KR100274124B1 - 전기 광 검출기 어레이 - Google Patents

Abstract

검출되는 광에너지에 투명한 유전체 지지기판 상에 형성된 인듐 안티몬 화합물 전기 광검출기 어레이의 각 다이오드는 에너지가 최초로 입사하는 다이오드 표면으로부터 약 0.5㎛보다 적은 접합층을 포함하고 있다. 광에너지는 벌크 N형 도프영역 상에 입사되기 전에 먼저 P형 도프영역에 입사된다. 인접 다이오드의 P 및 N형 도프영역의 모두는 서로 이격되어 있다. 금속은 입사 광에너지와 거의 간섭 없이 P형 도프영역을 전기적으로 같이 접속한다. 멀티플렉서 집적회로 기판은 지지기판과 평행하게 연장되고 다이오드의 전기적인 성질을 선택적으로 판독하기 위한 소자 어레이를 포함한다. 상기 소자와 다이오드는 이 소자와 다이오드의 대응하는 것들이 정합되도록 거의 동일한 표면형상적 배열을 가진다. 인듐 컬럼 혹은 범프의 어레이는 대응하여 정합된 소자와 다이오드를 접속한다.

Description

전기 광 검출기 어레이

제1도 및 제2도는 종래기술의 인듐 안티몬 화합물 적외선 검출기 어레이의 설명도;

제3도는 본 발명에 따른 인듐 안티몬 화합물 검출기 어레이의 바람직한 일 실시예의 측면도;

제4도 내지 제7도는 제3도의 인듐 안티몬 화합물 검출기 어레이를 형성하는데 사용되는 중간 구조를 도시한 도면;

제8도는 본 발명의 다른 실시예의 측단면도, 및

제9도는 제8도의 선 9-9를 통해서 본 평면 단면도이다.

본 발명은 일반적으로 전기 광 검출기 어레이에 관한 것으로, 특히 광 에너지에 의해 조사되는 반도체 소자들의 전면부(前面部)를 가지는 전기 광 검출기 어레이에 관한 것이다.

반도체 전기 광 검출기는 광기전력형 또는 광저항형의 것이 있다. 적외선에서 자외선까지의 다른 파장영역에 대해 여러 가지 다른 유형의 전기 광 검출기가 채용된다. 예컨대, 약 8~12㎛ 및 1~5.6㎛까지의 적외선 파장영역에 대한 광기전력형 전기 광 검출기는 주로 수은 카드뮴 텔루르 화합물(HgCdTe) 및 인듐 안티몬화합물(InSb)로 각각 만들어진다. 예를 들어, 인듐 안티몬 화합물(InSb) 전기 광 검출기의 특수 구조는 공동으로 양도된 미국 특허 3,483,096, 3,554,818 및 3,577,175에 기술되어 있다. InSb 전기 광 검출기에 대하여 후술하겠지만, 다수의 넓은 관점에서 본 발명은 상기 재료에만 한정되는 것은 아니다.

상기한 특허들에서 개시된 바대로, 개별 소자 장치들은 전형적으로, 검출되는 광 에너지원에 노출되는 P-도프영역을 가지는 N-도프 벌크기판을 포함한다. 보통, P-N 접합은 검출되는 광에너지가 입사되는 P-형 영역의 표면으로부터 약 4㎛ 이하가 되게 된다. 즉, 검출되는 광방사 에너지에 노출되는 P-형 영역은 약 4㎛ 이하의 두께를 가진다. 일부의 InSb 장치에서는, P-N 접합이 방사에너지에 노출된 P-형 영역의 표면에 대해 0.5㎛ 이상 근접되어 있다. 광방사에너지가 직접 입사되어 광자에 의해 발생된 전하 캐리어가 P형 영역 내에서 생성된 후 아무런 방해 없이 접합으로 확산되도록 P형 영역이 위치되는 것이 바람직하다. 이러한 구조에 있어서도, 상당량의 광에너지는 P-형 영역을 통해서 약간의 추가 전하 캐리어가 생성되는 P-N 접합과 그 이상의 전하 캐리어가 생성되는 N-형 영역 안으로 투과한다. N-형 재료에서 이러한 흡수가 접합으로부터 너무 멀리 떨어져서 일어나지 않는 한, 발생한 전하 캐리어는 또한 접합으로 재 확산된다. 또한, 이러한 구조는 P-형 영역 내에서 흡수되지 않는 광에너지를 직접 P-N 접합에 이르게 할 수 있다. 이에 의해, 인듐 안티몬 화합물 검출기의 P-도프 영역을 광에너지가 P형 영역에 입사되도록 배치하면, 광에너지의 전기에너지로의 변환효율이 상대적으로 높게 된다.

이들의 특성은 꽤 오랫동안 알려져 있었지만, 비교적 큰 InSb 전기 광 반도체 검출기 어레이에서는 이들 특성이 얻어지지 않았다. 우리가 인지하고 있는 종래의 큰 InSb 어레이에서는, 비교적 두꺼운 N-형 도프 벌크기판 반도체 재료를 조사하는 것이었다. 즉, 어레이의 이면(裏面)이 조사되었다. 조사된 N-형 도프 벌크기판의 두께는 전형적으로 10㎛로서, 이는 광자에 의해 생성된 전하 캐리어가 N-형 벌크기판에서 다른 전하 캐리어나 또는 격자 결함과 서로 작용하게 되는 확률을 증가시키는 두께였다. 가장 짧은 파장의 에너지일수록 이면에 가장 가까운 위치에서 흡수되기 때문에 광검출기가 노출되는 최단 파장 에너지의 경우, 특히 상기 확률이 증가되었으며, 그 결과로 광자에 의해 생성되는 전하 캐리어는 P-N 접합으로 가장 긴 거리를 진행하지 않으면 안된다. 또한, 대체로 1 내지 4㎛ 영역내의 광에너지 중 거의가 벌크재료를 통하여 P-N 접합으로 방해를 받지 않고 전파할 수 없었다.

