KR20230173326A - 장벽층의 산화 방지 방법이 적용된 고온동작 적외선 검출소자 및 이의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 기판; 상기 기판 상에 형성되고, AlAsSb, AlGaSb, InAs 및 InAsSb로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 장벽층; 및 상기 장벽층의 외부로 노출된 표면을 덮도록 형성되고, 불소계 고분자를 포함하는 보호층;을 포함하는, 장벽층의 산화 방지 방법이 적용된 고온동작 적외선 검출소자를 제공한다.
Description
본 발명은 장벽층의 산화 방지 방법이 적용된 고온동작 적외선 검출소자 및 이를 제조하는 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로 상기 적외선 검출소자는 중적외선을 검출하는 검출소자일 수 있다.
지구상의 모든 물체는 일정한 온도 또는 온도 분포를 가지고 있고, 물체를 구성하고 있는 물질의 방사율(emissivity)과 온도 분포에 따라 특정한 적외선(IR)을 방사한다.
적외선 검출 기술은 물체에서 방사하는 복사열(적외선)을 검출하여 물체의 온도를 측정하거나 방사 또는 흡수 스펙트럼 분석을 통해 물질의 구성 성분을 판별하고, 또한, 가시광선이 전혀 없는 환경에서 물체의 형태를 식별하여 영상화 하는 등의 기술을 의미한다.
현재, 적외선 검출 기술은 인공위성 지상관측, 유도미사일 추적장치, 무 인기 감시정찰 장치 등과 같은 군수용부터 누열/누전 감식센서, 잔불 감시장치, 의료용 체열진단기, 비분산 적외선 가스센서, 기상관측 등 민수용에까지 그 응용분야가 폭넓게 확대되고 있다.
한편, 적외선(Infrared Ray)이란, 파장 범위가 0.75 ㎛ 내지 1000 ㎛인 빛으로서, 파장이 적색보다는 길고 극초단파보다는 짧은 전자기파를 말한다.
적외선을 응용 목적에 따라 세분화하면 0.75 ㎛ 내지 1.4 ㎛ 대역의 근적외선(Near InfraRed, NIR), 1.4 ㎛ 내지 3.0 ㎛ 대역의 단적외선(Short Wavelength InfraRed, SWIR), 3.0 ㎛ 내지 8.0 ㎛ 대역의 중적외선(Middle Wavelength InfraRed, MWIR), 8.0 ㎛ 내지 14 ㎛ 대역의 원적외선(Long Wavelength InfraRed, LWIR) 및 15㎛ 보다 긴 파장 대역의 극적외선(Far InfraRed, FIR) 등 5개 영역으로 구분할 수 있다.
현재까지 개발된 적외선 검출기는 동작 원리에 따라 크게 열형(Thermal Type)과 양자형(Quantum Type) 두 종류로 구분할 수 있다. 또한, 검출기의 동작 온도에 따라 비냉각형과 냉각형으로 분류하기도 하는데 상온에서 동작시키는 열형 검출기를 비냉각형, 냉각기를 사용하여 저온에서 동작시키는 양자형 검출기를 냉각형으로 분류할 수 있다. 이 중 양자형은 동작 방식에 따라 다시 광전도형(photoconductive type, PC)과 광전압형(photovoltaic type, PV)으로 구분될 수 있다.
열형은 온도에 따른 재료의 물리적인 변화를 이용한 것이다. 대표적으로 온도에 따라 재료의 저항이 변하는 원리를 이용한 것이 볼로미터 (Bolometer)이며, 온도에 따라 재료 내의 분극(Polarization)의 변화를 이용한 것이 초전체(Pyroelectrics)와 강유전체(Rerroelectrics) 센서이며, 온도에 따라 기전력의 변화를 이용한 것이 서모파일(Thermopile) 센서이며, 온도에 따라 길이의 변화를 이용한 것이 바이메탈(Bimetal) 센서이다. 열형 센서는 대부분 상온에서 동작하기 때문에 냉각을 위한 진공이 필요 없어 센서 가격이 저렴하다. 그러나, 상온의 온도 때문에 기본적인 열적 잡음이 높아 신호 대 잡음비(S/N)가 냉각형인 양자형에 비해 떨어진다. 이런 이유로 열형 센서는 민수용으로 주로 사용된다.
양자형은 반도체 재료의 광전도(Photoconductive) 현상을 이용한 것이며, 양자 효율이 우수하고 매우 낮은 온도에서 동작하므로 열적 잡음이 작아 탐지도(detectivity) 및 잡음 온도 분해능(Noise Equivalent Temperature Difference: NETD) 특성이 매우 우수하다. 또한, 광자에 의해 반응하므로 열형에 비해 반응속도가 매우 빠르며 검출능력도 매우 높아 고속, 고감도를 요구하는 군수용 시스템에는 대부분 양자형 검출기가 사용되고 있다.
한편, 중적외선 검출기는 미사일 감지 및 추적, 온도 확인 등 군 및 민간에서도 많이 활용되고 있다. 기존의 중적외선 검출기는 80 K 이하에서 동작을 하였으나 현재는 120 K 이상에서 동작 가능한 검출기의 연구가 활발히 진행되고 있다.
