KR102015408B1 - 수직 입사형 포토다이오드 - Google Patents

수직 입사형 포토다이오드 Download PDF

Info

Publication number
KR102015408B1
KR102015408B1 KR1020190003269A KR20190003269A KR102015408B1 KR 102015408 B1 KR102015408 B1 KR 102015408B1 KR 1020190003269 A KR1020190003269 A KR 1020190003269A KR 20190003269 A KR20190003269 A KR 20190003269A KR 102015408 B1 KR102015408 B1 KR 102015408B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
light
substrate
incident
absorbing layer
light absorbing
Prior art date
Application number
KR1020190003269A
Other languages
English (en)
Other versions
KR102015408B9 (ko
Inventor
이상환
Original Assignee
이상환
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 이상환 filed Critical 이상환
Priority to KR1020190003269A priority Critical patent/KR102015408B1/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102015408B1 publication Critical patent/KR102015408B1/ko
Publication of KR102015408B9 publication Critical patent/KR102015408B9/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/08—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors
    • H01L31/10—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors characterised by potential barriers, e.g. phototransistors
    • H01L31/101—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation
    • H01L31/102—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier
    • H01L31/105—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier the potential barrier being of the PIN type
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/02—Details
    • H01L31/0232—Optical elements or arrangements associated with the device
    • H01L31/02327—Optical elements or arrangements associated with the device the optical elements being integrated or being directly associated to the device, e.g. back reflectors
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/0248—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies
    • H01L31/0256—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies characterised by the material
    • H01L31/0264—Inorganic materials
    • H01L31/0304—Inorganic materials including, apart from doping materials or other impurities, only AIIIBV compounds
    • H01L31/03046—Inorganic materials including, apart from doping materials or other impurities, only AIIIBV compounds including ternary or quaternary compounds, e.g. GaAlAs, InGaAs, InGaAsP
    • H01L31/03048—Inorganic materials including, apart from doping materials or other impurities, only AIIIBV compounds including ternary or quaternary compounds, e.g. GaAlAs, InGaAs, InGaAsP comprising a nitride compounds, e.g. InGaN
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/04—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices
    • H01L31/054—Optical elements directly associated or integrated with the PV cell, e.g. light-reflecting means or light-concentrating means
    • H01L31/0543—Optical elements directly associated or integrated with the PV cell, e.g. light-reflecting means or light-concentrating means comprising light concentrating means of the refractive type, e.g. lenses
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/04—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices
    • H01L31/054—Optical elements directly associated or integrated with the PV cell, e.g. light-reflecting means or light-concentrating means
    • H01L31/0547—Optical elements directly associated or integrated with the PV cell, e.g. light-reflecting means or light-concentrating means comprising light concentrating means of the reflecting type, e.g. parabolic mirrors, concentrators using total internal reflection
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/52—PV systems with concentrators

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Light Receiving Elements (AREA)

Abstract

본 발명은 포토다이오드의 고속화에 따라 광 흡수층의 두께가 얇아지고, 광 흡수율이 저하되며, 포토다이오드의 수신감도가 저하되는 것을 방지할 수 있는 수직 입사형 포토다이오드에 관한 것으로, 광 흡수층(320)이 기판(100)의 전면에 형성되어 있고, 입사광은 상기 기판(100)의 후면에서 상기 기판(100)과 거의 수직하게 입사되는 후면 수직 입사형 포토다이오드에 있어서, 상기 광 흡수층(320)과 소정 거리만큼 수평적으로 이격되고, 상기 기판(100)의 전면 일부를 식각하여 상기 기판(100)의 전면과 100도보다 크고 135도보다 작은 둔각을 가지도록 형성된 경사 거울면(210)을 더 포함하되, 상기 입사광은 상기 기판(100)의 후면으로부터 상기 기판(100)과 거의 수직하게 상기 경사 거울면(210)으로 입사되고, 상기 경사 거울면(210)에서 내부 전반사되어, 상기 광 흡수층(320)으로 경시지게 입사하여 상기 광 흡수층(320)을 진행하는 입사광의 경로 길이가 증가하는 것을 특징으로 한다.

