KR101663644B1 - 변형된 도핑 및 조성 흡수층을 이용한 애벌랜치 포토다이오드 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 상기 목적을 달성하기 위한 것으로서, 흡수층 및 증폭층이 각각 분리되어 형성된(separate absorption and multiplication) 애벌랜치 포토다이오드에 있어서, 상기 흡수층은 전계가 걸린 흡수층과 도핑 및 조성변화층의 조합으로 이루어지되, 상기 도핑 및 조성변화층은, 상기 전계가 걸린 흡수층과 비흡수층 사이에 형성되며, 상기 전계가 걸린 흡수층의 도핑 농도보다 상대적으로 높은 도핑 농도를 가지면서, 상기 화합물 반도체의 조성을 기판에 대해 10% 오차범위 내에서의 격자부정합 또는 정합이 유지되도록 변형하여 형성되는 것을 특징으로 하는 변형된 도핑 및 조성 흡수층을 이용한 애벌랜치 포토다이오드를 기술적 요지로 한다. 이에 의해, 도핑이 되어 있으면서 조성 변화가 이루어진 도핑 및 조성변화층은 소수 캐리어의 에너지 밴드를 가변함으로써 전계를 인가하여 캐리어 이동을 돕게 되어, 캐리어가 증폭층으로 도달하는 속도를 가속할 수 있도록 하여, 효율 특성 및 응답 속도를 더욱 개선시키는 이점이 있다.

Description

변형된 도핑 및 조성 흡수층을 이용한 애벌랜치 포토다이오드{APD using modulation doping and composition absorber}
본 발명은 애벌랜치 포토다이오드에 관한 것으로서, 기존의 흡수층에 도핑 및 조성변화층을 추가하여 주파수 특성을 유지하면서 효율은 증가시키는 변형된 도핑 및 조성 흡수층을 이용한 애벌랜치 포토다이오드에 관한 것이다.
포토다이오드는 광전 변환 소자로서, 흡수된 광을 전기적 신호로 변환시켜서 출력하는 것으로, 그 중 애벌랜치 포토다이오드(Avalanche Photodiode, APD)는 변환된 전기 신호를 그 내부에서 증폭시켜서 출력하는 것이다.
일반적으로, 흡수층 및 증폭층이 각각 분리되어 형성된(separate absorption and multiplication) 애벌랜치 포토다이오드는, 흡수층으로 입력된 광에 의해 흡수층을 여기시키고, 여기된 흡수층은 전자-정공 쌍을 생성하게 된다. 여기된 전자-정공 쌍은 내부 전기장에 의해 반대방향으로 분리되며, 전자는 하부 전극을 통해서 방출되고, 정공은 증폭층으로 주입되어 증폭층에 인가된 높은 전기장에 의해 가속에너지를 얻어 증폭층으로 사용한 물질의 가전대의 전자와 충돌하여 새로운 전자와 정공 쌍을 생성하는 내부 증폭이 발생하며, 증폭된 정공은 상부 전극을 통해서 출력되는 것이다.
도 1은 기존의 애벌랜치 포토다이오드의 밴드다이어그램을 나타낸 것으로, 정공이 왼쪽으로 움직여서 높은 전계 영역에서 애벌랜치(증폭) 현상이 일어나 전류가 증폭되게 된다.(파란색은 conduction band Ec, 빨간색은 valence band Ev)
여기에서 효율을 향상시키고자 흡수층을 두껍게 하면 응답 속도가 낮아지게 되며, 전계에 의해 캐리어(여기에서는 정공)가 끌려가는 드리프트(drift) 현상만 일어나게 된다.
이와 같이, 애벌랜치 포토다이오드는 광에서 변환된 전기신호를 내부적으로 증폭시킴으로써 다른 형태의 증폭 소자에 비해서 상대적으로 작은 잡음의 큰 출력을 갖는 전기 신호를 출력할 수 있다.
이러한 애벌랜치 포토다이오드에 있어서, 주된 관심사는 광흡수 효율을 향상시키는 것과 응답속도를 개선시키는 것이다.
