KR100463416B1 - 아발란치 포토트랜지스터 - Google Patents

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Abstract

고성능 광검출기로 사용될 수 있는 아발란치 포토트랜지스터(avalanche phototransistor)를 개시한다. 본 발명에서 제안하는 아발란치 포토트랜지스터는, 적외선 검출 기능의 에미터 광흡수층에, 전하층과 5000 Å 이하 두께의 증배층으로 이루어진 얇은 아발란치 이득 구조층(avalanche-gain layered-structure) 및 핫-일렉트론 전이층을 포함하고, 에미터, 베이스 및 콜렉터의 3 단자 구조를 적용한 것이다. 본 발명에 따르면, 아발란치 포토다이오드에서보다 낮은 전압을 인가하여도 높은 이득을 성취하고 감도를 증가시킬 수 있다. 핫 일렉트론 효과를 이용한 고전류, 고출력 및, 고속 특성을 성취할 수 있으며, 소자의 안정성과 신뢰성이 증가하고, 단자 수의 증가에 의한 다기능성, 신기능성이 부여될 수 있다.

Description

아발란치 포토트랜지스터 {Avalanche phototransistor}
본 발명은 아발란치 광검출기(Avalanche Photo Detector : APD)에 관한 것으로서, 특히 3 단자(three terminal)를 사용하는 트랜지스터 구조 및 핫 일렉트론의 전이층(hot electron transit layer)을 적용함으로써 종래보다 저전압, 고속 및 고감도(high sensitivity), 고기능 특성을 가지는 APD에 관한 것이다.
최근 초고속 대용량 광통신 시스템과 영상처리(image processing) 시스템의 수요 확대에 힘입어, 이들 시스템에 필수적으로 사용되는 광검출기에 대한 연구도 활발하게 진행되고 있다. 그러한 연구의 대부분은 광검출기를 고속화, 고감도화하는 방법에 관한 것이다.
종래의 광검출기 대부분은 구조가 단순한 PIN 광검출기이었으나, 분자빔 에피택시(Molecular Beam Epitaxy), 금속 유기 화학 증착법(Metal Organic Chemical Vapor Deposition) 등의 반도체 성장기술 발전과 더불어 다양한 이종접합 구조를 실현할 수 있게 되면서, APD가 PIN 광검출기를 대체하고 있다. APD는 아발란치 이득을 이용하기 때문에 PIN 광검출기에 비해서 높은 감도를 가진다는 장점이 있다.
그러나, 지금까지 알려진 APD는 아발란치 포토다이오드를 이용한 것이다. 아발란치 포토다이오드는 아발란치 이득을 얻기 위해 매우 높은 전압이 요구되며 속도가 느리다는 단점이 있다. 뿐만 아니라, 출력 전류가 낮아 전기적 전치증폭기(preamplifier)가 반드시 필요하다는 점이 한계로 지적되고 있다.
따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 상대적으로 낮은 전압을 인가하여도 높은 이득을 성취하여 감도를 증가시킬 수 있고, 고포화 전류 특성을 가지며 고출력, 고속 특성 및 다기능성을 가질 수 있는 개선된 APD를 제공하는 것이다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 의한 아발란치 포토트랜지스터의 단면도.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 의한 아발란치 포토트랜지스터의 단면도.
도 3은 본 발명의 제3 실시예에 의한 광도파로형(waveguide type) 아발란치 포토트랜지스터의 단면도.
도 4는 본 발명의 제4 실시예에 의한 광도파로-페드형(waveguide-fed type) 아발란치 포토트랜지스터의 단면도.
도 5 내지 도 10은 본 발명의 아발란치 포토트랜지스터에 적용되는 광흡수층 구조의 예를 도시한 도면.
도 11a와 도 11b는 본 발명에 따른 아발란치 포토트랜지스터에서 평형상태일 때와 전압 하에서의 에너지 밴드 다이어그램(schematic energy band diagram).
도 12a와 도 12b는 본 발명에 따른 아발란치 포토트랜지스터에 양자구조의 광흡수층을 도입한 경우에, 평형상태일 때와 전압 하에서의 에너지 밴드 다이어그램.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명에서는 신규한 고성능의 APD로서 아발란치 포토트랜지스터를 제안한다.
