KR101747420B1 - 포토닉 믹서 및 그의 용도 - Google Patents

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Abstract

포토닉 믹서는 반도체 기판(1) 내에 다수 캐리어 전류를 주입하기 위한 주입 접촉 영역(3, 4)과 광전류를 수집하기 위한 검출기 영역(7, 8)의 커플을 포함한다. 상기 주입 접촉 영역(3, 4)은 반도체 기판(1)보다 높은 도펀트 농도에서 제1도전형(p+)의 도펀트로 도핑되어 있다. 상기 검출기 영역(7, 8)은 제1도전형과는 반대인 제2도전형(n+)의 도펀트로 도핑되어 있고, 반도체 기판(1)과의 접합부(11, 12)를 지니며, 상기 접합부(11, 12) 둘레의 반도체 기판(1)의 영역은 공핍된 기판 영역(101, 102)이다. 상기 커플은 해당 커플의 횡방향 가장자리부를 한정하면서 반도체 기판(1)의 도펀트 농도보다 높은 도펀트 농도, 예를 들어, 반도체 기판(1)의 도펀트 농도와 주입 접촉 영역(3, 4)의 도펀트 농도 사이에 있는 도펀트 농도를 지니는 제1도전형(p-)의 전계 형성 영역(13, 14)을 추가로 포함하며, 해당 전계 형성 영역(13, 14)은 상기 공핍된 기판 영역(101, 102)을 횡방향으로 제한하도록 설계되어 있다.

Description

포토닉 믹서 및 그의 용도{PHOTONIC MIXER AND USE THEREOF}
본 발명은, 전계 영역(field area) 및 다수 캐리어 전류(majority carrier current)와 제1도전형으로 도핑되어 있는 반도체 기판 내의 연관된 전계를 발생하는 수단을 지닌 반도체 기판을 구비하여, 전자기 방사선이 상기 기판 상의 상기 전계 영역 내에 충돌할 경우, 다수 캐리어와 소수 캐리어(minority carrier)의 쌍이 상기 기판에서 발생되어 상기 소수 캐리어의 광전류로 되도록 하는 포토닉 믹서에 관한 것으로, 여기서, 상기 기판은
다수 캐리어 전류 및 상기 반도체 기판 내에 해당 다수 캐리어 전류를 주입함으로써 연관된 전계를 발생시키기 위한 제1도전형의 적어도 하나의 주입 접촉 영역; 및
상기 광전류를 수집하기 위한 상기 제1도전형과는 반대인 제2도전형의 적어도 하나의 검출기 영역을 포함하되,
상기 접촉 영역은 상기 반도체 기판보다 높은 도펀트 농도를 지니고, 상기 검출기 영역은 기판과의 접합부를 지니며, 상기 접합부 둘레의 기판 영역은 공핍된 기판 영역이다.
본 발명은 또한 이러한 포토닉 믹서의 용도에 관한 것이다.
이러한 포토닉 믹서는 EP-A 1513202호에 공지되어 있다. 이러한 포토닉 믹서는 예를 들어 "비행시간"(TOF: time of flight) 거리측정 응용(range-finding applications)을 위하여 의도되어 있다. 종래의 문헌인 WO98/10255호 및 WO99/60629호 공보는 거리측정 응용을 위한 비행시간 측정의 일반적인 원리를 설명하고 있다. 광원은 1㎒ 내지 1㎓ 범위의 주파수에서 변조된다. 광은 대상체인 장면을 조명하고, 반사된 광의 일부는 집속 렌즈를 통해서 거리계 연동식 카메라(range finder camera)에 들어간다. 입사광의 위상을 각 화소 단위로 측정함으로써, 그 장면에서 화소와 그의 짝을 이루는 (광-반사) 화소 영역 사이에서 거리가 추정될 수 있다. 이와 같이 해서, 대상체의 거리와 대상체의 형상이 추정되어 기록될 수 있다. 포토닉 믹서는 반사된 광의 위상을 정확하게 측정하는 장치이다. 이 위상 정확도는, 거리를 추정하는 정밀도와 연관되므로, 매우 중요하다. 포토닉 믹서는, 접속된 전자 믹서 대신에, 검출기에서 바로 입사광을 혼합(즉, 합성)한다. 그에 의해, 저잡음이 달성되고, 따라서, 추정된 거리에 대해 보다 양호한 신호 대 잡음비와 보다 적은 에러가 얻어진다. 포토닉 믹서의 동작에 특히 연관된 것은 전자기 방사선과 동일한 변조 주파수를 지니는 전기 신호가 기판에 인가된다는 점이다. 이와 같이 해서, 신호의 합성은 기판에서 직접 일어난다. 전통적인 광검출기에서, 합성은 별도의 믹서에서 나중 단계에서 수행된다.
도 6a는 입사된 진폭 변조된 전자기 방사선을, 공급원(90)을 통하여 기판(1) - 전형적으로는 그의 에피-층 - 에 인가된 전기신호와 합성하는 종래의 포토닉 믹서의 일 실시형태를 예시하고 있다. 도 6b는 도 6a에 예시된 장치의 III-III'선을 통한 단면을 도시하고 있다. 공급원(90)에 의해 인가된 전기신호는 기판(1)을 통해서 다수 전류, 예컨대, 다수 정공 전류(99)를 발생한다. 인가된 전기신호는 전형적으로 전자기 방사선, 전형적으로 광과 동일한 주파수로 변조된다. 기판의 전계 영역 상에 충돌하는 전자기 방사선으로부터의 광자들이 기판 내의 상기 전계 영역으로 들어갈 때, 이들 광자는 전자와 정공의 쌍으로 변환된다. p-기판(1) 내의 전자와 같은 소수 캐리어는 인가된 다수 정공 전류(99)와 연관된 전계의 영향을 받을 것이고, 다수 캐리어, 예컨대, 정공의 제1공급원(이 예에서는 p+-접촉 영역(61)으로 예시됨)을 향하여 표류(drift)할 것이다. 이들은 이어서 웰(well) 혹은 컬렉터 영역(67)과 접촉 영역(63)을 포함하는 인접한 제1검출기 영역 속으로 확산될 것이다. 이와 같이 해서, 이들은 좌측 믹서 접속점(Mix1)의 출력 광전류의 일부로 될 것이다. 가능한 전자 궤적은 도 6b에 예시된 바와 같이 궤적(66)이다. 인가된 전압 혹은 전기신호가 도 6c에 예시된 바와 같이 역전되는 경우, 다수 전류 흐름의 방향이 역전되어, 소수 캐리어는 상보적인 접촉 영역인 p+-핑거(finger)(62)를 향하여 표류한다. 그 후, 소수 캐리어, 즉, 전자의 대부분은 n-웰(68)을 거쳐서 제2검출기 영역(64)으로 확산되어, 우측 믹서 접속점(Mix2)의 출력 광전류의 일부로 된다. 가능한 전자 궤적은 도 6c에 예시된 바와 같이 궤적(69)이다. 이와 같이 해서, 입사 광자에 민감한 전계 영역은 커지는 반면, 검출기 영역(63), (64)은 그들의 제한된 핑거 영역으로 인해 단지 작은 전기용량(capacitance)을 지닌다. 금속 영역(60) 등과 같은 전자기 마스킹(electromagnetic masking)은 광 등과 같은 충돌하는 전자기 방사선이 원치 않는 영역에서 통과하는 것을 방지하는데 이용될 수 있다.
종래의 포토닉 믹서를 이용한 실험에서는, 얻어진 변조 주파수가 명백하게 이론적으로 계산된 최대치 이하로 된 것이 관찰되었다. 이것은 포토닉 믹서의 대역폭이 제한된다고 하는 단점을 지닌다. 대역폭 제한은 장치의 전체적인 속도를 제한할 뿐만 아니라, 그의 정밀도에 제한을 부여한다.
따라서, 본 발명의 목적은 10㎒ 이상, 더욱 구체적으로는 100㎒ 이상 등과 같은 증가된 변조 주파수에서 이용하기에 적합한 상기 기술분야란에서 언급된 종류의 포토닉 믹서를 제공하는데 있다.
