KR100303471B1 - 애벌란치형 광검출기 및 제작 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 증폭층에 균일한 높은 전기장이 가해지고 흡수층에는 낮은 전기장이 가해지도록 구성된 Hi-Lo 구조의 애벌란치 포토다이오드 (Avalanche Photodiode)에 있어서, 가드링과 활성영역 사이의 등전위선이 음의 곡률(negative curvature)을 갖도록 하여 가드링의 역할을 강화하여 애벌란치 증폭지수(Avalanche Gain Factor)를 증가시키는 것을 특징으로 한다. 활성영역 확산층의 가장자리 부분에서의 모서리 항복을 막기 위해 활성영역의 확산깊이는 가드링의 확산깊이보다 얕게 형성되도록 하며 이를 위해 확산 전에 활성영역 주위를 식각하고 식각한 부위에 가드링을 형성하는데 이 가드링은 바이어스가 없을 때에는 활성영역과 전기적으로 고립되어 있는 구조를 갖는다. 본 발명의 구조를 사용하면 한번의 확산 공정으로 가드링과 활성영역을 동시에 제작할 수 있고 증폭층 폭을 미세하게 조절할 수 있기 때문에 높은 이득-대역폭 곱을 갖는 소자를 제작할 수 있고, 재현성을 높일 수 있으며 제작공정을 간단화 할 수 있어 우수한 성능의 APD 소자를 대량생산할 수 있다.
Description
본 발명은 증폭층에 균일한 높은 전기장이 가해지고 흡수층에는 낮은 전기장이 가해지도록 구성된 Hi-Lo 구조의 애벌란치형 광검출기(Avalanche Photodetector)에 있어서 가드링과 활성영역 사이의 등전위선이 음의 곡률(negative curvature)을 갖도록 하여 가드링의 역할을 강화함과 동시에 제작공정을 간단화할 수 있어 대량생산에 적합한 소자 구조를 창출함을 목적으로 한다.
광통신의 가장 중요한 장치의 하나인 광수신부는 광검출기와 증폭기 및 부가회로로 구성된다. 광검출기로는 PIN PD와 APD(avalanche photodiode)가 주로 사용되고 있다. 광검출기 중 APD는 애벌란치(Avalanche) 증폭에 의한 내부 이득이 있기 때문에 PIN PD보다 수신부의 수신감도가 훨씬 좋아진다. APD의 구조 및 동작원리를 간단히 설명하면 다음과 같다. APD는 광신호가 입사되어 전자-정공 쌍 (e-h pair)을 생성하는 광흡수층과 전자 또는 정공이 증폭을 일으키는 증폭층 및 캐리어를 외부회로에 전달하는 전극으로 구성된다. 증폭층과 광흡수층 사이에는 캐리어의 주입을 원활하고 신속하게 하도록 도와주는 그레이딩층이 삽입될 수 있다. 광신호가 입사되어 전자-정공쌍을 생성하면 InP 증폭층의 경우 정공이 증폭층으로 주입되는 것이 특성상 유리하며 이와 같은 주입 구조를 갖기 위해서는 광흡수층은 n-type, 증폭층의 한쪽은 n-type, 다른 반대쪽은 p-type으로 구성되어야 한다.
이와 같은 다이오드 구조에서는 정전용량(Capacitance) 때문에 제한된 영역에만 pn 접합을 만들어야 한다. 메사형 다이오드는 APD로는 적합하지 않은데 그 이유는 APD가 매우 높은 전기장이 인가되는 디바이스이므로 수명에 문제점이 발생하기 때문이다. 따라서 대부분의 경우 제한된 영역에 불순물을 확산하는 방법을 가장 많이 사용하고 있다. 그러나 이 경우 pn 접합부의 가장자리에서는 반드시 곡률을 갖게 되고 이 가장자리 부분에서는 중심부보다 같은 바이어스 전압하에서 높은 전기장이 인가되므로 애벌란치(Avalanche) 증폭이 크게 증가한다. 예를 들어 중심부에는 증폭률(Avalanche gain factor)이 2배라면 가장자리 부분은 100배 이상으로 증가하게 된다.
