KR101933777B1 - 양자우물 구조를 채용한 광자 검출기 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 양자우물 구조를 채용한 광자 검출기에 관한 것이다. 본 발명에 의한 광자 검출기는, n+ InP를 포함하는 기판, 기판 상부에 형성되는 버퍼층, 버퍼층 상부에 형성되며 InGaAs를 포함하는 흡수층, 흡수층 상부에 형성되고, n+ InP를 포함하는 전하층, 전하층 상에 형성된 증배층 및 상기 증배층 상부에 형성되고, p+ InP를 포함하는 확산층으로 구성된다. 이러한 구성의 광자검출기는 증배층의 양자우물층에서도 빛의 흡수가 가능하므로 기존의 흡수층 두께를 줄여 터널링 현상을 줄이고, 높은 광전류와 낮은 암전류를 얻을 수 있는 효과를 가질 수 있다.
Description
본 발명은 광자 검출기에 관한 것으로, 보다 상세히 양자우물 구조를 채용한 광자 검출기에 관한 것이다.
PIN 아발란체 포토다이오드는 PN접합 사이에 I영역을 삽입하고 큰 역전압을 가해 아발란체 효과를 일으켜 사용한다. PIN 아발란체 포토다이오드에 큰 역전압을 인가했을 때 광흡수로 생성된 전자는 I영역에서 높은 전기장에 의해 가속되어 원자에 구속되어 있는 다른 전자에 충돌하면서 자신은 에너지를 잃고 전자를 원자로부터 떼어내 이온화한다.
즉, 밸런스 밴드의 전자를 컨덕션 밴드로 여기시키면서 전자-홀 쌍이 생성된다. 생성된 전자와 홀은 분리되어 전기장에 의해 가속되고 다른 전자에 부딪히면서 이온화하는 과정을 반복한다. 캐리어는 지수함수적으로 증가하면서 큰 전류를 만들어내는데, 이러한 효과를 아발란체 효과라고 한다.
아발란체 효과로 높은 전류이득을 얻기 위해 큰 역전압을 걸어주면 밴드가 휘어지면서 I영역에서 밸런스 밴드와 컨덕션 밴드이 에너지 값이 동일해지는 구간이 생기고, 밴드가 크게 휠수록 구간이 얇아서 밸런스 밴드의 전자가 금지대 영역을 통과해 컨덕션 밴드로 이동할 확률이 생긴다. 이러한 현상을 터널링 효과라고 한다.
포토 다이오드의 경우, 입사된 빛이 없을 때도 터널링 효과에 의한 전류가 아발란체 효과에 의해 증폭되어 큰 전류를 흐르게 할 수 있다. 이러한 현상은 암전류를 증가시켜 광 검출의 신뢰도를 낮추게 된다.
따라서, 효율적인 광 검출을 위해서 아발란체 효과를 사용하면서 터널링 효과는 억제할 수 있는 포토 다이오드가 요구되어지고 있다.
그에 따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 아발란체 효과를 사용하면서 터널링 효과는 억제할 수 있는 광자 검출기를 제공하는 것이다.
이러한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 예시적인 일 실시예에 의한 광자 검출기는 기판, 흡수층, 전하층, 증배층 및 확산층을 포함한다. 상기 기판은 n+ InP를 포함한다. 상기 흡수층은 상기 기판 상부에 형성되고, InGaAs를 포함한다. 상기 전하층은 상기 흡수층 상부에 형성되고, n+ InP를 포함한다. 상기 증배층은 상기 전하층 상에 형성된다. 상기 확산층은 상기 증배층 상부에 형성되고, p+ InP를 포함한다. 상기 증배층은 하부 장벽층, 상부 장벽층 및 다층의 양자 우물층을 포함한다. 상기 하부 장벽층 및 상부 장벽층은 n InP를 포함한다. 상기 양자 우물층은 상기 하부 장벽층 및 상부 장벽층 사이에 형성되고, GaAs 우물과 InP 장벽으로 구성된다.
예컨대, 상기 증배층은 0.29um 이하의 두께를 갖을 수 있다.
예컨대, 상기 흡수층은 0.3um의 두께를 갖을 수 있다.
한편, 이러한 광자 검출기는, 상기 흡수층 및 상기 전하층 사이에 형성된 그레이딩층을 더 포함할 수 있다.
이때, 상기 그레이딩층은 In1-xGaxAsyP1-y를 포함할 수 있다(0<x<1, 0<y<1).
또한, 이러한 광자 검출기는, 상기 기판과 상기 흡수층 사이에 n InP를 포함하는 버퍼층을 더 포함할 수 있다.
