KR100459860B1 - 수광소자, 회로 내장 광검출기 및 광픽업 - Google Patents

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Abstract

적어도 제1 도전형 반도체층을 구비하는 반도체 구조; 상기 반도체 구조의 제1 도전형 반도체층상에 제공된 제1의 제2 도전형 반도체층; 상기 제1의 제2 도전형 반도체층보다 낮은 불순물 농도를 갖는 제2의 제2 도전형 반도체층; 상기 제2의 제2 도전형 반도체층상에 제공된 제2의 제1 도전형 반도체층, 또는 상기 제2의 제2 도전형 반도체층내에 제공된 제2의 제1 도전형 반도체층을 포함하는 수광소자.

Description

수광소자, 회로 내장 광검출기 및 광픽업{LIGHT RECEIVING ELEMENT, LIGHT DETECTOR WITH BUILT-IN CIRCUITRY AND OPTICAL PICKUP}
본 발명은 CD-R/RW, DVD-RAM 등의 광디스크에 대하여 데이터의 기입 및 독출을 행하기 위한 수광소자에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 상기 수광소자와 내장 회로를 포함하는 광검출기, 및 상기 광검출기를 포함하는 광픽업에 관한 것이다.
수광소자인 포토다이오드(PD)는 각 수광면을 통한 입사광을 전기신호로 변환하는 반도체장치이다. 상기 PD는 데이터를 CD-R/RW, DVD-R/RW, DVD-RAM 등의 광디스크에 기입하는 광디스크장치의 광픽업에 사용된다.
도12는 포토다이오드를 포함하는 광픽업의 구성을 도시한 개략적인 도면이다. 상기 광픽업은 광디스크(34)의 정보기록면의 소정 위치에 데이터 기록용 광을 조사하는 반도체 레이저(레이저 다이오드)(LD), 및 광디스크(34)의 정보기록면의소정 위치로부터의 반사광을 전기신호로 변환하는 포토다이오드(PD)를 포함한다. 상기 포토다이오드(PD)는 5개의 분할된 광검출부(D1∼D5)를 갖는다.
반도체레이저(LD)로부터 출사된 레이저광은 반도체레이저(LD)와 홀로그램 소자(31) 사이에 제공된 트래킹 빔 발생용 회절격자(30)에 의해 3개의 레이저빔, 즉 2개의 트래킹용 서브빔과 정보신호 독출용 주빔으로 분리된다. 상기 레이저빔들은 0차 광으로서 홀로그램소자(31)를 통해 투과하여 콜리메이트 렌즈(32)에 의해 평행하게 되고, 대물렌즈(33)에 의해 광디스크(34)의 정보기록면에 집광되어 빔스폿을 형성한다. 피트와 랜드의 형성, 자기 변조, 굴절율 변조 등에 의해, 광디스크(34)의 정보기록면의 트랙상에는, 디지털 정보(비트 정보)가 기록된다.
광디스크(34)의 정보기록면의 트랙상에 집광된 레이저빔은 트랙상에 기록된 정보에 따라 배열된 피트들에 의해 변조된 후, 광디스크(34)의 정보기록면으로부터 반사된다. 광디스크(34)의 정보기록면으로부터 반사된 광은 대물렌즈(33)와 콜리메이트 렌즈(32)를 통해 투과되고, 홀로그램 소자(31)에 의해 회절되며, 1차 회절광으로서 포토다이오드(PD)의 광검출부(D1∼D5)상으로 나아간다.
홀로그램 소자(31)는 회절 피치가 상이한 2개의 영역, 즉 영역(31a, 31b)을 갖는다. 홀로그램소자(31)의 2개의 영역중 하나에 입사된 정보신호독출용 주빔의 반사광의 일부는 포토다이오드(PD)의 광검출부(D2,D3)를 분할하는 분리선 상에 집광된다. 홀로그램소자(31)의 타방의 영역에 입사한 타방의 반사광이, 포토다이오드(PD)의 광검출부(D4) 상에 집광된다. 트래킹용의 서브빔의 반사광은 홀로그램소자(31)를 통해 포토다이오드(PD)의 광검출부(D1-D5) 상에 집광된다.
도12의 광픽업에서는, 정보신호 독출용 주빔의 반사광이 집광되는 포토다이오드(PD)의 위치가, 홀로그램소자(31)와 광픽업(34) 사이의 거리의 변화에 따라, 광검출부(D2,D3)를 횡단하는 방향으로 이동한다. 정보신호 독출용 주빔이 광디스크(34)의 정보기록면상의 초점으로 들어오면, 주빔의 반사광이 포토다이오드(PD)의 광검출부(D2,D3) 사이의 분리선 상으로 입사한다.
광검출부(D1-D5)의 출력들을 각각 S1∼S5로 표현하면, 포커싱 오차 신호 FES는 다음과 같다:
FES = S2-S3.
트래킹 오차는 2개의 트래킹용 서브빔을, 포토다이오드(PD)의 광검출부(D1-D5) 상에 집광시켜, 트래킹 오차신호 TES를 구하는 것에 의해 검출된다. 상기 트래킹 오차 신호 TES는 다음과 같다:
TES = S1-S5.
트래킹 오차 신호 TES가 0이면, 정보신호 독출용 주빔은 광디스크(34)의 정보기록면의 조사될 트랙 상에 집광된다.
광디스크(34)의 정보기록면상의 데이터를 기록하는 재생(독출)신호(RF)가 정보신호 독출용의 주빔의 반사광을 수광하는 포토다이오드(PD)의 광검출부(D2∼D4)의 출력들의 합, 즉
RF = S2 + S3 + S4
로서 주어진다.
이에 의해, 광픽업의 포토다이오드(PD)는 광디스크(34)의 정보기록면으로부터의 반사광인 정보기록면에 기입된 데이터신호의 재생신호(RF)를 검출한다. 또한 포토다이오드(PD)는 반도체레이저(LD)의 레이저광의 초점을 조정하기 위한 포커스신호인 포커싱 오차신호 FES, 및 레이저광으로 조사된 광디스크(34)의 정보기록면의 위치를 확인하기 위한 어드레스 신호인 트래킹 오차신호 TES를 검출한다. 광픽업은, 포토다이오드(PD)에 의해 검출된 포커싱 오차신호 FES 및 트래킹 오차신호 TES에 의해, 데이터가 기록될 광디스크(34)에 대하여 반도체레이저(LD)에 의해 출사된 레이저광이 광디스크(34)의 정보기록면의 소정위치에 정확히 조사되도록 제어된다.
최근, 이와 같은 광픽업을 채용한 광디스크장치는 대량의 데이터(즉, 영상데이터)를 광디스크에 기입하거나 광디스크로부터 독출하는 데 사용되고 있다. 광디스크의 데이터량이 증가함에 따라, 광디스크에 데이터를 기입하거나 광디스크로부터 데이터를 독출하는 데 필요한 시간을 단축시키고자 하는 요구가 증가하고 있다. 상기 요구에 부응하기 위해, 정보기록면으로부터 데이터가 기입 또는 독출되는 속도를 증가시킬 필요가 있다(즉, 16배속, 32배속 등).
광디스크 장치를 위한 광픽업에는, 수광소자(즉, 도12에 도시된 포토다이오드(PD)가 동일 소자에 신호처리회로와 집적되어 있는 광검출기(회로가 내장된 광검출기)가 사용된다. 포토다이오드의 고속동작은 광디스크의 정보기록면에의 데이터 기입/독출 속도를 증가시키기 위해 필요하다. 상기 요구에 따라, 입사광에 대한 포토다이오드의 응답속도를 증가시키는 것이 중요하다.
포토다이오드의 응답속도는 주로 PN 접합영역의 공핍층의 접합 커패시턴스(C)와 캐소드 영역, 애노드 영역 등의 직렬 저항(R)에 의해 결정되는 CR 시정수, 및 공핍층보다 깊은 반도체층에 발생되는 포토캐리어들이 포토캐리어 농도차에 기초하여 확산에 의해 발생 영역으로부터 공핍층의 단부까지 이동하는 이동시간에 의해 결정된다. CR 시정수가 작고 포토캐리어들의 이동시간이 짧을수록, 포토다이오드의 응답속도는 빠르다.
광디스크장치에서는, 반도체레이저(LD)로부터의 레이저광의 열에 의해 광디스크의 정보기록면 상의 색소의 형상 또는 상태를 변화시킴으로써 광디스크의 정보기록면에의 데이터 기입이 행해진다. 따라서, 광디스크의 정보기록면에의 데이터의 기입시간을 단축시키기 위해, 반도체체이저(LD)로부터 광디스크의 정보기록면으로 조사되는 레이저광의 광출력을 크게 하고, 광량을 증가시킬 필요가 있다. 이 경우, 광디스크의 정보기록면으로부터 반사되어 포토다이오드(PD)로 입사하는 광(반사광)량은 증가한다. 포토다이오드(PD)로 입사하는 반사광량이 증가함에 따라, 포토다이오드를 형성하는 반도체층의 내부에 발생하는 포토캐리어들이 PN 접합영역의 근방에 축적된다. 포토다이오드의 축척에 의해 공핍층의 간격이 좁아지고, 접합 커패시턴스가 증가하는 현상이 나타난다. 그 결과, 포토다이오드(PD)의 컷오프 주파수가 낮아져서, 포토다이오드(PD)의 응답속도가 감소될 수 있다.
포토캐리어의 축적에 의한 포토다이오드(PD)의 응답속도의 감소에 대하여, 포토다이오드(PD)의 PN 접합영역의 공핍층의 폭이 제한되고 공핍층 내의 전계강도가 증가하면, 공핍층의 폭이 PN 접합영역의 근방의 반도체층내에 발생되는 포토캐리어들의 축적에 의해 좁아지는 것을 방지할 수 있다.
그러나, 포토다이오드(PD)의 PN 접합영역의 공핍층의 폭이 제한되면, 포토다이오드(PD)의 수광면에 입사하는 광에 의해, 공핍층보다 깊은 반도체층내에 발생되는 포토다이오드는, 포토캐리어 농도차에 기초한 확산에 의해 공핍층보다 깊은 반도체층 내부로부터 공핍층의 단부로 점차 이동하여, 포토캐리어의 이동시간이 연장된다. 포토캐리어 이동시간의 증가는 포토다이오드의 응답속도를 감소시킬 수 있다.
이와 같은 문제에 대한 해결책이 일본 공개특허공보 제2001-77401호(참고문헌 1)에 개시되어 있다.
도13a는 참고문헌 1에 개시된 포토다이오드를 도시한 단면도이다. 도13b는 도13a의 W-W'선에 대응하는 포토다이오드의 단면구조의 불순물 농도분포를 도시한 그래프이다.
도13a에 도시된 포토다이오드는 저 비(比)저항 P형 반도체기판(7), 및 기판(7)상에 다음 순서대로 적층된, 기판(7)보다 불순물농도가 높은 P+형 매립 확산층(2), 기판(7)보다 불순물농도가 낮은 고 비저항 P형 에피택셜층(3), 및 N형 에피택셜층(4)을 포함한다. 이에 의해, 포토다이오는 적층구조를 갖는다. 고 비저항 P형 에피택셜층(3)과 N형 에피택셜층(4) 사이의 계면에는, 복수의 P+형 분리 매립 확산층(12)이 소정영역에 제공된다. N형 에피택셜층(4) 내의 P+형 분리 매립 확산층(12) 상에는, P+형 분리 매립 확산층(11)이 제공된다. P+형 분리 매립확산층(11)의 표면은 N형 에피택셜층(4)의 표면에 노출된다. 이에 의해, 도13a에서는, 고 비저항 P형 에피택셜층(3) 상의 P+형 분리 매립 확산층(12)과 P+형 분리 매립 확산층(11)에 의해 둘러싸인 영역에 포토다이오드가 제공된다.
