KR20230127127A - Ag2O/β-Ga2O3 heterojunction based solar blind photodetector and method of fabricating the same - Google Patents
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Abstract
본 발명은 이종 접합 기반 태양광 블라인드 광검출기에 관한 것이다. 산화은/β-산화갈륨 이종접합 기반 태양광 블라인드 광검출기 제조 방법은 제1 도전형 β-산화갈륨 웨이퍼상에 제1 도전형 β-산화갈륨 에피층을 성장시키는 단계, 상기 제1 도전형 β-산화갈륨 웨이퍼를 챔버에 위치시키는 단계, 불활성 가스 및 산소 가스의 혼합 분위기에서 상기 제1 도전형 β-산화갈륨 에피층상에 제2 도전형의 산화은 박막을 증착하는 단계, 상기 스퍼터링 챔버로의 산소 공급을 차단하는 단계 및 불활성 가스 분위기에서 상기 제2 도전형의 산화은 박막상에 은 박막을 증착하여 전면 전극을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.The present invention relates to a heterojunction based solar blind photodetector. A method for manufacturing a solar blind photodetector based on a silver oxide/β-gallium oxide heterojunction includes growing a first conductivity type β-gallium oxide epitaxial layer on a first conductivity type β-gallium oxide wafer, the first conductivity type β-gallium oxide epitaxial layer. Placing a gallium oxide wafer in a chamber, depositing a silver oxide thin film of a second conductivity type on the first conductivity type β-gallium oxide epitaxial layer in a mixed atmosphere of inert gas and oxygen gas, supplying oxygen to the sputtering chamber and forming a front electrode by depositing a silver thin film on the second conductive silver oxide thin film in an inert gas atmosphere.
Description
본 발명은 이종 접합 기반 태양광 블라인드 광검출기에 관한 것이다.The present invention relates to a heterojunction based solar blind photodetector.
자외선(Ultraviolet, 이하 UV)은 인간 활동의 다양한 영역, 예를 들어, 박테리아 살균, 비타민 D 형성 촉진, 환경 모니터링 등에서 광범위하게 사용된다. UV는 280-10nm 파장 범위의 UVC, 320-280nm 파장 범위의 UVB, 및 400-320nm 파장 범위의 UVA로 분류될 수 있다. 특히, UVC는 다른 파장의 신호에 비해 주변 영역의 다른 신호로부터의 간섭과 잡음이 적어, 예를 들어, 부분 방전 경보기 및 미사일 탐지용 군용 레이더와 같이, 산업 및 안전 분야에서 널리 사용된다. Ultraviolet (UV) is widely used in various areas of human activity, such as sterilizing bacteria, promoting vitamin D formation, and monitoring the environment. UV can be classified into UVC in the 280-10 nm wavelength range, UVB in the 320-280 nm wavelength range, and UVA in the 400-320 nm wavelength range. In particular, UVC has less interference and noise from other signals in the surrounding area than signals of other wavelengths, and is widely used in industrial and safety fields, such as partial discharge detectors and military radars for missile detection.
또한 280~200nm 파장 범위의 심자외선(Deep-Ultraviolet, 이하 DUV)은 눈과 피부에 치명적인 손상을 주고 노화를 촉진시키는 것으로 잘 알려져 있다. DUV 광검출기를 실제 현장에 적용하기 위해서, 빠른 응답속도 및 높은 광응답성(photoresponsivity)과 같은 높은 수준의 센싱 성능, 선택성(selectivity) 및 안정성(stability)이 요구된다. 다양한 DUV 광검출기 중에서 자체 전원식 광검출기는 우수한 신뢰성(reliability), 외부 전원이 필요하지 않음 및 효율성으로 인해 수많은 민간, 생물학, 군사, 천문학 및 환경 모니터링 분야에서 광범위하게 사용되어 왔다. 반도체 재료는 광 신호를 전기 신호로 변환하는 광전 효과(photoelectric effect)를 기반으로 다양한 파장의 빛을 감지하고 측정할 수 있다.In addition, deep-ultraviolet (DUV) in the wavelength range of 280 to 200 nm is well known to cause fatal damage to eyes and skin and accelerate aging. In order to apply DUV photodetectors to actual sites, high-level sensing performance such as fast response speed and high photoresponsivity, selectivity, and stability are required. Among various DUV photodetectors, self-powered photodetectors have been widely used in numerous civil, biological, military, astronomy and environmental monitoring fields due to their excellent reliability, no need for an external power source, and efficiency. Semiconductor materials can sense and measure light of various wavelengths based on a photoelectric effect that converts optical signals into electrical signals.
UV를 측정하고 검출하기 위해 GaN, ZnO, SiC와 같은 광대역 반도체 물질과 MgxZn1-xO, AlxGa1-xN, Ga2O3(4.4-5.3 eV)와 같은 일부 화합물이 사용되었습니다. 이 재료들은 높은 방사선 경도(radiation hardness )와 높은 화학적 및 열적 안정성을 가지고 있. 그러나 GaN, ZnO, SiC 기반의 UV 광검출기는 DUV에 선택적으로 반응할 수 없다. 파장이 280nm 미만인 DUV를 감지하려면 최대 4.42eV의 초광대역 밴드갭을 갖는 반도체 물질이 요구된다. 예를 들어, MgxZn1-xO 및 AlxGa1-xN은 DUV 광검출기 물질을 구성하는데 사용되었으며 이 물질들도 개선된 응답 속도와 광응답성을 제공했다. 하지만, 이 물질들은 박막을 에피택셜 성장시키기 어려운 문제를 가진다. 37% 이상의 Mg 조성을 갖는 MgxZn1-xO는 우르츠광(wurtzite)에서 암염 구조로의 상전이(phase transition)를 유도하여 다른 에피층과의 단층(dislocation) 및 결함을 생성하며, 이로 인해 광검출기의 성능이 저하된다. Al 조성이 높은 AlxGa1-xN도 단결정 박막을 형성하기 어렵다.Broadband semiconductor materials such as GaN, ZnO, SiC and some compounds such as Mg x Zn 1-x O, Al x Ga 1-x N, Ga 2 O 3 (4.4-5.3 eV) are used to measure and detect UV. It has been. These materials have high radiation hardness and high chemical and thermal stability. However, UV photodetectors based on GaN, ZnO, and SiC cannot selectively respond to DUV. Semiconductor materials with ultra-wide band gaps of up to 4.42 eV are required to detect DUVs with wavelengths less than 280 nm. For example, Mg x Zn 1-x O and Al x Ga 1-x N were used to construct DUV photodetector materials, and these materials also provided improved response speed and photoresponse. However, these materials have a problem in that it is difficult to epitaxially grow thin films. Mg x Zn 1-x O having a Mg composition of 37% or more induces a phase transition from wurtzite to rock salt structure to create dislocation and defects with other epilayers, which causes light The performance of the detector is degraded. Even Al x Ga 1-x N having a high Al composition is difficult to form a single crystal thin film.
본 발명은 외부 전원의 공급 없이도 DUV를 검출할 수 있는 자체 전원 태양광 블라인드 광검출기를 제공하고자 한다. The present invention is to provide a self-powered solar blind photodetector capable of detecting DUV without supplying an external power source.
본 발명의 일 측면에 따르면, 산화은/β-산화갈륨 이종접합 기반 태양광 블라인드 광검출기 제조 방법이 제공된다. 산화은/β-산화갈륨 이종접합 기반 태양광 블라인드 광검출기 제조 방법은 제1 도전형 β-산화갈륨 웨이퍼상에 제1 도전형 β-산화갈륨 에피층을 성장시키는 단계, 상기 제1 도전형 β-산화갈륨 웨이퍼를 챔버에 위치시키는 단계, 불활성 가스 및 산소 가스의 혼합 분위기에서 상기 제1 도전형 β-산화갈륨 에피층상에 제2 도전형의 산화은 박막을 증착하는 단계, 상기 스퍼터링 챔버로의 산소 공급을 차단하는 단계 및 불활성 가스 분위기에서 상기 제2 도전형의 산화은 박막상에 은 박막을 증착하여 전면 전극을 형성하는 단계를 포함할 수 있다. According to one aspect of the present invention, a method for manufacturing a solar blind photodetector based on silver oxide/β-gallium oxide heterojunction is provided. A method for manufacturing a solar blind photodetector based on a silver oxide/β-gallium oxide heterojunction includes growing a first conductivity type β-gallium oxide epitaxial layer on a first conductivity type β-gallium oxide wafer, the first conductivity type β-gallium oxide epitaxial layer. Placing a gallium oxide wafer in a chamber, depositing a silver oxide thin film of a second conductivity type on the first conductivity type β-gallium oxide epitaxial layer in a mixed atmosphere of inert gas and oxygen gas, supplying oxygen to the sputtering chamber and forming a front electrode by depositing a silver thin film on the second conductive silver oxide thin film in an inert gas atmosphere.
일 실시예로, 상기 제2 도전형의 산화은 박막 및 상기 은 박막은 대향 타겟 스퍼터링을 이용하여 연속적으로 증착될 수 있다. In one embodiment, the silver oxide thin film of the second conductivity type and the silver thin film may be continuously deposited using opposite target sputtering.
일 실시예로, 상기 불활성 가스 및 산소 가스의 혼합 분위기에서 상기 제1 도전형 β-산화갈륨 에피층상에 제2 도전형의 산화은 박막을 증착하는 단계에서, 상기 산소 가스의 유량은 3sccm일 수 있다. In one embodiment, in the step of depositing a silver oxide thin film of the second conductivity type on the first conductivity type β-gallium oxide epitaxial layer in a mixed atmosphere of the inert gas and oxygen gas, the flow rate of the oxygen gas may be 3 sccm. .
일 실시예로, 상기 은 박막은 표면을 균일하고 연속적으로 형성하기 위하여 임계 두께보다 두껍게 증착될 수 있다. In one embodiment, the silver thin film may be deposited thicker than a critical thickness to form a uniform and continuous surface.
일 실시예로, 상기 은 박막은 투과율을 높이며 반사율을 낮추기 위해 20nm 두께로 증착될 수 있다. In one embodiment, the silver thin film may be deposited to a thickness of 20 nm to increase transmittance and decrease reflectance.
