KR101451250B1 - 스트립형 ｐ－ｎ 접합구조를 갖는 실리콘 광전자증배관 및 그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 스트립형 P-N 접합구조를 갖는 실리콘 광전자증배관 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 실리콘 광전자증배관을 구성하는 각 마이크로셀의 P-N 접합(P-N junction)층을 형성함에 있어서, 통상의 CMOS 공정을 이용하여 p- 에피택셜층 상에 n+층을 형성하되, 상기 n+층을 p- 에피택셜층 상부에 띠 형태의 스트립(strip) 구조로 형성하여, 섬광체로부터 입사되는 가시광에 의해 p- 에피택셜층에서 발생한 전자가 스트립 구조로 형성된 n+층으로 집속되도록 구성함으로써, 정공보다 상대적으로 아발란치(전자사태, avalanche) 효율이 우수한 전자에 의한 아발란치 브레이크다운(Avalanche Breakdown)을 유도하여, 입사되는 광의 검출 효율을 높일 수 있는 스트립형 P-N 접합구조를 갖는 실리콘 광전자증배관 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
이를 위하여 본 발명은, 다수개의 마이크로셀로 이루어지는 실리콘 광전자증배관(SiPM : Silicon Photomultiplier)에 있어서, 상기 실리콘 광전자증배관을 구성하는 다수개의 마이크로셀 각각은, p+ 웨이퍼 기판, 상기 p+ 웨이퍼 기판상에 형성되는 p- 에피택셜층 및 상기 p- 에피택셜층에 도핑되어, 상기 p- 에피택셜층 표면에 띠 형태의 스트립(strip) 구조로 형성되는 n+층을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
이를 위하여 본 발명은, 다수개의 마이크로셀로 이루어지는 실리콘 광전자증배관(SiPM : Silicon Photomultiplier)에 있어서, 상기 실리콘 광전자증배관을 구성하는 다수개의 마이크로셀 각각은, p+ 웨이퍼 기판, 상기 p+ 웨이퍼 기판상에 형성되는 p- 에피택셜층 및 상기 p- 에피택셜층에 도핑되어, 상기 p- 에피택셜층 표면에 띠 형태의 스트립(strip) 구조로 형성되는 n+층을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 스트립형 P-N 접합구조를 갖는 실리콘 광전자증배관 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 실리콘 광전자증배관을 구성하는 각 마이크로셀의 P-N 접합(P-N junction)층을 형성함에 있어서, 통상의 CMOS 공정을 이용하여 p- 에피택셜층 상에 n+층을 형성하되, 상기 n+층을 p- 에피택셜층 상부에 띠 형태의 스트립(strip) 구조로 형성하여, 섬광체로부터 입사되는 가시광에 의해 p- 에피택셜층에서 발생한 전자가 스트립 구조로 형성된 n+층으로 집속되도록 구성함으로써, 정공보다 상대적으로 아발란치(전자사태, avalanche) 효율이 우수한 전자에 의한 아발란치 브레이크다운(Avalanche Breakdown)을 유도하여, 입사되는 광의 검출 효율을 높일 수 있는 스트립형 P-N 접합구조를 갖는 실리콘 광전자증배관 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
광전자증배관(Photomultiplier)은 감마선 검출기에 사용되는 광센서로서, 섬광체로부터 입사되는 가시광선에 의해 생성된 전자가 이동하는 과정에서 주변 물질과의 반응을 통해 다수의 2차 전자를 발생시키는 효과를 이용하여 광전류를 증폭하는데에 사용된다.
종래에는 주로 진공관 방식의 광전자증배관이 이용되어 왔으나, 최근에는 반도체 공정을 이용하여 아발란치 증폭을 통해 높은 이득을 가지는 아발란치 포토다이오드(APD : avalanche photodiode)를 집속하여 섬광체의 가시광을 검출하는 실리콘 광전자증배관(SiPM : Silicon Photomultiplier)이 개발되어 사용되고 있다.