중래기술의 인듐 안티몬 화합물, 광기전력 검술기 어레이의 구성 및 제조방법이 제1도 및 제2도에 도시되어 있다.

이것 및 또 다른 종래기술의 구조에 있어서는, 검출되는 광에너지가 먼저 비교적 두꺼운(약 10~20㎛) N-형 벌크기판 상에 입사된다. 그러므로, 검출되는 광방사 에너지가 최초로 입사되는 표면과 P-N접합 사이의 거리는 거의 10~20㎛이나 된다. 검출되는 1~5.6㎛ 대역 내의 최단 파장, 즉 1 및 3㎛ 사이의 최단 파장에 대하여서는, 입사 광에너지에 응하여 N형 벌크기판 내에서 생성되는 광자에 의해 발생된 전하 캐리어가 방해 없이 N형 벌크기판으로 진행할 수 없기 때문에 비교적 양자효율이 낮게 된다. 반면에, 광에너지인 광자의 흡수로 생기는 자유 전하 캐리어는 P-N 접합에 이르기 전에 InSb 결정 격자 및 결정 결함과 자주 상호작용을 하게 되고, 이로 인해, 상기 캐리어는 에너지를 잃어 반대형의 다른 캐리어와 재결합하게 되므로 검출되지 않게 된다. 또한, 최단 파장 에너지의 거의가 N형 물질 내에 홉수됨이 없이 접합에 도달할 수 없어서 이 접합 내에서 광자로 발생되는 캐리어를 생성할 수 없게 된다.

제1도 및 제2도에 도시된 종래기술의 구조에서, P-형 영역의 어레이(24)와 함께 약 15밀즈(mils)의 두께를 가지는 인듐 안티몬 화합물 N-벌크기판(23)은 인듐컬럼(26)에 의해 멀티플렉서 기판(25)에 접속되고, 이 인듐컬럼은, P형 영역을 형성하기 위한 금, 니켈, 크롬의 전형적인 금속 접촉패드(도시되지 않음) 또는 멀티플렉서 기판 또는 이들 양자를 결합한 부위에 성장될 수 있다. 다이오드를 형성하는 P-N 접합은 N-형 벌크기판(23) 상에 P형 영역(24)의 각 위치에 존재한다. 이온충격 혹은 가스확산에 의해 형성된 P형 영역의 어레이(24) 및 N-형 벌크기판(23)을 포함하는 검출기 조립체는 멀티플렉서 기판(25)에 접속된 후, 벌크 재료기판은, 제2도에 나타난 바와 같이, 기계적 혹은 화학적으로 또는 이들 양자에 의하여 박막화되어 거의 10 ㎛의 두께로 연마된다. 멀티플렉서 기판(25)은 P형 영역(24)의 표면형상(topography)과 거의 같은 표면형상의 스위치 소자를 가지는 전자 회로를 포함한다. 멀티플렉서 기판(25)내의 전자회로는 인듐 범프를 동하여 전기 광 검출기의 선택되는 다이오드로부터 신호를 판독하여 멀티플렉서 칩에 형성된 하나 또는 2, 3개의 공통 신호단자로 출력시킨다. 이에 의해, 멀티플렉서의 N형 벌크기판(25) 상의 회로에 의하여 선택되는 인듐컬럼 또는 범프(26)에 접속되는 P형 영역(24)에 전체적으로 대응하는 N형 벌크기판(23)의 표면상으로 입사하는 광에너지를 판독하게 하여 준다.

박막화하는 동안이나 그 후의 기계적인 힘에 견디기 위해서, 에폭시 본딩액이 N-형 벌크기판(23) 및 P-형 영역(24)을 포함하는 어레이와 멀티플렉서(25) 사이에 주입된다. 본딩액은 인듐 컬럼 혹은 범프(26) 사이의 공간에 채워진다.

사용상에 있어서, 제2도의 구조는 광에너지가 N-형 벌크기판(23)에 최초로 입사되도록 배치된다. 광에너지는 벌크기판(23)에서 흡수되는 각 광자에 대하여 전자, 정공 쌍인 자유 전하 캐리어를 생성한다. 소수 캐리어, 즉, N형 벌크기판(23)에서 N형 인듐 안티몬 화합물에서 정공이, 다수 캐리어와 재결합되면, 전류는 흐르지 않고 광에너지는 검출되지 않는다. 그러나, 소수 캐리어가, 특히 P형 영역(24)과 N형 벌크 기판(23) 사이의 접합으로 확산하거나 또는 접합을 넘어가게 되면, 전류가 P형 영역에서 생성된다.

소수의 캐리어가 접합을 통해서 확산하는가의 여부는 ;

(1) 입사 광에너지에 의해 생성될 때에 전자 정공쌍이 접합으로부터 얼마만큼 멀리 떨어져 있는가와, (2) 벌크재료(23) 내에서의 확산길이와, (3) 재결합의 중심으로서 작용하는 벌크재료 결함의 밀도 중의 하나에 달려 있다. 이들 결함은 처리가 이행되기 전에도 존재할 수 있다. 그러나, 다른 결합은 예를 들면, 이온주입, 박막화/ 범프 본딩 등 여러 처리과정에 의해 생성된다. 일반적으로, 광에너지를 전기에너지로 변환하는 검출기의 효율은 접합과 광에너지가 최초로 입사되는 표면 사이의 거리가 증가할 때 감소된다.

