KR100567786B1 - 차동형 이종접합 포토트랜지스터 - Google Patents

차동형 이종접합 포토트랜지스터 Download PDF

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Abstract

본 발명은 차동형 이종접합 포토트랜지스터에 관한 것으로, NPIN형 이종접합 포토트랜지스터를 적어도 둘 이상 어레이하고 일부의 이종접합 포토트랜지스터에 차광막을 형성하여 차동형 이종접합 포토트랜지스터를 제작함으로써, 암전류가 낮은 값을 가지는 이상적인 수광소자를 구현할 수 있는 효과가 있다.
또한, NPIN형 이종접합 포토트랜지스터를 고용하여, 종래의 PIN 광검출기에 비하여, 높은 감도와 넓은 동적 범위(Dynamic range) 특성을 가지므로, 매우 미약한 근적외 광신호를 감지할 수 있어 인체 감지와 같은 의료용, 환경용, 군사용 등에 응용할 수 있는 효과가 있다.
이종접합, 차동, 포토트랜지스터, NPIN, 차광층

Description

차동형 이종접합 포토트랜지스터 {Differential hetero-junction Phototransistor}
도 1은 종래 기술에 따른 PIN 접합형 광검출기(Photodetector)의 개략적인 구성도
도 2는 종래 기술에 따른 애벌런치(Avalanche) 광 다이오드의 개략적인 구성도
도 3은 본 발명에 따른 차동형 이종접합 포토트랜지스터의 개략적인 구성도
도 4는 본 발명에 따른 차동형 이종접합 포토트랜지스터의 회로도
도 5는 본 발명에 따른 차동형 이종접합 포토트랜지스터의 구조도
도 6은 본 발명에 따른 차동형 이종접합 포토트랜지스터가 1차원으로 어레이된 상태를 도시한 회로도
도 7은 본 발명에 따른 차동형 이종접합 포토트랜지스터가 2차원으로 어레이된 상태를 도시한 회로도
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
101,104 : N+ 반도체층 102 : P+ 반도체층
103 : 진성반도체층 110,270 : 차광층
200 : InP 기판
210a,213a,217a,260 : 전극패드
210 : 서브 컬렉터층 211 : 식각방지층
212 : 흡수층 213 : 베이스 컨택층
214 : 스페이서층 215,216 : 에미터층
217 : 에미터 컨택층
231 : 인터커넥션(Interconnection) 라인
280 : 패시베이션 물질막
본 발명은 차동형 이종접합 포토트랜지스터에 관한 것으로, 보다 상세하게는 NPIN형 이종접합 포토트랜지스터를 적어도 둘 이상 어레이하고 일부의 이종접합 포토트랜지스터에 차광막을 형성하여 차동형 이종접합 포토트랜지스터를 제작함으로써, 암전류가 낮은 값을 가지는 이상적인 수광소자를 구현할 수 있는 차동형 이종접합 포토트랜지스터에 관한 것이다.
일반적으로, 광검출기(Photo detector)는 광신호를 입력받아 전기적인 신호로 변환시키는 소자이다.
최근, 광통신 분야의 발전으로, 광검출기의 수요가 증대되고 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 PIN 접합형 광검출기(Photodetector)의 개략적인 구성도로서, P+ 반도체(11), 진성 반도체(12)와 N+ 반도체(13)를 일렬로 접합시켜 PIN 접합형 광검출기(10)를 제조한다.
이러한 PIN 접합형 광검출기(10)에 역바이어스를 인가하는데, 즉, P+ 반도체(11)에 -전압을 인가하고, 상기 N+ 반도체(13)에 +전압을 인가한다.
상기 역바이어스가 인가된 PIN 접합형 광검출기(10)로 광이 입사되면, 광검출기(10)의 공핍 영역에서 EHP(Electron-Hole Pair)들이 생성되고, 바이어스에 따라 전자는 N+영역으로 홀은 P 영역으로 이동하게 된다.
이러한 원리에 의해 출력되는 광전류는 PN 접합면의 면적에 비례하게 된다.
