KR100485875B1 - A Manufacturing Method Of Infrared Ray Detection Element Using Hg1-XCdxTe Thin Film Of Quantum Dot Structure By Hydrogenation And Non-Active Gas - Google Patents
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Abstract
본 발명은 수소 및 불활성 가스 플라즈마에 의한 양자점 구조의 머큐리카드뮴텔룰라이드 박막을 이용한 적외선 탐지소자 제작방법에 관한 것으로, 기판과 박막의 격자상수차가 5% 내외가 되지 않는 CdTe, CdZnTe, GaAs, Si 등의 기판(34)위에 어떠한 박막 성장방법에 관계없이 Hg 1-x Cd x Te 박막(30)으로 성장시켜 수소 및 불활성 가스를 이용한 플라즈마 방법으로 성장된 Hg 1-x Cd x Te 박막(30)에 양자점(32)을 형성시켜 이를 상온에서 동작할 수 있는 적외선 탐지소자에 적용 제작할 수 있다. 이를 위해 CdTe, CdZnTe, GaAs, Si 기판(34) 중 어느 하나를 이용하여 통상의 박막 생성방법인 LPE, MOCVD 그리고 MBE 방법 중 어느 하나로 성장된 Hg 1-x Cd x Te 박막(30)을 플라즈마가 형성될 수 있는 수소 및 불활성 가스 플라즈마장치 내에 장착시켜 발생되는 가스 플라즈마가 Hg 1-x Cd x Te 박막(30)에 입사되어 상온 동작이 가능한 양자점(32)을 형성하게 되는 양자점 형성과정과, S-K 방법 또는 수소 및 불활성 가스 플라즈마 방법에 의해 생성된 양자점 구조의 Hg 1-x Cd x Te 박막(30) 위에 금속패드를 형성하고 도선을 연결하여 상온 동작이 가능한 적외선 탐지소자를 제작하는 탐지소자 제작과정을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.The present invention relates to a method for fabricating an infrared detection device using a mercury cadmium telluride thin film having a quantum dot structure by hydrogen and an inert gas plasma. CdTe, CdZnTe, GaAs, Si, etc., in which the lattice aberration of the substrate and the thin film is less than about 5% Irrespective of any thin film growth method on the substrate 34 of the Hg 1-x Cd x Te thin film 30 is grown on the Hg 1-x Cd x Te thin film 30 grown by the plasma method using hydrogen and an inert gas Forming a quantum dot 32 can be applied to the infrared detection device that can operate at room temperature. For this purpose, the plasma is generated by Hg 1-x Cd x Te thin film 30 grown using any one of the conventional thin film generation methods LPE, MOCVD and MBE using any one of the CdTe, CdZnTe, GaAs, Si substrate (34). A quantum dot forming process in which a gas plasma generated by mounting in a hydrogen and an inert gas plasma apparatus that can be formed is incident on the Hg 1-x Cd x Te thin film 30 to form a quantum dot 32 capable of operating at room temperature, and SK Process of fabricating a detection device for fabricating an infrared detection device capable of operating at room temperature by forming a metal pad on a quantum dot structure Hg 1-x Cd x Te thin film 30 produced by a method or a hydrogen and an inert gas plasma method and connecting wires Characterized in that comprises a.
Description
본 발명은 기판과 박막의 격자상수차가 5% 내외가 되지 않는 CdTe, CdZnTe, GaAs, Si 등의 기판을 어떠한 박막 성장방법에 관계없이 Hg 1-x Cd x Te 박막으로 성장시켜 수소 및 불활성 가스를 이용한 플라즈마 방법으로 기 성장된 Hg 1-x Cd x Te 박막에 양자점을 형성시켜, 이를 상온에서 동작할 수 있는 적외선 탐지소자에 적용 제작할 수 있는 수소 및 불활성 가스 플라즈마에 의한 양자점 구조의 머큐리카드뮴텔룰라이드 박막을 이용한 적외선 탐지소자 제작방법에 관한 것이다.According to the present invention, a substrate such as CdTe, CdZnTe, GaAs, Si, etc., in which the lattice aberration of the substrate and the thin film is less than about 5% is grown into a Hg 1-x Cd x Te thin film regardless of any thin film growing method, thereby generating hydrogen and an inert gas. A quantum dot is formed on the Hg 1-x Cd x Te thin film previously grown by the plasma method, and the mercury cadmium telluride having a quantum dot structure by hydrogen and an inert gas plasma can be applied to an infrared detection device that can operate at room temperature. It relates to a method for manufacturing an infrared detection device using a thin film.
잘 알려져 있는 바와 같이, 머큐리카드뮴텔룰라이드(Mercury Cadmium Telluride : Hg 1-x Cd x Te) 박막은 적외선 영역을 탐지할 수 있다는 장점 때문에 군사용 뿐만 아니라 민수용 및 의료용으로도 각광을 받는 화합물반도체 물질로서 그 응용성이 뛰어난 물질이며, 조성 x값의 조절에 따라 밴드갭을 0에서 1.6eV까지 변화시킬 수 있어 통상 1-15㎛ 파장의 적외선 영역을 탐지할 수 있는 적외선 탐지소자에 사용되고 있다.As is well known, Mercury Cadmium Telluride (Hg 1-x Cd x Te) thin film is a compound semiconductor material that is popular in military, civil, and medical applications because of its ability to detect infrared regions. It is an excellent material for application, and the band gap can be changed from 0 to 1.6 eV according to the control of the composition x value, and thus it is generally used in an infrared detection device capable of detecting an infrared region with a wavelength of 1-15 μm.
