KR100528553B1 - 광학반도체소자및이의제조방법 - Google Patents
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Abstract
광학 반도체 소자(10)는, 표면(12)을 갖는 기판(11)과, 상기 기판(11)에 의해 지지되는 광검출기(13)와, 상기 기판(11)의 표면(12) 위에 놓이고 상기 광검출기(13)의 일부분 위에 놓이는 세이즈믹 매스(21)를 포함한다. 상기 세이즈믹 매스(21)는 상기 광검출기(13)의 베이스 영역(32) 위에 놓이는 구멍(22)을 갖고, 상기 세이즈믹 매스(21)는 상기 기판(11)과 상기 광검출기(13)에 대해 이동이 가능하다.
Description
발명의 배경
본 발명은 일반적으로 반도체들에 관한 것이고, 특히 광학 반도체 소자들에 관한 것이다.
종래의 마이크로머신 가속도계들(micromachined accelerometers)은, 통상적으로 이동 감지 커패시터를 위한 전극으로 작용하는 이동 가능한 세이즈믹 매스(seismic mass)를 갖는다. 이동 가능한 세이즈믹 매스는 가속에 따라 정지 전극을 향하여 또는 이로부터 편향된다. 세이즈믹 매스와 정지 전극 사이의 측정된 정전용량은 세이즈믹 매스와 정지 전극 사이의 거리를 포함하는 다양한 계수에 의존한다. 따라서, 가속도를 정확히 결정하기 위하여 측정된 정전용량을 사용하기 위해서는, 세이즈믹 매스의 일부분과 정지 전극의 일부분 사이의 수직 거리가 세이즈믹 매스의 다른 부분과 정지 전극의 다른 부분 사이의 다른 수직 거리와 동일하도록, 세이즈믹 매스가 평평하여야만 된다. 그러나, 세이즈믹 매스 하부의 윤곽(topography)때문에, 또한 세이즈믹 매스의 내부 기계적 응력 때문에, 평평한 세이즈믹 매스는 제조하기 힘들다.
종래의 마이크로머신 가속도계의 감도는 또한 정지 전극에 겹쳐지는 세이즈믹 매스의 면적에도 의존하고, 또한 측정된 정전용량의 크기에 의존한다. 더 크게 측정된 정전용량은 종래의 가속도계의 감도를 증대시키는데 사용될 수 있지만, 더 크게 측정된 정전용량이 정지 전극과 세이즈믹 매스 사이의 전기적 래칭(latching)의 가능성을 증가시키기도 하는데, 여기에서 전기적 래칭은 가속도계에 손상을 입힌다.
그러므로, 개선된 마이크로머신 가속도계가 필요하다. 가속도계는 세이즈믹 매스의 평평한 정도에 너무 민감하지 않아야 하고, 전기적 래칭으로부터 손상을 입지 않아야 한다.
도면들의 상세한 설명
도 1은 광학 반도체 소자(10)의 실시예의 평면도를 도시한다. 도 2는 도 1의 선(2-2)을 따라 취해진 소자(10)의 단면도를 도시하고, 도 3은 도 1의 선(3-3)을 따라 취해진 소자(10)의 단면도를 도시한다. 동일한 소자를 나타내기 위하여 동일한 참조 번호가 사용되었음을 이해해야 한다.
도 1, 2 및 3에 도시된 바와 같이, 소자(10)는 광검출기(13)의 일부분 위의 세이즈믹 매스(21)를 포함한다. 소자(10)는, 후술되는 바와 같이, 가속도를 검출하기 위하여 세이즈믹 매스(21)의 이동을 사용하는 센서로서 작용한다. 소자(10)는 집적화된 센서 요소를 형성하기 위하여 집적 회로(52)(도 1)를 선택적으로 포함할수 있다. 회로(52)는 다양한 다른 구조를 가질 수 있으므로, 도시된 구조는, 광검출기(13)에 인접 위치하여 광검출기(13)로부터 전기 신호를 수신하기 위하여 전기적으로 접속된 회로(52)를 도시하기 위한 목적일 뿐이다. 광검출기(13)와 회로(52)는 표면(12)을 갖는 기판(11)에 의해 지지되거나, 또는 이 기판(11) 내에 형성된다. (도 2 및 3). 전기적 절연층 또는 유전층(17 및 18)(도 2 및 3)은 표면(12)위에 놓이고, 광검출기(13)의 일부분 위에 놓인다.