그리고, 출력 광전류는 입사광에 의해 생성된 EHP수 및 이들이 재결합될 때까지의 평균 수명(Lifetime)에 의존하고, 추가적인 증폭기능이 없기 때문에 이론적인 수광 감도는 최대 1A/W이하의 값을 가진다.
도 2는 종래 기술에 따른 애벌런치(Avalanche) 광 다이오드의 개략적인 구성도로서, P+ 반도체(21), 애벌런치 영역(22), 흡수(Absorbtion) 영역(23)과 N+ 반도체(24)를 일렬로 접합시켜 애벌런치 광 다이오드(20)를 구성한다.
여기서, 통상, P+ 반도체(21)는 하이 도핑된 P타입 InP로 형성하고, 상기 애벌런치 영역(22)은 N타입 InP로 형성하고, 상기 흡수(Absorbtion) 영역(23)은 N타입 InGaAs로 형성하며, 상기 N+ 반도체(24)는 하이 도핑된 N타입 InGaAs로 형성한 다.
그리고, 상기 P+ 반도체(21)에 -전압을 인가하고, 상기 N+ 반도체(24)에 +전압을 인가하는데, 애벌런치 광 다이오드(20)의 양단에는 수십V 이상의 높은 바이어스를 인가한다.
이 상태에서 근적외광이 입사되면, InGaAs 흡수층(23)에서 흡수되어 EHP가 발생하고, 강한 전계에 의해 홀들이 애벌런치 영역(22)으로 이동하게 된다.
상기 애벌런치 영역(22)에 존재하는 높은 전계에 의해 애벌런치 현상이 발생하게 되어 초기에 이동한 홀의 수보다 훨씬 더 많은 EHP가 발생하게 되어 수십 A/W 이상의 높은 감도의 수광 구조를 가지고 있다.
하지만, 애벌런치 현상이 발생하기 위해서는 높은 바이어스 전압을 요구하므로 실용상 문제를 가지고 있다.
이러한, 종래 기술에 따른 수광 소자들은 동작 원리상 출력 광전류가 입사광에 의해 생성된 EHP수 및 이들이 재결합 될 때까지의 평균 수명에 밀접하게 관계되므로, 접합면적이 클수록 광전류가 커지는 특징이 있다.
그러므로, 충분한 광전류를 얻기 위해서는 큰 접합면적을 요구하거나 큰 바이어스 전압을 요구하는 단점이 있다.
또한, 추가적인 증폭 기능이 없기 때문에 이론적인 감도가 상대적으로 낮으며, 상당한 레벨의 암전류를 가진다.
따라서, 종래의 파장대 1.1~1.7um의 근적외 영역 광검출기(Photodetector)는 대부분 InGaAs/InP 계열의 PIN 구조를 채택하여, 상대적으로 낮은(1 A/W 이하) 수광 감도를 가지며, 원리적으로 광전류의 크기가 접합면의 면적에 비례하기 때문에, 일정 레벨 이상의 광전류를 얻기 위해서는 매우 큰 수광 면적을 가질 수밖에 없었다.
또한, 상당한 암전류가 흘러 제한된 동적 범위(Dynamic range)를 가질 수밖에 없었다.
따라서, 종래 기술에서는 단위 소자 또는 1차원, 2차원으로 어레이하여 이미지 센서 등으로 응용할 경우에도 상대적으로 큰 수광면적을 요구하므로 소자 및 시스템의 소형화, 고해상도화에 장애가 되어 왔다.
이에 본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, PIN형 이종접합 포토트랜지스터를 적어도 둘 이상 어레이하고 일부의 이종접합 포토트랜지스터에 차광막을 형성하여 차동형 이종접합 포토트랜지스터를 제작함으로써, 암전류가 낮은 값을 가지는 이상적인 수광소자를 구현할 수 있는 차동형 이종접합 포토트랜지스터를 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기한 본 발명의 목적들을 달성하기 위한 바람직한 양태(樣態)는, 컬렉터, 베이스, 흡수층과 에미터를 각각 갖는 NPIN형 이종접합 포토트랜지스터가 m행과 n열로 어레이 되어 있고,
상기 NPIN형 이종접합 포토트랜지스터 각각의 컬렉터로 +전압이 인가되도록 연결되고,
상기 각각의 베이스는 동일 전위 상태 또는 플로팅(Floating) 상태로 연결되고,
상기 각각의 에미터는 그라운드 상태 또는 - 전압이 인가되도록 연결되며,
상기 어레이된 NPIN형 이종접합 포토트랜지스터의 일부에는 차광층이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 차동형 이종접합 포토트랜지스터가 제공된다.
