KR100293474B1 - 포토다이오드 - Google Patents

Abstract

본 발명은 포토다이오드에 관한 것으로, 특히 가시광 영역에서 동작하면서도 고온환경에서 동작의 신뢰성이 높은 포토다이오드에 관한 것이다. 본 발명의 포토다이오드는 기존의 포토다이오드와 달리 기판과, 기판 위에 GaN 박막이 복수 층으로 적층된 제 1 광전변환층과, 제 1 광전변환층 위 일부에 형성된 오믹콘택층과, 제 1 광전변환층 위 일부에 동일한 물질과 구조로 형성된 제 2 광전변환층; 그리고, 제 2 광전변환층 위에 형성된 쇼트키 콘택층을 포함하여 구성된 것이 특징이다.

Description

포토다이오드{Photo Diode}

본 발명은 포토다이오드에 관한 것으로, 특히 GaN 를 이용한 포토다이오드에 관한 것이다.

정보산업의 발달로 인해 방대한 양을 빠르게 전송할 수 있는 광통신망에 대한 관심이 높아지고 있다. 이러한 광통신망은 광원과 광전송망과 광증폭기, 그리고 광수신기 등으로 이루어져 있다.

광원은 레이저다이오드(LD : Laser Diode) 혹은, LED(Light Emitting Diode) 등으로 구성되고, 광수신기는 포토다이오드(PD : Photo Diode), 포토트랜지스터 등으로 구성된다. 특히 수광소자인 포토다이오드는 독자적으로 여러 분야에 사용될 수 있다. 수광소자는 광센서(Photo sensor)라고 명명되기도 한다.

현재 포토다이오드가 가장 많이 사용되는 분야는 광디스크 혹은, 광통신 분야이다. 일반적인 포토다이오드는 전극과 광전변환층으로 구성되어 있는데, 이러한 광전변환층으로 Si, GaAs, InGaAs, Ge, 혹은 HgCdTe 등의 물질이 많이 채용되고 있다.

상술한 물질이 채용된 포토다이오드는 가시광선이나, 적외선 파장의 광에 의해 동작하는 것이 특징이다. 그리고, GaN이 채용된 포토다이오드는 자외선 파장의 광에 의해 동작하는 것이 특징이다.

포토다이오드는 각각 물질 특성에 해당하는 밴드갭(Bandgap)에 따라 동작하는 광의 파장이 결정되어진다. 그리고, 포토다이오드는 수광되는 광의 감도에 따라 여러가지 구조로 사용되어진다.

이러한 포토다이오드의 동작원리는 다음과 같다. 포토다이오드는 전극과 광전변환층 사이에 쇼트키장벽(Schottcky Barrier)이 존재한다. 전극쪽에 존재하는 전자는 이러한 쇼트키장벽으로 인하여 광전변환층으로 이동하지 못한다. 따라서,평상시의 전극과 광전변환층 사이는 전기적으로 통하지 않는다.

그러나, 전극과 광전변환층 사이에 역바이어스전압이 인가되면 쇼트키장벽의 레벨이 낮아진다. 그 이유로 전극쪽에 존재하는 전자가 광전변환층으로 용이하게 전도되어 포토다이오드의 암(dark)전류가 높아지게 된다. 또, 포토다이오드는 광을 조사받았을 때, 광전변환층 내에 광에 의한 광전하(Photo Carrier)가 발생하여 전류가 흐르게 된다. 포토다이오드는 바로 이런 암전류와 광전하에 의한 전류의 비로써 광을 검출하는 소자로 사용되는 것이다.

그런데, 이러한 포토다이오드는 다음과 같은 문제점이 있다. Si, GaAs, InGaAs, Ge 등의 물질로 제조된 포토다이오드는 0.4∼1㎛ 의 파장대를 가진 광을 감지할 수 있다. 즉, 상술한 파장대의 광은 적외선에서 가시광선 대역의 밴드갭을 가지므로, 열적으로 불안정하다. 열적으로 불안정하다는 것은 열에 의해 전자천이(electron transition)가 쉽게 발생할 수 있다는 것이다. 게다가 열전도가 낮기 때문에 150℃ 이하의 저온에서 동작하므로, 동작신뢰성이 떨어진다는 문제점도 있다.

본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 적외선 및 가시광선 대역의 밴드갭에서 열적으로 안정되게 동작하여 신뢰성이 높은 GaN 포토다이오드를 제공하기 위한 것이다.

도 1a 내지 도 1d는 본 발명의 포토다이오드를 제조하는 방법을 도시한 단면도.

도 2는 일반적인 GaN의 에너지 밴드갭과 전도천이을 도시한 도면.

도 3은 복수층의 GaN 박막의 에너지 밴드갭과 전도천이을 도시한 도면.

도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

100 : 사파이어 기판 110 : 제 1 광전변환층

111 : GaN 박막 120 : 오믹 콘택층

130 : 제 2 광전변환층 140 : 쇼트키 콘택층

200 : 전자 210 : 전도천이될 광자

210' : 전도천이된 광자 220 : 내부전도천이될 광자

220' : 내부전도천이될 광자

본 발명의 포토다이오드는 넓은 밴드갭을 가진 GaN이 여러겹의 박막을 이루어 형성된 것이 특징이다. 특히, 본 발명의 포토다이오드는 GaN이 양자장벽(Quantum Well)이나, 수퍼격자(super lattice)구조로 되어 있어 에너지 밴드갭을 임의로 조절할 수 있다.