상기 목적은, 주입 접촉 영역과 검출 영역이 커플(couple)을 형성하고, 해당 커플이 반도체 기판의 도펀트 농도보다 높은 도펀트 농도, 예컨대, 상기 반도체 기판의 도펀트 농도와 상기 주입 접촉 영역의 도펀트 농도의 사이에 있는 도펀트 농도를 지니면서 해당 커플의 횡방향 가장자리부를 한정하는(defining) 제1도전형의 전계 형성 영역(field shaping zone)을 추가로 포함하며, 상기 전계 형성 영역은 공핍된 기판 영역을 횡방향으로 제한하도록 설계되어 있는 점에서, 후술하는 특허청구범위 제1항에 청구된 바와 같은 제1양상이 달성된다.
이들 영역의 형성은 변조 주파수의 증가를 가져온 것으로 판명되었다. 또, 이들 영역의 형성은 기판 내로 전계가 보다 깊게 연장되는 결과를 초래하는 것으로 여겨진다. 이것은, 상기 검출 영역이 기판과의 pn-접합부를 형성하고, 예컨대, 적어도 하나의 전계 형성 영역이 상기 검출기 영역 아래쪽에 존재하지 않는 것과 관련된 것으로 판명되었다. 이러한 바람직하지 않은 존재는 소수 전하 캐리어, 전형적으로 전자의 검출기 영역으로의 확산을 방해할 것이다.
공핍된 기판 영역의 횡방향으로의 제한은 상기 전계 형성 영역이 상기 공핍된 기판 영역을 규제하는 점에서 일어날 것이다. 대안적으로, 상기 제한은, 즉, 전계 형성 영역을 통해 뻗고 있는 전계가 공핍된 기판 영역의 확장을 제한하는 점에서 전기적으로 일어날 수 있다. 또 다른 대안에 있어서, 상기 제한은, 즉, 접합부가 평면 혹은 포물면 혹은 유사한 형상을 지니고 공핍된 기판 영역이 이에 일치하는 점에서 기하학적으로 일어날 것이다. 명백하게, 이들 제한 효과의 조합도 일어날 수 있다. 접합부가 단면도에서 포물면 형상이 되도록 하는 설계는 고도로 유리한 것으로 생각된다.
본 발명의 일 실시형태에서, 검출기 영역은 상호 계면을 공유하는 검출기 접촉 영역과 검출기 컬렉터 영역(detector collector region)을 포함하며, 상기 검출기 컬렉터 영역은 상기 검출기 접촉 영역보다 낮은 농도로 도핑되어 상기 기판과의 접합부에 의해 규제된다(즉, 그 범위가 정해진다). 검출기 컬렉터 영역의 형성은, 상기 접합부가 보다 큰 계면 면적을 지니고, 또한 상기 접합부가 기판에서 보다 깊은 수준에 존재하는 결과를 가져온다. 이러한 두 효과는 광전류의 효율적인 수집을 뒷받침한다. 접합부가 존재하는 깊이는 전계 형성 영역이 뻗는 깊이보다 적거나 같거나 클 수 있다. 적합하게는, 접합부는 전계 형성 영역이 뻗는 깊이와 대략 동일한 깊이에 존재한다.
상기 검출기 영역은 그 둘레의 적어도 하나의 전계 형성 영역과 pn-접합부를 형성할 수 있다. 그러나, 이것은 필수는 아니고, 저농도로 도핑된 기판(전형적으로 p--)이 검출기 영역(전형적으로 n-)과 적어도 하나의 전계 형성 영역(전형적으로 p-) 사이에 존재할 수 있었다.
일 실시형태에서, 전계 영역은 적어도 하나의 접촉부에 의해 횡방향으로 규제된다. 이 접촉부는 바람직하게는 반도체 기판 내에 한정되어 제1도전형의 도펀트로 도핑된 접촉 영역이다. 보다 적합하게는, 도펀트 농도는 주입 접촉 영역의 도펀트 농도와 동일하다. 임의선택적으로, 이 접촉 영역은 추가의 전계 형성 영역과의 계면을 지닐 수 있다. 이 전계 형성 영역은 바람직하게는 전계 영역을 횡방향으로 규제한다. 적어도 하나의 접촉부는 링(ring) 형상을 지닐 수 있지만, 대안적으로 U자 형상, L자 형상일 수 있고, 또한 제1 및 제2의 U자 형상 접촉부 혹은 제1 및 제2의 직사각형 접촉부 등과 같이 하나 이상의 접촉부로 구성될 수 있었다. 상기 접촉부가 제한된 연장부를 지닐 경우, 임의의 전계 형성 영역은 바람직하게는 링 형상일 수 있다. 접촉 영역 대신에, 상기 접촉부는 반도체 기판의 상부에 있는 금속 접촉부 혹은 반도체 기판 내의 트렌치(trench) 내에 있는 접촉부일 수 있다.
다른 실시형태에서, 반도체 기판은 제1측면 및 대향하는 제2측면을 지니는 활성층을 포함하며, 상기 검출기 영역과 상기 주입 접촉 영역은 상기 제1측면에 위치되고, 상기 다수 캐리어 전류를 수집하기 위한 접촉부가 상기 활성층의 대향하는 제2측면에 위치되어 있다. 전술한 실시형태에서의 전계의 연장부는 주로 횡방향이었던 반면, 본 실시형태는 주로 수직으로 배향된, 예컨대, 활성층의 제1측면에 대해서 수직인 영역을 지닌다. 이하 각종 실시형태는 또한 횡방향 접촉부 및 수직방향 접촉부를 지닌 것으로 지칭될 것이다. 추가의 선택사양은 횡방향 접촉부와 수직방향 접촉부의 양쪽 모두가 존재하고 있는 것이다.
상기 수직방향 접촉부는 활성층의 제2측면에 존재한다. 그의 수개의 구현예가 있지만, 예컨대, 접촉부는 반도체 기판의 제2측면 상에 있는 금속 접촉부일 수 있고, 그 경우, 활성층은 기판의 본체를 구성한다. 금속 접촉부는 완전한 제2측면을 덮을 수 있지만, 반드시 그럴 필요는 없다. 금속 접촉부는 제2측면으로부터 반도체 기판에 에칭된 공동부 내에 존재할 수도 있었다. 수직방향 접촉부는 대안적으로 제1도전형의 매립된 영역일 수 있다. 이 영역은 활성층의 제1측면, 예컨대, 반도체 기판의 주된 면에 대한 플러그(plug) 혹은 기타 수직방향 접속부와 결합되어 있을 수 있다. 수직방향 접촉부는 재차 다른 변형예에서 소정 도전형(예컨대, 도핑된)의 기판층, 예컨대, p+ 기판의 상부 계면일 수 있다. 보다 구체적인 구현예가 당업자에게 명백해질 것이다.
수직방향 접촉부의 이점은 보다 고해상도라는 점이고, 이 해상도는 용이하게 10배일 수 있다. 보다 고해상도는 단위 표면적당 더 많은 개별의 믹서를 제공하거나 또는 포토닉 믹서의 크기를 저감시키는데 이용될 수 있다.
가장 관련된 실시형태에서, 포토닉 믹서는 차동 포토닉 믹서이다. 여기에서는, 상기 전계 영역 내에 전류 주입 접촉 영역과 적어도 하나의 검출기 영역의 적어도 두 커플이 존재한다. 단지 1커플을 지닌 포토닉 믹서, 즉, 싱글 엔디드(single ended) 포토닉 믹서에 비해서 차동 포토닉 믹서의 이점은 측정 시간의 감소이다. 추가의 실시형태에서, 3개 이상의 이러한 커플이 전계 영역 내에 존재할 수 있다. 제3의 커플은 주파수 영역의 추가의 조율을 허용한다. 4개의 커플의 존재는 측정 시간을 감소시키기 위하여 유리하다. 따라서, 대상체를 3차원으로 국한시키는 것은 단일 측정 내에서 수행될 수 있다. 2개의 커플에 의하면, 대상체를 3차원으로 국한시키는 것은 2회의 측정을 필요로 한다. 4개의 커플은 바람직하게는 쌍으로, 즉, 차동 포토닉 믹서로서 활성화된다. 그러나, 개별의 활성화는 배제되지 않는다.
