KR100463425B1 - 광픽업용 광검출기 집적회로의 포토다이오드 셀 구조 및그 제조 방법 - Google Patents

광픽업용 광검출기 집적회로의 포토다이오드 셀 구조 및그 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 광픽업용 광검출기의 속도 및 효율을 향상시키도록 수평 구조를 갖는 광픽업용 광검출기 집적회로(PDIC)의 포토다이오드 셀 구조(PD cell) 및 그 제조 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 광픽업용 광검출기 집적회로의 포토다이오드 셀은 a) 실리콘 기판(21) 상부에 형성되는 고농도의 N형(N+) 매립층(22); b) 고농도 N형(N+) 매립층(22) 상부에 형성되는 저농도 N형(N-) 광 흡수층(23); c) 저농도 N형(N-) 광 흡수층(23)의 상부의 양측에 형성되는 고농도 N(N+)층(24a, 24b); d) 양측의 고농도 N(N+)층(24a, 24b)과 각각 오믹 콘택을 이루는 금속층(25); 및 e) 고농도 N(N+)층(24a, 24b) 사이의 저농도 N형(N-) 광 흡수층(23) 상부에 코팅되어 쇼트키 콘택을 이루는 금속층(26)을 포함하여 구성되되, 고농도 N(N+)층(24a, 24b), 저농도 N형(N-) 광 흡수층(23) 및 쇼트키 콘택 금속층(26)이 수평 구조의 광검출기를 형성하는 것을 특징으로 한다. 따라서, 본 발명은 광검출기의 에피택셜 구조를 단순화하여 실제 제작시 발생하는 공정 상의 산포를 줄일 수 있으므로 광검출기의 동작을 안정화시키고, 종래의 수직 구조를 수평 구조로 바꿈으로써 짧은 파장의 빛을 검출할 때 광 효율을 향상시킬 수 있다.

Description

광픽업용 광검출기 집적회로의 포토다이오드 셀 구조 및 그 제조 방법 {A structure of Photo Diode cells in a PDIC for a optical pickup, and its manufacturing method}
본 발명은 광픽업용 광검출기 집적회로의 포토다이오드 셀 구조 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 광픽업(Optical Pickup)용 광검출기 집적회로(Photo Diode Integrated Circuit: "PDIC")에 있어서 포토다이오드(Photo Diode: PD) 셀을 수평(lateral) 구조로 바꿈으로써, 즉 광검출기의 반응 속도를 높이기 위해 쇼트키 콘택(schottky contact)을 이용한 금속층(Metal layer)-진성층 (intrinsic layer)-N층 구조로 바꿈으로써 광검출기의 효율과 속도를 동시에 향상시킬 수 있도록 된 광픽업용 광검출기 집적회로의 포토다이오드 셀 구조 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로 광검출기(photo detector)는 빛을 검출하여 그 강도를 전기 신호로 변환하는 트랜스듀서를 말한다. 이러한 광검출기로는 광전지(실리콘, 셀렌), 광도전 소자(황화 카드뮴, 셀렌화 카드뮴), 포토다이오드, 포토트랜지스터, 광전자 증배관, 광전관(진공, 가스 봉입) 등이 있으며, 일반적으로 광변환 효율이 우수한 직접천이 반도체(direct band-gap semiconductor)를 이용하여 제작된다.
광검출기는 구조가 다양하여 가장 일반적인 구조로는 p-n 접합을 이용하는 PIN형 광검출기, 쇼트키 접합(Schottky junction)을 이용하는 쇼트키형 광검출기, 및 MSM(Metal Semiconductor Metal)형 광검출기 등이 있다.
한편, 최근 광 데이터 저장(optical data storage) 분야에서 레이저 및 PDIC의 중요성이 크게 부각되고 있다. 대용량의 저장 매체에 대해 재생 및 저장을 하기 위해서는 레이저의 파장이 짧아져야 하고, 짧아진 파장을 검출하기 위해서는 광검출기의 효율을 높일 필요가 있다.
현재 사용되고 있는 650nm 및 780nm 파장을 검출할 수 있는 광검출기는 수직(Vertical) PIN 구조로 되어 있는데, 이러한 광검출기의 효율을 높이기 위해서는 기존 PDIC에서 사용되고 있는 광검출기의 셀을 효율이 높은 구조로 변경할 필요가 있다.
