KR20230051905A - 다파장 광 검출기 및 이의 제조 방법 - Google Patents

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(재)한국나노기술원
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Abstract

본 발명은 다파장 광 검출기 및 이의 제조 방법에 관한 것으로, 투명 기판, 투명 기판 상에 형성된 버퍼층, 버퍼층 상에 형성되어 제1 목표 파장 영역의 광을 흡수하는 제1 광 흡수층, 제1 광 흡수층 상에 형성되고, 고저항을 갖는 중간층, 중간층 상에 형성되고, 내부에 2차원 전자가스 채널을 포함하는 채널층, 채널층 상에 형성되어 제2 목표 파장 영역의 광을 흡수하고, 2차원 전자가스 채널을 형성시키는 제2 광 흡수층, 및 제1 및 제2 광 흡수층 중 적어도 어느 하나의 상부에 형성된 전극을 포함한다.

Description

다파장 광 검출기 및 이의 제조 방법{MULTI-WAVELENGTH PHOTODETECTOR AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}
본 발명은 다파장 광 검출기 및 이의 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 서로 다른 목표 파장 영역의 광을 검출할 수 있는 다파장 광 검출기 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로 화합물 반도체 기반의 센서는 넓은 밴드갭 및 우수한 소재 물성으로 인해 광 검출기나 태양 전지 등에 활용도가 높다. 화합물 반도체 기반 광 검출기는 PIN 다이오드 구조나 HEMT(High Electron Mobility Transistor) 구조로 제작되고 있다.
PIN 다이오드 구조의 경우 p형 도핑이 어려운 AlGaN층의 특성 개선을 위해 p-GaN층을 별도로 형성하는데, p-GaN층으로 광이 흡수되어 광 검출 특성의 손실이 발생한다. 또한, PIN 다이오드 구조는 HEMT 구조에 비해 감도가 낮고, 광 흡수층으로 이용되는 반도체 박막이 단층으로 구성되므로, 광 흡수층을 구성하는 반도체 박막의 밴드갭에 의해 특정 자외선이나 가시광선 영역의 단일 광만 검출이 가능하여 흡수 파장 영역 및 차단 파장 영역이 제한적이다.
그리고, HEMT 구조의 경우 PIN 다이오드 구조보다 감도가 높지만, 자외선 영역 이외의 광을 검출할 수 없는 한계가 있다. 따라서, 기존의 화합물 반도체 기반의 광 검출기는 광 검출의 선택성 및 정확도에 한계가 있다.
본 발명의 일 실시예는 서로 다른 목표 파장 영역의 광을 검출할 수 있는 다파장 광 검출기 및 이의 제조 방법을 제공하고자 한다.
실시예들 중에서, 다파장 광 검출기는 투명 기판; 상기 투명 기판 상에 형성된 버퍼층; 상기 버퍼층 상에 형성되어 제1 목표 파장 영역의 광을 흡수하는 제1 광 흡수층; 상기 제1 광 흡수층 상에 형성되고, 고저항을 갖는 중간층; 상기 중간층 상에 형성되고, 내부에 2차원 전자가스 채널을 포함하는 채널층; 상기 채널층 상에 형성되어 제2 목표 파장 영역의 광을 흡수하고, 상기 2차원 전자가스 채널을 형성시키는 제2 광 흡수층; 및 상기 제1 및 제2 광 흡수층 중 적어도 어느 하나의 상부에 형성된 전극을 포함한다.
여기에서, 상기 제1 목표 파장 영역은 가시광선 파장 대역을 포함하고, 상기 제1 광 흡수층은 InxGa1-xN(여기에서, 0≤x≤1)층으로 형성되고, 제1 광 흡수층은 Si으로 도핑된다.
여기에서, 상기 중간층은 C, Fe 및 Mg 중 적어도 어느 하나가 도핑된 GaN층 또는 AlN층으로 형성된다.
여기에서, 상기 제2 목표 파장 영역은 자외선 파장 대역을 포함하고, 상기 제2 광 흡수층은 AlxGa1-xN(여기에서, 0≤x≤1)층으로 형성된다. 제2 광 흡수층은 Si으로 도핑된다.
여기에서, 상기 중간층, 상기 채널층 및 상기 제2 광 흡수층 각각은 상기 제1 광 흡수층 보다 좁은 폭으로 형성된다.
여기에서, 상기 전극은 상기 제1 광 흡수층 상에 형성된 제1 전극; 및
상기 제2 광 흡수층 상에 형성되고, 게이트, 소스 및 드레인 전극을 포함하는 제2 전극을 포함한다.
여기에서, 상기 제1 광 흡수층, 상기 중간층, 상기 채널층 및 상기 제2 광 흡수층 각각은 상기 버퍼층보다 좁은 폭으로 형성된다.
여기에서, 상기 버퍼층의 상부, 상기 제1 광 흡수층, 상기 중간층, 상기 채널층 및 상기 제2 광 흡수층의 측벽에 형성된 오믹 콘택층을 더 포함한다.
여기에서, 상기 오믹 콘택층은 n형 불순물이 1019/cm3 이상의 농도로 도핑된 GaN층으로 형성되고, 상기 n형 불순물은 Si을 포함한다.
