KR100369254B1 - 포토 다이오드 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 광통신용 광 수신소자에 이용되는 포토다이오드 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 본 발명에 의한 포토다이오드는 InGaAS/InP계 포토다이오드에 있어서 InGaAs층을 InXGa1-XAs(X=0.53) 조성영역과, InXGa1-XAs(X=0.53〈X〈0.6) 조성영역 및 InXGa1-XAs(X=0.53) 조성영역으로 순차 구분되는 3영역으로 형성함으로써, 캡층과의 계면 특성 향상에 따른 누설 전류의 저감에 의해 InGaAs층 자체의 광 수집효율 증대로 포토다이오드의 광 수신감도를 향상시킨 것이다.
Description
본 발명은 광 정보처리기기나 광 통신기기의 광 수신소자로 이용되는 포토다이오드에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 성장충의 조성변화를 통한 광 흡수계수의 개선에 의해 광 수신감도를 향상시킨 p-i-n구조의 포토다이오드 및 그 제조방법에 관한 것이다.
제1도는 종래의 포토다이오드의 구조를 나타내 보인 개략적 수직단면도로서, 이것은 n-형 기판 위에 i(intrinsic)층, p-형(Zn- doped)층, p+-형(Zn-heavy doped)충을 순차적으로 성장시켜 형성한 전형적 p-i-n 포토다이오드의 구조를 보인 것이다.
상기 제1도를 참조하면 종래의 포토다이오드는 도시된 바와 같이, n-InP 기판(11) 위에 도핑되지 않은 In0.53Ga0.47As층(12) 및 도핑되지 않은 InP 캡층(13)이 순차로 적층되어 있고, 상기 InP 캡층(13)의 양쪽 가장자리 상면에는 SiO2층(14)이 적층되어 중앙부에 소정 폭의 개구부가 형성되어 있다. 그리고, 상기 SiO2층(14)의 상면 일부와 개구부 측면에는 p-금속층(2)이 형성되어 있고, 상기 p-금속층(2)의 상부에는 중앙부에 형성된 개구부를 완전히 덮도록 반사방지막(15)이 형성되어 있으며, 상기 n-InP 기판(11)의 저면에는 n-금속층(1)이 증착되어 있는 구조체를 이루고 있다. 한편, 상기 구조체에 있어서 상기 InP 캡층(13)의 상기 개구부 아래 영역에는 확산에 의한 p-InP 영역(13')이 형성되어 있다.
상기 구조의 InGaAs/InP계 포토다이오드는 InGaAs층의 광 수집효율이 소자의특성에 지대한 영향을 미친다. 따라서, 포토다이오드의 광수신감도를 향상시키기 위해서는 InGaAs층 자체의 광 수집효율을 증대시킬 수 있는 구조가 요구된다.
그런데, 상기한 종래 구조의 포토다이오드는 InGaAs층의 In 조성이 고정된 상태에서 그대로 성장되어 광 수신감도를 결정하는 양자효율(Quantum efficiency)이 변하지 않고 고정되었다. 따라서, InGaAs의 광 흡수계수는 고정된 값이므로 InGaAs층 자체에서의 광 수집효율 증대효과를 기대하기 어려운 문제점이 있다.
본 발명은 상기한 바와 같은 종래의 포토다이오드가 가지는 문제점을 감안하여 이를 개선코자 창출된 것으로서, 중간층을 조성이 다른 복수의 영역으로 구분하여 성장시켜 광 흡수계수를 개선시킴으로써 광 수신감도를 향상시킨 p-i-n구조의 포토다이오드를 제공함에 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 상기한 목적을 달성하기 위한 포토다이오드를 제조함에 있어서 최적의 제조방법을 제공하는데 다른 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 의한 포토다이오드는,
InP 기판과, 이 기판 위에 순차 성장되어 적층된 InXGa1-XAs층 및 InP 캡층과, 상기 InP 캡충의 상부 중앙에 소정 폭의 개구부가 형성되도록 양쪽 가장자리 상면에 형성된 SiO2층과, 상기 SiO2층의 상면 일부와 개구부 측면에 형성된 제1금속충과, 상기 제1금속층의 상부에 형성된 반사방지막 및 상기 InP 기판의 저면에 형성된 제2금속층을 포함하는 포토다이오드에 있어서,
상기 InXGa1-XAs층은 In의 조성이 변화되는 제1성장영역과, 제2성장영역 및제3성장영역으로 구분되어 형성된 것을 특징으로 한다.
