KR102176477B1 - 후면 입사형 광 검출기 - Google Patents

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Abstract

실시예에 의한 후면 입사형 광 검출기가 개시된다. 상기 후면 입사형 광 검출기는 반도체 기판; 상기 반도체 기판의 상부에 배치되고, 적어도 하나의 광 흡수층을 포함하는 복수의 반도체층; 및 상기 복수의 반도체층의 상면에 배치되고, 상기 광 흡수층을 통과한 투과광을 내부 전반사시켜 상기 광 흡수층으로 경사지게 재입사시키는 복수의 삼각 프리즘형 반사부를 포함하고, 상기 삼각 프리즘형 반사부는 상기 광 흡수층의 상부에 위치하고 수직으로 입사된 광이 투과되는 베이스면; 및 상기 베이스면을 통과한 투과광을 내부 전반사시켜 상기 베이스면을 통해 상기 광 흡수층으로 경사지게 재입사시키는 두 개의 반사 거울면을 포함한다.

Description

후면 입사형 광 검출기{BACKSIDE ILLUMINATED PHOTODETECTOR}
실시예는 광 검출기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 복수의 삼각 프리즘형 반사부를 갖는 후면 입사형 광 검출기에 관한 것이다.
광 검출기는 광통신에서 광신호를 전기신호로 변환하는 핵심 소자이다. 광통신은 지속적으로 증가하고 있는 유선/무선 통신 용량의 증가에 대응하기 위해서 끊임없는 대역폭 증가를 요구 받고 있다. 현재 광통신에서는 25GBd/sec(Giga Baud per second) 광 검출기가 주류로 사용되고 있지만 향후 4 ~ 5년 주기로 50GBd 및 100GBd로 순차적인 동작속도의 향상이 이루어질 것으로 예측된다.
현재 상용화된 25GBd 광 검출기는 대부분 제작이 용이하고, 사용이 편리한 수직 입사형 구조를 채택하고 있다. 수직 입사형 광 검출기는 반도체 광 검출기가 개발된 초창기부터 사용되어온 광 검출기의 기본적인 구조로서, 입사광과 광 생성된 전하 캐리어(carrier)가 광 흡수층에 대해 수직으로 이동한다. 수직 입사형 광 검출기의 동작속도 또는 대역폭(bandwidth)은 직렬저항과 접합용량으로 결정되는 RC 시정수(time constant)와 공핍층(depletion layer)내에서의 전하 운반자의 이동시간(transition time)에 의해 결정되는데, 위 두 가지 요소는 서로 상반된 관계(trade-off relationship)를 가지고 있다. 즉, 전하 운반자의 이동시간을 줄이기 위해서는 공핍층의 대부분을 차지하는 광 흡수층의 두께를 얇게 해야 하는데 그러면 접합용량이 증가하므로 이를 보상하기 위해서 광 흡수층의 면적을 줄여야 한다. 광 흡수층의 두께 감소에 따른 또 다른 부작용은 광 흡수율의 감소인데, 이것은 바로 수신감도의 저하(degradation)로 이어진다. 현재 광통신에서 주력으로 사용되고 있는 25GBd PIN PD의 경우 흡수율이 약 50% 정도이고, 25GBd APD의 흡수율은 약 30% 정도이다.
수직 입사형 광 검출기는 통상 광 흡수층이 형성된 기판의 표면을 기준으로 빛이 광 흡수층이 형성된 기판 표면의 전방에서 광 흡수층으로 직접 입사하는 것을 전면 입사형, 이와 반대로 광 흡수층이 형성된 기판의 후면에서 입사하는 것을 후면 입사형이라고 한다.
광 흡수층의 두께가 약 3㎛ 정도인 10Gb/s 이하의 저속 동작용 전면 입사형 광검출기는 입력 광이 광 흡수층을 1회만 통과하여도 90% 이상의 광 흡수율을 얻을 수 있었다. 그러나 동작속도가 25Gb/s 이상이 되면 광 흡수층의 두께가 약 1.5㎛ 정도로 얇아지므로 1회 통과로는 충분한 광흡수가 이루어지지 못한다. 따라서 광 흡수층의 하단, 보다 상세하게는 기판과 광 흡수층 사이에 DBR(Distributed Bragg Reflector) 거울을 epitaxial 결정성장법으로 형성하여 광 흡수층을 투과한 입력 광을 다시 광 흡수층으로 반사시켜 두번째 광흡수가 이루어지도록 하고 있지만 DBR 거울 제작에 추가적인 비용이 더는 단점이 있다. 또한 전면 입사형은 광 흡수층 상부에 형성되는 금속 전극에 의해 수광 면적이 줄어들어 광 결합 효율이 낮아질 수 있다.
전면 입사형의 상기와 같은 단점을 보완하기 위해 개발된 것이 후면 입사형 광검출기이다. 후면 입사형 광 검출기는 광 흡수층이 형성된 기판의 후면으로부터 입력 광이 입사되고 소자의 상부, 보다 구체적으로는 광 흡수층의 상층부에 광 흡수층을 투과한 입력 광을 다시 광 흡수층으로 반사하는 반사수단이 구비된다. 반사수단은 유전체 박막 또는 저항성 접촉 금속층이 사용될 수 있어 제조비용이 저렴하다. 이와 같은 후면 입사형 광 검출기는 현재 25GBd 이상의 고속 동작용으로 주로 사용되고 있다.