N형 벌크기판(23) 상에서 행해지는 박막 및 폴리싱 조작은 검출기 상에 심한 스트레스를 생기게 하여 N-형 벌크기판에 자주 금이 가게 된다. N-형 벌크기판(23)을 박막화하는데 사용되는 폴리싱 혼합물과 기계적인 마모는 광에너지가 최초로 입사되는 벌크재료(23)안이나 표면에 미정질의 손상을 일으키게 된다. 미정질 손상은 어레이의 전기적인 특성에 심각하고 결정적인 영향을 준다. 이 결과로 발생되는 광에너지가 입사하는 N-형 벌크기판(23)내의 벌크재료의 변형은 N형 벌크기판(23) 내에서의 높은 표면 재결합율을 발생하게 하여서, 특히 N형 벌크기판(23)의 표면 가까이에서 흡수되는 최단 파장에서, 양자효율을 극단적으로 떨어지도록 하여 준다.

상기 검출기 어레이는 헬륨액체 또는 액체질소 범위 내의 극저온에서 일반적으로 동작한다. 반면에, 단파장에서의 낮은 양자효율은 액체질소 온도의 InSb 어레이에서 일어나지 않을 수도 있지만, 온도가 종래 장치의 성능이 감소되도록 하는 헬륨액 온도범위(천문학자에게 관심 있는)로 더욱 낮아질 때에 확산길이(전술한)가 감소된다. 또한, 액체질소 온도에서의 동작은 N형 내부 기판(23)의 내부재료 및 멀티플렉서 기판(23)의 사이에서 열팽창의 부정합에 의해 어레이에게 심각한 기계적인 변형을 받도록 하는 원인이 된다. N-형 벌크기판(23)의 매우 얇은 박막의 벌크재료는 이와 같이 유도된 변형을 항상 수용할 수 없게 되어서 파손되거나, 인듐컬럼(26)과 N-형 내부기판(23) 혹은 패드 사이의 접속이 파괴되도록 변형될 수 있다.

종래 방법의 또 하나의 불리한 점은 검출기 웨이퍼가 개별 칩으로 분할되고, 범프 본딩이 일어난 후에 박막처리가 수행된다는 점이다. 그러므로, 예컨대 웨이퍼 상에 10개의 어레이가 있다면, 박막처리는 10번 모두 다르게 수행되어, 그 처리가 고가로 된다.

따라서, 본 발명의 목적은 새롭고 향상된 전기 광 검출기 어레이를 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 광에너지가 최초로 입사되는 표면에 매우 근접한 위치에서 P-N 접합을 가지는 새롭고 향상된 전기 광 검출기 어레이를 제공하는데 있다.

본 발명의 또 하나의 다른 목적은 1-5.6㎛ 파장대역의 스펙트럼에서 비교적 높은 양자효율을 가지는 새롭고 향상된 적외선 에너지용의 전기 광 검출기를 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 저온 환경에서 사용되고, 어레이에 극단적인 온도주기의 변화가 있어도 안정된 기계적 및 전기적 성질을 가지는 새롭고 향상된 전기 광검출기를 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 예를 들면 멀티플렉서 N-형 벌크기판과 같은 외부제어회로를 웨이퍼에 접속하기 전에 모든 검출기의 처리가 수행되게 하는 새롭고 향상된 전기 광 검출기 어레이를 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 어레이가 저온에서 작동되어도 저온 및 저온 주위의 온도 사이에서 주기적으로 되고, 안정된 기계적, 전기적인 성질을 가지면서도, 상기 어레이에 사용되는 전체 스펙트럼에 걸쳐서 비교적 높은 양자 효율을 가지는 새롭고 향상된 인듐 안티몬 화합물 검출기 어레이를 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 검출될 적외선 광에너지가 검출기의 N-형 재료 대신에 P-형 재료에 최초로 입사되도록 인듐 안티몬 화합물 내의 P-형 재료가 위치되는 새롭고 향상된 인듐 안티몬 화합물 검출기 어레이를 제공하는데 있다.

본 발명의 하나의 특성에 따르면, 전기 광 검출기는 비금속의 이면지지기판(이하, 지지기판이라 약칭한다)과 상기 지지기판 상의 반도체 다이오드의 어레이를 구비하고 있는데, 상기 다이오드는 그 위에 입사된 광에너지에 의해 영향받는 전기적 성질을 가지며 다르게 도핑된 제1 및 제2 영역으로 분리된 접합을 포함한다. 검출기는 검출될 광에너지에 투명한 지지기판 및 이 지지기판에 위치함과 동시에 검출될 광에너지가 지지기판을 통해 전파한 후 제2영역에 입사하기 전에 제1영역으로 입사하도록 배열된 제1 및 제2영역을 가지도록 함을 특징으로 하고 있다. 상기 제1영역은, (a) 제1영역으로 입사하는 광에너지의 단파장 방사의 거의 대부분이 제1영역이나 상기 접합에서 흡수되는 반면에, 상기 광에너지의 장파장 방사는 제1영역 및 접합을 통하여 제2영역으로 투과하며, (b) 상기 광에너지의 상당수 광자들은 접합 내에서 또는 그 근처에서 흡수되고, 상기 제1영역에 입사된 광에너지로부터 발생한 전하 캐리어들이 재결합 없이 접합으로 확산하도록 하는 재료로 만들어짐과 동시에 두께를 가진다. 상기 제2영역은 상기 제1영역보다 실질적으로 더 두껍다.

본 발명의 또 하나의 특성에 따르면, 상기 검출기는 검출될 광에너지에 투명한 지지기판과 이 지지기판 상에 위치되고, 검출될 광에너지가 지지기판을 통하여 전파한 후 제2영역에 입사하기 전에 제1영역에 먼저 입사하도록 배열된 제1 및 제2영역을 가지되, 상기 제2영역은 얇은 벌크재료로 형성되고 상기 제1영역은 상기 벌크재료 상에 여러층으로 형성되도록 함을 특징으로 하고 있다.