일 실시예로, 산화은/β-산화갈륨 이종접합 기반 태양광 블라인드 광검출기 제조 방법은 상기 전면 전극이 형성된 제1 도전형 β-산화갈륨 웨이퍼를 후 열처리하는 단계를 더 포함할 수 있다. In one embodiment, the manufacturing method of the silver oxide/β-gallium oxide heterojunction-based solar blind photodetector may further include post-heating the first conductivity type β-gallium oxide wafer on which the front electrode is formed.
일 실시예로, 상기 후 열처리는 100°C 내지 350°C로 진행되는 급속 열처리일 수 있다. In one embodiment, the post heat treatment may be a rapid heat treatment performed at 100 °C to 350 °C.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 산화은/β-산화갈륨 이종접합 기반 태양광 블라인드 광검출기가 제공된다. 산화은/β-산화갈륨 이종접합 기반 태양광 블라인드 광검출기는, 제1 도전형 β-산화갈륨 웨이퍼, 상기 제1 도전형 β-산화갈륨 웨이퍼의 주면에 에피택셜 성장된 제1 도전형 β-산화갈륨 에피층, 불활성 가스 및 산소 가스의 혼합 분위기에서 상기 제1 도전형 β-산화갈륨 에피층상에 증착된 제2 도전형의 산화은 박막, 상기 불활성 가스 분위기에서 상기 제2 도전형의 산화은 박막상에 증착된 은 박막 및 상기 제1 도전형 β-산화갈륨 웨이퍼의 이면에 오믹 접촉하는 하부 전극층을 포함할 수 있다. According to another aspect of the present invention, a silver oxide/β-gallium oxide heterojunction based solar blind photodetector is provided. The silver oxide/β-gallium oxide heterojunction-based solar blind photodetector includes a first conductivity type β-gallium oxide wafer and a first conductivity type β-oxide epitaxially grown on a main surface of the first conductivity type β-gallium oxide wafer. A gallium epitaxial layer, a silver oxide thin film of the second conductivity type deposited on the β-gallium oxide epitaxial layer of the first conductivity type in a mixed atmosphere of inert gas and oxygen gas, and a silver oxide thin film of the second conductivity type deposited on the silver oxide thin film of the second conductivity type in the inert gas atmosphere. It may include a deposited silver thin film and a lower electrode layer making ohmic contact with the back surface of the first conductivity type β-gallium oxide wafer.
일 실시예로, 상기 은 박막은 상기 제2 도전형의 산화은 박막의 증착 후 스퍼터링 챔버로의 산소 공급을 차단하여 상기 제2 도전형의 산화은 박막상에 연속적으로 증착되어 형성될 수 있다. In one embodiment, the silver thin film may be formed by continuously depositing on the second conductive silver oxide thin film by blocking oxygen supply to a sputtering chamber after depositing the second conductive silver oxide thin film.
일 실시예로, 상기 산화은 박막의 두께는 50nm일 수 있다. In one embodiment, the thickness of the silver oxide thin film may be 50 nm.
일 실시예로, 상기 은 박막은 투과율을 높이며 반사율을 낮추기 위해 20nm 두께로 증착될 수 있다.In one embodiment, the silver thin film may be deposited to a thickness of 20 nm to increase transmittance and decrease reflectance.
본 발명의 실시예에 따르면, 산화은(Ag2O) 박막과 은(Ag) 박막을 단일 공정으로 형성함으로써, 산화은/β-산화갈륨 이종접합 기반 태양광 블라인드 광검출기의 성능이 크게 개선될 수 있다.According to an embodiment of the present invention, by forming a silver oxide (Ag 2 O) thin film and a silver (Ag) thin film in a single process, the performance of a silver oxide/β-gallium oxide heterojunction-based solar blind photodetector can be greatly improved. .
이하에서, 본 발명은 첨부된 도면에 도시된 실시예를 참조하여 설명된다. 이해를 돕기 위해, 첨부된 전체 도면에 걸쳐, 동일한 구성 요소에는 동일한 도면 부호가 할당되었다. 첨부된 도면에 도시된 구성은 본 발명을 설명하기 위해 예시적으로 구현된 실시예에 불과하며, 본 발명의 범위를 이에 한정하기 위한 것은 아니다. 특히, 첨부된 도면들은, 발명의 이해를 돕기 위해서, 일부 구성 요소를 다소 과장하여 표현하고 있다. 도면은 발명을 이해하기 위한 수단이므로, 도면에 표현된 구성 요소의 폭이나 두께 등은 실제 구현시 달라질 수 있음을 이해하여야 한다. 한편, 발명의 상세한 설명 전체에 걸쳐서 동일한 구성 요소는 동일한 도면 부호를 참조하여 설명된다.
도 1은 산화은/β-산화갈륨 이종접합 기반 태양광 블라인드 광검출기를 예시적으로 도시한 도면이다.
도 2는 산화은/β-산화갈륨 이종접합을 형성하는 공정을 예시적으로 도시한 흐름도이다.
도 3a 내지 도 3d는 유리 기판에 증착된 은 박막의 SEM 이미지이다.
도 4는 유리 기판에 증착된 은 박막의 X선 회절 패턴을 예시적으로 나타낸 그래프이다.
도 5는 유리 기판에 증착된 은 박막의 광학 특성을 예시적으로 나타낸 그래프이다.
도 6a 내지 도 6e는 유리 기판에 증착된 은 박막의 표면을 나타내는 AFM 이미지이다.
도 7은 후 열처리 온도에 따른 은 박막의 X선 회절 패턴을 예시적으로 나타낸 그래프이다.
도 8은 산소 유량에 따른 산화은 박막의 X선 회절 패턴을 예시적으로 나타낸 그래프이다.
도 9는 후 열처리 온도에 따른 산화은 박막의 X선 회절 패턴을 예시적으로 나타낸 그래프이다.
도 10은 산화은 박막의 이상적인 밴드갭 에너지를 예시적으로 나타낸 그래프이다.
도 11은 산화은 박막의 UV-vis 투과율 스펙트럼을 예시적으로 나타낸 그래프이다.
도 12는 은 박막의 두께에 따른 산화은/β산화갈륨 이종접합 기반 광검출기의 J-V 특성을 나타낸 그래프이다.
도 13은 은 박막의 두께에 따른 산화은/β산화갈륨 이종접합 기반 광검출기의 전기 파라미터 변화를 나타낸 그래프이다.
도 14는 산화은/β산화갈륨 이종접합의 밴드 다이어그램을 예시적으로 나타낸 도면이다.
도 15는 은 박막의 두께에 따른 Ag/Ag2O 접합의 밴드 다이어그램을 예시적으로 나타낸 도면이다.
도 16은 은 박막의 두께에 따른 산화은/β산화갈륨 이종접합 기반 광검출기의 시간 의존적 광전류 밀도를 나타낸 그래프이다.
도 17은 UV 파장에 따른 산화은/β산화갈륨 이종접합 기반 광검출기의 시간 의존적 광전류 밀도를 나타낸 그래프이다.
도 18은 UV 파장에 따른 산화은/β산화갈륨 이종접합 기반 광검출기의 응답성을 나타낸 그래프이다.
도 19는 UV 파장에 따른 산화은/β산화갈륨 이종접합 기반 광검출기의 검출성을 나타낸 그래프이다.
도 20 및 도 21은 광검출기의 시간 의존적 광전류의 상승 시간 및 하강 시간을 각각 나타낸 그래프이다.
도 22는 신제품 광검출기 및 3개월 동안 보관된 광검출기에 대해 수행된 광안정성 실험 결과를 나타낸 그래프이다.
도 23은 3개월 동안 보관된 광검출기에 대해 수행된 광안정성 실험 결과를 나타낸 그래프이다.Hereinafter, the present invention will be described with reference to embodiments shown in the accompanying drawings. For ease of understanding, like reference numerals have been assigned to like elements throughout the accompanying drawings. The configurations shown in the accompanying drawings are only exemplary implementations to explain the present invention, and are not intended to limit the scope of the present invention thereto. In particular, in the accompanying drawings, in order to help understanding of the invention, some components are somewhat exaggerated. Since the drawings are means for understanding the invention, it should be understood that the width or thickness of components represented in the drawings may vary in actual implementation. Meanwhile, like components are described with reference to like reference numerals throughout the detailed description of the invention.
FIG. 1 is a diagram illustrating an example of a solar blind photodetector based on a silver oxide/β-gallium oxide heterojunction.
2 is a flowchart illustrating a process of forming a silver oxide/β-gallium oxide heterojunction by way of example.
3A to 3D are SEM images of a silver thin film deposited on a glass substrate.
4 is a graph exemplarily illustrating an X-ray diffraction pattern of a silver thin film deposited on a glass substrate.
5 is a graph showing optical characteristics of a silver thin film deposited on a glass substrate as an example.
6A to 6E are AFM images showing the surface of a silver thin film deposited on a glass substrate.
7 is a graph exemplarily illustrating an X-ray diffraction pattern of a silver thin film according to a post-heat treatment temperature.
8 is a graph exemplarily illustrating an X-ray diffraction pattern of a silver oxide thin film according to an oxygen flow rate.
9 is a graph exemplarily illustrating an X-ray diffraction pattern of a silver oxide thin film according to a post-heat treatment temperature.
10 is a graph showing ideal bandgap energy of a silver oxide thin film as an example.
11 is a graph showing a UV-vis transmittance spectrum of a silver oxide thin film as an example.
12 is a graph showing JV characteristics of a silver oxide/β gallium oxide heterojunction-based photodetector according to the thickness of a silver thin film.
13 is a graph showing changes in electrical parameters of a silver oxide/β gallium oxide heterojunction-based photodetector according to the thickness of a silver thin film.
14 is a diagram showing a band diagram of a silver oxide/βgallium oxide heterojunction by way of example.
15 is a diagram showing a band diagram of an Ag/Ag 2 O junction according to a thickness of a silver thin film by way of example.
16 is a graph showing the time-dependent photocurrent density of a silver oxide/β gallium oxide heterojunction-based photodetector according to the thickness of a silver thin film.
17 is a graph showing time-dependent photocurrent density of a silver oxide/βgallium oxide heterojunction-based photodetector according to UV wavelength.
18 is a graph showing the response of a silver oxide/βgallium oxide heterojunction-based photodetector according to UV wavelengths.
19 is a graph showing the detectability of a silver oxide/βgallium oxide heterojunction-based photodetector according to UV wavelengths.
20 and 21 are graphs showing the rise time and fall time of the time-dependent photocurrent of the photodetector, respectively.
22 is a graph showing photostability test results performed on a new photodetector and a photodetector stored for 3 months.