Description

수직 입사형 포토다이오드{Vertically illuminated photodiode}
본 발명은 수직 입사형 포토다이오드에 관한 것으로써, 보다 상세히는 입사광의 내부 전반사 경사 거울을 가져, 광 경로의 길이를 연장시킨 후면 수직 입사형 포토다이오드에 관한 것이다.
광통신용 광수신기에서 포토다이오드(Photodiode, 이하에서는 PD라 칭함)는 광신호를 전기신호로 변환하는 역할을 담당한다. 광통신의 점증하는 대역폭 향상 요구에 부응하기 위해서 레이저 다이오드와 PD와 같은 기본 광소자들의 동작속도 향상과 대역폭 확장이 끊임없이 지속되고 있다.
광통신에는 전송거리에 따라 850nm, 1310nm, 그리고 1550nm를 중심으로 한 3개 파장 대역의 레이저가 주로 사용되고 있고, 광흡수 물질로는 850nm 대역에 GaAs, 1310 nm 및 1550 nm 대역에는 In0.53Ga0.47As(이하에서는 InGaAs라 칭함)와 Ge 등이 사용되고 있다. 광통신에는 광수신기의 수신감도, 전송거리, 대역폭 등의 요구조건에 따라서 PIN PD, Uni-Traveling Carrier PD (UTC PD), Modified UTC PD, 애벌런치 PD(Avalanche Photodiode, APD) 등 구조와 동작원리가 서로 다른 PD가 사용되고 있다.
PIN PD는 진성 반도체(Intrinsic semiconductor) 혹은 비의도적으로 도핑된(Un-intentionally doped) 반도체로 이루어진 광 흡수층을 중심으로 그 양쪽에 P 형 반도체와 N 형 반도체가 각각 저항성(Ohmic) 금속 전극으로 연결된 구조를 가진다. APD는 PIN PD에 광 흡수층에서 생성된 캐리어의 증폭 기능을 가지며 통상 separate absorption, grading, charge, and multiplication (SAGCM) 구조를 가진다. UTC PD는 도핑된 반도체로 이루어진 광 흡수층과 캐리어 수집층(Carrier collection layer) 또는 캐리어 드리프트층(Carrier drift layer)을 가지는 특징을 가지고 있다. 상기는 가장 기본적인 구조를 언급한 것이고 다양한 변형 구조가 사용되고 있다.
PD는 빛의 입사 방식에 따라 수직 입사형(또는 면 조사형)과 에지 입사형(또는 도파로형)으로 구분된다. 수직 입사형은 빛이 소자의 앞면 또는 뒷면으로부터 광 흡수층과 거의 수직하게 입사하는 구조로서 레이저 다이오드, 광도파로, 그리고 광섬유와 광결합이 용이하여 25Giga baud(GBd) 이하의 자유공간 및 광섬유 결합용 PIN PD 및 APD에서 저가의 광수신기 장치를 만드는데 기여하고 있다.
도 1은 가장 단순한 형태의 종래의 후방 수직 입사형 PIN PD를 개략적으로 도시한 것이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 후방 수직 입사형 PIN PD는 반도체 기판(10), 기판(10)의 상면에 순차적으로 형성된 N형 전기 접촉층(20), 진성(Intrinsic) 반도체로 이루어진 광 흡수층(30) 및 P형 전기 접촉층(40)이 형성되고, N형 전기 접촉층(20)의 상면에 형성되되, 광 흡수층(30)과 일정 거리 이격되어 형성되는 N 금속 패드(50) 및 P형 전기 접촉층(40)의 상면에 형성되는 P 금속 패드(60)를 포함한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 기판(10)의 후면으로 입사된 입사광(1)은 기판(10)과 N형 전기 접촉층(20)을 투과하여 광 흡수층(30)으로 입사되어 흡수되고, 광 흡수층(30)에서 흡수되지 못한 입사광(1)의 일부는 P형 전기 접촉층(40)을 투과하여 P 금속 패드(60)에서 반사되며, P 금속 패드(60)에서 반사된 반사광(2)은 광 흡수층(30)으로 재진입한다.
도 2는 도 1에 도시된 광 흡수층(30)과 N형 전기 접촉층(20) 및 P형 전기 접촉층(40)을 확대 도시한 것이다.
광 흡수층(30)은 입사광(1)의 에너지 보다 작은 밴드갭 에너지를 가진 물질로 이루어져 있어, 도 2에 도시된 바와 같이 입사광(1)을 흡수하여 정공과 전자쌍을 생성한다. 광 흡수층(30)에서 생성된 정공과 전자쌍은 외부에서 역방향 바이어스가 인가되면 각각 P형 전기 접촉층(40)과 N형 전기 접촉층(20)으로 이동한다.
수직 입사형 PD는 빛이 광 흡수층을 진행하는 거리(Traveling distance)와 광 생성된 캐리어(Carrier)의 이동 거리가 광 흡수층의 두께와 거의 같기 때문에 광 흡수층이 두꺼울 경우에는 캐리어의 이동시간이 길어서 동작 속도가 떨어지고 반면에 광 흡수층의 두께가 얇은 경우에는 빛의 흡수가 완전히 이루어지지 못하는 단점을 가지고 있다.
에지 입사형 PD는 최근 광집적회로에서 널리 사용되고 있는 PD 구조로, 빛이 도파로 형태의 광 흡수층과 나란하게 입사하고 광 흡수층에서 광 생성된 캐리어는 광 흡수층과 수직하게 이동하는 구조이며, 광 흡수층의 길이와 캐리어의 이동 거리가 서로 독립적이다. 따라서 광 흡수층의 길이를 수 십 um 이상으로 충분히 길게 하여 흡수율을 증가시킬 수 있고, 동시에 광 흡수층의 두께를 1 um 이하로 매우 얇게 할 수 있어 고속 동작에 매우 유리하다. 그러나 에지 입사형은 광 흡수층의 단면적이 레이저 다이오드, 광도파로, 또는 광섬유로부터 출사되는 빔 사이즈 보다 작기 때문에 자유공간 및 광섬유 결합용으로는 광결합 효율이 좋지 못하고 패키징이 어려운 단점을 가지고 있다.
따라서 수직 입사형 PD가 가진 광흡수층의 두께 감소에 따른 광 흡수율 저하와 그에 따른 수신감도 저하 문제를 보완하면, 성능이 보다 향상되고 25GBd 이상 고속 동작이 가능한 경제적인 PD를 만들 수 있다.
수직 입사형 PD의 동작속도(Operation speed) 또는 Optical-to-Electrical (O-E) 대역폭(이하 대역폭으로 칭함)은 다이오드의 용량과 내부 저항의 곱인 RC 시정수(RC time constant) 제한 대역폭과 공핍층(Depletion layer) 내에서 캐리어의 이동시간(Transit time) 제한 대역폭에 의해 결정된다.
RC 시정수 제한 대역폭은 공핍층의 두께에 비례하고 캐리어의 이동시간 제한 대역폭은 공핍층의 두께에 반비례한다. 이와 같이 두 요인은 서로 상반된 의존 관계(Trade-off relationship)를 가지고 있기 때문에 상호 절충되어야 되고 어느 하나라도 요구되는 대역폭을 초과해서는 안 된다. 여기서 공핍층의 두께 감소에 따른 RC 대역폭의 감소는 광 검출기의 면적을 줄이는 방식으로 절충이 가능하다. 그러나 캐리어의 이동시간에 의한 대역폭 제한을 해소하기 위해서는 공핍층, 특히 광 흡수층의 두께를 줄이는 것 외에는 대안이 없다. 이때 광 흡수층의 두께가 줄어들면 광 흡수율이 필연적으로 감소하게 된다.
PD의 광 흡수율(Absorption efficiency) 또는 내부 양자효율(Internal quantum efficiency)은 Lambert-Beer 법칙에 의해 다음 수식과 같이 주어질 수 있다.
[수식 1]
Figure 112019003279858-pat00001
여기서
Figure 112019003279858-pat00002
는 내부 양자효율,
Figure 112019003279858-pat00003
는 단위 길이당 흡수상수,
Figure 112019003279858-pat00004
는 광 흡수층의 두께이다.
위 수식에서 확인해볼 수 있듯이, 광 흡수층(30) 내에서의 광 흡수율은 광 흡수층(30)의 두께가 두꺼워질수록 지수 함수적으로 증가한다.
PD의 다른 중요한 특성 중 하나는 수신감도(Sensitivity)이다. PD의 수신감도는 PD가 검출 가능한 최저 광신호 전력을 의미하는 것으로, 수신감도의 값이 작을수록 더 낮은 광 신호를 검출할 수 있기 때문에 수신감도가 높다고 말하며, 수신감도는 광 응답도(Optical responsivity)에 비례하고, 광 응답도는 광 흡수율에 비례한다는 사실은 동종 분야에서는 기지의 사실이다.
에지 입사형 PD의 경우, 광 흡수층의 길이와 캐리어의 이동거리는 서로 독립적이어서 광 흡수층의 길이를 수 십um 이상으로 충분히 길게 하여 흡수율을 거의 100%로 하면서 광 흡수층의 두께를 1um 이하로 매우 얇게 할 수 있어 고속 동작에 유리하나, 광 흡수층의 단면적이 레이저 다이오드, 광 도파로 또는 광섬유로부터 출사되는 빔의 면적보다 작기 때문에 광결합 효율이 좋지 못하고, 패키징이 어려운 단점이 있어, 수직 입사형 PD가 가진 광 흡수층의 두께 감소에 따른 광 흡수율 저하와 이에 따른 수신감도의 저하 문제를 보완함과 동시에, 고속 동작이 가능한 경제적인 수직 입사형 PD의 개발이 필요한 실정이다.
한편, APD는 광 흡수층에서 생성된 캐리어의 수를 증폭하여 수신감도를 향상시키는데, APD에서는 캐리어가 광 흡수층을 이동하는 시간과 증폭층 내에서 캐리어의 애벌랜치 증폭 시간이 더해지기 때문에 같은 대역폭을 가진 PIN PD의 광 흡수층 두께의 절반 정도의 흡수층 두께를 가질 수밖에 없다. 일예로, 현재 상용화된 1550nm 파장 대역 10GBd용 InP/InGaAs APD의 광 흡수층 두께는 약 1um 정도이고, 이때의 광 흡수율은 약 50%이다. APD의 이점은 광 생성된 캐리어의 증폭작용에 의해 수신감도를 향상시키는 것이지만, APD는 증폭 매질의 종류에 따라 증폭도와 대역폭의 곱으로 표현되는 GBP(Gain-Bandwidth Product)가 거의 고정된 값을 가지기 때문에 어느 하나를 늘리면 다른 하나는 줄어들게 된다. GBP는 전자의 이온화 상수 a와 정공의 이온화 상수 b의 비인 k팩터에 의해 결정되며, 이는 재료의 고유한 물성으로 변화시키기 어렵다.
예를 들어서 참고문헌 InGaAs/AlGaAsSb avalanche photodiode with high gain-bandwidth product, Shiyu Xie et al, Optics express Vol. 24, No. 21, Oct. 2016 에 따르면 InP의 GBP는 80 ~ 120GHz, InAlAs는 105 ~ 168GHz, 그리고 Si은 240GHz 정도이다. 20GHz 이동시간 대역폭을 가진 APD의 경우 InP는 약 6, InAlAs는 약 8, 그리고 Si APD는 약 12 정도의 증폭율을 가질 수 있다. 35GHz의 대역폭이 요구될 경우에 InP는 약 3.4, InAlAs는 약 4.8, 그리고 Si APD는 약 7배 이하의 증폭도만 가질 수 있다. 위와 같이, APD는 PD에 요구되는 대역폭이 증가하면서 증폭도가 제한되는 문제점이 있다.
한국 등록특허공보 제10-1766247호("평면형 포토다이오드", 공고일 2017.08.02.)
본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로써, 본 발명에 의한 수직 입사형 포토다이오드의 목적은 PD의 고속화에 따라 광 흡수층의 두께가 얇아지고 광 흡수율이 저하되며, PD의 수신감도가 저하되는 것을 방지할 수 있는 수직 입사형 포토다이오드를 제공함에 있다.
