KR101113364B1 - 실리콘 광전자 증배관 및 상기 실리콘 광전자 증배관을위한 셀 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 반도체 소자 분야에 관한 것이며, 더 세부적으로는 스펙트럼의 가시 부분을 포함하는 광 발산 검출에 있어 높은 효율을 갖는 검출기에 관한 것이고, 본 발명은 원자력 및 레이저 기술에서 사용될 수 있고, 산업 및 의료 단층 촬영 등에서 사용될 수 있다.
실리콘 광전자 증배관에 의한 기술적 효과가 획득된다(실시예 1).
1018-1020㎝-3의 도핑 에이전트 농도를 갖는 p++ 전도성 타입의 기판을 포함하고, 셀들로 구성된 실리콘 광전자 증배관(photoelectric multiplier)에 있어서, 상기 각각의 셀은, 공간적으로 변화하는 1018-1014㎝-3의 도핑 에이전트 농도를 갖는 p 전도성 타입의 에피택시 층(상기 기판 위에서 성장하는 상기 에피택시 층)과, 1015-1017㎝-3의 도핑 에이전트 농도를 갖는 p 전도성 타입 층과, 1018-1020㎝-3의 도핑 에이전트 농도를 갖는 n+ 전도성 타입 층과, 전압 배분 버스와, 각각의 셀에서, 실리콘 옥사이드 층 위에 위치하는 폴리실리콘 저항(상기 n+ 전도성 타입의 층을 전압 배분 버스와 연결시키는 상기 폴리실리콘 저항)을 포함하며, 이때, 분리 요소가 상기 셀들 사이에 배치된다.
실리콘 광전자 증배관으로 인한 기술적 효과가 얻어진다(실시예 2).
n 전도성 타입의 기판과, 상기 기판 상에 공급되는 1018-1020㎝-3의 도핑 에이 전트 농도를 갖는 p++ 전도성 타입의 층을 포함하는 실리콘 광전자 증배관(photoelectric multiplier)에 있어서, 상기 증배관은 셀들로 구성되어 있고, 각각의 셀은, 공간적으로 변화하는 1018-1014㎝-3의 도핑 에이전트 농도를 갖는 p 전도성 타입의 에피택시 층(즉, 상기 p++ 전도성 타입 층 위에서 성장되는 상기 p 전도성 타입의 에피택시 층)과, 1015-1017㎝-3의 도핑 에이전트 농도를 갖는 p 전도성 타입의 층과, 1018-1020㎝-3의 도핑 에이전트 농도를 갖는 n+ 전도성 타입의 층과, 전압 배분 버스와, 상기 각각의 셀에서, 실리콘 옥사이드 층 위에 위치하는 폴리실리콘 저항(상기 n+ 전도성 타입의 층을 상기 전압 배분 버스에 연결시키는 상기 폴리실리콘 저항)을 포함하며, 이때, 분리 요소가 상기 셀들 사이에 배치된다.

Description

실리콘 광전자 증배관 및 상기 실리콘 광전자 증배관을 위한 셀{SILICON PHOTOMULTIPLIER (VARIANTS) AND A CELL THEREFOR}
본 발명은 반도체 소자 분야에 관한 것이며, 더 세부적으로는 스펙트럼의 가시 부분을 포함하는 광 발산 검출에 있어 높은 효율을 갖는 검출기에 관한 것이고, 본 발명은 원자력 및 레이저 기술에서 사용될 수 있고, 산업 및 의료 단층 촬영 등에서 사용될 수 있다.
단일 광자 검출기를 위한 장치가 S.Cova, M.Ghioni, A.Lacaita, C.Samori, F.Zappa의 “Avalanche photodiodes and quenching circuits for single-photon detection(전자사태 광다이오드 및 단일 광자 검출을 위한 퀀칭 회로)”, APPLIED OPTICS Vol.35 No.12, 1996, 4, 20에서 나타나 있고, 그 장치는 위에 에피택시 층을 형성하는 실리콘 기판을 포함하며, 상기 층은 상기 층의 전도성 타입에 반대되는 전도성 타입의 작은(10 내지 200 미크론) 영역(즉, 셀)을 갖는 표면을 지닌다. 상기 셀은 항복(降伏) 전압을 초과하는 역-바이어스를 공급받는다. 광자가 흡수될 때, 상기 영역에서 가이거 방전(Geiger discharge)이 발생한다. 외부 제동 저항(damping resistor)에 의해, 이러한 방전은 제한된다. 이러한 단일 광자 검출기는 높은 광 검출 효율을 가지나, 그 감도 영역이 매우 작고, 광속 강도(light flux intensity)를 측정할 수 없다. 이러한 결점을 제거하기 위해, 평방 1mm2 이상의 크기를 갖는 공용 기판 상에 위치하는 (103 이상의) 다수의 셀을 사용하는 것이 필수적이다. 이러한 경우에서, 각각의 셀은 앞서 언급된 광자 검출기 기능을 수행하고, 상기 장치는 동작하는 셀의 개수에 비례하는 광도를 총체적으로 검출한다.