적합하게는, 수직방향 접촉부 혹은 횡방향 접촉부 중 어느 한쪽 혹은 양쪽 모두가 존재한다. 이 실시형태는 DC 성분과 AC 성분을 모두 지닌 전계의 발생을 허용한다. AC 성분은 다수 캐리어 전류가 커플의 접촉 영역으로부터 교대로 주입되는 점에서 발생된다. 적합하게는, 여기서, 이들 접촉 영역에는 상이한 전압, 특히 기준 레벨 부근의 반대 전압이 제공된다. 기준 레벨은 전형적으로 접지(0V)이지만, 다른 값을 지닐 수도 있다.
제1 및 제2커플과 접촉부-횡방향 접촉부 혹은 수직방향 접촉부-를 지닌 장치는 매우 유리한 것으로 판명되었다. 복조 효율은 10 내지 20% 증가되는 것으로 판명되었다. 이 복조 효율은 포토닉 믹서에서 전하가 분리되는 효율을 한정하며, 따라서 광전류를 형성하는 전하 캐리어에 대한 전계의 영향에 대한 척도이다. 이 증가는 상당한데, 그 이유는 측정 시스템의 속도의 3배의 향상을 가져오기 때문이다. 보다 양호한 단순화에 부가해서, 시스템 내의 광 이미터의 수가 감소될 수 있다는 추가의 이점이 있다. 특히, 속도의 2배 증가는, 광 이미터의 개수를 4배 감소시킬 수 있다.
접촉 영역의 횡방향 규제는 포토닉 합성 작업 동안 발진하지 않지만 일정한 값을 지니는 전압에서 적용된다. 따라서, 이것은 DC 성분을 제공한다. 이 횡방향으로 규제된 접촉 영역의 전압은 바람직하게는 광전류가 전계의 중심으로 향하도록 하는 것이 바람직하다. 횡방향으로 규제되는 접촉 영역은, 특정 DC 전압 레벨에서 대향전극을 제공하는데 이용될 경우, 전류 주입 접촉 영역이 아니다. 전계 형성 영역은 이 접촉 영역 아래쪽에 위치되지만, 이것은 필수인 것으로 여겨지지 않는다.
수직방향 접촉부 혹은 횡방향 접촉부는 바람직하게는 셔터로서 작동된다. 여기서, 접촉부에 대한 전압은, 전계의 DC 성분을 아래쪽으로 차단하고, 이에 따라, 소수 캐리어가 접촉 영역에 의해 끌리지 않게 될 것을 확실하게 하도록 변경된다. 횡방향 접촉부 혹은 수직방향 접촉부에 셔터 기능을 적용하는 대신에, 이것은, 특히 하나 이상의 커플이 존재하는 경우에, 커플의 주입 접촉 영역을 통해서 더욱 구현될 수 있다.
본 실시형태의 바람직한 변형예에서, 상기 커플은 각각, 0.05 내지 20 사이의 길이/폭 비를 한정하는 길이와 폭, 가장자리부를 지니는, 평면도에서 볼 때, 대략 직사각형을 취하며, 상기 가장자리부는 적어도 하나의 전계 형성 영역에 의해 형성되어 있다. 더욱 적합하게는, 설계는, 직사각형 커플이 밑에 있는 전계 형성 영역을 지닌 접촉 영역이 존재하는 중앙부에 설치되도록 되어있고, 하나의 링 형상의 검출기 영역 혹은 복수개의 검출기 영역은 상기 가장자리부 내에 상기 접촉 영역의 대향하는 측면 상에 존재한다. 얻어지는 설계는 유리한 것으로 판명되었다. "대략 직사각형"이란 용어는 모서리가 정돈된 직사각형의 구체적인 구현예를 포함한다. 바람직하게는, 주입 전류 영역과 검출기 영역은 가늘고 긴 형상(elogated shape)을 취하거나, 또는 가늘고 긴 형상을 지닌 부분들을 지닌다. 이에 의해, 유효 면적이 증가되어 향상된 성능을 가져온다.
제2양상에 있어서, 본 발명은 전계 영역 및 다수 캐리어 전류와 제1도전형으로 도핑되어 있는 반도체 기판 내의 연관된 전계를 발생하는 수단을 지닌 당해 반도체 기판을 구비하여, 전자기 방사선이 상기 기판 상의 상기 전계 영역 내에 충돌할 경우, 다수 캐리어와 소수 캐리어의 쌍이 상기 기판에서 발생되어 상기 소수 캐리어의 광전류로 되도록 하는 포토닉 믹서로서, 상기 기판은 다수 캐리어 전류를 상기 반도체 기판 내로 주입하기 위한 주입 접촉 영역과 광전류를 수집하기 위한 검출기 영역의 커플을 포함하고, 상기 주입 접촉 영역은 상기 반도체 기판보다 높은 도펀트 농도에서 상기 제1도전형의 도펀트로 도핑되어 있으며, 상기 검출기 영역은 상기 제1도전형과는 반대인 제2도전형의 도펀트로 도핑되고 상기 반도체 기판과의 접합부를 지니며, 상기 접합부 둘레의 상기 반도체 기판의 영역은 공핍된 기판 영역이고, 상기 검출기 영역은 링형상으로 되어 있고 상기 주입 접촉 영역 둘레에 연장되며, 상기 반도체 기판보다 높은 도펀트 농도를 지니는 제1도전형의 전계 형성 영역이 상기 검출기 영역 둘레에 횡방향으로 연장되어 있는 것인 포토닉 믹서를 제공한다.
제3양상에서, 본 발명은 전계 영역 및 다수 캐리어 전류와 제1도전형으로 도핑되어 있는 반도체 기판 내의 연관된 전계를 발생하는 수단을 지닌 당해 반도체 기판을 구비하여, 전자기 방사선이 상기 기판 상의 상기 전계 영역 내에 충돌할 경우, 다수 캐리어와 소수 캐리어의 쌍이 상기 기판에서 발생되어 상기 소수 캐리어의 광전류로 되도록 하는 포토닉 믹서로서, 상기 기판은 다수 캐리어 전류를 상기 반도체 기판 내로 주입하기 위한 주입 접촉 영역과 광전류를 수집하기 위한 검출기 영역의 커플을 포함하고, 상기 주입 접촉 영역은 상기 반도체 기판보다 높은 도펀트 농도에서 상기 제1도전형의 도펀트로 도핑되어 있으며, 상기 검출기 영역은 상기 제1도전형과는 반대인 제2도전형의 도펀트로 도핑되고 상기 반도체 기판과의 접합부를 지니며, 상기 접합부 둘레의 상기 반도체 기판의 영역은 공핍된 기판 영역이고, 상기 반도체 기판은 제1측면 및 대향하는 제2측면을 지니는 활성층을 포함하며, 상기 검출기 영역과 상기 주입 접촉 영역은 상기 제1측면에 위치되고, 상기 다수 캐리어 전류를 수집하기 위한 접촉부가 상기 활성층의 대향하는 제2측면에 위치되어 있는 것인 포토닉 믹서를 제공한다.
본 발명의 제2 및 제3양상은 상기 제1양상에 대해서 논의되고 도면설명에서 논의된 바와 같은 임의의 더 많은 구체적인 구현예 및 실시형태와 조합될 수 있다.
추가의 양상에서, 본 발명은 특히 비행시간(TOF) 응용을 위하여 제1대상체와 제2대상체 간의 거리를 측정하는 시스템에 관한 것이다. 이 시스템은 제1변조 주파수에서 변조된 전자기 방사선을 방출하는 적어도 하나의 이미터를 포함할 수 있다. 또한, 이것은 상기 방출되고 임의선택적으로 반사되어 변조된 전자기 방사선을 검출하고 얻어진 광전류를 인가된 신호와 인시투 합성(in situ mixing)하여 상기 변조 주파수에서 발진시키는 포토닉 믹서를 추가로 포함하되, 상기 포토닉 믹서는 검출된 방사선의 위상을 나타내는 출력 신호를 제공한다. 구체적으로는, 본 발명에 따른 포토닉 믹서가 존재한다.
