KR101340662B1 - 포토 다이오드 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 포토 다이오드는, P플러스형 반도체 기판; 상기 P플러스형 반도체 기판 위에 형성된 P형 에피층; 상기 P형 에피층 위에 형성된 N형 에피층; 및 상기 N형 에피층 위에 소정의 영역에만 형성된 N플러스층;을 포함하고, 상기 N플러스층은, 소정 간격 이격된 격자 형태로 형성된 것을 특징으로 한다.
본 발명의 바람직한 일실시예의 포토 다이오드에 따르면, 블루레이 시스템에 적용 가능한 단파장 광에서의 광전 변환 효율이 높은 포토 다이오드를 제공할 수 있다. 또한, 본 발명의 바람직한 일실시예의 포토 다이오드에 따르면, 다수의 영역으로 분리된 포토 다이오드에 있어 인접 영역 사이의 간격을 줄여 광 손실을 최소화함과 동시에, 신호의 간섭을 줄일 수 있다.

Description

포토 다이오드{Photo Diode}
본 발명은 포토 다이오드에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 블루레이 디스크에 사용되는 단(短)파장의 광, 즉 푸른색 레이저 광을 잘 검출할 수 있는 포토 다이오드에 관한 것이다.
블루레이(Bluray) 디스크는 CD 및/또는 DVD 장치에 적용 가능하며, 대용량으로 저장 가능하다. 블루레이라는 명칭은 기기 내에서 사용하는 레이저의 특성 때문에 유래되었다. 기존의 CD 및 DVD용 장치에서는 붉은색 레이저를 사용해 데이터를 읽거나 쓰지만, 블루레이 디스크용 장치에서는 푸른색 레이저를 사용하는 까닭이다.
HDTV 및 3D TV의 보급으로 CD 및 DVD 장치에서 블루레이 시스템으로 빠른 시장의 이동이 예상되고, 3D 영화(아바타)의 폭발적인 흥행과 3D 월드컵 중계 등으로 시장의 이동이 더욱 빨라질 것으로 예상된다. 이에 따라, 대부분의 광 픽업 업체 또한 생산량 확대를 위한 설비 투자가 진행 중이다.
그러나, 현재의 수광 소자, 예를 들면 포토 다이오드(Photo Diode)는 단파장 광에서의 광전 변환 효율이 높지 않아, 블루레이 시스템에 적용하는 것에 어려움이 있다.
또한, 일반적으로 블루레이 시스템에서는 4 영역으로 분리된 포토 다이오드를 사용하는 데, 영역 사이의 신호 간섭을 줄이기 위한 인접한 포토 다이오드 간 분리를 위한 영역에서 광 손실이 발생하는 문제점이 있다.
본 발명은 전술한 바와 같은 기술적 과제를 해결하는 데 목적이 있는 발명으로서, 블루레이 시스템에 적용 가능한 단파장 광에서의 광전 변환 효율이 높은 포토 다이오드를 제공하는 것에 그 목적이 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은, 다수의 영역으로 분리된 포토 다이오드에 있어 인접한 포토 다이오드간의 분리를 위한 영역을 최소화하여, 분리를 위한 영역에서 발생하는 광 손실을 방지할 수 있는 포토 다이오드를 제공하는 것에도 그 목적이 있다.
본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 포토 다이오드는, P플러스형 반도체 기판; 상기 P플러스형 반도체 기판 위에 형성된 P형 에피층; 상기 P형 에피층 위에 형성된 N형 에피층; 및 상기 N형 에피층 위에 소정의 영역에만 형성된 N플러스층;을 포함한다.
또한, 상기 N플러스층은, 소정 간격 이격된 격자 형태로 형성된 것을 특징으로 한다. 구체적으로 상기 N플러스층의 폭은 0.6㎛ 내지 0.8㎛인 것이 바람직하다.
아울러, 이웃한 N플러스층 사이의 간격은 5㎛ 내지 6㎛인 것을 특징으로 한다.
본 발명이 다른 일실시예에 따른 포토 다이오드는, 다수개의 분할된 영역을 포함하되, 상기 다수개의 분할된 영역들의 사이의 격벽으로 P플러스층이 형성된 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 P플러스층은 접지되어 있는 것이 바람직하다.
구체적으로 상기 P플러스층의 폭은 0.5㎛ 내지 1㎛인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 바람직한 일실시예의 포토 다이오드에 따르면, 블루레이 시스템에 적용 가능한 단파장 광에서의 광전 변환 효율이 높은 포토 다이오드를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명의 바람직한 일실시예의 포토 다이오드에 따르면, 다수의 영역으로 분리된 포토 다이오드에 있어 인접 영역 사이의 간격을 줄여 광 손실을 최소화함과 동시에, 신호의 간섭을 줄일 수 있다.