그러나, 광흡수 효율을 개선시키기 위해서는 흡수층이나 증폭층의 두께를 두껍게 하여 두께가 두꺼울수록 흡수 효율이 1에 가까워지지만, 그 만큼 응답속도가 느려지는 경향을 보이므로, 흡수 효율과 주파수 특성의 트레이드 오프(trade off)가 필요하다.
응답속도 향상을 위해서 증폭층의 폭을 작게하면, 에지 항복이 일어날 가능성이 커지게 되는 문제가 있어, 증폭층에 확산 영역을 형성하거나, 가드링(Guard ring) 영역을 형성하기도 한다.
그러나, 흡수층에 대한 흡수 효율과 주파수 특성에 대한 트레이드 오프 관계를 완화하기 위한 구조는 그 연구가 미흡한 실정이다.
대한민국특허청 등록특허공보 등록번호 10-0391090호. 대한민국특허청 공개특허공보 공개번호 10-2012-0065621호.
본 발명은 애벌랜치 포토다이오드에 있어서, 흡수층에 도핑 및 조성변화층을 추가하여 주파수 특성을 유지하면서 효율을 증가시키는 변형된 도핑 및 조성 흡수층을 이용한 애벌랜치 포토다이오드의 제공을 그 목적으로 한다.
본 발명은 상기 목적을 달성하기 위한 것으로서, 흡수층 및 증폭층이 각각 분리되어 형성된(separate absorption and multiplication) 애벌랜치 포토다이오드에 있어서, 상기 흡수층은 전계가 걸린 흡수층과 도핑 및 조성변화층의 조합으로 이루어지되, 상기 도핑 및 조성변화층은, 상기 전계가 걸린 흡수층과 비흡수층 사이에 형성되며, 상기 전계가 걸린 흡수층의 도핑 농도보다 상대적으로 높은 도핑 농도를 가지면서, 상기 화합물 반도체의 조성을 기판에 대해 10% 오차범위 내에서의 격자부정합 또는 정합이 유지되도록 변형하여 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 도핑 및 조성변화층은, 단계적으로 도핑 농도의 차이를 두는 스텝형 도핑 농도를 가지면서, 단계적인 조성 변화를 갖는 조성변화층으로 형성된 것이 바람직하다.
또한, 상기 도핑 및 조성변화층은, 연속적으로 도핑 농도의 차이를 두는 연속형 도핑 농도를 가지면서, 연속적인 조성 변화를 갖는 조성변화층으로 형성된 것이 바람직하다.
또한, 상기 도핑 및 조성변화층은, 단계적으로 도핑 농도의 차이를 두는 스텝형 도핑 농도를 가지면서, 단계적인 조성 변화를 갖는 조성변화층 및 연속적으로 도핑 농도의 차이를 두는 연속형 도핑 농도를 가지면서, 연속적인 조성 변화를 갖는 조성변화층의 조합으로 이루어진 것이 바람직하다.
또한, 상기 도핑 및 조성변화층은, 단계적으로 도핑 농도의 차이를 두는 스텝형 도핑 농도를 가지면서, 연속적인 조성 변화를 갖는 조성변화층 및 연속적으로 도핑 농도의 차이를 두는 연속형 도핑 농도를 가지면서, 단계적인 조성 변화를 갖는 조성변화층의 조합으로 이루어진 것이 바람직하다.
여기에서, 상기 도핑 및 조성변화층은, 상기 비흡수층으로부터 상기 전계가 걸린 흡수층 방향으로 도핑 농도가 단계적으로 감소하는 것이 바람직하다.
한편, 상기 도핑 및 조성변화층에는 필드스탑 도핑(field stop dopping)이 더 이루어지되, 상기 필드스탑 도핑은 상기 전계가 걸린 흡수층에 인접하여 형성된 것이 바람직하며, 또한, 상기 필드스탑 도핑이 이루어진 도핑 및 조성변화층의 도핑 농도는 1e16cm-3~ 1e19cm-3이고, 필드스탑 도핑의 농도는 1 ~ 1e19cm-3인 것이 바람직하다.