상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명에 의한 수직 입사형 포토다이오드는, 광 흡수층이 기판의 전면에 형성되어 있고, 입사광은 상기 기판의 후면에서 상기 기판과 거의 수직하게 입사되는 후면 수직 입사형 포토다이오드에 있어서, 상기 광 흡수층과 소정 거리만큼 수평적으로 이격되고, 상기 기판의 전면 일부를 식각하여 상기 기판의 전면과 100도보다 크고 135도보다 작은 둔각을 가지도록 형성된 경사 거울면을 더 포함하되, 상기 입사광은 상기 기판의 후면으로부터 상기 기판과 거의 수직하게 상기 경사 거울면으로 입사되고, 상기 경사 거울면에서 내부 전반사되어, 상기 광 흡수층으로 경시지게 입사하여 상기 광 흡수층을 진행하는 입사광의 경로 길이가 증가하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 광 흡수층의 또는 상측에 원자 조성, 도펀트 타입, 도펀트 농도 및 밴드갭 에너지 중 적어도 하나 이상이 다른 복수의 반도체층을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 경사 거울면은 평면 또는 곡면인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 경사 거울면은 곡면이되, 상기 기판의 후면으로 입사되는 입사광의 진행 방향으로 굴곡되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 기판은 Si, Ge, InP, GaAs, InAs, GaP, InSb, GaN, CdS, GaSb 및 HgCdTe 중 하나로 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 사기 경사 거울면의 표면은 금속, 실리콘 산화막(SiOx), 실리콘 질화막(SiNx), BCB(Benzocyclobutene) 또는 폴리이미드(Polyimide)로 코팅되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 기판의 후면에 형성되어 상기 기판(100)의 후면으로 입사되는 광의 반사를 방지하는 반사 방지층을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 수직 입사형 포토다이오드는 UTC PD, Modified-UTC PD, PIN PD 및 APD 중 어느 하나인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 수직 입사형 포토다이오드는 n-side up 또는 p-side up 구조인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 광 흡수층을 포함하는 수광부는 타원형인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 수직 입사형 포토다이오드는 mesa 또는 planar 형인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 기판과 상기 광 흡수층 사이에 적어도 하나 이상 형성되되, 굴절률이 상기 기판의 굴절률과 상기 광 흡수층의 굴절률 사이인 그레이딩층을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 그레이딩층은 복수개이며, 상기 기판측에 형성된 그레이딩층은 상기 광 흡수층측에 형성된 그레이딩층보다 굴절률이 낮은 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 경사 거울면은 {111} 결정면으로 이루어진 것을 특징으로 한다.
상기한 바와 같은 본 발명의 다양한 실시예에 의한 수직 입사형 포토다이오드에 의하면, 기판의 후면에서 입사되는 광을 경사 거울면에서 반사시키고, 반사된 광이광 흡수층으로 경사지게 입사되어 광 흡수층 내부를 진행하므로 광 흡수효율을 높일 수 있음과 동시에, 광 흡수층의 두께를 얇게 형성할 수 있어, PD의 응답속도 및 수신감도를 개선할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 의한 수직 입사형 포토다이오드는 PIN PD, UTC PD, modified UTC PD, APD 등 모든 종류의 수직 입사형 포토다이오드에 적용할 수 있다.
도 1은 종래 후면 입사형 PIN PD의 개략도.
도 2는 도 1의 부분 확대도.
도 3은 본 발명에 의한 수직 입사형 포토다이오드의 필수구성요소 및 이에 따른 입사광의 진행경로를 개략적으로 도시한 단면도.
도 4는 본 발명의 제1실시예에 의한 수직 입사형 포토다이오드의 사시도.
도 5는 본 발명의 제1실시예에 의한 수직 입사형 포토다이오드의 단면 개략도.
도 6은 본 발명의 제2실시예에 의한 수직 입사형 포토다이오드의 단면 개략도.
도 7은 본 발명의 제3실시예에 의한 수직 입사형 포토다이오드의 단면 개략도.
도 8은 본 발명의 제4실시예에 의한 수직 입사형 포토다이오드의 단면 개략도.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 다양한 실시예에 의한 수직 입사형 포토다이오드의 바람직한 실시예에 관하여 상세히 설명한다.
도 3은 본 발명의 수직 입사형 포토다이오드에서 입사광의 진행 경로를 설명하기 위해, 본 발명에 포함되는 구성 중 일부만을 개략적으로 도시한 것이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 수직 입사형 포토다이오드는 기판(100), 경사 거울면(210), 광 흡수층(320)과 반사수단(70)을 포함하는 수광부(300)를 포함할 수 있다. 단, 본 실시예에 포함되는 기판(100), 경사 거울면(210), 광 흡수층(320) 및 반사수단(70)은 본 발명의 원리를 설명하기 위한 필수 구성들만을 도시한 것이며, 본 발명의 원리가 적용된 실제 수직 입사형 포토다이오드는 상술한 기판(100), 경사 거울면(210), 광 흡수층(320) 및 반사수단(70) 외에도 다른 구성들(예를 들어 추가적으로 형성되는 반도체층 및 금속패드)이 추가되어 PD로써 동작할 수 있으며, 이에 관해서는 후술한다.
도 3에 도시된 바와 같이, 기판(100)은 반도체 물질중의 어느 하나로, 전면(도 3에서 상부면) 및 후면(도 3에서 하부면)을 포함하며, 기판(100)의 전면에는 기판의 전면 일부를 식각하여 형성된 경사 거울면(210)과 일정 거리 이격된 광 흡수층(320)이 형성될 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 기판(100)의 후면을 통해 입사된 광은 광 흡수층(320)으로 직접 입사되지 않고, 경사 거울면(210)으로 입사된다. 편의상 기판(100)의 후면에서 경사 거울면(210)으로 입사되는 광을 제1광(21)이라 한다.
제1광(21)은 기판(100)의 후면에 수직하게 입사될 수 있으나, 본 발명은 제1광(21)과 기판(100)의 후면이 이루는 각도를 90도로 한정하지 않으며, 제1광(21)은 90도에서
Figure 112019003279858-pat00005
도의 오차범위를 가지고 기판(100)의 후면에 입사될 수 있다.
기판(100)은 Si, Ge, InP, GaAs, InAs, GaP, InSb, GaN, CdS, GaSb 및 HgCdTe 중 어느 하나로 형성될 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 경사 거울면(210)은 기판(100)의 전면을 소정 깊이만큼 식각하여 함몰된 부분 중 광 흡수층(320)과 인접한 일측면이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 경사 거울면(210)은 기판(100)의 전면과
Figure 112019003279858-pat00006
만큼의 각도를 이루는데,
Figure 112019003279858-pat00007
는 100도보다 크고, 135도보다 작도록 둔각으로 형성될 수 있다. 경사 거울면(210)이 기판(100)의 전면과 이루는 각인
Figure 112019003279858-pat00008
가 100도보다 크고 135도보다 작은 둔각을 이루는 것은 기판(100)의 후면으로 입사되는 제1광(21)이 경사 거울면(210)에 입사하는 입사각이 45도 보다 크게 형성되어야, 경사 거울면(210)에서 반사된 반사광이 기판(100)의 전면에 배치된 광 흡수층(320)을 포함하는 수광부(300)로 입사될 수 있기 때문이다. 설명의 편의상 경사 거울면(210)에서 반사된 제1광(21)을 제2광(22)이라고 한다.
임의의 평면에 대한 입사각의 정의에 따라서 제1광(21)의 경사 겨울면(210)에 대한 입사각
Figure 112019003279858-pat00009
은 180도에서 기판(100) 전면에 대한 경사 거울면(210)의 각도
Figure 112019003279858-pat00010
을 뺀 각도와 같다. 따라서 제2광(22)은 반사각
Figure 112019003279858-pat00011
각도로 경사 거울면(210)에서 반사되고, 이때 제2광(22)이 기판(100)의 전면과 광 흡수층(320) 사이의 계면에 입사되는 입사각
Figure 112019003279858-pat00012
는 경사 거울면(210)의 경사각
Figure 112019003279858-pat00013
로부터 다음 수식과 같이 구해질 수 있다.
[수식 2]
Figure 112019003279858-pat00014
수식 2로부터 거울면의 경사각
Figure 112019003279858-pat00015
이 100, 105, 110, 115, 120, 125, 130도일 때, 제2광(22)이 광 흡수층(320)으로 입사되는 각도
Figure 112019003279858-pat00016
는 각각 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80도가 된다.
제2광(22)이 입사각
Figure 112019003279858-pat00017
로 기판(100)과 광 흡수층(320) 계면 상의 일지점에 도달하면 스넬(Snell)의 법칙에 의해 굴절되어 광 흡수층(320)으로 진입하는데, 이를 제3광(23)이라 한다. 제3광(23)이 광 흡수층(320)과 수직한 수선과 이루는 굴절각(refracted angle)을 ζ라고 정의하면, ζ는 제2광(22)의 입사각
Figure 112019003279858-pat00018
, 기판(100)의 굴절률
Figure 112019003279858-pat00019
, 그리고 광 흡수층(320)의 굴절률
Figure 112019003279858-pat00020
에 의해 다음 수식과 같이 표현될 수 있다.
[수식 3]
Figure 112019003279858-pat00021
PD에 사용되는 기판(100)은 입사되는 광의 흡수를 방지하기 위하여 입사광의 에너지 보다 큰 밴드갭 에너지를 가진 재료가 사용되고 그에 따라서 광 흡수층(320)은 항상 기판(100) 보다 작은 밴드갭 에너지를 가지게 된다. 밴드갭 에너지와 굴절률의 상관관계에 따르면 굴절률은 밴드갭 에너지에 반비례 한다. 따라서 광 흡수층(320)의 굴절률은 항상 기판(100)의 굴절률 보다 크고, 따라서 제3광(23)이 기판(100)의 전면과 이루는 각인
Figure 112019003279858-pat00022
은 제2광(22)의 입사각
Figure 112019003279858-pat00023
보다 작다.
도 3에서 기판(100)의 재질이 InP(굴절률 n=3.15 @1550nm)으로 이루어지고, 광 흡수층(320)의 재질이 InGaAs(굴절률 n=3.6 @1550nm)로 이루어진 경우를 예로 들면, 제2광(22)이 광 흡수층(320)으로 입사되는 입사각
Figure 112019003279858-pat00024
가 70도일 때, 광 흡수층(320) 내부로 진입하는 제3광(23)의 굴절각
Figure 112019003279858-pat00025
은 스넬의 법칙에 의해 약 55도가 된다. 통상 기판(100)과 광 흡수층(320) 사이에는 복수의 반도체층이 추가로 존재할 수 있으나, 광 흡수층(320) 내부로 진입하는 제3광(23)의 굴절각
Figure 112019003279858-pat00026
은 스넬의 법칙에 의해 복수의 반도체층과 상관없이 항상 기판(100)과 광 흡수층(320)의 굴절률에 의해 결정된다.
도 3에 도시된 바와 같이, 제3광(23) 중 광 흡수층(320)에서 흡수되지 못한 일부는 광 흡수층(320)의 상부에 형성된 반사수단(70)에서 반사되어 광 흡수층(320)으로 재입사 및 흡수되고, 일부는 기판(100)으로 빠져나간다.
도 3에 도시된 반사수단(70)은 다양한 형태로 구성될 수 있다. 반사수단(70)은 대표적으로 통상 저항성 접촉(Ohmic contact) 및 전극(Electrode) 역할을 하는 금속패드로 구현될 수 있으며, 제3광(23)을 광 흡수층(320) 방향으로 반사시키는 거울 역할을 한다. 금속패드를 포함하는 반사수단(70)은 경우에 따라서 금속패드의 하부에 굴절률이 낮은 유전체 물질로 채워진 층을 더 포함할 수 있다.
본 발명은 본 실시예와 같이 광 흡수층(320) 또는 광 흡수층(320)과 다른 반도체층을 포함하는 광 검출기를 Mesa 형태로 한정하는 것은 아니며, Planar 형태의 광 흡수층(320)을 포함하는 본 발명에 의한 수직 입사형 포토다이오드의 실시예 또한 있을 수 있다.