이와 같이 적외선 탐지소자에 이용되는 Hg 1-x Cd x Te 박막은 조성 x = 0.2, 0.3, 0.4값을 사용하여 가전자대에 있는 전자를 전도대로 활성화시켜 발생된 전류의 변화를 이용하여 적외선을 탐지하게 된다.As described above, the Hg 1-x Cd x Te thin film used in the infrared detection device detects infrared rays by using a change in current generated by activating electrons in the valence band using a composition value of x = 0.2, 0.3, and 0.4. Done.
적외선 탐지소자에 쓰이는 Hg 1-x Cd x Te 박막은 이미 여러 가지의 반도체 성장 방법에 의해 그 성장이 가능하며, 이렇게 성장된 Hg 1-x Cd x Te 박막을 이용하여 P-N 접합 다이오드 형태의 광기전(Photo Voltaic : PV)형 적외선 탐지소자와 P형 또는 N형 단일층 만을 사용한 광도전(Photo Conductivity : PC)형 적외선 탐지소자가 제작되는데, 이러한 박막은 광기전(PV)형의 경우에 한 층이 2㎛이고 다른 한층은 12㎛의 두께를 갖게 되며, 광도전(PC)형의 경우에는 단일층의 두께가 12㎛ 정도를 갖게 된다.The Hg 1-x Cd x Te thin film used in the infrared detector can be grown by various semiconductor growth methods, and photovoltaic in the form of PN junction diode using the Hg 1-x Cd x Te thin film thus grown (Photo Voltaic: PV) type infrared detector and photoconductor (PC) type infrared detector using only P or N type single layer are manufactured, and this thin film is one layer in case of photovoltaic (PV) type The other layer has a thickness of 12 μm, and in the case of a photoconductive (PC) type, the thickness of a single layer has a thickness of about 12 μm.
아울러 이러한 형태의 적외선 탐지소자들은 모두 액체질소 온도인 77K에서 작동하게 되는데, 적외선 탐지소자 제작시 항상 온도를 77K 까지 내려줄 수 있는 액체질소를 저장하기 위한 장치가 필요하며, 이는 항상 탐지소자와 접촉되어 있어야 하고 그 부피도 매우 크며 증발을 줄이기 위해 진공을 유지해야만 한다. In addition, these types of infrared detectors all operate at 77K, which is the liquid nitrogen temperature. In the manufacture of infrared detectors, there is a need for a device for storing liquid nitrogen that can always lower the temperature to 77K, which is always in contact with the detector. It must be very large and its volume must be very large and a vacuum must be maintained to reduce evaporation.
한편, Hg 1-x Cd x Te 박막 성장은 액상 에피택시법(LPE : Liquid Phase Epitaxy), 금속유기화학 증기침적법(MOCVD : Metal Organic Chemical Vapor Deposition) 그리고 분자선 에피택시법(MBE : Molecular Beam Epitaxy) 등으로 그 성장이 가능하나, LPE 방법은 모체가 되는 기판이 박막과 격자상수차(격자부정합)가 거의 나지 않아야 하는 실험적 조건이 요구되는 한계가 있는 반면, MOCVD 방법이나 MBE 방법으로 성장 시 사용되는 기판은 박막과 격자상수차가 크더라도 가능하기 때문에 CdTe와 CdZnTe 뿐만 아니라 크고 단단한 GaAs나 Si 기판 등이 사용되고 있다.On the other hand, Hg 1-x Cd x Te thin film growth was performed by Liquid Phase Epitaxy (LPE), Metal Organic Chemical Vapor Deposition (MOCVD) and Molecular Beam Epitaxy (MBE). LPE method is used for growth by MOCVD method or MBE method, whereas the LPE method has a limitation that requires the experimental conditions that the substrate to be the mother substrate has little lattice aberration (lattice mismatch). Since the substrate can be made of a thin film and lattice aberrations, not only CdTe and CdZnTe but also large and rigid GaAs or Si substrates are used.
현재 양자점 구조의 박막을 성장하기 위해 사용되는 방법은 기판과 박막 사 이의 격자상수차가 약 5% 정도 일 때 자연적으로 양자점이 생성되는 Stranski- Krastanov 방법(S-K Mode)을 이용하여 성장하고 있으나, LPE 방법은 격자상수차가 크면 성장이 불가능하므로 S-K 방법으로 양자점 구조를 만들 수가 없다. Currently, the method used to grow a thin film of quantum dot structure is a substrate and a thin film It grows using Stranski-Kstanstanov method (SK Mode), which generates quantum dots naturally when its lattice aberration is about 5% .However, LPE method cannot grow when the lattice constant is large. none.
또한, MOCVD 방법이나 MBE 방법에서도 격자장수차가 5% 내외로 되는 기판을 사용해야 하기 때문에 기존에 사용하고 있는 격자상수차가 1-2%인 CdTe나 CdZnTe 기판들을 사용하여 S-K 방법을 통해 양자점을 만들 수가 없으며, 따라서 이러한 기판 위에 박막과 5%의 격자상수차가 나는 다른 박막 등의 새로운 층을 성장한 후 양자점을 이루는 박막을 성장해야 하는 복잡한 과정이 필요하다는 어려움이 있다. In addition, the MOCVD method or the MBE method requires the use of a substrate having a lattice aberration of about 5%, so it is not possible to make quantum dots using SK method using CdTe or CdZnTe substrates with 1-2% lattice aberration. Therefore, there is a difficulty in that a complicated process of growing a thin film forming a quantum dot after growing a new layer such as a thin film and another thin film having 5% lattice aberration on the substrate is required.
