KR20210036673A - 듀얼 포토다이오드 및 이의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

하나의 픽셀에서 다양한 파장 범위를 감지하도록 한 듀얼 포토다이오드 및 이의 제조 방법을 제시한다. 제시된 듀얼 포토다이오드는 제1 반도체층의 상부에 제2 반도체층이 적층되고, 제1 반도체층 및 제2 반도체층이 PN 접합된 제1 포토다이오드 및 제3 반도체층의 상부에 제4 반도체층이 적층되고, 제3 반도체층 및 제2 반도체층이 PN 접합된 제2 포토다이오드를 포함하고, 제2 반도체층은 적어도 두 개의 영역으로 분리되고, 제2 포토다이오드는 두 개의 영역 중 하나의 영역에 적층된다.

Description

듀얼 포토다이오드 및 이의 제조 방법{DUAL-PHOTODIODE AND MANUFACTURING METHOD FOR THE SAME}
본 발명은 듀얼 포토다이오드 및 이의 제조 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 입사광의 파장에 따른 감지하는 듀얼 포토다이오드 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로 포토다이오드(photodiode)는 빛에너지를 전기에너지로 변환하는 반도체 다이오드이다. 포토다이오드는 전기에너지를 빛에너지로 전환하는 발광다이오드(LED: light emitting diode)와 유사하게 생겼으나 반대의 기능을 한다.
포토다이오드는 입사되는 빛에 따라서 전기가 발생하기 때문에 센서로서 적용될 수 있으며, 입사되는 빛의 세기를 측정하는 용도로 적용할 수 있다.
도 1 및 도 2를 참조하면, PN 포토다이오드는 PN 접합에 역 전압이 인가되고 접합 영역에 형성된 공핍 영역으로 반도체의 밴드갭보다 큰 에너지를 가지는 광원(hv)이 입사되면, 입사된 광원(hv)의 광자가 반도체에 흡수되어 전자(electron)-정공(hole)쌍을 형성하고 이로부터 광 전류를 형성한다. 이를 통해, PN 포토다이오드는 빛의 세기를 측정하는 용도로 사용된다.
포토다이오드는 사용되는 재질에 따라서 밴드갭이 상이하기 때문에 특정의 파장 범위에서 감지가 수행되는 것이 일반적이다.
AlxInyGa1-x-yN 재질의 포토다이오드는 조성에 따라서 에너지 밴드 갭을 조절할 수 있는 범위가 넓기 때문에, 원하는 파장범위에 맞추어 조성을 조절할 수 있는 장점이 있다.
하지만, AlxInyGa1-x-yN 재질의 포토다이오드는 조성이 특정된 뒤에는 해당 조성에 특화된 파장 범위에서 감지가 수행되기 때문에, 다양한 파장 범위를 감지하기 위해서 파장범위에 맞는 장치를 별도로 구비해야하는 문제점이 있다.
한국공개특허 제10-2011-0041038호(명칭: 포토 다이오드 구조 및 상기 포토 다이오드 제조 방법)
본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 하나의 픽셀에서 다양한 파장 범위를 감지하도록 한 듀얼 포토다이오드 및 이의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 실시 예에 따른 듀얼 포토다이오드는 제1 반도체층의 상부에 제2 반도체층이 적층되고, 제1 반도체층 및 제2 반도체층이 PN 접합된 제1 포토다이오드 및 제3 반도체층의 상부에 제4 반도체층이 적층되고, 제3 반도체층 및 제2 반도체층이 PN 접합된 제2 포토다이오드를 포함하고, 제2 반도체층은 적어도 두 개의 영역으로 분리되고, 제2 포토다이오드는 두 개의 영역 중 하나의 영역에 적층된다.
제2 반도체층은 트렌치에 의해 제1 영역 및 제2 영역으로 분리되고, 제3 반도체층은 제1 영역 및 제2 영역 중 하나의 상부에 적층될 수 있다.
제2 반도체층과 제2 포토다이오드 사이에 개재된 버퍼층을 더 포함하고, 버퍼층은 제2 반도체층 및 제3 반도체층 사이에 개재되고, AlN 재질일 수 있다.