본 발명에 따른 포토닉 믹서의 이들 및 기타 양상이 도면을 참조하여 더욱 상세히 설명될 것이다.
도 1a는 본 발명의 제1실시형태의 개략적인 평면도;
도 1b는 도 1a에 도시된 바와 같은 제1실시형태의 도 1a의 D선을 따라 취한 개략적인 단면도;
도 2는 본 발명의 제2실시형태의 개략적인 평면도;
도 3a 내지 도 3f는 상기 제1 및 제2실시형태와 관련하여 이용되는 레이아웃을 개략적으로 표시한 도면;
도 4a 내지 도 4f는 6개의 다른 레이아웃을 개략적으로 표시한 도면;
도 5a는 본 발명의 제3실시형태를 개략적으로 표시한 도면;
도 5b는 상기 제3실시형태의 개략적인 단면도;
도 6a는 종래의 포토닉 믹서의 평면도를 개략적으로 표시한 도면;
도 6b 및 도 6c는 도 6a에 도시된 바와 같은 종래의 포토닉 믹서의 도 6a의 III-III'선을 따라 취한 개략적인 단면도;
도 7은 변조 주파수의 함수로서의 복조 콘트라스트를 도시한 도면.
본 출원의 도면은 일정 척도로 그려진 것은 아니며 단지 예시적인 목적을 위하여 의도된 것이다. 상이한 도면에서 동일한 참조 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
도 1a는 본 발명의 제1실시형태의 개략적인 평면도이고, 도 1b는 도 1a에 도시된 바와 같은 제1실시형태의 개략적인 단면도로, 이는 도 1a의 D선을 따라 취한 것이다. 포토닉 믹서는 반도체 기판(1)을 포함한다. 해당 반도체 기판(1)은 예를 들어 p형 도핑되어 있는 벌크 실리콘 기판을 포함한다. 대안적으로, 기판은 유리, 사파이어를 비롯한 다른 캐리어를 포함할 수도 있다. 기판은 또한 매립된 절연층을 지닌 SOI-형 기판일 수 있다. 반도체 기판(1)의 도시된 부분은 이 예에서는 반도체 장치의 정의에 대해 전형적으로 적용되는 것과 같은 저농도로 도핑되어 에피택셜 성장된 실리콘층("에피-층"(epi-layer)이라 약칭함)이다. 이 예에서, p형 기판이 이용되고, 상기 에피-층은 당업자에게 그 자체가 공지되어 있는 바와 같이 p---도핑되어 있다. 이것은 적절하게는 10 내지 50㎛의 두께를 지닌다. 반도체 기판(1)은 SiGe, SiC, GaN, GaAs, InP 등의 Si 이외의 다른 재료를 포함할 수도 있다.
접촉 영역(3), (4)과 검출기 영역(7), (8)은, 그 자체로 공지된 방식으로, 기판 내에 도펀트 원자의 주입에 의해 형성된다. 접촉 영역(3), (4)은 p+ 혹은 p++ 도핑되어 있다. 검출기 영역(7), (8)은, 이 예에서, 검출기 접촉 영역(n+) 및 검출기 컬렉터 영역(n-)을 포함하며, 이들은 상호 계면을 공유한다. 검출기 영역(7), (8)은 제1도전형과는 반대인 제2도전형의 도펀트로 도핑, 예컨대, n-형 도핑되어 있다. 검출기 접촉 영역(n+)의 도펀트 농도는 검출기 컬렉터 영역(n-)의 것보다 높다. 검출기 영역(7), (8) - 이 예에서는 그의 검출기 컬렉터 영역 -은 기판(1)과의 계면을 지니며, 이것은 접합부, 즉, pn-접합부이다. 동작 시, pn-접합부는 전형적으로 역바이어스되어 있다. 공핍된 기판 영역(101), (102)은 기판(1)에서 상기 접합부(11), (12) 둘레에 존재한다.
본 발명에 따르면, 전계 형성 영역(13), (14)이 존재한다. 전계 형성 영역(13), (14)은 제1도전형(p형)이다. 이들은 반도체 기판(1) 내로 실질적으로 수직으로 연장된다. 전계 형성 영역(13), (14)은 기판(1)의 도펀트 농도(p--)보다 높은 도펀트 농도(p-), 예를 들어, 기판(1)의 도펀트 농도(p--)와 주입 접촉 영역(3), (4)의 도펀트 농도(p+) 사이에 있는 도펀트 농도를 지닌다. 적어도 하나의 검출기 영역(7), (8)은, 상기 공핍된 기판 영역(101), (102)을 횡방향으로 제한하도록, 평면도에서 볼 때, 제1 및 제2전계 형성 영역(13), (14) 사이에 위치되어 있다. 전계 형성 영역(13), (14)은 예를 들어 0.5 내지 5㎛, 바람직하게는 1 내지 2㎛의 깊이까지 기판(1) 속으로 연장되어 있다. 제1도전형의 전계 형성 영역(13), (14)은 주입 접촉 영역(3), (4)과 검출 영역(혹은 검출기 영역)(7), (8)의 커플의 횡방향 가장자리부(113)를 한정한다.
상기 전계 형성 영역(13), (14) 없이도, 공핍된 기판 영역(101), (102)은 훨씬더 폭넓게, 특히 기판 표면까지 연장되어 있는 구체(sphere)로서 연장될 수 있다. 게다가, 이것은 비대칭 형상을 지닐 수 있고, 접촉 영역(3), (4)의 존재는 다른 측면에 대해서가 아니라 하나의 측면에 대한 제한을 설정할 것이다.
전계 형성 영역(13), (14)과 함께, 접합부(11), (12)는 도 1b에 도시된 바와 같은 단면도에서 포물면 형상을 지닌다. 공핍된 영역(101), (102)은 효율적으로 이 접합부(11), (12) 둘레의 외피이다. 따라서, 이들은 횡방향보다는 기판 표면에 대해 더욱 수직으로(수직방향으로도 지칭함) 연장된다. 이것은 또한 검출기 영역(7), (8)이 전계 형성 영역(13), (14)보다 기판(1) 속으로 더욱 깊게 연장되는 경우이다.
검출기 영역(7), (8)이 접촉 영역(n+)으로 제한될 경우, 접합부의 형상은 포물면이나 그와 유사한 것은 아니다. 그러나, 전계 형성 영역(13), (14)은 이 경우에 예컨대 이들 사이에 있는 기판 영역까지 직접 공핍된 영역을 횡방향으로 제한한다.
이 실시형태에서, 광학적으로 투명한 전극(50)은 기판(1)의 표면 상에 존재한다. 이것은 기판 표면과는 산화물 등과 같은 절연층(52)에 의해 분리되어 있다. 그러나, 탄탈 산화물 및 기타 재료 등의 고-K 유전체가 대안적으로 이용될 수 있었다. 광학적으로 투명한 전극(50)은 적합하게는 폴리실리콘의 층이다. 이것은 적절한 도펀트에 의해 도전성을 증가시키기 위하여 도핑되어 있을 수 있다. 전극(50)은 전극 상에 반발력을 가함으로써 표면 재결합을 저감시키기 위하여 적용될 수 있다. 적절하게는, 동작 시, 반발력을 증강시키기 위하여 이 전극(50)에 전압이 인가된다. 여기에는, 단자(terminal)(51)가 존재한다. 이 전극(50)은 검출기 영역(7), (8), 접촉 영역(3), (4) 및 전계 형성 영역(13), (14) 위에 놓이지 않도록 패턴화되어 있다. 이것은 완전한 전계 영역(2)을 커버할 필요는 없다.