즉, 기존의 박막 성장방법으로 양자점을 만들기 위해서는 S-K 방법을 사용해야 하기 때문에 기판 선택의 문제가 발생할 뿐만 아니라 특히 LPE 방법으로는 양자점 구조를 성장할 수 없으며, 현재 MOVCD 방법이나 MBE 방법으로 성장 시 가장 좋은 특성을 나타내고 있는 Hg 1-x Cd x Te 박막은 CdTe나 CdZnTe 기판을 사용하여 성장한 경우인데, 이러한 기판은 박막과 격자상수차가 거의 나지 않기 때문에 양자점 구조의 성장이 되지 않으므로 기판 위에 박막과 5%의 격자상수차가 나는 ZnTe 등의 새로운 층을 성장한 후 Hg 1-x Cd x Te 박막을 성장해야 하는 복잡한 과정이 필요하다.In other words, the SK method must be used to make the quantum dots using the existing thin film growth method. Therefore, the selection of the substrate does not occur, and the quantum dot structure cannot be grown by the LPE method. The Hg 1-x Cd x Te thin film is grown using a CdTe or CdZnTe substrate, and since the substrate has little lattice aberration, the growth of the quantum dot structure does not occur. After growing a new layer such as ZnTe, which has a constant difference, a complicated process of growing a Hg 1-x Cd x Te thin film is required.
또한, 현재 대면적의 탐지소자 제작을 위해 가장 많이 쓰이고 있는 GaAs 기판이나 Si 기판의 경우 박막과 격자상수차가 15%에서 19% 정도로 너무 크기 때문에 양자점 구조의 성장에 문제점이 있듯이, 이처럼 기존의 S-K 방법으로 양자점 구조의 Hg 1-x Cd x Te 박막을 성장하기 위해서는 많은 문제점을 가지고 있다.In addition, the GaAs substrate or Si substrate, which is currently used to manufacture a large-area detection device, has a problem in the growth of the quantum dot structure because the thin film and lattice retardation is so large as 15% to 19%. In order to grow a Hg 1-x Cd x Te thin film having a quantum dot structure has a number of problems.
또한, 기존의 Hg 1-x Cd x Te 박막을 이용한 탐지소자 제작은 77K의 저온 유지를 위한 액체질소 저장용기의 부착으로 인하여 전체적으로 부피가 크고 지공을 유지해야 하며, 액체질소의 소비로 인하여 수명이 짧고 또한 가격이 매우 비싸다는 단점으로 인하여 널리 상용화되지 못하고 일부 특수 영역에서만 사용되고 있다.In addition, the fabrication of detection devices using the existing Hg 1-x Cd x Te thin film has to maintain overall volume and space due to the attachment of the liquid nitrogen storage container for low temperature maintenance of 77K, and has a long life due to the consumption of liquid nitrogen. Due to its short and very expensive price, it is not widely commercialized and is used only in some special fields.
즉, 기존의 일반적인 박막을 사용한 적외선 탐지센서의 제작시 감지도의 향상을 위해 77K 액체질소의 냉각시스템(Cooling System)을 통하여 탐지소자의 온도를 77K 내외로 낮추어야 하며, 따라서 탐지소자를 제작하기 위해 액체질소를 넣는 별도의 용기가 필요하고 지속적인 효과를 얻기 위해 진공상태를 유지해야 하므로 장비의 제작비용이 높아지는 것은 물론 부피가 커서 휴대의 편리성이 떨어질 수밖에 없는 문제점이 있었다. In other words, in order to improve the sensitivity when fabricating an infrared detection sensor using a conventional thin film, the temperature of the detection element should be lowered to around 77K through 77K cooling system of liquid nitrogen. Since a separate container for the liquid nitrogen is required and the vacuum state must be maintained to obtain a continuous effect, the manufacturing cost of the equipment is increased, as well as the volume is large and the convenience of carrying is inevitably deteriorated.
본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 기판과 박막의 격자상수차가 5% 내외가 되지 않는 CdTe, CdZnTe, GaAs, Si 등의 기판을 어떠한 박막 성장방법에 관계없이 Hg 1-x Cd x Te 박막으로 성장시켜 수소 및 불활성 가스를 이용한 플라즈마 방법으로 성장된 Hg 1-x Cd x Te 박막에 양자점을 형성시키는 한편, 이러한 양자점 구조의 Hg 1-x Cd x Te 박막을 상온에서 동작할 수 있는 적외선 탐지소자에 적용 제작할 수 있는 수소 및 불활성 가스 플라즈마에 의한 양자점 구조의 머큐리카드뮴텔룰라이드 박막을 이용한 적외선 탐지소자 제작방법을 제공하는데 목적이 있다.The present invention is to solve the problems as described above, Hd 1-x Cd substrates, such as CdTe, CdZnTe, GaAs, Si, such as the lattice aberration of the substrate and the thin film is less than about 5% regardless of any thin film growth method x Te to grow as a thin film to operate the other hand, such a quantum dot structure of the Hg 1-x Cd x Te thin film to form a quantum dot to the Hg 1-x Cd x Te thin film grown by the plasma method using a hydrogen and inert gas at room temperature It is an object of the present invention to provide a method for manufacturing an infrared detection device using a mercury cadmium telluride thin film having a quantum dot structure by hydrogen and an inert gas plasma that can be applied to the infrared detection device.
