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KR20210004536A - Vertical nanowire based photodetector having double absorption layer and manufacturing method thereof - Google Patents

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KR20210004536A
KR20210004536A KR1020190081110A KR20190081110A KR20210004536A KR 20210004536 A KR20210004536 A KR 20210004536A KR 1020190081110 A KR1020190081110 A KR 1020190081110A KR 20190081110 A KR20190081110 A KR 20190081110A KR 20210004536 A KR20210004536 A KR 20210004536A
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layer
photodetector
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vertical
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김기현
백창기
윤솔
Original Assignee
포항공과대학교 산학협력단
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Abstract

The present invention relates to a vertical nanowire photodetector with double absorption layer to form an hourglass-shaped vertical nanowire in an active area of a front surface of a semiconductor substrate and improve the performance of the photodetector by forming a rear absorption layer for improving the near-infrared absorption on the rear surface, and a manufacturing method thereof. According to the vertical nanowire photodetector with a double absorption layer according to the present invention, the vertical nanowire photodetector has the effect of improving the sensitivity in an infrared region and the external quantum efficiency of the photodetector. Since the vertical nanowire photodetector is manufactured using a silicon semiconductor process, the mass production is possible. The vertical nanowire photodetector has the advantage of excellent economic efficiency by using silicon with abundant reserves as main materials. In addition, the vertical nanowire photodetector has the advantage that vertical nanowire photodetector can be used in all fields of future industries such as autonomous vehicles, mobile health care systems, and security.

Description

이중 흡수층을 갖는 수직 나노선 광검출기 및 그 제조방법 {Vertical nanowire based photodetector having double absorption layer and manufacturing method thereof}Vertical nanowire based photodetector having double absorption layer and manufacturing method thereof {Vertical nanowire based photodetector having double absorption layer and manufacturing method thereof}

본 발명은 광검출기 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 반도체 기판의 전면의 활성 영역에 모래시계 형태의 수직 나노선을 형성하고, 후면에 근적외선 흡수향상을 위한 후면 흡수층을 형성함으로써 광검출기의 성능을 개선시킨 이중 흡수층을 갖는 수직 나노선 광검출기 및 그 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a photodetector and a method of manufacturing the same, and more particularly, a photodetector by forming an hourglass-shaped vertical nanowire in the active area of the front surface of a semiconductor substrate and forming a rear absorbing layer for improving near-infrared absorption on the rear surface. It relates to a vertical nanowire photodetector having a double absorption layer with improved performance and a method of manufacturing the same.

광검출기는(photodetector) 빛의 유ㅇ무 또는 광원의 세기를 검출하기 위한 광학장치로써, 현대 산업 전반에 걸쳐 활용되는 핵심소자이며 검출하고자 하는 파장 범위에 따라 다양한 물질이 센서 제작에 활용된다. A photodetector is an optical device for detecting the presence or absence of light or the intensity of a light source. It is a core device used throughout the modern industry, and various materials are used in sensor manufacturing according to the wavelength range to be detected.

일반적으로 물질의 검출파장은 재료의 밴드갭에 의해 결정된다. 화재감지, 의학용 UV 캘리브레이션 및 군사용 잠수함 탐지 등에 활용되는 자외선(400nm 이하) 광검출기는 SiC, AlxGa1-xN 등의 화합물을 기반으로 제작되며, 소비자가전(consumer electronics) 분야의 스마트폰용 CMOS 이미지센서, 디지털카메라용 CCD 등에 활용되는 가시광선(400-700nm) 광검출기는 실리콘 물질을 기반으로 제작된다. In general, the detection wavelength of a material is determined by the band gap of the material. Ultraviolet (less than 400nm) photodetectors used for fire detection, medical UV calibration, and military submarine detection are manufactured based on compounds such as SiC, Al x Ga 1-x N, and are for smartphones in the consumer electronics field. Visible light (400-700nm) photodetectors used in CMOS image sensors and digital camera CCDs are manufactured based on silicon materials.

다음으로 군사용 나이트비전(night vision), 보안ㅇ감시 카메라, 적외선 진단시스템 등에 활용되는 적외선(0.7-수백ㅅm) 광검출기는 검출 파장에 따라 Ge, InGaAs, PbS, HgCdTe 등 다양한 물질이 활용되고 있다. 특히, 근적외선 영역(700-1,400nm)은 Nd:YAG 의료용 레이저 시스템(1,064nm), 광통신(단거리 850nm, 중거리 1,310nm) 및 자율주행자동차(905nm와 1,550nm) 등의 미래 산업분야에 활용이 가능하여 수요가 꾸준히 증가하고 있으며 시장규모도 빠르게 성장하고 있다. Next, the infrared (0.7-hundred m) photodetectors used in military night vision, security surveillance cameras, and infrared diagnostic systems are various materials such as Ge, InGaAs, PbS, and HgCdTe, depending on the detection wavelength. . In particular, the near-infrared region (700-1,400nm) can be used in future industrial fields such as Nd:YAG medical laser system (1,064nm), optical communication (short-range 850nm, mid-range 1,310nm) and autonomous vehicles (905nm and 1,550nm). As a result, the demand is steadily increasing and the market size is growing rapidly.

앞서 언급한 물질들 중에서 실리콘은 기존 CMOS 반도체 공정과의 호환성이 우수해 다른 화합물 물질과 비교해 광검출기의 저가ㅇ대량생산이 가능하고 신호처리회로와의 집적화가 용이하다는 장점을 가지고 있다. 하지만 실리콘 재료는 1.12 eV의 밴드갭으로 인해 가시광선 검출에 적합하지만 밴드갭보다 큰 파장을 가지는 근적외선 검출이 어려워 활용도가 높은 근적외선 영역에서 활용되지 못하고 있었다. Among the aforementioned materials, silicon has the advantage of excellent compatibility with existing CMOS semiconductor processes, enabling low-cost and mass production of photodetectors compared to other compound materials, and easy integration with signal processing circuits. However, the silicon material is suitable for detecting visible light due to the band gap of 1.12 eV, but it is difficult to detect near infrared rays having a wavelength larger than the band gap, and thus, it has not been utilized in the highly useful near infrared region.

실리콘 광검출기의 근적외선 검출 성능이 기존 InGaAs 광검출기와 유사하거나 우수한 성능을 가지게 된다면 경제성과 소형화에 이점을 가져 근적외선 광검출기 시장에 미치는 파급효과가 클것으로 예상된다. 따라서 실리콘 광검출기의 근적외선 검출성능을 개선하기 위한 연구가 세계적으로 활발하게 진행되고 있다. 특히, 제작공정의 큰 변화없이 실리콘 광검출기의 근적외선 검출 특성을 개선할 수 있는 실리콘 수직 나노선 어레이 구조가 큰 주목을 받아왔다. If the near-infrared detection performance of the silicon photodetector is similar to or superior to the existing InGaAs photodetector, it is expected that it will have an advantage in economy and miniaturization and have a large ripple effect on the near-infrared photodetector market. Therefore, researches to improve the near-infrared detection performance of silicon photodetectors are being actively conducted worldwide. In particular, a silicon vertical nanowire array structure capable of improving the near-infrared detection characteristics of a silicon photodetector without a large change in manufacturing process has attracted great attention.

도 1은 종래의 실리콘 수직 나노선 근적외선 광검출기의 기본 구조를 나타내는 사시도이다. 1 is a perspective view showing the basic structure of a conventional silicon vertical nanowire near-infrared photodetector.

도 1을 참조하면, 종래의 실리콘 수직 나노선 근적외선 광검출기(10)는 p형 또는 n형으로 이루어진 반도체 기판(11), 반도체 기판(11) 상에 형성된 어레이 형태의 원통형 수직 실리콘 나노선(12), 수직 실리콘 나노선(12)의 표면에 pn 접합을 형성하기 위해 반도체 기판(11)과 반대되는 타입의 도핑 물질이 고농도로 주입되어 있는 제1 반도체층(13), 반도체 기판(11)과 접촉하지 않으며 제1 반도체층(13)에만 접촉되고 수직 나노선(12)에 빛이 잘 입사되도록 제1 반도체층(13) 상의 가장자리에 배치되는 제1 전극(14) 및 반도체 기판(11)의 후면에 형성되어 있는 제2 전극(15)을 포함한다. Referring to FIG. 1, a conventional silicon vertical nanowire near-infrared photodetector 10 includes a p-type or n-type semiconductor substrate 11, and a cylindrical vertical silicon nanowire 12 in the form of an array formed on the semiconductor substrate 11. ), a first semiconductor layer 13 and a semiconductor substrate 11 in which a doping material of a type opposite to that of the semiconductor substrate 11 is injected at a high concentration to form a pn junction on the surface of the vertical silicon nanowire 12 Of the first electrode 14 and the semiconductor substrate 11 disposed at the edge of the first semiconductor layer 13 so that light is not in contact with the first semiconductor layer 13 and light is easily incident on the vertical nanowires 12. It includes a second electrode 15 formed on the rear surface.

일반적으로 수직 나노선과 나노선을 둘러싸는 반도체층의 도핑 종류가 다른 core-shell 구조 광검출기는 평판 구조에 비해 우수한 표면적 대 부피비를 장점으로 하여 빛에 의해 생성되는 전자-전공쌍을 증가시켜 우수한 파장별 감응도 및 양자 효율을 보인다. 반도체 기판(11)과 제2 전극(15)의 접촉저항을 줄이기 위해 반도체 기판(11)의 후면층은 반도체 기판(11)과 같은 타입의 고농도 도핑 물질이 주입될 수 있다.In general, vertical nanowires and core-shell photodetectors with different doping types of the semiconductor layer surrounding the nanowires have an advantage of superior surface area-to-volume ratio compared to a flat plate structure, thereby increasing the electron-electron pair generated by light to provide excellent wavelength. It shows star sensitivity and quantum efficiency. In order to reduce the contact resistance between the semiconductor substrate 11 and the second electrode 15, the back layer of the semiconductor substrate 11 may be injected with a high concentration doping material of the same type as the semiconductor substrate 11.

수직 실리콘 나노선 어레이 구조에서 나노선 표면으로부터 반사 또는 굴절되는 빛은 주변 나노선들에 의해 재흡수되어 근적외선 광원의 검출성능이 개선된다. 수직 실리콘 나노선 구조의 종횡비(aspect ratio)가 증가할수록 광흡수깊이가 깊은 근적외선 빛의 흡수는 증가한다. 하지만 너무 높은 종횡비의 수직 나노선은 구조적 안정성이 떨어져 소자 제작에 활용될 수 없고 이로 인해 광흡수깊이가 깊은 근적외선 빛의 검출성능 향상에 제약이 따른다. In the vertical silicon nanowire array structure, light reflected or refracted from the nanowire surface is reabsorbed by the surrounding nanowires, thereby improving the detection performance of the near-infrared light source. As the aspect ratio of the vertical silicon nanowire structure increases, the absorption of near-infrared light with a deep light absorption depth increases. However, vertical nanowires with too high aspect ratio have poor structural stability and cannot be used for device fabrication, which limits the improvement of detection performance of near-infrared light with a deep light absorption depth.