제1 반도체층 및 제2 반도체층의 재질은 제3 반도체층 및 제4 반도체층의 재질과 다른 재질이고, 제1 반도체층 및 제2 반도체층은 SiC 재질이고, 제3 반도체층 및 제4 반도체층은 GaN계 반도체 재질, AlGaN계 반도체 재질 및 InGaN계 반도체 재질 중 하나의 재질일 수 있다.
제1 포토다이오드는 제1 반도체층의 하면 및 제1 반도체층의 상면 중 한 면에 형성된 제1 전극 및 제2 반도체층의 상면에 형성된 제2 전극을 포함하고, 제2 포토다이오드는 제3 반도체층의 상면에 형성된 제3 전극 및 제4 반도체층의 상면에 형성된 제4 전극을 포함할 수 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 실시 예에 따른 듀얼 포토다이오드 제조 방법은 제1 반도체층, 제2 반도체층, 제3 반도체층 및 제4 반도체층을 순차적으로 적층하는 적층 단계, 제2 반도체층을 적어도 제1 포토다이오드 영역 및 제2 포토다이오드 영역으로 분리하는 영역 분리 단계 및 제1 포토다이오드 영역에 적층된 제3 반도체층 및 제4 반도체층을 제거하는 식각 단계를 포함한다.
제1 반도체층 및 제2 반도체층의 재질은 제3 반도체층 및 제4 반도체층의 재질과 다른 재질이되, 제1 반도체층 및 제2 반도체층은 SiC 재질이고, 제3 반도체층 및 제4 반도체층은 GaN계 반도체 재질, AlGaN계 반도체 재질 및 InGaN계 반도체 재질 중 하나의 재질일 수 있다.
적층 단계에서는 제1 반도체층의 상부에 제2 반도체층을 적층하고, 제2 반도체층의 상부에 제3 반도체층을 적층하고, 제3 반도체층의 상부에 제4 반도체층을 적층하되, 제3 반도체층을 적층하기 전에 제2 반도체층의 상부에 버퍼층을 형성할 수 있다. 이때, 적층 단계에서는 제2 반도체층의 상부에 AlN 재질인 버퍼층을 형성할 수 있다.
영역 분리 단계에서는 제2 반도체층, 제3 반도체층 및 제4 반도체층을 관통하는 트렌치를 형성하여 제2 반도체층을 제1 포토다이오드 영역 및 제2 포토다이오드 영역으로 분리할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 듀얼 포토다이오드 제조 방법은 제1 반도체층의 상면 및 하면 중 한 면에 제1 전극을 형성하는 단계, 제2 반도체층의 상면에 제2 전극을 형성하는 단계, 제3 반도체층의 상면에 제3 전극을 형성하는 단계 및 제4 반도체층의 상면에 제4 전극을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 의하면, 듀얼 포토다이오드 및 이의 제조 방법은 하나의 픽셀에 재질이 서로 다른 2종류의 포토다이오드를 함께 형성함으로써, 단일 재질의 포토다이오드에 비하여 더 넓은 파장 범위(즉, 다양한 파장 범위)를 측정할 수 있는 효과가 있다.
또한, 듀얼 포토다이오드는 파장에 따른 제1 포토다이오드와 제2 포토다이오드의 반응도 차이를 통해서 입사광의 파장을 확인할 수 있는 효과가 있다.
또한, 듀얼 포토다이오드는 2종류의 포토다이오드에서 모두 광 반응이 일어나면 각 포토다이오드의 광 반응 특성의 차이를 통해서 파장과 세기를 분석할 수 있는 효과가 있다.
또한, 듀얼 포토다이오드는 하나의 픽셀에 2종류의 포토다이오드를 형성함으로써, 별도의 필터 등을 사용하지 않고도 특정 파장 범위에서 입사광의 파장과 세기를 함께 측정할 수 있는 효과가 있다.
또한, 듀얼 포토다이오드는 재질과 조성을 조절함으로써, 입사광의 파장과 세기를 함께 측정할 수 있는 파장 범위를 다양하게 조절할 수 있는 효과가 있다.