본 발명의 또 다른 하나의 특성에 따르면, 전기 광 검출기는 비금속 지지기판 및 상기 지지기판 상의 InSb 반도체 다이오드들의 2차원적 어레이를 구비하는데, 상기 다이오드들은 P 및 N도프 영역을 분리하는 접합을 포함한다. 상기 검출기는 검출될 광에너지에 투명한 지지기판을 특징으로 하는데, 상기 영역들은 상기 지지기판상에 위치하며 검출될 광에너지가 지지기판을 통하여 전파한 후 N도프 영역에 입사되기 전에 먼저 P도프 영역에 입사되도록 배열된다.

바람직한 실시예에서, 전기적으로 지지기판에 접촉함과 동시에 제1영역을 함께 접속시키는 금속전극은, 제1영역에 입사되는 광에너지를 실질적으로 간섭하지 않도록 배열된다. 상기 다이오드는 로 및 칼럼으로 배열되는 것이 바람직하며, 상기 금속전극은 검출될 광에너지가 제1영역으로 입사할 수 있도록 상호 수직방향으로 연장되는 교차 스트립의 그리드, 또는 창을 가진 박막으로 배열되는 것이 바람직하다. 제1영역들은 이 제1영역에서 흡수되는 광에너지에 의해 생성되는 전하 캐리어들이 실질적인 재결합 없이 접합으로 확산할 수 있도록 하는, 재료로 만들어짐과 동시에 두께를 갖는 것이 바람직하다. 또한, 상기 제1영역들은 가스 확산된 벌크재료 또는 이온주입층으로 형성되는 것이 바람직하다.

하나의 바람직한 실시예에서, 멀티플렉서 집적회로기판은 지지기판에 평행하게 연장되고 다이오드들의 전기적 성질의 선택적 판독을 위한 소자 어레이를 포함하는데, 상기 소자와 다이오드들은, 소자와 다이오드 중 대응하는 것들이 금속범프 어레이에 정합되고 접속되도록 거의 동일한 표면형상적 구조를 가진다.

바람직하게는, 다이오드의 반도체 광 어레이는 제1도전형의 벌크 반도체 상이나 그 표면에 인접한 P-N 접합으로 형성된다. 상기 접합의 각각은 제1도전형 벌크반도체와 제2도전형의 반도체 영역 사이에 있다. 전극은 제2도전형의 반도체 영역의 부분을 금속화함으로써 형성된다. 어레이는 광로가 지지기판을 통해서 제1도전형의 반도체 영역의 적어도 한 세그멘트로 유지하도록 지지기판에 제1도전형의 반도체 영역을 본딩함으로서 이 지지기판에 결합된다. 아일런드(Island)는 반도체 영역이 지지기판에 본딩되는 동안 벌크기판의 두께를 경감시키고 아일런드의 각각이 벌크 반도체의 대응하는 영역, 접합 및 제2도전형 반도체 영역을 포함하도록 상기 경감된 두께의 벌크기판을 에칭함으로써 형성된다.

이하, 본 발명의 실시예에 대하여 구체적으로 설명한다.

제3도를 창조하면, 1에서 5.6㎛까지의 파장영역 내의 방사용 광기전력 인듐 안티몬 적외선 검출기의 다이오드 어레이(52)가 광학적으로 투명한 지지기판(51)에 실장된 것으로 나타나 있다. 멀티플렉서 직접회로 기판(53)은 지지기판(51)에 평행하게 확장되고, 인듐컬럼(54)에 의해 다이오드 어레이에 전기적으로 접속된다.

다이오드 어레이(52)는 검출되는 광에너지에 투명한 지지기판(51) 상에 배치되어서, 다이오드의 P-형 도프영역(62)은 어레이에 있는 다이오드들의 N형 벌크기판 영역(63)에 에너지가 입사되기에 앞서 검출되는 광에너지가 P-형 도프영역(62)에 입사되도록 한다. 다이오드 어레이는, 인접 다이오드가 절연체에 의해 서로 이격되도록, 아일런드로 구성되어 있다. P형 및 N형 영역(62, 63) 사이의 다이오드 어레이(52)의 P-N 접합은 검출되는 광에너지가 최초로 입사하는 각 다이오드의 표면에서 거의 4㎛(그리고 전형적으로 약 0.5㎛ 미만) 이하이다. 각 접합이 광에너지가 최초로 입사하는 표면으로부터 근접 거리에 위치되어 있기 때문에, P형 영역(62)에 형성되는 전하 캐리어는 직접 접합으로 확산되어서 스펙트럼의 단파장의 끝을 포함하여, 관심대상의 파장영역에 걸쳐서 반도체 다이오드 어레이(52)로 광에너지를 전기에너지로 효율적으로 변환시켜 주게 된다. 입사 광에너지의 결과로써 다이오드 어레이(52)의 N형 영역에서 흐르는 전류는 N형 영역(63) 상의 금속접촉패드(55)를 경유해서 멀티플렉서(53)의 소자에 전달되는데 금속패드와 멀티플렉서 소자와의 접속은 인듐컬럼(54)을 경유하여 이루어진다. 검출되는 광에너지에 투명한 유전체 지지기판(51)은 창으로 사용되는 유전체판(57)(예컨대, 사파이어 또는 갈륨비소)을 포함하고 있고 에폭시 접착층(58)으로 덮여진 이면을 가지고 있으며, 상기 접착층은 서로 수직방향으로 연장되는 교차 금(Au) 스트립으로 전형적으로 형성되는 금속그리드층(59)을 덮고 있다. 금속그리드층(59)은 접지레벨과 같은 기준전위 레벨에 각 P형 영역을 접속한다. 금속그리드(59)의 대부분은 인듐 안티몬 화합물 다이오드 어레이(52)의 각 P형 영역(62)의 대부분을 덮고 있고 판(57)과 같이 검출되는 광에너지에 투명한 금속패드(55)는 검출된 광에너지가 최초로 입사하는 P형 영역(62)의 면으로 부터 떨어진 N형 영역(63)의 면에 적층되어 있다.

