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KR20000030069A - 자외선 감지소자 - Google Patents

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KR20000030069A
KR20000030069A KR1019990034791A KR19990034791A KR20000030069A KR 20000030069 A KR20000030069 A KR 20000030069A KR 1019990034791 A KR1019990034791 A KR 1019990034791A KR 19990034791 A KR19990034791 A KR 19990034791A KR 20000030069 A KR20000030069 A KR 20000030069A
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layer
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ultraviolet sensing
xsnxoy
ito
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유지범
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이정욱
주식회사 맷사이언스텍
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Abstract

본 발명은, 자외선 감지소자에 관한 것으로, 기판; 상기 기판위에 에피성장된 광흡수층; 상기 광흡수층의 일부영역에 쇼트키(Schottky)접합된 쇼트키층; 상기 광흡수층 상에서 상기 쇼트키층과 이격되어 상기 광흡수층에 각각 오믹접합되어 전극을 형성하는 한 쌍의 상호 이격된 오믹층을 포함하는 것을 특징으로 한다. 이에 의하여, 배면조사 뿐아니라 전면조사가 가능하며, 완충층을 포함하지 않고서도 자외선감지성능이 우수한 자외선 감지소자가 제공된다

Description

자외선 감지소자{UV detector}
본 발명은, 자외선 감지소자에 관한 것으로, 특히, 쇼트키(Schottky)접합을 갖는 자외선 감지소자에 관한 것이다.
자외선 감지소자는 광대역 반도체(wide bandgap)에 조사된 빛에너지에 의해 상기 반도체 내에서 자유전자와 정공이 여기되고 내부전계(internal electric field)에 의해 반대극성을 따라 분리된 후, 외부전극에서 이를 포집하는 과정에 의한 광전변환을 통한 전기신호의 발생에 의하여 작동된다.
자외선 감지소자로 사용될 수 있는 반도체로는 GaN 혹은 GaxAl1-xN와 같은 밴드갭이 큰 질화물반도체(nitride semiconductor)로서, 이들은 자외선을 흡수하여 전자와 정공이 여기되도록 하는 역할을 담당하므로 광흡수층이라고 불린다. 자외선에 의해 광흡수층에서 발생한 전자와 정공이 분리되도록 하기 위해서는 내부전계를 제공할 수 있는 pn접합이나 쇼트키접합과 같은 에너지준위가 상이한 접합이 필요하다.
그런데, 일반적으로 pn접합의 경우 광대역반도체에 억셉터를 도핑하면 p타입 반도체가 되지 않고 절연층이 형성되는 등 p형 광흡수층의 형성이 용이하지 않고, 억셉터를 도핑함에 의해 p타입 반도체가 형성되도록 하기 위해서는 별도의 열처리공정과 이에 따른 처리기술이 요구되므로 자외선 감지소자로서는 구조와 제작공정이 비교적 간단한 쇼트키접합이 주로 이용되고 있다.
쇼트키접합을 형성시키기 위해서는 사용하고자 하는 반도체에 적합한 금속물질을 증착하여 한다. 이를 위해 n형 GaN와 n형 GaxAl1-xN에는 그 동안 금(Au), 니켈(Ni), 텅스텐(W) 등 다양한 금속이 제안되었다.
한편, 기판으로는 사파이어(sapphire)를 사용해 왔는데, 사파이어기판과 질화물반도체 간의 큰 격자상수 ??이와 열팽창계수 차이를 극복하기 위해, 먼저 사파이어기판위에 알루미늄 나이트라이드(AlN) 혹은 갈륨 나이트라이드(GaN) 등으로 형성된 완충층(buffer layer)을 증착하고 나서 그 위에 자외선 흡수를 위한 광흡수층인 GaN 혹은 GaxAl1-xN를 성장시키는 방법이 사용되었다.
도1은 도도도도도도 1은 종래 Khan 등에 의해 제안된 자외선 감지소자의 개략구조도이다.