상기한 본 발명의 목적들을 달성하기 위한 바람직한 다른 양태(樣態)는, InP 기판 상부에 제 1과 2 NPIN형 이종접합 포토트랜지스터가 상호 이격되어 형성되어 있고;
상기 제 1과 2 NPIN형 이종접합 포토트랜지스터 각각은 InP 기판 상부에 서브 컬렉터(Sub collector)층이 형성되어 있고;
상기 서브 컬렉터층 일부 상부에 식각 방지층, 흡수층과 베이스 컨택층이 순차적으로 적층되어 있고;
상기 베이스 컨택층 일부 상부에 스페이서층, 제 1 에미터층, 제 2 에미터층과 에미터 컨택층이 순차적으로 적층되어 있고;
상기 서브 컬렉터층 일부 상부, 상기 베이스 컨택층 일부 상부와 상기 에미터 컨택층 상부 각각에 전극패드가 형성되어 있고;
상기 InP 기판 상면에서 에미터 컨택층 상부에 있는 전극패드 상부까지 패시베이션 물질막이 덮혀져 있고;
상기 각각의 전극패드는 상기 패시베이션 물질막 내부에 형성된 도전성 물질이 충진된 비아홀들과 인터커넥션(Interconnection) 라인을 통하여 상기 패시베이 션 물질막 상부의 전극패드들과 전기적으로 연결되어 있으며;
상기 패시베이션 물질막 상부에는 상기 제 2 NPIN형 이종접합 포토트랜지스터를 차광시키는 차광층이 형성되도록 구성하며,
상기 서브 컬렉터층 상부의 전극패드는 +전압이 인가되도록 연결되도록, 상기 패시베이션 물질막 상부의 전극패드와 연결되고;
상기 베이스 컨택층 상부에 형성된 전극패드는 동일 전위 상태 또는 플로팅(Floating) 상태가 되도록, 상기 패시베이션 물질막 상부의 전극패드와 연결되고;
상기 에미터 컨택층 상부에 형성된 전극패드는 그라운드 상태 또는 - 전압이 인가되도록, 상기 패시베이션 물질막 상부의 전극패드와 연결되는 것을 특징으로 하는 차동형 이종접합 포토트랜지스터가 제공된다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 람직한 실시예를 설명하면 다음과 같다.본 발명의 바
도 3은 본 발명에 따른 차동형 이종접합 포토트랜지스터의 개략적인 구성도로서, N+ 반도체층(101), P+ 반도체층(102), 진성반도체층(103)과 N+ 반도체층(104)을 순차적으로 접합시켜 NPIN형 이종접합 포토트랜지스터를 형성한다.
여기서, 상기 이종접합 포토트랜지스터의 N+ 반도체층(101)은 에미터(Emitter)에 해당되고, 상기 P+ 반도체층(102)은 베이스(Base)에 해당되며, 상기 진성반도체층(103)은 광 흡수층이고, 상기 N+ 반도체층(104)은 컬렉터(Collector)에 해당된다.
이런, 이종접합 포토트랜지스터의 에미터, 즉, N+ 반도체층(101)에 0 또는 -전압을 인가하고, 상기 컬렉터, 즉, N+ 반도체층(104)에 +전압을 인가한 후, 광이 흡수층즉, 진성반도체층(103)으로 입사되면, 상기 흡수층에는 입사된 광량에 비례하게 전자-홀 쌍(Electron-Hole Pair, EHP)이 생성된다.
이 때, 상기 흡수층에서 생성된 EHP에서 전자와 홀은 전계에 의해 각각 컬렉터 방향과 베이스 방향으로 이동하게 된다.