상기 본 발명에 의한 포토다이오드에 있어서, 특히 상기 제1성장영역과 제3성장영역은 InXGa1-XAs(X=0.53)의 조성을 가지는 것이 바람직하고, 제2성장영역은 InXGa1-XAs (0.53〈X〈0.6)의 조성을 가지는 것이 바람직하다.
또한, 상기한 다른 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 의한 포토다이오드의 제조방법은,
기판 위에 중간층과 캡층을 순차 성장시켜 적층하는 성장단계와; 상기 결과물의 캡층 상면에 산화막을 증착하고, 그 상부에 금속층을 형성하는 증착단계와; 상기 금속층의 상부에 반사방지막을 형성하는 스퍼터링단계;를 포함하는 포토다이오드의 제조방법에 있어서,
상기 성장단계는,
상기 캡층 위에 제1조성영역의 중간층을 성장시키는 제1성장단계와;
제2조성영역의 중간층을 성장시키는 제2성장단계와;
제3조성영역의 중간층을 성장시키는 제3성장단계와;
상기 중간층 위에 캡층을 성장시키는 제4성장단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 본 발명에 의한 포토다이오드의 제조방법에 있어서, 특히 상기 기판은 InP, 상기 중간층은 InXGa1-XAs, 상기 캡층은 InP로 이루어진 것이 바람직하다. 그리고, 상기 제1성장단계와 제3성장단계에서는 InXGa1-XAs(X=0.53)조성을 가지는 중간층이 성장되는 것이 바람직하고, 상기 제2성장단계에서는 InXGa1-XAs (0.53〈X〈0.6)의 조성을 가지는 증간층이 성장되는 것이 바람직하다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 바람직한 실시예에 의한 본 발명의 포토다이오드 및 그 제조방법에 대해 상세히 설명한다.
제2도는 본 발명에 의한 포토다이오드의 구조를 개략적으로 나타내 보인 수직 단면도로서, 그 기본적인 구조는 상술한 바와 같은 종래 포토다이오드의 구조와 동일한 p-i-n구조를 이루고 있으나, 종래와 구별되는 특징은 i층이 영역에 따라 조성이 다르게 이루어지는 3영역으로 구분되는 것이다.
제2도를 참조하여 본 발명에 의한 포토다이오드의 구조에 대해 보다 상세히 살펴보면, n-InP 기판(21) 위에 InXGa1-XAs 중간층(22)과 InP 캡층(23)이 순차 성장되어 적층되어 있고, 상기 InP 캡층(23)의 양쪽 가장자리 상면에는 SiO2층(24)이 적층되어 중앙부에 소정 폭의 개구부가 형성되어 있다. 그리고, 상기 SiO2층(24)의 상면 일부와 개구부 측면에는 p-금속층(2')이 형성되어 있고, 상기 p-금속층(2')의 상부에는 중앙부에 형성된 개구부를 완전히 덮도록 반사방지막(25)이 형성되어 있으며, 상기 n-InP 기판(21)의 저면에는 n-금속층(1')이 증착되어 있는 구조체를 이루고 있다. 한편, 상기 구조체에 있어서 상기 개구부 아래의 상기 InP 캡층(14) 영역에는 Zn 확산에 의한 p-InP 영역(14')이 형성되어 있다. 이러한 구조에 있어서 상기 InXGa1-XAs 중간층(22)은 본 발명을 특징지우는 것으로서, 조성이 InXGa1-XAs(X=0.53)로 이루어진 제1성장영역(22a)과, 조성이 InXGa1-XAs (0.53〈X〈0.6)로 이루어진 제2성장영역(22b)으로 및 조성이 InXGa1-XAs(X=0.53)로 이루어진 제3성장영역(22c)으로 순차 구분되는 3영역을 가지는 구조로 형성되어 있다.