RU 2086047 C1, pub. 27.07.97에서 서술된 장치가 실리콘 광전자 증배관의 가장 근래의 종래 기술로서 적용된다. 상기 장치는 실리콘 기판과, 상기 기판의 표면 상에 위치하는 그 크기가 20-40미크론인 다수의 셀을 에피택시 층에 포함한다. 특수 물질 층이 제동 저항으로서 사용된다. 이러한 장치의 결점은 다음과 같다:
- 상기 저항 층에서의 광 흡수로 인하여 단파장 광 검출의 효율이 감소한다.
- 감도 영역의 작은 깊이 때문에, 장파장 광 검출의 효율이 불충분하다.
- 하나의 셀이 동작할 때, 가이거 방전에서 2차 광자가 나타나도록 초래하는 인접 셀들 간의 광 연결(optical connection)의 유효성이 있다. 상기 광자들은 인접 셀들의 작용(lighting)을 초기화할 수 있다. 이러한 광자들의 개수는 증폭 계수에 비례하기 때문에, 이러한 현상에 의해, 소자의 증폭 계수와, 효율도와, 단일 전자 분해능이 제한된다. 덧붙이자면, 광 연결에 의해, 과도한 노이즈 요인이 생성될 수 있고, 상기 요인은 소수의 광자를 산출해내는 이상적인 포아송 통계치를 저해할 수 있다.
- 저항 층 코팅의 기술적 복잡도가 있다. 상기 기술의 효과는, 셀 감도를 증가시킴에 따른 107까지 증가하는 증폭 계수를 갖는 넓은 대역의 파장에서의 광 검출 의 효율을 증가시키는 것과, 단일 전자의 높은 분해능을 획득하는 것과, 과도한 노이즈 요인을 억제하는 것이다.
에피택시 박막에서 형성되고, 약 1미크론의 깊이를 갖는 공핍층에서의 전기장의 균일성을 제공하는 (약 20미크론의 크기를 갖는) 단일 셀 구조가, 실리콘 광전자 증배관의 셀에 대한 가장 근래의 종래 기술로서 받아들여진다. 셀 구조는 낮은 동작 전압을 제공한다(M.Ghioni, S.Cova, A.Lacaita, G.Ripamonti의 “New epitaxial avalanche diode for single-photon timing at room temperature(실온에서의 단일 광자의 타이밍을 위한 새로운 에피택시 전자사태 다이오드)”, Electronics Letters, 24, No.24(1998) 1476). 상기 셀에 대한 검출은 스펙트럼의 장파장 부분(450미크론 이상)의 검출하기에 효율이 불충분하다.
상기 기술의 효과는, 증가된 셀 감도로 인한 넓은 대역의 파정에서의 광 검출 효율을 높이는 것과, 단일 전자의 높은 분해능을 획득하는 것이다.
실리콘 광전자 증배관(photoelectric multiplier)의 두 가지 실시예와, 상기 광전자 증배관을 위한 셀의 구조가 고려된다.
실리콘 광전자 증배관에 의한 기술적 효과가 획득된다(실시예 1).
1018-1020㎝-3의 도핑 에이전트 농도를 갖는 p++ 전도성 타입의 기판을 포함하고, 셀들로 구성된 실리콘 광전자 증배관(photoelectric multiplier)에 있어서, 상기 각각의 셀은, 공간적으로 변화하는 1018-1014㎝-3의 도핑 에이전트 농도를 갖는 p 전도성 타입의 에피택시 층(상기 기판 위에서 성장하는 상기 에피택시 층)과, 1015-1017㎝-3의 도핑 에이전트 농도를 갖는 p 전도성 타입 층과, 1018-1020㎝-3의 도핑 에이전트 농도를 갖는 n+ 전도성 타입 층과, 전압 배분 버스와, 각각의 셀에서, 실리콘 옥사이드 층 위에 위치하는 폴리실리콘 저항(상기 n+ 전도성 타입의 층을 전압 배분 버스와 연결시키는 상기 폴리실리콘 저항)을 포함하며, 이때, 분리 요소가 상기 셀들 사이에 배치된다.
