KR100480288B1 - 평면형 애벌랜치 포토다이오드 - Google Patents
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Abstract
본 발명에 따른 평면형 애벌랜치 포토다이오드는, 기판과; 상기 기판의 하부면 밑에 형성된 하부 전극과; 상기 기판 상에 형성되며, 내부 전기장에 의해 주입된 제1 캐리어가 이온화 충돌을 통해 새로운 전자-정공 쌍을 생성하는 증폭층과; 입사된 광에 의해 여기된 전자-정공 쌍이 내부 전기장에 의해 분리됨에 따라 상기 제1 캐리어를 생성하는 흡수층과; 상기 증폭층 및 흡수층 사이에 형성되며, 상기 흡수층과 증폭층에 각각 상대적으로 세기가 낮고 높은 전기장을 인가하는 전하층과; 상기 전하층 및 흡수층 사이에 형성되며, 상기 제1 캐리어가 상기 증폭층으로 원활하게 주입되도록 하는 천이층과; 상기 흡수층 상에 형성되며, 그 중심에 형성된 코아부와 에칭 공정에 의해 상기 코아부와 이격되며 상기 코아부를 둘러싸는 가드부로 구성된 접촉층과; 상기 하부 전극과 함께 상기 내부 전기장을 형성하며, 상기 코아부 상에 형성된 코아 전극과 상기 가드부 상에 형성된 가드 전극으로 구성된 상부 전극을 포함한다.
Description
본 발명은 포토다이오드에 관한 것으로서, 특히 애벌랜치 포토다이오드(avalanche photodiode)에 관한 것이다.
애벌랜치 포토다이오드는 입력된 광신호를 전기 신호로 변환하는 포토다이오드의 일종으로서, 높은 전기장이 가해진 영역에 캐리어가 주입되어 애벌랜치 효과에 의한 증폭을 얻는 소자이다. 또한, 애벌랜치 포토다이오드로서 대표적인 것이 평면형과 메사(mesa)형 애벌랜치 포토다이오드이다. 이러한 두 종류의 애벌랜치 포토다이오드는 공통적으로 반도체 기판상에 증폭층과 흡수층을 적층한 구조를 가지는 것이 일반적이다.
그러나, 평면형 애벌랜치 포토다이오드는 필수적으로 pn 접합의 모서리 부분이 곡률을 갖는데 같은 바이어스 전압(bias voltage)에 대해서 이 모서리 부분에서의 전기장이 평면접합 부분에서의 전기장보다 커지기 때문에 공간적으로 이득 차이가 발생하게 된다는 문제점이 있다.
한편, 메사형 애벌랜치 포토다이오드는 공간적으로 균일한 전기장을 얻기에는 유리하나 밴드갭(band gap)이 작은 흡수층에서의 표면누설 전류 및 신뢰도의 문제가 발생할 수 있다는 문제점이 있다.
본 발명은 상술한 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로서, 본 발명의 목적은 균일한 전기장을 얻으면서도 표면누설 전류를 최소화할 수 있는 평면형 애벌랜치 포토다이오드를 제공함에 있다.
상기한 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명에 따른 평면형 애벌랜치 포토다이오드는, 기판과; 상기 기판의 하부면 밑에 형성된 하부 전극과; 상기 기판 상에 형성되며, 내부 전기장에 의해 주입된 제1 캐리어가 이온화 충돌을 통해 새로운 전자-정공 쌍을 생성하는 증폭층과; 입사된 광에 의해 여기된 전자-정공 쌍이 내부 전기장에 의해 분리됨에 따라 상기 제1 캐리어를 생성하는 흡수층과; 상기 증폭층 및 흡수층 사이에 형성되며, 상기 흡수층과 증폭층에 각각 상대적으로 세기가 낮고 높은 전기장을 인가하는 전하층과; 상기 전하층 및 흡수층 사이에 형성되며, 상기 제1 캐리어가 상기 증폭층으로 원활하게 주입되도록 하는 천이층과; 상기 흡수층 상에 형성되며, 그 중심에 형성된 코아부와 에칭 공정에 의해 상기 코아부와 이격되며 상기 코아부를 둘러싸는 가드부로 구성된 접촉층과; 상기 하부 전극과 함께 상기 내부 전기장을 형성하며, 상기 코아부 상에 형성된 코아 전극과 상기 가드부 상에 형성된 가드 전극으로 구성된 상부 전극을 포함한다.