도 1의 (a) 및 도 1의 (b)는 각각 종래의 제 1 실시예에 따른 PIN형 포토 다이오드(Photo Diode)의 평면도 및 단면도.
도 2의 (a) 및 도 2의 (b)는 각각 종래의 제 2 실시예에 따른 PIN형 포토 다이오드의 평면도 및 단면도.
도 3은 포토 다이오드의 전기적 모델.
도 4의 (a) 및 도 4의 (b)는 각각 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 포토 다이오드의 평면도 및 단면도.
도 5는 4개의 영역으로 분할된 포토 다이오드의 평면도 상의 레이저 광의 분포 설명도.
이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 일실시예에 따른 포토 다이오드에 대해 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 하기의 실시예는 본 발명을 구체화하기 위한 것일 뿐 본 발명의 권리 범위를 제한하거나 한정하는 것이 아님은 물론이다. 본 발명의 상세한 설명 및 실시예로부터 본 발명이 속하는 기술 분야의 전문가가 용이하게 유추할 수 있는 것은 본 발명의 권리 범위에 속하는 것으로 해석된다.
우선, 본 발명의 도면들에 표시된 각 구성 요소들은 실제 크기와 비례하지 않으며, 보다 나은 발명에 대한 이해를 돕기 위해 일부 구성 요소의 크기, 폭, 간격 등은 확대되거나 축소되어 도시되어 있다.
먼저, 도 1의 (a) 및 도 1의 (b)는 각각 CD 및/또는 DVD 장치 분야에 적용되는 종래의 제 1 실시예에 따른 PIN형 포토 다이오드(10)의 평면도 및 단면도를 나타낸다.
도 1의 (a) 및 도 1의 (b)에 나타낸 종래의 제 1 실시예의 포토 다이오드(10)의 경우, 실리콘에 흡수되어 광전 변환을 일으킬 수 있는 파장대 별 침투 깊이는 블루레이에 적용되는 405nm 파장에서는 아주 얕다. 즉, 405nm 파장의 광 신호는 90% 이상이 표면으로부터 1㎛ 이내의 깊이에서 모두 흡수되어 진다. 이러한 이유로, N플러스(N+)층(14)의 영역에서 405nm의 블루레이 광은 광전 변환을 일으키게 되는데, 농도가 높은 N플러스층(14)에서 변환 효율은 0.17A/W로 아주 낮은 특성을 나타내게 된다.
도 2의 (a) 및 도 2의 (b)는 각각 CD 및/또는 DVD 장치 분야에 적용되는 종래의 제 2 실시예에 따른 PIN형 포토 다이오드(20)의 평면도 및 단면도를 나타낸다.
도 2의 (a) 및 도 2의 (b)로부터 알 수 있는 바와 같이, 종래의 제 2 실시예에 따른 PIN형 포토 다이오드(20)는, 도 1의 (a) 및 도 1의 (b)의 종래의 제 1 실시예에 따른 PIN형 포토 다이오드(10)의 405nm 파장에서의 광전 변환 효율을 높이기 위해서 PIN형 포토 다이오드(10)의 전체 영역 대해 N플러스층(14)을 형성했던 것을, N플러스층(24)을 스트라이프(Stripe) 형상으로 형성함으로써, 농도가 낮은 N형 에피층(N-epi)(23) 영역을 포토 다이오드(20)의 표면에 돌출시켜 포토 다이오드(20)의 광전 변환 효율을 증가시켰다.
종래의 제 2 실시예에 따른 포토 다이오드(20)의 경우, N형 에피층(23) 영역에서의 광전 변환 효율은 0.3A/W이고, N플러스층(24) 영역의 광전 변환 효율은 0.17A/W이므로, 스트라이프의 폭과 간격을 적당히 조정함으로써 405nm의 단(短)파장의 광에서도 높은 효율의 광전 변환 효율을 얻을 수 있었다.
도 3은 포토 다이오드(10, 20, 30)의 전기적 모델을 나타낸다. 도 3에서, IPD 는 광전 변환된 포토 다이오드(10, 20, 30)의 전류를 의미하며, CPD는 N형 에피층(13, 23, 33), P형 에피층(12, 22, 32) 및 N플러스층(14, 24, 34), P플러스 반도체 기판(11, 21, 31)에 발생하는 공핍층의 커패시턴스(capacitance)를 나타낸다. RPD는 포토 다이오드(10, 20, 30)의 누설 전류(leakage current) 및/또는 암전류(dark current)에 의해 발생하는 저항 성분의 모델값이며, RS는 N플러스층(14, 24, 34)에 의한 저항값이다.
