KR101638545B1 - 누설전류를 방지하는 실리콘 광증배관 소자 - Google Patents

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Abstract

본 발명에서 제안하는 실리콘 광증배관 소자(Silicon Photomultiplier)는 기판; 상기 기판 상에 형성되고 기설정된 개수의 마이크로 픽셀을 포함하는 엑티브(Active) 영역; 및 상기 기판과 다른 타입의 이온으로 도핑되어 상기 엑티브 영역을 둘러싸도록 형성되되, 상기 엑티브 영역과 각각 기설정된 거리를 두고 형성된 적어도 2 개 이상의 가드링을 포함한다.

Description

누설전류를 방지하는 실리콘 광증배관 소자{SILICON PHOTOMULTIPLIER PREVENTING LEAKAGE CURRENT}
본 발명은 실리콘 광증배관 소자에 관한 것이고, 보다 상세하게는 누설전류를 방지하는 실리콘 광증배관 소자에 관한 것이다.
최근 광센서 분야에서 기존의 광증배관 소자(PMT, Photomultiplier)를 대체하기 위해 고안된 실리콘 광증배관 소자(Silicon Photomultiplier; SiPM)는 초소형으로 제작이 가능하고, 상온에서 매우 낮은 전압으로 동작되며(일반적으로 25~100V), 자기장에 영향을 받지 않는 특징을 가지고 있다. 또한, 실리콘 광증배관 소자는 100만배로 신호를 증폭시킬 수 있어, 단일 광자의 측정이 가능하고 암실에서도 밝은 영상을 얻을 수 있다.
도 1은 일반적인 실리콘 광증배관 소자의 단면도이다. 도 1에 도시된 것처럼, 실리콘 광증배관 소자(100)는 다수의 마이크로 픽셀(Micro-pixel, 110)을 포함하여 이루어진다. 각 마이크로 픽셀(110)의 크기는 10~100um로 1㎟의 면적당 마이크로 픽셀 100~1000개가 집적된다. 각 마이크로 픽셀(110)은 p+ 전도성 타입의 기판(140) 위에 5um 이하의 두께로 형성된 p- 전도성 타입의 에피텍시층(Epitaxial Layer, 130)과, 에피텍시층(130) 내에 순차적으로 p 이온과 n+ 이온을 주입하여 형성된 PN 접합층(PN-Junction Layer, 120)을 포함한다.
마이크로 픽셀(110)의 간단한 동작 원리는 다음과 같다. PN 접합층(120)에서는 n형에서 p형 방향으로 매우 강한 전기장이 형성됨에 따라 얇은 공핍 영역(Depletion Region)이 형성된다. 이때, 마이크로 픽셀(110)로 입사되는 빛(광자)에 의해 생성된 전자-정공 짝(Electron-Hole Pair)이 형성되어 있는 전기장에 의해 가속된다. 이렇게 가속된 전자-정공 짝은 전자사태 방전(Avalanche Breakdown)을 야기시키고, 전자사태 방전에 의해 신호가 증폭된다. 각 마이크로 픽셀(110)은 도 2에 도시된 가이거 모드(Geiger Mode)에서 동작하며, 복수의 증폭된 신호가 하나의 출력으로 합쳐진다. 도 2는 일반적인 실리콘 광증배관 소자에서 에피텍시층 내 전기장의 분포를 나타내는 도면이다.
한편, 실리콘 광증배관 소자(100)에서 발생하는 누설 전류(Leakage Current)는 실리콘 광증배관 소자(100)의 성능에 악영향을 미칠 수 있다.
구체적으로, 마이크로 픽셀(110) 내에서 야기되는 전자사태 방전이 누설 전류에 의해 빨라질 수 있고, 설계자가 의도 및 계산했던 것보다 작은 신호가 증폭되어 전체적인 출력이 낮아질 수 있다.
이와 같은 누설 전류를 차단하고 내부 소자를 보호하기 위해, 종래 실리콘 광증배관 소자(100)는 가드링(Guard Rings)을 포함하고, 가드링은 마이크로 픽셀(110) 주변에 형성될 수 있다.
최근까지도 실리콘 광증배관 소자(100)에 가드링을 형성하는 기술에 대해 지속적인 연구가 진행 중이다. 특히, 웨이퍼에서 소자를 분리시키는 다이싱 쏘우(Dicing Saw) 공정 이후에 발생하는 누설 전류까지 효과적으로 차단할 수 있는 기술에 대한 요구가 있어왔다.