도 3에 도시된 제1광(21)이 경사 거울면(210)에 입사되는 위치와, 제2광(22)이 광 흡수층(320)에 입사되는 위치 사이의 간격을 짧게 할수록 경사 거울면(210)이 형성되는 홈의 깊이를 얕게 할 수 있으므로, 본 발명에 의한 수직 입사형 포토다이오드를 설계/제작할 때 해당 간격을 적절히 조절하는 것이 중요하다.
광 흡수층(320)의 상부에는 창문층(Window layer)과 같은 다양한 반도체층이 존재할 수 있기 때문에 반사수단(70)에서 반사되어 재입사되는 광의 반사지점은 변경될 수 있으나, 반사광의 일부가 재흡수되는 기본 원리는 동일하다.
도 3에서는 기판(100)의 후면으로 입사되는 제1광(21)을 선으로 도시하였지만, 실제로 레이저 빔은 수 um 내지 수 십 um의 직경(Diameter)을 가지기 때문에, 경사 거울면(210)과 경사 거울면(210)의 저면(220)은 입사되는 제1광(21)을 방해하지 않을 정도로 충분히 크게 형성되어야 한다.
경사 겨울면(210)은 도 3과 같이 반드시 직선일 필요는 없고 곡선으로도 할 수 있다.(입체적인 형상을 고려했을 때에는 곡선이 아닌 곡면임) 도 3을 기준으로 경사 거울면(210)을 곡선으로 형성할 경우, 광의 발산을 피할 수 있도록 광의 진행방향으로 굴곡된, 즉 도 3을 기준으로 오른쪽 상측 대각선 방향으로 굴곡된 형상의 오목(Concave) 곡면이 바람직하다.
경사 거울면(210)은 습식 식각(Wet etching) 또는 건식 식각(Dry etching)과 같은 반도체 공정 기술로 형성할 수 있고, 경우에 따라서는 기판의 측면을 기계적으로 연마하여 형성할 수 있다.
경사 거울면(210)의 표면은 금속으로 덮여, 제1광(21)을 용이하게 반사시킬 수 있으나, 본 발명은 후술하는 바와 같이 내부전반사를 이용하기 때문에 이에 한정하지 않는다.
도 3에 도시된 바와 같이, 광 흡수층(320)은 입사되는 제3광(23)을 흡수하여 전하(charge) 캐리어를 생성하는 부분으로, 기판(100) 전면에서 경사 거울면(210)과 소정거리 이격되어 형성됨으로써 제2광(22)이 용이하게 입사된다. 이때 경사 거울면(210)과 광 흡수층(320) 사이의 이격된 거리는 제2광(22)의 입사각인
Figure 112019003279858-pat00027
와 기판(100)의 전면 표면으로부터 제1광(21)이 경사 거울면(210)으로 입사되는 입사지점의 깊이에 의해 용이하게 계산될 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명은 기판(100)의 후면에 형성되어 입사되는 광의 반사를 방지하는 반사 방지층(400)을 더 포함할 수 있다. 반사 방지층(400)의 하면에는 소정의 렌즈가 형성되어 기판(100)으로 입사되는 빛을 집광하는 역할을 할 수 있으며, 반사 방지층(400)이 없는 실시예의 경우, 렌즈는 기판(100)의 후면 중 빛이 입사되는 부분에 형성될 수 있다.
도 3과 같이 기판(100)의 후면에 수직으로 입사한 빛이 상기의 경사 거울면(210)에 의해 반사되어 광 흡수층(320)으로 경사지게 입사하면 광 흡수층(320)을 지나는 빛의 진행 경로 거리(Traveling path length)가 수직으로 입사한 것에 비해 증가하게 되고, 이것은 광 흡수층(320)의 유효 두께(Effective thickness)가 증가하는 것과 같다. 진행 경로 거리 향상 인자 또는 광 흡수층(320)의 유효 두께 증가 인자를 M이라고 정의했을 때, M은 다음과 같은 수학식에 의해서 구해질 수 있다.
[수식 4]
Figure 112019003279858-pat00028
수식 4로부터 기판(100)의 굴절률
Figure 112019003279858-pat00029
가 3.15이고, 광 흡수층(320)의 굴절률
Figure 112019003279858-pat00030
이 3.6인 경우, 경사 거울면(210)의 경사각
Figure 112019003279858-pat00031
이 110, 115, 120, 125, 130도이면 광 경로 거리 향상 인자 M은 각각 1.97, 1.76, 1.53, 1.21로, 입사광(제1광)의 진행 경로 거리가 수직 입사광에 비해 약 20~100%까지 향상된다. 광 흡수층의 유효 두께 증가에 따른 내부양자 효율
Figure 112019003279858-pat00032
은 광 흡수층(320)의 두께가 w일 때 아래 수식으로 구할 수 있다.
[수식 5]
Figure 112019003279858-pat00033
입사광의 경사 입사에 따른 광 흡수율 증가 효과는 입사 경로에서뿐만 아니라 광 흡수층(320)의 상부에 형성된 반사수단(70)에서 반사된 반사광(24)에 대해서도 동일하게 적용된다. 재흡수 효과는 반사수단(70)의 반사효율과 광 흡수층(320)과 반사수단(70) 사이에 추가될 수 있는 매질의 수와 종류에 따라서도 달라질 수 있으므로 구체적으로 구하지는 않으나, 반사수단(70)에서 반사된 반사광(24) 역시 입사광과 마찬가지로 광 흡수층(320)에 대해 경사지게 입사하고 그에 따른 광 흡수율 향상 효과는 변하지 않는다.
수식 4에서 제2광(22)의 굴절각이 클수록 더 큰 경로 거리 향상 효과를 얻을 수 있지만 반대로 상기 기판(100)과 광 흡수층(320)의 계면에서의 반사에 의한 손실이 증가할 수 있다. 굴절률이 서로 다른 두 매질의 계면에서는 항상 반사가 발생하고 이를 줄이거나 방지하는 가장 일반적인 방법은 반사 방지막을 형성하는 것이다. 그러나 PD에서 기판(100)과 광 흡수층(320) 사이에 반사 방지막을 형성하는 것은 현실적으로 매우 어렵다. 따라서 기판(100)과 광 흡수층(320) 계면에서 굴절률 변화가 완만하게 이루어지도록 굴절률이 서로 다른 복수의 반도체 층을 추가할 수 있으며, 이에 관해서는 후술할 다른 실시예에서 설명한다.
현재 일반화된 PD용 반도체 단결정 성장 기술은 MBE 와 MOCVD 방법이다. 이들 기술 분야에서 반도체 기판과 격자상수가 매칭되면서도 에너지 밴드갭이 계단식으로 변화하는 단결정 성장 기술 역시 이미 잘 알려져 있다. 에너지 밴드갭과 굴절률은 서로 연관되어 있으므로 에너지 밴드갭 조절을 통해 굴절률 역시 계단식으로 조절하는 것이 가능하다. 경로 거리 향상 효과와 반사손실 문제를 고려할 때, 제2광(22)의 기판 표면에 상대적인 실용적인 입사각
Figure 112019003279858-pat00034
는 20~90도 범위이고 이를 위한 경사 거울면(210)의 경사각
Figure 112019003279858-pat00035
은 100~135도 사이이다.
광은 임의의 평면에 경사지게 입사하면 단면 형상이 왜곡된다. 즉, 기판(100)과 수직하게 입사하는 제1광(21)의 단면 형상이 원형이라고 가정했을 때, 경사 거울면(210)에서 반사되는 제2광(22)의 경사 거울면(210)의 경사 방향과 같은 축 방향의 단면은 원형일 때의 직경 보다 M 만큼 길어진다. 이러한 현상을 고려했을 때, 제2광(22)이 입사되는 수광부(300)의 모양을 상측에서 바라보거나, 기판(100)의 전면과 수평한 평면으로 잘랐을 때, M과 연계한 타원형으로 하는 것이 바람직하며, 경사 거울면(210)의 형태 또한 평면이 아닌 곡면으로 형성될 수 있다.
내부전반사(Total internal reflection: TIR)는 빛이 고 굴절률 매질에서 저 굴절률 매질로 진행할 때 두 매질의 계면과 수직한 법선에 대해 상대적인 입사각이 특정한 임계각 이상이 되면 빛이 상기 계면을 통과하지 못하고 전부 반사되는 현상이다.
도 3에서 기판(100)의 후면에서 수직하게 입사된 제1광(21)을 기판(100)의 전면으로 반사시키기 위해서는 제1광(21)의 거울면(210)에 대한 입사각,
Figure 112019003279858-pat00036
가 45도 보다 클 것이 요구된다. 만약에 기판(100)과 기판(100) 외부 매질의 굴절률(n1)에 따라 결정되는 임계각이 45도 보다 작으면 기판 후면으로부터의 입사각이 45도 보다 큰 거울면(210)은 항상 전반사 거울면이 된다. 내부 전반사 현상을 이용하면 Au, Al, Ag 등 가시광 및 적외선 파장에서 높은 반사도를 갖는 금속에 의존하지 않고도 경사진 기판과 인접하는 매질의 계면을 매우 효율적인 거울로 사용할 수 있다.
굴절률이
Figure 112019003279858-pat00037
인 기판(100)과 기판 외부매질의 굴절률
Figure 112019003279858-pat00038
에 따른 임계각 공식은 다음의 수식과 같다.
[수식 6]
Figure 112019003279858-pat00039
수식 6에서 경사 거울면(210)이 굴절률이 1인 공기(외부매질의 굴절률
Figure 112019003279858-pat00040
=1)와 접촉하고 있을 때 상기 기판(100)의 굴절률
Figure 112019003279858-pat00041
가 1.4 이상이면, 임계각은 45도 보다 작다.
또 다른 경우에, 경사 거울면(210)이 굴절률이 약 2인 실리콘 질화막(SiNx)(외부매질의 굴절률
Figure 112019003279858-pat00042
=2)으로 보호되어 있는 경우를 가정하면, 기판(100)의 굴절률
Figure 112019003279858-pat00043
가 2.8 이상일 경우 임계각이 45도보다 작다.
PD의 기판 소재로 널리 사용되는 Si, InP, GaAs, Ge 등의 굴절률은 850nm ~ 1650nm 파장 범위에서 3.15(InP) 에서 4.3(Ge) 범위의 값을 가지고 있다. 따라서 PD의 기판(100)과 100도보다 크고 135도보다 작은 둔각을 형성하는 경사 거울면(210)은 공기와 접하거나 또는 실리콘 질화막 등 기판재료와 임계각이 45도보다 작은 표면보호막으로 보호된 경우에도 내부전반사 거울로 사용될 수 있다.
경사 거울면(210)의 표면은 상술한 바와 같이, 실리콘 질화막(SiNx)을 포함하여 실리콘 산화막(SiOx), BCB(Benzocyclobutene) 또는 폴리이미드(Polyimide) 등의 물질로 보호될 수 있으며, 또한 경사 거울면(210)은 {111} 결정면(Crystal plane) 그룹 중 선택되는 어느 하나일 수 있다.
도 3에 도시된 본 발명의 필수구성요소에서는 기판의 후면에서 기판과 수직하게 입사한 입사광이 경사 거울에 의해 기판의 전면에 형성된 광 흡수층으로 경사지게 입사함으로써 광흡수층을 지나는 입사광의 진행 경로 거리를 증가시키는 방법을 설명하였다. 이하에서는 기판(100)과 광 흡수층(320) 사이 또는 광 흡수층(320)과 반사수단(70) 사이에 원자 조성, 도펀트 타입, 밴드갭 에너지 및 도펀트 농도가 서로 다른 복수의 반도체 층을 더 포함하는 PIN PD, UTC PD, Modified UTC PD, APD 등 적어도 하나 이상의 광 흡수층(320)을 포함하는 다양한 종류의 PD에 적용되는 본 발명의 실시예들에 관하여 설명한다.
[제1실시예]
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 제1실시예에 따른 수직 입사형 포토다이오드에 관하여 상세히 설명한다. 본 발명의 제1실시예는 상술했던 본 발명의 필수적인 구성요소가 적용된 PIN PD에 관한 것으로, 상술한 본 발명의 필수구성요소 외에 PIN PD의 구성에 필요한 추가적인 구성요소들이 부가되어 다양한 종류의 PIN PD에 사용될 수 있다. 따라서 제1실시예 및 후술될 제1실시예 외에 설명되는 실시예들 또한, 도 3에 도시된 본 발명의 필수구성요소 또는 본 발명의 제1실시예를 기본으로, 추가되거나 달라지는 구성들에 대하여 중점적으로 설명한다.
도 4는 PIN PD로 사용되는 본 발명의 제1실시예에 의한 수직 입사형 포토다이오드의 외관을 도시한 사시도이다.
도 4에 도시된 본 발명의 제1실시예에 의한 수직 입사형 포토다이오드는 PIN PD이지만, 본 발명은 이에 한정하지 않으며 도 4에 도시된 본 실시예를 APD, UTC PD, modified-UTC PD로 활용하는 실시예 또한 있을 수 있다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1실시예에 의한 수직 입사형 포토다이오드는 기판(100), 경사 거울면(210), 제1금속패드(301)를 포함하는 수광부(300) 및 제2금속패드(302)를 포함할 수 있다.