따라서 기존의 반도체 공정을 활용하면서 광흡수깊이가 깊은 근적외선 광원을 효과적으로 흡수하기 위한 고감응도 실리콘 나노선 광검출기의 개발이 요구되고 있다.Therefore, there is a need to develop a high-sensitivity silicon nanowire photodetector to effectively absorb a near-infrared light source with a deep light absorption depth while utilizing the existing semiconductor process.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 모래시계 형태의 수직 나노선들을 기판 전면에 형성하여 적외선 빛의 흡수를 향상시킴과 동시에 기판 후면에 적외선 흡수를 위한 후면 흡수층을 형성하여 실리콘 나노선 적외선 센서의 성능을 개선시킨 이중 흡수층을 갖는 수직 나노선 광검출기를 제공하는데 있다. The problem to be solved by the present invention is to improve the absorption of infrared light by forming hourglass-shaped vertical nanowires on the front surface of the substrate, and at the same time, forming a rear absorbing layer for infrared absorption on the rear surface of the substrate to improve the performance of the silicon nanowire infrared sensor. It is to provide a vertical nanowire photodetector having an improved double absorption layer.

본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는 실리콘 기판에 모래시계 형태의 수직 나노선과 후면 흡수층을 대량생산이 가능한 반도체 공정을 활용하여 일체형으로 제작함으로써 경제성이 높은 실리콘 적외선 센서를 제조할 수 있는 이중 흡수층을 갖는 수직 나노선 광검출기 제조방법을 제공하는 것이다.Another problem to be solved by the present invention is to have a double absorption layer capable of manufacturing a silicon infrared sensor with high economical efficiency by making the vertical nanowire in the form of an hourglass on a silicon substrate and the rear absorption layer in an integrated manner using a semiconductor process capable of mass production. It is to provide a method for manufacturing a vertical nanowire photodetector.

상기 과제를 이루기 위하여 본 발명에 따른 이중 흡수층을 갖는 수직 나노선 광검출기는, 반도체 기판; 상기 반도체 기판의 전면에 어레이 형태로 형성된 수직 나노선; 상기 수직 나노선 상에 도핑 물질이 도핑되어 형성된 제1 반도체층; 상기 제1 반도체층 상단의 가장자리에 형성된 제1 전극; 상기 반도체 기판의 후면에 형성된 후면 흡수층; 및 상기 후면 흡수층 하단에 형성된 제2 전극;을 포함하는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, a vertical nanowire photodetector having a double absorbing layer according to the present invention includes: a semiconductor substrate; Vertical nanowires formed in an array shape on the entire surface of the semiconductor substrate; A first semiconductor layer formed by doping a doping material on the vertical nanowires; A first electrode formed at an edge of an upper end of the first semiconductor layer; A rear absorption layer formed on the rear surface of the semiconductor substrate; And a second electrode formed under the rear absorption layer.

상기 과제를 이루기 위하여 본 발명에 따른 이중 흡수층을 갖는 수직 나노선 광검출기 제조방법은, 반도체 기판의 후면에 흡수층을 형성하는 후면흡수층 형성 단계; 상기 반도체 기판의 표면을 식각하여 어레이 형태의 수직 나노선을 형성하는 수직 나노선 형성단계; 상기 수직 나노선의 표면에 상기 반도체 기판의 물질과 반대되는 타입의 도핑 물질이 도핑된 제1 반도체층을 형성하는 제1 반도체층 형성단계; 및 상기 제1 반도체층 상의 가장자리에 위치하는 제1 전극 및 상기 후면 흡수층 하단에 위치하는 제2 전극을 형성하는 전극형성 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, a method of manufacturing a vertical nanowire photodetector having a double absorbing layer according to the present invention comprises: forming a rear absorbing layer of forming an absorbing layer on a rear surface of a semiconductor substrate; Forming vertical nanowires in the form of an array by etching the surface of the semiconductor substrate; A first semiconductor layer forming step of forming a first semiconductor layer doped with a doping material of a type opposite to that of the semiconductor substrate on the surface of the vertical nanowires; And an electrode forming step of forming a first electrode positioned at an edge of the first semiconductor layer and a second electrode positioned below the rear absorbing layer.

본 발명에 따른 이중 흡수층을 갖는 수직 나노선 광검출기에 의하면, 반도체 기판의 표면에 모래시계 형태의 수직 나노선을 형성하고 기판의 후면에 후면 흡수층을 형성함으로써 광검출기에 있어서 적외선 영역의 감응도와 외부양자효율을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.According to the vertical nanowire photodetector having a double absorption layer according to the present invention, by forming a vertical nanowire in the form of an hourglass on the surface of a semiconductor substrate and forming a rear absorption layer on the rear surface of the substrate, the sensitivity of the infrared region and the external There is an advantage that can improve quantum efficiency.

모래시계 형태의 수직 나노선의 상단부의 역원뿔형 구조에서는 광공진이 발생하여 적외선 광원을 나노선 표면에 오래 머무르게 함으로써 광흡수를 향상시키고 동시에 하단부의 원뿔형 구조는 표면의 경사증가로 반사율이 작아 인접한 수직 나노선으로부터 새어 나오는 적외선 파장의 빛을 재흡수한다. In the inverted conical structure of the upper end of the vertical nanowire in the form of an hourglass, light resonance occurs and the infrared light source stays on the surface of the nanowire for a long time to improve light absorption. It reabsorbs the infrared wavelength light that leaks out of the route.

반도체 기판 후면의 후면 흡수층은 전면의 모래시계 형태의 수직 나노선에 흡수되지 못한 적외선 영역의 빛을 흡수하여 실리콘 나노선 광검출기의 적외선 검출 특성을 향상시킨다. 이때 반도체 기판 후면의 제2 전극으로부터 반사되어 표면으로 나오는 빛을 후면 흡수층과 수직 나노선들이 다시 흡수하여 적외선 검출 특성을 더욱 향상시킨다. 후면에서 반사되어 모래시계 형태의 수직 나노선에 도달한 빛은 광공진을 다시 일으켜 빛의 흡수가 증가한다. 따라서 평판 형태의 이중 흡수층 실리콘 광검출기보다 근적외선 파장별 감응도 및 양자효율이 더욱 뛰어난 장점이 있다.The rear absorbing layer on the back of the semiconductor substrate absorbs light in the infrared region that was not absorbed by the vertical nanowires in the form of an hourglass on the front, thereby improving the infrared detection characteristics of the silicon nanowire photodetector. At this time, the rear absorbing layer and the vertical nanowires absorb light reflected from the second electrode on the rear surface of the semiconductor substrate and emanate to the surface to further improve infrared detection characteristics. Light that is reflected from the back and reaches the vertical nanowires in the form of an hourglass regenerates light resonance, increasing the absorption of light. Accordingly, there is an advantage in that the sensitivity and quantum efficiency by near-infrared wavelength are more excellent than that of a flat-type double absorption layer silicon photodetector.

상기 이중 흡수층을 갖는 수직 실리콘 나노선 광검출기는 실리콘 반도체 공정을 활용하여 제작되기 때문에 대량생산이 가능하고, 매장량이 풍부한 실리콘을 주재료로 사용하여 경제성이 우수한 장점이 있다.Since the vertical silicon nanowire photodetector having a double absorbing layer is manufactured using a silicon semiconductor process, mass production is possible, and since silicon having an abundant reserve is used as a main material, it has an advantage of excellent economical efficiency.

도 1은 종래의 실리콘 수직 나노선 근적외선 광검출기의 기본 구조를 나타내는 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이중 흡수층을 갖는 수직 나노선 광검출기의 전체적인 구조를 나타내는 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 이중 흡수층을 갖는 수직 나노선 광검출기의 수직 나노선과 후면 흡수층의 효과를 검증하기 위한 감응도 및 외부양자효율(external quantum efficiency; EQE) 결과를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 이중 흡수층을 갖는 수직 나노선 광검출기의 검출특성 향상 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 이중 흡수층을 갖는 수직 나노선 광검출기 제조방법의 공정 흐름도이다.
도 6은 도 5에 따른 이중 흡수층을 갖는 수직 나노선 광검출기 제조방법에서 후면 흡수층 형성 단계를 설명하기 위한 평면도 및 단면도이다.
도 7은 도 5에 따른 이중 흡수층을 갖는 수직 나노선 광검출기 제조방법에서 수직 나노선 형성 단계를 설명하기 위한 평면도 및 단면도이다.
도 8은 도 7에 따라 형성된 수직 나노선의 여러 형태를 나타내는 도면이다.
도 9는 도 5에 따른 이중 흡수층을 갖는 수직 나노선 광검출기 제조방법에서 제1 반도체층 형성 단계를 설명하기 위한 평면도 및 단면도이다.
도 10은 도 5에 따른 이중 흡수층을 갖는 수직 나노선 광검출기 제조방법에서 전극 형성 단계를 설명하기 위한 평면도 및 단면도이다.
1 is a perspective view showing the basic structure of a conventional silicon vertical nanowire near-infrared photodetector.
2 is a perspective view showing the overall structure of a vertical nanowire photodetector having a double absorbing layer according to an embodiment of the present invention.
3 is a diagram showing sensitivity and external quantum efficiency (EQE) results for verifying the effects of the vertical nanowire and the rear absorbing layer of the vertical nanowire photodetector having a double absorbing layer according to an embodiment of the present invention.
4 is a diagram illustrating a principle of improving detection characteristics of a vertical nanowire photodetector having a double absorption layer according to an exemplary embodiment of the present invention.
5 is a flowchart of a method of manufacturing a vertical nanowire photodetector having a double absorbing layer according to an embodiment of the present invention.
6 is a plan view and a cross-sectional view illustrating a step of forming a rear absorption layer in the method of manufacturing a vertical nanowire photodetector having a double absorption layer according to FIG. 5.
7 is a plan view and a cross-sectional view illustrating a step of forming a vertical nanowire in the method of manufacturing a vertical nanowire photodetector having a double absorbing layer according to FIG. 5.
8 is a diagram showing various shapes of vertical nanowires formed according to FIG. 7.
9 is a plan view and a cross-sectional view illustrating a step of forming a first semiconductor layer in the method of manufacturing a vertical nanowire photodetector having a double absorbing layer according to FIG. 5.
10 is a plan view and a cross-sectional view illustrating a step of forming an electrode in the method of manufacturing a vertical nanowire photodetector having a double absorbing layer according to FIG. 5.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. In the present invention, various modifications may be made and various forms may be applied, and specific embodiments will be illustrated in the drawings and described in detail in the text. However, this is not intended to limit the present invention to a specific form disclosed, it should be understood to include all changes, equivalents, and substitutes included in the spirit and scope of the present invention.

각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 본 발명은 이중 흡수층을 갖는 수직 나노선 광검출기를 제작하는데 있어, 다양한 공정 장비를 활용할 수 있으며 특히, 후면 흡수층은 특정 물질에 대해 한정하려는 것이 아니며, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. In describing each drawing, similar reference numerals have been used for similar elements. In the present invention, in fabricating a vertical nanowire photodetector having a double absorbing layer, various processing equipment may be used, and in particular, the rear absorbing layer is not intended to be limited to a specific material, and it should be understood to include equivalents or substitutes.