도 1a의 평면도는 이 제1실시형태의 레이아웃을 도시하고 있다. 전계 형성 영역(13), (14)은 전계 영역(2)의 대향하는 가장자리부에 있고, 여기서 전자기 방사선은 소수 및 다수 캐리어로 전환되도록 기판에 충돌할 것이다. 검출기 영역(7), (8)과 접촉 영역(3), (4)은 서로에 대해 평행하게 뻗어 있는 가늘고 긴 영역이며 이들에는 각각 단자(9, 10) 및 (5, 6)가 설치되어 있다. 이들 단자(9, 10), (5, 6)는 이 예에서는 영역(7, 8), (3, 4)의 단부에 있는 영역까지 제한되어 있지만, 이들은 거기에 정확히 위치되어 있을 필요는 없다. 동일한 접촉 영역 상에 다수의 단자가 있을 수 있다. 마스크(21)는 들어오는 전자기 방사선으로부터 검출기 영역(7), (8)을 차폐하기 위하여 해당 검출기 영역(7), (8) 위에 놓인다.
도 2는 본 발명의 제2실시형태의 개략적인 평면도이다. 도 1a에서는 검출기 영역과 접촉 영역의 두 쌍이 전계 영역(2)의 극단부에 한정되어 있는 반면, 본 실시형태는 4개의 접촉 영역(3), (4), (15), (16)과 단지 2개의 검출기 영역(7), (8)을 포함한다. 이 추가의 접촉 영역(15), (16)은 전계 영역(2)의 극단의 가장자리부에 위치되어 있다. 전계 형성 영역(19), (20)은 추가의 접촉 영역(15), (16) 아래쪽에 한정되고, 단자(17), (18)가 그 위에 한정되어 있다. 추가의 접촉 영역(15), (16)은 포토닉 합성 동작 동안 일정한 전압에 걸리도록 설계되어 있다. 접촉 영역(3), (4)은 교류 전압에 걸리도록 의도되어 있다. 이에 따라, 조작자는 AC 성분과 DC 성분 모두를 지닌 전계를 인가할 수 있다. 이러한 전계의 인가는 누화를 제한하는 것으로 판명되었다.
본 실시형태의 선택사양은 검출기 영역(7), (8) 중 한쪽을 생략하는 것이다. 이것은 보다 소형의 장치를 위하여 검출기 면적을 저감시키는 데 유리하다. 이 선택사양은 현재 도시된 레이아웃으로 제한되지 않고, DC 대향전극으로서 작용하는 횡방향으로 멀리 떨어진 접촉 영역과 함께 검출기 영역과 접촉 영역의 양쪽 모두의 제1 및 제2커플을 지니는 실시형태의 어느 것에 대한 선택사양으로 효율적이다. 그러나, 하나의 검출기 영역을 생략하는 것은 전체적으로 수집된 광전류, 따라서, 포토닉 믹서의 효율에 대해 실질적으로 부정적인 영향을 지닐 수도 있다. 도 2의 예에서, 검출기는 가늘고 길게 되어 있어, 그 영향은 소형으로 될 것으로 기대된다.
제2검출기 영역의 제거의 다른 결과는 순차로 수행될 측정의 수가 증가될 수 있다는 점이다. 비행시간법에서 대상체의 거리 측정치를 얻기 위하여 적어도 3개의 상이한 위상의 측정이 요구된다. 하나의 검출기 영역에 의하면, 단지 하나의 출력이 있고, 따라서, 3회의 순차적인 측정이 필요하다. 2개의 검출기 영역에 의하면, 2개의 순차적인 측정이면 충분하다. 4개의 검출기 영역에 의하면, 하나의 순차적인 측정이면 충분한 것으로 보인다.
본 실시형태의 다른 선택사양은 전계 영역(2)의 가장자리부에서 추가의 접촉 영역(15), (16)의 아래쪽에서 전계 형성 영역(19), (20)을 생략하는 것이다. 이들 추가의 접촉 영역(15), (16)의 직접 이웃에 접합부도 공핍된 기판 영역도 없기 때문에, 관련성은 그다지 크지 않다. 그러나, 이러한 전계 형성 영역(19), (20)의 적용은 전계의 형상을 위하여, 특히 대칭 전계를 작성하기 위하여 유리한 것으로 보인다.
도 3a 내지 도 3f 및 도 4a 내지 도 4f는 본 발명에서 이용하기 위한 총 12개의 설계를 간단화한 개략적인 평면도로 도시하고 있다. 도 3b는 도 2에 나타낸 포토닉 믹서의 간략화한 개략적인 평면도를 도시하고 있고, 여기서는 단지 필요한 서브세트의 요소들만 표시되어 있다. 두꺼운 고딕선은 다수 전류를 인가하기 위하여 제1도전형의 p+-영역(3), (4), (15), (16)의 접촉 영역을 나타낸다. 두꺼운 대시선은 검출 영역(7), (8)을 나타낸다. 점선은 둘러싸는 영역을 지닌 검출기 컬렉터 영역의 접합부 계면(11), (12)을 나타낸다. 두꺼운 고딕선 둘레의 대시선은 전계 형성 영역(13), (14), (19), (20)의 외부를 나타낸다.
도 3a는 도 3b의 설계에 대체로 대응하는 설계이다. 그 차이는 전계 형성 영역 내에 검출기 영역과 접촉 영역의 위치결정에 관한 것이다. 도 3a의 설계에서, 검출기 영역(7), (8)은 접촉 영역(3), (4)과 전계 영역(2)의 가장자리부에 있는 추가의 접촉 영역(15), (16) 사이에 한정되어 있다. 도 3b의 설계에서, 접촉 영역(3), (4)은 검출기 영역(7), (8)과 전계 영역(2)의 가장자리부에 있는 추가의 접촉 영역(15), (16) 사이에 한정되어 있다. 도 3a의 구성은 소수 전하 캐리어가 검출기 영역(7), (8)으로 확산되어 광전류를 만드는 확산 과정의 속도를 증강시키는 경향이 있다.
도 3c 내지 도 3f 및 도 4a 내지 도 4f는 전계 영역(2)의 가장자리부에 링 형상의 추가의 접촉 영역(30)을 포함하는 설계를 도시하고 있다. 여기서의 설계의 이점은, 전계가 제1 및 제2의 가늘고 긴 평행한 접촉 영역 사이 대신에 중앙부에 대해서 배향되는 점이다. 이러한 중앙-배향 전계는 변조 주파수를 더욱 증가시키기 위하여 유익한 것으로 여겨진다. 추가의 접촉 영역(30)은 전계 형성 영역(31) 내에 존재한다. 도 4e 및 도 4f는, 각각 전계 영역(2)의 가장자리부에 있는 링 형상 접촉 영역 아래쪽의 전계 형성 영역이 제거된 것을 제외하고, 도 3e 및 도 4a의 것과 동일하다. 접촉 영역과 검출기 영역은 전계 형성 영역에 의해 한정된 직사각형 형상을 지니는 커플 내에 존재한다.
제1군의 설계가 도 3c, 도 4a 및 도 4d에 도시되어 있다. 이들 설계는 적어도 하나의 접촉 영역(3), (4)과 2개의 검출기 영역(32, 33), (36, 37)의 커플을 포함한다. 상기 커플의 가장자리부는 전계 형성 영역(13), (14)에 의해 한정된다. 창(34, 35), (38, 39)은 검출기 영역(32, 33), (36, 37) 둘레의 단일의 전계 형성 영역(13), (14) 내에 존재한다. 접촉 영역(3), (4)은 제1 및 제2검출기 영역 사이에 존재한다. 접촉 영역(3), (4)과 검출기 영역(32), (33), (36), (37)은 모두 가늘고 긴 형상이거나 또는 가늘고 긴 부분을 포함한다. 이 예에서, 상기 커플의 배향은 동일하고, 보다 구체적으로는, 두 커플 내의 검출기 영역(32), (33), (36), (37)은 그들의 긴 변이 서로를 향한 채, 평행하게 한 줄로 배향되도록 되어 있다. 그러나, 이것은 반드시 필요한 것은 아니다. 이들 모두의 배향은, 두 커플 내의 검출기 영역(32), (33), (36), (37)이 그들의 짧은 변이 서로를 향한 채 이들 두 커플에서 각각 두 줄로 존재하도록 되어 있을 수도 있다. 하나의 커플은 다른 쪽을 향하여 변위(shift)될 수도 있다. 두 커플은 또한 대각선 상에 위치될 수도 있다. 두 커플의 배향은 -90°와 +90° 사이의 어떠한 각도도 포함할 수 있다. 그러나, 바람직하게는, 이 설계는 커플 내의 접촉 영역(3), (4)이 전계 영역(2)의 가장자리부에 링 형상 접촉 영역(30)의 일부에 대해서 평행하게 배향되도록 되어 있다. 게다가, 상기 커플은 전계 영역(2)의 중앙선 혹은 대각선 상의 그들의 중앙부에 존재하는 것이 바람직하다. 이러한 배향은 대부분 규칙적이고 바람직하게는 전계, 따라서 적어도 교란되는 전계의 대칭적인 구조를 초래한다.