도 4에 도시된 바와 같이, 수광부(300)는 도 3에 도시되었던 광 흡수층(320)을 포함한다. 제1금속패드(301)는 앞서 설명했던 반사수단(70)의 일예로, 수광부(300)의 상부에 형성되어 수광부(300)로 입사되는 광을 반사시킴과 동시에 전극역할을 할 수 있다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2실시예에 의한 수직 입사형 포토다이오드에서 수광부(300)는 기판(100)의 상부로 돌출된 mesa 형태이지만, 이와는 달리 수광부(300)가 기판(100)의 내부에 확산 방법으로 형성된 planar 형태 또한 있을 수 있다.
도 5는 도 4에 도시된 본 발명의 제1실시예에 의한 수직 입사형 포토다이오드를 도 4에 도시된 A-A' 방향으로 절단한 단면을 도시한 것이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1실시예에 의한 수직 입사형 포토다이오드에서 수광부(300)는 광 흡수층(320)과 기판(100) 사이에 형성되는 제1전기 접촉층(310)과, 광 흡수층(320)의 상부에 순차적으로 형성되는 보호층(340) 및 제2전기 접촉층(330)을 더 포함할 수 있다.
수광부(300)에 포함되는 복수의 반도체층인 제1전기접촉층(310), 광 흡수층(320), 제2전기접촉층(330) 및 보호층(340)은 서로 원자 조성, 도펀트 타입, 도펀트 농도 및 밴드갭 에너지 중 적어도 하나 이상이 서로 다른 반도체층일 수 있으며, 수광부(300)가 상기한 반도체층 외에도 추가적인 반도체층을 포함하더라도, 수광부(300)에 포함되는 모든 반도체층은 서로 원자 조성, 도펀트 타입, 도펀트 농도 및 밴드갭 에너지 중 적어도 하나 이상이 서로 다를 수 있다.
구체적으로, 제1전기 접촉층(310)은 P형 반도체일 수 있고, 제2전기 접촉층(330)은 N형 반도체일 수 있다. 또는 반대로 제1전기 접촉층(310)은 N형 반도체일 수 있고, 제2전기접촉층(330)은 P형 반도체일 수 있다. 즉, 본 실시예는 N-side up 구조 또는 P-side up 구조일 수 있다.
또한, 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1실시예에 의한 수직 입사형 포토다이오드에서 제1금속패드(301)는 수광부(300)의 상부에 형성되고, 제2금속패드(302)는 제1전기 접촉층(310)의 전면에 형성되되, 상기 광 흡수층(320)과 닿지 않도록 이격되어 형성된다.
제1금속패드(301)는 P 전극일 수 있고, 제2금속패드(302)가 N 전극일 수 있다. 또는 반대로 제1금속패드(301)가 N 전극일 수 있고, 제2금속패드(302)는 P 전극일 수 있다.
도 5에 도시된 제1전기 접촉층(310)은 제1광(21)이 경사 거울면(210)에서 반사된 제2광(22)이 처음 입사되는 부분으로, 도 5에 도시된 바와 같이, 제2광(22)이 입사각
Figure 112019003279858-pat00044
로 기판(100)과 제1전기 접촉층(310)의 계면에 도착하면, 스넬(Snell)의 법칙에 의해 굴절되어 제1전기 접촉층(310) 내부를 진행한다. 제1전기 접촉층(310) 내부를 진행하는 광을 편의상 제2-1광(25)이라고 한다.
제2광(22)은 제1전기 접촉층(310)에 의해 1차로 굴절되어 제2-1광(25)이 되며, 제2-1광(25)은 광 흡수층(320)에 입사되어 진입해, 제3광(23)으로 굴절된다. 즉, 제2-1광(25) 및 제3광(23)은 각각 기판(100)과 제1전기접촉층(310)의 굴절률차이, 제1전기 접촉층(310)과 광 흡수층(320)의 굴절률 차이에 의해서 굴절된다. 그러나 전술한 바와 같이, 광 흡수층(320)에 진입하는 제3광(23)의 입사각과 입사경로는 제1전기 접촉층(310)의 굴절률에 관계없이, 수식 3에 의해 결정된다.
광 흡수층(320)을 통과한 제3광(23)의 일부는 광 흡수층(320)의 상층부에 형성된 제1금속패드(301)에 의해 반사되어 광 흡수층(320)으로 재입사되는데, 이는 본 발명의 필수구성요소를 설명할 때의 원리와 동일하므로 설명은 생략하며, 광 흡수층(320)으로 재입사되는 광은 후술할 실시예들에도 동일하게 적용된다.
보호층(340)은 광 흡수층(320)의 상부에 형성되어 낮은 밴드갭 에너지를 가진 광 흡수층(320)의 암전류 상승을 방지한다.
[제2실시예]
도 6은 본 발명의 제2실시예에 의한 수직 입사형 포토다이오드의 단면을 개략적으로 도시한 것으로, 도 6에 도시된 본 발명의 제2실시예에 의한 수직 입사형 포토다이오드는 UTC PD의 일예이다.
UTC PD는 도핑된 광 흡수층을 사용하므로, 캐리어의 이동시간은 광 흡수층에서의 확산속도에 의해 결정되지만, 캐리어의 이동시간이 광 흡수층의 두께와 비례하는 것은 PIN PD와 동일하다. UTC PD는 도핑된 광 흡수층을 사용하기 때문에 광 생성된 캐리어가 소멸되지 않고 이동 가능한 확산거리(Diffusion length)보다 짧은 통상 약 0.5um 이하의 두께를 가지며, 이에 따라 UTC PD는 얇은 광 흡수층으로 인해 매우 낮은 광 응답도를 가질 수밖에 없는 단점이 있었다.
도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2실시예에 의한 수직 입사형 포토다이오드는 본 발명의 제1실시예에 의한 수직 입사형 포토다이오드와 동일하게 기판(100), 경사 거울면(210), 제2금속패드(302) 및 수광부(300)를 포함하되, 수광부(300)는 제1전극패드(301), 제1전기 접촉층(310), 광 흡수층(320), 제2전기 접촉층(330), 보호층(340)을 포함하는 것은 동일하지만, 그 외의 추가적인 반도체 층이 포함되어 제1실시예인 PIN PD와 다르게 동작하는 것으로, 달라지는 구성에 관하여 중점적으로 설명한다.
도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2실시예에 의한 수직 입사형 포토다이오드의 수광부(300)는 기판(100)의 전면으로부터 순차적으로 형성되는 제1전기 접촉층(310), 캐리어 수집층(350), 그레이딩층(361), 광 흡수층(320), 보호층(340) 및 제2전기 접촉층(330)과, 수광부(300)의 가장 상부, 즉 제2전기접촉층(330)의 상면에 형성되는 제1금속패드(301)를 포함한다.
그레이딩층(361)은 광 흡수층(320)을 이루는 물질의 밴드갭과, 캐리어 수집층(350)을 이루는 물질의 밴드갭 사이의 밴드갭을 가지는 물질로 복수의 층으로 이루어져 광 흡수층(320)에서 생성된 캐리어가 캐리어 수집층(350)으로 보다 용이하게 이동할 수 있도록 한다.
도 6에서 그레이딩층은 광 흡수층(320)의 상부에 형성되지만, 본 발명은 이에 한정되지 않으며 광 흡수층(320)의 하부, 즉 광 흡수층(320)과 기판(100) 사이에 복수개의 층으로 형성될 수 있다. 이때, 복수의 그레이딩층 각각의 굴절률은 광 흡수층(320)의 굴절률과 기판(100)의 굴절률 사이의 값을 가지되, 기판(100)측에 형성된 그레이딩층의 굴절률은 광 흡수층(320)측에 형성된 그레이딩층의 굴절률보다 작게 형성됨으로써, 기판(100)에서 광 흡수층(320)로 입사되는 광이 계단식으로 굴절되도록 할 수 있으며, 이는 본 실시예인 제2실시예 뿐 아니라, 제1실시예 및 후술할 제3실시예와 제4실시예에도 동일하게 적용될 수 있다.
[제3실시예]
도 7은 본 발명의 제3실시예에 의한 수직 입사형 포토다이오드의 단면을 개략적으로 도시한 것이다.
도 7에 도시된 본 발명의 제3실시예에 의한 수직 입사형 포토다이오드는 애벌랜치 PD(APD)로, 구체적으로는 SAGCM APD일 수 있다.
도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제3실시예에 의한 수직 입사형 포토다이오드 또한 앞서 설명한 제1실시예 또는 제2실시예와 마찬가지로 상술한 본 발명의 필수구성요소를 통해 광 경로를 증가시킨 본 발명의 주요한 효과를 얻는 것은 동일하되, 수광부(300)의 구성이 상이한 것으로, 달라진 수광부(300)의 구성에 관하여 상세히 설명한다.
도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제4실시예에 의한 수직 입사형 포토다이오드의 수광부(300)는 기판(100)의 전면으로부터 순차적으로 형성되는 제1전기 접촉층(310), 광 흡수층(320), 그레이딩층(361), 제1전기장 제어층(362), 증폭층(363), 제2전기장 제어층(364), 전기장 완충층(365) 및 제2전기 접촉층(330)과, 수광부(300)의 가장 상부, 즉 제2전기 접촉층(330)의 상면에 형성되는 제1금속패드(301)를 포함한다.
제1전기 접촉층(310)은 상술한 본 발명의 제1실시예 및 제2실시예와 동일하고, 그레이딩층(361)은 본 발명의 제3실시예와 동일하므로, 설명을 생략한다.
광 흡수층(320)은 제3광(23)을 흡수하여 전자와 정공을 형성하고, 형성된 정공또는 전자는 그레이딩층(361), 제1전기장 제어층(362)을 통해 증폭층(363)으로 이동하여 가속되어 2차적으로 새로운 전자와 정공을 형성하며, 증폭된 전자 및 정공은 각각 전기장 완충층(365)과 제2전기 접촉층(330)을 통해 제1금속패드(301) 및 제2금속패드(302)로 이동하여 전류가 흐르게 한다. 제1전기장 제어층(362)과 제2전기장 제어층(364)은 각각 광 흡수층(320)과 증폭층(363)에 인가되는 전기장의 크기를 조절한다.
[제4실시예]
도 8은 본 발명의 제4실시예에 의한 수직 입사형 포토다이오드의 단면을 개략적으로 도시한 것이다.
도 8에 도시된 본 발명의 제4실시예에 의한 수직 입사형 포토다이오드는 제3실시예와 다른 Planar type의 애벌랜치 PD이다.
도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제4실시예에 의한 수직 입사형 포토다이오드 또한 제1실시예 내지 제3실시예와 마찬가지로 상술한 본 발명의 필수구성요소를 포함하여, 광 경로를 증가시킨 본 발명의 주요한 효과를 얻는 것은 동일하되, 수광부(300)의 구성이 상이한 것으로, 달라진 수광부(300)의 구성에 관하여 상세히 설명한다.
도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제4실시예에 의한 수직 입사형 포토다이오드의 수광부(300)는 제1전기 접촉층(310), 광 흡수층(320), 그레이딩층(361), 제1전기장 제어층(362), 창문층(367), 제2전기 접촉층(330)이 기판(100)의 전면에 순차적으로 형성되되, 창문층(367) 내부에 확산층(330s)이 형성되어 있으며, 수광부(300)의 주변에는 가드링(Guard ring, 미도시)이 형성될 수 있다. 또한 수광부(300)는 제2전기 접촉층(330)의 상면에 형성되는 제1금속패드(301)와 제1전기 접촉층(310)의 상면에 형성되되, 광 흡수층(320)과 일정 거리 이격되어 형성되는 제2금속패드(302)를 더 포함할 수 있다.
확산층(330s)은 제1전기장 제어층(362)까지 접촉되지 않도록 창문층(367) 내부에 형성될 수 있으며, 제1전기장 제어층(362)과 확산층(330s) 사이에는 매우 큰 전기장이 인가되어, 애벌랜치 증폭이 일어나는 증폭층이 된다.
본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용 범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.
21 : 제1광 22 : 제2광
23 : 제3광 24 : 반사광
25 : 제2-1광
100 : 기판
210 : 경사 거울면 220 : 경사 거울의 저면
300 : 수광부
301 : 제1금속패드 302 : 제2금속패드
310 : 제1전기 접촉층(Electrical contact layer)
320 : 광 흡수층
330 : 제2전기 접촉층
330s : 확산층(Diffusion layer)
340 : 보호층(Passivation layer)
350 : 캐리어 수집층(Carrier collection layer)
361 : 그레이딩층(Grading layer)
362 : 제1전기장 제어층(Electric field control layer)
363 : 증폭층(Multiplication layer)
364 : 제2전기장 제어층
365 : 전기장 완충층(Electric field buffer layer)
367 : 창문층(Window layer)
400 : 반사 방지층(Anti reflection layer)

