WO2024117554A1 - AlGaN/GaN 또는 AlGaN/AlGaN층의 이종접합층을 포함하는 고감도의 자외선을 감지하는 반도체 소자 - Google Patents

AlGaN/GaN 또는 AlGaN/AlGaN층의 이종접합층을 포함하는 고감도의 자외선을 감지하는 반도체 소자 Download PDF

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손정환
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    • H01L31/101—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation
    • H01L31/102—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier
    • H01L31/108—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier the potential barrier being of the Schottky type

Definitions

  • the present invention relates to the structure and characteristics of a semiconductor light receiving device and is an invention for implementing a highly sensitive ultraviolet sensor.
  • Silicon (Si) and germanium (Ge) semiconductors belong to single element semiconductors, and those that combine two or more elements are compound semiconductors.
  • compound semiconductors Compared to existing single-element semiconductors, compound semiconductors have the advantage of having a wide bandgap (empty space between energies) and low power loss, resulting in high efficiency.
  • crystalline semiconductors made up of elements from group 3 (Al, Ga, In, etc.) and group 5 (P, As, Sb, etc.) of the periodic table are called group 3-5 compound semiconductors, and N (nitrogen) is a group 5 element.
  • the semiconductor using is a nitride semiconductor.
  • GaN-based nitride semiconductors are materials with a large energy band gap and have excellent physical properties such as high thermal and chemical stability and high electron saturation rate. Due to these characteristics, it can be used in a wide range of applications, including high-output communication systems for high frequencies, power systems for automobiles, semiconductors and light-emitting devices for extreme environments, light-receiving devices, and various diodes.
  • Ultraviolet rays range from 100 to 400 nm in wavelength and can be divided into UV-A (315 to 400 nm), UV-B (280 to 315 nm), UV-C (200 to 280 nm), and Vacuum UV (100 to 200 nm) depending on the wavelength.
  • the present invention forms the 2-Dimensional Electron Gas (2-DEG) layer of the heterojunction layer as a light-receiving layer to detect highly sensitive ultraviolet rays that can detect weak signals that are generally difficult to detect at a specific wavelength. It is about semiconductor devices that The purpose is to be able to selectively detect a desired wavelength band depending on the material composition of the light-receiving layer, and to use this as an ultraviolet light detection sensor, including a fire detector.
  • 2-DEG 2-Dimensional Electron Gas
  • the ultraviolet ray-sensing device is a highly sensitive ultraviolet-sensing semiconductor device having a structure composed of a buffer layer, a light-receiving layer, a Schottky junction layer, and an ohmic junction layer on a substrate, wherein the light-receiving layer includes a light-receiving core layer and a barrier. layer and a capping layer, wherein the light-receiving core layer is composed of a layer containing at least one selected from GaN and AlGaN, and the barrier layer has a composition ratio higher than the Al composition ratio of the light-receiving core layer on the top of the light-receiving core layer.
  • It is formed of AlGaN containing Al, and includes a Schottky bonding layer on top of the light-receiving layer, and may include a highly sensitive ultraviolet-sensing semiconductor device characterized in that an ohmic bonding layer is formed in a portion of the space.
  • the ultraviolet ray-sensing device may be a highly sensitive ultraviolet-sensing semiconductor device, wherein the substrate is selected from the group including sapphire, SiC, GaN, Si, GaAs, and glass.
  • the ultraviolet ray-sensing device may be a highly sensitive ultraviolet-sensing semiconductor device in which the light-receiving core layer is composed of two layers with different epi growth rates.
  • the ultraviolet ray sensing device is a highly sensitive ultraviolet ray sensing semiconductor, characterized in that a 2-DEG (2 dimensional electron gas) layer is formed at the heterojunction interface of the light receiving core layer and the barrier layer. It may be a device.
  • the ultraviolet ray-sensing device may be a highly sensitive ultraviolet-sensing semiconductor device in which the Schottky junction layer formed on top of the light-receiving layer operates as a Schottky photodiode.
  • the ultraviolet ray-sensing device according to the present invention may be a highly sensitive ultraviolet-sensing semiconductor device using Ni as the Schottky bonding layer.