도 1 및 도 2는 일반적인 포토다이오드를 설명하기 위한 도면.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 듀얼 포토다이오드를 설명하기 위한 도면.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 듀얼 포토다이오드의 변형 예를 설명하기 위한 도면.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 듀얼 포토다이오드 제조 방법을 설명하기 위한 흐름도.
도 6은 도 5의 적층 단계를 설명하기 위한 도면.
도 7은 도 5의 트랜치 형성 단계를 설명하기 위한 도면.
도 8은 도 5의 식각 단계를 설명하기 위한 도면.
도 9 및 도 10은 도 5의 전극 형성 단계를 설명하기 위한 도면.
도 11은 본 발명의 실시 예에 따른 듀얼 포토다이오드의 광 반응도를 설명하기 위한 도면.
도 12는 본 발명의 실시 예에 따른 듀얼 포토다이오드의 광 전류의 비율을 설명하기 위한 도면.
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시 예를 첨부 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
이하, 본 발명의 실시 예에 따른 듀얼 포토다이오드를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 아래와 같다. 도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 듀얼 포토다이오드를 설명하기 위한 도면이고, 도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 듀얼 포토다이오드의 변형 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 듀얼 포토다이오드는 제1 포토다이오드(100) 및 제2 포토다이오드(200)를 포함한다. 제1 포토다이오드(100) 및 제2 포토다이오드(200)는 각각 PN 접합으로 구성된다. 제1 포토다이오드(100) 및 제2 포토다이오드(200)는 동일 기판 상에 함께 형성된다.
제1 포토다이오드(100)는 SiC 재질의 PN 접합으로 구성된다. 제1 포토다이오드(100)는 별도의 기판 위에 증착된 SiC 층으로 구성할 수 있으나, 본 발명의 실시 예에서는 SiC 웨이퍼를 적용한다.
제1 포토다이오드(100)는 SiC 포토다이오드이며, N+-SiC층(110), P-SiC층(120), 제1 전극(130) 및 제2 전극(140)을 포함하여 구성된다. 여기서, SiC 웨이퍼는 N+-SiC층(110) 및 P-SiC층(120)이 적층되어 형성된 웨이퍼이다.
N+-SiC층(110)은 제1 포토다이오드(100)의 최하부에 배치되며, N형 도펀트가 도핑된다. P-SiC층(120)은 N+-SiC층(110)의 상면에 적층 형성되며, P형 도펀트가 도핑된다. 이때, N+-SiC층(110) 및 P-SiC층(120)은 PN 접합을 구성한다.
제1 전극(130)은 N+-SiC층(110)의 하면에 형성되고, 제2 전극(140)은 P-SiC층(120)의 상면에 형성된다. 이때, 제1 전극(130)과 제2 전극(140)이 전원과 연결됨에 따라, 제1 포토다이오드(100)인 SiC 포토다이오드를 구성한다.
제2 포토다이오드(200)는 GaN 재질의 PN 접합으로 구성된다. 제2 포토다이오드(200)는 제1 포토다이오드(100)를 구성하는 SiC 웨이퍼 상에 성장된다.
제2 포토다이오드(200)는 GaN 포토다이오드이며, N-GaN층(210), P-GaN층(220), 제3 전극(230) 및 제4 전극(240)을 포함하여 구성된다.
N-GaN층(210)은 제2 포토다이오드(200)의 최하부에 배치되며, N형 도펀트가 도핑된다. P-GaN층(220)은 N-GaN층(210)의 상면에 적층 형성되며, P형 도펀트가 도핑된다. 이때, N-GaN층(210) 및 P-GaN층(220)은 PN 접합을 구성한다.
제3 전극(230)은 N-GaN층(210)의 노출된 상면에 형성되고, 제4 전극(240)은 P-GaN층(220)의 상면에 형성된다. 이때, 제3 전극(230)과 제4 전극(240)이 전원과 연결됨에 따라, 제2 포토다이오드(200)인 GaN 포토다이오드를 구성한다.