Claims (14)

  1. 광 흡수층이 기판의 전면에 형성되어 있고, 입사광은 상기 기판의 후면에서 상기 기판과 수직하게 입사되는 후면 수직 입사형 포토다이오드에 있어서,
    상기 광 흡수층과 소정 거리만큼 수평적으로 이격되고, 상기 기판의 전면 일부를 식각하여 상기 기판의 전면과 100도보다 크고 135도보다 작은 둔각을 가지도록 형성된 경사 거울면을 더 포함하되,
    상기 입사광은 상기 기판의 후면으로부터 상기 기판과 수직하게 상기 경사 거울면으로 입사되고, 상기 경사 거울면에서 내부 전반사되어, 상기 광 흡수층으로 경사지게 입사하여 상기 광 흡수층을 진행하는 입사광의 경로 길이가 증가하며,
    상기 광 흡수층을 포함하는 수광부를 상기 기판의 전면과 수평한 평면으로 잘랐을 때, 상기 수광부의 단면은 상기 경사 거울면에서 반사되어 입사되는 광 방향의 길이가 상기 광 방향에 수직한 방향의 길이에 광 경로 향상 인자 M을 곱한 것 보다 긴 타원형인 것을 특징으로 하는 수직 입사형 포토다이오드.
    Figure 112019503016188-pat00053

