KR20220100749A - 고효율 질화물계 광 검출기 - Google Patents
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Abstract
본 발명은, AlGaN/GaN 이종 접합 박막 구조를 갖는 반도체 소자에 있어서, 게이트 전극에 인가되는 게이트 전압에 따라 광 여기 전류가 증가 또는 감소하는 광 검출기를 제공하는 것을 목적으로 한다. 본 발명은 기판; 상기 기판의 상부에 존재하는 AlyGa1-yN 채널층; 및 상기 채널층의 상부에 존재하는 n형 AlxGa1-xN 배리어층을 포함하며, 상기 n형 AlxGa1-xN 배리어층의 상부에는 게이트 전극, 소스 전극 및 드레인 전극이 형성되어 있으며, 상기 게이트 전극은 상기 소스 전극 및 상기 드레인 전극 사이에 배치되어 있고, 상기 x 및 y는 0≤y<x, 0<x<1 및 0≤y<1을 만족하며, 상기 게이트 전극에 인가되는 게이트 전압에 따라 광 여기 전류가 증가 또는 감소하는 것을 특징으로 하는 광 검출기를 제공한다.
Description
본 발명은 고효율 질화물계 광 검출기에 관한 것이다.
최근, 질화물 반도체는 우수한 물리적, 화학적 특성으로 인해 반도체 광소자 뿐만 아니라, 고 이동도 트랜지스터, 전력 반도체 및 센서 등의 반도체 전자소자로서도 각광받고 있다. 그 중에서도 GaN 물질은 3.4eV의 밴드갭 에너지를 가지고 있어, 광 센서로 사용 시 약 365nm의 자외선 영역에서의 검출이 가능하다. 이러한 GaN 기반의 광 센서는 금속-질화물 반도체-금속 구조, 쇼트키 다이오드 구조, PN 접합 구조 등 다양한 구조로 제작되고 있다. 최근 4차 산업혁명이 도래함에 따라서 센서 산업이 확대되고 있으며, 여러 개의 소자를 조립한 one-chip 복합 센서가 제조되고 있다. 이에 하나의 Chip에 대한 빠른 반응 속도, 높은 민감도 특성이 요구되고 있으며, 도 1에 나타낸 바와 같은 AlGaN/GaN 이종 접합 구조의 광 센서에 대한 연구가 진행되고 있다.
일반적인 질화물 반도체 광 센서는 사파이어 기판 위에 고품질의 GaN 박막을 형성한 후, Ohmic contact을 만족하는 전극과 반도체 표면으로 구성된 M-S-M(금속-질화물-금속) 구조로 이루어진다. 따라서, 외부로부터 빛이 GaN 박막 부분에 주입될 때, 광전 효과에 의해 금속 표면에서 전자와 정공이 형성되며, 외부 광에 의해 생성된 전자에 의해 GaN 박막의 저항이 변화되어 작동된다. 주입되는 광에 의해 형성되는 전류를 향상시키기 위해, 전극의 구조를 변경시켜서 빛이 주입되는 면적을 확대시키거나, 광전 효과가 발생하는 GaN 박막의 구조를 변경시켜 빛이 주입되는 부분의 면적을 확대시킴으로써, 광 주입에 따라 형성되는 광 전류의 값, 광 민감도를 향상시킨다.
예를 들면, 도 2의 (a)에 나타낸 바와 같이, 먼저 전극의 구조를 깍지 낀 형태(Interdigitated structure)로 제작하면, 반응이 일어나는 GaN 박막 영역의 빛이 주입되는 면적을 확대됨으로써 광 반응도가 향상된다. 또한, 도 2의 (b)에 나타낸 바와 같이, 전극 사이에 1차원 박막 구조가 아닌 2차원 나노 구조체를 성장시켜, 반응이 일어나는 부분의 표면적을 넓게 제작하면 광 반응도가 향상된다. 하지만 이와 같은 구조 모두 단순한 박막 구조의 센서에 비해서는 높은 광 반응을 가지지만, 반응 시간에는 한계가 있다. 이에 최근 연구 그룹들은 GaN 박막과 AlGaN 박막의 이종 접합 구조를 이용하여 높은 전자 이동도 특성을 가지는 구조를 활용하는 광 센서 연구를 진행하고 있다. 이러한 GaN/AlGaN 이종 접합구조는 도 3의 (a)에 나타내었다.
도 3의 (b)에 나타낸 바와 같이, AlGaN와 GaN 박막은 접합 시에 두 물질의 압전 분극 및 격자 상수 차이에 의해서 페르미 에너지가 일치되면서, 접합부에서 강한 밴드의 휘어짐이 발생하게 되고, 이 영역에서 매우 높은 농도의 전자밀도를 가지게 된다. 이를 이차원 전자가스 채널 (two-dimensional electron gas, 2DEG) 라고 부른다. 이와 같이 AlGaN와 GaN 물질을 접합시킬 경우, 그 경계면에서 이차원 전자가스 채널이 발생하여, 일반적인 단일 GaN 박막에 비해서 매우 높은 전자 이동도 특성을 가지는 바, 이를 이용한 광 센서 구현 시 빠른 반응 시간을 가질 수 있다. 추가적으로 이러한 이종 접합의 경우, 외부에서 광 주입 시, GaN 박막에서 광 흡수가 일어나는 에너지 영역과 AlGaN 박막에서 광 흡수가 일어나는 에너지 영역이 상이하여 두 개의 에너지 영역에서의 광 흡수가 일어나므로, 듀얼 파장 광 센서로도 활용할 수 있다.
