WO2023214787A1 - 자외선 센서 - Google Patents

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WO2023214787A1
WO2023214787A1 PCT/KR2023/006016 KR2023006016W WO2023214787A1 WO 2023214787 A1 WO2023214787 A1 WO 2023214787A1 KR 2023006016 W KR2023006016 W KR 2023006016W WO 2023214787 A1 WO2023214787 A1 WO 2023214787A1
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polycrystalline film
ultraviolet sensor
substrate
electrode
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박재혁
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박재혁
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    • H01L31/08—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors
    • H01L31/10—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors characterised by potential barriers, e.g. phototransistors
    • H01L31/101—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation

Definitions

  • This disclosure relates to ultraviolet sensors.
  • UV Ultraviolet rays
  • AlN e.g., ⁇ 6.28 eV
  • GaN e.g., ⁇ 3.44 eV
  • sensing of these mid-wavelength bands is implemented by controlling the composition ratio of AlN and GaN.
  • AlN and GaN-based materials must be grown into an epitaxy layer using high temperature and expensive equipment such as CVD (Chemical Vaper Deposition) and MBE (Molecular Beam Epitaxy), but AlN and GaN have lattice mismatches. Because it is difficult to deposit as an epitaxial layer, a method of stacking multiple layers (for example, buffer layer) is mainly used.
  • the manufacturing time is very long, the cost is high, and the thickness of the device becomes thick, which makes various uses impossible.
  • the AlGaN optical sensor which is used by mixing AlN and GaN, has the problem of longer response and recovery times compared to when a single material is used, so there is a limitation in the sensing time.
  • the object of the present disclosure is to provide a method for manufacturing a high-efficiency ultraviolet sensor simply and at a low cost by aerosol deposition, and to provide an ultraviolet sensor accordingly.
  • An exemplary ultraviolet sensor includes a substrate; Powder having an energy band gap of 3 eV to 11 eV and an average central particle diameter of 0.1 ⁇ m to 5 ⁇ m is sprayed on the substrate through a nozzle in vacuum at a speed of 100 m/s to 500 m/s to provide a polycrystalline film.
  • the substrate may include silicon, quartz, sapphire, polymer, or metal.
  • the powders include MgF 2 , BeO, GaF 2 , SiO 2 , ZrO 2 , MgO, Al 2 O 3 , AlN, HfO 2 , GeO 2 , LaAlO 3 , diamond, ⁇ -Si 3 N 4 , ⁇ - Ga 2 O 3 , Yb 2 O 3 , Nd 2 O 3 , Zn 2 GeO 4 , Ta 2 O 5 , MgS, In 2 Ge 2 O 7 , ZnS, NiO, In 2 O 3 , Zn 2 SnO 4 , SnO 2 , Nb 2 O 5 , GaN, ZnO, WO 3 , CeO 2 , 4H-SiC, TiO 2 , NgNiO, MgZnO, BeMgZnO, MgZnS, AlGaN, ZrTiO 2 or InGaZnO.
  • the polycrystalline film may have a thickness of 1 nm to 50 ⁇ m.
  • the at least two electrodes may be provided in an interdigital form on the polycrystalline film.
  • the at least two electrodes may include a first electrode provided on the substrate and a second electrode provided on the polycrystalline film to cross the first electrode.
  • the resistivity of the electrode may be less than 100 ohm/cm.
  • the polycrystalline film and the electrode are covered with a protective layer, and the protective layer may have a light transmittance of 50% to 99.9%.
  • the ultraviolet sensor may sense light having a wavelength of 10 nm to 400 nm.
  • the substrate and the polycrystalline film may have a concave structure to improve sensing sensitivity or a convex structure to increase the sensing area.
  • the present disclosure provides a method for manufacturing a high-efficiency ultraviolet sensor simply and at low cost by aerosol deposition, and an ultraviolet sensor accordingly.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing an exemplary apparatus for manufacturing an ultraviolet sensor by aerosol deposition according to the present disclosure.
  • Figure 2 is a flow chart illustrating a method of manufacturing an ultraviolet sensor by exemplary aerosol deposition according to the present disclosure.
  • 3A and 3B are plan and cross-sectional views showing an ultraviolet sensor using aerosol deposition according to an exemplary embodiment of the present disclosure.
  • Figure 4 is a characteristic diagram of an ultraviolet sensor by exemplary aerosol deposition according to the present disclosure (heat treatment at 800°C).
  • Figure 5 is a characteristic diagram of an ultraviolet sensor by exemplary aerosol deposition according to the present disclosure (600°C heat treatment).
  • FIG. 6 is a characteristic diagram of an ultraviolet sensor by exemplary aerosol deposition according to the present disclosure (without heat treatment).
  • FIG. 7A and 7B are graphs showing output current and on/off ratio according to electrode length in an exemplary ultraviolet sensor using aerosol deposition according to the present disclosure.
  • Figure 8 is a graph showing the output current at the mA level according to the electrode length in the ultraviolet sensor by exemplary aerosol deposition according to the present disclosure.
  • Figure 9 is a graph comparing the transparency of a polycrystalline film according to powder size in an ultraviolet sensor using exemplary aerosol deposition according to the present disclosure.
  • Figure 10 is a cross-sectional view showing an ultraviolet sensor using aerosol deposition according to an exemplary embodiment of the present disclosure.
  • Figure 11 is a cross-sectional view showing an ultraviolet sensor using aerosol deposition according to an example of the present disclosure.
  • 12A and 12B are cross-sectional views showing an ultraviolet sensor using aerosol deposition according to an exemplary embodiment of the present disclosure.
  • first, second, etc. are used herein to describe various members, parts, regions, layers and/or parts, these members, parts, regions, layers and/or parts are limited by these terms. It is obvious that this cannot be done. These terms are used only to distinguish one member, component, region, layer or section from another region, layer or section. Accordingly, a first member, component, region, layer or portion described below may refer to a second member, component, region, layer or portion without departing from the teachings of the present invention.
  • Space-related terms such as “beneath,” “below,” “lower,” “above,” and “upper” are used to refer to an element or feature shown in a drawing. It can be used to facilitate understanding of other elements or features. These space-related terms are for easy understanding of the present invention according to various process states or usage states of the present invention, and are not intended to limit the present invention. For example, if an element or feature in a drawing is turned over, an element or feature described as “bottom” or “below” becomes “top” or “above.” Therefore, “lower” is a concept encompassing “upper” or “lower.”
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing an apparatus for manufacturing an ultraviolet sensor by an exemplary aerosol deposition according to the present disclosure
  • FIG. 2 is a flowchart showing a method of manufacturing an ultraviolet sensor by an exemplary aerosol deposition according to the present disclosure.
  • the ultraviolet sensor manufacturing apparatus 200 includes a transport gas supply unit 210, a type of powder having an energy band gap of approximately 3 eV to approximately 11 eV, or various types of powder.
  • a powder supply unit 220 that stores and supplies mixed powder, a transfer pipe 222 that transfers the powder from the powder supply unit 220 at high speed using a transfer gas, and the powder from the transfer pipe 222 is insulated or
  • a nozzle 232 for coating/laminating or spraying on the conductive substrate 110, a vacuum chamber ( 230) may be included.
  • FIGS. 1 and 2 together, a method for forming a polycrystalline film according to the present invention will be described.
  • the transport gas stored in the transport gas supply unit 210 may include oxygen, helium, nitrogen, argon, carbon dioxide, hydrogen, or air.
  • the transport gas is directly supplied from the transport gas supply unit 210 to the powder supply unit 220 through the pipe 211, and its flow rate and pressure can be adjusted by the flow rate controller 250.
  • the powder supply unit 220 stores and supplies a large amount of powder, which may have an average central particle diameter range of approximately 0.1 ⁇ m to approximately 5 ⁇ m.
  • the shape of the powder may be spherical, polygonal, or needle-shaped.
  • the average central particle size range of the powder is less than approximately 0.1 ⁇ m, not only is it difficult to store and supply the powder, but also due to agglomeration phenomenon during powder storage and supply, when the powder is sprayed, collided, crushed and/or pulverized, the particle size range is smaller than approximately 0.1 ⁇ m. Not only is it easy to form a green compact in which particles are aggregated, but it also has the disadvantage of making it difficult to form a large-area polycrystalline film. Practically, when the average central particle size range of the powder is smaller than approximately 0.1 ⁇ m, the formation of a polycrystalline film does not occur.
  • the average central particle size range of the powder is larger than approximately 5 ⁇ m, not only is it easy to cause sandblasting, which involves cutting the substrate when spraying, colliding, crushing, and/or pulverizing the powder, but also the partially formed polycrystalline film As the grain size within the film becomes relatively large, the polycrystalline film structure becomes unstable and the porosity inside or on the surface of the polycrystalline film increases, which may prevent the material from exhibiting its original properties.