본 발명은 기판과, 그 위에 적층된 제 1 광전변환층, 그 위의 일부에 형성된 오믹콘택층과, 제 1 광전변환층 위 일부에 형성된 제 2 광전변환층, 그리고 제 2 광전변환층 위에 형성된 쇼트키 콘택층을 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

이하 첨부된 도면, 도 1a 내지 도 1d와 함께 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 설명하도록 한다.

(실시예)

도 1a에 나타낸 것과 같이 사파이어 기판(100) 위에 GaN 박막(111)을 여러 겹으로 적층하여 제 1 광전변환층(110)을 형성한다. 이 때, GaN 박막은 최소 10Å∼100Å의 두께를 가져야 하며, 제 1 광전변환층은 이러한 GaN 박막을 복수개로 적층하여 형성한다.

그리고, 제 1 광전변환층을 식각하고, 도 1b에 나타낸 것과 같이 오믹콘택층(120)을 형성한다. 이 때, 오믹콘택층은 n+ 이온의 불순물반도체를 이용하여 형성될 수 있다.

그 후, 도 1c에 나타낸 것과 같이 제 1 광전변환층 위 오믹콘택층이 형성된 부분을 제외한 나머지 부분 중, 일부에 GaN 박막을 이용하여 제 1 광전변환층과 동일한 구조의 제 2 광전변환층(130)을 형성한다. 이어서, 도 1d에 나타낸 것과 같이 제 2 광전변환층 위에 쇼트키콘택층(140)을 형성하여 본 발명의 포토다이오드를 완성한다.

본 발명의 동작원리는 다음과 같다. 도 2는 GaN의 에너지 밴드를 도시한 것이고, 도 3은 복수층의 GaN박막의 에너지 밴드를 도시한 것이다.

GaN은 에너지밴드갭이 커서 자외선영역에서 사용된다. 그런데, 이 GaN이 약 300Å 정도로 얇게 형성되면, 전도대역(conduction band)과 원자가대역(valence band) 내에 양자화(quantize)된 불연속적인 에너지레벨이 존재하게 된다. 일반적인 GaN 는 도 2에 나타낸 것과 같이 전도대역 에너지레벨(300)과 원자가대역 에너지레벨의 경계면에 존재하던 광자(photon)(210, 210')가 다른 에너지레벨로 천이(transition)되었다.

그러나, 복수층의 GaN 박막이 적층된 광전변환층의 광자(220, 220')들은 도 3에 나타낸 것과 같이 불연속적인 에너지레벨 사이에서 천이된다. 뿐만 아니라, 불연속적인 에너지레벨과 전도대역 및 원자가대역 사이에서 천이되기도 한다. 이 때, 불연속적인 에너지레벨(400) 사이에서 천이되는 것을 내부대역 천이(intraband transition)이라고 한다.

GaN 박막에서 내부대역 천이이 이루어지면, GaN 의 에너지 밴드갭이 임의로 조절된다. 그러므로, 본래 에너지 밴드갭이 큰 GaN이 작은 에너지 밴드갭을 가질 수 있게 됨으로써, 긴 파장을 가진 가시광이나, 적외선의 검출이 가능하게 되는 것이다. 게다가 GaN은 본래 넓은 밴드갭을 가지므로, 큰 항복전압(Breakdown voltage)을 가지므로, 고온에서 동작할 수 있어 신뢰성이 개선된다.

본 발명은 밴드갭이 커서 고온에서 동작의 신뢰성이 높은 GaN을 복수 층의 박막으로 형성한 구조로 되어 있으므로, 내부대역 천이에 의해 가시광 영역 및 적외선 영역의 광신호를 전기적 신호로 변환하는 수광소자로 제조될 수 있다. 따라서, 본 발명은 가시광 영역의 수광소자를 기존의 PIN, MSM, APD 구조의 포토다이오드를 제조할 수 있는 장점이 있다. 뿐만 아니라, 기존의 LD, LED 에 반응하는 수광소자로 제조될 수도 있다. 특히, 상술한 것과 같이 가시광, 적외선 영역에서 고온동작 및 고신뢰성을 요하는 분야에 사용하기 적합하다.

Claims (3)

1. 기판;

   상기 기판 위에 양자장벽(Quantum Well) 또는 슈퍼격자(Super Lattice)를 형성하여 내부대역천이(Intra band transition)를 일으키도록 GaN 박막이 복수 층으로 적층된 제 1 광전변환층;

   상기 제 1 광전변환층 위 일부에 형성된 오믹콘택층;

   상기 제 1 광전변환층 위 일부에 동일한 물질과 구조로 형성된 제 2 광전변환층; 그리고,

   상기 제 2 광전변환층 위에 형성된 쇼트키 콘택층을 포함하여 구성된 포토다이오드.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 기판은 사파이어 기판인 것을 특징으로 하는 포토다이오드.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 복수층으로 적층된 GaN 박막 한 층의 두께는 10∼100Å인 것을 특징으로 하는 포토다이오드.