KR100313889B1 - 양자점 적외선 수광소자 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

양자점 적외선 수광 소자 및 그 제조방법에 관한 것으로, 양자점과 분리층이 교대로 적층된 양자점부의 양자점에 불순물을 도핑시키고 양자점부 자체가 흡수된 적외선에 의해 생성된 전자를 이동시키는 채널(channel) 역할을 수행하게 하는 새로운 개념의 소자로써, 소자의 성능 및 균일도를 높이고 구조 및 공정을 단순화하는데 있다.

Description

양자점 적외선 수광소자 및 그 제조방법{quantum dot infrared detection device and method for fabricating the same}

본 발명은 양자점을 도핑하거나 양자점층 자체를 전자 이동의 채널로 형성하여 미약한 적외선 신호를 양자점 채널로 검지하는 양자점 적외선 수광 소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 파장이 약 5∼6㎛이상에서 십 수 ㎛이상이 되는 적외선을 검지하는 방법은 물질에 따라 여러 가지 방법이 존재하였으나, 상온에서 동작시키기 위해서는 최소 77K이하까지 냉각을 시켜야 양질의 신호를 검지할 수 있다.

그러나, 이와 같이 저온으로 냉각시키는 방법은 냉각 자체가 매우 복잡하고 가격이 비싸며 부피가 커서 널리 보급되지 못하고 특수한 응용에 고가로 사용되는 단점이 있었다.

그러므로, 이러한 단점을 개선하기 위해 최근에는 적외선을 검지하는 소자에 대한 많은 연구가 진행되고 있다.

일반적으로 적외선을 검지하는 소자의 동작 원리는 다음과 같다.

먼저, 양자점(Quantum Dot)에 적외선이 조사되면 양자점의 인터-서브밴드 천이 에너지(inter-subband transition energy)에 해당하는 적외선이 흡수되고, 이 흡수된 빛은 전자(광전류)로 변환되어져 적외선을 검지하게 된다.

이러한 양자점 적외선 수광 소자의 종래 기술로는 도 1에 도시된 바와 같이 양자점과 핀 다이오드(pin diode)가 결합한 구조가 잘 알려져 있고, 최근에는 도 2에 도시된 바와 같이 양자점과 헴트(HEMT ; High Electron Mobility Transistor)를 결합한 구조가 개발되었다.

도 1에 도시된 양자점과 핀 다이오드가 결합된 형태의 소자는 양자점의서브-밴드 에너지(sub-band energy) 차이에 해당되는 적외선의 흡수에 의하여 생성된 전자가 기존의 핀 디텍터(pin detector)의 역방향 바이어스(bias)에 의하여 광 전류를 생성한다.

그러나, 이 소자는 양자점 생성시 생성될 수 있는 극히 낮은 밀도의 디스로케이션(dislocation)을 통한 누설 전류나 또는 핀 다이오드 구조에서 역방향 전압에 의하여 생성된 재결합-생성(recombination-generation)전류에 의한 누설 전류 때문에 상온에서 극히 미약한 신호를 검지하기가 거의 불가능하다고 알려져 있다.

이처럼, 신호 특성을 얻기 위해서는 누설 전류 값이 낮은 저온(약 100K 이하)에서만 동작되어야 하므로 범용 적외선 CCD 카메라와 같이 상온 혹은 간단한 쿨링 시스템(cooling system)을 이용하는 시스템에는 거의 적용이 불가능하다.

한편, 도 2에 도시된 양자점과 헴트(HEMT)가 결합된 형태의 소자는 양자점 영역에 서브-밴드 에너지 차이에 해당하는 적외선이 소자의 앞쪽 또는 뒤쪽으로부터 입사될 경우, 양자점의 스테이트(state)의 전자 밀도(electron density)가 델타 펑션(delta function)의 형태이며, 그라운드 스테이트(ground state)와 퍼스트 익사이티드 스테이트(first excited state)의 차이가 상온의 열에너지보다 크기 때문에 상온에서의 동작이 기대된다.

특히, 이 구조의 장점은 도 3에 도시된 바와 같이 적외선이 양자점에 흡수되어 인터-서브밴드 천이(inter-subband transition)가 일어나고, 이로부터 여기된 전자가 언도프트 GaAs 채널(undoped GaAs channel)로 터널링(tunneling)되어 제 1 터미널(terminal)과 제 2 터미널 사이의 전압차에 의하여 포집되거나 혹은 양자점영역에서 터미널 사이의 전압 차이에 의하여 포집된다.

