KR101666400B1 - 포토다이오드 및 포토다이오드 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

포토다이오드는 기판; 상기 기판 위에 위치하는 제 1 캐리어(carrier) 증폭층; 상기 제 1 캐리어 증폭층 위에 위치하는 광자 흡수층; 및 상기 광자 흡수층 위에 위치하는 제 2 캐리어 증폭층;을 포함할 수 있다. 한편, 포토다이오드 제조 방법은 기판 위에 제 1 캐리어 증폭층을 형성하는 단계; 상기 제 1 캐리어 증폭층 위에 광자 흡수층을 형성하는 단계; 및 상기 광자 흡수층 위에 제 2 캐리어 증폭층을 형성하는 단계;를 포함할 수 있다. 본 발명의 실시예들은 두 종류의 캐리어를 모두 이용하여 신호를 증폭함으로써 전압 이득 및 단일 광자 검출의 신뢰도를 증대시킬 수 있다.

Description

포토다이오드 및 포토다이오드 제조 방법{PHOTODIODE AND METHOD FOR FABRICATING THE SAME}
실시예들은 단일 광자를 검출하는 포토다이오드(photodiode) 및 포토다이오드 제조 방법에 관한 것으로서, 구체적으로는, 전자와 정공(hole)을 모두 증폭시킴으로써 단일 광자 검출의 신뢰도를 증가시키는 기술에 관한 것이다.
포토다이오드(photodiode)는 광통신 등의 분야에서 광자에 의한 신호를 검출하기 위해 사용된다. 그 중, 애벌런치 포토다이오드(Avalanche Photodiode; APD)는 항복 전압 이상의 전압을 인가함으로써 도달 가능한 가이거 모드(Geiger mode)에서 동작하며, 가이거 모드에서는 내부 이득이 무한대에 달한다. 따라서, 단일 광자와 같이 매우 낮은 에너지의 신호도 검출할 수 있기 때문에 양자 암호 통신, 양자컴퓨터 등의 분야에서 응용되고 있다.
단일 광자를 검출하기 위한 APD는 단일 광자 애벌런치 검출기(Single Photon Avalanche Detector; SPAD)로도 불리우며, 암전류(dark current)가 낮고, 양자 효율(quantum efficiency)이 높은 것을 특징으로 한다. 즉, 암전류의 크기와 양자 효율은 APD의 성능 지표가 될 수 있다.
한편, 광통신 등에서 사용되는 광섬유는 1550 nm 의 파장에서 최소 손실과 낮은 분산을 나타내기 때문에, 1550 nm 는 장거리 통신에 가장 적절한 파장이다. 현재에는 InGaAs/InP를 사용한 APD를 이용하여 1550 nm 의 파장을 갖는 단일 광자를 검출할 수 있다.
도 1은 InGaAs/InP를 사용하는 기존의 APD의 구조를 나타낸다. APD에 입사되는 광자는 광자 흡수층(120)까지 도달하여 전자-정공(hole) 쌍을 생성하며, 생성된 정공은 정공 증폭층(110)으로 이동하고 가속되어 새로운 전자-정공 쌍을 생성하고, 생성된 전자-정공 쌍에 의해 다른 전자-정공 쌍이 연속적으로 생성되는 애벌런치 현상에 의해 신호가 증폭된다. 따라서, 낮은 에너지를 갖는 광자가 입사되더라도 입력 신호를 증폭시킴으로써 단일 광자를 검출할 수 있다.
또한, 인버티드(inverted) InAlAs/InGaAs APD를 사용할 경우, 전자-정공 쌍 중 전자를 이용하여 입력 신호를 증폭시킬 수 있다.
그러나, 종래의 신호 증폭 기술은 전자와 정공 중 어느 하나의 캐리어(carrier)만 증폭시키기 때문에, 증폭에 이용되지 않는 캐리어는 신호의 검출에 영향을 주지 못한다. 또한, 신호 증폭에 사용하는 캐리어가 증폭되기 전에 결함에 의해 트랩(trap)되거나 손실될 경우, 신호의 검출이 불가능해지는 단점이 있다.