본 발명에 따른 아발란치 포토트랜지스터는, 반도체 기판 상에 콜렉터층, 베이스층 및 에미터층이 순차 적층된 구조로서, 상기 에미터층과 베이스층 사이에는 광신호를 흡수하여 전자를 발생시키는 에미터 광흡수층(photoabsorption layer)이 형성되어 있고, 상기 광흡수층과 베이스층 사이에는 전하층(charge layer)과 5000 Å 이하 두께의 증배층(multiplication layer)으로 이루어진 얇은 아발란치 이득 구조층(avalanche-gain layered-structure)이 형성되어 있다. 또한, 상기 베이스층과 콜렉터층 사이에는 고속의 핫 일렉트론을 전이시키는 핫 일렉트론 전이층(hot electron transit layer)이 형성되어 있으며, 상기 에미터층, 베이스층 및 콜렉터층에 각각 전위를 인가할 수 있는 에미터 전극과 베이스 전극 및 콜렉터 전극의 3 단자(three terminal)가 형성되어 있다.
여기서, 상기 광흡수층은 벌크-타입(bulk-type) 단일 물질층, 1000 Å 이하 두께의 박막(thin film)층, 자기조립 양자점(self-assembled quantum dot) 구조층, 양자우물 구조, 이중장벽 양자우물이나 다중장벽 양자우물 구조를 이용하여 제작된 수직형 양자점 어레이(array) 구조, 또는 양자선(quantum wire)의 어레이 구조로 이루어진다. 그리고, 불순물의 확산, 조절(control) 등을 위한 스페이서층(spacerlayer) 등을 필요한 곳에 더 삽입할 수 있다.
상기 핫 일렉트론 전이층은 상기 베이스층과 콜렉터층보다 넓은 밴드갭(wide-bandgap)을 가진 반도체 물질로 된 것이어서 전자의 가속화를 담당하며, 상기 베이스층과 콜렉터층보다 넓은 밴드갭을 가진 반도체 물질을 p형, n형 및 진성 조합하여 구성할 수 있다.
본 발명에 따른 아발란치 포토트랜지스터에서는, 입사된 신호광(적외선)에 의해 광흡수층에서 전자의 밴드간(interband) 혹은 서브밴드간, 다른 말로 밴드내(intersubband) 천이(transition)가 일어나게 된다. 외부 전압 적용시, 광신호의 흡수에 의해서 생성된 전자들은 상기 전하층과 증배층 등을 통과하여 증배되고, 상기 베이스층과 콜렉터층 사이의 핫 일렉트론 전이층을 통과하면서 고속화되어, 높은 전류(전기 신호)를 얻을 수 있게 한다. 따라서, 비교적 낮은 전압을 인가하여도 결과적으로는 높은 이득을 얻게 된다. 그리고, 본 발명에 따른 아발란치 포토트랜지스터에서의 얇은 증배층은 기본적으로 APD의 속도와 잡음 특성을 개선시킨다.
이와 같이, 본 발명은 아발란치 이득 구조층, 핫 일렉트론 전이층 및 3 단자를 적용함으로써, 고이득(high gain) 성취에 의한 고감도, 저전압(low operating voltage)을 성취하고, 고출력, 고속화를 성취하며, 광검출기의 항복을 낮추어 안정성(stability) 등을 확보할 수 있다. 저전압을 사용하므로 많은 이점을 가지게 되며, 고이득을 성취하므로 낮은 광흡수율도 보상할 수 있다. 또한, 다단자 작동에 의한 신기능성 및 다기능성이 부여된다. 광흡수층 구조의 선택 자유도에 의해, 다양한 영역의 적외선 신호의 선택 및 처리도 가능해진다.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명한다. 그러나, 다음에 예시하는 본 발명의 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 상술하는 실시예들에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예들은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되어지는 것이다.
(제1 실시예)
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 의한 아발란치 포토트랜지스터의 단면도이다. 도 1에 제시한 아발란치 포토트랜지스터는 고이득, 고출력, 고속 및 3 단자의 특징을 갖는다.