또한, 상기 도핑 및 조성변화층의 도핑 농도는, 1e16cm-3~ 5e19cm-3의 범위를 갖는 것이 바람직하며, 또한, 상기 도핑 및 조성변화층과 상기 전계가 걸린 흡수층의 두께의 비는 0.5~2 : 10인 것이 바람직하다.
여기에서, 상기 흡수층은, InGaAs, GaN, InGaN, GaAs, AlGaAs, AlAs, InP, InAlAs, InAlAsP, InSb, AlSb 중 어느 하나의 물질을 이용하는 것이 바람직하다.
본 발명은 애벌랜치 포토다이오드에 있어서, 기존의 흡수층에 도핑 및 조성변화층을 추가하여 변형된 도핑 및 조성 흡수층을 형성하여, 주파수 특성을 유지하면서 효율은 증가시키는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 도핑 및 조성변화층은 전계가 걸린 흡수층에 추가적으로, 단일 도핑 및 조성변화층을 형성하거나, 스텝형 또는 연속형 도핑 및 조성변화층을 형성하는 것에 의해, 내부 전기장을 발생시키는 데에 기여하여, 캐리어가 증폭층으로 도달하는 속도를 가속할 수 있도록 하여, 효율 특성 및 응답 속도를 개선하여, 애벌랜치 포토다이오드의 전체적인 성능을 개선시키는 효과가 있다.
또한, 도핑이 되어 있으면서 조성 변화가 이루어진 도핑 및 조성변화층은 소수 캐리어의 에너지 밴드를 가변함으로써 전계를 인가하여 캐리어 이동을 돕게 되어, 캐리어가 증폭층으로 도달하는 속도를 가속할 수 있도록 하여, 효율 특성 및 응답 속도를 더욱 개선시키는 효과가 있다.
도 1 - 기존의 애벌랜치 포토다이오드의 밴드다이어그램을 나타낸 도.
도 2 - 본 발명의 일실시예에 따른 애벌랜치 포토다이오드의 밴드다이어그램을 나타낸 도.
도 3~도 6 - 각각 본 발명의 다른 실시예에 따른 애벌랜치 포토다이오드의 밴드다이어그램을 나타낸 도.
본 발명은 애벌랜치 포토다이오드에 있어서, 기존의 흡수층에 도핑 및 조성변화층을 추가하여 변형된 도핑 및 조성 흡수층을 형성하여, 에너지 밴드를 가변함으로써 전계를 인가하여 캐리어 이동을 도와 주파수 특성을 유지하면서 효율을 증가시키는 변형된 도핑 및 조성 흡수층을 이용한 애벌랜치 포토다이오드에 관한 것이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 대해 상세히 설명하고자 한다. 도 1은 기존의 애벌랜치 포토다이오드의 밴드다이어그램을 나타낸 것이고, 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 애벌랜치 포토다이오드의 밴드다이어그램을 나타낸 것이고, 도 3~도 6은 각각 본 발명의 다른 실시예에 따른 애벌랜치 포토다이오드의 밴드다이어그램을 나타낸 것이다.
본 발명에 따른 변형된 도핑 및 조성 흡수층을 이용한 애벌랜치 포토다이오드는, 흡수층 및 증폭층이 각각 분리되어 형성된(separate absorption and multiplication) 애벌랜치 포토다이오드에 있어서, 상기 흡수층은 전계가 걸린 흡수층과 도핑 및 조성변화층의 조합으로 이루어지되, 상기 도핑 및 조성변화층은, 상기 전계가 걸린 흡수층과 비흡수층 사이에 형성되며, 상기 전계가 걸린 흡수층의 도핑 농도보다 상대적으로 높은 도핑 농도를 가지면서, 상기 화합물 반도체의 조성을 기판에 대해 10% 오차범위 내에서의 격자부정합 또는 정합이 유지되도록 변형하여 형성되는 것이다.