고온에서 동작되는 중적외선 검출기를 제조하기 위해서는 기존의 80 K에서보다 매우 낮은 암전류를 확보한 검출소자를 제작해야 한다. 이러한 고온동작 중적외선 검출소자 제작을 위해 암전류를 감소시키는 방법으로 장벽층을 사용한 구조인 Barrier Infrared Detector(BIRD)가 사용되고 있다.
장벽층을 사용한 에피기판으로 제작된 고온동작 중적외선 검출소자의 성능은 분자선 결정 성장 시스템(Molecular Beam Epitaxy, MBE)으로 성장된 에피기판의 품질과 검출소자 제작 기술에 의해 큰 영향을 받는다. 고품질의 에피기판도 제작 공정에 따라 검출기의 성능에 큰 영향을 미친다. 특히, 중적외선 검출기의 장벽층을 이루는 성분이 산화되는 경우 누설 전류를 크게 만들며 암전류를 증가시키는 문제가 있어, 장벽층의 산화를 방지할 수 있는 기술이 필요한 실정이다.
본 발명의 목적은, 장벽층을 포함하는 적외선 검출소자에 있어서, 장벽층의 산화를 방지하기 위한 간단한 방법이 적용되어 암전류 발생을 방지함으로써 성능이 개선되고 재현성 있는 적외선 검출소자를 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제(들)로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제(들)는 이하의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 기판; 상기 기판 상에 형성되고, AlAsSb, AlGaSb, InAs 및 InAsSb로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 장벽층; 및 상기 장벽층의 외부로 노출된 표면을 덮도록 형성되고, 불소계 고분자를 포함하는 보호층;을 포함하는, 장벽층의 산화 방지 방법이 적용된 고온동작 적외선 검출소자를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 장벽층은 AlAsSb를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 기판 및 장벽층 사이에 형성되는 광 흡수층을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 광 흡수층은 InAs, GaSb 및 InAsSb로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 장벽층 상에 형성되는 접촉층을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 접촉층은 InAs, GaSb 및 InAsSb로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 불소계 고분자는 비닐플루오라이드, 테트라플루오로에틸렌, 헥사플루오로프로필렌, 퍼플루오로알콕시에틸렌, 클로로트리플루오로에틸렌 및 에틸렌클로로트리플루오로에틸렌으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 기판; 상기 기판 상에 형성되는 광 흡수층; 상기 광 흡수층 상에 형성되는 장벽층; 상기 장벽층 상에 형성되는 접촉층; 및 상기 광 흡수층, 장벽층 및 접촉층의 외부로 노출된 표면을 덮도록 형성되는 보호층을 포함하고, 상기 장벽층은 AlAsSb, AlGaSb, InAs 및 InAsSb로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하며, 상기 보호층은 불소계 고분자를 포함하는, 장벽층의 산화 방지 방법이 적용된 고온동작 적외선 검출소자를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 장벽층은 AlAsSb를 포함하고, 상기 보호층은 폴리테트라플루오로에틸렌을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 적외선 검출소자는 중적외선을 검출할 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 기판 상에 장벽층을 포함하는 에피기판을 준비하는 단계(S10); 및 상기 장벽층의 외부로 노출된 표면을 덮도록 불소계 고분자를 포함하는 보호층을 형성하는 단계;를 포함하고, 상기 장벽층은 AlAsSb, AlGaSb, InAs 및 InAsSb로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는, 장벽층의 산화 방지 방법이 적용된 고온동작 적외선 검출소자 제조방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 보호층을 형성하는 단계 이전에 상기 에피기판을 식각하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 에피기판을 식각하는 단계는 삼염화붕소를 이용하여 건식 식각하는 방법으로 수행될 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 기판 상에 광 흡수층, 장벽층 및 접촉층을 포함하는 에피기판을 준비하는 단계(S100); 및 상기 광 흡수층, 장벽층 및 접촉층의 외부로 노출된 표면을 덮도록 불소계 고분자를 포함하는 보호층을 형성하는 단계;를 포함하고, 상기 장벽층은 AlAsSb, AlGaSb, InAs 및 InAsSb로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는, 장벽층의 산화 방지 방법이 적용된 고온동작 적외선 검출소자 제조방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 보호층을 형성하는 단계 이전에 상기 에피기판을 식각하는 단계를 더 포함하고, 상기 에피기판을 식각하는 단계에서 기판을 제외한 광 흡수층, 장벽층 및 접촉층을 식각할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 보호층을 형성하는 단계는, 불화 가스를 이용한 플라즈마 처리를 통해, 광 흡수층, 장벽층 및 접촉층의 외부로 노출된 표면을 덮도록 불소계 고분자막을 형성할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 식각하는 단계와 플라즈마 처리하는 단계는 연속적으로 하나의 반응 챔버에서 수행될 수 있다.
본 발명에 따르면, 불화 가스를 이용한 플라즈마 처리를 통한 간단한 방법으로 장벽층이 외부로 노출되지 않도록 불소계 고분자를 포함하는 보호층을 형성함으로써 장벽층의 산화를 방지할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 상기 장벽층의 산화 방지 방법을 적용하여 제조된 고온동작 적외선 검출소자는 암전류 발생이 저감됨으로써 성능이 개선되고 재현성 있는 적외선 검출소자를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에서, 적외선 검출소자의 제조방법을 나타내는 플로우 차트이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에서, 적외선 검출소자의 제조방법을 나타내는 플로우 차트이다.