도 1을 참조하면, 반도체 기판(100) 상에 콜렉터층(110), 베이스층(130) 및 에미터층(190)이 순차 적층된 구조이고, 각 층에 각기 전위를 인가할 수 있는 콜렉터 전극(115), 베이스 전극(135) 및 에미터 전극(195)의 3 단자를 포함한다. 특히, 에미터 전극(195)은 단면상 두 개로 분리된 것처럼 보이지만, 실제로는 에미터층(190) 위에 링 모양으로 형성되어 있어서 수광부를 정의하며, 외부에서 소정의 전압을 인가할 수 있도록 되어 있다.
에미터층(190)과 베이스층(130) 사이에는 광신호를 흡수하여 전자를 발생시키는 에미터 광흡수층(170)이 형성되어 있고, 광흡수층(170)과 베이스층(130) 사이에는 얇은 아발란치 이득 구조층(160)이 형성되어 있어서, 광흡수층(170)으로부터 발생된 전자의 수를 증배시킨다. 이 때, 아발란치 이득 구조층(160)은 전하층(150)과 5000 Å 이하의 얇은 증배층(140)으로 이루어진다. 증배층(140)은 벌크-타입의 단일 물질층이거나 초격자(superlattice) 구조이다.
광흡수층(170)에 밴드갭 이상의 에너지를 가진 광신호가 조사되면, 광흡수층(170) 내에서 전자가 전도대(conduction band)로 천이하여 여기 전자가 되고, 가전자대(valance band)에 정공이 생성된다. 이러한 광흡수층(170)은 다양한 구조로 형성할 수 있으며, 예를 들면 벌크-타입 단일 물질층, 1000 Å 이하 두께의 박막층, 자기조립 양자점 구조층, 양자우물 구조, 이중장벽 양자우물이나 다중장벽 양자우물 구조를 이용하여 제작된 수직형 양자점 어레이 구조, 또는 양자선의 어레이 구조로 이루어질 수 있다. 한편, 광흡수층(170)과 에미터층(190) 사이에는 버퍼층(buffer layer)으로 작용하는 스페이서층(180)을 선택적으로 포함할 수도 있다.
한편, 베이스층(130)과 콜렉터층(110) 사이에는 핫 일렉트론 전이층(125)이 형성되어 있어서, 베이스층(130)으로부터 전달된 전자들을 고속화시켜 콜렉터층(110)으로 연결시킬 수 있도록 한다. 이러한 핫 일렉트론 전이층(125)은 베이스층(130)과 콜렉터층(110)보다 넓은 밴드갭(wide bandgap)을 가지는 물질이 선택되며, 도면에서와 같이 다층막(121, 122, 123)으로 구성될 수 있다.
이상과 같은 트랜지스터 구조에서, 광신호가 광흡수층(170)에 흡수되면서 발생된 여기 전자는 얇은 아발란치 이득 구조층(160)을 통해서 증배되고, 핫 일렉트론 전이층(125)을 통과하면서 고속화되어 콜렉터층(110)에까지 이르게 된다. 따라서, 종래보다 낮은 전압을 인가하더라도 고감도, 고이득, 고출력 및 고속의 특성을 얻을 수 있게 된다.
상기한 포토트랜지스터는 에미터층(190), 베이스층(130) 및 콜렉터층(110)을 pnp형이나 npn형 중 어떤 형태로든 구성할 수 있으며, 이를 위한 각 층 및 그 밖의 요소들의 불순물 도핑 농도와 물질 종류 등은 APD의 이득, 속도 등의 성능에 중요한 인자들이므로 숙고하여 결정할 필요가 있다. 예를 들어, 에미터층(190)은 p+-InAlAs층으로 하고, 스페이서층(180)은 i-InAlAs층으로 구성한다. 광흡수층(170)은 1000 Å 이하 두께의 i-InGaAs 단일 물질로 구성하고, 아발란치 이득 구조층(160)은 p-InAlAs 전하층(150)과 5000 Å 이하의 얇은 i-InAlAs 증배층(140)으로 이루어지게 하여 얇게 구성하며, 베이스층(130)은 2000 ~ 3000 Å 이하의 두께를 가지는 n-InAlAs층 또는 p-InAlAs층으로 구성한다. 핫 일렉트론 전이층(125)은 p-InAlAs층(123), 500 Å 이하의 n-InAlAs층(122) 및 2000 Å 정도의 i-InAlAs층(121)으로 구성되는 다층막으로 하며, 콜렉터층(110)은 n-InAlAs층으로 한다. 기판(100)으로는 n-InP를 사용할 수 있다.