아발란치 포토다이오드(APD : avalanche photodiode)를 이용하는 실리콘 광전자증배관에서는 입사된 가시광에 의해 전자-정공 쌍(electron-hole pair)이 발생되며, 이때 소위 절연파괴전압(breakdown voltage) 보다 높은 전압을 인가하면 2차 전자의 발생이 급격하게 증가하여 전류가 급격히 증가하는 아발란치 브레이크다운(avalanche breakdown)이 발생하게 되어, 광전자의 검출 효율을 극대화할 수 있다.
한편, 상술한 바와 같은 아발란치 브레이크다운은 실리콘 광전자증배관의 구조에 따라 전자 또는 정공에 의해 발생하게 되는데, 즉, 도 1에 도시된 바와 같이, 소자의 표면으로부터 흡수된 광자에 의해 소자 내부의 공핍층(depletion layer)내에는 전자(11) 또는 정공(12)이 발생하고, 발생한 전자 또는 정공은 매우 높은 전기장이 형성된 pn 접합부(13)를 통과함으로써 아발란치 브레이크다운(avalanche breakdown)을 일으키게 된다.
즉, n층(14)에서 발생한 정공(12)은 p층(15)으로 향하면서 아발란치 브레이크다운을 발생시키고, p층(15)에서 발생한 전자(11)는 n층(14)으로 향하면서 아발란치 브레이크다운을 발생시키게 된다.
이때, 전자(11)에 의해 발생되는 아발란치 브레이크다운은 정공(12)에 의해 발생되는 아발란치 브레이크다운 보다 그 아발란치(전자사태) 효율이 우수한 바, 결과적으로 아발란치 브레이크다운을 더욱 효과적으로 발생시켜 광 검출 효율을 높이기 위해서는 입사되는 가시광을 p층(15)으로 많이 흡수하는 것이 좋다.
이를 위해, 최근에는 전자를 이용하여 아발란치 브레이크다운을 발생시키기 위한 다양한 구조의 광전자증배관들이 개발되고 있으며, 이러한 광전자증배관들로는 도 2(a)에 도시된 바와 같이, n타입 웨이퍼 기판(20)에 p층(21)을 형성하여 가시광을 p층(21)으로 입사받는 구조를 갖거나, 도 2(b)에 도시된 바와 같이, 통상의 CMOS 공정으로 형성된 P타입 웨이퍼 기반의 광전자증배관을 뒤집어 배면에 형성된 p층(31)을 식각하고, 이를 통해 가시광을 입사받는 구조를 갖는 등 다양한 구조로 이루어지는 광전자증배관들이 있다.
그러나, 도 2(a)에 나타난 바와 같은 n타입 웨이퍼 기판(20)을 이용하는 광전자증배관의 경우, p타입 웨이퍼 기판(30)을 기반으로 하는 통상의 CMOS 공정의 이용이 불가능하여 기존의 공정 과정에 호환되지 못하는 문제점이 있으며, 또한, 도 2(b)에 나타난 바와 같이 배면 구조를 이용한 광전자증배관의 경우에는 p타입 웨이퍼 기판(30)을 다시 식각해야 하는 등의 까다로운 공정들이 요구되는 문제점이 있다.