  • the average central particle size of the powder ranges from approximately 0.1 ⁇ m to approximately 5 ⁇ m
  • a polycrystalline film with relatively small porosity (porosity), no surface micro-crack phenomenon, and easy powder control can be obtained.
  • the average central particle size of the powder is in the range of approximately 0.1 ⁇ m to approximately 5 ⁇ m
  • a polycrystalline film can be obtained in which the stacking speed of the polycrystalline film is relatively high, is transparent (or translucent), and is easy to implement material properties.
  • a polycrystalline film may be obtained in which the average central particle diameter of the particles ranges from approximately 1 nm to approximately 500 nm.
  • the vacuum chamber 230 maintains a vacuum state during the formation of the polycrystalline film, and a vacuum unit 240 may be connected to this purpose. More specifically, the pressure of the vacuum chamber 230 is approximately 1 torr (low vacuum) to approximately 760 torr (atmospheric pressure), and the pressure of the powder transported by the high-speed transfer pipe 222 may be greater than this.
  • the internal temperature range of the vacuum chamber 230 is approximately 0°C to approximately 30°C, so there may be no separate member for increasing or decreasing the internal temperature of the vacuum chamber 230. That is, the transfer gas and/or the substrate are not separately heated and can be maintained at a temperature of approximately 0°C to approximately 30°C.
  • the transport gas or/and the substrate may be heated to a temperature of approximately 30° C. to approximately 1000° C. That is, the transfer gas in the transfer gas supply unit 210 may be heated by a separate heater (not shown), or the substrate 111 in the vacuum chamber 230 may be heated by a separate heater (not shown).
  • a separate heater not shown
  • the substrate 111 in the vacuum chamber 230 may be heated by a separate heater (not shown).
  • the powder melts and causes a rapid phase transition, which may increase the porosity of the polycrystalline film and make the internal structure of the polycrystalline film unstable. Additionally, if the transfer gas or/and substrate temperature is less than approximately 30° C., the stress applied to the powder may not be reduced.
  • this temperature range is not limited in the present invention, and the internal temperature range of the transfer gas, substrate, and/or vacuum chamber may be adjusted between approximately 0°C and approximately 1000°C depending on the characteristics of the substrate on which the polycrystalline film is to be formed.
  • the pressure difference between the vacuum chamber 230 and the high-speed transfer pipe 222 may be approximately 1.5 times to approximately 2000 times. If the pressure difference is less than approximately 1.5 times, high-speed transfer of the powder may be difficult, and if the pressure difference is greater than approximately 2000 times, the surface of the substrate may be excessively etched by the powder.
  • the powder from the powder supply unit 220 is sprayed through the transfer pipe 222 and is delivered to the vacuum chamber 230 at high speed.
  • a nozzle 232 connected to the transfer pipe 222 is provided in the vacuum chamber 230 to collide the powder into the substrate 110 at a speed of approximately 100 m/s to approximately 500 m/s. That is, the powder passing through the nozzle 232 is crushed and/or pulverized by the kinetic energy obtained during transport and the collision energy generated during high-speed collision, thereby forming a polycrystalline film of a certain thickness on the surface of the substrate 110. In some instances, this method of polycrystalline film formation is also referred to as aerosol deposition.
  • the average central particle diameter of the powder is approximately 1 ⁇ m to approximately 5 ⁇ m
  • a polycrystalline film having an average central particle diameter of approximately 1 nm to approximately 500 nm can be obtained.
  • the thickness of the polycrystalline film is approximately 1 nm. It can be provided in nm to approximately 50 ⁇ m.
  • the thickness of the polycrystalline film exceeds approximately 50 ⁇ m, there is a problem that a flexible device cannot be implemented due to the channel region having a thick thickness of approximately 50 ⁇ m even when applied to a flexible substrate.
  • the thickness of the polycrystalline film is preferably approximately 1 nm to approximately 50 ⁇ m, and more preferably approximately It may be from 10 nm to approximately 10 ⁇ m.
  • an electrode formation process may be performed after the polycrystalline film formation process.
  • the electrode formation process may be performed via electron beam, sputtering, or chemical vapor deposition.
  • forming the electrode may include electron beam depositing a titanium layer on a polycrystalline film and electron beam depositing a gold layer or platinum layer on the titanium layer.
  • the titanium layer serves to adhere the gold layer to the polycrystalline film, and the gold layer serves as a wire through which electrons easily flow.
  • the electrode is applicable to the present invention if it is a conductive material with a resistivity less than approximately 200 ohm/cm, preferably less than approximately 100 ohm/cm.
  • the thickness of the electrode may be approximately 10 nm to approximately 200 nm.
  • the titanium layer may be approximately 20 nm to approximately 40 nm thick, and the gold layer may be approximately 100 nm to approximately 200 nm thick.
  • a heat treatment process may be further performed after the above-described polycrystalline film formation process and/or electrode formation process.
  • the polycrystalline film may be heat treated at a temperature of approximately 100°C to approximately 1500°C for approximately 1 minute to approximately 600 minutes. The response and recovery speed of the ultraviolet sensor can be improved by this heat treatment.
  • heat treatment may be performed by placing the substrate on which the above-described polycrystalline film is formed in a furnace, or by directly radiating a laser beam or ion beam to the polycrystalline film.
  • 3A and 3B are a plan view and a cross-sectional view showing an ultraviolet sensor 100 using aerosol deposition according to an exemplary embodiment of the present disclosure.
  • the ultraviolet sensor 100 may include a substrate 110, a polycrystalline film 120, and a pair of electrodes 130.
  • the substrate 110 can be used in a variety of ways, from rigid, inflexible substrates to flexible substrates, without any particular limitations. Additionally, a variety of substrates 110 may be used without any particular limitation, ranging from insulating substrates to conductive substrates. In some examples, the substrate 110 may include a silicon substrate, quartz substrate, sapphire substrate, polymer substrate, polymer substrate, or metal substrate.
  • the polycrystalline film 120 may be formed on the substrate 110 by aerosol deposition as described above.
  • the polycrystalline film 120 may be formed in the form of a two-dimensional thin film.
  • the polycrystalline film 120 may be a poly alpha, beta phase crystalline substance or a poly beta phase crystalline substance.
  • the polycrystalline film 120 is formed through the aerosol deposition method as described above. In this way, the deposition process is performed at least once to easily provide a polycrystalline film, a poly-alpha, beta-phase crystal film, or a poly-beta-phase crystal film. can do.
  • the polycrystalline film 120 is formed on the substrate 110 by forming one type of powder or a mixture of several types of powders with an energy band gap of approximately 3 eV to approximately 11 eV at a speed of approximately 100 m/s to approximately 11 eV.
  • the polycrystalline film 120 is provided by being sprayed through a nozzle in a vacuum at a speed of approximately 500 m/s.
  • the average central particle diameter of the particles forming the polycrystalline film 120 may be approximately 1 nm to approximately 500 nm.
  • the powders include MgF 2 , BeO, GaF 2 , SiO 2 , ZrO 2 , MgO, Al 2 O 3 , AlN, HfO 2 , GeO 2 , LaAlO 3 , diamond, ⁇ -Si 3 N 4 , ⁇ -Ga 2 O 3 , Yb 2 O 3 , Nd 2 O 3 , Zn 2 GeO 4 , Ta 2 O 5 , MgS, In 2 Ge 2 O 7 , ZnS, NiO, In 2 O 3 , Zn 2 SnO 4 , SnO 2 , It may include at least one of Nb 2 O 5 , GaN, ZnO, WO 3 , CeO 2 , 4H-SiC, TiO 2 , NgNiO, MgZnO, BeMgZnO, MgZnS, AlGaN, ZrTiO 2 or InGaZnO.
  • powders such as ZnS, NiO, In 2 O 3 , Zn 2 SnO 4 , SnO 2 , Nb 2 O 5 , GaN, ZnO, WO 3 , CeO 2 , 4H-SiC or TiO 2 have an energy bandgap. It is approximately 3 eV to 4 eV, and through these, an ultraviolet sensor capable of detecting a UVA region of approximately 280 nm to approximately 400 nm can be provided.
  • the semiconductor alloy powder such as NgNiO, MgZnO, BeMgZnO, MgZnS, AlGaN, ZrTiO 2 or InGaZnO, has an energy bandgap of approximately 3 eV to approximately 11 eV, through which the UVC region of approximately 10 nm to 400 nm, UVB An ultraviolet sensor capable of detecting both local and UVC regions may be provided.
  • the pair of electrodes 130 are arranged to be spaced apart from each other while directly contacting the surface of the transparent polycrystalline film 120, so that a channel region 121 can be provided within the polycrystalline film 120.
  • a metal-semiconductor-metal (MSM) structure can be provided.
  • the two electrodes 130 may be formed of titanium/gold or titanium/platinum, and may also be formed of chrome/gold.
  • the two electrodes 130 face each other and are spaced apart from each other so that the channel region 121 in the polycrystalline film 120 is exposed between them, and this exposed portion can become a sensing region of the optical sensor 100. there is. That is, the channel area or channel 121 can be a sensing area.