한편, 한국공개특허 제2012-0124559호(발명의 명칭: 실리콘 광전자증배관의 트렌치 가드링 형성방법 및 이를 이용하여 제조된 실리콘 광전자증배관)는 트렌치 외벽에 트렌치 가드링을 형성함으로써, 마이크로 셀 타입의 어레이로 이루어진 아발란치 포토다이오드 간의 광 간섭 및 전류 누설을 효과적으로 방지하는 기술에 대해 설명하고 있다.
본 발명의 일부 실시예는 누설 전류를 효율적으로 차단하는 가드링이 형성되어 전체적인 성능을 보장할 수 있는 실리콘 광증배관 소자를 제공하는 데에 그 목적이 있다.
또한, 본 발명의 일부 실시예는 다이싱 쏘우 공정 이후에 발생할 수 있는 누설 전류까지 차단하도록 가드링이 형성된 실리콘 광증배관 소자를 제공하는 데에 다른 목적이 있다.
다만, 본 실시예가 이루고자 하는 기술적 과제는 상기된 바와 같은 기술적 과제들로 한정되지 않으며, 또 다른 기술적 과제들이 존재할 수 있다.
상술한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본 발명의 일 실시예에 따른 실리콘 광증배관 소자는, 기판; 상기 기판 상에 형성되고 기설정된 개수의 마이크로 픽셀을 포함하는 엑티브(Active) 영역; 및 상기 기판과 다른 타입의 이온으로 도핑되어 상기 엑티브 영역을 둘러싸도록 형성되되, 상기 엑티브 영역과 각각 기설정된 거리를 두고 형성된 적어도 2 개 이상의 가드링을 포함한다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 실리콘 광증배관 소자는, 기판; 상기 기판 상에 형성되고 기설정된 개수의 마이크로 픽셀을 포함하는 엑티브(Active) 영역; 상기 기판과 다른 타입의 이온으로 도핑되어 상기 엑티브 영역을 둘러싸도록 형성되되, 상기 엑티브 영역과 각각 기설정된 거리를 두고 형성된 적어도 2 개 이상의 가드링을 포함하는 제 1 가드링 그룹; 및 상기 엑티브 영역으로부터 상기 제 1 가드링 그룹 내 최외각에 형성된 가드링보다 먼 거리에 형성되되, 다이싱 쏘우(Dicing Saw) 공정을 위한 라인을 따라 형성된 가드링을 포함하는 제 2 가드링 그룹을 포함한다.
전술한 본 발명의 과제 해결 수단 중 어느 하나인 실리콘 광증배관 소자는 적어도 2개 이상의 가드링을 포함함으로써, 누설 전류를 효율적으로 차단할 수 있고, 각 마이크로 픽셀의 광 증폭율 및 신호 대 잡음(SNR) 특성을 향상시킬 수 있으며, 전체 소자의 성능에 대한 신뢰성을 보장할 수 있다.
또한, 본 발명에서 제안하는 실리콘 광증배관 소자는 제 1 가드링 그룹 및 제 2 가드링 그룹을 포함함으로써, 다이싱 쏘우 공정 이후에 발생하여 소자에 악영향을 줄 수 있는 누설 전류를 방지할 수 있고, 전체 소자의 성능에 대한 신뢰성을 보장할 수 있다.
도 1은 일반적인 실리콘 광증배관 소자의 단면도이다.
도 2는 일반적인 실리콘 광증배관 소자에서 에피택시층 내 전기장의 분포를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 누설전류를 방지하는 실리콘 광증배관 소자의 평면도를 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 누설전류를 방지하는 실리콘 광증배관 소자의 평면도를 나타낸 것이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 누설전류를 방지하는 실리콘 광증배관 소자의 평면도를 나타낸 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 실리콘 광증배관 소자(200)는 기판(미도시), 엑티브(Active) 영역(210), 및 가드링(220)을 포함한다.
기판은 p 전도성 타입 또는 n 전도성 타입으로 도핑되고, 실리콘 기판일 수 있다. 이때, 기판의 도핑 농도는 1017~1020cm-3의 고농도이거나, 자연적으로 발생하는 암전류(Dark Current)를 감소시키기 위해 1012~1016cm-3의 저농도일 수도 있다.