도13a의 포토다이오드의 표면으로부터 내부로의 불순물 농도분포를 도13b에 도시한다.
N형 에피택셜층(4)의 불순물농도는, 포토다이오드의 표면으로부터 N형 에피택셜층(4)과 고 비저항 P형 에피택셜층(3) 사이의 계면의 PN 접합영역까지 균일하게 분포되도록 설계될 수 있다.
N형 에피택셜층(4)과 고 비저항 P형 에피택셜층(3)과의 계면의 PN 접합영역에서는, N형 에피택셜층(4)과 고 비저항 P형 에피택셜층(3)의 불순물 농도들이 서로 보상되어 두 농도가 가파르게 감소한다. 따라서, PN 접합영역에서는, 접합면을 향하여 N형 에피택셜층(4)과 고 비저항 P형 에피택셜층(3)으로부터 강전계가 발생한다.
고 비저항 P형 에피택셜층(3)의 불순물농도는 PN 접합영역을 제외하고 N형 에피택셜층(4)의 불순물농도보다 낮고 균일하게 분포되도록 설계될 수 있다.
P+형 매립 확산층(2)의 불순물농도는, 고 비저항 P형 에피택셜층(3)의 불순물동도보다 높고, 불순물농도가 피크치를 갖는 곡선 형상의 프로파일로 되도록 설계될 수 있다. 따라서, 분순물농도의 피크치를 갖는 영역과 고 비저항 P형 에피택셜층(3) 사이의 P+형 매립확산층(2)의 일부는, 고저항 P형 에피택셜층(3)보다 전위가 높다. 그 결과, 불순물농도의 피크치를 갖는 영역으로부터 고 비저항 P형 에피택셜층(3)을 향하여 P+형 매립 확산층(2)에 내부 전계가 발생한다.
저 비저항 P형 반도체기판(7)의 불순물농도는, P+형 매립 확산층(2)의 불순물농도의 피크보다 낮고, 균일하게 분포되도록 설계될 수 있다. 이에 의해, 불순물농도의 피크치를 갖는 P+형 매립 확산층(2)의 영역의 전위는, 저 비저항 P형 반도체기판(7)의 전자들에 대한 전위장벽으로서 작용한다.
이와 같이 구성된 포토다이오드에서는, 포토다이오드의 수광면(N형 에피택셜층(4)의 표면)에 입사하는 광에 의해, P+형 매립 확산층(2)보다 깊은 저 비저항 P형 반도체기판(7) 내에 생성되는 포토캐리어들이, P+형 매립 확산층(2)을 넘어서 고 비저항 P형 애피택셜층(3)과 N형 에피택셜층(4)과의 계면의 PN 접합 영역에 도달하는 비율이 감소할 수 있다. 이는, 저 비저항 P형 반도체기판(7)측의 P+형 매립 확산층(2)의 부분의 전위가 저 비저항 P형 반도체기판(7)의 전위장벽으로서 작용하기 때문이다. 따라서, 저 비저항 P형 반도체기판(7)에 생성된 다수의 포토캐리어들은 P+형 매립 확산층(2)의 전위장벽에 의해 PN 접합영역까지 도달할 수 없게 되어, 저 비저항 P형 반도체기판(7) 내에서 재결합하여 소멸된다.
따라서, 도13a 및 도13b에 도시된 포토다이오드에서는, 포토다이오드 내부의 깊은 위치에 생성되어, 포토캐리어 농도차에 의한 확산에 의해 야기되는 공핍층(고비저항 P형 에피택셜층(3)과 N형 에피텍셜층(4) 사이의 계면에 형성된 PN 접합영역)의 단부까지 장거리를 이동하는 포토캐리어들의 수가 감소될 수 있다. 그 결과, 포토다이오드의 응답속도의 감소를 방지할 수 있다.
고 비저항 P형 에피텍셜층(3)과 P+형 매립 확산층(2) 사이의 불순물 농도차가 도13b에 도시된 바와 같이 증가하면, P+형 매립 확산층(2)으로부터 고 비저항 P형 에피택셜층(3)의 방향으로 발생하는 내부 전계의 강도가 증가한다. 이에 의해, 고 비저항 P형 에피택셜층(3)과 N형 에피택셜층(4) 사이의 계면에서 공핍층보다 하방의 영역과, P+형 매립 확산층(2)의 불순물농도의 피크치를 갖는 영역보다 포토다이오드의 표면에 가까운 영역 사이에서 발생된 포토캐리어의 이동속도가 증가한다. 이에 의해, 광디스크의 정보기록면에의 데이터의 기입 시간을 단축시키기 위해 다량의 광으로 광디스크의 정보기록면을 조사하여, 다량의 반사광이 포토다이오드로 입사하더라도, 포토다이오드의 응답속도가 증가할 수 있다.
또한, 광디스크의 정보기록면에의 데이터의 기입 시간을 단축시키기 위해 다량의 광으로 광디스크의 정보기록면을 조사하여, 다량의 반사광이 포토다이오드로 입사하더라도, 고 비저항 P형 에피택셜층(3)과 N형 에피택셜층(4)간의 계면의 공핍층 근방의 전하가 축적되는 것에 의해, 포토다이오드의 응답속도의 감소를 억제시키기 위해, 고 비저항 P형 에피택셜층(3)의 두께를 소정치만큼 감소시키고, 공핍층 내의 전계의 강도를 증가시키도록 공핍층의 폭을 제한할 수 있다. 이에 의해, 포토다이오드의 응답속도는 향상될 수 있다.
일반적으로, 데이터가 광디스크의 정보기록면에 기입되는 기입모드에서는, 데이터의 기입, 및 기입된 데이터가 정보기록면 상의 소정 위치에 정확하게 기입되었는 지의 여부를 확인하기 위해, 어드레스 신호의 독출이 교대로 행해진다.
광디스크장치의 기입모드에서는, 광출력이 큰 레이저광으로 광디스크의 정보기록면을 조사함으로써 데이터의 기입이 행해진다. 어드레스 신호의 독출모드에서는, 데이터의 기입에 사용되는 레이저광의 광출력보다 비정상적으로 낮은 일정한 레이저광으로 광디스크의 정보기록면이 조사된다. 상기 레이저광은 광디스크로부터 반사되고, 기입모드의 반사광의 2/100 이하가 포토다이오드에 의해 검출된다.
기입모드에서 어드레스 신호를 독출할 때 포토다이오드는 약한 레이저광의 반사광에 의해 발생된 포토캐리어를 확실히 검출해야 한다. 상기 조건을 만족시키기 위해, 데이터 기입시 광출력이 큰 레이저광의 반사광에 의해 발생된 포토캐리어들을 고속으로 광전류로서 취출하고, 일부의 여분의 포토캐리어(이동시간이 긴 캐리어들)를 재결합시킴으로써, 광전류(신호)에 기여하지 않도록 하는 것에 의해, 그 후의 어드레스 신호의 독출을 신속하게 행할 수 있다.
그러나, 광디스크 장치에 의해 광디스크 상에 데이터를 기입하는 속도는 더욱 증가되고, 데이터 기입시의 레이저광의 광출력도 증가된다. 레이저광의 광량이 증가함에 따라, 포토다이오드는 기입모드시 광디스크상에 데이터를 기입한 직후 어드레스 신호를 독출할 수 없게 된다.
발명자들은 시뮬레이션을 이용하여 상기 현상을 분석했다. 그 결과, 광디스크 상에 데이터를 기입할 때, PN 접합영역보다 깊은 포토다이오드의 반도체층의 영역에 발생되는 포토캐리어의 일부가, PN 접합영역까지 이동하여 광전류로서 검출될 때까지, 이동시간이 길어진다는 것을 확인했다. 이동시간이 긴 포토캐리어에 의해 생성된 신호(광전류)의 레벨이, 어드레스 신호의 레벨에 비해 소정 레벨 이상이면, 이동시간이 긴 포토캐리어에 의해 생성된 신호는 어드레스 신호에 중첩되어, 어드레스 신호를 나타내는 광전류를 독출할 수 없다.
이하, 어드레스 신호를 나타내는 광전류가 기입모드시 포토다이오드에서 검출될 수 없는 경우에 대한 메카니즘에 대해 설명한다.
도14는 펄스 레이저광(파장: λ= 780nm)에 대해 도13a 및 도13b에 도시된 포토다이오드의 응답특성을 나타낸 그래프이다. 상기 그래프는 광디스크장치의 기입모드시 데이터를 기입할 때 고출력의 펄스 레이저광의 반사광에 의해 포토다이오드 내부의 각 영역에 발생된 포토캐리어들이 외부 회로에 취출되는 것에 의해 발생하는 광전류(출력 전류)의 시간에 따른 변화를 나타낸다.
도14에 있어서의 그래프의 상부는 도13b의 반도체층을 나타내며, 영역 B는 N형 에피택셜층(4)을 나타내고, 영역 C는 고 비저항 P형 에피택셜층(3)을 나타내고, 영역 D는 고 비저항 P형 에피택셜층(3)측의 P+형 매립 확산층(2)의 경사 영역을 나타내고, 영역 E는 고저항 P형 에피택셜층(3)측의 불순물 농노의 피크 근방에 있는 P+형 매립 확산층(2)의 영역을 나타내며, 영역 F는 불순물 농도의 피크치 근방으로부터 저 비저항 P형 반도체기판(1)까지의 P+형 매립 확산층(2)의 영역을 나타낸다.
도14에서 A로 나타낸 실선은 전체 포토캐리어들의 응답속도를 나타내며, 고출력 레이저광의 반사광에 의해 발생된 포토캐리어들은 광전류로서 외부회로에 취출되고, 포토캐리어들의 광전류가 어드레스 신호로서 독출될 수 있는 2/100 이하로 감소되는 데는 약 14 nsec가 걸린다.
포토다이오드에 입사되는 고출력의 펄스 레이저광의 반사광에 의해 포토다이오드 내부의 영역들에 발생되는 포토캐리어들은 4가지 성분으로 분류될 수 있다:
(i) N형 에피택셜층(4)과 고 비저항 P형 에피택셜층(3) 사이의 계면에 제공된 공핍층에 발생되어 공핍층 내의 전계에 의해 고속으로 이동하는 포토캐리어 성분(영역 B 및 영역 C에서 생성되는 포토캐리어);
(ii) N형 에피택셜층(4)과 고 비저항 P형 에피택셜층(3) 사이의 계면의 공핍층 외부에 발생되어 P+형 매립 확산층(2)의 내부 전계에 의해 이동하는 포토캐리어 성분(영역 D에 있는 포토캐리어);
(iii) P+형 매립 확산층(2)의 불순물농도의 피크치 근방에 있는 영역에서 농도차에 기초한 확산에 의해 이동하는 포토캐리어 성분(영역 E에서 발생된 포토캐리어); 및
(iv) P+형 매립 확산층(2)의 불순물 농도의 피크치 근방의 영역보다 저 비저항 P형 반도체기판(7)측의 깊은 영역에서 발생되고, 재결합에 의해 거의 소멸하여 광전류에 약간 기여하는 포토캐리어 성분(영역 F에서 생성된 포토캐리어).