여기에서, 상기 전극은 상기 오믹 콘택층 상에 형성된 소스 및 드레인 전극; 및 상기 제2 광 흡수층 상에 형성된 게이트 전극을 포함한다.
여기에서, 상기 투명 기판은 사파이어, SiC, GaN, ZnO, MgO 및 이들의 조합 중 적어도 어느 하나로 형성된다.
여기에서, 상기 버퍼층은 AlN, GaN 및 이들의 조합 중 적어도 어느 하나로 형성된다.
실시예들 중에서, 다파장 광 검출기의 제조 방법은 투명 기판 상에 버퍼층을 형성하는 단계; 상기 버퍼층 상에 제1 목표 파장 영역의 광을 흡수하는 제1 광 흡수층을 형성하는 단계; 상기 제1 광 흡수층 상에 고저항을 갖는 중간층을 형성하는 단계; 상기 중간층 상에 2차원 전자 가스 채널을 포함하는 채널층을 형성하는 단계; 상기 채널층 상에 제2 목표 파장 영역의 광을 흡수하고, 상기 2차원 전자 가스 채널을 형성시키는 제2 광 흡수층을 형성하는 단계; 및 상기 제1 및 제2 광 흡수층 중 적어도 어느 하나의 상부에 전극을 형성하는 단계를 포함한다.
여기에서, 상기 제1 목표 파장 영역은 가시광선 파장 대역을 포함하고, 상기 제1 광 흡수층은 InxGa1-xN(여기에서, 0≤x≤1)층으로 형성한다. 제1 광 흡수층은 Si으로 도핑될 수 있다.
여기에서, 상기 중간층은 C, Fe 및 Mg 중 적어도 어느 하나가 도핑된 GaN층 또는 AlN층으로 형성한다.
여기에서, 상기 제2 목표 파장 영역은 자외선 파장 대역을 포함하고, 상기 제2 광 흡수층은 AlxGa1-xN(여기에서, 0≤x≤1)층으로 형성한다. 제2 광 흡수층은 Si으로 도핑될 수 있다.
여기에서, 상기 전극을 형성하는 단계는 상기 제2 광 흡수층 상에 제1 전극 예정 영역을 노출시키는 마스크 패턴을 형성하는 단계; 상기 마스크 패턴을 식각 마스크로 상기 제2 광 흡수층, 상기 채널층 및 상기 중간층을 식각하여 상기 제1 광 흡수층을 노출시키는 단계; 상기 마스크 패턴을 제거하고, 상기 노출된 제1 광 흡수층 상에 제1 전극을 형성하는 단계; 및 상기 제2 광 흡수층 상에 소스 전극, 드레인 전극 및 게이트 전극을 포함하는 제2 전극을 형성하는 단계를 포함한다.
여기에서, 상기 전극을 형성하는 단계는 상기 제2 광 흡수층 상에 전극 예정 영역을 노출시키는 마스크 패턴을 형성하는 단계; 상기 마스크 패턴을 식각 마스크로 상기 제2 광 흡수층, 상기 채널층, 상기 중간층 및 상기 제1 광 흡수층을 식각하여 상기 버퍼층을 노출시키는 단계; 상기 노출된 버퍼층 상에 오믹 콘택층을 형성하는 단계; 상기 마스크 패턴을 제거하고, 상기 오믹 콘택층 상에 소스 전극 및 드레인 전극을 형성하는 단계; 및 상기 제2 광 흡수층 상에 게이트 전극을 형성하는 단계를 포함한다.
여기에서, 상기 오믹 콘택층은 n형 불순물이 1019/cm3 이상의 농도로 도핑된 GaN층으로 형성하고, 상기 n형 불순물은 Si을 포함한다.
여기에서, 상기 투명 기판은 사파이어, SiC, GaN, ZnO, MgO 및 이들의 조합 중 적어도 어느 하나로 형성하고, 상기 버퍼층은 AlN, GaN 및 이들의 조합 중 적어도 어느 하나로 형성한다.
개시된 기술은 다음의 효과를 가질 수 있다. 다만, 특정 실시예가 다음의 효과를 전부 포함하여야 한다거나 다음의 효과만을 포함하여야 한다는 의미는 아니므로, 개시된 기술의 권리범위는 이에 의하여 제한되는 것으로 이해되어서는 아니 될 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 다파장 광 검출기 및 이의 제조 방법은 서로 다른 목표 파장 영역의 광을 검출할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 다파장 광 검출기를 도시한 도면이다.
도 2a 내지 도 2e는 본 발명의 일 실시예에 따른 다파장 검출기의 제조 방법을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 다파장 광 검출기를 도시한 도면이다.
도 4a 내지 도 4e는 본 발명의 다른 실시예에 따른 다파장 광 검출기의 제조 방법을 도시한 도면이다.
본 발명에 관한 설명은 구조적 내지 기능적 설명을 위한 실시예에 불과하므로, 본 발명의 권리범위는 본문에 설명된 실시예에 의하여 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 된다. 즉, 실시예는 다양한 변경이 가능하고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 본 발명의 권리범위는 기술적 사상을 실현할 수 있는 균등물들을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 본 발명에서 제시된 목적 또는 효과는 특정 실시예가 이를 전부 포함하여야 한다거나 그러한 효과만을 포함하여야 한다는 의미는 아니므로, 본 발명의 권리범위는 이에 의하여 제한되는 것으로 이해되어서는 아니 될 것이다.
