KR100660471B1 - 고속 정면 조사형 포토 다이오드용의 고도화 도핑된 ｐ형접점 - Google Patents

고속 정면 조사형 포토 다이오드용의 고도화 도핑된 ｐ형접점 Download PDF

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스티븐 엘. 웰리엄손
로버트 엔. 색스
제니스 에이. 벨드메니스
카드헤어 에이엘 헴야리
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Abstract

본 발명은 기판, 상기 기판의 표면에 결합된 n층, 상기 n층의 표면에 결합된 i층, 상기 i층의 표면에 결합된 카본 도핑된 p층을 포함한다. 바람직하게, p층은 In0.52Al0.48As로 이루어지며, i층은 In0.53Ga0.47As로 그리고 n층은 In0.52Al0.48As로 이루어진다.

Description

고속 정면 조사형 포토다이오드용의 고도화 도핑된 Ｐ형 접점{HIGHLY-DOPED P-TYPE CONTACT FOR HIGH-SPEED, FRONT-SIDE ILLUMINATED PHOTODIODE}
본 발명은 광섬유 통신에 이용되는 광 전자 디바이스에 관한 것으로, 보다 구체적으로 본 발명은 700-1600 나노미터(nm)의 동작 파장 영역에 걸쳐 그의 응답 시간을 강화하기 위한 p-i-n 광 검출기 구조의 개선에 관한 것이다.
인터넷과 다른 데이터 통신 네트워크의 개발은 고속의 데이터 전송을 위한 필요성을 한층 증가시켜 왔다. 극도로 넓은 대역 폭과 저-왜곡 섬유 투과율을 갖는 광학 링크는 전통적인 구리-선 접근 방법에 비해 점점 호평을 받고 있다. 광학 링크는 다음과 같은 파장들, 즉 장거리 적용을 위해 주로 이용되는 780, 850, 1310, 및 1550nm의 파장들 중 하나의 파장에서 동작하는데, 여기서 단일-모드 광 섬유에서 왜곡없이 전달하는 능력이 중요하다. 워크 그룹 LANs(local area networks)과 캠퍼스 백본을 포함하는 단거리 적용에 대하여, 구현된 성분의 수가 상당히 많아질 수 있기 때문에 그 비용이 중요한 요소로 된다. 단거리 네트워크는 좀더 짧은 파장인 780과 850nm로 동작하도록 종종 설계되는데, 여기서 직접 변조된 레이저는 VCSEL(vertical-cavity surface-emitting laser)기술을 이용하여 비용을 좀더 낮추어 제조할 수 있다. 다중-모드, 62.5 마이크로미터(μm)의 직경 섬유는 이러한 시스템을 위한 선택 섬유이다. 이러한 직경이 큰 코어 섬유는 동일하게 넓은 영역 검출기가 필요함을 의미한다. Si- 와 GaAs-기저 광 검출기 모두는 변조 속도가 1.25 Gbit/s(기가비트 에더넷)이하일 경우 이러한 적용에 이용할 수 있다. 1.25 Gbit/s 이상에서는 GaAs 검출기가 바람직하다.
현재 구현되고 있는 1.25 Gbit/s 시스템에 의하여, 네트워크 공급자는 62.5μm 다중-모드 섬유를 이용하는 10 Gbit/s 링크의 개발 쪽으로 이동하고 있다. 이러한 노력은 연구/개발 수준에 있으며 고속 진단이 이제 그 특성화에 요구되고 있다. 일반적으로, 10Gbit/s에서 동작할 수 있는 성분은 단지 8 GHz 대역폭을 갖는 것이 필요하다. 개발하는 데 어려움이 증명된 성분 중 하나는 780nm와 850nm의 광을 감지하는 8 GHz 광 검출기이다. GaAs-기저 검출기는 양쪽 규격을 만족할 수 없다. GaAs의 한계는 좀더 짧은 파장에서 낮은 흡수 계수로부터 비롯된다. 실제로, GaAs-기저 8 GHz는 동작범위가 2μm 두께보다 작을 경우에 제조되고 있다. 이러한 두께는 광학적으로 발생된 전자와 홀 모두가 8 GHz 대역폭을 달성하기 위해 매우 신속하게 스윕-아웃(sweep out)됨을 보장한다. 그러나, GaAs 검출기로부터 850nm로 근접한 단일 양자 효율을 얻기 위해서는 4μm 보다 큰 활성층을 요구한다. 이것은 2μm 영역을 이중 통과시킴으로서 가능하나, 하지만 제조와 패키지에 대한 비용이 엄청나게 비싸다. 이 상황은 780nm의 빛에 대해 다소 개선된다. 그러나, 2μm에 걸친 단일-통과 조사광은 여전히 단일 양자 효율보다 작은 효율을 초래할 수 있다.