베이스로 이동된 홀은 베이스 전위를 상대적으로 낮추게 되며, 에미터와 컬렉터 단자 양단에 걸린 전계에 의해 에미터에 존재하는 전자들은 낮아진 베이스 접합 장벽을 쉽게 넘어서서 베이스로 공급되며, 다시 전계에 의해 컬렉터쪽으로 이동하게 된다.
이 때, 베이스의 두께는 상당히 얇으므로 에미터에서 컬렉터 방향으로 이동하는 전자의 수는 광에 의해 흡수층에서 베이스 방향으로 이동하는 홀의 수에 비해 상당히 크다.
따라서, 광 이득(Optical gain)이 발생하게 되어 종래의 PIN 광검출기(Photo detector) 대비 높은 감도(수십~수천A/W 이상)를 가지게 된다.
도 4는 본 발명에 따른 차동형 이종접합 포토트랜지스터의 회로도로서, 컬렉터, 베이스, 흡수층과 에미터를 각각 갖는 제 1과 2 NPIN형 이종접합 포토트랜지스 터(H1,H2)가 형성되어 있고, 제 1과 2 NPIN형 이종접합 포토트랜지스터(H1,H2)의 컬렉터로 +전압이 인가되도록 연결되고, 베이스는 동일 전위 상태 또는 플로팅(Floating) 상태이며, 상기 에미터는 그라운드 상태 또는 - 전압이 인가되도록 연결되며, 상기 제 2 NPIN형 이종접합 포토트랜지스터(H2)에는 차광층(110)이 형성되어 있어, 상기 제 1 NPIN형 이종접합 포토트랜지스터(H1)의 흡수층에만 광이 조사되도록 구성된 차동형 이종접합 포토트랜지스터를 도 4는 도시하고 있다.
그러므로, 제 1 NPIN형 이종접합 포토트랜지스터(H1)는 암전류(Dark current)와 광 전류(Photo current)가 흐르고, 제 2 NPIN형 이종접합 포토트랜지스터(H2)에는 항상 암전류만 흐르므로, 두 소자의 컬렉터 전류를 차감하면(IH1C-IH2C), 암전류가 거의 0에 가까운 낮은 값을 가지는 이상적인 수광소자의 특성을 얻을 수 있다.
도 5는 본 발명에 따른 차동형 이종접합 포토트랜지스터의 구조도로서, InP 기판(200) 상부에 제 1과 2 NPIN형 이종접합 포토트랜지스터(250,251)가 상호 이격되어 형성되어 있고; 상기 제 1과 2 NPIN형 이종접합 포토트랜지스터(250,251) 각각은 InP 기판(200) 상부에 서브 컬렉터(Sub collector)층(210)이 형성되어 있고; 상기 서브 컬렉터층(210) 일부 상부에 식각 방지층(211), 흡수층(212)과 베이스 컨택층(213)이 순차적으로 적층되어 있고; 상기 베이스 컨택층(213) 일부 상부에 스페이서층(214), 제 1 에미터층(215), 제 2 에미터층(216)과 에미터 컨택층(217)이 순차적으로 적층되어 있고; 상기 서브 컬렉터층(210) 일부 상부, 상기 베이스 컨택 층(213) 일부 상부와 상기 에미터 컨택층(217) 상부 각각에 전극패드(210a, 213a, 217a)가 형성되어 있고; 상기 InP 기판(200) 상면에서 에미터 컨택층(217) 상부에 있는 전극패드(217a) 상부까지 패시베이션 물질막(280)이 덮혀져 있고; 상기 각각의 전극패드(210a, 213a, 217a)는 상기 패시베이션 물질막(280) 내부에 형성된 도전성 물질이 충진된 비아홀들(230,232)과 인터커넥션(Interconnection) 라인(231)을 통하여 상기 패시베이션 물질막(280) 상부의 전극패드들(260)과 전기적으로 연결되어 있다.
