KR102078316B1 - 2차원 도핑 기술을 이용한 수광소자 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 2차원 도핑 기술을 이용한 수광소자 및 그 제조방법에 관한 것으로, 반도체 기판의 상부 전면에 위치하는 광흡수 에피층과, 상기 광흡수 에피층의 상부 중앙부 일부에 순차 적층되어 메사구조를 이루는 집속층, 가속층, 증배층, 캡층 및 n+-형 에피층을 포함하되, 상기 집속층과 증배층은 p형 불순물 이온이 2차원 도핑된 것으로 한다.

Description

2차원 도핑 기술을 이용한 수광소자 및 그 제조방법{Structure and Fabrication Method of Photo Detector Device using Two Dimensional Doping Technology}
본 발명은 2차원 도핑 기술을 이용한 수광소자 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더 상세하게는 수광 감도를 향상시키고, 안정된 이득특성을 나타내는 2차원 도핑 기술을 이용한 수광소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로, 애벌런치 광 다이오드(Avalanche Photo Dioade)는 광통신용 수광소자의 일종이며, 광 증배 효과에 의한 높은 이득을 갖는 소자이다. 광 증배(Photo Multiplication) 작용을 하는 영역을 두어 2차적인 캐리어를 생성하여 효율을 높일 수 있다. 하나의 입사 광자에 대해 수십 내지 수백 개의 전자-전공쌍을 생성하여 감도를 향상시킨다.
그러나 애벌런치 광 다이오드는 증폭이 높아지는 항복전압 부근에서 전계가 집속되어 갑자기 큰 증폭이 일어나 통제가 어렵거나, 핫스팟(hot spot)의 열발생으로 신뢰성이 감소하는 실질적인 문제를 내포하고 있다.
따라서 애벌런치 수광소자의 구조설계와 제조공정에 대한 개량이 항상 필요하고 중요한 문제점으로 인식되어 왔다.
특히, 최근 X-ray 검출, 방사선 감지, LiDAR과 같은 응용이 점차 증가하고, 자동차나 드론과 같이 이동성이 높은 장치에서는 소형의 수광소자를 필요로 하며, 이동성과 소형을 모두 만족하기 위해서는 보다 더 높은 감도와 안정한 이득특성을 가지는 소자의 개발이 요구되고 있다.
종래기술의 예로 미국 특허 US 4,840,916(Jun. 20, 1989)이 있다. 이 특허에서는 광흡수층과 광증폭층을 에피성장한 다음 광증폭층을 메사 식각하고 다시 에피층을 에피 성장하는 방식을 제안하였다. 그 후에 메사의 상부에 이온을 주입을 하여 p-n접합을 형성한다.
즉, 에피성장과 메사 식각을 이용하여 활성층을 국부적으로 제한하여 전류의 집속을 유도한다. 그러나 메사 식각으로 인한 계면결함의 발생, 에피층의 재성장의 완벽한 구조형성 기술은 실질적으로 매우 난해한 기술적 수준을 요구한다. 따라서 재현성과 신뢰성과 균일성을 확보하는데 상당한 어려움이 있다.
애벌런치 광 다이오드의 다른 예로 공개특허 10-2012-0124559호(공개일 2012년 11월 14일, 실리콘 광전자증배관의 트렌치 가드링 형성방법 및 이를 이용하여 제조된 실리콘 광전자증배관)가 있다. 매우 일반적인 APD 구조에 트렌치 가드링을 배치하여 주변과의 전기적 아이솔레이션(isolation)을 추가하여, 누설전류나 잡음의 간섭을 최소화 하려는 효과에 대해 제시하였다.
그러나 트렌치 소자격리를 채용하는 구조를 제시했는데, 트렌치의 반도체-산화막 계면의 유효면적이 증가하여 오히려 계면상태가 많이 존재하게 되고, 트랩현상이 증가하여 열잡음(thermal noise)이나 플리커 노이즈(flicker noise)의 발생원인을 제공하게 된다. 또한, 트렌치공정에 인가되는 플라즈마 식각 및 산화막 형성과정이 결함의 주입 및 잔류응력 발생의 원인이 될 수 있다.