또한 수직 실리콘 나노선 배열은 모래시계 형태로 한정하려는 것이 아니며, 실리콘 식각공정을 기반으로 제작되고 근적외선 광흡수를 증대시킬 수 있는 다양한 구조(원통형, 원뿔형 및 역원뿔형 등)를 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 상기 후면 흡수층 및 모래시계 형태의 수직 나노선 어레이 중 어느 하나가 광검출기에 단일로 적용되는 것이 아니며, 두 가지 구조층이 동시에 적용되어 상호작용함으로써 최대 근적외선 광흡수를 얻을 수 있다.In addition, the vertical silicon nanowire array is not intended to be limited to an hourglass shape, and it should be understood to include various structures (cylindrical, conical, and inverted conical types, etc.) that are manufactured based on a silicon etching process and can increase near-infrared light absorption. . Any one of the rear absorption layer and the hourglass-shaped vertical nanowire array is not applied to the photodetector alone, and the two structural layers are applied simultaneously and interact to obtain maximum near-infrared light absorption.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 본문에 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다. Unless otherwise defined, all terms used in the text, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which the present invention belongs. Terms such as those defined in commonly used dictionaries should be interpreted as having a meaning consistent with the meaning in the context of the related technology, and should not be interpreted as an ideal or excessively formal meaning unless explicitly defined in this application. Does not.

본 명세서에서 위쪽, 상(부), 상단, 전면 등의 방향적인 표현은 그 기준에 따라 아래쪽, 하(부), 하단, 후면 등의 의미로 이해될 수 있다. 즉, 공간적인 방향의 표현은 상대적인 방향으로 이해되어야 하며 절대적인 방향을 의미하는 것으로 한정 해석되어서는 안 된다.In this specification, directional expressions such as top, top (part), top, front, etc. may be understood as meanings of bottom, bottom (part), bottom, rear, etc. according to the criteria. In other words, the expression of a spatial direction should be understood as a relative direction and should not be construed limitedly to mean an absolute direction.

도면들에 있어서, 층 및 영역들의 두께는 명확성을 기하기 위하여 과장 또는 생략된 것일 수 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.In the drawings, the thickness of layers and regions may be exaggerated or omitted for clarity. The same reference numbers throughout the specification denote the same elements.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시 예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이중 흡수층을 갖는 수직 나노선 광검출기의 전체적인 구조를 나타내는 사시도이다.2 is a perspective view showing the overall structure of a vertical nanowire photodetector having a double absorbing layer according to an embodiment of the present invention.

도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이중 흡수층을 갖는 수직 나노선 광검출기(200)는 p형 또는 n형으로 이루어진 반도체 기판(210)과, 상기 반도체 기판의 전면에 어레이 형태로 형성된 수직 나노선(220)과, 상기 수직 나노선(220) 상에 반도체 기판과 다른 타입의 도핑 물질이 도핑되어 형성된 제1 반도체층(230)과, 반도체 기판(210)에 접촉하지 않으며 제1 반도체층(230)에만 접촉되고 모래시계 형태의 수직 나노선(220)에 빛이 잘 입사되도록 상기 제1 반도체층(230) 상단의 가장자리에 형성된 제1 전극(240)과, 흡수 깊이가 긴 근적외선 빛을 흡수하기 위해 상기 반도체 기판(210)의 후면에 형성된 후면 흡수층(250) 및 상기 후면 흡수층(250) 하단에 형성된 제2 전극(260)을 포함한다.Referring to FIG. 2, a vertical nanowire photodetector 200 having a double absorption layer according to an embodiment of the present invention includes a p-type or n-type semiconductor substrate 210 in an array form on the front surface of the semiconductor substrate. The vertical nanowires 220 formed, the first semiconductor layer 230 formed by doping a doping material of a different type from the semiconductor substrate on the vertical nanowires 220, and the first semiconductor layer 230 are not in contact with the semiconductor substrate 210 A first electrode 240 formed at an upper edge of the first semiconductor layer 230 so that light is in contact only with the semiconductor layer 230 and light is easily incident on the vertical nanowire 220 in the form of an hourglass, and near-infrared rays having a long absorption depth In order to absorb light, a rear absorption layer 250 formed on the rear surface of the semiconductor substrate 210 and a second electrode 260 formed below the rear absorption layer 250 are included.

모래시계 형태의 수직 나노선(220)은 상단부의 역원뿔형 구조와 하단부의 원뿔형 구조의 결합으로 이루어져 있으며 도핑농도와 도핑타입은 반도체 기판(210)과 같다. 모래시계 형태의 상단부 역원뿔 구조에서는 근적외선 파장에서 광공진이 발생하여 빛이 상단부 나노선 표면에 오래 머무름으로써 빛흡수가 향상된다. 동시에 하단부 원뿔 구조는 표면의 경사로 원통형 구조보다 표면 반사율이 작아 인접한 모래시계 상단부의 광공진으로부터 새어나오는 근적외선 파장의 빛을 재흡수한다. 모래시계 형태의 수직 나노선 구조는 상단부와 하단부의 상호작용으로 다른 원통형, 원뿔형, 역원뿔형 나노선 구조보다 빛의 흡수가 뛰어나다. The vertical nanowire 220 in the form of an hourglass is composed of a combination of an inverted conical structure at the upper end and a conical structure at the lower end, and the doping concentration and doping type are the same as the semiconductor substrate 210. In an hourglass-shaped upper inverted cone structure, light resonance occurs at near-infrared wavelengths, and light stays on the upper nanowire surface for a long time, thereby improving light absorption. At the same time, the conical structure of the lower part has a smaller surface reflectivity than the cylindrical structure due to the slope of the surface, so it reabsorbs the light of the near-infrared wavelength that leaks from the optical resonance of the upper part of the adjacent hourglass. The vertical nanowire structure in the form of an hourglass has better light absorption than other cylindrical, conical, and inverted conical nanowire structures due to the interaction of the upper and lower parts.

상기 모래시계 형태의 수직 나노선(220)을 대신하여 원통형, 원뿔형 또는 역원뿔형 나노선 구조가 사용될 수도 있다. A cylindrical, conical, or inverted conical nanowire structure may be used in place of the hourglass-shaped vertical nanowire 220.

상기 광검출기의 활성영역 면적을 일정하게 만들고 반도체 기판(210) 상에서 광검출기 간의 전기적 절연을 위해 모래시계 형태의 수직 나노선(220)의 표면 및 반도체 기판(210) 상에 형성되는 제1 반도체층(230) 중 모래시계 형태의 수직 나노선(220)을 완전히 포함하는 원형 또는 사각형 구조 바깥영역의 제1 반도체층(230)을 식각으로 제거한다.A first semiconductor layer formed on the surface of the vertical nanowire 220 in the form of an hourglass and on the semiconductor substrate 210 to make the active area area of the photodetector constant and to electrically insulate the photodetectors on the semiconductor substrate 210 The first semiconductor layer 230 of the outer region of the circular or rectangular structure completely including the vertical nanowire 220 in the form of an hourglass is removed by etching.

입사되는 빛의 반사도를 줄이기 위해 상기 제1 반도체층(230) 상에 반사방지막층(미도시)을 추가적으로 증착할 수도 있다. 이때 반사방지막은 SiO2, SiNx,Al2O3 등의 물질 들 중 하나가 사용될 수 있다. An antireflection layer (not shown) may be additionally deposited on the first semiconductor layer 230 to reduce reflectivity of incident light. At this time, the antireflection film may be one of materials such as SiO 2 , SiN x , and Al 2 O 3 .

상기 후면 흡수층(250)은 근적외선 또는 적외선 파장의 빛을 흡수할 수 있는 밴드갭을 가지며 저항이 낮은 물질로 이루어진다. 예를 들면 SixGe1-x, Ge 등의 반도체 물질일 수 있으나 이에 한정하지는 않는다. 후면 흡수층(250)은 모래시계 형태의 수직 나노선(220)에 흡수되지 못하고 반도체 기판(210)의 후면에 도달한 근적외선 또는 적외선 빛을 추가적으로 흡수하여 광검출기의 근적외선 또는 적외선 검출특성을 향상시킨다. The rear absorption layer 250 is made of a material having a low resistance and having a band gap capable of absorbing light of a near-infrared or infrared wavelength. For example, it may be a semiconductor material such as Si x Ge 1-x and Ge, but is not limited thereto. The rear absorption layer 250 is not absorbed by the vertical nanowires 220 in the form of an hourglass, but additionally absorbs near-infrared or infrared light reaching the rear surface of the semiconductor substrate 210 to improve the near-infrared or infrared detection characteristics of the photodetector.

광검출기의 전기적 연결을 형성하고 모래시계 형태의 수직 나노선(220)으로 빛이 입사될 수 있도록 식각으로 형성된 제1 반도체층(230)의 가장자리에 제1 전극(240)이 형성된다. 이때 제1 전극(240)은 제1 반도체층(230)과는 접촉하고 반도체 기판(210)과는 접촉하지 않아야 한다. The first electrode 240 is formed on the edge of the first semiconductor layer 230 formed by etching to form an electrical connection between the photodetector and allow light to enter the vertical nanowire 220 in the form of an hourglass. At this time, the first electrode 240 should contact the first semiconductor layer 230 and not the semiconductor substrate 210.

상기 후면 흡수층(250)의 아래에는 전기적 연결을 위해 제2 전극(260)이 형성된다. 제2 전극(260)은 후면 흡수층(250) 전면에 고른 전계가 가해질 수 있도록 후면 흡수층(250)의 전체에 걸쳐 형성된다. 또한 후면 흡수층(250)은 모래시계 형태의 수직 나노선(220)과 후면 흡수층(250)에 흡수되지 못한 긴 흡수깊이의 근적외선 또는 적외선 빛을 전반사시켜 후면 흡수층(250)과 모래시계 형태의 수직 나노선(220)에 다시 재흡수되도록 한다.A second electrode 260 is formed under the rear absorbing layer 250 for electrical connection. The second electrode 260 is formed over the entire rear absorption layer 250 so that an even electric field can be applied to the front surface of the rear absorption layer 250. In addition, the rear absorbing layer 250 totally reflects the vertical nanowires 220 in the form of an hourglass and the near-infrared or infrared light having a long absorption depth that was not absorbed by the rear absorbing layer 250, so that the rear absorbing layer 250 and the vertical nanowires in the form of an hourglass are reflected. It is to be reabsorbed in the line 220 again.

상기 이중 흡수층을 갖는 수직 나노선 광검출기는 전면의 모래시계 형태의 수직 나노선 구조에서 광공진 효과와 반사된 빛의 재흡수를 통해 흡수를 향상시키고 모래시계 형태의 수직 나노선(220)에서 흡수되지 못한 긴 흡수깊이를 가지는 근적외선 또는 적외선 빛을 후면 흡수층에서 재흡수한다. 또한 모래시계 형태의 수직 나노선(220)과 후면 흡수층(250)에 의해 흡수되지 못한 근적외선 또는 적외선 빛을 제2 전극(260)을 통해 반도체 기판(210)의 전면부로 전반사시켜 후면 흡수층(250)과 모래시계 모양 수직 나노선(220)에 다시 한번 흡수시킴으로써 광검출 특성(감응도와 양자효율)을 향상시킨다.The vertical nanowire photodetector having the double absorption layer improves absorption through the optical resonance effect and re-absorption of reflected light in the vertical nanowire structure in the form of an hourglass on the front surface, and is absorbed in the vertical nanowire 220 in the form of an hourglass. Near-infrared or infrared light having a long absorption depth that is not possible is reabsorbed in the rear absorption layer. In addition, the near-infrared or infrared light that has not been absorbed by the vertical nanowire 220 in the form of an hourglass and the rear absorbing layer 250 is totally reflected to the front surface of the semiconductor substrate 210 through the second electrode 260 to the rear absorbing layer 250. And by absorbing once again in the hourglass-shaped vertical nanowire 220 improves the photodetection characteristics (sensitivity and quantum efficiency).