광검출기(13)는 수직 바이폴라 트랜지스터로서 도 1,2 및 3에 도시되어 있다. 그러나, 광검출기(13)는 예컨대 포토다이오드 또는 광전자증배관(photomultiplier)과 같은 다른 광감응 장치가 될 수 있다. 광검출기(13)는 기판(11) 내에 콜렉터 영역(14)을 갖는다. 여기에서 콜렉터 영역(14)은 제 1의 도전형과 제 1의 도핑 레벨을 갖는다. 광검출기(13)는 또한, 콜렉터 영역(14)에 인접하여 위치하거나 또는 이 내부에 위치한, 제 1의 도전형과 다른 제 2 도전형을 갖는 베이스 영역(15)을 갖는다. 예로서, 콜렉터 영역(14)이 n-형이면, 베이스 영역(15)은 p-형이 될 수 있다. 베이스 영역(15)은 또한, 광검출기(13)의 전기적 성능을 개선하기 위하여, 콜렉터 영역(14)의 제 1의 도핑 레벨보다 큰 제 2의 도핑 레벨을 갖는다. 베이스 영역(15)이 임의의 적절한 수의 베이스 띠(stripe) 또는 영역으로 구성될 수 있지만, 도 1 및 2에 있어서, 베이스 영역(15)은 다수의 베이스 띠 또는 영역(31,32,33,34,35 및 36)을 갖는 것으로 도시되었다. 베이스 영역(15)과 콜렉터 영역(14)은 기판(11) 표면의 다른 부분을 따라 위치한다.
세이즈믹 매스(21)는 광 셔터(shutter)로서 사용되는 이동 가능한 구조이다. 세이즈믹 매스(21)는 기판(11)의 일부분과 유전층(17 및 18)에 접속되고 이 위에 장착된다. 세이즈믹 매스(21)는 광검출기(13), 기판(11) 및 유전층(17 및 18)에 대해 이동 가능하고, 세이즈믹 매스(21)는 기판(11)의 표면(12) 부분 위의 일부분, 베이스 영역(15) 및 콜렉터 영역(14)을 지지하거나 또는 이들에 매달린 외팔보 빔들(cantilever beams) 또는 암들(arms)(26)을 갖는다.
도 1 및 2에 있어서, 세이즈믹 매스(21)는 다수의 구멍(22,23,24 및 25)을 갖는 것으로 도시되었고, 이들 구멍은 출력 전류를 생성하기 위하여 광이 베이스 영역(32,33,34 및 35)의 부분 상에 비치도록 하기 위하여 사용된다. 그러나, 세이즈믹 매스(21)는 임의의 바람직한 수의 구멍을 가질 수 있다. 더욱이, 구멍(22,23,24 및 25)이 직사각형의 단면을 갖는 것으로 도시되었지만, 세이즈믹 매스(21)의 구멍 또는 구멍들은 다른 예컨대 원형 또는 다원형과 같은 단면 모양을 가질 수 있다. 각 구멍(22,23,24 및 25)은 콜렉터 영역(14)의 다른 부분 상에 놓이고, 각 구멍(22,23,24 및 25)은 베이스 영역(32,33,34 및 35)의 다른 하나의 일부분 위에 놓인다. 특히, 도 2에 도시된 바와 같이, 세이즈믹 매스(21)의 구멍(22)은 콜렉터 영역(14)의 일부분 중의 베이스 영역(32)의 일부분 위에 놓이고, 구멍(23)은 콜렉터 영역(14)의 다른 부분 중 베이스 영역(33)의 일부분 위에 놓인다. 더욱이, 구멍(24)은 콜렉터 영역(14)의 또 다른 부분 중의 베이스 영역(34)의 일부분 우에 놓이고, 구멍(25)은 콜렉터 영역(14)의 다른 부분의 베이스 영역(35)의 일부분 위에 놓인다.
후술되는 바와 같이, 세이즈믹 매스(21)와 광검출기(13) 사이의 정렬을 쉽게 하기 위하여, 세이즈믹 매스(21)의 구멍(22,23,24 및 25)은 양호하게 거의 동일한 크기와 모양을 갖는다. 각 구멍(22,23,24 및 25)은, 세이즈믹 매스(21)의 구멍(22,23,24 및 25)을 유전층(18)으로부터 분리시키는 거리(53)보다 각각 큰 폭(38)(도 1 및 2) 및 길이(39)(도 1)를 양호하게 갖는다. 예컨대, 거리(53)는 약 2 미크론, 폭(38)은 3 미크론이 될 수 있고, 여기에서 길이(39)는 폭(38)보다 크다.
세이즈믹 매스(21)와 광검출기(13) 사이의 적절한 배열을 위하여, 구멍(22,23,24 또는 25)중의 하나의 중심으로부터 인접한 구멍(22,23,24 또는 25)의 중심까지의 거리는, 베이스 영역(32,33,34 또는 35)중 하나의 중심으로부터 인접한 베이스 영역(32,33,34 또는 35)의 중심까지의 거리와 대략 동일하다. 예컨대, 도 2에 있어서, 구멍(22 및 23)의 중심 사이의 거리(50)는 베이스 영역(32 및 33)의 중심 사이의 거리와 대략 동일하고, 구멍(22 및 23)은 서로 인접하고, 베이스 영역(32 및 33)은 서로 인접하여 위치한다.