기존의 AlGaN/GaN 이종 접합 구조는 높은 전자 이동도 특성을 가지고 있어, 전력반도체, RF 소자 등에 널리 사용된다. 이 때 AlGaN 박막의 두께가 두꺼울수록 이차원 전자가스층이 강하게 형성되기 때문에, 두께 20nm 이상의 AlGaN 박막을 사용하면서 GaN 박막과의 격자상수 차이에 의한 효율 저하 특성에 초점이 맞추어진 고전자이동도 트랜지스터 연구가 진행되어 왔다.
본 발명은, AlGaN/GaN 이종 접합 박막 구조를 갖는 반도체 소자에 있어서, 게이트 전극에 인가되는 게이트 전압에 따라 광 여기 전류가 증가 또는 감소하는 광 검출기를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은, 기판; 상기 기판의 상부에 존재하는 AlyGa1-yN 채널층; 및 상기 채널층의 상부에 존재하는 n형 AlxGa1-xN 배리어층을 포함하며, 상기 n형 AlxGa1-xN 배리어층의 상부에는 게이트 전극, 소스 전극 및 드레인 전극이 형성되어 있으며, 상기 게이트 전극은 상기 소스 전극 및 상기 드레인 전극 사이에 배치되어 있고, 상기 x 및 y는 0≤y<x, 0<x<1 및 0≤y<1을 만족하며, 상기 게이트 전극에 인가되는 게이트 전압에 따라 광 여기 전류가 증가 또는 감소하는 것을 특징으로 하는 광 검출기를 제공한다.
상기 n형 AlxGa1-xN 배리어층의 두께는 15nm 이하일 수 있다.
상기 인가되는 게이트 전압이 음의 전압인 경우, 광 여기 전류가 증가할 수 있다.
상기 광 검출기는 파장 280nm 이상 400nm 이하의 빛을 검출할 수 있다.
본 발명은, 기판; 상기 기판의 상부에 존재하는 AlyGa1-yN 채널층; 및 상기 채널층의 상부에 존재하는 p형 AlxGa1-xN 배리어층을 포함하며, AlxGa1-xN 배리어층의 상부에는 게이트 전극, 소스 전극 및 드레인 전극이 형성되어 있으며, 상기 게이트 전극은 상기 소스 전극 및 상기 드레인 전극 사이에 배치되어 있고, 상기 x 및 y는 0≤y<x, 0<x<1 및 0≤y<1을 만족하며, 상기 게이트 전극에 인가되는 게이트 전압에 따라 광 여기 전류가 증가 또는 감소하는 것을 특징으로 하는 광 검출기를 제공할 수 있다.
상기 p형 AlxGa1-xN 배리어층의 두께는 15nm 이하일 수 있다.
상기 인가되는 게이트 전압이 양의 전압인 경우, 광 여기 전류가 증가할 수 있다.
상기 광 검출기는 파장 280nm 이상 400nm 이하의 빛을 검출할 수 있다.
본 발명은, AlGaN/GaN 이종접합 박막 구조를 갖는 반도체 소자에 있어서, 게이트 전극에 인가되는 게이트 전압에 따라 광 여기 전류가 증가 또는 감소하는 광 검출기를 제공할 수 있다.
도 1은 AlGaN/GaN 이종 접합 구조의 광 센서를 나타낸다.
도 2의 (a)는 전극의 구조를 깍지 낀 형태(Interdigitated structure)로 제작한 GaN 기반의 광 센서를 나타내며, 도 2의 (b)는 전극 사이에 2차원 나노 구조체를 성장시킨 광 센서를 나타낸다.
도 3의 (a)는 GaN/AlGaN 이종 접합 구조를 갖는 광 센서를 나타내며, 도 3의 (b)는 GaN과 AlGaN 이종 접합 시 접합부에서 형성되는 이차원 전자가스 채널을 나타낸다.
도 4의 (a) 내지 (c)는 각각 AlxGa1-xN 배리어층의 두께가 10, 20, 30nm인 AlGaN/GaN 이종 접합 구조의 광 검출기를 나타낸다.
도 5의 (a)는 AlxGa1-xN 배리어층의 두께에 따른 2DEG 밀도를 나타내고, 도 5의 (b)는 AlxGa1-xN 배리어층의 두께에 따른 전자 이동도를 나타낸다.
도 6의 (a)는 외부에서 자외선을 주입하기 전의 전압-전류 곡선을 나타내며, 도 6의 (b)는 외부에서 자외선을 주입한 후의 전압-전류 곡선을 나타낸다.
