KR100729048B1 - 포토 다이오드 및 그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 포토 다이오드 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 그 표면을 요철구조로 형성하여 광 흡수율을 향상시키는 포토 다이오드 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 포토 다이오드는 양의 전압이 인가되는 N형 전극과 음의 전압이 인가되는 P형 전극을 구비하고, 일 영역에 광전 변환층이 형성된 반도체 기판 및 상기 광전 변환층 상에 형성되며, 그 표면이 요철구조인 절연층을 포함하며, 상기 요철구조는 빛의 입사각이 임계각보다 작도록 형성된 구조이다.
포토다이오드, 수광소자, 임계각, 요철구조, 표면적
Description
도 1은 종래 포토 다이오드를 나타낸 도이다.
도 2는 본 발명에 따른 포토 다이오드의 일 실시예를 나타낸 도이다.
도 3은 본 발명에 따른 포토 다이오드의 다른 실시예를 나타낸 도이다.
도 4는 본 발명에 따른 포토 다이오드의 또 다른 실시예를 나타낸 도이다.
도 5는 광의 전반사 현상을 보여주는 도면이다.
도 6은 본 발명에 따른 포토 다이오드 제조 방법을 나타낸 도이다.
*** 도면의 주요 부호에 대한 설명 ***
130a, 130b, 130c: 반도체 기판 150a: 금(Au)
130a, 130b: 절연층
본 발명은 포토 다이오드 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 그 표면을 요철구조로 형성하여 광 흡수율을 향상시키는 포토 다이오드 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
포토 다이오드는 기본적으로, 광자 흡수에 의해 전자 또는 정공이 생성됨으로써 다이오드의 전도도가 광신호에 따라 변조된다는 원리를 이용한다. 즉, 포토 다이오드의 전류는 본질적으로 캐리어의 광학적 생성률에 따라 변화하며, 이러한 특성은 시간에 따라 변화하는 광신호를 전기적 신호로 변환시키는 것이다.
상술한 특성을 이용하여 포토 다이오드는 광센서와 같은 광통신 분야에 고루 사용되고 있다.
도 1은 종래 포토 다이오드를 나타낸 도이다.
도 1을 참조하여 설명하면, 종래 포토 다이오드는 반도체 기판(14) 및 절연층(15)을 포함한다.
반도체 기판(14)은 양의 전압이 인가되는 N형 전극(11)과 음의 전압이 인가되는 P형 전극(12)을 구비하고, 일 영역에 광전 변환층(10)을 구비한다. 반도체 기판(14)은 먼저 비정질 실리콘으로 형성되며, 이 후, 비정질 실리콘에 소정의 열처리 공정을 진행하여 단결정 실리콘으로 결정화하여 사용한다.
N형 전극(11)은 반도체 기판(14) 내부의 일 영역에 N형 이온을 주입하여 형성한다.
P형 전극(12)은 반도체 기판(14) 내부의 일 영역에 P형 이온을 주입하여 형성한다.
광전 변환층(10)은 반도체 기판(14)의 내부에 형성되며 그 표면이 외부로 노출되 있다. 따라서, 광전 변환층(10)은 표면을 통해 입사하는 빛에 따라 전하를 생성하여 빛 에너지를 전기적인 에너지로 변환한다.
절연층(15)은 광전 변환층(10) 상에 형성되며, 포토 다이오드와 포토 다이오드 상에 적층될 다른 층들 사이에 전기적인 영향이 미치지 않도록 절연해 주는 역할을 한다.
한편, N형 전극(11)에 애노드(ANODE) 전압을 인가하고, P형 전극(12)에 캐소드(CATHODE) 전압을 인가하면, N형 전극(11)과 P형 전극(12)의 이온 주입 농도가 적절히 배합된다. 즉, 역방향 -바이어스를 인가한다. 이 때 N형 전극(11)이 완전 공핍(Fully Depletion) 상태가 된고, 이에 따라 P형 전극(12)으로 공핍 영역이 확장된다. 이와 같은 공핍 영역은 입사하는 빛 에너지를 흡수하여 전하를 생성하고, 축적한다. 따라서, 공핍 영역은 광전 변환층(10)의 역할을 하여 소정의 광이 흡수되면, 이를 전기적 신호로 변환한다.