이때, 듀얼 포토다이오드는 제1 포토다이오드(100)에 의한 영향을 방지하기 위해서 제2 포토다이오드(200)가 형성된 SiC 웨이퍼에 트렌치를 형성한다.
트렌치는 N+-SiC층(110) 및 P-SiC층(120)이 적층되어 구성된 SiC 웨이퍼를 제1 포토다이오드(100) 영역 및 제2 포토다이오드(200) 영역으로 분리한다.
이때, 트렌치는 P-SiC층(120) 전체를 제1 포토다이오드(100) 영역 및 제2 포토다이오드(200) 영역으로 완전히 분리한다. 트렌치는 N+-SiC층(110)의 일부를 제1 포토다이오드(100) 영역 및 제2 포토다이오드(200) 영역으로 일부 분리한다.
또한, SiC 웨이퍼의 표면(즉, P-SiC층(120)의 상면)과 N-GaN층(210) 사이에는 버퍼층(300)이 형성된다. 즉, N-GaN층(210)이 P-SiC층(120)의 상면에 직접 성장될 수 있으나, 계면에서의 격자결함을 최소화하기 위해 P-SiC층(120)과 N-GaN층(210) 사이에 버퍼층(300)이 개재된다. 여기서, 버퍼층(300)은 P-SiC층(120)의 상면에 성장된 AlN층인 것을 일례로 한다.
이처럼, 미세한 크기의 픽셀에 다른 재질의 포토다이오드를 형성하는 것은 매우 어렵지만, 본 발명의 실시 예는 SiC의 표면에서 GaN의 성장이 가능한 점을 이용하여 서로 다른 재질의 포토다이오드를 좁은 공간에 함께 형성한다.
한편, 도 4를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 듀얼 포토다이오드는 제1 전극(130)이 배치되는 위치가 변경될 수 있다. 즉, P-SiC층(120)의 일부가 식각됨에 따라, N+-SiC층(110)의 일부가 노출된다. 제1 전극(130)은 노출된 N+-SiC층(110)의 상면에 형성된다. 여기서, 도 4에 도시된 듀얼 포토다이오드는 N+-SiC층(110)의 하면에 전극을 형성할 수 없는 경우에 적용될 수 있으며, 특히 SiC 웨이퍼가 아닌 별도의 기판에 성장된 SiC 성장층을 적용하는 경우에 적용될 수 있다.
이하, 본 발명의 실시 예에 따른 듀얼 포토다이오드 제조 방법을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 아래와 같다. 도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 듀얼 포토다이오드 제조 방법을 설명하기 위한 흐름도이다. 도 6은 도 5의 적층 단계를 설명하기 위한 도면이고, 도 7은 도 5의 트랜치 형성 단계를 설명하기 위한 도면이고, 도 8은 도 5의 식각 단계를 설명하기 위한 도면이고, 도 9는 도 5의 전극 형성 단계를 설명하기 위한 도면이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 듀얼 포토다이오드 제조 방법은 적층 단계(S100), 영역 분리 단계(S200), 식각 단계(S300) 및 전극 형성 단계(S400)를 포함한다.
도 6을 참조하면, 적층 단계(S100)에서는 SiC 웨이퍼를 구성한다. 즉, 적층 단계(S100)에서는 N+-SiC층(1100)의 상면에 P-SiC층(1200)을 적층하여 SiC 웨이퍼를 구성한다.
적층 단계(S100)에서는 격자결함을 줄이기 위한 SiC 웨이퍼의 상부에 AlN층(1300)을 적층한다. 즉, 적층 단계(S100)에서는 SiC 웨이퍼의 P-SiC층(1200) 상면에 AlN층(1300)을 형성한다.
적층 단계(S100)에서는 AlN층(1300)의 상면에 GaN을 성장한다. 즉, 적층 단계(S100)에서는 AlN층(1300)의 상면에 N-GaN층(1400)을 적층한다. 적층 단계(S100)에서는 N-GaN층(1400)의 상면에 P-GaN층(1500)을 적층한다.
