핑 농도를 바꿔가며 경향성을 파악해서 최적의 구조를 설계하는 방법을 알 수 있다.
도 17은 반사 방지막의 굴절률과 광 반응성(Photo responsivity)을 나타내는 도면이다.
도 17을 참조하면, 반사 방지막의 굴절률을 1.6에서 2.5로 바꿨을 때 최대 광 반응성(Photo responsivity)의 변화를 알 수 있다.
빛의 파장이 220nm일 때, 베타-산화 갈륨(β-Ga2O3)의 굴절률이 2.1이고, 반사 방지막의 굴절률이 2.1일 때 가장 높은 광 반응성(Photo responsivity)을 나타낸다. 이에 따라 광 반응성(Photo responsivity)은 300A/W 에서 380A/W 로 약 26.6% 향상된다.
도 18a 및 도 18b는 제 1 베타-산화 갈륨층 제 3 베타-산화 갈륨층의 도핑 농도에 따른 최대 광 반응성(Photo responsivity)의 변화를 나타내는 도면이다.
도 18a를 참조하면, 기존의 n+-타입 베타-산화 갈륨(β-Ga2O3) 영역에서 도핑 농도를 -2차수에서 +2차수까지 변화시켰을 때, 광 반응성(Photo responsivity)의 변화를 알 수 있다.
n+ 영역의 도핑농도를 줄인 결과 금속접합 부분에서 오믹 접합(Ohmic Contact)이 약해져서 광 반응성(Photo responsivity)이 줄어들게 된다.
n+ 영역에서 포토 전류가 원활하게 흐르기 위해서는 환원 전극(700, Cathode)과 오믹 접합(Ohmic Contact)을 이뤄야 하므로 농도를 4.6*1018cm-3만큼 높은 농도로 도핑을 하면 광 반응성(Photo responsivity)은 기존의 300A/W에서 400A/W로 약 33.3% 향상된다.
도 18b를 참조하면, 기존의 n- 타입 베타-산화 갈륨(β-Ga2O3) 영역에서 도핑 농도를 -2 차수에서 +2 차수까지 변화시켰을 때, 광 반응성(Photo responsivity)의 변화를 알 수 있다.
n-영역의 도핑농도를 줄이면, p-타입 질화 갈륨(GaN)과 PN접합(PN junction)에서 상대적으로 전계(Electric Filed)가 약해져서 광 반응성(Photo responsivity)이 감소하는 경향을 보인다.
반대로 도핑농도를 높이면, 전계(Electric Filed)가 강해져서 포토 전류가 증가하였으며, 광 반응성(Photo responsivity)은 기존의 300A/W에서 350A/W로 약 16.6% 향상된다.
도 19는 n+-타입과 n-타입의 도핑 농도에 차이에 따른 포토 전류의 차이를 나타내는 도면이다.
도 19를 참조하면, n+-타입 도핑 농도를 4.1*1016cm-3, n-타입의 도핑 농도를 4.0*1015cm-3 로 도핑 하였을 때(a)와 n+-타입 도핑 농도를 4.1*1018cm-3, n-타입의 도핑 농도를 4.0*1017cm-3 로 도핑 하였을 때(b)의 포토 전류의 차이를 알 수 있다.
n+ 영역과 n 영역의 도핑 농도를 모두 증가시킨 결과로 포토 전류는 기존의 3.9*10-09A에서 5.0*10-09A로 약 28.2% 향상되었다.
도 20은 굴절률 2.1의 반사 방지막의 코팅 여부에 따른 포토 전류의 차이를 나타내는 도면이다.
도 20을 참조하면, n+-타입 도핑 농도를 4.1*1016cm-3, n-타입의 도핑 농도를 4.0*1015cm-3 로 도핑 하였을 때(a)와 n+-타입 도핑 농도를 4.1*1018cm-3, n-타입의 도핑 농도를 4.0*1017cm-3 로 도핑하고 굴절률 2.1 반사 방지막을 코팅하였을 때(b)의 포토 전류의 차이를 알 수 있다.
도핑 농도를 변경하고, 반사 방지막을 코팅했을 때의 포토 전류는 5.6*10- 09A 이고, 도핑 농도만을 변경한 경우(도19-(b) 참조)의 포토 전류인 5.0*10-09A에 비해서는 대략 12% 향상되었음을 알 수 있다.