도 7은 인가 전압 3V일 때 AlxGa1-xN 배리어층의 두께가 10, 20, 30nm로 변화함에 따른 광 여기 전류값을 나타낸다.
도 8은 AlxGa1-xN 배리어층의 두께에 따라 이차원 전자가스 채널에 의해 형성되는 전자의 수를 나타낸다.
도 9는 10, 20, 30nm AlxGa1-xN 배리어층을 갖는 AlGaN/GaN 고 전자 이동도 트랜지스터 소자에 있어서, 파장에 따른 광 반응도 곡선을 나타낸다.
도 10의 (a) 내지 (c)는 각각, 10, 20, 30nm AlxGa1-xN 배리어층을 갖는 고전자 이동도 트랜지스터 소자에 있어서, 외부에서 빛이 주입되기 전 후의 게이트 전압에 따른 전압-전류 곡선을 나타낸다.
도 11의 (a)는 365nm의 자외선을 조사할 때 AlGaN 배리어층의 두께에 따른 광 전류를 나타내고, 도 11의 (b)는 365nm의 자외선을 조사할 때 게이트 인가 전압에 따른 광 전류를 나타낸다.
도 12는 365nm의 광을 주입했을 때, 10, 20, 30nm 두께의 AlGaN 배리어층을 갖는 AlGaN/GaN 포토 트랜지스터의 게이트 전압 및 시간에 따른 광 여기 전류 곡선을 나타냈다.
도 13은 280nm의 광을 주입했을 때, 10, 20, 30nm 두께의 AlGaN 배리어층을 갖는 AlGaN/GaN 포토 트랜지스터의 게이트 전압 및 시간에 따른 광 여기 전류 곡선을 나타냈다.
도 2의 (a)는 전극의 구조를 깍지 낀 형태(Interdigitated structure)로 제작한 GaN 기반의 광 센서를 나타내며, 도 2의 (b)는 전극 사이에 2차원 나노 구조체를 성장시킨 광 센서를 나타낸다.
도 3의 (a)는 GaN/AlGaN 이종 접합 구조를 갖는 광 센서를 나타내며, 도 3의 (b)는 GaN과 AlGaN 이종 접합 시 접합부에서 형성되는 이차원 전자가스 채널을 나타낸다.
도 4의 (a) 내지 (c)는 각각 AlxGa1-xN 배리어층의 두께가 10, 20, 30nm인 AlGaN/GaN 이종 접합 구조의 광 검출기를 나타낸다.
도 5의 (a)는 AlxGa1-xN 배리어층의 두께에 따른 2DEG 밀도를 나타내고, 도 5의 (b)는 AlxGa1-xN 배리어층의 두께에 따른 전자 이동도를 나타낸다.
도 6의 (a)는 외부에서 자외선을 주입하기 전의 전압-전류 곡선을 나타내며, 도 6의 (b)는 외부에서 자외선을 주입한 후의 전압-전류 곡선을 나타낸다.
도 7은 인가 전압 3V일 때 AlxGa1-xN 배리어층의 두께가 10, 20, 30nm로 변화함에 따른 광 여기 전류값을 나타낸다.
도 8은 AlxGa1-xN 배리어층의 두께에 따라 이차원 전자가스 채널에 의해 형성되는 전자의 수를 나타낸다.
도 9는 10, 20, 30nm AlxGa1-xN 배리어층을 갖는 AlGaN/GaN 고 전자 이동도 트랜지스터 소자에 있어서, 파장에 따른 광 반응도 곡선을 나타낸다.
도 10의 (a) 내지 (c)는 각각, 10, 20, 30nm AlxGa1-xN 배리어층을 갖는 고전자 이동도 트랜지스터 소자에 있어서, 외부에서 빛이 주입되기 전 후의 게이트 전압에 따른 전압-전류 곡선을 나타낸다.
도 11의 (a)는 365nm의 자외선을 조사할 때 AlGaN 배리어층의 두께에 따른 광 전류를 나타내고, 도 11의 (b)는 365nm의 자외선을 조사할 때 게이트 인가 전압에 따른 광 전류를 나타낸다.
도 12는 365nm의 광을 주입했을 때, 10, 20, 30nm 두께의 AlGaN 배리어층을 갖는 AlGaN/GaN 포토 트랜지스터의 게이트 전압 및 시간에 따른 광 여기 전류 곡선을 나타냈다.
도 13은 280nm의 광을 주입했을 때, 10, 20, 30nm 두께의 AlGaN 배리어층을 갖는 AlGaN/GaN 포토 트랜지스터의 게이트 전압 및 시간에 따른 광 여기 전류 곡선을 나타냈다.
본 발명의 광 검출기는 기판, 핵생성층(nucleation layer), 고 저항 GaN 층, AlyGa1-yN 채널층 및 AlxGa1-xN 배리어층을 포함하며, 상기 AlxGa1-xN 배리어층 상에는 소스 전극, 게이트 전극, 드레인 전극이 형성되어 있고, 상기 x 및 y는 0≤y<x, 0<x<1 및 0≤y<1을 만족한다.