도 3c와 비교해서, 도 4a는 커플당 2개의 추가의 접촉 영역(40, 41), (42, 43)을 포함한다. 추가의 접촉 영역(40) 내지 (43)은 검출기 영역(32), (33), (36), (37)과 커플(13), (14)의 가장자리부 사이에 한정되어 있다. 도시된 U자 형상이 바람직하지만, 직사각형 혹은 L자 형상도 배제되지 않는다. 도 4a와 비교해서, 도 4d의 설계는 더 많은 접촉 영역을 지닌다. 이 설계에 있어서, 도 4a에 도시된 커플당 3개의 접촉 영역(3, 41, 42) 및 (4, 43, 44)이 8자 형상의 접촉 영역(3), (4)으로 합병된다. 이것은 전계의 분포를 위해 유리하다.
제2서브세트의 설계는 도 3f, 도 4b 및 도 4c에 의해 구성되어 있다. 여기서, 커플은 일련의 링으로서 구축된다. 도 3f는 검출기 영역(7), (8)이 커플의 중심부에 존재하는 설계를 도시하고 있다. 링 형상 접촉 영역(3), (4)은 검출기 영역(7), (8)을 포위하고 있다. 도 4b는 제1전계 형성 영역(13), (14) 내의 내부 접촉 영역(3), (4), 링 형상의 검출기 영역(7), (8) 그리고 제2전계 형성 영역(23), (24) 내의 링 형상 접촉 영역(44), (45)을 구비한 설계를 도시하고 있다. 도 4c는 제2전계 형성 영역(23), (24)이 부상된 채로 남아 있지만 외부의 링 형상 접촉 영역이 존재하지 않는 마찬가지 설계를 도시하고 있다. 이런 유형의 설계의 이점은 각 커플 내로 방사상 대칭부가 연장되는 점이다. 이것은 매우 균질하게 분포된 전계를 일으킬 것으로 여겨진다. 임의선택적으로, 전계 형성 영역(13), (14)은 횡방향으로 제한된 전계 형성 영역(23), (24)보다 반도체 기판 속으로 더 깊게 연장된다. 이것은, 예를 들어, 전계 형성 영역(13), (14)에 대한 딥 P-웰(Deep P-well)로서 당업자에게 공지된 주입 형식을 이용함으로써 달성될 수 있다. 내부 전계 형성 영역의 이러한 보다 깊은 연장부는 전계의 분포를 향상시킨다. 또한, 상기 보다 깊은 연장부는 기판(1)과의 접촉 영역(3), (4)의 품질을 향상시킨다. 특히, 상기 품질은 전형적으로 n-형 검출기 영역(7), (8)의 공핍으로부터 초래되는 어떠한 부정적인 영향도 방지하거나 적어도 저감시킴으로써 향상된다.
상기 보다 깊은 연장부는 이 제2서브세트의 설계를 위해 특별히 유리하고 제2전계 형성 영역(23), (24)이 부상된 채로 남아 있는 설계와 결합하여 가장 적절하다. 그러나, 기판 속으로 보다 깊게 연장되는 주입부를 이용하는 것은 또한 다른 서브세트의 어느 것에도 적용가능하다. 예를 들어, 도 4a에 도시된 설계에 있어서, 보다 깊은 주입부는 예컨대 접촉 영역(4) 아래쪽에 존재할 수 있었다. 그 경우, 깊은 웰로부터 전계 형성 영역의 나머지 부분까지의 점차적인 변이가 있다. 이 깊은 웰은 바람직하게는 여기서는 커플의 중앙부에 국부적으로 적용된다.
제3서브세트의 설계는 도 3d 및 도 3e에 의해 구성된다. 여기서, 도 3a 및 도 3b에도 도시된 가늘고 긴 커플들은 링 형상 접촉 영역에 의해 제한된 전계 영역 내에 위치되어 있다.
도 7은 종래의 포토닉 믹서와 본 발명에 따른 포토닉 믹서의 일 실시형태에 대한 변조 콘트라스트 C와 변조 주파수 f 간의 관계를 나타낸 그래프이다. 실험 데이터를 생성하는데 이용된 포토닉 믹서는 도 4a에 도시된 바와 같은 설계를 지녔다. 변조 콘트라스트 혹은 변조 효율은 전하가 포토닉 믹서에서 분리되는 효율을 한정하고, 따라서 이것은 광전류를 형성하는 전하 캐리어에 대한 전계의 영향에 대한 척도이다.
종래의 포토닉 믹서에 대한 변조 콘트라스트는 실질적으로 이미 1㎒ 이하 저감된다. 1㎒에서 대략 85%이고, 10㎒에서 대략 40%까지 저감되었다. 100㎒에서, 콘트라스트는 20% 이하이다. 이러한 낮은 콘트라스트는 상당한 결점을 초래한다. 본 발명에 따른 포토닉 믹서에 대한 변조 콘트라스트는 서서히 저감된다. 5㎒에서, 여전히 80%이다. 50㎒ 부근에서, 콘트라스트는 60%이고, 100㎒에서, 콘트라스트는 여전히 50%이다. 이들은 적절한 거리 측정을 행하는데 충분히 양호한 콘트라스트이다. 보다 높은 변조 주파수에서의 콘트라스트의 증가는 측정 시스템의 속도의 실질적인 증가를 초래한다. 보다 양호한 간단화에 부가해서, 이 시스템에서의 광 이미터의 개수가 감소될 수 있다고 하는 추가의 이점이 있다. 특히, 속도의 2배의 증가에 의해, 광 이미터의 개수는 4배 감소될 수 있다.
도 5a는 본 발명의 제3실시형태의 개략적인 평면도이고, 도 5b는 도 5a에 도시된 바와 같은 제3실시형태의 개략적인 단면도로 해당 단면은 도 5a의 D선을 따라 취한 것이다. 도 5는 이 예에서 p-- 도핑을 지니는 활성층(1)과 p- 도핑을 지니는 하부 기판층(80)을 구비한 기판을 도시하고 있다. 대안적으로, 하부 기판층(80)은 전기 전도성으로 되는 p+ 등의 고농도 도핑을 지닐 수 있다. 이러한 기판은 시판되고 있고 당업자에게 공지되어 있다. 정확한 도핑 레벨은 수행의 문제이다. 당업자라면 하부 기판층(80)이 전형적인 단결정성 p-도핑된 실리콘 기판이고 활성층(1)이 에피-층이라는 것을 인식할 것이다. 하부 접촉부는 하부 기판층(80)과 그 위의 금속 접촉부(81)에 의해 효율적으로 구성된다. 따라서, 이것은 서두에서 기술된 바와 같이 수직방향 접촉부이다. 전계는 주입 접촉 영역(3), (4)과 궁극적으로 금속 접촉부(81) 사이에서 뻗게 될 것이다. 하부 기판층(80)의 증가된 도전성을 감안하여, 전계는 주입 접촉 영역(3), (4)과 하부 기판층(80)의 상부 사이에서 효율적으로 뻗게 된다. 전형적으로, 전류는 제1 주입접촉 영역(3)과 제2 주입 접촉 영역(4) 사이에서 번갈아, 변조 주파수에서 해당 주입 접촉 영역(3), (4)을 통해서 활성층(1) 내로 주입된다. 이들 주입 접촉 영역(3), (4)은 횡방향 가장자리부가 전계 형성 영역(13), (14)에 의해 한정되어 있는 커플 내에 존재한다.
