축퇴 실리콘 기반 근적외선포토다이오드 특성 분석 = Characterization of a Degenerate Silicon-Based Near-Infrared Photodiode

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The short-wavelength infrared (SWIR) band, ranging from 0.9 to 3 ㎛, is widely used in both military and civilian applications, including communications, remote sensing, semiconductor inspection, and medical imaging. Although SWIR photodetectors based on Group IV and III–V semiconductors, such as Ge and InGaAs, exhibit excellent sensitivity, their high cost, cooling requirements, and incompatibility with CMOS processes limit their widespread adoption. In this study, we designed and fabricated a MIS–Schottky photodiode structure using degenerate (p ++) silicon to demonstrate the feasibility of SWIR photodetection, which is not achievable with conventional Si photodiodes, and analyzed its electrical and optical characteristics. Considering bandgap narrowing induced by heavy doping and free-carrier absorption described by the Drude model, the refractive index (n) and extinction coefficient (k) of degenerate p-type silicon were derived. The electrical and optical characteristics of the MIS–Schottky structure were then predicted using finite-difference time-domain (FDTD) simulations and TCAD (Silvaco ATLAS). Due to the low resistivity of degenerate silicon, the tunneling current dominates in metal/degenerate-Si Schottky junctions, which makes effective photodetection difficult. To resolve this issue, TCAD simulations were performed using a metal– insulator–semiconductor (MIS) structure, in which an Al2O3 insulating layer was inserted between the metal electrode and the degenerate silicon. Then, the photo and dark currents were evaluated under an incident wavelength of λ = 1.5 ㎛ while varying the Al2O3 thickness from 10 to 50 nm. An on/off ratio on the order of 10-102 was achieved at bias voltages of 6–8 V when the Al2O3 thickness was approximately 10 nm. Based on these results, an Al2O3 thickness of 10 nm was selected as the reference condition for subsequent simulations. The on/off ratio was evaluated over the wavelength range of 0.6–1.7 ㎛ under the same operating conditions. Under reverse bias voltages of 6–8 V, the dark current ranged from 10-22 to 10-6 A, while the photocurrent varied from 10-19 to 10-5 A, depending on the incident wavelength. As a result, the on/off ratio remained several orders of magnitude across the entire visible–near-infrared (NIR) and SWIR regions. These simulation results confirm that the degenerate silicon MIS structure has the potential to generate a detectable level of photocurrent not only in the visible–NIR range but also in the SWIR band. Al2O3 layers with thicknesses of 5, 10, and 20 nm were deposited on p++ Si wafers with a resistivity of 0.005 Ω·cm by atomic layer deposition (ALD). A Mo anode pattern was then formed on the Al2O3 layer using a lift-off process, followed by blanket deposition of an Al cathode on the backside to complete the MIS structure. Focused ion beam (FIB) cross-sectional analysis revealed that uniform layered structures with the target thicknesses were formed for the 5 and 10 nm Al2O3 samples, whereas interfacial cracks were observed at the Mo/Al2O3 interface for the 20 nm sample. The non-degenerate Si MIS photodiode exhibited normal responsivity in the visible to near-infrared (NIR) region, with a cutoff wavelength around 1.1 ㎛. Meanwhile, the degenerate Si device exhibited rectifying behavior in the I–V characteristics, particularly for the Al2O3 thickness of 10 nm; however, the current difference between illuminated and dark conditions was minimal, resulting in an insufficient on/off ratio for practical photodetection. Future work will focus on optimizing the Al2O3 thickness, device architecture, and process conditions to experimentally achieve simulation-level light/dark current separation and SWIR photoresponse in degenerate silicon MIS structures.

국문 초록 (Abstract)

