KR101080882B1 - 애벌란치 포토 다이오드 및 그의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 애벌란치 포토 다이오드 및 그의 제조방법에 관한 것으로, 기판, 버퍼층, 광 흡수층, 그래이딩층, 필드제어층, 및 증폭층을 순차적으로 형성하고, 증폭층의 내부에 식각을 방지하는 식각중지층을 삽입함으로써, 증폭층 식각 시 원하는 깊이까지 정확하게 재현할 수 있다.
애벌란치 포토 다이오드(APD), 식각중지층
Description
본 발명은 아연 단일 확산을 위해 애벌란치 포토 다이오드 제작 과정에서 증폭층의 정확한 식각 깊이를 재현하고, 식각 표면의 거칠기를 감소시켜 균일한 아연 확산을 가능하게 하는 애벌란치 포토 다이오드 및 그의 제조방법에 관한 것이다.
포토 다이오드는 광전 변환 소자의 일종으로서, 수신된 광을 전기 신호로 변환시켜서 출력하며, 포토 다이오드 중 애벌란치 포토 다이오드(Avalanche Photodiode)는 변환된 전기 신호를 그 내부에서 증폭시켜 출력할 수 있는 광전 변환 소자의 일종이다.
애벌란치 포토 다이오드는 광전 변환된 광신호의 증폭 특성을 구현하기 위해서는 증폭층을 의도하는 구조로 정확하게 형성시키고, 아연(Zn) 확산 영역의 에지(edge)에서 발생되는 항복현상을 극복해야 한다.
도 1은 종래의 애벌란치 포토 다이오드의 구조를 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 종래의 애벌란치 포토 다이오드(100)는 반도체 기판(110) 상에 순차적으로 성장된 흡수층(120), 그래디이딩층(130), 버퍼층(140), 증폭층(190), 증폭층(190) 상부에 형성되는 상부 전극(181, 182), 반도체 기판(110)의 하부에 성장되는 하부 전극(162), 및 표면 보호막(161)을 포함한다.
반도체 기판(110)은 n+InP 재질의 반도체 물질을 사용할 수 있고, 흡수층(120)은 n-InGaAs를 사용할 수 있다. 그 외에, 그래이딩층(130)은 n-InGaAsP를 사용하고, 버퍼층(140) 및 증폭층(190)은 n-InP를 사용할 수 있다. 그리고, 표면 보호막(161)은 SiNx 재질의 유전체 물질 군에서 사용할 수 있다.
증폭층(190)은 상단 일부에 확산 영역(150), 가이드 영역(171, 172)이 형성되며, 확산 영역(150)은 중심(152) 및 주변주(151, 153)로 구성되며, 중심부(152)의 버퍼층(140)으로부터의 높이 (Wm, A)는 주변부 (151, 153)의 버퍼층(140)의 높이(B)에 비하여 낮게 형성된다.
확산 영역(150)은 증폭층(190)의 일부가 리세스 식각(recess etching)된 후에, 불순물의 확산과 드라이브 인(drive-in) 공정에 의해 형성된다.
애벌란치 포토 다이오드(100)로 입력된 광은 버퍼층(140)을 여기시키고, 버퍼층(140)은 광에 의해 여기되면서 전자와 정공을 생성한다. 버퍼층(140)에서 생성된 전자 및 정곡은 전자-정공 쌍(Electron hole pair;이하 EHP)이라 불린다.
애벌란치 포토 다이오드(100)는 역전압이 걸려 있음으로, 흡수된 EHP에서 전자는 n형 하부 전극(162)을 통해서 방출되고, 정공은 그래이딩 층(130)과 버퍼 층(140)을 순차적으로 지나서 증폭층(190)으로 입력된다. 증폭층(190)으로 입력된 정공은 증폭 된 후 P형의 상기 상부 전극(181)을 통해 서 출력된다.
애벌란치 포토 다이오드(100)는 광에서 변환된 전기신호를 내부적으로 증폭시킴으로써 다른 형태의 증폭 소자에 비해서 상대적으로 작은 잡음의 큰 출력을 갖는 전기 신호를 출력할 수 있다.