엑티브(Active) 영역(210)은 기판 상에 형성되고 기설정된 개수의 마이크로 픽셀(Micro-Pixel; MP)을 포함한다.
구체적으로, 도 3에 도시된 각 마이크로 픽셀(MP)은 내부적으로 기판의 일부, 에피텍시층, PN 접합층, 절연층, 저항, 알루미늄 구성을 포함할 수 있고, 이에 대해 간략히 설명한다.
에피텍시층은 실리콘 기판 위에 형성되고, 실리콘 기판과 동일한 전도성 타입으로 도핑된다. 예를 들어, 실리콘 기판이 p 전도성 타입이면 에피텍시층도 p 전도성 타입이다. 에피텍시층의 도핑 농도는 실리콘 기판과 달리 1014~1018cm-3이거나, 자연적으로 발생하는 암전류를 감소시키기 위해 실리콘 기판과 동일한 1012~1016cm-3일 수 있다.
PN 접합층은 에피텍시층 내에서 성장되고, PN 접합에 의해 공핍 영역이 형성되며, 전자사태 방전이 공핍 영역에서 발생된다.
일반적으로 PN 접합층은 1017~1018cm-3의 도핑 농도로 형성되고 실리콘 기판과 동일한 전도성 타입의 제 1 전도성층과, 1019~1021cm-3의 도핑 농도로 형성되고 실리콘 기판과 반대인 전도성 타입의 제 2 전도성층으로 이루어진다. 예를 들어, 실리콘 기판이 p 전도성 타입인 경우, PN 접합층을 이루는 제 1 전도성층은 p 전도성 타입이고 제 2 전도성층은 n 전도성 타입이다.
절연층은 상술한 PN 접합층 위에 형성되어 각 마이크로 픽셀에 입사되는 빛 중 반사되는 빛을 줄여 감도를 향상시킨다.
폴리실리콘 저항은 가이거 모드 방전에 의해 일정량의 전류가 흐른 이후에 전기의 흐름을 끊어주기 위해 절연층 위에 위치하고, 1㏀ ~ 100㏁의 값을 가진다. 알루미늄 구성은 각 마이크로 픽셀에서 발생한 전류를 한 곳으로 모으는 역할을 수행한다.
아울러, 다수의 트랜치 구조 및 가드링은 마이크로 픽셀 사이에 배치되어 각 마이크로 픽셀을 광학적으로 서로 분리시킨다.
트렌치 구조 내부에 금속이 증착되고, 트렌치 구조의 배치 형태 또는 깊이에 따라 인가전압, 및 PN 접합층과 트렌치 구조 사이에 형성되는 전기장 등이 달라질 수 있다.
예를 들어, 수직구조를 가진 PN 접합층의 깊이가 10um인 경우 트렌치 구조의 깊이는 10~13um일 수 있다. 이러한 경우 역바이어스를 가하면, PN 접합층과 트렌치 구조 사이에 수평으로 균일한 전기장이 형성될 수 있다.
가드링(220)은, 다시 도 3을 참고하여 설명하면, 상술한 기판과 다른 타입의 이온으로 도핑되어 엑티브 영역(210)을 둘러싸도록 적어도 2개 이상으로 형성된다. 특히, 적어도 2개 이상의 가드링(220)은 엑티브 영역(210)과 각각 기설정된 거리를 두고 형성된다.
가드링(220)은 실리콘 광증배관소자(200)의 내부 회로를 보호하거나 누설 전류를 차단할 수 있다. 또한, 가드링(220)은 기판과 다른 타입의 이온으로 도핑되기 때문에, 기판이 p 전도성 타입(P+)인 경우 가드링은 n 전도성 타입(N-)이고, 기판이 n 전도성 타입(N+)인 경우 가드링은 p 전도성 타입(P-)일 수 있다.
구체적으로, 엑티브 영역(210)으로부터 가까운 순서대로 제 1 가드링(221), 제 2 가드링(222), 및 제 3 가드링(223)이 도 3처럼 형성되어 있을 수 있다.
제 1 가드링(221), 제 2 가드링(222), 및 제 3 가드링(223)은 상술한 엑티브 영역(210)과 각각 기설정된 거리를 두면서 엑티브 영역(210)을 둘러싸도록 형성되는데, 이들 가드링(220)의 형상은 엑티브 영역(210)의 형상에 따라 달라질 수 있다.