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이하에서는 첨부도면들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능이나 구성에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 모호하지 않게 하기 위하여 생략한다.
도 8은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 평면형 애벌랜치 포토다이오드를 나타내는 단면도이다. 상기 애벌랜치 포토다이오드는 n형 하부 전극(200), n형 InP 기판(100), n형 InP 증폭층(110), n형 InP 전하층(120), n형 InGaAsP 천이층(130), n형 InGaAs 흡수층(140), p형 InP 접촉층(150), 절연층(170) 및 p형 상부 전극(180 및 190)으로 구성된다.
상기 기판(100)은 n형 InP 기판으로서, 상기 n형 InP 기판(100) 밑에는 n형 하부 전극(200)이 적층된다.
상기 n형 InP 기판(100) 상에 형성된 n형 InP 증폭층(110)은 주입된 제1 캐리어가 이온화 충돌을 통해 새로운 전자-정공쌍을 생성함에 따른 내부 이득을 발생시킨다.
상기 n형 InP 증폭층(110) 상에 형성된 n형 InP 전하층(120)은 상기 n형 InGaAs 흡수층(140)과 상기 n형 InP 증폭층(110)에 각각 상대적으로 세기가 낮고 높은 전기장을 인가하기 위해서 형성된다.
상기 n형 InP 전하층(120) 상에 형성된 n형 InGaAsP 천이층(130)은 상기 제1 캐리어가 상기 n형 InP 증폭층(110)으로 원활하게 주입되도록 하는 기능을 수행한다.
상기 n형 InGaAsP 천이층(130) 상에 형성되는 n형 InGaAs 흡수층(140)은 상기 애벌랜치 포토다이오드로 입사된 광에 의해 여기된 전자-전공 쌍이 가해진 전기장에 의해 분리되어 상기 n형 InP 증폭층(110)으로 주입되는 제1 캐리어를 생성하는 기능을 수행한다.
상기 n형 InGaAs 흡수층(140) 상에 형성되는 p형 InP 접촉층(150)은 상기 p형 상부 전극(180 및 190)과의 오믹 접합(ohmic contact)을 위해 다른 반도체층들보다 높은 전도도를 가지며, 그 중심에 형성된 코아부(154)와 서로 이격된 채로 상기 코아부(154)를 둘러싸는 가드부(158)로 구성된다. 상기 가드부(158)는 상기 코아부(154)와 이격되어 있으므로, 상기 코아부(154)를 외부에 노출된 표면과 전기적으로 격리시키는 기능을 수행한다. 즉, 상기 가드부(158)는 표면누설 전류의 통로가 되는 상기 코아부(154)를 외부에 노출된 표면과 격리시킴으로써, 표면누설 전류의 통로를 차단하는 기능을 수행하는 것이다.
상기 n형 InGaAs 흡수층(140) 및 p형 InP 접촉층(150) 상에 형성되는 절연층(170)은 SiNx, SiO2, 폴리이미드(polyimide)와 같은 투명한 재질로 형성되며, 상기 n형 InGaAs 흡수층(140) 및 p형 InP 접촉층(150)의 노출된 표면을 절연 및 보호하는 기능을 수행한다. 또한, 상기 절연층(170) 중 상기 p형 InP 접촉층(150) 상에 형성된 부분은 상기 애벌랜치 포토다이오드로 입사하는 광을 그 내부로 투과시킨다.