23 is a graph showing the results of photostability experiments performed on photodetectors stored for 3 months.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 이를 상세한 설명을 통해 상세히 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.Since the present invention can have various changes and various embodiments, specific embodiments are illustrated in the drawings and will be described in detail through detailed description. However, this is not intended to limit the present invention to specific embodiments, and should be understood to include all modifications, equivalents, and substitutes included in the spirit and scope of the present invention.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.Terms such as first and second may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms. These terms are only used for the purpose of distinguishing one component from another.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 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.Terms used in this application are only used to describe specific embodiments, and are not intended to limit the present invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In this application, the terms "include" or "have" are intended to designate that there is a feature, number, step, operation, component, part, or combination thereof described in the specification, but one or more other features It should be understood that the presence or addition of numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof is not precluded.
층, 영역 또는 기판과 같은 요소가 다른 요소 "위(on)"에 존재하는 것으로 또는 "위로(onto)" 확장되는 것으로 기술되는 경우, 그 요소는 다른 요소의 직접 위에 있거나 직접 위로 확장될 수 있고, 또는 중간의 개입 요소가 존재할 수도 있다. 반면에, 하나의 요소가 다른 요소 "바로 위(directly on)"에 있거나 "바로 위로(directly onto)" 확장된다고 언급되는 경우, 다른 중간 요소들은 존재하지 않는다. 또한, 하나의 요소가 다른 요소에 "연결(connected)"되거나 "결합(coupled)"된다고 기술되는 경우, 그 요소는 다른 요소에 직접 연결되거나 직접 결합될 수 있고, 또는 중간의 개입 요소가 존재할 수도 있다. 반면에, 하나의 요소가 다른 요소에 "직접 연결(directly connected)"되거나 "직접 결합(directly coupled)"된다고 기술되는 경우에는 다른 중간 요소가 존재하지 않는다.When an element, such as a layer, region, or substrate, is described as being “on” or extending “onto” another element, that element may be directly on or extend directly onto the other element; , or intermediate intervening elements may exist. On the other hand, when an element is said to be "directly on" or extends "directly onto" another element, there are no other intermediate elements present. Also, when an element is described as being “connected” or “coupled” to another element, the element may be directly connected or directly coupled to the other element, or intervening elements may exist. there is. On the other hand, when an element is described as being “directly connected” or “directly coupled” to another element, there are no other intermediate elements present.
"아래의(below)" 또는 "위의(above)" 또는 "상부의(upper)" 또는 "하부의(lower)" 또는 "수평의(horizontal)" 또는 "측면의(lateral)" 또는 "수직의(vertical)"와 같은 상대적인 용어들은 여기에서 도면에 도시된 바와 같이 하나의 요소, 층 또는 영역의 다른 요소, 층 또는 영역에 대한 관계를 기술하는데 사용될 수 있다. 이들 용어들은 도면에 묘사된 방향(orientation)에 부가하여 장치의 다른 방향을 포괄하기 위한 의도를 갖는 것으로 이해되어야 한다.“below” or “above” or “upper” or “lower” or “horizontal” or “lateral” or “vertical” Relative terms such as "vertical" may be used herein to describe the relationship of one element, layer or region to another element, layer or region as shown in the figures. It should be understood that these terms are intended to encompass other orientations of the device in addition to the orientation depicted in the drawings.
이하, 본 발명의 실시예에 대해 관련 도면들을 참조하여 상세히 설명하기로 한다. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to related drawings.
도 1은 산화은/β-산화갈륨 이종접합 기반 태양광 블라인드 광검출기를 예시적으로 도시한 도면이다. FIG. 1 is a diagram illustrating an example of a solar blind photodetector based on a silver oxide/β-gallium oxide heterojunction.
도 1을 참조하면, 태양광 블라인드 광검출기(10)는 제1 도전형 산화갈륨 웨이퍼(100), 제1 도전형 산화갈륨 에피층(110), 산화은 박막(120), 은 박막(130) 및 하부 전극층(140)을 포함할 수 있다. 여기서 제1 도전형은 n형일 수 있다. Referring to FIG. 1 , the solar
제1 도전형 산화갈륨 웨이퍼(100)는 제1 도전형 도펀트로 도핑된 단결정 β-산화갈륨(β-Ga2O3)으로 형성된다. β-산화갈륨은 다른 초광대역 밴드갭 물질에 비해 상대적으로 저렴한 비용으로 쉽게 벌크 단결정으로 형성할 수 있다. 또한, β-산화갈륨은 열적 및 화학적 안정성이 우수하며, 도핑 또는 합금하지 않더라도 약 4.4 내지 약 4.8 eV의 초광대역 밴드갭을 가진다. 제1 도전형 도펀트는, 예를 들어, 주석(Sn), 규소(Si)일 수 있으며, 제1 도전형 도펀트의 농도(Nd-Na)는 약 5.8 × 1018cm-3일 수 있다. 한편, 제1 도전형 산화갈륨 웨이퍼(100)의 두께는 약 640μm일 수 있다. The first conductivity type
제1 도전형 산화갈륨 에피층(110)은 제1 도전형 산화갈륨 웨이퍼(100)의 주면에 에피택셜 성장된 제1 도전형 도펀트로 도핑된 β-산화갈륨이다. 제1 도전형 도펀트는, 예를 들어, 규소(Si)일 수 있으며, 제1 도전형 도펀트의 농도는 약 2.0 × 1016cm-3일 수 있다. 한편, 제1 도전형 산화갈륨 에피층(110)의 두께는 약 9.2μm일 수 있다. 제1 도전형 산화갈륨 에피층(110)은, 예를 들어, HVPE(Halide vapor phase epitaxy), MOCVD(Metalorganic chemical vapor deposition), Mist CVD, MBE(Molecular Beam Epitaxy), PLD(Pulsed laser deposition) 등에 의해 증착될 수 있다. The first conductivity-type gallium
하부 전극층(140)은 제1 도전형 산화갈륨 웨이퍼(100)의 이면에 형성된 오믹 컨택층이다. 하부 전극층(140)은, 예를 들어, 티타늄(Ti)과 금(Au)을 순서대로 전자 빔 증발(Electron-beam evaporation)에 의해 제1 도전형 산화갈륨 웨이퍼(100)의 이면에 증착시켜 형성될 수 있다. 여기서, Ti층의 두께는 약 10nm이며, Au층의 두께는 약 40nm일 수 있다.The
산화은 박막(120)은 제1 도전형 산화갈륨 에피층(110)상에 증착되며, 제2 도전형 층이다. 여기서 제2 도전형은 p형일 수 있다. 은 박막(130)은 산화은 박막(120) 상에 형성된 상부 전극층이다. 대부분의 포토다이오드는 금속 박막을 상부 전극으로 사용한다. 구리(Cu), 은(Ag), 금(Au)과 같은 금속 박막은 전기 전도성과 광학적 성능이 우수하여 널리 사용되어 왔다. 그러나 금은 고가의 물질이며 구리는 대기 중에서 쉽게 산화된다. 따라서 이들 재료 중 은 박막(130)은 광전자공학의 전극에 적합하며 널리 사용되고 있다. 은 박막(130)의 특성은 일반적으로 두께에 의존한다. 은 박막(130) 두께가 증가할수록 표면 구조가 거칠어지고, 거친 표면은 빛의 산란으로 인한 광학 손실을 일으킬 수 있다. The silver oxide
산화은 박막(120)과 은 박막(130)은 1회의 스퍼터링 공정, 예를 들어, 대향 타겟 스퍼터링(Facing target sputtering, FTS)에 의해 연속적으로 형성될 수 있다. FTS는 플라즈마에 의한 기판 손상을 최소화하면서도 높은 이온화 속도를 통해 고품질의 산화은 박막(120) 및 은 박막(130) 형성을 가능하게 한다. 산화은 박막(120)은 은을 산소와 반응시키는 반응성 스퍼터링에 의해 형성될 수 있다. 은은 산소와 반응하여 Ag2O, AgO, Ag2O3, Ag3O4와 같은 다양한 상을 형성할 수 있다. 이중에서 Ag2O는 Cu2O와 같은 입방체 구조를 가지며, 일반적으로 P형 반도체 특성을 나타낸다. 본 명세서에서 산화은은 Ag2O를 지칭하기 위해 사용한다.The silver oxide
산화은 박막(120)과 은 박막(130)은 섀도우 마스크에 의해 패터닝되며, 예시된 구조에서는 반경이 약 300μm인 원형상으로 형성되었다. 산화은 박막(120)의 두께 Tag2o는 약 50nm이며, 은 박막(130)의 두께 Tag는 Tag2o의 약 20% 내지 약 80%일 수 있다. 산화은 박막(120)의 두께 Tag2o가 50nm 이상이 되면, 산화물 형태가 아닌 은 박막으로 변환될 수 있다. 따라서 산화물 형태를 유지할 수 있는 최대 두께는 약 50nm이다.The silver oxide
도 2는 산화은/β-산화갈륨 이종접합을 형성하는 공정을 예시적으로 도시한 흐름도이다.2 is a flowchart illustrating a process of forming a silver oxide/β-gallium oxide heterojunction by way of example.
