KR20170010578A - 광 검출 소자 - Google Patents
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Abstract
광 검출 소자 및 그 제조 방법이 개시된다. 질화물계 반도체를 포함하는 기저층; 상기 기저층 상에 위치하며, 0.9 이상의 Al을 포함하는 질화물계 반도체를 포함하는 제1 질화물층; 상기 제1 질화물층 상에 위치하며, 상기 제1 질화물층보다 낮은 Al 조성비를 갖는 질화물계 반도체를 포함하는 제2 질화물층; 상기 제2 질화물층 상에 위치하며, Al을 포함하는 질화물계 반도체를 포함하는 광 흡수층; 및 상기 광 흡수층 상에 위치하는 쇼트키 접합층을 포함하고, 상기 제1 질화물층은 상부에 형성된 적어도 하나의 피트를 포함하고, 상기 제2 질화물층은 상기 적어도 하나의 피트를 메운다.
Description
본 발명은 광 검출 소자에 관한 것으로, 특히, 자외선 파장의 광에 대한 검출 효율이 높고, 정전기 방전 특성이 향상된 반도체 광 검출 소자에 관한 것이다.
반도체 광 검출 소자는 광이 인가되면 전류가 흐르는 원리를 이용하여 작동하는 반도체 소자이다. 특히, 자외선 광을 검출하는 반도체 광 검출 소자는 상업, 의학, 군수, 통신 등 여러 분야에서 응용이 가능하여 그 중요도가 높다. 반도체를 이용한 광 검출 소자는 조사된 광에 의해 반도체 내의 전자와 정공의 분리에 의해 공핍 영역(depletion region)이 발생되고, 이로 인해 발생된 전자의 흐름에 따라 전류가 흐르는 원리를 이용한다.
종래에, 실리콘을 이용하여 제조된 반도체 광 검출 소자가 이용되었다. 그러나 실리콘을 이용하여 제조된 반도체 광 검출 소자는 구동을 위하여 높은 인가 전압이 요구되고, 검출 효율이 낮은 단점이 있다. 특히, 자외선 광을 검출하는 반도체 광 검출 소자를 실리콘을 이용하여 제조하는 경우, 자외선 광뿐만 아니라 가시광 및 적외선 광에 대해서도 높은 민감도를 갖는 실리콘의 특성으로 인하여 광 검출 효율이 떨어진다. 또한, 실리콘을 이용한 자외선 광 검출 소자는 열적, 화학적으로 불안정하다.
반면, 질화물계 반도체를 이용한 광 검출 소자는 실리콘 광 검출 소자에 비해 높은 반응도 및 반응 속도, 낮은 노이즈 레벨, 높은 열적, 화학적 안정성을 갖는다. 질화물계 반도체들 중, 특히, AlGaN을 광 흡수층으로 이용한 광 검출 소자는 자외선 광 검출 소자로서 우수한 특성을 보여준다. 이러한 질화물계 반도체 광 검출 소자는 다양한 구조로 제조되며, 예를 들어, 광전도체(photoconductor), 쇼트키 접합 광 검출 소자, p-i-n 형태의 광 검출 소자 등의 구조로 제조된다.
p-i-n 광 소자의 경우 검출하고자 하는 광이 p형 반도체층을 투과해야 하나 이로 인한 광손실이 심하기 때문에 소자로서의 특성이 현저히 나빠지는 단점이 있다. 반면 쇼트키 접합 광 검출 소자의 경우, 광이 얇은 Ni층을 투과하여 광 흡수층에 입사되고, Ni층이 전류 퍼짐층으로도 작용하기 때문에 소자 내 특성의 균일도가 우수하고 광 추출 효율 또한 우수하다.
쇼트키 접합 광 검출 소자는, 일반적으로, 기판, 상기 기판 상에 위치하는 버퍼층, 상기 버퍼층 상에 위치하는 광 흡수층 및 상기 광 흡수층 상에 위치하는 쇼트키 접합층을 포함한다. 또한, 제1 전극과 제2 전극은 각각 쇼트키 접합층과 버퍼층 또는 광 흡수층 상에 형성된다. 상기 쇼트키 접합 광 검출 소자가 자외선 광 검출 소자로 이용되려면, 광 흡수층은 자외선 광을 흡수할 수 있는 밴드갭 에너지를 갖는 질화물계 반도체로 형성된다. 이에 따라, 상기 광 흡수층을 이루는 반도체 물질로서 주로 AlGaN이 이용된다. 한편, 버퍼층으로는 GaN층이 일반적으로 이용된다.
뿐만 아니라, 종래의 질화갈륨 반도체 광 검출 소자에서 광 흡수층으로 사용되는 GaN층, InGaN층 및 AlGaN층은 결함을 근본적으로 가지고 있고, 이러한 결함에 의해 자외선 광이 아닌 가시광에도 반응하여 소자에 전류가 흐르게 된다. 이러한 반도체 광 검출 소자의 반응도(Responsivity)특성에서는 자외선광 대비 가시광 반응 비율(UV-to-Visible rejection ratio)이 약 103정도로 낮게 측정된다. 즉, 상기 종래의 반도체 광 검출 소자는 자외선 광이 아닌 가시광에 의해서도 반응하여 저 전류를 흐르게 하므로, 검출 정확도가 떨어진다.
더욱이, 쇼트키 접합 광 검출 소자의 경우, 구조가 상대적으로 단순하여 제조가 용이하고 효율이 높은 장점이 있으나, 쇼트키 접합층과 광 흡수층 사이에 밴드갭 차이가 작아 쇼트키 베리어가 충분히 높지 않기 때문에 공핍영역(depletion region) 이 충분히 두껍지 않아 정전기 방전에 매우 취약하다. 따라서 정전기 방전에 의해 소자의 불량이 쉽게 발생할 수 있어, 신뢰성이 떨어지며, 지속적인 사용에 따라 광 검출 정확도가 감소하는 문제가 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 검출하고자 하는 파장대의 광, 구체적으로 자외선 광, 특히, UVC 영역의 자외선 광에 대해서 높은 광 검출 효율을 갖는 광 검출 소자를 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제는, 결정성이 우수한 광 흡수층을 가짐과 동시에, 자외선 광에 대해서 높은 광 검출 효율을 갖는 광 검출 소자를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제는 정전기 방전 특성이 우수하여, 신뢰성이 우수한 광 검출 소자를 제공하는 것이다.