그러나, 본 발명은 여러 종류의 반도체 물질, 도전형, 불순물 도핑 농도 등으로 구현될 수 있는 것이 당연하며, 여기에 제시하는 예는 본 발명을 한정하는 것이 아니라, 당업계에서 통상의 지식을 가진 자가 본 명세서의 기재로부터 용이하게 실시할 수 있도록 하기 위한 것이라는 점이 이해되어져야 할 것이다. 또한, 본 명세서에서는 전자가 주된 캐리어인 경우에 한정하여 설명되고 있으나, 정공이 주된 캐리어인 경우에도 마찬가지 설명이 적용될 수 있다는 것을 주의하여야 한다.
(제2 실시예)
본 발명은 공진기(resonant-cavity)형 아발란치 포토트랜지스터로 구현될 수도 있다. 도 2는 그러한 예를 도시한 것이다. 도 2의 구성요소 중 도 1에서와 동일한 것에 대하여는 동일한 참조번호를 부여하고 반복적인 설명은 생략하기로 한다.
도 2를 참조하면, 도 1에 제시한 구조를 이용할 수 있으며, 콜렉터층(110)과 기판(100) 사이에 반도체 λ/4(quarter-wave) 스택(stack)으로 된 하부 미러층(mirror)(101)을 도입하고, 에미터층(190) 위에는 다층의 유전막(dielectric multilayer)을 이용한 상부 미러층(191)을 적층한다. 예컨대, 하부 미러층(101)은 기판(100)에 격자 정합된 구조로서, 굴절률이 다른 반도체층을 교대로 여러 주기 형성한 반도체 DBR(Distributed Bragg Reflector)로 구성한다.
본 실시예에 따라 미러층 구조를 도입하여 공진기를 형성하면, 양자효율(quantum efficiency)을 높일 수 있어서, 소자의 성능을 향상시키고 고속화를 성취할 수 있다. 따라서, 도 2에 도시한 포토트랜지스터는 초고속 적외선 신호 검출소자로 이용될 수 있다.
본 발명은 또한 광도파로 집적형(waveguide type, 또는 waveguide-fed type) 3 단자 포토트랜지스터 구조로 제작될 수 있다. 다음의 실시예들에서 상세히 살펴본다.
(제3 실시예)
도 3은 본 발명의 제3 실시예에 의한 광도파로형(waveguide type) 아발란치 포토트랜지스터를 도시한 것으로, 광흡수층(270)의 상부와 하부에 가이딩층(guiding layer)(272, 262)이 도입된 것이다. 예를 들어, p+-InAlAs 에미터층(290), i-InAlAs 제1 가이딩층(272), i-InGaAs 박막의 광흡수층(270), i-InAlAs 제2 가이딩층(262), p-InAlAs 전하층(250)과 2000 Å 이하 두께의 얇은 i-InAlAs 증배층(240)으로 이루어지는 아발란치 이득 구조층(260), 2000 Å 이하 두께의 얇은 베이스층(230), p-InAlAs층(223), 500 Å 이하 두께의 n-InAlAs층(222), 2000 Å 정도 두께의 i-InAlAs층(221)으로 이루어진 핫 일렉트론 전이층(225) 및 n-InAlAs 콜렉터층(210)을 포함하도록 구성된다. 이러한 구조물은 n-InP와 같은 반도체 기판(200) 상에 형성되며, 콜렉터층(210), 베이스층(230) 및 에미터층(290)에 각기 전위를 인가할 수 있는 콜렉터 전극(215), 베이스 전극(235) 및 에미터 전극(295)의 3 단자도 마련된다. 특히, 에미터 전극(295)은 에미터층(290) 위에 판상으로 형성되며, 광신호는 광흡수층(270) 측면으로 들어간다(화살표 방향). 그 밖에 특별한 언급이 없는 요소는 상기 제1 실시예에서와 동일한 것으로 이해될 수 있다.
(제4 실시예)
도 4는 본 발명의 제4 실시예에 의한 광도파로-페드형(waveguide-fed type) 아발란치 포토트랜지스터를 도시한 것으로, 콜렉터층(310)과 기판(300) 사이에 광도파로 구조층(304)이 도입된 것이다.