Masahiro Nada 외 공저, "Inverted InAlAs/InGaAs Avalanche Photodiode with Low-High-Low Electric Field Profile", Japanese Journal of Applied Physics 51 (2012) 02BG03
본 발명의 일 측면에 따르면, 전자 및 정공을 모두 증폭시키며, 높은 전압 이득을 갖는 포토다이오드(photodiode)를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 측면에 따르면, 흡수층의 전기장이 최소화된 포토다이오드를 제공할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 포토다이오드(photodiode)는 기판; 상기 기판 위에 위치하는 제 1 캐리어(carrier) 증폭층; 상기 제 1 캐리어 증폭층 위에 위치하는 광자 흡수층; 및 상기 광자 흡수층 위에 위치하는 제 2 캐리어 증폭층;을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 포토다이오드 제조 방법은 기판 위에 제 1 캐리어 증폭층을 형성하는 단계; 상기 제 1 캐리어 증폭층 위에 광자 흡수층을 형성하는 단계; 및 상기 광자 흡수층 위에 제 2 캐리어 증폭층을 형성하는 단계;를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 포토다이오드(photodiode) 또는 포토다이오드 제작 방법에 따르면, 두 종류의 캐리어(carrier)를 모두 사용하여 신호를 증폭함으로써 높은 전압 이득 및 광자 검출 신뢰도를 얻을 수 있다.
또한, 본 발명의 일 측면에 따른 포토다이오드 또는 포토다이오드 제작 방법에 따르면, 흡수층의 전기장을 최소화함으로써, 매우 낮은 암전류(dark current)를 얻을 수 있다.
도 1은 종래의 InGaAs/InP 애벌런치 포토다이오드(Avalanche Photodiode; APD)의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 포토다이오드의 구조를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 포토다이오드의 전체 구조를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 포토다이오드의 구조를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 포토다이오드의 구조를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 포토다이오드 제조 방법의 순서를 나타내는 흐름도이다.
이하에서 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들에 대하여 상세히 설명한다. 유사한 참조부호가 복수의 도면에서 사용되는 경우, 유사한 참조부호는 여러 실시 예들에 대해서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다. 또한, 도면에서 각 구성요소는 예시적인 크기로 도시된 것으로서, 확대 또는 축소될 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 포토다이오드(photodiode)의 구조를 개략적으로 도시한 단면도이다. 포토다이오드는 애벌런치 포토다이오드(Avalanche Photodiode; APD)일 수 있으며, 기판(201), 제 1 캐리어 증폭층(202), 광자 흡수층(203) 및 제 2 캐리어 증폭층(204)을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 제 1 캐리어는 전자이고, 제 2 캐리어는 정공(hole)일 수 있다.
포토다이오드(200)에 입사한 광자는 광자 흡수층(203)에 도달하여 전자-정공 쌍을 생성한다. 생성된 제 1 캐리어(예를 들면, 전자)는 제 1 캐리어 증폭층(202)으로 이동하고, 전기장에 의해 가속되어 새로운 전자-정공 쌍을 생성한다. 반면, 생성된 제 2 캐리어(예를 들면, 정공)는 제 2 캐리어 증폭층(204)으로 이동하고, 마찬가지로 전기장에 의해 가속되어 새로운 전자-정공 쌍을 생성한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 포토다이오드(200)는 광자 흡수층(203)에서 생성된 전자와 정공을 모두 이용하여 입력된 신호를 증폭함으로써, 한 종류의 캐리어만을 이용하는 기존 기술과 대비하여, 캐리어가 결함(defect)에 트랩(trap)되거나 손실되어 신호의 검출이 불가능해지는 확률을 감소시킬 수 있다. 즉, 단일 광자와 같은 낮은 에너지의 신호 검출 신뢰도를 증가시킬 수 있다. 또한, 광자 흡수층(203)의 양쪽에 위치한 두 캐리어 증폭층(202, 204)의 피드백(feedback) 효과로 인해, 신호 증폭 시 이득이 증가하는 효과도 얻을 수 있다.
기판(201)은 다른 층들을 지지하는 역할을 하며, n형 InP 또는 p형 InP로 이루어질 수 있다.
제 1 캐리어 증폭층(202) 및 제 2 캐리어 증폭층(204)은, InP, InAlAs, InGaAsP 또는 InAlGaAs로 이루어질 수 있고, 500 nm 이상 2 um 이하의 두께를 가질 수 있다. 예를 들면, 제 1 캐리어 증폭층(202)은 약 0.7 um 두께의 InAlAs로 이루어질 수 있고, 제 2 캐리어 증폭층(204)은 약 0.8 um 두께의 InP로 이루어질 수 있다.