금속그리드(59)는 산화층(61)의 일부를 통하여 연장하여 각 P형 영역(62)의 전면과 접촉한다. 각 전면영역(62)의 넓이의 비율은 금속그리드가 P형 영역(62)의 전면에 노출된 다른 부분을 가리지 않도록 비교적으로 적다. 다이오드 어레이(52)와 금속그리드(59)는, 예를 들면, 다이오드 어레이(52)는 선형 어레이, 직사각형 어레이 혹은 원형 어레이로 배치될 수 있는 바와 같이 반드시 그렇지는 않지만, 정사각형 매트릭스에 배치시키는 것이 바람직하다. 대개 본 발명의 어레이 열은 통상 적어도 16개의 다이오드로 이루어져 있다.

각 인듐 안티몬 화합물 다이오드 어레이(52)의 P형 영역(62), N형 영역(63) 및 결합된 접합은, 약 2㎛이나 이보다 더 긴 파장의 방사 에너지가 P형 영역과 접합을 통해서 N형 영역으로 투과하는 동안에, 검출되는 1~2㎛ 방사에너지의 거의 모두가 P형 영역 혹은 접합에서 흡수되도록 배열되어 있다. N형 영역(63)의 두께가 5~20 ㎛ 사이에 있는 반면에, 산화층(61)에 접촉하는 P형 영역(62)의 면으로부터 영역(62,63) 사이의 전기적인 P-N 접합에 대한 거리는 4㎛ 이하이고, 0.5㎛이거나 보다 작은 것이 바람직하다. 이 구조는 입사 광방사에너지로부터 생긴 전하 캐리어가 재결합 없이 접합으로 확산되도록 접합 가까이 혹은 접합 내에서 대부분의 양자가 흡수될 수 있도록 하여준다. 그럼으로써, 광에너지를 전기에너지로 변환시키는 데 있어, 특히 1~2㎛의 단파장 영역에서, 양자 효율이 향상된다.

산화층(61)은 P-N 접합용 전기절연층을 형성하도록 N-형 영역(63)의 측면은 물론, P형 영역(62)의 측면 및 상면에 부착된다. 또한, 산화층(61)은, 후에 기술되는 바와 같이, 인듐 안티몬 화합물 다이오드 어레이(52)를 아일런드로 분리하는데 사용되는 에칭제에 의해 금속 그리드층(59)이 부식되는 것을 막아준다.

제3도에 도시된 구조를 형성하는 바람직한 방법이 제4도~제7도에 나타나 있다. 먼저, 제4도에 나타난 바와 같이, 약 10밀즈(mils)의 두께를 가지는 N-형 인듐 안티몬 화합물 벌크기판(71)은, 예를 들어, 이온충격 혹은 가스적층처리를 사용함으로써 그 위에 생성되는 P형 영역(2)을 가진다. 그 후, 산화층(61)과 금속그리드(59)는, 노출된 N형 벌크기판(71)의 상면과 P형 영역(62) 상에 순차적으로 적층되어서, 제5도에 도시된 바와 같은 구조를 형성하게 된다(간략하게 나타내기 위해, 제5도에는 P형 영역(62) 및 N-형 벌크기판(71)의 상면은 물론 금속 그리드층(59) 및 산화막(61)이 도시되어 있지 않다). 이에 의해 P형 영역에 의해 덮여지지 않는 N-형 내부 기판의 로 및 컬럼 매트릭스 배열을 제외하고, N형내부 기판(71)의 상면 위에 놓여지는 P형 영역(62)을 상호 격리시키는 정방형 매트릭스가 형성되어져 있다. 금속 그리드(59)는 P형 영역(62)과 N형 벌크기판(71)의 도시된 면부분 위를 덮고 있다.

플레이트, 즉, 창(57)은 제4도에 나타난 구조를 형성하도록 에폭시 접착층(58)에 의해 산화층(61)과 금속그리드(59)의 노출면에 본딩되어 있다. 전형적으로, 반사방지코팅이 본 분야의 기술에서 숙련된 사람들에게 잘 알려진 방법으로, 광에너지에 노출된 인듐 안티몬 화합물 표면에 형성된다. 간략화를 위하여 반사방지 코팅은 나타나 있지 않다.

제4도에서 나타난 구조가 제조된 후, 제6도에 도시된 바와 같이, N형 내부기판(71)의 두께는 약 10~20㎛으로 감소된다. N-형 내부기판(71)의 두께는 감소되며, 즉, N-형 벌크기판이 종래의 기계/화학적 수단으로 얇게 된다. 그 후, 에칭 마스크가 제6도의 N형 벌크기판(71)을 접촉하는 산화층 영역에 일반적으로 대응하는 벌크 기판층(71)의 노출 영역 상에 형성된다. 그리고, 인듐 안티몬 화합물 습식 화학 에칭이, 제7도에 나타난 바와 같이, 에칭 마스크 및 N형 벌크기판(71) 노출표면에 가하여져서, 홈이 N형 영역(63) 사이에 형성되도록 해주게 된다.

또한, 건식에칭, 즉, 플라즈마에칭 혹은 이온빔 밀링이 검출기 재료 내에 홈을 형성하는데 사용될 수 있으며, 홈은 검출기 재료의 각각의 아일런드를 격리시켜서 격리된 검출기 다이오드를 형성하여 준다. 이것에 의해, P형 영역(62)과 N형 영역(63)을 각각 포함하는 다중의 격리 다이오드가 형성된다. 모든 다이오드의 N형 영역은 기계적, 전기적으로 서로 떨어져 있게 되지만, 다이오드의 P형 영역은 기계적으로 서로 떨어지나, 금속그리드(59)에 의해 전기적으로 서로 연결된다.

