KR101000941B1 - 게르마늄 광 검출기 및 그 형성방법 - Google Patents

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Abstract

버퍼층 없이 게르마늄 에피층을 형성할 수 있는 게르마늄 광 검출기 및 그 제조방법이 제공된다. 기판 상에 저온에서 비정질 게르마늄층을 형성하고, 상기 비정질 게르마늄층을 고온으로 승온하여 결정화하고, 상기 결정화된 게르마늄층 상에 게르마늄 에피층을 형성한다.
게르마늄 광 검출기, 비정질, 버퍼층, 저진공

Description

게르마늄 광 검출기 및 그 형성방법{GERMANIUM PHOTODETECTOR AND METHOD OF FORMING THE SAME}
본 발명은 광 검출기 및 그 형성방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 게르마늄 광 검출기 및 그 형성방법에 관한 것이다. 본 발명은 지식경제부 및 정보통신연구진흥원의 IT원천기술개발 사업의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다. [과제관리번호: 2006-S004-03, 과제명: 실리콘 기반 초고속 광인터커넥션IC].
최근 실리콘 기반의 광통신 기술은 능동 장치 및 수동 장치 어플리케이션 모두에서 게르마늄을 수반하고 있다. 상기 게르마늄은 밴드갭 에너지가 0.67 eV로서 실리콘의 1.12 eV에 비해 작기 때문에 상기 실리콘에서 검출하지 못하는 범용 광 통신용 파장(λ: 1.3 ~1.6 ㎛) 검출이 가능하다. 그러나 상기 게르마늄은 상기 실리콘과 4%의 격자 상수 차이가 있다. 때문에 실리콘 기판 상에 결함이 적은 게르마늄 에피층을 직접 성장하는 것이 어렵다. 상기 실리콘 기판과 상기 게르마늄 에피층 사이에 SiGe 버퍼층을 사용하여 p-i-n 검출기를 구성하는 방법이 있다. 그러나, 상기 버퍼층 자체에 상당히 많은 결정 결함들이 내재하고, 상기 버퍼층의 두께가 두꺼워져야 상기 게르마늄 에피층을 성장시킬 수 있다. 때문에 광 검출기의 성능이 저하되고 제작공정에 또한 많은 제약을 받게 된다. 상기 버퍼층 없이 초고진공 CVD(ultra-high vacuum chemical vapor deposition: UHVCVD)나 분자빔 성장(molecular beam epitaxy: MBE) 등과 같은 10-9Torr 이하의 초고진공에서 상기 실리콘 기판상에 상기 게르마늄 에피층을 형성할 수 있다. 그러나, 전위(dislocation)와 같은 결정 결함들을 줄이기 위해 700℃이상에서의 어닐링 공정이 필요하게 된다. 따라서 생산성이 낮을 뿐만 아니라 고온에서의 어닐링 공정에 따른 대량생산에 불리한 점이 있다.
본 발명의 실시예들은 게르마늄 에피층을 갖는 광 검출기 및 그 형성방법을 제공한다.
상술한 기술적 과제들을 해결하기 위한 게르마늄 광 검출기의 제조방법을 제공한다. 이 방법은 기판 상에 제 1 온도에서 비정질 게르마늄층을 형성하는 것, 상기 비정질 게르마늄층을 상기 제 1 온도에서 제 2 온도로 승온 동안 결정화는 것, 그리고 상기 결정화된 게르마늄층 상에 게르마늄 에피층을 형성하는 것을 포함한다.
일 실시예에 따르면, 상기 결정화된 게르마늄층 상에 게르마늄 에피층을 형 성하는 것은 상기 제 1 온도에서 상기 제 2 온도로의 승온과정 또는 상기 제 2 온도에서 이루어질 수 있다.
