실리콘 광 검출기의 수광특성 및 실리콘 방사선 검출기의 누설전류에 관한 연구 = The optical characteristics of silicon photo-detectors and the leakage current of silicon radiation detectors

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The applicable wavelength for the Si photo-detectors is frequently restricted at near by 500 nm due to the catastrophic degradation of photo responsibility at shorter wavelength region. In order to overcome this limitation, the light detection characteristics of Si photo-detectors have been investigated in conjunction with electrical and optical properties. Moreover, the new model of leakage current of high sensitive Si radiation detectors have been proposed by using TFE (thermionic field emission) term added to general model.
At first, the new light detection structure with grating type was proposed to figure out its possibility for the improvement in responsibility. Optical characteristics of the proposed device were intensively studied by performing numerical calculations, simulations, and experiments as well. To understand the electrical properties of the proposed structure, both of conventional and proposed structures were fabricated through the same fabrication conditions and comparatively analysed.
Also, both of the conventional and the proposed structures of npn photo-detectors were fabricated using silicon substrates, and their optical properties were compared to deduce any differences. From the numerical calculation, it could be understood that the photo-current consisted of the drift current and the diffusion current components. As a result, the optical response of the photo-detector of proposed structure was turned out to be improved to a factor of 2.59 ~ 3.17 times at 470 nm and 1.1 times at 850 nm wavelength compared to those of conventional device.
The reflection ratio of anti-reflection coating layer was studied using the DigiClassic simulation tool for various anti-reflection films, such as, Si₃N₄, SiO₂ and Si₃N₄/SiO₂. After plenty of simulation works, the minimum reflection ratio could be attained from the double layer structure of Si₃N₄/SiO₂. The minimum reflection could be suppressed down to 0.13% and 0.16% at 470 nm and 850 nm, respectively. Also, the spectral response was investigated using the SILVACO simulation. The proposed device showed spectral responsibility below 700 nm better than the conventional structure. Likewise, the proposed structure resulted in the maximum responsibility of 0.31 A/W at 470 nm, while the conventional device 0.27 A/W. Both of the device structures showed to keep the same maximum responsibility as 0.34 A/W at the long wavelength regime of 850 nm.
To investigate the electrical properties for the proposed device structure, the npn bipolar photo-transistors were fabricated on Si substrate. The evaluation of Si npn bipolar photo-transistors was confirmed by various measurement methods, such as, I_(c)/V_(ce) and Gummel plot, current gain, BV_(ceo), BV_(cbo), BV_(ebo), V_(sat.). The measured experimental results revealed none of considerable differences in electrical properties for the proposed and the conventional device structures. This consistency indicates that the proposed device was designed and fabricated through a proper way of semiconductor processes.
The optical characteristics of the proposed Si npn bipolar photo-transistors were compared to those of conventional ones. The I-V characteristics of the proposed device presented significant enhancements at 470 nm and 850 nm by 2.6 to 3.3 times higher than those of the conventional device. The substantial enhancement in spectral response was observed for the proposed device to represent the responsibility values, which were observed relatively superior to the conventional device at broad spectral length from 300 nm to 700 nm. This experimental result coincided very well with the theoretical considerations as discussed above utilizing numerical calculations and simulations.
The experimental result, representing the significant improvement up to 500 nm, illustrates that the application field of Si photo-detector may be possibly extended to the next-generation optical storage system using a light source of 410 nm or even below in wavelength.
In addition, Si radiation detectors were fabricated and their electrical properties were investigated. The electrical characteristics including the leakage current level were studied in terms of the irradiation effect of high energy proton particles. The abnormal behavior of the leakage current could not be well explained by the simple mechanism being frequently considered as the summation of diffusion and generation currents. In order to explain this abnormal phenomena, the thermionic field emission (TFE) current mechanism was introduced to the general leakage current model. From correlations between the leakage current results and the new model, it was confirmed that the behavior of leakage current matches well with the new leakage model. Therefore, the abnormal leakage current was understood to be caused by diffusion, generation, and thermionic field emission.
Meanwhile, this study presented the decrease in leakage current level due to the irradiation of high energy protons. The irradiation dose and energy of protons were controlled as 1×10^(12) protons/㎠ and 45 MeV, respectively. The leakage current was manipulated over three orders of magnitude after the irradiation process because of the crystalline defects introduced by the impact of energetic protons.
Consequently, the experimental results about the anaysis of leakage current flow presented the possible way of utilizing high energy protons for the fabrication of highly sensitive Si radiation detectors.