또한, 반사 방지막도 없고, 기존의 도핑 농도의 경우(도 19-(a) 및 도 20-(a) 참조)에서의 포토 전류인 3.9*10-09A에 비해서는 대략 43.5% 향상되었음을 알 수 있다.
도 21은 n+-타입과 n-타입의 도핑 농도에 차이에 따른 전류-전압 특성의 차이를 나타내는 도면이다.
도 21을 참조하면, n+-타입 도핑 농도를 4.1*1016cm-3, n-타입의 도핑 농도를 4.0*1015cm-3 로 도핑 하였을 때(a)와 n+-타입 도핑 농도를 4.1*1018cm-3, n-타입의 도핑 농도를 4.0*1017cm-3 로 도핑 하였을 때(b)의 전류-전압 특성의 변화를 알 수 있다.
(a)의 경우와 (b)의 경우를 비교하면, (b)의 경우에 정 방향 바이어스(Forward Bias)에서는 더 높은 전류가 흐르고, 역방향 바이어스(Reverse Bias)에서는 더 낮은 역 포화전류(Reverse Saturation Current)가 흐르는 것을 알 수 있다.
도 22는 n+-타입과 n-타입의 도핑 농도에 차이에 따른 환원 전류(Cathode Current)의 차이를 나타내는 도면이다.
도 22를 참조하면, n+-타입 도핑 농도를 4.1*1018cm-3, n-타입의 도핑 농도를 4.0*1017cm-3 로 도핑한 구조에 빛을 인가하지 않은 경우(a)와 220nm의 빛을 인가한 경우(b)의 환원 전류(Cathode Current)의 차이를 알 수 있다.
(a)의 경우 환원 전류(Cathode Current)는 약 -23 차수를 나타내고, (b)의 경우에는 환원 전류(Cathode Current)로 약 -8.5 차수를 나타내고 있다.
(a)의 경우와 (b)의 경우 간의 차수의 차이는 12.5로 기존의 구조에서 보다 더 높은 신호 대 잡음비(SNR, Signal to Noise Ratio)를 나타낸다.
도 23은 n+-타입 도핑 농도를 4.1*1018cm-3, n-타입의 도핑 농도를 4.0*1017cm-3 로 도핑한 새로운 구조에서 항복 전압(Breakdown Voltage)을 나타내는 도면이다.
도 23을 참조하면, n+-타입 도핑 농도를 4.1*1016cm-3, n-타입의 도핑 농도를 4.0*1015cm-3 로 도핑한 기존의 구조의 경우와 비교하면, 새로운 구조의 항복 전압(Breakdown Voltage)이 대략 -130V로 감소한 것을 알 수 있다.
상술하는 내용에 따르면 도핑 농도를 높이면 포토 전류가 증가하고, 역 포화전류(Reverse Saturation Current)가 감소해서 신호 대 잡음비(SNR, Signal to Noise Ration)가 증가하지만, 동작범위가 줄어들게 되는 상충 관계(Trade-off)임을 알 수 있다
이상에서는 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
10: 베타-산화 갈륨을 이용한 이종접합 애벌런치 포토 다이오드
100: 산화 전극(Cathode)
200: 제 1 질화 갈륨층
300: 제 2 질화 갈륨층
400: 제 1 산화 갈륨층
500: 제 2 산화 갈륨층
600: 제 3 산화 갈륨층
700: 환원 전극(Anode)
100: 산화 전극(Cathode)
200: 제 1 질화 갈륨층
300: 제 2 질화 갈륨층
400: 제 1 산화 갈륨층
500: 제 2 산화 갈륨층
600: 제 3 산화 갈륨층
700: 환원 전극(Anode)
Claims (12)
- 산화 전극과 환원 전극을 포함하는 베타-산화 갈륨(β-Ga2O3)을 이용한 이종접합 애벌런치 포토 다이오드에 있어서,
상기 산화 전극 상부에서 상기 산화 전극과 접촉하며, p+ 타입 질화 갈륨으로 도핑된 제 1 질화 갈륨층;
상기 제 1 질화 갈륨층 상부에 위치하며, p타입 질화 갈륨으로 도핑된 제 2화 갈륨층;
상기 제 2 질화 갈륨층 상부에서 위치하며, 상기 제 2 질화 갈륨층과 PN 접합하는, n타입 베타-산화 갈륨으로 도핑된 제 1 산화 갈륨층;
상기 제 1 산화 갈륨층 상부에 위치하며, n-타입 베타-산화 갈륨으로 도핑된 제 2 산화 갈륨층; 및
상기 제 2 산화 갈륨층 상부에 위치하며, n+타입 베타-산화 갈륨으로 도핑된 제 3 산화 갈륨층;을 포함하는 베타-산화 갈륨을 이용한 이종접합 애벌런치 포토 다이오드. - 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 질화 갈륨층은,
p+ 타입 질화 갈륨의 도핑 농도가 4.0*1017cm- 3 인, 베타-산화 갈륨을 이용한 이종접합 애벌런치 포토 다이오드.