    (
    Figure 112019503016188-pat00054
    는 상기 기판의 굴절률,
    Figure 112019503016188-pat00055
    는 상기 광 흡수층의 굴절률,
    Figure 112019503016188-pat00056
    은 상기 기판의 전면과 상기 경사 거울면이 이루는 각도)
  2. 제1항에 있어서,
    상기 광 흡수층의 하측 또는 상측에 원자 조성, 도펀트 타입, 도펀트 농도 및 밴드갭 에너지 중 적어도 하나 이상이 다른 복수의 반도체층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수직 입사형 포토다이오드.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 경사 거울면은 평면 또는 곡면인 것을 특징으로 하는 수직 입사형 포토다이오드.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 경사 거울면은 곡면이되, 상기 기판의 후면으로 입사되는 입사광의 진행 방향으로 굴곡되는 것을 특징으로 하는 수직 입사형 포토다이오드.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 기판은 Si, Ge, InP, GaAs, InAs, GaP, InSb, GaN, CdS, GaSb 및 HgCdTe 중 하나로 형성되는 것을 특징으로 하는 수직 입사형 포토다이오드.
  6. 제1항에 있어서,
    사기 경사 거울면의 표면은 금속, 실리콘 산화막(SiOx), 실리콘 질화막(SiNx), BCB(Benzocyclobutene) 또는 폴리이미드(Polyimide)로 코팅되는 것을 특징으로 하는 수직 입사형 포토다이오드.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 기판의 후면에 형성되어 상기 기판의 후면으로 입사되는 광의 반사를 방지하는 반사 방지층을 포함하는 것을 특징으로 하는 수직 입사형 포토다이오드.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 수직 입사형 포토다이오드는 UTC PD, Modified-UTC PD, PIN PD 및 APD 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 수직 입사형 포토다이오드.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 수직 입사형 포토다이오드는 n-side up 또는 p-side up 구조인 것을 특징으로 하는 수직 입사형 포토다이오드.
  10. 삭제
  11. 제1항에 있어서,
    상기 수직 입사형 포토다이오드는 mesa 또는 planar 형인 것을 특징으로 하는 수직 입사형 포토다이오드.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 기판과 상기 광 흡수층 사이에 적어도 하나 이상 형성되되, 굴절률이 상기 기판의 굴절률과 상기 광 흡수층의 굴절률 사이인 그레이딩층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수직 입사형 포토다이오드.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 그레이딩층은 복수개이며,
    상기 기판측에 형성된 그레이딩층은 상기 광 흡수층측에 형성된 그레이딩층보다 굴절률이 낮은 것을 특징으로 하는 수직 입사형 포토다이오드.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 경사 거울면은 {111} 결정면으로 이루어진 것을 특징으로 하는 수직 입사형 포토다이오드.
KR1020190003269A 2019-01-10 2019-01-10 수직 입사형 포토다이오드 KR102015408B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020190003269A KR102015408B1 (ko) 2019-01-10 2019-01-10 수직 입사형 포토다이오드