포토캐리어 (1) 내지 (4) 중에서, 포토캐리어 성분 (i)은 응답특성이 가장 높고, 포토캐리어 성분 (ii)는 응답속도가 2번째로 높고, 포토캐리어 성분(iii)은응답속도가 3번째로 높다. 포토캐리어 성분 (iv)는 거의 재결합에 의해 소멸되어 단지 조금만 광전류에 기여하고, 응답특성이 가장 낮다.
포토캐리어 성분 (i)의 대부분은 약 5 nsec 내에 광전류로서 외부 회로로 취출된다. 포토캐리어 성분 (ii)의 대부분은 약 26 nsec 내에 광전류로서 외부 회로로 취출된다. 포토캐리어 성분(iii)의 대부분은 약 28 nsec 내에 광전류로서 외부 회로로 취출된다. 비교적 많은 부분의 포토캐리어 성분 (iv)은 30 nsec 후에도 광전류로서 외부 회로에 취출되지 않는다.
도15는 도13a 및 도13b에 도시된 포토다이오드에, 고출력 펄스 레이저광(파장 λ= 780 nm)이 입사하는 경우의 포토다이오드의 표면으로부터 깊이 방향으로의 광강도의 변화를 나타낸 그래프이다. 광강도는 포토다이오드의 표면으로부터 깊이 방향으로 지수함수적으로 감소한다. 예컨대, 포토다이오드의 표면으로부터 P+형 매립 확산층(2)의 불순물 농도의 피크치까지의 거리가 17 ㎛이면, 영역 E와 영역 F 사이의 경계 근방의 광강도는 포토다이오드 표면의 광강도의 13%까지 감소한다.
포토다이오드의 표면으로부터 내부의 각 영역에서 발생되는 포토캐리어의 절대수는 각 영역의 광강도에 비례한다. 따라서, 전체 포토캐리어들 중 80% 이상이 영역 B, C, D에서 발생된다.
포토캐리어 성분 (iii) 및 (iv)는 각각 영역 E 및 F에서 생성된다. 영역 E 및 F 모두는 포토다이오드의 표면으로부터 공핍층보다 깊게 발생하기 때문에, 발생하는 포토캐리어의 절대수는 작다. 이에 의해, 일반적인 광디스크 장치의 데이터 독출 모드에서는, 포토캐리어 성분 (iii) 및 (iv)는 어드레스 신호의 독출 시 어드레스 신호의 레벨에 거의 영향을 주지 않는다.
대조적으로, 광디스크 장치의 데이터 기입모드에서는, 데이터 기입시 포토다이오드에 입사하는 광디스크로부터의 반사광량이 많기 때문에, 영역 E에서 발생하는 포토캐리어 성분 (iii)과 영역 F에서 생성된 (iv)의 절대수는 증가한다.
데이터 기입 직후에 어드레스 신호를 독출할 때, 포토다이오드에 의해 검출된 광신호는 데이터 기입시 광디스크로부터의 반사광의 2/100 이하의 적은 광출력을 갖는다. 따라서, 데이터 기입 직후에 어드레스 신호를 독출할 때, 영역 E에서 생성된 포토캐리어 성분 (iii)과 영역 F에서 생성된 (iv)는 데이터 기입시 증가한다. 따라서, 응답속도가 낮은 상기 포토캐리어들에 의해 생성된 광전류의 레벨은 어드레스 신호에 의해 생성된 포토캐리어의 레벨에 비해 데이터의 기입 직후에 소정 레벨 이상이고, 응답속도가 느린 광전류는 어드레스 신호에 의해 생성된 광전류에 중첩되어, 어드레스 신호를 나타내는 광전류는 검출되지 않을 수 있다.
이러한 현상은, 광디스크 장치의 데이터 기입모드에서, 고속으로 데이터의 기입이 행해지는 경우, 고출력을 갖는 펄스 레이저광이 사용될 때 발생하기 쉽다. 이는, 더 높은 데이터 속도가 요구되는 경우에는 큰 문제가 된다.
본 발명의 일 양태에 의하면, 수광소자는, 적어도 제1 도전형 반도체층을 구비하는 반도체 구조; 상기 반도체 구조의 제1 도전형 반도체층상에 제공된 제1의 제2 도전형 반도체층; 상기 제1의 제2 도전형 반도체층보다 낮은 불순물 농도를 갖는 제2의 제2 도전형 반도체층; 상기 제2의 제2 도전형 반도체층상에 제공된 제2의제1 도전형 반도체층, 또는 상기 제2의 제2 도전형 반도체층내에 제공된 제2의 제1 도전형 반도체층을 포함한다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 반도체구조는 제1 도전형 반도체기판이다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 반도체구조는 제2 도전형 반도체기판을 더 포함하고, 상기 제2 도전형 반도체기판은 제1 도전형 반도체층상에 제공된다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 반도체구조는 제1 도전형 반도체기판을 더 포함하고, 상기 제1 도전형 반도체기판은 제1 도전형 반도체층상에 제공된다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 제1 도전형 반도체기판에 함유되는 불순물 원소는 안티몬(Sb)이다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 제1 도전형 반도체층에 함유되는 불순물 원소는 안티몬(Sb)이다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 제1 도전형 반도체층에 함유되는 불순물 원소는 안티몬(Sb)이다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 제1의 제2 도전형 반도체층에 함유되는 불순물 원소는 붕소(B)이다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 제1의 제2 도전형 반도체층은 1x1016내지 2x1018/cm3의 불순물농도를 갖는다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 제1 도전형 반도체층의 두께는 7μm 이하이다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 제2의 제1 도전형 반도체층 및 상기 제2의 제1 도전형 반도체층의 전체 두께(d)는,
식 EXP(-Gd)＜0.02(단, G는 입사광의 흡수 계수)
를 만족하도록 설계된다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 제2의 제2 도전형 반도체층의 두께는, PN 접합영역에 역바이어스 전압을 인가할 때, 상기 제2의 제2 도전형 반도체층과 상기 제2의 제1 도전형 반도체층간의 계면에서의 PN 접합영역에서 발생된 전계의 강도가 0.3 V/μm 이상이 되도록 설계된다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 제1 도전형 반도체층은 에피택셜 성장층이다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 제2의 제1 도전형 반도체층은 에피택셜 성장층이다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 제2의 제1 도전형 반도체층은 열확산법에 의해 제공된다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 제1의 제2 도전형 반도체층은 에피택셜 성장층이다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 제1 도전형 반도체기판의 불순물농도는, 불순물이 상기 제1의 제2 도전형 반도체층으로부터 확산되어 상기 제1 도전형 반도체 기판에 달하도록 하는 불순물농도보다 높도록 설계된다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 제1 도전형 반도체기판의 비저항은 0.5 Ωcm이하이다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 제1의 제2 도전형 반도체층의 불순물농도는, 상기 반도체구조의 제1 도전형 반도체층의 불순물농도보다 낮도록 설계된다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 제1의 제2 도전형 반도체층의 불순물농도의 피크 부근의 영역에 있어서의 내부 전계 강도가 증가된다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 반도체구조의 제1 도전형 반도체층과 제1의 제2 도전형 반도체층은 칩의 단면(端面)에서 단락된다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 반도체구조의 제1 도전형 반도체층과 제1의 제2 도전형 반도체층간의 계면에서의 PN 접합영역의 접합영역은 0.25mm2이상이다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 반도체구조의 제1 도전형 반도체층과 제1의 제2 도전형 반도체층은 내부 선으로 단락된다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 반도체구조의 제1 도전형 반도체기판은 외부 선에 고전위로 접속된다.
본 발명의 다른 양태에 의하면, 회로내장 광검출기는, 상기 수광소자 및 상기 수광소자에 의해 검출된 신호를 처리하기 위한 신호처리회로를 구비한다. 상기 수광소자와 신호처리회로는 동일 기판상에 제공된다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 수광소자에 제공된 반도체구조의 제1 도전형 반도체층은, 적어도 신호처리회로가 제공되어 있는 영역에는 배치되지 않는다.
본 발명의 또 다른 양태에 의하면, 광픽업은 상기 수광소자 또는 상기 회로내장 광검출기를 구비한다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 수광소자를 수반하는 프레임은 그라운드 (GND)에 접속되어 있다.
본 발명의 작용에 대해 설명한다.
본 발명의 수광소자에서는, 수광소자의 수광면(제2의 제1 도전형 반도체층의 표면)에 입사하는 광이 제1의 제2 도전형 반도체층보다 깊게 위치한 제1 도전형 반도체기판에서 포토캐리어를 발생시키고; 포토캐리어들이 제1의 제2 도전형 반도체층과 제1 도전형 반도체층 사이의 계면의 PN 접합영역으로 이동하면, 대부분의 포토캐리어들은 강전계에 의해 공핍층으로 취입되고, 재결합되어 소멸한다. 이에 의해, 제1 도전형 반도체기판에 생성된 포토캐리어들은 제2의 제1 도전형 반도체층과 제2의 제2 도전형 반도체층 사이의 PN 접합영역에 달하지 않고, 광전류에 거의 기여하지 못한다. 또한, 제1의 제2 도전형 반도체층의 불순물 농도의 피크 근방의 좁은 영역에 생성된 포토캐리어들은 2방향, 즉 제1의 제2 도전형 반도체층과 제1 도전형 반도체층 사이의 계면의 PN 접합영역을 향하는 방향(포토캐리어 α)과, 제2의 제2 도전형 반도체층을 향하는 방향(포토캐리어 β)으로 이동한다.
포토캐리어 α(전자)는 제1 도전형 반도체기판을 향해 이동하며, 광전류에 거의 기여하지 못한다. 포토캐리어 β는 제2의 제1 도전형 반도체층과 제2의 제2 도전형 반도체층 사이의 계면의 공핍층까지는 제2의 제2 도전형 반도체층 근처의 제1의 제2 도전형 반도체층의 강한 내부 전계에 의해 고속으로 이동한다.
수광소자 내의 제1의 제2 도전형 반도체층의 불순물 농도의 피크 근방에 있는 좁은 영역보다 깊은 곳에서 생성되어, 제2의 제2 도전형 반도체층과 제2의 제1도전형 반도체층 사이의 계면에 제공된 공핍층의 단부(PN 접합 영역)까지 긴 거리를 이동하는, 응답속도가 낮은 포토캐리어의 수는 감소될 수 있다. 또한, 제1의 제2 도전형 반도체층의 불순물 농도의 피크의 근방에 있는 영역은 좁고, 상기 영역의 내부 전계의 강도는 증가한다. 따라서, 제2의 제2 도전형 반도체층 근처의 제1의 제2 도전형 반도체층의 불순물 농도의 피크 근방의 좁은 영역의 일부에 생성된 포토캐리어들은, 제2의 제1 도전형 반도체층과 제2의 제2 도전형 반도체층 사이의 계면의 공핍층으로 확실히 이동할 수 있고, 광전류로서 이용될 수 있다. 그 결과, 이동시간이 길고 응답속도가 낮은 포토캐리어에 의해 지연된 광전류는 거의 감소하여, 입사광에 비해 응답속도가 매우 향상된 포토다이오드를 얻을 수 있다.
이에 의해, 이하에 기재된 본 발명에 의하면, 공핍층보다 깊은 영역에서 생성된 포토캐리어들을 감소시키고, 공핍층의 근방으로 이동되는 데 필요한 응답시간을 낮게 함으로써 광디스크장치의 데이터 기입모드시 고속으로 광디스크상에 데이터를 기입할 수 있는 수광소자; 상기 수광소자를 포함하는 회로 내장 광검출기; 및 상기 장치들을 포함하는 광픽업을 제공할 수 있다.