도시된 바와 같이, 사파이어기판(1)위에 GaxAl1-xN광흡수층(3)과의 격자상수 및 열팽창계수의 부정합을 완충시키는 알루미늄 나이트라이드(AlN) 완충층(2)을 성장시키고 난 후, 알루미늄 나이트라이드(AlN) 완충층(2) 위에 다시 GaxAl1-xN의 광흡수층(3)을 2㎛정도 성장시킨다. 다음 Au/TiW/Au을 100Å/1000Å/5000Å을 사용하여, 쇼트키접합을 형성하는 쇼트키층(4)을, 금(Au)을 사용하여, 오믹(Ohmic)접합을 형성하는 오믹층(5)을 생성하였다.
그러나, 상기와 같은 구조를 갖는 자외선 감지소자는 쇼트키접합의 형성을 위해 Au/TiW/Au와 같은 금속을 사용하므로, 자외선 감지에 있어 전면 조사(front illuminztion)방식에 의하게 되면 금속에 의한 자외선흡수로 인하여 정밀한 자외선감지가 불가능하다. 이에, 기판을 통하여 자외선을 조사시키는 배면조사(back illumination)방식에 의하여 자외선감지가 이루어지도록 하는 구성을 취해야 한다는 제약이 따른다.
배면조사 방식을 택할 경우 자외선이 쇼트키 접합 근처의 공핍층(depletion region)까지 도달하기 전에 광흡수층(3)에서 흡수되어 조사된 자외선의 손실이 일어나게 된다. 광흡수층의 흡수계수(absorption coefficient)는 1 x 105 cm-1 정도이므로, 예를 들어 0.1㎛두께의 광흡수층을 통과한다면 입사된 빛의 67%가 흡수되고, 0.2㎛ 두께인 경우에는 86%가 흡수되게 된다. 결국, 광흡수층의 두께가 1㎛ 이상인 경우 실제 쇼트키접합의 공핍층(depletion region)에 도달하는 자외선량은 매우 작아져서 효과적인 자외선 감지가 어려워진다.
더욱이, 광여기된 전자와 정공이 외부전극에 포획되어 전기 신호로 변환될 수 있는 범위가 공핍층에다 전자의 확산거리(diffusion length)를 더한 거리라 하더라도 GaN의 전자 확산거리가 0.2㎛정도이므로, 배면조사 방식을 사용할 경우 광여기된 대부분의 자유전자와 정공이 외부전극에 의해 포획 되기 전에 재결합(recombination)하게 되어 전기신호로 전환되지 못한다는 문제점을 갖는다. 또한 상기와 같은 구조를 갖는 자외선 감지소자 칩을 패키징할 때는 마운트에 자외선이 통과할 수 있는 구멍을 형성시켜야 하므로, 제작공정이 복잡해지게 된다.
특히, 자외선 감지소자의 저가격화를 위해 사파이어기판(1) 대신 실리콘(Si)과 같은 에너지 밴드갭이 3.0eV(파장(λ)= 410nm)이하의 기판을 사용할 경우 감지하고자 하는 자외선이 기판에서 대부분 흡수되게 되어 자외선 감지소자로서의 역할을 할 수 없게 된다.
기타 종래 다양한 구조의 자외선 감지소자가 제안되고 있으나, 상기 Khan이 제안한 구조를 포함하여 이들 모두는 공통적으로 광흡수층의 고품위성장을 위한 완충층을 포함하고 있어 제작공정이 복잡해진다.
따라서, 본 발명의 목적은, 전면조사가 가능한 자외선 감지소자를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은, 완충층을 갖지 않음으로써 제작공정이 단순해지는 자외선 감지소자를 제공하는 것이다.