단계 200에서, 제1 도전형 산화갈륨 에피층(110)이 형성된 제1 도전형 산화갈륨 웨이퍼(100)를 FTS의 챔버에 위치시킨다. 산화은 박막(120)과 은 박막(130)을 패터닝하기 위한 섀도우 마스크는 제1 도전형 산화갈륨 에피층(110) 상부에 배치된다. 새도우 마스크에 의해, 약 300μm의 반경을 가진 원형상을 가지며, 서로 이격된 복수의 원형상 산화은 박막(120)이 제1 도전형 산화갈륨 에피층(110) 상에 증착될 수 있다. 약 2 mTorr의 작동 압력이 적용된 챔버 내에서, 산소 가스 및 불활성 가스, 예를 들어, 아르곤의 혼합 분위기에서 은 타겟을 이용한 반응성 스퍼터링이 진행된다. In
단계 210에서, 산화은 박막(120)의 두께 Tag2o가 약 50nm가 되면, 은 타겟을 이용한 스퍼터링은 계속 진행하되 산소 공급은 중단하여 아르곤 분위기에서 진행한다. 이로 인해 산화은 박막(120) 상에 은 박막(130)이 연속적으로 적층될 수 있다. 작동 압력 및 아르곤의 가스 유량은 산화은 박막(120)의 형성 과정에서의 작동 압력 및 가스 유량과 동일한 반면, 은 박막(130) 형성에 적용되는 입력 전력은 산화은 박막(120)의 형성에 적용된 입력 전력보다 작을 수 있다. 스퍼터링 시간을 조절하여 은 박막(130)의 두께 Tag를 Tag2o의 약 20% 내지 약 80%가 되도록 한다.FTS를 이용한 산화은 박막 및 은 박막은의 연속 증착은 증착된 박막에 발생하는 결함 및 공정에 소요되는 시간도 크게 감소시킬 수 있다. 산화은 박막 증착 후 다른 금속 박막을 증착하기 위해 챔버를 개방하면, 박막 증착 조건이 변하게 되며, 불순물이 챔버 내로 유입될 수도 있다. 반면, 산화은 박막 증착 후 연속적으로 은 박막을 증착하면, 챔버를 개방할 필요가 없어지기 때문에, 박막 증착 조건을 안정적으로 유지할 수 있을 뿐 아니라, 불순물 농도도 낮을 수 있다. 또한, FTS를 이용한 연속 증착에 의해 형성된 산화은 박막과 은 박막은 동일 계열의 재료여서 양 박막간 접착력이 매우 우수하다.In
단계 220에서, 은 박막(130)까지 형성된 제1 도전형 산화갈륨 웨이퍼(100)를 후 열처리(Post annealing)한다. 후 열처리는 아르곤 분위기에서 약 100 mTorr 압력으로 약 100 내지 약 400°C에서 약 1분간 수행되는 급속 열처리(Rapid Thermal Annealing)이다. 바람직하게, 급속 열처리 온도는 약 300°C 내지 약 350°C일 수 있다. In
도 3a 내지 도 3d은 유리 기판에 증착된 은 박막의 SEM 이미지이다.3A to 3D are SEM images of a silver thin film deposited on a glass substrate.
은 박막의 두께 Tag는 약 10nm부터 약 10nm씩 증가되었다. (a)의 SEM 이미지를 보면, 약 10nm 두께의 은 박막은 균일한 표면을 형성하지 않았다. 기판에서 성장한 금속 기반 박막은 일반적으로 공정 중에 핵 생성(nucleation), 유착(coalescence) 및 두께 성장(thickness growth)과 같은 여러 단계를 거친다. 금속의 초기 성장은 금속 박막의 낮은 접착력으로 인해 Volmer-Weber 모드에 따라 고립된 3차원 섬을 형성한다. 이러한 특성으로 인해 기판의 금속 박막은 임계 두께(threshold thickness)를 갖는다. 임계 두께는 연속된 박막으로 제작할 수 있는 최소 두께인 약 10nm 내지 약 15nm이다. (b) 내지 (d)의 SEM 이미지를 보면, 임계 두께 이상의 두께인 약 20nm 내지 약 40nm의 은 박막은 균일한 표면과 연속된 박막 형태를 나타낸다. 약 10nm 두께의 은 박막과 같이 불연속 및 불균일한 박막은 거친 표면 형태에 의한 높은 광 반사 또는 산란으로 인해 광검출기의 광응답성에 영향을 미칠 수 있다. The thickness T ag of the silver thin film was increased by about 10 nm from about 10 nm. Looking at the SEM image of (a), the silver thin film with a thickness of about 10 nm did not form a uniform surface. Metal-based thin films grown on substrates generally go through several steps during processing, such as nucleation, coalescence, and thickness growth. The initial growth of the metal forms isolated three-dimensional islands according to the Volmer-Weber mode due to the low adhesion of the metal film. Due to these characteristics, the metal thin film of the substrate has a threshold thickness. The critical thickness is about 10 nm to about 15 nm, which is the minimum thickness that can be fabricated as a continuous thin film. Looking at the SEM images of (b) to (d), the silver thin film having a thickness greater than the critical thickness of about 20 nm to about 40 nm shows a uniform surface and a continuous thin film shape. Discontinuous and non-uniform thin films, such as a silver thin film with a thickness of about 10 nm, may affect the photoresponse of the photodetector due to high light reflection or scattering due to the rough surface morphology.
도 4는 유리 기판에 증착된 은 박막의 X선 회절 패턴을 예시적으로 나타낸 그래프이다. 4 is a graph exemplarily illustrating an X-ray diffraction pattern of a silver thin film deposited on a glass substrate.
X선 회절계(SmartLab, Rigaku)를 사용하여 결정학적 특성을 측정하면, 은 박막은 다결정 구조를 나타낸다. 2θ= 약 38.5°, 약 44.8°, 약 64.9° 및 약 77.7°에서 나타나는 은 피크는 각각 (111), (200), (220) 및 (311) 평면(ICDD 카드 01-087-0720))에 해당한다. XRD 패턴에서는 은 박막의 두께에 따른 급격한 변화가 관찰되지 않았다. When crystallographic properties are measured using an X-ray diffractometer (SmartLab, Rigaku), the silver thin film exhibits a polycrystalline structure. The silver peaks appearing at 2θ = about 38.5°, about 44.8°, about 64.9° and about 77.7° lie in the (111), (200), (220) and (311) planes (ICDD card 01-087-0720), respectively. applicable In the XRD pattern, no drastic change was observed according to the thickness of the silver thin film.
Scherrer 방정식을 사용하여 (111) 평면에서 은 박막의 두께에 따른 결정 크기(crystallite sizes)를 다음과 같이 계산할 수 있다. Crystallite sizes according to the thickness of the silver thin film in the (111) plane can be calculated using the Scherrer equation as follows.
여기서 β는 반치폭(full width at half-maximum, FWHM), τ는 결정 크기, λ는 X선 파장(=0.15406nm), θ는 브래그 각, K는 Scherrer 상수(0.9)2이다. 표 2에 정리된 바와 같이, 결정 크기는 막 두께에 따라 증가함을 확인하였다.Here, β is the full width at half-maximum (FWHM), τ is the crystal size, λ is the X-ray wavelength (=0.15406 nm), θ is the Bragg angle, and K is the Scherrer constant (0.9) 2 . As summarized in Table 2, it was confirmed that the crystal size increased with the film thickness.
도 5는 유리 기판에 증착된 은 박막의 광학 특성을 예시적으로 나타낸 그래프이다. 도 5를 참조하면, 은 박막의 투과율은 두께 Tag가 증가할수록 감소하는 경향을 나타낸다. 약 260nm 파장부터 증가하기 시작한 은 박막의 투과율은, 약 320nm 파장 부근에서 감소하기 시작한다. 약 320nm 파장 부근에서 두께 Tag별 최대 투과율은 두께 Tag가 증가할수록 작아진다. 즉, 두께 Tag가 작을수록 반사율이 낮아져서 광학 손실이 적음을 확인할 수 있다.5 is a graph showing optical characteristics of a silver thin film deposited on a glass substrate as an example. Referring to FIG. 5 , the transmittance of the silver thin film tends to decrease as the thickness T ag increases. The transmittance of the silver thin film, which starts to increase at a wavelength of about 260 nm, starts to decrease around a wavelength of about 320 nm. In the vicinity of a wavelength of about 320 nm, the maximum transmittance per thickness T ag decreases as the thickness T ag increases. That is, it can be confirmed that the smaller the thickness T ag is, the lower the reflectance is and thus the smaller the optical loss.
도 6a 내지 도 6e는 유리 기판에 증착된 은 박막의 표면을 나타내는 AFM 이미지이다.6A to 6E are AFM images showing the surface of a silver thin film deposited on a glass substrate.
도 6a 내지 도 6d는 1 × 1 μm2의 스캔 영역으로 AFM을 사용하여 얻은 약 10nm, 약 20nm, 약 30nm 및 약 40nm 두께를 가진 은 박막의 표면을 나타낸다. 모든 샘플은 균일하고 매끄러운 표면 형태를 나타낸다. RMS(root-mean-square) 표면 거칠기 범위는 약 10nm 내지 약 40nm 은 박막의 경우 약 0.8nm 내지 약 1.2nm이다. RMS 표면 거칠기는 은 박막의 두께가 증가함에 따라 단조롭게 증가한다. 6a to 6d show surfaces of silver thin films with thicknesses of about 10 nm, about 20 nm, about 30 nm, and about 40 nm obtained using AFM with a scan area of 1×1 μm 2 . All samples exhibit uniform and smooth surface morphology. The root-mean-square (RMS) surface roughness ranges from about 0.8 nm to about 1.2 nm for about 10 nm to about 40 nm silver thin films. The RMS surface roughness increases monotonically as the thickness of the silver thin film increases.
반면, 도 6e는 5 × 5 μm2의 스캔 영역으로 AFM을 사용하여 얻은 약 10nm 두께를 가진 은 박막의 표면을 나타낸다. 스캔 영역을 확대하면, 은 박막은 불균일한 구조와 거친 표면을 나타냄을 알 수 있다. 약 10nm 두께를 가진 은 박막의 RMS 표면 거칠기는 약 5.9nm였다. 이는 연속적인 박막 형성에 필요한 임계 두께보다 낮은 약 10nm의 두께로 은이 증착되었기 때문이다. 상부 전극 박막의 거친 표면 형태는 반사 또는 산란과 같은 광학 손실을 일으키며, 그로 인한 손실은 광응답 특성에 부정적인 영향을 미칠 수 있다.On the other hand, Fig. 6e shows the surface of a silver thin film with a thickness of about 10 nm obtained using AFM with a scan area of 5 × 5 μm 2 . When the scan area is enlarged, it can be seen that the silver film exhibits an inhomogeneous structure and a rough surface. The RMS surface roughness of the silver thin film having a thickness of about 10 nm was about 5.9 nm. This is because silver was deposited to a thickness of about 10 nm, which is lower than the critical thickness required for continuous thin film formation. The rough surface shape of the upper electrode thin film causes optical loss such as reflection or scattering, and the resulting loss may negatively affect photoresponse characteristics.
도 7은 후 열처리 온도에 따른 은 박막의 X선 회절 패턴을 예시적으로 나타낸 그래프이다.7 is a graph exemplarily illustrating an X-ray diffraction pattern of a silver thin film according to a post-heat treatment temperature.