  • the purpose of the present invention is to provide a UVC sensor and detection device that can selectively detect only the UVC band by adjusting the material composition of the light receiving layer 13 to detect only desired wavelengths.
  • an ultraviolet sensor device with a Schottky junction composed of a 2-DEG layer using a heterojunction interface it has high sensitivity detection characteristics with a larger rejection ratio than the existing device, so the signal is very weak. It can be used for fire detection.
  • the sensing wavelength range can be determined by adjusting the material composition of the light-receiving core layer 19 and the barrier layer 14 without a separate filter, which has great advantages in reducing manufacturing costs and miniaturizing products.
  • Figure 1 is a cross-sectional view of a conventional ultraviolet ray sensing element.
  • Figure 2 is a cross-sectional view showing a first embodiment of the present invention.
  • Figure 3 is a wavelength response diagram showing the cutoff wavelength of a conventional ultraviolet sensing device.
  • Figure 4 is a diagram of the first embodiment of the present invention, showing the formation of a 2-DEG (2-dimensional electron gas) layer at the heterojunction interface.
  • Figure 5 is a wavelength response diagram showing the cutoff wavelength of the first embodiment of the present invention.
  • the range of the detection wavelength of the ultraviolet sensing element is determined by the material composition of the light receiving layer 13. For example, in the case of GaN, only 375 nm or less is detected, and in AlGaN, when the Al composition is about 40%, only 280 nm or less is detected. As a result, it operates as a UVC sensor that can selectively detect only the UVC band.
  • the present invention is an invention that improves the ultraviolet ray detection ability of the light receiving layer by forming the light receiving layer, which used to be a single layer in a conventional ultraviolet ray sensing element, into multiple layers.
  • Ultraviolet-sensing semiconductor devices form a device layer using an epitaxy (upward growth) process on a substrate.
  • the substrate 10 may be made of sapphire, SiC, GaN, Si, GaAs, or glass. You can.
  • GaN substrates have consistent lattice constants, enabling high-quality Epi growth.
  • AlN single crystal has high thermal conductivity and large bandgap, it can be quasi-homoepitaxial with AlGaN-based light emitting devices and is transparent up to 200 nm ultraviolet rays, making it a good substrate candidate in terms of lattice suitability and transmittance.
  • SiC substrates have a small lattice mismatch with GaN and have excellent thermal characteristics, so they are used as GaN growth substrates.
  • Sapphire has a high melting point, so it is suitable as a substrate for high-temperature deposition thin films like Ga, has high acid-alkali resistance, is inexpensive, and has constant transmittance over a relatively wide wavelength.
  • the low-temperature buffer layer 11 is formed at a low temperature of 500°C or lower in order to improve the film characteristics of the epi growth layer and minimize defects that occur between the sapphire substrate and the GaN single crystal of the light receiving part.
  • the low-temperature buffer layer 11 is mainly grown from GaN or AlN.
  • a high-temperature buffer layer 12 is formed at over 1,000°C, which is selected depending on how the light-receiving layer 13 will be constructed, and the light-receiving layer 13 is grown with a material suitable for the sensing wavelength.
  • the high-temperature buffer layer 12 is mainly grown from GaN or AlGaN.
  • a light-receiving layer that absorbs ultraviolet rays and generates current is grown on the buffer layer.
  • Figure 1 shows a cross-sectional view of a conventional ultraviolet ray sensing device, and is identical to the ultraviolet ray sensing semiconductor device of the present invention according to the first embodiment up to the step of forming a buffer layer on the substrate.
  • Figure 2 shows a cross-sectional view of the ultraviolet ray sensing element of the present invention according to the first embodiment.
  • the light-receiving layer is composed of one layer, the light-receiving layer is composed of multiple layers on the buffer layer.
  • Figure 2 is a specific example in which the light-receiving layer of the ultraviolet ray sensing device of the present invention according to the first embodiment is composed of multiple layers, and the light-receiving core layer 19 is formed by selecting one of GaN and AlGaN according to the sensing wavelength. do.
  • the light-receiving core layer 19 can be composed of two layers at different growth rates. If a layer with a fast growth rate is first formed and then a layer with a slower growth rate is grown than the formed layer, the crystal quality of the light receiving layer improves.