예를 들어, 설계자의 필요나 사용 분야에 따라 엑티브 영역(210) 내 마이크로 픽셀의 개수가 조절될 수 있기 때문에, 엑티브 영역(210)의 형상이 직사각형 또는 정사각형이 아닌 다른 형상일 수 있고, 엑티브 영역(210)을 둘러싸도록 형성되는 가드링(220)의 형상도 그에 따라 달라질 수 있다.
또한, 엑티브 영역(210)과 제 1 가드링(221)의 제 1 간격(a)은 제 1 가드링(221)과 제 2 가드링(222)의 제 2 간격(b)보다 넓고, 제 2 간격(b)은 제 2 가드링(222)과 제 3 가드링(223)의 제 3 간격(c)보다 넓을 수 있다.
예를 들어, 제 1 간격(a)은 가드링으로서의 역할을 수행하기 위한 거리인 70um일 수 있고, 제 2 간격(b) 및 제 3 간격(c)은 각각 50um, 30um일 수 있다.
아울러, 적어도 2 이상의 가드링(220) 중 엑티브 영역(210)과 가장 가까이에 형성된 가드링의 너비가 가장 넓을 수 있다.
예를 들어, 도 3에 도시된 3개의 가드링(220) 중 엑티브 영역(210)과 가장 가까이에 형성된 제 1 가드링(221)의 너비(x)는 120um일 수 있고, 제 2 가드링(222)의 너비(y) 및 제 3 가드링(223)의 너비(z)는 모두 47um일 수 있다. 가드링(220)의 너비가 40um 미만인 경우 누설 전류를 차단하는 역할을 수행하기 어려울 수 있다.
덧붙여, 도 3의 경우 3개의 가드링(221, 222, 223)이 도시되어 있으나, 설계자의 필요나 사용 분야에 따라 가드링(220)의 개수가 2개 혹은 4개 등으로 달라질 수 있다.
지금까지 설명한 본 발명의 일 실시예에 따른 실리콘 광증배관 소자는 적어도 2개 이상의 가드링을 포함함으로써, 누설 전류를 효율적으로 차단할 수 있고, 각 마이크로 픽셀의 광 증폭율 및 신호 대 잡음(SNR) 특성을 향상시킬 수 있으며, 전체 소자의 성능에 대한 신뢰성을 보장할 수 있다.
한편, 도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 누설전류를 방지하는 실리콘 광증배관 소자의 평면도를 나타낸 것이다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 실리콘 광증배관 소자(300)는 기판(미도시), 엑티브(Active) 영역(310), 제 1 가드링 그룹(320), 및 제 2 가드링 그룹(331, 332)을 포함한다.
기판과, 상기 기판 상에 형성되고 기설정된 개수의 마이크로 픽셀을 포함하는 엑티브 영역(310)과 관련해서는 이미 상술한 내용과 중복되므로 생략하기로 한다.
제 1 가드링 그룹(320)은 상술한 기판과 다른 타입의 이온으로 도핑되어 엑티브 영역(310)을 둘러싸도록 형성된다. 특히, 제 1 가드링 그룹(320)은 엑티브 영역(310)과 각각 기설정된 거리를 두고 형성된 적어도 2 개 이상의 가드링을 포함한다.
구체적으로, 엑티브 영역(310)으로부터 가까운 순서대로 제 1 가드링(321), 제 2 가드링(322), 및 제 3 가드링(323)이 도 4처럼 형성되어 있을 수 있다.
제 1 가드링(321), 제 2 가드링(322), 및 제 3 가드링(323)은 상술한 엑티브 영역(310)과 각각 기설정된 거리를 두면서 엑티브 영역(310)을 둘러싸도록 형성되는데, 이들 가드링(320)의 형상은 엑티브 영역(310)의 형상에 따라 달라질 수 있다.
또한, 엑티브 영역(310)과 제 1 가드링(221)의 제 1 간격(a')은 제 1 가드링(321)과 제 2 가드링(322)의 제 2 간격(b')보다 넓고, 제 2 간격(b')은 제 2 가드링(322)과 제 3 가드링(323)의 제 3 간격(c')보다 넓을 수 있다.
아울러, 제 1 가드링 그룹(320) 내 가드링 중 엑티브 영역(310)과 가장 가까이에 형성된 가드링의 너비가 가장 넓을 수 있다.
