KR20230122314A - 자외선 광 검출기 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 반도체 기판과 쇼트키 금속 박막 사이에 AZO 층을 포함하는 자외선 파장대의 광의 검출이 가능한 자외선 광 검출기에 관한 것으로, 상기 자외선 광 검출기는 400 nm 이하의 자외선 파장대에서 광 검출기의 응답도(Responsivity)와 검출도(detectivity)의 효율이 높다.
Description
본 발명은 반도체 기판과 쇼트키 금속 박막 사이에 AZO 층을 포함하는 자외선 파장대의 광의 검출이 가능한 자외선 광 검출기에 관한 것이다.
금속-반도체 광소자의 동작 원리는 쇼트키 금속과 반도체 기판 사이에 공핍영역이 형성되어 빛이 조사될 때 전자-홀 페어가 형성 되어 반도체 기판의 밴드갭에 따라 검출되는 빛의 파장대가 결정 되며 GaN 반도체의 경우 400 nm 파장 이하의 자외선 검출이 가능하다.
광 검출기는 광통신, 카메라, 의료기기, 군사, 웨어러블 전자 소자, 등에 다양하고 사용되고 있다. 최근, 4차 산업혁명 시대의 핵심 기술로 꼽히는 사물인터넷(IOT) 기술의 활성화로 고성능 및 고집적 광 검출기에 대한 수요가 급격히 증가하고 있다.
한편, 일반적으로 빛은 파장에 따라 크게 가시광선과 적외선 (IR), 자외선 (UV) 등 3가지 종류의 빛으로 나누어지는데, 그 중 UV 광은 고분자의 결합을 바꿀 수 있는 높은 에너지를 가지고 있어 반도체 제조 산업에서 미세 패턴 구현에 핵심적인 공정 기술인 photolithography의 광원으로 활용되고 있다. UV 파장 대역은 반도체 산업뿐만 아니라 환경, 건강 및 의료 관련 분야에도 활용도가 매우 높아 관심도가 점차 높아지고 있다.
일상생활 주변에는 수많은 세균들이 존재하고 있으며 세균들의 번식정도에 따라 주거환경의 쾌적성 및 거주자의 건강에 영향을 미치고 있다. 예를 들어, 살균, 소독 기능을 갖춘 UV 파장을 활용하여 살균기, 에어컨, 냉장고, 청소기, 칫솔 보관함, 정수기 공기청정기, 비데, 신발장, 자동차 등에 적용하여 가정 내의 건강을 유지할 수 있고, 특히, 최근 전 세계적으로 COVID-19 여파로 살균 및 소독에 대한 관심도가 높기 때문에 국내외 대기업 및 연구기관은 ‘웰빙 트렌드’에 맞춰 UV 광파장을 가전제품 및 공공장소에 위치한 제품들에 적용하는 사례들이 늘고 있는 만큼 향후 관련 시장의 지속적인 성장이 예상된다.
UV 광원의 활용도가 점차 높아짐에 따라 UV 광원의 감지와 세기를 정확하게 측정하고 실시간으로 모니터링하는 과정이 필수적인 단계가 이르렀으며, 이를 위해서는 고감도 고성능 UV 광검출기 (photodetector ,PD)가 필요하다.
UV PD에서 가장 중요한 부분은 UV를 흡수하여 광전하를 발생시킬 수 있는 활성층으로 UV 파장과 유사한 energy bandgap을 갖는 반도체를 활성층으로 사용할 경우, UV 검지력을 높일 수 있다. 다양한 반도체 소재 중 AlGaN 반도체는 Al 조성비에 따라 3.4 eV ~ 6.0 eV까지 넓은 energy bandgap 조절 가능하여 가시광 파장의 빛을 흡수하지 않고 다양한 파장 대역의 UV 빛을 선택적으로 흡수하는 특성을 가지고 있어 UV PD로서 적합한 물질로 여겨지고 있다.
또한, 기존의 화합물 반도체(GaAs, InP 등) 비해 UV 영역에 응답성이 매우 크고 높은 열전도도, 온도 안정성, 전자 이동도, 전자 포화 속도, 높은 항복 전계 등의 특성에서도 뛰어난 장점을 지니고 있어 고주파 및 고온, 고출력 전자소자, 빠른 스위칭을 요구하는 분야에 이용이 가능하다.
