KR101707896B1 - 실리콘 광 증배 소자 - Google Patents
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Abstract
실리콘 광 증배 소자에 관한 것으로서, 본 발명의 일 실시예에 따른 실리콘 광 증배 소자는 기판, 기판 상에 형성되고 복수의 PN 접합으로 형성된 마이크로 픽셀 및 복수의 마이크로 픽셀 전체를 에워싸도록 형성된 외부 가드링 그룹 및 외부 가드링 그룹을 에워싸도록 형성된 스토퍼 (stopper)를 포함한다.
Description
본원은 실리콘 광 증배 소자에 관한 것이다.
최근 광센서 분야에서 기존의 광 증배 소자(PMT, Photomultiplier)를 대체하기 위해 고안된 실리콘 광 증배 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 광 증배 소자는 100만배로 신호를 증폭시킬 수 있어, 단일 광자의 측정이 가능하고 암실에서도 밝은 영상을 얻을 수 있다.
실리콘 광 증배 소자는 다수의 마이크로 픽셀(Micro-pixel)을 포함하여 이루어진다. 일반적인 실리콘 광 증배 소자는 1㎟의 면적당 10~100um 크기의 마이크로 픽셀이 약 100~1000개가 집적된다.
도 1은 일반적인 실리콘 광 증배 소자에 포함된 어느 하나의 마이크로 픽셀의 단면도를 도시한 도면이다. 각 마이크로 픽셀은 도 1에 도시된 바와 같이, p+ 전도성 타입의 기판(14) 위에 20nm - 5um의 두께로 형성된 p- 전도성 타입의 에피텍시층(Epitaxial Layer, 13)과, 에피텍시층(13) 내에 순차적으로 p 이온과 n+ 이온을 주입하여 형성된 PN 접합층(PN-Junction Layer, 12)을 포함한다.
마이크로 픽셀의 간단한 동작 원리는 다음과 같다. PN 접합층(12)에서는 n형에서 p형 방향으로 매우 강한 전기장이 형성됨에 따라 얇은 공핍 영역(Depletion Region)이 형성된다. 이때, 마이크로 픽셀로 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 픽셀은 도 2에 도시된 가이거 모드(Geiger Mode)에서 동작하며, 복수의 증폭된 신호가 하나의 출력으로 합쳐진다. 도 2는 일반적인 실리콘 광 증배 소자에서 에피텍시층 내 전기장의 분포를 나타내는 도면이다.
한편, 실리콘 광 증배 소자에서 발생하는 누설 전류(Leakage Current)는 실리콘 광 증배 소자의 성능에 악영향을 미칠 수 있다.
구체적으로, 마이크로 픽셀 내에서 야기되는 누설 전류에 의해, 전자사태 방전이 되기 전에 이른 방전(Prmature breakdown)을 발생시킬 수 있고, 설계자가 의도 및 계산했던 것보다 빛과 상관없는 노이즈 신호가 증폭되어 전체적인 출력이 노이즈해 질 수 있다.
한편, 한국공개특허 제2012-0124559호(발명의 명칭: 실리콘 광전자증배의 트랜치 가드링 형성방법 및 이를 이용하여 제조된 실리콘 광전자증배)는 트랜치 외벽에 트랜치 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 액티브 영역을 둘러싸는 가드링 및 스토퍼(500)를 형성하여 누설 전류를 차단하고, 전체적인 성능이 향상된 실리콘 광 증배 소자를 제공하는 데에 그 목적이 있다.
다만, 본 실시예가 이루고자 하는 기술적 과제는 상기된 바와 같은 기술적 과제들로 한정되지 않으며, 또 다른 기술적 과제들이 존재할 수 있다.
상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본 발명의 일 실시예에 따른 실리콘 광 증배 소자는 기판, 기판 상에 형성되고 복수의 PN 접합으로 형성된 마이크로 픽셀 및 복수의 마이크로 픽셀 전체를 에워싸도록 형성된 외부 가드링 그룹 및 외부 가드링 그룹을 에워싸도록 형성된 스토퍼(stopper)를 포함한다.