종래의 후면 입사형은 입사광의 진행 경로가 광 흡수층과 수직하다. 따라서 광 흡수층의 두께가 더욱 얇아지면 이중 광 흡수를 통해서도 충분한 광 흡수를 할 수 없다. 종래의 후면 입사형 광검출기의 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해서 광 흡수층의 측면에 경사진 반사 거울을 배치하고 기판의 후면에서 입사광을 경사 거울로 입사시켜 진행경로를 변경시키고 반사광이 광 흡수층으로 경사지게 입사토록함으로써 입사광의 경로 길이(path length)를 증가시켜 광 흡수율을 증가시키는 경사 입사형이 제안된 바 있다. 상기와 같은 경사 입사형은 입사빔의 단면이 입사각에 비례하여 타원형으로 변형되는 문제점이 있다. 예를 들어 기판 표면의 연장선과 경사 거울면이 이루는 각이 55도이면 경사 거울면에 대한 입사각 역시 55도이고, 장축 방향의 빔 사이즈는 당초 입사빔의 사이즈 보다 약 1/sin(2*55-90)
Figure 112019114925859-pat00001
2.92 배만큼 길어진다. 따라서 광 흡수층이 입사광을 충분히 수신하기 위해서는 광 흡수층의 단면 모양 역시 같은 비율로 일 방향으로 길어져야 한다. 이때 장축과 수직한 단축 방향의 빔 사이즈가 원래 보다 줄어드는 것은 아니기 때문에 결국 광 흡수층의 면적이 커지게 되고 이는 접합용량의 증가와 대역폭의 감소를 가져온다. 또한 상기 경사 거울면은 입사광의 전부를 반사시킬 수 있도록 수십 ㎛ 이상의 넓은 직경을 가져야 하는데 건식 또는 습식 에칭으로 위와 같이 넓은 면적의 거울면을 만들기가 어렵다. 통상 거울면은 비교적 거친 1차 기계적 가공 이후에 별도의 연마 과정을 통해 표면 거칠기를 개선하는데 반도체 공정을 이용하여 이와 같은 연마 공정을 수행하기 어렵다. 연마되지 않은 거울면은 광이 임의 방향으로 반사되는 산란을 일으키고 이는 광 흡수층으로 입사하는 입사광의 양을 감소시키고 이는 경로 길이 향상 효과에 의한 광 흡수율 증가효과를 상쇄할 수 있다.
일본 공개특허공보 특개2005-294669호 일본 공개특허공보 특개2009-117499호 일본 공개특허공보 특개2000-150923호
실시예는, 복수의 삼각 프리즘형 반사부를 갖는 후면 입사형 광 검출기를 제공할 수 있다.
실시예에 따른 후면 입사형 광 검출기는 반도체 기판; 상기 반도체 기판의 상부에 배치되고, 적어도 하나의 광 흡수층을 포함하는 복수의 반도체층; 및 상기 복수의 반도체층의 상면에 배치되고, 상기 광 흡수층을 통과한 투과광을 반사시켜 상기 광 흡수층으로 경사지게 재입사시키는 복수의 삼각 프리즘형 반사부를 포함하고, 상기 광 흡수층의 상부에 위치하고 수직으로 입사된 광이 투과되는 베이스면; 및 상기 베이스면을 통과한 투과광을 내부 전반사시켜 상기 베이스면을 통해 상기 광 흡수층으로 경사지게 재입사시키는 두 개의 반사 거울면을 포함할 수 있다.
상기 두 개의 반사 거울면과 상기 반도체 기판의 표면을 연장한 가상의 선이 이루는 각도는 미리 정해진 임계각 이상이고 45도 이하의 범위 이내일 수 있다.
상기 임계각 θcrit은 수학식
Figure 112019114925859-pat00002
에 의해 구하고,
Figure 112019114925859-pat00003
은 상기 반사부를 둘러싼 외부 물질의 굴절률이고,
Figure 112019114925859-pat00004
는 상기 반사부의 굴절률이고, 상기
Figure 112019114925859-pat00005
은 상기
Figure 112019114925859-pat00006
보다 작다.
상기 삼각 프리즘형 반사부의 표면인 반사 거울면과 상기 반도체 기판의 표면을 연장한 가상의 선이 이루는 각도는 30 ~ 40도 범위 이내일 수 있다.
상기 반사 거울면은 {2 1 1} 결정면 그룹 중 어느 하나 이상으로 이루어질 수 있다.
상기 복수의 반도체층은 상기 반도체 기판의 상부에 형성된 제1 전기 접촉층; 상기 제1 전기 접촉층의 상부에 형성된 광 흡수층; 상기 광 흡수층의 상부에 형성된 제2 전기 접촉층; 상기 제1 전기 접촉층의 상부 가장자리에 형성된 제1 금속 패드; 및 상기 제2 전기 접촉층의 상부 가장자리에 형성된 제2 금속 패드를 포함할 수 있다.
상기 후면 입사형 광 검출기는 상기 삼각 프리즘형 반사부의 상부에 배치되는 표면 보호층을 더 포함할 수 있다.
상기 표면 보호층은 유전체나 금속이 코팅되어 형성될 수 있다.
상기 복수의 반도체층은 상기 반도체 기판의 상부에 형성된 제1 전기 접촉층; 상기 제1 전기 접촉층의 상부에 형성된 광 흡수층; 상기 광 흡수층의 상부에 형성된 제2 전기 접촉층; 상기 제1 전기 접촉층의 상부 가장자리에 형성된 제1 금속 패드를 포함할 수 있다.
상기 후면 입사형 광 검출기는 상기 삼각 프리즘형 반사부의 상부에 배치되는 금속층을 더 포함할 수 있다.