이를 통해, 적층 단계(S100)에서는 N+-SiC층(1100), P-SiC층(1200), AlN층(1300), N-GaN층(1400) 및 P-GaN층(1500)이 순차적으로 적층된 이종 재질의 적층체를 형성한다.
도 7을 참조하면, 영역 분리 단계(S200)에서는 GaN에 트렌치(1600)를 형성하여 적층체를 두 영역으로 분리한다.
영역 분리 단계(S200)에서는 트렌치(1600)를 통해서 적어도 P-SiC층(1200)을 완전히 분리하여 적층체를 두 영역으로 분리한다. 이때, 트렌치(1600)에 의해 분리된 두 영역 중 좌측은 SiC 재질의 제1 포토다이오드(100)를 구성하는 영역이며, 우측은 GaN 재질의 제2 포토다이오드(200)를 구성하는 영역이다. 이때, 트렌치(1600)를 통해서 분리된 좌측 영역 및 우측 영역은 제1 포토다이오드(100) 및 제2 포토다이오드(200)로 개별적인 동작을 수행한다.
식각 단계(S300)에서는 영역 분리 단계(S200)에서 분리된 두 영역 중 하나의 영역의 AlN층(1300)과 N-GaN층(1400) 및 P-GaN층(1500)을 식각하여 제1 포토다이오드(100) 및 제2 포토다이오드(200)를 형성한다.
도 8을 참조하면, 식각 단계(S300)에서는 좌측 영역의 AlN층(1300)과 N-GaN층(1400) 및 P-GaN층(1500)을 식각한다. 그에 따라, 적층체의 좌측 영역에는 제1 포토다이오드(100)가 형성되고, 적층체의 우측 영역에는 SiC 웨이퍼 상에 형성된 제2 포토다이오드(200)가 형성된다.
식각 단계(S300)를 통해 N+-SiC층(110)과 P-SiC층(120)이 적층된 제1 포토다이오드(100)와 버퍼층(300), N-GaN층(210) 및 P-GaN층(220)이 적층된 제2 포토다이오드(200)가 형성된다. 이때, 제1 포토다이오드(100)의 상면은 AlN층(1300)과 N-GaN층(1400) 및 P-GaN층(1500)이 식각됨에 노출된다. 식각 단계(S300)에서는 전극 형성 단계(S300)를 용이하게 수행하기 위해서 제2 포토다이오드(200)의 P-GaN층(220)의 일부를 식각하여 N-GaN층(210)의 일부를 노출시킨다.
여기서, 도 8에서는 우측 영역의 AlN층(1300)과 N-GaN층(1400) 및 P-GaN층(1500)을 식각하는 것으로 도시하였으나, 좌측 영역의 AlN층(1300)과 N-GaN층(1400) 및 P-GaN층(1500)을 식각할 수도 있다. 이 경우 적층체의 좌측 영역이 제2 포토다이오드로 구성되고, 우측 영역이 제1 포토다이오드로 구성될 수 있다.
도 9를 참조하면, 전극 형성 단계(S400)에서는 영역 분리 단계(S200)에서 분리된 적층체의 좌측 영역의 N+-SiC층(110) 하면에 제1 전극(130)을 형성한다. 전극 형성 단계(S400)에서는 영역 분리 단계(S200)에서 분리된 적층체의 좌측 영역의 P-SiC층(120) 상면에 제2 전극(140)을 형성한다.
또한, 전극 형성 단계(S400)에서는 영역 분리 단계(S200)에서 분리된 적층체의 우측 영역의 상면에 제3 전극(230) 및 제4 전극(240)을 형성한다. 즉, 전극 형성 단계(S400)에서는 우측 영역 중에서 N-GaN층(210)의 노출된 상면에 제3 전극(230)을 형성한다. 전극 형성 단계(S400)에서는 우측 영역 중에서 P-GaN층(220)의 상면에 제4 전극(240)을 형성한다.