다만, 상술한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 일 측면에 따른 광 검출 소자는, 질화물계 반도체를 포함하는 기저층; 상기 기저층 상에 위치하며, 0.9 이상의 Al을 포함하는 질화물계 반도체를 포함하는 제1 질화물층; 상기 제1 질화물층 상에 위치하며, 상기 제1 질화물층보다 낮은 Al 조성비를 갖는 질화물계 반도체를 포함하는 제2 질화물층; 상기 제2 질화물층 상에 위치하며, Al을 포함하는 질화물계 반도체를 포함하는 광 흡수층; 및 상기 광 흡수층 상에 위치하는 쇼트키 접합층을 포함하고, 상기 제1 질화물층은 상부에 형성된 적어도 하나의 피트를 포함하고, 상기 제2 질화물층은 상기 적어도 하나의 피트를 메운다.
상기 광 흡수층은 0.28 이상의 Al 조성비를 갖는 AlGaN을 포함할 수 있다.
나아가, 상기 광 흡수층은 0.4 이상의 Al 조성비를 갖는 AlGaN을 포함할 수 있다.
상기 제2 질화물층은 상기 적어도 하나의 피트로부터 연장되는 결함 밀집 부분을 포함할 수 있다.
상기 제1 질화물층은 AlN으로 형성되고, 상기 제2 질화물층은 AlGaN으로 형성될 수 있다.
상기 기저층은 GaN층을 포함할 수 있다.
상기 광 검출 소자는, 상기 제2 질화물층과 상기 광 흡수층의 사이에 위치하며, 다층 구조층을 포함하는 저전류 차단층을 더 포함할 수 있다.
상기 광 검출 소자는, 상기 기저층 및 쇼트키 접합층 각각에 전기적으로 연결된 제1 전극 및 제2 전극을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따른 광 검출 소자는, 질화물계 반도체를 포함하는 기저층; 상기 기저층 상에 위치하며, 0.9 이상의 Al을 포함하는 질화물계 반도체를 포함하는 제1 질화물층; 상기 제1 질화물층 상에 위치하며, 상기 제1 질화물층보다 낮은 Al 조성비를 갖는 질화물계 반도체를 포함하는 제2 질화물층; 상기 제2 질화물층 상에 위치하며, Al을 포함하는 질화물계 반도체를 포함하는 광 흡수층; 및 상기 광 흡수층 상에 위치하는 쇼트키 접합층을 포함하고, 상기 제1 질화물층은 상부에 형성된 적어도 하나의 피트를 포함하며, 상기 제1 질화물층은 상기 제2 질화물층보다 높은 결함 밀도를 갖는다.
상기 제2 질화물층은 상기 적어도 하나의 피트를 메우고, 상기 적어도 하나의 피트로부터 연장된 적어도 하나의 결합 밀집 부분을 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따른 광 검출 소자 제조 방법은, 기판 상에 질화물계 반도체를 포함하는 기저층을 형성하고; 상기 기저층 상에 0.9 이상의 Al을 포함하는 질화물계 반도체를 포함하는 제1 질화물층을 형성하되, 상기 제1 질화물층은 적어도 하나의 피트를 포함하고; 상기 제1 질화물층 상에 상기 제1 질화물층보다 낮은 Al 조성비를 갖는 질화물계 반도체를 포함하는 제2 질화물층을 형성하고; 상기 제2 질화물층 상에 Al을 포함하는 질화물계 반도체를 포함하는 광 흡수층을 형성하고; 및 상기 광 흡수층 상에 쇼트키 접합층을 형성하는 것을 포함한다.
상기 기저층은 제1 온도에서 성장되고, 상기 제1 질화물층은 제2 온도에서 성장될 수 있으며, 상기 제1 온도와 제2 온도의 차이는 0초과 150℃ 이하일 수 있다.
상기 광 흡수층은 0.4 이상의 Al 조성비를 갖는 AlGaN을 포함할 수 있다.
상기 제2 질화물층을 형성하는 것은, 상기 적어도 하나의 피트로부터 연장되는 결함 밀집 부분이 형성되는 것을 포함할 수 있다.
상기 제1 질화물층은 AlN으로 형성되고, 상기 제2 질화물층은 AlGaN으로 형성될 수 있다.
상기 광 검출 소자 제조 방법은, 상기 제2 질화물층과 상기 광 흡수층 사이에 위치하는 다층 구조층을 포함하는 저전류 차단층을 형성하는 것을 더 포함할 수 있다.
실시예들에 따르면, 피트를 포함하는 제1 질화물층을 포함하는 광 검출 소자 및 그 제조 방법을 제공함으로써, 가시광에 반응하는 정도가 매우 낮아, 높은 자외선 대비 가시광선 반응 비율을 갖는 광 검출 소자가 제공될 수 있다. 또한, 실시예들의 광 검출 소자에 정전기 방전에 의한 고전류가 발생한 경우, 피트 및/또는 결함 밀집 부분을 통해 상기 고전류가 용이하게 도통될 수 있어, 정전기 방전에 대한 내성이 우수한 광 검출 소자가 제공될 수 있다.
도 1 내지 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 광 검출 소자 및 그 제조 방법을 설명하기 위한 단면도들 및 확대 단면도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 광 검출 소자의 제2 질화물층 성장 방법을 설명하기 위한 그래프이다.
도 10 내지 도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 광 검출 소자 및 그 제조 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 13 내지 도 15는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 광 검출 소자 및 그 제조 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 광 검출 소자의 제2 질화물층 성장 방법을 설명하기 위한 그래프이다.
도 10 내지 도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 광 검출 소자 및 그 제조 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 13 내지 도 15는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 광 검출 소자 및 그 제조 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명한다. 다음에 소개되는 실시예들은 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 기술자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 그리고 도면들에 있어서, 구성요소의 폭, 길이, 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수도 있다. 또한, 하나의 구성요소가 다른 구성요소의 "상부에" 또는 "상에" 있다고 기재된 경우 각 부분이 다른 부분의 "바로 상부" 또는 "바로 상에" 있는 경우뿐만 아니라 각 구성요소와 다른 구성요소 사이에 또 다른 구성요소가 있는 경우도 포함한다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
이하 설명되는 반도체층들에 대한 각 조성비, 성장 방법, 성장 조건, 두께 등은 예시에 해당하며, 하기 설명들이 본 발명을 제한하는 것은 아니다. 예를 들어, AlGaN로 표기되는 경우, Al과 Ga의 조성비는 통상의 기술자의 필요에 따라 다양하게 적용될 수 있다. 또한, 이하 설명되는 반도체층들은 이 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자(이하, "통상의 기술자")에게 일반적으로 알려진 다양한 방법을 이용하여 성장될 수 있으며, 예를 들어, MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition), MBE(Molecular Beam Epitaxy) 또는 HVPE(Hydride Vapor Phase Epitaxy) 등의 기술을 이용하여 성장될 수 있다. 다만, 이하 설명되는 실시예에서는, 반도체층들은 MOCVD를 이용하여 동일한 챔버 내에서 성장된 것으로 설명되고, 챔버 내에 유입되는 소스 가스들은 조성비에 따라 통상의 기술자에게 알려진 소스 가스들을 이용할 수 있으며, 이에 본 발명이 제한되는 것은 아니다.