본 발명은 상기한 종래기술에 따른 문제점을 해결하기 위한 것이다. 즉, 본 발명의 목적은 실리콘 광전자증배관을 구성하는 각 마이크로셀의 P-N 접합(P-N junction)층을 형성함에 있어서, 통상의 CMOS 공정을 이용하여 p- 에피택셜층 상에 n+층을 형성하되, 상기 n+층을 p- 에피택셜층 상부에 띠 형태의 스트립(strip) 구조로 형성하여, 섬광체로부터 입사되는 가시광에 의해 p- 에피택셜층에서 발생한 전자가 스트립 구조로 형성된 n+층으로 집속되도록 구성함으로써, 정공보다 상대적으로 아발란치(전자사태, avalanche) 효율이 우수한 전자에 의한 아발란치 브레이크다운(Avalanche Breakdown)을 유도하여, 입사되는 광의 검출 효율을 높일 수 있는 데에 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 기술적 사상으로서의 본 발명은, 다수개의 마이크로셀로 이루어지는 실리콘 광전자증배관(SiPM : Silicon Photomultiplier)에 있어서, 상기 실리콘 광전자증배관을 구성하는 다수개의 마이크로셀 각각은, p+ 웨이퍼 기판, 상기 p+ 웨이퍼 기판상에 형성되는 p- 에피택셜층 및 상기 p- 에피택셜층에 도핑되어, 상기 p- 에피택셜층 표면에 띠 형태의 스트립(strip) 구조로 형성되는 n+층을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 스트립형 P-N 접합구조를 갖는 실리콘 광전자증배관 및 그 제조 방법은 실리콘 광전자증배관을 구성하는 각 마이크로셀의 P-N 접합(P-N junction)층을 형성함에 있어서, 통상의 CMOS 공정을 이용하여 p- 에피택셜층 상에 n+층을 형성하되, 상기 n+층을 p- 에피택셜층 상부에 띠 형태의 스트립(strip) 구조로 형성하여, 섬광체로부터 입사되는 가시광에 의해 p- 에피택셜층에서 발생한 전자가 스트립 구조로 형성된 n+층으로 집속되도록 구성함으로써, 정공보다 상대적으로 아발란치(전자사태, avalanche) 효율이 우수한 전자에 의한 아발란치 브레이크다운(Avalanche Breakdown)을 유도하여, 입사되는 광의 검출 효율을 높일 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 스트립형 P-N 접합구조를 갖는 실리콘 광전자증배관은 그 구조상 종래의 CMOS 공정을 그대로 적용하여 제조할 수 있어 추가적인 공정 장비를 설치할 필요없이 공정을 단순화함은 물론, 이에 따른 불필요한 제작 비용 소모를 방지할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 전자 또는 정공에 의한 아발란치 브레이크다운(Avalanche Breakdown)의 발생을 설명하기 위한 도면.
도 2는 종래의 광전자증배관의 마이크로셀 구조를 보여주는 도면.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 스트립형 P-N 접합구조를 갖는 실리콘 광전자증배관의 마이크로셀 구조를 보여주는 단면 사시도.
도 4는 도 3에 도시된 스트립형 P-N 접합구조를 갖는 실리콘 광전자증배관의 마이크로셀의 평면도.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 스트립형 P-N 접합구조를 갖는 실리콘 광전자증배관의 마이크로셀 구조를 보여주는 도면.
도 6은 본 발명에 따른 실리콘 광전자증배관의 마이크로셀에 표면전류에 의한 아발란치 브레이크다운이 발생하는 것을 방지하기 위한 가드링이 형성된 구조를 보여주는 도면.
도 7은 본 발명에 따른 실리콘 광전자증배관의 마이크로셀의 표면에 마이크로셀의 표면전류에 의한 아발란치 브레이크다운이 발생하는 것을 방지하기 위한 산화물이 증착된 구조를 보여주는 도면.
도 8은 본 발명에 따른 실리콘 광전자증배관을 구성하는 각각의 마이크로셀 사이에 가드링을 형성하여 인접한 마이크로셀간의 전기적 누설(crosstalk)을 방지하기 위한 구성을 보여주는 도면.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 스트립형 P-N 접합구조를 갖는 실리콘 광전자증배관의 제조방법을 설명하기 위한 도면.
도 2는 종래의 광전자증배관의 마이크로셀 구조를 보여주는 도면.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 스트립형 P-N 접합구조를 갖는 실리콘 광전자증배관의 마이크로셀 구조를 보여주는 단면 사시도.
도 4는 도 3에 도시된 스트립형 P-N 접합구조를 갖는 실리콘 광전자증배관의 마이크로셀의 평면도.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 스트립형 P-N 접합구조를 갖는 실리콘 광전자증배관의 마이크로셀 구조를 보여주는 도면.
도 6은 본 발명에 따른 실리콘 광전자증배관의 마이크로셀에 표면전류에 의한 아발란치 브레이크다운이 발생하는 것을 방지하기 위한 가드링이 형성된 구조를 보여주는 도면.
도 7은 본 발명에 따른 실리콘 광전자증배관의 마이크로셀의 표면에 마이크로셀의 표면전류에 의한 아발란치 브레이크다운이 발생하는 것을 방지하기 위한 산화물이 증착된 구조를 보여주는 도면.