즉, 양자점에서 검지된 미약한 신호를 전자 손실이 없이 이송시킬 수 있는 깨끗한 채널로 전송시켜 그 신호를 주변 잡음이나 누설 전류로부터 분리해 낼 수 있다.

이 경우, 주로 언도프트 GaAs 채널(undoped GaAs channel)에서 포집되는 전자에 의한 신호가 전체 특성을 좌우하게 되는데, 이것은 도핑된 AlGaAs 베리어(barrier)로 제한된 언도프트 GaAs 채널 영역이 전자를 손실 없이 이동시키는 고속 모빌리티(mobility) 특성을 갖기 때문이다.

그러나, 이 구조는 적외선 흡수에 의해 양자점에서 포집된 전자가 채널 영역으로 전달되는 도중에 다른 양자점에 흡수되거나 손실이 발생하여 전체적인 효율이 감소하는 문제가 발생한다.

즉, 이러한 손실은 수광 소자의 성능을 급격히 악화시킬 수 있다.

또 다른 문제점은 전자를 양자점으로 공급하여 그라운드 스테이트(ground state)를 채워야 하기 때문에 외부에서 도핑(doping)된 불순물층(베리어층)을 양자점 근처에 두어야 한다는 것이다.

즉, 양자점에 최적화된 전자를 공급하기 위하여 필요한 불순물층을 정교하게 조절해야 하는 것과 특히 넓은 면적에서 균일한 특성을 얻기 위해서 불순물층을 양자점 근처에 위치시키는 것은 이론적으로 가능하지만 매우 까다로운 조건이라 할 수 있다.

또한, 양자점에 최적의 전자를 공급하기 위해서는 도핑된 불순물층(베리어층)을 균일하게 에칭(etching)해야 하지만, 불순물층을 균일하게 에칭하기가 쉽지 않는 단점이 있다.

본 발명의 목적은 새로운 개념으로 구조 및 공정을 단순화시켜 소자의 균일도를 높일 수 있는 양자점 적외선 수광 소자 및 그 제조방법을 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 2차원적으로 균일한 어레이(array) 소자를 가능하게 하여 이미저(imager) 등에 적용하는데 있다.

도 1 및 도 2는 종래 기술에 따른 적외선 수광 소자를 보여주는 구조단면도

도 3은 도 2에서 인터-서브밴드 흡수에 의하여 생성된 전자의 광전류를 보여주는 개념도

도 4는 본 발명에 따른 양자점 적외선 수광 소자의 원리를 보여주는 도면

도 5는 본 발명에 따른 양자점의 스테이트 밀도를 보여주는 그래프

도 6는 본 발명 제 1 실시예에 따른 양자점 적외선 수광 소자를 보여주는 구조단면도

도 7은 도 6의 양자점부의 구조를 보여주는 상세도

도 8은 본 발명 제 2 실시예에 따른 양자점 적외선 수광 소자를 보여주는 구조단면도

도 9는 본 발명 제 3 실시예에 따른 양자점 적외선 수광 소자를 보여주는 구조단면도

본 발명에 따른 양자점 적외선 수광 소자의 특징은 기판상에 형성되는 버퍼층 또는 언도프트(undoped) 베리어층과, 버퍼층 또는 언도프트 베리어층상에 형성되는 도프트(doped) 양자점부와, 양자점부상에 형성되는 언도프트 베리어층과, 언도프트 베리어층상의 일정 영역에 형성되는 전극들로 구성되는데 있다.

본 발명의 다른 특징은 상기 언도프트 베리어층과 전극 사이에 도프트 콘택층이 형성되는데 있다.

본 발명의 또 다른 특징은 p형 도프트 콘택층 하부에는 p형 도핑층이 전극 하부에 형성되는데 있다.

본 발명의 또 다른 특징은 양자점부가 양자점과 분리층이 교대로 적층된 다층 구조로 이루어지는데 있다.