도 3a 내지 도 3d는 본 발명의 일 실시예에서, 적외선 검출소자의 제작 순서에 따른 구조를 나타낸 것으로, 도 3a는 에피기판의 모식도, 도 3b는 에피기판을 식각 처리한 후의 구조를 나타내는 모식도, 도 3c는 식각 처리 후 보호층을 형성한 구조를 나타내는 모식도, 도 3d는 보호층을 제거한 후 절연층을 형성하여 제조한 적외선 검출소자의 모식도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에서, 검출소자 제작 중 발생된 장벽층의 산화된 구조를 나타낸 투시 주사형 전자 현미경 사진이다.
도 5는 도 4에서의 산화된 장벽층이 산화되어 부러진 투시 주사형 전자 현미경 사진이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에서, 장벽층의 산화를 방지하기 위해 폴리테트라플루오로에틸렌 막을 형성한 사진이다.
도 7은 도 6에서의 폴리테트라플루오로에틸렌 막을 X선 광전자 분광법(XPS)으로 분석한 그래프이다.
도 8은 도 4에서의 과정을 적용한 적외선 검출소자의 암전류 특성을 측정한 그래프이다.
도 9는 도 5에서의 과정을 적용한 적외선 검출소자의 암전류 특성을 측정한 그래프이다.
도 10은 도6에서의 과정을 적용한 적외선 검출소자의 암전류 특성을 측정한 그래프이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에서, 적외선 검출소자의 제조방법을 나타내는 플로우 차트이다.
도 3a 내지 도 3d는 본 발명의 일 실시예에서, 적외선 검출소자의 제작 순서에 따른 구조를 나타낸 것으로, 도 3a는 에피기판의 모식도, 도 3b는 에피기판을 식각 처리한 후의 구조를 나타내는 모식도, 도 3c는 식각 처리 후 보호층을 형성한 구조를 나타내는 모식도, 도 3d는 보호층을 제거한 후 절연층을 형성하여 제조한 적외선 검출소자의 모식도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에서, 검출소자 제작 중 발생된 장벽층의 산화된 구조를 나타낸 투시 주사형 전자 현미경 사진이다.
도 5는 도 4에서의 산화된 장벽층이 산화되어 부러진 투시 주사형 전자 현미경 사진이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에서, 장벽층의 산화를 방지하기 위해 폴리테트라플루오로에틸렌 막을 형성한 사진이다.
도 7은 도 6에서의 폴리테트라플루오로에틸렌 막을 X선 광전자 분광법(XPS)으로 분석한 그래프이다.
도 8은 도 4에서의 과정을 적용한 적외선 검출소자의 암전류 특성을 측정한 그래프이다.
도 9는 도 5에서의 과정을 적용한 적외선 검출소자의 암전류 특성을 측정한 그래프이다.
도 10은 도6에서의 과정을 적용한 적외선 검출소자의 암전류 특성을 측정한 그래프이다.
본 발명을 상세하기 설명하기 전에, 본 명세서에서 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 무조건 한정하여 해석되어서는 아니되며, 본 발명의 발명자가 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해서 각종 용어의 개념을 적절하게 정의하여 사용할 수 있고, 더 나아가 이들 용어나 단어는 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 함을 알아야 한다.
즉, 본 명세서에서 사용된 용어는 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하기 위해서 사용되는 것일 뿐이고, 본 발명의 내용을 구체적으로 한정하려는 의도로 사용된 것이 아니며, 이들 용어는 본 발명의 여러 가지 가능성을 고려하여 정의된 용어임을 알아야 한다.
또한, 본 명세서에 있어서, 단수의 표현은 문맥상 명확하게 다른 의미로 지시하지 않는 이상, 복수의 표현을 포함할 수 있으며, 유사하게 복수로 표현되어 있다고 하더라도 단수의 의미를 포함할 수 있음을 알아야 한다.
본 명세서의 전체에 걸쳐서 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소를 "포함"한다고 기재하는 경우에는, 특별히 반대되는 의미의 기재가 없는 한 임의의 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 임의의 다른 구성 요소를 더 포함할 수도 있다는 것을 의미할 수 있다.
또한, 이하에서, 본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 구성, 예를 들어, 종래 기술을 포함하는 공지기술에 대한 상세한 설명은 생략될 수도 있다.
이하, 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.