한편, 본 출원에서 서술되는 용어의 의미는 다음과 같이 이해되어야 할 것이다. 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어"있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결될 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어"있다고 언급된 때에는 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 한편, 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 실시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이며, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
여기서 사용되는 모든 용어들은 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미를 지니는 것으로 해석될 수 없다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 다파장 광 검출기를 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 다파장 광 검출기(100)는 투명 기판(110), 버퍼층(120), 제1 광 흡수층(130), 중간층(140), 채널층(150), 제2 광 흡수층(160), 제1 전극(170) 및 제2 전극(180)을 포함할 수 있다. 여기에서, 투명 기판(110)은 제1 목표 파장 영역의 광(L1)을 투과시키고, 버퍼층(120), 제1 광 흡수층(130), 중간층(140), 채널층(150) 및 제2 광 흡수층(160)을 성장시키는 성장 기판의 역할을 수행할 수 있다.
투명 기판(110)은 밴드갭이 넓은 사파이어, SiC, GaN, ZnO, MgO 및 이들의 조합 중 적어도 어느 하나로 형성될 수 있다. 여기에서, 투명 기판(110)이 불투명 물질로 형성될 경우 기계적 연마 공정으로 양면을 폴리싱(Polishing) 처리하여 투명하게 제작될 수 있다.
버퍼층(120)은 투명 기판(110) 상에 형성되고, AlN, GaN 및 이들의 조합 중 적어도 어느 하나로 형성될 수 있다. 버퍼층(120)은 MBE(molecular beam epitaxy), MOCVD(metal organic chemical vapor deposition) 등의 에피택셜 성장 공정에 의해 형성될 수 있다.
제1 광 흡수층(130)은 버퍼층(120) 상에 형성되고, 제1 목표 파장 영역의 광(L1)을 흡수하여 전류를 생성한다. 여기에서, 제1 목표 파장 영역의 광(L1)은 제1 광 흡수층(130)의 상면 및 하면 중 적어도 어느 하나로 입사될 수 있다. 즉, 제1 광 흡수층(130)은 투명 기판(110)을 통해 하면으로 입사되는 제1 목표 파장 영역의 광(L1)을 흡수하거나, 제2 광 흡수층(160), 채널층(150) 및 중간층(140)을 투과하여 상면으로 입사되는 제1 목표 파장 영역의 광(L1)을 흡수할 수 있다. 따라서, 제1 목표 파장 영역의 광(L1)이 입사되는 방향을 선택할 수 있고, 제1 목표 파장 영역의 광(L1)이 입사되는 면적이 증가하여 측정 감도를 향상시킬 수 있다.
제1 광 흡수층(130)은 제1 목표 파장 영역의 광(L1)을 흡수하는 물질로 형성될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 목표 파장 영역의 광(L1)은 가시광선 파장 영역을 포함하고, 제1 광 흡수층(130)은 InxGa1-xN(여기에서, 0≤x≤1)층으로 형성될 수 있다. 여기에서, 제1 광 흡수층(130)은 오믹 콘택 특성을 향상시키기 위해 Si으로 도핑되어 형성될 수 있다.
중간층(140)은 제1 광 흡수층(130)과 채널층(150) 사이에 개재된다. 중간층(140)은 고저항 물질로 형성되어 채널층(150)에서 제1 광 흡수층(130)으로 흐르는 전류를 차단하는 전류 차단층의 역할을 수행한다. 중간층(140)은 GaN 및 AlN 중 적어도 어느 하나로 형성될 수 있다. 여기에서, GaN층은 C, Fe, Mg 등의 불순물이 도핑되어 형성될 수 있다. 중간층(140)은 제1 광 흡수층(130) 보다 좁은 폭으로 형성될 수 있다.
채널층(150)은 중간층(140) 상에 형성되고, 내부에 2차원 전자 가스(2-Dimensional Electron Gas, 이하 2DEG) 채널(152)이 형성된다. 채널층(150)은 불순물이 미도핑된 GaN층으로 형성될 수 있다. 채널층(150)은 중간층(140)과 동일한 폭으로 형성될 수 있다.
제2 광 흡수층(160)은 채널층(150) 상에 형성되고, 제2 목표 파장 영역의 광(L2)을 흡수하여 전류를 생성한다. 또한, 제2 광 흡수층(160)은 채널층(150)에 2DEG 채널(152)을 형성시키는 배리어층의 역할을 수행할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 제2 목표 파장 영역의 광(L2)은 자외선 파장 영역을 포함하고, 제2 광 흡수층(160)은 AlxGa1-xN(여기에서, 0≤x≤1)층으로 형성될 수 있다. 여기에서, 제2 광 흡수층(160)은 오믹 콘택 특성을 향상시키기 위해 Si으로 도핑되어 형성될 수 있다. 제2 광 흡수층(160)은 채널층(150)과 동일한 폭으로 형성될 수 있다.
제1 전극(170)은 제1 광 흡수층(130)의 일측 및 타측 상에 각각 형성된다. 제1 전극(170)을 통해 제1 광 흡수층(130)으로부터 생성된 전류를 검출할 수 있다.