이와 같이 본 발명에 의한 광자검출기에 의하면, 양자우물 구조를 채택하여, 증배층의 양자우물에서도 빛의 흡수가 가능하므로 기존의 흡수층 두께를 줄일 수 있다.
또한, 흡수층 두께를 줄임으로써 높은 바이어스에서 BBT(Band-to-Band Tunneling)가 일어나는 현상을 줄일 수 있고, 높은 광전류와 낮은 암전류를 얻을 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 예시적인 일 실시예에 의한 광자 검출기의 적층 구조를 도시한 개략적인 단면도이다.
도 2는 300K에서 InGaAs/InP 8.2nm의 양자우물 에너지 레벨을 계산한 결과를 나타내는 도면이다.
도 3은 Silvaco TCAD를 이용해 본발명의 광자 검출기와 종래기술의 벌크(bulk) 광자 검출기의 I-V 곡선을 시뮬레이션한 그래프이다.
도 2는 300K에서 InGaAs/InP 8.2nm의 양자우물 에너지 레벨을 계산한 결과를 나타내는 도면이다.
도 3은 Silvaco TCAD를 이용해 본발명의 광자 검출기와 종래기술의 벌크(bulk) 광자 검출기의 I-V 곡선을 시뮬레이션한 그래프이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조 부호를 유사한 구성 요소에 대해 사용하였다. 첨부된 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 과장하여 도시한 것일 수 있다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성 요소는 제2 구성 요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성 요소도 제1 구성 요소로 명명될 수 있다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예들을 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 또한, A와 B가'연결된다', '결합된다'라는 의미는 A와 B가 직접적으로 연결되거나 결합하는 것 이외에 다른 구성요소 C가 A와 B 사이에 포함되어 A와 B가 연결되거나 결합되는 것을 포함하는 것이다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다. 또한, 방법 발명에 대한 특허청구범위에서, 각 단계가 명확하게 순서에 구속되지 않는 한, 각 단계들은 그 순서가 서로 바뀔 수도 있다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예들을 보다 상세하게 설명하고자 한다.
도 1은 본 발명의 예시적인 일 실시예에 의한 광자 검출기의 적층 구조를 도시한 개략적인 단면도이다.
상기 광자 검출기는, n+ InP를 포함하는 기판(100), 상기 기판(100) 상부에 형성되는 버퍼층(200), 상기 버퍼층(200) 상부에 형성되며 InGaAs를 포함하는 흡수층(300), 상기 흡수층(300) 상부에 형성되고, n+ InP를 포함하는 전하층(500), 상기 전하층(500) 상에 형성된 증배층(600) 및 상기 증배층(600) 상부에 형성되고, p+ InP를 포함하는 확산층(700)을 포함한다.
상기 흡수충은 InGaAs를 포함하며, 이에 따라 1.55um 파장의 빛을 잘 흡수하여 자유 전자와 정공을 형성한다.
상기 흡수층(300)에서 형성된 자유전자와 정공은, 아발란체 효과를 얻기 위하여 상기 광자 검출기에 가해지는 높은 역 전압에 따라 이동하며, 전기장에 의해 가속되고 다른 전자와 충동하면서 큰 전류이득을 얻을 수 있게 된다. 바람직하게, 상기 흡수층(300)은 InGaAs 흡수층(300)의 두께는 0.3um일 수 있다. 본 발명의 광자 검출기는 상기 흡수층(300)을 기존의 0.8um에서 0.3um의 두께로 줄여 더 높은 광전류와 낮은 암전류를 얻을 수 있다.
상기 흡수층(300) 상부에 형성되는 n+ InP 전하층(500)은 상기 광자 검출기에 높은 역 전압에 따른 터널링 효과가 발생하여 암전류가 증가하는 문제가 발생하는 것을 방지 할 수 있도록, 전기장을 크게 낮추기 위해 1016cm-1의 농도로 n 도핑하여 상기 흡수층(300)과 상기 증배층(600) 사이의 영역에 형성된다.
한편, 상기 흡수층(300) 및 상기 전하층(500) 사이에는 그레이딩 층(400)이 형성될 수 있다. InGaAs와 InP는 큰 에너지 밴드갭 차이를 가지고 있기 때문에, 상기 흡수층(300) 및 전하층(500)은 접합면에서 전위장벽이 생성되므로, 정공이 넘어가지 못하고 축적되고, 축적된 정공은 전자를 만나 재결합 되면서 전류의 흐름에 기여하지 못하는 현상이 나타날 수 있기 때문에, 이를 방지하기 위하여 InP와 InGaAs의 중간 크기의 밴드갭을 갖는 In1 - xGaxAsyP1 -y 화합물을 사용하여 상기 그레이딩 층(400)을 형성함으로써 전위 장벽을 줄일 수 있다. 상기 그레이딩 층(400)의 밴드갭 크기는 InGaAsP의 x와 y의 비율에 따라 조절할 수 있다.