또한, 본 발명의 수소 및 불활성 가스 플라즈마에 의한 양자점 구조의 머큐 리카드뮴텔룰라이드 박막을 이용한 적외선 탐지소자 제작방법은, 플라즈마 방법에 의해 적외선 탐지소자 제작에 사용되는 Hg 1-x Cd x Te 박막에 양자점을 생성하는 방법과 일반적인 레이어(Layer) 형태의 박막이 아닌 양자점 구조의 Hg 1-x Cd x Te 박막을 이용하여 액체질소 온도인 77K의 저온에서 동작되는 한계를 극복하여 상온에서 동작할 수 있으면서 기존의 탐지소자에 비해 부피 및 가격이 줄어들어 상용화가 가능하도록 함에도 그 목적이 있다.In addition, the infrared detection device fabrication method using the mercury cadmium telluride thin film of the quantum dot structure by hydrogen and inert gas plasma of the present invention is applied to the Hg 1-x Cd x Te thin film used for fabricating the infrared detection device by the plasma method. By using the method of generating quantum dots and Hg 1-x Cd x Te thin film of quantum dot structure instead of general layer type thin film, it can operate at room temperature by overcoming the limitation of operating at low temperature of 77K, which is liquid nitrogen temperature Its purpose is to reduce the volume and price compared to conventional detection devices to enable commercialization.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 수소 및 불활성 가스 플라즈마에 의한 양자점 구조의 머큐리카드뮴텔룰라이드 박막을 이용한 적외선 탐지소자 제작방법은, CdTe, CdZnTe, GaAs, Si 기판 중 어느 하나를 이용하여 통상의 박막 생성방법인 LPE, MOCVD 그리고 MBE 방법 중 어느 하나로 성장된 Hg 1-x Cd x Te 박막을 플라즈마가 형성될 수 있는 수소 및 불활성 가스 플라즈마장치 내에 장착시켜 발생되는 가스 플라즈마가 Hg 1-x Cd x Te 박막에 입사되어 상온 동작이 가능한 양자점을 형성하게 되는 양자점 형성과정과, S-K 방법 또는 수소 및 불활성 가스 플라즈마 방법에 의해 생성된 양자점 구조의 Hg 1-x Cd x Te 박막 위에 금속패드를 형성하고 도선을 연결하여 상온 동작이 가능한 적외선 탐지소자를 제작하는 탐지소자 제작과정을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, a method for fabricating an infrared detection device using a mercury cadmium telluride thin film having a quantum dot structure by hydrogen and an inert gas plasma of the present invention may be achieved by using any one of CdTe, CdZnTe, GaAs, and Si substrates. The Hg 1-x Cd x Te thin film grown by any one of the methods of thin film formation, LPE, MOCVD and MBE, is mounted in a hydrogen and inert gas plasma apparatus capable of forming plasma, thereby generating Hg 1-x Cd x. Forming a quantum dot incident to the Te thin film to form a quantum dot capable of operating at room temperature, and forming a metal pad on the Hg 1-x Cd x Te thin film of the quantum dot structure produced by SK method or hydrogen and inert gas plasma method It characterized in that it comprises a detection device manufacturing process for manufacturing an infrared detection device capable of operating at room temperature by connecting the The.
아울러, 상기 양자점 형성과정은 성장된 Hg 1-x Cd x Te 박막을 챔버에 로딩한 후 진공펌프를 이용하여 상기 챔버 내의 진공을 10 -4 Torr 내외로 펌핑하고, 로딩홀더의 히터를 이용하여 박막의 온도를 80-100℃로 높혀준 후 가스유입부를 통해 수소 및 불활성가스가 유입되게 하며, 플라즈마 발생코일을 발진시켜 유입되는 가스를 플라즈마 상태의 고에너지로 변환하여 로딩홀더에 놓여있는 Hg 1-x Cd x Te 박막에 입사시켜 양자점 구조의 Hg 1-x Cd x Te 박막을 생성하게 되는 것을 특징으로 한다.In addition, the quantum dot forming process is to load the grown Hg 1-x Cd x Te thin film into the chamber and pump the vacuum in the chamber to about 10 -4 Torr using a vacuum pump, using a heater of the loading holder After raising the temperature to 80-100 ℃, allow hydrogen and inert gas to flow through the gas inlet, and generate the Hg 1- placed in the loading holder by converting the gas into high energy in the plasma state by oscillating the plasma generating coil. x Cd x Te incident on the thin film to be characterized in that to produce the thin film Hg 1-x Cd x Te of a quantum dot structure.
특히, 상기 양자점 형성과정을 통해 생성되는 양자점 구조의 Hg 1-x Cd x Te 박막은 유입되는 가스 플라즈마의 파워밀도 및 유입량의 조절과 시료인 Hg 1-x Cd x Te 박막의 온도 조절을 통해 양자점의 크기와 밀도가 조절될 수 있으면서 박막 내의 Hg 원자가 모두 빠져 나오지 않게 기판 온도가 100℃ 이상으로 올라가지 않고 100℃ 내외의 온도로 고정되는 것을 특징으로 한다.In particular, the Hg 1-x Cd x Te thin film of the quantum dot structure produced through the quantum dot formation process is controlled by the power density and inflow amount of the incoming gas plasma and temperature control of the sample Hg 1-x Cd x Te thin film It is characterized in that the substrate temperature is fixed at a temperature of about 100 ℃ without increasing the size and density of the Hg atoms in the thin film so as not to escape all over 100 ℃.
이하, 첨부된 도면에 의한 바람직한 실시예를 통해 본 발명의 작동원리가 쉽게 이해될 수 있다. Hereinafter, the working principle of the present invention can be easily understood through preferred embodiments according to the accompanying drawings.
본 발명에 의한 탐지소자에 적용되는 양자점 구조의 Hg 1-x Cd x Te 박막은 상온에서 동작하는데, 이는 양자점 구조의 특성으로 전기적 특성을 높여주기 때문에 상온에서도 전류특성이 가능하다는 이유로 InP와 같은 물질에서도 양자점으로 제작하여 상온에서 동작하는 소자를 제작하지만, 양자점 Hg 1-x Cd x Te 소자에 비해서 검출능력이 월등히 작기 때문에 Hg 1-x Cd x Te 박막을 이용한 소자 제작으로 상온 적외선 검출기를 만드는 경우 매우 우수한 특성의 소자가 가능해진다.The Hg 1-x Cd x Te thin film of the quantum dot structure applied to the detection device according to the present invention operates at room temperature, which is a material such as InP because the current property is possible at room temperature because the electrical properties are enhanced by the characteristics of the quantum dot structure. In the case of fabricating a device that operates at room temperature by using a quantum dot, but the detection capability is much lower than that of the quantum dot Hg 1-x Cd x Te device, making a room temperature infrared detector by fabricating a device using a Hg 1-x Cd x Te thin film It is possible to obtain an element having very excellent characteristics.