도 1 내지 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 광 검출 소자 및 그 제조 방법을 설명하기 위한 단면도들 및 확대 단면도이고, 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 광 검출 소자의 제2 질화물층 성장 방법을 설명하기 위한 그래프이다.
도 1을 참조하면, 기판(110)을 준비한다. 나아가, 기판(110) 상에 버퍼층(120)을 더 형성할 수 있다.
기판(110)은 후술하는 질화물계 반도체층들을 성장시킬 수 있는 기판이면 제한되지 않는다. 예를 들어, 기판(110)은 사파이어 기판, SiC 기판, ZnO 기판, Si 기판 등과 같은 이종(heterogeneous) 기판을 포함할 수 있고, 또는, GaN 기판 또는 AlN 기판과 같은 질화물계 기판, 즉, 동종(homogeneous) 기판을 포함할 수 있다. 예컨대, 본 실시예에 있어서, 상기 기판(110)은 사파이어 기판일 수 있다.
버퍼층(120)은 질화물 반도체를 포함할 수 있고, MOCVD를 이용하여 성장될 수 있다. 예를 들어, 약 550℃ 온도 및 100Torr의 압력 내의 챔버에 Ga 소스와 N 소스를 주입하여 성장시킬 수 있다. 이에 따라, 버퍼층(120)은 저온 성장된 GaN층을 포함할 수 있다. 버퍼층(120)은 약 25nm의 두께로 성장될 수 있으며, 버퍼층(120)을 저온에서 얇은 두께로 성장시킴으로써, 후술하는 공정에서 성장되는 반도체층의 시드층 역할을 할 수 있다. 또한, 버퍼층(120)은 후술하는 공정에서 성장되는 반도체층들의 결정성, 광학적 및 전기적 특성을 우수하게 할 수 있다. 다만, 버퍼층(120)은 생략될 수도 있다.
이어서, 도 2를 참조하면, 버퍼층(120) 상에 기저층(130)을 형성한다.
기저층(130)은 MOCVD를 이용하여 성장될 수 있으며, 질화물계 반도체를 포함할 수 있다. 예를 들어, 기저층(130)은 약 1050℃ 내지 1300℃의 온도 및 약 100 Torr 내지 500 Torr의 압력 내의 챔버에 Ga 소스와 N 소스를 주입하여 성장시킬 수 있고, 이에 따라, 기저층(130)은 고온 성장된 GaN층을 포함할 수 있다. 또한, 기저층(130)은 성장시 Si 소스를 추가로 주입하여 n형 도핑된 GaN층을 포함할 수 있고, 언도핑된 GaN층을 포함할 수도 있다. 또한, 기저층(130)은 다중층 또는 단일층으로 이루어질 수 있다. 기저층(130)이 다중층으로 이루어진 경우, 서로 다른 공정 조건에 성장된 복수의 u-GaN층 및/또는 n-GaN층들을 포함할 수 있다. 예컨대, 기저층(130)은 버퍼층(120) 상에 형성된 u-GaN층 및 상기 u-GaN층 상에 성장된 적어도 하나의 n-GaN층을 포함할 수 있다. 버퍼층(120) 상에 비교적 결정성이 우수한 u-GaN층을 형성함으로써, 후속 공정에서 성장되는 다른 반도체층들의 결정성을 향상시킬 수 있다. 기저층(130)의 두께는 제한되지 않으나, 상대적으로 두꺼운 두께를 갖도록 성장될 수 있으며, 예를 들어, 약 2㎛ 내지 3㎛ 두께로 성장될 수 있다.
또한, 기저층(130)이 이에 한정되는 것은 아니며, 기저층(130)은 Al을 포함하는 질화물계 반도체를 포함할 수 있다. 기저층(130)은 적어도 하나의 AlGaN층을 포함할 수 있으며, 이때, Al의 조성비는 광 검출 소자의 광 입사 방향에 따라 조절될 수 있다. 예를 들어, 광 검출 소자에 있어서, 검출하고자 하는 광의 입사 방향이 소자의 하부로부터 상부로 향하는 방향인 경우, 기저층(130)에서 흡수되는 자외선 광의 비율을 감소시키기 위해서, 기저층(130)은 Al을 포함하는 질화물계 반도체를 포함할 수 있다.
이어서, 도 3을 참조하면, 기저층(130) 상에 제1 질화물층(140)을 형성한다.
제1 질화물층(140)은 MOCVD과 같은 방법을 이용하여 (Al, Ga, In)N과 같은 질화물계 반도체를 포함하도록 기저층(130) 상에 성장될 수 있다. 특히, 제1 질화물층(140)은 0.9 이상의 Al을 포함하는 질화물계 반도체를 포함할 수 있고, 예컨대, AlxGa(1-x)N (0.9≤x≤1)로 형성될 수 있으며, 나아가, AlN로 형성될 수 있다. 이와 같이, 0.9 이상의 높은 Al 조성비를 갖는 질화물계 반도체로 형성된 제1 질화물층(140)을 기저층(130) 상에 성장시킴으로써, 후속 공정에서 성장되는 광 흡수층(160)이 상대적으로 높은 Al 조성비를 갖는 질화물계 반도체(예컨대, 0.28 이상의 Al 조성비)를 포함하더라도, 상기 광 흡수층(160)에 크랙이 발생하는 것을 방지할 수 있다.
구체적으로, 본 실시예의 광 검출 소자를 비교적 짧은 파장의 자외선 광, 예컨대, UVC 영역의 자외선 광의 검출을 위한 광 검출 소자로 구현하기 위해서는, 밴드갭 에너지가 비교적 큰 질화물 반도체로 형성된 광 흡수층(160)이 요구된다. 따라서, Al의 조성비가 높은 질화물계 반도체를 포함하는 광 흡수층(160)이 요구되며, Al의 조성비가 높은 질화물계 반도체는 성장 두께가 증가함에 따라 크랙이 발생할 확률이 높아진다. 본 실시예에 따르면, 기저층(130)과 광 흡수층(160)의 사이에 Al 조성비가 높은 제1 질화물층(140)을 형성함으로써, 광 흡수층(160)에 크랙이 발생하는 것을 방지할 수 있다.