  • Figure 3 shows a band diagram of the operation of the present invention according to the first embodiment, in which AlGaN, which has a higher Al composition than the light-receiving core layer 19, is placed on the top of the light-receiving core layer 19, or an AlGaN/GaN interface.
  • the AlGaN/AlGaN interface is formed as a barrier layer (14).
  • a 2-DEG (two-dimensional electron gas) layer is formed that allows electrons generated from the barrier layer 14 to the light-receiving core layer 19 to pass over and contribute to the current.
  • a difference in band gap can be achieved by varying the composition of Al. As Al is added, the difference in band gap becomes larger, so that AlGaN has a wide band gap and GaN has a narrow band gap. This bonding of materials with different band gaps is called heterojunction. When the composition of Al is increased, the detection wavelength changes to a short wavelength.
  • the difference between the two band gaps becomes very large and a potential well (potential well, undoped well) occurs.
  • the gap drops for stabilization. There are electrons, and those electrons gather in the Potential Well.
  • Figure 4 is a wavelength response diagram showing the cutoff wavelength of a conventional ultraviolet ray sensing device, and shows the operating characteristics of the conventional ultraviolet ray sensing device.
  • the cutoff wavelength is determined according to the material composition of the light receiving layer 13, and it reacts to ultraviolet rays below the cutoff wavelength to exhibit reactivity characteristics. Responsivity represents the current generated compared to the amount of incident ultraviolet light. Looking at the log scale diagram for reactivity by wavelength, the cutoff wavelength is about 300 nm, and the reactivity below the cutoff wavelength is about 10 2 to 10 3 higher than the reactivity above the cutoff wavelength. You can see that
  • an ultraviolet sensor When an ultraviolet sensor is made of AlGaN, there is usually a difference in responsivity of about 10 2 to 10 3 , and the difference between the responsivity in the desired ultraviolet wavelength band and the responsivity in the visible light region is called the rejection ratio. The larger this value, the higher the sensitivity. do.
  • a rejection ratio of about 10 2 to 10 3 is not difficult to use in a general environment, but in order to detect a fire, the value should be about 10 6 .
  • Figure 5 is the wavelength reactivity of the ultraviolet ray sensing device of the present invention according to the first embodiment.
  • the difference between the responsivity of the detection wavelength and the responsivity of a region longer than the cutoff wavelength is more than 10 6 , making it possible to implement a highly sensitive ultraviolet sensor.
  • the signal in the region longer than the cutoff wavelength does not increase significantly when trying to amplify the signal at the detection wavelength in a circuit, so it can be used for fire detection to detect weak signals.
  • the cutoff wavelength is 150 to 300 nm, it can be used as a fire detector.
  • the cutoff wavelength is about 300 nm, and the reactivity of the detection wavelength and the reactivity of a region longer than the cutoff wavelength are The difference is more than 10 6 so it can be used as a fire detector.
  • the ultraviolet sensing device of the present invention forms a capping layer of either GaN or AlGaN on the top of the barrier layer.
  • the capping layer uses a layer with a smaller band gap than AlGaN of the barrier layer.
  • a good ohmic bonding layer can be formed.
  • an ohmic bonding layer is formed in a portion of the space other than the area where the Schottky bonding layer is formed at the top of the multi-layer light receiving layer where the capping layer is formed.
  • the Schottky bonding layer formed on the top of the light receiving layer can operate as a Schottky photodiode.
  • a photodiode is a diode that converts light energy into electrical energy. It is an optical sensor. When light energy is converted into electrical energy, a current flows and the voltage becomes proportional to the intensity of light, and it has the characteristics of a fast response speed.
  • the ultraviolet ray transmittance of the Schottky junction layer is important because light must pass through the Schottky junction layer and enter the light absorption layer.
  • an additional light-transmissive conductive layer is sometimes formed, and ITO is mainly used.
  • gold Au
  • Ni/Au or Cr/Ni/Au are mainly used. Since the area where the Schottky pad layer is formed does not transmit light and does not function as a Schottky bonding layer, the area of the Schottky pad layer must be reduced to the minimum space for the bonding wire.
  • the ultraviolet sensing device of the present invention according to the first embodiment used Ni as the Schottky bonding layer.