한편, 도 1은 종래의 기술에 따른 광픽업용 포토다이오드 셀의 수직(Vertical) PIN 구조를 나타내는 도면이다. 여기서, PIN 구조는 P층-진성층(intrinsic layer)-N층으로 이루어진 구조를 말하며, 통상적으로 광검출기에서 상기 진성층은 광 흡수층이 된다. 도 1에서, 도면부호 11은 실리콘 기판이며, 12는 절연층, 16a 및 16b는 각각 N층과 진성층에 콘택되는 금속이다. 또한, 도면부호 17은 광픽업용에 사용되는 4개의 포토다이오드 셀을 형성하도록 P층(15)이 소정 간격으로 4등분 된 것을 나타낸다.
현재 사용되고 있는 포토다이오드 셀(10)은 수직 P-I-N 구조로서 P+ 층(15) 아래에 있는 진성층에서 빛에 의해 전자와 정공을 생성시켜서 광신호를 전기 신호로 바꾼다. 여기서 상기 진성층은 실질적으로는 저농도의 불순물층(14a, 14b)이 사용되고 있다.
이러한 PIN 수직 구조로 된 광검출기는 광신호를 전기적 신호로 바꿔 주는 진성층(14a, 14b)이 P층(15) 구조의 아래에 존재하기 때문에 파장이 짧은 경우에는 모든 빛이 진성층까지 도달하지 못하고 전계(electric field)가 존재하지 않는 층에서 많은 전자와 정공이 생성된다. 이때 생성된 전자와 정공은 캐리어로써 존재하지 못하고 재결합이 되어 소멸된다. 이러한 현상으로 광검출기의 광 효율이 많이 떨어지게 된다. 또한, 파장이 짧아지면 빛의 흡수 두께는 얇아져서 그림과 같이 광검출기를 구현할 경우, 광 효율이 급격히 줄어들게 된다는 문제점이 있다.
전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 종래의 광검출기의 수직 P-I-N 구조로 되어 있는 PDIC 내의 포토다이오드 셀 구조를 수평(Lateral) M-I-N (Metal-Intrinsic-N) 구조로 바꿈으로써, 광검출기의 속도 및 효율을 높일 수 있는 광픽업용 광검출기 집적회로의 포토다이오드 셀 구조 및 그 제조 방법을 제공하기 위한 것이다.
도 1은 종래의 기술에 따른 광픽업용 포토다이오드 셀의 수직 PIN 구조를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 광픽업용 포토다이오드 셀의 수평 구조를 나타내는 도면이다.
도 3a 내지 도 3d는 각각 본 발명에 따른 광픽업용 포토다이오드 셀의 제조 공정을 나타내는 도면이다.
< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >
20: 수평 구조 포토다이오드 21: 기판
22: 고농도 N형(N+) 매립층(NBL) 23: 저농도 N형(N-) 광 흡수층
24, 24a, 24b: 고농도 N(N+)층 25: 오믹 금속 콘택
26: 쇼트키 금속 콘택
상기 목적을 달성하기 위한 수단으로서, 본 발명에 따른 광픽업용 광검출기 집적회로의 포토다이오드 셀은, a) 실리콘 기판 상부에 형성되는 N+매립층; b) 상기 N+매립층 상부에 형성되는 N-광 흡수층; c) 상기 N-광 흡수층의 상부의 양측에 형성되는 N+층; d) 상기 N+층과 각각 오믹 콘택을 이루는 금속층; 및 e) 상기 N+층 사이의 N-광 흡수층 상부에 코팅되어 쇼트키 콘택을 이루는 금속층을 포함하여 구성되되, 상기 N+층, 상기 N-광 흡수층 및 상기 쇼트키 콘택 금속층이 수평 구조의 광검출기를 형성하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 쇼트키 콘택 금속층은 상기 광검출기에 사용되는 4개의 셀을형성하도록 상기 N-광 흡수층의 상면 상에서 소정 간격을 두고 4등분되는 것을 특징으로 한다.]
또한, 상기 쇼트키 콘택 금속층은 상기 광검출기의 속도를 향상시키도록 상기 포토다이오드 셀에 흡수되는 광에 의해 발생되는 전자 또는 정공 캐리어를 다수 캐리어로 이동시키는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 오믹 콘택 금속층 및 상기 쇼트키 콘택 금속층은 광 투과성 금속을 사용하여 형성되는 것을 특징으로 한다.