상술한 바와 같이, 종래 제안된 수광소자들은, 이득의 제어가 용이하지 않고, 잡음의 발생에 의한 안정성이 저하될 수 있다. 따라서 엑스레이 감지(X-ray detection), 방사선 감지, 라이더(LiDAR)와 같은 고감도 고안정성이 요구되는 분야나, 자동차나 드론과 같이 이동성이 높은 장치에서 사용하기 위해서는 더 높은 감도특성과 안정한 이득특성이 요구되고 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 이득특성을 정교하게 제어할 수 있으며, 온도 의존성을 줄이고, 항복전압 부근의 동작에서 완만하고 안정된 동작을 할 수 있는 수광소자의 구조 및 그 제조방법을 제공함에 있다.
또한, 본 발명이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는, 장기적인 동작 신뢰성을 높이고, 생산수율 관리를 위한 균일성과 재현성이 높은 수광소자의 구조 및 그 제조방법을 제공함에 있다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일측면에 따른 수광소자는, 반도체 기판의 상부 전면에 위치하는 광흡수 에피층과, 상기 광흡수 에피층의 상부 중앙부 일부에 순차 적층되어 메사구조를 이루는 집속층, 가속층, 증배층, 캡층 및 n+-형 에피층을 포함하되, 상기 집속층과 증배층은 p형 불순물 이온이 2차원 도핑된 것일 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 메사구조의 측면은 언도핑영역일 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 메사구조의 하부측 상기 반도체 기판이 제거되어 상기 광흡수 에피층의 일부가 노출된 것일 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 집속층은, p형 불순물이 2차원 도핑된 것이며, 2차원 도핑농도는 1012~1015cm-2, 두께는 10~50nm일 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 가속층은, 언도핑층이며, 두께가 0.1~3um일 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 증배층은, p형 불순물의 2차원 도핑층이며, 2차원 도핑농도는 1012~1015cm-2, 두께는 10~50nm일 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 측면에 따른 수광소자 제조방법은, a) 반도체 기판의 상부에 광흡수 에피층, p형 2차원 도핑층을 포함하는 집속층, 언도핑층인 가속층, p형 2차원 도핑층을 포함하는 증배층 및 n형 도핑층인 캡층을 순차적으로 형성하는 단계와, b) 상기 캡층, 증배층, 가속층, 집속층을 메사구조로 식각하는 단계와, c) 열처리를 통해 상기 캡층, 증배층, 가속층, 집속층이 적층된 메사구조의 측면을 언도핑영역으로 전환하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 메사구조의 하부측 상기 반도체 기판의 일부를 제거하여, 상기 광흡수 에피층의 일부를 노출시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 a) 단계에서, 상기 집속층은, 단결정 성장층이며, 2차원 도핑농도가 1012~1015cm-2, 두께가 10~50nm가 되도록 성장시킬 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 a) 단계에서, 상기 가속층은, 언도핑된 단결정 성장층이며, 두께가 0.1~3um가 되도록 성장시킬 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 a) 단계에서, 상기 증배층은, p형 불순물의 2차원 도핑층이며, 2차원 도핑농도는 1012~1015cm-2, 두께는 10~50nm가 되도록 성장시킬 수 있다.
본 발명 2차원 도핑기술을 이용한 수광소자 및 그 제조방법은, 본 발명은 누설전류를 줄이고, 항복 발생구간을 증가시키며, 인가전압에 대한 이득의 증가비를 완만하게 제어함으로써, 안정된 구동이 가능한 효과가 있다.
도 1 내지 도 10은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 2차원 도핑기술을 이용한 수광소자의 제조공정 수순 단면도이다.
도 11은 본 발명에 따른 수광소자와 종래 수광소자의 도핑 분포를 비교한 그래프이다.
도 12는 본 발명과 종래 수광소자의 전계에 따른 운반자의 증폭 구간을 보인 그래프이다.
도 13은 본 발명에 따른 수광소자와 종래 수광소자들의 전기적 특성을 비교한 그래프이다.