따라서 APD에서는 가장자리 부분의 전기장을 낮추어 중심부의 증폭이 가장자리보다 크게 되도록 가드링이라는 것을 만들어 주는 것이 가장 중요하고도 어려운 과제의 하나이다. 가드링은 소자의 에피구조나 도핑농도에 따라 제작 방법과 구조가 달라지기 때문에 구조 설계 및 제작이 매우 까다롭다.
도 1은 종래의 광통신용 APD의 구조를 나타낸 것으로, 지금까지 상용화된 대부분의 APD가 이와 같은 가드링 구조를 채택하고 있다. 이 구조의 특징은 가드링의 곡률을 크게 하고 가드링은 p-type으로 3 ~ 8 ×1016cm-3정도로 낮게 도핑되어야 하며, 따라서 확산기술이 매우 까다롭다는 것이다. 종래의 기술은 Zn의 확산으로는 이와 같은 낮은 도핑농도를 얻기가 어려우므로 Cd 확산을 요하며 저온(450~500 ℃)에서 수일~수주일간 확산공정을 실시하여야 한다. 이러한 가드링의 경우 n-type InP에 형성되므로 전자와 정공의 상쇄작용(Compensation)에 의해 p-type의 캐리어농도를 낮게 제작할 수 있을 뿐만 아니라 이 경우 선형적인 도핑농도 변화(linear graded junction)를 갖는 pn접합이 이루어진다. 선형적 도핑농도 변화(Linear graded junction)의 경우 전기장이 낮아져서 애벌란치(avalanche) 증폭이 낮아지게 된다. 만약 APD의 증폭특성 및 대역폭 특성을 개선하기 위해 Hi-Lo 구조를 채택할 경우 이와 같은 가드링 제작으로는 문제가 된다. 즉, Hi-Lo APD의 경우 증폭층이 n-type이 아니라 도핑하지 않은(캐리어 농도가 아주 낮은) InP를 사용하므로 가운데 부분보다 가장자리의 캐리어 농도를 낮추기가 어렵고 linear graded junction 형성이 불가능하므로 종래의 가드링 구조로는 좋은 특성을 얻을 수 없다.
증폭층의 캐리어 농도를 낯추고 높은 전기장을 가하기 위해 증폭층 구조를 p-i-n 으로 하면(이 구조를 Hi-Lo 구조라 한다) 이득 ×대역폭 곱을 100 GHz 이상으로 만들 수 있다. 그러나 이 구조는 종래의 APD에서 채택하던 가드링(guard ring) 제작 방법을 사용할 수 없기 때문에 새로운 개념의 가드링 구조가 채택되어야 한다.
새로운 가드링 방법으로는 SAGCM 구조(도 2a)와 Floating guard ring(도 2b) 구조가 있다. SAGCM 구조는 n-InP 전기장 완충층(field buffer layer)을 가운데 부분은 두껍게하여 큰 전기장이 가해지도록 하고 가장자리 부분은 식각하여 얇게 유지함으로써 낮은 전기장이 가해지고 따라서 avalanche 증폭을 가운데 보다 낮출 수 있는 구조이다. 이 구조를 이용하여 이득 ×대역폭 곱이 120 GHz 이상을 얻은 것이 발표되었으나 [IEEE Photonics Technology Letters, vol.5, pp672-674, 1993년] 이 구조는 결정성장을 2회 하므로 인해 소자의 신뢰성이 없고 수명이 짧은 한계를갖고 있다. Floating guard ring APD는 p-i-n 구조의 증폭층을 가지며 가드링 제작도 비교적 쉬운 새로운 개념의 구조로 1990년에 미국전기공학회 논문지 [IEEE Photon. Tech. Lett.,vol.2, pp 571-573,1990]에 발표된 바 있다.