제7도에서 나타난 구조가 만들어진 후, 금속오믹 접촉패드(55)(제3도)가 N형 영역(63)에 적층되어지고, 컬럼 혹은 범프(54)가 금속패드 상에서 성장된다. 구체적으로는, 멀티플렉서 기판(53)이 다이오드 어레이(52)와 금속패드상에서 성장된다. 구체적으로는, 멀티플렉서 기판(53)이 다이오드 어레이(52)와 표면형상적으로 정합되고 대응하는 멀티플렉서의 영역이나 금속패드 상에 인듐 컬럼 혹은 범프(54)를 성장시킴으로서 다이오드 어레이(52)에 접속하게 된다. 그 후, 웨이퍼는 멀티플렉서 출력측에 범프부착되는 개별의 어레이들로 쪼개지게 된다. 공통 N형 인듐 안티몬 화합물 N형 벌크기판에 P형 인듐 안티몬 "아일런드"로 형성되어 있는(통상 "N상의 P" 구조로 칭하여 지고 있음) 종래의 구조와는 달리, 본 발명의 구조는 PN 접합을 가지는 분리된 다이오드를 형성하도록 P형 영역 상에 N형 영역을 각기 가지는 아일런드로 구성되어 있다. 종전의 기술에서는, 광에 의해 생싱된 캐리어가 캐리어 접합 영역에 이르기 위해서는 수㎛의 N형 인듐 안티몬 화합물을 통과해야 한다. 본 발명의 InSb 실시예에서는, 광에 의해 생성된 캐리어가 캐리어 집합영역에 이르는 데에는 P형 영역(62)의 0.5㎛(혹은 보다 적게)를 통과할 뿐이다. 본 발명에서, 아일런드 내의 P형 재료는 금속그리드 패턴(59)에 의해 전기적으로 접속되고, 모든 다이오드 아일런드 P형층들 사이에서 재료를 에칭함으로서 서로 기계적으로 분리되게 된다. 이러한 요소로 인해서, 본 발명은 "P상의 N" 장치로서 생각된다.

본 발명에서 N형 벌크기판을 얇게 하는 유일한 이유는, 에칭 단계, 즉, P형 영역들 사이의 상당량의 물질의 제거단계가, 측방향 에칭을 최소로 줄이면서 신속하게 일어날 수 있도록 해주기 위한 것이다.

본 발명의 장치는 "전면" 즉 P형측으로 조사되기 때문에, N형 벌크재료의 가공으로 발생되는 기계적인 손상은 어레이의 광학적, 전기적 검출특성에 악영향을 미치지 않는다. 많은 경우에, P형 영역은 검출되는 에너지가 입사되는 InSb의 표면으로 부터 1㎛ 미만으로 확장된다. 검출되는 에너지가 입사하는 표면에 매우 가깝게 캐리어 집합영역을 배열함으로써, 재결합 중심의 고집중도 및 N형 재료를 통해서 "긴" 거리(약 10 ㎛)를 확산해야 하는 소수 캐리어의 모든 문제점이 제거된다.

본 발명에서, 검출기 재료는 기본적으로 웨이퍼 형태로 처리됨으로서 평탄성과 두께 조정을 향상시킨다. 많은 경우에 있어서, 생산과정에서 또한 N형 벌크기판(71)으로부터 스트레스가 제거되는데, 이는 검출기 및 멀티플렉서 N형 벌크기판은 대략 같은 열팽창계수를 가지는 재료나 동일 재료로 만들어지기 때문이다. 그러므로, 인듐컬럼(54)과의 본딩을 파괴시키는 원인으로 되는 치명적인 스트레스는 결코 없게 된다. 더욱이, 인접한 N형 영역(63) 사이와 아무런 전기적인 접촉이 없고, 이것에 의해, 다이오드 어레이(52) 사이의 광학적, 전기적인 혼선을 제거시키기 때문에, 검출기 다이오드 어레이(52)가 완전히 전기적으로 분리된다. 인접 다이오드 어레이 사이의 인듐 안티몬 화합물을 물리적으로 제거함으로써 옆으로 향해 확산되는 전하 캐리어가 인접 다이오드에서 접속되지 않게 된다.

개별 인듐 안티몬 화합물 다이오드 검출기의 아일런드의 분리에 의해 검출기재료로부터 열팽창 스트레스가 제거된다. 매우 파손되기 쉬운 인듐 안티몬 화합물 검출기 재료에 있어서 열 스트레스 문제는, 검출기 어레이(52)를 형성하는 개별 아일런드의 크기가 작기 때문에 경감된다.

종래기술에 있어서, 열 스트레스 문제는 멀티플렉서 N형 벌크기판에 대한 인듐 안티몬 화합물 N형 벌크기판의 다른 팽창 때문에 자주 일어난다. 종래기술에서는, 벌크 인듐 안티몬 화합물은 멀티플렉서의 넓이에 상당하는 에리어를 가지게 되므로 멀티플렉서에 대한 인듐 안티몬 화합물의 팽창은 인듐 안티몬 화합물 내에 스트레스가 생기게 하여 준다.