제1 질화물층(140)은 비교적 Al 조성비가 낮거나, Al을 포함하지 않는 기저층(130) 상에 성장되되, 0.9 이상의 Al 조성비를 갖도록 성장되므로, 성장 두께가 두꺼워 지는 경우 크랙이 발생할 수 있다. 따라서, 제1 질화물층(140)은 소정 두께 이하의 두께로 성장되는 것이 바람직하며, 예컨대, 제1 질화물층(140)은 50nm 이하의 두께로 성장될 수 있고, 나아가, 20nm 이하의 두께로 성장될 수 있다. 다만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 제1 질화물층(140)은 상부에 형성된 적어도 하나의 피트(141)를 포함할 수 있다. 적어도 하나의 피트(141)의 표면은 제1 질화물층(140) 상면의 결정면과 다른 결정면을 가질 수 있다. 예컨대, 적어도 하나의 피트(141)는 단면 형상이 'V'와 유사한 V-피트일 수 있다. 상기 적어도 하나의 피트(141)는 제1 질화물층(140)의 성장 조건을 제어함으로써 수득될 수 있다. 일례로, 제1 질화물층(140) 성장 시, 수평 방향 성장 속도 대비 수직 방향 성장 속도가 기저층(130)보다 크게 되도록 성장 조건을 조절하여, 제1 질화물층(140)을 3차원 성장하여 표면이 보다 거친 반도체층이 성장될 수 있다.
일 방법으로서, 제1 질화물층(140)을 적정 온도보다 낮은 온도에서 성장시키는 경우, 제1 질화물층(140)의 상면에 적어도 하나의 피트(141)가 형성될 수 있다. 도 9를 참조하여 더욱 구체적으로 설명하면, 기저층(130)은 제1 온도에서 성장될 수 있고, 제1 질화물층(140)은 제2 온도에서 성장될 수 있다. 이때, 제1 질화물층(140)의 표면 모폴로지가 우수하고, 피트(141)가 거의 형성되지 않도록 하는 제1 질화물층(140)의 성장 온도는 상기 제2 온도보다 높은 제3 온도일 수 있다. 이때, 제2 온도는 제1 온도보다 0 초과 150℃이하의 온도만큼 더 높은 온도일 수 있다. 즉, 제1 온도와 제2 온도의 차는 0 초과 150℃이하일 수 있다. 이와 같이, 제1 질화물층(140)의 성장 적정 온도(제3 온도)보다 낮은 제2 온도에서 제1 질화물층(140)이 성장되면, 열적 에너지(thermal energy)의 부족으로 결정화가 성장방향으로 일정하게 이루어지지 않는 부분이 발생할 수 있고, 이러한 부분으로부터 적어도 하나의 피트(141)가 발생할 수 있다. 예를 들어, 최상부 영역이 GaN로 형성된 기저층(130) 상에 AlN로 형성되는 제1 질화물층(140)을 성장시키는 경우, 상기 기저층(130)의 GaN는 약 1100℃의 온도(제1 온도) 조건에서 성장되고, 상기 제1 질화물층(140)의 AlN는 약 1200℃의 온도(제2 온도) 조건에서 성장될 수 있다. AlN의 표면 모폴로지가 우수하고 피트가 거의 발생하지 않는 성장 온도(제3 온도)는 약 1400℃이므로, 이 경우 제1 질화물층(140)의 표면에는 적어도 하나의 피트(141)가 형성될 수 있다.
또한, 제1 질화물층(130)은 다중층으로 이루어질 수 있다. 이때, 제1 질화물층(130)은 피트 발생층 및 상기 피트 발생층 상에 형성된 피트 확장층을 포함할 수 있다. 상기 피트 확장층은 상기 피트 발생층의 상면을 시드로 성장되며, 상기 피트 발생층의 성장에 따라 피트(141)의 크기가 더욱 커질 수 있다. 피트 확장층은 피트 발생층에 비해 더 큰 평균 격자 상수를 가질 수 있다. 피트 확장층은 피트 발생층에 비해 낮은 Al 조성비를 가질 수 있고, 예컨대, 피트 발생층은 AlN층일 수 있고, 피트 확장층은 AlGaN층일 수 있다. 이에 따라, 피트 확장층의 성장 중에 수평 방향으로의 지속적 압축 스트레인 및 압축 스트레인이 작용하고, 이러한 스트레스 및 스트레인에 의해 피트(141)가 수평 방향으로 확장될 수 있다. 제1 질화물층(130)이 피트 확장층을 더 포함함으로써, 피트(141)의 크기를 확장시켜 상기 광 검출 소자의 정전기 방전에 대한 내성을 더욱 향상시킬 수 있다.
이와 같이, 제1 질화물층(140)이 비교적 낮은 온도에서 성장되어 상대적으로 열악한 결정성을 갖고, 적어도 하나의 피트(141)를 포함함으로써, 제1 질화물층(140)을 통과하는 저전류가 차단될 수 있고, 정전기에 의해 인가된 전류를 효과적으로 적어도 하나의 피트(141)를 통해 도통시킬 수 있다. 이에 따라, 상기 광 검출 소자의 광 검출 효율 및 정전기 방전에 대한 내성을 향상시킬 수 있다. 이와 관련하여서는 후술하여 더욱 상세하게 부가 설명한다.
다시 이어서, 도 4를 참조하면, 제1 질화물층(140) 상에 제2 질화물층(150)을 형성한다.
제2 질화물층(150)은 MOCVD과 같은 방법을 이용하여 (Al, Ga, In)N과 같은 질화물계 반도체를 포함하도록 제1 질화물층(140) 상에 성장될 수 있다. 특히, 제1 질화물층(150)은 제1 질화물층(140)보다 낮은 조성비의 Al을 포함하는 질화물계 반도체를 포함할 수 있고, 예컨대, AlyGa(1-y)N (y＜0.9)로 형성될 수 있다. 또한, 제2 질화물층(150)은 언도핑될 수 있다. 이와 같이, 제1 질화물층(140)보다 낮은 Al 조성비를 갖는 질화물계 반도체로 형성된 제2 질화물층(150)을 제1 질화물층(140) 상에 성장시킴으로써, 제1 질화물층(140)과 광 흡수층(160) 간의 격자 상수 차이로 인한 스트레인 및 스트레스를 감소시킬 수 있다.
또한, 제2 질화물층(150)은 제1 질화물층(140)의 적어도 하나의 피트(141)를 메우도록 형성될 수 있다. 나아가, 제2 질화물층(150)은 적어도 하나의 결함 밀집 부분(150d)을 포함할 수 있다. 상기 결함 밀집 부분(150d)은 피트(141)들 중 적어도 일부의 피트(141)로부터 연장되어 형성될 수 있다. 피트(141)는 상대적으로 결정성이 조악한 영역이고, 이러한 피트(141) 상에 성장되는 부분에는 격자 불일치 등의 결함이 발생할 확률이 높다. 이에 따라, 제2 질화물층(150) 중, 피트(141) 상에 성장되는 부분에는 전위(dislocation)와 같은 결함이 고밀도로 발생할 수 있고, 이러한 전위는 제2 질화물층(150)의 성장에 따라 상부로 연장될 수 있다. 결함 밀집 부분(150d)들 중 일부는 제2 질화물층(150)의 상면까지 연장될 수도 있고, 또 다른 일부는 제2 질화물층(150)의 내부에서 중단될 수도 있다.