본 발명에 따르면, 기판; 상기 기판 상에 형성되고, AlAsSb, AlGaSb, InAs 및 InAsSb로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 장벽층; 및 상기 장벽층의 외부로 노출된 표면을 덮도록 형성되고, 불소계 고분자를 포함하는 보호층;을 포함하는, 장벽층의 산화 방지 방법이 적용된 고온동작 적외선 검출소자를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 기판은 통상의 적외선 검출소자를 제조하는데 사용되는 기판이라면 특별히 한정하지 않는다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 장벽층은 알루미늄비소안티모니(AlAsSb)를 포함할 수 있다. 이 경우, 3종 화합물의 조합으로 이루어지기 때문에 조성을 변화하여 밴드갭 에너지를 적절히 조절할 수 있고, 이를 통해 검출할 수 있는 파장 대역을 제어할 수 있다. 예를 들어, 상기 장벽층을 형성하는 AlAsSb는 As와 Sb의 조성은 각각 0.08 내지 0.1 및 0.9 내지 0.92일 수 있다. 기판을 형성하는 광 흡수층와 격자 부정합을 방지하여 성장이 용이할 수 있다. 반면, 상기 범위를 벗어나 격자 부정합이 커지는 경우 에피의 결정성이 낮아져 장벽으로서의 역할이 어려울 수 있다.
상기 장벽층의 두께는 100 nm 내지 200 nm일 수 있다.
상기 장벽층은 밴드갭 에너지가 큰 물질을 성장시켜 형성한 것으로서, 전자나 정공의 움직임을 막음으로써 순방향 또는 역방향 바이어스 중 한쪽 방향으로만 동작하도록 하여 암전류를 감소시킬 수 있다.
구체적으로, 광 흡수층에서 발생하는 주요 광전류는 역방향 바이어스일 때 아무런 문제없이 흐르고, 바이어스가 걸림에 따라 생기는 주된 암전류 또한 장벽에 막혀 흐르지 못하게 된다. 또한, 표면에서 생길 수 있는 전류도 흐르지 못하게 할 수 있다. 바이어스를 걸어줄수록 암전류는 증가하는데, 장벽층을 구비함으로써 광 흡수층에서 발생한 광전류에 관련된 것 이외에 발생하는 전류들을 막아 적외선 검출능을 향상시킬 수 있다.
다만, 상기 AlAsSb는 제작 공정 중에 산화되기 쉬운 특성을 가지고 있으며, 이렇게 산화된 장벽층은 누설 전류를 크게 만들며 암전류 증가의 원인이 된다. 따라서, AlAsSb를 포함하는 장벽층을 형성하는 경우, 이의 산화 방지 방안이 필수적으로 요구된다.
이에 대해, 본 발명에서는 상기 장벽층의 표면이 외부로 노출되지 않도록 보호층을 형성하되, 불소계 고분자를 포함하는 보호층을 형성함으로써 간단한 방법으로 장벽층의 산화를 방지할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 기판 및 장벽층 사이에 형성되는 광 흡수층을 더 포함할 수 있다. 상기 광 흡수층은 상기 장벽층보다 밴드갭 에너지가 낮은 물질로 형성될 수 있다.
상기 광 흡수층의 두께는 적외선 검출소자 동작 시 광 흡수를 고려하여 두께를 설계하였고, 예를 들어, 2 ㎛ 내지 4 ㎛일 수 있다.
상기 광 흡수층은 예를 들어, InAs, GaSb 및 InAsSb로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다. 구체적인 예로서, 상기 광 흡수층은 InAs/InAsSb를 포함할 수 있다.
상기 광 흡수층을 형성하는 InAsSb에 있어서, As와 Sb의 조성은 각각 0.6 내지 0.7 및 0.3 내지 0.4일 수 있다. 상기 범위를 만족함으로써 중파장 영역을 검출하는데 용이하다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 장벽층 상에 형성되는 접촉층을 더 포함할 수 있다. 상기 접촉층은 상기 장벽층보다 밴드갭 에너지가 낮은 물질로 형성될 수 있다.
상기 접촉층은 예를 들어, InAs, GaSb 및 InAsSb로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다. 구체적인 예로서, 상기 접촉층은 상기 흡수층 성분과 동일한 성분으로 형성될 수 있다.
상기 접촉층의 두께는 70 nm 내지 100 nm일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 보호층은 불소계 고분자를 포함할 수 있다.
상기 불소계 고분자를 이루는 단량체로서 예를 들어, 비닐플루오라이드, 테트라플루오로에틸렌, 헥사플루오로프로필렌, 퍼플루오로알콕시에틸렌, 클로로트리플루오로에틸렌 및 에틸렌클로로트리플루오로에틸렌으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다. 구체적인 예로서, 상기 불소계 고분자는 테트라플루오로에틸렌 유래 반복단위를 포함하는 폴리테트라플루오로에틸렌((C2F4)n)을 포함할 수 있고, 이를 통해 보호층으로서 폴리테트라플루오로에틸렌 막을 형성할 수 있다. 상기 불소계 고분자로 보호층을 형성함으로써 장벽층의 산화를 방지하는 효과가 있다.