상기 기판은 사파이어, 다이아몬드, InP, AlGaN, LiAlO2, InN, GaP, Ge, InAs, AlAs, SiO2, Si, SiC, GaN 및 GaAs 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 핵생성층은 기판과 그 위에 성장되는 GaN 층 사이의 결정 격자의 부정합으로 인한 결함을 최소화하기 위한 층으로서, 갈륨(Ga) 또는 알루미늄(Al)을 포함할 수 있으며, 바람직하게는 GaN 또는 AlN을 포함할 수 있다.
상기 고 저항 GaN 층은 고농도로 도핑된 GaN 층이다. 고 저항 GaN 층은 탄소(C), 철(Fe) 또는 마그네슘(Mg)에 의해 도핑된 층이다. 금속-유기 화학적 기상 증착(Metal Organic Chemical Vapor Deposition; MOCVD), 분자 선 에피택시(Molecular Beam Epitaxy; MBE), 수소화물 기상 에피택시(Hydride Vapor Phase Epitaxy; HVPE), 플라즈마 화학 기상 증착(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition; PECVD), 스퍼터링(Sputtering) 및 원자층 증착(Atomic Layer Deposition; ALD) 중 어느 하나에 의해 형성될수 있다.
상기 AlyGa1-yN 채널층(0≤y<1)은 2DEG(2-dimension electron gas) 채널 또는 2DHG(2-dimensional hole gas) 채널을 포함할 수 있다. AlyGa1-yN 채널층은 금속-유기 화학적 기상 증착, 분자 선 에피택시, 수소화물 기상 에피택시, 플라즈마 화학 기상 증착, 스퍼터링 및 원자층 증착 중 어느 하나에 의해 형성될 수 있다. 본 명세서에서는, AlyGa1-yN 채널층을 단순히 GaN 채널층이라 명칭할 수 있다.
상기 AlxGa1-xN 배리어층(0<x<1)은 AlyGa1-yN 채널층에 2DEG 채널 또는 2DHG 채널이 형성되도록 하며, n 도핑된 n형 또는 p 도핑된 p형일 수 있다. AlxGa1-xN 배리어층은 금속-유기 화학적 기상 증착, 분자 선 에피택시, 수소화물 기상 에피택시, 플라즈마 화학 기상 증착, 스퍼터링 및 원자층 증착 중 어느 하나에 의해 형성될 수 있다. AlxGa1-xN 배리어층은 15nm 이하, 바람직하게는 10nm 이하, 보다 바람직하게는 5nm 이하일 수 있다. 본 명세서에서는, AlxGa1-xN 배리어층을 단순히 AlGaN 배리어층이라 명칭할 수 있다.
상기 소스 전극, 게이트 전극 및 드레인 전극은 Co, Ir, Ta, Cr, Mn, Mo, Tc, W, Re, Fe, Sc, Ti, Sn, Ge, Sb, Al, Pt, Ni 및 Au 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 소스 전극, 게이트 전극 및 드레인 전극은 전자 빔 증착기에 의해 형성될 수 있다.
본 명세서에서 광 여기 전류란, 광전 효과에 의해 발생되는 전류를 의미하며, 빛을 인가한 후에 나타나는 소스 전극 및 드레인 전극 사이의 전류 값에서 빛을 인가하기 전에 나타나는 소스 전극 및 드레인 전극 사이의 전류 값의 차이로 나타낼 수 있다. 본 명세서에서는 광 여기 전류(photo excitation current)를 광전류(photo-current)로 나타내는 경우도 있다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
제조예 1
4인치 c-평면(0001) 사파이어 기판 상에 금속-유기 화학적 기상 증착에 의해 AlGaN/GaN 이종접합 구조를 형성하였다. 트리메틸갈륨, 트리메틸알루미늄이 3족 전구체로서 사용되고, 암모니아(NH3)가 질소의 공급원으로 사용되었다. 에피택셜 구조가 고저항 GaN 층, GaN 채널층, n형 AlGaN 배리어층을 이루고 있다. 기판 위에 480℃에서 30nm 두께의 GaN 핵생성층을 성장시킨 후, 1000℃에서 2.0㎛ 두께의 고저항 GaN 층을 성장시킨다. 탄소가 자유 캐리어의 보상에 기여하기 때문에, 고저항 GaN 층은 탄소 혼입에 의해 달성될 수 있다. 이어서, 2DEG 특성과 웨이퍼 균일성을 고려하여, 150nm 두께의 GaN 채널층을 높은 결정 수준으로 성장시켰다. 마지막으로, Al 조성비가 30몰％인 n형 AlGaN 배리어층을 GaN 채널층 상에 성장시켰다. AlGaN 배리어층의 두께에 따른 특성을 조사하기 위해, 10, 20 및 30nm 두께로 성장시켰다. 성장된 에피택셜 웨이퍼는 전기적 평가를 위해 홀 바(Hall bar) 구조 및 HEMT로 제작되었다. 모든 패턴은 광학 리소그래피로 형성하였고, 메사 분리(mesa isolation)는 BCl3/Cl2 기체 혼합물의 유도 결합 플라즈마에 의해 수행되었다. 소스 전극 및 드레인 전극은 전자 빔 증착에 의해 Ti/Al/Ni/Au(20/100/25/50nm)의 금속 스택으로 형성되고, 850℃의 N2 환경에서 열처리되었다. 소스 전극 및 드레인 전극의 간격이 8.0㎛이며, 길이 2.0㎛의 게이트 전극이 Ni/Au(30/270nm)의 금속 스택으로 형성되었다.