제2 질화물층(150)은 제1 질화물층(140)의 피트(141)를 메우고, 제1 질화물층(140)에 인가되는 스트레스 및 스트레인을 완화하며, 결정성을 향상시킬 수 있는 정도의 두께를 가질 수 있다. 따라서, 제2 질화물층(150)은 제1 질화물층(140)에 비해 두꺼울 수 있고, 예컨대, 70 내지 100nm의 두께를 가질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 제1 질화물층(140)의 결함 밀도는 제2 질화물층(150)의 결함 밀도보다 높을 수 있다.
한편, 제2 질화물층(150)은 제1 질화물층(140)보다 작은 밴드갭 에너지를 갖는 질화물 반도체로 형성될 수 있고, 이에 따라, 제1 질화물층(140)과 제2 질화물층(150)의 계면에는 2차원 전자 가스(2DEG)가 형성될 수 있다. 도 5의 확대 단면도에 도시된 바와 같이, 2차원 전자 가스(2DEG)는 제1 및 제2 질화물층(140, 150)의 계면의 적어도 일부 주변에 형성될 수 있으며, 제2 질화물층(150) 내에 형성될 수 있다. 상기 2차원 전자 가스(2DEG)는 제1 및 제2 질화물층(140, 150)의 Al 조성비의 차이에 따라 발생하는 밴드갭 에너지 변화, 자발분극(spontaneous polarization), 및 격자상수 차이에서 유발되는 압전분극(piezoelectric polarization)에 의해 계면에 포텐셜 웰(potential well)이 형성됨으로써 제공될 수 있다. 예컨대, 제1 질화물층(140)이 AlN로 형성되고, 제2 질화물층(150)이 약 0.4의 Al 조성비를 갖는 AlGaN인 경우, 상기 계면에는 2차원 전자 가스(2DEG)가 형성될 수 있다. 이러한 2차원 전자 가스(2DEG)는 전류의 수평 방향으로의 이동을 촉진시킬 수 있고, 이에 따라, 제1 질화물층(140)과 제2 질화물층(150)의 계면을 통과하는 저전류(가시광 반응에 의한 저전류)가 기저층(130)으로 도통되는 것을 방지할 수 있다.
이어서, 도 6을 참조하면, 제2 질화물층(150) 상에 광 흡수층(160)을 형성한다.
광 흡수층(160)은 질화물 반도체를 포함할 수 있으며, 광 검출 소자에서 검출하고자 하는 광의 파장에 따라 질화물 반도체의 원소 및 조성을 선택적으로 적용하여 성장시킬 수 있다. 예를 들어, UVA 영역의 자외선 광을 검출하는 광 검출 소자를 제조하는 경우, GaN층 또는 InGaN층을 갖는 광 흡수층(160)을 성장시킬 수 있고, UVB 영역의 자외선 광을 검출하는 광 검출 소자를 제조하는 경우 28% 이하의 Al 조성비를 갖는 AlGaN층을 포함하는 광 흡수층(160)을 성장시킬 수 있으며, UVC 영역의 자외선 광을 검출하는 광 검출 소자를 제조하는 경우 28%~50%의 Al 조성비를 갖는 AlGaN층을 포함하는 광 흡수층(160)을 성장시킬 수 있다.
특히, 본 실시예의 경우, 광 흡수층(160)은 0.28 이상의 Al 조성비를 갖는 AlGaN층을 포함할 수 있고, 나아가, 0.4 이상의 Al 조성비를 갖는 AlGaN층을 포함할 수 있다. 이에 따라, 상기 광 검출 소자는 UVC 영역에 대한 광 검출 기능을 가질 수 있다.
나아가, 광 흡수층(160)은 0.1㎛ 이상의 두께를 갖도록 성장될 수 있고, 나아가, 0.1 내지 0.5㎛의 두께를 갖도록 성장될 수 있다. 광 흡수층(160)의 두께가 0.1㎛ 미만인 경우, 공핍층의 영역이 광 흡수층(160)의 아래로 확장될 수 있어, 광 검출 효율 및 광 검출 정확도가 저하될 수 있다. 따라서, 광 흡수층(160)은 0.1㎛ 이상의 두께를 갖는 것이 바람직하다. 한편, 0.15 이상의 Al 조성비를 갖는 AlGaN층 성장 과정에서, AlGaN층의 두께가 0.1㎛ 이상이 되면 상기 AlGaN층에 크랙이 발생할 확률이 높다. 반면, 본 실시예에 따르면, 0.9 이상의 Al 조성비를 갖는 제1 질화물층(140)을 포함함으로써, 0.28 이상의 Al 조성비를 갖는 AlGaN층을 포함하는 광 흡수층(160)에 크랙이 발생하는 것을 효과적으로 방지할 수 있다. 따라서, 본 실시예는 UVC 영역의 자외선 광에 대한 광 검출 기능을 갖는 광 검출 소자 및 그 제조 방법을 제공할 수 있다.
이어서, 도 7을 참조하면, 광 흡수층(160), 제2 질화물층(150), 및 제1 질화물층(140)을 부분적으로 제거하여 기저층(130)의 일부가 노출된 부분(100a)을 형성할 수 있다. 나아가, 상기 노출된 부분 아래의 기저층(130)의 일부를 두께 방향으로 더 제거할 수 있다. 상기 광 흡수층(160), 제2 질화물층(150) 및 제1 질화물층(140)을 부분적으로 제거하는 것은 사진 및 식각 공정을 통해 수행될 수 있으며, 예를 들어, 건식 식각을 이용할 수 있다.
다음, 도 8을 참조하면, 광 흡수층(160) 상에 쇼트키 접합층(170)을 형성한다. 나아가, 쇼트키 접합층(170) 및 기저층(130)이 노출된 부분(100a) 각각 상에 형성된 제2 전극(183) 및 제1 전극(181)을 더 형성할 수 있다.
쇼트키 접합층(170)은 ITO, Ni, Co, Pt, W, Ti, Pd, Ru, Cr, 및 Au 중 적어도 하나를 포함하는 물질을 증착 공정 등을 통해 형성할 수 있다. 쇼트키 접합층(170)의 두께는 광 투과도 및 쇼트키 특성을 고려하여 조절될 수 있으며, 예를 들어, 10nm이하의 두께로 형성될 수 있다. 나아가, 상기 광 검출 소자 제조 방법은, 쇼트키 접합층(170)과 광 흡수층(160) 사이에 위치하는 캡층(미도시)을 형성하는 것을 더 포함할 수 있다. 캡층은 Mg과 같은 불순물을 포함하는 p형 도핑된 질화물 반도체층을 성장시켜 형성할 수 있다. 캡층은 100nm이하의 두께를 가질 수 있으며, 바람직하게는 5nm이하의 두께를 가질 수 있다. 캡층은 소자의 쇼트키 특성을 향상시킬 수 있다.