본 발명에 따르면, 기판; 상기 기판 상에 형성되는 광 흡수층; 상기 광 흡수층 상에 형성되는 장벽층; 상기 장벽층 상에 형성되는 접촉층; 및 상기 광 흡수층, 장벽층 및 접촉층의 외부로 노출된 표면을 덮도록 형성되는 보호층을 포함하고, 상기 장벽층은 AlAsSb, AlGaSb, InAs 및 InAsSb로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하며, 상기 보호층은 불소계 고분자를 포함하는, 장벽층의 산화 방지 방법이 적용된 고온동작 적외선 검출소자를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 기판, 광 흡수층, 장벽층, 접촉층 및 보호층의 구체적인 설명은 상술한 바와 동일할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 장벽층은 AlAsSb를 포함하고, 상기 보호층은 폴리테트라플루오로에틸렌을 포함할 수 있다. 구체적으로, 본 발명에서는 상술한 바와 같이, 산화되기 쉬운 특성을 가진 AlAsSb를 장벽층으로 사용하나, 장벽층의 표면이 외부로 노출되지 않도록 폴리테트라플루오로에틸렌 보호층을 형성함으로써 장벽층의 산화를 방지할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 적외선 검출소자는 중적외선을 검출하는 중적외선 검출소자일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 중적외선 검출소자의 동작 온도는 120 K 이상일 수 있다.
상기 중적외선 검출소자로서 본 발명에 따른 장벽층의 산화 방지 방법이 적용된 고온동작 적외선 검출소자, 보다 구체적으로, 장벽층으로서 AlAsSb를 포함하는 중적외선 검출소자를 제조할 때, 불소계 고분자를 포함하는 보호층을 형성함으로써 장벽층의 산화를 방지하여 암전류 발생을 감소시킴과 동시에 중적외선 검출능을 향상시킬 수 있다.
이와 같이 암전류를 감소시킴으로써 120 K 이상의 고온에서 동작 가능한 적외선 검출소자를 제공할 수 있다.
본 발명에 따르면, 하기 도 1과 같이, 기판 상에 장벽층을 포함하는 에피기판을 준비하는 단계(S10); 및 상기 장벽층의 외부로 노출된 표면을 덮도록 불소계 고분자를 포함하는 보호층을 형성하는 단계(S20);를 포함하고, 상기 장벽층은 AlAsSb, AlGaSb, InAs 및 InAsSb로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는, 장벽층의 산화 방지 방법이 적용된 고온동작 적외선 검출소자 제조방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 기판 상에 포함되는 장벽층은 기상 에피택시(vapor-phase epitaxy), 액상 에피택시(Liquid Phase Epitaxy) 또는 분자선 에피택시(Molecular Beam Epitaxy) 방법으로 형성된 단결정 막일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 기판, 장벽층 및 보호층의 구성 성분, 조성, 두께 등의 구체적인 내용은 상술한 바와 동일할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 보호층을 형성하는 단계 이전에 상기 장벽층을 포함하는 에피기판을 식각하는 단계를 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 에피기판을 식각하는 단계에서는, 유도결합 플라즈마-반응성 이온 식각 장비(ICP-RIE)를 사용하여 픽셀 분리를 위한 메사 식각을 수행할 수 있다. 이를 통해, 기판을 제외한 층, 예를 들어, 장벽층을 목적하는 형태로 식각할 수 있다.
상기 에피기판을 식각하는 단계는 삼염화붕소를 이용하여 건식 식각하는 방법으로 수행될 수 있다. 상기 삼염화붕소 가스를 사용하여 식각 단계를 수행함으로써 Cl, Ar 및 N2와 같은 종래 식각 시 사용되는 가스 대비 식각 선택비가 향상되고, 식각 기울기를 작게 할 수 있다.
상기 식각 단계는 내부에 에피기판이 위치한 반응 챔버에 삼염화붕소 가스를 주입하고, 플라즈마 상태로 만들어 반응성 이온을 생성하여, 에피기판의 표면에서 화학반응으로 분해를 일으킴과 동시에 식각 이온을 가속시켜 기판을 제외한 층의 표면에 충돌하게 되어 식각을 발생시킬 수 있다.
상기 식각 단계는 유도결합 플라즈마 전력(ICP power)이 250 W 내지 350 W이고, 고주파전력(RF popwer)이 250 W 내지 300 W이고, 압력(pressure)이 1 mtorr 내지 3 mtorr이고, 삼염화붕소(BCl3)의 주입 속도가 2 내지 5 sccm인 조건에서 수행될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 보호층을 형성하는 단계는, 불화 가스를 이용한 플라즈마 처리를 통해, 장벽층의 외부로 노출된 표면을 덮도록 불소계 고분자막을 형성할 수 있다.
상기 불화 가스는 CF4, CHF3, CF3H, C2F6, C4F8 및 C4F8O으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다. 구체적인 예로서, 상기 불화 가스는 플루오로포름(CHF3)일 수 있다.
상기 보호층을 형성하는 단계는, 상기 식각 단계와 마찬가지로 유도결합 플라즈마-반응성 이온 식각 장비(ICP-RIE)를 사용하여 반응 챔버 내에 식각된 에피기판을 넣고 불화 가스를 이용하여 수행할 수 있다. 이 때, 상기 반응 챔버에 유도결합 플라즈마 전력(ICP power)이 공급되지 않는 조건에서 수행될 수 있다. 이 경우, ICP로 인한 기판 표면이 불균일해 지는 것을 방지할 수 있다.
상기 보호층을 형성하는 단계는, 유도결합 플라즈마 전력(ICP power)이 0 W, 고주파 전력(RF power)이 20 W 내지 40 W, 압력(Pressure)이 80 mtorr 내지 100 mtorr, 플루오로포름(CHF3)의 주입 속도가 60 sccm 내지 80sccm인 조건에서 탄소(C)와 플루오린(F) 라디칼을 유발시키는 조건에서 수행될 수 있다.