상술한 종래 포토 다이오드는 고해상도를 실현하기 위해 고집적화가 진행되면서, 포토 다이오드의 크기도 작아지므로 개구율에 비례하여 감도가 점차 떨어지는 문제점이 있었다. 또한, 입사광의 반사율이 높아 광 흡수율이 상대적으로 감소 되는 문제점이 있었다.
따라서, 상술한 종래 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 그 표면을 요철구조로 형성하여 광 흡수율을 향상시키는 포토 다이오드 및 그 제조 방법을 제공하기 위한 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 기술적 수단으로 본 발명의 일 측면은 양의 전압이 인가되는 N형 전극과 음의 전압이 인가되는 P형 전극을 구비하고, 일 영역에 광전 변환층이 형성된 반도체 기판 및 상기 광전 변환층 상에 형성되며, 그 표면이 요철구조인 절연층을 포함하며, 상기 요철구조는 빛의 입사각이 임계각보다 작도록 형성된 구조인 포토 다이오드를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 측면은 양의 전압이 인가되는 N형 전극과 음의 전압이 인가되는 P형 전극을 구비하고, 일 영역에 광전 변환층을 구비하도록 반도체 기판을 형성하는 단계, 상기 광전 변환층 상에 절연층을 형성하는 단계 및 상기 절연층의 표면을 선택적으로 식각하여, 요철구조를 형성하는 단계를 포함하는 포토 다이오드 제조 방법을 제공하는 것이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명하면 다음 과 같다.
도 2는 본 발명에 따른 포토 다이오드의 일 실시예를 나타낸 도이다.
도 2를 참조하여 설명하면, 본 발명에 따른 포토 다이오드는 반도체 기판(130a) 및 절연층(140a)을 포함한다.
반도체 기판(130a)은 양의 전압이 인가되는 N형 전극(110a)과 음의 전압이 인가되는 P형 전극(120a)을 구비하고, 일 영역에 광전 변환층(100a)을 구비한다. 반도체 기판(130a)은 먼저 비정질 실리콘으로 형성되며, 이 후, 비정질 실리콘에 소정의 열처리 공정을 진행하여 단결정 실리콘으로 결정화하여 사용한다.
N형 전극(110a)은 반도체 기판(130a) 내부의 일 영역에 N형 이온을 주입하여 형성한다.
P형 전극(120a)은 반도체 기판(130a) 내부의 일 영역에 P형 이온을 주입하여 형성한다.
광전 변환층(100a)은 반도체 기판(130a)의 내부에 형성되며 그 표면이 외부로 노출되어 있다. 따라서, 광전 변환층(100a)은 표면을 통해 입사하는 빛에 따라 전하를 생성하여 빛 에너지를 전기적인 에너지로 변환한다.
절연층(140a)은 광전 변환층(100a) 상에 형성되며, 포토 다이오드와 포토 다이오드 상에 적층될 다른 층들(미도시) 사이에 전기적인 영향이 미치지 않도록 절연해 주는 역할을 한다. 본 발명의 실시예에서는 절연층(140a)상에 흩어 뿌려진 형태로 금(150a)을 형성하여 절연층(140a)의 표면이 요철구조가 되도록 한다. 이는 표면적을 증가시키고, 외부로부터의 빛이 임계각보다 작은 각도로 입사될 수 있 도록 하여 포토 다이오드로 흡수되는 빛의 양을 증가시키기 위한 구조이다. 한편, 절연층(140a)의 표면에 흩어 뿌려진 형태로 형성되는 금(150a)은 요철 구조뿐만 아니라, 평평한 구조보다 표면적이 넓은 톱니 구조, 구형 구조 등으로 형성될 수 있다.
한편, N형 전극(110a)에 애노드(ANODE) 전압을 인가하고, P형 전극(120a)에 캐소드(CATHODE) 전압을 인가하면, N형 전극(110a)과 P형 전극(120a)의 이온 주입 농도가 적절히 배합된다. 즉, 역방향 -바이어스를 인가한다. 이 때 N형 전극(110a)이 완전 공핍(Fully Depletion) 상태가 되고, 이에 따라 P형 전극(120a)으로 공핍 영역이 확장된다. 이와 같은 공핍 영역은 입사하는 빛 에너지를 흡수하여 전하를 생성하고, 축적한다. 따라서, 공핍 영역은 광전 변환층(100a)의 역할을 하여 소정의 광이 흡수되면, 이를 전기적 신호로 변환한다.