이와 달리, 쇼트키 접합층(170)은 기저층(130)의 노출 영역(100a)을 형성하는 것 전에 형성될 수도 있다.
제1 및 제2 전극(181, 183)은 금속물질의 증착 및 리프트 오프 공정을 이용하여 형성될 수 있으며, 다중층으로 형성될 수도 있다. 예를 들어, 제1 전극(181)은 Cr층/Ni층/Au층을 적층하여 형성할 수 있고, 제2 전극(183)은 Ni층/Au층을 적층하여형성할 수 있다.
이에 따라, 도 8에 도시된 바와 같은 광 검출 소자(101)가 제공될 수 있다.
이하, 도 8을 참조하여 상기 광 검출 소자(101)에 관하여 상세하게 설명한다. 다만, 도 1 내지 도 8의 광 검출 소자 제조 방법에 대한 설명부분에서 이미 설명한 중복되는 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.
도 8을 참조하면, 광 검출 소자(101)는 기저층(130), 제1 질화물층(140), 제2 질화물층(150), 광 흡수층(160) 및 쇼트키 접합층(170)을 포함한다. 나아가, 상기 광 검출 소자(101)는 기판(110), 버퍼층(120), 제1 전극(181) 및 제2 전극(183)을 더 포함할 수 있다. 본 실시예에 따른 광 검출 소자(101)는 자외선 광에 대한 광 검출 기능을 수행할 수 있으며, 특히, UVC 영역의 자외선 광에 대한 광 검출 기능을 수행할 수 있다. 또한, 상기 광 검출 소자는, 광 검출 효율이 우수하고 정전기 방전에 대한 내성이 우수하다. 이하, 이와 관련하여 더욱 상세하게 설명한다.
광 검출 소자(101에 광이 조사되면, 광 흡수층(160)은 광 검출 소자에 조사되는 광을 흡수한다. 광 흡수층(160) 상에 쇼트키 접합층(170)을 형성하게 되면, 계면 사이에 전자-정공 분리 영역, 즉, 공핍 영역이 형성된다. 상기 조사된 광에 의해 형성된 전자에 의해 전류가 발생하고, 상기 발생된 전류를 측정함으로써 광 검출의 기능을 수행할 수 있다. 예를 들어, 상기 광 검출 소자가 자외선 광 검출 소자인 경우, 이상적인 자외선 광 검출 소자는 자외선 대비 가시광선 반응 비율(UV-to-visible rejection ratio)는 무한대값을 갖는다. 그런데 일반적인 자외선 광 검출 소자에 있어서, 광 흡수층이 갖는 결함으로 인하여 가시광에 의해서도 광 흡수층이 반응하여 전류가 발생한다. 따라서, 일반적인 자외선 광 검출 소자는 자외선 대비 가시광선 반응 비율이 103 이하로 측정되며, 이는 광 측정의 오류를 발생시킨다.
반면, 상술한 실시예들에 따른 광 검출 소자(101)의 경우, 가시광에 의해 광 흡수층(160)에 미세 전류들, 즉, 이러한 미세 전류를 발생시키는 전자(electron)들이 제1 질화물층(140)에 의해 포획됨으로써, 가시광에 의해 광 검출 소자가 반응하는 것을 최대한 방지할 수 있다. 상술한 바와 같이, 제1 질화물층(140)은 상대적으로 낮은 온도에서 성장되어 광 흡수층(160)에 비해 더 높은 결함 밀도를 갖는다. 가시광에 의해 생성된 전자는 자외선에 의해 생성되는 전자에 비해 매우 적은 양이고, 따라서, 제1 질화물층(140)에 존재하는 결함에 이러한 전자들이 포획될 수 있다. 한편, 광 흡수층(160)에 자외선 광(특히, UVC영역의 자외선 광)이 조사되어 생성된 전자들은 가시광에 의해 생성된 전자들에 비해 그 수가 월등히 많으므로, 제1 질화물층(140)에 포획되지 않고 기저층(130)으로 이동할 수 있다.
더욱이, 제1 질화물층(140)과 제2 질화물층(150)의 계면에는 2차원 전자 가스(2DEG)가 형성될 수 있고, 이러한 2차원 전자 가스(2DEG)는 전자의 수평 방향으로의 이동을 촉진시킬 수 있다. 상술한 바와 같이, 광 흡수층(160)에서 가시광에 의해 발생되는 전자들은 2차원 전자 가스(2DEG)를 수직 방향으로 통과할 수 있을 정도의 충분한 에너지를 갖지 못하므로, 가시광에 의해 발생된 전자들은 대부분 제2 질화물층(150)으로부터 제1 질화물층(140)으로 통과되기 어렵다.
그러므로 본 발명의 광 검출 소자(101)는 가시광에 반응하는 정도가 매우 낮아, 높은 자외선 대비 가시광선 반응 비율을 가질 수 있다. 특히, 본 발명의 광 검출 소자는 104 이상의 자외선 대비 가시광선 반응 비율을 가질 수 있다.
또한, 제1 질화물층(140)은 적어도 하나의 피트(141)를 포함하고, 제2 질화물층(150)은 상기 피트(141) 중 적어도 일부로부터 연장되어 형성된 결함 밀집 부분(150d)을 포함할 수 있다. 피트(141) 및 결함 밀집 부분(150d)은 에너지가 다른 부분에 비해 높은 부분이므로, 정전기 방전에 의해 형성되는 고전류의 전류 경로(path)로 작용할 수 있다. 따라서, 본 실시예의 광 검출 소자에 정전기 방전에 의한 고전류가 발생한 경우, 피트(141) 및/또는 결함 밀집 부분(150d)을 통해 상기 고전류가 용이하게 도통될 수 있어, 상기 고전류에 의한 반도체층의 파손을 방지할 수 있다.
도 10 내지 도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 광 검출 소자 및 그 제조 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
본 실시예에 따른 광 검출 소자(102)는 도 1 내지 도 9의 광 검출 소자(101)와 비교하여, 전극들(181, 183)이 수직으로 배치된 점에서 차이가 있다. 이하 차이점을 중심으로 본 실시예의 광 검출 소자(102) 및 그 제조 방법을 설명한다.