상기 탄소(C)와 플루오린(F) 라디칼은 전기적으로 중성이지만 화학적으로는 강한 성질을 보이기 때문에 에피기판에 장벽층의 산화를 막을 수 있는 폴리테트라플루오로에틸렌을 포함하는 보호층을 형성시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 식각하는 단계와 플라즈마 처리하는 단계는 연속적으로 하나의 반응 챔버에서 수행될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 보호층을 형성하는 단계 이후에, 상기 보호층을 제거하고 절연층을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 절연층은 통상의 적외선 검출소자의 절연막을 형성하기 위한 것이라면 특별히 한정하지 않으며, 예를 들어, 실리콘 옥사이드 및 실리콘 나이트라이드, 하프늄 옥사이드, 알루미늄 옥사이드 및 타이타니움 옥사이드로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 적외선 검출소자를 제조하기 위한 통상의 제조 단계를 더 거칠 수 있다.
본 발명에 따르면, 하기 도 2와 같이, 기판 상에 광 흡수층, 장벽층, 및 접촉층을 포함하는 에피기판을 준비하는 단계(S100); 및 상기 광 흡수층, 장벽층 및 접촉층의 외부로 노출된 표면을 덮도록 불소계 고분자를 포함하는 보호층을 형성하는 단계(S200)를 포함하고, 상기 장벽층은 AlAsSb, AlGaSb, InAs 및 InAsSb로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는, 장벽층의 산화 방지 방법이 적용된 고온동작 적외선 검출소자 제조방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 기판 상에 형성되는 광 흡수층, 장벽층 및 접촉층 중 어느 하나 이상의 층은 기상 에피택시(vapor-phase epitaxy), 액상 에피택시(Liquid Phase Epitaxy) 또는 분자선 에피택시(Molecular Beam Epitaxy) 방법으로 형성된 단결정 막일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 본 발명의 일 실시예에서, 상기 기판, 광 흡수층, 장벽층, 접촉층 및 보호층의 구성 성분, 조성, 두께 등의 구체적인 내용은 상술한 바와 동일할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 보호층을 형성하는 단계 이전에 상기 기판 상에 광 흡수층, 장벽층 및 접촉층을 포함하는 에피기판을 식각하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 식각하는 단계는 유도결합 플라즈마-반응성 이온 식각 장비(ICP-RIE)와 삼염화붕소 가스를 이용한 메사 식각을 통해 이루어질 수 있으며, 이를 통해, 기판을 제외한 층, 예를 들어, 광 흡수층, 장벽층 및 접촉층을 목적하는 형태로 식각할 수 있다.
상기 식각하는 단계에서 구체적인 식각 조건은 상술한 바와 동일할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 보호층을 형성하는 단계는, 불화 가스를 이용한 플라즈마 처리를 통해, 광 흡수층, 장벽층 및 접촉층의 외부로 노출된 표면을 덮도록 불소계 고분자막을 형성할 수 있다. 구체적으로, 상기 보호층을 형성하는 단계는 상기 식각하는 단계 이후 연속적으로 하나의 반응 챔버에서 플루오로포름(CHF3) 가스를 이용하여 수행될 수 있으며, 구체적인 공정 조건은 상술한 바와 동일할 수 있다. 이와 같이, 식각 단계와 보호층을 형성하는 단계를 하나의 반응 챔버에서 수행함으로써, 보호층을 형성하기 전에 장벽층이 외부에 노출되어 산화가 발생하는 것을 방지할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 보호층을 형성하는 단계 이후에, 상기 보호층을 제거하고 절연층을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 절연층은 통상의 적외선 검출소자의 절연막을 형성하기 위한 것이라면 특별히 한정하지 않으며, 예를 들어, 실리콘 옥사이드 및 실리콘 나이트라이드, 하프늄 옥사이드, 알루미늄 옥사이드 및 타이타니움 옥사이드로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 적외선 검출소자를 제조하기 위한 통상의 제조 단계를 더 거칠 수 있다.
이하, 본 발명을 구체적으로 설명하기 위해 실시예를 들어 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명에 따른 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예에 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.
<실시예>
실시예 1
1. 에피기판 제조
하기 도 3a와 같이 기판(10) 상에 광 흡수층(11), 장벽층(12) 및 접촉층(13)이 순차 적층된 구조의 에피기판을 준비하였다. 이 때, 장벽층(12)은 AlAsSb로 형성되었다.
2. 에피기판 식각
상기 준비된 에피기판을 반응 챔버에 넣고, 하기 도 3b와 같이 에피기판을 식각하였다.
구체적으로, 유도결합 플라즈마-반응성 이온 식각 장비(ICP-RIE)를 사용하여 픽셀 분리를 위한 건식 식각을 진행하였다. 이 때, 유도결합 플라즈마 전력(ICP power)은 300 W, 고주파전력(RF popwer)은 270W, 압력(pressure)은 1 mtorr, 삼염화붕소(BCl3) 가스의 주입 속도는 4 sccm로 공정 조건을 제어하였다.