도 3은 본 발명에 따른 포토 다이오드의 다른 실시예를 나타낸 도이다.
도 3을 참조하여 설명하면, 본 발명에 따른 포토 다이오드는 반도체 기판(130b) 및 절연층(140b)을 포함한다.
반도체 기판(130b)은 양의 전압이 인가되는 N형 전극(110b)과 음의 전압이 인가되는 P형 전극(120b)을 구비하고, 일 영역에 광전 변환층(100b)을 구비한다. 반도체 기판(130b)에 대한 설명은 도2를 참조한 설명과 동일함으로 생략하도록 한다.
절연층(140b)은 광전 변환층(100b) 상에 형성되며, 포토 다이오드와 포토 다 이오드 상에 적층될 다른 층들(미도시) 사이에 전기적인 영향이 미치지 않도록 절연해 주는 역할을 한다. 본 발명의 실시예에서는 절연층(140b)의 표면을 선택적으로 식각하여 요철구조로 형성한다. 이는 표면적을 증가시키고, 외부로부터의 빛이 임계각보다 작은 각도로 입사될 수 있도록 하여 포토 다이오드로 흡수되는 빛의 양을 증가시키기 위한 구조이다. 한편, 절연층(140b)의 표면은 요철 구조뿐만 아니라, 평평한 구조보다 표면적이 넓은 톱니 구조, 구형 구조 등으로 형성될 수 있다.
한편, N형 전극(110b)에 애노드(ANODE) 전압을 인가하고, P형 전극(120b)에 캐소드(CATHODE) 전압을 인가하면, N형 전극(110b)과 P형 전극(120b)의 이온 주입 농도가 적절히 배합된다. 즉, 역방향 -바이어스를 인가한다. 이 때 N형 전극(110b)이 완전 공핍(Fully Depletion) 상태가 되고, 이에 따라 P형 전극(120b)으로 공핍 영역이 확장된다. 이와 같은 공핍 영역은 입사하는 빛 에너지를 흡수하여 전하를 생성하고, 축적한다. 따라서, 공핍 영역은 광전 변환층(100b)의 역할을 하여 소정의 광이 흡수되면, 이를 전기적 신호로 변환한다.
도 4는 본 발명에 따른 포토 다이오드의 또 다른 실시예를 나타낸 도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 포토 다이오드는 반도체 기판(130c)을 포함한다.
반도체 기판(130c)은 양의 전압이 인가되는 N형 전극(110c)과 음의 전압이 인가되는 P형 전극(120c)을 구비하고, 일 영역에 광전 변환층(100c)을 구비한다. 반도체 기판(130c)은 먼저 비정질 실리콘으로 형성되며, 이 후, 비정질 실리 콘에 소정의 열처리 공정을 진행하여 단결정 실리콘으로 결정화하여 사용한다.
N형 전극(110c)은 반도체 기판(130c) 내부의 일 영역에 N형 이온을 주입하여 형성한다.
P형 전극(120c)은 반도체 기판(130c) 내부의 일 영역에 P형 이온을 주입하여 형성한다.