국문 초록 (Abstract)

본 논문에서는 실리콘 광 검출기의 수광효율을 향상시키기 위해 새로운 수광구조를 제안하고, 제안된 수광구조에 대한 이론적 수식계산, 시뮬레이션, 제작 및 특성분석을 통해 수광특성을 고찰하였다. 그리고 고감도 실리콘 방사선 검출기에서 핵심 요소로 작용되는 누설전류에 대한 특성을 기존의 확산전류 및 이동전류 메카니즘에 열이온 방출 전류 메카니즘이 추가로 도입된 새로운 모델을 제시하여 고찰하였다.
먼저, 실리콘 광 검출기는 500 nm 이하의 파장을 갖는 자외선 계측기를 비롯한 응용분야에는 낮은 수광효율로 인해 제한적으로 사용되고 있는 문제점을 개선하기 위해, 새로운 수광구조인 격자형 수광구조를 제안하였다.
실리콘 pin 구조의 광 검출기를 대상으로 이론적인 수식에 의해 통상적인 수광구조와 격자형 수광구조에 대한 수광특성을 고찰하였다. 이동전류 및 확산전류에 의해 생성되는 광 전류와 수광구조 별 감지영역 형상을 반영한 수광특성 수식을 유도하였다. 수식의 계산에 의하면 동일한 소자 크기에서 격자형 수광구조는 통상적인 수광구조에 비해 470 nm 파장에서 2.59 ~ 3.17 배, 850 nm 파장에서 약 1.1 배 수광특성이 향상되는 결과를 얻을 수 있었다.
최소 반사율을 갖는 반반사막 (anti-reflective layer)의 적정 조건 설정을 위해 산화막과 질화막을 적용하여 시뮬레이션을 수행하였다. 시뮬레이션 결과, 질화막/산화막으로 이루어진 이중막 구조에서 파장 470 nm 와 850 nm를 적용할 경우, 최소 반사율이 0.13%와 0.16%를 갖는 반반사막 특성을 각각 얻을 수 있었다.
본 논문에서 제안한 격자형 수광구조를 갖는 실리콘 광 검출소자에 대한 분광 응답 특성 시뮬레이션을 수행하였다. 반송자 수명이 짧아 질 수록 수광효율이 감소되는 현상을 볼 수 있었으며, 특히, 격자형 수광구조는 700 nm 이하의 단파장 영역에서 통상적인 수광구조에 비해 상대적으로 우수한 수광효율을 나타내었다. 즉, 470 nm 파장을 적용할 경우, 격자형 수광구조에서 0.31 A/W, 통상적인 구조에서 0.27 A/W를 나타내었지만, 850 nm 파장을 적용할 경우, 두 종류의 수광구조 모두 비슷한 0.34 A/W를 나타내었다.
격자형 수광구조에서 수광효율이 향상되는 것을 검증하기 위해 실리콘 광 검출기의 하나인 실리콘 npn 바이폴라 광 트랜지스터를 제작하여, 전류-전압 특성을 비롯한 Gummel plot, 전류이득, BV_(ceo), BV_(cbo), BV_(ebo), V_(sat.) 등에 대한 전기적 측정을 수행하였으며, 격자형 수광구조가 바이폴라 트랜지스터의 정상적인 소자특성을 갖고 동작함을 확인할 수 있었다.
그리고, 제작된 광 검출기에 대한 광 전류-전압 특성 측정 결과로부터 격자형 수광구조가 통상적인 수광구조보다 470 nm 와 850 nm 파장에서 약 2.6 ~ 3.3 배 수광효율이 향상된 수광특성을 얻었으며, 또한 300 ~ 700 nm 대역의 파장에 대한 분광응답 특성에서도 통상적인 수광구조에 비해 양호한 수광특성들을 얻을 수 있었다.
격자형 수광구조에서 이러한 우수한 수광특성들은 수식의 계산결과 및 시뮬레이션에서 이미 예견되었던 결과들과 거의 일치하였으며, 궁극적으로는 격자형 수광구조에서 수광효율이 향상되는 것을 검증할 수 있었다.
이러한 연구결과들은 실리콘 광 검출기가 500 nm 이하의 파장에 의해 제한적으로 사용되고 있는 현재의 문제점을 개선하고, 그 응용 폭을 확대하여 현실적으로 부각되고 있는 410 nm blue-ray 광 저장시스템에 응용이 가능할 것으로 판단된다.
둘째로, 고 감도의 실리콘 방사선 검출기를 구현하는데 있어 핵심 요소로 작용되는 누설전류에 대한 고찰을 하였다. 이를 위해 실리콘 방사선 검출기를 제작하여 누설전류를 측정하고 이를 분석하였다. 측정에 의해 나타난 누설전류가 통상적인 확산전류 및 생성전류의 합으로 나타나는 누설전류 메카니즘에 의해 설명되지 않는 현상이 나타났다. 본 논문에서는 이를 규명하기 위해 누설전류에 대한 이론적인 고찰을 통하여 통상적인 누설전류 메카니즘에 열 이온계 방출 (TFE ; thermionic field emission) 전류 메카니즘을 도입하였으며, 기존의 누설전류 메카니즘에 관련된 수식에 열 이온계 방출 전류 메카니즘을 추가한 새로운 수식 모델을 제안하였다. 측정된 누설전류를 제안된 수식 모델에 대입하여 일치되는 경향을 살펴보았으며, 결과적으로 측정된 누설전류가 제안된 수식 모델에 의해 잘 설명되는 결과를 얻음으로 인해, 궁극적으로 측정된 누설전류에 열이온계 방출전류가 포함되어 있음을 확인할 수 있었다.
또한 제작된 실리콘 방사선 검출소자 시편에 방사선 조사 (dose 1×10^(12) protons/㎠, 45 MeV)를 하면 방사선 조사전에 비해 누설전류가 약 103 배 정도 증가되는 것을 알 수 있었으며, 이는 방사선 조사에 의해 발생된 격자결함 (crystal defect)이 주요 원인으로 판단된다. 이러한 실리콘 방사선 검출기의 누설전류 특성에 대한 연구결과들은 고 감도의 실리콘 방사선 검출기 제작에 적극 활용될 수 있을 것으로 판단된다.
본 연구에서는 새로이 제안된 격자형 수광구조의 실리콘 광 검출소자가 통상적인 수광구조의 소자에 비해 수광특성이 우수함을 이론적인 수식 계산 및 시뮬레이션으로부터 예측하였고, 실제 소자를 제작하여 전기적, 광학적 측정결과들에 의해 검증할 수 있었다. 또한 실리콘 방사선 검출기의 누설전류 특성을 고찰하기 위해 기존의 확산전류 및 이동전류 메카니즘에 열이온계 방출전류 메카니즘이 추가로 도입된 새로운 모델을 제시하였으며, 측정된 누설전류에 대한 특성을 제안된 수식 모델을 이용하여 고찰하였다.