도 4 및 5는 도 1의 기준 선(3-3)을 따라 취해진, 제조 중의 소자(10)의 단면도를 도시한다. 기판(11)은 예컨대 실리콘 또는 갈륨 비화물과 같은 반도체 재질이다. 기판(11)은 콜렉터 영역(14)을 위한 저항을 가질 수 있으며, 또는 선택적으로 콜렉터 영역(14)은 공지된 주입 또는 확산 기술을 이용하여 기판(11) 내에서 형성될 수 있다. 예로서, 콜렉터 영역(14)이 n-형일 때, 50 Ω -㎝ 이하의 저항으로 콜렉터를 도핑하기 위하여 인 또는 비소가 사용될 수 있다. 베이스 영역(15)은 콜렉터 영역(14) 내에서 5,000 Å 이상의 깊이로 주입 또는 확산될 수 있다. 예로서, 베이스 영역(15)이 p-형일 때, 베이스 영역(15)을 도핑하기 위하여 붕소가 사용될 수 있다. 광검출기(13)의 에미터 영역(16)은, 베이스 영역(15)을 형성하기 위하여 사용된 기술과 유사한 기술을 사용하여 베이스 영역(15) 내에서 1,000 Å 이상의 깊이로 형성된다. 예로서, 에미터 영역(16)이 n-형일 때, 콜렉터 영역(14) 및 베이스 영역(15)보다 낮은 저항으로 에미터 영역(16)을 도핑하기 위하여 인 또는 비소가 사용될 수 있다.
그후, 유전층(17 및 18)은 순차적으로 기판(11)의 표면(12) 위에 형성된다.
유전층(17)은 하부 광검출기(13)와 전기 절연되고, 광검출기(13)와 회로(52) 사이의 제조 호환성을 증대시키기 위하여 열적으로 성장되거나 또는 화학 기상 증착된(CVD) 실리콘 산화물로 양호하게 이루어진다. 후술되는 바와 같이, 유전층(18)은 에칭-스톱(stop)으로 또한 하부 광검출기(13)를 보호하기 위한 보호층으로 사용된다. 예로서, 유전층(17)이 실리콘 산화물로 이루어질 때, 유전층(18)은 저압 CVD기술을 사용하여 유전층(17) 위에 증착된 2,000 Å 이하의 실리콘 질화물로 이루어진다.
도 5에 있어서, 희생층(28)이 유전층(18) 위에 형성된다. 이 희생층(28)의 두께가 거리(53)를 결정한다(도 2 및 3). 희생층(28)은, 이 층 위에 후속하여 형성되는 세이즈믹 매스(21)의 평평성을 개선하기 위하여, 등각의 재질이 되어야만 한다. 이 희생층(28) 부분은, 에미터 영역(16)을 포함하지만, 이에 제한되지는 않는, 전기적 접촉 영역 위의 유전층(18)의 일부분을 노출시키기 위하여 에칭된다. 이 회 생층(28) 부분은 또한, 세이즈믹 매스(21)의 지지부(anchor site)로 작용하는 유전층(18)의 다른 부분을 노출시키기 위하여, 에칭된다. 지지부가 베이스 영역(15)위에 놓이는 것으로 도시되었지만, 세이즈믹 매스(21)를 위한 지지부는 베이스 영역(15) 외부에 또는 이의 범위밖에 위치할 수 있음을 이해해야 한다. 유전층(18)은 하부 유전층(17)과 광검출기(13)를 보호하기 위하여, 희생층(28)의 에칭 중의 에칭-스톱으로 작용한다. 예로서, 유전층(18)이 실리콘 질화물로 구성되는 경우, 희생층(28)은 2 미크론 두께의 인-규산염-유리(PSG) 층으로 양호하게 이루어질 수 있는데, 왜냐하면 PSG가 습식 불소 기반의 식각제(etchant)를 사용하여 실리콘 질화물상에서 선택적으로 에칭될 수 있기 때문이다.
그후, 세이즈믹 매스(21)는 희생층(28) 위에 제공되거나 형성된다. 세이즈믹 매스(21)는 소자(10)의 제조를 촉진 하기 위하여 종래의 마이크로머신 세이즈믹 매스 재질로 양호하게 구성된다. 적합한 세이즈믹 매스 재질의 예는 폴리실리콘, 알루미늄, 텅스텐, 금 또는 니켈을 포함하지만, 이에 국한되지는 않는다. 세이즈믹 매스(21)가 폴리실리콘으로 구성될 때, 폴리실리콘은 공지된 저압 CVD 기술을 사용하여 2 미크론의 두께로 증착될 수 있고, 염소 기반의 반응 이온 에칭을 사용하여 패턴되거나 에칭될 수 있다. 세이즈믹 매스(21)는, 양호하게 희생층(28)을 심각히 에칭하지 않는 종래의 에칭 기술을 사용하여, 패턴되거나 에칭될 수 있다.