실리콘 광전자 증배관으로 인한 기술적 효과가 얻어진다(실시예 2).
n 전도성 타입의 기판과, 상기 기판 상에 공급되는 1018-1020㎝-3의 도핑 에이전트 농도를 갖는 p++ 전도성 타입의 층을 포함하는 실리콘 광전자 증배관(photoelectric multiplier)에 있어서, 상기 증배관은 셀들로 구성되어 있고, 각각의 셀은, 공간적으로 변화하는 1018-1014㎝-3의 도핑 에이전트 농도를 갖는 p 전도성 타입의 에피택시 층(즉, 상기 p++ 전도성 타입 층 위에서 성장되는 상기 p 전도성 타입의 에피택시 층)과, 1015-1017㎝-3의 도핑 에이전트 농도를 갖는 p 전도성 타입의 층과, 1018-1020㎝-3의 도핑 에이전트 농도를 갖는 n+ 전도성 타입의 층과, 전압 배분 버스와, 상기 각각의 셀에서, 실리콘 옥사이드 층 위에 위치하는 폴리실리콘 저항(상기 n+ 전도성 타입의 층을 상기 전압 배분 버스에 연결시키는 상기 폴리실리콘 저항)을 포함하며, 이때, 분리 요소가 상기 셀들 사이에 배치된다.
두 번째 실시예에서, 첫 번째 실시예에서 사용되는 기판(1)을 대신하여, n 전도성 타입의 기판이 사용되고, 상기 기판은 셀의 레이아웃과 함께, 역 n-p 경계부를 형성한다.
도 1은 본 발명에 따르는 실리콘 광전자 증배관을 위한 셀의 구조를 나타낸다.
도 2는 실리콘 광전자 증배관의 첫 번째 실시예를 나타낸다.
도 3은 실리콘 광전자 증배관의 두 번째 실시예를 나타낸다.
도 4는 본 발명에 따르는 셀의 구조를 나타낸다(역-실시예).
도 5는 실리콘 광전자 증배관의 첫 번째 실시예를 나타낸다(역-실시예).
도 6은 실리콘 광전자 증배관의 두 번째 실시예를 나타낸다(역-실시예).
첫 번째 실시예에 따르는 실리콘 광전자 증배관(photoelectric multiplier)은, p++ 전도성 타입의 기판(1)과, 상기 기판(1) 위에서 성장하는 에피택시 층(EPI)(2)과, p 전도성 타입 층(3)과, n+ 전도성 타입 층(4)과, 전압 분산 버스(6)를 이용하여 상기 층(4)에 연결되어 있는 폴리실리콘 저항(5)과, 실리콘 옥사이드 층(7)과, 분리 요소(10)를 포함한다. 두 번째 실시예에 따르는 실리콘 광전자 증배관은 앞서 언급된 요소 및 연결에 대해서는 제외하고, (p++ 전도성 타입 기판(1)을 대신해) p++ 전도성 타입의 층(8)과, n- 전도성 타입의 기판(9)을 포함한다.
실리콘 광전자 증배관에 대한 셀은, 점진적으로 변화하는 1018-1014㎝-3의 도핑 에이전트 농도를 갖는 p 전도성 타입의 에피택시 층(2)과, 1015-1017㎝-3의 도핑 에이전트 농도를 갖는 p 전도성 타입의 층(3)과, p-n 접합의 도너(donor) 부분을 형성하고 1018-1020㎝-3의 도핑 에이전트 농도를 갖는 n+ 층(4)을 포함하며, 폴리실리콘 저항(5)이 에피택시 층의 감광성 표면 위로 도포되는 실리콘 옥사이드 층(7)위에 위치하는 각각의 셀에 위치하고, 상기 저항(5)이 n+ 층(4)을 전압 분산 버스(6)와 연결시킨다.
