KR101301897B1 - 마이크로채널 애벌란시 포토다이오드 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 반도체 감광성 장치에 속하는 마이크로채널 애벌란시 다이오드에 관한 것으로, 더 자세하게는 신호의 내부 증폭을 이용하는 반도체 애벌란시 다이오드에 관한 것이다. 제안되는 마이크로채널 애벌란시 다이오드는 개개의 광자와, 의료용 감마선 단층촬영, 방사선 모니터링, 및 핵물리학 실험용 장치의 감마 콴트 및 전하 입자들까지 포함하는 매우 약한 광 펄스의 등록에 사용될 수 있다.
제안되는 발명은 기판 및 다양한 전기적 물리적 값들을 갖는 반도체 층을 포함하는 애벌란시 포토다이오드를 포함하며, 이러한 애벌란시 포토다이오드는 반도체 층들 사이에 그리고 상기 기판 양자 모두에 공통 인터페이스를 가지며, 포텐셜 마이크로 정공의 생성을 위하여 향상된 전도성을 갖는 분리된 고체 상태의 영역 또는 섬의 적어도 하나의 2차원 치수의 매트릭스가 형성된다. 장치의 체적 내의 전류 발생을 감소시키고, 장치의 표면을 따라 포텐셜 분배의 균일함을 향상시키기 위하여, 공통 인터페이스를 갖는 반도체 층들에 비하여 향상된 전도성을 갖는 2개의 추가 반도체 층들 사이에 고체 상태의 영역이 위치된다. 결과적으로, 장치의 체적 내의 포텐셜 분배의 이와 같은 형태가 달성되며, 이는 후속하여 대응하는 마이크로 정공에 축적되는 전하 캐리어의 애벌란시 증폭이 발생하는 분리된 고체 상태의 영역을 향한 광전류의 수집을 보증한다. 마이크로 정공에 축적된 전하들은 애벌란시 영역의 전계를 감소시키며, 이는 애벌란시 공정의 자기 소멸(self-extinguishing)을 야기한다. 그 다음, 전하 캐리어가 마이크로 정공의 충분한 누출에 기인하여 접 촉부로 흐른다.
이러한 방식으로, 광전류의 증폭이 후속하여 애벌란시 공정에서 자기 소멸하는 독립된 증식 채널에서 발생한다. 이로써, 광-반응(photo-response) 증폭의 안정성이 향상되고 애벌란시 포토다이오드의 감도가 증가된다.
Description
본 발명은 반도체 감광성 장치에 관한 것으로, 더 자세하게는 신호의 내부 증폭을 이용한 반도체 애벌란시(avalanche) 포토다이오드에 관한 것이다. 제안되는 마이크로채널 애벌란시 포토다이오드는 개개의 광자와, 의료용 감마선 단층촬영, 방사선 모니터링, 및 핵물리학 실험용 장치의 감마 콴트(quant) 및 전하 입자들까지 포함하는 매우 약한 광 펄스의 등록(registration)에 사용될 수 있다.
반도체 기판, 및 상기 기판과 반대의 전도성 타입을 갖고, 특정 전도율을 갖는 저항층인 버퍼에 의해 반투명 필드 전극으로부터 분리된 반도체 영역의 매트릭스를 포함하는 장치(1)는 알려져 있다. 광전자의 애벌란시 증폭은 기판과 반도체 영역 사이의 경계 상에서 발생한다. 그 다음, 애벌란시 전류가 이러한 영역 상에 위치한 저항층을 통해 반투명 전극으로 흐른다. 이러한 장치의 단점은 버퍼층 및 고농도 도핑된 반도체 영역 양자 모두의 불충분한 투명도에 기인하는 스펙트럼 가시광선 영역 및 자외선 영역에서의 낮은 양자화 출력(quantum ouput)이다. 또한, 반도체 영역들 사이에 형성된 광전자가 증폭될 수 있는 가능성이 없으며, 이는 장치의 감도를 감소시키는 결과를 가져온다.