이하, 본 발명 2차원 도핑기술을 이용한 수광소자 및 그 제조방법에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
본 발명의 실시 예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이며, 아래에 설명되는 실시 예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래의 실시 예들로 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시 예는 본 발명을 더욱 충실하고 완전하게 하며 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다.
본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시 예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이 단수 형태는 문맥상 다른 경우를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 경우 "포함한다(comprise)" 및/또는"포함하는(comprising)"은 언급한 형상들, 숫자, 단계, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재를 특정하는 것이며, 하나 이상의 다른 형상, 숫자, 동작, 부재, 요소 및/또는 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "및/또는"은 해당 열거된 항목 중 어느 하나 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.　
본 명세서에서 제1, 제2 등의 용어가 다양한 부재, 영역 및/또는 부위들을 설명하기 위하여 사용되지만, 이들 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부위들은 이들 용어에 의해 한정되지 않음은 자명하다. 이들 용어는 특정 순서나 상하, 또는 우열을 의미하지 않으며, 하나의 부재, 영역 또는 부위를 다른 부재, 영역 또는 부위와 구별하기 위하여만 사용된다. 따라서, 이하 상술할 제1 부재, 영역 또는 부위는 본 발명의 가르침으로부터 벗어나지 않고서도 제2 부재, 영역 또는 부위를 지칭할 수 있다.
이하, 본 발명의 실시 예들은 본 발명의 실시 예들을 개략적으로 도시하는 도면들을 참조하여 설명한다. 도면들에 있어서, 예를 들면, 제조 기술 및/또는 공차에 따라, 도시된 형상의 변형들이 예상될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시 예는 본 명세서에 도시된 영역의 특정 형상에 제한된 것으로 해석되어서는 아니 되며, 예를 들면 제조상 초래되는 형상의 변화를 포함하여야 한다.
도 1 내지 도 10은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 2차원 도핑기술을 이용한 수광소자의 제조공정 수순 단면도이다.
먼저, 도 1을 참조하면, 고농도의 p+-형 불순물이 도핑된 저비저항(고전도도) 반도체 기판(1)의 상부에 p--형의 광흡수 에피층(2)을 성장시킨다.
상기 광흡수 에피층(2)의 두께는 3~60um로 성장시키며, p형 불순물의 도핑농도는 1012~1016cm-3 수준에서 응용분야의 요구사양에 따라 조절한다.
예를 들어, 장파장의 광을 최대한 많이 흡수해야 하는 응용분야에 적용하기 위해서 광흡수 에피층(2)의 두께는 30~60um로 상대적으로 두껍게 성장시키며, 일반 센서용으로는 3~10um의 두께로 성장시켜 응답능력과 동작속도를 최적화할 수 있다.
그 다음, 도 2에 도시한 바와 같이 집속층(Pcol), 가속층(Pacc), 증배층(Pmul)의 형성을 위한 를 위한 에피층들을 차례로 성장을 한다.
먼저, 집속층(3)을 상기 광흡수 에피층(2)의 상부전면에 성장시킨다. 상기 집속층(3, Pcol)은 상기 광흡수 에피층(2)에 흡수된 광에 의해 발생된 전자 전공 쌍(electron-hole pair(EHP))에서 전자(electron)를 집속하여 모으는 역할을 한다.
상기 집속층(3)의 2차원 도핑농도는 1012~1015cm-2 수준으로 두께가 10~50nm가 되도록 성장시켜, 입사되는 미광(stray light)에 의한 노이즈(noise) 성분에 비하여, 수직으로 입사되는 광신호에 의한 전자 전공 쌍(EHP)의 집속 정도를 높여 S/N비를 높인다.
2차원 도핑은 집속층(3)의 성장 과정 일부에서 불순물 이온을 도핑하여 집속층 일부영역만 평면상(two dimensional) 도핑이 이루어지는 기술을 뜻한다.
상기 집속층(3)의 도핑농도는 체적(cm-3)에 대한 도핑농도가 아닌 면적(cm-2)에 대한 농도임에 주목해야 한다.