이러한 적용을 위한 이상적인 반도체는 반-절연체인 InP(InP:Fe)상에서 격자 정합 성장된 In0.53Ga0.47As이다. In0.53Ga0.47As는 GaAs보다 더 작은 밴드 갭을 가지며 또한 1/4의 두께로도 동등한 850nm 흡수를 제공할 수 있다. GaAs에서 전부 흡수하는데 필요한 4μm 의 두께는 In0.53Ga0.47As에서 1μm로 감소한다. 이러한 두께에서, 검출기 대역폭은 20GHz를 초과할 수 있다. 2μm의 In0.53Ga0.47As층이 이용될 경우, 우리는 필요한 8 GHz를 얻을 수 있으며 또한 1550 nm로부터 강한 흡수율을 가질 수 있다. In0.53Ga0.47As-기저 p-i-n 포토다이오드는 1300nm와 1550nm로 사용하는 어떤 시간동안 이용할 수 있다. 이러한 포토다이오드는 얇고, 중하게 도핑된 p 및 n 의 In0.53Ga0.47As영역들 사이에서 샌드위치되는 도핑되지 않고 비교적 두꺼운 In0.53Ga0.47As 활성영역으로 이루어진 헤테로 구조이다. 후면(기판면)에 조사된 검출기가 가장 흔히 상존한다. 빛은 활성 In0.52Ga0.47As층에 의해 흡수되기 전 기판과 투명한 In0.53Al0.48As의 n-도핑된 층을 통과한다. 후면 조사광에 대한 차단 파장은 InP의 흡수 단부에 의해 결정되며 또한 900nm이다. 780nm 또는 850nm의 검출을 위해, 정면(front-side)설계가 필요하며, 또한 p-도핑된 상부 층은 빛의 통과를 허용하도록 투명함을 요한다. In0.53Ga0.47As에 기초한 정면 조사된 p-i-n 포토다이오드는 주로 780nm 또는 850nm로 한정된 양의 감도를 가질 수 있으며 또한 8 GHz의 대역폭을 가질 수 있다. 이러한 대역폭이 실현되지 못하게 하는 것은 투명한 p-접점의 시트 저항이다.
이미 논의한 스윕-아웃 시간에 부가하여, 포토다이오드의 응답은 그의 RC 시상수에 의해 제한될 수 있다. RC 시상수는 포토다이오드의 기생 응답이며 또한 다이오드의 직렬 저항(R)과 캐패시턴스(C)의 곱이다. 62.5 μm의 코어 섬유(단거리 적용에 가장 공통적인 섬유 사이즈)로부터 모든 빛을 수광하기 위한 포토다이오드에 대하여, 이것은 적어도 62.5μm의 직경을 가져야만 한다. 2μm가 되도록 활성 층 두께를 취하면, 포토다이오드에 대해 ~ 0.2 pF의 캐패시턴스를 초래한다. 후면 조사된 검출기의 경우에, 총 직렬 저항은 접점 저항과 n-도핑된 층의 저항으로부터 기여에 따라 20 - 50Ω의 범위를 가질 수 있다. 이러한 검출기에 대하여, 우리는 전하를 이송하기 위해 n-도핑된 층을 통한 측방 전도에 의존해야 하며, 따라서 n-층에 대한 시트 저항 값이 중요하다. 얕은 도너에 의해 도핑된 층의 저항은 도펀트 농도를 증가시킴으로써 감소될 수 있다. n-형 접점에 대해 가장 넓게 이용되는 얕은 도너는 주석(Sn)이다. Sn은 방전이 문제로 되기 전에 1020 cm-3레벨로 도핑될 수 있다. 이러한 농도에서, n-도핑된 층에 대한 저항은 700nm 두께에 대해 ~ 20Ω이다. 이 층은 비교적 두껍지만 1300 nm와 1550 nm 광에 대해 투명함을 유의하자. 대향하는 접점에는 p-도핑된 층이 있다. 후면 조사된 검출기에 대해 이러한 접점은 1Ω보다 작은 시트 저항을 감소시키기 위해 그의 외부 면상에 얇은 금속막으로 도포될 수 있다. 이러한 포토다이오드가 그의 RC 기생(즉, 스윕-아웃 조사광이 없음)에 의해 제한될 경우, 이것은 10 피코 초(ps)응답을 갖는다. 2μm의 활성층을 갖는 전형적인 후면 조사된 검출기에서, RC 시상수는 전하 스윕아웃 시간(~ 30ps)보다 더 신속하다. 가우시안 펄스 형상을 가정하면, 2개의 시상수로부터 결합된 기여도는 8 GHz 대역폭에 해당하는 (10 2+ 302)1/2= 32 ps이다.