이와 관련하여, 위에서 설명된 바와 같은 본 발명에 의하면, 이하의 선택사양이 언급될 수 있다: 독출 회로 및 제어 회로가 적절하게는 일체형으로 집적되어 있고, 즉, 트랜지스터 및/또는 반도체 구성요소가 반도체 기판의 (활성층) 내에 한정되어 있으며, 바람직한 회로 토폴로지를 한정하도록 상호접속 구조가 제공된다. 포토닉 믹서의 제어는 접촉 영역에의 전압의 공급에 관련될 뿐만 아니라, 특히 후속의 측정 전에, 포토닉 믹서를 리셋하기 위하여 신호의 제공을 포함한다. 이러한 신호의 제공은 전형적으로 위에서 설명된 바와 같이 셔터 기능에 의해 달성된다. 전자기 방사선은 기판의 전방 측면에 제공되지만, 대안적으로, 기판의 배면측에, 특히 기판 두께의 저감 및 임의선택적으로 상기 전방 측면에의 캐리어의 인가와 결합하여 제공될 수 있다. 두 개 이상의 커플이 전계 영역 내에 존재할 수 있다. 수직, 위쪽 및 아래쪽 등과 같은 용어는 처리 동안 반도체 기판의 배향에 관하여 한정되며, 전방 측면은 상부(위쪽)에 있고, 기판 표면은 횡방향으로 뻗는 방향을 한정한다. 수직(방향)은 이어서 이 기판 표면에 대해서 직각이다. 하나의 가늘고 긴 접촉 영역, 검출기 영역 또한 전계 형성 영역의 보다 작은 수개의 영역/구역으로의 분할이 배제되지 않는다.
본 발명은 대안적으로는 다음과 같은 방식을 특징으로 한다: 포토닉 믹서는, 전계 영역 및 다수 캐리어 전류와 제1도전형으로 도핑되어 있는 반도체 기판 내의 연관된 전계를 발생하는 수단을 지닌 반도체 기판을 구비하여, 전자기 방사선이 상기 기판 상의 상기 전계 영역 내에 충돌할 경우, 다수 캐리어와 소수 캐리어의 쌍이 상기 기판에서 발생되어 상기 소수 캐리어의 광전류로 되도록 하되, 상기 기판은
다수 캐리어 전류 및 상기 반도체 기판 내에 해당 다수 캐리어 전류를 주입함으로써 연관된 전계를 발생시키기 위한 제1도전형의 적어도 하나의 주입 접촉 영역;
상기 광전류를 수집하기 위한 상기 제1도전형과는 반대인 제2도전형의 적어도 하나의 검출기 영역; 및
상기 제1도전형의 적어도 하나의 전계 형성 영역을 포함하며,
상기 접촉 영역은 상기 반도체 기판보다 높은 도펀트 농도를 지니고, 상기 검출기 영역은 상기 기판과의 접합부를 지니며, 상기 접합부 둘레의 기판 영역은 공핍된 기판 영역이고, 상기 적어도 하나의 전계 형성 영역은 상기 기판 내로 실질적으로 수직으로 뻗고 있고 또한 반도체 기판의 도펀트 농도보다 높은 도펀트 농도, 예를 들어, 상기 기판의 도펀트 농도와 상기 접촉 영역의 도펀트 농도 사이의 도펀트 농도를 지니며, 상기 주입 접촉 영역은 전계 형성 영역과의 계면을 지니고,
상기 적어도 하나의 검출기 영역은, 상기 공핍된 기판 영역을 횡방향으로 규제하기 위하여, 평면도에서 볼 때, 제1의 전계 형성 영역과 제2의 전계 형성 영역 사이 혹은 전계 형성 영역의 제1부분과 제2부분 사이에 위치되어 있다.

Claims (19)

  1. 제1도전형으로 도핑되어 있는 반도체 기판 내의 연관된 전계와 다수 캐리어 전류를 발생하는 수단, 및 전계 영역(field area)을 지닌 당해 반도체 기판을 구비하여, 전자기 방사선이 상기 기판 상의 상기 전계 영역 내에 충돌할 경우, 다수 캐리어와 소수 캐리어의 쌍이 상기 기판에서 발생되어 상기 소수 캐리어의 광전류로 되도록 하는 포토닉 믹서로서,
    상기 기판은 다수 캐리어 전류를 상기 반도체 기판 내로 주입하기 위한 주입 접촉 영역과 광전류를 수집하기 위한 검출기 영역의 제1커플(couple)을 포함하고, 상기 주입 접촉 영역은 상기 반도체 기판보다 높은 도펀트 농도에서 제1도전형의 도펀트로 도핑되어 있으며, 상기 검출기 영역은 상기 제1도전형과는 반대인 제2도전형의 도펀트로 도핑되어 있고 또한 상기 반도체 기판과의 접합부를 지니며, 상기 접합부 둘레의 상기 반도체 기판의 영역은 공핍된 기판 영역이며,
    상기 제1커플은 상기 반도체 기판의 도펀트 농도보다 높은 도펀트 농도를 지니면서 해당 제1커플의 횡방향 가장자리부를 한정하는 제1도전형의 전계 형성 영역(field shaping zone)을 추가로 포함하고, 해당 전계 형성 영역은 상기 공핍된 기판 영역을 횡방향으로 제한하도록 설계되어 있는 것이며,
    상기 제1커플은 밑에 있는 전계 형성 영역과의 접촉 영역이 존재하는 중앙부를 구비하고, 상기 제1커플 내의 상기 접촉 영역의 반대쪽 상에 하나의 링형상의 검출기 영역 혹은 복수개의 검출기 영역이 존재하는 것인 포토닉 믹서.
  2. 제1항에 있어서, 상기 검출기 영역은 상호 계면을 공유하는 검출기 접촉 영역과 검출기 컬렉터 영역(detector collector region)을 포함하며, 상기 검출기 컬렉터 영역은 상기 검출기 접촉 영역보다 낮은 농도로 도핑되어 상기 기판과의 접합부에 의해 제한되는 것인 포토닉 믹서.
  3. 제1항에 있어서, 상기 검출기 영역은 단일의 전계 형성 영역에 의해 횡방향으로 둘러싸여 있는 것인 포토닉 믹서.
  4. 제1항에 있어서, 상기 전계 영역은 적어도 하나의 접촉부에 의해 횡방향으로 제한되며, 해당 접촉부는 상기 반도체 기판 내에 한정되고 또한 상기 제1도전형의 도펀트로 도핑되어 있는 접촉 영역인 것인 포토닉 믹서.
  5. 제1항에 있어서, 상기 제1커플은, 평면도에서 볼 때, 0.05 내지 20의 길이/폭 비를 한정하는 길이와 폭을 지니는 직사각 형상을 취하는 것인 포토닉 믹서.
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서, 상기 포토닉 믹서는 차동 포토닉 믹서이고, 상기 제1커플에 부가해서 상기 전계 영역 내에 제2커플이 존재하며, 상기 제2커플은 주입 접촉 영역, 상기 반도체 기판에 대한 접합부를 지니는 검출기 영역 및 상기 제1커플과 대응하는 도펀트와 도펀트 농도를 지니는 연관된 공핍된 기판 영역과 전계 형성 영역을 포함하고, 해당 전계 형성 영역은 상기 공핍된 기판 영역을 횡방향으로 제한하는 것인 포토닉 믹서.
  8. 제7항에 있어서, 상기 전계 영역 내에 제3 및 제4커플이 존재하는 것인 포토닉 믹서.
  9. 제1항에 있어서, 표면 재결합을 제한하도록 상기 전계 영역에서 전하 분포를 유발시키기 위하여 상기 전계 영역 상에 광학적으로 투명한 전극이 존재하는 것인 포토닉 믹서.
  10. 제9항에 있어서, 상기 광학적으로 투명한 전극은 폴리실리콘층을 포함하는 것인 포토닉 믹서.