광전 변환층(100c)은 반도체 기판(130c)의 내부에 형성되며 그 표면이 외부로 노출되어 있다. 따라서, 광전 변환층(100c)은 표면을 통해 입사하는 빛에 따라 전하를 생성하여 빛 에너지를 전기적인 에너지로 변환한다. 본 발명의 실시예에서는 광전 변환층(100c)의 표면을 선택적으로 식각하여 요철구조로 형성한다. 이는 표면적을 증가시키고, 외부로부터의 빛이 임계각보다 작은 각도로 입사될 수 있도록 하여 포토 다이오드로 흡수되는 빛의 양을 증가시키기 위한 구조이다. 한편, 광전 변환층(100c) 표면은 요철 구조뿐만 아니라, 평평한 구조보다 표면적이 넓은 톱니 구조, 구형 구조 등으로 형성될 수 있다
한편, N형 전극(110c)에 애노드(ANODE) 전압을 인가하고, P형 전극(120c)에 캐소드(CATHODE) 전압을 인가하면, N형 전극(110c)과 P형 전극(120c)의 이온 주입 농도가 적절히 배합된다. 즉, 역방향 -바이어스를 인가한다. 이 때 N형 전극(110c)이 완전 공핍(Fully Depletion) 상태가 되고, 이에 따라 P형 전극(120c)으로 공핍 영역이 확장된다. 이와 같은 공핍 영역은 입사하는 빛 에너지를 흡수하여 전하를 생성하고, 축적한다. 따라서, 공핍 영역은 광전 변환층(100c)의 역할을 하여 소정의 광이 흡수되면, 이를 전기적 신호로 변환한다.
도 5는 광의 전반사 현상을 보여주는 도면이다.
도 5를 참조하여 설명하면, 굴절율이 큰 n1 매질에서 굴절율이 작은 n2 매질로 광이 입사될 때, 입사각을 점점 증가시키면 굴적각 또한 점차적으로 증가하여 결국 90도를 이루게 된다. 이 때의 입사각을 임계각 θc라한다. 즉 임계각으로 입사되는 광은 굴절되어 n1 매질과 n2 매질의 경계면을 따라 진행하게 된다. 또한 입사각이 상기 임계각 이상으로 커지면 굴절각이 90도 이상이 되어 굴절율이 큰 매질에서 작은 매질로 입사되는 모든광은 전반사하게 된다. 따라서, 본 발명에서는 포토 다이오드의 표면을 광의 입사각이 임계각보다 작은 각도인 경사의 요철구조로 형성하여 입사되는 광의 반사율을 줄이고, 포토 다이오드 내부로 수용되는 광의 흡수율을 높이도록 한다.
도 6은 본 발명에 따른 포토 다이오드 제조 방법을 나타낸 도이다.
도 6을 참조하여 설명하면 본 발명에 따른 포토 다이오드 제조 방법은 제 1 단계(ST10) 내지 제 3 단계(ST300)에 걸쳐 진행된다.
제 1 단계(ST10)는 양의 전압이 인가되는 N형 전극과 음의 전압이 인가되는 P형 전극을 구비하고, 일 영역에 광전 변환층을 구비하도록 반도체 기판을 형성하는 단계이다. 먼저 반도체 기판은 비정질 실리콘으로 형성되며, 이 후, 비정질 실리콘에 소정의 열처리 공정을 진행하여 단결정 실리콘으로 결정화하여 사용한다. 이 후, 반도체 기판 내부의 일 영역에 N형 이온을 주입하여 N형 전극을 형성하고, 반도체 기판 내부의 다른 일 영역에 P형 이온을 주입하여 P형 전극을 형성한 다. 광전 변환층은 N형 전극과 P형 전극 사이에 역 바이어스 전압이 인가되었을 때 공핍층의 확장으로 형성되며, 소정의 광이 흡수되면, 이를 전기적 신호로 변환한다.
제 2 단계(ST20)는 광전 변환층 상에 절연층을 형성하는 단계이다. 절연층은 포토 다이오드와 포토 다이오드 상에 적층될 다른 층들(미도시) 사이에 전기적인 영향이 미치지 않도록 절연해 주는 역할을 한다.
제 3 단계(ST30)는 절연층의 표면을 선택적으로 식각하여, 요철구조를 형성하는 단계이다. 즉, 절연층 표면을 플라즈마 이온의 화학반응에 의한 건식 식각 방법을 이용하여 선택적으로 식각하여 요철 구조를 형성한다. 이는 광이 입사되는 표면에 위치한 절연층의 표면적을 넓게 형성하여, 절연층을 통해 광전 변환층으로 흡수되는 광의 수용률을 높이기 위한 것이다. 즉, 절연층의 표면을 요철 구조로 형성하여, 외부로부터의 빛이 임계각보다 작은 각도로 입사될 수 있도록 한다. 한편, 절연층의 표면을 식각하는 방법은 건식 식각 방법 뿐 아니라, 산과 알칼리 같은 용액성 화학 물질을 이용하여 제거하는 습식 식각 방법도 사용할 수 있다.