도 1은 종래 Khan 등에 의해 제안된 자외선 감지소자의 개략구조도,
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 자외선 감지소자의 구조도,
도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 자외선 감지소자의 제작순서를 나타내기 위한 개략도,
도 4는 본 발명의 제1실시예에 따른 자외선 감지소자의 니켈산화물의 광투과도,
도 5는 본 발명의 제1실시예에 따른 자외선 감지소자의 전류전압특성을 나타낸 그래프,
도 6은 본 발명의 제2실시예에 따른 자외선 감지소자의 구조도,
도 7은 본 발명의 제2실시예에 따른 자외선 감지소자의 전류전압특성을 나타낸 그래프이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
1 : 사파이어기판 2 ; 알루미늄 나이트라이드(AlN)
3 : GaxAl1-xN 4 : 쇼트키층
5 : 오믹층 21 : 기판
22 : 갈륨 나이트라이드(GaN) 24 : 니켈산화물
25 : 금(Au) 26 : ITO(In1-xSnxOy)
상기 목적은, 본 발명에 따라, 자외선 감지소자에 있어서, 기판; 상기 기판위에 에피성장된 광흡수층; 상기 광흡수층 상에 쇼트키(Schottky)접합을 형성하는 쇼트키(Schottky)층; 상기 광흡수층 상의 두 영역에 각각 오믹(Ohmic)접합을 형성하는 오믹(Ohmic)층을 포함하는 것을 특징으로 하는 자외선 감지소자에 의해서 달성된다.
여기서, 상기 기판은, 사파이어와 실리콘 중 어느 하나로 형성되는 것이 바람직하다.
그리고, 상기 광흡수층은, 갈륨 나이트라이드(GaN)로서, HVPE(Hydride Vapor Phase Epitaxy)에 의해 형성되며, 상기 쇼트키층은, 빛을 투과시키는 투명층으로 서, 상기 광흡수층 상에 형성된 니켈산화물(NiO)층과, 상기 니켈산화물(NiO)층의 직렬저항을 감소시키기 위한 직렬저항감소층을 포함하는 것이 바람직하다.
여기서, 상기 니켈산화물층은, 상기 광흡수층 상에 포토레지스트패턴을 형성하고, 상기 형성된 포토레지스트패턴에 니켈(Ni)을 증착시키고, 리프트오프법을 사용하여 니켈(Ni)패턴을 형성시킨 후, 열처리를 통해 생성되며, 상기 니켈(Ni)의 증착은 스퍼터링법에 의하는 것이 효과적이다.
그리고, 상기 직렬저항감소층은, ITO(In1-xSnxOy)로서, 상기 니켈산화물층상에 포토레지스트패턴을 형성하고, 상기 형성된 포토레지스트패턴에 ITO(In1-xSnxOy)을 증착시키고, 리프트오프법을 사용하여 ITO(In1-xSnxOy)패턴을 형성시킨 후, 열처리를 통해 생성되는 것이 효과적이다.
한편, 상기 쇼트키층은, ITO(In1-xSnxOy)로서, ITO(In1-xSnxOy)를 증착시키고, 리프트오프법을 사용하여 ITO(In1-xSnxOy)패턴을 형성시킨 후, 열처리를 통해 생성되는 것이 바람직하다.
이하에서는 첨부도면을 참조하여 본 발명에 대해 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명에 따른 제1실시예의 자외선 감지소자의 구조도이다.
도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 자외선 감지소자는, 사파이어기판 혹은 실리콘기판(21)과, 사파이어기판 혹은 실리콘기판(21)상에 직접 에피성장시킨 약 2㎛두께의 갈륨 나이트라이드(GaN) 광흡수층(22)과, 광흡수층(22)상에 성장된 쇼트키접합으로서의 니켈산화물(24), 오믹접합으로서의 금(Au)전극(25), 및 니켈산화물(24)의 직렬저항(series resistance)를 감소시키기 위해 니켈산화물(24)위에 증착된 전도성산화물인 ITO(In1-xSnxOy)(25)를 포함한다.
도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 자외선 감지소자의 제작순서를 나타내기 위한 개략도이다.
먼저, 사파이어 혹은 실리콘기판(21) 상에 에피층 성장속도가 빠른 HVPE (Hydride Vapor Phase Epitaxy)를 사용하여 1000∼1100℃에서 약 5∼10분간 GaN 광흡수층(22)을 2㎛정도 성장시킨다.
다음으로, 성장된 광흡수층(22)상에 오믹접합(25)의 생성을 위해 금(Au)의 포토레지스트(PR : Photo Resist)패턴을 형성시키고, 전자빔증착기(e-beam evaorator), 혹은 열증착기(thermal evaporator)를 사용하여 금(Au)을 증착한 후, 리프트오프(lift-off)법을 통해 금(Au)패턴을 완성시킨다.