세이즈믹 매스(21)의 패터닝 또는 에칭 이후에, 다른 희생층(29)이 세이즈믹 매스(21)와 희생층(28) 위에 형성된다. 양호하게, 희생층(28, 29)은 대등하거나 또는 동일한 도핑을 쉽게 하기 위하여, 또한 세이즈믹 매스(21)가 폴리실리콘으로 구성된 경우, 고르고 일정한 도핑을 촉진하고 세이즈믹 매스(21) 내의 기계적 응력의 분산을 용이하게 하기 위하여, 구성과 두께가 유사한 것이 바람직하다. 세이즈믹 매스(21)의 기계적인 응력 줄이기 위하여, 또한 희생층(28, 29)으로부터 인 불순물의 일부를 확산시킴으로써 세이즈믹 매스(21)의 폴리실리콘을 도핑시키기 위하여 어닐링(anneal)이 수행될 수 있다. 세이즈믹 매스(21)의 폴리실리콘을 도핑하는 것은 후술되는 바와 같이 소자(10)의 광학 자기 시험(self-testing)을 위한 세이즈믹 매스(21)의 전기 전도도를 증가시킨다.
접촉 관통공(contact-via)은 희생층(29)과 유전층(17 및 18)까지 에칭되고, 에미터 콘택트(20)는 당업자에 공지된 기술을 사용하여 콘택트 개구부 내에 형성된다. 에미터 콘택트(20)는, 소자(10)의 제조를 더욱 단순화시키기 위하여, 회로(52)(도 1)의 트랜지스터 전극 콘택트를 위하여 사용된 재질로 양호하게 구성된다. 예컨대, 에미터 콘택트(20)는 알루미늄 실리콘 등으로 구성될 수 있다. 도 4에 도시되지는 않았지만, 광검출기(13)를 위한 베이스 콘택트가 에미터 콘택트(20)의 형성 중에 동시에 형성될 수 있음을 이해해야 한다.
필요하다면, 기판(11)은 원하는 콜렉터 깊이를 제공하고 소자(10)의 열 성능을 개선하기 위하여 얇아지고, 콜렉터 콘택트(30)는 기판(11)의 뒷면에 제공될 수 있다. 희생층(29)은 얇게 하는 공정 및 뒷면 금속 증착 공정 중에 세이즈믹 매스(21)와 광검출기(13)를 보호한다. 에미터 콘택트(20)와 콜렉터 콘택트(30)를 위한 음(ohm) 콘택트 어닐링으로서 포밍 개스 어닐링(forming gas annealing)이 사용될 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 소자(10)를 형성하고 희생층(28, 29)을 제거하기 위하여, 희생적 에칭이 사용된다. 예로서, 희생층(28, 29)이 PSG로 구성될 때 및 유전층(18)이 실리콘 질화물로 구성될 때, 희생층(28, 29)을 제거하기 위하여 불화수소 기반의 식각제가 사용될 수 있고, 유전층(18)은 에칭-스톱 층으로 작용한다. 그러나, 희생층(28, 29)을 에칭하기 위하여 사용된 특정 화학물과는 관계없이, 식각제는 세이즈믹 매스(21), 에미터 콘택트(20) 또는 유전층(18)을 두드러지게 에칭하지는 않아야만 한다.
도 6에 있어서, 패킹 이후의 소자(10)의 단면이 도시되었다. 소자(10)는 조립되거나, 또는 리드 프레임(48), 보호 캡(42), 광투과의 전기적 절연 패킹 재질(46) 및 광학적 및 전기적 절연 패킹 재질(47)을 포함하는 다른 반도체 소자(40)의 일부분이 된다. 소자(10)의 콜렉터 콘택트(30)(도 6에 도시 안됨)는 리드 프레임(48)의 일부분(43)에 장착되고 여기에 전기적으로 접속된다. 예컨대 캡(42)을 소자(10)에 접착시키기 위한 산화물 층(41)을 사용하여, 캡(42)은 소자(10)위에 장착된다, 여기에서 캡(42)은 세이즈믹 매스(21)를 기계적인 손상으로부터 보호하고, 후속하여 인가되는 패킹 재질(46)이 세이즈믹 매스(21)의 이동을 방해하는 것을 예방한다. 캡(42)은 광원(44)으로부터의 광이 소자(10)에 의해 검출될 수 있도록 광투과형이다. 광원(44)은 소자(10)위에 놓이고, 리드 프레임(48)의 다른 부분(45) 상에 장착된다. 예로서, 캡(42)은 광투과형 수정 기판이 될 수 있고, 광원(44)은 대략 800-1,000 ㎚의 파장을 갖는 광을 방출하는 갈륨 비소 p-n 접합으로 구성된 종래에 제작된 광다이오드(LED)가 될 수 있다.
패킹 재질(46)은 소자(10), 캡(42) 및 광원(44) 주위에 몰드되거나 배치된다. 패킹 재질(46)은 광원(44)을 광학적으로 소자(10)와 접속시키기 위하여 광투과형이다. 패킹 재질(47)은 패킹 재질(46), 광원(44), 캡(42) 및 소자(10)를 봉입하고 보호하기 위하여 리드 프레임(48)의 부분(43 및 45) 주위에 인가되거나 몰드된다. 패킹 재질(47)은 소자(10)를 주위로부터 광학적으로 분리시키기 위하여 광학적으로 절연이다. 패킹 재질(46 및 47)은 상업적으로 취득 가능한 반도체 장치 패킹재질이다.