상기 p형 InP 접촉층(150) 상에 형성되는 p형 상부 전극(180 및 190)은 상기 코아부(154) 상에 형성되는 코아 전극(180)과, 상기 가드부(158) 상에 형성되는 가드 전극(190)으로 구성된다. 상기 코아 전극(180)은 인가된 전압에 따라 그 하부에 활성 영역을 형성하는 기능을 수행하며, 상기 활성 영역을 통하여 애벌랜치 효과에 의한 증폭이 얻어진다. 또한, 상기 가드 전극(190)은 인가된 전압에 따라 그 하부에 가드 영역을 형성하는 기능을 수행하며, 상기 활성 영역의 크기를 정의하는 기능을 수행한다. 즉, 상기 활성 영역을 정의하는 등전위선과 상기 가드 영역을 정의하는 등전위선은 서로 교차하지 않으므로, 상기 가드 영역을 정의하는 등전위선의 크기를 조절함으로써 상대적으로 상기 활성 영역을 정의하는 등전위선의 크기가 조절되는 것이다. 예를 들어, 상기 가드 전극(190)에 가해지는 전압을 보다 높이고 상기 코아 전극(180)에 가해지는 전압은 그대로 유지하는 경우에 상기 가드 영역을 정의하는 등전위선은 보다 확대되며, 상대적으로 상기 활성 영역을 정의하는 등전위선은 보다 축소되는 결과를 가져온다.
도 1 내지 도 7은 도 8에 도시된 애벌랜치 포토다이오드의 제작 과정을 설명하기 위한 도면이다. 이하, 도 1 내지 도 8을 참조하여 제작 과정을 설명하기로 한다.
도 1을 참조하면, 액상 결정 성장법(Liquid Phase Epitaxial growth, LPE growth), 분자선 결정 성장법(molecular beam epitaxial growth, MBE growth), 유기금속 화학기상 증착법(metalorganic chemical vapor deposition, MOCVD) 등을 이용하여, n형 InP 기판(100) 상에 n형 InP 증폭층(110), n형 InP 전하층(120), n형 InGaAsP 천이층(130), n형 InGaAs 흡수층(140) 및 p형 InP 접촉층(150)을 차례로 적층시킨다. 이후, 상기 p형 InP 접촉층(150) 상에 액체 상태의 포토레지스트를 떨어뜨린 후 상기 n형 InP 기판(100)을 고속으로 회전시켜서 상기 p형 InP 접촉층(150) 상에 일정 두께의 포토레지스트층(160)을 형성할 수 있다.
도 2는 도 1에 도시된 진폭 마스크(amplitude mask, 210)를 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 상기 포토레지스트층(160) 상에 고리 형태를 갖는 슬릿(slit, 212)을 갖는 진폭 마스크(210)가 위치되며, 상기 진폭 마스크(210)에 자외선을 조사한다. 상기 진폭 마스크(210)는 상기 슬릿(212)으로 입사되는 자외선은 그대로 통과시키며, 상기 슬릿(212) 이외의 부분(214)으로 입사되는 자외선은 차단한다. 상기 슬릿(212)을 통과한 자외선으로 상기 포토레지스트층(160)을 조사한 후 에칭 과정을 거치면 도 3에 도시된 바와 같은 포토레지스트층(160)을 얻을 수 있다.
도 3을 참조하면, 상기 포토레지스트층(160)에 도 2에 도시된 슬릿(212)과 유사한 형태의 홈이 형성된다. 또한, 상기 홈에 의해 상기 p형 InP 접촉층(150)의 상면이 외부 대기에 일부 노출된다. 상기 포토레지스트층(160)을 이용하여 상기 상기 p형 InP 접촉층(150)을 부분 에칭한다. 이 때, 상기 p형 InP 접촉층(150)을 에칭하는 방법으로 반응 이온 에칭(Reactive Ion Etching, RIE) 공정을 이용할 수 있다.