  11. 제1항에 있어서, 상기 반도체 기판은 제1측면 및 대향하는 제2측면을 지니는 활성층을 포함하며, 상기 검출기 영역과 상기 주입 접촉 영역은 상기 제1측면에 위치되고, 상기 다수 캐리어 전류를 수집하기 위한 접촉부가 상기 활성층의 대향하는 제2측면에 위치되어 있는 것인 포토닉 믹서.
  12. 제1항에 있어서, 상기 주입 접촉 영역은 상기 반도체 기판의 도펀트 농도보다 높은 도펀트 농도를 지니는 상기 제1도전형의 전계 형성 영역과의 계면을 포함하되, 이 전계 형성 영역은 상기 검출기 영역 둘레에 횡방향으로 연장되고 있는 전계 형성 영역보다 상기 반도체 기판 내로 실질적으로 깊게 연장되는 것인 포토닉 믹서.
  13. 제1도전형으로 도핑되어 있는 반도체 기판 내의 연관된 전계와 다수 캐리어 전류를 발생하는 수단, 및 전계 영역을 지닌 당해 반도체 기판을 구비하여, 전자기 방사선이 상기 기판 상의 상기 전계 영역 내에 충돌할 경우, 다수 캐리어와 소수 캐리어의 쌍이 상기 기판에서 발생되어 상기 소수 캐리어의 광전류로 되도록 하는 포토닉 믹서로서,
    상기 기판은 다수 캐리어 전류를 상기 반도체 기판 내로 주입하기 위한 주입 접촉 영역과 광전류를 수집하기 위한 검출기 영역의 커플을 포함하고, 상기 주입 접촉 영역은 상기 반도체 기판보다 높은 도펀트 농도에서 상기 제1도전형의 도펀트로 도핑되어 있으며, 상기 검출기 영역은 상기 제1도전형과는 반대인 제2도전형의 도펀트로 도핑되고 상기 반도체 기판과의 접합부를 지니며, 상기 접합부 둘레의 상기 반도체 기판의 영역은 공핍된 기판 영역이고,
    상기 검출기 영역은 링형상으로 되어 있고 상기 주입 접촉 영역 둘레에 연장되며, 상기 반도체 기판보다 높은 도펀트 농도를 지니는 제1도전형의 전계 형성 영역이 상기 검출기 영역 둘레에 횡방향으로 연장되어 있는 것이고,
    상기 커플은 밑에 있는 전계 형성 영역과의 접촉 영역이 존재하는 중앙부를 구비하고, 상기 커플 내의 상기 접촉 영역의 반대쪽 상에 하나의 링형상의 검출기 영역 혹은 복수개의 검출기 영역이 존재하는 것인 포토닉 믹서.
  14. 제13항에 있어서, 상기 주입 접촉 영역은 상기 반도체 기판의 도펀트 농도보다 높은 도펀트 농도를 지니는 상기 제1도전형의 전계 형성 영역과의 계면을 포함하되, 해당 전계 형성 영역은 상기 공핍된 기판 영역을 횡방향으로 제한하도록 설계되어 있는 것인 포토닉 믹서.
  15. 제13항에 있어서, 상기 주입 접촉 영역은 상기 반도체 기판의 도펀트 농도보다 높은 도펀트 농도를 지니는 상기 제1도전형의 전계 형성 영역과의 계면을 포함하되, 이 전계 형성 영역은 상기 검출기 영역 둘레에 횡방향으로 연장되고 있는 전계 형성 영역보다 상기 반도체 기판 내로 실질적으로 깊게 연장되는 것인 포토닉 믹서.
  16. 제13항에 있어서, 상기 반도체 기판은 제1측면 및 대향하는 제2측면을 지니는 활성층을 포함하며, 상기 검출기 영역과 상기 주입 접촉 영역은 상기 제1측면에 위치되고, 상기 다수 캐리어 전류를 수집하기 위한 접촉부가 상기 활성층의 대향하는 제2측면에 위치되어 있는 것인 포토닉 믹서.
  17. 제1도전형으로 도핑되어 있는 반도체 기판 내의 연관된 전계와 다수 캐리어 전류를 발생하는 수단, 및 전계 영역을 지닌 당해 반도체 기판을 구비하여, 전자기 방사선이 상기 기판 상의 상기 전계 영역 내에 충돌할 경우, 다수 캐리어와 소수 캐리어의 쌍이 상기 기판에서 발생되어 상기 소수 캐리어의 광전류로 되도록 하는 포토닉 믹서로서,
    상기 기판은 다수 캐리어 전류를 상기 반도체 기판 내로 주입하기 위한 주입 접촉 영역과 광전류를 수집하기 위한 검출기 영역의 커플을 포함하고, 상기 주입 접촉 영역은 상기 반도체 기판보다 높은 도펀트 농도에서 상기 제1도전형의 도펀트로 도핑되어 있으며, 상기 검출기 영역은 상기 제1도전형과는 반대인 제2도전형의 도펀트로 도핑되고 상기 반도체 기판과의 접합부를 지니며, 상기 접합부 둘레의 상기 반도체 기판의 영역은 공핍된 기판 영역이고,
    상기 반도체 기판은 제1측면 및 대향하는 제2측면을 지니는 활성층을 포함하며, 상기 검출기 영역과 상기 주입 접촉 영역은 상기 제1측면에 위치되고, 상기 다수 캐리어 전류를 수집하기 위한 접촉부가 상기 활성층의 대향하는 제2측면에 위치되어 있는 것인 포토닉 믹서.
  18. 제1항에 따른 포토닉 믹서를 이용하여 비행시간(TOF) 응용을 위하여 대상체의 거리를 측정하는 시스템.
  19. 특별히 비행시간(TOF) 응용을 위하여 대상체의 거리를 측정하는 시스템으로서,
    변조 주파수에서 변조된 전자기 방사선을 방출하는 적어도 하나의 이미터(emitter); 및
    상기 방출되고 임의선택적으로 반사되어 변조된 전자기 방사선을 검출하고 얻어진 광전류를 인가된 신호와 인시투 합성(in situ mixing)하여 상기 변조 주파수에서 발진시키는 포토닉 믹서를 포함하되,
    상기 포토닉 믹서는 검출된 방사선의 시간 지연을 나타내는 출력 신호를 제공하며,
    상기 포토닉 믹서는 제1도전형으로 도핑되어 있는 반도체 기판 내의 연관된 전계와 다수 캐리어 전류를 발생하는 수단, 및 전계 영역을 지닌 당해 반도체 기판을 구비하여, 전자기 방사선이 상기 기판 상의 상기 전계 영역 내에 충돌할 경우, 다수 캐리어와 소수 캐리어의 쌍이 상기 기판에서 발생되어 상기 소수 캐리어의 광전류로 되도록 하며, 상기 기판은 다수 캐리어 전류를 상기 반도체 기판 내로 주입하기 위한 주입 접촉 영역과 광전류를 수집하기 위한 검출기 영역의 커플을 포함하고, 상기 주입 접촉 영역은 상기 반도체 기판보다 높은 도펀트 농도에서 제1도전형의 도펀트로 도핑되어 있으며, 상기 검출기 영역은 상기 제1도전형과는 반대인 제2도전형의 도펀트로 도핑되어 있고 또한 상기 반도체 기판과의 접합부를 지니며, 상기 접합부 둘레의 상기 반도체 기판의 영역은 공핍된 기판 영역이고,
    상기 커플은 상기 반도체 기판의 도펀트 농도보다 높은 도펀트 농도를 지니면서 해당 커플의 횡방향 가장자리부를 한정하는 제1도전형의 전계 형성 영역을 추가로 포함하고, 해당 전계 형성 영역은 상기 공핍된 기판 영역을 횡방향으로 제한하도록 설계되어 있는 것이며
    상기 커플은 밑에 있는 전계 형성 영역과의 접촉 영역이 존재하는 중앙부를 구비하고, 상기 커플 내의 상기 접촉 영역의 반대쪽 상에 하나의 링형상의 검출기 영역 혹은 복수개의 검출기 영역이 존재하는 것인, 대상체의 거리측정시스템.
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