KR102314915B1 - 암전류의 발생을 최소화한 단일광자 검출장치 및 시스템 - Google Patents

암전류의 발생을 최소화한 단일광자 검출장치 및 시스템 Download PDF

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Abstract

암전류의 발생을 최소화한 단일광자 검출장치 및 시스템을 개시한다.
본 실시예의 일 측면에 의하면, 암전류(Dark Current)의 발생을 감소시킨 단일광자 검출장치에 있어서, 기판 상에 버퍼층, 광 흡수층, 그레이딩층, 전기장 조절층, 윈도우층 및 옴 접촉층이 순차적으로 적층되며, 상기 윈도우층 내에 확산소스가 확산되어 형성된 활성영역 및 상기 윈도우층 내에 확산소스가 상기 활성영역의 주변에서 확산되어 형성된 장벽접합을 포함하는 것을 특징으로 하는 단일광자 검출장치를 제공한다.

Description

암전류의 발생을 최소화한 단일광자 검출장치 및 시스템{Single Photon Detector and System for Minimizes the Occurrence of Dark Current}
본 실시예는 암전류의 발생을 최소화한 단일광자 검출장치에 관한 것이다.
이 부분에 기술된 내용은 단순히 본 실시예에 대한 배경 정보를 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것은 아니다.
정보 통신 기술의 발달과 함께 양자 암호 통신에서 단일 광자(Single Photon)를 검출할 수 있는 단일 광자 검출장치(Single Photon Detector)의 중요성이 대두되고 있다.
단일 광자 검출장치는 1.3㎛ 내지 1.5㎛의 장거리 통신 파장대역에 적합하며, 특히, 단일 광자와 같이 미약한 세기의 광 신호를 검출하는데 효과적이다. 이러한 단일 광자 검출장치는 주로, InGaAs/InP 타입의 APD(Avalanche Photo Diode, 또는, 아발란치 포토다이오드)를 수광소자로 사용한다.
APD는 단일 광자를 검출하기 위해 항복 전압(Breakdown Voltage) 이상의 전압에서 동작하는데, 이를 가이거 모드(Geiger Mode)라고 한다. 가이거 모드에서는 APD의 접합 영역(PN Junction)으로 큰 역전압이 인가되며, 이로 인해, 접합 영역에 는 큰 전자장(Electric Field)이 형성된다. 이때, 접합 영역으로 입사된 광자(Photon)에 의해 접합 영역에는 전자-정공 쌍(Electron-Hole Pair)이 생성된다. 접합 영역에 인가된 강한 전자장에 의해 에너지를 획득한 전자-정공 쌍은 차례로 가속되며, 새로운 전자-정공 쌍을 생성시킨다. 이러한 현상이 누적적으로 발생하는 것을 아발란치(Avalanche, 전자사태) 현상이라고 한다.
다만, 광자가 진입하지 않았음에도 광자가 진입한 것과 같이 검출되는 경우가 있다. 이러한 현상을 암전류(Dark Current)라 한다. 반도체 pn접합 내에서 암전류는 열에너지에 의해서 가전자대의 전자가 전도대로 천이하면서 발생하는데, 밴드갭 에너지의 크기에 대하여 지수함수적으로 증가 또는 감소하는 특성을 갖는다[∝
Figure 112020122764884-pat00001
. 또한, 반도체 표면에 결합하지 않은 전자상태를 댕글링 본드(Dangling Bond)라 하는데, 이 때 전자의 에너지 상태는 밴드갭 중앙에 위치하므로 댕글링 본드의 에너지 상태를 매개로 통과하는 터널링에 의한 암전류가 크게 증가할 수 있다.
이러한 암전류는 온도를 낮추면 감소하게 된다. 그러나 온도가 낮아질수록 암전류의 발생빈도는 감소하나, 온도가 일정 온도(예를 들어, -40℃) 이하로 낮아지면 더 이상 감소하지 않거나 오히려 더 증가할 수 있다. 이 현상은 온도가 내려 갈수록 열적 생성되는 전하(전자-정공 쌍)의 수는 줄어들지만, 소멸 시간(Lifetime)이 길어져서 SPAD 활성영역으로 진입할 확률이 높아지기 때문이다. 이에 따라, 장치의 온도를 낮추는 것에 더하여 근본적인 해결방법의 모색이 필요한 실정이다.