제2 전극(180)은 제2 광 흡수층(160) 상에 형성된다. 제2 전극(180)은 소스 전극(180a), 드레인 전극(180b) 및 게이트 전극(180c)을 포함할 수 있다. 제2 전극(180)을 통해 제2 광 흡수층(160)으로부터 생성된 전류를 검출할 수 있다.
즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 다파장 광 검출기(100)는 하측에 제1 광 흡수층(130) 및 제1 전극(170)을 포함하는 가시광선 광 검출기를 구성하고, 상측에 채널층(150), 제2 광 흡수층(160) 및 제2 전극(180)을 포함하는 HEMT 구조로 자외선 광 검출기를 구성한다. 따라서, 하나의 다파장 광 검출기(100)로 두 가지 목표 파장 영역의 광, 즉 가시광선 영역의 광(L1)과 자외선 영역의 광(L2)을 검출할 수 있다.
그리고, 제1 광 흡수층(130)의 In 조성과 제2 광 흡수층(160)의 Al 조성에 따라 밴드갭 에너지를 각각 조절하여 광(L1, L2)에 대한 목표 파장 영역 및 차단 파장 영역을 각각 선택할 수 있다. 밴드갭 에너지의 경우 AlN는 약 6.2eV, GaN은 약 3.4eV, InN는 약 0.7eV이므로 제1 및 제2 광 흡수층(130, 150) 각각의 물질에 대한 조성 변화를 이용하여 광(L1, L2)의 목표 파장 영역 및 차단 파장 영역을 선택할 수 있다. 또한, 제1 및 제2 전극(170, 180)을 분리하여 배치함으로써 가시광선 영역의 광(L1)과 자외선 영역의 광(L2)을 독립적으로 검출할 수 있다. 그리고, 중간층(140)을 이용하여 가시광선 광 검출기와 자외선 광 검출기를 분리함으로써 자외선 광 검출기 동작 시 가시광선 광 검출기로 누설되는 전류로 인해 자외선 광의 검출 감도가 저하되거나, 가시광선 광 검출기에서 오검출되는 현상을 방지할 수 있다.
도 2a 내지 도 2e는 본 발명의 일 실시예에 따른 다파장 검출기의 제조 방법을 도시한 도면이다.
도 2a를 참조하면, 먼저 투명 기판(110)을 준비한다. 여기에서, 투명 기판(110)은 밴드갭이 넓은 사파이어, SiC, GaN, ZnO, MgO 및 이들의 조합 중 적어도 어느 하나로 형성할 수 있다. 여기에서, 투명 기판(110)을 불투명 물질로 형성할 경우 기계적 연마 방식으로 양면을 폴리싱(Polishing) 처리하여 투명한 상태로 준비할 수 있다.
그 다음, 투명 기판(110) 상에 버퍼층(120)을 형성한다. 여기에서, 버퍼층(120)은 AlN, GaN 및 이들의 조합 중 적어도 어느 하나로 형성할 수 있다. 그 다음, 버퍼층(120) 상에 제1 광 흡수층(130)을 형성한다. 여기에서, 제1 광 흡수층(130)은 가시광선 파장 대역의 광을 흡수할 수 있는 물질, 예를 들어 InxGa1-xN(여기에서, 0≤x≤1)층으로 형성할 수 있다. 제1 광 흡수층(130)은 Si을 도핑하여 형성할 수 있다.
그 다음, 제1 광 흡수층(130) 상에 중간층(140)을 형성한다. 여기에서, 중간층(140)은 채널층(150)에서 제1 광 흡수층(130)으로 흐르는 전류를 차단시킬 수 있는 고저항 물질로 형성할 수 있다. 예를 들어, 중간층(140)은 GaN 및 AlN 중 적어도 어느 하나로 형성할 수 있다. 여기에서, 중간층(140)을 GaN으로 형성할 경우 GaN에 C, Fe, Mg 등의 불순물을 도핑하여 형성할 수 있다.
그 다음, 중간층(140) 상에 채널층(150)을 형성한다. 채널층(150)은 2DEG 채널(152)이 형성될 수 있는 물질, 예를 들어 불순물이 미도핑된 GaN층으로 형성할 수 있다.
그 다음, 채널층(150) 상에 제2 광 흡수층(160)을 형성한다. 여기에서, 제2 광 흡수층(160)은 2DEG 채널(152)을 형성시키고, 자외선 파장 대역의 광을 흡수할 수 있는 물질로 형성할 수 있다. 예를 들어, 제2 광 흡수층(160)은 AlxGa1-xN(여기에서, 0≤x≤1)층으로 형성할 수 있다. 제2 광 흡수층(160)은 Si을 도핑하여 형성할 수 있다.
도 2b를 참조하면, 제2 광 흡수층(160) 상에 제1 전극 예정 영역을 노출시키는 마스크 패턴(162)을 형성한다. 여기에서, 마스크 패턴(162)은 비결정질(amorphous) 물질, 예를 들어 SiO2 및 SiN 중 어느 하나 또는 감광성 물질(photoresist)로 형성할 수 있다. 마스크 패턴(162)은 포토리소그래피 공정 및 건식 식각 공정에 의해 패터닝될 수 있다.