전술한 본 발명의 과제 해결 수단 중 어느 하나인 실리콘 광 증배 소자는 액티브 영역을 둘러싸는 가드링 및 스토퍼(500)를 포함함으로써, 누설 전류를 효율적으로 차단할 수 있어 전자사태 방전 전에 발생하는 이른 방전 현상을 막을 수 있을 뿐 아니라 각 마이크로 픽셀의 신호 대 잡음(SNR) 특성을 향상시킬 수 있으며, 전체 소자의 성능에 대한 신뢰성을 보장할 수 있다.
도 1은 일반적인 실리콘 광 증배 소자 및 그에 포함된 어느 하나의 마이크로 픽셀을 나타낸 도면이다.
도 2는 도 1의 마이크로 픽셀에 있어서, 제 1 및 제 2 접합층 및 에피택시층 각각의 도핑농도에 대응하여, 동작전압 인가에 따른 활성영역의 전기장 분포를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에서 고려되는 누설전류를 방지하는 실리콘 광 증배 소자의 단면도를 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 실리콘 광 증배 소자의 단면도를 나타낸 것이다.
도 2는 도 1의 마이크로 픽셀에 있어서, 제 1 및 제 2 접합층 및 에피택시층 각각의 도핑농도에 대응하여, 동작전압 인가에 따른 활성영역의 전기장 분포를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에서 고려되는 누설전류를 방지하는 실리콘 광 증배 소자의 단면도를 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 실리콘 광 증배 소자의 단면도를 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 실시예에서 고려되는 누설전류를 방지하는 실리콘 광 증배 소자의 단면도를 나타낸 것이다.
도 3의 (a)는 가드링으로 분리된 실리콘 광 증배 소자를 도시한 도면이고, 도 3의 (b)는 트랜치로 분리된 실리콘 광 증배 소자를 도시한 도면이다.
실리콘 광 증배 소자는 수십 ~ 1천개의 마이크로 픽셀(micropixel)로 구성되어 있으며, 각각의 마이크로 픽셀(300)은 도 3의 (a) 및 (b)에 도시된 가드링(400) 또는 트랜치(600)에 의하여 전기적으로 분리될 수 있다.
도 3의 (a)에 도시된 바와 같이, PN접합의 가장자리에 설치된 가드링(400)은, 전기장이 높아져 발생할 수 있는 절연파괴(break down)을 방지할 수 있으나, 가드링(400) 및 가드링(400) 사이에 소정의 간격을 필요로 한다. 따라서, 마이크로 픽셀(300)의 필 팩터(fill factor)를 감소시킨다. 또한, 가드링(400)은 각각의 마이크로 픽셀(300)전기적으로 분리할 수 있으나, 광학적으로는 분리하기가 어렵다.
반면, 도 3의 (b)에 도시된 트랜치(420)의 경우, 마이크로 픽셀(300) 사이에 간격을 필요로 하지 않아 필 펙터를 증가시키고, 트랜치(600) 내에 광 차단 물질을 삽입하여 마이크로 픽셀(300) 사이의 전기적, 광학적 분리가 가능하다. 그러나, PN 접합의 가장자리가 트랜치(600)의 거친 표면과 닿아, 가장자리의 전기장을 증가시키며, 이에 따라 절연파괴가 발생될 수 있다.
도 4a는 본 발명의 일 실시예에 따른 실리콘 광 증배 소자의 평면도를 도시한 도면이고, 도 4b는 본 발명의 일 실시예에 따른 실리콘 광 증배 소자의 단면도를 나타낸 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 실리콘 광 증배 소자는 도 4 a에 도시된 바와 같이, 기판(미도시됨) 및 액티브(Active) 영역(200), 외부 가드링 그룹(420) 및 스토퍼(500)를 포함한다.