본 발명의 일 실시예는, 암전류의 발생을 최소화하여 광자 검출 성능을 향상시킨 단일광자 검출장치를 제공하는 데 일 목적이 있다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 암전류(Dark Current)의 발생을 감소시킨 단일광자 검출장치에 있어서, 기판 상에 버퍼층, 광 흡수층, 그레이딩층, 전기장 조절층, 윈도우층 및 옴 접촉층이 순차적으로 적층되며, 상기 윈도우층 내에 확산소스가 확산되어 형성된 활성영역 및 상기 윈도우층 내에 확산소스가 상기 활성영역의 주변에서 확산되어 형성된 장벽접합을 포함하는 것을 특징으로 하는 단일광자 검출장치를 제공한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 단일광자 검출장치는 상기 활성영역 또는 장벽접합 상에 직접 적층되거나 상기 활성영역 또는 장벽접합부가 위치한 윈도우층의 상부에 위치한 옴 접촉층 상에 적층되는 애노드 전극을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 단일광자 검출장치는 상기 애노드 전극으로부터 기 설정된 거리만큼 떨어진 위치의 상기 옴 접촉층의 상단에 형성되거나, 상기 기판의 하부에 형성되는 캐소드 전극을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 장벽접합부는 상기 활성영역의 주변에, 상기 활성영역과 기 설정된 거리만큼 떨어진 위치에 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 장벽접합부는 상기 장벽접합부의 상부에 형성된 애노드 전극 및 캐소드 전극에 전원이 인가될 경우, 전기장을 형성하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 암전류(Dark Current)의 발생을 감소시킨 단일광자 검출 시스템에 있어서, 게이트 신호를 발생시켜 이를 인가하는 게이트 신호 발생부와 상기 단일광자 검출장치를 포함하며, 상기 게이트 신호 발생부로부터 게이트 신호를 인가받아, 유입되는 광자로부터 아발란치 신호를 출력하는 수광부 및 상기 수광부로부터 출력된 아발란치 신호를 수신하여 광자의 수신여부를 판별하는 판별부를 포함하는 것을 특징으로 하는 단일광자 검출 시스템을 제공한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 일 측면에 따르면, 암전류의 발생을 최소화하여, 광자 검출 성능을 향상시킨 장점이 있다.
또한, 본 발명의 일 측면에 따르면, 암전류 발생을 최소화하여, 암계수 잡음(Dark Count Noise)을 최소화할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 단일광자 검출 시스템을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 게이트 신호 발생부로부터 출력되는 게이트 신호의 파형을 도시한 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 단일광자 검출장치의 단면도이다.
도 4는 종래의 단일광자 검출장치 내에서 암전류가 발생하여 이동하는 경로를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 단일광자 검출장치 내에서 암전류가 발생하여 이동하는 경로를 도시한 도면이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 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 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에서, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 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 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해서 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다.
일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
또한, 본 발명의 각 실시예에 포함된 각 구성, 과정, 공정 또는 방법 등은 기술적으로 상호 간 모순되지 않는 범위 내에서 공유될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 단일광자 검출 시스템을 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 단일 광자 검출 시스템(100)은 게이트 신호 발생부(110), 수광부(120) 및 판별부(130)를 포함한다.
게이트 신호 발생부(110)는 펄스(PS) 또는 사인파 형태의 게이트 신호(GS)를 발생시켜, 이를 수광부(120)로 인가한다.
게이트 신호 발생부(110)는 직류 전압원(112) 및 펄스 발생부(114)를 포함한다.
게이트 신호 발생부(110)에서는 직류 전압원(112)에서 발생시킨 직류 바이어스 전압(Vdc)과 펄스 발생부(114)에서 발생한 펄스가 합쳐서 게이트 신호(GS)를 발생시킨다.
여기서, 게이트 신호(GS)는 수광부(120)를 게이티드 가이거 모드(Gated Geiger Mode, 이하에서 '가이거 모드'로 약칭함)로 동작시키기 위한 신호로서, 수광부(120)의 일단에 구비된 캐소드(C)를 거쳐 단일광자 검출 장치(125)로 입력된다. 게이트 신호(GS)에 대해서는 도 2를 참조하여 상세하게 설명하도록 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 게이트 신호 발생부로부터 출력되는 게이트 신호의 파형을 도시한 그래프이다.
도 2를 참조하면, 일반적으로, 게이트 신호(GS)는 게이트 오프(Gate-off, Tna) 기간 동안 제1 바이어스 전압(Vg1)으로 유지되며, 게이트 온(Gate-on, Ta) 기간 동안 제1 바이어스 전압(Vg1)보다 높은 제2 바이어스 전압(Vgh)으로 유지된다. 여기서, 제1 바이어스 전압(Vg1)은 직류 전압원(112)으로부터 발생된 바이어스 전압(Vdc)과 동일한 전압일 수 있다.