실시예 1: AlxGa1-xN 배리어층의 두께에 따른 2DEG 밀도 및 전자 이동도 평가
광 반응성을 향상시키기 위해, 우선 AlxGa1-xN 배리어층의 두께에 따른 2DEG 밀도를 평가하였다. 평가를 위해, 도 4에 나타낸 바와 같이 AlxGa1-xN 배리어층의 두께가 10, 20, 30nm인 AlGaN/GaN 이종 접합 구조의 광 검출기를 제작하였다. 각 광 검출기에 대해, AlxGa1-xN 배리어층의 두께에 따른 2DEG 밀도 및 전자 이동도를 측정하여 도 5에 나타냈다.
도 5에 나타낸 바와 같이, AlxGa1-xN 배리어층의 두께가 증가함에 따라 고밀도의 이차원 전자 가스 채널이 형성되어, 채널 내 더 많은 전자 수를 갖는 것을 확인했다. 특히, 20nm 이상에서 1.3×1013/cm2 이상의 매우 고밀도의 이차원 전자 가스 채널이 형성되는 것 확인하였다. 이는 AlGaN/GaN 계면에서 압전 현상으로 인한 밴드 휨에 의해, AlxGa1-xN 배리어층의 두께가 증가함에 따라 선형적으로 증가하는 것으로 보인다. 하지만, 전자 이동도는 전자 밀도 증가에 따른 전자 산란 현상에 기인하여 AlxGa1-xN 배리어층의 두께 증가에 따라 감소하는 것을 확인하였다. 이는 20nm 이상의 AlxGa1-xN 배리어층을 갖는 AlGaN/GaN 이종 접합 구조가 고 전자 이동도 트랜지스터로 사용 가능함을 나타내고 있다.
실시예 2: AlxGa1-xN 배리어층의 두께에 따른 광 흡수 분석
AlGaN/GaN 이종 접합 구조에서, AlxGa1-xN 배리어층의 두께에 따른 외부에서 빛을 주입하는 경우와 주입하지 않는 경우에 소스 전극과 드레인 전극 내 전압-전류 곡선을 확인하였다. GaN 층의 경우, 약 3.4eV의 밴드갭 에너지를 가지고 있어, 약 365nm에서 광 흡수가 일어나며, AlGaN 박막의 경우, 약 4.42eV의 밴드갭 에너지를 가지고 있어 약 280nm에서 광 흡수가 일어나는 것으로 알려져 있다. 따라서 AlGaN 박막에서 발생되는 광 흡수와 GaN 박막에서 발생되는 광 흡수를 비교, 분석하기 위해서 두께 10, 20, 30nm의 AlxGa1-xN 배리어층에 있어서 280 및 365nm 자외선에 대한 광 전류를 확인하였다. 그 결과를 도 6에 나타낸다.
도 6은 외부에서 자외선을 주입하기 전후의 전압-전류 곡선이다. x축은 게이트 전극 및 소스 전극 사이의 전압(VDrain-Source, VDS)를 나타내며, y축은 게이트 전극 및 소스 전극 사이의 전류(IDrain-Source, IDS)를 나타낸다. GaN 박막과 AlGaN 박막에서 흡수되어 형성되는 광 전류를 비교, 분석하기 위해서 약 280nm 및 365nm의 자외선을 주입하였다. 외부에서 자외선 주입되기 전의 전압-전류 특성은 그래프에서 비어 있는 삼각형, 원 및 사각형으로 나타냈으며, 외부에서 자외선을 주입한 이후는 그래프에서 내부가 채워져 있는 삼각형, 원 및 사각형으로 나타냈다. 먼저 외부에서 자외선을 주입하기 전의 그래프로부터, 10nm 두께의 AlxGa1-xN 배리어층을 갖는 AlGaN/GaN 소자는 매우 낮은 전압-전류 곡선을 나타내고 있으며, AlxGa1-xN 배리어층의 두께가 증가할수록 더 높은 전압-전류 곡선을 나타내고 있음을 확인하였다. 이는 AlxGa1-xN 배리어층의 두께가 증가함에 따라 AlGaN과 GaN의 압전 분극 특성이 더 강하게 나타나 더 높은 밀도의 이차원 전자가스 채널이 형성되어 더 높은 전압-전류 곡선을 나타내고 있는 것으로 보인다. 외부에서 280nm의 자외선을 주입하는 경우, 드레인 전극과 소스 전극 사이에 전류 상태가 포화되는 시점인 Pinch-off 전압 부근에서 전류의 값이 증가하는 것을 확인하였으나, 전압에 따라 증가되는 전류의 값이 거의 차이가 나지 않는 것을 확인하였다. 하지만, 365nm의 자외선을 주입하는 경우에는, 전압과 전류의 차이가 280nm의 자외선을 주입하는 경우보다 커지는 것을 확인할 수 있다. 즉, 280nm의 자외선을 주입하는 경우보다 365nm의 자외선을 주입하는 경우 광 여기 전류가 증가하는 것을 확인하였다. 280nm를 주입하는 경우와 마찬가지로 pinch-off 전압 부근에서 빛을 주입하기 이전에 비해서 더 높은 광 전류 값을 가지는 것을 확인하였으며, 특히 두께 10nm 두께의 AlGaN의 경우, 외부에서 365nm의 자외선을 주입할 때 광 여기 전류가 급격하게 증가하는 것을 확인하였다. 이는 10nm 이하의 얇은 AlxGa1-xN 배리어층을 갖는 AlGaN/GaN 이종구조의 이차원 전자 가스 채널이 GaN 층에서 여기되는 광 여기 캐리어 보다 적기 때문에 광 여기 전류가 크게 증가한 것으로 판단된다.
