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KR960004594B1 - 적외선 광 검출기 - Google Patents

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Abstract

내용 없음.

Description

적외선 광 검출기
제1도는 종래의 양자우물구조를 이용한 광 검출기 에너지 대역도.
제2a도는 본 발명의 따른 델타도핑 단면도.
제2b도는 제2a도의 양자장벽을 나타낸 개략도.
제3도는 제2도에 따른 각 델타도핑층의 농도 대 광에너지 비를 나타낸 그래프.
제4a도는 본 발명의 적외선 광 검출기의 단면구조도.
제4b도는 본 발명의 적외선 광 검출기의 에너지 대역도.
제5도는 본 발명의 델타도핑층 도핑농도에 따른 광에너지 대 흡수계수 비를 나타낸 그래프.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 반도체 기판 2 : 델타도핑 반도체층
2a : 델타도핑층 3, 4 : 제1도전형 반도체형
5 : 전극
본 발명은 상온에서 동작하는 광 검출기에 관한 것으로, 특히 냉각장치 및 고품질의 양자우물 형성의 필요성을 단순화시키기에 적당하도록 한 델타도핑된 반도체를 이용한 적외선 광 검출기에 관한 것이다.
일반적으로 군수용 및 민수용을 많은 잠재적 응용가능성을 갖고 있는 FIR(Far-Infrared, 3∼30㎛) 대역의 적외선 광검출은 크게 HgCdTe(MCT)의 Ⅱ∼Ⅵ족 화합물 반도체 조성의 p-i-n다이오드 방식과, 양자우물의 서브밴드(Subband)간 천이를 이용한 방식의 두가지로 대별된다.
먼저, Ⅱ∼Ⅵ족 MCT(HgCdTe)를 이용한 광 검출기는 까다로운 성장조건을 해결하기 위하여 MBE(Molecular Beam Epitaxy)등을 이용한 에피(epi)성장기술과 p-n도핑기술과 금속전극 형성기술을 요한다.
양자우물의 서브밴드가 천이를 이용한 광 검출기는 MBE, MOCVD(metal organic chemical vapor deposition)등을 이용하여 양질의 양자우물을 형성할 수 있는 에피성장기술, n도핑영역형성, 금속전극 형성기술등을 포함하고 있다.
이와 같은 광 검출기중, MCT를 이용한 p-i-n다이오드에 의한 광 검출방식은 이미 많은 문헌(1. D. Ahn and S.L.chuang, Phys.Rev.B35.4149(1987). 2. B.F Levine et al., Appl.Phys.Lett.50, 273(1987). 3. Us Patent #4,873,555)이 소개되어 있으므로 생략하고, 양자우물구조를 이용한 광 검출기를 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
제1도는 종래의 양자우물구조를 이용한 광 검출기 에너지 대역도 양자우물구조를 이용한 광 검출기는 n+-i-n+구조를 갖고 있으며 도핑되지 않는 i(진성)영역에 양자우물구조를 포함하고 있다. 이 구조에서 양측 n+영역에 전압이 인가될 경우 i(전성)영역은 실질적으로 전류차단층으로 동작하여 외부로부터의 적외선 광이 입사하지 않는 경우는 전류가 흐르지 않는다.
그리고 외부로부터 적외선 광이 입사하면 양자우물의 기저상태에 있는 전자가 제2차 서브밴드에 여기되고 여기된 전자는 낮은 전자장벽을 터널링하여 전류가 흐르게 되어 적외선 광의 입사를 검출할 수 있다. 이때 검출되는 적외선의 파장은 양자우물의 폭을 조절하여 서브밴드간의 에너지간격을 조절하므로서 어느정도 조정이 가능하다.
그러나 이와 같은 종래의 광 검출기에 있어서는 MCT를 이용한 광 검출기의 암전류가 크기 때문에 액체질소온도 77°K까지 냉각시켜야 동작이 가능하고 양자우물구조를 갖는 광 검출기의 경우 상대적으로 암전류가 적어서 상온에서 동작이 가능하나 양질의 양자우물구조 형성이 전제조건으로 되어야 하는 문제점이 있다.
본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로서, 냉각장치 및 양질의 양자우물형성의 필요성을 단순화시킨 광 검출기를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명은 양자우물구조를 갖는 적외선 광 검출기로서, 양자우물구조를 델타토핑된 반도체층으로 대처한 것이다.