상기 후면 입사형 광 검출기는 상기 반도체 기판의 후면에 코팅되어 형성되고 상기 반도체 기판의 후면으로 입사되는 광의 반사를 방지하는 반사 방지층을 더 포함할 수 있다.
상기 후면 입사형 광 검출기는 상기 반도체 기판의 후면이 식각되어 형성된 렌즈부; 및 상기 렌즈부의 후면에 코팅되고 상기 반도체 기판의 후면에 형성된 렌즈부로 입사되는 광의 반사를 방지하는 반사 방지층을 더 포함할 수 있다.
상기 복수의 반도체층은 상기 광 흡수층의 상부 또는 하부에 원자 조성, 도펀트 타입, 도펀트 농도 및 밴드갭 에너지 중 적어도 하나 이상이 다른 반도체층을 더 포함할 수 있다.
실시예에 따르면, 후면 입사형 광 검출기의 광 흡수층 상부에 광 흡수층 상부에 내각이 90도 보다 큰 복수의 삼각 프리즘형 반사부를 구비하여, 광 흡수층에서 흡수되지 못하고 통과한 투과광(transmitted light)은 광 흡수층과 평행한 삼각 프리즘의 베이스면으로 수직하게 입사하고 내부 전반사 특성을 가진 두 경사 거울면에서 반사되어 광 흡수층으로 경사지게 재진입토록 함으로써, 투과광이 광 흡수층을 지나는 경로 길이를 증가시킬 수 있다.
실시예에 따르면, 입사광은 광 흡수층으로 수직으로 입사하기 때문에 광 흡수층의 수신 효율이 높고, 반면에 광 흡수층에서 흡수되지 못한 투과광은 광 흡수층으로 경사지게 재 입사하기 때문에 투과광에 대한 광 흡수층의 유효 두께가 증가하여 투과광의 광흡수 효율을 높일 수 있다.
실시예에 따르면, 삼각 프리즘형 반사부의 내부 전반사 거울에서 표면 요철에 의한 전방 및 후방 산란이 발생하더라도 광 흡수층과의 거리가 수 ㎛ 이내로 가깝기 때문에 후방 산란광의 대부분이 광 흡수층으로 재 진입할 수 있고 전방으로 산란된 광도 반대편 거울에서 재반사되어 광 흡수층으로 입사될 수 있다.
실시예에 따르면, 삼각 프리즘형 반사부는 서로 평행한 복수의 삼각 프리즘으로 구성하고 각 프리즘 간의 간격과 두께는 수 ㎛ 이하로 작게 구현할 수 있다.
실시예에 따르면, 삼각 프리즘형 반사부는 서로 평행한 복수 개로 구성되어 각 프리즘 베이스의 길이는 광 흡수층의 직경에 비해 1/n(여기서 n은 프리즘의 개 수)이다. 또한 경사 입사에 따라 각 프리즘의 경사면에서 타원형으로 변형된 반사빔의 장축의 길이는 적어도 프리즘 베이스 면의 폭 보다는 크지 않고 이것은 광 흡수층 직경의 1/n 보다 작기 때문에 반사광의 대부분이 광 흡수층으로 재입사될 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 후면 입사형 광 검출기의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 후면 입사형 광 검출기의 평면도이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 후면 입사형 광 검출기의 단면도이다.
도 4는 도 1에 도시된 삼각 프리즘형 반사부의 형상을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 도 4에 도시된 삼각 프리즘형 반사부의 다양한 형상을 나타내는 도면이다.
도 6은 실시예에 따른 후면 입사형 광 검출기의 광 진행 경로를 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 후면 입사형 광 검출기의 단면도이다.
도 8은 본 발명의 제3 실시예에 따른 후면 입사형 광 검출기의 단면도이다.
도 9는 본 발명의 제4 실시예에 따른 후면 입사형 광 검출기의 단면도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
다만, 본 발명의 기술 사상은 설명되는 일부 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있고, 본 발명의 기술 사상 범위 내에서라면, 실시예들간 그 구성 요소들 중 하나 이상을 선택적으로 결합, 치환하여 사용할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서 사용되는 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는, 명백하게 특별히 정의되어 기술되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 일반적으로 이해될 수 있는 의미로 해석될 수 있으며, 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥상의 의미를 고려하여 그 의미를 해석할 수 있을 것이다.
또한, 본 발명의 실시예에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다.
본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함할 수 있고, "A 및(와) B, C 중 적어도 하나(또는 한 개 이상)"로 기재되는 경우 A, B, C로 조합할 수 있는 모든 조합 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제1, 제2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다.
이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등으로 한정되지 않는다.
그리고, 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 '연결', '결합' 또는 '접속'된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성 요소에 직접적으로 연결, 결합 또는 접속되는 경우뿐만 아니라, 그 구성 요소와 그 다른 구성 요소 사이에 있는 또 다른 구성 요소로 인해 '연결', '결합' 또는 '접속' 되는 경우도 포함할 수 있다.
또한, 각 구성 요소의 "상(위) 또는 하(아래)"에 형성 또는 배치되는 것으로 기재되는 경우, 상(위) 또는 하(아래)는 두 개의 구성 요소들이 서로 직접 접촉되는 경우뿐만 아니라 하나 이상의 또 다른 구성 요소가 두 개의 구성 요소들 사이에 형성 또는 배치되는 경우도 포함한다. 또한, "상(위) 또는 하(아래)"으로 표현되는 경우 하나의 구성 요소를 기준으로 위쪽 방향뿐만 아니라 아래쪽 방향의 의미도 포함할 수 있다.