본 발명에 따른 애벌랜치 포토다이오드는, PIN 포토다이오드 구조를 기본으로 하는 것으로, PIN 포토다이오드는 PN접합 사이에 I층(intrinsic layer)을 끼운 것이다. 이에 의해 입사광에 의한 전자-정공 쌍의 발생이 고전계가 존재하는 I층(공핍층)에서 발생하기 때문에 응답속도가 빠르고 변환효율도 좋은 특징으로 가지고 있으며, 일반적으로 사용할 때는 역바이어스 전압을 인가한다. 따라서, 전자는 N층으로 이동하고, 정공은 P층으로 이동하여 전류로 출력되는 것이다.
즉, PIN포토다이오드 구조에 있어서, I층은 일종의 공핍층의 역할을 하며, 이는 애벌랜치 포토다이오드에 있어서 흡수층(전계가 걸린 흡수층)의 역할을 하게 된다. 도 1에 도시된 바와 같이, 전계가 걸려 있으므로 전자와 정공은 반대방향으로 드리프트(drift)하게 된다.
이러한 전계가 걸린 흡수층은 두께를 두껍게 할수록 광흡수 효율은 향상되지만, 두께가 두꺼운 만큼 응답속도가 느리게 되므로, 주파수 특성을 유지하면서 효율은 향상시키기 위해, 기존의 도핑된 층을 흡수층으로 이용하는 UTC(Uni-Traveling-Carrier) 포토다이오드에서 매우 얇은 흡수층의 확산 현상이 두꺼운 흡수층에서의 표동(drift) 현상보다 훨씬 빠른 응답 특성을 갖는다는 것을 활용한 소자이다.
또한, 일반적으로 화합물 반도체는 그 고유의 에너지 밴드 및 밴드갭을 가지고 있으나, 화합물 반도체 조성물의 조성을 변화함으로써, 에너지 밴드 및 밴드갭을 가변시킬 수 있으며, 이 경우에 전계를 발생시켜 캐리어의 이동을 돕게 되는 것이다.
따라서, 본 발명은 도 2에 도시된 바와 같이, 기존의 흡수층에 도핑 및 조성변화층을 추가로 형성하는 것으로서, 구체적으로는, 흡수층이 전계가 걸린 흡수층과 도핑 및 조성변화층의 조합으로 형성되도록 한 것으로, 소수 캐리어(정공)의 에너지 밴드를 가변함으로써, 전계를 인가하여 캐리어 이동을 돕게 되는 것이다.
이에 의해 애벌랜치 포토다이오드에 있어서, 캐리어(정공)의 수송이 기존의 흡수층(전계가 걸린 흡수층)에서는 드리프트에 의해 이루어지고, 얇은 도핑 및 조성변화층(도핑 및 조성변화층)에서는 확산 및 전계 발생에 따른 드리프트에 의해 이루어지도록 한 것이다.
따라서, 전체적으로 흡수층에서의 캐리어의 수송 속도(응답 속도)가 유지되도록 하여, 캐리어를 가속할 수 있으며, 주파수 특성 희생을 최소화하면서 흡수층 두께를 두껍게 할 수 있으므로, 효율이 증가하게 되며, 또는 동일한 흡수층 두께를 유지할 경우에는 주파수 특성을 개선시키는 것이다.
이러한 도핑 및 조성변화층은 도 2에 도시된 바와 같이 상기 전계가 걸린 흡수층과 비흡수층 사이에 형성되며, 상기 전계가 걸린 흡수층의 농도보다 상대적으로 높은 도핑 농도를 가진다.
상기 전계가 걸린 흡수층은 기본 흡수층으로 I층(intrinsic layer)에 의한 일종의 공핍층으로, 도핑 농도는 undoped ~ 1e15cm-3(unintentional doped) 정도이며, 상기 도핑 및 조성변화층의 도핑 농도는 1e16cm-3~ 5e19cm-3의 범위를 갖는다.
여기에서 상기 전계가 걸린 흡수층은 I층(intrinsic layer)으로 일종의 공핍층의 역할을 하므로, 공핍된 흡수층과 비흡수층 사이에 도핑 및 조성변화층이 형성되어 흡수층을 변형형성하며, 도핑 및 조성변화층은 1개 층을 변형하여 여러 층을 둘 수도 있다. 상기 비흡수층은 PIN 구조에 있어서, 공핍층 즉 전계가 걸린 흡수층을 제외한 영역으로, 도 2 내지 도 6의 밴드다이어그램에서 제일 오른쪽의 영역을 말하며, 소자 상에서는 N층이 될 것이다.