구체적으로 살펴보면, p+-InAlAs 에미터층(390), i-InAlAs 스페이서층(380), i-InGaAs 박막의 광흡수층(370), i-InGaAlAs 점진 스페이서층(361)(InGa0.47(1-x)Al0.47xAs, x = 1에서 0까지 변함), p-InAlAs 전하층(350)과 2000 Å 이하 두께의 i-InAlAs 증배층(340)으로 이루어지는 아발란치 이득 구조층(360), 2000 Å 이하두께의 베이스층(330), p-InAlAs층(323), 500 Å 이하 두께의 n-InAlAs층(322), 2000 Å 정도 두께의 i-InAlAs층(321)으로 이루어진 핫 일렉트론 전이층(325) 및 n-InAlAs 콜렉터층(310), InGaAlAs 가이딩층(303) 및 InAlAs층(302)으로 이루어진 광도파로 구조층(304)으로 구성될 수 있다. 이러한 구조물은 n-InP와 같은 반도체 기판(300) 상에 형성되며, 콜렉터층(310), 베이스층(330) 및 에미터층(390)에 각기 전위를 인가할 수 있는 콜렉터 전극(315), 베이스 전극(335) 및 에미터 전극(395)의 3 단자도 마련된다. 에미터 전극(395)은 에미터층(390) 위에 판상으로 형성되며, 광신호는 광도파로 구조층(304) 측면으로 들어간다(화살표 방향). 그 밖에 특별한 언급이 없는 요소는 상기 제1 실시예에서와 동일한 것으로 이해될 수 있다.
이상과 같은 제1 내지 제4 실시예에서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 아발란치 포토트랜지스터는 기존의 APD로 사용되어 오던 아발란치 포토다이오드와 비교해 볼 때에, 베이스층과 핫 일렉트론 전이층을 더 포함하고, 이에 따라 매우 얇은 아발란치 이득 구조층을 도입할 수 있으므로, 기존의 아발란치 포토다이오드에 비해서 더 높은 이득, 고속 특성, 고포화 전류, 고출력의 특성을 가진다. 또한, 3 단자를 적용함에 따라 다기능성, 신기능성을 가지게 된다.
(광흡수층의 예)
다음으로, 본 발명의 아발란치 포토트랜지스터에 광흡수층으로 도입될 수 있는 구조의 예들을 소개하기로 한다. 아래에 제시한 바와 같이, 본 발명의 광흡수층으로 선택될 수 있는 구조는 매우 다양하다. 이러한 구조의 선택 자유도에 의해 다양한 영역의 적외선 신호의 선택 및 처리가 가능해진다.
도 5 내지 도 10은 도 1 내지 도 4의 광흡수층(170, 270, 370)에 적용될 수 있는 각 구조의 수평 단면도와 횡단면도를 도시한 것이다. 각 도면에서 (a)는 기판에 수평한 수평 단면도이고, (b)는 기판에 수직인 횡단면도이다. 편의상 도 1 또는 도 2의 광흡수층(170)에 대한 것을 예로 들어 설명하지만, 도 3의 광흡수층(270), 도 4의 광흡수층(370)에도 동일한 설명이 적용될 수 있음을 당업계에서 통상의 지식을 가진 자들은 알 수 있을 것이다.
먼저 도 5는 광흡수층(170)으로서 벌크-타입 단일 물질층 또는 1000 Å 이하 두께의 박막층을 형성한 경우를 나타낸다. 앞의 실시예들에서는 광흡수층(170)으로서 i-InGaAs 박막을 형성하는 경우를 소개한 바 있다.
다음, 도 6은 자기조립 양자점 어레이 구조층으로 구성된 광흡수층(170)을 도시한 것이다. 특히, 도 6의 (c)에서와 같이 자기조립 양자점 어레이 구조층을 여러 번 적층하여 형성할 수도 있다. 잘 알려진 바와 같이, 자기조립 양자점은 격자 상수가 작은 물질(163a) 위에 격자 상수가 큰 물질(163b)을 얇게 적층하여, 격자 상수가 큰 물질(163b)에 스트레인(strain)이 걸려서 응집되게 만든 다음, 그 위에 다시 격자 상수가 작은 물질(163a)을 적층하여 형성한다. 일반적으로 격자 상수가 작은 물질이 격자 상수가 큰 물질보다 밴드갭이 넓으므로, 격자 상수가 작은 물질(163a)로 둘러싸여진 응집된 큰 격자 상수의 물질(163b)은 넓은 밴드갭 사이에 낀 좁은 밴드갭을 이루어 양자점이 된다. 실시함에 있어서, 참조번호 "163a"는 예컨대 GaAs층이고 "163b"는 InAs 양자점이 될 수 있다.