본 발명은 반도체 기판과 쇼트키 금속 박막 사이에 AZO 층을 증착하여 계면 상태 밀도를 감소시켜 GaN 포토다이오드의 효율을 극대화시킨 자외선 광 검출기를 제공하고자 한다.
상기 과제를 해결하기 위하여,
본 발명은 일실시예에서, 반도체 기판; 상기 반도체 기판 상의 AZO 층; 상기 AZO 층 상의 쇼트키 전극 층; 및, 상기 반도체 기판 상의 AZO 층과 이격된 오믹 전극 층을 포함하는 자외선 광 검출기를 제공한다.
상기 반도체 기판은 GaN(질화갈륨)을 포함하는 것일 수 있다.
상기 AZO 층은 계면 상태 밀도를 줄여 응답도를 증가시키는 것일 수 있다.
상기 자외선 광 검출기는 400 nm 이하의 자외선 파장대의 광 검출이 가능한 것일 수 있다.
또한, 본 발명은 일시시예에서, 반도체 기판을 준비하는 단계; 상기 반도체 기판 상면의 일부에 AZO 층을 증착하는 단계; 상기 AZO 층 상에 쇼트키 전극 층을 증착하는 단계; 및, 상기 반도체 기판 상면의 일부에 상기 AZO 층과 이격된 오믹 전극 층을 증착하는 단계를 포함하는 자외선 광 검출기의 제조방법을 제공한다.
상기 쇼트키 전극 층 및 오믹 전극 층은 포토-리소그래피(phoro lithography)공정을 통해서 증착하는 것일 수 있다.
상기 반도체 기판은 GaN을 포함하는 것일 수 있다.
본 발명에 따른 자외선 광 검출기는 반도체와 쇼트키 금속 박막 사이에 AZO 층을 증착하여 계면 상태 밀도를 감소시킴으로써 GaN 포토다이오드의 효율을 극대화 시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 자외선 광 검출기는 400 nm 이하의 자외선 파장대에서 광 검출기의 응답도(Responsivity)와 검출도(detectivity)의 효율이 높다.
도 1a 내지 1c는 본 발명에 따른 자외선 광검출기의 제조과정 설명하기 위한 단면도를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 있어서, AZO 유무에 따른 계면 상태 밀도 그래프를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 있어서, 포터 커런트와 다크 커런트의 비율 그래프를 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 있어서, AZO 층의 유무에 따른 응답도와 검출도 그래프를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 있어서, AZO 유무에 따른 계면 상태 밀도 그래프를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 있어서, 포터 커런트와 다크 커런트의 비율 그래프를 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 있어서, AZO 층의 유무에 따른 응답도와 검출도 그래프를 나타낸 것이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 구체적으로 설명하고자 한다.
그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
종래 GaN 기반 포토다이오드의 경우 GaN 기판의 스레딩 전위(threading dislocation)에 의해 표면 결함이 많이 생겨, 전자-홀 표면 재결합이 발생하여 포토다이오드의 효율이 감소된다. 또한 계면 상태 밀도가 큰 경우에는 전자-홀 재결함이 증가하게 되며 이는 광검출기의 응답도(Responsivitiy)를 감소시켜 성능 저하의 원인이 된다.
상기 문제를 해결하기 위하여, 본 발명은 반도체와 쇼트키 금속 박막 사이에 AZO 층을 증착하여 계면 상태 밀도를 감소시켜 GaN 포토다이오드의 효율을 극대화 시킬 수 있다.
이하, 본 발명에 대하여 구체적으로 설명하기로 한다.
본 발명은 반도체 기판; 상기 반도체 기판 상의 AZO(Aluminum zinc oxide) 층; 상기 AZO 층 상의 쇼트키 전극 층; 및, 상기 반도체 기판 상의 AZO 층과 이격된 오믹 전극 층을 포함하는 자외선 광 검출기를 제공한다.
본 발명에 따른 자외선 광 검출기는 반도체 기판과 쇼트키 전극 층 사이에 AZO 층을 증착하여 계면 상태 밀도를 감소시킴으로써 GaN 포토다이오드의 효율을 극대화 시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 자외선 광 검출기는 400 nm 이하의 자외선 파장대에서 광 검출기의 응답도(Responsivity)와 검출도(detectivity)의 효율을 향상시킬 수 있다.