도1a는 본 발명의 제1 실시예에 의한 수광소자(포토다이오드)의 구조를 도시한 단면도이다.
도1b는 도1a의 X-X'선에 대응하는 포토다이오드의 단면구조의 불순물 농도를 나타낸 그래프이다.
도2a는 본 발명의 포토다이오드 내에 생성된 포토캐리어의 동작을 나타낸 그래프이다.
도2b는 종래 포토다이오드 내에 생성된 포토캐리어의 동작을 나타낸 그래프이다.
도3은 본 발명의 포토다이오드와 종래 포토다이오드의 펄스 레이저광에 대한 응답특성을 나타낸 그래프이다.
도4a는 본 발명의 제2 실시예에 의한 수광소자(포토다이오드)의 구조를 도시한 단면도이다.
도4b는 도4a의 Y-Y'선에 대응하는 포토다이오드의 단면구조의 불순물 농도를 나타낸 그래프이다.
도5a는 본 발명의 제3 실시예에 의한 수광소자(포토다이오드)의 구조를 도시한 단면도이다.
도5b는 도5a의 Z-Z'선에 대응하는 포토다이오드의 단면구조의 불순물 농도를 나타낸 그래프이다.
도6은 도5a에 도시된 포토다이오드의 저저항 N형 반도체기판의 불순물농도분포를 설명하기 위한 그래프이다.
도7은 본 발명의 제4 실시예에 의한 수광소자(포토다이오드)의 구조를 도시한 단면도이다.
도8은 도7의 포토다이오드의 PN 접합영역의 접합면의 단락상태를 나타내는 단면도이다.
도9는 본 발명의 제1 실시예에 의한 포토다이오드의 단면 구조를 나타내고, N+형 반도체기판과 P+형 매립 확산층 사이의 불순물 농도분포관계를 나타낸 그래프이다.
도10은 도9의 N+형 반도체기판의 불순물 농도가 P+형 매립 확산층의 불순물 농도에 비해 충분히 높지 않은 경우의 불순물 농도분포의 관계를 나타낸 그래프이다.
도11은 본 발명의 제2 실시예의 포토다이오드의 단면 구조에서 기생 트랜지스터의 에미터 영역, 베이스 영역 및 콜렉터 영역의 불순물 농도분포 관계를 나타낸 그래프이다.
도12는 포토다이오드를 포함한 광픽업의 구성을 도시한 개략적인 도면이다.
도13a는 종래 포토다이오드를 도시한 단면도이다.
도13b는 도13a의 W-W'선에 대응하는 포토다이오드의 단면구조의 불순물 농도분포를 나타낸 그래프이다.
도14는 종래의 포토다이오드의 펄스 레이저광에 대한 응답특성을 나타낸 도면이다.
도15는 종래의 포토다이오드에, 고출력의 펄스 레이저광에 의한 반사광이 입사된 경우의 포토다이오드의 표면으로부터 깊이 방향으로의 광강도의 변화를 나타낸 그래프이다.
이하, 본 발명을 도면을 참조하여 실시예에 의해 상세히 설명한다.
(제1 실시예)
도1a는 본 발명의 제1 실시예에 의한 수광소자(포토다이오드)의 단면도이다. 도1b는 도1a에서 X-X'선에 대응하는 상기 포토다이오드의 단면구조의 불순물농도를 나타내는 그래프이다. 도1a에 있어서, 애노드전극, 캐소드전극, 신호배선 및 표면보호막은 도시되지 않는다.
도1a의 포토다이오드는 고농도의 불순물을 갖는 N+형 반도체기판(1)(제1 도전형 반도체기판), 및 상기 기판(1)상에 다음 순서대로 적층되어 있는 상기 기판(1)의 불순물농도보다 낮은 불순물농도를 갖는 P+형 매립 확산층(2)(제1의 제2 도전형 반도체층), 상기 P+형 매립 확산층(2)의 불순물농도보다 낮은 불순물농도를 갖는 고 비저항 P형 에피택셜층(3)(제2의 제2 도전형 반도체층), 및 N형 에피택셜층(4)(제2의 제1 도전형 반도체층)으로 구성된다. 따라서, 상기 포토다이오드는 적층구조를 갖는다. 상기 고 비저항 P형 에피택셜층(3)과 상기 N형 에피택셜층(4) 사이의 계면에 소정의 영역에 다수의 P+형 분리 매립 확산층(12)이 제공된다. 상기 N형 에피택셜층(4) 내의 각 P+형 분리 매립 확산층(12) 상에 P+형 분리 매립 확산층(11)이 제공된다. 상기 P+형 분리 매립 확산층(11)의 표면은 상기 N형 에피택셜층(4)의 표면으로부터 노출된다. 따라서, 도1a에 도시된 포토다이오드는 고 비저항 P형 에피택셜층(3)상에 P+형 분리 매립 확산층(12) 및 P+형 분리 매립 확산층(11)에 의해 둘러싸인 영역에 제공된다. 도1a에 도시된 포토다이오드에서, PN 접합영역이 상기 N형 에피택셜층(4)과 상기 고 비저항 P형 에피택셜층(3) 사이 및 상기 P+형 매립 확산층(2)과 상기 N+형 반도체기판(1) 사이의 계면에 제공된다.
상기 N형 에피택셜층(4)에 대응하는 N형 반도체층은, 상기 N형 반도체층의표면이 상기 고 비저항 P형 에피택셜층(3)의 표면으로부터 상기 고 비저항 P형 에피택셜층(3)에 매립된 채로 열확산법에 의해 노출되도록 되어 있는 N형 확산층이어도 된다.
도1a에 도시된 포토다이오드의 표면으로부터 내부로의 불순물농도의 분포가 도1b에서 도시되고 있다.
강한 전계가 N형 에피택셜층(4)과 고 비저항 P형 에피택셜층(3) 사이의 계면에 있는 PN 접합영역에서 발생되는데, 이는 상기 PN 접합영역에 역바이어스 전압이 인가되었기 때문이다.
고 비저항 P형 에피택셜층(3)의 불순물 농도는, PN 접합영역을 제외하고, N형 에피택셜층(4)의 불순물농도보다 낮게 설정된다.
P+형 매립 확산층(2)의 불순물 농도는 고 비저항 P형 에피택셜층(3)의 불순물 농도보다 높게 설정되어 있고, 불순물 농도의 피크치를 갖는 곡선형의 프로파일이 되도록 설정된다. 그러므로, 상기 불순물 농도의 피크치를 갖는 영역과 상기 고 비저항 P형 에피택셜층(3) 사이에 있는 상기 P+형 매립 확산층(2)의 부분은 상기 고 비저항 P형 에피택셜층(3)의 부분보다 높은 전위를 갖는다. 결과적으로, 상기 불순물 농도의 피크치를 갖는 상기 영역으로부터 상기 고 비저항 P형 에피택셜층(3)을 향하여 내부 전계가 상기 P+형 매립 확산층(2)에서 발생된다.
P+형 매립 확산층(2)과 N+형 반도체기판(1) 사이의 계면에 있는 PN 접합영역에 있어서, 상기 P+형 매립 확산층(2) 및 상기 N+형 반도체기판(1)의 불순물 농도는 서로 보상되어, 양쪽의 불순물 농도는 급격하게 감소된다. 그러므로, 상기 P+형 매립 확산층(2) 및 상기 N+형 반도체기판(1)으로부터 상기 접합 계면으로 향하는 강한 전계가 상기 PN 접합영역에서 발생된다. 또한, 상기 PN 접합영역의 접합계면은 상기 P+형 매립 확산층(2)에서 불순물 농도의 피크치에 근접하는 영역에 제공된다. 그러므로 상기 P+형 매립 확산층(2)의 불순물 농도의 피크치에 근접하는 상기 영역이 좁아져, 상기 내부 전계의 강도는 상기 영역에서 증가된다.
N+형 반도체기판(1)의 불순물 농도는 P+형 매립 확산층(2)의 불순물 농도의 피크치보다 높고, 균일 및 평탄하게 확산되도록 설정된다. 상기 N+형 반도체기판(1)의 불순물 농도는 상기 P+형 매립 확산층(2)의 불순물 농도의 피크치보다 높게 설정되어 있기 때문에, 상기 P+형 매립 확산층(2)과 상기 N+형 반도체기판(1) 사이의 계면에 있는 PN 접합영역은 상기 P+형 매립 확산층(2)의 불순문 농도의 피크치에 근접하는 영역에 제공될 수 있다.
본 발명의 이러한 구조를 갖는 포토다이오드에 있어서, 포토다이오드의 수광면(N형 에피택셜층(4))에 입사하는 광은 P+형 매립 확산층(2)보다 더 깊게 위치된N+형 반도체기판(1)에서 포토캐리어를 발생시킨다. 즉, 상기 포토캐리어가 상기 P+형 매립 확산층(2)과 상기 N+형 반도체기판(1) 사이의 계면에 있는 PN 접합영역으로 이동되는 경우에, 대부분의 포토캐리어는 강한 전계에 의해 상기 PN 접합영역의 공핍층내로 취입되고, 재결합하여 소멸된다. 그러므로, 상기 N+형 반도체기판(1)에서 발생된 상기 포토캐리어는 상기 N형 에피택셜층(4)과 고 비저항 P형 에피택셜층(3) 사이의 상기 PN 접합영역에 도달하지 않고, 실질적으로 광전류에 기여하지 않는다. 또한, 상기 P+형 매립 확산층(2)의 불순물 농도의 피크치에 근접하는 좁은 영역에서 발생된 포토캐리어는 두 방향, 즉 상기 P+형 매립 확산층(2)과 상기 N+형 반도체기판(1) 사이의 계면에 있는 상기 PN 접합영역으로 향하는 방향(포토캐리어 α) 및 상기 고 비저항 P형 에피택셜층(3)으로 향하는 방향(포토캐리어 β)으로 이동된다.
포토캐리어 α(전자)는 N+형 반도체기판(1)으로 이동되어, 거의 광전류에 기여하지 않는다.
포토캐리어 β는 고 비저항 P형 에피택셜층(3)측의 P+형 매립 확산층(2)부분에서 강한 내부 전계에 의해 N형 에피택셜층(4)과 고 비저항 P형 에피택셜층(3) 사이의 계면에 있는 공핍층으로 고속으로 이동된다.
따라서, 도1a와 1b에 도시된 본 발명의 제1 실시예에 따른 포토다이오드에 있어서, 포토다이오드 내부의 P+형 매립 확산층(2)의 불순물 농도의 피크치에 근접하는 좁은 영역보다 깊은 위치에서 발생되어, 고 비저항 P형 에피택셜층(3)과 N형 에피택셜층(4) 사이의 계면에 제공된 공핍층(PN 접합영역)의 단부까지 긴 거리를 이동하는 느린 응답속도를 갖는 포토캐리어의 수는 감소될 수 있다. 또한, 상기 P+형 매립 확산층(2)의 불순물 농도의 피크치 에 근접하는 상기 영역이 좁아, 이 영역에서 내부 전계의 강도는 증가된다. 그러므로, 상기 P+형 매립 확산층(2)의 불순물 농도의 피크치에 근접하는 좁은 영역의 상기 고 비저항 P형 에피택셜층(3)측에서 발생된 포토캐리어는, 확실히, 상기 N형 에피택셜층(4)과 상기 고 비저항 P형 에피택셜층(3) 사이의 계면에 있는 공핍층으로 이동될 수 있어, 광전류로서 작용될 수 있다. 결과적으로, 긴 이동시간과 느린 응답속도를 갖는 포토캐리어에 의해 지연된 광전류가 실질적으로 감소될 수 있기 때문에, 입사광에 대해 한층 향상된 응답속도를 갖는 상기 포토다이오드를 얻을 수 있다.