애벌란치 포토 다이오드 내부에서 전기 신호를 증폭시키기 위해서 추가적인 동작 시간을 필요로 하게 되며, 애벌란치 포토 다이오드의 동작 시간은 증폭층의 두께에 비례해서 증가하게 된다.
반면에, 증폭층의 폭이 작아지는 경우에 에지 항복이 일어날 가능성이 커지게 되는 문제가 있다. 전계가 에지에 집중 분포되는 것을 방지하기 위해서 확산 영역 및 가드링을 사용함으로써 상술한 에지 항복 현상을 극복할 수 있다.
그러나, 확산 영역을 형성하기 위해서는 습식 에칭등의 방법으로 증폭층의 일부를 에칭시켜야 하는데, 이때, 습식 식각의 깊이 재현성이 떨어지며, 매 시료마다 아연 확산 열처리 시간을 변경 적용해야 하는 문제가 발생한다.
또한, 습식 식각에 의해 형성되는 표면의 거칠기(roughness)가 커서 아연 확산 시 불균일하게 확산되는 문제가 발생한다.
본 발명은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 증폭층 내부에 식각액에 의해 식각되지 않는 식각중지층을 삽입하여 식각 깊이 재현 및 식각되는 표면의 거칠기를 감소시키는 애벌란치 포토 다이오드 및 그의 제조방법을 제공하는 데에 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 애벌란치 포토 다이오드 및 그의 제조방법에 있어서, 증폭층 내부에 식각중지층을 삽입 성장시켜 식각 깊이를 조절할 수 있으며 리세스 식각 시 정확하게 식각의 재현할 수 있다.
본 발명은 기판, 버퍼층, 광 흡수층, 그래이딩층, 필드 제어층, 및 제 1증폭층이 순차적으로 적층되는 애벌란치 포토다이오드(Avalanche Photodiode)에 관한 것으로, 상기 제 1증폭층의 상부에 형성되어 식각을 방지하는 식각중지층을 포함하고, 상기 식각중지층의 상부에 형성되어, 식각이 가능한 제 2증폭층을 포함할 수 있다.
본 발명에서 상기 식각중지층은 인듐갈륨비소(InGaAs)로 형성되며, 상기 제 2증폭층을 식각하는 식각액은 HCI:H3PO4 또는 HCI:H2O를 사용할 수 있다.
또한, 본 발명은 애벌란치 포토 다이오드 제조방법에 관한 것으로 기판의 상부에 광 흡수층, 그래이딩층, 버퍼층, 및 증폭층을 순차적으로 형성하는 단계를 포함하고, 상기 증폭층의 내에 식각 중지층을 삽입 형성하는 단계를 포함하며, 상기 증폭층의 상부에 패턴을 형성하여 식각하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명에서 상기 식각 중지층을 형성하는 단계는 상기 증폭층의 상부로부터 상기 증폭층의 식각 깊이에 따라 형성되는 위치를 가변할 수 있다.
본 발명에서 상기 식각 중지층은 0.1㎛이상 0.3㎛ 이하의 두께로 삽입 성장하여 형성할 수 있다.
본 발명에서 상기 식각하는 단계에서 포토레지스트 또는 이산화 실리콘 마스크를 사용하여 상기 패턴을 형성하고, 습식 식각법을 통해 식각할 수 있다.
본 발명은 증폭층 내에 식각중지층을 삽입함에 따라 리세스 식각의 재현성을 향상시키며, 식각 깊이를 정확하게 조절하여 공정의 신뢰성을 향상시키는 효과가 있다.
또한, 식각중지층에 의해 증폭층 식각 시 리세스 식각에 의해 형성되는 식각면의 거칠기가 감소되어 균일한 아연 확산이 가능한 효과가 있다.
본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 하 기의 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하며, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 애벌란치 포토 다이오드의 증폭층을 나타낸 도면이다.
도 2를 참조하면, 도 1의 애벌란치 포토 다이오드 중 확산 영역을 포함하는 증폭층을 좀 더 자세하게 나타낸 도면으로 제 1증폭층(202), 제 2증폭층(204), 식각중지층(210), 패턴 마스트(220), 및 리세스 식각부(230)를 포함한다.