도 1의 (a) 및 도 1의 (b)에 나타낸 종래의 제 1 실시예의 PIN형 포토 다이오드(10)의 경우에는 N플러스층(14)이 포토 다이오드(10) 표면의 전면에 분포하기 때문에, RS 및 CPD에 의한 주파수 특성이 문제가 되지 않는다. 그러나, 도 2의 (a) 및 도 2의 (b)에 나타낸 종래의 제 2 실시예의 스트라이프 형태의 포토 다이오드(20)의 경우에는 이 RS 저항값에 의한 주파수 특성 저하가 나타난다.
본 발명에서는 RS에 의한 주파수 특성의 저하를 막고, 405nm 파장의 광전 변환 효율을 높이기 위해 도 4의 (a) 및 도 4의 (b)와 같이 격자(Grid 또는 Mesh) 형상의 N플러스층(34)을 갖는 포토 다이오드(30)를 제안한다. 즉, 도 4의 (a) 및 도 4의 (b)는 각각 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 포토 다이오드(30)의 평면도 및 단면도를 나타낸다.
도 4의 (a) 및 도 4의 (b)로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 바람직한 일실시예의 포토 다이오드(30)는, P플러스형 반도체 기판(31), P플러스형 반도체 기판(31) 위에 형성된 P형 에피층(32), P형 에피층(32) 위에 형성된 N형 에피층(33) 및 N형 에피층(33) 위에 N플러스층(34)을 포함한다.
본 발명에서는 P플러스형의 의미는 P형 불순물이 P형 에피층(12, 22, 32) 보다 높은 농도로 주입되었다는 상대적 농도의 차이를 나타낸다. 또한, N플러스형의 의미는 N형 불순물이 N형 에피층(13, 23, 33) 보다 높은 농도로 주입되었다는 상대적 농도의 차이를 나타낸다. 이러한, 차이 나는 농도의 불순물의 주입에 의해 PIN형 포토 다이오드(10, 20. 30)가 동작하게 된다.
본 발명의 N플러스층(34)은, N형 에피층(33)의 전(全) 영역에 형성된 것이 아니라, N형 에피층(33)의 소정의 영역에만 형성되는 것이 바람직하다. 즉, N플러스층(34)은, 소정 간격 이격된 격자 형태로 형성된 것을 특징으로 한다.
또한, N플러스층(34)의 폭은 0.6㎛ 내지 0.8㎛인 것이 바람직하며, 좀 더 바람직하게는 N플러스층(34)의 폭은 0.7㎛ 정도인 것을 특징으로 한다.
아울러 이웃한 N플러스층(34) 사이의 간격은 5㎛ 내지 6㎛인 것이 바람직하며, 좀 더 바람직하게는 이웃한 N플러스층(34) 사이의 간격은 5.4㎛ 정도인 것을 특징으로 한다.
도 4의 (a)와 같이 N플러스층(34)을 격자 형태로 구성하는 것에 의해, RS 저항값을 줄이고, N형 에피층(33)의 포토 다이오드(30)의 표면으로 나오는 영역을 종래의 제 1 실시예의 포토 다이오드(10)에 비해 확대하여, 높은 광전 변환 효율 뿐만 아니라 높은 주파수 특성을 확보하는 것이 가능하게 되었다.
적용 예로서, 격자 형태의 N플러스층(34)의 폭을 0.7㎛, 이웃한 N플러스층(34) 사이의 간격을 5.4㎛로 포토 다이오드의 경우, 광전 변환 효율 0.28A/W 및 500MHz의 포토 다이오드(30) 주파수 특성을 확보할 수 있었다.
CD 및 DVD에 적용되는 블루레이 시스템 등에서 주 신호(Main Signal) 처리를 위한 포토 다이오드는 도 4의 (a)에 나타낸 바와 같이 영역이 4개의 영역으로 분할된 포토 다이오드(10, 20, 30)를 사용한다.