이러한 본 발명에 의한 포토다이오드의 구조는 InGaAs층 자체의 광 수집효율을 높여 소자의 광 수신감도를 높이기 위한 것으로서, 이하에서 기술되는 양자효율과 관련된 설명에 의해 입증될 수 있을 것이다.
포토다이오드의 내부 양자 효율은 다음식 (1)에 의해 정하여진다.
즉,
여기서, ηi: 내부 양자효율
α ; 흡수계수
d ; 흡수영역의 길이
이다. 또한, α = 4π k/λ (λ는 파장, k는 감쇠계수)이다.
상기식 (1)에 의하면, 흡수계수 α값이 클수록 ηi는 높아지게 된다.
α는 굴절지수의 허수부분 즉, 감쇠계수(extinction coefficient) k의 영향을 받게 된다. 이를 근거로 상기 InXGa1-XAs층(22)의 파장에 따른 k값은 X값이 높을수록 즉, In의 조성비가 높을수록 k값은 증대하게 된다.
따라서, X값을 변화시켜 주게 되면 k값이 변화되고, 이에 따라 α값이 변화되어 내부 양자효율은 증가하게 된다. 이에 따라, 광전류 Iph는 다음식 (2)에 의해 증가하게 되므로 본 발명에 의한 포토다이오드의 광응답도는 증가하게 된다.
여기서, q ; 전하량
[p0/hv] ; 초당 입사 광량 (incident photons per second) 이다.
이하, 본 발명에 의한 포토다이오드의 단계별 제조공정에 따른 제조방법에 대하여 살펴보기로 한다.
먼저, n-InP 기판(21) 위에 통상의 MOCVD법을 이용하여 In조성이 증가하는 InXGa1-XAs층(X=0.53에서 시작)을 제1성장영역(22a)으로 정합 성장시킨다.
다음에, In조성이 0.53에서 0.6까지 점진적으로 증가된 InXGa1-XAs층(0.53〈 X〈0.6)을 제2성장영역(22b)으로 성장시킨다.
이어서, In조성이 다시 감소된 InXGa1-XAs층(X=0.53)을 제3성장영역(22c)으로 성장시킨다.
그리고나서, 상기 InXGa1-XAs층(22)의 상부에 InP캡층(23)을 성장시킨다.
다음에, InP캡층(23)의 상면 양쪽 가장자리에 SiO2산화막(24)을 증착시켜 중앙부에 소정 폭의 개구부를 형성하고, 그 위에 p-금속층(2')을 형성시킨 후, 상기 p-금속층(2')의 상부에 개구부를 완전히 덮도록 스퍼터링법을 이용하여 반사방지막(25)을 형성한 다음, 상기 n-InP 기판(21)의 저면에 n-금속층(1')을 형성시켜소자의 제작을 완료한다.
상기 본 발명에 따른 제조방법의 특징에 의하면, 상기 InXGa1-XAs층(22)의 성장시 In조성은 반드시 처음에 격자정합(lattice match) 조건(X=0.53)에서 시작하여 점차 증가하도록 성장시키고, InP캡층(23)의 근처에서는 다시 격자정합 조건(X=0.53)으로 감소시키는 것이다.
이러한 특징에 의해 에너지 갭은 경사지게 증가하였다가 감소되는 경향을 보이게 되며, 이러한 경향은 InP캡층(23)의 근처에서 스트레인(strain)으로 인한 누설전류(leakage current)를 줄일수 있게 된다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 의한 포토다이오드는, InGaAs/InP계 포토다이오드에 있어서 InGaAs층을 InXGa1-XAs(X=0.53) 조성영역과, InXGa1-XAs(X=0.53〈X〈0.6) 조성영역 및 InXGa1-XAs(X=0.53) 조성영역으로 순차 구분되는 3영역으로 형성함으로써, 캡층과의 계면 특성 향상에 따른 누설 전류의 저감에 의해 InGaAs층 자체의 광수집효율을 증대시킨 것이다.