본 발명에 따른 양자점 적외선 수광 소자 제조방법은 기판상에 버퍼층 또는 언도프트 베리어층을 형성하고, 그 위에 양자점과 분리층이 교대로 적층된 도프트양자점부를 형성하는 제 1 단계와, 양자점부상에 언도프트 베리어층을 형성하는 제 2 단계와, 언도프트 베리어층상의 일정 영역에 도프트 콘택층들을 형성하고, 그 위에 전극을 형성하는 제 3 단계로 이루어지는데 있다.

본 발명의 다른 특징은 기판이 GaAs, InP, Si, Al₂O₃, GaN 중 어느 하나로 이루어지고, 언도프트 베리어층이 Al_yGa_1-yAs(여기서, 0≤y≤1), AlInP, InP, Si, GaN, AlGaN 중 어느 하나로 이루어지며, 양자점이 In_xGa_1-xAs(여기서, 0＜x≤1), SiGe, InGaN 중 어느 하나로 이루어지고, 분리층이 Al_kGa_1-kAs(여기서, 0≤k≤1), Si, Al_mGa_1-mN(여기서, 0≤m≤m), InP, AlInP로 이루어지며, 버퍼층이 GaAs, AlGaAs, InP, GaN, Si 중 어느 하나로 이루어지는데 있다.

본 발명의 또 다른 특징은 양자점이 n형이고, 10¹⁵/cm³∼ 10¹⁸/cm³의 불순물 농도로 도핑되는데 있다.

상기와 같은 특징을 갖는 본 발명에 따른 양자점 적외선 수광 소자 및 그 제조방법을 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

먼저, 본 발명의 개념은 도프트 베리어층을 양자점부에 인접시키지 않고 양자점과 분리층이 교대로 적층된 양자점부의 양자점에 불순물을 도핑시켜 양자점부 자체가 적외선을 흡수하고 생성된 전자를 이동시키는 채널(channel) 역할을 수행하는 새로운 개념의 수광 소자로써, 소자의 성능 및 균일도를 높이고 구조 및 공정을 단순화하는데 있다.

도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 기본 원리는 다음과 같다.

본 발명의 기본 구조는 도핑(doping)된 양자점과 그에 인접된 상/하부에 언도프트 베리어(undoped barier)층을 형성한다.

즉, 양자점에 바로 인접한 층을 언도프트 이종 접합(undoped hetero junction) 구조로 하여 기존과 같이 양자점 주위에 불순물층을 형성하지 않고 양자점 자체를 도핑시킨 것이다.

이와 같이 구성하면, 도프트 양자점에 의해 양자점의 그라운드 스테이트(ground state)에는 필요량의 전자가 충만되어 있게 되는데, 이때 외부에서 그라운드 스테이트와 상위 서브밴드(subband)에 해당하는 에너지를 갖는 적외선이 입사시키면 그라운드 스테이트에 채워져 있는 전자들이 상위 서브밴드쪽으로 여기되어 이동될 수 있다.

즉, 전극을 통해 양자점에 횡방향으로 전압을 걸면, 여기된 전자가 전극에 의한 전압 차이에 의해 양자점을 따라 전극으로 포집되는 새로운 개념의 원리이다.

이와 같이 구성하면 양자점은 적외선을 흡수함과 동시에 흡수된 적외선에 의해 생성된 전자들을 전극에 이송시킬 수 있는 채널(channel) 역할을 수행한다.

이때에 양자점의 스테이트의 밀도(density of state)는 도 5에 도시된 바와 같이, 델타(delta) 함수를 갖게 되어 매우 적은 전자 밀도로도 명확한 에너지 밴드(energy band) 상태를 유지할 수 있어 외부의 잡음 신호와 구별이 명확해 질 수 있다.

또한, 그라운드 스테이트와 서브밴드 차이가 상온에 해당하는 에너지(kT = -26meV)보다 커서 상온에서도 주변 잡음과 구별시킬 수 있는 신호를 구성할 수 있다.

도 6은 본 발명 제 1 실시예에 따른 양자점 적외선 수광 소자를 보여주는 구조 단면도로서, 도 6에 도시된 바와 같이 기판 위에 제 1 버퍼층을 성장하고, 그 위에 도프트 양자점부를 형성한 다음, 도프트 양자점 위에 제 2 버퍼층을 형성하거나 또는 생략할 수 있다.