이러한 상태는 정면 조사된 포토다이오드를 변화시킨다. 이러한 기하 구조에 대해, p-도핑된 In0.52Al0.48As 콘택은 금속 상부 코팅체를 더 이상 가질 수 없다. 검출기는 n- 및 p-도핑된 층 모두로부터 측방 전도에 의존해야만 한다. 850 nm에서 20%보다 작거나 동일한 광 손실을 유지하기 위해서는 또한 400nm보다 작거나 동일한 p-층의 두께를 요한다. 이러한 요구는 베릴륨(Be)과 아연(Zn), 즉 산업의 표준 p-도펀트가 n-도핑된 층에서 Sn으로 수행된 것과 동일한 1020cm-3농도로 도핑될 수 없다는 사실에 의해 더 복잡해질 수 있다. 이것은 Be와 Zn이 Sn보다 훨씬 더 높은 확산 계수를 갖기 때문이다. 5x1018cm-3이상에서, Be는 예를들어 결손 채널을 따라 가장 신속하게 이동하는 이웃한 영역으로 확산을 시작한다. 이 때문에 Be는 우리의 p-i-n 포토다이오드의 도핑되지 않은 i-영역을 오염시키며 또한 그의 다크 전류를 크게 증가시키거나 또는 악화시키며 다이오드를 쇼트시킨다. 우리가 Be농도를 안전한 수준으로 제한하면(여기서 Be 확산은 최소임), p-도핑된 층의 저항은 50Ω정도로 높아질 수 있다. 이러한 정면 검출기의 대역폭은 8GHz에서 5GHz이하로 떨어진다.
본 발명은 포토다이오드의 상부로부터 빛을 통과시키는 투명한 p 접점을 지닌 p-i-n 포토다이오드를 포함한다. 입사광은 활성 i영역에 대해 직접 경로를 갖는다. 이것은 빛이 기판을 통과해야 하는 경우 달리 일어날 수 있는 상기한 밴드 갭 광(λ ≤900nm)의 감쇠를 회피시킨다. 상측 조사의 설계는 700nm 정도의 짧은 파장이 활성 영역에 의해 검출될 수 있도록 한다. 본 발명의 핵심에는 In0.52 Al0.48 As에서 카본 도핑을 위한 새로운 적용이 있다. 카본은 포토다이오드에 대해 상부 창으로 작용하는 고 전도성 p층을 만들기 위해 p-형 도펀트로서 In0.52 Al0.48 As에 p-형 도펀트로서 혼합된다. 고 전기 전도도의 이러한 층은 우리에게 금속 상부층을 필요로 함이 없이 고속 포토다이오드를 설계할 수 있도록 하며, 그에 의해 상부면으로 부터 접근 가능한 빛이 만들어진다. 카본은 에피텍셜 성장 과정동안 정지상태로 있도록 하는 그의 능력으로서 가장 흔한 형태의 p 도펀트인 Be와 Zn보다 우수한 것으로 판명되었다. 성장과 수반하는 마이크로 제조후에, 카본은 In0.52 Al0.48 As영역으로부터 그리고 p-i-n 포토다이오드의 i 영역내로 확산의 징후를 보이지 않는다. 고 농도의 카본(1020cm-3: ≤5x1018cm-3, Be에 대하여)은 다이오드를 저하시킴없이 In0.52 Al0.48 As층내에 혼합될 수 있다. p층의 도펀트 레벨을 증가시킴으로서 우리는 그의 직렬 저항과 다음으로 포토다이오드의 RC 시상수를 더 낮출 수 있다. RC 시상수가 낮으면 낮을수록 검출기의 응답을 증가시키는 효과를 갖는다.
도1은 본 발명의 p-i-n 광 검출기의 포토마이크로그래프 도면이다.
도2는 본 발명의 p-i-n구조에 대한 에피텍셜 성장 윤곽을 나타내는 도면이다.
도3은 빛의 파장에 대한 반도체 재료의 고유 흡수 곡선의 플로트를 나타내는 도면이다.