이와 같은 본 발명의 적외선 광 검출기를 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.
제2도는 본 발명에 따른 델타도핑의 단면도로써 반도체 기판(GaAs, InGap, Inp)(1)상에 MBE(Molecular Beam Epitaxy) 또는 MOCVD(Metal Organic Chemical Vaper Deposition)등으로 델타도핑층 결정성장중 일시 성장공정을 중지하고, 1∼2개 단일층(monolayer) 도판트(첨가 불순물)를 적층한뒤 다시 단결정 성장을 계속하면, 델타도핑 반도체(2)에 제2b도와 같은 양자우물 장벽이 형성된다. 단, 델타토핑 반도체층(2)은 반도체 기판(1)과 같은 반도체이다. 이때, 양자장벽내에 구속된 전자는 불연속적인 상태(불균일할 농도)로 존재하게 된다. 또한 델타도핑층(2a)에 존재하는 전자는 양자우물을 형성하는 장벽때문에 다른 에너지 대역으로의 천이가 용이치 못하다.
그리고, 델타도핑 반도체층(2)에 존재하는 양자우물에 구속된 전자의 에너지 준위를 델타도핑농도의 함수로 표시하면 제3도와 같이 도핑농도의 증가에 따라 전자에너지(eV)가 증가되고, 도핑층에 따라 전자에너지가 증가하며, 제3도의 그래프에서와 같이 n=1과 n=2 상태의 에너지 차이는 대략 도핑농도 Ns에 비례함을 알 수 있다.
* 단 n=1과 n=2는 도판트농도가 다른 델타도핑층을 나타낸다.
즉, 이것은 기저상태와 여기상태의 에너지 차이를 델타도핑의 농도(Ns)로서 조절할 수 있음을 나타낸 것이다.
따라서 전자가 기저상태에서 여기상태로 천이할때에는 두 상태간에 존재하는 전위장벽을 뛰어넘어야 하는데 이때, 전자가 흡수하는 빛(hv)의 파장(wavelength)은 이며 △E는 델타도핑층간 광에너지 차이다.
즉 n=1과 n=2 상태의 에너지 차(△E)가 0.1eV이면, 이때 전자가 여기되기 위해 흡수되는 파장은 12.4㎛가 된다.
그러므로 델타도핑층(2a)의 농도에 따라 흡수광의 파장이 결정된다.
제4a, b도는 본 발명의 적외선 광 검출기의 단면도와 에너지 대역도를 나타낸 것으로 (a)와 같이 반도체 기판(GaAa, InGap, InP)(1)위에 MBE(또는 MOCVD)장치를 이용하여 결정을 성장중 1∼2개의 단일층(monolayer)으로 도판트(Si, Ba)층을 5∼30Å 정도의 두께로 적층하고 단결정을 성장시키는 방법으로 다층의 델타도핑층(2a)으로 델타도핑 반도체(2)이 형성되고 그 위에 반도체 기판(1)과 델타도핑 반도체층(2)보다 에너지 대역간극(Eg)이 낮은 반도체를 적층하고 n형 불순물을 도핑(doping)하여 고농도의 제1도전형 반도체층(3)을 형성한 다음, 그 위에 다시 캠용의 고농도 제1도전형 반도체형(4)을 형성하고, 그위에 금속전극(5)을 형성한다.
이와 같은 구조를 갖는 광 검출기는 제4b도와 같은 에너지 대역을 형성하며 외부에서 전계가 가해질 경우 델타도핑 반도체층(2)의 델타도핑층(n=1, n=2)(2a)간의 불순물농도차에 따른 에너지 장벽이 존재하여 전류가 흐르지 못한다.
그러나, 적외선 광 검출기에 빛(광량자)이 입사하게 되면 델타도핑된 양자장벽내의 전자가 빛에너지에 의해 기저상태에서 여기상태로 이동되면서 양자장벽을 터널링(tunneling)하므로 전류가 흐르고, 이 전류의 흐름으로 적외선광을 검출하게 된다.
또한 제5도는 델타도핑층(2a)의 부대역간(intersubband)의 광흡수 스펙트럼(spectrum)을 계산한 것으로, 여기에 나타난 바와 같이 델타도핑층(2a)의 델타도핑의 농도(Ns)가 높을수록 적외선 흡수계수가 증가함을 보여 델타도핑의 농도를 조절하므로 흡수광의 에너지(감지되는 적외선 파장의 길이)를 조정할 수 있음을 보여준다.
즉, 도핑농도가 NS=1×1012/㎠일때 흡수에너지는 40meV(파장 30㎛)이고, NS=5×1012/㎠일때 흡수에너지는 120meV(파장 10㎛)으로 되어 3배의 적외선 감지파장의 변경이 가능하다.
따라서, 델타토핑 반도체층(2)은 흡수계수가 충분히 크기 때문에 상온에서도 적외선 검출이 가능하다.
이와 같은 본 발명은 델타도핑층의 도핑농도를 조절하므로써, 감지되는 적외선의 파장을 조절하는 것이 가능하고, 양질의 양자우물 형성없이 델타도핑만으로도 양자구속 장벽효과를 이용하여 적외선 감지가 가능하고, 상온에서 장파장 적외선(3∼30㎛)의 검출이 가능한 적외선 검출기를 제조할 수 있는 효과가 있다.