특히, 소스 및 드레인 사이의 인가 전압 3V일 때 AlxGa1-xN 배리어층의 두께가 10, 20, 30nm로 변화함에 따른 광 전류값을 도 7에 나타냈다. 왼쪽 Y축에는 365nm의 자외선을 인가하는 경우의 생성되는 광 전류 값이며, 오른쪽 Y축에는 280nm의 자외선을 인가하는 경우에 형성되는 광 전류의 값을 나타냈다. 광 여기 전류는 빛을 인가한 후에 나타나는 전류 값에서 빛을 인가하기 전에 나타나는 전류 값의 차 (Iphoto-Idark)의 값으로 나타냈다. 외부에서 280nm의 자외선을 주입하는 경우, AlxGa1-xN 배리어층 두께가 10nm에서 30nm로 증가함에 따라서 0.07A/mm에서 0.14A/mm로 광 여기 전류의 값이 증가하였으나, 365nm의 광을 주입하는 경우, AlxGa1-xN 배리어층의 두께가 10nm에서 30nm로 증가함에 따라서 0.93A/mm에서 0.14A/mm 로 광 여기 전류의 값이 감소하였다. 특히, 365nm의 자외선을 인가하는 경우, AlxGa1-xN 배리어층 두께가 30nm에서 10nm로 감소함에 따라서 광 여기 전류의 값은 약 13.3배 더 높은 것을 확인하였다. 즉, 두께 10nm 이하의 AlxGa1-xN 배리어층을 갖는 AlGaN/GaN 이종 접합 구조의 광 검출기는 280nm 이상 400nm 이하, 바람직하게는 280nm 초과 365nm 이하, 보다 바람직하게는 300nm 이상 365nm 이하, 특히 365nm의 광을 검출하기에 바람직한 것을 알 수 있다.
이차원 전자 가스 채널의 전자와 외부에서 주입되는 광에 의해 형성되는 광 여기 캐리어와의 관계를 분석하기 위해 외부에서 주입되는 빛에 의해 형성되는 광 전자 수와 AlxGa1-xN 배리어층의 두께에 따라서 형성되는 이차원 전자 가스 채널 내 전자 수를 계산하여 도 8에 나타냈다.
도 8는 AlxGa1-xN 배리어층의 두께 10, 20, 30nm에 따라 이차원 전자가스 채널에 의해 형성되는 전자의 수를 나타냈으며, 외부에서 280μW의 세기로 광을 주입할 때, 형성되는 전자의 수를 점선으로 나타냈다. AlxGa1-xN 배리어층의 두께가 증가함에 따라 강한 이차원 전자가스 채널이 형성되어, 더 많은 전자 수를 나타내는 것으로 보인다. 외부에서 280μW의 세기로 광을 주입하는 경우, 형성되는 전자 수는 약 1.3 × 1017 개를 가진다. 이는 AlxGa1-xN 배리어층의 두께가 약 15nm 일 때, AlGaN과 GaN 계면에서 형성되는 이차원 전자가스 채널의 전자수와 유사한 것을 확인할 수 있다. 따라서 AlGaN의 두께가 너무 두꺼운 경우, 외부에서 빛이 주입될 때 형성되는 광 전자에 비해서 이차원 전자가스 채널 내 전자 수가 더 많기 때문에 광 반응도가 적으나, AlGaN의 두께가 15nm 이하일 때, 특히 AlGaN의 두께가 10nm일 때, 이차원 전자가스 채널 내 전자 수에 비해서 외부에서 주입되는 광에 의해 형성되는 광 여기 전자수의 수가 더 크기 때문에 더 높은 광 반응도 특성을 나타내는 것으로 보인다.