이 구조는 도 2에 나타낸 바와 같이 floating guard ring (26)을 가지며 활성영역이 주변의 가드링 보다 더 깊게 확산되어 있다. 그러나, 이 구조는 두번의 확산공정을 기하여야 하는 번거로움이 있고 또한 두번의 확산공정을 함으로써 확산물질의 Drive-in에 의해 확산 깊이의 제어가 정밀하지 못하였으며, 구조의 특징상 활성영역 가장자리 부분의 곡률반경에 의해 조기항복이 일어날 수 있기 때문에 증폭층 폭을 얇게 조절하기가 힘들었다.(논문: Chan-Yong Park et al., Appliced Physics Letters, Volume 67, Number 25, 3789쪽 - 3791쪽)
이러한 가장자리 항복을 막고 증폭층 폭을 0.3 ㎛ 이하의 두께로 줄일 수 있도록 하기 위해 (그럼으로써 이득 ×대역폭 곱을 80 GHz 이상으로 증가시키기 위해)서는 다른 방법의 가드링 제작이 필수적이다.
따라서 본 발명은, 가드링과 활성영역 사이의 등전위선이 음의 곡률(negative curvature)을 갖도록 하여 가드링의 역할을 강화하여 애벌란치 증폭지수(Avalanche Gain Factor)를 증가시키는 것을 특징으로 한다.
활성영역 확산층의 가장자리 부분에서의 모서리 항복을 막기 위해 활성영역의 확산깊이는 가드링의 확산깊이보다 얕게 형성되도록 하며 이를 위해 확산 전에 활성영역 주위를 식각하고 식각한 부위에 가드링을 형성하는데 이 가드링은 바이어스가 없을 때에는 활성영역과 전기적으로 고립되어 있는 구조를 갖는다.
본 발명의 구조를 사용하면 한번의 확산 공정으로 가드링과 활성영역을 동시에 제작할 수 있고 증폭층 폭을 미세하게 조절할 수 있기 때문에 높은 이득-대역폭 곱을 갖는 소자를 제작할 수 있고, 재현성을 높일 수 있으며 제작공정을 간단화 할 수 있어 우수한 성능의 APD 소자를 대량생산할 수 있다.
도 1은 일반적인 애벌란치형 광검출기의 구조도
도 2는 종래의 애벌란치형 광검출기의 구조도
도 3은 본 발명에서 제안한 애벌란치형 광검출기의 구조도
도 4a 내지 도 4e는 본 발명에서 제안한 애벌란치형 광검출기의 제작 방법 공정도.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
11, 21, 31 : n+-InP substrate
12, 22, 32 : undoped(n -type) InGaAs 광흡수층 (absorption layer)
13, 23, 33 : undoped(n -type) InGaAsP 그레이딩층(grading layer)
14 : n -InP 증폭층
15 : undoped(n -type) InP
24, 34 : n -InP 전기장 완충층 (field buffer layer)
25, 35 : undoped(n -type) InP 증폭층
16, 26, 36 : 가드링
17, 27, 37 : 광신호가 입사되는 활성영역
18, 28, 38 : 질화규소(silicon nitride) 표면보호막
19, 29, 39 : 전극
본 발명에 제안한 APD는 도 3에 예시한 바와 같이 n+-InP 기판 위에 적층한 n -InP buffer층(31)과 그 위에 적층한 n -InGaAs 광흡수층(32)과 그 위에 한 층 또는 여러층으로 적층하되 도핑하지 않은 n -InGaAsP 그레이딩층(33)과 그 위에 적층한 n-InP 전기장 완충층(34)과 그 위에 1.5~4 ㎛ 의 두께로 적층한 n -InP 증폭층(35)으로 구성된 웨이퍼상에, 공간적으로 제한된 pn 접합을 갖는 p+-InP 확산층(37)과 그 확산층 주위에 형성된 p+-InP 가드링(36)과 확산층 위에 형성한 p-면 전극 및 기판쪽에 형성된 n-면 전극으로 구성된다.