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020190003269A KR102015408B1 (ko) 2019-01-10 2019-01-10 수직 입사형 포토다이오드

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR102015408B1 true KR102015408B1 (ko) 2019-10-21
KR102015408B9 KR102015408B9 (ko) 2023-03-23

Family

ID=68460517

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020190003269A KR102015408B1 (ko) 2019-01-10 2019-01-10 수직 입사형 포토다이오드

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102015408B1 (ko)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2024176432A1 (ja) * 2023-02-24 2024-08-29 日本電信電話株式会社 受光素子

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100216524B1 (ko) * 1996-12-05 1999-08-16 이계철 애벌런치 포토다이오드 및 그 제조방법
JP2000150923A (ja) * 1998-11-12 2000-05-30 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> 裏面入射型受光装置およびその作製方法
JP2014006338A (ja) * 2012-06-22 2014-01-16 Ntt Electornics Corp 光電子集積モジュール
US20140167200A1 (en) * 2012-12-19 2014-06-19 Agency For Science, Technology And Research Photodetector and method for forming the same
KR101766247B1 (ko) 2016-04-26 2017-08-08 국방과학연구소 평면형 포토 다이오드

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100216524B1 (ko) * 1996-12-05 1999-08-16 이계철 애벌런치 포토다이오드 및 그 제조방법
JP2000150923A (ja) * 1998-11-12 2000-05-30 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> 裏面入射型受光装置およびその作製方法
JP2014006338A (ja) * 2012-06-22 2014-01-16 Ntt Electornics Corp 光電子集積モジュール
US20140167200A1 (en) * 2012-12-19 2014-06-19 Agency For Science, Technology And Research Photodetector and method for forming the same
KR101766247B1 (ko) 2016-04-26 2017-08-08 국방과학연구소 평면형 포토 다이오드

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2024176432A1 (ja) * 2023-02-24 2024-08-29 日本電信電話株式会社 受光素子

Also Published As

Publication number Publication date
KR102015408B9 (ko) 2023-03-23

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US7358585B2 (en) Silicon-based Schottky barrier infrared optical detector
JP4755854B2 (ja) 半導体受光装置及びその製造方法
US6963089B2 (en) Avalanche photo-detector with high saturation power and high gain-bandwidth product
KR100853067B1 (ko) 포토 다이오드와 그 제조 방법
JP5981086B2 (ja) 光検出器
US20100308428A1 (en) Semiconductor light receiving element and optical communication device
JP2008526003A (ja) ゲルマニウムオンシリコンの光検出器
JP7280532B2 (ja) 受光素子
Kuchibhotla et al. Low-voltage high-gain resonant-cavity avalanche photodiode
KR102093168B1 (ko) 이중 광경로를 가진 광 검출기
JP2011124450A (ja) 半導体受光素子
KR102015408B1 (ko) 수직 입사형 포토다이오드
EP1204148A2 (en) Planar resonant cavity enhanced photodetector
JP4168437B2 (ja) 半導体受光素子
US7368750B2 (en) Semiconductor light-receiving device
US10134937B2 (en) Semiconductor photodiode
JP2001320081A (ja) 半導体受光素子
KR102307789B1 (ko) 후면 입사형 애벌런치 포토다이오드 및 그 제조 방법
KR102176477B1 (ko) 후면 입사형 광 검출기
TWI728694B (zh) 混層複合式充電層累增崩潰光二極體
JP2002344002A (ja) 受光素子及び受光素子実装体
US6252251B1 (en) Raised photodetector with recessed light responsive region
TWI724886B (zh) 具複數累增層的單光子偵測器
JPH05102513A (ja) 半導体受光素子
US8796749B2 (en) Reverse conductive nano array and manufacturing method of the same

Legal Events

Date Code Title Description
GRNT Written decision to grant
G170 Re-publication after modification of scope of protection [patent]