상기 인터커넥션 라인(231)에는 1차 비아홀(230)에 의해 상기 서브 컬렉터층(210) 일부 상부, 상기 베이스 컨택층(213) 일부 상부와 상기 에미터 컨택층(217) 상부 각각의 전극패드(210a, 213a, 217a)와 연결되고, 2차 비아홀(232)에 의해 상기 패시베이션 물질막(280) 상부의 전극패드들(260)과 연결된다.
여기서, 상기 서브 컬렉터층(210) 상부의 전극패드(210a)는 +전압이 인가되도록 연결되도록, 상기 패시베이션 물질막(280) 상부의 전극패드와 연결되고; 상기 베이스 컨택층(213) 상부에 형성된 전극패드(213a)는 동일 전위 상태 또는 플로팅(Floating) 상태가 되도록, 상기 패시베이션 물질막(280) 상부의 전극패드와 연결되고; 상기 에미터 컨택층(217) 상부에 형성된 전극패드(217a)는 그라운드 상태 또는 - 전압이 인가되도록, 상기 패시베이션 물질막(280) 상부의 전극패드와 연결된다.
그리고, 상기 패시베이션 물질막(280) 상부에는 상기 제 2 NPIN형 이종접합 포토트랜지스터(251)를 차광시키는 차광층(270)이 형성되어 있다.
상기 패시베이션 물질막(280)은 폴리이미드막 또는 실리콘 질화막인 것이 바람직하다.
또한, 상기 서브 컬렉터(Sub collector)층(210)은 N+ InGaAs층이고, 식각 방지층(211)은 InP층이고, 흡수층(212)은 진성반도체 InGaAs층이고, 베이스 컨택층(213)은 P+ InGaAs층이고, 스페이서층(214)은 도핑되지 않은 InGaAs층이고, 상기 제 1 에미터층(215)은 N+ InP층이고, 상기 제 2 에미터층(216)은 상기 제 1 에미터층(215)보다 하이도핑된 N+ InP층이고, 상기 에미터 컨택층(217)은 N+ InGaAs층인 것이 바람직하다.
여기서, 상기 식각 방지층(211)은 제조 공정에서 상기 서브 컬렉터층(210)의 식각을 방지하기 위해서 형성한 층이고, 상기 스페이서층은 상기 베이스 컨택층(213)에 에미터층들을 성장시키기 위한 버퍼층 역할을 수행하기 위해 형성한 층이고, 상기 제 2 에미터층(216)이 제 1 에미터층(215)보다 하이도핑된 것은 에너지 밴드를 완만하게 하여 캐리어의 이동을 원활하게 하기 위함이다.
이 때, 상기 제 1 에미터층(215)의 캐리어 농도는 6 x 1017/㎤ 정도이고, 상기 제 2 에미터층(216)의 캐리어 농도는 2 x 1019/㎤ 정도이다.
그리고, 서브 컬렉터층(210), 베이스 컨택층(213)과 에미터 컨택층(217a)은 1 x 1019 /㎤ 로 고농도로 도핑함으로써, 옴 저항을 최소화하는 것이 바람직하다.
따라서, 차동형 이종접합 포토트랜지스터는 고감도와 매우 넓은 동적 범위(Dynamic range) 특성을 동시에 가지므로, 매우 미약한 근적외 광신호를 감지할 수 있어 인체 감지와 같은 의료용, 환경용, 군사용 등에 응용이 가능하다.
도 6은 본 발명에 따른 차동형 이종접합 포토트랜지스터가 1차원으로 어레이된 상태를 도시한 회로도로서, 이종접합 포토트랜지스터들(H1,H2,H3,...,HN)을 1차원으로 어레이하고, 마지막 번째 이종접합 포토트랜지스터(HN)에 차광층(110)을 형성한다.
이러한, 1차원으로 어레이되는 차동형 이종접합 포토트랜지스터는 고감도 근적외 분광센서에 응용할 수 있다.
도 7은 본 발명에 따른 차동형 이종접합 포토트랜지스터가 2차원으로 어레이된 상태를 도시한 회로도로서, 이종접합 포토트랜지스터들을 행과 열로 배열되는 2차원으로 어레이(H11 ~ HNN)하고, 각 행의 마지막 번째 이종접합 포토트랜지스터(H1N,H2N,H3N,...,HNN)에 차광층(110)을 형성한다.