도 7은 이중장벽 양자우물 구조의 수평적 속박과정(lateral confinement)을통하여 광흡수층(170)으로서 양자점 어레이층 구조를 형성한 경우를 보여 준다. 예를 들어, 참조번호 "164a"는 i-InAlAs층으로 된 양자장벽층이고, "164b"는 100 Å 이하 두께의 InGaAs 양자우물층을 이용한 양자점이며, "164c"는 SiN과 같은 절연층이다. 잘 알려진 바와 같이, 양자장벽층이란 양자우물층에 비하여 밴드갭이 넓은 물질층을 의미한다.
도 8은 이중장벽 양자우물형 에피구조에서 수평적 속박과정을 통하여 광흡수층(170)으로서 양자선 구조들을 형성한 경우이다. 참조번호 "165a"는 i-InAlAs층으로 된 양자장벽층이고, "165b"는 100 Å 이하 두께의 InGaAs 양자우물층을 이용한 양자선이며, "165c"는 절연층일 수 있다.
도 9는 광흡수층(170) 구조로 삼중장벽 양자우물형 에피구조에서 수평적 속박과정을 통하여 수직형 양자점 어레이를 형성한 구조이다. 실시함에 있어서, 참조번호 "166a"는 i-AlAs층이고, "166b"는 100 Å 이하 두께의 GaAs 양자우물층을 이용한 양자점 구조일 수 있으며, "166c"는 절연층이다. 이러한 구조를 형성하는 방법은 도 7의 경우와 유사하다.
마지막으로 도 10은 광흡수층(170) 구조로서 삼중장벽 양자우물구조를 이용한 수직 양자선 어레이 구조층을 도시한 것이다. 형성하는 방법은 도 8의 경우와 유사한 것으로 이해될 수 있다. 예를 들어, 참조번호 "167a"는 i-InAlAs층으로 된 양자장벽층이고, "167b"는 100 Å 이하 두께의 InGaAs 양자우물층을 이용한 양자선이며, "167c"는 절연층이다.
(에너지 밴드 다이어그램)
한편 도 11a와 도 11b는 본 발명의 아발란치 포토트랜지스터에서의 에너지 상태를 나타내는 에너지 밴드 다이어그램(schematic energy band diagram)이다. 특히, 도 1 내지 도 4의 광흡수층(170, 270, 370)으로서 양자구조를 적용하지 않은 경우에 해당된다. 도면에서 (E), (B), (C)는 잘 아는 바와 같이 에미터층, 베이스층, 콜렉터층을 각각 가리키고, EC는 전도대, EV는 가전자대이다.
우선, 도 11a는 전압이 인가되지 않고 열평형 상태일 때의 에너지 밴드를 도시한 것이다. 이 상태에서 VBI는 광흡수층과 아발란치 이득구조층 사이의 빌트-인 전압(built-in potential)이고, V'BI는 베이스층과 콜렉터층 사이의 빌트-인 전압이다.
다음 도 11b는 외부 전압 적용시 동작 상태를 도시한 것이다. 광흡수층 내에서 전자들이 적외선을 흡수하면 전도대로 밴드간 천이(interband transition)한다. 천이된 전자들은 전하층 및 증배층을 통과하면서 외부 인가 전압(V1, V2) 및 트랜지스터 내부의 빌트-인 전압(VBI, V'BI)에 의해 증배된다. 아발란치 이득 구조층에서의 전장의 세기는 아발란치 이득 구조층 양단에 인가된 전압에 의해 조절된다. V1은 에미터층과 베이스층 사이에 인가된 전압이며, V2는 베이스층과 콜렉터층 사이에 인가되는 전압으로서, 서로 반대되는 극성(polarity)을 가지게 된다. 즉, 전자를 이용한 증배 구조일 경우, V1은 음의 바이어스(negatively biased)이고 V2는 양의 바이어스(positively biased)가 된다. 증배된 전자들은 이어 핫 일렉트론 전이층을 지나면서 가속화되어 콜렉터층에 이르게 된다. 이로써, 큰 전기 신호(출력)를 생성하게 된다.
