초고속, 플렉서블, 솔라-블라인드 광센서를 위한 Ga2O3 박막의 원자층 증착법

Abstract

Deep-ultraviolet(DUV) 파장에 반응하는 선택성이 높은 광센서는 마이크론 생물에서 군사용 미사일에 이르기까지 다양한 센서 응용 분야에서 중요한 관심을 불러일으키고 있다. 그러나 지금까지 개발된 대부분의 DUV 광센서는 응답시간이 길고 감도가 낮으며 공정온도가 높기 때문에 다양한 응용분야에서 상용화하는데 큰 저해요소로 작용되었다. 본 논문에서는 파장 선택성이 높고 범용기판에 적용 가능한 <30 nm의 초박막 갈륨옥사이드를 원자층 증착법(Atomic Layer Deposition; ALD)를 이용하여 성장시켜 초고속 DUV 광센서 제작하였다. 사파이어(0006) 기판에서는 ~5 eV의 밴드갭을 가지는 α-Ga2O3 박막을 성장시켰고 사파이어 기판과 α-Ga2O3 박막의 격자 불일치가 확인되었다. 30 × 30 μm2의 반응 영역을 가지도록 설계된 metal-semiconductor-metal(MSM) 구조의 광센서는 266nm 레이저에서 539 ns 라는 매우 짧은 반응 시간(광전류가 10% 에서 90%까지 증가되는 시간)을 달성하였다. 이 같은 초고속 광센서는 ~3 nm의 Ga2O3 초박막에서도 관측 되었다. α-Ga2O3 광센서는 DUV 파장에 대하여 선택적으로 반응을 하며 가시광선 등 다른 긴 파장에 대해 전혀 반응을 하지 않으며 responsivity는 253nm에서 0.76 A/W로 관측되었다. 암전류는 10 V에서 0.5 pA 로 매우 낮게 나왔으며 명전류/암전류의 비는 104으로 확인되었다. 이와 같은 광센서로서의 성능은 원자층 증착법을 이용하여 증착된 비정질 쿼츠와 폴리이미드 기판 위의 비정질 GaOX 박막에서도 보였다. 비정질 GaOX는 <3 μs의 반응시간을 보이며 α-Ga2O3에 비해 더 넓은 파장에 대해 반응을 보인다. 하지만 비정질 물질의 특성에 의해 responsivity는 최대 45.11 A/W까지 올라가는 효과를 얻었으며 플렉시블기판인 폴리이미드 기판에서도 성공적으로 시연에 성공하였다. 이번 연구를 통해 경제적인 DUV 광센서 제작의 시발점이 되어 더 다양한 센싱 분야에 적용될 수 있을 것이라 기대한다.