먼저, 본 실시예의 광 검출 소자(102) 제조 방법은, 상술한 실시예의 도 1 내지 도 6을 참조하여 설명한 제조 단계들을 포함할 수 있다. 도 10의 단계는, 도 6의 단계 이후의 공정을 설명한다.
도 10을 참조하면, 기저층(130)으로부터 기판(110)을 분리한다. 상기 기판(110)은 레이저 리프트 오프, 화학적 리프트 오프, 열적 리프트 오프 및 스트레스 리프트 오프 중 적어도 하나의 방법을 이용하여 제1 질화물층(130)으로부터 분리되어 제거될 수 있다.
이어서, 도 11 및 도 12를 참조하면, 광 흡수층(150) 상에 쇼트키 접합층(170)을 형성하고, 쇼트키 접합층(170)의 상부 및 기저층(130)의 하부에 각각 제2 전극(183) 및 제1 전극(181)을 형성함으로써, 도 12에 도시된 바와 같은 광 검출 소자(102)가 제공될 수 있다. 본 실시예의 광 검출 소자(102)는 수직적으로(vertically) 배치된 제1 및 제2 전극(181, 183)들 포함할 수 있다.
도 13 내지 도 15는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 광 검출 소자 및 그 제조 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
본 실시예에 따른 광 검출 소자(103)는 도 1 내지 도 9의 광 검출 소자(101)와 비교하여, 저전류 차단층(190)을 더 포함하는 점에서 차이가 있다. 이하 차이점을 중심으로 본 실시예의 광 검출 소자(103) 및 그 제조 방법을 설명한다.
먼저, 본 실시예의 광 검출 소자(103) 제조 방법은, 상술한 실시예의 도 1 내지 도 5를 참조하여 설명한 제조 단계들을 포함할 수 있다. 도 13의 단계는, 도 5의 단계 이후의 공정을 설명한다.
도 5를 참조하면, 제2 질화물층(150) 상에 저전류 차단층(190)을 형성한다.
저전류 차단층(190)은 다층 구조층을 포함할 수 있고, 상기 다층 구조층은 (Al, In, Ga)N을 포함하는 2원 내지 4원계 질화물층을 반복 적층함으로써 형성될 수 있다. 상기 다층 구조층은 서로 다른 조성비를 갖는 적어도 2 이상의 질화물층일 수 있다. 상기 다층 구조층에 적층되는 질화물층들은 광 흡수층(160)의 질화물층의 조성에 따라 결정될 수 있다. 예를 들어, 상기 광 흡수층(160)이 AlGaN층을 포함하는 경우, 상기 다층 구조층은 AlN층/AlGaN층 또는 AlGaN층/AlGaN층의 반복 적층 구조를 포함할 수 있다. 상기 반복 적층 구조들은 3 내지 10 쌍이 적층되어 형성될 수 있으며, 저전류 차단층의 두께는 10 내지 100nm가 되도록 형성될 수 있다. 또한, 저전류 차단층(190)은 광 흡수층(160)에 비해 더 높은 결함 밀도를 가질 수 있다. 이는 저전류 차단층(190)의 성장 조건을 제어하여 수득될 수 있으며, 예컨대, 저전류 차단층(190)을 광 흡수층(160)에 비해 낮은 온도에서 성장시킴으로써 결함 밀도가 높은 저전류 차단층(190)이 형성될 수 있다.
상기 서로 다른 조성비를 갖는 적어도 2 이상의 질화물층 각각은 5 내지 10nm의 두께로 성장될 수 있고, 소스 가스를 유입량을 조절하여 서로 다른 조성비를 갖도록 성장될 수 있다. 이와 달리, 소스 가스 유입량을 비롯한 다른 조건은 일정하게 유지하되, 챔버 내의 압력을 달리하여 질화물층을 적층함으로써, 서로 다른 조성비를 갖는 적어도 2 이상의 질화물층을 형성할 수도 있다.
예를 들어, AlxGa(1-x)N층과 AlyGa(1-y)N층이 반복 적층된 구조를 포함하는 다층 구조층을 형성하는 경우, AlxGa(1-x)N층은 약 100Torr의 압력에서 성장시키고, AlyGa(1-y)N층은 약 400Torr의 압력에서 성장시킨다. 이때, 압력 외에 다른 성장 조건이 동일한 경우, 더 낮은 압력에서 성장된 AlxGa(1-x)N층은 더 높은 압력에서 성장된 AlyGa(1-y)N층에 비해 높은 Al 조성비를 가질 수 있다. 이와 같이, 서로 다른 압력에서 성장되어 형성된 다층 구조층을 포함하는 저전류 차단층(190)은, 성장 과정에서 전위의 생성 및 전파를 방지하여 저전류 차단층(190) 상에 형성되는 광 흡수층(160)의 결정질을 향상시킬 수 있다. 또한, 서로 다른 압력에 성장되어 서로 다른 조성비를 갖는 질화물층이 반복 적층 됨으로써, 격자 상수 차이에 기인한 응력을 완화시켜 광 흡수층(160)에 크랙이 발생하는 것을 방지할 수 있다. 또한, 소스 가스의 유입량은 일정하게 유지하면서, 압력만 변화시켜 질화물층을 성장시키므로, 저전류 차단층(190) 형성 공정이 용이하다.
도 14를 참조하면, 저전류 차단층(190) 상에 광 흡수층(160)을 형성한다. 이어서, 도 15를 참조하면, 광 흡수층(160) 상에 쇼트키 접합층(170)을 형성하고, 제1 및 제2 전극(181, 183)을 형성함으로써, 도 15에 도시된 바와 같은 광 검출 소자(103)가 제공될 수 있다. 저전류 차단층(190)은 광 흡수층(160)보다 높은 결함 밀도를 가짐으로써, 광 흡수층(160)이 가시광에 반응하여 생성된 전자들의 흐름을 차단할 수 있다. 저전류 차단층(190)에서의 전자의 이동이 차단되는 것은, 제1 질화물층(140)에서 가시광에 의해 발생된 전자의 이동이 차단되는 것과 유사한 메카니즘을 통해서 이루어질 수 있다. 따라서, 가시광에 반응하여 발생한 전자들이 저전류 차단층(190) 및 제1 질화물층(140)에 의해 기저층(130)으로 이동하는 것이 방지될 수 있어, 광 검출 효율이 더욱 우수한 광 검출 소자가 제공될 수 있다.
이상에서, 본 발명의 다양한 실시예들에 대하여 설명하였지만, 상술한 다양한 실시예들 및 특징들에 본 발명이 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 특허청구범위에 의한 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변형과 변경이 가능하다.