낮은 작동 전압과 전기장의 높은 균질성과 함께 이뤄지는, 스펙트럼의 넓은 부분(300 - 900㎚)에서의 효과적인 광 검출은, 에피택시 층에서 특수하게 형성되는 도핑 에이전트 분포 변화도 프로파일로 인하여 발생하는 고유의 전기장을 생성함으로써 이뤄질 수 있다. 에피택시 층에서의 도핑 에이전트 농도는, 기판으로부터 광전자 증배관의 감광성 표면 방향으로 낮아지며, 상기 감광성 표면은 기판으로부터 멀리 떨어진 에피택시 층의 표면(즉, 에피택시 층의 감광성 표면)이다. 실리콘 옥사이드 층(7)이 실리콘 광전자 증배관의 감광성 표면, 즉, 에피택시 층의 감광성 표면 상으로 도포된다. n+ 층(4)을 전압 분산 버스(6)와 연결시키는 폴리실리콘 저항(5)이 실리콘 옥사이드의 층(7) 위의 각각의 셀(7)에 위치한다. 특히 광학 배리어(optical barrier)의 기능을 실행시키는 분리 요소(10)가 셀들 사이에 배치된다. (실리콘 광전자 증배관의 두 번째 실시예에 따르는) 에피택시 층이, 1015-1017㎝-3의 도핑 에이전트 농도를 갖는 n 전도성 타입의 기판(9) 위에 위치하는 p++ 전도성 타입의 층(8) 위에서 성장한다. 두 번째 (역방향) n-p 접합이 p 전도성 타입 층(8)과 기판(9)의 경계부에서 형성되고, 상기 경계부에 의해, 가이거 방전의 2차 광자에 의해 생성되는 광전자가 인접 셀의 감도 영역으로 침투하는 것이 방지된다. 상기 셀들 사이의 분리 요소(광학 배리어)의 적용으로 인하여, 인접 셀로의 2차 가이거 광자의 침투가 방지된다. 예를 들자면, 상기 분리 요소는 배향 <100>을 갖는 실리콘의 이방성 에칭에 의한 삼각 형태(V-그루브)일 수 있다.
상기 실리콘 광전자 증배관이 크기 20 ~ 100미크론을 갖는 독립적인 셀을 포함한다. 모든 셀은 알루미늄 버스와 접합되고, 항복 전압을 초과하는 동일한 바이어스 전압이 상기 셀들에게 공급되며, 이에 따라 가이거 모드로 동작될 수 있다. 광자가 도달했을 때, 셀의 활성 영역에서 퀀칭(quenching)된 가이거 방전이 시작된다. 이러한 방전을 중단시키는 퀀칭은, 각각의 셀에서의 폴리실리콘 저항(전류 제한 저항)(5)의 유효성으로 인하여, p-n 경계부의 전압이 떨어질 때, 전하 캐리어의 수를 0까지로 떨어트림에 따라, 발생한다. 동작되는 셀로부터의 전류 신호가 공용 부하 상에서 요약된다. 각각의 셀의 증폭이 107까지 될 수 있다. 증폭 값의 범위는 셀 용량의 기술적 범위와 상기 셀의 항복 전압에 의해 형성되고, 5% 미만으로 이뤄진다. 모든 셀이 동일하기 때문에, 광 플래시(light flash)를 부드럽게 하는 검출기의 응답이 작동되는 셀의 개수, 즉, 광도(light intensity)에 비례한다. 가이거(Geiger) 모드에서 이뤄지는 동작의 특징 중 하나는, 파워 공급 전압의 안정성을 위해 요구되는, 그리고 열 안정성을 위해 요구되는 바이어스 전압으로부터의 셀 증폭의 선형 종속(linear dependence)이다.
공용 버스(즉, 애노드)(6)에 정전압(positive voltage)이 제공되고, (통상적으로, U=+20-60V의 범위에 있는)그 값은 가이거 모드를 제공하며, 1-2미크론과 동일한 층의 필수 공핍 깊이를 제공한다. 광양자가 흡수될 때, 생성되는 전하 캐리어가 공핍 영역으로부터 군집되는 것이 아니라, 일시적으로 비-공핍 영역으로부터도 군집되며, 도핑 에이전트의 변화 때문에, 고유 전기장이 존재하고, 상기 장은 전자가 애노드 방향으로 이동하도록 힘을 가한다. 따라서 공핍 영역의 깊이를 초과하는 전하 군집의 최대 깊이에 도달하게 되고, 낮은 동작 전압을 형성한다. 이에 따라서, 고정된 셀 레이아웃에서, 그리고 고정된 동작 전압에서, 광 검출의 최대로 높은 효율이 제공된다.