그리고, 제 2 버퍼층 위에 언도프트 베리어층을 두고, 그 위에 일정 부분이 식각된 도프트 콘택층을 형성하며, 도프트 콘택층 위에 각각 전극을 형성한다.

여기서, 양자점부는 도 7에 도시된 바와 같이 분리층과 양자점을 교대로 적층된 다층 구조로 이루어지는데, 양자점 두께는 약 1∼20nm로 하고, 양자점과 양자점을 분리하는 분리층의 두께는 약 0∼50nm로 한다.

이때, 양자점은 n형이고, 10¹⁵/cm³∼ 10¹⁸/cm³의 불순물 농도로 도핑된다.

그리고, 기판으로 사용되는 물질이 GaAs인 경우, 언도프트 베리어층은 Al_yGa_1-yAs(여기서, 0≤y≤1)로 이루어지며, 양자점부의 도프트 양자점은 In_xGa_1-xAs(여기서, 0＜x≤1)로 이루어지고, 분리층은 Al_kGa_1-kAs(여기서, 0≤k≤1)로 이루어지며, 버퍼층은 GaAs 혹은 AlGaAs로 이루어진다.

또한, 기판이 InP이면, 양자점은 In_zGa_1-zAs, 분리층은 InP 혹은 AlInP가 가능하고 베리어 물질로는 AlInP, InP 등이 가능하며, 기판이 Si인 경우에는 양자점은 SiGe, 분리층은 Si 물질이 가능하고 베리어 물질로는 Si가 가능하다.

그 외에도 기판이 Al₂O₃혹은 GaN인 경우에는 양자점은 In_nGa_1-nN(여기서, 0＜n≤1), 분리층은 Al_mGa_1-mN(여기서, 0≤m≤m)이 가능하고 베리어 물질로는 GaN, AlGaN이 가능하다.

이와 같이 기판의 물질에 따라서 기판 위에 성장되는 층들은 다양한 물질을 선택적으로 사용할 수 있다.

이와 같이 구성된 본 발명은 도 6에 도시된 바와 같이, 적외선이 소자의 앞면이나 뒷면에서 입사되면 양자점부에서 직접 전자를 생성하여 그 전자들을 전극쪽으로 직접 이동시키므로 전자의 손실이 없게 된다.

이처럼 전자의 손실이 거의 없기 때문에 소자의 성능이 향상되며, 기존과 같이 구조가 복잡하지 않기 때문에 공정면에서도 수월하다.

도 8은 본 발명 제 2 실시예에 따른 양자점 적외선 수광 소자를 보여주는 구조단면도로서, 도 8에 도시된 바와 같이 구조는 제 1 실시예와 거의 동일하지만 도프트 양자점 아래에 제 1 실시예의 버퍼층 대신에 이종 접합의 베리어층이 위치할 수도 있으며, 양자점부 아래 및 위에 베리어층이 모두 존재할 수도 있다.

그 효과는 제 1 실시예와 동일하다.

도 9는 본 발명 제 3 실시예에 따른 양자점 적외선 수광 소자를 보여주는 구조단면도로서, 도 9에 도시된 바와 같이 한 쪽 전극 아래에 p형 불순물 영역을 형성하면 더 좋은 효과가 나타난다.

즉, p형으로 도핑된 콘택층 아래로부터 기판 표면까지 p형 불순물 영역을 형성하여 역방향 전압을 걸어주면 도프트 양자점부와 p형 불순물 영역의 접합면이 역방향 전압이 된다.

그러면, 적외선이 입사되지 않을 경우에도 흐르는 누설 전류를 최소화시킬 수 있는 장점이 있다.

본 발명에 따른 양자점 적외선 수광 소자 및 그 제조방법에 있어서는 다음과 같은 효과가 있다.

본 발명은 양자점에 불순물을 도핑시켜 적외선을 흡수함과 동시에 흡수된 적외선에 의해 생성된 전자들을 전극에 이송시킬 수 있는 채널(channel) 역할을 수행하게 함으로써, 기존 소자보다 성능을 개선시키고, 구조 및 공정을 단순화시켜 소자의 균일도를 높일 수 있다.

그러므로, 2차원적으로 균일한 어레이(array) 소자를 가능케 하여 CCD 카메라 등과 같이 이미저(imager) 등에 적합할 뿐만 아니라 소자를 균일화시키는 공정을 단순화시킬 수 있어 가격을 낮출 수 있다.