도 2를 참조하면, 일 실시예에 따른 포토다이오드(200)는 광자 흡수층(203)과 제 2 캐리어 증폭층(204) 사이에 제 1 전기장 조절층(205)을 더 포함할 수 있다. 또한, 제 1 캐리어 증폭층(202)과 광자 흡수층(203) 사이에 제 2 전기장 조절층(206)을 더 포함할 수도 있다.
제 1 전기장 조절층(205) 및 제 2 전기장 조절층(206)은 각각 제 2 캐리어 증폭층(204) 및 광자 흡수층(203)에 인가되는 전기장의 크기를 조절한다. 구체적으로, 제 1 전기장 조절층(205)은 제 2 캐리어 증폭층(204)에 강한 전기장이 인가되고 조절함으로써 제 2 캐리어 증폭층(204)에서 전자 또는 정공이 높은 속도로 가속되어 전자-정공 쌍의 생성률을 높일 수 있다. 또, 제 2 전기장 조절층(206)은 제 1 캐리어 증폭층(202)에 인가되는 강한 전기장이 광자 흡수층(203)에 인가되지 않도록 함으로써 광자 흡수층(203)에 인가되는 전기장을 감소시키고, 터널링(tunneling) 현상에 의한 누설전류를 낮게 유지하여 암전류를 감소시킬 수 있다.
일 실시예에서, 제 1 전기장 조절층(205)은 n형 또는 p형으로 도핑될 수 있고, 이 때, 제 2 전기장 조절층(206)은 각각 p형 또는 n형으로 도핑될 수 있다. 예를 들면, 제 1 캐리어가 전자이고, 제 2 캐리어가 정공인 경우, 제 1 전기장 조절층(205)은 n형으로 도핑되고, 제 2 전기장 조절층(206)은 p형으로 도핑될 수 있다.
또한, 일 실시예에서, 제 1 전기장 조절층(205) 및 제 2 전기장 조절층(206)은 InP, InAlAs, InGaAsP, InAlGaAs 또는 InGaAs로 이루어질 수 있으며, 1016/cm3 이상 1018/cm3 이하의 도핑 농도 및 수십 내지 수백 nm 의 두께를 가질 수 있다. 예를 들면, 제 1 전기장 조절층(205)은 7.5＊1016의 도핑 농도와 약 0.3 um 의 두께를 가질 수 있고, 제 2 전기장 조절층(206)은 약 1.1＊1017 의 도핑 농도와 약 0.3 um 의 두께를 가질 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 포토다이오드의 전체 구조를 개략적으로 도시한 단면도이다. 도 1에 도시된 기존의 포토다이오드와 대비하여, 광자 흡수층(203) 아래에 전기장 조절층(301) 및 전자를 이용하여 신호를 증폭시키는 전자 증폭층(302)을 더 포함하는 것을 확인할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 포토다이오드의 구조를 개략적으로 도시한 단면도이다. 포토다이오드(400)는 제 1 캐리어 증폭층(202)과 광자 흡수층(203) 사이에 위치하는 완충층(grading layer)(401)을 더 포함할 수 있으며, 완충층(401)은 제 1 캐리어 증폭층(202)을 이루는 물질의 밴드갭(bandgap)과 광자 흡수층(203)을 이루는 물질의 밴드갭 사이의 밴드갭을 갖는 물질로 이루어질 수 있다. 이로써, 광자 흡수층(203)에서 생성된 캐리어(예를 들면, 전자)는 완충층(401)을 통해 제 1 캐리어 증폭층(202)으로 원활히 이동할 수 있다.
또, 일 실시예에서, 포토다이오드는 광자 흡수층(203)과 제 2 캐리어 증폭층(204) 사이에 위치하는 제 2 완충층(402)을 더 포함할 수 있다. 이로써, 두 종류의 캐리어가 모두 각각의 증폭층으로 원활히 이동할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 포토다이오드의 구조를 개략적으로 도시한 단면도이다. 포토다이오드(500)는 기판(201)과 제 1 캐리어 증폭층(202) 사이에 위치하는 버퍼층(buffer layer)(501)을 더 포함할 수 있으며, 버퍼층(501)은 InP로 이루어질 수 있다. 버퍼층(501)은 기판(201)의 도핑 농도와 제 1 캐리어 증폭층(202)의 도핑 농도 사이의 도핑 농도 값을 가짐으로써, 기판(201)과 제 1 캐리어 증폭층(202)의 도핑 농도의 차이를 완충하는 역할을 한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 포토다이오드 제조 방법의 순서를 나타내는 흐름도이다. 포토다이오드 제조 방법(600)은 기판 위에 제 1 캐리어 증폭층을 형성하는 단계(601), 상기 제 1 캐리어 증폭층 위에 광자 흡수층을 형성하는 단계(602) 및 상기 광자 흡수층 위에 제 2 캐리어 증폭층을 형성하는 단계(603)를 포함할 수 있다.