또한, 쇼트키접합(24)의 생성을 위해 다시 포토레지스트패턴을 형성시키고, 스퍼터링법 등을 사용하여 니켈(Ni)을 증착한 후 상기와 마찬가지로 리프트오프법을 통해 니켈(Ni)패턴을 완성한다.
완성된 금(Au)패턴과 니켈(Ni)패턴을 500∼600℃에서 2∼10분간 열처리하여 투명한 니켈산화물을 생성함으로써 쇼트키접합의 니켈산화물층(24)과 접촉저항(contact resistance)이 작은 오믹접합의 금(Au)전극(25)이 만들어진다.
마지막으로, 니켈산화물의 직렬저항을 감소시키기 위해 니켈산화물전극(24)위에 ITO(In1-xSnxOy)의 증착을 위한 포토레지스터층을 형성시키고 스퍼터링법을 사용하여 ITO(In1-xSnxOy)를 증착한 후, 리프트오프법으로 ITO(In1-xSnxOy)패턴을 완성시킨다. ITO(In1-xSnxOy)는 투명성전극으로서 디스플레이용으로 널리 사용되고 있는 물질이다.
도 4는 본 발명의 제1실시예에 따른 자외선 감지소자의 쇼트키접합을 형성하는 니켈산화물(24)의 광투과도를 도시한 것이다.
광투과도는 니켈(Ni)을 유리기판 위에 증착시키고 550℃에서 10분간 열처리함으로써 생성된 니켈산화물층에 의해 측정되었다. 도시된 바와 같이, 측정된 광투과도는 350nm에서부터 80%정도의 투과성을 나타내고 있어, 니켈산화물층이 전면조사방식의 자외선 감지소자로서 사용될 수 있음을 보여준다. 광투과성은 열처리조건을 최적화시켜 보다 향상시킬 수 있다.
이처럼, 본 발명에 따라 쇼트키접합을 형성하기 위해 사용된 니켈산화물(24)의 광투과성이 우수함에 따라 배면조사는 물론 전면조사도 가능하게 된다.
도 5는 본 발명의 제1실시예에 따른 자외선 감지소자의 전류전압특성을 나타낸 그래프이다.
쇼트키접합을 형성하는 니켈산화물(24)은 지름 1mm인 원형전극이 측정에 사용되었으며, 오믹접합으로는 금(Au)이 사용되었다.
도 5에 도시된 바와 같이, 빛을 조사하지 않은 암전류-전압의 경우, 텅스텐을 이용한 쇼트키접합에 비교하였을 때 쇼트키특성이 잘 나타나고 있음을 알 수 있다.
보다 상세히, 자외선 감지소자는 리버스바이어스상태에서 광흡수층에 흡수된 빛에너지에 의해 전류가 흐르게 되는 원리에 기초하고 있다. 그런데, 리버스바이어스상태에서의 누설전류량이 크다면 정밀한 자외선 감지가 어렵게 되는 것이다. 따라서, 리버스바이어스상태에서 누설전류량이 적을수록 자외선 감지소자의 성능은 우수한 것으로 평가되는 것이다.
즉, 본 발명에 따른 자외선 감지소자의 누설전류량은 종래 텅스텐을 이용한 자외선 감지소자의 그것보다 적음을 알 수 있고, 이는 본 발명에 따른 자외선 감지소자의 감지성능의 우수성을 증거하고 있다.
도 6은 본 발명의 제2실시예에 따른 자외선 감지소자의 구조도이다. 다만, 제1실시예와 동일한 부분에 대해서는 동일한 참조번호를 부여하고 반복된 설명은 생략한다.
도시된 바와 같이, 제2실시예에서는, 제1실시예에서의 니켈산화막(24) 대신에 갈륨 나이트라이드(GaN) 광흡수층(22)상에 직접 ITO(In1-xSnxOy)를 사용하여 쇼트키접합을 형성시킨다.