본 발명에 따른 자외선 광 검출기는 반도체의 밴드갭 보다 짧은 파장을 갖는 자외선이 검출기에 조사될 경우, 반도체 내에 electron와 hole pair가 형성되어 광전류가 발생될 수 있다. 쇼트키 접합 내 공핍층에 형성된 전기장은 자외선 조사에 의해 형성된 electron-hole pair를 분리, 즉 전자-전공쌍을 분리시켜 electron은 쇼트키 접합 전극 쪽으로 hole은 오믹(Ohmic) 접합 전극 쪽으로 이동시키는 driving force가 될 수 있다.
상기 AZO 층은 반도체 기판과 쇼트키 전극 층 사이의 계면에 존재하는 계면 결함(electron-hole pair의 recombination center 역할)을 passivation 하는 역할을 하게 되어, AZO가 없는 소자보다 더 많은 electron-hole pair가 전극으로 이동하게 되어 더 많은 광전류가 발생하게 될 수 있다(소자의 감도 증가).
상기 반도체 기판은 GaN(질화갈륨)을 포함하는 것일 수 있다.
상기 쇼트키 전극 층은 반도체의 일함수(workfunction) 보다 큰 일함수를 갖는 물질을 쇼트키 전극 층 물질로 포함할 수 있고, 예를 들어, 상기 쇼트키 전극 층은 NBe, Co, Ni, Ge, Se, Ru, Rh, Pd, Te, Re, Os, Ir, Pt 및 Au 중 하나 이상을 포함하는 단일층 또는 이를 포함하고 있는 다층 박막일 수 있다.
상기 오믹 전극 층은 반도체의 일함수(workfunction) 보다 작은 일함수를 갖는 물질을 오믹 전극 층 물질로 포함할 수 있고, 예를 들어, 상기 오믹 전극 층은 Li, Na, Mg, Al, K, Ca, Sc, Ti, C, Cr, Mn, Fe, Cu, Zn, Ga, As, Rb, Sr, Y, Zr, Nb, Mo, Ag, Cd, In, Sn, Sb, Cs, Ba, La, Fh, Ta, W, Hg, Tl, Pb, Bi, 및 Th 중 하나 이상을 포함하는 단일층 또는 이를 포함하고 있는 다층 박막일 수 있다.
본 발명은 상기 반도체 기판과 쇼트키 금속의 접합에서 나타나는 쇼트키 장벽을 이용한 광 검출기에서, 광 흡수율을 향상시키고 계면 상태 밀도를 감소시키기 위하여 상기 반도체 기판과 쇼트기 금속 사이에 AZO 층을 형성하는 것일 수 있다.
상기 AZO 층은 계면 상태 밀도를 줄여 응답도를 증가시키는 것일 수 있다.
상기 자외선 광 검출기는 400 nm 이하, 예를 들어, 100 내지 400 nm의 자외선 파장대의 광 검출이 가능한 것일 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 자외선 광 검출기는 400 nm 이하의 자외선 파장대에서 광 검출기의 응답도(Responsivity)와 검출도(detectivity)의 효율이 높은 것일 수 있다.
또한, 본 발명은 반도체 기판을 준비하는 단계; 상기 반도체 기판 상면의 일부에 AZO 층을 증착하는 단계; 상기 AZO 층 상에 쇼트키 전극 층을 증착하는 단계; 및, 상기 반도체 기판 상면의 일부에 상기 AZO 층과 이격된 오믹 전극 층을 증착하는 단계를 포함하는 자외선 광 검출기의 제조방법을 제공한다.
도 1a 내지 1c는 본 발명의 자외선 광검출기의 제조방법에 따른 단면도를 나타낸 것이다.
도 1a 내지 1c를 참조하면, 우선, 반도체 기판(110)을 준비할 수 있다. 상기 반도체 기판은 GaN을 포함하는 것일 수 있다.
상기 반도체 기판(110) 상면의 일부에 AZO 층(120)을 증착하는 것일 수 있다. 이때, 상기 AZO 층(120)이 증착되지 않은 반도체 기판(110)의 상면의 일부를 노출하는 것일 수 있다.
상기 AZO 층(120) 상에 포토-리소그래피(phoro lithography)공정을 통해서 쇼트키 전극 층(130)을 증착하는 것일 수 있다.