도 2c를 참조하면, 마스크 패턴(162)을 식각 마스크로 제2 광 흡수층(160), 채널층(150) 및 중간층(140)을 식각하여 제1 광 흡수층(130)을 노출시킨다.
도 2d를 참조하면, 마스크 패턴(162)을 제거하고, 노출된 제1 광 흡수층(130) 상에 제1 전극(170)을 형성한다. 여기에서, 마스크 패턴(162)은 습식 식각 공정에 의해 제거될 수 있다.
도 2e를 참조하면, 제2 광 흡수층(160) 상에 제2 전극(180)을 형성한다. 구체적으로, 제2 광 흡수층(160) 상에 소스 및 드레인 전극(180a, 180b)을 형성하고, 열처리 공정을 수행하여 오믹 접합을 완성한다. 여기에서, 열처리 공정은 공정 시간 단축을 위해 급속 열처리 공정(Rapid Thermal Process; RTP)에 의해 수행될 수 있다. 그 다음, 제2 광 흡수층(160) 상에 게이트 전극(180c)을 형성한다. 즉, 제2 광 흡수층(160) 상에 소스 전극, 드레인 전극 및 게이트 전극(180a, 180b, 180c)을 형성하여 제2 전극(180)을 완성할 수 있다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 다파장 광 검출기를 도시한 도면이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 다파장 광 검출기(200)는 투명 기판(210), 버퍼층(220), 제1 광 흡수층(230), 중간층(240), 채널층(250), 제2 광 흡수층(260), 오믹 콘택층(270) 및 전극(280)을 포함할 수 있다. 여기에서, 투명 기판(210)은 제1 목표 파장 영역의 광(L1)을 투과시키고, 버퍼층(220), 제1 광 흡수층(230), 중간층(240), 채널층(250) 및 제2 광 흡수층(260)을 성장시키는 성장 기판의 역할을 수행할 수 있다.
투명 기판(210)은 밴드갭이 넓은 사파이어, SiC, GaN, ZnO, MgO 및 이들의 조합 중 적어도 어느 하나로 형성될 수 있다. 투명 기판(210)이 불투명 물질로 형성될 경우 기계적 연마 공정으로 양면을 폴리싱(Polishing) 처리하여 투명하게 제작될 수 있다.
버퍼층(220)은 투명 기판(210) 상에 형성되고, AlN, GaN 및 이들의 조합 중 적어도 어느 하나로 형성될 수 있다. 버퍼층(220)은 MBE, MOCVD 등의 에피택셜 성장 공정에 의해 형성될 수 있다.
제1 광 흡수층(230)은 버퍼층(220) 상에 형성되고, 제1 목표 파장 영역의 광(L1)을 흡수하여 전류를 생성한다. 여기에서, 제1 목표 파장 영역의 광(L1)은 제1 광 흡수층(230)의 상면 및 하면 중 적어도 어느 하나로 입사될 수 있다. 즉, 제1 광 흡수층(230)은 투명 기판(210)을 통해 하면으로 입사되는 제1 목표 파장 영역의 광(L1)을 흡수하거나, 제2 광 흡수층(260) 및 중간층(240)을 투과하여 상면으로 입사되는 제1 목표 파장 영역의 광(L1)을 흡수할 수 있다.
제1 광 흡수층(230)은 제1 목표 파장 영역의 광(L1)을 흡수하는 물질로 형성될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 목표 파장 영역의 광(L1)은 가시광선 파장 영역을 포함하고, 제1 광 흡수층(230)은 InxGa1-xN(여기에서, 0≤x≤1)층으로 형성될 수 있다. 여기에서, 제1 광 흡수층(230)은 오믹 콘택 특성을 향상시키기 위해 Si으로 도핑되어 형성될 수 있다. 제1 광 흡수층(230)은 버퍼층(220) 보다 좁은 폭으로 형성될 수 있다.
중간층(240)은 제1 광 흡수층(230)과 채널층(250) 사이에 개재된다. 중간층(240)은 고저항 물질로 형성되어 채널층(250)에서 제1 광 흡수층(230)으로 흐르는 전류를 차단하는 전류 차단층의 역할을 수행한다. 중간층(240)은 GaN 및 AlN 중 적어도 어느 하나로 형성될 수 있다. 여기에서, GaN층은 C, Fe, Mg 등의 불순물이 도핑되어 형성될 수 있다. 중간층(240)은 제1 광 흡수층(230)과 동일한 폭으로 형성될 수 있다.
채널층(250)은 중간층(240) 상에 형성되고, 내부에 2DEG 채널(252)이 형성된다. 채널층(250)은 불순물이 미도핑된 GaN층으로 형성될 수 있다. 채널층(250)은 중간층(240)과 동일한 폭으로 형성될 수 있다.
제2 광 흡수층(260)은 채널층(250) 상에 형성되고, 제2 목표 파장 영역의 광(L2)을 흡수하여 전류를 생성한다. 또한, 제2 광 흡수층(260)은 채널층(250)에 2DEG 채널(252)을 형성시키는 배리어층의 역할을 수행할 수 있다. 여기에서, 제2 목표 파장 영역의 광(L2)은 자외선 파장 영역을 포함하고, 제2 광 흡수층(260)은 AlxGa1-xN(여기에서, 0≤x≤1)층으로 형성될 수 있다. 제2 광 흡수층(260)은 오믹 콘택 특성을 향상시키기 위해 Si으로 도핑되어 형성될 수 있다. 그리고, 제2 광 흡수층(260)은 채널층(250)과 동일한 폭으로 형성될 수 있다.