은 박막에 대한 후 열처리 효과는 다양한 온도로 후 열처리된 샘플로부터 획득한 X선 회절 패턴으로 확인할 수 있다. 약 40nm 두께의 은 박막을 약 100°C 내지 약 400°C로 후 열처리하였다. 후 열처리에 의해 은 박막의 결정성이 향상되었음을 알 수 있다. 후 열처리하지 않은 은 박막과 후 열처리된 은 박막을 비교하면, 후 열처리된 은 박막이 상대적으로 높은 피크 강도를 나타냄을 알 수 있다. 반면, 서로 다른 온도로 후 열처리된 은 박막 사이에서, X선 회절 패턴의 큰 변화는 관찰되지 않는다. 다시 말해, 후 열처리 온도는 은 박막의 특성에 크게 영향을 미치지 않음을 알 수 있다. 열처리 온도가 높을수록, 표면 오염 및 산소 결손(oxygen vacancy)을 제거하여 계면 결함 또는 트랩이 감소할 수 있다. The post-heat treatment effect on the silver thin film can be confirmed by X-ray diffraction patterns obtained from samples post-heat treated at various temperatures. A silver thin film with a thickness of about 40 nm was post-annealed at about 100 °C to about 400 °C. It can be seen that the crystallinity of the silver thin film is improved by the post heat treatment. Comparing the silver thin film without post-heat treatment and the post-heat treatment silver film, it can be seen that the post-heat treatment silver thin film exhibits a relatively high peak intensity. On the other hand, no significant change in X-ray diffraction pattern was observed between silver thin films post-heated at different temperatures. In other words, it can be seen that the post-heat treatment temperature does not significantly affect the characteristics of the silver thin film. As the heat treatment temperature is higher, interfacial defects or traps may be reduced by removing surface contamination and oxygen vacancies.
도 8은 산소 유량에 따른 산화은 박막의 X선 회절 패턴을 예시적으로 나타낸 그래프이다.8 is a graph exemplarily illustrating an X-ray diffraction pattern of a silver oxide thin film according to an oxygen flow rate.
도 8을 참조하면, 0sccm 내지 약 5 sccm 범위에서 산소 유량을 변경하여 증착된 산화은 박막의 XRD 패턴이 예시되어 있다. 여기서, ●는 Ag2O 피크, ▲는 Ag 피크, 그리고 ■는 AgO 피크를 각각 나타낸다. 산소 유량이 0 sccm에서, 참조 데이터(ICDD 카드 01-087-0720)에 따라, 은 피크는 각각 (111), (200), (220) 및 (311) 평면에 해당하는 2θ= 38.2°, 44.4°, 64.6° 및 77.6°에서 나타난다. 산소 유량이 약 2sccm에서, 은 피크의 강도가 감소하고 2θ= 33.6°에서 Ag2O(ICDD 카드 01-072-2108)의 (100) 평면이 추가로 나타나 Ag2O와 Ag의 혼합상이 나타난다. 또한, 산소 유량이 약 3sccm에서, Ag2O의 (100) 및 (011) 평면을 나타내는 넓은 피크가 다른 불순물 없이 2θ= 33.6° 및 38.4°에서 나타난다. 산소 유량이 약 4sccm에서 약 5sccm으로 증가함에 따라, Ag2O 피크는 사라지며, AgO(JCPDS 카드 75-0969)에 해당하는 새로운 피크가 2θ= 32.3° 및 35.6°에서 나타난다. 산소 유량이 증가하면 Ag와 O 사이의 화학 결합이 추가로 생성되어 AgO 피크가 발생한다. 따라서, 산소 유량은 약 2sccm 내지 약 4sccm사이에서 조절되며, 바람직하게는 약 3sccm으로 조절될 수 있다.Referring to FIG. 8 , an XRD pattern of a silver oxide thin film deposited by changing an oxygen flow rate in the range of 0 sccm to about 5 sccm is illustrated. Here, ● represents an Ag 2 O peak, ▲ represents an Ag peak, and ■ represents an AgO peak. At an oxygen flow rate of 0 sccm, according to the reference data (ICDD card 01-087-0720), the silver peaks lie at 2θ = 38.2°, 44.4 corresponding to the (111), (200), (220) and (311) planes, respectively. °, 64.6° and 77.6°. At an oxygen flow rate of about 2 sccm, the intensity of the silver peak decreases and a (100) plane of Ag 2 O (ICDD card 01-072-2108) additionally appears at 2θ = 33.6°, indicating a mixed phase of Ag 2 O and Ag. In addition, at an oxygen flow rate of about 3 sccm, broad peaks representing the (100) and (011) planes of Ag 2 O appear at 2θ = 33.6° and 38.4° without other impurities. As the oxygen flow rate increases from about 4 sccm to about 5 sccm, the Ag 2 O peak disappears, and new peaks corresponding to AgO (JCPDS card 75-0969) appear at 2θ = 32.3° and 35.6°. When the oxygen flow rate increases, additional chemical bonds between Ag and O are created, resulting in AgO peaks. Accordingly, the oxygen flow rate is controlled between about 2 sccm and about 4 sccm, and preferably about 3 sccm.
도 9는 후 열처리 온도에 따른 산화은 박막의 X선 회절 패턴을 예시적으로 나타낸 그래프이다.9 is a graph exemplarily illustrating an X-ray diffraction pattern of a silver oxide thin film according to a post-heat treatment temperature.
산화은 박막의 전기적 특성은 Hall 측정(캐리어 농도 6.35 × 1018cm-3, 이동도 61.4cm2/Vs, 저항 1.38 × 10-2Ωcm)에 의해 확인할 수 있다. 측정 결과는 산화은 박막이 p형 반도체임을 나타낸다. 후 열처리 공정의 효과와 산화은 박막의 광학적 특성은 또한 유리 기판에 증착된 약 50nm 두께의 박막을 사용하여 측정되었다. 도 9에 도시된 바와 같이, 유리 기판에 증착된 약 50nm 두께의 산화은 박막을 실온(후 열처리 안함) 및 약 300°C 범위에서 열처리 후 X선 회절 패턴을 측정했다. 2θ= 약 33.6 및 약 38.4°에서 나타나는 산화은 피크는 각각 (100) 및 (011) 평면에 해당한다(ICDD 카드 01-072-2108). 열처리하지 않은 산화은 박막과 비교할 때, 후 열처리 온도가 약 300°C에서 산화은 피크 강도가 최대여서 결정 전이(crystal transition) 없이 결정도(crystallinity)가 개선되었음을 나타낸다.The electrical properties of the silver oxide thin film can be confirmed by Hall measurement (carrier concentration 6.35 × 10 18 cm -3 , mobility 61.4 cm 2 /Vs, resistance 1.38 × 10 -2 Ωcm). The measurement result indicates that the silver oxide thin film is a p-type semiconductor. The effect of the post-annealing process and the optical properties of the silver oxide films were also measured using thin films about 50 nm thick deposited on glass substrates. As shown in FIG. 9 , an X-ray diffraction pattern was measured after heat treatment of a silver oxide thin film having a thickness of about 50 nm deposited on a glass substrate at room temperature (without post heat treatment) and at about 300 ° C. Silver oxide peaks appearing at 2θ = about 33.6 and about 38.4° correspond to the (100) and (011) planes, respectively (ICDD card 01-072-2108). Compared to the silver oxide thin film that was not heat treated, the silver oxide peak intensity was maximum at the post heat treatment temperature of about 300 °C, indicating that the crystallinity was improved without crystal transition.
한편, The thermal decomposition of silver (I, III) oxide: A combined XRD, FT-IR and Raman spectroscopic study, Waterhouse et al., Chemistry Physical Chemistry Chemical Physics, 2001, 3, 3838-3845)에 따르면, 열처리 온도가 약 350°C 이상으로 증가하면, 산화은 박막이 은 박막으로 전이될 수 있다. 특히, 열처리 온도가 약 400°C 이상으로 증가하면, Ag2O(100) 피크의 세기가 크게 감소하고, (200), (220), (311) 피크의 세기가 증가한다. 이는 약 400°C에서 열처리된 산화은 박막의 일부가 은으로 전이되어 산화은과 은이 혼합된 상태임을 나타낸다. 산화은에서 은으로의 전이는 열 효과에 의해 은의 확산 속도가 증가하고, 은보다 산소의 확산 속도가 상대적으로 작아지기 때문이다. 따라서 충분한 열에너지로 인해 은의 확산이 증가하여 산소와의 화학 결합이 끊어진다. 산화은 박막이 은으로 분해되면 소자의 성능이 저하될 수 있으므로, 표면 조건을 개선하기 위해 약 350°C 이하에서, 바람직하게는 약 300°C에서 열처리를 수행할 수 있다. On the other hand, according to The thermal decomposition of silver (I, III) oxide: A combined XRD, FT-IR and Raman spectroscopic study, Waterhouse et al., Chemistry Physical Chemistry Chemical Physics, 2001, 3, 3838-3845), the heat treatment temperature When increases above about 350 °C, the silver oxide film can transition to a silver film. In particular, when the heat treatment temperature increases to about 400 °C or more, the intensity of the Ag 2 O (100) peak is greatly reduced, and the intensity of the (200), (220), and (311) peaks increases. This indicates that a part of the silver oxide thin film heat-treated at about 400 ° C is converted to silver, and the silver oxide and silver are in a mixed state. The transition from silver oxide to silver is because the diffusion rate of silver increases due to the thermal effect and the diffusion rate of oxygen is relatively smaller than that of silver. Therefore, due to sufficient thermal energy, the diffusion of silver increases and the chemical bond with oxygen is broken. If the silver oxide thin film is decomposed into silver, the performance of the device may deteriorate. Therefore, heat treatment may be performed at about 350 °C or less, preferably about 300 °C to improve the surface condition.
도 10은 산화은 박막의 이상적인 밴드갭 에너지를 예시적으로 나타낸 그래프이며, 도 11은 산화은 박막의 UV-vis 투과율 스펙트럼을 예시적으로 나타낸 그래프이다.10 is a graph showing ideal band gap energy of a silver oxide thin film as an example, and FIG. 11 is a graph showing a UV-vis transmittance spectrum of a silver oxide thin film as an example.