3. 보호층 형성
상기 에피기판을 식각할 때와 동일한 장비에서 연속적으로 플루오로포름(CHF3)을 주입하여 라디칼을 형성하여 하기 도 3c와 같이 식각된 에피기판에 폴리테트라플루오로에틸렌을 포함하는 보호층(20)을 형성하였다.
구체적으로, 유도결합 플라즈마 전력(ICP power)은 0 W, 고주파 전력(RF power)은 30 W, 압력(Pressure)은 90 mtorr, 플루오로포름(CHF3)의 주입 속도는 70 sccm인 조건에서 탄소(C)와 플루오린(F) 라디칼을 유발시켜 식각된 에피기판에 폴리테트라플루오로에틸렌 보호층을 형성시켰다.
4. 절연층 형성
상기 폴리테트라플루오로에틸렌 보호층(20)을 제거하고 하기 도 3d와 같이 절연층(30)을 형성하여 고온동작 중적외선 검출소자를 제조하였다.
구체적으로, 유도결합 플라즈마-반응성 이온 식각 장비(ICP-RIE)에서 유도결합 플라즈마 화학 기상 증착 장비(ICP-CVD)로 이동시켜 폴리테트라플루오로에틸렌 보호층(20)을 제거하고, 절연층(30)을 형성시켰다.
<비교예>
비교예 1
상기 실시예 1에서, 식각된 에피기판에 보호층을 형성하지 않은 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 수행하여 고온동작 중적외선 검출소자를 제조하였다.
<실험예>
실험예 1
상기 비교예 1에서와 같이 보호층을 형성하지 않아 중적외선 검출소자 제작 중 발생된 장벽층의 산화된 구조를 나타낸 경우(도 4), 상기 장벽층의 산화가 심화되어 부러진 경우(도 5) 및 실시예 1에서와 같이 장벽층의 산화를 방지하기 위해 폴리테트라플루오로에틸렌 보호층을 형성한 경우(도 6) 각각에 대해서 주사형 전자 현미경(SEM) 사진을 확인하였다.
구체적으로, 도 4를 보면, 장벽층이 산화되어 일부분이 돌출된 것을 확인할 수 있고, 도 5를 보면, 산화된 장벽층이 더욱 산화되어 부러짐으로써 내부까지 결함이 발생한 것을 확인할 수 있으며, 도 6을 보면, 보호층을 형성함으로써 장벽층의 산화 및 결함을 방지한 것을 확인할 수 있었다.
실험예 2
산화를 방지하기 위해 CHF3 처리를 통해 폴리테트라플루오로에틸렌 보호층을 형성한 경우(CHF3 treat)와 그렇지 않은 경우(no treat)에 대해서 X선 광전자 분광법(XPS)을 통해 분석하였고, 그 결과는 하기 도 7에 나타내었다.
도 7을 통해 플루오로포름(CHF3) 처리를 통해 식각된 에피기판에 폴리테트라플루오로에틸렌((C2F4)n)을 포함하는 보호층이 형성된 것을 확인할 수 있었다.
실험예 3
중적외선 검출소자 제작 중 발생된 장벽층의 산화된 구조를 나타낸 경우(도 8), 상기 장벽층의 산화가 심화되어 부러진 경우(도 9) 및 산화를 방지하기 위해 폴리테트라플루오로에틸렌 보호층을 형성한 경우(도 10) 각각에 대해서 암전류 밀도(Dark current density)를 측정하였다.
-0.5 V 내지 0 V의 범위에서, 중적외선 검출소자 제작 중 발생된 장벽층의 산화된 구조를 가지는 경우의 암전류 밀도를 나타내는 도 8과 본 발명과 같이 보호층이 형성되어 있는 경우의 암전류 밀도를 나타내는 도 10을 비교하면, 도 10 대비 도 8에서 장벽층의 산화로 암전류가 증가한 것을 확인할 수 있었다.
±0.2 V 범위에서, 장벽층이 산화되서 부러진 경우의 암전류 밀도를 나타내는 도 9를 보면, 장벽층에 결합이 발생하여 암전류가 급격하게 증가하는 것을 확인할 수 있었다.
지금까지 본 발명의 일 실시예에 따른 장벽층의 산화 방지 방법이 적용된 고온동작 적외선 검출소자 및 이의 제조방법에 관한 구체적인 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서는 여러 가지 실시 변형이 가능함은 자명하다.
그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
즉, 전술된 실시예는 모든 면에서 예시적인 것이며, 한정적인 것이 아닌 것으로 이해되어야 하며, 본 발명의 범위는 상세한 설명보다는 후술될 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 그 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
10: 기판
11: 광 흡수층
12: 장벽층
13: 접촉층
20: 보호층
30: 절연층
11: 광 흡수층
12: 장벽층
13: 접촉층
20: 보호층
30: 절연층
Claims (17)
- 기판;
상기 기판 상에 형성되고, AlAsSb, AlGaSb, InAs 및 InAsSb로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 장벽층; 및
상기 장벽층의 외부로 노출된 표면을 덮도록 형성되고, 불소계 고분자를 포함하는 보호층;을 포함하는,
장벽층의 산화 방지 방법이 적용된 고온동작 적외선 검출소자.