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Abstract

본 발명은 자외선 감지용 반도체 소자에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 AlGaN/GaN 또는 AlGaN/AlGaN층으로 구성된 이종접합층에서 2-DEG(이차원 전자가스) 층을 수광층으로 형성하여 고감도의 자외선을 감지하는 반도체 소자에 관한 것이다. 또한 별도의 필터 없이 수광층의 물질 조성을 조정하여 원하는 파장만 선택적으로 감지할 수 있다.

Description

AlGaN/GaN 또는 AlGaN/AlGaN층의 이종접합층을 포함하는 고감도의 자외선을 감지하는 반도체 소자
본 발명은 반도체 수광 소자 구조 및 특성에 관한 것으로 고감도의 자외선 센서를 구현하기 위한 발명이다.
반도체는 소재에 따라 크게 단일원소 반도체와 화합물 반도체로 나눌수 있는데, 실리콘 (Si), 게르마늄 (Ge) 반도체가 단일원소 반도체에 속하고 2개 이상의 원소가 결합한 것이 화합물 반도체이다.
화합물 반도체는 기존의 단일원소 반도체에 비해 밴드갭 (에너지와 에너지 사이의 빈공간)이 이 넓고 전력 손실이 적어 효율이 높다는 장점이 있다.
그 외에도, 고온에서도 화학적으로 안정한 것, 물리적으로 단단한 것, 비소의 유독물질이 사용되지 않아서 환경적인 것 등 여러 특징을 가진다.
특히, 주기율표상 3족(Al, Ga, In 등)과 5족(P, As, Sb 등) 원소가 모여 이루어진 결정성 반도체를 3-5족 화합물 반도체라고 하며, 5족 원소로 N(질소)를 이용한 반도체가 질화물 반도체이다.
GaN 계열 질화물 반도체는 에너지 밴드갭이 큰 물질로 높은 열·화학적 안정도, 높은 전자 포화속도 등의 뛰어난 물성을 가지고 있다. 이러한 특징으로 인하여 고주파용 고출력 통신 시스템, 자동차용 전력 시스템, 극한환경용 반도체 및 발광 소자, 수광 소자 및 각종 다이오드 등 다양한 활용범위로 사용될 수 있다.
또한 직접천이형 밴드 구조를 가지고 있어 자외선 영역에서 응답성이 매우 커 자외선 수광 소자로 응용 가능성이 높다.
자외선은 파장 100~400nm 영역으로 파장에 따라 UV-A (315~400nm), UV-B (280~315nm), UV-C (200~280nm), Vacuum UV (100~200nm) 로 나눌 수 있다.
화재발생 시, 불꽃에서 방사되는 자외선의 변화가 일정량 이상 되었을 때 수광소자의 수광량 변화를 감지하게 된다. 이때 UVC대역을 감지해야 하는데 화재발생시 불꽃에서 발생하는 자외선 신호가 매우 미약하여 이를 감지하기 위해서는 고감도의 센서가 필요하다.
본 발명은 이종접합층의 이차원 전자가스 (2-Dimensional Electron Gas, 2-DEG) 층을 수광층으로 형성하여 특정 파장에서 일반적으로 감지하기 힘든 미약한 신호를 감지할 수 있도록 하는 고감도의 자외선을 감지하는 반도체 소자에 관한 것이다. 수광층의 물질 조성에 따라 원하는 파장의 대역을 선택적으로 감지할 수 있으며, 이를 이용하여 화재감지기를 비롯한 자외선 감지 센서로 사용할 수 있는 것을 목적으로 한다.
실시예에 따르면 본 발명에 의한 자외선 감지 소자는 기판위에 버퍼층, 수광층, 쇼트키 접합층, 오믹 접합층으로 구성된 구조를 가지는 고감도의 자외선 감지 반도체 소자에 있어서, 상기 수광층은 수광코어층, 배리어층, 캡핑층을 포함하되, 상기 수광코어층은 에 GaN 및 AlGaN 중에서 선택된 하나 이상을 포함하는 층으로 구성되고, 상기 배리어층은 상기 수광코어층 상단에 상기 수광코어층의 Al 조성비보다 높은 조성비의 Al을 포함하는 AlGaN으로 형성되며, 상기 수광층 상단에 쇼트키 접합층을 포함하고, 일부 공간에 오믹 접합층이 형성되는 것을 특징으로 하는 고감도의 자외선 감지 반도체 소자를 포함할 수 있다.