실시예에서는, 후면 입사형 광 검출기의 광 흡수층 상부에 내각이 90도 보다 큰 복수의 삼각 프리즘형 반사부를 구비하여, 광 흡수층에서 흡수되지 못하고 통과한 투과광(transmitted light)이 광 흡수층과 평행한 삼각 프리즘의 베이스면으로 수직하게 입사하여 내부 전반사 특성을 가진 두 경사 거울면에서 반사되어 광 흡수층으로 경사지게 재 진입하도록 한, 새로운 광 검출기 구조를 제안한다.
[제1 실시예]
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 후면 입사형 광 검출기의 사시도이고, 도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 후면 입사형 광 검출기의 평면도이고, 도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 후면 입사형 광 검출기의 단면도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 제1 실시예에 따른 후면 입사형 광 검출기는 반도체 기판(100), 광 검출부(200), 삼각 프리즘형 반사부(300)를 포함하도록 구성될 수 있다.
반도체 기판(100)은 상부에 광 검출부(200)와 삼각 프리즘형 반사부(300)가 형성될 수 있다. 반도체 기판(100)은 반도체 물질로 형성될 수 있는데, 여기서 반도체 물질은 예컨대, Si, Ge, InP, GaAs, InAs, AlAsSb, GaP, InSb, GaN, CdS, GaSb 및 HgCdTe 중 하나일 수 있다.
반도체 기판(100)의 후면에는 입사되는 광의 반사를 방지하는 반사 방지층(110)이 형성될 수 있다. 반사 방지층(110)은 반도체 기판(100)의 후면 일부에 형성되거나 후면 전체에 형성될 수 있다. 이러한 반사 방지층(110)은 적어도 하나의 유전체 박막으로 코팅되어 형성될 수 있다. 또한 반사 방지층(110)은 적어도 하나의 실리콘 산화막 또는 실리콘 질화막으로 이루어질 수 있다.
광 검출부(200)는 반도체 기판(100)의 상부에 순차적으로 적층된 제1 전기 접촉층(210), 광 흡수층(220), 제2 전기 접촉층(230)으로 이루어진 복수의 반도체층과 제1 전기 접촉층(210)의 상부에 형성된 제1 금속 패드(201), 상기 제2 전기 접촉층(230)의 상부에 형성된 제2 금속 패드(203)로 구성될 수 있다.
도 2를 참조하면, 제1 금속 패드(201)는 제1 전극 접촉층(210)의 상부 가장자리에 형성될 수 있는데, 광 흡수층(220)과 소정 간격 이격되어 광 흡수층(220)을 둘러싸도록 띠 형태 또는 링 형태로 형성되되, 그 일부 영역이 절단되어 양 끝단이 이격될 수 있다.
제2 금속 패드(203)는 제2 전기 접촉층(230)의 상부 가장자리에 형성될 수 있는데, 삼각 프리즘형 반사부를 둘러싸도록 띠 형태 또는 링 형태로 형성될 수 있다. 제2 금속 패드(203)는 저항성 접촉과 반사 수단으로서의 두 가지 목적을 동시에 수행할 수 있다.
도 1 내지 도 3에 도시된 광 검출부(200)는 광 검출기로서의 동작에 필요한 최소한의 구성요소만을 나타낸 것이고 실제로는 원자 조성, 도펀트 타입 및 밴드갭 에너지 중 적어도 하나 이상이 서로 다른 복수의 반도체층, 금속층, 그리고 표면 보호층 등이 더 추가될 수 있다.
또한 도 1 내지 도 3에 도시된 광 검출부(200)는 복수의 반도체 층, 금속층, 그리고 표면 보호층 등이 추가되거나 생략되어 PIN PD, MSM (Metal-Semiconductor-Metal) PD, UTC(Uni-Traveling Carrier) PD, Modified-UTC PD 및 Avalanche PD(APD) 등 다양한 종류의 광 검출기로 대체될 수 있다.
실시예에서는 광 검출부(200)에 포함되는 반도체층을 상술한 제1 전기 접촉층(210), 광 흡수층(220) 및 제2 전기 접촉층(230)으로 한정하는 것은 아니며, 필요에 따라 광 흡수층(220)이 추가로 형성될 수도 있고, 광 흡수층(220)의 상부, 광 흡수층(220)의 하부 또는 광 흡수층(220)의 상부 및 하부에 서로 다른 복수의 반도체층이 형성될 수 있으며, 광 검출기(200)에 포함되는 복수의 반도체층은 원자 조성, 도펀트 타입, 도펀트 농도 및 밴드갭 에너지 중 적어도 하나 이상이 서로 다르게 형성될 수 있다.
이때, 제1 전기 접촉층(210)은 N형 반도체이고, 제2 전지 접촉층(230)은 P형 반도체이거나 제1 전기 접촉층(210)은 P형 반도체이고, 제2 전지 접촉층(230)은 N형 반도체일 수 있다.
또한, 실시예에서는 광 검출부(200)를 mesa 형으로 표현하고 있지만, 본 발명은 이에 한정하는 것은 아니며, planar 형의 광 검출부에도 동일하게 적용될 수 있다.
복수의 삼각 프리즘형 반사부(300)는 광 검출부(200)의 상부에 형성될 수 있다. 복수의 삼각 프리즘형 반사부(300)는 광 검출부(200)의 광 흡수층(220)에서 흡수되지 못하고 통과한 투과광을 내부 전반사시켜 광 흡수층(220)으로 경사지게 재입사시킬 수 있다. 광 흡수층으로 경사지게 재 입사됨으로써 광 경로 길이 향상 효과를 얻을 수 있다.