도1 및 도2를 참조하면, 본 발명의 광 검출기(10)가 평면도와 윤곽도로 나타내어 있다. 8각형 영역(8)은 빛의 검출이 일어나는 p-i-n 메사이다. p-i-n은 InP:Fe 기판(34)상에서 격자 정합 성장된다. 메사는 상부층을 통해 InP 기판에 화학적으로 에칭함으로써 형성된다. 메사는 InP 기판(34) 표면 위에서 수 마이크로로 존재한다. 메사의 상부는 In0.52 Al0.48 As p-층(14)을 보호하는 얇은(공칭적으로 4nm 두께이지만 아래에 놓인 구조를 보호할 수 있는 임의의 구조가 될 수 있음) In0.53Ga0.47As층(12)이다. In0.53Ga0.47As 캡 층(12)은 양호한 전기 전도를 제공하기 위해 5x1019 cm-3으로 도핑되지만 전기를 전도하는 임의의 다른 레벨로 도핑될 수 있다. 이러한 층은 분위기로부터 In0.52 Al0.48 As층(14)을 밀봉하는데 도움을 준다. In0.52 Al0.48 As p-층(14)에서 알루미늄은 (마이크로제조 동안)산소와 달리 반응할 수 있으며 또한 절연층을 형성할 수 있다. In0.53 Al0.47 As 캡(12)은 약간의 흡수를 회피하기 위해 얇게 성장된다. p-도핑된 In0.52 Al0.48 As 상부 층(14)은 빛이 입사하도록 투명한 층이다. 한편, 이러한 층은 낮은 직렬 저항을 제공하기 위해 충분히 두꺼울 필요가 있지만, 다른 한편으로 흡수를 최소화할 만큼 얇아야 한다. 이러한 층내에 흡수되는 빛은 검출기의 응답성을 더 작게 할 수 있으며 또한 그의 응답 시간을 느리게 할 수 있다. p-층(14)의 바람직한 두께는 700-1600nm의 파장이 최소한의 흡수와 함께 투과될 수 있도록 100nm와 300nm 사이에 있다. p-층(14)의 카본 도핑은 Be 또는 Zn으로 실행할 수 있는 것보다 더 높은 도핑 농도( 5.0x1019cm-3 보다 높게, 바람직하게는 1020cm-3으로)를 허용한다. Be 또는 Zn은 그러한 도핑 레벨에서 층의 간섭을 넘어서 이동을 시작할 수 있으며 또한 다이오드가 전기적으로 쇼트될 수 있도록 한다. 도핑 농도에서 이러한 증가는 포토다이오드의 p-층 저항과 그리고 연관된 RC 시상수를 충분히 감소시킬 수 있어서, 좀더 신속한 동작 속도가 달성된다.
In0.53Ga0.47As층(12)의 경계선을 따라 좁은 금속 링(20)이 있다. 이것은 p-층(14)을 p 본드 패드(26)에 전기적으로 연결하는 금속 접점이다. 금속 링(20)은 금으로 이루어지는 바람직하다. 금속 링(20)은 이것이 광 검출기의 표면에 지향된 빛을 방해하지 못하도록 캡층(12)의 경계선 둘레에 바람직하게 형성된다. In0.52 Al0.48 As p-층(14)아래에는 i-층(16) 또는 광 검출기의 활성 영역이 있다. i-층은 p-층과 동일한 2차원을 갖는다. i-층(16)은 도핑되지 않은 In0.53Ga0.47As(16)으로 형성된다. 이것은 입사광이 흡수되는 곳이며 또한 전기장이 다이오드내에서 가장 높은 곳이다. i-층(16)이 더 두꺼울 수록, 흡수율은 더 높아진다. i-층(16)이 너무 두꺼우면, 층에 걸친 전하 스윕아웃 시간이 검출기의 속도를 제한할 수 있다.
i-층(16)은 Sn-도핑된 In0.52 Al0.48 As으로 형성된 n-접점 층(32)이다. 바람직한 도핑 농도는 5x1019cm-3이상이다. 이러한 층은 두께로서 500-1000nm 사이에서 바람직하게 성장된다. n-층(32)은 n-접점 전극(18)에 접합용의 큰 표면 영역을 제공하기 위해 메사를 지나 확대된다. n-접점 전극(18)은 n-접점 본드 패드(24)에 전기적으로 연결된다. 무반사 코팅체(22)는 전체 표면에 걸쳐 디포지트되며, 또한 창은 전기적 연결을 위한 본드 패드 위에 형성된다. 무반사 코팅체(22)는 넓은 영역의 파장을 포함하도록 설계될 수 있다.