아르곤의 유량을 약 10 sccm 및 산소의 유량을 약 3 sccm으로 한 반응성 스퍼터링에 의해 증착된 산화은 박막의 광학 밴드갭 에너지는 도 10에 예시되어 있다. 산화은 박막의 광학 밴드갭 에너지는 흡수 생성물이 다음 수학식 2에 의해 주어진다는 가정하에 Tauc 곡선 식을 사용하여 계산될 수 있다.The optical band gap energy of a silver oxide thin film deposited by reactive sputtering with an argon flow rate of about 10 sccm and an oxygen flow rate of about 3 sccm is illustrated in FIG. 10 . The optical bandgap energy of the silver oxide thin film can be calculated using the Tauc curve equation under the assumption that the absorption product is given by
여기서 αο는 물질 상수, hν는 광자 에너지(= 1240/λEg는 광학 밴드갭 에너지, n은 거듭제곱 계수이며, 전이 유형(각각 직접 허용, 직접 금지, 간접 허용 또는 간접 금지)에 따라 1/2, 3/2, 2 또는 3이 될 수 있다. 산화은 박막은 직접 허용 전이를 가지고 있기 때문에 n = 1/2를 사용하여 광학 밴드 갭 에너지를 계산할 수 있다. 산출된 광학 밴드갭은 약 3.95 eV이다. 유리 기판에 증착된 산화은 박막의 UV-vis 스펙트럼은 도 11에 예시되어 있다.where α ο is the material constant, hν is the photon energy (= 1240/λE g is the optical bandgap energy, n is the power factor, and 1/ 2, 3/2, 2 or 3. Since silver oxide thin films have a direct allowed transition, the optical band gap energy can be calculated using n = 1/2, the calculated optical band gap is about 3.95 eV. The UV-vis spectrum of a silver oxide thin film deposited on a glass substrate is illustrated in FIG.
도 12는 은 박막의 두께에 따른 산화은/β산화갈륨 이종접합 기반 광검출기의 J-V 특성을 나타낸 그래프이다. 12 is a graph showing J-V characteristics of a silver oxide/β gallium oxide heterojunction-based photodetector according to the thickness of a silver thin film.
도 12를 참조하면, 상이한 두께의 은 박막을 가진 산화은/β산화갈륨 이종접합 기반 광검출기의 J-V 특성 곡선을 어둠속에서 약 -2V 내지 4V 범위에서 측정한 그래프가 예시되어 있다. 은 박막의 두께와 상관없이, p-n 접합의 정류 특성은 모든 소자에서 확인되었다. 약 10nm 두께의 은 박막을 가진 소자의 오프 전류는 약 9.28 × 10-8A/cm2(약 6.55 × 10-11A)로 낮고, 온 전류는 약 31.84A/cm2(약 2.25 × 10-2A)이다. 즉, 10nm 두께의 은 박막을 가진 소자는 약 3.43 × 108의 높은 온-오프 비율을 가진다. 또한 J-V 특성은 은 박막의 두께가 증가함에 따라 누설 전류가 증가함을 나타낸다. 매끄러운 박막은 캐리어 산란 중심을 효과적으로 감소시키고 계면 전하 트랩을 억제할 수 있기 때문에, 상대적으로 매끄러운 표면 형태를 갖는 은 박막은 은/산화은 계면에서 트랩 또는 전위가 더 적은 것으로 볼 수 있다. 따라서, 역방향 바이어스시 누설 전류가 감소하게 된다. Referring to FIG. 12 , a graph obtained by measuring JV characteristic curves of silver oxide/βgallium oxide heterojunction-based photodetectors having silver thin films of different thicknesses in the dark in the range of about -2V to 4V is illustrated. Regardless of the thickness of the silver film, the rectification characteristics of the pn junction were confirmed in all devices. The off current of the device with the silver thin film of about 10 nm thickness is as low as about 9.28 × 10 -8 A/cm 2 (about 6.55 × 10 -11 A), and the on current is about 31.84 A/cm 2 (about 2.25 × 10 -2 A) is. That is, a device having a 10 nm-thick silver thin film has a high on-off ratio of about 3.43 × 10 8 . Also, the JV characteristic indicates that the leakage current increases as the thickness of the silver thin film increases. Since the smooth thin film can effectively reduce the carrier scattering center and suppress interfacial charge traps, the silver thin film having a relatively smooth surface morphology can be regarded as having fewer traps or dislocations at the silver/silver oxide interface. Accordingly, leakage current is reduced during reverse bias.
도 13은 은 박막의 두께에 따른 산화은/β산화갈륨 이종접합 기반 광검출기의 전기 파라미터 변화를 나타낸 그래프이다.13 is a graph showing changes in electrical parameters of a silver oxide/β gallium oxide heterojunction-based photodetector according to the thickness of a silver thin film.
도 13을 참조하면, 은 박막의 두께에 따른 온 저항 Ron, 이상 계수 n 및 장벽 높이 B가 예시되어 있다. 이 파라미터들은 수학식 3과 같은 열이온 방출 모델을 기반으로 하는 p-n 접합 광검출기의 J-V 곡선에서 계산될 수 있다.Referring to FIG. 13, on-resistance Ron, ideality coefficient n and barrier height according to the thickness of the silver thin film B is illustrated. These parameters can be calculated from the JV curve of the pn junction photodetector based on the thermionic emission model as shown in
여기서 JS는 포화 전류 밀도이고, q는 전자 전하이고, V는 다이오드 양간(Ag 전극-Au 전극)간 전압이고, Rs는 직렬 저항이고, n은 장벽 이질성(barrier inhomogeneity)과 터널링 성분(tunneling component)이 존재할 때 이상적인 다이오드와 실제 다이오드 사이의 편차를 나타내는 이상 계수이고, k는 볼츠만 상수이며, T는 켈빈 온도이다. where JS is the saturation current density, q is the electron charge, V is the voltage between the diodes (Ag electrode-Au electrode), R s is the series resistance, and n is the barrier inhomogeneity and tunneling component (tunneling component) is the ideal coefficient representing the deviation between the ideal diode and the actual diode when there is present, k is the Boltzmann constant, and T is the Kelvin temperature.
JS는 다음과 같이 정의될 수 있다. JS can be defined as:
여기서 A*는 Richardson 상수(β2O3의 경우 41A/(cm2K2))이고, A는 접촉 면적이고, q는 전자 전하이고, B는 유효 장벽 높이이고, k는 볼츠만 상수이며, T는 켈빈 온도이다.where A* is the Richardson constant (41 A/(cm 2 K 2 ) for β 2 O 3 ), A is the contact area, q is the electron charge, B is the effective barrier height, k is the Boltzmann constant, and T is the temperature in Kelvin.
Ron 및 이상 계수 n은 은 박막 두께가 약 40 nm부터 약 10 nm까지 감소함에 따라 감소한다. Ron의 경우, 약 7.83에서 약 5.40 mΩ·cm2, 이상 계수 n의 경우, 약 2.97에서 약 2.23으로 감소한다. Ron 및 이상 계수 n의 감소는 은/산화은 계면 조건과 관련이 있다. Ron과 전이 사이에는 양의 상관 관계가 존재한다. 이 결과들은 은 박막의 두께가 증가할수록 은/산화은 계면에서의 전이 및 결함 상태가 증가함을 나타낸다. 결과적으로 이러한 결함은 캐리어를 포착하거나 이동을 방해하여 저항을 증가시킨다. 따라서 표면 거칠기가 낮은 은 박막은 위에서 언급한 것처럼 은/산화은 계면에서 결함 밀도가 더 낮다. 그러나 장벽 높이는 은 박막의 두께가 감소함에 따라 약 0.92에서 약 1.10eV로 증가한다. 이는 은 박막의 두께와 거칠기가 감소함에 따라 계면 결함이 감소했기 때문이다. 계면에 결함이 존재하면 전하 캐리어를 포착하여 이동을 억제할 수 있다. 이 경우 계면에서 각 층의 페르미 준위 불일치에 의해 생성되는 전기장이 감소된다. 가우스의 법칙에 따르면 Ag2O/β2O3와 Ag/Ag2O 접합에 의해 형성된 공핍층은 계면결함이 없는 이상적인 공핍층보다 좁아진다. 즉, J-V 곡선으로부터, (특히, 약 30nm 및 약 40nm 두께의 은 박막으로) 제조된 광검출기의 이상 계수 및 험프 현상(Hump phenomenon)의 높은 값은 계면 전하 트랩, 열이온 방출 및 캐리어 재결합에 의해 영향을 받는다.R on and ideality factor n decrease as the silver film thickness decreases from about 40 nm to about 10 nm. In the case of R on , it decreases from about 7.83 to about 5.40 mΩ·cm 2 , and in the case of the ideality factor n, it decreases from about 2.97 to about 2.23. The decrease in R on and ideality factor n is related to the silver/silver oxide interface condition. A positive correlation exists between R on and the transition. These results indicate that transitions and defect states at the silver/silver oxide interface increase as the thickness of the silver thin film increases. As a result, these defects either capture carriers or impede their movement, increasing resistance. Therefore, a silver film with low surface roughness has a lower defect density at the silver/silver oxide interface as mentioned above. However, the barrier height increases from about 0.92 to about 1.10 eV as the thickness of the silver film decreases. This is because the interfacial defects decreased as the thickness and roughness of the silver thin film decreased. The presence of defects at the interface can trap charge carriers and inhibit their migration. In this case, the electric field generated by the Fermi level mismatch of each layer at the interface is reduced. According to Gauss' law, the depletion layer formed by Ag 2 O/β 2 O 3 and Ag/Ag 2 O junctions is narrower than the ideal depletion layer without interfacial defects. That is, from the JV curve, the high values of the ideality coefficient and the hump phenomenon of the photodetectors fabricated (especially with silver thin films of about 30 nm and about 40 nm thickness) are due to interfacial charge trapping, thermionic emission and carrier recombination. get affected.
도 14는 산화은/β산화갈륨 이종접합의 밴드 다이어그램을 예시적으로 나타낸 도면이다. 14 is a diagram showing a band diagram of a silver oxide/βgallium oxide heterojunction by way of example.
p-n 접합 기반 광검출기에서 광전류 발생은 공핍 영역의 특성과 관련이 있다. p-n 접합을 형성하기 전에, n형 반도체의 페르미 준위는 전도대 근처에 존재하는 반면, p형 반도체의 페르미 준위는 가전자대 주변에 위치한다. Photocurrent generation in a p-n junction based photodetector is related to the characteristics of the depletion region. Before forming the p-n junction, the Fermi level of the n-type semiconductor is located near the conduction band, while the Fermi level of the p-type semiconductor is located near the valence band.