도 4는 도 1에 도시된 삼각 프리즘형 반사부의 형상을 설명하기 위한 도면이고, 도 5는 도 4에 도시된 삼각 프리즘형 반사부의 다양한 형상을 나타내는 도면이다.
도 4를 참조하면, 삼각 프리즘형 반사부(300)는 단면이 삼각형이고 광 검출부(200)와 접하지 않는 두 반사 거울면(S21, S22)은 적어도 90도 이상의 둔각을 가진 삼각 프리즘 형상으로 길이 방향으로 길게 형성될 수 있다. 삼각 프리즘형 반사부(300)는 복수 개가 구비되어 광 검출부(200)의 상부에 나란히 배치되도록 형성될 수 있다.
삼각 프리즘형 반사부(300)는 광 흡수층과 접하며 광 흡수층을 투과한 입사광이 수직으로 입사하는 베이스면(S1)과 광 흡수층에서 흡수되지 못하고 광 흡수층을 통과한 투과광을 반사시켜 광 흡수층으로 경사지게 재입사시키는 제1 반사 거울면(S21)과 제2 반사 거울면(S22)을 포함할 수 있다.
도 5를 참조하면, 실시예에 따른 삼각 프리즘형 반사부(300)는 (a)와 같이 단면이 삼각형인 복수의 삼각 프리즘이 나란히 배치된 것이 이상적이나, 경우에 따라서는 (b)와 같이 사다리꼴 형태로 두 반사 거울면 사이에 소정 폭의 면이 형성되는 구조일 수 있고, (c)에서는 상부는 볼록한 라운드 형태로 형성되고, 그 사이는 오목한 라운드 형태일 수 있다.
실시예에서는 (a)와 같은 구조를 일 예로 설명하고 있지만 반드시 이에 한정되지 않고, 필요에 따라 (b), (c)의 구조뿐 아니라 다양한 형태의 구조가 사용될 수 있다.
이러한 삼각 프리즘형 반사부(300)는 광 검출부(200)의 상부에 캡층(cap layer)을 형성하고 그 형성된 캡층을 삼각 프리즘의 형태로 건식 식각(dry etching) 또는 습식 식각(wet etching)과 같은 반도체 공정 기술을 적용함으로써 형성될 수 있다. 캡층은 입사광의 흡수를 방지하기 위하여 광 흡수층 보다 밴드갭 에너지가 큰 물질로 구성된다. 광 흡수층보다 밴드갭 에너지가 큰 캡층은 항상 광 흡수층 보다 낮은 굴절률을 가진다.
도 6은 실시예에 따른 후면 입사형 광 검출기의 광의 진행 경로를 설명하기 위한 도면이다.
도 6을 참조하면, 실시예에 의한 후면 입사형 광 검출기에서 입력광인 제1광(L1)은 반사 방지층(110)이 코팅된 반도체 기판(100)의 후면으로 입사된 후, 반도체 기판(100)을 투과하여 광 흡수층(220)으로 입사될 수 있다. 이때, 제1광(L1)을 선으로 도시하였지만, 실제로는 수 내지 수십 ㎛의 직경을 가질 수 있다.
제1광(L1)이 광 흡수층(220)을 통과하면서 일부는 흡수광인 제2광(L2)으로 광 흡수층(220)에 흡수되고, 나머지는 광 흡수층(220)을 통과하는데 이를 투과광인 제3광(L3)이라 정의한다.
이때, 제1광(L1)이 반도체 기판(100)의 후면에 입사되는 각도는 수직하고, 삼각 프리즘형 반사부(300)의 표면인 반사 거울면(S21)과 반도체 기판(100)의 표면을 연장한 가상의 선(VL)이 이루는 각도를 θ라고 정의하면, 제3광(L3)이 삼각 프리즘형 반사부의 반사 거울면(S21)에서 반사되어 반도체 기판(100)에 형성된 광 흡수층(220)으로 재 입사되려면 θ는 적어도 45도보다 작아야 한다. 달리 말하면 두 반사 거울면이 이루는 내각은 적어도 90도 보다 커야 한다.
임의의 평면에 대한 입사각의 정의에 따라 반사 거울면(S21)의 수선에 대한 제1광(L1)의 입사각은 θ와 동일하다. 제1광(L1)은 입사각과 반사각은 동일한 원리에 따라서, 반사각 θ로 반사 거울면(S2)에서 반사되어 광 흡수층의 전면을 향하게 되고 이때 반사광인 제4광(L4)이 광 흡수층(220)의 전면과 이루는 각도를 Φ라고 정의하면, 입사각의 정의에 따라 제4광(L)이 광 흡수층에 입사하는 입사각 Φ는 다음의 [수학식 1]과 같다.
[수학식 1]
Figure 112019114925859-pat00007
이때, 내부 전반사(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 계면을 통과하지 못하고 전부 반사되는 현상이다.
삼각 프리즘형 반사부(300)의 굴절률을
Figure 112019114925859-pat00008
, 삼각 프리즘형 반사부를 둘러싼 외부 물질의 굴절률을
Figure 112019114925859-pat00009
이라고 정의하면, 임계각 θcrit은 다음의 [수학식 2]와 같이 정의된다.