실시예에 따르면 본 발명에 의한 자외선 감지 소자는 상기 기판이 사파이어, SiC, GaN, Si, GaAs, 유리를 포함하는 군으로부터 선택된 하나인 것을 특징으로 하는 고감도의 자외선 감지 반도체 소자일 수 있다.
실시예에 따르면 본 발명에 의한 자외선 감지 소자는 상기 수광코어층이 epi 성장속도가 다른 두개의 층으로 구성되는 것을 특징으로 하는 고감도의 자외선 감지 반도체 소자일 수 있다.
실시예에 따르면 본 발명에 의한 자외선 감지 소자는 상기 수광코어층과 배리어층의 이종접합계면에 2-DEG (2 dimensional electron gas, 이차원 전자가스)층이 형성되는 것을 특징으로 하는 고감도의 자외선 감지 반도체 소자일 수 있다.
실시예에 따르면 본 발명에 의한 자외선 감지 소자는 상기 수광층 상단에 형성된 쇼트키 접합층이 쇼트키 포토다이오드로 동작되는 고감도의 자외선 감지 반도체 소자일 수 있다.
실시예에 따르면 본 발명에 의한 자외선 감지 소자는 상기 쇼트키 접합층으로 Ni를 사용하는 고감도의 자외선 감지 반도체 소자일 수 있다.
본 발명은 수광층(13)의 물질조성을 조절하여, 원하는 파장만 감지하게 함으로써 UVC대역만 선택적으로 감지할 수 있는 UVC센서 및 검출장치를 제공하는 것을 목적으로 한다. 본 발명에 따른 이종접합계면을 이용한 2-DEG층으로 구성된 쇼트키접합을 갖는 자외선센서 소자를 제조할 경우, 기존의 소자보다 제거비 (rejection ratio)가 큰 고감도의 감지특성을 갖게 되어 신호가 매우 미약한 화재감지용으로 활용이 가능하다. 또한 별도의 필터없이 수광코어층(19)과 배리어층(14)의 물질 조성을 조정함으로서 감지파장 범위를 정할 수 있어서 제조단가 절감 및 제품의 소형화에 큰 장점이 있다.
도 1은 종래 자외선 감지 소자의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시 예를 도시한 단면도이다.
도 3은 종래 자외선 감지 소자의 cutoff 파장을 나타낸 파장반응도이다.
도 4는 본 발명의 제 1 실시예의 다이아그램으로, 이종접합계면에 2-DEG (2 dimensional electron gas, 이차원 전자가스)층이 형성되는 것을 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 제 1 실시예의 cutoff 파장을 나타낸 파장반응도이다.
자외선 감지 소자의 감지파장의 범위는 수광층(13)의 물질조성에 의해 결정되는데, 예를 들어 GaN의 경우 375nm이하만 감지하게 되고, AlGaN에서 Al의 조성이 40%정도가 되면 280nm이하만 감지하게 되어 UVC대역만 선택적으로 감지할 수 있는 UVC센서로 동작하게 된다.
본 발명은 종래의 자외선 감지 소자의 한개의 층으로 되어있던 수광층을 다수의 층으로 형성하여 수광층의 자외선 감지 능력을 향상시킨 발명이다.
자외선 감지 반도체 소자는 기판위에 에피택시 (Epitaxy, Epi, 윗 축으로 성장)공정을 이용하여 소자층을 형성하게 되는데, 기판(10)으로는 사파이어나 SiC, GaN, Si, GaAs, 유리 등이 사용될 수 있다.
GaN 기판은 격자 상수가 일치하여 고품질 Epi 성장이 가능하다. 또한 AlN 단결정이 높은 열전도율과 큰 밴드갭을 갖고 있으나 AlGaN계 발광소자와 준 호모에피택셜를 할 수 있고 200㎚ 자외선까지 투명하여 격자 적합성과 투과율 관점에서 양호한 기판 후보이다.