한편, 도 10을 참조하면, 식각 단계(S300)에서는 트렌치(1600)를 통해서 분리된 좌측 영역 중에서 P-SiC층(120)의 일부를 식각하여 N+-SiC층(110)의 상면 일부를 노출시킬 수도 있다. 전극 형성 단계(S400)에서는 N+-SiC층(110)의 노출된 상면에 제3 전극(130)을 형성하고, P-SiC층(120)의 상면에 제4 전극(140)을 형성한다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 듀얼 포토다이오드 제조 방법은 메사 분리와 부분적인 에칭 공정을 통해서 서로 다른 재질의 포토다이오드를 좁은 공간에 형성할 수 있으며, 최종적으로 각층에 전극을 형성하고 연결함으로써 듀얼 포토다이오드를 형성한다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 듀얼 포토다이오드 제조 방법에서는 PN 접합을 구성함에 있어서 N형층이 아래에 배치된 경우를 설명하였으나, 이에 한정되는 것은 아니며 P형층이 아래에 배치될 수도 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 듀얼 포토다이오드 제조 방법에서는 SiC의 표면에 성장이 가능한 GaN를 사용하는 경우에 대하여 설명하였으나 이에 한정되지 않고, AlGaN계나 InGaN계 등의 다양한 재질로 형성될 수 있다. 이때, AlGaN와 InGaN는 다양한 조성으로 구성될 수 있기 때문에 AlGaN계와 InGaN계로 기재하였으며, 다양한 AlGaN와 InGaN의 조성이 모두 적용될 수 있다.
또한, 제2 포토다이오드를 구성하는 재질을 변경하면 검출되는 파장 범위를 변경할 수 있기 때문에, 본 발명의 실시 예에 따른 듀얼 포토다이오드 제조 방법에서는 필요한 파장 범위에 따라서 제2 포토다이오드를 구성하는 재질을 선택할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 듀얼 포토다이오드 제조 방법에서는 듀얼 포토다이오드의 하부가 SiC 재질로 한정되는 것은 아니며, 포토다이오드의 성능이 발휘될 수 있을 정도의 품질로 성장이 가능한 경우라면, 다른 재질을 적용할 수도 있다
이하, 본 발명의 실시 예에 따른 듀얼 포토다이오드의 광 반응도 성능을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 아래와 같다. 도 11은 입사광의 파장에 따른 SiC 포토다이오드(즉, 제1 포토다이오드(100))와 GaN 포토다이오드(즉, 제2 포토다이오드(200))의 광 반응도를 표시한 그래프이다.
도 11을 참조하면, SiC 포토다이오드의 광 반응도(A)와 GaN 포토다이오드의 광 반응도(B)는 파장에 따라서 차이가 있다. 240nm 이하의 범위에서는 GaN 포토다이오드만 광 반응을 하고 SiC 포토다이오드는 광 반응을 하지 않는다. 240~320nm의 범위에서는 SiC 포토다이오드의 광 반응이 상대적으로 높고, 320~380nm의 범위에서는 GaN 포토다이오드의 광 반응이 상대적으로 높은 것을 확인할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 듀얼 포토다이오드는 제2 포토다이오드(200)에서만 광 전류가 측정되면 입사된 빛의 파장이 240nm 이하의 범위임을 알 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시 예에 따른 듀얼 포토다이오드는 제1 포토다이오드(100)와 제2 포토다이오드(200)에서 모두 광 전류가 측정되고, 제1 포토다이오드(100)의 광 전류가 상대적으로 더 크면 240~320nm의 범위의 파장이 입사된 것으로 감지할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 듀얼 포토다이오드는 제1 포토다이오드(100)와 제2 포토다이오드(200)에서 모두 광 전류가 측정되고, 제2 포토다이오드(200)의 광 전류가 상대적으로 더 크면 320~380nm의 범위의 파장이 입사된 것으로 감지할 수 있다.
이처럼, 본 발명의 실시 예에 따른 듀얼 포토다이오드는 하나의 픽셀에 재질이 서로 다른 2종류의 포토다이오드를 함께 형성함으로써, 단일 재질의 포토다이오드에 비하여 더 넓은 파장범위에 대하여 측정이 가능하다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 듀얼 포토다이오드는 2종류의 포토다이오드에서 모두 광 반응이 일어나면 각 포토다이오드의 광 반응 특성의 차이를 통해서 파장과 세기를 분석할 수도 있다.