[수학식 2]
Figure 112019114925859-pat00010
삼각 프리즘형 반사부(300)가 공기에 노출되어 있는 경우를 가정하면, 상기 [수학식 2]에서 삼각 프리즘형 반사부(300)의 굴절률이 3.15(InP)이고 외부 매질의 굴절률이 1.0일 때 임계각 θcrit은 약 18.5도이고, 삼각 프리즘형 반사부(300)의 굴절률이 3.48(Si)이면 임계각 θcrit은 약 17도가 된다. 따라서 InP, Si 등 많은 종류의 반도체 기판을 사용하여 θ가 45도 보다 작은 내부 전반사 거울을 만들 수 있고, 내부 전반사 거울은 별도의 금속막을 코팅하지 않아도 반사도가 높은 거울로 사용할 수 있다.
상기 [수학식 1]에서 Φ=2θ이므로, 만약 θ가 45도에 가깝게 되면 Φ는 90도에 가까워져 제4광(L4)이 반대편 반사 거울면으로 기판의 표면과 평행하게 진행하여 반사된 다음 광 흡수층으로 거의 수직하게 입사하므로 광 경로 향상 효과가 없어지게 된다.
만약 θ가 45도 보가 크게 되면 Φ는 90도 보다 커지고 반사광 제4광(L4)이 기판(100)의 전면 방향에서 반대편 반사 거울면(S21)으로 진행하여 반사된 다음 광 흡수층(220)으로 경사지게 입사하므로 광 경로 향상 효과가 유지 된다. 그러나 이 경우에 제4광(L4)이 입사하는 반사 거울면(S21)의 입사각은 θ와 다르고 또한 임계각 보다 작을 수 있기 때문에 전반사 되지 못하고 반사 거울면(S21)을 통과할 수 있다.
따라서 반사 거울면(S2)의 각도 θ은 임계각 θcrit보다 크고 45도보다 작아야 한다. 바람직하게, 반사 거울면(S2)의 각도 θ은 30도보다 크고 40보다 작을 수 있다.
이러한 각도를 갖는 삼각 프리즘형 반사부는 건식 또는 습식 식각으로 형성될 수 있다. InP, GaAs 등 섬아연광형(Zinc blende) 결정구조를 가진 반도체는 {100} 결정면과 {211} 결정면 사이의 각이 약 35도이다. 체심입방격자(Body centered Cubic) 결정구조를 가진 Si 및 Ge은 {110} 결정면과 {111} 결정면 사이 각이 약 35도이다. InP 웨이퍼는 {211} 결정면의 습식 식각속도가 {100} 결정면 보다 느리므로 InP (100) 웨이퍼를 습식 식각을 통해 35도의 경사각을 가진 삼각 프리즘형 거울면을 용이하게 형성 가능하다. Si 및 Ge 반도체는 {111} 결정면의 습식 식각 속도가 가장 느리므로 (110) 기판에 {111} 결정면을 가진 삼각 프리즘형 반사부를 용이하게 제작 가능하다.
제4광(L4)이 광 흡수층(220)의 전면의 일 지점에 도달하게 되면 광 흡수층(220)으로 진입하게 되는데, 이때 광 흡수층(220)으로의 입사각은 Φ이다. 제4광(L4)은 광 흡수층(220)에 재 입사하게 되는데 이를 굴절광인 제5광(L5)이라고 정의한다.
이때 제5광(L5)은 광 흡수층(220)으로 진입할 때 스넬의 법칙에 의해 반사부(300)의 굴절률과 광 흡수층(220)의 굴절률 차이에 따라 굴절된다. 제5광(L5)이 광 흡수층(220)과 수직한 수선과 이루는 굴절각(refracted angle)을
Figure 112019114925859-pat00011
라고 정의하면,
Figure 112019114925859-pat00012
는 스넬의 법칙에 따라 제4광(L4)의 입사각 Φ, 반사부의 굴절률 n2, 그리고 광 흡수층(220)의 굴절률 n3에 의해 다음의 [수학식 3]과 같이 표현될 수 있다.
[수학식 5]
Figure 112019114925859-pat00013
반사부(300)의 재질이 InP(굴절률 n=3.15 @λ=1550nm)으로 이루어지고, 광 흡수층(220)의 재질이 InGaAs(굴절률 n=3.6 @λ=1550nm)로 이루어진 경우를 예로 들면, 반사 거울면(S2)의 경사각 θ가 35도일 때, 광 흡수층(220) 내부로 진입하는 제3광(L3)의 굴절각
Figure 112019114925859-pat00014
는 약 55도가 된다. 통상 반사부(300)와 광 흡수층(220) 사이에는 제2전기 접촉층(230) 외에도 복수의 반도체층이 추가로 존재할 수 있으나, 광 흡수층(220) 내부로 재 진입하는 제5광(L5)의 굴절각
Figure 112019114925859-pat00015
은 스넬의 법칙에 의해 복수의 반도체층과 상관없이 항상 반사부(300)와 광 흡수층(220)의 굴절률에 의해 결정된다.
반사 거울면(S2)에 의해 반사되어 광 흡수층(220)으로 경사지게 재 입사하면 광 흡수층(220)을 지나는 빛의 진행 경로 거리(traveling path length)가 수직으로 입사한 것에 비해
Figure 112019114925859-pat00016
만큼 증가하게 되고, 이것은 광 흡수층(220)의 유효 두께(effective thickness)가 그 만큼 증가하는 것과 같은 효과를 가진다. 예컨대, 굴절각
Figure 112019114925859-pat00017
이 55도 일 때 진행 경로 길이 증가효과는 약 1.74배 이다.
제3광(L3) 중에서 일부는 반사 거울면(S21)의 표면의 나노 스케일의 요철에 의해 임의의 방향으로 산란(diffused scattering)될 수 있는데 이를 산란광인 제6광(L6)이라고 정의하면 제6광(L6)은 직접 광 흡수층으로 입사하거나 또는 반대편 반사 거울면(S22)에 임계각보다 큰 각도로 입사된 제6광(L6)은 다시 반사되어 광 흡수층(220)으로 재진입할 수 있다.
