AlGaN/GaN 반도체 기반 고감도 자외선 광 검출기 - 김영훈 (The Graduate School, Ajou University, 2024)
자외선 광 검출기는 화염 감지 및 위성 측위와 같은 다양한 산업에서 활용된다. 검출 파장의 제어는 특정 파장을 감지하여 화염이나 유해 물질을 식별하는 데 중요하다. 태양광의 다양한 파장 스펙트럼에 노출되는 상황에서 안정적으로 동작할 수 있는 태양광 차단 자외선 광 검출기에 대한 필요성이 높아지고 있다. Photomultiplier tube(PMTs)와 Si 기반 자외선 광 검출기가 상용화되었지만 PMTs는 크기, 내열성, 높은 동작 전압 등의 문제점을 가지고 있고, Si 기반 광 검출기는 비싼 가시광 차단 필터와 낮은 감광성 등의 어려움이 있다. GaN계 질화물 반도체는 Al의 조성에 따라 밴드갭을 3.4eV에서 6.2eV까지 조절할 수 있으며 넓은 밴드갭으로 인해 가시광에 반응하지 않아 이러한 문제를 해결할 수 있는 반도체이다. Wurtzite라는 구조적인 특성과 각 층간의 격자상수 차이로 인해서 AlGaN과 GaN의 이종접합 계면에 자발 분극과 압전 분극이 발생하여 2DEG(2-Dimensional Electron Gas)가 형성된다. 2DEG의 밀도는 AlGaN의 계면 상태에 따라 민감하게 변화하므로 센서로서 이용하기 용이하며, 온도의 증가에 따른 전류의 변화가 적다는 장점이 있어 극한환경에서도 활용될 수 있다._x000D_ 본 연구에서는 UV-A 대역의 파장을 감지할 수 있는 AlGaN/GaN 반도체 기반 2DEG-IDT 광 검출기를 연구하였다. IDT 패턴 최적화와 채널 길이 및 폭의 변화에 따른 전계와 전류 특성을 분석하여 소자 구조를 최적화하였다. 추가로, 광 반응성과 전류 특성을 분석하여 단위 공정을 최적화하고 공정 프로세스를 개발하여 높은 성능의 자외선 광 검출기를 제작하였다. 플루오린 플라즈마 표면 처리를 통해 암전류를 낮추고, 전극 열처리 공정을 통해 광 반응성을 향상시켜 자외선 광 검출기의 성능을 향상시켰다._x000D_ 최종적으로 제작된 태양광 차단 자외선 광 검출기는 0.14nA의 낮은 암전류와 360nm UV-A 광원에서 191A/W의 높은 광 반응성을 보였다. 스펙트럼 광 반응도 측정을 통해 1.2×10^4라는 높은 자외선/가시광 차단 비율을 보였다. 응답 시간 또한 20ms 이하로 빠른 반응을 보였다. 본 연구에서 제작된 광 검출기는 높은 광 반응성과 가시광 감쇄율의 이점을 통해 Photomultiplier tube (PMTs)와 Si 기반 광 검출기의 크기, 내열성, 높은 동작 전압 등의 문제와 비싼 필터의 필요성을 해결하고, 간단한 공정 프로세스와 높은 감광성을 활용하여 화염 감지, 위성 측위 등 다양한 산업 분야에서 활용될 것으로 기대된다._x000D_
학위논문(석사)--지능형반도체공학과,2024. 2
Keywords: 광 검출기