또한, 도면에는 도시하지 않았으나, 절연층상에 금(Au)을 증착하는 단계와,금에 소정의 열처리를 하여 서로 응집되어 흩어 뿌린 형태로 존재하도록 하는 단계와 소정의 식각 공정을 통해 금을 선택적으로 식각하는 단계를 더 포함하여, 포토 다이오드의 최상위층의 표면을 요철구조로 형성할 수 있다.
또한, 광전 변환층 상에 절연층을 형성하지 않아, 광전 변환층이 외부로 노 출된 최상위층이 되었을 때는 광전 변환층의 표면을 선택적으로 식각하여 상기 요철 구조를 형성할 수 있다.
상술한 모든 실시예에 따른 포토 다이오드의 표면은 요철 구조뿐만 아니라, 평평한 구조보다 표면적이 넓은 톱니 구조, 구형 구조 등으로 형성될 수 있다.
본 발명에 따른 포토 다이오드 및 그 제조 방법에 의하면, 포토 다이오드의 표면을 요철구조로 형성하여 표면적을 증가시킴으로써, 소자의 광 흡수율을 향상시킬 수 있고, 소자의 광흡수율을 높일 수 있고, 고해상도를 실현하기 위해 점차로 진행되는 고집접화에 대응할 수 있는 효과가 있다.
Claims (8)
- 양의 전압이 인가되는 N형 전극과 음의 전압이 인가되는 P형 전극을 구비하고, 일 영역에 광전 변환층이 형성된 반도체 기판; 및상기 광전 변환층 상에 형성되는 절연층을 포함하며,상기 절연층 상부 표면은 요철구조로 형성되는 포토 다이오드.
- 제 1항에 있어서,상기 절연층 상부 표면은 상기 절연층 상에 금이 흩어 뿌려진 형태로 형성됨으로써 요철구조가 구현되는 포토 다이오드.
- 제 1항에 있어서,상기 절연층의 표면은 톱니 또는 구형으로 형성된 포토 다이오드.
- 반도체 기판 내부의 일 영역에 형성되는 N형 전극 및 P형 전극과;상기 반도체 기판의 내부에 형성되며, 그 표면이 외부로 노출되는 광전 변환층이 포함되고,상기 광전 변환층의 외부로 노출된 표면이 요철구조로 형성되는 포토 다이오드.
- 양의 전압이 인가되는 N형 전극과 음의 전압이 인가되는 P형 전극이 구비되고, 일 영역에 광전 변환층이 구비되는 반도체 기판이 형성되는 단계;상기 광전 변환층 상에 절연층이 형성되는 단계; 및상기 절연층의 표면이 요철구조로 형성되는 단계가 포함되는 포토 다이오드 제조 방법.
- 제 5항에 있어서,상기 절연층의 표면을 선택적으로 건식 또는 습식 식각하여 요철구조를 형성하는 포토 다이오드 제조 방법.
- 제 5항에 있어서,상기 절연층의 표면이 요철구조로 형성되는 단계는,상기 절연층 상에 금(Au)이 증착되는 단계;상기 금에 소정의 열처리를 하여, 상기 금이 서로 응집되어 흩어 뿌린 형태로 형성되는 단계; 및식각 공정을 통해 상기 금을 선택적으로 식각함으로써, 상기 절연층의 표면이 요철구조로 형성되는 단계로 구현되는 포토 다이오드 제조 방법.
- 반도체 기판 내부의 일 영역에 N형 전극 및 P형 전극이 형성되는 단계;상기 반도체 기판의 내부에 표면이 외부로 노출되는 광전 변환층이 형성되는 단계; 및상기 광전 변환층의 외부로 노출된 표면이 요철구조로 형성되는 단계가 포함되는 포토 다이오드 제조 방법.
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|---|---|---|---|---|
| KR20020058580A (ko) * | 2000-12-30 | 2002-07-12 | 박종섭 | 포토다이오드 표면적을 증가시킬 수 있는 이미지 센서 및그 제조 방법 |
-
2005
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