본 발명에 있어서, 다이오드는 공간적으로 격리된 작은 아일런드로 형성됨으로써, 어느 다이오드 소자의 팽창도 멀티플렉서의 팽창에 대해 무시할 수 있다. 그러므로, 제3도의 구조는 N형 벌크 InSb 웨이퍼로 시작하여 InSb 다이오드를 만들기 위한 통상의 처리를 개시함으로써 만들어진다. 그 후, 웨이퍼의 표면은 이온충격 혹은 확산에 의해 변형되어서 P형층을 형성한다. 다이오드 어레이를 형성하는 "메사(mesa)" 방법에 있어서, 포토마스크 및 에칭처리는 소망의 P형 에리어 사이의 P형 (및 N형) InSb를 에칭해 버림으로써 개별 P형 메사 영역의 윤곽을 그리기 위해 사용된다. 에칭은, P형 영역의 두께가 대개 약 0.4㎛이므로, 1에서 4㎛ 정도로 매우 얕게 된다. 각 다이오드의 PN 접합의 가장자리는 각 메사의 측벽에 노출된다. 그 후 산화 및 금속 패턴은 투명한 지지기판에 접합되기 바로 전에 이들 표면에 적층된다. 그 다음에는 이면측 박막화 및 에칭이 제3도 내지 제7도에 관련하여 전술한 바와 같이, 본 발명에 따라 수행된다.

또한, 본 발명의 원리는 제8도 및 제9도에 나타난 바와 같이, "메사-레스(mesa-less)" 처리 및 구조에도 적용될 수 있다. 또한, "메사-레스" 처리는 확산 혹은 이온주입에 의해 표면에 형성된 P형층을 가지는 N형 웨이퍼로 시작된다. "메사-레스" 처리에 있어서, 개별 P형 메사영역의 윤곽을 그리는 각 스텝은 생략된다. 산화금속층은 투명한 지지기판에 부착하기 바로 전에 P형 표면에 적층된다. 박막 및 이면측 에칭은 제6도 및 제7도와 관련하여 전술한 대로 진행한다. 개별 다이오드는, 이면측 에칭으로 인접의 다이오드 사이에서 모든 InSb(N형 및 P형 모두)이 제거될 때, 형성된다. 이에 의해, 각 다이오드의 PN 접합의 가장자리는, 메사를 가지지 않는 N형 벌크기판으로부터 N형 영역(63)이 형성되는 제8도의 구조의 측면도에 의해 일반적으로 나타난 바와 같이, 각 다이오드를 형성하는 아일런드의 측벽 상에서 노출된다. P형 영역(62)은 "창"의 금속패턴이 나타난 것을 제외하고는 전술된 바대로 기판 상에 형성된다. 그 후의 금속접속 패드의 적층 및 인듐 컬럼의 성장은 다이오드를 형성하는 양쪽 방식이 동일하다.

제8도 및 제9도에 도시된 본 발명의 실시예에서는, 제3도의 금속그리드(59)가 그 안에 창(82)을 가지는 금속층(81)으로 치환된다. 창(82)은 P형 영역(62)의 노출면 위에 위치되고 P형 영역의 에리어보다 다소 적은 에리어를 가진다. 이에 의해, P형 영역은 금속층(81)에 의해 함께 접속된다. 창(82)과 금속층(81)은 P형 영역(62)의 에리어보다 적은 에리어를 가지기 때문에, 모든 P형 영역이 함께 접속된다. 검출기 어레이(52)의 다이오드의 N형 영역은 산화층(61)에 의해 금속층으로부터 전기적으로 격리되어 있다. 창(82)의 에리어가 P형 영역 혹은 N형 영역의 에리어보다 더 정확하게 제어될 수 있기 때문에, 광에너지에 대한 응답균일성은 제3도의 구조에 호응하여 증가한다. 제8도 및 제9도의 창 구조는 제3도에서 설명된 형태의 메사구조에 사용될 수 있다.

본 발명은 여러 개의 특정한 실시예를 통하여 도시되고 설명되었지만, 특정하게 나타내고 설명된 실시예의 상세한 부분에서의 변형은 첨부된 청구범위에서 규정된 바와 같은 발명의 기술 사상과 범위로부터 일탈됨이 없이 이루어질 수 있음이 명백하다.

예를 들면, 도시된 실시예에서는, 금속그리드(59) 혹은 금속층(81)에 의한 입사광에너지의 그림자 간섭이 약간 있을 뿐이나, 다른 실시예에 있어서는 상당히 큰 그림자 간섭이 있을 수 있다(예를 들면 99% 까지).

Claims (18)