광흡수층에서 발생된 전자들이 전하층 및 증배층을 통과하면서 증배되는 이유는 외부 역전압 인가시, 매우 큰 전장효과에 의해서 증배층에서 충돌 이온화(impact ionization)를 일으키기 때문이다. 즉, 에미터층의 에너지 준위와 비교하여 아발란치 이득 구조층의 에너지 준위가 V1만큼 더 낮아지면서 전위차가 커지고 전장의 세기가 커져 충돌 이온화효과에 의한 아발란치 이득을 얻을 수 있는 것이다. 또한 증배된 전자들이 핫 일렉트론 전이층을 지나면서 가속화되는 이유는 핫 일렉트론 전이층에도 V2만큼의 전위차가 추가되어 전자들의 핫 일렉트론화가 가능해지기 때문이다.
그리하여, 이상과 같이 전위차가 인가된 아발란치 포토트랜지스터는 외부에서 인가되는 광신호의 세기가 아주 작다 하더라도 민감하게 감지할 수 있는 장점이 있으며, 고포화 전류, 고출력의 특성을 동시에 가질 수 있는 APD로서 적용될 수 있는 것이다.
도 12a 및 도 12b는, 본 발명의 아발란치 포토트랜지스터에 광흡수층으로서 양자구조를 적용한 경우에 대한 에너지 밴드 다이어그램이다. 즉, 도 1 내지 도 4의 광흡수층(170, 270, 370)으로서 양자우물 구조, 양자점 구조, 양자점이나 양자선의 어레이 구조가 적용된 경우이다. 도 11a 및 도 11b에서와 동일하게, 도면에서 (E), (B), (C)는 에미터층, 베이스층, 콜렉터층을 각각 가리키고, EC는 전도대이다.
우선, 도 12a는 전압이 인가되지 않고 열평형 상태일 때의 에너지 밴드를 도시한 것이다. 이 상태에서 VBI는 양자구조의 광흡수층과 아발란치 이득구조층 사이의 빌트-인 전압이고, V'BI는 베이스층과 콜렉터층 사이의 빌트-인 전압이다. 양자구조의 광흡수층을 적용하였으므로, 도시한 바와 같이 광흡수층 쪽에는 에너지 밴드가 무수히 많은 서브밴드(subband)로 스플릿(split)되어 있다.
다음 도 12b는 외부 전압 적용시 동작 상태의 예이다. 광흡수층 내에서 전자들이 적외선 흡수에 의해 급격한(sharp) 여기 준위로 밴드내 천이(intersubband transition)한다. 이 때, 여기 준위로 천이된 전자들이 도 11b를 참조하여 설명한 바와 마찬가지로, 외부 인가 전압(V1, V2) 및 소자 내부의 빌트-인 전압(VBI, V'BI)에 의해, 전하층, 증배층에서 증폭되고, 베이스층을 지나 핫 일렉트론 전이층을 거쳐 콜렉터층에 이르게 된다. 적외선 흡수 파장은 양자점, 양자우물, 혹은 양자선의 속박 에너지 준위들에 의해 결정된다.
이상, 본 발명을 바람직한 실시예들을 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예들에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변화 및 변경이 가능하다는 것을 당업계에서 통상의 지식을 가진 자들은 잘 이해할 수 있을 것이다.
이상에서 자세히 설명한 바와 같이, 본 발명에서는 아발란치 이득 구조층, 핫 일렉트론 전이층 및 3 단자를 적용함으로써, 고이득 성취에 의한 고감도, 저전압 특성을 성취하고, 고출력, 고속화를 달성하며, 광검출기의 항복을 낮추어 안정성 등을 확보할 수 있다. 저전압을 사용하므로 많은 이점을 가지게 되며, 고이득을 성취하므로 낮은 광흡수율도 보상할 수 있다. 또한, 다단자 작동에 의한 신기능성 및 다기능성이 부여된다. 광흡수층 구조의 선택 자유도에 의해, 다양한 영역의 적외선 신호의 선택 및 처리도 가능해진다.