실시예 3: 주입되는 광의 파장에 따른 광 반응도 평가
특정 흡수 파장 이외에 다른 파장에서의 광 흡수율을 확인하기 위해서 파장에 따른 광 반응도를 평가하여 도 9에 나타냈다.
도 9는 10, 20, 30nm AlxGa1-xN 배리어층을 갖는 AlGaN/GaN 고전자 이동도 트랜지스터 소자에 있어서, 파장 240nm에서 420nm까지의 빛에 대한 광 반응도 곡선이다. AlxGa1-xN 배리어층의 두께 10, 20, 30nm에 대해 모두 주입 파장 약 360nm에서 급격하게 광 반응도가 떨어지며, 300nm 부근에서는 큰 변화가 나타나지 않았다. 380nm 이전의 주입 파장대에서 AlxGa1-xN 배리어층의 두께가 10, 20, 30nm로 증가함에 따라서 광 반응도는 감소하였다. 특히 AlxGa1-xN 배리어층의 두께가 10nm인 경우 광 반응도 약 1.44 × 106A/W의 매우 높은 값을 가지는 것을 확인하였다. GaN 박막의 밴드갭인 약 3.4eV, 즉 약 360nm에서 AlxGa1-xN 배리어층의 두께 10, 20, 30nm에 대해서 모두 광 반응이 급격하게 떨어진 것으로 보아 대부분의 광 흡수가 GaN 채널층에서 나타나고 있음을 나타내고 있다.
실시예 4: 게이트 전압에 따른 전압-전류 곡선
앞서 우리는 AlGaN/GaN 포토 트랜지스터 구조에서 AlxGa1-xN 배리어 층의 두께에 따른 광 반응도의 변화를 확인하였다. 결과적으로 배리어의 두께가 얇은 10nm에서 광 반응이 가장 큰 것을 확인하였으며, 이는 AlGaN/GaN 계면에서 형성되는 이차원 전자가스 채널의 밀도가 외부에서 주입되는 광에 의해 형성되는 광 여기 전류에 비해 적기 때문인 것으로 판단된다. 이에 우리는 AlGaN/GaN 포토 트랜지스터 구조에서 AlxGa1-xN 배리어층의 두께에 따라서 형성되는 이차원 전자가스 채널을 게이트 전극을 이용하여 광 반응도의 변화를 확인하였다. 이에 외부에서 게이트 전극에 -1.0V에서 +1.0V까지 인가하면서 광 반응도가 큰 365nm의 자외선 파장을 주입했을 때의 전압-전류 곡선을 확인하여 도 10에 나타냈다. 도 10의 (a) 내지 (c)에서, 내부가 비어 있는 선으로 나타낸 그래프는 외부에서 빛이 주입되기 전의 결과를 나타낸 것이며, 내부가 채워져 있는 선으로 나타낸 그래프는 외부에서 빛이 주입된 후의 결과를 나타낸 것이다. 외부에서 빛이 주입되기 전의 경우, AlGaN 배리어층의 두께와 무관하게 외부에서 주입되는 게이트 전압이 -1.0V에서 +1.0V로 증가함에 따라서 소스 전극과 드레인 전극 사이에 전류(IDrain-Source, IDS)가 증가하는 것을 확인하였다. 이는 게이트 전압이 증가되면서 외부에서 인가되는 전하량이 증가하여, 소스와 드레인 전극 사이에 전류의 값도 향상되는 일반적인 트랜지스터의 거동을 나타내고 있다. 이 소자에 365nm의 자외선을 조사함에 따라 AlGaN 배리어층의 두께와 무관하게 모두 더 높은 전류 값을 나타냈다. 특히, 자외선 조사에 따라 증가된 광 여기에 의한 광 전류는 10nm 두께의 AlGaN 배리어층에서 가장 높은 광 여기 전류 특성을 나타남을 확인하였다.
도 11은 365nm 자외선을 조사할 때, AlGaN 배리어층의 두께에 따른 광 전류 곡선 (a) 및 게이트 인가 전압에 따른 광 전류 곡선(b)을 나타냈다. 두 곡선으로부터, 인가되는 게이트 전압이 낮아질수록, 그리고 AlGaN 배리어층의 두께가 얇을수록 더 높은 광 여기 전류 특성을 나타냄을 확인하였다. 이는 외부에서 인가되는 전압이 낮을수록, 특히 음의 인가 전압에 의해 채널 내의 캐리어를 감소시켜 포토 트랜지스터의 흐르는 전류 수준이 감소함에 의해, 외부에서 자외선을 주입하여 형성되는 광 여기 캐리어가 채널의 전류를 제어할 수 있을 정도로 더 높게 형성되었기 때문으로 보인다. 이에 따라서 AlGaN/GaN 이종 접합 구조의 포토 트랜지스터에서 AlGaN 장벽층의 두께가 감소할수록 더 높은 광 여기 전류를 얻을 수 있었으며, 게이트 전압을 음의 값으로 낮게 함에 따라 광 여기 전류를 증가시킬 수 있었다.