도 8은 본 발명에 따른 실리콘 광전자증배관을 구성하는 각각의 마이크로셀 사이에 가드링을 형성하여 인접한 마이크로셀간의 전기적 누설(crosstalk)을 방지하기 위한 구성을 보여주는 도면.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 스트립형 P-N 접합구조를 갖는 실리콘 광전자증배관의 제조방법을 설명하기 위한 도면.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부 도면에 의거하여 상세하게 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 스트립형 P-N 접합구조를 갖는 실리콘 광전자증배관의 마이크로셀 구조를 보여주는 단면 사시도이며, 도 4는 도 3에 도시된 스트립형 P-N 접합구조를 갖는 실리콘 광전자증배관의 마이크로셀의 평면도이다.
먼저, 본 발명의 일실시예에 따른 스트립형 P-N 접합구조를 갖는 실리콘 광전자증배관은 다수개의 마이크로셀로 이루어지며, 이러한 마이크로셀은 각각 도 3에 도시된 바와 같이, p+ 웨이퍼 기판(100) 상에 p- 에피택셜층(110)이 형성되고, 상기 p- 에피택셜층(110)의 표면에는 일 방향으로 길게 연장되어 형성된 스트립형의 n+층(120)이 일정 간격으로 도핑되어 있다.
이에 따라, 도 4에 도시된 바와 같이, p- 에피택셜층(110)의 표면에는 다수개의 스트립형의 n+층(120)이 형성되고, 이들 n+층의 양 끝부분에서 전기장이 상대적으로 강화되는 것을 막기 위해 그 양단에는 n-층으로 이루어진 가드스트립(150)이 구비된다.
한편, 본 실시예에서는 p- 에피택셜층(110)에 스트립형의 n+층(120)이 일정간격으로 다수개 배열되어 이루어져 있는 경우에 대하여 설명하고 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 도 5(a)에 도시된 바와 같이, p- 에피택셜층(210)에 스트립형의 n+층(220)이 단일 구조로 형성되거나 또는 도 5(b)에서와 같이, p- 에피택셜층(211)에 스트립형의 n+층(221)들이 서로 교차하여 격자 구조로 형성될 수도 있음은 물론이다.
이때, p- 에피택셜층(110)에 형성되는 스트립형의 n+층(120)은 그 폭(a)이 인접한 n+층 스트립과의 간격(b)보다 상대적으로 좁게 형성되는데, 이는 섬광체로부터 입사되는 가시광이 n+층으로 입사되는 영역(dead area)을 최소화하고, p- 에피택셜층(110)으로 보다 많이 흡수되도록 하여, 상대적으로 아발란치 효율이 우수한 전자 이동에 의한 아발란치 브레이크다운을 효과적으로 유도하기 위함이다.
다만, n+층(120)의 폭(a)이 지나치게 좁게 형성되면, n+층(120)이 p- 에피택셜층(110)에 균일하게 도핑되지 않고 내부가 뾰족한 형태로 도핑될 수 있으며, 이러한 경우 P-N 접합층의 전기장의 세기가 균일하게 형성되지 못하여 아발란치 효율이 떨어지게 된다.
따라서, n+층(120)은 적어도 P-N 접합층에서의 전기장의 세기가 균일하게 유지될 수 있는 정도의 폭을 유지하는 것이 좋으며, 바람직하게는 n+층의 폭(a)을 0.1~1㎛, n+층간의 간격(b)을 1~10㎛로 설정하는 것이 좋다.
이때, 도핑되는 n+ 영역의 폭(a)과 깊이(h) 역시 P-N 접합층에서의 전기장 세기가 균일하게 이루어지도록, 반원형에 가까운 형태로 조절하는 것이 좋으며, 바람직하게는 a:h가 2:1 ~ 4:1로 형성하는 것이 좋다.
이외에도, p- 에피택셜층(110)에 도핑되는 n+층(120)은 입사하는 가시광을 p- 에피택셜층(110)으로 많이 흡수하여 전술한 바와 같이 전자에 의한 아발란치 브레이크다운이 발생할 수 있는 범위 내라면 다양한 구조로 형성될 수 있다.