  • the two electrodes 130 may be provided as an Interdigital Transducer (IDT) type.
  • the electrode 131 on one side may be composed of one main electrode 1311 and a plurality of sub-electrodes 1312 extending from the main electrode 1311, and the electrode 132 on the other side may also be composed of one main electrode 1311. It may be composed of a main electrode 1321 and a plurality of sub-electrodes 1322 extending from the main electrode 1321.
  • the main electrode 1311 on one side and the main electrode 1321 on the other side may face each other and be spaced apart, and the sub-electrodes 1312 on one side and the sub-electrodes 1322 on the other side may also be alternately positioned and interact with each other. may be separated.
  • unexplained numerals 133 and 134 denote electrode pads electrically connected to the power supply and the current sensor, respectively.
  • the channel region 121 of the polycrystalline film 120 may be exposed to the outside by the sub-electrode 1312 on one side and the sub-electrode 1322 on the other side.
  • the channel area 121 may have a predetermined length and a predetermined pitch.
  • the number of a pair of sub-electrodes 1312 and 1322 may be approximately 10 to approximately 100,000, and the total length of the channel region 121 may be determined depending on the number or pitch of the sub-electrodes 1312 and 1322. You can.
  • the overall length of channel region 121 may be approximately 20 mm to approximately 30,000 mm.
  • the ultraviolet sensor 100 having such a manufacturing method and structure not only has excellent wavelength selectivity by absorbing only ultraviolet rays without absorbing visible light, but also has a cheaper manufacturing cost and a relatively fast response speed compared to the prior art.
  • the ultraviolet sensor 100 according to the present disclosure can sense light having a wavelength of approximately 10 nm to approximately 400 nm. Additionally, the ultraviolet sensor 100 according to the present disclosure may have a response speed of approximately 0.1 s to approximately 4 s. Additionally, the ultraviolet sensor 100 according to the present disclosure may have an output current ratio (response, response, or sensitivity) of approximately 6 times to approximately 40,000 times when exposed to ultraviolet rays and when not exposed to ultraviolet rays.
  • an output current ratio response ratio
  • Figure 4 is a characteristic diagram of a Ga 2 O 3 ultraviolet sensor by exemplary aerosol deposition according to the present disclosure (heat treatment at 800°C).
  • (a) is the characteristic diagram after heat treatment at 800°C for 5 minutes
  • (b) is heat treatment at 800°C for 15 minutes
  • (c) is heat treatment at 800°C for 30 minutes.
  • the Ga 2 O 3 ultraviolet sensor as shown in (a) of FIG. 4 showed a response time of approximately 2.53 seconds (time for the output current value to reach the maximum value) when ultraviolet rays were illuminated, and approximately 0.53 sec when the ultraviolet rays were blocked.
  • the recovery time (the time when the output current value reached the lowest value) was shown, and the output current ratio with and without ultraviolet rays was approximately 4.81 times.
  • the Ga 2 O 3 ultraviolet sensor as shown in (b) of FIG. 4 showed a response time of approximately 5.81 seconds (time for the output current value to reach the maximum value) when the ultraviolet light was turned on and a recovery time of approximately 3 seconds when the ultraviolet light was turned off. The time (the time when the output current value reached the lowest value) was shown, and the output current ratio with and without ultraviolet rays was approximately 13.9 times.
  • the Ga 2 O 3 ultraviolet sensor as shown in (c) of FIG. 4 showed a response time of approximately 5.9 seconds (time for the output current value to reach the maximum value) when the ultraviolet light was turned on and a recovery time of approximately 3.5 seconds when the ultraviolet light was turned off.
  • the time (the time when the output current value reached the lowest value) was shown, and the output current ratio with and without ultraviolet rays was approximately 7.27 times.
  • Figure 5 is a characteristic diagram of a Ga 2 O 3 ultraviolet sensor by exemplary aerosol deposition according to the present disclosure (600°C heat treatment).
  • the Ga 2 O 3 ultraviolet sensor as shown in FIG. 5 showed a response time of approximately 4.99 seconds (time for the output current value to reach the maximum value) when the ultraviolet light was turned on, and a recovery time of approximately 0.55 seconds (the output current value) when the ultraviolet light was turned off. The time when the value reached the lowest value) was shown, and the output current ratio in the presence and absence of ultraviolet rays was approximately 9.37 times.
  • Figure 6 is a characteristic diagram of a Ga 2 O 3 ultraviolet sensor by exemplary aerosol deposition according to the present disclosure (without heat treatment).
  • the Ga 2 O 3 ultraviolet sensor as shown in FIG. 6 showed a response time of approximately 13.5 seconds (the time when the output current value reached the maximum value) when the ultraviolet light was turned on, and a recovery time of approximately 13.8 seconds (the output current value) when the ultraviolet light was turned off. The time when the value reached the lowest value) was shown, and the output current ratio in the presence and absence of ultraviolet rays was approximately 6.14 times.
  • FIG. 7A and 7B are graphs showing output current and on/off ratio according to electrode length in an exemplary ultraviolet sensor using aerosol deposition according to the present disclosure.
  • the on/off ratio for the portion marked “A” in FIG. 7A is shown in FIG. 7B.
  • the ultraviolet sensor may be manufactured using Ga 2 O 3 .
  • the X-axis is the length of the channel area (mm) and the Y-axis is the maximum current (A).
  • the X-axis is time and the Y-axis is response, response or sensitivity (Ip/IO).
  • the length of the channel region can be approximately 10 mm to approximately 1800 mm.
  • the response characteristics or sensitivity were better when a bias DC voltage of 3V was applied than when a bias DC voltage of 1V and 5V were applied.
  • the sensitivity ratio of the ultraviolet sensor according to the present invention before and after ultraviolet irradiation was observed to be approximately 40,000 times.
  • Figure 8 is a graph showing the output current at the mA level according to the electrode length in the ultraviolet sensor by exemplary aerosol deposition according to the present disclosure.
  • the ultraviolet sensor may be manufactured using Ga 2 O 3 .
  • the X-axis is the length of the channel area (mm) and the Y-axis is the maximum current (A).
  • the length of the channel region can be from approximately 10 mm to approximately 30,000 mm.
  • ultraviolet rays were irradiated while applying bias direct current voltages of 1V, 3V, and 5V, respectively, to a pair of electrodes provided in the Ga 2 O 3 ultraviolet ray sensor according to the present disclosure.
  • the maximum current (A) was printed.
  • the applied bias DC voltage increased, the maximum current flowing in response to ultraviolet rays increased, and as the length of the channel region increased, the maximum current increased.
  • the length of the channel region exceeds approximately 25,000 mm, a maximum current of several mA flows, so that the sensing signal can be processed by a simple signal processing circuit with a relatively small number of amplifier circuits. Therefore, the price of the ultraviolet sensor can be lowered.
  • Figure 9 is a graph comparing the transparency of a polycrystalline film according to powder size in an ultraviolet sensor using exemplary aerosol deposition according to the present disclosure.
  • the X-axis means wavelength (nm)
  • the Y-axis means light transmittance (%).
  • the polycrystalline film made from powder with an average central particle diameter of approximately 1 ⁇ m is more dense than the polycrystalline film made from powder with an average central particle diameter of approximately 5 ⁇ m, and thus the device characteristics are well implemented.
  • Figure 10 is a cross-sectional view showing an ultraviolet sensor using aerosol deposition according to an exemplary embodiment of the present disclosure.
  • the ultraviolet sensor 100A by exemplary aerosol deposition according to the present disclosure has a resistivity of less than approximately 100 ohm/cm (e.g., approximately 10 ohm/cm) on a conductive or insulating substrate. cm to approximately 100 ohm/cm) and a substrate 110 provided with an electrode 131, and on the substrate 110 and the electrode 131, one type of powder or various powders having an energy band gap of approximately 3 eV to approximately 11 eV.
  • Powder mixed with different types of powder is sprayed through a nozzle in a vacuum at a speed of approximately 100 m/s to approximately 500 m/s to provide a polycrystalline film 120, and the average center particle diameter of the particles forming the polycrystalline film 120 is It may include a polycrystalline film 120 having a thickness of 1 nm to 500 nm, and at least one electrode 132 provided on the polycrystalline film 120.
  • the thickness of polycrystalline film 120 may be approximately 1 nm to approximately 50 ⁇ m.
  • the lower electrode 131 may be provided on the entire upper surface of the substrate 110, so that the lower electrode 131 may have a shape that substantially intersects the upper electrode 132.
  • the ultraviolet sensor 100A by aerosol deposition according to the present disclosure has one electrode 131 embedded inside the polycrystalline film 120 and the other electrode 132 of the polycrystalline film 120. By being provided on the surface, light blocking by the electrode can be minimized and sensor sensitivity can be further improved.
  • Figure 11 is a cross-sectional view showing an ultraviolet sensor using aerosol deposition according to an example of the present disclosure.