- 제1항에 있어서,
상기 장벽층은 AlAsSb를 포함하는 것을 특징으로 하는,
장벽층의 산화 방지 방법이 적용된 고온동작 적외선 검출소자.
- 제1항에 있어서,
상기 기판 및 장벽층 사이에 형성되는 광 흡수층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
장벽층의 산화 방지 방법이 적용된 고온동작 적외선 검출소자.
- 제3항에 있어서,
상기 광 흡수층은 InAs, GaSb 및 InAsSb로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는,
장벽층의 산화 방지 방법이 적용된 고온동작 적외선 검출소자.
- 제1항에 있어서,
상기 장벽층 상에 형성되는 접촉층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
장벽층의 산화 방지 방법이 적용된 고온동작 적외선 검출소자.
- 제5항에 있어서,
상기 접촉층은 InAs, GaSb 및 InAsSb로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는,
장벽층의 산화 방지 방법이 적용된 고온동작 적외선 검출소자.
- 제1항에 있어서,
상기 불소계 고분자를 이루는 단량체는 비닐플루오라이드, 테트라플루오로에틸렌, 헥사플루오로프로필렌, 퍼플루오로알콕시에틸렌, 클로로트리플루오로에틸렌 및 에틸렌클로로트리플루오로에틸렌으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는,
장벽층의 산화 방지 방법이 적용된 고온동작 적외선 검출소자.
- 기판;
상기 기판 상에 형성되는 광 흡수층;
상기 광 흡수층 상에 형성되는 장벽층;
상기 장벽층 상에 형성되는 접촉층; 및
상기 광 흡수층, 장벽층 및 접촉층의 외부로 노출된 표면을 덮도록 형성되는 보호층을 포함하고,
상기 장벽층은 AlAsSb, AlGaSb, InAs 및 InAsSb로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하며,
상기 보호층은 불소계 고분자를 포함하는,
장벽층의 산화 방지 방법이 적용된 고온동작 적외선 검출소자.
- 제8항에 있어서,
상기 장벽층은 AlAsSb를 포함하고,
상기 보호층은 폴리테트라플루오로에틸렌을 포함하는 것을 특징으로 하는,
장벽층의 산화 방지 방법이 적용된 고온동작 적외선 검출소자.
- 제1항에 있어서,
상기 적외선 검출소자는 중적외선을 검출하는 것을 특징으로 하는,
장벽층의 산화 방지 방법이 적용된 고온동작 적외선 검출소자.
- 기판 상에 장벽층을 포함하는 에피기판을 준비하는 단계(S10);
상기 장벽층의 외부로 노출된 표면을 덮도록 불소계 고분자를 포함하는 보호층을 형성하는 단계(S20);를 포함하고,
상기 장벽층은 AlAsSb, AlGaSb, InAs 및 InAsSb로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는,
장벽층의 산화 방지 방법이 적용된 고온동작 적외선 검출소자 제조방법.
- 제11항에 있어서,
상기 보호층을 형성하는 단계 이전에 상기 에피기판을 식각하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
장벽층의 산화 방지 방법이 적용된 고온동작 적외선 검출소자 제조방법.
- 제12항에 있어서,
상기 에피기판을 식각하는 단계는 삼염화붕소를 이용하여 건식 식각하는 방법으로 수행되는 것을 특징으로 하는,
장벽층의 산화 방지 방법이 적용된 고온동작 적외선 검출소자 제조방법.
- 기판 상에 광 흡수층, 장벽층 및 접촉층을 포함하는 에피기판을 준비하는 단계(S100); 및
상기 광 흡수층, 장벽층 및 접촉층의 외부로 노출된 표면을 덮도록 불소계 고분자를 포함하는 보호층을 형성하는 단계(S200);를 포함하고,
상기 장벽층은 AlAsSb, AlGaSb, InAs 및 InAsSb로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는,
장벽층의 산화 방지 방법이 적용된 고온동작 적외선 검출소자 제조방법.
- 제14항에 있어서,
상기 보호층을 형성하는 단계 이전에 상기 에피기판을 식각하는 단계를 더 포함하고, 상기 에피기판을 식각하는 단계에서 기판을 제외한 광 흡수층, 장벽층 및 접촉층을 식각하는 것을 특징으로 하는,
장벽층의 산화 방지 방법이 적용된 고온동작 적외선 검출소자 제조방법.
- 제15항에 있어서,
상기 보호층을 형성하는 단계는, 불화 가스를 이용한 플라즈마 처리를 통해, 광 흡수층, 장벽층 및 접촉층의 외부로 노출된 표면을 덮도록 불소계 고분자막을 형성하는 것을 특징으로 하는,
장벽층의 산화 방지 방법이 적용된 고온동작 적외선 검출소자 제조방법.
- 제16항에 있어서,
상기 식각하는 단계와 플라즈마 처리하는 단계는 연속적으로 하나의 반응 챔버에서 수행되는 것을 특징으로 하는,
장벽층의 산화 방지 방법이 적용된 고온동작 적외선 검출소자 제조방법.
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| KR19980034199A (ko) | 1996-11-05 | 1998-08-05 | 김광호 | 적외선 물체검출장치 |
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2022
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