오믹 콘택층(270)은 버퍼층(220)의 상면과 제1 광 흡수층(230), 중간층(240), 채널층(250) 및 제2 광 흡수층(260)의 측면 상에 형성될 수 있다. 여기에서, 오믹 콘택층(270)은 n형 불순물이 도핑된 GaN층으로 형성될 수 있다. n형 불순물은 Si을 포함할 수 있고, 1019/cm3 이상의 농도로 도핑될 수 있다. GaN층에 Si을 고농도로 도핑할 경우 저농도에 비해 소스 전극 및 드레인 전극(280a, 280b)에 대한 오믹 저항이 낮아져 추가적인 열처리 공정 없이 오믹 접합을 형성할 수 있고, 2DEG 채널(252)을 통해 흐르는 전류의 양을 증가시킬 수 있다.
전극(280)은 소스 전극, 드레인 전극 및 게이트 전극(280a, 280b, 280c)을 포함할 수 있다. 소스 전극 및 드레인 전극(280a, 280b)은 오믹 콘택층(270) 상에 형성되고, 게이트 전극(280c)은 제2 광 흡수층(260) 상에 형성된다. 전극(280)을 통해 제1 및 제2 광 흡수층(230, 260) 중 적어도 어느 하나로부터 생성된 전류를 검출할 수 있다.
즉, 본 발명의 다른 실시예에 따른 다파장 광 검출기(200)는 하측에 제1 광 흡수층(230)을 포함하는 가시광선 광 검출기를 구성하고, 상측에 채널층(250) 및 제2 광 흡수층(260)을 포함하는 HEMT 구조로 자외선 광 검출기를 구성한다. 그리고, 중간층(240)을 이용하여 가시광선 광 검출기와 자외선 광 검출기를 분리한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 다파장 광 검출기(200)는 본 발명의 일 실시예에 따른 다파장 광 검출기(100)와 달리 전극(280)을 하나로 형성하여 하나의 전극(280)으로 가시광선 광 검출기와 자외선 광 검출기를 모두 제어 가능하다. 그리고, 오믹 콘택층(270)을 형성하여 오믹 특성을 개선함으로써 감도를 향상시킬 수 있다.
도 4a 내지 도 4e는 본 발명의 다른 실시예에 따른 다파장 광 검출기의 제조 방법을 도시한 도면이다.
도 4a를 참조하면, 먼저 투명 기판(210)을 준비한다. 여기에서, 투명 기판(210)은 밴드갭이 넓은 사파이어, SiC, GaN, ZnO, MgO 및 이들의 조합 중 적어도 어느 하나로 형성할 수 있다. 투명 기판(210)을 불투명 물질로 형성할 경우 기계적 연마 공정으로 양면을 폴리싱(Polishing) 처리하여 투명한 상태로 준비할 수 있다.
그 다음, 투명 기판(210) 상에 버퍼층(220)을 형성한다. 여기에서, 버퍼층(220)은 AlN, GaN 및 이들의 조합 중 적어도 어느 하나로 형성할 수 있다. 그 다음, 버퍼층(220) 상에 제1 광 흡수층(230)을 형성한다. 여기에서, 제1 광 흡수층(230)은 가시광선 파장 대역의 광을 흡수할 수 있는 물질, 예를 들어 InxGa1-xN(여기에서, 0≤x≤1)층으로 형성할 수 있다.
그 다음, 제1 광 흡수층(230) 상에 중간층(240)을 형성한다. 여기에서, 중간층(240)은 채널층(250)에서 제1 광 흡수층(230)으로 흐르는 전류를 차단시킬 수 있는 고저항 물질로 형성할 수 있다. 예를 들어, 중간층(240)은 GaN 및 AlN 중 적어도 어느 하나로 형성할 수 있다. 여기에서, 중간층(240)을 GaN으로 형성할 경우 GaN에 C, Fe, Mg 등의 불순물을 도핑하여 형성할 수 있다.
그 다음, 중간층(240) 상에 채널층(250)을 형성한다. 채널층(250)은 2DEG 채널(252)이 형성될 수 있는 물질, 예를 들어 불순물이 미도핑된 GaN층으로 형성할 수 있다.
그 다음, 채널층(250) 상에 제2 광 흡수층(260)을 형성한다. 여기에서, 제2 광 흡수층(260)은 2DEG 채널(252)을 형성시키고, 자외선 파장 대역의 광을 흡수할 수 있는 물질로 형성할 수 있다. 예를 들어, 제2 광 흡수층(260)은 AlxGa1-xN(여기에서, 0≤x≤1)층으로 형성할 수 있다. 제2 광 흡수층(260)은 Si을 도핑하여 형성할 수 있다.
도 4b를 참조하면, 제2 광 흡수층(260) 상에 전극 예정 영역을 노출시키는 마스크 패턴(262)을 형성한다. 여기에서, 마스크 패턴(262)은 반도체 박막의 재성장이 불가능한 비결정질(amorphous) 물질, 예를 들어 SiO2, SiN 중 적어도 어느 하나로 형성할 수 있다. 이때, 마스크 패턴(262)은 포토리소그래피 공정 및 건식 식각 공정에 의해 패터닝될 수 있다.
