AlGaN 기반의 고감도 심자외선 광센서

Abstract

GaN계 질화물 반도체는 wurtzite 결정 구조를 가지고 있다. GaN는 direct bandgap을 가지며 Al 조성비에 따라 3.4eV에서 6.0eV까지 넓은 bandgap을 가지고 있어 다양한 파장의 영역을 흡수하고 검출할 수 있으며 가시광 파장의 빛을 흡수하지 않는 solar-blind 특성을 가지기 때문에 UV detector와 센서로써 적합한 물질이다. 광센서는 작고 내구성이 있고 저렴하며 solar-blind와 고감도(highly sensitive)가 요구된다. 현재 UV 센서로 PMTs(photomultiplier tubes)와 Si 기반의 포토다이오드가 일반적으로 사용되고 있다. Si 기반의 포토다이오드는 낮은 감광성(photosensitivity)과 solar-blind 작동을 위한 값비싼 가시광 차단 필터가 필요하다. PMTs의 경우 높은 감광성 및 대역 필터(band pass filter)와 함께 사용되고 값비싼 비용, 내열성 및 높은 작동 전압 등이 필요하고 부피가 커서 PMTs 소형화와 관련된 문제가 있다. 이러한 문제를 해결할 수 있는 물질이 GaN계 질화물 반도체이다. 본 연구에서는 deep-ultraviolet 영역인 UV-C 대역 파장을 흡수하는 AlGaN 기반의 고감도 자외선 광센서를 제작하기 위해 AlGaN/GaN PIN 구조의 아발란치 포토다이오드(avalanche photodiode)와 2DEG(two dimensional electron gas) - IDT(interdigitated transducer)기반 MSM(metal-semiconductor-metal) 구조의 포토디텍터를 제작하여 광 반응성을 살펴보았다.

UV-C대역의 파장을 흡수하는 AlGaN/GaN PIN 구조의 아발란치 포토다이오드 소자를 제작하여 높은 항복전압(breakdown voltage)와 광 반응성을 얻기 위해 단위 공정을 최적화시키기 위해 진행하였다. PR reflow 공정 과정을 통해 mesa를 사선 구조로 형성하였다. Silvaco 시뮬레이션을 이용하여 mesa를 사선 구조가 아닌 수직 구조로 형성하게 되면 edge에 강한 전계가 몰리는 현상이 발생하면서 누설 전류(leakage current)가 생기고 이로 인해 아발란치 현상이 빠르게 일어나 낮은 항복전압이 발생하는 문제가 생긴다. 이를 방지하기 위해 완만한 경사각을 가지게 되는 사선 구조의 mesa를 형성하였다. P-GaN과 N-AlGaN의 금속과 반도체 계면에서의 접촉저항(contact resistance)을 분석하기 위해 CTLM(circular transfer length method) 패턴을 이용하였다. 접촉저항이 크게 되면 전류가 낮게 흐르는 문제가 발생하므로 열처리 조건을 최적화 시켜 오믹 특성을 얻고자 하였다. 실험 결과, 제작한 소자는 약 -75V에서 항복현상이 일어나는 것을 확인할 수 있었고 253.7nm의 광원을 이용하여 광 반응성이 4A/W의 값을 얻었다.

MSM(metal-semicondutor-metal) 구조를 만들기 위해 IDT 패턴을 형성하고 제작하였다. IDT 패턴의 손가락(finger) 패턴 부분에 빛을 입사하여 생성된 정공은 전계에 의해 높은 에너지를 갖는 AlGaN/GaN 경계면으로 이동하여 모이게 되면서 정공 축적(hole accumulation)이 발생하여 전도대(conduction band)와 가전자대(valence band)가 낮아지는 효과를 야기한다. 낮아진 장벽(barrier)에 의해 전압을 가하지 않은 쪽의 2DEG의 전자들이 전압을 가한 쪽으로 이동하여 이득(gain)이 발생한다. 350nm에서 410nm의 영역에서 파장에 따른 광 반응성을 확인한 결과 진성층(intrinsic layer) GaN의 cut-off 파장인 370nm에서 2542A/W 높은 responsivity 값을 확인하였고 가시광 감쇄율은 약 66배 정도로 확인하였다.

본 연구에서 PIN구조의 아발란치 포토다이오드와 MSM 구조의 포토디텍터의 UV-C 파장을 흡수하는 소자 제작의 큰 의미가 있다. 제작한 아발란치 포토다이오드는 보다 높은 항복전압을 얻기 위해 공정 과정에서 건식 식각으로 인해 손상된 표면을 플라즈마 처리(plasma treatment) 및 etch back 공정을 추가한다면 소자의 성능이 향상될 것으로 기대된다. 또한, MSM 구조의 포토디텍터는 이득 mechanism을 통해 높은 반응성을 얻었다. 추가적인 연구를 통해 UV-C 영역의 소자를 제작하여 파장에 따른 광 반응성과 이득을 확인하고 향후 UV-C 영역의 자외선 광센서로 활용될 것으로 기대된다.