  • the ultraviolet light sensor 100B using exemplary aerosol deposition according to the present disclosure may further include a protective layer 140 covering the polycrystalline film 120 and the electrode 130.
  • some areas (eg, bond pads) of electrode 130 may be exposed through protective layer 140 for wire bonding with external circuitry.
  • the protective layer 140 may include an inorganic layer such as SiO 2 , Si 3 N 4 , or Al 2 O 3 or an organic layer such as polyimide.
  • the inorganic film protective layer 140 may be provided by a CVD or aerosol deposition method, and the organic film protective layer 140 may be provided by a coating or lamination method.
  • the protective layer 140 may be made of materials with a light transmittance of approximately 50% to approximately 99.9%, which may be applied to the present invention.
  • the protective layer 140 protects the electrode 130 from external foreign substances such as moisture or dust, thereby preventing leakage current that may occur between electrodes facing each other. can do. For example, when the pitch between electrodes is smaller than several ⁇ m, light sensitivity may decrease due to leakage current between electrodes. The protective layer 140 can prevent such leakage current and decrease in light sensitivity.
  • 12A and 12B are cross-sectional views showing an ultraviolet sensor using aerosol deposition according to an exemplary embodiment of the present disclosure.
  • the ultraviolet sensor 100C may have a structure in which the central region of the substrate 110 and the polycrystalline film 120 is substantially concave.
  • the thickness of the central region may gradually become smaller compared to the thickness of the edge region of the substrate 110 and the polycrystalline film 120 (eg, similar to a concave lens).
  • This ultraviolet sensor (100C) can have improved sensing sensitivity.
  • the ultraviolet sensor 100D may have a structure in which the central region of the substrate 110 and the polycrystalline film 120 is substantially convex.
  • the thickness of the central region of the substrate 110 and the polycrystalline film 120 may gradually increase compared to the thickness of the edge region (eg, similar to a convex lens). The sensing area of this ultraviolet sensor 100D can be increased.

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Abstract

본 개시는 자외선 센서에 관한 것으로, 해결하고자 하는 기술적 과제는 에어로졸 디포지션에 의해 간단하고 저비용으로 고효율의 자외선 센서를 제공하는데 있다. 이를 위해 본 개시는 기판; 상기 기판 상에 에너지 밴드갭이 3 eV 내지 11 eV를 가지고 평균 중심 입경이 0.1 ㎛ 내지 5 ㎛인 분말이 100 m/s 내지 500 m/s의 속도로 진공 중에서 노즐을 통하여 분사되어 다결정막이 제공되되, 상기 다결정막을 이루는 입자의 평균 중심 입경이 1 nm 내지 500 nm인 다결정막; 및 상기 다결정막 상에 제공된 적어도 2개의 전극을 포함하는, 자외선 센서를 제공한다.

Description

자외선 센서
본 개시(disclosure)는 자외선 센서에 관한 것이다.
자외선(이하, UV)은 400 nm 이하의 매우 짧은 파장을 갖는 눈에 보이지 않는 빛으로서, 대부분은 오존층에 흡수되어 지표로 도달하지 못하지만 피부에 닿으면 세포와 유전자를 파괴할 정도로 강하기 때문에 살균 등을 위해 유용한 반면에 실생활에 활용할 경우 인체 보호를 위한 세밀한 관리가 필요한 파장 대역의 광이다. UV는 수질 관리 등을 위한 살균 작용에 응용될 뿐만 아니라, 짧은 파장 대역을 이용하여 군사 통신, 레이더, 생화학 무기 감지 등의 군사 분야, 오존, 미세 먼지 센싱의 환경 분야, 및 화재나 아크 방전 등의 불꽃 감지 등의 산업 분야에서 활용하기 위한 시도가 있다.
현재 사용되고 있는 자외선 센서는 대략 200 nm 이하의 파장을 센싱할 수 있는 AlN(e.g., ~6.28 eV) 물질을 사용하거나 대략 350 nm 파장 대역을 센싱할 수 있는 GaN(e.g., ~3.44 eV) 물질을 사용하고 이들의 중간 파장 대역의 센싱은 AlN과 GaN의 조성비를 제어함으로써 구현하고 있다. AlN과 GaN 기반의 물질은 그 특성상 CVD(Chemical Vaper Deposition), MBE(Molecular Beam Epitaxy) 등 고온과 고가의 장비를 사용하여 에피택시층(epitaxy layer)으로 성장시켜야 하는데 AlN과 GaN는 격자 불일치로 인해 에피택시층으로 증착하기 어려워, 주로 다수의 층들(예를 들면, buffer layer)을 적층하는 방식을 사용하고 있다.
하지만 이러한 방법으로 센서를 구현하는 경우, 제작 시간이 매우 길고 비용이 많이 들며 소자의 두께가 두꺼워져 다양한 활용이 불가능한 단점이 있다. 뿐만 아니라, AlN과 GaN을 혼합하여 사용되는 AlGaN 광센서는 단일 물질을 사용하였을 때에 비하여 반응 및 회복 시간이 길어지는 문제가 있어 센싱 시간이 늦은 한계가 있다.
다른 광센서로서 ZnO 기반의 물질로 자외선 센서를 개발하는 연구 또한 진행되고 있으나, 밴드 갭의 한계로 인해 400 nm 이하 파장에서는 EQE(external quantum efficiency)가 현저하게 낮아짐에 따라 반응성이 낮은 문제가 있다.
이러한 발명의 배경이 되는 기술에 개시된 상술한 정보는 본 발명의 배경에 대한 이해도를 향상시키기 위한 것뿐이며, 따라서 종래 기술을 구성하지 않는 정보를 포함할 수도 있다.
본 개시에 따른 해결하고자 하는 에어로졸 디포지션에 의해 간단하고 저비용으로 고효율의 자외선 센서를 제조할 수 있는 방법 및 이에 따른 자외선 센서를 제공하는데 있다.
본 개시에 따른 예시적 자외선 센서는 기판; 상기 기판 상에 에너지 밴드갭이 3 eV 내지 11 eV를 가지고 평균 중심 입경이 0.1 ㎛ 내지 5 ㎛인 분말이 100 m/s 내지 500 m/s의 속도로 진공 중에서 노즐을 통하여 분사되어 다결정막이 제공되되, 상기 다결정막을 이루는 입자의 평균 중심 입경이 1 nm 내지 500 nm인 다결정막; 및 상기 다결정막 상에 제공된 적어도 2개의 전극을 포함할 수 있다.
일부 예들에서, 상기 기판은 실리콘, 쿼츠, 사파이어, 폴리머 또는 금속을 포함할 수 있다.
일부 예들에서, 상기 분말은 MgF2, BeO, GaF2, SiO2, ZrO2, MgO, Al2O3, AlN, HfO2, GeO2, LaAlO3, diamond, α-Si3N4, β-Ga2O3, Yb2O3, Nd2O3, Zn2GeO4, Ta2O5, MgS, In2Ge2O7, ZnS, NiO, In2O3, Zn2SnO4, SnO2, Nb2O5, GaN, ZnO, WO3, CeO2, 4H-SiC, TiO2, NgNiO, MgZnO, BeMgZnO, MgZnS, AlGaN, ZrTiO2 또는 InGaZnO를 포함할 수 있다.
일부 예들에서, 상기 다결정막의 두께는 1 nm 내지 50 ㎛일 수 있다.
일부 예들에서, 상기 적어도 2개의 전극은 상기 다결정막 상에 인터디지털 형태로 제공될 수 있다.
일부 예들에서, 상기 적어도 2개의 전극은 상기 기판 상에 제공되는 제1전극과, 상기 다결정막 상에 상기 제1전극과 교차하여 제공되는 제2전극을 포함할 수 있다.
일부 예들에서, 상기 전극의 비저항은 100 ohm/cm보다 작을 수 있다.
일부 예들에서, 상기 다결정막 및 상기 전극은 보호층으로 덮이고, 상기 보호층은 광투과율이 50% 내지 99,9%일 수 있다.
일부 예들에서, 상기 자외선 센서는 10 nm 내지 400 nm의 파장을 갖는 광을 센싱할 수 있다.
일부 예들에서, 상기 기판 및 상기 다결정막은 센싱 감도 향상을 위한 오목 구조이거나 또는 센싱 영역 증가를 위한 볼록 구조일 수 있다.
본 개시는 에어로졸 디포지션에 의해 간단하고 저비용으로 고효율의 자외선 센서를 제조할 수 있는 방법 및 이에 따른 자외선 센서를 제공한다.
도 1은 본 개시에 따른 예시적 에어로졸 디포지션에 의한 자외선 센서의 제조 장치를 도시한 개략도이다.
도 2는 본 개시에 따른 예시적 에어로졸 디포지션에 의한 자외선 센서의 제조 방법을 도시한 순서도이다.
도 3a 및 도 3b는 본 개시에 예시적 따른 에어로졸 디포지션에 의한 자외선 센서를 도시한 평면도 및 단면도이다.