제 1증폭층(202)과 제 2증폭층(204)은 애벌란치 포토 다이오드의 증폭층을 나타내며, 증폭층 내부에 식각중지층(210)을 삽입함에 따라 나누어 표현한 것으로 제 1증폭층(202)과 제 2증폭층(204)모두 u-InP로 형성할 수 있다.
그리고, 본 발명에서는 식각중지층(210)이 증폭층(200)에 삽입되는 방법으로 설명하였으나, 제 1증폭층(202), 식각중지층(210), 및 제 2증폭층(204)을 순차적으로 형성할 수 있다.
제 2증폭층(204)의 높이는 확산 영역을 위한 리세스 식각 시 원하는 식각의 높이와 동일하게 형성한다.
식각중지층(210)은 인듐갈륨비소(InGaAs)로 형성하며, 한정되는 것은 아니나 0.1㎛ ~ 0.3㎛의 두께로 형성할 수 있으며 바람직하게는 0.2㎛로 성장할 수 있다.
식각 중지층(210)을 포함하는 증폭층(200)에 확산 영역을 형성하기 위해서는 패턴 마스크(220)를 제 2증폭층(204)의 상부에 형성한 후, 습식식각을 이용하여 식각을 한다.
이때, 사용되는 식각액은 식각 중지층(210)은 식각하지 않으며, 제 2증폭층(204)은 식각하는 용액을 사용하며, 한정되는 것은 아니나 HCI:H3PO4 또는 HCI:H2O를 사용할 수 있다.
그리고, 패턴 마스크(220)는 포토레지스트(Photoresist) 또는 이산화 실리콘(SiO2)으로 형성할 수 있다.
본 발명에 의하면, 식각중지층(210)을 중심으로 확산 영역이 형성됨으로 시각된 면의 거칠기가 양호하여 아연 등의 불순물의 확산 시 균일하게 확산함으로써 균일한 광 출력을 나타낼 수 있다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 도 2의 증폭층을 포함하는 애벌란치 포토 다이오드를 나타낸 도면으로, 도 3a는 아래에서 빛이 수광되며, 도 3b는 위에서 빛이 수광된다.
도 3a를 참조하면, 하부 전극(162), 기판(110), 버퍼층(140), 흡수층(120), 그래이딩층(130), 필드 제어층(131), 상기 도 2의 증폭층(200), 표면 보호막(161), 및 상부 전극(181)을 포함한다.
하부 전극(162)은 기판(110)의 하부의 소정 부분에 형성되며, 하부 전 극(162)이 형성되지 않은 부분에는 반사 방지막(163)을 형성하여 아래에서 수광되는 빛이 반사되는 것을 방지한다.
기판(110)은 n-InP 재질의 반도체 물질을 사용할 수 있으며, 버퍼층(140)은 기판(110)의 상부에 n-InP 물질로 형성된다. 이때, 사용자의 설계 변경에 따라 버퍼층(140)은 생략될 수 있다.
흡수층(120)은 i-InGaAs/n-InGaAs의 물질로 형성하며, 그래이딩층(130)은 n-InGaAsP로 형성한다.
필드 제어층(131)은 그래이딩층(130)의 상부에 n-InP 물질로 형성되며, 필드 제어층(131)의 상부에 도 2에서 형성된 식각중지층(210)을 포함하는 증폭층(200)이 형성된다.
증폭층(200)은 도핑하지 않은 InP(u-InP) 물질로 형성되며, 증폭층(200)의 소정 부분 아연 확산 공정을 위해 증폭층(200)의 일부가 리세스 식각(recess etching)된 후에 불순물의 확산과 드라이브 인(drive-in) 공정에 의해 확산 영역(150)이 형성된다.
확산 영역(150)은 식각중지층(210)을 기준으로 상부에 식각되어 형성된 부분 및 식각 중지층(210)의 하부로 확산된 부분으로 형성되며, 좀더 자세하게, 식각중지층(210)의 하부로 확산된 영역은 식각중지층(210)과 필드 제어층(131) 사이에 형성되며, 증폭층(200)의 상부에 형성되는 표면 보호막(161)이 없는 중심 부분만으로 형성된다.