n-타입 전도성을 갖는 반도체 기판, 및 저항층과 유전체 층에 의해 상기 기 판으로부터 분리된 p-타입 전도성을 갖는 에피택셜(epitaxial) 층을 포함하는 장치(2)는 알려져 있다. n-타입 전도성을 갖는 분리된 반도체 영역은 유전체 층 내부에 형성되며, 한쪽 측면 상으로는 저항층에서, 그리고 다른 측면 상으로는 에피택셜 층에서 종료된다. n-타입 전도성을 갖는 고농도 도핑된 영역은 유전체 층 영역에 의해 서로 분리된 p-n 접합의 애벌란시 공정의 국부화(localization)를 보증한다. 광전자들이 형성되는 감광성 층은 실제로 이종(heterogeneous) 물질, 즉 유전체 층과 저항층의 표면 상에 성장된 에피택셜 층이다. 그 이유는 본 장치의 주된 단점이 이와 같은 에피택셜 층을 준비하는 기술의 복잡함, 감도의 저하를 야기하는 높은 레벨의 암전류(darkcurrent), 및 장치의 신호 대 잡음비 때문이다.
프로토타입으로서 취해지는 장치로서, 반도체 기판, 및 상기 기판에 p-n 접합을 형성하는 반도체 층을 포함하는 장치(3)는 알려져 있다. 기판의 표면은 기판의 전도성과 비교하여 향상된 전도성을 갖는 분리된 반도체 영역의 매트릭스를 포함한다. 프로토타입으로, 반도체 영역은 신호의 증폭을 보증하는 분리된 애벌란시 영역(마이크로-채널)을 생성할 목적으로 사용된다. 본 장치의 단점은 동작 공정에서, 광전자의 증폭이 발생하는 인터페이스 영역에 제어 불가능한 국부적 마이크로-스파크오버(sparkover)가 존재하고 형성된다는 것이다. 여기서 문제는, 반도체 영역이 기판 상에 형성된 p-n 접합 인터페이스, 즉 반도체 층 인터페이스 상에 즉시 위치된다는 것이다. 이는 반도체 영역들이 그들 사이에 전하와 전류 접속을 갖거나, 또는 반도체 층의 전기적으로 중성인 부분을 통하여 전하와 전류 접속을 갖거나, 또는 전도성 타입에 따라 기판을 통하여 전하와 전류 접속을 갖기 때문이다. 달리 말하면, 본 장치는 애벌란시 공정이 발생하는 분리된 영역에 전류의 국부적 제한을 구현하지 않는다. 장치의 전체 영역 상에 높은 레벨의 애벌란시 공정을 획득하기 위하여, 감소된 스파크오버 가능성을 가진 하나 이상의 영역은 장치 전압의 상승을 허용하지 않는다. 이러한 방식으로, 장치는 애벌란시 포토다이오드의 감도 레벨의 표시자인 애벌란시 공정 증폭의 제한 인자를 갖는다.
제안되는 발명은 신호 진폭의 안정성을 향상시키고, 스펙트럼의 가시광선 영역 및 자외선 영역의 애벌란시 포토다이오드의 감도를 증가시키는 것을 목적으로 한다. 이러한 기술적 성과들을 달성하기 위하여, 모든 측면 상에서 어느 한 타입의 전도성을 갖는 반도체 물질에 의하여 둘러싸인 향상된 전도성을 갖는 분리된 고체 상태의 영역으로 구성된 적어도 하나의 매트릭스가 다양한 전기물리적 파라미터들을 갖는 반도체 기판 및 반도체 층을 포함하는 애벌란시 포토다이오드에 형성된다. 고체 상태의 영역은 공통 인터페이스를 갖는 반도체 층들과 비교하여 향상된 전도성을 갖는 2개의 추가 반도체 층들 사이에 위치된다. 또한, 향상된 전도성을 갖는 추가 반도체 층들 중 적어도 하나는 고체 상태의 영역을 갖는 공통 인터페이스를 갖지 않는다. 반도체 영역은 반도체 층들의 공통 인터페이스를 따라 위치된다.
장치의 다양한 구현에 따라, 향상된 전도성을 갖는 고체 상태의 영역은, 반도체 층의 물질에 관하여, 좁은 구역의 반도체 물질로 형성되는데, 이 물질은 반도체 층의 물질과 동일하지만 상이한 유형의 전도성을 가지며, 또한 금속 물질이다. 이는 기판 평면에 대해 수직인 방향으로 교차하는 p-n 접합, 또는 이종접합(heterojunction) 즉, 금속-반도체 접합 중 어느 하나의 접합의 형성을 장치에 가져온다.