제1도는 종래 기술에 의한 포토다이오드의 구조를 개략적으로 나타내 보인 수직 단면도이다.
제2도는 본 발명의 기술에 의한 포토다이오드의 구조를 개략적으로 나타내 보인 수직 단면도이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1, 1'..n-금속층 2, 2'..p-금속층
11, 21..n-InP 기판 12, 22..InXGa1-XAs층
13, 23..InP캡층 13a, 23a..p-InP 확산영역
14, 24...SiO2층 15, 25..반사방지막
22a..InXGa1-XAs(X=0.53) 제1성장영역
22b..InXGa1-XAs (0.53〈X〈0.6) 제2성장영역
22c..InXGa1-XAs(X=0.53) 제3성장영역
Claims (9)
- InP 기판과, 이 기판 위에 순차 성장되어 적층된 InXGa1-XAs층 및 InP 캡층과, 상기 InP 캡층의 상부 중앙에 소정 폭의 개구부가 형성되도록 양쪽 가장자리 상면에 형성된 SiO2층과, 상기 SiO2층의 상면 일부와 개구부 측면에 형성된 제1금속층과, 상기 제1금속층의 상부에 형성된 반사방지막 및 상기 InP 기판의 저면에 형성된 제2금속층을 포함하는 포토다이오드에 있어서,상기 InXGa1-XAs층은 In의 조성이 변화되는 제l성장영역과, 제2성장영역 및 제3성장영역으로 구분되어 형성된 것을 특징으로 하는 포토다이오드.
- 제1항에 있어서,상기 제1성장영역은 InXGa1-XAs(X=0.53)의 조성을 가지는 것을 특징으로 하는 포토다이오드.
- 제1항에 있어서,상기 제2성장영역은 InXGa1-XAs (0.53〈X〈0.6)의 조성을 가지는 것을 특징으로 하는 포토다이오드.
- 제1항에 있어서,상기 제1성장영역은 InXGa1-XAs(X=0.53)의 조성을 가지는 것을 특징으로 하는 포토다이오드.
- 기판 위에 중간층과 캡층을 순차 성장시켜 적층하는 성장단계와;상기 결과물의 캡층 상면에 산화막을 증착하고, 그 상부에 금속층을 형성하는 중착단계와; 상기 금속층의 상부에 반사방지막을 형성하는 스퍼터링단계;를 포함하는 포토다이오드의 제조방법에 있어서,상기 성장단계는,상기 캡층 위에 제1조성영역의 중간층을 성장시키는 제1성장단계와;제2조성영역의 중간층을 성장시키는 제2성장단계와;제3조성영역의 중간층을 성장시키는 제3성장단계와;상기 중간층 위에 캡층을 성장시키는 제4성장단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 포토다이오드의 제조방법.
- 제5항에 있어서,상기 기판은 InP, 상기 중간층은 InXGa1-XAs, 상기 캡층은 InP로 이루어진 것을 특징으로 하는 포토다이오드이 제조방법.
- 제5항에 있어서,상기 제1성장단계에서는 InXGa1-XAs(X=0.53)조성을 가지는 중간층이 성장되는 것을 특징으로 하는 포토다이오드의 제조방법.
- 제5항에 있어서,상기 제2성장단계에서는 InXGa1-XAs (0.53〈X〈0.6)의 조성을 가지는 중간층이 성장되는 것을 특징으로 하는 포토다이오드의 제조방법.
- 제5항에 있어서,제3성장단계에서는 InXGa1-XAs(X=0.53)조성을 가지는 중간층이 성장되는 것을 특징으로 하는 포토다이오드의 제조방법.
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