그 다음, 상기 집속층(3)의 상부에 가속층(Pacc, 4)을 성장시킨다. 상기 가속층은 도핑되지 않은 에피층이며, 운반자를 가속한다.
상기 가속층(4)은 0.1~3um의 두께로 성장시킨다.
그 다음, 상기 집속층(3)의 상부에 증배층(5)인 p--형의 에피층을 성장시킨다. 증배층(5)의 두께는 10~50nm로 성장시키며, 2차원 도핑농도는 1012~1015cm-2 수준으로 한다.
상기 증배층(5)의 상부에는 다시 도핑되지 않은 에피층을 성장시켜 캡층(6)을 형성한다. 상기 캡층(6)은 100~300nm의 두께로 성장시킨다.
상기 캡층(6)은 이후 형성되는 고농도 n형 층과의 접합으로 pn접합을 형성하여 인가되는 전계를 적절한 수준이 되도록 한다.
그 다음, 도 3에 도시한 바와 같이 상기 캡층(6)의 상부전면에 n+-형 에피층(7)을 성장시킨다. 상기 n+-형 에피층(7)은 앞서 언급한 바와 같이 캡층(6)과 함께 p-n 접합이 형성되어 운반자의 증폭이 일어날 수 있도록 한다. 상기 n+-형 에피층(7)의 도핑농도는 1018 ~ 5x1020cm-3이 되도록 한다.
그 다음, 도 4에 도시한 바와 같이 상기 n+-형 에피층(7)의 상부전면에 절연막(8)을 증착한 후, 절연막(8)을 패터닝하여 도면에서 상기 n+-형 에피층(7)의 상부 중앙부분에 위치하는 절연막(8) 패턴을 형성한다.
절연막(8)으로 SiO2 또는 Si3N4 등의 유전체를 사용할 수 있으며, 100~5000nm의 두께로 증착한다.
그 다음, 절연막(8) 패턴을 식각 마스크로 사용하는 식각공정으로, 하부의 n+-형 에피층(7), 캡층(6), 증배층(5), 가속층(4), 집속층(3)을 차례로 식각하여 광흡수 에피층(2)의 상부일부를 노출시킨다.
이는 하부로부터 순차적층된 집속층(3), 가속층(4), 증배층(5), 캡층(6) 및 n+-형 에피층(7)을 메사구조로 형성하여, 아이솔레이션 시키는 과정이다.
그 다음, 도 5에 도시한 바와 같이 상기 메사구조를 형성한 후 열처리를 수행하여 메사구조에 존재하는 결함과, 2차원 도핑된 불순물을 제거한다. 이때 사용하는 열처리 온도는 600~1000℃이고, 시간은 1~60분간이며, 질소 내지는 수소 가스를 이용하는 분위기의 조건을 이용한다.
앞서 식각공정을 통해 메사구조를 형성하는 과정에서 메사구조의 표면에는 결함이 발생하게 되며, 이러한 결함은 누설전류의 통로가 되기 때문에 결함을 제거해야 한다.
또한, 메사구조의 표면과 가까운 2차원 도핑 영역인 집촉층(3)과 증배층(5)에 도핑된 불순물들은 계면의 불안정한 전류 흐름을 제공할 수 있기 때문에 결함을 제거하는 열처리 공정을 통해 외부로 확산되도록 하여 제거한다.
따라서 메사구조의 측면은 언도핑영역(9)이 형성된다.
그 다음, 도 6에 도시한 바와 같이 상기 절연막(8)을 제거한 후, 상기 구조의 상부전면에 절연층(10)을 증착한다. 절연층(10)으로는 SiO2 또는 Si3N4 등의 유전체를 사용할 수 있으며, 상기 절연층(10)의 두께는 메사구조를 완전히 매립시킬 정도로 두껍게 증착한다.
그 다음, 상기 절연층(10)의 상부 일부를 제거하여 하부의 n+-형 에피층(7)의 상면 중앙부를 노출시키는 콘택 윈도우(11)를 형성한다.