도 4는 본 개시에 따른 예시적 에어로졸 디포지션에 의한 자외선 센서의 특성도이다(800℃ 열처리).
도 5는 본 개시에 따른 예시적 에어로졸 디포지션에 의한 자외선 센서의 특성도이다(600℃ 열처리).
도 6는 본 개시에 따른 예시적 에어로졸 디포지션에 의한 자외선 센서의 특성도이다(열처리 없음).
도 7a 및 도 7b는 본 개시에 따른 예시적 에어로졸 디포지션에 의한 자외선 센서에서 전극 길이에 따른 출력 전류 및 온/오프 비율을 도시한 그래프이다.
도 8은 본 개시에 따른 예시적 에어로졸 디포지션에 의한 자외선 센서에서 전극 길이에 따른 mA급 레벨의 출력 전류를 도시한 그래프이다.
도 9는 본 개시에 따른 예시적 에어로졸 디포지션에 의한 자외선 센서에서 분말 사이즈에 따른 다결정막의 투명도를 비교한 그래프이다.
도 10은 본 개시에 예시적 따른 에어로졸 디포지션에 의한 자외선 센서를 도시한 단면도이다.
도 11은 본 개시에 예시적 따른 에어로졸 디포지션에 의한 자외선 센서를 도시한 단면도이다.
도 12a 및 도 12b는 본 개시에 예시적 따른 에어로졸 디포지션에 의한 자외선 센서를 도시한 단면도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
본 개시들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다.
또한, 이하의 도면에서 각 층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장된 것이며, 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "및/또는"은 해당 열거된 항목 중 어느 하나 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다. 또한, 본 명세서에서 "연결된다"라는 의미는 A 부재와 B 부재가 직접 연결되는 경우뿐만 아니라, A 부재와 B 부재의 사이에 C 부재가 개재되어 A 부재와 B 부재가 간접 연결되는 경우도 의미한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 단수 형태는 문맥상 다른 경우를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 경우 "포함한다(comprise, include)" 및/또는 "포함하는(comprising, including)"은 언급한 형상들, 숫자, 단계, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재를 특정하는 것이며, 하나 이상의 다른 형상, 숫자, 동작, 부재, 요소 및 /또는 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다.
본 명세서에서 제1, 제2 등의 용어가 다양한 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부분들을 설명하기 위하여 사용되지만, 이들 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부분들은 이들 용어에 의해 한정되어서는 안 됨은 자명하다. 이들 용어는 하나의 부재, 부품, 영역, 층 또는 부분을 다른 영역, 층 또는 부분과 구별하기 위하여만 사용된다. 따라서, 이하 상술할 제1부재, 부품, 영역, 층 또는 부분은 본 발명의 가르침으로부터 벗어나지 않고서도 제2부재, 부품, 영역, 층 또는 부분을 지칭할 수 있다.
"하부(beneath)", "아래(below)", "낮은(lower)", "상부(above)", "위(upper)"와 같은 공간에 관련된 용어가 도면에 도시된 한 요소 또는 특징과 다른 요소 또는 특징의 용이한 이해를 위해 이용될 수 있다. 이러한 공간에 관련된 용어는 본 발명의 다양한 공정 상태 또는 사용 상태에 따라 본 발명의 용이한 이해를 위한 것이며, 본 발명을 한정하기 위한 것은 아니다. 예를 들어, 도면의 요소 또는 특징이 뒤집어지면, "하부" 또는 "아래"로 설명된 요소 또는 특징은 "상부" 또는 "위에"로 된다. 따라서, "하부"는 "상부" 또는 "아래"를 포괄하는 개념이다.
도 1은 본 개시에 따른 예시적 에어로졸 디포지션에 의한 자외선 센서의 제조 장치를 도시한 개략도이고, 도 2는 본 개시에 따른 예시적 에어로졸 디포지션에 의한 자외선 센서의 제조 방법을 도시한 순서도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 자외선 센서 제조 장치(200)는 이송 가스 공급부(210), 에너지 밴드갭이 대략 3 eV 내지 대략 11 eV인 한 종류의 분말(powder) 또는 여러가지 종류의 분말이 혼합된 분말을 보관 및 공급하는 분말 공급부(220), 분말 공급부(220)로부터 분말을 이송 가스를 이용하여 고속으로 이송하는 이송관(222), 이송관(222)으로부터의 분말을 절연성 또는 도전성 기판(110)에 코팅/적층 또는 스프레잉하는 노즐(232), 노즐(232)로부터의 분말이 기판(110)의 표면에 충돌 및 파쇄되도록 함으로써, 일정 두께의 다결정막이 형성되도록 하는 진공 챔버(230)를 포함할 수 있다.
도 1 및 도 2를 함께 참조하여, 본 발명에 따른 다결정막 형성 방법을 설명한다.
이송 가스 공급부(210)에 저장된 이송 가스는 산소, 헬륨, 질소, 아르곤, 이산화탄소, 수소 또는 공기를 포함할 수 있다. 이송 가스는 이송 가스 공급부(210)로부터 파이프(211)를 통해 분말 공급부(220)로 직접 공급되며, 유량 조절기(250)에 의해 그 유량 및 압력이 조절될 수 있다.
분말 공급부(220)는 다량의 분말을 보관 및 공급하는데, 이러한 분말은 평균 중심 입경 범위가 대략 0.1 ㎛ 내지 대략 5 ㎛일 수 있다. 일부 예들에서, 분말의 형태는 구형, 다각형, 또는 침상 형태일 수 있다.
분말의 평균 중심 입경 범위가 대략 0.1 ㎛보다 작을 경우 분말의 보관 및 공급이 어려울 뿐만 아니라, 분말 보관 및 공급 중 응집 현상으로 인해, 분말의 분사, 충돌, 파쇄 및/또는 분쇄 시 대략 0.1 ㎛보다 작은 입자들이 뭉쳐져 있는 형태인 압분체가 형성되기 쉬울 뿐만 아니라 대면적의 다결정막 형성도 어려운 단점이 있다. 실질적으로, 분말의 평균 중심 입경 범위가 대략 0.1 ㎛보다 작은 경우, 다결정막의 형성이 이루어지지 않는다.
또한, 분말의 평균 중심 입경 범위가 대략 5 ㎛보다 클 경우, 분말의 분사, 충돌, 파쇄 및/또는 분쇄 시 기판을 깍아 내는 샌드블라스팅(sand blasting) 현상이 발생하기 쉬울 뿐만 아니라, 일부 형성된 다결정막 내의 입자 입경이 상대적으로 크게 형성되어, 다결정막 구조가 불안정해지고 또한 다결정막 내부 또는 표면의 기공률이 커져서 소재 본연의 특성을 발휘하지 못할 수 있다.
분말의 평균 중심 입경 범위가 대략 0.1 ㎛ 내지 대략 5 ㎛ 일 경우, 기공률(공극률)이 상대적으로 작고, 표면 마이크로 크랙 현상이 없으며, 분말 제어가 용이한 다결정막을 얻을 수 있다. 또한, 분말의 평균 중심 입경 범위가 대략 0.1 ㎛ 내지 대략 5 ㎛ 일 경우, 다결정막의 적층 속도가 상대적으로 높고, 투명(또는 반투명)하며, 소재 특성 구현이 용이한 다결정막을 얻을 수 있다. 일부 예들에서, 분말의 평균 중심 입경 범위가 대략 0.1 ㎛ 내지 대략 5 ㎛ 일 경우, 입자의 평균 중심 입경이 대략 1 nm 내지 대략 500 nm인 다결정막을 얻을 수 있다.
진공 챔버(230)는 다결정막의 형성 중에 진공 상태를 유지하며, 이를 위해 진공 유닛(240)이 연결될 수 있다. 좀더 구체적으로, 진공 챔버(230)의 압력은 대략 1 torr(저진공) 내지 대략 760 torr(대기압)이고, 고속 이송관(222)에 의해 이송되는 분말의 압력은 이보다 클 수 있다.
더불어, 진공 챔버(230)의 내부 온도 범위는 대략 0 ℃ 내지 대략 30 ℃이며, 따라서 별도로 진공 챔버(230)의 내부 온도를 증가시키거나 감소시키기 위한 부재가 없어도 좋다. 즉, 이송 가스 또는/및 기판가 별도로 가열되지 않고, 대략 0 ℃ 내지 대략 30 ℃의 온도로 유지될 수 있다.