표면 보호막(161)은 SiNX 또는 SiO2 재질의 유전체 군에서 사용할 수 있다.
도 3a를 참조하면, 반사 방지막(163), 기판(110) 및 버퍼층(140)을 거쳐 입사된 광이 흡수층(120)을 여기시키고, 흡수층(120)에서 전자와 정공을 생성한 후, 전자는 하부 전극(162)을 통해 방출시키고, 정공으 그래이딩층(130), 필드제어층(131), 증폭층(200), 및 상부전극(181)을 통해 방출한다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다"등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
당업자는 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 설명된 실시형태를 변경 또는 변형할 수 있으며, 이러한 변경 또는 변형도 본 발명의 범위에 속한다. 또한, 본 명세서에서 설명한 각 구성요소의 물질은 당업자가 공지된 다양한 물질로부터 용이하게 선택하여 대처할 수 있다. 또한, 당업자는 본 명세서에서 설명된 구성요소 중 일부를 성능의 열화 없이 생략하거나 성능을 개선하기 위해 구성요소를 추가할 수 있다. 뿐만 아니라, 당업자는 공정 환경이나 장비에 따라 본 명세서에서 설명한 방법 단계의 순서를 변경할 수도 있다. 따라서 본 발명의 범위는 설명된 실시형태가 아니라 특허청구범위 및 그 균등물에 의해 결정되어야 한다.
도 1은 종래의 애벌란치 포토 다이오드의 구조를 나타낸 도면.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 애벌란치 포토 다이오드의 증폭층을 나타낸 도면.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 도 2의 증폭층을 포함하는 애벌란치 포토 다이오드를 나타낸 도면.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100 : 애벌란치 포토 다이오드 110 : 반도체 기판
120 : 흡수층 130 : 그래이딩층
131 : 필드 제어층 140 : 버퍼층
150 : 확산 영역 151, 153 : 주변부
152 : 중심부 161 : 표면 보호막
162 : 하부전극 163 : 반사방지막
171, 172 : 가이드 영역 181, 182 : 상부전극
190, 200 : 증폭층 202 : 제 1증폭층
204 : 제 2증폭층 210 : 식각중지층
220 : 패턴 마스크 230 : 리세스 식각부
Claims (6)
- 기판, 버퍼층, 광 흡수층, 그래이딩층, 필드 제어층, 및 제 1증폭층이 순차적으로 적층되는 애벌란치 포토다이오드(Avalanche Photodiode)에 있어서,상기 제 1증폭층의 상부에 형성되어 식각을 방지하며, 인듐갈륨비소(InGaAs)를 이용하여 0.1㎛ 내지 0.3㎛ 의 두께로 형성되는 식각중지층; 및상기 식각중지층의 상부에 형성되어, 식각이 가능한 제 2증폭층;을 포함하되,상기 제 2증폭층을 식각하기 위한 패턴마스크는 포토레지스트(Photoresist) 또는 이산화실리콘(SiO2)을 사용하며, 상기 제 2증폭층을 식각하는 식각액은 HCI:H3PO4 또는 HCI:H2O를 사용하는 것을 특징으로 하는 애벌란치 포토 다이오드.
- 삭제
- 제 1항의 애벌란치 포토 다이오드를 제조하는 방법에 있어서,기판의 상부에 광 흡수층, 그래이딩층, 버퍼층, 및 증폭층을 순차적으로 형성하는 단계;상기 증폭층의 내에 식각 중지층을 삽입 형성하는 단계; 및상기 증폭층의 상부에 패턴을 형성하여 식각하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 애벌란치 포토 다이오드 제조방법.
- 제 3항에 있어서, 상기 식각 중지층을 형성하는 단계는,상기 증폭층의 상부로부터 상기 증폭층의 식각 깊이에 따라 형성되는 위치가 가변되는 것을 특징으로 하는 애벌란치 포토 다이오드 제조방법.
- 삭제
- 제 3항에 있어서, 상기 식각하는 단계에서,포토레지스트 또는 이산화 실리콘 마스크를 사용하여 상기 패턴을 형성하고, 습식 식각법을 통해 식각하는 것을 특징으로 하는 애벌란치 포토 다이오드 제조방법.
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2008
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