결과적으로, 향상된 전도성을 갖는 추가 반도체 층들 사이에 위치한 분리된 포텐셜 정공(potential hole)들의 적어도 하나의 2차원 매트릭스가 장치 내에 형성된다. 향상된 전도성을 갖는 고체 상태 영역의 2개 이상의 매트릭스의 형성은, 장치 감도의 큰 향상 및 신호 진폭의 안정성을 가져온다.
도 1은 마이크로 채널 애벌란시 포토다이오드의 단면도이다.
본 발명은 향샹된 전도성을 갖는 추가 반도체 층들 사이에 위치한 고체 상태 영역의 1개의 매트릭스(A) 및 2개의 매트릭스(C)를 갖는 마이크로 채널 애벌란시 포토다이오드의 단면도가 도시된 도면(도 1)을 예시한다. 본 장치는 반도체 기판(1)의 베이스, 예컨대 n-타입 전도성과 1 Ohm*cm의 저항을 갖는 실리콘 베이스 상에 제조된다. 처음에는, n-타입 전도성과 0.1 Ohm*cm의 저항을 갖는 제1 추가 반도체 층(2)이 인을 이용한 국부적 확산 도핑에 의하여 반도체 기판의 작업 영역에 형성된다. 그 다음, 제1 추가 반도체 층을 갖는 p-n 접합을 형성하고, p-타입 전도성과 1-100 Ohm*cm 범위의 저항을 갖는 실리콘 반도체 층(3)이 분자 애피택시(epitaxy)에 의하여 기판의 표면 상에 형성된다. 향상된 전도성을 갖는 고체 상태의 영역(4)이 인 원자를 이용한 반도체 층의 이온 도핑에 의하여 형성된다. 도핑 분량은 5-100μCi/cm2 범위 내에서 선택된다. 900℃의 온도에서 결함(defect)들을 어닐링한 후에, 모든 측면 상에서 p-타입 전도성과 100 Ohm*cm 범위의 저항을 갖는 반도체 물질에 의하여 둘러싸이고, n-타입 전도성과 약 0.01 Ohm*cm의 저항을 갖는 영역 또는 섬(islet)이 반도체 층에 형성된다. 그 다음, 약 0.01 Ohm*cm의 저항을 갖는 제2 추가 반도체 층(5)이 붕소 이온 도핑에 의해 반도체 층(3)의 표면 상에 형성된다. 이는 기판 평면에 수직한 방향(6)으로 교차하는 p-n 접합의 장치의 체적의 형성을 가져오고, 이에 의하여 교차하는 p-n 접합은 향상된 전도성을 갖는 2개의 추가 반도체 층 사이에 위치된다.
본 발명의 다양한 구현에 따라, 향상된 전도성을 갖는 고체 상태의 영역이 또한 실리콘 물질에 의해 둘러싸인 게르마늄 또는 티타늄으로 형성된다. 게르마늄 또는 티타늄 클러스터 캡이 실리콘 반도체 층의 체적 안에 형성되게 하기 위하여, 게르마늄 또는 티타늄을 이용한 도핑 분량은 약 1000μCi/cm2이 되도록 선택된다. 그 다음, 기판 평면에 수직인 방향으로 교차하는 p-n 접합 또는 금속-반도체 접합이 장치에 형성된다.
고체 상태 영역의 단면 치수 및 그들 사이의 여유분(clearance)은 포토레지스트 또는 반도체 층의 국부적 도핑을 위한 특수 마스크에 개방되는 윈도우에 의하여 특수한 포토 템플릿(photo template)에 의해 결정된다. 도핑 공정의 이온 에너지는 삽입된 원자의 필수 임베딩 깊이에 따라 선택된다. 그 다음, 접촉 전극 뿐만 아니라 작업 영역 주위의 보호 링 또는 깊은 홈(groove)으로서 알려진 장치의 컴포 넌트가 준비된다.