일부 예들에서, 다결정막의 증착 효율 및 치밀도 향상을 위해, 이송 가스 또는/및 기판이 대략 30 ℃ 내지 대략 1000 ℃의 온도로 가열될 수 있다. 즉, 별도의 도시되지 않은 히터에 의해 이송 가스 공급부(210) 내의 이송 가스가 가열되거나, 또는 별도의 도시되지 않은 히터에 의해 진공 챔버(230) 내의 기판(111)이 가열될 수 있다. 이러한 이송 가스 또는/및 기판의 가열에 의해 다결정막 형성 시 분말에 가해지는 스트레스가 감소함으로써, 기공률이 작고 치밀한 다결정막이 얻어질 수 있다. 여기서, 이송 가스 또는/및 기판이 대략 1000 ℃의 온도보다 높을 경우, 분말이 용융되면서 급격한 상전이를 일으키고, 이에 따라 다결정막의 기공률이 높아지고 다결정막 내부 구조가 불안정해질 수 있다. 또한, 이송 가스 또는/및 기판이 대략 30 ℃의 온도보다 작을 경우, 분말에 가해지는 스트레스가 감소하지 않을 수 있다.
그러나, 본 발명에서 이러한 온도 범위를 한정하는 것은 아니며, 다결정막이 형성될 기판의 특성에 따라 이송 가스, 기판 및/또는 진공 챔버의 내부 온도 범위는 대략 0 ℃ 내지 대략 1000 ℃ 사이에서 조정될 수 있다.
한편, 상술한 바와 같이, 진공 챔버(230)와 고속 이송관(222)(또는 이송 가스 공급부(210) 또는 분말 공급부(220)) 사이의 압력 차이는 대략 1.5배 내지 대략 2000배 일 수 있다. 압력 차이가 대략 1.5배보다 작을 경우 분말의 고속 이송이 어려울 수 있고, 압력 차이가 대략 2000배보다 클 경우 분말에 의해 오히려 기판의 표면이 과도하게 식각될 수 있다.
이러한 진공 챔버(230)와 이송관(222)의 압력 차이에 따라, 분말 공급부(220)로부터의 분말은 이송관(222)을 통해 분사하는 동시에, 고속으로 진공 챔버(230)에 전달된다.
또한, 진공 챔버(230) 내에는 이송관(222)에 연결된 노즐(232)이 구비되어,대략 100m/s 내지 대략 500m/s의 속도로 분말을 기판(110)에 충돌시킨다. 즉, 노즐(232)을 통한 분말은 이송 중 얻은 운동 에너지와 고속 충돌 시 발생하는 충돌 에너지에 의해 파쇄 및/또는 분쇄되면서 기판(110)의 표면에 일정 두께의 다결정막을 형성하게 된다. 일부 예들에서, 이러한 다결정막 형성 방법을 에어로졸 디포지션으로 지칭하기도 한다.
상술한 바와 같이, 분말의 평균 중심 입경이 대략 1 ㎛ 내지 대략 5 ㎛ 일 경우, 입자의 평균 중심 입경이 대략 1 nm 내지 대략 500 nm인 다결정막을 얻을 수 있으며, 일례로, 다결정막의 두께는 대략 1 nm 내지 대략 50 ㎛로 제공될 수 있다.
다결정막의 두께가 대략 50 ㎛를 초과하는 경우에는, 플렉시블 기판에 적용되더라도 후박한 두께의 대략 50 ㎛ 초과의 채널 영역에 의해서 플렉시블 소자를 구현할 수 없는 문제점이 있다. 또한, 다결정막의 두께를 대략 1 nm 미만으로 제어하기는 매우 어려울 뿐만 아니라, 너무 얇은 박막은 오히려 광반응성이 약하므로 다결정막의 두께는 대략 1 nm 내지 대략 50 ㎛인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 대략 10 nm 내지 대략 10 ㎛ 일 수 있다.
한편, 다결정막의 형성 공정 이후 전극 형성 공정이 수행될 수 있다. 일부 예들에서, 전극 형성 공정은 전자빔, 스퍼터링, 또는 화학적 증착을 통해 수행될 수 있다. 일부 예들에서, 전극을 형성하는 단계는 다결정막 상에 티타늄층을 전자빔으로 증착하는 단계와, 티타늄층 상에 골드층 또는 백금층을 전자빔으로 증착하는 단계를 포함할 수 있다. 일부 예들에서, 티타늄층은 골드층을 다결정막에 접착시키는 역할을 하고, 골드층은 전자가 잘 흐르는 배선 역할을 한다. 일부 예들에서, 전극은 비저항이 대략 200 ohm/cm 보다 작은 도전성 재료, 바람직하기로 대략 100 ohm/cm보다 작은 도전성 재료이면, 본 발명에 적용 가능하다.
일부 예들에서, 전극의 두께는 대략 10 nm 내지 대략 200 nm일 수 있다. 일부 예들에서, 티타늄층의 두께가 대략 20 nm 내지 대략 40 nm일 수 있고, 골드층의 두께가 대략 100 nm 내지 대략 200 nm일 수 있다.
한편, 상술한 다결정막 형성 공정 및/또는 전극 형성 공정 이후 열처리 공정이 더 수행될 수 있다. 일부 예들에서, 다결정막은 대략 100℃ 내지 대략 1500℃의 온도에서 대략 1분 내지 대략 600분간 열처리될 수 있다. 이러한 열처리에 의해 자외선 센서의 반응 및 회복 속도가 향상될 수 있다. 일부 예들에서, 열처리는 퍼니스 내에 상술한 다결정막이 형성된 기판을 투입하여 수행되거나 또는 레이저 빔이나 이온 빔을 다결정막에 직접 조사하여 수행될 수 있다.
도 3a 및 도 3b는 본 개시에 예시적 따른 에어로졸 디포지션에 의한 자외선 센서(100)를 도시한 평면도 및 단면도이다.
도 3a 및 도 3b에 도시된 바와 같이, 자외선 센서(100)는 기판(110), 다결정막(120) 및 한쌍의 전극(130)을 포함할 수 있다.
기판(110)은 강성을 갖는 비유연성 기판부터 플렉시블 기판까지 특별한 제한 없이 다양한 것이 이용될 수 있다. 또한, 기판(110)은 절연성 기판부터 도전성 기판까지 특별한 제한 없이 다양한 것이 이용될 수 있다. 일부 예들에서, 기판(110)는 실리콘 기판, 쿼츠 기판, 사파이어 기판, 폴리머 기판, 고분자 기판 또는 금속 기판을 포함할 수 있다.
다결정막(120)은 기판(110) 상에 상술한 바와 같이 에어로졸 디포지션에 의해 형성될 수 있다. 다결정막(120)은 2차원 박막 형태로 형성될 수 있는데, 이때 다결정막(120)은 폴리 알파,베타 상(poly α,β phase)의 결정질 또는 폴리 베타 상의 결정질일 수 있다. 다결정막(120)은 상술한 바와 같이 에어로졸 디포지션 방식을 통해 형성되는데, 이러한 방식으로 증착 공정을 적어도 1회 이상 수행함으로써 용이하게 다결정막, 폴리 알파,베타상 결정막 또는 폴리 베타 상의 결정막을 제공할 수 있다.
상술한 바와 같이, 다결정막(120)은 기판(110) 상에, 에너지 밴드갭이 대략 3 eV 내지 대략 11 eV인 한 종류의 분말 또는 여러가지 종류의 분말이 혼합된 분말이 대략 100 m/s 내지 대략 500 m/s의 속도로 진공 중에서 노즐을 통하여 분사되어 다결정막(120)이 제공되는데, 이때 다결정막(120)을 이루는 입자의 평균 중심 입경은 대략 1 nm 내지 대략 500 nm일 수 있다.
일부 예들에서, 분말은 MgF2, BeO, GaF2, SiO2, ZrO2, MgO, Al2O3, AlN, HfO2, GeO2, LaAlO3, diamond, α-Si3N4, β-Ga2O3, Yb2O3, Nd2O3, Zn2GeO4, Ta2O5, MgS, In2Ge2O7, ZnS, NiO, In2O3, Zn2SnO4, SnO2, Nb2O5, GaN, ZnO, WO3, CeO2, 4H-SiC, TiO2, NgNiO, MgZnO, BeMgZnO, MgZnS, AlGaN, ZrTiO2 또는 InGaZnO중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
일부 예들에서, MgF2, BeO, GaF2, SiO2, ZrO2, MgO, Al2O3, AlN, HfO2, GeO2, LaAlO3, diamond, α-Si3N4, β-Ga2O3, Yb2O3, Nd2O3, Zn2GeO4, Ta2O5, MgS 또는 In2Ge2O7와 같은 분말은 에너지 밴드갭이 대략 4 eV 내지 11 eV이며, 이들을 통해 대략 10 nm 내지 대략 280 nm의 UVC 영역을 감지할 수 있는 자외선 센서가 제공될 수 있다.
일부 예들에서, ZnS, NiO, In2O3, Zn2SnO4, SnO2, Nb2O5, GaN, ZnO, WO3, CeO2, 4H-SiC 또는 TiO2와 같은 분말은 에너지 밴드갭이 대략 3 eV 내지 4 eV이며, 이들을 통해 대략 280 nm 내지 대략 400 nm의 UVA 영역을 감지할 수 있는 자외선 센서가 제공될 수 있다.