1. 이면(裏面)지지기판과, 상기 지지기판 상에 형성된 다이오드 어레이를 포함하며, 상기 다이오드들 각각은 접합(junction)에 의해 분리된, 다르게 도프된 반도체 제1영역들과 제2영역들을 포함하며, 상기 다이오드들은 입사된 광방사(optical radiation)에 의하여 영향을 받는 전기적 성질을 갖는, 비교적 장파장들과 비교적 단파장들의 광방사를 포함하는 소정의 파장대역의 광방사를 측정할 수 있는 전기 광 검출기에 있어서, 상기 지지기판은 입사된 소정의 파장대역의 광방사가 상기 다이오드들 중 각각의 상기 제1영역의 한부분 이상에 입사하도록 일반적으로 허용하며, 상기 다이오드의 각각의 상기 제1영역들과 제2영역들은 상기 지지기판 상에 입사된 소정의 파장대역의 광방사가 상기 각각의 제2영역 상에 입사되기 전에 상기 다이오드 각각의 상기 제1영역 상에 먼저 입사되도록 배열되고, 상기 다이오드 각각의 상기 제1영역은 약 4 미크론 미만의 두께를 가지는 P타입 영역을 포함하고, 상기 다이오드 각각의 상기 제2영역은 약 5 미크론 내지 약 20 미크론의 두께를 가지는 N타입 영역을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 광 검출기.
2. 제1항에 있어서, 상기 제2영역들은 얇은 벌크재료를 포함하며, 상기 제1영역들은 상기 얇은 벌크재료 상에 형성된 층들을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 광 검출기.
3. 제1항에 있어서, 상기 지지기판은 소정의 파장대역의 광방사에 투명한 비금속 재료를 포함하며, 상기 다이오드 어레이는 2차원의 InSb 다이오드 어레이를 포함하며, 상기 제1영역들은 상기 제2영역들보다 상기 지지기판에 더욱 근접해 있는 것을 특징으로 하는 전기 광 검출기.
4. 제1항에 있어서, 상기 지지기판과 접하고 상기 다이오드들의 제1영역들과 전기적으로 접속하는 금속 전극을 더 포함하는 전기 광 검출기.
5. 제4항에 있어서, 상기 다이오드들은 열들과 행들로 배열되며, 상기 금속전극은 상호 수직방향으로 연장하는 교차 스트립의 그리드나, 소정의 파장 대역의 광방사가 상기 다이오드들의 제1영역들에 입사하도록 일반적으로 허용할 수 있는 창들(window)을 갖는 층 중 어느 하나로 배열되는 것을 특징으로 하는 전기 광 검출기.
6. 제2항에 있어서, 상기 층들은 가스확산 벌크재료층이거나 이온-주입층인 것을 특징으로 하는 전기 광 검출기.
7. 제1항에 있어서, 상기 지지기판에 평행하게 연장되며, 상기 다이오드들의 전기적 특성의 선택적 판독을 하기 위한 소자들의 어레이를 포함하는 멀티플렉서 집적회로 기판을 더 포함하되, 상기 소자들과 상기 다이오드들은 대응하는 것들이 정합되고(aligned), 금속범프들의 어레이가 상기 대응하여 정합된 소자들과 다이오드들을 접속하는 것을 특징으로 하는 전기 광 검출기.
8. 제1항에 있어서, 상기 각 다이오드는 상기 지지기판에 공간적으로 분리된 아일런드를 포함하고, 상기 다이오드들 각각의 제2영역들은 다른 다이오드들 각각의 제2영역들로부터 전기적으로 분리된 것을 특징으로 하는 전기 광 검출기.
9. 제1항에 있어서, 상기 다이오드 각각의 P타입 영역은 약 0.5 미크론보다 작은 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 전기 광 검출기.
10. 이면 지지기판과, 상기 지지기판 상에 형성된 다이오드들의 어레이를 포함하며, 상기 다이오드들의 각각은 다르게 도프된 반도체 제1영역들과 제2영역들을 포함하며, 상기 다이오드들은 입사되는 광방사에 의해 영향을 받는 전기적 특성을 갖는 전기 광 검출기에 있어서, 상기 지지기판은 소정의 파장대역의 광방사에 일반적으로 투명하며, 상기 제1영역들은 상기 제2영역들보다 상기 지지기판에 더욱 근접해 있으며, 상기 다이오드 각각의 상기 제1영역은 약 4 미크론 미만의 두께를 가지는 P타입 영역을 포함하고, 상기 다이오드 각각의 상기 제2영역은 약 5 미크론 내지 약 20 미크론의 두께를 가지는 N타입 영역을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 광 검출기.
11. 제10항에 있어서, 상기 지지기판은 비금속 재료를 포함하며 상기 다이오드 어레이는 상기 지지기판에 부착된 2차원의 InSb 다이오드 어레이를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 광 검출기.
12. 제11항에 있어서, 상기 다이오드 각각의 P타입 영역은 약 0.5 미크론보다 작은 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 전기 광 검출기.
13. 벌크 반도체의 표면에 근접한 제 1 도전형의 벌크 반도체 기판상의 P-N 접합 형성을 구비하며, 각 접합은 제 1 도전형 벌크 반도체 및 제 2 도전형의 반도체 영역 사이에 있는 반도체 광검출기 어레이 제조 방법으로서, 벌크 기판은 N형 물질이고 제 2 도전형의 반도체 영역은 P형 물질이고, 반도체 영역의 일부를 금속화하는 단계를 포함하고, 상기 반도체 영역의 금속화부는 전기적으로 서로 연결되어 있고, 상기 벌크 기판은 제 2 도전형의 반도체 영역을 광학적으로 투명한 기계적 지지기판으로 접착하는 단계와, 반도체 영역이 지지기판에 접착되는 동안 벌크 기판의 두께를 감소하는 단계를 포함하며, 상기 지지기판은 제 2 도전형의 반도체 영역의 적어도 하나의 세그먼트로 광경로를 제공하며, 상기 감소 단계는 벌크 기판이 얇아지는 제 1 단계와 얇아진 기판이 에치되어 아일랜드를 형성하는 제 2 단계를 포함하며, 이로써 지지기판상의 반도체 다이오드 아일랜드의 어레이를 형성하며, 각 아일랜드는 접합중 하나를 가지는 벌크 반도체의 대응하는 영역과 제 2 도전형 반도체 영역중 하나를 가지는 것을 특징으로 하는 반도체 광검출기 어레이 제조 방법.
14. 제13항에 있어서, 아일랜드의 제 1 도전형부로 전극을 부착시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 광검출기 어레이 제조 방법.
15. 제13항에 있어서, 벌크 반도체는 N형 인듐 안티몰드(antimonlde)인 것을 특징으로 하는 반도체 광검출기 어레이 제조 방법.
16. 제13항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 벌크 반도체내로의 도판트(dopant)의 기체확산의 제 2 도전형의 반도체 영역을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 광검출기 어레이 제조 방법.
17. 제13항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 벌크 반도체내로의 도판트의 이온 충격에 의하여 제 2 도전형의 반도체 영역을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 광검출기 어레이 제조 방법.
18. 제13항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 벌크 기판은 제 1 감소 단계 동안 10 내지 20 마이크로미터의 두께로 얇아지는 것을 특징으로 하는 반도체 광검출기 어레이 제조 방법.