예를 들어, 도 4에 도시된 3개의 가드링 중 엑티브 영역(310)과 가장 가까이에 형성된 제 1 가드링(321)의 너비(x')는 120um일 수 있고, 제 2 가드링(322)의 너비(y') 및 제 3 가드링(323)의 너비(z')는 모두 47um일 수 있다.
덧붙여, 도 4의 경우 제 1 가드링 그룹(320)은 3개의 가드링(321, 322, 323)을 포함하나, 설계자의 필요나 사용 분야에 따라 가드링의 개수가 2개 혹은 4개 등으로 달라질 수도 있다.
제 2 가드링 그룹은 엑티브 영역(310)으로부터 상술한 제 1 가드링 그룹(320) 내 최외각에 형성된 가드링보다 먼 거리에 형성되고, 다이싱 쏘우(Dicing Saw) 공정을 위한 라인을 따라 형성된 가드링(331, 332)을 포함한다.
예를 들어, 제 2 가드링 그룹 내 가드링(331, 332)은 엑티브 영역(310)으로부터 제 1 가드링 그룹(320) 내 제 3 가드링(323)보다 먼 거리에 형성될 수 있다.
또한, 제 2 가드링 그룹 내 가드링(331, 332)의 너비(w)가 제 1 가드링 그룹(320) 내 최내각에 형성된 가드링을 제외한 나머지 가드링의 너비보다 넓을 수 있다.
예를 들어, 제 2 가드링 그룹 내 가드링(331, 332)의 너버(w)는 120um일 수 있고, 제 1 가드링 그룹(320) 내 제 1 가드링(321)을 제외한 제 2 가드링(322)의 너비(y') 및 제 3 가드링(323)의 너비(z')보다 넓을 수 있다.
지금까지 설명한 본 발명의 다른 실시예에 따른 실리콘 광증배관 소자는 제 1 가드링 그룹 및 제 2 가드링 그룹을 포함함으로써, 다이싱 쏘우 공정 이후에 발생하여 소자에 악영향을 줄 수 있는 누설 전류를 방지할 수 있고, 전체 소자의 성능에 대한 신뢰성을 보장할 수 있다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
200: 실리콘 광증배관 소자 210: 엑티브 영역
220: 가드링

Claims (6)

  1. 실리콘 광증배관 소자(Silicon Photomultiplier)에 있어서,
    기판;
    상기 기판 상에 형성되고 기설정된 개수의 마이크로 픽셀을 포함하는 엑티브(Active) 영역; 및
    상기 기판과 다른 타입의 이온으로 도핑되어 상기 엑티브 영역을 둘러싸도록 형성되되, 상기 엑티브 영역과 각각 기설정된 거리를 두고 형성된 적어도 2 개 이상의 가드링을 포함하는 제 1 가드링 그룹; 및
    상기 엑티브 영역으로부터 상기 제 1 가드링 그룹 내 최외각에 형성된 가드링보다 먼 거리에 형성되되, 다이싱 쏘우(Dicing Saw) 공정을 위한 라인을 따라 형성된 가드링을 포함하는 제 2 가드링 그룹을 포함하는 실리콘 광증배관 소자.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 엑티브 영역으로부터 가까운 순서대로 제 1 가드링, 제 2 가드링, 및 제 3 가드링인 경우,
    상기 엑티브 영역과 상기 제 1 가드링의 제 1 간격은 상기 제 1 가드링과 상기 제 2 가드링의 제 2 간격보다 넓고, 상기 제 2 간격은 상기 제 2 가드링과 상기 제 3 가드링의 제 3 간격보다 넓은, 실리콘 광증배관 소자.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 가드링 중 상기 엑티브 영역과 가장 가까이에 형성된 가드링의 너비가 가장 넓은, 실리콘 광증배관 소자.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 가드링의 형상은 상기 엑티브 영역의 형상에 따라 달라지는, 실리콘 광증배관 소자.
  5. 삭제
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 가드링 그룹 내 가드링의 너비가 상기 제 1 가드링 그룹 내 최내각에 형성된 가드링을 제외한 나머지 가드링의 너비보다 넓은, 실리콘 광증배관 소자.
KR1020130148806A 2013-12-02 2013-12-02 누설전류를 방지하는 실리콘 광증배관 소자 KR101638545B1 (ko)

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