축퇴 실리콘 기반 근적외선 포토다이오드 특성 분석 0.9 ㎛~3 ㎛ 사이의 SWIR(Short-Wavelength Infrared) 대역은 통신, 원격 감 지, 반도체 검사, 의료 영상 등 군사 및 민간 분야에서 폭넓게 사용된다. 그 러나 Ge 및 InGaAs와 같은 Ⅲ-Ⅴ족 반도체 기반 SWIR 포토디텍터는 우수 한 감도를 제공하지만, 높은 비용과 냉각 요구, CMOS 공정과의 비호환성 등으로 인해 다양한 응용에 한계가 있다. 본 연구에서는 기존 Si 포토다이오드로 검출이 불가능한 SWIR 대역에서의 광검출 가능성을 확인하기 위해, 축퇴(p++) 실리콘을 이용한 MIS-Schottky 포토다이오드 구조를 설계·제작하고 전기·광학 특성을 분석하였다. 고농도 도핑에 따른 Bandgap narrowing과 Drude model의 자유캐리어 흡수를 고려해 축퇴 p형 Si의 n,k를 도출하고, FDTD 및 TCAD (Silvaco사, ATLAS)를 이용 해 MIS-Schottky 구조의 전기·광 특성을 예측하였다. 축퇴 Si의 저저항 특성으로 인해 금속-축퇴Si Schottky 접합에서는 터널링 전류가 지배적이어서 광검출이 어려우므로, 금속 전극과 축퇴 Si 사이에 Al2O3 절연막을 삽입한 MIS 구조로 TCAD 시뮬레이션을 진행하였다. 입사 파장 λ=1.5 ㎛, Al2O3 두께 10~50 nm 조건에서 광/암전류를 평가한 결과, 약 10 nm일 때 동작 전압(6~8 V)에서 대략 10~102 수준의 On/Off 비를 확 보할 수 있어, 이후 시뮬레이션의 기준 두께로 Al2O3 10 nm를 선택하였다. 동일 조건에서 λ=0.6~1.7 ㎛에 대해 파장별 On/Off 비를 평가한 결과, 역바 이어스(6-8 V)에서 암전류 10-22 A~10-6 A, 광전류 10-19 A~10-5 A 범위에서 변화하며 가시광-근적외선 및 SWIR 영역 전반에서 수십 배 수준의 On/Off 비를 유지하는 것으로 나타났다. 이를 통해 축퇴 실리콘 MIS 구조가 가시 광-근적외선뿐만 아니라 SWIR 대역에서도 검출 가능한 수준의 광전류를 제공할 수 있는 가능성을 지님을 시뮬레이션 상으로 확인하였다. 비저항 0.005 Ω·cm인 p++ Si 웨이퍼 상에 ALD(Atomic Layer Depositoin) 공 정으로 Al2O3(5,10,20 nm)를 증착한 뒤, 리프트오프 공정으로 Al2O3 상부에 Mo 애노드 전극 패턴을 형성하고, 후면에는 Al 캐소드 전극을 전면 증착하 여 MIS 구조를 구현하였다. FIB 단면 분석결과, 5, 10 nm 조건에서는 목표 두께와 균일한 적층 구조가 형성된 반면, 20 nm에서는 Mo/Al2O3 계면에서 크랙이 관찰되었다. 비교군인 비축퇴 Si MIS 포토다이오드는 가시광-근적외 선 영역에서 정상적인 응답도와 약 1.1 ㎛ 부근의 컷오프를 보였으나, 축퇴 Si 소자는 특히 Al2O3 10 nm 조건에서 I-V 곡선 상 포토다이오드 정류 특 성은 확보되었으나 광조사 유무에 따른 전류 차이가 미미하여 실질적인 On/Off 비를 얻지 못하였다. 향후 Al2O3 두께와 소자 구조, 공정 조건을 최 적화함으로써, 축퇴 실리콘 MIS 구조에서 시뮬레이션 수준의 광/암전류 분 리와 SWIR 광응답을 실험적으로 구현하고자 한다. Keyword : SWIR, 축퇴 실리콘, MIS-쇼트키 포토다이오드, 광전류·암전류, 응답도

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서론 1
• Ⅱ. 이론 3
• A. 실리콘 포토다이오드의 SWIR 대역 검출 한계 3
• B. 축퇴 반도체 (Degenerate Semiconductor) 6
• 1. 축퇴 조건과 밴드 구조 변화 6
• 2. Bandgap narrowing 및 Drude model 8
• A) Bandgap narrowing 8
• B) Drude model 10
• C. 쇼트키 접합 (Schottky Junction) 12
• 1. 이상적인 금속-반도체 쇼트키 접합 12
• 2. 고농도(p++) 실리콘에서의 쇼트키 접합 특성 14
• 3. MIS-Schottky 구조 16
• Ⅲ. 축퇴 실리콘 기반 포토다이오드 설계 및 시뮬레이션 18
• A. 소자 구조 설계 및 주요 파라미터 18
• B. 광학 FDTD 시뮬레이션 결과 21
• C. 전기적 시뮬레이션 결과 24
• 1. Al2O3 두께에 따른 암전류 및 광전류 특성 24
• 2. 파장에 따른 전류 특성 28
• Ⅳ. 축퇴 실리콘 기반 포토다이오드 제작 및 특성 분석 35
• A. 소자 제작 공정 35
• 1. Al2O3 증착 36
• 2. 금속 전극 패턴 증착 37
• A) 포토마스크 및 GDS 레이아웃 설계 37
• B) 상부 애노드 전극(Mo) 형성 39
• C) 하부 캐소드 전극(Ti/Al) 형성 및 다이싱 40
• 3. 공정 평가(FIB 단면 분석) 42
• A) Al2O3 공정 목표 두께 5 nm 시편 43
• B) Al2O3 공정 목표 두께 10 nm 시편 45
• C) Al2O3 공정 목표 두께 20 nm 시편 47
• B. 제작 소자의 전기·광학 특성 및 분석 49
• 1. 비교 소자 구조(비축퇴 실리콘 포토다이오드) 및 측정 조건 49
• 2. 비축퇴 실리콘 포토다이오드의 전기·광학 특성 52
• 3. 축퇴 실리콘 포토다이오드의 전기·광학 특성 57
• Ⅴ. 결론 59
• 참고문헌 61
• ABSTRACT 63