Claims (13)

1. 기판;

   상기 기판상에 형성되는 버퍼층;

   상기 버퍼층상에 형성되는 도프트(doped) 양자점부;

   상기 양자점부상에 형성되는 언도프트(undoped) 베리어층;

   상기 언도프트 베리어층상의 일정 영역에 형성되는 전극들로 구성되는 것을 특징으로 하는 양자점 적외선 수광 소자.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 언도프트 베리어층과 양자점부 사이에는 버퍼층이 형성되는 것을 특징으로 하는 양자점 적외선 수광 소자.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 언도프트 베리어층과 전극 사이에는 도프트 콘택층이 형성되는 것을 특징으로 하는 양자점 적외선 수광 소자.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 전극들 중 어느 한 전극 하부에는 p형 도핑층이 형성되는 것을 특징으로 하는 양자점 적외선 수광 소자.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 기판은 GaAs, InP, Si, Al₂O₃, GaN 중 어느 하나로이루어지고, 언도프트 베리어층은 Al_yGa_1-yAs(여기서, 0≤y≤1), AlInP, InP, Si, GaN, AlGaN 중 어느 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 양자점 적외선 수광 소자.
6. 제 1 항에 있어서, 상기 양자점부는 양자점과 분리층이 교대로 적층된 다층 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 양자점 적외선 수광 소자.
7. 제 6 항에 있어서, 상기 양자점은 In_xGa_1-xAs(여기서, 0＜x≤1), SiGe, In_nGa_1-nN(여기서, 0＜n≤1) 중 어느 하나로 이루어지고, 분리층이 Al_kGa_1-kAs(여기서, 0≤k≤1), Si, Al_mGa_1-mN(여기서, 0≤m≤m), InP, AlInP로 이루어지는 것을 특징으로 하는 양자점 적외선 수광 소자.
8. 제 6 항에 있어서, 상기 양자점부의 양자점 두께는 1∼20nm이고, 상기 양자점과 양자점을 분리하는 분리층의 두께는 0∼50nm인 것을 특징으로 하는 양자점 적외선 수광 소자.
9. 제 1 항에 있어서, 상기 전극과 전극 사이의 거리는 1 ∼ 1000㎛인 것을 특징으로 하는 양자점 적외선 수광 소자.
10. 기판상에 버퍼층을 형성하고, 그 위에 양자점과 분리층이 적어도 1개 이상 교대로 적층된 도프트 양자점부를 형성하는 제 1 단계;

    상기 양자점부상에 언도프트 베리어층을 형성하는 제 2 단계;

    상기 언도프트 베리어층상의 일정 영역에 도프트 콘택층들을 형성하고, 그 위에 전극을 형성하는 제 3 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 양자점 적외선 수광 소자 제조방법.
11. 제 11 항에 있어서, 상기 기판은 GaAs, InP, Si Al₂O₃, GaN 중 어느 하나로이루어지고, 언도프트 베리어층은 Al_yGa_1-yAs(여기서, 0≤y≤1), AlInP, InP, Si, GaN, AlGaN 중 어느 하나로 이루어지며, 양자점은 In_xGa_1-xAs(여기서, 0＜x≤1), SiGe, In_nGa_1-nN(여기서, 0＜n≤1) 중 어느 하나로 이루어지고, 분리층이 Al_kGa_1-kAs(여기서, 0≤k≤1), Si, Al_mGa_1-mN(여기서, 0≤m≤m), InP, AlInP 중 어느 하나로 이루어지며, 버퍼층은 GaAs, AlGaAs, InP, GaN 중 어느 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 양자점 적외선 수광 소자 제조방법.
12. 제 11 항에 있어서, 상기 양자점은 n형이고, 10¹⁵/cm³∼ 10¹⁸/cm³의 불순물 농도로 도핑되는 것을 특징으로 하는 양자점 적외선 수광 소자 제조방법.
13. 제 11 항에 있어서, 상기 제 3 단계 이전에, 상기 도프트 콘택층 중 어느 한 층 하부에 일정 깊이 만큼 p형 불순물을 도핑하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 양자점 적외선 수광 소자 제조방법.