구체적으로 도 4b를 참조하면, 기판(100)은 p 전도성 타입 또는 n 전도성 타입으로 도핑되고, 실리콘 기판일 수 있다. 이때, 기판(100)의 도핑 농도는 1017~1020cm-3의 고농도이거나, 자연적으로 발생하는 암전류(Dark Current)를 감소시키기 위해 1012~1016cm-3의 저농도일 수도 있다.
액티브(Active) 영역(200)은 기판 상에 형성되고 복수개의 마이크로 픽셀(Micro-Pixel; MP)(300), 및 복수개의 내부 가드링(412 내지 418; 410)을 포함한다. 구체적으로 서로 다른 마이크로 픽셀(300) 사이에는 내부 가드링이(410) 형성되어 각각의 마이크로 픽셀(300)을 전기적 및 광학적으로 분리시킬 수 있다.
이때, 내부 가드링(410)은 각 마이크로 픽셀을 에워싸는 형태일 수 있다. 즉, 도 4b를 참조하면, 내부 가드링(412 및 414)은 서로 연결되어, 하나의 마이크로 픽셀(300)을 에워싸는 형태로 형성된다. 이때, 내부 가드링(410)은 기판과 다른 타입의 이온으로 도핑되어, 누설 전류를 차단할 수 있다. 다시 말해, 내부 가드링(410)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.
한편, 마이크로 픽셀(300)은 에피텍시층(310), P형 반도체층(320), N형 반도체층(330), N형 반도체 층(330) 상에 형성된 절연층(340) 및 절연층(340) 상에 형성된 폴리 실리콘 저항(Poly silicon resistor)(350)을 포함할 수 있다.
또한, 마이크로 픽셀(300)은 P형 반도체층(320) 및 N형 반도체층(330)이 이루는 PN 접합층과 접촉되는 컨택(contact)을 포함할 수 있다. 참고로, 컨택은 P형 반도체층(320) 및 N형 반도체층(330) 중 하나 이상과 접촉될 수 있다.
에피텍시층(310)은 상술한 기판 위에 형성되고, 기판과 동일한 전도성 타입으로 도핑된다. 예를 들어, 실리콘 기판이 p 전도성 타입이면 에피텍시층(310)도 p 전도성 타입이다. 에피텍시층(310)의 도핑 농도는 실리콘 기판과 달리 1014 ~ 1018cm-3이거나, 자연적으로 발생하는 암전류를 감소시키기 위해 실리콘 기판과 동일한 1012 ~ 1016cm-3일 수 있다.
참고로, P형 반도체층(320) 및 N형 반도체층(330)에 의해 에피텍시층(310) 내에는 PN 접합층이 성장되고, PN 접합에 의해 공핍 영역이 형성될 수 있다. 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.
공핍 영역에서는 전자사태 방전이 발생될 수 있으며, 이는 마이크로 픽셀로 입사되는 빛의 증폭과 매우 밀접한 관계를 가진다. 따라서, 마이크로 픽셀로 입사되는 빛이 증폭되기 위해서는, 입사광이 PN 접합층까지 효율적으로 전달됨이 바람직하다.
절연층(340)은 상술한 PN 접합층에서 발생하는 유효 광전류를 증가시키기 위해 PN 접합층 위에 형성된다. 특히, 절연층(340)은 종래 사용되던 실리콘 옥사이드 계열의 물질 대신에 실리콘 질화막으로 제작되어 각 마이크로 픽셀(300)의 광 검출 효율(Photo Detection Efficiency)을 높일 수 있다.
외부 가드링 그룹(420)은 복수의 마이크로 픽셀(300) 및 내부 가드링(410)을 포함하는 액티브 영역(200)의 외부에 위치하는 것으로, 1 내지 n개의 외부 가드링(422 내지 428)을 포함한다.