SiC기판은 GaN과 격자 부정합이 작고, 열 특성이 우수해 GaN 성장기판으로 사용된다.
사파이어는 융점이 높아 Ga과 같이 고온 증착 박막의 기판으로 적합하고, 내 산알칼리성이 높으며 가격이 저렴하며 비교적 넓은 파장도에서 투과도가 일정하다.
사파이어 기판의 경우 GaN와 사파이어간의 격자상수 차이에 의해 바로 성장하면 크랙(crack)이 발생하여 층이 제대로 성장되지 않는다. 그래서 일반적으로 사파이어 기판을 사용하게 되면 epi 성장층의 막 특성을 좋게 하고 사파이어 기판과 수광부의 GaN 단결정 사이에서 생기는 결함을 최소화 하기위해 500℃ 이하의 저온에서 저온 버퍼층(11)을 형성한다. 저온 버퍼층(11)은 GaN 나 AlN를 주로 성장한다.
그러고 나서 1,000℃ 이상에서 고온 버퍼층(12)을 형성하는데, 수광층(13)을 어떻게 구성할지에 따라 선택하고, 감지 파장에 맞는 물질로 수광층(13)을 성장시킨다. 고온 버퍼층(12)은 GaN나 AlGaN를 주로 성장한다.
그러고 나서 상기 버퍼층 위에 자외선을 흡수하여 전류를 발생하는 수광층을 성장한다.
도 1은 종래 자외선 감지 소자의 단면도를 나타낸 것으로, 제 1실시예에 의한 본 발명의 자외선 감지 반도체 소자와 기판위에 버퍼층을 형성하는 단계까지는 동일하다.
도 2는 제 1 실시예에 의한 본 발명의 자외선 감지 소자의 단면도를 나타낸 것으로 수광층이 한층으로 구성되어 있는 종래의 기술과 달리, 수광층이 상기 버퍼층 위에 다수의 층으로 구성되는 차이점이 있다.
도 2는 제 1 실시예에 의한 본 발명의 자외선 감지 소자의 수광층을 다수의 층으로 구성하는 구체적인 실시예로, 감지파장에 따라 GaN 및 AlGaN 중에서 하나를 선택하여 수광코어층(19)을 형성한다. 수광코어층(19)을 성장할 때 성장속도를 다르게 하여 두개의 층으로 구성 할 수도 있다. 성장속도가 빠른 층을 먼저 형성한 다음 상기 형성된 층보다 성장속도가 느리게 층을 성장하면 수광층의 결정질이 좋아지게 된다.
도 3은 제 1 실시예에 의한 본 발명의 동작에 관한 밴드아이어그램을 나타낸 것으로, 상기 수광코어층(19) 상단에 상기 수광코어층(19)의 Al 조성보다 높은 AlGaN로 AlGaN/GaN계면이나 AlGaN/AlGaN 계면을 배리어층(14)으로 형성한다. 배리어층의 Al조성을 높게 만들어 배리어 층(14)으로부터 수광코어층(19)으로 발생한 전자가 넘어와 전류에 기여하도록 하는 2-DEG(이차원 전자가스)층을 형성한다. 수광코어층과 배리어층의 Al 조성은 구체적으로 배리어층 Al:Ga = 0.3:0.7 내지 0.5:0.5, N 1.0몰 기준, 수광코어층 Al:Ga = 0.1:0.9 내지 0.3:0.7, N 1.0몰 기준으로 할 수 있다. Al 조성을 달리하면 밴드갭의 차이를 줄 수 있는데, Al을 추가할수록 밴드갭의 차이가 더 크게 발생하여 AlGaN이 넓은 밴드갭을 가지고 GaN이 좁은 밴드갭을 가진다. 이렇게 밴드갭이 다른 물질을 붙여놓은 것을 이형접합이라고 한다. Al의 조성을 높이게 되면 단파장으로 감지 파장이 변하게 된다.
AlGaN 배리어 층(14)과 GaN 수광코어층 (19)이 이형접합한 에너지 밴드를 보면 두 밴드갭 차이가 매우 커지면서 퍼텐셜 우물 (Potential Well, Undoped Well) 이 발생하게 되는데, 에너지가 높으면 안정화를 위해 떨어지는 전자들이 있고, 그러한 전자들은 상기 Potential Well에 모이게 된다.