상술한 바와 같이, 상기 전계가 걸린 흡수층에서는 캐리어가 전계에 의해 수송되는 드리프트(drift)에 의하고, 도핑 및 조성변화층에서는 캐리어 확산(fiffusio) 및 전계 인가에 따른 캐리어의 이동을 돕게 된다. 따라서, 상기 도핑 및 조성변화층에 의해 캐리어 수송 시간(carrier transit time)이 결정되므로 응답특성을 높이기 위해 신중히 선택하여야 하며, 효율을 높이기 위해서는 그 두께를 적절히 늘여도 된다.
특히, 공핍층(의도적이지 않은 도핑된 흡수층, 전계가 걸린 흡수층)의 두께를 유지하면서 밴드갭이 낮은 도핑 및 조성변화층을 얇게하면 밴드갭이 큰 물질이 차지하는 비율이 높아지게 되어 암전류를 감소시키게 된다.
여기에서, 상기 도핑 및 조성변화층과 전계가 걸린 흡수층의 두께의 비는 0.5~2:10을 만족하는 것이 바람직하다. 도핑 및 조성변화층의 두께가 너무 얇으면 흡수층의 두께 증가의 효과가 미미하며, 도핑 및 조성변화층의 두께가 너무 두꺼우면 확산 속도가 떨어지거나 전계 미약하여, 흡수층 내에서의 응답 속도가 저하될 수 있으므로, 상기의 범위의 두께가 바람직하다.
한편, 상기 흡수층은, InP 기판에 격자가 일치되거나 10% 오차범위 격자부정합 또는 정합된 조성의 물질이면 무방하며, 예컨대 InGaAs, InGaAsP.InGaAs, GaN, InGaN, GaAs, AlGaAs, AlAs, InP, InAlAs, InAlAsP, InSb, AlSb 중 어느 하나의 물질을 이용하며, 전계가 걸린 흡수층과 도핑 및 조성변화층을 동일한 물질로 사용하여도 되며, 도핑은 이온 주입 등 종래의 도핑 방법에 의해 도핑 타입 및 도핑 농도를 조절하여 형성한다.
즉, 조성을 변화시키되, 기판에 대해 10% 오차범위 내에서의 격자부정합 또는 정합이 유지되는 범위 내에서 변형시켜야 결함을 최소화하여 효율 감소를 방지할 수 있다.
이러한 조성을 변화시키기 위한 방법으로는 만약, 흡수층이 n-형 물질이라면 n- 도핑으로 되어 있으면서, 흡수층 물질을 이루는 화합물 반도체 조성물의 조성 변화를 통해 소수 캐리어의 에너지 밴드를 가변함으로써 전계를 인가하여 캐리어 이동을 돕게 되는 것이다.
더욱 구체적으로 설명하면, InP 기판에 대해 10% 오차범위 격자부정합 또는 정합이 유지되도록, InGaAsP를 흡수층의 재료로 사용한다. InP기판에 대해 격자 정합이 일어나는 조성의 범위는 In0.53Ga0.47As이며, 그 방법으로는 InGaAsP를 흡수층의 물질로 사용하여, 이를 시작으로 P 조성을 변화시킴으로써 In0.53Ga0.47As의 물질로 도달되도록 한다.
이에 의해 도핑이 되어 있으면서 조성 변화가 이루어진 도핑 및 조성변화층은 소수 캐리어의 에너지 밴드를 가변함으로써 전계를 인가하여 캐리어 이동을 돕게 되어, 캐리어가 증폭층으로 도달하는 속도를 가속할 수 있도록 하여, 효율 특성 및 응답 속도를 개선하여, 애벌랜치 포토다이오드의 성능을 개선시키게 되는 것이다.