도 14를 참조하면, p형 반도체와 n형 반도체가 접합을 형성하면, 각 형의 페르미 준위가 정렬되어 대역 휨(band bending)이 발생한다. 또한, 주요 n형 캐리어인 자유 전자는 p형 반도체로 확산되어 양전하를 띤 정공과 결합한다. 반대로 p형에 위치한 정공은 n형 반도체로 확산되어 순전하가 중화된다. 확산된 전자와 정공이 평형에 도달하면 공핍층으로 알려진 전하 중화 영역이 형성된다. 대역 휨과 공핍층으로 구성된 에너지 장벽은 자체 전원 장치에 중요하다. 광전류(photocurrent)는 광 조사에 의해 생성된 전하 캐리어에 의해 증가된다. 빛이 p-n 접합 기반 광검출기에 조사되면, 빛의 에너지는 Ag2O/β2O3 p-n 접합의 계면에서 EHP(electron-hole pair)를 생성한다. 빛에 의해 생성된 이러한 전하 캐리어는 광전류를 증가시킨다. 따라서 공핍층에서 미리 결합된 캐리어의 수는 광전류와 직접 관련이 있다. 또한 바이어스가 0이면 공핍층의 광생성(photogenerated) EHP가 내장 전기장에 의해 빠르게 분리된다. 전자는 n형 반도체로 그리고 정공은 p형 반도체로 각각 이동하며, 광생성 EHP는 더 높은 에너지 장벽으로 더 효과적이고 빠르게 분리된다. Referring to FIG. 14 , when a junction is formed between a p-type semiconductor and an n-type semiconductor, the Fermi levels of each type are aligned and band bending occurs. In addition, free electrons, which are the main n-type carriers, diffuse into the p-type semiconductor and combine with positively charged holes. Conversely, holes located in the p-type diffuse into the n-type semiconductor, neutralizing the net charge. When the diffused electrons and holes reach equilibrium, a charge neutralization region known as the depletion layer is formed. Energy barriers consisting of band bending and depletion layers are important for self-powered devices. Photocurrent is increased by charge carriers generated by light irradiation. When light is irradiated onto the pn junction-based photodetector, the energy of the light creates an electron-hole pair (EHP) at the interface of the Ag 2 O/β 2 O 3 pn junction. These charge carriers produced by light increase the photocurrent. Therefore, the number of pre-bound carriers in the depletion layer is directly related to the photocurrent. In addition, when the bias is zero, the photogenerated EHP in the depletion layer is rapidly dissociated by the built-in electric field. Electrons move to the n-type semiconductor and holes to the p-type semiconductor, respectively, and the photogenerated EHP is separated more effectively and quickly with a higher energy barrier.
도 15는 은 박막의 두께에 따른 Ag/Ag2O 접합의 밴드 다이어그램을 예시적으로 나타낸 도면이다. 15 is a diagram showing a band diagram of an Ag/Ag 2 O junction according to a thickness of a silver thin film by way of example.
도 15를 참조하면, 많은 수의 계면 트랩이 있는 은/산화은 접합은 은/산화은 계면에서 페르미 레벨 피닝(pinning)을 나타낸다. 이것은 은/산화은 접합의 전기적 응답을 차단할 수 있다. 그러나 계면 트랩의 수가 적은 은 박막을 갖는 은/산화은 접합은 고정되지 않은 페르미 준위를 나타내어 상대적으로 두꺼운 막보다 더 안정적이고 신뢰할 수 있는 전기적 접촉을 달성할 수 있다.Referring to FIG. 15, a silver/silver oxide junction with a large number of interfacial traps exhibits Fermi level pinning at the silver/silver oxide interface. This can block the electrical response of the silver/silver oxide junction. However, a silver/silver oxide junction with a silver thin film with a small number of interfacial traps exhibits an unfixed Fermi level and can achieve a more stable and reliable electrical contact than a relatively thick film.
도 16은 은 박막의 두께에 따른 산화은/β산화갈륨 이종접합 기반 광검출기의 시간 의존적 광전류 밀도를 나타낸 그래프로서, 제로 바이어스에서 약 254nm 파장의 UV 아래에서 약 10nm, 약 20nm, 약 30nm, 및 약 40 nm 두께의 은 박막을 사용하여 제작된 광검출기의 시간 의존적 광전류 밀도를 나타낸다. 16 is a graph showing the time-dependent photocurrent density of a silver oxide/βgallium oxide heterojunction-based photodetector according to the thickness of a silver thin film, at zero bias, under a UV of about 254 nm, at about 10 nm, about 20 nm, about 30 nm, and about Time-dependent photocurrent density of a photodetector fabricated using a 40 nm thick silver thin film is shown.
도 16을 참조하면, 은 박막의 두께가 약 20nm까지 감소함에 따라 광전류 밀도가 증가하여 약 20nm 은 박막이 증착된 p-n 접합 광검출기에서 약 20.0μA/cm2의 가장 높은 광전류 밀도가 달성되었다. 상대적으로 얇은 은 박막은 표면 거칠기가 낮기 때문에 은 박막 표면의 광학 손실은 상대적으로 낮다. 따라서 은 박막의 두께가 얇아질수록 광전류는 증가할 것으로 예상된다. 그러나 도 6e의 AFM 이미지에서 볼 수 있듯이, 약 10nm 두께의 은 박막은 균일하고 연속적인 박막을 형성하지 못한다. 결과적으로, 광생성 전류는 은 박막 표면에서 많은 양의 광산란 및 반사로 인해 작아진다. 모든 광검출기는 UV를 켤 때 광전류를 빠르게 흐르게 하여 광전류를 일정하게 유지함으로써 높은 재현성(reproducibility)을 나타낸다. 한편, UV를 끄는 순간 광전류는 암전류로 떨어진다. Referring to FIG. 16 , the photocurrent density increased as the thickness of the silver thin film decreased to about 20 nm, and the highest photocurrent density of about 20.0 μA/cm 2 was achieved in the pn junction photodetector on which the silver thin film of about 20 nm was deposited. Since the relatively thin silver film has low surface roughness, the optical loss on the surface of the silver film is relatively low. Therefore, the photocurrent is expected to increase as the thickness of the silver thin film becomes thinner. However, as can be seen in the AFM image of FIG. 6e, the silver thin film with a thickness of about 10 nm does not form a uniform and continuous thin film. As a result, the light-generated current becomes small due to a large amount of light scattering and reflection on the surface of the silver thin film. All photodetectors show high reproducibility by making the photocurrent flow rapidly when UV is turned on to keep the photocurrent constant. On the other hand, the moment the UV is turned off, the photocurrent drops to the dark current.
도 17은 UV 파장에 따른 산화은/β산화갈륨 이종접합 기반 광검출기의 시간 의존적 광전류 밀도를 나타낸 그래프이고, 도 18은 UV 파장에 따른 산화은/β산화갈륨 이종접합 기반 광검출기의 응답성을 나타낸 그래프이며, 도 19는 UV 파장에 따른 산화은/β산화갈륨 이종접합 기반 광검출기의 검출성을 나타낸 그래프이다. 도 17 내지 도 19에 나타낸 그래프는 제로 바이어스에서 약 100 내지 약1000μW/cm2 범위의 다양한 광 강도를 갖는 약 254nm 파장의 UV 아래에서 약 20nm 두께의 은 박막을 가진 산화은/β산화갈륨 이종접합 기반 광검출기를 이용하여 측정한 결과이다. 17 is a graph showing the time-dependent photocurrent density of a silver oxide/βgallium oxide heterojunction-based photodetector according to UV wavelengths, and FIG. 18 is a graph showing the response of a silver oxide/βgallium oxide heterojunction-based photodetector according to UV wavelengths. 19 is a graph showing the detectability of a silver oxide/β gallium oxide heterojunction-based photodetector according to UV wavelengths. The graphs shown in FIGS. 17 to 19 are based on silver oxide/β gallium oxide heterojunction with a silver thin film of about 20 nm thickness under UV of about 254 nm wavelength with various light intensities ranging from about 100 to about 1000 μW/cm 2 at zero bias. This is the result measured using a photodetector.
도 17 내지 도 19를 함께 참조하면, UV 세기가 증가함에 따라 더 높은 UV 세기 때문에 광전류가 점차 증가하여 더 많은 EHP가 생성된다. 광검출기의 감도를 나타내는 응답성(responsivity) 및 검출 가능한 가장 작은 신호에 대한 성능 지수인 검출성(detectivity)은 UV 세기에 따른 광전류로부터 평가할 수 있다. 17 to 19 together, as the UV intensity increases, the photocurrent gradually increases due to the higher UV intensity, so that more EHPs are generated. Responsivity, which represents the sensitivity of the photodetector, and detectivity, which is a figure of merit for the smallest detectable signal, can be evaluated from the photocurrent according to the UV intensity.
응답성 R은 다음과 같이 산출할 수 있다.Responsiveness R can be calculated as follows.
여기서, Jphoto는 광전류 밀도, Jdark는 암전류 밀도, P는 인가된 UV 세기이다.Here, J photo is the photocurrent density, J dark is the dark current density, and P is the applied UV intensity.
검출성 D는 다음과 같이 산출할 수 있다.Detectability D can be calculated as follows.
여기서, e는 기본 전하(elemental charge)이고 J는 암전류 밀도이다.where e is the elemental charge and J is the dark current density.
정리하면, UV 세기가 증가함에 따라 응답성과 검출성은 모두 감소하는데, 이는 UV 세기가 증가하여 더 많은 EHP가 생성되면 광검출기에서 자체 발열이 유도되어 전하 캐리어의 수를 증가시킬 뿐만 아니라 캐리어의 재결합 가능성도 증가하기 때문이다. 약 20nm 두께의 은 박막을 가진 광검출기에서, 응답성 R과 검출성 D의 최대값은 각각 약 25.65mA/W 및 약 6.10 × 1011 Jones이다. 특히, 응답성 R만을 놓고 봤을 때, 본 실시예에 따른 광검출기는 현재까지 알려진 어떤 자체 전원 DUV 광검출기보다 높은 응답성을 가진다. 약 1000μW/cm2의 UV 세기에서 제로 바이어스에서 약 254nm UV-C 대 약 365nm UV-A의 제거율(rejection ratio)이 2.47 × 103임을 확인할 수 있다. In summary, both responsivity and detectability decrease as the UV intensity increases, which means that when more EHPs are generated as the UV intensity increases, self-heating is induced in the photodetector, which not only increases the number of charge carriers but also increases the possibility of carrier recombination. because it also increases. In a photodetector with a silver film of about 20 nm thickness, the maximum values of responsivity R and detectability D are about 25.65 mA/W and about 6.10 × 10 11 Jones, respectively. In particular, considering only the response R, the photodetector according to the present embodiment has a higher response than any self-powered DUV photodetector known to date. It can be seen that the rejection ratio of about 254 nm UV-C to about 365 nm UV-A at zero bias at a UV intensity of about 1000 μW/cm 2 is 2.47 × 10 3 .