도 7의 2차원으로 어레이되는 차동형 이종접합 포토트랜지스터는 고감도 근적외 이미지 센서에 응용할 수 있다.
이상 상술한 바와 같이, 본 발명은 NPIN형 이종접합 포토트랜지스터를 적어도 둘 이상 어레이하고 일부의 이종접합 포토트랜지스터에 차광막을 형성하여 차동형 이종접합 포토트랜지스터를 제작함으로써, 암전류가 낮은 값을 가지는 이상적인 수광소자를 구현할 수 있는 효과가 있다.
또한, NPIN형 이종접합 포토트랜지스터를 고용하여, 종래의 PIN 광검출기에 비하여, 높은 감도와 넓은 동적 범위(Dynamic range) 특성을 가지므로, 매우 미약한 근적외 광신호를 감지할 수 있어 인체 감지와 같은 의료용, 환경용, 군사용 등에 응용할 수 있는 효과가 있다.
본 발명은 구체적인 예에 대해서만 상세히 설명되었지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.

Claims (6)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. InP 기판 상부에 제 1과 2 NPIN형 이종접합 포토트랜지스터가 상호 이격되어 형성되어 있고;
    상기 제 1과 2 NPIN형 이종접합 포토트랜지스터 각각은 InP 기판 상부에 서브 컬렉터(Sub collector)층이 형성되어 있고;
    상기 서브 컬렉터층 상부에 식각 방지층, 진성반도체층과 베이스 컨택층이 순차적으로 적층되어 있고;
    상기 베이스 컨택층 상부에 스페이서층, 제 1 에미터층, 제 2 에미터층과 에미터 컨택층이 순차적으로 적층되어 있고;
    상기 서브 컬렉터층 일부 상부, 상기 베이스 컨택층 일부 상부와 상기 에미터 컨택층 상부 각각에 전극패드가 형성되어 있고;
    상기 InP 기판 상면에서 에미터 컨택층 상부에 있는 전극패드 상부까지 패시베이션 물질막이 덮혀져 있고;
    상기 각각의 전극패드는 상기 패시베이션 물질막 내부에 형성된 도전성 물질이 충진된 비아홀들과 인터커넥션(Interconnection) 라인을 통하여 상기 패시베이션 물질막 상부의 전극패드들과 전기적으로 연결되어 있으며;
    상기 패시베이션 물질막 상부에는 상기 제 2 NPIN형 이종접합 포토트랜지스터를 차광시키는 차광층이 형성되도록 구성하며,
    상기 서브 컬렉터층 상부의 전극패드는 +전압이 인가되도록 연결되도록, 상기 패시베이션 물질막 상부의 전극패드와 연결되고;
    상기 베이스 컨택층 상부에 형성된 전극패드는 동일 전위 상태 또는 플로팅(Floating) 상태가 되도록, 상기 패시베이션 물질막 상부의 전극패드와 연결되고;
    상기 에미터 컨택층 상부에 형성된 전극패드는 그라운드 상태 또는 - 전압이 인가되도록, 상기 패시베이션 물질막 상부의 전극패드와 연결되는 것을 특징으로 하는 차동형 이종접합 포토트랜지스터.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 서브 컬렉터층은 N+ InGaAs층이고, 식각 방지층은 InP층이고, 흡수층은 진성반도체 InGaAs층이고, 베이스 컨택층은 P+ InGaAs층이고, 스페이서층은 도핑되지 않은 InGaAs층이고, 상기 제 1 에미터층은 N+ InP층이고, 상기 제 2 에미터층은 상기 제 1 에미터층보다 하이도핑된 N+ InP층이고, 상기 에미터 컨택층은 N+ InGaAs층인 것을 특징으로 하는 차동형 이종접합 포토트랜지스터.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 패시베이션 물질막은 폴리이미드막 또는 실리콘 질화막인 것을 특징으로 하는 차동형 이종접합 포토트랜지스터.
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