상기의 구성에서 광흡수층(32)은 도핑하지 않기 때문에 n-type이며 도핑농도는 1015cm-3으로 매우 낮게 형성되며 두께는 0.5 ~ 2.5 ㎛ 이고, 전기장 완충층(34)은 n-type으로 도핑하며 전하밀도(두께 ×캐리어 농도)는 2.5~3.5 ×1012cm2을 갖는다. 또한 확산층(37)과 전기장 완충층(34) 사이는 매우 큰 전기장이 인가되며 avalanche 증폭이 일어나는 영역이므로 활성영역이라 부르고 활성영역의 직경(도 3에서 D)은 전형적으로 20~100 ㎛ 로 형성하며 활성영역의 두께(증폭층 폭이라 부르며 제 3도에서l a)는 0.15~0.6 ㎛ 이 되면 특성이 가장 좋다. 여기서, 증폭층의 폭은 얇을 수록 APD의 이득폭 제조(Gain-Bandwidth Product) 특성이 좋아지게 되는데, 이때, 증폭층의 두께가 0.15um이하가 되는 경우에는 APD의 전기장 조절을 위해 제작 조건이 매우 까다롭게 될 수 있다. 이와 같은 증폭층의 두께에 대하여는 곡률반경과 증폭 두께의 상관관계를 설명한 논문(Chan-Yong Park et al., Applied Physics Letters, Volume 67, Number 25, 3789쪽 - 3791쪽)에 자세하게 설명되어 있다.
상기의 구성에서 가드링(36)은 확산층 주위에 링 형태(ring shape)를 갖도록 형성되며 확산층과는 전기적으로 분리(isolation)되도록 형성된다. 또한, 상기 구성에서 가드링(36)과 활성영역(37)과는 전기적으로 분리(Isolation)되는 거리가 1 ~ 5 ㎛의 거리를 유지하도록 한다. 여기서, 가드링(36)과 활성영역(37)과 전기적으로 분리되는 거리가 1 ~ 5 ㎛ 일때 가드링(36)이 제대로 동작된다. 즉, 5um이상이면, 가드링(36)으로 동작이 되질 않으며, 1um 이하이면 컨벤셔널(Conventional) 구조와 별로 차이가 없어 가드링(36)으로의 효과가 없게 될 수 있다.
상기의 APD를 제작하는 공정을 도 4를 이용해 설명하면 다음과 같다.
기판 위에 버퍼층(31), 광흡수층(32), 그레이딩층(33), 전기장완충층(34), 증폭층(35)을 차례로 성장하여 에피탁시 웨이퍼를 형성하는 공정(도 4a)과; 그 웨이퍼의 상부면에서 활성영역이 형성된 부분이 돌출 되도록 그 주위의 증폭층 일부를 식각하는 공정(도 4b)과; 그 위에 유전체 확산막을 증착한 후 활성 영역이 형성될 부분의 상면에 원형 확산창을 형성함과 아울러 그 둘레에 가드링 형성을 위한 링 형태의 띠모양의 창(window)을 갖도록 확산마스크를 패턴화하는 공정(도 4c)과; 그 패턴화된 위에서 Zn를 확산하여 p-type InP를 형성하는 공정(도 4d)과; 확산마스크 및 확산보조층을 제거한 후 상부에 SiNx 박막을 증착하고 전극접촉을 위한 창(window)을 형성한 후 p-전극과 n-전극을 형성하는 공정(도 4e)으로 이루어진다.
도 4a와 같은 에피탁시 웨이퍼 형성공정은, n+-InP 기판 위에 n -InP buffer층(31), 0.5 ~ 2.5 ㎛의 두께를 갖고 도핑하지 않은 n -InGaAs 광흡수층(32), 한 층 또는 여러층의 도핑하지 않은 n -InGaAsP 그레이딩층(33),그 위에 전하밀도(두께×캐리어 농도)가 2.5~3.5×1012cm2을 갖도록 두께와 도핑농도가 조절된 n -InP 전기장 완충층(34), 그 위에 총 두께 1.5 ~ 4 ㎛의 도핑하지 않은 n -InP 증폭층(35)을 유기금속증착법(MOCVD: Metal-organic chemical vapor deposition) 또는 입자빔 성장법(MBE: Molecular beam epitaxy)등의 방법을 이용하여 차례로 성장한다.