또한, 상기 도핑 및 조성변화층은, 단계적으로 도핑 농도의 차이를 두는 스텝형 도핑 농도를 가지면서, 단계적인 조성 변화를 갖는 조성변화층으로 형성되거나, 연속적으로 도핑 농도의 차이를 두는 연속형 도핑 농도를 가지면서, 연속적인 조성 변화를 갖는 조성변화층으로 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 도핑 및 조성변화층은 단계적으로 도핑 농도의 차이를 두는 스텝형 도핑 농도를 가지면서, 단계적인 조성 변화를 갖는 조성변화층과 연속적으로 도핑 농도의 차이를 두는 연속형 도핑 농도를 가지면서, 연속적인 조성 변화를 갖는 조성변화층의 조합으로 이루어진 것이 바람직하다.
또한, 상기 도핑 및 조성변화층은, 단계적으로 도핑 농도의 차이를 두는 스텝형 도핑 농도를 가지면서, 연속적인 조성 변화를 갖는 조성변화층과 연속적으로 도핑 농도의 차이를 두는 연속형 도핑 농도를 가지면서, 단계적인 조성 변화를 갖는 조성변화층의 조합으로 이루어진 것이 바람직하다.
이러한 도핑 및 조성변화층 형성 조합은 단수의 조합 또는 복수의 조합으로도 이루어질 수 있으며, 기판 및 흡수층 물질의 종류, 기판과의 격자부정합 및 정합 정도, 소수 캐리어의 종류 등에 따라서 다양한 조합으로 형성하여, 어떤 구간에서는 캐리어의 확산만 일어나거나, 확산 및 발생된 전계에 의한 드리프트가 동시에 일어나도록 하여, 캐리어의 이동을 돕고자 하는 것이다.
도 3 내지 도 6은 본 발명에 따른 다양한 실시예의 애벌랜치 포토다이오드에 대한 밴드 다이어그램을 나타낸 것이다.
도 3은 단계적으로 도핑 농도의 차이를 두는 스텝형 도핑 농도를 가지면서, 비흡수층에 가까운 영역에서는 조성변화를 주고, 중간 영역에서는 조성변화없이 스텝형 도핑 농도에 의해 도핑 농도만 조절하고, 전계가 걸린 흡수층에 인접한 영역에서는 연속형 도핑 농도에 의해 도핑 농도만 조절한 도핑 및 조성변화층을 형성하였다.
도 4는 연속형 도핑 농도에 의해 도핑 농도를 조절하면서, 연속적인 조성변화를 갖는 도핑 및 조성변화층을 형성하였다.
도 5는 비흡수층에 가까운 영역에서는 스텝형 도핑 농도에 의해 도핑 농도만 조절하고, 전계가 걸린 흡수층에 가까운 영역에서는 도핑이 되어 있으면서 조성변화를 갖는 도핑 및 조성변화층을 형성하였다.
도 6은 스텝형 도핑 농도에 의해 도핑 농도를 조절하면서, 동시에 단계적인 조성변화를 갖는 도핑 및 조성변화층을 형성한 것으로 엔저지
이에 의해 캐리어의 확산과 드리프트가 적절한 조합으로 반복적으로 이루어지게 되며, 확산 영역에서는 캐리어의 속도가 드리프트 영역에서 보다 더 빠르므로, 흡수층의 두께를 증가하여도 주파수 특성은 유지하면서 효율 특성은 증가시킬 수 있도록 하고, 소수 캐리어의 에너지 밴드를 가변함으로써 전계를 인가하여 캐리어를 더욱 가속시킬 수 있도록 하여 주파수 특성 및 효율 특성을 더욱 개선시킬 수 있다.
또한, 두께에 비례하는 공핍층에서의 캐리어가 차지하는 시간(Wb/vh, Wb는 공핍층의 두께, vh는 정공이 전계에 의해 끌려가는 포화속도)과, 도핑 및 조성변화층에서의 차지하는 시간(Wa^2/Dh, Wa는 도핑 및 조성변화층의 두께, Dh는 확산계수)은, Wb/vh > Wa^2/Dh이어야 주파수 특성에 손실이 없게 된다.