도1a에 도시된 포토다이오드의 제작방법을 간단하게 설명한다.
우선, 실시예를 위해 1×1018／㎤ 이상의 N형 불순물 농도를 갖는 N+형 반도체기판(1)상에, P+형 매립 확산층(2)이 약 1×1017／㎤ 의 고농도 P형 불순물의 확산에 의해 형성된다. 그 후, 낮은 불순물 농도를 갖는 고 비저항 P형 에피택셜층(3)은 에피택셜성장법에 의해 상기 P+형 매립 확산층(2) 상에 형성된다. 그 후, 상기 고 비저항 P형 에피택셜층(3) 상에 P+형 분리 매립 확산층(12)이 형성되고 나서, (에피택셜 성장법에 의한) N형 에피택셜층(4)과 P+형 분리확산층(11)이 형성된다. 상기 P+형 분리확산층(11)은 상기 N형 에피택셜층(4)의 표면으로부터 상기 P+형 분리 매립 확산층(12)과 접촉되도록 형성된다.
따라서, N+형 반도체기판(1) 상에서, 도1a에서 도시된 포토다이오드는 P+형 분리 매립 확산층(11, 12)에 의해 주변 회로로부터 전기적으로 분리되어 있다. 또한, 도1a의 포토다이오드에서 검출된 신호를 처리하기 위한 신호처리회로는 상기 N+형 반도체기판(1) 상의 주변 회로에 제공될 수 있다. 대안으로써, N형 불순물의 확산에 의해 일본국 공개 특허 공보 제98-107243호에 개시된 상기 고 비저항 P형 에피택셜층(3) 상에 N형 확산층이 제공될 수 있다.
이 경우에, N+형 반도체기판(1)은 P+형 매립 확산층(2)의 불순물 농도보다 높은 불순물 농도를 갖도록 설정되는 것이 바람직하다. 도9는 본 발명의 제1 실시예에 따른 포토다이오드 단면 구조를 나타내는 도면이며, 상기 N+형 반도체기판(1)과 상기 P+형 매립 확산층(2) 사이의 불순물 농도의 분포관계를 나타내고 있다. 이러한 구조에서, 본 발명의 포토다이오드는 상기 P+형 매립 확산층(2)의 불순물 농도의 피크치에 근접하는 영역에 PN 접합영역을 제공할 수 있고, 이에 의해 상기 P+형 매립 확산층(2)의 불순물 농도의 피크치에 근접하는 상기 영역은 더욱 좁아진다. 그러므로, 상기 P+형 매립 확산층(2)의 불순물 농도의 피크치에 근접하는 영역에서 발생되는 포토캐리어는, 상기 포토캐리어 α와 포토캐리어 β로 쉽게 분리될 수 있다. 고 비저항 P형 에피택셜층(3)측의 상기 P+형 매립 확산층(2)의 부분에서의 불순물 농도의 분포에 의한 내부 전계에 의해 단지 상기 포토캐리어 β만이 고속으로 이동될 수 있다.
P+형 매립 확산층(2)의 불순물 농도는 약 1×1016에서 1×1018／㎤ 인 것이 바람직하다. 도10은 도9의 N+형 반도체기판(1)의 불순물 농도가 상기 P+형 매립 확산층(2)의 불순물 농도에 비하여 충분히 높지 않은 경우의 불순물 농도의 분포 관계를 나타내는 그래프이다. 도10에 도시된 바와 같이, 상기 P+형 매립 확산층(2)의 불순물 농도가 2×1018／㎤ 보다 높은 경우에, 상기 P+형 매립 확산층(2)과 상기 N+형 반도체기판(1) 사이의 계면에 발생된 PN 접합영역의 공핍층은, 상기 P+형 매립 확산층(2)의 불순물 농도의 피크치로부터 멀리 떨어진 곳에 위치하게 된다. 그러므로, 상기 P+형 매립 확산층(2)의 불순물 농도의 피크치에 근접하는 영역에서 발생된 포토캐리어의 일부는, 상기 P+형 매립 확산층(2)과 상기 N+형 반도체기판(1) 사이의 계면에 발생된 PN 접합영역의 공핍층으로 취입되어 재조합되지 않고, N형 에피택셜층(4)과 고 비저항 P형 에피택셜층(3) 사이의 계면에 있는 PN 접합영역의 공핍층으로 이동되어, 상기 공핍층 내에 취입된다. 이에 의해, 응답속도를 개선하고자 하는 효과가 감소된다. 그러므로, 상기 포토캐리어의 응답속도를 개선시키기 위한 효과가 충분하게 얻어질 수 있도록 고속으로 상기 포토캐리어를 이동시키기 위해서는, 상기 N+형 반도체기판(1)의 불순물 농도가 상기 P+형 매립 확산층(2)의 불순물 농도보다 1차에서 2차수만큼 높아야 하는 것이 바람직하다. 이와 대조적으로, 상기 P+형 매립 확산층(2)의 불순물 농도가 1×1016／㎤보다 낮을 경우에, 상기 포토다이오드의 애노드저항이 증가되고 데이터 독출 속도는 감소된다.
N+형 반도체기판(1)의 N형 불순물은 안티몬(Sb)인 것이 바람직하다. 상기 N형 불순물이 작은 확산계수를 갖는 안티몬(Sb)인 경우에, P+형 매립 확산층(2)과 상기 N+형 반도체기판(1) 사이의 계면에 있는 PN 접합영역의 N+형 반도체기판(1)측의 불순물 농도의 분포 모양이 가파르게 될 수 있다. 그러므로, 상기 N+형 반도체기판(1)측의 불순물 농도의 분포에 기초한 내부 전계의 강도는 더욱 커지고, 상기 N+형 반도체기판(1)측의 깊은 영역에서 발생되는 포토캐리어는, 긴 이동시간과 느린 응답속도를 가지며, 전위장벽(즉, 상기 P+형 매립 확산층(2)과 상기 N+형 반도체기판(1) 사이의 계면에 있는 PN 접합영역)에 의해 상기 고 비저항 P형 에피택셜층(3)과 상기 N형 에피택셜층(4) 사이의 영역에 도달되지 않는다.
P+형 매립 확산층(2)의 P형 불순물은 붕소(B)인 것이 바람직하다. 상기 P형 불순물이 비교적 큰 확산계수를 갖는 붕소(B)인 경우에, 소정량의 붕소(B)가 N+형 반도체기판(1) 상의 소정의 영역에 첨가될 수 있다. 그 후, 고 비저항 P형 에피택셜층(3)이 에피택셜성장법에 의해 형성될 때, N형 불순물 안티몬(Sb)의 양보다 더 많은 양의 붕소(B)가 에피택셜성장층으로 확산되어, 소정의 구조를 얻을 수 있다.
고 비저항 P형 에피택셜층(3)측의 P+형 매립 확산층(2) 부분의 불순물 농도의 분포의 프로파일의 경사가 가파른 것이 바람직하며, 따라서 에피택셜성장법에 의해 형성되는 것이 바람직하다.
포토다이오드로의 입사광량이 비교적 적을 때에(예컨대 약 수백 ㎼), 고 비저항 P형 에피택셜층(3)과 N형 에피택셜층(4)의 총 두께(d)는 이하의 식(1)을 만족하도록 설정되는 것이 바람직하다:
EXP(-Gd) < 0.02 (1)
여기서, G는 입사광의 흡수계수를 나타낸다.
그 이유는 이하에서 설명된다. 일반적으로, 임의의 깊이 x에서 반도체에 입사되는 광의 세기는 다음 식으로 표현된다:
I(x) = IoEXP(-Gx).
포토다이오드의 표면으로부터 거리 d의 위치는 거의 P+형 매립 확산층(2)의불순물 농도의 피크치에 대응되기 때문에, 만일 고 비저항 P형 에피택셜층(3)과 N형 에피택셜층(4)의 총 두께(d)가 상기 식(1)을 만족하도록 설정된다면, 상기 P+형 매립 확산층(2)의 불순물 농도의 피크치에 근접하는 경우에 입사광의 세기는 2/100까지 감소된다. 그러므로, 만일 포토캐리어가 N+형 반도체기판(1)과 P+형 매립 확산층(2) 사이의 계면에 있는 PN 접합영역의 공핍층으로부터 누설되어 고 비저항 P형 에피택셜층(3)과 N형 에피택셜층(4) 사이의 계면에 있는 PN 접합영역의 공핍층에 도달한다면, 광전류는 어드레스신호의 레벨에 영향을 주지 않을 만큼 충분히 적다. 그러므로, 응답에 기여하는 모든 포토캐리어는 불순물 농도의 분포에 의해 강한 내부 전계를 갖는 고 비저항 P형 에피택셜층(3)측의 P+형 매립 확산층(2)의 부분에서 생성되며, 이에 의해 본 발명의 포토다이오드는 보다 고속의 동작을 제공할 수 있다.
포토다이오드로의 입사광량이 비교적 많고(예컨대, 약 수 ㎽), 입사광의 파장이 650 ㎚ 또는 400 ㎚ (단파장)인 경우에, 고 비저항 P형 에피택셜층(3)의 두께는 N형 에피택셜층(4)의 PN 접합영역에 있는 공핍층내의 전계의 강도가 0.3 V/㎛ 이상이 되도록 설정되는 것이 바람직하다. 이는, 일본 공개특허공보 제2001-77401호(특허문헌 1)에 개시되어 있는 바와 같이, 만일 공핍층내의 전계의 강도가 약하면, 데이터를 기입할 경우에 포토다이오드로의 입사광량이 증가될 경우에 발생되는 포토캐리어의 축적이 전위를 평판하게 하여, 상기 포토다이오드의 응답성능을 저하시키기 때문이다.
도1a에 도시된 본 발명의 제1 실시예에 따른 포토다이오드에 있어서, N형 에피택셜층(4)이 고 비저항 P형 에피택셜층(3) 상에 제공된다. 상기 N형 확산층 등이 상기 고 비저항 P형 에피택셜층(3)내에 매립되어 있는 경우에도 동일한 효과를 얻을 수 있다.
도2a와 2b는 각각 본 발명의 포토다이오드와 종래 포토다이오드의 포토캐리어의 동작을 비교한 다이어그램이다.