이러한 양자점 구조의 상온 특성 향상은 이미 잘 알려져 있으며 이를 Hg 1-x Cd x Te 물질에 적용한 경우는 본 발명이 처음으로, 이는 수소 및 불활성 가스 플라즈마 방법을 이용한 Hg 1-x Cd x Te 박막의 양자점 형성과정으로서 본 발명의 탐지소자에 적용되는 양자점 구조의 Hg 1-x Cd x Te 박막이 형성된다.The improvement of room temperature characteristics of the quantum dot structure is well known, and when applied to Hg 1-x Cd x Te material, the present invention is the first time, which is the quantum dot of Hg 1-x Cd x Te thin film using hydrogen and inert gas plasma method. As a forming process, a Hg 1-x Cd x Te thin film having a quantum dot structure applied to the detection device of the present invention is formed.
우선, 첫 번째로 Hg 1-x Cd x Te 박막의 성장과정은 기존의 성장방법들을 그대로 이용하게 되는데, CdTe, CdZnTe, GaAs, Si 기판(34) 등을 이용하여 기존의 방식인 LPE, MOCVD 그리고 MBE 방법 등으로 Hg 1-x Cd x Te 박막(30)을 성장하게 되며, 이 과정은 양자점 형성과정이 아니므로 위에서 나열한 기판(34) 중에 어떤 것을 사용하더라도 성장이 가능할 뿐만 아니라 특성이 좋은 박막(30)을 성장하는 과정이다.First of all, the growth process of Hg 1-x Cd x Te thin film uses the existing growth methods as it is, using conventional methods such as LPE, MOCVD and Si substrates using CdTe, CdZnTe, GaAs, Si substrate 34, etc. The Hg 1-x Cd x Te thin film 30 is grown by the MBE method, and this process is not a quantum dot forming process, and thus it is possible to grow using any of the substrates 34 listed above and have good characteristics ( 30) is the process of growing.
그리고 두 번째로 수소 및 불활성 가스 플라즈마 과정은 성장된 Hg 1-x Cd x Te 박막(30)에 양자점(32)을 생성하는 본 발명의 중요한 과정으로, 박막 성장과정을 통해 성장된 Hg 1-x Cd x Te 박막(30)을 플라즈마(Plasma)를 형성할 수 있는 장치에 장착하는데, 여기에 사용된 플라즈마 처리장치는 RPCVD(Remote Plasma Chemical Vapor Deposition)으로서 플라즈마를 발생시킬 수 있는 장치이다.Secondly, the hydrogen and inert gas plasma process are important processes of the present invention to generate the quantum dots 32 in the grown Hg 1-x Cd x Te thin film 30, and the Hg 1-x grown through the thin film growth process. The Cd x Te thin film 30 is mounted in a device capable of forming a plasma, and the plasma processing apparatus used here is a device capable of generating plasma as RPCVD (Remote Plasma Chemical Vapor Deposition).
이는 이미 플라즈마 처리에 사용되는 잘 알려진 장치로서 그 구성은 도 1에 도시한 것과 같이, 불순물의 침입을 막고 박막(30)을 로딩(Loading)할 수 있는 고진공용 챔버(Chamber)(10)와 플라즈마 발생시키는 부분 및 수소 및 불활성 가스가 유입되는 부분으로 구분된다. This is a well-known device already used for plasma processing, the configuration of which is shown in Figure 1, the high vacuum chamber (Chamber) 10 and the plasma that can prevent the intrusion of impurities and loading the thin film 30 (plasma) It is divided into a portion to generate and a portion into which hydrogen and an inert gas are introduced.
즉, 본 발명에 사용되는 플라즈마 장치인 박막의 양자점 생성장치는 기존의 플라즈마 처리에 사용하는 RPCVD를 그대로 이용한 것으로, 먼저 플라즈마 발생 부분은 유입된 수소 또는 불활성 가스를 플라즈마 상태로 만들어 주는 구성 부분으로 주파수발전기(RF Generator)(20), 정합망(Matching Network)(22) 그리고 플라즈마 발생코일(24)로 구성된다. That is, the quantum dot generating device of the thin film, which is a plasma device used in the present invention, uses RPCVD used for conventional plasma processing as it is. First, the plasma generating part is a frequency component that makes the introduced hydrogen or an inert gas into a plasma state. RF generator 20, matching network (22) and a plasma generating coil (24).
그리고 챔버(10) 부분은 Hg 1-x Cd x Te 박막(30)을 로딩하여 플라즈마 처리가 행해지는 부분으로, 로딩홀더(Loading Holder)(12)에는 시료인 박막(30)의 온도를 올릴 수 있는 히터(Heater)(14)와 온도조절기(Temperature Controller)(16)가 연결되고, 또한 상기 챔버(10) 안을 고진공으로 유지하기 위해 10 -4 Torr 내외의 진공을 유지할 수 있는 진공펌프(18)가 부착된다.The chamber 10 is a portion in which the plasma treatment is performed by loading the Hg 1-x Cd x Te thin film 30, and the temperature of the thin film 30, which is a sample, may be raised in the loading holder 12. A heater (14) and a temperature controller (Temperature Controller) 16 are connected, and a vacuum pump (18) capable of maintaining a vacuum of about 10 -4 Torr to maintain a high vacuum in the chamber (10). Is attached.
아울러 수소 및 불활성 가스에 쓰이는 RPCVD는 플라즈마를 발생시킬 수 있는 대표적인 장치로서, 유입되는 수소 및 불활성 가스에 고에너지를 부여할 수 있는 플라즈마 장치의 예시적인 장치이므로, 이러한 원리를 적용할 수 있는 기타 장치들도 양자점 제작에 쓰일 수 있음은 물론이다. In addition, RPCVD, which is used for hydrogen and inert gas, is a representative device capable of generating plasma, and is an exemplary device of a plasma device capable of imparting high energy to incoming hydrogen and inert gas, and thus, other devices to which this principle can be applied. Of course, they can also be used to make quantum dots.