게이트 신호(GS)의 진폭(VG)은 제2 바이어스 전압(Vgh)과 제1 바이어스 전압(Vg1)의 차로 나타낼 수 있으며, 주기(Tg)는 게이트 온(Ta)이 시작되는 지점으로부터 다음 게이트 온(Ta)이 시작되는 지점까지를 의미한다. 항복 전압(VB)과 게이트 신호(GS)의 제2 바이어스 전압(Vgh) 간의 차전압(ΔV, 또는, 차전압의 절대값)은 오버 바이어스(Over Bias) 전압을 의미한다. 게이트 신호(GS)는 수십 메가 헤르츠(MHz) 내지 수 기가 헤르츠(GHz)의 주파수로 구성될 수 있다.
다시, 도 1을 참조하면, 게이트 신호(GS)는 수광부(120)로 전송되며, 게이트 신호(GS)에 의해 단일광자 검출 장치는 가이거 모드로 동작한다. 이때, 광자(Photon)는 단일광자 검출 장치로 입력되는데, 게이트 신호(GS)가 제2 바이어스 전압(Vgh)으로 유지되는 활성화 기간(Ta)에 입사되는 것으로 설정하도록 한다. 이에, 단일광자 검출 장치로 게이트 신호(GS)가 인가됨에 따라, 단일광자 검출 장치는 활성화 기간(Ta) 동안 가이거 모드로 동작한다.
수광부(120)는 게이트 신호 발생부(110)로부터 발생된 펄스(PS) 형태의 게이트 신호(GS)를 인가받아 아발란치 신호(Avalanche Signal, Av)를 출력한다.
보다 구체적으로 설명하면, 수광부(120)는 캐소드단(C), 단일광자 검출 장치(125) 및 애노드단(A)을 포함한다.
캐소드단(C)은 단일광자 검출 장치(APD)의 일단에 구비되며, 게이트 신호 발생부(110)로부터 발생된 게이트 신호(GS)를 입력받아, 이를 단일광자 검출 장치로 전달한다.
단일광자 검출 장치(125)는 게이트 신호를 전달받아 유입되는 광자를 검출한다. 단일광자 검출장치(125)는 InGaAs/InP 타입의 APD(Avalanche Photo Diode, 또는, 아발란치 포토다이오드)로 구현될 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 단일광자 검출 장치(125)는 캐소드단(C)으로부터 게이트 신호(GS)를 수신함으로써, 항복 전압(VB)보다 큰 역바이어스 전압(Vgh)에서 광 검출을 수행하는 가이거 모드로 동작한다. 여기서, 가이거 모드는, 단일광자 검출 장치(125)가 항복 전압(VB)보다 큰 역바이어스 조건(Vgh)에서 광검출을 수행하는 동작을 의미한다. 즉, 단일광자 검출 장치(125)가 게이트 신호(GS)에 의해 가이거 모드로 동작하며, 외부로부터 광자를 수신함에 따라, 단일광자 검출 장치(125)의 내부에서는 캐리어가 증폭되는 아발란치 현상(또는, 증폭)이 발생한다. 보다 구체적으로 설명하면, 단일광자 검출 장치(125)는 게이트 신호(GS)에 의해 역방향으로 바이어스 될 경우, 인가된 게이트 신호(GS)의 제2 바이어스 전압(Vgh)에 의해 단일광자 검출 장치(125)의 PN 접합면에서는 높은 전계가 형성된다. 이때, 광자의 흡수에 의해 생성된 캐리어가 단일광자 검출 장치(125)의 증폭층으로 주입되면, 연속적인 아발란치 증폭(Avalanche Impact Ionization)을 거쳐, 단일광자 검출 장치(125) 내부에서는 전류로 증폭되는 전자 눈사태 현상(Avalanche Breakdown)이 발생한다. 이에 따라, 단일광자 검출 장치(125)는 아발란치 신호(Av)를 출력한다.
제1 애노드단(A)은 단일광자 검출 장치(125)의 타단에 구비되며, 단일광자 검출 장치(125)로부터 발생된 아발란치 신호(Av)를 노드(n)로 전달한다.
이때, 단일광자 검출 장치(125) 내에서 광자의 유입과 무관하게 암전류(Dark Current)가 발생할 수 있다. 단일광자 검출 장치(125)는 구조적으로 이러한 암전류로 인한 영향을 최소화하여, 암전류로 인한 광자의 오검출을 최대한 방지한다. 단일광자 검출 장치(125)에 대한 상세한 구조는 도 3을 참조하여 후술하기로 한다.