광원(44)은 광학적으로 광검출기(13)의 베이스 영역(31,32,33,34,35 및 36)(도2)에 접속된다. 여기에서 세이즈믹 매스(21)의 구멍(22,23,24 및 25)은 광원(44)과 베이스 영역(32,33,34 및 35) 사이에 위치한다. 소자(40)의 이동 중, 광원(44)은 양호하게 광 빔을 생성하고, 세이즈믹 매스(21)는 광 빔의 부분을 차단하는 셔터로서 작용한다. 소자(10)가 기판(11)의 표면(12)(도 1)과 대략 평행한 가속도를 받게 됨에 따라, 세이즈믹 매스(21)는 기판(11)과 광검출기(13)에 대해 축(27)(도 1 및 2)을 따라 움직인다. 세이즈믹 매스(21)의 이동은 베이스 영역(31,32,33,34 및 35)을 보다 넓게 또는 보다 좁게 광원(44)으로부터의 광빔에 노출시킨다. 베이스 영역(31,32,33,34 및 35)이 구멍(22,23,24 및 25)에 의해 넓게 광빔에 노출될 때, 광검출기(13)는 보다 많은 양의 빛을 검출하고, 회로(52)(도 1)에 의해 검출될 보다 큰 출력 전류를 생성한다. 베이스 영역(31,32,33,34 및 35)이 구멍(22,23,24 및 25)에 의해 보다 좁게 노출될 때, 광검출기(13)는 적은 양의 빛을 검출하고 회로(52)에 의해 검출되는 보다 적은 출력 전류를 생성한다. 그러므로, 소자(10)는 광학 속도계로서 작용한다, 여기에서 속도의 변화는 세이즈믹 매스(21)를 움직이게 하고, 광검출기(13)에 의해 생성되는 전류를 변화시킨다.
광원(44)에 의해 생성된 광 빔의 파장은 양호하게 구멍(22,23,24 및 25)의 폭(38)(도 1 및 2)과 길이(39)(도 1)보다 짧고, 거리(53)(도 2 및 3)는, 광원(44)(도 6)으로부터의 광 빔의 광학적인 간섭을 예방하기 위하여, 폭(38) 및 길이(39)보다 짧다. 광 간섭은 베이스 영역(32,33,34 및 35)에 의해 검출되는 광을 왜곡시키고, 광의 왜곡은 소자(10)의 정확성을 떨어뜨린다. 또한 베이스 영역(32,33,34및 35)의 일부분은 양호하게 세이즈믹 매스(21)에 의해 덮인 채로 유지되고, 소자(10)의 질을 높이기 위하여 항상 광원(44)으로부터의 광빔에 노출되지 않은 채로 유지된다. 예컨대 속도 증가가 세이즈믹 매스(21)를 움직이게 하여 모든 베이스 영역(32,33,34 및 35)이 구멍(22,23,24 및 25)에 의해 각각 노출되면, 속도의 부가적인 증가는 베이스 영역(32,33,34 및 35)의 부가적인 부분을 광원(44)으로부터의 광빔에 노출시킬 수 없게 된다. 그러므로, 속도의 부가적인 증가는 소자(10)에 의해 검출되지 않는다. 따라서, 베이스 영역(32,33,34 및 35)의 부분은 양호하게 구멍(22,23,24 및 25)에 의해 각각 광범에 노출되지 않은 채로 양호하게 유지된다. 세이즈믹 매스(21)가 속도 변화에 따라 너무 많이 또는 너무 적게 움직이는 것을 예방하기 위하여, 세이즈믹 매스(21)는 1-10 N/m인 스프링 상수를 양호하게 갖는다.
도 7은 소자(10)의 대안적 실시예의 단면을 도시하고, 이 소자는 광 반도체 소자(70)로 간주된다. 소자(10)를 제조하기 위한 상술된 공정은 소자(70)를 제작하기 위해서도 사용되고, 이 소자(70)는 광검출기(60 및 66)를 포함하고, 이들 둘은 소자(10)의 광검출기(13)와 유사하다. 광검출기(60 및 66)는 콜렉터 영역(61 및 67) 및 베이스 영역(62 및 68)을 각각 갖는 수평(lateral) 바이폴라 트랜지스터가 될 수 있다. 광검출기(60 및 66)는 기판(69) 내에서 기판에 지지되어 형성되고, 기판은 소자(10)의 기판(11)과 유사할 수 있다.
유전층(72 및 73)은 도 2의 유전층(17 및 18)과 각각 유사할 수 있다. 유전층(73)은 유전층(72)위에 놓이고, 유전층(72)은 기판(69)의 표면(74) 위에 놓인다. 유전층(18)과 유사하게, 유전층(73)은 소자(70)의 제작을 쉽게 하기 위하여 에칭-스톱 층으로 양호하게 사용된다.