도 5는 4개의 영역으로 분할된 포토 다이오드(30)의 평면도 상의 레이저 광의 분포 설명도이다. 도 5로부터 알 수 있는 바와 같이 일반적으로 레이저 광은 가우시안(Gaussian) 분포를 가지며, 포토 다이오드(30)에 50㎛ 이내의 직경으로 조사가 되게 된다. 종래와 같이 P형 매입층(burried layer)(16, 26), P형 웰(WELL)층(17, 27), P플러스층(15, 25)을 이용하여 인접한 포토 다이오드를 분할하게 될 경우, 분할을 위한 P형 매입층(16, 26), P형 웰층(17, 27) 및 P플러스층(15, 25) 영역에 의해서 입력광에 대한 출력광의 손실이 발생한다.
상술한 바와 같은 P형 웰층(17, 27) 및 P플러스층(15, 25) 영역에 의한 광 손실을 줄이기 위해 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 포토 다이오드(30)는, 다수개의 분할된 영역을 포함하되, 다수개의 분할된 영역들의 사이의 격벽으로 P플러스층(35)이 형성된 것을 특징으로 한다. 또한, 이때 포토 다이오드 사이의 간섭을 방지하기 위해, P플러스층(35)은 접지, 즉 그라운드(Ground) 처리를 하는 것이 바람직하다.
구체적으로, P플러스층(35)의 폭은 0.5㎛ 내지 1㎛인 것이 바람직하며, 좀 더 바람직하게는 P플러스층(35)의 폭은 0.7㎛ 정도인 것을 특징으로 한다.
통상적으로 하부에 형성되는 P형 매입층(16, 26) 및 P형 웰층(17, 27)의 최소폭은 4.5um 이상으로, 그 폭이 넓다. 405nm 파장을 사용하는 블루레이 시스템에서는 입력광의 대부분이 표면에서 흡수되므로, 본 발명과 같이 P형 매입층(16, 26), P형 웰층(17, 27)을 제거하고, 폭이 비교적 좁은 P플러스층(35)만 이용하여 포토 다이오드간 분리할 경우, 약 12%의 광 손실을 방지할 수 있었다.
상술한 바와 같이 본 발명의 바람직한 일실시예의 포토 다이오드(30)에 따르면, N플러스층(34)을 격자로 형성하는 것에 의해 광전 효율을 높이면서도, P플럭스층(35)만에 의해 격벽을 형성하는 것에 의해 다수의 영역으로 분리된 포토 다이오드에 있어 영역 사이의 간섭을 줄여 광 손실 또한 방지할 수 있음을 알 수 있다.
10 : 종래의 제 1 실시예의 포토 다이오드
11 : P플러스 반도체 기판 12 : P형 에피층
13 : N형 에피층 14 : N플러스층
15 : P플러스층 16 : P형 매입층
17 : P형 웰층
20 : 종래의 제 2 실시예의 포토 다이오드
21 : P플러스 반도체 기판 22 : P형 에피층
23 : N형 에피층 24 : N플러스층
25 : P플러스층 26 : P형 매입층
27 : P형 웰층 28 : 캐소드 전극
30 : 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 포토 다이오드
31 : P플러스 반도체 기판 32 : P형 에피층
33 : N형 에피층 34 : N플러스층
35 : P플러스층 38 : 캐소드 전극
IPD : 광전 변환된 포토 다이오드의 전류
CPD : 공핍층의 커패시턴스
RPD : 누설 전류 및/또는 암전류에 의해 발생하는 저항 성분
RS : N플러스층에 의한 저항값

Claims (7)

  1. P플러스형 반도체 기판;
    상기 P플러스형 반도체 기판 위에 형성된 P형 에피층;
    상기 P형 에피층 위에 형성된 N형 에피층; 및
    상기 N형 에피층 위에 소정의 영역에만 형성된 N플러스층;을 포함하되,
    상기 N플러스층은, 소정 간격 이격된 격자 형태로 형성된 것을 특징으로 하는 포토 다이오드.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 N플러스층의 폭은, 0.6㎛ 내지 0.8㎛인 것을 특징으로 하는 포토 다이오드.
  4. 제 1 항에 있어서,
    이웃한 N플러스층 사이의 간격은, 5㎛ 내지 6㎛인 것을 특징으로 하는 포토 다이오드.
  5. 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서,
    상기 포토 다이오드는,
    다수개의 분할된 영역을 포함하되,
    상기 다수개의 분할된 영역들의 사이의 격벽으로 P플러스층이 형성된 것을 특징으로 하는 포토 다이오드.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 P플러스층은, 접지되어 있는 것을 특징으로 하는 포토 다이오드.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 P플러스층의 폭은, 0.5㎛ 내지 1㎛인 것을 특징으로 하는 포토 다이오드.
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