본 연구에서는 고밀도로 백색 발광다이오드를 웨이퍼 상에 제작하기 위한 제조공정에 필요한 포토마스크를 제작하는 연구를 수행하였다. 발광다이오드 한 개의 패턴을 웨이퍼상에 연속적으로 배열하여 이를 병렬로 연결하는 금속배선을 고려하였다. AutoCAD의 DWG 파일로 캐드작업을 수행하여 이를 DXF 파일로 변환하였으며, 레이저빔으로 스켄하여 소다라임 유리판 위에 크롬을 식각함으로써 포토마스크를 제작하였다. 이는 기존에 제작된 개별칩 형태의 발광다이오드 제작공정을 집적공정화함으로써 웨이퍼상에서 전면 발광하는 조명광원의 구조를 갖는다. 또한 이를 활용하여 백색 발광다이오드 집적칩을 제작하려 한다.
본 논문은 감마선 방사선 선량을 측정하기 위하여 상용 반도체를 응용하기 위한 실험적 연구에 대하여 다루었다. 실리콘 포토 다이오드는 값이 싸고 작으며 높은 효율과 견고하여 광검출기로 잘 이용되기 때문에 감마선과 같은 방사선 측정에 효과적으로 이용될 수 있다. 대부분의 PN 포토 다이오드는 이 증가함에 따라 역 방향 전류의 증가하는 특성을 가지고 있다. 그러므로 이 소자들의 공핍층이 역 방향 전류에 영향을 주므로 이 공핍층의 면적이 큰 PIN 포토 다이오드를 선택하였다. 이 연구에서는 방사선량을 검출하고 감마선 선량계를 개발하는데 적용하기 위하여, PIN 다이오드에 대해 몇 가지 실험이 수행되었다. NEC사의 PH 302와 SIEMENS사의 BPW 34와 같은 2가지 종류의 포토 다이오드를 반도체 분석장치를 사용하여 $\gamma$선 방사선원인 Co-60의 저준위 시설에서 시험하였다. 그 결과, 방사선 선량률과 다이오드의 전류 사이에 양호한 선형적 함수 관계가 나타나는 것을 확인할 수 있었다. 따라서, 이들 실리콘 PIN 포토 다이오드들은 $\gamma$선 선량계를 설계하는데 적합하게 이용될 수 있을 것이다.
본 논문에서는 포토다이오드의 방향이 항상 신호광의 입사방향과 일치하도록 수광각을 자동정렬하는 광검출기의 구조를 새로이 소개한다. 이 광검출기에서는 신호광을 수신하기 위한 포토다이오드 1개를 중심으로 $\Phi$-축상에 4개의 포토다이오드와 $\theta$-축상에 2개의 포토다이오드를 추가로 배열하여 각각 $\Phi$-축과 $\theta$-축에 해당하는 모터를 구동한다. 이 광검출기는 임의의 모든 방향으로부터 입사하는 신호광에 대하여 약 1초 이내에 수신방향을 신호광 쪽으로 일치시킨다.
본 논문에서는 실리콘을 기초로 한 포토다이오드를 제작하여 현재 바이오센서에서 이용되고 있는 luminol 화학 발광을 전기적으로 검출하였다. 우선, 실리콘 웨이퍼에 이온주입을 통해 p-n 접합을 형성하고 Al 전극을 형성시켜 포토다이오드를 제작하였다. PDMS을 passivation 막으로 사용하여 horseradish peroxidase(HRP) 농도 변화에 따른 발광의 최적조건과 luminol, HRP가 섞인 용액에 서로 다른 양의 과산화수소를 넣어 발광이 최대로 발생하는 혼합비를 측정하였다. 최종적으로 2mM luminol, 25U HRP 조건 하에서 과산화수소 농도에 따른 화학 발광을 측정하였으며, $10{\mu}M$부터 $500{\mu}M$ 범위의 과산화수소 농도 변화에 따른 포토다이오드의 감도는 단위 면적당 23.429pA/ ${\mu}M$이다.