도2a는 본 발명의 포토다이오드 내에서 발생되는 포토캐리어의 동작을 나타내고 있다. 본 발명의 포토다이오드에서는, P+형 매립 확산층(2)의 불순물 농도의 피크치에 근접하는 영역에 PN 접합영역이 제공되고, P+형 매립 확산층(2)의 불순물 농도의 피크치에 근접하는 상기 영역은 좁기 때문에, 이 영역에서의 전계의 강도는 증가된다. 그러므로, 상기 포토다이오드의 표면으로부터 깊은 곳, 즉 상기 P+형 매립 확산층(2)의 불순물 농도의 피크치 근방으로부터 상기 N+형 반도체기판(1)에 걸친 영역에서 발생된 포토캐리어는, 상기 P+형 매립 확산층(2)과 상기 N+형 반도체기판(1) 사이의 계면에 있는 PN 접합영역에서 존재하는 전위장벽에 의해, N형 에피택셜층(4)과 고 비저항 P형 에피택셜층(3) 사이의 계면에 있는 PN 접합영역에 도달할 수 없어, 광전류에 기여할 수 없다. 상기 P+형 매립 확산층(2)의 불순물 농도의 피크치 근방으로부터 상기 고 비저항 P형 에피택셜층(3)에 걸친 영역에서 발생된 포토캐리어는, 내부 전계에 의해 고속으로 상기 N형 에피택셜층(4)과 상기 고 비저항 P형 에피택셜층(3) 사이의 계면에 있는 공핍층으로 이동되어, 광전류로서 외부 회로에 취입된다. 이에 의해, 본 발명의 포토다이오드에 있어서 긴 이동시간과 느린 응답속도를 갖는 포토캐리어는 거의 존재하지 않는다.
도2b는 종래 포토다이오드 내에서 발생된 포토캐리어의 동작을 나타낸다. P+형 매립 확산층(2)의 불순물 농도의 피크치에 근접하는 영역의 전위는 저 비저항 P형 반도체기판(7)의 전위에 대하여 전위장벽으로서 작용한다. 그러나, P+형 매립 확산층(2)의 불순물 농도의 피크치에 근접하는 상기 영역은 도2a에서 P+형 매립 확산층(2)의 불순물 농도의 피크치에 근접하는 영역보다 넓다. 그러므로, 상기 P+형 매립 확산층(2)의 불순물 농도의 피크치에 근접하는 영역으로부터 고 비저항 P형 에피택셜층(3)에 걸친 영역에서 발생된 포토캐리어는, 내부 전계에 의해 고속으로 N형 에피택셜층(4)과 고 비저항 P형 에피택셜층(3) 사이의 계면에 있는 공핍층으로 이동되어, 광전류로서 외부회로에 출력된다. 상기 P+형 매립 확산층(2)의 불순물 농도의 피크치에 근접하는 영역에서 생성되는 포토캐리어의 일부는, 상기 포토캐리어가 전계에 의해 영향을 받지 않고 단지 확산되는 영역을 통해, 상기 N형 에피택셜층(4)과 상기 고 비저항 P형 에피택셜층(3) 사이의 계면에 있는 공핍층으로 이동된다. 상기 포토캐리어의 다른 일부는, 작은 농도구배에 의한 약한 내부 전계의 의해 이동되는 영역을 경유하여, 상기 N형 에피택셜층(4)과 상기 고 비저항 P형 에피택셜층(3) 사이의 계면에 있는 공핍층으로 이동된다. 이에 따라, 긴 이동시간과 느린 응답속도를 갖는 포토캐리어가 존재한다.
따라서, 도2a에 도시된 본 발명의 포토다이오드에서와 같이, P+형 매립 확산층(2)의 불순물 농도의 피크치에 근접하는 영역에 PN 접합영역이 제공되고, P+형 매립 확산층(2)의 불순물 농도의 피크치에 근접하는 영역이 좁기 때문에, 긴 이동시간과 느린 응답속도를 갖는 포토캐리어를 확실히 감소시킬 수 있다.
도3은 펄스레이저광(파장: λ= 780 ㎚, 광출력 Popt = 1.2 ㎽)에 대한 본 발명의 포토다이오드와 종래의 포토다이오드의 응답특성을 나타내는 그래프이다.
이 그래프는 광디스크 장치의 기입 모드에서 데이터를 기입할 경우에 고출력 펄스레이저광의 반사광에 의해, 포토다이오드 내에서 발생되는 포토캐리어를 외부회로로 취출시켜 생성되는 광전류(출력 전류)의 시간에 따른 변화를 나타내는 그래프이다.
도3에 도시된 바와 같이, 종래 포토다이오드에 있어서, 고출력 레이저광의 반사광에 의해 발생된 포토캐리어는 광전류로서 외부회로로 취출되고, 발생된 포토캐리어의 광전류가 어드레스신호로서 독출될 수 있는 2/100 이하로 감소되는데 걸리는 시간은 약 14 nsec 이다.
대조적으로, 본 발명의 포토다이오드에 있어서는 약 6 nsec 가 걸린다.
광디스크 장치의 기입 모드에서 기입 속도가 40배만큼 증가된다면, 고출력 레이저광의 반사광에 의해 발생된 포토캐리어는 광전류로서 외부회로로 취출되고,발생된 포토캐리어에 의한 광전류가 어드레스신호로서 판독될 수 있는 2/100 이하로 감소될 때까지의 시간은 10 nsec 이하가 되어야 한다.
그러므로, 도3에 도시된 결과에 따라, 본 발명의 포토다이오드는 40배속의 기입 속도를 충족시킬 수 있는 상당히 빠른 응답속도를 제공할 수 있다.
(제2 실시예)
도4a는 본 발명의 제2 실시예에 따른 수광소자(포토다이오드)의 구조를 나타내는 단면도이다. 도4b는 도4A에서 Y-Y'선에 대응하는 포토다이오드의 단면구조의 불순물 농도를 나타내는 그래프이다. 도4a에 있어서, 애노드전극, 캐소드전극, 신호배선 및 표면보호층은 도시되지 않는다.
도4a에 도시된 포토다이오드는 저 비저항 P형 반도체기판(7)(제2 도전형 반도체층), 및 그 위에 형성된 N++형 매립 확산층(6)(제1 도전형 반도체층)을 포함하는 반도체구조를 갖고, 상기 N++형 매립 확산층(6)은 상기 저 비저항 P형 반도체기판(7)보다 불순물 농도가 높다. 상기 N++형 매립 확산층(6)상에, 상기 N++형 매립 확산층(6)보다 불순물 농도가 낮은 P+형 매립 확산층(2), 상기 P+형 매립 확산층(2)보다 낮은 불순물 농도를 갖는 고 비저항 P형 에피택셜층(3), 및 N형 에피택셜층(4)이 이 순서대로 적층된다. 한편, 도4a의 포토다이오드는 도1a의 포토다이오드와 동일한 구조를 갖는다.
상기 N형 에피택셜층(4)에 대응하는 N형 반도체층은 열확산법에 의해, 고 비저항 P형 에피택셜층(3) 내에, N형 반도체층의 표면이 노출되도록 형성된 N형 확산층이다.
도4a에 도시된 포토다이오드의 표면으로부터 내부로의 불순물 농도의 분포가 도4b에 도시된다.
저 비저항 P형 반도체기판(7)과 N++형 매립 확산층(6)의 불순물 농도의 분포는 도1b에 도시된 N+형 반도체기판(1)의 불순물 농도의 분포와 상이하지만, 도4a의 포토다이오드의 다른 영역은 도1a의 포토다이오드와 동일한 불순물 농도의 분포를 갖는다.
따라서, 도4a와 4b의 포토다이오드는 도1a와 1b의 포토다이오드와 동일한 효과를 갖는다.
도4a에 도시된 포토다이오드에 있어서, 예컨대, 통상의 불순물 농도를 갖는 저 비저항 P형 반도체기판(7)상에, N++형 매립 확산층(6)이 1×1018／㎤ 이상의 고농도 N형 불순물을 확산시킴으로써 형성된다. 그 후에, 상기 N++형 매립 확산층(6)상에, P+형 매립 확산층(2)이 1×1017／㎤ 이상의 P형 불순물을 확산시킴으로써 형성된다. 그 후, 상기 P+형 매립 확산층(2)상에, 1×1014／㎤ 이하의 불순물 농도를 갖는 고 비저항 P형 에피택셜층(3)이 에피택셜 성장법에 의해 형성된다. 그 후, 상기 고 비저항 P형 에피택셜층(3)상에, P+형 분리 매립 확산층(12)이 형성되고 나서, (에피택셜성장법에 의한) N형 에피택셜층(4)과 P+형 매립 분리확산층(11)이 형성된다. 상기 P+형 매립 분리확산층(11)은 상기 N형 에피택셜층(4)의 표면으로부터 상기 P+형 분리 매립 확산층(12)과 접하도록 형성된다.
이에 의해, N++형 매립 확산층(6)은 저 비저항 P형 반도체기판(7)상에 형성되고, 도4a의 포토다이오드는 P+형 분리확산층(11과 12)에 의해 주변회로로부터 전기적으로 분리된다.
도4a에 도시된 포토다이오드에 있어서, N++형 매립 확산층(6)과 P+형 매립 확산층(2) 사이의 계면에 PN 접합영역이 제공된다. 따라서, 도1a에 도시된 포토다이오드에서와 같이, 긴 이동시간과 느린 응답속도를 갖는 포토캐리어의 수가 현저히 감소된다.
도4a에 도시된 포토다이오드에 있어서, 저 비저항 P형 반도체기판(7)과 N++형 매립 확산층(6) 사이의 계면도 PN 접합영역이 제공된다. 따라서, 상기 N++형 매립 확산층(6)보다 깊은 영역에서 발생된 포토캐리어는 전위장벽에 의해 상기 N++형 매립 확산층(6)에 갇히게 되기 때문에, 상기 포토캐리어는 광전류에 기여할 수 없게 되고, 긴 이동시간과 느린 응답속도를 갖는 상기 포토캐리어를 더욱 감소시킬 수 있다.
N++형 매립 확산층(6)의 불순물 농도는 P+형 매립 확산층(2)의 불순물 농도보다 높게 설정되는 것이 바람직하다.
N++형 매립 확산층(6)의 N형 불순물은 안티몬(Sb)인 것이 바람직하다.
P+형 매립 확산층(2)의 P형 불순물은 붕소(B)인 것이 바람직하다.
N++형 매립 확산층(6) 또는 P+형 매립 확산층(2)의 불순물 농도 분포 프로파일의 경사는 가파른 것이 바람직하다. 이러한 요건을 충족시키기 위해서, 에피택셜 성장법이 사용되는 것이 바람직하다.
N++형 매립 확산층(6)의 두께(확산 폭)는 7 ㎛ 이하인 것이 바람직하다. 상기 N++형 매립 확산층(6)의 두께가 넓게 확장된다면, P+형 매립 확산층(2)의 불순물 농도의 피크치에 근접하는 부분이 가파르지 않게 된다. 이 경우에, 느린 응답속도를 갖는 포토캐리어는 감소되지 않는다. N++형 매립 확산층(6)의 불순물의 총량이 동일하다면, 상기 N++형 매립 확산층(6)의 두께(확산 폭)가 더욱 작아지고(좁아지고), 상기 불순물 농도분포에 있어서 불순물의 농도의 피크치가 더욱 높아진다. 이는 제조상의 장점이 된다.
도4a에 도시된 포토다이오드가 N+형 반도체기판(1)보다 더 낮은 불순물 농도를 갖는 저 비저항 P형 반도체기판(7)을 사용하기 때문에, 상기 저 비저항 P형 반도체기판(7)으로부터 포토다이오드의 표면방향으로의 오토 도핑을 방지할 필요는 없다. 이에 따라, 상기 포토다이오드를 용이하게 제작할 수 있다.
또, 도4a에 도시된 본 발명의 제2 실시예의 포토다이오드에서는, 고 비저항 P형 에피택셜층(3)상에 N형 에피택셜층(4)이 형성되어 있는 경우를 나타냈지만, 일본 공개특허공보 제98-107243호에 개시되어 있는 바와 같은 고 비저항 P형 에피택셜층(3)내에 N형 확산층 등이 매립되는 경우에도, 동일한 효과가 얻어진다.