Claims (16)
- 질화물계 반도체를 포함하는 기저층;
상기 기저층 상에 위치하며, 0.9 이상의 Al을 포함하는 질화물계 반도체를 포함하는 제1 질화물층;
상기 제1 질화물층 상에 위치하며, 상기 제1 질화물층보다 낮은 Al 조성비를 갖는 질화물계 반도체를 포함하는 제2 질화물층;
상기 제2 질화물층 상에 위치하며, Al을 포함하는 질화물계 반도체를 포함하는 광 흡수층; 및
상기 광 흡수층 상에 위치하는 쇼트키 접합층을 포함하고,
상기 제1 질화물층은 상부에 형성된 적어도 하나의 피트를 포함하고, 상기 제2 질화물층은 상기 적어도 하나의 피트를 메우는 광 검출 소자.
- 청구항 1에 있어서,
상기 광 흡수층은 0.28 이상의 Al 조성비를 갖는 AlGaN을 포함하는 광 검출 소자.
- 청구항 2에 있어서,
상기 광 흡수층은 0.4 이상의 Al 조성비를 갖는 AlGaN을 포함하는 광 검출 소자.
- 청구항 1에 있어서,
상기 제2 질화물층은 상기 적어도 하나의 피트로부터 연장되는 결함 밀집 부분을 포함하는 광 검출 소자.
- 청구항 1에 있어서,
상기 제1 질화물층은 AlN으로 형성되고, 상기 제2 질화물층은 AlGaN으로 형성된 광 검출 소자.
- 청구항 5에 있어서,
상기 기저층은 GaN층을 포함하는 광 검출 소자.
- 청구항 1에 있어서,
상기 제2 질화물층과 상기 광 흡수층의 사이에 위치하며, 다층 구조층을 포함하는 저전류 차단층을 더 포함하는 광 검출 소자.
- 청구항 1에 있어서,
상기 기저층 및 쇼트키 접합층 각각에 전기적으로 연결된 제1 전극 및 제2 전극을 더 포함하는 광 검출 소자.
- 질화물계 반도체를 포함하는 기저층;
상기 기저층 상에 위치하며, 0.9 이상의 Al을 포함하는 질화물계 반도체를 포함하는 제1 질화물층;
상기 제1 질화물층 상에 위치하며, 상기 제1 질화물층보다 낮은 Al 조성비를 갖는 질화물계 반도체를 포함하는 제2 질화물층;
상기 제2 질화물층 상에 위치하며, Al을 포함하는 질화물계 반도체를 포함하는 광 흡수층; 및
상기 광 흡수층 상에 위치하는 쇼트키 접합층을 포함하고,
상기 제1 질화물층은 상부에 형성된 적어도 하나의 피트를 포함하며, 상기 제1 질화물층은 상기 제2 질화물층보다 높은 결함 밀도를 갖는 광 검출 소자.
- 청구항 9에 있어서,
상기 제2 질화물층은 상기 적어도 하나의 피트를 메우고, 상기 적어도 하나의 피트로부터 연장된 적어도 하나의 결합 밀집 부분을 포함하는 광 검출 소자.
- 기판 상에 질화물계 반도체를 포함하는 기저층을 형성하고;
상기 기저층 상에 0.9 이상의 Al을 포함하는 질화물계 반도체를 포함하는 제1 질화물층을 형성하되, 상기 제1 질화물층은 적어도 하나의 피트를 포함하고;
상기 제1 질화물층 상에 상기 제1 질화물층보다 낮은 Al 조성비를 갖는 질화물계 반도체를 포함하는 제2 질화물층을 형성하고;
상기 제2 질화물층 상에 Al을 포함하는 질화물계 반도체를 포함하는 광 흡수층을 형성하고; 및
상기 광 흡수층 상에 쇼트키 접합층을 형성하는 것을 포함하는 광 검출 소자 제조 방법.
- 청구항 10에 있어서,
상기 기저층은 제1 온도에서 성장되고, 상기 제1 질화물층은 제2 온도에서 성장되며,
상기 제1 온도와 제2 온도의 차이는 0초과 150℃ 이하인 광 검출 소자 제조 방법.
- 청구항 10에 있어서,
상기 광 흡수층은 0.4 이상의 Al 조성비를 갖는 AlGaN을 포함하는 광 검출 소자 제조 방법.
- 청구항 10 있어서,
상기 제2 질화물층을 형성하는 것은, 상기 적어도 하나의 피트로부터 연장되는 결함 밀집 부분이 형성되는 것을 포함하는 광 검출 소자 제조 방법.
- 청구항 10에 있어서,
상기 제1 질화물층은 AlN으로 형성되고, 상기 제2 질화물층은 AlGaN으로 형성된 광 검출 소자 제조 방법.
- 청구항 10에 있어서,
상기 제2 질화물층과 상기 광 흡수층 사이에 위치하는 다층 구조층을 포함하는 저전류 차단층을 형성하는 것을 더 포함하는 광 검출 소자 제조 방법.
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|---|---|---|---|
| KR1020150102370A KR102473352B1 (ko) | 2015-07-20 | 2015-07-20 | 광 검출 소자 |
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|---|---|
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US11302835B2 (en) | 2019-01-08 | 2022-04-12 | Analog Devices, Inc. | Semiconductor photodetector assembly |
| US11309450B2 (en) | 2018-12-20 | 2022-04-19 | Analog Devices, Inc. | Hybrid semiconductor photodetector assembly |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2004039913A (ja) * | 2002-07-04 | 2004-02-05 | Osaka Gas Co Ltd | 紫外線受光素子および火炎センサ |
| KR20130061306A (ko) * | 2011-12-01 | 2013-06-11 | 서울옵토디바이스주식회사 | 개선된 정전 방전 특성을 갖는 질화물 반도체 소자 및 그 제조 방법 |
| KR20150033943A (ko) * | 2013-09-25 | 2015-04-02 | 서울바이오시스 주식회사 | 반도체 광 검출 소자 |
-
2015
- 2015-07-20 KR KR1020150102370A patent/KR102473352B1/ko active IP Right Grant
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2004039913A (ja) * | 2002-07-04 | 2004-02-05 | Osaka Gas Co Ltd | 紫外線受光素子および火炎センサ |
| KR20130061306A (ko) * | 2011-12-01 | 2013-06-11 | 서울옵토디바이스주식회사 | 개선된 정전 방전 특성을 갖는 질화물 반도체 소자 및 그 제조 방법 |
| KR20150033943A (ko) * | 2013-09-25 | 2015-04-02 | 서울바이오시스 주식회사 | 반도체 광 검출 소자 |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US11309450B2 (en) | 2018-12-20 | 2022-04-19 | Analog Devices, Inc. | Hybrid semiconductor photodetector assembly |
| US11302835B2 (en) | 2019-01-08 | 2022-04-12 | Analog Devices, Inc. | Semiconductor photodetector assembly |
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| KR102473352B1 (ko) | 2022-12-05 |
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