본 논문은 CMOS 이미지센서 SPICE 회로 해석을 위한 포토다이오드 및 픽셀 모델링을 나타내었다. 소자 시뮬레이터인 메디치(Medici)를 이용하여 입사광의 세기에 따른 광전류 특성을 확보하고 SPICE 시뮬레이션에서 활용하기 위한 SPICE용 포토 다이오드 모델을 개발하였다. 그리고 그 결과를 검증하기 위하여 포토다이오드와 NMOS로 구성된 시험용 회로구조에 대한 메디치(Medici)의 mixed mode 시뮬레이션 결과와 SPICE 시뮬레이션 결과를 비교하였다.
포토 다이오드(photodiode) 조정 방식을 이용해서, 비전 시스템을 장착한 고가의 정밀 자동 조립조정 장비 없이 홀로그램 픽업 모듈을 제작하는 새로운 방법을 제안하였다. 저가격화를 위해서 리드 프레임형의 반도체 레이저와 COB(Chip on Board)형의 포토 다이오드를 사용했고, 초점 에러 신호(focus error, FES) 검출방법은 스팟 사이즈 검출법(spot size detection, SSD), 트랙 에러 신호(tracking error, TES) 검출방법은 삼빔법(3 beam method)을 이용했다. 이를 만족하는 픽업 홀로그램 모듈 광학계를 설계하고, 조립조정 프로세스 수립 및 시스템을 제작하였으며, 조립된 홀로그램 모듈을 이용하여 CD에서 데이터를 검출하는 실험을 통해 제안된 포토 다이오드 조정방식의 유용함을 입증하였다.
반도체 공정 기술의 진보로 인해 InP/InGaAs로 제작된 애벌랜치 포토다이오드가 고속 광통신 시스템에서 사용되고 있다. 하지만 경계 항복에 의한 접합 부분의 강한 전기장으로 인한 문제와 항복 이득의 저하 문제로 소자 특성의 문제가 발생하고 있다. 이 논문에서는 소자 구조 변화에 따른 고속 InP/InGaAs 애벌랜치 포토다이오드의 특성 변화를 공정/소자 시뮬레이션을 이용하여 분석하였다.
본 논문에서는 한 개의 빔 분할기와 감응파장영역이 서로 다른 2개의 포토다이오드를 사용하여 무선광 차동 검출기를 구성하고 잡음광 소거에 활용하였다. 빔 분할기를 차동검출기에 사용하면 2개의 포토다이오드의 위치에서 잡음광의 강도를 항상 동일하게 만들어주므로 잡음전압을 소거하기 위한 이득비 자동조절회로가 필요하지 않게 되어 회로가 간단해진다. 광필터가 부착된 단일의 포토다이오드에 비하여 빔 분할기를 이용한 차동검출기에서 신호대 잡음비를 약 14 ㏈ 개선하였다.
상하로 양극 영역이 중첩된 새로운 Si 포토다이오드를 제작하고 이의 전기광학적 특성을 조사하였다. 제작된 소자의 역포화전류와 이상계수는 각각 68pA와 1.8로 나타났으며 -3V 바이어스에서 측정된 접합 커패시턴스는 8.3 pF로 나타났다. 또한 $100mW/cm^2$, AMI 스펙트럼 조건에서 -3V 바이어스 아래 측정된 광전류와 감도특성은 각각 $60\;{\mu}A$와 6 A/W로 나타났다.
열전소자는 열에너지를 전기에너지로, 전기에너지를 열에너지로 직접 변환하는데 사용되는 소자로 자동차 온도조절 시트(Climate Control), 반도체(순환기, 냉각판), 바이오(혈액분석기, PCR, 시료온도싸이클 테스터기), 이학분야(스펙트로포토미터), 광학분야(CCD 쿨링, 적외선센서 냉각, 레이저다이오드 냉각, 포토다이오드 냉각, SHG레이저 냉각), 컴퓨터(CPU 냉각), 가전제품(김치냉장고, 소형냉장고, 냉온수기, 와인냉장고, 쌀통, 제습기), 산업분야(폐열발전기, 리모트 파워발전) 등 다양한 분야에 적용되고 있으며 새로운 시장을 창출하고 있다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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