그런데, 도4a 및 도4b에 도시된 본 발명의 제2 실시예에 의한 포토다이오드의 구조에서는, 저 비저항 P형 반도체기판(7)을 사용하고 있기 때문에 다음의 점에 주의해야 한다. P+형 매립 확산층(2)과 저 비저항 P형 반도체기판(7) 사이에 형성되는 N++형 매립 확산층(6)의 전위가 이들(2,7)의 전위보다 높기 때문에, 도11에 도시된 바와 같이, N형 에피택셜층(4)을 에미터영역, 고 비저항 P형 에피택셜층(3)과 P+형 매립 확산층(2)을 베이스영역 및 N++형 매립 확산층(6)을 콜렉터영역으로 하는 기생 NPN 트랜지스터가 동작상태로 되어, 캐리어가 P형 에피택셜층(3)(베이스영역)에 주입된다. 이 때문에, 포토다이오드의 광전류 레벨이, 언제까지나 어드레스신호의 데이터가 독출 가능한 레벨인 2/100 이하로 감소하지 않는다. 이 현상은, N++형 매립 확산층(6)(콜렉터 영역) 내에서 발생한 포토캐리어의 캐리어 밀도가 비정상적으로 증가한 경우에 발생하지만, 통상은 발생하지 않는다. 예컨대, N++형 매립 확산층(6)과 P+형 매립확산층(2)과의 PN 접합영역의 접합면적이 0.25 ㎟ 이상이면, N++형 매립확산층(6) 내에서 발생한 포토캐리어는 횡방향으로 확산하여, N++형 매립확산층(6) 내의 포토캐리어의 캐리어밀도는 저하하고, 상기 현상에 의한 포토다이오드의 응답속도의 저하는 방지된다.
또한, 포토다이오드를 탑재한 광픽업의 프레임의 전위를 그라운드(GND:어스접지)에 고정하는 것이 바람직하다. 광픽업의 프레임의 전위를 그라운드에 고정함으로써, 저 비저항 P형 반도체기판(7)의 전위가 변동하고, N++형 매립 확산층(6)의 전위가 불안정하게 되어, 상기 기생 NPN 트랜지스터가 동작하는 것을 방지할 수 있다.
(제3 실시예)
도5a는, 본 발명의 제3 실시예의 수광소자(포토다이오드)의 구조를 도시한 단면도, 도5b는, 도5a의 Z-Z'선에 대응하는 포토다이오드의 단면구조의 불순물농도를 나타낸 그래프이다. 또, 도5a에서는, 애노드전극, 캐소드전극, 신호배선 및 표면보호막을 생략하고 있다.
도5a에 도시된 포토다이오드는, 저 비저항 N형 반도체기판(5)(제1 도전형 반도체기판)상에, 저 비저항 N형 반도체기판(5)보다 불순물농도가 높은 N++형 매립 확산층(6)(제1도전형 반도체층)이 형성된 반도체구조를 갖는다. N++형 매립 확산층(6)상에는, N++형 매립 확산층(6)보다도 불순물농도가 낮은 P+형 매립 확산층(2), P+형 매립 확산층(2)보다도 불순물농도가 낮은 고 비저항 P형 에피택셜층(3), 및 N형 에피택셜층(4)이 이 순서로 형성되어 있다. 기타는, 도1a의 포토다이오드와 동일한 구성이다.
여기서, 상기 N형 에피택셜층(4)에 대응하는 N형 반도체층은, 열확산법에 의해 고 비저항 P형 에피택셜층(3)내에, N형 반도체층의 표면이 고 비저항 P형 에피택셜층(3)의 표면으로부터 노출되도록 형성되는 N형 확산층이어도 좋다.
도5a에 도시된 포토다이오드의 표면으로부터 내부로의 불순물농도분포는, 도5b에 도시되어 있다.
저 비저항 N형 반도체기판(5) 및 N++형 매립 확산층(6)의 영역의 불순물농도분포가, 도1b의 N+형 반도체기판(1)의 불순물농도분포와 상이하지만, 그 밖의 영역에서는, 도1a의 포토다이오드와 유사한 불순물농도분포로 되어있다.
이에 의해, 도5a 및 도5b에 도시된 포토다이오드는, 도1a 및 도1b에 도시된 포토다이오드와 동일한 효과가 얻어진다.
도5a에 도시된 포토다이오드에서는, N형 불순물(인: P)을 첨가하고, 비저항이 0.1Ωcm인 저 비저항 N형 반도체기판(5)상에, 예컨대, 1 ×1018/cm3이상의 고농도의 N형 불순물의 확산에 의해, N++형 매립 확산층(6)을 형성한다. 그 후, N++형 매립 확산층(6)상에, 1 ×1017/cm3이상의 P형 불순물의 확산에 의해, P+형 매립 확산층(2)을 형성한다. 그 후, P+형 매립 확산층(2)상에, 에피택셜 성장법에 의해, 불순물농도가 1 ×1014/cm3이하인 고 비저항 P형 에피택셜층(3)을 형성한 후, 고 비저항 P형 에피택셜층(3)상에, P+형 분리 매립 확산층(12)을 형성하고, 에피택셜 성장법에 의해, N형 에피택셜층(4)을 형성함과 동시에, P+형 분리 매립 확산층(11)을 형성한다. P+형 분리 매립 확산층(11)은, N형 에피택셜층(4)의 표면에서 P+형 분리 매립 확산층(12)과 접하도록 형성된다.
이에 의해, 저 비저항 N형 반도체기판(5)상에, N++형 매립 확산층(6)이 형성되고, P+형 분리 매립 확산층(11, 12)에 의해, 주변회로로부터 전기적으로 분리된 도5a의 포토다이오드가 형성된다.
도5a에 도시된 포토다이오드에서는, N++형 매립 확산층(6)과 P+형 매립 확산층(2)과의 계면에 PN 접합영역이 형성되기 때문에, 도1a에 도시된 포토다이오드와 같이, 이동시간이 길고 응답속도가 느린 포토캐리어를 현저히 감소시킬 수 있다.
또한, 도5a에 도시된 포토다이오드에서는, N++형 매립 확산층(6)이 저 비저항 N형 반도체기판(5)에서 발생하는 캐리어(홀)에 대하여, 전위장벽으로 기능하기 때문에, N++형 매립 확산층(6)보다 깊은 영역에 발생한 포토캐리어가, 고 비저항 P형 에피택셜층(3)과 N형 에피택셜층(4)과의 계면의 공핍층까지 이동하는 것을 확실히 방지하여, 이동시간이 길고 응답속도가 느린 포토캐리어를 보다 감소시킬 수 있다.
또한, 저 비저항 N형 반도체기판(5)의 불순물농도는, 저 비저항 N형 반도체기판(5)의 상부의 P+형 매립 확산층(2)의 P형 불순물이, N++형 매립 확산층(6)을 가로질러, 저 비저항 N형 반도체기판(5)의 영역에 확산하는 P형 불순물의 농도보다 높게 되도록 설정되어 있는 것이 바람직하다. 저 비저항 N형 반도체기판(5)의 영역에 확산하는 P형 불순물의 농도가, 저 비저항 N형 반도체기판(5)의 불순물농도보다 높으면, 도6의 점선으로 나타낸 바와 같이, N++형 매립 확산층(6)과 저 비저항 N형 반도체기판(5) 사이에, P형 확산층영역(5a)이 형성되어, N++형 매립 확산층(6)과 저 비저항 N형 반도체기판(5) 사이가 전기적으로 분리된다. 이 때문에, N++형 매립 확산층(6)과 저 비저항 N형 반도체기판(5) 사이의 전기적분리가 발생하지 않도록, 저 비저항 N형 반도체기판(5)의 불순물농도는, 저 비저항 N형 반도체기판(5)의 영역에 확산하는 P형 불순물의 농도보다 높게 설정되어 있다.
예컨대, 저 비저항 N형 반도체기판(5)의 비저항은, 0.5Ωcm 이하인 것이 바람직하다.
또한, N++형 매립 확산층(6)의 불순물농도는, P+형 매립 확산층(2)의 불순물농도보다도 높게 설정하는 것이 보다 바람직하다.
또한, N++형 매립 확산층(6)의 N형 불순물은, 안티몬(Sb)인 것이 바람직하다.
또한, P+형 매립 확산층(2)의 P형 불순물은, 붕소(B)인 것이 바람직하다.
또한, N++형 매립 확산층(6) 또는 P+형 매립 확산층(2)은, 불순물농도분포의 프로파일의 경사가 급한 것이 바람직하기 때문에, 에피택셜 성장법에 의해 형성되는 것이 보다 바람직하다.
또한, N++형 매립 확산층(6)의 두께(확산폭)는, 7μm 이하인 것이 바람직하다. N++형 매립 확산층(6)의 두께가 넓게 증가하면, P+형 매립 확산층(2)의 불순물농도의 피크치 부근이 가파르게 되지 않고, 응답속도가 느린 포토캐리어를 감소시킬 수 없다. 또한, 예컨대 N++형 매립 확산층(6)의 불순물의 총량이 동일하면, N++형 매립 확산층(6)의 두께(확산깊이)가 얇을수록, 불순물농도분포에 있어서의 불순물농도의 피크치를 높게 할 수 있는 제조상의 이점도 있다.
또한, 도5a에 도시된 포토다이오드는, N+형 반도체기판(1)보다 불순물농도가 낮은 저 비저항 N형 반도체기판(5)을 사용하기 때문에, 저 비저항 N형 반도체기판(5)으로부터 포토다이오드의 표면방향으로의 오토도핑을 방지할 필요가 없어 용이하게 제조할 수 있다.
또, 도5a에 도시된 본 발명의 제3 실시예의 포토다이오드에서는, 고 비저항P형 에피택셜층(3)상에 N형 에피택셜층(4)이 형성되어 있는 경우를 나타냈지만, 일본 공개특허공보 제98-107243호에 개시되어 있는 바와 같이 고 비저항 P형 에피택셜층(3)내에 N형 확산층 등이 매립되는 경우에도, 동일한 효과가 얻어진다.
(제4 실시예)
도7은, 본 발명의 제4 실시예의 수광소자(포토다이오드)의 구조를 도시한 단면도이다.
도7에 도시된 포토다이오드는, 불순물농도가 높은 N+형 반도체기판(1)상에, 불순물농도가 높은 N+형 반도체기판(1)보다 불순물농도가 낮은 P+형 매립 확산층(2), P+형 매립 확산층(2)보다 불순물농도가 낮은 고 비저항 P형 에피택셜층(3), 및 N형 에피택셜층(4)이 이 순서로 형성된 적층구조를 갖고 있다. 고 비저항 P형 에피택셜층(3)과 N형 에피택셜층(4)과의 계면에는, 복수의 P+형 분리 매립 확산층(12)이 소정의 영역에 형성되고, N형 에피택셜층(4)내의 각 P+형 분리 매립 확산층(12)상에는, P+형 분리 매립 확산층(11)이 형성되어 있다. P+형 분리 매립 확산층(11)의 표면은, N형 에피택셜층(4)의 표면에 노출된다.