구체적으로, 도 4b에 도시된 가드링(424) 및 가드링(426)은 서로 연결되어 제 1 외부 가드링을 형성하고, 제 1 외부 가드링은 액티브 영역(200)을 에워 싸도록 형성될 수 있다. 또한, 도 4b에 도시된 가드링(422) 및 가드링(428)은 서로 연결되어 제 2 외부 가드링을 형성하고, 제 2 외부 가드링은 소정의 간격을 두고 제 1 외부 가드링을 에워싸도록 형성될 수 있다.
이때, 외부 가드링 그룹(420)에 포함된, 외부 가드링(422 내지 428)은 내부 가드링(410)과 마찬가지로, 기판과 다른 타입의 이온으로 도핑되어, 누설 전류를 차단할 수 있다. 다시 말해, 외부 가드링(422 내지 428)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.
다시 말해, 외부 가드링 그룹(420)은 실리콘 광 증배 소자의 실리콘 표면에 흐르는 전하들을 포획하게 된다. 따라서, 외부 가드링 그룹(420)에 포획된 전하들은 실리콘 광 증배 소자의 액티브 영역(200)으로의 이동이 불가능하고, 이에 따라 실리콘 광 증배 소자의 누설 전류가 증가하는 것을 방지할 수 있다.
따라서, 외부 가드링 그룹(420)의 형상은 액티브 영역(300)의 형상에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어, 설계자의 필요나 사용 분야에 따라 액티브 영역(300) 내 마이크로 픽셀의 개수가 조절될 수 있기 때문에, 액티브 영역(300)의 형상이 직사각형 또는 정사각형이 아닌 다른 형상일 수 있고, 액티브 영역(300)을 둘러싸도록 형성되는 외부 가드링 그룹(420)의 형상도 그에 따라 달라질 수 있다.
스토퍼(500)는 액티브 영역의 외부를 에워싸는 외부 가드링 그룹(420)을 에워싸도록 형성될 수 있다. 다시 말해, 도 4b의 스토퍼(510) 및 스토퍼(520)는 서로 연결되어, 도 4a에 도시된 스토퍼(500)을 형성한다.
한편, 스토퍼(500)는 링의 형상을 만들고, 링의 내부에 이온주입을 통해 전하 또는 전자를 주입함으로써 형성할 수 있다. 이때, 스토퍼(500)는 기판의 전도성 타입과 동일한 타입으로 형성한다. 이때, 스토퍼(500)의 내부에 주입되는 이온의 농도는 액티브 영역의 에피텍시층의 이온 종류와 동일한 이온으로 주입하되, 에피텍시층의 농도보다 더 높게 형성하도록 한다. 이때, P 타입 실리콘 기판을 사용하였을 경우 스토퍼(500)에 주입되는 이온은 보론(boron)이온일 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상술한 예에서, 기판(100)이 N 타입 실리콘 기판일 경우, 포스포러스(Phosphorus) 이온을 주입하여 스토퍼(500)를 형성할 수 있다.
P 타입의 실리콘 기판을 사용한 실리콘 광 증배 소자의 경우, 실리콘 광 증배 소자의 제조 과정 중 열처리 공정에 의해 기판의 표면에 존재하는 전하들이 공기 중으로 확산되게 된다. 따라서, 표면에는 전하가 존재하지 않는 공핍층이 생성되게 된다. 이러한 공핍층은 소자의 액티브 영역에서 형성되는 공핍층과 연결되며, 이렇게 연결된 공핍층은 실리콘 기판의 표면 전하들이 공핍층의 이동 통로를 통해 소자의 액티브 영역으로 이동하면서 누설 전류가 증가하게 된다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 실리콘 광 증배 소자는 이온 주입을 통해 스토퍼(500)의 내부에 전하 또는 전자가 많이 존재하도록 하며, 이에 따라 실리콘 기판의 표면에서 액티브 영역으로 공핍층이 연결되는 것을 단절 시켜줄 수 있다.