그 다음, 도 7에 도시한 바와 같이 상기 콘택 윈도우(11)를 통해 상기 n+-형 에피층(7)에 접촉되는 금속층(12)을 형성한다. 상기 금속층(12)은 Ti, Ni, Al, Pt 또는 Au를 단일층 또는 선택된 둘 이상을 적층한 것일 수 있다.
상기 n+-형 에피층(7)과 금속층(12)은 반도체-금속 접합을 이루며 수광소자의 캐소드를 이룬다.
그 다음, 도 8에 도시한 바와 같이 도 7의 구조를 뒤집고, 반도체 기판(1)의 배면을 그라인딩하여 100~300um로 적정한 두께가 되도록 한다.
그 다음, 반도체 기판(1)의 배면에 Ni, Ti, Pt, Ta, Al, Au 또는 AuSn 중 선택된 금속의 단일층 또는 둘 이상의 선택된 금속을 다층으로 증착하고 패터닝하여, 오믹콘택(13)을 형성한다.
상기 반도체 기판(1)은 고농도 n형으로 도핑된 것이다.
상기 오믹콘택(13)의 형성 위치는 상기 메사구조의 가장자리 부분에 해당하는 반도체 기판(1)의 일부가 된다.
그 다음, 도 9에 도시한 바와 같이 상기 오믹콘택(13) 사이에 위치하는 반도체 기판(1)을 일부 식각하여 광이 입사되는 수광영역(14)을 정의한다.
그 다음, 도 10에 도시한 바와 같이 상기 수광영역(14)이 정의된 반도체 기판(1)의 배면에 반사방지막(15)을 형성하여, 광의 흡수효율을 높인다.
상기 반사방지막(15)은 SiO2 또는 Si3N4를 사용할 수 있으며, 두께는 100~300nm가 되도록 한다.
그리고 이후의 제조공정으로는 안정화 열처리 등의 단계가 있으나, 이후 공정에는 과거로부터 사용되는 통상적인 공정기술을 이용하므로 이에 대한 상세한 설명을 여기에는 기록하지 않기로 한다.
상기 반도체 기판과 에피층들은 단결정 실리콘, GaN을 사용할 수 있으며, 그 밖에 알려진 다른 반도체를 사용할 수 있다.
도 11은 본 발명에 따른 수광소자와 종래 수광소자의 도핑 분포를 비교한 그래프이다.
도 11의 (A)와 (B)는 종래 사용하는 수광소자의 도핑 분포이며, (C)는 본 발명에 따른 수광소자의 도핑 분포이다.
도면에 도시한 바와 같이 본 발명에 따른 수광소자는 복수의 에피층 구조로 설계되어 있으며, 하나 이상의 p-형 2차원 도핑층을 이용하는데 이들은 집속층(3, Pcol)과 증배층(5, Pmul)으로 작용한다. 상기 집속층(3)의 2차원 도핑층은 중앙에 깊숙이 배치되어 운반자의 집속화 효율을 높이고, 가속층(4)은 운반자를 가속시키며, 증배층(5)의 2차원 도핑층은 애벌런치 증폭현상을 제어한다.
특히 집속층(3)과 증배층(5)이 2차원 도핑에 의해 구성되는 점이 본 발명의 고유한 특이점에 해당된다.
종래의 집속층과 증배층의 도핑 농도를 보인 (A)와 (B)에서는 역방향 바이어스가 인가될 때 전계가 p-n 접합 부위에 심하게 집속될 수 있으나, 본 발명의 경우 p-n 접합의 위치에서 전계가 원만하게 형성되도록 한다.
도 12는 본 발명과 종래 수광소자의 전계에 따른 운반자의 증폭 구간을 보인 그래프이다.
도 12의 (A)와 (B)는 종래 수광소자의 특성이며, (C)는 본 발명에 따른 수광소자의 특성이다.
본 발명에 따른 수광소자는 증배층(5)의 2차원 도핑층은 p+-형의 고농도 도핑을 하여 형성하며, 애벌런치가 발생하기 시작하는 역방향 항복전압의 초기에 중앙에 배치된 p-n접합에 인가되는 전계(Electric Field: E)가 임계전압(Ec)에 접근하면서 운반자의 증폭이 일어나기 시작한다.