이하, 본 발명의 실시 예에 따른 듀얼 포토다이오드의 광 전류의 비율을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 아래와 같다. 도 12는 파장에 따른 SiC 포토다이오드(제1 포토다이오드(100))와 GaN 포토다이오드(제2 포토다이오드(200))의 광 전류의 비율을 표시한 그래프이다.
도 11에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 듀얼 포토다이오드는 240~380nm의 파장 범위에서 제1 포토다이오드(100)인 SiC 포토다이오드와 제2 포토다이오드(200)인 GaN 포토다이오드 모두에서 광 반응을 통한 광 전류를 발생한다.
이때, 동일한 파장의 빛에 대해서 SiC 포토다이오드와 GaN 포토다이오드의 광 반응 차이에 의한 광전류 차이가 발생하며, 이를 비율로서 나타내면 도 12와 같다.
도 12를 참조하며, 본 발명의 실시 예에 따른 듀얼 포토다이오드는 270~360nm의 파장 범위에서 제1 포토다이오드(100)의 광 전류와 제2 포토다이오드(200)의 광 전류 사이 비율을 통해서 입사광의 파장을 도출할 수 있다.
일반적인 포토다이오드는 레이저와 같이 파장이 정해진 단파장의 빛에 대한 측정을 수행하거나, 광학필터를 통해서 특정 파장의 빛만 입사되도록 처리된 이후에 생성되는 광전류와 광반응도 특성으로부터 입사광의 세기를 측정할 수 있지만, 포토다이오드만으로 파장을 측정할 수는 없으며, 광학 필터를 포토다이오드의 표면에 추가하거나 패키지 레벨에서 광학필터를 적용해야만 한다.
이에 반해, 본 발명의 실시 예에 따른 듀얼 포토다이오드는 하나의 픽셀에 2종류의 포토다이오드를 형성함으로써, 별도의 필터 등을 사용하지 않고도 특정 파장 범위에서 입사광의 파장과 세기를 함께 측정할 수 있다. 또한, 본 발명의 실시 예에 따른 듀얼 포토다이오드는 재질과 조성을 조절하면, 입사광의 파장과 세기를 함께 측정할 수 있다.
이상에서 본 발명에 따른 바람직한 실시예에 대해 설명하였으나, 다양한 형태로 변형이 가능하며, 본 기술분야에서 통상의 지식을 가진자라면 본 발명의 특허청구범위를 벗어남이 없이 다양한 변형예 및 수정예를 실시할 수 있을 것으로 이해된다.
100: 제1 포토다이오드 110: N+-SiC층
120: P-SiC층 130: 제1 전극
140: 제2 전극 200: 제2포토다이오드
210: N-GaN층 220: P-GaN층
230: 제3 전극 240: 제4 전극
300: 버퍼층 1100: N+-SiC층
1200: P-SiC층 1300: AlN층
1400: N-GaN층 1500: P-GaN층
1600: 트렌치

Claims (20)

  1. 제1 반도체층의 상부에 제2 반도체층이 적층되고, 상기 제1 반도체층 및 상기 제2 반도체층이 PN 접합된 제1 포토다이오드; 및
    제3 반도체층의 상부에 제4 반도체층이 적층되고, 상기 제3 반도체층 및 상기 제2 반도체층이 PN 접합된 제2 포토다이오드를 포함하고,
    상기 제2 반도체층은 적어도 두 개의 영역으로 분리되고, 상기 제2 포토다이오드는 상기 두 개의 영역 중 하나의 영역에 적층된 듀얼 포토다이오드.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제2 반도체층은 트렌치에 의해 제1 영역 및 제2 영역으로 분리되고,
    상기 제3 반도체층은 상기 제1 영역 및 상기 제2 영역 중 하나의 상부에 적층된 듀얼 포토다이오드.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제2 반도체층과 상기 제2 포토다이오드 사이에 개재된 버퍼층을 더 포함하는 듀얼 포토다이오드.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 버퍼층은 상기 제2 반도체층 및 상기 제3 반도체층 사이에 개재된 듀얼 포토다이오드.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 버퍼층은 AlN 재질인 듀얼 포토다이오드.