소자(70)는 또한 소자(10)의 세이즈믹 매스(21)와 유사한 세이즈믹 매스(63)를 갖는다. 세이즈믹 매스(63)는 유전층(72 및 73) 및 광검출기(60 및 66)의 부분 위에 노출되거나, 또는 이 위에 놓인다. 소자(70)는 각 광검출기(60 및 66) 위에 놓이는 분리된 세이즈믹 매스를 선택적으로 구비할 수 있다. 세이즈믹 매스(63)는 베이스 영역(68)과 콜렉터 영역(67)의 부분 위에 놓이는 구멍(65)과 베이스 영역(62)과 콜렉터 영역(61)의 부분 위에 놓이는 구멍(64)을 구비한다. 도 7에 도시된 바와 같이, 구멍(65)은 베이스 영역(68)의 왼쪽 부분 위에 놓이고, 구멍(64)은 베이스 영역(62)의 오른쪽 부분 위에 놓인다.
소자(70)는 이후로 설명되는 바와 같이 차동 가속도계로 작용한다. 가속이 세이즈믹 매스(63)를 화살표(71)에 의해 표시된 방향으로 움직이게 함에 따라, 베이스 영역(68)의 넓은 양이 세이즈믹 매스(63)의 구멍(65)에 의해 광 빔에 노출되고, 결과적으로 광검출기(66)는 높은 출력 전류를 생성한다. 그러나, 세이즈믹 매 스(63)가 화살표(71)에 의해 표시된 방향으로 움직일 때, 베이스 영역(62)의 보다 좁은 양이 세이즈믹 매스(63)의 구멍(64)에 의해 광 빔에 노출된다. 결과적으로 광검출기(60)는 낮은 전류를 생성하고, 반면 광검출기(66)는 높은 전류를 생성한다. 한편, 세이즈믹 매스(63)가 화살표(71)와 반대 방향으로 움직일 때, 베이스 영역(68)의 보다 좁은 양과 베이스 영역(62)의 보다 넓은 양이 광빔에 노출된다. 따라서, 세이즈믹 매스(63)가 화살표(71)와 반대 방향으로 움직일 때, 광검출기(66)에 의해 생성된 출력 전류는 감소하고, 광검출기(60)에 의해 생성된 출력 전류는 증가한다. 광검출기(60 및 66)에 의해 생성된 전류의 변화 상의 차이는 가속도를 보다 정확하게 측정하기 위하여 집적 회로(도 7에 도시 안됨)에 의해 사용된다.
예로서, 상기 집적 회로는 광검출기(60 및 66)에 접속된 공지된 차동 증폭기를 포함할 수 있다. 광검출기(60 및 66)의 출력 전류는 전형적으로 단조롭게 변화하지만, 세이즈믹 매스(63)가 표면(74)에 평행한 축을 따른 가속도에 의해 변형됨에 따라, 서로 다른 방향으로 변화한다. 온도 변화, 기계적인 진동 또는 기판(69)의 표면(74)에 수직인 평면에서의 가속도의 결과로서의 출력 전류에서의 변화는, 차동 광검출기 쌍과 차동 증폭기를 사용하기 때문에, 거의 상쇄된다. 소자(70)의 감도를 더 증가시키기 위하여, 각 광검출기(60 및 66)는 부가적인 트랜지스터에 접속되어 광검출기(60 및 66)에 의해 생성된 출력 전류를 증폭하기 위한 두 개의 독립적인 달링톤(darlington) 쌍을 형성할 수 있다.
그러므로, 본 발명에 따라서, 종래 기술의 단점을 극복하는 개선된 가속도계가 제공되는 것은 명백하다. 주어진 광 반도체 소자 또는 광 가속도계는 종래 기술과 비교하여 이동 가능한 세이즈믹 매스의 평평한 정도에 덜 민감하다, 왜냐하면 여기에서 요구되는 세이즈믹 매스는 셔터 또는 광 차단기로 사용되고, 세이즈믹 매스와 하부 기판 또는 전극과의 사이의 정확한 거리에 민감하지 않기 때문이다. 상기 소자는 또한, 상기 세이즈믹 매스와 하부 광검출기의 베이스 영역이 전기적으로 바이어스될 필요가 없거나 또는 이동 중 최소한 유사한 전위 바이어스를 갖기 때문에, 세이즈믹 매스의 전기적인 래칭으로부터 영향을 받을 가능성이 낮다. 더욱이, 여기에서 설명된 상기 소자는, 상기 세이즈믹 매스의 움직임 동안에 어떠한 잘못된 배열도 제거되기 때문에, 상기 세이즈믹 매스와 하부 기판 내의 광검출기 사이의 잘못된 배열에 의해 크게 영향을 받지 않는다. 게다가 상기 소자는 정전용량성 가속도계보다 온도에 덜 민감하고, 유사한 크기의 종래 정전용량성 가속도계에 비교하여 가속도 변화에 보다 더 민감하다.