또한, 일 실시예에 따른 포토다이오드 제조방법은 상기 광자 흡수층과 상기 제 2 캐리어 증폭층 사이에 제 1 전기장 조절층을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다. 또한, 상기 제 1 캐리어 증폭층과 상기 광자 흡수층 사이에 제 2 전기장 조절층을 형성하는 단계를 더 포함할 수도 있다. 이로써, 도 2에 도시된 구조의 포토다이오드를 제조할 수 있다.
또한, 일 실시예에서, 포토다이오드 제조 방법은 상기 제 1 캐리어 증폭층과 상기 광자 흡수층 사이에 완충층을 형성하는 단계 또는 상기 광자 흡수층과 상기 제 2 캐리어 증폭층 사이에 제 2 완충층을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또, 일 실시예에서, 포토다이오드 제조 방법은 상기 기판과 상기 제 1 캐리어 증폭층 사이에 버퍼층을 형성하는 단계를 더 포함할 수도 있다. 그러나, 완충층을 형성하는 단계, 제 2 완충층을 형성하는 단계 및 버퍼층을 형성하는 단계는 본 발명의 포토다이오드에 포함되지 않을 수도 있다.
이상, 본 발명은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 변경 및 변형이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되는 것은 아니다.
200 : 포토다이오드 201 : 기판
202 : 제 1 캐리어 증폭층 203 : 광자 흡수층
204 : 제 2 캐리어 증폭층 205 : 제 1 전기장 조절층
206 : 제 2 전기장 조절층

Claims (15)

  1. 기판;
    상기 기판 위에 위치하는 제 1 캐리어(carrier) 증폭층;
    상기 제 1 캐리어 증폭층 위에 위치하는 광자 흡수층;
    상기 광자 흡수층 위에 위치하는 제 2 캐리어 증폭층;
    상기 광자 흡수층과 상기 제 2 캐리어 증폭층 사이에 제 1 전기장 조절층; 및
    상기 제 1 캐리어 증폭층과 상기 광자 흡수층 사이에 위치하는 제 2 전기장 조절층을 포함하는 것을 특징으로 하는 포토다이오드.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 캐리어는 전자이며, 상기 제 2 캐리어는 정공(hole)인 것을 특징으로 하는 포토다이오드.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 캐리어 증폭층은 InP, InAlAs, InGaAsP 또는 InAlGaAs로 이루어지는 것을 특징으로 하는 포토다이오드.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 캐리어 증폭층은 500 nm 이상 2 um 이하의 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 포토다이오드.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 전기장 조절층은 InP, InAlAs, InGaAsP, InAlGaAs 또는 InGaAs로 이루어지는 것을 특징으로 하는 포토다이오드.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 전기장 조절층은 1016/cm3 이상 1018/cm3 이하의 도핑 농도를 가지는 것을 특징으로 하는 포토다이오드.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 캐리어 증폭층과 상기 광자 흡수층 사이에 위치하는 완충층(grading layer)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 포토다이오드.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판과 상기 제 1 캐리어 증폭층 사이에 위치하는 버퍼층(buffer layer)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 포토다이오드.
  11. 기판 위에 제 1 캐리어 증폭층을 형성하는 단계;
    상기 제 1 캐리어 증폭층 위에 광자 흡수층을 형성하는 단계;
    상기 광자 흡수층 위에 제 2 캐리어 증폭층을 형성하는 단계;
    상기 광자 흡수층과 상기 제 2 캐리어 증폭층 사이에 제 1 전기장 조절층을 형성하는 단계; 및
    상기 제 1 캐리어 증폭층과 상기 광자 흡수층 사이에 제 2 전기장 조절층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 포토다이오드 제조 방법.
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 제 11 항에 있어서,
    상기 제 1 캐리어 증폭층과 상기 광자 흡수층 사이에 완충층을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 포토다이오드 제조 방법.
  15. 제 11 항에 있어서,
    상기 기판과 상기 제 1 캐리어 증폭층 사이에 버퍼층을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 포토다이오드 제조 방법.
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