한편, 본 발명에 따른 광픽업용 광검출기 집적회로의 포토다이오드 셀을 제조하는 방법은, ⅰ) 실리콘 기판 상부에 고농도 N형 이온을 확산시켜 N+매립층을 형성하는 단계; ⅱ) 상기 N+매립층 상부에 저농도 N형 이온을 증착 또는 에피택셜(epitaxial) 성장시켜 N-광 흡수층을 형성하는 단계; ⅲ) 상기 N-광 흡수층의 상부에 양측에 고농도 N형 이온을 확산시켜 N+층을 형성하는 단계; ⅳ) 상기 N+층과 오믹 콘택을 이루는 금속층을 코팅하는 단계; 및 ⅴ) 상기 N+층 사이의 N-광 흡수층 상부에 쇼트키 콘택을 이루는 금속층을 코팅하는 단계를 포함하여 이루어진다.
또한, 본 발명은 상기 광검출기에 사용되는 4개의 포토다이오드 셀을 형성하도록 상기 쇼트키 콘택 금속층을 상기 N-광 흡수층의 상면 상에서 소정 간격을 두고 4등분시키는 단계를 추가로 포함할 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 쇼트키 콘택 금속층, 상기 N-광 흡수층 및 상기 N+층은 금속층-진성층(intrinsic layer)-N층의 수평 구조 광검출기를 형성하는 것을 특징으로 한다.
결국, 본 발명은 광픽업용 포토다이오드 셀을 수평 구조의 M-I-N(금속-진성층-N층)이 되어, 광검출기의 속도를 향상시킬 수 있고, 짧은 파장을 흡수할 경우에도 높은 광 효율을 유지하게 된다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 광픽업용 광검출기 집적회로의 포토다이오드 셀 구조 및 그 제조 방법에 대해 상세히 설명하면 다음과 같다.
먼저, 쇼트키 다이오드는 금속 및 실리콘의 접합을 통한 정류 특성을 이용한 다이오드이다. 특히 최근의 고 전력 및 고 스피드가 요구되는 추세에 부응하기 위해서는 낮은 순방향 전압 강하, 적은 누설 전류 및 높은 스위칭 속도 특성을 가져야 하는데, 상기 쇼트키 다이오드는 PIN 다이오드에 비하여 와 상기 특성들을 잘 나타낸다. 일반적으로 쇼트키 다이오드의 순방향 전압강하 특성은 금속과 실리콘 사이의 일함수 차이에 의한 장벽층 높이 및 에피택셜층과 기판의 저항에 의해 결정된다. 즉, 최적의 순방향 전압 강하값을 나타내도록 하기 위해서는 에피택셜층과 기판의 직렬 저항을 감소시킬 필요가 있다.
이러한 쇼트키형 광검출기에 있어서 광검출기의 속도를 결정하는 두 가지 주요 요인은 광검출기의 정전용량(capacitance)과 저항(resistance)에 의해 결정되는 시정수(τRC: RC time constant)와 광신호에 의해 발생되는 전자(electron) 또는 정공(hole)이 광검출기의 광 흡수층을 지나가는데 걸리는 시간(τT: transit time)이 있다. 광검출기의 속도를 극대화하기 위해서는 이 두 요인들은 최적화하게 된다.
따라서, 본 발명에서는 상기 광검출기의 광 흡수층을 지나가는데 걸리는 시간을 최소화하기 위해 수평 구조의 MIN 쇼트키 구조를 갖게 된다.
도 2는 본 발명에 따른 광픽업용 포토다이오드 셀의 수평 구조를 나타내는 도면이다.
도 2를 참조하면, 광픽업(optical pickup)용 광검출기 집적회로(PDIC)의 포토다이오드 셀(PD cell)의 구조는, a) 실리콘 기판(substrate; 21) 상부에 형성되는 고농도의 N형(N+) 매립층(NBL; 22); b) 상기 고농도 N형(N+) 매립층(22) 상부에 형성되는 저농도 N형(N-) 광 흡수층(23); c) 상기 저농도 N형(N-) 광 흡수층(23)의 상부의 양측에 형성되는 고농도 N(N+)층(24a, 24b); d) 상기 양측의 고농도 N(N+)층(24a, 24b)과 각각 오믹 콘택(ohmic contact)을 이루는 금속층(25); 및 e) 상기 고농도 N(N+)층(24a, 24b) 사이의 저농도 N형(N-) 광 흡수층(23) 상부에 코팅되어 쇼트키 콘택(shottky contact)을 이루는 금속층(26)을 포함하여 구성된다.
여기서, 상기 고농도 N(N+)층(24a, 24b), 상기 저농도 N형(N-) 광 흡수층(23) 및 상기 쇼트키 콘택 금속층(26)이 수평 구조의 광검출기를 형성하게 된다. 이때, 각 층의 두께는 포토다이오드 셀에 요구되는 특성과 반도체 제조 공정에 따라 적절하게 설정될 수 있음은 당업자에게 자명하므로, 구체적인 설명은 생략한다.