도3을 참조하면, i-층(16)에서 빛의 흡수는 다음식에 의한 흡수 계수와 연관된다.
I = I0 e(-αT)
여기서 I0 = 입사 광 레벨
α= cm-1로서 흡수 계수
T = cm로서 흡수체(즉, i층)의 두께이다.
λ= 850nm에서 GaAs곡선에 대해, α= 104cm-1이다.
T = 2x10-4cm의 두께 값을 취하면, I= 0.135 x I0이며, 또는 빛의 ~86%는 i영역에 의해 흡수되며(즉, 검출되며) 또한 나머지는 InP 기판에 의해 흡수된다(즉, 손실된 다).
In0.53 Ga0.47 As곡선(28)에 대해, α= 4 x 104cm-1이다.
동일한 두께의 활성층에 대해, I = 0.0003 x I0 이며, 즉 본질적으로 모든 빛이 검출된다.
p-i-n 검출기는 원칙적으로 InP:Fe 기판과 접점하여 p-도핑된 n0.52Al0.48As층으로 시작하여 n-도핑된 In0.52Al0.48As층으로 종료하는 것과 같이 반대로 성장될 수 있다. 이러한 구조에서, p-층은 700nm의 두께로 성장될 수 있으며 또한 n-층은 200nm의 두께로 성장될 수 있다. n-도핑된 In0.53Ga0.47As캡 층은 p-도핑된 In0.53Ga0.47As층으로 대체하는 것이 필요할 수 있다. 이러한 n-i-p 포토다이오드 구조는 n- 및 p-형 층이 모두 5 x 1019cm-3 보다 높게 도핑되기 때문에 가능하다.
검출기는 분자 빔 에피텍시 또는 다른 에피텍셜 성장 기술 또는 p-도펀트로서 카본을 이용할 수 있는 프로세서의 기술분야에 숙련된 사람에게 알려진 바와 같이 표준 IC제조 기술을 통해 형성된다.
본 발명은 상술한 정밀한 구조에 한정되어 있지 않다. 하지만 다양한 변경이 다음의 청구항에 한정된 본 발명의 범위로부터 벗어남이 없이 수행될 수 있음은 당연하다.

Claims (27)

  1. 기판;
    상기 기판의 표면에 결합된 n-층;
    상기 n-층의 표면에 결합되고, 상기 기판과 함께 상기 n-층을 샌드위치시키는 i-층;
    상기 i-층의 표면에 결합되고, 상기 n-층과 함께 상기 i-층을 샌드위치시키며, 100 nm 내지 300 nm의 두께를 갖는, 카본 도핑된 InAlAs p-층; 및
    상기 p-층의 표면에 결합되고, 상기 i-층과 함께 상기 p-층을 샌드위치시키며, 빛에 대하여 투명하고, 상기 p-층을 대기로부터 밀봉하는 InGaAs 캡층;
    을 포함하고, 700 nm 내지 1600 nm의 파장을 갖는 전자기 방사에 의해 활성화되는 반도체 p-i-n 광 검출기.
  2. 제 1 항에 있어서, 최상부의 상기 InGaAs 캡층이 p-형 접점을 형성하기 위해 카본 도핑된 In0.53Ga0.47As를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 p-i-n 광 검출기.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 캡층의 표면에 결합되며 또한 전극에 연결되는 전도성 링을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 p-i-n 광 검출기.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 카본 도핑된 InAlAs p-층이 In0.52Al0.48As를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 p-i-n 광 검출기.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 i-층이 In0.53Ga0.47As를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 p-i-n 광 검출기.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 n-층이 In0.52Al0.48As를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 p-i-n 광 검출기.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 카본 도핑은 1 × 1020 cm-3까지의 농도를 갖는 것을 특징으로 하는 반도체 p-i-n 광 검출기.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 i-층은 상기 카본 도핑된 p-층과 상기 n-층 사이에 샌드위치된 것을 특징으로 하는 반도체 p-i-n 광 검출기.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 카본 도핑된 p-층이 200 nm 이하의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 반도체 p-i-n 광 검출기.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 광 검출기가 광학 스위칭을 위한 원격통신 응용에 이용되며 또한 입사광에 의해 스위칭되는 것을 특징으로 하는 반도체 p-i-n 광 검출기.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 최상부의 InGaAs 캡층이 In0.53Ga0.47As를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 p-i-n 광 검출기.
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