인계전압 이상으로 가속된 운반자는 반도체의 원자와 충돌하여 임팩트 이온화(impact ionization)을 유발시키면서 새로운 전자-정공 쌍을 생성시키면서 증폭이 시작된다.
새롭게 생성된 전자-정공의 운반자는 각각 전계에 따라 반대 방향으로 다시 가속되어 이동하다가 다시 다른 원자와 충동하면서 임팩트 이온화(impact ionization)가 일어나고 다시 새로운 전자-정공쌍이 발생 된다.
이와 같은 과정이 수회 반복적으로 일어난다. 특히 인가전압이 항복전압으로 근접할수록 증배층(5) 부위에 임계전압을 상회하는 폭이 더욱 넓어지게 되며 임팩트 이온화의 횟수가 기하급수적으로 증가하게 되고, 동일하게는 소자의 증폭률이 기하급수적으로 증가하게 되어 발열이 집속되면서 소자의 항복으로 연결된다.
종래 기술인 도 12의 (A)와 (B)의 경우 p-n 접합계면에 형성되는 전계분포가 매우 좁으므로 임계전압(Ec)를 상회하는 영역이 극히 국부적인데 반하여 본 발명에 따른 수광소자의 경우 Ec를 상회하는 영역의 폭이 가장 넓다.
따라서, 본 발명에 따른 수광소자가 전계의 집속정도가 가장 원만하고 안정적인 동작을 하게 된다.
도 13은 본 발명에 따른 수광소자와 종래 수광소자들의 전기적 특성을 비교한 그래프이다.
종래 수광소자의 경우 누설전류가 높고, 이득이 비선형으로 증가하며, 항복이 일어나는 구간이 좁다. 이에 비해 본 발명에 의한 소자는 누설전류(IR)가 작고, 이득이 일정한 구간을 유지하며, 항복이 발생하는 구간이 넓은 소프트 브레이크다운(soft breakdown) 특성을 보인다.
즉, 종래의 수광소자는 항복구간에서 빠르게 이득(M)이 증가하는데 비하여, 본 발명에 따른 수광소자는 상대적으로 완만한 증가 특성을 보인다. 이러한 차이는 핫스팟(hot spot) 구간의 발생과 연계된다. 본 발명은 일정한 이득을 유지하기 위한 역방향 전압의 제어가 용이하여 빠르게 동작하는 신호를 정확하게 검출하는데 유리하다.
본 발명과 같이 2차원 펄스(pulse) 도핑을 이용한 경우 이득이 순차적으로 완만하게 증가하게 되고 활성층 가장자리에 전계의 집속이 심하게 발생되지 않는다. 반면에 종래기술의 경우 임계전압을 상회하는 부분이 좁은 영역에 국한되어 심하게 발열되는 핫스팟(hot spot)이 심각하게 발생한다.
본 발명은 핫스팟에 전계가 집속되는 현상을 완화하여 완만한 애벌런치 항복이 일어나게 하고 이는 즉 이득(M)이 역방향 인가전압(VR)에 대해 완만하게 증가하도록 한다.
또한, 종래 수광소자에 비하여 2차원 도핑층을 두 개 이상 배치한 본 발명에 따른 수광소자는 인가된 전압대비 이득의 변동폭이 감소한다.
이처럼 종래의 기술로 단순한 하나의 가우시안(Gaussian) 도핑층을 배치한 (Single Gaussian: SG), 가우시안 도핑층을 2개 배치한 구조(Double Gaussian: DG), 본 발명의 2차원 도핑층을 두 개 배치한 구조(2D Pulse:TD)의 이득특성을 구체적으로 설명하면, 도 12에서 βSG > βDG > βTD의 기울기 차이는 싱글 가우시안(SG)의 기울기(βSG)에 비해 더블 가우시안(DG) 기울기(βDG)가 감소하고, 본 발명의 2차원 펄스 도핑의 기울기(βTD)는 더욱 감소될 수 있다. 기울기가 감소할수록 소자의 이득은 인가전압에 대한 변화가 완만하여 소자구동의 안정성이 높아진다.