본 발명에서 도핑 및 조성변화층의 도핑 농도는 undoped ~ 1e15cm-3(unintentional doped) 정도이며, 상기 도핑 및 조성변화층은 1e16cm-3~ 5e19cm-3의 범위를 가진다.
구체적으로는, 상기 비흡수층으로부터 상기 전계가 걸린 흡수층 방향으로 도핑 농도가 단계적으로 감소하도록 형성되는 것이 바람직하다. 이는 전계가 걸린 흡수층 쪽으로는 도핑 농도가 감소되도록 하고, 이보다 멀수록 도핑 농도를 증가되도록 한 것으로, 공핍층에 강한 전계가 발생할 수 있도록 하면서, 캐리어가 더 빨리 확산될 수 있도록 하여 두께가 증가하였음에도 주파수 특성은 유지할 수 있도록 하기 위해서다.
또한, 상기 도핑 및 조성변화층에는 도 2 내지 도 6에 도시한 바와 같이, 필드스탑 도핑(field stop dopping)이 더 이루어지되, 상기 필드스탑 도핑은 상기 전계가 걸린 흡수층에 인접하여 형성되는 것이 바람직하다.
상기 필드스탑 도핑층의 왼쪽은 공핍층은 undoped ~ 1e15cm-3(unintentional doped)의 낮은 불순물 농도를 가지기 때문에 약간의 전계만 인가되어도 공핍이 되게 된다. 그런데, 더 높은 전압이 가해지면 도핑 및 조성변화층도 부분적으로 공핍이 되기 시작하는데 이를 최소화하기 위한 것이다.
즉, 필드스탑 도핑층을 중심으로 왼쪽은 공핍층을 오른쪽은 도핑 및 조성변화층(전계~0)인 영역을 만들기 위한 것이다. 이에 의해 공핍층이 넓어짐으로 인한 상대적으로 주파수 특성이 감소하는 것을 막을 수 있도록 하는 것이다.
또한, 상기 필드스탑 도핑이 이루어진 도핑된 흡수층의 도핑 농도는 1e16cm-3~ 1e19cm-3이고, 필드스탑 도핑의 농도는 1 ~ 1e19cm-3로 형성되어, 전계가 걸린 흡수층의 농도보다는 높게 형성되어 공핍층의 공핍 영역의 확산을 막기 위한 것이다.
이와 같이, 전계가 걸린 흡수층에 추가적으로, 단일 도핑 및 조성변화층을 형성하거나, 스텝형 또는 연속형 도핑 및 조성변화층을 형성하는 것(각 경우에 필드스탑 도핑층을 형성할 수 있다)은 흡수층에서의 강한 전계를 발생시키고, 광 여기된 전자, 정공이 천이층(grading layer)을 통과하여 증폭층으로 도달하는 속도를 증가시키기 위한 것으로서, 애벌랜치 포토다이오드 전체 성능을 개선시키게 되는 것이다.
또한, 도핑이 되어 있으면서 조성 변화가 이루어진 도핑 및 조성변화층은 소수 캐리어의 에너지 밴드를 가변함으로써 전계를 인가하여 캐리어 이동을 돕게 되어, 캐리어가 증폭층으로 도달하는 속도를 가속할 수 있도록 하여, 효율 특성 및 응답 속도를 더욱 개선하는 것이다.
즉, 이러한 도핑 및 조성변화층의 형성은 내부 전기장을 발생시키는 데에 기여하여, 캐리어가 증폭층으로 도달하는 속도를 가속할 수 있도록 하여, 효율 특성 및 응답 속도를 개선하여, 애벌랜치 포토다이오드의 성능을 개선시키게 되는 것이다.