도 20 및 도 21은 광검출기의 시간 의존적 광전류의 상승 시간 및 하강 시간을 각각 나타낸 그래프이다. 20 and 21 are graphs showing the rise time and fall time of the time-dependent photocurrent of the photodetector, respectively.
도 20 및 도 21을 참조하면, 응답 속도는 광검출기를 평가하는 중요한 요소이다. 응답 속도는 산화은과 β산화갈륨 사이의 밴드갭 차이로 인한 내장 전기장의 크기에 의해 결정된다. 도 20의 상승 시간 및 도 21의 하강 시간은 시간 의전적 광전류 특성을 이용하여, 제로 바이어스에서 약 1000μW/cm2의 강도를 갖는 약 254nm 파장의 UV 아래에서 약 20nm 두께의 은 박막을 가진 산화은/β산화갈륨 이종접합 기반 광검출기로 측정한 결과로서, 각각 약 108ms 및 약 80ms이다. Referring to FIGS. 20 and 21 , response speed is an important factor in evaluating a photodetector. The response speed is determined by the magnitude of the built-in electric field due to the bandgap difference between silver oxide and β-gallium oxide. The rise time of FIG. 20 and the fall time of FIG. 21 were determined by using the time-dependent photocurrent characteristics, silver oxide with a silver thin film with a thickness of about 20 nm under UV of about 254 nm wavelength and an intensity of about 1000 μW/cm 2 at zero bias. As a result of measurement with a β gallium oxide heterojunction based photodetector, they are about 108 ms and about 80 ms, respectively.
도 22는 신제품 광검출기 및 3개월 동안 보관된 광검출기에 대해 수행된 광안정성 실험 결과를 나타낸 그래프이며, 도 23은 3개월 동안 보관된 광검출기에 대해 수행된 광안정성 실험 결과를 나타낸 그래프이다. 도 22 및 도 23에 나타낸 그래프는 제로 바이어스에서 약 1000μW/cm2의 254nm 파장의 UV 아래에서 약 20nm 두께의 은 박막을 가진 산화은/β산화갈륨 이종접합 기반 광검출기로 측정한 결과이다.22 is a graph showing photostability test results performed on a new photodetector and a photodetector stored for 3 months, and FIG. 23 is a graph showing photostability test results performed on a photodetector stored for 3 months. The graphs shown in FIGS. 22 and 23 are the results of measurement by a silver oxide/βgallium oxide heterojunction-based photodetector with a silver thin film having a thickness of about 20 nm under a 254 nm wavelength UV of about 1000 μW/cm 2 at zero bias.
도 22 및 도 23을 함께 참조하면, 신제품 광검출기와 비교할 때, 광전류는 3개월 동안 보관된 후에도 일정하게 유지됨을 알 수 있다. 이로부터 산화은/β산화갈륨 이종접합 기반 광검출기는 장기간 안정성이 좋고 광응답 특성의 일관성이 있음을 알 수 있다. Referring to FIGS. 22 and 23 together, it can be seen that compared to the new photodetector, the photocurrent remains constant even after being stored for 3 months. From this, it can be seen that the photodetector based on the silver oxide/βgallium oxide heterojunction has good long-term stability and consistent photoresponse characteristics.
한편, 3개월 동안 보관된 장치는 200 주기 동안 반복된 온-오프 동작에서도 상당한 안정성을 나타냈다. 첫 번째 주기에서 생성된 약 14.2 nA의 광전류와 비교하면, 100 주기 후 약 13.8nA의 광전류가 생성되어 약 2.8% 감소를 나타내며, 200 주기 후 약 13.4 nA의 광전류가 생성되어 약 5.7% 감소를 나타낸다. 긴 보관 시간을 감안할 때, 약 5.7%는 상당히 작은 감소이다. On the other hand, the device stored for 3 months showed significant stability even in repeated on-off operations for 200 cycles. Compared to the photocurrent of about 14.2 nA generated in the first cycle, a photocurrent of about 13.8 nA was generated after 100 cycles, representing a decrease of about 2.8%, and a photocurrent of about 13.4 nA was generated after 200 cycles, representing a decrease of about 5.7%. . Given the long storage time, about 5.7% is a fairly small reduction.
비교예comparative example
표 3은 약 20nm 두께의 은 박막을 가진 Ag2O/β2O3 p-n 이종접합 기반 광검출기의 광응답 파라미터를 β기반 단순 이종접합 DUV 자체 전원 광검출기의 광응답 파라미터와 비교한 결과이다. 약 20nm 두께의 은 박막을 사용한 산화은/β산화갈륨 기반 DUV 자체 전원 광검출기는 β산화갈륨과의 단순 이종 접합에 기반한 다른 DUV 자체 전원 광검출기보다 더 높은 응답성과 더 높은 검출성을 나타낸다. 응답 속도는 단순 이종 접합에 기반한 다른 DUV 자체 전원 광검출기의 응답 속도와 비슷한 수준이다. 20nm 두께의 은 박막을 가진 광검출기는 표면 거칠기가 낮아 광학 손실이 적고, 최고의 성능을 나타냈으며, 외부 전원 공급 없이 사용할 수 있음을 알 수 있다. β산화갈륨과의 다양한 이종접합 기반 DUV 광검출기중에서, p-n-접합 기반 광검출기는, 계면 영역이 내장 전기장(built-in electric field)을 유도하여 광여기된 전자-정공 쌍(EHP) 생성 효율을 향상시키기 때문에, 다른 이종 접합 기반 광검출기보다 더 높은 광응답성 및 검출성을 갖는다. 그러나 자체 전원 이종접합 기반 광검출기에서, 내장 전기장의 존재로 인해 응답성이 상대적으로 낮고 광발생 캐리어(photogenerated carrier)가 수송 및 수집되기 때문에, 응답성 및 검출성보다는 응답 속도가 핵심 파라미터가 된다.Table 3 compares the photoresponse parameters of the Ag 2 O/β 2 O 3 pn heterojunction-based photodetector with a 20-nm-thick silver film and the photoresponse parameters of the β-based simple heterojunction DUV self-powered photodetector. The silver oxide/βgallium oxide-based DUV self-powered photodetector using an approximately 20-nm-thick silver film exhibits higher responsivity and higher detectability than other DUV self-powered photodetectors based on a simple heterojunction with βgalliumoxide. The response speed is comparable to that of other DUV self-powered photodetectors based on simple heterojunctions. It can be seen that the photodetector with a 20 nm thick silver film has low surface roughness, low optical loss, best performance, and can be used without an external power supply. Among various heterojunction-based DUV photodetectors with β-gallium oxide, the pn-junction based photodetector induces a built-in electric field in the interfacial region to increase the photoexcited electron-hole pair (EHP) generation efficiency. Therefore, it has higher photoresponse and detectability than other heterojunction-based photodetectors. However, in self-powered heterojunction-based photodetectors, response speed rather than responsivity and detectability becomes a key parameter because the response is relatively low due to the presence of the built-in electric field and photogenerated carriers are transported and collected.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. The above description of the present invention is for illustrative purposes, and those skilled in the art can understand that it can be easily modified into other specific forms without changing the technical spirit or essential features of the present invention. will be. Therefore, the embodiments described above should be understood as illustrative in all respects and not limiting.
본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타나며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.The scope of the present invention is indicated by the following claims rather than the detailed description above, and all changes or modifications derived from the meaning and scope of the claims and equivalent concepts thereof should be construed as being included in the scope of the present invention. .
Claims (11)
상기 제1 도전형 β-산화갈륨 웨이퍼를 챔버에 위치시키는 단계;
불활성 가스 및 산소 가스의 혼합 분위기에서 상기 제1 도전형 β-산화갈륨 에피층상에 제2 도전형의 산화은 박막을 증착하는 단계;
상기 스퍼터링 챔버로의 산소 공급을 차단하는 단계; 및
불활성 가스 분위기에서 상기 제2 도전형의 산화은 박막상에 은 박막을 증착하여 전면 전극을 형성하는 단계를 포함하는 산화은/β-산화갈륨 이종접합 기반 태양광 블라인드 광검출기 제조 방법.growing a first conductivity type β-gallium oxide epitaxial layer on a first conductivity type β-gallium oxide wafer;
placing the first conductivity type β-gallium oxide wafer in a chamber;
depositing a silver oxide thin film of a second conductivity type on the first conductivity type β-gallium oxide epitaxial layer in a mixed atmosphere of inert gas and oxygen gas;
blocking oxygen supply to the sputtering chamber; and
A method of manufacturing a silver oxide/β-gallium oxide heterojunction-based solar blind photodetector comprising forming a front electrode by depositing a silver thin film on the silver oxide thin film of the second conductivity type in an inert gas atmosphere.
상기 제1 도전형 β-산화갈륨 웨이퍼의 주면에 에피택셜 성장된 제1 도전형 β-산화갈륨 에피층;
불활성 가스 및 산소 가스의 혼합 분위기에서 상기 제1 도전형 β-산화갈륨 에피층상에 증착된 제2 도전형의 산화은 박막;
상기 불활성 가스 분위기에서 상기 제2 도전형의 산화은 박막상에 증착된 은 박막; 및
상기 제1 도전형 β-산화갈륨 웨이퍼의 이면에 오믹 접촉하는 하부 전극층을 포함하는 산화은/β-산화갈륨 이종접합 기반 태양광 블라인드 광검출기.a first conductivity type β-gallium oxide wafer;
a first conductivity type β-gallium oxide epitaxial layer epitaxially grown on a main surface of the first conductivity type β-gallium oxide wafer;
a silver oxide thin film of a second conductivity type deposited on the first conductivity type β-gallium oxide epitaxial layer in a mixed atmosphere of inert gas and oxygen gas;
a silver thin film deposited on the second conductivity type silver oxide thin film in the inert gas atmosphere; and
A silver oxide/β-gallium oxide heterojunction-based solar blind photodetector including a lower electrode layer in ohmic contact with the back surface of the first conductive β-gallium oxide wafer.
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