본 발명이 양호한 실시예를 참조하여 특정적으로 도시되고 설명되었지만, 당업자라면, 본 발명의 사상과 범주에서 벗어남이 없이 형태와 상세한 사항에서의 변경이 가능하다는 것을 이해할 것이다. 예컨대 광원(44)은 전력의 절약을 고려하여 펄스로 될 수 있다. 게다가 소자(10)는, 공지된 바와 같은, 집적된 자기-시험 커패시터를 포함할 수 있다. 자기-시험 도중, 세이즈믹 매스(21)는 전기적으로 바이어스되고, 적인 정전용량이 측정된다. 소자(10)가 가속도를 측정하기 위해 사용될 때 자기 시험 기능은 작용하지 않기 때문에, 소자(10)는 전기적인 래칭으로부터 영향을 받지 않는다. 따라서 본 발명의 설명은 상기에만 국한되지 않는다. 대신에, 본 발명의 설명은 다음의 청구범위에서 기재된 본 발명의 범주를 도시할 뿐이다.
본 발명은 세이즈믹 매스의 평평한 정도에 너무 민감하지 않고, 전기적 래칭으로부터 손상을 입지 않는 개선된 마이크로머신 가속도계를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 광학 반도체 소자의 한 실시예의 평면도.
도 2는 도 1의 선(2-2)을 따라 취해진 광학 반도체 소자의 단면도.
도 3은 도 1의 선(3-3)을 따라 취해진 광학 반도체 소자의 단면도
도 4 및 도 5는 도 1의 선(3-3)을 따라 취해진 제작중의 광학 반도체 소자의 단면도.
도 6은 패킹 후의, 본 발명에 따른 광학 반도체 소자의 단면도.
도 7은 본 발명에 따른 광학 반도체 소자의 다른 실시예의 단면도.
* 도면에 사용된 주요 부호의 설명 *
11, 69 : 기판 21,63 : 세이즈믹 매스
13,60,66 : 광검출기 17, 18 : 유전층
14 : 콜렉터 영역 22,23,24,25 : 구멍
32,33,34,35 : 베이스 영역 44 : 광원
48 : 리드 프레임
Claims (3)
- 반도체 소자에 있어서,표면(12,74)을 갖는 기판(11,69)과,상기 기판(11,69)에 의해 지지되며, 제1 부분, 상기 제1 부분에 인접한 제2 부분, 베이스 영역 및 콜렉터 영역을 갖는, 제1 광검출기와,상기 기판(11,69)의 표면(12,74) 위에 놓이고, 상기 제1 광검출기의 상기 제1 부분 위에 놓이는 세이즈믹 매스(21,63; seismic mass)로서, 상기 제1 광검출기의 상기 제2 부분 위에 놓이는 제1 구멍을 갖고, 상기 제1 광검출기에 대해 이동 가능한, 상기 세이즈믹 매스(21,63)와,상기 기판(11,69)에 의해 지지되며, 베이스 영역 및 콜렉터 영역을 갖는, 상기 제2 광검출기를 포함하고,상기 세이즈믹 매스(21,63)는 상기 제2 광검출기의 상기 베이스 영역의 일부 위에 놓이고 상기 제2 광검출기의 상기 콜렉터 영역의 일부 위에 놓이는 제2 구멍을 갖고 상기 제2 광검출기에 대해 역시 이동이 가능하며, 상기 제1 광검출기, 상기 제2 광검출기, 및 상기 세이즈믹 매스(21,63)는 차동 가속도계(differential accelerometer)를 형성하고, 상기 세이즈믹 매스는 광학적 절연이며, 상기 세이즈믹 매스의 이동 가능한 부분은 상기 제 1 구멍을 완전히 둘러싸며, 상기 세이즈믹 매스의 상기 제 1 구멍은 상기 반도체 소자가 정지해 있을 때 상기 제 1 광검출기의 상기 베이스 영역의 제 1 부분과 상기 제 1 광검출기의 상기 콜렉터 영역의 제 1 부분 위에 놓이며, 상기 세이즈믹 매스는 상기 반도체 소자가 정지해 있을 때 상기 제 1 광검출기의 상기 콜렉터 영역의 제 2 부분을 커버하고, 상기 세이즈믹 매스의 상기 제 2 구멍은 상기 반도체 소자가 정지해 있을 때 상기 제 2 광검출기의 상기 베이스 영역의 제 1 부분과 상기 제 2 광검출기의 상기 콜렉터 영역의 제 1 부분 위에 놓이며, 상기 세이즈믹 매스는 상기 반도체 소자가 정지해 있을 때 상기 제 2 광검출기의 상기 베이스 영역의 제 2 부분과 상기 제 2 광검출기의 상기 콜렉터 영역의 제 2 부분을 커버하고, 상기 세이즈믹 매스의 상기 이동 가능 부분은 상기 제 2 구멍을 완전히 둘러싸며,상기 세이즈믹 매스의 상기 제 1, 제2 구멍은, 가속력(acceleration force)에 반응하여, 상기 제1 광검출기의 상기 베이스 영역의 더 큰 부분, 상기 제 1 광 검출기의 상기 콜렉터 영역의 더 작은 부분, 상기 제 2 광검출기의 상기 베이스 영역의 더 작은 부분과 상기 제2 광검출기의 상기 콜렉터 영역의 더 큰 부분을 동시에 커버하도록 상기 기판 표면과 실질적으로 평행한 축을 따른 방향으로 동시에 움직이는, 반도체 소자.
