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문제 정의
- 본 연구에서 금속-반도체-금속 광검출기 디바이스를 제조한 후, 광검출기의 쇼트키 접촉을 위한 열처리로 광검출기의 전기적 특성을 조사하였으며, 광검출기 구조의 계면 반응에 의한 전기적 특성을 평가하였다.
- 본 연구에서는 850 nm 파장대역에서 폴리실리콘 기반금속-반도체-금속 광검출기(MSM-PD)를 상호감합(inter-digitate type) 형태로 제조한 후 쇼트키 접촉을 위한 열처리 조건과 그에 따른 전기적 특성 및 계면 반응을 조사하였다.
제안 방법
- 열처리 후 광검출기 디바이스 표면 형상은 주사전자 현미경(SEM:JEOL JSM-7401F)을 이용하여 관찰하였고, 광검출기의 전기적 특성을 확인하기 위해 반도체 소자 분석기(semiconductor test and analyzer)를 사용하였다. 광검출기 디바이스 내 금속간 화합물 형성 여부를 관찰하기 위해 계면 분석에 유용한 투과전자현미경(TEM:JEOLJEM-2100F) 이용하였고, 박막과 폴리실리콘의 구조 분석은 X-선 회절 분석기(XRD)를 사용하였다. 이때 X-ray source는 CuKα선을, 측정 범위는 20°~80°이었으며 scanning speed는 4° min -1이었다.
- 본 실험에서 사용한 기판은 Si(100)이었으며, 산화 방지막으로 SiO2 층을 400 nm 적층한 후, 저압화학 기상 증착(LPCVD, low pressure chemical vapor deposition) 방법으로 SiH4 분위기에서 광흡수(absorption layer)으로 사용할 폴리 실리콘(poly-Si)을 500 nm 두께로 형성하였다. 광검출기의 전극으로 사용할 Ti 및 Al박막을 증착하기 전에 디바이스 기판 표면에 잔류하는자연 산화 막과 유기물질을 제거하기 위하여 buffered-HF 수용액과 탈이온수(deionized water) 수용액을 사용하여 세척한 다음 DC 마그네트론 RF 스퍼터 챔버(cham-ber)에 장착하였다. 스퍼터 챔버에 디바이스 기판을 장착후 Ti 박막과 Al 박막을 in-situ로 각각 200 nm, 500 nm 증착하였다.
- 이는 열처리 온도와 시간에 따른 금속간 화합물의 생성6)으로 인한 쇼트키 접촉 및 쇼트키 장벽의 변화가 I-V 특성에 영향을 미친 것이라고 판단된다. 따라서, 열처리 온도와 시간에 따라 광검출기의 결정학적 특징을 검토하기 위하여 X-선 회절 분석을 실시하였다.
- 5 kW, Ar gas는 65 sccm으로 제어하였다. 스퍼터링을 이용한 광검출기의 전극 박막을 증착한 후 상호감합 형태로 전극 형성 후 lift-off 공정을 거쳐 열처리를 시행하였다. 본 실험에 사용한 열처리 장치는 hot plate furnace 이며, 질소 분위기(N2 gas)에서 열처리 온도는 200 °C~ 500 °C, 열처리 시간변화는 30분-180분으로 열처리 후 노냉(furnace cooling)하였다.
- 제작된 금속-반도체-금속 광검출기의 열처리에 따른 전기적 특성은 850 nm 파장 광원을 광검출기에 조사한 후I-V 특성을 측정하였다. Fig.
대상 데이터
- 본 실험에 사용한 열처리 장치는 hot plate furnace 이며, 질소 분위기(N2 gas)에서 열처리 온도는 200 °C~ 500 °C, 열처리 시간변화는 30분-180분으로 열처리 후 노냉(furnace cooling)하였다.
- 1은 본 실험에 제작된 폴리 실리콘을 이용한 광검출기(MSM-PD)의 형태와 모식도이다. 본 실험에서 사용한 기판은 Si(100)이었으며, 산화 방지막으로 SiO2 층을 400 nm 적층한 후, 저압화학 기상 증착(LPCVD, low pressure chemical vapor deposition) 방법으로 SiH4 분위기에서 광흡수(absorption layer)으로 사용할 폴리 실리콘(poly-Si)을 500 nm 두께로 형성하였다. 광검출기의 전극으로 사용할 Ti 및 Al박막을 증착하기 전에 디바이스 기판 표면에 잔류하는자연 산화 막과 유기물질을 제거하기 위하여 buffered-HF 수용액과 탈이온수(deionized water) 수용액을 사용하여 세척한 다음 DC 마그네트론 RF 스퍼터 챔버(cham-ber)에 장착하였다.