평가예1Evaluation Example 1

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 이중 흡수층을 갖는 수직 나노선 광검출기의 수직 나노선과 후면 흡수층의 효과를 검증하기 위한 감응도 및 외부양자효율(external quantum efficiency; EQE) 결과를 나타내는 도면이다.3 is a diagram showing sensitivity and external quantum efficiency (EQE) results for verifying the effects of the vertical nanowire and the rear absorbing layer of the vertical nanowire photodetector having a double absorbing layer according to an embodiment of the present invention.

성능비교를 위해 후면 흡수층을 가지는 원통형 수직 나노선 및 평판 광검출기와 후면 흡수층을 가지지 않는 원통형 수직 나노선 및 평판 광검출기의 감응도 및 외부양자효율 결과를 함께 도시하였다. 이때, 후면 흡수층(250)은 SiGe으로 이루어졌으며 제1 전극(240) 및 제2 전극(260)은 알루미늄을 사용하였다.For performance comparison, the sensitivity and external quantum efficiency results of a cylindrical vertical nanowire and a flat plate photodetector with a rear absorption layer and a cylindrical vertical nanowire and a flat plate photodetector without a rear absorption layer are shown together. At this time, the rear absorption layer 250 is made of SiGe, and the first electrode 240 and the second electrode 260 are made of aluminum.

감응도(Rλ, 단위: A/W)는 동일한 세기의 광원에 대해 광검출기의 신호가 얼마나 크게 변하는지를 나타내는 특성지표이다. 감응도는 단색광출력기(monochromator)의 광원 조사 전후에 나타나는 광검출기의 암전류와 광전류를 이용하여 아래의 식과 같이 계산한다.Sensitivity (R λ, unit: A/W) is a characteristic index indicating how much the signal of the photodetector changes for a light source of the same intensity. Sensitivity is calculated as follows using the dark current and photocurrent of the photodetector appearing before and after irradiation of the light source of the monochromator.

Figure pat00001
Figure pat00001

식에서 I light 는 빛이 가해진 상태에서의 전류, I dark 는 빛이 없는 상태에서의 전류인 암전류(dark current), P는 빛의세기(light intensity)이며, AA는 활성영역이다.In the equation, I light is the current in the state where light is applied, I dark is the current in the absence of light, dark current, P is the light intensity, and AA is the active area.

외부양자효율(EQE, 단위: %)은 입사광의 광자(photon)에 의해 발생되는 전하들이 광전류에 기여하는 비율을 나타낸다. 외부양자효율은 감응도를 이용하여 추출할 수 있으며 계산식은 아래와 같다.The external quantum efficiency ( EQE , unit: %) represents the rate at which charges generated by photons of incident light contribute to the photocurrent. The external quantum efficiency can be extracted using sensitivity, and the calculation formula is as follows.

Figure pat00002
Figure pat00002

위 식에서 h는 플랑크 상수(Planck constant, 6.63ㅧ10-34m2kg/s), c는 빛의 속도(3ㅧ108m/s), q는 전하량(1.6ㅧ10-19C), λ는 빛의 파장(wavelength)을 나타낸다.In the above equation, h is the Planck constant (6.33x10 -34 m 2 kg/s), c is the speed of light (3x10 8 m/s), q is the amount of charge (1.6x10 -19 C), λ Represents the wavelength of light.

도 3의 (a)는 근적외선 파장영역(700-1100 nm)에서의 감응도를 나타낸다. 3A shows the sensitivity in the near-infrared wavelength region (700-1100 nm).

도 3의 (a)를 참조하면, 후면 흡수층의 유무와 관계없이 감응도가 모래시계 형태의 수직 나노선 광검출기, 원통형 수직 나노선 광검출기, 평판형 광검출기 순으로 우수한 것을 알 수 있다. 원통형 수직 나노선 어레이 구조에서 나노선은 표면적이 넓고 인접한 나노선으로부터 반사되는 빛을 재흡수하기 때문에 평판형 구조보다 빛 흡수가 뛰어나 높은 감응도를 보인다.Referring to FIG. 3A, regardless of the presence or absence of the rear absorbing layer, it can be seen that the sensitivity is in the order of an hourglass-shaped vertical nanowire photodetector, a cylindrical vertical nanowire photodetector, and a flat plate photodetector. In the cylindrical vertical nanowire array structure, the nanowire has a large surface area and re-absorbs light reflected from adjacent nanowires, so it has better light absorption than a flat plate structure and shows high sensitivity.

모래시계 형태의 수직 나노선 어레이는 상단부 역원뿔 구조에서 광공진이 발생하여 빛이 상단부 나노선 표면에 오래 머물러 빛 흡수가 향상됨과 동시에 하단부 원뿔 구조는 원통형 구조보다 표면 반사율이 낮아 상단부의 광공진으로부터 새어나오는 근적외선 파장의 빛을 원통형보다 더 많이 재흡수한다. 따라서 모래시계 형태의 수직 나노선 어레이는 원통형 나노선 및 평판 구조보다 빛 흡수가 높으며 매우 뛰어난 감응도를 보인다.The vertical nanowire array in the form of an hourglass generates light resonance in the upper inverted cone structure, so that light stays on the upper nanowire surface for a long time to improve light absorption. At the same time, the lower cone structure has a lower surface reflectivity than the cylindrical structure, so it is It absorbs more of the leaked near-infrared light than the cylinder. Therefore, the vertical nanowire array in the form of an hourglass has higher light absorption than that of cylindrical nanowires and flat plate structures and shows very excellent sensitivity.

또한, 후면 흡수층을 가지는 수직 나노선 광검출기와 원통형 나노선 광검출기는 후면 흡수층이 없는 경우보다 감응도가 향상되는 것을 알 수 있다. 반면 평판형 광검출기는 후면 흡수층의 유무에 따른 감응도 차이가 거의 나타나지 않는다. 평판형 구조의 경우 근적외선 빛이 표면에서 오래 머무르지 못하고 바로 후면 흡수층에 도달한 후 후면 제2 전극에 반사되어 후면 흡수층과 표면에서 다시 흡수가 이루어진다. 하지만 흡수깊이가 긴 근적외선 파장의 빛은 평판형 반도체 기판을 통과하는 시간이 짧아 후면 흡수층 및 제2 전극에 반사된 후 후면 흡수층과 표면에서 재흡수되는 빛의 양이 작다. In addition, it can be seen that the sensitivity of the vertical nanowire photodetector and the cylindrical nanowire photodetector having a rear absorption layer are improved compared to the case without the rear absorption layer. On the other hand, in the flat-panel photodetector, there is little difference in sensitivity depending on the presence or absence of the rear absorption layer. In the case of the flat plate structure, near-infrared light does not stay on the surface for a long time, but immediately reaches the rear absorption layer and is reflected by the rear second electrode to be absorbed again at the rear absorption layer and the surface. However, the amount of light reabsorbed from the rear absorbing layer and the surface after being reflected by the rear absorbing layer and the second electrode is small because the light of the near-infrared wavelength having a long absorption depth passes through the flat semiconductor substrate for a short time.

이에 비해 모래시계 형태의 수직 나노선과 원통형 나노선은 나노선 구조에서 빛이 머무는 시간이 길어 후면 흡수층에 의해 흡수되는 빛의 양이 평판에 비해 크며 제2 전극에 반사된 후에도 빛은 표면의 나노선 구조에서 오랜시간 흡수가 진행되어 감응도가 높다. 모래시계 구조의 경우 광공진으로 원통형 나노선보다 빛이 더 오래 머무르기 때문에 감응도 향상 효과가 더 크다. 이중 흡수층 나노선 광검출기의 감응도 향상효과는 광 흡수 깊이가 수백 um 이상인 긴 파장에서 (1,000nm 및 1,100nm)에서 크게 나타나며 흡수깊이가 기판두께보다 낮은 파장의 빛은 나노선의 형태 및 후면 흡수층의 유무와 관계없이 감응도가 큰 차이를 보이지 않는다. 700nm, 800nm 및 900nm 파장의 빛은 반도체 기판 후면에 도달하기 어렵기 때문이다.In contrast, vertical nanowires and cylindrical nanowires in the form of an hourglass have a longer time to stay in the nanowire structure, so the amount of light absorbed by the rear absorption layer is larger than that of the flat plate, and even after being reflected by the second electrode, the light remains on the surface. The structure is absorbed for a long time, so the sensitivity is high. In the case of the hourglass structure, since light stays longer than cylindrical nanowires due to optical resonance, the effect of improving the sensitivity is greater. The effect of improving the sensitivity of the double absorbing layer nanowire photodetector is large at long wavelengths (1,000 nm and 1,100 nm) with a light absorption depth of several hundred um or more, and light with a wavelength lower than the thickness of the substrate is in the form of a nanowire and the presence or absence of a rear absorbing layer Regardless of the sensitivity, there is no significant difference. This is because light of 700nm, 800nm and 900nm wavelength is difficult to reach the back side of the semiconductor substrate.

도 3의 (b)는 근적외선 파장영역(700-1100 nm)에서의 외부양자효율을 나타낸다. 3B shows the external quantum efficiency in the near-infrared wavelength region (700-1100 nm).

도 3의 (b)를 참조하면, 외부양자효율은 감응도와 유사한 경향을 보이는 것을 알 수 있다. 후면 흡수층을 가지는 광검출기는 모래시계 형태의 나노선, 원통형 나노선, 평판형 순으로 높은 외부양자효율을 보인다. 전면의 나노선 구조와 후면 흡수층이 동시에 적용되어야 광검출기의 외부양자효율이 우수하다. Referring to (b) of FIG. 3, it can be seen that the external quantum efficiency has a similar tendency to the sensitivity. The photodetector having a rear absorbing layer shows high external quantum efficiency in the order of hourglass-shaped nanowires, cylindrical nanowires, and flat plate types. The external quantum efficiency of the photodetector is excellent when the front nanowire structure and the rear absorption layer are applied at the same time.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 이중 흡수층을 갖는 수직 나노선 광검출기의 검출특성 향상 원리를 설명하기 위한 도면이다.4 is a diagram illustrating a principle of improving detection characteristics of a vertical nanowire photodetector having a double absorbing layer according to an exemplary embodiment of the present invention.

도 4의 (a)는 본 발명의 일 실시예에 따른 이중 흡수층을 갖는 수직 나노선 광검출기에서 모래시계 형태의 수직 나노선에서부터 후면 흡수층에 빛이 흡수되는 과정을 묘사하는 그림이다. 4A is a diagram illustrating a process in which light is absorbed from the vertical nanowire in the form of an hourglass to the rear absorption layer in the vertical nanowire photodetector having a double absorption layer according to an embodiment of the present invention.

모래시계 형태의 수직 나노선(220)에서 입사되는 빛은 모래시계 상단부의 역원뿔 구조에서 공진이 발생해 표면에 오랜 시간동안 머물면서 흡수가 이루어진다. 동시에 역원뿔 구조 표면에서 빛이 머무는 동안 새어나오는 빛이 주변 모래시계 형태 나노선 하단부의 원뿔 구조에 대부분 흡수된다. Light incident from the vertical nanowire 220 in the form of an hourglass is absorbed while staying on the surface for a long time because resonance occurs in an inverted cone structure at the top of the hourglass. At the same time, most of the light leaking from the surface of the inverted cone structure is absorbed by the conical structure at the bottom of the surrounding hourglass-shaped nanowire.