도 4c를 참조하면, 마스크 패턴(262)을 식각 마스크로 제2 광 흡수층(260), 채널층(250), 중간층(240) 및 제1 광 흡수층(230)을 식각하여 버퍼층(220)을 노출시킨다.
도 4d를 참조하면, 버퍼층(220) 상에 오믹 콘택층(270)을 형성한다. 오믹 콘택층(270)은 MBE, MOCVD 등의 에피택셜 성장 공정에 의해 버퍼층(220) 상에 선택적으로 재성장될 수 있다. 이때, 오믹 콘택층(270)은 마스크 패턴(262)의 측면 상에 재성장되지 않고, 제1 광 흡수층(230), 중간층(240), 채널층(250) 및 제2 광 흡수층(260)의 측면에만 재성장될 수 있다. 여기에서, 오믹 콘택층(270)은 n형 불순물이 도핑된 GaN층으로 형성할 수 있다. n형 불순물은 Si을 포함할 수 있고, 1019/cm3 이상의 농도로 도핑될 수 있다.
도 4e를 참조하면, 마스크 패턴(262)을 제거한다. 여기에서, 마스크 패턴(262)은 습식 식각 공정에 의해 제거될 수 있다. 그 다음, 오믹 콘택층(270) 상에 소스 및 드레인 전극(280a, 280b)을 형성하고, 제2 광 흡수층(260) 상에 게이트 전극(280c)을 형성한다. 이에 따라, 전극(280)이 완성된다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 다파장 광 검출기(100, 200)는 상측에 HEMT 구조로 자외선 광 검출기를 구성함으로써 HEMT가 갖는 채널 특성, 즉 높은 전자 이동도에 의해 고감도로 자외선 영역의 광(L2)을 검출할 수 있고, 하측에는 가시광선 광 검출기를 삽입함으로써 상측과 별개로 가시광선 영역의 광(L1)을 검출할 수 있다. 따라서, 하나의 광 검출기(100, 200)로 가시광선 영역의 광(L1)과 자외선 영역의 광(L2)을 모두 검출할 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 다파장 광 검출기(100, 200)는 단일 소자로 구현되는 경우를 예를 들어 설명하였으나, 이에 한정되지 않고, 어레이 형태로 배열되어 광 검출 면적을 증가시킬 수 있다.
100, 200: 다파장 광 검출기
110, 210: 투명 기판 120, 220: 버퍼층
130, 230: 제1 광 흡수층 140, 240: 중간층
150: 250: 채널층 160, 260: 제2 광 흡수층
170: 제1 전극 180: 제2 전극
270: 오믹 콘택층
280: 전극

Claims (27)

  1. 투명 기판;
    상기 투명 기판 상에 형성된 버퍼층;
    상기 버퍼층 상에 형성되어 제1 목표 파장 영역의 광을 흡수하는 제1 광 흡수층;
    상기 제1 광 흡수층 상에 형성되고, 고저항을 갖는 중간층;
    상기 중간층 상에 형성되고, 내부에 2차원 전자가스 채널을 포함하는 채널층;
    상기 채널층 상에 형성되어 제2 목표 파장 영역의 광을 흡수하고, 상기 2차원 전자가스 채널을 형성시키는 제2 광 흡수층; 및
    상기 제1 및 제2 광 흡수층 중 적어도 어느 하나의 상부에 형성된 전극을 포함하는 다파장 광 검출기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 목표 파장 영역은 가시광선 파장 대역을 포함하고,
    상기 제1 광 흡수층은
    InxGa1-xN(여기에서, 0≤x≤1)층으로 형성되는 다파장 광 검출기.
  3. 제2항에 있어서, 상기 제1 광 흡수층은
    Si으로 도핑된 다파장 광 검출기.
  4. 제1항에 있어서, 상기 중간층은
    C, Fe 및 Mg 중 적어도 어느 하나가 도핑된 GaN층 또는 AlN층으로 형성되는 다파장 광 검출기.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제2 목표 파장 영역은 자외선 파장 대역을 포함하고,
    상기 제2 광 흡수층은
    AlxGa1-xN(여기에서, 0≤x≤1)층으로 형성되는 다파장 광 검출기.
  6. 제5항에 있어서, 상기 제2 흡수층은
    Si으로 도핑된 다파장 광 검출기.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 중간층, 상기 채널층 및 상기 제2 광 흡수층 각각은 상기 제1 광 흡수층 보다 좁은 폭으로 형성되는 다파장 광 검출기.
  8. 제7항에 있어서, 상기 전극은
    상기 제1 광 흡수층 상에 형성된 제1 전극; 및
    상기 제2 광 흡수층 상에 형성되고, 게이트, 소스 및 드레인 전극을 포함하는 제2 전극을 포함하는 다파장 광 검출기.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제1 광 흡수층, 상기 중간층, 상기 채널층 및 상기 제2 광 흡수층 각각은 상기 버퍼층보다 좁은 폭으로 형성되는 다파장 광 검출기.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 버퍼층의 상부, 상기 제1 광 흡수층, 상기 중간층, 상기 채널층 및 상기 제2 광 흡수층의 측벽에 형성된 오믹 콘택층을 더 포함하는 다파장 광 검출기.