Claims (8)

  1. 반도체 기판(1)상에 양자장벽을 형성하기 위해 복수개의 델타도핑층(2a)으로 형성되는 델타도핑 반도체(2)과, 상기 델타도핑 반도체층(2)위에 전위장벽을 낮추기 위해 형성되는 고농도의 제1도전형 반도체층(3)과, 상기 반도체층(3)상에 형성된 캠용 고농도 제1도전형 반도체형(4)과, 상기 반도체층(4)상에 전극(5)이 형성됨을 특징으로 하는 적외선 광 검출기.
  2. 제1항에 있어서, 반도체 기판(1)으로는 GaAa, 또는 InGaP, 또는 InP을 이용함을 특징으로 하는 적외선 광 검출기.
  3. 제1항에 있어서 델타도핑 반도체층(2)은 반도체 기판(1)상에 결정성장중 성장을 중지하고, 1∼2개의 단일층 도판트(Dopant)를 적층한뒤 단결정 성장을 계속하여 형성됨을 특징으로 하는 적외선 광 검출기.
  4. 제3항에 있어서, 델타도핑층(2a)의 도판트(Dopant)로는 Si 및 Ba을 사용함을 특징으로 하는 적외선 광 검출기.
  5. 제3항에 있어서, 델타도핑층(2a)의 도판트층은 5∼30Å의 두께로 형성됨을 특징으로 하는 적외선 광 검출기.
  6. 제3항에 있어서, 델타도핑층(2a)의 도판농도는 1×1012/㎠∼5×1012/㎠임을 특징으로 하는 적외선 광 검출기.
  7. 제1항에 있어서, 제1도전형 반도체층(3)은 반도체 기판(1) 및 델타도핑 반도체층(2)보다 에너지 밴드갭이 낮은 반도체층으로 형성됨을 특징으로 하는 적외선 광 검출기.
  8. 제1항에 있어서, 델타도핑 반도체층(2)은 반도체 기판(1)과 동일한 종류의 반도체로 형성됨을 특징으로 하는 적외선 광 검출기.
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