상기 전하층(500) 상에는 상기 증배층(600)이 형성되며, 상기 증배층(600)은 도핑농도를 1015cm-1로 낮춰 큰 전기장을 유지하여, 캐리어에 역전압을 가해 증배 효율을 유지할 수 있도록 한다. 바람직하게, 상기 증배층(600) 두께는 최적의 아발란체 효과를 가지기 위하여 0.29um로 형성될 수 있다.
한편, 상기 증배층(600)은 n InP를 포함하는 하부 장벽층(610) 및 상부 장벽층(620)을 포함하고, 또한, 상기 하부 장벽층(610) 및 상부 장벽층(620) 사이에 형성되는 다층의 양자우물층(630)을 포함할 수 있다.
다층의 상기 양자우물층은 전위장벽의 모양을 1차원의 사각형 우물 모양으로 형성하도록 배치되는 층을 말한다.
전자가 주변에 우물과 같이 높은 전위장벽으로 둘러싸인 좁은 공간에 갇혀있게 되면 전자의 에너지 레벨이 양자화 되는 등 여러 가지 양자효과가 나타나게 된다. 이러한 양자우물 구조에서 밸런스밴드와 컨덕션밴드에는 양자화된 에너지 레벨이 형성되며, 양자화 된 에너지레벨 차이만큼의 빛이 입사되면 전자가 에너지를 받아 전이하게 된다.
상기 양자우물층(630)에서는 빛에 의해 생성된 전자-정공 쌍이 전류의 흐름에 기여하는 캐리어가 되기 위해서는 양자우물 밖으로 빠져나와야 하며, 우물에 속박된 캐리어들은 빛이나 열에 의해 에너지를 받거나 터널링을 통해 빠져나올 수 있다.
즉, 이러한 원리를 이용하여 상기 증배층(600)에 다층의 양자우물층(630)을 형성함으로써, 캐리어 생성률을 높이게 되는데, 이를 위하여 입사광의 파장에서 적절한 흡수계수를 갖는 물질을 결정하고 상기 흡수층(300) 물질의 두께를 설정하는 것이 중요할 수 있다.
상기 양자우물층(630)은 GaAs 우물(634)과 InP 장벽(632)으로 형성할 수 있으며, 상기 양자우물층(630)의 상기 GaAs 우물(634)과 상기 InP 장벽(632)은 동일한 두께 및 동일한 도핑농도를 가질 수 있다. 바람직하게, 상기 GaAs 우물(634)은 InGaAs 우물(634)일 수 있다.
양자우물의 에너지 레벨 err은 하기 수학식 (1)에 의하여 계산할 수 있다.
여기서, mw는 우물에서의 전자 유효질량, mb는 장벽에서의 전자유효질량 L은 우물너비, V0는 양자우물의 전위 장벽 전위, k는 파수를 의미한다.
err의 값의 크기는 k(L/2)값이 커짐에 따라 점점 작아지다가 π/2전의 한 점에서 0이되고 다시 증가한다. 따라서 err 값이 증가하기 전의 k(L/2)값을 통하여 k값을 구하고 에너지 레벨을 계산할 수 있다.
도 2는 300K에서 InGaAs/InP 8.2nm의 양자우물층 에너지 레벨을 계산한 결과를 나타내는 도면이다.
캐리어의 유효량 및 에너지 밴드갭에 대해서는 표 1의 값을 사용했고 ΔEc=0.41ΔEg eV, ΔEv=0.59ΔEg eV, ΔEg=0.603 eV로 계산하였다.
| me*/m0* | mhh*/m0* | mlh*/m0* | Eg(eV) | |
| InP(barrier) | 0.077 | 0.600 | 0.120 | 1.344 |
| InGaAs(well) | 0.033 | 0.292 | 0.041 | 0.741 |
도 2에서 헤비 매스(heavy mass) 정공과 전자의 에너지 레벨 차이는 0.80866eV로, 파장 1532nm의 빛에 해당하는 크기이므로 계산한 에너지레벨을 토대로 상기 양자우물층(630)에서의 흡수계수를 계산하여 설계한 상기 양자우물층(630)이 1.55um의 빛을 흡수하기에 적절한 것을 알 수 있다. 바람직하게, 역 전압에 의한 전기장이 걸리면 에너지 레벨이 이동해 밸런스밴드 우물의 에너지레벨과 컨덕션밴드 우물의 에너지레벨 차이가 작아지게 될 것이므로 여유를 두어 설계할 수 있다.