판별부(130)는 수광부(120)로부터 출력된 아발란치 신호(Av)에 기초하여 광자의 수신 여부를 판별한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 단일광자 검출장치의 단면도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 단일광자 검출장치(125)는 기판(310), 버퍼층(315), 광 흡수층(320), 그레이딩층(325), 전기장 조절층(330), 윈도우층(335), 옴접촉층(340)으로 구성된 에피택셜(epitaxial) 웨이퍼 상에 p-형 불순물 확산 또는 주입으로 p-형으로 변환되어 형성되는 활성영역(350), p-형으로 변환된 p-형 옴접촉층(340b), 확산 또는 이온주입되지 않은 영역에 형성되는 n-형 옴접촉층(340a), p-형 옴접촉층과 활성층 상에 형성되는 제1 애노드 전극층(345a), n-형 옴접촉층 상에 형성되는 제1 캐소드 전극층(345c), 활성영역 p-형으로 확산 또는 이온주입으로 형성되는 가드링(355), 가드링 주위로 p-형 불순물 확산 또는 이온주입으로 형성되는 장벽접합부(360, Junction), 광투과부(370) 및 증폭층(390)을 포함한다.
활성영역(350)은 p-형 불순물의 침투 깊이가 깊게 형성되는 중앙부와 p-형 불순물이 상대적으로 얕은 깊이로 침투하는 주변부로 구성된다. 단일광자 검출장치(125) 내 옴접촉층(340a 및 340b)은 생략될 수도 있다. 활성영역(350)의 중심부에서 p-형 불순물의 침투 깊이는 윈도우층(335) 내에 형성이 되는 것을 특징으로 한다. 장벽접합부(360)의 p-형 불순물 침투 깊이는 윈도우층(335) 내지 광 흡수층(320)의 일부까지 형성될 수 있다.
기판(310)은 상부에 버퍼층(315) 등이 적층될 수 있도록 한다. 기판(310)은 n+ InP 반도체 물질이나 SI(Semi Insulating)-InP 반도체 물질로 구현될 수 있다.
버퍼층(315)은 기판(310)의 상면에 적층되며, 격자 정합의 기능을 수행할 수 있다. 버퍼층(315)은 n+ InP의 반도체 물질로 구성될 수 있다.
광 흡수층(320)은 버퍼층(315)의 상면에 적층되며, 광 투과부(370)로 입사된 광자를 캐리어로 변환시킨다. 광 흡수층(320)은 기판(310) 및 버퍼층(315)보다 밴드갭이 작은 n- InGaAs로 구성되어, 광 투과부(370)로 입사되어 기판(310) 및 버퍼층(315)을 투과한 광자를 캐리어로 변환시킨다.
그레이딩층(325)은 광 흡수층(320)의 상면에 적층되며, 광 흡수층(320)에서 생성된 캐리어가 활성영역(350) 하단의 증폭층(390)으로 빠르게 전달될 수 있도록 한다. 그레이딩층(3325)은 광 흡수층(320)에서 생성된 캐리어가 활성영역(350) 하단으로 빠르게 잘 전달될 수 있도록, 광 흡수층(320)의 에너지 밴드갭(Energy Bandgap)과 전기장 조절층(330)의 에너지 밴드갭의 중간값을 갖는 물질로 구성되어야 한다. 이에, 그레이딩층(325)은 n- InGaAsP로 구성된 복수 개의 층이 적층된 형태로 구성될 수 있다. 복수의 n- InGaAsP 층들은 서로 다른 밴드갭 에너지를 가지며, InGaAs흡수층 쪽에서 InP 전기장조절층(330)으로 갈수록 밴드갭 에너지가 증가하는 방법으로 구성된다.
전기장 조절층(330)은 그레이딩층(325)의 상면에 적층되며, 활성영역(350) 하단의 증폭층(390)의 전기장을 조절한다. 전기장 조절층(330)은 전기장의 조절을 위해 n형 InP의 반도체 물질로 구성될 수 있다.
윈도우층(335)은 전기장 조절층(330)의 상면에 적층된다. 윈도우층(335)은 n- InP로 구성되어, 내부에 활성영역(350, 360)이 형성되도록 하거나 활성영역(350)의 하단에 증폭층(390)이 형성될 수 있도록 한다.
n-형 옴접촉층(340a)은 윈도우층의 상면의 가드링(355) 주위로 형성된 장벽접합부(360)의 주위로 형성되어 장벽접합부(360)를 캐소드 전극층(345c)과 전기적으로 연결한다.