상술한 바와 같은 구조를 통해 본 발명에 따른 실리콘 광전자증배관은 전압이 인가된 상태에서 섬광체로부터 가시광이 입사되면, p- 에피택셜층(110)으로 흡수된 광자로부터 발생한 전자가 n+층(120)으로 향하면서 아발란치 브레이크다운을 발생시킬 수 있게 된다.
한편, 실리콘 광전자증배관에 전압이 인가되면, 실리콘 광전자증배관의 표면에는 누설전류가 흐를 수 있는 바, 이러한 경우 표면 전류에 의한 불필요한 아발란치 브레이크다운이 발생할 수 있다.
이를 방지하기 위해서는, 도 6에 도시된 바와 같이, p- 에피택셜층(110)의 각 n+층(120)의 인접부 표면에 n-를 도핑하여 가드링(130)을 형성함으로써 표면전류에 의한 아발란치 브레이크다운의 발생을 방지할 수 있으며, 또는 도 7에 도시된 바와 같이, p- 에피택셜층(110)의 표면에 고순도의 산화물(160)을 형성함으로써 누설전류를 억제할 수 있다.
또한, 실리콘 광전자증배관을 이루는 각각의 마이크로셀(아발란치 포토다이오드) 사이의 p- 에피택셜층(110) 표면에, 도 8에 도시된 바와 같이, p+ 층을 도핑하여 셀가드링(140)을 형성해줌으로써 마이크로셀간의 전기적 누설(crosstalk)을 방지할 수 있다.
이때, 상술한 바와 같은 스트립형 N층 구조를 갖는 실리콘 광전자증배관의 제조방법에 대한 상세한 설명은 도 9를 통해 상세하게 설명하기로 한다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 스트립형 P-N 접합구조를 갖는 실리콘 광전자증배관의 제조방법을 설명하기 위한 도면이다.
먼저, 본 발명에 따른 실리콘 광전자증배관의 제조방법은 기존의 CMOS 공정 방법을 적용할 수 있다는 점에서 특징이 있으며, 이를 통해 실리콘 광전자증배관 제작을 용이하게 할 수 있는 장점이 있다.
가장 일반적인 공정방법으로는 불순물을 임플란트하여 스트립형의 n+층을 형성할 수 있다. 이때, n+ 층을 형성하는데 적용될 수 있는 불순물로는 비소(arsenic) 또는 인(phosphorus)이 사용될 수 있으며, 비소를 불순물로 사용할 경우, 확산효과가 낮아 얕은 도핑(shallow doping)이 형성되어 전기장이 더 밀집됨으로써 낮은 전압에서도 강한 전기장을 얻을 수 있고, n+ 층의 스트립 라인을 보다 얇게 형성할 수 있어 데드 영역(dead area)을 줄일 수 있다. 한편, 인을 불순물로 사용할 경우에는 확산효과가 높아 p-n접합부의 곡률 조절이 유리하여 접합부에 고른 전기장을 형성할 수 있어 균등한 아발란치 브레이크 다운을 발생시킬 수 있다.
그러나, 불순물 임플란트의 경우 n+층과 p- 에피택셜층의 접합부의 곡률을 정교하게 조절하기에는 한계가 있으며, 이에 따라 본 발명의 일실시예에서는 도 9에 도시된 바와 같이, p+ 웨이퍼 기판(100)에 p- 에피택셜층(110)을 형성한 후, 포토레지스트(photoresist)(111)를 도포하고, 다수의 스트립이 형성된 포토마스크(112)를 이용해 패턴을 형성한 후 화학적 식각공정을 수행한다.
여기서, 화학적 식각공정은 노출된 실리콘을 등방형으로 식각하기 때문에 식각된 단면의 형태가 이상적인 원형 형태로 제작하기 용이한 장점이 있다.
이를 통해 p- 에피택셜층(110)에는 포토마스크(112)에 형성된 다수의 스트립 형태의 식각 패턴(113)이 형성되고, 이후, 포토레지스트(112)를 제거한 후 형성된 식각 패턴(113)에 포클(POCL3)가스(170) 확산을 통해 n+층을 도핑, 형성한다.