실시예 5: 시간에 따른 광 여기 전류 평가
도 12는 365nm의 광을 주입했을 때, 10, 20, 30nm 두께의 AlGaN 배리어층을 갖는 AlGaN/GaN 포토 트랜지스터의 게이트 전압 및 시간에 따른 광 여기 전류 곡선을 나타냈다. 0초부터 120초까지 게이트 전압 -1.0V, 120초부터 240초까지 게이트 전압 0V, 240초부터 360초까지 게이트 전압 +1.0V 인가했을 때의 광 반응을 나타냈다. 세 샘플 모두 시간에 따라 자외선에 대한 반응이 잘 나타남을 알 수 있다. 하지만, AlGaN 배리어층의 두께가 얇을수록 더 빠른 자외선 반응 속도 및 더 높은 광 여기 전류를 나타내었다. 또한, AlGaN 배리어층의 두께가 10nm일 때, 게이트 전압을 -로 인가 시 광 여기 전류가 증가하였으며, + 인가시 광 여기 전류가 감소하였다. 즉, AlGaN 배리어층의 두께가 10nm일 때, 게이트 전압 인가에 따라 광 여기 전류를 증폭 또는 감소시킬 수 있음을 나타내고 있다.
한편, 도 13에는 280nm의 광을 주입했을 때, 10, 20, 30nm 두께의 AlGaN 배리어층을 갖는 AlGaN/GaN 포토 트랜지스터의 게이트 전압 및 시간에 따른 광 여기 전류 곡선을 나타냈다. AlGaN 배리어층의 두께가 10nm일 때, 게이트 전압에 따라 광 여기 전류가 크게 변하지 않는 것을 확인할 수 있었다.
즉, 도 12 및 13으로부터, 주입되는 광의 파장이 365nm이고, AlGaN 배리어층의 두께가 10nm 일 때, 게이트 전압 인가에 따라 광 여기 전류를 증폭 또는 감소시킬 수 있음을 확인했다.
n형 AlGaN 배리어층을 사용한 광 검출기에 관한 상기 실시예 1 내지 5의 결과로부터, p형 AlGaN 배리어층을 사용한 광 검출기의 경우, 인가되는 게이트 전압이 양의 전압일 때, 광 여기 전류가 증가하는 것임을 알 수 있다.
Claims (8)
- 기판;
상기 기판의 상부에 존재하는 AlyGa1-yN 채널층; 및
상기 채널층의 상부에 존재하는 n형 AlxGa1-xN 배리어층을 포함하며,
상기 n형 AlxGa1-xN 배리어층의 상부에는 게이트 전극, 소스 전극 및 드레인 전극이 형성되어 있으며, 상기 게이트 전극은 상기 소스 전극 및 상기 드레인 전극 사이에 배치되어 있고,
상기 x 및 y는 0≤y<x, 0<x<1 및 0≤y<1을 만족하며,
상기 게이트 전극에 인가되는 게이트 전압에 따라 광 여기 전류가 증가 또는 감소하는 것을 특징으로 하는 광 검출기. - 제 1 항에 있어서,
상기 n형 AlxGa1-xN 배리어층의 두께는 15nm 이하인 것을 특징으로 하는 광 검출기. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 인가되는 게이트 전압이 음의 전압인 경우, 광 여기 전류가 증가하는 것을 특징으로 하는 광 검출기. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 광 검출기는 파장 280nm 이상 400nm 이하의 빛을 검출하는 것을 특징으로 하는 광 검출기. - 기판;
상기 기판의 상부에 존재하는 AlyGa1-yN 채널층; 및
상기 채널층의 상부에 존재하는 p형 AlxGa1-xN 배리어층을 포함하며,
상기 p형 AlxGa1-xN 배리어층의 상부에는 게이트 전극, 소스 전극 및 드레인 전극이 형성되어 있으며, 상기 게이트 전극은 상기 소스 전극 및 상기 드레인 전극 사이에 배치되어 있고,
상기 x 및 y는 0≤y<x, 0<x<1 및 0≤y<1을 만족하며,
상기 게이트 전극에 인가되는 게이트 전압에 따라 광 여기 전류가 증가 또는 감소하는 것을 특징으로 하는 광 검출기. - 제 5 항에 있어서,
상기 p형 AlxGa1-xN 배리어층의 두께는 15nm 이하인 것을 특징으로 하는 광 검출기. - 제 5 항 또는 제 6 항에 있어서,
상기 인가되는 게이트 전압이 양의 전압인 경우, 광 여기 전류가 증가하는 것을 특징으로 하는 광 검출기. - 제 5 항 또는 제 6 항에 있어서,
상기 광 검출기는 파장 280nm 이상 400nm 이하의 빛을 검출하는 것을 특징으로 하는 광 검출기.
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| Morkoc, Hadis, Aldo Di Carlo, and Roberto Cingolani. "GaN-based modulation doped FETs and UV detectors." Solid-State Electronics 46.2 (2002): 157-202.(2002.11.11.)* * |
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