[논문]PECVD 이용한 비정질 실리콘형 마이크로 볼로미터 특성

강태영; 김경환

PECVD 이용한 비정질 실리콘형 마이크로 볼로미터 특성
Properties of the Amorphous Silicon Microbolometer using PECVD 원문보기

반도체디스플레이기술학회지 = Journal of the semiconductor & display technology, v.11 no.4, 2012년, pp.19 - 23

강태영 (가천대학교 전기공학과) , 김경환 (가천대학교 전기공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

We report microbolometer characteristic with n-type and p-type amorphous silicon thin film. The n-type and p-type amorphous silicon thin films were made by PECVD. The electrical properties of n-type and p-type a-Si:H thin films were investigated as a function of doping gas flow rate. The doping gas used $B_2H_6/Ar$ (1:9) and $PH_3/Ar$ (1:9). In general, the conductivity of doping a-Si:H thin films increased as doping gas increase but the conductivity of a-Si:H thin films decreased as the doping gas increase because doping gas concentration increase led to dilution gas (Ar) increase as the same time. We fabricated an amorphous silicon microbolometer using surface micromachining technology. The fabricated microbolometer had a negative TCR of 2.3%. The p-type microbolometer had responsivity of $5{\times}10^4V/W$ and high detectivity of $3{\times}10^8cm(Hz)^{1/2}/W$. The p-type microbolometer had more detectivity than n-type for less noise value.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

일반적으로 비정질 실리콘 박막은 도핑 가스의 증가에 따라 비저항이 급격히 감소하는 특성을 보여준다. 마이크로 볼로미터 적용을 위해서는 낮은 비저항 특성을 가지는 비정질 실리콘 박막이 적용되어져야 하므로 본 연구에서는 고농도로 도핑한 비정질 실리콘 박막에 대한 비저항 특성을 분석하였다. Fig.
본 논문에서는 도핑 되어진 비정질 실리콘 박막을 마이크로 볼로미터에 적용 하기 위한 도핑유형, 도핑 가스 농도별 저항 특성을 연구 하였고, 온도에 대한 저항 변화율인 TCR (Temperature coefficient of Resistance) 특성도 평가하였다.
본 연구에서는 n-type과 p-type도핑 비정질 실리콘 박막을 저항체로 이용하여 마이크로 볼로미터를 제작하여 도핑 유형별 적외선 감지 파장 8~12um 파장 대역을 특성을 평가 연구 하였다.
따라서 식 (3) 에서와 같이 검출도는 적외선 응 답도에 대한 노이즈 특성을 산출한 것이다. 본 연구에서는 도핑 유형별 검출도를 비교하여 마이크로 볼로미터의 적용이 우수한 박막을 평가하였다.
Table 1은 비정질 실리콘 박막의 증착 연구에 적용되어진 조건을 나타내고 있다. 표1에서와 같이 본 연구에서는 도핑 가스에 대한 도핑 농도별과 비저항 특성을 연구 하였다.

제안 방법

Fig. 5는 200 [Ω-cm] 비저항을 갖는 도핑 되어진 비정질 실리콘 박막에 대한 TCR 결과로 구동 온도 300 K 에서 −2.3 [%/K] 가지는 마이크로 볼로미터를 본 연구에서는 제작 하였다.
논문에서의 Boron과 phosphorus 을 도핑한 비정질 실리콘 박막은 OXFORD 사의 Plasma lab system 100 PECVD (Plasma Enhance Chemical Vapor Deposition) 장비를 이용하여 증착 연구 하였다.
따라서, n-type과 p-type비정질 실리콘 박막의 같은 비저항 200 [Ω-cm] 조건으로 PH₃/Ar(1 : 9) 18 sccm, B₂H₆(1 : 9) 6 sccm 에서 비정질 실리콘 박막을 마이크로 볼로미터 제작에 적용하였다.
또한, 블랙바디 소스를 이용하여 8 ~ 12 µm 적외선 파장 대역의 적외선 응답도와 검출도를 평가 분석 하여 마이크로 볼로미터에 적합한 도핑 유형에 대해 연구 하였다.
마이크로 볼로미터를 Fig. 3에서와 같이 Polyimide Sacrificial layer 를 이용한 Surface Micromachining 기법을 적용하여 비정질 실리콘과 기판 사이를 감지 파장의 중심파장 10 µm 의 λ/4 두께인 2.5 µm의 air-gap을 가지는 공동구조로 제작 하였다[3].
열적 고립 구조를 가지는 상부 캔틸레버 구조는 선폭 2 µm 을 가지는 패턴을 형성하였고, ICP Dry-Etch 장비를 통해 식각 제작 하였다(Fig.
마이크로 볼로미터에 대한 적외선 성능은 응답도와 검출도에 의해 결정 되어진다. 적외선 응답 특성은 Fig. 6에서와 같이 블랙바디의 적외선 방사에너지를 진공 패키지 되어져 있는 마이크로 볼로미터에 입사하여 Lock-In-Amp를 통해 입사 파장 주파수에 대한 응답도 및 검출도를 측정하였다.
제작되어진 마이크로 볼로미터는 46 µm × 46 µm 크기의 열적 고립구조를 가지는 형태로 설계 제작 하였다[4].