프로토타입과는 달리, 제안되는 장치의 광전류의 애벌란시 증폭은 오직 반도체 층을 갖는 고체 상태의 영역의 경계에서만 발생하며, 이는 방향(6)과 일치하는 방향으로 전하 캐리어 증폭의 독립된 채널로 표시된다. 이는 방향(6)으로 교차하는 포텐셜 장벽을 갖는 영역이 방향(7)으로 위치된 p-n 접합에 의하여 둘러싸인다는 사실에 기인하여 발생한다. 동작 모드에서, 전하의 메인 캐리어로부터의 반도체 기판의 공핍(depletion)에 대응하는 극성을 갖는 전압이 반도체 층의 상부 전극에 부가된다. 이러한 상황이 발생한 경우, 증식 채널(multiplication channel)의 중간 접합은 전방향으로 배치되고 2개의 바깥쪽 접합은 반대 방향으로 배치된다. 증식 채널 사이에 위치된 p-n 접합 영역 또한 반대 방향으로 배치된다. 또한, 향상된 전도성을 갖는 제1 추가 반도체 층은 기판 전계의 확산을 제한하며, 이러한 방식으로 암전류 발생의 감소 및 오직 장치의 작업 영역에서의 애벌란시 공정의 확산이 보증된다. 향상된 전도성을 갖는 제2 추가 반도체 층은 외부 측면으로부터의 전계를 제한하며, 장치의 감광성 표면을 따라 포텐셜의 균일성을 보증한다. 결과적으로, 포텐셜 마이크로 정공을 향해 상부 감광성 반도체 층에 형성된 광전류의 수집이 시뮬레이팅되도록 장치 내부의 포텐셜 분배의 형태가 달성된다. 광전류의 증폭은 제1 증식 채널의 상단에서부터 하단까지 발생하며, 전방향으로 배치된 다음 접합은 증가된 전자들이 수집되고 약 0.5V - 1V의 깊이를 갖는 포텐셜 정공의 역할을 수행한다. 수 나노초 동안에 상기 언급한 포텐셜 정공의 전자 축적은 애벌란시 영역(즉, 제1 접합의 경계 영역)의 전계의 급격한 감소를 가져오며, 결과적으로 주어진 증식 채널의 애벌란시 공정이 정지된다. 그 후에, 애벌란시 공정의 정지 후의 수십 나노초 동안, 축적된 전자들이 제3 접합의 충분한 누출(leakage)에 기인하여 기판으로 이동한다. 이러한 방식으로, 광전류의 애벌란시 증폭이 독립된 증식 채널에서 발생하며, 이 증식 채널은 채널 간에 전하 접속을 갖지 않는다. 따라서, 동작의 안정성이 향상되며, 애벌란시 포토다이오드의 감도가 증가된다.
Claims (4)
- 기판 및 여러 전기적 물리적 값들을 갖는 반도체 층들을 포함하는 애벌란시(avalanche) 포토다이오드로서, 상기 반도체 층들은 그들 사이에, 그리고 상기 기판 양자 모두에 공통 인터페이스를 가지며,장치 내에, 동일한 타입의 전도성을 갖는 반도체 물질에 의하여 둘러싸이고 향상된 전도성을 갖는 분리된 고체 상태의 영역들로 구성된 적어도 하나의 매트릭스가 존재하여, 상기 고체 상태의 영역들이 공통 인터페이스를 갖는 상기 반도체 층들과 비교하여 높은 전도성을 갖는 2개의 추가 반도체 층들 사이에 위치되는 것을 특징으로 하는 애벌란시 포토다이오드.
- 제1항에 있어서, 상기 고체 상태의 영역들은 자신들을 둘러싸는 상기 반도체 층들과 동일한 물질이지만 전도성 타입은 반대인 물질로 제조되는 것인, 애벌란시 포토다이오드.
- 제1항에 있어서, 상기 고체 상태의 영역들은 공통 인터페이스를 갖는 상기 반도체 층들에 대하여 좁은 금지 구역을 갖는 반도체로 제조되는 것인, 애벌란시 포토다이오드.
- 제1항에 있어서, 상기 고체 상태의 영역들은 금속 물질로 제조되는 것인, 애 벌란시 포토다이오드.
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