- 광검출기의 전극으로 사용할 Ti 및 Al박막을 증착하기 전에 디바이스 기판 표면에 잔류하는자연 산화 막과 유기물질을 제거하기 위하여 buffered-HF 수용액과 탈이온수(deionized water) 수용액을 사용하여 세척한 다음 DC 마그네트론 RF 스퍼터 챔버(cham-ber)에 장착하였다. 스퍼터 챔버에 디바이스 기판을 장착후 Ti 박막과 Al 박막을 in-situ로 각각 200 nm, 500 nm 증착하였다. 증착 중의 초기 진공도는 2× 10-7torr 이하에서 유지되었고 스퍼터링시 필요한 스퍼터의 전력(sputtering power)은 2.
이론/모형
- 1(a-c)는 상호감합 형태의 광검출기 모식도 및 SEM 이미지이다.열처리 후 광검출기 디바이스 표면 형상은 주사전자 현미경(SEM:JEOL JSM-7401F)을 이용하여 관찰하였고, 광검출기의 전기적 특성을 확인하기 위해 반도체 소자 분석기(semiconductor test and analyzer)를 사용하였다. 광검출기 디바이스 내 금속간 화합물 형성 여부를 관찰하기 위해 계면 분석에 유용한 투과전자현미경(TEM:JEOLJEM-2100F) 이용하였고, 박막과 폴리실리콘의 구조 분석은 X-선 회절 분석기(XRD)를 사용하였다.
성능/효과
- (a)는 열처리 시간을 30분으로 하여 열처리 온도에 따른 XRD 결과로서 400 °C에서 계면 반응이 시작되어 Al3Ti가 검출되었으며, 500 °C에서는 3원계인 Ti7Al5Si12 상이 관찰되었다.
- 1) 상호감합 형태의 Ti(200 nm)/Al(500 nm)/poly-Si(500 nm) 구조 광검출기의 최적의 열처리조건은 350 °C, 30분이다.
- 2) 350 °C, 30분에 비해 열처리 온도 및 시간이 증가할수록 상대적으로 I-V 특성이 감소함을 보였고, 특히 400 °C, 180분 및 500 °C, 30분 열처리의 경우 광검출기의 I-V 측정이 불가능하였다.
- 3) 열처리 350 °C, 180분 조건에서는 광검출기의 전극계면에서 2원계(Al-Ti) 금속간 화합물이 생성되며 400 °C, 180분 열처리 조건에서는 2원계(Al-Ti), 3원계(Al-Ti-Si)금속간 화합물이 함께 존재하였다.
- 4) 광검출기에서 열처리 조건에 따른 금속간 화합물의형성과 성장 및 쇼트키 접촉의 유무를 확인할 수 있었다.
- 7) 그러나 본 연구에서는 350 °C, 30분에 비해 열처리 온도 및 시간이 증가할수록 상대적으로 I-V 특성이 감소함을 보였고, 특히 400 °C, 180분, 및500 °C, 30분 열처리의 경우 광검출기의 I-V 측정이 불가능하였다.
- 그리고 기존에 반도체 공정 과정을 이용하여 μm 단위의 크기로 소형으로 제작할 수 있으며5) 취급하기에 간편할 뿐 아니라 다양한 광검출기를 다량 생산 할 수 있다. 또한 일반적인 실리콘보다 높은 감광성을 포함하며 발수성, 내화성, 산화 안정성, 저온 안정성 및 기체 투과성이 우수하다.5,9,14)
- 본 연구의 금속-반도체-금속 광검출기 디바이스의 경우 온도나 시간에 따른 열처리 조건이 350 °C, 30분에서 다른 열처리 조건에 비해 우수한 I-V 특성을 나타내었다.
- 광검출기의 금속-반도체-금속 구조에서 금속과 반도체의 쇼트키 접촉을 위해서는 적정한 열처리 온도와 열처리 시간이 필요하다. 열처리 온도와 시간에 따라 광검출기의 전기적 특성의 차이가 현저하게 달라진다는 것을 확인할 수 있었다.
- 이러한 결과로부터 본 연구의 광검출기의 열처리 조건은 350 °C, 30분이 가장 적절한 것으로 판단된다.
- 이와 같은 결과로부터 Al/Ti/poly-Si 구조의 광 검출기의 열처리에 따른 금속간 화합물의 형성 및 성장은 광검출기의 금속 전극 계면에서 먼저 발생하여 폴리실리콘 층으로 성장하였다고 판단되며, 이것은 상호감합 형태의 광검출기의 금속 전극(finger와 finger 사이) 사이에서 광 흡수층인 폴리실리콘에서 광흡수가 일어나 전극으로 광전자의 이동 및 광전자수집이 발생하여 I-V 특성을 나타낸다. 열처리 조건 350 °C, 180분과 400 °C, 30분의 경우 광전자이동 및 전극으로 수집되는 현상은 발생하나 수집되는 전극의 Al/Ti 계면에서 생성되어 성장한 Al3Ti 상의 증가로 인해 수집량이 감소한다고 판단되며, 그 결과 Fig.
후속연구
- 또한 반도체를 이용한 광학적·전자적 시스템을 통합하여 하나의 칩(chip)으로 구현 가능한 고품질의 제품이 가능할 것이다.
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