이어서, 활성영역 주위를 식각하는 공정은, 도 4b와 같이, p+-InP 활성영역(37) 주위의 InP를 식각한다. 이 때 식각 깊이는 가드링과 활성영역의 확산깊이의 차이를 발생시키므로 매우 정밀하게 조절하여야 한다. 확산 깊이의 차이(도 3의l a - d: 식각깊이)는 대개 0.1 ~ 0.7 ㎛이 적당하다. (그 이유로는 차이가 0.1um 이내로 작을 경우 가드링의 효과가 떨어져 활성영역의 가장자리 부분에서의 애벌란치 이득이 증가하기 때문에 활성영역에서 신호의 증폭을 크게 할 수 없으며, 0.7um 이상으로 증가할 경우 가드링의 곡률반경이 작아져 가드링에서의 애벌란치 항복이 발생할 수 있기 때문이다.InP의 식각 깊이는 RIE(Reactive Ion Etching)등의 방법으로 정밀 조절할 수 있으며, 만약 RIE등의 장비가 없어 식각깊이의 정밀 조절이 불가능할 경우 InGaAs(P) 확산보조층을 성장하여 선택적 습식식각 방법으로 매우 쉽게 형성할 수 있다.
이어서, 확산 마스크를 형성하는 공정(도 4c)은, 상기 활성영역을 위한 주위를 식각한 웨이퍼 위에 pn접합 형성을 위한 Zn-확산을 위해 n -InP 증폭층(35) 상단에 질화 실리콘층을 확산마스크층으로 형성한 후, 직경 20~100 ㎛의 확산창(window)을 형성하고 동시에 그 둘레에 링 형태의 띠모양의 창(window)을 갖도록 질화실리콘(SiNx) 확산마스크를 패턴화하고, 이후, 도 4d와 같이, Zn를 확산한다. Zn의 확산은 500~550℃가 적당하다.
이렇게 하면 반도체 표면에서의 확산깊이는 동일하므로 n-InP 전기장 완충층에서의 확산계면까지의 거리는 확산층 중앙부는 확산층의 가장자리 부분보다 상대적으로 멀게 형성된다. 이렇게 하면 확산은 단 한차례만 행하면 되고 소자가 높은 이득×대역폭곱을 갖도록 확산 깊이를 정확하게 조절할 수 있다.
이 소자의 확산마스크 및 확산보조층을 제거한 후 상부에 전극접촉을 위한 창이 형성된 SiNx(38) 및 그 위에 형성된 p-metal, 기판쪽에 형성된 n-metal을 형성하면(도 4e) 소자제작이 완료된다.
상기의 소자는 다음과 같은 여러가지 작용효과를 갖는다.
첫째, Zn나 Cd의 확산에 의해 형성되는 p+-InP 활성영역(37)과 가드링(36)의 확산계면 깊이를 보면 활성영역보다 가드링 부분이 깊게 위치하므로 바이어스 전압이 가해졌을 때 활성영역(37)의 가장자리에서는 음의 곡률반경(negative curvature)을 갖는 등전위선(equi-potential line)을 형성하게 되므로 가장자리 부분(도 3)의 항복 전압이 활성영역의 중앙부 보다 커지게 된다. 즉, 증폭이 중앙 보다 낮아진다. 가드링의 특성을 최대화시키는 것으로 활성영역의 중앙부의 증폭을 크게 증가시킬 수 있어 광검출기의 수신감도를 향상시킬 수 있고 중앙부의 증폭층폭(l a )을 얇게 만들 수 있어 대역폭 특성을 향상시키게 된다.
둘째, Zn의 확산을 한차례만 실시하면 되므로 종래의 방법 (모두 2회)보다 매우 경제적이다. 특히 Zn 확산 깊이의 정확한 조절이 가능하므로 소자의 수율도 향상시킬 수 있다.
셋째, 확산층(37)의 가장자리 부분의 등전위선을 음의 곡률반경을 갖도록 제작할 수 있기 때문에 가드링을 하나만 제작하여도 충분하므로 소자의 유효 면적을 줄일 수 있고 따라서 캐패시턴스(capacitance)를 작게할 수 있어 초고속 동작에 유리하다.
