자외선 검출을 위한 SiC, GaN 애벌런치 포토다이오드 설계 :SiC, GaN Avalanche photodiode design for UV detection

강종익

자료유형: 학위논문

저자정보: 강종익 (홍익대학교, 홍익대학교 대학원)

지도교수: 차호영

발행연도: 2018

저작권: 홍익대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

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자외선은 일반적으로 가시광선보다 짧은 파장을 가지므로 보다 높은 에너지를 가지고 있고 이에 따라 다른 물질과의 반응 활성도가 높다. 따라서 자외선을 감지하는 센서는 여러 가지 분야에서 활용된다. 산업용으로는 연소반응에서 발생하는 단파장의 빛을 감지하거나 고압전선에서 발생하는 방전현상 그리고 반도체 산업에 사용되는 자외선 장치의 센서 등으로 사용되면 군사용으로는 미사일이나 전투기 출격시 발생하는 플룸등을 감지하는데 사용된다.
최근 들어서 자외선 검출 모듈의 소형화와 경량화의 필요성이 대두되면서 기존에 사용되던 PMT(photomultiplier tube)를 대체하여 반도체 소자를 이용한 센서가 개발되고 있다. 반도체 소자를 활용한 센서의 경우 반도체의 밴드갭에 따라 감지되는 파장의 영역이 결정되는데 자외선은 에너지가 높기 때문에 실리콘의 경우 UV enhanced Si이 사용되지만 낮은 신호 대 잡음비와 가시광선 반응, 그리고 온도에 따른 민감함 등으로 인해 GaN나 SiC와 같은 와이드 밴드갭 반도체 소자가 연구되고 있다.
본 논문에서는 파장이 각각 280nm와 340nm (UVC) 영역에 해당하는 자외선을 검출하기 위한 광다이오드 설계를 위해 소자의 전압 전류특성과 파장에 따른 양자 효율을 시뮬레이션을 통해 검증하고 이를 바탕으로 소자 제작을 위한 노광공정용 마스크를 제작하였다. 그리고 제작된 소자의 성능을 평가하기 위한 측정 셋업을 구축하고 각각의 특성을 평가하고 분석하는 방법에 대한 연구를 진행했다.
이외에 추가적으로 단 광자 검출을 위한 애벌런치 광다이오드의 가이거 모드 동작을 위한 퀜칭 회로를 설계했다. 기존의 저항 성분을 사용한 회로가 가지는 높은 시정수 값으로 인한 데드타임 문제와 퀜칭 전압이 일정하지 않는 문제를 순방향 전압의 다이오드를 이용한 회로로 대체해서 이를 개선하는 방법을 제안하고 시뮬레이션을 통해 증명하였다. 또한 광다이오드와 같은 수광 소자의 효율 개성을 위해 많이 사용되는 반사 방지막에 대한 연구도 진행했는데 기존의 박막 공정이 가지는 한계 및 단점을 보완하는 방안으로 다중박막 코팅과 미세구조를 활용한 AR 코팅연구를 진행했다. ZnO 양자점을 활용한 보다 간단한 AR구조를 형성하고 반사방지 효과와 포토다이오드의 수광 효율 개선을 확인 할 수 있었다.

제 1 장 서 론
1-1 자외선 감지의 응용분야 1
1-2 와이드 밴드갭 반도체 소자 3
1-3 애벌런치 포토다이오드 5
1-3-1 PN접합 다이오드 5
1-3-2 PIN 다이오드 6
1-3-3 SAM 구조 다이오드 7
제 2 장 TCAD 시뮬레이션과 레이아웃
2-1 SiC APD 시뮬레이션 8
2-1-1 소자 구조 정의 8
2-1-2 전압 전류 특성과 전계 특성 9
2-1-3 퍼텐셜과 에너지 밴드 특성 12
2-1-4 외부 양자효율 14
2-2 GaN APD 시뮬레이션 16
2-2-1 전압 전류 특성 (IV characteristics) 16
2-2-2 양자 효율 (External Quantum Efficiency) 17
2-3 마스크 레이아웃 20
2-3-1 소자 설계 20
제 3 장 광측정 셋업 구축과 특성 분석
3-1 전압 전류 특성 분석 25
3-1-1 전압 전류 특성 측정 25
3-1-2 온도에 따른 항복 특성 변화 27
3-2 외부 양자 효율 30
3-2-1 입력 광 파워 측정 30
3-2-2 외부 양자 효율 측정 31
제 4 장 Geiger mode 동작을 위한 퀜칭 회로 설계
4-1 Geiger mode 동작과 퀜칭 회로 33
4-2 다이오드를 이용한 퀜칭회로 35
4-3 SPICE 시뮬레이션 37
제 5 장 반사방지막 연구
5-1 AR 코팅 42
5-2 다중 박막 AR 코팅 43
5-3 미세구조를 통한 AR 코팅 47
5-4 ZnO 양자점 AR 코팅 48
제 6 장 결론 및 향후 과제 56
참고문헌 57
영문요약 64

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