- 광학 반도체 소자에 있어서,반도체 기판을 포함하는 기판(11,69)과,제1 도전형을 갖는, 상기 기판(11,69) 내의 제1 영역과,상기 제1 도전형과 다른 제2 도전형을 가지며 상기 제1 영역에 인접한, 상기 기판(11,69) 내의 제2 영역과,상기 제1 도전형을 갖는, 상기 기판(11,69) 내의 제3 영역과,상기 제2 도전형을 가지며 상기 제3 영역에 인접한, 상기 기판(11,69) 내의 제4 영역과,상기 기판(11,69)의 일부분 위에 놓이는 전기적 절연층과,상기 제1 영역의 일부분, 상기 제2 영역의 일부분, 상기 제3 영역의 일부분, 및 상기 제4 영역의 일부분 위에 놓이는 이동 가능한 구조(21,63)로서, 상기 기판상에 물리적으로 장착되며, 상기 제1 및 제3 영역들의 더 넓은 부분들과 상기 제2및 제4 영역들의 더 작은 부분들을 동시에 덮도록 상기 기판에 실질적으로 평행한 방향으로 이동 가능하며, 불투명한, 상기 이동 가능한 구조(21,63)를 포함하고,상기 이동 가능한 구조(21,63)는 상기 제2 영역의 상기 일부분 위에 놓이는 개구와 상기 제4 영역의 상기 일부분 위에 놓이는 개구를 갖고, 각각의 개구는 폭과 길이를 갖고, 상기 이동 가능한 구조(21,63)의 일부분은 상기 전기적 절연층으로부터 일정 거리만큼 떨어져있고, 각각의 개구의 상기 폭 및 길이는 상기 일정 거리보다 더 큰, 광학 반도체 소자.
- 반도체 소자를 제조하는 방법에 있어서,반도체 기판(11,69)을 제공하는 단계와,상기 기판(11,69) 내에 제1 및 제2 광검출기들을 형성하는 단계와,상기 기판(11,69)의 일부분 위에 세이즈믹 매스(21,63)를 형성하는 단계로서, 상기 세이즈믹 매스(21,63)는 상기 세이즈믹 매스에 형성되는 제1 및 제2 구멍들을 갖고, 상기 세이즈믹 매스(21,63)는 상기 기판(11,69)에 대해 이동 가능하여서, 상기 제1 및 제2 광검출기들 및 상기 세이즈믹 매스(21,63)가 차동 가속도계를 형성하는, 상기 세이즈믹 매스(21,63)를 형성하는 단계를 포함하고,상기 세이즈믹 매스는 광학적 절연이며, 상기 세이즈믹 매스의 이동 가능한 부분은 상기 제 1 구멍을 완전히 둘러싸며, 상기 세이즈믹 매스의 상기 제 1 구멍은 상기 반도체 소자가 정지해 있을 때 상기 제 1 광검출기의 베이스 영역의 제 1부분과 상기 제 1 광검출기의 콜렉터 영역의 제 1 부분 위에 놓이며, 상기 세이즈믹 매스는 상기 반도체 소자가 정지해 있을 때 상기 제 1 광검출기의 상기 콜렉터 영역의 제 2 부분을 커버하고, 상기 세이즈믹 매스의 상기 제 2 구멍은 상기 반도체 소자가 정지해 있을 때 상기 제 2 광검출기의 베이스 영역의 제 1 부분과 상기 제 2 광검출기의 콜렉터 영역의 제 1 부분 위에 놓이며, 상기 세이즈믹 매스는 상기 반도체 소자가 정지해 있을 때 상기 제 2 광검출기의 상기 베이스 영역의 제 2 부분과 상기 제 2 광검출기의 상기 콜렉터 영역의 제 2 부분을 커버하고, 상기 세이즈믹 매스의 상기 이동 가능 부분은 상기 제 2 구멍을 완전히 둘러싸며,상기 세이즈믹 매스의 상기 제 1, 제2 구멍은, 가속력(acceleration force)에 반응하여, 상기 제1 광검출기의 상기 베이스 영역의 더 큰 부분, 상기 제 1 광검출기의 상기 콜렉터 영역의 더 작은 부분, 상기 제 2 광검출기의 상기 베이스 영역의 더 작은 부분과 상기 제2 광검출기의 상기 콜렉터 영역의 더 큰 부분을 동시에 커버하도록 상기 기판 표면과 실질적으로 평행한 축을 따른 방향으로 동시에 움직이는, 반도체 소자의 제조 방법.
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