이처럼 제3광(L3)은 반사 거울면(S21)에서 산란되더라도 대부분이 광 흡수층(220)으로 재 진입할 수 있으므로 종래의 후면 입사형 광 검출기에서 문제시 되는 반사 거울면에서의 산란에 의한 광 수신효율 감소 문제를 해결할 수 있다.
도 6에서는 본 발명의 일 예를 설명하기 위해서 도시한 것이며, 어떠한 특정한 광 검출기로 한정하고자 하는 것은 아니다. 즉, 실시예에 따른 후면 입사형 광 검출기는 광 흡수층(220)과 삼각 프리즘형 반사부(300) 사이에 다양한 반도체층이 추가될 수 있으며, 이를 통해 실시예는 PIN PD, MSM PD, UTC PD, Modified-UTC PD 또는 APD 등 다양한 종류의 후면 수직 입사형 PD에 적용될 수 있다.
[제2 실시예]
도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 후면 입사형 광 검출기의 단면도이다.
도 7을 참조하면, 제2 실시예에 따른 후면 입사형 광 검출기는 반도체 기판(100), 광 검출부(200), 삼각 프리즘형 반사부(300)를 포함하고, 반도체 기판(100)의 후면이 식각되어 형성된 렌즈부(120)와 렌즈부의 후면에 코팅되고 반도체 기판의 후면에 형성된 렌즈부로 입사되는 광의 반사를 방지하는 반사 방지층(110)을 더 포함하도록 구성될 수 있다.
상기 제2 실시예에 따른 후면 입사형 광 검출기는 도 3에 도시된 제1 실시예에 따른 후면 입사형 광 검출기의 구성에 렌즈부가 추가 구성되어 있을 뿐, 다른 구성 및 그 역할은 동일하기 때문에 이하에서는 렌즈부 이외의 구성에 대한 설명은 생략한다.
렌즈부(120)는 입사되는 발산광(diverging light) 또는 평행광(collimated light)을 집속(focusing)하여 광 검출부(200)의 광 흡수층(220)으로 입사시킬 수 있다.
렌즈부(120)는 건식 식각 방식으로 형성될 수 있다.
제2 실시예에서는 반도체 기판(100)의 후면에 렌즈부(120)를 구성함으로써, 광 검출기를 광섬유 또는 광도파로와 수동정렬(passive align)하는 경우 수평방향으로의 정렬오차허용도(mis-alignment tolerance)가 증가하는 효과를 갖는다.
[제3 실시예]
도 8은 본 발명의 제3 실시예에 따른 후면 입사형 광 검출기의 단면도이다.
도 8을 참조하면, 제3 실시예에 따른 후면 입사형 광 검출기는 반도체 기판(100), 광 검출부(200), 삼각 프리즘형 반사부(300), 표면 보호층(400)을 포함하도록 구성될 수 있다.
상기 제3 실시예에 따른 후면 입사형 광 검출기는 도 3에 도시된 제1 실시예에 따른 후면 입사형 광 검출기의 구성에 표면 보호층이 추가 구성되어 있을 뿐, 다른 구성 및 그 역할은 동일하기 때문에 이하에서는 표면 보호층 이외의 구성에 대한 설명은 생략한다.
표면 보호층(400)은 삼각 프리즘형 반사부(300)의 상부에 형성되고, 삼각 프리즘형 반사부(300)의 표면을 보호할 수 있다. 표면 보호층(400)은 유전체나 금속이 코팅되어 형성될 수 있고, 금속은 적어도 하나의 금속막에 의해 형성될 수 있다.
[제4 실시예]
도 9는 본 발명의 제4 실시예에 따른 후면 입사형 광 검출기의 단면도이다.
광 검출기의 동작속도가 증가함에 따라서 광 흡수층의 두께뿐만 아니라 광 흡수층의 면적 역시 줄어들고 있다. 전기 접촉층(ohmic contact layer)은 통상 광 흡수층 상단에 형성되는데, 광 흡수층의 면적이 줄어들면 마찬가지로 전기접촉층의 면적이 줄어들고 이는 접촉저항의 증가를 가져온다.
상기 [제1 실시예]에서 전기접촉층은 광 흡수층 상단의 일부분에만 형성되기 때문에 접촉저항이 증가할 수 있다. 이를 해소하기 위해서 캡층을 높게 도핑된 반도체로 하고 캡층 전체에 전기 접촉층을 형성할 수 있다. 단지 이때 반사부(300)가 공기나 유전체로 덮힌 것 보다는 반사도가 약간 감소할 수 있다.
도 9를 참조하면, 제4 실시예에 따른 후면 입사형 광 검출기는 반도체 기판(100), 광 검출부(200), 삼각 프리즘형 반사부(300), 금속층(metallic layer)(500)을 포함하도록 구성될 수 있다.
상기 제4 실시예에 따른 후면 입사형 광 검출기는 도 3에 도시된 제1 실시예에 따른 후면 입사형 광 검출기의 구성에 금속층이 광 흡수층의 전면에 형성되어 있다.
광 검출부(200)는 제1 전기 접촉층(210), 광 흡수층(220), 제2 전기 접촉층(230)의 복수의 반도체층을 포함하고, 제1 금속 패드(201)는 제1 전기 접촉층(210)의 상부 가장자리에 형성되고, 금속층(500)이 삼각 프리즘형 반사부(300)의 상부에 형성될 수 있다.