상술한 바와 같이 식각 패턴이 형성된 표면에 포클(POCL3)가스(170) 확산을 통해 n+층을 형성한 후에는, 화학적 기계적 연마(CMP : chemical mechanical polishing) 공정을 이용하여 표면을 연마함으로써 스트립 형태의 n+층(120)을 형성하게 된다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 스트립형 P-N 접합구조를 갖는 실리콘 광전자증배관 및 그 제조 방법은 실리콘 광전자증배관을 구성하는 각 마이크로셀의 P-N 접합(P-N junction)층을 형성함에 있어서, 통상의 CMOS 공정을 이용하여 p- 에피택셜층 상에 n+층을 형성하되, 상기 n+층을 p- 에피택셜층 상부에 띠 형태의 스트립(strip) 구조로 형성하여, 섬광체로부터 입사되는 가시광에 의해 p- 에피택셜층에서 발생한 전자가 스트립 구조로 형성된 n+층으로 집속되도록 구성함으로써, 정공보다 상대적으로 아발란치(전자사태, avalanche) 효율이 우수한 전자에 의한 아발란치 브레이크다운(Avalanche Breakdown)을 유도하여, 입사되는 광의 검출 효율을 높일 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 스트립형 P-N 접합구조를 갖는 실리콘 광전자증배관은 그 구조상 종래의 CMOS 공정을 그대로 적용하여 제조할 수 있어 추가적인 공정 장비를 설치할 필요없이 공정을 단순화함은 물론, 이에 따른 불필요한 제작 비용 소모를 방지할 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경할 수 있다는 것은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백하다 할 것이다.
100 : p+ 웨이퍼 기판 110, 210, 211 : p- 에피택셜층
120, 220, 221 : n+층 130 : 가드링
140 : 셀가드링 150 : 가드스트립
113 : 패턴
120, 220, 221 : n+층 130 : 가드링
140 : 셀가드링 150 : 가드스트립
113 : 패턴
Claims (11)
- 다수개의 마이크로셀로 이루어지는 실리콘 광전자증배관(SiPM : Silicon Photomultiplier)에 있어서,
상기 실리콘 광전자증배관을 구성하는 다수개의 마이크로셀 각각은,
p+ 웨이퍼 기판;
상기 p+ 웨이퍼 기판상에 형성되는 p- 에피택셜층; 및
상기 p- 에피택셜층에 도핑되어, 상기 p- 에피택셜층 표면에 띠 형태의 스트립(strip) 구조로 형성되는 n+층;
을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 스트립형 P-N 접합구조를 갖는 실리콘 광전자증배관. - 제 1항에 있어서,
상기 n+층은 상기 p- 에피택셜층에 스트립(strip) 구조로 다수개 배열되어 형성되며,
상기 각각의 n+층의 폭은 서로 인접한 n+층간의 간격보다 좁게 형성되는 것을 특징으로 하는 스트립형 P-N 접합구조를 갖는 실리콘 광전자증배관. - 제 2항에 있어서,
상기 n+층의 폭은 0.1~1㎛이고, 서로 인접한 n+층간의 간격은 1~10㎛인 것을 특징으로 하는 스트립형 P-N 접합구조를 갖는 실리콘 광전자증배관. - 제 2항에 있어서,
상기 스트립(strip) 구조로 형성되는 각각의 n+층의 폭과 깊이의 비는 2:1 ~ 4:1인 것을 특징으로 하는 스트립형 P-N 접합구조를 갖는 실리콘 광전자증배관. - 제 1항에 있어서,
상기 n+층은 비소(arsenic) 또는 인(phosphorus)을 기반으로 형성되는 것을 특징으로 하는 스트립형 P-N 접합구조를 갖는 실리콘 광전자증배관. - 제 1항에 있어서,
상기 띠 형태의 스트립 구조로 형성되는 n+층의 양단에는,
n-층으로 이루어지는 가드스트립이 구비되는 것을 특징으로 하는 스트립형 P-N 접합구조를 갖는 실리콘 광전자증배관. - 제 1항에 있어서,
상기 p- 에피택셜층의 각 n+층의 인접부 표면에는 n-층이 도핑된 가드링이 형성되는 것을 특징으로 하는 스트립형 P-N 접합구조를 갖는 실리콘 광전자증배관. - 제 1항에 있어서,
상기 띠 형태의 스트립 구조로 형성되는 n+층 영역을 제외한 상기 p- 에피택셜층의 표면에는 산화물층이 형성되는 것을 특징으로 하는 스트립형 P-N 접합구조를 갖는 실리콘 광전자증배관. - 제 1항에 있어서,