특별한 에너지를 가해주지 않는 이상, Well의 안정화된 전자들은 다시 올라가지 않고 많은 전자들이 쌓이게 되는데 이 Well을 2-DEG(이차원 전자가스, 2-Dimensinal Electron Gas)라고 한다.
이 2-DEG 형성으로 배리어 층(14)과 수광코어층(19)의 접합면에서 분극현상이 발생하여, GaN을 이용하여 제작된 일반적인 HEMT (고전자 이동도 트랜지스터, High Electron Mobility Transistor) 에 비해 전하량이 10배 이상 크기 때문에 빠른속도의 전자전송을 가능하게 한다
도 3의 2-DEG구조에서 외부에서 자외선이 쇼트키 접합층(15)을 지나 수광코어층(19)에서 흡수되면 캐리어가 배리어 층(14)으로부터 더 많이 발생하게 되고, 계면의 전위가 낮아지면서 캐리어가 더 발생하게 되는 일종의 증폭현상을 보이게 된다.
도 4는 종래 자외선 감지 소자의 cutoff 파장을 나타낸 파장반응도이며, 종래의 자외선 감지 소자의 동작 특성을 나타낸 것이다. 수광층(13)의 물질조성에 따라 cutoff 파장이 정해지고, cutoff 파장 아래에서 자외선에 반응하여 반응도 특성을 나타낸다. 반응도는 입사한 자외선 광량 대비 발생하는 전류를 나타내며, 파장별로 반응도에 대한 log scale의 그림에서 보면 cutoff 파장은 약 300nm이며 cutoff 파장 아래에서의 반응도가 cutoff 파장 위에서의 반응도보다 102 내지 103 정도 높은 것을 알 수 있다.
AlGaN로 자외선센서를 구성할 경우 대개 102 내지 103 정도의 반응도 차이가 나며, 이와 같이 원하는 자외선 파장대역의 반응도와 가시광 영역의 반응도 차이를 rejection ratio라 하는데, 이 값이 클수록 고감도의 특성을 갖게 된다.
rejection ratio가 102 내지 103 정도인것은, 일반적인 환경에서는 사용에 무리가 없으나 화재감지를 하기 위해서는 그 값이 106 정도가 되어야 한다.
반도체 소자를 이용할 경우 증폭기능이 있는 광통신용 수광소자 (APD) 구조의 경우 큰 rejection ratio를 구현할 수 있지만 AlGaN의 경우 epi성장이 어려워 제작이 쉽지 않으며, 실제 동작을 할 때 100V이상의 고온에서 동작 해야하므로 사용할 때도 불편하며, 가격도 기존 제품들 대비 고가이기에 제품의 경쟁력이 떨어진다.
상기 이유로 지금까지 반도체 소자를 이용한 화재감지기 제품이 생산, 판매되지 못하고 있으며, 진공관형태의 GM tube제품만이 유일하게 생산, 판매되고 있다.
도 5는 제 1 실시예에 의한 본 발명의 자외선 감지 소자의 파장반응도로, 감지파장의 반응도와 cutoff 파장보다 긴 영역의 반응도 차이가 106 이상 차이가 나서 고감도의 자외선센서를 구현할 수 있다.
또한, Rejection ratio가 클수록 감지파장의 신호를 회로적으로 증폭하려 할 때, cuttoff 파장보다 긴 영역의 신호가 크게 증가하지 않게 되어 미약한 신호를 감지하는 화재감지용으로 사용할 수 있다. cutoff 파장이 150 내지 300nm 인 경우 화재감지기로 사용할 수 있으며, 제 1 실시예에 의한 본 발명의 자외선 감지 소자의 파장반응도에서 cutoff 파장이 약 300nm이며, 감지파장의 반응도와 cutoff 파장보다 긴 영역의 반응도 차이가 106 이상 차이가 나 화재감지기로 사용할 수 있다.
제 1 실시예에 의한 본 발명의 자외선 감지 소자는 상기 배리어층 상단에 GaN 및 AlGaN 중 하나로 캡핑층을 형성한다.