n-형 옴 접촉층(340a, 340c)은 활성영역(350)으로부터 기 설정된 거리만큼 떨어진 위치(장벽접합부(360)의 위치보다 활성영역으로부터 먼 위치의)에서의 윈도우층(335) 상에 형성된다. n-형 옴 접촉층(340a, 340c) 상에 캐소드 전극층(345c 또는 345e)이 적층될 경우, n-형 옴 접촉층(340a, 340c)은 윈도우층(335)과 캐소드 전극층을 전기적으로 연결시킨다.
p-형 옴접촉층(340b)은 윈도우층 중 p-형으로 변환된 활성영역(350) 상에 형성되는데, 활성영역(350)을 제1 애노드 전극층(345a)과 전기적으로 연결한다.
p-형 옴접촉층(340b)은 활성영역(350)이 위치한 윈도우층(335) 상에 형성된다. p-형 옴접촉층(340b) 상에 제1 애노드 전극층(345a)이 적층될 경우, p-형 옴접촉층(340b)은 활성영역(350)과 제1 애노드 전극층(345a)을 전기적으로 연결시킨다.
또한, 장벽접합부(360)의 p-형 옴접촉층(미도시)은 장벽접합부(360)의 상단에도 형성되어, 장벽접합부(360)의 제2 애노드 전극(345b)이 보다 원활히 접속될 수 있도록 한다.
제1 애노드 전극(345a)은 p-형 옴접촉층(340b) 상부 또는 활성영역 상부에 직접 적층되어, 활성영역(350)으로 전원을 공급한다.
장벽접합부(360)의 제2 애노드 전극(345b)은 장벽접합부(360)가 형성된 윈도우층(335) 상에 직접 또는 장벽접합부(360)가 형성된 윈도우층의 상면에 옴 접촉층(미도시)이 형성될 경우, 그것의 상면에 적층되어, 장벽접합부(360)로 전원을 공급한다.
캐소드 전극(345c, 345e)은 장벽접합부(360)로부터 일정 거리만큼 떨어진 위치에 형성된 옴 접촉층(340a, 340c)의 상면에 적층된다.
캐소드 전극(345d, 345f)이 기판(310)의 하부에 추가적으로 형성될 수 있다.
캐소드 전극(345d, 345f)이 형성될 경우, 도 3에는 캐소드 전극(345c 내지 345f)이 각각 분리된 것처럼 도시되어 있으나, 각 전극은 하나의 몸체로 이어져 형성될 수 있다.
이처럼 전극(345)이 형성됨에 따라, 활성영역과 장벽접합부(360)로 전원이 인가되며 일정한 등전위선(380, 385)이 형성될 수 있다.
제1 애노드 전극(345a) 및 캐소드 전극(345c 내지 345f) 중 어느 하나에 전원이 연결됨에 따라, 활성영역(350)으로 전원이 공급된다. 활성영역(350)으로 전원이 공급되며, 활성영역(350)에서는 전위에 따라 상이한 등전위선(380a, 380b, 380c)이 형성된다. 전위차에 따라 일 방향(등전위선의 수직 방향)으로 전기장이 형성된다. 전기장이 형성되는 방향으로 전자 또는 정공과 같은 캐리어가 주입되므로, 열적으로 생성되어 암전류에 기여하는 전자 또는 정공들이 활성영역(350)으로 유입될 수 있다. 다만, 활성영역(350)에 인접한 장벽접합부(360)도 마찬가지로 등전위선(385a, 385b)을 형성하여, 캐리어가 주입될 수 있는 전기장을 형성한다. 이에, 장벽접합부(360)가 없었다면 활성영역(350)으로 진입할 전자 또는 정공과 같은 캐리어 중 상당 부분을 장벽접합부(360)가 흡수하여 차단함으로써, 암전류가 감소할 수 있다.
제2 애노드 전극(345b) 및 전극(345c 내지 345f) 중 어느 하나에 전원이 연결됨에 따라, 장벽접합부(360)로 전원이 공급된다. 장벽접합부(360)로 전원이 공급되면, 장벽접합부(360)에서는 전위에 따라 상이한 등전위선(385a, 385b)이 각각 형성된다. 장벽접합부(360)에서 등전위선(385)이 형성되며, 장벽접합부(360)는 주로 단일광자 검출장치(125)에서 생성되는 암전류를 유인한다. 암전류가 활성영역(350)에 형성되는 증폭층(390)으로 유입될 경우, 광자로 오검출되어 검출의 정확도를 떨어뜨린다. 이러한 문제를 방지하고자, 제2 애노드 전극(345b) 및 캐소드 전극(345c 내지 345f) 중 어느 하나에도 전원이 연결되며 장벽접합부(360)도 등전위선(385a, 385b)을 형성한다. 이에 따라, 암전류가 장벽접합부(360)로 유인되며, 증폭층(390)로 유입되는 것이 방지된다.