상기 실리콘 광전자증배관을 이루는 각각의 마이크로셀 사이의 p- 에피택셜층 표면에는, 인접한 마이크로셀간의 전기적 누설(crosstalk)을 방지하기 위해 p+층이 도핑되어 형성되는 셀가드링이 구비되는 것을 특징으로 하는 스트립형 P-N 접합구조를 갖는 실리콘 광전자증배관. - 다수개의 마이크로셀로 이루어지는 실리콘 광전자증배관의 제조방법에 있어서,
p+ 웨이퍼 기판에 p- 에피택셜층을 형성하는 단계;
상기 p- 에피택셜층에 포토레지스트를 도포한 후, 적어도 하나 이상의 스트립 구조의 식각패턴이 형성된 포토마스크를 통해 포토레지스트를 에칭하여 상기 p- 에피택셜층의 상부에 스트립 구조의 포토레지스트 패턴을 형성하는 단계;
화학적 식각 공정을 통해 상기 p- 에피택셜층에 스트립 구조의 식각패턴을 형성한 후, 상기 포토레지스트를 제거하는 단계;
상기 식각 패턴이 형성된 p- 에피택셜층에 포클(POCL3) 가스 확산을 통해 n+층을 도핑, 형성하는 단계;
상기 n+층이 형성된 표면을 화학적 기계적 연마(chemical mechanical polishing, CMP) 공정을 통해 연마하여 상기 p- 에피택셜층 표면에 띠 형태의 스트립(strip) 구조로 n+층을 형성하는 단계;
를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 스트립형 P-N 접합구조를 갖는 실리콘 광전자증배관의 제조방법. - 제 10항에 있어서,
상기 n+층은 상기 p- 에피택셜층에 스트립(strip) 구조로 다수개 배열되어 형성되며,
상기 각각의 n+층의 폭은 서로 인접한 n+층간의 간격보다 좁게 형성되는 것을 특징으로 하는 스트립형 P-N 접합구조를 갖는 실리콘 광전자증배관의 제조방법.
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| US20010022368A1 (en) * | 1996-12-20 | 2001-09-20 | Board Of Regents, The University Of Texas System | METHOD OF USING A Wide WAVELENGTH RANGE HIGH EFFICIENCY AVALANCHE LIGHT DETECTOR WITH NEGATIVE FEEDBACK |
| US20110018085A1 (en) * | 2009-07-23 | 2011-01-27 | An Sung Yong | Silicon photoelectric multiplier having cell structure |
| US20110227183A1 (en) * | 2006-07-03 | 2011-09-22 | Hamamatsu Photonics K.K. | Photodiode array |
| KR20110131008A (ko) * | 2010-05-28 | 2011-12-06 | 한국과학기술원 | 배면 입사 구조를 갖는 실리콘 광전자증배관, 그 제조방법 및 이를 이용한 방사선 검출기 |
-
2013
- 2013-01-23 KR KR1020130007428A patent/KR101451250B1/ko active IP Right Grant
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20010022368A1 (en) * | 1996-12-20 | 2001-09-20 | Board Of Regents, The University Of Texas System | METHOD OF USING A Wide WAVELENGTH RANGE HIGH EFFICIENCY AVALANCHE LIGHT DETECTOR WITH NEGATIVE FEEDBACK |
| US20110227183A1 (en) * | 2006-07-03 | 2011-09-22 | Hamamatsu Photonics K.K. | Photodiode array |
| US20110018085A1 (en) * | 2009-07-23 | 2011-01-27 | An Sung Yong | Silicon photoelectric multiplier having cell structure |
| KR20110131008A (ko) * | 2010-05-28 | 2011-12-06 | 한국과학기술원 | 배면 입사 구조를 갖는 실리콘 광전자증배관, 그 제조방법 및 이를 이용한 방사선 검출기 |
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