본 발명의 아발란치 포토트랜지스터는 특히 장거리 통신용, 포톤 레벨로 세밀히 감지할 필요가 있는 경우(single photon counting) 등 매우 높은 감도를 요구하는 데에도 사용될 수 있다. 높은 이득의 성취는 아발란치 포토다이오드에 반드시 필요한 전치증폭기 기능을 대신할 수 있게 되어, 고속·고출력 광검출기, 고속 적외선 신호 탐지기 및 증폭기, 광수신기(photo-receiver)에 응용될 수 있다. 그리고, 3 단자 이상의 다단자 작동에 의한 자유도 증가로 인해, 초고속 스위칭 장치(ultra-high speed switching device) 및 논리장치(digital logic), 신기능/다기능의 고속 적외선 논리장치 등으로 응용이 가능하다.

Claims (10)

  1. 반도체 기판 상에 순차 적층된 콜렉터층, 베이스층 및 에미터층;
    상기 에미터층과 베이스층 사이에 형성된 에미터 광흡수층;
    상기 광흡수층과 베이스층 사이에 형성되고, 전하층(charge layer)과 5000 Å 이하 두께의 증배층(multiplication layer)으로 이루어진 얇은 아발란치 이득 구조층(avalanche-gain layered-structure);
    상기 베이스층과 콜렉터층 사이에 형성된 핫 일렉트론 전이층(transit layer); 및
    상기 에미터층과 베이스층 및 콜렉터층에 각각 전위를 인가할 수 있는 에미터 전극과 베이스 전극 및 콜렉터 전극의 3 단자(three-terminal)를 포함하는 것을 특징으로 하는 아발란치 포토트랜지스터.
  2. 제1항에 있어서, 상기 광흡수층은,
    벌크-타입(bulk-type) 단일 물질층, 1000 Å 이하 두께의 박막(thin film)층, 자기조립 양자점(self-assembled quantum dot) 구조층, 양자우물 구조, 이중장벽 양자우물이나 다중장벽 양자우물 구조를 이용하여 제작된 수직형 양자점 어레이(array) 구조, 또는 양자선(quantum wire)의 어레이 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 아발란치 포토트랜지스터.
  3. 제1항에 있어서, 상기 증배층이 벌크-타입(bulk-type)의 단일 물질층 또는 초격자(superlattice) 구조인 것을 특징으로 하는 아발란치 포토트랜지스터.
  4. 제1항에 있어서, 상기 광흡수층의 상부와 하부에 가이딩층(guiding layer)들이 도입되어 광도파로형(waveguide type) 구조로 제작된 것을 특징으로 하는 아발란치 포토트랜지스터.
  5. 제1항에 있어서, 상기 콜렉터층과 기판 사이에 광도파로 구조층이 도입되어, 광도파로-페드형(waveguide-fed type) 구조로 제작된 것을 특징으로 하는 아발란치 포토트랜지스터.
  6. 제1항에 있어서, 상기 콜렉터층과 기판 사이에 λ/4(quarter-wave) 스택(stack)으로 된 하부 미러층(mirror)을 도입하고, 상기 에미터층 위에 다층의 유전막(dielectric multilayer)을 이용한 상부 미러층을 적층하여 공진기(resonant-cavity)형으로 제작된 것을 특징으로 하는 아발란치 포토트랜지스터.
  7. 제1항, 제5항 및 제6항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 아발란치 이득 구조층에 스페이서층(spacer layer)이 더 포함된 것을 특징으로 하는 아발란치 포토트랜지스터.
  8. 제1항, 제4항, 제5항 및 제6항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 아발란치 이득 구조층에 점진 스페이서층(graded layer)이 더 포함된 것을 특징으로 하는 아발란치 포토트랜지스터.
  9. 제1항에 있어서, 상기 핫 일렉트론 전이층은 상기 베이스층과 콜렉터층보다 넓은 밴드갭(wide-bandgap)을 가진 반도체 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 아발란치 포토트랜지스터.
  10. 제1항에 있어서, 상기 핫 일렉트론 전이층은 p형 반도체, n형 반도체 및 진성 반도체를 조합하여 형성한 다층막인 것을 특징으로 하는 아발란치 포토트랜지스터.
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