원뿔 구조는 상단부터 하단으로 갈수록 직경이 증가하여 표면반사도가 낮아 원통형 구조보다 많은 빛을 흡수하게 된다. 그 후에 모래시계 모양 나노선에 의해 흡수되지 못한 빛은 후면 흡수층에 도달하여 흡수가 이루어진다. 700nm, 800nm 및 900nm 파장의 빛은 광 흡수 깊이가 반도체 기판 두께보다 작기 때문에 반도체 기판 후면에 도달하는 양이 없거나 매우 작으며 광 흡수 깊이가 수백 마이크로미터(um) 이상인 긴 파장(1,000nm 및 1,100nm)의 빛만 기판 후면에 도달한다. 따라서 긴 파장의 빛을 흡수하기 위해 작은 밴드갭을 가지는 물질을 후면 흡수층으로 사용한다. The conical structure increases in diameter from the top to the bottom, and the surface reflectivity is low, absorbing more light than the cylindrical structure. After that, the light not absorbed by the hourglass-shaped nanowires reaches the rear absorption layer and is absorbed. Light at wavelengths of 700 nm, 800 nm and 900 nm has no or very small amount reaching the back side of the semiconductor substrate because the light absorption depth is less than the thickness of the semiconductor substrate, and long wavelengths (1,000 nm and 1,100 nm) with a light absorption depth of several hundred micrometers (um) or more. ) Only light reaches the back of the substrate. Therefore, in order to absorb long wavelength light, a material having a small band gap is used as the rear absorption layer.

추가적으로 모래시계 형태의 수직 나노선(220)과 후면 흡수층(250)에 흡수되지 못한 빛은 제2 전극(260)에 전반사되어 다시 표면으로 향하며 차례대로 후면 흡수층(250)과 모래시계 형태의 수직 나노선(220)에 재흡수된다. 앞서 언급된 모래시계 형태의 수직 나노선(220)과 후면 흡수층(250)의 상호 작용으로 인해 빛의 흡수량이 증가하며 이중 흡수층 나노선 광검출기의 근적외선 또는 적외선 파장 빛의 검출 특성이 향상된다. 평판형 구조의 경우 근적외선 빛이 표면에서 오래 머무르지 못하고 바로 후면 흡수층(250)에 도달한 후 후면의 제2 전극(260)에 반사되어 후면 흡수층(250)과 표면에서 다시 흡수가 이루어지기 때문에 후면 흡수층(250)의 유무와 상관없이 흡수되는 빛의 양의 차이에는 큰 변화가 없다.Additionally, light that cannot be absorbed by the vertical nanowire 220 in the form of an hourglass and the rear absorbing layer 250 is totally reflected by the second electrode 260 and goes back to the surface. It is reabsorbed in the line 220. Due to the interaction between the above-mentioned hourglass-shaped vertical nanowire 220 and the rear absorption layer 250, the amount of light absorption increases, and the detection characteristics of near-infrared or infrared wavelength light of the double-absorbing layer nanowire photodetector are improved. In the case of the flat plate structure, the near-infrared light does not stay on the surface for a long time and immediately reaches the rear absorption layer 250 and is reflected by the second electrode 260 on the rear surface to be absorbed again from the rear absorption layer 250 and the surface. Regardless of the presence or absence of the absorption layer 250, there is no significant change in the difference in the amount of absorbed light.

도 4의 (b)는 본 발명의 일 실시예에 따른 이중 흡수층을 갖는 수직 나노선 광검출기에서 후면 흡수층에 빛이 흡수되는 원리를 설명하기 위한 에너지밴드 다이어그램을 묘사하는 그림이다. 4B is a diagram depicting an energy band diagram for explaining a principle in which light is absorbed by a rear absorbing layer in a vertical nanowire photodetector having a double absorbing layer according to an embodiment of the present invention.

에너지밴드 다이어그램은 역방향 전압이 인가되었을 때를 나타내며 후면 흡수층(250)은 실리콘 물질보다 작은 밴드갭(<1.12eV)을 가지는 SiGe이 사용되었다. 역방향 전압에서 광검출기 내부의 전압강하는 제1 반도체층(230)과 반도체 기판(210)의 접합면과 반도체 기판(210)과 후면 흡수층(250)의 접합면에서 대부분 발생한다. 광검출기 내부로 근적외선 또는 적외선 빛이 인가되면 전면의 제1 반도체층(230)과 반도체 기판(210)의 접합면에서 1차적으로 광원에 의해 전자-정공쌍이 발생하며 후면의 반도체 기판(210)과 후면 흡수층(250)의 접합면에서 2차적으로 전자-정공쌍이 발생한다. The energy band diagram shows when a reverse voltage is applied, and SiGe having a smaller band gap (<1.12eV) than that of a silicon material is used as the rear absorption layer 250. In the reverse voltage, the voltage drop inside the photodetector mostly occurs at the bonding surface between the first semiconductor layer 230 and the semiconductor substrate 210 and the bonding surface between the semiconductor substrate 210 and the rear absorbing layer 250. When near-infrared or infrared light is applied to the inside of the photodetector, electron-hole pairs are primarily generated by the light source at the junction surface of the first semiconductor layer 230 and the semiconductor substrate 210 on the front side, and the semiconductor substrate 210 and the rear side Electron-hole pairs are secondarily generated on the bonding surface of the rear absorption layer 250.

그 후 제2 전극(260)에 반사된 빛에 의해 반도체 기판(210)과 후면 흡수층(250)의 접합면에서 3차적으로 전자-정공쌍이 발생하고 마지막으로 제1 반도체층(230)과 반도체 기판(210)의 접합면에서 4차적으로 전자-정공쌍이 발생한다. 이때 후면 흡수층(250)에서 생성된 정공들은 제 2전극(260)으로 이동하여 광전류에 기여한다. 반면, 후면 흡수층(250)에서 생성된 전자들은 반도체 기판(210)을 통과하여 제1 전극(240)으로 이동하여 광전류에 기여하게 된다. Thereafter, electron-hole pairs are thirdly generated at the junction surface of the semiconductor substrate 210 and the rear absorbing layer 250 by the light reflected from the second electrode 260, and finally, the first semiconductor layer 230 and the semiconductor substrate Electron-hole pairs are quaternarily generated at the junction of (210). At this time, the holes generated in the rear absorption layer 250 move to the second electrode 260 and contribute to the photocurrent. On the other hand, electrons generated in the rear absorption layer 250 pass through the semiconductor substrate 210 and move to the first electrode 240 to contribute to the photocurrent.

전자들은 반도체 기판(210)을 이동하는 동안 재결합되어 사라질 수 있는데 재결합 양은 반도체 기판(210)의 농도에 따라 결정된다. 따라서 이중 흡수층 나노선 광검출기는 반도체 기판(210)과 후면 흡수층(250)의 접합면에서 생성된 정공들과 제1 반도체층(230)과 반도체 기판(210)의 접합면에서 생성된 전자들에 의해 광전류가 결정된다고 볼 수 있다.Electrons may be recombined and disappeared while moving the semiconductor substrate 210, and the amount of recombination is determined according to the concentration of the semiconductor substrate 210. Therefore, the double absorption layer nanowire photodetector is applied to holes generated on the bonding surface of the semiconductor substrate 210 and the rear absorption layer 250 and electrons generated on the bonding surface of the first semiconductor layer 230 and the semiconductor substrate 210. It can be seen that the photocurrent is determined by this.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 이중 흡수층을 갖는 수직 나노선 광검출기 제조방법의 공정 흐름도이고, 도 6 내지 도 10은 도 5에 따른 이중 흡수층 나노선 광검출기의 제조방법의 각 단계를 설명하기 위한 단면도 및 평면도이다.5 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a vertical nanowire photodetector having a double absorbing layer according to an embodiment of the present invention, and FIGS. 6 to 10 illustrate each step of the method of manufacturing a double absorbing layer nanowire photodetector according to FIG. 5. It is a cross-sectional view and a plan view for explanation.

도 5 내지 도 10을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 이중 흡수층 나노선 광검출기의 제조방법을 설명하기로 한다.A method of manufacturing a double absorbing layer nanowire photodetector according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 5 to 10.

도 5에 도시된 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 이중 흡수층을 갖는 수직 나노선 광검출기 제조방법은 후면흡수층 형성 단계(S100), 수직 나노선 형성단계(S200), 제1 반도체층 형성단계(S300) 및 전극형성 단계(S400)를 포함한다.As shown in FIG. 5, the method of manufacturing a vertical nanowire photodetector having a double absorbing layer according to an embodiment of the present invention includes forming a rear absorbing layer (S100), forming a vertical nanowire (S200), and forming a first semiconductor layer. (S300) and electrode formation step (S400).

후면흡수층 형성 단계(S100)에서는 반도체 기판(210)의 후면에 흡수층(250)을 형성한다.In the step of forming the rear absorption layer (S100), the absorption layer 250 is formed on the rear surface of the semiconductor substrate 210.

수직 나노선 형성단계(S200)에서는 상기 반도체 기판(210)의 표면을 식각하여 어레이 형태의 수직 나노선(220)을 형성한다.In the vertical nanowire forming step (S200), the surface of the semiconductor substrate 210 is etched to form the vertical nanowire 220 in the form of an array.

제1 반도체층 형성단계(S300)에서는 상기 수직 나노선(220)의 표면에 상기 반도체 기판(210)의 물질과 반대되는 타입의 도핑 물질이 도핑된 제1 반도체층(230)을 형성한다.In the first semiconductor layer forming step (S300 ), a first semiconductor layer 230 doped with a doping material of a type opposite to that of the semiconductor substrate 210 is formed on the surface of the vertical nanowire 220.

전극형성 단계(S400)에서는 상기 제1 반도체층(230)상의 가장자리에 제1전극(240)을 형성하고 상기 후면 흡수층(250)의 하단에 제2 전극(260)을 형성한다.In the electrode formation step (S400), a first electrode 240 is formed at an edge of the first semiconductor layer 230 and a second electrode 260 is formed at a lower end of the rear absorbing layer 250.

도 6 내지 도 10을 참고하여 후면흡수층 형성 단계(S100), 수직 나노선 형성단계(S200), 제1 반도체층 형성단계(S300) 및 전극형성 단계(S400)를 상세히 설명하기로 한다.Referring to FIGS. 6 to 10, the back absorbing layer forming step (S100), the vertical nanowire forming step (S200), the first semiconductor layer forming step (S300), and the electrode forming step (S400) will be described in detail.

도 6은 도 5에 따른 이중 흡수층을 갖는 수직 나노선 광검출기 제조방법에서 후면 흡수층 형성 단계를 설명하기 위한 평면도 및 단면도이다.6 is a plan view and a cross-sectional view illustrating a step of forming a rear absorption layer in the method of manufacturing a vertical nanowire photodetector having a double absorption layer according to FIG. 5.

도 6을 참조하면, 후면 흡수층(250)을 형성하기 전에 습식식각 공정을 이용해 반도체 기판(210)의 자연산화막을 제거하는 자연산화막 제거단계(S110)를 진행한다. 그 후 반도체 기판(210) 후면에 근적외선 또는 적외선 빛의 흡수가 이루어지도록 후면 흡수층(250)을 형성한다.(S120) 이때 사용하는 반도체 기판(210)은 p 타입 또는 n 타입 중 하나가 될 수 있으며 후면 흡수층(250)은 실리콘 물질보다 밴드갭(1.12eV)이 작은 SiGe, Ge, InGaAs 및 이에 상응하는 물질 중 어느 하나가 될 수 있다. 추가적으로 후면 흡수층의 저항을 낮추기 위해 물질의 종류에(Ⅳ족, Ⅲ-Ⅴ족) 따라 이에 상응하는 n형 또는 p형 불순물을 주입할 수도 있다. Referring to FIG. 6, before forming the rear absorption layer 250, a natural oxide film removal step (S110) of removing the natural oxide film of the semiconductor substrate 210 using a wet etching process is performed. Thereafter, a rear absorption layer 250 is formed on the rear surface of the semiconductor substrate 210 to absorb near-infrared or infrared light. (S120) The semiconductor substrate 210 used at this time may be either a p-type or an n-type. The rear absorption layer 250 may be formed of any one of SiGe, Ge, InGaAs, and corresponding materials having a smaller band gap (1.12eV) than a silicon material. In addition, in order to lower the resistance of the rear absorption layer, an n-type or p-type impurity corresponding to the type of material (group IV, group III-V) may be implanted.