보다 상세히, ITO(In1-xSnxOy)의 증착을 위한 포토레지스터층을 형성시키고 스퍼터링법을 사용하여 ITO(In1-xSnxOy)를 증착한 후, 리프트오프법으로 ITO(In1-xSnxOy)패턴을 완성시킨다. 다음으로, 완성된 패턴을 500∼600℃에서 2∼10분간 열처리함으로써 ITO(In1-xSnxOy)의 쇼트키층(27)이 생성된다.
도 7은 본 발명의 제2실시예에 따른 전류-전압 특성을 나타낸 그래프이다. 도시된 바와 같이, 제1실시예에 따른 니켈산화물에 의해 쇼트키층을 형성한 자외선 감지소자와 동일한 접합특성을 보여주고 있다.
한편, 널리 사용되고 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 자외선 감지소자에 대해서도 금속패드 부분에 도금을 통하여 Au를 2~3㎛ 전착시킴으로써 wire bonding을 용이하게 할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 완충층을 포함하지 않고서도 자외선감지성능이 우수한 자외선 감지소자가 제공된다.
종래 쇼트키접합을 위해 금속을 사용하던 것과 달리 광투과성이 우수한 니켈산화물이나 ITO를 사용함으로써 배면조사 뿐아니라 전면조사가 가능한 자외선 감지소자가 제공된다.

Claims (12)

  1. 자외선 감지소자에 있어서,
    기판;
    상기 기판위에 에피성장된 광흡수층;
    상기 광흡수층의 일부영역에 쇼트키(Schottky)접합된 쇼트키층;
    상기 광흡수층 상에서 상기 쇼트키층과 이격되어 상기 광흡수층에 각각 오믹접합되어 전극을 형성하는 한 쌍의 상호 이격된 오믹층을 포함하는 것을 특징으로 하는 자외선 감지소자.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판은, 사파이어와 실리콘 중 어느 하나로 형성되는 것을 특징으로 하는 자외선 감지소자.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 광흡수층은, 갈륨 나이트라이드(GaN)로 형성되는 것을 특징으로 하는 자외선 감지소자.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 갈륨 나이트라이드(GaN)는 HVPE(Hydride Vapor Phase Epitaxy)에 의해형성되는 것을 특징으로 하는 자외선 감지소자.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 쇼트키층은, 빛을 투과시키는 투명층으로 형성되는 것을 특징으로 하는 자외선 감지소자.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 쇼트키층은, 상기 광흡수층 상에 형성된 니켈산화물(NiO)층과, 상기 니켈산화물(NiO)층의 직렬저항을 감소시키기 위한 직렬저항감소층을 포함하는 것을 특징으로 하는 자외선 감지소자.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 니켈산화물층은, 상기 광흡수층 상에 포토레지스트패턴을 형성하고, 상기 형성된 포토레지스트패턴에 니켈(Ni)을 증착시키고, 리프트오프법을 사용하여 니켈(Ni)패턴을 형성시킨 후, 열처리를 통해 생성되는 것을 특징으로 하는 자외선 감지소자.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 니켈(Ni)의 증착은 스퍼터링법에 의하는 것을 특징으로 하는 자외선 감지소자.
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 직렬저항감소층은, ITO(In1-xSnxOy)로 형성되는 것을 특징으로 하는 자외선 감지소자.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 직렬저항감소층은, 상기 니켈산화물층상에 포토레지스트패턴을 형성하고, 상기 형성된 포토레지스트패턴에 ITO(In1-xSnxOy)을 증착시키고, 리프트오프법을 사용하여 ITO(In1-xSnxOy)패턴을 형성시킨 후, 열처리를 통해 생성되는 것을 특징으로 하는 자외선 감지소자.
  11. 제 4 항 또는 제 5 항에 있어서,
    상기 쇼트키층은, ITO(In1-xSnxOy)로 형성되는 것을 특징으로 하는 자외선 감지소자.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 쇼트키층은, ITO(In1-xSnxOy)를 증착시키고, 리프트오프법을 사용하여 ITO(In1-xSnxOy)패턴을 형성시킨 후, 열처리를 통해 생성되는 것을 특징으로 하는 자외선 감지소자.
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