전자사태 방전(avalanche discharge)을 소멸시키기 위한 충족의 조건으로서, 폴리실리콘 저항(5)의 값이 선택된다. 상기 저항은 제조함에 있어, 기술적으로 간단하다. 중요한 특징은, 상기 저항이 활성 부분을 폐쇄하지 않도록(즉, 광 검출 효율을 감소시키지 않도록), 상기 저항이 셀 외곽부에 제공된다는 것이다.
셀들 간의 연결을 차단하기 위해, 실리콘 광전자 증배관 구조물에서 분리 요소가 셀들 사이에 배치된다. 가령, 삼각 형태를 갖는 분리 요소(예를 들어, KOH를 바탕으로 하는 유동 에칭에서, 배향<100>을 갖는 실리콘의 이방성 에칭으로 형성되는 분리 요소)가 있다.
따라서 (하나의 전도성 타입이 그에 반대되는 타입으로 바뀐 층을 갖는 역 -실시예(도 4-6 참조)에서, 반대 부호의 전기 전하 캐리어를 사용함으로써,) p-n 경계부 및 n-p 경계부에서의 공정이 동일하게 이뤄진다. 도 4-6에서 도식된 바와 같이, 그 작동이 유사하게 구현된다. 따라서 청구되는 장치의 역-실시예의 특징은 앞서 언급된 실시예의 특징과 동치이다.

Claims (11)

  1. 실리콘 기반의 광전자 증배관(photo-electric multiplier)에 있어서, 상기 광전자 증배관은
    제 2 전도성 타입의 기판(9)과,
    상기 기판(9) 위에 형성되는 제 1 전도성 타입의 도핑 층(8)으로서, 상기 도핑 층(8)과 기판(9)의 경계부에서 n-p 접합이 형성되는 특징의, 상기 도핑 층(8)과,
    상기 도핑 층(8) 위에 배열되는 복수의 셀
    을 포함하며, 이때 상기 셀은
    상기 도핑 층(8) 위에 형성되고, 도핑 농도의 공간 변화도를 갖는 제 1 전도성 타입의 에피택시 층(2)과,
    상기 에피택시 층(2) 위에 형성되는 제 1 전도성 타입의 제 1 층(3)과,
    상기 제 1 층(3) 위에 형성되는 제 2 전도성 타입의 제 2 층(4)으로서, 상기 제 1 층(3)과 상기 제 2 층(4)의 경계부에 p-n 접합이 형성되는 특징의, 상기 제 2 층(4)과,
    상기 제 2 층(4) 위에 형성되는 절연 층(7)과,
    상기 제 2 층(4)과 전기 연결되어 있는 저항 층(5)
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 실리콘 기반의 광전자 증배관(photo-electric multiplier).
  2. 제 1 항에 있어서, 도핑 층(8)은 1018 내지 1020㎝-3의 범위의 도핑 레벨을 포함하는 것을 특징으로 하는 실리콘 기반의 광전자 증배관(photo-electric multiplier).
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 에피택시 층(2)의 도핑 농도의 공간 변화도는 1014 내지 1018㎝-3의 도핑 농도의 공간에 따른 변화에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 실리콘 기반의 광전자 증배관(photo-electric multiplier).
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 에피택시 층(2)의 도핑 농도의 공간 변화도는, 도핑 농도가 상기 에피택시 층(2)의 하부 표면으로부터 상부 표면 방향으로 감소하도록 변화하는 것을 특징으로 하는 실리콘 기반의 광전자 증배관(photo-electric multiplier).
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 제 1 층(3)의 도핑 농도의 범위는 1015 내지 1017㎝-3임을 특징으로 하는 실리콘 기반의 광전자 증배관(photo-electric multiplier).
  6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 절연 층(7)은 옥사이드 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 실리콘 기반의 광전자 증배관(photo-electric multiplier).
  7. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 저항 층(5)의 물질은 폴리-실리콘을 포함하는 것을 특징으로 하는 실리콘 기반의 광전자 증배관(photo-electric multiplier).
  8. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 분리 요소(10)가 셀들 사이에 배치되고, 상기 분리 요소(10)는 실리콘에서 형성되는 오목부로 구성되는 것을 특징으로 하는 실리콘 기반의 광전자 증배관(photo-electric multiplier).
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 오목부는 실리콘의 이방성 에칭에 의해 획득되는 삼각형태의 V-그루브로서 형성되는 것을 특징으로 하는 실리콘 기반의 광전자 증배관(photo-electric multiplier).
  10. 삭제
  11. 삭제
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