활성영역(350)은 윈도우층(335) 내에서 확산소스가 주입(Implant)되거나 확산(Diffuse)된 영역이다. 주입되거나 확산되는 확산소스는 Zinc와 같은 p-형 불순물일 수 있으며, 확산소스가 주입되거나 확산됨에 따라, 활성영역(350)은 p형 InP 특성을 갖는다. 활성영역(350)은 외부로부터 광자가 단일 광자 검출장치(125) 내로 유입되는 광 투과부(370)의 연직 상방에 형성된다. 활성영역(350)의 하단에는 아발란치 현상을 유도하기 위한 증폭층(390)이 형성되어, 활성영역(350)은 유입된 광자로 인한 전기신호를 제1 애노드 전극(345a)로 전달한다. 활성영역(350)의 하단에는 아발란치 현상을 유도하기 위한 증폭층(390)이 형성되어야 하므로, 활성영역(350)으로의 확산소스는 윈도우층(335) 내 일부까지만 주입된다.
제1 애노드 전극(345a)와 제1 캐소드 전극(345c) 또는 제2 캐소드 전극(345f) 중 하나 또는 모두에 바이어스 전압을 인가하면, 활성영역(350)으로 전원이 공급된다. 이에, 활성영역(350)은 각 전위에 따른 등전위선(380a, 380b, 380c)을 형성한다. 이처럼 형성되는 등전위선(380)은 등전위선의 수직 방향으로 전기장이 형성되므로, 등전위선의 수직방향으로 광자에 의해 형성된 캐리어를 증폭층(390)로 유인한다. 다만, 등전위선(380)이 광 흡수층(320)까지 일정 면적만큼 형성되어 있기 때문에, 광자로 인한 캐리어 외에도 광 흡수층(320) 내부에서 열적으로 생성된 캐리어도 등전위선(380)에 의해 증폭층(390)으로 유도되어 암전류가 될 가능성이 존재한다. 광 흡수층의 밴드갭 에너지가 가장 작기 때문에, 열적으로 생성되는 암전류는 주로 광 흡수층(320)에서 발생한다. 활성영역 이외의 주변에서 열적으로 생성되는 캐리어는 전기장이 인가되지 않기 때문에(등 전위선이 없음), 쿨롱 법칙에 의한 힘(F=qE)을 받지 않게 되고 따라서 아무 방향으로라도 움직일 수 있다. 이러한 캐리어가 활성영역(350)으로 우연히 들어오게 되면, 활성영역(350)에 인가된 전기장에 의해 가속되고 암전류로 동작된다. 활성영역(350)의 크기는 매우 작은데 반해 열적 캐리어를 생성할 수 있는 활성영역(350) 주변의 흡수층 영역은 매우 넓으므로, 많은 캐리어들이 이와 같은 방식으로 암전류에 기여할 수 있다. 이에, 활성영역(350)의 주변에 장벽접합부(360)가 형성되어 있다면, 활성영역(350) 보다 먼 곳에서 활성영역(350)으로 이동해 오는, 열적 생성된 캐리어들을 장벽접합부(360)에서 차단할 수 있기 때문에 암전류를 줄일 수 있다.
전술한 현상을 보다 상세히 설명하면, 장벽접합부(360)가 활성영역(350)에 인접하여 추가로 형성된다. 장벽접합부(360)는 윈도우층(335) 내지 광 흡수층(320)의 일부까지 p-형 불순물이 주입되거나 확산되며 형성된다. 활성영역(350)과 동일한 p-형 불순물이나 상이한 p-형 불순물이 장벽접합부(360)로 주입되거나 확산될 수 있다. 장벽접합부(360)는 활성영역(350)의 주변에 인접한 위치에 형성되며, 보다 구체적으로는 활성영역(350)의 주위에 활성영역(350)으로부터 기 설정된 거리만큼 떨어진 위치에 형성된다. 제2 애노드 전극(345b) 및 캐소드 전극(345c 내지 345f) 중 어느 하나에 전원이 연결될 경우, 활성영역(350)과 마찬가지로 장벽접합부(360)는 등전위선(385)을 형성한다. 장벽접합부(360)는 활성영역(350)의 주변에서 등전위선(385)을 형성하며, 암전류를 유인한다. 전술한 대로, 광 투과부(370)의 연직 상방에 활성영역(350)이 형성되어 있기에, 광자의 유인으로 인한 캐리어는 활성영역(350)의 증폭층(390)으로 유인된다. 한편, 주로 광 흡수층(320)에서 발생하는 암전류는 활성영역(350)에 인접한 위치에서 발생하는 것이 아닌 한, 활성영역(350)으로부터 인접한 위치에 형성된 장벽접합부(360)의 등전위선(385)에 의해 장벽접합부(360)로 유인되게 된다. 이에 따라, 장벽접합부(360)는 암전류가 활성영역(350)의 증폭층(390)으로 유인되는 것을 근본적으로 차단할 수 있다. 단일광자 검출장치(125) 내에서 활성영역(350)의 면적은 수%정도 밖에 되지 않기 때문에, 장벽접합부(360)가 등전위선(385)을 형성함으로써 암전류 발생을 상당부분 방지할 수 있다. 암전류가 유도되는 과정은 도 4 및 도 5에 도시되어 있다.