상술한 기술적 과제들을 해결하기 위한 게르마늄 광 검출기를 제공한다. 이 광 검출기는 기판 상에 직접 접촉하는 게르마늄 에피층, 상기 게르마늄 에피층 상의 제 1 도핑층, 및 상기 기판의 상부 또는 상기 게르마늄 에피층의 하부의 상기 제 1 도핑층과 다른 도전형의 제 2 도핑층을 포함한다.
저진공에서 버퍼층 및 어닐링 공정 없이 게르마늄 에피층을 형성함으로써, 기판 및 공정 비용이 상대적으로 저렴한 게르마늄 광 검출기를 제공할 수 있다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예에 대해 설명한다. 본 발명은 여기서 설명되는 실시 예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다.
본 명세서에서, 도전성막, 반도체막, 또는 절연성막 등의 어떤 물질막이 다른 물질막 또는 기판"상"에 있다고 언급되는 경우에, 그 어떤 물질막은 다른 물질막 또는 기판상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 또 다른 물질막이 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또 본 명세서의 다양한 실시예들에서 제 1, 제 2, 제 3 등의 용어가 물질막 또는 공정 단계를 기술하기 위해서 사용되었지만, 이는 단지 어느 특정 물질막 또는 공정 단계를 다른 물질막 또는 다른 공정 단계와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이며, 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 광 검출기를 제조하는 방법이 설명된다.
도 1을 참조하여, 기판(100)상에 제 1 도핑층(110)을 형성한다. 상기 기판(100)은 실리콘 표면을 가지는 임의의 반도체 근거 구조(semiconductor based structure)를 포함할 수 있다. 이와 같은 반도체 근거 구조는 실리콘, 절연막 상의 실리콘(SOI), 또는 반도체 구조에 지지되는 실리콘 에피탁시얼층을 의미할 수 있다. 기판은 절연막 또는 도전막이 형성되어 있는 기판일 수 있다. 상기 기판(100)에 이온주입 또는 확산공정 등에 의해 n형 또는 p형의 제 1 도핑층(110)이 형성된다. 일 예로 상기 제 1 도핑층(110)의 농도는 5×1020/㎤일 수 있다.
도 2를 참조하여, 상기 제 1 도핑층(110) 상에 비정질(amorphous)의 게르마늄층(120)을 형성한다. 일 예로, GeH4 가스가 상기 기판(100)으로 도입된다. 1∼300 Torr의 압력에서 기판 온도는 300∼500℃의 저온으로 유지될 수 있다. GeH4 가스는 게르마늄과 H2 가스로 분해되고, 분해된 게르마늄은 상기 기판(100) 상에 증착되어, 300nm 이하의 얇은 두께의 게르마늄층을 형성할 수 있다. 증착속도가 낮기 때문에 매우 얇은 두께의 조절이 가능하다. 게르마늄층은, 낮은 기판 온도로 인하여, 상기 기판(100) 상에 비정질 상태로 성장하게 된다.
도 3을 참조하여, 상기 기판(100)은 600∼700℃의 고온으로 승온된다. 상기 비정질 게르마늄층(120)은 승온과정에서 적어도 일부가 결정화되어 결정화된 게르마늄층(121)이 될 수 있다. 승온 과정 또는 승온 후에 반응 가스인 GeH4를 상기 기판(100) 상에 도입하여 게르마늄 에피층(130)이 형성된다. 상기 결정화 및 상기 게 르마늄 에피층(130)의 성장은 1-300Torr의 압력에서 이루어질 수 있다. 이러한 공정에 따라 형성되는 상기 게르마늄 에피층(130)은 상기 기판(100)과의 격자 상수 차이로 인한 스트레스가 완화되어, 별도의 버퍼층이나 어닐링 공정이 요구되지 않을 수 있다. 이에 따라, 상기 결정화된 게르마늄층(121) 상에 증착되는 상기 게르마늄 에피층(130)은 동종 원소로 인한 에피 성장이 가능하다. 그 결과 상기 게르마늄 에피층(130)과 상기 기판(100)과의 격자상수 차이로 인한 격자 결함들이 감소할 수 있다.