대상 데이터

우선 반사층 및 전극 역할을 하는 Ni-Cr(300 Å)/Au(4000 Å) 박막을 lift-off 공정을 이용하여 제작 하였다(Fig.
증착 가스로는 100% SiH₄ 가스에 Dilution 가스로는 He 을 사용하여 SiH₄/(SiH₄+ He) = 5%를 사용하였다. 도핑 가스로는 PH₃/Ar (1:9)와 B₂H₆/Ar (1:9)를 이용였다.

성능/효과

PECVD 장비로 비정질 실리콘 박막을 마이크로 볼로미터에 적용하기 위해 고농도의 도핑가스 주입시 dopant 의 농도 변화 보다는 dilution gas증가에 의한 전도도가 증가하는 의존성을 보였다.

후속연구

5 µV/(Hz)1/2 와 높은 검출도 3 × 10⁸ [cm(Hz)^1/2/W] 성능을 보여 마이크로 볼로미터 적용에는 n-type 에 비해 p-type 비정질 실리콘 박막이 우수함을 알 수 있다. 또한 도핑 농도별 노이즈 특성이 다른 것으로 예상 되어지며 이에 대한 적외선 응답 성능에 대한 심도 깊은 연구가 필요할 것으로 본다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	적외선 센서는 어떻게 분류되는가?	적외선 영상을 가능케 하는 적외선 센서는 크게 입사광에 의해 도전율의 변화와 광기전력을 검출하는 양자형(Photon detector)과 방사에너지 흡수에 의해 온도 변화에 따른 전기적 신호를 검출하는 열전형(Thermal detector)으로 크게 두가지로 분류된다. 양자형 소자로 PbS, HgCdTe, InSb, InAsSb, Ge 등이 사용 되어 지며 감도가 높고 응답속도가 빠르나 0 K를 유지 할 수 있는 냉각장치가 필요하며, 고유 파장 의존성에 의한 측정 영역이 제한되어 진다는 단점이 있다[1].
	TCR은 어떠한 경우에 볼로미터가 입사 되어진 적외선 광량에 의한 응답도 역시 커지게 되는가?	TCR은 볼로미터의 중요한 구동 원리 중에 하나이다. 식 1에서와 온도에 의해 저항이 변하는 정도를 정량화한 요소이며 온도변화에 의해 저항 변화가 크면 그에 의해 볼로미터가 입사 되어진 적외선 광량에 의한 응답도도 역시 크게 된다. 또한 TCR은 반도체의 활성화 에너지에 의해 결정 되어 지게 된다.
	열저항형 적외선 센서 소자 물질에는 어떠한 것이 있는가?	열저항형 적외선 센서 소자 물질로 대표적으로 금속에는 Pt, Ti가 있으며, 산화물계 재료로서는 VO2, V2O3 그리고 V2O5 등의 산화바나듐을 이용하고 있다[3]. 특히 반도체 재료로는 비정실 실리콘 박막이 이용된다.

참고문헌 (5)

E. L. Der eniak and G. D. Boreman, "Infrared Detectors and Systems ," John Wiley&Son s , (1996)
A. Rogalski, "infrared detectors: status and trends," Prog. Quantl. Electron. 27 (2003) 59-210

상세보기
R.A.Wood, "Uncooled thermal imahing with monolithic silicon focal arrays," Proc. SPIE 2020 (1993) 322-329.
S. A. Filonovich, P. Alpuim, L. Rebouta, J. E. bouree, Y. M. Soro, "Hydrogenated amorphous and nanocrystalline silicon solar cells deposited by HWCVD and RF-PECVD on plastic substrates at $150^{\circ}C$ ," J. of Non-Cryst. solids, Vol. 354, pp. 2376- 2380, 2008

상세보기
Paul W. Kruse, David D. Skatrud, "Uncooled Thermal Imaging Arrays and Systems," SPIE press, Washington, 47-75 (1997).

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