즉, 상기 증배층(600)에 캐리어 증배 및 빛의 흡수가 동시에 가능한 다층의 상기 양자우물층(630)을 삽입함으로써, 기존에 빛을 충분히 흡수하기 위하여 적당한 두께를 유지하도록 설계되었던 흡수층(300)의 두께를 줄여 높은 바이어스에서 BBT가 일어나는 물리적 구간을 줄이는 효과를 가져올 수 있다.
상기 증배층(600)에 양자우물 구조를 사용할 경우의 개선 효과에 대하여, 도면을 통해 더욱 자세하게 설명하도록 한다.
도 3은 Silvaco TCAD를 이용해 본발명의 광자 검출기와 종래기술의 벌크(bulk) 광자 검출기의 I-V 곡선을 시뮬레이션한 그래프이다.
도 3(b)에서 기존의 벌크 광자 검출기는 암전류와 광전류가 비슷한 크기의 바이어스에서 항복현상을 일으킨다. 반면, 도 3(a)에서는 본발명의 광자 검출기가 암전류가 항복현상을 일으키는 바이어스인 22.80V보다 작은 21.55V에서 암전류가 아발란체 항복되는 것을 확인할 수 있다. 이는 벌크 광자 검출기보다 본 발명의 광자 검출기가 낮은 암전류를 가지면서 단일 광자를 검출 할 수 있음을 의미한다.
앞서 설명한 본 발명의 상세한 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자 또는 해당 기술분야에 통상의 지식을 갖는 자라면 후술될 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 기술 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
100: 기판 200: 버퍼층
300: 흡수층 400: 그레이딩층
500: 전하층 600: 증배층
610: 하부 장벽층 620: 상부 장벽층
630: 양자우물층 700: 확산층
300: 흡수층 400: 그레이딩층
500: 전하층 600: 증배층
610: 하부 장벽층 620: 상부 장벽층
630: 양자우물층 700: 확산층
Claims (6)
- n+ InP를 포함하는 기판;
상기 기판 상부에 형성되고, InGaAs를 포함하는 흡수층;
상기 흡수층 상부에 형성되고, n+ InP를 포함하는 전하층;
상기 전하층 상에 형성된 증배층; 및
상기 증배층 상부에 형성되고, p+ InP를 포함하는 확산층;
을 포함하고,
상기 증배층은,
n InP를 포함하는 하부 장벽층 및 상부 장벽층; 및
상기 하부 장벽층 및 상부 장벽층 사이에 형성되고, 두께 및 도핑농도가 동일한 InGaAs 우물과 InP 장벽으로 구성되는 다수의 양자 우물을 포함하는 것을 특징으로 하는 광자 검출기.
- 제1 항에 있어서,
상기 증배층은 1.0um 이하의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 광자 검출기. - 제1항에 있어서,
상기 흡수층은 1.0um 이하의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 광자 검출기. - 제1 항에 있어서,
상기 흡수층 및 상기 전하층 사이에 형성된 그레이딩층;
을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광자 검출기.
- 제4 항에 있어서,
상기 그레이딩층은 In1 - xGaxAsyP1 -y를 포함하는 것을 특징으로 하는 광자 검출기(0<x<1, 0<y<1). - 제1 항에 있어서,
상기 기판과 상기 흡수층 사이에 n InP를 포함하는 버퍼층;
을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광자 검출기.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020170010391A KR101933777B1 (ko) | 2017-01-23 | 2017-01-23 | 양자우물 구조를 채용한 광자 검출기 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020170010391A KR101933777B1 (ko) | 2017-01-23 | 2017-01-23 | 양자우물 구조를 채용한 광자 검출기 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20180086667A KR20180086667A (ko) | 2018-08-01 |
| KR101933777B1 true KR101933777B1 (ko) | 2019-04-05 |
Family
ID=63227997
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020170010391A KR101933777B1 (ko) | 2017-01-23 | 2017-01-23 | 양자우물 구조를 채용한 광자 검출기 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR101933777B1 (ko) |
Family Cites Families (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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| JP2739824B2 (ja) * | 1994-06-21 | 1998-04-15 | 日本電気株式会社 | 半導体受光素子 |
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| US6720588B2 (en) * | 2001-11-28 | 2004-04-13 | Optonics, Inc. | Avalanche photodiode for photon counting applications and method thereof |
-
2017
- 2017-01-23 KR KR1020170010391A patent/KR101933777B1/ko active IP Right Grant
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| KR20180086667A (ko) | 2018-08-01 |
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