도 4a 및 도 4b를 참조하여, 상기 기판(100) 상의 0.1㎛ 두께의 상기 결정화된 게르마늄층(121)으로부터 성장한 1.3㎛ 두께의 상기 게르마늄 에피층(130)을 볼 수 있다. 상기 게르마늄 에피층(130)은 세코 에칭(Secco etching) 방법으로 측정시 2×106/㎠의 낮은 실 모양의 전위(threading dislocation) 밀도를 갖는다. 상기 기판(100)의 실리콘 원자 상에 대부분의 게르마늄 원자가 일치하여(coherently) 증착되었다. 상기 실 모양의 전위를 통해, 상기 결정화된 게르마늄층(121)이 상기 실리콘과 게르마늄 사이의 4%의 격자상수 차이(lattice mismatch)를 완화시켜 준다.
도 5를 참조하여, 상기 기판(100) 상에 형성된 상기 게르마늄 에피층(130)의 X-선 회절 특성을 볼 수 있다. 도 5의 피크 101은 기판 상에 형성된 게르마늄 에피층의 회절 결정면을 나타내며, 상기 게르마늄 에피층에 다른 다결정 구조 없이 에피 결정으로 성장하였음을 보여주고 있다.
도 6를 참조하여, 상기 게르마늄 에피층(130) 상에 제 2 도핑층(140)을 형성 한다. 상기 제 2 도핑층(140)은 상기 게르마늄 에피층(130)에 n형 또는 p형 불순물 원소를 도입하여 형성될 수 있다. 다른 방법으로, 상기 제 2 도핑층(140)은 n형 또는 p형으로 도핑된 실리콘, 폴리 실리콘 등이 상기 게르마늄 에피층(130) 상에 증착되는 것에 의하여 형성될 수 있다. 일 예로, 상기 제 2 도핑층(140)의 농도는 1×1019/㎤일 수 있다. 상기 제 2 도핑층(140)은 상기 제 1 도핑층(110)과 다른 도전형을 갖게 하여 p-i-n 검출기를 구성한다.
도 7 및 도 8을 참조하여, 상기 결정화된 게르마늄층(121), 상기 게르마늄 에피층(130) 및 상기 제 2 도핑층(140)을 이방성 식각하여 패터닝한다. 이에 의해 상기 제 1 도핑층(110)이 노출된다. 절연보호층(160)이 형성된다. 상기 절연보호층(160)은 산화막, 질화막 또는 산화질화막으로 형성될 수 있다. 상기 절연보호층(160)의 일부를 식각하여 상기 제 1 도핑층(120) 및 상기 제 2 도핑층(140)을 노출한다. 노출된 부분에 전극(150)을 형성한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 광 검출기를 제조하는 방법이 설명된다.
제 1 도핑층을 형성하는 방법에서의 차이를 제외하면 이 실시예는 앞서 제 1 실시예의 그것과 유사하다. 따라서, 설명의 간결함을 위해, 중복되는 기술적 특징들에 대한 설명은 아래에서 생략된다.
도 9를 참조하여, 상기 기판(200) 상에 비정질 게르마늄 제 1 도핑층(220)을 형성한다. 일 예로, GeH4 가스가 상기 기판(200)으로 도입된다. 1-300Torr의 압력에서 기판 온도는 300∼500℃의 저온으로 유지될 수 있다. GeH4 가스는 게르마늄과 H2 가스로 분해되고, 분해된 게르마늄은 상기 기판(200) 상에 증착되어, 300nm 이하의 얇은 두께의 게르마늄층을 형성할 수 있다. 증착속도가 낮기 때문에 매우 얇은 두께의 조절이 가능하다. 게르마늄층은, 낮은 기판 온도로 인하여, 상기 기판(200) 상에 비정질 상태로 성장하게 된다. 비정질 게르마늄층은 형성되는 동안 이온주입 또는 확산공정 등에 의해 인 시츄(in-situ)로 n형 또는 p형으로 도핑되어 비정질 게르마늄 제 1 도핑층(220)이 된다. 일 예로 상기 제 1 도핑층(110)의 농도는 5×1020/㎤일 수 있다.