Claims (11)

  1. 흡수층 및 증폭층이 각각 분리되어 형성된(separate absorption and multiplication) 애벌랜치 포토다이오드에 있어서,
    상기 흡수층은 전계가 걸린 흡수층과 도핑 및 조성변화층의 조합으로 이루어지되,
    상기 도핑 및 조성변화층은,
    상기 전계가 걸린 흡수층과 비흡수층 사이에 형성되며, 상기 전계가 걸린 흡수층의 도핑 농도보다 상대적으로 높은 도핑 농도를 가지면서, 상기 흡수층 물질을 이루는 화합물 반도체의 조성을 기판에 대해 10% 오차범위 내에서의 격자 부정합 또는 정합이 유지되도록 변형하여 형성되며,
    상기 도핑 및 조성변화층에는 필드스탑 도핑(field stop dopping)이 더 이루어지되, 상기 필드스탑 도핑은 상기 전계가 걸린 흡수층에 인접하여 형성된 것을 특징으로 하는 변형된 도핑 및 조성 흡수층을 이용한 애벌랜치 포토다이오드.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 도핑 및 조성변화층은,
    단계적으로 도핑 농도의 차이를 두는 스텝형 도핑 농도를 가지면서, 단계적인 조성 변화를 갖는 조성변화층으로 형성된 것을 특징으로 하는 변형된 도핑 및 조성 흡수층을 이용한 애벌랜치 포토다이오드.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 도핑 및 조성변화층은,
    연속적으로 도핑 농도의 차이를 두는 연속형 도핑 농도를 가지면서, 연속적인 조성 변화를 갖는 조성변화층으로 형성된 것을 특징으로 하는 변형된 도핑 및 조성 흡수층을 이용한 애벌랜치 포토다이오드.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 도핑 및 조성변화층은,
    단계적으로 도핑 농도의 차이를 두는 스텝형 도핑 농도를 가지면서, 단계적인 조성 변화를 갖는 조성변화층 및
    연속적으로 도핑 농도의 차이를 두는 연속형 도핑 농도를 가지면서, 연속적인 조성 변화를 갖는 조성변화층의 조합으로 이루어진 것을 특징으로 하는 변형된 도핑 및 조성 흡수층을 이용한 애벌랜치 포토다이오드.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 도핑 및 조성변화층은,
    단계적으로 도핑 농도의 차이를 두는 스텝형 도핑 농도를 가지면서, 연속적인 조성 변화를 갖는 조성변화층 및
    연속적으로 도핑 농도의 차이를 두는 연속형 도핑 농도를 가지면서, 단계적인 조성 변화를 갖는 조성변화층의 조합으로 이루어진 것을 특징으로 하는 변형된 도핑 및 조성 흡수층을 이용한 애벌랜치 포토다이오드.
  6. 제 1항 내지 제 5항 중의 어느 항에 있어서, 상기 도핑 및 조성변화층은,
    상기 비흡수층으로부터 상기 전계가 걸린 흡수층 방향으로 도핑 농도가 단계적으로 감소하는 것을 특징으로 하는 변형된 도핑 및 조성 흡수층을 이용한 애벌랜치 포토다이오드.
  7. 삭제
  8. 제 1항에 있어서, 상기 필드스탑 도핑이 이루어진 도핑 및 조성변화층의 도핑 농도는 1e16cm-3~ 1e19cm-3이고, 필드스탑 도핑의 농도는 1 ~ 1e19cm-3인 것을 특징으로 하는 변형된 도핑 및 조성 흡수층을 이용한 애벌랜치 포토다이오드.
  9. 제 1항에 있어서, 상기 도핑 및 조성변화층의 도핑 농도는,
    1e16cm-3~ 5e19cm-3의 범위를 갖는 것을 특징으로 하는 변형된 도핑 및 조성 흡수층을 이용한 애벌랜치 포토다이오드.
  10. 제 1항에 있어서, 상기 도핑 및 조성변화층과 상기 전계가 걸린 흡수층의 두께의 비는 0.5~2 : 10인 것을 특징으로 하는 변형된 도핑 및 조성 흡수층을 이용한 애벌랜치 포토다이오드.
  11. 제 1항에 있어서, 상기 흡수층은,
    InGaAs, GaN, InGaN, GaAs, AlGaAs, AlAs, InP, InAlAs, InAlAsP, InSb, AlSb 중 어느 하나의 물질을 이용하는 것을 특징으로 하는 변형된 도핑 및 조성 흡수층을 이용한 애벌랜치 포토다이오드.
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