본 발명에 따른 자외선 광 검출기는 반도체 기판(110)과 쇼트키 전극 층(130) 사이에 AZO 층(120)을 증착하여 계면 상태 밀도를 감소시킴으로써 400 nm 이하의 자외선 파장대에서 광 검출기의 응답도(Responsivity)와 검출도(detectivity)의 효율을 향상시키는 것일 수 있다.
상기 반도체 기판(110) 상면의 노출된 일부에 상기 AZO 층(120)과 이격되어 오믹 전극 층(140)을 증착하는 것일 수 있다. 상기 오믹 전극 층(140)은 포토-리소그래피 공정을 통해서 증착하는 것일 수 있다.
이하 본 발명에 따르는 실시예 등을 통해 본 발명을 보다 상세히 설명하나, 본 발명의 범위가 하기 제시된 실시예에 의해 제한되는 것은 아니다.
[실시예]
본 발명의 실시예에서는, 반도체 기판(n-type GaN : 도핑 농도 4E17cm-3)을 준비하고, 상기 반도체 기판 상면의 일부에 두께 35 nm의 AZO 층을 증착하였다. 다음으로, 상기 AZO 층 상에 쇼트키 전극 층으로 Au(금)를 30 nm 두께로 증착하였으며, 상기 반도체 기판 상면의 일부에 상기 AZO 층과 이격된 위치에 오믹 전극 층으로 Ti(25 nm)와 Al(100 nm)을 순차적 증착한 후 650℃에서 30 분간 열처리하여 자외선 광 검출기를 제조하였다.
비교예로는, 상기 AZO 층을 제외하고, 나머지는 동일한 조건으로 광 검출기를 제조하였다.
상기 AZO 층의 유무에 따른 실시예 및 비교예의 특성을 비교하였다.
도 2는 AZO 유무에 따른 계면 상태 밀도 그래프를 나타낸 것이다. 도 2에 나타낸 바와 같이, AZO 층이 있을 경우 계면 상태 밀도가 확연히 낮아짐을 알 수 있었다.
도 3은 포터 커런트와 다크 커런트의 비율 그래프를 나타낸 것이다. 도 3에 나타낸 바와 같이, AZO 층의 유무에 따라 최대 100 배 이상 차이가 나는 것을 확인할 수 있었다.
도 4는 AZO 층의 유무에 따른 응답도와 검출도 그래프를 나타낸 것이다. 도 4에 나타낸 바와 같이, AZO 층이 증착된 경우 400 nm 이하의 광 검출에서 성능 개선이 확연히 나타나는 것을 알 수 있었다.
110: 반도체 기판
120: AZO 층
130: 쇼트키 전극 층
140: 오믹 전극 층
120: AZO 층
130: 쇼트키 전극 층
140: 오믹 전극 층
Claims (7)
- 반도체 기판;
상기 반도체 기판 상의 AZO 층;
상기 AZO 층 상의 쇼트키 전극 층; 및,
상기 반도체 기판 상의 AZO 층과 이격된 오믹 전극 층을 포함하는 자외선 광 검출기.
- 제 1 항에 있어서,
상기 반도체 기판은 GaN(질화갈륨)을 포함하는 것을 특징으로 하는 자외선 광 검출기.
- 제 1 항에 있어서,
상기 AZO 층은 계면 상태 밀도를 줄여 응답도를 증가시키는 것을 특징으로 하는 자외선 광 검출기.
- 제 1 항에 있어서,
상기 자외선 광 검출기는 400 nm 이하의 자외선 파장대의 광 검출이 가능한 것을 특징으로 하는 자외선 광 검출기.
- 반도체 기판을 준비하는 단계;
상기 반도체 기판 상면의 일부에 AZO 층을 증착하는 단계;
상기 AZO 층 상에 쇼트키 전극 층을 증착하는 단계; 및,
상기 반도체 기판 상면의 일부에 상기 AZO 층과 이격된 오믹 전극 층을 증착하는 단계를 포함하는 자외선 광 검출기의 제조방법.
- 제 5 항에 있어서,
상기 쇼트키 전극 층 및 오믹 전극 층은 포토-리소그래피(phoro lithography)공정을 통해서 증착하는 것을 특징으로 하는 자외선 광 검출기의 제조방법.
- 제 5 항에 있어서,
상기 반도체 기판은 GaN을 포함하는 것을 특징으로 하는 자외선 광 검출기의 제조방법.
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