이후, 포토레지스트 제거액을 이용하여 상기 포토레지스트층(160)을 에칭하면 도 4에 도시된 바와 같은 p형 InP 접촉층(150)을 얻을 수 있다
도 4를 참조하면, 상기 p형 InP 접촉층(150)은 코아부(154)와 상기 코아부(154)를 둘러싸는 가드부(158)로 이루어지며, 상기 코아부(154)와 가드부(158)는 서로 이격되어 있다.
도 5를 참조하면, 화학기상 증착 공정을 이용하여 상기 n형 InGaAs 흡수층(140) 및 p형 InP 접촉층(150)의 노출된 표면 상에 SiNx 절연층(170)을 적층한다.
도 6을 참조하면, 에칭 공정을 이용하여 상기 p형 InP 접촉층(150) 상에 형성된 SiNx 절연층(170)을 부분 에칭한다.
도 7을 참조하면, 상기 코아부(154)의 노출된 표면 상에 형성된 코아 전극(180)과 상기 가드부(158)의 노출된 표면 상에 형성된 가드 전극(190)으로 이루어진 p형 상부 전극(180 및 190)을 형성한다.
도 8을 참조하면, 증착 공정을 이용하여 상기 n형 InP 기판(100)의 하부면 밑에 n형 하부 전극(200)을 형성한다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 평면형 애벌랜치 포토다이오드는 접촉층만을 메사형으로 형성하고 상기 접촉층을 구성하는 코아부를 가드부를 이용하여 주변 표면과 격리시킴으로써, 균일한 전기장을 얻으면서도 표면누설 전류를 최소화할 수 있다는 이점이 있다.
또한, 본 발명에 따른 평면형 애벌랜치 포토다이오드는 상부 전극을 코아 전극과 가드 전극으로 구성함으로써, 상기 코아 전극에 의해 형성되는 활성 영역의 크기를 상기 가드 전극을 이용하여 조절할 수 있다는 이점이 있다.
도 1 내지 도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 애벌랜치 포토다이오드의 제작 과정을 설명하기 위한 도면,
도 8은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 애벌랜치 포토다이오드를 나타내는 단면도.
Claims (5)
- 평면형 애벌랜치 포토다이오드에 있어서,기판과;상기 기판의 하부면 밑에 형성된 하부 전극과;상기 기판 상에 형성되며, 내부 전기장에 의해 주입된 제1 캐리어가 이온화 충돌을 통해 새로운 전자-정공 쌍을 생성하는 증폭층과;입사된 광에 의해 여기된 전자-정공 쌍이 내부 전기장에 의해 분리됨에 따라 상기 제1 캐리어를 생성하는 흡수층과;상기 증폭층 및 흡수층 사이에 형성되며, 상기 흡수층과 증폭층에 각각 상대적으로 세기가 낮고 높은 전기장을 인가하는 전하층과;상기 전하층 및 흡수층 사이에 형성되며, 상기 제1 캐리어가 상기 증폭층으로 원활하게 주입되도록 하는 천이층과;상기 흡수층 상에 형성되며, 그 중심에 형성된 코아부와 에칭 공정에 의해 상기 코아부와 이격되며 상기 코아부를 둘러싸는 가드부로 구성된 접촉층과;상기 하부 전극과 함께 상기 내부 전기장을 형성하며, 상기 코아부 상에 형성된 코아 전극과 상기 가드부 상에 형성된 가드 전극으로 구성된 상부 전극을 포함함을 특징으로 하는 평면형 애벌랜치 포토다이오드.
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- 제1항에 있어서,상기 증폭층 및 접촉층의 노출된 표면 상에 적층되며, 상기 증폭층 및 접촉층의 노출된 표면을 절연 및 보호하는 기능을 수행하는 절연층을 더 구비함을 특징으로 하는 평면형 애벌랜치 포토다이오드.
- 제4항에 있어서,상기 절연층은 투명한 재질로 형성되어 상기 애벌랜치 포토다이오드로 입사하는 광을 그 내부로 투과시키는 기능을 더 수행함을 특징으로 하는 평면형 애벌랜치 포토다이오드.
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