도 7은 도 5에 따른 이중 흡수층을 갖는 수직 나노선 광검출기 제조방법에서 수직 나노선 형성 단계를 설명하기 위한 평면도 및 단면도이다.7 is a plan view and a cross-sectional view illustrating a step of forming a vertical nanowire in the method of manufacturing a vertical nanowire photodetector having a double absorbing layer according to FIG. 5.

도 7을 참조하면, 수직 나노선 형성단계(S200)는, 상기 반도체 기판 상에 마스크층과 감광제층을 순차적으로 증착하는 마스크층 및 감광제층 증착단계(S210), 상기 감광제층에 패턴을 형성하는 패턴 형성단계(S220), 상기 패턴 사이로 노출된 상기 마스크층과 상기 반도체 기판을 차례로 건식 식각하여 수직 나노선의 어레이를 형성하는 수직 나노선 어레이 형성단계(S230) 및 상기 감광제층과 상기 마스크층을 제거하는 감광제층 및 마스크층 제거단계(S240);를 포함한다.Referring to FIG. 7, in the vertical nanowire formation step (S200), a mask layer and a photoresist layer deposition step (S210) of sequentially depositing a mask layer and a photoresist layer on the semiconductor substrate, forming a pattern on the photoresist layer. Pattern forming step (S220), vertical nanowire array forming step (S230) of forming an array of vertical nanowires by dry etching the mask layer and the semiconductor substrate exposed between the patterns in sequence (S230), and removing the photoresist layer and the mask layer And removing the photoresist layer and the mask layer (S240).

마스크층 및 감광제층 증착단계(S210)에서는 반도체 기판(210) 상에 식각 마스크로 사용될 마스크층(280)을 증착하고 순차적으로 감광제층(290)을 도포한다. 건식식각 공정 동안 높은 종횡비(aspect ratio)의 모래시계 형태의 수직 나노선(230)을 제작하기 위해 실리콘과 식각선택비가 높은 물질을 마스크층(280)으로 사용한다. 이때 사용되는 마스크층(280)은 SiO2와 SiN 등의 절연물질 또는 Al, Cr, Ni, Ti 등의 금속물질 중 하나가 사용될 수 있다.In the mask layer and photoresist layer deposition step (S210), a mask layer 280 to be used as an etching mask is deposited on the semiconductor substrate 210, and the photoresist layer 290 is sequentially applied. During the dry etching process, silicon and a material having a high etching selectivity are used as the mask layer 280 in order to manufacture the vertical nanowires 230 in the form of an hourglass having a high aspect ratio. The mask layer 280 used at this time may be one of an insulating material such as SiO 2 and SiN, or a metal material such as Al, Cr, Ni, and Ti.

패턴 형성단계(S220)에서는 리소그래피 공정을 이용하여 수직 나노선(220)의 상단부 패턴을 감광제(290)에 형성한다. 패턴 형성은 전자빔 리소그래피, 나노 임프린트, 이온빔 리소그래피, X-선 리소그래피, 극자외선 리소그래피, 포토 리소그래피 (스테퍼, 스캐너, 컨택 얼라이너 등) 중 어느 하나의 공정을 이용하는 것을 특징으로 한다. 빛의 표면 반사도는 수직 나노선(220)의 상단부 모양에도 영향을 받기 때문에 원형, 삼각형, 사각형, 오각형, 육각형 등의 다양한 모양으로 패턴이 이루어질 수 있으며 수직 나노선(220)의 배치도 삼각형, 사각형, 오각형, 육각형 등 다양한 형태로 이루어질 수 있다. In the pattern formation step S220, the upper end pattern of the vertical nanowire 220 is formed on the photoresist 290 using a lithography process. Pattern formation is characterized by using any one of electron beam lithography, nanoimprint, ion beam lithography, X-ray lithography, extreme ultraviolet lithography, and photolithography (stepper, scanner, contact aligner, etc.). Since the surface reflectivity of light is also affected by the shape of the upper end of the vertical nanowire 220, patterns can be formed in various shapes such as a circle, a triangle, a square, a pentagon, and a hexagon, and the arrangement of the vertical nanowire 220 is also a triangle, a square, It can be formed in various shapes, such as pentagons and hexagons.

수직 나노선 어레이 형성단계(S230)에서는 건식식각을 통해 마스크층(280)을 우선적으로 식각해 감광제의 패턴을 마스크층(280)으로 전사한다. 그 후, 패턴이 전사된 마스크층(280)을 기반으로 반도체 기판(210)에 건식식각을 수행함으로써 모래시계 형태의 수직 나노선(220)을 형성한다. 이때, 건식식각에 활용되는 식각가스의 비율, 압력, 온도, 소스 파워 및 바이어스 파워를 조절하여 모래시계 단면을 가지는 수직 나노선(220)이 형성된다. 건식식각의 조건들을 조절하면 원통형, 원뿔형, 역원뿔형의 나노선 단면을 형성할 수도 있다. 상기 나노선 단면들에 대해서는 후술될 도 8에서 구체적으로 설명하기로 한다. In the vertical nanowire array forming step (S230), the mask layer 280 is preferentially etched through dry etching to transfer the pattern of the photoresist to the mask layer 280. Thereafter, dry etching is performed on the semiconductor substrate 210 based on the mask layer 280 to which the pattern has been transferred, thereby forming the vertical nanowire 220 in the form of an hourglass. At this time, vertical nanowires 220 having an hourglass cross section are formed by adjusting the ratio, pressure, temperature, source power, and bias power of the etching gas used for dry etching. By adjusting the dry etching conditions, it is possible to form a cylindrical, conical, or inverted conical nanowire cross section. The cross-sections of the nanowires will be described in detail in FIG. 8 to be described later.

감광제층 및 마스크층 제거단계(S240)에서는 모래시계 형태의 수직 나노선(220)을 형성한 후 남아있는 마스크층(280) 및 감광제층(290)의 잔여물을 SPM(H2SO4 및 H2O2 혼합물) 용액과 dHF(dilute hydrofluoric acid) 용액을 활용한 습식식각 공정으로 제거한다. 최종적으로 후면 흡수층(260)과 모래시계 형태의 수직 나노선(220)이 형성된 반도체 기판(210)을 제작한다. In the step of removing the photoresist layer and the mask layer (S240), after forming the vertical nanowire 220 in the form of an hourglass, the remaining mask layer 280 and the photoresist layer 290 are removed from SPM (H 2 SO 4 and H 2 O 2 mixture) solution and dHF (dilute hydrofluoric acid) solution are used to remove by wet etching process. Finally, the semiconductor substrate 210 on which the rear absorption layer 260 and the vertical nanowires 220 in the form of an hourglass are formed is fabricated.

건식식각 공정 후에는 수직 나노선(220)의 표면에 결함(defect)이 발생하게 되는데 이는 추후 빛에 의해 생성된 전자-정공 쌍을 재결합시켜 감응도와 외부양자효율을 저하시킬 수 있다. 따라서 광검출기의 성능 향상을 위한 표면결함 제거를 위해 추가적인 SiO2 형성 산화공정 및 SiO2 제거 습식식각 공정을 수행하여 수직 나노선의 표면결함을 제거하는 수직 나노선의 표면결함 제거단계를 더 수행할 수도 있다. After the dry etching process, a defect occurs on the surface of the vertical nanowire 220, which may reduce sensitivity and external quantum efficiency by recombining electron-hole pairs generated by light later. Therefore, in order to remove surface defects to improve the performance of the photodetector, an additional SiO 2 formation oxidation process and a SiO 2 removal wet etching process may be performed to further perform the surface defect removal step of the vertical nanowires to remove the surface defects of the vertical nanowires. .

도 8은 도 7에 따라 형성된 수직 나노선의 여러 형태를 나타내는 도면이다.8 is a diagram showing various types of vertical nanowires formed according to FIG. 7.

도 8을 참조하면, 앞서 언급된 수직 나노선 형성 단계(S200)의 단계 S230에서 건식식각의 가스비율, 압력, 온도, 소스 파워 및 바이어스 파워를 조절하여 원통형(320), 원뿔형(420) 및 역원뿔형(520) 수직 실리콘 나노선을 제작할 수 있다. 원통형 수직 나노선(320)은 상단부부터 하단부까지 직경이 일정하며, 원뿔형 수직 나노선(420)은 상단부 직경보다 하단부 직경이 더 큰 구조이며, 역원뿔형 수직 나노선(520)은 상단부의 직경이 하단부의 직경이 더 큰 구조이다. Referring to FIG. 8, in step S230 of the above-mentioned vertical nanowire formation step (S200), the gas ratio, pressure, temperature, source power, and bias power of dry etching are adjusted to form a cylindrical shape 320, a conical shape 420, and a reverse. A conical 520 vertical silicon nanowire can be manufactured. The cylindrical vertical nanowire 320 has a constant diameter from the upper end to the lower end, the conical vertical nanowire 420 is a structure having a larger lower end diameter than the upper end diameter, and the inverted conical vertical nanowire 520 has a diameter of the upper end at the lower end. It is a structure with a larger diameter.

원뿔형 수직 나노선(420)은 직경이 작은 상단부가 공기와 비슷한 굴절률을 가지며 직경이 큰 하단부는 실리콘 벌크 물질과 비슷한 굴절률을 가진다. 따라서 상단부부터 하단부까지 굴절률이 점진적으로 증가하여 표면 반사도가 매우 작은 값을 가져 원통형 수직 나노선(320)보다 빛의 흡수가 우수하다. 역원뿔형 수직 나노선(520)에서는 상단부부터 하단부까지 감소하는 직경에 의해 특정 파장의 빛이 나노선의 특정 표면위치에 중첩되어 속삭임의 회랑모드(whispering gallery mode)라는 공진을 발생시킨다. 이러한 공진은 빛이 나노선 표면에서 오래 머물 수 있도록 만들어 광흡수를 향상시킨다 In the conical vertical nanowire 420, an upper portion having a small diameter has a refractive index similar to that of air, and a lower portion having a large diameter has a refractive index similar to that of a silicon bulk material. Therefore, since the refractive index gradually increases from the upper end to the lower end, the surface reflectivity has a very small value, so that light absorption is better than that of the cylindrical vertical nanowire 320. In the inverted conical vertical nanowire 520, light of a specific wavelength is superimposed on a specific surface position of the nanowire due to a diameter decreasing from the upper part to the lower part, thereby generating a resonance called a whispering gallery mode. This resonance improves light absorption by making light stay on the nanowire surface for a long time.