즉, 누설 전류를 효율적으로 차단할 수 있어 이른 방전을 방지할 수 있을 뿐 아니라 각 마이크로 픽셀의 신호 대 잡음(SNR) 특성을 향상시킬 수 있으며, 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.
100: 기판 200: 액티브 영역
300: 마이크로 픽셀 400: 가드링
410(412, 414, 416, 418): 내부 가드링
420(422, 424, 426, 428): 외부 가드링
500(510, 520): 스토퍼
600: 트랜치
300: 마이크로 픽셀 400: 가드링
410(412, 414, 416, 418): 내부 가드링
420(422, 424, 426, 428): 외부 가드링
500(510, 520): 스토퍼
600: 트랜치
Claims (9)
- 실리콘 광 증배 소자(Silicon Photomultiplier)에 있어서,
기판;
상기 기판 상에 형성되고 복수의 PN 접합으로 형성된 마이크로 픽셀 및
상기 복수의 마이크로 픽셀 전체를 에워싸도록 형성된 외부 가드링 그룹 및
상기 외부 가드링 그룹을 에워싸도록 형성된 스토퍼(stopper)를 포함하되,
상기 스토퍼는
상기 마이크로 픽셀에 포함된 에피택시층의 이온과 동일한 타입이면서 에피택시층의 농도 보다 높은 농도로 주입된 이온을 포함하는 것인 실리콘 광 증배 소자. - 제 1 항에 있어서,
각각의 마이크로 픽셀은 상기 마이크로 픽셀을 에워싸도록 형성된 내부 가드링을 포함하는 것인, 실리콘 광 증배 소자. - 제 2 항에 있어서,
상기 내부 가드링은 복수의 마이크로 픽셀 사이에 배치되어 각각의 마이크로 픽셀을 전기적으로 분리하는 것인,
실리콘 광 증배 소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 외부 가드링 그룹은
제 1 외부 가드링 및 제 2 외부 가드링을 포함하고,
상기 제 2 외부 가드링은 상기 제 1 외부 가드링과 소정의 간격만큼 이격되어 제 1 외부 가드링을 에워싸도록 형성되는 것인,
실리콘 광 증배 소자. - 제 4 항에 있어서,
상기 제 1 외부 가드링 및 상기 제 2 외부 가드링은
상기 기판의 표면에 흐르는 전하들을 포획함으로써,
상기 전하가 액티브 영역으로 이동하는 것을 방지하는 것인,
실리콘 광 증배 소자. - 제 4 항에 있어서,
상기 제 1 외부 가드링 및 상기 제 2 외부 가드링은
상기 기판과 다른 타입의 이온으로 도핑된 것인,
실리콘 광 증배 소자. - 삭제
- 제 1 항에 있어서,
상기 기판이 P 타입 실리콘 기판일 경우, 상기 이온은 보론(boron) 이온인 것인, 실리콘 광 증배 소자. - 제 1 항에 있어서
상기 기판이 N 타입 실리콘 기판일 경우, 상기 이온은 포스포러스(Phosphorus) 이온인 것인, 실리콘 광 증배 소자.
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020150147846A KR101707896B1 (ko) | 2015-10-23 | 2015-10-23 | 실리콘 광 증배 소자 |
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| KR1020150147846A KR101707896B1 (ko) | 2015-10-23 | 2015-10-23 | 실리콘 광 증배 소자 |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR101707896B1 true KR101707896B1 (ko) | 2017-02-27 |
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ID=58315775
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| KR1020150147846A KR101707896B1 (ko) | 2015-10-23 | 2015-10-23 | 실리콘 광 증배 소자 |
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| KR (1) | KR101707896B1 (ko) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114093962A (zh) * | 2021-11-22 | 2022-02-25 | 季华实验室 | 单光子雪崩二极管和光电探测器阵列 |
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-
2015
- 2015-10-23 KR KR1020150147846A patent/KR101707896B1/ko active IP Right Grant
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