여기서, 상기 쇼트키 콘택 금속층(26)은 상기 광검출기에 사용되는 4개의 셀을 형성하도록 상기 저농도 N형(N-) 광 흡수층(23)의 상면 상에서 소정 간격을 두고 4등분된다. 즉, 광픽업에서 트래킹 및 포커싱을 위해 4개의 포토다이오드 셀을 사용하기 때문에, 광검출기 집적회로의 포토다이오드 셀을 하나의 평면상에 동시에 구현하게 된다.
상기 오믹 콘택은 순저항성 접촉되는 것을 말하며, 두 개의 접촉부에 있어서 전압 강하가 그곳에 흐르는 전류에 선형 비례하는 경우의 접촉을 말하며, 정류성이 없다.
이때, 상기 쇼트키 콘택 금속층(26)은 상기 광검출기의 속도를 향상시키도록 상기 포토다이오드 셀에 흡수되는 광에 의해 발생되는 전자(e-) 또는 정공(h+) 캐리어를 다수 캐리어로 이동시키게 된다.
상기 오믹 콘택 금속층(25) 및 상기 쇼트키 콘택 금속층(26)은 광 투과성 금속(transparent metal)을 사용하여 형성된다.
도 3a 내지 도 3d는 각각 본 발명에 따른 광픽업용 포토다이오드 셀의 제조공정을 나타내는 도면이다.
도 3a 내지 도 3d를 참조하면, 광픽업용 광검출기 집적회로의 포토다이오드 셀을 제조하는 방법은, 먼저 실리콘 기판(21) 상부에 고농도 N형 이온을 확산시켜 고농도의 N형(N+) 매립층(22)을 형성한다(도 3a 참조).
이후 상기 고농도 N형(N+) 매립층(22) 상부에 저농도 N형 이온을 증착(deposition) 또는 에피택셜(epitaxial) 성장시켜 저농도 N형(N-) 광 흡수층(23)을 형성한다(도 3b 참조). 여기서 상기 증착은 통상적으로 화학기상증착(CVD)을 사용한다.
이후, 상기 저농도 N형(N-) 광 흡수층(23)의 상부에 양측에 고농도 N형 이온을 확산시켜 고농도 N(N+)층(24a, 24b)을 형성하게 된다(도 3c 참조).
다음에, 상기 고농도 N(N+)층(24a, 24b)과 오믹 콘택을 이루는 금속층(25)을 코팅하게 된다. 또한, 상기 고농도 N(N+)층(24a, 24b) 사이의 저농도 N형(N-) 광 흡수층(23) 상부에 쇼트키 콘택을 이루는 금속층(26)을 코팅하게 된다(도 3d 참조).
그리고, 상기 광검출기에 사용되는 4개의 포토다이오드 셀을 형성하도록 상기 쇼트키 콘택 금속층(26)을 상기 저농도 N형(N-) 광 흡수층(23)의 상면 상에서 소정 간격을 두고 4등분시키게 된다.
따라서, 상기 쇼트키 콘택 금속층(26), 상기 저농도 N형(N-) 광 흡수층(23) 및 상기 고농도 N(N+)층(24a, 24b)은 금속층-진성층(intrinsic layer)-N층의 수평 구조 광검출기를 형성하게 된다.
상기한 구성으로 된 포토다이오드 셀로 광검출기 집적회로를 설계할 경우, 종래의 PIN 구조로 된 광검출기 집적회로에서 발생되고 있는 포토다이오드 효율 문제를 개선할 수 있고, 또한 광검출기의 반응 속도를 높일 수 있게 된다.
또한, 본 발명에 따른 광픽업용 광검출기 집적회로의 포토다이오드 셀 구조 및 그 제조 방법은 단지 상기한 실시예에 한정되는 것이 아니고, 그 기술적 요지를 벗어나지 않는 범위에서 다양하게 변형 및 변경 실시할 수 있다.
본 발명에 따른 광픽업용 광검출기 집적회로의 포토다이오드 셀 구조 및 그 제조 방법은, 에피택셜 구조를 단순화시켜 실제 제작을 할 때 발생하는 공정상의 산포를 줄일 수 있으므로 광검출기의 동작을 안정화시킬 수 있고, 또한, 종래의 수직 구조의 광검출기를 수평 구조의 광검출기로 바꿈으로써 짧은 파장의 빛을 검출할 때에도 높은 광 효율을 유지할 수 있다.