원통형, 원뿔형, 역원뿔형 나노선 구조는 평판형 구조보다 빛의 흡수특성이 뛰어나 후면 흡수층과 결합시 광검출기의 감응도 및 외부양자효율을 향상시킬 수 있다. 따라서 이중 흡수층을 갖는 수직 나노선 광검출기에서 모래시계 형태의 수직 나노선 외에도 원통형, 원뿔형, 역원뿔형 나노선 구조를 활용할 수 있다.Cylindrical, conical, and inverted conical nanowire structures have better light absorption characteristics than flat-panel structures, and when combined with the rear absorbing layer, the sensitivity and external quantum efficiency of the photodetector can be improved. Therefore, in the vertical nanowire photodetector having a double absorption layer, in addition to the vertical nanowire in the form of an hourglass, cylindrical, conical, and inverted conical nanowire structures can be used.

도 9는 도 5에 따른 이중 흡수층을 갖는 수직 나노선 광검출기 제조방법에서 제1 반도체층 형성 단계를 설명하기 위한 평면도 및 단면도이다.9 is a plan view and a cross-sectional view illustrating a step of forming a first semiconductor layer in the method of manufacturing a vertical nanowire photodetector having a double absorbing layer according to FIG. 5.

도 9를 참조하면, 제1 반도체층 형성 단계(S300)는 상기 수직 나노선의 표면에 상기 반도체 기판의 물질과 반대되는 타입의 도핑 물질이 도핑된 제1 반도체층을 증착하는 제1 반도체층 증착단계(S310), 상기 제1 반도체층에 감광제층을 도포하고 선택적으로 식각하는 제1 반도체층 식각단계(S320) 및 상기 감광제층을 제거하는 감광제층 제거단계(S330)를 포함한다.Referring to FIG. 9, in the step of forming a first semiconductor layer (S300), a first semiconductor layer deposition step of depositing a first semiconductor layer doped with a doping material of a type opposite to that of the semiconductor substrate on the surface of the vertical nanowire. (S310), a first semiconductor layer etching step (S320) of applying and selectively etching a photoresist layer on the first semiconductor layer, and a photoresist layer removing step (S330) of removing the photoresist layer.

제1 반도체층 증착단계(S310)에서는 pn 접합 core-shell 구조를 형성하기 위해 모래시계 형태의 수직 나노선(220)들의 표면에 고농도 도핑된 제1 반도체층(230)을 증착한다. 이때 제1 반도체층(230)은 모래시계 형태의 수직 나노선(220)과 다른 타입의 불순물이 주입되어야 하며 도핑농도는 1018cm-3 내지 1021cm-3 일 수 있다. 제1 반도체층(230)은 in-situ 도핑 기법이 적용된 화학증기증착(CVD) 방법을 이용하여 형성할 수 있으며 형성된 물질은 결정질 실리콘층, 폴리 실리콘층 또는 아모포스 실리콘층 중 하나일 수 있다. 제1 반도체층(230)이 p형으로 형성될 경우에는 B, Al 및 Ga 중의 적어도 어느 하나의 불순물이 주입되며, n형으로 형성될 경우는 P, As 및 Sb 중의 적어도 어느 하나의 불순물이 주입될 수 있다.In the first semiconductor layer deposition step (S310), a heavily doped first semiconductor layer 230 is deposited on the surfaces of the hourglass-shaped vertical nanowires 220 to form a pn junction core-shell structure. In this case, the first semiconductor layer 230 should be implanted with impurities of a type different from that of the vertical nanowire 220 in the form of an hourglass, and the doping concentration may be 10 18 cm -3 to 10 21 cm -3 . The first semiconductor layer 230 may be formed using a chemical vapor deposition (CVD) method to which an in-situ doping technique is applied, and the formed material may be one of a crystalline silicon layer, a polysilicon layer, or an amorphous silicon layer. When the first semiconductor layer 230 is formed in a p-type, at least one of B, Al, and Ga is implanted, and when formed in an n-type, at least one of P, As, and Sb is implanted. Can be.

제1 반도체층 식각단계(S320)에서는 광검출기의 활성영역을 정의함과 동시에 소자간의 전기적인 절연을 형성하기 위해 제1 반도체층(230)을 선택적으로 식각하여 제거한다. 이를 위해 제1 반도체층(230) 상에 감광제층(290)을 도포하고 제거할 제1 반도체층 부분을 식각하기 위한 패턴을 포토 리소그래피 (스테퍼, 스캐너, 컨택 얼라이너 등) 공정을 이용하여 형성한다. 식각공정 동안 감광제에 의해 보호되는 부분은 모래시계 형태의 수직 나노선(220)들을 포함하는 원형 또는 사각형의 모양이다.In the first semiconductor layer etching step (S320 ), the first semiconductor layer 230 is selectively etched and removed to form electrical insulation between devices while defining an active region of the photodetector. To this end, a photoresist layer 290 is applied on the first semiconductor layer 230 and a pattern for etching the portion of the first semiconductor layer to be removed is formed using a photolithography (stepper, scanner, contact aligner, etc.) process. . During the etching process, the portion protected by the photoresist has a shape of a circle or a square including vertical nanowires 220 in the form of an hourglass.

감광제층 제거단계(S330)에서는 건식식각 공정을 이용해 감광제층(290)에 의해 보호되지 않는 제1 반도체층(230)을 완전히 식각하여 제거한다. 식각공정 후 남아있는 감광제층(290)을 습식 세정공정을 통해 제거한다. In the photoresist layer removing step (S330), the first semiconductor layer 230 that is not protected by the photoresist layer 290 is completely etched and removed using a dry etching process. The photoresist layer 290 remaining after the etching process is removed through a wet cleaning process.

입사되는 빛의 반사도를 줄이기 위해 상기 모래시계 형태의 수직 나노선(220) 상의 제 1반도체층(230)의 표면에 반사방지막층(미도시)을 추가적으로 증착할 수도 있다. 이때 반사방지막은 SiO2, SiNx, Al2O3 등의 물질들 중 하나가 사용될 수 있다.In order to reduce the reflectivity of incident light, an antireflection layer (not shown) may be additionally deposited on the surface of the first semiconductor layer 230 on the vertical nanowire 220 in the form of an hourglass. At this time, the antireflection layer may be one of materials such as SiO 2 , SiNx, and Al 2 O 3 .

도 10은 도 5에 따른 이중 흡수층을 갖는 수직 나노선 광검출기 제조방법에서 전극 형성 단계를 설명하기 위한 평면도 및 단면도이다.10 is a plan view and a cross-sectional view illustrating a step of forming an electrode in the method of manufacturing a vertical nanowire photodetector having a double absorbing layer according to FIG. 5.

도 10을 참고하면 상기 전극형성 단계(S400)는 상기 제1 반도체층 상부에 제1 전극을 형성하는 제1 전극 형성단계(S410), 상기 후면 흡수층의 하부에 제2 전극을 형성하는 제2 전극 형성단계(S420) 및 상기 반도체 기판상에 제작된 상기 광검출기를 칩 단위로 다이싱하는 다이싱단계(S430)를 포함한다. Referring to FIG. 10, the electrode forming step (S400) includes a first electrode forming step (S410) of forming a first electrode on the first semiconductor layer, and a second electrode forming a second electrode under the rear absorbing layer. A forming step (S420) and a dicing step (S430) of dicing the photodetector fabricated on the semiconductor substrate into chips.

제1 전극 형성단계(S410)에서는 제1 반도체층(230) 상에 제1 전극(240)이 형성되며, 이때 제1 전극(240)은 광검출기의 전기적 연결을 형성하고 입사된 근적외선 또는 적외선 빛이 광검출기의 모래시계 형태의 수직 나노선(220)으로 입사될 수 있도록 제1 반도체층(230)의 가장자리에만 형성된다. In the first electrode forming step (S410), the first electrode 240 is formed on the first semiconductor layer 230, and at this time, the first electrode 240 forms an electrical connection to the photodetector and incident near-infrared or infrared light It is formed only at the edge of the first semiconductor layer 230 so as to be incident on the vertical nanowire 220 in the form of an hourglass of the photodetector.

이때 제1 반도체층(230)이 식각된 형태에 따라 원형, 사각형 등의 구조로 제1 전극(240)을 형성한다. 금속 리프트 오프(lift-off) 공정을 이용하여 제1 전극(240)을 원하는 위치에 원하는 형태로 형성한다. 제1 전극(240)은 제1 반도체층(230)과만 접촉되도록 하며 반도체 기판(210)과 반사방지막층(미도시)에는 접촉이 이루어지지 않도록 한다. In this case, the first electrode 240 is formed in a structure such as a circle or a square according to the shape in which the first semiconductor layer 230 is etched. The first electrode 240 is formed in a desired shape at a desired position using a metal lift-off process. The first electrode 240 only makes contact with the first semiconductor layer 230 and does not make contact with the semiconductor substrate 210 and the antireflection layer (not shown).

제1 전극(240)은 Al, Au, Ni, Ti, Pt, Ag 중 하나의 금속 물질 또는 ITO와 같은 투명전극 물질이 사용될 수 있다. 제1 전극(240)으로 투명전극 물질을 활용할 경우, 제1 반도체층(230) 전체에 걸쳐 투명전극을 증착할 수도 있다.The first electrode 240 may be a metal material of Al, Au, Ni, Ti, Pt, Ag, or a transparent electrode material such as ITO. When a transparent electrode material is used as the first electrode 240, a transparent electrode may be deposited over the entire first semiconductor layer 230.

제2 전극 형성단계(S420)에서는 반도체 기판(210) 후면에 존재하는 후면 흡수층(250)의 하단에 제2 전극(260)을 형성한다. 만약 후면 흡수층(250)과 제2 전극(260)의 접촉면을 줄여 접촉결함을 줄이고 싶다면 후면 흡수층(250)에 절연물질을 증착한 후 컨택홀을 형성하고 제2 전극(260)을 증착할 수도 있다. In the second electrode forming step S420, the second electrode 260 is formed at the lower end of the rear absorbing layer 250 present on the rear surface of the semiconductor substrate 210. If the contact surface between the rear absorption layer 250 and the second electrode 260 is reduced to reduce contact defects, an insulating material may be deposited on the rear absorption layer 250 and then a contact hole may be formed and the second electrode 260 may be deposited. .

다이싱단계(S430)에서는 반도체 기판(210)상에 제작된 단위 광검출기를 칩으로 만들기 위해 다이싱(dicing) 공정을 실시한다. 이때, 활성영역의 보호를 위해 제1 반도체층(230)보다 큰 면적으로 다이싱을 수행한다. 다이싱 공정으로 블레이드(blade), 레이저(laser), 및 플라즈마(plasma) 방식 중 어느 하나가 활용될 수 있다.In the dicing step (S430), a dicing process is performed to make the unit photodetector fabricated on the semiconductor substrate 210 into chips. In this case, dicing is performed in an area larger than that of the first semiconductor layer 230 to protect the active region. As a dicing process, any one of a blade, laser, and plasma method may be used.

본 발명의 기술적 효과들은 이상에서 언급한 것들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The technical effects of the present invention are not limited to those mentioned above, and other technical effects that are not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the following description.