금속층(500)은 도 8의 제3 실시예에서 기재된 제2 금속 패드(203)의 역할을 하면서 표면 보호층(400)의 역할도 함께 할 수 있다. 이러한 금속층(500)은 다층의 금속 박막으로 구성될 수 있다.
상기 제4 실시예에 따른 후면 입사형 광 검출기는 도 7에 도시된 제2 실시예에서와 같이 반도체 기판의 후면이 식각되어 형성된 렌즈부가 추가 구성될 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
100: 반도체 기판
110: 반사 방지층
120: 렌즈부
200: 광 검출부
201: 제1 금속 패드
203: 제2 금속 패드
210: 제1 전기 접촉층
220: 광 흡수층
230: 제2 전기 접촉층
300: 삼각 프리즘형 반사부
400: 표면 보호층
500: 금속층

Claims (13)

  1. 반도체 기판;
    상기 반도체 기판의 후면이 식각되어 형성된 렌즈부;
    상기 렌즈부의 후면에 코팅되고 상기 반도체 기판의 후면에 형성된 렌즈부로 입사되는 광의 반사를 방지하는 반사 방지층;
    상기 반도체 기판의 상부에 형성된 제1 전기 접촉층, 상기 제1 전기 접촉층의 상부에 형성되어 상기 반도체 기판을 투과한 광이 입사되는 적어도 하나의 광 흡수층, 상기 광 흡수층의 상부에 형성된 제2 전기 접촉층, 상기 제1 전기 접촉층의 상부 가장자리에 형성된 제1 금속 패드, 상기 제2 전기 접촉층의 상부 가장자리에 형성된 제2 금속 패드를 포함하는 복수의 반도체층; 및
    상기 복수의 반도체층의 상면에 배치되고, 상기 광 흡수층을 통과한 투과광을 반사시켜 상기 광 흡수층으로 경사지게 재입사시키는 복수의 삼각 프리즘형 반사부를 포함하고,
    상기 삼각 프리즘형 반사부는,
    상기 광 흡수층의 상부에 위치하고 수직으로 입사된 광이 투과되는 베이스면; 및
    상기 베이스면을 통과한 투과광을 내부 전반사시켜 상기 베이스면을 통해 상기 광 흡수층으로 경사지게 재입사시키는 두 개의 반사 거울면을 포함하고,
    상기 두 개의 반사 거울면이 이루는 내각은 적어도 90도보다 크게 형성되는, 후면 입사형 광 검출기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 두 개의 반사 거울면과 상기 반도체 기판의 표면을 연장한 가상의 선이 이루는 각도는 미리 정해진 임계각 이상이고 45도 이하의 범위 이내인, 후면 입사형 광 검출기.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 임계각 θcrit은,
    수학식
    Figure 112019114925859-pat00018
    에 의해 구하고,
    Figure 112019114925859-pat00019
    은 상기 반사부를 둘러싼 외부 물질의 굴절률이고,
    Figure 112019114925859-pat00020
    는 상기 반사부의 굴절률이고, 상기
    Figure 112019114925859-pat00021
    은 상기
    Figure 112019114925859-pat00022
    보다 작은, 후면 입사형 광 검출기.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 삼각 프리즘형 반사부의 표면인 반사 거울면과 상기 반도체 기판의 표면을 연장한 가상의 선이 이루는 각도는 30 ~ 40도 범위 이내인, 후면 입사형 광 검출기.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 반사 거울면은,
    {2 1 1} 결정면 그룹 중 어느 하나 이상으로 이루어진, 후면 입사형 광 검출기.
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    상기 삼각 프리즘형 반사부의 상부에 배치되는 표면 보호층을 더 포함하는, 후면 입사형 광 검출기.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 표면 보호층은, 유전체나 금속이 코팅되어 형성된, 후면 입사형 광 검출기.
  9. 반도체 기판;
    상기 반도체 기판의 상부에 형성된 제1 전기 접촉층, 상기 제1 전기 접촉층의 상부에 형성되어 상기 반도체 기판을 투과한 광이 입사되는 적어도 하나의 광 흡수층, 상기 광 흡수층의 상부에 형성된 제2 전기 접촉층, 상기 제1 전기 접촉층의 상부 가장자리에 형성된 제1 금속 패드를 포함하는 복수의 반도체층;
    상기 복수의 반도체층의 상면에 배치되고, 상기 광 흡수층을 통과한 투과광을 반사시켜 상기 광 흡수층으로 경사지게 재입사시키는 복수의 삼각 프리즘형 반사부; 및
    상기 삼각 프리즘형 반사부의 상부에 배치되어 상기 삼각 프리즘형 반사부의 표면을 보호하는 역할과 제2 금속 패드의 역할을 하는 금속층을 포함하고,
    상기 삼각 프리즘형 반사부는,
    상기 광 흡수층의 상부에 위치하고 수직으로 입사된 광이 투과되는 베이스면; 및
    상기 베이스면을 통과한 투과광을 내부 전반사시켜 상기 베이스면을 통해 상기 광 흡수층으로 경사지게 재입사시키는 두 개의 반사 거울면을 포함하고,
    상기 두 개의 반사 거울면이 이루는 내각은 적어도 90도 보다 크게 형성되는, 후면 입사형 광 검출기.
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 반도체층은,
    상기 광 흡수층의 상부 또는 하부 또는 상부와 하부에 원자 조성, 도펀트 타입, 도펀트 농도 및 밴드갭 에너지 중 적어도 하나 이상이 다른 반도체층을 더 포함하는, 후면 입사형 광 검출기.
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