도 4는 종래의 단일광자 검출장치 내에서 암전류가 발생하여 이동하는 경로를 도시한 도면이고, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 단일광자 검출장치 내에서 암전류가 발생하여 이동하는 경로를 도시한 도면이다.
암전류는 주로 열적으로 생성되는 캐리어에 의해서 발생하는데, 밴드갭 에너지 크기가 작은 광 흡수층(320)에서 주로 발생한다. 예를 들어, 윈도우층에서 열적으로 발생하는 확률은 낮기 때문에 무시할 수 있다. 발생시기는 게이트 신호의 인가와 무관하게 임의의 타이밍에 발생한다.
도 4를 참조하면, 등전위선(420a 내지 420c)들의 사이가 전기장이 인가되는 활성영역이 되므로, 활성영역 내부에서 열적 생성되는 캐리어는 암전류에 기여하게 된다. 등전위선(420, 425)과 아주 멀리 떨어진 위치의 광흡수층(320)에서 열적 생성된 캐리어는 등전위선(420a 내지 420c)이 위치한 방향과 다른 방향으로 진행할 수도 있으나, 그렇지 않은 캐리어는 대부분 등전위선(420a 내지 420c)에 의해 형성되는 활성영역으로 유인된다. 이에, 암전류는 활성영역(410) 하단의 증폭층을 거치며 증폭되어 검출되게 된다.
반면, 도 5를 참조하면, 활성영역(350)의 등전위선(380a 내지 380c) 내에서 발생하거나 그것과 아주 인접하여 발생하는 암전류라면 불가피하게 활성영역(350) 내 증폭층(390)으로 유인될 수밖에 없다. 다만, 전술한 위치를 벗어난 위치에서 암전류가 발생하게 된다면, 암전류는 장벽접합부(360)가 형성하는 등전위선(385a 및 385b)에 의해 장벽접합부(360)로 유인됨에 따라, 활성영역(350)으로 유인되지 않는다. 이에, 암전류로 인한 광자의 오검출율을 현저히 감소시킬 수 있다.
다시 도 3을 참조하면, 장벽접합부(360)의 형성을 위한 확산소스는 윈도우층(335)까지 주입될 수 있으며, 윈도우층(335) 뿐만 아니라 전기장 조절층(330)을 지나 광 흡수층(320)의 일부까지도 주입될 수 있다. 광 흡수층(320)에서 형성되는 암전류의 유인을 보다 효과적으로 할 수 있도록, 장벽접합부(360)는 광 흡수층(320)의 일부까지 형성될 수도 있다. 이에, 장벽접합부(360)로 작은 전압만으로도 등전위선(385)을 형성할 수 있으며, 이에 따라 암전류를 유인할 수 있다.
가드링(355)은 활성영역(350)의 외곽에 활성영역(350)을 둘러싸는 폐곡선 또는 링(Ring) 형상의 형태로 구성될 수 있으며, 활성영역(350)의 외곽에 형성된 전기장의 피크(Peak)를 감소시킨다.
광 투과부(370)는 기판(310)의 하부에 전극(345)이 형성되지 않은 부분으로서, 외부로부터 제공된 광자가 입사될 수 있도록 하는데, 공기와 반도체 사이의 굴절률 차이에 의해 광자의 반사손실이 발생할 수 있으므로 이를 최소화하기 위해 무반사막(370)이 형성된다. 광자가 활성영역(350)으로 입사될 수 있도록, 광 투과부(370)는 활성영역(350)의 연직 하방에 형성되며, 활성영역(350)의 폭과 동일한 폭을 가질 수 있다.