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 반도체층 및 상기 제2 반도체층의 재질은 상기 제3 반도체층 및 상기 제4 반도체층의 재질과 다른 재질인 듀얼 포토다이오드.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1 반도체층 및 상기 제2 반도체층은 SiC 재질인 듀얼 포토다이오드.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제3 반도체층 및 상기 제4 반도체층은 GaN계 반도체 재질, AlGaN계 반도체 재질 및 InGaN계 반도체 재질 중 하나의 재질인 듀얼 포토다이오드.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제1 포토다이오드는,
    상기 제1 반도체층의 하면 및 상기 제1 반도체층의 상면 중 한 면에 형성된 제1 전극; 및
    상기 제2 반도체층의 상면에 형성된 제2 전극을 포함하는 듀얼 포토다이오드.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제2 포토다이오드는,
    상기 제3 반도체층의 상면에 형성된 제3 전극; 및
    상기 제4 반도체층의 상면에 형성된 제4 전극을 포함하는 듀얼 포토다이오드.
  11. 제1 반도체층, 제2 반도체층, 제3 반도체층 및 제4 반도체층을 순차적으로 적층하는 적층 단계;
    상기 제2 반도체층을 적어도 제1 포토다이오드 영역 및 제2 포토다이오드 영역으로 분리하는 영역 분리 단계; 및
    상기 제1 포토다이오드 영역에 적층된 제3 반도체층 및 제4 반도체층을 제거하는 식각 단계를 포함하는 듀얼 포토다이오드 제조 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제1 반도체층 및 상기 제2 반도체층의 재질은 상기 제3 반도체층 및 상기 제4 반도체층의 재질과 다른 재질인 듀얼 포토다이오드 제조방법.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 제1 반도체층 및 상기 제2 반도체층은 SiC 재질인 듀얼 포토다이오드 제조 방법
  14. 제11항에 있어서,
    상기 제3 반도체층 및 상기 제4 반도체층은 GaN계 반도체 재질, AlGaN계 반도체 재질 및 InGaN계 반도체 재질 중 하나의 재질인 듀얼 포토다이오드 제조 방법
  15. 제11항에 있어서,
    상기 적층 단계에서는 상기 제1 반도체층의 상부에 상기 제2 반도체층을 적층하고, 상기 제2 반도체층의 상부에 상기 제3 반도체층을 적층하고, 상기 제3 반도체층의 상부에 상기 제4 반도체층을 적층하는 듀얼 포토다이오드 제조 방법.
  16. 제11항에 있어서,
    상기 적층 단계에서는 상기 제3 반도체층을 적층하기 전에 상기 제2 반도체층의 상부에 버퍼층을 형성하는 듀얼 포토다이오드 제조 방법.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 적층 단계에서는 상기 제2 반도체층의 상부에 AlN 재질인 버퍼층을 형성하는 듀얼 포토다이오드 제조 방법.
  18. 제11항에 있어서,
    상기 영역 분리 단계에서는 상기 제2 반도체층, 상기 제3 반도체층 및 상기 제4 반도체층을 관통하는 트렌치를 형성하여 상기 제2 반도체층을 상기 제1 포토다이오드 영역 및 상기 제2 포토다이오드 영역으로 분리하는 듀얼 포토다이오드 제조 방법.
  19. 제11항에 있어서,
    상기 제1 반도체층의 상면 및 하면 중 한 면에 제1 전극을 형성하는 단계; 및
    상기 제2 반도체층의 상면에 제2 전극을 형성하는 단계를 더 포함하는 듀얼 포토다이오드 제조 방법.
  20. 제11항에 있어서,
    상기 제3 반도체층의 상면에 제3 전극을 형성하는 단계; 및
    상기 제4 반도체층의 상면에 제4 전극을 형성하는 단계를 더 포함하는 듀얼 포토다이오드 제조 방법.
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