N형 에피택셜층(4) 및 P+형 분리 매립 확산층(11)의 표면에는, 절연성 보호막(10)이 형성되어 있다. 일방의 P+형 분리 매립 확산층(11)상의 절연성 보호막(10)에는, 콘택트홀이 형성된다. 상기 콘택트 홀에 애노드전극(21)이 형성되고 P+형 분리 매립 확산층(11)에 접속되어 있다. P+형 분리 매립 확산층(11)들 사이의 N형 에피택셜층(4)상의 소정의 영역에도, 콘택트홀이 형성된다. 상기 콘택트홀에 캐소드전극(22)이 형성되어 있다. 캐소드전극(22)의 하부의 N형 에피택셜층(4)에는, N+형 확산층(4a)이 형성되고 캐소드전극(22)에 접속되어 있다. N+형 반도체기판(1)의 이면에는, N형 전극(23)이 형성되어 있다. N형 전극(23)과 애노드전극(21)은, 외부배선에 의해서 접속되어 있다.
여기서, 상기 N형 에피택셜층(4)에 대응하는 N형 반도체층은, 열확산법에 의해 고 비저항 P형 에피택셜층(3)내에, N형 반도체층의 표면이 고 비저항 P형 에피택셜층(3)의 표면으로부터 노출되도록 형성되는 N형 확산층이어도 좋다.
도7의 포토다이오드에, 광디스크로부터 입사하는 반사광의 광출력이 증가하면, 포토다이오드의 내부의 N+형 반도체기판(1) 내에서 발생하는 포토캐리어가 증가한다. 이러한 포토캐리어가 증가하면, 전위장벽(N+형 반도체기판(1)과 P+형 매립 확산층(2)과의 계면에 형성된 PN 접합영역) 및 불순물농도분포에 의한 전계를 넘어서, 포토캐리어가 고 비저항 P형 에피택셜층(3)과 N형 에피택셜층(4)과의 계면의 공핍층까지 이동하게 된다.
이 포토캐리어의 이동을 방지하기 위해서는, N+형 반도체기판(1)의 전위를, P+형 분리 매립 확산층(11)의 전위와 단락시키거나, 또는, 고전위에 접속시켜,기판(1)을 전기적으로 안정화시켜야 한다. 이 때문에, 도7에 나타낸 바와 같이, N+형 반도체기판(1)의 이면에 N형 전극(23)을 형성하고, N형 전극(23)과 P+형 분리 매립 확산층(11)상의 애노드전극(21)을 외부배선에 의해 접속시키면 좋다. 통상, P+형 분리 매립 확산층(11)은, 애노드전극(21)을 통해 접지되어 있기 때문에, N+형 반도체기판(1)의 이면의 N형 전극(23)은 접지될 수도 있고, 또는, 고전위에 접속될 수도 있다.
또한, 도8에 나타낸 바와 같이, 웨이퍼에 포토다이오드를 제조하는 공정에서는, 절단되는 칩의 단면이 단락될 PN 접합영역의 접합면(다이싱에 의한 단락개소)에 대응되도록, 웨이퍼가 다이싱 등에 의해 각 칩으로 절단될 수 있고, 상기 단락방법과 동일한 효과를 얻을 수 있다.
또한, 상기한 어떤 실시예에 있어서도, 본 발명의 포토다이오드가 형성된 주위에, 통상의 프로세스를 사용하여, 포토다이오드에 의해 검출된 신호를 처리하는 신호처리회로(도시하지 않음)를 형성할 수 있고, 회로내장 광검출기가 통상의 프로세스에 의해 용이하게 제조될 수 있다. 이 때문에, 본 발명의 포토다이오드 또는 상기 회로내장 광검출기가 탑재된 광픽업도 통상의 프로세스에 의해 용이하게 제조될 수 있다.
또한, 본 발명의 제3 및 제4 실시예에 있어서는, 각각 N형 반도체기판을 사용하고 있어, N++형 매립 확산층(6)의 전위가 고정될 수 있다. 이 때문에, N++형 매립 확산층(6)을 반드시 웨이퍼 전면에 형성할 필요는 없고, 적어도 포토다이오드 영역내에 형성하면 좋다. 본 발명의 제2 실시예에 있어서도, 임의의 방법으로 N++형 매립 확산층(6)의 전위를 안정화하여, 기생 NPN 트랜지스터의 동작이 방지할 수 있으면 N++형 매립 확산층(6)을 반드시 웨이퍼 전면에 형성할 필요는 없고, 적어도 포토다이오드 영역내에 형성하면 좋다.
본 발명의 수광소자에서는, 적어도 제1 도전형 반도체층을 갖는 반도체구조와, 제1의 제2 도전형 반도체층과의 계면에 PN 접합영역을 형성함으로써, 제1의 제2 도전형 반도체층의 불순물농도의 피크치 근방의 영역을 좁게 하여, 이 영역의 전계강도를 증가시킨다. 이에 의해, 이 영역에서 발생하는 이동시간이 긴 포토캐리어, 및 반도체구조 내의 깊은 영역에 발생하는 포토캐리어를, 상기 PN 접합영역에 존재하는 전위장벽에 의해, 제2의 제1 도전형 반도체층과 제2의 제2 도전형 반도체층과의 계면에 형성되는 PN 접합영역에 도달시키지 않는다. 또한, 수광소자의 공핍층보다 더 깊은 영역에서 발생하고, 공핍층 근방까지 이동하는 데 걸리는 시간이 길고, 응답속도가 느린 포토캐리어가 확실히 감소될 수 있다.
본 발명의 상기 및 다른 이점은 첨부도면을 참조한 다음의 상세한 설명을 이해한다면 당업자들에게 명백하게 될 것이다.
본 발명의 기술적 사상의 범주를 벗어나지 않으면서 당해 분야의 기술자에게 다양한 다른 변형은 명백하고 용이하게 만들어 질 수 있다. 따라서, 청구범위는 상기에 나타난 것과 같은 상세한 설명에 의해서 제한되지 않고 보다 넓게 해석되어야 할 것이다.

Claims (30)

  1. 적어도 제1 도전형 반도체층을 구비하는 반도체 구조;
    상기 반도체 구조의 제1 도전형 반도체층상에 제공된 제1의 제2 도전형 반도체층;
    상기 제1의 제2 도전형 반도체층보다 낮은 불순물 농도를 갖는 제2의 제2 도전형 반도체층;
    상기 제2의 제2 도전형 반도체층상에 제공된 제2의 제1 도전형 반도체층, 또는 상기 제2의 제2 도전형 반도체층내에 제공된 제2의 제1 도전형 반도체층을 포함하는 수광소자.
  2. 제1항에 있어서, 상기 반도체구조는 제1 도전형 반도체기판인 수광소자.
  3. 제1항에 있어서, 상기 반도체구조는 제2 도전형 반도체기판을 더 포함하고, 상기 제2 도전형 반도체기판은 제1 도전형 반도체층상에 제공되는 수광소자.
  4. 제1항에 있어서, 상기 반도체구조는 제1 도전형 반도체기판을 더 포함하고, 상기 제1 도전형 반도체기판은 제1 도전형 반도체층상에 제공되는
    수광소자.
  5. 제2항에 있어서, 상기 제1 도전형 반도체기판에 함유되는 불순물 원소는 안티몬(Sb)인 수광소자.
  6. 제4항에 있어서, 상기 제1 도전형 반도체층에 함유되는 불순물 원소는 안티몬(Sb)인 수광소자.
  7. 제1항에 있어서, 상기 제1 도전형 반도체기판에 함유되는 불순물 원소는 안티몬(Sb)인 수광소자.
  8. 제3항에 있어서, 상기 제1 도전형 반도체기판에 함유되는 불순물 원소는 안티몬(Sb)인 수광소자.
  9. 제1항에 있어서, 상기 제1의 제2 도전형 반도체층에 함유되는 불순물 원소는 붕소(B)인 수광소자.
  10. 제1항에 있어서, 상기 제1의 제2 도전형 반도체층은 1x1016내지 2x1018/cm3의 불순물농도를 갖는 수광소자.
  11. 제3항에 있어서, 상기 제1 도전형 반도체층의 두께는 7μm 이하인 수광소자.
  12. 제4항에 있어서, 상기 제1 도전형 반도체층의 두께는 7μm 이하인 수광소자.
  13. 제1항에 있어서, 상기 제2의 제1 도전형 반도체층 및 상기 제2의 제1 도전형 반도체층의 전체 두께(d)는,
    식 EXP(-Gd)＜0.02(단, G는 입사광의 흡수 계수)
    를 만족하도록 설계되는 수광소자.
  14. 제1항에 있어서, 상기 제2의 제2 도전형 반도체층의 두께는, PN 접합영역에 역바이어스 전압을 인가할 때, 상기 제2의 제2 도전형 반도체층과 상기 제2의 제1 도전형 반도체층간의 계면에서의 PN 접합영역에서 발생된 전계의 강도가 0.3 V/μm 이상이 되도록 설계되는 수광소자.
  15. 제1항에 있어서, 상기 제1 도전형 반도체층은 에피택셜 성장층인 수광소자.
  16. 제1항에 있어서, 상기 제2의 제1 도전형 반도체층은 에피택셜 성장층인 수광소자.
  17. 제1항에 있어서, 상기 제2의 제1 도전형 반도체층은 열확산법에 의해 제공되는 수광소자.
  18. 제1항에 있어서, 상기 제1의 제2 도전형 반도체층은 에피택셜 성장층인 수광소자.
  19. 제4항에 있어서, 상기 제1 도전형 반도체기판의 불순물농도는, 불순물이 상기 제1의 제2 도전형 반도체층으로부터 확산되어 상기 제1 도전형 반도체 기판에 달하도록 하는 불순물농도보다 높도록 설계되는 수광소자.
  20. 제4항에 있어서, 상기 제1 도전형 반도체기판의 비저항은 0.5 Ωcm 이하인 수광소자.
  21. 제1항에 있어서, 상기 제1의 제2 도전형 반도체층의 불순물농도는, 상기 반도체구조의 제1 도전형 반도체층의 불순물농도보다 낮도록 설계되는 수광소자.
  22. 제1항에 있어서, 상기 제1의 제2 도전형 반도체층의 불순물농도의 피크 부근의 영역에 있어서의 내부 전계 강도가 증가되는 수광소자.
  23. 제1항에 있어서, 상기 반도체구조의 제1 도전형 반도체층과 제1의 제2 도전형 반도체층은 칩의 단면(端面)에서 단락되는 수광소자.
  24. 제1항에 있어서, 상기 반도체구조의 제1 도전형 반도체층과 제1의 제2 도전형 반도체층간의 계면에서의 PN 접합영역의 접합영역은 0.25mm2이상인 수광소자.
  25. 제1항에 있어서, 상기 반도체구조의 제1 도전형 반도체층과 제1의 제2 도전형 반도체층은 내부 선으로 단락되는 수광소자.
  26. 제1항에 있어서, 상기 반도체구조의 제1 도전형 반도체기판은 외부 선에 의해 고전위로 접속되는 수광소자.
  27. 제1항에 기재된 수광소자; 및
    상기 수광소자에 의해 검출된 신호를 처리하기 위한 신호처리회로를 구비하고,
    상기 수광소자와 신호처리회로는 동일 기판상에 제공되는, 회로내장 광검출기.
  28. 제27항에 있어서, 상기 수광소자에 제공된 반도체구조의 제1 도전형 반도체층은, 적어도 신호처리회로가 제공되어 있는 영역에는 배치되지 않는, 회로내장 광검출기.
  29. 제1항에 기재된 수광소자; 또는
    제27항에 기재된 회로내장 광검출기를 구비하는 광 픽업.
  30. 제29항에 있어서, 상기 수광소자를 수반하는 프레임이 그라운드(GND)에 접속되어 있는 광 픽업.
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