일부 예들에서, NgNiO, MgZnO, BeMgZnO, MgZnS, AlGaN, ZrTiO2 또는 InGaZnO와 같은 반도체 합금 분말은 에너지 밴드갭이 대략 3 eV 내지 대략 11 eV이며, 이들을 통해 대략 10 nm 내지 400 nm의 UVC 영역, UVB 영역 및 UVC 영역을 모두 감지할 수 있는 자외선 센서가 제공될 수 있다.
한쌍의 전극(130)은 투명한 다결정막(120)의 표면과 각각 직접 접촉하면서 서로 이격되어 배치됨으로써, 다결정막(120) 내에 채널 영역(121)이 제공될 수 있다. 이러한 구조에 의해 MSM(metal-semiconductor-metal) 구조가 제공될 수 있다. 상기 2개의 전극(130)은, 상술한 바와 같이, 티타늄/골드 또는 티타늄/백금으로 형성될 수 있으며, 이밖에도 크롬/골드로 형성될 수 있다.
상기 2개의 전극(130)은 상호간 마주보며 서로 이격됨으로써 상기 다결정막(120) 내의 채널 영역(121)이 그 사이에 노출되도록 하고, 이러한 노출된 부분이 광 센서(100)의 센싱 영역이 될 수 있다. 즉, 채널 영역 또는 채널(121)이 센싱 영역이 될 수 있다.
일부 예들에서, 2개의 전극(130)은 IDT(Interdigital Transducer) 타입으로 제공될 수 있다. 일부 예들에서, 일측의 전극(131)은 하나의 메인 전극(1311)과, 메인 전극(1311)으로부터 연장된 다수의 서브 전극(1312)으로 이루어질 수 있고, 또한 타측의 전극(132) 역시 하나의 메인 전극(1321)과, 메인 전극(1321)으로부터 연장된 다수의 서브 전극(1322)으로 이루어질 수 있다.
일부 예들에서, 일측의 메인 전극(1311)과 타측의 메인 전극(1321)은 서로 마주보며 이격될 수 있고, 또한 일측의 서브 전극(1312)과 타측의 서브 전극(1322) 역시 번갈아 가며 위치되고 상호간 이격될 수 있다. 도면중 미설명 부호 133,134는 각각 전원 공급부 및 전류 센서에 전기적으로 연결되는 전극 패드이다.
일부 예들에서, 일측의 서브 전극(1312)과 타측의 서브 전극(1322)에 의해 다결정막(120)의 채널 영역(121)이 외부로 노출될 수 있다. 채널 영역(121)은 소정 길이 및 소정 피치를 가질 수 있다. 일부 예들에서, 한쌍의 서브 전극(1312,1322)의 갯수는 대략 10개 내지 대략 100,000개일 수 있으며, 이러한 서브 전극(1312,1322)의 갯수 또는 피치에 따라 채널 영역(121)의 전체 길이가 결정될 수 있다. 일부 예들에서, 채널 영역(121)의 전체 길이는 대략 20 mm 내지 대략 30,000 mm일 수 있다.
이와 같은 제조 방법 및 구조를 갖는 자외선 센서(100)는 가시광을 흡수하지 않고 자외선만을 흡수하는 우수한 파장 선택성을 가질 뿐만 아니라, 제조 비용이 종래 기술에 비해 저렴하고 반응 속도도 비교적 빠르다.
일례로, 본 개시에 따른 자외선 센서(100)는 대략 10 nm 내지 대략 400 nm의 파장을 갖는 광을 센싱할 수 있다. 또한, 본 개시에 따른 자외선 센서(100)는 반응 속도가 대략 0.1s 내지 대략 4s일 수 있다. 또한, 본 개시에 따른 자외선 센서(100)는 자외선에 노출되었을 때와 자외선에 노출되지 않았을 때의 출력 전류 비율(반응, 응답 또는 감도)이 대략 6배 내지 대략 40,000배일 수 있다.
도 4는 본 개시에 따른 예시적 에어로졸 디포지션에 의한 Ga2O3 자외선 센서의 특성도이다(800℃ 열처리). 여기서, (a)는 5분간 800℃ 열처리, (b)는 15분간 800℃ 열처리, (c)는 30분간 800℃ 열처리 진행 후의 특성도이다.
도 4의 (a)에서와 같은 Ga2O3 자외선 센서는, 자외선을 비추었을 때 대략 2.53초의 반응 시간(출력 전류값이 최대값에 도달한 시간)을 보였고, 자외선을 차단했을 때 대략 0.53초의 회복 시간(출력 전류 값이 최저값에 도달한 시간)을 보였으며, 또한 자외선이 있을 경우와 없을 경우의 출력 전류 비율은 대략 4.81배임을 볼 수 있었다.
도 4의 (b)에서와 같은 Ga2O3 자외선 센서는, 자외선을 켰을 때 대략 5.81초의 반응 시간(출력 전류값이 최대값에 도달한 시간)을 보였고, 자외선을 껏을 때 대략 3초의 회복 시간(출력 전류 값이 최저값에 도달한 시간)을 보였으며, 또한 자외선이 있을 경우와 없을 경우의 출력 전류 비율은 대략 13.9배임을 볼 수 있었다.
도 4의 (c)에서와 같은 Ga2O3 자외선 센서는, 자외선을 켰을 때 대략 5.9초의 반응 시간(출력 전류값이 최대값에 도달한 시간)을 보였고, 자외선을 껏을 때 대략 3.5초의 회복 시간(출력 전류 값이 최저값에 도달한 시간)을 보였으며, 또한 자외선이 있을 경우와 없을 경우의 출력 전류 비율은 대략 7.27배임을 볼 수 있었다.
도 5는 본 개시에 따른 예시적 에어로졸 디포지션에 의한 Ga2O3 자외선 센서의 특성도이다(600℃ 열처리). 도 5에서와 같은 Ga2O3 자외선 센서는, 자외선을 켰을 때 대략 4.99초의 반응 시간(출력 전류값이 최대값에 도달한 시간)을 보였고, 자외선을 껏을 때 대략 0.55초의 회복 시간(출력 전류 값이 최저값에 도달한 시간)을 보였으며, 또한 자외선이 있을 경우와 없을 경우의 출력 전류 비율은 대략 9.37배임을 볼 수 있었다.
도 6는 본 개시에 따른 예시적 에어로졸 디포지션에 의한 Ga2O3 자외선 센서의 특성도이다(열처리 없음). 도 6에서와 같은 Ga2O3 자외선 센서는, 자외선을 켰을 때 대략 13.5초의 반응 시간(출력 전류값이 최대값에 도달한 시간)을 보였고, 자외선을 껏을 때 대략 13.8초의 회복 시간(출력 전류 값이 최저값에 도달한 시간)을 보였으며, 또한 자외선이 있을 경우와 없을 경우의 출력 전류 비율은 대략 6.14배임을 볼 수 있었다.
도 7a 및 도 7b은 본 개시에 따른 예시적 에어로졸 디포지션에 의한 자외선 센서에서 전극 길이에 따른 출력 전류 및 온/오프 비율을 도시한 그래프이다. 도 7a에서 "A"로 표시된 부분에 대한 온/오프 비율이 도 7b에 도시되어 있다. 여기서, 자외선 센서는 Ga2O3에 의해 제조된 것일 수 있다.
도 7a의 좌측 도면에서 X축은 채널 영역의 길이(mm)이고 Y축은 최대 전류(A)이다. 도 7b에서 X축은 시간이고 Y축은 반응, 응답 또는 감도(Ip/IO)이다. 일부 예들에서, 채널 영역의 길이는 대략 10 mm 내지 대략 1800 mm일 수 있다.
도 7a에 도시된 바와 같이 본 개시에 따른 Ga2O3 자외선 센서에 구비된 한쌍의 전극에 각각 1V, 3V 및 5V의 바이어스 직류 전압을 인가한 상태에서 자외선을 조사한 경우, 최대 전류(A)가 출력되었다. 인가된 바이어스 직류 전압이 높을 수록 자외선에 반응하여 흐르는 최대 전류가 증가하였고, 특히 채널 영역의 길이가 길수록 최대 전류가 증가하였다.
한편, 도 7b에 도시된 바와 같이, 1V 및 5V의 바이어스 직류 전압보다는 3V의 바이어스 직류 전압을 인가한 경우 반응 특성 또는 감도가 더 우수하였다. 일부 예들에서, 본 발명에 따른 자외선 센서는 자외선 조사 전후의 감도 비율이 대략 40,000배까지 관찰되었다.
도 8은 본 개시에 따른 예시적 에어로졸 디포지션에 의한 자외선 센서에서 전극 길이에 따른 mA급 레벨의 출력 전류를 도시한 그래프이다. 여기서, 자외선 센서는 Ga2O3에 의해 제조된 것일 수 있다. 도 8에서 X축은 채널 영역의 길이(mm)이고 Y축은 최대 전류(A)이다. 일부 예들에서, 채널 영역의 길이는 대략 10 mm 내지 대략 30,000 mm일 수 있다.