이와같이 구성되는 프라즈마 장치인 RPCVD를 통해 양자점이 형성되는 Hg 1-x Cd x Te 박막(30)으로 적외선 탐지소자를 제작한 경우, 일반적인 Hg 1-x Cd x Te 박막으로 적외선 탐지소자를 제작하는 경우의 77K 저온에서만 동작 가능한 것과는 달리 상온에서 동작이 가능하며, 또한 양자점 제작방법으로 S-K가 가장 잘 알려져 있듯이 본 발명의 플라즈마 방법 이외에도 상온 동작용 양자점 Hg 1-x Cd x Te 박막(30)은 양자점 제작방법에 상관없이 생성된 양자점 구조의 Hg 1-x Cd x Te 박막(30)에서 모두 가능할 수 있다.In the case of fabricating an infrared detector with a Hg 1-x Cd x Te thin film 30 in which a quantum dot is formed through RPCVD, which is a plasma device configured as described above, in the case of manufacturing an infrared detector with a general Hg 1-x Cd x Te thin film Unlike operating only at low temperature of 77K, it can be operated at room temperature, and as SK is best known as a quantum dot manufacturing method, in addition to the plasma method of the present invention, the quantum dot Hg 1-x Cd x Te thin film 30 for room temperature operation is manufactured by Regardless of the method, it may be possible in the Hg 1-x Cd x Te thin film 30 of the resulting quantum dot structure.
이러한 본 발명의 상온 동작이 가능한 탐지소자에 적용되는 양자점 구조의 Hg 1-x Cd x Te 박막(30)을 형성하기 위한 구체적인 제작과정을 살펴보면, LPE, MOCVD, MBE 등의 방법으로 성장된 Hg 1-x Cd x Te 박막(30)을 상술한 구성의 플라즈마 발생장치인 RPCVD에 로딩하고, 시료인 박막(30)이 로딩된 챔버(10) 안의 불순물 등을 제거하기 위해 진공펌프(18)를 이용하여 펌핑한 후 수소 및 플라즈마 과정을 수행하게 된다.The present room temperature operation of the invention Looking at the specific production process for forming the Hg 1-x Cd x Te thin film 30 of the quantum dot structure is applied to a detectable element, LPE, MOCVD, grown by a method such as MBE Hg 1 The -x Cd x Te thin film 30 is loaded into the RPCVD which is the plasma generator having the above-described configuration, and the vacuum pump 18 is used to remove impurities and the like in the chamber 10 loaded with the sample thin film 30. After pumping, hydrogen and plasma processes are performed.
즉, 성장된 Hg 1-x Cd x Te 박막(30)을 챔버(10)에 로딩한 후 진공펌프(18)를 이용하여 상기 챔버(10) 내의 진공을 10 -4 Torr 내외로 펌핑하고, 로딩홀더(12)의 히터(14)를 이용하여 박막(30)의 온도를 80-100℃로 높혀준 후 가스유입부(28)를 통해 수소 또는 불활성 가스가 유입되게 하며, 이때 유량조절기(MFC : Mass Flow Controller) (26)를 통해 가스의 양이 조절되어 플라즈마 발생부분으로 유입된다.That is, after loading the grown Hg 1-x Cd x Te thin film 30 to the chamber 10, the vacuum in the chamber 10 by using a vacuum pump 18 pumped to about 10 -4 Torr, and loading After raising the temperature of the thin film 30 to 80-100 ° C. by using the heater 14 of the holder 12, hydrogen or an inert gas is introduced through the gas inlet 28, and at this time, a flow controller (MFC) Mass flow controller 26 adjusts the amount of gas and enters the plasma generating portion.
특히, Hg 1-x Cd x Te 박막(30)의 온도가 높은 경우 성장된 박막(30) 내의 Hg 원자가 모두 빠져나오기 때문에 기판(34) 온도를 100℃ 이상으로 올려서는 안된다.In particular, when the temperature of the Hg 1-x Cd x Te thin film 30 is high, since the Hg atoms in the grown thin film 30 are all released, the temperature of the substrate 34 should not be raised above 100 ° C.
그리고 플라즈마 발생 부분인 플라즈마 발생코일(24)을 발진시켜 유입되는 가스를 플라즈마 상태의 고에너지로 변환하여 로딩홀더(12)에 놓여있는 Hg 1-x Cd x Te 박막(30)에 입사시켜 양자점 구조의 Hg 1-x Cd x Te 박막(30)을 생성한다.In addition, the plasma generating coil 24, which is a plasma generating portion, is oscillated to convert the gas introduced into high energy in a plasma state, and then enters the Hg 1-x Cd x Te thin film 30 placed in the loading holder 12 to form a quantum dot structure. Hg 1-x Cd x Te thin film 30 is produced.
일반적인 수소화 과정은 입사되는 플라즈마의 에너지를 크게 하여 수소가 박막(30) 안으로 들어가도록 하나, 이 플라즈마 양자점 형성과정에서는 박막(30)과 수소 및 불활성 가스가 상호작용을 하여 재결정화를 유도하기 위한 것이기 때문에 에너지를 더 작게 해야 한다. The general hydrogenation process is to increase the energy of the incident plasma so that hydrogen enters the thin film 30, but in the plasma quantum dot formation process, the thin film 30 interacts with hydrogen and an inert gas to induce recrystallization. Therefore, the energy must be made smaller.