상기 캡핑층은 상기 배리어층의 AlGaN 보다 밴드갭이 작은 층을 사용하여
양호한 오믹 접합층을 형성할 수 있다.
제 1 실시예에 의한 본 발명의 자외선 감지 소자는 상기 캡핑층이 형성된 다층의 수광층 상단의 쇼트키 접합층이 형성된 부위 이외의 일부 공간에 오믹 접합층이 형성된다.
제 1 실시예에 의한 본 발명의 자외선 감지 소자는 상기 수광층 상단에 형성된 쇼트키 접합층이 쇼트키 포토다이오드로 동작될 수 있다. 포토다이오드는 빛에너지를 전기에너지로 변환하는 다이오드로 광센서로, 빛에너지에 의해 전기에너지로 변화하면 전류가 흐르면서 전압크기가 빛의 강도에 따라 비례하게 되고, 응답속도가 빠른 특징이 있다.
쇼트키 접합 감지소자의 경우 쇼트키 접합층을 투과해서 광이 광 흡 수층으로 입사되어야 하기 때문에 쇼트키 접합층의 자외선 투과도가 중요하다.
쇼트키 접합층 위에 전기적인 특성을 개선하기 위하여 광 투과성의 전도층을 추가로 형성하기도 하는데 ITO가 주로 사용된다. 쇼트키 타입인 경우 쇼트키 접합층을 형성한 후에 외부 전극과의 와이어 연결을 위해 쇼트키 접합층 위에 금(Au)을 증착하여 쇼트키 패드층(16)을 형성한다. 주로 Ni/Au나 Cr/Ni/Au를 사용한다. 쇼트키 패드층이 형성된 영역은 광이 투과하지 못하여 쇼트키 접합층의 역할을 하지 못하므로 쇼트키 패드층의 영역은 본딩 와이어를 위한 최소한의 공간으로 줄여야 한다.
제 1 실시예에 의한 본 발명의 자외선 감지 소자는 상기 쇼트키 접합층으로 Ni를 사용하였다.
[참조 번호]
10 : 기판
11 : 저온 버퍼층
12 : 고온 버퍼층
13 : 수광층
14 : 배리어층
15 : 쇼트키 접합층
16 : 쇼트키 패드층
17 : 오믹 접합층
18 : 캡핑층
19 : 수광코어층

Claims (6)

  1. 기판위에 버퍼층, 수광층, 쇼트키 접합층 및 오믹 접합층으로 구성된 구조를 가지는 고감도의 자외선 감지 반도체 소자에 있어서,
    상기 수광층은 수광코어층, 배리어층, 캡핑층을 포함하되,
    상기 수광코어층은 에 GaN 및 AlGaN 중에서 선택된 하나 이상을 포함하는 층으로 구성되고,
    상기 배리어층은 상기 수광코어층 상단에 상기 수광코어층의 Al 조성비보다 높은 조성비의 Al을 포함하는 AlGaN으로 형성되며,
    상기 캡핑층은 상기 배리어층 상단에 GaN 및 AlGaN 중에서 선택된 하나로 형성되고,
    상기 수광층 상단에 쇼트키 접합층이 형성되되, 쇼트키 접합층이 형성된 부위 이외의 일부 공간에 오믹 접합층이 형성되는 고감도의 자외선 감지 반도체 소자.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 기판이 사파이어, SiC, GaN, Si, GaAs 및 유리를 포함하는 군으로부터 선택된 하나인 것을 특징으로 하는 고감도의 자외선 감지 반도체 소자.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 수광코어층이 epi 성장속도가 다른 두개의 층으로 구성되는 것을 특징으로 하는 고감도의 자외선 감지 반도체 소자.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 수광코어층과 배리어층의 이종접합계면에 2-DEG (2 dimensional electron gas, 이차원 전자가스)층이 형성되는 것을 특징으로 하는 고감도의 자외선 감지 반도체 소자.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 수광층 상단에 형성된 쇼트키 접합층이 쇼트키 포토다이오드로 동작되는 것을 특징으로 하는 고감도의 자외선 감지 반도체 소자.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 쇼트키 접합층으로 Ni를 사용한 것을 특징으로 하는 고감도의 자외선 감지 반도체 소자.
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