도 10을 참조하여, 상기 기판(200) 및 상기 비정질 게르마늄 제 1 도핑층(220)은 600∼700℃의 고온으로 승온된다. 상기 비정질 게르마늄 제 1 도핑층(220)은 승온과정에서 적어도 일부가 결정화되어 결정화된 게르마늄 제 1 도핑층(221)이 될 수 있다. 승온 과정 또는 승온 후에 반응 가스인 GeH4를 상기 기판(200)상에 도입하여 게르마늄 에피층(230)이 형성된다. 상기 결정화 및 상기 게르마늄 에피층(230)의 성장은 1-300Torr의 압력에서 이루어질 수 있다. 이러한 공정에 따라 형성되는 상기 게르마늄 에피층(230)은 상기 기판(200)과의 격자 상수 차이로 인한 스트레스가 완화되어, 별도의 버퍼층이나 어닐링 공정이 요구되지 않을 수 있다. 이에 따라, 상기 결정화된 게르마늄 제 1 도핑층(221) 상에 증착되는 상기 게르마늄 에피층(230)은 동종 원소로 인한 에피 성장이 가능하다. 그 결과 상기 게르마늄 에피층(230)과 상기 기판(200)과의 격자상수 차이로 인한 격자 결함들이 감소할 수 있다.
도 11을 참조하여, 상기 게르마늄 에피층(230) 상에 제 2 도핑층(240)을 형성한다. 상기 제 2 도핑층(240)은 상기 게르마늄 에피층(230)에 n형 또는 p형 불순물 원소를 도입하여 형성될 수 있다. 다른 방법으로, 상기 2 도핑층(240)은 n형 또는 p형으로 도핑된 실리콘, 폴리 실리콘 등이 상기 게르마늄 에피층(230) 상에 증착되는 것에 의하여 형성될 수 있다. 일 예로, 상기 제 2 도핑층(140)의 농도는 1×1019/㎤일 수 있다. 상기 제 2 도핑층(240)은 상기 결정화된 게르마늄 제 1 도핑층(221)과 다른 도전형을 갖게 하여 p-i-n 검출기를 구성한다.
도 12 및 도 13을 참조하여, 상기 결정화된 게르마늄 제 1 도핑층(221), 상기 게르마늄 에피층(230) 및 제 2 도핑층(240)을 이방성 식각하여 패터닝 한다. 이에 의해 상기 결정화된 게르마늄 제 1 도핑층(221)이 노출된다. 절연보호층(260)이 형성된다. 상기 절연 보호층(260)은 산화막, 질화막 또는 산화질화막으로 형성될 수 있다. 상기 절연보호층(260)의 일부를 식각하여 상기 결정화된 게르마늄 제 1 도핑층(221) 및 상기 제 2 도핑층(240)을 노출한다. 노출된 부분에 전극(250)을 형성한다.
도 14를 참조하여, 본 발명의 실시예들에 따른 상기 게르마늄 광 검출기의 전류-전압 특성도를 볼 수 있다. 0.47A/W의 반응도(responsivity)를 갖는 광 전류는 역 바이어스 전압에서 평탄하고 넓은 범위를 갖고, 누설전류(leakage current)는 -0.5V에서 30nA이다. 또한 0V에서도 거의 완전한 DC 응답을 얻었다. 이는 전기장이 바이어스 없이도 공핍층에서 성립될 정도록 충분히 성립된 것을 의미한다. 5mW의 광 파워까지, DC 광전류의 어떤 압축도 관찰되지 않았다.