그리고 유입되는 수소 및 불활성 플라즈마 가스의 양인 유입량의 조절과 파워밀도(Power Density)의 조절, 시료인 Hg 1-x Cd x Te 박막(30)의 온도 조절을 통하여 양자점(32)의 크기와 밀도를 조절할 수 있다.In addition, the size and density of the quantum dots 32 are controlled by adjusting the inflow amount, the amount of hydrogen and the inert plasma gas, the power density, and the temperature of the sample Hg 1-x Cd x Te thin film 30. I can regulate it.
한편, 일반적인 LPE, MOCVD, MBE 방법에 의해 성장된 Hg 1-x Cd x Te 박막(30)은 기판(34) 위에 2-12㎛ 내외의 두께인 얇은 판 모양의 박막으로 성장되며, 이러한 박막(30)을 이용하여 적외선 탐지소자를 제작할 경우 77K 내외의 저온에서만 동작하게 된다.Meanwhile, the Hg 1-x Cd x Te thin film 30 grown by a general LPE, MOCVD, or MBE method is grown into a thin plate-like thin film having a thickness of about 2-12 μm on the substrate 34. In case of manufacturing infrared detector using 30), it operates only at low temperature around 77K.
그러나 도 2에서 보는 것과 같이, RPCVD에서 플라즈마 상태의 수소 및 불활성 가스를 이용한 플라즈마로 양자점(32)이 생성되거나 S-K 방법으로 성장 시에 자발적으로 양자점이 생성된 본 발명에 의한 Hg 1-x Cd x Te 박막(30)은 수십 나노미터(nm) 크기의 3차원 섬모양의 양자점 구조를 나타내게 되는데, 이와같은 양자점 구조로부터 양자화 효과를 얻어낼 수 있으며 이러한 양자점 구조로 성장된 Hg 1-x Cd x Te 박막(30)을 이용한 적외선 탐지소자는 상온에서 동작이 가능하게 된다.However, as shown in FIG. 2, Hg 1-x Cd x according to the present invention in which quantum dots 32 are generated by plasma using hydrogen and an inert gas in a plasma state in RPCVD or spontaneously generated upon growth by the SK method. Te thin film 30 exhibits a three-dimensional island-like quantum dot structure of several tens of nanometers (nm) size, it is possible to obtain a quantization effect from such a quantum dot structure, Hg 1-x Cd x Te grown in such a quantum dot structure The infrared detection device using the thin film 30 can operate at room temperature.
즉, 본 발명에 의한 양자점 구조의 Hg 1-x Cd x Te 박막 위에 금속패드(Metal Pad)를 만든 후에 금(Au) 도선을 이용하여 금속패드로부터 도선을 연결함으로서 상온 동작이 가능한 탐지소자를 만들 수 있으며, 이는 결과적으로 양자점 Hg 1-x Cd x Te 박막을 생성하는 방법은 여러 가지가 있으나 생성방법에 상관없이 양자점 구조로 성장된 Hg 1-x Cd x Te 박막(30)을 이용하여 상온 동작이 가능한 적외선 탐지소자를 제작할 수 있다.That is, a metal pad is formed on the Hg 1-x Cd x Te thin film having a quantum dot structure according to the present invention, and then a detection device capable of operating at room temperature is made by connecting the wire from the metal pad using gold (Au) wire. As a result, there are a number of methods for generating a quantum dot Hg 1-x Cd x Te thin film, but at room temperature using the Hg 1-x Cd x Te thin film 30 grown in a quantum dot structure regardless of the production method. This infrared detection device can be manufactured.
특히, 본 발명의 수소 및 불활성 가스 플라즈마 방법을 이용한 양자점 구조의 Hg 1-x Cd x Te 박막 형성방법은 MBE 방법 등의 통상적인 박막 성장방법을 이용하여 2차원층(2D Layer)인 Hg 1-x Cd x Te 박막(30)을 성장시키고 플라즈마 작업의 후처리를 통해 그 크기와 밀도가 조절 가능한 양자점(32)을 형성할 수 있으며, 이러한 조절이 가능한 것은 플라즈마 처리시 시료인 Hg 1-x Cd x Te 박막(30)에 공급해주는 플라즈마의 파워와 시료의 온도 조절이 가능하여 그 처리시간에 따라서 변화된다.In particular, Hg 1-x Cd x Te thin film formation method of the quantum dot structure using the hydrogen and inert gas plasma method of the present invention using a conventional thin film growth method such as MBE method Hg 1- By growing the x Cd x Te thin film 30 and post-treatment of the plasma operation to form a quantum dot 32 can be adjusted in size and density, which can be controlled is the sample Hg 1-x Cd during plasma treatment It is possible to control the power of the plasma supplied to the x Te thin film 30 and the temperature of the sample is changed according to the processing time.
또한, 본 발명은 통상의 박막 성장방법에 의해 성장된 Hg 1-x Cd x Te 박막(30)에 플라즈마 방법을 통하여 양자점(32)을 형성할 뿐만 아니라 S-K 방법이나 가타 다른 방법으로 형성된 양자점 구조의 Hg 1-x Cd x Te 박막(30)을 사용하며, 여러개의 양자점(32) 위에 포토 리소그래피(Photo Lithography) 공정을 통하여 금속전극을 연결한 광도전형(Photo Conductivity) 적외선 탐지소자를 제작할 수 있으며, 또한 양자점(32)에 도핑(Dopping)을 이용한 P-N접합 다이오드를 만드는 경우 광기전형(Photo Voltanic)의 적외선 탐지소자의 제작이 가능하다.In addition, the present invention not only forms the quantum dot 32 in the Hg 1-x Cd x Te thin film 30 grown by the conventional thin film growth method through the plasma method, but also has a quantum dot structure formed by the SK method or other methods. Hg 1-x Cd x Te thin film 30 is used, and a Photo Conductivity infrared detector can be fabricated by connecting a metal electrode on a plurality of quantum dots 32 through a photo lithography process. In addition, when a PN junction diode using doping is formed on the quantum dot 32, a photovoltaic infrared detection device may be manufactured.