210 : 반도체 기판 220 : 모래시계 형태의 수직 나노선
230 : 제1 반도체층 240 : 제1 전극
250 : 후면 흡수층 260 : 제2전극
280 : 마스크층 290 : 감광제층
210: semiconductor substrate 220: vertical nanowires in the form of an hourglass
230: first semiconductor layer 240: first electrode
250: rear absorption layer 260: second electrode
280: mask layer 290: photoresist layer

Claims (21)

반도체 기판;
상기 반도체 기판의 전면에 어레이 형태로 형성된 수직 나노선;
상기 수직 나노선 상에 도핑 물질이 도핑되어 형성된 제1 반도체층;
상기 제1 반도체층 상단의 가장자리에 형성된 제1 전극;
상기 반도체 기판의 후면에 형성된 후면 흡수층; 및
상기 후면 흡수층 하단에 형성된 제2 전극;을 포함하는 것을 특징으로 하는 이중 흡수층 나노선 광검출기.
A semiconductor substrate;
Vertical nanowires formed in an array shape on the entire surface of the semiconductor substrate;
A first semiconductor layer formed by doping a doping material on the vertical nanowires;
A first electrode formed at an edge of an upper end of the first semiconductor layer;
A rear absorption layer formed on the rear surface of the semiconductor substrate; And
And a second electrode formed under the rear absorbing layer.
제1항에 있어서, 상기 수직 나노선은
상단부의 역원뿔 구조와 하단부의 원뿔구조가 결합된 모래시계 형태인 것을 특징으로 하는 이중 흡수층 나노선 광검출기.
The method of claim 1, wherein the vertical nanowire
A double absorbing layer nanowire photodetector, characterized in that it is in the form of an hourglass in which an inverted cone structure at the top and a cone structure at the bottom are combined.
제1항에 있어서, 상기 수직 나노선의 상단부의 단면은
원형, 삼각형, 사각형, 오각형 및 육각형 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 이중 흡수층 나노선 광검출기.
The method of claim 1, wherein the cross section of the upper end of the vertical nanowire is
Double absorption layer nanowire photodetector, characterized in that any one of circular, triangular, square, pentagonal and hexagonal.
제1항에 있어서, 상기 수직 나노선은
원통형, 원뿔형 및 역원뿔형 구조 중에서 어느 하나인 것을 특징으로 하는 이중 흡수층 나노선 광검출기.
The method of claim 1, wherein the vertical nanowire
Double absorption layer nanowire photodetector, characterized in that any one of a cylindrical, conical, and inverted conical structure.
제1항에 있어서,
상기 수직 나노선과 상기 반도체 기판은 제1 타입의 도핑 물질로 도핑되고, 상기 도핑 물질의 농도는 1012cm-3 내지 1017cm-3의 범위인 것을 특징으로 하는 이중 흡수층 나노선 광검출기.
The method of claim 1,
The vertical nanowire and the semiconductor substrate are doped with a first type of doping material, and the concentration of the doping material is in the range of 10 12 cm -3 to 10 17 cm -3 .
제1항에 있어서, 상기 제1 반도체층은
제2 타입의 도핑 물질로 도핑되고, 상기 도핑 물질의 농도는 1018cm-3 내지 1021cm-3의 범위인 것을 특징으로 하는 이중 흡수층 나노선 광검출기.
The method of claim 1, wherein the first semiconductor layer
Doped with a second type of doping material, and the concentration of the doping material is in the range of 10 18 cm -3 to 10 21 cm -3 .
제1항에 있어서, 상기 제1 반도체층은
단결정 실리콘, 다결정 실리콘 및 비정질 실리콘으로 이루어진 군에서 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는 이중 흡수층 나노선 광검출기.
The method of claim 1, wherein the first semiconductor layer
Double absorption layer nanowire photodetector, characterized in that at least one from the group consisting of single crystal silicon, polycrystalline silicon and amorphous silicon.
제6항에 있어서, 상기 제2 타입의 도핑 물질은
인(P), 비소(As) 및 안티몬(Sb)을 포함하는 것을 특징으로 하는 이중 흡수층 나노선 광검출기.
The method of claim 6, wherein the second type of doping material is
A double absorbing layer nanowire photodetector comprising phosphorus (P), arsenic (As) and antimony (Sb).
제6항에 있어서, 상기 제2 타입의 도핑 물질은
B, BF2, Al 또는 Ga을 포함하는 것을 특징으로 하는 이중 흡수층 나노선 광검출기.
The method of claim 6, wherein the second type of doping material is
B, BF 2 , a double absorbing layer nanowire photodetector comprising Al or Ga.
제1항에 있어서, 상기 제 1반도체층은
입사되는 빛의 반사를 방지하는 반사방지막을 더 포함하되,
상기 반사방지막은 실리콘산화막(SiO2) 실리콘질화막(SiNx), 또는 알루미나(Al2O3) 중 어느 하나로 이루어진 것을 특징으로 하는 이중 흡수층 나노선 광검출기.
The method of claim 1, wherein the first semiconductor layer
Further comprising an anti-reflection film for preventing reflection of incident light,
The anti-reflection film is a double absorption layer nanowire photodetector, characterized in that made of any one of a silicon oxide film (SiO 2 ) silicon nitride film (SiN x ), or alumina (Al 2 O 3 ).
제1항에 있어서, 상기 후면 흡수층은
실리콘보다 밴드갭이 작은 SixGe1-x, Ge, InGaAs, InGaAsP, InP, HgCdTe 로 이루어진 것을 특징으로 하는 이중 흡수층 나노선 광검출기.
The method of claim 1, wherein the rear absorption layer is
Si x Ge 1-x , Ge, InGaAs, InGaAsP, InP, HgCdTe having a smaller band gap than silicon.
제1항에 있어서,
상기 제1 전극은 Al, Au, Ni, Ti, Pt, Ag 또는 ITO 중 어느 하나의 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 이중 흡수층 나노선 광검출기.
The method of claim 1,
The first electrode is a double absorption layer nanowire photodetector, characterized in that made of any one of Al, Au, Ni, Ti, Pt, Ag, or ITO material.
제1항에 있어서, 상기 제2 전극은
Al, Au, Ni, Ti, Pt 또는 Ag 중 어느 하나의 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 이중 흡수층 나노선 광검출기.
The method of claim 1, wherein the second electrode is
Double absorption layer nanowire photodetector, characterized in that made of any one of Al, Au, Ni, Ti, Pt or Ag.
반도체 기판의 후면에 흡수층을 형성하는 후면흡수층 형성 단계;
상기 반도체 기판의 표면을 식각하여 어레이 형태의 수직 나노선을 형성하는 수직 나노선 형성단계;
상기 수직 나노선의 표면에 상기 반도체 기판의 물질과 반대되는 타입의 도핑 물질이 도핑된 제1 반도체층을 형성하는 제1 반도체층 형성단계; 및
상기 제1 반도체층 상의 가장자리에 위치하는 제1 전극 및 상기 후면 흡수층 하단에 위치하는 제2 전극을 형성하는 전극형성 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 이중 흡수층 나노선 광검출기 제조방법.
Forming a rear absorption layer of forming an absorption layer on the rear surface of the semiconductor substrate;
Forming vertical nanowires in the form of an array by etching the surface of the semiconductor substrate;
A first semiconductor layer forming step of forming a first semiconductor layer doped with a doping material of a type opposite to that of the semiconductor substrate on the surface of the vertical nanowires; And
And an electrode forming step of forming a first electrode positioned at an edge of the first semiconductor layer and a second electrode positioned below the rear absorbing layer.
제 14항에 있어서,
상기 후면흡수층 형성 단계 이전에 상기 반도체 기판의 자연산화막을 제거하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이중 흡수층 나노선 광검출기 제조방법.
The method of claim 14,
Removing the natural oxide layer of the semiconductor substrate prior to the forming of the rear absorbing layer, the method of manufacturing a double absorbing layer nanowire photodetector further comprising.
제15항에 있어서, 상기 후면 흡수층 형성 단계는
저항을 낮추기 위해 n형 또는 p형 불순물을 주입하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이중 흡수층 나노선 광검출기 제조방법.
The method of claim 15, wherein the forming of the rear absorption layer comprises:
Injecting an n-type or p-type impurity to lower the resistance; a method for manufacturing a double absorption layer nanowire photodetector further comprising.
제14항에 있어서, 상기 수직 나노선 형성단계는
상기 반도체 기판 상에 마스크층과 감광제층을 순차적으로 증착하는 마스크층 및 감광제층 증착단계;
상기 감광제층에 패턴을 형성하는 패턴 형성단계;
상기 패턴 사이로 노출된 상기 마스크층과 상기 반도체 기판을 차례로 건식 식각하여 수직 나노선의 어레이를 형성하는 수직 나노선 어레이 형성단계; 및
상기 감광제층과 상기 마스크층을 제거하는 감광제층 및 마스크층 제거단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 이중 흡수층 나노선 광검출기 제조방법.
The method of claim 14, wherein the forming of the vertical nanowire
A mask layer and a photoresist layer deposition step of sequentially depositing a mask layer and a photoresist layer on the semiconductor substrate;
A pattern forming step of forming a pattern on the photoresist layer;
Forming a vertical nanowire array by sequentially dry etching the mask layer and the semiconductor substrate exposed between the patterns to form an array of vertical nanowires; And
And a step of removing the photoresist layer and the mask layer for removing the photoresist layer and the mask layer.
제17항에 있어서,
상기 감광제층 및 마스크층 제거단계 이후 상기 수직 나노선의 표면에 형성된 결함을 제거하는 수직 나노선 표면 결함 제거단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이중 흡수층 나노선 광검출기 제조방법.
The method of claim 17,
After removing the photoresist layer and the mask layer, a vertical nanowire surface defect removing step of removing defects formed on the surface of the vertical nanowire; a method of manufacturing a double absorbing layer nanowire photodetector further comprising.
제18항에 있어서, 상기 수직 나노선 표면결함 제거단계는
산화 공정 및 습식식각 공정을 통해 진행되는 것을 특징으로 하는 이중 흡수층 나노선 광검출기 제조방법.
The method of claim 18, wherein the step of removing surface defects of the vertical nanowires
A method of manufacturing a double absorption layer nanowire photodetector, characterized in that it proceeds through an oxidation process and a wet etching process.
제14항에 있어서, 상기 제1 반도체층 형성단계는
상기 수직 나노선의 표면에 상기 반도체 기판의 물질과 반대되는 타입의 도핑 물질이 도핑된 제1 반도체층을 증착하는 제1 반도체층 증착단계;
상기 제1 반도체층에 감광제층을 도포하고 선택적으로 식각하는 제1 반도체층 식각단계;및
상기 감광제층을 제거하는 감광제층 제거단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 이중 흡수층 나노선 광검출기 제조방법.
The method of claim 14, wherein the step of forming the first semiconductor layer
A first semiconductor layer deposition step of depositing a first semiconductor layer doped with a doping material of a type opposite to that of the semiconductor substrate on the surface of the vertical nanowire;
A first semiconductor layer etching step of coating and selectively etching a photoresist layer on the first semiconductor layer; And
A method of manufacturing a double absorbing layer nanowire photodetector comprising a; photoresist layer removing step of removing the photoresist layer.
제14항에 있어서, 상기 전극형성 단계는
상기 제1 반도체층 상부에 제1 전극을 형성하는 제1 전극 형성단계;
상기 후면 흡수층의 하부에 제2 전극을 형성하는 제2 전극 형성단계; 및
상기 반도체 기판상에 제작된 상기 광검출기를 칩 단위로 다이싱하는 다이싱단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 이중 흡수층 나노선 광검출기 제조방법.
The method of claim 14, wherein the electrode forming step
A first electrode forming step of forming a first electrode on the first semiconductor layer;
A second electrode forming step of forming a second electrode under the rear absorber layer; And
And a dicing step of dicing the photodetector fabricated on the semiconductor substrate in a chip unit. 2. A method of manufacturing a double absorption layer nanowire photodetector comprising: a.
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