도 15를 참조하여, 본 발명의 실시예들에 따른 검출기의 속도를 볼 수 있다. 검출기의 속도는 20㎛와 40㎛ 지름의 검출기용 임펄스 반응 장치를 이용하여 측정되었다. 중심 파장이 1550nm인 디지털 커뮤니케이션 분석기(digital communication analyzer)의 모드-락킹된 펄스(mode locked pulses)가 -1V, -2V 및 -3V의 검출기로 연결되었다. 상기 검출기의 순간적인 응답의 형태는 대개 끝 부분이 언덕(hillock) 형상인 가우시안(Gaussian)이었다. 도 15의 주파수 스펙트럼을 얻기 위해 푸리에 변환(Fourier transform)이 수행되었다. 검출기가 50Gb/s의 비트 레이트(bit rate)를 수행할 수 있는 것을 보여주는 35GHz의 3-dB 밴드폭을 볼 수 있다.
도 1 내지 도 3 및 도 6 내지 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 게르마늄 광 검출기를 형성하는 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 실시예들에 따른 기판 상에 형성된 게르마늄 에피층의 계면 상태를 나타내는 TEM(transmission electron microscope) 이미지들이다. 도 4b는 도 4a의 박스A 부분의 확대도이다.
도 5는 본 발명의 실시예들에 따른 기판 상에 형성된 게르마늄 에피층의 X-선 회절 특성을 나타내는 그래프이다.
도 9 내지 도 13은 본 발명의 다른 실시예에 따른 게르마늄 광 검출기를 형성하는 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 14는 본 발명의 실시예들에 따른 게르마늄 광 검출기의 전류-전압 특성을 나타내는 그래프이다.
도 15는 본 발명의 실시예들에 따른 게르마늄 광 검출기의 속도를 나타내는 그래프이다.

Claims (10)

  1. 기판 상에 제 1 온도에서 비정질 게르마늄층을 형성하는 것;
    상기 비정질 게르마늄층을, 상기 제 1 온도에서 제 2 온도로 승온 동안, 결정화는 것; 그리고
    상기 결정화된 게르마늄층 상에 게르마늄 에피층을 형성하는 것을 포함하는 게르마늄 광 검출기의 제조방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 결정화된 게르마늄층 상에 게르마늄 에피층을 형성하는 것은 상기 제 1 온도에서 상기 제 2 온도로의 승온과정 또는 상기 제 2 온도에서 이루어지는 게르마늄 광 검출기의 제조방법.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 비정질 게르마늄층을 형성하는 동안에 불순물 원자를 인 시츄(in-situ)로 도핑하는 게르마늄 광 검출기의 제조방법.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 제 1 온도는 300∼500℃인 게르마늄 광 검출기의 제조방법.
  5. 제 4항에 있어서, 상기 제 2 온도는 600∼700℃인 게르마늄 광 검출기의 제조방법.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 비정질 게르마늄층 및 상기 게르마늄 에피층을 형성하는 것은 1∼300 Torr의 저진공에서 이루어지는 게르마늄 광 검출기의 제조방법.
  7. 제 1항에 있어서, 상기 비정질 게르마늄층은 300nm 이하로 형성되는 게르마늄 광 검출기의 제조방법.
  8. 기판 상에 직접 접촉하는 게르마늄층;
    상기 게르마늄층 상의 제 1 도핑층; 및
    상기 기판의 상부 또는 상기 게르마늄층의 하부의 상기 제 1 도핑층과 다른 도전형의 제 2 도핑층을 포함하고,
    상기 게르마늄층은 세코 에칭(Secco etching) 방법으로 측정된 실모양의 전위를 갖는 게르마늄 광 검출기.
  9. 제 8항에 있어서, 상기 전위의 농도는 2×106/㎠ 이하인 게르마늄 광 검출기.
  10. 제 8항에 있어서, 상기 게르마늄 광 검출기는 -1.0V에서 100nA 이하의 누설전류를 갖는 게르마늄 광 검출기.
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