Claims (8)

  1. 광픽업(optical pickup)용 광검출기 집적회로(PDIC)의 포토다이오드 셀(PD cell)의 구조에 있어서,
    a) 실리콘 기판(substrate; 21) 상부에 형성되는 고농도의 N형(N+) 매립층(NBL; 22);
    b) 상기 고농도 N형(N+) 매립층(22) 상부에 형성되는 저농도 N형(N-) 광 흡수층(23);
    c) 상기 저농도 N형(N-) 광 흡수층(23)의 상부의 양측에 형성되는 고농도 N(N+)층(24a, 24b);
    d) 상기 양측의 고농도 N(N+)층(24a, 24b)과 각각 오믹 콘택(ohmic contact)을 이루는 금속층(25); 및
    e) 상기 고농도 N(N+)층(24a, 24b) 사이의 저농도 N형(N-) 광 흡수층(23) 상부에 코팅되어 쇼트키 콘택(shottky contact)을 이루는 금속층(26)
    을 포함하여 구성되되,
    상기 고농도 N(N+)층(24a, 24b), 상기 저농도 N형(N-) 광 흡수층(23) 및 상기 쇼트키 콘택 금속층(26)이 수평 구조의 광검출기를 형성하는 것을 특징으로 하는광픽업용 광검출기 집적회로의 포토다이오드 셀.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 쇼트키 콘택 금속층(26)은 상기 광검출기에 사용되는 4개의 셀을 형성하도록 상기 저농도 N형(N-) 광 흡수층(23)의 상면 상에서 소정 간격을 두고 4등분되는 것을 특징으로 하는 광픽업용 광검출기 집적회로의 포토다이오드 셀.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 쇼트키 콘택 금속층(26)은 상기 광검출기의 속도를 향상시키도록 상기 포토다이오드 셀에 흡수되는 광에 의해 발생되는 전자 또는 정공 캐리어를 다수 캐리어로 이동시키는 것을 특징으로 하는 광픽업용 광검출기 집적회로의 포토다이오드 셀.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 오믹 콘택 금속층(25) 및 상기 쇼트키 콘택 금속층(26)은 광 투과성 금속(transparent metal)을 사용하여 형성되는 것을 특징으로 하는 광픽업용 광검출기 집적회로의 포토다이오드 셀.
  5. 광픽업용 광검출기 집적회로의 포토다이오드 셀을 제조하는 방법에 있어서,
    ⅰ) 실리콘 기판(21) 상부에 고농도 N형 이온을 확산시켜 고농도의 N형(N+) 매립층(22)을 형성하는 단계;
    ⅱ) 상기 고농도 N형(N+) 매립층(22) 상부에 저농도 N형 이온을 증착 또는 에피택셜(epitaxial) 성장시켜 저농도 N형(N-) 광 흡수층(23)을 형성하는 단계;
    ⅲ) 상기 저농도 N형(N-) 광 흡수층(23)의 상부에 양측에 고농도 N형 이온을 확산시켜 고농도 N(N+)층(24a, 24b)을 형성하는 단계;
    ⅳ) 상기 고농도 N(N+)층(24a, 24b)과 오믹 콘택을 이루는 금속층(25)을 코팅하는 단계; 및
    ⅴ) 상기 고농도 N(N+)층(24a, 24b) 사이의 저농도 N형(N-) 광 흡수층(23) 상부에 쇼트키 콘택을 이루는 금속층(26)을 코팅하는 단계
    를 포함하여 이루어지는 광픽업용 광검출기 집적회로의 포토다이오드 셀을 제조하는 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 광검출기에 사용되는 4개의 포토다이오드 셀을 형성하도록 상기 쇼트키 콘택 금속층(26)을 상기 저농도 N형(N-) 광 흡수층(23)의 상면 상에서 소정 간격을 두고 4등분시키는 단계를 추가로 포함하는 광픽업용 광검출기 집적회로의 포토다이오드 셀의 제조 방법.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 오믹 콘택 금속층(25) 및 상기 쇼트키 콘택 금속층(26)은 광 투과성 금속을 사용하여 형성되는 것을 특징으로 하는 광픽업용 광검출기 집적회로의 포토다이오드 셀의 제조 방법.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 쇼트키 콘택 금속층(26), 상기 저농도 N형(N-) 광 흡수층(23) 및 상기 고농도 N(N+)층(24a, 24b)은 금속층-진성층(intrinsic layer)-N층의 수평 구조 광검출기를 형성하는 것을 특징으로 하는 광픽업용 광검출기 집적회로의 포토다이오드 셀의 제조 방법.
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