이러한 양자점(32)을 이용한 탐지소자의 제작은 전류밀도(Current Density)가 온도에 무관하기 때문에 상온에서 동작이 가능한 것은 물론, 액체질소를 이용한 냉각부(Cooling Part)가 필요하지 않아 제작비용과 부피가 적어질 수 있어 상용화가 가능하며, 특히 열전기냉각기(THermo Electric Cooler)에도 보다 유용하게 적용시켜 사용할 수 있다. The fabrication of the detection device using the quantum dot 32 can be operated at room temperature because the current density is independent of temperature, and also does not require a cooling part using liquid nitrogen. It can be used to commercialize it can be less, especially can be used more usefully applied to the Thermo Electric Cooler (THermo Electric Cooler).
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 의한 수소 및 불활성 가스 플라즈마 방법에 의한 양자점 구조의 머큐리카드뮴텔룰라이드 박막을 이용한 적외선 탐지소자 제작방법은, 기판의 종류에 관계없이 박막의 양자점 생성이 용이하면서도 가격과 부피가 줄어들고 특히 상온 동작이 가능하여 Wetting Layer가 없는 구조의 적외선 탐지소자를 제작할 수 있다. As described above, the method for fabricating an infrared detection device using a mercury cadmium telluride thin film having a quantum dot structure by the hydrogen and inert gas plasma method according to the present invention is easy to generate quantum dots of a thin film regardless of the type of substrate, but at a cost and volume. In particular, it is possible to operate at room temperature, which makes it possible to manufacture infrared detectors without a wetting layer.
특히, 본 발명에 의한 탐지소자에 사용되는 양자점 구조의 Hg 1-x Cd x Te 박막은 전류밀도가 온도와 무관하여 77K 저온에서와 같은 효과를 낼 수 있어 탐지소자가 상온에서 동작이 가능할 뿐만 아니라, 결과적으로 가격 절하 및 소형화가 가능하여 적외선 영상센서인 탐지소자의 상용화가 이루어질 수 있어 자동차나 비행기 등에 쉽게 장착이 가능하여 상용화에 크게 이바지 할 수 있을 것으로 기대된다.In particular, the Hg 1-x Cd x Te thin film of the quantum dot structure used in the detection device according to the present invention can have the same effect as at 77K low temperature because the current density is independent of temperature, so that the detection device can operate at room temperature as well. As a result, the price reduction and miniaturization are possible, and thus, the detection device, which is an infrared image sensor, can be commercialized, and thus, it can be easily installed in a car or an airplane, and thus it is expected to contribute to the commercialization.
또한, 일반적인 박막의 경우에 표면이 평평해야 박막이 성장이 잘 이루어지지만 본 발명에 의한 수소 및 불활성 가스 플라즈마 방법을 통해서는 표면이 평평 하지 않더라도 성장된 Hg 1-x Cd x Te 박막의 양자점 형성이 가능하며, 아울러 이처럼 표면이 평평하지 않는 경우에는 적외선의 흡수효과가 뛰어나 오히려 탐지소자의 감지효과가 높아질 수 있는 이점도 제공된다.In addition, in the case of a general thin film, the surface is flat to grow well, but the hydrogen and inert gas plasma method according to the present invention, even if the surface is not flat quantum dot formation of the grown Hg 1-x Cd x Te thin film In addition, when the surface is not flat as described above, the infrared absorbing effect is excellent, and thus the detection effect of the detection device is increased.
또한, 수소 및 불활성 가스 플라즈마 방법으로 제작된 양자점 구조의 Hg 1-x Cd x Te 박막이나 S-K 방법으로 제작된 양자점 구조의 Hg 1-x Cd x Te 박막 모두 적외선 탐지소자를 제작할 경우, 기존의 박막을 이용하여 제작한 탐지소자에 비해 에너지 밀도의 구별이 뚜렷하고 전류밀도 등이 온도와 무관하게 작용하므로 양자효과(Quantum Efficient)가 뛰어나 상온에서 작동이 가능할 수 있다는 효과도 있다.Further, when both hydrogen and the inert gas of the quantum dot structures made of the plasma method Hg 1-x Cd x Te thin film or SK how the quantum dot structure of the Hg 1-x Cd x Te thin films prepared by producing an infrared detection element, a conventional thin film Compared to the detection device fabricated by using the energy density, the distinction of energy density and current density is independent of temperature, so the quantum effect (Quantum Efficient) is excellent, so it can be operated at room temperature.
도 1은 본 발명에 따른 양자점 생성을 위한 수소 및 불활성 가스 플라즈마 처리장치인 RPCVD의 계략적인 구성도. 1 is a schematic configuration diagram of RPCVD which is a hydrogen and inert gas plasma processing apparatus for generating quantum dots according to the present invention.
도 2는 본 발명에 따른 수소 및 불활성 가스 플라즈마 방법에 의해 생성된 양자점 구조의 Hg 1-x Cd x Te 박막의 구조도.Figure 2 is a structural diagram of the Hg 1-x Cd x Te thin film of quantum dot structure produced by the hydrogen and inert gas plasma method according to the present invention.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 * Explanation of symbols on the main parts of the drawings
10 : 챔버 12 : 로딩홀더 10 chamber 12 loading holder
14 : 히터 16 : 온도조절기 14 heater 16 temperature controller
18 : 진공펌프 20 : 주파수발전기 18: vacuum pump 20: frequency generator
22 : 정합망 24 : 플라즈마 발생코일 22: matching network 24: plasma generating coil
26 : 유량조절기 28 : 가스유입부 26: flow regulator 28: gas inlet
30 : 박막 32 : 양자점 30 thin film 32 quantum dots
34 : 기판 34: substrate
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Also Published As
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