목차 (Table of Contents)

• 차례 ⅰ
• 초록(영문) ⅲ
• 초록(한글) ⅶ
• 제1장. 서론 1
• 1.1 연구 배경 1
• 1.2 연구 개요 3
• 1.3 참고문헌 6
• 제2장. 실리콘 광 검출 소자의 수광특성 및 고찰 8
• 2.1 수광특성의 이론적 고찰 8
• 2.2 격자형 수광구조 제안 20
• 2.3 수식에 의한 수광특성 고찰 24
• 2.4 시뮬레이션에 의한 수광특성 고찰 34
• 2.4.1 반반사막 시뮬레이션 34
• 2.4.2 접합층 및 공핍층 시뮬레이션 40
• 2.4.3 Gummel plot 시뮬레이션 46
• 2.4.4 분광응답 특성 시뮬레이션 48
• 2.5 실리콘 광 검출 소자 제작 53
• 2.5.1 실험 방법 53
• 2.5.2 포토 마스크 제작 63
• 2.5.3 실리콘 npn 바이폴라 광 트랜지스터 제작 72
• 2.5.4 금속전극 형성 85
• 2.6 측정 결과 및 고찰 93
• 2.6.1 전기적 측정결과 및 분석 93
• 2.6.2 광 특성 측정결과 및 분석 118
• 2.7 참고문헌 137
• 제3장. 실리콘 방사선 검출기의 누설전류 특성 및 고찰 141
• 3.1 누설전류의 이론적 고찰 141
• 3.2 실리콘 pin 방사선 검출 소자 제작 146
• 3.3 누설전류 측정 및 분석 150
• 3.4 참고문헌 158
• 제4장. 결론 160
• 감사의 글 165