Claims (9)
- n+-InP 기판 위에 적층된 n-InP 버퍼층(31), 0.5 ~ 2.5 ㎛의 두께의 도핑하지 않은 n -InGaAs 광흡수층(32), 한 층 또는 여러층으로 구성되는 n -InGaAsP 그레이딩층(33), 전하밀도(두께 ×캐리어 농도)가 2.5~3.5×1012cm2을 갖는 n -InP 전기장 완충층(34), 총 두께 1.5~4 ㎛의 도핑하지 않은 n -InP 증폭층(35) 으로 구성된 에피탁시 웨이퍼에서n -InP 증폭층(35)의 상단 일부에 20 ~ 100 ㎛ 의 직경(D)을 갖도록 공간적으로 제한하고, 증폭층 폭(l a)이 0.15~0.6 ㎛ 이 되도록 p+물질의 확산에 의해 형성된 p+-InP 활성영역(37), 그 활성영역 주위로 활성영역(37)과 전기적으로 분리(isolation)되고 링 형태(ring shape)를 가지며 활성영역(37)보다 깊게 형성된 p+-InP 가드링(36)과 그 위에 형성된 p-면 전극 금속과 기판쪽에 형성된 n-면 전극으로 구성되는 것을 특징으로 하는 애벌란치형 광검출기.
- 제 1 항에 있어서, p+-InP 가드링(36)과 전기장완충층(34) 사이의 거리(d)가 p+-InP 활성영역 (37)과 전기장완충층(34) 사이의 거리(l a) 보다 0.1 ~ 0.7 ㎛정도 작게 형성되는 것을 특징으로 하는 애벌란치형 광검출기.
- 기판 위에 버퍼층(31), 광흡수층(32), 그레이딩층(33), 전기장완충층(34), 증폭층(35)을 차례로 성장하여 에피탁시 웨이퍼를 형성하는 공정과;그 웨이퍼의 상부면에서 활성영역이 형성된 부분이 돌출 되도록 그 주위의 증폭층 일부를 식각하는 공정과;그 위에 유전체 확산막을 증착한 후 활성 영역이 형성될 부분의 상면에 원형 확산창을 형성함과 아울러 그 둘레에 가드링 형성을 위한 링 형태의 띠모양의 창(window)을 갖도록 확산마스크를 패턴화하는 공정과;그 패턴화된 위에서 Zn를 확산하여 p-type InP를 형성하는 공정과;확산마스크 및 확산보조층을 제거한 후 상부에 SiNx 박막을 증착하고 전극접촉을 위한 창(window)을 형성한 후 p-전극과 n-전극을 형성하는 공정으로 이루어진것을 특징으로 하는 애벌란치 광검출기 제작방법.
- 제 3 항에 있어서, 상기 Zn의 확산 공정이 500 ~ 550℃에서 수행되는 것을 특징으로 하는 애벌란치 광검출기의 제작 방법.
- 상기 제 3항에 있어서, 확산 공정 대신에 Be을 이용하여 이온 주입(ion implantation)방법을 사용하여 pn접합을 형성하는 것을 특징으로 하는 애벌란치 광검출기의 제작 방법.
- 제 3항에 있어서, 상기 식각 공정은,활성영역이 형성될 부분을 남기고 그 주위를 확산 깊이의 차이(l a -d)에 따른 식각 깊이로 0.1 ~ 0.7 ㎛ 을 식각하는 것을 특징으로 하는 애벌란치 광검출기의 제작 방법.
- 제 6 항에 있어서, InP의 식각을 RIE(Reactive Ion Etching) 방법을 이용하는 것을 특징으로 하는 애벌란치 광검출기의 제작 방법.
- 상기 제 3 항에 있어서, 확산보조층을 이용하여 선택적 습식식각 방법으로 식각 깊이를 정밀 조절하는 것을 특징으로 하는 애벌란치 광검출기의 제작 방법.
- 제 8 항에 있어서, 확산보조층으로 InP에 격자정합되는 InGaAs나 InGaAsP를이용하는 것을 특징으로 하는 애벌란치 광검출기의 제작 방법.
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