전술한 바와 같이, 장벽접합부(360)가 활성영역(350)으로부터 기 설정된 거리만큼 떨어진 위치에서 등전위선을 형성함에 따라 효과적으로 암전류를 유인할 수 있다. 단순히 활성영역(350)에 인접한 위치에서 활성영역으로 유입되는 캐리어를 물리적으로 차단하기 위한 구조만을 포함할 경우, 반도체의 표면에서 형성된 댕글링 본드에 의한 캐리어는 차단할 수 있으나, 해당 구조물의 표면에서 댕글링 본드가 발생하며 암전류가 증가하는 문제가 발생한다. 그러나 장벽접합부(360)는 등전위선을 형성함에 따라 전술한 바와 같이 자신의 표면에서 발생하는 댕글링 본드에 의한 암전류까지도 방지할 수 있어, 암전류 발생을 최소화한다.
또한, 도 3을 참조하여 설명한 단일광자 검출 장치(125) 내 각 구성은 편의성 p형 또는 n형 물질로 한정하여 설명하고 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. p형 물질로 구현되는 것으로 설명된 구성은 n형 물질로, 반대로 n형 물질로 구현되는 것으로 설명된 구성은 p형 물질로 구현될 수 있다.
이상의 설명은 본 실시예의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 실시예들은 본 실시예의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 실시예의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 실시예의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 실시예의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 단일 광자 검출 시스템
110: 게이트 신호 발생부
112: 직류 전압원
114: 펄스 발생부
120: 수광부
125, 400: 단일 광자 검출 장치
130: 판별부
310: 기판
315: 버퍼층
320: 광 흡수층
325: 그레이딩층
330: 전기장 조절층
335: 윈도우층
340: 옴 접촉층
345: 전극
350, 410: 활성영역
355: 가드링
360: 장벽접합
370: 광 투과부
380, 385, 420: 등전위선
390: 증폭층

Claims (9)

  1. 기판 상에 버퍼층, 광 흡수층, 그레이딩층, 전기장 조절층 및 윈도우층이 순차적으로 적층되는 단일광자 검출장치에 있어서,
    상기 윈도우층 내에 형성되는 활성영역;
    상기 활성영역으로부터 기 설정된 거리만큼 떨어진 위치에서 불순물의 확산 또는 이온주입에 의해 형성된 장벽접합부;
    상기 활성영역에 전원을 공급하기 위해, 상기 활성영역 상부에 형성된 제1 애노드 전극;
    상기 장벽접합부에 전원을 공급하기 위해, 상기 장벽접합부 상부에 형성된 제2 애노드 전극; 및
    상기 제2 애노드 전극으로부터 기 설정된 거리만큼 떨어진 위치에 형성되거나, 상기 기판의 하부에 형성된 캐소드 전극을 포함하고,
    상기 제2 애노드 전극 및 캐소드 전극에 전원이 인가되면 상기 장벽접합부에 전원이 공급되어, 상기 장벽접합부에 형성된 전기장에 의해 상기 장벽접합부로 캐리어가 흡수되며,
    상기 장벽 접합부는,
    상기 윈도우층 내에 형성되거나, 상기 윈도우층 및 상기 전기장 조절층 내에 형성되거나, 상기 윈도우층, 전기장 조절층 및 그레이딩층 내에 형성되거나, 상기 윈도우층, 전기장 조절층, 그레이딩층 및 광흡수층 내에 형성되어 암전류(Dark Current) 발생을 감소시키는 것을 특징으로 하는 단일광자 검출장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 윈도우층 상의 일 영역에 적층되는 옴 접촉층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 단일광자 검출장치.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 장벽접합부는,
    상기 활성영역의 주변에, 상기 활성영역과 기 설정된 거리만큼 떨어진 위치에 형성되는 것을 특징으로 하는 단일광자 검출장치.
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    상기 활성영역은,
    상기 윈도우층 내 불순물이 주입되거나 확산되며 형성되는 것을 특징으로 하는 단일광자 검출장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 장벽접합부는,
    상기 활성영역의 형성을 위해 주입된 불순물과 동일하거나 상이한 불순물이 상기 광 흡수층 내지 상기 윈도우층으로 주입되거나 확산되며 형성되는 것을 특징으로 하는 단일광자 검출장치.
  9. 암전류(Dark Current)의 발생을 감소시킨 단일광자 검출 시스템에 있어서,
    게이트 신호를 발생시켜 이를 인가하는 게이트 신호 발생부;
    제1항의 단일광자 검출장치를 포함하며, 상기 게이트 신호 발생부로부터 게이트 신호를 인가받아, 유입되는 광자로부터 아발란치 신호를 출력하는 수광부; 및
    상기 수광부로부터 출력된 아발란치 신호를 수신하여 광자의 수신여부를 판별하는 판별부
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 단일광자 검출 시스템.

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