이와 같이 2차원 도핑층을 이용함으로써 이득의 변동폭이 작은 만큼 수광소자 구동시 이득을 일정하게 제어하는 정확도를 높일 수 있다. 또한, 종래의 기술에서 핫스팟에 집속이 심한데 비해 전계의 집속이 완화되어 주변 온도에 의한 영향을 적게 받고, 자체발열에 의한 온도상승도 완화되므로 장기적 신뢰성을 높여 동작시킬 수 있다.
본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고 본 발명의 기술적 요지를 벗어나지 아니하는 범위 내에서 다양하게 수정, 변형되어 실시될 수 있음은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어서 자명한 것이다.
1:반도체 기판 2:광흡수 에피층
3:집속층 4:가속층
5:증배층 6:캡층
7:n+-형 에피층 8:절연막
9:언도핑영역 10:절연층
11:콘택 윈도우 12:금속층
13:오믹콘택 14:수광영역
15:반사방지막

Claims (11)

  1. 박막의 성장과정에서 한시적으로 불순물을 도핑하여, 평면상(two-dimensional) 도핑층을 형성하는 이차원 도핑 기술을 이용한 수광소자로서,
    반도체 기판의 상부 전면에 위치하는 광흡수 에피층; 및
    상기 광흡수 에피층의 상부 중앙부 일부에 순차 적층되어 메사구조를 이루는 집속층, 가속층, 증배층, 캡층 및 n+-형 에피층을 포함하되,
    상기 집속층과 증배층은 p형 불순물 이온이 2차원 도핑된 것을 특징으로 하는 수광소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 메사구조의 측면은 언도핑영역인 것을 특징으로 하는 수광소자.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 메사구조의 하부측 상기 반도체 기판이 제거되어 상기 광흡수 에피층의 일부가 노출된 것을 특징으로 하는 수광소자.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 집속층은,
    p형 불순물이 2차원 도핑된 것이며, 2차원 도핑농도는 1012~1015cm-2, 두께는 10~50nm인 수광소자.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 가속층은,
    언도핑층이며, 두께가 0.1~3um인 수광소자.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 증배층은,
    p형 불순물의 2차원 도핑층이며, 2차원 도핑농도는 1012~1015cm-2, 두께는 10~50nm인 수광소자.
  7. 박막의 성장과정에서 한시적으로 불순물을 도핑하여, 평면상(two-dimensional) 도핑층을 형성하는 이차원 도핑 기술을 이용한 수광소자 제조방법으로서,
    a) 반도체 기판의 상부에 광흡수 에피층, 도핑층인 p형 2차원 도핑층을 포함하는 집속층, 언도핑층인 가속층, p형 2차원 도핑층을 포함하는 증배층 및 n형 도핑층인 캡층을 순차적으로 형성하는 단계;
    b) 상기 캡층, 증배층, 가속층, 집속층을 메사구조로 식각하는 단계; 및
    c) 열처리를 통해 상기 캡층, 증배층, 가속층, 집속층이 적층된 메사구조의 측면을 언도핑영역으로 전환하는 단계를 포함하는 수광소자 제조방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 메사구조의 하부측 상기 반도체 기판의 일부를 제거하여, 상기 광흡수 에피층의 일부를 노출시키는 단계를 더 포함하는 수광소자 제조방법.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 a) 단계에서,
    상기 집속층은, 단결정 성장층이며, 2차원 도핑농도가 1012~1015cm-2, 두께가 10~50nm가 되도록 성장시키는 수광소자 제조방법.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 a) 단계에서,
    상기 가속층은, 언도핑된 단결정 성장층이며, 두께가 0.1~3um가 되도록 성장시키는 수광소자 제조방법.
  11. 제7항에 있어서,
    상기 a) 단계에서,
    상기 증배층은, p형 불순물의 2차원 도핑층이며, 2차원 도핑농도는 1012~1015cm-2, 두께는 10~50nm가 되도록 성장시키는 수광소자 제조방법.
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