- 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 질화 갈륨층은,
두께가 8nm인, 베타-산화 갈륨을 이용한 이종접합 애벌런치 포토 다이오드.
- 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 질화 갈륨층은,
p 타입 질화 갈륨(GaN)의 도핑 농도가 6.0*1015cm- 3 인, 베타-산화 갈륨을 이용한 이종접합 애벌런치 포토 다이오드.
- 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 질화 갈륨층은,
두께가 2nm인, 베타-산화 갈륨을 이용한 이종접합 애벌런치 포토 다이오드.
- 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 산화 갈륨층은,
n 타입 베타-산화 갈륨(β-Ga2O3)의 도핑 농도가 4.0*1015cm- 3 인, 베타-산화 갈륨을 이용한 이종접합 애벌런치 포토 다이오드.
- 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 산화 갈륨층은,
두께가 2nm인, 베타-산화 갈륨을 이용한 이종접합 애벌런치 포토 다이오드.
- 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 산화 갈륨층은,
n- 타입 베타-산화 갈륨(β-Ga2O3)의 도핑 농도가 3.8*1014cm- 3 인, 베타-산화 갈륨을 이용한 이종접합 애벌런치 포토 다이오드.
- 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 산화 갈륨층은,
두께가 30nm인, 베타-산화 갈륨을 이용한 이종접합 애벌런치 포토 다이오드.
- 제 1 항에 있어서, 상기 제 3 산화 갈륨층은,
n+ 타입 베타-산화 갈륨(β-Ga2O3)의 도핑 농도가 4.1*1016cm- 3 인, 베타-산화 갈륨을 이용한 이종접합 애벌런치 포토 다이오드.
- 제 1 항에 있어서, 상기 제 3 산화 갈륨층은,
두께가 10nm인, 베타-산화 갈륨을 이용한 이종접합 애벌런치 포토 다이오드.
- 제 1 항에 있어서,
상기 제 3 산화 갈륨층 상부에 위치하며, 입사광의 반사를 줄여 빛의 세기를 향상시키는 코팅막;을 더 포함하는 베타-산화 갈륨을 이용한 이종접합 애벌런치 포토 다이오드.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020190045468A KR20200122591A (ko) | 2019-04-18 | 2019-04-18 | 베타-산화 갈륨을 이용한 이종접합 애벌런치 포토 다이오드 |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| KR1020190045468A KR20200122591A (ko) | 2019-04-18 | 2019-04-18 | 베타-산화 갈륨을 이용한 이종접합 애벌런치 포토 다이오드 |
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| KR20200122591A true KR20200122591A (ko) | 2020-10-28 |
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ID=73018282
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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| KR1020190045468A KR20200122591A (ko) | 2019-04-18 | 2019-04-18 | 베타-산화 갈륨을 이용한 이종접합 애벌런치 포토 다이오드 |
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| KR (1) | KR20200122591A (ko) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114497277A (zh) * | 2021-12-30 | 2022-05-13 | 昆明物理研究所 | 基于石墨烯/氧化镓异质结的二极管及其制备方法 |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2002343988A (ja) | 2001-05-18 | 2002-11-29 | Canon Inc | 光起電力素子及びその製造方法 |
-
2019
- 2019-04-18 KR KR1020190045468A patent/KR20200122591A/ko not_active Application Discontinuation
Patent Citations (1)
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| CN114497277A (zh) * | 2021-12-30 | 2022-05-13 | 昆明物理研究所 | 基于石墨烯/氧化镓异质结的二极管及其制备方法 |
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