도 8에 도시된 바와 같이 본 개시에 따른 Ga2O3 자외선 센서에 구비된 한쌍의 전극에 각각 1V, 3V 및 5V의 바이어스 직류 전압을 인가한 상태에서 자외선을 조사하였으며, 이때 최대 전류(A)가 출력되었다. 인가된 바이어스 직류 전압이 높을 수록 자외선에 반응하여 흐르는 최대 전류가 증가하였고, 채널 영역의 길이가 길수록 최대 전류가 증가하였다. 일부 예들에서, 채널 영역의 길이가 대략 25,000 mm를 초과할 경우 수mA의 최대 전류가 흐름으로써, 비교적 작은 수의 증폭회로를 갖는 간단한 신호 처리 회로에 의해 센싱 신호가 처리될 수 있다. 따라서, 자외선 센서의 가격을 낮출 수 있다.
도 9는 본 개시에 따른 예시적 에어로졸 디포지션에 의한 자외선 센서에서 분말 사이즈에 따른 다결정막의 투명도를 비교한 그래프이다. 도 9에서 X축은 파장(nm)을 의미하고, Y축은 광 투과율(%)을 의미한다.
도 9에 도시된 바와 같이, 평균 중심 입경이 대략 1 ㎛인 분말로 다결정막을 형성할 경우 대략 300 nm 내지 대략 800 nm의 파장을 갖는 광에서 대략 60% 내지 대략 80%의 광 투과율이 관찰되었다. 그러나, 평균 중심 입경이 대략 5 ㎛인 분말로 다결정막을 형성할 경우 대략 300 nm 내지 대략 800 nm의 파장을 갖는 광에서 대략 10%보다 작은 광 투과율이 관찰되었다.
따라서, 평균 중심 입경이 대략 1 ㎛인 분말로 제조한 다결정막이 평균 중심 입경이 대략 5 ㎛인 분말로 제조한 다결정막에 비해 더 치밀하고, 이에 따라 소자 특성이 잘 구현됨을 알 수 있다.
도 10은 본 개시에 예시적 따른 에어로졸 디포지션에 의한 자외선 센서를 도시한 단면도이다.
도 10에 도시된 바와 같이, 본 개시에 따른 예시적 에어로졸 디포지션에 의한 자외선 센서(100A)는 도전성 기판 또는 절연성 기판 상에 비저항이 대략 100 ohm/cm보다 작은(예를 들면, 대략 10 ohm/cm 내지 대략 100 ohm/cm) 전극(131)이 제공된 기판(110)과, 기판(110) 및 전극(131) 상에, 에너지 밴드갭이 대략 3 eV 내지 대략 11 eV인 한 종류의 분말 또는 여러가지 종류의 분말이 혼합된 분말이 대략 100 m/s 내지 대략 500 m/s의 속도로 진공 중에서 노즐을 통하여 분사되어 다결정막(120)이 제공되되, 다결정막(120)을 이루는 입자의 평균 중심 입경이 1 nm 내지 500 nm인 다결정막(120)과, 다결정막(120) 상에 제공된 적어도 1개의 전극(132)을 포함할 수 있다. 일부 예들에서, 다결정막(120)의 두께는 대략 1 nm 내지 대략 50 ㎛일 수 있다. 일부 예들에서, 하부 전극(131)은 기판(110)의 상면 전체에 제공될 수 있어, 하부 전극(131)은 실질적으로 상부 전극(132)과 교차하는 형태일 수 있다.
이와 같이 하여, 본 개시에 따른 에어로졸 디포지션에 의한 자외선 센서(100A)는 어느 한 전극(131)이 다결정막(120)의 내부에 임베디드되고, 다른 한 전극(132)이 다결정막(120)의 표면에 제공됨으로써, 전극에 의한 빛가림 현상이 최소화되어 센서 감도가 더욱 향상될 수 있다.
도 11은 본 개시에 예시적 따른 에어로졸 디포지션에 의한 자외선 센서를 도시한 단면도이다.
도 11에 도시된 바와 같이, 본 개시에 따른 예시적 에어로졸 디포지션에 의한 자외선 센서(100B)는 다결정막(120) 및 전극(130)을 덮는 보호층(140)을 더 포함할 수 있다. 일부 예들에서, 전극(130)의 일부 영역(예를 들면, 본드 패드)은 외부 회로와 와이어 본딩되기 위해 보호층(140)을 통해 노출될 수 있다. 일부 예들에서, 보호층(140)은 SiO2, Si3N4, Al2O3와 같은 무기막 또는 폴리이미드와 같은 유기막을 포함할 수 있다. 일부 예들에서, 무기막 보호층(140)은 CVD 또는 에어로졸 디포지션 방식에 의해 제공될 수 있고, 유기막 보호층(140)은 코팅 또는 라미네이션 방식에 의해 제공될 수 있다. 일부 예들에서, 보호층(140)은 광투과율이 대략 50% 내지 대략 99,9%인 재료들이면 본 발명에 적용될 수 있다.
이와 같이 하여, 본 개시에 따른 예시적 자외선 센서(100B)는 보호층(140)이 전극(130)을 수분이나 먼지와 같은 외부 이물질로부터 보호함으로써, 상호간 마주보는 전극간에 발생할 수 있는 누설 전류를 방지할 수 있다. 일례로, 전극간의 피치가 수 ㎛보다 작을 경우, 전극간 누설 전류로 인해 광 감도가 저하될 수 있는데, 보호층(140)은 이러한 누설 전류 발생 및 광 감도 저하 현상을 방지할 수 있다.
도 12a 및 도 12b는 본 개시에 예시적 따른 에어로졸 디포지션에 의한 자외선 센서를 도시한 단면도이다.
도 12a에 도시된 바와 같이, 자외선 센서(100C)는 기판(110) 및 다결정막(120)의 중앙 영역이 대략 오목한 구조를 가질 수 있다. 일부 예들에서, 기판(110) 및 다결정막(120)의 가장 자리 영역의 두께에 비해 중앙 영역의 두께가 점차 작아질 수 있다(예를 들면, 오목 렌즈와 유사함). 이러한 자외선 센서(100C)는 센싱 감도가 향상될 수 있다.
도 12b에 도시된 바와 같이, 자외선 센서(100D)는 기판(110) 및 다결정막(120)의 중앙 영역이 대략 볼록한 구조를 가질 수 있다. 일부 예들에서, 기판(110) 및 다결정막(120)의 가장 자리 영역의 두께에 비해 중앙 영역의 두께가 점차 커질 수 있다(예를 들면, 볼록 렌즈와 유사함). 이러한 자외선 센서(100D)는 센싱 영역이 증가될 수 있다.
이상에서 설명한 것은 본 개시에 따른 예시적 자외선 센서를 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.

Claims (10)

  1. 기판;
    상기 기판 상에 에너지 밴드갭이 3 eV 내지 11 eV를 가지고 평균 중심 입경이 0.1 ㎛ 내지 5 ㎛인 분말이 100 m/s 내지 500 m/s의 속도로 진공 중에서 노즐을 통하여 분사되어 다결정막이 제공되되, 상기 다결정막을 이루는 입자의 평균 중심 입경이 1 nm 내지 500 nm인 다결정막; 및
    상기 다결정막 상에 제공된 적어도 2개의 전극을 포함하는, 자외선 센서.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판은 실리콘, 쿼츠, 사파이어, 폴리머 또는 금속을 포함하는, 자외선 센서.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 분말은 MgF2, BeO, GaF2, SiO2, ZrO2, MgO, Al2O3, AlN, HfO2, GeO2, LaAlO3, diamond, α-Si3N4, β-Ga2O3, Yb2O3, Nd2O3, Zn2GeO4, Ta2O5, MgS, In2Ge2O7, ZnS, NiO, In2O3, Zn2SnO4, SnO2, Nb2O5, GaN, ZnO, WO3, CeO2, 4H-SiC, TiO2, NgNiO, MgZnO, BeMgZnO, MgZnS, AlGaN, ZrTiO2 또는 InGaZnO를 포함하는, 자외선 센서.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 다결정막의 두께는 1 nm 내지 50 ㎛인, 자외선 센서.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 2개의 전극은 상기 다결정막 상에 인터디지털 형태로 제공되는, 자외선 센서.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 2개의 전극은 상기 기판 상에 제공되는 제1전극과, 상기 다결정막 상에 상기 제1전극과 교차하여 제공되는 제2전극을 포함하는, 자외선 센서.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 전극의 비저항은 100 ohm/cm보다 작은, 자외선 센서.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 다결정막 및 상기 전극은 보호층으로 덮이고, 상기 보호층은 광투과율이 50% 내지 99,9%인, 자외선 센서.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 자외선 센서는 10 nm 내지 400 nm의 파장을 갖는 광을 센싱하는, 자외선 센서.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판 및 상기 다결정막은 센싱 감도 향상을 위한 오목 구조이거나 또는 센싱 영역 증가를 위한 볼록 구조인, 자외선 센서.
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