  11. 제10항에 있어서, 상기 오믹 콘택층은
    n형 불순물이 1019/cm3 이상의 농도로 도핑된 GaN층으로 형성되는 다파장 광 검출기.
  12. 제11항에 있어서, 상기 n형 불순물은
    Si을 포함하는 다파장 광 검출기.
  13. 제10항에 있어서, 상기 전극은
    상기 오믹 콘택층 상에 형성된 소스 및 드레인 전극; 및
    상기 제2 광 흡수층 상에 형성된 게이트 전극을 포함하는 다파장 광 검출기.
  14. 제1항에 있어서, 상기 투명 기판은
    사파이어, SiC, GaN, ZnO, MgO 및 이들의 조합 중 적어도 어느 하나로 형성되는 다파장 광 검출기.
  15. 제1항에 있어서, 상기 버퍼층은
    AlN, GaN 및 이들의 조합 중 적어도 어느 하나로 형성되는 다파장 광 검출기.
  16. 투명 기판 상에 버퍼층을 형성하는 단계;
    상기 버퍼층 상에 제1 목표 파장 영역의 광을 흡수하는 제1 광 흡수층을 형성하는 단계;
    상기 제1 광 흡수층 상에 고저항을 갖는 중간층을 형성하는 단계;
    상기 중간층 상에 2차원 전자 가스 채널을 포함하는 채널층을 형성하는 단계;
    상기 채널층 상에 제2 목표 파장 영역의 광을 흡수하고, 상기 2차원 전자 가스 채널을 형성시키는 제2 광 흡수층을 형성하는 단계; 및
    상기 제1 및 제2 광 흡수층 중 적어도 어느 하나의 상부에 전극을 형성하는 단계를 포함하는 다파장 광 검출기의 제조 방법.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 제1 목표 파장 영역은 가시광선 파장 대역을 포함하고,
    상기 제1 광 흡수층은
    InxGa1-xN(여기에서, 0≤x≤1)층으로 형성하는 다파장 광 검출기의 제조 방법.
  18. 제17항에 있어서, 상기 제1 광 흡수층은
    Si으로 도핑되는 다파장 광 검출기의 제조 방법.
  19. 제16항에 있어서, 상기 중간층은
    C, Fe 및 Mg 중 적어도 어느 하나가 도핑된 GaN층 또는 AlN층으로 형성하는 다파장 광 검출기의 제조 방법.
  20. 제16항에 있어서,
    상기 제2 목표 파장 영역은 자외선 파장 대역을 포함하고,
    상기 제2 광 흡수층은
    AlxGa1-xN(여기에서, 0≤x≤1)층으로 형성하는 다파장 광 검출기의 제조 방법.
  21. 제20항에 있어서, 상기 광 흡수층은
    Si으로 도핑되는 다파장 광 검출기의 제조 방법.
  22. 제16항에 있어서, 상기 전극을 형성하는 단계는
    상기 제2 광 흡수층 상에 제1 전극 예정 영역을 노출시키는 마스크 패턴을 형성하는 단계;
    상기 마스크 패턴을 식각 마스크로 상기 제2 광 흡수층, 상기 채널층 및 상기 중간층을 식각하여 상기 제1 광 흡수층을 노출시키는 단계;
    상기 마스크 패턴을 제거하고, 상기 노출된 제1 광 흡수층 상에 제1 전극을 형성하는 단계; 및
    상기 제2 광 흡수층 상에 소스 전극, 드레인 전극 및 게이트 전극을 포함하는 제2 전극을 형성하는 단계를 포함하는 다파장 광 검출기의 제조 방법.
  23. 제16항에 있어서, 상기 전극을 형성하는 단계는
    상기 제2 광 흡수층 상에 전극 예정 영역을 노출시키는 마스크 패턴을 형성하는 단계;
    상기 마스크 패턴을 식각 마스크로 상기 제2 광 흡수층, 상기 채널층, 상기 중간층 및 상기 제1 광 흡수층을 식각하여 상기 버퍼층을 노출시키는 단계;
    상기 노출된 버퍼층 상에 오믹 콘택층을 형성하는 단계;
    상기 마스크 패턴을 제거하고, 상기 오믹 콘택층 상에 소스 전극 및 드레인 전극을 형성하는 단계; 및
    상기 제2 광 흡수층 상에 게이트 전극을 형성하는 단계를 포함하는 다파장 광 검출기의 제조 방법.
  24. 제23항에 있어서, 상기 오믹 콘택층은
    n형 불순물이 1019/cm3 이상의 농도로 도핑된 GaN층으로 형성하는 다파장 광 검출기의 제조 방법.
  25. 제24항에 있어서, 상기 n형 불순물은
    Si을 포함하는 다파장 광 검출기의 제조 방법.
  26. 제16항에 있어서, 상기 투명 기판은
    사파이어, SiC, GaN, ZnO, MgO 및 이들의 조합 중 적어도 어느 하나로 형성하는 다파장 광 검출기의 제조 방법.
  27. 제16항에 있어서, 상기 버퍼층은
    AlN, GaN 및 이들의 조합 중 적어도 어느 하나로 형성하는 다파장 광 검출기의 제조 방법.
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